JP2016021741A - 材料ベースの位相シフト素子及びフェーズドアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の位相シフト素子よりも大幅に小さく、軽量で、安価で、少ない消費電力の位相シフタ素子及びフェーズドアレイシステムを提供する。
【解決手段】メタマテリアルベースの位相シフト素子１００は、メタマテリアル構造体１４０の実効容量を制御するために可変コンデンサ１５０を利用し、入射する入力信号（放射）と同じ無線周波数で共振するように構成されており、入力信号の制御された散乱によって出力信号Ｓ_ＯＵＴを放射する。可変容量は、位相制御電圧Ｖｃによって調整可能であり、出力位相は制御電圧によって調整される。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相シフト素子及び放射された放射エネルギの位相をシフトする方法に関する。

位相シフタは、制御信号（例えば、ＤＣバイアス電圧）に応答して無線周波数（ＲＦ）信号の制御可能な位相シフト（すなわち、送信位相角の変更）を提供する２つのポートのネットワーク装置である。従来の位相シフタは、一般に、フェライト（強誘電体）位相シフタ、集積回路（ＩＣ）位相シフタ、及び微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）位相シフタとして分類することができる。フェライト位相シフタは、低い挿入損失と、ＩＣ及びＭＥＭＳ位相シフタよりも有意に高い電力を取り扱う能力とで知られているが、本質的に複雑であり、高い製造コストを有する。ＩＣ位相シフタは、（別名、マイクロ波集積回路（ＭＩＣ）位相シフタ）は、ＰＩＮダイオード又はＦＥＴ素子を使用し、フェライト位相シフタよりも安価でサイズが小さいが、高い挿入損失のために、それらの使用が制限されている。ＭＥＭＳ位相シフタは、フェライト及びＩＣ位相シフタの制限を克服するためにＭＥＭＳブリッジ及び薄膜強誘電体材料を使用するが、さらに比較的かさばり、高価で電力をくうままである。

位相シフタの用途は数多くあるが、おそらく最も重要な用途は、合成電磁波が所望の方向において強化され且つ所望でない方向において抑制され、それにより、アレイから所望の角度で放射されるＲＦエネルギの「ビーム」を生成するように多数の放射素子の位相が制御されるフェーズドアレイ・アンテナシステム（別名、フェーズドアレイ又は電気的に操縦可能なアレイ）の範囲内である。アンテナに給電する各信号の相対位相を変化させることにより、放射されたビームは、ビームが向けられる区域又は領域を走査又は「掃引」させることができる。そのような走査ビームは、例えば、ターゲットフィールドに位置する物体から反射（散乱）されたビームエネルギの部分を検出するために受信機が使用される関心のある区域（ターゲットフィールド）を掃引するためにフェーズドアレイ・レーダシステムにおいて利用される。

多数の位相シフタが、典型的には、フェーズドアレイ（例えば、レーダ）システムを実装するために必要とされることから、従来の位相シフタを使用することは、フェーズドアレイシステムについてのいくつかの問題を提示する。第１に、従来の位相シフタの高コストは、そうでなければ便利かもしれない多くの用途にとってフェーズドアレイシステムを高価すぎるものとし、−フェーズドアレイシステムのコストの略半分は、位相シフタのコストによるものであると推定されている。第２に、従来の位相シフタの高電力消費は、バッテリ電力に依存する多くの携帯機器上へのフェーズドアレイシステムの搭載を妨げる。第３に、従来の位相シフタを実装するフェーズドアレイシステムは、典型的には、位相シフタの複雑さだけでなく、配電ネットワークとともに、多くの高価な固体、ＭＥＭＳ又はフェライトベースの位相シフタ、制御線の複雑な集積のために非常に複雑である。さらに、従来の位相シフタを実装するフェーズドアレイシステムは、典型的には、フェーズドアレイが使用可能な用途の種類を制限する従来の位相シフタの合計重量に大部分起因して非常に重い。例えば、民間航空機及び中規模航空機は、重いレーダシステムを持ち上げるのに十分なパワーを有するが、小さい航空機や無人偵察機は、典型的には有さない。

必要とされるものは、従来の位相シフタの高重量（バルク）、高費用、複雑性及び高電力消費を回避する位相シフト素子である。必要とされるものはまた、そのような位相シフト素子を使用して位相シフトされたＲＦ信号の送信を容易とする位相シフト装置、及び、位相シフトされたＲＦ信号によって生成された操縦可能なビームの送信を容易とするフェーズドアレイである。

本発明は、適用された／受信された入力信号のものと同じ無線周波数（すなわち、３ｋＨｚから３００ＧＨｚの範囲内）を有する出力信号を生成するためにメタマテリアル構造体を利用し、且つ、適用された位相制御信号によって出力信号の位相を制御するために可変コンデンサを利用する材料ベースの位相シフト素子を対象とする。メタマテリアル構造体は、固有の「固定」容量を有する安価な金属膜又はＰＣＢ製造技術を使用して構成されており、メタマテリアル構造体が入力信号を再送信（すなわち、反射／散乱）することによって入力信号周波数において出力信号を生成することにより、適用された入力信号の無線周波数において共振するようにマクスウェル方程式を解くことによって調整される。本発明の態様によれば、可変コンデンサは、メタマテリアル構造体の実効容量がメタマテリアル構造体の固有の（固定）容量と可変コンデンサによって供給される可変容量との積として決定されるようにメタマテリアル構造体に結合される。それゆえに、出力信号の位相は、メタマテリアル構造体に適用される可変容量を変化させることによって所望の位相値に「調整可能」（調整可能に制御可能）であり、可変コンデンサに適用される位相制御信号（例えば、ＤＣバイアス電圧）を変更することによって実現される。適切な可変コンデンサと上述したメタマテリアル構造体を組み合わせることにより、本発明は、従来の位相シフト素子よりも大幅に小さく／軽量で、安価で、はるかに少ない電力しか消費しない位相シフタ素子を提供する。さらに、メタマテリアル構造体及び可変コンデンサは、別個のアンテナ給電を必要とすることなく、無線周波数出力信号を生成することから、本発明は、従来の位相シフタを使用して製造されたものと比較して大幅に改善した位相シフト装置及びフェーズドアレイシステムの製造を容易とする。

本発明の実施形態によれば、位相シフト素子は、メタマテリアル構造体に接続された第１の端子と、固定ＤＣ電圧源（例えば、グラウンド）に接続するために配置された第２の端子とを有する２端子可変コンデンサを利用し、位相制御信号は、メタマテリアル構造体又は直接可変コンデンサの第１の端子に接続されている導電性構造体によって適用される。この構成により、可変コンデンサの動作は、導電性構造体に対して位相制御信号（すなわち、バイアス電圧）を適用することによって容易に制御され、それにより、可変コンデンサに、適用された位相制御信号によって決定される（例えば、比例する）容量レベルを有する可変容量を生成させる。好ましい実施形態において、導電性構造体は、メタマテリアル構造体に適用された場合に発生する可能性のある信号損失を最小限に抑えるために可変コンデンサ端子に接触する。この構成はまた、固定（例えば、グラウンド）電位への第２の可変コンデンサ端子の接続を容易とすることにより、複数のメタマテリアルベースの位相シフト素子にわたる正確な同時制御を容易とする。

本発明の実用的な実施形態によれば、メタマテリアル構造体は、可変コンデンサの第１の端子に接続された上部（第１の）パターニングされた金属層（「島」）構造体と、島状構造体の下方に配置された電気的に絶縁された（フローティング）第２の金属構造体（背面層）と、島と下部金属層構造体との間に挟持された誘電体層とを含む３層構造を含む。島と下部金属層構造体は、複合メタマテリアル構造体が固定容量及び入力信号の無線周波数における共振を容易とする他の属性を有するように協調して構成されている（例えば、サイズ決めされ、成形され、且つ間隔をあけられる）。本発明にしたがって製造された位相シフタの低コスト化に貢献する低コスト製造技術を利用することに加え、積層構造体（すなわち、フローティングする下部金属層構造体上に配置された上部金属層「島」）は、出力信号が上方／外方のみにおいて高い指向性を有することを保証し且つ位相シフトによる効率的な散乱のために電力消費を最小化する波面成形部として機能する。現在好ましい実施形態において、メタマテリアル構造体は、入力信号（すなわち、入射放射線）の吸収を軽減する無損失誘電体を利用し、入射放射線の大部分が出力信号に再放射されることを保証する。他の特徴によれば、島状構造体は、上部金属層構造体とベース金属構造体との間に接続された可変コンデンサにより、間隔をあけてベース（第３の）金属層構造体とともに誘電体層の上面に共配置される。この具体的な構成は、さらに、低コストの表面実装技術を使用した可変コンデンサの取り付けを容易とすることによって製造コストを低減する。好ましい実施形態において、ベース（接地された）金属層は、上部誘電体表面の略全体を覆い、ベース金属層が均一幅を有する周辺間隙によって島状構造体から分離されるように島状構造体が配置される開口を画定する。このベース構造体の構成は、２つの目的を果たす：第１に、ベース金属層と島状構造体との間に適切な周辺間隙距離を設けることにより、ベース金属層は、効果的にメタマテリアル構造体の一部となる（すなわち、固定容量メタマテリアル構造体は、ベース金属層と島状構造体との間に生成された容量成分によって増強される）。第２に、島状構造体に近接した近傍においてベース金属層を形成することにより、ベース金属層は、一括モード発振をサポートする散乱面として機能し、上方／前方への出力信号（波）の散乱を保証する。他の特徴によれば、ベース金属層と島状構造体の双方は、単一（すなわち、同じ）金属（例えば、銅）を使用して形成され、それにより、低コスト製造プロセスを使用した（例えば、ブランケット金属層を蒸着し、パターニングした後、周辺溝／間隙を形成するための金属層をエッチングする）ベース金属層と島状構造体の形成を可能とすることによって製造コストをさらに削減する。他の好ましい実施形態によれば、構造体を介した金属は、下部金属層構造体及び誘電体層を介して形成された開口を通って延在し、可変コンデンサ端子と接触する。この構成は、メタマテリアル構造体の形状を複雑化することなく可変コンデンサにわたって位相制御電圧を適用するのを容易とし、また、複数の位相シフト素子を含むフェーズドアレイ構造体に配置された複数の位相シフタに対する複数の位相制御信号の分配を簡便化する。

本発明の例示的な実施形態によれば、各島状（第１の金属層）構造体は、ベース（第３の）金属層において画定された四角形の開口内部に配置された平面四角形構造として形成される。四角形の形状は、容易に形成される単純な幾何学的構造を提供し、所望の容量変化及び関連する位相シフトと位相制御電圧を相関させるために必要な数学を簡便化する制限された自由度を提供する。しかしながら、特許請求の範囲において規定されない限り、メタマテリアル構造体は、任意の幾何学的形状（例えば、円形、三角形、楕円形）を有することができることが理解される。いくつかの実施形態において、島状（第１の金属層）構造体は、１つ以上の開口領域を画定する（含む）パターニングされた平面構造として形成される（すなわち、上部誘電体表面の一部が開口領域を介して露出される）。１つの例示的な実施形態において、島状構造体は、（四角形状の）周辺フレーム部と、フレーム部から内側に延在する放射状アームと、放射状アームの内側端部に接続された内部（例えば、Ｘ字状）構造体とを含む。ここで、開口領域は、内部構造体と周辺フレーム部との間に形成される。パターニングされたメタマテリアル構造体は、制御電圧と位相シフト値との相関に関連する数学を複雑にすることがあるが、パターニングアプローチは、より多くの自由度を導入し、大きな角度（すなわち、プラスマイナス６０°よりも大きい）ビーム操縦を順次可能とする３６０°に近い位相振幅をもたらす。

本発明の他の実施形態によれば、位相シフト装置は、（上述したような）少なくとも１つの位相シフト素子を含み、さらに、位相シフト素子に近接して配置され且つ位相シフト素子の共振特性と一致する無線周波数の入力信号を生成するように構成された信号源（例えば、フィードホーン又は漏洩波フィード）と、メタマテリアル構造体が所望の出力位相の出力信号を生成することにより、予めプログラミングされた信号生成方式又は外部から供給される位相制御信号に応じて決定された（例えば、直接的に又は間接的に比例する）電圧レベルで可変コンデンサに適用される位相制御電圧を生成するように構成された制御回路（例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はマイクロプロセッサのうちのいずれかによって制御されるディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ））とを含む。メタマテリアル構造体は、好ましくは、島状構造体から離れる方向における出力信号の放射を容易とするために島状構造体の上方に配置された信号源によって生成された入力信号の無線周波数で共振するように構成された上述した積層構造体（すなわち、上部（第１の）金属層「島状」構造体、電気的に絶縁された（フローティング）下部（背面）金属層構造体及び介在誘電体層）を含む。素子の実施形態におけるように、ベース（第３の）金属層構造体は、可変コンデンサにとって便利なグラウンド接続を容易とし且つメタマテリアル構造体の固定容量を高めるために、島状構造体に近接して上部誘電体表面上に配置される。特定の実施形態において、制御回路は、背面（第２の金属）層（例えば、下部誘電体層）の下方に搭載され、位相制御電圧は、積層構造体を延在する金属ビアを介して制御回路から可変コンデンサまで通過する。

本発明の他の実施形態によれば、フェーズドアレイシステムは、例えば、制御信号を向けるビームによって決定されるそれぞれ対応する出力位相を有する複数の出力信号を組み合わせることによって生成される放射無線周波数エネルギビームを生成するために、（上述したような）位相シフト素子アレイを利用する。位相シフト素子アレイは、１次元アレイ状又は２次元アレイ状のいずれかで配置されている複数のメタマテリアル構造体及び関連する可変コンデンサと、アレイの中心に位置する信号源と、制御回路とを含む。各メタマテリアル構造体は、上述したように、その関連する可変コンデンサによって供給される可変容量によって決定された出力位相を有する関連する出力信号を生成し、各可変コンデンサは、上述したものと同様に、制御回路から受信した関連する位相制御電圧に応じて可変容量を生成する。この場合、制御回路（例えば、アレイの背面に搭載されたＤＡＣコントローラ）は、メタマテリアル構造体（放射素子）が、出力信号が放射ビームを累積的に生成するように制御される出力位相を有する出力信号を同時に生成するように、可変コンデンサのそれぞれに対して異なる位相制御電圧を送信するように構成される（すなわち、出力信号によって生成された合成電磁波は、所望の方向において強化され且つ所望でない方向において抑制され、それにより、ビームは、所望の方向に放射される）。メタマテリアル構造体が１次元アレイ状に配置されている（すなわち、各メタマテリアル構造体の金属島状構造体が１列に整列されるような）場合、位相制御電圧の電圧レベルの変化は、位相シフト素子アレイの前面に配置された扇状の２次元領域において放射ビームの「操縦」を生み出す。メタマテリアル構造体が２次元アレイ状に配置されている（例えば、金属島状構造体が行列に直交配置で整列されるような）場合、位相制御電圧の電圧レベルの変化は、位相シフト素子アレイの前面に配置された円錐状の３次元領域において放射ビームの「操縦」を生み出す。

様々な代替の特定の実施形態によれば、フェーズドアレイシステムは、個々の位相シフタを参照して上述したものと同様の特徴を利用する。例えば、好ましい実施形態において、位相シフト素子アレイは、「共有された」電気的に絶縁された（フローティング）背面層構造体上に配置された（例えば、無損失）誘電体層を含む。ここで、各メタマテリアル構造体は、金属島状構造体の下方に直接配置された背面層の関連する部分を含む（すなわち、それらの間に挟持された誘電体層部分とともに）。この「共有」積層構造体は、低コストのアレイ製造を容易とする。アレイはまた、島状構造体から間隔をあけて配置された（すなわち、電気的に絶縁された）上部誘電体表面上に配置された共有ベース（接地された）金属層構造体を含み、それにより、複数の可変コンデンサを動作可能に実装するための便利な構造を提供する。ベース金属層構造体は、好ましくは、一括モード発振を支持する散乱面を提供して順方向の波の散乱を保証するために、金属島状構造体を囲む狭い間隙を画定するように、また、そうでなければ上部誘電体表面を完全に覆うように、パターニングされた単一の金属蒸着を使用して金属島状構造体とともに同時に形成される。金属配線及び金属ビア構造体は、様々な可変コンデンサに対して背面層構造体の下方に搭載された制御回路からの制御電圧を通過するために利用される。金属島状構造体は、上述した有益な理由のために立体四角形又はパターニングされた金属構造体として交互に形成される。

本発明の他の実施形態によれば、無線周波数出力信号の出力位相が所望の位相値を有するように無線周波数出力信号を制御する方法が提供される。本方法は、メタマテリアル構造体が出力信号を生成するようにメタマテリアル構造体を入力信号の無線周波数で共振させることと、メタマテリアル構造体の実効容量が適用された可変容量によって変更されるようにメタマテリアル構造体上に可変容量を適用することと、その後、メタマテリアル構造体が所望の位相値を有する出力位相を有する無線周波数出力信号を生成するまで可変容量を調整することとを含む。メタマテリアル構造体を入力信号の無線周波数で共振させることは、例えば、メタマテリアル構造体の共振特性に等しい無線周波数の入力信号を生成し、メタマテリアル構造体上に入力信号を向けることによって実現される。メタマテリアル構造体上に可変容量を適用することは、例えば、メタマテリアル構造体に接続された可変コンデンサに対して位相制御電圧を適用し、位相制御電圧Ｖｃを調整し、それにより、メタマテリアル構造体の実効容量を変化（変更）し、適用された位相制御電圧によって決定される所望の出力位相の出力信号をメタマテリアル構造体に生成させることによって実現される。

他の代替の実施形態によれば、位相制御信号の変化が出力信号の位相変化を所定量だけもたらすように位相制御電圧によって決定された出力位相を有する出力信号を生成するための位相シフト方法が提供される。本方法は、メタマテリアル構造体を無線周波数で共振させる無線周波数を有する入力信号を生成し、それにより、メタマテリアル構造体に信号を再送信させることを含む（すなわち、入力信号のものと等しい周波数を有する出力信号を生成するために）。本方法は、さらに、メタマテリアル構造体の実効容量が、適用された位相制御電圧に応じて可変コンデンサによって生成される可変容量の対応する変化によって変更されるように、メタマテリアル構造体に結合された可変コンデンサに対して位相制御電圧を適用することを含む。メタマテリアル構造体の実効容量の得られた変化は、適用された位相制御電圧に比例した量だけ出力信号の位相シフトを生み出す。

他の代替実施形態によれば、従来の位相シフタ及び外部アンテナを使用することなく、放射されたビームの方向を制御するための方法が提供される。本方法は、無線周波数であって、アレイ状に配置された複数のメタマテリアル構造体をその無線周波数で共振させる無線周波数を有する入力信号を生成し、それにより、メタマテリアル構造体のそれぞれに信号を再送信させることを含む（すなわち、各メタマテリアル構造体は、無線周波数で関連した出力信号を生成する）。本方法は、さらに、各メタマテリアル構造体の実効容量がその関連する適用された可変容量の対応する変化によって変更されるように、メタマテリアル構造体のそれぞれに対して可変容量を適用し、それにより、各メタマテリアル構造体が、適用された関連する可変容量によって決定された対応する出力位相でその出力信号を生成することを含む。ビーム方向の制御を実現するために、異なる可変容量の関連パターンは、メタマテリアル構造体（放射素子）に適用され、それにより、得られた実効容量は、出力信号が所望の方向において放射ビームを累積的に生成するように制御された出力位相を有する出力信号を生み出す（すなわち、出力信号によって生成された合成電磁波は、所望の方向において強化され且つ所望でない方向において抑制され、それにより、ビームは、所望の方向に放射される）。

本発明のこれらの及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付された特許請求の範囲及び添付図面に関してより良好に理解される。

図１は、本発明の一般的な実施形態にかかる位相シフト装置を示す簡略化した側面図である。 図２は、図１の位相シフト装置の動作に関連する例示的な位相シフト特性を示す図である。 図３（Ａ）は、本発明の典型的な実施形態にかかる位相シフト素子を示す分解斜視図である。 図３（Ｂ）は、本発明の典型的な実施形態にかかる位相シフト素子を示す組立斜視図である。 図４は、本発明の他の例示的な実施形態にかかる図３（Ｂ）の位相シフト素子を含む位相シフト装置を示す側断面図である。 図５は、本発明の他の実施形態にかかる例示的なパターニングされたメタマテリアル構造体を含む位相シフト素子を示す斜視図である。 図６は、本発明の他の例示的な実施形態にかかる４つの位相シフト素子を含む簡略化したフェーズドアレイシステムを示す側断面図である。 図７は、本発明の他の例示的な実施形態にかかる位相シフト素子アレイを示す簡略化した斜視図である。 図８は、本発明の他の実施形態にかかる図７の位相シフト素子アレイを含むフェーズドアレイシステムを示す簡略化した図である。 図９は、本発明の他の例示的な実施形態にかかる２次元パターンに配置されたメタマテリアル構造体を含むフェーズドアレイシステムを示す簡略化した図である。 図１０（Ａ）は、図９のフェーズドアレイシステムによって様々な例示的な方向に生成される放射ビームを示す図である。 図１０（Ｂ）は、図９のフェーズドアレイシステムによって様々な例示的な方向に生成される放射ビームを示す図である。 図１０（Ｃ）は、図９のフェーズドアレイシステムによって様々な例示的な方向に生成される放射ビームを示す図である。

本発明は、位相シフタ、位相シフタ装置及びフェーズドアレイシステムの改善に関する。以下の説明は、当業者が特定の用途及びその要件の文脈において提供される本発明を作製して使用するのを可能とするように提示される。本願明細書において使用される場合、「上（ｕｐｐｅｒ）」、「上方（ｕｐｗａｒｄ）」、「最上部（ｕｐｐｅｒｍｏｓｔ）」、「下（ｌｏｗｅｒ）」、「最下部（ｌｏｗｅｒｍｏｓｔ）」、「前（ｆｒｏｎｔ）」、「最右部（ｒｉｇｈｔｍｏｓｔ）」及び「最左部（ｌｅｆｔｍｏｓｔ）」などの方向を示す用語は、説明のために相対的な位置を提供することを意図しており、基準の絶対フレームを指定することを意図するものではない。さらに、語句「一体的に形成された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ ｆｏｒｍｅｄ）」及び「一体的に接続された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、単一の製作又は機械加工された構造の２つの部分間の接続関係を記述するために本願明細書において使用され、例えば、接着剤、ファスナ、クリップ又は可動ジョイントを介して接合された２つの別個の構造を示す（修飾語「一体的に（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ）」がない）用語「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」又は「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」とは区別される。好ましい実施形態に対する様々な変更は、当業者にとって明らかであり、本願明細書において定義される一般的な原理は、他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明は、示されて説明された特定の実施形態に限定されるものではなく、本願明細書に開示された原理及び新規な特徴に一致する最も広い範囲を与えられるべきである。

図１は、本発明の一般的な実施形態にかかる少なくとも１つのメタマテリアルベースの位相シフト素子１００を含む位相シフト装置２００を示す簡略化した側面図である。位相シフト素子１００は、適用された／受信された入力信号Ｓ_ＩＮのものと同じ無線周波数を有する出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成するためにメタマテリアル構造体１４０を利用し、且つ、適用された位相制御信号（すなわち、外部から供給されるディジタル信号Ｃ又は直流制御電圧Ｖｃのいずれか）によって出力信号Ｓ_ＯＵＴの位相ｐ_ＯＵＴを制御するために可変コンデンサ１５０を利用する。位相シフト装置２００はまた、位相シフト素子１００に近接して配置され且つ位相シフト素子１００の共振特性と一致する特定の無線周波数（すなわち、３ｋＨｚから３００ＧＨｚの範囲内）において入力信号Ｓ_ＩＮ及び入力位相ｐ_ＩＮを生成するように構成された信号源２０５（例えば、フィードホーン又は漏洩波フィード）と、予めプログラミングされた信号生成方式又は外部から供給される位相制御信号Ｃに応じて決定された（例えば、直接的に又は間接的に比例する）電圧レベルで可変コンデンサ１５０に適用される位相制御電圧Ｖｃを生成するように構成された制御回路２１０（例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はマイクロプロセッサのうちのいずれかによって制御されるディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ））とを含む。

メタマテリアル構造体１４０は、好ましくは、積層金属−誘電体複合アーキテクチャであるが、得られた構造が適用された入力信号Ｓ_ＩＮの無線周波数で共振するように構成され、メタマテリアル構造体１４０が入力信号Ｓ_ＩＮを再送信（すなわち、反射／散乱）することによって入力信号周波数で出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成するように共振近くに大きな位相振幅を有するという条件で他の形態で設計されてもよい。この共鳴を提供するには、メタマテリアル構造体１４０は、所望の共振特性を一括して与える固有の「固定」容量Ｃ_Ｍ及び関連するインダクタンスを用いて製造される。当該技術分野において理解されるように、用語「メタマテリアル」とは、所望の電磁気特性を一括して生成する２種以上の材料及び複数の要素によって形成された人工的に設計された構造を特定し、メタマテリアルは、その組成物からではなく、材料によって形成された構造要素の正確に設計された構成（すなわち、正確な形状、幾何学的形状、サイズ、向き及び配置）から所望の特性を実現する。本願明細書において使用される場合、語句「メタマテリアル構造体」は、本願明細書に記載された目的に適した無線周波数共振や大きな位相振幅特性を有する動的再構成可能／調整可能なメタマテリアルを意味するように意図される。得られる構造は、一般的ではない方法で無線周波数（電磁放射）の波に影響を与え、従来の材料によって実現不可能である材料特性を形成する。メタマテリアル構造体は、サブ波長サイズの構造要素、すなわち、それらが影響する波の無線周波数の波長よりも実際には小さい特徴を組み込むことにより、それらの所望の効果を実現する。以下に説明する実用的な実施形態において、メタマテリアル構造体１４０は、適用された入力信号Ｓ_ＩＮの無線周波数で共振するようにマクスウェル方程式を解くことによって調整される安価な金属膜やＰＣＢ製造技術を使用して構成され、それにより、メタマテリアル構造体１４０が入力信号Ｓ_ＩＮを再送信（すなわち、反射／散乱）することによって入力信号周波数で出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成する。

可変コンデンサ１５０は、メタマテリアル構造体１４０とグラウンド（又は他の固定直流（ＤＣ）電圧源）との間に接続される。当該技術分野において理解されるように、可変コンデンサは、典型的には、適用された電子制御信号を介して意図的に繰り返し変更可能な容量を生成するように構成された２端子電子装置である。この場合、可変コンデンサ１５０は、メタマテリアル構造体１４０の実効容量Ｃ_ｅｆｆが固有容量Ｃ_Ｍと可変コンデンサ１５０によって供給される可変容量Ｃ_Ｖとの積によって決定されるようにメタマテリアル構造体１４０に結合される。メタマテリアル構造体１４０の出力位相は、実効容量Ｃ_ｅｆｆによって部分的に決定され、したがって、出力信号Ｓ_ＯＵＴの出力位相ｐ_ＯＵＴは、可変容量Ｃ_Ｖを変化させることによって所望の位相値に「調整可能」（調整可能に制御可能）であり、これは、可変コンデンサ１５０に適用される位相制御信号（すなわち、ディジタル制御信号Ｃ及び／又はＤＣバイアス電圧Ｖｃ）を変更することによって実現される。

図２は、位相シフト装置２００の動作に関連する例示的な位相シフト特性を示す図である。特に、図２は、どのように出力信号Ｓ_ＯＵＴの出力位相ｐ_ＯＵＴが位相制御電圧Ｖｃに対して変化するのかを示している。出力位相ｐ_ＯＵＴが（図１に示される）メタマテリアル構造体１４０の上に可変コンデンサ１５０によって生成された可変容量Ｃ_Ｖに応じて順次変化するメタマテリアル構造体１４０の実効容量Ｃ_ｅｆｆに応じて変化することから、図２はまた、可変コンデンサ１５０の動作特性を効果的に示している（すなわち、図２は、どのように出力位相ｐ_ＯＵＴが位相制御電圧Ｖｃに応じて変化するのかを示すことによって位相制御電圧Ｖｃに応じて可変容量Ｃ_Ｖが変化することを効果的に図示している）。例えば、位相制御電圧Ｖｃが６Ｖの電圧レベルを有する場合、可変コンデンサ１５０は、（「Ｃ_Ｖ＝Ｃ１」として示される）対応する容量レベルにおいて可変容量Ｃ_Ｖを生成し、メタマテリアル構造体１４０は、約１８５°の関連する出力位相ｐ_ＯＵＴで出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成する。位相制御電圧Ｖｃが６Ｖから第２の電圧レベル（例えば、８Ｖ）までその後に増加した場合、可変コンデンサ１５０は、メタマテリアル構造体１４０が約２９０°の関連する第２の出力位相ｐ_ＯＵＴで出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成するように（「Ｃ_Ｖ＝Ｃ２」として示される）第２の容量レベルで可変容量を生成する。

図１を再び参照すると、位相制御電圧Ｖｃは、メタマテリアル構造体１４０に又は直接可変コンデンサ１５０の端子に接続された導電性構造体１４５を介して可変コンデンサ１５０にわたって印加される。具体的には、可変コンデンサ１５０は、メタマテリアル構造体１４０に接続される第１の端子１５１と、グラウンドに接続される第２の端子１５２とを含む。図１に示されたように、導電性構造体１４５は、位相制御電圧Ｖｃが導電性構造体１４５に対して印加されるとき、可変コンデンサ１５０が、図２に示されるように位相制御電圧Ｖｃの電圧レベルに応じて変化する容量レベルを有する関連する可変容量Ｃ_Ｖを生成するように（例えば、可変容量Ｃ_Ｖの容量レベルは、位相制御電圧Ｖｃに直接比例して変化する）、メタマテリアル構造体１４０に又は可変コンデンサ１５０の第１の端子１５１のいずれかに接続される。

上述した例示的な実施形態に記載されたように、本発明の新規な態様は、メタマテリアル構造体１４０の上に可変容量Ｃ_Ｖを生成して適用するために位相制御電圧Ｖｃを使用して可変コンデンサ１５０を制御することによって例示的な実施形態において実装されるメタマテリアル構造体１４０の実効容量Ｃ_ｅｆｆを選択的に調整することによって無線出力信号位相ｐ_ＯＵＴにわたる制御をともなう位相シフト法である。可変コンデンサ１５０の使用は、可変容量Ｃ_Ｖを生成するための現在好ましい実施形態を表すが、当業者は、他の回路が本願明細書に記載されたものと同様の方法でメタマテリアル構造体１４０の実効容量Ｃ_ｅｆｆを制御する可変容量を生成するのに利用することができることを認識するであろう。したがって、新規な方法論は、代わりに、以下を含むものとして説明される：メタマテリアル構造体１４０を入力信号Ｓ_ＩＮの無線周波数で共振させること。メタマテリアル構造体１４０の実効容量Ｃ_ｅｆｆが可変容量Ｃ_Ｖによって変更されるように、メタマテリアル構造体１４０に対して可変容量Ｃ_Ｖ（すなわち、任意の適切な可変容量源回路から）を適用すること。及び、メタマテリアル構造体１４０の実効容量Ｃ_ｅｆｆが所望の位相値（例えば、２９０°）に設定された出力位相ｐ_ＯＵＴを有する無線周波数出力信号Ｓ_ＯＵＴをメタマテリアル構造体１４０に生成させる容量値を有するまで可変容量Ｃ_Ｖを調整すること（すなわち、適切な可変容量源回路を制御することによって）。

上述したように、本発明の現在好ましい実施形態は、積層メタマテリアル構造体の使用を含む。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、それぞれ、２端子可変コンデンサ１５０Ａと、本発明の例示的な３レベルの実施形態を有するメタマテリアル構造体１４０Ａとを含む位相シフト素子１００Ａを示す分解斜視図及び組立斜視図であり、図４は、側断面図において位相シフト素子１００Ａを含む位相シフト装置２００Ａを示している。メタマテリアル構造体１４０Ａを形成するために使用される３層構造の有益な特徴及び態様、並びに、メタマテリアルベースの位相シフト素子１００Ａ及び装置２００Ａを形成する際のそれらの有用性は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図４を参照して以下に説明される。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照すると、３層メタマテリアル構造体１４０Ａは、上部／第１の金属層（島状）構造体１４１Ａと、電気的に絶縁された（すなわち、フローティング）背面（下部／第２の金属）層構造体１４２Ａと、上部島状構造体１４１Ａと背面層１４２Ａとの間に挟持された誘電体層１４４Ａ−１とを含む。ここで、メタマテリアル構造体１４０Ａの複合３層構造が少なくとも部分的に容量Ｃ_{１４１−１４２}（すなわち、島状構造体１４１Ａと背面層１４２Ａとの間の容量）によって形成される固有の（固定）容量Ｃ_Ｍを有するように、また、メタマテリアル構造体１４０Ａが所定の無線周波数（例えば、２．４ＧＨｚ）で共振するように、島状構造体１４１Ａ及び背面層１４２Ａは協調して調整される（例えば、誘電体層１４４Ａ−１によってサイズ決めされ、成形され、間隔をあけられる）。上述したように、メタマテリアル構造体１４０Ａの実効容量は、この場合、可変コンデンサ１５０Ａを介して島状構造体１４１Ａに適用される固定容量Ｃ_Ｍと適用された可変容量との合成として生成される。この構成により、島状構造体１４１Ａは、出力信号Ｓ_ＯＵＴが上方にのみ上方向高指向性を向けることを保証し（すなわち、無線周波数出力信号は、背面層１４２Ａから離れる方向において島状構造体１４１Ａから放射される）、位相シフトによる効率的な散乱のために電力消費を最小限に抑える波面再成形部として機能する。

本発明の現在好ましい実施形態によれば、誘電体層１４４Ａ−１は、全てコネティカット州ロジャーズのロジャース社製であるＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ（登録商標）６２０２ラミネート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びＴＭＭ４（登録商標）誘電体を含む群から選択される無損失誘電体材料を含む。そのような無損失誘電体材料の使用は、入射放射線（例えば、入力信号Ｓ_ＩＮ）の吸収を軽減し、入射した放射エネルギの大部分が出力信号Ｓ_ＯＵＴにおいて再放射されることを保証する。背面層１４２Ａをさらに絶縁して以下に記載されるように制御回路の裏面実装を容易とするために任意の下部誘電体層１４４Ａ−２が設けられる。

他の特徴によれば、島状（第１の金属層）構造体１４１Ａ及びベース（第３の）金属層構造体１２０Ａの双方は、誘電体層１４１Ａ−１の上面１４４Ａ−１Ａに配置されており、ベース金属構造体１２０Ａは、島状構造体１４１Ａから離間している（すなわち、間隙Ｇによって電気的に分離される）。金属層構造体１２０Ａは、動作中にベースである接地電位に接続され、それにより、ベース層構造体１２０Ａは、製造中における可変コンデンサ１５０Ａの低コスト実装を容易とする。例えば、ピックアンドプレース技術を使用して、可変コンデンサ１５０Ａは、（例えば、はんだ又は無はんだ接続技術を介して）第１の端子１５１Ａが島状構造体１４１Ａに接続され、第２の端子１５２Ａが同様にベース金属構造体１２０Ａに接続されるように実装される。

本発明の現在好ましい実施形態によれば、ベース金属構造体１２０Ａは、内周縁１２４Ａの内側に配置された開口１２３Ａによって画定される領域を除いて上部誘電体表面１４４Ａ−１Ａを完全に覆う金属膜又はＰＣＢ製造層を含み、島状構造体１４１Ａは、島状構造体１４１Ａの外周縁１４１Ａ−１が全周にわたって一定の間隙距離を有する周辺間隙Ｇによって内周縁１２４Ａから分離されるように、開口１２３Ａの内側に配置される。島状構造体１４１Ａによって占められていない上部誘電体表面１４４Ａ−１Ａの全ての部分を実質的に覆うようにベース金属構造体１２０Ａを設けることにより、ベース金属層１２０Ａは、一括モード発振をサポートする散乱面を形成し、順方向の波の散乱を保証する。さらに、島状構造体１４１Ａ、背面層１４２Ａ及びベース金属構造体１２０Ａは、固有の（固定）容量Ｃ_Ｍが島状背面成分Ｃ_{１４１−１４２}及び島状ベース成分Ｃ_{１４１−１２０}の双方を含むように、また、メタマテリアル構造体１４０Ａが所望の無線周波数で共振するように、協調して構成される（すなわち、サイズ決めされ、成形され、間隔をあけられる）。このようにして、ベース金属層１２０Ａは、固定容量Ｃ_Ｍを増強することによってメタマテリアル構造体１４０Ａの一部を効果的に形成するというさらなる目的を提供する。

他の特徴によれば、ベース（第３の）金属層構造体１２０Ａ及び島状（第１の金属層）構造体１４１Ａの双方は、単一の金属を含む（すなわち、ベース金属構造体１２０Ａ及び島状構造体１４１Ａの双方は、例えば銅などの同一の金属組成物を含む）。この単一の金属特徴は、単一の金属膜やＰＣＢ製造が上部誘電体層１４４Ａ−１Ａ上に蒸着された後、周辺間隙Ｇを画定するようにエッチングされる低コストの製造技術の使用を容易とする。他の実施形態において、異なる金属が異なる構造を形成するためにパターニングされてもよい。

図３（Ａ）に示される他の特徴によれば、可変コンデンサ１５０Ａの第１の端子１５１Ａに接触するように、下部誘電体層１４４Ａ−２を介して、背面層１４２Ａに画定された開口１４３Ａを介して、上部誘電体層１４４Ａ−１を介して、及び島状構造体１４１Ａに形成された任意の孔Ｈを介して延在するように、従来の技術を使用して金属ビア構造体１４５Ａが形成される。このビア構造体のアプローチは、メタマテリアル構造体１４０Ａの電気的特性に大幅に影響を与えることなく、可変コンデンサ１５０Ａに対して位相制御電圧を印加することを容易とする。以下に述べるように、このアプローチはまた、フェーズドアレイを形成する複数のメタマテリアル構造体に対して複数の制御信号を分配する作業を簡便化する。

図４は、外部から供給される位相制御信号Ｃによって決定された出力位相ｐ_ＯＵＴで出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成する位相シフト装置２００Ａを示す側断面図である。装置２００Ａは、信号源２０５Ａと、位相シフト素子１００Ａと、制御回路２１０Ａとを含む。信号源２０５Ａは、特定の無線周波数（例えば、２．４ＧＨｚ）で入力信号Ｓ_ＩＮを生成し、出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成するように上述したように特定の無線波周波数（例えば、２．４ＧＨｚ）で共振するように構成された位相シフト素子１００Ａ上に入力信号Ｓ_ＩＮが向けられるように配置される適切な信号発生器（例えば、フィードホーン）を含む。制御回路２１０Ａは、位相制御電圧Ｖｃが位相制御信号Ｃの変化に応じて変化するように位相制御信号Ｃに応じた位相制御電圧Ｖｃを生成するように構成される。位相制御電圧Ｖｃは、可変コンデンサ１５０Ａに対して送信され、可変コンデンサ１５０Ａに島状構造体１４１Ａ上に対応する可変容量を生成させて適用させ、それにより、メタマテリアル構造体１４０Ａは、位相制御信号Ｃによって決定された出力位相ｐ_ＯＵＴで出力信号Ｓ_ＯＵＴを生成させられる。ここで留意すべきは、制御回路２１０Ａは、下部誘電体層１４４Ａ−２に（すなわち、背面層１４２Ａの下方に）搭載され、位相制御電圧Ｖｃは、可変コンデンサ１５０Ａの端子１５１Ａに対して導電性ビア構造体１４５Ａを介して送信されるということである。

当業者は、得られた構造体が必要な無線周波数で共振し、共振の近くに大きな位相振幅を有することを条件として、本願明細書において一般に記載されているメタマテリアル構造体が多くの形態及び形状をとることができることを理解する。図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図４に示された実施形態は、本発明の基本的概念を説明するために、簡略化した四角形状のメタマテリアル構造体及び固体島状構造体１４１Ａを利用する。具体的には、メタマテリアル構造体１４０Ａは、周辺間隙Ｇの幅が島状構造体１４１Ａの全周にわたって略一定のままであるように、ベース金属構造体１２０Ａの開口１２３Ａと島状構造体１４１Ａの外周縁１４１Ａ−１を囲む内周縁１２４Ａが同心の四角形の形状を備えるように形成される。そのような四角形状構造体を使用する利点は、このアプローチが、幾何学的構造を簡便化し、所望の容量変化及び関連する位相シフトと位相制御電圧Ｖｃを相関させるために必要な数学を簡便化する制限された自由度を提供するということである。代替の実施形態において、メタマテリアル構造体は、四角形以外の形状（例えば、円形、三角形、長方形／楕円形）を使用して形成される。

図５は、本発明の例示的な具体的な実施形態にかかる例示的なパターニングされたメタマテリアル構造体１４０Ｂを含む位相シフト素子１００Ｂを示す斜視図である。本実施形態において、島状構造体１４１Ｂは、開口領域１４９Ｂを画定するパターニングされた平面構造として形成されている（すなわち、上部誘電体表面１４４Ｂ−１Ａの部分が開口領域を介して露出されるように）。この例において、島状構造体１４１Ｂは、上述したように形成されたベース金属層部１２０Ｂの内周縁１２４Ｂから周辺間隙Ｇによって分離された外周縁１４１Ｂ−１を含む四角形の周辺フレーム部１４６Ｂと、周辺フレーム部１４６Ｂに一体に接続された外側端を有し且つフレーム部１４６Ｂから内側に延在している４つの放射状アーム１４７Ｂと、放射状アーム１４７Ｂの内側端に接続された内側（この場合、「Ｘ字状」）構造体１４８Ｂとを含む。構造体１４８Ｂは、放射状アーム１４７Ｂと周辺フレーム１４６Ｂとの間に形成された開口領域１４９Ｂ内に延在している。メタマテリアル構造体１４０Ｂは、そうでなければ、図３（Ａ）、図３（Ｂ）及び図４を参照して上述した３層アプローチを使用して構成されていると理解される。パターニングされたメタマテリアル構造体の使用は、制御電圧と位相シフト値の相関に関連する数学を複雑にすることがあるが、メタマテリアル構造体１４０Ｂによって利用されるＸ字状パターンは、固体島状構造体を使用して可能であるよりも多くの自由度を生み出すと現在考えられ、大角度（すなわち、プラスマイナス６０°よりも大きい）でのビーム操縦などの高度な機能を順次可能とする３６０°に近い位相振幅をもたらす。さらに、メタマテリアル構造体１４０Ｂは、四角形状の外周縁を有するものとして示されているが、他の周辺形状を有するパターニングされたメタマテリアル構造体もまた、有利に利用可能である。

図６は、本発明の他の実施形態にかかる放射された無線周波数エネルギビームＢを生成するための簡略化されたメタマテリアルベースのフェーズドアレイシステム３００Ｃを示す側断面図である。フェーズドアレイシステム３００Ｃは、一般に、信号源３０５Ｃと、位相シフト素子アレイ１００Ｃと、制御回路３１０Ｃとを含む。信号源３０５Ｃは、指定された無線周波数及び関連する入力位相ｐ_ＩＮを有する入力信号Ｓ_ＩＮを生成するために装置２００Ａを参照して上述した方法で構築されて動作する。

本実施形態の態様によれば、位相シフト素子アレイ１００Ｃは、所定の協調パターンで配置された複数（この場合は４つ）のメタマテリアル構造体１４０Ｃ−１から１４０Ｃ−４を含み、メタマテリアル構造体のそれぞれは、それぞれ出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４を生成するために、入力信号Ｓ_ＩＮの無線周波数で共振するように上述した方法で構成されている。例えば、メタマテリアル構造体１４０Ｃ−１は、固定容量Ｃ_Ｍ１を有し、そうでなければ、出力信号Ｓ_ＯＵＴ１を生成するために、入力信号Ｓ_ＩＮの無線周波数で共振するように構成されている。同様に、メタマテリアル構造体１４０Ｃ−２は、固定容量Ｃ_Ｍ２を有し、メタマテリアル構造体１４０Ｃ−３は、固定容量Ｃ_Ｍ３を有し、メタマテリアル構造体１４０Ｃ−４は、固定容量Ｃ_Ｍ４を有し、メタマテリアル構造体１４０Ｃ−２から１４０Ｃ−４はまた、そうでない場合には、出力信号Ｓ_ＯＵＴ２、Ｓ_ＯＵＴ３、Ｓ_ＯＵＴ４をそれぞれ生成するために、入力信号Ｓ_ＩＮの無線周波数で共振するように構成されている。メタマテリアル構造体１４０Ｃ−１から１４０Ｃ−４によって形成された協調パターンは、出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４が電磁波を生成するために合成するように選択される。４つのメタマテリアル構造体は、例示的な実施形態において利用されるが、この数は、例示目的及び簡潔さのために任意に選択され、アレイ１００Ｃは、任意数のメタマテリアル構造体を用いて製造することができる。

上述した単一素子の実施形態と同様に、位相シフト素子アレイ１００Ｃはまた、メタマテリアル構造体１４０Ｃ−１から１４０Ｃ−４の実効容量Ｃ_ｅｆｆ１からＣ_ｅｆｆ４が関連する印加される位相制御電圧Ｖｃ１からＶｃ４に応じて順次生成される可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４の変化に対応してそれぞれ変更されるように、関連するメタマテリアル構造体１４０Ｃ−１から１４０Ｃ−４に結合された可変コンデンサ１５０Ｃ−１から１５０Ｃ−４を含む。例えば、可変コンデンサ１５０Ｃ−１は、実効容量Ｃ_ｅｆｆ１が印加される位相制御電圧Ｖｃ１に応じて順次変化する可変容量Ｃ_Ｖ１の変化によって変更されるように、メタマテリアル構造体１４０Ｃ−１に結合される。

本実施形態の他の態様によれば、制御回路３１０Ｃは、出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４が所望の方向において放射ビームＢを累積的に生成するように、メタマテリアル構造体１４０Ｃ−１から１４０Ｃ−４にそれぞれ適用される可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４の所定のセットを使用して出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４の各出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４を独立して制御するように構成されている。すなわち、当業者によって理解されるように、出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４の特定の協調セットを有する出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４を生成することにより、位相シフト素子アレイ１００Ｃによって生成された、得られた合成電磁波は、所望の方向において強化され且つ所望でない方向において抑制され、それにより、アレイ１００Ｃの前面から所望の方向に放射されるビームＢを生成する。特定の方向におけるビームＢの生成に必要な出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４の組み合わせ（セット）を予め決定することにより、また、出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４のこの組み合わせの生成に必要な位相制御電圧Ｖｃ１からＶｃ４の関連する組み合わせを予め決定することにより、また、位相制御電圧Ｖｃ１からＶｃ４の関連する組み合わせが所望のビーム方向と等しい信号値を有するビーム制御信号Ｃ_Ｂに応じて生成されるように制御回路３１０Ｃを構成することにより、本発明は、所望の方向に向けられる無線周波数ビームの選択的生成を容易とする。例えば、図６に示されるように、６０°の所望のビーム方向と等しい信号値を有するビーム制御信号Ｃ_Ｂに応じて、制御回路３１０Ｃは、４６８°、３１２°、１５６°及び０°の出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４でそれぞれ出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４をメタマテリアル構造体１４０Ｃ−１から１４０Ｃ−４に生成させる位相制御電圧Ｖｃ１からＶｃ４の関連する組み合わせを生成することにより、出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４は、所望の６０°の角度で放射ビームＢを累積的に生成する。

図７は、メタマテリアル構造体１４０Ｄ−１から１４０Ｄ−４が図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を参照して上述した３層構造を使用して形成され、１次元配列に配置され、可変コンデンサ１５０Ｄ−１から１５０Ｄ−４にそれぞれ動作可能に結合された位相シフト素子アレイ１００Ｄを示す簡略化した斜視図及び断面図である。上述した単一素子の実施形態と同様に、位相シフト素子アレイ１００Ｄは、電気的に絶縁された（フローティング）金属背面層１４２Ｄと、背面層１４２Ｄの上下に配置された（無損失）誘電体層１４４Ｄ−１及び１４４Ｄ−２とを含む。

図７に示されるように、各メタマテリアル構造体（例えば、構造１４０Ｄ−１）は、上部誘電体層１４４Ｄ−１上に配置された金属島状構造体１４１Ｄ−１を含み、それらの間に挟持された誘電体層１４４Ａ−１の関連部分を有する金属島状構造体１４１Ｄ−１の下方に配置された背面層１４２Ｄの関連する背面層部１４２Ｄ−１を効果的に含む。例えば、メタマテリアル構造体１４０Ｄ−１は、島状構造体１４１Ｄ−１と、背面層部１４２Ｄ−１と、それらの間に挟持された上部誘電体層１４４Ａ−１の関連部分とを含む。同様に、メタマテリアル構造体１４０Ｄ−２は、島状構造体１４１Ｄ−２と、背面層部１４２Ｄ−２とを含み、メタマテリアル構造体１４０Ｄ−３は、島状構造体１４１Ｄ−３と、背面層部１４２Ｄ−３とを含み、メタマテリアル構造体１４０Ｄ−４は、島状構造体１４１Ｄ−４と、背面層部１４２Ｄ−４とを含む。上述した単一素子の説明と一致して、各関連する金属島状構造体及び背面層部は、各メタマテリアル構造体が指定された無線周波数で共振するように協調して構成されている（例えば、サイズ決めされて間隔をあけられる）。例えば、金属島状構造体１４１Ｄ−１及び背面層部１４２Ｄ−１は、メタマテリアル構造体１４０Ｄ−１を指定された無線周波数で共振させる固定容量を生成するように協調して構成されている。

図８に示されるように、位相シフト素子アレイ１００Ｄは、さらに、上述した単一素子の実施形態と同様の方法で金属島状構造体１４１Ｄ−１から１４１Ｄ−４のそれぞれから間隔をあけられた（すなわち、電気的に絶縁された）上部誘電体層１４１Ｄ−１に配置されたベース金属構造体１２０Ｄを含む。この場合、ベース金属構造体１２０Ｄは、周辺間隙Ｇ１からＧ４によって関連する金属島状構造体１４１Ｄ−１から１４１Ｄ−４の外周縁から分離された関連する内周縁をそれぞれ有する４つの開口１２３Ｄ−１から１２３Ｄ−４を画定する（例えば、島状構造体１４１Ｄ−１は、開口１２３Ｄ−１内に配置され、間隙Ｇ１によってベース金属構造体１２０Ｄから分離されている）。可変コンデンサ１５０Ｄ−１から１５０Ｄ−４は、それぞれ、間隙Ｇ１からＧ４にわたって延在して関連する金属島状構造体１４１Ｄ−１から１４１Ｄ−４に接続された第１の端子と、ベース金属構造体１２０Ｄに接続された第２の端子とを有する（例えば、可変コンデンサ１５０Ｄ−１は、金属島状構造体１４１Ｄ−１とベース金属構造体１２０Ｄとの間の間隙Ｇ１にわたって延在している）。ベース金属構造体１２０Ｄ及び金属島状構造体１４１Ｄ−１から１４１Ｄ−４は、好ましくは、単一の金属層をエッチングすることによって形成される（すなわち、双方とも、例えば銅などの同じ金属組成物を含む）。

図８はまた、信号源３０５Ｄ及び制御回路３１０Ｄを含むフェーズドアレイシステム３００Ｄに組み込まれた位相シフト素子アレイ１００Ｄを示している。信号源３０５Ｄは、メタマテリアル構造体１４０Ｄ−１から１４０Ｄ−４の共振無線周波数を有する入力信号Ｓ_ＩＮを生成するために上述したように動作するように構成されている。制御回路３１０Ｄは、上述したように金属ビア構造体１４５Ｄ−１から１４５Ｄ−４を介して可変コンデンサ１５０Ｄ−１から１５０Ｄ−４にそれぞれ送信される位相制御電圧Ｖｃ１からＶｃ４を生成するように構成されており、それにより、可変コンデンサ１５０Ｄ−１から１５０Ｄ−４は、それぞれ、金属島状構造体１４１Ｄ−１から１４１Ｄ−４上に関連する可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４を適用するように制御される。本実施形態の態様によれば、メタマテリアル構造体１４０Ｄ−１から１４０Ｄ−４が１次元アレイ（すなわち、直線）に整列されていることから、出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４の変化は、得られたビームＢに、平面領域（すなわち、位相成形において、図８に示されている２次元平面Ｐ）において方向を変化させる。

図９は、ベース金属構造体１２０Ｅに囲まれた１６個のメタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４を有する位相シフト素子アレイ１００Ｅと、中央に位置する信号源３０５Ｅと、（例示の目的のためにブロック形式で示されているが、そうでなければ、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４の下方に配置される）制御回路３１０Ｅとを含むフェーズドアレイシステム３００Ｅを示す簡略化された平面図である。

本実施形態の態様によれば、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４は、行列の２次元パターンに配置され、各メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４は、上述したものと同様にして制御回路３１０Ｅによって生成されて（破線で示される）導電性構造体を介して送信される制御電圧Ｖ_Ｃ１１からＶ_Ｃ４４によって個別に制御可能である。具体的には、最上部のメタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１、１４０Ｅ−１２、１４０Ｅ−１３及び１４０Ｅ−１４は上の行を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−２１から１４０Ｅ−２４は第２の行を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−３１から１４０Ｅ−３４は第３の行を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−４１から１４０Ｅ−４４は下の行を形成する。同様に、最左部のメタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１、１４０Ｅ−２１、１４０Ｅ−３１及び１４０Ｅ−４１は、制御電圧Ｖ_Ｃ１１、Ｖ_Ｃ２１、Ｖ_Ｃ３１及びＶ_Ｃ４１によってそれぞれ制御される最左部の列を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１２から１４０Ｅ−４２は、制御電圧Ｖ_Ｃ１２からＶ_Ｃ４２によって制御される第２の列を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１３から１４０Ｅ−４３は、制御電圧Ｖ_Ｃ１３からＶ_Ｃ４３によって制御される第３の列を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１４から１４０Ｅ−４４は、制御電圧Ｖ_Ｃ１４からＶ_Ｃ４４によって制御される第４（最右部）の列を形成する。

本実施形態の態様によれば、２つの可変コンデンサ１５０Ｅは、各メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４とベース金属構造体１２０Ｅとの間に接続される。可変コンデンサ１５０Ｅの構成及び目的は、２つの可変コンデンサを利用することで各メタマテリアル構造体に適用される可変容量の範囲を増大させる、上記提供されたものと同じである。図示された実施形態において、単一の制御電圧が各メタマテリアル構造体の可変コンデンサの双方に供給されるが、代替の実施形態においては、個別の制御電圧が各メタマテリアル構造体の２つの可変コンデンサのそれぞれに供給される。さらに、多数の可変コンデンサを使用可能である。

制御回路３１０Ｅは、可変コンデンサ１５０Ｅが個別に制御される出力位相を有する関連する出力信号を生成するように関連する可変容量を適用するために制御されるように、各メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４の可変コンデンサ１５０Ｅにそれぞれ送信される位相制御電圧Ｖ_Ｃ１１からＶ_Ｃ４４を生成するように構成されている。本実施形態の態様によれば、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４が２次元配列（すなわち、行列で）配置されていることから、出力位相の変化は、得られたビームに、図１０（Ａ）から図１０（Ｃ）に示される３次元領域によって画定された区域において方向を変化させる。具体的には、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）及び図１０（Ｃ）は、０、＋４０及び−４０度のビームステアにおける放射パターンを示す図である。放射パターンは、メインローブ及びサイドローブから構成されている。サイドローブは、所望でない方向における不要な放射を表している。

Claims (10)

1. 無線周波数及び入力位相を有する入力信号を受信し、前記無線周波数を有し且つ適用される位相制御信号によって決定された出力位相を有する出力信号生成する位相シフト素子において、
   固定容量を有するように構成され且つメタマテリアル構造体が前記無線周波数で共振するように構成された前記メタマテリアル構造体と、
   前記適用された位相制御信号に応じて変化する可変容量を生成するように構成された可変コンデンサであり、前記メタマテリアル構造体の実効容量が前記可変コンデンサの対応する変化によって変更されるように前記可変コンデンサが前記メタマテリアル構造体に結合され、それにより、前記メタマテリアル構造体が前記適用された位相制御信号によって決定された前記出力位相で前記出力信号を生成する可変コンデンサとを備える、位相シフト素子。
2. 前記位相制御信号が直流位相制御電圧を含み、前記可変コンデンサが、
   前記位相制御電圧が前記可変コンデンサにわたって適用されて第１の電圧レベルを有するとき、前記メタマテリアル構造体が関連する第１の出力位相で前記出力信号を生成するように前記可変コンデンサが第１の容量レベルで前記可変容量を生成し、
   前記適用された位相制御電圧が前記第１の電圧レベルから第２の電圧レベルまで増加したとき、前記メタマテリアル構造体が関連する第２の出力位相で前記出力信号を生成するように前記可変コンデンサが第２の容量レベルで前記可変容量を生成するように構成されており、前記第２の出力位相が前記第１の出力位相よりも大きい、請求項１に記載の位相シフト素子。
3. 前記可変コンデンサが、前記メタマテリアル構造体に接続された第１の端子と第２の端子とを含み、
   前記位相シフト素子が、さらに、前記位相制御信号が導電性構造体に適用され且つ前記第２の端子がグラウンド電位に接続されているとき、前記可変コンデンサが前記位相制御信号に比例する容量レベルを有する前記関連する可変容量を生成するように、前記メタマテリアル構造体及び前記可変コンデンサの前記第１の端子のうちの一方に接続された前記導電性構造体を備える、請求項１に記載の位相シフト素子。
4. 前記メタマテリアル構造体が、
   前記可変コンデンサに接続された第１の金属層構造体と、
   電気的に絶縁された第２の金属層構造体と、
   前記第１及び第２の金属層構造体の間に挟持された誘電体層とを備え、
   前記メタマテリアル構造体が前記無線周波数で共振し且つ前記固定容量を有するように、前記第１及び第２の金属層構造体が協調して構成されている、請求項１に記載の位相シフト素子。
5. 前記誘電体層が無損失誘電体材料を含む、請求項４に記載の位相シフト素子。
6. 前記第１の金属層構造体が前記誘電体層の上部誘電体表面に配置され、
   前記位相シフト素子が、さらに、前記上部誘電体表面に配置され且つ前記第１の金属層構造体から間隔があけられた第３の金属層構造体を備え、
   前記可変コンデンサが、前記第１の金属層構造体に接続された第１の端子と、前記第３の金属構造体に接続された第２の端子とを含む、請求項４に記載の位相シフト素子。
7. 前記第３の金属層構造体が内周縁の内側に配置された開口を画定し、
   前記第１の金属層構造体の外周縁が周辺間隙によって前記第３の金属層構造体の内周縁から分離されるように前記第１の金属層構造体が前記開口の内側に配置され、
   前記メタマテリアル構造体が前記無線周波数で共振し且つ前記固定容量を有するように、前記第１、第２及び第３の金属層構造体が協調して構成されている、請求項６に記載の位相シフト素子。
8. 位相制御信号によって決定された出力位相で出力信号を生成する位相シフト装置において、
   無線周波数及び第１の位相を有する第１の信号を生成するように構成された信号源と、
   固定容量を有するように構成され且つメタマテリアル構造体が前記無線周波数で共振するように構成された前記メタマテリアル構造体と、
   適用された位相制御電圧に応じて変化する可変容量を生成するように構成された可変コンデンサであり、前記メタマテリアル構造体の実効容量が前記可変コンデンサの対応する変化によって変更されるように前記可変コンデンサが前記メタマテリアル構造体に結合された可変コンデンサとを含む位相シフト素子と、
   前記位相制御信号に応じて決定された電圧レベルで前記可変コンデンサに適用される前記位相制御電圧を生成し、それにより、前記メタマテリアル構造体が前記位相制御信号によって決定された前記出力位相で前記出力信号を生成するように構成された制御回路とを備える、位相シフト装置。
9. 前記メタマテリアル構造体が、
   前記可変コンデンサに接続された第１の金属層構造体と、
   電気的に絶縁された第２の金属層構造体と、
   前記第１及び第２の金属層構造体の間に挟持された誘電体層とを備え、
   前記第１の金属層構造体が前記信号源と前記誘電体層との間に配置されるように前記信号源が前記第１の金属層構造体上に配置され、
   前記メタマテリアル構造体が前記無線周波数で共振し且つ前記固定容量を有するように、前記第１及び第２の金属層構造体が協調して構成されている、請求項８に記載の位相シフト装置。
10. 放射ビームを生成するフェーズドアレイシステムにおいて、前記装置が、
    無線周波数及び第１の位相を有する第１の信号を生成するように構成された信号源と、
    各メタマテリアル構造体が前記無線周波数で共振するように前記各メタマテリアル構造体が関連する固定容量を有するように構成された複数のメタマテリアル構造体と、
    関連する適用された位相制御電圧に応じて変化する関連する可変容量をそれぞれ生成するように構成された複数の可変コンデンサであり、前記関連するメタマテリアル構造体の実効容量が、関連する適用された位相制御電圧に応じて前記各可変コンデンサによって生成された前記可変コンデンサの対応する変化によって変更されるように、関連する前記メタマテリアル構造体に結合された複数の可変コンデンサとを含む位相シフト素子アレイと、
    各位相制御電圧が前記複数の可変コンデンサのうちの関連する可変コンデンサに適用され、前記複数のメタマテリアル構造体がそれぞれ複数の異なる出力位相で出力信号を生成するように複数の電圧レベルを有する複数の位相制御電圧を生成するように構成された制御回路とを備え、前記出力信号が前記放射ビームを累積的に生成するように前記複数の異なる出力位相がそれぞれ協調されている、フェーズドアレイシステム。

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