Антенны поверхностного рассеяния

Антенны поверхностного рассеяния

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящая заявка притязает на преимущества и относится к и самой ранней имеющейся действительной дате (датам) подачи следующих перечисленных заявок («родственных заявок») (например, притязает на самые ранние имеющиеся даты приоритета для других заявок на патент, кроме предварительных, или притязает на преимущества в соответствии с 35 USC §119(e) для предварительных заявок на патент, для любых и всех родовых заявок родственной заявки (родственных заявок). Объект родственных заявок, любых и всех родовых заявок родственных заявок полностью ссылкой включается в настоящее описание в степени, в какой этот объект не противоречит настоящему описанию.

Родственные заявки:

Для целей не предусмотренных USPTO, настоящая заявка представляет собой частичное продолжение заявки на патент США №61/455171 под названием АНТЕННЫ ПОВЕРХНОСТНОГО РАССЕЯНИЯ, в которой NATHAN KUNDTZ ЕТ AL. названы как изобретатели, поданной 15 октября 2010 года, которая в настоящее время является одновременно рассматриваемой, или является заявкой, одновременно рассматриваемая с которой заявка имеет право на приоритет по дате подачи.

Патентное ведомство США (USPTO) опубликовало уведомление о том, что компьютерные программы USPTO требуют, чтобы заявители ссылались на порядковый номер заявки и указывали, является ли заявка продолжающей, или частично продолжающей патентную заявку, или выделенной из патентной заявки. См. Stephen G. Kunin, Benefit of Prior-Filed Application, USPTO Official Gazette March 18, 2003. Настоящий субъект-заявитель (далее по тексту именуемый «Заявителем») привел вышеупомянутую конкретную ссылку на заявку (заявки), по которой (которым) заявляются притязания на приоритет, в соответствии с требованиями законодательства. Заявитель понимает, что законодательство недвусмысленно в своем конкретном условном языке и не требует ни порядкового номера заявки, ни какого-либо определения, как, например, «продолжающая» или «частично продолжающая», для притязания на приоритет в отношении заявок на патент США. Несмотря на вышесказанное, Заявитель понимает, что компьютерные программы USPTO выдвигают определенные требования к вводу данных, и поэтому Заявитель привел определение (определения) родственности между настоящей заявкой и ее родовой заявкой (заявками), указанное выше, но при этом положительным образом отмечает, что это определение (определения) ни в коем случае не должно толковаться как какой-либо тип пояснения и/или допущения в части того, содержит или не содержит настоящая заявка какой-либо новый материал в дополнение к материалу ее родовой заявки (заявок).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

ФИГ.1 - схематическое представление антенны поверхностного рассеяния.

ФИГ.2A и 2B соответственно иллюстрируют примерную картину настройки и соответствующую диаграмму направленности в виде луча для антенны поверхностного рассеяния.

ФИГ.3A и 3B соответственно иллюстрируют еще одну примерную картину настройки и соответствующую диаграмму направленности в виде луча для антенны поверхностного рассеяния.

ФИГ.4A и 4B соответственно иллюстрируют еще одну примерную картину настройки и соответствующую структуру поля для антенны поверхностного рассеяния.

ФИГ.5 и 6 иллюстрируют элементарную ячейку антенны поверхностного рассеяния.

ФИГ.7 иллюстрирует примеры метаматериальных элементов.

ФИГ.8 иллюстрирует вариант осуществления микрополосковой линии антенны поверхностного рассеяния.

ФИГ.9 иллюстрирует вариант осуществления копланарного волновода антенны поверхностного рассеяния.

ФИГ.10 и 11 иллюстрирует варианты осуществления закрытого волновода антенны поверхностного рассеяния.

ФИГ.12 иллюстрирует антенну поверхностного рассеяния с непосредственной адресацией рассеивающих элементов.

ФИГ.13 иллюстрирует антенну поверхностного рассеяния с матричной адресацией рассеивающих элементов.

ФИГ.14 иллюстрирует блок-схему системы.

ФИГ.15 и 16 иллюстрируют схемы последовательности операций.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В последующем подробном описании приводятся ссылки на прилагаемые графические материалы, которые являются неотъемлемой частью настоящей заявки. На этих графических материалах, если контекст не диктует иначе, подобные компоненты обозначены подобными позициями. Иллюстративные варианты осуществления, описанные в подробном описании, в графических материалах и в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения. Могут использоваться и другие варианты осуществления, и могут вноситься и другие изменения в пределах сущности или объема объекта изобретения, представленного в настоящей заявке.

На ФИГ.1 приведена схематическая иллюстрация антенны поверхностного рассеяния. Антенна поверхностного рассеяния 100 включает несколько рассеивающих элементов 102a, 102b, распределенных по распространяющей волны структуре 104. Распространяющей волны структурой 104 может быть микрополосковая линия, копланарный волновод, волновод из параллельных пластин, диэлектрическая пластина, закрытый или трубчатый волновод или любая иная структура, способная поддерживать распространение ведомой волны или поверхностной волны 105 вдоль или внутри структуры. Волнистая линия 105 - это условное изображение ведомой волны или поверхностной волны, и это условное изображение не ставит целью указать фактическую длину волны или амплитуду ведомой волны или поверхностной волны; кроме того, хотя волнистая линия 105 показана внутри распространяющей волны структуры 104 (например, как для ведомой волны в металлическом волноводе), в случае поверхностной волны волна может практически локализоваться снаружи распространяющей волну структура (например, как в случае волн типа ТМ при однопроводной линии передачи или «ложного плазмона» на поверхности с искусственным импедансом. Рассеивающие элементы 102a, 102b могут включать метаматериальные элементы, внедренные в распространяющую волны структуру 104, расположенные на ее поверхности или расположенные в непосредственной близости от нее; например, рассеивающие элементы могут включать комплементарные метаматериальные элементы, такие, как представлены в D.R. Smith et al, «Metamaterials for surfaces and waveguides», публикация патентной заявки США №.2010/0156573, описание изобретения из которой ссылкой включается в настоящую заявку.

Кроме того, антенна поверхностного рассеяния включает но меньшей мере одну соединительную муфту 106 фидера, конструктивно исполненную для соединения распространяющей волны структуры 104 со структурой 108 фидера. Структура 108 фидера (схематически показанная как коаксиальный кабель) может быть линией передачи, волноводом или любой иной структурой, способной подавать электромагнитный сигнал, который может возбуждаться через соединительную муфту 106 фидера в структуру 104, распространяющую ведомую волну или поверхностную волну 105. Соединительная муфта 106 фидера может представлять собой, например, соединитель коаксиальный кабель-микрополосковая линия (например, переходник SMA-PCB), соединитель коаксиальный кабель-волновод, переходную секцию согласования волн и т.д. Хотя на ФИГ.1 соединительная муфта фидера показана в исполнении «end-launch», в котором ведомая волна или поверхностная волна 105 может возбуждаться из периферийной области распространяющей волны структуры (например, с конца микрополосковой линии или с края волновода из параллельных пластин), в других вариантах осуществления структура фидера может присоединяться к не периферийной части распространяющей волны структуры, и при этом ведомая волна или поверхностная волна 105 может возбуждаться с этой не периферийной части распространяющей волны структуры (например, из средней точки микрополосковой линии или через отверстие, просверленное в верхней или нижней пластине волновода из параллельных пластин); а в еще одних вариантах осуществления могут предусматриваться несколько соединительных муфт фидера, присоединенных к распространяющей волны структуре в нескольких местах (периферийных и/или не периферийных).

Рассеивающие элементы 102a, 102b представляют собой перестраиваемые рассеивающие элементы, обладающие электромагнитными свойствами, перестраивающимися в ответ на один или несколько внешних входных воздействий. Различные варианты осуществления переменных рассеивающих элементов описаны, например, в упомянутой выше патентной заявке D.R. Smith et al, и далее в настоящем раскрытии. Перестраиваемые рассеивающие элементы могут включать элементы, которые изменяются в ответ на входные сигналы напряжения (например, напряжения смещения для активных элементов (таких, как варакторы, транзисторы, диоды) или для элементов, которые содержат перестраиваемые диэлектрические материалы (такие, как сегнетоэлектрики)), токовые входные сигналы (например, прямая инжекция носителей зарядов в активные элементы), оптические входные сигналы (например, освещение светочувствительного материала), полевые входные сигналы (например, магнитные поля для элементов, которые включают нелинейные магнитные материалы), механические входные сигналы (например, микроэлектромеханические системы (МЭМС), исполнительные механизмы, гидравлика) и т.д. В схематическом примере на ФИГ.1 рассеивающие элементы, настроенные в первое состояние, в котором они имеют первые электромагнитные свойства, показаны как первые элементы 102a, а рассеивающие элементы, настроенные во второе состояние, в котором они имеют вторые электромагнитные свойства, показаны как вторые элементы 102b. Иллюстрация рассеивающих элементов, имеющих первое и второе состояния, соответствующие первым и вторым электромагнитным свойствам, не предназначена для ограничения объема настоящего изобретения: варианты осуществления могут предусматривать рассеивающие элементы, которые являются дискретно перестраиваемыми, чтобы выбирать из дискретного множества состояний, соответствующих дискретному множеству различных электромагнитных свойств, или непрерывно перестраиваемыми, чтобы выбирать из континуума состояний, соответствующих континууму различных электромагнитных свойств. Кроме того, конкретная картина настройки, приведенная на ФИГ.1 (т.е., попеременное расположение элементов 102a и 102b), представляет собой лишь примерную конфигурацию и не предназначена для ограничения объема настоящего изобретения.

В примере на ФИГ.1 рассеивающие элементы 102a, 102b имеют первую и вторую связи с ведомой волной или поверхностной волной 105, являющиеся функциями первых и вторых электромагнитных свойств соответственно. Например, первая и вторая связи могут быть первой и второй поляризуемостями рассеивающих элементов на частоте или в полосе частот ведомой волны или поверхностной волны. В одном варианте осуществления первая связь представляет собой практически ненулевую связь, а вторая связь представляет собой практически нулевую связь. В другом варианте осуществления обе связи являются практически ненулевыми, но первая связь значительно больше второй. За счет первой и второй связей первый и второй рассеивающие элементы 102a, 102b реагируют на ведомую волну или поверхностную волну 105, создавая при этом несколько рассеянных электромагнитных волн, имеющих амплитуды, зависящие (например, пропорциональны им) от соответствующих первой и второй связей. Суперпозиция рассеянных электромагнитных волн составляет электромагнитную волну, которая показана в этом примере как плоская волна 110, излучаемая из антенны поверхностного рассеяния 100.

Возникновение плоской волны можно понять, если рассматривать конкретную картину настройки рассеивающих элементов (например, попеременное расположение первых и вторых рассеивающих элементов на ФИГ.1) как картину, определяющую решетку, которая рассеивает ведомую волну или поверхностную волну 105 для получения плоской волны 110. Поскольку эта картина перестраиваемая, некоторые варианты осуществления антенны поверхностного рассеяния могут предусматривать перестраиваемую решетку или, более широко, голограммы, в которых картину настройки рассеивающих элементов можно выбирать в соответствии с принципами голографии. Предположим, например, что ведомую волну или поверхностную волну можно представить сложной скалярной входной волной Ψ_in, которая является функцией положения вдоль распространяющей волны структуры 104, и желательно, чтобы антенна поверхностного рассеяния создавала выходную волну, которую можно представить другой сложной скалярной волной Ψ_out. Затем можно выбрать картину настройки рассеивающих элементов, соответствующую определенной интерференционной картине входной и выходной волн вдоль распространяющей волны структуры. Например, рассеивающие элементы могут настраиваться, чтобы создавать связи с ведомой волной или поверхностной волной, которые являются функциями (например, являются пропорциональными ему или его ступенчатыми функциями) интерференционного члена, данного как Re[Ψ_inΨ_out*]. Таким образом варианты осуществления антенны поверхностного рассеяния можно перестраивать для создания произвольной диаграммы направленности антенны путем идентификации выходной волны Ψ_out, соответствующей выбранной диаграмме направленности в виде луча, а затем соответственно настройки рассевающих элементов, как описано выше. Следовательно, варианты осуществления антенны поверхностного рассеяния можно настраивать, чтобы получить, например, выбранное направление луча (например, управление лучом), выбранную ширину или форму луча (например, веерообразный или карандашный луч, имеющий широкую или узкую ширину луча), выбранное расположение нулей (например, управлением положением нуля диаграммы направленности), выбранное расположение нескольких лучей, выбранное состояние поляризации (например, линейная, круговая или эллиптическая поляризация), выбранная суммарная фаза или любое их сочетание. Альтернативно или дополнительно, варианты осуществления антенны поверхностного рассеяния можно настраивать, чтобы получить выбранный профиль излучения в ближнем поле, например, получить фокусировку в ближнем поле и/или нули в ближнем поле.

Поскольку пространственная разрешающая способность интерференционной картины ограничивается пространственной разрешающей способностью рассеивающих элементов, рассеивающие элементы могут располагаться вдоль распространяющей волны структуре с межэлементными промежутками, которые намного меньше, чем длина волна в свободном пространстве, соответствующая рабочей частоте устройства (например, менее одной четвертой - одной мятой этой длины волны в свободном пространстве). В некоторых вариантах осуществления рабочая частота - это сверхвысокая частота, выбранная из диапазонов частот, таких, как Ka, Ku и Q, соответствующих сантиметровым длинам волн в свободном пространстве. Эта шкала длин позволяет изготавливать рассеивающие элементы с использованием обычных технологий печатных плат, как описано ниже.

В некоторых вариантах осуществления антенна поверхностного рассеяния содержит практически одномерную распространяющую волны структуру 104, имеющую практически одномерное расположение рассеивающих элементов, и картина настройки этого одномерного расположения может обеспечивать, например, выбранный профиль излучения антенны как функцию зенитного угла (т.е., относительно направления зенита, которое параллельно одномерной распространяющей волны структуре). В других вариантах осуществления антенна поверхностного рассеяния содержит практически двухмерную распространяющую волны структуру 104, имеющую практически двухмерное расположение рассеивающих элементов, и картина настройки этого одномерного расположения может обеспечивать, например, выбранный профиль излучения антенны как функцию как зенитного, так и азимутального углов (т.е., относительно направления зенита, которое перпендикулярно двухмерной распространяющей волны структуре). Примерные картины настроек и диаграммы направленности в виде луча для антенны поверхностного рассеяния, которая включает двухмерную матрицу рассеивающих элементов, распределенных на плоской прямоугольной распространяющей волны структуре, показаны на ФИГ.2A-4B. В этих примерных вариантах осуществления, плоская прямоугольная распространяющая волны структура включает фидер несимметричной антенны, расположенный в геометрическом центре структуры. ФИГ.2A представляет картину настройки, соответствующую узкому лучу, имеющему выбранный зенит и азимут, как показано диаграммой направленности в виде луча на ФИГ.2B. ФИГ.3A картину настройки, соответствующую диаграмме направленности в виде двух лучей в дальнем поле, как показано диаграммой направленности в виде лучей на ФИГ.3B. ФИГ.4A представляет картину настройки, обеспечивающей фокусировку в ближнем поле, как показано картой напряженности поля на ФИГ.4B (на которой показана напряженность поля в плоскости, перпендикулярной прямоугольной распространяющей волны структуре и пересекающей ее длинный размер).

В некоторых вариантах осуществления распространяющая волны структура представляет собой модульную распространяющую волны структуру, и при этом несколько модульных распространяющих волны структур могут собираться в модульную антенну поверхностного рассеяния. Например, несколько практически одномерных распространяющих волны структур могут собираться, например, встречно-гребенчатым образом, чтобы получить эффективное двухмерное расположение рассеивающих элементов. Встречно-штыревое расположение может содержать, например, ряд прилегающих линейных структур (т.е., набор параллельных прямых линий) или ряд прилегающих криволинейных структур (т.е., набор последовательно смещенных кривых, таких, как синусоиды), которые практически заполняют площадь двухмерной поверхности. Как еще один пример, несколько практически двухмерных распространяющих волны структур (каждая из которых может сама по себе содержать ряд одномерных структур, как описано выше) могут собираться, чтобы получить больший раскрыв, имеющий большее число рассеивающих элементов; и/или несколько практически двухмерных распространяющих волны структур могут собираться как трехмерная структура (например, образуя А-образную рамочную структуру, пирамидальную структуру или другую многогранную структуру). В этих модульных сборках каждая из нескольких модульных распространяющих волны структур может иметь свою собственную соединительную муфту (муфты) 106 фидера, и/или модульные распространяющие волны структуры могут исполняться таким образом, чтобы связывать ведомую волну или поверхностную волну первой модульной распространяющей волны структуры с ведомой волной или поверхностной волной второй модульной распространяющей волны структуры в силу соединения между двумя структурами.

В некоторых случаях применения модульного варианта осуществления число собираемых модулей может выбираться с таким расчетом, чтобы добиться размера раскрыва, обеспечивающего требуемую пропускную способность для телекоммуникационных данных и/или качество сервиса, и/или чтобы уменьшить потенциальные потери при развертке может выбираться трехмерное устройство. Таким образом, например, модульная сборка могла бы содержать несколько модулей, установленных в разных местах / с разной ориентацией заподлицо с поверхностью транспортного средства, такого, как воздушное судно, космический аппарат, судно, наземное транспортное средство и т.д. (модули не обязательно должны быть прилегающими). В этих и других вариантах осуществления распространяющая волны структура может иметь практически нелинейную или практически неплоскую форму, чтобы тем самым соответствовать конкретной геометрии, обеспечивая, таким образом, конформную антенну поверхностного рассеяния (соответствующую, например, криволинейной поверхности транспортного средства).

В более общих аспектах, антенна поверхностного рассеяния представляет собой перестраиваемую антенну, которая может переналаживаться путем выбора картины настройки рассеивающих элементов так, что соответствующее рассеяние ведомой волны или поверхностной волны создает требуемую выходную волну. Предположим, например, что антенна поверхностного рассеяния содержит несколько рассеивающих элементов, распределенных в положениях {r_j} по распространяющей волны структуре 104, как на ФИГ.1 (или по нескольким распространяющим волны структурам в случае модульного варианта осуществления) и имеющих соответствующие несколько перестраиваемых связей {α_j} с ведомой волной или поверхностной волной 105. Ведомая волна или поверхностная волна 105 при ее распространении вдоль или внутри (одной или более) распространяющей волны структуре (структур), представляет амплитуду волны A_j и фазу φ_j j-го рассеивающего элемента; затем создает выходная волна как суперпозиция волн, рассеиваемых из нескольких рассеивающих элементов:

где E(θ, φ) представляет составляющую электрического поля выходной волны на сфере излучения дальнего поля, R_j (θ, φ) представляет (нормализованную) картину электрического поля для рассеянной волны, создаваемой j-м рассеивающим элементом в ответ на возбуждение, вызванное связью α_j, и k(θ, φ) представляет волновой вектор величины ω/c, перпендикулярный сфере излучения в (θ, φ). Таким образом, варианты осуществления антенны поверхностного рассеяния могут представлять собой перестраиваемую антенну, которая может переналаживаться, чтобы получить требуемую выходную волну E(θ, φ), путем настройки нескольких связей {α_j} по формуле (1).

Амплитуда A_j и фаза φ_j ведомой волны или поверхностной волны являются функциями характеристик распространения распространяющей волны структуры 104. Эти зари распространения могут включать, например, эффективный показатель преломления и/или эффективное волновое сопротивление, и эти эффективные электромагнитные свойства могут, по крайней мере, частично, определяться расположением и настройкой рассеивающих элементов вдоль распространяющей волны структуры. Иными словами, распространяющая волны структура в сочетании с перенастраиваемыми рассеивающими элементами может обеспечить перенастраиваемую эффективную среду для распространения ведомой волны или поверхностной волны, например, как описано в патентной заявке D.R. Smith et al, упомянутой выше. Следовательно, хотя амплитуда A_j и фаза φ_j ведомой волны или поверхностной волны может зависеть от связей {α_j} перенастраиваемых рассеивающих элементов (т.е., A_i=A_i({α_j}), φ_i=φ_i({α_j})), в некоторых вариантах осуществления эти зависимости могут быть практически прогнозируемыми в зависимости от описания эффективной среды распространяющей волны структуры.

В некоторых вариантах осуществления перенастраиваемая антенна может перестраиваться для обеспечения требуемого состояния поляризации выходной волны E(θ, φ). Предположим, например, что первое и второе подмножества LP⁽¹⁾ и LP⁽²⁾ рассеивающих элементов обеспечивают (нормализованные) картины электрического поля R⁽¹⁾(θ, φ) и R⁽²⁾(θ, φ) соответственно, которые являются практически линейно поляризованными и практически ортогональными (например, первые и вторые объекты могут быть рассеивающими элементами, перпендикулярно ориентированными на поверхности распространяющей волны структуры 104). Тогда выходную волну E(θ, φ) антенны можно выразить как сумму двух линейно поляризованных составляющих:

где

представляют собой комплексные амплитуды двух линейно поляризованных составляющих. Соответственно, поляризацией выходной волны E(θ, φ) можно управлять путем настраивания нескольких связей {α_j} в соответствии с формулами (2)-(3), например, для получения выходной волны с любой требуемой поляризацией (например, линейной, круговой или эллиптической).

Альтернативно или дополнительно, для вариантов осуществления, в которых распространяющая волны структура имеет несколько фидеров (например, по одному фидеру для каждого «пальца» встречно-гребенчатого устройства одномерных распространяющих волны структуры, как рассмотрено выше), требуемая выходная волна E(θ, φ) может регулироваться путем настройки коэффициентов усиления отдельных усилителей для нескольких фидеров. Настройка коэффициента усиления для конкретной фидерной линии будет соответствовать умножению амплитуд A_j на коэффициент усиления G для этих элементов j, которые запитываются конкретной фидерной линией. Особенно для вариантов осуществления, в которых первая распространяющая волны структура, имеющая первый фидер (или первые несколько таких структур/фидеров), связана с элементами, выбранными из LP⁽¹⁾, и вторая распространяющая волны структура, имеющая второй фидер (или вторые несколько таких структур/фидеров), связана с элементами, выбранными из LP⁽¹⁾, потери из-за деполяризации (например, при развертке луча с отклонением от направления, нормального к раскрыву антенны) могут компенсироваться путем настройки относительного коэффициента (коэффициентов) усиления между первым фидером (фидерами) и вторым фидером (фидерами).

Как уже отмечалось в контексте ФИГ.1, в некоторых вариантах осуществления антенна поверхностного рассеяния 100 включает распространяющую волны структуру 104, которая может быть реализована как микрополосковая линия или волновод из параллельных пластин (или несколько таких элементов); и в этих вариантах осуществления рассеивающие элементы могут включать комплементарные метаматериальные элементы, такие, как представлены в вышеупомянутой патентной заявке D.R. Smith et at. Обратимся теперь к ФИГ.5. Показана примерная элементарная ячейка 500 микрополосковой линии или волновода из параллельных пластин, содержащая нижний проводник или экран 502 (изготовленный из меди или подобного материала), диэлектрическую подложку 504 (изготовленную из Duroid, FR4 или подобного материала) и верхний проводник 506 (изготовленный из меди или подобного материала), заключающий в себе комплементарный метаматериальный элемент 510, в данном случае комплементарный электрический ЖК (CELC) метаматериальный элемент, определенный фигурным раскрывом 512, вытравленным или фигурно выполненным в верхнем проводнике (например, процессом, используемым при изготовлении печатных плат).

CELC-элемент, такой, как показан на ФИГ.5, является чувствительным к магнитному полю, прикладываемому параллельно плоскости CELC-элемента и перпендикулярно CELC-промежутку, т.е., в направлении x для ориентации на ФИГ.5 (см. статью Т.Н. Hand et al, "Characterization of complementary electric field coupled resonant surfaces". Applied Physics Letters 93, 212504 (2008), ссылкой включенную в настоящую заявку). Следовательно, составляющая магнитного поля направляемой волны, которая распространяется в микрополосковой линии или волноводе из параллельных пластин (являющаяся примером ведомой волны или поверхностной волны 105 на ФИГ.1), может индуцировать магнитное возбуждение элемента 510, что может практически характеризоваться, как возбуждение магнитного диполя, ориентированное в направлении x, таким образом, создавая рассеянную электромагнитную волну, являющуюся практически полем излучения магнитного диполя.

Отметив, что фигурный раскрыв 512 определяет проводящий островок 514, электрически отсоединенный от верхнего проводника, в некоторых вариантах осуществления рассеивающий элемент можно выполнить настраиваемым путем использования настраиваемого материала внутри и/или рядом с фигурным раскрывом 512 и затем прикладывания напряжения смещения между проводящим островком 514 и верхним проводником 506. Например, как показано на фиг. ФИГ.5, элементарная ячейка может быть погруженной в слой жидкокристаллического материала 520. Жидкие кристаллы имеют диэлектрическую проницаемость, являющуюся функцией ориентации молекул, образующих жидкий кристалл; и этой ориентацией можно управлять путем прикладывания к жидкому кристаллу напряжения смещения (эквивалентно, электрического поля смещения); соответственно, жидкие кристаллы могут обеспечить изменяемую напряжением диэлектрическую проницаемость для настройки электромагнитных свойств рассеивающего элемента.

Жидкокристаллический материал 520 может удерживаться вблизи рассеивающих элементов, например, за счет выполнения ограждающей структуры для жидких кристаллов на верхней поверхности распространяющей волны структуры. Примерное исполнение ограждающей структуры для жидких кристаллов показано на ФИГ.5, иллюстрирующей ограждающую структуру для жидких кристаллов, включающую закрывающую часть 532 и, факультативно, одну или несколько опорных частей или распорных деталей 534, которые обеспечивают разнесение верхнего проводника 506 и закрывающей части 532. В некоторых вариантах осуществления ограждающая структура для жидких кристаллов представляет собой изготовленную на станке или литьем под давлением пластиковую деталь, которая может прикрепляться к верхней поверхности распространяющей волны структуры - плоской поверхности, имеющей одно или несколько углублений (например, канавок или выемок), которые могут накладываться на рассеивающие элементы; и эти углубления могут заполняться жидким кристаллом, например, процессом вакуумного всасывания. В других вариантах осуществления опорные части 534 являются сферическими распорными деталями (например, сферические частицы смолы); или же стенками или стойками, образованными фотолитографическим процессом (например, описанным в Sato et al, "Method for manufacturing liquid crystal device with spacers formed by photolithography", патент США №4874461, описание из которого ссылкой включено в настоящую заявку); зачем закрывающая часть 532 крепится к опорным частям 534 с последующим установкой (например, вакуумным всасыванием) жидкого кристалла.

Для жидкого кристалла нематической фазы, в которой ориентация молекул может характеризоваться полем директора, этот материал может обеспечить более высокую диэлектрическую проницаемость ε_∥ для составляющей электрического поля, параллельной директору, и меньшую диэлектрическую проницаемость ε_⊥ для составляющей электрического поля, перпендикулярной директору. Прикладывание напряжения смещения создает линии электрического поля смещения, перекрывающие фигурный раскрыв, и при этом директор стремится выровняться параллельно этим линиям электрического поля (чем больше напряжение смещения, тем выше степень выравнивания). Поскольку эти линии электрического поля смещения практически параллельны линиям электрического поля, создаваемым при возбуждении рассеяния рассеивающего элемента, диэлектрическая проницаемость, видимая смещенным рассеивающим элементом, соответственно изменяется в сторону ε_∥ (т.е., при увеличении напряжения смещения). С другой стороны, диэлектрическая проницаемость, видимая несмещенным рассеивающим элементом, может зависеть от несмещенной конфигурации жидкого кристалла. Если несмещенный жидкий кристалл максимально разупорядочен (т.е., со случайно ориентированными микродоменами), несмещенный рассеивающий элемент может видеть усредненную диэлектрическая проницаемость ε_ave=(ε_∥+ε_⊥)/2. Если несмещенный жидкий кристалл максимально выполнен перпендикулярно линиям электрического поля смещения (т.е., до прикладывания электрического поля смещения), несмещенный рассеивающий элемент может видеть диэлектрическую проницаемость, столь малую, как ε_⊥. Соответственно, для вариантов осуществления, в которых желательно достичь большего диапазона настройки диэлектрической проницаемости, видимой рассеивающим элементом (соответствующего большему диапазону эффективной емкости рассеивающего элемента и, следовательно, большему диапазону настройки резонансной частоты рассеивающего элемента), элементарная ячейка 500 может включать зависящий от положения слой (слои) выравнивания, расположенный на верхней и/или нижней поверхности слоя жидкого кристалла 510, причем зависящий от положения слой (слои) выравнивания выполнен таким, чтобы выравнивать жидкокристаллический директор в направлении, практически перпендикулярном линиям электрического поля смещения, соответствующим приложенному напряжению смещения. Слой (слои) выравнивания может включать, например, полиимидный слой (слои), который или которые натерты или иным образом фигурно обработаны (например, механической обработкой или фотолитографией) для выполнения микроскопических канавок, проходящих параллельно каналам фигурного раскрыва 512.

Альтернативно или дополнительно, элементарная ячейка может обеспечивать первое смещение, выравнивающее жидкий кристалл практически перпендикулярно каналам фигурного раскрыва 512 (например, путем прикладывания напряжения смещения между верхним проводником 506 и проводящим островок 514, как описано выше), и второе смещение, выравнивающее жидкий кристалл практически параллельно каналам фигурного раскрыва 512 (например, путем введения электродов, расположенных над верхним проводником 506 по четырем углам элементарной ячейки, и прикладывания противоположных напряжений к электродам в соседних углах); затем может выполняться настройка рассеивающего элемента, например, путем чередования между первым смещением и вторым смещением или регулирования относительных интенсивностей первого и второго смещений.

В некоторых вариантах осуществления для усиления эффекта настойки жидкого кристалла путем допуска большего объема жидкого кристалла вблизи фигурного раскрыва 512 может использоваться жертвенный слой. Иллюстрация этого подхода приведена на ФИГ.6, на которой элементарная ячейка 500 ФИГ.5 показана в профиль с добавлением жертвенного слоя 600 (например, полиимидного слоя), расположенного между диэлектрической подложкой 504 и верхним проводником 506. После травления верхнего проводника 506 для получения фигурного раскрыва 512, дальнейшее избирательное травление жертвенного слоя 600 дает полости 602, которые могут затем заполняться жидким кристаллом 520. В некоторых вариантах осуществления используется еще один маскирующий слой (вместо или в дополнение к выполнению верхним проводником 506) для создания картины избирательного травления жертвенного слоя 600.

Примерные жидкие кристаллы, которые могут использоваться в различных вариантах осуществления, включают 4-циано-4′-пентилбифенил, эвтектические ЖК-смеси с высоким двойным лучепреломлением, такие, как LCMS-107 (от LC Matter) или GT3-23001 (от Merck). В некоторых вариантах осуществления могут использоваться двухчастотные жидкие кристаллы. В двухчастотных жидких кристаллах директор при низких частотах выравнивается практически параллельно приложенному пользователю смещения, но при более высоких частотах практически перпендикулярен приложенному пользователю смещения. Соответственно, для подходов, в которых используются двухчастотные жидкие кристаллы, настройка рассеивающих элементов может выполняться путем регулировки частоты сигналов прикладываемого напряжения смещения. В других вариантах осуществления могут использоваться жидкие кристаллы, стабилизированные полимерными сетками (PNLC) или полимер-диспергированные жидкие кристаллы (PDLC), которые обычно обеспечивают намного меньшее время релаксации/переключения для жидкого кристалла. Примером первых служит термически или УФ-отверждаемая смесь полимера (такого, как бисфенол А диметакрилат) в хозяине нематическом жидком кристалле (таком, как LCMS-107); см. статью Y.H. Fan et al "Fast-response and scattering-free polymer network liquid crystals for infrared light modulators", Applied Physics Letters 84, 1233-35 (2004), ссылкой включаемую в настоящую заявку. Примером последних является пористых полимерный материал (такой, как мембрана из ПТФЭ), пропитанная нематическим ЖК (таким, как LCMS-107); см. статью T. Kuki et al, "Microwave variable delay line using a membrane impregnated with liquid crystal," Microwave Symposium Digest, 2002 IEEE MTT-S International, vol.1, pp.363-366 (2002), ссылкой включаемую в настоящую заявку.

Обратимся теперь к подходам для обеспечения напряжения смещения между проводящим островком 514 и верхним проводником 506. Отметим сначала, что верхний проводник 506 проходит поблизости от одной элементарной ячейки к следующей, так что электрическое соединение с