JP2006148929A - 電磁放射線を反射するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のインピーダンス特性を示し、実装が経済的な反射アレイを提供する。
【解決手段】本発明の提供する電磁放射線を反射するための装置は反射素子のアレイを有する。反射素子は、アンテナと、このアンテナと電気信号で通信する非理想的スイッチング素子と、含んでいる。アンテナは、非理想的スイッチング素子のインピーダンスの関数として構成される。
【選択図】図３

Description

マイクロ波（microwave）及びミリメートル波（millimeter-wave）の反射アレイは、各アンテナが可変インピーダンス素子に接続されるアンテナ・アレイである。可変インピーダンス素子が抵抗素子であれば、短絡状態（short-circuit）または開路状態（open-circuit）、あるいは少なくともアンテナのインピーダンスに比べてきわめて低いかまたは極めて高い抵抗状態で、バイアスをかけるのが理想的である。こうして、アンテナ及び可変インピーダンス素子を組み合わせると、可変位相反射素子の働きをする。可変インピーダンス素子に適正な制御信号を加えると、反射アレイは、電磁放射ビームの集束、操向、または分割能力を備えた可調整ミラーとして用いることが可能になる。

一般には、ダイオードが、反射アレイの可変インピーダンス素子として用いられてきたが、トランジスタも用いられている。多くの低コストのトランジスタは、比較的低い無線周波数範囲（例えば、１０ＧＨｚ未満）であれば、所望のインピーダンス特性を示すことが可能である。しかし、これらの低コストのトランジスタは、比較的高い無線周波数範囲（例えば、２０ＧＨｚを超える）になると、必ずしも所望のインピーダンス特性を示すとは限らない。より高価なパッケージ化（packaged）トランジスタ、並びに強誘電性コンデンサ及びフェライト・スイッチのようなより珍しいデバイスは、高い周波数範囲で所望のインピーダンス特性を容易に示すことが可能であるが、多くの反射アレイ用途に必要とされるトランジスタ、コンデンサ、またはスイッチの数と、各パッケージ化デバイスの高コストが相俟って、こうしたデバイスを備えた反射アレイは法外に高価なものになる。

これを考慮すると、本発明の目的は、所望のインピーダンス特性を示し、実装が経済的な反射アレイを提供することにある。

反射アレイは、非理想的な（non-ideal）インピーダンス特性を有するスイッチング素子を利用して、反射素子のインピーダンスを変化させる。反射素子のアンテナは、非理想的スイッチング素子のインピーダンスの関数として、最適な位相振幅性能をもたらすように構成されている。すなわち、アンテナは、各アンテナのインピーダンスが、オン状態にある場合、及びオフ状態にある場合に、非理想的スイッチング素子のインピーダンスの平方根に比例するように構成されている。非理想的スイッチング素子のインピーダンスの関数としてアンテナを構成すると、反射アレイは、反射アレイの動作周波数範囲にわたって非理想的インピーダンス特性を示す、表面実装電界効果トランジスタのような低コストのスイッチング素子を利用しながら、０度と１８０度の位相振幅状態間におけるスイッチングを実現することが可能になる。

本発明の他の態様及び利点については、例証として本発明の原理を示した、添付の図面に関連して行われる下記の詳細な説明から明らかになるであろう。

説明全体を通じて、同様の要素の識別には、同様の参照番号が用いられる。

反射アレイは、非理想的インピーダンス特性を有するスイッチング素子を利用して、反射素子のインピーダンスを変化させる。反射素子のアンテナは、非理想的スイッチング素子のインピーダンスの関数として、最適な位相振幅性能をもたらすように構成されている。すなわち、アンテナは、各アンテナのインピーダンスが、オン状態にある場合、及びオフ状態にある場合に、非理想的スイッチング素子のインピーダンスの平方根に比例するように構成されている。

反射アレイは、外部から照射される電磁放射線（electromagnetic radiation）を反射する受動システム（passive system）である。図１には、マイクロ波及びミリメートル波用途のための反射アレイ１０の一例が描かれている。反射アレイには、そのインピーダンス状態に応じて位相が変動する電磁放射線を反射する個別の（distinct）反射素子（reflecting element）１２が含まれている。反射アンテナ素子は、そのインピーダンスが低い時に比べて高くなると、１８０度移相する電磁放射線を反射するのが理想である。反射アンテナ素子は個別に制御可能であり、反射アレイは一般に、ドライバ回路（driver electronics）（図１には示されていない）によって支持されている。反射アレイは、プリント回路基板のような、基板１４上及び／または基板１４内に形成される。ある例の場合、反射アレイは、表面積が約１平方メートルであり、１０，０００〜１００，０００の個別に制御可能な反射アンテナ素子で覆われている。

電磁放射線は、ホーン（horn）のような放射源から反射アレイに送ることが可能である。図２には、反射アレイ１０、及び、反射アレイに電磁放射線を送るように構成されたホーン１６の側面図が描かれている。ホーンは、図２の電磁放射線源として示されているが、他の電磁放射線源も可能である。

図３には、図１からの個別の反射素子１２の１つに関する機能設計が示されている。反射素子には、アンテナ２０および非理想的スイッチング素子２２が含まれている。アンテナは、反射素子のインピーダンス・レベルに応じて変動する程度に合わせて、電磁放射ビームを吸収または反射する働きをする。アンテナは、この場合、説明のために一般的なダイポール・アンテナとして示されているが、他のタイプのアンテナも考慮される。反射アレイに組み込むことが可能な典型的なアンテナ・タイプには、パッチ、ダイポール、モノポール、ループ、及び誘電体共振器タイプのアンテナが含まれる。反射アレイ用途において、アンテナは、反射アレイ基板表面上の単一平面内に形成される場合が多い。アンテナのインピーダンス特性は、アンテナ設計パラメータの関数である。アンテナの設計パラメータには、制限するわけではないが、誘電体構成材料、誘電体材料の厚さ、アンテナ形状、アンテナの長さ及び幅、給電位置、及びアンテナ金属層の厚さといった物理的属性が含まれる。

非理想的スイッチング素子２２は、その抵抗状態を変化させることによって、反射素子２２のインピーダンス状態を変化させる。低抵抗状態（例えば、閉回路または「短絡」）は低インピーダンスになる。逆に、高抵抗状態（例えば、開回路）は高インピーダンスになる。理想的性能特性を備えたスイッチング素子（本明細書では「理想的（ideal）」スイッチング素子と呼ばれる）は、その抵抗がその最低状態の場合に、ほぼゼロのインピーダンス（Ｚ＝０）を生じ、その抵抗がその最高状態の場合に、ほぼ無限のインピーダンス（Ｚ＝∞）を生じる。本明細書において解説のように、スイッチング素子は、そのインピーダンスがその最低状態（例えば、Ｚ_ｏｎ＝０）の場合に「オン」になり、そのインピーダンスがその最高状態（例えば、Ｚ_ｏｆｆ＝∞）の場合に「オフ」になる。理想的スイッチング素子のオン及びオフ・インピーダンス状態は、事実上Ｚ_ｏｎ＝０及びＺ_ｏｆｆ＝∞のため、理想的スイッチング素子は、電磁放射線の吸収を伴うことなく、オン状態とオフ状態の間で最大移相を生じさせることが可能である。すなわち、理想的スイッチング素子は、０度と１８０度の位相状態間でスイッチングを生じさせることが可能である。理想的スイッチング素子の場合、いかなる有限非ゼロインピーダンスを示すアンテナでも、最大位相振幅性能を実現することが可能である。

理想的スイッチング素子とは対照的に、「非理想的」スイッチング素子は、Ｚ_ｏｎ＝０及びＺ_ｏｆｆ＝∞のオン及びオフ・インピーダンス状態をそれぞれ示さないスイッチング素子である。より正確に言うと、非理想的スイッチング素子のオン及びオフ・インピーダンス状態は、Ｚ_ｏｎ＝０とＺ_ｏｆｆ＝∞の間のある値になる。非理想的スイッチング素子は、特定周波数範囲（例えば、＜１０Ｇｚ）範囲内において理想的なインピーダンス特性を示し、他の周波数範囲（例えば、＞２０ＧＨｚ）において極めて非理想的なインピーダンス特性を示す可能性がある。

非理想的スイッチング素子のオン及びオフ・インピーダンス状態は、Ｚ_ｏｎ＝０とＺ_ｏｆｆ＝∞の間のある値であるため、非理想的スイッチング素子では、対応するアンテナのインピーダンスに関係なく、必ずしも最高位相状態性能が得られるとは限らない。ここで、最高位相状態性能には、０度と１８０度の位相状態間におけるスイッチングを伴うことになる。本発明によれば、非理想的スイッチング素子を利用する反射アンテナ・アレイのアンテナ素子は、特に最適位相状態性能が得られるように設計されているが、ここで、反射アンテナ素子の最適位相状態性能は、反射アンテナ素子が０度と１８０度の位相振幅状態間におけるスイッチングに最も近くなるポイントである。実施態様の１つでは、最適位相状態性能を実現するため、アンテナは、非理想的スイッチング素子のインピーダンスの関数として構成される。例えば、アンテナは、アンテナのインピーダンスが非理想的スイッチング素子のインピーダンス特性の関数になるように設計される。さらに、アンテナは、オン状態にある非理想的スイッチング素子のインピーダンスＺ_ｏｎ、及びオフ状態にある非理想的スイッチング素子のインピーダンスＺ_ｏｆｆの関数として構成されている。ある特定の実施態様において、反射素子の位相状態性能が最適化されるのは、各アンテナのインピーダンスがオン及びオフ・インピーダンス状態Ｚ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆにある場合に非理想的スイッチング素子のインピーダンスの平方根に対して共役化させられるように、アンテナの構成がなされている場合である。すなわち、各アンテナのインピーダンスは、対応する非理想的スイッチング素子のオン及びオフ・インピーダンス状態Ｚ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆの幾何平均の複素共役である。この関係は、下記のように表わされる。

Ｚ_antenna ^*＝√（Ｚ_ｏｎＺ_ｏｆｆ） （１）
上記関係式は、信号源インピーダンスと負荷インピーダンスとの間の複素反射係数に関する周知の公式を用いて導き出される。アンテナである信号源及び非理想的スイッチング素子である負荷を選択して、オン状態反射係数が、オフ状態反射係数の逆に等しくなるように設定することによって、方程式（１）が得られることになる。

最適な位相振幅性能を示すアンテナの設計には、反射アンテナ素子に用いられる特定の非理想的スイッチング素子のオン及びオフ・インピーダンスＺ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆを決定することが必要になる。次に、上記方程式（１）において表わされた関係に整合するインピーダンスを備えたアンテナが得られるように、アンテナの設計パラメータが操作される。Ｚ_ｏｎ及びＺ_ｏｆｆが別個の値になるように決定される限りにおいて、方程式（１）を満たすアンテナを設計することが可能である。

問題となる周波数帯域にわたって非理想的インピーダンス特性を示すスイッチング素子のタイプには、表面実装の（surface mount）電界効果トランジスタ（field effect transistor：ＦＥＴ）及び表面実装ダイオードのような低コストの表面実装デバイスが含まれる。表面実装ＦＥＴは、問題となる周波数帯域にわたって非理想的インピーダンス特性を示すが、比較的安価であり、反射アンテナ・アレイ用途に用いるために個別に実装することが可能である。図４は、３端子固体トランジスタが非理想的スイッチング素子２２として用いられる反射素子１２の機能図である。すなわち、３端子固体トランジスタは、ソース２６、ドレイン２８、及びゲート３０を備えたＦＥＴである。ソース及びドレインは、アンテナ２０の逆の端子に接続されており、ドレインは、何らかのドライバ回路（不図示）に接続されている。実施態様の１つでは、ソースはＤＣ接地され、ドレインは、用途に応じて、ＤＣ接地されるかまたは浮遊させられる。強化モード（enhanced mode）ＦＥＴの場合、ソース・ドレイン間無線周波数インピーダンスは、公称では、ゲート・ソース間電圧Ｖ_ｇｓがゼロまたは負の場合には高く、Ｖ_ｇｓが十分に正の場合には低い。空乏モード（depletion mode）ＦＥＴの場合、ソース・ドレイン間無線周波数インピーダンスは、公称では、ゲート・ソース間電圧Ｖ_ｇｓがゼロまたは正の場合には低く、Ｖ_ｇｓが十分に負の場合には高い。図３及び図４は、さらに詳細に後述するように、アンテナと非理想的スイッチング素子との間の機能的接続を表わしているが、これらの図は、現実の実施例におけるアンテナと非理想的スイッチング素子との間の物理的接続を寸分違わず表わしたものではないかもしれない。

実施態様の１つでは、反射アレイ１０のアンテナ２０は、平面パッチ（planar patch）アンテナである。図５には、平面パッチ・アンテナ２０ａの平面図の一例が描かれている。平面パッチ・アンテナには、対応する固体トランジスタのドレインに電気的に接続されたバイア・コネクタ３２が含まれている。アンテナのインピーダンスに影響する平面パッチ・アンテナの設計基準には、例えば、誘電体構成材料、誘電体の厚さ、パッチの幅、給電点、及び平面金属の厚さが含まれる。実施態様の１つでは、平面パッチ・アンテナは、反射アレイ基板の表面に金属層（例えば、金）を付着させることによって形成される。

反射アレイのスケーラビリティ及びコストは、コンポーネント・レベルとシステム・レベルの両方における実装及びアセンブリによって決定的に左右される。図６には、非理想的スイッチング素子として表面実装された（surface mounted）ＦＥＴを利用した反射素子１２の側面図が描かれている。図６の反射素子は、回路基板１４上及び内に形成され、表面実装ＦＥＴ２２、パッチ・アンテナ２０ａ、ドレイン・バイア３２、接地面３６、及びソース・バイア３８を含んでいる。表面実装ＦＥＴは、平面パッチ・アンテナとしてプリント回路基板の反対側に実装され、接地面は、平面パッチ・アンテナと表面実装ＦＥＴの間に配置されている。ドレイン・バイア３２によって、表面実装ＦＥＴのドレイン２８が平面パッチ・アンテナ２０ａに接続され、ソース・バイア３８によって、表面実装ＦＥＴ２２のソース２６が接地面３６に接続されている。実施態様の１つでは、表面実装ＦＥＴは、ロボットの「ピック・アンド・プレイス（pick and place）」プロセスを利用してプリント回路基板上に配置され、さらに、プリント回路基板に対してウェーブ・ソルダリングされる（wave soldered）。

ある作業製品の場合、反射アンテナ・アレイは、ドライバ回路を含むコントローラ基板４０に接続可能である。コントローラ基板の一例が、やはり図６に示されており、接地板４４、駆動信号（drive signal）バイア４６、及びドライバ回路４２を含んでいる。コントローラ基板には、反射アレイのコネクタ５０に適合するコネクタ４８も含まれている。２つの基板のコネクタは、例えば、ウェーブ・ソルダリング（wave soldering）を利用して、互いに接続することが可能である。

図７は、非理想的スイッチング素子として表面実装ＦＥＴ２２を利用した反射素子１２のもう１つの実施態様に関する側面図を表わしている。この実施態様は、ＦＥＴが、プリント回路基板１４の平面パッチ・アンテナ２０ａと同じ側に実装されている点を除けば、図７の実施態様と同様である。さらに、ドライバ回路４２は、反射素子が形成されるのと同じプリント回路基板に直接ハンダ付けすることが可能である。

非理想的スイッチング素子としてＦＥＴを利用する反射アレイの場合、実現可能なビーム走査速度は、Ｓ／Ｎ比、クロストーク、及びスイッチング時間を含むいくつかの要素によって決まる。ＦＥＴの場合、スイッチング時間は、ゲート・キャパシタンス、ドレイン・ソース間キャパシタンス、及びチャネル抵抗（すなわち、ドレイン・ソース間抵抗）によって決まる。チャネル抵抗は、実際には、空間依存性並びに時間依存性である。インピーダンス状態間のスイッチング時間を最短にするため、ＦＥＴのドレインは、常にＤＣ短絡状態にある。ドレインを浮遊させると、大きいオフ状態チャネル抵抗、並びに、パッチ・アンテナの巨大な平行板面積に起因する大きいドレイン・ソース間キャパシタンスをもたらすので、ドレインは、常にＤＣ短絡状態にある。これは、アンテナがＤＣ短絡状態になることを表わしているが、望まれるのは、アンテナがソースにおいて「ｒｆ短絡」状態になることだけである。従って、アンテナの摂動を最小限に抑えるのに最適な位置において、追加アンテナ／ドレインの短絡を施さなければならない。

本明細書では、固体（solid-state）トランジスタが非理想的スイッチング素子として解説されているが、他の非理想的スイッチング素子を利用することも可能である。反射アレイは、マイクロ波及びミリメートル波スペクトルにおける用途に関して解説されているが、反射アレイは、電磁放射線の他のスペクトル帯域に利用することも可能である。

本発明による特定の実施態様について解説し、例示してきたが、本発明は、こうして解説及び例示された部分の特定の形態及び構成に制限されるものではない。本発明は、請求項による制限しか受けない。

マイクロ波及びミリメートル波用途のための反射アレイの一例を示す図である。 反射アレイ及び反射アレイに電磁放射線を送るホーンの側面図である。 本発明の実施態様の１つによるアンテナ及び非理想的スイッチング素子を含む、図１からの反射アレイの個別反射素子の１つに関する機能設計を示す図である。 ３端子固体トランジスタが本発明の実施態様による非理想的スイッチング素子として用いられる、反射素子の機能図である。 平面パッチ・アンテナの平面図である。 本発明の実施態様の１つによる非理想的スイッチング素子として表面実装電界効果トランジスタを利用する反射素子の側面図である。 本発明の実施態様の１つによる非理想的スイッチング素子として表面実装電界効果トランジスタを利用する反射素子のもう１つの実施態様に関する側面図である。

符号の説明

１０ アレイ
１２ 反射素子
２０ アンテナ
２２ 非理想的スイッチング素子
２８ ドレイン

Claims (9)

1. 電磁放射線を反射するための装置であって、
   反射素子のアレイを有し、
   前記反射素子は、アンテナと、該アンテナと電気信号で通信する非理想的スイッチング素子と、含んでおり、
   前記アンテナは、前記非理想的スイッチング素子のインピーダンスの関数として構成される、装置。
2. 前記アンテナの物理的属性が、前記非理想的スイッチング素子のインピーダンスの関数として構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記アンテナが、オン状態にある場合、及び、オフ状態にある場合の非理想的スイッチング素子のインピーダンスの関数として構成される、請求項１に記載の装置。
4. 前記アンテナが、オン状態にある場合、及び、オフ状態にある場合の非理想的スイッチング素子のインピーダンスの平方根に対して共役化されたインピーダンスを備えるように構成される、請求項１に記載の装置。
5. 前記非理想的スイッチング素子が固体トランジスタである、請求項１に記載の装置。
6. 前記アンテナのそれぞれが、その対応する固体トランジスタのドレインに接続された端子を備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記固体トランジスタの前記ドレインが短絡される、請求項６に記載の装置。
8. 前記アンテナが、基板上に形成される平面パッチ・アンテナであり、前記非理想的スイッチング素子が、個別にパッケージ化された表面実装の固体トランジスタである、請求項１に記載の装置。
9. 前記非理想的スイッチング素子が、２０ＧＨｚを超える無線周波数において非理想的なオン及びオフ・インピーダンスを示す、請求項１に記載の装置。
   

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