JP2021521693A - アンテナアレイの要素を放射するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

複数の層と要素の放射アレイとを有するレーダーシステムであって、信号は、スロット付き導波路を通って伝搬する際に要素に提示される。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年４月１９日に提出された米国仮特許出願第６２／６６０，１５９号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、無線システムに関し、特にメタマテリアル構造の放射に関する。

レーダーやセルラー通信などの無線伝送システムでは、アンテナのサイズは、用途、アンテナの構成、放射要素の設計および構造、システムの伝送特性、目標、製造可能性、ならびに他の要件および／または制限によって決定される。無線アプリケーションの広範な用途では、所与のアンテナまたは放射構造に割り当てられた設置面積および他のパラメータが制約される。さらに、帯域幅の拡大、より細かい制御、範囲の拡大など、アンテナシステムの機能に対する要求は増え続けている。本発明は、これらおよび他の目標を満たすための電力アンテナ構造を提供する。

本出願は、添付の図面と併せて記載された以下の詳細な説明に関連して、より完全に理解され得る。なお、添付の図面は、縮尺通りに描写されておらず、また図面全体を通して、同様の参照文字は、同様の部分を指す。
本発明の実施形態によるアンテナシステムを示す。 本発明の実施形態による放射構造などの伝送線アレイのための共同供給を示す。 本発明の実施形態によるアンテナ構造を示す。 本発明の実施形態による、メタマテリアル上層とメタマテリアル搭載要素とを有する基板を示す。 本発明の実施形態による、リアクタンス制御回路をともなうアンテナアレイの一部を示す。 本発明の実施形態による、リアクタンス制御回路をともなうアンテナアレイの一部を示す。 本発明の実施形態による、リアクタンス制御回路をともなうアンテナアレイ要素の配置決めを示す。 本発明の実施形態による、リアクタンス制御回路をともなうアンテナアレイの一部を示す。 本発明の実施形態による、複数のメタマテリアル層をともなうアンテナシステムを示す。

本明細書に記載の本発明は、特に車両レーダーモジュールの性能を増大させるための放射要素を有するアンテナ構造を提供する。アンテナ構造は、さまざまな放射要素とアレイ構造を含む。要素の各アレイは、電力を所与の１つ以上のソースからアレイおよび／または要素のさまざまな部分に分割する供給ネットワークを通して、信号と電力を受容する。この配電は、本明細書では供給ネットワークと称し、供給ネットワーク内には、アンテナの性能を増大させるように設計された構造および構成が存在する。供給ネットワークの設計は、ビーム操縦のためなどの放射ビームを制御する機構と、テーパ処理のようなビームの形状を作る機構とを提供する。

本発明は、図１に示すアンテナシステム１００に関連して説明する。この実施形態および本明細書で提供する例は、車両用途に関連して説明されている。しかしながら、本発明は、広範囲の用途に適用可能である。この例は、限定することを意味するのではなく、本発明の適用の完全な例を提供することを意味する。本明細書で説明する概念は、他のシステムおよび他のアンテナ構造にも適用することができる。本明細書で提示する本発明は、その変形とともに、放射要素および供給構造を組み込む通信システムまたは他の用途で使用することができる。

図１のシステムは、自動運転および／または自動運転情報を運転者に提供する自動運転支援システム（「ＡＤＡＳ」）をサポートするためなどの自動車レーダーシステムの構成要素を含む。システム１００は、モジュールのいくつかを制御する中央処理装置１０２と、システム１００内の信号、情報、および命令を通信するための通信バス１３とを含む。システム１００は、無線信号を生成するための放射構造２００を含み、この場合、無線信号は、レーダー信号として使用されて、特定の変調を有する信号を送信し、システムが物体を検出する送信信号の反射またはエコーを受信し、検出された物体に関するさまざまな情報を導出する。トランシーバ１１０は、送信信号コントローラ１０８の動作下で作用して、放射構造２００を制御するアンテナコントローラ１１２を動作させる。システム１００は、センサフュージョンへのインターフェース１０４を通して、導出された情報をセンサフュージョン（図示せず）に提供する。センサフュージョンはまた、生データ、放射構造２００で受信されたアナログ情報を必要とする場合がある。このようにして、システム１００は、自動車システムの目標を達成するように作用する。

図１のように、アンテナシステム１００は、情報がアンテナシステム１００とセンサフュージョンモジュール（図示せず）との間で通信されるセンサフュージョンへのインターフェース１０４を通すなどして、他のモジュールとのインターフェースを含む。アンテナシステム１００は、電磁石放射またはビームの生成および受信を制御するためのアンテナコントローラ１１２を含む。アンテナコントローラ１１２は、ビームの方向、電力、および他のパラメータを決定し、放射構造２００を制御して、さまざまな方向へのビーム操縦を達成する。システム１００の設計は、アンテナが操縦され得る角度の範囲を決定する。操縦とは、放射ビームのメインローブの方向を特定の方向に変えることである。

たとえば、ビームがアンテナの平面にほぼ垂直な照準の元の方向を有する場合、システム１００は、ビームを第１の角度方向にｘ度、第２の角度方向にｙ度操縦することができる。角度ｘおよびｙは、等しくてもよく、異なっていてもよい。システム１００は、アンテナ面に対して方位角もしくは水平方向にビームを操縦することができ、またはアンテナ面に対して仰角もしくは垂直方向にビームを操縦することができる。２次元アンテナは、方位角と仰角の両方で操縦する。

アンテナシステム１００は、本明細書では伝送線と称する、供給ネットワーク経路におけるリアクタンス、位相、および信号強度の制御を可能にする。所与の伝送線は、本明細書では、信号源からアンテナアレイの所与の部分または所与の放射要素への経路であると見なされる。放射構造２００は、電力分割回路や、電力分割回路ための制御回路１３０などを含む。制御回路１３０は、リアクタンス制御モジュール（「ＲＣＭ」）１２０、または可変コンデンサなどのリアクタンスコントローラを含み、伝送回路のリアクタンスを変化させ、それによって、伝送線を伝搬する信号の特性を制御する。ＲＣＭ１２０は、放射アレイ構造１２６の個々のアンテナ要素を通して放射される信号の位相を変更するように作用する。いくつかの実施形態では、リアクタンスコントローラ１２０は、信号の位相を変更するバラクタである。いくつかの実施形態におけるリアクタンスコントローラ１２０は、受信信号用の低雑音増幅器（「ＬＮＡ」）および伝送路用の電力増幅器（「ＰＡ」）または高電力増幅器（「ＨＰＡ」）などの増幅器に統合される。

制御回路１３０はまた、放射アレイ構造１２６への接続で入力インピーダンスを整合させるためのインピーダンス整合要素１１８を含む。インピーダンス整合要素１１８およびリアクタンス制御モジュール１２０は、供給分配モジュール１１６全体にわたって構成され得るか、または互いに近接し得る。制御回路１３０の構成要素は、特定の制御を生じさせるために、バイアス電圧などの制御信号を含み得る。これらの制御信号は、インターフェース１０４を通して受信されたセンサフュージョンからの命令に応答するなど、システム１００の他の部分から来るものであってもよい。他の実施形態では、代替の制御機構が使用される。

基板統合導波路（「ＳＩＷ」）、層状アンテナ設計、または折り返しアンテナ設計など、誘電体基板を組み込んで伝送路を形成する構造の場合、リアクタンス制御は、ＲＣＭをサポートするマイクロストリップまたはストリップライン部分を挿入するなどして、伝送線との統合を通して実現することができる。伝送線にこのような中断がある場合、同じ方向の信号フローを維持するための遷移が行われる。同様に、リアクタンス制御構造は、システム１００が伝送線のリアクタンスを制御および調整できるようにするために、ＤＣバイアス線または他の制御手段を通すなどした制御信号を必要とし得る。本発明のいくつかの実施形態は、制御信号を送信信号から分離するように作用する構造（複数可）を含む。アンテナ伝送構造の場合、分離構造は、ＤＣ制御信号（複数可）をＡＣ送信信号から分離するように機能する共振制御モジュールであってもよい。

本発明は、無線通信およびレーダー用途、特に、工学設計された放射構造を使用して電磁波を操作することができるメタ構造（「ＭＴＳ」）またはメタマテリアル（「ＭＴＭ」）構造などの放射要素を組み込んだ用途に適用可能である。さらに、本発明は、指向性が改善され、サイドローブなどの望ましくない放射パターンの側面が低減された、レーダー信号などの無線信号を生成するための方法および装置を提供する。本発明は、レーダーシステム用の無線周波数（「ＲＦ」）波を生成する、前例のない機能をアンテナに提供する。これらの発明は、物体検出に使用されるセンサのうちの１つを提供することによって、改善されたセンサ機能を提供し、自動運転をサポートする。本発明は、これらの用途に限定されず、無線通信、５Ｇセルラー、固定無線などの他のアンテナ用途で容易に採用することができる。

セルラーシステムにおいて、本発明は、高周波でミリ波スペクトルの超広帯域のシステムを可能にし、これらのシステムを、高密度、超高速、低遅延、高信頼性、および拡張可能にする。統一された接続性により、デバイス、データ、および通信のためのより多くの容量がある。本発明は、５Ｇ無線システムのためのハイパーコネクテッドビューを可能にし、高密度ネットワークにおいてより高いカバレッジおよび可用性を提供する。これらの新しいサービスは、マシンツーマシン（「Ｍ２Ｍ」）、低電力で高スループットのモノのインターネット・オブ・シングス（「ＩｏＴ」）用途を含む。

さまざまな例において、システム１００は、複数の操縦角でＲＦ信号を提供するためのミリ波ＩＣ（「ＭＭＩＣ」）などの無線周波数集積回路（「ＲＦＩＣ」）と統合されたアンテナビーム操縦機能を有する。アンテナは、メタ構造アンテナ、フェーズアレイアンテナ、またはミリ波周波数でＲＦ信号を放射することができる任意の他のアンテナであってもよい。本明細書で一般的に定義されるメタ構造は、その形状に基づいて所望の方向で入射放射線の制御および操作が可能な工学設計された構造である。メタ構造アンテナは、たとえば、電力を分割してインピーダンス整合を提供するための供給層または電力分割層、操縦角制御および他の機能を提供するためのＲＦＩＣをともなうＲＦ回路層、ならびに複数のマイクロストリップ、ギャップ、パッチ、ビアなどをともなうメタ構造アンテナ層をはじめとする、さまざまな構造および層を含み得る。メタ構造層は、メタマテリアル層を含み得る。ビーム操縦アンテナのさまざまな構成、形状、設計、および寸法を使用して、特定の設計を実装し、特定の制約を満たすことができる。

本発明は、ＲＦ波を操作して、現行のシステムの何分の１かの時間で環境全体をスキャンする前例のない能力をともなうスマート能動アンテナを提供する。本発明は、さまざまな構成でＭＴＭ放射構造を使用するスマートビーム操縦およびビーム形成を提供し、アンテナへの電気的変化を使用して、位相のシフトおよび調整を達成し、複雑性および処理時間を低減し、長距離物体検出のための最大約３６０°の視野の高速スキャンを可能にする。

本発明は、複数の伝送線（図１には示されていない）を有する供給構造１１６を支持しており、供給構造１１６は、導電材料内に不連続性をともなって構成され、かつ伝送線に近接するユニットセル放射要素の格子構造を有する。供給構造１１６は、供給構造１１６内の伝送線または伝送線の一部を通る入力信号のための経路を提供するための結合設計を有する。

本実施形態は、アンテナおよびレーダー設計における本発明の柔軟性およびロバスト設計を示す。いくつかの実施形態では、結合設計は、信号を複数の伝送線間で分割する電力分割構造を形成し、電力は、Ｎ本の伝送線間で均等に分配され得るか、または別の方式にしたがって分配され得、Ｎ個の伝送線がすべて同じ信号強度を受信するわけではない。たとえば、信号が所与の方向（複数可）に向かって移動するときに信号強度を下げることによって、テーパを導入することができる。これにより、ビームのサイドローブを低減しながら、ビームの指向性にしたがって電力を集束させることになる。

本実施形態の供給構造１１６は、インピーダンス整合要素１１８とリアクタンス制御１２０とを含む。供給構造１１６は、放射アレイ構造１２６に近接し、かつその下にある伝送アレイ構造を通して送信信号を案内するように形成されたＮ個の伝送路を有する伝送アレイ構造１２４に結合されている。本実施形態では、送信信号は、伝送アレイ構造１２４内の経路を通って伝播し、上方に放射して、放射アレイ構造１２６の放射要素を励起する。ユニットセル要素２０などの放射要素は、信号を空中に放射する。放射アレイ構造１２６の素子はともに、指向性放射ビームを形成する。図１のシステム１００のレイアウトは、機能的な動作を説明するために描写されており、システム１００の物理的な構成通りには描写されていない。

いくつかの実施形態では、インピーダンス整合要素（複数可）１１８は、放射アレイ構造１２６の要素の静電容量またはリアクタンスを変更するために、リアクタンス制御要素（複数可）１２０を組み込んでいる。インピーダンス整合要素１１８は、入力信号パラメータを放射要素と整合するように構成することができ、したがって、この要素１１８にはさまざまな構成および位置が存在する。インピーダンス整合要素１１８およびリアクタンス制御モジュール１２０は、所望の回路において所与の機能を達成するために、複数の構成要素、単一の構成要素、ＡＳＩＣ、または他の構造を含み得る。

本発明において記載されるように、リアクタンス制御機構１２０は、伝送アレイ構造１２４内の伝送線および／または放射アレイ構造１２６内の放射要素の実効リアクタンスを調整するために組み込まれ、伝送線は、放射要素に供給を行う。そのようなリアクタンス制御機構１２０は、コントローラ（図示せず）によって印加されるバイアス電圧を有するバラクタダイオードであってもよい。バラクタダイオードは、逆バイアス電圧が印加されると、可変コンデンサとして作用する。本明細書で使用される逆バイアス電圧は、本明細書では、リアクタンス制御電圧またはバラクタ電圧とも称する。リアクタンスの値（いくつかの例では静電容量）は、逆バイアス電圧値の関数である。リアクタンス制御電圧を変更することにより、バラクタダイオードの静電容量が所与の値の範囲にわたって変更される。代替の実施形態は、電気的または機械的に制御し得る、リアクタンスを変更するための代替の方法を使用してもよい。本発明のいくつかの実施形態では、バラクタダイオードはまた、放射要素の導電性領域の間に設置され得る。本実施形態では、リアクタンス制御モジュール１２０は、複数の経路を通して送信信号の位相を変化させ、所望のビーム形状を有する有向放射ビームをもたらす。

放射要素に関しては、バラクタ電圧の変化が、放射要素の実効静電容量の変化を生み出す。実効静電容量の変化は、放射要素の挙動を変化させ、このように、バラクタは、ビーム形成における放射要素の同調要素と見なすことができる。いくつかの実施形態では、リアクタンス制御要素１２０は、メタマテリアルまたはメタ構造設計を有するユニットセル要素２０などの要素の導電性部分の間など、放射アレイ構造１２６内に配置される。

リアクタンス制御機構１２０は、固定された幾何学的伝送線のリアクタンスの制御を可能にする。伝送線は、ソース信号から放射アレイ構造１２６への入力への導電経路として定義され、放射要素は、放射アレイ構造１２６の行、列、または部分であり得るスーパー要素として配置または編成することができる。１つ以上のリアクタンス制御機構１２０を、伝送線内に設置してもよい。同様に、リアクタンス制御機構１２０を、所望の結果を達成するために、複数の伝送線内に設置してもよい。リアクタンス制御機構１２０は、１つ以上の伝送線のリアクタンスの変化を提供するための個別の制御を有していてもよい。他の実施形態では、複数のリアクタンス制御機構１２０は、複数のリアクタンス制御機構１２０に印加される単一のバイアス電圧などの共通の制御を有する。いくつかの実施形態では、第１のリアクタンス制御機構に対する変更が第２のリアクタンス制御機構への変更の関数である場合など、第１のリアクタンス制御機構に適用される制御は、他の制御機構へのトリガーとして作用する。いくつかの実施形態は、伝送アレイ構造１２４のすべてではないがそのうちのいくつかの伝送線にリアクタンス制御要素１２０を配置する。各設計は、所望の目標を達成することを目的としている。柔軟な設計では、これらのリアクタンス制御要素１２０は、有効化、制御、および無効化が可能である。

本明細書に記載の車両用途では、リアクタンス制御モジュール１２０は、車両からの視野の掃引を達成するために、高速ビーム操縦を可能にする。これは、ラスタースキャン、パターンスキャン、アドホックスキャン、または他の設計であってもよく、レーダー信号は、車両の安全性および／または性能に影響を与え得る物体を検出する役割を果たす。スキャンは、物体または状態を識別し、それに応じてレーダービームを向ける知覚エンジンによって制御することができる。したがって、これらの発明は、センサ性能の向上、全天候／全条件検出、高度な意思決定アルゴリズム、およびセンサフュージョンを通した他のセンサとの相互作用により、さまざまなレベルでの自動運転をサポートする。これは、電磁信号が暗い環境、雨の環境、霧の環境などによって妨げられないためであり、より好ましい環境条件に依存する他のセンサよりもレーダーを優先する。レーダー信号および知覚結果は、性能およびセキュリティを最適化するために、車両内の他のさまざまなタイプのセンサと組み合わせることができる。

自動運転車などのレーダーは、気象条件によって阻害されないため、本明細書に記載の構成は、レーダーセンサの使用を最適化する。他のセンサよりも早く環境情報を捕捉できるため、レーダーセンサは、車両を制御する上で大いに好ましい補助手段となり、危険要因や状況の変化を予測することができる。センサの性能は、本明細書に記載の放射構造および構成によっても強化され、車両コントローラ（複数可）とセンサフュージョンに対する長距離と短距離の可視性が有効となる。自動車用途では、短距離は、車両の前の横断歩道にいる人を検出するためなど、車両から３０メートル以内と見なされ、長距離は、高速道路上の他の車、トラック、および障害物を検出するためなど、２００メートル以上と見なされる。これは、移動物体および静止物体の存在、ならびに物体の移動を考慮している。本発明は、周囲の世界を再構築することができ、かつ事実上、真の３Ｄビジョンを有し、世界を人間のように解釈することができるレーダー「デジタルアイ」である自動車用レーダーを提供する。

本発明の多くは、範囲、速度、加速度、断面積、および到来角の発見を可能にする変調方式および構成を適用する。本実施形態は、鋸歯形状、三角形状または他の形状を有する波形であって、そこから情報が抽出される波形を送信する周波数変調連続波形（「ＦＭＣＷ」）の使用を検討する。

いくつかの実施形態では、レーダーシステムは、道路物体の位置および速度を正確に判定することができる高指向性ＲＦビームを操縦する。これらの発明は、気象条件または環境内のクラッタによって妨げられない。本発明は、レーダーを使用して、距離および方位角を測定する際に２Ｄ画像機能のための情報を提供し、従来の大きなアンテナ要素を使用せずに、水平面上の投影位置を識別する、物体までの距離および方位角をそれぞれ提供する。

本発明は、レーダーおよびセルラーアンテナなどの放射構造のための方法および装置を提供し、かつアレイの１つ以上の要素の位相を調整することによって強化されたビーム操縦を提供する。自律走行車の範囲（米国では約７７ＧＨｚ、範囲は５ＧＨｚ、具体的には７６ＧＨｚ〜８１ＧＨｚ）で送信信号としてＦＭＣＷを使用すると、システムの計算複雑性が軽減され、自律性をともなって達成可能な車両速度が増大する。本発明は、新規の供給構造と結合された成形構造の特性を利用することによって、これらの目標を達成する。いくつかの実施形態では、本発明は、新規の供給構造と結合されたＭＴＳまたはＭＴＭ構造の特性を利用することによって、これらの目標を達成する。

メタ構造とメタマテリアルは、組成ではなく構造から異常な特性を導出し、通常は自然界には見られないエキゾチックな特性を持っている。本明細書に記載のアンテナは、さまざまな形態のいずれかをとることができ、そのいくつかは、理解のために本明細書に記載されている。しかしながら、これは、本発明の可能な実施形態の網羅的な編さんではない。アンテナのリアクタンス制御機構は、メタ構造および／またはメタマテリアルの挙動を変化させ、ひいては送信ビームの方向を変更する。言い換えると、プロセスは、放射要素のリアクタンスを調整し、その結果、その要素から伝送される信号の位相が変化する。相変化によってビームが操縦され、電圧制御の範囲は、一組の伝送角度に対応する。システムの能力は、伝送角度の範囲として特定される。

以下の説明では、車両レーダーシステムの用途を参照する。これは、理解を明確にするために提供するものであって、限定的な用途として提供するものではない。自動運転車、または自律走行車は、特定のレベルの能力に関して説明している。レベル３〜５には自動運転機能があるが、レベル０〜２にはない。これらの実施形態は、意識を高めるために運転者に情報を提供するＡＤＡＳにも適用可能である。

最も独立したタイプの制御をはじめとして、レベル５は、運転者からの入力なしで完全に自動化された運転である。したがって、自動車は完全に自律的に監視されているため、ハンドル、ブレーキ、アクセルなどは必要ない。国道安全委員会（「ＮＴＨＳ」）によって定義されているレベル５の車両は、すべての条件下ですべての運転機能を実行することができる。運転者は車両を制御するオプションを有していてもよいが、これは必須ではない。完全自動化は、人間の運転者がなく、乗用車のみである。レベル５は、現在の設計努力の目標であり、最も厳しい要件を有する。レベル５の車両は、環境と状況を理解し、それに応じて対応する必要がある。レベル５が達成されると、次の開発は、他の車両とのインターフェース接続および通信、Ｖ２Ｖ、ならびに不可避の事故の管理方法などの安全上の考慮事項に関連するであろう。レベル４は、高度に自動化されている。車両は、特定の条件下ですべての運転機能を実行することができる。レベル４は完全に自律的ではないため、運転者は車両を制御するオプションを有する。レベル４の車両では、悪い気象条件などの限られた状況で、ほぼ常に自律的に運転が管理される。雨や雪の中で、車両は自動運転機能の連動を許可しない場合がある。レベル３は、条件付きで自動化されており、運転者は必要であるが、車両は環境を監視することができる。駆動装置は常に警戒して、車両システムが機能しなくなった場合に車両を制御する準備ができている必要がある。運転者は道路から目を離すことができるが、状況や環境によってシステムが機能しなくなった場合は、直ちに運転を引き継ぐ必要がある。レベル３の機能の例は、最高速度以下で少し進んでは停まるなどの、低速での自動運転をトリガーすることである。これらは、バリアが対向車線を分離している場合に実装することができる。

下位レベルには独立した動作はないが、さまざまなレベルの自動化に対する自動化はない。レベル２は、部分的に自動化されている。車両は加速や操縦などの自動化機能の組み合わせを有するが、運転者は運転作業に従事し続け、常に環境を監視する必要がある。レベル２の車両は、操縦とブレーキの両方を同時に支援することができるが、それでも運転者の完全な注意が必要である。これらは、自動走行制御（「ＡＣＣ」）および車線中央寄せが可能で、車線の中央の位置を維持するように車を操縦する。現行のレベル２の車両では、運転者はハンドルから手を離すことがすることができるが、カメラは運転者に向けられており、不注意を検出して自動操縦を無効にし、運転者が制御する必要がある。現在、現時点でレベル２に分類されている車両がいくつかある。レベル１は、車両が運転者によって制御される運転者支援であるが、一部の運転支援機能が車両設計に含まれている場合がある。レベル１の車両は、操縦またはブレーキを支援することができるが、通常は同時にはできない。たとえば、ＡＣＣによってブレーキを処理して、前方の車から指定された距離を保つようにする。レベル１の車両は、本発明の時点で、かなり長い間生産されてきた。レベル０には、自動化がない。車両は、運転支援機能が最小限またはまったくなく、運転者によって完全に制御される。レベル０には、自動運転能力がまったくない。これらは、２０１０年の時点でまだ生産されていた。

開発中の車両システムでは、自動化および独立した能力の割合が増加しており、車両は自己の環境と状況を感知し、それに応じて対応する必要がある。センサは、少なくとも人間の運転者と同じ速さで反応するために十分な速度で動作する必要がある。センサはコンピュータ制御されているため、人間の運転能力を上回ることが期待される。レーダーは、ほぼ全天候下で昼夜を問わず機能し得るだけでなく、アナログ信号からほとんど処理なしで情報を提供するため、車両制御において理想的なセンサである。それに比べて、データは、カメラセンサの広範なデジタル処理によって管理する必要がある。レーダーシステムの待ち時間の短縮により、車両が時速６０マイル以上などの高速で走行しているときに必要とされる応答時間を短縮することができる。

加えて、センサは、広い視野をスキャンする必要がある。つまり、一般的なセンサは、ある期間にわたってその領域をスキャンする必要がある。レーダーセンサを使用してある領域、たとえば視野をスキャンするには、放射パターンのメインローブの方向を変更するためのビーム操縦が必要である。従来、これは、アンテナ要素を切り替えるか、異なる時間に異なるアンテナ要素に信号を提供することによって行われていた。同様に、一部のシステムは、アンテナ要素を駆動するＲＦ信号の相対位相を変更する。これらの方法は、ビームのメインローブの指向性を制御するためにデジタルシステムによって制御される。ここでの説明全体を通して、アンテナの方向をビームのメインローブの方向と称する。

放射ビームを生成するには、デジタルビーム形成およびアナログビーム形成という異なる方法がある。アナログは、ＲＦ中心周波数で組み合わさったフェーズドアレイアンテナ構造を使用し、各要素または要素のグループは、異なる位相を有する。すべての要素からの信号は、本明細書では伝送チャネルまたは伝送路と称する１つの送信源から送信される。また、受信信号は、組み合わされて受信チャネルへの単一の入力を形成し、１つの信号としてダウンコンバートされる。

デジタルビーム形成（「ＤＢＦ」）は、個々の送信チャネルを各アンテナ要素または要素のグループに適用する。ＤＢＦプロセスでは、すべての方向に操縦される複数の独立したビームが形成される。これにより、ダイナミック範囲が改善され、複数のビームが制御され、振幅および位相が迅速に制御される。中間周波数（「ＩＦ」）へのダウンコンバートおよび信号のデジタル化は、個々のアンテナ要素または要素のグループで実現される。信号は、加算点で組み合わせるために個別に受信および処理される。

本発明は、本発明のアナログビーム形成技術を使用して、アナログ処理とデジタル処理の両方の利点を提供する。ビームを生成および方向付けるためのアンテナ要素の制御は、アナログ領域で行われる。処理および制御はデジタル領域で行われ、知覚能力を適用して、車両の環境および状況を迅速かつ正確に理解する。本発明は、１つ以上のアンテナ要素または要素のグループのリアクタンスを変更して、ビームの形状および方向を形成し、また、ビームの指向性を変更する。

図１に戻って、本発明によるシステム１００は、放射アレイ構造１２６のアンテナ要素の挙動を制御するためにアンテナコントローラ１１２に結合された放射アレイ構造１２６と、レーダーシステム１００およびその内部の個々の構成要素の動作を制御する中央プロセッサ１０２と、レーダー送信信号を生成し、かつ反射、エコー、または戻り信号を受信するためのトランシーバ１１０と、を有する。トランシーバ１１０は、送信および受信機能が可能な単一のユニットであってもよく、または各々がそれぞれの信号を処理する受信ユニットと送信ユニットとを含む複数のユニットであってもよい。送信信号コントローラ１０８は、ＦＭＣＷ信号などの特定の送信信号を生成し、送信信号は、送信信号が周波数または位相で変調される際にレーダーセンサ用途に使用される。

図１に示すように、機能モジュールは、機能性を高めるために組み合わされてもよく、または拡張されてもよい。トランシーバ信号コントローラ１０８は、事前定義された信号フォーマットを有していてもよく、またはセンサフュージョンもしくは他の車両制御から命令を受信してもよい。連続波レーダーは、既知の安定した周波数で送信する。無線エネルギーは、本明細書では対象と称する物体の反射から送受信される。連続波信号を使用すると、ドップラー効果の測定が可能になり、静止物体や動きの遅いクラッタからの干渉に比較的影響を受けないシステムが提供される。戻り信号の周波数に対するドップラー効果である反射は、レーダーシステムに対する対象の速度の動径成分の直接かつ正確な測定値を提供する。ここで、ドップラー効果は、送信波と受信波の周波数の差であり、検出された物体の速度データに対応する。これは、物体の動きが受信信号の周波数をどのように変化させたかの尺度である。信号が戻るのにかかる時間は、範囲と称する、対象までの距離を提供する。範囲とドップラー情報の組み合わせにより、環境内の対象に関する正確な情報が与えられる。これらの手法は、同じ信号からの範囲および速度に関して、非常に正確な情報を提供する。このような信号を処理する回路も、アンテナ要素で受信した信号を混合した後に信号処理が実行されることで削減されるため、操作はアナログ領域で実行されることになり、カメラや他の計算集約型の操作と比較して、待ち時間および計算の遅れが減少する。光学データに依存するシステムは、環境および状況に応じた操作に制限されるだけでなく、広範な計算に大きく依存する。さらに、レーダーは、ライダーと呼ばれるレーザーソリューションなど、最大電力の高いパルス放射を採用する他のシステムと比較して、安全性を提供する。

したがって、本明細書の実施例では、レーダーシステム１００が検出された対象物体の範囲および速度を測定することを可能にするＦＭＣＷ信号を考慮している。このタイプの検出は、自律走行車を可能にする自動車システムの重要な構成要素である。システムおよび用途の所望の情報および仕様にしたがって、他の変調タイプを組み込むことができる。ＦＭＣＷ形式には、三角形、鋸歯状、長方形など、ＦＭＣＷ内で使用し得るさまざまな変調パターンがあり、各々に利点と目的がある。たとえば、鋸歯状変調は、対象までの距離が長く、ドップラー周波数変化を使用する場合に使用することができる。三角変調は、ドップラー周波数情報から利用可能な情報を拡張して対象の加速度を判定し、他の波形は異なる能力を提供する。所望の結果を達成するために、他の変調方式を採用することができる。

受信されたレーダー情報は、メモリストレージユニット１２８に保存され、情報構造は、タイプ送信および変調パターンによって決定され得る。保存された情報は、レーダー動作と並行して処理されて、パターンを検出し、かつシステム１００が動作を改善することを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、機械学習を使用して、受信した情報を処理し、かつ物体のクラスまたは他の物体識別を予測する。これらのシステムは、ニューラルネットワーク技術を使用するなどのパターンマッチング技術を採用してもよい。

送信信号コントローラ１０８はまた、直交周波数分割多重（「ＯＦＤＭ」）信号などのセルラー変調信号を生成するために使用することができる。伝送供給構造１１６は、さまざまなシステムで使用することができる。いくつかのシステムでは、信号はシステム１００に提供され、送信信号コントローラ１０８は、インターフェース、トランスレータ、または変調コントローラとして作用することができ、あるいは必要に応じて信号を伝送線システムを通って伝播させるために作用することができる。

本発明を、レーダーシステム１００に関して説明する。ここで、放射構造２００は、放射アレイ構造１２６に供給する伝送線のアレイを有する供給分配モジュール１１６を含む。図１では、放射構造２００の構成要素は、理解を明確にするために、機能に基づく個々のモジュールとして示されている。しかしながら、これらの構成要素は、供給分配モジュール１１６内にリアクタンス制御モジュール１２０を配置するなど、互いに組み合わせることができる。同様に、本明細書に記載の伝送アレイ構造１２４は、放射アレイ構造１２６に近接して、かつその下に配置される。

伝送線はさまざまな部分を有し、第１の部分は、同軸ケーブルまたは他の供給構造などからの入力として送信信号を受信し、第２の部分は、伝送路が各アンテナ要素または要素のグループへの個々の経路に分割されている。伝送アレイ構造１２４は、導電層の間に挟まれた誘電体基板（複数可）を含む。送信信号は、導電性構造が電力分割用に構成されている基板部分を通って伝搬する。本実施形態では、電力分割は、複数のアンテナ要素または要素のグループに供給する複数の伝送線をもたらす共同供給スタイルのネットワークである。

アンテナ要素のグループを通る個々の経路へのアンテナ要素の配列を、スーパー要素と称する。アンテナ要素の対称アレイでは、スーパー要素はアレイの行または列であり得る。各スーパー要素は、誘電体基板部分と、複数のスロットを有する導電層とを含む。送信信号は、伝送アレイのスーパー要素におけるこれらのスロットを通して、スーパー要素に近接して配置されたＭＴＭ要素のアレイに放射される。本明細書に提示される実施形態では、ＭＴＭアレイは、スーパー要素上にオーバーレイされるが、さまざまな構成が実施され得る。スーパー要素は、送信信号をＭＴＭアレイ要素に効果的に供給し、そこから送信信号が放射される。ＭＴＭアレイ要素を制御すると、指向性信号またはビームフォームが得られる。

図１の説明を続けると、放射構造１２６は、個々のユニットセルである個々の放射要素を含む。これらのセルは、さまざまな形状、寸法、およびレイアウトを有し得る。特に、ＭＴＳまたはＭＴＭユニットセルの場合、設計は、さまざまな導電性構造およびパターンから生じる自由度によって定義することができる。これらの特性および構成は、受信された送信信号が放射アレイ構造１２６からどのように放射されるかを決定する。放射アレイ構造１２６の要素は、ユニットセルの周期的配置で構成され得、ユニットセルの寸法は、伝送波長よりも小さい。

ＭＴＭまたはＭＴＳユニットセルを採用する実施形態では、各要素は、負の屈折率をもたらす負の誘電率および透磁率などの固有の特性を有し得る。いくつかの実施形態では、これらの構造は、左利き材料（「ＬＨＭ」）として分類され得る。ＬＨＭを使用すると、従来の構造や材料では達成できない挙動が可能になる。本発明に見られるように、電磁波または送信信号の伝搬において、興味深い効果が観察され得る。これらのタイプの要素は、電気通信、自動車、車両、ロボット、生物医学、衛星、その他の用途などで、アンテナ、センサ、整合ネットワーク、リフレクタなど、ミリ波、マイクロ波、テラヘルツエンジニアリングにおけるいくつかの興味深いデバイス用に使用することができる。

放射要素は、自然界には見られない特性を持つように工学設計された構造であり、通常、繰り返しパターンで配置される。アンテナの場合、これらの要素は、アンテナから放射された送信信号の波長よりもはるかに小さいスケールで構築することができ、その特性は、構造を形成する基材からではなく、工学および設計された構造から派生する。正確な形状、寸法、幾何学的配列、サイズ、向き、配置などにより、ＥＭ波を遮断、吸収、増強、または屈曲させることでＥＭ波を操作し得るスマートな特性がもたらされる。

図１のシステム１００では、放射構造２００は、性能を改善し、損失を低減するなどのために実装されたインピーダンス整合要素１１８とリアクタンス制御要素１２０とを含む。いくつかの実施形態では、リアクタンス制御モジュール、またはＲＣＭ１２０は、アンテナコントローラ１１２によって制御された静電容量制御機構を含み、送信信号が放射アレイ構造１２６から放射するときに、送信信号の位相を制御する。本実施形態のアンテナコントローラ１１２は、結果として生じる放射ビームオプションに対するリアクタンス制御オプションのマッピングを採用することができる。これは、リアクタンス制御モジュール１２０を制御するために使用される参照テーブルまたは他のリレーショナルデータベースであってもよい。

レーダーの実施形態では、アンテナコントローラ１１２は、システム１００内からの情報を受信する。図示の実施形態では、情報は、放射構造２００から、およびインターフェース１０４からセンサフュージョンモジュールに到来する。この実施形態は、車両制御システムを実装するためのものであるが、他の分野および用途にも適用可能である。車両制御システムでは、センサフュージョンモジュールは通常、複数のセンサから情報（デジタルおよび／またはアナログ形式）を受信し、その情報を解釈して、さまざまな推論を行い、それに応じて動作を開始する。そのようなアクションの１つは、アンテナコントローラ１１２に情報を提供することであり、その情報は、センサ情報であってもよく、またはセンサ情報などに応答するための命令であってもよい。センサ情報は、物体の範囲、速度、加速度などを含む、１つ以上のセンサによって検出された物体の詳細を提供することができる。センサフュージョンは、ある場所における物体を検出し、アンテナコントローラ１１２に対して、その場所にビームを集束させるように指示することができる。ついで、アンテナコントローラ１１２は、リアクタンス制御モジュール１２０および／または放射構造２００の他の制御機構を通して送信ビームを制御して、ビームの方向を変更することによって応答する。アンテナコントローラ１１２からの命令は、放射ビームを制御するように作用し、放射ビームは、ビーム幅、送信角度、送信方向などのパラメータによって指定することができる。このようにして、システム１００は、幅広のビームおよび狭いペンシルポイントビームを生成することができる。

いくつかの実施形態では、アンテナコントローラ１１２は、所与の位相シフトまたは他のパラメータを達成するために、放射構造２００に結合されたＲＣＭ１２０内のリアクタンス制御機構に適用する電圧マトリックスを決定する。いくつかの実施形態では、放射アレイ構造１２６は、デジタルビーム形成技術を組み込むことなく、むしろ、放射アレイ構造１２６を構成するアレイ１２６内の個々の要素のリアクタンスパラメータの能動的制御を通して、指向性ビームを送信するように適合されている。

トランシーバ１１０は、レーダーデバイス用の信号などの送信用の信号を準備し、その信号は変調および周波数によって定義される。信号は、放射構造２００の各要素によって受信され、放射アレイ構造１２６の位相がアンテナコントローラ１１２によって調整されて、ビームを成形かつ操縦する。いくつかの実施形態では、送信信号は、放射アレイ構造１２６の一部またはサブアレイによって受信される。サブアレイにより、複数の放射ビームを順次または並列に動作させることができる。本実施形態は、自律走行車における適用を、車の環境内の物体を検出するためのセンサとして検討する。代替の実施形態では、無線通信、医療機器、感知、監視などのために本発明を使用することができる。各適用タイプには、ニーズと目標に対応するために、本明細書に記載の要素、構造、およびモジュールの設計と構成が組み込まれている。

システム１００において、アンテナコントローラ１１２によって信号が指定され、これは、前の信号からの人工知能（「ＡＩ）」モジュール１３４に応答するものであってもよく、インターフェースからセンサフュージョンまでのものであってもよく、またはメモリストレージ１２８からのプログラム情報に基づくものであってもよい。ビーム形成を決定するためのさまざまな考慮事項があり、この情報は、本明細書に記載の放射アレイ構造１２６のさまざまな要素を構成するためにアンテナコントローラ１１２に提供される。送信信号コントローラ１０８は、送信信号を生成し、かつそれを供給分配モジュール１１６に提供し、供給分配モジュール１１６は、その信号を、伝送アレイ構造１２４および放射アレイ構造１２６に提供する。

図示のように、放射構造２００は、本明細書で論じる個々の放射要素からなる放射アレイ構造１２６を含む。放射アレイ構造１２６は、さまざまな形態をとることができ、伝送アレイ構造１２４と協調して動作するように設計されている。ユニットセル要素２０などの放射アレイ構造１２６内の個々の放射要素は、伝送アレイ構造１２４内の要素に対応する。放射アレイ構造が８×１６セルアレイであり、ユニットセル要素の各々が均一なサイズおよび形状を有する一実施形態を示している。しかしながら、代替のおよび他の実施形態は、異なるサイズ、形状、構成、およびアレイサイズを組み込むことができる。同軸ケーブルまたは他のコネクタなどを通して送信信号が放射構造２００に提供された場合、送信信号は、供給分配モジュール１１６を通って伝送アレイ構造１２４に伝播し、そこを通って送信信号は空中伝送のために放射アレイ構造１２６に放射される。図１では、伝送アレイ構造１２４および放射アレイ構造１２６を並べて示しているが、本実施形態の構成では、本明細書で示すように、放射アレイ構造が伝送アレイ構造と平行に配置される。

インピーダンス整合要素１１８およびリアクタンス制御モジュール１２０は、供給分配モジュール１１６のアーキテクチャ内に配置されてもよい。一方または両方は、アンテナまたはレーダーモジュールとして製造または構成するために、供給分配モジュール１１６の外部にあってもよい。インピーダンス整合要素１１８は、リアクタンス制御モジュール１２０と連携して動作する。図示の実施形態は、放射アレイ構造１２６からの放射信号の位相シフトを可能にする。これにより、レーダーユニットは、放射アレイ構造１２６を用いて広い領域をスキャンすることができる。車両用途の場合、センサは車両の環境全体をスキャンしようとする。これらのセンサは、車両が自律的に動作できるようにするか、運転者への警告およびインジケータ、ならびに車両への制御などを含む、運転者支援機能を提供する。本発明は、デジタルビーム形成によって制御される複数のアンテナを組み込んだ従来の複雑なシステムとは著しく対照的である。本発明は、設置面積を低減し、かつ性能を拡充しながら、従来のシステムの速度および柔軟性を向上させる。

図２は、放射アレイ構造１２６に供給する伝送アレイ構造１２４に結合された供給分配モジュール１１６を有する放射構造２００の一実施形態の斜視図を示す。供給分配モジュール１１６は、伝送アレイ構造１２４に延在し、かつ結合する。この実施形態の放射アレイ構造１２６は、要素を放射するユニットセルの格子として構成されている（図１）。ユニットセルは、送信信号を放射し、および／または反射信号を受信したりするように作用する、ＭＴＳまたはＭＴＭで工学設計された導電性構造である。格子構造は、アレイ構造１２４の伝送線に供給された信号が格子で受信されるように、伝送線アレイ構造１２４に近接して配置されている。

図２は、複数のスーパー要素への伝播のために受信された送信信号を分割する共同供給を提供する供給分配モジュール１１６を示す。各スーパー要素は、放射アレイ構造１２６の行または列である。本実施形態では、供給分配モジュール１１６は、一種の電力分割回路である。入力信号は、さまざまな経路を通して供給される。この構成は一例であり、開示された特定の構造に限定されることを意図するものではない。

供給分配モジュール１１６内には、経路のネットワークがあり、ネットワーク内の分割点の各々は、分割レベルに従って識別される。供給分配モジュール１１６は、入力信号を受信し、入力信号は、経路のネットワークを通って伝送アレイ構造１２４に伝播する。この実施形態では、経路は同様の寸法を有する。しかしながら、経路のサイズは、所望の伝送および／または放射結果を達成するように構成され得る。本例では、伝送線１４４または経路部分は、レベル１にあり、これは、伝送アレイ構造１２４のスーパー要素に供給する経路のレベルである。伝送線１４４は、リアクタンス制御モジュール１４６の一部を含み、当該一部は、伝送線１４４のリアクタンスを変更するように作用し、その結果、伝送線１４４を通ってスーパー要素１４０、１４１に伝搬する信号が変化する。リアクタンス制御モジュール１４６の部分は、本実施形態では伝送線１４４に組み込まれている。リアクタンス制御モジュール１４６を１つ以上の伝送線に結合するためのさまざまな方法が存在する。図示のように、レベル１の他の経路は、伝送線１４４の経路と同じであり得るリアクタンス制御機構を有する。

供給分配モジュール１１６の伝送線は、放射構造２００の基板内に存在する。伝送線１４４は、スーパー要素１４０および１４１にされているため、リアクタンス制御モジュール１４６が両方のスーパー要素に影響を与える。さもなければ、リアクタンス制御機構は、１つ以上のスーパー要素につながる経路内に配置することができ、パターン化された方法、ランダム、またはその他の方法でスーパー要素全体に分散させることができることに留意されたい。

図３は、いくつかの実施形態による、放射構造２００内の伝送アレイ構造１２４の一部であるスーパー要素層２０１の上面図を示す。放射構造２００は、複数の層を有する複合基板であり、図示の層２０１は、２つの導電層およびそれらの間の誘電体層、基板１５０から形成されている。高周波回路に適用可能な、低誘電損失などの特定のパラメータを有するＲｏｇｅｒｓマテリアルなどの基板を使用することができる。たとえば、Ｒｏｇｅｒｓ ＣＬＴＥ−ＡＴ製品は、温度にわたって熱および位相の安定性を示し、自動車のレーダーおよびマイクロ波応用において使用される。図示の層２０１は、基板１５０の一部であり、伝送線は、入力から各伝送線への送信信号の伝搬のために構成されている。

図３に示すように、一対または一組の伝送線は、スロット付き伝送線１５２のスーパー要素を形成する。信号は、スーパー要素１５２を通って伝播し、導電面１６５の不連続部を通って放射する。放射アレイ構造１２６（図３には図示せず）は、導電面１６５の上方に配置され、層２０１から信号を受信して送信ビームを生成するＭＴＳまたはＭＴＭ要素を含む。放射アレイ構造１２６の各要素は、指定された放射パターンを支持するように設計および構成されている。本実施形態では、放射アレイ構造１２６は、層２０１の導電面１６５をオーバーレイするように構成されている。伝送アレイ構造１２４のこの部分は、複数のスーパー要素１５２を含み、スーパー要素１５２の各々は、スロット付き導波路と同様に挙動するが、信号を放射アレイ構造１２６に供給するように配置されている。本発明の放射要素は、ＭＴＳ、ＭＴＭ、導電性パッチ、およびそれらの組み合わせを含む、さまざまな形態のいずれかをとることができる。

性能を改善し、損失を低減するために、本実施形態は、放射信号を放射アレイ１６５に向けて維持するように、基板１５０内に虹彩構造１６６を配置する。虹彩は、アンテナアレイの構造および用途に応じて、さまざまな構成で配置することができる。虹彩構造１６６の位置は一例であり、２つの虹彩が中心線１７０に対してスロットの反対側に配置されている。

図３のアンテナ構造は、一種のスロット付き導波路アンテナ（「ＳＷＧＡ」）と称されることがあり、ここでは、ＳＷＧＡは、放射アレイ構造１２６への供給として作用する。ＳＷＧＡ部分は、フル接地平面と、誘電体基板と、マルチポートトランシーバチップセットへの直接供給などの供給ネットワークと、基板統合導波路（「ＳＩＷ」）内を伝搬する電磁場を、アンテナ開口部の上部に位置する放射構造と結合させるアンテナのアレイ、またはスロットアンテナなどの相補アンテナ開口部と、の構造および構成要素を含む。供給ネットワークは、位相制御、振幅改変、および他のＲＦ増強機能を整合させるための受動的または能動的なまとまった構成要素を含み得る。放射構造間の距離は、送信信号の放射周波数の波長の半分よりはるかに短い場合がある。能動的および受動的構成要素は、放射構造２００を通って内部的に、または基板を通って外部的に、または基板の上部でルーティングされる制御信号を用いて、放射構造上に設置することができる。

代替の実施形態は、放射パターン、帯域幅、サイドローブレベルなどを改善するために、放射構造２００を再構成および／または修正することができる。ＳＷＧＡは、所望の結果を達成するために放射構造をロードする。アンテナ性能は、スロットの形状、スロットパターン、スロット寸法、導電性トレース材料およびパターンなどの放射構造２００の特徴および材料の設計、ならびにインピーダンス整合を達成するための他の修正などによって調整することができる。基板は、間に配置されたスロット付き伝送線によって分離された誘電体の２つの部分を組み込むことができる。スロット付き伝送線は、基板１５０上に着座し、各伝送線は境界付き領域内にあり、境界は、導電層１６５を貫通して切断されたビア１６２の線である。スロット１６０は、導電層１６５内に構成され、図３に示すように間隔が空けられ、本実施形態では、スロット１６０は、スーパー要素の中心線に対して対称に配置される。理解を明確にするために、図３は、中心線１７０などの中心線から等距離にあるスロットを示し、スロット１７４および１７６は、中心線１７０の両側にあるが、中心線１７０に対して等距離であり、その方向に沿って千鳥状に配置されている。各境界付き伝送線は、本明細書では、スーパー要素伝送線１５２などの「スーパー要素」と称する。

中心線１７０に対してスロット１７４、１７６を有するスーパー要素のごく一部を切り出して示している。境界ビア１６２は、伝送線を形成する。スロットは、千鳥状に配置されており、ｄｘのｘ方向に距離を有する。スロットの縁から境界ビアまでのｙ方向の距離はｄＢとして与えられ、中心線１７０からスロットまでの距離はｄＣとして与えられる。これらの寸法および位置は、所望の結果として生じるビームおよび操縦能力を達成するために変更され得る。

図４は、ｘ方向に沿った長さで配置されたスーパー要素１５２などのスーパー要素を示す。伝送アレイ構造１２４の部分は、ｘ方向のスーパー要素１５２の長さに沿って配置された境界ビア１６２を有する。虹彩構造１９０は、図示の位置で導電層１６５を通して形成され、スロット１６０を通る放射信号の強度を改善するために、各スーパー要素内に放射パターンを含むように作用する。虹彩構造１９０は、スロットの反対側にある２つのビアとして示している。一組の虹彩構造１９０のセット間のｘ方向の距離はｄｉであり、スロット１６０と一組の虹彩構造１９０との間のｙ方向の距離はｄｓであり、一組の虹彩構造１９０とスロットの縁との間の距離はｄｅとして示している。虹彩構造１９０のさまざまな距離、位置、および構成は、用途に応じて調整、変更、および設計することができる。これらは、スーパー要素に沿ったさまざまな場所に実装でき、所望の放射パターンおよびアンテナの挙動に応じて、任意の数のビアを含み得る。本実施形態では、虹彩構造１９０はビアであり、各虹彩１９０は、他の虹彩構造１９０と同様の形状およびサイズである。他の実施形態は、スロットの縁により近接して配置された虹彩構造１９０を有する伝送アレイの一部を示す図５のように、用途において所望の結果を達成するために異なる形状、構成およびサイズを実装し得る。

図５は、図１と同様に、放射構造２００の部分の上面複合図を示し、図示の通り、放射アレイ構造１２６は、伝送アレイ構造１２４に近接して配置され、放射アレイ構造１２６は、伝送アレイ構造１２４の上方に、信号が放射する方向であるｚ方向に着座する。放射アレイ構造１２６は、ＭＴＭ要素のパターンで構成されている。これら要素は、伝送アレイ構造１２４のスーパー要素に対して配置されている。たとえば、破線はスーパー要素１５２を描写している。対応するサブアレイ１９１は、信号の伝送のためにスーパー要素１５２と相互作用する。放射アレイ構造１２６は、スーパー要素１５２のスロットから送信信号を受信するように構成されている。放射アレイ構造１２６は、間に１つ以上の層を有する伝送アレイ構造１２４に結合することができる。いくつかの実施形態では、放射構造２００のさまざまな層の間には積層内に組み込まれた空隙が存在する。たとえば、スーパー要素１５２からの信号は、サブアレイ１９１によって受信され、空中に放射される。

伝送アレイ構造１２４および放射アレイ構造１２６のいくつかの実施形態では、伝送アレイ構造１２４のスーパー要素は、ｘ方向に沿って長手方向に配置され、その方向でのスキャンを可能にする。本明細書で提供する例では、ｘ方向はレーダーの方位角または水平方向に対応し、ｙ方向は仰角方向に対応し、ｚ方向は放射信号の方向である。放射アレイ構造１２６は、スーパー要素と相互作用するように配置されたユニットセルの周期的かつ均一な配置である。

いくつかの実施形態では、虹彩は、基板１５０の層の全部または一部を通して形成されたビアである。虹彩は、図では円筒形で示しているが、直方体形状などの他の形状をとってもよい。ビアは、導電材料で裏打ちされており、スーパー要素を通って伝搬する波に対するインピーダンスとして作用する。

本明細書で説明するように、さまざまな導電性構造を使用して、伝送路を構成し、それらの経路内で信号を維持する。場合によっては、境界ビア１６２などのビアは、スーパー要素に沿って、および／または放射要素のグループの周りに形成され、終端ビア１６４は、スーパー要素（複数可）の終端を形成する。ビアは、導電面１６５から基板１５０を通って導電層１６７までなど、ある導電層から別の導電層に形成された穴である。これらの穴は、導電材料で埋められてもよく、または導電材料で裏打ちされた穴であってもよい。ビアのサイズ、形状、構成、および配置は、レーダーシステムなど、適用されるシステムの設計、用途、および周波数の関数である。

図３のように、スロットは、導電面１６５または導電層に形成されている。これらは、基板に形成された経路を通って伝搬する信号がスロットを通って上層に放射することを可能にし、上層は複数の放射要素を有する。導電層１６５はまた、設計内に構成された虹彩構造１６６を有する。これらはまた、基板を通るビアとして形成され、かつ電磁エネルギーを所望の経路にさらに集中させるように設計されている。スロットから虹彩または一組の虹彩までの距離ｄｉは、設計の関数であってもよく、この距離が変化し得る値の範囲が存在してもよい。図３に示すように、虹彩は、互いに近接し、かつｘ方向に配置された２つのビアとして構成されている。多かれ少なかれビアを有する虹彩構造があってもよく、ビアはさまざまなパターンで配置され得る。虹彩間の距離ｄｉｉも調整することができ、虹彩は、中心線に対して対称に構成されなくてもよい。この図はわかりやすくするために提供されているが、物理的な実装は図の構成に限定されない。

図４のスーパー要素１５２は、明確にするために外形を示しており、境界ビア１６２によって規定されている。境界ビア１６２のすべてを示しているわけではないが、それらは図示のように繰り返される。状況によっては、機能する伝送路の整合性を維持するために実装できる方法は他にもある。いくつかの例では、位相制御１３０（図１）は、放射アレイ構造１２６に提供された信号の位相の変化をもたらす。そのような位相制御１３０は、伝送アレイ構造１２４を通って伝播する、および／または放射アレイ構造１２６に提示される信号の位相を変更する。

本発明は、誘電体層および導電層を含む複数の層を通して放射要素に送信信号を供給するための方法を提供する。放射要素アレイは、放射要素が信号を空中に伝送するように、一組の層の上に配置されている。本発明は、いくつかの無線用途に適用可能であり、特にレーダー用途に適用可能である。

本発明は、放射要素の格子アレイと伝送アレイと供給構造とを使用して、レーダーまたは無線通信などの、信号を放射するための方法および装置を提供する。供給構造は、送信信号を伝送アレイ全体に分配し、送信信号は、伝送アレイの行に沿って伝播し、不連続性は各行に沿って配置されている。不連続性は、格子アレイの放射要素に対応するように配置されている。放射要素は、電磁特性を変更するために放射要素に電圧を印加するアンテナコントローラに結合されている。この変化は、送信信号の位相をシフトするように作用する静電容量の効果的な変化であり得る。個々の放射要素からの信号を位相シフトすることにより、システムは特定の方向に特定のビームを形成する。共振カプラは、送信信号を分離した状態に保ち、処理のいずれかによる性能の低下を回避する。いくつかの実施形態では、放射要素は、ＭＴＭ要素である。これらのシステムは、自律走行車両、ドローン、および通信システムのレーダーに適用することができる。放射要素は六角形の形状をしており、空間の使用を最適化し、かつ従来のアンテナのサイズを縮小する高密度構成に資する六角形状を有する。

本出願は、添付の図面と併せて記載された以下の詳細な説明に関連して、より完全に理解され得る。なお、添付の図面は、縮尺通りに描写されておらず、また図面全体を通して、同様の参照文字は、同様の部分を指す。
本発明の実施形態によるアンテナシステムを示す。 本発明の実施形態による放射構造などの伝送線アレイのための共同供給を示す。 本発明の実施形態によるアンテナ構造を示す。 本発明の実施形態による、メタマテリアル上層とメタマテリアル搭載要素とを有する基板を示す。

Claims (20)

1. 放射構造であって、
   複数のスロット付き伝送線であって、
   各伝送線を規定する複数の境界線であって、スロットは各伝送線の長さに沿って配置されている、複数の境界線と、
   前記スロットの各々に近接して配置された複数の虹彩であって、各伝送線の長さに沿って等間隔に置かれている、複数の虹彩と、を備える、複数のスロット付き伝送線と、
   前記スロット付き伝送線に近接して、前記スロット付き伝送線からの送信信号を受信し、かつ前記送信信号に対応して放射パターンを生成する放射要素のアレイと、を備える、放射構造。
2. 前記スロットは、各伝送線の長さに沿って等間隔に置かれている、請求項１に記載の放射構造。
3. 前記スロットは、各伝送線の長さに沿って中心線から等距離にある、請求項２に記載の放射構造。
4. 前記複数の虹彩は、前記スロットの各々の反対側に虹彩の組で配置されている、請求項２に記載の放射構造。
5. 前記複数の虹彩は、前記放射構造の層を通して形成されたビアである、請求項１に記載の放射構造。
6. 要素のメタマテリアルアレイの位相を調整するためのリアクタンス制御機構をさらに備える、請求項１に記載の放射構造。
7. 前記リアクタンス制御機構は、前記放射要素のアレイ内の導体間に結合された少なくとも１つのバラクタである、請求項６に記載の放射構造。
8. 前記放射要素のアレイは、少なくとも１つのメタ構造要素を備える、請求項７に記載の放射構造。
9. 前記放射要素のアレイは、少なくとも１つのメタマテリアル要素を備える、請求項７に記載の放射構造。
10. 前記放射要素のアレイは、少なくとも１つの導電性パッチ要素を備える、請求項７に記載の放射構造。
11. 前記放射要素のアレイは、周期的に構成されている、請求項７に記載の放射構造。
12. 前記放射要素のアレイは、異なるサイズの要素を備える、請求項７に記載の放射構造。
13. レーダーシステムであって、
    複数の放射要素を備える放射アレイ構造と、
    前記放射アレイ構造の挙動を変更するリアクタンス制御手段と、
    前記放射アレイ構造に結合され、かつ前記放射アレイ構造に送信信号を供給する伝送アレイ構造であって、
    各々が複数のビアを有する複数のスーパー要素伝送路を備える伝送アレイ構造と、を備え、
    複数のビアは、前記伝送路および前記放射アレイ構造に前記送信信号を供給するための複数のスロットを形成する、レーダーシステム。
14. 前記放射要素は、メタ構造である、請求項１３に記載のレーダーシステム。
15. 送信信号の位相を変更するように適合された位相シフト回路をさらに備える、請求項１４に記載のレーダーシステム。
16. 送信信号の位相を変更するように適合された位相シフト回路をさらに備える、請求項１３に記載のレーダーシステム。
17. アンテナ制御回路と、次のビーム方向を決定するように適合された知覚エンジンと、をさらに備える、請求項１３に記載のレーダーシステム。
18. レーダーシステムであって、
    要素の放射アレイと、
    前記要素の放射アレイに近接して配置されたスロット付き導波路と、
    放射ビームの指向性を達成するために、前記要素の放射アレイへの信号の位相を制御するように適合されたアンテナ制御回路と、
    前記要素の放射アレイからの戻り信号を受信する人工知能エンジンと、を備えるレーダーシステム。
19. 前記要素の放射アレイは、スーパー要素に構成されている、請求項１８に記載のレーダーシステム。
20. 送信信号の完全性を維持するために、前記スロット付き導波路に形成された虹彩をさらに含む、請求項１９に記載のレーダーシステム。
    

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