JP2021530164A - リフレクトアレー・アンテナ - Google Patents
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Abstract
Description
電磁(EM)場を反射するための電導性材料のパッチと、
RFグランドを与える誘電性基板と、
第1の偏波を有する電磁放射と相互に作用するように配列された電導性材料の第1の位相制御線及び第2の位相制御線と、
上記パッチとグランドとの間に配置され、上記第1の位相制御線を介して上記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ON状態又はOFF状態を有する第1の2値スイッチング・デバイスと、
上記パッチとグランドとの間に配置され、上記第2の位相制御線を介して上記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ON状態又はOFF状態を有する第2の2値スイッチング・デバイスと、
上記パッチに電気的につなげられ、上記スイッチング・デバイスの上記状態を選択的に制御するため異なる別個の電圧レベルに設定可能な単一のDCバイアス入力部と
を含み、
上記DCバイアス入力部による上記第1の2値スイッチング・デバイス及び上記第2の2値スイッチング・デバイスの選択的動作が、上記スイッチング・デバイスの上記状態に応じて電磁放射の位相制御を行う。
下記に説明するものは、ミリ波、60GHz用に再構成可能なユニット・セルを用いるアンテナ素子である。しかしながら、下記に説明するように、他の実施例では、寸法を、他の波長及び周波数用に選択することができる。図から分かるように、本発明の実施例は、アースした基板12上のミリ波ユニット・セル10を提供する。この実施例では、アースした基板は、Rogers 5880であるが、他の基板、好ましくは低損失基板を他の実施例では使用することができる。
ここでは、
ΔΦQはアンテナ素子により導入される離散量子化位相シフトであり、
ΔΦCはその特定の素子からの所望の連続位相であり、そして
%はモジュロ(剰余)演算子を表す。
図8には、垂直偏波を担当するユニット・セルの一部分だけが示される。構造の残りは、明確さのために示されない。同様に、OFF状態PINダイオードに関して、等価OFF状態回路は、単純化のためにパッチに接続して示されないが、実際には存在することになる。
図9に示したように、DCバイアス入力部が第1の電圧レベルであるときには、このケースではDC=0Vであり、第1のダイオード及び第2のダイオード24及び26の両方は、起動されない(ダイオードのゼロ・バイアス、これらはOFF状態である)。結果として、パッチ14は、(電気的な感覚で)これらのダイオードのないそれ自体のままで残される。上に述べたように、OFF状態等価回路は、ここには示されない/含まれないが、等価回路は実際には存在するだろう。
図10に示したように、DCバイアス入力部が第2の電圧レベルであるときには、このケースではDC=5V又は1.5Vであり、第1のダイオード24は順バイアスされそして第2のダイオード26は逆バイアスされる。第1のダイオード24は、閉(ON)スイッチとして働き、そして第1のスタブ16をパッチ14と電気的に接続する。第2のダイオード26は、パッチ14から第2の位相制御線区間を電気的に切り離す。
図11に示したように、DCバイアス入力部が第3の電圧レベルであるときには、このケースでは、DC=−5V又は−1.5Vであるときには、第2のダイオード26は順バイアスされそして第1のダイオード24は逆バイアスされる。第2のダイオード26は、閉(ON)スイッチとして働き、そして第2のスタブ18をパッチ14と電気的に接続する。第1のダイオード24は、パッチ14から第1のスタブを電気的に切り離す。
図15には、水平偏波を担当するユニット・セルの一部分だけが示される。構造の残りは、明確さの目的で示されない。
図16に示したように、DCバイアス入力部が第1の電圧レベルであるときには、このケースではDC=0Vでり、第3のダイオード及び第4のダイオード28及び30の両方は、起動されない(ダイオードのゼロ・バイアス、これらはOFF状態である)。結果として、パッチ14は、(電気的な感覚で)これらのダイオードのないそれ自体のままで残される。上に述べたように、OFF状態等価回路は、明瞭さのためにここに示されないが、等価回路は実際には存在するだろう。
図17に示したように、DCバイアス入力部が第2の電圧レベルであるときには、このケースでは、DC=5V又は1.5Vであり、第3のダイオード28は順バイアスされそして第4のダイオード30は逆バイアスされる。第3のダイオード28は、閉(ON)スイッチとして働き、そして第3のスタブ20をパッチ14と接続する。第4のダイオード30は、パッチ14から第4のスタブを電気的に切り離す。
図18に示したように、DCバイアス入力部が第3の電圧レベルであるときには、このケースではDC=−5V又は−1.5Vであり、第4のダイオード30は順バイアスされそして第3のダイオード28は逆バイアスされる。第4のダイオード30は、閉(ON)スイッチとして働き、そして第4のスタブ22をパッチ14と接続する。第3のダイオード28は、パッチ14から第3のスタブを電気的に切り離す。
直交偏波ビヘイビア/ユニット・セルの偏波純度
物理的な構造が異なるダイオードのスイッチングにより変えられると、偏波純度は、特定の偏波に対して失われる。これゆえ、ユニット・セルは、本明細書ではΔY及びΔXと呼ばれる2つの変数の形態で良い偏波純度を実現するための機構を含む。その機構は、上に開示したように中心からDCバイアス・ビアをオフセットさせることにより構造の表面電流分布を制御する。中心からどれだけオフセットさせるかは、必要とされる位相状態に従うべきであり、そして当業者により決定されてもよい。最適化の後で、図22に示したような結果が、上に述べた状態に対して実現された。
・ 第1の偏波及び第2の偏波の両者に関する状態1、2、3を、単一のパッチ上で個別に制御することができる
・ 単一のDC線を依然として維持しながら、偏波当たり2つのダイオード(デュアル偏波に関して合計で4つのダイオード)を使用する1.5ビット実装例(3つの位相状態)
・ 供給源及びスマート反射表面から構成されるリフレクトアレー
・ 上に詳細に説明したようなユニット・セルから構成されるスマート反射表面
・ 各々のユニット・セルが1.5ビット反射位相制御を実施するために3つの位相状態を与える
・ 好ましい設計において使用されるホール共有トポロジを用いて、少ない数のビア・ホールが必要である
・ ただ1つのDCバイアス線が、各々のユニット・セルにおいて2つの同一周波数又は異なる周波数で2つの直交直線偏波を制御するために使用される
・ 単一のDCバイアス線がユニット・セル内の偏波純度を向上させるために利用される
・ 2つの直交して偏波されたアンテナ・ビームを同時に制御する
・ 両方の直交して偏波されたアンテナ・ビームが同じ周波数又は異なる周波数を有することがある
・ ユニット・セル内の低損失のために低損失スマート反射表面
・ 任意のサイズのリフレクトアレーへ拡張できる設計
・ アンテナの直接RF平面のところに陰の位相シフタの実装
・ ビームフォーミングのために通常必要とされる別々の位相シフタを削除する
・ 非常に高い利得のために大きな設計に好都合である低い複雑性
・ 簡単な制御実装例
・ 広角ビーム・スキャニング:任意のファイ(0から360度)においてシータで+/−78度
・ 不連続/量子化反射位相制御
・ 性能が、連続位相制御システムに比較してほんの1.6dBの低下に過ぎない
・ RFレベルでのDCバイアス印加の複雑性が単一ビット実装例に比較して増加しない
・ 単一のペンシル・ビーム、多数のペンシル・ビーム、コンタード・ビーム、及びそのスキャニング・ビームを含む放射パターン制御用の任意の位相合成技術を実装するためのプラットフォームを提供する
・ 位相合成に基づきサイドローブ制御技術を実装するためのプラットフォーム
・ 単一中央供給ケース若しくはオフセット供給ケース、デュアル・カセグレイン若しくはグレゴリアン、又はリング・フォーカス・アンテナを含め多数アンテナ構成のために適している
・ プレーナ・プロファイル/低プロファイル、及び共形に作られることがある
・ 非常に高い利得及び広角ビーム・スキャニング能力を同時に可能にする
・ 連続ビーム・スキャン又はスイッチト・ビーム=適応ビーム成形又はスイッチト・ビームフォーミングができる
・ 高利得、広角スキャニング・スマート・アンテナを用いる低DC電力消費解
・ ミリ波ビームフォーミングへの代替物:ビーム成形器により達成されると同じ仕事を行うが、実装例は完全に異なる
・ 5Gバックホール、衛星間リンク、5G受信及び送信アンテナ、軍用アンテナ、宇宙アプリケーション、自動車レーダ、高データ・レート・ワイアレス通信システム(屋外セルラ・システム)、撮像システム、擬似光学パワー合成器、等における可能なアプリケーション
・ PINダイオードを与えられる任意の周波数範囲へとスケーリングすることが可能な設計がその周波数で利用可能である
・ 非常に信頼性のあるPINダイオードによる信頼性のある設計
・ 低RF損失
・ 低電力
・ 軽量
・ 高データ転送レート
・ 低コスト
・ 未来型の(まだ定義されていないような)アプリケーションを可能にする
上に説明した実施例では、±5V及び0Vが使用されるが、有利な実施例は、高い電流又は電圧で動作するダイオードと比較して低い電力消費を実現するために5mA電流及び/又は+、−1.5V DCで動作するPINダイオードを使用することができる。ダイオードが低い接合電圧値で選択される場合には、電力消費をさらに減少させることができる。1つの実例では、接合電圧値は、1.35V付近であってもよいが、0.8Vまで低くてもよい。
第1の位相制御線実効長=L1Y+L2Y
第3の位相制御線実効長=L1X+L2X
Claims (38)
- 電磁場を反射するための電導性材料のパッチと、
RFグランドを与える誘電性基板と、
第1の偏波を有する電磁放射と相互に作用するように配列された電導性材料の第1の位相制御線及び第2の位相制御線と、
前記パッチとグランドとの間に配置され、前記第1の位相制御線を介して前記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ON状態又はOFF状態を有する第1の2値スイッチング・デバイスと、
前記パッチとグランドとの間に配置され、前記第2の位相制御線を介して前記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ON状態又はOFF状態を有する第2の2値スイッチング・デバイスと、
前記パッチに電気的につなげられ、前記スイッチング・デバイスの前記状態を選択的に制御するため異なる別個の電圧レベルに設定可能な単一のDCバイアス入力部と
を含み、
前記DCバイアス入力部による前記第1の2値スイッチング・デバイス及び前記第2の2値スイッチング・デバイスの選択的動作が、前記スイッチング・デバイスの前記状態に応じて電磁放射の位相制御を行う、
リフレクトアレー・アンテナ素子。 - 前記第1のスイッチング・デバイス及び前記第2のスイッチング・デバイスの動作が、前記リフレクトアレー・アンテナ素子に前記第1の偏波で位相制御された電磁放射を発生させる、請求項1に記載のアンテナ素子。
- 前記第1の位相制御線及び前記第2の位相制御線が、第1の方向に平行に配列される、請求項1又は2に記載のアンテナ素子。
- 前記パッチが、長さ及び幅を有し、前記第1の位相制御線及び前記第2の位相制御線が、前記パッチの前記長さ及び前記幅のうちの一方に沿った前記第1の方向に配置される、請求項3に記載のアンテナ素子。
- 前記第1の方向の各々の線が、長さを有し、前記第1の位相線及び前記第2の位相線が、第1の周波数で動作することを可能にする、請求項3又は4に記載のアンテナ素子。
- 前記誘電性基板が、その一方の側の前記パッチ及びその他方の側のRFグランドで構成される、請求項1から5までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- グランドが、前記パッチに実質的に平行な電導性層により設けられる、請求項1から6までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 前記第1の位相制御線が、前記第1のスイッチング・デバイスにより前記パッチに選択的に電気的につなげられることが可能であり、前記第2の位相制御線が、前記第2のスイッチング・デバイスにより前記パッチに選択的に電気的につなげられることが可能である、請求項1から7までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 前記第1のスイッチング・デバイスが、前記パッチから前記グランドへのダイオード方向を有する第1のPINダイオードであり、
前記第2のスイッチング・デバイスが、前記グランドから前記パッチへのダイオード方向を有する第2のPINダイオードである、
請求項1から8までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。 - 電導性材料の第3の位相制御線及び第4の位相制御線と、
前記パッチとグランドとの間に配置され、前記第3の位相制御線を介して前記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ON状態又はOFF状態を有する第3の2値スイッチング・デバイスと、
前記パッチとグランドとの間に配置され、前記第4の位相制御線を介して前記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ON状態又はOFF状態を有する第4の2値スイッチング・デバイスと
を含み、
前記単一のDCバイアス入力部が、前記第3のスイッチング・デバイス及び前記第4のスイッチング・デバイスの前記状態を選択的に制御することを行う、
請求項1から9までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。 - 前記第3の位相制御線及び前記第4の位相制御線が、第2の偏波を有する電磁放射と相互に作用するように配列される、請求項10に記載のアンテナ素子。
- 前記第3の2値スイッチング・デバイス及び前記第4の2値スイッチング・デバイスの動作が、前記リフレクトアレー・アンテナ素子に前記第2の偏波で位相制御された電磁放射を発生させる、請求項11に記載のアンテナ素子。
- 前記第3の位相制御線及び前記第4の位相制御線が、第2の方向に平行に配列される、請求項10から12までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 前記パッチが、長さ及び幅を有し、前記第1の位相制御線及び前記第2の位相制御線が、前記パッチの前記長さ及び前記幅のうちの一方に沿った前記方向又は第1の方向に配置され、前記第3の位相制御線及び前記第4の位相制御線が、前記パッチの前記長さ及び前記幅のうちの他方に沿った前記第2の方向に配置される、請求項13に記載のアンテナ素子。
- 前記第2の方向が、長さを有し、前記第3の位相線及び前記第4の位相線が、第2の周波数で動作することを可能にする、請求項13又は14に記載のアンテナ素子。
- 前記第3の位相制御線が、前記第3のスイッチング・デバイスにより前記パッチに選択的に電気的につなげられることが可能であり、前記第4の位相制御線が、前記第4のスイッチング・デバイスにより前記パッチに選択的に電気的につなげられることが可能である、請求項10から15までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 前記第3のスイッチング・デバイスが、前記パッチから前記グランドへのダイオード方向を有する第3のPINダイオードであり、
前記第4のスイッチング・デバイスが、前記グランドから前記パッチへのダイオード方向を有する第4のPINダイオードである、
請求項10から16までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。 - 前記DCバイアス入力部が、前記第1の電磁場の直交偏波を減少させる距離だけ第1の方向に前記パッチの中心からオフセットされる及び/又は前記第2の電磁場の直交偏波を減少させる距離だけ第2の方向に前記パッチの中心からオフセットされる、請求項1から17までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 前記第1の方向が、前記第1の偏波の偏波の方向である及び/又は前記第2の方向が、前記第2の偏波の偏波の方向である、請求項18に記載のアンテナ素子。
- ミリ波で動作するように構成される、請求項1から19までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 前記アンテナ素子の前記RF平面で直接的に、前記第1の周波数で前記第1の偏波を有する電磁放射に対して、及び任意選択でまた、前記第2の周波数で前記第2の偏波を有する電磁放射に対して3つの位相状態を与えるために1.5ビット位相制御を実施するように構成される、請求項1から20までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 第1の層及び第2の層を含む基板構造を含み、前記パッチが前記第1の層内に設置され、前記第2の層が前記グランドである、請求項1から21までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 前記位相制御線の各々が、前記第1の層と前記第2の層とをリンクする導電性ビアを介して前記グランド層に電気的につなげられることが可能である、請求項22に記載のアンテナ素子。
- 各々のビアが、城郭風の穴である、請求項23に記載のアンテナ素子。
- 前記第1の層及び前記第2の層が、誘電性基板により隔てられる、請求項22から24までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 第3の層を含み、前記DCバイアス入力部が、前記グランド層への電気的接続なしに前記第1の層と前記第3の層とをリンクする導電性ビアを含む、請求項22から25までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 前記DCバイアス入力部が、前記第3の層のところでDC分離素子に電気的につなげられる、請求項26に記載のアンテナ素子。
- 前記第2の層が、前記第1の層と前記第3の層との間にある、請求項26又は27に記載のアンテナ素子。
- 前記第2の層及び前記第3の層が、誘電性基板により隔てられる、請求項26から28までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 前記位相制御線の各々が、前記第1の層、前記第2の層及び前記第3の層をリンクする導電性ビアを介して前記グランド層に電気的につなげられる、請求項26から29までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
- 各々のビアが、城郭風の穴である、請求項30に記載のアンテナ素子。
- 請求項1から31までのいずれか一項に記載の複数のアンテナ素子を含むリフレクトアレー。
- 各々のアンテナ素子に関して、前記アンテナ素子が、第1の層及び第2の層を含む基板構造を含み、前記パッチが、前記第1の層内に設置され、前記第2の層が、前記グランドであり、前記位相制御線の各々が、前記第1の層と前記第2の層とをリンクするビアを介してグランドに電気的につなげられる、請求項32に記載のリフレクトアレー。
- 隣接するアンテナ素子が、ビアを共有する、請求項32に記載のリフレクトアレー。
- 前記アンテナ素子の各々の前記DCバイアス入力部の前記電圧レベルを制御するように構成された制御システムを含む、請求項32から34までのいずれか一項に記載のリフレクトアレー。
- 前記アンテナ素子のうちの少なくともいくつかが、他とは異なる反射位相シフトを与えるように構成される、請求項32から35までのいずれか一項に記載のリフレクトアレー。
- 第1の周波数で前記第1の偏波を有する電磁放射に対して、及び任意選択でまた、第2の周波数で前記第2の偏波を有する電磁放射に対して所望の反射位相制御を行うために前記DCバイアス入力部へのDCバイアス信号を制御するステップ
を含む、請求項1から31までのいずれか一項に記載のアンテナ素子を動作させる方法。 - 前記第1の周波数で前記第1の偏波を有する電磁放射に対して、及び任意選択でまた、前記第2の周波数で前記第2の偏波を有する電磁放射に対して所望の反射制御を行うために前記リフレクトアレー・アンテナ素子の各々の前記DCバイアス入力部へのDCバイアス信号を制御するステップ
を含む、請求項32から37までのいずれか一項に記載のリフレクトアレーを動作させる方法。
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