JP2022521837A

JP2022521837A - 操舵可能ビームアンテナ

Info

Publication number: JP2022521837A
Application number: JP2021558650A
Authority: JP
Inventors: ヴラディミール・エイ・マナソン; レフ・エス・サドフニク
Original assignee: シエラ・ネバダ・コーポレイション
Priority date: 2019-04-01
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: US11888223B2; JP7445675B2; WO2021002904A3; EP3949015A2; WO2021002904A2; EP3949015A4; US20220190481A1

Abstract

操舵可能ビームアンテナは、長手方向軸線に沿って配置される複数の半導体チップを備える。各チップは、その上面に接地面を有し、ドープされ、長手方向軸線に沿って配置される半導体スイッチのアレイを形成する。散乱素子の対応するアレイは、それぞれ第１脚部及び第２脚部を有し、長手方向軸線に沿う各チップ上に取り付けられる。各スイッチの第１電極は制御回路に接続するように構成され、第２電極は接地面に接続され、また、第３電極は散乱素子のアレイの１つの第１脚部に接続され、その第２脚部は接地面に接続される。誘電素子は、スイッチのアレイ及び散乱素子のアレイの上方において長手方向軸線に沿ってアンテナチップ上に取り付けられ、かつ空隙により散乱素子から分離される。

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２０１９年４月１日付け出願の米国仮出願第６２／８２７，５１２号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．セクション１１９（ｅ）に基づく利益を主張し、その開示は、本開示と一致する範囲で、その全体が本明細書に組み込まれる。

連邦政府が後援する研究又は開発
不適用

本開示は、レーダー及び通信などの用途に使用されるタイプの指向性又は操舵可能ビームアンテナに関する。より詳しくは、本開示は、散乱体を装備した誘電性給電線（すなわち潜在的に漏れのある導波路）を含むタイプの漏れ導波路アンテナに関する。散乱の程度は、複数のスイッチの作動によって制御可能に変更することができ、これによりアンテナのビーム形状及び方向は、それぞれオンとオフになる複数のスイッチのパターンによって決定される。

操舵可能ビームアンテナ、特に漏れ波アンテナは、電磁信号を所望の方向に送信し、所望の方向から電磁信号を受信することができる。このようなアンテナは、例えば、種々のタイプのレーダー（例えば、監視レーダー、衝突回避レーダー）や通信で使用される。このようなアンテナでは、受信ビーム又は送信ビームは、給電線又は導波路に結合された散乱素子（「散乱体」）のセットによって生成される。給電線と相互作用して、散乱体は給電線から切り離された漏れ波を生成する。散乱体が適切に同調されると、それらは特定の方向に伝搬するコヒーレントビームを作り出す。各散乱体により引き起こされる漏洩強度及び位相は、給電線又は導波路に対する散乱体の形態及び位置によって決まる。散乱の程度、従ってビームの形状及び方向は、散乱素子電流線のトポロジー及び／又は形態を変更することによって制御することができる。これは、散乱体の部品を接続するマイクロ波（又は他の適切な）スイッチを使用することにより行うことができる。従って、その方向を含むビーム形状は、スイッチの動作モードを変更することによって電子的に制御することができる。異なるオン／オフスイッチパターンは異なるビーム形状及び／又は方向を結果としてもたらす。

アンテナ素子又は散乱体の構造に統合されたいくつかのタイプのスイッチのいずれか、例えば、半導体スイッチ（ＰＩＮダイオード、バイポーラ及びＭＯＳＦＥＴトランジスタ、バラクタ、フォトダイオード及びフォトトランジスタ、半導体プラズマスイッチ、位相変化スイッチ）、ＭＥＭＳスイッチ、圧電スイッチ、強誘電体スイッチ、ガスプラズマスイッチ、電磁リレー、熱スイッチ等は、この目的に使用することができる。例えば半導体プラズマスイッチは、米国特許第７，１５１，４９９号に記載されているアンテナに使用されている。該文献の全体が参照により本明細書に組み込まれる。散乱素子の形態が半導体プラズマスイッチによって制御可能に変化させられるアンテナの特定の例は、米国特許第７，７７７，２８６号に開示されている。該文献の開示はその全体が本明細書に組み込まれる。切り替え可能なアンテナ素子（散乱体）を使用する現在利用可能な電子制御操舵可能ビームアンテナの別の例は、米国特許第７，９９５，０００号に開示される。該文献の開示はその全体が本明細書に組み込まれる。

その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第９，６９８，４７８号は、本開示の譲受人に譲渡される。その特許は、上述した一般的なタイプの電子制御される操舵可能ビームアンテナを開示し、軸線Ｘを定義する給電線又は伝送線と、軸線Ｘに沿って分布する電子制御される切り替え可能な散乱体の第１及び第２アレイとを備える。第１及び第２アレイにおける各散乱体は、「高」散乱状態と「低」散乱状態との間で切り替え可能であり、操舵可能なアンテナビームを形成するように給電線を通って伝播する電磁波を散乱させる。

より具体的には、上記’４７８特許に開示されたアンテナにおいて、第１アレイの散乱体は、給電線を通って伝播する電磁波を散乱させるように構成される。第１アレイの高状態散乱体は、平均周期Ｐ＝ｎｄである準周期パターンに従う。ここで、ｎは周期ごとの散乱体の数（低状態散乱体と高状態散乱体の両方を含む）であり、ｄは軸線Ｘに沿う隣り合う散乱体の間隔である。第２アレイの高状態散乱体は、同じ平均周期Ｐで同様の準周期パターンに従うが、第２アレイのパターンは第１アレイのパターンに対して軸線Ｘに沿ってシフトされる。

アンテナビーム方向φは、平均周期Ｐとアンテナ給電線における波の位相伝搬速度ｖとによって決定される。

ここで、ｃは光速であり、λはビームの自由空間波長である。

マイクロ波／ミリメートルの波長で動作するそのような操舵可能ビームアンテナの１つの問題は、動作周波数が高くなると、寄生キャパシタンスとインダクタンスのために、オン／オフスイッチインピーダンスのコントラストが低下し、散乱体の損失が増えることである。従って、’４７８特許の上述したアンテナは、その企図した結果を成就するが、より高いミリメートル波周波数での動作には最適化されない。そのため、’４７８特許に開示されたアンテナと同じ機能を有するが、より高い動作周波数でのアンテナに対するニーズが存在する。更にそのようなアンテナがマイクロエレクトロニクスの大量生産技術に適合することは有利であろう。

米国特許第７，１５１，４９９号明細書米国特許第７，７７７，２８６号明細書米国特許第７，９９５，０００号明細書米国特許第９，６９８，４７８号明細書

本開示は、画像レーダー、通信、隠し武器検出、着陸支援装置、衝突回避システム等の領域で使用できるビーム操舵アンテナに関する。より具体的には、本開示は、そのようなアンテナの実際の実装を説明し、該アンテナはミリメートル波周波数以上での動作に特に適しているが、これらの周波数に限定されない。

本開示の実施形態に従う操舵可能ビームアンテナにおいて、散乱体損失は次のような散乱体を提供することによって最小化される。散乱体は、シリコン基板に埋め込まれる導体ではなく、空気（最小の誘電損失を有する誘電体）により実質的に囲まれるように構成される。更に、散乱体作動スイッチは、半導体チップ内にコンパクトに配置されたドープ領域として半導体チップにモノリシックに統合され、またアンテナ散乱体に直接接続され、これによりスイッチ－散乱体の接続損失を最小限にする。本開示によれば、散乱体を作動させるスイッチは３つの電極を有する。これら電極は、高周波でのスイッチ動作を低下させる集中素子を用いることなく、制御回路からの寄生影響を最小とするようにスイッチが動作することを可能とするように構成される。

本開示の態様によれば、電子制御される操舵可能ビームアンテナは、次の構成を含むことができる。すなわち、平坦面を有するベース；長手方向軸線Ｘに沿ってベースの平坦面に取り付けられる複数の半導体アンテナチップであって、それぞれが上面を規定する半導体アンテナチップ；半導体アンテナチップ各々の上面上の接地面；軸線Ｘに沿うアンテナチップ各々に長手方向に配置される半導体スイッチのアレイであって、半導体スイッチ各々が、接地電極、中央電極及び制御電極を備え、制御電極が制御回路への電気的接続のために構成される半導体スイッチのアレイ；複数のアンテナチップ各々上の導電性散乱素子のアレイであって、各導電性散乱素子が接地面に接続された第１脚部と半導体スイッチの１つの中央電極に接続された第２脚部とを有する導電性散乱素子のアレイ；及び、散乱素子（散乱体）上に重なるように長手方向軸線Ｘに沿って複数のアンテナチップ上に取り付けられる線形誘電素子（伝送／給電線の主要部分として）であって、誘電素子が散乱素子のアレイから空隙により分離される線形誘電素子、である。

本開示の他の特徴及び態様は以下の詳細な説明に記載される。

図１は、本開示の態様に従う組み立てられた電子制御可能で操舵可能ビームアンテナの簡略図である。図２は、図１のアンテナのベース板の簡略図であり、アンテナの電子部品を収容するための平坦領域、及びアンテナカバーとアンテナ導波路に関連する部品とを支持するように構成された隆起プラットフォームを示す。図３Ａは、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）を用いてアンテナチップが取り付けられた図２のベース板の簡略図である。図３Ｂは、隣り合うアンテナチップ間の接地板接続部の簡略化された詳細図である。図４は図３のベース板の半概略図であり、ＢＧＡ形態と、隣り合うアンテナチップ間の空隙と、アンテナチップとベースプラットフォームとの間の空隙を示す。図５は図４の一部の概略図であり、隣り合うアンテナチップ間の間隔とそれらのＢＧＡ間の対応する間隔とを示す。図６はアンテナチップ断片の簡略図であり、散乱体の２つのアレイ、及びチップと制御基板（図示せず）との間のワイヤボンド接続を有する。図７Ａはアンテナ素子の一部の簡略断面図であり、散乱体とアンテナ素子に埋め込まれた半導体散乱制御スイッチとを含む。図７Ｂは、散乱体制御スイッチ形態の簡略図であり、メタライゼーションは明確さのために省かれる。図８Ａは、図７Ａに示す構造の別の簡略化した断面図である。図８Ｂは、低散乱状態の閉ループと高散乱状態の開ループとの間で切り替え可能な散乱等価回路を示す概略図である。図８Ｃは、低散乱状態の閉ループと高散乱状態の開ループとの間で切り替え可能な散乱等価回路を示す概略図である。図８Ｄは、低散乱状態の閉ループと高散乱状態の開ループとの間で切り替え可能な散乱等価回路を示す概略図である。図９Ａは、図３に示すベース板の図であるが、その上に実装された誘電素子又はロッドと金属スペーサーとが付加される。図９Ｂは、図９Ａに示す構造の簡略断面図であり、誘電素子又はロッドとグ接地面との間の空隙に配置された散乱体を示す。図９Ｃは、本開示の一態様に従う誘電素子又はロッドの別の実施形態の簡略化された断面図である。図１０は図９Ａの構造の図であり、制御基板と、シフトレジスタＩＣと、信号及び電源コネクタと、アンテナチップと基板との間のワイヤボンドコネクタのアレイとが付加される。図１１Ａは、バイアスされたスイッチ及びバイアスされていないスイッチにより形成されたバイアスされていない／バイアスされたスイッチパターンを概略的に示す。図１１Ａは平均周期Ｐ＝７．５であるバイアスされていない／バイアスされたスイッチパターンを示す。図１１Ｂは、バイアスされたスイッチ及びバイアスされていないスイッチにより形成されたバイアスされていない／バイアスされたスイッチパターンを概略的に示す。図１１Ｂは、２つの鏡面対称散乱体アレイが使用される場合のアレイパターン間の半周期パターンシフトを示す。図１２は、バイアスされていないスイッチとバイアスされたスイッチの数を、１周期においてそれらの総数を維持しつつ変更することによって生成されるアンテナテーパリングを概略的に示す。図示の３つの期間すべては同数のスイッチを含むが、Ｐ_i＝８、バイアスされていないスイッチの数は２から４まで変化し、それに応じて、バイアスされたスイッチの数は６から４まで変化する。図１３は、バイアスされた／バイアスされていないスイッチパターン平均周期Ｐ_Σが異なるアンテナによって形成されたアンテナビームの典型的な波形を示す。図１４は、アンテナホーンと外部導波路との間のテーパー遷移を含むアンテナ給電端の簡略断面図である。図１５は、図１４に示す遷移を有するアンテナのための典型的なＨＦＳＳ（高周波構造シミュレータ）ＶＳＷＲ（電圧定在波比）を示す。グラフは広周波数レンジ内の反射ロスを例示する。図１６は、本開示の態様に従う組み立てられた電子制御可能で操舵可能ビームアンテナの簡略図であり、その主要な内部構成要素を示す。図１７は、本開示の別の実施形態に従う制御可能で操舵可能ビームアンテナを一部断面にて簡略化した斜視図である。

図１～３は、本開示の例示的な実施形態に従う操舵可能ビームアンテナ１０を示す。アンテナ１０は、金属又は金属化セラミック（又は同様の機械的及び熱的特性を有する材料）からなるベース２０を備える。ベース２０は、すべてのアンテナ部品を搭載し、ヒートシンクとしても有利に機能し得る。必要なら又は有利な場合、ベース２０は、その裏面に熱放散リブ（図示せず）を、又はその本体内部に冷却剤チャネル（図示せず）を含み得る。１つの主面（本開示の目的のために上面と見なされ得る）上の平坦中央領域２１（図２）は、複数の半導体（例えばシリコン）アンテナチップ３０（図３）、及び１つ又は複数の制御基板６０を収容するように構成される。制御基板６０には、以下に説明するように、複数の制御回路６１（図１）が取り付けられる。隆起領域又はプラトー２３（図２）がベース２０の両端それぞれに隣接して設けられる。プラトー２３は、有利には、アンテナカバー７０（図１）を支持するように構成され得る。アンテナカバー７０は、取付穴７６（図２）に据え付けられた適切な留め具（図示せず）によりベースに固定され得る。図１及び図１３に示すように、カバー７０は、２つの対称的な縦カバー半部として形成され得る。これら半部は、以下に説明するように中央波ホーン７１を共に形成する。

図３Ａに示すように、チップ３０の上面はプラトー２３の上面と面一である。図６に最も良く示すように、金属化層は、有利には、アンテナチップ３０各々の上面に形成される。金属化層は、チップ間間隙２４とチッププラトー間間隙２５とにより分割され、チップ３０各々の上面に接地面３７を形成する。図３Ｂは、２つの隣接するアンテナチップ３０を示し、それぞれの接地面がチップ間間隙２４により分割される。全接地面３７は、図示のようにワイヤボンド又はワイヤストリップなどの導電性リンク３７０によりチップ間間隙２４を横断して電気的に接続される。代替的に、チップ間間隙２４は、連続的なはんだ又は導電性エポキシにより電気的に埋められてもよい。リンクの１つの特に有利なタイプは、仮想短絡によって提供され得る。この仮想短絡は、後述するタイプのボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）形態によって実行され得る。

アンテナ１０は各端においてインピーダンス整合変圧器９０を介して外部導波路フランジ８０に接続される。１つのインピーダンス整合変圧器９０のみが図１及び図１４に見られる。複数の電気コネクタ６２がベース２０の平坦中央領域２１に取り付けられる。後述するように、電気コネクタ６２を通じてＤＣ電力及び制御信号が複数の制御回路基板６０に供給される。

図３Ａ、図４及び図５に示すように、本開示の態様によれば、アンテナチップ３０は、ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）２２を用いて、好ましくはチップ３０ごとに１つのＢＧＡ２２を用いて長手方向軸線Ｘに沿ってベース２０の上方平坦面２１に有利に取り付けら得る。ＢＧＡ２２の使用は、ベース２０と接地面３７との間の良好な平行度を提供しつつ、チップ３０をプラトー２３と同じ高さにする。ＢＧＡ２２はまた、アンテナチップ３０（これらは熱源である）とアンテナベース２０（上述のようにヒートシンクとして機能し得る）との間に良好な熱伝導性を与える。ＢＧＡ２２はまた、隣接する接地面３７間及び各プラトー２３と隣接接地面３７との間に仮想短絡を与える。仮想短絡は、チップ間間隙２４（図５）及びチッププラトー間間隙２５（図３Ａ）に起因する寄生散乱を排除又は最小化する。仮想短絡を作り出すために、有利にはＢＧＡ２２は以下の特性を有するべきである：

１）ＢＧＡ内のボール間隔Ｓ_b（図４）は、有意にはアンテナの最短動作波長λ_minの１／２未満である：

２）そして、チップ３０の縁と、対応するボールグリッドアレイの縁との間の間隔ｄ_e（図５）は次のように選択される：

ここで、ｂはチップの厚さであり、λは平均（又は中心）アンテナ動作波長である。

ＢＧＡ２２は、フォトニックバンドギャップ構造を提示し、チップ３０下での波の結合及び伝播を防止する。チップ３０とベース２１との間の空気で満たされた空間によりチップ縁にて接続された間隙２４及び２５は、半波長伝送ラインとして機能する。これらラインは、対応するＢＧＡにより一方の端で短絡され、他方の端で効果的に短絡され（ゼロ電圧及び最大電流）、隣接する接地面セグメント間の前記間隙が位置付けられる。

例えば図６に示すように、各アンテナチップ３０は、相互鏡面対称散乱体３１（金属又は金属化）、散乱体スイッチ４０及びインターフェースパッド３２からなる２つの統合線形アレイを搭載する。各インターフェースパッド３２は、ワイヤボンド３３を用いて、スイッチ４０の１つを適切な制御回路６１に接続する。図示の構成において、散乱体３１及び散乱体スイッチ４０の２つの線形アレイは、長手方向中央軸線Ｘの両側に沿って縦（長手）方向に配列される。長手方向中央軸線Ｘは、線形誘電素子又は「ロッド」５０を含む伝送／供給ラインにより定義される。線形誘電素子又は「ロッド」５０は、矩形断面（図示）の平坦なストリップ又は任意の他の適切な形態のロッドとして構成され得る。インターフェースパッド３２は、アンテナチップ３０の長手方向両縁各々に沿って線形に配置される。

図６、図７Ａ及び図８Ｂ－８Ｄに示すように、各散乱体３１は、他の材料に比べて誘電損失を最小にするように空気に囲まれるΠ形状導電性要素（例えば金属又は金属めっき線）として構成することができる。図７Ａに最も良く示すように、各散乱体は、本体部分３１０と、接地面３７の隣接部に接続された第１脚部３１１と、対応するスイッチ４０の中央電極４２に中央接点３８を介して接続された第２脚部３１２とを含む。各スイッチ４０は、上方チップ面上のシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）デバイス層３５に形成されたスイッチ領域又はポケット４４に配置される。各スイッチ４０はまた、接地電極４１（これに対して接地面３７が接点である）と、チップ３０上の金属化相互接続層から形成された金属トレース３９を介してインターフェースパッド３２に接続された制御電極４３とを備える。デバイス層３５は、有利には、薄い誘電（例えば二酸化ケイ素）層３６１によりハンドル層３４から分離される。誘電リング４５（例えば二酸化ケイ素）は、デバイス層３５の残部から各アクティブスイッチ領域又はポケット４４を絶縁し、ポケット４４に注入されたキャリアがデバイス層３５にわたって拡がることを防ぐ。金属トレース３９は、有利には、接地面３７下の第１誘電層３６２と第２誘電層３６３との間に埋め込まれ得る。

図７Ａ及び図８Ａに示すように、各スイッチ４０において、接地電極４１は接地面３７に接続され、中央電極４２は、散乱体３１の第２脚部３１２に接続され、更に、制御電極４３は、金属トレース３９を介してインターフェースパッド３２に接続され、かつワイヤボンド３３を介して適切な制御回路６１（図１）に接続される。（制御回路６１各々は、スイッチ４０の１つ又は複数に電気的に接続され得ることが理解される。）３つの電極４１、４２、及び４３のすべては、デバイス層３５のドープされたポケットによって形成される。１つの制御回路極性において、制御電極４３はアクセプターによりドープされ、接地電極４１及び中央電極４２はドナーによりドープされる。反対の制御回路極性により、接地電極４１及び中央電極４２はアクセプターによりドープされ得、他方、制御電極４３はドナーによりドープされ得る。図７Ｂは、接地電極４１、中央電極４２及び制御電極４３を形成するドープ領域の例示的な形態を示す。

制御電極４３が制御回路６１（図８Ａ）から対応する電圧又は電流によりバイアスされると、電極４１、４２及び４３を介してポケット４４に電子及び正孔が注入される。注入された電子－正孔プラズマは中央電極４２と接地電極４１とを接続する。その結果、第２散乱脚部３１２も接地面３７に接続され、散乱体３１は閉ループを形成する（図８Ｃ）。散乱体３１の長さは、対応する閉ループ共振周波数が、通過する（送信又は受信される）波の周波数と十分に異なるように選択される。従って、散乱体３１は、「低散乱状態」と呼ばれ得る状態において波に弱い影響を与える。制御電極４３がバイアスされていない場合、散乱体３１は開ループであり（図８Ｄ）、その共振周波数は通過波の周波数に近い。従って、散乱体３１は、「高散乱状態」として定義され得る状態において、通過波からエネルギーを効果的に散乱させる。散乱体３１の代替の形態（例えば異なる長さ）は、バイアスされた／バイアスされていない状態の反転をもたらすことができる。これは例えば、散乱体３１が両端で接地される場合は高散乱状態が得られ、また、散乱体３１が一端のみで接地される場合は低散乱状態が得られる。前者の構成が好ましいものであり得る。何故なら、後者の場合、スイッチを通る強ＲＦ電流が過度のＲＦ損失を生成し得るからである。

図６に示すような散乱体３１及びスイッチ４０の線形鏡面対称アレイを使用することは任意である。鏡面対称性により、一方のアレイの低散乱散乱体に生成されるマイクロ波電流は、他方のアレイの低散乱散乱体で生成される電流と同じ値になるが、方向は逆である。従って、両方のアレイからの低散乱散乱体は破壊的な干渉を形成し、また、２つのアレイそれぞれの低散乱散乱体により散乱された寄生放射は、他方のアレイの低散乱散乱体により散乱された寄生放射により効果的に消滅させられる。高散乱散乱体により散乱された放射の消滅を防止するために、一方のアレイのバイアスされた／バイアスされていないパターンは、他方のアレイのパターンに対してアンテナ導波路に沿う半周期（Ｐ_Σ／２）に等しい間隔だけ有利にシフトされる。そして、追加の位相シフトのため、すべての高散乱散乱体が同相で動作し、建設的な干渉を形成する。２つの散乱体アレイ間の小さな相対的シフト、例えば半空間距離ｓ／２は、アンテナのため及び量子化ローブのより良い制御のためにより柔軟なビーム形成という利点を提供し得る。すべてのアンテナ構成部品は相互的であり、アンテナは、バイアスされた／バイアスされていない同じスイッチパターンとすれば、送信モード及び受信モードで動作する場合、同じビーム形状（しかしながら反対方向）を形成する。

図９Ａ及び９Ｂは、本開示の実施形態に従う複数のアンテナチップ３０の上面において長手方向軸線Ｘに沿って延びる、送信／給電線の誘電素子又はロッド５０を示す。この実施形態において誘電素子又はロッド５０は矩形断面のストリップ又は平坦ロッドとして構成され、その長手方向両縁は平行な一対の金属スペーサー５１上に取り付けられる。これら金属スペーサー５１は接地面３７の長手方向両縁に沿って配置され、また、両端部においてベース２０の両縁まで横方向に延びる。スペーサー５１は、誘電素子又はロッド５０が散乱体３１と接することなく重なることを可能にし、図９Ｂに示すように誘電素子又はロッド５０とチップ３０の上面との間に空隙又は間隙５２が規定される。散乱体３１は誘電素子又はロッド５０に接触することなく空隙又は間隙５２内に収容される。誘電素子又はロッド５０は散乱体３１を覆うが、空隙又は間隙５２の空気により散乱体３１から間隔が空けられる。この目的は、散乱体３１を、空気で囲まれるように誘電ロッド５０に対して位置付けることである。

図９Ｃは、本開示の別の実施形態による誘電素子又はロッド５０’を示す。スペーサー５１の代わりに誘電素子又はロッド５０’がΠ形状である。誘電素子又はロッド５０’は縦ストリップ５３を含み、縦ストリップ５３は一対の下向きに従属する延長部又はレール５５を有する。延長部又はレール５５はストリップ５３の両側部に沿って長手方向に延びる。これによりストリップ５３とチップ３０の上面との間に空隙又は間隙５２’を作り出すようにストリップ５３をチップ３０の上面から間隔を空ける。散乱体３１は、誘電ロッド５０’のすべての部分から空気により分離されるように空隙５２’内に位置付けられる。この目的もまた散乱体３１を空気に囲まれるように位置付けることである。

図９Ａ、９Ｂ、及び９Ｃは、散乱体３１が散乱体の第１及び第２平行アレイに選択的に配置され得、散乱体制御スイッチ４０が対応する第１及び第２平行スイッチアレイに配置されることを示す。散乱体及びスイッチの第１及び第２アレイが使用される場合、散乱体３１及びスイッチ４０の第１アレイは、図９Ａ及び９Ｃに示すように長手方向に延びる対称面Ｓに対して、散乱体３１及びスイッチ４０それぞれの第２アレイと鏡面対称である。対称面Ｓはチップ３０の表面に直交し、長手方向軸線Ｘに沿って延びる（すなわち軸線Ｘを含む）。

変圧器９０を通じてアンテナ１０に注入されるか（送信モード）又は外部導波路に結合される（受信モード）マイクロ波エネルギー（図１参照）は、接地面３７と、誘電素子又はロッド５０又は５０’と、金属スペーサー５１（図９Ｂの実施形態における）と、空気チャネル５２又は５２’と、カバー７０（ホーン７１を含む）とによって形成される低速導波路内部にチャネル化される（閉じ込められる）。散乱体３１の周りの空気チャネル５２又は５２’の電界強度は、スペーサー５１の厚さ（図９Ｂの実施形態）又は誘電体ストリップ５０’の脚部又はレール５５の長さ（図９Ｃの実施形態）に依存する。対応するスイッチ状態（バイアスされていないか又はバイアスされている）に応じて、散乱体３１は、伝播する波を弱く（バイアスされている）又は強く（バイアスされていない）散乱させる。バイアスされていない／バイアスされたスイッチパターンを適切に選択することにより、必要な方向にほぼ平坦な位相面を有するコヒーレントビームを形成することができる。

図１０に示すように、ワイヤボンド３３は、アンテナチップ３０を制御基板６０に電気的に接続する。制御基板６０は、好ましくはＩＣとして実装される制御回路又は駆動回路６１を搭載する。他の実施形態では、制御回路６１は、アンテナチップ３０内に直接統合され得る。制御回路又は駆動回路６１は、シフトレジスタのセットとして、あるいはＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）又は制御装置の別のタイプとして構成することができる。そして、制御回路又は駆動回路６１は、適切にプログラムされたマイクロプロセッサ等のコントローラ（図示せず）からの信号によって制御される。コントローラはコネクタ６２を通じて制御基板６０に接続される。コントローラは制御回路６１の１つ以上に統合することができる。アンテナにＤＣ電力を提供するために、同じコネクタ６２が有利に使用され得る。

制御回路６１は、パルスストリーム制御信号を並列出力に変換し、並列出力は所望パターンに従って必要なスイッチ４０にバイアスをかける。典型的なバイアスされた／バイアスされていないスイッチパターンは周期的又は準周期的である。平均周期Ｐ_Σは散乱されたビーム方向を決定する。

ここで、Ｎ_Pは周期の数であり、Ｐ_iは個々の周期である。

図１１Ａは、平均周期Ｐ_Σ＝７．５を有するバイアスされていないスイッチ１０１及びバイアスされたスイッチ１０２の準周期的パターンの断片を表す図表１００を示す。図１１Ｂは、両方の散乱体ループアレイからの高散乱の適切な位相調整に必要な２つの鏡面対称アレイのスイッチパターン間の半平均周期（Ｐ_Σ／２）シフトを表す図表１０３を示す。

図１２は、バイアスされていない／バイアスされたスイッチのプログラミングパターンを通じてアンテナテーパーがどのように成就可能であるかを表す図表１０４を示す。周期ごとの平均カップリングは、周期ごとのスイッチの総数を変更することなく、すなわちビーム方向に影響を与えることなく、バイアスされていないスイッチの数を変えることにより制御可能である。図表１０４では、すべてのバイアスされていない／バイアスされた周期は８つのスイッチからなる。しかしながら、図示のように、周期ごとのカップリング数は異なり、左の周期から右の周期へと増加する。

上記のように、また図１、１４及び１６に示すように、アンテナ１０はカバー７０により有利に保護される。カバー７０は、有利には、２つの鏡面対称金属又は金属化半体からなり得る。カバー半体各々は、誘電素子又はロッド５０を収容する長手方向凹部７９と共に形成され得る。カバー７０の半体各々は傾斜内面を含み、これにより２つの傾斜内面が共に伸長したホーン７１を定義する。ホーン７１は誘電素子又はロッド５０と周囲環境との間の信号カップリングを提供する。ホーン７１の図示された形態は単なる例示であり、異なるプロファイルを有するホーン、例えば、波形又は湾曲壁を有するホーンは、いくつかの用途において有利であると判明し得る。

図１４は、アンテナ端部に配置された２つのテーパー端部遷移７２のうちの１つを示す。端部遷移７２は、アンテナ本体と外部導波路との間の整合変圧器として機能する。テーパー端部遷移７２は、有利に提供されるテーパー特性７３及び７４と共に、誘電素子又はロッド５０（又は５０’）に沿って伝搬する主アンテナモードを、アンテナの各端部における矩形外部金属導波路８１を伝搬するモードへと円滑に変換する。各テーパー端部遷移７２は、空隙又はボイド７７を定義する。空隙又はボイド７７は、誘電素子ロッド５０（又は５０’）のためのキャビティを定義する部分と、整合変圧器９１のためのキャビティを定義する部分と、外部金属導波路８１のためのキャビティを定義する部分とを含む。アンテナ端部構成は、誘電素子又はロッド５０のすべての方向への動きを制限する。従って、誘電素子又はロッド５０は、高周波においてかなりの損失をもたらし得る接着剤を使用することなくアンテナに装備可能である。

端部遷移７２により提供され得るように、指定された走査範囲にわたる低リターンロス（ＶＳＷＲ）は図１５にグラフで示され、これは、高周波構造シミュレータ（ＨＦＳＳ）の結果を表す。

図１７は、図９Ｃの実施形態に従う誘電素子又はロッド５０’を使用するアンテナ１０’を示す。かくして図示のように、アンテナ１０’は、誘電素子又はロッド５０’のための空隙又はチャネルを提供するスペーサー５１を欠き、代わりに、図９ＣのΠ形状の誘電素子又はロッド５０’を用いて空隙チャネル５２を作り出す。空隙チャネル５２には散乱体３１のアレイが配置される。既述した実施形態におけるように、アンテナ１０’は、２つの長手方向のカバー半体から形成されたカバー７０’を含む。各カバー半体が傾斜した内面を有し、これにより傾斜面が共にホーン７１’を定義する。図示するように、カバー半体それぞれは、誘電素子５０’を収容する長手方向凹部７９’を含む。この実施形態によれば、制御回路又は駆動回路６１’は、例えば、ボールグリッドアレイ（図示せず）を使用してアンテナチップ３０に直接取り付けられ、それ故、図１に示される制御回路基板６０は省略され得る。いくつかの実施形態では、カバー半体それぞれは、長手方向チョークチャネル（図示せず）を含み、誘電素子５０及びカバー７０’により形成される導波路内部に伝搬波を閉じ込める支援をし、カバー７０と接地面３７との間の任意の空隙（図示しない）を通じての漏洩を防ぐ。

本開示の態様及び実施形態に従う操舵可能ビームアンテナの構造の前記説明から、本開示によるアンテナを作製する方法は次のステップを含み得る。すなわち、（ａ）上面を有する半導体ウェーハを準備するステップ；（ｂ）前記半導体ウェーハをドープして複数の埋め込まれた半導体スイッチを形成するステップであって、各半導体スイッチが接地電極、中央電極及び制御電極を備えるステップ；（ｃ）前記半導体ウェーハ上に相互接続層を形成するステップであって、前記相互接続層が、前記半導体スイッチ各々の制御電極を対応する制御回路に接続するように構成される金属トレースを備えるステップ；（ｄ）前記半導体ウェーハの上面を金属化して接地面を形成するステップであって、前記接地面が前記半導体スイッチ各々の接地電極に電気的に接続されるステップ；（ｅ）前記半導体ウェーハ上に複数の導電性散乱体を形成するステップであって、前記導電性散乱体各々は、前記半導体スイッチの１つの中央電極を接地面に電気的に接続し、前記導電性散乱体各々は、前記半導体ウェーハの上面から間隔を空けられた主要部分を有するステップ；（ｆ）前記半導体ウェーハを複数のアンテナチップへとダイシングするステップであって、前記アンテナチップ各々は半導体スイッチのアレイと導電性散乱体のアレイとを備えるステップ；（ｇ）前記複数のアンテナチップを、各アンテナチップのためのボールグリッドアレイを使用してベース上に取りつけるステップ；（ｈ）取り付けられた前記アンテナチップ各々を電気的に相互接続するステップ；（ｉ）前記アンテナチップ各々上に前記導電性散乱体のアレイを重ねるように前記操舵可能ビームアンテナの前記ベース上に誘電素子を取り付けるステップであって、前記誘電素子と前記導電性散乱体のアレイとの間に空隙が設けられるステップ；（ｊ）前記誘電素子と共に導波路を提供するように前記ベースに導電性カバーを取り付けるステップ；及び（ｋ）前記ベース上に複数の制御回路を取り付け、前記制御回路各々を前記アンテナチップの少なくとも１つにおける前記半導体スイッチに電気的に接続するステップ、を含む。ベースにチップを取り付けるステップは、好ましくは、各チップ上にボールグリッドアレイを用いてチップを取り付けることを含む。

本開示の態様に従うアンテナ設計の模範的な一実施形態によれば、５０λ×０．７５λ×０．１１λの寸法を有する誘電素子又はロッド５０は、好ましくは石英から作製される。ここで、λは平均動作波長である。アンテナチップ３０は、好ましくは、２０μｍ厚のデバイス層を有するＳＯＩウェーハからなり、２μｍ厚の酸化ケイ素によりハンドル層から分離される。絶縁されたスイッチポケット４４は、１６０μｍ×１３０μｍ×２０μｍの寸法を有し、当技術分野でよく知られているように、連続的な平坦化を伴うディープトレンチエッチングによってデバイス層に形成される。スイッチ電極は、好ましくは、連続的なアニーリングを伴うリン及びホウ素イオン注入により作製され、それらは０．０１Ω・ｃｍ未満の抵抗率を有する。

～０．１０５λの長さの散乱体３１がワイヤボンドとして好ましく作製される。２つの散乱体アレイ３１は、～０．０２５λの間隔だけ分離される。誘電体フィード５０に沿った同じアレイ内の隣接する散乱体間の間隔は～０．０８２λである。

ボールグリッドアレイ２２のボール直径は０．４ｍｍであり、ボール間隔は、～０．１λである。アンテナチップ３０は、相互から及びプラットフォーム２３からの間隔～０．１ｍｍにてベース表面２１上に配置される。

上述した実施形態のためのシミュレートされたアンテナビームパターンが図１３に示される。バイアスされていない／バイアスされた平均スイッチパターンの周期Ｐ_Σは、約６．６ｓと約１０．７ｓとの間で変化する。ここで、ｓは同じアレイ内の隣接する散乱体間の間隔である。グラフに示される対応するスキャン角度は、一端の単一アンテナ給電点に向かう方向における約－５０°から約＋１０°までのセクターをカバーする。アンテナが他端の第２給電点からも給電される場合、これに応じてカバーされるセクターが増長する。

バイアスされていない／バイアスされたスイッチパターンが異なる周期のオーバーラップパターンにより提示可能である場合、アンテナは異なる周期の数に対応する複数のビームを生成し、これらは互いに独立に制御可能である。

０°及びその付近を除くすべてのシミュレートされたビーム位置に対して、アンテナは低リターンロス（ＶＳＷＲ＜１．２）及び高放射効率（５０％－６０％を超える）によって特徴付けられる。スキャン角度０°及びその付近では、ブラッグ反射がリターンロスを本質的に増長させる。リターンロスを最小化し、ブラッグ角でのアンテナ放射効率を最大化するため、２つの鏡面対称アレイにおけるバイアスされていない／バイアスされたスイッチパターン間の相対シフトが、これをＰ_Σ／２から０．７５Ｐ_Σまで変更することにより最適化されるべきである。

本明細書に開示される制御可能なビームアンテナの実施形態は、多種多様な操舵可能ビームアンテナに適合可能であり、この特徴を使用するアンテナは、異なる用途及び状況に適するように、異なるシーケンスで操舵可能ビームアンテナを提供するように動作可能であることが理解される。従って、本明細書に記載した本開示の特定の実施形態及び態様は単なる例示であり、限定するものではなく、多くの変形及び修正が本開示の精神及び範囲を逸脱することなく関連技術の当業者に示唆されることが容易に理解される。

１０、１０’ 操舵可能ビームアンテナ
２０ベース
２１平坦中央領域
２２ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）
３０半導体アンテナチップ
３１散乱体
３１１第１脚部
３１２第２脚部
３７接地面
４０散乱体スイッチ
４１接地電極
４２中央電極
４３制御電極
５０、５０’ 誘電素子
５２、５２’ 空隙
６０制御基板
６１制御回路
７０、７０’ カバー

Claims

電子的に制御される操舵可能ビームアンテナであって、
平坦面を有するベースと、
長手方向軸線Ｘに沿って前記ベースの平坦面に取り付けられる複数の半導体アンテナチップであって、それぞれが上面を定義する複数の半導体アンテナチップと、
前記複数の半導体アンテナチップ各々の前記上面における接地面と、
前記半導体アンテナチップ各々において長手方向に配置される半導体スイッチのアレイであって、各半導体スイッチが接地電極、中央電極及び制御電極を備え、前記制御電極が制御回路に電気的接続するように構成される半導体スイッチのアレイと、
前記複数の半導体アンテナチップ各々上の導電性散乱素子のアレイであって、前記導電性散乱素子各々が、前記接地面に接続される第１脚部と、前記半導体スイッチの関連する１つの前記中央電極に接続される第２脚部と、前記第１脚部と第２脚部との間に延びる主要部分とを備え、少なくとも前記主要部分が空気に囲まれる導電性散乱素子のアレイと、
前記導電性散乱素子の上方に前記長手方向軸線Ｘに沿って前記複数の半導体アンテナチップに取り付けられ、前記導電性散乱素子から空隙によって間隔が空けられた線形誘電素子とを備える操舵可能ビームアンテナ。
前記半導体アンテナチップ各々は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）によって前記ベースの平坦面に取り付けられる請求項１に記載の操舵可能ビームアンテナ。
前記操舵可能ビームアンテナは最小動作波長を有し、前記ＢＧＡ各々は、前記最小動作波長の１／２未満の間隔だけ相互に分離される導電性ボールのアレイを備える請求項２に記載の操舵可能ビームアンテナ。
前記操舵可能ビームアンテナは平均動作波長λを有し、前記半導体アンテナチップ各々は厚さｂを有し、前記半導体アンテナチップ各々は第１縁を有し、前記半導体アンテナチップの第１アレイの半導体アンテナチップ各々の前記ＢＧＡは第２縁を有し、
前記第１縁と第２縁との間の間隔ｄ_eは

から選択される請求項３に記載の操舵可能ビームアンテナ。
前記半導体スイッチのアレイは半導体スイッチの第１アレイであり、前記導電性散乱素子のアレイは導電性散乱素子の第１アレイであり、
前記操舵可能ビームアンテナは、半導体スイッチの第２アレイと導電性散乱素子の第２アレイとを更に備え、
前記半導体スイッチの第２アレイは、対称面に対して前記半導体スイッチの第１アレイと鏡面対称であり、前記導電性散乱素子の第２アレイは、前記対称面に対して前記導電性散乱素子の第１アレイと鏡面対称にあり、前記対称面は前記半導体アンテナチップの上面と直交しかつ前記長手方向軸線Ｘを含む請求項１に記載の操舵可能ビームアンテナ。
前記ベースの平坦面に取り付けられ、前記線形誘電素子と共に導波路を定義するカバーを更に備える請求項１に記載の操舵可能ビームアンテナ。
電子的に制御される操舵可能ビームアンテナであって、
平担面を有するベースと、
前記ベースの平坦面に取り付けられる複数の半導体アンテナチップであって、それぞれが上面を定義する複数の半導体アンテナチップと、
前記半導体アンテナチップ各々の前記上面における接地面と、
前記半導体アンテナチップ各々における半導体スイッチのアレイであって、各半導体スイッチが接地電極、中央電極及び制御電極を備える半導体スイッチのアレイと、
前記複数の半導体アンテナチップ各々上の導電性散乱素子のアレイであって、前記導電性散乱素子各々が、前記接地面と前記半導体スイッチの１つの前記中央電極とに接続され、前記導電性散乱素子各々が、前記半導体スイッチの１つの前記中央電極と接触する第１脚部と前記接地面と接触する第２脚部との間に延びる主要部分を備え、少なくとも前記主要部分が空気に囲まれる導電性散乱素子のアレイと、
前記半導体スイッチのアレイ及び前記導電性散乱素子のアレイの上方に長手方向軸線Ｘに沿って前記複数の半導体アンテナチップに取り付けられ、前記導電性散乱素子から空隙によって間隔が空けられた線形誘電素子と、
前記ベースの平坦面に取り付けられた複数の制御回路であって、それぞれが前記半導体スイッチの少なくとも１つの前記制御電極に電気的に接続される複数の制御回路とを備える操舵可能ビームアンテナ。
前記半導体アンテナチップ各々は、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）によって前記ベースの平坦面に取り付けられる請求項７に記載の操舵可能ビームアンテナ。
前記操舵可能ビームアンテナは最小動作波長を有し、前記ＢＧＡ各々は、前記最小動作波長の１／２未満の間隔だけ相互に分離される導電性ボールのアレイを備える請求項８に記載の操舵可能ビームアンテナ。
前記操舵可能ビームアンテナは平均動作波長λを有し、前記半導体アンテナチップ各々は厚さｂを有し、前記半導体アンテナチップ各々は第１縁を有し、前記半導体アンテナチップの第１アレイの半導体アンテナチップ各々の前記ＢＧＡは第２縁を有し、
前記第１縁と第２縁との間の間隔ｄ_eは

から選択される請求項９に記載の操舵可能ビームアンテナ。
前記半導体スイッチのアレイは半導体スイッチの第１アレイであり、前記導電性散乱素子のアレイは導電性散乱素子の第１アレイであり、
前記操舵可能ビームアンテナは、半導体スイッチの第２アレイと導電性散乱素子の第２アレイとを更に備え、
前記半導体スイッチの第２アレイは、対称面に対して前記半導体スイッチの第１アレイと鏡面対称であり、前記導電性散乱素子の第２アレイは、前記対称面に対して前記導電性散乱素子の第１アレイと鏡面対称にあり、前記対称面は前記半導体アンテナチップの上面と直交しかつ前記長手方向軸線Ｘを含む請求項７に記載の操舵可能ビームアンテナ。
前記ベースの平坦面に取り付けられ、前記線形誘電素子と共に導波路を定義するカバーを更に備える請求項７に記載の操舵可能ビームアンテナ。
操舵可能ビームアンテナを製造する方法であって、
（ａ）上面を有する半導体ウェーハを準備すること；
（ｂ）半導体ウェーハをドープして複数の埋め込まれた半導体スイッチを形成することであって、各半導体スイッチが接地電極、中央電極及び制御電極を備えること；
（ｃ）前記半導体ウェーハ上に相互接続層を形成することであって、前記相互接続層が、前記半導体スイッチ各々の制御電極を対応する制御回路に接続するように構成される金属トレースを備えること；
（ｄ）前記半導体ウェーハの上面を金属化して接地面を形成することであって、前記接地面が前記半導体スイッチ各々の接地電極に電気的に接続されること；
（ｅ）前記半導体ウェーハ上に複数の導電性散乱体を形成することであって、前記導電性散乱体各々は、前記半導体スイッチの１つの中央電極を接地面に電気的に接続し、前記導電性散乱体各々は、前記半導体ウェーハの上面から間隔が空けられた主要部分を有すること；
（ｆ）前記半導体ウェーハを複数のアンテナチップへとダイシングすることであって、前記アンテナチップ各々は半導体スイッチのアレイと導電性散乱体のアレイとを備えること；
（ｇ）前記複数のアンテナチップを、各アンテナチップのためのボールグリッドアレイを使用してベース上に取り付けること；
（ｈ）取り付けられた前記アンテナチップ各々を電気的に相互接続すること；
（ｉ）前記アンテナチップ各々上に前記導電性散乱体のアレイを重ねるように前記操舵可能ビームアンテナの前記ベース上に誘電素子を取りつけることであって、前記誘電素子と前記導電性散乱体のアレイとの間に空隙が設けられること；
（ｊ）前記誘電素子と共に導波路を提供するように前記ベース上に導電性カバーを取り付けること；及び
（ｋ）前記ベース上に複数の制御回路を取り付け、前記制御回路各々を前記アンテナチップの少なくとも１つにおける前記半導体スイッチに電気的に接続すること、を含む方法。