JP4438170B2 - 電子的に操縦される走査アンテナに対するアクティブマイクロ波リフレクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明の目的は、アンテナを形成するマイクロ波源から照射できる、電子的に操縦される走査をするマイクロ波リフレクタである。
【０００２】
【従来の技術】
電子的に操縦される走査アンテナは、マイクロ波を放射する一群の放射要素によって通常形成される。該マイクロ波の位相は、各要素若しくは一群の要素に対して独立に、電子的に制御され得る。ビームが２つの直交方向（２Ｄ）に空間を操作することが可能なアンテナは、膨大な数の放射要素を必要とする。これらのコスト、即ち移相器及び対応する電子回路素子のコストは、通常、この種のアンテナよりも非常に高価となる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、比較できる効率特性について、公知のアンテナのコストよりも実質的に安価なコストで、２Ｄの電子的に操縦される走査アンテナを作ることを可能とすることである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このために、本発明によるアンテナは、アクティブマイクロ波リフレクタを照射する線形に偏波されるマイクロ波源からなる。本発明によるアクティブリフレクタは一群の要素セルを含み、各セルは、導電平面の前に配置された移相器マイクロ波回路を含む。この移相器は、支持体上に位置付けられた導線又は導電トラックを含む。該導線又はトラックの各々は、例えばダイオードである少なくとも２つの２状態半導体要素を含み、該ダイオードの状態を互いに個々に制御できる導体に接続され、それは、ダイオードの各々に対してオン又はオフとなることが可能である。従って、４つの状態を得ることが可能となり、セルの幾何及び電気特性は、所与の移相値がこれら各状態に対応するようになる。最後に、マイクロ波非干渉手段が、セルの間に設けられる。これら手段は、特に、２つの隣接するセルの間に形成される導波管からなる。これら導波管の壁は、偏波と平行であり、これら導波管の間の空間は、それが波の伝播を妨げるようになる。
【０００５】
本発明の他の目的、特別な特徴及び結果は、例として与えられ、添付図面によって説明された以下の説明に表されている。
【０００６】
これら異なる図面の中で、同一参照符号は同一要素に関係する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるアンテナによって用いられた原理の概略図である。
【０００８】
アンテナは、予め規定された方向ＯＹと平行な、線形に偏波されたマイクロ波Ｏ_１の源Ｓによって形成される。該アンテナは、方向ＯＹを含む平面、例えばＸＯＹの平面に配置されたアクティブリフレクタＲＡを照射する。
【０００９】
リフレクタＲＡは、図２の概略的に表されており、（平面ＸＯＹの）平面図の中で理解される。
【００１０】
このリフレクタは、並べて位置付けられた要素セルＣの一群からなり、該セルのマイクロ波非干渉のために用いられた領域２０によって分離される。各セルは、更に以下で説明される方法に従って、電子的に操縦される位相値と共に波を受信し、その波を反射することが可能となる。
【００１１】
従って、各セルによって受信された波と通信される移相を制御することによって、所望の方向にマイクロ波ビームＯ_２（図１）を形成することは、公知の方法で可能となる。
【００１２】
図３は、アクティブリフレクタＲＡの一実施形態（平面ＹＯＺは平面ＸＯＹに対して垂直である）の概略的な断面図を提供する。
【００１３】
リフレクタＲＡは、入射波Ｏ_１を受信する例えば実質的な平面回路であるマイクロ波回路ＣＨと、この回路ＣＨから予め規定された距離ｄに該回路ＣＨに対して実質的に平行に位置付けて配置された導電平面ＣＣとからなる。
【００１４】
導電平面ＣＣは、マイクロ波を反射する機能を有する。それは、例えば、互いに十分に近接する平行導線、若しくは格子構造、又は連続平面のような、どのような公知の手段で形成されてもよい。回路ＣＨ及び平面ＣＣは、誘電支持体３２のプリントされた回路型の２つの対向面に作られるのが好ましい。
【００１５】
多層回路である同一プリント回路３２上に、リフレクタＲＡは、更に、位相値を制御するために必要とされる電子回路（部品及び配線）を有する。図３は、多層回路を表し、その前面３０に回路ＣＨを有し、その背面３１に電子部品１３２を有する。中間層は、回路ＣＨと部品１３２との配線のために平面ＣＣと例えば２つの平面Ｐｌとを形成する。
【００１６】
図４は、マイクロ波回路ＣＨの一実施形態を表す。
【００１７】
回路ＣＨは、表面３０上に作られ、非干渉領域によって分離された要素移相器Ｄからなる。導電平面ＣＣの対応する部分に結合した各移相器Ｄは、図２の要素セルの１つを形成する。
【００１８】
移相器Ｄは、方向ＯＹと実質的に平行に、１つ以上の導線Ｆ（図４では１つだけ）を含む。各導線Ｆは、例えばダイオードである少なくとも２つの２状態半導体要素Ｄ１及びＤ２を有する。これは、例えばダイオードのカソードを、互いに逆向きに接続される。ダイオードＤ１及びＤ２の供給電圧は複数の制御導体によって伝達される。該制御導体は、参照符号ＣＤであり、実質的に互いに平行であり、導線Ｆに対して垂直となる。ダイオードを互いに独立に制御できるように、導体の少なくとも３つ又は図に表された４つが存在する。
【００１９】
移相器Ｄは、それらの周囲方向に位置付けられた導電領域によって囲まれる。その周囲は、更に以下に説明されるような非干渉のために用いられた、ＯＸに平行な方向の参照符号７４と、ＯＹに平行な方向の参照符号７５とを有する。
【００２０】
導体ＣＤは、導電領域７５の高さに作られたメタライズされたホール４０（４１）を用いて、リフレクタが有する電子回路に接続される。これら導電領域７５は、もちろんこれら導体から（例えば領域７５の間隙４３によって）電気的に絶縁される。
【００２１】
図から明らかなように、例えば表面３０上に金属デポジットを形成して作られた種々の導体の表面は、断面図では理解できないけれども、ハッチで表されている。
【００２２】
セルの作用を説明するために、まず最初に、図４に表されたような移相器Ｄの等価回路を検討する必要がある。
【００２３】
直線的で且つＯＹ及び導線Ｆに平行に偏波（電界ベクトル）する入射マイクロ波は、端子Ｂ１及びＢ２で受信され、該端子Ｂ１及びＢ２に平行に直列接続されたキャパシタンスＣ_０、Ｃ_Ｉ１、Ｃ_Ｉ２、Ｃ_Ｉ３及びＣ_Ｉ４に入る。キャパシタンスＣ_０は、端部導体ＣＤと導電領域７４との間の非干渉の単位長さ当たりのキャパシタンスを表す。キャパシタンスＣ_Ｉ１は、ダイオードＤ_１を取り囲む導体ＣＤの間の単位長さ当たりのキャパシタンスを表す。キャパシタンスＣ_Ｉ３は、中央導体ＣＤの間の単位長さ当たりのキャパシタンスを表す。キャパシタンスＣ_Ｉ２は、ダイオードＤ２に対するＣ_Ｉ１と同じものである。
【００２４】
ダイオードＤ_１は、キャパシタンスＣ_Ｉ１の端子に接続される。このダイオードＤ_１も、その等価回路図によって表される。この回路図はインダクタンスＬ_１からなり、そのインダクタンスＬ_１は、その接続導線（Ｆ）のためのダイオードＤ_１のインダクタンスであり、
キャパシタンスＣ_ｉ１（ダイオードの接合キャパシタンス）及びそれに直列接続された抵抗Ｒ_ｉ１（逆抵抗）か、又は
抵抗Ｒ_ｄ１（ダイオードの順抵抗）か
に直列接続する。これは、逆方向のダイオードＤ_１か又は順方向のダイオードＤ_１かに依存し、この行為はスイッチ２１によって符号化されている。
【００２５】
同様に、ダイオードＤ_２は、キャパシタンスＣ_Ｉ２の端子に接続される。このダイオードＤ_２は、その等価回路図によって表される。この回路図は、ダイオードＤ_１の回路図と同じであり、その構成部品には符号２が付与されている。
【００２６】
マイクロ波出力電圧は、キャパシタンスＣ_０、Ｃ_Ｉ１、Ｃ_Ｉ２及びＣ_Ｉ３の端子である端子Ｂ３及びＢ４の間に生じる。
【００２７】
移相器Ｄの作用が、ここから以下に説明される。この説明は、第１段階で、ダイオードＤ_２と中央導体ＣＤとが存在しないこのような回路の動作を検討する。図５の等価回路図において、これは、ユニットＤ_２と、キャパシタンスＣ_Ｉ２及びＣ_Ｉ３とを削除することになる。
【００２８】
ダイオードＤ_１が順バイアスであるとき、図５の回路のサセプタンス（Ｂｄ１）は、以下の式で書かれる。
【００２９】
【数１】

【００３０】
Ｚは入射波のインピーダンスであり、ωは、デバイスの動作バンドの中心周波数における対応するパルセーションである。
【００３１】
回路のパラメータは、例えば
【数２】

となるように選択される。これは、そのコンダクタンスを見ることによって、回路が適合されること、言い換えれば、寄生反射でも何れの移相（ｄφ_ｄ１＝０）でもなく導く入射マイクロ波に透過すること、を意味する。詳細には、以下の式が選択される。
【００３２】
ＬＣ_Ｉ１ω^２＝１
【００３３】
キャパシタンスＣ_ｉ１の値となりえるものはいずれも、
【数３】

に導く。
【００３４】
ダイオードＤ_１が逆バイアスにされたとき、回路のサセプタンス（Ｂ_ｒ２）が以下の式で書かれる。
【００３５】
【数４】

【００３６】
キャパシタンスＣ_Ｉ１の値は予め固定されており、サセプタンスＢ_ｒ１の値を、キャパシタンスＣ_ｉの値、即ちダイオードＤ_１の選択における動作によって調整できる。
【００３７】
第２の段階において、ダイオードＤ_２及び中央導体ＣＤの存在が考慮されるならば、理論の同じプロセスにより、ダイオードＤ_２が順バイアスか又は逆バイアスであるかどうかに依存するサセプタンス対して、２つの別の値が与えられる。
【００３８】
従って、移相器Ｄが、そのサセプタンスＢ_Ｄ（参照Ｂ_Ｄ１、Ｂ_Ｄ２、Ｂ_Ｄ３及びＢ_Ｄ４）について４つの異なる値を有することができることが理解できる。それは、ダイオードＤ_１及びＤ_２の各々に適用された命令（順バイアス又は逆バイアス）に依存する。これら値は、図５の回路のパラメータの関数である。即ち、移相器の、幾何的パラメータ（寸法、形状及び異なる導電表面の空間）と、電気的パラメータ（ダイオードの電気的特性）とに対して選択された値である。
【００３９】
全体のセル、即ち移相器Ｄ及び導電平面ＣＣの動作が次に説明される。移相器の平面と置き換えられ、以下の式のように書くことができるＢ_ＣＣで参照された平面ＣＣのために、サセプタンスを考慮することが必要となる。
【００４０】
Ｂ_ＣＣ＝−ｃｏｔｇ（２πｄ／λ）
【００４１】
λは、パルセーションωに対応する波長である。
【００４２】
セルのサセプタンスＢ_Ｃは、次式で与えられる。
【００４３】
Ｂ_Ｃ＝Ｂ_Ｄ＋Ｂ_ＣＣ
【００４４】
サセプタンスＢ_Ｃは、４つの値Ｂ_Ｄにそれぞれ対応する４つの異なる値（参照Ｂ_Ｃ１、Ｂ_Ｃ２、Ｂ_Ｃ３及びＢ_Ｃ４）を得ることができ、距離ｄは値Ｂ_Ｃ１〜Ｂ_Ｃ４を決定するための追加パラメータを表す。
【００４５】
更に、アドミタンス（Ｙ）によってマイクロ波に通じる移相（ｄφ）が次式を有することが分かる。
【００４６】
ｄφ＝２ａｒｃｔａｎＹ
【００４７】
従って、セルのアドミタンスの実部を見ると、次式が理解できる。
【００４８】
【数５】

【００４９】
ダイオードＤ_１及びＤ_２の各々に適用された命令に依存して、セル当たりの移相の４つの起こりうる値（ｄφ１〜ｄφ４）を得る。４つの値ｄφ１〜ｄφ４が、強制されないが例えば０、９０°、１８０°、２７０°のように等しく分散する、異なるパラメータが選択される。
【００５０】
前述では回路のパラメータを選択する場合について説明してきたことに注目しなければならない。その選択は、零サセプタンス値（又は実質的に零サセプタンス値）が、順バイアスのダイオードに対応するようになるが、サセプタンス値Ｂｒを実質的に削除するためにパラメータが決定されるという相称的な動作タイプを選択するようにできる。より一般に、零となるサセプタンス値Ｂ_ｄ又はＢ_ｒの一方は必要でない。これら値は、移相ｄφ１〜ｄφ４の等しく分散した状態に合うように決定される。
【００５１】
更に、セルは、ダイオードと共に１つ以上の導線Ｆを有すべきであり、パラメータを決定する操作及び方法は、同一タイプのものに等価回路を置き換え、それに従ってダイオードに適した導線の間の配線を考慮することができる。
【００５２】
本発明によるアクティブリフレクタは、セルＣの間の非干渉の手段も有する。
【００５３】
セルによって受信されたマイクロ波は、方向ＯＹと平行に、線形に偏波される。この波が、方向ＯＸに一方のセルから他方のセルへ伝播されるべきでないことを所望する。このような伝播を妨げるために、本発明は、実質的にストリップ形状の導電領域７５を配置するようにする。該導電領域７５は、例えばセルの間で方向ＯＹと平行に、表面３０上の金属デポジションによって作られる。下部にある反射平面ＣＣに沿うこのストリップ７５は、その幅が距離ｄである導波管型の空間を形成する。本発明によれば、距離ｄはλ／２よりも短くなるように選択され、偏りがバンドと平行である波は、このような空間内を伝播することができないことが理解できる。実際に、本発明によるリフレクタは、周波数のあるバンドの中で動作し、ｄは、バンドの最小波長よりも短い波長が選択される。本来、移相ｄ_φ１〜ｄ_φ４を固定するために異なるパラメータを決定するとき、この制約を考慮する必要がある。更に、バンド７５は、明らかに前述の効果に対して十分な方向ＯＸに沿って幅ｅを有しなければならない。実際に幅ｅは、範囲λ／１５の中にするのが好ましい。
【００５４】
更に、波は、（方向ＯＸ及びＯＹと垂直な）方向ＯＺに沿って向けられたその偏波と共に、セル内に寄生的に作られるかもしれない。隣接するセルに向かってその伝播を妨げることも望ましい。
【００５５】
方向ＯＸに隣接するセルに対して、図４に表されたように、導体ＣＤと電子制御回路とを接続するためにメタライズされたホール４０〜４１を用いることができる。実際に、これらホールが寄生波の偏波と平行であるために、導電平面と等しくなる。それらが互いに十分に近接する（リフレクタの動作波長よりも短い長さの距離で）し、更に多数のものからなるならば、リフレクタの動作波長に対するシールドを形成する。この状態が実現できないならば、いずれの接続関数も有さない追加のメタライズされたホールを形成することも、もちろん可能となる。これらメタライズされたホール４０〜４１が、セルの動作を妨げないようにストリップ７５内に作られるのが好ましいことに注目すべきである。
【００５６】
最後に、方向ＯＹに隣接するセルに対して、方向ＯＸに一列にされるがホール４０〜４１と同じメタライズされたホールを用いるか、又は図６に表されたような平面ＸＯＺと連続する導電表面を位置付けることが、可能となる。プレート６１は、平面ＣＣから平面ＸＯＺに平行な方向に伸びて表されている（これらプレート６１と表面３０との交差は、図４の領域７４を形成する）。これらプレートは、干渉を改善するために、例えばλ／１０よりも短いか、λ／１０と等しいか、又はλ／１０の数倍のクリティカル的に重要でない高さで、表面３０を越えて有利に伸長する。
【００５７】
図７は、２偏波アンテナを作ることができるマイクロ波回路ＣＨの他の実施形態を表す。
【００５８】
この図は、１つのセルＣの遠近図を表す。基板３２の表面３０上になされた移相回路は、２つの導線Ｆ_１及びＦ_２によって形成される。その各々は、ダイオード（Ｄ_１１、Ｄ_２１、Ｄ_１２、Ｄ_２２）のような２つの半導体要素を有する。これらダイオードは、例えば全く同一の中央導体７２に接続され、該導体７２自身は、リフレクタの電子制御回路にメタライズされたホール７２によって接続される。ここでダイオードに適した導線の各々は、これら波でのみ動作し、その偏波は、前述した１つのプロセスと同じプロセスに従って波と平行となる部品を有し、導体の幾何的な違いが考慮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるアンテナの概略説明図である。
【図２】本発明によるアクティブリフレクタの平面図である。
【図３】アクティブリフレクタの一実施形態の断面図である。
【図４】アクティブリフレクタ内で用いられるマイクロ波回路の一実施形態の平面図である。
【図５】マイクロリフレクタの等価回路図である。
【図６】互いのセルからの非干渉のための、要素の実用的な実施形態の斜視図である。
【図７】２偏波アンテナの製作が可能なマイクロ波回路の他の実施形態の構成図である。

Claims (8)

1. 第１の所与の方向に線形に偏波された電磁波を受信することが可能なアクティブマイクロ波リフレクタであって、
   表面上に互いにすぐそばに位置付けられた要素セルの一群を含み、
   前記各セルは、移相器のマイクロ波回路と、導電平面とを含み、該導電平面は、動作バンドの最小半波長よりも短い、該マイクロ波回路から予め決められた距離に、該マイクロ波回路と実質的に平行に配置されており、
   前記移相器のマイクロ波回路は、誘電支持体と、前記支持体の上に位置し、少なくとも２つの２状態の半導体要素を有する前記所与の方向と実質的に平行な少なくとも１本の電気的導線と、２つの第１の導電領域とを含み、前記導線は、該導線と実質的に直角である、該半導体要素の制御導体に接続され、該制御導体は、該半導体要素の状態を互いに独立して制御するために少なくとも３つあり、前記２つの第１の導電領域は、前記制御導体と実質的に平行で、セルの端に配置され、
   前記セルの幾何的及び電子的な特性は、前記半導体要素の各状態に対して、前記セルによって反射された電磁波の移相（ｄφ１、ｄφ２、ｄφ３、ｄφ４）の所与の値が対応するというものであり、
   前記制御導体に接続された、前記半導体要素の状態を制御する電子回路と、前記セル間におけるマイクロ波の非干渉のための手段とを、さらに、含み、該非干渉のための手段は、前記所与の方向と平行に、各セル間に配置された第２の導電領域を含み、該第２の導電領域は、前記導電平面と共に、マイクロ波を伝播できない導波空間を形成することを特徴とするリフレクタ。
2. 前記誘電支持体は、前記マイクロ波回路を有する第１の表面と、導電平面を有する第１の中間層と、前記制御回路の部品を有する第２の表面とを有する多層プリント回路型であることを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
3. 前記誘電支持体は、前記制御回路の配線を有する少なくとも１つの第２の中間層を含むことを特徴とする請求項２に記載のリフレクタ。
4. メタライズされたホールを含んでおり、前記第１の方向と実質的に直角の第２の方向に、電磁波長よりもかなり短い互いの間の距離で、前記制御回路と前記制御導体との間の接続を提供する少なくともいくつかの前記メタライズされたホールを前記誘電支持体内に作ることを特徴とする請求項２に記載のリフレクタ。
5. 前記メタライズされたホールが、第２の導電領域と電子的に接触することなく、該第２の導電領域内に作られることを特徴とする請求項４に記載のリフレクタ。
6. 前記第１の導電領域は、前記第１の方向と実質的に垂直な導電平面によって伸長され、少なくとも導電平面と移相器回路との間に伸長されることを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
7. 前記半導体要素がダイオードであることを特徴とする請求項１に記載のリフレクタ。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載のリフレクタと、該リフレクタを照射するマイクロ波源とを含む、電子的に操縦される走査マイクロ波アンテナ。

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