JP5792296B2 - 再構成可能な自己補対アレイ - Google Patents

Description

本発明はアンテナ送受信機に関し、特に広い周波数レンジを扱うことが可能なビーム形成アレイ（beamforming array）に関する。

本明細書全体を通して、従来技術に対するどのような議論も決してそのような従来技術が広く知られているわけではないこと、または当該分野に共通の一般的知識の一部を形成するものではないことを容認するものとして認識すべきである。

無線送受信の分野において、無線送信が効果的な方法で実行されることがますます重要である。

さまざまな自己補対アレイアンテナ（self complementary array antenna）の構造が知られている。例えば、Y MushiakeによるIEEE Antennas & Propagation Magazine, 1992, 34:66, 23-29.のSelf complementary antennasを参照されたい。自己補対アンテナの構造は、広い周波数レンジにわたって効果的に空間における波の電磁エネルギーを電子回路へ結合するのを可能にする、無線周波数の独立した終端インピーダンスによって特徴づけられる。前述の論文で説明されている通り、いくつかの自己補対型の多端子アンテナまたはアレイアンテナが知られている。

本発明の目的は、自己補対アレイアンテナの改良形態を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、電磁信号の送信または受信のためのアンテナ構造であって、前記構造は一連の高インピーダンスパッチ（patch）および低インピーダンスパッチを持つ自己補対アレイとして形成され、所定の低インピーダンスパッチは自己補対特性を提供するためにインピーダンス整合増幅器ネットワークによって相互接続されることを特徴とするアンテナ構造が提供される。

好ましくは、前記低インピーダンスパッチは実質的にチェッカーボードパターンを形成する。前記インピーダンス整合増幅器ネットワークは多数の異なる自己補対状態を切替えることができる。実質的に隣接したパッチの頂点は好ましくは電気的に相互接続されている。上記頂点は、好ましくは低ノイズ増幅器を利用して電気的に相互接続されている。

いくつかの実施形態では、グラウンド面構造は前記高インピーダンスパッチおよび前記低インピーダンスパッチから所定の距離を置いて形成されてもよい。前記グラウンド面構造は実質的に平面であってもよく、かつ前記高インピーダンスパッチおよび前記低インピーダンスパッチからの距離は所望の動作波長の実質的に1/4としてもよい。前記低インピーダンスパッチの間隔は、所望の動作波長の1/2より小さくてもよい。一連の低ノイズ増幅器は前記グラウンド面構造を介して前記パッチの所定の一つに相互接続されてもよい。前記パッチは、好ましくは実質的に菱形または正方形であってもよい。

いくつかの実施形態では、電気的な相互接続のインピーダンスは、z0を約377オームとして、好ましくは z x zc = (z0/2) x (z0/2)を実質的に満たすリアクタンス性(reactive)インピーダンスの相補対（complementary pair）zおよびzcを含んでもよい。

本発明のさらに別の態様によれば、電磁信号を送信または受信し、切替え可能なインピーダンス整合ネットワークと相互接続して一連の高インピーダンス領域および低インピーダンス領域を有する自己補対アレイとして形成されるアンテナ構造が提供される。

本発明の利益及び利点は、添付図面に関連してなされた、例示的な実施形態の後続の説明および添付の特許請求の範囲により、本発明が関連する当業者に明らかになる。

図１は、Babinetの原理と自己補対アンテナへの応用を示す図である。 図２は、プロトタイプチェッカーボード焦点面アレイの写真である。 図３は、アンテナ構造の断面の模式図である。 図４は、自己補対チェッカーボードアレイの第１例を示す模式図である。 図５は、図４の相補アレイを示す図である。 図６は、第２の再構成可能な自己補対アレイを示す模式図である。 図７は、図６の相補形態を示す図である。 図８は、自己補対アレイのさらに他の例を示す図である。 図９は、自己補対アレイのさらに他の例を示す図である。

本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照しながらほんの一例として説明する。

好ましい実施形態においては、多様な終端密度の自己補対構成を切り替え可能な多端子アンテナが提供される。好ましい実施形態においては、アレイ信号がアレイアンテナを電磁波の無線周波数および/または空間周波数に適応することが可能であるという利点が提供される。その結果、冗長性が個々のアレイ信号から除去され、複雑性が最小化される。

高価なデジタルビーム形成の正確さと柔軟さが要求される場合、これは特に重要である。最小の冗長性は、波長に対する特定の割合でアレイ端子の空間分離を設定することによって各周波数で達成される。電磁波と回路との間の効果的なエネルギー結合は、各設定が自己補対的であるため、アレイが再構成可能として維持される。結果的に得られるアンテナは、アレイ要素の空間的な再構成によって、広い周波数レンジで効果的に動作可能なアレイアンテナを提供する。

前記アンテナ構造には多くの用途がある。１つの用途は、提案されたスクエア・キロメートル・アレイ(Square Kilometre Array:SKA)のような大きな広帯域電波望遠鏡アレイである。この分野では、結果としてデジタルビーム形成のコストがシステム全体のコストの大きな割合を占めることから、デジタル領域のアレイ信号の必要なビーム形成を実行することへの強い要望がある。

再構成可能なアレイの利用により、アレイ要素の間隔および数を再構成する能力が提供される。これはアレイ信号の冗長性を大幅に削減し、従ってデジタル処理能力の大幅な改善をもたらす。従って処理帯域幅が周波数レンジ全体のローエンドを大幅に増大することができ、探査速度の大幅な増大を可能とする。再構成可能な自己補対アレイの他方の用途は、自己組織化またはコグニティブ(cognitive)無線通信の分野である。再構成可能なアレイは最適な変更要求または変更環境に適応可能である。

好ましい実施形態において、異なる自己補対状態の間を切り替えることが可能なアンテナアレイが提供される。

好ましい実施形態において、オーストラリア・スクエアキロメートルアレイ・パスファインダー(Australian Square Kilometre Array Pathfinder :ASKAP)のためのプロトタイプ焦点面アレイで造られたチェッカーボードアレイの改良を含む。チェッカーボードアレイは、新しい自己補対状態を導入するとともに自己補対状態間も切替える再構成可能な自己補対アレイの概念を用いて再構成可能に作られる。

自己補対アレイ：
自己補対アンテナの概念は、不透明体からの回折パターンは、全体的な前進(forward)ビーム強度を除き、同じ大きさ、同じ形状の穴からの回折パターンと同じであると述べるBabinetの原理の電磁気的形態に由来する。

図１を参照すると、Babinetの原理は平面の表面インピーダンス分布の概念を指す。図１は、第１の表面インピーダンス(impedance surface)１１（Z(x,y)）とその相補インピーダンス１２（Zc(x,y)）が、空き領域(free space)のインピーダンスをz0=377オームとすると、関係式Z(x,y) * Zc(x,y) = (z0/2)*(z0/2)によって定義されることを示す。

前記原理の電磁気的形態はまた、Z(x,y)１１の電磁界入射およびZc(x,y)１２の相補的電磁界入射について言及する。Z(x,y)１１における前記電磁界１３の入射がページ(page)へ垂直方向に伝搬する平面波である場合を考慮する。この場合、Zc(x,y)１２の相補的電磁界１４の入射は電磁界ベクトルが90度の伝搬方向を中心に回転したちょうど元の電磁界である。

図１を参照すると、Babinetの原理は、Z(x,y)とZc(x,y)との2つの場合における反射する電磁界と伝送する電磁界との非常に単純な関係を与える。

これに対する当然の結果として、スクリーンを90度回転したいかなる位置においても、前記スクリーンはその相補的スクリーンと同じであり、前記スクリーンは自己補対的であり、かつ前記位置におけるインピーダンスは、周波数に依存せずZ0/2である。このインピーダンスは電子回路によって提供され、周波数非依存性により、広い周波数レンジにわたって効果的に送信または受信し、アンテナが前記回路とよく整合することを可能にする。

自己補対性の概念は図２において写真で符号２０として示すASKAPのプロトタイプ焦点面アレイの改良として使用することができる。前記アレイは、チェッカーボード配置でパッチを接続する自己補対アレイを使用する。指向性を得るために、自己補対チェッカーボードはグラウンド面に平行に配置される。これはアレイインピーダンスへの周波数依存性をもたらすが、有用な周波数レンジは今まで通りチェッカーボードからの波長の1/4であるグラウンド面の位置の周辺で得ることができる。アレイインピーダンスは、グラウンド面なしの場合におけるz0/2ではなく、z0(=377オーム)である。入力インピーダンスがほぼz0に等しい複数の低ノイズ増幅器(ＬＮＡ)は、前記ＬＮＡが置かれたグラウンド面の反対側へ信号をそらす二線式伝送路を介して、隣接するパッチのコーナ(corner)との間に接続される。

アンテナ構築プロセスの理解を助けるため、図３はグラウンド面３２上で活性化している一連の導電性パッチ領域３１を含む模式的なアンテナ３０の断面図である。前記パッチはＬＮＡ３３に相互接続され、デジタルビーム形成器によって駆動される。

図４および図５は、チェッカーボードアレイの場合における自己補対原理について示す図であり、図５は図４の相補形態を示す図である。黒色の領域は低インピーダンスの導電パッチで、パッチ間の白色の領域は高インピーダンスである。それぞれの菱形のコーナには、アレイに接続するための電子回路のための領域が存在する。中央線には、相互接続は存在しない。そうでなければ、各菱形部の端部(edge)に示される相互接続は、電子回路がアレイに接続される電源供給領域である。従って、各相互接続領域はアレイの要素に関連付けることができる。図４に示す例および図５に示す図４の相補形態では、合計で11x10x2=220のアレイ要素を有する。個々のアレイ信号がデジタル化され、デジタルビーム形成器において線形に接続される。

完全に入射電磁界をサンプリングするため、または均等に、放射パターンが全方向に制御可能なビームを生成するために、アレイ要素の間隔は波長の1/2より小さくなければならない。従って、広い周波数レンジにわたる動作が必要になる場合、前記要素の間隔は低周波数時の波長の1/2よりもずっと小さくなければならない。それにもかかわらず、全てのアレイ信号は、電磁界からビーム形成された信号への高いエネルギー変換効率を維持するためにデジタルビーム形成器(digital beamformer)によって組み合わされる必要がある。ビーム形成されたアレイ信号の数が減った場合、効率面で重大な損失が発生し、同一周波数で動作するように適切に設計された狭帯域アレイの効率より低い効率になる。

図６および図７は、再構成可能な自己補対アレイの概念を示す図である。図５において、前記アレイは、アレイの菱形部分の大部分の間にＬＮＡが一様に載せられた、よく知られたチェッカーボードアレイである。本アイデアは、ＬＮＡを切り替えることによって、かつＬＮＡのインピーダンスと等しい伝送路のインピーダンス特性を持つオープン回路またはショート回路で終端した伝送路の長さの入力インピーダンスのようなリアクタンス性インピーダンスZおよびZcを持つ説明文４０（図７）に従って示された相補対に置き換えることによって他の自己補対状態を獲得するために一様なＬＮＡを切り替えることである。このようなリアクタンス性インピーダンスは入射電磁界からはエネルギーを吸収しないが、残ったＬＮＡにより効果的に受信するようにエネルギーを方向転換する。両方のアレイは、これらの位置で広帯域で一定のインピーダンスであることを意味する菱形の端部に関して自己補対的である。

図８および図９は、リアクタンス性を持った(reactively loaded)アレイの自己補対的性質を示す図である。図８において、アレイ５０には説明に示すように、z x zc = (z0/2)x(z0/2)を満足するz0/2および、リアクタンス性インピーダンスの相補対z、zcを含むインピーダンスのＬＮＡが形成されている(is loaded with LNA)。図９は、図８の相補状態を表現する。

上記の概念を検証するため、図７および図８に図示した２つのアレイの電磁的分析がなされた。両方のアレイは、グラウンド面およびチェッカーボードとグラウンド面との間の伝送路を含む現実的な構造として分析された。前記アレイは、チェッカーボードからグラウンド面の1/4の波長である、0.6GHzで分析された。アレイ信号の共役整合ビーム形成(Conjugate-match beamforming)は、アレイへ垂直方向に伝搬する平面波から、または平面波へのパワー伝送を最大化するために実行された。負荷インピーダンスはアレイに377オームで適用され、ショート回路またはオープン回路は、377オームの伝送路を介してグラウンド面に適用された。計算結果は両方のアレイが377オームの負荷インピーダンスに比較的よく適合していることを示している。１つの尺度は、送信モードの放射効率である。これは377オーム負荷の密なアレイで約96%、377オーム負荷の疎なアレイで94%である。リアクタンス性負荷がおよそ1/2の波長分の間隔を空けた25要素のみを持つのに対し、密なアレイはおよそ1/6の波長分の間隔を空けた220要素を持つ。これは、ビーム形成信号の数がおよそ10の約数での減少を表している。

構築された配置は自己補対特性を提供するためにインピーダンス整合増幅器ネットワークにより相互接続された所定の低インピーダンスパッチを有する一連の高インピーダンスパッチおよび低インピーダンスパッチを持つ自己補対アレイとして形成された、電磁信号の送信または受信のための好適なアンテナ構造を提供する。

解釈：
本明細書全体を通して、「一実施形態」または「一実施例」は、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも一つの実施例に含まれることを意味する。従って、本明細書を通じて様々な場所における「一実施形態において」または「一実施例において」という表現の出現は、必ずしも全て同一の実施形態を指すとは限らないが、指す場合もある。本開示から当業者には明らかであろうが、さらに、１つまたはそれ以上の実施形態において、特定の特徴、構造、または特性は任意の適切な方法で組み合わせることが可能である。

同様に、本開示の合理化および、本発明の様々な態様の１つまたはそれ以上の理解の手助けの目的のため、上記の本発明の典型的な実施形態の説明において、本発明の様々な特徴が時には単一の実施形態、図、またはその説明が１つにまとめられていることを認識すべきである。しかし、この開示方法は、請求項に係る発明が各請求項において明確に特定した以上の特徴を要求する意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が示す通り、発明の態様は、単一の前述の開示した実施形態のすべての特徴より少ない。従って、発明の詳細な説明に続く特許請求の範囲は、本発明自身の独立した実施形態として自立した各請求項とともに発明の詳細な説明に明示的に組み込まれる。

さらに、当業者には容易に理解されるであろうが、ここで述べたいくつかの実施形態はいくつかの特徴を含んでいるが、他の実施形態に含まれる他の特徴を含んでいない場合、異なる実施形態の特徴の組み合わせは本発明の範囲内であることを意味し、かつ異なる実施形態を形成する。例えば、以下の特許請求の範囲において、請求したいくつかの実施形態は、いかなる組み合わせでも使用可能である。

さらに、方法または方法の要素の組み合わせとしてここで述べたいくつかの実施形態は、コンピュータシステムのプロセッサまたは当該機能を実行するための他の手段によって実行されることができる。従って、そのような方法または方法の要素の組み合わせを実行するために必要な命令を持ったプロセッサは前記方法または方法の要素の組み合わせを実行する手段を形成する。さらに、ここで述べた装置の実施形態の要素は、本発明を実行する目的のための要素によって実行される機能を実行する手段の一例である。

ここで提供される本明細書において、多数の特定の詳細が述べられる。しかし、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細なしで実施できる可能性があるものとして理解されるべきである。他の事例においては、周知の手法、構造および技術はこの明細書の理解を不明瞭にしないために詳細を示していない。

ここで使用されている、共通の構成要素を説明するため、順序を示す形容詞である、「第１の」、「第２の」、「第３の」、などの使用は、特に他に明示していない限り、単に類似の構成要素の異なる例が参照されているだけで、そのように説明された構成要素が時間的、空間的、順位づけ、もしくは他のいかなる方法においても所定の順序でなければならないということを意図しているものではない。

以下の特許請求の範囲及び本明細書の記載において、「有する」、「有している」、または「有し」という用語は少なくとも１つの他の要素／特徴を含み、他を除外することを意味するわけではないことを意味するオープンな単語である。従って、特許請求の範囲で使用される場合、「有する」という用語は、その後記載された手段、要素もしくはステップを限定的に解釈すべきではない。例えば、「ＡとＢとを有するデバイス」という表現の範囲は「ＡとＢとのみを有するデバイス」と限定されるべきではない。ここで使用される、「含む」、「含んでいる」もしくは「含み」という単語のどの１つもまた少なくとも１つの他の要素／特徴を含み、他を除外しないことを意味するオープンな単語である。従って、「含む」は「有する」の同義語である。

同様に、特許請求の範囲で使用される「結合される」は、直接的な接続のみに限定的に解釈すべきではないことに注意すべきである。「結合される」と「接続される」はその派生語に合わせて使用してもよい。これらの単語は、互いに同義語として意図されていないことを理解すべきである。従って、「デバイスＢに結合されたデバイスＡ」という表現の範囲は、「デバイスＡの出力が、デバイスＢの入力に直接接続されたがデバイスまたはシステム」に限定されない。「他のデバイスまたは手段を含む経路が存在する可能性を含み、Ａの出力とＢの入力との間の経路が存在する。」ということを意味する。「結合される」は、２つまたはそれ以上の要素が物理的にまたは電子的に直接接触している、または２つまたはそれ以上の要素が直接接触してないが、まだお互いに協働または相互作用していることを意味する可能性がある。

本発明は、その特定の好ましい実施形態を特に参照して説明されてきたが、本発明の変形および改良は、以下の特許請求の範囲の精神および範囲内で実行することが可能である。

３０ アンテナ
３１ 導電性パッチ領域
３２ グラウンド面
３３ ＬＮＡ
３４ デジタルビーム形成器

Claims (15)

1. 電磁信号の送信または受信のためのアンテナ構造であって、一連の高インピーダンスパッチおよび低インピーダンスパッチを持つ自己補対アレイとして形成され、所定の低インピーダンスパッチは自己補対特性を提供するために、リアクタンス性インピーダンスの所定の相補対を含む増幅器ネットワークを含む、インピーダンス整合増幅器ネットワークによって相互接続されることを特徴とするアンテナ構造。
2. リアクタンス性インピーダンスの前記所定の相補対は、インピーダンスzおよびzcをそれぞれ有し、z x zcは実質的に一定である、請求項１に記載のアンテナ構造。
3. z x zc = (z0/2) x (z0/2)であり、z0はおよそ377オームである、請求項２に記載のアンテナ構造。
4. 前記低インピーダンスパッチは実質的にはチェッカーボードパターンを形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナ構造。
5. 前記インピーダンス整合増幅器ネットワークは、多数の異なる自己補対状態を切替えることが可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナ構造。
6. 前記切替えることは、低ノイズ増幅器を相補的リアクタンス性インピーダンスに切替えることを含む、請求項５に記載のアンテナ構造。
7. 実質的に隣接した前記パッチの頂点は電気的に相互接続されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のアンテナ構造。
8. 前記頂点は低ノイズ増幅器を利用して電気的に相互接続されていることを特徴とする請求項７に記載のアンテナ構造。
9. グラウンド面構造は前記高インピーダンスパッチおよび前記低インピーダンスパッチから所定の距離を置くことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のアンテナ構造。
10. 前記グラウンド面構造は実質的に平面であり、かつ前記高インピーダンスパッチおよび前記低インピーダンスパッチからの距離は所望の動作波長の実質的に1/4であることを特徴とする請求項９に記載のアンテナ構造。
11. 前記低インピーダンスパッチの間隔は、前記所望の動作波長の1/2より小さいことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のアンテナ構造。
12. 一連の低ノイズ増幅器は前記グラウンド面構造を介して前記パッチの所定の一つに相互接続されることを特徴とする請求項１０に記載のアンテナ構造。
13. 前記パッチは実質的に菱形または正方形であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のアンテナ構造。
14. 電磁信号の送信または受信のためのアンテナ構造であって、切替え可能なインピーダンス整合ネットワークと相互接続して一連の高インピーダンス領域および低インピーダンス領域を有する自己補対アレイとして形成されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ構造。
15. 電磁信号の送信または受信のためのアンテナ構造を形成する方法であって、前記構造は、一連の高インピーダンスパッチおよび低インピーダンスパッチを持つアレイを含んで形成され、前記方法は、
    自己補対特性を提供するために、リアクタンス性インピーダンスの所定の相補対を含む増幅器ネットワークを含む、インピーダンス整合増幅器ネットワークによって、所定の低インピーダンスパッチを共に相互接続するステップ
    を含む方法。