JP7478397B2 - 矩形波信号を用いたアンテナアレイのステアリング - Google Patents

Description

［関連出願］
本開示は、２０１８年８月２日出願の米国仮出願第６２／７１３，９８６号に関連し、その優先権の利益を主張し、本開示は、その開示のすべてが参照により本明細書に援用される。
［技術分野］

本開示は、概ね、液晶ベースのアンテナの分野に関し、特に、ＲＦアンテナに対する液晶及び／又は任意の可変比誘電率／位相材料のドメイン配向の制御に関する。

［関連技術］
液晶は、種々の応用において使用可能である。液晶の特徴は、外部摂動（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ）によって、液晶系のマクロな特性が著しく変化し得ることである。マクロな特性におけるこの変化は、２つだけ例を挙げれば、光学系及び電気系において用いることができる。電場及び磁場の両方を、このような変化を引き起こすために用いることができる。場の大きさと分子が配向する速度とは、特定の応用にとって重要な特性であって、液晶及び／又は他の可変比誘電率材料にかかる場の大きさは、波がその中を通ったとき又はＴＥＭ、ＴＥ若しくはＴＭモードのいずれかで伝搬したとき、その機械的配向をマクロレベルで変化させ、また、その材料が存在することによって、その材料の有効比誘電率に直接関連することなる光の速度に差異があることが分かる又は感知されることとなり、材料の有効な比誘電率は、液晶の場合誘導された電界又は磁界下で分子の力学的な回転チルトに直接関係するものである。

特別な表面処理を液晶デバイスに用いて、双極分子に特定の配向をさせ、よってダイレクタを、機械的及び／又は化学的な影響、例を挙げると、機械的なラビング、配向材料等により配向させることができる。外場に沿ったダイレクタの配向は、分子の電気的性質により引き起こされる。この点において、ダイレクタは、任意の場所近くの分子の好ましい配向の向きを表す、大きさを持たない単位ベクトルｎに当てはまる。永久電気双極子は、分子の一方の端部が正味の正電荷を有し、その一方、他方の端部が正味の負の電荷を有するとき、もたらされる。外部電場を液晶にかけると、双極分子は、双極子として形成されることから、それ自体場の向きに沿って配向させる傾向がある。

一般的な系では、分子は、緩和状態、すなわち、外場がかけられていない状態では、一方向に配向する。変化が必要な場合、適切な電場及び／又は同等の磁場をかけ、この電場及び／又は磁場は、分子を、かけた場の強度／モーメントと相関する量だけ回転させる。その作用がもう必要なくなって、場を除去すると、分子が緩和状態に戻る。電気的反応及び化学的反応として２つの作用、つまり、場をかけると、電気的反応が起こって分子が回転する作用と、場を除去すると、化学的反応によって、分子が緩和状態に戻る作用とが考えられる。しかしながら、電気的反応は、化学的反応よりもずっと早く起こる。よって、経時的作動は、対称的ではない、つまり、「ＯＮ」は、ステアリング可能なアンテナのために対処する必要がある「ＯＦＦ」よりもずっと早い。

２周波液晶（ＤＦＬＣ）は、比誘電率を、電圧単独ではなく、周波数によりスイッチング可能な液晶（ＬＣ）混合物である。この混合物において、比誘電率ε／／は、周波数、通常ｋＨｚからＭＨｚの周波数の範囲に大きく依存し、比誘電率ε⊥は、ＭＨｚ範囲までの周波数に依存するものであって、比誘電率ε／／は、分子の長軸線に沿った比誘電率であり、ε⊥は、分子の長軸線に垂直な比誘電率である。ε／／とε⊥との間の算術差が、比誘電率異方性、Δεである。ＤＦＬＣについて、Δεは、低周波数では正、高周波数では負であり、よって、ＤＦＬＣに対して、振幅は等しいが周波数が異なる電界がかかって、分子が水平から垂直へ、それから、垂直から水平へ、それぞれ回転し、したがって、応答時間は、緩和状態及び／又は化学的プロセスに依存しなくなり、むしろ、かけられた界に依存し、これに伴って応答時間が短くなる見込みである。

高速応答ＤＦＬＣは、大気収差補正用の補償光学及びレーザ・ビーム・ステアリング用光フェーズドアレイにおいて使用されてきた。液晶ベースのフェーズドアレイは、開口が大きくても、ごくわずかのプライム出力で済む。機械的なシステムと異なって、液晶デバイスは、一般に加速度に影響されず、そのコストは、大量生産とともに急激に低減し得る。

ＤＦＬＣについての情報をさらに得るには、例えば、Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙｓ， Ｍａｒｔｉｎ Ｓｃｈａｄｔ， Ａｎｎｕａｌ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ １９９７及びＨｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｄｕａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ ａｎｄ Ｍｉｘｔｕｒｅ ｆｏｒ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｔ Ｅｌｅｖａｔｅｄ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ， Ｈａｉｑｉｎｇ Ｘｉａｎｙｕ，他， Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ， ２０１０を参照のこと。

最近、本出願人は、非光学デバイスの特性及び作動を制御するために液晶を使用することを提案した。米国特許第７，４６６，２６９号明細書及び７，８８４，７６６号明細書と、米国特許出願公開第２０１８－００６２２３８号明細書に例を参照できる。このようなデバイスでは、ダイレクタの配向を、液晶層の比誘電率を変更するために制御して、それにより、電気デバイスの作動特性を変化させる。しかしながら、本発明者らが見出したように、従来技術とは逆に、液晶の非対称的な作動は、このような応用にとって望ましくない。本発明者らは、電気デバイスの作動を制御するとき、「ＯＦＦ」の過程を「ＯＮ」の過程と同程度の速度にすることが望ましいと判断した。

その上、非ＤＦＬＣアンテナアレイを使用するときは、アレイのすべての放射器に、各種電圧をかけて、その放射器に対する比誘電率を変化させる必要が出てくる。このようなシステムでは、電源を多く必要とし、それぞれが、各種電圧レベルを提供し、制御器が各種電圧を各種放射器にかけ、よって、システムの複雑性及びコストが急激に押し上げられてしまう。

さらに、ＤＦＬＣに関する先行技術の開示は、２つの、一方はＬＣを「ｏｎ」にしもう一方はＬＣを「ｏｆｆ」にする各種周波数を用いる。本発明者らは、このような標準的な２周波構成を用いることは、走査アレイを形成し制御するには不適切だと判断した。

そのため、アンテナにおいて作動する液晶のダイレクタの制御を改善する必要がある。

本開示の以下の概要は、本発明の一部の態様及び特徴の基本的理解を提供するために含めている。この発明の概要は、本発明の広範囲の概略ではなく、それ自体特に本発明の不可欠な又は重要な要素を特定すること、又は本発明の範囲を詳述することを意図しない。その唯一の目的は、本発明の一部の着想を、簡易な形で、以下に提示するさらに詳細な説明の序章として提示することである。

開示の実施形態は、改良された液晶ドメイン配向の制御を提供する。開示の実施形態は、可変比誘電率（ＶＤＣ）材料の多周波制御を利用して、電子走査型アンテナアレイを提供するように、アレイにおけるそれぞれの放射器の寄与を制御する。開示の実施形態の構成を用いた場合、アレイにおけるそれぞれの放射器は、その他の放射器の信号とは異なる特性を有する各種駆動信号を受信する。さらに、それぞれの放射器用のそれぞれの信号は、アンテナのプラットフォームが動いている又はターゲットのプラットフォームが動いているかいずれかの場合に、時間経過とともに変化し得る。

開示の実施形態において、単一の電圧電源が、設けられ、複数の信号を、１つはアレイにおけるそれぞれの放射器向けに生成するために使用される。パルス幅変調器（ＰＷＭ）が、複数の信号を、信号のそれぞれが各種デューティサイクルを有し、よって本質的に放射器の遅延線に各種電力レベルを印加するように、生成する。他の実施形態では、デューティサイクルは一定のままであるが、それぞれの信号は各種周波数を有する。このような実施形態において、パルス幅変調器は、複数の周波数を生成し、本開示では、サイクルごとに、生成された周波数の数が、アンテナにおける放射器の数と等しくなり得ることを意味し得る。念のため、「複数の周波数」とは、一般に光学デバイスにおいてｏｎ及びｏｆｆ信号を生成するように使用される、２つ以上の周波数を意味する。

開示の実施形態において、アンテナアレイは、放射器の二次元アレイを備え、それぞれが、パルス幅変調された信号により制御される比誘電率を有するＶＤＣ上を蛇行する遅延線を有する。複数の電極が、個別の制御ＰＷＭ信号をそれぞれのＶＤＣに供給して、ドメインが急速に所望の状態になり、これによりアンテナの主ビームの方向を制御することができるように、設けられる。

包括的態様において、開示の実施形態は、比誘電率異方性における電圧に応じた差異を、チューナブル・フェーズド・アレイ・アンテナの応用において、用いる。このような実施形態において、複数のデューティサイクルの矩形波が、各種移相器のＬＣダイレクタを配向するために印加され、これが、所定の比誘電率をもたらす。比誘電率における変化によって、移相器を進行する信号の位相に変化が生じる。複数のデューティサイクルとは、アレイにおいて移相器の数と等しい数のデューティサイクルのことを指し得る。

包括的態様において、開示の実施形態は、比誘電率異方性における周波数に応じた差異を、チューナブル・フェーズド・アレイ・アンテナの応用において、用いる。このような実施形態は、２周波液晶（ＤＦＬＣ）材料を、層状又はサンドイッチ状の構造体を伴った移相器の要素の一部分として実施する。このようなチューナブル移相器において、複数の周波数の矩形波が、各種移相器のＬＣダイレクタを配向するために印加され、これが、所定の比誘電率をもたし、さらに重要なことは、２周波分子が、周波数が異なる２つの界に応答することにより、２つの反対の方向に回転することができ、この仕組みによって、分子に対して等しいｔ_ｒｉｓｅ及びｔ_ｆａｌｌを具えることができる。また比誘電率における変化によって、移相器を進行する信号の位相に変化を生じさせることができる。その結果、特に、ＬＣ分子が緩やかに緩和（状態）になる場合、典型的なより遅い減衰側（decay side）の応答時間が速くなる。したがって、組み合わされたスイッチタイム（Ｔ_ｒｉｓｅ＋Ｔ_{ｄｅｃａｙ／ｆａｌｌ}）が、通常のＬＣで構築された移相器よりもずっと早くなる。結果として、新たに発明されたパルス幅変調を用いたＤＦＬＣ移相器アンテナは、衛星通信アンテナに要求されるビーム・ステアリング速度を満たす。

開示の実施形態では、迅速なスイッチングをするネマチック液晶（ＬＣ）の移相器が、ＤＦＬＣ効果に基づいて、提供される。アンテナアレイのそれぞれの遅延線に対応するＤＦＬＣ移相器のスイッチングは、周波数制御された一定の電圧の矩形波電圧信号をＤＦＬＣ移相器の電極に印加することにより、個別に制御される。一部の実施形態では、ＤＦＬＣ移相器の両方の電極は、周波数制御された一定の電圧の矩形波電圧により駆動されるので、液晶分子が自然にそれ自体が緩和する時間が、スイッチング時間にもはや影響しなくなる。

一実施形態によれば、２周波ＬＣ制御が、平行スピン用の一方の構成と、垂直回転用の他方の構成とともに使用される。

本明細書に組み込まれるとともに本明細書の一部をなす添付の図面は、本発明の実施形態を例示するものであり、詳細な説明とともに本発明の原理を説明し図示する役割を担う。図面は、概略的に、例示の実施形態の主な特徴を図示することを意図している。図面は、実際の実施形態の全ての特徴や示される要素の相対的寸法を示すことを意図するものではなく、縮尺して描いていない。

本発明の１つ以上の実施形態は例として示され、添付の図面の図において限定するものではなく、添付の図面では、同様の参照符号が類似する構成要素を表す。

図１は、一実施形態に係るアンテナアレイであって、それぞれの放射器を個々に制御することにより主ビームを走査する制御器を有し、これは、多くの各種変形例により実施可能であり、多層及び／又は単層構造とともに設計可能であるアンテナアレイを図示する。 図２は、一実施形態に係るパルス幅変調制御の簡略化した概略図である。 図３は、各種デューティサイクルの矩形波信号を示す図である。 図４は、各種周波数の矩形波信号を示す図である。 図５は、一実施形態に係る、アレイの移相器を制御するためのシステムを図示する概略図である。 図６は、別の実施形態に係る、アレイの移相器を制御するためのシステムを図示する概略図である。 図７は、１つ以上の実施形態に係る、アレイの移相器を制御するためのシステムを図示する概略図である。

本発明のアンテナ及び制御の実施形態をここで図面を参照して説明する。各種応用のために又は各種利点を得るために、各種の実施形態又はそれらの組合せを用いることができる。本明細書に開示する各種の特徴は、得ようとする結果次第で、利点を要件や制約と両立させて、部分的に又はその全てを単独で又は他の特徴と組み合わせて用いることができる。したがって、特定の利点は各種の実施形態に関して強調されるが、開示の実施形態に限定されるわけではない。すなわち、本明細書に開示する特徴は、これらの特徴を記載した実施形態に限定されるものではなく、他の特徴と「混合及び適合させたり」、他の実施形態に組み込むことができる。

すべてのＲＦアンテナがそうであるように、受送信は、本明細書に提示したアンテナ及びデバイスのクラスが分類され、パッシブアンテナにおいては対称的な相互関係にあり、その結果、一方の説明は、他方に等しく当てはまる。非線形デバイスを含むアクティブアンテナは相互関係にはない。本説明では、送信を説明することの方が容易な場合があるが、受信は、方向が反対というだけで、同じものとなる。また、開示の実施形態では、開示のアンテナは、プラットフォームに搭載され、主ビームは、本明細書でターゲットと呼ぶもう一方のアンテナに照準を合わされることを前提とする。ターゲットのアンテナもまた、プラットフォームに搭載され、いずれか一方又は両方のプラットフォームは、可動にし得る。例えば、アンテナは、航空機、船、自動車等の車両に装着可能であり、ターゲットは、例えば、衛星に搭載可能である。アンテナが衛星に搭載可能であり、その一方、ターゲットは車両に搭載可能なものなので、対称性というコンセプトは、本明細書でも同様に当てはまる。

アンテナの平面図を、吹き出しの中の概略図に１つの放射素子におけるアレイの簡略化した断面を示しつつ、図１の概略図に図示する。一般的に、アンテナは、以下にさらに詳細に説明するように、放射パッチ層と、実時間遅延層と、グランド層と、並列給電部、進行波給電部又は定在波場として設計される給電層とを含む多層アンテナである。一部の例では、層が追加され、複数の極性、さらに広い帯域幅等が提供される。アンテナの種々の素子は絶縁基板上に印刷又は堆積することができる。

アンテナは、ｎｘｍ放射素子の二次元アレイを含み、ｎ及びｍは、整数である。図１の図において、この特定の実施例におけるアンテナは、放射器１１０の４×４のアレイを含み、種々の幾何学的形状及び構成配置では任意の個数の放射器を用いることができるが、４×４の素子の正方形配置は、一例としてのみ選択している。本例では、それぞれの放射器１１０は、絶縁層１０５の上面に設けた（例えば、堆積、被着又は印刷された）導電性パッチであり、絶縁層１０５の上面に物理的に又は容量的に結合させた遅延給電線１１５を有する。それぞれの遅延給電線１１５は、ＲＦ信号をその対応するパッチ１１０に提供する導体である。ＲＦ信号は、遅延線の下側に配置された可変誘電体層を制御することにより、操作、例えば位相を変化させるように遅延させ得る。遅延線をすべて個別に制御して、それぞれの遅延線においてＲＦ信号の位相を変化させることによって、アレイの主ビームを、必要に応じて、各種の方向に向けるようにして、電子走査型アレイを提供することができる。

図１では、それぞれの素子に給電線１つのみから給電される。しかしながら、それぞれの放射素子１１０には、例えば、それぞれが各種の極性を有する、直交する２つの給電線により給電可能である。本明細書において提供する説明は、双方のまた任意の同様の構成に適用することができる。

吹き出しの中に示すように、上部誘電体スペーサ３０５は、一般的に、誘電体（絶縁）プレート又は誘電体シートの形態であり、例えばガラス、ＰＥＴ等から作製することができる。放射パッチ３１０は、例えば、導電膜の接着、スパッタリング、印刷等によってスペーサ上に形成される。それぞれのパッチ位置において、誘電体スペーサ３０５内にビアを形成し、このビアを導電性材料、例えば、銅を充填して、接点３２５を形成し、当該接点が、放射パッチ３１０に物理的かつ電気的に接続する。遅延線３１５は、誘電体スペーサ３０５の底面（又は上部バインダー３４２の上面）に形成され、接点３２５に物理的及び電気的に接続されている。遅延線３１５は、もっとも大きい影響を与える／ＲＦ位相変化を提供する可変比誘電率材料３４０中に埋まっており、任意の追加の層が遅延線を可変比誘電率材料から分離することは、デバイスの同調性を低下させることになる。すなわち、本例では、遅延線３１５から、接点３２５を通って、放射パッチ３１０へ、連続したＤＣ電気的接続が存在する。図１に示すように、遅延線１１５は、蛇行する導電線であり、所望の遅延を生成するのに十分な長さを具えるように任意の形状をとることができ、これにより、ＲＦ信号に所望の位相シフトが引き起こされ、ＶＤＣ３４０を活性化するための電極が、遅延線及びグランドの一部分となることができかつ／又は別個の層に設計することができる。

遅延線３１５における遅延は、ＶＤＣ材料を有するＶＤＣ層３４０により制御される。ＶＤＣ層３４０を構成するための任意の方法が、アンテナの実施形態とともに用いることに適切となり得るが、特定の実施形態における省略表現として、ＶＤＣプレート３４０を、スペーサ３０５と背面誘電体３５０との間に結合して示している（本例では、ＶＤＣ材料は、標準的な液晶、又は各種周波数に応答して配向状態及び緩和状態になる液晶とし得る）。エポキシ又はガラスビーズ等の接着剤を層３４０内のＬＣ材料を維持するために使用することができる。

ＶＤＣプレート３４０の有効な比誘電率は、ＶＤＣプレート３４０に跨ってＤＣ電位を印加することにより制御することができる。その目的のため、電極を形成し、制御可能な電位に接続するか、又は制御線３７０を遅延線３１５に接続することができ、その結果、遅延線３１５が駆動電極として機能する。電極を形成するための種々の構成があり、任意の従来の構成も、複数の周波数を、ＶＤＣ材料の状態を制御するように印加することができる限り、許容可能である。吹き出しの中に示した構成では、矩形波制御器１２０が、信号を遅延線及びグランドプレーン３５５に印加する。それぞれの遅延線１１５と、それに関連付けられたＶＤＣとが、移相器部分を形成する。

制御線３７０を、矩形波制御器の制御部１２０に接続して示しており、当該制御器の制御部１２０は、以下に詳細を述べていくように、パルス幅変調（ＰＷＭ）及び／又は周波数制御及び／又は基準電圧を提供し得る。制御線のそれぞれの対に印加された制御器１２０からの信号を変化させることによって、対応する遅延線３１５の付近においてＶＤＣ材料の比誘電率を変化させることができ、これにより、遅延線３１５上を進行するＲＦ信号が変化する。制御器の出力を変化させることは、ソフトウェアを動作させて、制御器が、適切な制御信号を出力して、それぞれの給電線における適切な位相シフトをリアルタイムで設定することにより、行うことができる。よって、アンテナの性能及び特徴は、ソフトウェアを使用して制御可能であり、よって、ソフトウェア制御アンテナを提供可能である。

送信モードにおいて、ＲＦ信号が、コネクタ３６５（例えば同軸ケーブルコネクタ）を通って給電パッチ３６０に印加される。吹き出しの中に示したように、電気的なＤＣ接続は、給電パッチ３６０と遅延線３１５との間に存在しない。これは、種々の移相器を別のものから隔離するためであって、その結果、個々の移相器における１つの制御線が、他方の移相器に対して短絡することがなく、よって、それぞれの移相器の個別の制御は不可能となる。一部の実施形態において、移相器グループの制御が望まれる場合かつ／又は給電ネットワークにおいて独立した非ガルバニックカプラー（ｎｏｎ－ｇａｌｖａｎｉｃ ｃｏｕｐｌｅｒ）を組み込む場合、そのスロットは、接続線又はビアと置き換え可能である。しかしながら、開示の実施形態において、層は、ＲＦ短絡がフィードパッチ３６０と遅延線３１５との間において変化可能となるように提供されるように設計している。この特徴は、本発明に密接な関係があるわけではないが、一例として示す。

背面導電グランド（又は共通）３５５が、背面絶縁体（又は誘電体）３５０の上面に形成される。背面導電グランド３５５は、概ね、アンテナアレイの全領域を覆う導体の層であり、遅延線１１５のすべてを進行するＲＦ信号用のグランドを形成する。それぞれのＲＦフィード位置において、ウィンドウ（ＤＣ遮断部）３５３が背面導電グランド３５５に設けられる。ＲＦ信号は、フィードパッチ３６０から、ウィンドウ３５３を介して、進行し、遅延線３１５に容量結合される。受信時には反対のことが起こる。よって、ＤＣオープン及びＲＦ短絡が遅延線３１５と給電パッチ３６０との間に形成される。

一例において、背面絶縁体３５０はロジャース（ＦＲ－４プリント回路基板）から作製され、給電パッチ３６０はロジャースに形成された導電線であってよい。ロジャースを使用せず、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン、すなわちテフロン（登録商標））又は他の低損失材料を使用することができる。

開示の実施形態では、それぞれの遅延線のＶＤＣの制御は、個々にかつリアルタイムで、すなわち、電極のそれぞれの対に印加された信号が、電極のそれぞれの対に対して個々に確定され、それぞれの制御サイクルで、プラットフォーム及び／又はターゲットの動きに応じて、変化し得る。よって、制御システムは、主ビームの方向を確定し、複数の制御信号を生成し、それぞれのＶＤＣは、各種デューティサイクル又は各種周波数の信号を受信可能であり、当該信号は、主ビームをステアリングするために時間経過とともに変化し得る。

以下は、遅延線の個々のリアルタイム制御の一部の例である。一例において、同一の振幅の２つの電磁波を１つずつそれぞれの電極に印加している。一方の波の他方の波に対する位相オフセットは、所望の位置へＬＣ分子を移動させるように変化させる。別の例において、形状（デューティサイクル）は変化し得るが振幅は一定の１つの電磁波を、電極に印加する（１つの電極は帰線又はグランドである）。電磁波の形状は、ＬＣ分子を所望の位置に移動させるように変動する。さらに別の例では、２つの電磁波を電極に印加し、それぞれの電磁波は、形状は変化し得るが、振幅は一定である。それぞれの波の形状は、ＬＣ分子を所望の位置に移動させるように同時に変動する。さらなる例では、２つの電磁波は、一定の形状と一定の振幅とを有するが、周波数は変化し得る。

開示の例では、制御器が、定電圧の電子スイッチのアレイを用いて、複数のデュアル電極ＬＣセル全体にわたるパターンを作り出す。制御器は、デューティサイクル又は周波数が異なる複数の信号を生成して、それぞれの遅延線に異なる遅延を生成し得る。材料と、それが信号にいかに応答するかに左右される。

図１の例に進むと、デュアル電極ＬＣセルは、２つの電極３４３及び３４７にわたって印加した二乗平均平方根電圧に応答する。印加された電圧の振幅は、セル内のＬＣの位置を変化させ、誘電体の特性を制御する。電圧を変動させることによって、ＬＣセルの位置に対するすぐれた制御を得ることができ、よって、それぞれの放射器１１０用の遅延線１１５において結果として得られる遅延が変化する。しかしながら、大規模アレイの電極のそれぞれの対において電圧を個別に変動させるには、多数の電子素子が、それぞれのセルに対して所望の電圧レベルを作り出すために必要である。一般に、セルに印加される二乗平均平方根電圧を変化させる任意の方法は、その内部の液晶を制御することになる。

開示の例では、結果として得られるものだが、パルス幅変調を実施することにより単一の電源を用いて得られる各種の電圧の複数の信号を生成する。例えば、正バイアスをかけた２つの矩形波を、一方をそれぞれの電極へ、信号間の位相を制御しながら、印加することができる。例えば、それぞれの信号が、５０％のデューティサイクルを有する場合、その信号が同期している（相互のシフトがゼロ度である）場合、２つの信号の合計は、最大の供給電力を生成する。５０％のデューティサイクルの信号を同期させずに（相互に１８０°シフトさせて）印加した場合、結果は、ゼロサム電力となる。シフトは、液晶セルの状態を変動させるように、ゼロと１８０°との間の任意の角度に設定可能である。さらに精密に制御するためには、信号のデューティサイクルを５０％以外に設定してもよい。

ＬＣセル（及びアンテナ）への矩形波入力のデューティサイクルを変化させることによって、印加された波の振幅を変化させずに、液晶の状態を変化させることができる。これによって、さらに調達しやすいシステム設計、すなわち、電圧ステップレベル化（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔｅｐ ｌｅｖｅｌｓ）が不要であるため、アナログ信号及びデバイスというよりもデジタル制御回路の方を使用したシステム設計が可能である。すなわち、電圧レベルは変化しないが、非常にすぐれた制御をセルに対して、デューティサイクル及び／又は位相を制御することにより行うことができる。特に、光学液晶デバイスに対して、ｏｎ及びｏｆｆ状態の制御が十分でありながら、ステアリング可能な主ビームを生成するようにアンテナアレイの放射器を正確に制御するために、液晶の状態に対して、簡単なｏｎ－ｏｆｆ制御をするというよりも、微細な制御をする必要がある。

かけられた界に対する液晶の応答は、ＰＷＭデューティサイクルを変化させるが電圧は一定に保つことにより、ＬＣセルを同様に微細に制御することを可能にする。供給されたエネルギーへのこのような依存性によって、ＬＣが、任意のＰＷＭデューティサイクルに応答し、さらに微細なビーム形成及びステアリングがリアルタイムで可能となる。よって、開示の実施形態によって、プラットフォームとターゲットとが動いていても、通信が可能となる。

図２は、特に、標準的な液晶又は２周波液晶をＶＤＣ材料として用いたアンテナに有利な、アレイの遅延線をリアルタイムでパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて制御する着想を図示する簡略化した概略図である。制御部２００が、制御器２０１を含み、当該制御器２０１は、アンテナ指向方向２０３を計算又は受信する。アンテナ指向方向は、ターゲットの追跡を可能にするように、リアルタイムで生成される。ターゲットが衛星である場合、指向方向は、例えば、空中における衛星の既知の位置、アンテナプラットフォームのＧＰＳ座標、加速度計が示すプラットフォームに対するアンテナの物理的向き及び磁北に対するコンパスを用いて、計算することができる。空中における衛星の既知の位置は、衛星の座標を衛星参照用テーブル２０７から読み込むことにより得ることができ、当該参照用テーブルは、空中における種々の衛星及びその位置を記述したものである。アンテナ指向方向を用いて、それぞれの放射器に対する適切な位相シフトを、主ビームがターゲットの方向に向くように計算することができる。それぞれの放射器用の位相シフト量についての情報は、移相器のそれぞれの移相器のためのＰＷＭへ変換される。

矩形波制御器２０２は、放射器のそれぞれのためのＰＷＭを示す制御信号を受信する。制御信号に基づいて、矩形波制御器２０２は、定電圧電源２０４の出力を、クロック２０６を参照して変調する。一実施形態において、電極のそれぞれの電極のための出力のデューティサイクルが、リアルタイムで別々に計算され、その結果、出力のそれぞれが、計算された各種デューティサイクルを有して、それぞれの放射器に位相遅延を導入し、よって、結果として得られる主ビームの方向が制御される。それぞれの放射器に遅延を適切に導入することによって、放射器のアレイは、ターゲットに照準を合わせた主ビームを生成する。プラットフォーム及び／又はターゲットが動くにつれて、それぞれの出力のデューティサイクルが、主ビームによりターゲットの追跡が保証されるように変化する。

図３は、各種遅延をもたらすように生成された信号用の各種デューティサイクルの例を示す図である。もっとも上の図は、５０％デューティサイクルに対するものであって、信号は、矩形波が、期間の５０％が最大振幅で、期間の５０％はｏｆｆ、すなわちゼロ振幅である。中ほどの図は、期間の７５％が最大振幅で、期間の２５％はｏｆｆである７５％デューティサイクルを有する信号に対するものである。もっとも下の図は、中ほどの図と逆を示しており、矩形波信号が、期間の２５％が最大振幅時間で、期間の７５％はｏｆｆである。当然のことだが、信号は、任意のデューティサイクルを呈する場合もあり、また、これらが、ただ３つだけの例というわけではない。

ＶＤＣ材料が２周波液晶である場合、制御信号の周波数を一定の電圧で、すなわち、デューティサイクルではなく、アナログというよりデジタル制御器で制御することが好ましい。このように、それぞれの遅延線について、要求された位相シフトに必要とされる精密なドメイン回転を生成するように特定の駆動周波数が計算される。周波数は、それぞれの遅延線に対してそれぞれのサイクルで計算されて、遅延がリアルタイムで確定される。

図４は、３つの矩形波信号の一例を図示し、すべて５０％デューティサイクルだが、周波数は異なる。よって、このようなシステムに対して、制御器２０１は、適切な制御信号を矩形波制御器２０２に送信して、各種周波数の各種信号を生成するが、信号のすべてにわたって同一のデューティサイクルを維持する。特に、ＶＤＣ材料は２周波材料であるが、矩形波制御器２０２は、複数の周波数を、個々にそれぞれの遅延線に対して結晶ドメイン配向量を変動させるように生成する。さらに、信号のすべてに対して定電圧の単一の電源２０４を使用することにより、簡便化が促進される。

本開示から理解できるように、ターゲットを追跡するようにアンテナアレイを制御する方法において、ターゲットの空間座標が得られる。これは、例えば、衛星等の種々のターゲットの座標を記述した参照用テーブルを参照することにより、行い得る。さらに、アンテナアレイの物理的方向も得られる。すなわち、アンテナアレイは、例えば、複数の放射素子が形成された平坦なプレートであってよい。プレートの中央から出る直交線の向く方向は、ボアサイトに等しく、その向く方向は、アンテナアレイの物理的向きとして定義することができる。本明細書に開示の実施形態では、主ビームは、機械的にではなく、電子的にステアリングすることによりターゲットを追跡するようになっている。すなわち、種々の放射素子の給電部を進行する信号の位相をシフトさせることによって、主ビームはボアサイトからずれて、その結果、ビームは、アンテナの物理的向きは変更されないまま、電子的に走査可能となる。当然のことながら、プラットフォームが動いているとき、アンテナの物理的向きは、変化し、その結果、対応の電子的ステアリングが、その動きに対して補正するように行われる必要がある。

ターゲット座標、例えば、コンパス、プラットフォームのＧＰＳ座標、加速度計等からのアンテナの物理的向きを用いて、主ビームの電子的ステアリングが確定される。主ビームの電子的ステアリングは、放射器のアレイからのＲＦ信号すべての総計の結果であって、当該放射器のアレイからのＲＦ信号すべての総計の結果は、ＲＦ信号が遅延線のそれぞれを進行する速度により制御され、よって、遅延が生成され、位相シフトがもたらされる。本明細書において言及したように、それぞれの給電線は、ステアリング用の制御信号のそれぞれのサイクルに対してリアルタイムで計算された個々の位相シフトを有する必要がある。本明細書に示したように、位相シフトは、それぞれの放射器に対して個々に生成される矩形波のデューティサイクル又は周波数いずれかを変化させることにより、制御される。

図５は、ＰＷＭ又は周波数制御信号を遅延線の１つに提供する一例を図示する。電源５０４は、遅延線のすべてを駆動するために用いられる定電位を出力する。簡略化のため、図５には、出力線１つのみ詳細を示しているが、実際には、線は、多くの平行線に分岐し、すべてが、省略符により示すように同一の電位を有する。電位は、それぞれの遅延線の液晶５４０を、その線のＲＦ信号に要求された遅延をもたらすように確定された量回転させるように、調整される。

本例では、２つの線、プラス線及びマイナス線が、ＬＣの回転のために設けられて、一定の振幅が、周波数制御及び／又はパルス幅変調制御を本明細書に開示の実施形態の任意のものに従って行うことが可能となる。本例では、プラス線及びマイナス線のそれぞれが、対応のバイポーラ接合トランジスタ５２２及び５２４に接続される。トランジスタ５２２及び５２４のソースが、電源５０４に接続され、トランジスタ５２２及び５２４のゲートが、制御器５０１に接続される。トランジスタ５２２及び５２４のゲートに駆動信号を送信することによって、制御器は、可変デューティサイクル又は可変周波数を有する矩形波を生成する。

図６は、それぞれの移相器が、一方の制御線のみにより制御され、他方はグランド又は共通電位に接続されたアンテナアレイシステムを示す。図６では、３×３移相器のみを示したが、アレイは、任意のｎ×ｍサイズであってよい。電源６０４は、トランジスタ６２２のすべてのソースに、それぞれの移相器用に１つずつ、印加される定電位を提供する。トランジスタ６２２のそれぞれのドレインが、各々の移相器６４０に接続される。制御器６０１が、駆動信号を、トランジスタ６２２のそれぞれのゲートに送信し、これにより、周波数のデューティサイクルを変動させる矩形波が生成される。

図７は、ＰＷＭ制御のためのシステムを図示し、移相器のマイナス側が、一定の、ここでは、＋１５Ｖに設定された共通電圧を受信し、プラス側は、ゼロから＋３０ＶのＰＷＭ信号を受信する。その結果、移相器が、－１５Ｖから＋１５Ｖの矩形波を用いて駆動される。このセットアップは、ＴＩＶＡ（登録商標）マイクロコントローラ７０２を用いて制御され、当該マイクロコントローラは、ＰＷＭ信号を制御するための内部クロックシステムを組み込んでいる。ＴＩＶＡマイクロコントローラは、ＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）を介して、プログラミング及びモニタリングのためのパーソナルコンピュータＰＣに結合される。他方の側において、マイクロコントローラ７０２は、ＳＰＩ（シリアル・ペリフェラル・インターフェース）を介してＣＰＬＤ７０１（コンプレックス・プログラマブル・ロジック・デバイス）に結合される。ＣＰＬＤ７０１の出力は、移相器７４０のそれぞれに対して個々に合わされ、それぞれのリフレッシュサイクルのため計算された、ゼロから３．３Ｖの複数の矩形波である。ＣＰＬＤ７０１のそれぞれの個々の出力信号は、対応のトランジスタ７２２に印加され、当該トランジスタ７２２は、信号を、ゼロから３０ボルトの矩形波に変換する。この信号は、対応の移相器のプラス側に印加される。

本明細書に説明したプロセス及び技術は、本質的に、任意の特定の装置に関連するものではなく、構成要素を任意の適切な組み合わせにすることにより実施し得ることを理解すべきである。さらに、種々のタイプの汎用デバイスを、本明細書に説明した教示に従って使用してよい。本発明を特定の例に関して説明してきたが、これらは、あらゆる点で限定というよりは例示を意図したものである。本発明の実施に多様な組合せが適するということを当業者は理解するだろう。

さらに、本発明の他の実施は、本明細書に開示の本発明の明細及び実施を検討することにより、当業者に明らかになるだろう。記載の実施形態の種々の態様及び／又は構成要素は、単独で又は任意の組合せで使用することができる。明細書及び実施形態は例示のみとして考慮され、本発明の真の範囲及び趣旨は、以下の特許請求の範囲によって示されるということを意図している。

Claims (28)

1. 矩形波ステアリング制御を用いたアンテナアレイシステムであって、
   複数の放射パッチを含む放射器アレイと、
   前記複数の放射パッチの対応する１つにＲＦ結合をそれぞれが提供する、複数の遅延線と、
   前記遅延線の対応する１つにおける伝送速度を変化させるようにそれぞれが構成された、複数の可変比誘電率（ＶＤＣ）ゾーンと、
   前記ＶＤＣゾーンの１つに制御信号を供給するようにそれぞれが構成された、複数の制御線と、
   定電圧電源と、
   前記電源から定電圧信号を受信し、複数の矩形波信号を生成する矩形波変調器であって、それぞれの矩形波信号は、前記制御線の１つに結合されるとともに個別のパルス幅又は周波数を有し、その結果、前記矩形波信号のそれぞれは、各種デューティサイクル又は各種周波数を有する、矩形波変調器と、
   所望のアンテナ指向方向に応じて前記放射パッチのそれぞれに対して適切な位相シフトを計算し、前記矩形波変調器のために制御信号を生成する制御器と、を備え、
   前記制御器は、ターゲットの座標に応じて前記所望のアンテナ指向方向を確定する、アンテナアレイシステム。
2. 前記ＶＤＣゾーンは、液晶ゾーンを含み、前記矩形波変調器は、それぞれの矩形波信号用の個別のデューティサイクルをリアルタイムで出力する、請求項１に記載のアンテナアレイシステム。
3. 前記ＶＤＣゾーンは、２周波液晶ゾーンを含み、前記矩形波変調器は、それぞれの矩形波信号用の個別の周波数をリアルタイムで出力する、請求項１に記載のアンテナアレイシステム。
4. さらに、前記制御線の１つにそれぞれが結合された複数のトランジスタを備え、それぞれの矩形波信号は、前記複数のトランジスタの１つのゲートへ印加される、請求項１に記載のアンテナアレイシステム。
5. 前記定電圧電源は、第１の定電圧及び第２の定電圧を提供するデュアル電圧電源であり、
   それぞれのＶＤＣゾーンは、２つの制御線を有し、一方が、第１の定電圧に結合されるとともに、もう一方が、前記複数のトランジスタの対応するトランジスタの出力に結合され、
   前記複数のトランジスタのそれぞれのトランジスタのソースが、前記第２の定電圧に結合される、請求項４に記載のアンテナアレイシステム。
6. それぞれのＶＤＣゾーンは、２つの制御線を有し、一方が、共通電位に結合されるとともに、もう一方が、前記複数のトランジスタの対応するトランジスタの出力に結合された、請求項４に記載のアンテナアレイシステム。
7. それぞれのＶＤＣゾーンは、それぞれが前記複数のトランジスタの対応のトランジスタの出力に結合された２つの制御線を有し、
   前記複数のトランジスタのそれぞれのトランジスタのソースが、前記定電圧電源に結合された、請求項４に記載のアンテナアレイシステム。
8. 前記制御器に対する前記放射器アレイの相対的動きを示す出力信号を供給する加速度計をさらに備える請求項１に記載のアンテナアレイシステム。
9. 空中における種々の衛星の位置を記述した、衛星の参照用テーブルをさらに備える、請求項８に記載のアンテナアレイシステム。
10. ターゲットを追跡するようにアレイアンテナの主ビームを制御する方法であって、
    前記アレイアンテナの複数の移相器の１つの移相器にそれぞれが結合されている複数の制御線を、前記アレイアンテナに結合するステップと、
    前記ターゲットの座標を得るステップと、
    前記アレイアンテナの物理的向きを得るステップと、
    前記座標及び物理的向きから、前記アレイアンテナの主ビームのためのステアリング方向を計算するステップと、
    前記ステアリング方向から、前記アレイアンテナのそれぞれの給電線に要求される位相シフトを確定するステップと、
    それぞれが対応の給電線に要求される位相シフトに応じたパラメータを有する複数の矩形波を生成するステップと、
    前記複数の矩形波を前記複数の制御線に印加するステップと、を含む、ターゲットを追跡するようにアレイアンテナの主ビームを制御する方法。
11. 複数の矩形波を生成するステップは、対応の給電線に要求される位相シフトに対してパルス幅変調を生成するように、それぞれの矩形波のデューティサイクルを個々に計算するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 複数の矩形波を生成するステップは、対応の給電線に要求される位相シフトを生成するように、それぞれの矩形波の周波数を個々に計算するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
13. 矩形波のデューティサイクルを一定の５０％に維持するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 複数の矩形波を生成するステップは、前記矩形波の振幅を前記制御線のすべてに対して一定に維持するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
15. 複数の矩形波を生成するステップは、複数の個々のトランジスタに駆動信号を印加するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
16. ２つのトランジスタのドレインを前記移相器のそれぞれに結合するステップをさらに含み、複数の矩形波を生成するステップは、駆動信号を前記トランジスタに印加するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
17. 前記移相器のすべてを共通電位に結合するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
18. 前記共通電位は、グランド電位を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記共通電位は、デュアル電圧電源の定電圧を含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記制御器は、内部クロックを含む、請求項１に記載のアンテナアレイシステム。
21. 前記制御器は、前記放射器アレイの物理的向きに応じて前記所望のアンテナ指向方向をさらに確定する、請求項２０に記載のアンテナアレイシステム。
22. 前記制御器は、ターゲットの座標と前記放射器アレイの物理的向きに応じて、前記放射器アレイの主ビームのためのステアリング方向を計算する、請求項１に記載のアンテナアレイシステム。
23. 前記制御器は、前記ステアリング方向に応じて、リアルタイムで前記複数の矩形波信号のぞれぞれのデューティサイクル又は周波数を変更する、請求項２２に記載のアンテナアレイシステム。
24. 前記制御器は、衛星の座標を受信する入力を含む、請求項１に記載のアンテナアレイシステム。
25. 矩形波ステアリング制御を用いたアンテナアレイシステムであって、
    アレイアンテナであって、
    放射器アレイと、
    前記放射器の対応する１つにＲＦ結合をそれぞれが提供する、複数の遅延線と、
    前記遅延線の対応する１つにおける伝送速度を変化させるようにそれぞれが構成され、周波数によって切り替え可能な比誘電率を有する２周波液晶（ＤＦＬＣ）材料をそれぞれが含む、複数の可変比誘電率（ＶＤＣ）ゾーンと、
    前記ＶＤＣゾーンの１つに制御信号を供給するようにそれぞれが構成された、複数の制御線と、を含むアレイアンテナと、
    ＤＦＬＣ材料のダイレクタの制御であって、
    定電圧電源と、
    前記定電圧電源から定電圧信号を受信し、複数の矩形波信号を生成する矩形波変調器であって、それぞれの矩形波信号は、前記制御線の１つに結合されるとともに他の矩形波信号と異なる周波数及び同じ振幅を有する矩形波変調器と、
    前記矩形波変調器に制御信号を提供する制御器と、を含む制御と、を備え、
    前記制御器は、前記アレイアンテナの主ビームのステアリング方向に応じて、リアルタイムで前記複数の矩形波信号のぞれぞれの周波数を変更し、前記制御器は、ターゲットの座標と前記アレイアンテナの物理的向きに応じて、前記主ビームのための前記ステアリング方向を計算する、アンテナアレイシステム。
26. さらに、前記制御線の１つにそれぞれが結合された複数のトランジスタをさらに備え、それぞれの矩形波信号は、前記複数のトランジスタの１つのゲートへ印加される、請求項２５に記載のアンテナアレイシステム。
27. それぞれのＶＤＣゾーンは、２つの制御線を有し、一方が、共通電圧に結合されるとともに、もう一方が、前記複数のトランジスタの対応するトランジスタの出力に結合される、請求項２６に記載のアンテナアレイシステム。
28. 前記定電圧電源は、第１の定電圧及び第２の定電圧を提供するデュアル電圧電源であり、
    それぞれのＶＤＣゾーンは、２つの制御線を有し、一方が、第１の定電圧に結合されるとともに、もう一方が、前記複数のトランジスタの対応するトランジスタの出力に結合され、
    前記複数のトランジスタのそれぞれのトランジスタのソースが、前記第２の定電圧に結合される、請求項２６に記載のアンテナアレイシステム。
    
    

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