JPWO2020028866A5 - - Google Patents

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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trise及びtfall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(Trise+Tdecay/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。 In a general aspect, the disclosed embodiments employ frequency dependent differences in dielectric anisotropy in tunable phased array antenna applications. Such embodiments implement Dual Frequency Liquid Crystal (DFLC) material as part of a phase shifter element with a layered or sandwiched structure. In such tunable phase shifters, square waves of multiple frequencies are applied to orient the LC directors of the various phase shifters, which have predetermined dielectric constants and, more importantly, , a dual-frequency molecule can rotate in two opposite directions by responding to two fields of different frequencies, and by this mechanism can have equal tri rise and t fall for the molecule. be. A change in the dielectric constant can also cause a change in the phase of the signal traveling through the phase shifter. The result is a faster response time on the typical slower decay side, especially when the LC molecules relax slowly. Therefore, the combined switch time (T rise +T decay/fall ) is much faster than a phase shifter built with ordinary LC. As a result, the newly invented DFLC phase shifter antenna with pulse width modulation meets the beam steering speed required for satellite communication antennas.

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。 As with all RF antennas, reception and transmission are symmetrically interrelated in passive antennas, which fall into the classes of antennas and devices presented herein, such that one explanation is apply equally to the other. Active antennas, including nonlinear devices, are not reciprocal. In this description, it may be easier to describe transmission, but reception would be the same, just in the opposite direction. Also, the disclosed embodiments assume that the disclosed antenna is mounted on a platform and the main beam is aimed at the other antenna, referred to herein as the target. The target's antennas are also mounted on the platforms, and either or both platforms may be mobile. For example, the antenna can be mounted on a vehicle such as an aircraft, ship, automobile, etc., and the target can be mounted on a satellite, for example. The concept of symmetry applies here as well, as antennas can be mounted on satellites, while targets can be mounted on vehicles.

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。 As shown in the blowout, the top dielectric spacer 305 is typically in the form of a dielectric (insulating) plate or sheet and can be made from glass, PET, or the like, for example. A radiation patch 310 is formed on the spacer by, for example, gluing a conductive film, sputtering, printing, or the like. At each patch location, a via is formed in the dielectric spacer 305 and filled with a conductive material, such as copper, to form a contact 325 that physically and electrically connects to the radiating patch 310. connect to each other. Delay line 315 is formed on the bottom surface of dielectric spacer 305 (or the top surface of top binder 342 ) and is physically and electrically connected to contact 325 . The delay line 315 is embedded in the variable dielectric constant material 340 that provides the most influential/RF phase change, and any additional layer separating the delay line from the variable dielectric constant material makes the device will reduce the synchrony of Thus, in this example, there is a continuous DC electrical connection from delay line 315 through contact 325 to radiating patch 310 . As shown in FIG. 1, the delay line 115 is a serpentine conductive line and can take any shape with sufficient length to produce the desired delay, thereby allowing the RF signal is induced with the desired phase shift, and the electrodes for activating VDC 340 can be part of the delay line and ground and/or can be designed in separate layers.

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。 In transmit mode, an RF signal is applied to feed patch 360 through connector 365 (eg, a coaxial cable connector). As indicated in the callout, no electrical DC connection exists between the feed patch 360 and the delay line 315 . This is to isolate the various phase shifters from one another so that one control line in each individual phase shifter cannot be shorted to the other phase shifter, thus , individual control of each phase shifter becomes impossible. In some embodiments, the slots can be replaced with connecting lines or vias if control of the phase shifter group is desired and/or if independent non-galvanic couplers are incorporated in the feed network. be. However, in the disclosed embodiment, the layers are designed such that a variable RF short is provided between feed patch 360 and delay line 315 . This feature is not pertinent to the present invention, but is provided as an example.

Claims (32)

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、を備えるアンテナアレイシステム。
An antenna array system using square wave steering control,
a radiator array including a plurality of radiating patches;
a plurality of delay lines each providing RF coupling to a corresponding one of the plurality of radiating patches;
a plurality of variable dielectric constant (VDC) zones each configured to vary transmission speed in a corresponding one of said delay lines;
a plurality of control lines each configured to provide a control signal to one of said VDC zones;
a constant voltage power supply;
A square wave modulator that receives a constant voltage signal from the power supply and generates a plurality of square wave signals, each square wave signal coupled to one of the control lines and having a discrete pulse width or frequency. and so that each of said square wave signals has a different duty cycle or different frequency.
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。 2. The antenna array system of claim 1, wherein said VDC zone includes a liquid crystal zone, and said square wave modulators output individual duty cycles for each square wave signal in real time. 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。 2. The antenna array system of claim 1, wherein said VDC zone comprises a dual frequency liquid crystal zone, and wherein said square wave modulator outputs separate frequencies for each square wave signal in real time. 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。 2. The antenna array system of claim 1, further comprising a plurality of transistors each coupled to one of said control lines, a respective square wave signal being applied to a gate of one of said plurality of transistors. 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。
the constant voltage power supply is a dual voltage power supply that provides a first constant voltage and a second constant voltage;
each VDC zone having two control lines, one coupled to a first constant voltage and the other coupled to the output of a corresponding transistor of the plurality of transistors;
5. The antenna array system of claim 4, wherein a source of each transistor of said plurality of transistors is coupled to said second constant voltage.
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。 5. The VDC zone of claim 4, wherein each VDC zone has two control lines, one coupled to a common potential and the other coupled to the output of a corresponding transistor of said plurality of transistors. antenna array system. 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。
each VDC zone having two control lines each coupled to an output of a corresponding transistor of the plurality of transistors;
5. The antenna array system of claim 4, wherein the source of each transistor of said plurality of transistors is coupled to said constant voltage power supply.
加速度計及び制御器をさらに備え、当該加速度計は、前記制御器に対する前記アンテナアレイの相対的動きを示す出力信号を供給し、前記制御器は、前記出力信号を用いて、前記矩形波変調器への制御信号を計算する請求項1に記載のアンテナアレイシステム。 an accelerometer and a controller, the accelerometer providing an output signal indicative of relative motion of the antenna array with respect to the controller, the controller using the output signal to actuate the square wave modulator; 2. The antenna array system of claim 1, wherein the control signal to the is calculated. 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。 9. The antenna array system of claim 8, further comprising a satellite lookup table describing the positions of various satellites in the air. 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、前記アンテナアレイ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。
A method of controlling a main beam of an array antenna to track a target, comprising:
coupling to the array antenna a plurality of control lines each coupled to one phase shifter of the plurality of phase shifters of the array antenna;
obtaining the coordinates of the target;
obtaining a physical orientation of the array antenna;
calculating a steering direction for the main beam of the antenna from the coordinates and the physical orientation;
determining the phase shift required for each feed line of the antenna array from the steering direction;
generating a plurality of square waves each having a parameter dependent on the phase shift required for the corresponding feeder;
and C. applying said plurality of square waves to said plurality of control lines.
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。 3. The step of generating a plurality of square waves comprises calculating the duty cycle of each square wave individually to produce a pulse width modulation for the required phase shift of the corresponding feedline. 10. The method according to 10. 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。 11. The method of claim 10, wherein generating a plurality of square waves comprises individually calculating the frequency of each square wave to produce the required phase shift for the corresponding feeder. 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。 13. The method of claim 12, further comprising maintaining a constant 50% duty cycle of the square wave. 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。 11. The method of claim 10, wherein generating a plurality of square waves comprises maintaining amplitudes of the square waves constant for all of the control lines. 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。 11. The method of claim 10, wherein generating a plurality of square waves comprises applying drive signals to a plurality of individual transistors. 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。 11. The method of claim 10, further comprising coupling drains of two transistors to each of said phase shifters, and wherein generating a plurality of square waves comprises applying drive signals to said transistors. 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。 11. The method of claim 10, further comprising coupling all of said phase shifters to a common potential. 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。 18. The method of claim 17, wherein said common potential comprises ground potential. 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。 18. The method of claim 17, wherein said common potential comprises a constant voltage of a dual voltage power supply. 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。2. The antenna of claim 1, further comprising a controller that calculates an appropriate phase shift for each of said radiating patches according to a desired antenna pointing direction and generates a control signal for said square wave modulator. array system. 前記制御器は、内部クロックを含む、請求項20に記載のアンテナアレイシステム。21. The antenna array system of claim 20, wherein said controller includes an internal clock. 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、請求項20に記載のアンテナアレイシステム。21. The antenna array system of claim 20, wherein the controller establishes the desired antenna pointing direction as a function of target coordinates. 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21に記載のアンテナアレイシステム。22. The antenna array system of claim 21, wherein said controller further determines said desired antenna pointing direction as a function of the physical orientation of said radiator array. 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20に記載のアンテナアレイシステム。21. The antenna array system of claim 20, wherein the controller calculates a steering direction for the main beam of the radiator array as a function of target coordinates and the physical orientation of the radiator array. 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24に記載のアンテナアレイシステム。25. The antenna array system of claim 24, wherein the controller alters the duty cycle or frequency of each of the plurality of square wave signals in real time depending on the steering direction. 前記制御器は、衛星の座標を受信する入力を含む、請求項20に記載のアンテナアレイシステム。21. The antenna array system of claim 20, wherein the controller includes an input for receiving satellite coordinates. 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、An antenna array system using square wave steering control,
アレイアンテナであって、an array antenna,
放射器アレイと、a radiator array;
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、a plurality of delay lines each providing RF coupling to a corresponding one of said radiators;
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、a plurality of variable dielectric constants, each comprising a dual frequency liquid crystal (DFLC) material having a frequency-switchable dielectric constant, each configured to vary transmission speed in a corresponding one of said delay lines; VDC) zone;
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、a plurality of control lines each configured to supply a control signal to one of said VDC zones;
DFLC材料のダイレクタの制御であって、Control of a director of a DFLC material, comprising:
定電圧電源と、a constant voltage power supply;
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を含む制御と、を備えるアンテナアレイシステム。A square wave modulator that receives a constant voltage signal from the constant voltage power supply and generates a plurality of square wave signals, each square wave signal being coupled to one of the control lines and the other square wave. and a control comprising a signal and a square wave modulator having different frequencies and the same amplitude.
前記矩形波変調器に制御信号を提供する制御器をさらに備え、further comprising a controller that provides a control signal to the square wave modulator;
前記制御器は、前記アンテナアレイ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する、請求項27に記載のアンテナアレイシステム。28. The antenna array system of claim 27, wherein the controller changes the frequency of each of the plurality of square wave signals in real time in response to steering direction of a main beam of the antenna array.
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、請求項28に記載のアンテナアレイシステム。29. The antenna array system of claim 28, wherein the controller calculates the steering direction for the main beam as a function of target coordinates and the physical orientation of the array antenna. 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27に記載のアンテナアレイシステム。28. The antenna array system of claim 27, further comprising a plurality of transistors each coupled to one of said control lines, wherein respective square wave signals are applied to gates of one of said plurality of transistors. . 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30に記載のアンテナアレイシステム。31. The VDC zone of claim 30, wherein each VDC zone has two control lines, one coupled to a common voltage and the other coupled to the output of a corresponding transistor of said plurality of transistors. antenna array system. 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、the constant voltage power supply is a dual voltage power supply that provides a first constant voltage and a second constant voltage;
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、each VDC zone having two control lines, one coupled to a first constant voltage and the other coupled to the output of a corresponding transistor of the plurality of transistors;
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30に記載のアンテナアレイシステム。31. The antenna array system of claim 30, wherein a source of each transistor of said plurality of transistors is coupled to said second constant voltage.
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