(57)【要約】増幅器である。示されている実施形態において、増幅器はモノリシック半導体基板と、電磁エネルギをコヒーレントに受取って再送信する基板上のアレイとを備えている。特定の実施形態では、アレイは複数のセルで構成されている。各セルは電磁エネルギを受取る２重偏波アンテナ構造と、それに接続された増幅器とを備えている。本発明の反射モード形態は、直交モードフィードと、そのフィードにより第１の偏波を有する入力波面で照射されて第１の偏波に直交する第２の偏波を有する増幅された波面をそこに戻すように構成された反射増幅器アレイとを備えた増幅器が含まれる。本発明の新しい別の特徴は、アレイを平面波面で照射して反射された平面波面を球面波面に変換する２重成形ミラーである第１および第２のミラーを設けることから導き出される。本発明の伝送モード形態は、各ユニットセルが受信アンテナと電力増幅器を備えたユニットセルのアレイを含む。これらセルの少なくともいくつかは、波面をその受信された波面の方向または制御された方向に送るように構成された送信アンテナを有する。【選択図】図１
2007514373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシック半導体基板(802)と、
前記基板(802)上に配置され、電磁エネルギをコヒーレントに受取って再送信するセル(810)のアレイ(801)とを備えていることを特徴とする増幅器。
【請求項２】
前記セル(810)はそれぞれ、前記電磁エネルギを受取る第１のアンテナ(204)を備えている請求項１記載の増幅器。
【請求項４】
前記セル(810)はそれぞれ、前記アンテナ(204)に接続された増幅器(206)を備えている請求項３記載の増幅器。
【請求項５】
前記セル(810)はそれぞれ、前記電磁エネルギを送信する第２のアンテナ(208)を備えている請求項４記載の増幅器。
【請求項６】
前記アンテナ(204,208)の少なくとも１つがパッチアンテナである請求項５記載の増幅器。
【請求項７】
さらに、電磁エネルギのビームを受取ってその方向を制御しながら再送信するビーム操縦装置を備えている請求項５記載の増幅器。
【請求項８】
電磁エネルギのビームを受取ってその方向を制御しながら再送信する前記ビーム操縦装置は、前記第１のアンテナ(204’)と前記第２のアンテナ(208’)との間に結合された位相シフタ(207’)を備えている請求項７記載の増幅器。
【請求項９】
電磁エネルギのビームを受取ってその方向を制御しながら再送信する前記ビーム操縦装置は、前記セルの少なくとも２つのもの(1203および1204)の間に結合された少なくとも１つの位相シフタ(1201)を備えている請求項７記載の増幅器。
【請求項１０】
直交モードフィード(701)と、
前記フィード(701)により第１の偏波を有する入力波面で照射されて前記第１の偏波に直交する第２の偏波を有する増幅された波面をそこに戻すように構成された反射増幅器アレイ(100)とを備えている増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力装置に関する。とくに、本発明は半導体電力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、2002年5月20日にK.W.Brown氏他によって出願され、その教示がここにおいて参考文献とされており、優先権が主張されている米国特許出願第 10/153,140号［“MONOLITHIC MILLIMETER WAVE REFLECTOR ARRAY SYSTEM”（Atty.Docket No.PD01W176）］の継続出願である。
【０００３】
Ｗ帯域半導体電力装置（たとえば、５０ＧＨｚ乃至１２０ＧＨｚ）を生成する技術が開発されている。たとえば、１／４ワットの電力を生成するガンダイオードおよびインパットダイオードソースが開発されている。しかしながら、これらのソースは非常に高価である。インジウム燐化物の高電子移動度トランジスタ（ＩｎＰ  ＨＥＭＴ）増幅器が開発されており、これは１／１０ワットの電力を生成する。しかしながら、これらの装置のコストは１０，０００ドル乃至２０，０００ドルである。最後に、高周波マイクロ波ビームにより熱を生じさせる技術が開発されている。これらの技術には、１００ＫＷ乃至１ＭＶの範囲の電力が必要である。しかしながら、これらの技術により構成される装置（チューブ）にはそれぞれ幾百万ドルの費用がかかる可能性がある。
【０００４】
一般に、通常の技術で構成された装置は、Ｗ帯域において手ごろな電力を発生しない。さらに、ガンダイオードおよびインパットダイオードならびにＩｎＰ  ＨＥＭＴ増幅器のような通常の電力システムのフレキシビリティは制限されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、経済的な高電力のＷ帯域電力システムに対する技術が必要とされている。すなわち、廉価に構成され、可変的な出力電力レベルを提供するように廉価に構成されることのできるＷ帯域電力システムが技術的に必要とされている。最後に、コストを最小限にするために現在の半導体製造技術を利用するＷ帯域電力システムが必要とされている。
【０００６】
上記に参照された関連のあるK.W.Brown氏他により2002年5月20日に出願された米国特許出願第 10/010,140号［“MONOLITHIC MILLIMETER WAVE REFLECTOR ARRAY SYSTEM”（Atty.Docket No.PD01W176）］においては、モノリシックミリメートル波反射アレイシステムを提供することによりこの必要性に対処している。しかしながら、送信モード構成ならびにそのアレイを使用するインライン増幅器を提供するシステムおよび方法がさらに必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この技術的な必要性は本発明の増幅器によって対処される。示されている実施形態において、増幅器はモノリシック半導体基板と、前記基板上に配置され、電磁エネルギをコヒーレントに受取って再送信するアレイとを備えている。特定の実施形態において、アレイは複数のセルで構成されている。各セルは電磁エネルギを受取る２重偏波アンテナ構造と、それに接続された増幅器とを備えている。
【０００８】
本発明の教示の反射モード構造には、直交モードフィードと、そのフィードにより第１の偏波を有する入力波面で照射されてこの第１の偏波に直交する第２の偏波を有する増幅された波面をそこに戻すように構成された反射増幅器アレイとを備えている増幅器が含まれる。
【０００９】
本発明の新しい別の特徴は、アレイを平面波面で照射して反射された平面波面を球面波面に変換する２重成形ミラーである第１および第２のミラーを設けることから導き出される。
【００１０】
本発明の送信モード形態には、各ユニットセルが受信アンテナおよび電力増幅器を備えたユニットセルのアレイが含まれる。これらセルの少なくともいくつかは、波面をその受信された波面の方向または制御された方向に送るように構成された送信アンテナを有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明はここにおいて特定の適用に対する例示的な実施形態を参照して説明されているが、本発明はそれに限定されないことを認識すべきである。当業者は、その技術的範囲内における付加的な修正、適用および実施形態、ならびに本発明が非常に有用なものとなる付加的な分野を認識するであろう。
【００１２】
本発明は、固体ウェハ上における小型増幅器のアレイの擬似光学的空間パワーを使用して高エネルギ密度および高電力レベルのＲＦ／ミリメートル波放射線を生成するように構成されている。示されている反射モード形態において、アレイの各セルは、放射線を受取ってその増幅された信号をそれが受信されたほぼ同じ方向に再送信して戻す反射増幅器を備えている。アレイを出ていった放射は、個々の増幅器の特性によって修正された反射に物理的に似ている。この出ていって増幅された放射線は、コヒーレントな波面としてアレイを離れる。
【００１３】
個々の増幅器素子は、モノリシックな固体ウェハ上に製造されている。これらの素子は、個々の増幅器にダイスに切断されているのではなく、実際の固体ウェハまたはウェハのサブセット上に適切なバイアスおよび接地レベルで電気的に一緒に接続されている。これによって、アレイ全体は直径が典型的に３乃至４インチの固体ウェハ上に製造され、電気的にバイアスされることが可能になる。Ｗ帯域ミリメートル波領域において動作しているとき、これはウェハ当り１，０００個程度の増幅器を可能とする。各固体増幅器は１００ｍＷ程度に制限されるため、そのウェハの電力出力は１００ワット程度となる。
【００１４】
アンテナ理論から、アレイ素子は波長に関して小さい必要がある。個々のアレイ素子上において、増幅器は一辺の寸法が０．５乃至１．０波長以下に形成される。アレイ素子は、２つの偏波のアンテナと、バイアスおよび接地配線ならびに増幅器を備えている。全ての素子は固体ウェハ上に形成されている。
【００１５】
示されている実施形態において、入射放射線は偏波され、出て行く放射線は直交偏波にシフトされる。増幅器毎に２つのパッチアンテナが使用される。入射アンテナは、アレイに入ってきた放射線と同じ偏波を有し、出て行く放射線は送信アンテナに対して直交する平面のものである。
【００１６】
図１は、本発明の教示にしたがって構成されたモノリシックなミリメートル波能動反射アレイの概略図である。このアレイ100は、Ｗ帯域において入射エネルギ104を発生する通常の低電力ソース102によってフィードされる。アレイ100は、モノリシック基板300上に配置された複数のセル200を備えている。示されている実施形態において、モノリシック半導体基板300はインジウム燐化物（ＩｎＰ）である。モノリシック半導体基板300は、冷却を行う冷却プレート400に接触している。
【００１７】
図２は、図１のセルのアレイ100の個々のセル200の高レベルブロック図を示している。本発明の好ましい実施形態において、各セル200は、モノリシック半導体基板300において導かれた入射エネルギの波長に関して小さいように設計されている。したがって、示されている実施形態においては、各セル200は、その幅および高さの寸法が０．５乃至１．０波長以下であるように設計されている。当業者は、本発明がセルのその寸法に限定されないことを認識するであろう。
【００１８】
図２に示されているように、各セル200は入射エネルギを受信する受信パッチアンテナ204と、増幅器206と、送信アンテナ208とを備えている。セル200は入射エネルギ104を受信するように配置されている。受信されたエネルギは増幅器206によって増幅され、送信パッチアンテナ208により再送信される。セルのアレイ100は入射エネルギ104を反射し、反射されたエネルギ108を生成する。最良モードにおいて、受信パッチアンテナ204によって受信された入射エネルギは、受信アンテナ204に関して第１の偏波を有し、送信パッチアンテナ208により発生された反射されたエネルギは、送信アンテナ208に関して第２の偏波を有し、その第２の偏波は第１の偏波に直交している。反射されたエネルギ108はコヒーレントに反射され、その結果高パワー波面110を形成する（図１参照）。当業者は、本発明がパッチアンテナの使用に限定されないことを認識するであろう。
【００１９】
最良モードにおいて、アレイ100は、所定の寸法、高い効率および低いコストで高出力パワーが得られるように最適化されている。本発明の顕著な特徴は、幾千個もの低電力ミリメートル増幅器を使用して高電力エネルギレベルを生じさせることができる実用性である。
【００２０】
図１を再度参照すると、電力出力および電力密度を最大にするために、各素子の電力が最大化されなければならない。これはウェハ300を冷却プレート400に直接取付けて熱を除去すると共に個々の増幅器の温度を所定の出力に対して信頼できるレベルに低下させることによって行われる。理想的には、素子の熱の冷却が最大化されるように、ウェハは非常に薄い接着材料だけによって冷却プレートに直接取付けられる。相互接続配線は効率的に冷却されなければならない。冷却プレート400は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく、増幅器のデューティサイクルの力学に応じて、ヒートシンク、熱電冷却装置または液体冷却板のようないくつかの形態をとることができる。
【００２１】
図３は、図１のアレイの単一のセルの拡大された部分的な分解図である。一般に、最良モードにおいて、固体基板の非常に薄い層が可能な限り高い熱伝導率の材料を使用して形成される。その後、層が追加されて付着され、エッチングされ、電気的な相互接続、コンポーネント、増幅器、および接地平面の全てが形成される。以下さらに詳細に説明するように、２重偏波アンテナ構造は最上部の層に配置される。
【００２２】
本発明の教示の示されている実施形態によると、モノリシックＩｎＰ基板300が通常の方法で形成される。その後、通常の製造技術を使用してこの基板に第１の金属層304が設けられる。この第１の金属層304は、セル200に対する直流給電ラインとして機能する。この第１の金属層に対して、酸化物の第１の層（示されていない）がセル形成時に中間層として設けられる。その後、第２の金属層306が設けられる。この第２の金属層306は、セルの直流接地導体として機能し、増幅器回路206を備えている。さらに、この第２の金属層306は、上部層を下部金属層304および基板302に接続する貫通孔のための中間層として機能する。酸化物の第２の層がセル形成時の第２の中間層として設けられる。最後に、パッチアンテナが第３の金属層310において形成される。
【００２３】
示されている実施形態においては、モノリシックインジウム燐化物（ＩｎＰ）半導体基板が使用されている。結晶欠陥または汚染欠陥を減少させるためにこの基板上にエピタキシャル層が形成される。本発明の示されている実施形態においては、基板の寸法はほぼ４インチ×４インチである。
【００２４】
１つのセル中に含まれている増幅器回路およびアンテナ回路のパターンは、その基板中においてマスクにより構成される。半導体装置の各層は、特定のマスクを使用して形成される。そのマスクは増幅器回路デザインおよびアンテナ回路デザイン素子を含んでいる。増幅器回路設計およびアンテナ回路デザインは共に、パターン生成装置（たとえば、コンピュータグラフィック回路設計装置）を使用して形成され、このパターン生成装置は回路デザインデータベースによって駆動される。マスクはデザイン配線略図としてスタートし、その後ＩｎＰ基板中に形成されるレイアウトに変換される。完成したマスク製品は、リクチクル(recticle)と呼ばれる。ＩｎＰ基板はフォトレジスト材料で被覆される。フォトリソグラフプロセスにおいて、増幅器およびアンテナデザインを含むマスクは光源によりレンズ系を通って基板上に露光される。その後、マスクは基板の隣の領域に歩進して移動され、基板が完全に露光されるまでプロセスが繰返される（たとえば、これはしばしばステップおよび繰返しプロセスと呼ばれる）。
【００２５】
示されている実施形態において、ウェハ全体（たとえば、４インチ×４インチ）またはウェハの広いサブセクション（たとえば、０．５’’から０．５’’）に対して、電子ビームリソグラフィのような別のウェハ製造技術もまた使用可能である。本発明は特定の製造技術のどれにも限定されないが、ここでは２つの方法について説明する。第１の方法において、特定の回路の入力および出力フィードは、１つのマスクに対する出力が第２のマスクに対する入力と物理的に整列するように設計される。その結果、ステップおよび繰返しプロセスの後、基板上の各回路に対する入力および出力が整列し、基板全体にわたる単一の一体化した回路を生成する。
【００２６】
第２の方法において、１つのマスクは２重マスクセットにより構成される。必要とされる電力および出力接続を含む大きいほうのマスクが基板全体中にエッチングされる。この大きい方のマスクはＩｎＰ装置において適切なレベルで構成され、電力伝導（たとえば、電力線マスク）を容易にする。その後、第２の、小さいほうの集積回路マスクを使用して集積回路を基板中にエッチングする。この第２のマスクは高分解能マスクであり、第２のマスクから得られる集積回路が第１のマスクから基板中にエッチングされた電力線接続と整列するように設計されている。
【００２７】
デザインを基板中にエッチングする２つの方法に加えて、可能な限り多くのセルが直列に配置されるように、マスクが設計されており、また、ステッパー機能が行われる。これによって高い電圧および低い電流を使用することが可能になる。その結果、最終的な回路は、抵抗損失が低くなり、金属ライン幅が小さくなり、熱発生率が低くなる。エッチングプロセス（湿式または乾式）を使用して、フォトレジストパターンの存在しない区域の酸化物が除去される。その後、フォトレジストは基板から剥離され、基板上に酸化物パターンを残す。その後、酸化物層を成長させるために基板が高温にさらされる。
【００２８】
酸化物は、ドーパントの化学物質が表面上に付着され、基板中に拡散されたときにバリアとして作用する。その代りに、ドーパントはＩｎＰ表面にイオン注入されてもよい。導入されたイオンは、異なった特性を有する領域を生成する。これらの領域がトランジスタのソースおよびドレインとなる。付着プロセスが行われ、このときトランジスタのゲート領域を形成するために１つの開口が酸化物中に形成される。薄いゲート酸化物または窒化シリコンがゲートとＩｎＰとの間の絶縁体として作用するように化学蒸気付着法（ＣＶＤ）プロセスによって付着される。これに続いて、トランジスタのゲートを形成するために導電性ポリシリコン層の物理的気相付着法（ＰＶＤ）または“スパッタリング”が行なわれる。
【００２９】
形成されたトランジスタを絶縁し、あるいは保護するために種々の酸化物が成長され、あるいは付着される酸化プロセスが行なわれる。各トランジスタをその隣接するパートナーから絶縁するためにディープフィールド酸化物が成長される。トランジスタを相互接続層から絶縁するために誘電体絶縁酸化物が付着される。後に、完成した基板の表面を損傷から保護するために、その上面にパシベーション酸化物が付着される。
【００３０】
相互接続は、上述したフォトリソグラフプロセスを使用して形成される。コンタクトホール（たとえば、貫通孔）がトランジスタ領域にエッチングにより形成され、回路接続が確立する。その後、金属被覆が行われる。その表面上に、および貫通孔中にアルミニウムのような金属物質の層が付着される。別のフォトリソグラフプロセス後、過剰なアルミニウムはエッチングにより除去され、所望の相互接続パターンが残される。アルミニウムの第１の層をそれに隣接するものから絶縁するために誘電体絶縁酸化物の別の層が付着される。各ステップにおいて、表面輪郭が生成される。化学機械平面化(chemical Mechanical Planarization)のような技術を使用してウェハの表面が滑らかに研磨される。滑らかな表面は、後続する工程でフォトリソグラフの焦点深度を維持し、また、アルミニウム相互接続が確実に歪まないようにする。
【００３１】
その後、層が相互接続される。下方の層へのアクセスを可能にするために、誘電体絶縁酸化物中に貫通孔の別のセットがエッチングされる。コンタクトプラグ（しばしばタングステン）が貫通孔中に付着され、下方の層に到達して接触する。アルミニウムの次の層が付着され、パターン化されてエッチングされる。このプロセスはそのデザインに対して必要とされる相互接続層の数だけ繰返される。本発明においては、この繰返されるプロセスにより、金属および酸化物層の遮蔽および誘電特性が整合されて管理されることにより１つのセルが形成される。
【００３２】
図４は、本発明のアレイの個々のセル200のＷ帯域半導体のレイアウトを示している。図４において、増幅器206はＲＦ整合ネットワークを備えている。このＲＦ整合ネットワークは入力整合回路402、トランジスタ／キャパシタネットワーク404、および出力整合回路406を備えている。直流（ＤＣ）電力は直流給電ライン408を通ってネットワークに供給される。第１の絶縁インダクタ410は直流電力をＲＦ整合ネットワークから分離する。接地平面に接続されたキャパシタは符号412で示されている。直流接地は符号418で示されている。第２の絶縁インダクタ416はＲＦ整合ネットワークを接地電位から隔離している。第２のキャパシタは符号414で示されている。キャパシタ404、412および414は、直流電力をＲＦパワーから絶縁すると共に、ＲＦ入力整合ネットワークをＲＦ出力整合ネットワークから絶縁している。
【００３３】
図５は、本発明の教示による図１のアレイに対するパッチアンテナを備えた多段増幅器を示している。図５において、第１の金属層は符号500で示されている。この第１の金属層500は、モノリシック半導体装置に対する直流給電ラインとして機能している。増幅器ネットワーク506は、この第１の金属層500中に構成されている。第２の金属層502が示されている。この第２の金属層502は、モノリシック半導体装置に対する直流接地体として機能する。第３の金属層504もまた示されている。パッチアンテナ510はこの第３の金属層中に構成されている。パッチアンテナ510は、１つの波形のひだの広帯域パッチまたは２層の波形のひだの広帯域パッチにより構成されることができる。複数のビア（ｖｉａ）貫通孔512は、第１の金属層500と第２の金属層502と第３の金属層504との間に直流接続を設定する。パッチアンテナへの入力は符号514で示されており、パッチアンテナからの出力は符号516で示されている。増幅器ネットワーク506は、直流電力に関して直列に、また、ＲＦ信号に関して並列に設計されている。直流給電ライン（たとえば、第１の金属層500）および直流接地体（たとえば、第２の金属層502）は共に、第３の金属層504を越えて延在しているため、個々のセルが結合されて１つのアレイを形成したとき、単一の回路がセルの間に生成されることを認識すべきである。
【００３４】
各個々のセル200において、第１の金属層500は重複部分518を含んでいる。この重複部分518は、セルのアレイ中の各セルに単一の直流給電ラインを提供するように構成されている。第２の重複部分は符号520で示されている。第２の金属層502はこの第２の重複部分520を含んでおり、セルのアレイ中の各セルに対して単一の直流接地電位を提供するように構成されている。その結果、セルのアレイ中の各セルは結合して、単一の直流給電ラインおよび単一の直流接地体を備えた単一の回路を形成する。
【００３５】
エネルギは空間中に放射される必要はなく、それはまたインライン増幅器構成において使用されることができる。
【００３６】
当業者はまた、製造に対して最適化されたアレイ寸法を考慮して増幅器素子のアレイを組立てることが可能であることを認識するであろう。その後、必要とされる出力電力レベルを発生させるのに十分な素子が得られるまで、そのアレイ素子を冷却板上に張付けることができる。
【００３７】
図６は、本発明の教示の例示的な１実施形態にしたがって構成された反射増幅器を使用するインライン増幅器を示している。増幅器600は、垂直偏波された波を送信し、あるいは受信する垂直モードコネクタ入力612および水平偏波された波を送信し、あるいは受信するように構成された水平モードポート614である２つの入力を備えた直交モードフィード610を有している。直交モードフィードは通常の設計および構成のものであることができる。示されている実施形態において、垂直コネクタはフィード入力ポートとして機能し、水平モードポートは出力ポートとして機能する。
【００３８】
垂直偏波された入力波は、本発明の教示にしたがって構成された反射増幅器セルのアレイ100を照射する。そのアレイは冷却プレート400上に配置されている。最良のモードにおいては、このプレート400は、冷却流体がそこを通って流れることを可能にするチャンネルを備えている。この波はホーン620の壁内に含まれる。ホーンは導電性であり、本発明の教示にしたがって波形のひだをつけられてもよい。波は受取られて反射されて直交モードフィードに戻され、増幅されて、直交（たとえば、水平）偏波によりコリメートされる。その後、反射された波は水平モード出力ポート614を介して出力される。このようにして、単一の集積装置においては１つの入力波が増幅されてコリメートされ、所望の偏波で出力される。
【００３９】
図７は図６のインライン増幅器の別の実施形態である。図７の実施形態においては、第１および第２のミラー712および714を使用することによりアレイ上の電力分布が改善される。図７の増幅器700は、低電力入力波706を供給する低電力水平導波体入力702を有する直交モードフィード701を備えている。この波は、直交モードフィードホーン705によって出力される。示されている実施形態において、入力波面は、ガウスの照射球面波面であり、それは第１および第２のミラー712および714でそれぞれ反射される。これらのミラーは、フィードホーン705によって生成されたガウス漸減（ｔａｐｅｒｅｄ）球面波を反射アレイ100の形状の均一に照射された平面波に変換するように設計された２重成形ミラーである。これによって、反射アレイのユニットセルの全てが同じ量の入力パワーを受取り、したがって同じ出力パワーレベルを生成することが確実にされる。それ故、第２のミラー714によって出力されたビーム707は均一に照射される平面波面で反射アレイ100を照射する。上記の教示によると、アレイ100は直交偏波（示されている形態では、垂直偏波）を有する高パワーのコリメートされたビーム708を第２および第１のミラー714および712のそれぞれに戻す。最良のモードにおいて、２重ミラー712および714は、反射された平面波面が変換され、フィードホーン705によって効率的に受取られる球面波面に戻されるように相反的である。このようにして、ミラーにより反射された高パワービーム708はホーン705によって収集され、その高パワー垂直偏波出力ポート704を介して出力される。
【００４０】
図８は、本発明の教示の例示的な１実施形態にしたがって増幅器が伝送アレイとして構成された別の実施形態を示している。図８のａは、ユニットセル810のアレイ801を有するモノリシック伝送アレイ増幅器800の一部分とそのアレイの一部分の拡大図を示している。図８のｂは、本発明の教示の例示的な１実施形態による単一のセルの前面図を示している。図８のｃは、図８のｂのセルの後面図を示している。チップはヒートシンク（示されていない）上に取付けられたモノリシック半導体基板802であり、この基板802には後方を向いたアンテナの放射に適応するために穴803が設けられている。図８のａのアレイの部分図には、９個のユニットセルが示されている。図８のｂに示されているように、各ユニットセル810は１つの受信アンテナ812、１個の電力増幅器814および１つの送信アンテナ816（図８のｂには示されていない）を備えている。送信アンテナ816は図８のｃの後面図に示されている。示されている実施形態において、受信アンテナ812および送信アンテナ816はパッチアンテナである。
【００４１】
各ユニットセルは、その受信アンテナを介して入力波面の一部を受信する。受信された信号は増幅されて送信アンテナに出力される。送信アンテナは、増幅された信号を受信された波面の方向に放射する。このようにして、波面は図８の実施形態を使用して受信されて増幅され、同じ方向に再送信される。当業者は、通常のビーム制御システムおよび、または固定または可変位相シフタ（示されていない）を使用してユニットセルの送信アンテナに供給された信号に位相を制御することにより、あるいは送信アンテナの指向角度を製造時にまたはマイクロ電子機械装置（ＭＥＭＳ）を使用して物理的に調節することにより、出力ビームの方向が製造時に調節され、あるいは所定の適用の要求によって動的に制御されることができることを認識するであろう。
【００４２】
図９は、偏波反射素子により本発明の教示を使用する別の装置を示している。この装置900は低パワーソース902と、本発明の教示にしたがって構成された反射アレイ904と、偏波反射素子914とを備えている。偏波反射素子914は、一連の並列電線または技術的に知られている別の適切な手段により構成されることができる。偏波反射素子914は、１つの偏波のソース902からの低パワーエネルギ907をアレイ904に反射するように位置されている。直交偏波の反射アレイ904からのエネルギは、反射素子914によって高パワーピーム908として伝送される。したがって、反射素子914は、フルパワービーム908がシステムを出ることを可能にするように機能する。
【００４３】
図１０は、本発明の教示による部分的に反射性で部分的に透過性の表面を使用する増幅器を構成する別の方法を示している。この装置1000によって、低パワー供給は不要になる。本発明の教示にしたがって構成されたアレイ1002は最初にランダムな信号を放射し、これらの信号は部分的に反射性または部分的に透過性の表面1004を照射する。入力パワーの一部は、システム1000の出力ビーム1005として表面1004から透過される。残りのものは反射され、ビーム1003としてアレイ1002に戻される。表面間の間隔‘ｄ’は、波長の整数倍に設定される。これは、アレイ1002上の全ての素子の時間と位相ロックすることを可能にする。戻り信号1003はいくつかの素子に衝突し、その結果何等かのわずかに高いパワーがさらに多くの素子を位相ロック状態にする。それ故、実効的に、増幅器アレイ1002はそれ自身のソースになる。したがって、本発明の新しい特徴は、モノリシック素子を使用して電力密度を最大にすることであることが当業者により認識されるであろう。出力を最適化し、あるいはその焦点を合わせるために、本発明の技術的範囲を逸脱することなく別の素子が追加され、あるいは表面が平面以外の形状に形成されることができる。
【００４４】
図１１は、本発明のアレイの個々のセルの別の実施形態のブロック図である。図１１の実施形態においては、ビーム操縦を行うために位相シフタがアレイ200’ に追加されている。最良のモードにおいて、可変位相シフタ205’ は各素子の受信アンテナ204’ と送信アンテナ208’ との間に追加されている。増幅器206’ は、位相シフタ205’ の前または後に位置されることができる。各素子の位相シフタは、通常のビーム制御装置207’ によって制御される。このビーム制御装置207’ は、符号209’ で一般的に示された通常のインターフェースを介したユーザ入力に反応する。
【００４５】
非常に多くの素子を有するフルフェーズドアレイにおいて電子操縦を行うために各素子上に位相シフタを設けることが著しく高価になる可能性のある適用においては、図１２に示されているように少数の位相シフタによりシステムの位相制御およびビーム操縦が行われることができる。
【００４６】
図１２は、本発明の教示の別の実施形態によるビーム操縦能力を提供するために少数の位相シフタにより構成された本発明を示す概略図である。図１２の実施形態において、ここに説明されているインライン増幅器からの信号の一部は空間中に放射され、その一部は位相シフタ1201中に送られる。位相シフトされた信号は、図１０中の表面1004のような離れた反射素子へのフィードバック路1202を介してアレイ1000’ にフィードバックされる。これは、２個の増幅器素子1203と1204との間の位相をロックする。この位相ロックプロセスは、ビームの可能な傾斜の基本軸が規定されることを可能にするためにさらに数個の重要な素子（たとえば、1205、1206等）に対して繰返されることができる。各増幅器素子は、それらの周囲の隣接した素子にフィードバックする。ある程度、これは漏洩項となる。したがって、実施されたとき、離れた少数の素子の間の位相を変化させると、２者の間の全ての素子がその２者の間の位相を線形的にとる。実際に、これは少数の素子の制御を可能にし、それによってビーム操縦またはビームの指向の安定化を可能にする。
【００４７】
モノリシックアレイ1000’ は、所定の適用に対して十分な素子間のフィードバックを可能にするために振幅および位相のある程度の漏洩が生じるように通常の技術を使用して設計される。
【００４８】
以上、本発明を特定の適用に対する特定の実施形態を参照して説明してきた。当業者は、本発明の技術的範囲内の付加的な修正、適用および実施形態を認識するであろう。
【００４９】
したがって、添付された特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲内における任意および全てのこのような適用、修正および実施形態をカバーするものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の教示にしたがって構成されたモノリシックなミリメートル波能動反射アレイの例示的な１実施形態の概略図。
【図２】図１のセルのアレイの個々のセルの高レベルのブロック図。
【図３】図１のアレイの単一のセルの拡大された部分的な分解図。
【図４】本発明のアレイの個々のセルのＷ帯域半導体の概略図。
【図５】本発明の教示による図１のアレイに対するパッチアンテナを備えた多段増幅器の概略図。
【図６】本発明の教示の例示的な１実施形態にしたがって構成された反射増幅器を使用するインライン増幅器の概略図。
【図７】フィードホーンからの球面波面を平面波面に変換するために２重成形ミラーが使用される図６のインライン増幅器の別の実施形態の概略図。
【図８】本発明の教示の例示的な１実施形態にしたがってアレイが送信アレイとして構成された別の実施形態の概略図とそのアレイの一部分の拡大図、および本発明の教示の例示的な１実施形態によるアレイの単一のセルの前面図およびこのセルの後面図。
【図９】偏波反射素子により本発明の教示を使用する別の装置の概略図。
【図１０】本発明の教示による部分的に反射性または部分的に透過性の表面を使用する増幅器を構成する別の方法を示す概略図。
【図１１】本発明のアレイの個々のセルの別の実施形態のブロック図。
【図１２】本発明の教示の別の実施形態によるビーム操縦能力を提供するように少数の位相シフタにより構成された本発明を示す概略図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年6月14日(2006.6.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシック半導体基板(802)と、
前記基板(802)上に配置され、電磁エネルギをコヒーレントに受取って再送信するセル(810)のアレイ(801)とを備えていることを特徴とする増幅器。
【請求項２】
前記セル(810)はそれぞれ、前記電磁エネルギを受取る第１のアンテナ(204)を備えている請求項１記載の増幅器。
【請求項３】
前記セル(810)はそれぞれ、前記アンテナ(204)に接続された増幅器(206)を備えている請求項２記載の増幅器。
【請求項４】
前記セル(810)はそれぞれ、前記電磁エネルギを送信する第２のアンテナ(208)を備えている請求項３記載の増幅器。
【請求項５】
前記アンテナ(204,208)の少なくとも１つがパッチアンテナである請求項４記載の増幅器。
【請求項６】
さらに、電磁エネルギのビームを受取ってその方向を制御しながら再送信するビーム操縦装置を備えている請求項４記載の増幅器。
【請求項７】
電磁エネルギのビームを受取ってその方向を制御しながら再送信する前記ビーム操縦装置は、前記第１のアンテナ(204’)と前記第２のアンテナ(208’)との間に結合された位相シフタ(207’)を備えている請求項６記載の増幅器。
【請求項８】
電磁エネルギのビームを受取ってその方向を制御しながら再送信する前記ビーム操縦装置は、前記セルの少なくとも２つのもの(1203および1204)の間に結合された少なくとも１つの位相シフタ(1201)を備えている請求項６記載の増幅器。
【請求項９】
直交モードフィード(701)と、
前記フィード(701)により第１の偏波を有する入力波面で照射されて前記第１の偏波に直交する第２の偏波を有する増幅された波面をそこに戻すように構成された反射増幅器アレイ(100)とを備えている増幅器。
【国際調査報告】
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2007514373.tif 000017