(57)【要約】  リフレクトアレー・アンテナ素子、リフレクトアレー、及びアンテナ素子を動作させる方法が記載される。リフレクトアレー・アンテナ素子は、電磁場を反射するための電導性材料のパッチ１４と、ＲＦグランドを与える誘電性基板１２と、第１の偏波を有する電磁放射と相互に作用するように配列された電導性材料の第１及び第２の位相制御線１６、１８と、パッチとグランドとの間に配置され、第１の位相制御線を介してパッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成されたＯＮ又はＯＦＦ状態を有する第１の２値スイッチング・デバイス２４と、パッチとグランドとの間に配置され、第２の位相制御線を介してパッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成されたＯＮ又はＯＦＦ状態を有する第２の２値スイッチング・デバイス２６と、パッチに電気的につなげられ、スイッチング・デバイスの状態を選択的に制御するため異なる別個の電圧レベルに設定可能な単一のＤＣバイアス入力部とを含む。第１及び第２の２値スイッチング・デバイスの選択的動作が、ＤＣバイアス入力部により発生し、スイッチング・デバイスの状態に応じて電磁放射の位相制御を行う。記載したものは、再構成可能な／スマート・リフレクトアレー・プラットフォームを作動させるためのユニット・セルの位相制御機構である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁場を反射するための電導性材料のパッチと、
ＲＦグランドを与える誘電性基板と、
第１の偏波を有する電磁放射と相互に作用するように配列された電導性材料の第１の位相制御線及び第２の位相制御線と、
前記パッチとグランドとの間に配置され、前記第１の位相制御線を介して前記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ＯＮ状態又はＯＦＦ状態を有する第１の２値スイッチング・デバイスと、
前記パッチとグランドとの間に配置され、前記第２の位相制御線を介して前記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ＯＮ状態又はＯＦＦ状態を有する第２の２値スイッチング・デバイスと、
前記パッチに電気的につなげられ、前記スイッチング・デバイスの前記状態を選択的に制御するため異なる別個の電圧レベルに設定可能な単一のＤＣバイアス入力部と
を含み、
前記ＤＣバイアス入力部による前記第１の２値スイッチング・デバイス及び前記第２の２値スイッチング・デバイスの選択的動作が、前記スイッチング・デバイスの前記状態に応じて電磁放射の位相制御を行う、
リフレクトアレー・アンテナ素子。
【請求項２】
前記第１のスイッチング・デバイス及び前記第２のスイッチング・デバイスの動作が、前記リフレクトアレー・アンテナ素子に前記第１の偏波で位相制御された電磁放射を発生させる、請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項３】
前記第１の位相制御線及び前記第２の位相制御線が、第１の方向に平行に配列される、請求項１又は２に記載のアンテナ素子。
【請求項４】
前記パッチが、長さ及び幅を有し、前記第１の位相制御線及び前記第２の位相制御線が、前記パッチの前記長さ及び前記幅のうちの一方に沿った前記第１の方向に配置される、請求項３に記載のアンテナ素子。
【請求項５】
前記第１の方向の各々の線が、長さを有し、前記第１の位相線及び前記第２の位相線が、第１の周波数で動作することを可能にする、請求項３又は４に記載のアンテナ素子。
【請求項６】
前記誘電性基板が、その一方の側の前記パッチ及びその他方の側のＲＦグランドで構成される、請求項１から５までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項７】
グランドが、前記パッチに実質的に平行な電導性層により設けられる、請求項１から６までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項８】
前記第１の位相制御線が、前記第１のスイッチング・デバイスにより前記パッチに選択的に電気的につなげられることが可能であり、前記第２の位相制御線が、前記第２のスイッチング・デバイスにより前記パッチに選択的に電気的につなげられることが可能である、請求項１から７までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項９】
前記第１のスイッチング・デバイスが、前記パッチから前記グランドへのダイオード方向を有する第１のＰＩＮダイオードであり、
前記第２のスイッチング・デバイスが、前記グランドから前記パッチへのダイオード方向を有する第２のＰＩＮダイオードである、
請求項１から８までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項１０】
電導性材料の第３の位相制御線及び第４の位相制御線と、
前記パッチとグランドとの間に配置され、前記第３の位相制御線を介して前記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ＯＮ状態又はＯＦＦ状態を有する第３の２値スイッチング・デバイスと、
前記パッチとグランドとの間に配置され、前記第４の位相制御線を介して前記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ＯＮ状態又はＯＦＦ状態を有する第４の２値スイッチング・デバイスと
を含み、
前記単一のＤＣバイアス入力部が、前記第３のスイッチング・デバイス及び前記第４のスイッチング・デバイスの前記状態を選択的に制御することを行う、
請求項１から９までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項１１】
前記第３の位相制御線及び前記第４の位相制御線が、第２の偏波を有する電磁放射と相互に作用するように配列される、請求項１０に記載のアンテナ素子。
【請求項１２】
前記第３の２値スイッチング・デバイス及び前記第４の２値スイッチング・デバイスの動作が、前記リフレクトアレー・アンテナ素子に前記第２の偏波で位相制御された電磁放射を発生させる、請求項１１に記載のアンテナ素子。
【請求項１３】
前記第３の位相制御線及び前記第４の位相制御線が、第２の方向に平行に配列される、請求項１０から１２までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項１４】
前記パッチが、長さ及び幅を有し、前記第１の位相制御線及び前記第２の位相制御線が、前記パッチの前記長さ及び前記幅のうちの一方に沿った前記方向又は第１の方向に配置され、前記第３の位相制御線及び前記第４の位相制御線が、前記パッチの前記長さ及び前記幅のうちの他方に沿った前記第２の方向に配置される、請求項１３に記載のアンテナ素子。
【請求項１５】
前記第２の方向が、長さを有し、前記第３の位相線及び前記第４の位相線が、第２の周波数で動作することを可能にする、請求項１３又は１４に記載のアンテナ素子。
【請求項１６】
前記第３の位相制御線が、前記第３のスイッチング・デバイスにより前記パッチに選択的に電気的につなげられることが可能であり、前記第４の位相制御線が、前記第４のスイッチング・デバイスにより前記パッチに選択的に電気的につなげられることが可能である、請求項１０から１５までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項１７】
前記第３のスイッチング・デバイスが、前記パッチから前記グランドへのダイオード方向を有する第３のＰＩＮダイオードであり、
前記第４のスイッチング・デバイスが、前記グランドから前記パッチへのダイオード方向を有する第４のＰＩＮダイオードである、
請求項１０から１６までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項１８】
前記ＤＣバイアス入力部が、前記第１の電磁場の直交偏波を減少させる距離だけ第１の方向に前記パッチの中心からオフセットされる及び／又は前記第２の電磁場の直交偏波を減少させる距離だけ第２の方向に前記パッチの中心からオフセットされる、請求項１から１７までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項１９】
前記第１の方向が、前記第１の偏波の偏波の方向である及び／又は前記第２の方向が、前記第２の偏波の偏波の方向である、請求項１８に記載のアンテナ素子。
【請求項２０】
ミリ波で動作するように構成される、請求項１から１９までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項２１】
前記アンテナ素子の前記ＲＦ平面で直接的に、前記第１の周波数で前記第１の偏波を有する電磁放射に対して、及び任意選択でまた、前記第２の周波数で前記第２の偏波を有する電磁放射に対して３つの位相状態を与えるために１．５ビット位相制御を実施するように構成される、請求項１から２０までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項２２】
第１の層及び第２の層を含む基板構造を含み、前記パッチが前記第１の層内に設置され、前記第２の層が前記グランドである、請求項１から２１までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項２３】
前記位相制御線の各々が、前記第１の層と前記第２の層とをリンクする導電性ビアを介して前記グランド層に電気的につなげられることが可能である、請求項２２に記載のアンテナ素子。
【請求項２４】
各々のビアが、城郭風の穴である、請求項２３に記載のアンテナ素子。
【請求項２５】
前記第１の層及び前記第２の層が、誘電性基板により隔てられる、請求項２２から２４までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項２６】
第３の層を含み、前記ＤＣバイアス入力部が、前記グランド層への電気的接続なしに前記第１の層と前記第３の層とをリンクする導電性ビアを含む、請求項２２から２５までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項２７】
前記ＤＣバイアス入力部が、前記第３の層のところでＤＣ分離素子に電気的につなげられる、請求項２６に記載のアンテナ素子。
【請求項２８】
前記第２の層が、前記第１の層と前記第３の層との間にある、請求項２６又は２７に記載のアンテナ素子。
【請求項２９】
前記第２の層及び前記第３の層が、誘電性基板により隔てられる、請求項２６から２８までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項３０】
前記位相制御線の各々が、前記第１の層、前記第２の層及び前記第３の層をリンクする導電性ビアを介して前記グランド層に電気的につなげられる、請求項２６から２９までのいずれか一項に記載のアンテナ素子。
【請求項３１】
各々のビアが、城郭風の穴である、請求項３０に記載のアンテナ素子。
【請求項３２】
請求項１から３１までのいずれか一項に記載の複数のアンテナ素子を含むリフレクトアレー。
【請求項３３】
各々のアンテナ素子に関して、前記アンテナ素子が、第１の層及び第２の層を含む基板構造を含み、前記パッチが、前記第１の層内に設置され、前記第２の層が、前記グランドであり、前記位相制御線の各々が、前記第１の層と前記第２の層とをリンクするビアを介してグランドに電気的につなげられる、請求項３２に記載のリフレクトアレー。
【請求項３４】
隣接するアンテナ素子が、ビアを共有する、請求項３２に記載のリフレクトアレー。
【請求項３５】
前記アンテナ素子の各々の前記ＤＣバイアス入力部の前記電圧レベルを制御するように構成された制御システムを含む、請求項３２から３４までのいずれか一項に記載のリフレクトアレー。
【請求項３６】
前記アンテナ素子のうちの少なくともいくつかが、他とは異なる反射位相シフトを与えるように構成される、請求項３２から３５までのいずれか一項に記載のリフレクトアレー。
【請求項３７】
第１の周波数で前記第１の偏波を有する電磁放射に対して、及び任意選択でまた、第２の周波数で前記第２の偏波を有する電磁放射に対して所望の反射位相制御を行うために前記ＤＣバイアス入力部へのＤＣバイアス信号を制御するステップ
を含む、請求項１から３１までのいずれか一項に記載のアンテナ素子を動作させる方法。
【請求項３８】
前記第１の周波数で前記第１の偏波を有する電磁放射に対して、及び任意選択でまた、前記第２の周波数で前記第２の偏波を有する電磁放射に対して所望の反射制御を行うために前記リフレクトアレー・アンテナ素子の各々の前記ＤＣバイアス入力部へのＤＣバイアス信号を制御するステップ
を含む、請求項３２から３７までのいずれか一項に記載のリフレクトアレーを動作させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リフレクトアレー・アンテナ素子、リフレクトアレー、及びアンテナ素子を動作させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高利得スマート・アンテナは、次世代通信システムの鍵となる可能にする技術のうちの１つである。
【０００３】
スマート・リフレクトアレー・アンテナは、通常、ユニット・セルのレベルで多数の動作状態を引き起こすのに必要な再構成ビヘイビアを適応させるためにそれ自体を含んでいるユニット・セルを必要とする。
【０００４】
リフレクトアレーは、反射した電場の一定の位相が所望のアンテナ主ビームの方向に垂直な平面内で実現されるという原理で動作する。
【０００５】
ＰＩＮダイオード及びＲＦ  ＭＥＭＳなどのスイッチは、全放射面の幾何形状の（離散化した）変化をもたらすために金属部品を電気的に接続する／切断するため典型的には使用される。
【０００６】
このような素子の知られている設計の実例が、米国特許第７０７１８８８号、米国特許第７８６８８２９号、米国特許第９０９９７７５号、「Ａ  Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ｗｉｔｈ  Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ」  Ｆｒｉｅｓ  ｅｔ  ａｌ．  ＩＥＥＥ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ａｎｄ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．１３  Ｎｏ．１１  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  ２００３  ｐｐ．４９０〜４９２、「６０−ＧＨｚ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｒｒａｙ  Ｕｓｉｎｇ  ｐ−ｉ−ｎ  Ｄｉｏｄｅ」  Ｋａｍｏｄａ  ｅｔ  ａｌ．  ＩＥＥＥ  ＭＴＴ−Ｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ２００９  ｐｐ．１１７７〜１１８０に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７０７１８８８号
【特許文献２】米国特許第７８６８８２９号
【特許文献３】米国特許第９０９９７７５号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「Ａ  Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｓｌｏｔ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ｗｉｔｈ  Ｓｗｉｔｃｈａｂｌｅ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ」  Ｆｒｉｅｓ  ｅｔ  ａｌ．  ＩＥＥＥ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  ａｎｄ  Ｗｉｒｅｌｅｓｓ  Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．１３  Ｎｏ．１１  Ｎｏｖｅｍｂｅｒ  ２００３  ｐｐ．４９０〜４９２
【非特許文献２】「６０−ＧＨｚ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  Ｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ  Ｒｅｆｌｅｃｔａｒｒａｙ  Ｕｓｉｎｇ  ｐ−ｉ−ｎ  Ｄｉｏｄｅ」  Ｋａｍｏｄａ  ｅｔ  ａｌ．  ＩＥＥＥ  ＭＴＴ−Ｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ  Ｄｉｇｅｓｔ  ２００９  ｐｐ．１１７７〜１１８０
【非特許文献３】ＧＨＵＬＡＭ  ＡＨＭＡＤ、ＴＩＭ  Ｗ．Ｃ．  ＢＲＯＷＮ、ＣＲＡＩＧ  Ｉ．  ＵＮＤＥＲＷＯＯＤ及びＴＩＡＮ  ＨＯＮＧ  ＬＯＨによる「Ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ  Ｇｒｅｅｎ  Ｑｕａｎｔｉｓｅｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｍａｒｔ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ｕｓｉｎｇ  ＰＩＮ  Ｄｉｏｄｅ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ」
【非特許文献４】Ｇｈｕｌａｍ  Ａｈｍａｄ、Ｔｉｍ  ＷＣ  Ｂｒｏｗｎ、Ｃｒａｉｇ  Ｉ  Ｕｎｄｅｒｗｏｏｄ及びＴｉａｎ  Ｈｏｎｇ  Ｌｏｈによる「Ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ  Ｇｒｅｅｎ  Ｓｍａｒｔ  Ｑｕａｎｔｉｓｅｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｍａｒｔ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ｕｓｉｎｇ  ＰＩＮ  Ｄｉｏｄｅ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ」
【非特許文献５】ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｐｉｉ／Ｓ００９４５７６５１８３０８６２２において入手可能なＡｈｍａｄ等による「Ａｎ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｉｌｌｉｍｅｔｒｅ  ｗａｖｅ  ｒｅｆｌｅｃｔａｒｒａｙｓ  ｆｏｒ  ｓｍａｌｌ  ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  ｐｌａｔｆｏｒｍｓ」、Ａｃｔａ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａ、１５１巻、２０１８年１０月、ページ４７５〜４８６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、改善したリフレクトアレー・アンテナ素子、改善したリフレクトアレー及びこのようなアンテナ素子を動作させる方法を提供することを求める。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様によれば、リフレクトアレー・アンテナ素子が提供され、
電磁（ＥＭ）場を反射するための電導性材料のパッチと、
ＲＦグランドを与える誘電性基板と、
第１の偏波を有する電磁放射と相互に作用するように配列された電導性材料の第１の位相制御線及び第２の位相制御線と、
上記パッチとグランドとの間に配置され、上記第１の位相制御線を介して上記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ＯＮ状態又はＯＦＦ状態を有する第１の２値スイッチング・デバイスと、
上記パッチとグランドとの間に配置され、上記第２の位相制御線を介して上記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ＯＮ状態又はＯＦＦ状態を有する第２の２値スイッチング・デバイスと、
上記パッチに電気的につなげられ、上記スイッチング・デバイスの上記状態を選択的に制御するため異なる別個の電圧レベルに設定可能な単一のＤＣバイアス入力部と
を含み、
上記ＤＣバイアス入力部による上記第１の２値スイッチング・デバイス及び上記第２の２値スイッチング・デバイスの選択的動作が、上記スイッチング・デバイスの上記状態に応じて電磁放射の位相制御を行う。
【００１１】
有利なことに、上記第１のスイッチング・デバイス及び上記第２のスイッチング・デバイスの動作が、上記リフレクトアレー・アンテナ素子に上記第１の偏波で位相制御された電磁放射を発生させる。
【００１２】
好ましくは、上記第１の位相制御線及び上記第２の位相制御線が、第１の方向に平行に配列される。実際的な実施例では、上記パッチが長さ及び幅を有し、上記第１の位相制御線及び上記第２の位相制御線が上記パッチの上記長さ及び上記幅のうちの一方に沿った上記第１の方向に配置される。有利なことに、上記第１の方向の各々の線が長さを有し、上記第１の位相線及び上記第２の位相線が第１の周波数で動作することを可能にする。
【００１３】
実際的な実施例では、上記パッチが、２つの動作上の寸法、長さ及び幅を有する。２つの位相線を有する上記パッチの上記長さが、第１の周波数Ｆ１で動作することを可能にさせる。他の２つの位相線を有するパッチの上記幅が、上記パッチにもう１つの周波数Ｆ２で動作させる。設計は、上記第１の周波数及び上記第２の周波数が同じであっても異なってもよいように柔軟である。
【００１４】
実際的な実施例では、上記誘電性基板が、その一方の側の上記パッチ及びその他方の側のＲＦグランドで構成される。グランドが、上記パッチに実質的に平行な電導性層によって好ましくは設けられる。
【００１５】
好ましい実施例では、上記第１の位相制御線が、上記第１のスイッチング・デバイスにより上記パッチに選択的に電気的につなげられるように構成され、上記第２の位相制御線が、上記第２のスイッチング・デバイスにより上記パッチに選択的に電気的につなげられるように構成される。
【００１６】
有利なことに、上記第１のスイッチング・デバイスが、上記パッチから上記グランドへのダイオード方向を有する第１のＰＩＮダイオードであり、上記第２のスイッチング・デバイスが、上記グランドから上記パッチへのダイオード方向を有する第２のＰＩＮダイオードである。
【００１７】
上記アンテナ素子は、電導性材料の第３の位相制御線及び第４の位相制御線と、上記パッチとグランドとの間に配置され、上記第３の位相制御線を介して上記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ＯＮ状態又はＯＦＦ状態を有する第３の２値スイッチング・デバイスと、上記パッチとグランドとの間に配置され、上記第４の位相制御線を介して上記パッチをグランドに選択的に電気的につなげるように構成された、ＯＮ状態又はＯＦＦ状態を有する第４の２値スイッチング・デバイスとを含み、上記単一のＤＣバイアス入力部が、上記第３のスイッチング・デバイス及び上記第４のスイッチング・デバイスの上記状態を選択的に制御することを行う。
【００１８】
有利なことに、上記第３の位相制御線及び上記第４の位相制御線が、第２の偏波を有する電磁放射と相互に作用するように配列される。好ましくは、上記第３の２値スイッチング・デバイス及び上記第４の２値スイッチング・デバイスの動作が、上記リフレクトアレー・アンテナ素子に上記第２の偏波で位相制御された電磁放射を発生させる。
【００１９】
好ましくは、上記第３の位相制御線及び上記第４の位相制御線が、第２の方向に平行に配列される。
【００２０】
実際的な実施例では、上記パッチが長さ及び幅を有し、上記第１の位相制御線及び上記第２の位相制御線が、上記パッチの上記長さ及び上記幅のうちの一方に沿った上記方向又は第１の方向に配置され、上記第３の位相制御線及び上記第４の位相制御線が、上記パッチの上記長さ及び上記幅のうちの他方に沿った上記第２の方向に配置される。上記第２の方向が、有利には長さを有し、上記第３の位相線及び上記第４の位相線が第２の周波数で動作することを可能にする。
【００２１】
好ましくは、上記第３の位相制御線が、上記第３のスイッチング・デバイスにより上記パッチに選択的に電気的につなげられるように構成され、上記第４の位相制御線が、上記第４のスイッチング・デバイスにより上記パッチに選択的に電気的につなげられるように構成される。
【００２２】
実際的な実装例では、上記第３のスイッチング・デバイスが、上記パッチから上記グランドへのダイオード方向を有する第３のＰＩＮダイオードであり、上記第４のスイッチング・デバイスが、上記グランドから上記パッチへのダイオード方向を有する第４のＰＩＮダイオードである。
【００２３】
好ましい実施例では、上記ＤＣバイアス入力部が、上記第１の電磁場の直交偏波を減少させる距離だけ第１の方向に上記パッチの中心からオフセットされる及び／又は上記第２の電磁場の直交偏波を減少させる距離だけ第２の方向に上記パッチの中心からオフセットされる。有利なことに、上記第１の方向が、上記第１の偏波の偏波の方向である及び／又は上記第２の方向が、上記第２の偏波の偏波の方向である。
【００２４】
アンテナ素子は、ミリメートル波（ミリ波）で動作するように有利には構成される。好ましい実装例では、上記アンテナ素子は、２つの独立した周波数帯で動作するように構成され、そこでは各々の周波数帯は、２つの位相線を有する上記パッチが設計される中心周波数を有する。
【００２５】
ある実施例では、上記アンテナ素子は、上記アンテナ素子の上記ＲＦ平面で直接的に、上記第１の周波数で上記第１の偏波を有する電磁放射に対して、及び任意選択でまた、上記第２の周波数で上記第２の偏波を有する電磁放射に対して３つの位相状態を与えるために１．５ビット位相制御を実施するように構成される。
【００２６】
上記アンテナ素子は、第１の層及び第２の層を含む基板構造を含むことができ、上記パッチが上記第１の層内に設置され、上記第２の層が前記グランドである。
【００２７】
上記位相制御線の各々を、上記第１の層と上記第２の層とをリンクする導電性ビアを介して上記グランド層に好ましくは電気的につなげることができる。各々のビアが、城郭風の穴であってもよい。
【００２８】
有利なことに、上記第１の層及び上記第２の層が、誘電性基板により隔てられる。
【００２９】
上記アンテナ素子は、第３の層を含むことができ、上記ＤＣバイアス入力部が、上記グランド層への電気的接続なしに上記第１の層と上記第２の層とをリンクする導電性ビアを含む。上記ＤＣバイアス入力部が、上記第３の層のところでＤＣ分離素子に電気的につなげられてもよい。上記ＤＣ分離素子は、上記ＲＦ信号がＤＣ源に達することを止めるために任意の適切な形状であってもよく、上記第２の層のところに任意選択で設置されてもよい。
【００３０】
上記第２の層が、好ましくは上記第１の層と上記第３の層との間にある。
【００３１】
有利なことに、上記第２の層及び上記第３の層が、誘電性基板により隔てられる。
【００３２】
上記位相制御線の各々が、好ましくは、上記第１の層と上記第２の層とをリンクする導電性ビアを介して上記グランドに電気的につなげられる。このビアが、製造の容易さのために上記第３の層まで通過できる。各々のビアが、城郭風の穴であってもよい。
【００３３】
本発明のもう１つの態様によれば、本明細書において特定されそして開示されたような複数のアンテナ素子を含むリフレクトアレーが提供される。
【００３４】
好ましくは、各々のアンテナ素子に関して、上記アンテナ素子が、第１の層及び第２の層を含む基板構造を含み、上記パッチが、上記第１の層内に設置され、上記第２の層が、前記グランドであり、上記位相制御線の各々が、上記第１の層と第２の層とをリンクするビアを介してグランドに電気的につなげられる。
【００３５】
好ましい実施例では、隣接するアンテナ素子が、ビアを共有する。
【００３６】
上記リフレクトアレーは、上記アンテナ素子の各々の上記ＤＣバイアス入力部の上記電圧レベルを制御するように構成された制御システムを好ましくは含む。
【００３７】
有利なことに、上記アンテナ素子のうちの少なくともいくつかが、他とは異なる反射位相シフトを与えるように構成される。
【００３８】
実際には、位相制御が、上記ユニット・セルから反射された上記電磁（ＥＭ）放射に対して行われる。多数のユニット・セルが、供給源により照らされるリフレクトアレーを形成するために採用されることがある。上記供給源から発せられるＥＭ波が、ユニット・セル（アレー）を含む表面に入射する。この入射電場が、上記ユニット・セルにより反射される。ＥＭ場を反射する前に、各々のユニット・セルは、上記スイッチ状態に基づいてＥＭ場に制御された位相シフトを導入する。
【００３９】
本発明のもう１つの態様によれば、本明細書において特定されそして開示されたようなアンテナ素子を動作させる方法が提供され、第１の周波数で上記第１の偏波を有する電磁放射に対して、及び任意選択でまた、第２の周波数で上記第２の偏波を有する電磁放射に対して所望の反射位相制御を行うために上記ＤＣバイアス入力部へのＤＣバイアス信号を制御するステップを含む。
【００４０】
本発明のもう１つの態様によれば、本明細書において特定されそして開示されたようなリフレクトアレーを動作させる方法が提供され、上記第１の周波数で上記第１の偏波を有する電磁放射に対して、及び任意選択でまた、上記第２の周波数で上記第２の偏波を有する電磁放射に対して所望の反射位相制御を行うために上記リフレクトアレー・アンテナ素子の各々の上記ＤＣバイアス入力部へのＤＣバイアス信号を制御するステップを含む。
【００４１】
実施例では、パッチは、第１の偏波を有する電磁放射の偏波の方向である第１の偏波方向に垂直な第１の長さを有し、第１の位相制御線区間(line length)が第１の偏波方向に長さを有し、第２の位相制御線区間が第１の偏波方向に長さを有し、パッチの第１の長さ並びに第１の位相制御線区間及び第２の位相制御線区間の長さが、第１の偏波を有する電磁放射に対して所望の周波数を与えそして反射位相動作を行うように選択される。
【００４２】
いくつかの実施例では、パッチは、第２の偏波を有する電磁放射の偏波の方向である第２の偏波方向に垂直な第２の長さを有し、第３の位相制御線区間が第２の偏波方向に長さを有し、第４の位相制御線区間が第２の偏波方向に長さを有し、パッチの第２の長さ並びに第３の位相制御線区間及び第４の位相制御線区間の長さが、第２の偏波を有する電磁放射に対して所望の周波数を与えそして反射位相動作を行うように選択される。
【００４３】
いくつかの実施例では、第１の偏波方向は、第２の偏波方向に実質的に直交する及び／又は特許請求の範囲に詳述されたような第１の方向は、特許請求の範囲に詳述されたような第２の方向に実質的に直交する。
【００４４】
本発明のもう１つの態様によれば、１．５ビット位相量子化を行うように構成されたリフレクトアレー用のユニット・セルが提供される。
【００４５】
市場は、５Ｇの導入をともなう今後１０年間にわたり極めて多数の低コスト、低電力スマート・リフレクトアレーを必要とするだろう。従来のセルラ周波数でのサーバ・スペクトル・ストレージ不足で、ミリ波周波数帯は、かなり興味のあるものである。しかしながら、高利得ミリ波における再構成を実現するために、アンテナは、個々のアンテナ素子のとても小さな幾何学的構成のために著しい実装の難題を提起する。個々のアンテナの電気的サイズが非常に小さくなるミリ波帯において、アンテナ内に再構成機構を含めることは、リアル・エステート制約のために非常に大きな難題になる。
【００４６】
本発明の実施例は、次世代セルラ通信システム及び衛星通信システムのために必要とされるアンテナ・システムに対する可能性のある解として高利得ミリ波リフレクトアレー・スマート・アンテナを提供することが可能である。
【００４７】
本発明の実施例は、ミリ波リフレクトアレー・ユニット・セル用の低損失の暗示的に集積された１．５位相量子化ビット（すなわち、３状態位相シフタ動作）を提供することができる。
【００４８】
実施例は、電気的に再構成可能な１．５ビット位相量子化リフレクトアレー・アンテナ素子を提供する。
【００４９】
本明細書において開示されたリフレクトアレーは、ミリ波で高利得及び再構成を同時に実現するための可能性のある解である。
【００５０】
好ましい実施例は、３位相状態を与えるユニット・セルを用いてミリ波における実装を容易にするためにリフレクトアレー内での位相量子化を行う。シングル・ビット実装例と比較してリフレクトアレー・レベルで２．４ｄＢ高い利得を最後には与えるユニット・セル内の１．５ビット位相制御を実施する際に、改善を実現することができる。これゆえ、リフレクトアレーのより小さなアパーチャ・サイズを使用して、Ｋａｍｏｄａ等により実現されたと同じ利得を実現できる。
【００５１】
本明細書において開示した実施例は、デュアル周波数デュアル偏波機能を提供できる。
【００５２】
いくつかの実施例では、設計トポロジは、各々の偏波及び周波数に対して３つの動作状態を有するようにユニット・セルを準備する。単一のＤＣ線が、同時のデュアル偏波及びデュアル周波数動作のために４つのスイッチング・デバイスにバイアス印加するために使用されることがある。これは、電子工学的に指示されることが可能なリフレクトアレーを実現するためにセル当たり４つのＰＩＮダイオードを使用することができる。
【００５３】
いくつかの実施例は、直交偏波電場の大きさを制御するためにある技術を利用する。技術は、スマート・リフレクトアレーを目的とするミリ波再構成可能なユニット・セルの偏波純度を向上させる課題を扱う。ＤＣバイアスを印加することは、通常性能を劣化させる。この技術を用いて、高い偏波純度が、ＤＣバイアス線を採用することによりこの多状態再構成可能ユニット・セルの３つの状態すべてに実現されてきている。
【００５４】
本発明の実施例が、単に実例として、添付の図面を参照して下記に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施例によるリフレクトアレー・アンテナ素子の回路図である。
【図２】図１のリフレクトアレー・アンテナ素子の上面図である。
【図３】図１及び図２のリフレクトアレー・アンテナ素子の斜視図である。
【図４】図１から図３のリフレクトアレー・アンテナ素子の斜視図である。
【図５】図１から図４のリフレクトアレー・アンテナ素子の底面図である。
【図６】基板を除去した状態の図１から図５のリフレクトアレー・アンテナ素子の底面からの斜視図である。
【図７】パッチ及び基板を除去した状態の図１から図６のリフレクトアレー・アンテナ素子の上面図である。
【図８】垂直偏波を担当するユニット・セルの一部分だけが示された状態の図１から図７のリフレクトアレー・アンテナ素子の上面図である。
【図９】垂直偏波を担当するユニット・セルの一部分だけ、及び異なる状態のパッチに電気的に接続されるこれらの構成要素だけを示している図１から図８のリフレクトアレー・アンテナ素子の上面図である。
【図１０】垂直偏波を担当するユニット・セルの一部分だけ、及び異なる状態のパッチに電気的に接続されるこれらの構成要素だけを示している図１から図８のリフレクトアレー・アンテナ素子の上面図である。
【図１１】垂直偏波を担当するユニット・セルの一部分だけ、及び異なる状態のパッチに電気的に接続されるこれらの構成要素だけを示している図１から図８のリフレクトアレー・アンテナ素子の上面図である。
【図１２】Ｙ偏波された電場についての周波数に対する反射損失の大きさのグラフである。
【図１３】完全なユニット・セル上に入射するＹ偏波された電場を示す図である。
【図１４】得られた電流分布を示す図である。
【図１５】水平偏波を担当するユニット・セルの一部分だけが示された状態の図１から図１１のリフレクトアレー・アンテナ素子の上面図である。
【図１６】水平偏波を担当するユニット・セルの一部分だけ、及び異なる状態のパッチに電気的に接続されるこれらの構成要素だけを示している図１から図１１及び図１５のリフレクトアレー・アンテナ素子の上面図である。
【図１７】水平偏波を担当するユニット・セルの一部分だけ、及び異なる状態のパッチに電気的に接続されるこれらの構成要素だけを示している図１から図１１及び図１５のリフレクトアレー・アンテナ素子の上面図である。
【図１８】水平偏波を担当するユニット・セルの一部分だけ、及び異なる状態のパッチに電気的に接続されるこれらの構成要素だけを示している図１から図１１及び図１５のリフレクトアレー・アンテナ素子の上面図である。
【図１９】Ｘ偏波された電場についての周波数に対する反射損失の大きさのグラフである。
【図２０】完全なユニット・セル上に入射するＸ偏波された電場を示す図である。
【図２１】得られた電流分布を示す図である。
【図２２】周波数に対する反射し共偏波された電場及び直交偏波された電場の大きさのグラフである。
【図２３】様々な指向角で主ビームを指すように受動的に構成される位相量子化された非再構成可能なリフレクトアレー・デモンストレータを示す図である。
【図２４】様々な指向角で主ビームを指すように受動的に構成された位相量子化された非再構成可能なリフレクトアレー・デモンストレータを示す図である。
【図２５】本発明の実施例によるリフレクトアレー・アンテナ素子の回路図である。
【図２６】本発明の実施例を示す図である。
【図２７】本発明の実施例を示す図である。
【図２８】本発明の実施例を示す図である。
【図２９】本発明の実施例を示す図である。
【図３０】本発明の実施例を示す図である。
【図３１】本発明の実施例を示す図である。
【図３２】本発明の実施例によるリフレクトアレー・アンテナ素子の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００５６】
次世代ワイアレス通信システムは、前例のない極めて高いデータ伝送レートをサポートするように予想される。この目的は、現在ミリメートル波（ミリ波）スペクトル（３０〜３００ＧＨｚ）でのみ利用可能であるより広い帯域幅を必要とする。加えて、ミリ波は、周波数によるアンテナ物理的アパーチャ・スケーリングのために大気／宇宙（air/space）リンクのための優れた候補である。厳しい伝播障害のために、ミリ波は、それ自体の性能を維持するために高利得で広角のビーム・ステアリング・スマート・アンテナを必要とする見通し内通信リンクに主に依存する。反射鏡及びフェーズド・アレーを含む高利得アンテナ解は、著しい不利益を被り、そしてミリ波における最適解ではない。アレー・ビーム形成器内の複雑さ及び損失のために、ミリ波における高利得広角電子ビーム・ステアリング・アンテナ解は、鍵となる難題になる。
【００５７】
本明細書において開示した新事実は、位相量子化スマート・リフレクトアレーの形態でミリ波に対する潜在的に競合する高利得電子ビーム・ステアリング・アンテナ解を提供する。これは、フェーズド・アレー及びリフレクトアレーの有効な高性能ユニット・セルを空間的に照明するリフレクトアレー内の反射鏡アンテナの最高の特徴を保存することによって達成された。リフレクトアレーの有効な表面から反射された電磁場は、著しい高性能を実現するためにミリ波において直接的にユニット・セル内に暗示的な位相制御を組み入れることによって制御される。本明細書における開示に基づいて得られる解は、素早く、実施することが単純であり、多数のＲＦチェーンを必ずしも必要とせずに、広角電子ビーム・ステアリング（±７８°コーン）を可能にし、いかなる利得／周波数要求に対してもスケーリング可能であり、より小さな衛星プラットフォーム用に折り畳み可能に作られてもよく、非常に信頼性が高く、そして低いＤＣ電力しか消費しない。このスマート・リフレクトアレー・プラットフォームは、シングル／マルチ・ペンシル・ビーム、コンタード・ビーム、及びより広い角度にわたるそのスキャニングを含む放射パターン制御に関する任意の位相のみの合成技術を実施できる。この開示は、次世代地上／大気／宇宙通信システム及びレーダに可能性として役立つはずである。
【００５８】
ユニット・セル構造
下記に説明するものは、ミリ波、６０ＧＨｚ用に再構成可能なユニット・セルを用いるアンテナ素子である。しかしながら、下記に説明するように、他の実施例では、寸法を、他の波長及び周波数用に選択することができる。図から分かるように、本発明の実施例は、アースした基板１２上のミリ波ユニット・セル１０を提供する。この実施例では、アースした基板は、Ｒｏｇｅｒｓ  ５８８０であるが、他の基板、好ましくは低損失基板を他の実施例では使用することができる。
【００５９】
ユニット・セル１０は、電磁場を反射するためのパッチ１４を含む。パッチは、基板１２上の電導性層又はプレートである。この実施例では、パッチは銅であるが、他の金属材料又はさもなければ電導性材料を他の実施例では使用することができる。
【００６０】
パッチ１４の形状は、示したように正方形である。しかしながら、パッチ１４が必要とされる偏波の電磁場を反射することができる限り、パッチ１４をいずれかの任意の形状とすることができる。
【００６１】
この実施例では、アンテナ素子は、それぞれ、第１（ｙ）の偏波方向及び第２（ｘ）の偏波方向に偏波された第１の直線偏波及び／又は第２の直線偏波を有する電磁放射を用いて動作するように構成される。第１の偏波方向及び第２の偏波方向は、好ましくは実質的に直交する、とはいえこれは必要不可欠ではない。この実施例では、第１の偏波方向（ｙ）が垂直であり、そして第２の偏波方向（ｘ）が水平である。しかしながら、他の方向を他の実施例では使用することができる。衛星通信では主に、偏波は、直交である。同じことが地上用途についても当てはまる。
【００６２】
パッチ１４は、第１の偏波方向に垂直な第１の長さ６０及び第２の偏波方向に垂直な第２の長さ６２を有する（図９及び図１６参照）。
【００６３】
アンテナ素子は、それぞれの長さを有する第１の位相制御線１６、第２の位相制御線１８、第３の位相制御線２０及び第４の位相制御線２２を含み、またスタブとも呼ばれる。これらは、この実施例ではパッチ１４と同じ材料から作られる電導性スタブである、けれども位相制御線を他の実施例では異なる材料とすることができる。第１の位相制御線、第２の位相制御線、第３の位相制御線、及び第４の位相制御線は、それぞれ長さＬ１Ｙ、Ｌ２Ｙ、Ｌ１Ｘ、Ｌ２Ｘを有する。第１の位相制御線及び第２の位相制御線Ｌ１Ｙ、Ｌ２Ｙは、第１の偏波の電磁場を反射するように配列される。第３の位相制御線及び第４の位相制御線Ｌ１Ｘ、Ｌ２Ｘは、第２の偏波の電磁場を反射するように配列される。
【００６４】
位相制御線Ｌ１Ｙ〜Ｌ２Ｘの長さは、必要とされる位相シフトにより決定される。しかしながら、幅は、インピーダンス・マッチング必要条件により決定される。これはまた、インピーダンス周波数依存性を作る周波数の関数でもある。いくつかの実施例では、位相制御線の幅を、ＰＩＮダイオード・パッド幅の幅と同等にすることができる。ＰＩＮダイオード・パッドは、下記に論じられる。
【００６５】
この実施例では、第１の位相制御線及び第２の位相制御線Ｌ１Ｙ、Ｌ２Ｙの長さは、第１の偏波方向であり、そして第３の位相制御線区間及び第４の位相制御線区間のＬ１Ｘ、Ｌ２Ｘは、第２の偏波方向である。言い換えると、第１の位相制御線及び第２の位相制御線Ｌ１Ｙ、Ｌ２Ｙの長さは、第１の方向に平行であり、そして第３の位相制御線及び第４の位相制御線のＬ１Ｘ、Ｌ２Ｘの長さは、第２の方向に平行である。しかしながら、このことは、位相制御線が適切な偏波を有する電磁場を反射するように配列される場合、すべての実施例で必ずしも必要ではない。
【００６６】
この実施例では、第１の位相制御線及び第２の位相制御線Ｌ１Ｙ、Ｌ２Ｙが一直線に整列され、そして第３の位相制御線及び第４の位相制御線Ｌ１Ｘ、Ｌ２Ｘが一直線に整列される。しかしながら、下記により詳細に説明するように、一直線の整列は、すべての実施例で必ずしも必要ではない。
【００６７】
第１のパッチ長及び第２のパッチ長６０、６２並びに位相制御線Ｌ１Ｘ、Ｌ２Ｘ、Ｌ１Ｙ、Ｌ２Ｙの長さは、下記に説明するように所望の周波数及び反射位相ビヘイビアを与えるように選択される。
【００６８】
この実施例では、第１の偏波及び第２の偏波に対して同等の性能を与えるために、特に第１の偏波及び第２の偏波が同じ周波数ビヘイビアを示しそして同じ周波数で動作できるように、Ｌ１Ｘ＝Ｌ１Ｙ及びＬ２Ｘ＝Ｌ２Ｙである。
【００６９】
この実施例では、第１の位相制御線及び第２の位相制御線Ｌ１Ｙ、Ｌ２Ｙは、第１の偏波方向でパッチの反対側に設置される。
【００７０】
この実施例では、第３の位相制御線及び第４の位相制御線Ｌ１Ｘ、Ｌ２Ｘは、第２の偏波方向でパッチの反対側に設置される。
【００７１】
アンテナ素子は、第１の２値スイッチング・デバイス２４、第２の２値スイッチング・デバイス２６、第３の２値スイッチング・デバイス２８及び第４の２値スイッチング・デバイス３０、この実施例ではＰＩＮダイオードであり、また制御デバイスとも呼ばれる、を含み、これらは、この実施例では、ディジタルにバイアス印加することができる。ディジタル・バイアスを与えることにより、ＤＣバイアス印加回路を単純化する。ＰＩＮダイオードは、＋／−５Ｖ又は０Ｖを与えると、ＯＮ又はＯＦＦのいずれかである。ＰＩＮダイオードをＯＮ／ＯＦＦ方式で動作させると、温度変化に起因する変動の機会がほとんどない。本発明の実施例は、バラクタ・ダイオード又は位相変更機構の使用を制限する温度変化が顕著なことがあるケースに対して良く適している。
【００７２】
ＰＩＮダイオード２４〜３０の各々は、ダイオード方向を有し、この方向はダイオードが通常の電流に対して本来導電性であり得る方向である。したがって、ダイオード方向は、アノードからカソードへである。
【００７３】
第１のＰＩＮダイオード２４は、第１の位相制御線区間１６を介してパッチ１４をＲＦグランドに選択的に電気的につなげることができる。第１のＰＩＮダイオード２４は、パッチから第１の位相制御線１６（Ｌ１Ｙ）へのダイオード方向を有する。この実施例では、第１のＰＩＮダイオード２４が、パッチと第１の位相制御線区間１６（Ｌ１Ｙ）との間につなげられ、そして第１の位相制御線１６（Ｌ１Ｙ）が、第１のＰＩＮダイオード２４とＲＦグランドとの間につなげられる。第１のＰＩＮダイオード２４のアノードがパッチ１４に電気的に接続され、そして第１のＰＩＮダイオード２４のカソードが第１の位相制御線１６（Ｌ１Ｙ）に電気的に接続される。
【００７４】
第２のＰＩＮダイオード２６は、第２の位相制御線１８（Ｌ２Ｙ）を介してパッチをＲＦグランドに選択的に電気的につなげることができる。第２のＰＩＮダイオード２６は、第２の位相制御線１８（Ｌ２Ｙ）からパッチ１４へのダイオード方向を有する。この実施例では、第２のＰＩＮダイオード２６が、パッチと第２の位相制御線１８（Ｌ２Ｙ）との間につなげられ、そして第２の位相制御線１８（Ｌ２Ｙ）が、第２のＰＩＮダイオード２６とＲＦグランドとの間につなげられる。第２のＰＩＮダイオード２６のカソードがパッチ１４に電気的に接続され、そして第２のＰＩＮダイオード２６のアノードが第２の位相制御線１８（Ｌ２Ｙ）に電気的に接続される。
【００７５】
第３のＰＩＮダイオード２８は、第３の位相制御線２０（Ｌ１Ｘ）を介してパッチをＲＦグランドに選択的に電気的につなげることができる。第３のＰＩＮダイオード２８は、パッチから第３の位相制御線２０（Ｌ１Ｘ）へのダイオード方向を有する。この実施例では、第３のＰＩＮダイオード２８が、パッチと第３の位相制御線２０（Ｌ１Ｘ）との間につなげられ、そして第３の位相制御線２０（Ｌ１Ｘ）が、第３のＰＩＮダイオード２８とＲＦグランドとの間につなげられる。第３のＰＩＮダイオード２８のアノードがパッチ１４に電気的に接続され、そして第３のＰＩＮダイオード２８のカソードが第３の位相制御線２０（Ｌ１Ｘ）に電気的に接続される。
【００７６】
第４のＰＩＮダイオード３０は、第４の位相制御線２２（Ｌ２Ｘ）を介してパッチをＲＦグランドに選択的に電気的につなげることができる。第４のＰＩＮダイオード３０は、第４の位相制御線２２（Ｌ２Ｘ）からパッチ１４へのダイオード方向を有する。この実施例では、第４のＰＩＮダイオード３０が、パッチと第４の位相制御線２２（Ｌ２Ｘ）との間につなげられ、そして第４の位相制御線２２（Ｌ２Ｘ）が、第４のＰＩＮダイオード３０とＲＦグランドとの間につなげられる。第４のＰＩＮダイオード３０のカソードがパッチ１４に電気的に接続され、そして第４のＰＩＮダイオード３０のアノードが第４の位相制御線２２（Ｌ２Ｘ）に電気的に接続される。
【００７７】
図１では、パッチ１４とダイオード２４〜３０との間に位相制御線の小さなセクションが示されるように見える、しかしながら、これは、図の明瞭さのためだけである。それにもかかわらず、いくつかの実施例では、位相制御線を選択的に完結させそしてこれによりそれぞれの位相制御線を介してパッチ１４をＲＦグランドにつなげるように、ＰＩＮダイオードを位相制御線の内部に設置することができる。
【００７８】
この実施例では、各々の位相制御線１６、１８、２０、２２は、それぞれの位相制御線の端部のところでそれぞれのパッド３６、３８、４０、４２を介してＲＦグランドにつなげられ、その端部は、それぞれの位相制御線がそれぞれのＰＩＮダイオードにつなげられる端部とは反対である（図２参照）。言い換えると、各々の位相制御線の一方の端部がＰＩＮダイオードに接続され、そして他方の端部がパッドに接続される。
【００７９】
この実施例では、ＲＦグランドはまた、下記に説明されるだろうように、ＤＣグランドでもある。しかしながら、ＲＦグランドは、すべての実施例において必ずしもＤＣグランドである必要はない。ＲＦグランドがＤＣグランドである場合、すべてのスイッチング・デバイスに対して共通の（単一の）グランド端子を使用することが可能であるので楽になる。
【００８０】
アンテナ素子１０は、パッチ１４に電気的につなげられたＤＣバイアス入力部３２を含み、その結果ＤＣバイアス入力部３２に印加された電圧レベルの変動が第１の偏波及び／又は第２の偏波を有する電磁放射に関する１．５ビット反射位相制御を行うために第１のＰＩＮダイオード、第２のＰＩＮダイオード、第３のＰＩＮダイオード及び第４のＰＩＮダイオードのバイアスを変化させることができる。
【００８１】
この実施例では、ＤＣバイアス入力部３２は、ミリ波での実装を容易にできる単一のＤＣバイアス線である。
【００８２】
ＤＣバイアス入力部３２は、それぞれ第１の電圧レベル、第２の電圧レベル及び第３の電圧レベル、Ｖ１、Ｖ２及びＶ３、で動作可能である。このケースでは、Ｖ１＝０Ｖ、Ｖ２＝５Ｖ、及びＶ３＝−５Ｖであるが、電圧レベルが適切にスイッチング・デバイス２４〜３０をスイッチすることができる場合、他の電圧レベルを他の実施例では使用することができる。１つの実施例では、ＭＡＣＯＭ（ＴＭ）ＰＩＮダイオードを使用して電力消費を減少させるために、Ｖ１＝０Ｖ、Ｖ２＝１．５Ｖ、及びＶ３＝−１．５Ｖである。より低い接合電圧を用いるダイオードを選択することによって電力消費をさらに減少させることができる。例えば、ＭＡＣＯＭ  ＭＡ４ＡＧＢＬＰ９１２  ＡｌＧａＡｓビーム・リードＰＩＮダイオードを使用することができる、及び／又はＭＡ４ＧＰ９０５  ＧａＡｓビーム・リードＰＩＮダイオードを使用することができる。
【００８３】
動作のバイアスが、本明細書に添付されている、ＧＨＵＬＡＭ  ＡＨＭＡＤ、ＴＩＭ  Ｗ．Ｃ．  ＢＲＯＷＮ、ＣＲＡＩＧ  Ｉ．  ＵＮＤＥＲＷＯＯＤ及びＴＩＡＮ  ＨＯＮＧ  ＬＯＨによる「Ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ  Ｇｒｅｅｎ  Ｑｕａｎｔｉｓｅｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｍａｒｔ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ｕｓｉｎｇ  ＰＩＮ  Ｄｉｏｄｅ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ」に記載されている。
【００８４】
第１のＰＩＮダイオード２４は、第１の電圧レベル及び第３の電圧レベルに呼応して実質的に非導電性であり、そして第２の電圧レベルに呼応して導電性であるように構成される。第２のＰＩＮダイオード２６は、第１の電圧レベル及び第２の電圧レベルに呼応して実質的に非導電性であり、そして第３の電圧レベルに呼応して導電性であるように構成される。第３のＰＩＮダイオード２８は、第１の電圧レベル及び第３の電圧レベルに呼応して実質的に非導電性であり、そして第２の電圧レベルに呼応して導電性であるように構成される。第４のＰＩＮダイオード３０は、第１の電圧レベル及び第２の電圧レベルに呼応して実質的に非導電性であり、そして第３の電圧レベルに呼応して導電性であるように構成される。
【００８５】
上に説明したように、位相制御線１６〜２２は、それ自体のそれぞれのＰＩＮダイオード２４〜３０とＲＦグランドとの間に電気的につなげられる。したがって、第１の電圧レベル、第２の電圧レベル、及び第３の電圧レベルは、上に論じたスイッチングを行うために適切な接合電圧に打ち勝つために十分であることが必要である。
【００８６】
上記の結果として、第１の偏波及び第２の偏波の各々に対して、ＤＣバイアス入力電圧レベルの適切な選択によって、アンテナ素子１０を、３つの反射位相状態のうちの１つに設定することができる。
【００８７】
下記の等式は、リフレクトアレーの位相をどのように量子化するかを述べる際に役立つことがある。等式の根拠は、本明細書に添付されている、Ｇｈｕｌａｍ  Ａｈｍａｄ、Ｔｉｍ  ＷＣ  Ｂｒｏｗｎ、Ｃｒａｉｇ  Ｉ  Ｕｎｄｅｒｗｏｏｄ及びＴｉａｎ  Ｈｏｎｇ  Ｌｏｈによる「Ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ  Ｇｒｅｅｎ  Ｓｍａｒｔ  Ｑｕａｎｔｉｓｅｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｓｍａｒｔ  Ａｎｔｅｎｎａｓ  ｕｓｉｎｇ  ＰＩＮ  Ｄｉｏｄｅ  Ｓｗｉｔｃｈｅｓ」に記載されている。これはほんの１つの可能性に過ぎず、多くの他の可能な組合せがある。
【数１】
2021530164.tif 000003
ここでは、
ΔΦＱはアンテナ素子により導入される離散量子化位相シフトであり、
ΔΦＣはその特定の素子からの所望の連続位相であり、そして
％はモジュロ（剰余）演算子を表す。
【００８８】
ＤＣ電圧レベルのうちのいずれかがユニット・セル１０に印加されると、ＤＣ電圧がユニット・セルの両方の偏波構造に同時に印加される。これゆえ、各々の偏波に対して、ユニット・セルは３つの位相状態を有する。１つの偏波の位相状態は、この実施例におけるように他の偏波の位相状態と同一であってもよいが、他の実施例では、位相状態は設計に基づいて全く異なることがある。それにもかかわらず動作は、同じ原理に留まるはずである。
【００８９】
さらにその上、両方の偏波ビームは、同じ角度（カバレッジ領域）に向くことができ、これは通常、同じ周波数又は異なる周波数で動作しながら、一方のビームが送信用あり、他方が受信用である衛星動作におけるケースである。
【００９０】
この実施例では、ＤＣバイアス入力部３２を、直交偏波を減少させるためユニット・セル構造の全体にわたって電流分布についてユニット・セルを電気的にバランスさせるために、第１の偏波方向にΔｙだけそして第２の偏波方向にΔｘだけパッチ１４の中心からオフセットさせる。共偏波遠方電場及び直交偏波遠方電場は、アンテナの表面電流分布に関係する。表面電流を制御することによって、遠方電場を制御することが可能である。
【００９１】
言い換えると、ＤＣバイアス線３２をある大きさだけ中心からオフセットさせると、これは、直交偏波に呼応するモードの励起を減少させることによってアンテナ遠方電場内の直交偏波された電場を減少させる電流分布をもたらす。
【００９２】
オフセットの大きさは、位相制御線区間の線１６〜２２及びダイオード・パラメータにより決定され、そして当業者により決定されてもよい。
【００９３】
この実施例では、アンテナ素子１０は、３層基板構造である。これを、図３で最も明瞭に見ることができる。
【００９４】
アンテナ素子１０は、第２の基板３４を含み、これは第１の基板１２と同じであっても異なってもよい。この実施例では、第２の基板はボンド−ポリ（ＲＯ２９２９）層である。第２の基板３４を、いくつかの他の実施例ではまた、ユニット・セルに剛性を与えるために並びに下記に論じるように第３の層上に分離スタブをプリントするために使用することができる。第２の基板３２は、基板１２よりも厚くてもよい。
【００９５】
３層は、第１の基板の第１の側上の第１の層又は最上層、第１の基板の第２の側又は底部側上で、第１の基板と第２の基板との間に実効的に挟まれそして第２の基板の第１の側に隣接する第２の層、及び第２の基板の第２の側上の第３の層又は底部層を含む。第１の基板を、両面ＰＣＢと考えることができる。
【００９６】
パッチ１４、ＰＩＮダイオード２４〜３０、位相制御線１６〜２２、及びパッド３６、３８、４０、４２は、ユニット・セル１０を形成し、そして第１の層のところに設けられる。このようにして、アンテナ素子は、単一のＤＣバイアス線を使用するアンテナ素子の第１の層又はＲＦ平面で直接的に、第１の偏波を有する電磁放射に対して、及び／又は第２の偏波を有する電磁放射に対して１．５ビット位相制御を実施するように構成される。
【００９７】
第２の層又は中間層は、この実施例では安定な電圧レベルを与えるグランド層３５であり、そしてこの実施例では第１の基板の第２の側上に設けられそしてこの実例では０Ｖであるグランド電位に接続された銅の層である。他の実施例では、他の導電性材料をグランド層用に使用することができる。
【００９８】
上に論じたように、各々の位相制御線１６、１８、２０、２２は、それぞれのＰＩＮダイオードにつなげられる端部とは反対であるそれぞれの位相制御線の端部のところにそれぞれのパッド３６、３８、４０、４２を有する。言い換えると、各々の位相制御線の一方の端部が、ＰＩＮダイオードに接続され、そして他方の端部がパッドに接続される。この実施例では、各々のパッドは、電導性であり、そしてそれぞれのスルー・ホール・ビア４４、４６、４８、５０を介してグランド層への電気的接続を与え、スルー・ホール・ビアは、第１の基板を貫通し、そして第１の層と第２の層とをリンクする。ビア・ホール４４、４６、４８、５０は、例えば、メッキされたスルー・ホールであることによりそれぞれのパッドをグランド層３５に電気的に接続する。
【００９９】
この実施例では、すべての実施例で必ずしも必要ないとはいえ、ビア・ホール４４、４６、４８、５０はまた、第２の基板を貫通し、これにより第１の層、第２の層、及び第３の層をリンクする。ビア・ホール４４、４６、４８、５０は、第３の層内のそれぞれのパッドに各々電気的につなげられ、これにより第３の層のところでグランドへの電気的な接続を与える。このことは、製造することが困難であり、同様に高価であり信頼性に欠けるブラインド・ビアを設けることを回避するという利点を提供する。第１の基板及び第２の基板の両方を貫通することにより、製造は信頼性がある。ビアはまた、グランドが第３の層又は底部層上で利用可能であることを意味する。第３の層又は底部層上でのグランドの利用可能性は、ＤＣリターン・パスを容易にする。同様に、ビアが第３の層又は底部層のところで終端することは、後の段階での製造欠陥発見を可能にする。
【０１００】
この実施例では、ビア４４、４６、４８、５０は、城郭風の穴である。これらのビアを、隣り合う類似のユニット・セル同士の間で共有することができ、これゆえ、半分の部分（及び半分のパッド）だけが図に示される。ビアは、リフレクトアレー内に設置されると隣り合うユニット・セルから残り半分を得るだろう。これは、最終的なリフレクトアレー内でグレーティングのない主ローブ・スキャニングを実現するためユニット・セル間距離を減少させるために行われる。このようにして、全体でより少ないホールしか必要としない。加えて、改善されたユニット・セル間間隔のために、広角スキャニングが可能である。
【０１０１】
ＤＣバイアス入力部は、グランド層への電気的接続なしに第１の層と第３の層とをリンクするＤＣビア５２（図６）を含む。ＤＣビア５２は、第１の基板及び第２の基板並びにグランド層を貫通し、そして、例えば、メッキしたスルー・ホールであることにより、パッチ１４を第３の層内のＤＣバイアス・パッド５４に電気的に接続する。グランド層は、ＤＣビア５２から電気的に絶縁され、ここでは、この実施例では、ＤＣビア５２の周りに間隔を設ける穴５６を有することによって、グランド層へのＤＣビア５２の電気的接続を避けるために、ＤＣビアはグランド層を貫通する。他の実施例では、電気的絶縁性材料を、ＤＣビア５２とグランド層との間に配置することができる。
【０１０２】
図５及び図６に見られるように、ＤＣバイアス入力部は、ＤＣをＲＦ信号から分離するために第３の層のところでＤＣ分離素子５８に電気的につなげられる。この実施例では、ＤＣ分離素子は、ＤＣバイアス・パッド５４から横方向に延びるＤＣ分離スタブ５８である。見られるように、ＤＣ分離スタブ５８は、細長くそしてＤＣバイアス・パッド５４から２つの正反対の方向に延びるが、他の配置が他の実施例では可能である。
【０１０３】
この実施例では、パッドは、すべて銅である。しかしながら、他の電導性材料を、他の実施例では使用することができる。
【０１０４】
上の説明では、複数の素子が電気的に接続される又はつなげられるように記述され、そして他の構成要素がこれらの間につなげられないように記述される場合には、複数の素子は、好ましくは直接接続される又はこれらの間に重要な電気的構成要素なしに接続される。
【０１０５】
アンテナ素子の動作が、下記に説明される。
【０１０６】
動作：垂直偏波
図８には、垂直偏波を担当するユニット・セルの一部分だけが示される。構造の残りは、明確さのために示されない。同様に、ＯＦＦ状態ＰＩＮダイオードに関して、等価ＯＦＦ状態回路は、単純化のためにパッチに接続して示されないが、実際には存在することになる。
【０１０７】
垂直偏波を用いると、ユニット・セルは、３つの状態を有する。これらの状態は、ＤＣバイアス電圧により選択される。所与の時刻において、（所与の３つの電圧レベルの中からの）ＤＣ電圧レベルのうちの１つがユニット・セルに印加されるだろう、そして対応する状態が選択されるはずである。
【０１０８】
この記述した実施例では、ＤＣバイアス電圧は、下記のように構成される：
【表１】
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【０１０９】
垂直偏波：状態１
図９に示したように、ＤＣバイアス入力部が第１の電圧レベルであるときには、このケースではＤＣ＝０Ｖであり、第１のダイオード及び第２のダイオード２４及び２６の両方は、起動されない（ダイオードのゼロ・バイアス、これらはＯＦＦ状態である）。結果として、パッチ１４は、（電気的な感覚で）これらのダイオードのないそれ自体のままで残される。上に述べたように、ＯＦＦ状態等価回路は、ここには示されない／含まれないが、等価回路は実際には存在するだろう。
【０１１０】
動作の周波数は、第１の長さ６０により決められる。これを、Ｙ偏波における周波数１：ＦＲＥＱ１Ｙと呼ぶことができる。
【０１１１】
この周波数に対応して、設計周波数Ｆ１で観測したときに、ユニット・セルからの反射位相：ＰＨＡＳＥ１Ｙがある。
【０１１２】
これゆえ、ＤＣ＝０Ｖ、→ＦＲＥＱ１Ｙ→ＰＨＡＳＥ１Ｙ：Ｙ偏波ではこれを状態１と呼ぶ→ＳＴＡＴＥ１Ｙ。
【０１１３】
垂直偏波：状態２
図１０に示したように、ＤＣバイアス入力部が第２の電圧レベルであるときには、このケースではＤＣ＝５Ｖ又は１．５Ｖであり、第１のダイオード２４は順バイアスされそして第２のダイオード２６は逆バイアスされる。第１のダイオード２４は、閉（ＯＮ）スイッチとして働き、そして第１のスタブ１６をパッチ１４と電気的に接続する。第２のダイオード２６は、パッチ１４から第２の位相制御線区間を電気的に切り離す。
【０１１４】
結果として、動作の新たな周波数を有する新たな構造がある。
【０１１５】
これは、Ｙ偏波における周波数２：ＦＲＥＱ２Ｙと呼ばれる。
【０１１６】
この周波数に対応して、ユニット・セルからの反射位相：ＰＨＡＳＥ２Ｙがある。
【０１１７】
これゆえ、ＤＣ＝５Ｖ、→ＦＲＥＱ２Ｙ→ＰＨＡＳＥ２Ｙ：Ｙ偏波ではこれを状態２と呼ぶ→ＳＴＡＴＥ２Ｙ。
【０１１８】
垂直偏波：状態３
図１１に示したように、ＤＣバイアス入力部が第３の電圧レベルであるときには、このケースでは、ＤＣ＝−５Ｖ又は−１．５Ｖであるときには、第２のダイオード２６は順バイアスされそして第１のダイオード２４は逆バイアスされる。第２のダイオード２６は、閉（ＯＮ）スイッチとして働き、そして第２のスタブ１８をパッチ１４と電気的に接続する。第１のダイオード２４は、パッチ１４から第１のスタブを電気的に切り離す。
【０１１９】
結果として、それ自体の設計のために前の２つのケースとは異なる新たな構造が再びある。結果として、この第３の構造は、動作の新たな周波数を有する。
【０１２０】
これは、Ｙ偏波における周波数３：ＦＲＥＱ３Ｙと呼ばれる。
【０１２１】
この周波数に対応して、ユニット・セルからの反射位相：ＰＨＡＳＥ３Ｙがある。
【０１２２】
これゆえ、ＤＣ＝−５Ｖ、→ＦＲＥＱ３Ｙ→ＰＨＡＳＥ３Ｙ：Ｙ偏波ではこれを状態３と呼ぶ→ＳＴＡＴＥ３Ｙ。
【０１２３】
パッチ１４並びにスタブ長Ｌ１Ｙ及びＬ２Ｙが適切に巧みに設計されると、上に論じたように、Ｙ偏波に関して０から３６０°の範囲内で任意の３つの位相を発生することが可能である。第１のパッチ長６０が決められると、第１のパッチ長はＹ偏波における動作の周波数を決定する。これはまた、位相状態のうちの１つを固定させる。他の２つの位相状態は、この固定した状態に対する所望の位相差を得るためにこの周りで巧みに設計される。ユニット・セル設計は、それ自体の位相状態のうちの２つでＤＣ電力を消費するに過ぎず、一方で１つの状態は、ＤＣ電力を消費せずそしてＤＣ電力を節約する。
【０１２４】
図１２では、３つの異なる共振周波数を、ダイオードのスイッチングを通して可能になる３つの構造から発生することができる。反射損失は、異なる状態のユニット・セルから反射して戻るときの電磁場強度の損失を指す。グラフに示された損失は、ユニット・セル内の損失を表し、そしてこの技術におけるデバイスと比較して最適である。
【０１２５】
図１３では、完全なユニット・セル上に入射するＹ偏波した電場が矢印により示される。このユニット・セルは、図に示したように製造された、そして２つのパッドが円形であることの代わりに正方形／長方形であることで上に開示したユニット・セルとはわずかに異なる。パッドは、別の実施例では様々な形状を有することがある。しかしながら、図１３は、まったく同じである動作を示す。矢印の色は、中心で最大であるこの電場の強度を表す。
【０１２６】
図１４は、ユニット・セルの表面上の得られた電流分布を示す。赤は最大を表し、青は最小を表す。この電流分布は、ＳＴＡＴＥ３Ｙのうちの１つである。他の２つの状態は、それら自体の、類似の分布を有するはずである。
【０１２７】
図１３及び図１４は、Ｘ偏波した部分とともに完全なユニット・セルもまた示す。しかしながら、図１４の電流分布は、主な寄与がＹ偏波のためのユニット・セルのＹ部分によるものであることを表す。
【０１２８】
動作：水平偏波
図１５には、水平偏波を担当するユニット・セルの一部分だけが示される。構造の残りは、明確さの目的で示されない。
【０１２９】
水平偏波を用いると、ユニット・セルは、３つの状態を有する。これらの状態は、ＤＣバイアス電圧によって選択される。所与の時刻において、（所与の３つの電圧レベルの中から）ＤＣ電圧レベルのうちの１つが、ユニット・セルに印加されるだろう、そして対応する状態が発生されるはずである。
【０１３０】
水平偏波：状態１
図１６に示したように、ＤＣバイアス入力部が第１の電圧レベルであるときには、このケースではＤＣ＝０Ｖでり、第３のダイオード及び第４のダイオード２８及び３０の両方は、起動されない（ダイオードのゼロ・バイアス、これらはＯＦＦ状態である）。結果として、パッチ１４は、（電気的な感覚で）これらのダイオードのないそれ自体のままで残される。上に述べたように、ＯＦＦ状態等価回路は、明瞭さのためにここに示されないが、等価回路は実際には存在するだろう。
【０１３１】
動作の周波数は、第２の長さ６２によって決められる。これを、Ｘ偏波における周波数１：ＦＲＥＱ１Ｘと呼ぶことができる。
【０１３２】
この周波数に対応して、この偏波に関する設計周波数で観測したときに、ユニット・セルからの反射位相がある：我々はこれをＰＨＡＳＥ１Ｘと呼ぶ。
【０１３３】
これゆえ、ＤＣ＝０Ｖ、→ＦＲＥＱ１Ｘ→ＰＨＡＳＥ１Ｘ：Ｘ偏波ではこれを状態１と呼ぶ→ＳＴＡＴＥ１Ｘ。
【０１３４】
垂直偏波：状態２
図１７に示したように、ＤＣバイアス入力部が第２の電圧レベルであるときには、このケースでは、ＤＣ＝５Ｖ又は１．５Ｖであり、第３のダイオード２８は順バイアスされそして第４のダイオード３０は逆バイアスされる。第３のダイオード２８は、閉（ＯＮ）スイッチとして働き、そして第３のスタブ２０をパッチ１４と接続する。第４のダイオード３０は、パッチ１４から第４のスタブを電気的に切り離す。
【０１３５】
結果として、動作の新たな周波数を有する新たな構造がある。
【０１３６】
これは、Ｘ偏波における周波数２：ＦＲＥＱ２Ｘと呼ばれる。
【０１３７】
この周波数に対応して、ユニット・セルからの反射位相：ＰＨＡＳＥ２Ｘがある。
【０１３８】
これゆえ、ＤＣ＝５Ｖ、→ＦＲＥＱ２Ｘ→ＰＨＡＳＥ２Ｘ：Ｘ偏波ではこれを状態２と呼ぶ→ＳＴＡＴＥ２Ｘ。
【０１３９】
垂直偏波：状態３
図１８に示したように、ＤＣバイアス入力部が第３の電圧レベルであるときには、このケースではＤＣ＝−５Ｖ又は−１．５Ｖであり、第４のダイオード３０は順バイアスされそして第３のダイオード２８は逆バイアスされる。第４のダイオード３０は、閉（ＯＮ）スイッチとして働き、そして第４のスタブ２２をパッチ１４と接続する。第３のダイオード２８は、パッチ１４から第３のスタブを電気的に切り離す。
【０１４０】
結果として、それ自体の設計のために前の２つのケースとは異なる新たな構造が再びある。結果として、この第３の構造は、動作の新たな周波数を有する。
【０１４１】
これは、Ｘ偏波における周波数３：ＦＲＥＱ３Ｘと呼ばれる。
【０１４２】
この周波数に対応して、ユニット・セルからの反射位相：ＰＨＡＳＥ３Ｘがある。
【０１４３】
これゆえ、ＤＣ＝−５Ｖ、→ＦＲＥＱ３Ｘ→ＰＨＡＳＥ３Ｘ：Ｘ偏波ではこれを状態３と呼ぶ→ＳＴＡＴＥ３Ｘ。
【０１４４】
パッチ１４並びにスタブ長Ｌ１Ｘ及びＬ２Ｘが適切に巧みに設計されると、上に論じたように、設計周波数のところでＸ偏波に関して０から３６０°の範囲内で任意の３つの位相を発生することが可能である。第２のパッチ長６２が決められると、第２のパッチ長はＸ偏波における動作の周波数を決定する。これはまた、１つの位相状態を固定させる。その時には他の２つの位相状態は、この固定した状態に対する所望の位相差を得るためにこの周りで巧みに設計される。
【０１４５】
図１９では、ダイオードのスイッチングを通して可能にさせる３つの構造に起因して、３つの異なる共振周波数があることが見られる。反射損失は、その異なる状態のユニット・セルから反射して戻るときのＥＭ場強度の損失を指す。示された損失は、ユニット・セル内の損失を表し、そしてこの技術と比較して最適である。
【０１４６】
図２０では、完全なユニット・セル上に入射するＸ偏波した電場が矢印により示される。この図に示したこのユニット・セルは、図１３に関連して上に開示したユニット・セルとはわずかに異なる、しかしながら、動作はまったく同じである。矢印は、中心で最大であるこの電場の強度を表す。
【０１４７】
図２１は、ユニット・セルの表面上の得られた電流分布を示す。赤は最大を表し、青は最小を表す。この電流分布は、ＳＴＡＴＥ３Ｘのうちの１つである。他の２つの状態は、それら自体の、類似の分布を有するはずである。
【０１４８】
図２０及び図２１は、さらにＹ偏波した部分とともに完全なユニット・セルを示す。しかしながら、図２１の電流分布は、主な寄与がＸ偏波のためのユニット・セルのＸ部分にあることを表す。
【０１４９】
ΔＹ及びΔＸ変数の関数
直交偏波ビヘイビア／ユニット・セルの偏波純度
物理的な構造が異なるダイオードのスイッチングにより変えられると、偏波純度は、特定の偏波に対して失われる。これゆえ、ユニット・セルは、本明細書ではΔＹ及びΔＸと呼ばれる２つの変数の形態で良い偏波純度を実現するための機構を含む。その機構は、上に開示したように中心からＤＣバイアス・ビアをオフセットさせることにより構造の表面電流分布を制御する。中心からどれだけオフセットさせるかは、必要とされる位相状態に従うべきであり、そして当業者により決定されてもよい。最適化の後で、図２２に示したような結果が、上に述べた状態に対して実現された。
【０１５０】
「共偏波（Ｃｏ  Ｐｏｌ）」は、所望の偏波を有する電場の反射を表す。直交偏波（Ｃｒｏｓｓ  Ｐｏｌ）は、望まれない偏波の電場の反射であり、これは所望の偏波に直交する。例えば、入射電場がＸ偏波される場合には、この設計では、Ｘ偏波（同じ偏波）される反射電場を予期できる。しかしながら、多数の状態のために、これは完全には可能でない。これゆえ、直交する偏波（この実例ではＹ偏波）のある大きさが、入射Ｘ偏波に関して反射されるはずである。ＤＣバイアス点をオフセットさせることにより、直交偏波された電場を発生する望まれないモードを抑制できる。これらのモードの抑制は、ＤＣバイアス点をオフセットさせることを通してこの発明の実施例で実現されてきているユニット・セルの偏波純度を向上させる。
【０１５１】
偏波純度をさらに向上させるために、提案したユニット・セルはまた、この分野で知られておりそして４つの象限のグローバル鏡面対称又は減らした数の素子（最小４つ）を通したローカル鏡面対称などの文献の共通一般常識により記述された直交偏波技術を使用するリフレクトアレー内に実装されるように互換性がある。各々のユニット・セルの向きは、この機能を可能にする。このことが、さらに特定の用途に対してでさえ直交偏波を減少させることに適応することが可能である。
【０１５２】
説明したように複数のリフレクトアレー・アンテナ素子を使用して、リフレクトアレーを提供することができる。好ましい実施例では、複数のアンテナ素子が互いに隣接して配置され、その結果、隣接するアンテナ素子の城郭風のビア・ホールが互いに隣接して、隣接するアンテナ素子が上に開示したようにビア・ホールを共有することを可能にする。
【０１５３】
リフレクトアレー内のリフレクトアレー・アンテナ素子の各々を、異なる反射位相状態、そしてこれゆえ異なる位相シフトを与えるように構成することができる。与えられた位相シフトを、リフレクトアレー内部の素子の場所及びリフレクトアレー・アンテナの主ビーム放射方向に基づいて選択することができる。
【０１５４】
リフレクトアレーは、アンテナ素子の各々のＤＣバイアス入力部の電圧レベルを制御するように構成された制御システムを含むことができる。いくつかの実施例では、制御システムは、単一のペンシル・ビーム、多数のペンシル・ビーム、コンタード・ビーム、及びスキャニング・ビームのうちの１つ又は複数及び任意選択ですべてを与えるようにリフレクトアレーを制御することができる。いくつかの実施例では、リフレクトアレーは、位相合成に基づいてサイドローブ制御技術を実施するためのプラットフォームを提供することができる。いくつかの実施例では、リフレクトアレーは、単一中央供給（ｃｅｎｔｒｅ  ｆｅｄ）若しくはオフセット供給ケース、デュアル・カセグレイン若しくはグレゴリアン、又はリング・フォーカス・アンテナを含め多数アンテナ構成に適している。いくつかの実施例では、リフレクトアレーは、連続ビーム・スキャン又はスイッチト・ビーム、適応型ビーム成形又はスイッチト・ビームフォーミングができる。
【０１５５】
利点は、ミリ波での設計内のデバイスの数が増加すると、複雑性が非常に高くなることを含む。これは、デバイスを含むための物理的空間の減少、デバイスのＤＣバイアス印加、及び必要なＲＦ性能を含む。本発明の実施例は、アンテナが小型になることを可能にし、そしてアンテナ・アレーの比較的小さな物理的アパーチャを使用して所望の性能基準を満足できる。
【０１５６】
本発明の実施例の特徴及び利点は、下記を含む：
・  第１の偏波及び第２の偏波の両者に関する状態１、２、３を、単一のパッチ上で個別に制御することができる
・  単一のＤＣ線を依然として維持しながら、偏波当たり２つのダイオード（デュアル偏波に関して合計で４つのダイオード）を使用する１．５ビット実装例（３つの位相状態）
・  供給源及びスマート反射表面から構成されるリフレクトアレー
・  上に詳細に説明したようなユニット・セルから構成されるスマート反射表面
・  各々のユニット・セルが１．５ビット反射位相制御を実施するために３つの位相状態を与える
・  好ましい設計において使用されるホール共有トポロジを用いて、少ない数のビア・ホールが必要である
・  ただ１つのＤＣバイアス線が、各々のユニット・セルにおいて２つの同一周波数又は異なる周波数で２つの直交直線偏波を制御するために使用される
・  単一のＤＣバイアス線がユニット・セル内の偏波純度を向上させるために利用される
・  ２つの直交して偏波されたアンテナ・ビームを同時に制御する
・  両方の直交して偏波されたアンテナ・ビームが同じ周波数又は異なる周波数を有することがある
・  ユニット・セル内の低損失のために低損失スマート反射表面
・  任意のサイズのリフレクトアレーへ拡張できる設計
・  アンテナの直接ＲＦ平面のところに陰の位相シフタの実装
・  ビームフォーミングのために通常必要とされる別々の位相シフタを削除する
・  非常に高い利得のために大きな設計に好都合である低い複雑性
・  簡単な制御実装例
・  広角ビーム・スキャニング：任意のファイ（０から３６０度）においてシータで＋／−７８度
・  不連続／量子化反射位相制御
・  性能が、連続位相制御システムに比較してほんの１．６ｄＢの低下に過ぎない
・  ＲＦレベルでのＤＣバイアス印加の複雑性が単一ビット実装例に比較して増加しない
・  単一のペンシル・ビーム、多数のペンシル・ビーム、コンタード・ビーム、及びそのスキャニング・ビームを含む放射パターン制御用の任意の位相合成技術を実装するためのプラットフォームを提供する
・  位相合成に基づきサイドローブ制御技術を実装するためのプラットフォーム
・  単一中央供給ケース若しくはオフセット供給ケース、デュアル・カセグレイン若しくはグレゴリアン、又はリング・フォーカス・アンテナを含め多数アンテナ構成のために適している
・  プレーナ・プロファイル／低プロファイル、及び共形に作られることがある
・  非常に高い利得及び広角ビーム・スキャニング能力を同時に可能にする
・  連続ビーム・スキャン又はスイッチト・ビーム＝適応ビーム成形又はスイッチト・ビームフォーミングができる
・  高利得、広角スキャニング・スマート・アンテナを用いる低ＤＣ電力消費解
・  ミリ波ビームフォーミングへの代替物：ビーム成形器により達成されると同じ仕事を行うが、実装例は完全に異なる
・  ５Ｇバックホール、衛星間リンク、５Ｇ受信及び送信アンテナ、軍用アンテナ、宇宙アプリケーション、自動車レーダ、高データ・レート・ワイアレス通信システム（屋外セルラ・システム）、撮像システム、擬似光学パワー合成器、等における可能なアプリケーション
・  ＰＩＮダイオードを与えられる任意の周波数範囲へとスケーリングすることが可能な設計がその周波数で利用可能である
・  非常に信頼性のあるＰＩＮダイオードによる信頼性のある設計
・  低ＲＦ損失
・  低電力
・  軽量
・  高データ転送レート
・  低コスト
・  未来型の（まだ定義されていないような）アプリケーションを可能にする
【０１５７】
さらなる詳細、説明、及び選択肢を、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ／ｓｃｉｅｎｃｅ／ａｒｔｉｃｌｅ／ｐｉｉ／Ｓ００９４５７６５１８３０８６２２において入手可能なＡｈｍａｄ等による「Ａｎ  ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｉｌｌｉｍｅｔｒｅ  ｗａｖｅ  ｒｅｆｌｅｃｔａｒｒａｙｓ  ｆｏｒ  ｓｍａｌｌ  ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  ｐｌａｔｆｏｒｍｓ」、Ａｃｔａ  Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａ、１５１巻、２０１８年１０月、ページ４７５〜４８６を参照することにより見出すことができ、その開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれている。
【０１５８】
変更例
上に説明した実施例では、±５Ｖ及び０Ｖが使用されるが、有利な実施例は、高い電流又は電圧で動作するダイオードと比較して低い電力消費を実現するために５ｍＡ電流及び／又は＋、−１．５Ｖ  ＤＣで動作するＰＩＮダイオードを使用することができる。ダイオードが低い接合電圧値で選択される場合には、電力消費をさらに減少させることができる。１つの実例では、接合電圧値は、１．３５Ｖ付近であってもよいが、０．８Ｖまで低くてもよい。
【０１５９】
上に説明した実施例では、ＰＩＮダイオードは、パッチとそれぞれの位相制御線区間との間につなげられるが、いくつかの実施例では、ＰＩＮダイオードをそれぞれの位相制御線区間とＲＦグランドとの間につなげることがあり、位相制御線区間がパッチに直接接続されることを意味する。この点に関して、このような実施例を示している図２５を参照する。ダイオードとＲＦグランドへの接続部との間に位相制御線の小さなセクションが示されるように見えるが、これは単に図の明確さのためであることに留意すること。それにも関わらず、上に述べたように、いくつかの実施例では、位相制御線区間を選択的に終わらせ、これによりそれぞれの位相制御線区間を介してパッチをＲＦグランドにつなげるように、ＰＩＮダイオードを位相制御線区間の内部に設置することができる。
【０１６０】
図２５のような配置では、ＰＩＮダイオードを、ビア・ホールの内部に設置することができる。図２６から図３１を参照する。この実施例では、ビア・ホールは、メッキされず、ＰＩＮダイオードは、ビア・ホールを通って延び、これらのそれぞれの位相制御線区間をグランド層３５に接続する。
【０１６１】
上に開示された実施例では、第１の位相制御線区間及び第２の位相制御線区間がパッチの反対側に設置され、第３の位相制御線区間及び第４の位相制御線区間がパッチの反対側に設置されるが、これは、すべての実施例で必ずしも必要ではない。位相制御線区間を任意に設置することができる。しかしながら、各々の線は、共偏波並びに直交偏波に寄与するだろう。しかしながら、共偏波電場を相加的にすることができる一方で直交偏波電場が相殺される場合に、ユニット・セルを設計することができる。図３２を参照する。
【０１６２】
図３２の実施例では、第１の位相制御線区間及び第２の位相制御線区間は、位相制御線のあるセクションを共有する。同様に、第３の位相制御線区間及び第４の位相制御線区間は、位相制御線のあるセクションを共有する。ユニット・セル１０’は、第１の偏波方向にパッチ１４に直接接続され、そしてパッチ１４から延びる第１の位相制御線セクション１１６、及び第２の偏波方向にパッチ１４に直接接続され、そしてパッチ１４から延びる第２の位相制御線セクション１２０を含む。
【０１６３】
ユニット・セル１０’はまた、第１の位相制御線セクションとＲＦグランドとの間に、このケースでは第２の偏波方向に、第１の位相制御線セクションから延びる第３の位相制御線セクション及び第４の位相制御線セクション１１４、１１８、並びに第２の位相制御線セクションとＲＦグランドとの間に、このケースでは第１の偏波方向に、第２の位相制御線セクション１２０から延びる第５の位相制御線セクション及び第６の位相制御線セクション１２２、１２４を含む。
【０１６４】
第１のＰＩＮダイオード２４は、第３の位相制御線セクション内部に設けられ、第２のＰＩＮダイオード２６は、第４の位相制御線セクション内部に設けられ、第３のＰＩＮダイオード２８は、第５の位相制御線セクション内部に設けられ、そして第４のＰＩＮダイオード３０は、第６の位相制御線セクション内部に設けられる。Ｌ１Ｙは、パッチから第３の位相制御線セクションまでの第１の位相制御線セクションの長さである。
【０１６５】
Ｌ２Ｙは、第３の位相制御線セクションの長さである。
【０１６６】
Ｌ３Ｙは、パッチから第４の位相制御線セクションまでの第１の位相制御線セクションの長さである。
【０１６７】
Ｌ４Ｙは、第４の位相制御線セクションの長さである。
【０１６８】
Ｌ１Ｘは、パッチから第５の位相制御線セクションまでの第２の位相制御線セクションの長さである。
【０１６９】
Ｌ２Ｘは、第５の位相制御線セクションの長さである。
【０１７０】
Ｌ３Ｘは、パッチから第６の位相制御線セクションまでの第２の位相制御線セクションの長さである。
【０１７１】
Ｌ４Ｘは、第６の位相制御線セクションの長さである。
【０１７２】
Ｙ偏波に関して：
第１の位相制御線実効長＝Ｌ１Ｙ＋Ｌ２Ｙ
【０１７３】
第２の位相制御線実効長＝Ｌ３Ｙ＋Ｌ４Ｙ
【０１７４】
Ｌ２Ｙ及びＬ４Ｙを、両者ともゼロ又は非ゼロとすることができる。或いは、これらのうちのいずれかをゼロとすることができ、そして残りを非ゼロとすることができる。
【０１７５】
第１の位相制御線セクション１１６は、Ｌ１Ｙ及びＬ３Ｙを与え、これらはＹ偏波に関する主位相制御線セクション長であり、そして要求される位相シフトにより調節することができる。これらの長さは、Ｌ２Ｙ及びＬ４Ｙがゼロであるか又は非ゼロであるどうかに応じて変えられる。
【０１７６】
Ｘ偏波に関して：
第３の位相制御線実効長＝Ｌ１Ｘ＋Ｌ２Ｘ
【０１７７】
第４の位相制御線実効長＝Ｌ３Ｘ＋Ｌ４Ｘ
【０１７８】
Ｌ２Ｘ及びＬ４Ｘを、両者ともゼロ又は非ゼロとすることができる。或いは、これらのうちのいずれかをゼロとすることができ、そして残りを非ゼロとすることができる。
【０１７９】
第２の位相制御線セクション１２０は、Ｌ１Ｘ及びＬ３Ｘを与え、これらはＸ偏波に関する主位相制御線セクション長であり、そして要求される位相シフトにより調節することができる。これらの長さは、Ｌ２Ｘ及びＬ４Ｘがゼロであるか又は非ゼロであるどうかに応じて変えられる。
【０１８０】
ダイオード動作は、上に説明した主な実施例と同じままである。
【０１８１】
スタブの幅は、異なることがある。この理由のために、あるものは厚いように示され、そして他のものは薄いように示される。
【０１８２】
ダイオードが関心のある波長において互いに分離して見えるように、ダイオードは、十分に隔てられるはずである。
【０１８３】
ＤＣバイアス線を、設計に応じて、スタブのところでさえ任意の適切な場所へ移動することができる。これは、ＤＣバイアス線がパッチそれ自体の上になければならない必要が必ずしもないことを意味する。
【０１８４】
ダイオードの配置の多くの組合せ、例えば、スタブ（Ｌ３Ｙ若しくはＬ３Ｘ）の同じ側又は反対側、があってもよい。
【０１８５】
ダイオードを、示したように追加のスタブ（１１４、１１８、１２２、１２４）（例えばここではＬ２Ｙ及びＬ４Ｙ）を用いてマウントすることができる、又は主スタブ１１６、１２０（長さＬ３Ｙ、又はＬ３Ｘを有するスタブ）上に直接マウントすることができる。
【０１８６】
図３２の実施例では、ダイオードの片側配置に適応させるために、それ自体の構成においてより低い直交偏波を実現するために中心からＤＣバイアス線への必要なシフトを行うことが好まれる。
【０１８７】
上に説明した好ましい実施例では、スイッチング・デバイスがＰＩＮダイオードであるが、他のスイッチング・デバイスを他の実施例では使用することができる。例えば、ＭＥＭＳデバイス又は（ＦＥＴ若しくはトランジスタなどの）ＣＭＯＳデバイスを使用することができる。スイッチング・デバイスを選択するための適切な基準は、サイズが小さいこと、最小の電力消費であること、最小の挿入損失であること、及びＤＣバイアスを印加することが容易であるべきであることを含む。ＰＩＮダイオードは、慣例では多くの電力を消費する。しかしながら、好ましい実施例では、そのＤＣ電流は、ＤＣ電力消費を低くするためにそのＤＣ駆動電流及び電圧を制御することによって制御される。
【０１８８】
上に論じた実施例では、ＰＩＮダイオードは、パッチに印加されるＤＣバイアス入力の変動によりスイッチされ、この変動がパッチとグランドとの間のＰＩＮダイオードの両端にＤＣ電圧を生み出す。しかしながら、他の実施例では、他の方法でスイッチング・デバイスを制御することが可能である。例えば、各々のスイッチング・デバイスを、それ自体のそれぞれのバイアス電圧により制御することができる。各々のデバイスは、それ自体のバイアス端子及びＤＣ電圧を有することができる。このことは、例えば、スイッチング・デバイスがＲＦ  ＭＥＭＳである場合には適切であることがあり、ＲＦ  ＭＥＭＳに関して、各々のスイッチング・デバイスは、別々のＤＣバイアス線を必要とするはずである。このようなケースでは、パッチそれ自体は、必ずしもＤＣ電圧を必要としないことがある。加えて又は代わりに、ＰＩＮダイオードの所望の導電性状態及び非導電性状態が依然として実現されることを確実にするために、ＰＩＮダイオード及びＤＣ入力電圧レベルが適切に設定される場合、位相制御線区間がパッチと別の安定な電位との間につなげられる可能性があることが、除外されない。これが、同じ設計に異なるＰＩＮダイオードを有することを可能にする。あるＰＩＮダイオードに関して、そのアノードは、カソードよりも１．５Ｖ高いはずである。あるＮＰＮトランジスタに関して、そのベースは、エミッタよりも０．７Ｖ高いはずである。ＦＥＴ及びＰＮＰトランジスタの動作は、バイアスを印加することによりこれらを動作させるためにやはり類似の線上であってもよい。
【０１８９】
それ自体ではパッチは、ＤＣバイアスを必ずしも必要としない。適切な場合には、パッチを、接続されたスイッチング・デバイスのＤＣバイアス印加用の端子のうちの１つとして使用することができる。
【０１９０】
ＰＩＮダイオード又はスイッチング・デバイスは、ＤＣバイアスを有するはずである。これは一般に２つの端子を必要とし、そこでは一方の端子がＤＣ電源の一方の側に接続され、一方で、他方の端子がＤＣ電源の他方の側に接続される。このことは、位相線が導電体であるので位相線を通して生じることがある。ＤＣバイアスは、全体の幾何学配置の中へと又は外へと構造の部品をスイッチングすることにより幾何学配置を制御する。一旦この幾何学配置を変化させると、別の状態を発生することができる。
【０１９１】
しかしながら、スイッチは、好ましい実施例に関する限りでは、上に開示した方式で反射位相状態を設定するように制御される。
【０１９２】
上に詳細に説明した実施例は、ミリ波を生成することが容易であるので好ましい。利用可能な物理的空間のためにミリ波で多数のＤＣバイアス線を実装する／引き回すことは容易ではない。さらにその上、所与の１つの電圧レベルで動作するダイオードは、好ましくは同様であるべきである、そうでなければダイオードのうちの１つがより高い電圧であることがあり、これが電力消費を増加させることがある。
【０１９３】
上の説明では、水平偏波及び垂直偏波に関する結果は、両者に対する設計周波数が同じであるので同様である。これは、垂直偏波に影響を及ぼす長さが水平偏波に影響を及ぼす対応する部分の長さと同じであるという理由のためである。しかしながら、これらの長さが異なることがあり、設計周波数がこれゆえ異なることがある。実施例は、異なる周波数で動作している各々の偏波について３つの位相状態を発生することができる。例えば、偏波１は、周波数１を有し、一方で偏波２は、周波数２を有することができ、ここでは周波数１は、周波数２と等しくても等しくなくてもよい。直交偏波の最悪のケースは、両方の周波数が同じである時に観測される。周波数を異なるものにすると、直交偏波は良くなる。周波数が異なるときには、Ｘオフセット及びＹオフセットをそれに応じて調節することができる。上に論じた好ましい実施例では、Ｘオフセット及びＹオフセットは、同様である。
【０１９４】
上記の実施例が第１の偏波及び第２の偏波を与えるとはいえ、いくつかの実施例では、偏波のうちの一方に関係する成分を省略すること及び単一の偏波で働くように構成されたアンテナ素子を設けることが可能である。アンテナ素子が単一の偏波で構成されるときには、直交偏波を、中心からの単一のオフセットにより著しく改善することができる。
【０１９５】
加えて、円偏波又は楕円偏波された放射で働くようにアンテナ素子を構成することが可能である。このようなケースでは、位相制御線区間及びユニット・セル形状を、その機能を与えるように調整することができる。円偏波又は楕円偏波された放射で働くために、上に開示したＸ成分及びＹ成分の両者を、単一偏波に対して一緒に使用することができる。円偏波に関して、Ｘ成分及びＹ成分は直交する。楕円偏波された放射に関して、これらの成分は他の角度であってもよい。
【０１９６】
第１の基板の第２の側にグランド層を有することの代わりに、ＰＩＮダイオードがＤＣバイアス用の折り返し接続を有する場合、グランド層を、第２の基板の第１の側に又は第１の基板の第１の側（最上部層）に配置することができる。
【０１９７】
上に説明した実施例が３つの層を含むとはいえ、いくつかの実施例では、２つの層だけが設けられ、そして第２の基板及び第３の層を省略することができる。このような実施例では、ＤＣ分離素子を、第２の層上に実装することができる。ＲＦ−ＤＣ分離を、他の実施例では、多くの他の方法で実施することができる。しかしながら、上に説明したように第３の層のところにＤＣ分離素子を有することは、優れたＲＦ性能を提供する。
【０１９８】
意図した周波数範囲のために設計をスケール・アップすること及びスケール・ダウンすることが可能である。使用すべきスイッチング・デバイスを、所望の周波数で動作するように選択すべきである。
【０１９９】
説明した実施例及び従属請求項のすべての任意選択の及び好ましい特徴及び変更は、本明細書において教示した本発明のすべての態様及び実施例で使用可能である。さらにその上、従属請求項の個々の特徴、並びに説明した実施例のすべての任意選択の及び好ましい特徴及び変更は、相互に組み合わせることができ、交換可能である。
【０２００】
この出願が優先権を主張する英国特許出願番号ＧＢ１８１１０９２．４及びこの出願に添付した要約書の開示は、参照により本明細書に組み込まれている。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【国際調査報告】
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