(57)【要約】いくつかのアンテナパラメータの動的な再構成機能が可能な再構成可能アンテナ。具体的には、本発明はグリッド様アレイに配置される複数の表面ＰＩＮデバイスを備えるアンテナである。ＳＰＩＮデバイスの各々は、個々に起動または停止させることができる。ＳＰＩＮデバイスが起動した場合、プラズマをデバイスの真性領域内で発生させるためにデバイスの表面にキャリヤーが注入される。プラズマは、デバイスの表面で導体または金属様特性を生成するのに十分なほど導通している。様々なＳＰＩＮデバイスが起動されて、ＰＩＮデバイスを支持している基板に導電パターンを電子的に描くことができる。ＳＰＩＮデバイスを選択的に起動することによって、様々な表面アンテナパターンが基板上に生成でき、ダイポール、クロスダイポール、ループアンテナ、八木宇田型アンテナ、対数周期アンテナなどが含まれる。さらに、ＳＰＩＮデバイスグリッドが選択的に起動してホログラフィックアンテナを生成する。ホログラフィックアンテナでは、ＳＰＩＮデバイスが起動して、表面実装ダイポールアンテナから基板上に送信された表面ＲＦ波によって励起される模擬メタライゼーションパターンを生成する。表面波は、起動ＳＰＩＮデバイスの形状に基づいて特定のアンテナパターンを励起する。ホログラフィックアンテナ素子のパターンを変えることによって、アンテナのビームステアリングおよび／または周波数調整が生じる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
再構成可能アンテナであって、前記アンテナは：
基板と；
前記基板によって支持される複数の表面ＰＩＮデバイスと；
エネルギーを前記表面ＰＩＮデバイスに結合させるフィード素子と、
を備える、再構成可能アンテナ。
【請求項２】
前記基板が半導体基板である、請求項１記載の再構成可能アンテナ。
【請求項３】
前記複数の表面ＰＩＮデバイスがアレイに配置される、請求項１記載の再構成可能アンテナ。
【請求項４】
フィード素子が少なくとも１つの表面ＰＩＮデバイスである、請求項１記載の再構成可能アンテナ。
【請求項５】
フィード素子がダイポールアンテナである、 請求項１記載の再構成可能アンテナ。
【請求項６】
ドライブエレクトロニクスを備える基部と；
基部からのバイアス信号を表面ＰＩＮデバイスに結合させる導電ピンを含む誘電層と、
を更に備える、請求項１記載の再構成可能アンテナ。
【請求項７】
基板の頂上部に配置される誘電層を更に備え；
フィード素子が誘電層の表面に実装されたダイポールアンテナである、
請求項１記載の再構成可能アンテナ。
【請求項８】
複数の表面ＰＩＮデバイスのうちから選択されたものが起動されてホログラフィックアンテナを形成する、請求項１記載の再構成可能アンテナ。
【請求項９】
複数の表面ＰＩＮデバイスのうちから異なって選択されたものが起動されて異なるホログラフィックアンテナを形成する、請求項８記載の再構成可能アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連アプリケーションへの相互参照】
本願は、２０００年３月２０日に出願の米国暫定特許出願第６０／１９０，６８６号および２０００年１１月３日に出願の第６０／２４５，８３８号の利益を主張し、双方共に参照として本願に取り入れる。
【０００２】
【発明の背景】
【発明の分野】
本発明は一般にアンテナ系に関しており、より詳細には再構成可能アンテナに関している。
【０００３】
【関連技術の説明】
低確率のインターセプトを有するタイプの電磁（ＥＭ）信号の検出、ロケーション、認識および特性づけは、ますます要求される課題である。一般に、低確率のインターセプトを有するＥＭ信号は、アドバーサリアル・ソースによって送られ、したがって様々な方法を用いてそれらのシグニチャーを減らす。このような方法は、周波数ホッピング、多重信号偏極および技術をエンコードする拡散スペクトルを含む。加えて、このような信号のソース・ロケーションは固定されておらず、かなり急速に変化する可能性がある。位置決めされ探知される必要があるソースまたはＥＭ信号の数もまた、特定の状況に従って変化する可能性がある。
【０００４】
広帯域アンテナは、通常、このようなＥＭ信号を探知するために必要とされる。螺旋のような周波数独立型アンテナおよび対数周期アンテナといった準周波数独立型アンテナは非常に大きく、アンテナ列でのそれらの使用は非常に制限される。また、このような広帯域エレメントを用いたアダプティブアレーは、多重ビームおよびビーム走査を達成するために、実時間遅延ネットワークに統合されたフィード構造を必要とする。このようなフィードネットワークは設計するのが難しく、また実現するには高価である。
【０００５】
したがって、複雑なフィードネットワークの必要なしで、動作周波数、偏極、帯域、ビーム及びそれらの空間方向の数、および放射パターン形状の動的な再構成が可能な再構成可能アンテナの技術に対するニーズがある。
【０００６】
【発明の概要】
従来技術に関連した不利な点は、いくつかのアンテナパラメータの動的な再構成機能を有することができる再構成可能アンテナによって克服される。具体的には、本発明は、デバイスがグリッド様アレイに配置された複数の表面ＰＩＮ（ＳＰＩＮ）を備えるアンテナである。アレイでのＳＰＩＮデバイスの各々は、個々に起動されるか停止させることができる。ＳＰＩＮデバイスが起動すると、プラズマがＳＰＩＮデバイスの真性領域内で発生するよう、デバイスの表面にキャリヤーが注入される。プラズマは、デバイスの表面に導体または金属様の特性を発生させるのに十分なほど導通している。様々な種類のＳＰＩＮデバイスアレイのＳＰＩＮデバイスが起動されて、ＳＰＩＮデバイスを支持する基板に導電パターンを電子的に「描く」ことができる。ＳＰＩＮデバイスを選択的に起動することによって、様々な表面アンテナパターンが基板上に生成でき、ダイポール、クロスダイポール、ループアンテナ、八木宇田型アンテナ、対数周期アンテナなどが含まれる。
【０００７】
さらに、ＳＰＩＮデバイスアレイは選択的に起動されてホログラフィックアンテナを生成可能である。ホログラフィックアンテナでは、ＳＰＩＮデバイスが起動されてホログラフィックメタライゼーションパターンを生成する。パターンは、表面実装ダイポールアンテナといった表面実装ラジエーターから基板上に送られる表面ＲＦ波によって励起される。表面波は、起動されるＳＰＩＮデバイスによって発生するパターンの形状に基づいて、特定のアンテナパターンを励起する。ＳＰＩＮデバイスのパターンの変化は、アンテナ放射パターンのビームステアリングとなる。
【０００８】
添付の図において図示される実施例を参照することで、具体的な本発明の説明および簡単な概要において本発明の上述の特徴が詳細に理解されるであろう。
【０００９】
しかしながら、添付の図は本発明の典型的な実施例だけを図示しており、したがって、その範囲に限定されるものではなく、本発明は他の等しく有効な実施例を含んでもよいことに注意されたい。
【００１０】
本発明の教示は、添付の図とともに以下の詳細な説明を考慮することによって容易に理解可能である。
【００１１】
【好適な実施例の詳細な説明】
図１は、基板１０４にアレイ１０１として作られた複数の表面ＰＩＮ（ＳＰＩＮ）デバイス１０２を備える再構成可能アンテナ１００の平面図を表す。ＳＰＩＮデバイス１０２の各々は、図１の詳細図１Ｂで示されるように、真性領域１０６によって分けられているＰ＋領域１０４およびＮ＋領域１０８を備える。導電性コンタクト１１０はＰ＋領域１０４に提供され、導電性コンタクト１１２はＮ＋領域１０８に提供される。これらのコンタクト１１０および１１２は、ＳＰＩＮデバイスの各々を起動かつ停止させるのに用いられるＤＣバイアス電圧に接点を提供する。アレイの各デバイスは、各デバイスが個々に起動かつ停止されることができるように前述のコンタクトを有している。
【００１２】
本発明の一実施例において、図１の詳細図１Ｂにおいて表されるように、複数のＳＰＩＮデバイス１０２が直列に配置されており、隣接したＳＰＩＮデバイスはそれぞれ、導電性アイランド（金属ブリッジ）１１８によって接続されたＰ＋およびＮ＋領域１０４および１０８を有する。このように、「末端」Ｐ＋およびＮ＋領域１１４および１１６は、コンタクト１１０および１１２を有する。コンタクト１１０および１１２は、直流電源の正端子および負端子にそれぞれ接続されて、直列接続されたＳＰＩＮデバイス１０２のすべてを起動させる。このように接続されたＳＰＩＮデバイス１０２の数は、起動されたＳＰＩＮデバイス１０２によって生成されるアンテナに対して「画素」解像度を有する画素１２０を画成する。本発明の他の実施例において、ＳＰＩＮデバイスの他の接続結合は、並列および直列／並列結合を含む「画素」を画成するのに使用できる。このような配列によって、アレイ１０１に直流バイアスを供給するのに使用される必要がある接続リード線またはピンの数が低減される。
【００１３】
図２は、ダイポールアンテナ２００が生成されるよう構成されたアンテナ１００の平面図を表す。ダイポールアンテナ２００は、ダイポールアンテナ２００の半分のそれぞれが１／４の波長を有するように、２０２８を介して複数のＳＰＩＮデバイス２０２を起動させることによって作成される。ＲＦソース２０８は、一番奥のＳＰＩＮデバイス２０２４および２０２５に適用される。ＲＦソース２０８の周波数が変更される場合、ダイポール２００は２０２０および２０２９のような付属ＳＰＩＮデバイスを起動させることによって長くなることができ、または末端ＳＰＩＮデバイス２０２１および２０２８を停止させることによって短くなることができる。このように、ダイポール２００は動的に再構成して様々な周波数源に適応できる。
【００１４】
同様に、図３は、さまざまなＳＰＩＮデバイスを起動させて、基板１０４の表面でループ形構造を形成することによって構成されるダイポールループアンテナ３００を表す。ＲＦソースは、ＳＰＩＮデバイス３０２および３０４で、ループの終わりに適用される。
【００１５】
同様の方法で、八木宇田アンテナアレーおよび対数周期アンテナアレーといったアンテナ列を含む他のアンテナ構造は、ＳＰＩＮデバイスの特定のものを起動および停止することによって製作可能である。起動させるデバイスのグループ分けは基板の表面のメタライゼーションパターンのように働き、起動させるデバイス区域のいくつかはＲＦ電圧で動かされ、それ以外は反射器素子および導波器素子としてアンテナ構造内で作動する。このように、あらゆる表面実装アンテナ構造が、アレイ１０１のＳＰＩＮデバイス１０２のうちのさまざまなデバイスまたはその組合わせを起動および停止することによって基板１０４に作成できる。
【００１６】
ホログラフィックプレートがビーム整形アンテナとして使われてもよいことが、Ｉｉｚｕｋａ他による論文（１９７５年１１月のアンテナおよび伝播のＩＥＥＥトランス（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ）の「ボリューム−タイプ・ホログラフィックアンテナ（Ｖｏｌｕｍｅ−Ｔｙｐｅ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ａｎｔｅｎｎａ）」の 第８０７−８１０頁）から知られている。このようなプレートによって、ホログラムの全域にわたる所望のアパーチャ分布が主フィード（ｐｒｉｍａｒｙ ｆｅｅｄ）からの任意の入射照光から導き出されることができる。一般に、マイクロ波およびミリメートル波周波数において、ホログラムはプリント回路基板でエッチングされる適切なメタライゼーションパターンによって近似化することができる。一般に、金属パターンを使用することによって、全アパーチャにわたって所望の位相分布に近い近似値が可能になる。Ｉｉｓｕｋａ他の論文は、ホーンアンテナから発信されている球面波によって照光されるメタライゼーションパターンを有するホログラフィックプレートから成るアンテナについて説明している。この場合のホログラフィックパターンは、互いに一波長間隔をあけた一組の同心円環から成る。プレートがホーンアパーチャーから放射される球面波によって照光される場合、金属環から散乱する波は同位相（同位相波面）を有し、プレート表面に垂直に反対方向を走る２つのビームを生成し、すなわち、それによって、真の像およびその対はホログラフィックセンスにおいて復元される。２つのプレートが並列配列で用いられる場合、第２のプレートのパターンおよびその間隔は、逆放射がキャンセルされ前方ビーム放射が補強されるような方法で設計できる。例えば、プレートが１／４波長離れて間隔をあけられた場合、第２のプレートの金属環は第１のプレートのものより４分の１波長大きい半径を有する。よって、所望の干渉縞が達成される。
【００１７】
ビーム整形は、プレートのメタライゼーションパターンを修正することによって可能である。さらに、プレートの間隔は、特定の放射パターンを達成するために調節可能である。
【００１８】
図４は、特定のアンテナタイプの理想的なホログラムパターン４００の平面図を表す。アンテナは３５ＧＨｚで作動し、三次数のｅａｍ幅を有するガウスビームを発生する。この透過率パターンは、ライトバー４０２が導電区域を表し、ダークバー４０６が非導電区域を表すような連続したレベルを用いて現される。フィードは、リファレンス４０４の中心で提供される。
【００１９】
図５は、図４のパターンのバイナリー表現５００を表す。バイナリー表現は、図１に関して上述したように、ＳＰＩＮデバイス（５０２で詳細に示される）の複数の線によって現される。これらのデバイス５０４は、矩形の平らな形状を画成するディメンションを有し、各ＳＰＩＮデバイスのディメンションはアンテナを励起するのに用いられるＲＦ波長に比べて小さい（すなわち幅およそ５０ミクロン、長さおよそ１００ミクロン）。デバイス５０４の白い列はアクティブデバイスであり、黒い列５０６は非アクティブデバイスである。デバイスを選択的に起動および停止することによって、図４のホログラムパターン４００は、図５のホログラム５００に近似化される。従って、以下で述べられるようにホログラムがＲＦ表面波によって励起される場合、デバイスは放射パターンの生成を容易にするためにメタライゼーションパターンの働きをする。
【００２０】
図６は、実際に実施される本発明の再構成可能ホログラフィックアンテナ６００の平面図を表す。図７は図６のアンテナ６００の側面図を表し、図８は図６のアンテナの分解図を表す。本発明を最も理解するためには、図６、７および８は同時に参照されるべきである。アンテナ６００は、直流電圧を各ＳＰＩＮデバイスに印加することによって起動（アーク７０４で表される）および停止（ホワイトスペース７０６で表される）されるＳＰＩＮデバイス７０２のアレイを備えている。直流電圧は、誘電物質７１２を通り抜けて各ＳＰＩＮデバイスのコンタクト領域の各々と接触している複数のバイアスピン７１０にＤＣ電源を結合させるアドレッシングサーキットリー８００を有しているアンテナ基部７０８（基板）から供給される。誘電物質７１２は、例えばベリリウム、低温で冷燃焼されたセラミック、またはバイアスピン７１０を保持するのに構造的に十分な他の絶縁材料である。ＳＰＩＮデバイスの特定のものが起動する場合、パターン（アーク７０４）はアクティブシリコンウェーハ７１４の表面で発生する。
【００２１】
誘電層７１６はアクティブシリコンウェーハ７１４の上部にマウントされ、フィードダイポール７１８は誘電層７１６の頂上部に位置する。誘電層７１６は、例えばシリコンおよびガラス、シリコンおよび石英、または以下で述べられるように表面波の伝播を容易にすることができる他の材料で作られた合成基板である。誘電層７１６は、アクティブＳＰＩＮデバイスによって形成されるホログラフィックパターンを容易に示すために、図６には示されていない。フィードダイポール７１８は、アルミニウムまたは銅の物理気相堆積のような従来のメタライゼーション技術によって堆積する。フィードダイポールは、バルーン（図示せず）を介してＲＦ送信機または受信機に通常結合される。あるいは、ＲＦホーンフィード構造が、ダイポールの代わりに使用可能である。ホーンは、ダイポールと同様の方法で、誘電層７１６で表面波を励起する。ホーンは、導波管によって一般に送信機または受信機に結合される。
【００２２】
吸収環７２０は全構造の回りに線を描き、アンテナ構造６００の端部に向かって誘電体７１６の表面をわたって伝播するＲＦエネルギーを吸収する。吸収環７２０は、抵抗ペイントといった「損失性」材料で作られる。デバイス７０２がメタライゼーションパターンとして働くことを保証するために、各デバイスのサイズはλ／１０よりも小さい必要がある。ここでλはダイポール７１８に適用される放射波長である。ダイポール７１８を誘電体７１６に配置することによって、ＲＦエネルギーは、ダイポール７１８から、ホログラフィックパターンの二次放射器を形成するアクティブＳＰＩＮデバイス７０４まで、効率的に結合する。この構造において、主フィーダー（すなわちダイポール７１８）によって生成されるエネルギーは、表面波として誘電体表面に沿って導かれ、スプリアス放射荷重が吸収環７２０を有する周囲の誘電体によって効果的に抑制されることができる。吸収環は、二次放射器への結合を逃れて、アンテナ６００の端部にわたる表面波回折を防ぐことによってスプリアスローブを抑制する放射信号を散逸する。
【００２３】
バイアスは、低誘電率材料７１２に実装される複数のバイアスピン７１０を介してＳＰＩＮデバイス７０２に提供される。導電ピンは、アンテナ６００の後方の半導体表面に垂直に向けられる。この配列は、一次放射線フィールドがアンテナ表面に平行に偏光されるという事実を利用している。したがって、垂直実装ピンは、実質的にフィールドを乱さない。さらに、表面波フィールドが誘電体７１６の表面近くでかなりローカライズされるという事実からみれば、バイアスピンは、ＲＦ放射からコントロールエレクトロニクスを効果的に分離するのに非常に長くある必要はない。ピンは、ドープ半導体領域および基盤７０８上の制御回路のコンタクト（図１での１１０および１１２）双方に接触している。言い換えると、バイアスピン層（誘電体７１２およびピン７１０）は、マウントした半導体層７１４および制御盤７０８にはさまれる。制御盤７０８は、例えば成熟したセラミック技術を用いた多層の相互燃焼セラミック回路である。基板の他の形状が当業者に知られており、セラミック回路の代用とされてもよい。
【００２４】
図９は、アーク９０２が形成されるよう特定のＳＰＩＮデバイスを起動させることによって形成され、特定の放射パターンをアンテナに対して現像するのに用いられるホログラフィックパターン９００を表している。図１０は、図９のホログラフィックパターン９００によって生成される特定の放射パターン１０００を表す。アンテナ放射パターン１０００のメインローブ１００２の位置が画像の中心に向けられており、すなわち、ビームの高度および方位が双方とも０度であることに注意されたい。ＳＰＩＮデバイスへのバイアスを変化させ、ホログラフィックパターンが変化するように他のＳＰＩＮデバイスを選択することによって、放射パターンのメインローブの方向は制御された方法で移動され示されることができる。
【００２５】
図１１は、図９のパターン９００から変更されたホログラフィックパターン１１００を表す。この新しいホログラフィックパターン１１００は、図１２で表されるように、中心の右側に放射パターン１２００のメインローブ１２０２をオフセットする。図１１のパターン１０００を用いた場合、メインローブ１２０２の方位はそのとき１５度である。従って、アレイ内でアクティブであるＳＰＩＮデバイスの数およびパターンにおける単純な変化が、アンテナのメインローブを或る位置から他の位置に導くことができることが明らかにわかる。同様の適合が、アンテナの偏極を変えるだけでなく、アンテナを様々な周波数変動にマッチさせることでなされる。
【００２６】
本発明の好適な実施例を目的として前述したが、本発明の他のおよび更なる実施例もまたその基本範囲から逸脱することなく考案されてよく、その範囲は特許請求の範囲によって決められる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による再構成可能アンテナの平面図を表す。
【図２】
図１の再構成可能アンテナを構成することによって作り出されるダイポールアンテナの平面図を表す。
【図３】
図１の再構成可能アンテナを構成することによって作り出されるループアンテナの平面図を表す。
【図４】
ホログラフィックアンテナの理想的なホログラフィックメタライゼーションパターンを表す。
【図５】
図４のホログラフィックパターンのアレイ近似値を表す。
【図６】
ホログラフィックアンテナの平面図を表す。
【図７】
図６のホログラフィックアンテナの側面図を表す。
【図８】
ホログラフィックアンテナの遠近分解図を表す。
【図９】
特定のホログラフィックアンテナのアレーパターンを表す。
【図１０】
図６のアレーパターンによって作り出される放射パターンを表す。
【図１１】
特定のホログラフィックアンテナのアレーパターンを表す。
【図１２】
図８のアレーパターンの放射パターンを表す。
【図２】
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【図４】
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【図５】
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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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【国際公開パンフレット】
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2004500779.tif 000012
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2004500779.tif 000026
2004500779.tif 000027
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004500779.tif 000028
2004500779.tif 000029
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004500779.tif 000030
2004500779.tif 000031
【国際調査報告】
2004500779.tif 000032
2004500779.tif 000033
2004500779.tif 000034