(57)【要約】      （修正有）【課題】空間放射高出力アンプは、最初の波面を反射する１つ以上の形状を有する反射器、反射波面を増幅するアクティブアレイアンプを有し、高出力平面波面を発生する。【解決手段】反射器は、反射波面１０７に、アクティブアレイアンプ１０８に入射するときに実質的に均一な振幅を与える。最初の波面１０３は、実質的に球面波面であり、形状を有する反射器は上記最初の波面１０３のあらゆる振幅テーパーを補正して、上記反射波面１０７に、上記アクティブアレイアンプ１０８に入射するときに実質的に均一な振幅成分を与える。いくつかの実施例において、形状を有する反射器は、漏れを最小にするために、アクティブアレイアンプの形状に適するようにその照度が輪郭取りされる。【選択図】図１Ａ
2007089391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
最初の波面（１０３）を反射し、反射波面（１０７）を発生するための、１つ以上の関連する無線周波数（ＲＦ）反射面を有する１つ以上の形状を有する反射器（１０４）（１０６）と、
高出力平面波面（１０９）を生成するために上記反射波面（１０７）を増幅するアクティブアレイアンプ（１０８）を含み、
上記１つ以上の反射面は、上記アクティブアレイアンプ（１０８）に入射するときに実質的に均一な振幅を上記反射波面（１０７）に与えるようになっている、
空間放射高出力アンプ。
【請求項２】
前記最初の波面（１０３）は実質的に球面波面を有し、
前記反射面は、前記アクティブアレイアンプ（１０８）に入射するときに実質的に均一な振幅成分を持った前記反射波面（１０７）をもたらすように前記最初の波面（１０３）の増幅テーパーを補正する、
請求項１記載のアンプ。
【請求項３】
前記ＲＦ反射器（１０４）（１０６）は、変形放物面の区域、変形双曲面の区域、または変形楕円面の区域のうち少なくとも１つを含み、
前記反射面は、前記アクティブアレイアンプ（１０８）に入射する前記反射波面（１０７）に実質的に均一な振幅を与えるように選択された係数を持った多項式によって表わされる、
請求項２記載のアンプ。
【請求項４】
前記ＲＦ反射器（１０４）（１０６）は、第１の反射器（１０４）および第２の反射器（１０６）を有し、上記第１の反射器は変形放物面の区域を有し、上記第２の反射面は変形双曲面の区域を有する、
請求項２記載のアンプ。
【請求項５】
前記アクティブアレイアンプ（１０８）は、平らな面の同じ側に複数の直角偏光の受信および送信アンテナ（２０２）（２０６）を持ったアクティブ反射アレイアンプであり、反射方向に前記高出力平面波面（１０９）を発生する、
請求項４記載のアンプ。
【請求項６】
高出力平面波面（４０９）を反射し、実質的に球面の出力波面（４１３）を発生するように位置決めされたＲＦ反射面を持った第３および第４の反射器（４１０）（４１２）と、
上記実質的に球面の出力波面（４１３）を受信し、高出力ＲＦ出力信号（４１５）を発生する出力放射ホーン（４１４）を含む、
請求項４記載のアンプ。
【請求項７】
前記アクティブアレイアンプ（１０８）は、各セルが前記反射波面（１０７）を受信する受信アンテナ（２０２）を有する複数の実質的に同じアンプセル（１１０）と、上記受信アンテナ（２０２）を通じて受信するＲＦ信号を増幅するパワーアンプ（２０４）と、該パワーアンプ（２０４）によってもたらされる増幅されたＲＦ信号を送信するための送信アンテナ（２０６）を含み、
上記複数のアンプセルによって送信された増幅ＲＦ信号が平行化された平面出力波面を含む、
請求項１記載のアンプ。
【請求項８】
非平面の入射波面（１０３）を発生する低出力無線周波数（ＲＦ）源（１０２）と、
上記入射へ面を受信し、実質的に均一な振幅成分を持った平面出力波面を発生するためのアクティブアレイアンプ（１０８）と、
上記アクティブアレイアンプ（１０８）が受信するために最初の波面（１０３）を反射し反射波面（１０７）を発生する、関連する１つ以上の無線周波数（ＲＦ）反射面を持った１つ以上の反射器を有し、
上記ＲＦ源（１０２）は実質的に球面の入射波面を発生し、
上記アクティブアレイアンプ（１０８）は、各アンプセルが上記非平面の入射波面（１０３）のテーパー状振幅成分を漸進的に打ち消すための個別のゲイン設定を有する複数のアンプセルを含み、実質的に均一な振幅成分を持った平面出力波面を発生する、
空間放射高出力アンプ。
【請求項９】
実質的に球面の最初の波面（１０３）を反射して反射波面（１０７）を発生する、変形放物面の区域を有する第１の形状を有する反射器（１０４）と、変形双曲面の区域を有する第２の形状を有する反射器（１０６）と、
高出力平面波面（１０９）を発生するために上記反射波面（１０７）を増幅するためのアクティブアレイアンプ（１０８）を有し、
上記反射面は上記最初の波面（１０３）の振幅テーパーを補正して、上記アクティブアレイアンプ（１０８）への入射のために実質的に均一な振幅成分を持った上記反射波面（１０７）を与える、
空間放射高出力アンプ。
【請求項１０】
前記反射器の前記反射面は、前記アクティブアレイアンプに入射する前記反射波面（１０７）に実質的に均一な振幅を与えるように選択された係数を持った多項式によって表わされ、
上記多項式の係数は、計算されるアクティブアレイに入射する波面が、前記最初の波面（１０３）の計算された処方箋に基づいて実質的に均一な振幅になるまで繰り返し調整され、
結果として得られた係数が上記反射面の生成に用いられる、
請求項９記載のアンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の内容は、マイクロウェーブエネルギーの高出力アンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力の無線周波数（ＲＦ）、特に高マイクロウェーブ、およびミリ波周波数におけるエネルギーのソリッドステートな発生は、個々のトランジスタのパワー出力によって制限される。例えば、Ｗバンドの周波数において、主に、トランジスタは有効なゲインを持つためには比較的小さなサイズでなければならないために、現在入手可能な高出力トランジスタは５０から１００ミリワットを発生するに過ぎない。このサイズ制限のために、例えば１００ワット以上の高出力レベルを発生するためには、何千というトランジスタの出力を組み合わせなければならない。導波管またはマイクロストリップのパワー結合器を用いる既存のパワー結合器は、Ｗバンド周波数で大きなロスを生じ、効率的でない。これは多くのトランジスタの出力が組み合わされるためであり、トランジスタ間の距離が増大し、したがってパワー結合器の結線長が増すためである。これは結合器の挿入ロスと、結合器の各脚の間の位相合わせ誤差を増大する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このように、改良された高出力ＲＦアンプ、特にミリ波およびＷバンドの高出力アンプに対する一般的な要請がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
空間放射高出力アンプは、最初の波面を反射する、所定形状を有する反射器と、反射した波面を増幅して高出力の平らな波面を発生するアクティブアレイアンプを有する。所定形状を有する反射器は、反射した波面がアクティブアレイアンプに入射するときに、実質的に均一な振幅を波面に与える。いくつかの実施例中では、所定形状を有する反射器は、漏れを最小限にするために照射の輪郭をアクティブアレイアンプの形に合わせることが出来る。最初の波面は、実質的に球面の波面であり、所定形状を有する反射器は最初の波面のいかなる増幅傾斜も補正して、アクティブアレイアンプに入射させるための、実質的に均一な振幅を持った反射波面をもたらす。
【０００５】
いくつかの実施例において、所定形状を有する反射器は変形放物面の区域、変形双曲面の区域、または変形楕円面の区域を有する。所定形状を有する反射器の表面は、アクティブアレイアンプに入射する反射波面の振幅が実質的に均一であって、アクティブアレイアンプの形に適合する輪郭を有するように選択される係数を持った多項式で表わされる。多項式の係数は、シミュレートしたアクティブアレイに入射する波面の振幅が実質的に均一になるまで繰り返し調整される。最終の係数がその反射面の形状を生成するために使用される。
【０００６】
いくつかに実施例において、その反射面は、ＲＦ反射コーティングがその上に施された３次元（３Ｄ）のプラスチック表面を有する。３Ｄのプラスチック表面は、立体リソグラフィープロセスで形成することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下の説明および図は、当該技術を知った人が本発明を実施するために充分な特定の実施例を示す。
【０００８】
他の実施例は、構造的な、論理的な、電気的な、プロセスの、および他の変形を含む。例は、単に可能性のある変形を代表するに過ぎない。個々の要素および機能は明示的に
要求されない限り任意であり、操作の手順は変化し得る。ある実施例の部分や特徴は、他の実施例のそれらに含ませたり、代替することが出来る。請求項の中で述べられる本発明の実施例は、これらの請求項のあらゆる利用できる均等物を包含する。本発明の実施例は、１つを越えるものが実質含まれているときは、個別的または集約的に、単に便宜上、およびこのアプリケーションの範囲をいかなる単一の発明もしくは発明のコンセプトに限定することを意図せずに、ここでは「発明」と称する。
【０００９】
本発明は、パワーアンプ素子のアレイを照射するために基本的に空気または自由空間放射高出力アンプを用いる空間パワー結合技術を用いる高出力アンプを提供する。このように、この結合技術の挿入ロスは、トランジスタの数に関連して約一定である。いくつかの実施例では、本発明は通信システムにおける使用に適した高出力マイクロウェーブ送信機の一部になり得る空間放射高出力アンプを提供する。他の実施例において、本発明はこの発明の範囲がその点に限定されることはないが、指向性エネルギーシステムでの使用に適した空間放射高出力アンプを提供する。
【００１０】
図１Ａは、本発明のいくつかの実施例における、平面出力波を発生する空間放射高出力アンプを図示している。空間放射高出力アンプ１００は、低出力無線周波数（ＲＦ）入力信号１０１から最初の波面１０３を生成するための放射（またはフィード）ホーン１０２を有する。空間放射（またはフィード）高出力アンプ１００は、また最初の波面１０３を反射し、反射波面１０７を発生するＲＦ反射表面を持った反射器１０４および１０６を有する。空間放射高出力アンプ１００は、また高出力平面波１０９を生成するために反射波面１０７を増幅するアクティブアレイアンプ１０８を含む。反射器１０４および１０６の反射面は、反射波面１０７の振幅がアクティブアレイアンプ１０８に入射する時に実質的に均一であるように選択される。これは、以下により詳細に述べられる。いくつかの実施例において、本発明の範囲はこの点に限定されるものではないが、反射波面１０７は振幅が実質均一で位相も実質コヒーレントである。いくつかの実施例において、本発明の範囲はこの点に限定されるものではないが、反射波面１０７は実質的にアクティブアレイアンプ１０８の形状に適するように輪郭取りされる。
【００１１】
本発明実施例の空間放射高出力アンプは、本発明の範囲はこの点に限定されるものではないが、マイクロウェーブ周波数およびミリ波周波数、および特にＷバンドのミリ波周波数を含む、ほとんどあらゆるＲＦ周波数で使用するのに適している。
【００１２】
いくつかの実施例において、高出力平面波１０９は平行化された（すなわち円柱状に）波面であり、他の実施例においては、高出力平面波１０９は収束、または拡散する波面である。いくつかの実施例において、アクティブアレイアンプ１０８は複数の実質的に同一のアンプセル１１０を含む。各アンプセル１１０は反射波面１０７を受信する受信アンテナと、受信アンテナを通して受信したＲＦ信号を増幅するパワーアンプと、およびパワーアンプによって生成された増幅ＲＦ信号を送信する送信アンテナを有する。複数のアンプセル１１０によって送信される増幅ＲＦ信号は、出力波面１０９を有する。最初の波面１０３は、傾斜した振幅成分（すなわちテーパー状の照射）を持った実質的に球面の波面を持っている。いくつかの実施例において、放射ホーン１０２は、本発明の範囲はこの点に限定されるものではないが、ホーンアンテナであり、低出力ＲＦ入力信号１０１は導波管構造内でもたらされる。
【００１３】
いくつかの実施例において、ＲＦ反射器１０４および１０６の反射面は、最初の波面１０３の振幅の傾斜を補正するように、および、アクティブアレイアンプ１０８への入射時に実質的に均一な振幅成分とコヒーレントな位相成分を持った反射波面１０７をもたらすように選択される。反射器１０４および１０６のＲＦ反射面は、アクティブアレイに入射する時に実質的に均一な振幅で、実質的に位相がコヒーレントである波面をもたらすよ
うに選択された係数を持った多項式、または他の数式によって表わされる。いくつかの実施例において、表面はその多項式にしたがって仕上げられる。
【００１４】
このプロセスは、以下にさらに詳細を述べる。
いくつかの実施例において、反射器１０４および１０６は変形放物面の区域、変形双曲面の区域、および／または変形楕円面の区域を有する。いくつかの実施例において、反射器１０４は、波面１０５を発生するために変形放物面の区域を有し、反射器１０６は波面反射波面１０７を発生するために変形双曲面の区域を有する。いくつかの実施例において、反射器１０４は副反射器であり、反射器１０６は主反射器である。本発明の多くの実施例では２つの反射器が図示され、述べられているが、本発明の範囲はこの点に限定されるものではない。本発明のいくつかの実施例では、１つの反射器のみが使用されているが、他の実施例では３つ以上の反射器を使用することも出来る。
【００１５】
いくつかの実施例において、ＲＦ反射器１０４および１０６のＲＦ反射面は（例えば金属の）薄いＲＦ反射コーティングをその上に付着させた３次元（３Ｄ）のプラスチック層を有する。これらの実施例では、３Ｄのプラスチック層は、以下に詳細を述べる立体リソグラフィープロセスによって形成される。
【００１６】
図２は、本発明のいくつかの実施例における、アレイアンプのアンプセルを図示している。アンプセル２１０は、他の構成も適しているが、アレイアンプ１０８（図１Ａ）の１つのアンプセル１１０（図１Ａ）として使用するのに適している。アンプセル２１０は実質的に均一なゲインと位相特性を有する。いくつかの実施例において、アンプセル２１０は個別の半導体チップであり、一方他の実施例では複数のアンプセル２１０が単一の半導体のチップからなる。
【００１７】
いくつかの実施例において、各々のアンプセルは、入射する波面を受信する受信アンテナ２０２と、受信アンテナ２０２を通して受信したＲＦ信号を増幅するパワーアンプ２０４と、パワーアンプ２０４によってもたらされた増幅ＲＦ信号を送信するための送信アンテナ２０６を有する。いくつかの実施例において、複数のアンプセルによって送信された増幅ＲＦ信号は、平行化された平面出力波面を有する。図１Ａに図示されるようないくつかの実施例において、アクティブアレイアンプ１０８（図１Ａ）は、反射される方向に向かう平面出力波面１０９を発生するために平らな面の同じ側に受信アンテナ２０２と送信アンテナ２０６の両方を持ったアクティブ反射アレイアンプである。これらの実施例では、出力平面波１０９（図１Ａ）は入射波面１０７（図１Ａ）のおかげで高出力反射波面として観測される。
【００１８】
以下に説明する図３に図示されるようないくつかの実施例において、アクティブアレイアンプはアクティブレンズアレイアンプであって、アクティブアレイアンプの第１の側にＲＦ反射面からの反射波面を受信する受信アンテナ２０２を有し、アクティブアレイアンプの反対側の第２の側に透過する方向に向かう平面出力波面を発生するために送信アンテナ２０６を有する。
【００１９】
いくつかの実施例に拠れば、反射波面１０７（図１Ａ）は、アレイアンプを効果的に使用するためにアレイ中の殆どすべてのセル２１０（図２）を飽和させるレベルのパワー密度を持った均一な平面波である。
【００２０】
抗テーパー実施例と呼ぶいくつかの実施例において、アンプセル２１０（図２）は、アレイアンプ１０８（図１Ａ）が、出力波面１０９の実質的に均一な振幅成分、および均一な位相成分を発生するように、最初の波面１０３（図１Ａ）のテーパー状振幅成分を打ち消すようにそのゲインがセットされる。これらの実施例において、本発明の範囲はこの
点に限定されるものではないが、反射器１０４および１０６は必ずしも上述したように変形させる必要はない。
【００２１】
これらの実施例において、各アンプセル１１０（図１Ａ）は、平面出力波面１０９（図１Ａ）の実質的に均一な振幅成分を生成するために、非平面入力波面１０３のテーパー状振幅成分を漸進的に打ち消すために個別にセットされるゲインを有する。これらの実施例において、アレイアンプ１０８（図１Ａ）に自動ゲイン制御（ＡＧＣ）プロセスが実装され、各単位セルが飽和状態またはそれに近い状態で作動し、アレイアンプのパワー出力能力を効果的に用いるように各アンプセル１１０（図１Ａ）のゲインを個別に制御する。
【００２２】
本発明の実施例は反射面を使用するように述べられているが、本発明の範囲はこの点に限定されるもののではない。他の実施例においては、１つ以上の反射器の代わりに、ＲＦレンズが用いられる。これらの実施例において、ＲＦレンズは、同様にアンプアレイに入射する平面波面を生成するように選択され、生成される。いくつかの他の実施例において、形状を有するＲＦ反射面と形状を有するレンズが用いられる。
【００２３】
いくつかの実施例において、本発明は１つ以上のＲＦレンズを持ったアンプを提供し、振幅、および／または最初の波面１０３（図１Ａ）の位相特性を変化させ、実質的に均一な振幅の反射波面１０７（図１Ａ）を生成する。これらの実施例において、形状を有するレンズは最初の波面１０３（図１Ａ）の振幅テーパーを補正し、アクティブアレイアンプ１０８（図１Ａ）に入射させるために実質的に均一な振幅を持った波面１０７（図１Ａ）をもたらす。これらの実施例において、形成レンズは、実質的に均一な振幅成分を持ってアクティブアレイアンプに入射する波面をもたらすように選択される係数を有する多項式によって表わされる。
【００２４】
図１Ｂは、本発明のいくつかの他の実施例による、平面出力波面を発生する空間放射高出力アンプを示す。空間放射出力アンプ１０１（図１Ｂ）は、空間放射高出力アンプ１００（図１Ａ）と同様であるが、空間放射出力アンプ１０１（図１Ｂ）は、反射器１０６とアクティブアレイアンプ１０８の間に置かれる偏光グリッド１１２を有する。偏光グリッド１１２は、一方の偏光波面を通過させ、他方の偏光波面を反射させる。いくつかの実施例において、波面１０７は、例えば横に偏光している。これらの実施例においては、偏光グリッド１１２は横に偏光している波面１０７を通過させてアレイアンプ１０８は横に偏光した波を受信し、縦に偏光した波を送信する（すなわち偏光を回転させる）。偏光グリッド１１２は縦偏光の波を波面１０９のように反射する。本発明のこれらの実施例では、アクティブアレイアンプ１０８はその表面に実質的に垂直な角度で入射する波面１０７を受信する。これらの実施例において、アクティブアレイアンプ１０８の各セル２１０（図２）の受信アンテナ２０２（図２）と送信アンテナ２０６（図２）は直角な偏光性を有する。横および縦という語は、ここでは直角偏光の例として用いられ、入れ替えることが出来る。本発明の実施例は、他の直角偏光とともに使用するのにも適している。
【００２５】
図３は、本発明のいくつかの他の実施例による、平面出力波面を発生する空間放射高出力アンプを図示している。空間放射高出力アンプ３００は、低出力ＲＦ入力信号３０１から最初の波面３０３を生成するための放射ホーン３０２と、最初の波面３０３を反射するためのＲＦ反射面を有し反射波面３０７を生成する反射器３０４および３０６と、反射波面３０７を増幅するアクティブレンズアレイアンプ３０８を有し、高出力平面波面３０９を発生する。
【００２６】
いくつかの実施例において、アクティブアレイアンプ３０８はアクティブレンズアレイアンプ３０８の第１の側３１０に受信アンテナ２０２（図２）のような受信アンテナを有し、ＲＦ反射面３０６からの反射波面３０７を受信する。これらの実施例において、ア
クティブレンズアレイアンプ３０８はアクティブアレイアンプ３０８の第２の反対側に送信アンテナ２０６（図２）のような送信アンテナを有し、図示したように透過方向に平面出力波面３０９を発生する。
【００２７】
図１および３に図示した空間放射アンプは、増幅されたエネルギーを放射（すなわち空中に）するが、しかしいくつかの状況下では、高出力が放射されないような形で使用される必要がある。例えば、それは他のタイプの導波管の中に入れられる必要があるかもしれない。導波管媒体内の高出力エネルギーを供する本発明のいくつかの他の実施例は、以下に述べる図４から６に図示されている。
【００２８】
図４は、本発明のいくつかの実施例における、高出力ＲＦ信号を発生するための空間放射高出力アンプを図示している。空間放射高出力アンプ４００は、低出力ＲＦ入力信号４０１から最初の波面４０３を生成する放射ホーン４０２と、最初の波面４０３を反射し反射波面４０７を発生するＲＦ反射面を有する反射器４０４および４０６と、反射波面４０７を増幅するアクティブ反射アレイアンプ４０８を有し、高出力平面波面４０９を発生する。
【００２９】
これらの実施例において、空間放射高出力アンプ４００は、また、高出力平面波面４０９を反射し、実質的に球面の出力波面４１３を発生させるように位置決めされたＲＦ反射面を持った反射器４１０および４１２を有する。いくつかの実施例において、波面４０９は平行化される。これらの実施例において、空間放射高出力アンプ４００は、また、実質的に球面の出力波面４１３を受信して高出力ＲＦ出力信号４１５を発生させる出力放射ホーン４１４を有する。いくつかの実施例において、本発明の範囲がこの点に限定されるものではないが、出力放射ホーン４１４はホーンアンテナであり、高出力ＲＦ出力信号４１５が出力導波管内でもたらされる。
【００３０】
いくつかの実施例において、本発明の範囲がこの点に限定されるものではないが、反射器４１０は変形放物面の区域を有し、反射器４１２は変形双曲面の区域を有する。反射器４０４および４０６の反射面は、反射波面４０７がアクティブ反射アレイアンプ４０８に入射するときに実質的に振幅が均一であるように選択される。
【００３１】
図５は、本発明のいくつかの他の実施例における、高出力ＲＦ信号を発生する空間放射高出力アンプを図示している。空間放射高出力アンプ５００は低出力ＲＦ入力信号５０１から最初の波面５０３を生成するための放射ホーン５０２と、最初の波面５０３を反射して反射波面５０７を発生するＲＦ反射面を持った反射器５０４および５０６と、反射波面５０７を増幅するアクティブレンズアレイアンプ５０８を有し、高出力平面波面５０９を発生する。
【００３２】
これらの実施例において、空間放射高出力アンプ５００は、また、高出力平面波面５０９を反射し、実質的に球面の出力波面５１３を発生させるように位置決めされたＲＦ反射面を持った反射器５１０および５１２を有する。いくつかの実施例において、波面５０９は平行化される。これらの実施例において、空間放射高出力アンプ５００は、また、実質的に球面の出力波面５１３を受信して高出力ＲＦ出力信号５１５を発生させる出力放射ホーン５１４を有する。いくつかの実施例において、本発明の範囲がこの点に限定されるものではないが、出力放射ホーン５１４はホーンアンテナであり、高出力ＲＦ出力信号５１５が出力導波管内でもたらされる。
【００３３】
いくつかの実施例において、本発明の範囲がこの点に限定されるものではないが、反射器５１０は変形放物面の区域を有し、反射器５１２は変形双曲面の区域を有する。反射器５０４および５０６の反射面は、反射波面５０７がアクティブ反射アレイアンプ５０８
に入射するときに実質的に振幅が均一であるように選択される。
【００３４】
図６は、本発明のさらに他のいくつかの実施例における、高出力ＲＦ信号を発生する空間放射高出力アンプを図示している。空間放射高出力アンプ６００は低出力ＲＦ入力信号６０１から最初の波面６０３を生成するための放射ホーン６０２と、最初の波面６０３を反射して反射波面６０７を発生するＲＦ反射面を持った反射器６０４および６０６と、反射波面６０７を増幅するアクティブ反射アレイアンプ６０８を有し、高出力平面波面６０９を発生する。反射器６０４および６０６の反射面は、反射波面６０７がアクティブ反射アレイアンプ６０８に入射するときに実質的に振幅が均一であるように選択される。これらの実施例において、アレイアンプ６０８は、反射器６０６および６０４による反射に対する反射波面６０７とまったく反対向きの高出力平面波面６０９を発生させて放射ホーン６０２に送り込むように位置決めされる。このようにして、反射器６０６および６０４は放射ホーン６０２に入射する高出力の球面波面を発生する。放射ホーン６０２は、放射ホーン６０２に入射する高出力の球面波面から高出力ＲＦ出力信号６１５を生成する。これらの実施例において、直交モード変換器６１４は、本発明の範囲がこの点に限定されるものではないが、放射ホーン６０２と接続され、高出力ＲＦ出力信号６１５から低出力ＲＦ入力信号６０１を分離する。これらの実施例において、直交モード変換器は、ホーンが第１の偏光（例えば縦）の波面（低出力ＲＦ入力波面）を放射し、一方、第２の偏光（例えば横）の波面（高出力ＲＦ出力波面）を受信するようにする。アレイアンプ６０８は、低出力入力波面を受信して高出力出力反射波面を発生させるために、対応する直交偏光の受信および送信アンテナを使用する。
【００３５】
図７は、いくつかの実施例における、反射面による波面の形状を示す。空間放射アンプの１つの問題は、アレイの縁から漏れるエネルギーの量である。この問題はアレイの縁が複雑な形をしていると悪化する。殆どの放射ホーンは円形または楕円形のビームを発生するので、多くのエネルギーは円形または楕円形でないアレーアンプに供されるとき無駄となる。本発明のいくつかの実施例において、入力波面の照射はアレイアンプの形状に適合させられる。図７において、放射ホーン７０２によって発生した球面波面７０３は、反射器７０４および７０６を用いて実質的に平面な波面７０７に変換される。これらの実施例において、波面７０７の電場の振幅成分はアンプアレイ７０８の形状に適合させられる。この例において、パワーはアレイ７０８の中に収束（すなわち切りかかれたコーナーを有する）され、アレイの外では、特にコーナーでは浪費するエネルギーを減少させるために減じられる。
【００３６】
図８は、アクティブアレイアンプ上の電場の３次元輝度像の例を図示し、輪郭８０２は方形のアンプアレイを表わす。図示したように、アンプアレイ範囲内の電場はアンプアレイ外側の電場よりも非常に大きい。見られるように、空間放射アンプの効率はアンプの形状内にエネルギーを集中することによって非常に増す。これらの実施例において、形成反射面はこの結果をもたらすために選択される。
【００３７】
図９は、本発明のいくつかの実施例において、形状を有する反射器を生成するための手順のフローチャートを示す。手順９００は、１つ以上の反射器、すなわち反射器１０４および１０６（図１Ａおよび１Ｂ）、反射器３０４および３０６（図３）、反射器４０４、４０６、４１０および４１２（図４）、反射器５０４，５０６、５１０および５１２、反射器６０４および６０６、反射器７０４および７０６を生成するために用いられる。
【００３８】
作業９０２において、第１の面の部分を表わす第１の多項式によって、面１０４（図１Ａ）のような最初の面が表現される。作業９０４において、第２の面を表わす第２の多項式によって、面１０６（図１Ａ）のような第２の面が表現される。その面は、他の３次元面も適している可能性はあるが、例えば放物面、双曲面、または楕円面などである。
【００３９】
作業９０６において、その表面で反射される入射光の振幅と位相成分がその表面を表わす多項式によって計算される。いくつかの実施例において、入射波面は球面であり得る（図１Ａ）。
【００４０】
作業９０８において、その面を表わす多項式の係数が、例えば波面１０７（図１Ａ）のような反射波面の振幅が実質的に均一で、かつ／または位相がコヒーレントになるように繰り返し調整される。いくつかの実施例において、その係数は、アレイアンテナの表面全体に渡ってフラットな出力密度を達成するような効果の数値を最大化するように調整される。いくつかの実施例において、最適化アルゴリズムが使用される。
【００４１】
作業９１０において、反射面は作業９０８から導かれた多項式に基づいて生成される。いくつかの実施例において、本発明の範囲はこの点に制限されるものではないが、作業９１０は、反射面を金属で生成する（例えばコンピューター制御のミリングマシンで）ことを含む。
【００４２】
いくつかの実施例において、作業９１０は反射面を立体リソグラフィープロセスで生成することを含む。これらの実施例において、その立体リソグラフィープロセスは上記多項式に基づいて３次元コンピューター表面モデルを生成すること、およびそのコンピューターモデルに基づいて紫外線レーザーを用いて液体ポリマーの層を選択的に固形化することを含む。これらの実施例において、表面の３次元モデルはＣＡＤのプログラムで創成される。コンピューターソフトは、モデルを薄い層（例えば、１ｍｍあたり５ないし１０層の厚み）に“カット”する。紫外線レーザーは、タンク内の液体プラスチック（例えば光ポリマー）の表面を露光しながらその１つの層を“描いて”いき、それを硬化させる。光ポリマーは紫外光に感光し、レーザーが触れたところはどこでも硬化する。作業台がタンク内に数分の１ｍｍ降下し、レーザーは直前の層の上に次の層を“描いて”いく。このプロセスは、３次元表面の部分が形成されるまで１層ごとに繰り返される。その面はタンクから取り出されて、溶剤で洗浄され、硬化しなかったプラスチックがとりのぞかれる。各々の表面はプラスチックを硬化させるために紫外線オーブンの中で処置される。プラスチック面は次に、本発明の範囲はこの点に制限されるものではないが、金属塗装、または電気分解金属メッキのようなＲＦ反射コーティングでコートされる。
【００４３】
本発明の実施例はアクティブアレイアンプを使用するように述べられているが、本発明の範囲はこの点に制限されるものではない。いくつかの実施例において、平面開口（ａｐｅｒｔｕｒｅ）のパラボラ（ＦＬＡＰ）アンテナのようなパッシブアレイアンテナが、ここで述べたような形状を有する反射器、または形成レンズとともに供される。
【００４４】
本要旨は、読者が本技術開示の性格および要点を確認することを可能にする要旨を要求している３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．ｓｅｃｔｉｏｎ１．７２（ｂ）を満たすように用意されている。それは、その要旨がクレームの意図する範囲を制限するためには使用されないという理解の下で提出されている。
【００４５】
これまでの詳細な叙述のなかには、１つの実施例の中に、開示内容を能率的にするためのさまざまな構成が随時一緒にグループ化される。この開示方法は、当該項目の請求される実施例が、各請求項内で明示的に述べられている構成以上のものを請求するという意図を反映していると解釈されるものではない。むしろ、前述の請求項が示すように、発明は１つの開示実施例の全ての構成内にある。このように、前述の請求項は詳細記述に結びついており、各請求項は個別の好ましい実施例それ自身に拠っている。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明のいくつかの実施例における、平面出力波を発生する空間放射高出力アンプを図示する。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明のいくつかの他の実施例における、平面出力波を発生する空間放射高出力アンプを図示する。
【図２】図２は、本発明のいくつかの実施例における、アレイアンプのアンプのセルを図示する。
【図３】図３は、本発明のいくつかの他の実施例における、平面出力波を発生する空間放射高出力アンプを図示する。
【図４】図４は、本発明のいくつかの他の実施例における、高出力ＲＦ信号を発生する空間放射高出力アンプを図示する。
【図５】図５は、本発明のいくつかの他の実施例における、高出力ＲＦ信号を発生する空間放射高出力アンプを図示する。
【図６】図６は、本発明の更にいくつかの他の実施例における、高出力ＲＦ信号を発生する空間放射高出力アンプを図示する。
【図７】図７は、本発明のいくつかの実施例における、反射表面による波面の形状を図示する。
【図８】図８は、アクティブアレイアンプ上の電場の３次元照射像の例を図示する。
【図９】図９は、本発明のいくつかの実施例における、形状を有する反射器を生成するための手順のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
１００；空間放射高出力アンプ
１０１；低出力無線周波数（ＲＦ）入力信号
１０２；放射ホーン
１０３；最初の波面
１０４；反射器
１０５；波面
１０６；反射器
１０７；反射波面
１０８；アクティブアレイアンプ
１０９；高出力平面波面
１１０；アンプセル
２１０；アンプセル２１０
２０２；受信アンテナ
２０４；パワーアンプ
２０６；送信アンテナ
３００；空間放射高出力アンプ
３０１；低出力ＲＦ入力信号
３０２；放射ホーン
３０３；最初の波面
３０４、３０６；反射器
３０７；反射波面
３０８；アクティブレンズアレイアンプ
３０９；高出力平面波面
３１０；第１の側
３１２；反対側の第２の側
４００；空間放射高出力アンプ
４０１；低出力ＲＦ入力信号
４０２；放射ホーン
４０３；最初の波面
４０４，４０６；反射器
４０７；反射波面
４０８；アクティブ反射アレイアンプ
４０９；高出力平面波面
４１０，４１２；反射器
４１３；出力波面
４１４；出力放射ホーン
４１５；高出力ＲＦ出力信号
５００；空間放射高出力アンプ
５０１；低出力ＲＦ入力信号
５０２；放射ホーン
５０３；最初の波面
５０４，５０６；反射器
５０７；反射波面
５０８；アクティブレンズアレイアンプ
５０９；高出力平面波面
５１０，５１２；反射器
５１３；出力波面
５１４；出力放射ホーン
５１５；高出力ＲＦ出力信号
６００；空間放射高出力アンプ
６０１；低出力ＲＦ入力信号
６０２；放射ホーン
６０３；最初の波面
６０４，６０６；反射器
６０７；反射波面
６０８；アクティブ反射アレイアンプ
６０９；高出力平面波面
６１４；正モード変換器
６１５；高出力ＲＦ出力信号
７０２；放射ホーン
７０３；球面波面
７０４，７０６；反射器
７０７；平面波面
７０８；アンプアレイ
８０２；輪郭
９００；手順
９０２；作業
９０４；作業
９０６；作業
９０６；作業
９０８；作業
９１０；作業
【図１Ａ】
2007089391.tif 000003
【図１Ｂ】
2007089391.tif 000004
【図２】
2007089391.tif 000005
【図３】
2007089391.tif 000006
【図４】
2007089391.tif 000007
【図５】
2007089391.tif 000008
【図６】
2007089391.tif 000009
【図７】
2007089391.tif 000010
【図８】
2007089391.tif 000011
【図９】
2007089391.tif 000012
【外国語明細書】
［TITLE OF THE INVENTION] SPATIALLY-FED HIGH-POWER AMPLIFIER WITH SHAPED REFLECTORS
［FIELD OF THE INVENTION]
Embodiments of the present invention pertain to high-power amplification of microwave energy.
［DESCRIPTION OF THE PRIOR ART]
Solid state generation of high-power radio frequency (RF) energy, particularly at high-microwave and millimeter-wave frequencies, is limited by the power output of individual transistors. For example, at W-band frequencies, currently available high-power transistors only generate 50 to 100 milliwatts primarily because the transistors must be relatively small in size in order to have a useful gain. Due to this size limitation, the output power of thousands of transistors must be combined to generate high-power levels of greater than 100 watts, for example. Conventional power-combining techniques using waveguide or microstrip power combiners have substantial loss at W-band frequencies and are ineffective. This is because as the output of more transistors is combined, the distance between the transistors increases and the line lengths of the power combiners increase accordingly. This increases the insertion loss of the combiner and the phase match error between each leg of the combiner. 
［DISCLOSURE OF THE INVENSION]
［THE PROBLEM TO BE SOLVED BY THE INVENTION]
Thus, there are general needs for improved high-power RF amplifiers, particularly millimeter-wave and W-band high-power amplifiers.
［MEANS TO SOLVE THE PROBLEM]
A spatially-fed high-power amplifier comprises one or more shaped reflectors to reflect an initial wavefront, and an active array amplifier to amplify the reflected wavefront to generate a high-power planar wavefront. The shaped reflectors provide the reflected wavefront with substantially uniform amplitude when incident on the active array amplifier. In some embodiments, the shaped reflectors may also contour the illumination to fit the shape of the active array amplifier to help minimize spillover. The initial wavefront may be a substantially spherical wavefront, and the shaped reflectors may compensate for any amplitude taper of the initial wavefront to provide the reflected wavefront with substantially uniform amplitude components for incident on the active array amplifier. 
In some embodiments, the shaped reflectors comprise a section of a modified paraboloid surface, a section of a modified hyperboloid surface, or a section of a modified ellipsoid surface.   
The surfaces of the shaped reflectors may be represented by polynomials having coefficients selected to provide the reflected wavefront incident on the active array amplifier substantially uniform in amplitude and contoured to fit the shape of the active array amplifier. The coefficients of the polynomials may be iteratively adjusted until a simulated wavefront incident on the active array is substantially uniform in amplitude. The resulting coefficients may be used to generate the shapes of the reflective surfaces. 
In some embodiments, the reflective surfaces comprise three-dimensional (3D) plastic surfaces having RF reflective coating disposed thereon. The 3D plastic surfaces may be formed by a stereolithography process.
［DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION］
The following description and the drawings illustrate specific embodiments of the invention sufficiently to enable those skilled in the art to practice them. Other embodiments may incorporate structural, logical, electrical, process, and other changes. Examples merely typify possible variations. Individual components and functions are optional unless explicitly required, and the sequence of operations may vary. Portions and features of some embodiments may be included in or substituted for those of others. Embodiments of the invention set forth in the claims encompass all available equivalents of those claims.   
Embodiments of the invention may be referred to, individually or collectively, herein by the term “invention” merely for convenience and without intending to limit the scope of this application to any single invention or inventive concept if more than one is in fact disclosed.
The present invention provides high-power amplifiers using spatial power combining techniques which essentially use the air or free space to illuminate an array of power amplifier elements. In this way, the insertion loss of this combining technique is about constant with respect to the number of transistors. In some embodiments, the present invention provides a spatially-fed high-power amplifier that may be part of a high-power microwave transmitter suitable for use in a communication system. In other embodiments, the present invention provides a spatially-fed high-power amplifier that may be suitable for use in a directed energy system, although the scope of the invention is not limited in this respect. 
FIG. 1A illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a planar output wave in accordance with some embodiments of the present invention. Spatially-fed high-power amplifier 100 comprises feed horn 102 to generate initial wavefront 103 from a low-power radio-frequency (RF) input signal 101. Spatially-fed high-power amplifier 100 also comprises reflectors 104 and 106 having RF reflective surfaces to reflect initial wavefront 103 and generate reflected wavefront 107. Spatially-fed high-power amplifier 100 also comprises active array amplifier 108 to amplify reflected wavefront 107 to generate a high-power planar wavefront 109. Reflective surfaces of RF reflectors 104 and 106 are selected so that reflected wavefront 107 is substantially uniform in amplitude when incident on active array amplifier 108. This is described in more detail below. In some embodiments, reflected wavefront 107 may be substantially uniform in amplitude and substantially coherent in phase, although the scope of the invention is not limited in this respect. In some embodiments, reflected wavefront 107 may also be substantially contoured to fit the shape of active array amplifier 108, although the scope of the invention is not limited in this respect.
The spatially-fed high-power amplifiers of embodiments of the present invention are suitable for use with almost any RF frequency including microwave frequencies and millimeter-wave frequencies, and particularly W-band millimeter-wave frequencies, although the scope of the invention is not limited in this respect. 
In some embodiments, high-power planar wavefront 109 may be a collimated wavefront (i.e., in a column), while in other embodiments, high-power planar wavefront 109 may be a converging or diverging wavefront.
In some embodiments, active array amplifier 108 may comprise a plurality of substantially identical amplifier cells 110. Each amplifier cell 110 may have a receive antenna to receive reflected wavefront 107, a power amplifier to amplify RF signals received through the receive antenna, and a transmit antenna to transmit the amplified RF signals provided by the power amplifier. The amplified RF signals transmitted by the plurality of amplifier cells 110 may comprise output wavefront 109. Initial wavefront 103 may comprise a substantially spherical wavefront with tapered amplitude components (i.e., a tapered illumination). In some embodiments, feed horn 102 may be a horn antenna and low-power RF input signal 101 may be provided in a waveguide structure, although the scope of the invention is not limited in this respect. 
In some embodiments, the reflective surfaces of RF reflectors 104 and 106 may be selected to compensate for the amplitude taper of initial wavefront 103 and to provide reflected wavefront 107 with substantially uniform amplitude components and coherent phase components for incident on active array amplifier 108. In some embodiments, RF reflective surfaces of RF reflectors 104 and 106 may be represented by polynomials or other mathematical functions having coefficients selected to provide a wavefront incident on the active array that is substantially uniform in amplitude and substantially coherent in phase.       
In some embodiments, the surfaces are fabricated in accordance with the polynomials. These processes are described in more detail below.
In some embodiments, RF reflectors 104 and 106 may comprise a section of a modified paraboloid surface, a section of a modified hyperboloid surface and/or a section of a modified ellipsoid surface. In some embodiments, reflector 104 comprises a section of a modified paraboloid surface to generate wavefront 105, and reflector 106 comprises a section of a modified hyperboloid surface to generate wavefront 107. In some embodiments, reflector 104 may be a sub-reflector and reflector 106 may be a main reflector. Although many embodiments of the present invention are illustrated and described with two reflectors, the scope of the invention is not limited in this respect. Some embodiments of the present invention may use as few as one RF reflector, while other embodiments may use three or more RF reflectors. 
In some embodiments, the RF reflective surfaces of RF reflectors 104 and 106 may comprise a three-dimensional (3D) plastic layer with a thin RF reflective (e.g., metallic) coating disposed thereon. In these embodiments, the 3D plastic layer may be formed by a stereolithography process described in more detail below.
FIG. 2 illustrates an amplifier cell of an array amplifier in accordance with some embodiments of the present invention. Amplifier cell 210 may be suitable for use as one cell 110 (FIG. 1A) of array amplifier 108 (FIG. 1A), although other configurations are also suitable. Amplifier cells 210 may have substantially uniform gain and phase characteristics. In some embodiments, amplifier cells 210 may be individual semiconductor die while in other embodiments, the plurality of amplifier cells 210 may comprise a single semiconductor die. 
In some embodiments, each amplifier cell may include receive antenna 202 to receive an incident wavefront, power amplifier 204 to amplify RF signals received through receive antenna 202, and transmit antenna 206 to transmit the amplified RF signals provided by power amplifier 204. In some embodiments, the amplified RF signals transmitted by the plurality of amplifier cells may comprise a planar output collimated wavefront.
In some embodiments, such as those illustrated in FIG. 1A, active array amplifier 108 (FIG. 1A) may be an active reflect array amplifier having both receive antennas 202 and transmit antennas 206 on a same side of a planar surface to generate the planar output wavefront 109 (FIG. 1A) in a reflected direction. In these embodiments, output planar wavefront 109 (FIG. 1A) may be viewed as a reflected high-power wavefront resulting from incident wavefront 107 (FIG. 1A).
In other embodiments, such as those illustrated in FIG. 3 described below, the active array amplifier may be an active lens array amplifier having receive antennas 202 on a first side of the active array amplifier to receive the reflected wavefront from the RF reflective surfaces, and having transmit antennas 206 on a second opposite side of the active array amplifier to generate a planar output wavefront in a through direction.
In accordance with some embodiments, reflected wavefront 107 (FIG. 1A) may be a uniform plane-wave with a power density level that will saturate most or all of cells 210 (FIG. 2) in the array for efficient utilization of the array amplifier. 
In some other embodiments, referred to as anti-taper embodiments, amplifier cells 210 (FIG. 2) may have their gain set to offset the tapered amplitude components of initial wavefront 103 (FIG. 1A) so that array amplifier 108 (FIG. 1A) generates the substantially uniform amplitude components and/or uniform phase components of output wavefront 109 (FIG. 1A). In these embodiments, reflectors 104 and 106 do not necessarily have to have their surfaces modified as described herein, although the scope of the invention is not limited in this respect. 
In these embodiments, each amplifier cell 110 (FIG. 1A) may have its gain set individually to cumulatively offset the tapered amplitude components of non-planar input wavefront 103 (FIG. 1A) to generate the substantially uniform amplitude components of planar output wavefront 109 (FIG. 1A). In these embodiments, an automatic gain control (AGC) process may be implemented by array amplifier 108 (FIG. 1A) to individually control the gain of each amplifier cell 110 (FIG. 1A) so that each unit cell may operate in at or near saturation, efficiently utilizing the output power capability of the array amplifier.
Although embodiments of the present invention are described as using reflective surfaces, the scope of the invention is not limited in this respect. In other embodiments, instead of one or more of reflective surfaces, RF lenses may be used. In these embodiments, the RF lenses may be similarly selected and generated to generate incident planar waves on an amplifier array. In some other embodiments, a combination of shaped RF reflective surfaces and shaped lenses may be used.
In some embodiments, the present invention provides an amplifier with one or more shaped RF lenses to change amplitude and/or phase characteristics of initial wavefront 103 (FIG. 1A) and generate substantially uniform amplitude wavefront 107 (FIG. 1A). In these embodiments, the shaped lenses may compensate for an amplitude taper of initial wavefront 103 (FIG. 1A) to provide wavefront 107 (FIG. 1A) with substantially uniform amplitude components for incident on active array amplifier 108 (FIG. 1A). In these embodiments, the shaped lenses may also be represented by polynomials having coefficients selected to provide a wavefront incident on the active array amplifier with substantially uniform amplitude components. 
FIG. 1B illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a planar output wave in accordance with some other embodiments of the present invention. Spatially-fed power amplifier 101 (FIG. 1B) is similar to spatially-fed power amplifier 100 (FIG. 1A), however spatially-fed power amplifier 101 (FIG. 1B) includes polarizer grid 112 positioned between reflector 106 and active array amplifier 108. Polarizer grid 112 may pass wavefronts of one polarization and may reflect wavefronts of another polarization. In some embodiments, wavefront 107 may, for example, be horizontally polarized. In these embodiments, polarizer grid 112 may pass horizontally polarized wavefront 107, array amplifier 108 may receive the horizontally polarized waves and may transmit vertically polarized waves (i.e., may rotate the polarization). Polarizer grid 112 may reflect the vertically polarized waves as wavefront 109.   
These embodiments of the present invention allow active array amplifier 108 to receive incident wavefront 107 at a substantially normal angle to it surface. In these embodiments, receive antennas 202 (FIG. 2) and transmit antennas 206 (FIG. 2) of each cell 210 (FIG. 2) of active array amplifier 108 may have orthogonal polarizations. The terms horizontal and vertical are used herein as examples of orthogonal polarizations and may be interchanged.   
Embodiments of the present invention may also be suitable for use with other orthogonal polarizations.
FIG. 3 illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a planar output wave in accordance with some other embodiments of the present invention. Spatially-fed high-power amplifier 300 comprises feed horn 302 to generate initial wavefront 303 from low-power RF input signal 301, reflectors 304 and 306 having RF reflective surfaces to reflect initial wavefront 303 and generate reflected wavefront 307, and active lens array amplifier 308 to amplify reflected wavefront 307 to generate high-power planar wavefront 309. Reflective surfaces of the RF reflectors 304 and 306 may selected so that reflected wavefront 307 is substantially uniform in amplitude when incident on active array amplifier 308. 
In some embodiments, active lens array amplifier 308 may have receive antennas, such as receive antennas 202 (FIG. 2), on first side 310 of active array amplifier 308 to receive reflected wavefront 307 from RF reflective surface 306. In these embodiments, active lens array amplifier 308 may have transmit antennas, such as transmit antennas 206 (FIG. 2), on second opposite side 312 of active array amplifier 308 to generate planar output wavefront 309 in the through direction as illustrated.
The spatially-fed amplifiers illustrated in FIGs. 1 and 3 radiate the amplified energy (i.e., in the air), however in some situations, the high-power may need to be utilized in a fashion that is not radiated. For example, it may need to be contained in a waveguide of other type of transmission medium. Examples of some other embodiments of the present invention that provide high-power energy in a waveguide medium are illustrated in FIGs. 4 - 6 described below. 
FIG. 4 illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a high-power RF signal in accordance with some embodiments of the present invention. Spatially-fed high-power amplifier 400 comprises feed horn 402 to generate initial wavefront 403 from low-power RF input signal 401, reflectors 404 and 406 having RF reflective surfaces to reflect initial wavefront 403 and generate reflected wavefront 407, and active reflect array amplifier 408 to amplify reflected wavefront 407 to generate high-power planar wavefront 409. 
In these embodiments, spatially-fed high-power amplifier 400 also comprises reflectors 410 and 412 having RF reflective surfaces positioned to reflect high-power planar wavefront 409 and generate substantially spherical output wavefront 413. In some embodiments, wavefront 409 may be collimated. In these embodiments, spatially-fed high-power amplifier 400 also comprises output feed-horn 414 to receive substantially spherical output wavefront 413 and generate high-power RF output signal 415. In some embodiments, output feed-horn 414 may be a horn antenna and high-power RF output signal 415 may be provided within an output waveguide, although the scope of the invention is not limited in this respect.
In some embodiments, reflector 410 may comprise a section of a modified paraboloid surface and reflector 412 may comprises a section of a modified hyperboloid surface, although the scope of the invention is not limited in this respect. Reflective surfaces of the RF reflectors 404 and 406 may be selected so that reflected wavefront 407 is substantially uniform in amplitude when incident on active reflect array amplifier 408. 
FIG. 5 illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a high-power RF signal in accordance with some other embodiments of the present invention. Spatially-fed high-power amplifier 500 comprises feed horn 502 to generate initial wavefront 503 from low-power RF input signal 501, reflectors 504 and 506 having RF reflective surfaces to reflect initial wavefront 503 and generate reflected wavefront 507, and active lens array amplifier 508 to amplify reflected wavefront 507 to generate high-power planar wavefront 509. 
In these embodiments, spatially-fed high-power amplifier 500 also comprises reflectors 510 and 512 having RF reflective surfaces positioned to reflect high-power planar wavefront 509 and generate substantially spherical output wavefront 513. In some embodiments, wavefront 509 may be collimated. In these embodiments, spatially-fed high-power amplifier 500 also comprises output feed-horn 514 to receive substantially spherical output wavefront 513 and generate high-power RF output signal 515. In some embodiments, output feed-horn 514 may be a horn antenna and high-power RF output signal 515 may be provided within an output waveguide, although the scope of the invention is not limited in this respect.
In some embodiments, reflector 510 may comprise a section of a modified paraboloid surface and reflector 512 may comprises a section of a modified hyperboloid surface, although the scope of the invention is not limited in this respect. Reflective surfaces of the RF reflectors 504 and 506 may be selected so that reflected wavefront 507 is substantially uniform in amplitude when incident on active lens array amplifier 508. 
FIG. 6 illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a high-power RF signal in accordance with yet some other embodiments of the present invention. Spatially-fed high-power amplifier 600 comprises feed horn 602 to generate initial wavefront 603 from low-power RF input signal 601, reflectors 604 and 606 having RF reflective surfaces to reflect initial wavefront 603 and generate reflected wavefront 607, and active reflect array amplifier 608 to amplify reflected wavefront 607 to generate reflected high-power planar wavefront 609. Reflective surfaces of the RF reflectors 604 and 606 may selected so that reflected wavefront 607 is substantially uniform in amplitude when incident on active reflect array amplifier 608.   
In these embodiments, array amplifier 608 may be positioned to generate the high-power planar wavefront 609 in a direction directly opposite to reflected wavefront 607 for reflection by reflectors 606 and 604 and for incidence on feed horn 602. In this way, reflectors 606 and 604 generate a high-power spherical wavefront incident on feed horn 602. Feed horn 602 may generate high-power RF output signal 615 from the high-power spherical wavefront incident on feed horn 602. In these embodiments, orthomode transducer 614 may be coupled with feed horn 602 to separate low-power RF input signal 601 from high-power RF output signal 615, although the scope of the invention is not limited in this respect. In these embodiments, orthomode transducer allows the horn to radiate a wavefront (the low-power input wavefront) of a first polarization (e.g., vertical) while simultaneously receiving a wavefront (the high-power output wavefront) of a second polarization (e.g., horizontal). Array amplifier 608 may use receive and transmit antennas of corresponding orthogonal polarizations to receive the low-power input wavefront and generate a reflected high-power output wavefront.
FIG. 7 illustrates the shaping of wavefronts by reflective surfaces in accordance with some embodiments of the present invention. One problem with spatially-fed arrays is the amount of energy that is spilled over the rim of the array. This problem is exacerbated when the rim of the array is a complex shape. Because most feed horns generate a circular or elliptical shaped beam, a lot of energy is wasted feeding an array amplifier that is not circular or elliptical. In accordance with some embodiments of the present invention, the illumination of the input wavefront may be tailored to the shape of the array amplifier. In FIG. 7, spherical wavefront 703 generated by feed horn 702 may be converted to substantially planar wavefront 707 with reflectors 704 and 706. In these embodiments, the amplitude components of the electric field of wavefront 707 may be tailored to the shape of amplifier array 708. In this example, the power may be concentrated within array 708 (i.e., with cut-out corners) and reduced outside the array, particularly at the corners, so as to reduce wasted energy. 
FIG. 8 illustrates a three-dimensional view of an example electric field illumination on an active array amplifier. In this example, outline 802 may represent a square amplifier array.   
As illustrated, the electric field within the region of the amplifier array is significantly greater than the electric field outside the amplifier array. As can be seen, the efficiency of a spatially fed amplifier may be significantly increased by concentrating the energy within the shape of the amplifier array. In these embodiments, shaped reflective surfaces may be selected to provide this result. 
FIG. 9 is a flow chart of a procedure for generating shaped reflectors in accordance with some embodiments of the present invention. Procedure 900 may be used to generate one or more shaped RF reflectors, such as reflectors 104 and 106 (FIGs. 1A and 1B), reflectors 304 and 306 (FIG. 3), reflectors 404, 406, 410 and 412 (FIG. 4), reflectors 504, 506, 510 and 512 (FIG. 5), reflectors 604 and 606 (FIG. 6) and reflectors 704 and 706 (FIG. 7). 
In operation 902, a first surface, such as surface 104 (FIG. 1A) is represented by a first polynomial describing a section of the first surface. In operation 904, a second surface, such as surface 106 (FIG. 1A) is represented by a second polynomial describing a section of the second surface. The surfaces may, for example, be a paraboloid, hyperboloid or ellipsoid, although other three-dimensional surfaces may also be suitable. 
In operation 906, amplitude and phase components of an incident wavefront reflected by the surfaces may be simulated based on the polynomials representing the surfaces. In some embodiments, the incident wavefront may be a spherical wavefront such as wavefront 103 (FIG. 1A). 
In operation 908, the coefficients of the polynomials representing the surfaces may be iteratively adjusted until the reflected wavefront, such as wavefront 107 (FIG. 1A), is substantially uniform in amplitude and/or coherent in phase. In some embodiments, the coefficients may be adjusted to maximize a figure of merit to achieve a flat power density across the surface of the array antenna. In some embodiments, an optimization algorithm may be used.
In operation 910, reflective surfaces may be generated based on the polynomials resulting from operation 908. In some embodiments, operation 910 may comprise generating the reflective surfaces out of metal (i.e., with a computer controlled milling machine), although the scope of the invention is not limited in this respect. 
In other embodiments, operation 910 comprises generating the reflective surfaces using a stereolithography process. In these embodiments, the stereolithography process may comprise generating three-dimensional computer models of the surfaces based on the polynomials and using an ultraviolet laser to selectively harden layers of a liquid polymer based on the computer model. In these embodiments, a three-dimensional model of the surface may be created in a CAD program. The computer software may “cut” the model into thin layers (e.g., five to ten layers per millimeter of thickness). An ultraviolet laser may “paint” one of the layers exposing the top surface of the liquid plastic (i.e., a photopolymer) in a tank and hardening it. The photopolymer may be sensitive to ultraviolet light so that wherever the laser touches it, the polymer hardens. The platform drops down into the tank a fraction of a millimeter, and then the laser “paints” the next layer on top of the previous layer. This process may be repeated layer by layer until the three-dimensional surface section is formed. The surface may be removed from the tank and rinsed with solvent to remove any uncured plastic.     Each surface may then be cured in an ultraviolet oven to harden the plastic. The plastic surface may then be coated with an RF reflective coating such as a metallic paint or an electrolyses metallic plating, although the scope of the invention is not limited in this respect. 
Although embodiments of the present invention are described as using an active array amplifier, the scope of the invention is not limited in this respect. In some embodiments, a passive array antenna, such as a flat aperture parabolic (FLAPs) antenna, may be fed with shaped reflectors or shaped lenses as described herein.
The Abstract is provided to allow the reader to ascertain the nature and gist of the technical disclosure. It is submitted with the understanding that it will not be used to limit or interpret the scope or meaning of the claims.
In the foregoing detailed description, various features may be occasionally grouped together in a single embodiment for the purpose of streamlining the disclosure. This method of disclosure is not to be interpreted as reflecting an intention that the claimed embodiments of the subject matter require more features than are expressly recited in each claim. Rather, as the claims reflect, invention may lie in less than all features of a single disclosed embodiment. Thus the claims are hereby incorporated into the detailed description, with each claim standing on its own as a separate preferred embodiment.
［BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS］
［FIG. 1A］ illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a planar output wave in accordance with some embodiments of the present invention; 
［FIG. 1B］ illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a planar output wave in accordance with some other embodiments of the present invention; 
［FIG. 2］ illustrates an amplifier cell of an array amplifier in accordance with some embodiments of the present invention; 
［FIG. 3］ illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a planar output wave in accordance with some other embodiments of the present invention; 
［FIG. 4］ illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a high-power RF signal in accordance with some embodiments of the present invention; 
［FIG. 5］ illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a high-power RF signal in accordance with some other embodiments of the present invention; 
［FIG. 6］ illustrates a spatially-fed high-power amplifier for generating a high-power RF signal in accordance with yet some other embodiments of the present invention; 
［FIG. 7］ illustrates the shaping of wavefronts by reflective surfaces in accordance with some embodiments of the present invention;
［FIG. 8］ illustrates a three-dimensional view of an example electric field illumination on an active array amplifier; and
［FIG. 9］ is a flow chart of a procedure for generating shaped reflectors in accordance with some embodiments of the present invention. 
［EXPLANATION OF REFERENCE NUMERALS］
spatially-fed high-power amplifier 100
low-power radio-frequency (RF) input signal 101
feed horn 102
initial wavefront 103
reflector 104
wavefront 105 
reflector 106
reflected wavefront 107
active array amplifier 108 
high-power planar wavefront 109
amplifier cell 110
polarizer grid 112
amplifier cell 210
receive antenna 202
power amplifier 204
transmit antennas 206 
spatially-fed high-power amplifier 300
low-power RF input signal 301
feed horn 302
initial wavefront 303
reflectors 304 and 306 
reflected wavefront 307,
active lens array amplifier 308
high-power planar wavefront 309
first side 310
second opposite side 312
spatially-fed high-power amplifier 400
low-power RF input signal 401
feed horn 402
initial wavefront 403
reflectors 404 and 406
reflected wavefront 407
active reflect array amplifier 408
high-power planar wavefront 409
reflectors 410 and 412 
output wavefront 413
output feed-horn 414
high-power RF output signal 415
spatially-fed high-power amplifier 500
low-power RF input signal 501
feed horn 502
initial wavefront 503
reflectors 504 and 506
reflected wavefront 507
active lens array amplifier 508
high-power planar wavefront 509. 
reflectors 510 and 512
output wavefront 513
output feed-horn 514
high-power RF output signal 515 
spatially-fed high-power amplifier 600
low-power RF input signal 601
feed horn 602
initial wavefront 603
reflectors 604 and 606
reflected wavefront 607
active reflect array amplifier 608
high-power planar wavefront 609
orthomode transducer 614
high-power RF output signal 615
feed horn 702
spherical wavefront 703
reflectors 704 and 706
planar wavefront 707
amplifier array 708 
outline 802 
procedure 900
operation 902
operation 904
operation 906
operation 908
operation 910
1. A spatially-fed high-power amplifier comprising:
one or more shaped reflectors (104) (106) having an associated one or more radio-frequency (RF) reflective surfaces to reflect an initial wavefront (103) and generate a reflected wavefront (107); and
an active array amplifier (108) to amplify the reflected wavefront (107) to generate a high-power planar wavefront (109), 
wherein the one or more reflective surfaces are to provide the reflected wavefront (107) with substantially uniform amplitude when incident on the active array amplifier (108).
2. The amplifier of claim 1 wherein the initial wavefront (103) comprises a substantially spherical wavefront, and
wherein the reflective surfaces are to compensate for an amplitude taper of the initial wavefront (103) to provide the reflected wavefront (107) with substantially uniform amplitude components for incident on the active array amplifier (108).
3. The amplifier of claim 2 wherein the RF reflectors (104) (106) comprise at least one of a section of a modified paraboloid surface, a section of a modified hyperboloid surface, or a section of a modified ellipsoid surface, and
wherein the reflective surfaces are represented by polynomials having coefficients selected to provide the reflected wavefront (107) incident on the active array amplifier (108) substantially uniform in amplitude. 
4. The amplifier of claim 2 wherein the RF reflectors (104) (106) comprises a first reflector (104) and a second reflector (106), the first reflector comprising a section of a modified paraboloid surface, the second reflector (106) comprising a section of a modified hyperboloid surface. 
5. The amplifier of claim 4 wherein the active array amplifier (108) is an active reflect array amplifier having a plurality of orthogonally polarized receive and transmit antennas (202) (206) on a same side of a planar surface to generate the high-power planar wavefront (109) in a reflected direction. 
6. The amplifier of claim 4 further comprising:
third and fourth reflectors (410) (412) having RF reflective surfaces positioned to reflect the high-power planar wavefront (409) and generate a substantially spherical output wavefront (413); and
an output feed-horn (414) to receive the substantially spherical output wavefront (413) and generate a high-power RF output signal (415).
7. The amplifier of claim 1 wherein the active array amplifier (108) comprises a plurality of substantially identical amplifier cells (110), each amplifier cell having a receive antenna (202) to receive the reflected wavefront (107), a power amplifier (204) to amplify RF signals received through the receive antenna (202), and a transmit antenna (206) to transmit the amplified RF signals provided by the power amplifier (204), 
wherein the amplified RF signals transmitted by the plurality of amplifier cells (110) comprise a planar output collimated wavefront (109).
8. A spatially-fed high-power amplifier comprising:
a low-power radio-frequency (RF) source (102) to generate a non-planar input wavefront (103);
an active array amplifier (108) to receive the input wavefront and to generate a planar output wavefront (109) having substantially uniform amplitude components; and
one or more reflectors (104) (106) having an associated one or more radio-frequency (RF) reflective surfaces to reflect an initial wavefront (103) and generate a reflected wavefront (107) for receipt by the active array amplifier (108), 
wherein the RF source (102) comprises a horn antenna to generate a substantially spherical input wavefront, and
wherein the active array amplifier (108) array comprises a plurality of amplifier cells, each amplifier cell having its gain set individually to cumulatively offset tapered amplitude components of the non-planar input wavefront (103) to generate the substantially uniform amplitude components of planar output wavefront (109).
9. A spatially-fed millimeter-wave amplifier comprising:
a first shaped reflector (104) comprising a section of a modified paraboloid surface;
a second shaped reflector (106) comprising a section of a modified hyperboloid surface, the reflectors to reflect a substantially spherical initial wavefront (103) and generate a reflected wavefront (107); 
an active array amplifier (108) to amplify the reflected wavefront (107) to generate a high-power planar wavefront (109), 
wherein the reflective surfaces are to compensate for an amplitude taper of the initial wavefront (103) to provide the reflected wavefront (107) with substantially uniform amplitude components for incident on the active array amplifier (108). 
10. The amplifier of claim 9 wherein reflective surfaces of the reflectors are represented by polynomials having coefficients selected to provide the reflected wavefront (107) incident on the active array amplifier substantially uniform in amplitude, 
wherein the coefficients of the polynomials are iteratively adjusted until a simulated wavefront incident on the active array is substantially uniform in amplitude based on a simulated receipt of the initial wavefront (103),
wherein the resulting coefficients are used to generate shapes of the reflective surfaces.
[SUMMARY]
A spatially-fed high-power amplifier comprises one or more shaped reflectors (104) (106) to reflect an initial wavefront (103), and an active array amplifier (108) to amplify the reflected wavefront (107) to generate a high-power planar wavefront (109). The shaped reflectors provide the reflected wavefront (107) with substantially uniform amplitude when incident on the active array amplifier (108). The initial wavefront (103) may be a substantially spherical wavefront, and the shaped reflectors may compensate for any amplitude taper of the initial wavefront (103) to provide the reflected wavefront (107) with substantially uniform amplitude components for incident on the active array amplifier (108). In some embodiments, the shaped reflectors may also contour the illumination to fit the shape of the active array amplifier to help minimize spillover. 
［SELECTED FIGURE]Fig. 1A
【図１Ａ】
2007089391.tif 000013
【図１Ｂ】
2007089391.tif 000014
【図２】
2007089391.tif 000015
【図３】
2007089391.tif 000016
【図４】
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【図５】
2007089391.tif 000018
【図６】
2007089391.tif 000019
【図７】
2007089391.tif 000020
【図８】
2007089391.tif 000021
【図９】
2007089391.tif 000022