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特許7241016アンテナサブシステム、レーダサブシステム、車両、方法、及び有体非一時的媒体
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-03-08
(45)【発行日】2023-03-16
(54)【発明の名称】アンテナサブシステム、レーダサブシステム、車両、方法、及び有体非一時的媒体
(51)【国際特許分類】
G01S 7/03 20060101AFI20230309BHJP
G01S 13/931 20200101ALI20230309BHJP
G01S 7/02 20060101ALI20230309BHJP
H01Q 21/06 20060101ALI20230309BHJP
H01Q 1/32 20060101ALI20230309BHJP
【ＦＩ】
G01S7/03 230
G01S13/931
G01S7/02 216
H01Q21/06
H01Q1/32 Z
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2019529883
(86)(22)【出願日】2017-12-05
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-01-16
(86)【国際出願番号】 US2017064754
(87)【国際公開番号】W WO2018106720
(87)【国際公開日】2018-06-14
【審査請求日】2020-11-24
(31)【優先権主張番号】62/430,306
(32)【優先日】2016-12-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】519193541
【氏名又は名称】エコダイン コーポレーシヨン
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100111235
【弁理士】
【氏名又は名称】原 裕子
(74)【代理人】
【識別番号】100195257
【弁理士】
【氏名又は名称】大渕 一志
(72)【発明者】
【氏名】ブルーン、 ニコラス ケイ．
(72)【発明者】
【氏名】チャトニ、 ムハンマド ラミーズ
(72)【発明者】
【氏名】ドリスコル、 トム
(72)【発明者】
【氏名】ハル、 ジョナサン アール．
(72)【発明者】
【氏名】ハント、 ジョン デズモンド
(72)【発明者】
【氏名】ランブレヒト、 クリストファー エル．
(72)【発明者】
【氏名】ランディ、 ネイサン イングル
(72)【発明者】
【氏名】ペルク、 ミルトン
(72)【発明者】
【氏名】レネンバーグ、 チャールズ エイ．
(72)【発明者】
【氏名】サイクス、 ベンジャミン
(72)【発明者】
【氏名】ティースリンク、 タロン
(72)【発明者】
【氏名】ツァニディス、 ヨアニス
(72)【発明者】
【氏名】ワール、 ロバート ティルマン
(72)【発明者】
【氏名】ビリー、 アダム
【審査官】安井 英己
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－１６２５１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－１９５４９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２４１７０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－００３６７０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２５７３８４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－２５７１５０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２８８０６３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－０８３６４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／００２６６９７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１６－５３５２４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２４１９３４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２００８／０５３６８５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許第０３８２５９２８（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２００３－１１０３３５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／００－ ７／４２，
Ｇ０１Ｓ １３／００－１３／９５，
Ｈ０１Ｑ １／３２，２１／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーダサブシステムであって、一アレイの送信素子を含む電子式操縦可能送信アンテナと、
ビーム操縦コントローラと、
一アレイの受信素子を含むスパースな受信アンテナと、
レーダ処理ユニットと
を含み、
前記送信素子はそれぞれが、一の波長を有する対応信号を放射するべく構成されるとともに、それぞれが、隣接する各一つの送信素子から前記波長の１／２を下回る対応第１距離だけ離間し、
前記ビーム操縦コントローラは、前記電子式操縦可能送信アンテナに、前記送信素子から放射された信号から、送信ビーム領域を占める主送信ビームを含む送信ビームパターンを形成させるように構成され、
前記受信素子はそれぞれが、一の波長を有する対応信号を受信するべく構成されるとともに、それぞれが、隣接する各一つの受信素子から前記波長の１／２を超える対応第１距離だけ離間し、
前記レーダ処理ユニットは、前記受信された信号から受信ビームパターンを形成するように構成され、
前記受信ビームパターンは、前記送信ビーム領域の中に主受信ビームを含むとともに第１受信サイドローブを含み、
前記第１受信サイドローブは、第１振幅を有するとともに、前記送信ビーム領域の一部の中に前記第１振幅を下回る第２振幅を有する、レーダサブシステム。
【請求項2】
前記レーダ処理ユニットは、前記電子式操縦可能送信アンテナが前記送信ビームパターンを形成している間に前記受信ビームパターンを形成するべく構成される、請求項１のレーダサブシステム。
【請求項3】
前記レーダ処理ユニットは、前記電子式操縦可能送信アンテナが前記送信ビームパターンを形成した後に前記受信ビームパターンを形成するべく構成される、請求項１のレーダサブシステム。
【請求項4】
前記ビーム操縦コントローラは、前記電子式操縦可能送信アンテナに、前記送信素子から放射された信号から、第１方向において送信サイドローブピークを含む前記送信ビームパターンを形成させるように構成され、前記レーダ処理ユニットは、前記受信された信号から、近似的に前記第１方向にヌルを有する第２受信サイドローブを含む前記受信ビームパターンを形成するように構成される、請求項１のレーダサブシステム。
【請求項5】
前記ビーム操縦コントローラは、前記電子式操縦可能送信アンテナに、前記送信素子から放射された信号から、第１方向において送信サイドローブヌルを含む前記送信ビームパターンを形成させるように構成され、前記レーダ処理ユニットは、前記受信された信号から、近似的に前記第１方向に第２受信サイドローブピークを含む前記受信ビームパターンを形成するように構成される、請求項１のレーダサブシステム。
【請求項6】
車両であって、レーダサブシステムと、
レーダ処理ユニットと、
駆動アセンブリと、
コントローラと
を含み、
前記レーダサブシステムは、
一アレイの送信素子を含む電子式操縦可能送信アンテナと、
ビーム操縦コントローラと、
一アレイの受信素子を含むスパースな受信アンテナと
を含み、
前記送信素子はそれぞれが、一の波長を有する対応信号を放射するべく構成されるとともに、それぞれが、隣接する各一つの送信素子から前記波長の１／２を下回る対応第１距離だけ離間し、
前記ビーム操縦コントローラは、前記電子式操縦可能送信アンテナに、前記送信素子から放射された信号から、送信ビーム領域を占める主送信ビームを含む送信ビームパターンを形成させるように構成され、
前記受信素子はそれぞれが、一の波長を有する対応信号を受信するべく構成されるとともに、それぞれが、隣接する各一つの受信素子から前記波長の１／２を超える対応第１距離だけ離間し、
前記レーダ処理ユニットは、前記受信された信号から、前記送信ビーム領域の中に主受信ビームを含む受信ビームパターンを形成するように構成されるとともに、前記主受信ビームを介して受信された信号に応答してデータを生成するように構成され、
前記受信ビームパターンはさらに第１受信サイドローブを含み、
前記第１受信サイドローブは、第１振幅を有するとともに、前記送信ビーム領域の一部の中に前記第１振幅を下回る第２振幅を有し、
前記コントローラは、前記データに応答して前記駆動アセンブリを制御するように構成される、車両。
【請求項7】
前記駆動アセンブリは、推進ユニットと、
操縦ユニットと
を含む、請求項６の車両。
【請求項8】
方法であって、電子式操縦可能アンテナを使用して送信ビームパターンを生成することであって、前記送信ビームパターンは、送信サイドローブ領域を含み、前記電子式操縦可能アンテナは、各送信素子が、一の波長を有する対応信号を放射するべく構成されるとともに、各送信素子が、隣接する各一つの送信素子から前記波長の１／２を下回る対応距離だけ離間する一アレイの送信素子を含むことと、
スパースなデジタルビーム形成アンテナによって受信された信号に応答して受信ビームパターンを生成することであって、前記受信ビームパターンは、前記送信サイドローブ領域が前記送信ビームパターンのピークである場合に前記送信サイドローブ領域と近似的に整列する受信サイドローブヌルを含み、前記送信サイドローブ領域が前記送信ビームパターンのヌルである場合に前記送信サイドローブ領域と近似的に整列する受信サイドローブピークを含むことと
を含む方法。
【請求項9】
前記送信ビームパターンを生成することは、互いからオフセットされた２つのサブセクションを有する電子式操縦可能アンテナを使用して、前記送信ビームパターンを生成することを含む、請求項８の方法。
【請求項10】
命令を記憶する有体非一時的媒体であって、演算回路によって実行されると、前記演算回路に又は前記演算回路の制御下の別の回路に、
電子式操縦可能アンテナを使用して送信ビームパターンを生成することであって、前記送信ビームパターンは送信サイドローブ領域を含み、前記電子式操縦可能アンテナは、各送信素子が、一の波長を有する対応信号を放射するべく構成されるとともに、各送信素子が、隣接する各一つの送信素子から前記波長の１／２を下回る対応距離だけ離間する一アレイの送信素子を含むことと、
スパースなデジタルビーム形成アンテナによって受信された信号に応答して受信ビームパターンを生成することであって、前記受信ビームパターンは、前記送信サイドローブ領域が前記送信ビームパターンのピークを構成する場合に前記送信サイドローブ領域と近似的に整列する受信サイドローブヌルを含み、前記送信サイドローブ領域が前記送信ビームパターンのヌルを構成する場合に前記送信サイドローブ領域と近似的に整列する受信サイドローブピークを含むことと
を行わせる、有体非一時的媒体。
【請求項11】
レーダサブシステムであって、一アレイの送信素子を含む電子式操縦可能送信アンテナと、
ビーム操縦コントローラと、
一アレイの受信素子を含むスパースな受信アンテナと、
レーダ処理ユニットと
を含み、
前記送信素子はそれぞれが、一の波長を有する対応信号を放射するべく構成されるとともに、それぞれが、隣接する各一つの送信素子から前記波長の１／２を下回る対応第１距離だけ離間し、
前記ビーム操縦コントローラは、前記電子式操縦可能送信アンテナに、前記送信素子から放射された信号から、送信サイドローブを含む送信ビームパターンを形成させるように構成され、
前記受信素子はそれぞれが、一の波長を有する対応信号を受信するべく構成されるとともに、それぞれが、隣接する各一つの受信素子から前記波長の１／２を超える対応第１距離だけ離間し、
前記レーダ処理ユニットは、
前記受信された信号から、前記送信サイドローブが前記送信ビームパターンのピークである場合に前記送信サイドローブと近似的に整列する受信サイドローブヌルを含む受信ビームパターンを形成し、
前記受信された信号から、前記送信サイドローブが前記送信ビームパターンのヌルである場合に前記送信サイドローブと近似的に整列する受信サイドローブピークを含む受信ビームパターンを形成する
ように構成される、レーダサブシステム。
【請求項12】
前記電子式操縦可能送信アンテナは、前記送信素子の第１サブアレイを有する第１送信アンテナセクションと、
前記送信素子の第２サブアレイを有して前記第１送信アンテナセクションからオフセットされた第２送信アンテナセクションと
を含む、請求項１１のレーダサブシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年１２月５日出願の米国仮特許出願第６２／４３０，３０６号、発明の名称「ＲＡＤＡＲ ＳＹＳＴＥＭ ＷＩＴＨ ＡＮＡＬＯＧ ＢＥＡＭ－ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＴＲＡＮＳＭＩＴ ＡＲＲＡＹ ＡＮＤ ＤＩＧＩＴＡＬ ＢＥＡＭ－ＦＯＲＭＩＮＧ ＲＥＣＥＩＶＥ ＡＲＲＡＹ」の利益を主張し、その内容は、参照により本明細書に組み入れられる。
本出願は、２０１６年１２月５日出願の米国仮特許出願第６２／４３０，３０６号、発明の名称「ＲＡＤＡＲ ＳＹＳＴＥＭ ＷＩＴＨ ＡＮＡＬＯＧ ＢＥＡＭ－ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＴＲＡＮＳＭＩＴ ＡＲＲＡＹ ＡＮＤ ＤＩＧＩＴＡＬ ＢＥＡＭ－ＦＯＲＭＩＮＧ ＲＥＣＥＩＶＥ ＡＲＲＡＹ」の利益を主張し、その内容は、参照により本明細書に組み入れられる。
【背景技術】
【0002】
従来のフェイズドアレイレーダシステムは、例えば、そのサイズ、電力要件、単位面積当たりのアレイ素子数（素子密度）、及びコストのために、いくつかの用途には不適当である。例えば、従来のレーダシステムのフェイズドアレイは、密度が過度に高く、視野（ＦＯＶ）を過度にゆっくりと走査し、そしてシステムは、自律型（自動運転）自動車に使用するには過度に高価である。同様に、従来のレーダシステムのフェイズドアレイは、ドローン等の無人航空機（ＵＡＶ）で使用するには、過度に密度が高く、システムは過度に高価であり、過度に重く、過度に電力を消費する。
【0003】
したがって、そのような用途のために、従来のレーダシステムよりも、軽量で、低密度、低価格、低消費電力、及びより迅速にＦＯＶを走査することができるレーダシステムが開発されてきた。
【0004】
自動車での使用のために開発されたそのようなレーダシステムの例は、例えば少なくとも４～８個（アンテナセグメントの数は、通常、システム回路がサポートするアンテナチャネルの数、例えばアンテナチャネルごとに１つのアンテナセグメントに制限される）の別個のアンテナセグメントを有するデジタルビーム形成（ＤＢＦ）受信アンテナアレイを含む。
【0005】
送信期間中、システム回路は、同じ信号で、すなわち、同じ大きさ及び位相を各々有するそれぞれの信号ですべてのアンテナセグメントを効果的に励起し、それによって、アレイが固定ＦＯＶにわたって信号エネルギを「スプレー」するようにされる。言い換えれば、それぞれが同じ大きさ及び位相を各々有するそれぞれの信号ですべてのアンテナセグメントを同時に付勢することは、静止している、すなわち操縦されていない主送信ビームを生成する。使用可能なＦＯＶをカバーするために、この送信主ビームはかなり広範であることが多く、例えば方位角（ＡＺ）で２０度を超える。
【0006】
受信期間中に、システム回路は、任意の受信アンテナセグメントからのそれぞれの利得及び位相シフトを動的に後処理し、送信ビームよりも著しく狭い受信ビームをデジタル的に形成及び操作することができ、システムは、単一の受信期間内に、単一の位置のみに、又は複数の位置に、受信ビームを操縦することができる。
【0007】
残念ながら、そのようなレーダシステムに関する問題は、受信ＤＢＦが送信ビームによって照らされた領域内でしか行うことができないことである。存在する受信機アレイセグメント／チャネルの数は、固定送信ＦＯＶを等しいセグメントに分割するために利用され、すなわち、受信機アレイセグメント／チャネルの数は、ＤＢＦの受信解像度を定義し、そして最終的にはレーダシステム全体の受信解像度を定義する。このように定義された受信解像度は、多くの場合、レイリー解像度と呼ばれ、レーダのパフォーマンスの基本的な限界を表す。例えば、送信時にＡＺで２０°のＦＯＶを照射し、４つの受信チャネルを含むレーダシステムは、このＦＯＶをわたる約５°のレイリー分解能を有する。ＡＺにおいてＦＯＶを４０°に広げるための代替の選択を行うことができ、これは、同じ４つの受信チャネルによって、約１０°のレイリー分解能をもたらす。したがって、そのようなシステムには、ＦＯＶとレイリー解像度との間の基本的なトレードオフが存在する。
【0008】
そのようなレーダを、送信時に大きなＦＯＶを照射し、受信時に高いレイリー分解能を有するように設計することは、多数のアンテナセグメント／チャネルを必要とする。
【0009】
残念なことに、そのようなレーダに実際に含めることができるチャネル数の工学的限界は、今日まで、そのようなレーダシステムのレイリー性能を制限してきた。
【0010】
固定数のアンテナチャネルを有するシステムのレイリー分解能を改善するための１つの手法は、受信アンテナ／アンテナセグメントをさらに離れて位置させること、すなわちスパースな受信アレイを設計することである。
【0011】
しかし、そのようなスパースな配列は、空間的なエイリアシングを引き起こす可能性があり、これは、物体を検出し、識別し、そしてマッピングするためのレーダシステムの能力を妨げる可能性があるサイドローブとグレーティングローブを作り出す。このようなエイリアシングによるサイドローブとグレーティングローブの原因の１つは、レーダシステムのスパース受信アンテナアレイが、最大セグメント間隔のナイキスト基準（λ／２）を満たさないことである。例えば、ＡＺ次元において１°のレイリー分解能を得るために、アンテナは、５０λ程度の寸法を有する必要がある。距離５０λにわたって少数の、例えば４～８個のセグメント／チャネルを分散させることは、結果として平均セグメント間隔６．２５λ～１２．５λをもたらし、これはλ／２の最大ナイキスト間隔の１２～２５倍である。その結果、このシステムは、大きなサイドローブとグレーティングローブを被ることになる。
【0012】
当然ながら、空間的エイリアシングを減らすために、設計者はアンテナセグメント間の間隔を減少させることによってアンテナの有効サイズを減らすことができる。
【0013】
しかし、アンテナのサイズを小さくすると、レーダシステムが生成できる受信ビームの最小幅が制限される。
【0014】
したがって、そのようなスパースなアンテナアレイレーダシステム（すなわち、より大きなアンテナ開口及び限られた数のアンテナチャネルを有するレーダシステム）の設計者は、エイリアシングのためにビーム幅をトレードオフすることに直面し、逆もまた同様である。すなわち、受信ビーム幅が狭いほど、エイリアシングのレベルが大きくなり、エイリアシングレベルが低いほど、受信ビーム幅が広くなる。
【発明の概要】
【0015】
一実施形態では、アンテナサブシステムは、スパースな受信アンテナと電子式操縦可能送信アンテナとを含む。スパースな受信アンテナは、波長を有するそれぞれの信号を受信するように各々構成され、各々が、受信素子のうちの各隣接する１つから、波長の１／２を超えるそれぞれの第１の距離だけ離間している、受信素子のアレイを含む。そして、電子式操縦可能送信アンテナは、波長を有するそれぞれの信号を放射するように各々構成され、各々が、送信素子のうちの各隣接する１つから、波長の１／２を下回るそれぞれの第２の距離だけ離間している、送信素子のアレイを含む。
【0016】
例えば、そのようなアンテナサブシステムは、エイリアシングを低減するために、受信アンテナによって生成された受信ビームパターンを、送信アンテナによって生成された送信ビームパターンで効果的かつ空間的にフィルタリングする。例えば、主送信ビームの包絡線は、受信ビームパターンのサイドローブを排除することができ、または少なくとも減衰させることができる。さらに、受信ビームパターンのサイドローブのヌルは、送信受信パターンのサイドローブのピークと整列させることができる。さらに、受信ビームパターンのサイドローブのピークは、送信受信パターンのサイドローブのヌルと整列させることができる。
【0017】
一実施形態では、レーダシステムは、従来のレーダシステムと比較して大幅に低減されたエイリアシングを有する高いレイリー分解能（すなわち、狭いハーフパワービーム幅（ＨＰＢＷ））を提供する。レーダシステムは、送信ビームパターンを電子的に調整し、受信アンテナパターンのための空間フィルタとして作用する能力を有するアナログ送信アレイと、送信アンテナの主照明ビームに対する受信ビームを生成するためのナイキストコンプリート又はスパースデジタルビーム形成（ＤＢＦ）アレイアンテナとを含む。送信アンテナ及び受信アンテナを適切に設計し駆動することによって、レーダシステムは、狭い幅（例えば、ＡＺ及び仰角（ＥＬ）寸法の両方において≦２°）のビームを効果的に生成及び操縦することができる。さらに、レーダシステムは、そのような性能に通常必要とされる多数のアンテナチャネル（例えば、６４～１２８個）を必要とすることなく、これを行うことができる。例えば、受信スパースＤＢＦアレイアンテナのための１２のアンテナチャネルのみを有するレーダシステムの実施形態は、ＡＺにおいて約２°及びＥＬにおいて約５°の幅のビームを効果的に生成及び操縦することができ、したがって、そのようなレーダシステムは、同様の数のアンテナチャネルを有する従来のレーダシステムよりも著しく優れた角度性能を有する。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】一実施形態による、メタマテリアル電子操縦アレイ（ＭＥＳＡ）の送信アンテナセクションの、及びレーダシステムのスパースＤＢＦ受信アンテナセクションを示す図である。
【図7】一実施形態による、図１の送信アンテナセクションの受信ビームパターンと、図４のスパースなＤＢＦ受信アンテナセクションに対する、ＡＺにおける受信素子ビームパターン及び送信アレイビームパターンとを示す図である。
【図8】一実施形態による、図１の送信アンテナセクションの受信ビームパターンと、図４のスパースなＤＢＦ受信アンテナセクションに対する、ＥＬにおける受信素子ビームパターン及び送信アレイビームパターンとを示す図である。
【図9】別の実施形態による、レーダシステムにおいて使用することができる受信アンテナアレイセクションの図である。
【図12】一実施形態による、受信アンテナサブ要素（図２）、受信アンテナアレイ（図９）、及び送信アンテナセクション（図１）のパターン（図１０～１１）の組み合わせから得られたＡＺ次元における有効（すなわち、双方向）ビームパターンのプロットである。
【図13】一実施形態による、受信アンテナサブ要素（図２）、受信アンテナアレイ（図９）、及び送信アンテナセクション（図１）のパターン（図１０～１１）の組み合わせから得られたＥＬ次元における有効（双方向）ビームパターンのプロットである。
【図14】一実施形態による、複数（ここでは２つ）のサブセクションを有する送信アンテナセクションを示す図である。
【図15】一実施形態による、図９の受信アンテナセクションと同様であることができる受信アンテナセクションのＥＬ次元における受信ビーム及びサイドローブパターンに重ね合わせられる、図１４の送信アンテナセクションの実施形態のＥＬ次元における送信ビーム及びサイドローブパターンのプロットである。
【図18】ＥＬ＝ＡＺ＝０°である実施形態による、図１６の送信ＥＬパターンをもたらす図１４の送信アンテナセクションの実施形態のＡＺ次元における送信ビーム及びサイドローブパターンのプロットであり、図１６の受信ＥＬパターンをもたらす受信アンテナセクションの一実施形態のＡＺ次元において受信ビーム及びサイドローブパターンが重ね合わせられている。
【図20】ＥＬ＝５°及びＡＺ＝０°である実施形態による、図１５～１９の送信パターンをもたらす図１４の送信アンテナセクションの実施形態のＥＬ次元における送信ビーム及びサイドローブパターンのプロットであり、図１５～図１９の受信パターンをもたらす受信アンテナセクションの実施形態のＥＬ次元において受信ビーム及びサイドローブが重ね合わせられている。
【図22】ＥＬ＝５°及びＡＺ＝０°である実施形態による、ＥＬ次元における図２０の送信パターンをもたらす図１４の送信アンテナセクションの実施形態のＡＺ次元における送信ビーム及びサイドローブパターンのプロットであり、ＥＬ次元における図２０の受信パターンをもたらす受信アンテナセクションの実施形態のＡＺ次元において受信ビーム及びサイドローブパターンが重ね合わせられている。
【図24】ＥＬ＝０°及びＡＺ＝４９°である実施形態による、図１４の送信アンテナセクションの実施形態のＥＬ次元における送信ビーム及びサイドローブパターンのプロットであり、図９の受信アンテナセクションの実施形態のＥＬ次元において受信ビーム及びサイドローブが重ね合わせられている。
【図26】ＥＬ＝０°及びＡＺ＝４９°である実施形態による、図１４の送信アンテナセクションの実施形態のＡＺ次元における送信ビーム及びサイドローブパターンのプロットであり、図９の受信アンテナセクションのＡＺ次元における受信ビーム及びサイドローブパターンが重ね合わせられている。
【図28】別の実施形態による、複数（ここでは２つ）のサブセクションを有する送信アンテナセクションの図である。
【図29】ＥＬ＝０°及びＡＺ＝４９°である実施形態による、図２８の送信アンテナセクションの実施形態のＥＬ次元における送信ビーム及びサイドローブパターンのプロットであり、図９の受信アンテナセクションの実施形態のＥＬ次元における受信ビーム及びサイドローブパターンが重ね合わせられている。
【図31】ＥＬ＝０°及びＡＺ＝４９°である実施形態による、図１４の送信アンテナセクションの実施形態のＡＺ次元における送信ビーム及びサイドローブパターンのプロットであり、図９の受信アンテナセクションの実施形態のＡＺ次元における受信ビーム及びサイドローブパターンが重ね合わせられている。
【発明を実施するための形態】
【0019】
「近似的に」及び「実質的に」という語は、以下においては、以下に記載された物理的構造の製造公差、又は他の設計上の考慮により、２つ以上の量が全く等しくあることができるか、又は互いの±１０％以内であることができることを示すために使用され得る。
【0020】
図１は、一実施形態による、レーダシステム１４のメタマテリアル電子操縦アレイ（ＭＥＳＡ）送信アンテナセクション１０及びスパースなＤＢＦ受信アンテナセクション１２の図であり、レーダシステムは、図３３～図３４に関連して以下でさらに説明され、図１に示されていない他の構成要素、例えば増幅器、移相器、及び他の駆動回路を含むことができる。さらに、送信アンテナセクション１０は、レーダシステム１４の送信アンテナ全体、又はセクション１０と同様の１つ以上の他のセクションを含み得る送信アンテナのセクションのみを形成することができ、同様に、受信アンテナセクション１２は、レーダシステムの受信アンテナ全体、又はセクション１２と同様の１つ以上の他のセクションを含み得る受信アンテナのセクションのみを形成することができる。また、レーダシステム１４は、任意の従来のレーダ周波数帯で動作するように構成されることができ、例えば、レーダシステムは、７５ＧＨｚ～１１０ＧＨｚの範囲のＷ帯で動作するように構成することができ、７６ＧＨｚ～８１ＧＨｚの間の動作のために調整されることができる。加えて、設計者が送信アンテナセクション１０として使用することができるＭＥＳＡ送信アンテナセクションの構造及び動作の一例を、図３５～図３７に関連して以下に説明する。
【0021】
送信アンテナセクション１０は、１つ以上の電子式操縦可能／切り替え可能アレイ（ＥＳＡ）、例えば、必ずしもそうではないがＭＥＳＡを含む。さらに、送信アンテナセクション１０は、任意の好適な寸法、例えば近似的にＷ＝１０λ×Ｈ＝３λ、又はＷ＝１２λ×Ｈ＝４λを有することができる。これらの寸法は、送信アンテナセクション１０の開口部を画定し、ＡＺ及びＥＬ次元における送信ビームの最小電力半値ビーム幅（ＨＰＢＷ）にも影響を及ぼすが、これは、ＨＰＢＷが開口サイズに反比例することが知られているためである。例えば、Ｗ＝１２λ×Ｈ＝４λの場合、送信アンテナセクション１０の一実施形態は、ＡＺ次元で５°、ＥＬ次元で１０°の最小ＨＰＢＷを有する送信ビームを生成することができる。
【0022】
送信アンテナセクション１０の各ＥＳＡ（図１に示されるＥＳＡは１つのみ）は、それぞれ１つのアナログＲＦチャネル入力１６を含み、ここで、ＲＦ信号は、従来の方法、例えば導波路、伝送線路、又はマイクロストリップ等によって、ＥＳＡ領域全体及び／又はＥＳＡのサブ素子に分配される。
【0023】
送信アンテナセクション１０の各ＥＳＡはまた、送信アレイビーム操縦の電子制御を提供する、デジタル又はアナログの１つ以上の制御線１８を含む。この制御は、単一のデジタルライン１８として、デジタルラインの集合（例えば、デジタルバス）として、又はアナログラインの集合として、実施されることができる。
【0024】
さらに、１つ以上の制御線１８は、経時的な制御信号の集合状態（例えば、論理ハイ若しくは論理ロー、又はアナログ電圧のアレイ）に応じて、送信アレイセクション１０の特定の構成を記述する構成を電子的に起動する、それぞれの制御信号を搬送するように各々構成され、該構成は、特定の送信ビーム位置、送信ビームサイドローブレベル、送信ビームＨＰＢＷ等を記述する。
【0025】
さらに、複数のＥＳＡは、それぞれの制御線１８を介して送信された送信アレイ構成を調整し同期させることによって、それぞれがそれ自身のアナログ送信入力と一緒に動作するように構成することができる。
【0026】
さらに図１を参照すると、受信アンテナセクション１２は、アンテナ素子２２のアレイ２０を含み、アンテナ素子は「アンテナセグメント」又は「セグメント」とも呼ばれることができる。アレイ２０は、アンテナ素子２２の行２４及び列２６にセグメント化される。例えば、アレイ２０は、６つの列２６及び２つの行２４の、合計１２個のアンテナ素子２２を有することができる。代替的には、例えば、図１に示されるように、アレイ２０は、５つの列２６及び２つの行２４の、合計１０個のアンテナ素子２２を有することができる。
【0027】
さらに、各アンテナセグメント２２のそれぞれの位相中心２８は、単一のＲＦ受信チャネル（図１には図示せず）に結合され、それによって、受信アンテナセクション１２が、デジタルビーム形成（ＤＢＦ）アレイであるようにされる。各受信チャネルは、それぞれの増幅器（図１には図示せず）、それぞれのダウンコンバータ（図１には図示せず）、それぞれのアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）（図１には図示せず）、及びレーダシステム１４が、各対応するアンテナ素子２２によって受信されたそれぞれの信号を測定及びデジタル化することを可能にする他のＲＦ、アナログ、及びデジタルコンポーネントを含むことができる。さらに、受信アンテナセクション１２は、例えば、近似的にＷ＝２５λ×Ｈ＝１０λ等の、任意の適切な寸法を有することができる。これらの寸法は、受信アンテナセクション１２の開口部を画定し、ＡＺ及びＥＬ次元における送信ビームの最小電力半値ビーム幅（ＨＰＢＷ）にも影響を及ぼすが、これは、ＨＰＢＷが開口サイズに反比例することが知られているためである。例えば、Ｗ＝２５λ×Ｈ＝１０λの場合、受信アンテナセクション１２の一実施形態は、ＡＺ次元で５°、ＥＬ次元で１０°の最小ＨＰＢＷを有する受信ビームを生成することができる。
【0028】
さらに、受信アンテナアレイ２０内のアンテナ素子２２は、例えば、効率、利得、帯域幅、ＡＺ及びＥＬ次元におけるＨＰＢＷ等、有利なアンテナ素子特性を提供する任意の形状及び材料であることができる。
【0029】
加えて、アンテナ素子２２の各々は、１つ以上のサブ素子を含むことができる。例えば、マイクロストリップ給電パッチアレイ、ＣＰＷパッチアレイ等の構成では、アンテナ素子２２は、複数のサブ素子を含むことができる。
【0030】
さらに図１を参照して、一実施形態によるレーダシステム１４の動作を説明する。
【0031】
一般に、ＥＳＡ送信アンテナセクション１０は、比較的低電力のサイドローブを有する送信ビームを生成し、レーダシステム１４は、受信ビーム（又は複数の受信ビーム、下記参照）を送信ビーム内で整列させるため、従来のレーダシステムと比較して、受信ビームパターンサイドローブによって受信された転送送信エネルギが著しく低減される。したがって、たとえ受信ビームパターンのサイドローブが比較的大きく、それゆえに著しい空間エイリアシングをもたらす可能性があるとしても、制御されたＥＳＡ送信ビームパターンを追加する（従来のレーダの送信「ブラスト」又は「スプレー」とは対照的）ことは、エイリアシングを大幅に低減するが、これは、従来のレーダシステムと比較して、比較的小さい送信ビームパターンのサイドローブを有するシステムは、転送送信エネルギのうちのより大きなパーセンテージが受信ビームによって受信され、より低い割合の転送送信エネルギのうちのより低いパーセンテージが受信サイドローブによって受信されるためである。言い換えると、ＥＳＡ送信アンテナセクション１０を含むことによって、レーダシステム１４は、「スパースな」受信ＤＢＦアレイ２０（すなわち、距離＞＞λ／２だけ間隔を置かれたアンテナセグメント２２によるアレイ）によって、さもなければ、ＤＢＦアレイを単独で、又は従来のレーダシステムの「ブラスト」又は「スプレー」送信と対にされた場合に可能であるよりもはるかに狭いＨＰＢＷを有する有効受信ビーム（すなわち、送信ビームと受信ビームとの組み合わせから生じるビーム）を生成することができる。
【0032】
より詳細には、レーダシステム１４は、１つ以上のＥＳＡ制御線１８を使用して、選択されたＡＺ方向及び選択されたＥＬ方向に送信ビームを向ける。ＥＳＡ送信ビームのＨＰＢＷによって制約されるこれらの選択された方向は、受信ＤＢＦアレイ２０が著しく低減された空間エイリアシングで動作することができる照明領域を集合的に定義する。
【0033】
この照射領域は、ＤＦＢアレイ２０によって比較的高いレイリー分解能で分解されることができ、そして、送信アンテナセクション１０は、送信アンテナセクション１０の再構成と、１つ以上の制御線１８を用いたその送信ビームパターンとを通して、新しい領域を照射することができる。送信アンテナセクション１０及びその送信ビームパターンの逐次的な再構成と、それに続くＤＢＦアレイ２０を用いた解像度によって、現在の照明領域から新しい照明領域までの非常に広範なＦＯＶをカバーすることができる。この照明の順序は、順序付けられるか（例えば、ラスタスキャン、コニカルスキャン）、不規則にされるか（ランダム、アダマール）、又は動的若しくはインテリジェントに順序付けられる（タスク可能照明、優先ＦＯＶ時間重み付け等）ことができる。
【0034】
依然として図１を参照すると、レーダシステム１４は、受信アレイビームを以下のように操縦する。
【0035】
一実施形態では、レーダシステム１４は、送信ビームと受信ビームとを同時に生成する連続波（ＣＷ）モードで動作する。しかし、レーダシステム１４は、送信ビームの１つ以上の「パルス」を生成し、送信ビームを停止し、受信ビームを作動させ、受信ビームを停止し、そしてこの手順を繰り返すパルスモードで動作するように構成されることもできる。以下の説明は、レーダシステム１４がＣＷモードで動作していると仮定しているが、以下の説明は、パルスモードで動作しているレーダシステムにも適用可能である。
【0036】
レーダシステム１４は、各アンテナセグメント２２によって受信されたそれぞれの信号に対して、それぞれの複素要素重み付けを選択的に適用することによって１つ以上の受信ビームを同時に操縦し、これにより、それぞれの信号に対して、それぞれの位相シフト及びそれぞれの利得が効果的に適用される（利得は、１未満、１、又は１超であることができる）。すなわち、レーダシステム１４は、受信アンテナアレイ２０を真のフェイズドアレイとして動作させる。
【0037】
レーダシステム１４が、１２個のアンテナセグメント２２のみによって、単一の受信ビームのみを生成する実施形態では、レーダシステムは、比較的狭い幅（例えば、ＡＺ次元で２°ＨＰＢＷ）を有する受信ビームを生成することができ、非常に微細なステップ（例えば、０．１°ステップ）において、ビームをＡＺ次元に操縦することができる。上述のように、送信ビームは受信ビームを超指向するので、レーダシステム１４は、送信ビームのＨＰＢＷによって境界を定められた領域などの送信照明立体角（ＴＩＳＡ）内で受信ビームを操縦することができる。ステップは、１つの位置における受信ビームが、該受信ビームの隣接する以前の位置と重なるようであってもよく、そうでなくてもよい。
【0038】
別の実施形態では、レーダシステム１４は、ＴＩＳＡ領域に「適合する」受信ビームの「束」を同時に生成する。例えば、ＴＩＳＡ領域が一箱のスパゲティになぞらえるとスパゲティの各ストランドはそれぞれの受信ビームを表す。本実施形態では、受信ビーム束がＴＩＳＡを「満たす」ので、レーダシステム１４は、上記の実施形態で説明したような、受信ビームを操縦する必要はない。すなわち、本実施形態では、レーダシステム１４は、複数の受信ビームによって同時にＴＩＳＡ領域をカバーするのに対し、上述の実施形態では、レーダシステムは、単一の受信ビームを受信ビーム位置間で順次操縦して、ＴＩＳＡ地域を一定期間にわたってカバーする。
【0039】
さらに別の実施形態では、レーダシステム１４は、ＴＩＳＡ領域内に「適合する」がそれを「満たさない」受信ビーム束を同時に生成する。次に、レーダシステムは、一定期間にわたってＴＩＳＡ領域をカバーするために、受信ビーム束を束の位置間で順次操縦する。束の位置は他の束の位置と重なっても重ならなくてもよい。
【0040】
さらに別の実施形態では、受信ビーム束は、ＴＩＳＡ領域を「埋める」ために必要とされるよりも少ないビームを含む。したがって、レーダシステム１４は、束又は束内の１つ以上の受信ビームを操縦することができ、その結果、レーダシステムが送信ビームを操縦するために送信ＥＳＡを再構成する前に、少なくとも１つの受信ビームが、ＴＩＳＡ領域内の各領域を占める。
【0041】
以下では、レーダシステム１４は、単一の受信ビームを生成及び操縦するとして説明されているが、特記しない限り、当該説明は、複数（例えば、束）の受信ビームを同時に生成及び操縦するレーダシステムにも適用されることが理解される。
【0042】
図２は、一実施形態による、受信アンテナセクション１２、アンテナ素子２２のアレイ２０、アンテナ素子の位相中心２８の図であり、アンテナ素子２２のうちの１つの拡大図である。本実施形態では、限定することは意図されていないが、各アンテナ素子２２は、パッチサブ素子３０のマイクロストリップ給電直列サブアレイを含む。
【0043】
図３は、ＡＺ及びＥＬ次元における基本ビームパターン３２（受信ビームのパターン）の設計を描写するプロットである。基本ビームパターン３２、及びＡＺ及びＥＬにおけるその特性ＨＰＢＷは、各受信チャネルが、そしてひいては、最終的には受信アレイ２０が、信号を受信することができるＦＯＶを定義する。次に、要素ビームパターン３２はまた、レーダシステム全体が動作することができるＦＯＶを規定する。
【0044】
図２～図３を参照すると、一実施形態では、受信素子２２は、受信アレイ２０に、ＡＺ次元で約９０°、ＥＬ次元で約２０°の総ＨＰＢＷを与えるサブ素子３０の数及び形状寸法をもって設計されて、レーダシステム１４が、ＡＺ次元において非常に広範なＦＯＶを有し、ＥＬ次元においていくぶん制限されたＦＯＶを有することを可能にする。
【0045】
図４は、受信アンテナセクション１２と受信アレイ２０の面積を示す図である。
【0046】
図５～６は、それぞれ、ＡＺ次元及びＥＬ次元における受信ビームパターン４０及び４２のプロットであり、これらのパターンは、アレイ２０の幾何学的配置の結果として生じ、アレイ２０の幾何学的配置は、通常、「アレイファクタ」と呼ばれる。
【0047】
図４～６を参照すると、アレイファクタビームパターン（ＡＺ及びＥＬ受信ビームパターンをともに見ている）は、受信チャネルに適用される複素重み（振幅及び位相）の選択によって影響され、上述のように、個々のビーム又はビーム束を生成する非常に多数の可能な受信ビームパターンがある。言い換えると、図５～６のＡＺ及びＥＬ受信ビームパターン４０及び４２は、アレイ２０の形状寸法（すなわち、アンテナ素子２２の相対位置）と、複素受信重みの選択とからのみ生じる。
【0048】
アレイファクタ受信ビームパターンは、ＨＰＢＷ、ビーム角度、及びサイドローブレベル等のビーム特性を有し、これらは複素受信重みの選択によって影響される。ＡＺパターン４０は、受信ビーム４４と、主サイドローブ４６及び４８とを含む。主サイドローブ４６及び４８は、受信ビーム４４の電力レベルの半分を上回る（すなわち、そこから３ｄＢを下回る）最大電力レベルを各々有する。同様に、ＥＬパターン４２は、受信ビーム４４と、主サイドローブ５０及び５２とを含む。
【0049】
レーダシステム１４（図１及び図３３）のレーダシステム設計者の目的は、ＡＺ及びＥＬ次元の両方において、送信及び受信パターンをエイリアシングし、対象となる領域の外側のサイドローブを最大限排除することによって、送信ビームのＨＰＢＷ領域からサイドローブ４６、４８、５０、及び５２を最大限排除することである。
【0050】
図７は、一実施形態の受信アレイ４０の送信ビームパターン５４、受信要素ビームパターン５６、及びＡＺ次元のビームパターンを描写する図である。受信素子ビームパターン５６は、アンテナサブ素子３０（図２）の配置、大きさ、形状等に起因する。図から分かるように、受信空間エイリアシングの大部分は、送信ビームパターン５４のＨＰＢＷの外側に位置し、したがって、送信アンテナセクションとスパースな受信アンテナセクションとの組み合わせは、ＡＺにおける受信空間エイリアシングを大いに抑制する。
【0051】
図８は、一実施形態についての、ＥＬ次元における送信ビームパターン５８、受信要素ビームパターン６０、及び受信アレイ４２のビームパターンを示す図である。図から分かるように、受信空間エイリアシングの大部分は、送信ビームパターン５８のＨＰＢＷの外側に位置し、したがって、送信アンテナセクションとスパース受信アンテナセクションとの組み合わせは、ＥＬにおける受信空間エイリアシングを大いに抑制する。
【0052】
送信ビームの形状に実際的な制限、例えば、送信ビームがその中央領域からそのＨＰＢＷを通って低いレベルまで進行する際の鮮明度等がある限りにおいて、送信ビームのサイドローブの形状、場所、及びレベルに対して実際的な制限がある限りにおいて、そして、これらの制限がＡＺとＥＬの両方に存在することを考慮して、レーダシステム１４の設計者は、レーダシステムのサイドローブを特定の用途のための所望のレベルまで低減することにおいて課題に直面する場合がある。
【0053】
結果として、ＡＺ及びＥＬに存在し得る空間エイリアシングサイドローブをさらに低減するために、図９に関連して以下に説明されるように、レーダシステム設計者はさらに、複数の許容可能な受信アレイ２０の幾何学的構成を活用することができる。
【0054】
上記を考慮すると、所与の受信エリアにわたって必要とされるチャネル数が減少するという利点を提供することに加えて、受信アレイのスパース化、すなわち、λ／２よりはるかに大きいアレイ素子の分離もまた、受信素子２２の位置付けにおいて付加的な自由度を提供することに注目されたい。言い換えると、広いエリアにわたって置かれた固定数の受信素子２２は、それらが衝突するか又は重ならない多数の可能な位置構成を有し、そのような可能な位置構成の数は、受信アンテナアレイ２０の面積とともに増大する。
【0055】
【0056】
図１０～１１は、単一の受信ビームに対してアンテナ部７０によって生成された、それぞれＡＺ及びＥＬ次元におけるビーム及びサイドローブパターン７２及び７４のプロットである（レーダシステム１４が受信ビーム束を生成場合であり、そして、これらのプロットは、束における各受信ビームに対するものである）。
【0057】
図９～図１１を参照すると、後述するように、受信アンテナセクション７０は、受信アンテナ１２（図１～２）によって生成された主受信サイドローブ４６、４８、５０、及び５２（図５～図６）よりも低電力の主受信サイドローブを生成することができ、そしてひいては、受信サイドローブによって引き起こされるエイリアシングをさらに減少させることができる。
【0058】
【0059】
しかし、図１～図２及び図４の受信アンテナセクション１２とは異なり、アンテナセグメント２２は、図１のデカルト垂直列２６及び水平行２４には配置されず、代わりに図９に示すパターンで配置される。後述するように、この受信アンテナパターンは、図１の受信アンテナセクション１２と比較して、ＡＺ及びＥＬ次元の両方において主受信サイドローブのレベルを著しく減少させ、そしてひいては、エイリアシングをさらに減少させる。
【0060】
さらに図９～図１１を参照すると、受信アンテナセクション７０のＡＺビームパターン７２は、受信ビーム７６と受信サイドローブ７８及び８０とを含む。受信ビーム７６に最も近いサイドローブ７８は、受信ビーム７６の電力レベルから少なくとも１１ｄＢ低い最大電力レベルを各々有する。したがって、サイドローブ７８が、ＡＺ次元において送信ビーム８２のＨＰＢＷ領域に近接しており、かつその範囲内にあり得たとしても、サイドローブ７８は、図１の受信アンテナセクション１２によって生成されるエイリアシングのレベルと比較して、エイリアシングにおける著しい減少を提供するが、これは、サイドローブ７８の各々の電力レベルが、受信アンテナセクション１２によって生成された最も近いサイドローブ４６の電力レベルよりも少なくとも１０ｄＢ低いためである。そして、サイドローブ８０が、ＡＺ次元における送信ビーム８２のＨＰＢＷ領域に近接しており、かつその範囲内にあり得たとしても、サイドローブ８０は、図１の受信アンテナセクション１２によって生成されるエイリアシングのレベルと比較して、エイリアシングにおける著しい減少を提供するが、これは、各サイドローブ８０の電力レベルが、受信アンテナセクション１２によって生成された最も近いサイドローブ４８（図５）の電力レベルよりも少なくとも１０ｄＢ低いためである。
【0061】
同様に、ＥＬパターン７４は、受信ビーム７６とサイドローブ８４及び８６とを含む。受信ビーム７６に最も近いサイドローブ８４は、ビーム７６の電力レベルから少なくとも１０ｄＢ低い最大電力レベルを各々有する。したがって、サイドローブ８４が、ＥＬ次元において送信ビーム８２のＨＰＢＷ領域に近接しており、かつその範囲内にあったとしても、サイドローブ８４は、図１の受信アンテナセクション１２によって生成されるエイリアシングのレベルと比較して、エイリアシングの大幅な減少を提供するが、これは、サイドローブ８４の各々の電力レベルが、受信アンテナセクション１２によって生成された最も近いサイドローブ５０（図６）の電力レベルよりも少なくとも１０ｄＢ低いからである。そして、受信ビーム７６に最も近い受信サイドローブ８６は、ビーム７６の電力レベルから少なくとも１０ｄＢ低い最大電力レベルを有する。したがって、サイドローブ８６が、ＥＬ次元において送信ビーム８２のＨＰＢＷ領域に近接しており、かつその範囲内にあり得たとしても、サイドローブ８６は、図１の受信アンテナセクション１２によって生成されるエイリアシングのレベルと比較して、エイリアシングにおける著しい減少を提供するが、これは、サイドローブ８６の各々の電力レベルが、受信アンテナセクション１２によって生成された最も近いサイドローブ５２の電力レベルよりも少なくとも１０ｄＢ低いためである。
【0062】
さらに図９～図１１を参照すると、受信アンテナセクション７０の代替実施形態が意図される。例えば、アンテナセグメント２２の数、パターン、及び構成は、図９～図１１に関連して示され、かつそれらに関連して上述されたものとは異なることができる。例えば、受信アンテナセクション７０は、１２個よりも多いか又は少ないアンテナセグメント２２を有することができ、アンテナセグメントは、図９に示すものとは異なるように配置することができ、各アンテナ素子２２は、サブ素子の数、場所、形状、及び設計の点で様々な構成のサブ素子３０を有することができる。
【0063】
図１２は、一実施形態による、受信アンテナサブ素子３０（図２）、受信アンテナアレイ２０（図９）、及び送信アンテナセクション１０（図１）のパターン（図１０～１１）の組み合わせから得られた有効（双方向）ＡＺビームパターン９０のレーダシステム１４のプロットである。有効パターン９０を生成するために、図１０のＡＺパターン７２の受信アレイ及び受信サブ素子ビームパターン（電力又は大きさの単位で）は、互いに、そして各ビーム角度において（同じ電力又は大きさの単位で）ＡＺパターン７２の送信ビームパターンによって乗算される。有効ＡＺパターン９０は、図１０のＡＺ受信アレイビームパターン、ＡＺ受信サブ素子ビームパターン、又はＡＺ送信ビームパターンと比較して、著しく低いサイドローブレベルを有し、そしてひいては著しく優れたエイリアス除去を有する。
【0064】
図１３は、一実施形態による、受信アンテナサブ素子３０（図２）、受信アレイ２０（図９）、及び送信アンテナセクション１０（図１）のパターン（図１０～１１）の組み合わせから得られた有効（双方向）ＥＬビームパターン９２のレーダシステム１４のプロットである。有効パターン９２を生成するために、図１１のＥＬパターン７４の受信アレイ及び受信サブ素子ビームパターン（電力又は大きさの単位で）は互いに、そして各ビーム角度において（同じ電力又は大きさの単位で）ＥＬパターン７４の送信ビームパターンによって乗算される。有効パターン９２は、図１１のＥＬ受信アレイビームパターン、ＥＬ受信サブ素子ビームパターン、又はＥＬ送信ビームパターンと比較して、著しく低いサイドローブレベルを有し、そしてひいては著しく優れたエイリアス除去を有する。
【0065】
図１４～図１９を参照すると、一実施形態による、レーダシステム１４の上述の実施形態と比較した場合、エイリアシングをさらに低減するための技法が説明されている。より具体的には、レーダシステム１４の設計者は、ＥＳＡ送信アンテナの設計を変更して、（ＡＺ又はＥＬ次元における）送信ビーム及びサイドローブパターンのヌルを、（ＡＺ又はＥＬ次元における）受信ビーム及びサイドローブパターンのピークと整列させるか、又は、又は送信ビーム及びサイドローブパターンのサイドローブピークを、受信ビーム及びサイドローブパターンのヌルと整列させるようにすることができる。そのような整列は、ビーム及びサイドローブパターンにおいて、送信ヌル／ピークが受信ピーク／ヌルを効果的に「取り消す」ことを引き起こす。
【0066】
図１４は、一実施形態による、送信アンテナセクション１００の図であり、送信アンテナセクション１００が、それぞれのＭＥＳＡの幾何学的中心１０２及び１０４間の垂直距離Δｙによって分離された２つのＭＥＳＡ半部（サブセクション）１０６及び１０８を有することを除き、図１の送信アンテナセクション１０と同様である。送信アンテナセクション１００は、送信アンテナの一部又は全体を形成することができ、Δｙは、送信ＥＬビーム及びサイドローブパターンのヌル及びピークを、ＥＬ次元にシフトするように調整されることができる。このシフトは、典型的には、送信ビームを中心として対称である。例えば、Δｙを大きくすると、送信ＥＬビーム及びサイドローブパターンのヌル及びサイドローブは、送信ビームに向かって近接して移動し、Δｙを小さくすると、送信ＥＬビーム及びサイドローブパターンのヌル及びサイドローブは、移動する。送信ビームから遠くに離れるように移動する。
【0067】
図１５は、一実施形態による、図９の受信アンテナセクション７０と同様であることができる受信アンテナセクションの受信ＥＬビーム及びサイドローブパターン１１２に重ね合わせられる送信アンテナセクション１００（図１４）の実施形態の送信ＥＬビーム及びサイドローブパターン１１０のプロットである。例えば、送信ＥＬパターン１１０のヌル１１４及び１１６は、受信ＥＬパターン１１２のサイドローブ１１８及び１２０のピークと近似的に整列され、受信ＥＬパターン１１２のヌル１２２及び１２４は、送信ＥＬパターン１１０のサイドローブ１２６及び１２８のピークと近似的に整列する。
【0068】
【0069】
【0070】
図１８は、ＥＬ＝ＡＺ＝０°である実施形態による、図１６の送信ＥＬパターン１１０をもたらす送信アンテナセクション１００（図１４）の実施形態の送信ＡＺビーム及びサイドローブパターン１３２のプロットであり、図１６の受信ＥＬパターン１１２をもたらす受信アンテナセクションの受信ＡＺビーム及びサイドローブパターン１３４が重ね合わせられている。
【0071】
【0072】
図１４～図１９の説明を続けるが、ここで図２０～図２３を参照すると、送信アレイ及び受信アレイの両方がＥＬ次元で操縦されると、上記技術を使用して達成されるサイドローブ及び空間エイリアシングの低減が維持される。
【0073】
図２０は、ＥＬ＝５°及びＡＺ＝０°である実施形態による、図１５～１９の送信パターンをもたらす送信アンテナセクション１００の実施形態の送信ＥＬビーム及びサイドローブパターン１４０のプロットであり、図１５～図１９の受信パターンをもたらす受信アンテナセクションの受信ＥＬビーム及びサイドローブ１４２が重ね合わせられている。
【0074】
【0075】
図２２は、ＥＬ＝５°及びＡＺ＝０°である実施形態による、図２０の送信ＥＬパターン１４０をもたらす送信アンテナセクション１００の実施形態の送信ＡＺビーム及びサイドローブパターン１４６のプロットであり、図２０の受信ＥＬパターン１４２をもたらす受信アンテナセクションの受信ＡＺビーム及びサイドローブパターン１４８が重ね合わせられている。
【0076】
【0077】
さらに、場合によっては、受信ビーム及びサイドローブパターンのサイドローブのピークは、送信ビーム及びサイドローブパターンのサイドローブのピークと一致する。すなわち、有効サイドローブの大きさを減少させるように作用することに代えて、受信サイドローブ及び送信サイドローブは、整列された／一致している送信及び受信サイドローブの組み合わせから得られた有効サイドローブの大きさを増大させるように作用するように付加的である。
【0078】
図２４は、ＥＬ＝０°及びＡＺ＝４９°である実施形態による、図１５～１９の送信パターンをもたらす送信アンテナセクション１００（図１４）の実施形態の送信ＥＬビーム及びサイドローブパターン１５２のプロットであり、図１５～図１９の送信パターンをもたらす受信アンテナセクション７０（図９）の受信ＥＬビーム及びサイドローブ１５４が重ね合わせられている。
【0079】
【0080】
図２６は、ＥＬ＝０°及びＡＺ＝４９°である実施形態による、図１５～１９の送信パターンをもたらす送信アンテナセクション１００（図１４）の実施形態の送信ＡＺビーム及びサイドローブパターン１６０のプロットであり、図１５～１９の受信パターンをもたらす受信アンテナセクション７０（図９）の受信ＡＺビーム及びサイドローブパターン１６２が重ね合わせられている。
【0081】
【0082】
図２６～図２７を参照すると、残念なことに、約２０°のＡＺ角では、送信サイドローブ１６６のピークは、受信サイドローブ１６８のピークと一致し、それによってサイドローブ１６６及び１６８の組み合わせが、著しい有効サイドローブ１７０を形成するようにされる。
【0083】
図２８は、セクション１８０が送信アンテナの一部又は全体を形成することができる実施形態による、送信アンテナセクション１８０の図である。送信アンテナセクション１８０は、垂直に積み重ねられているが分離された２つの送信サブセクション又は部分１８２及び１８４を含み、それらの各々が、それぞれのＭＥＳＡであることができる。
【0084】
図２６の送信サイドローブ及び受信サイドローブ１６６及び１６８のピークを整列解除又は相関解除するための技術は、送信アンテナセクション１８０の送信部分１８２を、送信部１８４に対し水平（ＡＺ）次元にシフト又はスライドさせることである。
【0085】
図２９は、図２４に類似しているが、ＥＬ＝０°及びＡＺ＝４９°である実施形態による、図１５～１９の送信パターンをもたらす送信アンテナセクション１００（図１４）の実施形態の送信ＥＬビーム及びサイドローブパターン１８６のプロットであり、図１５～１９の受信パターンをもたらす受信アンテナセクション７０（図９）の実施形態の受信ＥＬビーム及びサイドローブパターン１８７が重ね合わせられている。
【0086】
図３０は、図２５に類似しているが、ＥＬ＝０°及びＡＺ＝４９°である実施形態による、図２９の送信及び受信ビームパターン１８６及び１８７の組み合わせから得られた有効（双方向）ＥＬビームパターン１８８のプロットである。
【0087】
図３１は、ＥＬ＝０°及びＡＺ＝４９°である実施形態による、図１５～１９の送信パターンをもたらす送信アンテナセクション１８０（図２８）の実施形態の送信ＡＺビーム及びサイドローブパターン１９０のプロットであり、図１５～１９の受信パターンをもたらす受信アンテナセクション７０（図９）の受信ＡＺビーム及びサイドローブパターン１９２が重ね合わせられている。
【0088】
【0089】
図２８及び３１～３２を参照すると、約２０°のＡＺ角では、送信アンテナセクション１８０の送信部１８２の、送信部１８４に対するＡＺシフトは、送信サイドローブ１６６のピークを、図３１の左側にシフトし、それによって、当該ピークがもはや受信サイドローブ１６８のピークと一致しないようにされる。さらに、このシフトはまた、送信サイドローブ１６６のピークの大きさを減少させる。したがって、サイドローブ１６６及び１６８の組み合わせによって形成される有効サイドローブ１７０の大きさは、図２７のサイドローブ１７０の大きさから著しく（約１５ｄＢだけ）減少する。
【0090】
再び図２７を、そして加えて図１４を参照すると、送信部１８４（１０８）に対して送信部１８２（１０６）をＡＺにシフトする（及び／又はＥＬをシフトする）技法は、ＡＺ次元の他のビーム角での送信及び受信サイドローブの相関を解除するために適用することができる。設計者は、特定の用途のために、ＡＺ次元におけるすべてのビーム角度にわたって最良の全体的なサイドローブ無相関をもたらすシフトの大きさ及び極性／方向を選択することができる。
【0091】
１つ以上の受信サイドローブに沿ってリダイレクトされた送信エネルギを受信する受信アンテナによるエイリアシングを低減するための別の技術は、各受信チャネルに適用されることができる複数の複素重みを利用することであり、複素重みベクトルは、ほぼ同一の主ビームを有するが非常に異なるサイドローブパターンを有する受信アレイをもたらし得ることに注目されたい。
【0092】
この技術は、受信ビーム（又は受信ビーム束）の１つ以上の位置の各々に対して、受信アンテナセグメント２２（図４）のうちの１つ以上の各々の複素重み付けを調整することによって、１つ以上の受信サイドローブを選択的に減少させるために適用されることができる。設計者は、シミュレーション又は測定によって、受信ビーム位置における主要な受信サイドローブを決定することができ、受信ビーム（又は受信ビーム束）に所望のビーム特性（例えば、ＡＺ及びＥＬ次元のＨＰＢＷ）を与え、主受信サイドローブに所望のサイドローブ特性（例えば、大きさ、位相）を与えるように、各アンテナセグメント２２に対して最良の複素重みを決定することができる。次に、設計者は、レーダシステム１４を、アンテナセグメント２２に対してこれらのそれぞれ決定された複素重み付けを実施し、一方で受信ビームが対応する受信ビーム位置を有するようにプログラムすることができる。設計者は、受信ビームの１つ以上の位置についてこの手順を繰り返すことができ、例えば、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）に、各受信ビーム位置についての各アンテナセグメント２２のためのそれぞれの複素重み付けを記憶することができる。
【0093】
図３３は、レーダサブシステム２１０のブロック図であり、これは、レーダサブシステム２１０が、図１のレーダシステム１４と同じであることができるか、又はそれに代わることができる実施形態による、図１～２、４、９、１４及び２８の送信及び受信アンテナ１０、１２、１００、及び１８０のうちの１つ以上を含むアンテナグループ又はサブシステム２１２を含む。
【0094】
アンテナグループ２１２に加えて、レーダサブシステム２１０は、トランシーバ２１４、ビーム操縦コントローラ２１６、レーダ処理ユニット２１８、及びマスタコントローラ２２０を含み、これらの構成要素は、ハードワイヤードであるか、データストリーム構成可能であるか、ソフトウェアを実行するか、又はそのような回路のサブコンビネーション若しくはコンビネーションである回路であることができる。
【0095】
アンテナサブシステム２１２は、送信アンテナセクション１０（図１）、１００（図１４）、及び１８０（図２８）のうちの１つ以上を含み得る送信アンテナ２２２を含み、かつ受信アンテナ２２４を含み、これは、１つ以上の受信アンテナセクション１２（図１～２及び４）又は７０（図９）を含むことができる。上述のように、送信アンテナ２２２は、１つ以上の所望の特性を有する１つ以上の送信ビームパターンを生成するように構成され、受信アンテナ２２４は１つ以上の所望の特性を有する１つ以上の受信ビームパターンを生成するように構成され、それによって、送信ビームパターンがそれぞれの受信ビームパターンと結合して空間フィルタを形成するようにされる。
【0096】
トランシーバ２１４は、送信回路２２６と受信回路２２８を含む。送信回路２２６は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）２３０、前置増幅器２３２、及び増幅器（ＰＡ）２３４を含む。ＶＣＯ ２３０は、送信アンテナ２２２が設計される周波数である周波数ｆ０＝ｃ／λ０を有する信号を生成するように構成される。前置増幅器２３２は、ＶＣＯ信号を増幅するように構成され、ＰＡ２３４は、前置増幅器からの信号を増幅するように構成される。受信機回路２２８は、受信アンテナ２２４の各アンテナセグメント２２に対するそれぞれの受信チャネル２３６を含む。各低雑音増幅器（ＬＮＡ）２３８、ミキサ２４０、及びアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）２４２。ＬＮＡ２３８は、受信アンテナ２２４によって受信された信号を増幅するように構成される。ミキサ２４０は、増幅された受信信号の周波数をベースバンドまでシフトダウンするように構成され、ＡＤＣ２４２は、レーダ処理ユニット２２０による処理のために、シフトダウンされたアナログ信号をデジタル信号に変換するように構成される。
【0097】
ビーム操縦コントローラ２１６は、制御線１８（図１）上で、１つ以上の送信アンテナで構成されるアンテナユニットへの制御信号を、時間と主送信ビーム位置の関数として生成することによって、１つ以上のＭＥＳＡ送信アンテナ２２２によって生成された送信ビームを誘導するように構成される。制御信号を適切に生成することによって、ビーム操縦コントローラ２１６は、選択された空間的及び時間的パターンに従って、１つ以上のＭＥＳＡ送信アンテナ２２２のアンテナ素子を選択的に起動及び停止するように構成される。１つ以上のＭＥＳＡ送信アンテナ２２２などの送信アンテナのビーム操縦が、図３５～図３７と併せて以下に説明される。
【0098】
レーダ処理ユニット２１８は、受信機２２８からデジタル化されたベースバンド受信信号の各々を受信し、その信号を処理して、上述のように受信ビームを形成し、そして操縦するように構成される。上述のように、レーダ処理ユニット２１８は、任意の所与の時間に、デジタル化信号のそれぞれをそれぞれの利得で増幅し、デジタル化信号のそれぞれをそれぞれの位相だけシフトすることによってそれぞれの受信ビームパターンを生成するように構成される。利得及び位相シフトを時間の関数として変化させることによって、レーダ処理ユニット２１８は、受信ビームパターンの１つ以上の主受信ビームを効果的に操縦する。そして、レーダ処理ユニット２１８は、例えば受信ビームに沿って物体を検出し、物体の位置及び速度を決定するためのさらなる処理のために、形成された受信ビームパターンによって搬送されるレーダデータを従来のデータ処理回路に供給する。例えば、データ処理回路は、受信機２２８からの信号を分析して、例えば検出された物体と物体の場所及び速度とを識別し、もしあれば、システムが含むか又は結合されるどのような動作を、レーダサブシステム２１０がとるべきであるかを決定するように構成されることができる。例えば、システムが自動運転車両又は自己指示ドローンである場合、データ処理回路は、もしあれば、どのような動作（例えば、制動、旋回）を、検出された物体に応答して車両がとるべきかを決定するように構成される。代替的には、レーダ処理ユニット２１８は、データ処理システムの代わりに、又はそれに加えて、レーダデータのそのようなさらなる処理を実行するように構成され得る。
【0099】
マスタコントローラ２２０は、レーダシステムコントローラ（図３３に図示せず）からのレーダ制御信号に応答して、トランシーバ２１４、ビーム操縦コントローラ２１６、及びレーダ処理ユニット２１８を制御するように構成される。例えば、１つ以上の送信アンテナ２２２が、ｆ０を中心とする範囲内の周波数で動作するように設計されていると仮定すると、マスタコントローラ２２０は、例えば環境条件、例えば天気、１つ以上の送信アンテナ及び１つ以上の受信アンテナ２２４の範囲内の物体の平均数、及び１つ以上の送信アンテナと受信アンテナからの物体の平均距離に対して、ＶＣＯ２３０によって生成される信号の周波数を調整し、送信信号をスペクトル規制と一致させるように構成される。さらに例では、マスタコントローラ２２０は、ビーム操縦コントローラ２１６及びレーダ処理ユニット２１８に、送信ビーム及び受信ビームを形成させるコマンドを、ビーム操縦コントローラ２１６及びレーダ処理ユニット２１８にそれぞれ発行するように構成することができ、これらはコマンドに対応する。
【0100】
一実施形態による、レーダサブシステム２２０の動作を以下に説明する。マスタコントローラ２２０等のシステム構成要素のいずれかが、ソフトウェア／プログラム命令をメモリに格納し、実行して、以下に説明する動作を実行することができる。代替的に、システムコントローラ（図３３に図示せず）等の任意のシステムコンポーネントが、ロードされるとシステムコンポーネントのうちの１つ以上が下記の動作を行うように構成するデータセット、例えばファームウェアを、メモリに記憶することができる。または、システムコントローラ等のシステムコンポーネントのいずれかをハードワイヤ接続して、後述の動作を実行することができる。
【0101】
マスタコントローラ２２０は、ＶＣＯ２３０に、ｆ０を中心とする周波数範囲内の周波数で信号を生成させる制御電圧を生成する。例えば、ｆ０は、約５ギガヘルツ（ＧＨｚ）～１００ＧＨｚの範囲内にあることができる。
【0102】
ＶＣＯ２３０は、信号を生成し、ＰＡ２３２及び増幅器２３４は、信号を増幅し、増幅された信号を１つ以上の送信アンテナ２２２に提供する。
【0103】
増幅器２３４は、送信信号を１つ以上の送信アンテナ２２２に結合している間、ビーム制御コントローラ２１６は、マスタコントローラ２２０に応答して、１つ以上の送信アンテナのアンテナユニットへの制御信号を生成している。これらの制御信号は、１つ以上の送信アンテナに１つ以上の主信号送信ビームを生成させ、それを操縦させる。図７～８、１０～２７、及び２９～３２に関連して上述したように、制御信号は、１つ以上の主信号送信ビームに所望の特性をもたせ、また、送信サイドローブにも所望の特性、例えば、好適な総サイドローブ電力及び好適なサイドローブレベル（例えば、最小主信号送信ビームと最大サイドローブとの間）をもたせる。
【0104】
その後、マスタコントローラ２２０は、ＶＣＯ２３０に送信信号の生成を中止させる。
【0105】
次に、ＶＣＯ２３０が信号を生成していない間、ＬＮＡ２３８は、それぞれの受信アンテナセグメント２２から受信した信号をそれぞれ増幅する。
【0106】
そして、ミキサ２４０は、ＬＮＡ２３８から受信した増幅信号を、例えばｆ０又はその近傍の周波数からベースバンド周波数にそれぞれ逓降する。
【0107】
次に、ＡＤＣ２４２は、アナログの逓降された信号を、それぞれのデジタル信号に変換する。
【0108】
そして、主制御部２２０は、１つ以上の制御信号を生成してレーダ処理ユニット２１８に送信する。
【0109】
これらの制御信号によって、レーダ処理ユニット２１８は、受信回路２１４からのデジタル化された信号のそれぞれに好適なそれぞれの利得及び位相シフトを適用することによって、１つ以上の主信号受信ビームを生成及び操縦する。図７～８、１０～２７、及び２９～３２に関連して上述したように、制御信号は、レーダ処理ユニット２１８に、所望の特性を有するように１つ以上の主信号受信ビームを生成させ、また、サイドローブを生成して、好適な総サイドローブ電力及び適切なサイドローブレベル等の所望の特性を有するようにさせる。
【0110】
次に、レーダ処理ユニット２１８、又はデータ処理回路（図３３に図示せず）は、増幅され位相シフトされたデジタル信号を分析して、信号からの情報を得、もしあれば、信号から得られた情報に応答して何がされるべきかを判定する。
【0111】
レーダサブシステム２１０は、上記のサイクルを１回以上繰り返すことができる。
【0112】
さらに図３３を参照すると、レーダサブシステム２１０の代替の実施形態が意図される。例えば、レーダサブシステム２１０は、上記で説明されていない１つ以上の追加の構成要素を含むことができ、１つ以上の上記の構成要素を省略することができる。さらに、レーダサブシステム２１０の１つの構成要素に起因する機能又は動作は、レーダサブシステムの他の構成要素によって、又はレーダサブシステムの外部の他の構成要素によって実行されることができる。
【0113】
図３４は、一実施形態による、図３３のレーダサブシステム２１０を含む車両システム２５０等のシステムのブロック図である。例えば、車両システム２５０は、無人機又は自動運転車などの無人航空機（ＵＡＶ）であることができる。
【0114】
レーダサブシステム２１０に加えて、車両システム２５０は駆動アセンブリ２４２及びシステムコントローラ２４４を含む。
【0115】
駆動アセンブリ２５２は、エンジン又はモータ等の推進ユニット２５６と、方向舵、フラペロン、ピッチ制御、又はヨー制御（例えば、ＵＡＶ又はドローン用）、又は操舵可能な車輪にリンクされた操縦車輪（例えば、自動運転車用）等の操舵ユニット２５８とを含む。
【0116】
システムコントローラ２５４は、レーダサブシステム２１０及び駆動アセンブリ２５２を制御し、それらから情報を受信するように構成される。例えば、システムコントローラ２５４は、レーダサブシステム２１０から近くの物体の位置、サイズ、及び速度を受信し、例えばＧＰＳ受信機（図３４に図示せず）から、又はシステム２５０に搭載されたセンサ（例えば、図３４にも示されていない加速度計）から、車両システム２１０の速度及び進行方向を受信するように構成されることができる。
【0117】
一実施形態による、車両システム２５０の動作を以下に説明する。システムコントローラ２５４等のシステム構成要素のいずれかが、ソフトウェア／プログラム命令をメモリに格納し、実行して、以下に説明する動作を実行することができる。代替的に、システムコントローラ２５４等の任意のシステムコンポーネントのが、ロードされるとシステムコンポーネントのうちの１つ以上が下記の動作を行うように構成するファームウェアを、メモリに記憶することができる。または、システムコントローラ２４４等のシステムコンポーネントのいずれかをハードワイヤ接続して、後述の動作を実行することができる。
【0118】
システムコントローラ２５４はレーダサブシステム２１０を起動し、レーダサブシステム２１０は、図３３に関連して上述したように、車両システム２５０の近くの１つ以上の物体に関する情報をシステムコントローラに提供する。例えば、車両システム２５０がＵＡＶ又は無人機である場合、レーダサブシステムは、ＵＡＶ／ドローンの前方、側方、及び公報への飛行経路において、１つ以上の物体（例えば、鳥、航空機、及び他のＵＡＶ／無人機）に関する情報を提供することができる。代替的に、車両システム２５０が自動運転車である場合、レーダサブシステム２１０は、車両システムの前方、側面、及び後方への道路内の１つ以上の物体（例えば、他の車両、破片、歩行者、自転車）に関する情報を提供することができる。
【0119】
レーダサブシステム２１０からの物体情報に応答して、システムコントローラ２５４は、もしあれば、車両システム２５０が物体情報に応答してとるべき行動を決定する。代替として、レーダサブシステム２１０のマスタコントローラ２２０（図３３）はこの決定を行い、それをシステムコントローラ２５４に提供することができる。
【0120】
次に、システムコントローラ２５４（又は図３３のマスタコントローラ２２０）が動作をとるべきであると判断した場合、システムコントローラは駆動アセンブリ２５２に決定した動作を行わせる。例えば、システムコントローラ２５４又はマスタコントローラ２２０が、ＵＡＶシステム２５０がＵＡＶシステムの前の物体に接近していると判断した場合、システムコントローラ２５４は、推進ユニット２５６を制御して空気速度を低下させることができる。あるいは、システムコントローラ２５４又はマスタコントローラ２２０が、自動運転システム２５０の前にある物体が減速していると判断した場合、システムコントローラ２５４は推進ユニット２５６を制御してエンジン速度を下げ、ブレーキをかけることができる。あるいは、システムコントローラ２５４又はマスタコントローラ２２０が、車両システムの前にある物体（例えば、別のＵＡＶ／無人機、鳥、車両システム２５０の前に走った子供）を回避するために回避行動が必要であると判断した場合、次いで、システムコントローラ２５４は、推進ユニット２５６を制御してエンジン速度を低下させ、そして自動運転車両の場合はブレーキをかけるように制御し、操縦ユニット２５８を制御して車両システムを物体から又は物体の周囲に操縦することができる。
【0121】
さらに図３４を参照すると、車両システム２５０の代替実施形態が意図される。例えば、車両システム２５０は、上記で説明されていない１つ以上の追加の構成要素を含むことができ、１つ以上の上記の構成要素を省略することができる。さらに、車両システム２５０は、ＵＡＶ、無人機、又は自動運転車以外の車両システムであることができる。車両システム２５０の他の例には、船舶、オートバイ、自動運転ではない車、及び宇宙船が含まれる。さらに、レーダサブシステム２１０を含むシステムは、車両システム以外のものであることができる。
【0122】
図３５は、一実施形態による、図１の送信アンテナ部１０の平面図であり、送信アンテナセクションは、複数の導波路２６０１～２６０ｎ及び対応する導電性アンテナ素子２６２１～２６２ｎを有するホログラフィック開口アンテナ部である。導波路２６０は、従来の矩形ストリップ伝送線路導波路であり、その上部のみが図３５において見ることができ、近似的に互いに平行である。アンテナ素子２６２１～２６２ｎは、導波路２６０上にそれぞれ一次元アレイ状に配置されている。例えば、アンテナ素子２６２１は、導波路２６０１上に一次元アレイ状に配置され、アンテナ素子２６２２は導波路２６０２上に一次元アレイ状に配置され、以下同様である。送信アンテナセクション１０が、λ０の波長で信号を送受信するように設計されていると仮定すると、導波路２６０は、長手方向の中心において、距離ｄ１≒λ０／２だけ互いに離間しており、各一次元アレイ内のアンテナ素子２６２は、互いに距離ｄ２＜＜λ０だけ離間している。例えば、λ０／１０００＜ｄ２＜λ０／１０である。さらに、導波路２６０の各々は、約３λ０～２０λ０の間の近似的に同一の長さｌを有するか、又は長さｌは、２０λ０よりも長いことができる。
【0123】
図３６は、一実施形態による、図３５の送信アンテナセクション１０を図３５の線Ａ－Ａに沿って切り取った側面図である。図３６には、導波路２６０３及び対応するアンテナ素子２６２３のみが示されているが、以下の説明は他の導波路及びアンテナ素子にも当てはまる。
【0124】
導波路２６２３は、周波数ｆ０＝ｃ／λ０、付近で調整可能なインピーダンスを有する結合層２７０、導電層／ストリップ２７２３、誘電体層２７４を含み、ここで、ｃは自由空間での光の速度である。図示されていないが、送信アンテナセクション１０は、誘電体層２７４の下に配置された接地面などの導電面を含む。動作中、導波路２６０３によって案内される信号は、導電性ストリップ２７２３と接地面との間の誘電体層２７４に沿って伝搬する。送信アンテナセクション１０は、すべての導波路２６０に共通の単一の結合層２７０及び単一の誘電体層２７４を含むことができるが、アンテナ部は、導波路ごとに１つのストリップを有する別々の導電性ストリップ２７２を含む。これらのストリップ２７２、及び対応するアンテナ素子２６２は、距離ｄ１だけ離間している（図３５参照）。
【0125】
各アンテナ素子２６２３、及びアンテナ素子の下に配置された層２７０の結合領域２７６３は、それぞれのアンテナユニット２７８３を形成する。例えば、層２７０のアンテナ素子２６２３，５及び結合領域２７６３，５は、送信アンテナセクション１０のアンテナユニット２７８３，５を形成する。
【0126】
【0127】
結合領域２７６３，５は、導電性ストリップ２７２３とアンテナ素子２６２３，５との間に電気的に結合されている集中調整可能インピーダンス素子２８０３，５としてモデル化されることができる。導電性制御線２８２３，５は、集中素子２８０３，５に直接結合されるか、又は図示のように導電性アンテナ素子２６２３，５を介して集中素子に間接的に結合される。以下に説明するように、コントローラ（例えば、図３３のマスタコントローラ２２０）は、アンテナ素子２６２３，５へ、そしてそこから導波管２６０３に沿って伝搬する信号を選択的に結合及び結合解除することができ、そしてひいては、アンテナ素子、制御線２８２３，５上のバイアス信号（例えば、バイアス電圧）を選択的に変化させることによって、アンテナ素子を選択的に始動及び停止させることができる。さらに、ローパスフィルタ２８４３，５を集中素子２８０３，５とコントローラとの間に直列に結合して、導波路２６０３に沿って伝搬する信号からの高周波エネルギをコントローラから切り離すことができる。
【0128】
アンテナユニット２７８３，５に対応する導電性ストリップ２７２３の部分は、間隙３８３，５を含み、これは、結合層２７０を形成する同一の材料で充填されることができ、導波管２６０３に沿ってアンテナユニットまで信号を結合させるように構成される。
【0129】
さらに図３７を参照すると、アンテナユニット２７８３，５の動作中、集中素子２８０３，５を停止させるレベルを有する制御線２８２３，５上の制御信号に応答して、結合領域２７６３，５は、間隙２８６３，５に対して大きなインピーダンスを呈し、そしてひいては、導波路２６０３に沿って伝搬する信号がアンテナ素子２６２３，５に結合して、それを励起することを阻止する。したがって、アンテナ素子２６２３，５は、ほとんど又は全くエネルギを放射しない。
【0130】
対照的に、集中素子２８０３，５を作動させるレベルを有する制御線２８２３，５上の制御信号に応答して、結合領域２７６３，５は、空隙２８６３，５に対して小さなインピーダンスを呈し、そしてひいては、信号がアンテナ素子を励起するように、導波路２６０３に沿って伝搬する信号をアンテナ素子２６２３，５に結合する。したがって、励起アンテナ素子２６２３，５は、導波管２６０３に沿って伝搬する信号の１つ以上の周波数と同じ１つ以上の周波数でエネルギを放射する。例えば、集中素子２８０３，５がアクティブであるとき、結合領域２７６３，５は、アンテナ素子２６２３，５とともに、近似的にｆ０の共振周波数を有する直列共振回路を形成するように構成される。既知のように、その共振周波数において、直列共振回路は、低インピーダンス、理想的にはゼロインピーダンスを有する。導波路２６０３に沿って伝搬する信号は、近似的にｆ０の周波数を有するため、集中素子２８０３，５がアクティブであるとき、領域２７６３，５は信号に対して低インピーダンスを示す。そのような選択的な共振回路を実装するために、集中素子２８０３，５は、ＰＮ接合ダイオード、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、又は活性化されると、結合領域がｆ０でアンテナ素子２６２３，５と直列共振回路を形成するような、又は導電性ストリップ２７２３とアンテナ素子との間の、結合領域２６３，５のインピーダンスを変化させる。
【0131】
依然として図３７を参照すると、アンテナユニット２７８３，５のみが記載されているが、送信アンテナセクション１０（図１及び３５～３６）の他のアンテナユニット２７８のすべてが、同じ構造を有することができ、またアンテナ部２７８３，５として、同じように動作することができる。
【0132】
図１及び３５～３７を参照すると、送信アンテナセクション１０及びアンテナユニット２７８のさらなる詳細は、以下の文献、２０１４年１０月３日出願の米国特許出願第１４／５０６，４３２号、発明の名称ＳＵＲＦＡＣＥ ＳＣＡＴＴＥＲＩＮＧ ＡＮＴＥＮＮＡＳ ＷＩＴＨ ＬＵＭＰＥＤ ＥＬＥＭＥＮＴＳ、及び２０１１年１０月１４日出願の米国特許第９，４５０，３１０号、発明の名称ＳＵＲＦＡＣＥ ＳＣＡＴＴＥＲＩＮＧ ＥＬＥＭＥＮＴＳに見出すことができ、これらは、参照により本明細書に組み込まれる。さらに、図１４の送信アンテナセクション１００の各サブセクション１０６及び１０８、並びに図２８の送信アンテナセクション１８０の各サブセクション１８２及び１８４は、構造及び動作において送信アンテナセクション１０と同様であることができる。
【0133】
以上の説明から、本明細書では例示の目的で特定の実施形態を説明してきたが、本開示の本質及び範囲から逸脱することなく、様々な修正がなされ得ることが理解されよう。さらに、特定の実施形態について代替案が開示されている場合、この代替案は、特に述べられていなくても、他の実施形態にも適用され得る。さらに、任意の説明された構成要素又は動作は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアのうちの任意の２つ以上の組み合わせにおいて実装／実行され得る。さらに、説明された機器又はシステムのうちの１つ以上の構成要素は、明確さ又は別の理由で説明から省略されている場合がある。さらに、本明細書に含まれている説明された機器又はシステムの１つ以上の構成要素は、装置又はシステムから省略される場合がある。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】