特表 2024-527475 フェーズドアレイアンテナシステムのための小型ビームフォーミングモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-07-25

(54)【発明の名称】フェーズドアレイアンテナシステムのための小型ビームフォーミングモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01P 1/185 20060101AFI20240718BHJP

   H01P 5/18 20060101ALI20240718BHJP

   H01Q 3/36 20060101ALI20240718BHJP

   B64G 3/00 20060101ALN20240718BHJP

   B64G 1/66 20060101ALN20240718BHJP

   F41H 13/00 20060101ALN20240718BHJP

   B64D 47/00 20060101ALN20240718BHJP

【ＦＩ】

H01P1/185

H01P5/18 M

H01P5/18 J

H01Q3/36

B64G3/00

B64G1/66 C

F41H13/00

B64D47/00

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2023575911

(86)(22)【出願日】2022-06-07

(85)【翻訳文提出日】2024-01-15

(86)【国際出願番号】 TR2022050545

(87)【国際公開番号】W WO2022260637

(87)【国際公開日】2022-12-15

(31)【優先権主張番号】2021/009415

(32)【優先日】2021-06-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】TR

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523460534

【氏名又は名称】スプラ サヴンマ ハヴァシリク ヴェ ウザイ テクノロジレリ エレクトロニク ヤジリム マキナ サナイ ヴェ ティジャーレット リミテッド シルケット

【氏名又は名称原語表記】ＳＰＲＡ ＳＡＶＵＮＭＡ ＨＡＶＡＣＩＬＩＫ ＶＥ ＵＺＡＹ ＴＥＫＮＯＬＯＪＩＬＥＲＩ ＥＬＥＫＴＲＯＮＩＫ ＹＡＺＩＬＩＭ ＭＡＫＩＮＡ ＳＡＮＡＹＩ ＶＥ ＴＩＣＡＲＥＴ ＬＩＭＩＴＥＤ ＳＩＲＫＥＴＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100139723

【弁理士】

【氏名又は名称】樋口 洋

(72)【発明者】

【氏名】ギュンギョル，チャガタイ エルチュルク

【テーマコード（参考）】

5J021

【Ｆターム（参考）】

5J021AA06

5J021DB03

5J021DB04

5J021FA03

5J021FA05

5J021FA33

5J021HA04

5J021HA05

5J021HA07

5J021HA08

5J021JA05

5J021JA06

(57)【要約】

本発明は、ＲＦスイッチ（１２）と複数の位相シフタ（２０）とを備えるフェーズドアレイアンテナ用の小型ビームフォーミングモジュール（１０）に関し、各位相シフタは、任意のタイプの基板（２２）上に薄膜構造を適用することによって、少なくとも１つのグラウンド欠陥構造（２６／２７／１８）を有する。本発明のビームフォーミングモジュールは、基板（２２）のタイプとは独立した材料の選択、半導体回路への集積の容易さ、高ＥＩＲＰアンテナを提供するための高電力増幅器での使用の容易さ、および費用効率を有する高い空間利得など、独自の相乗的特徴および利点を提供する。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

フェーズドアレイアンテナのための小型ビームフォーミングモジュール（１０）であって、少なくとも１つの基板（２２）上の少なくとも１つの層上に配置された、少なくとも１つの位相シフタ（２０）およびＲＦスイッチ（１２）を備え、
前記位相シフタ（２０）は、結合された２つの伝送線路によって形成され、グラウンド欠陥構造（２６）上に構築された結合線路（２８）を含み、
少なくとも１つのバラクタ（３０）が、前記結合線路（２８）の対角線上に対向する各端部に接続され、
前記バラクタ（３０）および前記ＲＦスイッチ（１２）は、本質的に薄膜構造からなり、
前記ＲＦスイッチ（１２）は、二酸化バナジウムの薄膜層（１４）を含む
ことを特徴とする、ビームフォーミングモジュール。

【請求項2】

前記位相シフタ（２０）は、二次グラウンド欠陥構造（２７）をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項3】

奇数モードインピーダンスを低減するために、前記結合線路（２８）間にキャパシタ（３２）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項4】

前記結合線路（２８）の一端に２つのバラクタ（３０）を備え、前記バラクタ（３０）の間にインダクタ（３４）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項5】

前記基板（２２）上に薄膜構造を有することを特徴とする、請求項１に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項6】

前記ＲＦスイッチング回路（１２）は、反射コンポーネント回路（１２ａ）および吸収コンポーネント回路（１２ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項7】

薄い絶縁層（１５）が、各ＲＦスイッチング（１２）回路の導電性制御線路（１６）と、薄膜（１４）が配置される基板（２２）上に形成された絶縁性グラウンド欠陥構造（１８）と、前記薄膜（１４）および制御線路（１６）との間に設けられることを特徴とする、請求項１または６に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項8】

前記バラクタ（３０）は、サファイアまたはアルミナセラミック表面上に成長させた強誘電性材料を含むことを特徴とする、請求項１または４に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項9】

前記バラクタ（３０）は、強誘電性材料としてチタン酸バリウムストロンチウムまたは酸化亜鉛を含むことを特徴とする、請求項８に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項10】

前記ＲＦスイッチ（１２）は、サファイア、シリコンまたはアルミナセラミック表面上に成長させた二酸化バナジウム（１４）の層を含むことを特徴とする、請求項１～９のいずれか一項に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項11】

各ＲＦスイッチング回路（１２）は、共通の伝送線路（１７）に接続された少なくとも２本の二酸化バナジウム薄膜線路（１４）に接続されていることを特徴とする、請求項１～１０のいずれか一項に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項12】

前記基板（２２）は、高誘電率の材料として、アルミニウム、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＣＭＯＳおよびＳｉＣからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１～１１のいずれか一項に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項13】

前記伝送線路（１７）を介してＶＯ_２薄膜線路（１４）の各対に接続された結合キャパシタ（４４）を備えることを特徴とする、請求項１～１２のいずれか一項に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項14】

電力分配器／集電器（４０）と、各抵抗電力分配器／集電器（４０）のための印刷抵抗器（４２）とを備えることを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項に記載のビームフォーミングモジュール。

【請求項15】

少なくとも１つの基板（２２）上の少なくとも１つの層上に配置された少なくとも１つの位相シフタ（２０）およびＲＦスイッチ（１２）を備える、フェーズドアレイアンテナのための小型ビームフォーミングモジュール（１０）を製造する方法であって、前記基板（２２）上に信号および伝送経路／線路を画定するように導電性素子が設けられ、前記素子は、信号経路／線路上に配置され、
－各位相シフタ（２０）およびＲＦスイッチ（１２）を、少なくとも１つのグラウンド欠陥構造（２６／２７／１８）上に配置する工程であって、前記位相シフタ（２０）は、２つの結合された伝送線路から形成された結合線路（２８）を含む、工程、
－信号の位相シフトを引き起こすために、前記位相シフタの結合線路の対角線に対向する各端部に接続される少なくとも１つのバラクタ（３０）を提供する工程であって、前記バラクタ（３０）は強誘電体材料を含み、前記ＲＦスイッチ（１２）は二酸化バナジウム（１４）の薄膜層からなる、工程
を含むことを特徴とする、方法。

【請求項16】

前記ＲＦスイッチ（１２）は、サファイア、シリコンまたはアルミナセラミック表面上に成長させた二酸化バナジウムの薄膜層（１４）を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

少なくとも１つの薄い絶縁層（１５）が、各ＲＦスイッチング（１２）回路の導電性制御線路（１６）と、薄膜（１４）が配置される基板（２２）上に形成された絶縁性グラウンド欠陥構造（１８）と、薄膜（１４）および制御線路（１６）との間に設けられることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の方法。

【請求項18】

各ＲＦスイッチング回路（１２）が、共通の伝送線路（１７）に接続された少なくとも２本の二酸化バナジウム薄膜線路（１４）に接続されていることを特徴とする、請求項１５～１７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項19】

前記強誘電体バラクタ（３０）は、サファイアまたはアルミナセラミック表面上に成長させたチタン酸バリウムストロンチウムまたは酸化亜鉛を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。

【請求項20】

キャパシタ（３２）が、奇数モードインピーダンスを低減するために前記結合線路（２８）間に設けられることを特徴とする、請求項１５～１９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項21】

前記ＲＦスイッチング回路（１２）が、反射コンポーネント回路（１２ａ）および吸収コンポーネント回路（１２ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１５～２０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項22】

前記結合線路（２８）の一端に２つのバラクタ（３０）を設け、これらのバラクタ（３０）間にインダクタ（３４）を設けることを特徴とする、請求項１５～２１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項23】

前記小型ビームフォーミングモジュール（１０）内の前記基板（２２）上で薄膜プロセスが使用されることを特徴とする、請求項１５～２２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項24】

前記基板（２２）は、高誘電率の材料を有するアルミニウム、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＣＭＯＳおよびＳｉＣからなる群から選択されることを特徴とする、請求項１５～２３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項25】

前記伝送線路（１７）を介してＶＯ_２薄膜線路（１４）の各対に接続された結合キャパシタ（４４）を設けることを特徴とする、請求項１５～２４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項26】

電力分配器／集電器（４０）および各抵抗性電力分配器／集電器（４０）について印刷抵抗器（４２）を設けることを特徴とする、請求項１５～２５のいずれか一項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スマートアンテナシステムのためのビームフォーミングモジュールに関する。特に、本発明は、フェーズドアレイアンテナで使用するための小型ビームフォーミングモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

ビームフォーミング構造は、衛星、航空機、電子兵器、レーダ通信、およびナビゲーション用途において広く使用され、アンテナアレイ素子における位相遅延の適用を介してビームステアリングを可能にする。フェーズドアレイシステムでは、ビームステアリングまたはビームフォーミングは、信号の送信または受信の方向を制御するために、多くのアンテナ素子を使用することによって、機械的ではなく電子的に達成される。より速い走査速度、構造的寸法、高速のスイッチング速度、伝送損失および入射干渉またはノイズの防止、コスト、および機械的メンテナンスの必要性を伴う電子制御は、アンテナシステムにとって考慮すべき重要な要素である。

【0003】

より複雑で高価な、機能するためにより高度な信号処理を必要とするアダプティブアンテナとは異なり、スイッチビームアンテナは、アンテナアレイ、ビームフォーミングネットワーク、ＲＦスイッチ、および単純なコントローラ要素のみによって構築される。その最も重要な部分の一つであるビームフォーミングネットワークは、デジタルビームフォーミングとＲＦビームフォーミングとに分類することができ、ＲＦビームフォーミングは通常、レンズベースおよび回路ベースのマルチビームネットワークに関与する。

【0004】

ＲＦビームフォーミングの必須要素の１つである半導体位相シフタは、本質的に相互的であり、制御要素が電子スイッチとして使用されるか連続可変リアクタンスとして使用されるかに応じて、デジタルまたはアナログとして分類され得る。電子スイッチとして作用することができるデバイスの例は、Ｐ－Ｉ－Ｎダイオード、ＧａＡｓ ＦＥＴ、およびショットキーダイオードである。アナログ処理の場合、電圧制御バラクタダイオードが最も一般的に用いられる。その結果として、システム選好は、目標、ニーズ、実現可能性、および期待に従って変化する。

【0005】

特許文献１は、複数のアンテナ素子に接続され、基板と、基板上の複数の移相シフタとを含む移相シフト装置を有するフェーズドアレイアンテナを開示している。各位相シフタは、強磁性材料またはチタン酸バリウムストロンチウムなどの強誘電体材料を含み、位相シフトは、選択された薄膜または厚膜材料に印加される電圧によって材料の誘電率を変化させることによって達成される。基板、周波数選択性表面または信号伝送媒体としての使用、またはアンテナ全体または基板を前記材料で蒸着またはコーティングすることなど、強誘電体材料の用途に関する先行技術からの多くの教示もある。

【0006】

そのような従来の用途は、Ｑ値のわずかな改善および低電力処理によってある程度システム性能に寄与し得るにもかかわらず、それらの使用は、ＣＭＯＳまたはＲＦＳＯＩなどの受動素子を有する集積回路を含む半導体プロセスにおけるフィルタバンクおよびＬＣタンク回路などのスイッチ受動回路部分のＱ値が非常に低いために依然として制限される。

【0007】

位相シフタの性能は、既存の伝送損失によって悪影響を受ける。スイッチングにより固定位相シフト値を選択する従来のデジタル位相シフタで使用されるべき直列スイッチング回路における高い伝送損失は、未だ解決すべき課題の一つである。

【0008】

フェーズドアレイアンテナは、周波数範囲、帯域幅、偏波、および有効放射電力（ＥＩＲＰ）などの多くの要素に依存する複雑な実施形態である。したがって、そのようなアンテナの材料、製作、および製造プロセスの選択は、特定の材料および方法に基づく位相シフタ、スイッチ、および／または伝送線路の設計特性によって制限され得る。メタマテリアルアンテナまたは特定の薄膜基板を対象とするいくつかの実施形態と同様に、信号分配ネットワークに最も適したパラメータは、信号伝送ネットワークに必ずしも適しているとは限らない。

【0009】

ビームフォーミングモジュールの製造において、コスト削減設計が主要な関心事であるだけでなく、物理的サイズおよび電力の制約も効果的に克服されるべきである。したがって、移相シフト回路およびダイオードやスイッチなどの関連部品は、できるだけ設計上の小型化を図るとともに、制約要因として、その部品の市場規格とともにパッチ間の距離のルールを遵守することが求められている。例えば、ＫｕおよびＫａ帯域周波数が前記アンテナによって到達されることを目的とする場合、部品が配置され得る面積は減少する。したがって、バラクタダイオードおよびスイッチなどの前記コンポーネントは、ビームフォーミングモジュールの構造において同一基板上に組み込むことができることが望ましい。

【0010】

したがって、今日では、前述の性能要素を達成しながら、前述のアンテナ設計選好に対する制限条件を可能な限り低減または除去する必要性が存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】米国特許第６６１１２３０号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

本発明の主な目的は、フェーズドアレイアンテナシステムにおける従来の用途と比較して、損失が少なく、エネルギー効率が高く、電力処理が高く、電力出力が高い、ビームフォーミングモジュールを提供することである。

【0013】

本発明の別の重要な目的は、フェーズドアレイアンテナの設計の好みを考慮して、材料構造または設計および製造方法の制約条件なしに、スイッチおよび伝送路の構築のために高品質（Ｑ）値を有するビームフォーミングモジュールを提供することである。

【0014】

本発明の別の目的は、より高い物理的サイズの節約を達成するための小型で費用効果の高いアンテナビームフォーミングモジュールを提供することである。

【0015】

本発明のさらに別の目的は、アンテナビームフォーミングモジュール内の位相シフト度が異なる受動回路間の相乗的スイッチング手法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0016】

本発明の前記目的を達成するために、フェーズドアレイアンテナのための小型ビームフォーミングモジュールが提供され、このモジュールは、基板上に配置され、グラウンド欠陥構造（defected ground structure）上に構築された結合線路を有する少なくとも１つの位相シフタと、ＲＦスイッチとを備える。

【0017】

バラクタは、結合された２つの伝送線路を含む前記位相シフタの結合線路の対角線に対向する各端部に接続される。印加電圧に応じて、バラクタのキャパシタンス、したがって結合線路回路の伝導位相を変化させ、所定の位相シフト結果を達成することができる。好ましくは、前記バラクタ構造は、設計サイズをさらに縮小するために薄膜に転写される。

【0018】

奇数／偶数モードインピーダンスは、前記グラウンド欠陥構造およびその上に配置された結合線路により適切に調整される。グラウンド欠陥構造は、偶数モードインピーダンスを増加させる効果を有する。最適化は、結合線路に接続される伝送線路の特性インピーダンスおよび長さを調整することによって達成される。任意選択で、奇数モードインピーダンスを低減する効果を有するキャパシタを、結合線路間に追加することができる。

【0019】

前記バラクタは、表面上に成長した薄膜コンポーネントからなる。薄膜は、表面にコーティングされた金属電極間の誘電体として作用し、キャパシタンスを提供する。電圧依存キャパシタンスは、電圧によって変化する強誘電体材料の誘電率によって得られる。バラクタ選択に好ましい特徴は、印加電圧に応じて達成可能な適切な最大／最小キャパシタンス比、低いプロセス感度、および低い非線形性、ならびに低電圧での操作性である。本発明によれば、バラクタは、好ましくは、サファイアまたはアルミナセラミック上に成長した薄膜コンポーネント、好ましくは強誘電性材料、特にチタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）または酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む。

【0020】

本発明による所望の位相シフトは、アルミニウム、サファイア、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＣＭＯＳ、およびＳｉＣなどの高誘電率の任意の硬質基板上のグラウンド欠陥構造上の結合線路によって提供され、前記基板の材料、数、または層構造は限定されない。

【0021】

本発明のビームフォーミングモジュールは、ＲＦスイッチ（スイッチング回路）を有し、その各々は、好ましくは、サファイア、ＳｉまたはＡｌ_２Ｏ_３表面上に成長させた二酸化バナジウム（ＶＯ_２）成分を含む。スイッチング機能は、ＶＯ_２薄膜回路のサーモクロミック特徴を使用してＲＦ信号を所望の線路に転送することにより実行され、他の線路は高インピーダンスで終端される。この文脈では、反射スイッチと吸収スイッチの両方を使用することができる。

【0022】

各スイッチング回路は、共通線路に接続された複数の、好ましくは２つのＶＯ_２薄膜線路に接続される。ＶＯ_２薄膜は、ある遷移温度以下では高抵抗絶縁体特性を有し、前記温度を超えると低抵抗導体特性を有する。スイッチング回路に接続された制御線路に電流を流すことにより薄膜温度を上昇させ、薄膜の特性を制御する。

【0023】

本発明はまた、少なくとも１つの基板上の少なくとも１つの層に配置された少なくとも１つの位相シフタおよびＲＦスイッチを備えるフェーズドアレイアンテナのための小型ビームフォーミングモジュールの製造方法を提供する。従来技術からよく知られている導電性素子は、前記基板上に信号および伝送経路／線路を画定するために提供され、前記導電性素子は、信号経路／線路上に配置される。この方法は基本的に以下の工程を含む；
－各位相シフタおよびＲＦスイッチを少なくとも１つのグラウンド欠陥構造上に配置する工程であって、前記位相シフタは、２つの結合された伝送線路から形成された結合線路を含む、工程、
－信号の移相シフトを引き起こすために、前記位相シフタ内の結合線路の対角線に対向する各端部に接続される少なくとも１つのバラクタを提供する工程であって、前記バラクタは強誘電体材料を含み、前記ＲＦスイッチは二酸化バナジウムの薄膜層を含む、工程。

【0024】

ビームフォーミングモジュールの構築に使用される全ての基本的コンポーネント、特に、ＲＦスイッチ／スイッチング回路および強誘電体バラクタのコンポーネント、接続、および材料構造は、これまで説明されたので、これらは繰り返されない。小型ビームフォーミングモジュールでは、従来技術からよく知られている前記基板上の薄膜プロセスを使用することが好ましい。

【0025】

本発明の範囲内で、ＣＭＯＳ、ＲＦＳＯＩなどのプロセスの代わりに、結合線路、バラクタ、およびスイッチが、本質的に、任意の基板上の薄膜で一緒に実現されるという事実のおかげで、より低いコストで、はるかに高いＱ値および電力処理を達成することができる。例えば、Ｑ値１０および電力１００ミリワットを有する従来の半導体プロセスと比較して、本発明によれば、前記値は約１０倍増加する。したがって、相乗的スイッチングアプローチは、異なる程度の位相シフトを提供するビームフォーミングモジュール内の受動回路間で達成される。

【0026】

本発明の小型ビームフォーミングモジュールは、基板タイプとは無関係に動作することができるので、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＦＥＴ、またはＭＭＩＣタイプのＩＣに直接組み合わせることができる。

【0027】

本発明の別の実施形態では、ビームフォーミング集積回路におけるもののような、４つのコーナーへの４つの別個の接続が、表面実装コンポーネントとしてビームフォーミングモジュールに提供され得る。前記４つの分岐を接続する電力結合器／スプリッタ線路は、薄膜回路として前記コンポーネント上に作製することもできる。同様に、偏波の選択を提供するために、これらの４つの端子に追加のスイッチを採用することができ、または、例えば、分岐線路カプラをこのスイッチに含めることができる。本発明の別の好ましい代替実施形態では、主回路は、ビームフォーミングモジュール内のアルミナ上に形成され、バラクタおよびスイッチは、前記薄膜コンポーネントとともに、フリップチップ表面実装としてサファイア上に構成することができる。このようにして、薄層の厚さの制限、薄層から得られるバラクタおよびスイッチの数によるモジュールの数の制限、および厳しい穿孔要件の必要性を排除することができる。

【0028】

本発明のこれらおよび他の態様、構造的および固有の特徴、利点、および実施形態は、以下の詳細な説明、実施例、および関連する図面を参照することによって、より明らかになり、より明確に理解されるであろう。

【0029】

図面は必ずしも縮尺通りである必要はなく、本発明の態様を不明瞭にすることを避けるために、重要でない詳細は省略され得る。可能な限り、同一または類似の部分を指すために、図および説明全体にわたって同じ参照番号が使用され、簡潔にするために、すべての図においてそれらの部分について参照番号は繰り返し示されないことがある。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1a】単一基板上の主要コンポーネントを示す、本発明による単一チャネル小型ビームフォーミングモジュールの例示的な上面図

【図1b】単一基板上の主要コンポーネントを示す、本発明による４チャネル小型ビームフォーミングモジュールの例示的な上面図

【図2a】好ましい位相シフト回路の上面からの例示的な斜視図

【図2b】好ましい位相シフト回路の底面からの例示的な斜視図であり、図２ａの内蔵バラクタコンポーネントの代替実施形態として表面実装フリップチップ技術で作製されたバラクタコンポーネントを有する図

【図3a】本発明による好ましいＲＦスイッチング回路の反射コンポーネントおよび吸収コンポーネントの例示的な正面中央垂直断面図

【図3b】本発明による好ましいＲＦスイッチング回路の反射コンポーネントおよび吸収コンポーネントの例示的な上面図

【図3c】本発明による好ましいＲＦスイッチング回路の反射コンポーネントおよび吸収コンポーネントの例示的な上面図

【図4a】本発明による例示的な位相シフト回路のリターン損失を周波数および電圧変化に関して示すグラフ

【図4b】本発明による例示的な位相シフト回路の挿入損失を周波数および電圧変化に関して示すグラフ

【図4c】本発明による例示的な位相シフト回路の位相シフト性能を周波数および電圧変化に関して示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１ａおよび図１ｂに示すように、本発明によるフェーズドアレイアンテナ用の小型ビームフォーミングモジュール（１０）は、ＲＦスイッチ（１２）と、バラクタ（３０）に接続された結合線路（２８）を含む少なくとも１つの位相シフタ（２０）とを備え、グラウンド欠陥構造（２６、２７）上に配置された薄膜構造上に構築される。前記実施形態により、受動回路間の相乗的なスイッチングアプローチが維持され、より高いＱ値およびより高い電力処理が低コストで達成され得る。

【0032】

結合線路（２８）は、従来、奇数モードおよび偶数モードのインピーダンスおよび周波数値を考慮して、２つの伝送線路（１７）を適切に結合することによって形成されている。バラクタ（３０）という用語は、電圧依存キャパシタとして作用する半導体ダイオードを指し、バリキャップダイオード、チューニングダイオード、または電圧可変キャパシタダイオードとも呼ばれ得る。グラウンド欠陥構造（ＤＧＳ）（２６、２７、１８）という用語は、接地面／層／線上に統合された様々な幾何学的形状のスロット、ボイド、または欠陥を意味し、欠陥のあるまたは不完全なグラウンド構造、すなわち、本発明による基板（２２）のいずれかの表面（すなわち、下側）上に形成された接地面に配置された欠陥またはボイドとも呼ばれる。一方、ＲＦの略語は、無線周波数およびマイクロ波を意味することは明らかである。

【0033】

図２ａにより明確に示されるように、本発明の好ましい実施形態では、位相シフタ（２０）は、本質的に、一次グラウンド欠陥構造（２６）上に形成されるバラクタ（３０）との結合線路（２８）から成る。さらに必要とされる場合、別の実施形態において、二次グラウンド欠陥構造（２７）も形成され得る。非限定的な例としての例示を容易にするために、結合された２つの線路（２８）は、ここでは相互（逆対称）配置で示され、その各々は、単一の基板（２２）上に構築された同等のコンポーネント（３０、３４）を有し、グラウンド欠陥構造（２６、２７）を備え、そのうちの第１の構造（２６）は、垂直に延びる縦長の長方形状に形成され、第２の対（２７）は、その端部が互いに対向し、第１の構造を互いに取り囲むＵ字状に配置される。

【0034】

キャパシタンスは、バラクタ（３０）に印加される電圧に応じて変化する。これにより、結合線路回路（２８）の伝送位相を変化させることにより、所望の位相シフト効果を得ることができる。前記バラクタ（３０）は、好ましくは、表面に成長した薄膜成分を有し、この成分は、好ましくは強誘電性材料から選択され、チタン酸バリウムストロンチウム（ＢＳＴ）が好ましい。

【0035】

本発明の好ましい実施形態においてＢＳＴ薄膜バラクタ（３０）を使用することにより、例えばＭＩＭ構造（金属－絶縁体－金属ベースのトポロジーを有する）において、必要な可変キャパシタンスを、結合線路（２８）が形成される同じ基板（２２）上に提供することができ、特定の最大／最小キャパシタンス比は、例えば１．４～３．０である。同様に、低電圧動作および低非線形性などのさらなる利点も得られる。したがって、ＧａＡｓ上にエピタキシャル成長された超段階バラクタなどの異なるプロセスにおける追加のディスクリートダイオード、および、このダイオードと接続するための余分なパッドおよびワイヤタイの必要性をなくすことができる。

【0036】

奇数－偶数モードインピーダンスは、前記グラウンド欠陥構造（２６、２７）およびその上に構築された結合線路（２８）によって適切に調整される。グラウンド欠陥構造（２６、２７）は、偶数モードインピーダンスを増加させる。最適化は、結合線路（２８）に接続される伝送線路（１７）の特性インピーダンスおよび長さを調整することによって達成される。任意選択的に、奇数モードインピーダンス低減効果を有するキャパシタ（３２）を、結合線路（２８）間に追加することができる。同様に、必要であれば、インダクタ（３４）を２つのバラクタ間に追加することができる。したがって、低い奇数モードインピーダンスおよび高い偶数モードインピーダンスを達成することができ、例えば、選択されたＢＳＴバラクタ（３０）の低い寄生容量と共に、高い値の位相シフタ（２０）性能を得ることができる。

【0037】

グラウンド欠陥構造（２６）を形成する接地層上に提供されるボイドの幅、ならびに線路（２８）間の幅および距離は、いずれも、基板（２２）の誘電率および高さに従って計算される。結合線路（２８）の長さは、動作周波数帯域、ならびに基板材料（２２）の誘電率および高さに従って決定される。

【0038】

好ましい実施形態では、導電性ネジ穴（３６）が、基板（２２）の下側の接地面への前記バラクタ（３０）の接続を確実にするために穿孔される。図２ｂに図示されるような本発明の代替実施形態では、前記ネジ穴の代わりに、表面実装フリップチップ技術を用いて基板（３８）上に形成されるバラクタ（３０）コンポーネント上の導電性コネクタ（３７）が、別の基板または基板にはんだ付けされる。同様のアプローチが、本発明によるＲＦスイッチング回路（１２）にも適用され得る。

【0039】

図３ａは、本発明による例示的な実施形態としてのＲＦスイッチ（１２）の正面垂直断面図を示す。図３ｂおよび図３ｃは、単極無指向性（ＳＰＤＴ）スイッチの形態の反射コンポーネント（１２ａ）および吸収コンポーネント（１２ｂ）を有するＲＦスイッチング回路（１２）の上面図を示す。前記ＲＦスイッチ（１２）は、表面に成長した薄膜二酸化バナジウム（ＶＯ_２）成分を含む。

【0040】

スイッチング機能は、ＶＯ_２薄膜層（１４）のサーモクロミック特性（金属から絶縁体への遷移）を用いて実行され、ＲＦ信号を所望の線路（１９）に伝送し、他の線路は高インピーダンスで終端される。各スイッチング回路（１２）は、共通伝送線路（１７）に接続された少なくとも２本のＶＯ_２薄膜線路（１４）に接続されている。

【0041】

ＶＯ_２薄膜は、ある遷移温度以下では高抵抗絶縁体特性を有し、前記温度を超えると低抵抗導体特性を有する。スイッチング回路に接続された導電性制御線路（１６）に電流を流すことで薄膜の温度を上昇させ、電流を流さない状態で冷却することで薄膜の特性を制御することができる。前記実施形態において、薄膜の熱を周囲のコンポーネントおよび／または他の膜から隔離するために、薄膜（１４）が配置される基板（２２）上に形成された絶縁性グラウンド欠陥構造（１８）と、薄膜（１４）および制御線（１６）との間に、好ましくはＳｉＯ_２を含む少なくとも１つの薄い絶縁層（１５）が設けられる。

【0042】

好ましい実施形態では、同じ基板上に成長させたＶＯ_２薄膜で作られたスイッチングにより、ディスクリートスイッチ集積体またはディスクリートダイオードで構築された追加のスイッチ回路の必要性が排除される。

【0043】

本発明のビームフォーミングモジュール（１０）は、結合キャパシタ（４４）、好ましくはＤＣ結合ＭＩＭキャパシタをさらに備え、これは伝送線路（１７）を介してＶＯ_２薄膜線（１４）の各対に接続される。シングルチャネルのものと比較して、マルチチャネルビームフォーミングモジュールはまた、電力分配器／集電器（４０）と、各抵抗性電力分配器／集電器（４０）のための印刷抵抗器（４２）とを含む（図１ａ－１ｂ）。

【0044】

例えば、それぞれが２つの異なる偏波供給バックボーンに接続することができる４つの反射アンテナコンポーネントが、フェーズドアレイ８×８アンテナに配置され、プリント回路基板上に構成される各ビームフォーミングモジュール（１０）に供給される。アンテナの配置および設計に応じて、すべての偏波オプション（垂直、水平、円形など）をサポートすることができる。

【0045】

応用例として、Ｍａｃｏｍ社のハイパーアブラプトＧａＡｓバラクタダイオード（０４０２パッケージ毎に２つ）をプリント基板上の各結合線路の一端に接続し、０～１９Ｖの範囲で電圧を印加した。周波数および電圧変化に従って得られたリターン損失、挿入損失、および位相シフト性能を、それぞれ図４ａ～４ｃのグラフに示す。

【0046】

本発明の位相シフタ構成は、固定位相シフト値がスイッチングによって選択されるデジタル位相シフタ集積回路よりも高い性能結果によって実証される。ここでの性能指標は、明らかに、度単位の位相シフトとｄＢ単位の伝送損失との比である。この達成の理由は、前記回路に従来から使用されている直列スイッチを使用する必要がなく、その結果、それに伴う伝送損失が排除されるからである。

【0047】

前記実施例では、位相シフタのＳパラメータは、７．２５～８．４０ＧＨｚの範囲で報告され、ＸバンドＳＡＴＣＯＭ送信機（７．９０～８．４０ＧＨｚ）および受信機（７．２５～７．７５ＧＨｚ）の周波数帯域全体をカバーする。全ての周波数範囲について、リターン損失は－１０ｄＢ未満であり、３６０度の全位相範囲は、３ｄＢ未満、または約２ｄＢの伝送損失値で得ることができ、したがって、約「３６０°／２ｄＢ」という得られるＦｏＭ（性能指数）値は、独特であることが見出される。前記結果は、ＣＭＯＳ、ＳＯＩ、ＧａＮなどの近い先行技術の出願における６ＤＢを超える損失値と比較して、はるかに優れた性能を示す。

【0048】

位相シフタは、強誘電体材料の可変特性を使用する位相シフタとは異なり、可変キャパシタンスに基づく。使用される基板に応じて、結合線路は高品質係数を有し、印加された電圧は、この線路のみに接続されたバラクタのキャパシタンスを変化させることによって位相シフトを提供する。この点において、高い性能が得られる。また、薄膜バラクタの成長プロセスパラメータに応じて得られる結晶構造が性能に与える影響が制限されるため、プロセスばらつきは大きくない。

【0049】

重要な性能指標は、Ｒ_ｏｎおよびＣ_Ｏｆｆのインピーダンスが互いに等しい周波数であり、前記周波数は、以下の式に従って計算される：

【数1】

【0050】

本発明の実施形態では、半導体スイッチよりもスイッチ伝送損失が小さい。スイッチング速度はＭＥＭＳスイッチよりも速い。これは、時分割多重化（ＴＤＭＡ）波形および時分割複信（ＴＤＤ）波形を使用する通信システムにとって重要である。同様に、アンテナの送信／受信モード遷移は、レーダおよび電子兵器システムにおいて高速であることが要求される。

【0051】

位相シフタにおけるエネルギーの保存、すなわち、システムにおいて保存されるエネルギーと損失エネルギーとの比を表す品質（Ｑ）因子は、重要な指標の１つである。この点において、より高いＱ値は、低損失伝送線路およびフィルタにとって望ましい特徴である。前記薄膜回路は、高精度レーザ加工によって非常に低い誘電損失率の基板上に構築される。これにより、フィルタを通過／印刷する帯域の低周波誤差や抑圧値に対する感度などの利点が達成される。

【0052】

本発明によるモジュールおよび方法によって提供される２つの基本制御要素を組み合わせることによって、同じ基板上の小さな物理的領域において、基板から完全に独立して、半導体回路との容易な統合、および高ＥＩＲＰアンテナを提供するための高電力増幅器との使用可能性が、独特の相乗的特徴である。コンポーネント全体に高い相乗効果および性能を与えることによって、コンパクトで有利な構造が得られる。

【0053】

以上、本発明の特定の実施例および実施形態を説明したが、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更、修正、および適合を行うことができることは明らかである。例えば、本発明のビームフォーミングモジュールのおかげで、アンテナ設計の嗜好に対する制限的かつ拘束的な条件はない。例えば、前記モジュールを使用することによって、アンテナ設計は、任意の層状構造の製作を介して、任意の基板上で行うことができる。

【0054】

薄膜設計は、モジュールとして入力／出力を提供する絶縁ユニットとして使用することができるので、その上に前記膜を成長させることを必要とするような方法または材料の選択に対する制限はない。したがって、本発明の実施形態は、その表面に実装されることによって対象回路で使用可能な集積回路の機能も果たすことができる。フェーズドアレイアンテナにおける従来の用途と比較して一般的な特性に関して、本発明のビームフォーミングモジュールは、損失が少なく、エネルギー効率が高く、電力処理が高く、電力出力が高い。同様に、送信状態におけるより高い効率および受信状態におけるより低いノイズを達成することができる。

【0055】

したがって、添付の特許請求の範囲では、本発明の範囲および完全性から逸脱することなく、そのような変更および修正が保護の範囲内に含まれることが保証される。

【符号の説明】

【0056】

１０ ビームフォーミングモジュール
１２ ＲＦスイッチ（ＲＦスイッチング回路）
１２ａ 反射ＲＦスイッチコンポーネント
１２ｂ 吸収ＲＦスイッチコンポーネント
１４ 薄膜層／線路（ＶＯ_２）
１５ 絶縁層
１６ 制御（導電接続）線路
１７ 伝送線路
１８ 絶縁グラウンド欠陥構造
１９ ＲＦ信号接続点／線路
２０ 位相シフタ（位相シフト回路）
２２ 基板
２６ 一次グラウンド欠陥構造
２７ 二次グラウンド欠陥構造
２８ 結合（伝送）線路
３０ バラクタ（薄膜）
３２ キャパシタ
３４ インダクタ
３６ ネジ穴
３７ コネクタ
３８ 表面実装基板
４０ 電力分配器／集電器
４２ 印刷抵抗器
４４ 結合キャパシタ

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図3a】

【図3b】

【図3c】

【図4a】

【図4b】

【図4c】

【国際調査報告】