プログラム可能なマイクロ波アレイ及びその設定方法
【課題】位相シフトパターンが柔軟に設計されたマイクロ波アンテナアレイを提供すること。
【解決手段】ターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システムにおいて使用するアレイであって、複数のアンテナ要素のそれぞれからのマイクロ波放射が前記ターゲットに同相で到達するように、それぞれが前記ターゲットに向かって前記マイクロ波放射のビームを導く個別の位相シフトによってプログラム可能な前記複数のアンテナ要素を有し、前記複数のアンテナ要素の中の選択されたものの前記位相シフトを変化させて前記マイクロ画像生成システムのパラメータを最適化する、アレイ。
【解決手段】ターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システムにおいて使用するアレイであって、複数のアンテナ要素のそれぞれからのマイクロ波放射が前記ターゲットに同相で到達するように、それぞれが前記ターゲットに向かって前記マイクロ波放射のビームを導く個別の位相シフトによってプログラム可能な前記複数のアンテナ要素を有し、前記複数のアンテナ要素の中の選択されたものの前記位相シフトを変化させて前記マイクロ画像生成システムのパラメータを最適化する、アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システム内において使用されるアンテナアレイおよびその設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近のマイクロ波画像生成分野における進歩により、物体又はその他の対象物品（例えば、対象の人物）の２次元（並びに、場合によっては、三次元）のマイクロ波画像生成能力を有するマイクロ波画像生成システムの製品開発が可能になった。現在、提供されているマイクロ波画像生成法には、いくつかのものが存在している。例えば、１つの技法は、マイクロ波検出器（以下、これを「アンテナ要素」と呼ぶ）のアレイを使用し、ターゲットの能動的なマイクロ波照射に応答して、人物又はその他の物体と関連付けられたターゲットから放出される受動的マイクロ波放射、又はターゲットから反射される反射マイクロ波放射を取得している。アンテナ要素のアレイをターゲットの位置に関連して走査すると共に／又は、送信又は検出するマイクロ波放射の周波数（又は、波長）を調節することにより、人物又はその他の物体の２次元又は３次元画像を構築している。
【０００３】
マイクロ波画像生成システムは、通常、物体との間でマイクロ波放射を送信、受信、及び／又は反射するための送信、受信、及び／又は反射アンテナアレイを含んでいる。このようなアンテナアレイは、従来のアナログフェーズドアレイ又は２値反射器アレイを使用して構築可能である。いずれの場合にも、アンテナアレイは、通常、いくつかの個別のマイクロ波線を含むマイクロ波放射のビームを、物体の画像内の１つ又は複数のボクセルに対応した３Ｄ空間内の点又は領域／容積（本明細書においては、これをターゲットと呼ぶ）に向かって導いている。これは、アンテナ要素による個々のマイクロ波線の位相の変更を可能にする個別の位相シフトによってアレイ内のアンテナ要素のそれぞれをプログラムすることによって実現される。それぞれのアンテナ要素の位相シフトは、それぞれのアンテナ要素からの個々のマイクロ波線のすべてが、実質的に同相でターゲットに到達するように、選択されている。プログラム可能なアンテナアレイの例は、「Ａ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」という名称の特許文献１（代理人ドケット番号第１００４０１５１号）と「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ」という名称の特許文献２（代理人ドケット番号第１００４０５８０号）に記述されている。
【０００４】
この結果、それぞれのターゲットごとに、ターゲットにおいて最大の建設的干渉を経験するマイクロ波放射のビームを生成する特定の位相シフトにより、それぞれのアンテナ要素がプログラムされる。特定のターゲットについて、アレイ内のアンテナ要素に割り当てられているすべての位相シフトの組み合わせをパターンと呼ぶ。パターンのサイズは、アレイと同じサイズであり、パターン内のそれぞれの要素は、アレイ内の対応するアンテナ要素の位相シフトを表している。それぞれのアンテナ要素が、２つの位相シフトの中のいずれかのみを導入可能な２値アレイの場合には、パターンは、１と０のアレイとして表現可能である。
【０００５】
人物又はその他の物体を走査するには、通常、人物又はその他の物体と関連付けられている様々なターゲットの連続マイクロ波画像を取得するために使用するいくつかのパターンを事前に設計し、保存しておく。しかしながら、それぞれのパターン設計は、主に、マイクロ波放射の周波数と、マイクロ波源（該当する場合）、マイクロ波受信機（該当する場合）、及び特定のターゲットの１つ又は複数に対するアレイ内のアンテナ要素の向きと、によって決定され、従って、パターンが、マイクロ波画像生成システムの様々なパラメータにとって最適ではない可能性がある。
【特許文献１】米国特許出願第１０／９９７，４２２号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１０／９９７，５８３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、マイクロ波源からマイクロ波受信機への迷光放射の結果生じる背景雑音（これは、しばしば、「クラッター」と呼ばれる）は、マイクロ波画像生成システムの信号対雑音比（ＳＮＲ）を低下させる。特定のパターンは、ターゲットにおける望ましい建設的な干渉を生成可能であるが、そのパターンが、マイクロ波受信機における背景雑音を低減するのに最適ではない場合がある。別の例として、人物又はその他の物体の走査に使用するパターンのペア間の位相の変化により、アンテナ位相の変化に伴って面積が拡大するサイドローブが生じる場合がある。又、連続マイクロ波画像間の位相の変化を必要とするアンテナ要素の数が増大するに伴って、人物又はその他の物体の走査に必要なパワーも相応して増大することになる。従って、マイクロ波アンテナアレイの位相シフトパターンを設計するための柔軟な設計法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施例は、ターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システム内において使用され、マイクロ波画像生成システムの１つ又は複数のパラメータを最適化するべく選択的にプログラム可能なアンテナアレイを提供する。アレイは、複数のアンテナ要素を含み、このそれぞれは、それぞれのアンテナ要素からのマイクロ波放射が、その他のアンテナ要素からのマイクロ波放射と実質的に同相でターゲットに到達するようにマイクロ波放射のビームをターゲットに向かって導く個別の位相シフトによってプログラム可能である。マイクロ波画像生成システムのパラメータを最適化するには、ターゲットにおいて実質的に同相のマイクロ波放射のビームを維持しつつ、選択したアンテナ要素の位相シフトを変更する。
【０００８】
一実施例においては、最適化対象のパラメータは、ターゲットにおけるマイクロ波放射の建設的干渉とマイクロ波受信機におけるマイクロ波放射の破壊的干渉の比率である。この比率は、ターゲットにおける建設的干渉を相応して減少させることなしに、マイクロ波受信機における破壊的干渉を増大させることによって最適化される。例えば、位相シフトを変更するべく選択されるアンテナ要素には、マイクロ波線が理想的な位相からの最大の位相オフセットを具備しているアンテナ要素を含むことができる。
【０００９】
別の実施例においては、最適化対象のパラメータは、連続マイクロ波画像間におけるアレイ内の位相シフト変化の最小数である。物体と関連付けられたターゲットの連続マイクロ波画像を取得することによる物体の走査に使用するべくアレイが設計されている場合には、位相シフト変化の最小数は、連続マイクロ波画像の順序を選択することによって最適化可能である。
【００１０】
更なる実施例においては、最適化対象のパラメータは、ターゲットにおけるマイクロ波放射ビームのサイドローブの面積に対するメインローブの面積の比率である。それぞれのアンテナ要素に選択された位相シフトがパターンを形成している更に別の実施例においては、最適化対象のパラメータは、ビットによるパターン説明のデジタル圧縮と関連付けられたメトリックであり、これにより、パターンデータのストレージスペースの減少と処理の高速化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照し、開示対象の発明について説明するが、これらの図面は、本発明の重要な実施例を示しており、これらは、本引用によって本明細書に包含される。
【００１２】
本明細書において使用する「マイクロ波放射（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）」と「マイクロ波照射（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）」という用語は、それぞれ、約１ＧＨｚ〜約１，０００ＧＨｚの周波数に相当する０．３ｍｍ〜３０ｃｍの波長を具備する電磁放射の帯域を意味している。従って、マイクロ波放射及びマイクロ波照射という用語は、それぞれ、従来のマイクロ波放射に加え、一般にミリメートル波放射と呼ばれるものを含んでいる。
【００１３】
図１は、本発明の実施例による単純な模範的なマイクロ波画像生成システム１０の概略図である。マイクロ波画像生成システム１０は、１つ又は複数のアレイ５０を含んでおり（利便のために、この中の１つのみを示している）、このそれぞれは、物体１５０（例えば、スーツケース、対象の人物、又はその他の対象物品）のマイクロ波画像を取得するべく、アンテナ要素８０を介してマイクロ波放射を送信、受信、及び／又は反射する能力を有している。
【００１４】
一実施例においては、アレイ５０は、反射アンテナ要素８０から構成されたプログラム可能な受動的反射器アレイを含んでいる。反射アンテナ要素のそれぞれは、画像生成対象の物体１５０上のターゲット１５５（例えば、物体１５０の画像内の１つ又は複数のボクセルに対応した３Ｄ空間内の点又は領域／容積）に向かってマイクロ波放射のビームを導く個別の位相シフトによってプログラム可能である。位相シフトは、２値であるか、或いは、連続的なもののいずれであってもよい。例えば、個別の位相シフトによって個々の反射アンテナ要素８０のそれぞれをプログラムすることにより、マイクロ波源（図示されてはいない）からアレイ５０が受信したマイクロ波放射が、物体１５０上のターゲット１５５に向かって反射され、ターゲット１５５から反射されてアレイ５０が受信した反射マイクロ波放射が、マイクロ波受信機（図示せず）に向かって反射される。
【００１５】
別の実施例においては、アレイ５０は、マイクロ波放射を生成及び送信し、反射マイクロ波放射を受信及び取得する能力を有する能動的アンテナ要素８０から構成された能動的送信機／受信機アレイを含んでいる。例えば、能動的アレイは、送信アレイの形態であってよい。この実施例においては、アレイ５０がマイクロ放射の供給源として動作するため、リモートのマイクロ波源は使用されない。能動的送信機／受信機アレイ内の能動的アンテナ要素のそれぞれは、ターゲット１５５に向かってマイクロ波放射のビームを操縦する個別の位相シフトによって個々にプログラム可能である。
【００１６】
マイクロ波画像生成システム１０は、プロセッサ１００、コンピュータ可読媒体１１０、及びディスプレイ１２０を更に含んでいる。プロセッサ１００は、アレイ５０を制御し、ターゲット１５５から反射された受信マイクロ波放射を処理してターゲット１５５及び／又は物体１５０のマイクロ波画像を構築するための任意のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせを含んでいる。例えば、プロセッサ１００は、１つ又は複数のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラム可能なロジック装置、デジタル信号プロセッサ、又はコンピュータプログラムの命令を実行するべく構成されたその他のタイプの処理装置、並びに、プロセッサ１００が使用する命令及びその他のデータを保存する１つ又は複数のメモリ（例えば、キャッシュメモリ）を含むことができる。但し、プロセッサ１００のその他の実施例も使用可能であることを理解されたい。メモリ１１０は、ハードドライブ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、コンパクトディスク、フロッピーディスク、ＺＩＰ（登録商標）ドライブ、テープドライブ、データベース、又はその他のタイプのストレージ装置又はストレージ媒体を含む（但し、これらに限定されない）任意のタイプのデータストレージ装置である。
【００１７】
プロセッサ１００は、コンピュータ可読媒体１１０内に保存された１つ又は複数のパターン１１５を使用してアレイ５０をプログラムするべく動作する。それぞれのパターン１１５は、マイクロ波放射によって物体１５０上の特定のターゲット１５５を照射すると共に／又は、物体１５０上の特定のターゲット１５５からの反射マイクロ波放射を受信するアレイ５０内の個々のアンテナ要素８０のそれぞれ用の位相シフトを含んでいる。従って、プロセッサ１００は、パターン１１５及びアレイ５０と共に、物体１５０を走査するべく動作する。
【００１８】
プロセッサ１００は、物体１５０上のそれぞれのターゲット１５５からアレイ５０が取得した反射マイクロ波放射の強度を使用して物体１５０のマイクロ波画像を構築する能力を更に有している。例えば、アレイ５０が反射器アレイである実施例においては、マイクロ波受信機（図示されてはいない）が、アレイ５０内のそれぞれのアンテナ要素８０から反射された反射マイクロ波放射を組み合わせることにより、ターゲット１５５における反射マイクロ波放射の有効な強度値を生成する能力を有している。強度値は、プロセッサ１００に伝達され、プロセッサが強度値を物体１５０上のターゲット１５５に対応したピクセル又はボクセルの値として使用する。反射マイクロ波放射がボクセルの領域／容積の強度を表しているその他の実施例においては、ターゲット１５５（３Ｄ空間内の面積／容積）のそれぞれのマイクロ波画像ごとに、プロセッサ１００は、物体１５０の所望の画像のフーリエ変換成分を計測する。プロセッサ１００は、計測したフーリエ変換成分を使用して逆フーリエ変換を実行し、物体１５０の画像を生成する。動作の際には、マイクロ波画像生成システム１０は、１秒当たり数百万個のターゲット１５５を走査可能な周波数において動作可能である。
【００１９】
結果的に得られたターゲット１５５及び／又は物体１５０のマイクロ波画像をプロセッサ１００からディスプレイ１２０に伝達し、マイクロ波画像を表示可能である。一実施例においては、ディスプレイ１２０は、物体１５０の３次元マイクロ波画像又はターゲット１５５及び／又は物体１５０の１つ又は複数の１次元又は２次元マイクロ波画像を表示する２次元ディスプレイである。別の実施例においては、ディスプレイ１２０は、物体１５０の３次元マイクロ波画像を表示する能力を有する３次元ディスプレイである。
【００２０】
複数のアレイ５０を使用して物体１５０の異なる部分を走査可能であることを理解されたい。例えば、マイクロ波画像生成システム１０は、物体１５０が高さ２メートルと幅１メートルの人物である場合に、それぞれが物体１５０の半分を走査するアンテナ要素８０の１ｍ ｘ １ｍのアレイを含む２つのアレイによって実装可能である。別の例においては、マイクロ波画像生成システム１０は、それぞれが対象の人物１５０の１つの象限を走査する能力を有するアンテナ要素８０の０．５ｍ ｘ ０．５ｍのアレイを含む８つのアレイ５０によって実装可能である。
【００２１】
図２は、能動的な送信／受信又は反射アレイにおいて使用する（図１のアンテナ要素８０に対応した）能動的アンテナ要素２００の一例を示している。能動的アンテナ要素２００は、個別のスイッチ２１５に接続されたアンテナ２１０を含む広帯域２値フェーズドアンテナ要素である。スイッチ２１５は、例えば、ＳＰＤＴ（単極双投）スイッチ又はＤＰＤＴ（二極双投）スイッチであってよい。スイッチ２１５の動作状態によって個別のアンテナ要素２００の位相を制御する。例えば、スイッチ２１５の第１の動作状態においては、アンテナ要素２００は、第１の２値状態（例えば、０度）であり、スイッチ２１５の第２の動作状態においては、アンテナ要素２００は、第２の２値状態（例えば、１８０度）にあってよい。スイッチ２１５の動作状態によってスイッチ２１５の端子接続が定義される。例えば、第１の動作状態においては、端子２１８が、アンテナ２１０とスイッチ２１５の間の給電線２１６を接続する、閉じた（短絡）位置にあり、端子２１９は、開いた位置にあってよい。それぞれのスイッチ２１５の動作状態は、それぞれのアンテナ要素２００の位相を個別に設定するべく、制御回路（図示せず）によって独立的に制御されている。
【００２２】
本明細書において使用する「対称アンテナ」２１０という用語は、２つの給電ポイント２１１又は２１３のいずれかにおいて供給される、または引き出されることのできる２つの反対の対称的な電界分布（又は電流）の１つを生成可能なアンテナを意味している。図２に示されているように、ミラー軸２５０を中心として対称的な形状の対称アンテナ２１０を使用することにより、２つの反対の対称的な電界分布が生成される。ミラー軸２５０は、アンテナ２１０を通過することにより、２つの対称なサイド２５２及び２５４を生成している。給電ポイント２１１及び２１３は、アンテナ２１０のミラー軸２５０のいずれかのサイド２５２及び２５４上に配置されている。一実施例においては、給電ポイント２１１及び２１３は、ミラー軸２５０を中心として実質的に対称なアンテナ２１０上に配置される。例えば、ミラー軸２５０は、アンテナ２１０の１つの次元（例えば、長さ、幅、高さなど）に平行に延長可能であり、給電ポイント２１１及び２１３は、次元（寸法）２６０の中点２７０の近傍に配置されることできる。図２においては、給電ポイント２１１及び２１３は、ミラー軸２５０のそれぞれのサイド２５２及び２５４上において、アンテナ２１０の中点２７０の近傍に配置された状態で示されている。
【００２３】
対称アンテナ２１０は、Ａ及びＢというラベルが付加された２つの反対の対称電界分布を生成することができる。電界分布Ａの大きさ（例えば、電力）は、電界分布Ｂの大きさと実質的に同一であるが、電界分布Ａの位相は、電界分布Ｂの位相と１８０だけ異なっている。従って、電界分布Ａは、電気サイクルが±１８０度の電界分布Ｂと似ている。
【００２４】
対称アンテナ２１０は、給電線２１６及び２１７を介して対称スイッチ２１５に接続されている。給電ポイント２１１は、給電線２１６を介して対称スイッチ２１５の端子２１８に接続されており、給電ポイント２１３は、給電線２１７を介して対称スイッチ２１５の端子２１９に接続されている。本明細書において使用する「対称スイッチ」という用語は、スイッチの２つの動作状態が端子２１８及び２１９を中心として対称であるＳＰＤＴ又はＤＰＤＴスイッチのいずれかを意味している。
【００２５】
例えば、ＳＰＤＴスイッチの第１の動作状態において、チャネル（これをチャネルαと呼ぶ）のインピーダンスが１０Ωで、別のチャネル（これをチャネルβと呼ぶ）のインピーダンスが１ｋΩである場合は、ＳＰＤＴスイッチの第２の動作状態においては、チャネルαのインピーダンスは、１ｋΩであり、チャネルβのインピーダンスは、１０Ωである。チャネルインピーダンスは、完全に開じた状態でも、短絡でも、ましてや実数である必要はないことを理解されたい。さらに、クロストークが状態に関して対称である限り、チャネル間にクロストークが存在してもよい。通常、スイッチは、該スイッチのＳパラメータマトリックスがスイッチの２つの動作状態間において（例えば、２つの端子２１８及び２１９間において）同一である場合に対称である。
【００２６】
図３は、アンテナ要素３００のインピーダンス状態に応じて変化する位相によって電磁放射を反射するべく動作する（図１のアンテナ要素８０に対応した）反射アンテナ要素３００の断面図を示している。反射アンテナ要素３００は、アンテナ（パッチアンテナ３２０ａ）と非理想的なスイッチング装置（表面実装電界効果トランジスタ「ＦＥＴ」３２２）を含んでいる。
【００２７】
反射アンテナ要素３００は、プリント回路ボード基板３１４の上部及び内部に形成されており、表面実装ＦＥＴ３２２、パッチアンテナ３２０ａ、ドレインバイア(drain via)３３２、接地プレーン３３５、及びソースバイア（source via）３３８を含んでいる。表面実装ＦＥＴ３２２は、プレーナーパッチアンテナ３２０ａと反対のプリント回路ボード基板３１４の面上に取り付けられており、接地プレーン３３６が、プレーナーパッチアンテナ（planar patch antennas、平面状のパッチアンテナ）３２０ａと表面実装ＦＥＴ３２２の間に配置されている。ドレインバイア３３２が、表面実装ＦＥＴ３２２のドレイン３２８をプレーナーパッチアンテナ３２０ａに接続し、ソースバイア３３８が、表面実装ＦＥＴ３２２のソース３２６を接地プレーン３３６に接続している。
【００２８】
稼働製品においては、反射器アンテナアレイは、駆動電子回路を含むコントローラボード３４０に接続されている。図３には、コントローラボードの例３４０も示されており、これは、接地プレーン３４４、駆動信号ビア３４６、及び駆動電子回路３４２を含んでいる。コントローラボード３４０は、反射器アンテナアレイのコネクタ３５０と互換性を有するコネクタ３４８をも含んでいる。２つのボードのコネクタ３４８及び３５０は、例えば、ウェーブソルダリングを使用して相互接続可能である。その他の実施例においては、ＦＥＴ３２２は、プレーナーパッチアンテナ３２０ａと同一のプリント回路ボード基板３１４の面上に表面実装可能である。更には、駆動電子回路３４２を、反射アンテナ要素３００が構築される同一のプリント回路ボードに直接はんだ付けすることも可能である。
【００２９】
パッチアンテナ要素３２０ａは、反射アンテナ要素３００のインピーダンスレベルに応じて、多少の位相シフトによって反射するべく動作する。反射アンテナ要素３００は、アンテナ設計パラメータの関数であるインピーダンス特性を具備している。アンテナの設計パラメータは、構造の誘電材料、誘電材料の厚さ、アンテナ形状、アンテナの長さ及び幅、給電場所、及びアンテナ金属レイヤの厚さなどの物理的属性を含んでいる（但し、これらに限定されない）。
【００３０】
ＦＥＴ３００（非理想的なスイッチング装置）は、その抵抗状態を変化させることによって反射アンテナ要素３００のインピーダンス状態を変化させる。低抵抗状態（例えば、閉じた状態すなわち「短絡」）は、低インピーダンスになる。逆に、高抵抗状態（例えば、開いた状態）は、高インピーダンスになる。理想的な性能特性を有するスイッチング装置（本明細書においては、これを「理想的」なスイッチング装置と呼ぶ）は、その抵抗が、その最低状態にある場合には、事実上、ゼロインピーダンス（Ｚ＝０）を生成し、その抵抗がその最大状態にある場合には、事実上、無限インピーダンス（Ｚ＝∞）を生成する。本明細書において説明するように、スイッチング装置は、そのインピーダンスがその最低状態にある場合に、「オン」であり（例えば、Ｚｏｎ＝０）、そのインピーダンスがその最大状態にある場合に、「オフ」である（例えば、Ｚｏｆｆ＝∞）。理想的なスイッチング装置のオン及びオフインピーダンス状態が、実質的にＺｏｎ＝０及びＺｏｆｆ＝∞であるため、理想的なスイッチング装置は、オン及びオフ状態間における電磁放射の吸収を伴うことなしに、最大位相シフトを提供可能である。即ち、理想的なスイッチング装置は、０度と１８０度の位相状態間におけるスイッチングを実現することができる。理想的なスイッチング装置の場合には、有限な非ゼロのインピーダンスを示すアンテナによって最大位相−振幅性能を実現することができる。
【００３１】
理想的なスイッチング装置とは対照的に、「非理想的」なスイッチング装置は、それぞれ、Ｚｏｎ＝０及びＺｏｆｆ＝∞でオン及びオフインピーダンス状態を示さないスイッチング装置である。むしろ、非理想的なスイッチング装置のオン及びオフのインピーダンス状態は、通常、例えば、０＜｜Ｚｏｎ｜＜｜Ｚｏｆｆ｜＜∞の間のどこかに位置している。但し、オン及びオフインピーダンス状態が｜Ｚｏｆｆ｜＜＝｜Ｚｏｎ｜であるアプリケーションも存在している。非理想的なスイッチング装置は、特定の周波数レンジ（例えば、＜１０ＧＨｚ）内においては、理想的なインピーダンス特性を示し、その他の周波数レンジ（例えば、＞２０ＧＨｚ）においては、きわめて非理想的なインピーダンス特性を示すことができる。
【００３２】
非理想的なスイッチング装置のオン及びオフインピーダンス状態は、Ｚｏｎ＝０とＺｏｆｆ＝∞の間のどこかに位置しているため、非理想的なスイッチング装置によれば、必ずしも、対応するアンテナのインピーダンスとは無関係に最大位相状態性能を得ることができない。ここで、最大位相状態性能は、０度と１８０度の位相状態間におけるスイッチングを必要とするものである。本発明によれば、図３の反射アンテナ要素３００は、最適な位相性能を提供するように特に設計されており、ここで、反射アンテナ要素の最適な位相状態性能とは、反射要素が０度と１８０度の位相−振幅状態間におけるスイッチングに最も近接したポイントである。一実施例においては、最適な位相状態性能を実現するために、アンテナ要素３００は、非理想的なスイッチング装置（ＦＥＴ３３０）のインピーダンスの関数として構成されている。例えば、アンテナ要素３００は、アンテナ要素３００のインピーダンスがＦＥＴ３３０のインピーダンス特性の関数となるように設計されている。
【００３３】
さらに、アンテナ要素３００は、オン状態における非理想的なスイッチング装置（ＦＥＴ３３０）のインピーダンスＺｏｎと、オフ状態における非理想的なスイッチング装置３３０のインピーダンスＺｏｆｆの関数して構成されている。特定の実施例においては、オン及びオフインピーダンス状態Ｚｏｎ及びＺｏｆｆにおいて、アンテナ要素３００のインピーダンスが非理想的なスイッチング装置３３０のインピーダンスの平方根の共役となるようにアンテナ要素３００が構成された場合に、反射アンテナ要素３００の位相状態性能が最適化される。具体的には、アンテナ要素３００のインピーダンスは、対応する非理想的なスイッチング装置３３０のオン及びオフインピーダンス状態Ｚｏｎ及びＺｏｆｆの幾何平均の複素共役である。この関係は、次のように表される。
【数１】
【００３４】
ここで、（）＊は、複素共役を示している。この関係は、ソースインピーダンス（source impedance）と負荷インピーダンス間における複素反射係数の周知の式を使用して導出される。アンテナ要素３００をソース(source)として選択すると共に、非理想的なスイッチング装置３３０が負荷として選択することにより、オン状態反射係数がオフ状態反射係数の逆に等しく設定され、式（１）が得られる。
【００３５】
最適な位相−振幅性能を示すアンテナ要素３００の設計には、反射アンテナ要素３００内において使用する特定の非理想的なスイッチング装置（この場合には、ＦＥＴ３３０）のオン及びオフインピーダンスＺｏｎ及びＺｏｆｆを決定しなければならない。次いで、アンテナ要素３００の設計パラメータを操作し、前述の式（１）に表されている関係に整合したインピーダンスを有するアンテナ要素３００を生成する。Ｚｏｎ及びＺｏｆｆが異なる値になるように決定される限り、式（１）を適合するアンテナ要素３００を設計することができる。
【００３６】
対象の周波数帯域にわたって非理想的なインピーダンス特性を示す図３に示されている表面実装ＦＥＴ３３０以外の別のタイプのスイッチング装置は、表面実装ダイオードである。但し、表面実装ダイードは、表面実装ＦＥＴと比べて、対象の周波数帯域にわたって改善されたインピーダンス特性を示すが、表面実装ＦＥＴは、相対的に廉価であり、反射器アンテナアレイ用途に使用するように個別にパッケージ化することができる。
【００３７】
ＦＥＴを非理想的なスイッチング装置として利用する反射器アンテナアレイにおいては、実現可能なビーム走査速度は、信号対雑音比、クロストーク、及びスイッチング時間を含むいくつかの要因によって左右される。ＦＥＴの場合には、スイッチング時間は、ゲート容量、ドレイン／ソース容量、及びチャネル抵抗（即ち、ドレイン／ソース抵抗）によって左右される。チャネル抵抗は、実際には、空間と時間の両方に依存している。インピーダンス状態間におけるスイッチング時間を極小化するべく、ＦＥＴのドレインを常時ＤＣ短絡することが望ましい。ドレインをフロートティング状態にすると、オフ状態チャネル抵抗が増大すると共に、パッチアンテナの巨大な平行プレート面積に起因してドレイン／ソース容量が大きくなるため、ドレインは、常時、直流短絡しておくのが好ましい。これは、アンテナを直流短絡するのが好ましいが、ソースにおいては、アンテナが「高周短絡」のみを観測することが望ましいことを意味している。従って、付加的なアンテナ／ドレイン短絡は、アンテナの混乱を極小化するべく最適配置しなければならない。
【００３８】
反射アンテナ要素３００内においては、パッチアンテナ３２０ａの代わりに、その他のタイプのアンテナを使用することも可能であることを理解されたい。一例として、その他のアンテナタイプは、ダイポール、モノポール、ループ、及び誘電体共振器タイプのアンテナを含んでいる（但し、これらに限定されない）。又、その他の実施例においては、反射アンテナ要素３００は、ＦＥＴ３３０を可変コンデンサ（例えば、ＢＳＴ（Ｂａｒｉｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｉｔａｎａｔｅ）コンデンサ）によって置換することによる連続位相シフトアンテナ要素３００であってよい。可変コンデンサを実装したパッチによれば、ＦＥＴを実装したパッチによって生成される２値位相シフトの代わりに、それぞれのアンテナ要素ごとに、連続した位相シフトを実現可能である。連続フェーズドアレイを調節することにより、ビーム走査パターン内の任意の方向に向かってマイクロ波ビームを操縦するべく、望ましい位相シフトを提供可能である。
【００３９】
図４は、本発明の実施例によるマイクロ波放射を反射する模範的なアレイ５０の平面概略図である。図４においては、マイクロ波源６０から送信されたマイクロ波放射のビーム４００が、アレイ５０内の様々なアンテナ要素８０によって受信されている。マイクロ波源は、点源、ホーンアンテナ、又はその他のタイプのアンテナを含む（但し、これらに限定されない）アレイ５０を照射するのに十分な任意の供給源であってよい。アレイ５０内のアンテナ要素８０は、それぞれ、反射マイクロ波放射のビーム４１０をターゲット１５５に向かって導く個別の位相シフトによってプログラムされている。位相シフトは、ターゲット１５５において反射マイクロ波放射のビーム４１０内のｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍと表記されているすべてのマイクロ波線間においてポジティブ（建設的）な干渉が生成されるように、選択されている。理想的には、アンテナ要素８０のそれぞれの位相シフトは、供給源（アンテナ要素８０）からターゲット１５５への反射マイクロ波放射（４１０）のそれぞれのマイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍごとに同一の位相遅延を提供するように調節されている。
【００４０】
但し、本発明の実施例によれば、図５〜図１１との関連で後程詳述するように、アンテナ要素の１つ又は複数のものに適用される位相シフトを変化させることにより、マイクロ波画像生成システムの１つ又は複数のパラメータを最適化可能である。最適化可能なパラメータの例は、ターゲットにおける建設的な干渉の相応した減少を伴わないマイクロ波受信機における破壊的な干渉の増大、連続マイクロ波画像間におけるアレイ内の位相シフト変化の数の極小化、メインローブ面積に対するサイドローブ面積の低減、及び特定のターゲット１５５の特定のマイクロ波画像用のアレイ５０内のそれぞれのアンテナ要素８０ごとの位相シフトのすべてを含む位相シフトパターンの圧縮の向上を含んでいる（但し、これらに限定されない）。
【００４１】
図示されてはいないが、ターゲット１５５から反射され、アレイ５０によって受信されたマイクロ波放射をマイクロ波受信機（図示されてはいない）に向かって反射することも同様に可能であることを理解されたい。マイクロ波源６０は、別個のアンテナとして、又はマクロ波受信機の一部として、マイクロ波受信機と同一の空間的場所に配置し、アレイ５０を通じてターゲット１５５を照射することも可能であり、或いは、マイクロ波受信機とは異なる空間的場所に配置し、直接的に、又はアレイ５０の１つ（例えば、マイクロ波受信機と同一のアレイ５０、又は異なるアレイ５０）を通じてターゲット５５５を照射することも可能である。
【００４２】
次に図５Ａを参照すれば、図４に示されているそれぞれのマイクロ波線（ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍ）を、フェーザーとして表し、特定の大きさ及び位相によって説明可能である。例えば、マイクロ波線ｒ１を、ｒ１＊ｅ（ｊ＊ｐｈａｓｅ１）と表し、実数（Ｒｅ）及び虚数（Ｉｍ）成分を含む２次元複素プレーン内のフェーザーとして表現可能である。図５Ａにおいては、マイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍは、フェーザー｛ｒ１，位相１｝、｛ｒ２，位相２｝、｛ｒｎ，位相ｎ｝、及び｛ｒｍ，位相ｍ｝として表現されている。フェーザー｛ｒ１，位相１｝、｛ｒ２，位相２｝、｛ｒｎ，位相ｎ｝、及び｛ｒｍ，位相ｍ｝のすべての合計により、ターゲットにおけるマイクロ波放射のビームの振幅が決定される。ターゲットにおける振幅を極大化するには、アンテナ要素のそれぞれからのマイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍは、同一の位相を具備する必要がある。連続フェーズドアレイの場合には、それぞれのアンテナ要素を連続可変位相シフトによってプログラムし、すべてのマイクロ波線を同一位相でアライメント可能である。
【００４３】
但し、特定数の離散した位相シフトの１つのみによってしか、それぞれのアンテナ要素をプログラムできない量子化された（離散した）アレイにおいては、マイクロ波線の位相は、部分的なアライメントのみ可能である。例えば、２値アレイにおいては、それぞれのアンテナ要素は、２つの異なる２値状態（例えば、０度の位相シフト又は１８０度の位相シフト）によってのみプログラム可能である。従って、それぞれのアンテナ要素の位相シフトは、ターゲットにおける建設的な干渉を極大化し、破壊的な干渉を極小化（又は、防止）するためにのみプログラムされる。ターゲットにおける破壊的な干渉を防止するには、（図５Ａに、ライン５００に沿って示されている）理想的な位相を選択し、理想的な位相５００においてマイクロ波放射のビームを集合的に形成する個々のマイクロ波線を生成する特定の量子化された位相シフトにより、すべてのアンテナ要素をプログラムする（例えば、ターゲットにおけるすべてのマイクロ波線の合計が、理想的な位相５００におけるフェーザーである）。
【００４４】
図５Ｂからわかるように、理想的な位相５００を選択したら、理想的な位相５００に直交する量子化ライン５１０を使用し、すべてのマイクロ波線の理想的な位相５００への加算を実現するそれぞれの個別のマイクロ波線に適用する位相シフトを判定可能である。図５Ｂにおいては、マイクロ波線ｒ１及びｒｍは、理想的な位相５００と同一の量子化ライン５１０の側に位置している。従って、これらの放射線のそれぞれの現在の位相を維持するべく、０度の２値位相シフトをマイクロ波線ｒ１及びｒｍに提供する。しかしながら、マイクロ波線ｒ２およびｒｎは、理想的な位相５００とは正反対の量子化ライン５１０の側に位置している。この結果、これらのマイクロ波線の位相を理想的な位相５００と同一の量子化ラインの側に切り換えるべく、１８０度の２値シフトをマイクロ波線ｒ２及びｒｎに適用する。マイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍの合計が、理想的な位相５００におけるマイクロ波放射のビームである。但し、マイクロ波線のそれぞれの位相が完全にアライメントされないため、ターゲットにおけるマイクロ放射のビームの振幅は、連続可変のフェーズドアレイによって実現可能なものを下回ることになろう。
【００４５】
図５Ｃからわかるように、本発明の実施例によれば、理想的な位相５００を（図５Ｂに示されているように）角度０に等しくする必要はなく、むしろ、理想的な位相５００は、マイクロ波画像生成システムの１つ又は複数のパラメータを最適化するべく、任意の角度に選択可能である。例えば、一実施例において、パラメータの１つが、アレイ内における０度又は１８０度の位相シフトの数である場合には、理想的な位相５００の角度を変化させて所望の結果を生成可能である。図５Ｃには、理想的な位相５００が、実数（Ｒｅ）軸に対して角度を有して設定された状態で示されており、量子化ライン５１０は、理想的な位相５００の方向に直交して設定されている。図５Ｃに示されているように選択された角度によれば、マイクロ波線ｒ１、ｒ２、及びｒｍが、理想的な位相５００と同一の量子化ライン５１０の側に位置しており、理想的な位相５００とは正反対の量子化ライン５１０の側に位置しているのは、マイクロ波線ｒｎのみであり、この結果、アレイ内における１８０度の位相シフトの数が極小化し、０度の位相シフトの数が極大化している。
【００４６】
別の実施例において、最適化対象のパラメータが、連続マイクロ波画像間におけるアレイ内の位相シフト変化の最小数である場合には、それぞれのマイクロ波画像ごとに理想的な位相５００の角度を変化させて所望の結果を生成可能である。例えば、マイクロ波線ｒ２を生成するアンテナ要素が、以前のマイクロ波画像内において０度の位相シフトによってプログラムされていた場合には、現在のマイクロ波画像用の位相シフトの変化を回避するべく、図５Ｃに示されているように、理想的な位相５００の角度を角度ゼロからオフセットすることにより、現在のマイクロ波画像用の０度の位相シフトを維持可能である。図５Ｂに示されているように、理想的な位相５００を角度ゼロに維持した場合には、マイクロ波線ｒ２を生成するアンテナ要素の位相シフトが０度から１８０度に変化することになろう。
【００４７】
先程定義したように、特定のターゲット用のアレイ内のアンテナ要素に対して割り当てられているすべての位相シフトの組み合わせがパターンを形成している。それぞれのアンテナ要素が２つの位相シフトの中の１つのみを導入可能な２値アレイである場合には、パターンは、１と０のアレイとして表現可能である。図４〜図５に示されているマイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍを生成するアンテナ要素を含むアレイの一部の模範的な２値位相シフトパターン１１５ａ〜１１５ｃが図６Ａ〜図６Ｃに示されている。図６Ａ内の２値位相シフトパターン１１５ａは、第１ターゲットの第１マイクロ波画像用のパターンの一部を表しており、図６Ｂの２値位相シフトパターン１１５ｂは、第２ターゲットの第２マイクロ波画像用のパターンの一部を表しており、図６Ｃの２値位相シフトパターン１１５ｃは、第３ターゲットの第３マイクロ波画像用のパターンの一部を表している。
【００４８】
図６Ａ〜図６Ｃからわかるように、それぞれのパターン１１５ａ〜１１５ｃは、マイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍを生成するアンテナ要素に適用される位相シフト６００を含んでいる。図６Ａにおいては、第１パターン１１５ａ内のマイクロ波線ｒ１を生成するアンテナ要素に適用される位相シフト６００は、０度であり、第２パターン１１５ｂ内の同一のアンテナ要素に適用される位相シフトは、１８０度である。従って、パターン１１５ａ及び１１５ｂを使用して取得される連続マイクロ波画像間には、マイクロ波線ｒ１を生成するアンテナ要素の位相シフトの変化が存在している。同様に、パターン１１５ａ及び１１５ｂの間には、マイクロ波線ｒｎ及びｒｍを生成するアンテナ要素の位相シフトの変化が存在している。連続マイクロ波画像間の位相シフト変化を極小化するために、パターン１１５ａ及び１１５ｂ間において最大数のアンテナ要素について位相シフトが同一に維持されるように、理想的な位相角度（図５Ａ〜図５Ｃに示されている５００）を変更可能である。
【００４９】
別の実施例においては、パターン１１５ａ〜１１５ｃ間における最も小さい数の変化を結果的にもたらす連続マイクロ波画像の順序を選択することにより、連続マイクロ波画像間の位相シフト変化の極小化を実現することも可能である。図６Ａ〜図６Ｃのパターン１１５ａ〜１１５ｃを使用する際に、パターン１１５ａを最初に使用して第１マイクロ波画像を取得する場合には、パターン１１５ｃを使用して第２マイクロ波画像を取得し、パターン１１５ｂを使用して第３マイクロ波画像を取得することにより、結果的に、パターン間における最も少ない数の位相シフト変化を実現可能である。パターン１１５ａの後にパターン１１５ｂが続く場合には、アンテナ要素の３つのものに対してプログラムされている位相シフト（マイクロ波線ｒ１、ｒｎ、及びｒｍに対応したもの）が変化する。しかしながら、パターン１１５ａの後にパターン１１５ｃが続く場合には、変化するのは、１つのアンテナ要素に対してプログラムされている位相シフト（マイクロ波線ｒｍに対応したもの）のみである。同様に、パターン１１５ｃの後にパターン１１５ｂが続く場合には、２つのアンテナ要素に対してプログラムされている位相シフト（マイクロ波線ｒ１及びｒｎに対応したもの）のみが変化する。
【００５０】
従って、パターン１１５ａ、１１５ｃ、及び１１５ｂというパターンの順序を使用した位相シフト変化の合計数は、３に過ぎないが、パターン１１５ａ、１１５ｂ、及び１１５ｃというパターンの順序を使用した位相シフト変化の合計数は、５である。人物又はその他の物体を走査する際に使用するパターンのペア間における位相変化の数を低減することにより、要素の１つによって位相シフトが十分高速に変化しないというリスクが減少する。更には、連続マイクロ波画像間における位相変化の数を低減することにより、人物又はその他の物体の走査に必要なパワーも減少する。
【００５１】
本明細書において説明したパターンは、単一点源によって容易に使用可能なタイプの単純なパターンであるが、本発明の実施例は、ホーンアンテナやその他のアンテナタイプと共に使用される更に複雑なパターンにも同様に適用可能であることを理解されたい。例えば、ホーンアンテナは、適切に重み付けされた複数点源として近似可能であり、パターンを複数点源に対応するように設計可能である。又、本発明の実施例は、２つの状態間の位相シフトが１８０度とは異なるその他のタイプの量子化アレイにも適用可能であることを理解されたい。
【００５２】
又、本発明の実施例を使用して最適化可能なマイクロ波画像生成システムパラメータには、いくつかの異なるものが存在しており、本発明は、本明細書において説明した特定のパラメータに限定されるものではないことをも理解されたい。例えば、別の実施例においては、最適化対象のパラメータは、ターゲットにおけるマイクロ波放射の建設的な干渉とマイクロ波受信機におけるマイクロ波放射の破壊的な干渉の比率であってよい。前述のように、マイクロ波源からマイクロ波受信機への迷光放射の結果として生じる背景雑音は、マイクロ波画像生成システムの信号対雑音比（ＳＮＲ）を低下させる。受信機における迷光放射の破壊的な干渉を増大させることにより、ＳＮＲが向上する。従って、本発明の実施例によれば、ターゲットにおける十分な建設的な干渉を維持すると共に、受信機における破壊的な干渉を極大化するべく、それぞれのアンテナ要素についてプログラムされる位相シフトを設計可能である。
【００５３】
次に図７を参照すれば、マイクロ波源６０とマイクロ波受信機７００の間に、漏れ（迷光）マイクロ波放射が存在している。図４と同様に、図７においては、マイクロ波源（アンテナ）６０から送信されたマイクロ波放射のビーム４００が、アレイ５０内の様々なアンテナ要素８０によって受信されている。アンテナ要素８０は、ターゲット１５５に向かって反射マイクロ波放射のビーム４１０を導く個別の位相シフトによってそれぞれプログラムされている。位相シフトは、ターゲット１５５において、反射マイクロ波放射のビーム４１０内のｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍと表記されているマイクロ波線のすべての間にポジティブ（建設的）な干渉が生成されるように、選択されている。同時に、供給源６０からのマイクロ波放射の一部が、迷光マイクロ波放射のビーム７１０として、アレイ５０からマイクロ波受信機７００に向かって反射されている。受信機７００における迷光マイクロ波放射７１０の影響を極小化する（すなわち、ＳＮＲを向上させる）べく、ターゲットにおける建設的な干渉の比例した減少を伴うことなしに、マイクロ波受信機における破壊的な干渉を増大させることができる。
【００５４】
再度図５Ｂを参照すれば、マイクロ波線ｒ２及びｒｎは、マイクロ波線ｒ１及びｒｍよりも、理想的な位相５００からの大きな位相オフセットを具備している。従って、マイクロ波線ｒ１及びｒｍは、ターゲットにおけるマイクロ波放射の振幅に最も寄与し（これらのマイクロ波線は、理想的な位相５００に最も近接しており、量子化ライン５１０から最も離れているため）、マイクロ波線ｒ２及びｒｎは、ターゲットにおけるマイクロ波放射の振幅に最も少なく寄与する（これらのマイクロ波線は、量子化ライン５１０に最も近接しているため）。従って、マイクロ波線が理想的な位相から最大の位相オフセットを具備している（即ち、マイクロ波線ｒ２及びｒｎの）アンテナ要素の位相シフトを変更することにより、ターゲットにおける建設的な干渉の大きな変化を生成することなしに、受信機における破壊的な干渉を増強可能である。例えば、理想的な位相５００で放射線を良好にアライメントするべく、先程示したように、マイクロ波線ｒ２及びｒｎを生成するアンテナ要素を１８０度の位相シフトによってプログラムする代わりに、ターゲットにおける建設的な干渉を比例して減少させることなしに、マイクロ波受信機における破壊的な干渉を増大させるべく、マイクロ波線ｒ２及びｒｎを生成するアンテナ要素を０度の位相シフトによってプログラム可能である。その他の実施例においては、同一の原理を適用し、ターゲットにおいてメインローブにおける十分な建設的な干渉を維持しつつ、ターゲットにおいてサイドローブにおける破壊的な干渉を増大させることにより、サイドローブの面積を極小化可能であることを理解されたい。
【００５５】
図８Ａ及び図８Ｂは、マイクロ波受信機における模範的な信号対雑音比を示すグラフである。ターゲットからの信号は、８００というラベルが付加され、Ｔと表記されており、受信機における雑音は、８１０というラベルが付加され、Ｒと表記されている。図８Ａは、図５Ｂに示されている位相シフトを使用して信号８００と雑音８１０を表しており、この場合に、アンテナ要素は、理想的な位相５００で放射線を良好にアライメントするべく設計された位相シフトによってプログラムされている。横座標は、様々な可能な理想的な位相５００の選択肢を示しており、これは、０〜３６０度の範囲で変化可能である。図８Ｂは、受信機における破壊的な干渉を増大させるべく設計された位相シフトを使用して信号８００と雑音８１０を表している。図８Ａにおいては、最小雑音レベル８２０は、約−７０ｄｂであり、図８Ｂにおいては、最小雑音レベル８２０は、約−７５ｄｂである。従って、図８ＢのＳＮＲは、図８ＡのＳＮＲよりも高くなっている。又、図８Ａと図８Ｂの間には、ターゲットからの信号レベル８００に大きな違いはない。
【００５６】
本発明の実施例に従って最適化可能な別のパラメータは、パターンの圧縮と関連するメトリックである。模範的な２値位相シフトパターン１１５の一部が図９に示されている。パターン１１５のサイズは、アレイと同じサイズであり、パターン１１５内のそれぞれの要素６００は、アレイ内の対応したアンテナ要素８０の位相シフトを表している。ハイレベルにおいては、図１２に示されているように、パターン１１５に対するグローバルな構造が存在している。しかしながら、（図９に示されているように）ミクロレベルにおいて個別の位相シフト６００を見た場合には、パターン１１５は、多少ランダムなように思われる。パターン１１５を、（それぞれが、区域内の要素の合計数を下回るエントロピーを有する）複数要素の区域に分割可能な場合には、パターン１１５を圧縮することにより、パターン１１５の保存に必要なメモリ空間の量を低減し、パターンデータの処理速度を向上させることができる。
【００５７】
例えば、図１０Ａに示されているように、正方形の要素６００の２ｘ２である様々な区域１０００が示されている。それぞれの区域１０００は、３のエントリピーを具備しており、これは、４つの要素６００を表すのに３ビットが必要であることを意味している。別の例として、図１０Ｂには、正方形の要素６００の４ｘ４である様々な区域１０１０が示されている。それぞれの区域１０１０は、１０のエントリピーを具備しており、これは、１６個の要素６００を表すのに１０ビットが必要であることを意味している。区域１０００又は１０１０のエントリピーを減少させるには（従って、圧縮を増大させるには）、可能な区域１０００又は１０１０の数（或いは、要素６００の特定のサイズブロック）を低減しなければならない。図１０Ａ及び図１０Ｂのいずれにおいても、区域は、左上において最も頻繁に使用され、右下において最も少ない頻度で使用された状態で示されている。最も少ない頻度で使用される区域を確率として除去可能である場合には、区域１０００又は１０１０内の要素６００を表すのに必要なビット数が減少する（エントリピーが減少する）。これは、高圧縮比を有する（但し、「無損失圧縮」よりも歪が大きい）「多損失圧縮」に結び付くことになる。
【００５８】
例えば、図１０Ａ内の最下位行の区域１０００のすべてが確率として除去される場合には、除去された区域の１つ又は複数を含むパターン内の１つ又は複数の要素６００の位相シフトを変更しなければならない。図９を再度参照すれば、要素６００の左上の２ｘ２の正方形ブロックは、図１０Ａの最下位の区域１０００の１つ、具体的には、左下の区域１０００に似ている。従って、エントロピーを減少させ、パターン１１５の圧縮を増大させるには、要素６００のブロックが、図１０Ａの残りの可能な区域１０００の１つに似るように、図９の要素６００の左上の２ｘ２の正方形ブロック内の要素６００の少なくとも１つの位相シフトを変更しなければならない。
【００５９】
このメトリックの代わりに（或いは、これに加えて）、その他の圧縮メトリックを使用することも可能であることを理解されたい。例えば、個々のアンテナ要素又はアンテナ要素のブロックのどちらかを変更するべきかを判定するには、ターゲットにおけるマイクロ波放射の振幅に対するそれぞれのアンテナ要素又はアンテナ要素のブロックの寄与を多損失圧縮用の重み付けメトリック（metric,測定基準）として使用可能である。
【００６０】
図１１は、本発明の実施例によるターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システムを最適化する模範的なプロセス１１００を示すフローチャートである。まず、ブロック１１１０において、プログラム可能なマイクロ波アンテナ要素のアレイを提供する。ブロック１１２０において、ターゲットに向かってマイクロ波放射のビームを導くために、アレイ内のアンテナ要素のそれぞれを個別の位相シフトによってプログラムするためのパターンを設計する。ブロック１１３０において、マイクロ波画像生成システムの１つ又は複数のパラメータを最適化するべく、パターン内のアンテナ要素の１つ又は複数のもののプログラムされた位相シフトを変更する。
【００６１】
当業者であれば、本出願において説明した革新的な概念を様々なアプリケーションにおいて変更及び変形可能であることを認識するであろう。従って、特許対象の範囲は、説明した特定の模範的な教示のいずれかに限定されるものではなく、添付の請求項に規定されているとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例によるプログラム可能なアンテナアレイを含む単純な模範的なマイクロ波画像生成システムの概略図である。
【図２】本発明の実施例による能動的送信／受信アレイにおいて使用する模範的な能動的アンテナ要素を示している。
【図３】本発明の実施例による反射器アレイにおいて使用する受動的アンテナ要素の断面図である。
【図４】本発明の実施例によるマイクロ波放射を反射する反射アンテナ要素を内蔵した模範的な反射器アレイの平面概略図である。
【図５Ａ】マイクロ波線のフェーザー表現である。
【図５Ｂ】マイクロ波線のフェーザー表現である。
【図５Ｃ】マイクロ波線のフェーザー表現である。
【図６Ａ】連続マイクロ波画像用の位相シフトパターンの模範的な一部を示している。
【図６Ｂ】連続マイクロ波画像用の位相シフトパターンの模範的な一部を示している。
【図６Ｃ】連続マイクロ波画像用の位相シフトパターンの模範的な一部を示している。
【図７】マイクロ波源とマイクロ波受信機間における漏れマイクロ波放射を示す概略図である。
【図８Ａ】マイクロ波受信機における模範的な信号対雑音比を示すグラフである。
【図８Ｂ】マイクロ波受信機における模範的な信号対雑音比を示すグラフである。
【図９】アレイ用の位相シフトパターンの模範的な一部である。
【図１０Ａ】位相シフトパターンの模範的な圧縮可能部分を示している。
【図１０Ｂ】位相シフトパターンの模範的な圧縮可能部分を示している。
【図１１】本発明の実施例によるターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システムを最適化する模範的なプロセスを示すフローチャートである。
【図１２】アレイ用の模範的なグローバルな位相シフトパターンを示している。
【符号の説明】
【００６３】
１０ マイクロ波画像生成システム
５０ アレイ
６０ マイクロ波源
８０ アンテナ要素
９０ 反射ビーム
１５５ ターゲット
４００ マイクロ波照射
４１０ マイクロ波放射のビーム
５００ 理想的な位相
６００ 位相シフト
７００ マイクロ波受信機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システム内において使用されるアンテナアレイおよびその設定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近のマイクロ波画像生成分野における進歩により、物体又はその他の対象物品（例えば、対象の人物）の２次元（並びに、場合によっては、三次元）のマイクロ波画像生成能力を有するマイクロ波画像生成システムの製品開発が可能になった。現在、提供されているマイクロ波画像生成法には、いくつかのものが存在している。例えば、１つの技法は、マイクロ波検出器（以下、これを「アンテナ要素」と呼ぶ）のアレイを使用し、ターゲットの能動的なマイクロ波照射に応答して、人物又はその他の物体と関連付けられたターゲットから放出される受動的マイクロ波放射、又はターゲットから反射される反射マイクロ波放射を取得している。アンテナ要素のアレイをターゲットの位置に関連して走査すると共に／又は、送信又は検出するマイクロ波放射の周波数（又は、波長）を調節することにより、人物又はその他の物体の２次元又は３次元画像を構築している。
【０００３】
マイクロ波画像生成システムは、通常、物体との間でマイクロ波放射を送信、受信、及び／又は反射するための送信、受信、及び／又は反射アンテナアレイを含んでいる。このようなアンテナアレイは、従来のアナログフェーズドアレイ又は２値反射器アレイを使用して構築可能である。いずれの場合にも、アンテナアレイは、通常、いくつかの個別のマイクロ波線を含むマイクロ波放射のビームを、物体の画像内の１つ又は複数のボクセルに対応した３Ｄ空間内の点又は領域／容積（本明細書においては、これをターゲットと呼ぶ）に向かって導いている。これは、アンテナ要素による個々のマイクロ波線の位相の変更を可能にする個別の位相シフトによってアレイ内のアンテナ要素のそれぞれをプログラムすることによって実現される。それぞれのアンテナ要素の位相シフトは、それぞれのアンテナ要素からの個々のマイクロ波線のすべてが、実質的に同相でターゲットに到達するように、選択されている。プログラム可能なアンテナアレイの例は、「Ａ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」という名称の特許文献１（代理人ドケット番号第１００４０１５１号）と「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ」という名称の特許文献２（代理人ドケット番号第１００４０５８０号）に記述されている。
【０００４】
この結果、それぞれのターゲットごとに、ターゲットにおいて最大の建設的干渉を経験するマイクロ波放射のビームを生成する特定の位相シフトにより、それぞれのアンテナ要素がプログラムされる。特定のターゲットについて、アレイ内のアンテナ要素に割り当てられているすべての位相シフトの組み合わせをパターンと呼ぶ。パターンのサイズは、アレイと同じサイズであり、パターン内のそれぞれの要素は、アレイ内の対応するアンテナ要素の位相シフトを表している。それぞれのアンテナ要素が、２つの位相シフトの中のいずれかのみを導入可能な２値アレイの場合には、パターンは、１と０のアレイとして表現可能である。
【０００５】
人物又はその他の物体を走査するには、通常、人物又はその他の物体と関連付けられている様々なターゲットの連続マイクロ波画像を取得するために使用するいくつかのパターンを事前に設計し、保存しておく。しかしながら、それぞれのパターン設計は、主に、マイクロ波放射の周波数と、マイクロ波源（該当する場合）、マイクロ波受信機（該当する場合）、及び特定のターゲットの１つ又は複数に対するアレイ内のアンテナ要素の向きと、によって決定され、従って、パターンが、マイクロ波画像生成システムの様々なパラメータにとって最適ではない可能性がある。
【特許文献１】米国特許出願第１０／９９７，４２２号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１０／９９７，５８３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
例えば、マイクロ波源からマイクロ波受信機への迷光放射の結果生じる背景雑音（これは、しばしば、「クラッター」と呼ばれる）は、マイクロ波画像生成システムの信号対雑音比（ＳＮＲ）を低下させる。特定のパターンは、ターゲットにおける望ましい建設的な干渉を生成可能であるが、そのパターンが、マイクロ波受信機における背景雑音を低減するのに最適ではない場合がある。別の例として、人物又はその他の物体の走査に使用するパターンのペア間の位相の変化により、アンテナ位相の変化に伴って面積が拡大するサイドローブが生じる場合がある。又、連続マイクロ波画像間の位相の変化を必要とするアンテナ要素の数が増大するに伴って、人物又はその他の物体の走査に必要なパワーも相応して増大することになる。従って、マイクロ波アンテナアレイの位相シフトパターンを設計するための柔軟な設計法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施例は、ターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システム内において使用され、マイクロ波画像生成システムの１つ又は複数のパラメータを最適化するべく選択的にプログラム可能なアンテナアレイを提供する。アレイは、複数のアンテナ要素を含み、このそれぞれは、それぞれのアンテナ要素からのマイクロ波放射が、その他のアンテナ要素からのマイクロ波放射と実質的に同相でターゲットに到達するようにマイクロ波放射のビームをターゲットに向かって導く個別の位相シフトによってプログラム可能である。マイクロ波画像生成システムのパラメータを最適化するには、ターゲットにおいて実質的に同相のマイクロ波放射のビームを維持しつつ、選択したアンテナ要素の位相シフトを変更する。
【０００８】
一実施例においては、最適化対象のパラメータは、ターゲットにおけるマイクロ波放射の建設的干渉とマイクロ波受信機におけるマイクロ波放射の破壊的干渉の比率である。この比率は、ターゲットにおける建設的干渉を相応して減少させることなしに、マイクロ波受信機における破壊的干渉を増大させることによって最適化される。例えば、位相シフトを変更するべく選択されるアンテナ要素には、マイクロ波線が理想的な位相からの最大の位相オフセットを具備しているアンテナ要素を含むことができる。
【０００９】
別の実施例においては、最適化対象のパラメータは、連続マイクロ波画像間におけるアレイ内の位相シフト変化の最小数である。物体と関連付けられたターゲットの連続マイクロ波画像を取得することによる物体の走査に使用するべくアレイが設計されている場合には、位相シフト変化の最小数は、連続マイクロ波画像の順序を選択することによって最適化可能である。
【００１０】
更なる実施例においては、最適化対象のパラメータは、ターゲットにおけるマイクロ波放射ビームのサイドローブの面積に対するメインローブの面積の比率である。それぞれのアンテナ要素に選択された位相シフトがパターンを形成している更に別の実施例においては、最適化対象のパラメータは、ビットによるパターン説明のデジタル圧縮と関連付けられたメトリックであり、これにより、パターンデータのストレージスペースの減少と処理の高速化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付の図面を参照し、開示対象の発明について説明するが、これらの図面は、本発明の重要な実施例を示しており、これらは、本引用によって本明細書に包含される。
【００１２】
本明細書において使用する「マイクロ波放射（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）」と「マイクロ波照射（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）」という用語は、それぞれ、約１ＧＨｚ〜約１，０００ＧＨｚの周波数に相当する０．３ｍｍ〜３０ｃｍの波長を具備する電磁放射の帯域を意味している。従って、マイクロ波放射及びマイクロ波照射という用語は、それぞれ、従来のマイクロ波放射に加え、一般にミリメートル波放射と呼ばれるものを含んでいる。
【００１３】
図１は、本発明の実施例による単純な模範的なマイクロ波画像生成システム１０の概略図である。マイクロ波画像生成システム１０は、１つ又は複数のアレイ５０を含んでおり（利便のために、この中の１つのみを示している）、このそれぞれは、物体１５０（例えば、スーツケース、対象の人物、又はその他の対象物品）のマイクロ波画像を取得するべく、アンテナ要素８０を介してマイクロ波放射を送信、受信、及び／又は反射する能力を有している。
【００１４】
一実施例においては、アレイ５０は、反射アンテナ要素８０から構成されたプログラム可能な受動的反射器アレイを含んでいる。反射アンテナ要素のそれぞれは、画像生成対象の物体１５０上のターゲット１５５（例えば、物体１５０の画像内の１つ又は複数のボクセルに対応した３Ｄ空間内の点又は領域／容積）に向かってマイクロ波放射のビームを導く個別の位相シフトによってプログラム可能である。位相シフトは、２値であるか、或いは、連続的なもののいずれであってもよい。例えば、個別の位相シフトによって個々の反射アンテナ要素８０のそれぞれをプログラムすることにより、マイクロ波源（図示されてはいない）からアレイ５０が受信したマイクロ波放射が、物体１５０上のターゲット１５５に向かって反射され、ターゲット１５５から反射されてアレイ５０が受信した反射マイクロ波放射が、マイクロ波受信機（図示せず）に向かって反射される。
【００１５】
別の実施例においては、アレイ５０は、マイクロ波放射を生成及び送信し、反射マイクロ波放射を受信及び取得する能力を有する能動的アンテナ要素８０から構成された能動的送信機／受信機アレイを含んでいる。例えば、能動的アレイは、送信アレイの形態であってよい。この実施例においては、アレイ５０がマイクロ放射の供給源として動作するため、リモートのマイクロ波源は使用されない。能動的送信機／受信機アレイ内の能動的アンテナ要素のそれぞれは、ターゲット１５５に向かってマイクロ波放射のビームを操縦する個別の位相シフトによって個々にプログラム可能である。
【００１６】
マイクロ波画像生成システム１０は、プロセッサ１００、コンピュータ可読媒体１１０、及びディスプレイ１２０を更に含んでいる。プロセッサ１００は、アレイ５０を制御し、ターゲット１５５から反射された受信マイクロ波放射を処理してターゲット１５５及び／又は物体１５０のマイクロ波画像を構築するための任意のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はこれらの組み合わせを含んでいる。例えば、プロセッサ１００は、１つ又は複数のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラム可能なロジック装置、デジタル信号プロセッサ、又はコンピュータプログラムの命令を実行するべく構成されたその他のタイプの処理装置、並びに、プロセッサ１００が使用する命令及びその他のデータを保存する１つ又は複数のメモリ（例えば、キャッシュメモリ）を含むことができる。但し、プロセッサ１００のその他の実施例も使用可能であることを理解されたい。メモリ１１０は、ハードドライブ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、コンパクトディスク、フロッピーディスク、ＺＩＰ（登録商標）ドライブ、テープドライブ、データベース、又はその他のタイプのストレージ装置又はストレージ媒体を含む（但し、これらに限定されない）任意のタイプのデータストレージ装置である。
【００１７】
プロセッサ１００は、コンピュータ可読媒体１１０内に保存された１つ又は複数のパターン１１５を使用してアレイ５０をプログラムするべく動作する。それぞれのパターン１１５は、マイクロ波放射によって物体１５０上の特定のターゲット１５５を照射すると共に／又は、物体１５０上の特定のターゲット１５５からの反射マイクロ波放射を受信するアレイ５０内の個々のアンテナ要素８０のそれぞれ用の位相シフトを含んでいる。従って、プロセッサ１００は、パターン１１５及びアレイ５０と共に、物体１５０を走査するべく動作する。
【００１８】
プロセッサ１００は、物体１５０上のそれぞれのターゲット１５５からアレイ５０が取得した反射マイクロ波放射の強度を使用して物体１５０のマイクロ波画像を構築する能力を更に有している。例えば、アレイ５０が反射器アレイである実施例においては、マイクロ波受信機（図示されてはいない）が、アレイ５０内のそれぞれのアンテナ要素８０から反射された反射マイクロ波放射を組み合わせることにより、ターゲット１５５における反射マイクロ波放射の有効な強度値を生成する能力を有している。強度値は、プロセッサ１００に伝達され、プロセッサが強度値を物体１５０上のターゲット１５５に対応したピクセル又はボクセルの値として使用する。反射マイクロ波放射がボクセルの領域／容積の強度を表しているその他の実施例においては、ターゲット１５５（３Ｄ空間内の面積／容積）のそれぞれのマイクロ波画像ごとに、プロセッサ１００は、物体１５０の所望の画像のフーリエ変換成分を計測する。プロセッサ１００は、計測したフーリエ変換成分を使用して逆フーリエ変換を実行し、物体１５０の画像を生成する。動作の際には、マイクロ波画像生成システム１０は、１秒当たり数百万個のターゲット１５５を走査可能な周波数において動作可能である。
【００１９】
結果的に得られたターゲット１５５及び／又は物体１５０のマイクロ波画像をプロセッサ１００からディスプレイ１２０に伝達し、マイクロ波画像を表示可能である。一実施例においては、ディスプレイ１２０は、物体１５０の３次元マイクロ波画像又はターゲット１５５及び／又は物体１５０の１つ又は複数の１次元又は２次元マイクロ波画像を表示する２次元ディスプレイである。別の実施例においては、ディスプレイ１２０は、物体１５０の３次元マイクロ波画像を表示する能力を有する３次元ディスプレイである。
【００２０】
複数のアレイ５０を使用して物体１５０の異なる部分を走査可能であることを理解されたい。例えば、マイクロ波画像生成システム１０は、物体１５０が高さ２メートルと幅１メートルの人物である場合に、それぞれが物体１５０の半分を走査するアンテナ要素８０の１ｍ ｘ １ｍのアレイを含む２つのアレイによって実装可能である。別の例においては、マイクロ波画像生成システム１０は、それぞれが対象の人物１５０の１つの象限を走査する能力を有するアンテナ要素８０の０．５ｍ ｘ ０．５ｍのアレイを含む８つのアレイ５０によって実装可能である。
【００２１】
図２は、能動的な送信／受信又は反射アレイにおいて使用する（図１のアンテナ要素８０に対応した）能動的アンテナ要素２００の一例を示している。能動的アンテナ要素２００は、個別のスイッチ２１５に接続されたアンテナ２１０を含む広帯域２値フェーズドアンテナ要素である。スイッチ２１５は、例えば、ＳＰＤＴ（単極双投）スイッチ又はＤＰＤＴ（二極双投）スイッチであってよい。スイッチ２１５の動作状態によって個別のアンテナ要素２００の位相を制御する。例えば、スイッチ２１５の第１の動作状態においては、アンテナ要素２００は、第１の２値状態（例えば、０度）であり、スイッチ２１５の第２の動作状態においては、アンテナ要素２００は、第２の２値状態（例えば、１８０度）にあってよい。スイッチ２１５の動作状態によってスイッチ２１５の端子接続が定義される。例えば、第１の動作状態においては、端子２１８が、アンテナ２１０とスイッチ２１５の間の給電線２１６を接続する、閉じた（短絡）位置にあり、端子２１９は、開いた位置にあってよい。それぞれのスイッチ２１５の動作状態は、それぞれのアンテナ要素２００の位相を個別に設定するべく、制御回路（図示せず）によって独立的に制御されている。
【００２２】
本明細書において使用する「対称アンテナ」２１０という用語は、２つの給電ポイント２１１又は２１３のいずれかにおいて供給される、または引き出されることのできる２つの反対の対称的な電界分布（又は電流）の１つを生成可能なアンテナを意味している。図２に示されているように、ミラー軸２５０を中心として対称的な形状の対称アンテナ２１０を使用することにより、２つの反対の対称的な電界分布が生成される。ミラー軸２５０は、アンテナ２１０を通過することにより、２つの対称なサイド２５２及び２５４を生成している。給電ポイント２１１及び２１３は、アンテナ２１０のミラー軸２５０のいずれかのサイド２５２及び２５４上に配置されている。一実施例においては、給電ポイント２１１及び２１３は、ミラー軸２５０を中心として実質的に対称なアンテナ２１０上に配置される。例えば、ミラー軸２５０は、アンテナ２１０の１つの次元（例えば、長さ、幅、高さなど）に平行に延長可能であり、給電ポイント２１１及び２１３は、次元（寸法）２６０の中点２７０の近傍に配置されることできる。図２においては、給電ポイント２１１及び２１３は、ミラー軸２５０のそれぞれのサイド２５２及び２５４上において、アンテナ２１０の中点２７０の近傍に配置された状態で示されている。
【００２３】
対称アンテナ２１０は、Ａ及びＢというラベルが付加された２つの反対の対称電界分布を生成することができる。電界分布Ａの大きさ（例えば、電力）は、電界分布Ｂの大きさと実質的に同一であるが、電界分布Ａの位相は、電界分布Ｂの位相と１８０だけ異なっている。従って、電界分布Ａは、電気サイクルが±１８０度の電界分布Ｂと似ている。
【００２４】
対称アンテナ２１０は、給電線２１６及び２１７を介して対称スイッチ２１５に接続されている。給電ポイント２１１は、給電線２１６を介して対称スイッチ２１５の端子２１８に接続されており、給電ポイント２１３は、給電線２１７を介して対称スイッチ２１５の端子２１９に接続されている。本明細書において使用する「対称スイッチ」という用語は、スイッチの２つの動作状態が端子２１８及び２１９を中心として対称であるＳＰＤＴ又はＤＰＤＴスイッチのいずれかを意味している。
【００２５】
例えば、ＳＰＤＴスイッチの第１の動作状態において、チャネル（これをチャネルαと呼ぶ）のインピーダンスが１０Ωで、別のチャネル（これをチャネルβと呼ぶ）のインピーダンスが１ｋΩである場合は、ＳＰＤＴスイッチの第２の動作状態においては、チャネルαのインピーダンスは、１ｋΩであり、チャネルβのインピーダンスは、１０Ωである。チャネルインピーダンスは、完全に開じた状態でも、短絡でも、ましてや実数である必要はないことを理解されたい。さらに、クロストークが状態に関して対称である限り、チャネル間にクロストークが存在してもよい。通常、スイッチは、該スイッチのＳパラメータマトリックスがスイッチの２つの動作状態間において（例えば、２つの端子２１８及び２１９間において）同一である場合に対称である。
【００２６】
図３は、アンテナ要素３００のインピーダンス状態に応じて変化する位相によって電磁放射を反射するべく動作する（図１のアンテナ要素８０に対応した）反射アンテナ要素３００の断面図を示している。反射アンテナ要素３００は、アンテナ（パッチアンテナ３２０ａ）と非理想的なスイッチング装置（表面実装電界効果トランジスタ「ＦＥＴ」３２２）を含んでいる。
【００２７】
反射アンテナ要素３００は、プリント回路ボード基板３１４の上部及び内部に形成されており、表面実装ＦＥＴ３２２、パッチアンテナ３２０ａ、ドレインバイア(drain via)３３２、接地プレーン３３５、及びソースバイア（source via）３３８を含んでいる。表面実装ＦＥＴ３２２は、プレーナーパッチアンテナ３２０ａと反対のプリント回路ボード基板３１４の面上に取り付けられており、接地プレーン３３６が、プレーナーパッチアンテナ（planar patch antennas、平面状のパッチアンテナ）３２０ａと表面実装ＦＥＴ３２２の間に配置されている。ドレインバイア３３２が、表面実装ＦＥＴ３２２のドレイン３２８をプレーナーパッチアンテナ３２０ａに接続し、ソースバイア３３８が、表面実装ＦＥＴ３２２のソース３２６を接地プレーン３３６に接続している。
【００２８】
稼働製品においては、反射器アンテナアレイは、駆動電子回路を含むコントローラボード３４０に接続されている。図３には、コントローラボードの例３４０も示されており、これは、接地プレーン３４４、駆動信号ビア３４６、及び駆動電子回路３４２を含んでいる。コントローラボード３４０は、反射器アンテナアレイのコネクタ３５０と互換性を有するコネクタ３４８をも含んでいる。２つのボードのコネクタ３４８及び３５０は、例えば、ウェーブソルダリングを使用して相互接続可能である。その他の実施例においては、ＦＥＴ３２２は、プレーナーパッチアンテナ３２０ａと同一のプリント回路ボード基板３１４の面上に表面実装可能である。更には、駆動電子回路３４２を、反射アンテナ要素３００が構築される同一のプリント回路ボードに直接はんだ付けすることも可能である。
【００２９】
パッチアンテナ要素３２０ａは、反射アンテナ要素３００のインピーダンスレベルに応じて、多少の位相シフトによって反射するべく動作する。反射アンテナ要素３００は、アンテナ設計パラメータの関数であるインピーダンス特性を具備している。アンテナの設計パラメータは、構造の誘電材料、誘電材料の厚さ、アンテナ形状、アンテナの長さ及び幅、給電場所、及びアンテナ金属レイヤの厚さなどの物理的属性を含んでいる（但し、これらに限定されない）。
【００３０】
ＦＥＴ３００（非理想的なスイッチング装置）は、その抵抗状態を変化させることによって反射アンテナ要素３００のインピーダンス状態を変化させる。低抵抗状態（例えば、閉じた状態すなわち「短絡」）は、低インピーダンスになる。逆に、高抵抗状態（例えば、開いた状態）は、高インピーダンスになる。理想的な性能特性を有するスイッチング装置（本明細書においては、これを「理想的」なスイッチング装置と呼ぶ）は、その抵抗が、その最低状態にある場合には、事実上、ゼロインピーダンス（Ｚ＝０）を生成し、その抵抗がその最大状態にある場合には、事実上、無限インピーダンス（Ｚ＝∞）を生成する。本明細書において説明するように、スイッチング装置は、そのインピーダンスがその最低状態にある場合に、「オン」であり（例えば、Ｚｏｎ＝０）、そのインピーダンスがその最大状態にある場合に、「オフ」である（例えば、Ｚｏｆｆ＝∞）。理想的なスイッチング装置のオン及びオフインピーダンス状態が、実質的にＺｏｎ＝０及びＺｏｆｆ＝∞であるため、理想的なスイッチング装置は、オン及びオフ状態間における電磁放射の吸収を伴うことなしに、最大位相シフトを提供可能である。即ち、理想的なスイッチング装置は、０度と１８０度の位相状態間におけるスイッチングを実現することができる。理想的なスイッチング装置の場合には、有限な非ゼロのインピーダンスを示すアンテナによって最大位相−振幅性能を実現することができる。
【００３１】
理想的なスイッチング装置とは対照的に、「非理想的」なスイッチング装置は、それぞれ、Ｚｏｎ＝０及びＺｏｆｆ＝∞でオン及びオフインピーダンス状態を示さないスイッチング装置である。むしろ、非理想的なスイッチング装置のオン及びオフのインピーダンス状態は、通常、例えば、０＜｜Ｚｏｎ｜＜｜Ｚｏｆｆ｜＜∞の間のどこかに位置している。但し、オン及びオフインピーダンス状態が｜Ｚｏｆｆ｜＜＝｜Ｚｏｎ｜であるアプリケーションも存在している。非理想的なスイッチング装置は、特定の周波数レンジ（例えば、＜１０ＧＨｚ）内においては、理想的なインピーダンス特性を示し、その他の周波数レンジ（例えば、＞２０ＧＨｚ）においては、きわめて非理想的なインピーダンス特性を示すことができる。
【００３２】
非理想的なスイッチング装置のオン及びオフインピーダンス状態は、Ｚｏｎ＝０とＺｏｆｆ＝∞の間のどこかに位置しているため、非理想的なスイッチング装置によれば、必ずしも、対応するアンテナのインピーダンスとは無関係に最大位相状態性能を得ることができない。ここで、最大位相状態性能は、０度と１８０度の位相状態間におけるスイッチングを必要とするものである。本発明によれば、図３の反射アンテナ要素３００は、最適な位相性能を提供するように特に設計されており、ここで、反射アンテナ要素の最適な位相状態性能とは、反射要素が０度と１８０度の位相−振幅状態間におけるスイッチングに最も近接したポイントである。一実施例においては、最適な位相状態性能を実現するために、アンテナ要素３００は、非理想的なスイッチング装置（ＦＥＴ３３０）のインピーダンスの関数として構成されている。例えば、アンテナ要素３００は、アンテナ要素３００のインピーダンスがＦＥＴ３３０のインピーダンス特性の関数となるように設計されている。
【００３３】
さらに、アンテナ要素３００は、オン状態における非理想的なスイッチング装置（ＦＥＴ３３０）のインピーダンスＺｏｎと、オフ状態における非理想的なスイッチング装置３３０のインピーダンスＺｏｆｆの関数して構成されている。特定の実施例においては、オン及びオフインピーダンス状態Ｚｏｎ及びＺｏｆｆにおいて、アンテナ要素３００のインピーダンスが非理想的なスイッチング装置３３０のインピーダンスの平方根の共役となるようにアンテナ要素３００が構成された場合に、反射アンテナ要素３００の位相状態性能が最適化される。具体的には、アンテナ要素３００のインピーダンスは、対応する非理想的なスイッチング装置３３０のオン及びオフインピーダンス状態Ｚｏｎ及びＺｏｆｆの幾何平均の複素共役である。この関係は、次のように表される。
【数１】
【００３４】
ここで、（）＊は、複素共役を示している。この関係は、ソースインピーダンス（source impedance）と負荷インピーダンス間における複素反射係数の周知の式を使用して導出される。アンテナ要素３００をソース(source)として選択すると共に、非理想的なスイッチング装置３３０が負荷として選択することにより、オン状態反射係数がオフ状態反射係数の逆に等しく設定され、式（１）が得られる。
【００３５】
最適な位相−振幅性能を示すアンテナ要素３００の設計には、反射アンテナ要素３００内において使用する特定の非理想的なスイッチング装置（この場合には、ＦＥＴ３３０）のオン及びオフインピーダンスＺｏｎ及びＺｏｆｆを決定しなければならない。次いで、アンテナ要素３００の設計パラメータを操作し、前述の式（１）に表されている関係に整合したインピーダンスを有するアンテナ要素３００を生成する。Ｚｏｎ及びＺｏｆｆが異なる値になるように決定される限り、式（１）を適合するアンテナ要素３００を設計することができる。
【００３６】
対象の周波数帯域にわたって非理想的なインピーダンス特性を示す図３に示されている表面実装ＦＥＴ３３０以外の別のタイプのスイッチング装置は、表面実装ダイオードである。但し、表面実装ダイードは、表面実装ＦＥＴと比べて、対象の周波数帯域にわたって改善されたインピーダンス特性を示すが、表面実装ＦＥＴは、相対的に廉価であり、反射器アンテナアレイ用途に使用するように個別にパッケージ化することができる。
【００３７】
ＦＥＴを非理想的なスイッチング装置として利用する反射器アンテナアレイにおいては、実現可能なビーム走査速度は、信号対雑音比、クロストーク、及びスイッチング時間を含むいくつかの要因によって左右される。ＦＥＴの場合には、スイッチング時間は、ゲート容量、ドレイン／ソース容量、及びチャネル抵抗（即ち、ドレイン／ソース抵抗）によって左右される。チャネル抵抗は、実際には、空間と時間の両方に依存している。インピーダンス状態間におけるスイッチング時間を極小化するべく、ＦＥＴのドレインを常時ＤＣ短絡することが望ましい。ドレインをフロートティング状態にすると、オフ状態チャネル抵抗が増大すると共に、パッチアンテナの巨大な平行プレート面積に起因してドレイン／ソース容量が大きくなるため、ドレインは、常時、直流短絡しておくのが好ましい。これは、アンテナを直流短絡するのが好ましいが、ソースにおいては、アンテナが「高周短絡」のみを観測することが望ましいことを意味している。従って、付加的なアンテナ／ドレイン短絡は、アンテナの混乱を極小化するべく最適配置しなければならない。
【００３８】
反射アンテナ要素３００内においては、パッチアンテナ３２０ａの代わりに、その他のタイプのアンテナを使用することも可能であることを理解されたい。一例として、その他のアンテナタイプは、ダイポール、モノポール、ループ、及び誘電体共振器タイプのアンテナを含んでいる（但し、これらに限定されない）。又、その他の実施例においては、反射アンテナ要素３００は、ＦＥＴ３３０を可変コンデンサ（例えば、ＢＳＴ（Ｂａｒｉｕｍ Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｉｔａｎａｔｅ）コンデンサ）によって置換することによる連続位相シフトアンテナ要素３００であってよい。可変コンデンサを実装したパッチによれば、ＦＥＴを実装したパッチによって生成される２値位相シフトの代わりに、それぞれのアンテナ要素ごとに、連続した位相シフトを実現可能である。連続フェーズドアレイを調節することにより、ビーム走査パターン内の任意の方向に向かってマイクロ波ビームを操縦するべく、望ましい位相シフトを提供可能である。
【００３９】
図４は、本発明の実施例によるマイクロ波放射を反射する模範的なアレイ５０の平面概略図である。図４においては、マイクロ波源６０から送信されたマイクロ波放射のビーム４００が、アレイ５０内の様々なアンテナ要素８０によって受信されている。マイクロ波源は、点源、ホーンアンテナ、又はその他のタイプのアンテナを含む（但し、これらに限定されない）アレイ５０を照射するのに十分な任意の供給源であってよい。アレイ５０内のアンテナ要素８０は、それぞれ、反射マイクロ波放射のビーム４１０をターゲット１５５に向かって導く個別の位相シフトによってプログラムされている。位相シフトは、ターゲット１５５において反射マイクロ波放射のビーム４１０内のｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍと表記されているすべてのマイクロ波線間においてポジティブ（建設的）な干渉が生成されるように、選択されている。理想的には、アンテナ要素８０のそれぞれの位相シフトは、供給源（アンテナ要素８０）からターゲット１５５への反射マイクロ波放射（４１０）のそれぞれのマイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍごとに同一の位相遅延を提供するように調節されている。
【００４０】
但し、本発明の実施例によれば、図５〜図１１との関連で後程詳述するように、アンテナ要素の１つ又は複数のものに適用される位相シフトを変化させることにより、マイクロ波画像生成システムの１つ又は複数のパラメータを最適化可能である。最適化可能なパラメータの例は、ターゲットにおける建設的な干渉の相応した減少を伴わないマイクロ波受信機における破壊的な干渉の増大、連続マイクロ波画像間におけるアレイ内の位相シフト変化の数の極小化、メインローブ面積に対するサイドローブ面積の低減、及び特定のターゲット１５５の特定のマイクロ波画像用のアレイ５０内のそれぞれのアンテナ要素８０ごとの位相シフトのすべてを含む位相シフトパターンの圧縮の向上を含んでいる（但し、これらに限定されない）。
【００４１】
図示されてはいないが、ターゲット１５５から反射され、アレイ５０によって受信されたマイクロ波放射をマイクロ波受信機（図示されてはいない）に向かって反射することも同様に可能であることを理解されたい。マイクロ波源６０は、別個のアンテナとして、又はマクロ波受信機の一部として、マイクロ波受信機と同一の空間的場所に配置し、アレイ５０を通じてターゲット１５５を照射することも可能であり、或いは、マイクロ波受信機とは異なる空間的場所に配置し、直接的に、又はアレイ５０の１つ（例えば、マイクロ波受信機と同一のアレイ５０、又は異なるアレイ５０）を通じてターゲット５５５を照射することも可能である。
【００４２】
次に図５Ａを参照すれば、図４に示されているそれぞれのマイクロ波線（ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍ）を、フェーザーとして表し、特定の大きさ及び位相によって説明可能である。例えば、マイクロ波線ｒ１を、ｒ１＊ｅ（ｊ＊ｐｈａｓｅ１）と表し、実数（Ｒｅ）及び虚数（Ｉｍ）成分を含む２次元複素プレーン内のフェーザーとして表現可能である。図５Ａにおいては、マイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍは、フェーザー｛ｒ１，位相１｝、｛ｒ２，位相２｝、｛ｒｎ，位相ｎ｝、及び｛ｒｍ，位相ｍ｝として表現されている。フェーザー｛ｒ１，位相１｝、｛ｒ２，位相２｝、｛ｒｎ，位相ｎ｝、及び｛ｒｍ，位相ｍ｝のすべての合計により、ターゲットにおけるマイクロ波放射のビームの振幅が決定される。ターゲットにおける振幅を極大化するには、アンテナ要素のそれぞれからのマイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍは、同一の位相を具備する必要がある。連続フェーズドアレイの場合には、それぞれのアンテナ要素を連続可変位相シフトによってプログラムし、すべてのマイクロ波線を同一位相でアライメント可能である。
【００４３】
但し、特定数の離散した位相シフトの１つのみによってしか、それぞれのアンテナ要素をプログラムできない量子化された（離散した）アレイにおいては、マイクロ波線の位相は、部分的なアライメントのみ可能である。例えば、２値アレイにおいては、それぞれのアンテナ要素は、２つの異なる２値状態（例えば、０度の位相シフト又は１８０度の位相シフト）によってのみプログラム可能である。従って、それぞれのアンテナ要素の位相シフトは、ターゲットにおける建設的な干渉を極大化し、破壊的な干渉を極小化（又は、防止）するためにのみプログラムされる。ターゲットにおける破壊的な干渉を防止するには、（図５Ａに、ライン５００に沿って示されている）理想的な位相を選択し、理想的な位相５００においてマイクロ波放射のビームを集合的に形成する個々のマイクロ波線を生成する特定の量子化された位相シフトにより、すべてのアンテナ要素をプログラムする（例えば、ターゲットにおけるすべてのマイクロ波線の合計が、理想的な位相５００におけるフェーザーである）。
【００４４】
図５Ｂからわかるように、理想的な位相５００を選択したら、理想的な位相５００に直交する量子化ライン５１０を使用し、すべてのマイクロ波線の理想的な位相５００への加算を実現するそれぞれの個別のマイクロ波線に適用する位相シフトを判定可能である。図５Ｂにおいては、マイクロ波線ｒ１及びｒｍは、理想的な位相５００と同一の量子化ライン５１０の側に位置している。従って、これらの放射線のそれぞれの現在の位相を維持するべく、０度の２値位相シフトをマイクロ波線ｒ１及びｒｍに提供する。しかしながら、マイクロ波線ｒ２およびｒｎは、理想的な位相５００とは正反対の量子化ライン５１０の側に位置している。この結果、これらのマイクロ波線の位相を理想的な位相５００と同一の量子化ラインの側に切り換えるべく、１８０度の２値シフトをマイクロ波線ｒ２及びｒｎに適用する。マイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍの合計が、理想的な位相５００におけるマイクロ波放射のビームである。但し、マイクロ波線のそれぞれの位相が完全にアライメントされないため、ターゲットにおけるマイクロ放射のビームの振幅は、連続可変のフェーズドアレイによって実現可能なものを下回ることになろう。
【００４５】
図５Ｃからわかるように、本発明の実施例によれば、理想的な位相５００を（図５Ｂに示されているように）角度０に等しくする必要はなく、むしろ、理想的な位相５００は、マイクロ波画像生成システムの１つ又は複数のパラメータを最適化するべく、任意の角度に選択可能である。例えば、一実施例において、パラメータの１つが、アレイ内における０度又は１８０度の位相シフトの数である場合には、理想的な位相５００の角度を変化させて所望の結果を生成可能である。図５Ｃには、理想的な位相５００が、実数（Ｒｅ）軸に対して角度を有して設定された状態で示されており、量子化ライン５１０は、理想的な位相５００の方向に直交して設定されている。図５Ｃに示されているように選択された角度によれば、マイクロ波線ｒ１、ｒ２、及びｒｍが、理想的な位相５００と同一の量子化ライン５１０の側に位置しており、理想的な位相５００とは正反対の量子化ライン５１０の側に位置しているのは、マイクロ波線ｒｎのみであり、この結果、アレイ内における１８０度の位相シフトの数が極小化し、０度の位相シフトの数が極大化している。
【００４６】
別の実施例において、最適化対象のパラメータが、連続マイクロ波画像間におけるアレイ内の位相シフト変化の最小数である場合には、それぞれのマイクロ波画像ごとに理想的な位相５００の角度を変化させて所望の結果を生成可能である。例えば、マイクロ波線ｒ２を生成するアンテナ要素が、以前のマイクロ波画像内において０度の位相シフトによってプログラムされていた場合には、現在のマイクロ波画像用の位相シフトの変化を回避するべく、図５Ｃに示されているように、理想的な位相５００の角度を角度ゼロからオフセットすることにより、現在のマイクロ波画像用の０度の位相シフトを維持可能である。図５Ｂに示されているように、理想的な位相５００を角度ゼロに維持した場合には、マイクロ波線ｒ２を生成するアンテナ要素の位相シフトが０度から１８０度に変化することになろう。
【００４７】
先程定義したように、特定のターゲット用のアレイ内のアンテナ要素に対して割り当てられているすべての位相シフトの組み合わせがパターンを形成している。それぞれのアンテナ要素が２つの位相シフトの中の１つのみを導入可能な２値アレイである場合には、パターンは、１と０のアレイとして表現可能である。図４〜図５に示されているマイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍを生成するアンテナ要素を含むアレイの一部の模範的な２値位相シフトパターン１１５ａ〜１１５ｃが図６Ａ〜図６Ｃに示されている。図６Ａ内の２値位相シフトパターン１１５ａは、第１ターゲットの第１マイクロ波画像用のパターンの一部を表しており、図６Ｂの２値位相シフトパターン１１５ｂは、第２ターゲットの第２マイクロ波画像用のパターンの一部を表しており、図６Ｃの２値位相シフトパターン１１５ｃは、第３ターゲットの第３マイクロ波画像用のパターンの一部を表している。
【００４８】
図６Ａ〜図６Ｃからわかるように、それぞれのパターン１１５ａ〜１１５ｃは、マイクロ波線ｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍを生成するアンテナ要素に適用される位相シフト６００を含んでいる。図６Ａにおいては、第１パターン１１５ａ内のマイクロ波線ｒ１を生成するアンテナ要素に適用される位相シフト６００は、０度であり、第２パターン１１５ｂ内の同一のアンテナ要素に適用される位相シフトは、１８０度である。従って、パターン１１５ａ及び１１５ｂを使用して取得される連続マイクロ波画像間には、マイクロ波線ｒ１を生成するアンテナ要素の位相シフトの変化が存在している。同様に、パターン１１５ａ及び１１５ｂの間には、マイクロ波線ｒｎ及びｒｍを生成するアンテナ要素の位相シフトの変化が存在している。連続マイクロ波画像間の位相シフト変化を極小化するために、パターン１１５ａ及び１１５ｂ間において最大数のアンテナ要素について位相シフトが同一に維持されるように、理想的な位相角度（図５Ａ〜図５Ｃに示されている５００）を変更可能である。
【００４９】
別の実施例においては、パターン１１５ａ〜１１５ｃ間における最も小さい数の変化を結果的にもたらす連続マイクロ波画像の順序を選択することにより、連続マイクロ波画像間の位相シフト変化の極小化を実現することも可能である。図６Ａ〜図６Ｃのパターン１１５ａ〜１１５ｃを使用する際に、パターン１１５ａを最初に使用して第１マイクロ波画像を取得する場合には、パターン１１５ｃを使用して第２マイクロ波画像を取得し、パターン１１５ｂを使用して第３マイクロ波画像を取得することにより、結果的に、パターン間における最も少ない数の位相シフト変化を実現可能である。パターン１１５ａの後にパターン１１５ｂが続く場合には、アンテナ要素の３つのものに対してプログラムされている位相シフト（マイクロ波線ｒ１、ｒｎ、及びｒｍに対応したもの）が変化する。しかしながら、パターン１１５ａの後にパターン１１５ｃが続く場合には、変化するのは、１つのアンテナ要素に対してプログラムされている位相シフト（マイクロ波線ｒｍに対応したもの）のみである。同様に、パターン１１５ｃの後にパターン１１５ｂが続く場合には、２つのアンテナ要素に対してプログラムされている位相シフト（マイクロ波線ｒ１及びｒｎに対応したもの）のみが変化する。
【００５０】
従って、パターン１１５ａ、１１５ｃ、及び１１５ｂというパターンの順序を使用した位相シフト変化の合計数は、３に過ぎないが、パターン１１５ａ、１１５ｂ、及び１１５ｃというパターンの順序を使用した位相シフト変化の合計数は、５である。人物又はその他の物体を走査する際に使用するパターンのペア間における位相変化の数を低減することにより、要素の１つによって位相シフトが十分高速に変化しないというリスクが減少する。更には、連続マイクロ波画像間における位相変化の数を低減することにより、人物又はその他の物体の走査に必要なパワーも減少する。
【００５１】
本明細書において説明したパターンは、単一点源によって容易に使用可能なタイプの単純なパターンであるが、本発明の実施例は、ホーンアンテナやその他のアンテナタイプと共に使用される更に複雑なパターンにも同様に適用可能であることを理解されたい。例えば、ホーンアンテナは、適切に重み付けされた複数点源として近似可能であり、パターンを複数点源に対応するように設計可能である。又、本発明の実施例は、２つの状態間の位相シフトが１８０度とは異なるその他のタイプの量子化アレイにも適用可能であることを理解されたい。
【００５２】
又、本発明の実施例を使用して最適化可能なマイクロ波画像生成システムパラメータには、いくつかの異なるものが存在しており、本発明は、本明細書において説明した特定のパラメータに限定されるものではないことをも理解されたい。例えば、別の実施例においては、最適化対象のパラメータは、ターゲットにおけるマイクロ波放射の建設的な干渉とマイクロ波受信機におけるマイクロ波放射の破壊的な干渉の比率であってよい。前述のように、マイクロ波源からマイクロ波受信機への迷光放射の結果として生じる背景雑音は、マイクロ波画像生成システムの信号対雑音比（ＳＮＲ）を低下させる。受信機における迷光放射の破壊的な干渉を増大させることにより、ＳＮＲが向上する。従って、本発明の実施例によれば、ターゲットにおける十分な建設的な干渉を維持すると共に、受信機における破壊的な干渉を極大化するべく、それぞれのアンテナ要素についてプログラムされる位相シフトを設計可能である。
【００５３】
次に図７を参照すれば、マイクロ波源６０とマイクロ波受信機７００の間に、漏れ（迷光）マイクロ波放射が存在している。図４と同様に、図７においては、マイクロ波源（アンテナ）６０から送信されたマイクロ波放射のビーム４００が、アレイ５０内の様々なアンテナ要素８０によって受信されている。アンテナ要素８０は、ターゲット１５５に向かって反射マイクロ波放射のビーム４１０を導く個別の位相シフトによってそれぞれプログラムされている。位相シフトは、ターゲット１５５において、反射マイクロ波放射のビーム４１０内のｒ１、ｒ２、ｒｎ、及びｒｍと表記されているマイクロ波線のすべての間にポジティブ（建設的）な干渉が生成されるように、選択されている。同時に、供給源６０からのマイクロ波放射の一部が、迷光マイクロ波放射のビーム７１０として、アレイ５０からマイクロ波受信機７００に向かって反射されている。受信機７００における迷光マイクロ波放射７１０の影響を極小化する（すなわち、ＳＮＲを向上させる）べく、ターゲットにおける建設的な干渉の比例した減少を伴うことなしに、マイクロ波受信機における破壊的な干渉を増大させることができる。
【００５４】
再度図５Ｂを参照すれば、マイクロ波線ｒ２及びｒｎは、マイクロ波線ｒ１及びｒｍよりも、理想的な位相５００からの大きな位相オフセットを具備している。従って、マイクロ波線ｒ１及びｒｍは、ターゲットにおけるマイクロ波放射の振幅に最も寄与し（これらのマイクロ波線は、理想的な位相５００に最も近接しており、量子化ライン５１０から最も離れているため）、マイクロ波線ｒ２及びｒｎは、ターゲットにおけるマイクロ波放射の振幅に最も少なく寄与する（これらのマイクロ波線は、量子化ライン５１０に最も近接しているため）。従って、マイクロ波線が理想的な位相から最大の位相オフセットを具備している（即ち、マイクロ波線ｒ２及びｒｎの）アンテナ要素の位相シフトを変更することにより、ターゲットにおける建設的な干渉の大きな変化を生成することなしに、受信機における破壊的な干渉を増強可能である。例えば、理想的な位相５００で放射線を良好にアライメントするべく、先程示したように、マイクロ波線ｒ２及びｒｎを生成するアンテナ要素を１８０度の位相シフトによってプログラムする代わりに、ターゲットにおける建設的な干渉を比例して減少させることなしに、マイクロ波受信機における破壊的な干渉を増大させるべく、マイクロ波線ｒ２及びｒｎを生成するアンテナ要素を０度の位相シフトによってプログラム可能である。その他の実施例においては、同一の原理を適用し、ターゲットにおいてメインローブにおける十分な建設的な干渉を維持しつつ、ターゲットにおいてサイドローブにおける破壊的な干渉を増大させることにより、サイドローブの面積を極小化可能であることを理解されたい。
【００５５】
図８Ａ及び図８Ｂは、マイクロ波受信機における模範的な信号対雑音比を示すグラフである。ターゲットからの信号は、８００というラベルが付加され、Ｔと表記されており、受信機における雑音は、８１０というラベルが付加され、Ｒと表記されている。図８Ａは、図５Ｂに示されている位相シフトを使用して信号８００と雑音８１０を表しており、この場合に、アンテナ要素は、理想的な位相５００で放射線を良好にアライメントするべく設計された位相シフトによってプログラムされている。横座標は、様々な可能な理想的な位相５００の選択肢を示しており、これは、０〜３６０度の範囲で変化可能である。図８Ｂは、受信機における破壊的な干渉を増大させるべく設計された位相シフトを使用して信号８００と雑音８１０を表している。図８Ａにおいては、最小雑音レベル８２０は、約−７０ｄｂであり、図８Ｂにおいては、最小雑音レベル８２０は、約−７５ｄｂである。従って、図８ＢのＳＮＲは、図８ＡのＳＮＲよりも高くなっている。又、図８Ａと図８Ｂの間には、ターゲットからの信号レベル８００に大きな違いはない。
【００５６】
本発明の実施例に従って最適化可能な別のパラメータは、パターンの圧縮と関連するメトリックである。模範的な２値位相シフトパターン１１５の一部が図９に示されている。パターン１１５のサイズは、アレイと同じサイズであり、パターン１１５内のそれぞれの要素６００は、アレイ内の対応したアンテナ要素８０の位相シフトを表している。ハイレベルにおいては、図１２に示されているように、パターン１１５に対するグローバルな構造が存在している。しかしながら、（図９に示されているように）ミクロレベルにおいて個別の位相シフト６００を見た場合には、パターン１１５は、多少ランダムなように思われる。パターン１１５を、（それぞれが、区域内の要素の合計数を下回るエントロピーを有する）複数要素の区域に分割可能な場合には、パターン１１５を圧縮することにより、パターン１１５の保存に必要なメモリ空間の量を低減し、パターンデータの処理速度を向上させることができる。
【００５７】
例えば、図１０Ａに示されているように、正方形の要素６００の２ｘ２である様々な区域１０００が示されている。それぞれの区域１０００は、３のエントリピーを具備しており、これは、４つの要素６００を表すのに３ビットが必要であることを意味している。別の例として、図１０Ｂには、正方形の要素６００の４ｘ４である様々な区域１０１０が示されている。それぞれの区域１０１０は、１０のエントリピーを具備しており、これは、１６個の要素６００を表すのに１０ビットが必要であることを意味している。区域１０００又は１０１０のエントリピーを減少させるには（従って、圧縮を増大させるには）、可能な区域１０００又は１０１０の数（或いは、要素６００の特定のサイズブロック）を低減しなければならない。図１０Ａ及び図１０Ｂのいずれにおいても、区域は、左上において最も頻繁に使用され、右下において最も少ない頻度で使用された状態で示されている。最も少ない頻度で使用される区域を確率として除去可能である場合には、区域１０００又は１０１０内の要素６００を表すのに必要なビット数が減少する（エントリピーが減少する）。これは、高圧縮比を有する（但し、「無損失圧縮」よりも歪が大きい）「多損失圧縮」に結び付くことになる。
【００５８】
例えば、図１０Ａ内の最下位行の区域１０００のすべてが確率として除去される場合には、除去された区域の１つ又は複数を含むパターン内の１つ又は複数の要素６００の位相シフトを変更しなければならない。図９を再度参照すれば、要素６００の左上の２ｘ２の正方形ブロックは、図１０Ａの最下位の区域１０００の１つ、具体的には、左下の区域１０００に似ている。従って、エントロピーを減少させ、パターン１１５の圧縮を増大させるには、要素６００のブロックが、図１０Ａの残りの可能な区域１０００の１つに似るように、図９の要素６００の左上の２ｘ２の正方形ブロック内の要素６００の少なくとも１つの位相シフトを変更しなければならない。
【００５９】
このメトリックの代わりに（或いは、これに加えて）、その他の圧縮メトリックを使用することも可能であることを理解されたい。例えば、個々のアンテナ要素又はアンテナ要素のブロックのどちらかを変更するべきかを判定するには、ターゲットにおけるマイクロ波放射の振幅に対するそれぞれのアンテナ要素又はアンテナ要素のブロックの寄与を多損失圧縮用の重み付けメトリック（metric,測定基準）として使用可能である。
【００６０】
図１１は、本発明の実施例によるターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システムを最適化する模範的なプロセス１１００を示すフローチャートである。まず、ブロック１１１０において、プログラム可能なマイクロ波アンテナ要素のアレイを提供する。ブロック１１２０において、ターゲットに向かってマイクロ波放射のビームを導くために、アレイ内のアンテナ要素のそれぞれを個別の位相シフトによってプログラムするためのパターンを設計する。ブロック１１３０において、マイクロ波画像生成システムの１つ又は複数のパラメータを最適化するべく、パターン内のアンテナ要素の１つ又は複数のもののプログラムされた位相シフトを変更する。
【００６１】
当業者であれば、本出願において説明した革新的な概念を様々なアプリケーションにおいて変更及び変形可能であることを認識するであろう。従って、特許対象の範囲は、説明した特定の模範的な教示のいずれかに限定されるものではなく、添付の請求項に規定されているとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施例によるプログラム可能なアンテナアレイを含む単純な模範的なマイクロ波画像生成システムの概略図である。
【図２】本発明の実施例による能動的送信／受信アレイにおいて使用する模範的な能動的アンテナ要素を示している。
【図３】本発明の実施例による反射器アレイにおいて使用する受動的アンテナ要素の断面図である。
【図４】本発明の実施例によるマイクロ波放射を反射する反射アンテナ要素を内蔵した模範的な反射器アレイの平面概略図である。
【図５Ａ】マイクロ波線のフェーザー表現である。
【図５Ｂ】マイクロ波線のフェーザー表現である。
【図５Ｃ】マイクロ波線のフェーザー表現である。
【図６Ａ】連続マイクロ波画像用の位相シフトパターンの模範的な一部を示している。
【図６Ｂ】連続マイクロ波画像用の位相シフトパターンの模範的な一部を示している。
【図６Ｃ】連続マイクロ波画像用の位相シフトパターンの模範的な一部を示している。
【図７】マイクロ波源とマイクロ波受信機間における漏れマイクロ波放射を示す概略図である。
【図８Ａ】マイクロ波受信機における模範的な信号対雑音比を示すグラフである。
【図８Ｂ】マイクロ波受信機における模範的な信号対雑音比を示すグラフである。
【図９】アレイ用の位相シフトパターンの模範的な一部である。
【図１０Ａ】位相シフトパターンの模範的な圧縮可能部分を示している。
【図１０Ｂ】位相シフトパターンの模範的な圧縮可能部分を示している。
【図１１】本発明の実施例によるターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システムを最適化する模範的なプロセスを示すフローチャートである。
【図１２】アレイ用の模範的なグローバルな位相シフトパターンを示している。
【符号の説明】
【００６３】
１０ マイクロ波画像生成システム
５０ アレイ
６０ マイクロ波源
８０ アンテナ要素
９０ 反射ビーム
１５５ ターゲット
４００ マイクロ波照射
４１０ マイクロ波放射のビーム
５００ 理想的な位相
６００ 位相シフト
７００ マイクロ波受信機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システムにおいて使用するアレイであって、
複数のアンテナ要素のそれぞれからのマイクロ波放射が前記ターゲットに同相で到達するように、それぞれが前記ターゲットに向かって前記マイクロ波放射のビームを導く個別の位相シフトによってプログラム可能な前記複数のアンテナ要素を有し、
前記複数のアンテナ要素の中の選択されたものの前記位相シフトを変化させて前記マイクロ画像生成システムのパラメータを最適化する、アレイ。
【請求項２】
前記複数のアンテナ要素のそれぞれは、反射アンテナ要素であり、前記反射アンテナ要素のそれぞれは、マイクロ波源からマイクロ波照射を受信し、前記個別のプログラムされている位相シフトに基づいて、前記マイクロ波照射を反射して前記マイクロ波放射のビームを前記ターゲットに向かって導くように構成されており、前記反射アンテナ要素のそれぞれは、前記ターゲットから反射されたマイクロ波放射の反射ビームを受信し、前記反射アンテナ要素のそれぞれに関連付けられている前記個別にプログラムされている位相シフトに基づいて、前記反射ビームをマイクロ波受信機に向かって反射するように構成されている、請求項１記載のアレイ。
【請求項３】
前記最適化対象のパラメータは、前記ターゲットにおける前記マイクロ波放射の建設的な干渉と前記マイクロ波受信機における前記マイクロ波放射の破壊的な干渉の比率であり、前記比率は、前記ターゲットにおける前記建設的な干渉の相応した減少を伴うことなしに、前記マイクロ波受信機における前記破壊的な干渉を増大させることによって最適化される、請求項２記載のアレイ。
【請求項４】
前記複数のアンテナ要素のそれぞれの前記位相シフトは、理想的な位相に基づいて選択されており、前記選択されたアンテナ要素のそれぞれは、前記複数のアンテナ要素のその他のものよりも大きな前記理想的な位相からの位相オフセットを具備したマイクロ波放射の個別のビームを生成する、請求項３記載のアレイ。
【請求項５】
前記最適化対象のパラメータは、連続マイクロ波画像間における前記アレイ内の位相シフト変化の最小数であり、前記アレイは、前記物体と関連付けられているターゲットの連続マイクロ波画像を取得することによる物体の走査に使用するべく設計されており、前記位相シフト変化の最小数は、前記連続マイクロ波画像の順序を選択することによって最適化される、請求項１記載のアレイ。
【請求項６】
前記最適化対象のパラメータは、サイドローブ面積に対するメインローブ面積の比率である、請求項１記載のアレイ。
【請求項７】
前記ターゲットに前記マイクロ波放射のビームを導くべく前記複数のアンテナ要素のそれぞれごとにプログラムされている前記位相シフトは、パターンを形成しており、前記最適化対象のパラメータは、前記パターンを表すビットのデジタル圧縮と関連するメトリックである、請求項１記載のアレイ。
【請求項８】
ターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システムの動作を最適化する方法であって、
複数のプログラム可能なマイクロ波アンテナ要素を含むアレイを提供するステップと、
マイクロ波放射のビームを前記ターゲットに向かって導くべく前記マイクロ波アンテナ要素のそれぞれごとに個別の位相シフトのパターンを設計するステップと、
前記マイクロ波画像生成システムのパラメータを最適化するべく、前記パターン内の前記複数のアンテナ要素の中の選択されたものの前記位相シフトを変更するステップと、
を含む方法。
【請求項９】
前記最適化対象のパラメータは、前記ターゲットにおける前記マイクロ波放射の建設的な干渉とマイクロ波受信機における前記マイクロ波放射の破壊的な干渉の比率であり、前記変更ステップは、前記ターゲットにおける前記建設的な干渉の相応した減少を伴うことなしに、前記マイクロ波受信機における前記破壊的な干渉を増大させるステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記最適化対象のパラメータは、連続マイクロ波画像間における前記アレイ内の位相シフト変化の最小数であり、前記変更ステップは、それらの間の位相シフト変化の前記最小値を最適化するべく前記連続マイクロ波画像の順序を選択するステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【請求項１】
ターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システムにおいて使用するアレイであって、
複数のアンテナ要素のそれぞれからのマイクロ波放射が前記ターゲットに同相で到達するように、それぞれが前記ターゲットに向かって前記マイクロ波放射のビームを導く個別の位相シフトによってプログラム可能な前記複数のアンテナ要素を有し、
前記複数のアンテナ要素の中の選択されたものの前記位相シフトを変化させて前記マイクロ画像生成システムのパラメータを最適化する、アレイ。
【請求項２】
前記複数のアンテナ要素のそれぞれは、反射アンテナ要素であり、前記反射アンテナ要素のそれぞれは、マイクロ波源からマイクロ波照射を受信し、前記個別のプログラムされている位相シフトに基づいて、前記マイクロ波照射を反射して前記マイクロ波放射のビームを前記ターゲットに向かって導くように構成されており、前記反射アンテナ要素のそれぞれは、前記ターゲットから反射されたマイクロ波放射の反射ビームを受信し、前記反射アンテナ要素のそれぞれに関連付けられている前記個別にプログラムされている位相シフトに基づいて、前記反射ビームをマイクロ波受信機に向かって反射するように構成されている、請求項１記載のアレイ。
【請求項３】
前記最適化対象のパラメータは、前記ターゲットにおける前記マイクロ波放射の建設的な干渉と前記マイクロ波受信機における前記マイクロ波放射の破壊的な干渉の比率であり、前記比率は、前記ターゲットにおける前記建設的な干渉の相応した減少を伴うことなしに、前記マイクロ波受信機における前記破壊的な干渉を増大させることによって最適化される、請求項２記載のアレイ。
【請求項４】
前記複数のアンテナ要素のそれぞれの前記位相シフトは、理想的な位相に基づいて選択されており、前記選択されたアンテナ要素のそれぞれは、前記複数のアンテナ要素のその他のものよりも大きな前記理想的な位相からの位相オフセットを具備したマイクロ波放射の個別のビームを生成する、請求項３記載のアレイ。
【請求項５】
前記最適化対象のパラメータは、連続マイクロ波画像間における前記アレイ内の位相シフト変化の最小数であり、前記アレイは、前記物体と関連付けられているターゲットの連続マイクロ波画像を取得することによる物体の走査に使用するべく設計されており、前記位相シフト変化の最小数は、前記連続マイクロ波画像の順序を選択することによって最適化される、請求項１記載のアレイ。
【請求項６】
前記最適化対象のパラメータは、サイドローブ面積に対するメインローブ面積の比率である、請求項１記載のアレイ。
【請求項７】
前記ターゲットに前記マイクロ波放射のビームを導くべく前記複数のアンテナ要素のそれぞれごとにプログラムされている前記位相シフトは、パターンを形成しており、前記最適化対象のパラメータは、前記パターンを表すビットのデジタル圧縮と関連するメトリックである、請求項１記載のアレイ。
【請求項８】
ターゲットのマイクロ波画像を取得するマイクロ波画像生成システムの動作を最適化する方法であって、
複数のプログラム可能なマイクロ波アンテナ要素を含むアレイを提供するステップと、
マイクロ波放射のビームを前記ターゲットに向かって導くべく前記マイクロ波アンテナ要素のそれぞれごとに個別の位相シフトのパターンを設計するステップと、
前記マイクロ波画像生成システムのパラメータを最適化するべく、前記パターン内の前記複数のアンテナ要素の中の選択されたものの前記位相シフトを変更するステップと、
を含む方法。
【請求項９】
前記最適化対象のパラメータは、前記ターゲットにおける前記マイクロ波放射の建設的な干渉とマイクロ波受信機における前記マイクロ波放射の破壊的な干渉の比率であり、前記変更ステップは、前記ターゲットにおける前記建設的な干渉の相応した減少を伴うことなしに、前記マイクロ波受信機における前記破壊的な干渉を増大させるステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記最適化対象のパラメータは、連続マイクロ波画像間における前記アレイ内の位相シフト変化の最小数であり、前記変更ステップは、それらの間の位相シフト変化の前記最小値を最適化するべく前記連続マイクロ波画像の順序を選択するステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−２６７１０３（Ｐ２００６−２６７１０３Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７５７８８（Ｐ２００６−７５７８８）
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】３９５ Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２０日（２００６．３．２０）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】３９５ Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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