走査パネルおよびそれを用いた方法
【課題】高いべき乗法則による信号損失の増大やＳＮＲの低下なしに高いＡＦＯＶが得られるマイクロ波画像形成に使用されるコスト効率の高いアンテナアレイを提供すること。
【解決手段】マイクロ波照明の送信ビームを前記ターゲットの方に導くように、それぞれの位相遅れをそれぞれプログラム可能であり、受信ビームで前記ターゲットから反射された反射マイクロ波照明をそれぞれ受け取ることができる複数のアンテナ素子を備え、前記複数のアンテナ素子が、マイクロ波照明の前記送信ビームを送信ビームパターンで導くように配列されたアンテナ素子の第１のアレイと、前記送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンで前記受信ビームを受け取るように配列されたアンテナ素子の第２のアレイとを備え、前記ターゲットの前記マイクロ波画像が、前記送信ビームと前記受信ビームの交差部位に形成される、走査パネル。
【解決手段】マイクロ波照明の送信ビームを前記ターゲットの方に導くように、それぞれの位相遅れをそれぞれプログラム可能であり、受信ビームで前記ターゲットから反射された反射マイクロ波照明をそれぞれ受け取ることができる複数のアンテナ素子を備え、前記複数のアンテナ素子が、マイクロ波照明の前記送信ビームを送信ビームパターンで導くように配列されたアンテナ素子の第１のアレイと、前記送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンで前記受信ビームを受け取るように配列されたアンテナ素子の第２のアレイとを備え、前記ターゲットの前記マイクロ波画像が、前記送信ビームと前記受信ビームの交差部位に形成される、走査パネル。
【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捕捉するためにマイクロ波画像形成システムに使用する走査パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波画像形成の最近の進歩によって、物体や他の対象物（例えば、被験者）の二次元マイクロ波画像さらには三次元マイクロ波画像を生成できるマイクロ波画像形成システムの商業的開発が可能になった。現在、いくつかの使用可能なマイクロ波画像形成技術がある。例えば、１つの技術は、マイクロ波検出器アレイ（今後「アンテナ素子」と呼ぶ）を使用して、ターゲット(target,対象)から放射された受動的なマイクロ波エネルギーあるいはターゲットの能動的なマイクロ波照明に応答してターゲットから反射された反射マイクロ波エネルギー(reflected microwave energy)を捕捉する。人や品物の二次元または三次元画像は、ターゲットの位置に対してアンテナ素子アレイを走査しかつ／または送信または検出されたマイクロ波エネルギーの周波数（または波長）を調整することによって構成される。
【０００３】
マイクロ波エネルギー（microwave energy)の送受信に使用される送受信アンテナアレイは、「Ａ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」と題する特許文献１と、「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ」と題する特許文献２に記載されているような従来のアナログ位相アレイまたは２進反射板アレイを使用して構成することができる。どちらのタイプのアレイも、最高空間解像度を有する最大アドレス指定可能体積は、短い波長λを選択し、両方向の隣り合ったアンテナ素子の間隔がλ／２になるようにアレイをアンテナ素子で密に埋め、アレイの二次元面積を最大にすることによって得られる。例えば、アレイが１辺Ｌの正方形の場合は、アレイから距離Ｌにある物体を約λの解像度で画像形成することができる。
【０００４】
しかしながら、アンテナ素子の数、ひいてはアレイのコスト、は（Ｌ／λ）２に比例する。この二次式のコスト従属性は、アドレス指定可能な視野を広くするためにアレイのサイズを大きくしたり解像度を高めるために波長を短くしたりするときの障害となる。本明細書で使用されるとき、用語「アドレス指定可能な視野」（ＡＦＯＶ）は、高解像度でアドレス指定可能な体積（すなわち、最高解像度に対する指定された係数の範囲内で解像できる体積）を指す。
【０００５】
コストと解像度とＡＦＯＶの問題のために提案された１つの解決策は、密なアンテナアレイではなく疎なアンテナアレイを使用することである。解像度は、開口数（ただし、この開口数は直径に依存しアレイの面積に依存しない）と共に高くなるので、２つまたは４つのアンテナ素子がＬだけ離間されたアレイは、所望の解像度を達成することができる。しかしながら、疎なアレイはマルチローブアンテナパターン（multi-lobed antenna patterns）を生成する。アレイが従来の送信フェーズドアレイ(transmit phased array)であり、疎係数（ｓｐａｒｓｅｎｅｓｓ ｆａｃｔｏｒ）が１≧ｓ≧０の場合、フーリエ解析のパーセバルの定理によれば、同じ広さの本来密（ｓ＝１）アレイが解像する領域内には送信出力のうちのｓだけが入る。疎なアレイが反射板アレイ(reflector array)であり、送信ホーンが本来密（ｓ＝１）アレイの最大範囲を照明する場合、疎なアレイは、ホーンの出力のうちのｓだけを処理する。したがって、効率係数（すなわち、オリジナル領域を埋める送信部分）はｓ２である。反射板アレイが、マイクロ波照明をターゲットの方に導くためとターゲットからの反射マイクロ波照明を受け取るための両方に使用される場合は、全効率係数η＝ｓ４である。例えば、５０％の疎な反射板アレイは、１／１６＝６．２５％の送受信効率となる。したがって、アレイが疎になるとき信号損失は４乗で増大する。
【０００６】
疎なアレイの信号対雑音（ＳＮＲ）比率も、ｓ２またはｓ４依存性を受ける。さらに、漂遊放射線により生じる暗騒音（「クラッタ」と呼ばれることもある）が、いくつかの理由のために疎なアレイのＳＮＲをさらに低下させる。第１に、本来密（ｓ＝１）アレイの空領域は、フィルファクタ効率(fill factor efficiency)１−ｓで放射を反射する集合的平面鏡になる。第２に、残りの（占有）領域の幾何学形状は、一般に、アンテナの位相が変化するときに不完全に制御された形で方向を変化させるサイドローブを生成する。サイドローブの重みは、アレイが疎になるほど増大する。ＳＮＲは、アレイが疎になるときにこれらの２つの要因によってシステム雑音が増大するレベルまで、経験的にｓａ／（１−ｓ）ｂで変化し、この場合ａ≒４、ｂ≒１である。したがって、疎なアレイは、信号損失を増加させＳＮＲを低下させる。
【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】
【０００７】
したがって、高いべき乗法則による信号損失の増大やＳＮＲの低下なしに高いＡＦＯＶが得られるマイクロ波画像形成に使用されるコスト効率の高いアンテナアレイの設計が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、ターゲットのマイクロ波画像を捕捉するためにマイクロ波画像形成システムに使用する走査パネルを提供することである。走査パネルは、マイクロ波照明の送信ビームをターゲットの方に導くようにそれぞれの位相遅れをそれぞれプログラムすることができかつ受信ビームでターゲットから反射された反射マイクロ波照明をそれぞれ受け取ることができる複数のアンテナ素子を含む。アンテナ素子は、相補的な２つのアレイで配列される。アンテナ素子の第１のアレイは、マイクロ波照明の送信ビームを送信ビームパターンでターゲットの方に導くように配列される。アンテナ素子の第２のアレイは、受信ビームを送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンで受け取るように配列される。送信ビームと受信ビームの間の交差部位にターゲットのマイクロ波画像が形成される。
【０００９】
１つの実施形態において、アンテナ素子は、反射アンテナ素子(reflecting antenna elements)である。マイクロ波源は、マイクロ波照明をアンテナ素子の第１のアレイの方に送り、アンテナ素子の第１のアレイは、次に、マイクロ波照明のビームをターゲットの方に導くようにそれぞれのプログラムされた位相遅れに基づいてマイクロ波照明を反射する。アンテナ素子の第２のアレイは、ターゲットから反射された反射マイクロ波照明を受け取り、反射マイクロ波照明を、第２のアレイ内の反射アンテナ素子と関連付けられた追加のそれぞれの位相遅れに基づいてマイクロ波受信器の方に反射するように構成される。
【００１０】
さらに他の実施形態において、送信ビームパターンと受信ビームパターンは、直交楕円ビームであり、第１と第２のアレイは、アレイのそれぞれの中間点近くで交差する。さらに他の実施形態において、送信ビームパターンは、粗いスポットのシングルローブ(single-lobed)ビームパターンであり、受信ビームパターンは、細かいスポットのマルチローブ(multi-lobed)パターンである。第１のアレイが、第２のアレイの面積よりも小さい面積を有し、第１のアレイは、第２のアレイの密度よりも大きい密度を有する。もう１つの実施形態において、送信ビームパターンと受信ビームパターンは、互いに４５度回転された十字形ビームである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
開示した発明は、本発明の重要な実施例を示し参照により本明細書に組み込まれる添付図面を参照して説明される。
【００１２】
本明細書で使用されるとき、マイクロ波放射とマイクロ波照明（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）という用語はそれぞれ、約１ＧＨｚ〜約１，０００ＧＨｚの周波数に対応する０．３ミリメートル〜３０ｃｍの波長を有する帯域の電磁放射を指す。したがって、マイクロ波放射とマイクロ波照明という用語はそれぞれ、従来のマイクロ波放射ならびに一般にミリメートル波放射として知られるものを含む。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態による簡略化した例示的なマイクロ波画像形成システム１０の概略図である。このマイクロ波画像形成システム１０は、物体（例えば、スーツケース、被験者、または他の対象物）のマイクロ波画像を捕捉するために、それぞれアンテナ素子８０によってマイクロ波放射を送受信することができる１つまたは複数の走査パネル５０（便宜上そのうちの１つだけを示す）を含む。
【００１４】
１つの実施形態において、走査パネル５０は、反射アンテナ素子８０で構成された受動的にプログラム可能な反射板アレイ(reflector array)を含む。反射アンテナ素子にはそれぞれ、画像形成する物体１５０上のターゲット１５５の方にマイクロ波照明を導くようにそれぞれの位相遅れをプログラムすることができる。位相遅れは、２値でもよく連続でもよい。例えば、走査パネル５０がマイクロ波源（図示せず）から受け取ったマイクロ波照明は、物体１５０上のターゲット１５５の方に反射され、ターゲット１５５から反射されて走査パネル５０が受け取った反射マイクロ波照明は、個別の反射アンテナ素子８０のそれぞれにそれぞれの位相遅れをプログラムすることによってマイクロ波受信器（図示せず）の方に反射される。
【００１５】
もう１つの実施形態において、走査パネル５０は、マイクロ波照明を生成し送信しかつ反射マイクロ波照明を受け取り捕捉することができる能動アンテナ素子(active antenna elements)８０で構成された能動送信器／受信器アレイを含む。例えば、能動アレイは、送信アレイの形でよい。この実施形態において、走査パネル５０がマイクロ波放射源として働くので、離れたマイクロ波源は使用されない。能動送信器／受信器アレイ内の能動アンテナ素子にはそれぞれ、マイクロ波照明ビームをターゲット１５５の方に操縦するようにそれぞれの位相ずれを個別にプログラムすることができる。
【００１６】
マイクロ波画像形成システム１０は、さらに、プロセッサ１００、コンピュータ可読媒体１１０、および表示装置１２０を含む。プロセッサ１００は、ターゲット１５５および／または物体１５０のマイクロ波画像を構成するために走査パネル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照明を処理する任意のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせを含む。例えば、プロセッサ１００は、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブル論理素子、コンピュータプログラム命令を実行するように構成されたディジタル信号処理プロセッサや他のタイプの処理装置、およびプロセッサ１００によって使用される命令や他のデータを記憶する１つまたは複数のメモリ（例えば、キャッシュメモリ）を含む。しかしながら、プロセッサ１００の他の実施形態を使用できることを理解されたい。メモリ１１０は、ハードドライブ、ランダムアクセス記憶装置（ＲＡＭ）、読み出し専用記憶装置（ＲＯＭ）、コンパクトディスク、フロッピディスク、ＺＩＰ（登録商標）ドライブ、テープドライブ、データベース、または他のタイプの記憶装置または記憶媒体を含む任意のタイプのデータ記憶装置であるが、これらに限定されるわけではない。
【００１７】
プロセッサ１００は、物体１５０上の複数のターゲット１５５にマイクロ波放射を照射しかつ／または物体１５０上の複数のターゲット１５５からの反射マイクロ波照明を受け取るように走査パネル５０内の個々のアンテナ素子８０のそれぞれの位相遅れまたは位相ずれをプログラムする働きをする。したがって、プロセッサ１００は走査パネル５０と協働して、物体１５０を走査する働きをする。
【００１８】
プロセッサ１００は、さらに、物体１５０上の各ターゲット１５５から走査パネル５０が捕捉した反射マイクロ波照明の強度を使用して物体１５０のマイクロ波画像を構成することができる。例えば、走査パネル５０が反射板アレイの場合、マイクロ波受信器（図示せず）は、走査パネル５０内の各アンテナ素子８０から反射された反射マイクロ波照明を組み合わせて、ターゲット１５５における反射マイクロ波照明の実効強度値を生成することができる。この強度値は、プロセッサ１００に渡され、プロセッサ１００は、その強度値を、物体１５０上のターゲット１５５に対応する画素またはボクセル（３Ｄ画素）の値として使用する。動作において、マイクロ波画像形成システム１０は、毎秒数百万個のターゲット１５５を走査できる周波数で動作することができる。
【００１９】
ターゲット１５５および／または物体１５０の得られたマイクロ波画像をプロセッサ１００から表示装置１２０に渡して、マイクロ波画像を表示することができる。１つの実施形態において、表示装置１２０は、物体３０の三次元マイクロ波画像あるいはターゲット１５５および／または物体１５０の１つまたは複数の一次元または二次元マイクロ波画像を表示する二次元表示装置である。もう１つの実施形態において、表示装置１２０は、物体１５０の三次元マイクロ波画像を表示することができる三次元表示装置である。
【００２０】
複数の走査パネル５０を使用して物体１５０の様々な部分を走査できることを理解されたい。例えば、マイクロ波画像形成システム１０は、物体１５０の半分を走査するアンテナ素子８０の１ｍｘ１ｍアレイをそれぞれ含む２つの走査パネルで実現することができる。もう１つの例として、マイクロ波画像形成システム１０は、物体１５０の４分の１を走査できるアンテナ素子８０の０．５ｍｘ０．５ｍアレイをそれぞれ含む４つの走査パネル５０で実現することができる。
【００２１】
図２は、能動送信／受信アレイに使用する能動アンテナ素子２００（図１のアンテナ素子８０に対応する）の例を示す。能動アンテナ素子２００は、それぞれのスイッチ２１５に接続されたアンテナ２１０を含む広帯域２値位相アンテナ素子(broadband binary phased antenna element)である。スイッチ２１５は、例えば、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチまたは二極双投（ＤＰＤＴ）スイッチである。スイッチ２１５の動作状態は、それぞれのアンテナ素子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、アンテナ素子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、アンテナ素子２００は第２の２値状態（例えば、１８０度）である。スイッチ２１５の動作状態は、スイッチ２１５の端子接続を定義する。例えば、第１の動作状態において、端子２１８は、アンテナ２１０とスイッチ２１５の間で給電ライン２１６を接続するよう閉じた（短絡）位置にあり、端子２１９は開いた位置にある。各スイッチ２１５の動作状態は、各アンテナ素子２００の位相を個別にセットするように制御回路（図示せず）によって独立に制御される。
【００２２】
本明細書において使用する「対称アンテナ（symmetric antenna）２１０」という用語は、２つの反対の対称的な電界分布（または電流）のいずれかを生成するよう、２つの給電ポイント２１１又は２１３のいずれかににおいて供給される、または引き出されることのできるアンテナを指す。図２に示したように、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がアンテナ２１０を通過することにより、２つの対称的なサイド２５２と２５４が生成される。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上に配置される。一実施形態においては、給電ポイント２１１及び２１３は、ミラー軸２５０を中心した実質的に対称的なアンテナ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（寸法）２６０（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、寸法２６０の中点２７０の近くに配置されることができる。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上のアンテナ２１０の中点２７０の近く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とＢで示した２つの反対の対称的な電界分布を生成することができる。電界分布Ａの振幅（例えば、電力）は、電界分布Ｂの振幅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度異なる。したがって、電界分布Ａは、電気サイクルが±１８０°の電界分布Ｂと類似している。
【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この「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スイッチまたはＤＰＤＴスイッチを示している。
【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αのインピーダンスが１０Ωでチャネルβのインピーダンスが１ｋΩの場合は、ＳＰＤＴスイッチの第２の動作状態において、チャネルαのインピーダンスが１ｋΩで、チャネルβのインピーダンスが１０Ωである。チャネルインピーダンスが、完全に開いた状態でも、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象である限り、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の間で）同一である場合に、対称である。
【００２６】
図３は、アンテナ素子３００のインピーダンス状態により異なる位相で電磁放射を反射する働きをする反射アンテナ素子３００（図１のアンテナ素子８０に対応する）の断面図を示す。反射アンテナ素子３００は、アンテナ（パッチアンテナ３２０ａ）と非理想的スイッチング素子（表面実装型電界効果トランジスタ「ＦＥＴ」３２２）とを含む。
【００２７】
反射アンテナ素子３００は、プリント回路基板３１４の上と中に形成されており、表面実装ＦＥＴ３２２、パッチアンテナ３２０ａ、ドレインバイア(drain via)３３２、接地平面３３６、およびソースバイア(source via)３３８を含む。表面実装ＦＥＴ３２２は、プリント回路基板３１４の平面パッチアンテナ３２０ａと反対側に取り付けられており、接地平面３３６は、平面パッチアンテナ３２０ａと表面実装ＦＥＴ３２２の間にある。ドレインバイア３３２は、表面実装ＦＥＴ３２２のドレイン３２８を平面パッチアンテナ３２０ａに接続し、ソースバイア３３８は、表面実装ＦＥＴ３２２のソース３２６を接地平面３３６に接続する。
【００２８】
実際の製品において、反射板アンテナアレイは、ドライバ電子回路を含むコントローラ基板３４０に接続される。例示的なコントローラ基板３４０は、図３にも示されており、接地平面３４４、駆動信号ビア３４６、およびドライバ電子回路３４２を含む。コントローラ基板３４０は、また、反射板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を含む。２つの基板のコネクタ３４８は、例えばウェーブはんだ付けを使用して接続することができる。他の実施形態において、ＦＥＴ３２２が、プリント回路基板３１４の平面パッチアンテナ３２０ａと同じ側に表面実装されてもよいことを理解されたい。さらに、ドライバ電子回路３４２は、反射アンテナ素子３００を構成したプリント回路基板と同じプリント回路基板に直接はんだ付けされてもよい。
【００２９】
パッチアンテナ素子３２０ａは、位相が反射アンテナ素子３００のインピーダンスレベルにある程度依存してずれた状態で反射するように機能する。反射アンテナ素子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有する。アンテナの設計パラメータには、構造の絶縁性材料、絶縁性材料の厚さ、アンテナの形状、アンテナの長さと幅、給電位置、アンテナ金属層の厚さなどの物理的属性があるが、これらに限定されない。
【００３０】
ＦＥＴ３３０（非理想的スイッチング素子）は、抵抗状態を変化させることによって反射アンテナ素子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。反対に、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素子（本明細書において「理想的」スイッチング素子と呼ばれる）は、抵抗がその最低状態にあるときに実質的にゼロのインピーダンス（Ｚ＝０）を生成し、抵抗がその最大状態にあるときに実質的に無限大のインピーダンス（Ｚ＝∞）を生成する。本明細書で説明するように、スイッチング素子は、そのインピーダンスがその最低状態（例えば、Ｚｏｎ＝０）にある際には「オン」であり、そのインピーダンスがその最大状態（例えば、Ｚ０ｆｆ＝∞）にある際には「オフ」である。理想的スイッチング素子のオンとオフのインピーダンス状態は、実質的にＺｏｎ＝０とＺｏｆｆ＝∞なので、理想的スイッチング素子は、電磁放射の吸収なしにオン状態とオフ状態の間で最大の移相を実現することができる。すなわち、理想的スイッチング素子は、０度と１８０度の位相状態の間でスイッチングを実現することができる。理想的スイッチング素子の場合には、有限な非ゼロのインピーダンスを示すアンテナにより、最大位相-振幅性能を実現することができる。
【００３１】
理想的スイッチング素子と対照的に、「非理想的」スイッチング素子は、それぞれＺｏｎ＝０とＺｏｆｆ＝∞でオンとオフのインピーダンス状態を示さないスイッチング素子である。より正確に言うと、非理想的スイッチング素子のオンとオフのインピーダンス状態は、一般に、例えば０＜｜Ｚｏｎ｜＜｜Ｚｏｆｆ｜＜∞のどこかである。しかしながら、用途によっては、オンとオフのインピーダンス状態は｜Ｚｏｆｆ｜＜＝｜Ｚｏｎ｜でもよい。非理想的スイッチング素子は、特定の周波数範囲（例えば、＜１０ＧＨｚ）内で理想的なインピーダンス特性を示し、他の周波数範囲（例えば、＞２０ＧＨｚ）できわめて非理想的なインピーダンス特性を示すことになる。
【００３２】
非理想的スイッチング素子のオンとオフの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、非理想的スイッチング素子によれば、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はできない。ここで、最大位相状態性能は、０度から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の反射アンテナ素子３００は、最適な位相性能を提供するように特別に設計されており、この反射アンテナ素子の最適な位相状態性能とは、反射素子が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ている地点のことである。一実施形態においては、このような最適な位相状態性能を実現するべく、非理想的スイッチング素子（ＦＥＴ３３０）のインピーダンスの関数としてアンテナ素子３００が構成される。例えば、アンテナ素子３００のインピーダンスがＦＥＴ３３０のインピーダンス特性の関数になるようにアンテナ素子３００が設計される。
【００３３】
さらに、アンテナ素子３００は、オン状態Ｚｏｎにおける非理想的スイッチング素子（ＦＥＴ３３０）のインピーダンスと、オフ状態Ｚｏｆｆにおける非理想的スイッチング素子３３０のインピーダンスの関数として構成される。特定の実施形態においては、反射アンテナ素子３００の位相状態性能は、オンとオフのインピーダンス状態ＺｏｎとＺｏｆｆのときにアンテナ素子３００のインピーダンスが非理想的スイッチング素子３３０のインピーダンスの平方根と共役になるようにアンテナ素子３００が構成されるときに最適化される。具体的には、アンテナ素子３００のインピーダンスは、対応する非理想的スイッチング素子３３０のオンとオフのインピーダンス状態ＺｏｎとＺｏｆｆの相乗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】
前述の関係は、ソースインピーダンス（source impedance）と負荷インピーダンスの間の複素反射係数の周知の公式を使用して導き出される。アンテナ素子３００をソース（source）として選択すると共に、非理想的スイッチング素子３３０を負荷として選択し、オン状態の反射係数がオフ状態の反射係数の逆と等しくなるように設定することにより、式（１）が得られる。
【００３５】
最適な位相−振幅性能を示すようにアンテナ素子３００を設計するには、反射アンテナ素子３００（この場合は、ＦＥＴ３３０）に使用される特定の非理想的スイッチング素子のオンとオフのインピーダンスＺｏｎとＺｏｆｆを決定しなければならない。次に、アンテナ素子３００の設計パラメータを操作することにより、前述の式（１）で表される関係と整合するインピーダンスを有するアンテナ素子３００を生成する。ＺｏｎとＺｏｆｆが異なる値になるように決定される限り、式（１）に適合するアンテナ素子３００を設計することができる。
【００３６】
対象とする周波数帯域にわたって非理想的インピーダンス特性を示す、図３に示した表面実装ＦＥＴ３３０以外の別のタイプのスイッチング素子は、表面実装ダイオードである。しかしながら、表面実装ダイオードは、対象とする周波数帯全体にわたって表面実装ＦＥＴよりも優れたインピーダンス特性を示すが、表面実装ＦＥＴは、比較的安価であり、反射板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】
非理想的スイッチング素子としてＦＥＴを利用する反射板アンテナアレイにおいて、達成できるビーム走査速度は、信号雑音比、クロストーク、およびスイチッング時間を含むいくつかの要因に依存する。ＦＥＴの場合、スイチッング時間は、ゲート容量、ドレイン−ソース間容量、およびチャネル抵抗（すなわち、ドレイン−ソース間抵抗）に依存する。チャネル抵抗は、実際には、空間及び時間の両方に依存している。インピーダンス状態間のスイチッング時間を最小にするために、ＦＥＴのドレインは、常に直流短絡されることが好ましい。ドレインをフローティング状態にしておくと、パッチアンテナの非常に大きな平行プレート面積によって、オフ状態のチャネル抵抗値とドレイン−ソース間容量が大きくなるので、常にドレインを直流短絡されることが好ましい。これは、アンテナが直流短絡されることが好ましいが、ソースにおいてアンテナから「高周波短絡」のみを観測するのが望ましいことを意味している。したがって、この付加的なアンテナ／ドレイン短絡は、アンテナの混乱(perturb)を最小にするように最適に配置されなければならない。
【００３８】
反射アンテナ素子３００に、パッチアンテナ３２０ａの代わりに他のタイプのアンテナを使用できることを理解されたい。限定ではなく１つの例として、他のアンテナタイプには、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ループアンテナ、および誘電体共振器型アンテナがある。さらに、他の実施形態において、反射アンテナ素子３００は、ＦＥＴ３３０を可変コンデンサ（例えば、バリウムチタン酸ストロンチウム（ＢＳＴ）コンデンサ）と置き換えることによって、連続位相シフトアンテナ素子３００でもよい。可変コンデンサを実装したパッチの場合、ＦＥＴ実装パッチによって生成される２値移相の代わりに各アンテナ素子３００ごとに連続移相を達成することができる。マイクロ波ビームをビーム走査パターンで任意の方向に操縦するために、連続する位相配列を調整して任意の所望の移相を実現することができる。
【００３９】
図４は、本発明の実施形態による、マイクロ波照明を反射する例示的な走査パネル５０の平面概略図である。図４において、マイクロ波源（アンテナ）６０から送られたマイクロ波照明４００を走査パネル５０内の様々なアンテナ素子８０が受け取る。アンテナ素子８０にはそれぞれ、反射マイクロ波照明４１０をターゲット１５５の方に導くようにそれぞれの位相遅れがプログラムされる。この位相遅れは、ターゲット１５５におけるそれぞれのアンテナ素子８０から反射されたマイクロ波照明４１０の正の干渉を作成するように選択される。理想的には、それぞれのアンテナ素子８０の移相は、ソース（アンテナ素子８０）からターゲット１５５までの反射マイクロ波照明４１０の各経路に同じ位相遅れを提供するように調整される。
【００４０】
示していないが、類似の方法で、ターゲット１５５から反射されて走査パネル５０が受け取ったマイクロ波照明をマイクロ波受信器（図示せず）の方に反射させることができることを理解されたい。マイクロ波源６０は、別個のアンテナまたはマイクロ波受信器の一部としてマイクロ波受信器と同じ空間位置に配置され、走査パネル５０を介してターゲット１５５を照射してもよく、あるいはマイクロ波受信器と異なる空間位置に配置され、ターゲット１５５を直接または走査パネル５０（例えば、マイクロ波受信器と同じ走査パネル５０または異なる走査パネル５０）のうちの１つを介して照射してもよい。
【００４１】
アドレス指定可能な視野（ＡＦＯＶ）を維持しながら、能動または反射アンテナ素子８０を含む走査パネル５０を作成するコストを削減するために、本発明の実施形態により、走査パネル５０内に相補的な(complementary)送信および受信アンテナアレイを提供することによって走査パネル５０内のアンテナ素子８０の数を少なくすることができる。相補的な送信アンテナアレイと受信アンテナアレイがそれぞれ相補的な送信マイクロ波ビームパターンと受信マイクロ波ビームパターンを生成する。ターゲットのマイクロ波画像は、相補的な送信および受信マイクロ波ビームパターンの交差部位に形成される。したがって、送信ビームの不完全さを受信ビームで補うことができ、その逆も行うことができる。相補的な送信アレイと受信アレイはそれぞれ、大幅に少ない数のアンテナ素子で構成され、その結果、走査パネル５０内のアンテナ素子の総数は、図４に示した本来密のアレイよりも大幅に少なくなる。素子数のこの減少はそのままコストの削減になる。
【００４２】
次に図５Ａと図５Ｂを参照すると、図５Ａは、１つの例示的な相補的アンテナアレイ設計の概略図であり、図５Ｂは、本発明の実施形態により、図５Ａに示したアンテナアレイ設計によって作成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。図５Ａの走査パネル５０は、送信アレイ５１０と受信アレイ５２０に配列されたアンテナ素子８０を含むように示されている。送信アレイ５１０と受信アレイ５２０のアンテナ素子８０は、それぞれのパターンで配列されている。送信アレイ５１０のアンテナ素子８０のパターンは、受信アレイ５２０のアンテナ素子８０のパターンと相補的である。
【００４３】
送信アレイ５１０のアンテナ素子８０にはそれぞれ、マイクロ波照明の送信ビーム５３０を送信アレイ５１０のアンテナ素子８０のパターンに対応する送信ビームパターンで導くようにそれぞれの位相遅れがプログラムされる。受信アレイ５１０のアンテナ素子８０にはそれぞれ、反射マイクロ波照明の受信ビーム５４０を受信アレイ５２０のアンテナ素子８０のパターンに対応する受信ビームパターンで受け取るようにそれぞれの位相遅れがプログラムされる。受信ビームパターンは送信ビームパターンに対して相補的であり、その結果、それぞれ送信アレイ５１０と受信アレイ５２０が相補的になる。相補的な送信マイクロ波ビーム５３０と受信マイクロ波ビーム５４０の交差部位５５０にマイクロ波画像を形成することができる。より具体的には、生成される画像信号は、送信マイクロ波ビーム５３０と受信マイクロ波ビーム５４０の体積積分クロス乗積（volume-integrated cross product）である。そのような送信／受信「十字線(cross hairs)」により、小領域の形を解像することが可能になる。
【００４４】
アレイのコストが、密なアレイの占有面積（Ａ）に比例する密なアレイ（図４に示したような）と対照的に、図５Ａに示した相補的な少ない素子数のアレイ５１０および５２０のコストは単にＡの平方根に比例し、これにより大幅なコスト削減が達成される。さらに、相補的なアレイは、全体的な広がりと最小ピッチとが、本来の密なアレイと同じなので、図４の密なアレイと図５Ａの相補的な少ない素子数のアレイ５１０および５２０との間ではＡＦＯＶは変化しない。しかしながら、ビームをガウスビームとして近似させると、本来密なアレイと少ない素子数のアレイの両方のビームパターンの詳細によって、図５Ａの設計の解像度は、図４の密なアレイの設計よりもわずかに低下し、一般に１〜１．７の範囲で下がる。さらに、ＳＮＲは、相補的な少ない素子数のアレイ５１０および５２０によって設計された反射板アレイではｓ２分の１に減少するが、ＳＮＲは、さらに、非選択的照明を有する任意の疎なアレイの場合にはｓ４依存性よりかなり低くなる。
【００４５】
次に図６Ａと図Ｂを参照すると、相補的な少ない素子数のアレイの別の例示的な設計が示されている。図６Ａは、例示的なアンテナアレイ設計の概略図であり、図６Ｂは、本発明の実施形態により図６Ａに示したアンテナアレイ設計によって生成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。図６Ａの走査パネル５０は、それぞれ垂直な送信アレイ５１０と受信アレイ５２０内に配列されたアンテナ素子８０を含むように示されている。
【００４６】
送信アレイ５１０のアンテナ素子８０のパターンは、受信アレイ５２０のアンテナ素子８０のパターンに対して垂直である。さらに、送信アレイ５１０は、それぞれ送信アレイ５１０及び受信アレイ５２０の両方の中点付近で受信アレイ５２０と交差している。図６Ａにおいて、送信アレイ５１０は２行のアンテナ素子を含み、受信アレイ５２０は２列のアンテナ素子を含む。しかしながら、一般に、図６Ａに示した設計は、長方形ｍ＊Ｍの送信アレイ５１０パターン（この場合、Ｍ＞ｍ）と、長方形Ｎ＊ｎの受信アレイ５２０パターン（この場合、Ｎ＞＞ｎ）として表すことができる。例えば、タイルがｎ＊ｍアンテナ素子からなるように定義される場合、Ｎ＊Ｍのアンテナ素子の密な正方形アレイは、（Ｎ／ｍ）＊（Ｍ／ｎ）個のタイル(tiles)で構成される。図６Ａにより設計されたアレイにおいて、それぞれ送信アレイ５１０と受信アレイ５２０の間で共用される交差タイルを含むＮ＋Ｍ−１個のタイルしかない。
【００４７】
送信アレイ５１０は、送信ビーム５３０を垂直な楕円ビームパターンに形成し、一方、受信アレイ５２０は、受信ビーム５４０を水平な楕円ビームパターンに形成する。本明細書に使用されるとき、「水平（垂直）の楕円パターン」とは、ビームの実焦点が楕円であり、楕円の長軸が水平（垂直）であることを意味することを理解されたい。それぞれ相補的な送信マイクロ波ビーム５３０と受信マイクロ波ビーム５４０の交差部位５５０にマイクロ波画像を形成することができる。
【００４８】
図６Ａにそれぞれ示した送信アレイ５１０及び受信アレイ５２０は、能動的な送信／受信アレイである（すなわち、給電回路網が、アレイに組み込まれた有線回路網である）場合、ＳＮＲは経験的に〜ｓａ／（１−ｓ）ｂの比率で表されるはずであり、ここで、１≧ｓ≧０は疎係数(sparseness factor)、ａ≒２、ｂ≒０である。従来の疎なアレイに関して前に述べたものより小さい指数であるのは、空領域を照明する無駄な放射がないという事実による。したがって、図６Ａに示した設計のように、本発明の実施形態に従って設計されるときにより疎なアンテナセットを使用することができる。
【００４９】
送信アレイ５１０及び受信アレイ５２０がそれぞれ反射板アレイの場合、アレイ５１０及び５２０は、アレイ５１０及び５２０間でマイクロ波ビームを送受信するように設計されたマイクロ波源及びマイクロ波受信器と無線的に供給されなければならない。図７は、図６Ａのアンテナアレイ設計に従って設計された反射板アレイの例示的な照射を示す概略図である。図７において、楕円マイクロ波照明ビームすなわち「ファン型ビーム（fan beams）」７０及び９０をそれぞれ反射板アレイ５１０及び５２０に供給するための特別に設計されたホーン６０ａ及び６０ｂが示されている。特別に設計された各ホーン６０ａ及び６０ｂは、正確な同位相波面を提供するために高縦横比の放射開口部と、その放射開口部にレンズインサート（図示せず）とを有する。
【００５０】
図７において、マイクロ波源６０ａは、幅が狭く高さの大きい開口部を有するホーンであり、マイクロ波受信器６０ｂは、幅が広く高さの小さい開口部を有するホーンである。図７に示した特定のホーン給電器（ｈｏｒｎ ｆｅｅｄ）の代わりに、他のタイプの特別に設計されたホーン給電器を用いてもよいことを理解されたい。例えば、本発明の実施形態と共に、漏洩導波管（ｌｅａｋｙ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）、円柱状レンズ、円柱状ミラー、および他のタイプの特別に設計されたホーンを使用することができる。特別に設計されたホーンのタイプに関係なく、特別に設計されたホーン給電器放射体のアンテナパターンは、主ローブの２つの主平面におけるビーム幅間で横縦比が高くなければならない（すなわち、給電器は、送信アレイ５１０または受信アレイ５２０を照射するためにほぼ最適な楕円のファン型ビームを生成する）。さらに、ホーン６０ａ及び６０ｂの横縦比が相補的であるので、マイクロ波源６０ａとマイクロ波受信器６０ｂとは、一緒に配置されていない別個の放射体でなければならない。
【００５１】
しかしながら、他の実施形態において、マイクロ波源６０ａとマイクロ波受信器６０ｂが、一緒に配置された放射体でもよいことを理解されたい。さらに、他の実施形態において、送信アレイ５１０と受信アレイ５２０はそれぞれ送信アレイ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｒｒａｙ）でもよく、ホーン６０ａと６０ｂは、それぞれ送信アレイ５１０と受信アレイ５２０を後ろから照射するように走査パネル５０の後ろに配置される（すなわち、アレイ５１０と５２０が、ターゲットとホーン６０ａおよび６０ｂとの間にある）ことを理解されたい。さらに、他の実施形態において、アレイ５１０または５２０の一方が前から照明される反射板アレイであり他方のアレイ５１０または５２０が後から照明される送信アレイである複合設計が可能であることを理解されたい。
【００５２】
次に図８Ａと図８Ｂを参照すると、相補的な少ない素子数のアレイの別の例示的な設計が示されている。図８Ａは、例示的なアンテナアレイ設計の概略図であり、図８Ｂは、本発明の実施形態により、図８Ａに示したアンテナアレイ設計によって作成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。図８Ａの走査パネル５０は、疎な大面積アレイ８００と密な小面積アレイ８１０で配列されたアンテナ素子８０を含むように示されている。アレイ８００または８１０は、それぞれ図５Ａと図６Ａの送信アレイ５１０または受信アレイ５２０に対応することができる。
【００５３】
疎な大面積アレイ８００は、ビーム８２０を細かいスポットのマルチローブビームパターンで生成し、密な小面積アレイ８１０は、ビーム８３０を粗いスポットとシングルローブパターンで生成する。疎な大面積アレイ８００は、大きい開口数を提供し、従って小さい焦点サイズを提供する。しかしながら、疎な大面積アレイ８００によって生成されるビーム８２０は、アレイ８００の疎さによってサイドローブ数が多くなってしまう。したがって、疎な大面積アレイ８００自体は、明瞭なターゲティングができない。交差部位８４０に粗いマイクロ波画像が形成されるが、シングルローブビーム８３０により不明瞭さがなくなる。図８Ｂに細かいパターンで示されている各スポットは、疎な大面積アレイ８００内のアンテナ素子８０と１：１で対応しているように見えるが、各スポットは、実際には、疎な大面積アレイ内のすべてのアンテナ素子８０の集合的な協力により形成されていることを理解されたい。
【００５４】
アレイ８００と８１０がそれぞれ反射板アレイである場合、アレイ８００と８１０は、アレイ８００と８１０との間でマイクロ波ビームを送受信するように設計されたマイクロ波源とマイクロ波受信器によって無線的に供給されなければならない。図９は、図８Ａのアンテナアレイ設計に従って設計されたアンテナアレイの例示的な照明を示す概略図である。図９において、適切なマイクロ波照明ビーム９１０及び９２０をそれぞれ反射板アレイ８００及び８１０に供給する特別に設計されたホーン６０ａと６０ｂが示されている。
【００５５】
密な小面積アレイ８１０に供給するホーン６０ａは、標準的な比較的高い指向性のホーンである。しかしながら、疎の大面積アレイ８００に供給するホーン６０ｂは、疎な大面積アレイ８００内のアンテナ素子８０だけに選択的に照射するように設計された特別に設計された回折光学素子（ＤＯＥ）を含む。例えば、１つの実施形態において、ＤＯＥは、一定の組のくぼみまたは食刻を有する透明な板であり、ホーン６０ｂは標準的なホーンである。他の実施形態において、１つまたは複数のアレイ８００と８１０が、後ろから照明される送信アレイでよいことを理解されたい。例えば、１つまたは複数のアレイ８００及び８１０が、ターゲットとホーン６０ａおよび６０ｂとの間にある。
【００５６】
図１０は、図８Ａのアンテナアレイ設計に従って設計されたアンテナアレイの別の例示的な照射を示す概略図である。図１０において、密な小面積アレイ８１０は、ホーン給電されるが、疎な大面積アレイ８００は、有線回路網１０１０によって給電される。疎な大面積アレイ８００の各アンテナ素子８０は、それぞれの周波数変換器１０００に接続され、有線回路網１０１０は、低い中間周波数（ＩＦ）（例えば、１０〜１００ＭＨｚ）で給電信号を提供する。疎な大面積アンテナ素子８０の移相は、アップコンバータ／ダウンコンバータのコストにより、無線周波数（ＲＦ）で実行されてもＩＦで実行されてもよい。
【００５７】
次に図１１Ａと図１１Ｂを参照すると、相補的な少ない素子数のアレイの別の例示的な設計が示されている。図１１Ａは、例示的なアンテナアレイ設計の概略図であり、図１１Ｂは、本発明の実施形態に従って図１１Ａに示したアンテナアレイ設計によって作成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。図１１Ａの走査パネル５０は、送信十字形アレイ５１０と受信十字形アレイ５２０でそれぞれ配列されたアンテナ素子８０を含むように示されている。
【００５８】
送信アレイ５１０のアンテナ素子８０の十字形パターンは、受信アレイ５２０のアンテナ素子８０の十字形パターンに対して４５度回転されている。さらに、送信アレイ５１０は、それぞれ送信アレイ５１０と受信アレイ５２０の両方の中間点近くで受信アレイ５２０と交差している。送信アレイ５１０は、送信ビーム５３０を十字形ビームパターンで生成し、一方、受信アレイ５２０は、受信ビーム５４０を送信ビーム５３０から４５度回転された十字形ビームパターンで生成する。それぞれ相補的な送信マイクロ波ビーム５３０と受信マイクロ波ビーム５４０の交差部位５５０にマイクロ波画像を形成することができる。
【００５９】
送信アレイ５１０と受信アレイ５２０がそれぞれ反射板アレイの場合、アレイ５１０と５２０は、アレイ５１０および５２０との間でマイクロ波ビームを送受信するように設計されたマイクロ波源およびマイクロ波受信器と無線で給電されなければならい。例えば、アレイ５１０および５２０には、出力放射開口部が十字と４５度回転された十字のホーンを使用して給電することができる。図６Ａと比較して、図１１Ａの設計は、同じ占有面積のアレイに高い解像度を実現するが、図１１Ａの設計は、図６Ａの設計よりも多いアンテナ素子（約２倍）を含み、したがって、作成するコストが高くなる。
【００６０】
本明細書に示したアンテナ送信／受信アレイの設計が、本発明の実施形態により可能な多数のタイプの相補的アレイパターンの単なる例示であることを理解されたい。他の設計には、限定ではなく１つの例として、ｋ本腕の星、回転したｋ本腕の星、ｋ辺多角形、および回転したｋ辺多角形があり、ここで、ｋは正整数である。
【００６１】
図１２は、本発明の実施形態によるターゲットのマイクロ波画像を捕捉する例示的な方法１２００を示すフローチャートである。最初に、ブロック１２１０で、アンテナ素子の相補的な送信アレイと受信アレイを含む走査パネルを提供する。ブロック１２２０で、送信アレイのアンテナ素子にそれぞれ、マイクロ波照明ビームを送信ビームパターンでターゲットの方に導くようにそれぞれの位相遅れをプログラムする。ブロック１２３０で、受信アレイのアンテナ素子にそれぞれ、送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンでターゲットから反射された受信ビームマイクロ波照明を受け取るようにそれぞれの位相遅れをプログラムする。ブロック１２４０で、送信ビームと受信ビームの交差部位でターゲットのマイクロ波画像を捕捉する。
【００６２】
当業者によって理解されるように、本出願に記載された革新的な概念は、幅広い用途の全体にわたって修正し変更することができる。したがって、特許の主題の範囲は、説明した特定の例示的教示のいずれにも限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態によるアンテナアレイ設計を含む走査パネルを使用する簡略化した例示的なマイクロ波画像形成システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による能動送信／受信アレイに使用する例示的な能動アンテナ素子を示す図である。
【図３】本発明の実施形態による反射板アレイに使用する能動アンテナ素子の断面図である。
【図４】本発明の実施形態によるマイクロ波照明を反射する反射板アレイを含む例示的な走査パネルの平面概略図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態による例示的なアンテナアレイ設計の概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示したアンテナアレイ設計によって生成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態による別の例示的なアンテナアレイ設計の概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示したアンテナアレイ設計により生成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。
【図７】図６Ａのアンテナアレイ設計により設計された反射板アレイの例示的な照明を示す概略図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態による別の例示的なアンテナアレイ設計の概略図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示したアンテナアレイ設計によって生成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。
【図９】図８Ａのアンテナアレイ設計に従って設計されたアンテナアレイの例示的な照明を示す概略図である。
【図１０】図８Ａのアンテナアレイ設計に従って設計されたアンテナアレイの別の例示的な照明を示す概略図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態による別の例示的なアンテナアレイ設計の概略図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示したアンテナアレイ設計に従って作成されたマイクロ波ビーム放射パターンの図である。
【図１２】本発明の実施形態によるターゲットのマイクロ波画像を捕捉するための例示的な方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６４】
１０ マイクロ波画像形成システム
５０ 走査パネル
７０ 送信ビーム
８０ アンテナ素子
９０ 受信ビーム
１００ プロセッサ
１１０ コンピュータ可読媒体
１２０ 表示装置
１５０ 物体
１５５ ターゲット
５１０，８１０ 第１のアレイ
５２０，８００ 第２のアレイ
５３０ 送信ビームパターン
５４０ 受信ビームパターン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットのマイクロ波画像を捕捉するためにマイクロ波画像形成システムに使用する走査パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波画像形成の最近の進歩によって、物体や他の対象物（例えば、被験者）の二次元マイクロ波画像さらには三次元マイクロ波画像を生成できるマイクロ波画像形成システムの商業的開発が可能になった。現在、いくつかの使用可能なマイクロ波画像形成技術がある。例えば、１つの技術は、マイクロ波検出器アレイ（今後「アンテナ素子」と呼ぶ）を使用して、ターゲット(target,対象)から放射された受動的なマイクロ波エネルギーあるいはターゲットの能動的なマイクロ波照明に応答してターゲットから反射された反射マイクロ波エネルギー(reflected microwave energy)を捕捉する。人や品物の二次元または三次元画像は、ターゲットの位置に対してアンテナ素子アレイを走査しかつ／または送信または検出されたマイクロ波エネルギーの周波数（または波長）を調整することによって構成される。
【０００３】
マイクロ波エネルギー（microwave energy)の送受信に使用される送受信アンテナアレイは、「Ａ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ」と題する特許文献１と、「Ｂｒｏａｄｂａｎｄ Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅｄ Ａｎｔｅｎｎａ」と題する特許文献２に記載されているような従来のアナログ位相アレイまたは２進反射板アレイを使用して構成することができる。どちらのタイプのアレイも、最高空間解像度を有する最大アドレス指定可能体積は、短い波長λを選択し、両方向の隣り合ったアンテナ素子の間隔がλ／２になるようにアレイをアンテナ素子で密に埋め、アレイの二次元面積を最大にすることによって得られる。例えば、アレイが１辺Ｌの正方形の場合は、アレイから距離Ｌにある物体を約λの解像度で画像形成することができる。
【０００４】
しかしながら、アンテナ素子の数、ひいてはアレイのコスト、は（Ｌ／λ）２に比例する。この二次式のコスト従属性は、アドレス指定可能な視野を広くするためにアレイのサイズを大きくしたり解像度を高めるために波長を短くしたりするときの障害となる。本明細書で使用されるとき、用語「アドレス指定可能な視野」（ＡＦＯＶ）は、高解像度でアドレス指定可能な体積（すなわち、最高解像度に対する指定された係数の範囲内で解像できる体積）を指す。
【０００５】
コストと解像度とＡＦＯＶの問題のために提案された１つの解決策は、密なアンテナアレイではなく疎なアンテナアレイを使用することである。解像度は、開口数（ただし、この開口数は直径に依存しアレイの面積に依存しない）と共に高くなるので、２つまたは４つのアンテナ素子がＬだけ離間されたアレイは、所望の解像度を達成することができる。しかしながら、疎なアレイはマルチローブアンテナパターン（multi-lobed antenna patterns）を生成する。アレイが従来の送信フェーズドアレイ(transmit phased array)であり、疎係数（ｓｐａｒｓｅｎｅｓｓ ｆａｃｔｏｒ）が１≧ｓ≧０の場合、フーリエ解析のパーセバルの定理によれば、同じ広さの本来密（ｓ＝１）アレイが解像する領域内には送信出力のうちのｓだけが入る。疎なアレイが反射板アレイ(reflector array)であり、送信ホーンが本来密（ｓ＝１）アレイの最大範囲を照明する場合、疎なアレイは、ホーンの出力のうちのｓだけを処理する。したがって、効率係数（すなわち、オリジナル領域を埋める送信部分）はｓ２である。反射板アレイが、マイクロ波照明をターゲットの方に導くためとターゲットからの反射マイクロ波照明を受け取るための両方に使用される場合は、全効率係数η＝ｓ４である。例えば、５０％の疎な反射板アレイは、１／１６＝６．２５％の送受信効率となる。したがって、アレイが疎になるとき信号損失は４乗で増大する。
【０００６】
疎なアレイの信号対雑音（ＳＮＲ）比率も、ｓ２またはｓ４依存性を受ける。さらに、漂遊放射線により生じる暗騒音（「クラッタ」と呼ばれることもある）が、いくつかの理由のために疎なアレイのＳＮＲをさらに低下させる。第１に、本来密（ｓ＝１）アレイの空領域は、フィルファクタ効率(fill factor efficiency)１−ｓで放射を反射する集合的平面鏡になる。第２に、残りの（占有）領域の幾何学形状は、一般に、アンテナの位相が変化するときに不完全に制御された形で方向を変化させるサイドローブを生成する。サイドローブの重みは、アレイが疎になるほど増大する。ＳＮＲは、アレイが疎になるときにこれらの２つの要因によってシステム雑音が増大するレベルまで、経験的にｓａ／（１−ｓ）ｂで変化し、この場合ａ≒４、ｂ≒１である。したがって、疎なアレイは、信号損失を増加させＳＮＲを低下させる。
【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】
【０００７】
したがって、高いべき乗法則による信号損失の増大やＳＮＲの低下なしに高いＡＦＯＶが得られるマイクロ波画像形成に使用されるコスト効率の高いアンテナアレイの設計が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、ターゲットのマイクロ波画像を捕捉するためにマイクロ波画像形成システムに使用する走査パネルを提供することである。走査パネルは、マイクロ波照明の送信ビームをターゲットの方に導くようにそれぞれの位相遅れをそれぞれプログラムすることができかつ受信ビームでターゲットから反射された反射マイクロ波照明をそれぞれ受け取ることができる複数のアンテナ素子を含む。アンテナ素子は、相補的な２つのアレイで配列される。アンテナ素子の第１のアレイは、マイクロ波照明の送信ビームを送信ビームパターンでターゲットの方に導くように配列される。アンテナ素子の第２のアレイは、受信ビームを送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンで受け取るように配列される。送信ビームと受信ビームの間の交差部位にターゲットのマイクロ波画像が形成される。
【０００９】
１つの実施形態において、アンテナ素子は、反射アンテナ素子(reflecting antenna elements)である。マイクロ波源は、マイクロ波照明をアンテナ素子の第１のアレイの方に送り、アンテナ素子の第１のアレイは、次に、マイクロ波照明のビームをターゲットの方に導くようにそれぞれのプログラムされた位相遅れに基づいてマイクロ波照明を反射する。アンテナ素子の第２のアレイは、ターゲットから反射された反射マイクロ波照明を受け取り、反射マイクロ波照明を、第２のアレイ内の反射アンテナ素子と関連付けられた追加のそれぞれの位相遅れに基づいてマイクロ波受信器の方に反射するように構成される。
【００１０】
さらに他の実施形態において、送信ビームパターンと受信ビームパターンは、直交楕円ビームであり、第１と第２のアレイは、アレイのそれぞれの中間点近くで交差する。さらに他の実施形態において、送信ビームパターンは、粗いスポットのシングルローブ(single-lobed)ビームパターンであり、受信ビームパターンは、細かいスポットのマルチローブ(multi-lobed)パターンである。第１のアレイが、第２のアレイの面積よりも小さい面積を有し、第１のアレイは、第２のアレイの密度よりも大きい密度を有する。もう１つの実施形態において、送信ビームパターンと受信ビームパターンは、互いに４５度回転された十字形ビームである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
開示した発明は、本発明の重要な実施例を示し参照により本明細書に組み込まれる添付図面を参照して説明される。
【００１２】
本明細書で使用されるとき、マイクロ波放射とマイクロ波照明（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ）という用語はそれぞれ、約１ＧＨｚ〜約１，０００ＧＨｚの周波数に対応する０．３ミリメートル〜３０ｃｍの波長を有する帯域の電磁放射を指す。したがって、マイクロ波放射とマイクロ波照明という用語はそれぞれ、従来のマイクロ波放射ならびに一般にミリメートル波放射として知られるものを含む。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態による簡略化した例示的なマイクロ波画像形成システム１０の概略図である。このマイクロ波画像形成システム１０は、物体（例えば、スーツケース、被験者、または他の対象物）のマイクロ波画像を捕捉するために、それぞれアンテナ素子８０によってマイクロ波放射を送受信することができる１つまたは複数の走査パネル５０（便宜上そのうちの１つだけを示す）を含む。
【００１４】
１つの実施形態において、走査パネル５０は、反射アンテナ素子８０で構成された受動的にプログラム可能な反射板アレイ(reflector array)を含む。反射アンテナ素子にはそれぞれ、画像形成する物体１５０上のターゲット１５５の方にマイクロ波照明を導くようにそれぞれの位相遅れをプログラムすることができる。位相遅れは、２値でもよく連続でもよい。例えば、走査パネル５０がマイクロ波源（図示せず）から受け取ったマイクロ波照明は、物体１５０上のターゲット１５５の方に反射され、ターゲット１５５から反射されて走査パネル５０が受け取った反射マイクロ波照明は、個別の反射アンテナ素子８０のそれぞれにそれぞれの位相遅れをプログラムすることによってマイクロ波受信器（図示せず）の方に反射される。
【００１５】
もう１つの実施形態において、走査パネル５０は、マイクロ波照明を生成し送信しかつ反射マイクロ波照明を受け取り捕捉することができる能動アンテナ素子(active antenna elements)８０で構成された能動送信器／受信器アレイを含む。例えば、能動アレイは、送信アレイの形でよい。この実施形態において、走査パネル５０がマイクロ波放射源として働くので、離れたマイクロ波源は使用されない。能動送信器／受信器アレイ内の能動アンテナ素子にはそれぞれ、マイクロ波照明ビームをターゲット１５５の方に操縦するようにそれぞれの位相ずれを個別にプログラムすることができる。
【００１６】
マイクロ波画像形成システム１０は、さらに、プロセッサ１００、コンピュータ可読媒体１１０、および表示装置１２０を含む。プロセッサ１００は、ターゲット１５５および／または物体１５０のマイクロ波画像を構成するために走査パネル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照明を処理する任意のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはこれらの組み合わせを含む。例えば、プロセッサ１００は、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、プログラマブル論理素子、コンピュータプログラム命令を実行するように構成されたディジタル信号処理プロセッサや他のタイプの処理装置、およびプロセッサ１００によって使用される命令や他のデータを記憶する１つまたは複数のメモリ（例えば、キャッシュメモリ）を含む。しかしながら、プロセッサ１００の他の実施形態を使用できることを理解されたい。メモリ１１０は、ハードドライブ、ランダムアクセス記憶装置（ＲＡＭ）、読み出し専用記憶装置（ＲＯＭ）、コンパクトディスク、フロッピディスク、ＺＩＰ（登録商標）ドライブ、テープドライブ、データベース、または他のタイプの記憶装置または記憶媒体を含む任意のタイプのデータ記憶装置であるが、これらに限定されるわけではない。
【００１７】
プロセッサ１００は、物体１５０上の複数のターゲット１５５にマイクロ波放射を照射しかつ／または物体１５０上の複数のターゲット１５５からの反射マイクロ波照明を受け取るように走査パネル５０内の個々のアンテナ素子８０のそれぞれの位相遅れまたは位相ずれをプログラムする働きをする。したがって、プロセッサ１００は走査パネル５０と協働して、物体１５０を走査する働きをする。
【００１８】
プロセッサ１００は、さらに、物体１５０上の各ターゲット１５５から走査パネル５０が捕捉した反射マイクロ波照明の強度を使用して物体１５０のマイクロ波画像を構成することができる。例えば、走査パネル５０が反射板アレイの場合、マイクロ波受信器（図示せず）は、走査パネル５０内の各アンテナ素子８０から反射された反射マイクロ波照明を組み合わせて、ターゲット１５５における反射マイクロ波照明の実効強度値を生成することができる。この強度値は、プロセッサ１００に渡され、プロセッサ１００は、その強度値を、物体１５０上のターゲット１５５に対応する画素またはボクセル（３Ｄ画素）の値として使用する。動作において、マイクロ波画像形成システム１０は、毎秒数百万個のターゲット１５５を走査できる周波数で動作することができる。
【００１９】
ターゲット１５５および／または物体１５０の得られたマイクロ波画像をプロセッサ１００から表示装置１２０に渡して、マイクロ波画像を表示することができる。１つの実施形態において、表示装置１２０は、物体３０の三次元マイクロ波画像あるいはターゲット１５５および／または物体１５０の１つまたは複数の一次元または二次元マイクロ波画像を表示する二次元表示装置である。もう１つの実施形態において、表示装置１２０は、物体１５０の三次元マイクロ波画像を表示することができる三次元表示装置である。
【００２０】
複数の走査パネル５０を使用して物体１５０の様々な部分を走査できることを理解されたい。例えば、マイクロ波画像形成システム１０は、物体１５０の半分を走査するアンテナ素子８０の１ｍｘ１ｍアレイをそれぞれ含む２つの走査パネルで実現することができる。もう１つの例として、マイクロ波画像形成システム１０は、物体１５０の４分の１を走査できるアンテナ素子８０の０．５ｍｘ０．５ｍアレイをそれぞれ含む４つの走査パネル５０で実現することができる。
【００２１】
図２は、能動送信／受信アレイに使用する能動アンテナ素子２００（図１のアンテナ素子８０に対応する）の例を示す。能動アンテナ素子２００は、それぞれのスイッチ２１５に接続されたアンテナ２１０を含む広帯域２値位相アンテナ素子(broadband binary phased antenna element)である。スイッチ２１５は、例えば、単極双投（ＳＰＤＴ）スイッチまたは二極双投（ＤＰＤＴ）スイッチである。スイッチ２１５の動作状態は、それぞれのアンテナ素子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、アンテナ素子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、アンテナ素子２００は第２の２値状態（例えば、１８０度）である。スイッチ２１５の動作状態は、スイッチ２１５の端子接続を定義する。例えば、第１の動作状態において、端子２１８は、アンテナ２１０とスイッチ２１５の間で給電ライン２１６を接続するよう閉じた（短絡）位置にあり、端子２１９は開いた位置にある。各スイッチ２１５の動作状態は、各アンテナ素子２００の位相を個別にセットするように制御回路（図示せず）によって独立に制御される。
【００２２】
本明細書において使用する「対称アンテナ（symmetric antenna）２１０」という用語は、２つの反対の対称的な電界分布（または電流）のいずれかを生成するよう、２つの給電ポイント２１１又は２１３のいずれかににおいて供給される、または引き出されることのできるアンテナを指す。図２に示したように、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がアンテナ２１０を通過することにより、２つの対称的なサイド２５２と２５４が生成される。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上に配置される。一実施形態においては、給電ポイント２１１及び２１３は、ミラー軸２５０を中心した実質的に対称的なアンテナ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（寸法）２６０（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、寸法２６０の中点２７０の近くに配置されることができる。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上のアンテナ２１０の中点２７０の近く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とＢで示した２つの反対の対称的な電界分布を生成することができる。電界分布Ａの振幅（例えば、電力）は、電界分布Ｂの振幅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度異なる。したがって、電界分布Ａは、電気サイクルが±１８０°の電界分布Ｂと類似している。
【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この「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スイッチまたはＤＰＤＴスイッチを示している。
【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αのインピーダンスが１０Ωでチャネルβのインピーダンスが１ｋΩの場合は、ＳＰＤＴスイッチの第２の動作状態において、チャネルαのインピーダンスが１ｋΩで、チャネルβのインピーダンスが１０Ωである。チャネルインピーダンスが、完全に開いた状態でも、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象である限り、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の間で）同一である場合に、対称である。
【００２６】
図３は、アンテナ素子３００のインピーダンス状態により異なる位相で電磁放射を反射する働きをする反射アンテナ素子３００（図１のアンテナ素子８０に対応する）の断面図を示す。反射アンテナ素子３００は、アンテナ（パッチアンテナ３２０ａ）と非理想的スイッチング素子（表面実装型電界効果トランジスタ「ＦＥＴ」３２２）とを含む。
【００２７】
反射アンテナ素子３００は、プリント回路基板３１４の上と中に形成されており、表面実装ＦＥＴ３２２、パッチアンテナ３２０ａ、ドレインバイア(drain via)３３２、接地平面３３６、およびソースバイア(source via)３３８を含む。表面実装ＦＥＴ３２２は、プリント回路基板３１４の平面パッチアンテナ３２０ａと反対側に取り付けられており、接地平面３３６は、平面パッチアンテナ３２０ａと表面実装ＦＥＴ３２２の間にある。ドレインバイア３３２は、表面実装ＦＥＴ３２２のドレイン３２８を平面パッチアンテナ３２０ａに接続し、ソースバイア３３８は、表面実装ＦＥＴ３２２のソース３２６を接地平面３３６に接続する。
【００２８】
実際の製品において、反射板アンテナアレイは、ドライバ電子回路を含むコントローラ基板３４０に接続される。例示的なコントローラ基板３４０は、図３にも示されており、接地平面３４４、駆動信号ビア３４６、およびドライバ電子回路３４２を含む。コントローラ基板３４０は、また、反射板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を含む。２つの基板のコネクタ３４８は、例えばウェーブはんだ付けを使用して接続することができる。他の実施形態において、ＦＥＴ３２２が、プリント回路基板３１４の平面パッチアンテナ３２０ａと同じ側に表面実装されてもよいことを理解されたい。さらに、ドライバ電子回路３４２は、反射アンテナ素子３００を構成したプリント回路基板と同じプリント回路基板に直接はんだ付けされてもよい。
【００２９】
パッチアンテナ素子３２０ａは、位相が反射アンテナ素子３００のインピーダンスレベルにある程度依存してずれた状態で反射するように機能する。反射アンテナ素子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有する。アンテナの設計パラメータには、構造の絶縁性材料、絶縁性材料の厚さ、アンテナの形状、アンテナの長さと幅、給電位置、アンテナ金属層の厚さなどの物理的属性があるが、これらに限定されない。
【００３０】
ＦＥＴ３３０（非理想的スイッチング素子）は、抵抗状態を変化させることによって反射アンテナ素子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。反対に、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素子（本明細書において「理想的」スイッチング素子と呼ばれる）は、抵抗がその最低状態にあるときに実質的にゼロのインピーダンス（Ｚ＝０）を生成し、抵抗がその最大状態にあるときに実質的に無限大のインピーダンス（Ｚ＝∞）を生成する。本明細書で説明するように、スイッチング素子は、そのインピーダンスがその最低状態（例えば、Ｚｏｎ＝０）にある際には「オン」であり、そのインピーダンスがその最大状態（例えば、Ｚ０ｆｆ＝∞）にある際には「オフ」である。理想的スイッチング素子のオンとオフのインピーダンス状態は、実質的にＺｏｎ＝０とＺｏｆｆ＝∞なので、理想的スイッチング素子は、電磁放射の吸収なしにオン状態とオフ状態の間で最大の移相を実現することができる。すなわち、理想的スイッチング素子は、０度と１８０度の位相状態の間でスイッチングを実現することができる。理想的スイッチング素子の場合には、有限な非ゼロのインピーダンスを示すアンテナにより、最大位相-振幅性能を実現することができる。
【００３１】
理想的スイッチング素子と対照的に、「非理想的」スイッチング素子は、それぞれＺｏｎ＝０とＺｏｆｆ＝∞でオンとオフのインピーダンス状態を示さないスイッチング素子である。より正確に言うと、非理想的スイッチング素子のオンとオフのインピーダンス状態は、一般に、例えば０＜｜Ｚｏｎ｜＜｜Ｚｏｆｆ｜＜∞のどこかである。しかしながら、用途によっては、オンとオフのインピーダンス状態は｜Ｚｏｆｆ｜＜＝｜Ｚｏｎ｜でもよい。非理想的スイッチング素子は、特定の周波数範囲（例えば、＜１０ＧＨｚ）内で理想的なインピーダンス特性を示し、他の周波数範囲（例えば、＞２０ＧＨｚ）できわめて非理想的なインピーダンス特性を示すことになる。
【００３２】
非理想的スイッチング素子のオンとオフの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、非理想的スイッチング素子によれば、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はできない。ここで、最大位相状態性能は、０度から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の反射アンテナ素子３００は、最適な位相性能を提供するように特別に設計されており、この反射アンテナ素子の最適な位相状態性能とは、反射素子が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ている地点のことである。一実施形態においては、このような最適な位相状態性能を実現するべく、非理想的スイッチング素子（ＦＥＴ３３０）のインピーダンスの関数としてアンテナ素子３００が構成される。例えば、アンテナ素子３００のインピーダンスがＦＥＴ３３０のインピーダンス特性の関数になるようにアンテナ素子３００が設計される。
【００３３】
さらに、アンテナ素子３００は、オン状態Ｚｏｎにおける非理想的スイッチング素子（ＦＥＴ３３０）のインピーダンスと、オフ状態Ｚｏｆｆにおける非理想的スイッチング素子３３０のインピーダンスの関数として構成される。特定の実施形態においては、反射アンテナ素子３００の位相状態性能は、オンとオフのインピーダンス状態ＺｏｎとＺｏｆｆのときにアンテナ素子３００のインピーダンスが非理想的スイッチング素子３３０のインピーダンスの平方根と共役になるようにアンテナ素子３００が構成されるときに最適化される。具体的には、アンテナ素子３００のインピーダンスは、対応する非理想的スイッチング素子３３０のオンとオフのインピーダンス状態ＺｏｎとＺｏｆｆの相乗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】
前述の関係は、ソースインピーダンス（source impedance）と負荷インピーダンスの間の複素反射係数の周知の公式を使用して導き出される。アンテナ素子３００をソース（source）として選択すると共に、非理想的スイッチング素子３３０を負荷として選択し、オン状態の反射係数がオフ状態の反射係数の逆と等しくなるように設定することにより、式（１）が得られる。
【００３５】
最適な位相−振幅性能を示すようにアンテナ素子３００を設計するには、反射アンテナ素子３００（この場合は、ＦＥＴ３３０）に使用される特定の非理想的スイッチング素子のオンとオフのインピーダンスＺｏｎとＺｏｆｆを決定しなければならない。次に、アンテナ素子３００の設計パラメータを操作することにより、前述の式（１）で表される関係と整合するインピーダンスを有するアンテナ素子３００を生成する。ＺｏｎとＺｏｆｆが異なる値になるように決定される限り、式（１）に適合するアンテナ素子３００を設計することができる。
【００３６】
対象とする周波数帯域にわたって非理想的インピーダンス特性を示す、図３に示した表面実装ＦＥＴ３３０以外の別のタイプのスイッチング素子は、表面実装ダイオードである。しかしながら、表面実装ダイオードは、対象とする周波数帯全体にわたって表面実装ＦＥＴよりも優れたインピーダンス特性を示すが、表面実装ＦＥＴは、比較的安価であり、反射板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】
非理想的スイッチング素子としてＦＥＴを利用する反射板アンテナアレイにおいて、達成できるビーム走査速度は、信号雑音比、クロストーク、およびスイチッング時間を含むいくつかの要因に依存する。ＦＥＴの場合、スイチッング時間は、ゲート容量、ドレイン−ソース間容量、およびチャネル抵抗（すなわち、ドレイン−ソース間抵抗）に依存する。チャネル抵抗は、実際には、空間及び時間の両方に依存している。インピーダンス状態間のスイチッング時間を最小にするために、ＦＥＴのドレインは、常に直流短絡されることが好ましい。ドレインをフローティング状態にしておくと、パッチアンテナの非常に大きな平行プレート面積によって、オフ状態のチャネル抵抗値とドレイン−ソース間容量が大きくなるので、常にドレインを直流短絡されることが好ましい。これは、アンテナが直流短絡されることが好ましいが、ソースにおいてアンテナから「高周波短絡」のみを観測するのが望ましいことを意味している。したがって、この付加的なアンテナ／ドレイン短絡は、アンテナの混乱(perturb)を最小にするように最適に配置されなければならない。
【００３８】
反射アンテナ素子３００に、パッチアンテナ３２０ａの代わりに他のタイプのアンテナを使用できることを理解されたい。限定ではなく１つの例として、他のアンテナタイプには、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、ループアンテナ、および誘電体共振器型アンテナがある。さらに、他の実施形態において、反射アンテナ素子３００は、ＦＥＴ３３０を可変コンデンサ（例えば、バリウムチタン酸ストロンチウム（ＢＳＴ）コンデンサ）と置き換えることによって、連続位相シフトアンテナ素子３００でもよい。可変コンデンサを実装したパッチの場合、ＦＥＴ実装パッチによって生成される２値移相の代わりに各アンテナ素子３００ごとに連続移相を達成することができる。マイクロ波ビームをビーム走査パターンで任意の方向に操縦するために、連続する位相配列を調整して任意の所望の移相を実現することができる。
【００３９】
図４は、本発明の実施形態による、マイクロ波照明を反射する例示的な走査パネル５０の平面概略図である。図４において、マイクロ波源（アンテナ）６０から送られたマイクロ波照明４００を走査パネル５０内の様々なアンテナ素子８０が受け取る。アンテナ素子８０にはそれぞれ、反射マイクロ波照明４１０をターゲット１５５の方に導くようにそれぞれの位相遅れがプログラムされる。この位相遅れは、ターゲット１５５におけるそれぞれのアンテナ素子８０から反射されたマイクロ波照明４１０の正の干渉を作成するように選択される。理想的には、それぞれのアンテナ素子８０の移相は、ソース（アンテナ素子８０）からターゲット１５５までの反射マイクロ波照明４１０の各経路に同じ位相遅れを提供するように調整される。
【００４０】
示していないが、類似の方法で、ターゲット１５５から反射されて走査パネル５０が受け取ったマイクロ波照明をマイクロ波受信器（図示せず）の方に反射させることができることを理解されたい。マイクロ波源６０は、別個のアンテナまたはマイクロ波受信器の一部としてマイクロ波受信器と同じ空間位置に配置され、走査パネル５０を介してターゲット１５５を照射してもよく、あるいはマイクロ波受信器と異なる空間位置に配置され、ターゲット１５５を直接または走査パネル５０（例えば、マイクロ波受信器と同じ走査パネル５０または異なる走査パネル５０）のうちの１つを介して照射してもよい。
【００４１】
アドレス指定可能な視野（ＡＦＯＶ）を維持しながら、能動または反射アンテナ素子８０を含む走査パネル５０を作成するコストを削減するために、本発明の実施形態により、走査パネル５０内に相補的な(complementary)送信および受信アンテナアレイを提供することによって走査パネル５０内のアンテナ素子８０の数を少なくすることができる。相補的な送信アンテナアレイと受信アンテナアレイがそれぞれ相補的な送信マイクロ波ビームパターンと受信マイクロ波ビームパターンを生成する。ターゲットのマイクロ波画像は、相補的な送信および受信マイクロ波ビームパターンの交差部位に形成される。したがって、送信ビームの不完全さを受信ビームで補うことができ、その逆も行うことができる。相補的な送信アレイと受信アレイはそれぞれ、大幅に少ない数のアンテナ素子で構成され、その結果、走査パネル５０内のアンテナ素子の総数は、図４に示した本来密のアレイよりも大幅に少なくなる。素子数のこの減少はそのままコストの削減になる。
【００４２】
次に図５Ａと図５Ｂを参照すると、図５Ａは、１つの例示的な相補的アンテナアレイ設計の概略図であり、図５Ｂは、本発明の実施形態により、図５Ａに示したアンテナアレイ設計によって作成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。図５Ａの走査パネル５０は、送信アレイ５１０と受信アレイ５２０に配列されたアンテナ素子８０を含むように示されている。送信アレイ５１０と受信アレイ５２０のアンテナ素子８０は、それぞれのパターンで配列されている。送信アレイ５１０のアンテナ素子８０のパターンは、受信アレイ５２０のアンテナ素子８０のパターンと相補的である。
【００４３】
送信アレイ５１０のアンテナ素子８０にはそれぞれ、マイクロ波照明の送信ビーム５３０を送信アレイ５１０のアンテナ素子８０のパターンに対応する送信ビームパターンで導くようにそれぞれの位相遅れがプログラムされる。受信アレイ５１０のアンテナ素子８０にはそれぞれ、反射マイクロ波照明の受信ビーム５４０を受信アレイ５２０のアンテナ素子８０のパターンに対応する受信ビームパターンで受け取るようにそれぞれの位相遅れがプログラムされる。受信ビームパターンは送信ビームパターンに対して相補的であり、その結果、それぞれ送信アレイ５１０と受信アレイ５２０が相補的になる。相補的な送信マイクロ波ビーム５３０と受信マイクロ波ビーム５４０の交差部位５５０にマイクロ波画像を形成することができる。より具体的には、生成される画像信号は、送信マイクロ波ビーム５３０と受信マイクロ波ビーム５４０の体積積分クロス乗積（volume-integrated cross product）である。そのような送信／受信「十字線(cross hairs)」により、小領域の形を解像することが可能になる。
【００４４】
アレイのコストが、密なアレイの占有面積（Ａ）に比例する密なアレイ（図４に示したような）と対照的に、図５Ａに示した相補的な少ない素子数のアレイ５１０および５２０のコストは単にＡの平方根に比例し、これにより大幅なコスト削減が達成される。さらに、相補的なアレイは、全体的な広がりと最小ピッチとが、本来の密なアレイと同じなので、図４の密なアレイと図５Ａの相補的な少ない素子数のアレイ５１０および５２０との間ではＡＦＯＶは変化しない。しかしながら、ビームをガウスビームとして近似させると、本来密なアレイと少ない素子数のアレイの両方のビームパターンの詳細によって、図５Ａの設計の解像度は、図４の密なアレイの設計よりもわずかに低下し、一般に１〜１．７の範囲で下がる。さらに、ＳＮＲは、相補的な少ない素子数のアレイ５１０および５２０によって設計された反射板アレイではｓ２分の１に減少するが、ＳＮＲは、さらに、非選択的照明を有する任意の疎なアレイの場合にはｓ４依存性よりかなり低くなる。
【００４５】
次に図６Ａと図Ｂを参照すると、相補的な少ない素子数のアレイの別の例示的な設計が示されている。図６Ａは、例示的なアンテナアレイ設計の概略図であり、図６Ｂは、本発明の実施形態により図６Ａに示したアンテナアレイ設計によって生成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。図６Ａの走査パネル５０は、それぞれ垂直な送信アレイ５１０と受信アレイ５２０内に配列されたアンテナ素子８０を含むように示されている。
【００４６】
送信アレイ５１０のアンテナ素子８０のパターンは、受信アレイ５２０のアンテナ素子８０のパターンに対して垂直である。さらに、送信アレイ５１０は、それぞれ送信アレイ５１０及び受信アレイ５２０の両方の中点付近で受信アレイ５２０と交差している。図６Ａにおいて、送信アレイ５１０は２行のアンテナ素子を含み、受信アレイ５２０は２列のアンテナ素子を含む。しかしながら、一般に、図６Ａに示した設計は、長方形ｍ＊Ｍの送信アレイ５１０パターン（この場合、Ｍ＞ｍ）と、長方形Ｎ＊ｎの受信アレイ５２０パターン（この場合、Ｎ＞＞ｎ）として表すことができる。例えば、タイルがｎ＊ｍアンテナ素子からなるように定義される場合、Ｎ＊Ｍのアンテナ素子の密な正方形アレイは、（Ｎ／ｍ）＊（Ｍ／ｎ）個のタイル(tiles)で構成される。図６Ａにより設計されたアレイにおいて、それぞれ送信アレイ５１０と受信アレイ５２０の間で共用される交差タイルを含むＮ＋Ｍ−１個のタイルしかない。
【００４７】
送信アレイ５１０は、送信ビーム５３０を垂直な楕円ビームパターンに形成し、一方、受信アレイ５２０は、受信ビーム５４０を水平な楕円ビームパターンに形成する。本明細書に使用されるとき、「水平（垂直）の楕円パターン」とは、ビームの実焦点が楕円であり、楕円の長軸が水平（垂直）であることを意味することを理解されたい。それぞれ相補的な送信マイクロ波ビーム５３０と受信マイクロ波ビーム５４０の交差部位５５０にマイクロ波画像を形成することができる。
【００４８】
図６Ａにそれぞれ示した送信アレイ５１０及び受信アレイ５２０は、能動的な送信／受信アレイである（すなわち、給電回路網が、アレイに組み込まれた有線回路網である）場合、ＳＮＲは経験的に〜ｓａ／（１−ｓ）ｂの比率で表されるはずであり、ここで、１≧ｓ≧０は疎係数(sparseness factor)、ａ≒２、ｂ≒０である。従来の疎なアレイに関して前に述べたものより小さい指数であるのは、空領域を照明する無駄な放射がないという事実による。したがって、図６Ａに示した設計のように、本発明の実施形態に従って設計されるときにより疎なアンテナセットを使用することができる。
【００４９】
送信アレイ５１０及び受信アレイ５２０がそれぞれ反射板アレイの場合、アレイ５１０及び５２０は、アレイ５１０及び５２０間でマイクロ波ビームを送受信するように設計されたマイクロ波源及びマイクロ波受信器と無線的に供給されなければならない。図７は、図６Ａのアンテナアレイ設計に従って設計された反射板アレイの例示的な照射を示す概略図である。図７において、楕円マイクロ波照明ビームすなわち「ファン型ビーム（fan beams）」７０及び９０をそれぞれ反射板アレイ５１０及び５２０に供給するための特別に設計されたホーン６０ａ及び６０ｂが示されている。特別に設計された各ホーン６０ａ及び６０ｂは、正確な同位相波面を提供するために高縦横比の放射開口部と、その放射開口部にレンズインサート（図示せず）とを有する。
【００５０】
図７において、マイクロ波源６０ａは、幅が狭く高さの大きい開口部を有するホーンであり、マイクロ波受信器６０ｂは、幅が広く高さの小さい開口部を有するホーンである。図７に示した特定のホーン給電器（ｈｏｒｎ ｆｅｅｄ）の代わりに、他のタイプの特別に設計されたホーン給電器を用いてもよいことを理解されたい。例えば、本発明の実施形態と共に、漏洩導波管（ｌｅａｋｙ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）、円柱状レンズ、円柱状ミラー、および他のタイプの特別に設計されたホーンを使用することができる。特別に設計されたホーンのタイプに関係なく、特別に設計されたホーン給電器放射体のアンテナパターンは、主ローブの２つの主平面におけるビーム幅間で横縦比が高くなければならない（すなわち、給電器は、送信アレイ５１０または受信アレイ５２０を照射するためにほぼ最適な楕円のファン型ビームを生成する）。さらに、ホーン６０ａ及び６０ｂの横縦比が相補的であるので、マイクロ波源６０ａとマイクロ波受信器６０ｂとは、一緒に配置されていない別個の放射体でなければならない。
【００５１】
しかしながら、他の実施形態において、マイクロ波源６０ａとマイクロ波受信器６０ｂが、一緒に配置された放射体でもよいことを理解されたい。さらに、他の実施形態において、送信アレイ５１０と受信アレイ５２０はそれぞれ送信アレイ（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｒｒａｙ）でもよく、ホーン６０ａと６０ｂは、それぞれ送信アレイ５１０と受信アレイ５２０を後ろから照射するように走査パネル５０の後ろに配置される（すなわち、アレイ５１０と５２０が、ターゲットとホーン６０ａおよび６０ｂとの間にある）ことを理解されたい。さらに、他の実施形態において、アレイ５１０または５２０の一方が前から照明される反射板アレイであり他方のアレイ５１０または５２０が後から照明される送信アレイである複合設計が可能であることを理解されたい。
【００５２】
次に図８Ａと図８Ｂを参照すると、相補的な少ない素子数のアレイの別の例示的な設計が示されている。図８Ａは、例示的なアンテナアレイ設計の概略図であり、図８Ｂは、本発明の実施形態により、図８Ａに示したアンテナアレイ設計によって作成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。図８Ａの走査パネル５０は、疎な大面積アレイ８００と密な小面積アレイ８１０で配列されたアンテナ素子８０を含むように示されている。アレイ８００または８１０は、それぞれ図５Ａと図６Ａの送信アレイ５１０または受信アレイ５２０に対応することができる。
【００５３】
疎な大面積アレイ８００は、ビーム８２０を細かいスポットのマルチローブビームパターンで生成し、密な小面積アレイ８１０は、ビーム８３０を粗いスポットとシングルローブパターンで生成する。疎な大面積アレイ８００は、大きい開口数を提供し、従って小さい焦点サイズを提供する。しかしながら、疎な大面積アレイ８００によって生成されるビーム８２０は、アレイ８００の疎さによってサイドローブ数が多くなってしまう。したがって、疎な大面積アレイ８００自体は、明瞭なターゲティングができない。交差部位８４０に粗いマイクロ波画像が形成されるが、シングルローブビーム８３０により不明瞭さがなくなる。図８Ｂに細かいパターンで示されている各スポットは、疎な大面積アレイ８００内のアンテナ素子８０と１：１で対応しているように見えるが、各スポットは、実際には、疎な大面積アレイ内のすべてのアンテナ素子８０の集合的な協力により形成されていることを理解されたい。
【００５４】
アレイ８００と８１０がそれぞれ反射板アレイである場合、アレイ８００と８１０は、アレイ８００と８１０との間でマイクロ波ビームを送受信するように設計されたマイクロ波源とマイクロ波受信器によって無線的に供給されなければならない。図９は、図８Ａのアンテナアレイ設計に従って設計されたアンテナアレイの例示的な照明を示す概略図である。図９において、適切なマイクロ波照明ビーム９１０及び９２０をそれぞれ反射板アレイ８００及び８１０に供給する特別に設計されたホーン６０ａと６０ｂが示されている。
【００５５】
密な小面積アレイ８１０に供給するホーン６０ａは、標準的な比較的高い指向性のホーンである。しかしながら、疎の大面積アレイ８００に供給するホーン６０ｂは、疎な大面積アレイ８００内のアンテナ素子８０だけに選択的に照射するように設計された特別に設計された回折光学素子（ＤＯＥ）を含む。例えば、１つの実施形態において、ＤＯＥは、一定の組のくぼみまたは食刻を有する透明な板であり、ホーン６０ｂは標準的なホーンである。他の実施形態において、１つまたは複数のアレイ８００と８１０が、後ろから照明される送信アレイでよいことを理解されたい。例えば、１つまたは複数のアレイ８００及び８１０が、ターゲットとホーン６０ａおよび６０ｂとの間にある。
【００５６】
図１０は、図８Ａのアンテナアレイ設計に従って設計されたアンテナアレイの別の例示的な照射を示す概略図である。図１０において、密な小面積アレイ８１０は、ホーン給電されるが、疎な大面積アレイ８００は、有線回路網１０１０によって給電される。疎な大面積アレイ８００の各アンテナ素子８０は、それぞれの周波数変換器１０００に接続され、有線回路網１０１０は、低い中間周波数（ＩＦ）（例えば、１０〜１００ＭＨｚ）で給電信号を提供する。疎な大面積アンテナ素子８０の移相は、アップコンバータ／ダウンコンバータのコストにより、無線周波数（ＲＦ）で実行されてもＩＦで実行されてもよい。
【００５７】
次に図１１Ａと図１１Ｂを参照すると、相補的な少ない素子数のアレイの別の例示的な設計が示されている。図１１Ａは、例示的なアンテナアレイ設計の概略図であり、図１１Ｂは、本発明の実施形態に従って図１１Ａに示したアンテナアレイ設計によって作成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。図１１Ａの走査パネル５０は、送信十字形アレイ５１０と受信十字形アレイ５２０でそれぞれ配列されたアンテナ素子８０を含むように示されている。
【００５８】
送信アレイ５１０のアンテナ素子８０の十字形パターンは、受信アレイ５２０のアンテナ素子８０の十字形パターンに対して４５度回転されている。さらに、送信アレイ５１０は、それぞれ送信アレイ５１０と受信アレイ５２０の両方の中間点近くで受信アレイ５２０と交差している。送信アレイ５１０は、送信ビーム５３０を十字形ビームパターンで生成し、一方、受信アレイ５２０は、受信ビーム５４０を送信ビーム５３０から４５度回転された十字形ビームパターンで生成する。それぞれ相補的な送信マイクロ波ビーム５３０と受信マイクロ波ビーム５４０の交差部位５５０にマイクロ波画像を形成することができる。
【００５９】
送信アレイ５１０と受信アレイ５２０がそれぞれ反射板アレイの場合、アレイ５１０と５２０は、アレイ５１０および５２０との間でマイクロ波ビームを送受信するように設計されたマイクロ波源およびマイクロ波受信器と無線で給電されなければならい。例えば、アレイ５１０および５２０には、出力放射開口部が十字と４５度回転された十字のホーンを使用して給電することができる。図６Ａと比較して、図１１Ａの設計は、同じ占有面積のアレイに高い解像度を実現するが、図１１Ａの設計は、図６Ａの設計よりも多いアンテナ素子（約２倍）を含み、したがって、作成するコストが高くなる。
【００６０】
本明細書に示したアンテナ送信／受信アレイの設計が、本発明の実施形態により可能な多数のタイプの相補的アレイパターンの単なる例示であることを理解されたい。他の設計には、限定ではなく１つの例として、ｋ本腕の星、回転したｋ本腕の星、ｋ辺多角形、および回転したｋ辺多角形があり、ここで、ｋは正整数である。
【００６１】
図１２は、本発明の実施形態によるターゲットのマイクロ波画像を捕捉する例示的な方法１２００を示すフローチャートである。最初に、ブロック１２１０で、アンテナ素子の相補的な送信アレイと受信アレイを含む走査パネルを提供する。ブロック１２２０で、送信アレイのアンテナ素子にそれぞれ、マイクロ波照明ビームを送信ビームパターンでターゲットの方に導くようにそれぞれの位相遅れをプログラムする。ブロック１２３０で、受信アレイのアンテナ素子にそれぞれ、送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンでターゲットから反射された受信ビームマイクロ波照明を受け取るようにそれぞれの位相遅れをプログラムする。ブロック１２４０で、送信ビームと受信ビームの交差部位でターゲットのマイクロ波画像を捕捉する。
【００６２】
当業者によって理解されるように、本出願に記載された革新的な概念は、幅広い用途の全体にわたって修正し変更することができる。したがって、特許の主題の範囲は、説明した特定の例示的教示のいずれにも限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施形態によるアンテナアレイ設計を含む走査パネルを使用する簡略化した例示的なマイクロ波画像形成システムの概略図である。
【図２】本発明の実施形態による能動送信／受信アレイに使用する例示的な能動アンテナ素子を示す図である。
【図３】本発明の実施形態による反射板アレイに使用する能動アンテナ素子の断面図である。
【図４】本発明の実施形態によるマイクロ波照明を反射する反射板アレイを含む例示的な走査パネルの平面概略図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態による例示的なアンテナアレイ設計の概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示したアンテナアレイ設計によって生成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態による別の例示的なアンテナアレイ設計の概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示したアンテナアレイ設計により生成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。
【図７】図６Ａのアンテナアレイ設計により設計された反射板アレイの例示的な照明を示す概略図である。
【図８Ａ】本発明の実施形態による別の例示的なアンテナアレイ設計の概略図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示したアンテナアレイ設計によって生成されたマイクロ波ビーム放射パターンを表す図である。
【図９】図８Ａのアンテナアレイ設計に従って設計されたアンテナアレイの例示的な照明を示す概略図である。
【図１０】図８Ａのアンテナアレイ設計に従って設計されたアンテナアレイの別の例示的な照明を示す概略図である。
【図１１Ａ】本発明の実施形態による別の例示的なアンテナアレイ設計の概略図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示したアンテナアレイ設計に従って作成されたマイクロ波ビーム放射パターンの図である。
【図１２】本発明の実施形態によるターゲットのマイクロ波画像を捕捉するための例示的な方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６４】
１０ マイクロ波画像形成システム
５０ 走査パネル
７０ 送信ビーム
８０ アンテナ素子
９０ 受信ビーム
１００ プロセッサ
１１０ コンピュータ可読媒体
１２０ 表示装置
１５０ 物体
１５５ ターゲット
５１０，８１０ 第１のアレイ
５２０，８００ 第２のアレイ
５３０ 送信ビームパターン
５４０ 受信ビームパターン
【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捕捉するためにマイクロ波画像形成システムに使用する走査パネルであって、
マイクロ波照明の送信ビームを前記ターゲットの方に導くように、それぞれの位相遅れをそれぞれプログラム可能であり、受信ビームで前記ターゲットから反射された反射マイクロ波照明をそれぞれ受け取ることができる複数のアンテナ素子を備え、
前記複数のアンテナ素子が、
マイクロ波照明の前記送信ビームを送信ビームパターンで導くように配列されたアンテナ素子の第１のアレイと、
前記送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンで前記受信ビームを受け取るように配列されたアンテナ素子の第２のアレイとを備え、
前記ターゲットの前記マイクロ波画像が、前記送信ビームと前記受信ビームの交差部位に形成される、走査パネル。
【請求項２】
前記複数のアンテナ素子がそれぞれ反射アンテナ素子であり、前記第１のアレイのそれぞれの前記反射アンテナ素子が、マイクロ波源からマイクロ波照明を受け取り、前記それぞれのプログラムされた位相遅れに基づいて前記マイクロ波照明を反射して、マイクロ波照明の前記送信ビームを前記ターゲットの方に導くように構成された、請求項１に記載の走査パネル。
【請求項３】
前記第２のアレイのそれぞれの前記反射アンテナ素子が、前記受信ビームを受け取り、前記受信ビームを、前記第２のアレイの前記反射アンテナ素子と関連付けられた追加のそれぞれの位相遅れに基づいてマイクロ波受信器の方に反射するように構成された、請求項２に記載の走査パネル。
【請求項４】
前記交差部位が、前記送信ビームと前記受信ビームの体積積分クロス乗積である、請求項１に記載の走査パネル。
【請求項５】
前記送信ビームパターンと前記受信ビームパターンが直交楕円ビームパターンであり、前記第１のアレイと前記第２のアレイが相補的アレイである、請求項１に記載の走査パネル。
【請求項６】
前記送信ビームパターンと前記受信ビームパターンの一方が、粗いスポットのシングルローブビームパターンであり、他方が、細かいスポットのマルチローブパターンである、請求項１に記載の走査パネル。
【請求項７】
前記第１のアレイが、前記第２のアレイの面積よりも小さい面積を有し、前記前記第１のアレイが、前記第２のアレイの密度よりも大きい密度を有する、請求項６に記載の走査パネル。
【請求項８】
前記送信ビームパターンと前記受信ビームパターンとが、互いに４５度回転された十字形ビームパターンである、請求項１に記載の走査パネル。
【請求項９】
ターゲットのマイクロ波画像を捕捉する方法であって、
それぞれの位相遅れをそれぞれプログラム可能な複数のアンテナ素子を含む走査パネルを提供するステップと、
前記アンテナ素子のそれぞれの前記位相遅れに基づいて、前記送信ビームパターンのマイクロ波照明の送信ビームを前記複数のアンテナ素子の第１のアレイから前記ターゲットの方に導くステップと、
前記ターゲットから送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンで反射された反射マイクロ波照明の受信ビームを、前記複数のアンテナ素子の第２のアレイにて受け取るステップと、
前記送信ビームと前記受信ビームの交差部位で前記ターゲットの前記マイクロ波画像を捕捉するステップとを含む方法。
【請求項１０】
前記導くステップが、マイクロ波源からの前記マイクロ波照明を前記第１のアレイから前記ターゲットの方に反射するステップをさらに含み、
前記受け取るステップが、前記反射マイクロ波照明を前記第２のアレイからマイクロ波受信器に反射するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１】
ターゲットのマイクロ波画像を捕捉するためにマイクロ波画像形成システムに使用する走査パネルであって、
マイクロ波照明の送信ビームを前記ターゲットの方に導くように、それぞれの位相遅れをそれぞれプログラム可能であり、受信ビームで前記ターゲットから反射された反射マイクロ波照明をそれぞれ受け取ることができる複数のアンテナ素子を備え、
前記複数のアンテナ素子が、
マイクロ波照明の前記送信ビームを送信ビームパターンで導くように配列されたアンテナ素子の第１のアレイと、
前記送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンで前記受信ビームを受け取るように配列されたアンテナ素子の第２のアレイとを備え、
前記ターゲットの前記マイクロ波画像が、前記送信ビームと前記受信ビームの交差部位に形成される、走査パネル。
【請求項２】
前記複数のアンテナ素子がそれぞれ反射アンテナ素子であり、前記第１のアレイのそれぞれの前記反射アンテナ素子が、マイクロ波源からマイクロ波照明を受け取り、前記それぞれのプログラムされた位相遅れに基づいて前記マイクロ波照明を反射して、マイクロ波照明の前記送信ビームを前記ターゲットの方に導くように構成された、請求項１に記載の走査パネル。
【請求項３】
前記第２のアレイのそれぞれの前記反射アンテナ素子が、前記受信ビームを受け取り、前記受信ビームを、前記第２のアレイの前記反射アンテナ素子と関連付けられた追加のそれぞれの位相遅れに基づいてマイクロ波受信器の方に反射するように構成された、請求項２に記載の走査パネル。
【請求項４】
前記交差部位が、前記送信ビームと前記受信ビームの体積積分クロス乗積である、請求項１に記載の走査パネル。
【請求項５】
前記送信ビームパターンと前記受信ビームパターンが直交楕円ビームパターンであり、前記第１のアレイと前記第２のアレイが相補的アレイである、請求項１に記載の走査パネル。
【請求項６】
前記送信ビームパターンと前記受信ビームパターンの一方が、粗いスポットのシングルローブビームパターンであり、他方が、細かいスポットのマルチローブパターンである、請求項１に記載の走査パネル。
【請求項７】
前記第１のアレイが、前記第２のアレイの面積よりも小さい面積を有し、前記前記第１のアレイが、前記第２のアレイの密度よりも大きい密度を有する、請求項６に記載の走査パネル。
【請求項８】
前記送信ビームパターンと前記受信ビームパターンとが、互いに４５度回転された十字形ビームパターンである、請求項１に記載の走査パネル。
【請求項９】
ターゲットのマイクロ波画像を捕捉する方法であって、
それぞれの位相遅れをそれぞれプログラム可能な複数のアンテナ素子を含む走査パネルを提供するステップと、
前記アンテナ素子のそれぞれの前記位相遅れに基づいて、前記送信ビームパターンのマイクロ波照明の送信ビームを前記複数のアンテナ素子の第１のアレイから前記ターゲットの方に導くステップと、
前記ターゲットから送信ビームパターンと相補的な受信ビームパターンで反射された反射マイクロ波照明の受信ビームを、前記複数のアンテナ素子の第２のアレイにて受け取るステップと、
前記送信ビームと前記受信ビームの交差部位で前記ターゲットの前記マイクロ波画像を捕捉するステップとを含む方法。
【請求項１０】
前記導くステップが、マイクロ波源からの前記マイクロ波照明を前記第１のアレイから前記ターゲットの方に反射するステップをさらに含み、
前記受け取るステップが、前記反射マイクロ波照明を前記第２のアレイからマイクロ波受信器に反射するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−２７０９５４（Ｐ２００６−２７０９５４Ａ）
【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２００６−７５７８０（Ｐ２００６−７５７８０）
【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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