JP2022522155A - ミリ波アプリケーションのための切替可能反射型位相シフタ - Google Patents

ミリ波アプリケーションのための切替可能反射型位相シフタ Download PDF

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Abstract

本明細書で開示する例は、ミリ波アプリケーション用の切替可能反射型位相シフタに関する。切替可能反射型位相シフタは、制御モジュールによって供給される複数のバイアス電圧に応答して複数の位相サブレンジをアクティブにするための複数のスイッチを有する切替可能位相シフトネットワークと、それら複数のスイッチ内の所与のスイッチによってアクティブにされた所与の位相サブレンジ内で位相シフトを生成するための反射型位相シフタと、を有する。

Description

関連出願の相互参照
[0001] 本出願は、２０１９年２月２６日に出願された米国仮特許出願第６２／８１０，９５０号の優先権を主張するものであり、該出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
背景
[0002] より高い帯域幅及びデータレートに対する必要性に対処するために、ミリ波アプリケーションが登場した。ミリ波スペクトルは、３０～３００ＧＨｚの間の周波数をカバーし、１～１０ｍｍの範囲の波長で、１０Ｇビット／秒以上のデータレートに達することができる。波長がより短いと明確な利点があり、これには、より高い解像度、高周波数の再利用、及び指向性のあるビーム形成が含まれ、これらは、無線通信及び自動運転の用途では重要である。しかしながら、波長がより短いと、大きな大気減衰を受けやすく、到達距離が限定される（１キロメートル強）。
[0003] これらの用途の多くでは、全範囲の位相シフトを達成してビームを所望の方向に向けるために、位相シフタが必要である。ミリ波位相シフタを設計することは困難である、というのも、０～３６０°までのどこにでも位相シフトを提供しながら、小型化された回路における損失を最小限に抑えなくてはならないからである。
図面の簡単な説明
[0004] 本出願は、添付の図面と併せて解釈される以下の詳細な説明と関連付けて、より完全に理解することができる。添付の図面は縮尺通りに描かれてはおらず、図面全体を通じて、同様の参照符号は同様の部品を指している。
[0005]対象技術の様々な実装に従った、ミリ波アプリケーションのための切替可能反射型位相シフタの概略図である。 [0006]対象技術の様々な実装に従った、図１と同様の切替可能反射型位相シフタの概略図である。 [0007]対象技術の様々な実装に従った、図２と同様のバラクターベースの反射型位相シフタの概略図である。 [0008]対象技術の様々な実装に従った、図２と同様の切替可能位相ネットワークの概略図である。 [0009]対象技術の様々な実装に従った、図２と同様の切替可能反射型位相シフタを用いて所望の位相シフトを生成するための流れ図である。 [0010]対象技術の様々な実装に従った、図２と同様の切替可能反射型位相シフタの、位相シフト、バイアス電圧、及びバラクター制御電圧の例示的な値を示す。 [0011]対象技術の様々な実装に従った、図２と同様の切替可能反射型位相シフタのＭＭＩＣレイアウトを示す。 [0012]対象技術の様々な実装に従った、図２と同様の切替可能反射型位相シフタの位相全体の挿入損失を示すグラフである。 [0013]対象技術の様々な実装に従った、図２と同様の切替可能反射型位相シフタにより達成される位相シフトを示すグラフである。 [0014]対象技術の様々な実装に従って、切替可能反射型位相シフタを有する自律走行車両のビームステアリングレーダーシステムを使用して物体を検出し識別する、例示的な環境を示す。 [0015]対象技術の様々な実装に従った、自律走行車両の自動運転システムの概略図である。 [0016]対象技術の様々な実装に従った、図１１と同様のビームステアリングレーダーシステムの概略図である。 [0017]対象技術の様々な実装に従った、物体を識別するためのビームステアリング車両レーダーにおいてＲＦビームをステアリングするための流れ図である。 [0018]対象技術の様々な実装に従った、切替可能反射型位相シフタを使用した例示的な５Ｇアプリケーションを示す。
詳細な説明
[0019] ミリ波アプリケーションのための切替可能反射型位相シフタ（「ＳＲＰＳ」）について開示する。ＳＲＰＳは、ミリ波周波数で動作することができるバラクターベースの反射型位相シフタを使用して、０°～３６０°のどこにでも連続的な位相シフトを生成することができる。ＳＲＰＳは、位相全体の振幅変動が小さく、ＥＳＤ効果を最小限に抑え、且つＭＭＩＣレイアウトサイズが小さい、堅牢なトポロジーで設計され、ＭＭＩＣレイアウトサイズが小さいことは、無線通信、ＡＤＡＳ、及び自動運転などの多数のミリ波アプリケーションにとって望ましい。
[0020] 特に、本明細書で説明するＳＲＰＳは、現在の自動運転システムの何分の１かの時間で、環境全体の最大で３６０°の高速スキャンを可能にし、これは、向上した性能、全天候型／全状況での検出、高度な意思決定、及びセンサフュージョンによる複数の車両センサとの相互作用を伴う。本明細書に記載する例は、送信されるＲＦ信号の位相シフトの強化をもたらして、自律走行車両の範囲における送信を実現し、これは、米国では、ほぼ７７ＧＨｚであり、５ＧＨｚの範囲、具体的には７６ＧＨｚ～８１ＧＨｚまでの範囲を有する。本明細書に記載する例は、また、レーダーシステムの計算上の複雑さを低減し、その送信速度を高める。
[0021] 以下の説明では、例の完全な理解をもたらすために、多数の具体的な詳細が記載されていることが理解されよう。しかしながら、これらの例は、それらの具体的な詳細に限定することなく、実現されることもあることを、理解されたい。他の場合では、よく知られている方法及び構造については、例の説明を不必要に不明瞭にしてしまうことを回避するために、詳細には説明されないことがある。また、それらの例は、互いに組み合わせて使用されることがある。
[0022] 図１は、様々な例に従った、ミリ波アプリケーションのためのＳＲＰＳの概略図である。ＳＲＰＳ１００は、２つの主要な回路、即ち、切替可能位相ネットワーク１０２及び反射型位相シフタ１０４、を有する。切替可能位相ネットワーク１０２は、遅延線及びスイッチを含んで、一組の位相サブレンジ、例えば、９０°位相サブレンジ、１２０°位相サブレンジなどの中で、反射型位相シフタ１０４における位相シフトを可能にする。一組のバイアス電圧１０６が、切替可能位相ネットワーク１０２内のスイッチをアクティブにするために使用される。各バイアス電圧は、所与のスイッチをアクティブにし、所与の位相サブレンジにおける位相シフトを可能にする。反射型位相シフタ１０４は、各サブレンジにおいて位相シフトを生成するように設計される。様々な例では、反射型位相シフタ１０４は、一組のバラクターを用いて実装されて、一組のバラクター制御電圧に対して連続的な位相シフトを達成する。
[0023] バラクターとは、可変静電容量ダイオードであり、その静電容量は、印加されるバラクター制御又は逆バイアス電圧により、変化する。制御電圧の値を変化させることにより、バラクターの静電容量は、所与の値の範囲に渡って変化する。ミリ波アプリケーション用のバラクターの設計では、品質係数Ｑ及び調節範囲の限界に苦慮しており、品質係数Ｑは、所望のレベル未満に十分に下がった状態になる。従って、ミリ波スペクトルにおいて広い調節範囲を有するバラクターを実現するのは困難であり、これにより、全潜在能力を発揮するためには３６０°の位相シフトを必要とすることがあるミリ波アプリケーションでの、バラクターの使用が制限される。理想的なバラクター、即ち、無損失で非線形のリアクタンスは、約２０～８０ｆＦの所与の静電容量範囲を有し、無損失（Ｒｓ＝０Ω）である。理想的なバラクターは、約５２°～１２６°の範囲内の位相シフトを提供することができる。完全な３６０°位相シフトが望まれる様々なアプリケーションでは、この位相シフトは十分ではない。
[0024] ＳＲＰＳ１００は、０°～３６０°の間の任意の所望の位相シフトを生成するために、分散型バラクターネットワークを導入することにより、この位相シフト範囲の制約の問題に解決策を提供する。所望の位相シフトのそれぞれは、制御モジュール１０６によって提供されるバイアス電圧に応答して生成される。ビームステアリング車両レーダーの用途では、制御モジュール１０６は知覚モジュールであり、このモジュールは、物体の検出及び識別に基づいてＲＦビームをステアリングするようにビームステアリングアンテナに指示をする。無線通信の用途では、制御モジュール１０６は、望む通りにＲＦビームをステアリングするようにはたらいて、見通し領域外にいるユーザなどのユーザに対する無線カバレッジを改善する。
[0025] ここで、図２に着目すると、図２は、様々な例に従って、図１と同様に実装された切替可能反射型位相シフタの概略図を示している。ＳＲＰＳ２００は、切替可能位相ネットワーク２０２及び反射型位相シフタ２０４と共に示されている。切替可能位相ネットワーク２０２は、２つの単極３投（「ＳＰ３Ｔ」）スイッチ２０６～２０８を有して、反射型位相シフタ２０４が精密な位相制御を生み出すことができる３つの位相サブレンジを有効にする。位相サブレンジ２１０は、反射型位相シフタ１０４において０°～１２０°までの位相シフトを生成するためにアクティブにされ、位相サブレンジ２１２は、反射型位相シフタ２０４において１２０°～２４０°までの位相シフトを生成するためにアクティブにされ、位相サブレンジ２１４は、反射型位相シフタ２０４において２４０°～３６０°までの位相シフトを生成するためにアクティブにされる。それぞれのバイアス電圧が切替可能位相ネットワーク２０２に入力されると、位相サブレンジが有効になり、反射型位相シフタ２０４がその位相サブレンジ内で位相シフトを生成する。例えば、位相サブレンジ２１０に対応するバイアス電圧が切替可能位相ネットワーク２０２に入力されると、反射型位相シフタ２０４は、０°～１２０°というそのサブレンジ内で連続的な位相シフトを生成することができる。
[0026] バラクターベースの反射型位相シフタ２０４の概略図が、図３に示されている。反射型位相シフタ３００は、ランゲ・カプラ３０２、インピーダンス線３０４～３１０、及びバラクター３１２～３１８を用いて実装される、分散バラクターネットワークである。ランゲ・カプラ３０２は、ＲＦ入力信号を、位相が９０°ずれている２つの信号に分割する。それらの信号は、適合した反射負荷３２０～３２２から反射し、ＲＦ出力において、同相で結合する。インピーダンス線３０４～３１０は、例えば、波長の４分の１（λ／４）又は他のそのような値の、伝送線であり得る。各線３０４～３１０は、異なるものであっても、又は同じ長さを有していてもよい。バラクター３１２～３１８に結合されたインピーダンス線３０４～３１０を追加すると、使用されるバラクターに応じて、純粋に容量性の又は純粋に誘導性の回路が生成される。ＲＦ信号が反射型位相シフタ３００に入力されると、この信号は異なる線３０４～３１０に分散し、位相範囲が増加した状態で反射して戻される。各バラクター３１２～３１８の位相範囲は、バラクター制御電圧（図示せず）によって制御される。
[0027] 反射型位相シフタ３００は、理想的なバラクターが使用されている場合にのみ、完全な３６０°の位相シフトを実現することに留意されたい。ミリ波アプリケーション用に設計される実際のバラクターは、品質係数Ｑ及び調節範囲の限界に苦慮している。ミリ波バラクターの調節範囲は、現実には、理想的なバラクターの調節範囲よりもはるかに小さくなる。ミリ波バラクターの場合、反射型位相シフタ３００は、１２０°の位相サブレンジにおける位相シフトなどの、所与の位相サブレンジ内の位相シフトを生成することができる。従って、反射型位相シフタに対して異なる位相サブレンジをアクティブにするために切替可能位相ネットワークを追加して、図１及び図２のＳＲＰＳ設計を用いて、３６０°の完全な位相シフトを実現することができる。
[0028] ここで図４を参照すると、様々な例に従った図２と同様の切替可能位相ネットワークの概略図が説明されている。切替可能位相ネットワーク４００は、インピーダンス線４０８～４１２に結合された３つの回路ブロック４０２～４０６を有するＳ３ＰＴスイッチである。各回路ブロックは、それぞれのバイアス電圧によってアクティブにされ、例えば、回路ブロック４０２はバイアス電圧Ｓ１を用いてアクティブにされ、回路ブロック４０４はバイアス電圧Ｓ２を用いてアクティブにされ、回路ブロック４０６はバイアス電圧Ｓ３を用いてアクティブにされる。インピーダンス線４０８～４１２は、各回路ブロックの出力が所与の位相サブレンジにあるように、４分の１波長線か又は他のそのような値であり得る。回路ブロック４０２は０°～１２０°の中の位相でＲＦ信号を生成することができ、回路ブロック４０４は１２０°～２４０°の中の位相でＲＦ信号を生成することができ、回路ブロック４０６は２４０°～３６０°の中の位相でＲＦ信号を生成することができる。
[0029] 図５は、対象技術の様々な実装に従った、図２と同様のＳＲＰＳを用いて、所望の位相シフトを生成するための流れ図を示す。まず、バイアス電圧がＳＲＰＳに入力される（５００）。バイアス電圧は、所与の投スイッチ（例えば、図４の回路ブロック４０２～４０６）をアクティブにして、所与の位相サブレンジにおける位相シフトを生成する（５０２）。次いで、投スイッチのアクティブ化により、ＳＲＰＳ回路内の反射型位相シフタを用いて、所望の位相サブレンジにおける位相シフト制御の、精密な調節がトリガーされる（５０４）。
[0030] 図６は、対象技術の様々な実装に従った、図２と同様のＳＲＰＳの、位相シフト、バイアス電圧、及びバラクター制御電圧の例示的な値を示す。表６００は、バイアス電圧Ｓ１及び異なるバラクター制御電圧について達成される、０°～１２０°の中のデルタ及び角度位相値を示しており、表６０２は、１２０°～２４０°の中の位相サブレンジに対するパラメータ値を列挙しており、表６０４は、２４０°～３６０°の中の位相サブレンジに対するパラメータ値を列挙している。図示した結果は、本明細書で説明したＳＲＰＳが、最大で３６０°までの完全な位相レンジのために、連続的な位相シフトを実際に生成する能力を、実証している。これにより、ミリ波周波数範囲での５Ｇ及び自律走行車両アプリケーションにおけるビームステアリングが可能になり、多くの用途の必要性が満たされる。
[0031] 図７は、対象技術の様々な実装に従ったＳＲＰＳの例示的なＭＭＩＣレイアウトを示す。ＭＭＩＣ７００は、多くのミリ波用途に適した約１．６５ｍｍ×２．９ｍｍの回路サイズでのＧａＡｓプロセスで実現される。図８は、ＳＲＰＳ２００の位相全体の挿入損失を示すグラフ８００である。ＳＲＰＳ２００の挿入損失は、周波数及び位相に渡って制御され、約６．５ｄＢで推移する。図９では、ＳＲＰＳ２００によって達成される位相シフトを示すグラフ９００は、最大で３６０°までの完全な位相の能力を示している。
[0032] 本明細書で説明するＳＲＰＳは、自律走行車両におけるビームステアリングレーダーアプリケーションを含む、多数のミリ波アプリケーションに適用可能である。本明細書で説明するＳＲＰＳを用いて実装されるビームステアリングレーダーは、ＳＲＰＳによって生成される位相シフトを用いて０°～３６０°までのどこにでもＲＦビームをステアリングすることができる。ここで、図１０に着目すると、図１０は、物体を検出し識別するために自律走行車両のビームステアリングレーダーシステムが使用される例示的な環境を示している。自車１０００は、レーダー信号を送信してＦｏＶ又は特定の領域をスキャンするための、ビームステアリングレーダーシステム１００６を有する自律走行車両である。ＦｏＶ全体又はその一部を、そのような送信ビーム１０１８を寄せ集めることによってスキャンすることができ、それらの送信ビームは、連続的な隣接するスキャン位置にあることも、又は特定の順序若しくはランダムな順序であることもある。ＦｏＶという用語は、本明細書ではレーダー送信に関連して使用され、視界が遮られていない光学的ＦｏＶを意味するものではないことに、留意されたい。スキャンパラメータは、これらの段階的な送信ビーム間の時間間隔、並びに完全な又は部分的なスキャンの開始及び終了角度位置、も示すことがある。
[0033] 様々な例では、自車１０００は、カメラ１００２及びライダー１００４などの他の知覚センサも有することがある。これらの知覚センサは、自車１０００にとって必須ではないが、ビームステアリングレーダーシステム１００６の物体検出能力を補うのに有用であることがある。カメラセンサ１００２を使用して、目に見える物体及び状態を検出し、様々な機能の実施を支援することができる。ライダーセンサ１００４を使用して物体を検出し、この情報を提供して車両の制御を調節することもできる。この情報には、高速道路の渋滞、道路状況、及び車両のセンサ、動作、又は操作に影響を与える他の状況、などの情報が含まれることがある。カメラセンサは、現在、（例えば、後方確認カメラで）駐車などの運転機能において運転者を支援する先進運転支援システム（「ＡＤＡＳ」）で使用されている。カメラは、高い詳細度で、テクスチャ、色、及びコントラストの情報を捕捉することができるが、人間の目と同様に、悪天候及び明かりの変化に、影響されやすい。カメラ１００２は、高解像度であり得るが、５０メートル向こうの物体を解像することができない。
[0034] ライダーセンサは、通常、光のパルスが物体に向かって進行しセンサまで戻るのにかかる時間を計算することにより、物体までの距離を測定する。車両の上部に配置されると、ライダーセンサは、周囲環境の３６０°の３Ｄビューを提供することができる。他の方式では、車両の周囲の異なる位置に幾つかのライダーを使用して、完全な３６０°ビューを提供することがある。しかしながら、ライダー１００４などのライダーセンサは、依然として手が届かないほど高価で、かさばり、天候に左右されやすく、短距離（通常、１５０～２００メートル未満）に制限される。一方で、レーダーは、長年にわたり車両で使用されてきており、全天候型で動作する。レーダーはまた、他の種類のセンサよりもはるかに処理が少なく、障害物の背後にある物体を検出したり、移動している物体の速度を決定したりするという利点を有する。解像度の点になると、ライダーのレーザービームは、小さな領域に焦点が合わせられ、ＲＦ信号よりも波長が短く、約０．２５度の解像度を達成することができる。
[0035] 様々な例では、以下により詳細に説明するように、ビームステアリングレーダーシステム１００６は、３６０°の真の３Ｄビジョンと、自車の経路及び周囲環境についての人間同様の判読とを提供することができる。レーダーシステム１００６は、（少なくとも１つのビームステアリングアンテナを有する）ビームステアリングアンテナモジュールを用いて３６０°のＦｏＶにおける全方向でＲＦビームを成形しステアリングすることができ、約３００メートル以上の長距離に渡って物体を素早く高い精度で認識することができる。カメラ１００２及びライダー１００４の短距離能力並びにレーダー１００６の長距離能力により、自車１０００のセンサフュージョンモジュール１００８が、その物体検出及び識別を強化することが可能になる。
[0036] 図１１は、様々な例に従った自車の自動運転システムの概略図を示す。自動運転システム１１００は、運転機能の一部又は全部の自動化を提供する、自車で使用するためのシステムである。運転機能には、例えば、操縦、加速、ブレーキに加えて、通行車、道を横切る歩行者、動物などを回避するために必要な場合に車線又は速度を変更することなどの、周囲環境及び運転状況を監視してイベントに対応すること、が含まれることがある。自動運転システム１１００は、ビームステアリングレーダーシステム１１０２と、カメラ１１０４、ライダー１１０６、インフラストラクチャーセンサ１１０８、環境センサ１１１０、動作センサ１１１２、ユーザ嗜好センサ１１１４、及び他のセンサ１１１６などの他のセンサシステムとを含む。自動運転システム１１００は、通信モジュール１１１８、センサフュージョンモジュール１１２０、システムコントローラ１１２２、システムメモリ１１２４、及びＶ２Ｖ通信モジュール１１２６も含む。自動運転システム１１００のこの構成は、例示的な構成であり、図１１に図示した具体的な構造に限定することを意図してはいないことを、理解されたい。図１１には示されていない追加のシステム及びモジュールが、自動運転システム１１００に含まれていてもよい。
[0037] 様々な例では、ビームステアリングレーダーシステム１１０２は、車両の３６０°のＦｏＶの１つ又は複数の部分に焦点を合わせることができる動的に制御可能でステアリング可能なビームを提供するための、少なくとも１つのビームステアリングアンテナを含む。ビームステアリングアンテナから放射されたビームは、車両の経路及び周囲環境にある物体から反射して戻され、レーダーシステム１１０２によって受け取られ処理されて、物体が検出及び識別される。レーダーシステム１１０２は、物体を検出及び識別し、望む通りにレーダーモジュールを制御するように訓練された、知覚モジュールを含む。カメラセンサ１１０４及びライダー１１０６は、はるかに短い距離であろうとも、自車の経路及び周囲環境にある物体を識別するために使用されることもある。
[0038] インフラストラクチャーセンサ１１０８は、運転中にインフラストラクチャーからの、例えば、スマート道路形態、広告掲示板情報、交通警告及び標識（交通信号灯、一時停止標識、交通予告等を含む）などからの情報を提供することができる。これは成長中の領域であり、この情報から引き出される用途及び能力は測り知れない。環境センサ１１１０は、外部の様々な状態、とりわけ、温度、湿度、霧、視界、降雨量などを検出する。動作センサ１１１２は、車両の機能的動作についての情報を提供する。これは、タイヤ空気圧、燃料レベル、ブレーキ摩耗等であり得る。ユーザ嗜好センサ１１１４は、ユーザ嗜好の一部である状態を検出するように構成されることがある。これは、温度調節、スマート日よけなどであり得る。他のセンサ１１１６は、車両の中及び周囲の状態を監視するための追加のセンサを含むことがある。
[0039] 様々な例では、センサフュージョンモジュール１１２０は、これらの様々な機能を最適化して、車両及び環境の概ね包括的なビューを提供する。センサフュージョンモジュール１１２０によって、多くの種類のセンサを制御することができる。これらのセンサは互いに協働して情報を共有し、ある制御アクションによる別のシステムへの影響を検討することができる。一例では、混雑した運転状況において、ノイズ検出モジュール（図示せず）が、車両と干渉する可能性がある複数のレーダー信号が存在することを識別することがある。レーダー１２０２内の知覚モジュールがこの情報を使用して、これらの他の信号を避けて干渉を最小限に抑えるように、レーダーのスキャンパラメータを調節することができる。
[0040] 別の例では、環境センサ１１１０は、天気が変化しており、視界が低下していることを検出することがある。この状況では、センサフュージョンモジュール１１２０は、これらの新しい状況で車両をナビゲートする能力を改善するように他のセンサを設定することを決定することがある。この設定は、カメラ又はライダーセンサ１１０４～１１０６をオフにすること、又はこれらの視界に基づくセンサのサンプリングレートを低減することを含むことがある。これにより、現在の状況に適合したセンサに効果的に依存するようになる。これに応じて、知覚モジュールは、レーダー１１０２についても、これらの状況に対して設定する。例えば、レーダー１１０２は、ビーム幅を低減して、より集束したビーム、従ってより微細な感知能力を提供することができる。
[0041] 様々な例では、センサフュージョンモジュール１１２０は、状態及び制御の履歴に基づいて、アンテナに直接制御を送信することができる。センサフュージョンモジュール１１２０は、システム１１００内部のセンサの一部を使用して、他のセンサのためのフィードバック又は較正としてはたらくこともある。このようにして、動作センサ１１１２は、知覚モジュール及び／又はセンサフュージョンモジュール１１２０にフィードバックを提供して、テンプレート、パターン、及び制御シナリオを生成することができる。これらは、成功したアクションに基づいているか又は良くない結果に基づいていることがあり、センサフュージョンモジュール１１２０は過去のアクションから学習する。
[0042] センサ１１０２～１１１６からのデータをセンサフュージョンモジュール１１２０内で組み合わせて、自動運転システム１０００のターゲット検出及び識別の性能を改善することができる。センサフュージョンモジュール１１２０は、それ自体がシステムコントローラ１１２２によって制御されることがあり、このシステムコントローラは、車両内の他のモジュール及びシステムと相互作用し、それらを制御することができる。例えば、システムコントローラ１１２２は、望む通りに異なるセンサ１１０２～１１１６をオン・オフすることができ、又は、運転上の危険物（例えば、鹿、歩行者、自転車、又は車両の経路に突如として現れる別の車両、飛んでくる破片、等）を識別した際に車両に停止するように命令を行うことができる。
[0043] 自動運転システム１１００内の全てのモジュール及びシステムは、通信モジュール１１１８を介して互いに通信する。自動運転システム１１００は、システムメモリ１１２４も含み、このシステムメモリは、システム１１００及びシステム１１００を使用する自車の動作のために使用される情報及びデータ（例えば、静的及び動的データ）を保存することができる。Ｖ２Ｖ通信モジュール１１２６は、他の車両との通信のために使用される。Ｖ２Ｖ通信モジュール１１２６は、車両のユーザ、運転者、又は乗員からは見えない他の車両からの情報を含むこともあり、事故を回避するように車両同士が連係してはたらくのを助けることがある。
[0044] 図１２は、対象技術の様々な実装に従った、図２と同様のビームステアリングレーダーシステムの概略図を示す。ビームステアリングレーダーシステム１２００は、真の３Ｄビジョンを備え、人間のように世界を解釈することができる、「デジタル式の目」である。「デジタル式の目」及び人間同様の解釈能力は、２つの主要なモジュール、即ちレーダーモジュール１２０２及び知覚モジュール１２０４によってもたらされる。レーダーモジュール１２０２は、自律型自車の３６０°のＦｏＶの１つ又は複数の部分に焦点を合わせることができる動的に制御可能でステアリング可能なビームを提供するための、少なくとも１つのビームステアリングアンテナ１２０６を含む。なお、現在のビームステアリングアンテナの実装では、最大で１２０°～１８０°のＦｏＶまで、ビームをステアリングすることができる。完全な３６０°のＦｏＶに達するためのステアリング実現性を提供するためには、複数のビームステアリングアンテナが必要であることがある。
[0045] 様々な例では、ビームステアリングアンテナ１２０６は、複数のステアリング角度でＲＦ信号を提供するために本明細書で説明されるＳＲＰＳを含むＲＦＩＣ１２１０と統合される。アンテナは、メタ構造アンテナ、フェーズドアレイアンテナ、又はミリ波周波数でＲＦ信号を放射することができる任意の他のアンテナ、であり得る。本明細書で一般的に定義するように、メタ構造とは、幾何形状に基づいて所望の方向に入射放射線を制御及び操作することができるように設計された構造である。メタ構造アンテナは、様々な構造及び層を含むことがあり、これには、例えば、電力を分割してインピーダンス整合を提供するためのフィード又は電力分割層１２１８、ステアリング角度制御及び他の機能を提供するためのＲＦＩＣ１２１０を備えたＲＦ回路層、及び複数のマイクロストリップ、ギャップ、パッチ、ビア等を備えたメタ構造アンテナ層が含まれる。メタ構造層は、メタマテリアル層を含むことがある。様々な構成、形状、設計、及び寸法のビームステアリングアンテナ１２０６を使用して、特定の設計を実装し、特定の制約を満足することができる。
[0046] 図１の制御モジュール１０６としてはたらく知覚モジュール１２０４によって、レーダー制御が部分的にもたらされる。レーダーモジュール１２０２によって生成されたレーダーデータは、物体の検出及び識別のために、知覚モジュール１２０４に提供される。レーダーデータは送受信機１２０８によって取得され、この送受信機は、ビームステアリングアンテナ１２０６によって放射されるＲＦ信号を生成し、それらのＲＦ信号の反射を受信することができる、レーダーチップセットを有している。知覚モジュール１２０４での物体の検出及び識別は、機械学習モジュール（「ＭＬＭ」）１２１２及び分類器１２１４において行われる。車両のＦｏＶ内にある物体を識別すると、知覚モジュール１２０４は、必要に応じてビームステアリング及びビーム特性を調節するために、レーダーモジュール１２０２内のアンテナ制御部１２１６に物体データ及び制御命令を提供する。様々な実施態様では、制御命令には、ＲＦＩＣ１２１０内でＳＲＰＳに入力されるバイアス電圧を調節することにより異なる位相シフトを提供するための命令が含まれる。
[0047] 様々な例では、ＭＬＭ１２１２は、ＣＮＮを実装し、このＣＮＮは、様々な例では、入力から出力までの３つの積層された畳み込み層を備えた、完全畳み込みニューラルネットワーク（「ＦＣＮ」）である（ＣＮＮには、追加の層が含まれていてもよい）。これらの層のそれぞれは、従来のＬ２正則化の代替として、バッチ正規化及び修正された線形活性化関数も実施し、各層は６４個のフィルタを有する。多くのＦＣＮとは異なり、データは、ネットワークを通って伝搬する際に圧縮されていない、というのも、入力のサイズが比較的に小さく、圧縮しなくてもランタイム要件が満たされるからである。様々な例では、ＣＮＮは、生のレーダーデータ、合成レーダーデータ、ライダーデータを用いて訓練され、その後、レーダーデータ等を用いて再訓練されることがある。優れた物体検出及び識別性能を達成するためにＣＮＮを訓練するために、複数の訓練オプションが実装されることがある。
[0048] 分類器１２１４は、レーダーモジュール１２０２によって取得されたレーダーデータにおける速度情報及び微小ドップラーシグニチャを使用して、知覚モジュール１２０４の物体識別能力を高めるために、ＣＮＮ又は他の物体分類器も含むことがある。物体がゆっくりと移動しているか、又は道路の車線の外側を移動している場合、その物体は、動力車ではなく、人、動物、自転車などである可能性が高い。同様に、ある物体が高速ではあるが、高速道路上の他の車両の平均速度よりもゆっくりと移動している場合、分類器１２１４はこの速度情報を使用して、その車両が、トラックか又はよりゆっくりと移動する傾向がある別の物体であるのかを判断する。幾つかの国（例えば、アメリカ合衆国）での高速道路の最も右側の車線内などの、物体の位置は、低速で移動するタイプの車両を示すことがある。物体の動きが道路の経路に従っていない場合、その物体は、道路を横切って走る、鹿などの動物であり得る。こういった情報の全ては、車両が利用可能な様々なセンサ及び情報から判断することができ、これには、天気及び交通サービスから提供される情報、並びに他の車両、又はスマート道路及びスマート交通標識などの環境自体からの情報が含まれる。
[0049] 速度情報は、レーダーセンサ特有のものであることに留意されたい。レーダーデータは、（ｒｉ、θｉ、φｉ、Ｉｉ、ｖｉ）の形式のデータタプルを有する多次元フォーマットをしており、ここで、ｒｉ、θｉ、φｉは物体の位置座標を表し、ｒｉは見通し線に沿ったレーダーシステム３００と物体との間のレンジ又は距離を示し、θｉは方位角であり、φｉは仰角であり、Ｉｉは送受信機１２０８に戻った送信電力の量を示す強度又は反射率であり、ｖｉは見通し線に沿ったレーダーシステム１２００と物体との間の速度である。知覚モジュール１２０４によってレーダーモジュール１２０２に提供される位置及び速度情報により、アンテナ制御部１２１０が、そのパラメータを呼応して調節できるようになる。
[0050] 図１３は、図１２のビームステアリング車両レーダー１２００と同様の、物体を検出及び識別するためのビームステアリング車両レーダーにおいてＲＦビームをステアリングするための流れ図を示す。まず、送受信機において送信用のＲＦ信号が生成される（１３００）。ビームステアリング車両レーダー内のＲＦＩＣ内の切替可能反射型位相シフタにバイアス電圧が供給される（１３０２）。なお、１つのＲＦＩＣ内には複数の切替可能反射型位相シフタが存在することがあり、ビームステアリング車両レーダー内には複数のＲＦＩＣが存在することがあり、例えば、複数のアンテナ素子に１つのＲＦＩＣが結合されていることがある。各切替可能反射型位相シフタは、送受信機用のバイアス電圧に対応した第１の位相サブレンジ内の位相シフトを生成して、ビームステアリングアンテナ、例えばビームステアリングアンテナ１２０６に位相シフトされたＲＦ信号を提供する（１３０４）。次いで、ビームステアリングアンテナは、位相シフトされたＲＦ信号を放射して物体を検出する（１３０６）。次いで、切替可能反射型位相シフタを検出された物体に基づいて第２の位相サブレンジに切り替えて、ビームを別の方向にステアリングする（１３０８）。これは、物体が道路上の別の場所に移動するか、又は別のそのような例に応答したものであり得る。ＳＲＰＳは、自車が、短距離及び長距離の両方で物体を検出するために、ビームを任意の所望の方向にステアリングすることを可能にする。
[0051] 本明細書で上述したＳＲＰＳは、図１４に示すように、５Ｇアプリケーションで実装されることもある。このアプリケーションでは、無線通信モジュール１４０２（例えば、基地局）が、本明細書で説明するようなＳＲＰＳ（例えば、図２のＳＲＰＳ２００）を組み込んで、ＲＦビームを送受信する。例えば、モジュール１４０２内の無線送受信機内に実装されるＳＲＰＳは、無線モジュール１４０２から放射されるＲＦビームを任意の方向にステアリングすることができる。受信動作中、ＳＲＰＳを使用して、モジュール１４０２内の受信アンテナの各放射素子に異なる時刻に到達した受信ＲＦビームを整列させることができる。別の例では、アクティブ・リフレクトアレイ・モジュール１４０４内に実装されたＳＲＰＳは、無線通信モジュール１４０２から送信されたＲＦビームを、見通し領域外にいるユーザに届くように、任意の方向に反射する。所望の方向は、リフレクトアレイモジュール１４０４に結合した制御モジュールによって、ユーザまでの無線カバレッジに影響を与えることがある環境１４００内の状況に応じて、提供される。
[0052] 開示した例についてのこれまでの説明は、当業者が本開示を実施又は使用できるようにするために提供されるものであることを、理解されたい。これらの例に対する様々な修正は、当業者、及び本開示の趣旨又は範囲には容易に明らかになるであろう。従って、本開示は、本明細書に示した例に限定されることを意図してはおらず、本明細書に開示する原理及び新規の特徴と合致する最も広い範囲を与えられるべきである。
[0053] 本明細書で使用する場合、一連の項目の前に付く「少なくとも１つの」という句は、それらの項目を分離するために「及び」又は「又は」という用語を伴い、リストの各メンバー（即ち、各項目）ではなく、リスト全体を修飾する。「少なくとも１つの」という句は、少なくとも１つの項目の選択を必要とするものではない。むしろ、この句は、それらの項目のうちのいずれかの項目の少なくとも１つ、及び／又はそれらの項目の任意の組み合わせの少なくとも１つ、及び／又はそれらの項目のそれぞれの少なくとも１つ、を含む意味を可能にする。例として、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ」又は「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つ」という句はそれぞれ、Ａのみ、Ｂのみ、又はＣのみを指し、Ａ、Ｂ、及びＣの任意の組み合わせを指し、及び／又はＡ、Ｂ、及びＣのそれぞれの少なくとも１つを指す。更に、本明細書又は特許請求の範囲において、「含む（include）」「有する（have）」などの用語が使用される限り、そのような用語は、「含む（comprise）」という用語が、請求項において移行語として用いられる場合に解釈されるのと同様の態様で、包括的であることが意図されている。
[0054] 単数形の要素への言及は、特に明記されていない限り、「１つのみ」を意味するのではなく、「１つ又は複数」を意味することが意図されている。「幾つかの」という用語は、１つ又は複数を指す。下線のついた及び／又はイタリック体の見出し及び小見出しは、便宜上使用されているに過ぎず、対象技術を制限するものではなく、対象技術の説明の解釈に関連して参照されるものではない。当業者に既知の又は後で知られるようになる、本開示全体を通じて説明される様々な構成の要素の、構造的及び機能的な均等物は全て、参照により本明細書に明示的に組み込まれ、また、対象技術によって包含されることが意図されている。更に、本明細書で開示されるものは、そのような開示が上記の説明中に明白に記載されているかどうかに関わらず、公衆に捧げられることを意図してはいない。
[0055] この明細書には多数の詳細が含まれているが、それらは、特許請求され得る範囲を制限するものと解釈されるべきではなく、主題の特定の実施態様の説明として解釈されるべきである。本明細書において別々の実施形態の文脈で説明される複数の特定の特徴を、単一の実施形態において組み合わせて実施することもできる。逆に、単一の実施形態の文脈で説明される様々な特徴を、複数の実施形態において別々に、又は任意の適切な副次的な組み合わせで、実施することもできる。更に、上記では、複数の特徴が特定の組み合わせで機能すると説明され、そのように最初に特許請求されたとしても、特許請求された組み合わせからの１つ又は複数の特徴が、場合によっては、その組み合わせから削除されることがあり、また特許請求された組み合わせは、副次的な組み合わせか、又は副次的な組み合わせの変形例に向けられることがある。
[0056] 本明細書の主題について、特定の態様の観点から説明してきたが、他の態様が、実施可能であり、以下の特許請求の範囲内にある。例えば、図面では動作が特定の順序で示されているが、これは、所望の結果を達成するために、そのような動作が図示した特定の順序若しくは連続的な順序で実施されること、又は、図示した動作が全て実施されること、を必要とするものと理解されるべきではない。特許請求の範囲に記載されるアクションは、異なる順序で実施することができ、依然として所望の結果を達成することができる。一例として、添付の図面に示されているプロセスは、所望の結果を達成するために、必ずしも、図示した特定の順序又は連続的な順序を必要とはしない。更に、上述した態様における様々なコンポーネントの分離は、全ての態様においてそのような分離を必要とするものと理解されるべきではなく、説明したプログラムコンポーネント及びシステムは、一般的に、単一のハードウェア製品に一緒に統合されることがあるか、又は複数のハードウェア製品にパッケージ化されることがあることを、理解されたい。他の変形例が、以下の特許請求の範囲の範囲内にある。

Claims (20)

  1. 切替可能反射型位相シフタであって、
    制御モジュールによって供給される複数のバイアス電圧に応答して複数の位相サブレンジをアクティブにするための複数のスイッチを備える、切替可能位相シフトネットワークと、
    前記複数のスイッチの中の所与のスイッチによってアクティブにされる所与の位相サブレンジ内で位相シフトを生成するための、反射型位相シフタと、を含む、切替可能反射型位相シフタ。
  2. 前記複数のスイッチは、前記制御モジュールによって供給される前記複数のバイアス電圧によってトリガーされる、複数の単極３投（「ＳＰ３Ｔ」）スイッチを含む、請求項１に記載の切替可能反射型位相シフタ。
  3. 前記複数のＳＰ３Ｔスイッチは、１２０°の遅延線及び２４０°の遅延線に結合された、第１及び第２のＳＰ３Ｔスイッチを含む、請求項２に記載の切替可能反射型位相シフタ。
  4. 前記複数の位相サブレンジは、０°～１２０°の第１の位相サブレンジ、１２０°～２４０°の第２の位相サブレンジ、及び２４０°～３６０°の第３の位相サブレンジを含む、請求項１に記載の切替可能反射型位相シフタ。
  5. 前記反射型位相シフタは、ランゲ・カプラ及び複数のインピーダンス線を用いて実装される分散バラクターネットワークを含む、請求項１に記載の切替可能反射型位相シフタ。
  6. 前記ランゲ・カプラは、第１の反射負荷に結合された第１のインピーダンス線及び第２の反射負荷に結合された第２のインピーダンス線に結合される、請求項５に記載の切替可能反射型位相シフタ。
  7. 前記第１の反射負荷は、第３のインピーダンス線に結合された第１及び第２のバラクターを含む、請求項６に記載の切替可能反射型位相シフタ。
  8. 前記第２の反射負荷は、第４のインピーダンス線に結合された第３及び第４のバラクターを含む、請求項６に記載の切替可能反射型位相シフタ。
  9. 前記反射型位相シフタは、増加した位相レンジで前記複数のインピーダンス線に分配されたＲＦ信号を反射する、請求項５に記載の切替可能反射型位相シフタ。
  10. 物体識別のためのビームステアリング車両レーダーであって、
    少なくとも１つのビームステアリングアンテナ、及び切替可能反射型位相シフタを用いて実装される少なくとも１つのＲＦＩＣを含んで、視野全体に渡ってＲＦビームをステアリングし、前記ステアリングされたＲＦビームの反射を受け取る、レーダーモジュールと、
    前記ステアリングされたＲＦビームの前記反射に対応するレーダーデータを受け取り、前記ＲＦビームのステアリングを調節するための制御命令を生成する、知覚モジュールと、を含む、ビームステアリング車両レーダー。
  11. 前記少なくとも１つのビームステアリングアンテナは、メタ構造アンテナを含む、請求項１０に記載のビームステアリング車両レーダー。
  12. 前記レーダーモジュールは、送受信機を更に含んで、前記少なくとも１つのビームステアリングアンテナによってＲＦビームとして放射されることになるＲＦ信号を生成し、前記ステアリングされたＲＦビームの受信された反射から前記レーダーデータを生成する、請求項１０に記載のビームステアリング車両レーダー。
  13. 前記切替可能反射型位相シフタは、複数のバイアス電圧に基づいて複数の位相サブレンジをアクティブにするための複数のスイッチを有する切替可能位相シフトネットワークと、前記複数のスイッチ内の所与のスイッチによってアクティブにされた所与の位相サブレンジ内で位相シフトを生成するための反射型位相シフタと、を含む、請求項１０に記載のビームステアリング車両レーダー。
  14. 前記反射型位相シフタは、ランゲ・カプラ及び複数のインピーダンス線を用いて実装される分散バラクターネットワークを含む、請求項１３に記載のビームステアリング車両レーダー。
  15. 前記反射型位相シフタは、増加した位相レンジで前記複数のインピーダンス線に分配されたＲＦ信号を反射する、請求項１４に記載のビームステアリング車両レーダー。
  16. 前記制御命令は、前記複数のバイアス電圧を調節するための命令を含む、請求項１３に記載のビームステアリング車両レーダー。
  17. 前記知覚モジュールは、前記レーダーデータから物体を検出及び識別するための機械学習モジュールを含む、請求項１０に記載のビームステアリング車両レーダー。
  18. 制御データは、前記レーダーデータからの物体の検出及び識別に基づいて生成される、請求項１７に記載のビームステアリング車両レーダー。
  19. 物体検出及び識別のためにビームステアリング車両レーダーにおいてＲＦビームをステアリングするための方法であって、
    送信用のＲＦ信号を生成することと、
    前記ビームステアリング車両レーダー内の切替可能反射型位相シフタにバイアス電圧を供給することと、
    前記バイアス電圧に対応する位相シフトで位相シフトされたＲＦ信号を生成することであって、前記位相シフトは第１の位相サブレンジ内にあることと、
    ビームステアリングアンテナを用いて前記位相シフトされたＲＦ信号を放射して物体を検出することと、
    前記検出された物体に基づいて、前記切替可能反射型位相シフタを第２の位相サブレンジに切り替えることと、を含む方法。
  20. 前記位相シフトされたＲＦ信号の反射から前記物体を検出すると知覚モジュールによって生成される物体検出データに基づいて、制御命令を前記ビームステアリング車両レーダーに提供して、前記切替可能反射型位相シフタを切り替えることを更に含む、請求項１９に記載の方法。
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