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
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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。
[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)。
[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。
[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。
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。
[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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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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