JP2016020899A - メタマテリアルベースの物体検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両衝突回避システムレーダ等に搭載されるフェーズドアレーアンテナを低コスト、小型軽量・低消費電力化する。【解決手段】所望の方向に走査ビームを生成され且つ所望でない方向において抑制されるように、アレイを形成する各メタマテリアル構造体の実効容量を変化させることによって走査ビームを生成するメタマテリアルベースの位相シフト素子アレイ100を利用する。メタマテリアル構造体140-1〜140-4は、入射した入力信号（放射）と同じ無線周波数で共振するように構成されており、各メタマテリアル構造体は、入力信号の制御された散乱によって関連する出力信号を放射する。可変容量は、所望の出力位相パターンを生み出すために、例えば、位相制御電圧によって調整されるバリキャップ150-1〜150-4を使用して各メタマテリアル構造体に適用される。メタマテリアル構造体は、安価な金属膜やＰＣＢ製造技術を使用して構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、位相シフト素子及び物体検出のために放射された放射エネルギの位相をシフトする方法に関する。

位相シフタは、制御信号（例えば、ＤＣバイアス電圧）に応答して無線周波数（ＲＦ）信号の制御可能な位相シフト（すなわち、送信位相角の変更）を提供する２つのポートのネットワーク装置である。従来の位相シフタは、一般に、フェライト（強誘電体）位相シフタ、集積回路（ＩＣ）位相シフタ、及び微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）位相シフタとして分類することができる。フェライト位相シフタは、低い挿入損失と、ＩＣ及びＭＥＭＳ位相シフタよりも有意に高い電力を取り扱う能力とで知られているが、本質的に複雑であり、高い製造コストを有する。ＩＣ位相シフタは、（別名、マイクロ波集積回路（ＭＩＣ）位相シフタ）は、ＰＩＮダイオード又はＦＥＴ素子を使用し、フェライト位相シフタよりも安価でサイズが小さいが、高い挿入損失のために、それらの使用が制限されている。ＭＥＭＳ位相シフタは、フェライト及びＩＣ位相シフタの制限を克服するためにＭＥＭＳブリッジ及び薄膜強誘電体材料を使用するが、さらに比較的かさばり、高価で電力をくうままである。

位相シフタの用途は数多くあるが、おそらく最も重要な用途は、合成電磁波が所望の方向において強化され且つ所望でない方向において抑制され、それにより、アレイから所望の角度で放射されるＲＦエネルギの「ビーム」を生成するように多数の放射素子の位相が制御されるフェーズドアレイ・アンテナシステム（別名、フェーズドアレイ又は電気的に操縦可能なアレイ）の範囲内である。アンテナに給電する各信号の相対位相を変化させることにより、放射されたビームは、ビームが向けられる区域又は領域を走査又は「掃引」させることができる。そのような走査ビームは、例えば、関心のある区域（ターゲットフィールド）を掃引するためにフェーズドアレイ・レーダシステム及び他の物体検出システムにおいて利用され、ターゲットフィールドに位置する物体から反射（散乱）されたビームエネルギの部分は、物体の位置を判定するために検出されて分析される。

多数の位相シフタが、典型的には、フェーズドアレイベースのシステム（例えば、レーダなどの物体検出システム）を実装するために必要とされることから、従来の位相シフタを使用することは、そのようなフェーズドアレイシステムについてのいくつかの問題を提示する。第１に、従来の位相シフタの高コストは、そうでなければフェーズドアレイを便利にするかもしれない多くの用途にとってフェーズドアレイシステムを実現困難なものとし（すなわち、高価すぎる）、−フェーズドアレイのコストの略半分は、位相シフタのコストによるものであると推定されている。第２に、従来の位相シフタの高電力消費は、バッテリ電力に依存する又は制限された電源を有する多くの携帯機器及び小型車両上へのフェーズドアレイの搭載を妨げ、それゆえに、実際的な時間量だけフェーズドアレイに給電することができる機器及び車両の種類を制限する。第３に、従来の位相シフタを実装するフェーズドアレイは、典型的には、位相シフタの複雑さだけでなく、配電ネットワークとともに、多くの高価な固体、ＭＥＭＳ又はフェライトベースの位相シフタ、制御線の複雑な集積のために非常に複雑である。さらに、従来の位相シフタを実装するフェーズドアレイシステムは、典型的には、フェーズドアレイが使用可能な用途の種類を制限する従来の位相シフタの合計重量に大部分起因して非常に重い。例えば、民間航空機及び中規模航空機は、重いレーダシステムを持ち上げるのに十分なパワーを有するが、小さい航空機、自動車や無人偵察機は、典型的には有さない。

必要とされるものは、従来のフェーズドアレイベースの物体検出システムの高重量（バルク）、高費用、複雑性及び高電力消費を回避する物体検出システムである。必要とされるものはまた、そのような物体検出システムを利用した案内及び衝突回避システムである。

本発明は、メタマテリアルベースの位相シフト素子アレイと、位相シフト素子アレイの前面に配置されたフィールドにわたって走査（掃引）する無線周波数ビームを生成するための関連するビーム制御回路とを利用し、且つ、物体の位置を判定するためにフィールド内に配置された物体から反射されたビーム部分を検出するように構成された関連する受信回路を利用する物体検出（例えば、レーダ）システムを対象としている。

本発明の第１の態様によれば、メタマテリアルベースの位相シフト素子アレイは、適用された入力信号の無線周波数で共振するように構成された複数のメタマテリアル構造体を含み、それにより、メタマテリアル構造体のそれぞれは、入力信号を再送信（すなわち、反射／散乱）することによって入力信号周波数で関連する出力信号を生成する。適切なメタマテリアル構造体は、安価な金属膜やＰＣＢ製造技術を使用して構成可能であり、メタマテリアル構造体は、別個のアンテナ給電を必要とせずに無線周波数出力信号を散乱（生成）することから、本発明は、従来の位相シフト素子を使用して構成されたシステムよりも大幅に小さく／軽く、安価で、はるかに少ない電力を消費する物体検出システムの製造を容易とする。

本発明の第２の態様によれば、各出力信号の位相は、各メタマテリアル構造体の実効容量がその関連する適用された可変容量の対応する変化によって変更されるように、メタマテリアル構造体のそれぞれに対して関連する可変容量を適用することによって制御される。本願発明者らは、適切なメタマテリアル構造体が各構造体の容量によって決定された位相シフトを有する出力信号を生成し、これらの位相が各メタマテリアル構造体に対して適切な可変容量を適用することによって所望の位相値に「調整可能」（調整可能に制御可能）にシフトすることを判定した。すなわち、各メタマテリアル構造体の実効（動作時）容量は、構造体の固有の（固定）容量（すなわち、構造体の構成、すなわち、大きさ、形状、隣接する金属構造体からの距離によって決定される容量）と、関連する適用された可変容量との積であり、それゆえに、関連する適用された可変容量を変化させることによって変更することができる。したがって、本発明は、アレイ状に配置された複数のメタマテリアル構造体に適用される可変容量を単に制御することにより、従来の位相シフタを使用することなく、関連する個別に調整された出力位相をそれぞれ有する多数の無線周波数（出力）信号を生成する方法を導入する。

本発明の第３の態様によれば、ビーム制御回路は、得られた出力信号が所定のパターンで位相シフト素子アレイの前面に配置されたフィールドにわたって掃引する走査ビームをまとめて生成するように、アレイの各メタマテリアル構造体に適用された可変容量を調整及び変化（すなわち、経時変化）させるように構成されている。すなわち、各瞬間において、可変容量の特定のセットは、所望の方向における放射ビームを累積的に生成する対応して異なる出力位相を有する関連する出力信号を生成するようにメタマテリアル構造体のアレイに適用される（すなわち、出力信号によって生成された合成電磁波は、所望の方向において強化され且つ所望でない方向において抑制され、それにより、ビームは、アレイの前面から所望の角度で放射される）。時間が経つにつれて、可変容量のセットは、放射ビームをフィールドにわたって走査させるように徐々に変化する出力位相を有する関連する出力信号を生成するために変化される（すなわち、ビームの角度の放射方向は、特徴的なレーダのような「掃引」パターンを生成するように徐々に変化するように）。適切な方法でメタマテリアル構造体に適用される可変容量を徐々に変化させることにより、本発明は、大型で、高価で電力を消費する従来の位相シフト素子を使用することなく、レーダのような物体検出システムの製造を容易とする。

本発明の例示的な実施形態によれば、ビーム制御回路は、可変コンデンサ及び位相制御回路を使用して実装される。各可変コンデンサは、適用される位相制御電圧に応じて関連する可変容量をそれぞれ生成するように構成され、関連するメタマテリアル構造体の実効容量が可変コンデンサによって生成される可変容量の対応する変化によって変更されるように、アレイの関連するメタマテリアル構造体に結合される。位相制御回路（例えば、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）又はマイクロプロセッサのうちのいずれかによって制御されるディジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ））は、各可変コンデンサによって生成される可変容量が位相制御電圧の変化に応じて経時的に変化するように、可変コンデンサのそれぞれについての個々の位相制御電圧のセットを生成するように構成されている。可変コンデンサ及び関連する位相制御回路の使用は、さらに、得られたシステムを簡便化し、メタマテリアル構造体のアレイから生成された出力信号について正確な位相変化を生成するのを容易とする。実用的な実施形態によれば、各２端子可変コンデンサが関連するメタマテリアル構造体と共有接地電位との間に接続されるように、可変コンデンサはアレイ上に分散されており、それにより、独立に制御される可変コンデンサに対する各メタマテリアル構造体の直接接続によって可変容量の信頼性があり且つ正確な適用を容易とする。特定の実施形態において、位相制御回路から関連するメタマテリアル構造体に接続された可変コンデンサ端子に対して位相制御電圧をそれぞれ送信するために導電性構造体（例えば、金属トレース及びビア）が利用される（すなわち、メタマテリアル構造体が伝送線の一部を形成するようにメタマテリアル構造体に対する接続により、又は、好ましい可変コンデンサ端子と直接接触するように導電性構造体を形成することにより）。この構成は、さらに、周知の印刷回路基板製造技術を使用して導電性構造体を形成することにより、及び、例えば、高速ピックアンドプレースシステムを使用した可変コンデンサの自動組立を可能にすることにより、アレイの低コストの製造を容易とする。

本発明の他の実用的な実施形態によれば、物体検出システムは、さらに、例えば、衝突回避、車両案内又は物体検出システムに接続された他の操作システムにより、ターゲットフィールド内の物体を検出して利用することができるターゲット位置データを生成するための回路を含む。例示的な実施形態において、位相制御回路は、ターゲットフィールドを走査するのにともない走査ビームの瞬間的なビーム方向を示すビーム方向データを生成するように構成されており、受信回路は、ターゲットフィールド内に配置された物体から反射された走査ビームの部分を検出するのに利用され、信号処理回路は、検出時に生成されたビーム方向データと受信回路で生成されたビーム検出データを相関させることによって物体の位置を判定するのに利用される。１つの特定の実施形態において、受信回路は、反射ビームの部分を検出するために別個のアンテナ又はメタマテリアルアレイを利用し、第２の特定の実施形態においては、メタマテリアル構造体アレイは、公知技術と一致する方法でアレイを操作することにより、送信及び受信の双方の機能を実行するのに利用される。いずれの場合においても、本発明は、例えば、案内及び衝突回避のために自動車に利用可能な低コストで軽量な動的フェーズドアレイシステムを容易とする。

本発明の実施形態によれば、位相シフト素子アレイは、電気的に絶縁された（フローティング）背面（下部金属）層と、背面層上に配置されたブランケット誘電体層と、誘電体の上面に配置された複数の離隔された金属層「島状」構造体を含む３層構造である。この構成により、アレイのメタマテリアル構造体は、金属島状構造体のうちの１つと金属島状構造体の下方に配置された関連する背面層部とによって形成され（すなわち、それらの間に挟持された誘電体層の関連する部分とともに）、各金属島状構造体及びその関連する背面層部は、得られた複合メタマテリアル構造体が固定容量と入力信号の無線周波数で共振を容易とする他の属性とを有するように、協調して構成されている（例えば、サイズ決めされ、成形され、間隔をあけられる）。低コストの製造技術の使用を容易とすることに加えて、この３層構造は、出力信号が上方向にのみ高指向性であることを保証し、位相シフトによる効率的な散乱のために電力消費を最小化する。現在好ましい実施形態において、３層メタマテリアル構造体の構成は、入力信号（すなわち、入射放射線）の吸収を軽減し且つ入射放射線の大部分が出力信号において再放射されるのを保証する無損失誘電体材料を利用する。実用的な実施形態の他の特徴によれば、金属島状構造体は、ベース金属（層）構造体と、その関連する金属島状構造体とベース金属構造体との間に接続された各可変コンデンサとともに、誘電体層の上面上に共配置されている（すなわち、ベース金属構造体は、共通接地端子として機能する）。この具体的な構成は、さらに、低コストの表面実装技術を使用した可変コンデンサの取り付けを容易とすることによって製造コストを低減する。好ましい実施形態において、ベース金属構造体は、誘電体の上面の略全体を覆い且つ金属島状構造体がそれぞれ配置された開口を画定する金属層として形成されており、各開口の内周縁は、均一な幅を有する関連する周辺間隙によって関連する金属島構造体の外周縁から離間されている。このベース金属層構造体の構成は、２つの目的を果たす。第１に、ベース金属層と各金属島状構造体との間に適切な周辺間隙距離を設けることにより、ベース金属層は、効果的に各メタマテリアル構造体の一部となる（すなわち、各メタマテリアル構造体の固定容量は、ベース金属層と金属島状構造体との間に生成された容量成分によって増強される）。第２に、島状構造体に近接した近傍においてベース金属層を形成し、そうでなければ上部アレイ表面を覆うことにより、ベース金属層は、一括モード発振をサポートする散乱面として機能し、上方／前方への出力信号（波）の散乱を保証する。他の特徴によれば、ベース金属層と金属島状構造体の双方は、単一（すなわち、同じ）金属（例えば、銅）を使用して形成され、それにより、低コスト製造プロセスを使用した（例えば、ブランケット金属層を蒸着し、パターニングした後、周辺溝／間隙を形成するための金属層をエッチングする）ベース金属層と島状構造体の形成を可能とすることによって製造コストをさらに削減する。さらに他の好ましい実施形態によれば、金属ビア構造体は、背面層及び誘電体層を介して形成された開口を通って延在し、各可変コンデンサの端子と接触する。この構成は、メタマテリアル構造体の形状を複雑化することなく可変コンデンサにわたって位相制御電圧を適用するのを容易とし、また、複数の位相シフト素子を含むフェーズドアレイ構造体に配置された複数の位相シフタに対する複数の位相制御信号の分配を簡便化する。

本発明の例示的な実施形態によれば、各金属島状（第１の金属層）構造体は、ベース金属層において画定された関連する四角形の開口内部に配置された平面四角形構造として形成される。四角形の金属島状形状は、容易に形成される単純な幾何学的構造を有する各メタマテリアル構造体を提供し、所望の容量変化及び関連する位相シフトと位相制御電圧を相関させるために必要な数学を簡便化する制限された自由度を提供する。しかしながら、特許請求の範囲において規定されない限り、メタマテリアル構造体は、任意の幾何学的形状（例えば、円形、三角形、楕円形）を有することができることが理解される。いくつかの実施形態において、金属島状構造体は、１つ以上の開口領域を画定する（含む）パターニングされた平面構造体として形成される（すなわち、上部誘電体表面の一部が開口領域を介して露出される）。１つの例示的な実施形態において、各金属島状構造体は、（四角形状の）周辺フレーム部と、フレーム部から内側に延在する放射状アームと、放射状アームの内側端部に接続された内部（例えば、Ｘ字状）構造体とを含む。ここで、開口領域は、内部構造体と周辺フレーム部との間に形成される。パターニングされたメタマテリアル構造体の使用は、制御電圧と位相シフト値との相関に関連する数学を複雑にすることがあるが、パターニングアプローチは、より多くの自由度を導入し、大きな角度（すなわち、プラスマイナス６０°よりも大きい）ビーム操縦を順次可能とする３６０°に近い位相振幅をもたらす。

本発明の代替の実施形態によれば、位相シフト素子アレイは、複数のメタマテリアル構造体と、１次元アレイ状又は２次元アレイ状のいずれかで配置されている関連する可変コンデンサと、アレイの中心に位置する信号源と、制御回路とを含む。メタマテリアル構造体が１次元アレイ状に配置されている（すなわち、各メタマテリアル構造体の金属島状構造体が１列に整列されるような）場合、位相制御電圧の電圧レベルの変化は、位相シフト素子アレイの前面に配置された扇状の２次元領域において放射ビームの「操縦」を生み出す。メタマテリアル構造体が２次元アレイ状に配置されている（例えば、金属島状構造体が行列に直交配置で整列されるような）場合、位相制御電圧の電圧レベルの変化は、位相シフト素子アレイの前面に配置された円錐状の３次元領域において放射ビームの「操縦」を生み出す。

他の実施形態によれば、上述した物体検出システムのいずれかは、自車両と車両の経路内の１つ以上の外部物体との間の衝突を回避するのに使用される車載衝突回避システムに実装される。車両は、既存のシステムと一致して、車両の方向を変更することによって（すなわち、車両の操縦システムを制御することによって）及び車両を停止又は減速することによって（すなわち、車両のブレーキシステムを制御することによって）車両の自動制御を担うことが可能であるアダプティブ・クルーズ・コントロールシステムを含む。物体検出システムは、位相シフト素子アレイから放射された走査ビームが自車両に隣接して位置するフィールド内に向けられるように（例えば、車両の前方）、且つ、放射ビームがフィールドにわたって繰り返し走査（掃引）するように、車両に搭載される。物体が信号処理回路によって検出された場合、衝突制御回避データ（例えば、物体の相対位置を示すデータ）は、アダプティブ・クルーズ・コントロールシステムに対して送信され、それにより、アダプティブ・クルーズ・コントロールシステムが物体との衝突を回避するために車両の自動制御を担うのを可能とする。本発明が既存の車載衝突回避システムを越えて提供する利点は、フェーズドアレイ・レーダシステムのように、メタマテリアルベースの物体検出システムが一度に複数の物体を配置して追跡することができるということである。対照的に、従来のフェーズドアレイシステムは、自動車に含めるように２つの大型で高価であることから、現在の車載レーダベースの衝突回避システムは、一度に１つの物体のみを追跡することができる物体検出スキームを利用する。実用的な実施形態によれば、物体検出システムは、車両が走行する通常は水平面の走査を容易とするメタマテリアル構造体の１次元アレイを利用する。しかしながら、いくつかの実施形態において、２次元アレイを使用することができる場合には、物体の垂直方向の位置や大きさを検出するために有用であり得る。

本発明のこれらの及び他の特徴、態様及び利点は、以下の説明、添付された特許請求の範囲及び添付図面に関してより良好に理解される。

図１は、本発明の一般的な実施形態にかかる物体検出システムを示す簡略化した側面図である。 図２は、図１のシステムの動作に関連する例示的な位相シフト特性を示す図である。 図３は、本発明の例示的で実用的な実施形態にかかる例示的なメタマテリアル構造体を含む位相シフト素子アレイを示す斜視図である。 図４は、さらに詳細に図３のアレイの位相シフト素子を示す分解斜視図である。 図５は、本発明の他の例示的な実施形態にかかる図３の位相シフト素子アレイを含む物体検出システムを示す側断面図である。 図６は、本発明の他の実施形態にかかる本発明の物体検出システムを利用した衝突回避システムを有する自動車を示す側斜視図である。 図７は、本発明の他の実施形態にかかるパターニングされた島状構造体を含む位相シフト素子を示す平面図である。 図８は、本発明の他の実施形態にかかる２次元位相シフト素子アレイを含む物体検出システムを示す簡略化した図である。 図９Ａは、図８の物体検出システムによって様々な例示的な方向に生成される放射ビームを示す図である。 図９Ｂは、図８の物体検出システムによって様々な例示的な方向に生成される放射ビームを示す図である。 図９Ｃは、図８の物体検出システムによって様々な例示的な方向に生成される放射ビームを示す図である。 図１０は、本発明の他の実施形態にかかる物体検出システムを示す簡略化した図である。 図１１は、本発明の他の実施形態にかかる物体検出システムを示す簡略化した図である。 図１２は、本発明の他の実施形態にかかる物体検出システムを示す簡略化した図である。

以下の説明は、当業者が特定の用途及びその要件の文脈において提供される本発明を作製して使用するのを可能とするように提示される。本願明細書において使用される場合、「上（ｕｐｐｅｒ）」、「上方（ｕｐｗａｒｄ）」、「最上部（ｕｐｐｅｒｍｏｓｔ）」、「下（ｌｏｗｅｒ）」、「最下部（ｌｏｗｅｒｍｏｓｔ）」、「前（ｆｒｏｎｔ）」、「最右部（ｒｉｇｈｔｍｏｓｔ）」及び「最左部（ｌｅｆｔｍｏｓｔ）」などの方向を示す用語は、説明のために相対的な位置を提供することを意図しており、基準の絶対フレームを指定することを意図するものではない。さらに、語句「一体的に形成された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ ｆｏｒｍｅｄ）」及び「一体的に接続された（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」は、単一の製作又は機械加工された構造の２つの部分間の接続関係を記述するために本願明細書において使用され、例えば、接着剤、ファスナ、クリップ又は可動ジョイントを介して接合された２つの別個の構造を示す（修飾語「一体的に（ｉｎｔｅｇｒａｌｌｙ）」がない）用語「接続された（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」又は「結合された（ｃｏｕｐｌｅｄ）」とは区別される。好ましい実施形態に対する様々な変更は、当業者にとって明らかであり、本願明細書において定義される一般的な原理は、他の実施形態に適用することができる。したがって、本発明は、示されて説明された特定の実施形態に限定されるものではなく、本願明細書に開示された原理及び新規な特徴に一致する最も広い範囲を与えられるべきである。

図１は、本発明の一般的で例示的な実施形態にかかる物体検出システム３００を示す簡略化した側面図である。システム３００は、一般に、信号源３０５と、位相シフト素子アレイ１００と、ターゲットフィールドＦに向けられた走査ビームＢを生成するビーム制御回路３１０とを含む。システム３００はまた、ターゲットフィールドＦからの反射ビーム部分Ｂ_Ｒを処理する受信回路３２０と、フィールドＦに存在する可能性がある物体Ｏの位置を判定するように反射ビームデータを処理する信号処理回路３３０とを含む。

信号源３０５は、位相シフト素子アレイ１００に近接して配置され且つ特定の無線周波数（すなわち、３ｋＨｚから３００ＧＨｚの範囲内）において無線周波数入力信号Ｓ_ＩＮ及び入力位相ｐ_ＩＮを生成するように構成された信号送信源（例えば、フィードホーン又は漏洩波フィード）である。以下に記載されるように、入力信号Ｓ_ＩＮの無線周波数は、位相シフト素子アレイ１００の共振特性と一致するように生成される。

例示的な実施形態によれば、位相シフト素子アレイ１００は、位相シフト素子アレイ１００が無線周波数及び関連する出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４をそれぞれ有する４つの出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４を生成するように、入力信号Ｓ_ＩＮの無線周波数で共振するようにそれぞれ構成された４つのメタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４を含む。例えば、メタマテリアル構造体１４０−１が２．４ＧＨｚで共振するように構成され且つ入力信号Ｓ_ＩＮが２．４ＧＨｚで生成される場合、メタマテリアル構造体１４０−１は、入力信号Ｓ_ＩＮを再送信（すなわち、反射／散乱）することによって２．４ＧＨｚで出力信号Ｓ_ＯＵＴ１を生成する。４つのメタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４の全てがこのように構成され且つ入力信号Ｓ_ＩＮを受ける場合、アレイ１００は、２．４ＧＨｚの周波数をそれぞれ有する４つの別個の出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４を生成する。現在好ましい実施形態によれば、メタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４は、好ましくは、図３−図５を参照しながら説明したように、積層された金属−誘電体複合アーキテクチャであるが、得られた構造体が適用された入力信号Ｓ_ＩＮの無線周波数で共振するように構成され且つ共振近くに大きな位相振幅を有することを条件として、異なる形態で設計されてもよい。この共振特性を提供するには、メタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４は、所望の共振特性を一括して与える、関連する固有の「固定」容量Ｃ_Ｍ１からＣ_Ｍ４及び関連するインダクタンスを用いて製造される。当該技術分野において理解されるように、用語「メタマテリアル」とは、所望の電磁気特性を一括して生成する２種以上の材料及び複数の要素によって形成された人工的に設計された構造を特定し、メタマテリアルは、その組成物からではなく、材料によって形成された構造要素の正確に設計された構成（すなわち、正確な形状、幾何学的形状、サイズ、向き及び配置）から所望の特性を実現する。当該技術分野において理解されるように、用語「メタマテリアル」とは、所望の電磁気特性を一括して生成する２種以上の材料及び複数の要素によって形成された人工的に設計された構造を特定し、メタマテリアルは、その組成物からではなく、材料によって形成された構造要素の正確に設計された構成（すなわち、正確な形状、幾何学的形状、サイズ、向き及び配置）から所望の特性を実現する。本願明細書において使用される場合、語句「メタマテリアル構造体」は、本願明細書に記載された目的に適した無線周波数共振や大きな位相振幅特性を有する動的再構成可能／調整可能なメタマテリアルを意味するように意図される。得られる構造は、一般的ではない方法で無線周波数（電磁放射）の波に影響を与え、従来の材料によって実現不可能である材料特性を形成する。メタマテリアル構造体は、サブ波長サイズの構造要素、すなわち、それらが影響する波の無線周波数の波長よりも実際には小さい特徴を組み込むことにより、それらの所望の効果を実現する。

４つのメタマテリアル構造体は、例示的な実施形態において利用されるが、この数は、例示目的及び簡潔さのために任意に選択され、アレイ１００は、任意数のメタマテリアル構造体を用いて代わりに製造することができる。

他の態様によれば、ビーム制御回路１３０は、各メタマテリアル構造体の実効容量が適用された可変容量Ｃ_Ｖ１の対応する変化によって変更されるように、それぞれ、メタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４上に４つの可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４を生成して適用するように構成された集積回路を備える。上述したように、各メタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４は、それぞれ、関連する固有の「固定」（不変の）容量Ｃ_Ｍ１からＣ_Ｍ４を有して製造される。各メタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４の実効容量は、構造体の固有の（固定）容量と関連する適用された可変容量との積によって生成される。例えば、メタマテリアル構造体１４０−１は、以下に記載される技術を使用してビーム制御回路１３０によってメタマテリアル構造体１４０−１上に適用される固有の（固定）容量Ｃ_Ｍ１と関連する可変容量Ｃ_Ｖ１とによって生成された実効（動作）容量Ｃ_ｅｆｆ１を有する。同様に、メタマテリアル構造体１４０−２は、固有の容量Ｃ_Ｍ２と関連する適用された可変容量Ｃ_Ｖ２とによって生成された実効（動作）容量Ｃ_ｅｆｆ２を有し、メタマテリアル構造体１４０−３は、固有の容量Ｃ_Ｍ３と関連する適用された可変容量Ｃ_Ｖ３とによって生成された実効（動作）容量Ｃ_ｅｆｆ３を有し、メタマテリアル構造体１４０−４は、固有の容量Ｃ_Ｍ４と関連する適用された可変容量Ｃ_Ｖ４とによって生成された実効（動作）容量Ｃ_ｅｆｆ４を有する。本発明は、単にメタマテリアル構造１４０−１から１４０−４に適用される可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４を制御することにより、従来の位相シフタを使用することなく、無線周波数（出力）信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４の出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４の制御を実現する。

本発明の他の態様によれば、ビーム制御回路３１０は、さらに、（一括して、出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４によって生成された）ビームＢが所定の走査範囲（パターン）にわたって所定の速度でターゲットフィールドＦにわたって走査又は「掃引」するように、メタマテリアル構造１４０−１から１４０−４に適用される可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４を調整して変化させるように構成されている（すなわち、経時変化）。すなわち、各瞬間において、出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４が異なる出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４を対応して有するように（例えば、出力信号Ｓ_ＯＵＴ１は、出力信号Ｓ_ＯＵＴ２の出力位相ｐ_ＯＵＴ２とは異なる出力位相ｐ_ＯＵＴ１で生成される）、可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４の特定のセットがメタマテリアル構造１４０−１から１４０−４に適用され、出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４が出力位相値の瞬間的なセットによって決定された方向に走査ビームＢを累積的に放射するように、出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４が調整される。各走査経路の開始時に、ビームＢが初期方向（例えば、最左部のビーム角に対応する−６０°の走査角度）に沿って向けられるように、出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４が調整される。当該技術分野において理解されるように、このようにして出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４を調整することにより、出力信号Ｓ_ＯＵＴ１からＳ_ＯＵＴ４によって生成される合成電磁波は、特定の「所望の」方向において強化され且つ所望でない方向において抑制され、それにより、走査ビームＢは、アレイ１００の前面から所望の角度で放射される。ビームＢが初期方向から中央方向に向かって（すなわち、アレイ１００の直接前面、及び、０°の走査角度に対応する）掃引を開始した後、中央方向から終点方向まで（例えば、最右部のビーム角に対応する＋６０°の走査角度）掃引し続けるように、出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４は、その後に変化する。走査速度及びビームＢが生成される反復／リフレッシュ速度は、出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４が変化する速度によって決定される。ビーム制御回路３１０は、経時的に（例えば、所定の時間ベースの関数にしたがって）メタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４に適用される可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４を変化させることにより、これらの出力位相ｐ_ＯＵＴ１からｐ_ＯＵＴ４の変化を生成し、それにより、ビーム制御回路３１０は、ビームＢを特性「レーダ状」掃引パターンでターゲットフィールドＦにわたって走査（掃引）させる。適切な方法でメタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４に適用される可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４を徐々に変化させることにより、本発明は、大型で、高価で電力を消費する従来の位相シフト素子を使用することなく、レーダ状の物体検出機能を容易とする。

現在好ましい実施形態によれば、ビーム制御回路３１０は、可変コンデンサ（バリキャップ）１５０−１から１５０−４及び位相制御回路３１５を使用して実装され、可変コンデンサ１５０−１から１５０−４は、メタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４にそれぞれ結合され、位相制御回路３１５によって生成される位相制御電圧Ｖｃ１からＶｃ４によって制御される（例えば、可変コンデンサ１５０−１は、位相制御電圧Ｖｃ１の電圧レベルに比例する容量レベルを有する可変容量Ｃ_Ｖ１を生成する）。当該技術分野において理解されるように、可変コンデンサは、典型的には、適用された電子制御信号を介して意図的に繰り返し変更可能な容量を生成するように構成された２端子電子装置である。この場合、可変コンデンサ１５０−１から１５０−４は、メタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４の各実効容量Ｃ_ｅｆｆ１からＣ_ｅｆｆ４が固有容量Ｃ_Ｍ１からＣ_Ｍ４と可変コンデンサ１５０−１から１５０−４によって供給される可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４との積によって決定されるようにメタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４に結合される。例えば、メタマテリアル構造体１４０−１の実効容量Ｃ_ｅｆｆ１は、可変コンデンサ１５０−１による動作中において、固有容量Ｃ_Ｍ１及びメタマテリアル構造体１４０−１に供給される可変容量Ｃ_Ｖ１によって決定される。出力位相ｐ_ＯＵＴ１が実効容量Ｃ_ｅｆｆ１によって部分的に決定されることから、出力信号Ｓ_ＯＵＴ１は、可変容量Ｃ_Ｖ１を変化させることによって所望の位相値に「調整可能」（調整可能に制御可能）であり、これは、可変コンデンサ１５０−１に適用される位相制御信号Ｖｃ１を変化させることによって実現される。

図２は、システム３００の動作に関連する例示的な位相シフト特性を示す図である。特に、図２は、どのように出力信号Ｓ_ＯＵＴ１の出力位相ｐ_ＯＵＴ１が位相制御電圧Ｖｃ１に対して変化するのかを示している。出力位相ｐ_ＯＵＴ１が（図１に示される）ビーム制御回路３１０によってメタマテリアル構造体１４０−１上に適用された可変容量Ｃ_Ｖ１に応じて順次変化するメタマテリアル構造体１４０−１の実効容量Ｃ_ｅｆｆ１に応じて変化することから。図２はまた、可変コンデンサ１５０−１から１５０−４の動作特性を効果的に図示している（すなわち、図２は、どのように出力位相ｐ_ＯＵＴ１が位相制御電圧Ｖｃ１に応じて変化するのかを示すことによって可変コンデンサ１５０−１の可変容量Ｃ_Ｖ１が位相制御電圧Ｖｃ１に応じて変化することを効果的に図示している）。例えば、位相制御電圧Ｖｃ１が６Ｖの電圧レベルを有する場合、可変コンデンサ１５０−１は、（「Ｃ_Ｖ１＝Ｃ１」として示される）対応する容量レベルにおいて可変容量Ｃ_Ｖ１を生成し、メタマテリアル構造体１４０−１は、約１８５°の関連する出力位相ｐ_ＯＵＴ１で出力信号Ｓ_ＯＵＴ１を生成する。位相制御電圧Ｖｃ１が６Ｖから第２の電圧レベル（例えば、８Ｖ）までその後に増加した場合、可変コンデンサ１５０−１は、メタマテリアル構造体１４０−１が約２９０°の関連する第２の出力位相ｐ_ＯＵＴ１で出力信号Ｓ_ＯＵＴ１を生成するように（「Ｃ_Ｖ１＝Ｃ２」として示される）第２の容量レベルで可変容量を生成する。同様にして、可変コンデンサ１５０−２から１５０−４は、それぞれ、制御電圧Ｖｃ２からＶｃ４に応じて変化するように可変容量Ｃ_Ｖ２からＣ_Ｖ４を生成し、それにより、メタマテリアル構造体１４０−２から１４０−４に、可変容量Ｃ_Ｖ２からＣ_Ｖ４に応じて変化する出力位相ｐ_ＯＵＴ２からｐ_ＯＵＴ４を有する出力信号Ｓ_ＯＵＴ２からＳ_ＯＵＴ４をそれぞれ生成させる。

図１を再び参照すると、位相制御電圧Ｖｃ１からＶｃ４は、可変容量Ｃ_Ｖ１からＣ_Ｖ４がメタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４にそれぞれ適用されるように、可変コンデンサ１５０−１から１５０−４にわたって適用される。例えば、可変コンデンサ１５０−１は、メタマテリアル構造体１４０−１に接続される第１の端子１５１と、グラウンドに接続される第２の端子１５２とを含み、それにより、可変コンデンサ１５０−１は、図２に図示されたように位相制御電圧Ｖｃ１の電圧レベルに応じて変化する容量レベルを有する関連する可変容量Ｃ_Ｖ１を生成する（例えば、可変容量Ｃ_Ｖ１の容量レベルは、位相制御電圧Ｖｃ１に直接比例して変化する）。図１に示されたように、可変コンデンサ１５０−２から１５０−４は、同様に接続されており、可変コンデンサ１５０−１と共通電圧源（すなわち、グラウンド）を共有している。代替の実施形態において、位相制御回路３１５からの位相制御電圧Ｖｃ１からＶｃ４を伝達する導電性構造体は、関連する可変コンデンサ１５０−１から１５０−４に順次接続されるメタマテリアル構造体１４０−１から１４０−４に接続されている。

図１を再び参照すると、物体検出システム３００は、さらに、受信機３２０と、ターゲットフィールドＦにおいて物体を検出し、且つ、例えば、衝突回避、車両案内又は物体検出システム３００に結合される他の操作システムによって利用可能なターゲット位置データを生成するのに利用される信号処理回路３３０とを含む。例示的な実施形態において、位相制御回路３１５は、ターゲットフィールドＦを掃引するのにともない前記走査ビームＢの瞬間的なビーム方向θを示すビーム方向データＤ_ＢＤを生成するように構成されており、受信回路３２０は、ターゲットフィールドＦに配置された物体から反射された走査ビームＢの部分Ｂ_Ｒを検出するように構成されている。受信回路３２０はまた、反射されたビーム部分Ｂ_Ｒが検出された各時間を示すビーム検出データＤ_ＢＲを生成する。信号処理回路３３０は、ビーム部分を検出した時間においてビーム制御回路３１０から受信したビーム方向データＤ_ＢＤと受信回路３２０から受信したビーム検出データＤ_ＢＲの相関をとることによってターゲットフィールドＦにおける各物体Ｏの位置を判定するように構成されている。例えば、物体Ｏがアレイ１００に対して−４５°の方位角に対応する位置に配置されていると仮定する。この場合、ビームＢがフィールドＦにわたって掃引して−４５°の方位角を通過するのにともない、受信回路３２０は、物体Ｏの存在によって生じた反射されたビーム部分Ｂ_Ｒの受信を示すビーム検出データＤ_ＢＲを生成し、その後、信号処理回路３３０は、物体Ｏの位置を判定するために、ビーム方向データＤ_ＢＤとこの反射されたビーム部分Ｂ_Ｒの受信の相関をとる（すなわち、反射されたビーム部分が受信されたときにビームＢが−４５°に向けられたことを示す）。信号処理回路３３０はまた、公知の信号処理技術を使用して他の有用な情報（例えば、物体Ｏの大きさ及びアレイ１００から物体Ｏまでの距離）を生成するための任意の回路である。

上述したように、本発明の現在好ましい実施形態は、図３から図５を参照しながら以下に記載されるものなどの積層されたメタマテリアル構造体の使用を含む。ここで、図３は、１次元パターンで配置された複数（この場合は４つ）のメタマテリアル構造体１４０Ａ−１から１４０Ａ−４を含む例示的な多層位相シフト素子アレイ１００Ａを示す斜視図であり、図４は、さらに詳細に単一のメタマテリアル構造体１４０Ａ−１を示す部分的な分解斜視図であり、図５は、位相シフト素子アレイ１００Ａを利用する物体検出システム３００Ａを示す簡略化した図である。

図３及び図４に示されるように、位相シフト素子アレイ１００Ａを形成する多層構造体は、電気的に絶縁された（フローティング）背面（下部金属）層１４２Ａと、背面層１４２Ａ上に配置されたブランケット上部誘電体層１４４Ａ−１と、背面層１４２Ａの下方に配置された任意の下部誘電体層１４４Ａ−２と、誘電体層１４４Ａ−１の上面に配置された離隔金属層「島状」構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４とを含む。この構成により、メタマテリアル構造体１４０Ａ−１から１４０Ａ−４は、関連する金属島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４と、関連する背面層１４２Ａの部分（すなわち、金属島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４の下方にそれぞれ配置された部分）と、関連する上部誘電体層１４４Ａ−１の部分（すなわち、各金属島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４と背面層１４２Ａとの間に挟持された誘電体部分）とによって形成されている。例えば、図４に示されるように、メタマテリアル構造体１４０Ａ−１は、金属島状構造体１４１Ａ−１と、関連する背面層部１４２Ａ−１と、上部誘電体層部１４４Ａ−１１とを含む。図５を参照すると、メタマテリアル構造体１４０Ａ−２から１４０Ａ−４は、金属島状構造体１４１Ａ−２から１４１Ａ−４と、関連する背面層部１４２Ａ−２から１４２Ａ−４とによって同様に形成されている。金属島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４、背面層１４２Ａ及び上部誘電体層１４４Ａ−１は、メタマテリアル構造体１４０Ａ−１から１４０Ａ−４の関連する固定容量Ｃ_Ｍ１からＣ_Ｍ４が金属島状構造体と背面構造体との間に形成された容量成分によって少なくとも部分的に形成されているように協調して構成されている（すなわち、サイズ決めされ、成形され、間隔をあけられる）。例えば、図４に示されるように、金属島状構造体１４１Ａ−１及び背面層１４２Ａは、関連する固定容量Ｃ_Ｍ１が容量成分Ｃ_{１４１−１４２}によって少なくとも部分的に形成されているように協調して構成されている。

現在好ましい実施形態によれば、誘電体層１４４Ａ−１は、全てコネティカット州ロジャーズのロジャース社製であるＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ（登録商標）６２０２ラミネート、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びＴＭＭ４（登録商標）誘電体を含む群から選択される無損失誘電体材料を含む。そのような無損失誘電体材料の使用は、入射放射線（例えば、入力信号Ｓ_ＩＮ）の吸収を軽減し、入射した放射エネルギの大部分が出力信号Ｓ_ＯＵＴにおいて再放射されることを保証する。背面構造体１４２Ａをさらに絶縁して以下に記載されるように制御回路の裏面実装を容易とするように機能する任意の下部誘電体層１４４Ａ−２もまた、無損失誘電体材料を使用して製造される。

他の特徴によれば、金属島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４及びベース金属層１２０Ａの双方は、誘電体層１４１Ａ−１の上面に共配置され、ベース金属層１２０Ａは、金属島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４から分離される（例えば、金属島状構造体１４１Ａ−１は、間隙Ｇ１によって金属層構造体１２０Ａから分離される）。ベース金属層１２０Ａは、動作中に接地電位に接続され、それにより、ベース金属層１２０Ａは、製造中における可変コンデンサ１５０Ａ−１から１５０Ａ−４の低コスト実装を容易とする。例えば、図４及び図５に示されるように、可変コンデンサ１５０Ａ−１は、（例えば、はんだ又は無はんだ接続技術を介して）第１の端子１５１Ａ−１が島状構造体１４１Ａ−１に接続され、第２の端子１５２Ａ−１が同様にベース金属層１２０Ａに接続されるように間隙Ｇ１にわたって実装される。この実用的な構成は、さらに、低コストの表面実装技術を使用して可変コンデンサ１５０Ａ−１から１５０Ａ−４の取り付けを容易とすることによって製造コストを削減する。

図３及び図４に示されるように、好ましい実施形態において、ベース金属層１２０Ａは、誘電体層１４４Ａ−１の上面の略全体を覆い、金属島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４がそれぞれ配置される開口１２３Ａ−１から１２３Ａ−４を画定するようにパターニングされる。図４に示されるように、開口１２３Ａ−１の内周縁１２４Ａ−１は、均一幅を有する関連する周辺間隙Ｇ１によって関連する金属島状構造体１４１Ａ−１の外周縁１４４Ａ−１から離隔されている。図３に示されるように、金属島状構造体１４１Ａ−２から１４１Ａ−４は、それぞれ、それらの間に形成された間隙Ｇ２からＧ４を有して開口１２３Ａ−２から１２３Ａ−４の内側に同様に配置される。このベース金属構造体の構成は、２つの目的を果たす。第１に、ベース金属層１２０Ａと金属島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４との間に適切な周辺間隙距離を設けることにより、ベース金属層１２０Ａは、メタマテリアル構造体１４０Ａ−１から１４０Ａ−４の固定容量Ｃ_Ｍ１からＣ_Ｍ４がベース金属層１２０Ａと金属島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４との間に生成された容量成分によって増強される（例えば、図４に示されるように、固定容量Ｃ_Ｍ１は、容量成分Ｃ_{１４１−１２０}を含む）点で、効果的にメタマテリアル構造体１４０Ａ−１から１４０Ａ−４の一部となる。第２に、島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４に近接した近傍においてベース金属層１２０Ａを形成し、そうでなければ誘電体層１４４Ａ−１の上面（すなわち、アレイ１００Ａの上又は「前」面）を覆うことにより、ベース金属層１２０Ａは、一括モード発振をサポートする散乱面として機能し、上方／前方への出力信号の散乱を保証する。他の特徴によれば、ベース金属層１２０Ａと金属島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４の双方は、単一（すなわち、同じ）金属（例えば、銅）を使用して形成され、それにより、低コスト製造プロセスを使用した（例えば、ブランケット金属層をスパッタ蒸着し、レジストをパターニングした後、周辺溝／間隙を形成するために金属層をエッチングする）ベース金属層１２０Ａと島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４の形成を可能とすることによって製造コストをさらに削減する。

図５を参照すると、好ましい実施形態のさらに他の態様によれば、金属ビア（導電性）構造体１４５Ａ−１から１４５Ａ−２は、誘電体層１４４Ａ−１から１４４Ａ−２を介して背面層１４２Ａに形成された開口を通って延在し、ビーム制御回路３１０Ａから可変コンデンサ１５０Ａ−１から１５０Ａ−４に対して位相制御電圧Ｖｃ１からＶｃ４をそれぞれ送信するように機能する。図４に図示されているように、金属ビア構造体１４５Ａ−１は、金属ビア構造体１４５Ａ−１が背面層１４２Ａから電気的に絶縁されるように（すなわち、背面層１４２Ａが金属ビア構造体１４５Ａ−１に印加された位相制御電圧Ｖｃ１によって影響を受けないように）、背面層１４２Ａに形成されてサイズ決めされた開口１４３Ａを通って延在している。好ましい実施形態において、金属ビア構造体１４５Ａ−１は、その上端が可変コンデンサ１５０Ａ−１の端子１５１Ａ−１に接触するように金属島状構造体１４１Ａ−１に形成された第２の開口１４１Ａ−１０を通過し、それにより、最小信号損失での位相制御電圧Ｖｃ１の送信を容易とする。（図示しない）代替の実施形態において、各金属ビア構造体は、その関連する金属島状構造体に接触し（例えば、金属ビア構造体１４５Ａ−１は、金属島状構造体１４１Ａ−１の下面に接触する）、位相制御電圧は、関連する可変コンデンサに対して金属島状構造体を介して送信される。金属ビア構造体１４５Ａ−１から１４５Ａ−４の使用は、メタマテリアル構造体１４０Ａ−１から１４０Ａ−４の形状を複雑にすることなく、可変コンデンサ１５０Ａ−１から１５０Ａ−４に対する位相制御電圧Ｖｃ１からＶｃ４の分配を容易とし、また、多数のメタマテリアル構造体に対する位相制御電圧の分配を簡便化する。

図６は、（上述した）物体検出システム３００Ａによって形成された車載衝突回避システム４１０と、衝突回避能力を有する既存のシステムと一致するように機能するアダプティブ・クルーズ・コントロールシステム４２０とを含む自車両４００を示す簡略化した図である。具体的には、車両４００における矢印Ａ及びＢによって示されるように、アダプティブ・クルーズ・コントロールシステム４２０は、車両の方向を変更することによって（すなわち、矢印Ａによって示されるように車両の操縦システムを制御することによって）及び車両を停止又は減速することによって（すなわち、矢印Ｂによって示されるように車両のブレーキシステムを制御することによって）車両の自動制御を担うことができる。この実施形態において、物体検出システム３００Ａは、位相シフト素子アレイ１００Ａから放射された走査ビームが自車両４００の前面に位置するフィールドＦ内に向けられてフィールドＦにわたって繰り返し走査（掃引）するように車両４００の前端に搭載される。物体（例えば、物体Ｏ１及びＯ２）がフィールドＦに位置する場合、反射されたビーム部分は、アダプティブ・クルーズ・コントロールシステム４１０に対して送信される衝突制御回避データＤ_ＣＣ（例えば、物体Ｏ１及びＯ２の相対位置を示すデータ）を順次生成する信号処理回路３３０Ａに対して反射されたビームデータＤ_ＢＲを送信する受信回路３２０Ａによって検出され、それにより、物体Ｏ１及びＯ２との衝突を回避するためにアダプティブ・クルーズ・コントロールシステム４１０が車両４００の自動制御を担うのを可能とする。

本発明の態様によれば、本願明細書に記載された様々なメタマテリアルベースの物体検出システムは、既存の車載衝突回避システムを越えた有意な利点を提供する。すなわち、フェーズドアレイ・レーダシステムのように、本発明のメタマテリアルベースの物体検出システムは、一度に複数の物体を配置して追跡することができる。対照的に、従来のフェーズドアレイシステムは、自動車に含めるように２つの大型で高価であることから、現在の車載レーダベースの衝突回避システムは、一度に１つの物体のみを追跡することができる物体検出スキームを利用する。実用的な実施形態によれば、物体検出システム３００Ａは、自車両４００が走行する通常は水平面の走査を容易とするメタマテリアル構造体の１次元アレイを利用する。しかしながら、いくつかの実施形態において、２次元アレイを含む物体検出システム（例えば、以下に記載されるシステム３００Ｅなど）が利用可能である場合には、物体の垂直方向の位置や大きさを検出するために有用であり得る。したがって、本発明は、様々な物体の相対速度及び位置の取りまとめを含む様々な物体（乗用車、歩行者、オートバイなど・・・）を区別することができる車両ベースのレーダアシスト駆動／衝突回避システムを容易とする。この機能は、交通パターンの完全なマッピングを可能とし、事故を予測し且つ防止する可能性を大幅に向上させ、既存の自動車レーダシステムよりも高性能、低コスト及び低ＳＷａＰ（大きさ、重量及び電力）で実現される。

当業者は、得られた構造体が必要な無線周波数で共振し、共振の近くに大きな位相振幅を有することを条件として、本願明細書において一般に記載されているメタマテリアル構造体が多くの形態及び形状をとることができることを理解する。図３から図５に示された実施形態は、本発明の基本的概念を説明するために、簡略化した四角形状のメタマテリアル構造体及び固体島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４を利用する。具体的には、メタマテリアル構造体１４０Ａ−１から１４０Ａ−４は、周辺間隙Ｇ１からＧ４の共通幅が各島状構造体の全周にわたって略一定のままであるように、ベース金属層１２０Ａの開口１２３Ａ−１から１２３Ａ−４と島状構造体１４１Ａ−１から１４１Ａ−４の外周縁を囲む内周縁が同心の四角形の形状を備えるように形成される。そのような四角形状構造体を使用する利点は、このアプローチが、幾何学的構造を簡便化し、所望の容量変化及び関連する位相シフトと位相制御電圧を相関させるために必要な数学を簡便化する制限された自由度を提供するということである。代替の実施形態において、メタマテリアル構造体は、四角形以外の形状（例えば、円形、三角形、長方形／楕円形）を使用して形成される。

図７は、メタマテリアル構造体１４０Ｃがパターニングされた島状構造体１４１Ｃを含む点で、前の実施形態とは異なる他の代替の位相シフト素子アレイ１００Ｃの単一のメタマテリアル構造体１４０Ｃを示す斜視図である。具体的には、島状構造体１４１Ｃは、開口領域１４９Ｃを画定するパターニングされた平面金属構造体によって形成される（すなわち、上部誘電体表面１４４Ｃ−１Ａの部分が開口領域１４９Ｃを介して露出されるように）。この例において、島状構造体１４１Ｃは、上述したように形成されたベース金属層部１２０Ｃの内周縁１２４Ｃから周辺間隙Ｇによって分離された外周縁１４１Ｃ−１を含む四角形の周辺フレーム部１４６Ｃと、周辺フレーム部１４６Ｃに一体に接続された外側端を有し且つフレーム部１４６Ｃから内側に延在している４つの放射状アーム１４７Ｃと、放射状アーム１４７Ｃの内側端に接続された内側（この場合、「Ｘ字状」）構造体１４８Ｃとを含む。構造体１４８Ｃは、放射状アーム１４７Ｃと周辺フレーム１４６Ｃとの間に形成された開口領域１４９Ｃ内に延在している。メタマテリアル構造体１４０Ｃは、そうでなければ、図３から図５を参照して上述した３層アプローチを使用して構成されていると理解される。パターニングされたメタマテリアル構造体の使用は、制御電圧と位相シフト値の相関に関連する数学を複雑にすることがあるが、メタマテリアル構造体１４０Ｃによって利用されるＸ字状パターンは、固体島状構造体を使用して可能であるよりも多くの自由度を生み出すと現在考えられ、大角度（すなわち、プラスマイナス６０°よりも大きい）でのビーム操縦などの高度な機能を順次可能とする３６０°に近い位相振幅をもたらす。さらに、メタマテリアル構造体１４０Ｃは、四角形状の外周縁を有するものとして示されているが、他の周辺形状を有するパターニングされたメタマテリアル構造体もまた、有利に利用可能である。

位相シフト素子アレイ１００Ｃ（図７）はまた、メタマテリアル構造体１４０Ｃの金属島状構造体１４１Ｃとベース金属層１２０Ｃとの間に接続された２つの可変コンデンサ１５０Ｃ−１及び１５０Ｃ−２を含む点で、上述した実施形態とは異なる。可変コンデンサ１５０Ｅの構成及び目的は、２つの可変コンデンサを利用すると各メタマテリアル構造体に適用される可変容量の範囲を増加させる点で、上記提供されたものと同じである。

図８は、ベース金属層１２０Ｅに囲まれた１６個のメタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４を有する位相シフト素子アレイ１００Ｅと、中央に位置する信号源３０５Ｅと、（例示の目的のためにブロック形式で示されているが、そうでなければ、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４の下方に配置される）制御回路３１０Ｅと、受信回路３２０Ｅと、上記提供された記載と一致するように機能する信号処理ユニット３３０Ｅとを含む物体検出システム３００Ｅを示す簡略化された平面図である。

本実施形態の態様によれば、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４は、行列の２次元パターンに配置され、各メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４は、上述したものと同様にして制御回路３１０Ｅによって生成されて（破線で示される）導電性構造体を介して送信される制御電圧Ｖ_Ｃ１１からＶ_Ｃ４４によって個別に制御可能である。具体的には、最上部のメタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１、１４０Ｅ−１２、１４０Ｅ−１３及び１４０Ｅ−１４は上の行を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−２１から１４０Ｅ−２４は第２の行を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−３１から１４０Ｅ−３４は第３の行を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−４１から１４０Ｅ−４４は下の行を形成する。同様に、最左部のメタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１、１４０Ｅ−２１、１４０Ｅ−３１及び１４０Ｅ−４１は、制御電圧Ｖ_Ｃ１１、Ｖ_Ｃ２１、Ｖ_Ｃ３１及びＶ_Ｃ４１によってそれぞれ制御される最左部の列を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１２から１４０Ｅ−４２は、制御電圧Ｖ_Ｃ１２からＶ_Ｃ４２によって制御される第２の列を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１３から１４０Ｅ−４３は、制御電圧Ｖ_Ｃ１３からＶ_Ｃ４３によって制御される第３の列を形成し、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１４から１４０Ｅ−４４は、制御電圧Ｖ_Ｃ１４からＶ_Ｃ４４によって制御される第４（最右部）の列を形成する。

本実施形態の態様によれば、２つの可変コンデンサ１５０Ｅは、各メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４とベース金属層１２０Ｅとの間に接続される。可変コンデンサ１５０Ｅの構成及び目的は、２つの可変コンデンサを利用することで各メタマテリアル構造体に適用される可変容量の範囲を増大させる、上記提供されたものと同じである。図示された実施形態において、単一の制御電圧が各メタマテリアル構造体の可変コンデンサの双方に供給されるが、代替の実施形態においては、個別の制御電圧が各メタマテリアル構造体の２つの可変コンデンサのそれぞれに供給される。さらに、多数の可変コンデンサを使用可能である。

制御回路３１０Ｅは、可変コンデンサ１５０Ｅが個別に制御される出力位相を有する関連する出力信号を生成するように関連する可変容量を適用するために制御されるように、各メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４の可変コンデンサ１５０Ｅにそれぞれ送信される位相制御電圧Ｖ_Ｃ１１からＶ_Ｃ４４を生成するように構成されている。本実施形態の態様によれば、メタマテリアル構造体１４０Ｅ−１１から１４０Ｅ−４４が２次元アレイ状で（すなわち、行列で）配置されていることから、出力位相の変化は、得られたビームに、図９Ａから図９Ｃに示される３次元領域によって画定された区域において方向を変化させる。具体的には、図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃは、０、＋４０及び−４０度のビームステアにおける放射パターンを示す図である。放射パターンは、メインローブ及びサイドローブから構成されている。サイドローブは、所望でない方向における不要な放射を表している。

図１０、図１１及び図１２は、上述した位相シフト素子アレイ並びに関連するビーム制御及び信号処理電子機器と関連して利用される代替の受信回路機能を図示する３つの簡略化した例にかかる物体検出システム３００Ｆ、３００Ｇ及び３００Ｈを示している。図１０は、単一の位相シフト素子アレイ１００Ｆが公知技術と一致した方法で無線周波数信号の送信及び受信の双方に利用され、それにより、送信／受信回路３２０Ｆがビーム生成及び反射ビーム検出動作の双方においてアレイ１００Ｆと通信するように構成された物体検出システム３００Ｆを示している。図１１は、位相シフト素子アレイ１００Ｇがビーム送信のためのみに利用され、別個の受信アンテナが反射ビーム検出のために利用される物体検出システム３００Ｇを示しており、送信／受信回路３２０Ｇは、それに応じて構成されている。最後に、図１２は、２つの位相シフト素子アレイ１００Ｈ−１及び１００Ｈ−２がビーム送信及び反射ビーム検出動作のためにそれぞれ利用される物体検出システム３００Ｈを示しており、送信／受信回路３２０Ｇは、双方の位相シフト素子アレイと通信するように構成されている。

Claims (10)

1. 複数のメタマテリアル構造体が無線周波数を有する出力信号をそれぞれ生成するように、前記メタマテリアル構造体のそれぞれが前記無線周波数で共振するように構成された複数の前記メタマテリアル構造体を含む位相シフト素子アレイと、
   複数の可変容量を生成し、前記関連するメタマテリアル構造体の実効容量が適用された可変容量のそれぞれの対応する変化によって変更され、それにより、前記複数のメタマテリアル構造体が前記複数の可変容量によって決定された対応する出力位相で出力信号をそれぞれ生成するように、関連する前記メタマテリアル構造体に対して前記可変容量のそれぞれを適用するように構成されたビーム制御回路とを備え、前記ビーム制御回路が、さらに、前記出力信号が前記位相シフト素子アレイの前面に配置されたフィールドにわたって掃引する走査ビームを一括して生成するように、前記複数の可変容量を変化させるように構成されている、物体検出システム。
2. ビーム制御回路が、
   関連する可変容量をそれぞれ生成するように構成された複数の可変コンデンサであり、前記可変コンデンサのそれぞれが、関連するメタマテリアル構造体の実効容量が前記各可変コンデンサによって生成された前記可変容量の対応する変化によって変更されるように、前記複数のメタマテリアル構造体のうちの前記関連するメタマテリアル構造体に結合された複数の可変コンデンサと、
   前記関連する可変コンデンサの前記関連する可変容量が各位相制御電圧に応じて変化するように、前記各位相制御電圧が前記複数の可変コンデンサのうちの関連する可変コンデンサに適用される複数の位相制御電圧を生成するように構成された位相制御回路とを備え、前記複数のメタマテリアル構造体が、前記走査ビームをフィールドにわたって掃引させるようにそれぞれ調整された複数の異なる出力位相で前記出力信号をそれぞれ生成するように、各位相制御電圧が経時的に変化する各電圧レベルを有する、請求項１に記載の物体検出システム。
3. 各前記可変コンデンサが、
   前記各可変コンデンサにわたって適用された前記位相制御電圧が第１の電圧レベルを有する場合、前記各可変コンデンサが第１の容量レベルで前記可変容量を生成し、前記関連するメタマテリアル構造体が関連する第１の出力位相で前記出力信号を生成し、
   前記位相制御電圧が前記第１の電圧レベルから第２の電圧レベルに増加した場合、前記関連するメタマテリアル構造体が関連する第２の出力位相で前記出力信号を生成するように、前記各可変コンデンサが第２の容量レベルで前記可変容量を生成するように構成されており、前記第２の出力位相が前記第１の出力位相よりも大きい、請求項２に記載の物体検出システム。
4. 各前記可変コンデンサが第１の端子と第２の端子とを含み、前記第１の端子が前記関連するメタマテリアル構造体に接続されており、
   全ての前記複数の可変コンデンサの前記第２の端子が共通電圧源に接続されている、請求項２に記載の物体検出システム。
5. さらに、前記複数の位相制御電圧をそれぞれ送信する複数の導電性構造体を備え、各前記導電性構造体が前記位相制御回路と関連するメタマテリアル構造体及び前記関連する可変コンデンサの前記第１の端子のうちの一方との間に接続されており、それにより、前記位相制御電圧のいずれかが、前記各導電性構造体によって適用され、前記関連する可変コンデンサの前記第２の端子が接地電位に接続され、前記関連する可変コンデンサが前記位相制御電圧に比例する容量レベルを有する前記関連する可変容量を生成する、請求項２に記載の物体検出システム。
6. 前記ビーム制御回路が、さらに、前記走査ビームの瞬間的なビーム方向を示すビーム方向データを生成するように構成されており、
   前記物体検出システムが、さらに、
   前記フィールド内に配置された物体から反射された前記走査ビームのビーム部分を検出するように構成され、前記ビーム部分の関連する反射の各検出を示すビーム検出データ生成するように構成された受信機と、
   前記ビーム方向データを前記物体からの前記走査ビームの反射によって生成された前記ビーム検出データと組み合わせることによって前記フィールド内の物体の位置を検出するように構成された信号処理回路とを備える、請求項２に記載の物体検出システム。
7. 車両が前記車両の自動制御を担うことができるアダプティブ・クルーズ・コントロールシステムを含む、１つ以上の物体と自車両の衝突を回避する車両衝突回避システムにおいて、
   複数のメタマテリアル構造体が無線周波数を有する出力信号をそれぞれ生成するように、前記メタマテリアル構造体のそれぞれが前記無線周波数で共振するように構成された複数の前記メタマテリアル構造体を含む位相シフト素子アレイであり、前記出力信号が前記車両に隣接して位置するフィールド内に向けられるように前記位相シフト素子アレイが前記車両に搭載されている位相シフト素子アレイと、
   複数の可変容量を生成し、前記関連するメタマテリアル構造体の実効容量が適用された可変容量のそれぞれの対応する変化によって変更され、それにより、前記複数のメタマテリアル構造体が前記複数の可変容量によって決定された対応する出力位相で出力信号をそれぞれ生成するように、関連する前記メタマテリアル構造体に対して前記可変容量のそれぞれを適用するように構成されたビーム制御回路であり、前記ビーム制御回路が、さらに、前記出力信号が前記フィールドにわたって掃引する走査ビームを一括して生成するように、前記複数の可変容量を変化させるように構成されているビーム制御回路と、
   前記フィールド内に配置された１つ以上の物体から反射された前記走査ビームのビーム部分を検出するように構成され、前記検出されたビーム部分に応じて前記１つ以上の物体の検出を示すビーム検出データ生成するように構成された受信機と、
   前記ビーム検出データに応じて前記フィールド内の前記１つ以上の物体の位置を検出し、前記アダプティブ・クルーズ・コントロールシステムが前記１つ以上の物体との衝突を回避するために前記車両の自動制御を担うように、前記アダプティブ・クルーズ・コントロールシステムに対して衝突制御回避データを送信するように構成された信号処理回路とを備える、車両衝突回避システム。
8. 前記金属島状構造体が１列に整列されるように前記複数のメタマテリアル構造体が１次元アレイ状に配置されており、
   前記走査ビームが前記フィールドにわたって２次元パターンで掃引されるように、前記複数のメタマテリアル構造体が連続して変化した複数の異なる出力位相で前記出力信号をそれぞれ生成するように前記制御回路が前記複数の位相制御電圧を連続して変化させるように構成されている、請求項７に記載の車両衝突回避システム。
9. 前記金属島状構造体が複数の行及び複数の列に整列されるように前記複数のメタマテリアル構造体が２次元アレイ状に配置されており、
   前記走査ビームが前記フィールドの３次元領域にわたって掃引されるように、前記複数のメタマテリアル構造体が連続して変化した複数の異なる出力位相で前記出力信号をそれぞれ生成するように前記制御回路が前記複数の位相制御電圧を連続して変化させるように構成されている、請求項７に記載の車両衝突回避システム。
10. 車両の自動制御を担うことができるアダプティブ・クルーズ・コントロールシステムと、
    物体検出システムとを備え、前記物体検出システムが、
    複数のメタマテリアル構造体が無線周波数を有する出力信号をそれぞれ生成するように、前記メタマテリアル構造体のそれぞれが前記無線周波数で共振するように構成された複数の前記メタマテリアル構造体を含む位相シフト素子アレイであり、前記出力信号が前記車両に隣接して位置するフィールド内に向けられるように前記位相シフト素子アレイが前記車両に搭載されている位相シフト素子アレイと、
    複数の可変容量を生成し、前記関連するメタマテリアル構造体の実効容量が適用された可変容量のそれぞれの対応する変化によって変更され、それにより、前記複数のメタマテリアル構造体が前記複数の可変容量によって決定された対応する出力位相で出力信号をそれぞれ生成するように、関連する前記メタマテリアル構造体に対して前記可変容量のそれぞれを適用するように構成されたビーム制御回路であり、前記ビーム制御回路が、さらに、前記出力信号が前記フィールドにわたって掃引する走査ビームを一括して生成するように、前記複数の可変容量を変化させるように構成されているビーム制御回路と、
    前記フィールド内に配置された１つ以上の物体から反射された前記走査ビームのビーム部分を検出するように構成され、前記検出されたビーム部分に応じて前記１つ以上の物体の検出を示すビーム検出データ生成するように構成された受信機と、
    前記ビーム検出データに応じて前記フィールド内の前記１つ以上の物体の位置を検出し、前記アダプティブ・クルーズ・コントロールシステムが前記１つ以上の物体との衝突を回避するために前記車両の自動制御を担うように、前記アダプティブ・クルーズ・コントロールシステムに対して衝突制御回避データを送信するように構成された信号処理回路とを含む、車両。

Images