JP2000501595A - 疑似走査し、周波数に関係しない駆動点インピーダンスを有するプレーナアンテナ放射器構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 プレーナアンテナ放射器構造30は連続横断スタブのアレイを具備し、その連続横断スタブは平行板導波管12の接地平面15中に配置された段部を持つ形態を有する。動作周波数範囲にわたる放射器構造の開口の複素数反射係数および走査角度の制御は、スタブの長さｓ、スタブの高さｓ、スタブ間の間隔、平行板の分離距離、および平行板導波管とスタブに使用されている誘電体材料の特性の選択により平行板導波管モードを使用して達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 疑似走査し、周波数に関係しない駆動点インピーダンス を有するプレーナアンテナ放射器構造 ［発明の背景］ 本発明は、一般的にプレーナアンテナに関し、特に、疑似走査し、周波数に関 係しない駆動点インピーダンスを有するプレーナアンテナ放射器構造に関する。 プレーナ放射素子の例としては、印刷パッチおよびスロット放射器が挙げられ る。パッチアレイにおいて最近開発された技術では動作帯域幅を顕著に増加させ る結果が得られている。しかしながら、広帯域パッチ設計は典型的に約２０乃至 ３０％の狭い帯域幅に制限される。さらに、パッチアレイの回路損失はそれらの 効率、特に、電気的に大型のアレイ、および、またはミリメートル波周波数にお いて動作するアレイにおいて深刻な制限を与える。スロット導波管アレイは平坦 であり、低い損失を有する。しかしながら、動作帯域幅は典型的に１５％以下に 制限される。 両方の形式の放射器は本質的に共振器構造であり、典型的に“高いＱ”特性を 有しており、それは、著しくリアクタンス性の部品であるためにそれらの最終的 な周波数帯域幅を制限する。さらに、両方の構造は、強力な、悪い性質の相互結 合および潜在的な表面波現象により、強い走査依存性の駆動点インピーダンス特 性を有している。 したがって、本発明の目的は、疑似走査することができ、周波数に関係しない 駆動点インピーダンスを有する改善されたプレーナアンテナ放射器構造を提供す ることである。 ［発明の概要］ 上記目的、およびその他の目的を達成するために、本発明は、多段プレーナア ンテナ放射器構造を提供する。本発明のプレーナアンテナ放射器構造は、任意の 大きさのプレーナアンテナ放射器構造を形成するために平行板導波管の１以上の 導電接地平面に配置されている段部を有する形状の連続した横断スタブのアレイ を具備している。動作周波数範囲にわたる放射器構造の開口の複素数反射係数お よび走査角度の正確な制御は、スタブの長さ、スタブの高さ、スタブ間の間隔、 平行板の分離距離、および平行板導波管とスタブに使用されている誘電体材料の 特性の適切な選択により行われる。アレイの駆動点、または入力インピーダンス は、スタブと自由空間との境界面に固有の容量性リアクタンスを補償するために 広帯域整合技術を使用することによって広い周波数帯域にわたってほぼ一定の実 数値（非リアクチブ）にされる。スタブと自由空間との境界面に固有のとの間の 境界面のイントリンシックな容量性サセプタンスについては、ニューヨークのマ グウヒル社が1951年に発行したＭＩＴラジエーション・ラボラトリー・シリーズ のＮo.10、183 乃至186頁のMarcuvitz．Ｎの“Waveguide Hansbook”に記載され ている。 本発明は、周波数に関係しない駆動点インピーダンスを有するプレーナ放射器 構造を提供し、それは固定された１次元および２次元の電子的に走査されるアレ イに対するコンパクトで、真の時間遅延アンテナ開口を実現することを容易にす る。連続横断スタブ放射器は非分散性である平行板導波管の低損失のＴＥＭ伝送 ライン中に構成される。その代りに、連続横断スタブ放射器はオーバーモードの 方形導波管（ＴＥ_moモード）で構成されてもよく、その導波管は通常実用上非分 散である遮断周波数から離れて動作する。連続横断スタブ放射器はまた成型され たビーム、多数のビームを生成するために使用されてもよく、また二重偏波モー ドおよび多重周波数モードで動作してもよい。本発明の重要な効果には、低コス トの生産のための頑丈な設計方法、超広帯域の瞬間的帯域幅、低い電力消費損失 、および直接的な良好な性質の連続的なＨ平面およびＥ平面走査能力等が含まれ ている。 本発明の連続横断方向スタブプレーナアンテナ放射器構造は、真の時間遅延連 続横断スタブプレーナアンテナを提供するために使用されることもできる。この 連続横断方向スタブプレーナアンテナ放射器構造は５．０乃至２０．０ＧＨｚの 動作帯域にわたって動作するように構成され具体化されることができる。 本発明は、多機能軍用システムで使用されることができ、或いは、地点間デジ タル無線または地球規模の衛星放送サテライト（ＧＢＳ）のような単一の超広帯 域の開口が複数の狭帯域アンテナを置換する高生産率の商用製品で使用すること ができる。また、本発明アンテナ放射器の断面は１方向で不変であり、押出しま たはプラスチックモールドプロセスのような廉価で高い生産量の製造技術を使用 することもできる。 ［図面の簡単な説明］ 本発明の種々の特徴および利点は添付図面と関連した以下の詳細な説明を参照 することによってさらに容易に理解されるであろう。添付図面において同様な参 照符号は同様な構造素子を表している。 図１は、一体に構成された平行板導波管給電装置を有する連続横断スタブ放射 器のプレーナアレイを具備するアンテナ放射器構造を示している。 図２ａは、連続横断スタブ放射器の無限アレイの単位セルを示している。 図２ｂは、図２ａの単位セルの等価回路を示している。 図３ａは、接続リアクタンス対Ｓ／λ₀の反射係数を示している。 図３ｂは、接続リアクタンス対Ｓ／λ₀の位相傾斜を示している。 図４ａは、整合された連続横断スタブ放射器の単位セルを示している。 図４ｂは、図４ａの単位セルの等価回路を示している。 図５ａおよびｂは、連続横断スタブ放射器を使用するビーム走査を示している 。 図６は、本発明の原理にしたがってアンテナ放射器構造を示している。 図７は、本発明の給電装置に使用されることのできる別の真の時間遅延（共同 動作）給電装置構造を示している。 ［詳細な説明］ 図面を参照すると、図１は一体に構成された平行板導波管給電装置12に結合さ れた空気充填連続横断スタブ放射器11のプレーナアレイを具備しているアンテナ 放射器構造10を示している。下部接地平面13は任意の誘電体組成物で構成された の平行板導波管給電装置12の、連続横断スタブ放射器11のアレイと反対側の下面 に形成されている。連続横断スタブ放射器11のアレイは上部接地平面15に形成さ れた横断スロット14として形成されている。連続横断スタブ11のアレイは、例え ば、平行板導波管給電装置12により生成された進行波または定在波平行板導波管 モードにより励振される。 ＴＥＭ（またはＴＭ_mo）波が＋ｚ方向（エネルギ伝播の方向）に沿って平行板 導波管給電装置12中を伝播するとき、上部接地平面15中の縦方向の電流は、ｙ方 向（エネルギ伝播の方向に対して横断方向）に連続する横断スタブ11の存在によ り遮断される。横断スタブと平行板導波管との境界面において、ｚ方向の変位電 流が励起され、それは端部への＋ｘ方向に進行する同一の導波管モードをスタブ 11中に励起する。プレーナ放射器構造を給電する別の構造は本出願人の別出願の 米国特許出願（発明の名称“Compact,Ultra-Wideband,Antenna Feed Architectu re Comprising a Multistage/ Multilevel Network of Constant Reflection Co efficient Components”）の明細書中に記載されている。その内容は全体的にこ こで参照文献とされる。 スタブ11のアレイはｙ方向において（すなわち、上部接地平面15において）均 一な断面を有しており、ｚ方向（エネルギ伝播の方向）において無限であると仮 定される。それ故、放射器構造10は図２ａに示される単位セル20を使用して解析 される。図２ａに示されるように、ｚ方向におけるスタブ11の幅は“ｂ”と指定 され、一方、スタブ11間の素子間隔は“Ｓ”と指定される。広い側の動作に対し て、単位セル20の横方向境界は完全な電気導体（ＰＥＣ）であると考えられる。 その代りに広くない側の動作（Ｅ平面走査）に対して、横方向の境界はフロケ（ Floquet）の単位セル境界として処理される。２つの導波管の高さにおける対称 的変化（すなわち、完全な電気導体によって境界を定められた自由空間の“Ｓ” に対するスタブの“ｂ”から）は図２ｂに示された等価回路により与えられる。 この等価回路はMontgomery．Ｃ．Ｇ，Ｒ．Ｈ．Dicke およびＥ．Ｍ．Purcell(ed s)による文献（“Principle of Microwave Circuits，MITラジエーション・ラボ ラトリー・シリーズのＮo.８、188頁”）で論じられている。 図３ａおよび３ｂはＳの選択が反射係数の振幅および接合サセプタンスの位相 スロープを決定することを示している。図３ａおよび３ｂは、素子間の間隔“Ｓ ”が反射係数の振幅および接合サセプタンスの位相スロープにどのように影響す るかを定性的に示している。Ｓ／λ₀＝１に近い動作は避けなければならないが （ｚ方向におけるより高次のモードによる）、Ｓ＜＜λ₀を選択することは実用 的ではない。本発明はスタブ11と自由空間との間の中間整合ステップ21（図４ａ ）を付加する問題を緩和し、それによって広い周波数範囲にわたって複素数反射 係 数の実数および虚数成分の両者を整合する。同様に、任意の数の中間段が、周波 数および、または走査角度に関して任意の所望のインピーダンス特性を一般的に 実現するために使用されることができる。 図４ａおよび４ｂは、整合された連続横断スタブ放射器11の単位セルおよび等 価回路を示している。図４ａは中間整合ステップ21を有する単位セルを示し、一 方、図４ｂは接続サセプタンスｊＢ／Ｙs および補償整合ステップ21のサセプタ ンスｊＢ／Ｙb′からなる等価回路を示している。 図５ａおよび５ｂは、連続横断スタブ放射器11を使用するＨ平面におけるビー ム走査を示している。図５ａおよび５ｂはそれぞれ連続横断スタブ放射器11の側 面図および端面図を示し、それにより行われるビーム走査を示している。連続横 断スタブ放射器11はまたその幾何学的形状の連続した性質によりＨ平面（すなわ ち、ｙ方向）における広い角度のビーム走査に対して利点を有する。 平行板導波管給電装置12中を進行する波は連続横断スタブ放射器11のｙ方向に 対して傾斜されている場合には、ビームは図５ａに示されるようにｙ方向で走査 される。連続横断スタブ放射器11がε₁＞１の誘電体材料で構成されており、ε₀ ＝１の自由空間に放射する場合には、次のような関係式が適用される。 Ｚ_b＝Ｚ_bdＳ_ecθ_i （１） Ｚ＝Ｚ_S0Ｓ_ecθ₀ （２） （ε₀）^1/2 Sinθ₀ ＝（ε₁）^1/2 Sinθ_i （３） 式（１）を式（２）で除算すると、 Ｚ_b／Ｚ_s＝ Ｚ_bd／Ｚ_so[（１−ε₁／ε₀）Ｓｉｎ²θ_i／（１−Ｓｉｎ²θ_i）]^1/2 （４） 式（４）は、ε₁＝ε₀の特別な場合に対して、自由空間に対するスタブのインピ ーダンス比は走査角度に無関係であることを示している。 Ｅ平面走査はｙおよびｚ方向の両方においてアレイの幾何学的形状が無限であ るという仮定により処理される。これはフロケの定理を使用することを可能にし 、それは単位セル20内のフィールドを考えることだけが必要である。完全な電気 導体壁が周期的な境界条件により置換される（フロケの単位セル境界）。周波数 、Ｅ平面走査角度、Ｈ平面走査角度、および連続横断スタブ放射器11の幾何学的 形 状の関数である開口における複素数反射係数は、モーダル整合技術を使用して容 易に計算され、また、スタブ放射器11間の強力で一定の相互結合により周波数お よび走査角度の両者に関して良好であることが発見される。 多重中間段部の場合には、前述の式およびサスセプタンス項、および、または フロケの定理は各段部に対する走査依存特性インピーダンスＺ_nおよび走査角度 θ_nを計算するために使用されることができ、それによって通常の回路解析が使 用されて全体的な放射器構造の周波数および走査異存性の両者を予測することが できる。 図６を参照すると、本発明の原理にしたがったアンテナ放射器構造30が示され ている。このアンテナ放射器構造30は、平行板導波管給電装置12に結合された連 続横断スタブ放射器11a のプレーナアレイから構成されている。下部接地平面13 は平行板導波管給電装置12の連続横断スタブ放射器11a のプレーナアレイと反対 側の表面に形成されている。連続横断スタブ放射器11a のアレイは、上部平面15 に形成された段部を有する横断スロット14a として形成されている。段部を有す る横断スロット14a は平行板導波管給電装置12に隣接して配置された下部の幅の 狭いスロットと、アンテナ放射器構造30の放射開口（すなわち、下部接地平面13 から離れている側）に隣接して配置されている上部の幅の広いスロットとから構 成されている。連続横断スタブ放射器11a のアレイは平行板導波管給電装置12に よって生成された、例えば進行波または定在波平行板導波管モードによって励振 される。 図７を参照すると、別の給電装置構造40が示されており、それは真の時間遅延 構造で本発明（放射器）を給電するために使用されることができる。さらに説明 すると、図７は、真の時間遅延の超広帯域の共同動作をする給電装置構造40の１ 実施形態を示している。この給電装置構造40は、レクソライト（Rexolite:商標 名）のような低損失マイクロ波誘電体を使用して製造された８方向の真の時間遅 延の共同動作給電装置40を具備している。誘電体部品は互いに結合され、その後 、表面は銀またはアルミニウムのようなＲＦ導体の金属で被覆されて平行板導波 管給電装置構造を形成している。共同動作給電装置構造40の３つのレベル（レベ ル1，レベル2，レベル3）が図７に示されている。この給電装置構造40は前述の 同時出願の明細書中に詳細に記載されている。 以上、疑似走査され、周波数に関係しない駆動点インピーダンスを有する改良 されたプレーナアンテナ放射器構造について開示した。ここに説明した実施形態 は、本発明の原理の適用を示す多数の特定の実施形態のいくつかについの単なる 例示であることを理解すべきである。多数のその他の構成が、本発明の技術的範 囲を逸脱することなく当業者によって容易に考えられることができることは明ら かである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．疑似走査され、周波数に関係しない駆動点インピーダンスを有するアンテナ 放射器構造(30)において、 下部表面に形成された下部接地平面(13)を構成する平行板導波管給電装置(12) と、 平行板導波管給電装置の上部表面に形成された複数の連続横断方向の段部を有 するスロット(14)から構成された連続横断スタブ放射器（11a）のプレーナアレ イとを具備し、 段部を有する各スロットは、平行板導波管給電装置に近接して配置された下部 の狭い幅のスロット(22a)と、下部接地平面から離れた位置に設けられた広い幅 のスロット(22b)とから構成されていることを特徴とするアンテナ放射器構造構 造。 ２．複数の順次の段部が放射器構造のサセプタンスを実効的に消去し、放射器構 造に対して動作周波数の広い範囲にわたって予め定められた任意の実質上実数の 反射係数を与えている請求項１記載の構造。 ３．連続横断スタブ（11a）のアレイは、平行板導波管給電装置(12)により発生 された進行波導波管モードにより励振される請求項１記載の構造。 ４．連続横断スタブ（11a）のアレイは、平行板導波管給電装置(12)により発生 された定在波平行板導波管モードにより励振される請求項１記載の構造。 ５．連続横断スタブ（11a）は直接の真の時間遅延共同動作給電装置によって励 振される請求項１記載の構造。