JP2000510305A - フラットアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多層構造のフラット開口結合アンテナであって、該アンテナの背部は独立した複数の箱型の室を有する中空構造体（３，５）を形成する金属製の反射装置からなり、該箱型の室は放射パッチと、この放射パッチの数に対応する数の対をなした直交スロットと給電素子と位置合わせされて配置され、これにより前記中空構造体内のマイクロ波の伝播を防ぎ且つ前記直交スロット間の結合を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】 フラットアンテナ 本発明は、実質的に平坦な開口結合（aperture-coupled）アンテナに関するも のであり、該アンテナは複数の放射パッチ（radiating patch）が設けられた誘 電材の層と、この放射パッチの数に対応した直交するスロット形状の開口部が設 けられた接地・基板層（ground plane layer）と、給電回路網を構成する同じく 放射パッチと同数の給電素子が設けられた少なくとも１枚の平坦な基板と、から なる多層構造体と金属性の反射装置と、を含み、前記給電素子から前記直交する スロットを介してマイクロ波が、前記放射パッチに給電され、これによりアンテ ナの表側から伝播するマイクロ波ビームが放射パッチによって形成される。 このようなフラット型開口結合アンテナに類似するものとして、例えば米国特 許第５，０３０，９６１号明細書(Tsao)、同第５，２４１， 及び欧州特許出願公報第５２０９０８号に開示されているもの等が挙げられる。 多くの場合、放射パッチはアンテナ表面領域に亘って延びるようにマトリクス 、即ち横列と縦列からなる２次元パターンに配される。またこれとは別に、アン テナにマルチローブ（multilobe）式アンテナユニットを形成するために、１つ またはそれ以上の類似のアンテナ部材の隣に、放射パッチを垂直列に設ける場合 もある。 しかしながら、アレイまたは放射パッチ列及び裏側に反射装置を有するこのよ うなアンテナ構造は、反射装置がウェーブガイドとして機能する傾向があるとい うことにまつわる技術的問題点がある。具体的には共鳴及びマトリックスの種々 の開口部間に好ましくない結合が生じるということである。その結果として、目 的とするビーム構造に、特に二元偏波（dual polarization）に関して悪影響を 与える。また上述の回路網 を介してアンテナ内に給電されるマイクロ波エネルギーの一部が、前方に向けら れたビームの外側での放射並びに金属性反射装置での熱吸収によって失われる場 合がある。 上述の欧州特許出願に開示されているアンテナ構造は、二極搬送偏波（dual p olarized carrier wave）とそれに関連する信号チャネルを互いに分離する役割 を果たす直交型スロットを有していない点で異なる。また上下金属プレートと、 その間に配された給電回路網を有する薄い誘電プレートから構成されるサンドゥ イッチ構造のものもある。これら２枚の金属プレートは、一体成形された壁を有 し、これら壁は共に対応する対の給電素子の領域に孔または室を形成している。 しかしながら、これら給電素子は、各孔に非対称に配されているので、２極偏波 が互いに完全に隔離されない。 このような背景から、本発明は共鳴及びアンテナ内の望ましくない結合を防ぎ 、マイクロ波エネルギーの損失を減少させ、さらに組み立てが簡単で、効果的に 作動するアンテナ提供することを主たる目的としている。さらに本発明は、２極 搬送偏波によって得られる別個のチャネル間を効果的に分離することを目的とし ている。 これらの目的は、金属反射装置を各放射パッチ、各対の直交スロット及び給電 素子と、整合位置に配置され、且つ互いに電気的に離隔された複数の箱型の室か らなる平坦な中空金属構造物から構成し、各箱型の室を、接地・基板層からなる 上部壁と、下部壁及びこれら上下壁の間を延びる側壁によって形成し、前記中空 金属構造物内でマイクロ波の伝播を遮断し且つ直交スロット間の結合を防ぐこと により達成される。 このような電気的に離隔された箱型の室は、種々の異なる方法で形成すること が可能である。いくつかの可能な態様が、添付の請求の範囲の従属請求項２〜１ ３に記載されており、また以下に詳述する。 本発明を添付の図面に例示されさた３つの態様を基により詳しく説明する。 図１は、本発明の第１の態様による長尺アンテナの端部の分解斜視図 である。 図２は、本発明の第２の態様による長尺アンテナの端部の分解斜視図である。 図３は、本発明の第３の態様による長尺アンテナの端部の分解斜視図である。 図面では、通信信号を含むマイクロ波を送受信するのに必要な機能を有する部 材のみを示しており、従ってその他の機械的及び電気的に必要な細部については 、これらの図面から除外してある。 本発明のアンテナは、多層構造物から構成されている。さらに詳述すると、図 １に示す本発明の第１の態様では、ボトムユニット５上に順次積み重ねられたフ ラットパッケージ型の４層構造に構成されている。これらの４つの層１−４は、 全て基本的には長さ及び幅寸法が同じであり、ボトムユニット５の上に機械的手 段、例えばボトムユニット５の長手方向に延びる溝（図示せず）内に特別な締結 またはスナップ手段（図示せず）によって固定される。 第１の層１は、誘電性材料からなり、長手方向列、好ましくは相互に均一な間 隙を置いて配された複数の放射パッチが設けられている。パッチはそれ自体、公 知のものであり、銅またはアルミニウムなどの導電性材料からなる。 層２，４は前記層１と同じように誘電性材料からなり、層２には上方給電素子 ２１ａ，２１ｂが対をなして設けられており、共通の導電ストリップ形状の給電 ラインに接続され、給電回路網を形成しており、層４には同じく共通の給電スト リップ４２に接続される対の下方給電部材４１ａ、４１ｂが設けられ、給電回路 網を形成している。 層２，４の間に銅またはアルミニウムからなる接地・基板層３が設けられ、互 いに直角に交わるスロット３１ａ、３１ｂ形状の開口部が一列に設けられており 、このような各１対の直交スロットは、放射パッチ１１及び１対の給電部材２１ ａ、４１ａ及び２１ｂ、４１ｂに対して整合位置に配されている。 マイクロ波エネルギーは、導電性ストリップ２２，４２を介して各給電素子２ １ａ，４１ａ，２１ｂ，４１ｂに給電され、このエネルギーの大半は、直交スロ ットを介してパッチ列１１に伝送されるかまたは結合し、そこから２極偏マイク ロ波ビーム（dual polarized microwave beam）が、形の整ったローブ状にアン テナの表側（図１の上方）から伝送される。通常、このようなローブは、アンテ ナの長手方向を横断する面で５０〜１００°の限定された半値ビーム幅を有する 。長手方向のビーム幅は、アレーのサイズ、特に長尺アンテナの長さによって決 まる。複数のアンテナをそれらの長手方向軸を垂直に近接して配置することによ り、マルチローブアンテナユニットが形成される。 本発明では、ボトムユニット５が接地・基板層３と共に、電気的に離隔した箱 型の室を有する金属性中空構造体を形成する。この中空金属構造体は、上部壁と しての接地・基板層３、下部壁としての背部金属壁５１と２つの側壁５２，５３ からなる。これら壁部を有するボトムユニット５は、アルミニウム製であるのが 好ましい。 中空金属構造体３，５内の内部空間は、導電性ストリップ４２及び必要であれ ば他のアンテナ用部材（図示せず）を収納する役割を果たす。 定在波の発生あるいは中空金属構造体３，５の内側で長手方向に伝播する他種 のマイクロ波を防ぐために複数の横手方向に延びる仕切り５４が、ユニット５に 沿って均一な間隔を置いて配されている。隣接する仕切り５４間の相互距離は、 整合位置にある各隣接する放射パッチ間の相互距離に対応する。従って、中空の 金属構造物３，５は放射パッチ１１及びそれに対応する給電素子２１ａ，４１ａ 及び対の直交スロット３１ａ，３１ｂの整合位置に箱型の室を有する。 仕切り５４は、側壁５２，５３間の全幅に亘って延びている。しかしながら、 仕切り５４の高さは、低部壁５１と層４との間の距離よりも僅かに短く、これに よりその間に自由空間を残している。いずれにしても、仕切りの少なくともいく つかは、給電回路網の金属とストリップと接触しないように収容するために箱型 の金属構造物の断面領域を全て覆わ ないような高さにすべきである。 図１に示す態様では、仕切り５４は、例えばアルミニウムからなる別個の金属 片によって形成され、底部壁５１及びまたは側壁５２，５３に固定されている。 長手方向のマイクロ波の伝播を防ぐための機能を供するために、仕切り５４に 代えて別の形態の遮断手段を底部壁または側壁５１，５２，５３に設けてもよい 。重要なことは、箱型の構造物に沿ってその断面が不連続となるように、言いか えれば、断面をウェーブガイドとして機能し、共鳴、望ましくない結合並びに輻 射及び熱としてエネルギー損失の原因になる１つの空洞にならないようにするこ とである。 接地・基板層３を、ボトムユニット５に機械的に接続してもよく、特定の周波 数が使用される場合、容量的に結合させてもよい。 図２に示す第２の態様は、放射パッチ１１と、直交スロット３１ａ，３１ｂと 、給電素子２１ａ，４１ａ，２１ｂ，４１ｂを有する多層構造であるという点で は、図１の態様と基本的には同じである。しかしながら、中空金属構造物が、箱 型の室が層１−４と背部壁５１の間に挿入された実質的に閉鎖された金属枠６０ によって形成されているという点で異なる。 枠６０は各々、関連する給電部材２１ａ，４１ａ、直交スロット３１ａ，３１ ｂ及びパッチ１１と整合位置に設置されている。枠６０は、アンテナの長手方向 に沿って各々設置されている。各枠６０には、２つの対向する側壁６１，６２、 第１の幅方向に延びる壁６３および第２の幅方向に延びる壁６４が設けられてい る。第２の壁６４には給電部材２１ａ，４１ａに接続された給電回路網の管を収 容する開口部６５が、設けられている。通常、このような開口部は、壁の一部の みを介して延びている。一般的には、このような開口部または凹部は、各枠６０ の１つまたはそれ以上の壁に設けてもよい。 枠６０を、背部壁５１または接地・基板面３に電気的に接続する必要は無い。 しかしながら、枠６０を構成する各壁部材が、複数の層の誘電 性材を介して接地・基板面３に容量結合するような幅を有することが必須である 。枠は背部壁５１及び多層２−４構造体間の領域の開口部から外側に伝播するマ イクロ波を遮るあるいは減少させる。枠を多層２−４構造体に機械的に接続して もよい。さらに関連する対の直交スロットと枠を組み合わせることによって各ア ンテナ素子の２つの偏波（polarization）間で効果的に分離することができる。 本発明の第３の態様を図３に示す。このアンテナは、上述の態様と同様に放射 パッチ１１と、直交スロット３１ａ，３１ｂと、給電素子２１ａ，４１ａ，２１ ｂ，４１ｂを有する多層１−４構造である。しかしながら、金属反射装置が、そ の箱型の室が別個の平坦な箱型ユニット７０によって構成され、各ユニットがそ の中心と対応するパッチ１１及びそれに関連する対の直交スロットの中心に整合 するように位置しているという点で異なる。 各箱型ユニットは、矩形の底部壁７１及び４つの側壁７２，７３を有する。側 壁７２は、凹部７２ａを有し、もう一方の側壁７３ａは、給電部材２１ａ，４１ ａ，２１ｂ，４１ｂに接続された給電ストリップを収容するための凹部７３ａを 有する。 ４つの側壁７２，７３には、好ましくは金属板をブランクに押し抜きした際に 形成される上方に突出したピン７４が設けられている。また箱型ユニットは、金 属ブランクを曲げ加工して側壁７２，７３を形成して製せられる。 各層１，２，３，４にはこれら上方に突出したピンに対応して矩形の穴１４が 設けられている。組み立ての際には、ピン７４は穴１４を介して上方に挿入され 、接地・基板面３に直接電気的に接触するようにはんだ付けされる。このように して接地・基板面３は、箱型ユニット７０に電気的且つ機械的に確実に接続され る。 箱型ユニット７０は、平面において矩形、正方形、多角形または円形であって もよい。 図３の態様は、打ち抜き、曲げ及びはんだ付けによって製するには非 常に便利である。また機能的には、パッチ間及び２極搬送波間で効率よく分離す るという点で優れている。 図示した全ての態様に於いて、直交スロットは各チャネルの電磁界部品が互い に干渉しないように対称に位置するように配されなければならない。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数の放射パッチ（１１）が配された誘電体材料からなる層（１）と、２ つの直交するスロット状の前記放射パッチと同数の開口部（３１ａ，３１ｂ）が 、設けられた接地・基板層（３）と、給電回路網（２２，４２）を構成し、前記 放射パッチと同数の給電素子（２１ａ，２１ｂ，４１ａ，４１ｂ）が設けられた 少なくとも１枚の平板層（２，４）と、を有する多層構造体と、裏側は金属性の 反射装置とからなり、前記給電素子から前記直交するスロットを介してマイクロ 波が、前記放射パッチに給電され、前記放射パッチが二極偏マイクロ波ビームを 放射する実質的に平坦な開口結合アンテナにおいて、前記金属製反射装置は対応 する各放射部材（１１）と、対応する各対の直交スロット（３１ａ，３１ｂ）と 、対応する各給電部材（２１ａ，２１ｂ，４１ａ，４１ｂ）と、整合位置に設置 され、互いに電気的に離隔された複数の箱型の室からなる平坦な金属性の中空構 造体（３，５）であり、前記各室は前記接地・基板層層（３）からなる上部壁と 、底部壁（５１，７１）と前記上部壁と底部壁の間を延びる側壁（５２，５３， ６１−６４）によって囲まれ、これにより前記中空構造体内で伝播するマイクロ 波を遮断し、且つ前記直交スロット間に生じる相互結合を防止することができる ことを特徴とするアンテナ。 ２．前記金属性の中空体（３，５）が前記給電回路網の種々の部品及びアンテ ナの他の素子を収容するように設けられたことを特徴とする請求項１記載のアン テナ。 ３．前記箱型の室の側壁のいくつかが、前記中空構造体内で互いに間隙を置い て配された仕切り（５４）を構成していることを特徴とする請求項１記載のアン テナ。 ４．前記仕切り（５４）が、対向する側壁の間を延びていることを特徴とする 請求項３記載のアンテナ。 ５．前記対向する側壁及び前記仕切りが、前記箱型の室を形成する枠 （６０）を形成することを特徴とする請求項４記載のアンテナ。 ６．前記対向する側壁（５２，５３）が、実質的にアンテナの全長に亘って延 び、放射パッチ（１１）に対応する位置に位置する前記箱型の室を有する長尺の 構造体を形成することを特徴とする請求項４記載のアンテナ。 ７．前記仕切りが前記底部壁（５１）に固定された別個の金属片（５４）及び または前記対向する側壁（５２，５３）からなることを特徴とする請求項６記載 のアンテナ。 ８．前記箱型の室が別個の平坦な箱型ユニット（７０）からなることを特徴と する請求項１乃至３いずれか１項記載のアンテナ。 ９．各箱型ユニット（７０）が前記接地面層（３）と接触する上方に突出した 突起（７４）が設けられている側壁（７２，７３）からなることを特徴とする請 求項１０記載のアンテナ。 １０．前記上方に突出した突起（７４）が、ピン状に形成され、前記接地面層（ ３）の穴（１４）を介して挿入され、前記接地面層にはんだ付けされることを特 徴とする請求項９記載のアンテナ。 １１．箱型ユニット（７０）が、実質的に矩形または正方形であることを特徴と する請求項８乃至９項いずれか１項記載のアンテナ。 １２．各対の直行スロットが互いに交わっていることを特徴とする先行請求項い ずれか１項記載のアンテナ。 １３．各対の交わった直行スロットが、対称となるように前記室に対して中心に 据えられていることを特徴とする請求項１２記載のアンテナ。