JP2003509937A - 誘電体移相器を有する直列給電フェーズドアレイアンテナ - Google Patents

誘電体移相器を有する直列給電フェーズドアレイアンテナ

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JP2003509937A
JP2003509937A JP2001524193A JP2001524193A JP2003509937A JP 2003509937 A JP2003509937 A JP 2003509937A JP 2001524193 A JP2001524193 A JP 2001524193A JP 2001524193 A JP2001524193 A JP 2001524193A JP 2003509937 A JP2003509937 A JP 2003509937A
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ズー，ヨングフェイ
セングプタ，ルイーズ，シー
コジレフ，アンドレイ
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パラテック マイクロウェーブ インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 フェーズドアレイアンテナは、複数の放射素子、給電線アセンブリ、複数の放射素子と給電線アセンブリの間に位置するグランドプレーン、給電線アセンブリに結合された複数の電圧同調型誘電体移相器とより成り、グランドプレーンは複数の放射素子と給電線アセンブリとの間に位置する複数の開口を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 【発明の分野】
本発明は、一般的に、フェーズドアレイアンテナに関し、さらに詳細には、コ
プレーナ型導波路（ＣＰＷ）を有する電圧同調型移相器を備えたマイクロストリ
ップパッチアンテナに関する。
【発明の背景】
フェーズドアレイは、無線ビームを形成するために位相を調整した信号を発射
する多数の素子よりなるアンテナ装置のことである。無線信号の電子的指向制御
は、個々のアンテナ素子の相対的位相を能動的に操作することにより可能である
。電子的ビーム指向制御の概念は、送信機及び受信機が共用するアンテナに適用
される。フェーズドアレイアンテナは、機械式アンテナと比較すると、速度、精
度及び信頼性の点で優れている。機械式走査アンテナのジンバルが電子走査型ア
ンテナの電子移相器により置き換えられるため、高速度及び高精度の目標識別が
可能となり、防衛システムに用いるアンテナの生き残り能力が増加する。フェー
ズドアレイアンテナシステムを使用すると、複雑な目標追跡作戦を迅速且つ正確
に行うことも可能となる。 移相器は、このフェーズドアレイアンテナを動作させるに当たり重要な役割を
有する。電気制御式移相器は同調可能な強誘電体物質を使用するが、この物質は
、印加される電界強度を変えると誘電率（比誘電率と呼ばれることが多い）が変
化する。これらの物質はキューリ温度より高いそれらの常誘電相で働くが、キュ
ーリ温度より低い温度では自発分極を示すため、便宜的に「強誘電体」と呼ばれ
る。チタン酸バリウム−ストロンチウム（ＢＳＴ）またはＢＳＴ複合材料を含む
同調可能な強誘電体物質は、幾つかの特許の主題となっている。 チタン酸バリウム−ストロンチウムを含む誘電体物質は、Sengupta, et al.の
米国特許第５，３１２，７９０号（発明の名称：“Ceramic Ferroelectric Mate
rial”）、Sengupta, et al.の米国特許第５，４２７，９８８号（発明の名称：
“Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-MgO”）、Sengupta, et al
.の米国特許第５，４８６，４９１号（発明の名称：“Ceramic Ferroelectric C
omposite Material-BSTO-ZrO2”）、 Sengupta, et al.の米国特許第５，６３５
，４３４号（発明の名称：“Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-
Magnesium Based Compound”）、Sengupta, et al.の米国特許第５，８３０，５
９１号（発明の名称：“Multilayered Ferroelectric Composite Waveguides”
）、Sengupta, et al.の米国特許第５，８４６，８９３号（発明の名称：“Thin
Film Ferroelectric Composites and Method of Making”）、Sengupta, et al
.の米国特許第５，７６６，６９７号（発明の名称：“Method of Making Thin F
ilm Composites”）、Sengupta, et al.の米国特許第５，６９３，４２９号（発
明の名称：“Electronically Graded Multilayer Ferroelectric Composites”
）、及びSengupta, et al.の米国特許第５，６３５，４３３号（発明の名称：“
Ceramic Ferroelectric Composite Material-BSTO-ZnO”）に記載されている。
これらの特許を、本願の一部として引用する。２０００年６月１５日付けのSeng
upta, et al.の米国特許出願（発明の名称：“Electronically Tunable Ceramic
Materials Including Tunable Dielectric And Metal Silicate Phases”）は
、別の同調可能な誘電体物質を開示しており、これも本願の一部として引用する
。これらの特許に示された材料、特にＢＳＴＯ−ＭｇＯ複合材料は、低い誘電損
失が少なく、同調性が高い。同調性は、電圧を印加した場合の比誘電率の比率変
化として定義される。 強誘電体物質を用いる同調可能な移相器は、米国特許第５，３０７，０３３号
；５，０３２，８０５号及び５，５６１，４０７号に開示されている。これらの
移相器は、位相変調素子としての強誘電体基板を有する。強誘電体基板の誘電率
は、基板に印加する電界強度を変えることにより変化することができる。基板の
誘電率を同調または調整すると、無線周波数信号が移相器を通過する際位相が変
化する。これらの特許に記載された強誘電体移相器には、Ｋバンド（１８乃至２
７ＧＨｚ）及びＫａバンド（２７乃至４０ＧＨｚ）において、導体損失が大きい
、高いモード、直流バイアス及びインピーダンスマッチングの問題がある。 移相器の１つの知られたタイプとして、マイクロストリップライン移相器があ
る。同調可能な誘電体物質を用いるマイクロストリップライン移相器の例は、米
国特許第５，２１２，４６３号；５，４５１，５６７号；及び５，４７９，１３
９号に示されている。これらの特許は、案内される電磁波の伝播速度を変化させ
るために電圧により同調可能な強誘電体物質を充填したマイクロストリップライ
ンを開示している。米国特許第５，５６１，４０７号は、バルク状セラミックよ
り成るマイクロストリップ電圧同調型移相器を開示している。バルク形マイクロ
ストリップ移相器には、高いバイアス電圧が必要で、製造プロセスが複雑であり
且つコストが高いという問題点がある。 コプレーナ型導波路は、移相器としても作用させることができる。米国特許第
５，４７２，９３５号及び６，０７８，８２７号は、高温超伝導物質の導体を同
調可能誘電体物質上に取り付けたコプレーナ型導波路を開示している。かかる装
置を使用するためには、比較的低温に冷却する必要がある。さらに、米国特許第
５，４７２，９３５号及び６，０７８，８２７号は、ＳｒＴｉＯ3、またはＳｒ
の比率が高い（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3の同調可能膜の使用を開示している。Ｓｒ
ＴｉＯ3及び（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ3は比誘電率が高いため、特性インピーダンス
が低くなる。このため、低インピーダンスの移相器を、常用される５０オームの
インピーダンスに変換しなければならない。 米国特許第５，６１７，１０３号は、強誘電体移相コンポーネントを用いる強
誘電性移相アンテナアレイを開示している。この特許に開示されるアンテナは、
強誘電性移相器が複数のパッチアンテナと共に単一基板上に一体化された構造を
有する。電子式移相器を用いるフェーズドアレイアンテナの他の例は、米国特許
第５，０７９，５５７号；５，２１８，３５８号；５，５５７，２８６号；５，
５８９，８４５号；５，６１７，１０３号；５，９１７，４５５号；及び５，９
４０，０３０号に記載されている。 室温且つＫｕバンド（１２乃至１８ＧＨｚ）より高い周波数のような高周波数
で動作できるフェーズドアレイアンテナを提供するのが望ましい。これは、電子
走査型フェーズドアレイアンテナの民間用途への転用に重要な役割を演じること
ができるであろう。
【発明の概要】
フェーズドアレイアンテナは、複数の放射素子と、給電線アセンブリと、複数
の放射素子と給電線アセンブリとの間に位置し、それらの間の複数の開口を有す
るグランドプレーンと、給電線アセンブリに結合された複数の電圧同調式誘電体
移相器とより成る。 本発明により構成されるアンテナは、低損失の同調可能な膜で形成した誘電体
素子を使用し、広い周波数範囲に亘って作動させることが可能である。コプレー
ナ型導波路を形成する導体は、室温で動作する。本明細書に記載するデバイスは
、設計がユニークで、Ｋｕバンド（１２乃至１８ＧＨｚ）の周波数でも低い挿入
損を示す。
【好ましい実施例の詳細な説明】
本発明の好ましい実施例は、電圧同調式コプレーナ型導波路（ＣＰＷ）移相器
と、円偏波開口結合マイクロストリップパッチ素子を備えた電気走査型フェーズ
ドアレイアンテナである。ＣＰＷ移相器は電圧により同調される誘電体膜を有し
、その比誘電率（誘電率）は印加する電界強度を変えることにより変化できる。
基板の誘電率を同調させると、無線周波数（ＲＦ）信号がＣＰＷを通過する際位
相が変化する。これらの膜は、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3、サファイア、Ａｌ2Ｏ3及
び種々のセラミック基板のような低い誘電損失と、高い化学的安定性を有する基
板上に標準の厚膜／薄膜プロセスにより付着することができる。 添付図面を参照して、図１は、本発明の一実施例に従って構成した１つの直列
給電パッチ素子列を有する開口結合マイクロストリップアンテナ１０の展開図で
ある。このアンテナは、正方形のマイクロストリップパッチ１２より成る複数の
放射素子を有する。マイクロストリップパッチは、Rohacell発泡材のような普通
の低い比誘電率の材料１４の上に作成可能である。この発泡材は、広い帯域幅を
与えるために大きな厚さ（２ｍｍより大きい）を有する。通常、発泡材を厚くす
れば帯域幅が広くなる。しかしながら、発泡材が厚いと効率が低くなる。典型的
な発泡材の厚さは、波長の約１２．５％乃至２５％である。正方形パッチの対称
性により、アンテナの円偏波の維持が助長される。マイクロストリップパッチ素
子は、複数の開口２０を有するグランドプレーン１８を介して給電アセンブリ１
６に結合される。グランドプレーンは、好ましくは銅で形成する。開口は細長い
形状である。即ち、１つの方向の長さがそれに垂直な方向よりも長い。好ましい
実施例では、開口は矩形である。開口を他の形状にしてもよい。開口の特定の形
状は、帯域幅及び処理公差に応じて選択する。開口は、各対の開口の主軸が互い
に約９０°の角度を成すように直交対であり、これにより円偏波が得られる。 給電アセンブリ１６は、コプレーナ型導波路２２が直線状マイクロストリップ
ライン２４に結合されたものであり、これらは共に基板２６の底部上に取り付け
られている。複数のさらに別のマイクロストリップライン２８は、直線状マイク
ロストリップライン２４からほぼ直角に延びる。これらのさらに別のマイクロス
トリップラインはそれぞれ、開口対の直下に位置するように屈曲部を有する。コ
プレーナ型導波路は、中央のストリップライン３２に結合された入力３０と、中
央のストリップライン３２の両側に位置して該中央ストリップライン３２との間
にギャップ３８、４０を形成する１対のグランドプレーン電極３４、３６とを有
する。コプレーナ型導波路の端部の移行部分４２は、その導波路をマイクロスト
リップライン２４と結合する。基板上に導体パターンを形成するために、両側を
最初に銅で被覆する。その後、エッチング処理を行って、図示のような特定のパ
ターンを、金属シート１８と、基板１６の底面上とに形成する。給電アセンブリ
のマイクロストリップラインは通常、５０オームの特性インピーダンスを有する
。しかしながら、コプレーナ型導波路移相器の特性インピーダンスは約２０オー
ムである。この差を補償するために、インピーダンスマッチングが必要である。
導体３４と３６とテーパー付き端部は、コプレーナ型導波路移相器の特性インピ
ーダンスを５０オームに変換する。このようにして、５０オームのコプレーナ型
導波路を５０オームのマイクロストリップラインに結合する。 図１は、１つの直列給電パッチ素子列を有する開口結合マイクロストリップア
ンテナを示す。マイクロストリップパッチ素子は正方形であり、その長さは案内
されるＲＦ信号の波長の約半分であり、Rohacell発泡材のような低い比誘電率の
厚い（２ｍｍより大きい）材料上に形成される。正方形パッチの対称性は、円偏
波の維持に役立つ。円偏波は直交位相関係の２つの直交パッチモードを励起する
ことにより発生できるため、各マイクロストリップパッチは、互いに９０°の位
相差を有する２つの直交スロットにより給電され、円偏波が発生する。給電基板
上の、比誘電率が約２乃至３の、１つの直角に曲がったマイクロストリップライ
ンが、２つの開口に給電する。２つの直交スロット間のマイクロストリップライ
ンの長さにより、９０°の位相差が得られる。図２は、図１のアンテナの１つの
放射素子の上面図である。 図３は、５個のコプレーナ型移相器４８を有する給電アセンブリと、基板５２
に取り付けた５×５のパッチ放射素子アレイ５０とを有するフェーズドアレイア
ンテナ４４の構造を示す。グランドプレーン５４は、給電アセンブリ４６からの
信号を放射素子５０に結合する複数の直交開口対５６を有する。給電アセンブリ
は、図１に示したものと同じ多数のコプレーナ型導波路及びストリップラインを
有する。アンテナ４４は、強誘電性ＣＰＷ移相器により指向制御される円偏波開
口結合マイクロストリップアンテナの一例である。１つのＣＰＷ移相器は、二次
元の走査を行うために各列のマイクロストリップパッチの位相を制御する。 図４は、本発明により構成されるフェーズドアレイアンテナに使用可能な３０
ＧＨｚ、３６０°のコプレーナ型導波路移相器アセンブリ６０の上面図である。
図５は、５−５に沿う図４の移相器アセンブリ６０の断面図である。移相器は比
誘電率（誘電率）が約３００であり、厚さが１０マイクロメートルである同調可
能な誘電体膜８０上に形成される。この膜は、低い比誘電率（約１０）の基板９
０上に付着されている。膜厚は、付着方法に応じて０.５乃至１０マイクロメー
トルの間で調整できる。また、室温での付着を可能にする他の処理方法を用いて
、膜を基板上に直接付着することも可能である。 アセンブリ６０の主なコプレーナ型導波路６２は、中央ライン６４と、その中
央ラインから離隔してギャップ７０，７２を形成する１対のグランドプレーン導
体６６，６８とを有する。コプレーナ型導波路の中央部分７４の特性インピーダ
ンスは、約２０オームである。２つのテーパー付きマッチング部分７６，７８は
、導波路の端部に位置し、２０オームのインピーダンスを５０オームのインピー
ダンスにマッチングさせるインピーダンス変成器を形成する。コプレーナ型導波
路６２は、同調可能な誘電体層８０の上に位置する。導電性電極６６，６８も同
調可能な誘電体層上に位置して、ＣＰＷグランドプレーンを形成する。同調可能
な誘電体物質８０の表面上には、別のグランドプレーン電極８２，８４が位置す
る。これらの電極８２，８４は、図５に示す導波路の端縁部の周りを延びる。電
極６６及び６８は、ギャップ８６，８８により電極８２，８４から離隔している
。ギャップ８６，８８は直流電圧をブロックするため、ＣＰＷギャップに直流電
圧のバイアスをかけることができる。電極６６及び６８の幅は、約０.５ｍｍで
ある。比誘電率が約２００乃至４００の範囲内で、ＭｇＯの基板を用いる場合の
中央ラインの幅及びギャップは約１０乃至６０マイクロメートルである。同調可
能な誘電体材料８０は、好ましい実施例では厚さ０．２５ｍｍのＭｇＯである低
比誘電率（約１０）の基板９０の平らな表面上に位置する。しかしながら、基板
は、ＬａＡｌＯ3、サファイア、Ａｌ2Ｏ3及び他のセラミックのような他の材料
で形成してもよい。金属容器９２は、導波路の底部及び側部に沿って延びる。バ
イアス電圧源９４は、インダクタ９６を介してストリップ６４に接続される。 コプレーナ型導波路及びマイクロストリップラインのグランドプレーンは、基
板の側縁部を介して互いに接続されている。移相は、コプレーナ型導波路のギャ
ップに直流電圧を印加して比誘電率を同調することにより生じる。コプレーナ型
導波路電圧同調式移相器は、低損失で同調可能な誘電体膜を使用する。好ましい
実施例において、同調可能な誘電体膜は、チタン酸バリウム−ストロンチウム（
ＢＳＴ）系複合セラミックであり、その比誘電率は直流バイアス電圧を印加して
変化し、また室温で作動できる。 本発明の移相器の好ましい実施例に用いる同調可能な誘電体は、従来の同調可
能な材料と比べると比誘電率が小さい。この比誘電率は、２０Ｖ／μｍで２０％
乃至７０％、通常は約５０％変化することができる。バイアス電圧の大きさはギ
ャップのサイズにより変化するが、通常は、２０μｍのギャップで約３００乃至
４００ボルトの範囲である。バイアス電圧レベルが低いと多くの利点が得られる
が、必要とされるバイアス電圧はデバイスの構造及び材料により異なる。図４及
び５の移相器は、３６０°の移相が得られるように設計されている。比誘電率は
７０乃至６００、典型的には３００乃至５００の範囲である。好ましい実施例の
同調可能な誘電体は、チタン酸バリウム−ストロンチウム（ＢＳＴ）系の膜であ
り、比誘電率はバイアス電圧０で約５００である。好ましい材料は、高い同調性
と、低損失とを示す。しかしながら、同調可能な物質は通常高い同調性を有する
が、損失が大きい。好ましい実施例は、約５０％の同調性と、２４ＧＨｚの損失
正接が０．０１乃至０．０３の範囲内の、できるだけ低い損失とを有する物質を
使用する。さらに詳述すると、好ましい実施例の材料組成は、チタン酸バリウム
−ストロンチウム（ＢａxＳｒ1-xＴｉＯ3、ＢＳＴＯ（xは１未満））または比誘
電率が７０乃至６００、同調範囲が２０％乃至６０％、Ｋ及びＫａバンドの損失
正接が０．００８乃至０．０３のＢＳＴＯ複合材料である。同調可能な誘電体層
は、薄膜または厚膜である。必要な性能パラメータを有するかかるＢＳＴＯ複合
材料の例（これらに限定されない）には、ＢＳＴＯ−ＭｇＯ、ＢＳＴＯ−ＭｇＡ
ｌ2Ｏ4、ＢＳＴＯ−ＣａＴｉＯ3，ＢＳＴＯ−ＭｇＴｉＯ3，ＢＳＴＯ−ＭｇＳｒ
ＺｒＴｉＯ6及びそれらの組合せがある。 本発明の好ましい実施例によるＫ及びＫａバンドのコプレーナ型導波路移相器
は、比誘電率（誘電率）が０バイアスで約３００乃至５００、厚さが１０マイク
ロメートルの同調可能な誘電体膜上に形成される。しかしながら、同調可能な誘
電体物質の薄膜と厚膜の両方を使用できる。この膜は、比誘電率の低い基板Ｍｇ
Ｏの上のＣＰＷ領域だけに、厚さ０．２５ｍｍ付着される。この説明の目的のた
めに、低い比誘電率とは２５未満である。ＭｇＯの比誘電率は約１０である。し
かしながら、基板は、ＬａＡｌＯ3、サファイア、Ａｌ2Ｏ3及び他のセラミック
のような他の物質で形成することができる。同調可能な物質の膜厚は、付着方法
に応じて１乃至１０マイクロメートルの範囲で調整可能である。基板の主要な条
件には、化学的安定性、膜焼成温度（〜１２００℃）における同調可能膜との反
応性だけでなく、動作周波数における誘電損（損失正接）がある。 図６は、図４の移相器アセンブリ４２の上面図であり、バイアス電圧をグラン
ドプレーン電極６６，６８に接続するためにバイアスドーム１３０が設けられて
いる。図７は、線７−７に沿う図６の移相器アセンブリ６０の断面図である。こ
のドームは、コプレーナ型導波路の２つのグランドプレーンを接続し、主要な導
波路ラインを覆う。電極端子１３２は、直流バイアス電圧制御手段に接続するた
めにドームの頂部で半田付けされる。直流バイアス制御回路の別の端子（図示せ
ず）は、コプレーナ型導波路の中央ライン６４に接続される。ＣＰＷに直流バイ
アス電圧を印加するために、直流バイアスドームが位置する内側のグランドプレ
ーン電極６６，６８を、コプレーナ型導波路のグランドプレーン（電極８２，８
４）の別の部分（外側）から分離して、小さなギャップ８６，８８を形成する。
外側のグランドプレーンは、基板の側部及び底面の周りを延びる。外側または底
面のグランドプレーンは、無線周波数信号グランドプレーン１３４に接続される
。直流電源の正と負の電極はそれぞれ、ドーム１３０と、中央ライン６４とに接
続される。グランドプレーンの小さなギャップは、直流電圧をブロックする直流
ブロックキャパシタとして働く。しかしながら、無線周波数信号が通過できるよ
うに、容量は充分に高くしなければならない。ドームは、グランドプレーン６６
と６８を電気的に接続する。 マイクロストリップラインと、コプレーナ型導波路ラインとは、１つの伝送ラ
インに接続可能である。図８は、別の移相器１３６の上面図である。図９は、線
９−９に沿う図８の移相器の断面図である。図８及び９は、マイクロストリップ
ライン１３８がコプレーナ型導波路アセンブリ１４０に移行する態様を示す。マ
イクロストリップ１３８は、導体１４２が基板１４４上に取り付けられたもので
ある。導体１４２は、例えば半田付けまたはボンディングにより、コプレーナ型
導波路１４８の中心導体１４６に接続されている。グランドプレーン導体１５０
，１５２は、同調可能な誘電体物質１５４の上に取り付けられ、ギャップ１５６
，１５８により導体１４６から分離されている。図示の実施例では、ボンディン
グ材１６０が導体１４２と１４６を接続する。同調可能な誘電体物質１５４は、
同調可能でない誘電体基板１６２の表面の上に取り付けられている。基板１４４
及び１６２は、金属容器１６４により支持されている。 コプレーナ型導波路のギャップ（０．０４ｍｍより小さい）は基板の厚さ（０
．２５ｍｍ）に比べると格段に小さいため、ほとんどすべての無線周波数信号は
マイクロストリップラインでなくてコプレーナ型導波路を介して伝送される。こ
の構造により、ビアホールまたは結合変成器を必要とせずにコプレーナ型導波路
からマイクロストリップラインへの移行を非常に容易に達成できる。 図１０は、本発明により構成されたアンテナに使用可能な移相器の斜視図であ
る。ハウジング１６６は、移相器全体をカバーするためにバイアスドームの上方
に形成され、ただ２つの５０オームのマイクロストリップラインが外部回路への
接続のために露出している。この図はライン１６８だけを示す。 図１１は、本発明により構成したフェーズドアレイアンテナに用いる３０ＧＨ
ｚのコプレーナ型導波路移相器のアレイ１７０を示す展開斜視図である。絶縁材
料で形成され、バイアスネットワーク１７３を支持するバイアスラインプレート
１７２は、移相器アレイを覆い、移相器にバイアス電圧を印加するために使用す
る。各移相器のドーム上の電極は、バイアスラインプレート上のバイアスライン
と、ホール１７４，１７６，１７８，１８０を介して半田付けされる。移相器は
容器１８２に取り付けられるが、この容器は、無線周波数入力及び出力信号を移
相器に結合するための複数のマイクロストリップライン１８４，１８６，１８８
，１９０，１９２，１９４，１９６，１９８を収容する。図１１に示す特定の構
造では、各移相器にそれ自身の保護ハウジングが設ける。移相器は、フェーズド
アレイアンテナに取り付ける前に別々に組立ててテストする。これにより、通常
は１０乃至１０００個の移相器を備えるアンテナの歩留まりが改善される。 図１２及び１３は、開口形状の別例を示す平面図である。図１２の開口はほぼ
Ｉ字形で、各端部に横方向の矩形部分がある。図１３の開口は細長く、各端部が
末広がり部分を有する。特定の開口の選択は、帯域幅及び処理公差により異なる
。 フェーズドアレイアンテナを構成するには、図７に示すように移相器を個々に
形成する。コプレーナ型導波路は、図８及び９に示すような半田付けのような方
法によりマイクロストリップラインに結合される。金属製ハウジングを、図１０
に示すように移相器上に配置する。放射パッチ、開口結合手段及び給電線は、図
３に示すように、しかしながら移相器４８なしで組立てる。アンテナボードの端
部ラインを、図１１のライン１９２、１９４、１９６、１９８で示す。最後に、
個々の移相器を図１１に示すようにボードに取り付ける。 移相器は、基板と、比誘電率が７０乃至６００、同調範囲が２０乃至６０％、
またＫ及びＫａバンドの損失正接が０．００８乃至０．０３で、基板の１つの表
面上に位置する同調可能な誘電体膜と、基板とは反対側の同調可能な誘電体膜の
表面上に位置するコプレーナ型導波路と、無線周波数信号を導電性ストリップに
結合する入力と、無線周波数信号を導電性ストリップから受ける出力と、同調可
能な誘電体膜に制御信号を印加する接続部とを有する。ここに示すデバイスは設
計がユニークで、Ｋ及びＫａバンドの周波数でも低い挿入損を示す。 本発明の好ましい実施例のコプレーナ型移相器は、電圧同調型チタン酸バリウ
ム（ＢＳＴ）系複合膜の上に形成される。ＢＳＴ複合膜は、比誘電損失が小さく
、手頃な同調性を有する点で優れている。これらのＫ及びＫａバンドのコプレー
ナ型導波路移相器は、半導体系の移相器と比べると、扱える電力が大きい、挿入
損が小さい、高速同調が可能である、コストが低い、また高い放射線防護性を有
するという利点を有する。物質の誘電損が周波数と共に増加するのは非常に一般
的なことである。従来型の同調可能な物質は、特に、Ｋ及びＫａバンドで損失が
非常に大きい。従来型の同調可能な物質で形成したコプレーナ型移相器は、損失
が極端に大きいため、Ｋ及びＫａバンドのフェーズドアレイアンテナには使用で
きない。本発明の移相器構造は、任意の同調可能な物質に適していることを注意
されたい。しかしながら、低損失の同調可能な物質だけが良好で有用な移相器を
形成できる。比誘電率が高い物質はマイクロストリップライン移相器のこれらの
周波数範囲で高いＥＭモードを発生させるため、マイクロストリップライン移相
器に低い比誘電率の物質を用いるのが望ましい。しかしながら、従来型材料には
、このような比誘電率の低い（１００未満）材料は見当たらない。 本発明のアンテナの移相器の好ましい実施例は、ＢＳＴ及び他の材料を含む複
合材料と２つまたはそれ以上の相を用いる。これらの複合物は、従来のＳＴまた
はＢＳＴ膜と比較すると、低い誘電損失と、手頃な同調性を示す。これらの複合
物は、従来のＳＴまたはＢＳＴ膜と比較すると、比誘電率が格段に低い。比誘電
率が低いため、移相器の設計及び製造が容易である。これらの移相器は、室温（
約３００°Ｋ）で作動できる。１００°Ｋで作動する従来技術の移相器と比べる
と、室温での作動が格段に容易であり、コストも著しく低い。 本発明は、地上端末の追跡及び宇宙船通信またはレーダ用途に用いる低コスト
の電気走査型フェーズドアレイアンテナを提供する。本発明の好ましい実施例は
、室温で動作する電圧同調式コプレーナ型導波路（ＣＰＷ）移相器と、円偏波マ
イクロストリップフェーズドアレイアンテナとより成る。コプレーナ型移相器は
、電圧同調チタン酸バリウム（ＢＳＴ）系複合膜上に作成する。ＢＳＴ複合膜は
、優れて低い誘電損失と、手頃な同調性とを有する。これらのＣＰＷ移相器は、
半導体系の移相器と比べると、扱える電力が大きい、挿入損が小さい、高速同調
が可能である、コストが低い、また高い放射線防護性を有するという利点を有す
る。このフェーズドアレイアンテナでは、正方形のマイクロストリップパッチが
、円偏波を形成するために、２つの直交するスロットを介する開口結合により給
電される。開口結合マイクロストリップアンテナは、伝送線またはプローブ給電
パッチアンテナと比べて、給電ネットワークのための空間が広い、ビアホールが
不要である、入力インピーダンスの制御が容易である、円偏波の品質が優れてい
る、コストが低いというような幾つかの利点を有する。開口結合マイクロストリ
ップアンテナは、移相器と放射パッチとの間に直流ブロックが不要であるため、
電圧同調式移相器につき別の利点を与える。この利点により、移相器が安全で、
バイアスが容易となる。 本発明は、マイクロストリップ移相器と比べて、Ｋｕバンドのような高い周波
数の用途に適したＣＰＷ電圧同調式移相器を使用する。ＣＰＷ移相器は、マイク
ロストリップ移相器よりも帯域幅が広く、バイアス電圧が低く、また構造が簡単
である。開口結合方式は、移相器と、放射素子との間に直流の隔離が不要である
ため、この電圧同調式移相器の用途に特異な利点を与える。この利点により、ア
ンテナシステムが簡単、安全且つ低コストとなる。 本発明を、現在において好ましいと思われる実施例について説明したが、当業
者は、本発明の範囲から逸脱することなく、好ましい実施例につき種々の変形例
及び設計変更を想到することができるであろう。本発明の範囲は、頭書の特許請
求の範囲により規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の実施例により構成した１つの直列給電パッチ素子列を有する
開口結合マイクロストリップアンテナの展開図である。
【図２】 図２は、図１のアンテナの放射素子の１つを示す上面図である。
【図３】 図３は、本発明の別の実施例により構成した５つの直列給電パッチ素子列を有
する開口結合マイクロストリップアンテナの展開図である。
【図４】 図４は、本発明により構成されたアンテナに使用可能なコプレーナ型導波路移
相器の上面図である。
【図５】 図５は、線５−５に沿う図４の移相器の断面図である。
【図６】 図６は、本発明により構成されたアンテナに使用可能な別の移相器の上面図で
ある。
【図７】 図７は、線７−７に沿う図６の移相器の断面図である。
【図８】 図８は、本発明により構成されたアンテナに使用可能な別の移相器の上面図で
ある。
【図９】 図９は、線９−９に沿う図８の移相器の断面図である。
【図１０】 図１０は、本発明により構成されたアンテナに使用可能な移相器の斜視図であ
る。
【図１１】 図１１は、本発明により構成されたアンテナに使用可能な移相器アレイを示す
展開斜視図である。
【図１２】 図１２は、開口の別の形状を示す平面図である。
【図１３】 図１３は、開口の別の形状を示す平面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年１０月４日（２００１．１０．４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 セングプタ，ルイーズ，シー アメリカ合衆国 メリーランド州 21912 ウォーウィック ニュー・ヘブン・ブー ルバード 12 (72)発明者 コジレフ，アンドレイ ロシア国 197342 サンクトペテルブルグ ブボルグスカヤ・ナベレツナヤ 69／３ アパートメント 101 Ｆターム(参考） 5J012 GA11 5J021 AA05 AA09 AA11 AB06 CA03 CA05 DB03 EA02 FA06 FA32 GA02 HA01 HA04 HA07 JA06 5J045 AA21 AB05 CA04 DA07 DA10 EA08 FA02 FA05 GA02 HA05 JA15 JA17 MA07 NA07

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の放射素子と、 給電線アセンブリと、 複数の放射素子と給電線アセンブリとの間に位置し、それらの間の複数の開口
    を有するグランドプレーンと、 給電線アセンブリに結合された複数の電圧同調式誘電体移相器とより成るフェ
    ーズドアレイアンテナ。
  2. 【請求項２】 複数の電圧同調式誘電体移相器はそれぞれ、 基板と、 比誘電率が７０と６００の間、同調範囲が２０％と６０％の間、またＫ及びＫ
    ａバンドの損失正接が０．００８と０．０８の間にあり、基板の１つの表面上に
    位置する同調可能な誘電体膜と、 基板とは反対側の同調可能な誘電体膜の表面上に位置するコプレーナ型導波路
    と、 無線周波数信号を導電性ストリップに結合する入力と、 無線周波数信号を導電性ストリップから受ける出力と、 同調可能な誘電体膜に制御信号を印加する接続部とより成る請求項１のフェー
    ズドアレイアンテナ。
  3. 【請求項３】 高い比誘電率の電圧により同調可能な誘電体膜は、チタン酸
    バリウム−ストロンチウム複合物より成る請求項２のフェーズドアレイアンテナ
    。
  4. 【請求項４】 入力に結合されたコプレーナ型導波路の第１のインピーダン
    スマッチング部分と、 出力に結合されたコプレーナ型導波路の第２のインピーダンスマッチング部分
    とをさらに具備する請求項２のフェーズドアレイアンテナ。
  5. 【請求項５】 第１のインピーダンスマッチング部分は第１のテーパー付き
    コプレーナ型導波路部分より成り、 第２のインピーダンスマッチング部分は第２のテーパー付きコプレーナ型導波
    路部分より成る請求項４のフェーズドアレイアンテナ。
  6. 【請求項６】 制御電圧を同調可能な誘電体膜に印加する接続部は、 導電性ストリップの第１の側に隣接して該導電性ストリップとの間に第１のギ
    ャップを形成する第１の電極と、 導電性ストリップの第２の側に隣接して該導電性ストリップとの間に第２のギ
    ャップを形成する第２の電極とより成る請求項２のフェーズドアレイアンテナ。
  7. 【請求項７】 導電性ストリップとは反対側の第１の電極の第１の側に隣接
    して第１の電極との間に第３のギャップを形成する第３の電極と、 導電性ストリップとは反対側の第２の電極の第１の側に隣接して第２の電極と
    の間に第４のギャップを形成する第４の電極とをさらに具備する請求項６のフェ
    ーズドアレイアンテナ。
  8. 【請求項８】 第１と第２の電極の間に電気的に接続された導電性ドームを
    さらに具備する請求項６のフェーズドアレイアンテナ。
  9. 【請求項９】 基板は、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ3、サファイア、Ａｌ2Ｏ3及び
    セラミックよりなる請求項２のフェーズドアレイアンテナ。
  10. 【請求項１０】 基板の比誘電率は２５未満である請求項２のフェーズドア
    レイアンテナ。
  11. 【請求項１１】 同調可能な誘電体膜の比誘電率は３００より大きい請求項
    ２のフェーズドアレイアンテナ。
  12. 【請求項１２】 移相器を覆う導電性ハウジングをさらに有する請求項２の
    フェーズドアレイアンテナ。
  13. 【請求項１３】 同調可能な誘電体膜は、チタン酸バリウム−ストロンチウ
    ム（ＢａxＳｒ1-xＴｉＯ3、ＢＳＴＯ（xは１未満））、ＢＳＴＯ−ＭｇＯ、ＢＳ
    ＴＯ−ＭｇＡｌ2Ｏ4、ＢＳＴＯ−ＣａＴｉＯ3，ＢＳＴＯ−ＭｇＴｉＯ3，ＢＳＴ
    Ｏ−ＭｇＳｒＺｒＴｉＯ6及びそれらの組合せの群の１つよりなる請求項２のフ
    ェーズドアレイアンテナ。
  14. 【請求項１４】 開口は細長く、 直交する開口対は各放射素子に隣接する請求項１のフェーズドアレイアンテナ
    。
  15. 【請求項１５】 給電線アセンブリは、 第１のマイクロストリップラインと、複数のさらに別のマイクロストリップラ
    インとより成り、複数のさらに別のマイクロストリップラインはそれぞれ、第１
    のマイクロストリップラインから直角に延びて、１つの開口対に隣接する請求項
    １４のフェーズドアレイアンテナ。
  16. 【請求項１６】 複数のさらに別のマイクロストリップラインはそれぞれ、
    隣接する１対の直交開口間に９０°の移相を与える請求項１５のフェーズドアレ
    イアンテナ。
  17. 【請求項１７】 各放射素子は正方形である請求項１のフェーズドアレイア
    ンテナ。
  18. 【請求項１８】 複数の放射素子は複数の行列より成る配列体を構成し、 給電線アセンブリは、 放射素子の各列に設けた、第１のマイクロストリップラインと、複数のさらに
    別のマイクロストリップラインとより成り、複数のさらに別のマイクロストリッ
    プラインはそれぞれ第１マイクロストリップラインから直角に延びる請求項１の
    フェーズドアレイアンテナ。
  19. 【請求項１９】 開口は細長く、 直交する開口対は各放射素子に隣接する請求項１８のフェーズドアレイアンテ
    ナ。
  20. 【請求項２０】 複数のさらに別のマイクロストリップラインはそれぞれ、
    １対の開口に隣接する請求項１４のフェーズドアレイアンテナ。
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