JP2006512026A - 裏面給電周波数選択表面を用いた低姿勢スロットまたは開口アンテナ - Google Patents

Abstract

低姿勢、広バンドギャップアンテナは、高インピーダンス表面（１０）を有し、高インピーダンス表面（１０）は、導電面（１４）と導電素子（１２）の配列とを有し、導電素子（１２）の配列は、アンテナ構造の作動周波数での波長の１０％未満の距離だけ導電面（１４）から離して設置される。導電面（１４）は開口（２０）を有し、アンテナは導電面（１４）の開口に隣接するアンテナ駆動素子（２２）によって駆動される。

Description

本願は、２００２年１０月１６日に出願された米国特許出願Ｎｏ．６０／４１９，２５７号の「裏側給電周波数選択表面を用いた低姿勢スロットアンテナ」の優先権を主張するものであり、その内容は、参照として本願に含まれている。

本発明は、水平設置され、アンテナに結合された送信器および／または受信器との間に良好なインピーダンス整合を提供するスロットアンテナに関する。

従来技術は、１９９８年３月３０日に出願されたＤ． Ｓｉｅｖｅｎｐｉｐｅｒ、Ｅ． Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈの「金属上の表面電流を除去する回路および方法」の米国特許出願第６０／０７９，９５３号に示されている高インピーダンスまたは高Ｚ表面に関し、また１９９９年１０月７日にＷＯ９９／５０９２９として国際公開されたＰＣＴ出願ＰＣＴ／ＵＳ９９／０６８８４に示されている高インピーダンス表面（ここでは高Ｚまたは周波数選択表面ともいう）に関する。

米国特許出願第６０／０７９，９５３号では主要課題である高Ｚ表面は、図１ａに示されている。この表面１０は、周波数選択表面（ＦＳＳ）とも呼ばれ、平坦金属のグラウンドプレーン１４上に設置された金属素子１２の配列を有する。各素子１２の寸法は、アンテナの作動波長に比べて十分に小さい。また基板の全厚も、作動周波数に比べて十分に小さい。素子１２の存在は、表面での境界条件の変化に影響を及ぼし、導体ではなく人工磁性導体とみなされる。このような特性は、数％から約１オクターブまでの範囲のバンドギャップ全体に及ぶが、その範囲は作動波長に対する構造体の厚さに依存する（図１ｃ参照）。高Ｚ表面１０は、各種形態で構成され、キャパシタプレートを被覆した多層化構造であっても良い。高Ｚ構造は、ある主表面に形成された素子１２と、別の主表面に形成されたグラウンドプレーン１４とを有する、プリント回路基板絶縁基板１６（明瞭化のため図１ａには示していない）に構成されることが好ましい。素子１２は、導電性経由部１８によってグラウンドプレーン１４と電気的に結合されることが好ましい。この経由部１８は、プリント回路基板１６に形成された穴を介したメッキによって形成しても良い。容量成分の負荷によって、所与の厚さに対して共振周波数を低下させることができる。各種幾何形状の高Ｚ表面において、数百ＭＨｚから数十ＧＨｚまでの範囲の作動周波数が評価されている。平面図における素子１２の形状は、四角形、六角形（図１ａに示す）または他の適当な繰り返し幾何形状にすることができる。

従来の導波管給電、開口結合スロット式またはパッチ式アンテナは、図１ｄの側面図に示されている。パッチアンテナ素子８は、背面１４の反対面に成膜され、背面には導波管２２の壁に直接結合される開口またはスロット９が設けられる。これらのアンテナは、平坦ではあるが、高いＱを有する傾向がある。すなわち、導波管２２とアンテナ８の間の良好なインピーダンス整合は、広帯域インピーダンス整合ネットワークを用いない場合、狭バンド幅においてのみ得られる。図１ｅには、１１乃至１６Ｇｈｚ（プロットＡ）の範囲の周波数における図１ｄに示す方式のアンテナの計算結果チャートを示す。このアンテナの高Ｑ特性は、明らかである。パッチアンテナはより大きく（関心周波数において、約１／２λの物理寸法を有する）、制限された空間にそのようなアンテナ配列を設置することが難しい場合がある。
国際公開第ＷＯ９９／５０，９２９号パンフレット

導波管をアンテナ構造部と結合する他の既知の技術がある。しかしながらこれらの従来技術による構造部は、平坦ではない。すなわちアンテナ構造部は、導波管から離れる方向に放射した姿勢となっている（図１ｄの矢印Ａの方向）。従ってアンテナ構造部の断面姿勢では、飛行機または陸用車両の面のような平坦あるいは多少の凹凸しかない表面とすることは難しい。自動車の分野では、車両の面から突出するアンテナは、見栄えが悪いとされる。従ってアンテナは、平坦である（または必要であれば制御できる）必要がある。さらに、比較的広い周波数バンドで許容できる（および必要な際には制御できる）インピーダンス整合を示す平坦なアンテナ構造と導波管を結合する技術に対するニーズがある。

本発明のある態様では、高インピーダンス表面を持つアンテナ構造が提供される。この構造は、導電面と導電素子の配列を有し、導電素子の配列は、アンテナ構造の作動周波数の波長の２５％未満の距離だけ導電面から離して設置される（ただし、アンテナ構造の作動周波数の波長の１０％未満であることが好ましい）。導電面は開口を有し、導電面の開口と隣接して設置されたアンテナ駆動素子によって駆動される。作動時に駆動素子は、導電面の開口を介してＲＦエネルギーを供給することにより、アンテナ構造を励振させる。

本発明の別の態様では、低姿勢広バンドアンテナを製作する方法が提供される。この方法は、高インピーダンス表面を提供するステップを有し、高インピーダンス表面は、導電面と導電素子の配列を有し、導電素子の配列は、アンテナ構造の作動周波数の波長の２５％未満の距離だけ導電面から離して設置される（ただし、アンテナ構造の作動周波数の波長の１０％未満であることが好ましい）。導電面は開口を有し、導電面にある開口と隣接してアンテナ駆動素子が設置される。

高Ｚまたは周波数選択表面（ＦＳＳ）１０は、その裏側またはグラウンドプレーン裏面の開口２０を介して給電される。開口２０は、導波管２２またはマイクロストリップ２４を介して給電されることが好ましい。高Ｚ表面１０の前面の素子１２と、その裏面のグラウンドプレーン１４は、電気的に導通される。グラウンドプレーン１４は、銅のような金属で構成されることが好ましい。高Ｚまたは周波数選択表面１０は、上述のメッキされたプリント回路基板１６で構成されることが好ましい。

導波管と裏側給電周波数選択表面を用いるスロットアンテナのある実施例は、図２ａ乃至２ｃに示されている。図２ａはその平面図であり、図２ｂは、図２ａの２ｂ−２ｂ線での断面図であり、図２ｃは、図２ａの２ｂ−２ｂ線での断面図である。図２ａ乃至２ｃの高Ｓ表面は、図１ａ乃至１ｃに示した従来方式の高Ｚ表面とほぼ同様である。ただし２点の重要な違いがある。

第１の点は、図１ａまたは１ｂには示されていないが、従来の高Ｚ表面をアンテナの一部として機能させるためには、１または２以上のアンテナ素子をその上に設置する必要があることである。本実施例では、そのようなアンテナ素子は不要であり、図２ａ−２ｃの改良型高Ｚ表面上にアンテナ素子を追加することで、機能部の少ないアンテナを提供することができる（アンテナは高Ｑとなる）。

第２の点は、グラウンドプレーン１４が開口を有することであり、本実施例では、開口は導波管２２と位置が合わされる。図２ａおよび２ｃには、２の開口２０と２の対応する導波管２２が図示されている。この実施例では１の導波管２２に対して、グラウンドプレーンが単一の開口２０を有しても良く、あるいはこの実施例のように、複数の導波管２２に対して複数の開口２０を有しても良い。いずれの場合も、導波管２２は開口２０と位置が揃えられ、導波管２２の開口は、対応する開口２０と寸法が合わされることが好ましい。別の実施例では、図２ｅに示すように、裏面またはグラウンドプレーンにある開口２０は、導波管２２の代わりにマイクロストリップライン２４によって駆動される。

導波管２２の各開口は長方形型である。その長辺は、関心周波数において約０．５λ乃至１λであることが好ましい。長方形の短辺はより短く、（ｉ）素子１２間の間隔とほぼ等しい幅から（図２ｃの左側の導波管参照）、（ｉｉ）素子１２のピッチとほぼ等しい間隔まで（図２ｃの右側の導波管参照）の範囲にあることが好ましい。素子１２の中央間距離はピッチＰであって、このＰは、関心周波数では０．２５λ以上であることが好ましく、関心周波数で約１／８または１／１０λの範囲にあることがより好ましい。素子１２の隣接する端部間の距離または間隔９は、より短く、関心周波数では通常約０．０１λである。

導波管２２の側は、導波管と対応する開口２０の側と正確に合わされるが、ある実施例では、開口を導波管２２の寸法よりも短くしても良い。

図２ｄは、コンピュータシミュレーションに基づく図２ａ乃至２ｃの導波管の入力反射係数の極性プロットである（プロットＢ参照）。プロットは１１乃至１６ＧＨｚの周波数に対応する。シミュレーションでは、以下の構造パラメータを用いた。素子１２の寸法＝１２４平方ミル（一辺３．１５ｍｍ）、素子１２パターン間隔（ピッチ）＝１２５ミル（３．１７５ｍｍ）、隙間９の幅＝１ミル（０．０２５ｍｍ）、経由部１８の径＝４ミル（０．１ｍｍ）、基板厚さ＝２０ミル（０．５ｍｍ）、基板誘電率＝３、導波管（スロット）幅＝４０ミル。図２ｄのプロットＣは、高Ｚ表面１０がない場合の影響を示す。影響は明確である。

図２ｄから明らかなように、アンテナの本実施例は、１１乃至１６ＧＨｚの極めて広い周波数バンドにわたってＲＦエネルギーの効果的な放射器となっている。利用可能なバンド幅または間隔を５ＧＨｚとし、作動周波数を１６ＧＨｚとすることにより、このアンテナの設計では、３０％を超える作動周波数のバンド幅が得られる。アンテナはさらに、極めて低姿勢である。絶縁基板１６の厚さは、金属基板を含めても約０．５ｍｍにすぎない。高Ｚ表面の厚さは１ｍｍ未満であり、１６ＧＨｚでの波長は約１９ｍｍである。アンテナの厚さは、関心周波数の波長の５乃至１０％の範囲に容易に維持できる。特にアンテナの厚さは、関心周波数（上述のアンテナの場合、１１乃至１６ＧＨｚ）での波長の２５％未満に容易に維持することができる。従って、本発明のアンテナは、極めて低姿勢である。アンテナは、例えば飛行機および陸用車両の外表面に簡単に取り付けることができ、見栄えが悪いこともなく、飛行機／車両の操作を妨げることもない。アンテナを飛行機／車両の外面から内方に向かって延ばす必要がある場合も、本発明のアンテナの厚さでは飛行機／車両の内部空間をそれほど占有しない。

図２ｅには、本発明の別の実施例を示す。この実施例では、スロット２０を駆動する導波管２２の代わりにマイクロストリップ２４が使用される。マイクロストリップは、第２の絶縁基板２８によって裏面またはグラウンドプレーン１４から分離されている。本実施例は、その他の部分については前述の実施例と同様である。このアンテナは２つの基板１４および２８を有するため、上述の実施例に比べて幾分アンテナは厚くなる。第２の絶縁体の厚さが０．５ｍｍの場合、高Ｚ表面にマイクロストリップアンテナを加えた全厚さは、１１乃至１６ＧＨｚのバンドギャップ領域で作動するアンテナの場合、２ｍｍ未満である（１６ＧＨｚでのλの約１０％に過ぎない）。

背面１４にある開口２０の寸法は、関心周波数の所与の範囲において、図２ｃの実施例の導波管給電、または図２ｅの実施例のマイクロストリップライン給電と実質的に同等である。

図２ｃの実施例の導波管給電および図２ｅの実施例のマイクロストリップライン給電のコンピュータモデルでは、高Ｚまたは周波数選択表面（ＦＳＳ）１０が、開口２０から無限距離に延びると仮定している。高Ｚまたは周波数選択表面（ＦＳＳ）１０が、関心周波数において少なくとも約１０λの距離に延びる場合、そのような高Ｚまたは周波数選択表面（ＦＳＳ）の作用は、無限大表面積を仮定したコンピュータモデルと実質的に等しくなる。しかしながら高Ｚまたは周波数選択表面（ＦＳＳ）の寸法が、関心周波数でのλに対して減少すると、アンテナに影響を及ぼすエッジ効果が現れるようになり、高Ｚまたは周波数選択表面（ＦＳＳ）１０において、十分な結果は得られない。従って高Ｚまたは周波数選択表面（ＦＳＳ）１０は、開口２０から、少なくとも関心周波数での波長の２倍、延ばす必要がある。なおこの場合、開口２０から関心周波数での波長の１０倍以上延ばすことが好ましい。

本発明によって、優れたバンド幅特性を有する低姿勢アンテナが提供される。また本アンテナは、標準的なプリント回路技術のみを用いて構成することができるため、本発明のアンテナは、極めて低コストで製作することができる。本願で示した高Ｚ表面は、プリント回路基板技術を用いて簡単に製作することができ、適当な誘電体１６上に素子１２の長方形または正方形金属グリッドがプリント形成される。誘電体１６の底部側には導電性背面１４があり、これは穴１８（経由部）を介してメッキされ、各素子１２は導電性背面１４に接続される。

導波管の実施例およびマイクロストリップの実施例の各々は、アンテナ駆動部を提供し、導電性背面１４の開口２０を介してアンテナが励振される。このように本発明では、高Ｚ表面１０の側の背面１４から、導電面１４の口径または開口２０を介して表面に給電を行う。従ってアンテナの給電回路は、高Ｚ表面１０の前面上の放射素子から分離される。アンテナは低姿勢であって、製作コストが低く、導電面１４によって放射領域から遮断された給電回路素子の全てを有するように加工することができる。またマイクロストリップアンテナ駆動部は、標準的なプリント回路基板製作技術を用いて、容易に製作することができる。高Ｚ表面１０の電気特性は、（通常５０Ωの）低い回路または導波管のインピーダンスから高い自由空間インピーダンスまでのインピーダンス変換を提供する。高Ｚ表面１０の適切な寸法の選択により、アンテナ給電部と自由空間との間で優れたインピーダンス整合が得られる。

好適実施例を参照して本発明を説明したが、当業者には変更が容易に想定されるであろう。従って本発明は、示された実施例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲にのみ限定される。

高Ｚ表面の斜視図である。 高Ｚ表面の断面図である。 高Ｚ表面のバンドギャップの図である。 導波管開口結合パッチ式アンテナの断面図である。 図１ｄのアンテナのＳ_１１の計算結果を示す極性プロット図である。 グラウンドプレーンに開口を有する周波数選択または高Ｚ表面の上面図である。 図２ａの周波数選択または高Ｚ表面の断面図であって、図２ａの２ｂ−２ｂ線の断面図である。 図２ａの周波数選択または高Ｚ表面の断面図であって、図２ａの２ｃ−２ｃ線の断面図である。 図２ｃのアンテナのＳ_１１の計算結果の極性プロットである。 グラウンドプレーンに開口を有する周波数選択または高Ｚ表面の別の実施例であって、周波数選択または高Ｚ表面の背面導電面近傍のマイクロストリップによって駆動される実施例の上面図である。

Claims (25)

1. アンテナ構造は、
   （ａ）導電面と導電素子の配列とを有する高インピーダンス表面であって、導電素子の前記配列は、前記導電面から、当該アンテナ構造の作動周波数での波長の２５％未満の距離だけ離して設置され、前記導電面は開口を有する、高インピーダンス表面、および
   （ｂ）前記導電面の開口と隣接して設置されたアンテナ駆動素子であって、作動時に前記導電面の開口を介してＲＦエネルギーを供給することにより、当該アンテナ構造を励振させるアンテナ駆動素子、
   を有するアンテナ構造。
2. 前記導電面および導電素子の前記配列は、絶縁基板の反対側に設置されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ構造。
3. 前記配列内の各素子は、絶縁基板を介して配置された導電性経由部によって前記導電面に結合されることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ構造。
4. 導電素子の前記配列内の各導電素子は、多角形状であり、前記配列内の導電素子は多角形状の規則的な繰り返しパターンで配置されることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ構造。
5. 各導電素子の多角形状は、長方形状であることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ構造。
6. 各導電性素子の多角形状は正方形であって、正方形導電性素子は、前記配列に同じピッチで配置されることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ構造。
7. 前記導電面の開口は長方形であって、当該アンテナ構造の作動周波数でのある波長に対して、波長の約０．５倍の最大幅を有し、前記配列内の導電素子のピッチ以下の幅であることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ構造。
8. 前記導電面の開口の幅は、前記配列内の導電素子と該導電素子に隣接する素子との間隔にほぼ等しいことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ構造。
9. 前記アンテナ駆動素子は、導波管であることを特徴とする請求項７に記載のアンテナ構造。
10. 導波管は導波管の口径と隣接する壁を有し、該壁は長方形状であって、前記導電面の開口と位置が合うように適合されていることを特徴とする請求項９に記載のアンテナ構造。
11. 前記アンテナ駆動素子は、前記導電面の開口と対向して設置されたマイクロストリップ放射器であって、前記導電面の開口から、当該アンテナ構造の作動周波数での波長の１０％未満の距離だけ離して設置されていることを特徴とする請求項７に記載のアンテナ構造。
12. 導電素子の前記配列は、前記導電面から、当該アンテナ構造の作動周波数での波長の１０％未満の距離だけ離して設置されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一つに記載のアンテナ構造。
13. 低姿勢、広バンドギャップアンテナを製作する方法であって、
    （ａ）高インピーダンス表面を提供するステップであって、前記高インピーダンス表面は導電面と導電素子の配列とを有し、導電素子の前記配列は、前記導電面から、アンテナ構造の作動周波数での波長の２５％未満の距離だけ離して設置され、前記導電面は開口を有する、高インピーダンス表面を提供するステップ、および
    （ｂ）前記導電面の開口と隣接してアンテナ駆動素子を設置するステップ、
    を有する方法。
14. 前記導電面および導電素子の前記配列は、絶縁基板の反対側に設置されることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記絶縁基板には、プリント回路製作技術を利用することができ、導電性素子の前記配列は、プリント回路基板製作技術を用いて前記絶縁基板上に形成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. さらに、前記絶縁基板を介して配置された導電性経由部によって、配列内の各素子を前記導電面に結合するステップを有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
17. 導電素子の前記配列内の各導電素子は多角形状であり、さらに多角形状の規則的な繰り返しパターンで、配列内に導電性素子を配置するステップを有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 各導電素子の多角形状は、長方形状であることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. 各導電性素子の多角形状は正方形であって、正方形導電性素子は、前記配列に同じピッチで配置されることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記導電面に形成される開口は長方形であって、アンテナ構造の作動周波数での波長に対して、波長の約０．５倍の最大幅を有し、前記配列内の導電素子のピッチ以下の幅であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記導電面の開口の幅は、前記配列内の導電素子と該導電素子に隣接する素子との間隔にほぼ等しいことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記アンテナ駆動素子は、導波管であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
23. 導波管は導波管の口径と隣接する壁を有し、該壁は長方形状であって、前記導電面の開口と位置が合うように適合されていることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 前記アンテナ駆動素子は、前記導電面の開口と対向して設置されたマイクロストリップ放射器であって、前記導電面の開口から、アンテナ構造の作動周波数での波長の１０％未満の距離だけ離して設置されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
25. 導電素子の前記配列は、前記導電面から、アンテナ構造の作動周波数での波長の１０％未満の距離だけ離して設置されることを特徴とする請求項１３乃至２４のいずれか一つに記載の方法。

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