JP2007166612A - 素子間結合を有する二重偏波アンテナアレイ及び、それに関する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、水平に近い状態で垂直偏波エネルギーを生成することが可能で、ほぼ微少角での走査が可能なスロットパターンを有する広帯域二重偏波アンテナの提供である。
【解決手段】 二重偏波スロット型アンテナは、基板上に設けられた二重偏波スロット型アンテナユニットのアレイを有し、各二重偏波スロット型アンテナユニットは、中心給電位置に対して間隔を空けて備えられている、少なくとも四のパッチアンテナ素子を有する。隣接する二重偏波スロット型アンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子は、それぞれが間隔を空けて設けられている端部を有し、その端部は所定の形状及び、相対位置を有することで、端部間の容量性結合を増大させる。それぞれが間隔を空けて設けられている端部は、連続的又は周期的に相互接続することで、容量性結合を増大させることが可能である。
【選択図】 図２

Description

本発明は通信分野に関し、特に低分散の位相配列アンテナ及びその方法に関する。

既存のマイクロ波アンテナは、たとえば衛星放送受信、遠隔放送又は軍事用通信のような様々な用途に応じて色々な配置を有する。低コスト、軽量、低分散及び、大量生産性のような所望の特性は一般的に、プリント回路基板によって供される。プリント回路アンテナにおける最も単純な形式はマイクロストリップアンテナで、平坦な導電性素子が、単一の基本的に連続した接地素子から、均一の厚さを有する誘電シートによって隔離されている。マイクロストリップアンテナの例は、オリファント(Olyphant)による特許文献1で開示されている。

アンテナはアレイで設計され、味方/敵識別(IFF)システム、個人通信サービス(PCS)システム、衛星通信システム及び、航空宇宙システムのような、低コスト、軽量、低分散及び低サイドローブのような特性が求められる通信システムに使用することが可能である。
米国特許公開第3995277号明細書 米国特許公開第5485167号明細書 米国特許公開第6512487号明細書

そのようなアンテナの帯域及び指向性に関する能力にはしかし、用途によって限界があるかもしれない。電磁的に結合したマイクロストリップパッチの対が帯域を増大させることが可能である一方で、この利点を得るには、特に低分散及び広いビーム幅の維持が望ましい場合において設計が非常に困難になると思われる。また、マイクロストリップパッチのアレイを利用し、所定の走査角を供することによって、指向性を改善することが可能である。しかし、マイクロストリップパッチのアレイを利用するのはまた別な問題を引き起こす。アレイ素子が互いに近接する場合に走査角を増大させることが可能だが、近接に配置することでアンテナ素子間での望ましくない結合が生じ、その結果性能が低下する。

さらにマイクロストリップパッチアンテナが、たとえば航空宇宙システムのような等角配置を必要とする用途に有利であっても、アンテナの設置は、等角性、満足できる放射範囲及び、指向性が維持され、かつ周辺面への損失が減少するようにするのは困難である。より詳細には、広走査角に対する位相配列アンテナの帯域増加は、従来であれば周波数範囲を多重帯に分割することで実現されてきた。

そのようなアンテナの一例が、ウォン(Wong)他による特許文献2で開示されている。このアンテナは、ダイポール対のアレイを複数の対で有し、各々は各異なる周波数帯で調整され、たとえば最高周波数アレイが2番目に低い周波数アレイ前方にあるように、伝送/受信方向に沿って互いが積層している。

この方法は、アンテナの大きさ及び重量を大きく増大させ、高周波インターフェース問題を引き起こすことになるだろう。別の方法は、要求される走査角度を機械的に得るためにジンバルを使用することである。しかしこの方法もまた、アンテナの大きさ及び重量を増大させ、応答時間を遅らせる恐れがある。

ハリス社の最新シートアレイ技術は、最先端の広帯域、低分散アンテナ技術を代表する。たとえばテイラー(Taylor)他による特許文献3は、大きな相互容量性結合を有する、強く密接するダイポールアンテナ素子を利用することによって、広周波数帯域及び、広走査角を有する位相配列アンテナに結びつけられる。テイラー他のアンテナは、近接するダイポールアンテナ素子間の相互結合を利用し、かつ増大させることで、量子化ローブを防止し、広帯域を実現する。

CSAのスロット型は、ダイポール型よりも多くの利点を有する。その利点には、水平に垂直偏波を発生させる能力、外部接地面と同期する金属アパーチャ、散乱の減少及び、アパーチャでの安定した位相中心が含まれる。しかしスロット型は、ダイポールCSAの十分な帯域を有していない。その理由は接地面が二重ではないためである。等角の航空機アンテナは大抵の場合、広帯域スロット型パターンを必要とするが、ダイポールCSAはこれらの用途で使用できない。分析及び測定結果は、ダイポールCSAが、水平（低角）又はそれに近い状態での垂直偏波エネルギーに関する要求を満たせないことを示した。ダイポールCSAはまた、双極子状の素子パターンのため、広走査角の性能も制限される。

上述の背景から、本発明の目的は従って、水平に近い状態で垂直偏波エネルギーを生成することが可能で、ほぼ微少角での走査が可能なスロットパターンを有する広帯域二重偏波アンテナの提供である。

本発明に従った、これ及び他の目的、特徴及び利点は、基板上に設けられた二重偏波のスロット型アンテナユニットのアレイを有する二重偏波のスロット型アンテナによって供される。各二重偏波のスロット型アンテナユニットは、中心給電線から間隔を空けて設けられている少なくとも四のパッチアンテナ素子を有する。隣接する二重偏波のスロット型アンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子は、それぞれが間隔を空けて設けられていて、所定の形状及び、相対位置を有する端部を有することで、素子間の容量性結合を増大させる。

それぞれが間隔を空けて設けられている端部は、相互結合(interdigitate)することで端部間の容量性結合を増大させることが可能である。そのようなものとして、間隔を空けて設けられている端部は、端部に沿って連続的に相互結合しても良いし、又は端部に沿って周期的に相互結合しても良い。基板は柔軟性で、接地面及び、その接地面に隣接する誘電層を有して良い。四のパッチアンテナ素子は、誘電層上で、接地面と反対側の面に備えられ、各素子間のスロットを画定するのが好ましい。

アンテナ給電線は各アンテナユニットに含まれて良く、かつ四の同軸給電線を有し、各同軸給電線は、内部導体及び、その内部導体の周囲を囲む柱状外部導体を有する。外部導体は接地面と接続し、内部導体は各外部導体端部から外へ向かって誘電層を介して延在し、中心給電位置で各パッチアンテナ素子と接続する。

本発明の方法としての態様は、基板上に設けられている二重偏波スロット型アンテナユニットのアレイを作製する工程を有する、二重偏波スロット型アンテナの製造方法に関する。各二重偏波スロット型アンテナユニットは、中心給電位置から間隔を空けて設けられている四のパッチアンテナ素子を有する。本方法は、隣接する二重偏波スロット型アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子における、それぞれが空間をおいて設けられている端部の形状を形成する工程及び、その端部を設置する工程を有することで、端部間の容量性結合を増大させる。

形状を形成する工程及び、設置する工程は、それぞれが間隔を空けて設けられている端部を連続的又は、周期的に相互結合させる工程を有して良い。繰り返しになるが、基板は柔軟性で、接地面及び、その接地面に隣接する誘電層を有して良い。四のパッチアンテナ素子は、誘電層上で、接地面と反対側の面に備えられ、各素子間でスロットを画定するのが好ましい。

本発明は、各アンテナユニットについてアンテナ給電構造を形成する工程をさらに有して良く、各同軸給電線は、内部導体及び、その内部導体の周囲を囲む柱状外部導体を有する。外部導体は接地面と接続し、内部導体は各外部導体端部から外へ向かって誘電層を介して延在し、中心給電位置で各パッチアンテナ素子と接続する。

以降では、本発明の好適実施例を示す図を参照しながら、本発明についてより詳細に説明する。本発明はしかし、様々な形式での実施が可能であり、本明細書記載の実施例に限定されるべきではない。むしろこれらの実施例は、本明細書を十分かつ完全にし、当業者にとって本発明の技術的範囲を十分理解してもらうために供されている。同一参照番号は本明細書を通して、同様の構成部品を示唆し、ダッシュ記号は、別な実施例における同様な素子を示唆する。

図1-図4を参照すると、本発明に従った二重偏波スロット型アンテナ10について説明されている。アンテナ10は、接地面26を有する基板12及び、その基板に隣接する誘電層24を有し、少なくとも一のアンテナユニット13は基板上に設けられている。複数のアンテナユニット13がアレイで配置されているのが好ましい。図1で図示されているように、アンテナ10はたとえば、九のアンテナユニット13を有する。各アンテナユニット13は、接地面26とは反対側の誘電層24上の中心給電位置22で互いに間隔を空けて設けられている四の隣接するアンテナパッチすなわち素子14、16、18、20を有する。たとえば14と16及び、14と18のような、対をなすアンテナ素子は、スロットモードを励起するために、それぞれのギャップに対して0又は180°をなすように与えられるのが好ましい。当業者には明らかなように、素子が励起されることで、二重偏波も生じる。

各アンテナユニットはまた、四の同軸給電線32を有するアンテナ給電構造30をも有する。各同軸給電線32は一例として、内部導体42及び、その内部導体の周囲を囲む柱状の外部導体44を有する（図2）。アンテナ給電構造30は、各同軸給電線32を受け取るための通路61を有する給電線構成体60を有する。当業者に明らかなように、給電線構成体60は、モノリシックユニットとして集積されて形成されるのが好ましい。

より詳細には、給電線構成体60は、接地面26と接続するベース62及び、そのベース上に設けられている案内部63を有して良い。ベース62は、ねじを利用することで接地面26と接続可能となるように、ベース内部に孔68を有して良い。当然のことだが、当業者に既知である他の適切なコネクタを使用しても良い。

案内部63は、ベース62上に設けられている底部にある密閉された案内部64、アンテナ素子14、16、18、20に隣接する上部にある密閉された案内部65及び、底部密閉案内部と上部密閉案内部との間で延在する中間にある開口案内部66を有して良い。図2に図示されているように、各同軸給電線32の外部導体44は、はんだ67を介して、中間にある開口案内部66で、給電線構成体60と接続して良い。

給電線構成体60は、真鍮のように、たとえば比較的製造及び機械加工が容易な導電性材料で構成されるのが好ましい。その結果、しっかりした、信頼性を有する接地面26との接続を供するアンテナ給電構造30の大量生産が可能となる。当然、当業者に知られているような他の適切な材料を、給電線構成体60に使用しても良い。

それに加えて、図3で図示されているように、通路61は、同軸給電線32が相互に平行で、かつ隣接するように、共通軸A-Aに平行であることが好ましい。さらに、アンテナ給電構造30は有利になるように、上部にある密閉された案内部65上に備えられた調整板69を有して良い。調整板69は当業者に知られているように、給電線のインダクタンスを補償するのに使用されて良い。

より詳細には、給電線構成体60は、アンテナ給電構造30が比較的容易に、前記少なくとも一のアンテナユニット13と接続するため、基板12へ基本的に“プラグ接続”できるようにする。給電線構成体60を有するアンテナ給電構造30によって、アンテナ10を損傷することなく、比較的容易な取り外し及び/又は、交換も可能となる。しかも、給電線構成体60を有するアンテナ給電構造30を使用することで、同軸給電線32の不適切な設置に起因して生じる恐れのあるコモンモード電流を実質的に減少させることができる。つまり、中間にある開口案内部66によって、しっかりした、信頼性を有する同軸給電線32の設置が可能となる。

図2に図示されているように、接地面26は、アンテナユニット13の周囲を超えて横方向外側へ延在して良く、同軸給電線32は、互いが接触するところから外であって、中心給電位置22から上で分岐して良い。アンテナ10はまた、基板12上に備えられ、アンテナ給電構造30と接続した少なくとも一のハイブリッド回路50をも有して良い。当業者に知られているように、ハイブリッド回路50は、アンテナユニット13の各アンテナ素子14、16、18、20への信号を制御、受信及び生成する。

誘電層24は、アンテナ10における動作周波数帯の上部付近の動作波長の約1/2の範囲の厚さを有することが好ましく、少なくとも一の上部誘電層、すなわちインピーダンス整合用誘電層28は、アンテナユニット13上に供されて良い。図4に図示されているように、このインピーダンス整合誘電層28もまた、アンテナユニット13の周囲を超えて横方向外側へ延在して良い。延在した基板12及び、延在したインピーダンス整合誘電層28を利用することで、アンテナ帯域は2:1以上となる。基板12は柔軟性で、かつたとえば航空機又は宇宙船のノーズコーンのように、堅い表面に等方的に設けられていて良い。

より詳細に図1、図5A及び図5Bを参照すると、隣接する二重偏波スロットモード型アンテナユニット13の、隣接するパッチアンテナ素子14、16、18、20は、所定の形状及び相対位置を有する、それぞれが間隔を空けて設けられている端部23を有することで、ユニット間の容量性結合を増大させる。それぞれが間隔を空けて設けられている端部23は、拡大図である図5A及び図5Bで図示されているように、相互接続することで、容量性結合を増大させる。そのようなものとして、間隔を空けて設けられている端部23は、端部に沿って連続的に相互接続（図5A）しても良いし、周期的に相互接続（図5B）しても良い。

よって広周波数帯域及び広走査角を有するアンテナアレイ10は、隣接するスロット型アンテナユニット13のアンテナ素子14、16、18、20を利用することで得られる。これらのアンテナ素子のうちの隣接する素子は、容量性結合する。従来方法は、素子間の相互結合を減少させるようにしてきたが、本発明は相互に近接するアンテナ素子間の相互結合を利用し、増大させることで広帯域を実現させる。

本発明の関連する方法の態様は、基板12上に設けられた二重偏波スロット型アンテナユニット13のアレイを作製する工程を有する、二重偏波スロット型アンテナの製造工程で、各二重偏波スロット型アンテナユニットは、中心給電位置22に対して横方向に間隔を空けて備えられている、四のパッチアンテナ素子14、16、18、20を有する。本方法は、隣接する二重偏波スロット型アンテナユニット13の隣接するパッチアンテナ素子における、それぞれが間隔を空けて設けられている端部23の形状を形成し、その端部を設置することで素子間の容量性結合を増大させる工程を有する。

拡大図である図5に図示されているように、形状を形成する工程及び、設置する工程は、それぞれが間隔を空けて設けられている端部23を連続的又は周期的に相互接続する工程を有して良い。繰り返しになるが、基板12は柔軟性であって、接地面26及びそれに隣接する誘電層24を有して良く、アレイを作製する工程は、誘電層上であって接地面の反対側に四のパッチアンテナ素子14、16、18、20を備えることで、各スロットを画定する工程を有する。

本方法は、各アンテナユニットのアンテナ給電構造30を作製する工程を有し、そのアンテナ給電構造30は四の同軸給電線32を有し、各同軸給電線は内部導体42及び、それを包み込む柱状外部導体44を有する。たとえば図2で図示されているように、外部導体44は接地面26と接続し、内部導体42は各外部導体端部から誘電層24を介して外へ向かって延在し、中心給電位置22に隣接する各パッチアンテナ素子と接続する。

ここで図6、図7A及び図7Bを参照することで、二重偏波スロット型アンテナ10’の別な実施例について説明する。隣接する二重偏波スロット型アンテナユニット13’の隣接するパッチアンテナ素子14、16、18、20は、ギャップを画定する、それぞれが間隔を空けて設けられている端部23を有する。容量性結合板70はギャップに隣接し、それぞれが間隔を空けて設けられている端部23と重なることで、容量性結合を増大させる。容量性結合板70は、誘電層24内部でかつ、パッチアンテナ素子の直下に備えられる（図7A）、又は誘電層28内部でかつ、パッチアンテナ素子の直上に備えられて良い。

よって広周波数帯域及び広走査角を有するアンテナアレイ10’は、隣接するスロット型アンテナユニット13’のアンテナ素子14、16、18、20を利用することで得られる。これらのアンテナ素子のうちの隣接する素子は、容量性結合する。

本発明のこの実施例における方法の態様は、二重偏波スロット型アンテナの製造方法に関し、各ギャップに隣接する各容量性結合板を供する工程及び、それぞれが間隔を空けて設けられている端部23を重ねる工程を有する。これらの工程によって、容量性結合は増大する。再度繰り返すが、容量性結合板70は、誘電層24内部でかつ、パッチアンテナ素子の直下に備えられる、又は誘電層28内部でかつ、パッチアンテナ素子の直上に備えられて良い。

アンテナ10、10’は、電圧定在波比(VSWR)が2:1のときに7:1の帯域を有し、±75°の走査角を実現することが可能である。アンテナ10、10’は、VSWRが3:1のときに10:1の帯域を有することが可能である。よって本発明に従った、広周波数帯域及び広走査角を有する軽量の通路アレイアンテナ10、10’が供される。またアンテナ10、10’は柔軟性で、航空機のように、表面に等方的に設けられていて良い。

本発明に従った、二重偏波のスロット型アンテナアレイの概略的上面図である。 図1の線2−2に沿ってとられたアンテナ給電構造を有するアンテナの断面図である。 図2のアンテナ給電構造のフィード線構成体の斜視図である。 図1の線4−4に沿ってとられた、アンテナの接地面、誘電層、アンテナユニット及び上部誘電層の断面図である。 図1のアンテナアレイにおける、隣接アンテナユニットの隣接アンテナ素子の、距離をおいた状態で相互接続する端部の実施例の拡大図である。 図1のアンテナアレイにおける、隣接アンテナユニットの隣接アンテナ素子の、距離をおいた状態で相互接続する端部の実施例の拡大図である。 本発明に従った、二重偏波のスロット型アンテナアレイの別な実施例の上面概略図である。 図6の線7−7に沿ってとられた、アンテナの接地面、誘電層、アンテナユニット及び上部誘電層の断面図である。 図6のアンテナの上部誘電層中に容量性結合板を有する別な実施例の断面図である。

符号の説明

2 図2の断面位置を表す線
4 図4の断面位置を表す線
10 スロット型アンテナ
12 基板
13 アンテナユニット
14 アンテナ素子
16 アンテナ素子
18 アンテナ素子
20 アンテナ素子
22 中心給電位置
23 それぞれが間隔を空けて設けられている端部
24 誘電層
26 接地面
28 インピーダンス整合用誘電層
30 アンテナ給電構造
32 同軸給電線
42 内部導体
44 柱状外部導体
50 ハイブリッド回路
60 給電線構成体
61 通路
62 ベース
64 底部密閉案内部
65 上部密閉案内部
66 中間密閉案内部
67 はんだ
69 調整板
70 容量性結合板

Claims (10)

1. 二重偏波スロット型アンテナであって：
   基板；及び、
   前記基板上に設けられている、二重偏波スロット型アンテナユニットのアレイ；
   を有し、
   各二重偏波スロット型アンテナユニットが、中心給電位置から間隔を空けて備えられている、少なくとも四のパッチアンテナ素子を有する；
   隣接する二重偏波スロット型アンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子が、所定の形状及び、相対位置を有する、それぞれが間隔を空けて設けられている端部を有することで、前記素子間の容量性結合を増大させる；
   ことを特徴とするアンテナ。
2. それぞれが間隔を空けて設けられている端部が相互接続することで、前記素子間の容量性結合を増大させることを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ。
3. それぞれが間隔を空けて設けられている端部が、前記端部に沿って連続的に相互接続することを特徴とする、請求項２に記載のアンテナ。
4. それぞれが間隔を空けて設けられている端部が、前記端部に沿って周期的に相互接続することを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ。
5. 前記基板が接地面及び、前記接地面に隣接する誘電層を有する；及び、
   前記四のパッチアンテナ素子が、前記誘電層上で、前記接地面と面とは反対側の面に備えられていて、かつ前記素子間の各スロットを画定する；
   ことを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ。
6. 二重偏波スロット型アンテナユニットの製造方法であって：
   基板上に設けられていて、中心給電位置に対して離れるように備えられている少なくとも四のパッチアンテナ素子を有する二重偏波スロット型アンテナユニットのアレイを作製する工程；及び、
   隣接する二重偏波スロット型アンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子における、それぞれが間隔を空けて設けられている端部の形状を形成し、その端部を設置することで容量性結合を増大させる工程；
   を有する方法。
7. 前記の形状形成及び、設置工程は、前記のそれぞれが間隔を空けて設けられている端部を相互接続する工程を有することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記の相互接続する工程が、それぞれが間隔を空けて設けられている端部を前記端部に沿って連続的に相互接続する工程を有することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 前記の相互接続する工程が、それぞれが間隔を空けて設けられている端部を前記端部に沿って周期的に相互接続する工程を有することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
10. 前記基板が接地面及び、前記接地面に隣接する誘電層を有する；及び、
    前記アレイを作製する工程が、前記四のパッチアンテナ素子を、前記誘電層上で、前記接地面とは反対側の面に備えることによって、前記素子間の各スロットを画定する工程を有する；
    ことを特徴とする、請求項６に記載の方法。

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