JP2007501568A - エッジエレメントを備える位相配列アンテナ及び関連方法 - Google Patents

Abstract

位相配列アンテナ（１００）は、第一表面（１０６）と、第一表面に隣接する第二表面（１０８）とを有し、第一表面と第二表面との間にエッジ（１１０）を定める基板（１０４）を含む。複数の双極子アンテナエレメント（４０ａ）は第一表面上にあり、少なくとも１つの双極子アンテナエレメント（４０ｂ）の少なくとも一部と第二表面（１０８）上にある。各双極子アンテナエレメント（４０）は、中央給電部（４２）と、中央給電部から外向きに延びる一組の脚部（４４）とを含む。隣接する双極子アンテナエレメント（４０）の隣接する脚部（４４）は、隣接する双極子アンテナエレメント（４０）間の容量結合の増大をもたらすための所定形状及び相対的位置付けを有する離間した端部部分（４６）をそれぞれ含む。

Description

既存のマイクロ波アンテナは、衛星受信、遠隔放送、又は、軍事通信のような多様な用途のための広範な構造を含む。低コスト、軽量、低プロファイル、及び、大量生産性の望ましい特性は、一般的に、プリント回路アンテナによって提供される。プリント回路アンテナの最も単純な形態は、マイクロストリップアンテナであり、そこでは、単極子又は双極子アンテナエレメントのような平面伝導エレメントが、均一な厚さの誘電体シートによって、単一の本質的に連続的な接地平面から離間している。マイクロストリップアンテナの例は、Ｏｌｙｐｈａｎｔに発効した米国特許第３，９９５，２７７号に開示されている。

アンテナは配列に設計され、低コスト、軽量、低プロファイル、及び、低サイドローブのような特性を要求する敵味方識別装置（ＩＦＦ）、パーソナル通信サービス方式（ＰＣＳ）、衛星通信システム、及び、航空宇宙システムのような通信システムにおいて用いられ得る。しかしながら、そのようなアンテナの帯域及び指向性能力は特定用途のためには限定的であり得る。

電磁的に結合された双極子アンテナエレメントの使用は波長を増大し得る。また、双極子アンテナエレメントの配列の使用は、所定の最大走査角をもたらすことによって、指向性を向上し得る。

しかしながら、双極子アンテナエレメントの配列を利用することは、ジレンマを提起する。双極子アンテナエレメントが互いにより近接して離間するならば、格子ローブの自由走査角を増大し得るが、より近接した間隔は、エレメント間の望ましくない結合を増大し、よって、性能を低下し得る。この望ましくない結合は、周波数の変化に応じて急激に変化し、広帯域を維持するのを困難にする。

双極子アンテナエレメント間の望ましくない結合を補償するための１つのアプローチが、Ｄｕｒｈａｍに発効した米国特許第６，４１７，８１３号に開示されている。それは本発明の現在の譲受人に譲渡されており、その全文を参照として本明細書に引用する。Ｄｕｒｈａｍ特許は、双極子アンテナエレメントの配列を含む広帯域位相配列アンテナを開示しており、各双極子アンテナエレメントは、中央給電部と、中央給電部から外向きに延びる一対の脚部とを含む。

具体的には、隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部は、隣接する双極子アンテナエレメント間の容量結合の増大をもたらす所定形状及び相対的位置決めを有する離間した端部部分をそれぞれ含む。容量結合の増大は、広帯域を維持し得るよう周波数が変化するような方法で、近接して離間した双極子アンテナエレメントの固有インダクタンスに対抗する。

双極子アンテナエレメントの配列中のエレメントの数は数百から数千に及び、全てのエレメントを同一の基板面上に備える。配列のエッジに沿った能動的な双極子アンテナエレメントのための均一な駆動点インピーダンスをもたらすために（即ち、エッジに沿ったエレメントのためのインピーダンスは、配列の中央付近の如何なるエレメントのインピーダンスとも同一又は極めて近似する）、信号を送受信しないダミーエレメントがこれらのエレメントの近傍に配置される。

しかしながら、特定用途のための設計上の制約は、配列サイズを制限し得るので、それは著しく減少された数の能動的な双極子アンテナエレメントを有する。例えば、エッジに沿ってダミー双極子アンテナエレメントを備える５０個のエレメントの小さな配列は、実際に信号を送受信する能動的な双極子アンテナエレメントの割合（＜４０％）と比べると、ダミー双極子アンテナエレメントの割合が大きくなる（＞６０％）。その結果、位相配列アンテナの性能は低減し、利得はより低くなり、よって、能動的な双極子アンテナエレメントと同一の基板上のダミー双極子アンテナエレメントのために利用可能とされるべき領域の故に、ビーム幅はより大きくなる。

配列のエッジに沿った能動的な双極子アンテナエレメントのための均一なインピーダンスを提供すると同時に性能を向上するための１つのアプローチが、Ａｉｋｅｎ ｅｔ ａｌ．に発効した米国特許第６，４４８，９３７号に開示されている。Ａｉｋｅｎ ｅｔ ａｌ．では、ダミー双極子アンテナエレメントは、能動的な双極子アンテナエレメントから別々に給電されるので、それらは信号を送受信することもできる。これらの別々に給電されるエレメントは、配列のエッジに沿った能動的な双極子アンテナエレメントのための均一なインピーダンスももたらす。しかしながら、ダミー双極子アンテナエレメントのための追加的な給電線は、位相配列アンテナの複雑さを増大する。

よって、前述の背景に鑑み、エッジ結合された双極子アンテナエレメントの配列のために利用可能な表面領域をより良好に使用する位相配列アンテナを提供することが本発明の目的である。

本発明に従ったこの及び他の目的、特徴、及び、利点は、第一表面と、第一表面に隣接する第二表面とを有し、第一表面と第二表面との間にエッジを定める基板と、第一表面上の複数の双極子アンテナエレメントと、第二表面上の少なくとも１つの双極子アンテナエレメントの少なくとも一部とを含む位相配列アンテナによってもたらされる。

各双極子アンテナエレメントは、中央給電部と、中央給電部から外向きに延びる一組の脚部とを含み、第一表面及び第二表面上の隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部は、隣接する双極子アンテナエレメント間の容量結合の増大をもたらすための所定形状及び相対的位置付けを有する離間した端部部分をそれぞれ含み得る。

位相配列アンテナは、複数の双極子アンテナエレメントに隣接する接地平面をさらに含み、少なくともその一部を第二表面上に有する少なくとも１つの双極子アンテナエレメントを、接地平面に接続し得る。双極子アンテナエレメントがダミー双極子アンテナエレメントとして機能するよう、この双極子アンテナエレメントの中央給電部に抵抗型負荷のような負荷を接続し得る。抵抗型負荷は、例えば、プリント抵抗エレメント又は離散的抵抗器を含み得る。

設計上の制約が配列内の能動的な双極子アンテナエレメントの数を制限するとき、本発明に従った位相配列アンテナは特に有利である。設計上の制約は、限定的な据付空間を有するプラットフォーム、及び、低いレーダー有効反射断面積を要求するものによって促進され得る。通常、能動的及び受動的な双極子アンテナエレメントは、同一の基板表面上にある。しかしながら、能動的及び受動的な双極子アンテナエレメントを、それらの間にエッジを定める２つの異なる基板表面に分離することによって、より多くの空間が能動的な双極子アンテナエレメントのために利用可能である。その結果、設計上の制約によって影響される位相配列アンテナのために、アンテナ性能が向上する。

１つの実施態様において、基板は第一表面を定める頂面を有する概ね長方形の形状を有し、対向する側面の第一及び第二の組は第二表面を定める。

双極子アンテナエレメントの各脚部は、細長本体部と、細長本体部の一端に接続された拡大幅端部部分とを含み得る。加えて、隣接する脚部における離間した端部部分は、インターディジテイティッド部分を含み、各脚部は、細長本体部と、細長本体部の一端に接続された拡大幅端部部分と、拡大幅端部部分から外向きに延びる複数の指部とを含み得る。

位相配列アンテナは、所望の周波数範囲を有し、隣接する脚部の端部部分間の間隔は、最大所望周波数の波長の約半分未満であり得る。加えて、接地平面を、複数の双極子アンテナエレメントから最大所望周波数の波長の約半分未満に離間し得る。

また、二偏波をもたらすために、複数の双極子アンテナエレメントは、第一及び第二の組の直交する双極子アンテナエレメントを含み得る。複数の双極子アンテナエレメントは、位相配列アンテナが約２〜３０ＧＨｚの周波数範囲に亘って並びに約＋／−６０度の走査角に亘って動作可能であるようなサイズ及び相対的位置決めとされる。

隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部の容量結合をさらに増大するために、インピーダンスエレメントを、隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部の離間した端部部分間に電気的に接続し得る。他の実施態様では、それらの間の容量結合をさらに増大するために、プリントインピーダンスエレメントを、隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部の離間した端部部分に隣接して位置付け得る。

本発明の他の特徴は、第一表面と、第一表面に隣接する第二表面とを有し、第一表面と第二表面との間にエッジを定める基板の上に、位相配列アンテナを作成する方法に向けられている。本方法は、複数の双極子アンテナエレメントを第一表面上に形成し、且つ、少なくとも１つの双極子アンテナエレメントの少なくとも一部を第二表面上に形成するステップを含む。各双極子アンテナエレメントは、中央給電部と、中央給電部から外向きに延びる一組の脚部とを含み、第一表面及び第二表面上の隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部は、隣接する双極子アンテナエレメント間の容量結合の増大をもたらすための所定形状及び相対的位置付けを有する離間した端部部分をそれぞれ含み得る。

本発明の好適実施態様を示す添付の図面を参照して、本発明を以下により完全に記載する。しかしながら、本発明は多くの異なる形態で具現化され得るのであり、ここに示される実施態様に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施態様は、この開示が徹底的であり且つ完全であり、本発明の範囲を当業者に十分に伝達するよう提供される。同等の番号は、全体的に同等素子を参照しており、プライム表記、ダブルプライム表記、及び、トリプルプライム表記は、代替的な実施態様における類似素子を指し示すために用いられている。

先ず、図１及び２を参照すると、本発明に従った広帯域位相配列アンテナ１００が記載されている。位相配列アンテナは、設計上の制約が配列中の能動的な双極子アンテナエレメントの数を制限するときに特に有利である。設計上の制約は、限定的な据付空間を有するプラットフォーム、及び、例えば、図１に例証される船１１２のような低いレーダー有効反射断面積を必要とするものによって促進され得る。例証されている位相配列アンテナ１１０は、当業者に理解されるであろうように、トランシーバ及びコントローラ１１４に接続されている。

位相配列アンテナ１００は、図２における概略的な斜視図に示されるように、エッジエレメント４０ｂと、対応するキャビティ取付部２００とを有する。位相配列アンテナ１００は、第一表面１０６と、第一表面に隣接し且つそれらの間にそれぞれのエッジ１１０を定める第二表面１０８とを含む。複数の双極子アンテナエレメント４０ａが第一表面１０６上にあり、少なくとも１つの双極子アンテナエレメント４０ｂの少なくとも一部が、１つの第二表面１０８の上にある。第二表面１０８上の双極子アンテナエレメント４０ｂは、位相配列アンテナ１００のための「エッジエレメント」を形成する。

通常、能動的及び受動的な双極子アンテナエレメントは、同一の基板表面上にある。しかしながら、能動的及び受動的な双極子アンテナエレメントを２つの異なる基板表面１０６，１０８上に分離し、２つの異なる基板表面はそれらの間に定められたエッジ１１０を有することによって、より多くの空間が能動的な双極子アンテナエレメントのために利用可能である。その結果、アンテナ性能は、設計上の制約によって影響される位相配列アンテナのために向上する。

例証されている実施態様において、第二表面１０８は、第一表面１０６に対して直交している。基板１０４は、頂面を有する概ね長方形の形状を有し、頂面に隣接する対向し且つそれらの間にそれぞれのエッジ１１０を定める第一組及び第二組の側面を有する。第一表面１０６は頂面に対応し、第二表面１０８は対向する第一組及び第二組の側面に対応する。例証されているエッジエレメント４０ｂは、対向する組の側面のそれぞれの上にある。異なる実施態様において、エッジエレメント４０ｂは、対向する組の側面の１つの上にのみあり得るし、或いは、１つの側面の上にのみさえあり得る。加えて、基板１０４は長方形状に限定されず、頂面に対して直交する側面に限定されない。

エッジエレメント４０ｂ、即ち、第二表面１０８上の双極子アンテナエレメントを、第二表面上に完全に形成し得るし、或いは、これらのエレメントの一部が第一表面１０６に延びるよう、それらを形成し得る。後述の実施態様のために、基板１０４は一体型の可撓な基板であってよく、第二表面は、エッジエレメント４０ｂの脚部の１つが第一表面１０６上に延びるよう、基板を単に屈曲することによって形成される。代替的に、第一表面１０６上の双極子アンテナエレメント４０ａの脚部の少なくとも１つは、第二表面１０８上に延び得る。

屈曲は、第一表面１０６と第二表面１０８との間にそれぞれのエッジ１１０も定める。一体型の基板の代わりに、（各双極子アンテナエレメント４０ａ，４０ｂが完全に各表面１０６，１０８上に形成された状態で）第一表面１０６及び第二表面１０８を別個に形成し、次に、当業者によって直ちに理解されるであろうように、基板１０４を形成するために結合し得る。

二偏波をもたらすために、例証されている位相配列アンテナ１００は、第一組及び第二組の直交する双極子アンテナを含む。代替的な実施態様において、位相配列アンテナ１００は、一組だけの双極子アンテナエレメントを含み得る。

図３に示されるように、位相配列アンテナ１０８は複数の可撓な層から成る。上記に議論されたように、複数の可撓な層内に含まれる基板１０４は、一体型の可撓な基板であってよく、第二表面１０８は、例えば、例証されている破線に沿って層を単に屈曲することによって形成されている。当業者によって理解されるであろうように、形成される第二表面１０８に由来する折り畳み層の隅部内の余剰材料は除去される。

基板１０４は、接地平面３０とキャップ層２８との間に挟装されている。当業者に直ちに理解されるであろうように、基板１０４は双極子層又は電流層としても知られている。加えて、誘電体層のフォーム２４及び外部誘電体層のフォーム２６が設けられている。位相配列アンテナを形成するために、各接着層２２が、基板１０４、接地平面３０、キャップ層２８、及び、誘電体層のフォーム２４，２６を全体的に固定している。勿論、当業者によって理解されるであろうように、層を固定する他の方法も用い得る。

誘電体層２４，２６は、走査角を向上するために、勾配誘電率を有し得る。例えば、接地平面３０と双極子層２０との間の誘電体層２４は３．０の誘電率を有し得るし、双極子層２０の反対側の誘電体層２４は１．７の誘電率を有し得るし、外部誘電体層２６は１．２の誘電率を有し得る。

図４、５Ａ、及び、５Ｂを参照して、位相配列アンテナ１００で用いられるような基板１０４をより詳細に記載する。基板１０４の部分１１１の拡大図により詳細に示されているように、基板１０４は、双極子アンテナエレメント４０の配列をその上に有するプリント伝導層である。各双極子アンテナエレメント４０は、中央給電部４２と、中央給電部から外向きに延びる一組の脚部４４とを含む。各給電線は、基板１０４の反対側から各給電部４２に接続される。

隣接する双極子アンテナエレメント間の容量結合の増大をもたらすために、隣接する双極子アンテナエレメント４０の隣接する脚部４４は、離間した端部部分４６をそれぞれ有する。隣接する双極子アンテナエレメント４０は、容量結合の増大をもたらすための所定の形状及び相対的位置付けを有する。例えば、隣接する双極子アンテナエレメント４０間のキャパシタンスは、約０．０１６と０．６３６ピコファラド（ｐＦ）との間であり、好ましくは０．１５９と０．２３９ｐＦとの間である。勿論、これらの値は、当業者によって直ちに理解されるように、同一の所望の帯域幅を達成するために、実際の用途に依存して必要に応じて変化する。

図５Ａに示されるように、隣接する脚部４４における離間した端部部分４６は、オーバーラップ或いはインターディジテイティッド部分４７を有し得る。各脚部４４は、細長本体部分４９と、細長本体部分の端部に接続された拡大幅端部５１と、拡大幅端部から外側に延びる複数の、例えば、４つの指部５３とを含む。

隣接する脚部４４及び各離間した端部部分４６は、次の寸法を有し得る。即ち、拡大幅端部５１の長さＥは０．０６１インチに等しく、細長本体部分の幅Ｆは０．０３４インチに等しく、隣接する拡大幅端部５１の結合幅Ｇは０．４４インチに等しく、隣接する脚部４４の結合長さＨは０．２７６インチに等しく、複数の指部５３の夫々の幅Ｉは０．００５インチに等しく、隣接する指部５３の間の間隔Ｊは０．００３インチに等しい。

広帯域位相配列アンテナ１０は、所望の周波数範囲、例えば、２ＧＨｚ〜３０ＧＨｚを有し、隣接する縁部部分４６間の間隔は、最高所望周波数の波長の約半分未満である。実際の用途に依存して、所望周波数は、例えば、２ＧＨｚ〜１８ＧＨｚのように、この範囲の一部であり得る。

代替的に、図５Ｂに示されるように、隣接する双極子アンテナエレメント４０の隣接する脚部４４’は、隣接する双極子アンテナエレメント間の容量結合の増大をもたらすために、離間した端部部分４６’をそれぞれ有し得る。この実施態様において、隣接する脚部４４’における離間した端部部分４６’は、隣接する双極子アンテナエレメント４０間の容量結合の増大をもたらすために、細長本体部分４９’の端部に接続された拡大幅端部５１’を含む。ここでは、例えば、離間した端部部分４６間の距離Ｋは、約０．００３インチである。

隣接する双極子アンテナエレメント４０間の容量結合をさらに増大するために、図５Ｃに示されるように、離散的又はバルクなインピーダンスエレメント７０”が、隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部４４”の離間した端部部分４６”に亘ってそれぞれ電気的に接続されている。

例証されている実施態様において、離間した端部部分４６”は、細長本体部分４９”と同一の幅を有する。双極子アンテナエレメントが隣接する双極子アンテナエレメント４０の隣接する脚部４４”の上にそれぞれ位置するよう、双極子アンテナエレメント４０の形成後、離散的インピーダンスエレメント７０”は、所定位置にはんだ付けされるのが好ましい。これは同一のキャパシタンスがより小さな領域にもたらされることを有利に可能にし、それは広帯域位相配列アンテナ１０の動作周波数を低くするのに役立つ。

例証されている離散的インピーダンスエレメント７０”は、全体的に直列に接続されたキャパシタ７２”及びインダクタ７４”を含む。しかしながら、当業者によって直ちに理解されるであろうように、キャパシタ７２”及びインダクタ７４”の他の構造も可能である。例えば、キャパシタ７２”及びインダクタ７４”を全体的に並列に接続し得るし、離散的インピーダンスエレメント７０”は、インダクタなしのキャパシタ、又は、キャパシタなしのインダクタを含み得る。意図される用途に依存して、離散的インピーダンスエレメント７０”はレジスタさえも含み得る。

離散的インピーダンスエレメント７０”を、図５Ａに示されるようなオーバーラップ又はインターディジテイティッド部分４７を備える隣接する脚部４４間に接続し得る。この構造において、離散的インピーダンスエレメント７０”は、インターディジテイティッドキャパシタ部分４７内を流れる非対称電流を排除することによって、アンテナパターン内により低い干渉偏波を有利にもたらす。同様に、離散的インピーダンスエレメント７０も、図５Ｂに例証されるような拡大幅端部５１’を備える隣接する脚部４４’の間に接続され得る。

離散的インピーダンスエレメント７０”の他の利点は、当業者によって直ちに理解されるであろうように、広帯域位相配列アンテナ１０の帯域幅を異なる用途のために調整し得るよう、それらが異なるインピーダンス値をそれぞれ有し得ることである。加えて、インピーダンスは、隣接する誘電体層２４及び接着剤２２のインピーダンス特性に依存しない。離散的インピーダンスエレメント７０”は誘電体層２４によって達成されないので、このアプローチは、誘電体層２４間のインピーダンス及び離散的インピーダンスエレメント７０のインピーダンスが、相互に減結合されることを可能にする。

隣接する双極子アンテナエレメント４０間の容量結合をさらに増大するためのさらに他のアプローチは、図５Ｄに例証されるように、それぞれのプリントインピーダンスエレメント８０”'を、隣接する双極子アンテナエレメント４０の隣接する脚部４４”'の離間した端部部分４６”'に隣接して配置することを含む。

それぞれのプリントインピーダンスエレメント８０”'は、誘電体層によって、隣接する脚部４４”'から分離され、それらが隣接する双極子アンテナエレメント４０の隣接する脚部４４”'の下に位置するよう、双極子アンテナ層２０の形成前に形成されるのが好ましい。代替的に、それぞれのプリントインピーダンスエレメント８０を、双極子アンテナ層２０の形成後に形成し得る。プリントインピーダンスエレメントのより詳細な説明に関しては、本発明の現在の譲受人に譲渡された米国特許出願番号第１０／３０８，４２４号が申し述べられ、それを参照として本明細書に引用する。

双極子アンテナエレメントがダミーアンテナとして動作するよう、負荷１５０が、第二表面１０８上の双極子アンテナエレメント４０ｄの中央給電部４２にそれぞれ接続されるのが好ましい。負荷１５０は、図６Ａに例証されるような離散的レジスタ、或いは、図６Ｂに例証されるようなプリント抵抗エレメント１５２を含み得る。各離散的レジスタ１５０は、双極子アンテナエレメント４０ｄの形成後に、所定位置にはんだ付けされる。代替的に、当業者によって直ちに理解されるであろうように、抵抗ペーストを中央給電部４２上に蒸着することによって各離散的レジスタ１５０を形成し得る。当業者によって直ちに理解されるであろうように、双極子アンテナエレメント４０ｄの形成前、形成期間中、又は、形成後に、それぞれのプリント抵抗エレメント１５２をプリントし得る。負荷１５０の抵抗は、典型的には、約５０〜１００オームの範囲内にある、能動的な双極子アンテナエレメントに接続された給電線のインピーダンスと適合するよう選択される。

接地平面３０は、複数の双極子アンテナエレメント４０ａ，４０ｂの近傍にあり、位相配列アンテナ１００の性能をさらに向上するために、エッジエレメント４０ｂは接地平面に電気的に接続されている。接地平面３０は、基板１０４の第一表面１０６から最高所望周波数の波長の約半分未満で離間しているのが好ましい。

基板１０４の第一表面１０６上の１８個の能動的な双極子アンテナエレメントの配列に関して、図７Ａは、エッジエレメント４０ｂの直ぐ近傍の能動的な双極子アンテナエレメントのために算出されたＶＳＷＲ（電圧定常波比）対周波数のプロット図であり、図７Ｂも、所定位置にエッジエレメントがないこと以外は同一な能動的な双極子アンテナエレメントのために算出されたＶＳＷＲ対周波数のプロット図である。線１６０は、エッジエレメント４０ｂを所定位置に備えて０．１０と０．５０ＧＨｚとの間の低いＶＳＷＲが有利にあることを例証している。エッジエレメント４０ｂは、直ぐ近傍の能動的な双極子アンテナエレメントが十分な電流を受け取ることを可能にし、それは基板１０４上の双極子アンテナエレメント４０ａ，４０ｂを通じて伝導されるのが普通である。

今度は図８Ａ及び８Ｂを参照すると、ＶＳＷＲ対周波数は、第一表面１０６の中心内又は中心付近の能動的な双極子アンテナエレメント４０ａに関して、２つの構造（即ち、エッジエレメント４０ｂを所定位置に備えるもの及び備えないもの）間でほとんど同一なままである。線１６４は、所定位置にエッジエレメント４０ｂを備える能動的な双極子アンテナエレメントに関して算出されたＶＳＷＲを例証しており、線１６６は、ダミーエレメントを所定位置に備えない同一の能動的な双極子アンテナエレメントのために算出されたＶＳＷＲを例証している。

例証されている位相配列アンテナ１００では、第一表面１０６上に１８個の双極子アンテナエレメント４０ａがあり、第二表面１０８上に１８個の双極子アンテナエレメント４０ｂがある。この種類の位相配列アンテナ１００の双極子アンテナエレメントの数は如何なる特定の数のエレメントに限定されないが、エレメントが、第一表面１０６上の能動的な双極子アンテナエレメント４０ａの割合と比較したときに、第二表面１０８上のエッジエレメント４０ｂの割合が大きいような数であるときに、特に有利である。能動的なエレメント４０ａが基板１０４の第一表面１０６のエッジ１１０に延びるので、位相配列アンテナ１００の性能は向上する。

エッジエレメント４０ｄを備える位相配列アンテナ１００のための対応するキャビティ取付部２００を今や詳細に議論する。キャビティ取付部２００は、位相配列アンテナ１００を収容するための開口を有するボックスであり、エッジエレメント４０ｂをその上に有する基板１０４の各第二表面１０８の近傍に信号吸収面２０４を含む。

上記に議論されたように、第二表面１０８上の双極子アンテナエレメント４０ｂはダミーエレメントである。ダミーエレメント４０ｂは給電線に接続されていないが、それらは中央給電部４２に亘って接続されるそれぞれの負荷１５０で依然として信号を受信する。これらの信号がキャビティ取付部２００内で反射されるのを防止するために、信号吸収面２０４はダミーエレメント４０ｂの近傍に配置される。

信号吸収面２０４が所定位置にないならば、反射される信号は電磁干渉（ＥＭＩ）問題を引き起こし、それらは基板１０４の第一表面１０６上の近傍の能動的な双極子アンテナエレメント４０ａとも干渉し得る。よって、信号吸収面２０４は反射される信号を吸収するので、第一表面１０６上の双極子アンテナエレメント４０ａは自由空間環境内にあるかのように見える。

各信号吸収面２０４は、フェライト材料層２０４ａと、それに隣接する伝導層２０４ｂとを含む。金属層のような伝導層２０４ｂは、如何なるＲＦ信号もキャビティ取付部２００から外側に放射することを防止する。当業者によって直ちに理解されるであろうように、フェライト材料層の代わりに、他の種類のＲＦ吸収材料層を用い得る。

代替的な実施態様では、信号吸収面２０４は抵抗層及び伝導層を含む。伝導層が信号吸収層として機能するよう、抵抗層は伝導層上に塗布される。信号吸収面の実施態様はフェライト材料層２０４ａを含まず、それはキャビティ取付部２００の重量を減少する。さらに他の代替的な実施態様では、信号吸収面２０４は伝導層だけを含む。

位相配列アンテナ１００がキャビティ取付部２００内に位置付けられるとき、基板１０４の第一表面１０６は、キャビティ取付部の上面と実質的に同一平面になる。フェライト材料層２０４ａの高さは、基板１０４の第二表面１０８の高さと少なくとも等しいのが好ましい。加えて、キャビティ取付部２００は、基板１０４の第一表面１０６上の双極子アンテナエレメント４０ａと結合するための複数の電力分割器２０８も支持している。第二表面１０８が基板１０４の第一表面１０６に対して直交するとき、キャビティ取付部２００は、信号吸収面２０４とも直交する底面２０６を有する。

本発明のさらに他の特徴は、選択的に吸収体として機能する位相配列アンテナ３００に向けられている。具体的には、各双極子アンテナエレメント４０は、給電線３０３を介してその中央給電部４２に接続されたスイッチ３０２を有し、図９に例証されるように、受動的負荷３０４がスイッチに接続されている。双極子アンテナエレメント４０が受信される信号を吸収するための吸収体として選択的に機能するよう、スイッチ３０２は、スイッチコントローラ３０７によって発生する制御信号に対応して、受動的負荷３０４を中央給電部４２に選択的に結合する。

受動的負荷３０４は、当業者によって直ちに理解されるであろうように、受信される信号に関連するエネルギーを放散するサイズであり、プリント抵抗エレメント又は離散的抵抗器を含み得る。例えば、双極子アンテナエレメント４０が処理のために受信された信号を伝えるときに給電線３０３のインピーダンスを整合するために、受動的負荷３０４は典型的には５０〜１００オームの間である。

周波数範囲がＧＨｚ範囲からＭＨｚ範囲に減少するとき、位相配列アンテナのサイズは著しく減少する。これは、低いレーダー有効反射断面積（ＲＣＳ）が求められるときに、位相配列アンテナのサイズの増大に起因する配置に関しても、懸念を提起する。

ＲＣＳの懸念に関して、スイッチ３０２及び受動的負荷３０４のそれぞれは、位相配列アンテナ３００が吸収体として動作することを可能にする。例えば、もし位相配列アンテナ３００を配置する船又は他の種類のプラットフォーム（固定又は可動）が低いＲＣＳを維持することを意図するならば、エレメントは、如何なる受信される信号に関連するエネルギーをも放散するために、それらのそれぞれの受動的負荷３０４に選択的に結合される。通信が必要とされるとき、信号が伝送及び受信コントローラ１４伝えられるよう、それぞれのスイッチ３０６は受動的負荷３０４を解放する。

各位相配列アンテナは、所望の周波数範囲を有し、接地平面３１０は、最高所望周波数の波長の約半分未満で、双極子アンテナエレメント４０の配列から離間しているのが典型的である。加えて、双極子アンテナエレメント４０も最高所望周波数の波長の約半分未満で互いに離間し得る。

周波数がＧＨｚ範囲にあるとき、双極子アンテナエレメント４０の配列と接地平面との間の分離は、例えば、３０ＧＨｚで０．２０インチ未満である。これは必ずしもＲＣＳ及び配置の関係で問題を提起しない。しかしながら、位相配列アンテナ３００の動作の周波数がＭＨｚ範囲にあるとき、双極子アンテナエレメント４０の配列と接地平面との間の分離は、例えば、３００ＭＨｚで約１９インチに増大する。位相配列アンテナ３００の寸法の増大の故に、これはＲＣＳ及び配置の懸念が生じるところである。

図１０を参照すると、例証されている位相配列アンテナ３００は、双極子アンテナエレメント４０の配列をその上に備える膨張式基板３０６を含む。基板３０６を膨張させるために、膨張装置３０８が用いられる。膨張式基板３０６は配置の懸念に対処する。位相配列アンテナ３００が配置されないとき、或いは、それが移動されるとき、膨張式基板３０６は収縮される。しかしながら、位相配列アンテナ３００がフィールド内にあり且つ配置される状態にあるや否や、膨張式基板３０６は膨張される。

膨張装置３０８は空気ポンプであってよく、膨張されると、空気の誘電体層が双極子アンテナエレメント４０と接地平面３１０との間にもたらされる。３００ＭＨｚで、膨張式基板３０６の厚さは約１９インチである。当業者によって直ちに理解されるであろうように、膨張時に基板によって均一な厚さが維持されるよう、バフル又は接続体３１２が膨張式基板３０６の２つの対向する側面の間に延在し得る。

スイッチ３０２及び負荷３０４も膨張式基板３０６内にそれぞれパッケージ化し得る。その結果、対応する給電線３０３及び制御線も膨張式基板３０６を通過する。代替的な実施態様では、スイッチ３０２及び負荷３０４を膨張式基板３０６の外部にそれぞれパッケージ化し得る。位相配列アンテナ３００が吸収体として動作するべきとき、負荷３０４が配列内の双極子アンテナエレメント４０の中央給電部４２に亘って接続されるよう、コントローラ３０７がスイッチ３０２を切り替える。

選択的な誘電体層３２０を双極子アンテナエレメント４０の配列と膨張式基板３０６との間に加え得る。誘電体層３２０は、膨張時の膨張式基板３０６の誘電率よりも高い誘電率を有するのが好ましい。より高い誘電率は、特に基板３０６が１の誘電率を有する空気で膨張されるときに、位相配列アンテナ３００の性能を向上するのに役立つ。誘電体層３２０は１よりも大きい誘電率を有し、例えば、約１．２〜３の範囲内にあるのが好ましい。当業者によって直ちに理解されるであろうように、膨張式基板３０６を空気以外のガスで充填し得る。その場合には、誘電体層３２０は必要とされなくてもよい。膨張式基板３０６を硬化性材料でさえ膨張し得る。

膨張式基板３０６は、重合体から成るのが好ましい。しかしながら、当業者によって直ちに理解されるであろうように、封入された可撓な基板を維持するために他の材料も用い得る。双極子アンテナエレメント４０の配列を膨張式基板３０６上に直接的に形成し得るし、或いは、配列を別個に形成して接着剤で基板に付着し得る。同様に、接地平面３１０を膨張式基板３０６の一部として形成し得るし、或いは、別個に形成して接着剤で基板に付着し得る。

位相配列アンテナ３００の代替的な実施態様において、双極子アンテナエレメント４０は、図６Ａ及び６Ｂに例証されるように、それぞれの中央給電部４２に接続された抵抗エレメントを有することによって、吸収体として恒久的に構成される。そのような吸収体を無響室内で用い得るし、或いは、そのＲＣＳを減少するために、物体（例えば、トラック、タンク等）に隣接して配置し得るし、或いは、他の信号からの多重通路干渉を低減するために、ビルディングの頂部に配置さえし得る。

上記に議論されたように、本発明の他の特徴は、図５Ｃ及び５Ｄに例証されるように、隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部４４”の離間した端部部分４６”，４６”'に亘って電気的に接続されたインピーダンスエレメント７０”又は８０”'を用いて、隣接する双極子アンテナエレメント４０間の容量結合をさらに増大することである。本発明のこの特徴は、上記に例証された位相配列アンテナ１００に限定されない。換言すれば、参照として本明細書に引用されるＴａｙｌｏｒ ｅｔ ａｌ．に発効した米国特許第６，５１２，４８７号で議論されているように、インピーダンスエレメント７０”又は８０”'をより大きなサイズの基板１０４上に用い得る。

例えば、基板は１２インチ×１８インチであり得る。この例では、双極子アンテナエレメント４０の数は、４３個のアンテナエレメント×６５個のアンテナエレメントの配列に対応し、その結果、２７９５個の双極子アンテナエレメントの配列が得られる。

このより大きなサイズの基板のために、双極子アンテナエレメント４０の配列を１平方フィート当たり約１００〜９００の範囲の密度で配置し得る。双極子アンテナエレメント４０の配列は、位相配列アンテナが約２〜３ＧＨｚの周波数範囲を超えて、並びに、約±６０度の走査角（低い走査損失）で動作可能であるような大きさ及び相対的位置付けとされる。そのようなアンテナ１００'は、比較的軽量であり、低コストで製造が容易であると共に、１０：１又はそれより大きな帯域幅も有し、（例えば、航空機上に）共形表面取付部を含む。当業者によって直ちに理解されるであろうように、本発明に従った双極子アンテナエレメント４０の配列は、広帯域位相配列アンテナが、例えば、ＭＨｚ範囲のような他の周波数範囲に亘って動作可能であるような大きさ及び相対的位置付けとされる。

図１１を参照すると、本発明のさらに他の特徴は、このより大きなサイズの基板を含む貫通接続レンズアンテナ６０に向けられている。貫通接続レンズアンテナ６０は、第一位相配列アンテナ１００ａ'及び第二位相配列アンテナ１００ｂ'を含み、それらは実質的に同一であるのが好ましい。貫通接続レンズアンテナ６０に関するより詳細な説明に関しては、Ｄｕｒｈａｍに発効した米国特許第６，４１７，８１３号が申し述べられている。それは本発明の現在の譲受人に譲渡され、その全文を参照として本明細書に引用する。

ビルディング６２のような構造内に特定の帯域幅に亘って電磁（ＥＭ）環境を複製するのが望ましい様々な用途で貫通接続レンズアンテナを用い得る。例えば、貫通接続レンズアンテナ６０をビルディング６２の壁６１上に位置付け得る。貫通接続レンズアンテナ６０は、送信機８０（例えば、携帯電話ベースステーション）からのＥＭ信号６３がビルディング６２の内部上に複製され、且つ、受信機８１（例えば、携帯電話）によって受信されることを可能にする。さもなければ、類似信号６４を壁６１によって部分的に或いは完全に反射し得る。

第一位相配列アンテナ１００ａ'及び第二位相配列アンテナ１００ｂ'は、結合構造６６によって背中合わせ関係に接続される。第一位相配列アンテナ１００ａ'及び第二位相配列アンテナ１００ｂ'は、エッジエレメント４０ｂが好適には除去されること以外、上述のアンテナ１００に実質的と類似している。

船に取り付けられた本発明に従った位相配列アンテナを示す概略図である。 図１の位相配列アンテナ及び対応するキャビティ取付部を概略的に示す斜視図である。 図２の位相配列アンテナを示す展開図である。 図２の配列の一部を示す拡大図である。 図２の位相配列アンテナ内で用い得るような隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部の離間した端部部分を概略的に示す拡大図である。 図２の位相配列アンテナ内で用い得るような隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部の離間した端部部分を概略的に示す拡大図である。 図２の広帯域位相配列アンテナ内で用い得るような隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部の離間した端部部分に亘って電気的に接続されたインピーダンスエレメントを概略的に示す拡大図である。 図２の広帯域位相配列アンテナ内で用い得るような隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部の離間した端部部分に亘って電気的に接続されたインピーダンスエレメントの他の実施態様を概略的に示す拡大図である。 図２の位相配列アンテナ内で用い得るような双極子アンテナエレメントの中央給電部に亘って接続された離散的抵抗エレメントを概略的に示す拡大図である。 図２の位相配列アンテナ内で用い得るような双極子アンテナエレメントの中央給電部に亘って接続されたプリント抵抗エレメントを概略的に示す拡大図である。 図２の位相配列アンテナ内のエッジエレメントに隣接する能動的な双極子アンテナエレメントのために算出されたＶＳＷＲ対周波数を示すプロット図である。 エッジエレメントを所定位置に備えない同一の能動的な双極子アンテナエレメントのために算出されたＶＳＷＲ対周波数を示すプロット図である。 エッジエレメントを所定位置に備える図２の位相配列アンテナの中央にある能動的な双極子アンテナエレメントのために算出されたＶＳＷＲ対周波数を示すプロット図である。 エッジエレメントを所定位置に備えない同一の双極子アンテナエレメントのために算出されたＶＳＷＲ対周波数を示すプロット図である。 双極子アンテナエレメントが本発明に従って選択的に吸収体として機能するよう、スイッチとそれに接続された負荷とを有する双極子アンテナエレメントを示す概略図である。 図９の双極子アンテナエレメントを含む位相配列アンテナを示す断面図である。 ビルディングを示す上面図であり、ビルディングの壁内に位置する本発明に従った貫通接続レンズアンテナを部分的に断面で例証している。

Claims (9)

1. 第一表面と、該第一表面に隣接する第二表面とを有し、前記第一表面と前記第二表面との間にエッジを定める基板と、
   前記第一表面上の複数の双極子アンテナエレメントと、前記第二表面上の少なくとも１つの双極子アンテナエレメントの少なくとも一部とを含み、
   各双極子アンテナエレメントは、
   中央給電部と、該中央給電部から外向きに延びる一組の脚部とを含み、
   隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部は、前記隣接する双極子アンテナエレメント間の容量結合の増大をもたらすための所定形状及び相対的位置付けを有する離間した端部部分をそれぞれ含む、
   位相配列アンテナ。
2. 少なくともその一部を前記第二表面上に有する前記少なくとも１つの双極子アンテナエレメントの前記中央給電部に接続された負荷と、
   前記第一表面上の前記複数の双極子アンテナエレメントにそれぞれ接続された給電線とをさらに含む、
   請求項１に記載の位相配列アンテナ。
3. 前記複数の双極子アンテナエレメントに隣接する接地平面をさらに含み、少なくともその一部を前記第二表面上に有する前記少なくとも１つの双極子アンテナエレメントは、前記接地平面に接続されている、請求項１に記載の位相配列アンテナ。
4. 前記第二表面は前記第一表面に対して直交し、前記基板は前記第一表面を定める頂面を有する概ね長方形の形状を有し、対向する側面の第一及び第二の組は前記第二表面を定める、請求項１に記載の位相配列アンテナ。
5. 各脚部は、
   細長本体部と、
   該細長本体部の一端に接続された拡大幅端部部分とを含む、
   請求項１に記載の位相配列アンテナ。
6. 第一表面と、該第一表面に隣接する第二表面とを有し、前記第一表面と前記第二表面との間にエッジを定める基板の上に、位相配列アンテナを作成する方法であって、
   複数の双極子アンテナエレメントを前記第一表面上に形成し、且つ、少なくとも１つの双極子アンテナエレメントの少なくとも一部を前記第二表面上に形成するステップを含み、
   各双極子アンテナエレメントは、中央給電部と、該中央給電部から外向きに延びる一組の脚部とを含み、前記第一表面及び前記第二表面上の隣接する双極子アンテナエレメントの隣接する脚部は、前記隣接する双極子アンテナエレメント間の容量結合の増大をもたらすための所定形状及び相対的位置付けを有する離間した端部部分をそれぞれ含む、
   方法。
7. 少なくともその一部を前記第二表面上に有する前記少なくとも１つの双極子アンテナエレメントの前記中央給電部に負荷を接続するステップと、
   前記複数の双極子アンテナエレメントに隣接して接地平面を形成するステップと、
   少なくともその一部を前記第二表面上に有する前記少なくとも１つの双極子アンテナエレメントを前記接地平面に接続するステップとをさらに含む、
   請求項６に記載の方法。
8. 前記基板は前記第一表面を定める頂面を有する概ね長方形の形状を有し、対向する側面の第一及び第二の組は前記第二表面を定める、請求項７に記載の方法。
9. 前記複数の双極子アンテナエレメントを形成するステップは、細長本体部と、該細長本体部の一端に接続された拡大幅端部部分とを備える各脚部を形成するステップを含む、請求項６に記載の方法。

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