JP2007534181A - マイクロ波平面アンテナ - Google Patents

Abstract

開口部を備え、積層され接地された金属基板（１、２、３）と、給電線路（４Ｂ、５Ｂ）を備えたアンテナ層（４、５）とを含み、接地された金属基板間に位置するアンテナである。接地された金属基板内の開口部は、列と行のマトリックス状に配置される。給電線路（４Ｄ、５Ｄ）の先端は、基板の開口部（１Ａ）に整列され、その結果、放射素子が形成される。基板（７）は、最下部の接地基板（３）の下方に配置される。３つの基板の積層が、２つのアンテナ・パッケージ（Ａｐ１、Ａｐ２）として配置される。これらのパッケージは、さらに、受信信号の初期増幅用能動デバイスを含む層（８）を有する。この能動デバイスは、同軸変換部（１３）を介して放射素子群（４Ｄ、５Ｄ、１Ａ）に接続される。同様に、結合ブロック（９）は能動層（８）に接続される。アンテナ層（４、５）は、サブアレー内に配置され、アンテナ出力は変換部（１２）により、標準的な一対のロー・ノイズ・ブロックに接続される。

Description

本発明は、静止軌道上に配置された人工衛星からの衛星信号受信用モバイル通信システムに適用可能なマイクロ波平面アンテナに関する。

米国特許５８７２５４５は、多基板積層型マイクロ波アンテナを開示している。このアンテナは、列と行のマトリックス状に配置された一群のスロット放射素子を含む。基本のアンテナ・パッケージは、開口部を備えた３つの基板と、２つの基板とで構成される。この２つの基板は、特定の角度を成した２つの受信ビームの形成を与える給電線路を有する。アンテナはさらに、給電線路を有する別の少なくとも２つの基板を含み、その結果、各ビームは２つの偏波に対応可能にする。これらの給電線路は、マイクロストリップ線路、平行な導波路、一対の主伝送線路、もしくはこれらの組合せ、として配置することが可能である。これらの線路は、互いに角度が９０度回転した対として配置される。この開示されたアンテナを用いることにより、２つの独立した静止衛星から信号を受信することが可能になる。

上述のアンテナの問題点は、相当な高さであり、このためモバイル・プラットフォームへの適用が困難になることである。一方、その高さを低減する試みは、アンテナの性能を低下させ、受容しがたい結果をもたらす。

本発明の目的は、良好なアンテナ性能を維持したままで、高さの減少したマイクロ波平面アンテナを提供することである。

加えて、給電線路の挿入損失を低減し、異なる偏波に対して信号の等化を達成する。

提案されるマイクロ波平面アンテナは、上述の目的に合致するものであって、開口部を備え、積層され接地された金属基板と、この金属基板間に位置したアンテナ給電層とを有し、開口部は、列と行のマトリックス状に配置され、給電線路は、対応する開口部と一対で組み合わせられ、その結果、アンテナ放射素子が形成される。金属遮蔽板が、接地された金属基板の下方の最下部において用いられる。本発明のある実施の形態によれば、積層された基板が２つのアンテナ・パッケージとして配置される。各アンテナ・パッケージは、２つの直交偏波部、給電部、および素子部を含む。このアンテナは、さらに、受信信号の初期増幅用能動デバイスを備えた層を含む。この能動デバイスは、同軸変換部を介して放射素子の給電部に接続される。同様に結合ブロックが、相応して、能動層に接続される。全アレーアンテナは、いくつかのサブアレーに再分割される。サブアレー内に配置されたアンテナ素子からの信号は、完全に結合され、同軸変換部により、能動部品を含む層（８）に接続される。ＲＦ結合ブロックは、アンテナの２つの二分の一部分を最終的に結合し、このアンテナ出力は、標準的な一対のロー・ノイズ・ブロック（ＬＮＢ）に接続される。

ある実施の形態によれば、適当な厚みを備えた低損失誘電体材料で作られる絶縁シートが、接地された金属基板間に配置される。

別の実施の形態によれば、２枚のアンテナ層は１６個のサブアレーに分割され、このサブアレーのうちの各２個は、１個のアンテナ四分の一部分のうちの同等の半分ずつである。この実施の形態では、各アンテナ四分の一部分が互いに９０度回転することにより、都合のよい２枚のアンテナ層が得られる。

ストリップ線路の中心導体には、０．１ｍｍないし０．３ｍｍの間の厚みを備えた金属シートを用いるのが都合がよい。金属シートは、給電線路を形成するため、エッチング用の適切な既知技術により処理される。

この実施の形態では、支持フレームおよび機械的結合部により、ＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＝無線周波数）デカップリング（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ＝吸収）回路を形成することが可能である。

別の実施の形態によれば、放射アパーチャ部は八角形に配置される。この八角形は、４つの平行な長辺と４つの短辺を有し、これらの長辺と短辺は角で接続される。

別の実施の形態によれば、開口部を備えた上側金属基板は、他の基板以下の厚さの金属シートから形成される。

別の実施の形態によれば、アンテナ出力とＬＮＢ間の変換部は、非対称に形成された給電線路の先端を用いて、作動され、その結果、ＬＮＢ入力における円筒形導波路は、適切に励振される。マイクロストリップ線路の導波路への変換部は、接地されたコプレーナ（ｃｏｐｌａｎａｒ＝共面）線路の短片を用いて形成される。

本発明に従うマイクロ波平面アンテナの優位点は、アンテナの高さを低くし、異なる動力車プラットフォーム（車、バス、トラック、スポーツ多目的車、列車等のような）の屋根に直接設置することを促進し、同時に車両の空気力学的な特性はほとんど変化しない、というような可能性に結びつく。アンテナの低い外形は、アンテナ性能の劣化および特にアンテナ性能指数の劣化無しに達成される。

放射アパーチャ部の特定の配置および給電線路の構造により、アンテナ給電層における挿入損失の著しい低下が達成される。アンテナをサブアレーに分割し、異なる偏波に対し専用の層の位置を変化することにより、アンテナ出力において２つの異なる偏波に対する信号振幅の等化が達成される。

実施例は、好ましい応用例、すなわち静止軌道上の人工衛星から信号を移動受信するシステムの一部としての平面アクティブ・アンテナ１ないし１３（図１に示す）、に言及する。ここで、アンテナの好ましい形状は、全システムの全体にわたる高さを減少させるため、長方形になっている。

アンテナは、多数の放射素子から構成され、この放射素子は、適切な間隔で列と行に配置され、アンテナ・アレーを形成する。

隣接する素子間の間隔は、運用されるアンテナ周波数バンド、例えばＫｕバンド（１０．７ないし１２．７５ＧＨｚ）にとっては、自由空間で約０．７ないし０．９波長になる。

図１に示すアンテナは、２つの直交偏波のための２つの独立したパッケージＡｐ１、Ａｐ２と、受信信号の前置増幅用に用いられるロー・ノイズ増幅器を備えた層８と、信号結合用のブロック９と、から構成される。図２に示されるように、アンテナ層４、５は、接地された３枚の金属基板１、２、３間に配置される。金属基板１、２、３は複数の開口部１Ａを備え、開口部１Ａは放射アパーチャ部を形成する。別の金属基板７は、開口部が無く、アパーチャ部を備えた３枚の基板積層体の下方に位置し、放射素子用のシールドとして役立てられる。アンテナ層４、５は、２つの異なる高さの位置（上側と下側）に配置される。アンテナ層４、５は、線路４Ｄ、５Ｄ（図３に示す）の先端が放射アパーチャ部１Ａと一対で組み合わすことができるように、接地された金属基板１、２、３とともに組み立てられる。線路４Ｄ、５Ｄは、放射素子の励振プローブとして役立てられる。放射アパーチャ部１Ａと給電線路４Ｄ、５Ｄとの上述した組合せは、事実上、アンテナ・アレーの放射（アンテナ）素子を表す。アンテナ素子から受信した信号は、最初にサブアレーの段階で、アンテナ層４、５により結合される。アンテナ・サブアレーの数は、各偏波に対して８（全アンテナに対して計１６）に選択される。この数は、アンテナの大きさと特定用途の実装構成に依存して、変化する。対応するサブアレー内で結合されたこの素子からの信号は、同軸変換部１３を介して層８に通される。層８は、能動デバイス（図５に示すロー・ノイズ増幅器８Ｂ）を含む。

このように、アンテナ層４、５において放射素子をサブアレー単位にグループ分けし、層８上で一団となった信号を増幅することにより、受信アンテナについて最高の性能指数が得られる。アンテナ層で用いられる給電線路の種類は、ストリップ線路である。これにより、例えばサスペンデッド基板線路に基づく同様な実装に比較して、挿入損失を著しく減少する。図３に示すストリップ線路４Ｂ、５Ｂの中心導体は、薄い厚み（０．１ないし０．３ｍｍ）でしかも高い伝導率の金属を用いた金属シートから生成される。この生成技術には、ケミカル・エッチング、レーザ切断加工、あるいは他の適切な技術プロセスがある。１ｍｍの厚みを備えた低損失誘電体材料で作られる２枚の絶縁層６を用いることにより、アンテナ層４、５は、放射アパーチャ部を含む金属基板１、２、３間に支持される。アンテナ層に用いられる給電線路４Ｂ、５Ｂおよび受動結合デバイスは、放射アパーチャ部１Ａ間の間隔にもっともよく合うように、最短の長さと適切な形状を有するように設計される。アパーチャ部の形状は、図４に示されるように、基本的には辺の長さが不均一な八角形である。放射アパーチャ部のこのような形状により、アンテナ素子の性能についていかなる劣化も無しに、給電線路の長さを最小にすることができる。この構成法は、最初の増幅に先行するアンテナ層４、５における信号損失を減少させるのに役立ち、アンテナのより良い性能指数に貢献する。同じ金属シートから形成される金属フレームを用いることにより、ストリップ線路の中心導体に対してさらなる機械的支持が確保され、より良好な製造可能性と組み立て容易性が与えられる。このようなフレーム４Ａ（図３）は、給電線路の周囲と間隙に配置され、機械的支持４Ｃ用の特定の素子により、物理的に給電線路に接続される。これらの素子は、細い金属線路と、適切な形状および大きさを有する短い突出部とで構成される。これらの素子は、ストリップライン給電線路と結合デバイスを、電気的に接地された支持フレームに接続する。機械的支持用の素子は、性能を低下させないように、給電線路と受信信号用結合デバイスの機能を妨害しないように、ＲＦ（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ＝無線周波数）デカップリング（ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ＝吸収）回路（チョークコイル）として実装される。

図３に示すアンテナ層４、５の励振プローブ４Ｄ、５Ｄは、協調して動作し、３枚基板の積層体における開口部に電磁的に結合される。その結果、アンテナ素子が形成される。アンテナ素子は、適切な形状を有することにより、受信信号の正確なマッチングと最小の損失を確実にし、動作周波数バンド内の２つの直交偏波間において良好な分離を得る。すでに言及したように、アンテナ層４、５は１６個のサブアレーに分割され、このサブアレーのうちの各２個は、１個のアンテナ四分の一部分のうちの同等の半分ずつである（図３を参照）。

各サブアレーの給電線路は、フレーム４Ａ、５Ａによりそれぞれ機械的に支えられ、結果として共通の給電線路の構造が形成される。

アンテナの各偏波は、上側アンテナ層４と下側アンテナ層５における結合の後、独立して得られる。２枚のアンテナ層の各２個の隣接する四分の一部分は、互いに角度が９０度回転している。それゆえ、２つの異なる偏波に対応するアンテナ ビームは、異なるアンテナ層４、５に含まれる各２個の隣接する四分の一部分間の組合せの結果として得られる。

このように、この結合構成法により、２つの偏波信号の振幅等化が保証され、上側アンテナ層４からのエネルギーと下側アンテナ層５からのエネルギーとの結合に結果する。一方、受信信号において、垂直偏波と水平偏波に対して初期的に存在する差は、次の原因による。

第１に、アンテナ・パネルの形状は長方形であり、この長方形は、２つの辺の長さに大きな差を有していることである（図１に示す上述のアンテナの場合、比率は４：１である）。非対称のＴＥＭ波（横電磁界波＝ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｗａｖｅ）伝送に対する条件は、長い方の辺に有利であり、エネルギーはこの方向（水平偏波）におけるアンテナ偏波に好都合である。

第２に、アンテナ層４、５が位置する高さの差は、両アンテナ・パッケージ（上側Ａｐ１と下側Ａｐ２）間の素子利得の差に対応することである。

アンテナ構成における各２個の隣接する四分の一部分の回転は、近傍の四分の一部分に対して反対方向の電界ベクトルを与えることで仕上げられる（図３参照）。この構成法により、アンテナ放射パターンにおけるサイド・ローブが減少可能になる。サイド・ローブは、放射素子パターンの傾斜部分の最大値による。放射アパーチャ部１Ａに面する給電線路４Ｄ、５Ｄの非対称位置構成（図５）という仕様のため、放射素子は基本的には傾斜した放射パターンを有する。上述したアンテナ層の配置により、円形偏波に対しより良好なアンテナ性能が得られ、指向性および性能指数に対しより高い値が達成される。

素子放射パターンにおける非対称性の低減、したがってさらなるサイド・ローブ量の減少は、放射アパーチャ部１Ａを有する上側金属格子１の代替物により、すなわち同様なアパーチャ部１００Ａ（図６に示す）を有する比較的厚い金属シート１００により、達成される。この格子は、金属シートもしくは金属で被覆したプラスチック材料から生成することが可能である。このシートにおけるアパーチャ部は、「標準の」金属格子におけるものとは、形状および寸法の点で異なることはない。

アンテナ層４、５の高さ上にある各サブアレー内の放射素子からの信号が最初に結合され、得られた一団の信号は、図７に示される能動層８上に位置するロー・ノイズ増幅器８Ｂの初段の入力に送られる。この層において異なるサブアレーからの信号が増幅され、結合されて、２つのアンテナ二分の一部分に対応する偏波信号が形成される。能動層８は、ロー・ノイズ・マイクロ波増幅器８Ｂ、受動マイクロストリップ結合デバイス、伝送線路８Ａ、およびＤＣ供給回路を含み、これらのすべては、プリント回路基板技術により仕上げられる。能動デバイスの数は、アンテナ・パネルの長さにより、およびサブアレーの数により定められる。低損失誘電体基板を用いてこの層を形成することにより、良好なアンテナ利得対システム雑音比率が得られる。

両偏波に対して増幅された信号は、アンテナ二分の一部分Ｈａ１、Ｈａ２（図１に示す）に対して独立に結合され、図８に示す偏波制御ブロックに転送される。このブロックは、アンテナ二分の一部分からの信号を合計し、偏波を制御し、モバイル・アンテナ追尾システムに対して必要とする信号を供給する。このブロックにおける適切な処理（結合、位相調整、振幅制御）により、いかなる種類の偏波も、すなわち線形（垂直および水平）および円形（左旋および右旋）も、得ることが可能になる。両アンテナ二分の一部分Ｈａ１、Ｈａ２からの信号が位相調整され結合された後、追尾用情報信号が与えられる。望ましい偏波用の出力信号および追尾用の情報信号は、スイッチングにより選択され、マイクロストリップ線路と、図８、図９で示される円筒形導波路１４との間における変換部１２の入力に接続される。この変換部は、アンテナ出力を標準的な一対のロー・ノイズ・ブロック１０に接続する。これらの間の結合は、標準的な導波路フランジ１０Ａを用いて成し遂げられる。変換部は、特定の設計法により、２入力間において同等レベルの良好な分離（周波数バンド１０．７ないし１２．７ＧＨｚにおいて２０ｄＢ以上）を与える。これは、円筒形導波路１４（図８に示す）の励振に用いられるマイクロストリップ線路先端１２Ａ（図９に示す）の特定の形状により、達成される。マイクロストリップ線路が導波路に移行するような領域では、接地されたコプレーナ線路１２Ｂの短い断面を用いて、より良好なマッチングが獲得される。

本発明のある実施の形態に従うアンテナ構造の分解立体図である。 図１におけるアンテナの放射素子および給電線路の部分断面図である。 本発明のある実施の形態に従う薄膜金属シートから形成される給電線路の配置を図示する。 本発明のある実施の形態に従う開口部（放射アパーチャ部）を備えた金属基板の２つの二分の一部分を図示する。 本発明のある実施の形態に従う励振プローブおよび放射アパーチャ部の整列を図示する。 比較的厚い上側金属基板を有する、本発明の別の実施の形態の図１におけるアンテナの放射素子および給電線路の部分断面図である。 本発明のある実施の形態に従う能動デバイスを備えた層の構造を図示する。 本発明のある実施の形態に従うアンテナ出力と一対のロー・ノイズ・ブロック入力間の変換部における立体図である。 本発明のある実施の形態に従うマイクロストリップ線路と円形導波路構造間の変換部における上面図である。

Claims (10)

1. 複数の開口部（アパーチャ部）を備え、積層され接地された３枚の金属基板と、
   前記基板間に位置したアンテナ給電層とを有し、
   前記アパーチャ部は、列と行のマトリックス状に配置され、
   前記励振プローブは、前記アパーチャ部に一対ずつ整列され、アンテナ放射素子と、前記接地された３枚の基板の積層体の最後の基板（最下部の基板）の下方に位置する開口部の無い金属基板とが形成され、
   該３枚基板の積層体は、２個の直交偏波部を含む２つの独立したアンテナ・パッケージ（Ａｐ１）、（Ａｐ２）を形成し、
   前記アンテナ・パッケージは、受信信号初期増幅用に組み立てられる能動デバイスを備えた層（８）を含み、同軸変換部（１３）と、前記能動層（８）に接続される結合ブロック（９）とを介して放射素子群（４Ｄ、５Ｄ、１Ａ）と接続され、
   アンテナ層（４、５）は、サブアレーのように配置され、
   アンテナ出力は、変換部（１２）を介して、一対のロー・ノイズ・ブロック（ＬＮＢ）に接続されることを特徴とする、マイクロ波平面アンテナ。
2. 前記接地された金属基板（１、２、３）と前記アンテナ給電層（４、５）との間に、低損失誘電体材料により形成される絶縁層（６）が位置することを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記アンテナ層（４、５）は、１６個のサブアレーに分割され、
   該１６個のサブアレーのうちの各２個は、同等であり、該アンテナの四分の一を形成することを特徴とする、請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 近傍の各アンテナ四分の一部分から成るアンテナ層（４、５）は、互いに９０度回転していることを特徴とする、請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記アンテナ給電層（４、５）からのストリップ線路（４Ｂ、５Ｂ）の中心導体は、０．１ｍｍないし０．３ｍｍの間の厚みを備えた金属シートにより形成され、
   該金属シートは、ストリップ給電線路（４Ｂ、５Ｂ）を形成するため、薄膜金属シートエッチング用の既知技術のいくつかを用いて処理されることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ。
6. 該金属シートは、支持フレーム（４Ａ、５Ａ）と、機械的結合部（４Ｃ）用の素子を形成することを特徴とする、請求項５に記載のアンテナ。
7. 機械的結合部（４Ｃ）用の前記素子は、ＲＦデカップリング回路であることを特徴とする、請求項６に記載のアンテナ。
8. 前記放射素子（１Ａ）は、２つの平行な長辺と、２つの比較的短い平行な辺と、４つの短辺とを備えた八角形を有し、
   該長辺の対応する先端を、該比較的短い辺の先端にそれぞれ接続することを特徴とする、請求項１から７のいずれかに記載のアンテナ。
9. 開口部（１）を備えた該上側金属基板は、開口部（１００Ａ）を備え、該パッケージ内の金属基板（２、３）の残りよりも比較的厚い金属シート（１００）により形成されることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ。
10. 前記変換部（１２）は、１つの面（１２Ａ）に位置し、２つの直交したマイクロストリップ型のストリップ・プローブの非対称形状により形成され、この結果、円筒形導波路（１４）内において最小水準のクロストークを有する、電磁界の２つの直交状態が励振され、
    前記マイクロストリップ線路と前記導波路との変換部は、接地されたコプレーナ線路（１２Ｂ）の短い断面を用いて達成されることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ。
    

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