JP2008178101A - 二重偏波スロットモードアンテナ及び関連方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スロットパターン並びに配列素子に対する結合制御の向上を伴う二重偏波アンテナを提供する
【解決手段】二重偏波スロットモードアンテナは、基板によって支持される二重偏波スロットモードアンテナユニットを含み、各二重偏波スロットモードアンテナユニットは、離間関係に配置される複数のパッチアンテナ素子を含む。基板は、好ましくは、可撓基板である。各二重偏波スロットモードアンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子は、それらの間に間隙を定める離間した縁部分をそれぞれ含み得るし、それぞれの静電結合給電板が、各間隙と関連付けられ、且つ、各二重偏波スロットモードアンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子のそれぞれの離間した縁部分と重なり合い得る。各静電結合給電板は、給電地点を含み得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信分野に関し、より具体的には、低プロファイル位相配列（フェーズドアレイ）アンテナ及び関連方法に関する。

既存のマイクロ波アンテナは、衛星受信、遠隔放送、又は、航空機通信のような様々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徴は、プリント回路アンテナによって概ねもたらされる。プリント回路アンテナの最も簡潔な形態は、マイクロストリップアンテナであり、そこでは、平坦な伝導性素子が、均一な厚さの誘電性シートによって、単一の本質的に連続的な設置素子から離間される。マイクロストリップアンテナの一例は、Ｏｌｙｐｈａｎｔに発行した米国特許第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（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通信システムのために使用され得る。

しかしながら、そのようなアンテナの帯域幅及び指向性能力は、特定の用途のために制限され得る。電磁的に結合されるマイクロストリップパッチ対の使用が帯域幅を増大し得るが、この利益を得ることは、特に、低プロファイル及び広帯域幅の維持が望まれる場合には、著しい設計上の挑戦を示す。また、マイクロストリップパッチの配列の使用は、所定の走査角をもたらすことによって、指向性を改良し得る。しかしながら、マイクロストリップパッチの配列の利用は、ジレンマを提示する。もし配列素子が共により近接して離間されるならば、走査角は増大され得るが、より近接した間隔は、アンテナ素子間の望ましくない結合を増大し、それによって、性能を劣化し得る。

さらに、マイクロストリップパッチアンテナは、コンフォーマル(conformal)構造を必要とする用途において、例えば、航空宇宙システムにおいて有利であるが、アンテナを取り付けることは、それが正角性(conformality)及び満足な放射範囲及び指向性が維持され且つ周囲表面への損失が減少されるよう供給される方法に関して挑戦を示す。より具体的には、広い走査角を備える位相配列アンテナの帯域幅の増大は、従来、周波数範囲を複数の帯域に分割することによって達成されている。

そのようなアンテナの１つの例は、Ｗｏｎｇ ｅｔ ａｌ．に発行した米国特許第５，４８５，１６７号に開示されている。このアンテナは、ダイポール対配列の幾つかの対を含み、各対は、異なる周波数帯域に同調され、送信／受信方向に沿って互いに対して積み重ねられる。最高の周波数配列は、隣の最低周波数配列の前にあるなどである。

このアプローチは、アンテナのサイズ及び重量の著しい増大を招くと同時に、無線（ＲＦ）周波数干渉問題を生み出し得る。他のアプローチは、必要な走査角を機械的に得るためにジンバルを使用することである。しかしながら、ここでもまた、このアプローチは、アンテナのサイズ及び重量を増大し、より低速な応答時間を招き得る。

本発明の譲受人であるフロリダ州メルボルンのＨａｒｒｉｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって提供される電流シートアレイ（ＣＳＡ）技術は、広帯域、低プロファイルアンテナ技術の最新技術を提示している。例えば、Ｔａｙｌｏｒ ｅｔ ａｌ．に発行した米国特許第６，５１２，４８７号は、大きな相互静電結合を伴う緊密に積み重ねられたダイポールアンテナ素子を利用することによって、広い周波数帯域幅及び広い走査角を備える位相配列アンテナに向けられている。Ｔａｙｌｏｒ ｅｔ ａｌのアンテナは、格子ローブを防止し且つ広帯域幅を達成するために、近接して離間されたダイポールアンテナ素子間の相互結合を使用し、且つ、増大する。

スロット型のＣＳＡは、ダイポール型に対して、水平で垂直偏波を生成する能力、外部接地平面と一致する金属孔、散乱の減少、及び、孔での安定的な位相中心を含む、多くの利点を有する。コンフォーマル航空機アンテナは、しばしばスロット型パターンを要求するが、ダイポールＣＳＡは、これらの用途を取り扱わない。分析及び測定は、ダイポールＣＳＡが、水平での垂直偏波エネルギのための要求を満足し得ないことを示した。ダイポールＣＳＡは、接地平面上のダイポール状素子パターンの故に、広角走査性能においても制限され得る。

従って、上述の背景に鑑み、スロットパターン並びに配列素子に対する結合制御の向上を伴う二重偏波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並びに他の目的、特徴、及び、利点は、基板によって支持される二重偏波スロットモードアンテナユニットの配列を含み、各二重偏波スロットモードアンテナユニットは、離間関係に配置される複数のパッチアンテナ素子を含む二重偏波スロットモードアンテナによってもたらされる。基板は、例えば、コンフォーマル用途のために、可撓基板であり得る。それぞれの二重偏波スロットモードアンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子は、離間縁部分をそれぞれ有し、縁部分は、それらの間に間隙を定め、それぞれの静電結合給電板は、各間隙と関連付けられ、各二重偏波スロットモードアンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子のそれぞれの離間縁部分と重なり合う。各静電結合給電板は、給電地点を含み得る。

基板は、接地平面と、接地平面と隣接する誘電層とを含み得るし、パッチアンテナ素子は、接地平面の反対側で誘電層上に配置され得る。静電結合給電板は、接地平面とパッチアンテナ素子との間にあり得る。第二誘電層が、パッチアンテナ素子を被覆し得る。

二重偏波スロットモードアンテナユニットの配列は、好ましくは、水平偏波及び垂直偏波をもたらすよう、複数の直交アンテナスロットを定める。また、アンテナ給電構造が、各アンテナユニットのために含められ得るし、複数の同軸給電線を含み、各同軸給電線は、内側導体と、それを取り囲む関係にある管状の外側導体とを含み得る。外側導体は、接地平面に接続され得るし、内側導体は、各外側導体の両端部から外側に延び得るし、それらの給電地点でそれぞれの静電結合給電板に接続され得る。それぞれの接続バーが、隣接するアンテナユニットの各外側導体を電気的に接続し得る。

各二重偏波スロットモードアンテナユニットは、中心位置について配置される４つの矩形パッチアンテナ素子を含み、静電結合給電板のそれぞれは、隣接するパッチアンテナ素子のそれぞれの離間縁部分によって定められる間隙に沿って中心位置から外向きに延びる。各静電結合給電板の給電地点は、それらの外端部に隣接して位置付けられ得る。

本発明の方法的側面が、基板の上に二重偏波スロットモードアンテナユニットの配列を形成するステップを含む二重偏波スロットモードアンテナを作成する方法に向けられ、各二重偏波スロットモードアンテナユニットは、各二重偏波スロットモードアンテユニットの隣接するパッチアンテナ素子と離間関係に配置される複数のパッチアンテナ素子を含み、各二重偏波スロットモードアンテユニットは、それぞれの離間縁部分を有し、離間縁部分は、それらの間に間隙を定める。本発明は、複数の静電結合給電板を形成するステップも含み、各静電結合給電板は、それぞれの間隙と関連付けられ、各二重偏波スロットモードアンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子のそれぞれの離間縁部分と重なり合い、各静電結合給電板は給電地点を含む。

本アンテナの静電給電アプローチは、配列素子への結合制御を向上し、従来的な給電アプローチに対して帯域幅及びＶＳＷＲを改良し得るし、アンテナは、例えば、７０度までの広い走査性能を示し得る。給電アプローチは、給電地点を各スロットの中心に置き得る。それはＶＳＷＲを改良し得るし、干渉偏波分離を向上し得る。アンテナは、従来的なダイポールＣＳＡと対照的に、外側接地平面と一致する殆ど金属の孔を有し得るし、それは孔で安定的な位相中心をもたらし得る。

本発明は、以下に、本発明の好適実施態様が示される添付の図面を参照して、より十分に記載される。しかしながら、この発明は、多くの異なる形態において具現化され得るし、ここに示される実施態様に限定されるよう解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施態様は、この開示が網羅的で完全であり且つ本発明の範囲を当業者に十分に伝えるよう開示される。類似の番号は、全範囲に亘って類似の素子を指す。

先ず図１乃至３を参照して、本発明に従った二重偏波スロットモードアンテナ１０が今や記載される。アンテナ１０は、接地平面２６と、その近傍の誘電層２４とを有する基板１２と、基板１２によって支持される少なくとも１つのアンテナユニット１３又は単位セルＵＣとを含む。好ましくは、複数のアンテナユニット１３が、配列内に配置される。図１に示されるように、アンテナ１０は、例えば、９個のアンテナユニット１３を含む。各アンテナユニット１３は、複数のアンテナパッチＰ又は素子、例えば、接地平面２６の反対側で誘電層２４上の中央給電位置２２について互いに離間関係に配列される４個の隣接するアンテナパッチ１４，１６，１８，２０を含む。

各二重偏波スロットモードアンテナユニット１３の隣接するパッチアンテナ素子Ｐは、例示的に、それらの間に間隙２３を定める離間した縁部分をそれぞれ有する。それぞれの静電結合給電板７０が、各間隙２３と関連付けられ、各二重偏波スロットモードアンテナユニット１３の隣接するパッチアンテナ素子Ｐのそれぞれの離間縁部分と重なり合う。各静電結合給電板７０は、給電地点１９を含む。例示される実施態様に示されるように、静電結合給電板７０は、接地平面２６とパッチアンテナ素子Ｐとの間にあり得る。第二誘電層２８が、パッチアンテナ素子Ｐを被覆し得る。

好ましくは、アンテナ素子Ｐは、スロットモードを励起するために、それらの各間隙を横断して０／１８０°位相で給電される。素子励起の位相合せ(phasing)は、当業者によって理解され得るように、二重偏波ももたらす。

二重偏波スロットモードアンテナユニット１３の配列は、好ましくは、垂直偏波及び水平偏波のそれぞれと適合する水平Ｈ及び垂直Ｖアンテナスロットとして特定される複数の直交スロットを定める。また、アンテナ給電構造３０が、各アンテナユニット１３のために例証的に含められ、複数の同軸給電線３２を含む。各同軸給電線３２は、内側導体４２と、それを取り囲む関係にある管状の外側導体４４とを含み、外側導体４４は、接地平面２６に例証的に接続されている。内側導体４２は、各外側導体の両端部から外向きに延び、給電地点１９で各静電結合給電板７０に接続されている。それぞれの接続バー６０が、隣接するアンテナユニット１３の同軸給電線３２の各外側導体４４を接続する。接続バー６０は、配列の外周縁で、接地平面２６に例証的に接続されている。

静電結合給電板７０のそれぞれは、隣接するパッチアンテナ素子Ｐの各離間縁部分によって定められる間隙２３に沿って中央位置２２から外向きに延びる。静電結合給電板７０のそれぞれの給電地点１９は、その外端部の近傍に、例えば、アンテナパッチＰによって定められる地域の外側に例証的に位置付けられている。

接地平面２６は、アンテナユニット１３の外周縁を越えて横方向に外向きに延び、同軸給電線３２は、中央給電位置２２から上流で互いに接点から外向きに分かれている。アンテナ１０は、アンテナ給電構造３０に接続された少なくとも１つのハイブリッド回路（図示せず）も含む。ハイブリッド回路は、当業者によって理解されるように、アンテナユニット１３の各アンテナ素子１４，１６，１８，２０への信号を制御し、受信し、且つ、生成する。

誘電層２４は、アンテナ１０の動作周波数帯域の頂部付近の動作波長の約１／２の範囲内の厚さを有し、上方又はインピーダンス整合誘電層２８は、アンテナユニット１３の上に設けられ得る。このインピーダンス整合誘電層２８は、アンテナユニット１３の外周縁を越えて横方向に外向きにも延び得る。拡張基板１２及び拡張インピーダンス整合誘電層２８の使用は、アンテナ帯域幅の増大をもたらし得る。基板１２は、例えば、航空機又は宇宙船のノーズコーンのような、剛的表面に正角的（コンフォーマル）に取り付けられ得るよう、一部の実施態様において可撓であり得る。

特に図２を参照すると、アンテナユニット１３の非限定的な実施例は、以下の寸法及び／又は寸法範囲を含み得る。即ち、ＵＣ＝２．０”、ｈ＝２．０”、ｔｌ＝０．０３”、ｔ２＝０．０１”。

図４は、図１の二重偏波スロットモードアンテナ配列の模擬ＶＳＷＲ（帯域幅＞６：１）を示すグラフであり、そこにおいて、ＶＳＷＲ（Ｓ（２，２））トレースは、５０Ｏｈｍ負荷に整合されるアンテナのＶＳＷＲを表しているのに対し、ＶＳＷＲ（Ｓ（１，１））トレースは、５０Ｏｈｍ負荷への二段階インピーダンス変成後のＶＳＷＲを表している。図５は、４×２円偏波配列の０及び７０度走査角で測定された利得を示すグラフである。点線は、４×２配列と同一面積の均一に照明された孔から可能な最大利得を示している。２つの実曲線は、視程から０度及び７０度の２つの走査事例のための測定データを示している。

アンテナ配列１０は、配列素子Ｐに対する改良された結合制御を有する。よって、広い周波数帯域幅及び広い走査角を備えるアンテナ配列１０が、静電結合給電板７０を有する各スロットモードアンテナユニット１３のアンテナ素子１４，１６，１８，２０を利用することによって得られる。静電給電アプローチは、従来的な給電アプローチに対して帯域幅及びＶＳＷＲを向上し得る。給電アプローチは、ＶＳＷＲを改良し得る各スロットＨ，Ｖの中心に給電地点１９を配置し得るし、干渉偏波分離を向上し得る。アンテナ１０は、従来的なダイポールＣＳＡと対照的に、外側の接地平面２６と一致する殆ど金属の孔を有し得るし、それは孔に安定的な位相中心をもたらし得る。

本発明の方法的側面が、誘電層２４の上に二重偏波スロットモードアンテナユニット１３の配列を形成するステップを含む二重偏波スロットモードアンテナ１０を作成する方法に向けられ、各二重偏波スロットモードアンテナユニットは、各二重偏波スロットモードアンテユニットの隣接するパッチアンテナ素子と離間関係に配置される複数のパッチアンテナ素子Ｐを含み、各二重偏波スロットモードアンテユニットは、それぞれの離間縁部分を有し、離間縁部分は、それらの間に間隙２３を定める。本発明は、複数の静電結合給電板７０を形成するステップも含み、それぞれの静電結合給電板は、各間隙２３と関連付けられ、各二重偏波スロットモードアンテナユニット１３の隣接するパッチアンテナ素子Ｐの各離間縁部分と重なり合い、各静電結合給電板は、給電地点１９を含む。

接地平面２６と、それに隣接する誘電層２４とは、基板１２を定め得る。配列を形成するステップは、接地平面の反対側で誘電層２４上にパッチアンテナ素子Ｐを配置するステップを含み得る。静電結合給電板７０は、接地平面２６とパッチアンテナ素子Ｐとの間に設けられ得る。二重偏波スロットモードアンテナユニット１３の配列は、好ましくは、複数の直交アンテナスロットを定める。

本方法は、各アンテナユニット１３のためのアンテナ給電構造３０を提供するステップを含み得るし、複数の同軸給電線３２を含み、各同軸給電線３２は、内側導体４２と、それを取り囲む関係にある管状の外側導体４４とを含む。外側導体は、接地平面２６に接続され得るし、内側導体は、各外側導体の両端から外向きに延び、且つ、給電地点１９で各静電結合給電板７０に接続され得る。さらに、各接続バー６０が、隣接するアンテナユニットの同軸給電線の各外側導体４４と電気的に接続し得る。

アンテナ１０は、３：１ＶＳＷＲのために６：１帯域幅を有し得るし、＋／−７０度の走査角を達成し得る。よって、広い周波数帯域幅及び広い走査角を備える本発明に従った軽量パッチ配列アンテナ１０がもたらされる。また、アンテナ１０は可撓であり、航空機のような表面に正角に取付け可能であり得る。

本発明に従った二重偏波スロットモードアンテナ配列を概略的に示す平面図である。 図１に示されるような配列のアンテナユニットの実施例を示す拡大平面図である。 図１に示される配列のアンテナユニットを概略的に示す側面図である。 図１の二重偏波スロットモードアンテナ配列の模擬ＶＳＷＲ（帯域幅＞６：１）を示すグラフである。 本発明に従った４×２配列アンテナの０〜７０度の走査角で測定された利得を示すグラフである。

符号の説明

１０ スロットモードアンテナ(slot-mode antenna)
１２ 基板(substrate)
１３ アンテナユニット(antenna unit)
１４ アンテナパッチ(antenna patch)
１６ アンテナパッチ(antenna patch)
１８ アンテナパッチ(antenna patch)
１９ 給電地点(feed point)
２０ アンテナパッチ(antenna patch)
２２ 中央給電位置(central feed position)
２３ 間隙(gap)
２４ 誘電層(dielectric layer)
２６ 接地平面(ground plane)
２８ 第二誘電層(second dielectric layer)
３０ アンテナ給電構造(antenna feed structure)
３２ 同軸給電線(coaxial feed line)
４２ 内側導体(inner conductor)
４４ 外側導体(outer conductor)
６０ 接続バー(connection bar)
７０ 静電結合給電板(capacitive coupling feed plate)
Ｐ アンテナパッチ(antenna patch)
ＵＣ 単位セル(unit cell)

Claims (10)

1. 基板と、
   該基板によって支持される二重偏波スロットモードアンテナユニットの配列とを含み、各二重偏波スロットモードアンテナユニットは、離間関係に配置される複数のパッチアンテナ素子を含み、各二重偏波スロットモードアンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子は、離間縁部分をそれぞれ有し、該離間縁部分は、それらの間に間隙を定め、
   複数の静電結合給電板を含み、各静電結合給電板は、それぞれの間隙と関連付けられ、且つ、各二重偏波スロットモードアンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子のそれぞれの離間縁部分と重なり合い、
   各静電結合給電板は、給電地点を含む、
   二重偏波スロットモードアンテナ。
2. 前記基板は、接地平面と、該接地平面に隣接する誘電層とを含み、前記パッチアンテナ素子は、前記接地平面の反対側で前記誘電層上に配置される、請求項１に記載のアンテナ。
3. 各アンテナユニットのためのアンテナ給電構造をさらに含み、複数の同軸給電線を含み、各同軸給電線は、内側導体と、該内側導体を取り囲む関係にある管状の外側導体とを含み、前記外側導体は、前記接地平面に接続され、前記内側導体は、それぞれの外側導体から外向きに延び、前記給電地点で各静電結合給電板に接続される、請求項２に記載のアンテナ。
4. 複数の接続バーをさらに含み、各接続バーは、隣接するアンテナユニットの同軸給電線のそれぞれの外側導体を電気的に接続する、請求項３に記載のアンテナ。
5. 各二重偏波スロットモードアンテナユニットは、中心位置について配置される４つの矩形パッチアンテナ素子を含み、前記静電結合給電板のそれぞれは、隣接するパッチアンテナ素子のそれぞれの離間縁部分によって定められる前記間隙に沿って前記中心位置から外向きに延びる、請求項１に記載のアンテナ。
6. 各静電結合給電板の前記給電地点は、それらの外端部に隣接して位置付けられる、請求項５に記載のアンテナ。
7. 二重偏波スロットモードアンテナを製造する方法であって、
   基板の上に二重偏波スロットモードアンテナユニットの配列を形成するステップを含み、各二重偏波スロットモードアンテナユニットは、各二重偏波スロットモードアンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子と離間関係に配置される複数のパッチアンテナ素子を含み、各二重偏波スロットモードアンテナユニットは、離間縁部分をそれぞれ有し、該離間縁部分は、それらの間に間隙を定め、
   複数の静電結合給電板を形成するステップを含み、各静電結合給電板は、それぞれの間隙と関連付けられ、且つ、各二重偏波スロットモードアンテナユニットの隣接するパッチアンテナ素子のそれぞれの離間縁部分と重なり合い、各静電結合給電板は、給電地点を含む、
   方法。
8. 前記基板は、接地平面と、該接地平面に隣接する誘電層とを含み、前記配列を形成するステップは、前記接地平面の反対側で前記誘電層上に前記パッチアンテナ素子を配列するステップを含む、請求項７に記載の方法。
9. 各アンテナユニットのためにアンテナ給電構造を提供するステップをさらに含み、複数の同軸給電線を含み、各同軸給電線は、内側導体と、該内側導体を取り囲む関係にある管状の外側導体とを含み、該外側導体は、前記接地平面に接続され、前記内側導体は、それぞれの外側導体の両端部から外向きに延び、前記給電地点で各静電結合給電板に接続される、請求項８に記載の方法。
10. 隣接するアンテナユニットの同軸給電線の各外側導体をそれぞれの接続バーと電気的に接続するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。

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