JP2008512940A - 反射アンテナ - Google Patents

Abstract

受信アンテナ部及び送信アンテナ部を有する反射アンテナ素子。各部は、キャビティと、キャビティと位置合わせされている導電素子と、スロットを有する接地面導体とを有する。ストリップ導体は、スロットの上方に配置されている部分と、接地面導体の上方に配置されている部分とを有する。ストリップ導体及び下に位置する接地面導体は、受信アンテナ部によって受信されるエネルギーを送信アンテナ部に結合するためのマイクロストリップ伝送線路を形成する。送信アンテナ部及び受信アンテナ部は、直交偏波で動作するように構成される。増幅器が、伝送線路と回路を成して配置される。

Description

本発明は、反射アンテナに関し、より詳細には反射アレイアンテナに関する。

当該技術分野で既知のように、反射アレイアンテナは、多くの用途で使用されている。反射アレイアンテナの１つのタイプは、マイクロストリップ反射アレイである。このマイクロストリップ反射アンテナは、基本的には、フィードによって照射（illuminate）されるマイクロストリップパッチアンテナ又は双極アンテナの平面アレイである。個々のアンテナ素子は、反射場が平面的な等位相面を有するように入射場を適切に散乱させる。しかしながら、平面反射アレイの概念は新しいものではなく、文献に見られる実施態様は、送信及び受信の双方に単一のアンテナ素子を使用する。たとえば、Pozar他は、IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 45, No.2, February 1997に掲載されている「Design of a Millimeter Wave Microstrip Reflectarrays」という題名の論文に、独特のパッチアンテナのマイクロストリップ反射アレイを発表している。各パッチアンテナは、適切な位相合わせを行うためのサイズを有する。このマイクロストリップ反射アレイでは、同じアレイ素子が送信及び受信を行う。各アンテナ素子が独特であることを除いては、単一基板構造は、一方の側の方形パッチと他方の側の接地面とから構成される。Bialkowski他は、IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 50, August 2002に掲載されている「Design, Development, and Testing of X-Band Amplifying Reflectarrays」という題名の論文に報告されているような開口連結パッチアンテナ（aperture coupled patch antenna）を使用して、Ｘ帯域でマイクロストリップ反射アレイを実施している。１つのアンテナしか、送信及び受信の双方の直交スロットと共に使用されないので、この手法では、送信と受信との間の絶縁が困難であることが判明している。さらに、米国特許第６，３８４，７８７号は、フラット反射アレイアンテナを記載している。

発明の概要

本発明によれば、受信アンテナ部及び送信アンテナ部を有する反射アンテナ素子が提供される。各部は、エアキャビティと、スロットを有する接地面導体と、スロット及びキャビティと位置合わせされている導電素子とを有する。ストリップ導体及び接地面導体は、受信アンテナ部によって受信されるエネルギーを送信アンテナ部に連結するためのマイクロストリップ伝送線路を形成する。送信アンテナ部及び受信アンテナ部は、直交偏波で動作するように構成される。

一実施の形態では、増幅器が伝送線路と回路を成して配置されている。
本発明の別の特徴によれば、受信アンテナ部及び送信アンテナ部を有するアンテナ素子が提供される。受信アンテナ部は、（ｉ）一対の重なり合う基板の第１のものの第１の表面の第１の部分に配置されている受信パッチ導体と、（ｉｉ）基板の第１のものの第１の部分に配置されている受信キャビティであって、このような受信キャビティは、受信パッチ導体と位置合わせされ、一対の基板の第１のものの第１の内部が、受信キャビティと受信パッチ導体との間に配置され、このような受信キャビティは伸長部を有する、受信キャビティと、（ｉｉｉ）受信スロットを有する接地面導体であって、このような受信スロットは、受信キャビティのエネルギーを受信するための入口を有する、接地面導体とを備える。送信アンテナ部は、（ｉ）一対の基板の第１のものの第１の表面の第２の部分に配置されている送信パッチ導体であって、一対の基板の第１のものの第１の表面のこのような第２の部分と、基板の第１のものの第２の部分とは、一対の基板の第１のものの第１の表面に沿って互いに横方向に間隔を空けられている、送信パッチ導体と、（ｉｉ）基板の第１のものの第２の部分に配置されている送信キャビティであって、このような送信キャビティは、送信パッチ導体と位置合わせされ、一対の基板の第１のものの第２の内部が、送信キャビティと送信パッチ導体との間に配置され、このような送信キャビティは伸長部を有する、送信キャビティとを備え、（ｉｉｉ）接地面導体は、送信スロットを有し、このような送信スロットは、エネルギーを送信キャビティに送信するための入口を有する。受信スロットの上方に配置されている部分と送信スロットの上方に配置されている部分とを有し、且つ、一対の基板の第２のものの表面に配置されているストリップ導体であって、このようなストリップ導体と、一対の基板の第２のものの下に位置する部分と、接地面導体の下に位置する部分とは、受信アンテナ部によって受信されるエネルギーを送信アンテナ部へ連結するためのマイクロストリップ伝送線路を形成する、ストリップ導体が提供される。受信キャビティの伸長部は、第１の方向に沿って配置され、送信キャビティの伸長部は、第２の方向に沿って配置され、第１の方向は、第２の方向に垂直である。

このような配置により、別個の送信開口連結パッチアンテナ部及び受信開口連結パッチ部が、絶縁の改善及び直交偏波ねじれ（orthogonal polarization twist）に使用される。加えて、これらのパッチアンテナ部の下における半導体基板のマイクロマシニングプロセス又はフォトリソグラフィエッチングプロセスによって、帯域幅が追加され、表面波が低減される。この２基板アーキテクチャ、すなわち、２層アーキテクチャは、下位フィード層を接地面導体によってアンテナ部へ入射する放射から完全にシールドされる電力増幅器（ＰＡ）と取り替えることにより、アクティブアレイの実施を可能にする。

本発明の１つ又は複数の実施の形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明で述べられる。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、この説明及び図面並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

さまざまな図面における同じ参照シンボルは、同じ要素を示す。

ここで、図１及び図１Ａを参照すると、図３の反射アレイアンテナ９のアンテナ素子１０が、受信アンテナ部１２と、送信アンテナ部１４と、受信アンテナ部１２によって受信されるエネルギーを送信アンテナ部１４に結合するためのストリップ伝送線路１６とを含むことが示されている。

受信アンテナ部１２は、一対の重なり合う基板２２、２４の第１のものの第１の表面２０、ここでは、基板２２の表面２０、の第１の部分に配置されている受信パッチ導体１８を含む。ここでは、基板２２は、誘電体基板を提供する高抵抗シリコンである。受信キャビティ２６が、基板２２に配置され、延長された部分（伸長部）２７を有する。受信キャビティ２６は、受信パッチ導体１８と位置合わせされており、ここでは、受信パッチ導体１８のすぐ背後に位置合わせされている。第１の基板２２の内部２８が、受信キャビティ２６と受信パッチ導体１８との間に配置されている。受信アンテナ部１２は、接地面導体３０を含み、接地面導体３０は、該接地面導体内に細長い受信スロット３２を有する。受信スロット２６は、受信キャビティ３２のエネルギーを受信するための入口を有する。

送信アンテナ部１４は、基板２２の第１の表面２０の第２の部分に配置されている送信パッチ導体３４を含む。受信パッチ導体１８及び送信パッチ導体は、基板２２の第１の表面２０に沿って互いに横方向に間隔が空けられている。送信アンテナ部１４は、基板２２の第２の部分に配置されている送信キャビティ３６を含み、伸長部２３を有する。送信キャビティ３６は、送信パッチ導体３４と位置合わせされており、ここでは、送信パッチ導体３４のすぐ背後に位置合わせされている。基板２２の内部３８が、送信キャビティ３６と送信パッチ導体３４との間に配置されている。接地面導体３０は、当該接地面導体内に送信スロット４０を有する。送信スロット４０は、送信キャビティ３６内へエネルギーを伝送するための入口を有する。

ストリップ導体４２は、受信スロット２２の上方に配置されている部分と、送信スロット３６上方に配置されている部分とを有し、且つ、一対の基板２２、２４の第２のもの、ここでは、基板２４の表面４４に配置されている。ここでは、基板２４は、基板２２と同じ材料から成る。ストリップ導体６２、基板２４の下に位置する部分４６、及び接地面導体３０の下に位置する部分は、受信アンテナ部１２によって受信されるエネルギーを送信アンテナ部１４に連結するためのマイクロストリップ伝送線路１６を形成する。

受信キャビティ２６の伸長部２７は、図１の垂直方向として示される第１の方向に沿って配置され、送信キャビティ１４の伸長部２３は、図１の水平方向として示される第２の方向に沿って配置されている。したがって、受信キャビティ２６は、垂直方向の電界ベクトルＥ_Ｖをサポート（維持）し、送信キャビティ３６は、水平方向の電界ベクトルＥ_Ｈをサポートする。したがって、受信アンテナ部１２のスロット３２で受信される水平偏波エネルギーは、送信アンテナ部１４によって垂直偏波エネルギーとして送信される。

次に図１Ｂを参照すると、基板２２は、その表面上にフォトリソグラフィが形成され、受信パッチ導体１８及び送信パッチ導体３４と、受信キャビティ２６及び送信キャビティ３６と、図１Ａの接地面３０の２分の１を成す金属層３０ｂとが、基板２２にそれぞれ形成されていることに留意されたい。金属層３０ｂは、受信スロット３２の一部及び送信スロット４０の一部を有する。基板２４は、接地面３０（図１Ａ）の他方の２分の１を提供する金属層３０ａと、ストリップ導体４２とを有する。これら２つの基板は、たとえば、図示しない任意の適切な導電性エポキシ樹脂で互いに接着されている。

次に図２及び図２Ａを参照すると、反射アンテナ素子１０’が示されている。ここでは、マイクロ波モノリシック集積回路ＭＭＩＣ増幅器５０が、伝送線路１６と回路を成して配置される。したがって、図１のストリップ導体４２は、図２及び図２Ａに示すように２つの部分４２ａ及び４２ｂに分離されている。ストリップ導体部４２ａは、ＭＭＩＣ増幅器５０の入力（Ｉ）に接続され、ストリップ導体部４２ｂは、ＭＭＩＣ増幅器５０の出力（Ｏ）に接続されている。図２に示すように、ストリップ導体部４２ａは、受信スロット３２の上方に配置され、ストリップ導体部４２ｂは、送信スロット３６の上方に配置されている。

上述した２基板構造１０、１０’を使用することによって、送信／受信（Ｔ／Ｒ）素子の十分な絶縁を維持しつつ、送信／受信（Ｔ／Ｒ）素子用の空間が可能になる。パッチ導電素子の背後からシリコンのマイクロマシニング（微細加工）又は部分的なエッチングによって、絶縁（分離）が維持され、表面波が防止される。

アンテナ１０、１０’は、以下の特徴を有する。
別個の（分離した）送信アンテナ部及び受信アンテナ部
マイクロマシニングによる開口連結パッチ
絶縁を有する偏波ねじれ（ツイスト：twist）
マイクロストリップフィード線路の長さを変化させることによる実時間遅延
マイクロストリップフィード線路を図２及び図２Ａのような電力増幅器５０と置換することによって、アクティブアレイを作成することができる。この手法によれば、アレイアンテナ９（図３）は、仮に影響を受けたとしても、受ける影響は最小限となる。同じ層で単位セル空間をアンテナと共有するのではなく、単位セルの背後（すなわち、アンテナ１０’の背後）に電力増幅器５０を配置することによって、最大の横方向のフットプリント許容差を使用することが可能になる。たとえば、９５ＧＨｚにおいて、自由空間波長の２分の１が１．６ｍｍとなる。ほとんどの用途では、この１．６ｍｍが、９５ＧＨｚにおける単位セルのフットプリントを規定する。

本発明の多数の実施の形態を説明してきた。それにもかかわらず、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を行えることが理解されよう。したがって、他の実施の形態は、特許請求の範囲の範囲に含まれる。

本発明による反射アンテナ素子の平面図である。 図１の反射アレイアンテナの断面図である。このような断面は、図１の線１Ａ−１Ａに沿って取られたものである。 図１の反射アレイアンテナの分解断面図である。このような断面は、図１の線１Ａ−１Ａに沿って取られたものである。 本発明の代替的な一実施の形態による反射アンテナ素子の平面図である。 図２の反射アレイアンテナの断面図である。このような断面は、図２の線２Ａ−２Ａに沿って取られたものである。 本発明による反射アレイアンテナの図である。このようなアンテナは、そのアレイ素子として、図１又は図２のいずれかのアンテナ素子を有する。

Claims (16)

1. 反射アンテナ素子であって、
   受信アンテナ部と、送信アンテナ部とを備え、各アンテナ部は、
   キャビティと、
   該キャビティと位置合わせされている導電素子と、
   スロットを有する接地面導体と、
   前記スロットの上方に配置されている部分と、前記接地面導体の上方に配置されている部分とを有するストリップ導体と、を有し、
   前記ストリップ導体及び下に位置する接地面導体は、前記受信アンテナ部によって受信されるエネルギーを前記送信アンテナ部に結合するためのマイクロストリップ伝送線路を形成し、
   前記送信アンテナ部及び前記受信アンテナ部は、直交偏波で動作するように構成される、
   反射アンテナ素子。
2. 前記伝送線路と回路を成して配置されている増幅器を含む、請求項１に記載の反射アンテナ素子。
3. （Ａ）受信アンテナ部であって、
   受信キャビティと、
   該受信キャビティと位置合わせされている受信導電素子と、
   受信スロットを有する受信アンテナ接地面導体であって、ストリップ導体が、前記受信導電素子から間隔を空けられ、受信スロットは、前記受信キャビティのエネルギーを受信するように配置される、受信アンテナ接地面導体と、
   前記受信スロットの上方に配置されている部分と前記受信接地面導体の上方に配置されている部分とを有するストリップ導体であって、該ストリップ導体及び下に位置する受信接地面導体は、前記受信スロットによって前記受信キャビティから受信されるエネルギーを前記受信キャビティに結合するためのマイクロストリップ伝送線路を形成する、ストリップ導体と、
   を備える受信アンテナ部と、
   （Ｂ）送信アンテナ部であって、
   送信キャビティと、
   該送信キャビティと位置合わせされている送信導電素子と、
   送信スロットを有する送信アンテナ接地面導体であって、ストリップ導体が、前記送信導電素子から間隔を空けられ、送信スロットは、前記送信キャビティ内へエネルギーを送信するように配置される、送信アンテナ接地面導体と、
   前記送信スロットの上方に配置されている部分と前記送信接地面導体の上方に配置されている部分とを有するストリップ導体であって、該ストリップ導体及び下に位置する送信アンテナ接地面導体は、前記送信スロットからのエネルギーを前記送信キャビティに結合するためのマイクロストリップ伝送線路を形成する、ストリップ導体と、
   を備える送信アンテナ部と、
   を備え、
   （Ｃ）前記送信アンテナ部及び前記受信アンテナ部は、直交偏波で動作するように構成される、
   反射アンテナ素子。
4. 前記受信スロットの上方に配置されている部分を有する前記ストリップ導体に接続される入力と、前記送信スロットの上方に配置されている部分を有する前記ストリップ導体に接続される出力とを有する増幅器を含む、請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記受信スロットの上方に配置されている部分を有する前記ストリップ導体、及び、前記送信スロットの上方に配置されている部分を有する前記ストリップ導体は、連続したストリップ導体である、請求項３に記載のアンテナ。
6. 前記受信キャビティは伸長部を有し、前記送信キャビティは伸長部を有し、前記スロットは細長いスロットであり、前記受信キャビティの前記伸長部は、前記送信キャビティの前記伸長部に垂直である、請求項３に記載のアンテナ。
7. 前記受信スロットの上方に配置されている部分を有する前記ストリップ導体に接続される入力と、前記送信スロットの上方に配置されている部分を有する前記ストリップ導体に接続される出力とを有する増幅器を含む、請求項６に記載のアンテナ。
8. 前記受信スロットの上方に配置されている部分を有する前記ストリップ導体、及び、前記送信スロットの上方に配置されている部分を有する前記ストリップ導体は、連続したストリップ導体である、請求項６に記載のアンテナ。
9. 前記受信導電素子及び前記送信導電素子は、パッチ導体である、請求項７に記載のアンテナ。
10. 前記受信アンテナ接地面導体及び前記送信接地面導体は、反射アンテナ素子の共通の接地面を提供する、請求項９に記載のアンテナ。
11. 前記受信キャビティは伸長部を有し、前記送信キャビティは伸長部を有し、前記スロットは細長いスロットであり、前記受信キャビティの前記伸長部は、前記送信キャビティの前記伸長部に垂直である、請求項１０に記載のアンテナ。
12. 前記受信導電素子及び前記送信導電素子は、パッチ導体である、請求項１１に記載のアンテナ。
13. アンテナ素子であって、
    横方向に間隔を空けられた領域に形成される受信キャビティ及び送信キャビティを有する基板であって、前記受信キャビティは伸長部を有し、前記送信キャビティは伸長部を有する、基板と、
    前記基板上に配置されて、前記受信キャビティ及び前記送信キャビティにそれぞれ位置合わせされている受信導電素子及び送信導電素子と、
    受信スロット及び送信スロットを有する接地面導体であって、ストリップ導体が、前記受信導電素子及び前記送信導電素子から前記基板の一部だけ間隔を空けられ、受信スロットは、前記受信キャビティのエネルギーを受信するように配置され、前記送信スロットは、前記送信キャビティへエネルギーを送信するように配置される、接地面導体と、
    前記受信スロットの上方に配置されている部分と前記送信スロットの上方に配置されている部分とを有し、前記接地面導体の上方に配置されているストリップ導体であって、該ストリップ導体及び下に位置する接地面導体は、前記受信スロットによって受信されるエネルギーを、前記受信キャビティから前記送信スロットを通って前記送信キャビティへ結合するためのマイクロストリップ伝送線路を形成する、ストリップ導体と、
    を備え、
    前記受信キャビティの前記伸長部は、前記送信キャビティの前記伸長部に垂直である、
    アンテナ素子。
14. 前記伝送線路と回路を成して配置されている増幅器を含む、請求項１２に記載のアンテナ。
15. （Ａ）受信アンテナ部であって、
    （ｉ）一対の重なり合う基板の第１のものの第１の表面の第１の部分に配置されている受信パッチ導体と、
    （ｉｉ）前記基板の前記第１のものの第１の部分に配置されている受信キャビティであって、該受信キャビティは、前記受信パッチ導体と位置合わせされ、前記一対の基板の前記第１のものの第１の内部が、前記受信キャビティと前記受信パッチ導体との間に配置され、この受信キャビティは伸長部を有する、受信キャビティと、
    （ｉｉｉ）受信スロットを有する接地面導体であって、受信スロットは、前記受信キャビティのエネルギーを受信するための入口を有する、接地面導体と、
    を備える受信アンテナ部と、
    （Ｂ）送信アンテナ部であって、
    （ｉ）前記一対の基板の前記第１のものの前記第１の表面の第２の部分に配置されている送信パッチ導体であって、該一対の基板の第１のものの第１の表面の第２の部分と、該基板の第１のものの第２の部分とは、一対の基板の第１のものの第１の表面に沿って互いに横方向に間隔を空けられている、送信パッチ導体と、
    （ｉｉ）前記基板の前記第１のものの第２の部分に配置されている送信キャビティであって、このような送信キャビティは、前記送信パッチ導体と位置合わせされ、前記一対の基板の前記第１のものの第２の内部が、前記送信キャビティと前記送信パッチ導体との間に配置され、この送信キャビティは伸長部を有する、送信キャビティと、
    を備え、
    （ｉｉｉ）前記接地面導体は送信スロットを有し、この送信スロットは、エネルギーを前記送信キャビティに送信するための入口を有する、送信アンテナ部と、
    （Ｃ）前記受信スロットの上方に配置されている部分と前記送信スロットの上方に配置されている部分とを有し、前記一対の基板の第２のものの表面に配置されているストリップ導体であって、このようなストリップ導体と、前記一対の基板の前記第２のものの下に位置する部分と、前記接地面導体の下に位置する部分とは、前記受信アンテナ部によって受信されるエネルギーを前記送信アンテナ部へ結合するためのマイクロストリップ伝送線路を形成する、ストリップ導体と、
    を備え、
    （Ｄ）前記受信キャビティの前記伸長部は、第１の方向に沿って配置され、前記送信キャビティの前記伸長部は、第２の方向に沿って配置され、前記第１の方向は、前記第２の方向に垂直である、
    アンテナ素子。
16. 前記伝送線路と回路を成して配置されている増幅器を含む、請求項１５に記載のアンテナ。

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