JP2009506585A

JP2009506585A - アンテナ

Info

Publication number: JP2009506585A
Application number: JP2008510312A
Authority: JP
Inventors: エブリング，ジェイムズ，ピー．; リベイズ，ガブリエル，エム．; ホワイト，カーソン
Original assignee: オートモーティブシステムズラボラトリーインコーポレーテッド
Priority date: 2005-05-05
Filing date: 2006-05-05
Publication date: 2009-02-12
Also published as: EP1886383A2

Abstract

アンテナ（１０）は、第１の表面（４０）および第２の表面（５２）を有する誘電体材料（１６）と、第１の表面（４０）に動作可能に結合された離散形レンズアレイ（１４）と、第２の表面（５２）に動作可能に結合された少なくとも１つの横形給電アンテナ（１８）とを含む。

Description

本発明は、離散形レンズアレイと少なくとも１つの横形給電アンテナを含む、アンテナに関する。

関連する出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み入れる、２００５年５月５日付け先願の米国特許仮出願番号第６０／５９４７８３号の利益を主張するものである。本出願は、２００４年８月１１日出願の米国特許仮出願番号第６０／５２２０７７号の利益を主張する、２００５年８月１１日出願の米国特許出願番号第１１／１６１６８１号とその主題について部分的に関係するものであり、それぞれを参照により本明細書に組み入れる。

実施態様の詳細な説明
図１〜６に参照すると、多重ビームアンテナ１０は、誘電体材料のブロック１６を介して離散形レンズアレイ（discrete lens array）１４と協働するように適合された多素子横形給電アレイ（multi-element broadside feed array）１２を含み、多素子横形給電アレイ１２および離散形レンズアレイ１４は、誘電体材料のブロック１６の反対両側にそれぞれ動作可能に結合されている。多重ビームアンテナ１０は、送信モード、受信モード、または順次もしくは同時に送信モードと受信モードの両方で動作するように適合させることができる。送信モードにおいて、多素子横形給電アレイ１２の各横形給電アンテナ１８は、離散形レンズアレイ１４によって焦点が合わされるように、異なる方向に異なる電磁エネルギーのビーム２０を生成する。

受信モードにおいて、多重アンテナ横形給電アレイ１２の各横形給電アンテナ１８は、対応する異なる方向から、離散形レンズアレイ１４を介して異なる電磁エネルギーのビーム２０を受信する。一態様においては、離散形レンズアレイ１４は、実質的に離散形レンズアレイ１４の焦点面（focal plane）に沿って、すなわちそこからｆの距離に位置し、ここでｆは離散形レンズアレイ１４の焦点距離に等しい。別の態様においては、離散形レンズアレイ１４は、実質的に離散形レンズアレイ１４の焦点曲面（focal surface）に沿って、すなわち、離散形レンズアレイ１４の要素のそれぞれが、対応する方向に関連する電磁エネルギー２０の関連するビームに対して、実質的に離散形レンズアレイ１４の焦点になるように配置される。

多重ビームアンテナ１０’の第１の態様を、図１〜６に示す。離散形レンズアレイ１４は、離散形レンズアレイ１４の第１の側面２６．１上の第１組２２．１の第１の横形アンテナ素子２４．１、および、離散形レンズアレイ１４の第２の側面２６．２上の、対応する第２組２２．２の第２の横形アンテナ素子２４．２を含み、第１の側面２６．１および第２の側面２６．２は、互いに反対方向を向き、第１組２２．１および第２組２２．２からの第１の横形アンテナ素子２４．１および第２の横形アンテナ素子は互いに対になっている。各対２８の第１の横形アンテナ素子２４．１および第２の横形アンテナ素子２４．２は、関連する遅延要素３０を介して互いに連通するように適合され、遅延量または位相シフトは、電磁レンズ、例えば球形、平球形（plano-spherical）、楕円形、円筒形または平円筒形（plano-cylindrical）のレンズの挙動を模擬する（emulate）ように、離散形レンズアレイ１４における特定の対２８の第１の横形アンテナ素子２４．１と第２の横形アンテナ素子２４．２の場所の関数となっている。離散形レンズアレイ１４上の位置の関数としての遅延は、送信モードにおいて、焦点における関連する横形給電アンテナ１８からの電磁エネルギーのビーム２０の発散ビームを、離散形レンズアレイ１４から出る対応する実質的に平行化されたビームに変換し、受信モードにおいてはその逆を行うように適合されている。

図２〜４を参照すると、第１の観点によれば、離散形レンズアレイ１４は、第１の誘電体基板３２の第１の側面３２．１上の第１組２２．１の第１の横形アンテナ素子２４．１、例えば、パッチアンテナ素子と、第２の誘電体基板３４の第１の側面３４．１上の第２組２２．２の第２の横形アンテナ素子２４．２、例えばパッチアンテナ素子とを含み、第１の誘電体基板３２および第２の誘電体基板３４のそれぞれの第２の側面３２．２、３４．２が、第１横形アンテナ素子２４．１と第２の横形アンテナ素子２４．２の各対２８に関連して、関連する結合スロット３８を設けられた、中央導電層３６の反対両側の全体にわたって、互いに面しており、関連する結合スロット３８は、各対２８の第１の横形アンテナ要素２４．１と第２の横形アンテナ要素２４．２の間を連通させ、例えば、参照により本明細書に組み入れてある技術論文A. Abbaspour-Tamijani, K. Saraband, and G.M. Rebeiz, “A planar filter-lens-array for millimeter-wave applications,” 2004 AP-S Int. Symp. Dig., Monterey Ca, June 2004.に従って、対応する関連遅延をもたらすように適合されている。

例えば、図４を参照すると、一態様によれば、結合スロット３８は、「Ｕ形」すなわちチューニングフォークの端部に類似し、隣接する第１の誘電体基板３２および第２の誘電体基板３４と協働して、サンドイッチ形共面導波路（ＣＰＷ：coplanar-waveguide）共振構造を構成し、関連する位相遅延は、関連する結合スロット３８を拡大縮小（scaling）することによって調整することができる。したがって、関連する遅延要素３０と組み合わせた第１の横形アンテナ素子２４．１と第２の横形アンテナ素子２４．２の個々の対２８は、放射性ポートを備えるバンドパスフィルタを構成し、これらの放射性ポートのそれぞれは、関連する第１の横形アンテナ素子２４．１および第２の横形アンテナ素子２４．２、ならびに関連する結合スロット３８の対応する３つの共振器に基づく、三極フィルタ（three-pole filter）としてそれぞれモデル化することができる。

例えば、第１の誘電体基板３２および第２の誘電体基板３４は、動作周波数において比較的に損失の少ない材料で構築してもよく、その例としては、動作周波数に応じて、ＤＵＲＯＩＤ（登録商標）、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）含有材料、セラミック材料、などがある。例えば、一態様において、第１の誘電体基板３２および第２の誘電体基板３４は、厚さが約１５〜２０ｍｍ、相対誘電率（relative dielectric constant）が約２．２のＴＥＦＬＯＮ（登録商標）基板を備えるＤＵＲＯＩＤ（登録商標）を含み、第１の横形アンテナ素子２４．１および第２の横形アンテナ素子２４．２と、結合スロット３８は、関連する第１の誘電体基板３２および第２の誘電体基板３４に接合された関連する導電層から、例えば、減法技術、例えば化学エッチングもしくはイオンエッチング、またはスタンピングによるか、あるいは加法技術、例えば、堆積、接合または積層によって形成される。第１の横形アンテナ素子２４．１および第２の横形アンテナ素子２４．２は、例えば、マイクロストリップパッチ、ダイポールまたはスロットを含む。

離散形レンズアレイ１４の第１の側面２６．１は、例えば、誘電体材料のブロック１６のそれと実質的に等しい誘電率を有する、接合剤４２を使用して、誘電体材料のブロック１６の第１の表面４０に接合される。第１の横形アンテナ素子２４．１は、誘電体材料のブロック１６に実質的にインピーダンス整合するように適合され、第２の横形アンテナ素子２４．２は、実質的に空気とインピーダンス整合するように適合されている。

誘電体材料のブロック１６は、多素子横形給電アレイ１２を実質的に離散形レンズアレイ１４の焦点面に沿って配置するように適合されている。一態様において、誘電体材料のブロック１６は、離散形レンズアレイ１４の焦点距離に実質的に等しい厚さのスラブ、例えば、焦点距離ｆと離散形レンズアレイ１４の直径Ｄの比ｆ／Ｄで与えられるアスペクト比が０．２５よりも大きいスラブを含む。例えば、ｆ／Ｄが約０．４〜０．６であり、開口直径（aperture diameter）が約４インチである、多重ビームアンテナ１０に対して、誘電体材料のブロック１６の対応する厚さは、約１．６〜２．４インチである。ｆ／Ｄが大きくなると、より良好なスキャンオフ軸（scanning-off axis）が得られるが、より厚い構造を必要とする。特定の用途に対する誘電体材料のブロック１６の特定の厚さは、例えば、レイトレース（ray-tracing）モデルおよび全波電磁（full-wave electromagnetic）モデルを使用して計算することができ、そうされることが多い。誘電体材料のブロック１６としては、例えば、動作周波数において比較的損失の小さい材料、例えば、動作の周波数に応じて、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）含有材料またはセラミック材料がある。

例えば、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）は、マイクロ波およびミリ波周波数において有用であるが、類似の相対誘電率および類似の損失正接（loss tangent）を有する材料も、類似の結果をもたらすであろう。一態様において、誘電体材料のブロック１６は、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）の円筒棒からスライスされる、平行平坦面４６を備える円筒形ディスクを含み、別個に製造された多素子横形給電アレイ１２および離散形レンズアレイ１４は、円筒形ディスク４４のそれぞれの反対の平行平坦面４６に接合されている。円筒形ディスク４４の円筒側部表面４８からの過剰の不要な反射は、それがある場合には、円筒側部表面４８を丸めるか、または角付けすることによるか、または周囲空気によりよく整合するように、そこに１／４波溝を組み込むことによって軽減することができる。さらに、電磁エネルギーの漏出（spillover）を軽減するように、吸収材料を円筒側部表面４８のまわりに加えることもできる。

図２ｂ、２ｃ、５および６を参照すると、多素子横形給電アレイ１２は、例えば、関連する第３の誘電体基板５０に接合された関連する導電性層から、減法技術、例えば、化学エッチングもしくはイオンエッチング、またはスタンピングによるか、あるいは加法技術、例えば、堆積、接合もしくは積層によって形成される、第３の誘電体基板５０上の複数の横形給電アンテナ１８を含む。例えば、第３の誘電体基板５０は、動作周波数において比較的低い損失の材料、例えば、動作周波数に応じて、ＤＵＲＯＩＤ（登録商標）、ＴＥＦＬＯＮ（登録商標）含有材料、セラミック材料を含む。第３の誘電体基板５０上の多素子横形給電アレイ１２は、接合剤４２で、誘電体材料のブロック１６の第２の表面５２に接合され、離散形レンズアレイ１４の中心と実質的に位置合わせされている。

多素子横形給電アレイ１２の横形給電アンテナ１８は、例えば、方位角もしくは仰角におけるスキャン、または二次元スキャンを行うように、Ｘ方向、Ｙ方向において線形アレイに沿って配置されるか、二次元間隔に従って配置されるか、またはその任意の組合せ（すなわち、十字形）に従って配置される。線形アレイ（例えば、１×Ｎ、２×Ｎ、または３×Ｎ）および十字形アレイ（ＸにおいてＮ、ＹにおいてＮ）に対して、第３の誘電体基板５０上で、関連するフロントエンド電子構成要素５４、例えば、送受信電子回路と、横形給電アンテナ１８用のスイッチネットワークを、多素子横形給電アレイ１２と統合するのに十分な余地がある。例えば、横形給電アンテナ１８には、ダイポール（またはダブルダイポールもしくは折り畳みダイポール）アンテナ、スロット（またはダブルスロットまたは折り畳みスロット）アンテナ、マイクロストリップ型アンテナ、パッチアンテナ、またはその他任意の種類の横形放射性アンテナを含めてもよく、横形給電アンテナ１８は、誘電体材料のブロック１６内部で効率的に放射するように適合されており、具体的な設計は、具体的な動作周波数に適合されることになる。例えば、一態様において、横形給電アンテナ１８は、単一または対の長方形または正方形導電性パッチを含む。他の態様においては、スロット給電を使用することもできる。

１つの工程によれば、多素子横形給電アレイ１２および離散形レンズアレイ１４は、それぞれ最初に別個に製作して、次いで両者をそれぞれ誘電体材料のブロック１６の反対側の第１の表面４０と第２の表面４２に接合し、離散形レンズアレイ１４に対する多素子横形給電アレイ１２の位置合せを維持する、統合多重ビームアンテナ１０のアセンブリを作成し、それによってその後におけるそれらの整列の必要がなくなるようにされる。従来型のプリント回路基板（ＰＣＢ）構築および組立工程を、多素子横形給電アレイ１２と離散形レンズアレイ１４の構築と位置合せ、ならびに多重ビームアンテナ１０の組立てに使用することができ、これによって信頼性向上とコスト低減たもたらされる。

多重ビームアンテナ１０は、少なくとも１つの入力と複数の出力を有するスイッチングネットワークを備えてもよく、この少なくとも１つの入力は、例えば、少なくとも１つの伝送線路を介して、共同アンテナ給電ポートに動作可能に接続され、複数の出力のそれぞれの出力は、例えば、少なくとも１つの伝送線路を介して、複数の横形給電アンテナ１８の異なる横形給電アンテナ１８のそれぞれの給電ポートに接続される。スイッチングネットワークは、所与の時間において、どの出力を少なくとも１つの入力に接続するかを制御する、少なくとも１つの制御ポートをさらに含む。スイッチングネットワークは、例えば、複数のマイクロメカニカルスイッチ、ＰＩＮダイオードスイッチ、トランジスタスイッチ、またはそれらの組合せのいずれかを含むとともに、例えば、誘電体基板に、例えばプリント回路基板の関連する導電層への表面実装によって、動作可能に接続される。

動作において、共同アンテナ給電ポートに流される供給信号は、制御ポートに流される制御信号に応答して、例えば、開放回路によるか、反射によるかまたは吸収によって阻止されるか、またはスイッチングネットワークによって、１つまたは２つ以上の関連する伝送線路を介して、１つまたは２つ以上の横形給電アンテナ１８の関連する給電ポートに切り替えられる。供給信号は、各横形給電アンテナ１８に共通の単一信号を含むか、または異なる横形給電アンテナ１８に関連する複数の信号を含んでもよいことを理解すべきである。供給信号が流される、各横形給電アンテナ１８は、関連する電磁波を関連する離散形レンズアレイ１４の第１の側面２６．１に発射し、この電磁波がそれによって回折され、それによって関連する電磁エネルギーのビーム２０を形成する。異なる横形給電アンテナ１８によって発射される関連する電磁エネルギーのビーム２０は、異なる関連する方向に伝播する。この様々な電磁エネルギーのビーム２０は、電磁エネルギーの走査ビーム２０をもたらすように、異なる時間に個別に発生させてもよい。代替的に、２つ以上の電磁エネルギーのビーム２０を、同時に発生させてもよい。さらに、異なる横形給電アンテナ１８を、例えば、それぞれの横形給電アンテナ１８に直接、切り替えるか、または複数の入力を有し、その少なくとも一部が異なる供給信号に接続されている、関連するスイッチングネットワークを介して切り替えられる、異なる周波数によって駆動してもよい。

多重ビームアンテナ１０は、それぞれの信号が、それぞれの横形給電アンテナ１８と、１対１の関係で関連付けられ、それによって関連するスイッチングネットワークが不要になるように、適合させてもよい。例えば、各横形給電アンテナ１８は、関連する処理要素を介して、関連する信号に動作可能に接続することができる。一例として、多重ビームアンテナ１０を撮像アレイとして構成すると、それぞれの横形給電アンテナ１８は、電磁エネルギーを受けるのに使用され、それぞれの処理要素は検出器を含む。別の例として、多重ビームアンテナ１０を通信アンテナとして構成すると、それぞれの横形給電アンテナ１８は、電磁エネルギーを送信することおよび受信することの両方に使用され、それぞれの処理要素は、送受信モジュールまたはトランシーバを含む。それが使用される場合に、スイッチングネットワークは、共通誘電体基板上に配列する必要はなく、例えば、低周波数用途、例えば、２０ＧＨｚより低い、例えば１〜２０ＧＨｚの動作周波数に対して有用であるように、別個に配置することもできる。

図７ａ〜７ｃを参照すると、多重ビームアンテナ１０’’の第２の態様によれば、多素子横形給電アレイ１２および関連するフロントエンド電子構成要素５４は、第３の誘電体基板５０上に構築され、この基板は、次いで、関連するベースバンド電子構成要素５８を含む、別個の第４の誘電基板５６と協働する。より具体的には、横形給電アンテナ１８、例えばパッチアンテナは、比較的低い誘電率材料、例えばＤＵＲＯＩＤ（登録商標）を含む、第３の誘電体基板５０の第１の側面６０に配置され、関連するフロントエンド電子構成要素５４、例えば関連するビームスイッチングネットワークおよびトランシーバは、第３の誘電体基板５０の反対側の第２の側面６２に設置されて、第３の誘電体基板５０を貫通する、導電性給電路（例えば、バイア）またはその他の電磁結合（例えば、離散形レンズアレイ１４用の、図３および４に示すような放射性結合）を介して、関連する横形給電アンテナ１８と連通するように適合されている。

第４の誘電体基板５６は、第３の誘電体基板５０の第２の側面６２上のフロントエンド電子構成要素５４のための間隙を与えるように適合された切抜き６４が組み込まれており、その結果、第３の誘電体基板５０および第４の誘電体基板５６を互いに組み付けて、その間の信号の電気結合をもたらすようにされている。例えば、第４の誘電体基板５６は、関連するベースバンド電子構成要素５８、例えば電源類、制御ロジック、または処理回路を組み入れるように適合された、ガラスエポキシ回路板、例えばＦＲ４で構築してもよい。

図７ｂを参照すると、多素子横形給電アレイ１２は、それぞれが異なる方位角で、すべてが共通の中心仰角で、関連する７つの異なる電磁エネルギーのビーム２０を供給または受け入れるように適合された、７つの横形給電アンテナ１８．１と、フロントエンド電子構成要素５４の関連するスイッチングネットワークによる関連するビーム制御に応答して、例えば、以下により詳細に示すように、それぞれが異なる仰角で、すべてが共通の中心方位角において、関連する３つの異なる電磁エネルギーのビーム２０を供給するか、または受信するように適合された、３つの横形給電アンテナ１８．１、１８．２、１８．３とを備える。

図８を参照すると、多重ビームアンテナ２００の第２の観点の多素子横形給電アレイ１２は、異なる横形給電アンテナ１８が、関連する離散レンズ配列１４の焦点曲面に関連して異なる方向に配向され、特に、さもなければ関連する離散形レンズアレイ１４の関連する焦点曲面から実質的に離れて配置される、離散形レンズアレイ１４の中央軸から比較的遠い横形給電アンテナ１８に対して、多重ビームアンテナ２００の走査角度の範囲を増大させるように、適合されている。さらに、図９を参照すると、関連する第３の誘電体基板５０は、関連するフロントエンド電子構成要素５４のすべて、例えば、関連するビーム選択スイッチ類６６およびトランシーバ６８が、第３の誘電体基板５０の共通の第１の側面６０上に位置し、共通の接地面が反対側の第２の側面６２にある。

横形給電アンテナ１８を含む第３の誘電体基板５０の第１の部分７０は、例えば、複数のノッチ７６またはスリットが設けられたネック部分７４によって、第３の誘電体基板５０の第２の部分７２と隔離されており、ネック部分７４は、第３の誘電体基板５０の第２の部分７２上のビーム選択スイッチ６６を、第３の誘電体基板５０の第１の部分７０上の横形給電アンテナ１８に接続する、ネック部分７４に沿った、必要な伝送線路７８、例えば、マイクロストリップ線路のための十分な余地を与えるように、適合されている。例えば、各伝送線路７８は、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、反転型マイクロストリップ線路、スロット線路、イメージ線路、絶縁イメージ線路、タップ付きイメージ線路、共面ストリップ線路、または例えば、プリント回路基板から、例えば減法技術、例えば化学エッチングもしくはイオンエッチング、またはスタンピング、あるいは加法技術、例えば堆積、接合または積層によって、第３の誘電体基板５０の中もしくは上に形成される、共面導波線路のいずれかを備えてもよい。

ネック部分７４によって、第３の誘電体基板５０の第１の部分７０と第２の部分７２を互いに曲げることが可能となり、その結果として、第３の誘電体基板５０の第２の部分７２は、図７ａおよび７ｂにおいて説明した多重ビームアンテナ１０’’の第２の態様について上述したように、関連する第４の誘電体基板５６、例えばＦＲ４回路板に動作可能に結合されるように、相対的に平坦な状態に留めることができるの対して、第３の誘電体基板５０の第１の部分７０は、例えば金属またはその他の材料で構築される、例えば、適当に湾曲した支持８０に装着することによって、湾曲させることができる。第３の誘電体基板５０の第２の部分７２の第２の側面６２上の接地面は、例えば導電性エポキシまたはハンダで、第４の誘電体基板５６の対応する接地面に接合することができる。図８に示す態様において、多素子横形誘電アレイ１２は、例えば、本明細書に参照により組み込んである、米国特許出願整理番号第１１／１６１６８１号に従って、空隙８２を介して離散形レンズアレイ１４に放射可能に結合される。

代替的に、図１０を参照すると、多重ビームアンテナ１０’’’の第３の態様によれば、第３の誘電体基板５０および関連する多素子横形給電アレイ１２は、反対側の第１の面４０に動作可能に結合された離散形レンズアレイ１４を有する、誘電体材料の平凸ブロック（plano-convex block）１６’の湾曲した第２表面５２に取り付けて、離散形レンズアレイ１４に対する多素子横形給電アレイ１２の位置合わせを維持するようにしてもよい。離散形レンズアレイ１４の位相遅延プロファイルは、誘電体材料１６’の平凸ブロックに関連する位相遅延を説明し、それと協働するように適合されている。

図１１を参照すると、相対的に遠位の横形給電アンテナ１８が、関連する電磁エネルギーのビーム２０の関連する放射パターンを過剰に乱すほど、離散形レンズアレイ１４の焦点曲面から十分に位置をずらされている態様のいずれにおいても、横形給電アンテナ１８の多数、例えば隣接対８４を、関連する電磁エネルギーのビーム２０、または関連する横形給電アンテナ１８の指向性が離散形レンズアレイ１４の中心に向かって誘導されるように、同期させることができる。

多重ビームアンテナ１０’の第１の態様では、少なくとも±６０度の走査範囲が達成可能であるが、仰角、方位角、または対角方向において、±５０度走査が得られる。多重ビームアンテナ１０、２００は、自動車衝突回避システム、自動クルーズコントロール、および例えば２４ＧＨｚ、６０ＧＨｚおよび７７ＧＨｚにおけるその他の自動車用途において好適である。多重ビームアンテナ１０、２００は、それを環境から保護するように、レードーム、例えば、厚い低損失プラスチック塗装を適用してもよい。

図１２を参照すると、多重ビームアンテナ１０’’’’の第４の態様によれば、対応する１つまたは２つ以上の関連する方位角方向において、それぞれ１つまたは２つ以上の対応する電磁エネルギーのビーム２０を生成する、複数の線形多素子横形給電アレイ１２．１、１２．２、１２．３は、電磁エネルギーのビーム２０の組２０．１、２０．２、２０．３を生成するように、誘電体材料のブロック１６を介して、離散形レンズアレイ１４と協働するように適合されている。例えば、第１の多素子横形給電アレイ１２．１は、それぞれが異なる方位角方向において、すべてが、例えば図１２に示す起点において実質的に水平を向いている、第１の仰角方向８６．１において、対応する電磁エネルギーのビーム２０を生成する、対応する１つまたは２つ以上の関連する第１の横形給電アンテナ１８．１を含む。第２の多素子横形給電アレイ１２．２は、それぞれが、異なる方位角方向において、すべてが、例えば図１２に示す起点におい水平から下方向を向いている第２の仰角方向８６．２において、対応する電磁エネルギーのビーム２０を生成する、対応する１つまたは２つ以上の関連する第２の横形給電アンテナ１８．２を含む。

第３の多素子横形給電アレイ１２．３は、それぞれが異なる方位角方向において、すべてが例えば、図１２に示す起点において水平から上方に向いている第３の仰角方向８６．３において、対応する電磁エネルギーのビーム２０を生成する、対応する１つまたは２つ以上の関連する第３の横形給電アンテナ１８．３を含む。多素子横形給電アレイ１２．１、１２．２、１２．３のそれぞれは、対応するビーム選択スイッチ６６．１、６６．２、６６．３の関連する組と動作可能に結合され、このスイッチのそれぞれは、関連する給電線路８８および制御線路９０を介して、関連する供給信号９４および制御信号９６を有する、関連するスイッチネットワーク９２に動作可能に結合されている。制御入力信号９６に応答して、スイッチネットワーク９２は、制御信号９６がそれに流される、ビーム選択スイッチ６６．１、６６．２、６６．３を選択し、それによって、多素子横形給電アレイ１２．１、１２．２、１２．３のいずれが、給電信号９４および制御信号９６と動作可能に関連するかを制御し、それによって、電磁エネルギーのビーム２０のいずれの組２０．１、２０．２、２０．３が、対応する仰角方向または仰角方向の組において、生成または受信されるかを制御し、ビーム選択スイッチ６６．１、６６．２、６６．３に流される制御信号９６は、関連する横形給電アンテナ１８．１、１８．２、１８．３のいずれが、起動されて、対応する選択された方位角方向において対応する電磁エネルギーのビーム２０を生成するか、または受信するかを制御する。

ビーム選択スイッチ６６．１、６６．２、６６．３およびスイッチネットワーク９２は、関連する多素子横形給電アレイ１２．１、１２．２、１２．３と、例えば、図７ａに示すようにフロントエンド電子構成要素５４内に一体化してもよく、ビーム選択スイッチ６６．１、６６．２、６６．３およびスイッチネットワーク９２は相互接続されるとともに、関連する横形給電アンテナ１８．１、１８．２、１８．３に、関連する伝送線路７８によって動作可能に結合されている。代替態様において、スイッチネットワーク９２は、中間ビーム選択スイッチ６６．１、６６．２、６６．３および制御線９０を使用することなく横形給電アンテナ１８．１、１８．２、１８．３に直接、接続してもよい。それによって、多重ビームアンテナ１０’’’’の第４の態様は、３次元空間にわたって１つまたは２つ以上の電磁エネルギーのビーム２０の送受信を行う。

図１３を参照すると、離散形レンズアレイ１４の第２の観点によれば、各対２８の第１の横形アンテナ素子２４．１および第２の横形アンテナ素子２４．２は、関連する伝送線路遅延要素３０を介して連通し、その長さは、関連する遅延をもたらすように適合されている。例えば、平面レンズ１４．１は、平面レンズ１４．１の第１の側面１０４上の第１の組のパッチアンテナ１０２．１と、平面レンズ１４．１の第２の側面１０６上の第２の組のパッチアンテナ１０２．２を含み、ここで第１の側面１０４および第２の側面１０６は、互いに反対向きである。パッチアンテナの第１の組１０２．１および第２の組１０２．２の個々のパッチアンテナ１０２は、１対１に対応している。図１４を参照すると、平面レンズ１４．１の第１の側面１０４上の各パッチアンテナ１０２、１０２．１は、遅延要素１０８を介して、平面レンズ１４．１の第２の側面１０６上の対応するパッチアンテナ１０２、１０２．２に動作可能に結合されており、ここで平面レンズ１４．１の第１の側面１０４上のパッチアンテナ１０２、１０２．１は、平面レンズ１４．１の第２の側面１０６上の対応するパッチアンテナ１０２、１０２．２と実質的に位置合わせされている。

動作に際して、パッチアンテナ１０２の１つ、例えば平面レンズ１４．１の第１の側面１０４上の第１のパッチアンテナ１０２．１に放射される電磁エネルギーは、それによって受信されて、それに応答する信号が、遅延要素１０８を介して、かつそれによって遅延されて、対応するパッチアンテナ１０２、例えば第２のパッチアンテナ１０２．２に結合され、遅延要素１０８による遅延量は、平面レンズ１４．１の第１の側面１０４および第２の側面１０６それぞれの上の、対応するパッチアンテナ１０２の位置に依存する。第２のパッチアンテナ１０２．２に結合された信号は、次いで、それによって平面レンズ１４．１の第２の側面１０６から放射される。言い換えると、平面レンズ１４．１は、複数のレンズ要素１１０を含み、各レンズ要素１１０は、少なくとも１つの遅延要素１０８を介して対応する第２のパッチアンテナ素子１０２．２に動作可能に結合された第１のパッチアンテナ素子１０２．１を含み、第１のパッチアンテナ素子１０２．１および第２のパッチアンテナ素子１０２．２は、平面レンズ１４．１の反対両側にあって互いに実質的に対向している。

図１５ａ、図１５ｂを参照すると、平面レンズ１４．１の第１の態様において、パッチアンテナ１０２．１、１０２．２は、誘電体基板１１２上に導電性表面を含み、平面レンズ１４．１の第１の側面１０４および第２の側面１０６のパッチアンテナ１０２．１、１０２．２を結合する遅延要素１０８は、下にある誘電体基板１１２上の関連するパッチアンテナ１０２．１、１０２．２に隣接して位置する、遅延線１１４、例えばマイクロストリップ構造またはストリップ線構造を含む。遅延線１１４の第１端１１６．１は、対応するパッチアンテナ１０２．１、１０２．２に接続され、遅延線１１４の第２端１１６．２は、導電性経路によって、例えば、誘電体基板１１２を貫通する導電性バイア１１８によって互いに相互接続されている。図１５ａ、図１５ｂは、同一の相対位置にある、関連するパッチアンテナの第１の組１０２．１および第２の組１０２．２に給電をするように配設された遅延線１１４を示す。

図１６を参照すると、関連する遅延要素１０８によって生ずる遅延量は、平面レンズ１４．１内の関連するパッチアンテナ１０２の位置に依存し、例えば、図１５ａ、図１５ｂに示す構成によって示すように、凸形電磁レンズ、例えば球形レンズの位相特性を模擬するように、関連する遅延線１１４の長さによって設定される。図１６に示す遅延プロファイルの形状は多様な構成、例えば１）全半径方向に対して均一であり、それによって球形レンズを模擬する構成、２）例えば楕円レンズを模擬するように方位角依存性を組み入れるように適合された構成、または３）例えば円筒レンズを模擬するように、一方向だけに、例えば多重ビームアンテナの仰角面にのみ合焦するように適合された構成である。

図１７および図１８を参照すると、図１５ａ、図１５ｂに示す平面レンズ１４．１のレンズ要素１１０^Ｉの第１の態様は、コアアセンブリ１２０の外部表面上に、第１のパッチアンテナ要素１０２．１および第２のパッチアンテナ要素１０２．２を含み、このコアアセンブリ１２０は、第１の誘電体基板１１２．１および第２の誘電体基板１２２．２を、その間に挟まれた導電性接地面１２２の両側に含む。平面レンズ１４．１の第１の側面１０４上の第１の遅延線１１４．１は、第１のパッチアンテナ要素１０２．１の周囲上の第１の場所１２４．１から、コアアセンブリ１２０を貫通して延びる導電性バイア１１８の第１端１１８．１へと外周上を延びており、平面レンズ１４．１の第２の側面１０６上の第２の遅延線１１４．２は、第２のパッチアンテナ要素１０２．２の周辺上の第２の場所１２４．２から、導電性バイア１１８の第２端１１８．２へと外周上を延びている。

したがって、導電性バイア１１８で相互接続された第１の遅延線１１４．１および第２の遅延線１１４．２の組合せは、レンズ要素１１０の関連する遅延要素１０８を構成し、遅延要素１０８の遅延の大きさは、一般に、関連する第１の遅延線１１４．１および第２の遅延線１１４．２と、導電性バイア１１８との累積外周長に応じて変わる。例えば、遅延要素１０８は、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、反転マイクロストリップ線路、スロット線路、イメージ線路、絶縁イメージ線路、タップ付イメージ線路、共面ストリップ線路、または例えば、プリント回路板から、例えば減法技術、例えば化学エッチングもしくはイオンエッチング、またはスタンピング、あるいは加法技術、例えば堆積、接合もしくは積層によって、誘電体基板（複数を含む）１１２、１１２．１、１１２．２上に形成される共面導波線路を含んでもよい。

図１９を参照すると、平面レンズ１４．１のレンズ要素１１０^ＩＩの第２の態様によれば、第１のパッチアンテナ要素１０２．１および第２のパッチアンテナ要素１０２．２は、例えば本明細書に参照により組み入れてある、ＤａｒｋｏＰｏｐｏｖｉｃおよびＺｏｙａＰｏｐｏｖｉｃによる技術文献「Multibeam Antennas with Polarization and Angle Diversity」in IEEE Transactions on Antenna and Propagation, Vol. 50, No. 5, May 2002に開示されているように、２重偏波をもたらすように互いに相互接続してもよい。第１のパッチアンテナ要素１０２．１の縁端上の第１の場所１２６．１は、第１の遅延線１２８．１および第２の遅延線１２８．２を介して、第２のパッチアンテナ要素１０２．２上の第１の場所１３０．１へと接続され、第１のパッチアンテナ要素１０２．１の縁端上の第２の場所１２６．２は、第３の遅延線１２８．３および第４の遅延線１２８．４を介して、第２のパッチアンテナ要素１０２．２上の第２の場所１３０．２へと接続されており、ここで例えば、第１のパッチアンテナ要素１０２．１上の第１の場所１２６．１および第２の場所１２６．２は、第２のパッチアンテナ要素１０２．２上の対応する第１の場所１３０．１および第２の場所１３０．２がそうであるように、互いに実質的に直交している。

第１の遅延線１２８．１および第２の遅延線１２８．２は、関連する第１の誘電体基板１３４．１および第２の誘電体基板１３４．２を貫通して、かつその間に位置する導電性接地面１３６を貫通する第１の導電性バイア１３２．１によって相互接続されている。同様に、第３の遅延線１２８．３および第４の遅延線１２８．４は、やはり関連する第１の誘電体基板１３４．１および第２の誘電体基板１３４．２を貫通し、かつ導電性接地面１３６を貫通する第２の導電性バイア１３２．２によって相互接続されている。図１９に示す態様において、第１のパッチアンテナ要素１０２．１上の第１の場所１２６．１は、第２のパッチアンテナ要素１０２．２上の第１の場所１３０．１と実質的に直交して示されており、その結果として、第２のパッチアンテナ要素１０２．２．からの放射の偏波は、第１のパッチアンテナ要素１０２．１に入射する放射のそれに対して直交する。しかしながら、第１の場所１２６．１および１３０．１は、互いに位置合わせするか、または互いにその他の角度で配向することもできることを理解すべきである。

図２０、図２１を参照すると、平面レンズ１４．１のレンズ要素１１０^ＩＩＩの第３の態様によれば、１つまたは２つ以上の遅延線１１４を、レンズ要素１１０^Ｉ、１１０^ＩＩの第１および第２の態様における場合のようにそれに隣接するのではなく、第１のパッチアンテナ要素１０２．１と第２のパッチアンテナ要素１０２．２の間に配置してもよく、その結果として、遅延線１１４は関連する第１のパッチアンテナ要素１０２．１および第２のパッチアンテナ要素によって陰になっている。例えば、一態様において、第１の誘電体基板１３６の第１の側面１３６．１上の第１のパッチアンテナ要素１０２．１は、第１の誘電体基板１３６を貫通する第１の導電性バイア１３８．１によって、第１の誘電体基板１３６の第２の側面１３６．２と第２の誘電体基板１４２の第１の側面１４２．１との間に位置する第１の遅延線１４０の第１端１４０．１に接続されている。

同様に、第３の誘電体基板１４４の第１の側面１４４．１上の第２のパッチアンテナ要素１０２．２は、第３の誘電体基板１４４を貫通する第２の導電性バイア１３８．２によって、第３の誘電体基板１４４の第２の側面１４４．２と第４の誘電体基板１４８の第１の側面１４８．１との間に位置する第２の遅延線１４６の第１端１４６．１に接続されている。第３の導電性バイア１３８．３は、第１の遅延線１４０および第２の遅延線１４６の第２端１４０．２、１４６．２同士を相互接続して、第２の誘電体基板１４２と第４の誘電体基板１４８を貫通するとともに、第２の誘電体基板１４２および第４の誘電体基板１４８の第２の側面１４２．２、１４８．２間に位置する導電性接地面１５０を貫通して延びる。第１の遅延線１４０および第２の遅延線１４６は、第１のパッチアンテナ要素１０２．１および第２のパッチアンテナ要素１０２．２によって陰になっており、したがって、第１のパッチアンテナ要素１０２．１および第２のパッチアンテナ要素１０２．２のそれぞれの放射パターンには実質的に影響を与えない。

図２２を参照すると、平面レンズ１４．２の第２の態様によれば、パッチアンテナ１０２は、密度をより上げて実装された離散形レンズアレイ１４’を得るために、６角形に成形されている。個々のパッチアンテナ１０２の具体的な形状は、限定的ではなく、例えば、円形、長方形、正方形、三角形、五角形、六角形、またはその他の多角形形状または任意形状とすることができる。
図１３、図１５ａ、図１５ｂ、および図１７〜２１は、第１のパッチアンテナ要素１０２．１と第２のパッチアンテナ要素１０２．２を相互接続する複数の遅延線１１４．１、１１４．２、１２８．１、１２８．２、１２８．３、１２８．４、１４０、１４６を示しているが、それにかからわらず、例えば誘電体基板１１２、１３４、１３６、１４２、１４４の内の、１つの誘電体基板の表面上に位置する単独の遅延線１１４…を使用し、第１のパッチアンテナ要素１０２．１および第２のパッチアンテナ要素１０２．２に関連する導電性経路で相互接続することもできる。

図２３、図２４ａおよび図２４ｂを参照すると、平面レンズ１４．１のレンズ要素１１０^ＩＶの第４の態様によれば、第１のパッチアンテナ要素１０２．１および第２のパッチアンテナ要素１０２．２は、その間に位置する遅延線１５２によって相互接続されており、遅延線１５２の第１端１５２．１は、第１の導電性バイア１５４．１によって、第１のパッチアンテナ要素１０２．１に接続され、遅延線１５２の第２の端１５２．２は、第２の導電性バイア１５４．２によって第２のパッチアンテナ要素１０２．２に接続されている。図２４ａを参照すると、レンズ要素１１０^ＩＶ’の第４の態様を組み入れた平面レンズ１４．３の第３の態様によれば、第１のパッチアンテナ要素１０２．１は、第１の誘電体基板１５６の第１の側面１５６．１に位置し、第２のパッチアンテナ要素１０２．２は、第２の誘電体基板１５８の第１の側面１５８．１に位置する。遅延線１５２は、第１の誘電体基板１５６の第２の側面１５６．２と第３の誘電体基板１６０の第１の側面１６０．１の間に位置し、第１の導電性バイア１５４．１が、第１の誘電体基板１５６を貫通して延びている。

導電性接地面１６２は、第２の誘電体基板１５８および第３の誘電体基板１６０それぞれの第２の側面１５８．２、１６０．２間に位置し、第２の導電性バイア１５４．２は、第２の誘電体基板１５８および第３の誘電体基板１６０を貫通し、かつ導電性接地面１６２を貫通して延びる。図２４ｂを参照すると、平面レンズ１４．４の第４の態様は、図２４ａに示す平面レンズ１４．３の第３の態様の第３の誘電体基板１６０なしに、図２３に示すレンズ要素１１０^ＩＶの第４の態様を組み入れてあり、遅延線１５２および導電性接地面１６２は、第１の誘電体基板１５６および第２の誘電体基板１５８の第２の側面１５６．２、１５８．２間で共面であり、互いに絶縁されるか、または隔離されている。

離散形レンズアレイ１４は、必ずしも導電性接地面１２２、１３６、１５０、１６２を組み入れる必要はない。例えば、図２４ｂに示す平面レンズ１４．４の第４の態様において、導電性接地面１６２は、特に図２２に示すようにパッチアンテナ１０２の稠密配列を使用する場合には、任意選択である。さらに、図１８に示すレンズ要素１１０^Ｉの第１の態様は、単一誘電体基板１１２の反対両側に第１のパッチアンテナ１０２．１および第２のパッチアンテナ１０２．２を設けて構築することもできる。

前述の詳細な説明において、特定の態様を詳細に説明し、添付の図面で図解したが、当業者であれば、本開示の全体的な教示に照らせば、それらの詳細に対する様々な修正形態および代替形態を創案することができることに気づくであろう。したがって、開示された特定の配設は、説明のためだけのものであり、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明には、添付の請求項の全範囲とそれに対する全ての等化物が与えられるべきである。

多重ビームアンテナの第１の態様の側面図である。多重ビームアンテナの第１の態様の離散形レンズアレイの平面図である。多重ビームアンテナの第１の態様の横断面図である。多重ビームアンテナの第１の態様の横断面図である。図２ｂに示す離散形レンズアレイ部分の一部分の拡大側面図である。図３に示す離散形レンズアレイ部分の一部分の拡大横断平面図である。図２ｂに示す、多素子横形給電アレイ部分の一部の拡大側面図である。多重ビームアンテナの第１の態様の動作を示す図である。多重アンテナの第２の態様の横断側面図である。多重ビームアンテナの第１の態様の多素子横形給電アレイの横断平面図である。多重ビームアンテナの第２の態様の離散形レンズアレイの平面図である。多重ビームアンテナの第２の観点を示す図である。図８に示す多重ビームアンテナの第２の観点の多素子横形給電アレイと関連する回路との平面図である。多重ビームアンテナの第３の態様の横断面図である。多素子横形給電アレイの位相アレイ部分を示す図である。多重ビームアンテナの第４の態様の側立面図である。

離散形レンズアレイの第２の観点の分解断面側面図である。離散形レンズアレイのブロック図である。平面離散形レンズアレイの一態様の第１の側面の平面図である。平面離散形レンズアレイの一態様の第２の側面の平面図である。図１５ａおよび１５ｂに示す平面離散形レンズアレイ上の半径位置の関数として、遅延をプロットした図である。離散レンズアンテナ要素の第１の態様の分解断面等角図である。関連する誘電体基板から隔離されて、図１７に示す離散レンズアンテナ要素の第１の態様の等角図である。離散レンズアンテナ要素の第２の態様の等角図である。関連する誘電体基板から離隔されて、離散レンズアンテナの第３の態様の等角図である。離散レンズアンテナ要素の第３の態様の横断面図である。離散形レンズアレイの第２の態様の平面図である。関連する誘電体基板から隔離された、離散レンズアンテナ要素の第４の態様の等角図である。離散形レンズアレイの第３の態様の、離散レンズアンテナ要素の第４の態様の横断面図である。離散形レンズアレイの第４の態様の、離散レンズアンテナ要素の第４の態様の横断面図である。

Claims

ａ．反対両側に第１および第２の表面を含む、誘電体材料；
ｂ．前記誘電体材料の前記第１の表面に動作可能に結合された離散形レンズアレイ；および
ｃ．前記誘電体材料の前記第２の表面に動作可能に結合された少なくとも１つの横形給電アンテナ、
を含む、アンテナ。
離散形レンズアレイが複数のレンズ要素を含み、
それぞれの前記レンズ要素が、第１および第２のパッチ要素を含み、少なくとも１つの誘電体層が前記第１および第２のパッチ要素の間に挿入されており、
前記第１のパッチ要素は、前記少なくとも１つの誘電体層の第１の表面上に位置し、前記第２のパッチ要素は、前記少なくとも１つの誘電体層の第２の表面上に位置し、少なくとも１つの遅延要素が前記第１のパッチ要素と第２のパッチ要素の間で動作可能であり、
前記第１および第２のパッチ要素は、前記電磁レンズのそれぞれ第１および第２の側面上に位置し、前記電磁レンズの前記第１の側面は、前記複数のアンテナ給電要素と電磁波通信するように適合されており、前記第１のパッチ要素と第２のパッチ要素の間で動作可能な前記少なくとも１つの遅延要素が、前記第１のパッチ要素と第２のパッチ要素の間の電磁波の伝播を、遅延期間だけ遅延させ、少なくとも１つの前記電磁レンズ要素の前記遅延期間は、少なくとも別の１つの前記電磁レンズ要素の遅延期間と異なる、請求項１に記載のアンテナ。