JP2010509795A - １／４波長トラップを備える平面アンテナグランドプレーン支持体 - Google Patents

Abstract

本発明は、アンテナの導波路を規定する長手チャネル（２０）と、チャネル（２０）の長さに沿って伸び、二重１／４波長トラップを規定するようにチャネルの両側に配置される２つの長方形の溝（３１，３２）とを備える平面アンテナグランドプレーン支持体（１０）に関し、当該平面アンテナグランドプレーン支持体は、チャネルと各溝との間の本体の部分が機械加工され、その結果、グランドプレーンが本体上に搭載されるときに、当該本体の部分は、制御された寸法（ｂ）のエアクッションによってグランドプレーンから分離されることを特徴とする。さらに、本発明は、基板、基板支持グランドプレーン、および上述の本体を備える平面アンテナに関し、当該平面アンテナには、グランドプレーンが保持または固定される。

Description

本発明の分野は、導波路を介して給電される電気通信アンテナ、より詳細には無線中継システムの平面アンテナの分野である。

より詳細には、本発明は、導波路と平面アンテナの放射素子の給電線のそれぞれとの間を結合する電磁スロットを用いることで導波路によって直接的に給電される平面アンテナに関する。

番号第０５１１５２７号で２００５年１１月１４日に出願された、本出願人の仏国特許出願において記載されているように、例えば、当該結合は、各放射素子給電線に相対する、アンテナのグランドプレーン（ground plane）におけるスロット、およびグランドプレーンに対して配置される導波路を配置することによって実現されることができ、結果として導波路と給電線のそれぞれとの間を結合する電磁スロットをもたらす。

ある可能な実施形態によれば、導波路は、断面がＵ字型であり、グランドプレーンが導波路の開口部を閉じるように配置される（従って、グランドプレーンは、導波路の１つの壁として使用される）。

図１は、この実施形態の断面における概略図を示す。金属体１において例えばフライス加工によって作られたカナル（canal）は、断面がＵ字型の導波路２を形成する。

アンテナの基板３は、グランドプレーン４上に置かれ、従ってこのグランドプレーン４は、導波路の開口部を閉じるように導波路２の１つの壁として使用される。

製造欠陥および基板３の薄い厚さのために、導波路２の壁として使用されるグランドプレーン４の表面は、「ゴンドラ効果（gondola effect）」を示す傾向がある。

従って、電気的接触が、グランドプレーンと導波路との間において不規則に確立され得る。また、図１に示すように、空気層（air layer）５は、少なくとも局所的に、導波路２とグランドプレーン４との間において存在することができる。

電磁場は、導波路とグランドプレーンとの間を伝播する傾向があり、それにより著しい損失をもたらし得る。

図２は、断面におけるある図に係る図１の実施形態の電界Ｅのマップを示す。この図は、約０．０５ｍｍの厚さｅを有する空気層（図１参照）と共に、グランドプレーンによって閉じられた導波路の部分を通過する電磁波の振る舞いを説明し、当該空気層の厚さは、機械的部品の製造および組み立て欠陥と同じ大きさのオーダーの厚さである。

１６ｃｍの導波部に亘って、１５ｄＢのオーダーの著しい伝送損失を引き起こす漸進側波（progressive sideband）の存在を確認することが可能である。

二重１／４波長トラップ（double quarter-wave trap）の使用は、予期せぬ電気的振る舞いを避けるように、溶接無しで導波路の上部へのアンテナの基板の取り付けを実現するために提案されていることに留意する。

従って、「ハイブリッド結合を使用した４０ＧＨｚの平面アレーアンテナ（A 40 GHz planar array antenna using hybrid coupling）」（電波天文学の見解‐大型アンテナアレーの技術、１９９９年４月１２日〜１４日にデュインゲローの天文学協会で行われた会議の議事録（Perspectives on Radio Astronomy-Technologies for Large Antenna Arrays, Proceedings of the Conference held at the ASTRON Institute in Dwingeloo on 12-14 April 1999）、国際標準図書番号：９０８０５４３４‐２‐Ｘ、全３５４頁、２０００年、１２９頁）と題されたヴァン・デル・ウィルト（Van Der Wilt）およびストライボス（Strijbos）の論文は、二重１／４波長トラップ（この論文において使用されている専門用語によれば「二重１／４波長チョーク構造（double quarter-wave choke construction）」）に導波路を結合することを提案している（図６およびその対応する議論を参照）。

請求項１の序文に係る平面アンテナのグランドプレーンを支持する金属体は、「狭い壁面接触を不要にする、チョークを有する逆相給電一層構造導波管スロットアレー（Alternating-phase fed single-layer slotted waveguide arrays with choke, dispensing with narrow wall contacts）」（ＩＥＥ議事録Ｈ、マイクロ波、アンテナ、および伝播（IEE Proceedings H. Microwaves, Antennas & Propagation）、電気技術者協会、英国、スティーブニッジ、１４８巻、５号）と題された木村およびその他の論文から周知である。

この論文は、ある分析モデルに係るトラップの深さｃおよび位置ｗのそれぞれの影響を調査すること（第２９７頁右欄第１段落およびその対応する図５を参照）を提案しており、それによれば、グランドプレーンが本体に取り付けられたときに、本体結合部‐グランドプレーン間の全ての長さに亘って０．１ｍｍの高さを有する空間（「ギャップ（gap）」）が考慮される。さらに、この論文には、分析モデルにおいて考慮される一定高さのギャップは人工的（「人工的で小さな一定高さのギャップ（artificial, small gap of constant height）」）であると記載されている（図６に関連して第２９７頁右欄最終段落を参照）。この０．１ｍｍの分離は、本体／グランドプレーン結合部の全ての長さに亘るリーク電流のシミュレーションに相当すると考えられ得る。

先に述べたように、実際には、製造欠陥のために、グランドプレーンは、ゴンドラ効果を示す。従って、電気的接触は、グランドプレーンと本体との間で不規則に確立される傾向があり、結果として伝送損失をもたらす。前述の論文は、この不規則な電気的接触の問題も認識しており（第２９６頁左欄の「第二に、（Secondly,）」から始まる段落を参照）、ここにおいて、規則的な電気的接触を提供することができれば、損失（「リーク（leakage）」）は無くし得ると記載されている（再度、第２９７頁左欄第３項の第１段落の「チョークを有する導波路からの損失（Loss from waveguide with choke）」参照）。

実際には、この論文の「ギャップ」は、均一の厚さではなく、反対に、グランドプレーンの欠陥およびそのゴンドラ効果の影響を受けやすいことが分かる。言い換えれば、実際には、このギャップは一定高さではない。従って、この論文は、分析モデルのみにおいて、人工的に一定高さのギャップを考慮している。

また、このギャップは、本体/グランドプレーン結合部の全長に伸びており、単にこの結合部の一部分のみの機械加工ではないことも認識されている。特に、この論文は、導波路と二重トラップのスロットのそれぞれとの間に位置する本体の部分の機械加工、および実際的にグランドプレーンから本体のこの部分を分離する空気層の厚さを制限する手段を示さない。

本発明の目的は、アンテナの効率を高めるために伝送損失を減少することである。さらに具体的には、本発明は、導波路および平面アンテナの動作周波数範囲における損失を最小化することを目的とする。

この目的を達成するために、第一の態様によれば、本発明は、
‐アンテナの導波路を形成する長手チャネルと、
‐チャネルの長さに沿って伸び、二重１／４波長トラップを形成するためにチャネルの両側に配置される、２つの長方形のスロットとを備える、平面アンテナのグランドプレーンを支持する本体であり、
当該本体は、グランドプレーンが本体に取り付けられるときに、本体の部分が制御された寸法の空気層によってグランドプレーンから分離されるように、チャネルと各スロットとの間に位置する本体の部分が機械加工されることを特徴とする。

好適であるが限定されない、この金属体のある態様は、以下の通りである。

‐空気層は、グランドプレーンの製造精度よりも厚い厚さを有する。

‐空気層は、二重トラップが合わせられる周波数ｆと関連付けられる波長λよりも薄い厚さを有する。

‐空気層は、０．０５ｍｍから１ｍｍの間の厚さを有する。

‐空気層は、約λ/10の厚さを有し、ここにおいて、λは、二重トラップが合わせられる周波数ｆと関連付けられる波長を表わす。

‐チャネルと各スロットとの間に位置する本体の部分は、λ/4と同等の距離（ａ）に亘って伸び、各スロットは、λ/4と同等の深さ（ｃ）を有し、ここにおいて、λは、二重トラップが合わせられる周波数ｆと関連付けられる波長を表わす。

‐二重トラップは、アンテナの動作周波数帯の中心周波数ｆに合わせられる。

‐本体は、チャネルの長さに沿って伸びる、多数の組の長方形のスロットを備え、各組のスロットは、多数の対応する二重１／４波長トラップを形成するためにチャネルの両側に配置され、各二重トラップは、異なる周波数に合わせられる。

‐本体は、２つの二重１／４波長トラップを形成する、２組のスロットを備え、第一の周波数ｆ_１（波長λ₁）に合わせられる第一のトラップ寸法は、導波部‐トラップ間距離ａ’がλ₁/8であり、トラップの深さｃ’が3λ₁/8であり、空気層の厚さｂ’がλ₁/10であり、導波部‐トラップ間距離とトラップの幅との合計ｄ’がλ₂/4であり、第二の周波数ｆ_２（波長λ₂）に合わせられる第二のトラップの寸法は、導波部‐トラップ間距離ｅが3*λ₂/8であり、トラップの深さｇがλ₂/8であり、空気層の厚さｆがλ₂/10であり、導波部‐トラップ間距離とトラップの幅との合計ｈがλ₂/2である。

‐二重トラップは、アンテナの動作周波数帯の上端および下端チャネルのデュープレクス周波数に合わせられる。

第二の態様によれば、本発明は、本発明の第一の態様にかかる、基板、基板を支持するグランドプレーン、および本体を有するアンテナに関し、当該本体には、グランドプレーンがクランプされるか固定される

図１は、この実施形態の断面における概略図を示す図である。 図２は、断面におけるある図に係る図１の実施形態の電界Ｅのマップを示す図である。 図３ａは、１つの二重１／４波長トラップを有する、特性インピーダンスＺ_Ｇで表わされる導波部（guide）の等価回路上の導入を示す図である。 図３ｂは、２つの二重１／４波長トラップを有する、特性インピーダンスＺ_Ｇで表わされる導波部の等価回路上の導入を示す図である。 図４ａは、１つの二重１／４波長トラップを有する本発明に係る金属体のある可能な実施形態を示す図である。 図４ｂは、２つの二重１／４波長トラップを有する本発明に係る金属体のある可能な実施形態を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態によって達成される結合の断面におけるある図に係る電界のマップを示す図である。

本発明の他の態様、目的、および利点は、添付図面を参照して、後の好適な実施例に続く詳細な説明を読むことでより明確になり、当該好適な実施例は、限定されない一例に過ぎない。

第一の態様によれば、本発明は、平面アンテナのグランドプレーン支持体の役割を果たすことを目的としている、例えばアルミニウム製の本体、典型的には、金属体に関する。一方で、グランドプレーンは、アンテナの誘電性基板を支持し、当該誘電性基盤上には、アンテナの放射素子が設置される。

図４ａおよび４ｂの断面における図に示すように、アンテナの導波路を形成する長手チャネル２０，２００が、金属体１０，１００において、例えばフライス加工によって作られる。

チャネルの断面は、典型的には、長方形およびＵ字型であり、アンテナのグランドプレーンが導波路の開口部を閉じるための壁の役割を果たすことを目的としている。

チャネルの寸法は、高さ（Ｕ字の側部の枝（lateral branches of the U））λc/4であり、幅（Ｕ字の底部）λc/2であり、ここにおいて、λcは、導波部のカットオフ周波数に相当する波長である（導波部は、カットオフ周波数より上の周波数の高域フィルタの役目を果たす）。

チャネルの長さに沿って伸びる長方形のスロット３１，３２；３１０，３２０；４１０，４２０の組は、各組が二重１／４波長トラップを形成するように、本体１０において、チャネル２０，２００の両側に配置される。これらのスロットは、例えば金属体のフライス加工によって作られる。

本発明の文脈において、「二重１／４波長トラップ」という用語は、導波路の両側に対照的に配置される２つの１／４波長トラップを意味するものとして理解されるべきである。

一方、「１／４波長トラップ」という用語は、チャネルの壁からλ/2と同等の長さを有する（ここにおいて、λは、アンテナによって伝播される信号の導波部における波長を表わし、λ=c/fにおいて、cは、速度であり、fは、周波数であることに留意する）、電気的に機能する部分を形成するように本体に配置されたスロットを意味する。この長さλ/2の部分は、短絡（図３ａおよび３ｂにおいて参照記号ＣＣで示される）を導波路を形成するチャネルの壁に作ること（この位置で壁に接線方向である電界の無限定条件（zero limiting condition of the field））を実効的に可能にする。

図３ａは、特性インピーダンスＺ_Ｇで表わされる導波部の等価回路上の１つの二重１／４波長トラップの導入を示す。ここで、アンテナの動作周波数帯の中心周波数ｆ（ここにおいて、λ=c/fである）に合わせたトラップの作成を図る。

一例として、３７．２１ＧＨｚから３８．６４ＧＨｚの帯域において作動するアンテナについて、中心周波数ｆは、３７．９２Ｈｚである。

広い周波数範囲を得るために、第一の短絡に加えて他の短絡を作ることによって、付加的なトラップを設計することが可能である。

これに関連して、図３ｂは、広い周波数範囲を得るために、２つの近い周波数ｆ_１およびｆ_２（ここにおいて、λ₁=c/f₁およびλ₂=c/f₂である）を使用することによる２つの二重１／４波長トラップの導入を示す。トラップは、それぞれ周波数ｆ_１およびｆ_２に合わせられる。

従って、図３ｂの実施形態において、第一の短絡に加えて第二の短絡ＣＣを作る。これにより、２つの動作周波数ｆ_１およびｆ_２について、平行に２つの電気路を提供する。

一例として、３７．２１ＧＨｚから３８．６４ＧＨｚの帯域において作動するアンテナについて、上端および下端チャネルの中心周波数ｆ_１およびｆ_２、つまり３８．６４ＧＨｚおよび３７．２１ＧＨｚにそれぞれ相当する２つのデュープレクス周波数（duplex frequencies）を選択する。

本発明の文脈において、導波部の側壁に短絡ＣＣを作るために使用される長さλ/2の部分は、端から端まで配置され、λ/2を表わす２つの部分を含む。

図４ａおよび４ｂにおいて示されるように、これらの部分は、それぞれ、
‐チャネル２０，２００（電界の無限定条件を有するチャネルの側壁）とスロット３１，３２；３１０，３２０；４１０，４２０とを分離する距離（ａ）；（ａ’）；（ｅ）（従って、この距離は、「平坦部（plateau）」の幅を表わし、当該平坦部の幅は、導波路とトラップとの間に位置する本体の部分の幅を意味する）、ならびに
‐スロット３１，３２；３１０，３２０；４１０，４２０の深さ（ｃ）；（ｃ’）；（ｇ）（トラップの「くぼみ（pit）」）である。

言い換えると、１／４波長トラップを形成するために以下の関係が確認される。

‐図４ａにおいて、周波数ｆ（ここにおいて、λ=c/fである）に合わせた単独の二重トラップの導入を表わし、λ/2=a+cであり、
‐図４ｂにおいて、周波数ｆ_１およびｆ_２（ここにおいて、λ₁=c/f₁およびλ₂=c/f₂である）にそれぞれ合わせた２つの二重トラップの導入を表わし、λ₁/2=a’+c’である。

図４ａおよび４ｂにおいて、１／４波長トラップを形成し、導波部におけるインライン損失（in-line losses）を減少させる、長さλ/2の部分は、矢印Fλ、Fλ₁、およびFλ₂の形で示されている。

実効的には、これらのトラップを用いて、漸進側波は、定常波を使用する導波路の側壁上に短絡を作ることによって無くされる。

さらに、本発明は、チャネルと各スロットとの間に位置する本体の部分（「平坦部」）が機械加工されるように構成されており、その結果、グランドプレーンが本体１０の表面１１，１１０に取り付けられるときに、本体の当該部分は、制御された寸法の空気層によってグランドプレーンから分離される。

この空気層の厚さは、図４ａの参照記号ｂ、および図４ｂの参照記号ｂ’およびｆで示される。

空気層の厚さを制御する能力は、グランドプレーンが導波路の本体との電気的接触を確立するのを防ぐために使用される。従って、導波路の全ての長さに亘って所定の動作周波数での１／４波長トラップの存在を確保することによって、部品の製造欠陥に付随する欠点のいくつかが解消される。

０．０１ｍｍのオーダーの機械的部品の製造精度を考慮すれば、チャネルとスロットとの間の本体の部分は、空気層の厚さｂ，ｂ’，ｆがこの誤差よりも大きく、例えば０．０５ｍｍよりも大きくなるように機械加工される。

さらに、空気層の厚さは、この厚さが動作周波数の波長、および導波部の短い側（Ｕ字の側壁）に対して十分に薄いままでとどまるためにチャネルとスロットとの間の本体の部分を機械加工することによって制御される。ここで、それは、ＴＥ１０主モード（main TE10 mode）の伝播を促進し、導波路の断面の過度の変形による他の望ましくないモードの生成を避けることを意味する。

３８ＧＨｚの動作周波数の場合に、機械加工は、例えば空気層の厚さが１ｍｍ未満になるようにもたらされる。

ある好適な実施形態によれば、この厚さは、λ/10（３８ＧＨｚの動作周波数について０．７８ｍｍである）に設定される。

二重トラップを有する、図４ａにおいて示される本体の実装の説明に戻ると、以下は、好適な寸法ルール（preferred dimensioning rule）のリストである。

‐導波部とトラップとの間の距離（ａ）は、λ/4である。

‐トラップの深さ（ｃ）は、λ/4である（a+c=λ/2であることを確認する）。

‐空気層（ｂ）の厚さは、λ/10である。

‐トラップの幅（ｄ）は、λ/8である。

図５は、図４ａの実施形態について、断面におけるある図に係る電界Ｅのマップを示し、ここにおいて、b=0.05mm（上述の範囲０．０５〜１ｍｍの最低値）となるように空気層（ここにおいては図示されない）を考慮する。

図５と図２を比較することによって、漸進側波の除去が確認される。１６ｃｍの部分について定量化された伝送損失は、（トラップを有さない装置上の１５ｄＢの損失と比較して）１ｄＢ未満である。

図４ｂにおいて示される、２つの二重トラップを有する本体の実施形態について、好適な寸法ルールは、以下の通りである（ここで選択された、３８ＧＨｚアンテナのデュープレクス周波数の例にあるように、周波数ｆ_１およびｆ_２は比較的近いものとして考慮される）。

‐第一の二重トラップについては、λ₁に合わせる（スロット３１０および３２０）。

‐導波部‐トラップ間距離ａ’は、λ₁/8である。

‐トラップの深さｃ’は、3λ₁/8である（a’+c’=λ₁/2であることを確認する）。

‐空気層の厚さｂ’は、λ₁/10である。

‐導波部‐トラップ間距離ａ’とトラップの幅ｄ’との合計ｄ’は、λ₂/4である。

‐第二のトラップについては、λ₂に合わせる（スロット４１０および４２０）。

‐導波部‐トラップ間距離ｅは、3*λ₂/8である。

‐トラップの深さｇは、λ₂/8である（e+g=λ₂/2であることを確認する）。

‐空気層の厚さｆは、λ₂/10である。

‐導波部‐トラップ間距離ｅとトラップの幅ｈとの合計ｈは、λ₂/2である。

当然ながら、本発明は、二重トラップの数で限定されないものである。特に、さらに広い周波数範囲を得るために、既に存在する短絡に加えて他の短絡を作ることによって、付加的なトラップを設計することが可能である。一例として、多数の組のスロットを配置することによって多数の二重トラップを備える金属体を作ることが可能であり、それらのスロットは、上述の寸法ルールを遵守する。

さらに、本発明は、金属体に限定されず、当該金属体を有するいかなる平面アンテナも含む。

特に、本発明は、本発明の第一の態様にかかる、基板、基板を支持するグランドプレーン、および本体を有する平面アンテナにまで及び、当該本体には、例えば接着することによってグランドプレーンがクランプされるか固定される。

アンテナは、放射素子への一または複数の給電線と共に基板上に設置される放射素子を備え、また、グランドプレーンは、各給電線に相対する一または複数のスロットを有することができ、結果として導波路と各給電線との間を結合する電磁スロットをもたらす。

Claims (12)

1. アンテナの導波路を形成する長手チャネル（２０，２００）と、
   前記チャネル（２０，２００）の長さに沿って伸び、二重１／４波長トラップを形成するために前記チャネルの両側に配置される、２つの長方形のスロット（３１，３２；３１０，３２０；４１０，４２０）とを備える、平面アンテナのグランドプレーンを支持する本体（１０，１００）において、
   前記グランドプレーンが前記本体に取り付けられるときに、本体の部分が制御された寸法の空気層（ｂ，ｂ’，ｆ）によって前記グランドプレーンから分離されるように、チャネルと各スロットとの間に位置する本体の部分が機械加工されることを特徴とする平面アンテナのグランドプレーンを支持する本体。
2. 前記空気層は、前記グランドプレーンの製造精度よりも厚い厚さを有することを特徴とする請求項１記載の本体。
3. 前記空気層は、二重トラップが合わせられる周波数ｆと関連付けられる波長λよりも薄い厚さを有することを特徴とする請求項１乃至２のうちの１つに記載の本体。
4. 前記空気層は、０．０５ｍｍから１ｍｍの間の厚さを有することを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の本体。
5. 前記空気層は、約λ/10の厚さを有し、ここにおいて、λは、二重トラップが合わせられる周波数ｆと関連付けられる波長を表わすことを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載の本体。
6. 前記チャネルと各スロットとの間に位置する本体の部分は、λ/4と同等の距離（ａ）に亘って伸び、前記各スロットは、λ/4と同等の深さ（ｃ）を有し、ここにおいて、λは、二重トラップが合わせられる周波数ｆと関連付けられる波長を表わすことを特徴とする請求項１乃至５のうちの１つに記載の本体。
7. 前記二重トラップは、前記アンテナの動作周波数帯の中心周波数ｆに合わせられることを特徴とする請求項１乃至７のうちの１つに記載の本体。
8. 本体は、前記チャネルの長さに沿って伸びる、多数の組の長方形のスロットを備え、各組のスロットは、多数の対応する二重１／４波長トラップを形成するために前記チャネルの両側に配置され、各二重トラップは、異なる周波数（ｆ_１，ｆ_２）に合わせられることを特徴とする請求項１乃至５のうちの１つに記載の本体。
9. 本体は、２つの二重１／４波長トラップを形成する、２組のスロットを備え、第一の周波数ｆ_１（波長λ₁）に合わせられる第一のトラップ寸法は、導波部‐トラップ間距離ａ’がλ₁/8であり、トラップの深さｃ’が3λ₁/8であり、空気層の厚さｂ’がλ₁/10であり、導波部‐トラップ間距離とトラップの幅との合計ｄ’がλ₂/4であり、第二の周波数ｆ_２（波長λ₂）に合わせられる第二のトラップの寸法は、導波部‐トラップ間距離ｅが3*λ₂/8であり、トラップの深さｇがλ₂/8であり、空気層の厚さｆがλ₂/10であり、導波部‐トラップ間距離とトラップの幅との合計ｈがλ₂/2であることを特徴とする請求項１乃至８のうちの１つに記載の本体。
10. 二重トラップは、前記アンテナの動作周波数帯の上端および下端チャネルのデュープレクス周波数に合わせられることを特徴とする請求項１乃至９のうちの１つに記載の本体。
11. 請求項１乃至１０のうちの１つに記載の基板、前記基板を支持するグランドプレーン、および本体（１０，１００）を有し、前記本体には、前記グランドプレーンがクランプされるか固定される平面アンテナ。
12. アンテナは、前記基板上に設置される放射素子および前記放射素子への一または複数の給電線を備え、前記グランドプレーンは、各給電線に相対する一または複数のスロットを有し、結果として導波路と各給電線との間を結合する電磁スロットをもたらすことを特徴とする請求項１乃至１１のうちの１つに記載のアンテナ。