JP2011527552A - アンテナ用途のための金属グリッドを備えた平面誘電体導波管 - Google Patents

Abstract

導波管は、第１及び第２の対向する表面を有し、その間に実質的に縦波伝播経路を定義する誘電体基板；及び基板の第１表面上に配置され、複数の実質的に平行な金属片を備え、それぞれが軸を定義する導電性格子を備える。格子は、基板の第１表面が、縦波伝播経路に沿って基板中を伝播する縦電磁波を透過させない状態にし、片の軸と実質的に平行な方向に偏光される。格子は、基板の第１表面が、基板の第１及び第２表面を横切る横断伝播経路を有する横断電磁波に対して透過性を示すことを可能にし、複数の金属片に対して実質的に垂直な方向に偏光を有する。第２表面上の回折格子は、導波管が、ビーム指向性アンテナシステムとして使用され得るアンテナ素子として機能することを可能にさせる。

Description

本開示は、一般的には、異なる特性を有する電磁放射の伝送及び受信に実質的に影響を及ぼすことなく、選択的な方向にある特性を有する電磁放射（特にミリ波放射）の伝送又は受信を可能にする導波管の分野に関する。この開示は、更にはアンテナ用途におけるそのような導波管の使用に関する。

誘電体導波管アンテナは、米国特許６，７５０，８２７号、米国特許６，２１１，８３６号、米国特許５，８１５，１２４号及び米国特許５，９５９，５８９号に例示されるように当技術分野で周知であり、この開示は参照によりここに組み込まれる。そのようなアンテナは、細長い（典型的にはロッド状の）誘電体導波管から回転シリンダ又はドラムへの電磁波のエバネセント結合により作動し、その後、結合した電磁エネルギーをドラムの表面機構によって決定された方向に放射する。機構の列をその各列が異なる周期を有するように規定し、導波管の軸と平行な軸に沿ってドラムを回転させることにより、異なる周期によって規定された角度範囲の平面に対して放射を差し向けることができる。

走査又はビーム指向性アンテナ、特に誘電体導波管アンテナは、様々なタイプの通信用途及びレーダー装置、例えば衝突防止レーダー等において、可動ミリ波電磁ビームを送信し受信するのに用いられる。そのようなアンテナにおいては、アンテナ素子が、選択的に可変な結合形状を有するエバネセント結合部を含んでいる。誘電体導波管等の伝送線が、伝送線とアンテナ素子との間の電磁波のエバネセント結合を可能にするために、結合部分に密に隣接して配置され、これにより電磁放射がアンテナによって伝送又は受信される。伝送又は受信したビームの形状及び方向は、結合部分の結合形状によって決定される。結合形状を制御可能に変化させることにより、伝送／受信されたビームの形状及び方向をそれに応じて変更することができる。

米国特許第６，７５０，８２７号明細書 米国特許第６，２１１，８３６号明細書 米国特許第５，８１５，１２４号明細書 米国特許第５，９５９，５８９号明細書

ある方向に電磁波の伝播を含ませるように誘電体導波管を組み立てることがよく知られている。例えば、誘電体基板又はスラブとその誘電体スラブに隣接して配置された金属板とを有する導波管は、例えば誘電体スラブの平面に沿って電磁波を伝播させる間に金属板中を通る電磁波のどのような漏洩も防止するであろう。しかしながら、金属板は、そこを通る他の電磁波の通路をも防ぐ場合がある。例えば、金属板に対して角度を有して入射する電磁波等である。

複数の可動型又はビーム指向性アンテナがごく接近して使用される場合、上述の導波管は、導波管の金属板を交差する方向に伝わる他の電磁波の通路を塞ぐ場合がある。そのため、異なる特性を有する電磁放射の伝送及び受信に実質的に影響を与えることなく、選択的な方向にある特性を有する電磁放射の伝送又は受信を可能にする導波管が必要である。

概して、本開示の第１の側面は、電磁放射（特にマイクロ波及びミリ波放射）の伝送及び受信の双方に操作可能な平面誘電体導波管である。誘電体導波管は、第１及び第２の対向する表面を有し、その間に縦波伝播経路を定義する誘電体基板又はスラブ；及び第１表面上の金属導電性格子であって、格子が複数の実質的に平行な導電性金属導波管片（ストリップ）を備え、導電性金属導波管片のそれぞれが縦経路に対して直角な軸を定義し、それにより格子は、第１表面が、金属導波管片の軸と実質的に平行な方向に偏光される縦電磁波を実質的に透過させない状態にし、実質的に縦波伝播経路に沿った伝播方向を有し、その結果、片の軸に実質的に垂直な金属導電性格子を備える。しかしながら、導電性格子は、導波管片の軸実質的に垂直な方向に偏光される横断電磁波に対しては実質的に透過性を示し、スラブ又は基板の第１及び第２表面を横切る（交差する）伝播経路を有する。

本開示の他の側面においては、漏洩導波管アンテナが、上述のように構成された誘電体導波管を含む。漏洩導波管アンテナは、導電性格子に対向する誘電体スラブの表面上に回折格子を含み、これにより、スラブ中を縦に伝播する電磁波がスラブの平面から回折される。随意的には、アンテナは、金属片の軸に実質的に垂直な偏光を有する誘電体スラブとは逆向きに向く誘電体スラブから回折される電磁波を反射するように構成されたリフレクタを含むことができ、これにより導波管が反射電磁波に対して透過性を示す。

以下に示す詳細な説明からより容易に分かるように、本開示は、異なる特性を有する電磁放射の伝送及び受信に実質的に影響を与えることなく、選択的な方向にある特性を有する電磁放射の伝送又は受信を可能にする導波管を提供する。

図１は、従来技術で知られる従来の漏洩導波管アンテナを表す半概略立面図である。 図２は、本開示の誘電体導波管を表す半概略底面図である。 図３Ａは、図２の誘電体導波管を表す半概略立面図である。 図３Ｂは、図２の導波管の変形形態を表す半概略立面図である。 図４は、本開示の漏洩導波管アンテナの一実施形態を表す半概略立面図である。 図５は、本開示の漏洩導波管アンテナの他の実施形態を表す半概略立面図である。 図６は、本開示の指向性アンテナシステムを表す半概略立面図である。 図７は、図６の指向性アンテナシステムの一部を表す斜視図である。

図１は、当技術分野で周知な従来型式の漏洩導波管アンテナ１００を表す。漏洩導波管アンテナ１００は、上面１０６及び底面１０８を有する誘電体基板又はスラブ１０２を含む。複数の回折格子散乱素子１０４を備える回折格子が誘電体スラブ１０２の上面１０６に配置されている。縦電磁波(longitudinal electromagnetic wave)が、上面１０６と底面１０８との間の誘電体スラブ１０２中を縦伝播経路１１０に沿って伝播する。漏洩導波管アンテナ１００の特性に基づいて、縦波（longitudinal wave）は、誘電体スラブ１０２から、伝播経路１１０と垂直な線Ａ−Ａに関して測った場合のビーム角αで、第１又は前方回折経路１１２ａ及び第２又は後方回折経路１１２ｂの２方向に沿って、放射前に回折されて、放射される。ビーム角αは、式：ｓｉｎα＝β／ｋ―λ／Ｐで与えられ、ここでβは導波管１００の波動伝搬定数であり、ｋは真空中での波動ベクトルであり、λは基板又はスラブ１０２を伝播する電磁波の波長であり、Ｐは回折格子の周期である。基準線Ａ−Ａに対するビーム角αは、アンテナ１００の特性に応じて正でも負でもよい。

ビーム角αは、回折格子の周期Ｐを変化させることにより、可動ビームをもたらすために変化し得る。また、後方回折経路１１２ｂは、回折格子と反対側の導波路が誘電体スラブ表面（図１の底面１０８）上の電磁波を透過させなく（又はそれに近く）させることにより、抑制されるか又は大きく減衰させることができる。この結果は、典型的には、底面１０８上に導電性金属層（図示せず）を設けることにより達成される。しかしながら、この設計の１の欠点は、アンテナ１００が、隣接するアンテナから導波管へ結合され得る放射に対して「透過的（transparent）」ではないことであり、それ故に、そのような「漂遊の（stray）」放射が、望ましい可動（指向）ビームを妨げる場合がある。以下の記述から、本開示の導波管及びアンテナの１の有利な側面は、そのような漂遊放射に対して透過性を有し、これにより、それによって生じる干渉の度合いを最小にさせることが理解されよう。

図２及び３Ａを参照すると、本開示の誘電体導波管２００は、第１又は底面２０４及び第２又は上面２０５を有し、その間に縦波経路２０８を定義する誘電体基板又はスラブ２０２を含む。実質的に平行な金属片２０６の導電性格子が、当技術分野で周知な任意の適切な方法、例えば、フォトリソグラフィ（フォトレジストマスキング及び金属層の化学エッチング）による金属層の蒸着により、又はマスクを介した金属蒸着により、１の表面上（例えば、底面２０４）に配置されるか又は形成される。任意の２つの隣接する金属片２０６の中心間の間隔ｓは、ｓ＜λ／（１＋βｋ）の条件を満たし、好ましくは

（パラメータは上記定義による）である。金属片２０６は、誘電体スラブ２０２内の第１の縦電磁波の伝播経路である縦経路２０８に対して実質的に直角であるか又は垂直の軸を有して配置される。縦波は、金属片２０６に対して垂直な経路から幾分変化することが理解でき、これにより金属片２０６の向きに対して９０°から少々逸れる場合のあるほぼ縦経路２０８ａ、２０８ｂに沿って伝播することができる。そのため、導波管２００は、金属片２０６の軸に対して好ましくは実質的に垂直な第１（縦）伝播経路２０８、２０８ａ、２０８ｂに沿った電磁波の伝播を支援するであろう。

図２の矢印２１０によって示されるように、縦波が金属片２０６の軸と実質的に平行な方向に偏光する場合、片２０６の格子は、誘電体スラブ２０２の底面を、実質的に縦に伝播する波に対して不透過にし、その結果、金属片２０６の格子ひいては導波管２００のスラブ又は基板２０２によって定義された平面を貫通する縦に伝播する電磁波を実質的に防ぐであろう。このように、導波管２００は、縦波が、誘電体基板２０２の第１（底）表面２０４を貫通することを防ぐ。

図３Ａに示すように、導波管２００は、第２又は横断電磁波が導波管２００のスラブ又は基板２０２の第１及び第２表面を横切る（交差する）第２又は横断伝播経路２０９に沿って伝播することを可能にし、図３Ａの矢印２１１によって示されるように、第２又は横断波が、金属片２０６の軸に対して実質的に直角又は垂直な方向に偏光されるように配置される。金属片２０６の格子は、基板又はスラブ２０２の底面２０４が上述の横断波の伝播経路及び偏光方向を有する電磁波に対して実質的に透過的させることを可能にするため、よって、この横断電磁波は、図３Ａに示すように底部スラブ表面２０４から上部スラブ表面２０５方向又は反対方向（即ち上部スラブ表面２０５から底部スラブ表面２０４へ）に導波管２００を通る。実際は、導波管は、所望の結果を与えるために、垂直（９０°）入射角から多少逸れる伝播経路２０９を有する波に対して十分に透過性を示すが、第２又は横断波の伝播経路２０９は、スラブ２０２によって定義された平面と実質的に垂直であることができる。

図３Ｂは、図２及び３Ａに示す上述の導波管２００の変形例に係る導波管２００’を示す。多くの場合、導波管が単一の伝播モードをサポートすることが必要である。例えば、漏洩導波管アンテナにおいては、単一モードの伝播は、アンテナが単一ビームを伝送／受信することが必要条件である。この条件は、関連する導波管の寸法、この場合では厚さを制限することによって達成され得る。よって、単一モード動作を提供するためには、導波管２００の誘電体スラブ２０２の厚さは、第２モードにカットオフを提供できる程度に十分に小さくする必要がある。そのような薄い導波管は、多くの用途に対して十分な構造的なロバスト性を欠く場合がある。導波管に追加的な構造的硬直性を持たせるために、誘電補強板２１４が金属片２０６の格子の下に配置されている。よって、誘電補強板２１４は、上面２１６及び底面２１８を有し、ここでは上面２１６が金属片２０６の格子と接している。金属片２０６の遮蔽効果により、誘電補強板２１４は、導波管２０２と電磁的に結合しない。よって、変形例である導波管２００’の機能及び動作は誘電補強板２１４によって影響を受けず、それらは図２及び３Ａに関して実質的に上述した通りである。

誘電補強板２１４の厚さは、図３Ａに示す横断伝播経路２０９に沿って伝播する横断電磁波に対する反射防止条件を補助するために経験的に選択される。選択された厚さは、電磁放射の波長、補強板２１４に用いられる個々の材料の光学特性、導波管２０２の光学的厚さ、及び金属片２０６の間の間隔ｓ等の要因に依存する。これらの反射防止条件は、誘電補強板２１４に対して、既知の反射防止最適化技術に従って適切な多層構造を選択することによっても最適化することができる。

図２、３Ａ及び３Ｂを参照して記載された導波管は、導電性格子と反対の表面上の誘電体基板又はスラブに好適な回折格子を付加することにより、漏洩導波管アンテナを作製するために用いられることができる。回折格子は、周期的な又は準周期的な溝、金属片、金属パッチ、又は他の散乱素子のセットとして作られることができる。複数の溝でできた回折格子を有する漏洩導波管アンテナの一実施形態を図４に示し、及び複数の金属片でできた回折格子を有する他の実施形態を図５に示す。

図４を参照すると、漏洩導波管アンテナ４００は、第１又は底面４０４及び第２又は上面４０５を有する誘電体基板又はスラブ４０２を備える導波管と、底面４０４上に配置された複数の実質的に平行な金属片４０６を備える導電性格子とを含む。導波管アンテナ４００は、更に誘電体スラブ４０２の上面４０５内に形成された周期的な又は準周期的なパターンの溝４０８によって与えられる周期Ｐを有する回折格子を備える。第１又は縦電磁波は、上面４０５及び底面４０４の間にある縦入射伝播経路４１０に実質的に沿う誘電体スラブ４０２の長さに沿って伝わる。漏洩導波管アンテナ４００の特性に基づいて、第１電磁波は、回折伝播経路４１２ａに実質的に沿った回折電磁波として、誘電体スラブ４０２から、入射伝播経路４１０と垂直な線Ｂ−Ｂを参照して測定した場合のビーム角αを有して回折される。ビーム角αはｓｉｎα＝β／ｋ-λ／Ｐの式で与えられ、ここでβは導波管アンテナ４００内の波動伝搬定数であり、ｋは真空中での波動ベクトルであり、λは誘電体スラブ４０２を伝播する電磁放射の波長であり、Ｐは、回折格子溝４０８の周期である。ビーム角αは、上述の式のパラメータの値に基づいて正でも負でもよい。図１のビーム経路１１２ｂに類似するビーム経路（即ち誘電体スラブ４０２の平面を通って拡がる回折ビーム経路）は、金属片４０６の格子によって有効に抑制されるため、単一ビームのみが回折伝播経路４１２ａに沿って放射される。

図２、３Ａ、及び３Ｂに関して前述したように、任意の２つの隣接する金属片４０６の中心の間の間隔ｓは、ｓ＜λ／（１＋β／ｋ）の条件を満たし、好ましくは

（パラメータは上記定義による）である。金属片４０６は、第１又は縦電磁波の縦入射伝播経路４１０に対して直角又は垂直な軸を有して、誘電体基板４０２の底面を横方向に横切るように配置される。第１電磁波が金属片４１０に垂直な経路から幾分変化して、その結果、図２を参照して上述したように、金属片４０６の向きに関して９０°から幾分逸れる代替経路に沿って伝播されることが理解されよう。従って、アンテナ４００は、金属片４０６に対して好ましくは実質的に垂直な誘電体スラブ４０２内にある第１の実質的に縦伝播経路４１０に沿った縦電磁波の伝播をサポートするだろう。図２及び３Ａを参照して上述したように、縦波が金属片４０６の軸と実質的にと平行な方向に偏光される場合、縦波は、金属片４０６の格子を貫通する回折経路をとることが防止されるであろう。

アンテナ４００は、誘電体スラブ又は基板４０２の第１及び第２表面を横切る（好ましくは実質的に垂直である）第２伝播経路４１４に沿った第２又は横断電磁波の伝播を可能にし、第２波が金属片４０６の向きに対して実質的に直角又は垂直な第２偏光軸に沿って偏光されるように配置される。したがって、この第２又は横断電磁波は、図４に示すように底部スラブ表面４０４から上部スラブ表面４０５方向又は反対方向（即ち上部スラブ表面４０５から底部スラブ表面４０４へ）に基板又はスラブ４０２の厚み中を横方向に通過する。

随意的には、図４に示してはいないが、漏洩導波管アンテナ４００に追加的な構造的硬直性を付与するために、図３Ｂに示す誘電体板２１４と類似する誘電体板が金属片４０６の格子と接して配置される。漏洩導波管アンテナ４００は、電磁波を漏洩導波管アンテナ４００に受信して結合させるために、図３Ｂに示すイメージング導波管２２０素子と類似するイメージング導波管素子と随意的に結合されることができる。イメージング導波管素子は、漏洩導波管アンテナ４００に対する供給装置として動作し得る。

図５の漏洩導波管アンテナ５００は、回折格子が誘電体基板又はスラブ４０２の上面４０５に形成又は配置された第２の複数の実質的に平行な金属片５０８によって配置されている以外は、図４に関して記載された漏洩導波管アンテナ４００の構造及び動作と実質的に同様である。片５０８は、誘電体基板４０２の底面４０４上の第１複数の金属片４０６の形成について上述した任意の方法によって有利に形成され、それらは周期Ｐを有する回折格子を提供するように離間して配置される。機能的には、図５のアンテナ５００は、上述した図４のアンテナ４００と実質的に同様である。

図４及び５を参照して記載される漏洩導波管アンテナは、一次元及び二次元のビーム指向性アンテナシステムを作製するのに用いられる。図６及び７を参照すると、ビーム指向性アンテナシステム６００は、誘電体導波管アンテナ素子（図４を参照して上述した誘電体導波管アンテナ４００として示されるが、代案としては図５を参照して上述した導波管誘電体アンテナ５００であってもよい）と、誘電体導波管アンテナ素子４００を介して伝播のために電磁波を発生又は受信するアンテナサブシステム６０２とを含む。アンテナサブシステム６０２は、走査アンテナ素子６１０、走査アンテナ素子６１０にエバネセント的に結合された誘電体伝送線６１４、及び誘電体伝送線６１４と誘電体導波管アンテナ素子４００との間に動作可能に結合された上部及び下部導電性導波管板６１６、６１７を備える。伝送線６１４は、図示するように、円形断面を有し、細長く、ロッド状の誘電体導波管素子が好ましい。断面が長方形又は正方形等の他の構成を有する誘電体導波管伝送線もまた使用可能である。この実施形態では、走査アンテナ素子６１０は、ドラム又はシリンダ６２０を含み、ドラム又はシリンダ６２０は伝送線６１４の軸と平行であるかもしれないが必ずしもそうとは限らないシリンダ６２０の中心６２２を通る回転軸の周囲にある従来の電気機械手段（図示せず）によって回転させられる。実際は、例えばその開示が参照によりここに組み込まれる上述の米国特許５，５７２，２２８号に教示されるように、伝送線軸に対して歪曲されるシリンダ６２２の回転軸が有利であるかもしれない。板６１６、６１７と走査アンテナ素子６１０との間のギャップからの電磁放射のリークを抑制するために、電場成分が電磁線６１９によって示すような板６１６、６１７によって定義された平面と平行な好ましくは平面となるように、導波管アッセンブリ６１４、６１６、６１７によってサポートされた電磁波の偏光が有利であろう。板６１６、６１７と走査アンテナ素子６１０との間のどのギャップも好ましくは伝播媒体（例えば空気）中の伝送／受信放射の波長の半分未満であるべきであろう。

ドラム又はシリンダ６２０は、例えば、その開示が参照によりここに組み込まれる上述の米国特許５，５７２，２２８号、米国特許６，２１１，８３６号及び米国特許６，７５０，８２７号に詳細が記載された任意の型式のものが有利であろう。簡潔には、ドラム又はシリンダ６２０は、結合部と伝送線６１４との間の電磁波のエバネセント結合を可能とするように、伝送線６１４に対して配置されたエバネセント結合部を有する。エバネセント結合部は、選択的に可変な結合形状を有しており、これはドラム又はシリンダ６２０の周囲に沿って既知の方法で変化する周期Λを有する導電性金属回折格子６２４の形態を有意に取ることができる。或いは、それぞれが異なる周期Λを有する複数の個別の回折格子６２４がドラム又はシリンダ６２０の周囲付近に間隔を置いて配置され得る。例えば、米国特許５，５７２，２２８号に前述されるように、伝送線６１４に対して伝送又は受信されたビームの角度方向は、Λの値によって既知の方法により決定される。回折格子６２４は、それぞれが個別の周期Λを有する単一、可変周期回折格子、又は複数の個別の回折格子の１つの一部であるかもしれない。いずれの場合でも、回折格子６２４は、ドラム又はシリンダ６２０の外周表面上に配置されている。具体的には、その格子６２４は、ドラム又はシリンダ６２０の一体部分であり得るリジッド基板（図示せず）の外表面上に形成されるか又は固定されることができる。

導電性導波管板６１６、６１７は、伝送線６１４の対向する面上にそれぞれ配置され、その板６１６、６１７のそれぞれは、伝送線６１４の軸と実質的に平行な平面を定義する。板６１６、６１７のそれぞれは、アンテナ素子６１２に隣接する近接端部及び走査アンテナ素子６１０から遠く離れた遠位末端を有する。板６１６、６１７は、上述の偏光を有する電磁波が導電性板６１６、６１７の間を伝播することを可能にするために、伝播媒体（例えば空気）中における電磁波の波長λ未満であり且つλ／２より大きい分離距離ｄによって分離されている。伝送線６１４、走査アンテナ素子６１０、及び導電性導波管板６１６、６１７の配置により、伝送線６１４と走査アンテナ素子６１０との間で結合された電磁波が導波管板６１６、６１７の間に閉じ込められることを確実にし、これにより、二次元、即ち導電性板６１６、６１７によって定義される平面と平行な単一の選択平面へのエバネセント結合の結果として伝播されたビームを有効に制限する。その結果、ビーム形状又は指向性は、その選択平面、例えばアジマス（方位）平面に、実質的に制限される。

図６に示すように、板６１６、６１７の１の遠位末端（ここでは上部の板６１７に示す）は、その平面に関して角度を有してその板の平面から外側に折り曲げるか又は折り返され、これにより誘電体導波管アンテナ素子４００のインピーダンスを有する板６１６、６１７によって形成された平行な板導波管のインピーダンスにマッチするホーン素子６３４を形成する。

導電性導波管板６１６、６１７は誘電体導波管素子４００に接続され、これは回折格子として働く複数の溝４０８を有する図４に関して上述した漏洩導波管アンテナと構造的及び機能的に双方に有利に類似する。代替的な実施形態では、上述のように、誘電体導波管アンテナ素子は図５に示す上述の誘電体導波管素子５００であってもよく、回折格子として働く金属片の第２格子を含む。指向性アンテナシステム６００及び漏洩導波管アンテナ４００の更なる説明のため、図４の漏洩導波管アンテナ４００の様々な素子を説明するのに使用された参照番号は図６及び７に用いられる。

回折格子（複数の溝４０８等）の周期Ｐは、放射前に、電磁波の伝搬の方向に関して選択された回折角度で導波管アンテナ４００の平面から回折電磁波を放射するように、例えば矢印Ｄで示される方向に選択される。好ましくは、回折波は、金属導波管片４０６の軸と実質的に平行な水平偏光を有していてもよい。

上述のアンテナシステム６００は、１の平面（例えばアジマス）にビーム指向又は走査性を与える。２つの垂直平面（アジマス及びエレベーション）における走査又は指向性は、図６及び７に示すように、リフレクタ６０４を設けることによって達成できる。リフレクタ６０４は、底面６０８及び上面６０９を有する誘電体層６０６、誘電体層６０６の底面６０８上に配置された複数の実質的に平行な金属リフレクタ片６１２を備える導電性リフレクタ格子、及び誘電体層６０６の上面６０９上に配置された金属板６２８を含む。誘電体層６０６ｄ’の厚さは、誘電体層６０６における電磁波の約４分の１の波長になるように有利に選択される。図７に最もよく示すように、金属リフレクタ片６１２は、金属導波管片４０６に対して約４５°の角度を向いて、隣接するリフレクタ片６１２の間に間隔距離ｓ’を有して有利に配置され、式：ｓ’＜λ／（１＋β’／ｋ）で与えられる。ここで、β’は、誘電体層６０６、金属板６２８、及び導電性片６１２の格子を備えるリフレクタ構造の伝播定数であり、他のパラメータは上述で定義した通りである。間隔ｓ’は、リフレクタを入射電磁ビームからパワーを抽出する“寄生性の”導波管にさせるようにリフレクタ６０４の構造への入射波の結合を抑制する程度に十分小さくなくてはならない。十分に小さい間隔ｓ’は、リフレクタ片６１２の格子が、干渉電磁波を発生する可能性のある回折格子として働くのも抑制する。

入射電磁波Ｉが縦経路に沿って導波管アンテナ４００に結合される場合、溝４０８によって形成された回折格子は、導波管アンテナ４００の平面から放射される回折経路Ｄへの入射又は縦波を回折する。回折波は、Ｐ_Dで示されるような導波管片４０６の軸と実質的に平行な偏光を有する。リフレクタ６０４は、導波管アンテナ４００から放射される回折電磁波を、矢印Ｐ_Rによって示されるような導波管片４０６の軸と実質的に垂直な反射電磁波の偏光を有する反射経路Ｒに沿った反射ビームに変換する。前述のように、導波管片４０６の軸と実質的に垂直な偏光を有する電磁波は、波に対して透過性を示すように特徴づけされた導波管４００の平面を通過するであろう。

リフレクタ６０４によって行われた偏光変換又は回転は、当技術分野で周知のプロセスによって起こる。具体的には、リフレクタ６０４によって受けた回折波は、リフレクタ片６１２の軸に対して４５°方向の偏光を有する。この偏光は２つの波成分によって形成される、即ち、リフレクタ片６１２の軸と平行な偏光を有する第１成分、及びリフレクタ片６１２の軸と垂直な偏光を有する第２成分である。第１成分はリフレクタ片６１２の格子から反射する一方、第２成分は格子及び誘電体層６０６を貫通し、金属板６２８によって反射する。反射した第２成分は、第１成分に対して１８０°位相シフトし、これにより、有効な偏光センスがリフレクタによって受けた回折ビームの偏光に対して９０°回転する。その結果、リフレクタ６０４からの反射ビームは、リフレクタ６０４上に衝突する回折ビームのそれに対して直角な偏光を有する。更に、反射ビームの偏光がリフレクタ片６１２の軸に対して４５°方向に向いている間、その偏光は、リフレクタ６０４上への衝突前の回折ビームのように軸に平行な代わりに、導波管片４０６の軸と垂直になる。リフレクタを有する相互作用の結果偏光のセンスに必要な変化を与えることのできる他のリフレクタ構造は当技術分野で周知であり、また、関連技術における当業者の示唆により提案されることが理解されよう。

リフレクタ６０４を用いるアンテナシステム６００は、第１及び第２平面における走査を可能にする。よって、上述したように、反射ビームは、入射縦ビームの干渉無しで導波管４００の平面を通過することを可能にする伝播方向及び偏光方向を有しているため、入射縦ビームは、第１平面、例えばアジムスにおいて走査アンテナ素子６１０によって走査又指向される一方で、反射ビームが第２平面、例えばエレベーションにおいて走査される。第２平面における走査は、上述のリフレクタ６０４を移動可能とすることによって達成される。例えば、リフレクタ６０４は、アーク８０４に沿って振動されることができ、これにより反射ビームの角度を反射経路Ｒから、選択された代替反射経路Ｒ’へと変化させる。当業者に理解されるように、リフレクタ６０４は、リフレクタ６０４をピボット（図示せず）の周囲で軸支し、リニア又はロータリモータなど（図示せず）を用いることによって、リフレクタ６０４をピボット（図示せず）の周囲で動かすために、移動可能とすることができる。ピボットは、リフレクタ６０４の端部又はリフレクタ６０４の長さ方向に沿った位置、例えばリフレクタ６０４の中心付近に有利に配置され得る。リフレクタ６０４の動作は手動で制御されるか、又は所定の（固定の又は可変の）周波数で自動的に振動されるか、又は適切にプログラムされたコンピュータ（図示せず）の制御下で制御され得る。

上述したように、前述の走査アンテナ素子６１０と組み合わせた移動可能な又は振動するリフレクタ６０４は、ビーム指向又は走査を二次元に与えることができる。例えば、走査アンテナ素子６１０は、ビーム指向をアジムス平面付近に与えることができ、移動可能なリフレクタ６０４は、ビーム指向をエレベーション平面付近に与えることができる。

上述のアンテナシステム６００は、走査アンテナ素子６１０内で回転する回折格子ドラム６２０を用いているが、他の型式の走査アンテナ素子も利用可能である。例えば、走査アンテナ素子は、その開示の全てが参照によりここに組み込まれる２００７年１２月１３日に出願された、同一出願人による係属中の米国特許出願第１１／９５６，２２９号に開示されるような制御可能なエバネセント結合端素子のモノリシックアレイによって提供され得る。更に、リフレクタ６０４は、入射ビームＩが固定された（非走査）方向に伝播する間、２つの直角な平面において振動するように製造され得る。そのような実施形態では、図４及び５を参照して上述したアンテナは、移動するリフレクタに対する供給「ホーン」としてただ機能するであろう。

本開示は、具体的な実施形態を参照して記載したが、これらの実施形態は例示的なだけで、制限されるものではない。更に、ここに記載された実施形態の多くのバリエーション及び変形例が、関連する技術における当業者によって連想され得るだろう。例えば、「上部」及び「底部」の使用は、この開示においては便宜上、誘電体基板又はスラブの対向する表面を意味するものであるが、回折格子及び金属片の導電性格子は、装置の特定の向きに依存することなく、誘電体基板の対向する表面、及び「上部」及び「底部」表面である基板表面にそれぞれ配置されなければならないことが理解されよう。更なる例としては、制限はないが、上述のアンテナシステムに使用された回折格子、走査アンテナ素子、及びリフレクタは、この開示から逸脱することなく当技術分野で周知である様々なタイプのものを使用することができる。これら及び他のバリエーション及び変形例が、記載された実施形態と同等の範囲内において考慮されることができ、その結果、この開示の趣旨と範囲の中にあると考えることができよう。

１００、２００、４００、５００…誘電体導波管（漏洩導波管アンテナ）
１０２、２０２、４０２…誘電体スラブ又は基板
１０４…回折格子散乱素子
１０６、２１６…上面
１０８、２１８…底面
１１０…縦伝播経路
１１２ａ…前方回折経路
１１２ｂ…後方回折経路
２０５…上面
２０６…金属片（片）
２０８…縦（波）経路（伝播経路）
２０９…横断伝播経路
２１４…補強板
２１４…誘電体板（補強板）
２２０…イメージング導波管
４０４…底部スラブ表面（底面）
４０５…上部スラブ表面（上面）
４０６…導波管片（金属片）
４０８…溝
４１０…縦（入射）伝播経路
４１４…伝播経路
５０８…金属片（片）
６００…アンテナシステム
６０２…アンテナサブシステム
６０４…リフレクタ
６０６…誘電体層
６０８…底面
６０９…上面
６１０…走査アンテナ素子
６１２…リフレクタ片（導電性片）
６１４…導波管アッセンブリ（伝送線）
６１６…導電性導波管板、
６１９…電磁線、
６２０…回折格子ドラム（シリンダ）
６２２…シリンダ
６２４…格子
６２８…金属板
８０４…アーク

Claims (28)

1. 第１及び第２の対向する表面を有し、その間に実質的に縦波伝播経路を定義する誘電体基板と、
   前記基板の前記第１表面上の導電性格子であって、複数の実質的に平行な金属片を備え、それぞれが軸を定義し、これにより前記格子が前記基板の前記第１表面に対して前記縦波伝播経路に沿って前記基板中を伝播する縦電磁波を透過させない状態にし、前記片の軸と実質的に平行な偏光方向を有する導電性格子と
   を備える誘電体導波管。
2. 前記格子は、前記基板の前記第１表面が、前記基板の前記第１及び第２表面を横切る横断伝播経路に沿って伝播する横断電磁波に対して実質的に透過性を示すことを可能にするように構成され、前記金属片の軸に対して実質的に垂直な偏光方向を有する請求項１に記載の誘電体導波管。
3. ２つの隣接する金属片の中心線の間の間隔ｓが、ｓ＜λ／（１＋β／ｋ）の式で与えられ、ここでβが前記導波管の波動伝搬定数であり、ｋが真空中での波動ベクトルであり、λが前記基板中を伝播する縦電磁波の波長である請求項１に記載の導波管。
4. 

   である請求項３に記載の導波管。
5. 前記片の軸が前記縦波伝播経路に対して実質的に垂直である請求項１に記載の導波管。
6. 金属片と接して配置され、これにより前記金属片が前記基板及び前記補強板の間に配置される誘電補強板を更に備える請求項２に記載の導波管。
7. 前記誘電補強板が、前記横断電磁波の反射防止条件を補助するように構成される請求項６に記載の導波管。
8. 第１及び第２の対向する表面を有し、その間に実質的に縦波伝播経路を定義する誘電体基板と、
   前記基板の前記第１表面上の導電性格子であって、複数の実質的に平行な金属片を備え、それぞれが軸を定義し、これにより前記格子が前記基板の前記第１表面に対して前記縦波伝播経路に沿って前記基板中を伝播する縦電磁波を透過させない状態にし、前記片の軸と実質的に平行な偏光方向を有し、前記基板及び前記格子が導波管を形成しており、
   前記基板の前記第２表面上の回折格子と
   を備える漏洩導波管アンテナ。
9. 前記格子は、前記基板の前記第１表面が、前記基板の前記第１及び第２表面を横切る横断伝播経路に沿って伝播する横断電磁波に対して実質的に透過性を示すことを可能にするように構成され、前記金属片の軸に対して実質的に垂直な偏光方向を有する請求項８に記載のアンテナ。
10. ２つの隣接する金属片の中心線の間の間隔ｓが、ｓ＜λ／（１＋β／ｋ）の式で与えられ、ここでβが前記導波管素子の波動伝搬定数であり、ｋが真空中での波動ベクトルであり、λが前記基板中を伝播する第１電磁波の波長である請求項８に記載のアンテナ。
11. 

    である請求項１０に記載のアンテナ。
12. 前記片の軸が前記縦波伝播経路に対して実質的に垂直である請求項８に記載のアンテナ。
13. 金属片と接して配置され、これにより前記金属片が前記基板及び前記補強板の間に配置される誘電補強板を更に備える請求項９に記載のアンテナ。
14. 前記誘電補強板が、前記横断電磁波の反射防止条件を補助するように構成される請求項１３に記載のアンテナ。
15. 前記回折格子が、前記第２表面内に溝のパターンを備える請求項８に記載のアンテナ。
16. 前記回折格子が、前記第２表面上に導電性素子のパターンを備える請求項８に記載のアンテナ。
17. 走査アンテナ素子及び前記走査アンテナ素子にエバネセント的に結合された誘電体伝送線を備える型式のビーム指向性アンテナシステムであって、前記システムが、
    第１及び第２の対向する表面を有し、その間に実質的に縦波伝播経路を定義する誘電体基板と、
    前記基板の前記第１表面上の導電性格子であって、複数の実質的に平行な金属片を備え、それぞれが軸を定義し、これにより前記格子が前記基板の前記第１表面に対して前記縦波伝播経路に沿って前記基板中を伝播する縦電磁波を透過させない状態にし、前記片の軸と実質的に平行な偏光方向を有し、前記基板及び前記格子が導波管を形成し、
    前記基板の前記第２表面上の回折格子であって、前記走査アンテナ素子の動作に応じて第１の所定の走査平面に沿って走査された回折波に第１電磁波を回折させるように構成された回折格子と
    を備えることを特徴とするビーム指向性アンテナシステム。
18. 前記格子は、前記基板の前記第１表面が前記基板の前記第１及び第２表面を横切る横断伝播経路に沿って伝播する横断電磁波に対して実質的に透過性を示すことを可能にするように構成され、前記金属片の軸に対して実質的に垂直な偏光方向を有する請求項１７に記載のビーム指向性アンテナ。
19. ２つの隣接する金属片の中心線の間の間隔ｓが、ｓ＜λ／（１＋β／ｋ）の式で与えられ、ここでβが前記導波管の波動伝搬定数であり、ｋが真空中での波動ベクトルであり、λが前記基板中を伝播する前記縦電磁波の波長である請求項１７に記載のビーム指向性アンテナシステム。
20. 

    である請求項１９に記載のビーム指向性アンテナシステム。
21. 前記片の軸が、前記第１波の縦方向の伝播に対して実質的に垂直である請求項１７に記載のビーム指向性アンテナシステム。
22. 金属片と接して配置され、これにより前記金属片が前記基板及び前記補強板の間に配置される誘電補強板を更に備える請求項１８に記載のビーム指向性アンテナシステム。
23. 前記誘電補強板が、前記横断電磁波の反射防止条件を補助するように構成される請求項２２に記載のビーム指向性アンテナ。
24. 前記回折格子が、前記第２表面内に溝のパターンを備える請求項１７に記載のビーム指向性アンテナシステム。
25. 前記回折格子が、前記第２表面上に導電性素子のパターンを備える請求項１７に記載のビーム指向性アンテナシステム。
26. 前記回折波を前記基板の平面を横切る反射経路に沿った前記導波管アンテナ素子に向けて逆に向けられた反射波に変換するように構成されたリフレクタを更に備えることを特徴とする請求項１７に記載のビーム指向性アンテナシステム。
27. 前記リフレクタが、第１走査平面に直角な第２の所定の走査平面に沿った前記反射波の走査を発生させる方法によって、前記導波管アンテナ素子に対して制御可能に移動可能である請求項２６に記載のビーム指向性アンテナシステム。
28. 前記基板の前記第１表面上の金属片の格子が金属片の第１格子であり、前記リフレクタが、底面及び上面を有する誘電体層、前記誘電体層の前記底面上に複数の金属片を備える第２格子、及び前記誘電体層の前記上面に配置された金属板を備え、前記金属片の第２格子内の金属片が前記金属片の第１格子中の金属片に対して約４５°の角度を有する請求項２６に記載のビーム指向性アンテナ。

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