JP2018507653A - 円筒状給電アンテナのアンテナ素子配置 - Google Patents
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Abstract
Description
本特許出願は、2015年3月5日に出願された「円筒状給電部のための所定のマトリクス駆動回路とのセル配置(Cell Placement with Predefined Matrix Drive Circuitry for Cylindrical Feed)」という名称の米国仮特許出願第62/128,894号、2015年3月5日に出願された「円筒状給電アンテナの渦状マトリクス駆動格子(Vortex Matrix Drive Lattice for Cylindrical Feed Antennas)」という名称の米国仮特許出願第62/128,896号、2015年3月20日に出願された「円筒状給電アンテナの開口面のセグメント化(Aperture Segmentation of a Cylindrical Feed Antenna)」という名称の米国仮特許出願第62/136,356号、及び2015年4月27日に出願された「通信衛星地球局のためのメタマテリアルアンテナシステム(A Metamaterial Antenna System for Communications Satellite Earth Stations)」という名称の米国仮特許出願第62/153,394号に対する優先権を主張するものであり、これらを引用によって組み入れる。
本出願は、2016年3月3日に同時出願された「円筒状給電アンテナの開口面セグメント化(Aperture Segmentation of a Cylindrical Feed Antenna)」という名称の、本発明の共同譲受人に譲渡された同時係属出願である米国特許出願第15/059,837号に関する。
1つの実施形態では、平面アンテナが、メタマテリアルアンテナシステムの一部である。通信衛星地球局のためのメタマテリアルアンテナシステムの実施形態について説明する。1つの実施形態では、アンテナシステムが、民間商業衛星通信用のKa帯周波数又はKu帯周波数のいずれかを使用して動作する(例えば、航空、海上、陸上などの)モバイルプラットフォーム上で動作する衛星地球局(ES)のコンポーネント又はサブシステムである。なお、アンテナシステムの実施形態は、モバイルプラットフォーム上以外の地球局(例えば、固定地球局又は可搬地球局)で使用することもできる。
図1は、円筒波給電を行うために使用する同軸給電部の一実施形態の上面図である。図1Aを参照すると、同軸給電部は、中心導体と外側導体とを含む。1つの実施形態では、円筒波給電アーキテクチャが、給電点から円筒状に外向きに広がる励振を中心点からアンテナにもたらす。すなわち、円筒状給電アンテナは、外向きに進む同心状の給電波を形成する。とは言え、円筒状給電部の周囲の円筒状給電アンテナの形状は、円形、正方形又はいずれかの形状とすることができる。別の実施形態では、円筒状給電アンテナが、内向きに進む給電波を形成する。このような場合には、円形構造から生じる給電波が最も自然である。
1つの実施形態では、アンテナ素子が、一群のパッチ及びスロットアンテナ(単位セル)を含む。この一群の単位セルは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。1つの実施形態では、アンテナシステム内の各散乱素子が、下側導体と、誘電体基板と、相補的な電気誘導型容量性共振器(「相補型電気LC」又は「CELC」)がエッチング又は堆積された上側導体とで構成された単位セルの一部である。
に従って、スロット210の共振周波数も変化する。スロット210の共振周波数は、導波路を伝搬する給電波205から放射されるエネルギーに影響を及ぼす。一例として、給電波205が20GHzである場合には、(静電容量を変化させることによって)スロット210の共振周波数を17GHzに調整して、スロット210が給電波205からのエネルギーを実質的に結合しないようにすることができる。或いは、スロット210の共振周波数を20GHzに調整して、スロット210が給電波205からのエネルギーを結合し、このエネルギーを自由空間に放射するようにすることもできる。示した例は2値的(完全な放射又は無放射)であるが、多値範囲にわたる電圧変化を使用すれば、リアクタンス、したがってスロット210の共振周波数の完全なグレイスケール制御も可能である。したがって、各スロット210から放射されるエネルギーを細かく制御することにより、同調型スロットの配列によってきめ細かなホログラフィック回折パターンを形成することができる。
1つの実施形態では、アンテナ素子が、系統的なマトリクス駆動回路を可能にするように円筒状給電アンテナの開口面上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動のためのトランジスタの配置を含む。図17に、アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の一実施形態を示す。図17を参照すると、行コントローラ1701が、行選択信号Row1(行1)及びRow2(行2)を介してトランジスタ1711及び1712にそれぞれ結合され、列コントローラ1702が、列選択信号Column1(列1)を介してトランジスタ1711及び1712に結合されている。トランジスタ1711は、パッチへの接続1731を介してアンテナ素子1721にも結合され、トランジスタ1712は、パッチへの接続1732を介してアンテナ素子1722に結合される。単位セルが非正規グリッド内に配置された円筒状給電アンテナ上にマトリクス駆動回路を実現する最初の取り組みでは、2つのステップを実行する。第1のステップでは、セルを同心リング上に配置し、セルの傍らに配置されて各セルを別個に駆動するスイッチとして機能するトランジスタに各セルを接続する。第2のステップでは、マトリクス駆動法が必要とする一意のアドレスに全てのトランジスタを関連付けるために、マトリクス駆動回路を構築する。マトリクス駆動回路は(LCDと同様の)行列のトレースによって構築されるが、セルはリング上に配置されるので、各トランジスタに一意のアドレスを割り当てる系統的方法は存在しない。このマッピングの問題により、全てのトランジスタをカバーする回路が非常に複雑になり、経路設定を行う物理的トレース数が大幅に増加する。セルが高密度であるため、これらのトレースは、カップリング効果によってアンテナのRF性能を妨げる。また、トレースが複雑であって実装密度が高いので、市販のレイアウトツールによってトレースの経路設定を行うことはできない。
したがって、CP2はCP1の関数である(逆もまた同様)。この場合、図7の例のセルピッチの比率は、
となり、これはCP2よりもCP1の方が大きいことを意味する。
この結果、CP2>CP1になる。
1)開口面全体にわたってCP1/CP2が一定である(なお、1つの実施形態では、開口面にわたって実質的に一定(例えば、90%一定)のアンテナが依然として機能する)こと。
2)CP2がCP1の関数であること。
3)中心に配置されたアンテナ給電部からのリング距離が増すにつれて、リング当たりのアンテナ素子の数が持続的に増加すること。
4)全てのセルがマトリクスの行及び列に接続されること。
5)全てのセルが一意のアドレスを有すること。
6)セルが同心リング上に配置されること。及び、
7)4つの四分円が同一であって、1/4の楔形を回転させてアレイを構築できるという点で回転対称性が存在すること。このことはセグメント化に有用である。
1)開口面全体にわたってCP1/CP2が必ずしも一定ではないこと。
2)CP2がCP1の関数であること。
3)中心に配置されたアンテナ給電部からのリング距離が増すにつれて、リング当たりのアンテナ素子の数が増加しないこと。
4)全てのセルがマトリクスの行及び列に接続されること。
5)全てのセルが一意のアドレスを有すること。
6)セルが同心リング上に配置されること。及び、
7)(上述したように)回転対称性が存在すること。
したがって、図10〜図12に関連して上述したセル配置の実施形態は、図7〜図9に関連して上述したセル配置の実施形態と同様の多くの特徴を有する。
1つの実施形態では、アンテナ開口面が、複数のアンテナ素子セグメントを組み合わせることによって形成される。これには、アンテナ要素の配列をセグメント化する必要があり、セグメント化には、理想的には繰り返し可能なアンテナのフットプリントパターンが必要である。1つの実施形態では、円筒状給電アンテナアレイのセグメント化が、各放射素子の異なる回転角に起因してアンテナのフットプリントが真っ直ぐな列状の繰り返しパターンをもたらさないように行われる。本明細書で開示するセグメント化方法の1つの目的は、アンテナの放射性能を損なわずにセグメント化を実現することである。
Claims (29)
- 平面アンテナであって、
円筒状給電波を入力するためのアンテナ給電部と、
アンテナ素子の少なくとも1つのアンテナアレイを有する単一の物理的なアンテナ開口面と、を備え、
前記アンテナ素子は、アンテナ給電部に対して同心円状に位置する複数の同心リング上に配置され、該複数の同心リングのリングは、リング間距離だけ分離され、該複数の同心リングのリング沿いの素子間の第1の距離は、該複数の同心リングのリング間の第2の距離の関数であり、
前記平面アンテナは、
マトリクス駆動回路を用いて前記アレイの各アンテナ素子を個別に制御するコントローラをさらに備え、前記アンテナ素子の各々は、前記マトリクス駆動回路によって一意的にアドレス指定される、アンテナ。 - 前記アンテナ素子のアレイは、回転対称性を有する、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記第1の距離に対する第2の距離の比率は、前記アンテナ開口面にわたって一定である、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記複数の同心リング内の各リングは、前記円筒状給電部により近い隣接するリングを上回る数のさらなる素子を有し、該さらなる素子の数は一定である、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記複数のリングのリングは、同一数のアンテナ素子を有する、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記複数の同心リングの各リング上の素子は、該素子の矩形グリッド表現上の位置に基づいて配置される、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記複数の同心リングの各リング上の素子は、該素子の八角形表現上の位置に基づいて配置される、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記複数のリングのリング沿いの前記素子間の前記第1の距離は、前記アンテナ開口面の動作周波数に基づく、請求項1に記載のアンテナ。
- 各アンテナ素子の配置が、複数の螺旋を形成する、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記複数の同心リング上のアンテナ素子の配置が、アンテナ素子の第1の螺旋の組と第2の螺旋の組とを形成し、該第1の螺旋の組は、時計回り方向に曲がり、該第2の螺旋の組は、反時計回り方向に曲がる、請求項9に記載のアンテナ。
- 前記開口面の1つの区分における前記第1の螺旋の組及び前記第2の螺旋の組は、前記開口面アレイ全体にわたって複数のインスタンスを回転的に生じるアンテナ素子の繰り返しパターンを表す、請求項10に記載のアンテナ。
- 前記複数のアンテナ素子のレイアウトが、4つのアンテナ素子群を含み、各アンテナ素子群は、該4つの群の組み合わせが同心リング状のアンテナ素子を形成するように1つのパターンとして配列された等しい数のアンテナ素子を有する、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記コントローラは、制御パターンを適用して、ホログラフィックビーム形成を実行するためにどのアンテナ素子をオン及びオフにするかを制御する、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記少なくとも1つのアンテナアレイの各々は、アンテナ素子の同調型スロットアレイを含む、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記同調型スロットアレイは、複数のスロットを含み、各スロットは、所与の周波数の所望の散乱をもたらすように調整される、請求項14に記載のアンテナ。
- 前記複数のスロットの各スロットは、前記スロットアレイが、前記円筒状給電波の伝搬方向に対して+45度回転した第1のスロットの組と、前記円筒状給電波の伝搬方向に対して−45度回転した第2のスロットの組とを含むように、前記各スロットの中心位置に入射する前記円筒状給電波に対して+45度又は−45度のいずれかに配向される、請求項15に記載のアンテナ。
- 前記同調型スロットアレイは、
複数のスロットと、
複数のパッチと、を含み、
前記パッチの各々は、前記複数のスロットのうちの1つのスロットを覆って同じ位置に配置され、該スロットから分離されて、パッチ/スロット対を形成し、各パッチ/スロット対は、該対における前記パッチへの電圧の付与に基づいてオフ又はオンにされ、
前記同調型スロットアレイは、
どのパッチ/スロット対をオン及びオフにするかを制御する制御パターンを適用してビームの生成を引き起こすコントローラをさらに含む、請求項14に記載のアンテナ。 - 平面アンテナであって、
円筒状給電波を入力するためのアンテナ給電部と、
アンテナ素子の少なくとも1つのアンテナアレイを有する単一の物理的なアンテナ開口面と、を備え、
前記アンテナ素子は、アンテナ給電部に対して同心円状に位置する複数の同心リング上に配置され、該複数の同心リングのリングは、リング間距離だけ分離され、該複数の同心リングのリング沿いの素子間の第1の距離は、前記アンテナ開口面の動作周波数に基づくとともに、該複数の同心リングのリング間の第2の距離の関数であり、
前記平面アンテナは、
マトリクス駆動回路を用いて前記アレイの各アンテナ素子を個別に制御するコントローラをさらに備え、前記アンテナ素子の各々は、前記マトリクス駆動回路によって一意的にアドレス指定される、アンテナ。 - 前記第1の距離に対する第2の距離の比率は、前記アンテナ開口面にわたって一定である、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記複数の同心リング内の各リングは、前記円筒状給電部により近い隣接するリングを上回る数のさらなる素子を有し、該さらなる素子の数は一定である、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記複数のリングのリングは、同一数のアンテナ素子を有する、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記複数の同心リングの各リング上の素子は、該素子の矩形グリッド表現上の位置に基づいて配置される、請求項18に記載のアンテナ。
- 前記複数の同心リングの各リング上の素子は、該素子の八角形表現上の位置に基づいて配置される、請求項18に記載のアンテナ。
- アンテナ素子のアレイを形成する方法であって、
このようなアンテナ素子が非円形の同心グリッド上に配置され、各アンテナ素子群が非円形の同心グリッドのうちの1つの同心グリッド上に関連する配置を有するような複数の群にアンテナ素子をグループ分けすることによって、複数のアンテナ素子群内のアンテナ素子に一意の駆動アドレスを割り当てるステップと、
アンテナ素子を同心リングの形に配列するステップと、を含み、
前記非円形の同心グリッドのうちの1つに関連する各群のアンテナ素子は、前記同心リングのうちの1つ内に配置される、方法。 - 前記非円形の同心グリッドは、均等に離間した同心状の矩形グリッドを含む、請求項24に記載の方法。
- 前記同心状の矩形グリッドは、同心状の正方形グリッドである、請求項25に記載の方法。
- 前記非円形の同心グリッドは、均等に離間した同心状の八角形グリッドを含む、請求項24に記載の方法。
- アンテナ素子を配列するステップは、複数の同心リング上にアンテナ素子を配置することによって、時計回り方向に曲がるアンテナ素子の第1の螺旋の組と、反時計回り方向に曲がるアンテナ素子の第2の螺旋の組とを形成するステップを含む、請求項24に記載の方法。
- 前記開口面の1つの区分における前記第1の螺旋の組及び前記第2の螺旋の組は、前記開口面アレイ全体にわたって複数のインスタンスを回転的に生じるアンテナ素子の繰り返しパターンを表す、請求項28に記載のアンテナ。
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