JP2018511240A - 低交差偏波ディケード帯域幅の超広帯域アンテナ素子およびアレイ - Google Patents

Abstract

【解決手段】 モジュール式広帯域アンテナ素子の種々の態様および実施形態が開示される。当該アンテナ素子は、供電網を有する支持構造と、当該アンテナ素子の主軸に沿って延出する第１および第２の任意形状の放射体素子とを含む。前記第１および第２の任意形状の放射体素子の各々は、ギャップ領域により分離された分離放射体構成要素を有する。任意形状の放射体素子の各々は、より幅広の端部およびテーパー形状の自由端部を有し、これにより、テーパー形状のスロット領域が提供される。前記第１および第２の任意形状の放射体素子の前記より幅広の端部は、前記支持構造により近く位置する。前記第１および第２の任意形状の放射体素子の前記テーパー形状の自由端部は、前記支持構造からより離れて位置する。前記第１および第２の任意形状の放射体素子は、前記供電網に電気的に結合されるよう構成される。【選択図】 図１Ｂ

Description

本発明は、米国海軍研究試験所から付与された助成金第ＮＲＬ Ｎ００１７３−１５−１−Ｇ００５号に基づく政府援助により成されたものである。米国政府は、本発明に一定の権利を有する。

本願は、２０１５年３月３日付で出願された米国同時係属仮特許出願第６２／１２７，５６５号「ＬＯＷ ＣＲＯＳＳ−ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＤＥＣＡＤＥ−ＢＡＮＤＷＩＤＴＨ ＵＬＴＲＡ−ＷＩＤＥＢＡＮＤ ＡＮＴＥＮＮＡ ＥＬＥＭＥＮＴ ＡＮＤ ＡＲＲＡＹ」（低交差偏波ディケード帯域幅超広帯域アンテナ素子およびアレイ）について米国特許法第１１９条（ｅ）に基づく優先権および利益を主張するものであり、この参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

電子走査アレイ（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ ｓｃａｎｎｅｄ ａｒｒａｙｓ：ＥＳＡｓ）のうち超広帯域（ｕｌｔｒａ−ｗｉｄｅｂａｎｄ：ＵＷＢ）で広範囲の走査放射性能を備えたものは、多機能システム、高スループットまたは低電力通信、高解像度、および耐クラッター性のレーダーまたはセンシング、ならびに電磁軍用システムなどの用途に望ましい。今日まで、最も幅広く利用されてきたＵＷＢ−ＥＳＡ素子は、インピーダンス性能が優れたＶｉｖａｌｄｉ、あるいはテーパー形状のスロットアンテナまたはフレア形状のノッチアンテナである。Ｖｉｖａｌｄｉアレイでは、３オクターブを超える（>８：１）瞬時帯域幅（最低周波数に対する最高周波数の比と定義される）を実現できる。過去１０年間には、優れたＶｉｖａｌｄｉアレイ実施形態がいくつか実現されており、これには大量のプリント基板（ＰＣＢ）製造を使ったマイクロストリップまたはストリップラインの変形形態、および放電加工（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：ＥＤＭ）または付加製造（３Ｄプリンティング）技術により合成した大電力対応の全金属製バージョンが含まれる。

そのような広帯域の優れたインピーダンス性能にもかかわらず、すべてのＶｉｖａｌｄｉアレイは、主平面以外、特に斜角をなした平面上で走査をする際、偏波分離の低下が著しいという問題が知られている。これが特に問題となるのは、意図された放射偏波（主偏波）で搬送される代わりに放射エネルギーとして伝達され、アレイがブロードサイドおよび主放射平面（Ｅ面およびＨ面）から離れる方向へ走査するに伴い、意図された平面に直交する偏波（交差偏波）に分布する場合である。この意図せぬ偏波の歪みにより、受信アンテナまたはアレイの偏波ベクトル

と送信アンテナまたはアレイの偏波ベクトル

とに偏波不整合が生じ、フリス伝達公式の偏波損失係数（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｌｏｓｓ ｆａｃｔｏｒ：ＰＬＦ）

がゼロに近づいて、通信シナリオにおいてサービスの損失またはスループットの低下を招く。同様に、アンテナまたはアレイがモノスタティックの（送受信機が同じ場所にある）レーダーシナリオの場合は、入射波および散乱波の偏波不整合（または偏波分離）が高い損失を受け、探知距離を低下させてしまう。同様に、偏波レーダーでは偏波分離不足により精度、目標識別、またはクラッター低減の性能が低下する可能性がある。そのため、偏波補正対策がない場合は、ＰＬＦが高くなり、斜角平面での軸外走査時、実質的に動作が妨げられて、結果的に著しい損失が生じてしまう。アレイ励振の再調整に基づく偏波補正手順では、斜角平面で許容範囲内の交差偏波除去を実現できることが知られているが、二重偏波構成でのみ利用可能で、各直交供電に周波数依存の振幅・位相加重を生じる原因となる追加給電回路を必要としうる。複雑さと実装コストの増大に加え、ルックアップテーブル（ｌｏｏｋ−ｕｐ−ｔａｂｌｅ：ＬＵＴ）ベースのこれら偏波補正法は、走査角および周波数に依存し、本質的に細ビームで狭帯域であるため、軸外斜角平面におけるＶｉｖａｌｄｉアレイのＵＷＢ瞬時帯域幅の可能性を損なう。その結果、Ｖｉｖａｌｄｉアンテナアレイは、斜角平面の走査時に性能が制限されて、内在的な制約を生じてしまう。ＬＵＴベースの偏波補正アプローチのもう１つの著しい欠点は、偏波サイドローブの意図せぬ増大である。

Ｖｉｖａｌｄｉアレイにおけるこの軸外斜角平面での走査偏波純度劣化の根本原因は、低周波数帯での良好なインピーダンス整合に必要なアレイ外形の高さによるものと考えられる。そのため、内在的な帯域幅および偏波分離の設計トレードオフが、走査Ｖｉｖａｌｄｉアレイに生じ、Ｖｉｖａｌｄｉの効果的な走査範囲または瞬時帯域幅を制限してしまう。なお、この帯域幅と偏波分離のトレードオフは、Ｖｉｖａｌｄｉアレイ設計が広帯域化するとさらに顕著になる、つまり４：１帯域幅のＶｉｖａｌｄｉアレイはＤ平面で４５度で走査されたときの偏波分離は約１０ｄＢであるが、７：１のアレイの偏波分離はわずか０ｄＢであることに注意すべきである。

主平面以外でのＵＷＢ−ＥＳＡの走査偏波分離を改善する手段として、外形が低く垂直方向に集積された放射体、例えばラビットイヤーアンテナ、ラビットイヤーくし形アンテナ（ｂｕｎｎｙ ｅａｒ ｃｏｍｂｌｉｎｅ ａｎｔｅｎｎａ：ＢＥＣＡ）、および平衡型対立式Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ（ｂａｌａｎｃｅｄ ａｎｔｉｐｏｄａｌ Ｖｉｖａｌｄｉ ａｎｔｅｎｎａ：ＢＡＶＡ）が提案されてきた。各アンテナの放射導体は、Ｖｉｖａｌｄｉアンテナのテーパー形状スロットの小型版に類似したλ_ｈｉｇｈ／２オーダーのフレア形状のダイポール状フィンを実装する。これらのアンテナは、良好な偏波分離を実現できるが、帯域幅または／およびマッチングレベルを犠牲にしてしまう。これらのタイプのアレイにより達成され文献化された最大の瞬時帯域幅は修正ＢＡＶＡのもので、ＵチャネルＢＡＶＡアレイと呼ばれ、ディケード帯域幅（１０：１）を実現しているが、ブロードサイドがＶＳＷＲ<３で、Ｈ面４５度の走査でＶＳＷＲが４を超えてしまう。適切にマッチングした帯域幅（ブロードサイドＶＳＷＲ<２）の場合は、Ｖｉｖａｌｄｉアレイで生成されたものに匹敵し、当該アレイの典型的な値は３：１〜６：１の範囲になり、大量生産を複雑にする外部バランを必要とするものもある。

そのため、優れたインピーダンス整合（ＶＳＷＲ<２）と、斜角平面を含むすべての非主走査平面における良好な偏波分離（仰角４５度で１５ｄＢより良好な若しくはそれに等しい）とを保ちながら非常に大きい瞬時帯域幅（>６：１）を呈するアンテナ素子が現在も必要とされている。

態様および実施形態は、本明細書に開示するアンテナ素子の種々の実施形態を対象としたものであり、当該アンテナ素子は、進歩性のある各種アンテナ構造により、１ディケードを超える帯域幅および高い走査偏波分離、すなわち高い主偏波および低い交差偏波をθ<６０°の走査範囲（斜角平面を含む）全体で同時に実現することができる。前記本明細書に開示するアンテナ素子の種々の実施形態の一態様は、先行技術Ｖｉｖａｌｄｉタイプのアンテナ素子構造と比べて、広帯域および広走査マッチングを考慮し高い性能を保つ各々の独特な能力、ならびに通常であれば非良好な斜角平面の軸外偏波分離につながる放射を助長する垂直方向の電流を制御する能力に基づく。本明細書に開示する本発明に係るアンテナ素子の種々の実施形態のさらに別の態様では、各アンテナ素子が、当該アンテナ素子の主軸に沿って延出した放射体構成要素であって、電気的に小さいギャップ領域により分離された任意形状の分離放射体構成要素を含む。さらに他の態様および実施形態も、視野がより広く周波数依存性が低いことも含めて同じ放射性能利点をもたらす単一素子アンテナとして提供できる。

モジュール式広帯域アンテナ素子は、供電網を有する支持構造と、当該アンテナ素子の主軸に沿って延出する第１および第２の任意形状の放射体素子とを含む。前記第１および第２の任意形状の放射体素子の各々は、電気的に小さいギャップ領域により分離された、分離放射体構成要素を有する。任意形状の放射体素子の各々は、より幅広の端部およびテーパー形状の自由端部を有し、これにより、テーパー形状のスロット領域が提供される。前記第１および第２の任意形状の放射体素子の前記より幅広の端部は、前記支持構造により近く位置する。前記第１および第２の任意形状の放射体素子の前記テーパー形状の自由端部は、前記支持構造からより離れて位置する。前記第１および第２の任意形状の放射体素子は、前記供電網に電気的に、導電的に、または静電容量的に結合されるよう構成される。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、前記分離放射体構成要素間に位置する静電容量強化素子を有する。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、前記支持構造に電気接続されていない前記分離放射体構成要素を有し、前記静電容量強化素子は、関心周波数で電流が流れるようにすることにより、関心周波数でのＶｉｖａｌｄｉ電流分布を模倣する。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、前記分離放射体構成要素間の縁部めっきを含む前記静電容量強化素子を有する。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、前記分離放射体構成要素を接続するビアを含む前記静電容量強化素子を有する。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、前記分離放射体構成要素に設けられた内側のノッチを有する前記静電容量強化素子を有する。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、横方向に延長して前記分離放射体構成要素に接続する任意形状のプレートを含む前記静電容量強化素子を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、スロット共振が起こらないよう構成された前記ギャップ領域を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、低相対誘電率１≦ε_ｒ≦１０の非導電性または低導電率の材料が充填された前記ギャップ領域を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、空気、ＰＴＦＥ誘電体、接着層、および／または発泡体のリストから選択される非導電性または低導電率の材料が充填された前記ギャップ領域を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、前記放射体の長手方向の軸に沿って変更できる前記ギャップ領域の数、位置、サイズ、および材料組成のいずれかを有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、第１のギャップ領域へと突出する前記支持構造を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、前記分離放射体構成要素およびギャップ領域がどちらも非導電性または低導電率の媒体内になるよう、前記媒体内に完全に若しくは部分的に埋め込まれた前記アンテナ素子を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、隣接しあうアンテナ素子を横切って完全に延長する非導電性または低導電率の層により支持された前記ギャップ領域を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、前記アンテナ本体の前記主軸に平行なギャップに沿って互いに分離された金属構成要素を実装する前記分離放射体構成要素を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、マイクロストリップ・トポロジーを有した前記第１および第２の任意形状の放射体素子を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、スロットライン・キャビティおよび接地面を有した前記支持構造を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、機械的支持媒体の反対側に印刷された４分の１波長スタブで終端処理されたマイクロストリップ・バランを有した前記支持構造を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、前記分離放射体構成要素間に位置する静電容量強化素子を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、ストリップライン・トポロジーを有した前記第１および第２の任意形状の放射体素子を有する。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、スロットライン・キャビティおよび接地面を有した前記支持構造を有する。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、機械的支持媒体の反対側に印刷された４分の１波長スタブで終端処理されたマイクロストリップ・バランを有した前記支持構造を有する。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、前記分離放射体構成要素間に位置する静電容量強化素子を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、当該アンテナ素子のＶｉｖａｌｄｉ実施形態を有した前記第１および第２の任意形状の放射体素子を有し、前記分離放射体構成要素は、ギャップ領域により離間された全金属製の分離放射体構成要素を有し、前記ギャップ領域には、前記金属製の分離放射体構成要素に離間支持部を提供するため、低導電率材料が充填される。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、高出力用途のために構成された前記金属製の分離放射体構成要素を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、ハイブリッド製造方法で構成された前記第１および第２の任意形状の放射体素子を有する。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、ＰＣＢ全金属ＥＤＭまたは付加製造（３Ｄプリンティング）方法のハイブリッド設計を有した前記第１および第２の任意形状の放射体素子を有する。前記ハイブリッド設計を含むこのアンテナ素子の態様および実施形態は、ハイブリッド素子と、前記供電および構造的支持構造との間に導電接続を維持する必要なく、個別に製造したのち連結できる。

このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、テーパーをかけた円錐形の形状を有した回転体（Ｂｏｄｙ ｏｆ Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ：ＢＯＲ）素子を有する前記第１および第２の任意形状の放射体素子を有し、前記回転体素子の前記形状は旋盤または同様な技術で製造される。このモジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、個別に製造したのち連結できる前記第１および第２の回転体素子を有し、当該素子と、前記供電および構造的支持構造との間に導電接続を維持する必要はない。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、平坦なセグメントで上方へと段差を設けたテーパー形状を有した階段状ノッチを有する前記第１および第２の任意形状の放射体素子を有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、全体的により薄い厚みを有した段差を有した前記階段状ノッチを有する。

前記モジュール式広帯域アンテナ素子の態様および実施形態は、さらに、アンテナアレイとして構成された複数のアンテナ素子を有する。前記アンテナアレイは、前記アンテナアレイ内に構成された複数のユニットセルを含み、前記ユニットセルの各々はアンテナ素子を含み、前記アンテナ素子の各々は前記第１および第２の任意形状の放射体素子を含み、前記第１および第２の任意形状の放射体素子の各々は、ギャップ領域により分離された、前記分離放射体構成要素を有する。

さらに他の態様、実施形態、およびこれらの例示的な態様および実施形態の利点については、以下で詳しく説明する。本明細書に開示する実施形態は、本明細書に開示する原理のうち少なくとも１つに沿った任意の態様で他の実施形態と組み合わせることができ、「実施形態」（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）、「一部の実施形態」（ｓｏｍｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）、「代替実施形態」（ａｎ ａｌｔｅｒｎａｔｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）、「種々の実施形態」（ｖａｒｉｏｕｓ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔｓ）、「一実施形態」（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）などの表現は、必ずしも他の実施形態と相互に排他的なわけではなく、説明される特定の形状、構造、または特徴を少なくとも１つの実施形態に含めることができることを示すよう意図されている。そのような用語が本明細書に見られた場合は、必ずしもすべてが同じ実施形態に言及しているわけではない。

以下、少なくとも１つの実施形態の種々の態様について添付の図面を参照して説明するが、これらの図面は縮尺どおりに描画することを目的としたものではない。これら図面は、例示のため、また種々の態様および実施形態をいっそう理解するため含められたものであり、本明細書に盛り込まれ、その一部を構成しているが、本発明の限定を定義することを目的としたものではない。当該図では、種々の図に例示した同一またはほぼ同一の構成要素の各々を、同様な番号で表す。明瞭性のため、必ずしもすべての構成要素をすべての図で表示しているわけではない。図は、以下のとおりである。
図１Ａは、先行技術のＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子を例示したものである。 図１Ｂ〜１Ｆは、本発明に係るアンテナ素子をそれぞれ例示したものであり、当該アンテナ素子の種々の実施形態と、先行技術Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子の違いを示している。 図１Ｂ〜１Ｆは、本発明に係るアンテナ素子をそれぞれ例示したものであり、当該アンテナ素子の種々の実施形態と、先行技術Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子の違いを示している。 図１Ｂ〜１Ｆは、本発明に係るアンテナ素子をそれぞれ例示したものであり、当該アンテナ素子の種々の実施形態と、先行技術Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子の違いを示している。 図１Ｂ〜１Ｆは、本発明に係るアンテナ素子をそれぞれ例示したものであり、当該アンテナ素子の種々の実施形態と、先行技術Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子の違いを示している。 図１Ｂ〜１Ｆは、本発明に係るアンテナ素子をそれぞれ例示したものであり、当該アンテナ素子の種々の実施形態と、先行技術Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子の違いを示している。 図２Ａ〜Ｂは、通常のストリップライン（トリプレート）Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子と、先行技術に係るＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子の全金属製の実施形態とを例示したものである。 図２Ａ〜Ｂは、通常のストリップライン（トリプレート）Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子と、先行技術に係るＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子の全金属製の実施形態とを例示したものである。 図３Ａは、マイクロストリップ実施形態として実装された本発明に係るアンテナ素子の側面図である。 図３Ｂは、それぞれ図３Ａのマイクロストリップ実施形態の投影・透視等角投影斜視図である。 図４Ａは、ストリップライン（トリプレート）およびめっき加工したビアで実装された本発明に係るアンテナ素子の側面図である。 図４Ｂは、それぞれ図４Ａのストリップライン実施形態の投影・透視等角投影斜視図である。 図４Ｃは、それぞれ図４Ａのストリップライン実施形態の正面および断面図であり、寄生プレートを内臓してフィンスライス間の連結を強化している。 図５Ａ〜Ｂは、本発明に係るアンテナ素子のリニア単一偏波アレイを示したもので、それぞれ、ストリップライン（トリプレート）実施形態の側面図および透視等角投影図である。 図５Ａ〜Ｂは、本発明に係るアンテナ素子のリニア単一偏波アレイを示したもので、それぞれ、ストリップライン（トリプレート）実施形態の側面図および透視等角投影図である。 図６Ａ〜Ｂは、本発明に係るアンテナ素子を例示したものであり、金属製の分離構成要素は分離され、排他的な個々のカットが２つの別個のリニアアレイに設けられ、最終的には図６Ｃに例示する二重偏波アレイ構成が形成される。 図６Ａ〜Ｂは、本発明に係るアンテナ素子を例示したものであり、金属製の分離構成要素は分離され、排他的な個々のカットが２つの別個のリニアアレイに設けられ、最終的には図６Ｃに例示する二重偏波アレイ構成が形成される。 図６Ａ〜Ｂは、本発明に係るアンテナ素子を例示したものであり、金属製の分離構成要素は分離され、排他的な個々のカットが２つの別個のリニアアレイに設けられ、最終的には図６Ｃに例示する二重偏波アレイ構成が形成される。 図７Ａ〜Ｂは、本発明に係るアンテナ素子の単一偏波リニアアレイの側面図および単一偏波プレーナアレイの斜視図であり、金属製の分離構成要素は分離され、排他的な個々のカットが設けられ、アンテナ本体はスライスされた領域へと突出している。 図７Ａ〜Ｂは、本発明に係るアンテナ素子の単一偏波リニアアレイの側面図および単一偏波プレーナアレイの斜視図であり、金属製の分離構成要素は分離され、排他的な個々のカットが設けられ、アンテナ本体はスライスされた領域へと突出している。 図７Ｃは、図７Ａ〜Ｂのアンテナ素子を二重偏波アレイとして実装したものを例示しており、当該二重偏波プレーナアレイの一列だけを示している。 図７Ｄは、頂部アンテナ部および底部アンテナ部を含んだ複数のアンテナ素子部から成るアンテナ素子を例示したものである。 図７Ｅは、前記頂部および底部アンテナ部が連結されて一列の二重偏波素子を形成した状態を例示したものである。 図７Ｆは、前記アンテナ部が連結されて８×８の二重偏波素子アセンブリのアンテナ素子アレイを形成した状態を例示したものである。 図７Ｇは、前記頂部アンテナ素子部の前記分離金属構成要素の幅、形状、および周期性が、複数の実施形態として実施できることを例示したものである。 図８Ａ〜Ｂは、全金属製の態様で実装したアンテナ素子を例示したものであり、ギャップ領域には、それぞれ空気および非導電性・低導電率誘電体材料を充填している。 図８Ａ〜Ｂは、全金属製の態様で実装したアンテナ素子を例示したものであり、ギャップ領域には、それぞれ空気および非導電性・低導電率誘電体材料を充填している。 図９は、全金属製の態様で実装したアンテナ素子のリニアアレイの等角投影図であり、ギャップ領域には空気または非導電性・低導電率誘電体材料を充填する。 図１０は、全金属製の態様で実装したアンテナ素子の二重偏波アレイの等角投影図であり、ギャップ領域には空気または非導電性・低導電率誘電体材料を充填する。 図１１Ａ〜Ｂは、ＰＣＢおよび全金属製製造のハイブリッド設計を実装した７素子のリニアアレイおよび７×７の二重偏波アレイを例示したものである。 図１１Ａ〜Ｂは、ＰＣＢおよび全金属製製造のハイブリッド設計を実装した７素子のリニアアレイおよび７×７の二重偏波アレイを例示したものである。 図１１Ｃ〜Ｄは、図１１Ａ〜Ｂのアンテナ素子を例示したものであり、図１１Ｄに示す頂部アンテナ部と、図１１Ｃに示す底部とを含む複数のアンテナ素子部から成る。 図１１Ｃ〜Ｄは、図１１Ａ〜Ｂのアンテナ素子を例示したものであり、図１１Ｄに示す頂部アンテナ部と、図１１Ｃに示す底部とを含む複数のアンテナ素子部から成る。 図１１Ｅは、前記頂部および底部アンテナ部が連結されて一列の二重偏波素子のアレイを形成した状態を例示したものである。 図１２は、回転体（ｂｏｄｙ−ｏｆ−ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ：ＢＯＲ）アンテナ素子実施形態の等角投影図である。 図１３Ａ〜Ｂは、図１２のＢＯＲアンテナ素子の４×４二重偏波アレイを例示したものである。 図１３Ａ〜Ｂは、図１２のＢＯＲアンテナ素子の４×４二重偏波アレイを例示したものである。 図１４は、任意の給電および構造的支持部を伴う階段状ノッチアンテナ素子を示した図である。 図１５Ａ〜Ｂは、それぞれ、図１４に係るアンテナ素子の階段状ノッチ実施形態の４×４二重偏波アレイの斜視図および側面図である。 図１５Ａ〜Ｂは、それぞれ、図１４に係るアンテナ素子の階段状ノッチ実施形態の４×４二重偏波アレイの斜視図および側面図である。 図１６は、一実施形態に係る「Ｍｅｃｈａ−Ｎｏｔｃｈ」（メカノッチ）に基づくアンテナ素子の側面図および斜視図である。 図１７Ａ〜Ｂは、それぞれ、図１６のアンテナ素子の「Ｍｅｃｈａ−Ｎｏｔｃｈ」実施形態の４×４二重偏波アレイの斜視図および側面図である。 図１７Ａ〜Ｂは、それぞれ、図１６のアンテナ素子の「Ｍｅｃｈａ−Ｎｏｔｃｈ」実施形態の４×４二重偏波アレイの斜視図および側面図である。 図１８Ａ〜Ｂは、それぞれ、「Ｍｅｃｈａ−Ｎｏｔｃｈ」に基づくアンテナ素子の側面図および投影・透視等角投影図であり、非導電性または低導電率の材料がユニットセル全体にわたり延在するギャップ領域を形成している。 図１８Ａ〜Ｂは、それぞれ、「Ｍｅｃｈａ−Ｎｏｔｃｈ」に基づくアンテナ素子の側面図および投影・透視等角投影図であり、非導電性または低導電率の材料がユニットセル全体にわたり延在するギャップ領域を形成している。 図１９Ａ〜Ｂは、図１８Ａ〜Ｂの「Ｍｅｃｈａ−Ｎｏｔｃｈ」アンテナ素子の４×４二重偏波実施形態を例示したものである。 図１９Ａ〜Ｂは、図１８Ａ〜Ｂの「Ｍｅｃｈａ−Ｎｏｔｃｈ」アンテナ素子の４×４二重偏波実施形態を例示したものである。 図２０は、図８Ｂの素子（全金属製のＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子）を有した図１０の二重偏波アレイの予測される無限アレイインピーダンス性能を、Ｅ面におけるブロードサイド、４５度、および６０度の走査について例示したものである。 図２１は、図８Ｂの素子（全金属製のＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子）を有した図１０の二重偏波アレイの予測される無限アレイインピーダンス性能を、Ｈ面におけるブロードサイド、４５度、および６０度の走査について例示したものである。 図２２は、図８Ｂの素子（全金属製のＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子）を有した図１０の二重偏波アレイのユニットセルから放射される無限アレイ交差偏波レベルの予測値を、Ｄ面における４５度および６０度の走査（φ＝４５度）について例示したものである。 図２３は、図８Ｂの素子を有した図１０の二重偏波アレイのユニットセルから放射される無限アレイ交差偏波レベルの予測値を、仰角４５度まで、斜角平面の方位角走査方向（φ）４５、１３５、２２５、および３１５度で走査した場合について例示したものである。

態様および実施形態は、本明細書に開示するアンテナ素子を対象としたものであり、当該アンテナ素子は、優れたインピーダンス整合および斜角走査平面での偏波分離を保ちながら、１ディケードを超える帯域幅を同時に実現することができる。態様および実施形態は、本明細書に開示する各種アンテナ素子を対象としたものであり、当該アンテナ素子は、進歩性のある各種アンテナ構造により、帯域幅および高い走査偏波分離、すなわち高い主偏波場および低い交差偏波場をθ<６０°の走査範囲（斜角平面を含む）全体で同時に実現することができる。開示する各種アンテナ素子の態様および実施形態は、先行技術Ｖｉｖａｌｄｉタイプのアンテナ素子構造と比べて、広帯域および広走査マッチングを考慮し高い性能を保つ各々の独特な能力、ならびに軸外走査中に良好な偏波分離を保つ上で非常に重要な垂直方向：水平方向の電流比を制御する能力に基づく。開示する各種アンテナ素子のさらに別の態様および実施形態は、当該アンテナ素子の主軸に沿って延出する、任意形状の分離放射体構成要素を含むことができ、それらの放射体構成要素は、適切に選択された非導電性、すなわち誘電性または低導電率の領域で形成される電気的に小さいギャップ（間隙）により分離される。さらに、前記素子放射体の導電的に分離された領域は、二重偏波構成において直交素子偏波と導電的に分離できる。本開示のこの革新的な態様は、単一偏波実施形態にも応用でき、放射性能の一定の利点をもたらす。ただし、二重偏波素子では、放射体領域上の大部分に構築することが難しい煩雑な電気接点を回避できるため、前記態様の有益性を最も享受できるのは二重偏波実施形態であることも理解されるであろう。さらに、大部分の説明はアンテナアレイに関するものであるが、本明細書に開示するアンテナ素子の種々の態様および実施形態は、視野がより広く周波数依存性が低いことも含めて同じ放射性能利点をもたらす単一素子アンテナとして、提供および動作可能であることが理解されるであろう。

本明細書で説明する方法および装置の実施形態は、用途に関して、以下の説明に記載し、または添付の図面に図示する構成要素の構造および構成の細部に限定されないことが理解されるであろう。前記方法および装置は、他の実施形態にも実装でき、種々の方法で実施または実行できる。特定の実施態様の例は、本明細書において単なる例示目的で提供しており、限定を目的とするものではない。また、本明細書で使用する表現および用語は、説明を目的としたものであり、限定的なものと見なすべきではない。「を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「を有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「を有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「を含む」（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）、「を伴う」（ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）、およびそれらの派生表現は、その後に記載された項目とその均等物だけでなく、付加的な項目も包含するよう意図されている。「または」（ｏｒ）という表現は包含的と解釈できるため、「または」（ｏｒ）を使って説明されるいかなる用語も、説明された用語のうちの１つ、複数、および全部のいずれかを示す。「前部」または「正面」（ｆｒｏｎｔ）および「後部」または「背面」（ｂａｃｋ）、「左」（ｌｅｆｔ）および「右」（ｒｉｇｈｔ）、「頂部」（ｔｏｐ）および「底部」（ｂｏｔｔｏｍ）、「上方」（ｕｐｐｅｒ）および「下方」（ｌｏｗｅｒ）、「垂直」（ｖｅｒｔｉｃａｌ）および「水平」（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）という表現のいずれも説明の便宜上のものであり、本システムおよび方法または各々の構成要素をいかなる１つの位置または空間配向に限定するものでもない。

Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子が普及したことにより、給電面、電気面、および構造面で独自に考案された多数の実施形態が考えられてきた。しかし、先行技術のＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子は、すべてテーパー形状スロットを形成するテーパー形状の金属フレアに電気接続された給電または支持構造から成る。先行技術に係るＶｉｖａｌｄｉ素子の全体的トポロジーを図１Ａに示しており、図中、Ｖｉｖａｌｄｉタイプのアンテナ素子１００は、テーパー形状のスロット領域１０２を形成する任意形状の導電放射体１０１から構成され、その基部において、導波供電ポート１０９への信号経路を伴う供電、バラン、および／またはマッチングネットワークを含む電気的および機械的支持構造１５０と導電的に接続される。前記放射体１０１は、複数の形状およびサイズをなして複数のテーパー形状のスロット領域１０２実施形態を形成し、全体としてＶｉｖａｌｄｉタイプのアンテナ素子１００を形成しており、これら複数の素子は、周期Ｄ（２次元の場合はＤ_ｘおよびＤ_ｙ）の１次元または２次元の周期的アレイにおいて動作することを目的としている。

ここで図１Ｂ〜１Ｆを参照すると、本開示に係る種々のアンテナ素子が例示されており、当該アンテナ素子の種々の実施形態と、図１Ａの先行技術Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子との違いが示されている。図１Ｂ〜１Ｆに開示する種々のアンテナ素子２００の態様および実施形態によれば、導電性アンテナ本体２０１およびテーパー形状のスロット２０２がアンテナ本体（水平方向に「スライスされた」ピースと呼ばれる）の主軸２２２を横断する方向にピースとして提供され、またはピースは除去され（スライスされ）、好ましくは非・低導電率材料２１０、例えばＰＴＦＥ誘電体、接着層、または発泡体の一方または双方と置き換えられてギャップ領域２０３をもたらす。これらの非・低導電率ギャップ領域は、電気的に薄く（通常、λ／１０−λ／１００、ここでλは最高周波数での波長）、通常、前記ギャップ厚の数倍〜２０倍範囲の距離だけ互いに垂直方向に分離される。これにより、アンテナ素子２００の種々の態様および実施形態は、金属および非金属を交互に繰り返す排他的テーパー形状部を前記アンテナ素子本体の前記主軸２２２に沿って含み、当該アンテナ素子本体は、フレア形状の開口部から、供電ポート１０９への経路を実装した電気的・構造的支持構成要素１５０部分まで延在する。さらに、前記分離金属本体構成要素２０１は、このアンテナ本体の前記主軸２２２と平行に互いにも分離される（垂直方向に「カットされた」ピースと呼ばれる）。複数の全前記アンテナ構成要素、例えば図１Ｂ〜１Ｆに例示したものは、例示した「スライス」および「カット」の数量、形状、および位置を含み、かつこれらに限定されずに実装できることが理解されるであろう。

上述のように、先行技術のＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子は、その広帯域特性と設計の堅牢性によりＵＷＢ−電子走査アレイに広く使用されてきたが、その広帯域性能をもたらす性質自体に走査上の制約が内在することは明らかである。本開示に係る本発明のアンテナ素子の種々の態様および実施形態は、設計上の必然的な制約として広く容認されてきた先行技術Ｖｉｖａｌｄｉアレイのこの典型的な斜角平面走査問題を本質的に解決するものである。その結果、本開示に係るアンテナ素子の種々の態様および実施形態は、独自に、先行技術Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子の方位角に依存した走査上の制約という欠点を伴わずに１ディケードを超える効率的な帯域幅を提供して、広視野ＵＷＢ動作を可能にする。

進歩性のあるアンテナ素子の１つの一般的な例を図１Ｂに例示する。この進歩性のあるアンテナ素子アーキテクチャは、前記アンテナ素子の主軸２２２に沿って延出しギャップ領域２０３により分離された任意形状の分離放射体構成要素２０１を有する複数のアンテナ素子２００を実装している。種々の実施形態の態様によれば、前記ギャップ領域２０３は、静電容量を高める構造２２０で互いに結合でき、電気的に分離された放射体構成要素２０１と併せ全体としてテーパー形状のスロット領域２０２を形成する。前記アンテナ素子２０１は、複数の電気的および構造的支持構成要素１５０により支持され、供電ポート構成１０９に結合される。先行技術のＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子と異なり、前記放射体２０１は、強力な容量結合により関心周波数（適正動作に不要な比較的高い周波数ではなく、比較的低い周波数）での電流を効果的に実現し、関心周波数でのＶｉｖａｌｄｉ電流分布を効果的に模倣するため、前記電気的および構造的支持構成要素１５０に接続する必要はない。また、慎重に設計されたスライス（位置、形状、幅、ギャップなど）は、通常であればスライシングにより生じるスロット共振が起こらないよう構成できる。前記ギャップ領域２０３には、非導電性または低導電率の媒体２１０が充填され、好ましくは相対誘電率が低い１≦ε_ｒ≦１０の材料、例えば空気、ＰＴＦＥ誘電体、接着層、および／または発泡体から成る。ギャップ領域２０３の数、位置、サイズ、および材料組成は、本発明に係る放射体２０１全体の状況に応じて異なる。また、前記電気的および構造的支持構成要素１５０は、任意の形状であってよく、図１Ｃに示すように低導電率媒体２１０の前記分離領域へと突出してもよい。また、その形状は、それ自体のテーパー形状のスロット領域２０２ｂを形成することが示されており、当該テーパー形状のスロット領域２０２ｂは、前記テーパー形状のスロット領域２０２ａと比べ独特である。さらに、本発明の種々の態様および実施形態に係るアンテナ素子２００は、例えば図１Ｄに示すように、前記非導電性または低導電率媒体２１０内に完全に埋め込むことができ、これにより当該アンテナ本体２０１およびギャップ領域２０３は、どちらも媒体２１０で構造的に支持される。前記アンテナ素子の代替実施形態を図１Ｅに示しており、この場合、前記ギャップ領域２０３は隣接しあうアンテナ素子２００を横切って完全に延長する非導電性または低導電率層２１１により支持される。図１Ｆには付加的な実施形態を例示しており、この場合、前記水平方向のギャップ領域に加え、さらに、分離金属構成要素２０１を実装しており、これらは当該アンテナ本体の主軸２２２と平行な態様で互いに分離されている。以上から、本発明に係るアンテナ素子２００はＶｉｖａｌｄｉタイプのアンテナ１００の構造（図１Ａを参照）と異なる（複数の異なる構造を有する）ことが明らかであり、これは従来の電気的に（導電的に）接続された（連続した）金属放射体１０１と対照的に、本発明に係るアンテナ素子が何らかの態様で電気的に（導電的に）分離された金属ピースを含む放射体を形成することによる。また、複数の構成、例えば図１Ｂ〜１Ｆの例で示した構成が可能であること、ならびに図１Ｂ〜１Ｅの態様の任意組み合わせだけでなく内在的な設計パラメータの柔軟性もすべてアンテナ素子に実装できることにも注意すべきである。

本明細書に開示するアンテナ素子の種々の実施形態は、本明細書に開示する種々の態様で電気的に（導電的に）分離された金属ピースを含む放射体を有し、進歩性のある各種構造により、１ディケードを超える帯域幅および高い走査偏波分離、すなわち高い主偏波場および低い交差偏波場をθ<６０°の走査範囲（斜角平面を含む）全体で同時に達成できることが理解されるであろう。本明細書に開示するアンテナ素子の各種実施形態の一態様は、広帯域マッチングを考慮した場合に必要な高い性能を保つとともに、通常であれば軸外走査中に斜角平面での不適切な偏波純度につながる垂直方向：水平方向の電流比を制御して放射に貢献する各々の独特な能力である。また、本明細書に開示する前記進歩性のある各種構造は、テーパー形状のスロット設計および供電原理を使って広帯域性能を実現する。

前述のように、本発明に係る前記アンテナ素子２００の種々の実施形態は、図１Ｂ〜Ｄに示すように、複数の給電用、電気的、および機械的構成要素１５０により電気的および構造的に支持できる。本発明の種々の態様および実施形態のメリットは、図１Ａに示すようなレガシーＶｉｖａｌｄｉタイプのアンテナ素子１００で使用される前記支持構造１５０の構成要素も、標準化された広帯域アレイハードウェアに遡及適合させて、進歩性のある当該アンテナ素子で利用できる点である。給電構造の選択肢は、４分の１波長スタブ、直接不平衡型ストリップラインまたは同軸接続部、または他の変形形態の選択肢で終端処理した平衡型マイクロストリップまたはストリップライン供電を実装させる必要性に応じて異なる。複数の前記アンテナ素子２００を設けると、リニアアレイまたはプレーナアレイを構成できる。

以上のように、本明細書に開示するアンテナ素子の態様および実施形態のもう１つのユニークな特徴は、前記放射体２０１を前記構成要素１５０に電気接続する必要がないことであり、これは強力な容量結合により関心周波数（適正動作に不要な比較的高い周波数ではなく、比較的低い周波数）での電流を効果的に実現し、関心周波数でのＶｉｖａｌｄｉ電流分布を効果的に模倣するためである。これを受けて、Ｖｉｖａｌｄｉタイプアンテナ素子の比較的広く使用される実施形態の一部について、現実的な比較対象として以下の説明で特に触れているが、決してそれらの実施形態に限定されるものではない。

追加実施例
プリント基板（ＰＣＢ）製造は、低コスト大量生産が可能なため、魅力的なアンテナ製造方法である。先行技術Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子をストリップラインに実装した例を図２Ａに示し、図２Ｂでは、先行技術に係る全金属製のＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子実施形態を示している。ストリップラインに実装された前記先行技術Ｖｉｖａｌｄｉアンテナ素子１００は、その連続したアンテナ本体１０１と、テーパー形状のスロット１０２と、電気的・構造的構成要素１５０（図示せず）に接続された伝送媒体１０３とを強調した比較基準として示されており、前記伝送媒体１０３は、スロットライン・キャビティ１０４と、４分の１波長スタブ１０５と、Ｋｎｏｒｒバランとしても知られているストリップライン・バラン１０６とを含む。この構造は、さらに、１０７、底面１０８と、供電ポート１０９と、同軸ケーブル１２０とを含む。

ＰＣＢ製造ベースの進歩性のあるアンテナ素子２００の一実施形態は図３Ａ〜Ｂに、図４Ａ〜Ｃには、マイクロストリップおよびストリップライン（トリプレート）トポロジーをそれぞれ示している。図３Ａ〜Ｂは、マイクロストリップ実施形態のそれぞれ側面図、ならびに投影・透視等角投影斜視図である。

図４Ａは、ストリップラインで実装したアンテナ素子の側面図、図４Ｂは、その投影・透視等角投影斜視図、および図４Ｃは、その正面図および断面図である。前記放射体２０１のテーパー形状スロット領域２０２内の分離された金属構成要素は、スロットライン・キャビティ２０４および当該素子の接地を含む金属構造基部１５０により支持された当該アンテナ素子２００内の前記ギャップ領域２０３により分離されている。給電には、前記機械的支持媒体２１０の反対側に印刷された４分の１波長スタブ２０５で終端処理されたマイクロストリップ・バラン２０６が実装されている。

縁部めっき２２０ａは、放射体２０１の２つの隣接しあう分離された金属構成要素間の結合強化のため静電容量を高める１つの方法として利用されている。図４Ａ〜Ｂのストリップライン実施形態の場合は、金属ビア２０７が前記スライスの双方の水平方向縁部に配置されて、当該放射体２０１の垂直方向の分離された金属構成要素間の容量結合強化構造２２０ｂを実装しているが、縁部めっきを使用してもよい。また、図４Ｃは、考えられる他の静電容量強化構造、例えば２２０ｄおよび２２０ｅを強調しており、単一または複数の平行なプレートが、当該放射体の前記分離された金属構成要素２０１間に設置され、分離され、またはビアで前記金属放射体構成要素に接続されているものと示されている。これらの平行なプレート静電容量強化構造は、前記放射体２０１の前記分離された金属構成要素間またはその外部に位置しても、あるいは前記スロットを横切って延長してもよい。正面図である図４Ｃには、前記放射体２０１の前記分離された金属構成要素の内側のノッチ２２６も見られ、選択された領域で容量結合が重視されている。これらの静電容量強化構造の数量、長さ、および幅は、高性能ＶＳＷＲおよび交差偏波除去の双方に影響する重要な設計パラメータである。図４Ａ〜４Ｃのアンテナ素子のリニアアレイ３００の例を図５Ａ〜Ｂに示しており、これは、リニアアレイを直交して重ね設けたリニアアレイ３００にすることで二重偏波構成に変換できる。

前記進歩性のあるアンテナ素子およびアレイの製造および組み立て工程の便宜を向上させ、特に二重偏波構成用の特筆に値する変形形態を図６Ａ〜Ｂに例示する。この幾何学構造において、分離された金属構成要素２０１は、機械的支持媒体２１０に内側のカット２７５ａおよび２７５ｂを設けられるよう、距離ｄ_ｓだけ導電的に分割および分離される。この場合、図６Ａ〜Ｂのリニアアレイ３００ａおよび３００ｂの各々は、これらを互いに直交させ重ね設けて図６Ｃに例示するような二重偏波アレイ４００を形成するための適切な内側のカット２７５ａおよび２７５ｂを有する。この態様において、直交する分離金属構成要素間に導電性の接続部は不要であり、金属ビア２０７は必ずしも任意の分離金属構成要素２０１を連結するためのものではない。これは、このアーキテクチャの元の偏波カード間の通電に必要なはんだ付けの数量および問題を劇的に低減できるため、大きな利点となる。この利点は、それに伴う金属ビア数の低減とともに、より高速で低リスクの低コストの製造を可能にする。

図７Ａのリニアアレイでは、さらに別の技術が適用されており、図７Ｂではさらに二重偏波アレイとして実装され、アンテナ本体１５０ａがそれ自体のテーパー形状のスロット領域２０２ｂを形成して、スライスされた領域と一体化する（これまでの図にわたり示してきた標準的な直線状ラインカットと対照的に）可能性が強調されている。前記アンテナ素子３００のこの実施形態は、さらに、ブロック１５０ｂにより支持されて機械的な安定性を提供する。別の二重偏波構成を図７Ｃに示しており、この場合はより湾曲したテーパー形状のスロット領域２０２ｂを伴う。この実施形態は、ＰＣＢベースのアーキテクチャによるが、この幾何学構造に必ずしも限定されるものではなく、全般的に、前記内側のカット２７５を伴い若しくは伴わなずに複数の方法（ハイブリッド技術構造を含む）にわたり適用可能であることが理解されるであろう。

このアンテナ素子２００は、図７Ｄに例示するように、複数のアンテナ素子部、例えば頂部アンテナ素子部２００ａおよび底部２００ｂを有することができる。これら２つの部分は、図７Ｄに例示したように、多くの方法で連結可能であり、支持構成要素１５０ｂおよび１５０ｃを伴うそのような構造の一例として「さねはぎ継ぎ」の例が強調されていることが理解されるであろう。なお、分離金属構成要素２０１ａおよび２０１ｂは、別個の領域に設けてもよいことに注意すべきである。これらの部分は、ともに、図７Ｅに示すようなアンテナ素子およびアレイを形成して、一列の二重偏波素子へと組み合せることができ、図７Ｆに示すように８×８の二重偏波アレイアセンブリへと組み合わせることもできる。さらに図７Ｇを参照すると、アンテナ素子部２００ａの分離金属構成要素２０１ａおよび２０１ｃの幅、形状、および周期性は複数の実施形態に実施できることが理解されるであろう。この複数部分を伴う実施形態は、頂部または底部のＰＣＢカードからのＰＣＢカード曲げ低減につながり、二重偏波アンテナ構成の前記底部２００ｂにおける直交カードのはんだ付けもより容易になるため、有利である。さらに、これらの構造はＰＣＢベースのアーキテクチャに実装されたものとして例示したが、本明細書で説明する実施形態はこの幾何学構造に必ずしも限定されるものではなく、以上説明したように、全般的に、前記内側のカット２７５を伴い若しくは伴わなずに複数の構造（ハイブリッド技術構造を含む）にわたり適用可能であることが理解されるであろう。

進歩性のあるアンテナ素子およびアレイの別の実施形態は、金属素材、例えばアルミニウムの放電加工（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ：ＥＤＭ）、または付加製造（３Ｄプリンティング）製造で作製された全金属製のＶｉｖａｌｄｉアレイに基づくものである。これは、高出力用途に前記アンテナ素子本体をすべて金属で構成可能にし、直交素子または直交素子カードの個々にはんだ付け（導電的に接続）する必要がなくなるため、魅力的な製造手段である。このタイプの全金属製Ｖｉｖａｌｄｉとしては、連続したアンテナ本体１０１および各電気的・構造的支持構成要素１５０を伴うものを、比較基準として図２Ｂに示した。

進歩性のあるアンテナ素子２００の全金属製Ｖｉｖａｌｄｉ実施形態を、図８Ａ〜８Ｂに例示する。放射体２０１の分離金属構成要素は、ギャップ領域２０３により離間されて、テーパー形状のスロット領域２０２を形成する。前記ギャップ領域２０３は、好ましくは非導電性または低導電率の媒体２１０、例えば図６Ｂの放射体２０１の前記分離金属構成要素に離間支持部を提供する誘電体が充填された状態で示されている。本発明に係るアンテナ素子のこの形態の単一偏波リニアアレイ３００を図９に例示し、これを単一偏波プレーナアレイ構成４００に拡張したものを図１０に例示する。

前述のように、本発明に係る前記アンテナ素子は、その進歩性のある構成により電気性能を改善し、Ｖｉｖａｌｄｉタイプのアーキテクチャ、例えば上述した全金属製アンテナ本体バージョンに広く使用されている製造ガイドラインに沿うことが可能である。

また、種々の製造方法を使ったハイブリッド設計、例として（これに限定されるものではないが）図１１Ａに例示するようなＰＣＢおよびＥＤＭの全金属製ハイブリッドリニアアレイ３００のケースも構築可能であることが理解されるであろう。この実施形態において、分離され垂直方向にカットされた金属構成要素２０１から成る支持媒体２１０内のＰＣＢ部は、ＥＤＭ全金属製アンテナ本体１５０の頂部に連結される。垂直方向のカット（電気的に分離された直交偏波カード）は、この頂部のＰＣＢ実施形態を魅力的なものにすることが理解されるであろう。前記２つの部分、例えば前記ＰＣＢおよびＥＤＭ全金属製部分のテーパー形状のスロット領域２０２ａおよび２０２ｂは、それぞれ個別に設計できることが理解されるであろう。本明細書で説明する内側のカット２７５の選択肢は、嵌合により図１１Ｂのように二重偏波構成にするためのこの実施形態にも実装されている。この内側のカット２７５は、必ずしもすべての設計に必要というわけではなく、単に組立方法を簡略化すると考えられる構造の１つとして示されているだけであることが理解されるであろう。また、前記底部のＥＤＭ全金属製領域の前記テーパー形状のスロット領域２０２ｂおよび２０２ｃは形状が異なることがあり、図１１Ｂの例示で設計の柔軟性をさらに強調しているように、１つの部分が直線状テーパー形状を実装し、それに直交する部分が直線状の部分を実装できることも理解されるであろう。すでに説明したように、複数の製造方法を利用すると、各構成要素のすべての設計パラメータに独立した調整および機械的な柔軟性を保ちながら、ハイブリッド設計を作製できることが理解されるであろう。本明細書で上述したように、前記アレイ３００、４００を構成するアンテナ素子は、複数のアンテナ素子部、例えば図１１Ｄに例示するような頂部アンテナ素子部３００ａと、図１１Ｃに例示するような底部アンテナ素子部３００ｂとを有することができることが理解されるであろう。これら２つの部分は、多くの方法で連結可能であり、その例として「さねはぎ継ぎ」構造２００ａおよび２００ｂが図１１Ｃ〜１１Ｄに例示されていることが理解されるであろう。これら２つの部分３００ａおよび３００ｂは、図１１Ｅに例示するように、「さねはぎ継ぎ」構造２００ａおよび２００ｂで組み合わされる。

図１２に示したようなテーパーをかけた円錐形２５２の形状を有した回転体（ｂｏｄｙ ｏｆ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ：ＢＯＲ）アンテナ素子を有するもう１つの二重偏波実施形態は、モジュール式Ｖｉｖａｌｄｉ代替態様として使用でき、その場合は、給電、バラン、マッチング、および／または構造的構成要素を含む基部１５０ｃに、進歩性のあるアンテナ素子２００を固定できる。本明細書に開示する他の実施形態のように、当該進歩性のあるアンテナ素子２００は、進歩性のあるギャップ領域２０３を伴う分離式放射体２０１を含む。これらのＢＯＲ素子は、図１３Ａ〜Ｂに示すように二重偏波プレーナアレイ構成４００へと配列できる。

本開示に係る進歩性のあるアンテナ素子の別の実施形態は、図１４に例示するように階段状ノッチ４０２の形態である。階段状ノッチと前述のＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子との違いの１つは、前記テーパー形状が、ここでは滑らかなテーパー形状ではなく、平坦なセグメントで上方へと段差を設けている（ｓｔｅｐｐｅｄ ｕｐｗａｒｄｓ）ことである。そのため、本実施形態の発明に係るアンテナ素子２００は図１１に示す形態にしたのち、図１５Ａ〜Ｂの例のように４×４二重偏波プレーナアレイ４００に向けて適用できる。

階段状ノッチアンテナ素子のより具体的なバージョンは、「Ｍｅｃｈａ−Ｎｏｔｃｈ」（メカノッチ）アンテナ素子であり、その場合、段差は全体的により薄く、接地面および底部セグメントがストリップライン供電セグメントを支持してアレイ本体に挿入および固定されるようにする。前記スライスされたノッチアンテナ素子は、Ｍｅｃｈａ−Ｎｏｔｃｈと同じ方法で製造できることが理解されるであろう。このアーキテクチャを実装した進歩性のあるアンテナ素子２００の一実施形態を図１６に例示しており、テーパー形状のスロット領域２０２を形成し電気的および構造的構成要素１５０に支持される分離式放射体２０１およびギャップ領域２０３を例示している。本発明に係る図１６のアンテナ素子の二重偏波平面構成４００を図１７Ａ〜１７Ｂの斜視図および側面図に例示する。さらに、この実施形態は、図１８Ａ〜１８Ｂの実施形態に例示するように、前記分離金属構成要素２０１の下に閉じ込められない態様で支持媒体２１０を実装するようなっている。静電容量型接合部は、円形状を有する状態で示した任意選択的な金属プレート２２０ｃを導入することにより性能を強化できる。ただし、いかなる略平面形状を有してもよいことが理解されるであろう。これらの静電容量型プレート２２０ｃは、取り付け先の金属スライスに電気接続される。この実施形態の二重偏波平面構成４００を図１９Ａ〜１９Ｂに例示する。

以上説明した種々の実施形態から、本発明に係るアンテナ素子は、比較的広く使用されている製造方法をいくつか使った複数の実施形態を包含するが、当該アンテナ素子がそれらのケースに限定されないことは言うまでもなく明らかである。適切な設計および調整により、前記ギャップ領域２０３を導入しても、図２０および図２１のＥ面およびＨ面プロット動作帯域内に予測される無限アレイインピーダンス性能（ＶＳＷＲ）には比較的わずかな影響しか及ばず、これは、ディケード帯域幅（１０：１）を、図２Ｂに例示した前記全金属製の二重偏波Ｖｉｖａｌｄｉタイプアンテナと、進歩性のある追加構成要素を除いて同じ寸法および構造を有する図８Ｂの進歩性のあるアンテナ素子の一実施形態とで比較するとわかる。

実際、ＶＳＷＲは、主Ｅ面または主Ｈ面におけるブロードサイド、４５度、および６０度の走査について低周波数範囲で大幅に改善され、これは前記ギャップ領域２０３により生じる静電容量負荷によるものである。また、Ｅ面走査は広角度で有意に高められる一方、Ｈ面走査は、動作帯域全体にわたり２．１５未満にとどまる。ブロードサイドＶＳＷＲは、ミッドバンド周波数および高周波数の範囲でわずかな劣化を示しているが、全体的には、一般的な矩形グリッドλ_ｇ／２で周期的に離間された素子の場合、理想的アパーチャのサンプリングについてグレーティングローブ周波数ｆ_ｇまで２未満に保たれる（ここで、λ_ｇはｆ_ｇの自由空間波長で、理想的には動作帯域の高周波数の波長λ_ｈｉｇｈに等しい）。上限周波数がｆ_ｇで決まると仮定すると、本発明に係るアンテナ素子は、同じディケード帯域幅を保ち、全体的にＶＳＷＲが改善される。

本発明の種々の実施形態に係るアンテナ素子は、通常であればＶｉｖａｌｄｉタイプのアンテナ素子１００の斜角平面およびその周辺の走査で偏波分離を悪化させる交差偏波場の放射に寄与する垂直方向電流の制御を可能にする。図２０および図２１に示したＶＳＷＲプロットで使用したものと同じ二重偏波アンテナ構造を用いると、無限アレイユニットセルの交差偏波レベルが、４５度方位角（一般にφで示される）および４５度および６０度の仰角（一般にθで示される）に関連付けられた斜角平面での走査について、図２２に示すように、計算される。当該進歩性のあるモデルに関する同様な交差偏波レベル計算は、他の斜角平面（φ＝１３５、２２５、３１５度）についても図２３に示すようにプロットでき、その結果は、大部分の帯域にわたり全平面で２ｄＢ以内であった。１つの偏波は１ワット（Ｗ）の投入電力で励振できる一方、他方は５０Ωで終端処理され、２つの偏波は二重オフセット二重偏波構成で約λ_ｈｉｇｈ／４だけ分離される。θ＝４５度の場合、前記Ｖｉｖａｌｄｉタイプのアンテナアレイでは、低周波数範囲付近の−１０ｄＢが高周波数範囲付近の６．５ＧＨｚで０ｄＢまで増加するまで、交差偏波の有意な増加を呈し、高周波数範囲付近の６．５ＧＨｚで偏波が直交し、周波数の増加に伴いさらに交差偏波の度合いが高まり始めた。

先行技術Ｖｉｖａｌｄｉタイプのアンテナアレイでは、何らかの外部交差偏波補正措置なしでは、良好な偏波分離で斜角平面を走査できないことは明らかである。ただし、本発明のアンテナ素子の種々の実施形態は、ほぼ平坦な交差偏波レベルを動作帯域全体にわたって理想的な主偏波レベルより低い１３ｄＢ前後で保っている（１Ｗの投入電力で０ｄＢ）。θ＝６０度でも同様な結果が認められ、前記従来のＶｉｖａｌｄｉタイプのアンテナアレイは３．２５ＧＨｚ付近で０ｄＢを記録し、動作帯域のほぼ全体で交差偏波が優勢な偏波になったが、本発明に係るアンテナ素子はこの場合も平坦に７．５ｄＢで理想的な主偏波レベル未満を保った。他のいくつかのより対称的なＰＣＢ実施形態が同様な、または場合によって２ｄＢさらに優れた偏波性能を示した。最終的に、本発明に係るアンテナ素子は、Ｖｉｖａｌｄｉタイプのアンテナアレイで動作帯域全体にわたり見られる典型的な主平面以外（二重偏波プレーナアレイの場合、斜角平面で最も深刻）での走査の限界を本質的に克服する。

これを受け、本発明に係るアンテナ素子の種々の実施形態は、その進歩性のある構造により、１ディケードを越える帯域幅および低い走査交差偏波を走査範囲全体（斜角平面を含む）で同時に達成でき、他方、Ｖｉｖａｌｄｉアレイの走査範囲は帯域幅の広がりとともに斜角平面またはその周辺で急速に終了することが理解されるであろう。著しいゲインの損失なく、または外部交差偏波補正ハードウェアなしで、これを実現できるＵＷＢ−ＥＳＡは他にはない。

本発明のアンテナ素子の種々の実施形態の別の態様では、直交偏波を重ね合わせる必要のある共通実施形態をより容易に製造し若しくは組み立てられるが、これは、その放射体体が、困難な切り込みおよびはんだ付け工程を要するＶｉｖａｌｄｉの長い単一金属製フレアではなく、鶏卵用クレート式組み立て用にはんだ付けしやすく切り込みを入れやすくした比較的小さい分離構成要素から構成されるためである。

本発明のアンテナ素子の種々の実施形態さらに別の態様では、当該アンテナ素子の発明が、その進歩性のある構造でインピーダンス帯域幅を本質的に安定させることにより、従来のＶｉｖａｌｄｉアレイにおいて例えばＨ面で低周波数ドリフトおよび高周波数走査異常の問題が生じるという主平面（Ｅ面またはＨ面）走査性能の問題が改善される。

本発明のアンテナ素子の種々の実施形態さらに別の態様では、当該アンテナ素子の発明が、全般的に、レガシー広帯域フェーズドアレイハードウェアまたはプラットフォームにも遡及対応するため、広く使われているＶｉｖａｌｄｉアンテナ素子は、本発明に基づいて各々のテーパー形状スロット領域を修正した上で、各々の基本設計を引き続き使用できる。

以上、少なくとも１つの実施形態の態様をいくつか説明したが、当業者であれば、種々の修正形態、変更形態、および改良形態が容易に考案できることが理解されるであろう。そのような修正形態、変更形態、および改良形態については、本開示の一部であるよう意図しており、本発明の範囲内に含まれるよう意図している。したがって、以上の説明および図面は単なる例であり、本発明の範囲は添付の請求項の適正な構成とその均等物から決定すべきである。

Claims (30)

1. モジュール式広帯域アンテナ素子であって、
   供電網を有する支持構造と、
   前記アンテナ素子の主軸に沿って延出する第１および第２の任意形状の放射体素子であって、
   前記第１および第２の任意形状の放射体素子の各々は、ギャップ領域により分離された分離放射体構成要素を有し、
   前記第１および第２の任意形状の放射体素子の各々は、より幅広の端部およびテーパー形状の自由端部を形成してなり、これにより、テーパー形状のスロット領域が提供されるものであり、
   前記第１および第２の任意形状の放射体素子の前記より幅広の端部は前記テーパー形状の自由端部よりも前記支持構造により近接した位置にあり、前記テーパー形状の自由端部は前記支持構造からより離れた位置にあるものである、
   前記第１および第２の任意形状の放射体素子と
   を有し、
   前記第１および第２の任意形状の放射体素子は、前記供電網に電気的に結合されるよう構成されるものである、
   モジュール式広帯域アンテナ素子。
2. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、さらに、
   前記分離放射体構成要素間に位置する静電容量強化素子を有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
3. 請求項２記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記分離放射体構成要素は前記支持構造に電気接続されておらず、前記静電容量強化素子は、関心周波数で電流が流れるようにすることにより、関心周波数でのＶｉｖａｌｄｉ電流分布を模倣するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
4. 請求項２記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記静電容量強化素子は、前記分離放射体構成要素の縁部めっきを含むものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
5. 請求項２記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記静電容量強化素子は、前記分離放射体構成要素を接続するビアを含むものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
6. 請求項２記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記静電容量強化素子は、前記分離放射体構成要素に設けられた内側のノッチを有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
7. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記ギャップ領域は、スロット共振が起こらないように構成されるものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
8. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記ギャップ領域に、低相対誘電率１≦ε_ｒ≦１０の非導電性または低導電率の材料が充填されるものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
9. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記ギャップ領域に、空気、ＰＴＦＥ誘電体、接着層、および／または発泡体のリストから選択される非導電性または低導電率の材料が充填されるものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
10. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記ギャップ領域の数、位置、サイズ、および材料組成のいずれも、前記放射体の長手方向の軸に沿って変更できるものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
11. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記支持構造は第１のギャップ領域に突出するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
12. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記アンテナ素子は、非導電性または低導電率の媒体内に完全に埋め込まれるものであり、それにより、前記分離放射体構成要素およびギャップ領域の双方が前記媒体内に配置されるものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
13. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記ギャップ領域は、隣接しあうアンテナ素子を横切って完全に延長する非導電性または低導電率の層により支持されるものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
14. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記分離放射体構成要素は、前記アンテナ本体の前記主軸に平行なギャップに沿って互いに分離された金属構成要素をさらに実装するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
15. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記第１および第２の任意形状の放射体素子は、マイクロストリップ・トポロジーを有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
16. 請求項１５記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記支持構造はスロットライン・キャビティおよび接地面を有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
17. 請求項１５記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記支持構造は、機械的支持媒体の反対側に印刷された４分の１波長スタブで終端処理されたマイクロストリップ・バランを有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
18. 請求項１５記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、さらに、
    前記分離放射体構成要素間に位置する静電容量強化素子を有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
19. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記第１および第２の任意形状の放射体素子は、ストリップライン・トポロジーを有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
20. 請求項１９記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記支持構造はスロットライン・キャビティおよび接地面を有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
21. 請求項１９記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記支持構造は、機械的支持媒体の反対側に印刷された４分の１波長スタブで終端処理されたマイクロストリップ・バランを有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
22. 請求項１９記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、さらに、
    前記分離放射体構成要素間に位置する静電容量強化素子を有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
23. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記第１および第２の任意形状の放射体素子は、当該アンテナ素子のＶｉｖａｌｄｉ実施形態を有し、前記分離放射体構成要素は、ギャップ領域により離間された全金属製の分離放射体構成要素を有し、前記ギャップ領域には、前記金属製の分離放射体構成要素に離間支持部を提供するため、低導電率材料が充填されるものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
24. 請求項２３記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記金属製の分離放射体構成要素は、高出力用途のために構成されるものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
25. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記第１および第２の任意形状の放射体素子は、ハイブリッド製造方法で構成されるものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
26. 請求項２５記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記第１および第２の任意形状の放射体素子は、ＰＣＢ全金属ＥＤＭまたは付加製造（３Ｄプリンティング）方法のハイブリッド設計を有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
27. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記第１および第２の任意形状の放射体素子は、テーパーをかけた円錐形の形状を有した回転体（Ｂｏｄｙ ｏｆ Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ：ＢＯＲ）素子を有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
28. 請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記第１および第２の任意形状の放射体素子は、平坦なセグメントで上方へと段差を設けたテーパー形状を有した階段状ノッチを有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
29. 請求項２８記載のモジュール式広帯域アンテナ素子において、前記階段状ノッチは、全体的により薄い厚みを有した段差を有するものであるモジュール式広帯域アンテナ素子。
30. アンテナアレイとして構成された請求項１記載のモジュール式広帯域アンテナ素子であって、前記アンテナアレイは、
    前記アンテナアレイ内に配置された複数のユニットセルを有し、前記複数のユニットセルの各々はアンテナ素子を含み、前記アンテナ素子の各々は前記第１および第２の任意形状の放射体素子を含み、前記第１および第２の任意形状の放射体素子の各々は、ギャップ領域により分離された前記分離放射体構成要素を有するものである、
    モジュール式広帯域アンテナ素子。

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