JP2019519988A - アンテナアレイ内の相互結合を低減するための装置および方法 - Google Patents

アンテナアレイ内の相互結合を低減するための装置および方法 Download PDF

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Abstract

無線周波数（ＲＦ）およびマイクロ波アレイアンテナの性能を改善するためのデバイスが提示される。デバイスは、平らな金属または平らな平面内の他の導体の電気的に絶縁された矩形、十字形、Ｌ字形、および／または同様の形状のパッチのパターンを有し、アンテナアレイの近接場、反応領域に位置する。パッチは、アンテナの公称動作範囲の最短波長の０．３以下のより小さい形状にセグメント化され、かつ／または平面の高さは、中心周波数の波長の０．２５より大きく、かつ／もしくは０．４より小さい。隣接する素子間の相互結合Ｓパラメータはシミュレートまたは測定され、パッチのサイズまたは高さは、｜Ｓ２１Ｒｅｆｌ｜が｜Ｓ２１Ａｒｒａｙ｜±｜Ｓ２１Ａｒｒａｙ｜の２０％の範囲内であり、位相（Ｓ２１Ｒｅｆｌ）が位相（Ｓ２１Ａｒｒａｙ）＋１８０±３０度の範囲内であるように設計され、Ｓ２１Ａｒｒａｙは、デバイスがない場合の測定またはシミュレートされた２つの隣接するアンテナ素子間のＳパラメータであり、Ｓ２１ＡＤＳは、デバイスがある場合の同じＳパラメータであり、Ｓ２１Ｒｅｆｌ＝Ｓ２１ＡＤＳ−Ｓ２１Ａｒｒａｙである。【選択図】図１Ａ

Description

関連出願の相互参照
[0001]本出願は、２０１６年５月２６日に出願された米国仮出願第６２／３４１，８３５号の利益を主張するものであり、その全体の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
[0002]本開示はアンテナに関し、詳細には、アンテナアレイ、特に、大型ＭＩＭＯ（Ｍ−ＭＩＭＯ）アンテナアレイなどの、複数入力複数出力（ＭＩＭＯ）アンテナアレイ内の相互結合低減に関する。それは、レーダーおよび他のアプリケーション用のフェーズドアレイアンテナにも同様に関係する。
[0003]大型ＭＩＭＯ（Ｍ−ＭＩＭＯ）技術は、将来のワイヤレス通信システムにとって、特に第５世代（５Ｇ）ワイヤレスシステムにおいて、重要な実現技術となっていることは明らかである。Ｍ−ＭＩＭＯは、アンテナおよび信号処理の理論およびエンジニアリングに関する考え方のパラダイムシフトを表す。基本的には、アレイに搭載されているアンテナが多いほど、伝搬路の自由度が高くなり、容量およびリンクの信頼性に関する性能が向上する。しかしながら、Ｍ−ＭＩＭＯシステムの性能は、アンテナアレイの特性および伝搬環境に大きく依存する。制約のある空間内でアンテナの数が増加すると、設計者は多くの課題に直面する可能性がある。これらの課題の中には相互結合効果があり、それはＭ−ＭＩＭＯアンテナアレイの性能に対する主な制限要因である。実際には、有限領域内のアンテナアレイ、特にＭ−ＭＩＭＯアンテナアレイ内のアンテナ素子の各対の間の相互結合をどのように減少させるかが課題となる。
[0004]アンテナアレイ内の相互結合を低減するための装置および方法を提供することが望ましい。
[0005]概して、アンテナアレイのアンテナ素子間の無線周波数（ＲＦ）および他の電磁放射相互結合を低減するためのデバイスが開示される。平らな分離した金属パッチのパターンは、アンテナアレイの上の近接場に固定され、各パッチはアンテナ素子の真上または複数のアンテナ素子の間および上に固定される。パッチは、アンテナアレイの接地板に平行である。パッチは、金属または他の導電性材料から作ることができる。便宜上、デバイスはアレイアンテナ減結合面（ＡＤＳ）と呼ばれる。
[0006]パッチは、一般に、矩形、プラス、Ｔ、およびそれらのわずかに湾曲したバージョンなどの、対向する辺が互いに平行である偶数の辺を有する。それらは、セグメント化された矩形、プラス、フレーム、リング、および他の幾何学的形状を形成するように配置される。正方形は矩形の一タイプである。
[0007]パッチは共通平面内にあり、共通平面は低誘電率基板上に容易に形成することができる。それらはアンテナの近接場にあり、アレイアンテナの接地板上のそれらの高さは０．２５λｃ以上であることが好ましい。それらは０．４λｃ以下にすることができ、ここで、λｃはアンテナの設計された中心周波数の波長である。
[0008]パッチのサイズおよび形状は、下にあるアンテナ素子とその近傍との間の相互結合散乱パラメータ（「ｓパラメータ」）を最小化するように、または少なくともｓパラメータの振幅を低下させ、ある程度破壊的に妨害するように選択される。２つの素子間の相互結合ｓパラメータが測定またはシミュレートされる。ＡＤＳがない場合に取られたアンテナ素子１と２との間のｓパラメータはＳ２１ Ａｒｒａｙであり、ＡＤＳ構造を有する同じ素子間のｓパラメータはＳ２１ ＡＤＳである。差は、Ｓ２１ Ｒｅｆｌ＝Ｓ２１ ＡＤＳ−Ｓ２１ Ａｒｒａｙとして定義される。Ｓ２１ ＲｅｆｌおよびＳ２１ Ａｒｒａｙの振幅の差を最小化することができ、かつ／または逆位相の差を最小化することができる。
[0009]アンテナの性能を実質的に低下させることなくこれらの目的を満たすためには、パッチは、下にあるアンテナ素子の幅の５０％未満でなければならない。それらの最長寸法は、アンテナの通常動作範囲の最短波長の０．３倍以下でなければならない。
[0010]２次パッチは、（１次）パッチのパターン内に散在させることができる。２次パッチは、１次パッチと同じサイズ上の制限を共有する。しかしながら、２次パッチは、アンテナ素子と、隣接する交差分極アンテナ素子またはさらに離れた共分極された近傍との間の相互結合ｓパラメータを減少させるためのものである。
[0011]本開示のいくつかの態様は、アンテナアレイ内のアンテナ素子間の相互結合を低減するための近接場装置を含み、アンテナアレイは、公称動作範囲の周波数および関連する波長を有する。装置は、アンテナアレイの上に支持されるように構成された共通平面内の複数の導電性パッチであって、各導電性パッチが他のパッチから分離されている、導電性パッチと、導電性パッチの共通平面をアンテナアレイの接地板からある高さに平行に保持するように構成されたスタンドオフ構造とを含む。複数の導電性パッチのうちの少なくとも１つの導電性パッチは、下にあるアンテナ素子から隣接するアンテナ素子に電磁波の一部分を回折させるようにサイズ変更され、その結果、良好な整合状態にあり、ｉ）導電性パッチがない場合のＳ２１ Ａｒｒａｙ、およびｉｉ）導電性パッチがある場合のＳ２１ ＡＤＳとして測定またはシミュレートされ、差がＳ２１ Ｒｅｆｌ＝Ｓ２１ ＡＤＳ−Ｓ２１ Ａｒｒａｙとして定義された、下にあるアンテナ素子と隣接するアンテナ素子との間の相互結合ｓパラメータは、以下の基準：｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜＝｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜±｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜の２０％、および位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）＝位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０±３０度を満たす。すなわち、各式の左辺は式の右辺の範囲内にある。
[0012]各導電性パッチは、下にあるアンテナ素子の５０％未満の幅と、公称動作範囲の最短波長の０．３以下の最長寸法とを有することができる。
[0013]アンテナアレイの接地板上の導電性パッチの共通平面の高さは、０．２５λｃと０．４λｃとの間であり得る、ここで、λｃはアンテナアレイの中心周波数に対応する電磁波波長である。
[0014]各導電性パッチの高さまたは寸法は、｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜と｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜との間の差を最小化するように選択することができる。代替または関連として、各導電性パッチの高さまたは寸法は、位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）と位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０度との間の差を最小化するように選択することができる。
[0015]装置は、その上に複数の導電性パッチが形成される誘電体基板をさらに含むことができる。複数の導電性パッチは、矩形、プラス、十字形、Ｔ字形、Ｉ、＃、Ｌ字形、Ｕ、および湾曲した矩形からなるグループから選択された、直角および偶数の平行な辺のみを有する形状を含むことができる。複数の直角の導電性パッチのサブセットは、セグメント化された矩形、セグメント化されたプラス、セグメント化されたフレーム、およびセグメント化されたリングからなるグループから選択された、より大きい対称形状を形成することができる。
[0016]各導電性パッチは、下にあるアンテナ素子の上の中心に置くか、または２つの下にあるアンテナ素子の間の中心に置くことができる。
[0017]装置はアンテナアレイ自体を含むことができる。アンテナアレイのタイプは、線形エアパッチアンテナアレイ、二重分極線形ダイポールアンテナアレイ、４線巻き螺旋環状分極円形アンテナアレイ、または他のタイプを含むことができる。
[0018]「第１の」複数のパッチとして複数の導電性パッチを参照すると、装置は共通幾何学平面内の第２の複数の導電性パッチをさらに含むことができ、第２の複数の導電性パッチの各々は、偶数の辺、各エッジにおける直角、下にあるアンテナ素子の５０％未満の幅、および公称動作範囲の最短波長の０．３以下の最長寸法を有する。第２の複数の導電性パッチのうちの少なくとも１つの導電性パッチは、下にあるアンテナから交差分極隣接アンテナ素子に電磁波の一部分を回折させるようにサイズ変更される。
[0019]複数の導電性パッチは、周期的、非周期的、対称、または非対称のパターンを形成することができる。
[0020]本開示のいくつかの態様は、アンテナアレイ内のアンテナ素子の相互結合を低減するための方法を含み、アンテナアレイは、公称動作範囲の周波数および関連する波長を有する。方法は、アンテナアレイの上に支持されるように構成された共通平面内に複数の導電性パッチを設けるステップであって、各導電性パッチが他のパッチから分離されている、ステップと、導電性パッチの共通平面をアンテナアレイの接地板からある高さに平行に支持するステップと、複数の導電性パッチを使用して、下にあるアンテナ素子から隣接するアンテナ素子に電磁波の一部分を回折させるステップであって、その結果、ｉ）導電性パッチがない場合のＳ２１ Ａｒｒａｙ、およびｉｉ）導電性パッチがある場合のＳ２１ ＡＤＳとして測定またはシミュレートされ、差がＳ２１ Ｒｅｆｌ＝Ｓ２１ ＡＤＳ−Ｓ２１ Ａｒｒａｙとして定義された、下にあるアンテナ素子と隣接するアンテナ素子との間の相互結合ｓパラメータが、以下の基準：｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜＝｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜±｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜の２０％、および位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）＝位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０±３０度を満たす、ステップとを含むことができる。
本開示の一実施形態による、線形エアパッチアンテナアレイ上のアレイアンテナ減結合面（ＡＤＳ）の等角投影図である。 図１ＡのＡＤＳおよびアンテナアレイの上面図である。 図１ＡのＡＤＳおよびアンテナアレイの側面図である。 本開示の一実施形態による、交互に間隔を空けたＡＤＳおよびアンテナアレイの上面図である。 図２ＡのＡＤＳおよびアンテナアレイの側面図である。 本開示の一実施形態による、アレイアンテナ減結合面を有するアンテナアレイの側面概略図である。 本開示の一実施形態による、より大きいセグメント化矩形形状を形成する、より小さい正方形パッチの上面図である。 本開示の一実施形態による、ソリッド矩形パッチの上面図である。 本開示の一実施形態による、より大きいセグメント化プラス形形状を形成する、より小さいプラス形パッチの上面図である。 本開示の一実施形態による、より大きいセグメント化フレーム形状を形成する、より小さいＬ字形パッチの上面図である。 本開示の一実施形態による、ソリッド円形パッチの上面図である。 本開示の一実施形態による、より大きいセグメント化リング形状を形成する、湾曲矩形パッチの上面図である。 本開示の一実施形態による、より大きいセグメント化正方形形状を形成する、プラス形パッチ、より小さい正方形パッチ、および矩形パッチの上面図である。 本開示の一実施形態による、より大きいセグメント化正方形形状を形成する、より小さい正方形パッチおよびＬ字形パッチの上面図である。 高さが異なる図１Ａのアンテナアセンブリに応じて取得された、シミュレートされた振幅差を示すチャートである。 高さが異なる図１Ａのアンテナアセンブリに応じて取得された、シミュレートされた位相差を示すチャートである。 高さが異なる図１Ａのアンテナアセンブリに応じて取得された、シミュレートされた相互結合を示すチャートである。 金属ストリップのサイズが異なる図１Ａのアンテナアセンブリに応じて取得された、シミュレートされた振幅差を示すチャートである。 金属ストリップのサイズが異なる図１Ａのアンテナアセンブリに応じて取得された、シミュレートされた位相差を示すチャートである。 金属ストリップのサイズが異なる図１Ａのアンテナアセンブリに応じて取得された、シミュレートされた相互結合を示すチャートである。 アンテナ素子間にＡＤＳがある場合とない場合の図１ＡのアンテナアレイのＳパラメータを示すチャートである。 アンテナ素子間にＡＤＳがある場合とない場合の図１ＡのアンテナアレイのＳパラメータを示すチャートである。 アンテナ素子間にＡＤＳがある場合とない場合の図１ＡのアンテナアレイのＳパラメータを示すチャートである。 アンテナ素子間にＡＤＳがある場合とない場合の図１ＡのアンテナアレイのＳパラメータを示すチャートである。 ＡＤＳがある場合とない場合の図１Ａのアンテナアレイの素子１のＥ面活性放射パターンを示すチャートである。 ＡＤＳがある場合とない場合の図１Ａのアンテナアレイの素子１のＨ面活性放射パターンを示すチャートである。 ＡＤＳがある場合とない場合の図１Ａのアンテナアレイの素子３のＨ面活性放射パターンを示すチャートである。 ＡＤＳがある場合とない場合の図１Ａのアンテナアレイの素子３のＥ面活性放射パターンを示すチャートである。 本開示の一実施形態による、２×２二重分極８素子線形ダイポールアンテナアレイ上のアレイアンテナ減結合面（ＡＤＳ）の等角投影図である。 図１６ＡのＡＤＳがないアンテナアレイの上面図である。 図１６Ｂのアンテナアレイのアンテナ素子の拡大上面図である。 図１６Ｂのアンテナアレイのアンテナ素子の側面図である。 図１６Ｂのアンテナアレイのアンテナ素子の隣接側面図である。 図１６ＡのＡＤＳの上面図である。 図１６Ａのアンテナアレイの８つのアンテナ素子に対する番号割当ての概略図である。 アンテナ素子間にＡＤＳがある場合とない場合の図１６ＡのアンテナアレイのＳパラメータを示すチャートである。 アンテナ素子間にＡＤＳがある場合とない場合の図１６ＡのアンテナアレイのＳパラメータを示すチャートである。 アンテナ素子間にＡＤＳがある場合とない場合の図１６ＡのアンテナアレイのＳパラメータを示すチャートである。 アンテナ素子間にＡＤＳがある場合とない場合の図１６ＡのアンテナアレイのＳパラメータを示すチャートである。 アンテナ素子間にＡＤＳがある場合とない場合の図１６ＡのアンテナアレイのＳパラメータを示すチャートである。 ＡＤＳがある場合とない場合の図１６Ａのアンテナアレイの素子１のＨ面活性放射パターンを示すチャートである。 ＡＤＳがある場合とない場合の図１６Ａのアンテナアレイの素子１のＥ面活性放射パターンを示すチャートである。 ＡＤＳがある場合とない場合の図１６Ａのアンテナアレイの素子２のＨ面活性放射パターンを示すチャートである。 ＡＤＳがある場合とない場合の図１６Ａのアンテナアレイの素子２のＥ面活性放射パターンを示すチャートである。 ＡＤＳがある場合、ＡＤＳがない場合、ならびにＡＤＳはないがアレイ内に素子１および素子２のみが存在する場合の図１６Ａのアンテナアレイの素子１のＨ面活性放射パターンを示すチャートである。 ４線巻き螺旋環状分極アンテナアレイの上面図である。 図２０Ａの４線巻き螺旋環状分極アンテナアレイに重なるＡＤＳの上面図である。 図２０ＢのＡＤＳの上面図である。 本開示の一実施形態による、プロセスを示すフローチャートである。
[0070]以下、添付図面および実施形態を参照して、本出願がさらに詳細に説明される。本明細書に記載された具体的な実施形態は、本発明を限定するものではなく、関連する発明を説明するものであることを理解されたい。加えて、説明を容易にするために、添付図面には本発明に関連する部分のみが示されていることに留意されたい。
[0071]本開示によれば、アンテナアレイ内のアンテナ素子間の相互結合を低減するための装置が提供され、それは、以下、アレイアンテナ減結合面（ＡＤＳ）とも呼ばれる。
[0072]平らな導電性パッチのパターンは、アレイアンテナの近接場の反応領域内（すなわち、分数波長内）に配置される。パッチはアレイアンテナと平行である。各パッチは動作波長に比べて比較的小さい。それらは、下にあるアンテナ素子の幅の５０％未満であり、最も短い動作波長の０．３未満である。それらは、好ましくは０．２５λｃを超えるアンテナの接地板より上の高さに設定され、λｃはアンテナアレイの中心周波数に対応する電磁波波長である。いくつかの構成では、それらは高さが０．４λｃ以下であり得る。パッチは、元のアンテナ特性を大幅に変更することなく、下にあるアンテナ素子間の相互結合ｓパラメータを低減または最小化するようにサイズ変更される。
[0073]これらのパッチは、従来技術のアンテナ用パッチ構造とは異なる。これの１つの理由は、これらのパッチが従来技術で認識されたものとは異なるアンテナの問題に取り組むか、または、それらの動作に対して共振を引き起こさないので、異なる構造のサイズおよび間隔を有することである。
[0074]Ｌｅｇａｙらに２０００年５月９日に交付された米国特許第６，０６１，０２７号では、アンテナは、励起信号を受信する励起パッチと、励起パッチから受信された波を放射する複数の２次パッチとを含む。この構造は、励起パッチの近傍にある、励起パッチの接地であり得る反射面を含み、２次パッチは半反射面を構成する。この組合せは、２次パッチによって放射される波が実質的に同相であるようなものである。反射面と２次パッチとの間の距離は、送出される波長の半分に実質的に等しい。この構造は、広い角度セクタにわたる円形分極の純度を維持する。
[0075]しかしながら、‘０２７特許は複数の放射素子を有するアレイアンテナには関係しない。したがって、その２次半反射面は相互結合を低減するように設計されていない。たとえば、一実施形態では、放射パッチは、反射面を構成する第１の平面または接地板内（またはその近く）にあり、２次パッチは、送出される波長のおおよそ半分に等しい距離にある。上記の条件下では、励起パッチによって２次パッチに向かって放射される波は、波長の半分の距離を移動する。対応するビームは、２次パッチによって部分的に送出され、したがって、外側に放射され、部分的に反射される。反射されたビームは、反射面に向けて誘導され、反射面から、同じ２次パッチまたは別の２次パッチに戻り、２次パッチから送出、すなわち放射される。２次パッチで反射され、別の２次パッチに戻るビームは、したがって、波長１つ分を移動する。したがって、送出される２つの放射線は同相である。同相の放射線はより鋭いビーム幅を提供し、そのため、パッチ励振器の指向性が向上する。したがって、‘０２７特許の構造はアンテナ指向性を高めるためのものである。
[0076]Ｊｕらに２０１３年１月８日に交付された米国特許第８，３５０，７５９号では、利得およびビームフォーミングを改善するためのメタマテリアルスーパーストレートを有するアンテナ構成が開示されている。この開示は、アンテナのアレイではなく給電ネットワークを介して１つのポートによって給電される複数のアンテナ素子から構成されるアンテナまたはアンテナアレイに関する。スーパーストレート面上のパッチのサイズは、十分に大きい反射を生成するための共振状態に匹敵し、接地とスーパーストレート面との間の間隔は、共振器が共振状態になるように設計される。明らかに、これは、共振状態で接地とスーパーストレート面との間で多重反射を引き起こすためである。その主な機能は、アンテナの指向性を高めることである。
[0077]Ｃｈｏｉらに２００５年９月２０日に交付された米国特許第６，９４６，９９５号では、マイクロストリップアンテナを形成するために、寄生素子が放射パッチと積み重ねられる。これにより、アンテナ利得が増加する。
[0078]Ｐｅｔｔらに１９９５年１月１７日に交付された米国特許第５，３８２，９５９号では、寄生パッチ素子のサブアレイが、駆動パッチアンテナアレイの上の基板層の上面に配置されている。個々の寄生パッチ素子は、電磁結合を介してその対応する駆動パッチアンテナ素子に結合され、広帯域および高利得のアンテナ素子を形成する。
[0079]Ｈｏｌｄｅｎらに２００１年４月３日に交付された米国特許第６，２１１，８２４号では、アンテナの走査量を増加させるように表面波効果を低減するために、異なる誘電率の不均一誘電体層が提案されている。積み重ねられたパッチアンテナは、パッチアンテナアレイの周波数帯域幅を増加させるために、第１のパッチ放射体素子の各々に関連付けられた第２のパッチ素子を追加することによって使用される。
[0080]‘９９５特許、‘９５９特許、および‘８２４特許では、積層パッチと放射アンテナとの間の間隔は、０．１波長よりはるかに小さい。さらに、積層パッチの電気的サイズは、別の共振モードを生成するために放射アンテナに匹敵する。
[0081]Ｓａｒａｂａｎｄｉらに２０１４年１月２１日に交付された米国特許第８，６３３，８６６号では、薄い周波数選択面（ＦＳＳ）がアンテナアレイの上部に置かれている。その層は、必要な周波数選択フィルタリングを実行する。アンテナ素子当たり１つのフィルタではなく、この単一層は、アンテナ素子のアレイ全体に対してフィルタリングを実行することができる。
[0082]Ｉｓｏｍに２０１４年３月２５日に交付された米国特許第８，６８１，０６４号では、損失性基板の層を使用する別の周波数選択面（ＦＳＳ）が提案されている。それはレードームに対して積み重ねられ、送受信された有用な信号を減衰させる代償として、横方向に移動する波を吸収することによってアンテナ素子間の結合を減少させる。
[0083]‘８６６特許および‘０６４特許では、ＦＳＳ上の金属パッチの電気的サイズは波長の半分のオーダーであり、したがってアンテナの動作周波数で共振状態になるように設計されている。
[0084]Ｅ．Ｓａｅｎｚらの「Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｉｐｏｌｅ ａｎｔｅｎｎａ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ａ ｐｌａｎａｒ ｍｅｔａ−ｓｕｒｆａｃｅ」、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、第５７巻、第２号、ページ３８３〜３９４、２００９年２月では、線形分極ダイポールアンテナアレイの素子間の相互結合を低減するために、３つのグリッド層がアレイアンテナを挟み込んでいる。グリッド層は、磁気共鳴モードを表す金属ストリップを含む。個々のペアの金属ストリップ上で誘導された電流は互いに打ち消し合い、入射波がグリッドを通って伝搬することが可能になる。面はアンテナに非常に接近して配置されなければならず、金属グリッドのサイズはアレイアンテナの動作周波数の波長に匹敵する。
[0085]上述された参照文献は、相互結合の問題に取り組んだり、それに対処するために異なる構造を使用したりはしない。本明細書の説明および図面は、本発明の実施形態の構造、数式、および理論を記載するために使用される。
[0086]図１Ａ〜図１Ｃは、それぞれ、８素子線形エアパッチアンテナアレイ１１０上のアレイアンテナ減結合面（ＡＤＳ）１２０のアセンブリ１００の等角投影図、上面図、および側面図である。線形エアパッチアンテナアレイ１１０は、接地板１１１に固定され、それぞれ、ポートＰ１、Ｐ２、．．．、Ｐ８によって給電される、８つのアンテナ素子Ａ１、Ａ２、．．．、Ａ８を含む。各アンテナ素子は、接地板からの高さがＨｐのエアパッチ素子である。それらの長さおよび幅は、それぞれ、ＬｐおよびＷｐである。アンテナ素子１０２およびアンテナ素子１０３などの各隣接するアンテナ素子は、互いに中心がＤだけ離れている。
[0087]ＡＤＳ１２０は、誘電体基板１２１にプリントされた、Ｒ１、Ｒ２、．．．、Ｒ８と示された導電性セグメント化パッチ１２９の８つのセットを含む。基板は、プリント回路基板（ＰＣＢ）、プラスチック、または他の適切な誘電材料であり得る。導電性で分離されたパッチは、従来のＰＣＢ製造手段によって形成することができる。基板１２１、すなわち導電性パッチは、スタンドオフ構造１１２により、アンテナアレイ１１０からの距離ｈに平行に保持される。この例示的なアンテナアレイは、２．４５ＧＨｚの工業、科学、および医療無線（ＩＳＭ）帯域で動作する。
[0088]「スタンドオフ構造」は、アンテナアレイ上の固定位置にＡＤＳをしっかりと保持することができる任意の支持装置を含むことができる。スタンドオフ構造は、単純な金属スタンドオフ、誘電体スペーサ、ケージ、トラス、カンチレバー、シェル、ハウジング、レードーム、または、当業者によって適切であると考えられる、固定もしくは再構成可能な任意の他の構造を含むことができる。
[0089]この実施形態では、１次導電性パッチのセットのみが提供される。セグメント化パッチＲ１、Ｒ２、．．．、Ｒ８は、４つの小さい導電性パッチに分割される。セグメント化により、共鳴効果が回避される。長いストリップの代わりに分割された金属矩形反射板を使用すると、十分な回折量を導入しながら、ＡＤＳによる動作周波数付近での共振の発生が回避される。反射板ストリップの共振周波数がアンテナアレイの動作周波数に近くない限り、各矩形の反射板ストリップは、他の数の部片に分割されてもよい。
[0090]図１Ｂは、セグメント化された反射板の詳細を描写する。反射板１２２は、４つのパッチ１２３、１２４、１２５、および１２６にセグメント化されている。アンテナ素子およびＡＤＳパッチの寸法が表Ｉに与えられている。ギャップＤｓは減結合性能にあまり敏感ではないので、１．０ｍｍに設定される。
[0091]この実施形態では、各セグメント化矩形反射板ストリップは、その対応するアンテナ素子の真上に配置され、分極方向と直列である。したがって、アンテナ素子と同様に、導電性パッチ１２２および１２８などの、隣接するセグメント化反射板ストリップの中心間の距離はＤである。
[0092]図２Ａ〜図２Ｂは、本開示の一実施形態による、線形エアパッチアレイ上で交互に間隔を空けたＡＤＳの上面図および側面図である。図１のように各アンテナ素子の中心の真上にある代わりに、セグメント化パッチ２２２は、アンテナ素子２０２と２０３との間に配置される。セグメント化パッチ２２８はアンテナ素子２０３と次のアンテナ素子との間にあり、その結果、セグメント化パッチ２２９はアンテナ素子の間の中心に置かれる。セグメント化パッチ２２２は、電気的に絶縁された導電性パッチ２２３、２２４、２２５、および２２６に分割され、それらは、概して、表１のものと同じ寸法をもたない。
[0093]図３は、本開示の一実施形態による、ＡＤＳ３２０を有するアンテナアレイ３１０を有するシステム３００の側面概略図である。アンテナアレイ３１０は、隣接するアンテナ３０２および３０３などの、Ａ１、Ａ２、Ａ３．．．ＡＮ−１、およびＡＮと示されたＮ個のアンテナ素子を含む。ＡＤＳ３２０は、アンテナアレイ３１０の接地板に平行であり、それから距離ｈ３にある。アンテナ素子Ａ１、Ａ２、Ａ３．．．ＡＮ−１、およびＡＮの各々は、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３．．．ＰＮ−１、ＰＮと示された対応するポートに接続されている。ポートから送出された電磁波は、それに接続されたアンテナ素子を介して伝搬される。
[0094]ＡＤＳ３２０とアンテナアレイ３１０との間の距離ｈ３は、部分反射された波が、結合されたアンテナ素子のポートにおける結合された波と位相がほとんどずれていることを保証するように決定される。ＡＤＳ３２０は、アンテナアレイ３１０の近接場反応領域内に位置する。反射電磁波の位相は高さｈ３に依存するので、一実施形態によれば、高さｈ３は、通常、アンテナから送出される電磁波の波長の半分未満である。高さｈ３は減結合性能に対して敏感であることに留意されたい。高さｈ３は、アンテナアレイ３１０から送出される電磁波の波長の０．２５〜０．４波長の範囲内であってもよい。場合によっては、高さｈ３は、アンテナアレイ３１０から送出される電磁波の０．２５波長より大きくてもよい。場合によっては、高さｈ３は、アンテナアレイ３１０から送出される電磁波の０．４波長より小さくてもよい。
[0095]ＡＤＳ３２０は、複数の１次導電性パッチ３２２および２次導電性パッチ３２８でプリントされた基板３２１である。基板３２１は、低損失で低誘電率の基板の薄層である。複数のセグメント化導電性パッチ３２２、３２８は、アンテナ素子から送出された電磁波の一部分を反射するための金属反射パッチである。元のアンテナアレイに対する摂動を最小化しながら、結合されたアンテナ素子のポートに適切な量の反射波を生成して結合波を低減または打ち消すために、相互結合ｓパラメータに基づいて、パッチの形状および寸法が選択される。
[0096]複数の導電性パッチ３２２、３２８は、１次反射板として機能するパッチ３２２の第１のセットと、２次反射板として機能するパッチ３２８の第２のセットとを含む。１次反射板３２２は、通常、結合波と同じ分極内で、大きい反射波を提供するためのものである。２次反射板３２８は、小さい反射波を生成して交差分極内の相互結合などのより弱い相互結合を緩和するため、または大きい反射波の微調整のためのものである。
[0097]ＡＤＳが設けられると、アンテナ素子３０２から放射されるエネルギー、すなわち前方に放射される電磁（ＥＭ）波３１１は、４つの部分：遠方空間内に外向きに放射される電磁（ＥＭ）波３１２、送信アンテナによって受信される反射波３１３、１次反射板パッチからの反射波３１４、および２次反射板パッチからの反射波３１５から構成される。本出願によるＡＤＳを設ける主な目的は、心配するには十分弱いと思われる隣接していないアンテナ素子３１７の間の相互結合を劣化させない間に、２つの隣接するアンテナ素子３１６の間の相互結合を低減または打ち消すことである。ＡＤＳはアンテナアレイの反応領域に配置されているので、「反射波」という言葉の使用は技術的に正確ではない。本明細書では、それはアンテナ素子によって受信されるＡＤＳの回折波を意味するためにのみ使用される。
[0098]所与のアンテナアレイに対して、隣接するアンテナ素子間の相互結合、すなわち不要な電磁波は、通常、測定またはシミュレートされる。理論的には、本開示の一実施形態によれば、導電性パッチの形状および／またはサイズ、ならびにＡＤＳとアンテナアレイとの間の高さは、反射電磁波が隣接するアンテナ素子間の不要な電磁波、すなわち相互結合を打ち消すように選択される。詳細には、導電性パッチの形状および／またはサイズ、ならびにＡＤＳとアンテナアレイとの間の距離は、反射電磁波が不要な電磁波と同じ振幅を有するが、不要な電磁波と位相がずれるように設計される。したがって、反射電磁波は、隣接するアンテナ素子間の不要な電磁波を著しく低減または打ち消すはずである。
[0099]当然ながら、導電性パッチの形状および／またはサイズ、ならびにＡＤＳとアンテナアレイとの間の距離の設計は、アンテナアレイの構造に依存する。セグメント化パッチおよびそれらの構成要素の導電性パッチのある特定の形状が特に効果的であることが判明している。
[0100]図４〜図１１は、効果的な導電性ソリッドパッチおよびセグメント化反射パッチならびにそれらのサブコンポーネントパッチのいくつかの形状を示す。
[0101]図４〜図５は、線形分極アンテナ素子用の金属反射パッチの効果的な形状を示す。
[0102]図４では、セグメント化パッチ４００は、図示されたように、寸法４０１、４０２、および４０３を有する矩形のパッチおよびギャップを含む。
[0103]図５では、ソリッドパッチ５００は、寸法５０１および５０２を有する矩形のパッチを含む。
[0104]図６〜図７は、二重分極アンテナ素子用の金属反射パッチの効果的な形状を示す。
[0105]図６では、セグメント化交差パッチ６００は、図示されたように、寸法６０１、６０２、６０３、６０４、および６０５を有する単一の交差パッチを有する矩形のパッチおよびギャップを含む。
[0106]図７では、セグメント化フレームパッチ７００は、図示されたように、寸法７０１、７０２、７０３、７０４、および７０５を有するＬ字形（「Ｌ」）のパッチおよびギャップを含む。
[0107]図８〜図９は、環状分極アンテナ用の金属反射パッチの効果的な形状を示す。
[0108]図８では、ソリッド円形パッチ８００は、図示されたように、直径８０１を有する。
[0109]図９では、セグメント化円形パッチ９００は、図示されたように、寸法９０１、９０２、および９０３を有する８つの湾曲した矩形のパッチおよびギャップを含む。
[0110]図１０〜図１１は、振幅と位相の両方の制御においてより多くの設計の柔軟性を提供することができる、いくつかの複合構成用の金属反射パッチの効果的な形状を示す。
[0111]図１０では、セグメント化矩形パッチ１０００は、図示されたように、寸法１００１、１００２、１００３、１００４、１００５、１００６、１００７、１００８、１００９、１０１０、１０１１、１０１２、１０１３、および１０１４を有する矩形パッチおよび単一の交差パッチを含む。
[0112]図１１では、セグメント化矩形パッチ１１００は、図示されたように、寸法１１０１、１１０２、１１０３、１１０４、１１０５、１１０６、１１０７、１１０８、１１０９、１１１０、１１１１、および１１１２を有する４つのＬ字形パッチおよびギャップ、ならびに単一の矩形パッチを含む。
[0113]図示されたすべての形状は、矩形、プラス、十字形、Ｔ字形（「Ｔ」）、およびＬ字形（「Ｌ」）などの、直角および偶数の平行な辺を有する。図示されていない適切な形状には、Ｉ、ハッシュマーク（「＃」）、およびＵ字形が含まれる。わずかに湾曲した矩形は、直角と考えられるものを有する。
[0114]異なるアンテナ配置に適応するために、異なるパッチ形状が使用されてもよい。すべての可能な形状の中で、矩形および十字形のパッチは、単一および二重の線形分極アンテナ素子の両方にとって最も単純で最も効果的である。元のアンテナアレイに対する摂動を最小化するために、大きいパッチの代わりにいくつかの小さい金属パッチからなる分割されたパッチは、いかなる共振効果も回避するために好ましい場合がある。複数の１次反射板パッチは、主要反射波および２次反射板パッチのいくつかのグループを生成して、主要反射波の欠落成分を補償する。
[0115]本開示によれば、導電性パッチは、共鳴状態になるように設計されておらず、必ずしも周期構造である必要もない。導電性パッチは、アンテナアレイ内のアンテナ素子の配置に依存して、周期的であっても非周期的であってもよい。
[0116]上述されたように、主要な出射部分以外の異なるアンテナ素子によって空間に向けて送出される電磁波の一部分は、互いに干渉する場合がある。詳細には、隣接するアンテナ素子によって送出された電磁波は、望ましくない方法で互いに干渉し、その結果、アンテナアレイ内の隣接するアンテナ素子間の相互結合を引き起こす不要な電磁波が生じる。隣接していない素子間の相互結合は重大ではないので、実用的なアンテナアレイの大部分について、２つの隣接するアンテナ素子間の相互結合のみが懸念される。
[0117]ＡＤＳの減結合条件は、ＡＤＳを適用する場合と適用しない場合の２つの結合アンテナのＳパラメータを使用して説明することができる。素子１と素子２との間の相互結合を例にとり、ＡＤＳがある場合とない場合の２つの素子の整合条件が十分良好であると仮定すると、ＡＤＳがある場合とない場合に素子１から送信され素子２によって受信された波の差は、

Ｓ２１ Ｒｅｆｌ＝Ｓ２１ ＡＤＳ−Ｓ２１ Ａｒｒａｙ （式１）

によって表すことができ、ここで、Ｓ２１ ＡＤＳはＡＤＳが適用されたときのＳ２１パラメータであり、Ｓ２１ ＡｒｒａｙはＡＤＳを追加しない元のアレイアンテナのＳ２１パラメータである。したがって、２つのアンテナポート間の減結合条件、すなわちＳ２１ ＡＤＳ＝０のための条件は、

｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜＝｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜ （式２ａ）

（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）の位相＝（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）の位相＋π （式２ｂ）

である。
[0118]これらの式は、特定のアンテナアレイに対して正確に解くことができない場合がある。しかしながら、それらは近づくことができる。たとえば、各導電性パッチの高さ、最長寸法、または他の寸法は、｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜と｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜との間の差を最小化するように選択することができる。または、それらは、位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）と位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０度との間の差を最小化するように選択することができる。
[0119]別段の指定がない限り、Ｓパラメータの添え字における数字「１」および「２」の使用は便宜上にすぎず、任意の特定のアンテナ上で「１」および「２」と示された素子に限定するのではなく、２つの隣接するアンテナ素子が暗示されていることを示すものである。
[0120]所与のアンテナアレイについて、隣接するアンテナ素子間の相互結合（すなわち、不要な電磁波）が知られている。すなわち、パラメータＳ２１ Ａｒｒａｙが知られている。直観的には、アンテナ上のＡＤＳの高さが部分反射波の位相を決定し、ＡＤＳ上の反射金属反射板のサイズが反射波の強度を制御する。この直感は、パラメータ研究によって十分正当化することができる。
[0121]図１２Ａは、２９から４４ｍｍ（ミリメートル）の異なる高さｈについて、｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜−｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜の振幅差対周波数を示す。中心周波数２．４５ＧＨｚにおける振幅についての減結合条件はあまり変わらないことが分かる。
[0122]しかしながら、図１２Ｂは、式２（ｂ）の左辺（ＬＨＳ）と右辺（ＲＨＳ）の差によって算出され、６０度の範囲で変化する、位相差についての減結合条件を示す。
[0123]図１２Ｃは、ＡＤＳの寸法の適切なセットでは、広い範囲の高さが妥当で良好な減結合レベルを達成できることを示す。振幅差と位相差の両方についての減結合条件が中心周波数２．４５ＧＨｚで満たされるとき、ＡＤＳの最も深い減結合レベルを達成することができる。
[0124]図１３Ａ〜図１３Ｃは、反射パッチのサイズが減結合条件にどのように影響し、結果として減結合性能にどのように影響するかをチャートで示す。
[0125]図１３Ａは、反射パッチのサイズＷｓが１１から１９ｍｍまで変化すると、｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜−｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜の振幅差が著しく変化することを実証する。サイズが１５ｍｍと１７ｍｍとの間で変化すると、振幅についての減結合条件は中心周波数で十分満たすことができる。しかしながら、サイズが大きくなると、反射波がより強くなる傾向があり、逆にサイズが小さくなると、減結合条件はより低い周波数に向かって移動する。
[0126]図１３Ｂは、異なるサイズのＷｓに対する式２ｂのＬＨＳとＲＨＳの位相差を示す。サイズが１３ｍｍと１５ｍｍとの間で変化すると、広い周波数範囲で位相差は０に近くなる。位相条件を満たす際のＡＤＳの２つの魅力的な特性を図で見ることができる。１）位相差は反射板のサイズの変動に影響されない。２）広い周波数範囲にわたって位相差の波紋は非常に小さい。
[0127]図１３Ｃは、高さｈが３８ｍｍに設定されたときの異なるサイズのＷｓに対する全体的な減結合レベルを示す。サイズＷｓが１５ｍｍに近いとき、２．４５ＧＨｚの中心周波数に深いノッチが見られ、反射波が不要な相互結合をほぼ完全に妨害することが示される。
[0128]ＡＤＳ上の反射パッチのサイズは振幅条件を決定し、ＡＤＳの高さは位相条件を決定する。２つの条件が同時に十分満たされると、最も深い減結合レベルを達成することができる。さらに、２つの減結合条件がおおよそ満たされると、広い周波数範囲において満足のいく減結合改善が得られる。
[0129]そのＡＤＳが２．６の誘電率、０．００１の損失正接、および１．０ｍｍの厚さをもつ基板を有する、図１Ａ〜図１Ｃの８素子線形エアパッチアンテナアレイについての試験結果は利点を示している。
[0130]図１４Ａ〜図１４Ｄおよび図１５Ａ〜図１５Ｄは、ＩＳＯ１７０２５認定実験室内のＳａｔｉｍｏ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ ＳＧ１２８球面近接場スキャナを使用して測定されたｓパラメータおよび活性放射特性をチャートで示す。アンテナ素子の該当するＳパラメータおよび放射パターンを測定する際に、他の測定されていないアンテナポートは５０Ωの負荷によって終端される。
[0131]図１４Ａ〜１４Ｄは、関心のあるアンテナポートのうちのいくつかの間の測定されたＳパラメータを示す。アレイの対称性に起因して、ポートＰ１からポートＰ４のＳパラメータのみが提示される。任意の２つの隣接する素子間の相互結合、たとえば、Ｓ１２、Ｓ２３、またはＳ３４が、約−１５ｄＢから−３０ｄＢ未満まで大幅に低減されることが明らかに分かる。一方、隣接していない素子間の相互結合、たとえば、Ｓ１３は、同じレベルを維持するか、または少し改善される。これらの測定結果の場合、ＡＤＳを適用した後、すべてのアンテナポートは再整合されず、ＡＤＳを導入しても元のアレイアンテナの整合条件に著しく影響しないことを実証している。また、−１５ｄＢから−２４ｄＢよりも良好に低減されている相互結合用の減結合帯域幅は、１０ｄＢのリターンロス（ＲＬ）よりも広く、広帯域減結合の可能性を実証している。アンテナ整合条件（Ｓパラメータ｜Ｓ１１｜、｜Ｓ２２｜、｜Ｓ３３｜、および｜Ｓ４４｜）は元のアンテナ素子と同じレベルに調整できることも示されている。
[0132]図１５Ａ〜図１５Ｄは、ＡＤＳがある場合とない場合のアンテナ素子Ａ１およびＡ３の放射パターンを提示する。図１５Ａは、素子１のＥ面パターンをチャートで示す。図１５Ｂは、素子１のＨ面パターンをチャートで示す。図１５Ｃは、素子３のＥ面パターンをチャートで示す。図１５Ｄは、素子３のＨ面パターンをチャートで示す。エッジアンテナ素子、すなわち素子Ａ１の場合、ＡＤＳを適用した後にアンテナ利得が明らかに向上することが示されている。しかしながら、内部素子、たとえば、素子Ａ３の場合、利得の改善は明らかではない。それにもかかわらず、ＡＤＳがある場合とない場合のアレイ素子の、Ｅ面とＨ面の両方におけるビーム幅は、ほぼ同じように見える。ＡＤＳがあるアレイ素子用の測定されたパターンは、Ａｎｓｙｓ ＨＦＳＳ（高周波構造シミュレータ）ＥＭシミュレーションによって検証される。測定されたものとシミュレートされたものとの間の相関関係は非常に良好である。
[0133]図１６Ａ〜図１６Ｆは、３．３から３．８ＧＨｚの周波数帯域で動作する８つの素子を有する２次元二重分極２×２平面ダイポールアレイを示す。図１６Ａは、ＡＤＳ１６２０と一緒にアンテナアレイ１６１０を示す。図１６Ｂはアレイの上面図であり、具体的には、中心間距離Ｄ１だけ離れた隣接するアンテナ素子ユニット１６０２および１６０３を示す。図１６Ｃ〜図１６Ｅは、１つのアンテナユニットの上面図および側面図を示す。各アンテナユニットは、２つの垂直に分極されたダイポールアンテナから構成され、そのうちの一方は水平線に対して４５°に向けられ、他方は１３５°に向けられている。図１６Ｆは、アンテナ素子ユニット１６０２および１６０３に重なる、隣接するセグメント化パッチ１６２２および１６２８を含む、２×２ダイポールアレイ用のＡＤＳ上の金属反射パッチを示す。これらのパッチは、図示されたように、寸法Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４、Ｗ５、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、およびＬ６を有する。
[0134]図１７は、図１６Ａ〜図１６Ｆのアンテナアレイ用の８つのアンテナ素子の番号割当てである。
[0135]減結合ソリューションは、同じタイプの多数のアンテナ素子を有する均一なＭ−ＭＩＭＯアレイにスケールアップすることができるので、この小規模のアレイアンテナは、大規模なＭ−ＭＩＭＯアレイアンテナの適切な反映である。Ｗａの幅を有する各ダイポールアンテナの２つのダイヤモンドリング形状アームが基板上にプリントされている。基板の誘電率は２．６、損失正接は０．００１、厚さは１．０ｍｍである。各ダイポールは、各平面ダイポールに垂直に取り付けられたマイクロストリップラインバランによって給電される。
[0136]２つのアンテナユニット間の水平中心間距離および垂直中心間距離は、Ｄ１およびＤ２であり、それぞれ、４５ｍｍおよび６０ｍｍである。２つの垂直バラン回路はまた、２つの二重分極アンテナに対する機械的支持物の役割を果たす。アンテナのポートは、接地板の反対側に配置される。アレイの他の主な寸法が表ＩＩに列挙されている。
[0137]図１６Ｆは、２×２アレイ用のＡＤＳ基板にプリントされた金属反射パッチを示す。ＡＤＳに使用される基板は、プリントされたダイポールアンテナおよびバラン回路用と同じ基板である。ＡＤＳは、８つの１次反射板および２次反射板の２つのグループから構成される。１次反射板の各々は、アンテナ素子ユニット１６０２上のセグメント化導電性パッチ１６２２などの対応するダイポールの上部で、それに直列に向けられている。１次反射板は、下のダイポールの電界分極の方向に沿って分割またはセグメント化された金属ストリップから作成され、それはダイポールアンテナの中心に対して対称に配置される。したがって、同じアンテナユニット内の２つの二重分極ダイポール用の２つの１次反射板は、アンテナユニットの対称性を維持するために交差配置される。
[0138]１次反射板に分割されたパッチ反射板を採用する重要な考慮事項は、放射パターンに対する摂動および下の対応するダイポールアンテナの整合条件の劣化を最小化することである。１次反射板１６２２は、この二次元アレイ内の２つの隣接する素子ユニット間の最も強い相互共分極結合を打ち消すように設計されている。この例ではＤ２＞Ｄ１なので、２つの水平隣接素子、たとえば、素子１と素子３との間の相互結合は、２つの垂直隣接素子の相互結合よりも強くなる。
[0139]２次反射板パッチの２つのグループ１６２３−１および１６２３−２がＡＤＳ設計で使用される。グループ１内の２次反射板パッチ１６２３−１は、交差分極成分内に少量の反射波を生成して、素子１と素子４との間の結合および素子２と素子３との間の結合などの、２つの交差分極隣接素子間の相互結合を打ち消すために導入される。反射波は２つの共分極成分間の相互結合よりもはるかに小さいレベルにあるので、それらは２次反射板パッチと呼ばれる。
[0140]２次反射板パッチ１６２３−２は「微調整」の役割を果たし、それらのサイズは１次反射板パッチのサイズよりも小さい。グループ２の２次反射板パッチ１６２３−２は、２つの垂直方向に隣接する共分極成分上の１次反射板パッチからの反射波を調整するために導入される。これは、素子１と素子３との間の相互結合が、素子１と素子５との間の相互結合と異なるために必要とされる場合がある。同じアンテナユニット内の２つの交差分極ダイポールアンテナ間のバランスを維持するために、２次反射板のいくつかの補助パッチがアンテナユニットのまわりに対称に追加されてもよい。ＡＤＳの詳細な寸法が表ＩＩＩに与えられている。
[0141]図１８Ａ〜図１８Ｅは、いくつかのポートの測定されたＳパラメータを提示する。２×２アレイの対称性に起因して、すべての相互結合ｓパラメータが提示されているとは限らない。
[0142]図１８Ａは、ＡＤＳがある場合とない場合のアレイのポートＰ１およびポートＰ２におけるリターンロス（ＲＬ）を示す。ＡＤＳを適用した後、リターンロスは３．３から３．８ＧＨｚの動作周波数帯域全体にわたって１５ｄＢまたはそれより良いままであることが分かる。
[0143]図１８Ｂは、水平方向と垂直方向の両方の同じ分極の２つの隣接する素子間の相互結合、すなわち、Ｓ１３およびＳ１５を示す。ＡＤＳがある場合、Ｓ１３が約−１４ｄＢから−２５ｄＢ以下に低減され、Ｓ１５が−２６ｄＢから−２８ｄＢ以下に改善されることが分かる。
[0144]図１８Ｃは、同じユニット内の２つの交差分極素子間の結合、たとえば、Ｓ１２を示す。ＡＤＳがない場合の元の結合は約−２５ｄＢであるが、２つの交差分極アンテナ素子間の相互結合も−３０ｄＢ以下に改善されることが分かる。交差分極を有する２つの隣接するダイポール素子間の結合、たとえば、Ｓ１４は、２つのアンテナユニットが互いに接近しているときに制御することが困難である。これは、結合が２つの該当するダイポール素子の端部の最短距離によって強く決定されるためである。
[0145]図１８Ｃおよび図１８Ｄは、グループ１の２次反射板を導入することにより、Ｓ１４とＳ２３の両方が、それぞれ、−２３ｄＢから−２５ｄＢに、−２５ｄＢから−３０ｄＢ以下に低減されることを示す。通常、２つの同軸および同一直線上のダイポール素子間の相互結合、たとえばＳ１７、および２つの遠方の共分極素子間の相互結合、たとえばＳ２８は、ＡＤＳを適用する前は本質的に低い。これらの相互結合に取り組む具体的な検討事項はない。しかしながら、図１８Ｄで実証されたように、他の大きい相互結合が低減されると、これらの弱い結合も低減される。
[0146]図１８Ｅは、交差分極および長い分離距離に起因して、素子１と素子６との間の相互結合が数ある中で最も弱いことを示す。ＡＤＳを取り付けると、結合が−４０ｄＢから−３０ｄＢに変更され、これは他の相互結合よりもはるかに低く、懸念されるべきではない。図１８Ａ〜１８Ｅでは、ＡＤＳがあるアレイ用のＥＭシミュレートされたＳパラメータも提供され、より控えめな推定を示す。
[0147]ＡＤＳの魅力的な属性の１つは、その放射パターン再形成能力である。相互結合の存在に起因して、アレイ内の各アンテナ素子の放射パターンが歪むことが知られている。この問題は、ＡＤＳが適用されると軽減することができる。
[0148]図１９Ａ〜図１９Ｅは、アンテナ素子１および２の放射パターンを示す。ＡＤＳがある場合とない場合のＨ面およびＥ面内の３．５ＧＨｚにおいて測定された放射パターンが比較用に提示される。放射パターンを検査することにより、以下の観測結果を得ることができる：１）ＡＤＳがあるアンテナ素子用の主要電界成分のＨ面とＥ面の両方の放射パターンのビーム幅は、ＡＤＳはないが、隣接する素子間の相互結合の低減による歪みがより少ない素子のそれらとほぼ同じである。２）ＡＤＳがある場合とない場合の素子用の前方／後方放射比はほぼ同じである。３）良好な交差分極比、すなわち、軸方向に１８ｄＢ以上、および±６０°で１０ｄＢ以上を保持することができる。
[0149]アンテナ素子の放射パターンを測定する際、他のアンテナポートは５０Ωの負荷によって終端される。ＡＤＳがあるアレイアンテナの測定された（Ｍｅａ）放射パターンも、図１９Ａ〜図１９Ｅに示されたように、３．５ＧＨｚでＥＭシミュレートされた（Ｓｉｍ）パターンによって検証される。優れた相関関係を観測することができる。
[0150]図２０Ａ〜図２０Ｃは、ＡＤＳ２０２０が重なった４線巻き螺旋環状分極アンテナアレイ２０１０を示す。アンテナアレイ２０１０のアンテナ素子２００２は、セグメント化されたクロスパッチ２０２２と直接重なっている。湾曲矩形パッチ２０２９からなるセグメント化リングパッチ２０２８は、中央アンテナ素子２００３と重なる。
[0151]図２１は、本開示の一実施形態による、プロセス２１００を示すフローチャートである。動作２１０１において、アンテナアレイの上に支持されるように構成された共通平面内に複数の導電性パッチが設けられ、各導電性パッチは他のパッチから分離されている。動作２１０２において、導電性パッチの共通平面は、アンテナアレイの接地板の上の高さに平行に支持される。動作２１０３において、電磁波の一部分は、複数の導電性パッチを使用して、隣接するアンテナ素子に回折され、その結果、ｉ）導電性パッチがない場合のＳ２１ Ａｒｒａｙ、およびｉｉ）導電性パッチがある場合のＳ２１ ＡＤＳとして測定またはシミュレートされ、差がＳ２１ Ｒｅｆｌ＝Ｓ２１ ＡＤＳ−Ｓ２１ Ａｒｒａｙとして定義された、下にあるアンテナ素子と隣接するアンテナ素子との間の相互結合ｓパラメータは、以下の基準：｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜＝｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜±｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜の２０％、および位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）＝位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０±３０度を満たす。
[0152]上記の説明は、本出願のいくつかの実施形態を参照し、適用可能な技術的原理を説明するにすぎない。本出願に開示された特許請求された解決策の範囲は、上述された特徴の特定の組合せからなるものに限定されず、本発明の概念から逸脱することなく、前述またはそれらの均等物からの特徴の任意の組合せによって形成される他の解決策、たとえば、上述された１つまたは複数の特徴を、開示されたが本出願に限定されない類似の機能を有する１つまたは複数の特徴と置き換えることによって形成される解決策を包含するべきである。

Claims (31)

  1. アンテナアレイ内のアンテナ素子間の相互結合を低減するための近接場装置であって、前記アンテナアレイが、公称動作範囲の周波数および関連する波長を有し、前記装置が、
    前記アンテナアレイの上に支持されるように構成された共通平面内の複数の導電性パッチであって、各導電性パッチが他のパッチから分離され、下にあるアンテナ素子の５０％未満の幅および前記公称動作範囲の最短波長の０．３以下の最長寸法を有する、導電性パッチと、
    導電性パッチの前記共通平面を前記アンテナアレイの接地板からある高さに平行に保持するように構成されたスタンドオフ構造と
    を備え、
    前記複数の導電性パッチのうちの少なくとも１つの導電性パッチが、下にあるアンテナ素子から隣接するアンテナ素子に電磁波の一部分を回折させるようにサイズ変更され、その結果、ｉ）前記導電性パッチがない場合のＳ２１ Ａｒｒａｙ、およびｉｉ）前記導電性パッチがある場合のＳ２１ ＡＤＳとして測定またはシミュレートされ、差がＳ２１ Ｒｅｆｌ＝Ｓ２１ ＡＤＳ−Ｓ２１ Ａｒｒａｙとして定義された、前記下にあるアンテナ素子と前記隣接するアンテナ素子との間の相互結合ｓパラメータが、以下の基準：
    ｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜が｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜±｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜の２０％の範囲内であること、および
    位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）が位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０±３０度の範囲内であること
    を満たす、装置。
  2. 各導電性パッチの前記高さまたは寸法が、｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜と｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜との間の差を最小化するように選択される、請求項１に記載の装置。
  3. 各導電性パッチの前記高さまたは寸法が、位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）と位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０度との間の差を最小化するように選択される、請求項１に記載の装置。
  4. 前記アンテナアレイの前記接地板上の導電性パッチの前記共通平面の前記高さが、０．２５λｃと０．４λｃとの間であり、λｃが前記アンテナアレイの中心周波数に対応する電磁波波長である、請求項１に記載の装置。
  5. その上に前記複数の導電性パッチが形成される誘電体基板をさらに備える、
    請求項１に記載の装置。
  6. 前記複数の導電性パッチが、矩形、プラス、十字形、Ｔ字形、Ｉ、＃、Ｌ字形、Ｕ、および湾曲した矩形からなるグループから選択された、直角および偶数の平行な辺を有する形状を含む、請求項１に記載の装置。
  7. 前記複数の直角の導電性パッチのサブセットが、セグメント化された矩形、セグメント化されたプラス、セグメント化されたフレーム、およびセグメント化されたリングからなるグループから選択された、より大きい対称形状を形成する、請求項１に記載の装置。
  8. 各導電性パッチが、下にあるアンテナ素子の上の中心に置かれる、請求項１に記載の装置。
  9. 各導電性パッチが、２つの下にあるアンテナ素子の間の中心に置かれる、請求項１に記載の装置。
  10. 前記アンテナアレイ
    をさらに備える、請求項１に記載の装置。
  11. 前記アンテナアレイが、線形パッチアンテナアレイ、二重分極線形ダイポールアンテナアレイ、およびパッチまたは４線巻き螺旋環状分極アンテナアレイからなるグループから選択される、請求項１０に記載の装置。
  12. 前記複数の導電性パッチが第１の複数のパッチであり、前記装置が、
    前記共通平面内の第２の複数の導電性パッチ
    をさらに備え、前記第２の複数の導電性パッチの各々が、偶数の辺、各エッジにおける直角、下にあるアンテナ素子の５０％未満の幅、および前記公称動作範囲の最短波長の０．３以下の最長寸法を有し、
    前記第２の複数の導電性パッチのうちの少なくとも１つの導電性パッチが、下にあるアンテナから交差分極隣接アンテナ素子に電磁波の一部分を回折させるようにサイズ変更される、
    請求項１に記載の装置。
  13. 前記複数の導電性パッチが、非周期的または非対称のパターンを形成する、請求項１に記載の装置。
  14. アンテナアレイ内のアンテナ素子間の相互結合を低減するための近接場装置であって、前記アンテナアレイが、公称動作範囲の周波数および関連する波長を有し、前記装置が、
    前記アンテナアレイの上に支持されるように構成された共通平面内の複数の導電性パッチであって、各導電性パッチが他のパッチから分離されている、導電性パッチと、
    導電性パッチの前記共通平面を前記アンテナアレイの接地板からある高さに平行に保持するように構成されたスタンドオフ構造であって、前記アンテナアレイの前記接地板上の導電性パッチの前記共通平面の前記高さが、０．２５λｃと０．４λｃとの間にあり、λｃが前記アンテナアレイの中心周波数に対応する電磁波波長である、スタンドオフ構造と
    を備え、
    前記複数の導電性パッチのうちの少なくとも１つの導電性パッチが、下にあるアンテナ素子から隣接するアンテナ素子に電磁波の一部分を回折させるようにサイズ変更され、その結果、ｉ）前記導電性パッチがない場合のＳ２１ Ａｒｒａｙ、およびｉｉ）前記導電性パッチがある場合のＳ２１ ＡＤＳとして測定またはシミュレートされ、差がＳ２１ Ｒｅｆｌ＝Ｓ２１ ＡＤＳ−Ｓ２１ Ａｒｒａｙとして定義された、前記下にあるアンテナ素子と前記隣接するアンテナ素子との間の相互結合ｓパラメータが、以下の基準：
    ｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜が｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜±｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜の２０％の範囲内であること、および
    位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）が位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０±３０度の範囲内であること
    を満たす、装置。
  15. 各導電性パッチの前記高さまたは寸法が、｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜と｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜との間の差を最小化するように選択される、請求項１４に記載の装置。
  16. 各導電性パッチの前記高さまたは寸法が、位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）と位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０度との間の差を最小化するように選択される、請求項１４に記載の装置。
  17. 各導電性パッチが、下にあるアンテナ素子の５０％未満の幅と、前記公称動作範囲の最短波長の０．３以下の最長寸法とを有する、請求項１４に記載の装置。
  18. その上に前記複数の導電性パッチが形成される誘電体基板をさらに備える、
    請求項１４に記載の装置。
  19. 前記複数の導電性パッチが、正方形、矩形、プラス、十字形、大文字のＴ、Ｉ、＃、Ｌ、Ｕ、および湾曲した矩形からなるグループから選択された、直角および偶数の平行な辺を有する形状を含む、請求項１４に記載の装置。
  20. 前記複数の直角の導電性パッチのサブセットが、セグメント化された正方形、セグメント化された矩形、セグメント化されたプラス、セグメント化されたフレーム、およびセグメント化されたリングからなるグループから選択された、より大きい対称形状を形成する、請求項１４に記載の装置。
  21. 各導電性パッチが、下にあるアンテナ素子の上の中心に置かれる、請求項１４に記載の装置。
  22. 各導電性パッチが、２つの下にあるアンテナ素子の間の中心に置かれる、請求項１４に記載の装置。
  23. 前記アンテナアレイ
    をさらに備える、請求項１４に記載の装置。
  24. 前記アンテナアレイが、線形パッチアンテナアレイ、二重分極線形ダイポールアンテナアレイ、およびパッチまたは４線巻き螺旋環状分極アンテナアレイからなるグループから選択される、請求項１０に記載の装置。
  25. 前記複数の導電性パッチが第１の複数のパッチであり、前記装置が、
    前記共通平面内の第２の複数の導電性パッチ
    をさらに備え、前記第２の複数の導電性パッチの各々が、偶数の辺、各エッジにおける直角、下にあるアンテナ素子の５０％未満の幅、および前記公称動作範囲の最短波長の０．３以下の最長寸法を有し、
    前記第２の複数の導電性パッチのうちの少なくとも１つの導電性パッチが、下にあるアンテナから交差分極隣接アンテナ素子に電磁波の一部分を回折させるようにサイズ変更される、
    請求項１４に記載の装置。
  26. 前記複数の導電性パッチが、非周期的または非対称のパターンを形成する、請求項１４に記載の装置。
  27. アンテナアレイ内のアンテナ素子間の相互結合を低減するための方法であって、前記アンテナアレイが、公称動作範囲の周波数および関連する波長を有し、前記方法が、
    前記アンテナアレイの上に支持されるように構成された共通平面内に複数の導電性パッチを設けるステップであって、各導電性パッチが他のパッチから分離されている、ステップと、
    導電性パッチの前記共通平面を前記アンテナアレイの接地板からある高さに平行に支持するステップと、
    前記複数の導電性パッチを使用して、下にあるアンテナ素子から隣接するアンテナ素子に電磁波の一部分を回折させるステップであって、その結果、ｉ）前記導電性パッチがない場合のＳ２１ Ａｒｒａｙ、およびｉｉ）前記導電性パッチがある場合のＳ２１ ＡＤＳとして測定またはシミュレートされ、差がＳ２１ Ｒｅｆｌ＝Ｓ２１ ＡＤＳ−Ｓ２１ Ａｒｒａｙとして定義された、前記下にあるアンテナ素子と前記隣接するアンテナ素子との間の相互結合ｓパラメータが、以下の基準：
    ｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜が｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜±｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜の２０％の範囲内であること、および
    位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）が位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０±３０度の範囲内であること
    を満たす、ステップ
    を備える、方法。
  28. 各導電性パッチの前記高さまたは寸法が、｜Ｓ２１ Ｒｅｆｌ｜と｜Ｓ２１ Ａｒｒａｙ｜との間の差を最小化するように選択される、請求項２７に記載の方法。
  29. 各導電性パッチの前記高さまたは寸法が、位相（Ｓ２１ Ｒｅｆｌ）と位相（Ｓ２１ Ａｒｒａｙ）＋１８０度との間の差を最小化するように選択される、請求項２７に記載の方法。
  30. 各導電性パッチが、下にあるアンテナ素子の５０％未満の幅と、前記公称動作範囲の最短波長の０．３以下の最長寸法とを有する、請求項２７に記載の方法。
  31. 前記アンテナアレイの前記接地板上の導電性パッチの前記共通平面の前記高さが、０．２５λｃと０．４λｃとの間であり、λｃが前記アンテナアレイの中心周波数に対応する電磁波波長である、請求項２７に記載の方法。
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