JP2022544107A - エッジ効果を軽減させたフェーズド・アレイ・アンテナ - Google Patents

エッジ効果を軽減させたフェーズド・アレイ・アンテナ Download PDF

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Abstract

フェーズド・アレイ・アンテナ・システムは基板を有するアンテナ素子を有し、基板は配列中のコーナー素子のセルフ・リターン信号を減らすように選択された相違する誘電定数を有する。一例では、フェーズド・アレイ・アンテナ・システムは、２次元配列に並べられた複数のスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子を含み、複数のスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子のうちの各々のスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子は、地板の上方で誘電体基板に配置された導電性パッチのペアを含む。配列中のコーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板は、配列中の非コーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板の誘電定数よりも低い誘電定数を有する。

Description

フェーズド・アレイ・アンテナ・システムは、広範囲に及ぶ通信及びリモート・センシング用途で使用されている。これらのアレイに関する多くの望ましい特性（例えば、低コスト、小型、軽量など）は、マイクロストリップ又は「パッチ」アンテナと呼ばれる印刷されたアンテナ素子を用いて達成することが可能であり、その場合において、モノポール又はダイポール・アンテナ素子のような平坦な導電性素子が、均一な厚さの誘電体シートによって、単一の本質的に連続した地板から隔てられた２次元配列に並べられる。しかしながら、そのようなフェーズド・アレイにおいて生じる問題は、いわゆる「エッジ効果」であり、配列のうちのエッジにあるアンテナ素子、特にコーナーにあるアンテナ素子は、様々なレベルの相互カップリングに起因して、配列の中央部分におけるものと異なるインピーダンス整合を経験する。フェーズド・アレイ・アンテナ開口前面のコーナー又はエッジ効果は、アレイ・パフォーマンス(例えば、電力利得、サイドローブ・レベル、ビーム・ポインティング・エラーなど)を劣化させ、高電力動作の下では、下方の電子部品にとって有害でさえあり得る。従来、エッジ効果は、アレイの開口周辺を「ダミー」の不活性アンテナ素子で包囲するか、又は開口の周囲にRF吸収体材料を追加するか、の何れかによって対処されている。例えば、特定の従来の構造では、寄生又は「ダミー」素子が、アクティブ素子のアレイに隣接して配置され、アクティブ・アンテナ素子のアレイのエッジ上にあるアクティブに、均一なインピーダンスを提供する。これにより、アレイのエッジにおける素子が、アレイの中央部の素子とほぼ同じインピーダンスによって包囲される結果をもたらし、エッジ素子に関連する遠方界パターンが、アレイの中央部の素子に関連する遠方界パターンと近似的に同じになることを可能にする。しかしながら、これらの解決策は、込み入った開口フロントでの追加的なスペースの必要性、及び追加的な製造複雑性のコストを含む幾つかの欠点を有し、また特定の用途には実用的でない場合がある。
態様及び実施形態は、マイクロストリップ・ベースのフェーズド・アレイ・アンテナ・システムに方向付けられており、そこでは、コーナー/エッジ効果の軽減が、コーナー/エッジ素子におけるセルフ・マッチ信号低減に基づいて、ＡＭ製造技術(additive manufacturing techniques)(積層造形法又は付加製造法とも言及される)によって作成される、より低い誘電定数の基板を使用することによって実現される。
一実施形態によれば、フェーズド・アレイ・アンテナ・システムは、第１の複数のコーナー・アンテナ素子と、第２の複数のエッジ・アンテナ素子と、第３の複数のセントラル・アンテナ素子とを有する２次元配列に並べられた複数のマイクロストリップ・アンテナ素子を含み、前記第３の複数のセントラル・アンテナ素子は前記第１の複数のコーナー・アンテナ素子と前記第２の複数のエッジ・アンテナ素子とによって囲まれており、各々のマイクロストリップ・アンテナ素子は誘電体基板に配置された導電性パッチを含み、前記第１のコーナー・アンテナ素子の誘電体基板の各々は、前記第２の複数のエッジ・アンテナ素子と前記第３の複数のセントラル・アンテナ素子の誘電体基板の誘電定数より低い第１誘電定数を有する。
一例において、前記第１の複数のコーナー・アンテナ素子のうちの各コーナー・アンテナ素子の誘電体基板はフレーム構造を含み、前記フレーム構造の中で複数の空洞が形成されている。前記複数の空洞のサイズは、前記誘電体基板の横方向にわたって変化してもよい。一例において、前記複数の空洞のサイズは、前記誘電体基板の中央から外方に向かって減少している。
別の例において、前記第２の複数のエッジ・アンテナ素子の誘電体基板の各々は第２誘電定数を有し、前記第３の複数のセントラル・アンテナ素子の誘電体基板の各々は第３誘電定数を有し、前記第２誘電定数は前記第１誘電定数より高く、前記第３誘電定数は前記第２誘電定数より高い。
一例において、前記誘電体基板は多層誘電体基板であり、前記導電性パッチは、前記多層誘電体基板の第１表面に配置されたトップ・パッチと、前記トップ・パッチの下方において、前記多層誘電体基板内に配置されたボトム・パッチとを含む。 各々のマイクロストリップ・アンテナ素子は、前記ボトム・パッチの下方において、前記多層誘電体基板の第２表面に配置された地板を更に含んでもよい。各々のマイクロストリップ・アンテナ素子は、前記マイクロストリップ・アンテナ素子への及び前記マイクロストリップ・アンテナ素子からのＲＦ信号をつなぐように構成されたウェーブポート(waveport)を更に含んでもよい。一例において、前記ウェーブポートは、ＲＦストリップライン給電部とＨ状－開口を前記地板上に含む。
別の例において、前記第１の複数のコーナー・アンテナ素子の誘電体基板の各々は、前記第２の複数のエッジ・アンテナ素子と前記第３の複数のセントラル・アンテナ素子の誘電体基板の密度より低い密度を有する。
別の実施形態によれば、フェーズド・アレイ・アンテナ・システムは、２次元配列に並べられた複数のスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子を含み、前記複数のスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子のうちの各々のスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子は、地板の上方で誘電体基板に配置された導電性パッチのペアを含み、配列中のコーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板は、前記配列中の非コーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板の誘電定数よりも低い誘電定数を有する。
一例において、前記配列中の前記コーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板は、前記配列中の非コーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板の密度より低い密度を有する。一例において、前記配列中のコーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板は、前記誘電体基板の横方向にわたって規則的なパターンで並ぶ複数の空洞を含む。別の例において、前記複数の空洞のサイズは、前記誘電体基板の中央から外方に向かって減少している。
別の例において、前記誘電体基板は多層誘電体基板であり、前記導電性パッチのペアは、前記多層誘電体基板の第１表面に配置されたトップ・パッチと、前記トップ・パッチに整合したボトム・パッチであって前記トップ・パッチと前記地板の間で前記多層誘電体基板内に配置されたボトム・パッチとを含む。
これらの例示的な態様及び実施形態の更に別の態様、実施形態、及び利点は、以下で詳細に議論される。本件で開示される実施形態は、本件で開示される原理の少なくとも１つと如何なる方法によっても矛盾しない他の実施形態と組み合わされる可能性があり、「実施形態」、「幾つかの実施形態」、「代替的な実施形態」、「種々の実施形態」、「１つの実施形態」などに対する言及は、必ずしも相互に排他的ではなく、説明された特定の特長、構造、又は特徴が少なくとも１つの実施形態に含まれる可能性があることを示すように意図されている。本件におけるこのような用語の登場は、必ずしも全て同一の実施形態を指すものではない。
少なくとも１つの実施形態の種々の態様は、添付図面を参照しながら以下で説明されているが、これらは縮尺通りに描かれるようには意図されていない。図面は、種々の態様及び実施形態の説明及び更なる理解をもたらすために含まれており、本件に組み込まれて本件の一部を構成するが、本発明の限定の定義としては意図されていない。図中、種々の図面に示されている同一の又は同様な構成要素の各々は、同様な数字で表されている。明確化の目的で、全ての構成要素が全ての図面でラベル付けされていない可能性がある。
本発明の態様によるアンテナ・アレイの一例の構成を示すブロック図である。 本発明の態様による無限アレイ環境におけるスタック型パッチ・ラジエータの一例を示す図である。 ２．１－２．７ＧＨｚの周波数範囲にわたる、図１のアンテナ・アレイの一部分（図４に対応するもの）のシミュレーションによるリアクティブ・マッチング・パフォーマンスのグラフである。 図３に示されるシミュレーション・データに対応するアレイ１００の一部分のブロック図である。 ６×１線形アレイにおけるコーナー・アンテナ素子に対する相互カップリングを示す図である。 ６×１線形アレイにおける中央素子に対する相対的な相互カップリングを示す図である。 ２．１－２．７ＧＨｚの周波数範囲にわたる、本発明の特定の態様に従って修正された図４のアンテナ・アレイの一部分の、シミュレーションによるリアクティブ・マッチング・パフォーマンスのグラフである。 図４のサブ・アレイの一例に対するシミュレーションによるインピーダンス整合データを示すスミス・チャートである。 本発明の態様による図４のサブ・アレイの別の例に対するシミュレーションによるインピーダンス整合データを示すスミス・チャートである。 本発明の態様によるフェーズド・アレイ・アンテナ・システムにおけるアンテナ素子用基板の一例の平面図である。 図８Ａの基板の側方斜視図である。
最近出現した窒化ガリウム（ＧａＮ）ベースの高電力密度マイクロ波回路は、フェーズド・アレイ・アンテナ・システムの技術をより高いパフォーマンスへ進展させる新たな機会を開く。しかしながら、このような高電力密度の方式は、熱分布、熱放電、高電圧放電、ＲＦ損失などのような、設計概念から対処しなければならない種々の問題を導入する。更に、上述したように、フェーズド・アレイ・アンテナ開口全面におけるコーナー／エッジ効果は、アレイ・パフォーマンスを劣化させ、この影響は小さな外形の有限アレイにおいてよりいっそう重要であり、なぜならそのようなアレイは例えば５Ｇ又は５ＧＥシステムのような、より新しい高度な移動通信アーキテクチャのために実装される可能性があるからである。ＲＦ吸収体及び／又は「ダミー／代用」素子をアンテナ開口の周囲に単に実装するに過ぎない従来のアプローチは、製造の複雑化及び追加的なコストを招く。更に、フェーズド・アレイ・アンテナの設置スペースが限られている用途においては、これらのアプローチを実現するための追加的なスペースに対する要求は、非実用的ではないとしても、困難である可能性がある。
態様及び実施形態は、以下で更に説明するように、アンテナ開口全面の全体にわたって平坦な表面を維持しながら、付加製造（「３Ｄ印刷」）技術を使用してアンテナ基板の誘電定数の変調を使用して、コーナー／エッジ効果を緩和する、より簡単な解決策を提供する。
図１を参照すると、説明の目的で例えばＳバンドで使用される可能性がある６×４アンテナ・アレイ１００の構成例が示されている。アレイ内のアンテナ素子２００の各々は、同一の又は類似の構造を有してもよいが、アレイ１００内のそれらの空間的な位置に基づいて、異なる相互カップリング及び異なる影響を受ける可能性がある。図示されている例では、アンテナ素子２００ａはコーナー素子（アレイ１００の中に４個ある）であり、アンテナ素子２００ｂは水平エッジ素子（アレイの中に８個ある）であり、アンテナ素子２００ｃは垂直エッジ素子（アレイの中に４個ある）、アンテナ素子２００ｄは内部素子（アレイの中に８個ある）である。図１に示されるアレイ１００の例は、６×４アレイであるが；本開示の利点を考慮すると、本件で開示される原理及び技術は、任意のサイズのアレイ１００に適用される可能性があり、６×４構成には限定されないことを、当業者は理解されるであろう。
特定の実施形態によれば、アレイ内の各アンテナ素子２００は、スタック型パッチ構造を有する。図２は、無限アレイ環境におけるスタック型パッチ放射器の一例を示す。積み重ねられたパッチ要素２００は、トップ・パッチ２１０と、多層パッチ基板２３０内に実装され、地板２４０の上方に配置されたボトム・パッチ２２０とを含む。トップ・パッチ２１０とボトム・パッチ２２０は、アンテナ素子２００の放射ビーム・パターンを生成するために相補的な方式で動作する。トップ・パッチ２１０及びボトム・パッチ２２０の各々、並びに地板２４０は、例えば、銅の層のような印刷された導電性材料で作成されてもよい。特定の例では、基板２３０は、３．０の誘電定数を有する複合積層基板を形成する微小分散セラミックを備えたポリテトラフルオロエチレン(PTFE)又はガラス繊維を含む低損失ＲＦ材料、ＣＬＴＥ－ＡＴで作られている。アンテナ素子２００は、ある種の例では、放射構造に対して出入りする信号をつなぐための、ＲＦストリップライン給電部及び「Ｈ型」開口として地板上に実現されてもよいウェーブポート２５０を含む。図２において、アンテナ素子２００の上方に示されたボリューム２６０は、以下で更に説明されるように、有限要素ベースのシミュレーションの目的に関してのみ使用される。
上述したように、図１に示すアレイ１００のようなアレイでは、アレイ内の異なるアンテナ素子２００ａ－ｄのインピーダンス特性は、アレイ構造内の素子の位置関係に起因して異なる可能性がある。説明のために、図３は、図２のアンテナ素子２００を使用して実施されるアレイ１００の一部分１１０（図４に示されるもの）のシミュレーションされたリアクティブ・マッチング・パフォーマンスのグラフを示す。アレイ１００の対称性に起因して、ＨＦＳＳシミュレーションにおいて割り当てられる対称境界を有する３×２の部分１１０は、アレイ１００の６×４の例のパフォーマンスを表すのに十分である。図３に示されるデータは、図４に示されるサブ・アレイ１１０に対応する。図３に示すシミュレーション・データについて、基板２３０は、誘電定数が３．０のＣＬＴＥ－ＡＴで作られているものとしてシミュレートされた。図３に示すように、ＨＦＳＳシミュレーションは、コーナー・アンテナ素子２００ａである素子－６が、他の素子１－５と比較して劣った整合パフォーマンスを示す。
図３は、ＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳシミュレーションによる２．１－２．７ＧＨｚの周波数範囲にわたる、サブ・アレイ１１０（図４）の６つのアンテナ素子についてのシミュレーションによる最適化されたリアクティブ・マッチング・パフォーマンスの曲線セットを示す。曲線３０１は図４のサブ・アレイ１１０の素子－１に対応し、曲線３０２は図４のサブ・アレイ１１０の素子－２に対応し、曲線３０３は図４のサブ・アレイ１１０の素子－３に対応し、曲線３０４は図４のサブ・アレイ１１０の素子－４に対応し、曲線３０５は図４のサブ・アレイ１１０の素子－５に対応し、曲線３０６は図４のサブ・アレイ１１０の素子－６に対応する。リアクティブ・マッチングは、全ての素子が同時に（すなわち、実際の動作状態で）励起される場合の個々の素子のリターン・ロスとして定義される。換言すれば、リアクティブ・リターン信号は、アンテナ素子のセルフ・リターン信号と、全ての周囲のアンテナ素子からの相互カップリングに起因する入力信号とのベクトル和である。従って、アレイ環境における任意の所与のアンテナ素子の良い整合とは、その素子のセルフ・マッチ信号が、全ての相互カップリングのトータル号によって相殺されることを意味する。開口全体にわたってほぼ同一の放射器設計の状況下では、個々の素子全てのセルフ・マッチングはほぼ同じであるが、各素子に対する相互カップリングに起因するトータル信号は、開口における素子の非対称な幾何学的配置に起因して素子毎に異なる。これは、図３の曲線３０６によって示されるように、また以下で更に議論されるように、コーナー要素２００ａで比較的貧弱なリアクティブ・マッチングとして現れる可能性がある。
図５Ａ及び図５Ｂは、６×１線形アレイを使用する、上述した相互カップリングの説明のための簡単な例を示す。図５Ａは、要素－６のアクティブ・リターン信号（矢印４１０及び矢印４３０のベクトル和によって表される）を示し、図５Ｂは、比較のために、要素－３のアクティブ・リターン信号（矢印４２０及び矢印４４０のベクトル和によって表される）を示す。６×１線形アレイでは、要素－６及び要素－３のアクティブ・リターン信号は、Ｓ－パラメータに関連して数学的には以下のように表すことができる：
Active_return_element_6 = S(6,6)+S(6,5)+S(6,4)+S(6,3)+S(6,2)+S(6,1);
Active_return_element_3 = S(3,6)+S(3,5)+S(3,4)+S(3,3)+S(3,2)+S(3,1);

Ｓ（６，６）及びＳ（３，３）はそれぞれ要素－６及び要素－３のいわゆる「セルフ・マッチング」（又はセルフ・リターン信号）であり、それぞれ図５Ａ及び５Ｂにおける矢印４１０、４２０として示されている。これらの２つの項は、対応するアンテナ素子の同一又は類似の設計構成に起因して、位相及び振幅に関してほぼ同じである。上記の数式における他の全ての項は、矢印４３０のグループ及び４４０の矢印によって表される相互カップリングに関連している。グループ４３０及び４４０における各矢印の相対的なウェイトは、関連するアンテナ素子から素子－６（図５Ａ）又は素子－３（図５Ｂ）への相互カップリングの相対的な強度を示す。２つの素子の間の相互カップリング信号の振幅と位相は、これら２つの素子間の幾何学的な分離距離に密接に関連している。このような分離距離が近づくにつれて相互カップリングは強くなり，その逆も成り立つ。
図５Ａ及び５Ｂを参照して理解することができるように、要素－６上のトータルのカップリングは、要素－３における対応するトータルのカップリングとは非常に異なる。これは、素子３が素子６の２つの最近接素子に隣接しているのに対し、素子６の場合は唯１つであり、その結果、素子３のトータルの相互カップリングは素子６におけるものよりもかなり強い、という事実に起因する。上述したように、優れたリアクティブ・マッチング・パフォーマンスは、セルフ・マッチングと相互カップリングとの間のほぼ完全なキャンセルを当てにしている。仮に中央の素子（即ち、この例では素子３）で完全な相殺が生じると、コーナー素子では、コーナー素子が経験する比較的弱い相互カップリングに起因して、セルフ・リターン信号は相互カップリングを相殺するには大きすぎる。
従って、特定の態様及び実施形態によれば、エッジ／コーナー効果の軽減は、アレイ１００内のコーナー及び／又はエッジ要素２００ａ－のセルフ・リターン信号を、中央素子２００ｄと比較して低減することによって達成されることが可能である。次いで、減少したセルフ・マッチ信号は、コーナー／エッジ素子によって経験される比較的弱い相互カップリング信号を適切に無効化することができる。シミュレーションに基づいて、特定の実施形態によれば、所望のセルフ・リターン信号の低減は、コーナー・アンテナ素子２００ａ（及び、オプションとして、エッジ素子２００ｂ及び／又は２００ｃ）のためのより低い誘電率の基板／媒体を使用することによって、効果的に達成することが可能である一方、メンテナンスの便宜に加えて、アンテナ開口面全体にわたるレードーム・フラッシュ・マウントのために、アレイ１００内の他の全ての素子と同じ放射器プロファイル・レベルを維持する。
図６は、図３と同様に、ＡＮＳＹＳ ＨＦＳＳシミュレーションによる２．１－２．７ＧＨｚの周波数範囲にわたる、サブ・アレイ１１０（図４）の６つのアンテナ素子についてのシミュレーションによる最適化されたリアクティブ・マッチング・データ曲線セットの例を示すグラフである。ただし、図３に示されるシミュレーション・データでは、アンテナ素子２００の各々は、同じ誘電定数３．０の基板２３０を有していたが、図６に示されるシミュレーション・データでは、コーナー素子（図４の素子－６）の基板２３０が修正されている。具体的には、この例では、素子－６に対するシミュレーションされた基板２３０は、２．４の誘電定数を有する人工的な材料である。図６において、曲線３１１は図４のサブ・アレイ１１０の素子－１に対応し、曲線３１２は図４のサブ・アレイ１１０の素子－２に対応し、曲線３１３は図４のサブ・アレイ１１０の素子－３に対応し、曲線３１４は図４のサブ・アレイ１１０の素子－４に対応し、曲線３１５は図４のサブ・アレイ１１０の素子－５に対応し、曲線３１６は図４のサブ・アレイ１１０の素子－６に対応する。図３及び図６を比較することによって分かるように、素子－６に使用される基板２３０の誘電定数を低下させることは、（図６の曲線３１６と図３の曲線３０６を比較した場合）コーナー素子２２０ａのインピーダンス整合に関してかなりの改善を達成している。
コーナー素子２００ａに関して、他の素子で使用される基板のものよりも低い誘電定数を有する基板２３０を使用することによって達成される整合性の改善は、図７Ａ及び７Ｂを比較することによって更に実証される。図７Ａ及び７Ｂは、図４のサブ・アレイ１１０の例に関する、シミュレーションによるセルフ・マッチ（実線３２２、３３２）＿対＿シミュレーションによるトータルの相互カップリング信号（破線３２４、３３４）を示すスミス・チャートである。図７Ａは、サブ・アレイ１１０の一例に関するコーナー素子２００ａのデータを示し、その場合において、６つのアンテナ素子２００の全てが、３．０の誘電定数を有する基板２３０でシミュレーションされている（図３に示されたシミュレーション・データに対応する）。図７Ｂは、サブ・アレイ１１０の一例に関するコーナー素子２００ａのデータを示し、その場合において、６つのアンテナ素子２００のうちの５つ（素子１－５）は３．０の誘電定数を有する基板２３０でシミュレートされ、コーナー・アンテナ素子２００ａ（素子－６）は２．４の誘電定数を有する基板２３０でシミュレートされている（図６に示されたシミュレーション・データに対応する）。図７Ａ及び７Ｂを参照して分かるように、コーナー素子２００ａに適用されたより低い誘電定数の基板を使用することは、図７Ａにおける３２２と比較して、図７Ｂにおけるインピーダンス軌跡３３２のサイズ減少によって明らかなように、コーナー素子のセルフ・リターン信号を減少させることができる。
上述のシミュレーション例では、コーナー素子２００ａ（素子－６）の基板の誘電定数は下げられていたが、他の５つの素子は同じ誘電定数の基板を有していた。他の例では、水平エッジ素子２００ｂ及び／又は垂直エッジ素子２００ｃに使用される基板の誘電定数が考慮される。特定の例では、以下で説明するような付加製造技術を使用して、コーナー及びエッジ・アンテナ素子２００ａ－ｃに使用される基板の誘電定数は調整され、異なるアレイ位置で経験する相互カップリング・レベルの変化を説明することができる。例えば、中央アンテナ素子２００ｄが「ベース」又は「開始」誘電定数Ｄ０の基板２３０を有する場合、水平エッジ素子２００ｂ及び／又は垂直エッジ素子２００ｃは、より低い誘電定数（例えば、Ｄｅ＜Ｄ０）の基板を有することが可能であり、コーナー素子２００ａは、更に低い誘電定数（例えば、Ｄｃ＜Ｄｅ＜Ｄ０）の基板を有し、コーナー素子２００ａが最も低いレベルの相互カップリングを経験するという事実を説明することができる。特定の例では、アレイ１００の構成に依存して、水平エッジ素子２００ｂは、垂直エッジ素子２００ｃとは異なるレベルの相互カップリングを経験する可能性がある。他の例では、エッジ素子のうちの特定のもの（水平エッジ素子２００ｂ又は垂直エッジ素子２００ｃの何れか）は、他のエッジ素子と異なるレベルの相互カップリングを経験する可能性がある。そのような場合及び同様な場合に、エッジ素子２００ｂ、２００ｃの全てが、同じ誘電定数Ｄｅを有する基板を有する必要はなく、むしろ、経験される異なるレベルの相互カップリングを説明するように誘電定数を調整して相違させることができる。
特定の実施形態によれば、コーナー素子２００ａに使用される下方の誘電体基板材料は、精密な付加製造（「３Ｄ印刷」）技術によって実現することができる。図８Ａ及び８Ｂは、特定の実施形態に従って使用することが可能な基板２３０の一例を示す。図８Ａは基板２３０の一例の平面図であり、図８Ｂは対応する側方斜視図である。特定の実施形態によれば、基板２３０の密度分布は、図８Ａ及び８Ｂに示されるように、空洞２３２又は空隙を導入して格子型構造を形成することによって操作することができる。密度変動、従って誘電定数の変調は、３－Ｄ印刷によって迅速に、便利に、かつ正確に作ることが可能である一方、例えば、粉砕のような従来の製造プロセスは、遅く、材料を浪費し（従って、コスト高となり）、精度が悪く、特定の状況では実施することが困難であったり又は実用的ではなかったりする可能性がある。付加製造プロセスを使用して、基板密度は、例えば図８Ａ及び図８Ｂに示すように、サンプルの中でフレーム構造化を通じて、キャビティ及び／又はボイド形成によって操作することができる。その結果、プロセスは、基板２３０の機械的剛性の最小限の妥協とともに、最も効果的な方法で材料を消費する。他の幾つかの例では、基板２３０の密度分布は、３Ｄ印刷速度を制御することによって操作することができる。
特定の実施例では、基板２３０は、結果として生じる肉眼で見える密度が基板の横方向にわたって変わってゆくように、付加製造プロセスで構成することが可能である。例えば、基板密度は、中央部で最も低く、外側に向かって徐々に増加してもよい。特定の実施例において、これは、基板２３０内に形成されたキャビティ２３２のサイズ及び／又は間隔を変化させることによって達成することができる。例えば、図８Ａを参照すると、キャビティ２３２は、図示のように、基板の中央で最大である一方、エッジに向かってサイズを小さくすることができる。従って、導入される空気の量は、エッジにおけるよりも中央において高く、それによって、エッジにおけるよりも中央における密度（及び誘電定数）をより低下させる。そのような構成は、例えば、表面波の低下や異種基板材料を横切る境界での電荷蓄積の除去のような、典型的に使用される均一な基板を上回る幾つもの利点を提供することができる。このような合成基板は、従来の方法で製造することは困難であるが、付加製造の柔軟性は、構造的に複雑な構成を、容易かつ迅速に高精度に製造することを可能にする。
図２を再び参照すると、特定の実施例では、図８Ａ及び８Ｂに示される基板構造、又はそれらの変形例が、多層基板２３０の１つ以上の層に使用されてもよい。例えば、キャビティ構造は、上述のように、密度を横方向に変化させるために、トップ・パッチ２１０とボトム・パッチ２２０との間にある基板層内に形成されてもよい。代替的又は追加的に、キャビティ構造は、ボトム・パッチ２２０と地板２４０との間にある基板層内に形成されてもよい。基板２３０の両方の層がキャビティ・パターンを含む例では、これらのパターンは、同じであってもよいし又は異なるものであってもよく、それが使用されるアレイ内のアンテナ素子２００のパフォーマンスを最適化するように選択されることが可能である。更なる例では、多層基板２３０の任意の１つ以上の層の巨視的な密度及び／又は誘電定数は、フレーム構造化以外の技術を使用して変化させてもよい。例えば、多層基板２３０は、付加製造によって形成されるので、異なる密度及び／又は誘電定数を有する異なる材料を、基板２３０の異なる領域に印刷することができ、及び／又は異なるアンテナ素子に対して選択することができる。更に、特定の低損失ＲＦ材料は、その密度を低下させるために、多孔質発泡体構造を有する形態で印刷することができる。付加製造アプローチの柔軟性により、上述したように、これらの技術及び材料の何れかを、アレイ内の何れかのアンテナ素子２００に適用して、コーナー／エッジ効果の軽減を通じて改善又は最適化されたパフォーマンスを有するフェーズド・アレイを生成することができる。更に、これらの改善は、フェーズド・アレイが全てのアンテナ素子にわたって同じプロファイル・レベルを維持することを可能にしつつ獲得することが可能であり、これは、メンテナンスの便宜や、アンテナ開口面全体にわたるレードーム・フラッシュ・マウントのために望ましい可能性がある。更に、フェーズド・アレイ・アンテナは、コーナー／エッジ効果の緩和を適用して、同じ帯域幅で動作することが可能である。即ち、本件で開示される技術及びアプローチに従ってコーナー／エッジ効果の緩和を適用することによって、動作帯域幅の損失を生じさせることはない。
従って、態様及び実施形態は、アレイを構成する様々なパッチ・アンテナ素子において異なる誘電定数を有する基板の使用を通じてコーナー／エッジ効果の軽減を含むフェーズド・アレイ・アンテナ・システムを提供し、その誘電定数はアレイ内の個々のアンテナ素子の位置に応じて選択又は調整されている。従って、誘電定数は、フェーズド・アレイを用いた空間的配置に基づいて変調され、異なるアレイ位置で経験される相互カップリングのレベルに基づいて、種々のアンテナ素子のセルフ・マッチ信号を正確に調整することができる。特定の例では、フェーズド・アレイの所与の実装に要求されるパフォーマンス・レベルに依存して（例えば）誘電定数の変調は、少数のアンテナ素子（例えば、エッジ効果が最も顕著なコーナー素子２００ａのみ）、アンテナ素子の特定のサブセット（例えば、コーナー素子２００ａ、及び少なくとも幾つかのエッジ素子２００ｂ及び／又は２００ｃ）にのみ適用することが可能であり、あるいはアレイ全体にわたって調整されてもよい。上述のように、特定の実施形態では、調整された誘電定数は、幾つもの利点を提供する可能性がある付加製造技術を用いて、基板２３０の密度を変えることによって達成することが可能である。ＲＦ吸収体材料又はダミー／サロゲート・アンテナ素子を追加し、それにより、サイズ、コスト、及び重量をアレイに加える従来のコーナー／エッジ効果緩和アプローチとは異なり、付加製造により実現される材料の誘電定数変調は、アレイのサイズを増大させることなく、小規模な有限のフェーズド・アレイ・アンテナに関するコーナー／エッジ効果を都合よく緩和することができる。特定の実施例では、キャビティ又はボイドを３Ｄフレーム化構造によって基板内に導入することは、密度、従って誘電定数を低くする一方、材料を無駄にすることなく、機械的な剛性のわずかな妥協のみにより、モード純度も向上させる。更に、付加製造プロセスは、異種構造間のスムーズな遷移を可能にし、電荷の蓄積を回避する。上述したように、付加製造を使用して、高精度で機械的にロバストな、カスタム調整されたアンテナ素子及びアレイを、オプションとして僅かな量で、妥当なコストで作成することができ、有利なことに、特定の用途のための特定の構造の開発を可能にする。
少なくとも１つの実施形態の幾つかの態様を上述してきたが、種々の変更、修正、及び改良が当業者にとって容易に把握されることは理解されるであろう。このような変更、修正、及び改良は、本開示の一部であるように意図されており、本発明の範囲内であるように意図されている。従って、本件で説明した方法及び装置の実施形態は、前述の説明で記述されている又は添付図面に示されている構成及び構成要素の配置の詳細に適用することに限定されないことが理解されるであろう。方法及び装置は、他の実施形態で実装することが可能であり、実施されることが可能であり、又は種々の方法で実行されることが可能である。具体的な実装の例は、例示的な目的のためだけに本件では提供されており、限定であるようには意図されていない。また、本件で使用される言葉遣いや用語は説明のためのものであり、限定として理解されるべきではない。「含んでいる」、「備えている」、「有している」、「包含している」、「関わっている」及びそれらの変形の本件における使用は、以後に列挙されるアイテム及びそれらの等価物並びに追加のアイテムを包含することを意味する。「又は」に関する言及は包括的に解釈され、その結果、「又は」を使用して説明される何らかの用語は、説明される用語の単一の、複数の、及び全てのもののうちの何れか示す可能性がある。前後、左右、トップとボトム、上位と下位、垂直と水平、に対する何らかの言及は、説明の便宜のために意図されており、本システム及び方法又はそれらの構成要素を、何れか１つの位置又は空間的な方向に限定するようには意図されていない。従って、前述の説明及び図面は、単なる例示であるに過ぎず、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の適切な構成から決定されるべきである。

Claims (15)

  1. フェーズド・アレイ・アンテナ・システムであって：
    第１の複数のコーナー・アンテナ素子と、第２の複数のエッジ・アンテナ素子と、第３の複数のセントラル・アンテナ素子とを有する２次元配列に並べられた複数のマイクロストリップ・アンテナ素子を含み、前記第３の複数のセントラル・アンテナ素子は前記第１の複数のコーナー・アンテナ素子と前記第２の複数のエッジ・アンテナ素子とによって囲まれており、各々のマイクロストリップ・アンテナ素子は誘電体基板に配置された導電性パッチを含み、前記第１の複数のコーナー・アンテナ素子の誘電体基板の各々は、前記第２の複数のエッジ・アンテナ素子と前記第３の複数のセントラル・アンテナ素子の誘電体基板の誘電定数より低い第１誘電定数を有する、フェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  2. 前記第１の複数のコーナー・アンテナ素子のうちの各コーナー・アンテナ素子の誘電体基板はフレーム構造を含み、前記フレーム構造はその中に形成された複数の空洞を有する、請求項１に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  3. 前記複数の空洞のサイズは、前記誘電体基板の横方向にわたって変化している、請求項２に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  4. 前記複数の空洞のサイズは、前記誘電体基板の中央から外側に向かって減少している、請求項３に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  5. 前記第２の複数のエッジ・アンテナ素子の誘電体基板の各々は第２誘電定数を有し、前記第３の複数のセントラル・アンテナ素子の誘電体基板の各々は第３誘電定数を有し、前記第２誘電定数は前記第１誘電定数より高く、前記第３誘電定数は前記第２誘電定数より高い、請求項１に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  6. 前記誘電体基板は多層誘電体基板であり、前記導電性パッチは、前記多層誘電体基板の第１表面に配置されたトップ・パッチと、前記トップ・パッチの下方において、前記多層誘電体基板内に配置されたボトム・パッチとを含む、請求項１に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  7. 各々のマイクロストリップ・アンテナ素子は、前記ボトム・パッチの下方において、前記多層誘電体基板の第２表面に配置された地板を更に含む、請求項６に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  8. 各々のマイクロストリップ・アンテナ素子は、前記マイクロストリップ・アンテナ素子への及び前記マイクロストリップ・アンテナ素子からのＲＦ信号をつなぐように構成されたウェーブポートを更に含む、請求項７に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  9. 前記ウェーブポートは、前記地板上にＲＦストリップライン給電部及びＨ型開口を含む、請求項８に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  10. 前記第１の複数のコーナー・アンテナ素子の誘電体基板の各々は、前記第２の複数のエッジ・アンテナ素子と前記第３の複数のセントラル・アンテナ素子の誘電体基板の密度より低い密度を有する、請求項１に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  11. フェーズド・アレイ・アンテナ・システムであって：
    ２次元配列に並べられた複数のスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子を含み、前記複数のスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子のうちの各々のスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子は、地板の上方で誘電体基板に配置された導電性パッチのペアを含み、配列中のコーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板は、前記配列中の非コーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板の誘電定数よりも低い誘電定数を有する、フェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  12. 前記配列中の前記コーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板は、前記配列中の非コーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板の密度より低い密度を有する、請求項１１に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  13. 前記配列中のコーナーのスタック型パッチ・マイクロストリップ・アンテナ素子の誘電体基板は、前記誘電体基板の横方向にわたって規則的なパターンで並ぶ複数の空洞を含む、請求項１２に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  14. 前記複数の空洞のサイズは、前記誘電体基板の中央から外側に向かって減少している、請求項１３に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
  15. 前記誘電体基板は多層誘電体基板であり、前記導電性パッチのペアは、前記多層誘電体基板の第１表面に配置されたトップ・パッチと、前記トップ・パッチに整合したボトム・パッチであって前記トップ・パッチと前記地板の間で前記多層誘電体基板内に配置されたボトム・パッチとを含む、請求項１１に記載のフェーズド・アレイ・アンテナ・システム。
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