JP4787248B2 - アンテナ放射器構造 - Google Patents

Description

本発明はアンテナ放射器構造に関する。

アクチブアレイアパーチャの中には重量および容積について厳格な制約がある。例えば宇宙空間ベースのアレイは宇宙空間に放出される必要があり、それによって発射ビークルの容量により厳格な重量および容積の制限が課される。別の例示的な応用では例えばこのようなアレイが兵士のような重量に敏感な輸送手段により運搬されるときのような、戦場で展開するためにアレイを収納することが必要である。

比較的軽い重量のアレイアパーチャが必要である。比較的小さい容積で貯蔵することのできるアレイアパーチャを設けることが有効である。

折畳み可能な放射器アセンブリは放射器導体パターンが形成されている薄く、フレキシブルな誘電体基板を含んでいる。このフレキシブルな基板構造は折畳まれた位置と展開された位置との間で移動するようにフレキシブルである。励起回路はＲＦエネルギにより放射器導体パターンを励起する。

放射器アセンブリのストリップはアンテナアパーチャを形成するために使用されることができる。

本発明の特徴および利点は図面を伴って以下の詳細な説明から当業者により容易に認識されるであろう。
以下の詳細な説明および幾つかの図面では、同様の素子は同一の参照符号で識別される。

薄い軽重量の広帯域の放射素子及びアレイ構造の実施形態を説明する。これらの実施形態の例示的な応用には宇宙空間ベースのアクチブアレイアンテナが含まれている。放射器はロケット内で低容積で収納するために収納構造にするために折畳み可能または巻取り可能であり、それによって固定した容積内、例えば発射前にロケット中に収納されることのできるアンテナアパーチャの量を増加することができる。アンテナが展開中に折畳み状態から拡げられ、或いは巻かれた状態から拡げられるとき、放射器はそれ自体によって適切な動作形状及び構造へポップアップされるか、誘電ラインにより展開されるように構成されることができる。他の実施形態では、アンテナは位置が固定されることができる。

図１に示されている例示的な実施形態では、放射器構造20は米国特許第5,428,364号明細書に記載されているフレアダイポール放射器に類似の放射器素子30を含んでいるが、９０度のＨ平面屈曲部42を含んでいるフレアダイポール部（フレアダイポール素子30-1と30-2を含む）を給電する導体ストリップ40-1と40-2を備えている同一平面ストリップ伝送ライン（ＣＰＳ）40を有し、ＣＰＳとマイクロストリップとの転移部50を形成している。例示的な実施形態では、９０度のＨ平面の屈曲は誘電体基板22を形成するため例えばポリイミド、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリエステル、またはデュロイドのような４ミル未満の厚さの薄いフレキシブルな誘電体回路材料を使用して実現される。フレキシブルな回路板材料は例えば通常の回路製造プロセスを使用して、銅中にエッチングされたフレアダイポールの形状を有する銅張り材料である。フレキシブルな誘電体層は特定の応用で必要とされるならば、スチフネスを付加または短絡を防止するためにフレキシブルな回路板上に随意選択的に形成されることができる。

９０度のＨ平面の屈曲部42を放射器20のＣＰＳ伝送ライン部分42へ組込むことにより、放射器は平坦な多層アクチブアレイパネルアンテナアセンブリに容易に設置されることができる。図２−５は例示的なアセンブリ100の例示的な実施形態を示している。放射器構造20はアンテナアパーチャの接地平面構造120上に存在する誘電体絶縁層110上に設けられる。接地平面構造120は例えば上部誘電体層126Aの上部表面上の銅層から製造される上部接地平面層122を具備している。下部接地平面層124は誘電体層126Bの下部表面に形成されている。エアストリップライン層127はｚ軸の異方性の伝導接着層125によって接地平面層122、124間で組立てられている。

この例示的な実施形態では、同一平面ストリップ伝送ラインセクションの入力は、ＣＰＳ伝送ラインと類似のＥフィールド構造を有する図５のＢに示されているように、２線式伝送ライン94の形態で、メッキされたバイア孔90、92（図５のＡ）を使用して誘電性絶縁層110を通して直交的に転移される。したがってＣＰＳラインのストリップ40-1、40-2はそれぞれ導電性のバイア孔90、92に接続される。上部接地平面層122の開口またはクリアカット122Aは接地平面上の２線式伝送ライン94がストリップライン導体トレース130（図４）を含む対応する２線式伝送ラインまで連続し、それに接続することを可能にし、その後、以下説明するようにバラン回路の“平衡”アームに直交して転移する。

バラン回路160は図３に示されているように、典型的に多数のＲＦ装置で使用されるシングルエンドまたは“不平衡”伝送ラインをダブルエンドまたは“平衡された”伝送ラインに変換するために使用される。不平衡伝送ラインの例には同軸、マイクロストリップ、同一平面導波体、ストリップラインが含まれている。平衡伝送ラインの例にはツイン導線、２線式、同一平面ストリップ及びスロットラインが含まれている。その目的に適したバラン回路は当業者により構成されることができる。バラン回路の例は例えば文献（“Electromagnetic Simulation of Some Common Balun Structures”、K. V. Puglia、IEEE Microwave Magazine、Application Notes、56−61頁、2002年９月）と文献（“Review of Printed Marchand and Double Y Baluns: Characteristics and Application”、Velimir TrifunovicとBranka Jokanovic、IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques、42巻、No.8、1994年８月、1454−1462頁）に記載されている。

誘電性絶縁層110と接地平面構造120とを具備する平面アンテナアセンブリへの放射器20の物理的およびマイクロ波相互接続取付けは異方的な導電性のｚ軸接着膜170、172（図４）を使用して実現される。例示的な適切な市販の異方的な導電性のｚ軸接着膜は部品番号７３７３と９７０３として３Ｍにより販売されている接着膜を含んでいる。メッキされたバイア孔、例えば各ボード層のバイア孔90、112、128の端部のキャッチパッド90A、112A、112B、128Aは接着膜内で金属粒子と接触し、放射器上の同一平面ストリップ伝送ラインからストリップライン導体130および接地平面の下のバラン回路160までの連続的なＤＣ／ＲＦ相互接続を形成する。

フレアダイポール放射器はフレアノッチ放射器とダイポール放射器との組合せであり、短い高さで広い動作周波数を生じる。ＲＦ信号は同一平面ストリップ伝送ラインの入力ポートで同一平面ストリップを横切って励起される。ＲＦ信号は同一平面ストリップ伝送ラインの入力ポートで同一平面ストリップを横切って伝播する。ＲＦ信号は素子の端部の自由空間へ放射するまで、さらに増加したギャップを横切って同一平面ストリップに沿って伝播する。周波数帯域の上限はバランの設計によってのみ制限される。フレアダイポールはその外部導体エッジをダイポールの形状に成形させることにより周波数の下限を克服する。低い周波数帯域のエッジでは、フレアダイポールは同じ周波数帯域で動作する通常のフレアノッチ放射器よりも非常に短い通常のダイポールとして機能する。９０度のＨ平面の屈曲部はＲＦ性能にほとんど影響なく、通常のダイポールとフレアノッチ放射器との両者に組込まれることができる。

放射器の１実施形態の特徴は、展開期間中に、低い体積で保管し、後に適切な動作位置で開く（“ポップアップ”）ための折畳能力である。図６のＡおよびＢの例示的な実施形態では、例えば９０度のＨ平面の屈曲部は、ポリイミド、ＬＣＰ、ポリエステルまたはデュロイドのような２ミルの厚さのフレキシブルな回路板材料を使用して実現される。放射器における９０度のＨ平面の屈曲部は、スプリングと蝶番の両者として作用する。放射器における他の角度を有して展開された位置（即ち９０度以外）もまた特定の応用の要求にしたがって使用されることができる。Ｈ平面の屈曲部で折畳まれるとき、放射器のフレキシブルな材料は、反対方向の力を発生して、そのもとの平面形状に戻る。１つの例示的な実施形態では、スロット28は、スプリングバック力を制御するために、蝶番または折曲げ線25においてフレキシブルな回路板材料に形成され、スロット間にはフレキシブルな回路板材料の区域26を残す。薄い誘電性のスチフナ層48A、48Bは、例えば非導電性の膜接着剤により、回路板材料に取付けられ、堅牢さと環境的保護を行う。例示的な実施形態では、スチフナ層は４ミルのファイバガラスの補強された回路板材料である。ガセット（gusset）24は、薄いスチフナが放射器の形状を制御しながら、所望の９０度の位置に放射器のＨ平面が屈曲するのを制御するために使用される。したがって、スチフナ層と共にガセットは、適切な動作構造に放射器を成形するために使用される。

図５および図６のＡに示されている実施形態は、フレキシブルな回路板材料の薄いシートから製造されたパネル10であり、その上には複数のフレアダイポール放射器30が形成されている。この例では、４個の放射器30が存在しているが、より多くのまたは少数の放射器を有するパネルが使用されることができることを認識するであろう。

フレキシブルな誘電体材料の連続的なシートは、図６に示されているように、放射器ストリップを限定するためのガセットとして使用されることができるが、フレキシブルな回路材料の薄いストリップ24A-24D（図５）もまた放射器を位置付け、したがって潜在的な過剰な材料及び重要を除去するためにガセットとして使用されることができる。さらに重量を減少するには、放射器の下のスペーサ層として、絶縁誘電体材料のディスクリートなピース110A、110B、110C、110Dを使用し、連続的な誘電体層の代わりに、部片間に空気のスペースを可能にすることにより実現されることができる。薄いフレキシブルな回路板材料、ガセット、スチフナをフレアダイポール放射器で使用する特徴は、通常のディスクリートなフレアノッチ及びダイポール放射器にも適用されることができる。

図７のＡ−Ｄは幾つかの位置における放射器パネル10を示している。図７のＡでは、パネルは貯蔵のために折畳まれた位置にある。図７のＢでは、パネルはポップアップを開始し、部分的に開かれた位置にある。図７のＣは、パネルがさらに十分に展開された位置の方向に動いていることを示している。図７のＤは十分に開かれ展開された状態の動作位置におけるパネルを示している。スチフナおよびタイストラップは、折畳まれた位置から、展開された動作位置へポップアップするとき、放射器パネルの動きを制御する。

図８は、パネルアレイ180の１実施形態の部分的に切開かれた斜視図を示しており、これはフレキシブルな誘電体基板上に製造されたフレアダイポール放射器構造20のアレイを具備している。放射器構造20は、図４の誘電体絶縁層110と接地平面構造120とを具備する平面アンテナアセンブリと類似している、積層されたＲＦフィードアセンブリ184上に支持されており、バラン回路186を含んでいる。折畳む代わりに、この実施形態の放射器構造20は、フィードアセンブリ184に関して固定した位置にある。アパーチャの誘電体発泡封入材188は、放射器フィード構造20を固定した動作位置で支持するために、放射器アセンブリのストリップのエッジ及びそのストリップ間で放射器ストリップを封入する。誘電体材料の直交ストリップもまた、放射器フィード構造20を固定した動作位置で支持するために“エッジ−クレート”構造の形成に使用されることができる。誘電性のラドーム構造190は放射器構造上に適合する。

折畳み可能なアンテナ構造の別の実施形態が図９のＡに示されている。放射器ストリップ200は、図９のＢの端面図で示されているように、放射器ストリップ200は、涙滴形状で折畳まれる薄い単一層のフレキシブルな回路210として製造される。折畳み内部に位置する導体パターン220は、その幅は放射器の出力で最も広くなり、その導体の幅は放射器がＲＦフィードまたはバラン回路に対してインターフェースする場所である入力ポートで狭くなるように、フレア状に形成されている。同様に、２つの半分にされた導体間の分離は放射器の出力で最も広いが、分離距離は入力ポートで狭くなっている。放射器の出力における折畳まれたアーチ202は放射器の形状を形成し、その形状を維持する。折畳まれたアーチは薄いフレキシブルな誘電体回路材料を具備するので、放射器のＲＦ性能にはほとんどまたは全く影響せず、マイクロ波周波数で比較的見えないものと考えられている。折畳まれるときのフレキシブルな回路板による物理的な涙滴形状と、フレア導体形状との組合せは、したがって広帯域のＴＥＭフレアホーン放射器を実現する。図９のＡに示されているような例示的な放射器構造200は、導体パターン220により形成される５つのＴＥＭフレアホーン放射器230を有するが、より多数または少数のホーン放射器が、折畳まれる放射器構造で構成されることができることが理解されよう。

図９のＡはさらに、複数の放射器ストリップ200がＥ平面に沿って並んだ配列に位置されることができ、それによってＴＥＭフレアホーン放射器の２次元の空間的なアパーチャを提供している。これはさらに、図１１で詳細に示されており、Ｅ平面に沿って配置されている３つの放射器ストリップ200’を示しており、それぞれ３×３のアレイを設けるように画定された３つのホーン230を有している。各ホーン放射器は放射器ベース234’にＲＦフィードポート232’を有している。

例示的な実施形態では、放射器アセンブリは、ポリイミド、ＬＣＰ、ポリエステルまたはデュロイドのような薄い（例えば＜厚さ４ミル）フレキシブルな回路板材料を使用して製造される。フレキシブルな回路板材料は、例えば通常の回路製造プロセスを使用して、銅にエッチングされたフレアダイポールの形状を有する銅張りである。

マイクロ波エネルギを放射器に与える１つの例示的な技術が図１０のＡ−Ｄに示されている。同軸プローブ212は、その入力ポート232で、放射器の２つの半分230-1、230-2を横切って、電圧を励起する。同軸の外部導体214は、導電性エポキシまたははんだを使用して、一方の半分の放射器230-1に電気的に接続され、中心ピンは導電性エポキシまたははんだを使用して、対向する他方の半分の放射器230-2に接触するために、一方の半分の放射器230-1のクリアランスホール236を貫通する。放射器の後部はそのベース部で開回路にされ、マイクロ波信号をフレア導体パターン間から放射器出力へ流れさせる。遮蔽されたストリップラインは２つの半分の放射器230を横切って電圧電位を励起するために、同軸ケーブルの代わりに使用されることもできる。接地平面238は放射器230のベース部234下の１／４８に位置付けられている。放射器を駆動するための別の技術は、例えば図３および４に関して、前述したようにバラン回路を含んでいる。

図９のＡおよび図１１に示されているように、大きいフレキシブルな回路板の単一の涙滴型の折畳みはＨ平面に沿って幾つかのホーン放射器を形成できる。これはＥ平面に沿って形成される通常の印刷されたフレアノッチ放射器ストリップとは異なることに注意すべきである。前述したように、２次元アレイアンテナアパーチャは、図９のＡおよび図１１に示されているように、Ｅ平面に沿って幾つかの放射器ストリップを整列することにより形成されることができる。これは２次元アレイアンテナが、Ｈ平面に沿って幾つかの放射器ストリップを共に整列することにより形成されることができる通常の印刷されたフレアノッチ放射器ストリップとは異なっている。

フレキシブルな回路板材料のシートが十分大きいならば、２次元アレイアンテナアパーチャは、単一のシート上にＥ平面に沿って幾つかの放射器ストリップを実現するため、幾つかの涙滴形の折畳みを組込むことにより形成されることができる。図１２は、ホーン放射器の３×３アレイを形成するＴＥＭホーン放射器構造250の別の実施形態を示している。この実施形態では、図１０の実施形態のように、別々の材料シートから製造される各放射器ストリップとは対照的に、アレイはフレキシブルな回路材料の連続的なシート260から製造される。シート260は内部表面上に、ＴＥＭホーン放射器を規定する導体パターン220”を形成されている。このシートは、折畳まれた誘電体アーチ202”と、放射器のベース部234”の近くのＲＦフィード点232”とを続けて、折畳まれる。Ｅ平面に沿ったストリップ部間の類似の間隔は、折畳みの整列により設けられる。ホーン放射器ストリップの連続する逐次的な屈曲により形成されるベース234”は、Ｔ／Ｒモジュール、サーキュレータ、記憶キャパシタ、マイクロ波、デジタル及びパワーマニホルドを含む多層印刷回路板パネルアセンブリへ設置されることのできる平面／等角表面を形成する。組合わされたアパーチャ及びパネルアセンブリはしたがって、二次元アクチブアレイアンテナを実現する。アクチブアレイアンテナ300の例示的な実施形態が図１３に示されており、ここではフレキシブルな回路材料の連続的なシートから製造された印刷回路のフレキシブルなＴＥＭホーン放射器のアレイ310が、多層の印刷回路板アセンブリ400上に設けられ、これはＲＦフィード、デジタル及びパワーマニホルド回路として機能する。サーキュレータが印刷回路アセンブリ内に埋設され、Ｔ／Ｒモジュールおよび記憶キャパシタ（図示せず）はアセンブリ400の背後に設けられることができる。

放射器のこの例示的な実施形態は、折畳まれたアセンブリとして構成されるので、放射器はベースアセンブリ400の平面に対して垂直なＥ平面の偏波を発生する。

放射器アパーチャを形成するために、薄いフレキシブルな回路材料を使用することによって、アパーチャは例えばロケットのペイロードのために、図１４のＡ−Ｃに示されているように展開する前に、小容積で保管するために屈曲または平坦化することができる。図１４のＡは保管のために圧縮され、折畳まれた状態のアパーチャ310を示している。図１４のＢは一方の側に曲がるアパーチャ310の放射器を示し、図１４のＣは完全に展開された開状態のアパーチャの放射器を示しており、ここでは放射器は基本的に、ベース部の平面に対して垂直である。折畳まれおよび展開される期間中に、放射器の形状及び位置を制御する１方法は、図１５に示されているように、ファイバをフレキシブルな回路に取付けて、放射器の薄い壁を押したり、引っ張ったりすることである。ここで、ファイバ、又はライン410は放射器ストリップのアーチの上部に結合され、誘電体材料で製造されている。ファイバ410はＴＥＭホーンをアレイアパーチャエッジから動かすために押され／引っ張られることができ、それによって放射器の位置を制御することができる。他のファイバまたはライン412は、放射器が展開されると放射器の形状を制御するために、アーチの上部と、放射器のベース部に結合される。

前述の説明は、本発明の特定の実施形態の説明および例示であるが、その種々の変形及び変更は、特許請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲を逸脱せずに、当業者により行われることができる。

展開された状態における折り畳み可能なアンテナアレイの１実施形態の斜視図。 折り畳み可能なアンテナアレイアセンブリのさらに例示的な実施形態の分解斜視図。 バラン回路の概略ブロック図。 ポップアップフレアダイポール放射器アセンブリの１実施形態の分解された側面図。 ポップアップフレアダイポール放射器アセンブリの別の実施形態の斜視図およびこの斜視図のフレアダイポール放射器アセンブリで使用される同一平面ストリップ伝送ラインから２線式伝送ラインへの転移を示す側面図。 ポップアップフレアダイポール放射器構造の１実施形態の機械的レイアウトを示す斜視図およびその斜視図の例示的な９０度の展開位置を示す側面図。 図６の放射器構造の折畳まれた状態と、中間状態と、展開された動作位置の連続的な斜視図。 固定された位置におけるフレキシブルな放射構造を有するアンテナアレイの１実施形態の部分的に切取られた部分的斜視図。 展開された状態における単一の折畳みＴＥＭホーン放射器の１実施形態の斜視図。 ＴＥＭ放射器モデルの底面図と、斜視図と、正面図と、側面図。 Ｅ平面に沿って整列した折畳み可能なＴＥＭホーン放射器のストリップにより形成される２次元アンテナアパーチャの１実施形態の斜視図。 ＴＥＭホーン放射器を形成するフレキシブルな回路材料の連続シートを多数回折畳んで形成される２次元アンテナアパーチャの別の実施形態の斜視図。 平面のアクチブアレイパネルアセンブリに取付けられた印刷されたフレキシブルホーンのアレイの１実施形態の分解図。 それぞれ折畳まれた状態、部分的に折畳まれていない状態、十分に展開された状態における図１３のアレイを示している概略図。 放射器の位置を制御するために誘電体ライン整列を含んでいる折り畳み可能なＴＥＭホーンアレイの１実施形態の斜視図。

Claims (13)

1. 放射器導体パターンが表面上に形成され、折畳まれた位置と展開される位置との間の移動に対してフレキシブルである薄い誘電体基板構造と、
   ＲＦエネルギにより前記放射器導体パターンを励起するための励起回路とを具備し、
   前記誘電体基板構造はベース構造に取付けられたベース部分と、そのベース部分に対して移動可能であるフレキシブルな屈曲部分と、前記ベース部分と前記フレキシブルな屈曲部分との間の蝶番部分とを具備し、前記フレキシブルな屈曲部をベース部分上に重ねられた位置から蝶番部分を軸にして展開位置へ回動できるように構成されており、
   前記放射器導体パターンは前記フレキシブルな屈曲部分上に設けられている折畳み可能なポップアップ構造の放射器アセンブリにおいて、
   前記放射器導体パターンは前記蝶番領域を通過して前記励起回路に接続される同一平面ストリップ伝送線を具備しており、
   前記フレキシブルな屈曲部分の展開された位置を設定するために前記フレキシブルな屈曲部分の蝶番部分と反対側の端部と前記ベース部分との間に誘電体ガセットが接続さていることを特徴とする折畳み可能なポップアップ構造の放射器アセンブリ。
2. 前記放射器導体パターンはフレアダイポール放射器パターンである請求項１記載の放射器アセンブリ。
3. 前記放射器導体パターンはＴＥＭホーン放射器パターンである請求項１記載の放射器アセンブリ。
4. 励起回路は２線式伝送構造を具備し、この２線式伝送構造は前記ベース部を横切り、同一平面ストリップ伝送線の各導体に接続されて垂直の２線式転移部を形成している請求項１記載の放射器アセンブリ。
5. さらに、前記２線式転移部を横切る伝送構造により前記２線式転移部に結合されたバラン回路を具備している請求項４記載の放射器アセンブリ。
6. 前記誘電体ガセット構造は誘電体ストリップを具備している請求項１記載の放射器アセンブリ。
7. 前記フレキシブルな屈曲部は基板アセンブリの蝶番領域に沿って前記ベース部分と結合され、複数の間隔を隔てられたスロットがスプリングバック力を制御するために結接合領域に沿って誘電体基板アセンブリを貫通して形成されている請求項１記載の放射器アセンブリ。
8. さらに、前記フレキシブルな屈曲部を展開位置へ動かす展開力を与えるために基板構造のフレキシブルな屈曲部に取付けられている誘電体ラインを具備している請求項１記載の放射器アセンブリ。
9. 請求項１記載の放射器アセンブリ（20、200 ）のストリップを具備し、単一体のフレキシブルな基板構造（260 ）上に形成されているアレイアパーチャ。
10. 放射器アセンブリのストリップはアレイのＨ平面に沿って方向付けされている請求項９記載のアレイアパーチャ。
11. さらに、アレイのＨ平面に平行であるように方向付けされ、アレイのＥ平面に沿って間隔を隔てられている放射器アセンブリの複数のストリップを具備している請求項１０記載のアレイアパーチャ。
12. 放射器導体パターンはＴＥＭホーン放射器パターンである請求項１１記載のアレイアパーチャ。
13. さらに、他のストリップに平行であるように方向付けされ、他のストリップに関して間隔を隔てられている放射器アセンブリの複数のストリップを具備している請求項１１記載のアレイアパーチャ。

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