JP5657742B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明はアンテナ、特にアンテナアレイで使用されるノッチ放射素子に関する。

放射素子は広い放射パターンを有する小型のアンテナである。これらは電子走査されるアレイアンテナ（ＥＳＣＡＮ）で個々の放射素子として使用される。その素子は通常、各素子の後部に送信／受信モジュール（ＴＲＭ）を有して方形または三角形のグリッドで配置される。これらのＴＲＭは特定のビーム角度を表す振幅および位相加重のセットを選択することによってアンテナの主ビームが操縦されることを可能にする位相シフタを含んでいる。

広く採用されているこのようなクラスのアンテナはテーパースロットアンテナ（ＴＳＡ）またはヴィヴァルディ素子と呼ばれている。これらのＴＳＡまたはヴィヴァルディ素子の１つの利点はこれらが商用のマイクロ波印刷回路板に印刷されることにより容易に製造されることができることである。これらの素子のアレイは２つの回路板を具備し、それぞれ外部表面上に印刷されているテーパースロットを有している。ストリップラインとして知られている送信入力線は回路板が共に結合される前に回路板の間でそれらの内部表面上に位置される。このような既知の設計が図１に示されている。一方の側面上に印刷されているテーパースロットと、他方の側面に結合された送信入力線とを有する単一の回路板を有するこれらの素子のアレイを構成することも知られている。

ヴィヴァルディ素子はよく知られており、その多数の異なる設計が異なる要求を満たすために提案されている。これらの素子の設計においてはストリップライン11を経て素子に供給されるほとんど全ての電力が実際に素子の上部のテーパースロット12を介して自由空間に放射されることを確実にすることが重要である（図１参照）。１つの共通する問題は電力入力が放射されないでストリップライン入力ポート13から反射されて戻る可能性があることである。さらにアレイ中の素子間の相互結合もまたこの反射される電力に影響する。これらの素子を設計するとき、アレイが動作する全ての走査角度及び周波数にわたって反射された電力（反射係数）が最小にされることを確実にすることが重要である。通常、放射素子は６０度の半角度を有するコーン内の角度範囲にわたって動作するように設計される。

図１に示されている各素子10は基板のエッジに垂直な方向で測定された長さＬを有する。長さＬは典型的に広い帯域幅にわたる動作を可能にするために素子が発生する放射の波長の１−２倍である。得られる帯域幅は典型的に自由空間で使用されるとき１オクターブよりも大きい。

一部が図２に示されているアンテナアレイの隣接素子間の間隔は、格子ローブ（主ビームのイメージ）の発生を防止するために方形グリッドにおいて最大の動作周波数の波長の半分未満でなければならない。波長が最長である場合、これは最低の動作周波数を限定する効果を有し、その理由は波長が最長である場合には素子はさらに広い必要があるためである。しかしながら隣接する素子間の間隔は格子ローブの発生を阻止するために帯域の上部の波長の半分より小さくなければならないので、この寸法は制約される。

さらに、ヴィヴァルディ素子がＥＳＣＡＮアレイで動作する上部周波数を増加するために、例えば理論的１０ＧＨｚの上限に対する約１５ｍｍから理論的２０ＧＨｚの上限に対する約７．５ｍｍまで素子間の物理的分離を減少させることが必要である。素子のスロットは帯域の下端部の波長に対しては十分広くないので、これは素子が動作できる低い周波数をさらに限定する効果を有する。

このような状況において、本発明は放射素子、好ましくは前述の制限を解決しようとするアレイアンテナを提供する。

したがって、本発明はアレイアンテナのノッチ素子を提供し、そのノッチ素子は基板上に形成され、前部領域と後部領域とを備え、前部領域は基板のエッジに隣接し、対称多角形、例えば長方形として成形され、基板のエッジに対して垂直な対称軸を有し、ノッチ素子は間にギャップなく相互に直接隣接して配置される。

好ましくは、前部領域はエッジに対して垂直な寸法より大きいエッジに対して平行な寸法を有する。さらに、後部領域は基板のエッジに対して垂直な対称軸を有する多角形として成形されることが好ましい。さらに後部領域はエッジに対して垂直な寸法より小さいエッジに対して平行な寸法を有することが好ましい。

好ましくは、基板のエッジに対して垂直な対称軸は前部領域と後部領域の両者で同じであることができる。さらに好ましくは、前部領域と後部領域は両者とも実質的に方形である。均等に隔てられた配置で基板上に複数のこれらのノッチ素子を設けることが好ましい。

好ましくは、導電性のストリップラインがノッチ素子を共通のソースに結合するために設けられる。

ノッチ素子が基板の一方の表面上のみに設けられることもまた可能である。好ましくは基板は対向する主表面と、各主表面上に設けられている導電材料の層と、各主表面上の導電材料の層により形成される前記ノッチ素子のアレイとを有し、それによって各主表面上のノッチ素子は整列して配置され、他のノッチ素子と通信する。ノッチ素子は前記均等な間隔でエッジに沿って整列されていることが好ましい。

ノッチ素子は本発明の実施形態で以下説明されているように異なる形状で設けられることができることを理解すべきである。

従来技術で知られているテーパースロットアンテナ（ＴＳＡ）またはヴィヴァルディ素子を示すアレイアンテナの１表面の一部分を示す図。 従来技術で知られている図１に示されているＴＳＡまたはヴィヴァルディ素子を使用するアレイアンテナを示す図。 アレイアンテナの基板のエッジに設けられている２つの隣接するノッチ素子を示すアレイアンテナの１表面の一部分を示す図。 本発明の１特徴によるアレイアンテナの基板のエッジに設けられた４つの隣接するノッチ素子を示すアレイアンテナの１表面の一部分を示す図。 二重偏波された広帯域動作を行うために９０度グリッドで配置された本発明によるノッチ素子の配置の概略図。

本発明の特定の実施形態を同一の参照符合を有する添付図面を参照して、単なる例示として説明する。
前述したような従来技術の問題を解決するため、図３に示されているように簡単なノッチ素子プロフィールが提供され、図３はそのアレイ中の１対の隣接するこのような素子を示している。各素子20は通常の方法で導電性材料で被覆されている基板22から被覆を除去することにより形成される。形成された素子は図１に示されている比較対象であるヴィヴァルディ放射素子の高さのλ／２未満である（即ち中心周波数で約１／２波長の長さを有する）。この構成では、基板は積層の層間に挟まれたストリップラインとの積層として形成されていることが理解されよう。積層された層は背中合わせに配置された２つの印刷回路板により構成され、（図３に図示されていない）積層の裏面は素子が２つの外部表面上に整列されているので実質的に図３で示されているものと類似している。積層された基板の外部表面は基板を通して延在するバイア孔23により電気的に結合されている。バイア孔23の構成は熟練した設計者により随意的選択できるものであり、それによって示されている以外の他の構成の選択も可能であることに注意すべきである。

好ましくは、各素子または素子のアレイは２つの回路板を使用して作られ、各回路板は両面を被覆する銅層を有する誘電体材料で構成されている。第１の回路板では、金属被覆領域は素子を形成するための一方の表面から除去され、ストリップラインフィードを形成するために他方の表面から除去される。第２の回路板では、金属被覆領域は同様に素子を形成するために除去され、他方の表面は全ての金属被覆が除去される。２つの回路板は共に結合され、それによって素子は外部に面する表面上に設けられ、ストリップラインフィードは回路板の内部表面間の中間に設けられる。

図３から認められるように、ノッチ素子20はそれぞれ形状が長方形で、前部領域26と、同様に形状が長方形の後部または内部領域28とを有している。２つの領域は基板22のエッジ30に対して垂直な軸29を中心とし、図示されるように前部領域26の幅は基板22のエッジに対して垂直の方向における領域の寸法（または長さ）よりも大きい。前部領域26は後部領域28と連続して形成され、後部領域28は前部領域よりも小さい寸法であり、その長さよりも小さく前部領域26の幅よりも小さい幅を有している。

各素子20の全長、即ち前部領域及び後部領域の組合された長さは前述した図２に示されているヴィヴァルディ素子の長さの１／２よりも小さい。それにもかかわらず、この素子は図１及び２に示されているはるかに長いヴィヴァルディ素子で有効である帯域幅に匹敵する帯域幅を実現することができる。その帯域幅の周波数の上限は隣接するノッチ素子間の間隔Ｓに依存する。周波数の下限はノッチ素子のサイズに依存する。方形のグリッドでは、素子は１オクターブの帯域幅まで実現することができる。限度が５０度に近い幾らかの周波数及び平面が存在するが、有効な走査角度は公称上６０度の半角度コーンである。

素子の上限周波数は隣接する素子との間の間隔により制限されることを前述した。それ故より狭い間隔は上限周波数の増加を意味する。しかしながらグリッドの間隔が減少するとき、２つの素子間の金属は幅が減少する。したがって素子のこのような構成によって、ヴィヴァルディ素子に関して、素子が同じ寸法を維持するときにはこれは実質的に低い周波数範囲を維持するが、素子間の間隔が減少するときにはより高い周波数範囲を増加する利点が得られる。

ノッチ素子の別の構成は本発明の好ましい実施形態にしたがって、隣接する素子間から導電性材料を共に除去することによってこのような素子を含んでいるアンテナの周波数帯域幅を拡張することができる。この実施形態は図４に示されており、図４で認められるようにギャップは基板表面上の導電性被覆により形成されるノッチ素子の前部領域間には残されていない。

この好ましい実施形態では、そのアレイ中の相互に隣接する複数のノッチ素子20が設けられている。各素子20は通常の方法で導電性材料で被覆されている基板22から被覆を除去することにより形成される。形成された素子は図１に示されている比較対象のヴィヴァルディ放射素子の高さのλ／２未満である（即ち中心周波数で約１／２波長の長さを有する）。この実施形態では、基板は積層された層間に挟まれたストリップラインを有する積層として形成されていることが理解されよう。積層された層は背中合わせで配置された２つの印刷回路板により構成され、（図４に図示されていない）積層の裏面は複数の素子が２つの外部表面上に整列して配置されているので図４で示されている図と実質的に類似である。積層された基板の外部表面は基板を通して延在するバイア孔23により電気的に結合されている。バイア孔23の構成は熟練した設計者による随意的選択であり、それによって示されている以外の他の構成の選択も有効であることに注意すべきである。

図４から認められるように、ノッチ素子20は全て隣接する前部領域26を具備し、それによって連続する前部領域と、後部または内部領域28が形成される。前部領域及び後部または内部領域の両者は形状が長方形であり、基板のエッジ30に対して垂直な軸29を中心としている。前部領域26の幅は基板22のエッジに対して垂直の方向における領域の寸法（または長さ）よりも大きい。前部領域26は隣接する前部領域26と隣接して形成される。さらに前部領域26は後部領域28と連続して形成され、後部領域28は前部領域26よりも小さい寸法であり、その幅は長さよりも小さく前部領域26の幅よりも小さい。

各素子20の全長、即ち前部領域26及び後部領域の組合された長さは前述したように図２に示されているヴィヴァルディ素子の長さの１／２より小さい。素子20の前部領域26が隣接しているとき、素子間の間隔は最小にされ、素子の寸法を同じに保つとき前述の実施形態の下限周波数を維持しながら前述の実施形態で与えられた上限周波数よりも高い上限周波数を可能にする。これらの素子の任意のアレイ、およびこれらの素子を有するアレイは全６０度のコーンで近似的に周波数ｆ１＜周波数＜２．５×ｆ１の拡張された帯域幅にわたって機能できることが算定されている。

図３および４のアンテナ構造は積層された基板上に形成されているが、本発明は素子が形成される表面から反対側の基板の裏面上に形成される（この場合では公称上マイクロストリップと呼ばれる）必要なストリップラインを設けることにより基板の単一の表面だけにノッチ素子アレイを設けることによって構成されることができることが明白に理解されよう。

前述したようにアレイアンテナ中に配置される素子による帯域幅を拡張した結果として、垂直と水平のアレイ平面との間に９０度でグリッドに素子を配置することにより、素子はまた図５の（Ａ）および（Ｂ）に示されているように二重偏波された広帯域動作を行うこともできる。図５の（Ａ）は図５の（Ｂ）に示されているようなモジュールのグリッドの構成で使用されるノッチ素子モジュール52、54の概略図である。ここで垂直モジュール54と水平モジュール52はモジュール52、54の位置に固定するために金属のポスト56を使用してグリッドパターン中に配置される。

全ての走査角度で良好な交差偏波を得るために、このような素子のアレイ中の素子は対称軸の方向で長さにおいてλ／２より小さい必要がある。これはヴィヴァルディ素子の類似のアレイまたはノッチ素子のアレイの性能と比較して、改良された交差偏波性能を与える。
以下に、本出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１] 基板上に形成され、前部領域と後部領域を具備しているアンテナアレイのノッチ素子において、
前部領域は基板のエッジに隣接して、基板のエッジに対して垂直な対称軸を有する対称多角形の形状で形成され、ギャップを介在せずに相互に直接隣接して配置されているアレイアンテナのノッチ素子。
[２] 前部領域はエッジに対して垂直な寸法より大きいエッジに対して平行な寸法を有している前記[１]記載のノッチ素子。
[３] 後部領域は基板のエッジに対して垂直な対称軸を有する多角形の形状で形成される前記[１]または[２]記載のノッチ素子。
[４] 後部領域はエッジに対して平行な寸法とエッジに対して垂直な寸法とを有し、エッジに対して平行な寸法はエッジに対して垂直な寸法よりも小さい前記[１]乃至[３]のいずれか１項記載のノッチ素子。
[５] 基板のエッジに対して垂直な対称軸は前部領域と後部領域の両者で同じである前記[３]または[４]記載のノッチ素子。
[６] 前部領域と後部領域は両者とも実質的に方形である前記[１]乃至[５]のいずれか１項記載のノッチ素子。
[７] 均等に隔てられた配置で基板上に形成されている前記[１]乃至[６]のいずれか１項記載の複数のノッチ素子。
[８] ノッチ素子は基板の１つだけの表面上に設けられている前記[７]記載の複数のノッチ素子。
[９] 導電性のマイクロストリップがノッチ素子を共通のソースに結合するために設けられている前記[７]または[８]記載の複数のノッチ素子。
[１０] 基板は対向する２つの主表面と、各主表面上に設けられている導電材料の層と、各主表面上の導電材料の層により形成されているノッチ素子のアレイとを有し、それによって各主表面上のノッチ素子は整列され、他のノッチ素子と通信する前記[７]乃至[９]のいずれか１項記載の複数のノッチ素子。
[１１] ノッチ素子は前記均等な間隔でそのエッジに沿って整列して配置されている前記[１]乃至[７]のいずれか１項記載のアンテナ。
[１２] ノッチ素子は基板上に形成され、前部領域と後部領域とを有し、前部領域は基板のエッジに隣接して位置し、基板のエッジに対して垂直な対称軸を有する対称的な多角形の形状で形成され、基板のエッジに対して垂直な対称軸に沿った素子の長さはλ／２未満であるアンテナアレイのノッチ素子。

Claims (10)

1. アレイアンテナのためのノッチ素子であって、
   前記ノッチ素子は、基板上に形成され、前部領域と後部領域とを具備し、
   前記前部領域は、前記基板のエッジに隣接し、前記基板の前記エッジに対して垂直な対称軸を有する対称の多角形として形成され、
   複数の前記ノッチ素子は、アレイ中でギャップを介在させずに相互に直接に隣接して配置され、
   前記前部領域は、前記エッジに対して垂直な方向の寸法よりも大きい、前記エッジに対して平行な方向の寸法を有しており、前記基板の前記後部領域は導電性被覆を具備し、前記基板の前記前部領域は導電性被覆を具備しない、ノッチ素子。
2. 前記後部領域は、前記基板の前記エッジに対して垂直な対称軸を有する多角形として形成されている請求項１記載のノッチ素子。
3. 前記基板の前記エッジに対して垂直な前記対称軸は、前記前部領域と前記後部領域との両者で同じである請求項２記載のノッチ素子。
4. 前記後部領域は、前記エッジに対して平行な方向の寸法と、前記エッジに対して垂直な方向の寸法とを有し、
   前記エッジに対して平行な方向の寸法は、前記エッジに対して垂直な方向の寸法よりも小さい請求項１項記載のノッチ素子。
5. 等間隔の配置で前記基板上に形成されている請求項１記載の複数のノッチ素子。
6. 前記ノッチ素子は、前記基板の一方のみの表面上に設けられている請求項５記載の複数のノッチ素子。
7. 導電性のマイクロストリップが、前記複数のノッチ素子を共通のソースに結合するために設けられている請求項５記載の複数のノッチ素子。
8. 前記ノッチ素子は、前記等間隔の配置で前記基板のエッジに沿って整列している請求項５記載のアンテナ。
9. アレイアンテナのためのノッチ素子であって、
   前記ノッチ素子は、基板上に形成され、前部領域と後部領域とを具備し、
   前記前部領域は、前記基板のエッジに隣接し、前記基板の前記エッジに対して垂直な対称軸を有する対称の多角形として形成され、
   複数の前記ノッチ素子は、アレイ中でギャップを介在させずに相互に直接に隣接して配置され、
   前記前部領域と前記後部領域との両者は、実質的に長方形であり、前記基板の前記後部領域は導電性被覆を具備し、前記基板の前記前部領域は導電性被覆を具備しない、アレイアンテナのためのノッチ素子。
10. アレイアンテナのための複数のノッチ素子であって、
    前記複数のノッチ素子は、等間隔の配置で基板上に形成され、
    各ノッチ素子は、前記基板上に形成され、前部領域と後部領域とを具備し、
    前記前部領域は、前記基板のエッジに隣接し、前記基板の前記エッジに対して垂直な対称軸を有する対称の多角形として形成され、
    前記複数のノッチ素子は、アレイ中でギャップを介在させずに相互に直接に隣接して配置され、前記基板の前記後部領域は導電性被覆を具備し、前記基板の前記前部領域は導電性被覆を具備しない、
    前記基板は、対向する主表面を有し、
    導電性材料層が各主表面上に設けられており、
    前記複数のノッチ素子からなるアレイは、各主表面上の前記導電性材料層によって形成され、
    各主表面上の前記複数のノッチ素子は、他と対応して、整列している、複数のノッチ素子。

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