JP6730290B2 - グランドプレーンの上のサンドイッチされた放射素子を使用するとともにストリップラインによって供給されるアンテナアレイ - Google Patents

Description

本発明は、サンドイッチされた放射素子と、当該放射素子への／からの信号のストリップライン伝送供給部とを有するアンテナアレイに関する。アンテナアレイはアセンブリのような層状のプリント回路基板の一部として実装される。

従来の自己補対アンテナ（例えばボウタイアンテナ）は、放送用ＵＨＦテレビジョン信号の受信のためなどの様々な目的のために利用されてきた。単一のボウタイアンテナを利用することができるが、ボウタイアンテナのアレイは一般に利得を増加させるために利用され、例えば、アンテナアレイは同一面にすべて配された４つのアクティブボウタイアンテナ素子を有する。バラン（平衡不平衡）変成器は通常、アンテナインピーダンスと供給ラインのインピーダンスを整合させるべく、伝送線路にボウタイアンテナ素子を連結するために使用される。

別のアンテナ設計はパッチアンテナ構造を利用する。例えば、パッチアンテナは、グランドプレーンから離れて配置された導体素子を利用することもある。パッチアンテナは、利得を増やすため、および／または所望の放射パターンを達成するために、複数の放射素子を利用することもある。

広い走査能力を有する実際的な広帯域アンテナアレイの設計と構成は困難であることが証明されている。多くのアンテナが、伝送機構に対する放射素子のインピーダンス整合を与えるために、供給機構の一部としてバランの使用を必要とする。バランは固有の信号を喪失しており、広い周波数範囲にわたって最適な信号伝達特性未満しかない可能性がある。かなりの数の放射素子を利用するアンテナアレイについて、バランは恐らく放射素子または放射素子の群の各々を供給することを必要とされる可能性がある。１つ以上のバランを有することに関連するこうした困難に加えて、上記のようなアンテナアレイは製造するのにコストがかかる。ダイポールアンテナが、とりわけバランを用いることなく、使用される場合、供給地点の対称性を維持するのは難しい。

広帯域アンテナアレイの望ましい特性は、アンテナアレイの物理的な運動を必要とすることなく、水平または垂直な偏波を選択する能力である。多くの従来のアンテナアレイは、偏波の変化をもたらすためにアンテナアレイの物理的な回転／動作を要求する単一の固定された偏波配向を有する。これは実行可能であるが、アンテナアレイの物理的な回転／配向を制御するために必要な追加の構造体を犠牲にする。こうした実施には、構造体の費用の追加とメンテナンスの向上を伴う。こうした困難の少なくとも一部を最小限に抑えるコスト効率の良い実際的な広帯域アンテナアレイに対するニーズが存在する。

本発明の目的は、以下の方法の１つ以上において改善をもたらすアンテナアレイを提供することである。アンテナ配置、例えば、ボウタイアンテナは、通常は必要なバラン構造体が不要となる。ボウタイアンテナは、例えば、上面と下面で積層されて、非対称的な供給に係る問題を実質的に取り除くために、ストリップラインとスロット供給機構の使用を促す。列と行の上記のようなアンテナのアレイでは、アレイを移動させることなく、垂直偏波、水平偏波、または垂直と水平の二偏波を選択することができる。アンテナアレイは多層プリント回路基板製造技術を使用して経済的に製造可能である。

本発明の典型的な実施形態に従って、アンテナアレイは、列と行の第１の面に配された第１のボウタイアンテナセルを有する。さらなるボウタイアンテナセルは、列と行の第１の面に平行な第２の面に配され、このボウタイアンテナセルは第１のボウタイアンテナセルに垂直に位置合わせされるとともに第１のボウタイアンテナセルとまったく同じものである。第１と第２の面の間に配置された第１のストリップラインは、第１と第２のボウタイアンテナセルへ／からＲＦ信号を運ぶ。スロット供給部は、第１のストリップラインと、第１と第２のボウタイアンテナセルの各々との間でＲＦ信号を連結する。第１と第２の面に平行な第３の面の導電層は、第１と第２のボウタイアンテナセルから／へ放射された信号のグランドプレーンとして機能する。

本発明の典型的な実施の特徴は、本記載、請求項、および添付の図面から明白になる。

本発明の実施形態に係るアンテナアレイの一部の簡略化した平面図を提供する。 本発明の実施形態に係るアンテナアレイの１個のボウタイ素子の代表的なセルを例証する。 本発明の実施形態に係る複数の２×２セルからなる典型的なアンテナアレイの平面図を提供する。 本発明の実施形態に係るアンテナアレイのセルの描写的な構造体の側面図である。 他の層と関連付けたアンテナアレイの典型的なセルの層の平面図である。 他の層と関連付けた供給層（５）を示す平面図である。 他の層と関連付けた供給層（２）を示す平面図である。 本発明の実施形態に従って様々な操作程度の反射減衰量を表わすグラフである。 アンテナアレイの実施形態の面に対する様々な角度の利得を表す放射パターンのグラフである。 アンテナアレイの実施形態の面に対する様々な角度の利得を表す放射パターンのグラフである。

図１は、本発明の実施形態に係るアンテナアレイの一部（１００）の平面図を示す。例証された一部（１００）では、導電性の放射素子（１０５）、（１１０）、および（１１５）は、グランドプレーン（１２０）の上に配置された状態で示されている。破線の長方形のボックス（１２５）によって囲まれた放射素子（１１０）と（１１５）の一部は、図１の通常の縦配向で示すような水平偏波を備えた１つのダイポールアンテナを定義する。本明細書で使用されるように、水平偏波と垂直偏波への言及は、アンテナアレイの面のアンテナアレイの９０度の回転が相対的な偏波を変更させるように、アンテナアレイの物理的な配向に依存する。破線の長方形のボックス（１３０）によって囲まれた放射素子（１０５）と（１１０）の一部は、垂直偏波を備えた１つのアンテナを定義する。以降、それぞれのアンテナをアンテナ（１２５）とアンテナ（１３０）と呼ぶ。

例証される実施形態では、導電性の放射素子は、アンテナ（１２５）と（１３０）が典型的なボウタイアンテナを形成するように、実質的に正方形である。ボウタイアンテナの導電性の放射表面は、それぞれの供給機構（１３５）と（１４０）から、アンテナの軸に対して横方向の対向する頂点間の中央線によって定義されたアンテナの有効端部へと外側に拡大する。正方形の連続的な放射表面は、隣接するアンテナのそれぞれの端部が一緒に接続されるように、アンテナの有効端部を越えて伸びることに留意する。

各放射素子は、２対の端部と端部のアンテナ、つまり、１対の水平偏波アンテナと１対の垂直偏波アンテナの一部として機能する。この関係を例証するものとして、素子（１１０）の上半分は垂直偏波を有するボウタイアンテナ（１３０）の下側部分を形成し、素子（１１０）の下半分は、垂直偏波を有するボウタイアンテナより下の隣接部の上側部分を形成し、素子（１１０）の左半分は水平偏波を有する左側に隣接するボウタイアンテナの右側部分を形成し、素子（１１０）の右半分は、水平偏波を有するボウタイアンテナ（１２５）の左側部分を形成する。水平偏波ボウタイアンテナまたは垂直偏波ボウタイアンテナだけが供給システムを介して外部装置、例えば、受信機および／または送信機に連結可能となるように、例証的なアンテナアレイは、水平偏波アンテナと垂直偏波アンテナのための別々で独立した供給機構を備える。代替的に、水平偏波ボウタイアンテナと垂直偏波ボウタイアンテナは、同時に選択可能であり、外部装置に連結可能である。この場合には、それぞれの放射素子が４つのアクティブアンテナの一部として機能する。したがって、アンテナアレイは、アンテナアレイ自体のいかなる動作も配向の変更も必要なく、水平偏波、垂直偏波、または水平と垂直の両方の偏波で作動することもある。

水平偏波または垂直偏波の１つだけがアンテナアレイに選択されるとき、各放射素子は２つの異なる隣接するダイポールの一部として有効に機能する。垂直偏波がアンテナアレイに選択されたと仮定すると、アンテナアレイ上の各列の各放射素子は、一緒に接続されたそれぞれの端部を有する２つの隣接アンテナの一部として機能する。同様に、アンテナアレイ上の各行の各放射素子は、一緒に接続されたそれぞれの端部を有する２つの隣接する水平偏波アンテナの一部として機能する。

水平偏波がアンテナアレイに選択された場合、アンテナアレイの各行の各放射素子は２つの隣接アンテナの一部として機能する。例えば、放射素子（１１０）の右側部分と放射素子（１１５）の左側部分は、１つの水平偏波アンテナ（１２５）として機能する。放射素子（１１０）の左側の放射素子（１４５）の右側部分と組み合わせた放射素子（１１０）の左側部分は、別の水平偏波アンテナとして機能する。同様に、その右側部分に放射素子（１４５）の左側部分を組み合わせた放射素子（１１５）の右側部分は、別の水平偏波アンテナを形成する。こうした水平偏波アンテナの各々は、ＲＦ信号をアンテナに結び付けるために別々のそれぞれの供給機構を有する。同様に、アンテナアレイの各行の各放射素子は２つの隣接アンテナの一部として機能する。

同時の水平および垂直偏波がアンテナアレイに選択されるとき、各放射素子は４つのアンテナの一部として効果的に機能する。例えば、放射素子（１１０）は４つの異なるアンテナの一部として機能する。放射素子（１１０）の上側部分は垂直偏波アンテナ（１３０）の一部として機能し、放射素子（１１０）の下側部分は、放射素子（１１０）より下の素子（１４５）で作られた別の垂直偏波アンテナの一部として機能する。放射素子（１１０）の右側部分は水平偏波アンテナ（１２５）の一部として機能し、放射素子（１１０）上の左側部分は、放射素子（１１０）の左側の素子（１４５）を備えた別の水平偏波アンテナの一部である。

図２は、アンテナアレイの典型的な水平偏波型自己補対アンテナセル（１５０）を例証する。水平偏波ボウタイアンテナ（１２５）は、素子（１１０）の一部である左の放射素子と、素子（１１５）の一部である右の放射素子を含む。アンテナ（１２５）の位置合わせした鏡像である別の水平偏波ボウタイアンテナは、アンテナ（１２５）の面の下でかつその面に平行に間隙を置いた面に配置される。すなわち、放射素子（１１１）は（１１０）の放射素子の例証された部分と実質的に同一の寸法を有し、放射素子（１１６）は放射素子（１１５）の例証された部分と実質的に同一の寸法を有する。図１を参照して記載された放射素子の各々は、図１に示される放射素子を含む面の下の面に配された鏡像複製放射素子を有する。以下により詳細に記載されるように、鏡像放射素子は、図１に記載されるような放射素子と同時に駆動される。グランドプレーン（１２０）は、放射素子より下の間隔を置いて配された平行な別の面にある。

図２に示されるように、矢印（１５５）は、グランドプレーン（１２０）から遠ざかり、かつ一般にアンテナの面に垂直な方向におけるセル（１５０）からの直接放射を表わす。矢印（１６０）は、グランドプレーン（１２０）に向かう方向における、セル（１５０）、例えば、とりわけ素子（１１１）と（１１６）からの直接放射を表わす。矢印（１６５）は、矢印（１５５）によって表される放射と実質的に平行なグランドプレーン（１２０）からの反射された放射を表す。反射された放射（１６５）がアンテナとアンテナアレイの面に垂直な合成放射を最大限にするために放射（１５５）と実質的に同相となるように、下方の面で形成されたアンテナから、意図した動作周波数範囲の最低周波数における波長の約１／４の距離、グランドプレーン（１２０）を位置付けることが望ましい。

図３は、本発明の実施形態に係るアンテナアレイ（３００）の代表的な平面図を示す。相当な数の放射素子の列（３０５）と行（３１０）がある。Ｌ形の領域（３１５）は、図１に示される部分（１００）に対応する。例証的な正方形領域（１４０）は、２つの水平偏波アンテナと２つの垂直偏波アンテナを含む代表的な２×２セルを定義する。水平偏波供給機構（１３５）と垂直偏波供給機構（１４０）は、隣接する放射素子を接続する短い水平線と垂直線それぞれによって表される。放射素子の各頂点は、アンテナアレイ（３００）の縁に沿って配置された放射素子を例外として、隣接する放射素子の頂点によってアンテナ供給地点を形成する。理解されるように、アンテナアレイの縁の放射素子は、アンテナアレイのそれぞれの列または行で終了し、それによって、それ以上放射素子は供給されないので、供給機構は不要となる。アンテナアレイの右側縁で示されるように、放射素子の右端の列は、隣接する左の列で対応する放射素子を有する最終的に水平に配向されたボウタイアンテナを完成させるために、通常の放射素子の２分の１を使用して形成されてもよい。アンテナアレイの上端で示されるように、放射素子の最上位の行は、右端の列の放射素子を除いて、完全な正方形形状の放射素子を使用して形成されてもよい。最後の右の放射素子を除いて、行の完全な正方形形状の放射素子が望ましい。なぜなら、各々は、水平と垂直のボウタイアンテナを完成させるために完全な正方形形状の領域を必要とする水平と垂直の両方の機構を有するためである。

図４は、アンテナアレイの典型的なアンテナの描写的な側面図を示す。アンテナアレイは、プリント回路基板タイプの構造体中の複数の隣接層によって形成される。好ましくは、導電面を形成するために銅が使用され、異なる層上の導電面間に電気的導通をもたらすために導電性のバイアが使用される。様々な誘電材料が以下に記載される導電層間の層として使用される。

「層」は、アンテナとＲＦの放射特性に関連する層を指し、「供給層」とは、アンテナへの／からのＲＦ信号の結合に関連する層を指す。層（４）は、図１に示されるように、（１０５）、（１１０）、（１１５）、および（１４５）のような放射素子を含む。層（２）は、層（４）の複製鏡像放射素子である放射素子を含み、例えば、層（２）は、放射素子（１１０）と（１１５）の複製鏡像である、図２に示されるような放射素子（１１１）と（１１６）を含んでいる。層（１）はＲＦグランドプレーン（１２０）を形成する。層（４）と（２）との間の誘電材料に配置された層（３）は、ＲＦ信号のストリップライン供給部として機能するとともに層（４）と層（２）上の導電路と連携したストリップラインとして機能する、導電路を含む。

層（１）の下に位置する供給層は、ＲＦ信号供給システムの一部として機能する。導電性の供給層（６）は、層（１）にはんだなどによって接続され、したがってＲＦ接地の一部である。導電性の供給層（４）と（３）は互いに導通され、接地システムの一部である。アンテナアレイの底部に隣接する導電層（１）は接地システムの一部でもある。供給層（５）と供給層（２）は、それぞれのグランドプレーン間の誘電材料に各々配置された導電路を含み、アンテナアレイの底部のそれぞれの接続接点（４０５）と（４１０）からの別々の水平および垂直偏波ＲＦ信号を、層（３）上のそれぞれのストリップライン（４３０）と（４４０）へ／から伝達するストリップラインとして機能する。接続接点（４１５）と（４２０）は、外部装置との接続のための接地接続接点を提供する。

複数の垂直のバイア、つまり導電路は、異なる層上の金属領域に相互接続するように機能する。当業者は、バイアが、隣接する導電材料を有していない開口部を通過するなどすることによりその表面と接続することなく、中間層の金属表面も横断することがあることを理解するであろう。バイア（Ｖ１）と（Ｖ３）は、供給層（１）から供給層（３）までの接地接続をもたらす。

バイア（Ｖ２）は、接地供給層（４）と（６）の間のストリップラインとして機能する、供給層（５）上の水平偏波接点（４０５）と金属部分（４２５）との間の接続を提供する。供給層（５）上のストリップライン（４２５）は、アンテナ金属化層（２）と（４）との間のストリップラインとしても役立つ層（３）上の金属部分（４３０）にバイア（Ｖ６）によって接続される。層（３）上のストリップラインは次にそれぞれのボウタイアンテナの鏡像半体として機能する、例えば、素子（１１０）と（１１１）の水平偏波供給地点の一部として機能する、層（４）と（２）上の金属部分にバイア（Ｖ１２）によって接続される。層（３）上のストリップライン供給部によってガイドされる外部ソース（例えば送信機）からのＲＦエネルギーは、背中合わせのボウタイ放射素子の頂点によって形成されたギャップスロットにつながれる。層（３）上のストリップライン供給部の延長部分がバイア（Ｖ１２）によりストリップライン接地へ、つまり、層（４）と（２）上のボウタイアンテナの鏡像半体まで短絡されるとき、このつながれたＲＦエネルギーは、ガイドされたストリップラインモードからスロット放射モードまで最大限移される。バイア（Ｖ４）は、接地供給層（１）と（３）との間のストリップラインとして機能する供給層（２）上の金属部分（４３５）と垂直偏波接点（４１０）との間の接続を提供する。ストリップライン（４３５）は層（２）と（４）との間のストリップライン供給部としても役立つ層（３）上の金属部分（４４０）にバイア（Ｖ８）により接続され、順に、層（４）と（２）上の垂直偏波ボウタイアンテナ金属部分にバイア（図示せず）により接続される。垂直偏波供給システムは、水平供給部に対して９０度、例えば、図１で見られるような垂直偏波供給機構（１４０）対水平偏波供給機構（１３５）の角度で供給されることを除けば、水平偏波供給システムに実質的に似ている。

接地に対する複数の相互接続が提供される。バイア（Ｖ５）は、供給層（４）と供給層（６）との間の接地接続を提供する。供給層（３）と（４）は、供給層（６）と層（１）のように一緒に接続されることを忘れてはならない。バイア（Ｖ７）は供給層（４）と層（４）との間の接地接続を提供する。バイア（Ｖ９）と（Ｖ１０）は、層（１）と層（４）、および層（１）と層（２）との間の接地接続をそれぞれ提供する。バイア（Ｖ１１）は、層（２）と層（４）の間の接続を提供する、これは層（２）と（４）との間の複数のこうした接続の代表的なものである。こうしたバイアは、同じＲＦ信号レベル（電圧）で２つのアンテナ間のそれぞれの地点を維持するために、鏡像ボウタイアンテナ素子を相互接続する。これは有益である。なぜなら、層（２）と層（４）の上のボウタイ放射素子は層（３）ストリップライン供給部のためのＲＦグランドプレーンとしても機能するからである。アンテナ素子はいくつかの地点でグランドとの接続を有しているが、こうした接地接続は、ＲＦ信号電圧が、放射素子からのＲＦ放射に対応する放射素子上に存在することを防がないことに留意する。

本発明の記載された実施形態に従って、プリント回路基板に似た構造に使用される材料、とりわけ誘電体材料は、構造を容易にしやすくするためだけではなく、所望の電気的特性、例えば、ストリップライン供給部インピーダンス、アンテナインピーダンスを提供するために、有利に選択されるとともに大きさを決められる。図４を参照すると、完成したアンテナ構造は好ましくは、３枚の別々に形成されたサンドイッチ：供給層（１）−（３）によって形成された下部のサンドイッチ；供給層（４）−（６）によって形成された中央のサンドイッチ；層（１）とその上のすべての層によって形成される上部のサンドイッチを組み合わせることにより形成される。導電層は好ましくは１／２オンスの銅を使用して形成される。下部と中央のサンドイッチを導電的に固定するために、供給層（３）と（４）は複数の場所でともに結合され、中央のサンドイッチと上部のサンドイッチを導電的に組み合わせるために、供給層（６）と層（１）は複数の場所でともに結合される。以下の表１は、利用される様々な誘電性および導電性の結合材料を指定している。

表１において、Ｌ＝層；ＦＬ＝供給層；Ｂ＝結合である。ＦＬｘ−ＦＬｙへの言及は、供給層ｘと供給層ｙとの間の誘電材料を指し、Ｌｘ−Ｌｙへの言及は、層ｘと層ｙとの間の誘電材料を指す。「＋」の表示は、対応する層の上に配置された材料を指す。表１の最後の３行は、指示された供給層または層を隣接する層に結合させるために使用される典型的な非導電性の結合材料を指し、例えば、ＢＦＬ２＋は、供給層（２）より下および上の供給層の上の層を供給層（２）と一緒に結合する結合材料を指す。「Ｂ ＦＬ３−ＦＬ４」は、導電性の供給層（３）を導電性の供給層（４）と結合する結合材料を指す。

好ましくは、典型的なアンテナアレイは、サブアセンブリ（例えば、下部、中央、および上部のサンドイッチ構造の部分構造合成法（ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｂｌｏｃｋ ａｐｐｒｏａｃｈ）を使用して組み立てられる。層のいずれも誘電体層として気体または空気を利用しないことに注目する。表１の最後の３つの行に列挙された結合剤は、様々なそれぞれの融解温度を有することに留意されたい。下部と中央のサンドイッチは各々、最も高い融解温度（５００°Ｆ）を有する結合材料が作られる。上部のサンドイッチ自体は、同様に最高温度の結合剤を使用して、結合層（２）、（３）、および（４）を一緒に含むさらなるサブアセンブリとして形成される。その後、４００°Ｆの融解温度を備える結合剤は、下部と中央のサンドイッチをまとめて結合するために使用され、層（２）、（３）、および（４）のサブアセンブリを層（２）より下の誘電材料に結合するために同様に使用される。最後に、２７５°Ｆの最低融解温度を備えた結合剤は、中央のサンドイッチ（供給層（６））の上部を上部サンドイッチ（層（１））の下部に結合するために、および、層（４）を、その上に配された誘電材料に結合するために使用される。サブアセンブリをまとめて固定するために融解温度の低い結合剤を連続的に使用することは、前もって形成されたサブアセンブリに使用される結合材料が溶解する、例えば、分離（非結合）するかまたは位置を変えることを防ぐという点で有利である。

図４に示されるような代表的なバイアは最小で２つの異なる方法で構築されてもよい。最初に、バイアは、完全なアンテナアレイを組み立てる前に、下部、中央、および上部のサンドイッチ構造の各々の上に構築可能である。バイアのいくつかがサンドイッチ構造の一部またはすべてを横断し、それによって、バイアによりもたらされるよう意図された導通の継続性が最終的な組み立てられたアンテナアレイで確実に維持されるようにするために、念入りなバイアの位置合わせと組立公差が要求されることから、この手法は精密さを要求する。代替的に、バイアは、導電材料で後に内部をめっきされる適切な対応する穴部を形成することにより、アンテナアレイの最終的な組立の後に形成されてもよい。

図５は、層（４）の典型的な平面図とアンテナアレイの一部を以下に示すいくつかの特徴を示している。水平偏波を備えるボウタイアンテナに関連する構造体を最初に議論する。層（３）上のストリップラインを上部または下部のボウタイアンテナ素子に接続するバイア（Ｖ１２）の上部−下部は、素子（５０５）として示される。層（３）上の層（４）の下にあるバイア（Ｖ６）は、素子（５１０）として識別される。層（２）上のＶ６のまわりの開口部は、（Ｖ６）により結合したＲＦ信号が、（Ｖ６）の位置で層（２）上の金属部分と直接的に接続されるのを防ぐ。同様に、様々な金属化層は、ＲＦ信号が被験体層を通過することだけを目的としたものである場合に、ＲＦ信号を伝達するバイアのまわりに開口部を有する。層（２）上で層（４）の下に位置するとともに（Ｖ６）を囲んでいるバイア（５１５）の半円のセットは、所望の供給ラインインピーダンスを維持しやすくする、（Ｖ６）の周りの同軸ケーブルの接地シールドの区分的線形近似を提供する。バイア（例えば５２０）の残りは層（４）に垂直なバイアを表し、これは層（４）上の上部ボウタイアンテナ上の場所を、層（２）上の下部ボウタイアンテナの対応する場所に接続する。こうしたバイアは、同じ相対的位置で上部と下部のボウタイアンテナ間で同じＲＦ電圧を維持する役割を果たす。これは、他の方法で生じるかもしれない望ましくない共振を阻止する役割を果たす。

垂直偏波を有する例証されたボウタイアンテナに関連する構造体は、水平偏波を有するボウタイアンテナに関して上に議論された構造体と実質的に似ている。垂直偏波を備えた典型的なボウタイアンテナに関連する素子（５０６）、（５１１）、（５１６）、および（５２１）は、水平偏波ボウタイアンテナに関連して先に議論された素子（５０５）、（５１０）、（５１５）、および（５２０）にそれぞれ相当し、類似の機能を行う。

図６は、層（２）と（３）と関連して示された供給層（５）の代表的な平面図である。供給層（５）上で見られるようなバイア（Ｖ６）の下部は、素子（６０５）として示される。参考のために、層（３）上の水平偏波供給部（バイアによって上部と下部のボウタイ素子に接続される）は、素子（６１０）によって示されている。接地バイア（６１５）の半円のセットは、同軸ケーブル上のシールドに似て、（６０５）のまわりの区分的線形ＲＦシールドとして機能する。供給層（１）から供給層（５）までＲＦフィードを提供するバイア（Ｖ２）の上部は素子（６２０）として見られる。供給層（５）上の金属部分（６２５）のストリップはストリップラインとして機能し、バイア（Ｖ２）の上部（６２０）からのＲＦ信号を、バイア（Ｖ６）の下部（６０５）に連結する。複数のパッド（６３０）は、供給層（４）と供給層（６）との間の接地経路を提供する、バイア（Ｖ５）によって表される複数の接地バイアの通路用の開口部を提供する。

図７は、層（２）と（３）に関連して示された供給層（２）の典型的な平面図である。供給層（２）上で見られるようなバイア（Ｖ８）の下部は、素子（７０５）として示される。参考のために、層（３）上の水平偏波供給部（４４０）（バイアによって上部と下部のボウタイ素子に接続される）は、素子（７１０）によって示されている。接地バイア（７１５）の半円のセットは、（７０５）のまわりの区分的線形ＲＦシールドとして機能する。供給層（１）から供給層（２）までＲＦフィードを提供するバイア（Ｖ４）の上部は素子（７２０）として見られる。供給層（２）上の金属部分（７２５）のストリップはストリップラインとして機能し、バイア（Ｖ４）の上部（７２０）からのＲＦ信号を、バイア（Ｖ８）の下部（７０５）に連結する。複数のパッド（７３０）は、供給層（１）と供給層（３）との間の接地経路を提供する、複数の接地バイアの通路用の開口部を提供する。バイア（Ｖ８）に関して、このバイアにより運ばれるＲＦ信号が中間層のいずれとも接続されないように、供給層（２）と層（３）との間の層はすべて（Ｖ８）のための対応する開口部を提供することに着目する。

供給層（１）は一般に、水平偏波および／または垂直偏波ボウタイアンテナとのＲＦ信号接続を支援する接点（４０５）と（４１０）のまわりに開口部を備えたグランド層である。その接点はバイア（Ｖ２）と（Ｖ４）を支持してそれぞれの信号に接続される。

図８は本発明の実施形態に係る、様々な程度の走査のための反射減衰量を表すグラフである。Ｘ軸は、典型的なアンテナアレイ用の代表的な帯域幅に関連するギガヘルツでの周波数を示す。Ｙ軸は指示されるような様々な程度の走査角度のためのデシベルでの反射減衰量を示す。走査とはアンテナ配向に垂直な平面に関してアンテナアレイにより見られるような軸外の角度を指し、例えば、ゼロ度の走査は事象の垂直な方向を指し、９０度の走査は、アンテナアレイ面と平行な事象の方向を指す。この典型的なアンテナアレイでは、こうした特性に関連する各放射素子は、対向する反対する頂点から測定されると０．１０６インチの寸法を有し、例えば、正方形の放射素子（１１０）は、図１で見られるように上部の頂点からその下部の頂点まで０．１０６インチである。放射素子（１００）の中心と素子（１０５）の上の放射素子（１４５）の中心との間の距離は、０．１５インチである。好ましくは、放射素子は１／２波長になるように、または最大動作周波数よりもわずかに小さくなるように大きさを決められ、例えば、効果的なアンテナ（１２５）の長さは最大動作周波数の１／２の波長である。ストリップライン供給層（３）と結合するとき、ストリップライン供給部とスロットギャップがガイドされたストリップラインモードからスロット放射モードまで最大限のＲＦエネルギー移行をもたらすように、ボウタイ素子の隣接する頂点間のギャップの大きさは０．００８インチになるように選択される。

図９ａと図９ｂは、異なる周波数で、とりわけ、１７、３３、および４３ＧＨｚに対応するｍ１、ｍ２、およびｍ３で、それぞれアンテナ指向性とアンテナ実現利得を表す放射パターンの２つのグラフのセットである。

ボウタイ放射素子の典型的なアンテナアレイは大きなフェーズドアレーアンテナに適している。従来のボウタイ素子の供給に通常必要とされる複雑なバランの使用が回避される。以下に下に明記される特性は、アルゴリズムをモデル化することで計算される。アンテナアレイに垂直な平面に対して＋／−７０°の広範な走査能力が提供される。帯域幅能力は、全走査角度にわたって３：１の帯域幅比を超える。典型的なアンテナアレイはコンパクトな構成を有しており、プリント回路基板型の構造により製造コストが低い。放射素子は、広い適用範囲領域でビーム走査を提供するために、広角インピーダンス整合シートとグランドプレーンとの間でサンドイッチされた、積層型の末端間接続されたボウタイ放射素子を使用する。各ボウタイ素子にはそれぞれスロットが供給され、これは上部と下部のボウタイアンテナ間でサンドイッチされたストリップラインを使用して励振される。ストリップライン供給部は、グランドプレーンからの区分的線形の同軸供給ラインに接続される。この種の供給配置は、ボウタイ素子の供給に通常必要とされる複雑なバラン構造体を回避し、低挿入損失という長所を有する。上部と下部の積層型ボウタイアンテナは、単一のボウタイアンテナとは対照的に、グランドプレーンによって形成された空胴内の非対称的なモード生成を最小限に抑えるために、供給地点の対称性を維持する。

典型的なアンテナアレイは望ましくないローブを生成することなく、７０°以上走査することができる。アンテナアレイは、走査領域にわたって、および９０％以上の開口効率で帯域幅の１オクターブを越えて６デシベルよりも良い反射減衰量を備える。

本発明の典型的な実施が本明細書で詳細に描かれ記載されてきたが、本発明の精神を逸脱することなく様々な変更、追加、置換などを行うことができることは当業者には明白である。例えば、各放射素子は例証的な正方形形状以外の形を取ることができ、例えば、放射素子は円形であり得るか、または４つを超える側面を有し得る。それぞれの行および／または列の放射素子の数は、増えることもあれば減ることもある。異なる特性または異なる厚さの誘電材料を用いて、様々なインピーダンス特性を達成してもよい。当業者には理解されるように、同じまたは類似するインピーダンス特性は、対応する誘電体層の対応する異なる厚さを利用することにより様々な特性を備えた誘電材料を利用することで得ることが可能である。供給層構造体を定義する下部と中央のサンドイッチはアンテナ放熱構造を定義する上部のサンドイッチに信号をつなげる適切な方法を提供するが、上部のサンドイッチに関連する放射特性に有害な影響を与えることなく、供給構造体を変えることが可能であることは明らかであろう。

本発明の範囲は以下の請求項で定義される。

Claims (18)

1. 複数のアンテナセルを有するアンテナアレイであって、
   各アンテナセルが、
   第１の面の導電材料の第１の自己補対アンテナと、
   第１の面と平行な第２の面の導電材料の第２の自己補対アンテナであって、第１の自己補対アンテナと実質的に同じ寸法を有する、第２の自己補対アンテナと、
   第１の自己補対アンテナと第２の自己補対アンテナとの間のサンドイッチ構造の中央を形成する第１の誘電体層と、
   第１の自己補対アンテナと第２の自己補対アンテナに／から無線周波数（ＲＦ）信号を運ぶ第１のストリップラインを形成する、第１の自己補対アンテナと第２の自己補対アンテナと一緒に第１の誘電体層の中央に配置された導電性ストリップと、
   第１のストリップラインと、第１の自己補対アンテナおよび第２の自己補対アンテナの各々との間でＲＦ信号を連結し、第１の自己補対アンテナと第２の自己補対アンテナにＲＦ信号の対称的な結合を提供するスロット供給部と、
   第１の面と第２の面に平行な第３の面の導電層と、
   導電層と第２のダイポールアンテナを含む第２の面との間でサンドイッチ構造の中央を形成する第２の誘電体層であって、導電層が第１の自己補対アンテナと第２の自己補対アンテナから／に放射された信号のための第１のグランドプレーンとして機能する、第２の誘電体層とを含むアンテナアレイ。
2. 複数のアンテナセルの間隔を置いて配された行と列をさらに含み、
   行のアンテナセルが列のアンテナセルのＲＦ偏波パターンに直交するＲＦ偏波パターンを生成するように配向され、第１の自己補対アンテナと第２の自己補対アンテナがボウタイアンテナである、請求項１に記載のアンテナアレイ。
3. 第１の行の１つのアンテナセルの第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナの各々の１つの端部は、１つのセルの第１の行の隣接する１つの端部の第１のアンテナセルの第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナのそれぞれの端部に隣接し、かつ導通され、１つのアンテナセルの第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナの各々のもう一方の端部は、１つのアンテナセルのもう一方の端部に隣接する第１の行の第２のセルの第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナのそれぞれの端部に隣接し、かつ導通され、１つのアンテナセルの第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナ、第１のアンテナセル、および第２のアンテナセルは共通の放射線軸を共有する、請求項２に記載のアンテナアレイ。
4. 列のアンテナセルの第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナが列の隣接するアンテナセルの第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナの対応する端部へ接続されるそれぞれの端部を有するように、列のアンテナセルは行のアンテナセルと類似する接続構造を有する、請求項３に記載のアンテナアレイ。
5. 第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナがそれぞれの面に垂直に位置合わせされる、請求項２に記載のアンテナアレイ。
6. 外部の行または列のアンテナセルを除いて、第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナは各々実質的に正方形に作られ、導電性の隣接する放射素子は各々、対向する垂直および水平な頂点を有し、中央線は垂直および水平な頂点間でそれぞれ定義され、垂直な頂点間の中央線は行の第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナの接続された端部を定義し、水平な頂点間の中央線は列の第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナの接続された端部を定義する、請求項４に記載のアンテナアレイ。
7. 第３の面の第１のグランドプレーンと、第３の面に平行な第４の面の第２のグランドプレーンとの間に配置された第２のストリップラインと、
   第３の面の第２のグランドプレーンと、第４の面に平行な第５の面の第３のグランドプレーンとの間に配置された第３のストリップラインと、
   行と列のうちの一方でアンテナセルを供給する第１のストリップラインに、第２のストリップラインと第３のストリップラインの１つを接続する第１のバイアと、
   行と列のうちのもう一方でアンテナセルを供給する第１のストリップラインに、第２のストリップラインと第３のストリップラインのもう一方を接続する第２のバイアとを含み、
   水平および垂直なアンテナセル偏波のうちの１つに関連付けられるＲＦ信号が第２のストリップラインと第３のストリップラインの１つによって運ばれ、１つの偏波に垂直な水平および垂直なアンテナセル偏波のもう一方に関連付けられるＲＦ信号が第２のストリップラインと第３のストリップラインのもう一方によって運ばれる、請求項２に記載のアンテナアレイ。
8. 第２の面に対向する第１の面に沿って配置された第３の誘電体層をさらに含み、第３の誘電体層は、第１のボウタイアンテナと第２のボウタイアンテナへの／からのＲＦ放射を、外部雰囲気と連結する、請求項２のアンテナアレイ。
9. 導電材料と誘電体層はすべてスタックのようにプリント回路基板中に形成され、いかなる誘電体層も誘電材料として気体を利用しない、請求項２に記載のアンテナアレイ。
10. 行と列のアンテナセルは、第１の面の２つの垂直偏波アンテナと第１の面の２つの水平偏波素子を含む正方形形状によって定義された２×２の平面ユニットに配される、請求項２に記載のアンテナアレイ。
11. アンテナアレイであって、
    行と列の第１の面に配置された第１の自己補対アンテナセルと、
    行と列の第１の面に平行な第２の面に配置された追加の自己補対アンテナセルであって、第１の自己補対アンテナセルに垂直に並べられ、かつ第１の自己補対アンテナセルの複製である、追加の自己補対アンテナセルと、
    第１のダイポールアンテナセルと第２のダイポールアンテナセルへ／から無線周波数（ＲＦ）信号を運ぶ、第１の面と第２の面の間に配置された第１のストリップラインと、
    第１のストリップラインと、第１の自己補対アンテナおよび第２の自己補対アンテナセルの各々との間でＲＦ信号を連結し、第１の自己補対アンテナセルと第２の自己補対アンテナセルのためにＲＦ信号の対称的な結合を提供するスロット供給部と、
    第１の自己補対アンテナセルと第２の自己補対アンテナセルから／へ放射された信号向けの第１のグランドプレーンとして機能する、第１の面と第２の面に平行な第３の面の導電層とを含む、アンテナアレイ。
12. ボウタイアンテナである第１の自己補対アンテナセルと追加の自己補対アンテナセル、
    第１のボウタイアンテナセルと第２のボウタイアンテナセル間のサンドイッチ構造の中央を形成する第１の誘電体層であって、第１のストリップラインが第１の誘電体層に配置されている、第１の誘電体層、
    導電層と、第２のボウタイアンテナセルを含む第２の面との間のサンドイッチ構造の中央を形成する第２の誘電体層、をさらに含む、請求項１１に記載のアンテナアレイ。
13. 第１のボウタイアンテナセルと第２のボウタイアンテナセルはボウタイアンテナであり、放射軸は、ボウタイアンテナが配置されるそれぞれの行と列に対して平行であり、行または列の端部にはない各ボウタイアンテナの各端部は、同じそれぞれの行と列の隣接するボウタイアンテナのそれぞれの端部に導通される、請求項１１に記載のアンテナアレイ。
14. すべての誘電体層、すべてのボウタイアンテナセル、第１のストリップライン、スロット供給部、およびグランドプレーンは、スタックのようにプリント回路基板に形成され、いかなる誘電体層も誘電材料として気体を利用しない、請求項１２に記載のアンテナアレイ。
15. 行と列のボウタイアンテナセルは、行の２つのダイポールアンテナセルと、列の２つのボウタイアンテナセルを含む正方形形状によって定義される２×２の平面ユニットに配置される、請求項１１に記載のアンテナアレイ。
16. 各ボウタイアンテナセルはボウタイアンテナを含み、実質的に正方形の導体素子は４つの頂点を有し、行の方向に並べられた２つの対向する頂点は行の２つの隣接するボウタイアンテナのためにＲＦ供給地点を提供し、列の方向に並べられた他の対向する２つの頂点は列の２つの隣接するボウタイアンテナのためにＲＦ供給地点を提供し、その結果、単一の導体素子が４つのボウタイアンテナの２分の１を形成する、請求項１５に記載のアンテナアレイ。
17. 複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイであって、各アンテナ素子が、
    第１の面の導電材料の第１の自己補対アンテナと、
    第１の面と平行な第２の面の導電材料の第２の自己補対アンテナであって、第１の自己補対アンテナと実質的に同じ寸法を有する、第２の自己補対アンテナと、
    第１の自己補対アンテナと第２の自己補対アンテナとの間のサンドイッチ構造の中央を形成する第１の誘電体層と、
    第１の自己補対アンテナと第２の自己補対アンテナに／からＲＦ信号を運ぶ、第１の誘電体層に配置された導電性信号供給部と、
    第１の面と第２の面に平行な第３の面の導電層と、
    導電層と、第２の自己補対アンテナを含む第２の面との間でサンドイッチ構造の中央を形成する第２の誘電体層であって、導電層が第１の自己補対アンテナと第２の自己補対アンテナから／に放射された信号のための第１のグランドプレーンとして機能する、第２の誘電体層と、を含むアンテナアレイ。
18. 複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイであって、各アンテナ素子が、
    第１の面の導電材料の第１のアンテナと、
    第１の面と平行な第２の面の導電材料の第２のアンテナであって、第１のアンテナと実質的に同じ寸法を有する、第２のアンテナと、
    第１のアンテナと第２のアンテナとの間のサンドイッチ構造の中央を形成する第１の誘電体層と、
    バランを使用することなく第１のアンテナと第２のアンテナに／からＲＦ信号を運ぶ信号供給構造と、
    第１の面と第２の面に平行な第３の面の導電層と、
    導電層と第２の面との間でサンドイッチ構造の中央を形成する第２の誘電体層であって、導電層が第１のアンテナと第２のアンテナから／に放射された信号のための第１のグランドプレーンとして機能し、アンテナアレイが中心周波数に対する帯域幅の少なくとも１オクターブを提供する、第２の誘電体層と、を含むアンテナアレイ。