JP7244517B2 - 第１および第２の誘電体部分を有する誘電体共振器アンテナ - Google Patents

第１および第２の誘電体部分を有する誘電体共振器アンテナ Download PDF

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Description

本開示は、概して電磁デバイスに関し、特に誘電体共振器アンテナ（dielectric resonator antenna : DRA）システムに関し、より具体的には、ＤＲＡシステム内の複数の誘電体構造に関連する利得、リターンロス、およびアイソレーションを向上させる第１および第２の誘電体部分を有するＤＲＡシステムに関する。
既存のＤＲＡ共振器およびアレイは、それらの意図された目的に適しているかもしれないが、ＤＲＡの技術は、例えば、帯域幅の制限、効率の制限、利得の制限、方向性の制限、または複雑な製造技術などの既存の欠点を克服することができる遠方場（far field）における高方向性を有する高利得ＤＲＡシステムを構築する改良されたＤＲＡ構造を用いて進歩させることができるであろう。
この背景情報は、本発明に関連する可能性があると出願人が信じる情報を明らかにするために提供される。前述の情報のいずれかが本発明に対する先行技術を構成することは必ずしも意図されておらず、また解釈されるべきでもない。
一実施形態は、近位端、遠位端、及び直交ｘ，ｙ，ｚ座標系の有効ｚ軸（effective z-axis）と平行に配向された近位端から遠位端まで突出する方向を有する３次元（three-dimensional : ３Ｄ）形状を有する第１の誘電体部分（first dielectric portion : ＦＤＰ）と、近位端及び遠位端を有する第２の誘電体部分（second dielectric portion : ＳＤＰ）と、を有する誘電体構造を有する電磁デバイスを含む。ＦＤＰは、空気以外の誘電体材料を含む。ＳＤＰの近位端は、ＦＤＰの遠位端に近接して配置されて誘電体構造を形成する。ＳＤＰは、空気以外の誘電体材料を含む。ＳＤＰは、ＳＤＰの近位端に近接する第１のｘ－ｙ平面断面領域と、ＳＤＰの近位端と遠位端との間の第２のｘ－ｙ平面断面領域と、を有する３Ｄ形状を有し、第２のｘ－ｙ平面断面領域は、第１のｘ－ｙ平面断面領域よりも大きい。
別の実施形態は、第１の誘電体部分（ＦＤＰ）および近接場の第２の誘電体部分（ＳＤＰ）を有する誘電体構造であって、規定の遠方場放射パターンを放射するように構成された誘電体構造を有するアンテナシステムを含む。ＦＤＰは、空気以外の誘電体材料を含む。ＳＤＰは、空気以外の誘電体材料を含む。ＳＤＰは、ＦＤＰを有するがＳＤＰが存在しない誘電体構造とは別のものと比較して、遠方場放射パターンを変更するように構成される。
別の実施形態は、アンテナの製造方法を含み、該製造方法は、対応する１つの第１の誘電体部分（ＦＤＰ）を有する少なくとも１つの誘電体構造を提供することであって、該ＦＤＰは、近位端及び遠位端を有する、少なくとも１つの誘電体構造を提供すること、各個々の１つＦＤＰに対する信号フィード構造を対応するＦＤＰの近位端に近接して提供すること、各対応する１つのＦＤＰの遠位端に近接して近接場の第２誘電体構造（ＳＤＰ）を配置すること、を備える。
本発明の上記の特徴および利点ならびに他の特徴および利点は、添付した図面に関連して解釈されるとき、本発明の以下の詳細な説明から容易に明らかになる。
添付図面において同様の要素には同様の番号が付けられている例示的かつ非限定的な図面を参照する。
一実施形態による、単位セルを形成する誘電体構造、第１の誘電体部分および第２の誘電体部分を有する様々な電磁（ＥＭ）デバイスの側面ｘ－ｚ平面中央断面図を示す。 一実施形態による、ｚ軸に対して対称および非対称の第２の誘電体部分を有する誘電体構造の例示的な構成の側面ｘ－ｚ平面中央断面図を示す。 一実施形態による、誘電体構造を有する複数のＥＭデバイスのアレイの様々な形成の概略図を示す。 それぞれ、一実施形態による、円錐形および球形の第２誘電体部分を有する単位セルの２×２アレイの回転された等角図を示す。 一実施形態による、図１Ａのものと同様であるが、誘電体構造のアレイを形成する誘電体構造の隣接するものの間の非ガス誘電体材料を含む空間を備えるＥＭデバイスを示す。 一実施形態による、図１Ｄ，４Ｂのものと同様であるが、対角励起を生成するように構成された信号フィード構造を備えるＥＭデバイスの２×２アレイを示す。 一実施形態による、本明細書において開示される様々な実施形態の性能特性を示す。 一実施形態による、本明細書において開示される様々な実施形態の性能特性を示す。 一実施形態による、本明細書において開示される様々な実施形態の性能特性を示す。 一実施形態による、本明細書において開示される様々な実施形態の性能特性を示す。 一実施形態による、本明細書において開示される様々な実施形態の性能特性を示す。 一実施形態による、本明細書において開示される様々な実施形態の性能特性を示す。 一実施形態による、本明細書において開示される様々な実施形態の性能特性を示す。 一実施形態による、本明細書において開示される様々な実施形態の性能特性を示す。 一実施形態による、本明細書において開示される様々な実施形態の性能特性を示す。 一実施形態による、関連する第１の誘電体部分に完全に埋め込まれた第２の誘電体部分のいくつかの例示的な実施形態を示す。
以下の詳細な説明には、例示の目的で多くの詳細が含まれるが、当業者であれば、以下の詳細に対する多くの変形および変更が特許請求の範囲の範囲内であることを理解するであろう。したがって、以下の例示的な実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明に対する一般性を損なうことなく、また制限を課すことなく記載されている。
様々な図面および付随する文章によって示され、説明されるように、一実施形態は、少なくとも第１の誘電体部分が電磁的に励起されて遠方場の電磁界（electromagnetic field）を放射（例えば、電磁的に共鳴し、放射）する場合に、利得の向上、帯域幅の向上、リターンロスの向上、および／またはアイソレーションの向上を提供するように、第１の誘電体部分および第１の誘電体部分に対して戦略的に配置された第２の誘電体部分を有する誘電体構造の形態の電磁デバイスを提供する。一実施形態では、第１の誘電部分のみが電磁的に励起されて、遠方場の電磁界を放射する。別の実施形態では、第１の誘電体部分と第２の誘電体部分の両方が電磁的に励起されて、遠方場の電磁界を放射する。第１の誘電体部分のみが電磁的に励起されて遠方場の電磁界を放射する一実施形態では、第１の誘電体部分を電磁誘電体共振器（electromagnetic dielectric resonator）とみなすことができ、第２の誘電体部分を誘電体電磁ビーム整形器（dielectric electromagnetic beam shaper）とみなすことができる。第１の誘電体部分と第２の誘電体部分の両方が電磁的に励起されて遠方場の電磁界を放射する一実施形態では、第１の誘電体部分と第２の誘電体部分の組み合わせを電磁誘電体共振器とみなすことができ、また第２の誘電体部分を誘電体電磁ビーム整形器とみなすことができる。一実施形態では、誘電体構造は、（例えば、埋め込まれた金属または金属粒子が存在しない）全誘電体構造である。
第１の誘電体部分のみが電磁的に励起されて遠方場の電磁界を放射する一実施形態では、第１の誘電体部分の高さは、近接場における共振モード電磁エネルギーの５０％以上が、誘電体構造に関連する選択された動作自由空間波長について第１の誘電体部分内に存在するように選択される。第１の誘電体部分と第２の誘電体部分の両方が電磁的に励起されて遠方場の電磁界を放射する一実施形態では、第１の誘電体部分の高さは、前述した近接場における共振モード電磁エネルギーの５０％以上の一部分が、誘電体構造に関連する選択された動作自由空間波長について第２の誘電体部分内にも存在するように選択される。
図１Ａは、第１の誘電体部分２０２および第２の誘電体部分２５２から構成される誘電体構造２００を有する電磁（electromagnetic : EM）デバイス１００を示す。第１の誘電体部分２０２は、近位端２０４及び遠位端２０６と、直交ｘ，ｙ，ｚ座標系のｚ軸と平行に配向された近位端２０４から遠位端２０６へ突出する方向を有する三次元（three-dimensional : 3 D）形状２０８と、を有する。本明細書において開示される目的のために、直交ｘ，ｙ，ｚ座標系のｚ軸は、関連する第１の誘電体部分２０２の中心垂直軸と位置合わせされてそれと一致し、ｘ－ｚ，ｙ－ｚ，ｘ－ｙ平面は、様々な図面において示されるように配向され、ｚ軸は、ＥＭデバイス１００の基板に直交している。とはいえ、ｚ’軸がＥＭデバイス１００の基板に直交しない回転変換された直交（rotationally translated orthogonal）ｘ’，ｙ’，ｚ’座標系が使用されてもよいことが理解されよう。本明細書において開示される目的に適したそのような直交座標系はいずれも企画され、本明細書において開示される本発明の範囲内にあるとみなされる。第１の誘電体部分２０２は、空気以外の誘電体材料を含むが、一実施形態では、第１の誘電体部分２０２が中空である場合、空気、真空、または本明細書において開示される目的に適した他のガスの内部領域を含み得る。一実施形態では、第１の誘電体部分２０２は、複数の誘電体シェル（dielectric shell）の層状構成を含み、各連続的な外側に配置された層は、隣接する内側に配置された層に実質的に埋め込まれ、直接接触している。第２の誘電体部分２５２は、近位端２５４および遠位端２５６を有し、第２の誘電体部分２５２の近位端２５４は、第１の誘電体部分２０２の遠位端２０６に近接して配置されて誘電体構造２００を形成する。第２の誘電体部分２５２は、空気以外の誘電体材料を含む。第２の誘電体部分２５２は、第２の誘電体部分２５２の近位端２５４に近接する第１のｘ－ｙ平面断面領域２５８と、第２の誘電体部分２５２の近位端２５４と遠位端２５６との間の第２のｘ－ｙ平面断面領域２６０とを有する３Ｄ形状を有し、第２のｘ－ｙ平面断面領域２６０は、第１のｘ－ｙ平面断面領域２５８よりも大きい。一実施形態では、第１のｘ－ｙ平面断面領域２５８および第２のｘ－ｙ平面断面領域２６０は円形であるが、いくつかの他の実施形態では、楕円形、または本明細書において開示される目的に適した任意の他の形状であってもよい。図１Ａに示すように、第２の誘電体部分２５２は、円錐形であるｘ－ｚ平面における断面形状を有する。図１ＡのＥＭデバイス１００、および図１Ｂ～１Ｆを参照して後述する他のＥＭデバイスにて分かるように、２つの材料の移行領域における第１の誘電体部分２０２および第２の誘電体部分２５２の形状は、誘電体構造２００内に、第１の誘電体部分２０２または第２の誘電体部分２５２のいずれかの誘電体材料がない首部（neck）２１６を形成する。この首部２１６は、遠方場放射パターンの指向性（directivity）を所望の方法で増大させるのに役立つと考えられる。
一実施形態では、第２の誘電体部分２５２は、第１の誘電体部分２０２との間に空隙がない状態で直接的に密着して配置され、第１の誘電体部分２０２の遠位端２０６において第１の誘電体部分２０２内に少なくとも部分的に埋め込まれてもよい。
別の実施形態では、第２の誘電体部分２５２の近位端は、第１の誘電体部分２０２の遠位端から、誘電体構造２００の放射される（中心周波数の）放射の自由空間波長（free space wavelength）の５倍未満、４倍未満、３倍未満、２倍未満、１倍未満、または０．５倍未満の距離だけ離れて配置される。
図１Ｂ～図１Ｆと組み合わせた図１Ａの前述の説明を参照すると、同様の要素には同様の符号が付されており、第２の誘電体部分２５２は、本明細書に開示される目的に適した任意の断面形状を有し得ることが理解されるであろう。例えば、図１Ｂでは、第２の誘電体部分２５２は、放物線状（parabolic）であるｘ－ｚ平面における断面形状を有し、放物線状の第２の誘電体部分２５２の頂点は、第２の誘電体部分２５２の近位端２５４にあり、図１Ｃでは、第２の誘電体部分２５２は、ホーン形状（horn-shaped）であるｘ－ｚ平面における断面形状を有し、図１Ｄでは、第２の誘電体部分２５２は、円形であるｘ－ｚ平面における断面形状を有し、図１Ｅでは、第２の誘電部分２５２は、楕円状（ovaloid）であるｘ－ｚ平面における断面形状を有し、図１Ｆでは、第２の誘電体部分２５２は、第１の誘電体部分２０２のｘ－ｚ平面断面形状を反映するｘ－ｚ平面における断面形状を有する。
一実施形態では、図１～１Ｆに示されるような第２の誘電体部分２５２のいずれも、ｘ－ｚ平面におけるその断面形状と同じであるｙ－ｚ平面における断面形状を有し得る。しかしながら、ｘ－ｚ平面における楕円状の第２の誘電体部分２５２の場合（図１Ｅ参照）、第２の誘電体部分２５２は、ｙ－ｚ平面における円形の断面形状を有し得る。
図１Ａ～１Ｃ，１Ｆ、特に図１Ｃを参照すると、一実施形態は、平坦な遠位端２５６を有する第２の誘電体部分２５２を含む。しかしながら、破線を用いて図１Ｃに示されるように、一実施形態はまた、凸状の遠位端２５２ａまたは凹状の遠位端２５６ｂを有し得る第２の誘電体部分２５６を含む。
図１Ａ～１Ｆはｚ軸に対して対称である第２の誘電体部分２５２を示すが、これらは非限定的な例示であり、本発明の範囲はそのように限定されないことが理解されるであろう。例えば、図２Ａは、第２の誘電体部分２５２がｚ軸に関して対称である図１Ａのものと同様な個別の構成を有する誘電体構造２００の２×２アレイの例示的な構成（前の２つの誘電体構造のみを見ることができ、後ろの２つの誘電体構造は、前の２つの誘電体構造のすぐ後ろに配置される）を示す。図２Ｂ，２Ｃは、図２Ａのものと同様な構成を示すが、代替的な第２の誘電体部分２５２は、デバイスに関連する放射された放射の反射面に対して、ｘ－ｚ面において非対称断面形状を有し、誘電体構造からの電磁放射の指向性をさらに制御するのに役立つ。図２Ｃは、任意の程度の非対称性が本明細書に開示された目的のために使用され得ることを例示するために、図２Ｂよりもさらに非対称性を示す。
また図２Ａ～２Ｃは、（例えば、アレイ内の）複数の誘電体構造２００の第２の誘電体部分２５２が、（以下でさらに説明される）接続構造２６２によって接続される実施形態を示す。
一実施形態では、第２の誘電体部分２５２の誘電体材料は、第１の誘電体部分２０２の誘電体材料の平均誘電率よりも小さい平均誘電率を有する。別の実施形態では、第２の誘電体部分２５２の誘電体材料は、第１の誘電体部分２０２の誘電体材料の平均誘電率よりも大きい平均誘電率を有する。別の実施形態では、第２の誘電体部分２５２の誘電体材料は、第１の誘電体部分２０２の誘電体材料の平均誘電率と等しい平均誘電率を有する。一実施形態では、第１の誘電体部分２０２の誘電体材料は、３よりも大きい平均誘電率を有し、第２の誘電体部分２５２の誘電体材料は、３以下の平均誘電率を有する。一実施形態では、第１の誘電体部分２０２の誘電体材料は、５よりも大きい平均誘電率を有し、第２の誘電体部分２５２の誘電体材料は、５以下の平均誘電率を有する。一実施形態では、第１の誘電体部分２０２の誘電体材料は、１０よりも大きい平均誘電率を有し、第２の誘電体部分２５２の誘電体材料は、１０以下の平均誘電率を有する。一実施形態では、第２の誘電体部分２５２の誘電体材料は、空気の誘電率よりも大きい平均誘電率を有する。
次に図１Ａに戻って参照すると、ＥＭデバイス１００の一実施形態は、例えば、接地構造等の導電性構造３０２と、導電性構造３０２と一体的に形成されおよび／または導電性構造３０２と電気的に連絡している少なくとも１つの導電性電磁反射器３０４と、を有する電磁反射構造３００をさらに含む。本明細書で使用されるように、「一体的に形成される」という句は、例えば、プラスチック成形プロセス、３Ｄ印刷プロセス、蒸着プロセス、または機械加工されたまたは鍛造された金属加工プロセスから製造された構造等の、構造物のある領域から別の領域への材料の不連続性がない構造の残りの部分と共通の材料で形成された構造を意味する。あるいは、一体的に形成されるとは、単一のワンピースの分割できない構造を意味する。少なくとも１つの導電性電磁反射器の各々は、導電性構造３０２の一部分を形成するか、または導電性構造３０２と電気的に連絡する導電性基部（electrically conductive base）３１０を有する凹部３０８を画定して少なくとも部分的にその周囲を囲む壁３０６を形成する。個々の１つの誘電体構造２００は、任意の１つの凹部３０８内に配置され、対応する導電性基部３１０上に配置される。ＥＭデバイスの一実施形態は、任意の誘電体構造２００を電磁的に励起させるための信号フィード（signal feed）３１２を含み、信号フィード３１２は、誘電体３１４を介して導電性構造３０２から分離され、一実施形態では、信号フィード３１２は、スロット開口（slotted aperture）を有するマイクロストリップである。しかしながら、任意の誘電体構造２００の励起は、例えば、銅線、同軸ケーブル、（例えば、スロット開口を有する）マイクロストリップ、（例えば、スロット開口を有する）ストリップライン、導波路、表面集積導波路、基板集積導波路、または導電性インクなど、本明細書に開示される目的に適した任意の信号フィードによって提供されてもよく、これらは、対応する誘電体構造２００に電磁的に結合される。当業者には理解されるように、電磁的に結合されるという句は、ある場所から別の場所への電磁エネルギーの意図的な伝達を指す用語であり、その場合、２つの場所の間の物理的接触を必ずしも必要とせず、実施形態に関して本明細書に開示されている用語は、より具体的には、関連する誘電体構造２００の電磁共振モードと一致する電磁共振周波数を有する信号源間の相互作用を指す。例えば図１Ａに示されるような誘電体構造２００と電磁反射構造３００との組み合わせのうちの１つのものは、本明細書では単位セル（unit cell）１０２と呼称される。
図２Ａ～２Ｃを参照して本明細書において上述したように、一実施形態は、複数の電磁反射構造３００のうちの対応するものと１対１の関係で配置された複数の誘電体構造２００のうちの１つを有する単位セル１０２のアレイを含み、誘電体構造２００を有する複数のＥＭデバイス１００のアレイを形成する。ここで図３Ａ～３Ｆを参照すると、ＥＭデバイスのアレイは、本明細書に開示される目的に適した任意の構成の任意の数のＥＭデバイスを有することができることが理解されよう。例えば、誘電体構造を有するＥＭデバイスのアレイは、２～１０万またはそれ以上の誘電体構造を有することができ、以下の配置のいずれかに従って、隣接する誘電体構造間に中心間間隔（center-to-center spacing）を置いて配置され得る：
ｘ－ｙグリッド型にて互いに等間隔に配置され、例えば、図３Ａを参照；
ダイヤモンド型にて互いに間隔を置いて配置され、例えば、図３Ｂを参照；
均一な周期的パターンにて斜めグリッド上で互いに間隔を置いて配置され、例えば、図３Ｃを参照；
均一な周期的パターンにて放射状グリッド上で互いに間隔を置いて配置され、例えば、図３Ｄを参照：
増加または減少する非周期的パターンにてｘ－ｙグリッド上で互いに間隔を置いて配置され、例えば、図３Ｅを参照；
増加または減少する非周期的パターンにて斜めグリッド上で互いに間隔を置いて配置され、例えば、図３Ｆを参照；
増加または減少する非周期的パターンにて放射状グリッド上で互いに間隔を置いて配置され、例えば、図３Ｇを参照；
均一な周期的パターンにて互いに間隔を置いて配置され、例えば、図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを参照；
増加または減少する非周期的パターンにて互いに間隔を置いて配置され、例えば、図３Ｅ、３Ｆ、３Ｇを参照；
均一な周期的パターンにて非ｘ－ｙグリッド上に互いに間隔を置いて配置され、例えば、図３Ｄを参照：
増加または減少する非周期的パターンにて非ｘ－ｙグリッド上で互いに間隔を置いて配置され、例えば、図３Ｇを参照。
次に図４Ａ，４Ｂを参照すると、図１Ａ，１Ｄにそれぞれ示されるような単位セル１０２の２×２のアレイを示すが、誘電体構造２００（図４Ａの２００および図４Ｂの２００）の各アレイの隣接する第２の誘電体部分２５２は、対応する結合された第２の誘電体部分２５２の全体寸法に対して比較的薄い誘電体接続構造２６２の対応するものを介して結合される。図４Ａに示されるように、ｘ－ｚ面における第２の誘電体構造２５２の最大全体断面寸法は、円錐形状の第２の誘電体構造２５２の遠位端２５６に位置され、一方、図４Ｂに示されるように、ｘ－ｚ面における第２の誘電体構造２５２の最大全体断面寸法は、球形の第２の誘電体構造２５２の近位端２５４と遠位端２５６との間の中間位置（例えば、中間点）に位置される。一実施形態では、個々の１つの比較的薄い接続構造２６２の厚さｔは、ＥＭデバイス１００の関連する動作周波数のλ／４以下であり、λは自由空間で測定される動作周波数の関連する波長である。
次に図５を参照すると、本明細書では、誘電体構造２００の単位セルのアレイの１つの単位セル１０２とも呼称される図１Ａのものと同様なＥＭデバイス１００を示している。誘電体構造のアレイを形成する誘電体構造２００のうちの隣接するものの間の空間１０４が、非ガス状誘電体材料を含み、本明細書に開示されるような誘電体構造のアレイが、例えば、誘電体構造のアレイの動作性能に実質的に悪影響を与えることなく、自動車のレーダーシステムのような車両の移動を含む用途に適用される場合に、振動運動に対する抵抗を改善するために、誘電体構造のアレイの剛性を高めることが意図される点で、図５の単位セル１０２は、図１Ａの単位セル１０２と異なる。一実施形態では、空間１０４内の非ガス誘電体材料は、空気と等しいかまたはそれより大きく、かつ誘電体構造２００の関連する第２の誘電体部分２５２の誘電率と等しいかまたはそれより小さい誘電率を有する。
次に図６を参照すると、図１Ｄ，４Ｂに示したものと同様なＥＭデバイス１００（例えば、ドーム形状の頂部（dome-shaped top）を有する第１の誘電体部分２０２の頂部に配置された球形の第２の誘電体部分２５２を有する誘電体構造２００）の２×２アレイを示し、アレイの対応する信号ポート１～４を示す。図１Ｄと同様に、図６の各ＥＭデバイス１００は、信号フィード３１２を有するが、スロット開口を有するストリップラインまたはマイクロストリップまたは導波路とは対照的に、第１誘電体部分２０２内に埋め込まれた同軸ケーブルの形態である。より具体的には、図６の第１の誘電体部分２０２は、ｘ－ｙ平面において断面楕円形状を有する誘電体材料２１０の第１の内部ボリューム（inner volume）と、ｘ－ｙ平面において断面楕円形状を有する誘電体材料２１２の第２の中間ボリュームと、ｘ－ｙ平面において断面円形形状を有する誘電体材料２１４の第３の外部ボリュームと、を有し、第３のボリューム２１４は、第２のボリューム２１２を実質的に埋め込み、第２のボリューム２１２は、第１のボリューム２１０を実質的に埋め込む。一実施形態では、誘電体材料２１０の第１のボリュームは空気であり、誘電体材料２１２の第２のボリュームは、誘電体材料２１０の第１のボリュームの誘電率よりも大きく、かつ誘電体材料２１４の第３のボリュームの誘電率よりも大きい誘電率を有し、同軸ケーブル信号フィード３１２は、第２のボリューム２１２内に埋め込まれる。球形の各第２の誘電体部分２５２は、ドーム形状の頂部を有する関連する第１の誘電体部分２０２に少なくとも部分的に埋め込まれ（図１Ｄ参照）、図６の円形詳細（circular detail）１０６によって示されるように、交差円形領域を形成する。図６に示すように、誘電体材料２１０，２１２の楕円形の第１及び第２のボリュームの長軸（major axis）は互いに位置合わせされ、同軸ケーブル信号フィード３１２を通過し、図６に示すように、電界方向線（E-field direction line）
Figure 0007244517000001
 を有する電界（E-field）を放射させる。また、図６に示すように、第２のボリューム２１２の長軸は、第２のボリューム２１２が第１のボリューム２１０および同軸ケーブル信号フィード３１２の両方を埋め込むように、
Figure 0007244517000002
 方向線に対して長さ方向にシフトされ、円形の第３のボリューム２１４は、少なくとも第２のボリューム２１２に対して非対称的にオフセットされて、
Figure 0007244517000003
 方向線に沿って放射される電界を受け取るように構成された同軸ケーブル信号フィード３１２と径方向に対向する第３のボリューム２１４の一部分を提供する。図６に示されるように、最も近い隣接する
Figure 0007244517000004
 方向線は互いに平行であり、最も近い斜めの隣接する
Figure 0007244517000005
 方向線の第１の組は互いに平行であり（例えば、ＥＭデバイス１００．１，１００．３を参照）、最も近い斜めの隣接する
Figure 0007244517000006
 方向線の第２の組は互いに整列される（例えば、ＥＭデバイス１００．２および１００．４を参照）。図６に示されるような
Figure 0007244517000007
 方向線を生成する図６のアレイの構造は、明細書では対角励起（diagonal excitation）と呼称される。
次に図７～図１２を参照して、上述したいくつかの実施形態の性能特性について説明する。
図７Ａ，７Ｂは、円錐形状の近接場の第２誘電体部分（conical shaped near field second dielectric portion）２５２を有するＥＭデバイス１００を有する２×２アレイ（例えば、図１Ａ，図４Ａを参照）と、同様であるがこのような第２誘電体部分が存在しないＥＭデバイス１００の２×２アレイとのシミュレーションされた利得を比較する。図７Ａは、ファイ（phi）＝０度の方位面放射パターン（azimuth plane radiation pattern）を示し、図７Ｂは、ファイ＝９０度の仰角面放射パターン（elevation plane radiation pattern）を示す。曲線７５１，７５２は、円錐形状の第２の誘電体部分２５２を有するＥＭデバイス１００の上記したアレイに関連し、曲線７０１，７０２は、そのような第２の誘電体部分が存在しないＥＭデバイス１００の上記したアレイに関連する。図７Ａ，７Ｂの両方に示されるように、ＥＭデバイス１００の利得は、円錐形状の第２の誘電体部分２５２を含むことによって、約２ｄＢｉだけ向上される。
図８は、上述の円錐形状の第２の誘電体部分２５２を有するかまたは有しないＥＭデバイス１００の上述した２×２アレイのシミュレーションされたｄＢｉのリターンロス（return loss）Ｓ（１、１）を示す。曲線７５３は、上述した円錐形状の第２の誘電体部分２５２を有するリターンロス性能を示し、曲線７０３は、このような第２の誘電体部分が存在しないリターンロス性能を示す。２つの曲線７０３，７５３を比較することによって分かるように、円錐形状の第２の誘電体部分２５２のリターンロス性能は、同じであるがこのような第２の誘電体部分が存在しないＥＭデバイス１００と比較して、５０～６５ＧＨｚの帯域幅で全体的に改善され、５６～６５ＧＨｚの帯域幅で実質的に改善される。
図９は、図８のシミュレーションされたアレイのプロトタイプサンプルについて測定されたｄＢｉのリターンロスＳ（１、１）を示し、曲線７５４は、上述した円錐形状の第２の誘電体部分２５２を有する測定されたリターンロス性能を示し、曲線７０４は、このような第２の誘電体部分が存在しない測定されたリターンロス性能を示す。図８，９の比較は、プロトタイプサンプルの測定されたリターンロス性能がシミュレーションされたリターンロス性能と密接に相関することを示す。
図１０は、球形の近接場の第２誘電体部分２５２を有するＥＭデバイス１００を備えた２×２アレイ（例えば、図１Ｄ，図４Ｂを参照）と、同様であるがこのような第２誘電体部分が存在しないＥＭデバイス１００の２×２アレイとのシミュレーションされた利得およびシミュレーションされたｄＢｉのリターンロスＳ（１、１）性能を比較する。曲線７５５，７５６は、それぞれ、上述した球形の第２の誘電体部分２５２を用いた利得およびリターンロス性能を示し、曲線７０５，７０６は、それぞれ、そのような第２の誘電体部分が存在しない利得およびリターンロス性能を示す。２つの曲線７０５，７５５と２つの曲線７０６，７５６とを比較すると分かるように、上述した球形の第２誘電体部２５２を用いると、左へのＴＭモードシフト（TM mode shift）が生じ、上述した球形の第２誘電体部２５２を用いると、上述した第２誘電体部が存在しない場合と比較して、８～１２ＧＨｚの帯域幅においてリターンロス性能が向上する。
図１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄは、球形の近接場の第２誘電体部分２５２を有するＥＭデバイス１００を備えた２×２アレイ（例えば、図１Ｄ，図４Ｂを参照）と、同様であるがこのような第２誘電体部分が存在しないＥＭデバイス１００の２×２アレイとの示されたリターンロスＳパラメータを示す。アレイの対応する信号ポート１～４は、図１１Ａに示されている。曲線１１５１，１１５２，１１５３，１１５４は、それぞれ、上記した球形の第２誘電体部分２５２を用いたＳ（１、１）、Ｓ（２、１）、Ｓ（３，１）、Ｓ（４、１）のリターンロスを示し、曲線１１０１，１１０２，１１０３，１１０４は、それぞれ、そのような第２誘電体部分が存在しないＳ（１、１）、Ｓ（２、１）、Ｓ（３，１）、Ｓ（４、１）のリターンロスを示す。曲線１１０２，１１５２のＳ（２、１）リターンロス、曲線１１０３，１１５３のＳ（３、１）リターンロス、および曲線１１０４，１１５４のＳ（４、１）リターンロスにそれぞれ関連するｍ１およびｍ２のマーカーを参照すると、球形の第２の誘電体部分２５２は、それぞれ少なくとも－２．４ｄＢｉ、－３．３ｄＢｉ、および－２．１ｄＢｉだけ、最も近い隣接するＥＭデバイス１００間のアイソレーションを改善することが分かる。
図１２は、示されたアレイの対応する信号ポート１～４を備えた対角励起を有する図６の２×２アレイのリターンロスＳパラメータを示す。Ｓ（３、１）リターンロスに関連するｍ１のマーカーを参照すると、対角励起では、球形の第２誘電体部分２５２を有する最も近い隣接するＥＭデバイス１００間のすべての相互作用は、－２０ｄＢｉ未満であることが分かる。図１１および図１２の比較は、リターンロスの２倍の改善が、明細書において開示されるように、第１に、近接場の第２誘電体部分を使用することによって、第２に、ＥＭデバイス１００への対角励起を使用することによって得られる。
次に、図１３Ａ～１３Ｅを参照すると、概して、ＥＭデバイス１００を示し、より具体的には、第２の誘電体部分２５２の遠位端２５６が誘電体構造２００の遠位端となるように、関連する第１の誘電体部分２０２内に完全に埋め込まれた第２の誘電体部分２５２を有するＥＭデバイス１００の誘電体構造２００を示す。図１ＡのＥＭデバイス１００と同様に、図１３Ａ～図１３ＥのＥＭデバイス１００も、本明細書で上述したものと同様の構造を備えた電磁反射構造３００を有するように示されており、誘電体構造２００および関連する電磁反射構造３００は、ｘ－ｚ平面内で規定の断面全体の外形寸法Ｗを有する単位セル１０２を画定する。
図１３Ａでは、第２の誘電体部分２５２は、円形であるｘ－ｚ平面における断面形状を有する。図１３Ｂでは、第２の誘電体部分２５２は、楕円形であるｘ－ｚ平面における断面形状を有する。図１３Ａ，１３Ｂにおいて、第２の誘電体部分２５２は、ｘ－ｚ平面における第１の誘電体部分２０２の断面全体の外形寸法と等しいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する。図１３Ｃでは、第２の誘電体部分２５２は、ｘ－ａ平面における第１の誘電体部分２０２の断面全体の外形寸法よりも大きいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する。図１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃにおいて、第２の誘電体部分２５２は、ｘ－ｚ平面における単位セル１０２の規定された断面全体の外形寸法Ｗよりも小さいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する。図１３Ｄでは、第２の誘電体部分２５２は、ｘ－ｚ平面における単位セル１０２の規定の断面全体の外形寸法Ｗと等しいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する。図１３Ｅでは、第２の誘電体部分２５２は、ｘ－ｚ平面における単位セルの規定の断面全体の外形寸法Ｗよりも大きいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する。図１３Ａ～１３Ｅのいずれにおいても、第２の誘電体部分は、ｘ－ｚ平面におけるその断面形状と同じであるｙ－ｚ平面における断面形状を有し得る。図１３Ａ，１３Ｂと図１Ａ～１Ｆとを比較すると、図１３Ａ，１３Ｂの実施形態において首部領域（例えば、図１Ａの首部２１６を参照）が存在しないことを顕著に示す。このような首部が存在しない実施形態では、第１の誘電体部分２０２の誘電体媒体から第２の誘電体部分２５２の誘電体媒体への移行領域の形状は、遠方場放射パターンを望ましい方法で集束するのに役立つと考えられる。
本発明を例示的な実施形態を参照して説明したが、特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行い、その要素を均等物で置き換えることができることを当業者は理解するであろう。さらに、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるために、多くの修正を加えることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良または唯一のモードとして開示された特定の実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲内にあるすべての実施形態を含むであろうことが意図されている。また、図面および説明では、例示的な実施形態が開示されており、特定の用語および／または寸法が採用されている可能性があるが、それらは、特に明記しない限り、一般的、例示的および／または説明的な意味でのみ使用されており、限定することを目的としておらず、従って、特許請求の範囲をそのように限定するものではない。さらに、「第１」、「第２」などの用語の使用は、順序や重要性を示すものではなく、むしろ「第１」、「第２」などの用語は、１つの要素を別の要素から区別するために使用される。さらに、用語「１つの（a）」、「１つの（an）」などの使用は、量の限定を意味するものではなく、むしろ参照されている事項の少なくとも１つの存在を意味するものである。さらに、本明細書で使用される「含む（comprising）」という用語は、１つまたは複数のさらなる特徴を包含する可能性を排除するものではない。

Claims (44)

  1. 電磁デバイスであって、
    誘電体構造であって、
    近位端及び遠位端と、直交ｘ，ｙ，ｚ座標系の有効なｚ軸と平行に配向された近位端から遠位端に突出する方向を有する三次元（３Ｄ）形状と、を有する第１の誘電体部分（ＦＤＰ）であって、空気以外の誘電体材料を備える前記第１の誘電体部分（ＦＤＰ）と、
    近位端及び遠位端を有する第２の誘電体部分（ＳＤＰ）であって、前記ＳＤＰの近位端が前記ＦＤＰの遠位端に近接して配置されて前記誘電体構造を形成し、前記ＳＤＰは空気以外の誘電体材料を含む、前記第２の誘電体部分（ＳＤＰ）と、
    を含む前記誘電体構造を備え、
    前記ＦＤＰは、第１の平均誘電率を有する第１の誘電体材料であり、前記ＳＤＰは、第２の平均誘電率を有する第２の誘電体材料であり、前記第１の平均誘電率は、前記第２の平均誘電率よりも小さいか又は大きいかのいずれかであり、
    前記ＳＤＰは、前記ＳＤＰの近位端に近接する前記第２の誘電体材料内の第１のｘ－ｙ平面断面領域と、前記ＳＤＰの近位端と遠位端との間の前記第２の誘電体材料内の第２のｘ－ｙ平面断面領域と、を有する３Ｄ形状を有し、前記第２のｘ－ｙ平面断面領域は、前記第１のｘ－ｙ平面断面領域よりも大きく、
    少なくとも前記ＦＤＰは、電磁誘電体共振器であり、
    前記ＳＤＰの近位端は、前記ＦＤＰの遠位端と直接密着して配置されることを特徴とする電磁デバイス。
  2. 基板をさらに備え、
    前記誘電体構造は、前記基板上に配置され、
    ｚ軸の向きは、前記基板に垂直である、請求項１に記載の電磁デバイス。
  3. 基板をさらに備え、
    前記誘電体構造は、前記基板上に配置され、
    ｚ軸の向きは、前記基板に垂直ではない、請求項１に記載の電磁デバイス。
  4. 前記ＳＤＰは、円形であるｘ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項１に記載の電磁デバイス。
  5. 前記ＳＤＰは、楕円形であるｘ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項１に記載の電磁デバイス。
  6. 前記ＳＤＰは、放物線状であるｘ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項１に記載の電磁デバイス。
  7. 前記ＳＤＰは、円錐形であるｘ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項１に記載の電磁デバイス。
  8. 前記ＳＤＰは、ホーン形状であるｘ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項１に記載の電磁デバイス。
  9. 前記ＳＤＰは、前記ＦＤＰのｘ－ｚ平面断面形状を鏡像反転したｘ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項１に記載の電磁デバイス。
  10. 前記放物線状のＳＤＰの頂点は、前記ＳＤＰの近位端にある、請求項６に記載の電磁デバイス。
  11. 前記ＳＤＰは、前記電磁デバイスに関連する放射された放射の反射面に対してｘ－ｚ面における非対称断面形状を有する、請求項１に記載の電磁デバイス。
  12. 前記ＳＤＰは、ｘ－ｚ平面におけるその断面形状と同一であるｙ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項１～１１のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  13. 前記ＳＤＰの誘電体材料は、前記ＦＤＰの誘電体材料の平均誘電率よりも小さい平均誘電率を有する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  14. 前記ＳＤＰの誘電体材料は、前記ＦＤＰの誘電体材料の平均誘電率よりも大きい平均誘電率を有する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  15. 前記ＳＤＰは平坦な遠位端を含む、請求項１～３，６～１１のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  16. 前記ＳＤＰは、凸状の遠位端を含む、請求項１～３，６～１１のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  17. 前記ＳＤＰは、凹状の遠位端を含む、請求項１～３，６～１１のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  18. 前記ＳＤＰは、前記ＦＤＰとの間に空隙がない状態で、前記ＦＤＰと直接密着して配置される、請求項１～１７のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  19. 前記ＳＤＰは、少なくとも部分的に前記ＦＤＰ内に埋め込まれている、請求項１～１８のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  20. 導電性構造と、該導電性構造と一体的に形成されているかまたは該導電性構造と電気的に連絡する少なくとも１つの導電性電磁反射器と、を含む電磁反射構造をさらに備え、
    前記少なくとも１つの導電性電磁反射器の各々は、前記導電性構造の一部分を形成するかまたは前記導電性構造と電気的に連絡する導電性基部を有する凹部を画定して少なくとも部分的にその周囲を囲む壁を形成し、
    個々の１つの誘電体構造は、任意の１つの凹部内に配置され、対応する導電性基部上に配置される、請求項１～１９のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  21. 前記電磁反射構造は、複数の前記少なくとも１つの導電性電磁反射器を含み、関連付けられた個々の１つの誘電体構造は、複数の前記誘電体構造のアレイを形成する複数の前記誘電体構造を含む、請求項２０に記載の電磁デバイス。
  22. 前記誘電体構造のアレイは、
    ｘ－ｙグリッド型にて互いに均等に離間している配置、
    ダイヤモンド型にて離間している配置、
    均一な周期的パターンにて互いに離間している配置、
    増加または減少する非周期的パターンにて互いに離間している配置、
    均一な周期的パターンにて斜めグリッド上で互いに離間している配置、
    均一な周期的パターンにて放射状グリッド上で互いに離間している配置、
    増加または減少する非周期的パターンにてｘ－ｙグリッド上で互いに離間している配置、
    増加または減少する非周期的パターンにて斜めグリッド上で互いに離間している配置、
    増加または減少する非周期的パターンにて放射状グリッド上で互いに離間している配置、
    均一な周期的パターンにて非ｘ－ｙグリッド上に互いに離間している配置、または
    増加または減少する非周期的パターンにて非ｘ－ｙグリッド上で互いに離間している配置のいずれかに従って、隣接する誘電体構造間に中心間間隔を置いて配置される、請求項２１に記載の電磁デバイス。
  23. 前記誘電体構造のアレイの隣接するＳＤＰ同士は、対応する接続されたＳＤＰの全体寸法に対して比較的薄い誘電体接続構造を介して接続される、請求項２１～２２のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  24. 前記誘電体構造のアレイを形成する前記誘電体構造のうちの隣接するものの間の空間は、非ガス誘電体材料を含む、請求項２１～２３のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  25. 前記空間内の非ガス誘電体材料は、空気と等しいかまたはそれより大きく、かつ前記誘電体構造の関連するＳＤＰの誘電率と等しいかまたはそれより小さい誘電率を有する、請求項２４に記載の電磁デバイス。
  26. 個々の１つのＦＤＰに電磁結合されて配置された少なくとも１つの信号フィードをさらに備え、
    関連する信号フィードおよびＦＤＰは、それぞれ、電界方向線を有する電界を放射するように構成され、
    最も近い隣接する電界方向線は、互いに平行であり、
    最も近い斜めの隣接する電場方向線の第１の対は、互いに平行であり、
    最も近い斜めの隣接する電場方向線の第２の対は、互いに整列している、請求項２１に記載の電磁デバイス。
  27. 前記ＳＤＰは、前記ＦＤＰに取り付けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  28. 前記ＳＤＰは、ｘ－ｚ平面における前記ＦＤＰの断面全体の外形寸法よりも大きいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  29. 前記電磁デバイスは、誘電体共振アンテナである、請求項１～２８のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  30. 前記ＳＤＰは、前記ＳＤＰの遠位端が前記誘電体構造の遠位端であるように、前記ＦＤＰ内に完全に埋め込まれている、請求項１９に記載の電磁デバイス。
  31. 前記ＳＤＰは、円形であるｘ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項３０に記載の電磁デバイス。
  32. 前記ＳＤＰは、楕円形であるｘ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項３０に記載の電磁デバイス。
  33. 前記ＳＤＰは、ｘ－ｚ平面におけるその断面形状と同一であるｙ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項３０～３２のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  34. 前記ＳＤＰは、ｘ－ｚ平面における前記ＦＤＰの断面全体の外形寸法と等しいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する、請求項３０～３３のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  35. 前記ＳＤＰは、ｘ－ｚ平面における前記ＦＤＰの断面全体の外形寸法よりも大きいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する、請求項３０～３３のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  36. 導電性構造と、該導電性構造と一体的に形成されているかまたは該導電性構造と電気的に連絡する少なくとも１つの導電性電磁反射器と、を含む電磁反射構造をさらに備え、
    前記少なくとも１つの導電性電磁反射器の各々は、前記導電性構造の一部分を形成するかまたは前記導電性構造と電気的に連絡する導電性基部を有する凹部を画定して少なくとも部分的にその周囲を囲む壁を形成し、
    個々の１つの誘電体構造は、任意の１つの凹部内に配置され、対応する導電性基部上に設置され、
    前記誘電体構造および関連する電磁反射構造は、ｘ－ｚ平面において規定の断面全体の外形寸法を有する単位セルを画定する、請求項３０～３５のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  37. 前記ＳＤＰは、ｘ－ｚ平面における前記単位セルの規定の断面全体の外形寸法よりも小さいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する、請求項３６に記載の電磁デバイス。
  38. 前記ＳＤＰは、ｘ－ｚ平面における前記単位セルの規定の断面全体の外形寸法と等しいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する、請求項３６に記載の電磁デバイス。
  39. 前記ＳＤＰは、ｘ－ｚ平面における前記単位セルの規定の断面全体の外形寸法よりも大きいｘ－ｚ平面における断面全体の外形寸法を有する、請求項３６に記載の電磁デバイス。
  40. 前記ＳＤＰは、ｘ－ｚ平面におけるその断面形状と同一であるｙ－ｚ平面における断面形状を有する、請求項３０～３９のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  41. 前記誘電体構造は、誘電体のみから形成されている、請求項１～４０のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
  42. アンテナシステムであって、
    第１の誘電体部分（ＦＤＰ）および近接場の第２の誘電体部分（ＳＤＰ）を有する誘電体構造であって、規定の遠方場放射パターンを放射するように構成された前記誘電体構造を備え、
    前記ＦＤＰは、第１の平均誘電率を有する空気以外の第１の誘電体材料であり、
    前記ＳＤＰは、第２の平均誘電率を有する空気以外の第２の誘電体材料である、アンテナシステムにおいて、
    前記第１の平均誘電率は、前記第２の平均誘電率よりも小さいか又は大きいかのいずれかであり、
    前記ＦＤＰは、近位端及び遠位端を有し、
    前記ＳＤＰは、近位端及び遠位端を有し、前記ＳＤＰの近位端は、前記ＦＤＰの遠位端に近接して配置されており、
    前記ＳＤＰは、前記ＳＤＰの近位端に近接する前記第２の誘電体材料内の第１のｘ－ｙ平面断面領域と、前記ＳＤＰの近位端と遠位端との間の前記第２の誘電体材料内の第２のｘ－ｙ平面断面領域と、を有する３Ｄ形状を有し、前記第２のｘ－ｙ平面断面領域は、前記第１のｘ－ｙ平面断面領域よりも大きく、
    前記ＳＤＰは、前記ＦＤＰを有するが前記ＳＤＰが存在しない前記誘電体構造とは別のものと比較して、前記遠方場放射パターンを変更するように構成され、
    少なくとも前記ＦＤＰは、電磁誘電体共振器であり、
    前記ＳＤＰの近位端は、前記ＦＤＰの遠位端と直接密着して配置されることを特徴とするアンテナシステム。
  43. 前記ＳＤＰは、前記遠方場放射パターンの指向性を増大させることによって前記遠方場放射パターンを変更するように構成される、請求項４２に記載のアンテナシステム。
  44. 前記誘電体構造は、誘電体のみから形成されている、請求項４２又は４３に記載のアンテナシステム。
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