位相アレイアンテナおよび素子間相互結合制御方法
位相アレイアンテナ４００が、第１アレイ素子４０２および第２アレイ素子４０４、ならびに誘電体セパレータ４０８を備える。第１アレイ素子および第２アレイ素子４０２、４０４のそれぞれは、検出素子およびまたはエミッタ素子である。誘電体セパレータ４０８は、第１アレイ素子と第２アレイ素子４０２、４０４との間で、かつ第１アレイ素子４０２と第２アレイ素子４０４との間の素子間相互結合ＩＭＣ信号の経路内に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相アレイアンテナおよび相互結合制御方法に関する。より具体的には、排他的ではないが、本発明は、相互結合の位相制御を使用する相互結合制御装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
位相アレイアンテナ（ＰＡＡ）は、所定の通常は一様なパターンまたは無作為分布パターンで分布するいくつかのアレイ素子を通常備える。ＰＡＡは、線形または平面またはコンフォーマルの性質とすることができる。
【０００３】
送信モードにおいて、平面波面（１０２）が、アレイ素子から伝播する球面波面（１０３ａ〜ｃ）から生成される。平面波面は、各アレイ素子（１０４ａ〜ｃ）において加えられた個々の入力信号に複素（位相および振幅）重みを加えることによって操作される。たとえば、図１を参照されたい。
【０００４】
受信モードにおいて、複素重みが、個々のアレイ素子において受信された信号に加えられ、次いで、信号処理が、組合わせ受信信号を分析するために適用される。
【０００５】
ここで図２および３を参照すると、これらは、ボアサイトからそれぞれ０°および３０°に向けられた操作アレイビームについて、和ビーム（２０２、３０２）および差ビーム（２０４、３０４）を示す。したがって、ＰＡＡにより、アレイまたはその素子を物理的に移動させることを必要とせずに、ビームを操作することが可能になる。
【０００６】
ＰＡＡは、機械操作アンテナと比較して高いビーム可変能力を提示するが、その理由は、ＰＡＡは、機械操作アンテナに関連する慣性制限の悪影響を受けず、ＰＡＡは、複素重みを使用して振幅または位相の入力信号を調節することによって操作されるからである。また、位相アレイアンテナは、機械操作アンテナと比較して有利であるが、その理由は、位相アレイアンテナは、干渉効果を抑制し、またレードーム（ｒａｄｏｍｅ）の存在など、他の影響を補正するために、航空交通管制など、適合ナリングと組み合わされた複数対象物の追跡を可能にするデジタルビーム形成能力を提供するからである。
【０００７】
ＰＡＡは、アレイの実際の動眼視野（ＦＯＲ）を限定する格子ローブなど、ＰＡＡに関連するいくつかの制限を有する。格子ローブは、最大走査角度範囲および所与の周波数について過度に大きい素子間アレイ間隔を使用することにより生じる付加的な主要ビームである。格子ローブは、また、対象物から入力信号を受信し、これにより、対象物戻り方向があいまいになる。アレイ素子間間隔が増大するにつれ、格子ローブは、ボアサイト方向により近い走査角度において明瞭になり、したがって、アレイの動作のＦＯＲをさらに低減する。
【０００８】
ＰＡＡのさらなる制限は、素子間相互結合（ＩＭＣ）である。これは、アレイ素子間の電磁（ＥＭ）干渉効果である。この効果は、アレイに埋め込まれるとき、各アレイ素子のゆがみ放射パターンをもたらす。特定素子の埋込み放射パターンに対する効果ＩＭＣは、すべての他のアレイ素子に対するそのアレイ素子の位置（ＥＭ環境）に依拠する。ＰＡＡの埋込み放射パターンの結果的な多様性は、望ましくないビーム操作の不精密さをもたらす。
【０００９】
２つの隣接アレイ素子を考慮し、第１素子から放出されたＥＭ場が、それ自体は動作または放射している必要がない第２素子に入射する。第２素子は、第２素子からの電磁場が第１素子に入射するように、第１素子からの場に影響を与え、またそれを吸収して、再放射することができる。次いで、第１素子も、第２素子からの場を吸収して、再放射することができる。このプロセスは、定常状態に達するまで続行される。したがって、信号が第１素子に加えられるとき、両素子とも放射することができ、それぞれからの放射は、いくつかの相互作用の結果とすることができる。この干渉の性質、したがって埋込み素子パターンのゆがみは、素子間における全結合の振幅および位相に依拠する。
【００１０】
特定のアレイ素子、したがってその埋込み放射パターンに影響を与えるＩＭＣ信号の振幅および位相は、他のアレイ素子のすべてに対するその位置に依拠する。
【００１１】
したがって、アレイの素子間間隔を増大させることが、アレイ素子間におけるＩＭＣの大きさを低減するために望ましい。それを実施することにより、アレイにわたる埋込み放射パターンのゆがみの量を低減することが可能である。しかし、上記において詳述されたように、素子間のアレイ間隔を増大させることにより、格子ローブのために動作のＦＯＲが低減する。
【００１２】
反対に、素子間アレイ間隔を低減することにより、ＰＡＡの動作のＦＯＲは増大するが、ＩＭＣ効果も増大する。
【００１３】
これまで、アレイ素子間において信号の振幅成分を低減することによって、ＩＭＣ効果を低減する試行が行われてきた。これらは、近距離場が１つのアレイ素子を隣接アレイ素子に結合するのを防止することを試行してアレイ構造が変更される近距離場閉込めを含む。近距離場閉込めは、通常、アレイ素子間に規則的な間隔で配置された薄い金属プレート、バフル、またはフェンスを使用することによって、ＩＭＣの振幅を低減する。これらの構造は、近距離場のシンクとして作用するように設計される。
【００１４】
他の技術は、無作為にまばらに配置されたアレイを使用する。これらのアレイは、大きな素子間アレイ間隔を使用することにより、ＩＭＣ効果を低減することができるということを利用する。格子ローブの制限は、アレイ間隔を増大させる結果として、アレイ素子の無作為分布によって回避される。このタイプのアレイを使用する結果、アレイ間隔は大きいことが必要であり、通常、１００を超える素子を含む。
【００１５】
数学的な技術も、ＩＭＣ効果を補償するために使用されてきた。そのような技術は、複素重みがアレイ素子間におけるＩＭＣ信号の測定から決定される行列反転方法を含む。次いで、これらの複素重みは、結果的な信号が、ＩＭＣが存在しない場合に送信または受信された信号と等価であるような方式で、ゆがみ信号に加えられる。この技術は、各アレイ素子についてＩＭＣ較正測定が実施されることを必要とするという欠点を有する。また、この方法において複素重みを加えることは、極度にプロセッサ集約的であり、すでにプロセッサ集約的な環境においては望ましくない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１態様によれば、第１アレイ素子および第２アレイ素子、ならびに誘電体セパレータを備える位相アレイアンテナが提供され、誘電体セパレータは、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の素子間相互結合（ＩＭＣ）信号の経路内において、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間に挿入される。
【００１７】
誘電体セパレータは、第１アレイ素子の動作の結果であるＩＭＣのために生じた、第２アレイ素子において受信された信号の位相成分を修正する手段を提供する。アレイ素子および誘電体セパレータのこの構成により、埋込み素子放射パターンに対するＩＭＣ効果を制御することが可能になる。また、格子ローブおよびアレイの動作のＦＯＲについて、アレイ設計に課される設計上の制約の緩和も提供する。相互結合アレイ素子間の位相関係が、振幅より、アレイ素子の埋込み放射パターンのゆがみについて影響が大きいことが理解され、利用されてきた。この位相関係の制御は、従来の技術の近距離場の技術より、埋込み放射パターンに対するＩＭＣ効果に対して制御を与える。また、この構成により、格子ローブを最小限に抑え、一方アレイの動作のＦＯＲを増大させることに関して、アレイ設計に課される設計上の制約を緩和することが可能になる。この構成は、素子間アレイ間隔を低減し、一方ＩＭＣ効果を最小限に抑える能力をある程度提供するという点で、アレイ設計にも有益である。これは有利であるが、その理由は、素子間隔および格子ローブに関連する、以前に議論された問題を抑制することによって、より優れた動作のＦＯＲ性能を有するより小さいアレイの可能性が提供されるからである。
【００１８】
第１アレイ素子および第２アレイ素子のいずれかまたは両方は、エミッタ素子および／または検出器素子とすることが可能である。
【００１９】
誘電体セパレータは、以下のいずれか１つ、または組合わせとすることが可能である：平滑平坦壁、環状壁、複数の平滑平坦壁の連接、または複数の環状壁の連接。これらの構造のいずれかは、特定のプロファイルを有し、およびまたは変動誘電率を使用して作成される壁を含むことが可能である。したがって、セパレータは、個々のアレイ素子を他の個々のアレイ素子から分離し、または、単一アレイ素子もしくは複数のアレイ素子を複数のアレイ素子から分離する。
【００２０】
誘電体セパレータは、２〜４０の範囲の誘電率εｒを有することが可能である。誘電体セパレータは、３と１２との間の誘電率を有することが可能である。誘電体セパレータは、約４の誘電率を有することが可能である。
【００２１】
誘電セパレータは、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間のＩＭＣ効果を低減する、理想的には最小限に抑えるように決定される誘電率および幅の組合わせを有することが可能である。「幅」によって、放射が通過するセパレータの経路長を意味する。セパレータの材料の誘電率および幅の適切な組合わせを選択することによって、埋込み放射パターンに対するゆがみが制御されるように、アレイ素子間のＩＭＣの位相成分を制御することができる。
【００２２】
誘電体セパレータは、たとえば、＞１である可変誘電率の材料にアレイを埋め込むことによって、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の電気経路長を増大または低減するように構成されることが可能である。誘電体セパレータは、第１アレイ素子および第２アレイ素子の埋込み放射パターンに影響を与えるために、ＩＭＣ信号の位相成分を制御するように構成されることが可能である。
【００２３】
アレイは、アレイ素子の２次元アレイ、アレイ素子の線形アレイ、またはアレイ素子の共形アレイを備えることが可能である。アレイ素子のすべては、ほぼ単一面にあることが可能である。アレイ素子は、矩形格子または正方形格子など、格子に構成されることが可能である。アレイ素子は、以下のパターンのいずれか１つにおいて分布されることが可能である：六角形パターン、食違いパターン、または径方向円形パターン。各アレイ素子は、それぞれの誘電体セパレータによって少なくとも１つの隣接アレイ素子から分離されることが可能である。それぞれの誘電体セパレータは、離散している、または、誘電体の格子など、誘電体のより大きな連続部分の一部などとして形成されることが可能であり、アレイ素子は、格子の領域によって結合される空間に位置する。第１アレイ素子および第２アレイ素子の少なくとも一方が、誘電体セパレータによって完全に囲まれることが可能である。誘電体セパレータの異なる部分、または異なる誘電体セパレータが、異なる厚さおよび／または比誘電率を有することが可能である。したがって、２次元位相アレイアンテナは、可能であれば等価でない隣接アレイ素子に対して調整されるアレイ素子間において誘電体セパレータを有することができる。代替として、２次元アレイのアレイ素子間に挿入された誘電体セパレータの格子が存在することが可能である。
【００２４】
本発明の第２態様によれば、第１アレイ素子と、第１アレイ素子から間隔をおいて配置される第２アレイ素子との間におけるＩＭＣ効果を低減する方法が提供され、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の電磁経路に誘電体セパレータを挿入することを備える。
【００２５】
方法は、誘電体セパレータを使用することによって、ＩＭＣ信号の位相成分を制御することを備えることが可能である。
【００２６】
「アレイ素子」という用語の使用は、電磁放射の相反定理による検出素子および／またはエミッタ素子の両方を包含することが理解されるであろう。
【００２７】
本発明の第３態様によれば、位相アレイアンテナの性能を向上させる方法が提供され、
ｉ）第１アレイ素子と第２アレイ素子との間におけるＩＭＣの程度を決定するステップと、
ｉｉ）前記相互結合の制御を低減するように、誘電体セパレータの幅、プロファイル、および誘電率のうちの少なくとも２つの組合わせを最適化するステップと、
ｉｉｉ）ステップ（ｉｉ）において最適化されたものにほぼ等しい幅、プロファイル、および／または誘電率を有する誘電体セパレータを生成するステップと、
ｉｖ）第１アレイ素子と第２アレイ素子との間に誘電体セパレータを挿入するステップとを含む。
【００２８】
方法は、誘電体セパレータを使用することによって、ＩＭＣ信号の位相成分を制御することを備えることが可能である。
【００２９】
「アレイ素子」という用語の使用は、電磁放射の相反定理による検出素子および／またはエミッタ素子の両方を包含することが理解されるであろう。
【００３０】
ここで、本発明は、添付の図面を参照して、例としてのみ記述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
ここで図４、５ａおよび５ｂを参照すると、位相アレイアンテナ４００の第１実施形態が、２つの円形パッチアレイ素子４０２、４０４を備え、パッチアレイ素子４０２、４０４は、誘電体基板４０６およびアレイ素子４０２、４０４の間に挿入された誘電体セパレータ４０８の上において支持される。この構成により、誘電体セパレータ４０８に平行に位置合わせされる放射Ｅベクトル４０９ａ、および誘電体セパレータ４０８に直交する放射Ｈベクトル４０９ｂが得られる。アレイ素子４０２、４０４は、円形パッチアレイ素子である必要はなく、双極子など、スロットアレイ素子または実際に非円形のアレイ素子とすることが可能であることが理解されるであろう。
【００３２】
供給構造および適合ビーム形成制御回路が、明瞭化のために省略されている。
【００３３】
アレイ素子は、位相アレイアンテナの応用例に応じて、検出器素子および／またはエミッタ素子とすることが可能である。
【００３４】
誘電体セパレータ４０８は、通常、３と１０との間の範囲の誘電率を有する材料で作成され、そのような材料には、たとえば、ドュロイド（Ｄｕｒｏｉｄ）ＲＴ５８８０εｒ＝２．２、エポキシケブラεｒ＝３．６、ＦＲ４エポキシεｒ＝４．４、ガラスεｒ＝５．５、マイカεｒ＝６．０、アルミナεｒ＝９．２、およびヒ化ガリウムεｒ＝１２．９がある。
【００３５】
誘電体セパレータ４０８を使用することにより、隣接素子４０２、４０４間の誘電率、したがって、ＩＭＣの位相成分が修正されるが、その理由は、異なる媒体における電気長が、
【数１】
に比例して変化するからである。上式で、εｒは、誘電体セパレータの比誘電率である。
【００３６】
これは、誘電体セパレータ４０８における光速が、以下のように変化するからである。
【数２】
上式で
ｃ’は、誘電体セパレータにおける光速
μｒは、誘電体セパレータの比透磁率
μ０は、自由空間の透磁率
εｒは、自由空間の誘電率
である。
【００３７】
ほとんどの誘電体の比誘電率は、真空の誘電率に近く、したがって、比誘電率の変化が、異なる比誘電率を有する２つの材料間の境界を横断する光速の変化を支配する。
【００３８】
光の周波数は、媒体に関係なく不変であるので、通常は空気または真空である第１媒体と誘電体セパレータ４０８との間の境界を横断する際に光速の変化に対応するように変化するのは、放射信号の波長λである。したがって、ＩＭＣ信号の波長は、比誘電率εｒ１を有する第１媒体から、比誘電率εｒ２、（εｒ２＞εｒ１）を有する第２媒体に入る際に実質的に短くなる。反対に、放射の波長は、第２媒体から第１媒体に入る際に実質的に長くなる。たとえば、４の誘電率、比誘電率を有する誘電体セパレータは、空気または真空における放射の波長に対して、放射の波長を２分の１に短くする。
【００３９】
ＰＡＡ全体を誘電体材料に埋め込むことができ、セパレータは、埋込み誘電体の比誘電率より小さい比誘電率を有することが可能であることが考察される。これは、誘電体セパレータが隣接素子間において放射の電気経路長を実質的に低減する効果を有する。
【００４０】
ここで図４、５ａおよび５ｂに関連して図６を参照すると、誘電体セパレータ４０８の誘電率（比誘電率）および厚さを制御することにより、誘電体セパレータ４０８を出るＩＭＣ放射の位相を制御することが可能になる。たとえば誘電率εｒ＝４および厚さｄを有する誘電体セパレータ４０８に入射するＩＭＣ放射６０２は、空中において波長λを有する。セパレータ４０８に入射する際に、ＩＭＣ放射６０２は、波長が半分のλ／２になる。したがって、空中では、ＩＭＣ放射６０２は、距離ｄにおいてｄ／λの位相周期を完成するが、セパレータ４０８では、２ｄ／λの位相周期を完成する。したがって、セパレータの厚さを調整することによって、セパレータから放射されるＩＭＣ放射６０３の位相は、通常はアレイ素子４０２、４０４間におけるＩＭＣ効果を最小限に抑えるように修正することができる。したがって、他のアレイ素子４０２を動作することにより、アレイ素子４０４に入射するＩＭＣ放射の望ましい位相を達成することが可能である。セパレータ４０８の誘電率を変化させることによって、同様の効果を達成することができ、実際、２つの効果は、互いに相補的である。
【００４１】
ここで添付の図面の図７を参照すると、３つの素子を有する線形位相アレイアンテナ７００の代替実施形態が示されている。これは、中央アレイ素子７０２、２つの周辺アレイ素子７０４、７０６、および中央アレイ素子７０２とそれぞれの周辺アレイ素子７０４、７０６との間に挿入された誘電体セパレータ７０８、７１０を備える。
【００４２】
ここで図８を参照すると、これは、誘電体セパレータが存在しない状態で、位相アレイアンテナ素子のそれぞれについて、磁場ベクトル（Ｈ）の面における埋込み放射パターンを示す。２つの周辺アレイ素子７０４、７０６に関する放射パターン（プロット８０２、８０４）は、θ＝０°を中心とする最大値を有さない。中央アレイ素子７０２は、最大値がθ＝０°を中心とする放射パターン（プロット８０６）を提示する。２つの周辺アレイ素子７０４、７０６は、θ＝０°に関して非対称な放射パターン（プロット８０２、８０４）を有する。最左素子７０４のみが動作している場合、最左素子７０４と中央素子７０２との間、および最左素子７０４と最右素子７０６との間のＩＭＣは、最左素子からの通常の放射場と干渉する。これは、非対称埋込み放射パターン（プロット８０２）となる。同様の議論が、それぞれ最右７０６および中央アレイ素子７０２の埋込み放射パターン（プロット８０４、８０６）の生成に当てはまる。アレイが中央素子７０２に関して対称であることは、この素子の結果的な非対称でない埋込み放射パターン（プロット８０６）が、最右アレイ素子７０６および最左アレイ素子７０４の両方からの等しい効果および反対の効果から得られることを意味する。
【００４３】
２つの周辺アレイ素子７０４、７０６が中央アレイ素子７０２に関して対称に配置されていない場合、中央アレイ素子７０２に関する周辺アレイ素子７０４、７０６のそれぞれのＩＭＣ効果が不均等であることにより、やはりθ＝０°に関して非対称になっている中央アレイ素子７０２の埋込み放射パターン（プロット８０６）が得られる可能性があることが理解されるであろう。また、周辺アレイ素子７０４、７０６の埋込み放射パターン（プロット８０２、８０４）間の対称性が低減されることになる。
【００４４】
ここで図９を参照する。これは、図７に対応するアレイ素子の埋込み放射パターン（プロット９０２〜９０６）を示すが、中央アレイ素子７０２とそれぞれの周辺アレイ素子７０４、７０６との間に挿入された誘電体セパレータを含む。この例では、誘電体セパレータは、５ｍｍの幅およびεｒ＝９．３の誘電率を有する。２つの周辺アレイ素子７０４、７０６の埋込み放射パターン（プロット９０２、９０４）の非対称さが、明らかである。周辺アレイ素子７０４、７０６の埋込み放射パターン（プロット９０２、９０４）が対称であるという対称性のために、中央アレイ素子７０２の埋込み放射パターン（プロット９０６）は、ゆがんでいる（ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ）が、θ＝０°に関して非対称になってはいない。２つの周辺素子７０４、７０６の埋込み放射パターン（プロット９０２、９０４）は、ＰＡＡの物理的なレイアウトが依然として同じである場合でも、実際、図８に示された場合と比較して、θ＝０°の上で交差している。
【００４５】
ここで図１０を参照すると、埋込み放射パターン（プロット１００２〜１００６）が、図９に関して議論されたのと同様の構成について示されるが、誘電体セパレータが、εｒ＝４．０の誘電率および５ｍｍの幅を有する点が異なる。周囲アレイ素子７０２、７０６の埋込み放射パターン（プロット１００４、１００２）は、ここでは、θ＝０°からずれていないことがわかる。一方、中央アレイ素子７０２の埋込み放射パターン（プロット１００６）は、依然としてゆがんでいるが、非対称になってはいない。したがって、この構成は、図８および９に関連して議論されたＩＭＣによる埋込み放射パターンのゆがみおよび非対称さを補正することがわかる。
【００４６】
これは、誘電体セパレータを使用してアレイ素子間のＩＭＣの位相成分を修正することによって、個々のアレイ素子の埋込み放射パターンを操作することができることを示す。これにより、ビーム操作精度が向上し、アレイ素子間隔、格子ローブ、および動作のＦＯＲについて設計制約が緩和されることが可能である。
【００４７】
上記の場合のすべてにおいて、方向が誘電体セパレータに平行である場ベクトル（この場合はＥベクトル）は、この例では影響を受けない。
【００４８】
２次元位相アレイアンテナの場合、各アレイ素子が、誘電体構造によって少なくとも部分的に囲まれることが可能であることが理解されるであろう。これは、所与のアレイ素子と、アレイの２つ以上の等価でない隣接アレイ素子との相互結合を補償するために、誘電体構造の各面の厚さ、プロファイル、および／または比誘電率を変更する能力をアンテナの設計者に与える。
【００４９】
ここで図１１ａを参照すると、位相アレイアンテナ１１００が、アレイ素子１１０２ａ〜ｎの２次元アレイ１１０１、および誘電体セパレータ１１０４を備える。通常はアンテナ１１００の中心に向かうアレイ素子であるアレイ素子の一部の１１０２ａ〜ｂが、セパレータ１１０４によって完全に囲まれる。アレイの素子の他の一部である１１０２ｃ〜ｆが、セパレータ１１０４によって部分的に囲まれ、これらのアレイ素子１１０２ｃ〜ｆは、通常、アレイ１１０２の縁とそのアレイ１１０２の中心との間にある。アレイ１１０１の縁に隣接するアレイ素子１１０２ｇ〜ｎは、通常、その間に離散した平面のまたは精確なセパレータ１１０４を有する。
【００５０】
セパレータ１１０４のそのような構成の効果により、隣接非等価アレイ素子１１０２ａ〜ｎ間における相互結合の低減を最適化するために、アレイ１１０１の設計者が、セパレータ１１０４の一部の幅および誘電率を変更することによって、セパレータ１１０４を「調整」することが可能になる。これは、レーダ、ナビゲーション、および宇宙空間の応用分野に使用されるアンテナなど、高品質アンテナに特に有用である。
【００５１】
ここで図１１ｂを参照すると、アンテナ１１１０が、環状セパレータ１１１４ａ〜ｃによって分離されたアレイ素子１１１２ａ〜ｃを備える。環状セパレータ１１１４ａ〜ｃを使用することにより、ＨおよびＥ場の両方のＩＭＣ効果が抑制されるが、その理由は、セパレータ１１１４ａ〜ｃが、ＩＭＣが主要Ｈベクトル面およびＥベクトル面の両方において著しいＨ場およびＥ場の位置合わせ方向を張るからである。
【００５２】
ここで図１１ｃを参照すると、アンテナ１１２０が、平面壁１１２４ａ〜ｆによって単一方向において分離されるアレイ素子１１２２ａ〜ｈを備える。この構成において、セパレータは、この例ではセパレータ１１２４ａ〜ｆの方向に垂直である、単一次元においてのみ、ＩＭＣ結合の効果を低減するように作用する。
【００５３】
ここで図１１ｄを参照すると、アンテナ１１３０が、相互直交垂直壁１１３４ａ〜ｄを交差することによって分離されるアレイ素子１１３２ａ〜ｆを備える。これは、水平面および垂直面の両方においてＩＭＣの効果を低減する効果を有する。
【００５４】
代替として、アレイのアレイ素子間におけるＩＭＣを少なくとも部分的に補償するために、誘電体構造の簡単な格子を使用することができる。
【００５５】
ここで図１２を参照すると、位相アレイアンテナ１２００が、この場合は３×３平方である矩形に構成されたアレイ素子１２０２ａ〜ｉの２次元アレイ１２０１、および隣接アレイ素子１２０２ａ〜ｉ間の複数の水平および垂直に位置合わせされた誘電体セパレータ１２０４を備える。セパレータ１２０４は、この実施形態では離散平滑平坦壁の形態を取るが、任意の好都合で適切な形状または構成とすることが可能であることが理解されるであろう。
【００５６】
通常、この構成は、各アレイ素子１２０２ａ〜ｉを最適化するために完全な設計演習をすることを必要とせずに、隣接アレイ素子１２０２ａ〜ｉ間の相互結合を部分消去することを見込む。これは、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）の応用分野において使用されるアンテナなど、低コスト大量生産アンテナにおいて特に有用である。
【００５７】
すべての場合において、あらゆる誘電体セパレータは、任意の形状または形態および任意の誘電率とすることができることが理解されるであろう。また、これらの誘電体セパレータをアレイ素子間に組み付ける目的は、アレイ素子間におけるＩＭＣの位相成分を操作する方法をアンテナ設計者に提供することであることが理解されるであろう。これは、そのアレイの埋込み放射パターンを調節するように行われる。
【００５８】
以上に記述された位相アレイアンテナは、具体的には宇宙空間応用分野におけるナビゲーションシステムや、たとえばＧＳＭ、ＧＰＲＳ、ＵＴＭＳ、および衛星データリンクである、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）、可動電話ベース局などのレーダおよび通信システムを含めて、広範な応用分野を有することが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】位相アレイアンテナ（ＰＡＡ）を使用して複数の出力球面波面から生成される平面波面を示す図である。
【図２】主面のボアサイト（θ＝０°）に向けられたＰＡＡの和ビーム強度および差ビーム強度のプロットを示す図である。
【図３】主面のボアサイトから３０°（θ＝３０°）に向けられたＰＡＡの和ビーム強度および差ビーム強度のプロットを示す図である。
【図４】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの第１実施形態の概略的透視図である。
【図５ａ】図４のＰＡＡの概略的側面図である。
【図５ｂ】放射場の放射ＨベクトルおよびＥベクトルの位置合わせを示す、図４および５のＰＡＡの概略的部分平面図である。
【図６】図４および５のＰＡＡの誘電体セパレータを通る放射場の伝播の概略図である。
【図７】本発明によるＰＡＡの第２代替実施形態の概略的側面図である。
【図８】誘電体セパレータのない図７のＰＡＡのアレイ素子のそれぞれについて、Ｈベクトル方向における埋込み放射パターンのプロットを示す図である。
【図９】εｒ＝９．３の誘電体セパレータを有する、図６のＰＡＡのアレイ素子のそれぞれについて、Ｈベクトル方向における埋込み放射パターンのプロットを示す図である。
【図１０】εｒ＝４．０の誘電体セパレータを有する、図６のＰＡＡのアレイ素子のそれぞれについて、Ｈベクトル方向における埋込み放射パターンのプロットを示す図である。
【図１１ａ】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの可能な２次元アレイの実施形態の概略図である。
【図１１ｂ】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの可能な２次元アレイの実施形態の概略図である。
【図１１ｃ】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの可能な２次元アレイの実施形態の概略図である。
【図１１ｄ】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの可能な２次元アレイの実施形態の概略図である。
【図１２】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの２次元アレイの第２実施形態の概略図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相アレイアンテナおよび相互結合制御方法に関する。より具体的には、排他的ではないが、本発明は、相互結合の位相制御を使用する相互結合制御装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
位相アレイアンテナ（ＰＡＡ）は、所定の通常は一様なパターンまたは無作為分布パターンで分布するいくつかのアレイ素子を通常備える。ＰＡＡは、線形または平面またはコンフォーマルの性質とすることができる。
【０００３】
送信モードにおいて、平面波面（１０２）が、アレイ素子から伝播する球面波面（１０３ａ〜ｃ）から生成される。平面波面は、各アレイ素子（１０４ａ〜ｃ）において加えられた個々の入力信号に複素（位相および振幅）重みを加えることによって操作される。たとえば、図１を参照されたい。
【０００４】
受信モードにおいて、複素重みが、個々のアレイ素子において受信された信号に加えられ、次いで、信号処理が、組合わせ受信信号を分析するために適用される。
【０００５】
ここで図２および３を参照すると、これらは、ボアサイトからそれぞれ０°および３０°に向けられた操作アレイビームについて、和ビーム（２０２、３０２）および差ビーム（２０４、３０４）を示す。したがって、ＰＡＡにより、アレイまたはその素子を物理的に移動させることを必要とせずに、ビームを操作することが可能になる。
【０００６】
ＰＡＡは、機械操作アンテナと比較して高いビーム可変能力を提示するが、その理由は、ＰＡＡは、機械操作アンテナに関連する慣性制限の悪影響を受けず、ＰＡＡは、複素重みを使用して振幅または位相の入力信号を調節することによって操作されるからである。また、位相アレイアンテナは、機械操作アンテナと比較して有利であるが、その理由は、位相アレイアンテナは、干渉効果を抑制し、またレードーム（ｒａｄｏｍｅ）の存在など、他の影響を補正するために、航空交通管制など、適合ナリングと組み合わされた複数対象物の追跡を可能にするデジタルビーム形成能力を提供するからである。
【０００７】
ＰＡＡは、アレイの実際の動眼視野（ＦＯＲ）を限定する格子ローブなど、ＰＡＡに関連するいくつかの制限を有する。格子ローブは、最大走査角度範囲および所与の周波数について過度に大きい素子間アレイ間隔を使用することにより生じる付加的な主要ビームである。格子ローブは、また、対象物から入力信号を受信し、これにより、対象物戻り方向があいまいになる。アレイ素子間間隔が増大するにつれ、格子ローブは、ボアサイト方向により近い走査角度において明瞭になり、したがって、アレイの動作のＦＯＲをさらに低減する。
【０００８】
ＰＡＡのさらなる制限は、素子間相互結合（ＩＭＣ）である。これは、アレイ素子間の電磁（ＥＭ）干渉効果である。この効果は、アレイに埋め込まれるとき、各アレイ素子のゆがみ放射パターンをもたらす。特定素子の埋込み放射パターンに対する効果ＩＭＣは、すべての他のアレイ素子に対するそのアレイ素子の位置（ＥＭ環境）に依拠する。ＰＡＡの埋込み放射パターンの結果的な多様性は、望ましくないビーム操作の不精密さをもたらす。
【０００９】
２つの隣接アレイ素子を考慮し、第１素子から放出されたＥＭ場が、それ自体は動作または放射している必要がない第２素子に入射する。第２素子は、第２素子からの電磁場が第１素子に入射するように、第１素子からの場に影響を与え、またそれを吸収して、再放射することができる。次いで、第１素子も、第２素子からの場を吸収して、再放射することができる。このプロセスは、定常状態に達するまで続行される。したがって、信号が第１素子に加えられるとき、両素子とも放射することができ、それぞれからの放射は、いくつかの相互作用の結果とすることができる。この干渉の性質、したがって埋込み素子パターンのゆがみは、素子間における全結合の振幅および位相に依拠する。
【００１０】
特定のアレイ素子、したがってその埋込み放射パターンに影響を与えるＩＭＣ信号の振幅および位相は、他のアレイ素子のすべてに対するその位置に依拠する。
【００１１】
したがって、アレイの素子間間隔を増大させることが、アレイ素子間におけるＩＭＣの大きさを低減するために望ましい。それを実施することにより、アレイにわたる埋込み放射パターンのゆがみの量を低減することが可能である。しかし、上記において詳述されたように、素子間のアレイ間隔を増大させることにより、格子ローブのために動作のＦＯＲが低減する。
【００１２】
反対に、素子間アレイ間隔を低減することにより、ＰＡＡの動作のＦＯＲは増大するが、ＩＭＣ効果も増大する。
【００１３】
これまで、アレイ素子間において信号の振幅成分を低減することによって、ＩＭＣ効果を低減する試行が行われてきた。これらは、近距離場が１つのアレイ素子を隣接アレイ素子に結合するのを防止することを試行してアレイ構造が変更される近距離場閉込めを含む。近距離場閉込めは、通常、アレイ素子間に規則的な間隔で配置された薄い金属プレート、バフル、またはフェンスを使用することによって、ＩＭＣの振幅を低減する。これらの構造は、近距離場のシンクとして作用するように設計される。
【００１４】
他の技術は、無作為にまばらに配置されたアレイを使用する。これらのアレイは、大きな素子間アレイ間隔を使用することにより、ＩＭＣ効果を低減することができるということを利用する。格子ローブの制限は、アレイ間隔を増大させる結果として、アレイ素子の無作為分布によって回避される。このタイプのアレイを使用する結果、アレイ間隔は大きいことが必要であり、通常、１００を超える素子を含む。
【００１５】
数学的な技術も、ＩＭＣ効果を補償するために使用されてきた。そのような技術は、複素重みがアレイ素子間におけるＩＭＣ信号の測定から決定される行列反転方法を含む。次いで、これらの複素重みは、結果的な信号が、ＩＭＣが存在しない場合に送信または受信された信号と等価であるような方式で、ゆがみ信号に加えられる。この技術は、各アレイ素子についてＩＭＣ較正測定が実施されることを必要とするという欠点を有する。また、この方法において複素重みを加えることは、極度にプロセッサ集約的であり、すでにプロセッサ集約的な環境においては望ましくない。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１態様によれば、第１アレイ素子および第２アレイ素子、ならびに誘電体セパレータを備える位相アレイアンテナが提供され、誘電体セパレータは、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の素子間相互結合（ＩＭＣ）信号の経路内において、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間に挿入される。
【００１７】
誘電体セパレータは、第１アレイ素子の動作の結果であるＩＭＣのために生じた、第２アレイ素子において受信された信号の位相成分を修正する手段を提供する。アレイ素子および誘電体セパレータのこの構成により、埋込み素子放射パターンに対するＩＭＣ効果を制御することが可能になる。また、格子ローブおよびアレイの動作のＦＯＲについて、アレイ設計に課される設計上の制約の緩和も提供する。相互結合アレイ素子間の位相関係が、振幅より、アレイ素子の埋込み放射パターンのゆがみについて影響が大きいことが理解され、利用されてきた。この位相関係の制御は、従来の技術の近距離場の技術より、埋込み放射パターンに対するＩＭＣ効果に対して制御を与える。また、この構成により、格子ローブを最小限に抑え、一方アレイの動作のＦＯＲを増大させることに関して、アレイ設計に課される設計上の制約を緩和することが可能になる。この構成は、素子間アレイ間隔を低減し、一方ＩＭＣ効果を最小限に抑える能力をある程度提供するという点で、アレイ設計にも有益である。これは有利であるが、その理由は、素子間隔および格子ローブに関連する、以前に議論された問題を抑制することによって、より優れた動作のＦＯＲ性能を有するより小さいアレイの可能性が提供されるからである。
【００１８】
第１アレイ素子および第２アレイ素子のいずれかまたは両方は、エミッタ素子および／または検出器素子とすることが可能である。
【００１９】
誘電体セパレータは、以下のいずれか１つ、または組合わせとすることが可能である：平滑平坦壁、環状壁、複数の平滑平坦壁の連接、または複数の環状壁の連接。これらの構造のいずれかは、特定のプロファイルを有し、およびまたは変動誘電率を使用して作成される壁を含むことが可能である。したがって、セパレータは、個々のアレイ素子を他の個々のアレイ素子から分離し、または、単一アレイ素子もしくは複数のアレイ素子を複数のアレイ素子から分離する。
【００２０】
誘電体セパレータは、２〜４０の範囲の誘電率εｒを有することが可能である。誘電体セパレータは、３と１２との間の誘電率を有することが可能である。誘電体セパレータは、約４の誘電率を有することが可能である。
【００２１】
誘電セパレータは、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間のＩＭＣ効果を低減する、理想的には最小限に抑えるように決定される誘電率および幅の組合わせを有することが可能である。「幅」によって、放射が通過するセパレータの経路長を意味する。セパレータの材料の誘電率および幅の適切な組合わせを選択することによって、埋込み放射パターンに対するゆがみが制御されるように、アレイ素子間のＩＭＣの位相成分を制御することができる。
【００２２】
誘電体セパレータは、たとえば、＞１である可変誘電率の材料にアレイを埋め込むことによって、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の電気経路長を増大または低減するように構成されることが可能である。誘電体セパレータは、第１アレイ素子および第２アレイ素子の埋込み放射パターンに影響を与えるために、ＩＭＣ信号の位相成分を制御するように構成されることが可能である。
【００２３】
アレイは、アレイ素子の２次元アレイ、アレイ素子の線形アレイ、またはアレイ素子の共形アレイを備えることが可能である。アレイ素子のすべては、ほぼ単一面にあることが可能である。アレイ素子は、矩形格子または正方形格子など、格子に構成されることが可能である。アレイ素子は、以下のパターンのいずれか１つにおいて分布されることが可能である：六角形パターン、食違いパターン、または径方向円形パターン。各アレイ素子は、それぞれの誘電体セパレータによって少なくとも１つの隣接アレイ素子から分離されることが可能である。それぞれの誘電体セパレータは、離散している、または、誘電体の格子など、誘電体のより大きな連続部分の一部などとして形成されることが可能であり、アレイ素子は、格子の領域によって結合される空間に位置する。第１アレイ素子および第２アレイ素子の少なくとも一方が、誘電体セパレータによって完全に囲まれることが可能である。誘電体セパレータの異なる部分、または異なる誘電体セパレータが、異なる厚さおよび／または比誘電率を有することが可能である。したがって、２次元位相アレイアンテナは、可能であれば等価でない隣接アレイ素子に対して調整されるアレイ素子間において誘電体セパレータを有することができる。代替として、２次元アレイのアレイ素子間に挿入された誘電体セパレータの格子が存在することが可能である。
【００２４】
本発明の第２態様によれば、第１アレイ素子と、第１アレイ素子から間隔をおいて配置される第２アレイ素子との間におけるＩＭＣ効果を低減する方法が提供され、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の電磁経路に誘電体セパレータを挿入することを備える。
【００２５】
方法は、誘電体セパレータを使用することによって、ＩＭＣ信号の位相成分を制御することを備えることが可能である。
【００２６】
「アレイ素子」という用語の使用は、電磁放射の相反定理による検出素子および／またはエミッタ素子の両方を包含することが理解されるであろう。
【００２７】
本発明の第３態様によれば、位相アレイアンテナの性能を向上させる方法が提供され、
ｉ）第１アレイ素子と第２アレイ素子との間におけるＩＭＣの程度を決定するステップと、
ｉｉ）前記相互結合の制御を低減するように、誘電体セパレータの幅、プロファイル、および誘電率のうちの少なくとも２つの組合わせを最適化するステップと、
ｉｉｉ）ステップ（ｉｉ）において最適化されたものにほぼ等しい幅、プロファイル、および／または誘電率を有する誘電体セパレータを生成するステップと、
ｉｖ）第１アレイ素子と第２アレイ素子との間に誘電体セパレータを挿入するステップとを含む。
【００２８】
方法は、誘電体セパレータを使用することによって、ＩＭＣ信号の位相成分を制御することを備えることが可能である。
【００２９】
「アレイ素子」という用語の使用は、電磁放射の相反定理による検出素子および／またはエミッタ素子の両方を包含することが理解されるであろう。
【００３０】
ここで、本発明は、添付の図面を参照して、例としてのみ記述される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
ここで図４、５ａおよび５ｂを参照すると、位相アレイアンテナ４００の第１実施形態が、２つの円形パッチアレイ素子４０２、４０４を備え、パッチアレイ素子４０２、４０４は、誘電体基板４０６およびアレイ素子４０２、４０４の間に挿入された誘電体セパレータ４０８の上において支持される。この構成により、誘電体セパレータ４０８に平行に位置合わせされる放射Ｅベクトル４０９ａ、および誘電体セパレータ４０８に直交する放射Ｈベクトル４０９ｂが得られる。アレイ素子４０２、４０４は、円形パッチアレイ素子である必要はなく、双極子など、スロットアレイ素子または実際に非円形のアレイ素子とすることが可能であることが理解されるであろう。
【００３２】
供給構造および適合ビーム形成制御回路が、明瞭化のために省略されている。
【００３３】
アレイ素子は、位相アレイアンテナの応用例に応じて、検出器素子および／またはエミッタ素子とすることが可能である。
【００３４】
誘電体セパレータ４０８は、通常、３と１０との間の範囲の誘電率を有する材料で作成され、そのような材料には、たとえば、ドュロイド（Ｄｕｒｏｉｄ）ＲＴ５８８０εｒ＝２．２、エポキシケブラεｒ＝３．６、ＦＲ４エポキシεｒ＝４．４、ガラスεｒ＝５．５、マイカεｒ＝６．０、アルミナεｒ＝９．２、およびヒ化ガリウムεｒ＝１２．９がある。
【００３５】
誘電体セパレータ４０８を使用することにより、隣接素子４０２、４０４間の誘電率、したがって、ＩＭＣの位相成分が修正されるが、その理由は、異なる媒体における電気長が、
【数１】
に比例して変化するからである。上式で、εｒは、誘電体セパレータの比誘電率である。
【００３６】
これは、誘電体セパレータ４０８における光速が、以下のように変化するからである。
【数２】
上式で
ｃ’は、誘電体セパレータにおける光速
μｒは、誘電体セパレータの比透磁率
μ０は、自由空間の透磁率
εｒは、自由空間の誘電率
である。
【００３７】
ほとんどの誘電体の比誘電率は、真空の誘電率に近く、したがって、比誘電率の変化が、異なる比誘電率を有する２つの材料間の境界を横断する光速の変化を支配する。
【００３８】
光の周波数は、媒体に関係なく不変であるので、通常は空気または真空である第１媒体と誘電体セパレータ４０８との間の境界を横断する際に光速の変化に対応するように変化するのは、放射信号の波長λである。したがって、ＩＭＣ信号の波長は、比誘電率εｒ１を有する第１媒体から、比誘電率εｒ２、（εｒ２＞εｒ１）を有する第２媒体に入る際に実質的に短くなる。反対に、放射の波長は、第２媒体から第１媒体に入る際に実質的に長くなる。たとえば、４の誘電率、比誘電率を有する誘電体セパレータは、空気または真空における放射の波長に対して、放射の波長を２分の１に短くする。
【００３９】
ＰＡＡ全体を誘電体材料に埋め込むことができ、セパレータは、埋込み誘電体の比誘電率より小さい比誘電率を有することが可能であることが考察される。これは、誘電体セパレータが隣接素子間において放射の電気経路長を実質的に低減する効果を有する。
【００４０】
ここで図４、５ａおよび５ｂに関連して図６を参照すると、誘電体セパレータ４０８の誘電率（比誘電率）および厚さを制御することにより、誘電体セパレータ４０８を出るＩＭＣ放射の位相を制御することが可能になる。たとえば誘電率εｒ＝４および厚さｄを有する誘電体セパレータ４０８に入射するＩＭＣ放射６０２は、空中において波長λを有する。セパレータ４０８に入射する際に、ＩＭＣ放射６０２は、波長が半分のλ／２になる。したがって、空中では、ＩＭＣ放射６０２は、距離ｄにおいてｄ／λの位相周期を完成するが、セパレータ４０８では、２ｄ／λの位相周期を完成する。したがって、セパレータの厚さを調整することによって、セパレータから放射されるＩＭＣ放射６０３の位相は、通常はアレイ素子４０２、４０４間におけるＩＭＣ効果を最小限に抑えるように修正することができる。したがって、他のアレイ素子４０２を動作することにより、アレイ素子４０４に入射するＩＭＣ放射の望ましい位相を達成することが可能である。セパレータ４０８の誘電率を変化させることによって、同様の効果を達成することができ、実際、２つの効果は、互いに相補的である。
【００４１】
ここで添付の図面の図７を参照すると、３つの素子を有する線形位相アレイアンテナ７００の代替実施形態が示されている。これは、中央アレイ素子７０２、２つの周辺アレイ素子７０４、７０６、および中央アレイ素子７０２とそれぞれの周辺アレイ素子７０４、７０６との間に挿入された誘電体セパレータ７０８、７１０を備える。
【００４２】
ここで図８を参照すると、これは、誘電体セパレータが存在しない状態で、位相アレイアンテナ素子のそれぞれについて、磁場ベクトル（Ｈ）の面における埋込み放射パターンを示す。２つの周辺アレイ素子７０４、７０６に関する放射パターン（プロット８０２、８０４）は、θ＝０°を中心とする最大値を有さない。中央アレイ素子７０２は、最大値がθ＝０°を中心とする放射パターン（プロット８０６）を提示する。２つの周辺アレイ素子７０４、７０６は、θ＝０°に関して非対称な放射パターン（プロット８０２、８０４）を有する。最左素子７０４のみが動作している場合、最左素子７０４と中央素子７０２との間、および最左素子７０４と最右素子７０６との間のＩＭＣは、最左素子からの通常の放射場と干渉する。これは、非対称埋込み放射パターン（プロット８０２）となる。同様の議論が、それぞれ最右７０６および中央アレイ素子７０２の埋込み放射パターン（プロット８０４、８０６）の生成に当てはまる。アレイが中央素子７０２に関して対称であることは、この素子の結果的な非対称でない埋込み放射パターン（プロット８０６）が、最右アレイ素子７０６および最左アレイ素子７０４の両方からの等しい効果および反対の効果から得られることを意味する。
【００４３】
２つの周辺アレイ素子７０４、７０６が中央アレイ素子７０２に関して対称に配置されていない場合、中央アレイ素子７０２に関する周辺アレイ素子７０４、７０６のそれぞれのＩＭＣ効果が不均等であることにより、やはりθ＝０°に関して非対称になっている中央アレイ素子７０２の埋込み放射パターン（プロット８０６）が得られる可能性があることが理解されるであろう。また、周辺アレイ素子７０４、７０６の埋込み放射パターン（プロット８０２、８０４）間の対称性が低減されることになる。
【００４４】
ここで図９を参照する。これは、図７に対応するアレイ素子の埋込み放射パターン（プロット９０２〜９０６）を示すが、中央アレイ素子７０２とそれぞれの周辺アレイ素子７０４、７０６との間に挿入された誘電体セパレータを含む。この例では、誘電体セパレータは、５ｍｍの幅およびεｒ＝９．３の誘電率を有する。２つの周辺アレイ素子７０４、７０６の埋込み放射パターン（プロット９０２、９０４）の非対称さが、明らかである。周辺アレイ素子７０４、７０６の埋込み放射パターン（プロット９０２、９０４）が対称であるという対称性のために、中央アレイ素子７０２の埋込み放射パターン（プロット９０６）は、ゆがんでいる（ｄｉｓｔｏｒｔｅｄ）が、θ＝０°に関して非対称になってはいない。２つの周辺素子７０４、７０６の埋込み放射パターン（プロット９０２、９０４）は、ＰＡＡの物理的なレイアウトが依然として同じである場合でも、実際、図８に示された場合と比較して、θ＝０°の上で交差している。
【００４５】
ここで図１０を参照すると、埋込み放射パターン（プロット１００２〜１００６）が、図９に関して議論されたのと同様の構成について示されるが、誘電体セパレータが、εｒ＝４．０の誘電率および５ｍｍの幅を有する点が異なる。周囲アレイ素子７０２、７０６の埋込み放射パターン（プロット１００４、１００２）は、ここでは、θ＝０°からずれていないことがわかる。一方、中央アレイ素子７０２の埋込み放射パターン（プロット１００６）は、依然としてゆがんでいるが、非対称になってはいない。したがって、この構成は、図８および９に関連して議論されたＩＭＣによる埋込み放射パターンのゆがみおよび非対称さを補正することがわかる。
【００４６】
これは、誘電体セパレータを使用してアレイ素子間のＩＭＣの位相成分を修正することによって、個々のアレイ素子の埋込み放射パターンを操作することができることを示す。これにより、ビーム操作精度が向上し、アレイ素子間隔、格子ローブ、および動作のＦＯＲについて設計制約が緩和されることが可能である。
【００４７】
上記の場合のすべてにおいて、方向が誘電体セパレータに平行である場ベクトル（この場合はＥベクトル）は、この例では影響を受けない。
【００４８】
２次元位相アレイアンテナの場合、各アレイ素子が、誘電体構造によって少なくとも部分的に囲まれることが可能であることが理解されるであろう。これは、所与のアレイ素子と、アレイの２つ以上の等価でない隣接アレイ素子との相互結合を補償するために、誘電体構造の各面の厚さ、プロファイル、および／または比誘電率を変更する能力をアンテナの設計者に与える。
【００４９】
ここで図１１ａを参照すると、位相アレイアンテナ１１００が、アレイ素子１１０２ａ〜ｎの２次元アレイ１１０１、および誘電体セパレータ１１０４を備える。通常はアンテナ１１００の中心に向かうアレイ素子であるアレイ素子の一部の１１０２ａ〜ｂが、セパレータ１１０４によって完全に囲まれる。アレイの素子の他の一部である１１０２ｃ〜ｆが、セパレータ１１０４によって部分的に囲まれ、これらのアレイ素子１１０２ｃ〜ｆは、通常、アレイ１１０２の縁とそのアレイ１１０２の中心との間にある。アレイ１１０１の縁に隣接するアレイ素子１１０２ｇ〜ｎは、通常、その間に離散した平面のまたは精確なセパレータ１１０４を有する。
【００５０】
セパレータ１１０４のそのような構成の効果により、隣接非等価アレイ素子１１０２ａ〜ｎ間における相互結合の低減を最適化するために、アレイ１１０１の設計者が、セパレータ１１０４の一部の幅および誘電率を変更することによって、セパレータ１１０４を「調整」することが可能になる。これは、レーダ、ナビゲーション、および宇宙空間の応用分野に使用されるアンテナなど、高品質アンテナに特に有用である。
【００５１】
ここで図１１ｂを参照すると、アンテナ１１１０が、環状セパレータ１１１４ａ〜ｃによって分離されたアレイ素子１１１２ａ〜ｃを備える。環状セパレータ１１１４ａ〜ｃを使用することにより、ＨおよびＥ場の両方のＩＭＣ効果が抑制されるが、その理由は、セパレータ１１１４ａ〜ｃが、ＩＭＣが主要Ｈベクトル面およびＥベクトル面の両方において著しいＨ場およびＥ場の位置合わせ方向を張るからである。
【００５２】
ここで図１１ｃを参照すると、アンテナ１１２０が、平面壁１１２４ａ〜ｆによって単一方向において分離されるアレイ素子１１２２ａ〜ｈを備える。この構成において、セパレータは、この例ではセパレータ１１２４ａ〜ｆの方向に垂直である、単一次元においてのみ、ＩＭＣ結合の効果を低減するように作用する。
【００５３】
ここで図１１ｄを参照すると、アンテナ１１３０が、相互直交垂直壁１１３４ａ〜ｄを交差することによって分離されるアレイ素子１１３２ａ〜ｆを備える。これは、水平面および垂直面の両方においてＩＭＣの効果を低減する効果を有する。
【００５４】
代替として、アレイのアレイ素子間におけるＩＭＣを少なくとも部分的に補償するために、誘電体構造の簡単な格子を使用することができる。
【００５５】
ここで図１２を参照すると、位相アレイアンテナ１２００が、この場合は３×３平方である矩形に構成されたアレイ素子１２０２ａ〜ｉの２次元アレイ１２０１、および隣接アレイ素子１２０２ａ〜ｉ間の複数の水平および垂直に位置合わせされた誘電体セパレータ１２０４を備える。セパレータ１２０４は、この実施形態では離散平滑平坦壁の形態を取るが、任意の好都合で適切な形状または構成とすることが可能であることが理解されるであろう。
【００５６】
通常、この構成は、各アレイ素子１２０２ａ〜ｉを最適化するために完全な設計演習をすることを必要とせずに、隣接アレイ素子１２０２ａ〜ｉ間の相互結合を部分消去することを見込む。これは、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）の応用分野において使用されるアンテナなど、低コスト大量生産アンテナにおいて特に有用である。
【００５７】
すべての場合において、あらゆる誘電体セパレータは、任意の形状または形態および任意の誘電率とすることができることが理解されるであろう。また、これらの誘電体セパレータをアレイ素子間に組み付ける目的は、アレイ素子間におけるＩＭＣの位相成分を操作する方法をアンテナ設計者に提供することであることが理解されるであろう。これは、そのアレイの埋込み放射パターンを調節するように行われる。
【００５８】
以上に記述された位相アレイアンテナは、具体的には宇宙空間応用分野におけるナビゲーションシステムや、たとえばＧＳＭ、ＧＰＲＳ、ＵＴＭＳ、および衛星データリンクである、無線ローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）、可動電話ベース局などのレーダおよび通信システムを含めて、広範な応用分野を有することが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】位相アレイアンテナ（ＰＡＡ）を使用して複数の出力球面波面から生成される平面波面を示す図である。
【図２】主面のボアサイト（θ＝０°）に向けられたＰＡＡの和ビーム強度および差ビーム強度のプロットを示す図である。
【図３】主面のボアサイトから３０°（θ＝３０°）に向けられたＰＡＡの和ビーム強度および差ビーム強度のプロットを示す図である。
【図４】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの第１実施形態の概略的透視図である。
【図５ａ】図４のＰＡＡの概略的側面図である。
【図５ｂ】放射場の放射ＨベクトルおよびＥベクトルの位置合わせを示す、図４および５のＰＡＡの概略的部分平面図である。
【図６】図４および５のＰＡＡの誘電体セパレータを通る放射場の伝播の概略図である。
【図７】本発明によるＰＡＡの第２代替実施形態の概略的側面図である。
【図８】誘電体セパレータのない図７のＰＡＡのアレイ素子のそれぞれについて、Ｈベクトル方向における埋込み放射パターンのプロットを示す図である。
【図９】εｒ＝９．３の誘電体セパレータを有する、図６のＰＡＡのアレイ素子のそれぞれについて、Ｈベクトル方向における埋込み放射パターンのプロットを示す図である。
【図１０】εｒ＝４．０の誘電体セパレータを有する、図６のＰＡＡのアレイ素子のそれぞれについて、Ｈベクトル方向における埋込み放射パターンのプロットを示す図である。
【図１１ａ】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの可能な２次元アレイの実施形態の概略図である。
【図１１ｂ】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの可能な２次元アレイの実施形態の概略図である。
【図１１ｃ】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの可能な２次元アレイの実施形態の概略図である。
【図１１ｄ】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの可能な２次元アレイの実施形態の概略図である。
【図１２】本発明の少なくとも１つの態様による、ＰＡＡの２次元アレイの第２実施形態の概略図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１アレイ素子および第２アレイ素子、ならびに誘電体セパレータを備える位相アレイアンテナであって、誘電体セパレータが、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間のＩＭＣ信号の経路内において、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間に挿入されるアンテナ。
【請求項２】
誘電体セパレータが、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の相互結合効果を低減するように決定される誘電率、プロファイル、および／または幅の組合わせを有する請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
誘電体セパレータが、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の電気経路長を増大または低減するように構成される請求項１または２のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項４】
誘電体セパレータが、第１アレイ素子および第２アレイ素子の埋込み放射パターンに影響を与えるように、ＩＭＣ信号の位相成分を制御するように構成される請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項５】
誘電体セパレータが、以下の平滑平坦壁、環状壁、複数の平滑平坦壁の連接、環状壁、複数の環状壁の連接のいずれか１つまたは組合わせである請求項１から４のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項６】
誘電体セパレータが、３と１２との間の誘電率を有する請求項１から５のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項７】
アレイが、２次元アレイ、アレイ素子の線形アレイ、またはアレイ素子の共形アレイを備える請求項１から６のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項８】
すべてのアレイ素子が、ほぼ単一平面にある請求項７に記載のアンテナ。
【請求項９】
第１アレイ素子および第２アレイ素子の少なくとも一方が、誘電体セパレータによって完全に囲まれる請求項７または８のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１０】
誘電体セパレータの異なる部分が、異なる厚さおよび／または比誘電率を有する請求項９に記載のアンテナ。
【請求項１１】
アンテナが、２次元アレイのアレイ素子間に挿入された誘電体セパレータの格子をさらに備える請求項７に記載のアンテナ。
【請求項１２】
アレイ素子が、格子に構成される請求項７から１１のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１３】
各アレイ素子が、それぞれの誘電体セパレータによって少なくとも１つの隣接アレイ素子から分離される請求項１２に記載のアンテナ。
【請求項１４】
それぞれの誘電体セパレータが、離散しており、または誘電体のより大きな連続格子の一部として形成され、アレイ素子が、格子の領域によって制約された空間に配置される請求項１３に記載のアンテナ。
【請求項１５】
第１検出器／エミッタ素子から間隔をおいて配置される第１アレイ素子および第２アレイ素子が、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の電磁経路に誘電体セパレータを挿入することを備えるＩＭＣ効果を低減する方法。
【請求項１６】
誘電体セパレータを使用することによって、ＩＭＣ信号の位相成分を制御することを備える請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
位相アレイアンテナの性能を向上させる方法であって、
ｉ）第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の相互結合の程度を決定するステップと、
ｉｉ）前記相互結合の効果を最小限に抑えるように、誘電体セパレータの幅、プロファイル、および誘電率のうちの少なくとも２つの組合わせを最適化するステップと、
ｉｉｉ）ステップ（ｉｉ）において最適化されたのとほぼ同様の幅、プロファイル、および／または誘電率を有する誘電体セパレータを生成するステップと、
ｉｖ）第１アレイ素子と第２アレイ素子との間に誘電体セパレータを挿入するステップとを含む方法。
【請求項１８】
誘電体セパレータを使用することによって、ＩＭＣ信号の位相成分を制御することを備える請求項１７に記載の方法。
【請求項１】
第１アレイ素子および第２アレイ素子、ならびに誘電体セパレータを備える位相アレイアンテナであって、誘電体セパレータが、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間のＩＭＣ信号の経路内において、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間に挿入されるアンテナ。
【請求項２】
誘電体セパレータが、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の相互結合効果を低減するように決定される誘電率、プロファイル、および／または幅の組合わせを有する請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
誘電体セパレータが、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の電気経路長を増大または低減するように構成される請求項１または２のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項４】
誘電体セパレータが、第１アレイ素子および第２アレイ素子の埋込み放射パターンに影響を与えるように、ＩＭＣ信号の位相成分を制御するように構成される請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項５】
誘電体セパレータが、以下の平滑平坦壁、環状壁、複数の平滑平坦壁の連接、環状壁、複数の環状壁の連接のいずれか１つまたは組合わせである請求項１から４のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項６】
誘電体セパレータが、３と１２との間の誘電率を有する請求項１から５のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項７】
アレイが、２次元アレイ、アレイ素子の線形アレイ、またはアレイ素子の共形アレイを備える請求項１から６のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項８】
すべてのアレイ素子が、ほぼ単一平面にある請求項７に記載のアンテナ。
【請求項９】
第１アレイ素子および第２アレイ素子の少なくとも一方が、誘電体セパレータによって完全に囲まれる請求項７または８のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１０】
誘電体セパレータの異なる部分が、異なる厚さおよび／または比誘電率を有する請求項９に記載のアンテナ。
【請求項１１】
アンテナが、２次元アレイのアレイ素子間に挿入された誘電体セパレータの格子をさらに備える請求項７に記載のアンテナ。
【請求項１２】
アレイ素子が、格子に構成される請求項７から１１のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１３】
各アレイ素子が、それぞれの誘電体セパレータによって少なくとも１つの隣接アレイ素子から分離される請求項１２に記載のアンテナ。
【請求項１４】
それぞれの誘電体セパレータが、離散しており、または誘電体のより大きな連続格子の一部として形成され、アレイ素子が、格子の領域によって制約された空間に配置される請求項１３に記載のアンテナ。
【請求項１５】
第１検出器／エミッタ素子から間隔をおいて配置される第１アレイ素子および第２アレイ素子が、第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の電磁経路に誘電体セパレータを挿入することを備えるＩＭＣ効果を低減する方法。
【請求項１６】
誘電体セパレータを使用することによって、ＩＭＣ信号の位相成分を制御することを備える請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
位相アレイアンテナの性能を向上させる方法であって、
ｉ）第１アレイ素子と第２アレイ素子との間の相互結合の程度を決定するステップと、
ｉｉ）前記相互結合の効果を最小限に抑えるように、誘電体セパレータの幅、プロファイル、および誘電率のうちの少なくとも２つの組合わせを最適化するステップと、
ｉｉｉ）ステップ（ｉｉ）において最適化されたのとほぼ同様の幅、プロファイル、および／または誘電率を有する誘電体セパレータを生成するステップと、
ｉｖ）第１アレイ素子と第２アレイ素子との間に誘電体セパレータを挿入するステップとを含む方法。
【請求項１８】
誘電体セパレータを使用することによって、ＩＭＣ信号の位相成分を制御することを備える請求項１７に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１１ｃ】
【図１１ｄ】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１ａ】
【図１１ｂ】
【図１１ｃ】
【図１１ｄ】
【図１２】
【公表番号】特表２００６−５１７０７３（Ｐ２００６−５１７０７３Ａ）
【公表日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５０２２１６（Ｐ２００６−５０２２１６）
【出願日】平成１６年１月２９日（２００４．１．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００４／０００３６８
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０６８６３３
【国際公開日】平成１６年８月１２日（２００４．８．１２）
【出願人】（５０１３５２８８２）キネテイツク・リミテツド (93)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１月２９日（２００４．１．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００４／０００３６８
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０６８６３３
【国際公開日】平成１６年８月１２日（２００４．８．１２）
【出願人】（５０１３５２８８２）キネテイツク・リミテツド (93)
【Ｆターム（参考）】
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