広帯域フェーズドアレイ放射器
放射器素子は、遷移セクション及び給電表面をそれぞれ有する一対の基板を含み、基板はそれぞれ、互いに離間する。放射器素子は、一対の遷移セクションの対応する一方の１つの遷移セクションの給電表面に近接して配設され、且つ、電磁的に結合する一対の無線周波数（ＲＦ）給電線を有する平衡対称フィードをさらに含み、一対の無線周波数給電線は、遷移セクションに近接して信号ヌル点を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には通信及びレーダアンテナに関し、より詳細には、ノッチ放射器素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
制限されたアパーチャ（開口）空間を有する、通信システム、レーダ、方向検出(direction finding)、及び他の広帯域多機能システムでは、無線周波数送信機及び受信機を、広帯域放射器素子のアレイを有するアンテナに効率的に結合させることが望ましいことが多い。
【０００３】
従来の知られている広帯域フェーズドアレイ放射器は、一般に、対角スキャン（走査）平面(diagonal scan plane)における大きなスキャン角度においてかなりの偏波劣化を受ける。この制限は、偏波重み付けネットワークが、単一偏波に重い重みをつけるように強制することができる。この重み付けによって、重み付けされない偏波信号が、送信信号の実効等方放射電力（ＥＩＲＰ）をアンテナのほとんどに供給しなければならないため、送信アレイはアンテナ放射効率が低くなることになる。
【０００４】
従来の広帯域フェーズドアレイ放射器は、一般に、単純であるが非対称のフィード（給電）又は同様な機構を使用する。従来の広帯域放射器は、高次伝搬モードの比較的大きなセットをサポートすることが可能であるため、給電領域は、これらの高次伝搬モード信号のための発射装置の役目を果たす。フィードは、実質的に、モード選択器又はフィルタである。フィードが、発射されるフィールド（場／界）の向きの非対称性を組み込むか、又は、給電領域の物理的対称性を組み込む時、高次モードが励起される。これらのモードは、その後、開口に伝搬される。高次モードは、放射器性能における問題を引き起こす。高次モードは異なる位相速度で伝搬するため、開口におけるフィールドは、複数の励起モードの重ね合わせである。結果として、ユニットセルのフィールドにおいて、均一なマグニチュード及び位相からの急激な偏移が起こる。基本モードの開口励起は、比較的単純であり、通常、Ｅ平面に余弦分布を、また、Ｈ平面に均一フィールドを有するＴＥ０１モードから生じる。基本モードからのかなりの偏移は、励起された高次モードから生じ、高次モードは、放射素子の共振及びスキャンブラインドネスの原因となる。非対称に給電される広帯域放射器における高次モード伝搬の存在によって生じる別の作用は、交差偏波(cross-polarization)である。特に対角平面において、高次モードの多くは、交差偏波フィールドを励起する非対称性を含む。交差偏波フィールドは、さらに、アンテナの偏波重み付けネットワークにおける不平衡重み付けの原因となり、不平衡重み付けは、アレイ送信電力効率の低下の原因となる可能性がある。
【０００５】
複数の用途に対して必要とされる開口数を減少させた、通信、レーダ、及び電子戦システム用のフェーズドアレイアンテナで使用する広帯域放射素子に対する必要性が存在する。これらの用途では、３：１の最小帯域幅が必要とされるが、１０：１以上の帯域幅が望ましい。放射素子は、用途及び必要とされる放射ビーム数に応じて、垂直及び／又は水平の線形偏波、右旋及び／又は左旋の円偏波、又は、それぞれの合成を送受信することが可能でなければならない。放射器の外形、重量、及びコストを低減するために、放射器の占有面積が、できる限り小さく、アレイのユニットセル内に嵌合することが望ましい。
【０００６】
広帯域放射器を提供しようとする従来の試みは、放射パターン位相中心を同じ位置に配置する（一致させる）ことなく、大きな放射器及びフィード構造を使用してきた。従来の放射器はまた、通常、対角平面における交差偏波分離特性が比較的低い。これらの問題を解決しようとする試みにおいて、フルサイズノッチ放射器の典型的なサイズのほぼ半分の形状を有する従来のクワッド（４）ノッチタイプ放射器（０．４λＬに対して０．２λＬ、ここで、λＬは低周波数についての波長である）は、ユニットセル内に４つの別個の放射器を含むようになされてきた。この機構は、各ユニットセルについて、位相中心を実質上、ごく近接して配置することを可能にするが、複雑なフィード構造を必要とする。典型的な４ノッチ放射器は、それぞれの偏波に使用される一対の放射器を組み合わせるために、ユニットセルとフィードネットワークの別のセットとを加えたものの中に、４つの放射器のそれぞれに別個のフィード／バランを必要とする。従来作製されたノッチ放射器は、放射素子のＲＦ信号の入出力のためのスロットラインに給電するマイクロストリップ又はストリップライン回路を使用した。残念ながら、これらの従来タイプのフィード構造は、複数の信号伝搬モードが、各ユニットセルエリア内で生成されることを可能にし、特に対角平面における交差偏波分離レベルの低下を引き起こす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、高い偏波純度及び低い不整合損失を有する広帯域フェーズドアレイ放射器を提供することが望ましいであろう。外形が小さく、且つ、広い帯域幅を有する放射器素子を提供することがさらに望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、放射器素子は、遷移（移行）セクション及び給電表面をそれぞれ有する一対の基板を含み、基板はそれぞれ、互いに離間する。放射器素子は、対応する一対の遷移セクションの一方の遷移セクションの給電表面に近接して配設され、且つ、電磁的に結合する一対の無線周波数（ＲＦ）給電線を有する平衡対称フィード（給電）をさらに含み、一対の無線周波数給電線は、遷移セクションに近接して信号ヌル点を形成する。
【０００９】
このような構成によって、広帯域フェーズドアレイ放射器は、高い偏波純度及び低い不整合損失を実現する。放射器素子のアレイは、軽量で、低コスト製造による、６０°を超える円錐スキャン容積と１０：１広帯域性能帯域幅を有する、偏波純度が高く損失の低いフェーズドアレイアンテナを提供する。
【００１０】
本発明のさらなる態様によれば、平衡対称フィードは、キャビティ（空胴）を形成する複数の側壁を有するハウジングをさらに含む。一対の給電線はそれぞれ、一対の対向する側壁上に配設され、マイクロストリップ伝送線路を含む。このような構成によって、平衡対称放射器フィードは、２重直交給電式放射器のために、比較的良好な交差偏波分離を有する比較的よく整合した広帯域放射信号を生成する。平衡対称フィードは、物理的に対称でもあり、対称横電界モード（ＴＥＭ）フィールドも供給される。フィードの重要な特徴は、フレアノッチ幾何形状のためのカットオフ未満の導波管終端、対称２重偏波ＴＥＭフィールド給電領域、及び対称フィールドを生成する広帯域バランである。
【００１１】
さらなる実施の形態では、４つのフィンのセットは、各ユニットセル用の基板を提供し、中心フィードを中心に対称である。この機構は、アレイ開口によって送受信される任意の偏波について、位相中心が変化しないように、放射パターン位相中心をごく近接して配置する（一致させる）ことを可能にする。
【００１２】
本発明のさらなる態様によれば、放射器素子は、約０．２５λＬ未満の高さを有する基板を含み、λＬは、動作波長範囲の下端の波長を表す。このような構成によって、放射器素子用の電気的に短い交差ノッチ放射フィンは、開いた空胴の上で隆起した平衡対称フィードネットワークと組み合わされることにより、広帯域動作及び低い外形を提供する。交差ノッチ放射フィンに給電する平衡対称フィードネットワークは、放射パターン位相中心をごく近接して配置する（一致させる）ことを可能にし、同時２重線形偏波出力は、受信又は送信時に複数の偏波モードを提供する。電気的に短い交差ノッチ放射フィンは、主要な、中間方位平面及び対角平面における低交差偏波を可能にし、短いフィンは、低い外形を有する、リアクティブ結合したアンテナを形成する。
【００１３】
本発明の先の特徴、並びに、本発明自体を、図面の以下の説明からより完全に理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のアンテナシステムについて説明する前に、本明細書において、特定のアレイ形状（たとえば、平面アレイ）を有するアレイアンテナに言及する場合があることを留意すべきである。本明細書で述べる技法が、種々のサイズ及び形状のアレイアンテナに適用可能であることを、当業者は、もちろん理解するであろう。そのため、以下の本明細書における説明は、矩形アレイアンテナにおける発明の概念を述べることに留意すべきであり、その概念は、任意の形状の平面アレイアンテナ、並びに、円柱、円錐、球、及び任意の形状のコンフォーマルアレイアンテナを含む他のサイズ及び形状のアレイアンテナに同様に適用可能であるが、それらに限定されないことを当業者は理解すべきである。
【００１５】
本明細書において、特定のサイズ及び形状の放射素子を含むアレイアンテナに言及することがある。たとえば、１つのタイプの放射素子は、テーパ付き形状及び特定の周波数範囲（たとえば、２〜１８ＧＨｚ）にわたる動作に適合するサイズを有する、いわゆる、ノッチ素子である。他の形状のアンテナ素子が使用可能であること、及び、１つ又は複数の放射素子のサイズは、ＲＦ周波数範囲内の任意の周波数範囲（たとえば、１ＧＨｚ未満から５０ＧＨｚを超える範囲の任意の周波数）にわたる動作のために選択可能であることを、当業者は、もちろん認識するであろう。
【００１６】
同様に、本明細書において、特定の形状又はビーム幅を有するアンテナビームの生成に言及することがある。他の形状及び幅を有するアンテナビームも使用可能であり、また、振幅及び位相調整回路のアンテナフィード（給電）回路の適切な位置への組み入れによるなど、知られている技法を使用して提供可能であることを、当業者は、もちろん理解するであろう。
【００１７】
ここで図１を参照すると、本発明による例示的な広帯域アンテナ１０は、キャビティ（空胴）板１２及び全体を１４で示すノッチアンテナ素子のアレイを含む。ノッチアンテナ素子１４はそれぞれ、空胴板１２上に配設された、いわゆる、「ユニットセル」から提供される。換言すると、各ユニットセルはノッチアンテナ素子１４を形成する。明確にするために、ノッチアンテナ素子１４（又はユニットセル１４）の２×１６の線形アレイに対応するアンテナ１０の一部のみが、図１に示されることを理解すべきである。
【００１８】
ユニットセル１４のそれぞれの代表としてユニットセル１４ａを考えると、ユニットセル１４ａは、４つのフィン状部材１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂから提供され、フィン状部材はそれぞれ、見やすいように、図１で陰影がつけられる。フィン状部材１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂは、空胴板１２内の空胴（図１では見えない）の上のフィード構造１９上に配設され、ノッチアンテナ素子１４ａを形成する。フィード構造１９は、図４及び図４Ａに関連して以下で述べられるであろう。しかしながら、種々の異なるタイプのフィード構造を使用することができ、いくつかの可能なフィード構造が、図２〜図４Ａに関連して以下に述べることを理解すべきである。
【００１９】
図１から理解できるように、部材１６ａ、１６ｂは、第１軸２０に沿って配設され、部材１８ａ、１８ｂは、第１軸２０に直交する第２軸２１に沿って配設される。そのため、部材１６ａ、１６ｂは、部材１８ａ、１８ｂにほぼ直交する。
【００２０】
各ユニットセル内で、部材１６ａ、１６ｂを部材１８ａ、１８ｂに直交して配設することによって、各ユニットセルは、直交方向の電界偏波に応答する。すなわち、１つのセットの部材（たとえば、１６ａ、１６ｂ）を１つの偏波方向に配設し、第２のセットの部材（たとえば、１８ａ、１８ｂ）を直交偏波方向に配設することによって、任意の偏波を有する信号に応答するアンテナが提供される。
【００２１】
この特定の例では、ユニットセル１４は、本明細書では矩形グリッドパターンに対応する規則的なパターンで配設される。ユニットセル１４は、全てが、規則的なパターンで配設される必要がないことを、当業者は、もちろん理解するであろう。一部の用途では、それぞれの個々のユニットセルの直交素子１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂは、全てのユニットセル１４の間で整列するわけではないようにユニットセル１４を配設することが望ましいか、又は、必要である場合がある。そのため、ユニットセル１４の矩形格子として示されるが、アンテナ１０は、四角形又は三角形格子のユニットセル１４を含むが、それに限定されないこと、及び、ユニットセルがそれぞれ、格子パターンに対して異なる角度で回転することができることを、当業者には理解されるであろう。
【００２２】
一実施形態では、製造プロセスを容易にするために、フィン状部材１６ａ及び１６ｂの少なくとも一部は、部材２２で示す「背中合わせ式(back-to-back：バックツーバック)」フィン状部材として製造することができる。同様に、フィン状部材１８ａ及び１８ｂもまた、部材２３で示す「バックツーバック」フィン状部材として製造することができる。そのため、ユニットセル１４ｋ及び１４ｋ’に見られるように、バックツーバック式フィン状部材の各半分は、２つの異なるノッチ素子の部分を形成する。
【００２３】
複数のフィン１６ａ及び１６ｂ（全体をフィン１６と呼ぶ）は、第１グリッドパターンを形成し、複数のフィン１８ａ及び１８ｂ（全体をフィン１８と呼ぶ）は、第２グリッドパターンを形成する。上述したように、図１の実施形態では、フィン１６のそれぞれの向きは、フィン１８のそれぞれの向きにほぼ直交する。
【００２４】
各放射器素子１４のフィン１６ａ、１６ｂ、及びフィン１８ａ、１８ｂは、テーパー付きスロット（tapered slot：テーパースロット）を形成し、（以下の図２〜図４Ａに関連して詳細に述べる）平衡対称フィード回路によって給電されると、テーパースロットから、各ユニットセル１４に対してＲＦ信号が発射される。
【００２５】
対称バックツーバック式フィン状部材１６、１８及び平衡フィードを利用することによって、各ユニットセル１４は対称である。各偏波についての位相中心は、各ユニットセル内で同心状となる。このことによって、アンテナ１０が、対称アンテナとして提供されることが可能になる。
【００２６】
これは、各偏波についての位相中心がわずかに偏移する従来技術のノッチアンテナと対照的である。
本明細書において、信号を送信するアンテナ１０に言及することに留意すべきである。しかしながら、アンテナ１０は、同様に信号を受信するように適応可能であることを当業者は理解するであろう。従来のアンテナと同様に、種々の信号間の位相関係は、アンテナが使用されるシステムによって維持される。
【００２７】
一実施形態では、フィン１６、１８は、導電性材料から提供される。一実施形態では、フィン１６、１８は、固体材料から提供される。一部の実施形態では、複数のめっき金属フィンを設けるために、金属をめっきすることができる。代替の実施形態では、フィン１６、１８は、導電性材料を上に配設されている非導電性材料から提供される。そのため、フィン構造１６、１８は、プラスチック材料か、金属化層が上に配設されている誘電体材料のいずれかから提供されることができる。
【００２８】
動作時、ＲＦ信号は、平行対称フィード１９によって各ユニットセル１４に供給される。ＲＦ信号は、ユニットセル１４から放射され、ビームを形成し、ビームのボアサイトは、空胴板１２から離れる方向に空胴板１２に直交する。一対のフィン１６、１８は、２つの半分がダイポールを構成するものと考えることができる。そのため、各基板に供給される信号は、通常、１８０°位相がずれる。アンテナ１０からの放射信号は、高いレベルの偏波純度を示し、アンテナ利得の理論的限界に近づくより大きな信号電力レベルを有する。
【００２９】
一実施形態では、フィン１６ａ、１６ｂによって形成されるテーパースロットの各遷移セクションのノッチ素子テーパは、表１に示す２次元平面における一連の点として記述される。
【００３０】
【表１】
【００３１】
フィン状素子１６、１８のサイズ及び形状（又は、逆に、フィン状素子１６、１８によって形成されるスロットのサイズ）は、所望の動作周波数範囲を含む種々の因子に従って選択することができるが、それに限定されない。しかしながら、一般に、比較的短く、開度レート(opening rate)が比較的速いフィン状部材は、比較的長いフィン状部材から提供される交差偏波分離の程度と比較して、比較的広いスキャン角度において程度の高い交差偏波分離を提供する。しかしながら、フィン状部材が短か過ぎる場合、低周波数Ｈ平面性能が低下する可能性があることを理解すべきである。
【００３２】
同様に、比較的長いフィン状素子（任意の開度レートを有する）によって、ＶＳＷＲリップル及び比較的低い交差偏波性能を有するアンテナ特性がもたらされる可能性がある。
アンテナ１０はまた、素子１４の上に配設された整合シート３０を含む。図１において、整合シート３０の部分は、素子１４を見えるように取り除かれた。実際に、整合シート３０は、全ての素子１４の上に配設され、アンテナ１０と一体にされることになる。
【００３３】
整合シート３０は、第１表面３０ａ及び第２表面３０ｂを有し、表面３０ｂは、好ましくは、フィン状素子１６、１８と必ずしも接しないが、フィン状素子１６、１８に接近して配設される。構造上の観点から、整合シート３０をフィン状部材に物理的に接するようにさせることが好ましい場合がある。そのため、所望のアンテナ性能特性を提供するために、又は、所望の構造的特性を有するアンテナを提供するために選択される設計パラメータとして、フィン状部材からの第２表面３０ｂの的確な間隔を使用することができる。
【００３４】
所望の電気特性を有するアンテナ１０を提供するために、整合シートの厚み、比誘電率、及び損失特性を選択することができる。一実施形態では、整合シート３０は、約５０ミルの厚みを有する市販のＰＰＦＴ（すなわち、テフロン）シートとして提供される。
【００３５】
本明細書では、整合シート３０は、単一層構造として示されるが、代替の実施形態では、整合シート３０を複数層構造として提供することが望ましい場合がある。構造的理由又は電気的理由で、複数層を使用することが望ましい場合がある。たとえば、比較的剛性の或る層を、構造的支持のために付加することができる。又は、特定の電気インピーダンス特性を有する整合シート３０を提供するために、異なる比誘電率を有する層を組み合わせることができる。
【００３６】
１つの用途では、整合シート３０を一体化したレドーム／整合構造３０として提供するために複数層を利用することが望ましい場合がある。
そのため、フィンを短く作成することは、アンテナの交差偏波分離特性が改善されることを理解すべきである。レドーム又は広角整合（wide angle matching)（ＷＡＩＭ）シート（たとえば、整合シート３０）を使用することは、さらに短いフィンの使用を可能にし、それによって、レドーム／整合シートが、フィンが電気的に長くなるようにさせるため、交差偏波分離がさらに改善される。
【００３７】
ここで図２を参照すると、図１のフィン状部材１６ａ、１６ｂによって形成される放射器素子と同様である放射器素子１００は、本発明によるアンテナアレイを形成する複数の放射器素子１００のうちの１つである。ユニットセル１４（図１）と同様のユニットセルの半分を形成する放射器素子１００は、それぞれ、別個のフィン１０２ｂ及び１０２ｃによって提供される一対の基板１０４ｃ及び１０４ｄ（全体が基板１０４と呼ばれる）を含む。基板１０４ｃ、１０４ｄは、図１のフィン状部材１６ａ、１６ｂ（又は、１８ａ、１８ｂ）に対応し、一方、フィン１０２ａ、１０２ｂは、図１に関連して先に説明したバックツーバック式フィン状素子に対応することを留意すべきである。フィン１０２ｂ及び１０２ｃは、空胴板１２（図１）上に配設される。フィン１０２ｂはまた、フィン１０２ａの基板１０４ａと共に別の放射器素子を形成する基板１０４ｂを含む。各基板１０４ｃ及び１０４ｄは、それぞれ、給電表面１０６ｃ及び１０６ｄ並びに遷移セクション１０５ｃ及び１０５ｄ（全体が遷移セクション１０５と呼ばれる）を含む平面フィードを有する。放射器素子１００は、遷移セクション１０５に電磁的に結合する平衡対称フィード回路１０８（平衡対称フィード１０８とも呼ばれる）をさらに含む。
【００３８】
平衡対称フィード１０８は、空胴１１６を有する誘電体１１０を含み、誘電体は、内部表面１１８ａ及び外部表面１１８ｂを有する。金属化層１１４ｃは内部表面１１８ａ上に配設され、金属化層１２０ｃは外部表面１１８ｂ上に配設される。同様の方法で、金属化層１１４ｄは内部表面１１８ａ上に配設され、金属化層１２０ｄは外部表面１１８ｂ上に配設される。金属化層１１４ｃ（給電線又はＲＦ給電線１１４ｃとも呼ばれる）と金属化層１２０ｃ（グラウンドプレーン１２０ｃとも呼ばれる）は、マイクロストリップ回路要素(circuitry)１４０ａとして相互作用し、グラウンドプレーン（接地面）１２０ｃは、グラウンド回路要素を提供し、給電線１１４ｃは、マイクロストリップ回路要素１４０ａ用の信号回路要素を提供することが、当業者によって理解されるべきである。さらに、金属化層１１４ｄ（給電線又はＲＦ給電線１１４ｄとも呼ばれる）と金属化層１２０ｄ（グラウンドプレーン１２０ｄとも呼ばれる）は、マイクロストリップ回路要素１４０ｂとして相互作用し、グラウンドプレーン１２０ｄは、グラウンド回路要素を提供し、給電線１１４ｄは、マイクロストリップ回路要素１４０ｂ用の信号回路要素を提供する。
【００３９】
平衡対称フィード１０８は、ＲＦ信号線１３８及び第１ＲＦ信号出力線１３２及び第２ＲＦ信号出力線１３４を有する平衡−不平衡（バラン）フィード１３６をさらに含む。第１ＲＦ信号出力線１３２は給電線１１４ｃに結合し、第２ＲＦ信号出力線１３４は給電線１１４ｄに結合する。ユニットセル１４と同様のユニットセルについて、２つの１８０°バラン１３６が必要とされることを理解すべきであり、１つのバランが、各偏波のために放射器素子に給電する。明確にするために、１つのバラン１３６のみが示される。バラン１３６は、放射器素子１００の適切な動作のために必要とされ、比較的良好な分離を持って、出力ポートにおいて同時２重偏波信号を提供する。バラン１３６は、電力ハンドリング及びミッション要件に応じて、平衡対称フィード１０８の一部として、又は、別個の部品として設けることができる。バラン１３６の第１信号出力は、給電線１１４ｃに接続され、バラン１３６の第２信号出力は、給電線１１４ｄに接続され、信号は、それぞれ、マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに沿って伝搬し、さらに以下に述べるように、１８０°位相がずれた位相関係を持って、信号ヌル点１５４において遭遇する。基板１０４ｃは給電表面１０６ｃを含み、基板１０４ｄは、給電表面１０６ｄを含み、給電表面１０６ｃ及び給電表面１０６ｄは、それぞれ、金属化層１２０ｃ及び１２０ｄに沿って配設されることを留意すべきである。
【００４０】
放射器素子１００は、各偏波信号が送受信されるために、放射パターン位相中心をごく近接して配置する（一致させる）ことを可能にする。放射器素子１００は、主平面及び対角平面における交差偏波分離レベルを提供することにより、走査ビームが６０°ずれることを可能にする。
【００４１】
動作時、ＲＦ信号は、本明細書では、１８０°の位相差で、バラン１３６から信号出力線１３２及び信号出力線１３４に差動的に供給される。ＲＦ信号は、それぞれ、マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに結合され、マイクロストリップ回路要素に沿って伝搬し、１８０°の位相差で信号ヌル点１５４において遭遇し、信号は、給電点において、破壊的に合成されてゼロにされる。マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに沿って伝搬するＲＦ信号は、スロット１４１に結合し、遷移セクション１０５ｃ及び１０５ｄから放射される、又は、「発射される」。これらの信号は、ビームを形成し、ビームのボアサイトは、空胴１１６から離れる方向に空胴板１２に直交する。ＲＦ信号線１３８は、サ−キュレータ（図示せず）又は送信／受信スイッチ（図示せす）を使用して、当該技術分野で既知のように、受信回路及び送信回路に結合する。
【００４２】
フィールド線１４２、１４４、１４６は、放射器素子１００のための電界幾何形状を示す。金属化層１２０ｃの周りの領域において、電界線１５０は、金属化層１２０ｃから給電線１１４ｃに延びる。金属化層１２０ｄの周りの領域において、電界線１５２は、給電線１１４ｄから金属化層１２０ｄに延びる。給電表面１０６ｃの周りの領域において、電界線１４８は、金属化層１２０ｃから給電線１１４ｃに延びる。給電表面１０６ｄの周りの領域において、電界線１４９は、給電線１１４ｄから金属化層１２０ｄに延びる。フィールド点１５４（信号ヌル点１５４とも呼ばれる）において、給電線１１４ｃ及び１１４ｄからの電界線１４８及び電界線１４９は、互いに実質的に相殺し合い、信号ヌル点１５４を形成する。給電線１１４ｃ及び１１４ｄ並びに遷移セクション１０５ｃ及び遷移セクション１０５ｄの配置構成は、不整合損失及び交差偏波を増加させる非対称モードの励起を減少させる。そのため、電界線１４２として示す発射されたＴＥＭモードは、中間電界線１４４を通してフィールド線１４６として示されるＦｌｏｑｕｅｔ（フロケ）モードに変換される。最初にＦｌｏｑｕｅｔモードを有する受信信号は、崩壊して、平衡ＴＥＭモードになる。
【００４３】
一対の基板１０４ｃ及び１０４ｄ並びに対応する遷移セクション１０５ｃ及び１０５ｄは、ダイポールを構成する２つの半分として考えることができる。そのため、給電線１１４ｃ及び１１４ｄ上の信号は、通常、位相が１８０°ずれる。同様に、ユニットセル１４（図１）と同様のユニットセルを形成する直交遷移部（図示せず）の給電線のそれぞれの上の信号は、位相が１８０°ずれる。従来のダイポールアレイと同様に、遷移セクション１０５ｃ及び１０５ｄにおける信号の相対位相は、放射器素子１００によって送信される信号の偏波を決定するであろう。
【００４４】
代替の実施形態では、それぞれ、給電表面１０６ｃ及び１０６ｄに沿う金属化層１２０ｃ及び１２０ｄは、金属化層１２０ｃが給電表面１０６ｃに交差するところで接続され、金属化層１２０ｄが給電表面１０６ｄに交差するところで接続されることによって省略することができる。この代替の実施形態では、給電表面１０６ｃ及び１０６ｄは、それぞれ、基板１０４ｃ及び１０４ｄの底面に沿って、それぞれ、マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂ用のグラウンド層を提供する。
【００４５】
別の代替の実施形態では、増幅器（図示せず）は、それぞれ、バラン１３６の信号出力線１３２及び信号出力線１３４と、伝送フィード１１４ｃ及び１１４ｄとの間で結合する。この代替の実施形態では、バラン１３６に関連する損失のほとんどは、増幅器の後である。
【００４６】
ここで図３及び図３Ａ（図２、図３、及び図３Ａの同じ要素は同じ参照名称を有するように提供される）を参照すると、放射器素子１００’（電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’とも呼ばれる）は、一対の基板１０４ｃ’及び１０４ｄ’（全体が基板１０４’と呼ばれる）を含む。基板１０４ｃ’及び１０４ｄ’は、図１のフィン状部材１６ａ、１６ｂ（又は、１８ａ、１８ｂ）に対応することを留意すべきである。各基板１０４ｃ’及び１０４ｄ’は、それぞれ、給電表面１０６ｃ’及び１０６ｄ’並びに遷移セクション１０５ｃ’及び１０５ｄ’（全体が遷移セクション１０５’と呼ばれる）を含むピラミッドフィードを有する。遷移セクション１０５’及び給電表面１０６’が、アーチを形成するノッチ付き端部１０７を含む点で、遷移セクション１０５’及び給電表面１０６’は、図２の対応する遷移セクション１０５及び給電表面１０６と異なる。給電表面１０６ｃ’及び１０６ｄ’は、同様の形状の平衡対称フィード１０８’（隆起した平衡対称フィードとも呼ばれる）と結合する。
【００４７】
遷移セクション１０５’は、空間内への改善されたインピーダンス伝達を有する。よりよいインピーダンス整合を可能にするように伝達インピーダンスに影響を与えるために、遷移セクション１０５’は任意の形状を有することができ、たとえば、ノッチ付き端部１０７によって形成されたアーチを異なった形にすることができることは、当業者には理解されるであろう。５０オームのインピーダンスフィードを自由空間に整合させるために、知られている方法を使用して、遷移セクション１０５’のテーパを調整することができる。
【００４８】
より具体的には、平衡対称フィード１０８’は、空胴１１６を有する誘電体１１０を含み、誘電体は、内部表面１１８ａ及び外部表面１１８ｂを有する。金属化層１１４ｃは内部表面１１８ａ上に配設され、金属化層１２０ｃは外部表面１１８ｂ上に配設される。同様な方法で、金属化層１１４ｄは内部表面１１８ａ上に配設され、金属化層１２０ｄは外部表面１１８ｂ上に配設される。ＲＦ給電線１１４ｃと金属化層１２０ｃ（グラウンドプレーン１２０ｃとも呼ばれる）は、マイクロストリップ回路要素１４０ａとして相互作用し、グラウンドプレーン１２０ｃは、グラウンド回路要素を提供し、給電線１１４ｃは、マイクロストリップ回路要素１４０ａ用の信号回路要素を提供することが、当業者には理解されるべきである。さらに、ＲＦ給電線１１４ｄと金属化層１２０ｄ（グラウンドプレーン１２０ｄとも呼ばれる）は、マイクロストリップ回路要素１４０ｂとして相互作用し、グラウンドプレーン１２０ｄは、グラウンド回路要素を提供し、給電線１１４ｄは、マイクロストリップ回路要素１４０ｂ用の信号回路要素を提供する。
【００４９】
平衡対称フィード１０８’は、図２のバラン１３６と同様のバラン１３６をさらに含む。バラン１３６の第１信号出力線は給電線１１４ｃに接続され、バラン１３６の第２ＲＦ信号出力線は給電線１１４ｄに接続され、信号は、それぞれ、マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに沿って伝搬し、位相が１８０°ずれる位相関係を持って、信号ヌル点１５４’において遭遇する。やはり、基板１０４ｃは給電表面１０６ｃを含み、基板１０４ｄは給電表面１０６ｄを含み、給電表面１０６ｃ及び給電表面１０６ｄは、それぞれ、金属化層１２０ｃ及び１２０ｄに沿って配設されることを留意すべきである。放射器素子１００’は、送受信される各偏波信号について、放射パターン位相中心を同じ位置に配置する（一致させる）ことを可能にする。放射器素子１００’は、主平面及び対角平面における交差偏波分離レベルを提供することにより、走査ビームが約６０°ずれることを可能にする。
【００５０】
動作時、ＲＦ信号は、本明細書では、１８０°の位相差で、バラン１３６から信号出力線１３２及び信号出力１３４に差動的に供給される。信号は、それぞれ、マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに結合され、マイクロストリップ回路要素に沿って伝搬し、１８０°の位相差で信号ヌル点１５４’において遭遇し、信号は、給電点において、破壊的（相殺的）に合成されてゼロにされる。マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに沿って伝搬するＲＦ信号は、スロット１４１に結合し、遷移セクション１０５ｃ’及び１０５ｄ’から放射、即ち、「発射される」。これらの信号は、ビームを形成し、ビームのボアサイトは、空胴１１６から離れる方向に空胴板１２に直交する。ＲＦ信号線１３８は、サ−キュレータ（図示せず）又は送信／受信スイッチ（図示せす）を使用して、当該技術分野で知られるように、受信及び送信回路に結合する。
【００５１】
フィールド線１４２、１４４、１４６は、放射器素子１００’のための電界幾何形状を示す。金属化層１２０ｃの周りの領域において、電界線１５０は、金属化層１２０ｃから給電線１１４ｃに延びる。金属化層１２０ｄの周りの領域において、電界線１５２は、給電線１１４ｄから金属化層１２０ｄに延びる。給電表面１０６ｃ’の周りの領域において、電界線１４８は、金属化層１２０ｃから給電線１１４ｃに延びる。給電表面１０６ｄ’の周りの領域において、電界線１４９は、給電線１１４ｄから金属化層１２０ｄに延びる。信号ヌル点１５４’において、ＲＦ給電線１１４ｃ及び１１４ｄからのＲＦフィールド線は、互いに実質的に相殺し合い、信号ヌル点１５４’を形成する。ＲＦ給電線１１４ｃ及び１１４ｄ並びに遷移セクション１０５ｃ’及び１０５ｄ’ の配置構成は、不整合損失及び交差偏波を増加させる非対称モードの励起を減少させる。そのため、電界線１４２として示す発射されたＴＥＭモードは、中間電界線１４４を通してフィールド線１４６として示されるＦｌｏｑｕｅｔモードに変換される。最初にＦｌｏｑｕｅｔモードを有する受信信号は、崩壊（衰弱）して、平衡ＴＥＭモードになる。
【００５２】
一実施形態では、放射器素子１００’は、０．２５λＬ未満の高さを有するフィン１０２ｂ’及び１０２ｃ’（全体がフィン１０２’と呼ばれる）を含み、λＬは、動作波長範囲の下端の波長を表す。理論的には、この短い放射器素子は、放射を停止するか、又は、性能を低下させてしまうはずであるが、より短い素子は、実際には、よりよい性能を提供することがわかった。フィン１０２ｂ’及び１０２ｃ’は、自由空間に対して、平衡対称フィード１０８’回路のインピーダンスを整合させる形状が与えられる。形状は、実験的に、又は、当該技術分野で知られている数学的技法によって決定することができる。電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’は、平衡対称フィード１０８’によって提供される開いた空胴１１６の上に配設された金属フィン１０２ｂ’及び１０２ｃ’の２つの対の部分を含む。金属フィン１０２’の各対は、金属フィン（図示せず）の他の対に直交して配設される。
【００５３】
一実施形態では、空胴１１６の壁厚は０．０３０インチである。この壁厚は、アレイ構造に十分な強度を提供し、開口内で使用される放射器フィン１０２’と同じ幅である。交差フィン１０２’のスロート(throat)部の、給電点からフィンの上部までの測定された放射器フィン１０２’の長さは、レドーム（図示せず）無しで、且つ、７〜２１ＧＨｚの周波数で動作して、０．２５０インチである。長さは、レドーム／整合構造（たとえば、図１の整合シート３０）がある状態では、おそらくさらに短い可能性がある。レドームのインピーダンス特性は、自由空間への信号の移行に影響を与え、より短いフィン１０２’を可能にする可能性があることが理解されるべきである。空胴１１６の壁寸法及びフィン１０２’の寸法は、異なる動作周波数範囲について調整することができることが、当業者には理解されるであろう。
【００５４】
電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の背後にある動作理論は、マーチャンドジャンクション(Marchand junction)原理に基づく。オリジナルのマーチャンドバランは、平衡伝送線路変換器に対する同軸ケーブルとして設計された。マーチャンドバランは、同軸線の第１端部上の不平衡ＴＥＭモードから第２端部上の平衡モードへ信号を変換する。変換は、仮想ジャンクションにおいて起こり、１つのモード（ＴＥＭ）のフィールドが崩壊し、ゼロになり、エネルギー保存によって損失が非常に小さい状態の平衡モードとして、他の側で再構成される。伝送線路上のＲＦフィールドが、互いに位相が１８０°ずれた２つの信号に分割され、その後、仮想ジャンクションにおいて合成される時に、モードフィールド相殺が起こる。これは、開回路及び短絡などの、２つの反対の境界状態から等距離のジャンクションにおいて信号を分割することによって達成される。電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の場合、１つの偏波についての入力は、一方の側を０°信号で、他方の側を位相が１８０°ずれた信号で給電する、給電表面１０６’及びノッチ端部１０７（ＴＥＭモードで動作する）によって提供される一対のマイクロストリップ線である。これらの信号は、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’のスロート部とも呼ばれる仮想ジャンクション信号ヌル点１５４’で一緒になる。
【００５５】
信号ヌル点１５４’において、フィールドは崩壊し、ゼロになり、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の平衡スロットラインの他方の側で再構成され、外部の自由空間に伝搬する。電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’についての２つの反対の境界状態は、素子１００’の下の短絡された空胴並びに放射器素子１０２ｂ’及び１０２ｃ’の各対の先端（電界線１４６の近くに配設される）において形成される開回路である。仮想ジャンクションの動作は、送信と受信の両方について可逆的(reciprocal)である。
【００５６】
一実施形態では、短い放射フィン及び空胴は、単一ユニットとして成形されて、４つの交差フィン１０２’が遭遇する間隙において厳密な交差を実現する。平衡対称フィード回路１０８’はまた、フィン１０２’の下の空胴エリアに嵌合するように成形することができ、さらに組み立てを簡略化する。受信用途の場合、バラン回路１３６は、平衡対称フィード回路１０８’に含まれ、さらに、アレイのための外形を低減する。短い交差ノッチ放射器素子１００’は、プリント回路板技術及び比較的短い放射器素子１００’を使用して比較的低い外形で広い帯域幅を提供することによって、従来の帯域幅のノッチ放射器に比べてかなりの進展を示す。放射器素子１００’は、一定の用途及び物理的に比較的低い外形にとって有利である、ごく近接して配置した（一致した）放射パターン位相中心を使用する。より複雑な４ノッチ放射器を含む、他の広帯域ノッチ放射器は、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の広角対角平面交差偏波分離特性を有さない。平衡対称フィード回路１０８’と短いフィン１０２’の組み合わせは、リアクティブ結合したノッチアンテナを提供する。リアクティブ結合したノッチは、短いフィンの長さの使用を可能にし、それによって、交差偏波分離を改善する。フィン１０２’の長さは、広帯域性能及び達成される交差偏波分離レベルに直接影響を及ぼす。
【００５７】
別の実施形態では、フィン１０２’は、約０．２５λＬよりずっと小さく（前の説明１５ページ６行目には、…未満があった。これは、ずっと小さいはずであると考えられたい）、λＬは、動作波長範囲の下端の波長を指し、広帯域２重偏波式の電気的に短い交差ノッチアンテナ放射器素子１００’は、ごく近接して配置した（一致した）放射パターン位相中心が主平面及び対角平面における優れた交差偏波分離及び軸比を持った状態で、選択的な偏波を有する信号を送受信する。本発明の平衡対称フィード機構と結合すると、放射器素子１００’は、低い外形及び広い帯域幅を提供する。この実施形態では、短いフィン１０２’はまた、リアクティブ結合したノッチアンテナを提供する。従来技術のフィンの長さは、対角平面における低い交差偏波分離性能の主要な原因であると判定された。対角平面共偏波(co-polarization)と対角平面交差偏波は共に、フィンの電気的長さの関数としてレベルが異なると判定された。アレイ環境で使用される電気的に短い交差ノッチ放射器フィンのさらなる利点は、わずか±２０°までスキャンアウト(scan out)できる現在のノッチ放射器設計と比較して、高い交差偏波分離レベルが、±５０°を過ぎるスキャンアウトを対角平面で達成したことである。
【００５８】
ここで図４を参照すると、ユニットセル２０２は、平衡対称ピラミッドフィード回路２２０の上に配設された複数のフィン状素子２０４ａ、２０４ｂを含む。放射器素子２０４ａ及び２０４ｂの各対は、空胴板１２（図１）内に形成された開口（図４では見えない）内に配設される平衡対称フィード２２０の上に中心がある。放射器素子２０４ａの対の第１の放射器素子は、放射器素子２０４ｂの対の第２の放射器素子にほぼ直交する。平衡対称フィード回路２２０に対して信号を結合するのに、ＲＦコネクタが必要とされないことを理解すべきである。ユニットセル２０２は、単一のオープン空胴を提供する平衡対称フィード２２０の上に配設される。空胴壁の内部は２２８で示される。
【００５９】
図４Ａを参照すると、ユニットセル２０２の例示的な平衡対称フィード２２０は、中心給電点２３４と、ユニットセルの１つの偏波に対応する給電部分２３２ａ及び２３２ｂと、ユニットセルの直交偏波(orthogonal polarization)に対応する給電部分２３６ａ及び２３６ｂとを有するハウジング２２６を含む。ハウジング２２６はさらに、４つの側壁２２８を含む。給電部分２３２ａ及び２３２ｂ並びに給電部分２３６ａ及び２３６ｂはそれぞれ、内部表面を有し、各内部表面上に配設されるマイクロストリップ給電線（ＲＦ給電線とも呼ばれる）２４０及びマイクロストリップ給電線２３８を含む。各マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８はさらに、各側壁２２８の内部表面上に配設される。マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８は、それぞれの対応するフィン状基板２０４ａ、２０４ｂの下で交差し、中心給電点２３４において一緒に接合する。ユニットセルの中心給電点２３４は、ハウジング２２６の側壁２２８の上側部分の上に隆起する。ハウジング２２６、側壁２２８、及び空胴板２１２は空胴２４２を提供する。マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８は、中心給電点２３４において交差し、空胴２４２の各壁に沿って底面において出る。示すように、側壁２２８上の金属化層が除去されるところに形成されるマイクロストリップフィード２４４ｂは、ＲＦ信号を空胴板２１２の開口２２２に結合する。ユニットセル２０２では、ジャンクションが中心給電点２３４において形成され、キルヒホッフのノード理論に従って、中心給電点２３４における電圧はゼロになるであろう。
【００６０】
１つの特定の実施形態では、平衡対称フィード２２０は、フィン２０４ａ及び２０４ｂの基板の給電表面に一致する成形アセンブリである。この特定の実施形態では、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８は、アセンブリの内部表面をエッチングすることによって形成される。この特定の実施形態では、ハウジング２２６並びに給電部分２３２及び給電部分２３６は、誘電体を成形した。この実施形態では、放射器の高さは０．２５０インチであり、平衡対称フィード２２０は、各辺が０．２８５インチであり、０．１５インチの高さを有する四角形状である。対応する格子間隔は、７〜２１ＧＨｚの周波数で使用するために０．２８５インチである。中心給電点２３４において、０．０７４平方インチのグラウンドプレーン材料のパッチが除去されて、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８上のＲＦフィールドが、放射器素子２０４を上に伝搬し、開口から放射することが可能になる。適切に放射するために、各偏波について、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８は、位相が１８０°ずれるように給電されるため、２つの反対の信号が、中心給電点２３４において遭遇すると、信号は、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８上で相殺するが、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８上のエネルギーは、放射器素子２０４ａ及び２０４ｂに伝達され、外部に放射される。受信信号の場合、逆のことが起こり、信号は、放射器素子２０４ａ及び２０４ｂを下へ誘導され、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８上に与えられ、位相が１８０°ずれた２つの信号に分割される。別の実施形態では、バラン（図示せず）は、平衡対称フィード２２０に組み入れられる。
【００６１】
ここで図５を参照すると、曲線２７２は、０°ボアサイト角度対周波数における従来技術の中心放射器素子の掃引利得を表す。曲線２７０は、放射器素子についての最大の理論的利得を表し、曲線２７４は、利得曲線２７０より６ｄｂ以上低い曲線を表す。従来技術の放射器において存在する共振によって、曲線２７２に示すようにアンテナ利得の低下がもたらされる。
【００６２】
ここで図５Ａを参照すると、曲線２８２は、０°ボアサイト角度対周波数における図３の同心上に給電された電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の測定された掃引利得を表す。曲線２８０は、放射器素子についての最大の理論的利得を表し、曲線２８４は、利得曲線２８０より約１〜３ｄｂ低い曲線を表す。曲線は、点２８６における測定アーチファクト及びグレーティングローブによる点２８８におけるスパイクを有する。曲線２７２と曲線２８２を比較すると、従来技術の放射器素子の利得と比べて、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の利得との間に約６ｄＢ（電力が４倍）の差が存在することがわかる。したがって、９：１帯域幅範囲にわたって、図３の電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’のうち１つの性能を提供するのに、従来技術の放射器素子の約４倍の量（又は、従来技術の放射器アレイの開口サイズの等価的に４倍）が必要とされるであろう。電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の性能により、素子１００’は全通過デバイスとして動作することができる。
【００６３】
理想的な性能に近づくバランによって給電されると、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’は、４ポートデバイスとして考えることができ、１つの偏波は、均一マグニチュードで、且つ、１８０°位相関係で給電されるポート１及び２によって生成される。同様に励起されるポート３及び４は、直交偏波を生成するであろう。２〜１８ＧＨｚにおいて、不整合損失は、例示した周波数範囲及び６０°円錐スキャン容積にわたって約０．５ｄＢ以下である。インピーダンス整合もまた、Ｈ平面スキャン容積のほとんどにわたって十分に制御されたままになる。
【００６４】
ここで図６を参照すると、曲線２９２〜３１０のセットは、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’（図３）の偏波純度を示す。曲線は、全ての他の放射器を終端した状態で、アレイの中心に埋め込んだ図１のアレイで示すタイプの単一アンテナ素子について生成される。
【００６５】
埋め込み式素子パターンは、相互結合作用を含むアレイ環境における素子パターンである。相互結合アレイ（mutual coupling array）（ＭＣＡ）上で取得される(taken)埋め込み式素子パターンが測定された。示すデータは、中間帯域の近くで、このアレイの中心素子上で取得された。
【００６６】
種々の平面（Ｅ、Ｈ、及び対角（Ｄ））についての、共偏波（co-polarized）性能及び交差偏波性能用のパターンが与えられる。曲線２９２〜３１０からわかるように、６０°円錐スキャン容積にわたって１０ｄＢより優れた交差偏波分離を有するアンテナが提供される。曲線２９２、３１０は、それぞれ、電気平面（Ｅ）における中心素子の共偏波パターン及び交差偏波パターンを示す。曲線２４９及び曲線３００は、それぞれ、磁気平面（Ｈ）における中心素子の共偏波パターン及び交差偏波パターンを示す。曲線２９０及び曲線２９６は、それぞれ、対角平面における中心素子の共偏波パターン及び交差偏波パターンを示す。曲線２９２、３１０、２４９、３００、２９０、及び曲線２９６は、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’が良好な交差偏波分離性能を発揮することを示す。
【００６７】
代替の実施形態では、２つのサブ部品、それぞれ、図１及び図３のフィン１０２及び１０２’並びに平衡対称フィード回路１０８及び１０８’の組み立ては、一体構造部品として提供されることにより、フィン同士の正確なアライメント及び給電点における等しい間隙間隔を保証する。最小の公差及びユニットごとの均一性を維持することによって、スキャン角度及び周波数にわたって一貫した性能を達成することができる。
【００６８】
さらなる実施形態では、放射器素子１００及び１００’のフィン部品は、単一アセンブリを形成するために、機械加工、鋳造、又は、射出成形することができる。たとえば、ＡｌＳｉＣなどの金属マトリクス複合物は、熱膨張係数が低く、熱伝導度が高い、非常に軽量で、強度の高い素子を提供することができる。
【００６９】
別の代替の実施形態では、放射器素子１００及び１００’は、アレイ内の放射素子の上に配設されるレドーム（図示せず）によって周囲環境から保護される。レドームは、アンテナの一体部品であり、単一広角インピーダンス整合シートとして、広帯域インピーダンス整合プロセスの一部として使用することができるか、又は、サンドイッチタイプレドームが、当該技術分野で知られているように使用することができる。
【００７０】
本明細書に記載した全ての出版物及び参考文献は、参照によりその全体が本明細書に特に援用される。
本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の概念を組み入れた他の実施形態が使用可能であることが、ここで、当業者には明らかであろう。したがって、これらの実施形態は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の精神及びその範囲によってのみ制限されるべきであると考える。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】複数のフィン素子から提供されるノッチ放射器のアレイの等角図である。
【図２】平衡対称フィード回路を含む、図１の放射器アレイの代替の実施形態のユニットセルの部分の断面図である。
【図３】隆起した平衡対称フィード回路を含む図１の放射器アレイのユニットセルの部分の断面図である。
【図３Ａ】ユニットセルの部分の隆起した平衡対称フィード回路への結合を示す図３の分解断面図である。
【図４】ユニットセルの等角図である。
【図４Ａ】図４の平衡対称フィードの等角図である。
【図５】従来技術の放射器アレイの周波数応答曲線である。
【図５Ａ】図１の放射器アレイの周波数応答曲線である。
【図６】全ての他の放射器を終端した状態で、アレイの中心に埋め込んだ図１のアレイで示すタイプの単一アンテナ素子についての、フィールド電力の放射パターンである。種々の平面（Ｅ、Ｈ、及び対角（Ｄ））についての、共偏波性能及び交差偏波性能用のパターンが与えられる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には通信及びレーダアンテナに関し、より詳細には、ノッチ放射器素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
制限されたアパーチャ（開口）空間を有する、通信システム、レーダ、方向検出(direction finding)、及び他の広帯域多機能システムでは、無線周波数送信機及び受信機を、広帯域放射器素子のアレイを有するアンテナに効率的に結合させることが望ましいことが多い。
【０００３】
従来の知られている広帯域フェーズドアレイ放射器は、一般に、対角スキャン（走査）平面(diagonal scan plane)における大きなスキャン角度においてかなりの偏波劣化を受ける。この制限は、偏波重み付けネットワークが、単一偏波に重い重みをつけるように強制することができる。この重み付けによって、重み付けされない偏波信号が、送信信号の実効等方放射電力（ＥＩＲＰ）をアンテナのほとんどに供給しなければならないため、送信アレイはアンテナ放射効率が低くなることになる。
【０００４】
従来の広帯域フェーズドアレイ放射器は、一般に、単純であるが非対称のフィード（給電）又は同様な機構を使用する。従来の広帯域放射器は、高次伝搬モードの比較的大きなセットをサポートすることが可能であるため、給電領域は、これらの高次伝搬モード信号のための発射装置の役目を果たす。フィードは、実質的に、モード選択器又はフィルタである。フィードが、発射されるフィールド（場／界）の向きの非対称性を組み込むか、又は、給電領域の物理的対称性を組み込む時、高次モードが励起される。これらのモードは、その後、開口に伝搬される。高次モードは、放射器性能における問題を引き起こす。高次モードは異なる位相速度で伝搬するため、開口におけるフィールドは、複数の励起モードの重ね合わせである。結果として、ユニットセルのフィールドにおいて、均一なマグニチュード及び位相からの急激な偏移が起こる。基本モードの開口励起は、比較的単純であり、通常、Ｅ平面に余弦分布を、また、Ｈ平面に均一フィールドを有するＴＥ０１モードから生じる。基本モードからのかなりの偏移は、励起された高次モードから生じ、高次モードは、放射素子の共振及びスキャンブラインドネスの原因となる。非対称に給電される広帯域放射器における高次モード伝搬の存在によって生じる別の作用は、交差偏波(cross-polarization)である。特に対角平面において、高次モードの多くは、交差偏波フィールドを励起する非対称性を含む。交差偏波フィールドは、さらに、アンテナの偏波重み付けネットワークにおける不平衡重み付けの原因となり、不平衡重み付けは、アレイ送信電力効率の低下の原因となる可能性がある。
【０００５】
複数の用途に対して必要とされる開口数を減少させた、通信、レーダ、及び電子戦システム用のフェーズドアレイアンテナで使用する広帯域放射素子に対する必要性が存在する。これらの用途では、３：１の最小帯域幅が必要とされるが、１０：１以上の帯域幅が望ましい。放射素子は、用途及び必要とされる放射ビーム数に応じて、垂直及び／又は水平の線形偏波、右旋及び／又は左旋の円偏波、又は、それぞれの合成を送受信することが可能でなければならない。放射器の外形、重量、及びコストを低減するために、放射器の占有面積が、できる限り小さく、アレイのユニットセル内に嵌合することが望ましい。
【０００６】
広帯域放射器を提供しようとする従来の試みは、放射パターン位相中心を同じ位置に配置する（一致させる）ことなく、大きな放射器及びフィード構造を使用してきた。従来の放射器はまた、通常、対角平面における交差偏波分離特性が比較的低い。これらの問題を解決しようとする試みにおいて、フルサイズノッチ放射器の典型的なサイズのほぼ半分の形状を有する従来のクワッド（４）ノッチタイプ放射器（０．４λＬに対して０．２λＬ、ここで、λＬは低周波数についての波長である）は、ユニットセル内に４つの別個の放射器を含むようになされてきた。この機構は、各ユニットセルについて、位相中心を実質上、ごく近接して配置することを可能にするが、複雑なフィード構造を必要とする。典型的な４ノッチ放射器は、それぞれの偏波に使用される一対の放射器を組み合わせるために、ユニットセルとフィードネットワークの別のセットとを加えたものの中に、４つの放射器のそれぞれに別個のフィード／バランを必要とする。従来作製されたノッチ放射器は、放射素子のＲＦ信号の入出力のためのスロットラインに給電するマイクロストリップ又はストリップライン回路を使用した。残念ながら、これらの従来タイプのフィード構造は、複数の信号伝搬モードが、各ユニットセルエリア内で生成されることを可能にし、特に対角平面における交差偏波分離レベルの低下を引き起こす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、高い偏波純度及び低い不整合損失を有する広帯域フェーズドアレイ放射器を提供することが望ましいであろう。外形が小さく、且つ、広い帯域幅を有する放射器素子を提供することがさらに望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、放射器素子は、遷移（移行）セクション及び給電表面をそれぞれ有する一対の基板を含み、基板はそれぞれ、互いに離間する。放射器素子は、対応する一対の遷移セクションの一方の遷移セクションの給電表面に近接して配設され、且つ、電磁的に結合する一対の無線周波数（ＲＦ）給電線を有する平衡対称フィード（給電）をさらに含み、一対の無線周波数給電線は、遷移セクションに近接して信号ヌル点を形成する。
【０００９】
このような構成によって、広帯域フェーズドアレイ放射器は、高い偏波純度及び低い不整合損失を実現する。放射器素子のアレイは、軽量で、低コスト製造による、６０°を超える円錐スキャン容積と１０：１広帯域性能帯域幅を有する、偏波純度が高く損失の低いフェーズドアレイアンテナを提供する。
【００１０】
本発明のさらなる態様によれば、平衡対称フィードは、キャビティ（空胴）を形成する複数の側壁を有するハウジングをさらに含む。一対の給電線はそれぞれ、一対の対向する側壁上に配設され、マイクロストリップ伝送線路を含む。このような構成によって、平衡対称放射器フィードは、２重直交給電式放射器のために、比較的良好な交差偏波分離を有する比較的よく整合した広帯域放射信号を生成する。平衡対称フィードは、物理的に対称でもあり、対称横電界モード（ＴＥＭ）フィールドも供給される。フィードの重要な特徴は、フレアノッチ幾何形状のためのカットオフ未満の導波管終端、対称２重偏波ＴＥＭフィールド給電領域、及び対称フィールドを生成する広帯域バランである。
【００１１】
さらなる実施の形態では、４つのフィンのセットは、各ユニットセル用の基板を提供し、中心フィードを中心に対称である。この機構は、アレイ開口によって送受信される任意の偏波について、位相中心が変化しないように、放射パターン位相中心をごく近接して配置する（一致させる）ことを可能にする。
【００１２】
本発明のさらなる態様によれば、放射器素子は、約０．２５λＬ未満の高さを有する基板を含み、λＬは、動作波長範囲の下端の波長を表す。このような構成によって、放射器素子用の電気的に短い交差ノッチ放射フィンは、開いた空胴の上で隆起した平衡対称フィードネットワークと組み合わされることにより、広帯域動作及び低い外形を提供する。交差ノッチ放射フィンに給電する平衡対称フィードネットワークは、放射パターン位相中心をごく近接して配置する（一致させる）ことを可能にし、同時２重線形偏波出力は、受信又は送信時に複数の偏波モードを提供する。電気的に短い交差ノッチ放射フィンは、主要な、中間方位平面及び対角平面における低交差偏波を可能にし、短いフィンは、低い外形を有する、リアクティブ結合したアンテナを形成する。
【００１３】
本発明の先の特徴、並びに、本発明自体を、図面の以下の説明からより完全に理解することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のアンテナシステムについて説明する前に、本明細書において、特定のアレイ形状（たとえば、平面アレイ）を有するアレイアンテナに言及する場合があることを留意すべきである。本明細書で述べる技法が、種々のサイズ及び形状のアレイアンテナに適用可能であることを、当業者は、もちろん理解するであろう。そのため、以下の本明細書における説明は、矩形アレイアンテナにおける発明の概念を述べることに留意すべきであり、その概念は、任意の形状の平面アレイアンテナ、並びに、円柱、円錐、球、及び任意の形状のコンフォーマルアレイアンテナを含む他のサイズ及び形状のアレイアンテナに同様に適用可能であるが、それらに限定されないことを当業者は理解すべきである。
【００１５】
本明細書において、特定のサイズ及び形状の放射素子を含むアレイアンテナに言及することがある。たとえば、１つのタイプの放射素子は、テーパ付き形状及び特定の周波数範囲（たとえば、２〜１８ＧＨｚ）にわたる動作に適合するサイズを有する、いわゆる、ノッチ素子である。他の形状のアンテナ素子が使用可能であること、及び、１つ又は複数の放射素子のサイズは、ＲＦ周波数範囲内の任意の周波数範囲（たとえば、１ＧＨｚ未満から５０ＧＨｚを超える範囲の任意の周波数）にわたる動作のために選択可能であることを、当業者は、もちろん認識するであろう。
【００１６】
同様に、本明細書において、特定の形状又はビーム幅を有するアンテナビームの生成に言及することがある。他の形状及び幅を有するアンテナビームも使用可能であり、また、振幅及び位相調整回路のアンテナフィード（給電）回路の適切な位置への組み入れによるなど、知られている技法を使用して提供可能であることを、当業者は、もちろん理解するであろう。
【００１７】
ここで図１を参照すると、本発明による例示的な広帯域アンテナ１０は、キャビティ（空胴）板１２及び全体を１４で示すノッチアンテナ素子のアレイを含む。ノッチアンテナ素子１４はそれぞれ、空胴板１２上に配設された、いわゆる、「ユニットセル」から提供される。換言すると、各ユニットセルはノッチアンテナ素子１４を形成する。明確にするために、ノッチアンテナ素子１４（又はユニットセル１４）の２×１６の線形アレイに対応するアンテナ１０の一部のみが、図１に示されることを理解すべきである。
【００１８】
ユニットセル１４のそれぞれの代表としてユニットセル１４ａを考えると、ユニットセル１４ａは、４つのフィン状部材１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂから提供され、フィン状部材はそれぞれ、見やすいように、図１で陰影がつけられる。フィン状部材１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂは、空胴板１２内の空胴（図１では見えない）の上のフィード構造１９上に配設され、ノッチアンテナ素子１４ａを形成する。フィード構造１９は、図４及び図４Ａに関連して以下で述べられるであろう。しかしながら、種々の異なるタイプのフィード構造を使用することができ、いくつかの可能なフィード構造が、図２〜図４Ａに関連して以下に述べることを理解すべきである。
【００１９】
図１から理解できるように、部材１６ａ、１６ｂは、第１軸２０に沿って配設され、部材１８ａ、１８ｂは、第１軸２０に直交する第２軸２１に沿って配設される。そのため、部材１６ａ、１６ｂは、部材１８ａ、１８ｂにほぼ直交する。
【００２０】
各ユニットセル内で、部材１６ａ、１６ｂを部材１８ａ、１８ｂに直交して配設することによって、各ユニットセルは、直交方向の電界偏波に応答する。すなわち、１つのセットの部材（たとえば、１６ａ、１６ｂ）を１つの偏波方向に配設し、第２のセットの部材（たとえば、１８ａ、１８ｂ）を直交偏波方向に配設することによって、任意の偏波を有する信号に応答するアンテナが提供される。
【００２１】
この特定の例では、ユニットセル１４は、本明細書では矩形グリッドパターンに対応する規則的なパターンで配設される。ユニットセル１４は、全てが、規則的なパターンで配設される必要がないことを、当業者は、もちろん理解するであろう。一部の用途では、それぞれの個々のユニットセルの直交素子１６ａ、１６ｂ、１８ａ、１８ｂは、全てのユニットセル１４の間で整列するわけではないようにユニットセル１４を配設することが望ましいか、又は、必要である場合がある。そのため、ユニットセル１４の矩形格子として示されるが、アンテナ１０は、四角形又は三角形格子のユニットセル１４を含むが、それに限定されないこと、及び、ユニットセルがそれぞれ、格子パターンに対して異なる角度で回転することができることを、当業者には理解されるであろう。
【００２２】
一実施形態では、製造プロセスを容易にするために、フィン状部材１６ａ及び１６ｂの少なくとも一部は、部材２２で示す「背中合わせ式(back-to-back：バックツーバック)」フィン状部材として製造することができる。同様に、フィン状部材１８ａ及び１８ｂもまた、部材２３で示す「バックツーバック」フィン状部材として製造することができる。そのため、ユニットセル１４ｋ及び１４ｋ’に見られるように、バックツーバック式フィン状部材の各半分は、２つの異なるノッチ素子の部分を形成する。
【００２３】
複数のフィン１６ａ及び１６ｂ（全体をフィン１６と呼ぶ）は、第１グリッドパターンを形成し、複数のフィン１８ａ及び１８ｂ（全体をフィン１８と呼ぶ）は、第２グリッドパターンを形成する。上述したように、図１の実施形態では、フィン１６のそれぞれの向きは、フィン１８のそれぞれの向きにほぼ直交する。
【００２４】
各放射器素子１４のフィン１６ａ、１６ｂ、及びフィン１８ａ、１８ｂは、テーパー付きスロット（tapered slot：テーパースロット）を形成し、（以下の図２〜図４Ａに関連して詳細に述べる）平衡対称フィード回路によって給電されると、テーパースロットから、各ユニットセル１４に対してＲＦ信号が発射される。
【００２５】
対称バックツーバック式フィン状部材１６、１８及び平衡フィードを利用することによって、各ユニットセル１４は対称である。各偏波についての位相中心は、各ユニットセル内で同心状となる。このことによって、アンテナ１０が、対称アンテナとして提供されることが可能になる。
【００２６】
これは、各偏波についての位相中心がわずかに偏移する従来技術のノッチアンテナと対照的である。
本明細書において、信号を送信するアンテナ１０に言及することに留意すべきである。しかしながら、アンテナ１０は、同様に信号を受信するように適応可能であることを当業者は理解するであろう。従来のアンテナと同様に、種々の信号間の位相関係は、アンテナが使用されるシステムによって維持される。
【００２７】
一実施形態では、フィン１６、１８は、導電性材料から提供される。一実施形態では、フィン１６、１８は、固体材料から提供される。一部の実施形態では、複数のめっき金属フィンを設けるために、金属をめっきすることができる。代替の実施形態では、フィン１６、１８は、導電性材料を上に配設されている非導電性材料から提供される。そのため、フィン構造１６、１８は、プラスチック材料か、金属化層が上に配設されている誘電体材料のいずれかから提供されることができる。
【００２８】
動作時、ＲＦ信号は、平行対称フィード１９によって各ユニットセル１４に供給される。ＲＦ信号は、ユニットセル１４から放射され、ビームを形成し、ビームのボアサイトは、空胴板１２から離れる方向に空胴板１２に直交する。一対のフィン１６、１８は、２つの半分がダイポールを構成するものと考えることができる。そのため、各基板に供給される信号は、通常、１８０°位相がずれる。アンテナ１０からの放射信号は、高いレベルの偏波純度を示し、アンテナ利得の理論的限界に近づくより大きな信号電力レベルを有する。
【００２９】
一実施形態では、フィン１６ａ、１６ｂによって形成されるテーパースロットの各遷移セクションのノッチ素子テーパは、表１に示す２次元平面における一連の点として記述される。
【００３０】
【表１】
【００３１】
フィン状素子１６、１８のサイズ及び形状（又は、逆に、フィン状素子１６、１８によって形成されるスロットのサイズ）は、所望の動作周波数範囲を含む種々の因子に従って選択することができるが、それに限定されない。しかしながら、一般に、比較的短く、開度レート(opening rate)が比較的速いフィン状部材は、比較的長いフィン状部材から提供される交差偏波分離の程度と比較して、比較的広いスキャン角度において程度の高い交差偏波分離を提供する。しかしながら、フィン状部材が短か過ぎる場合、低周波数Ｈ平面性能が低下する可能性があることを理解すべきである。
【００３２】
同様に、比較的長いフィン状素子（任意の開度レートを有する）によって、ＶＳＷＲリップル及び比較的低い交差偏波性能を有するアンテナ特性がもたらされる可能性がある。
アンテナ１０はまた、素子１４の上に配設された整合シート３０を含む。図１において、整合シート３０の部分は、素子１４を見えるように取り除かれた。実際に、整合シート３０は、全ての素子１４の上に配設され、アンテナ１０と一体にされることになる。
【００３３】
整合シート３０は、第１表面３０ａ及び第２表面３０ｂを有し、表面３０ｂは、好ましくは、フィン状素子１６、１８と必ずしも接しないが、フィン状素子１６、１８に接近して配設される。構造上の観点から、整合シート３０をフィン状部材に物理的に接するようにさせることが好ましい場合がある。そのため、所望のアンテナ性能特性を提供するために、又は、所望の構造的特性を有するアンテナを提供するために選択される設計パラメータとして、フィン状部材からの第２表面３０ｂの的確な間隔を使用することができる。
【００３４】
所望の電気特性を有するアンテナ１０を提供するために、整合シートの厚み、比誘電率、及び損失特性を選択することができる。一実施形態では、整合シート３０は、約５０ミルの厚みを有する市販のＰＰＦＴ（すなわち、テフロン）シートとして提供される。
【００３５】
本明細書では、整合シート３０は、単一層構造として示されるが、代替の実施形態では、整合シート３０を複数層構造として提供することが望ましい場合がある。構造的理由又は電気的理由で、複数層を使用することが望ましい場合がある。たとえば、比較的剛性の或る層を、構造的支持のために付加することができる。又は、特定の電気インピーダンス特性を有する整合シート３０を提供するために、異なる比誘電率を有する層を組み合わせることができる。
【００３６】
１つの用途では、整合シート３０を一体化したレドーム／整合構造３０として提供するために複数層を利用することが望ましい場合がある。
そのため、フィンを短く作成することは、アンテナの交差偏波分離特性が改善されることを理解すべきである。レドーム又は広角整合（wide angle matching)（ＷＡＩＭ）シート（たとえば、整合シート３０）を使用することは、さらに短いフィンの使用を可能にし、それによって、レドーム／整合シートが、フィンが電気的に長くなるようにさせるため、交差偏波分離がさらに改善される。
【００３７】
ここで図２を参照すると、図１のフィン状部材１６ａ、１６ｂによって形成される放射器素子と同様である放射器素子１００は、本発明によるアンテナアレイを形成する複数の放射器素子１００のうちの１つである。ユニットセル１４（図１）と同様のユニットセルの半分を形成する放射器素子１００は、それぞれ、別個のフィン１０２ｂ及び１０２ｃによって提供される一対の基板１０４ｃ及び１０４ｄ（全体が基板１０４と呼ばれる）を含む。基板１０４ｃ、１０４ｄは、図１のフィン状部材１６ａ、１６ｂ（又は、１８ａ、１８ｂ）に対応し、一方、フィン１０２ａ、１０２ｂは、図１に関連して先に説明したバックツーバック式フィン状素子に対応することを留意すべきである。フィン１０２ｂ及び１０２ｃは、空胴板１２（図１）上に配設される。フィン１０２ｂはまた、フィン１０２ａの基板１０４ａと共に別の放射器素子を形成する基板１０４ｂを含む。各基板１０４ｃ及び１０４ｄは、それぞれ、給電表面１０６ｃ及び１０６ｄ並びに遷移セクション１０５ｃ及び１０５ｄ（全体が遷移セクション１０５と呼ばれる）を含む平面フィードを有する。放射器素子１００は、遷移セクション１０５に電磁的に結合する平衡対称フィード回路１０８（平衡対称フィード１０８とも呼ばれる）をさらに含む。
【００３８】
平衡対称フィード１０８は、空胴１１６を有する誘電体１１０を含み、誘電体は、内部表面１１８ａ及び外部表面１１８ｂを有する。金属化層１１４ｃは内部表面１１８ａ上に配設され、金属化層１２０ｃは外部表面１１８ｂ上に配設される。同様の方法で、金属化層１１４ｄは内部表面１１８ａ上に配設され、金属化層１２０ｄは外部表面１１８ｂ上に配設される。金属化層１１４ｃ（給電線又はＲＦ給電線１１４ｃとも呼ばれる）と金属化層１２０ｃ（グラウンドプレーン１２０ｃとも呼ばれる）は、マイクロストリップ回路要素(circuitry)１４０ａとして相互作用し、グラウンドプレーン（接地面）１２０ｃは、グラウンド回路要素を提供し、給電線１１４ｃは、マイクロストリップ回路要素１４０ａ用の信号回路要素を提供することが、当業者によって理解されるべきである。さらに、金属化層１１４ｄ（給電線又はＲＦ給電線１１４ｄとも呼ばれる）と金属化層１２０ｄ（グラウンドプレーン１２０ｄとも呼ばれる）は、マイクロストリップ回路要素１４０ｂとして相互作用し、グラウンドプレーン１２０ｄは、グラウンド回路要素を提供し、給電線１１４ｄは、マイクロストリップ回路要素１４０ｂ用の信号回路要素を提供する。
【００３９】
平衡対称フィード１０８は、ＲＦ信号線１３８及び第１ＲＦ信号出力線１３２及び第２ＲＦ信号出力線１３４を有する平衡−不平衡（バラン）フィード１３６をさらに含む。第１ＲＦ信号出力線１３２は給電線１１４ｃに結合し、第２ＲＦ信号出力線１３４は給電線１１４ｄに結合する。ユニットセル１４と同様のユニットセルについて、２つの１８０°バラン１３６が必要とされることを理解すべきであり、１つのバランが、各偏波のために放射器素子に給電する。明確にするために、１つのバラン１３６のみが示される。バラン１３６は、放射器素子１００の適切な動作のために必要とされ、比較的良好な分離を持って、出力ポートにおいて同時２重偏波信号を提供する。バラン１３６は、電力ハンドリング及びミッション要件に応じて、平衡対称フィード１０８の一部として、又は、別個の部品として設けることができる。バラン１３６の第１信号出力は、給電線１１４ｃに接続され、バラン１３６の第２信号出力は、給電線１１４ｄに接続され、信号は、それぞれ、マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに沿って伝搬し、さらに以下に述べるように、１８０°位相がずれた位相関係を持って、信号ヌル点１５４において遭遇する。基板１０４ｃは給電表面１０６ｃを含み、基板１０４ｄは、給電表面１０６ｄを含み、給電表面１０６ｃ及び給電表面１０６ｄは、それぞれ、金属化層１２０ｃ及び１２０ｄに沿って配設されることを留意すべきである。
【００４０】
放射器素子１００は、各偏波信号が送受信されるために、放射パターン位相中心をごく近接して配置する（一致させる）ことを可能にする。放射器素子１００は、主平面及び対角平面における交差偏波分離レベルを提供することにより、走査ビームが６０°ずれることを可能にする。
【００４１】
動作時、ＲＦ信号は、本明細書では、１８０°の位相差で、バラン１３６から信号出力線１３２及び信号出力線１３４に差動的に供給される。ＲＦ信号は、それぞれ、マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに結合され、マイクロストリップ回路要素に沿って伝搬し、１８０°の位相差で信号ヌル点１５４において遭遇し、信号は、給電点において、破壊的に合成されてゼロにされる。マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに沿って伝搬するＲＦ信号は、スロット１４１に結合し、遷移セクション１０５ｃ及び１０５ｄから放射される、又は、「発射される」。これらの信号は、ビームを形成し、ビームのボアサイトは、空胴１１６から離れる方向に空胴板１２に直交する。ＲＦ信号線１３８は、サ−キュレータ（図示せず）又は送信／受信スイッチ（図示せす）を使用して、当該技術分野で既知のように、受信回路及び送信回路に結合する。
【００４２】
フィールド線１４２、１４４、１４６は、放射器素子１００のための電界幾何形状を示す。金属化層１２０ｃの周りの領域において、電界線１５０は、金属化層１２０ｃから給電線１１４ｃに延びる。金属化層１２０ｄの周りの領域において、電界線１５２は、給電線１１４ｄから金属化層１２０ｄに延びる。給電表面１０６ｃの周りの領域において、電界線１４８は、金属化層１２０ｃから給電線１１４ｃに延びる。給電表面１０６ｄの周りの領域において、電界線１４９は、給電線１１４ｄから金属化層１２０ｄに延びる。フィールド点１５４（信号ヌル点１５４とも呼ばれる）において、給電線１１４ｃ及び１１４ｄからの電界線１４８及び電界線１４９は、互いに実質的に相殺し合い、信号ヌル点１５４を形成する。給電線１１４ｃ及び１１４ｄ並びに遷移セクション１０５ｃ及び遷移セクション１０５ｄの配置構成は、不整合損失及び交差偏波を増加させる非対称モードの励起を減少させる。そのため、電界線１４２として示す発射されたＴＥＭモードは、中間電界線１４４を通してフィールド線１４６として示されるＦｌｏｑｕｅｔ（フロケ）モードに変換される。最初にＦｌｏｑｕｅｔモードを有する受信信号は、崩壊して、平衡ＴＥＭモードになる。
【００４３】
一対の基板１０４ｃ及び１０４ｄ並びに対応する遷移セクション１０５ｃ及び１０５ｄは、ダイポールを構成する２つの半分として考えることができる。そのため、給電線１１４ｃ及び１１４ｄ上の信号は、通常、位相が１８０°ずれる。同様に、ユニットセル１４（図１）と同様のユニットセルを形成する直交遷移部（図示せず）の給電線のそれぞれの上の信号は、位相が１８０°ずれる。従来のダイポールアレイと同様に、遷移セクション１０５ｃ及び１０５ｄにおける信号の相対位相は、放射器素子１００によって送信される信号の偏波を決定するであろう。
【００４４】
代替の実施形態では、それぞれ、給電表面１０６ｃ及び１０６ｄに沿う金属化層１２０ｃ及び１２０ｄは、金属化層１２０ｃが給電表面１０６ｃに交差するところで接続され、金属化層１２０ｄが給電表面１０６ｄに交差するところで接続されることによって省略することができる。この代替の実施形態では、給電表面１０６ｃ及び１０６ｄは、それぞれ、基板１０４ｃ及び１０４ｄの底面に沿って、それぞれ、マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂ用のグラウンド層を提供する。
【００４５】
別の代替の実施形態では、増幅器（図示せず）は、それぞれ、バラン１３６の信号出力線１３２及び信号出力線１３４と、伝送フィード１１４ｃ及び１１４ｄとの間で結合する。この代替の実施形態では、バラン１３６に関連する損失のほとんどは、増幅器の後である。
【００４６】
ここで図３及び図３Ａ（図２、図３、及び図３Ａの同じ要素は同じ参照名称を有するように提供される）を参照すると、放射器素子１００’（電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’とも呼ばれる）は、一対の基板１０４ｃ’及び１０４ｄ’（全体が基板１０４’と呼ばれる）を含む。基板１０４ｃ’及び１０４ｄ’は、図１のフィン状部材１６ａ、１６ｂ（又は、１８ａ、１８ｂ）に対応することを留意すべきである。各基板１０４ｃ’及び１０４ｄ’は、それぞれ、給電表面１０６ｃ’及び１０６ｄ’並びに遷移セクション１０５ｃ’及び１０５ｄ’（全体が遷移セクション１０５’と呼ばれる）を含むピラミッドフィードを有する。遷移セクション１０５’及び給電表面１０６’が、アーチを形成するノッチ付き端部１０７を含む点で、遷移セクション１０５’及び給電表面１０６’は、図２の対応する遷移セクション１０５及び給電表面１０６と異なる。給電表面１０６ｃ’及び１０６ｄ’は、同様の形状の平衡対称フィード１０８’（隆起した平衡対称フィードとも呼ばれる）と結合する。
【００４７】
遷移セクション１０５’は、空間内への改善されたインピーダンス伝達を有する。よりよいインピーダンス整合を可能にするように伝達インピーダンスに影響を与えるために、遷移セクション１０５’は任意の形状を有することができ、たとえば、ノッチ付き端部１０７によって形成されたアーチを異なった形にすることができることは、当業者には理解されるであろう。５０オームのインピーダンスフィードを自由空間に整合させるために、知られている方法を使用して、遷移セクション１０５’のテーパを調整することができる。
【００４８】
より具体的には、平衡対称フィード１０８’は、空胴１１６を有する誘電体１１０を含み、誘電体は、内部表面１１８ａ及び外部表面１１８ｂを有する。金属化層１１４ｃは内部表面１１８ａ上に配設され、金属化層１２０ｃは外部表面１１８ｂ上に配設される。同様な方法で、金属化層１１４ｄは内部表面１１８ａ上に配設され、金属化層１２０ｄは外部表面１１８ｂ上に配設される。ＲＦ給電線１１４ｃと金属化層１２０ｃ（グラウンドプレーン１２０ｃとも呼ばれる）は、マイクロストリップ回路要素１４０ａとして相互作用し、グラウンドプレーン１２０ｃは、グラウンド回路要素を提供し、給電線１１４ｃは、マイクロストリップ回路要素１４０ａ用の信号回路要素を提供することが、当業者には理解されるべきである。さらに、ＲＦ給電線１１４ｄと金属化層１２０ｄ（グラウンドプレーン１２０ｄとも呼ばれる）は、マイクロストリップ回路要素１４０ｂとして相互作用し、グラウンドプレーン１２０ｄは、グラウンド回路要素を提供し、給電線１１４ｄは、マイクロストリップ回路要素１４０ｂ用の信号回路要素を提供する。
【００４９】
平衡対称フィード１０８’は、図２のバラン１３６と同様のバラン１３６をさらに含む。バラン１３６の第１信号出力線は給電線１１４ｃに接続され、バラン１３６の第２ＲＦ信号出力線は給電線１１４ｄに接続され、信号は、それぞれ、マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに沿って伝搬し、位相が１８０°ずれる位相関係を持って、信号ヌル点１５４’において遭遇する。やはり、基板１０４ｃは給電表面１０６ｃを含み、基板１０４ｄは給電表面１０６ｄを含み、給電表面１０６ｃ及び給電表面１０６ｄは、それぞれ、金属化層１２０ｃ及び１２０ｄに沿って配設されることを留意すべきである。放射器素子１００’は、送受信される各偏波信号について、放射パターン位相中心を同じ位置に配置する（一致させる）ことを可能にする。放射器素子１００’は、主平面及び対角平面における交差偏波分離レベルを提供することにより、走査ビームが約６０°ずれることを可能にする。
【００５０】
動作時、ＲＦ信号は、本明細書では、１８０°の位相差で、バラン１３６から信号出力線１３２及び信号出力１３４に差動的に供給される。信号は、それぞれ、マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに結合され、マイクロストリップ回路要素に沿って伝搬し、１８０°の位相差で信号ヌル点１５４’において遭遇し、信号は、給電点において、破壊的（相殺的）に合成されてゼロにされる。マイクロストリップ回路要素１４０ａ及び１４０ｂに沿って伝搬するＲＦ信号は、スロット１４１に結合し、遷移セクション１０５ｃ’及び１０５ｄ’から放射、即ち、「発射される」。これらの信号は、ビームを形成し、ビームのボアサイトは、空胴１１６から離れる方向に空胴板１２に直交する。ＲＦ信号線１３８は、サ−キュレータ（図示せず）又は送信／受信スイッチ（図示せす）を使用して、当該技術分野で知られるように、受信及び送信回路に結合する。
【００５１】
フィールド線１４２、１４４、１４６は、放射器素子１００’のための電界幾何形状を示す。金属化層１２０ｃの周りの領域において、電界線１５０は、金属化層１２０ｃから給電線１１４ｃに延びる。金属化層１２０ｄの周りの領域において、電界線１５２は、給電線１１４ｄから金属化層１２０ｄに延びる。給電表面１０６ｃ’の周りの領域において、電界線１４８は、金属化層１２０ｃから給電線１１４ｃに延びる。給電表面１０６ｄ’の周りの領域において、電界線１４９は、給電線１１４ｄから金属化層１２０ｄに延びる。信号ヌル点１５４’において、ＲＦ給電線１１４ｃ及び１１４ｄからのＲＦフィールド線は、互いに実質的に相殺し合い、信号ヌル点１５４’を形成する。ＲＦ給電線１１４ｃ及び１１４ｄ並びに遷移セクション１０５ｃ’及び１０５ｄ’ の配置構成は、不整合損失及び交差偏波を増加させる非対称モードの励起を減少させる。そのため、電界線１４２として示す発射されたＴＥＭモードは、中間電界線１４４を通してフィールド線１４６として示されるＦｌｏｑｕｅｔモードに変換される。最初にＦｌｏｑｕｅｔモードを有する受信信号は、崩壊（衰弱）して、平衡ＴＥＭモードになる。
【００５２】
一実施形態では、放射器素子１００’は、０．２５λＬ未満の高さを有するフィン１０２ｂ’及び１０２ｃ’（全体がフィン１０２’と呼ばれる）を含み、λＬは、動作波長範囲の下端の波長を表す。理論的には、この短い放射器素子は、放射を停止するか、又は、性能を低下させてしまうはずであるが、より短い素子は、実際には、よりよい性能を提供することがわかった。フィン１０２ｂ’及び１０２ｃ’は、自由空間に対して、平衡対称フィード１０８’回路のインピーダンスを整合させる形状が与えられる。形状は、実験的に、又は、当該技術分野で知られている数学的技法によって決定することができる。電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’は、平衡対称フィード１０８’によって提供される開いた空胴１１６の上に配設された金属フィン１０２ｂ’及び１０２ｃ’の２つの対の部分を含む。金属フィン１０２’の各対は、金属フィン（図示せず）の他の対に直交して配設される。
【００５３】
一実施形態では、空胴１１６の壁厚は０．０３０インチである。この壁厚は、アレイ構造に十分な強度を提供し、開口内で使用される放射器フィン１０２’と同じ幅である。交差フィン１０２’のスロート(throat)部の、給電点からフィンの上部までの測定された放射器フィン１０２’の長さは、レドーム（図示せず）無しで、且つ、７〜２１ＧＨｚの周波数で動作して、０．２５０インチである。長さは、レドーム／整合構造（たとえば、図１の整合シート３０）がある状態では、おそらくさらに短い可能性がある。レドームのインピーダンス特性は、自由空間への信号の移行に影響を与え、より短いフィン１０２’を可能にする可能性があることが理解されるべきである。空胴１１６の壁寸法及びフィン１０２’の寸法は、異なる動作周波数範囲について調整することができることが、当業者には理解されるであろう。
【００５４】
電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の背後にある動作理論は、マーチャンドジャンクション(Marchand junction)原理に基づく。オリジナルのマーチャンドバランは、平衡伝送線路変換器に対する同軸ケーブルとして設計された。マーチャンドバランは、同軸線の第１端部上の不平衡ＴＥＭモードから第２端部上の平衡モードへ信号を変換する。変換は、仮想ジャンクションにおいて起こり、１つのモード（ＴＥＭ）のフィールドが崩壊し、ゼロになり、エネルギー保存によって損失が非常に小さい状態の平衡モードとして、他の側で再構成される。伝送線路上のＲＦフィールドが、互いに位相が１８０°ずれた２つの信号に分割され、その後、仮想ジャンクションにおいて合成される時に、モードフィールド相殺が起こる。これは、開回路及び短絡などの、２つの反対の境界状態から等距離のジャンクションにおいて信号を分割することによって達成される。電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の場合、１つの偏波についての入力は、一方の側を０°信号で、他方の側を位相が１８０°ずれた信号で給電する、給電表面１０６’及びノッチ端部１０７（ＴＥＭモードで動作する）によって提供される一対のマイクロストリップ線である。これらの信号は、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’のスロート部とも呼ばれる仮想ジャンクション信号ヌル点１５４’で一緒になる。
【００５５】
信号ヌル点１５４’において、フィールドは崩壊し、ゼロになり、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の平衡スロットラインの他方の側で再構成され、外部の自由空間に伝搬する。電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’についての２つの反対の境界状態は、素子１００’の下の短絡された空胴並びに放射器素子１０２ｂ’及び１０２ｃ’の各対の先端（電界線１４６の近くに配設される）において形成される開回路である。仮想ジャンクションの動作は、送信と受信の両方について可逆的(reciprocal)である。
【００５６】
一実施形態では、短い放射フィン及び空胴は、単一ユニットとして成形されて、４つの交差フィン１０２’が遭遇する間隙において厳密な交差を実現する。平衡対称フィード回路１０８’はまた、フィン１０２’の下の空胴エリアに嵌合するように成形することができ、さらに組み立てを簡略化する。受信用途の場合、バラン回路１３６は、平衡対称フィード回路１０８’に含まれ、さらに、アレイのための外形を低減する。短い交差ノッチ放射器素子１００’は、プリント回路板技術及び比較的短い放射器素子１００’を使用して比較的低い外形で広い帯域幅を提供することによって、従来の帯域幅のノッチ放射器に比べてかなりの進展を示す。放射器素子１００’は、一定の用途及び物理的に比較的低い外形にとって有利である、ごく近接して配置した（一致した）放射パターン位相中心を使用する。より複雑な４ノッチ放射器を含む、他の広帯域ノッチ放射器は、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の広角対角平面交差偏波分離特性を有さない。平衡対称フィード回路１０８’と短いフィン１０２’の組み合わせは、リアクティブ結合したノッチアンテナを提供する。リアクティブ結合したノッチは、短いフィンの長さの使用を可能にし、それによって、交差偏波分離を改善する。フィン１０２’の長さは、広帯域性能及び達成される交差偏波分離レベルに直接影響を及ぼす。
【００５７】
別の実施形態では、フィン１０２’は、約０．２５λＬよりずっと小さく（前の説明１５ページ６行目には、…未満があった。これは、ずっと小さいはずであると考えられたい）、λＬは、動作波長範囲の下端の波長を指し、広帯域２重偏波式の電気的に短い交差ノッチアンテナ放射器素子１００’は、ごく近接して配置した（一致した）放射パターン位相中心が主平面及び対角平面における優れた交差偏波分離及び軸比を持った状態で、選択的な偏波を有する信号を送受信する。本発明の平衡対称フィード機構と結合すると、放射器素子１００’は、低い外形及び広い帯域幅を提供する。この実施形態では、短いフィン１０２’はまた、リアクティブ結合したノッチアンテナを提供する。従来技術のフィンの長さは、対角平面における低い交差偏波分離性能の主要な原因であると判定された。対角平面共偏波(co-polarization)と対角平面交差偏波は共に、フィンの電気的長さの関数としてレベルが異なると判定された。アレイ環境で使用される電気的に短い交差ノッチ放射器フィンのさらなる利点は、わずか±２０°までスキャンアウト(scan out)できる現在のノッチ放射器設計と比較して、高い交差偏波分離レベルが、±５０°を過ぎるスキャンアウトを対角平面で達成したことである。
【００５８】
ここで図４を参照すると、ユニットセル２０２は、平衡対称ピラミッドフィード回路２２０の上に配設された複数のフィン状素子２０４ａ、２０４ｂを含む。放射器素子２０４ａ及び２０４ｂの各対は、空胴板１２（図１）内に形成された開口（図４では見えない）内に配設される平衡対称フィード２２０の上に中心がある。放射器素子２０４ａの対の第１の放射器素子は、放射器素子２０４ｂの対の第２の放射器素子にほぼ直交する。平衡対称フィード回路２２０に対して信号を結合するのに、ＲＦコネクタが必要とされないことを理解すべきである。ユニットセル２０２は、単一のオープン空胴を提供する平衡対称フィード２２０の上に配設される。空胴壁の内部は２２８で示される。
【００５９】
図４Ａを参照すると、ユニットセル２０２の例示的な平衡対称フィード２２０は、中心給電点２３４と、ユニットセルの１つの偏波に対応する給電部分２３２ａ及び２３２ｂと、ユニットセルの直交偏波(orthogonal polarization)に対応する給電部分２３６ａ及び２３６ｂとを有するハウジング２２６を含む。ハウジング２２６はさらに、４つの側壁２２８を含む。給電部分２３２ａ及び２３２ｂ並びに給電部分２３６ａ及び２３６ｂはそれぞれ、内部表面を有し、各内部表面上に配設されるマイクロストリップ給電線（ＲＦ給電線とも呼ばれる）２４０及びマイクロストリップ給電線２３８を含む。各マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８はさらに、各側壁２２８の内部表面上に配設される。マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８は、それぞれの対応するフィン状基板２０４ａ、２０４ｂの下で交差し、中心給電点２３４において一緒に接合する。ユニットセルの中心給電点２３４は、ハウジング２２６の側壁２２８の上側部分の上に隆起する。ハウジング２２６、側壁２２８、及び空胴板２１２は空胴２４２を提供する。マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８は、中心給電点２３４において交差し、空胴２４２の各壁に沿って底面において出る。示すように、側壁２２８上の金属化層が除去されるところに形成されるマイクロストリップフィード２４４ｂは、ＲＦ信号を空胴板２１２の開口２２２に結合する。ユニットセル２０２では、ジャンクションが中心給電点２３４において形成され、キルヒホッフのノード理論に従って、中心給電点２３４における電圧はゼロになるであろう。
【００６０】
１つの特定の実施形態では、平衡対称フィード２２０は、フィン２０４ａ及び２０４ｂの基板の給電表面に一致する成形アセンブリである。この特定の実施形態では、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８は、アセンブリの内部表面をエッチングすることによって形成される。この特定の実施形態では、ハウジング２２６並びに給電部分２３２及び給電部分２３６は、誘電体を成形した。この実施形態では、放射器の高さは０．２５０インチであり、平衡対称フィード２２０は、各辺が０．２８５インチであり、０．１５インチの高さを有する四角形状である。対応する格子間隔は、７〜２１ＧＨｚの周波数で使用するために０．２８５インチである。中心給電点２３４において、０．０７４平方インチのグラウンドプレーン材料のパッチが除去されて、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８上のＲＦフィールドが、放射器素子２０４を上に伝搬し、開口から放射することが可能になる。適切に放射するために、各偏波について、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８は、位相が１８０°ずれるように給電されるため、２つの反対の信号が、中心給電点２３４において遭遇すると、信号は、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８上で相殺するが、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８上のエネルギーは、放射器素子２０４ａ及び２０４ｂに伝達され、外部に放射される。受信信号の場合、逆のことが起こり、信号は、放射器素子２０４ａ及び２０４ｂを下へ誘導され、マイクロストリップ給電線２４０及びマイクロストリップ給電線２３８上に与えられ、位相が１８０°ずれた２つの信号に分割される。別の実施形態では、バラン（図示せず）は、平衡対称フィード２２０に組み入れられる。
【００６１】
ここで図５を参照すると、曲線２７２は、０°ボアサイト角度対周波数における従来技術の中心放射器素子の掃引利得を表す。曲線２７０は、放射器素子についての最大の理論的利得を表し、曲線２７４は、利得曲線２７０より６ｄｂ以上低い曲線を表す。従来技術の放射器において存在する共振によって、曲線２７２に示すようにアンテナ利得の低下がもたらされる。
【００６２】
ここで図５Ａを参照すると、曲線２８２は、０°ボアサイト角度対周波数における図３の同心上に給電された電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の測定された掃引利得を表す。曲線２８０は、放射器素子についての最大の理論的利得を表し、曲線２８４は、利得曲線２８０より約１〜３ｄｂ低い曲線を表す。曲線は、点２８６における測定アーチファクト及びグレーティングローブによる点２８８におけるスパイクを有する。曲線２７２と曲線２８２を比較すると、従来技術の放射器素子の利得と比べて、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の利得との間に約６ｄＢ（電力が４倍）の差が存在することがわかる。したがって、９：１帯域幅範囲にわたって、図３の電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’のうち１つの性能を提供するのに、従来技術の放射器素子の約４倍の量（又は、従来技術の放射器アレイの開口サイズの等価的に４倍）が必要とされるであろう。電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’の性能により、素子１００’は全通過デバイスとして動作することができる。
【００６３】
理想的な性能に近づくバランによって給電されると、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’は、４ポートデバイスとして考えることができ、１つの偏波は、均一マグニチュードで、且つ、１８０°位相関係で給電されるポート１及び２によって生成される。同様に励起されるポート３及び４は、直交偏波を生成するであろう。２〜１８ＧＨｚにおいて、不整合損失は、例示した周波数範囲及び６０°円錐スキャン容積にわたって約０．５ｄＢ以下である。インピーダンス整合もまた、Ｈ平面スキャン容積のほとんどにわたって十分に制御されたままになる。
【００６４】
ここで図６を参照すると、曲線２９２〜３１０のセットは、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’（図３）の偏波純度を示す。曲線は、全ての他の放射器を終端した状態で、アレイの中心に埋め込んだ図１のアレイで示すタイプの単一アンテナ素子について生成される。
【００６５】
埋め込み式素子パターンは、相互結合作用を含むアレイ環境における素子パターンである。相互結合アレイ（mutual coupling array）（ＭＣＡ）上で取得される(taken)埋め込み式素子パターンが測定された。示すデータは、中間帯域の近くで、このアレイの中心素子上で取得された。
【００６６】
種々の平面（Ｅ、Ｈ、及び対角（Ｄ））についての、共偏波（co-polarized）性能及び交差偏波性能用のパターンが与えられる。曲線２９２〜３１０からわかるように、６０°円錐スキャン容積にわたって１０ｄＢより優れた交差偏波分離を有するアンテナが提供される。曲線２９２、３１０は、それぞれ、電気平面（Ｅ）における中心素子の共偏波パターン及び交差偏波パターンを示す。曲線２４９及び曲線３００は、それぞれ、磁気平面（Ｈ）における中心素子の共偏波パターン及び交差偏波パターンを示す。曲線２９０及び曲線２９６は、それぞれ、対角平面における中心素子の共偏波パターン及び交差偏波パターンを示す。曲線２９２、３１０、２４９、３００、２９０、及び曲線２９６は、電気的に短い交差ノッチ放射器素子１００’が良好な交差偏波分離性能を発揮することを示す。
【００６７】
代替の実施形態では、２つのサブ部品、それぞれ、図１及び図３のフィン１０２及び１０２’並びに平衡対称フィード回路１０８及び１０８’の組み立ては、一体構造部品として提供されることにより、フィン同士の正確なアライメント及び給電点における等しい間隙間隔を保証する。最小の公差及びユニットごとの均一性を維持することによって、スキャン角度及び周波数にわたって一貫した性能を達成することができる。
【００６８】
さらなる実施形態では、放射器素子１００及び１００’のフィン部品は、単一アセンブリを形成するために、機械加工、鋳造、又は、射出成形することができる。たとえば、ＡｌＳｉＣなどの金属マトリクス複合物は、熱膨張係数が低く、熱伝導度が高い、非常に軽量で、強度の高い素子を提供することができる。
【００６９】
別の代替の実施形態では、放射器素子１００及び１００’は、アレイ内の放射素子の上に配設されるレドーム（図示せず）によって周囲環境から保護される。レドームは、アンテナの一体部品であり、単一広角インピーダンス整合シートとして、広帯域インピーダンス整合プロセスの一部として使用することができるか、又は、サンドイッチタイプレドームが、当該技術分野で知られているように使用することができる。
【００７０】
本明細書に記載した全ての出版物及び参考文献は、参照によりその全体が本明細書に特に援用される。
本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の概念を組み入れた他の実施形態が使用可能であることが、ここで、当業者には明らかであろう。したがって、これらの実施形態は、開示した実施形態に限定されるべきではなく、特許請求の範囲の精神及びその範囲によってのみ制限されるべきであると考える。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】複数のフィン素子から提供されるノッチ放射器のアレイの等角図である。
【図２】平衡対称フィード回路を含む、図１の放射器アレイの代替の実施形態のユニットセルの部分の断面図である。
【図３】隆起した平衡対称フィード回路を含む図１の放射器アレイのユニットセルの部分の断面図である。
【図３Ａ】ユニットセルの部分の隆起した平衡対称フィード回路への結合を示す図３の分解断面図である。
【図４】ユニットセルの等角図である。
【図４Ａ】図４の平衡対称フィードの等角図である。
【図５】従来技術の放射器アレイの周波数応答曲線である。
【図５Ａ】図１の放射器アレイの周波数応答曲線である。
【図６】全ての他の放射器を終端した状態で、アレイの中心に埋め込んだ図１のアレイで示すタイプの単一アンテナ素子についての、フィールド電力の放射パターンである。種々の平面（Ｅ、Ｈ、及び対角（Ｄ））についての、共偏波性能及び交差偏波性能用のパターンが与えられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間した一対のフィン状基板であって、各フィン状基板が遷移セクション及び給電表面を有する、一対のフィン状基板と、
前記給電表面の対応する１つの表面に近接して配設されるとともに、電磁的に結合される一対の無線周波数（ＲＦ）給電線を有する平衡対称フィードとを備え、
前記一対の無線周波数給電線は、前記遷移セクションに近接して信号ヌル点を形成する、放射器素子。
【請求項２】
請求項１に記載の放射器素子において、前記平衡対称フィードは、空胴を形成する複数の側壁を有するハウジングをさらに備え、
前記一対の給電線の各々は、前記側壁の対応する１つの側壁上に配設され、マイクロストリップ伝送線路を備える、放射器素子。
【請求項３】
請求項１に記載の放射器素子において、前記一対のフィン状基板は、テーパースロットを形成するように配設される、放射器素子。
【請求項４】
請求項１に記載の放射器素子において、前記平衡対称フィードは隆起した平衡対称フィードである、放射器素子。
【請求項５】
請求項１に記載の放射器素子において、前記一対の無線周波数給電線の第１給電線は無線周波数信号を受信するように適応され、前記一対の無線周波数給電線の第２給電線は、約１８０°位相シフトした無線周波数信号を受信するように適応される、放射器素子。
【請求項６】
請求項１に記載の放射器素子において、前記一対の基板は導電性材料から提供される、放射器素子。
【請求項７】
請求項６に記載の放射器素子において、前記一対の基板は銅メッキ金属を含む、放射器素子。
【請求項８】
請求項１に記載の放射器素子において、前記一対の基板は金属化基板を備える、放射器素子。
【請求項９】
請求項１に記載の放射器素子において、前記基板の各々は、約０．２５λＬ未満の高さを有し、λＬは動作波長範囲の下端の波長を表す、放射器素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の放射器素子において、
互いに離間した第２対の基板であって、各基板が、第２テーパースロットを形成する遷移セクションを有するとともに、第２給電表面を有し、前記第２対の基板は、前記第１対の基板によって形成される平面に実質上直交する平面を形成する、第２対の基板をさらに備え、
前記平衡対称フィードは、第２対の無線周波数給電線を含み、各無線周波数給電線が、前記第２対の遷移の一方の前記給電表面に近接して配設されるとともに、電磁的に結合され、
前記第２対の無線周波数給電線は、前記信号ヌル点に近接して前記第２給電表面に電磁的に結合する、放射器素子。
【請求項１１】
請求項１に記載の放射器素子において、前記給電表面の各々は、第１平面に第１部分及び第２平面に第２部分を有し、前記第１平面は、前記第２平面と約９１°〜約１８０°の角度を形成する、放射器素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の放射器素子において、前記平衡対称フィードは、
複数の側壁表面及び前記一対の無線周波数給電線に近接して配設された上部表面を有する空胴と、
一対の伝送給電線であって、各伝送給電線が、前記空胴の対向する対応する側壁表面に近接して配設され、前記一対の無線周波数給電線の対応する一方の無線周波数給電線に電磁的に結合する第１給電端を有する、一対の伝送給電線と、
をさらに備える放射器素子。
【請求項１３】
請求項１２に記載の放射器素子において、前記一対の伝送給電線の各々は、第２給電端をさらに備え、
前記放射器素子は、一対の出力を有するバランをさらに備え、その出力の各々が、前記一対の伝送給電線の前記第２給電端の対応する１つに結合される、放射器素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載の放射器素子において、一対の増幅器をさらに備え、各増幅器が、対応するバラン出力と、前記一対の伝送給電線の一方の第２給電端との間に結合される、放射器素子。
【請求項１５】
第１表面及び第２対向表面を有する空胴板と、
前記空胴板の前記第１表面上に配設され、互いに離間し、給電表面を有する第１の複数のテーパースロットを形成する第１の複数のフィンと、
前記空胴板の前記第１表面上に配設され、互いに離間し、第２の複数のテーパースロットを形成する第２の複数のフィンであって、前記第２の複数のテーパースロットの各々が、前記第１の複数のテーパースロットの対応する１つに実質上直交するとともに、給電表面を有する、第２の複数のフィンと、
前記第１表面上に配設された複数の平衡対称フィード回路であって、各平衡対称フィード回路が、前記給電表面の対応する１つの給電表面に電磁的に結合される一対の無線周波数（ＲＦ）給電線を有する、複数の平衡対称フィード回路と、
を備えた広帯域アンテナ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の広帯域アンテナにおいて、
前記空胴板は、複数の開口をさらに備え、
前記複数の平衡対称フィード回路はそれぞれ、前記複数の開口の対応する１つに配設される、広帯域アンテナ。
【請求項１７】
請求項１７に記載の広帯域アンテナにおいて、
前記空胴板の前記第２表面に近接して配設され、複数の接続部を有するコネクタ板をさらに備え、
前記複数の平衡対称フィード回路の各々は、複数の給電接続部を有し、該給電接続部の各々は、前記複数のコネクタ板接続部の対応する１つに結合される、広帯域アンテナ。
【請求項１８】
請求項１５に記載の広帯域アンテナにおいて、前記フィンの各々は、約０．２５λＬ未満の高さを有し、λＬは動作波長範囲の下端の波長を表す、広帯域アンテナ。
【請求項１９】
請求項１５に記載の広帯域アンテナにおいて、前記複数の平衡対称フィード回路の各々は、前記複数のフィンの対応する１つのフィンの前記給電表面に一致する形状を有する隆起したフィード回路である、広帯域アンテナ。
【請求項２０】
請求項１５に記載の広帯域アンテナにおいて、複数のバランをさらに備え、各バランは対応するＲＦ給電線に結合される、広帯域アンテナ。
【請求項２１】
請求項２０に記載の広帯域アンテナにおいて、複数のＲＦコネクタをさらに備え、各ＲＦコネクタが、前記複数のバランの対応する１つに結合される、広帯域アンテナ。
【請求項２２】
ノッチ付き放射器素子において波形の伝搬モードをＴＥＭモードからＦｌｏｑｕｅｔモードへ変換する方法であって、
一対の素子を設け、
一対の無線周波数給電線を有する平衡対称フィード回路を設け、
前記一対の無線周波数給電線を前記素子に結合し、
前記一対の無線周波数給電線の各々に結合される差動ＲＦ信号を前記素子に供給する、
ことを含む方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、前記一対の素子の各々は一対の基板を備え、各基板は遷移セクション及び給電表面を有し、前記遷移セクションはテーパ付きノッチを形成する、方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法において、前記基板の各々は、約０．２５λＬ未満の高さを有し、λＬは動作波長範囲の下端の波長に対応する、方法。
【請求項１】
互いに離間した一対のフィン状基板であって、各フィン状基板が遷移セクション及び給電表面を有する、一対のフィン状基板と、
前記給電表面の対応する１つの表面に近接して配設されるとともに、電磁的に結合される一対の無線周波数（ＲＦ）給電線を有する平衡対称フィードとを備え、
前記一対の無線周波数給電線は、前記遷移セクションに近接して信号ヌル点を形成する、放射器素子。
【請求項２】
請求項１に記載の放射器素子において、前記平衡対称フィードは、空胴を形成する複数の側壁を有するハウジングをさらに備え、
前記一対の給電線の各々は、前記側壁の対応する１つの側壁上に配設され、マイクロストリップ伝送線路を備える、放射器素子。
【請求項３】
請求項１に記載の放射器素子において、前記一対のフィン状基板は、テーパースロットを形成するように配設される、放射器素子。
【請求項４】
請求項１に記載の放射器素子において、前記平衡対称フィードは隆起した平衡対称フィードである、放射器素子。
【請求項５】
請求項１に記載の放射器素子において、前記一対の無線周波数給電線の第１給電線は無線周波数信号を受信するように適応され、前記一対の無線周波数給電線の第２給電線は、約１８０°位相シフトした無線周波数信号を受信するように適応される、放射器素子。
【請求項６】
請求項１に記載の放射器素子において、前記一対の基板は導電性材料から提供される、放射器素子。
【請求項７】
請求項６に記載の放射器素子において、前記一対の基板は銅メッキ金属を含む、放射器素子。
【請求項８】
請求項１に記載の放射器素子において、前記一対の基板は金属化基板を備える、放射器素子。
【請求項９】
請求項１に記載の放射器素子において、前記基板の各々は、約０．２５λＬ未満の高さを有し、λＬは動作波長範囲の下端の波長を表す、放射器素子。
【請求項１０】
請求項１に記載の放射器素子において、
互いに離間した第２対の基板であって、各基板が、第２テーパースロットを形成する遷移セクションを有するとともに、第２給電表面を有し、前記第２対の基板は、前記第１対の基板によって形成される平面に実質上直交する平面を形成する、第２対の基板をさらに備え、
前記平衡対称フィードは、第２対の無線周波数給電線を含み、各無線周波数給電線が、前記第２対の遷移の一方の前記給電表面に近接して配設されるとともに、電磁的に結合され、
前記第２対の無線周波数給電線は、前記信号ヌル点に近接して前記第２給電表面に電磁的に結合する、放射器素子。
【請求項１１】
請求項１に記載の放射器素子において、前記給電表面の各々は、第１平面に第１部分及び第２平面に第２部分を有し、前記第１平面は、前記第２平面と約９１°〜約１８０°の角度を形成する、放射器素子。
【請求項１２】
請求項１に記載の放射器素子において、前記平衡対称フィードは、
複数の側壁表面及び前記一対の無線周波数給電線に近接して配設された上部表面を有する空胴と、
一対の伝送給電線であって、各伝送給電線が、前記空胴の対向する対応する側壁表面に近接して配設され、前記一対の無線周波数給電線の対応する一方の無線周波数給電線に電磁的に結合する第１給電端を有する、一対の伝送給電線と、
をさらに備える放射器素子。
【請求項１３】
請求項１２に記載の放射器素子において、前記一対の伝送給電線の各々は、第２給電端をさらに備え、
前記放射器素子は、一対の出力を有するバランをさらに備え、その出力の各々が、前記一対の伝送給電線の前記第２給電端の対応する１つに結合される、放射器素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載の放射器素子において、一対の増幅器をさらに備え、各増幅器が、対応するバラン出力と、前記一対の伝送給電線の一方の第２給電端との間に結合される、放射器素子。
【請求項１５】
第１表面及び第２対向表面を有する空胴板と、
前記空胴板の前記第１表面上に配設され、互いに離間し、給電表面を有する第１の複数のテーパースロットを形成する第１の複数のフィンと、
前記空胴板の前記第１表面上に配設され、互いに離間し、第２の複数のテーパースロットを形成する第２の複数のフィンであって、前記第２の複数のテーパースロットの各々が、前記第１の複数のテーパースロットの対応する１つに実質上直交するとともに、給電表面を有する、第２の複数のフィンと、
前記第１表面上に配設された複数の平衡対称フィード回路であって、各平衡対称フィード回路が、前記給電表面の対応する１つの給電表面に電磁的に結合される一対の無線周波数（ＲＦ）給電線を有する、複数の平衡対称フィード回路と、
を備えた広帯域アンテナ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の広帯域アンテナにおいて、
前記空胴板は、複数の開口をさらに備え、
前記複数の平衡対称フィード回路はそれぞれ、前記複数の開口の対応する１つに配設される、広帯域アンテナ。
【請求項１７】
請求項１７に記載の広帯域アンテナにおいて、
前記空胴板の前記第２表面に近接して配設され、複数の接続部を有するコネクタ板をさらに備え、
前記複数の平衡対称フィード回路の各々は、複数の給電接続部を有し、該給電接続部の各々は、前記複数のコネクタ板接続部の対応する１つに結合される、広帯域アンテナ。
【請求項１８】
請求項１５に記載の広帯域アンテナにおいて、前記フィンの各々は、約０．２５λＬ未満の高さを有し、λＬは動作波長範囲の下端の波長を表す、広帯域アンテナ。
【請求項１９】
請求項１５に記載の広帯域アンテナにおいて、前記複数の平衡対称フィード回路の各々は、前記複数のフィンの対応する１つのフィンの前記給電表面に一致する形状を有する隆起したフィード回路である、広帯域アンテナ。
【請求項２０】
請求項１５に記載の広帯域アンテナにおいて、複数のバランをさらに備え、各バランは対応するＲＦ給電線に結合される、広帯域アンテナ。
【請求項２１】
請求項２０に記載の広帯域アンテナにおいて、複数のＲＦコネクタをさらに備え、各ＲＦコネクタが、前記複数のバランの対応する１つに結合される、広帯域アンテナ。
【請求項２２】
ノッチ付き放射器素子において波形の伝搬モードをＴＥＭモードからＦｌｏｑｕｅｔモードへ変換する方法であって、
一対の素子を設け、
一対の無線周波数給電線を有する平衡対称フィード回路を設け、
前記一対の無線周波数給電線を前記素子に結合し、
前記一対の無線周波数給電線の各々に結合される差動ＲＦ信号を前記素子に供給する、
ことを含む方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、前記一対の素子の各々は一対の基板を備え、各基板は遷移セクション及び給電表面を有し、前記遷移セクションはテーパ付きノッチを形成する、方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法において、前記基板の各々は、約０．２５λＬ未満の高さを有し、λＬは動作波長範囲の下端の波長に対応する、方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図４】
【図４Ａ】
【図５】
【図５Ａ】
【図６】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図４】
【図４Ａ】
【図５】
【図５Ａ】
【図６】
【公表番号】特表２００７−５３１３４６（Ｐ２００７−５３１３４６Ａ）
【公表日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２０１５９（Ｐ２００６−５２０１５９）
【出願日】平成１６年５月２５日（２００４．５．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１６３３６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０１５６８７
【国際公開日】平成１７年２月１７日（２００５．２．１７）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（３９００３９１４７）レイセオン・カンパニー (149)
【氏名又は名称原語表記】Ｒａｙｔｈｅｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年５月２５日（２００４．５．２５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１６３３６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０１５６８７
【国際公開日】平成１７年２月１７日（２００５．２．１７）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（３９００３９１４７）レイセオン・カンパニー (149)
【氏名又は名称原語表記】Ｒａｙｔｈｅｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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