素子内に静電結合板を具備する二重偏波アンテナアレー及びその製造方法
【課題】
水平近くの垂直偏波エネルギーを生成可能で、グレージング角付近まで走査可能なスロットパターンを具備する二重偏波スロットアンテナを提供する
【解決手段】
二重偏波スロットモードアンテナは基板に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニットのアレーを有し、各二重偏波スロットモード・アンテナユニットは、中央給電位置付近で相隔てられた関係で配置された少なくとも４つのパッチアンテナ素子を有する。隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子は、相隔てられたそれぞれのエッジ部を有し、それぞれのエッジ部はそれらの間の隙間の形状を定めている。静電結合板がその隙間に隣接するとともに相隔てられたそれぞれのエッジ部に重なっており、それらの間の静電結合を増大させる。
水平近くの垂直偏波エネルギーを生成可能で、グレージング角付近まで走査可能なスロットパターンを具備する二重偏波スロットアンテナを提供する
【解決手段】
二重偏波スロットモードアンテナは基板に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニットのアレーを有し、各二重偏波スロットモード・アンテナユニットは、中央給電位置付近で相隔てられた関係で配置された少なくとも４つのパッチアンテナ素子を有する。隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子は、相隔てられたそれぞれのエッジ部を有し、それぞれのエッジ部はそれらの間の隙間の形状を定めている。静電結合板がその隙間に隣接するとともに相隔てられたそれぞれのエッジ部に重なっており、それらの間の静電結合を増大させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信分野に関し、より具体的には、薄型フェーズドアレーアンテナ及びその関連方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既存のマイクロ波アンテナは、例えば衛星受信、中継放送、又は軍事通信などの様々な用途に対して多様な構成を有している。低コスト、軽量、薄型及び大量生産性といった望ましい特性は、一般に、プリント回路アンテナによってもたらされている。最も単純な形態のプリント回路アンテナはマイクロストリップアンテナであり、そこでは、平面状の導体が均一厚さの誘電体シートによって単一の実質的に連続な接地体から隔てられている。マイクロストリップアンテナの一例は特許文献１に開示されている。
【０００３】
アンテナはアレー状に設計され、例えば、敵味方識別（identification friend/foe；ＩＦＦ）システム、パーソナル通信サービス（personal communication service；ＰＣＳ）システム、衛星通信システム、及び航空宇宙システム等の、低コスト、軽量、低サイドローブのような特性を必要とする通信システムで使用され得る。
【０００４】
しかしながら、このようなアンテナの帯域幅と指向性能は、特定用途に制限するものとなり得る。電磁結合されたマイクロストリップパッチ対の使用は帯域幅を拡大させ得るものであるが、特に、薄型と広いビーム幅の維持が望まれる場合、この利益を得るには大きな設計課題が残されている。また、マイクロストリップパッチアレーの使用は、所定の走査角を設けることによって指向性を向上させ得るものである。しかしながら、マイクロストリップパッチアレーを使用するにはジレンマが存在する。アレー素子が互いに小さい間隔で配置される場合、走査角は増大され得るが、小さい間隔で配置することによりアンテナ素子間の望ましくない結合が増大し性能を低下させてしまうからである。
【０００５】
さらに、マイクロストリップパッチアンテナは、例えば航空宇宙システム等の、形状に従った等方的な構成を必要とする用途では有利であるが、アンテナを実装する上で、等方性、十分な放射線カバー率及び指向性が維持されつつ周囲表面への損失が抑制されるように給電する方法に関して課題が残されている。より具体的には、広い走査角を有するフェーズド（位相）アレーアンテナの帯域幅を拡大させることは、従来、周波数域を複数の帯域に分割することによって実現されてきた。
【０００６】
このようなアンテナの一例は特許文献２に開示されている。そのアンテナは数対のダイポールペア・アレーを有し、各々のアレーは別々の周波数帯域に調整されるとともに送／受信方向に沿って互いに積層されている。最も高周波のアレーが２番目に低周波のアレーの前に配置されるというように配置されていく。
【０００７】
この手法は、アンテナの大きさと重量とをかなり増大させ得るものであり、さらに無線周波数（ＲＦ）インターフェース問題を生じさせてしまう。他の手法に、必要な走査角を機械的に実現するためにジンバル（gimbal）を用いるものがある。しかし、この手法もアンテナの大きさと重量とを増大させ得るものであり、応答時間を遅くする結果となる。
【０００８】
ハリス社の電流シートアレー（Current Sheet Array；ＣＳＡ）技術は最新の広帯域・薄型アンテナ技術に相当するものである。例えば、特許文献３は、密に詰め込んだ大きな相互静電結合を有するダイポールアンテナ素子を利用することにより、広周波数帯域及び広走査角を有する位相アレーアンテナを実現するものである。特許文献３のアンテナは、小さい間隔で配置されたダイポールアンテナ素子間の相互結合を利用し、且つ増大させることで、グレーティングローブを抑制するとともに広帯域幅を実現している。
【０００９】
スロット型のＣＳＡはダイポール型より、水平の垂直偏波を生成できること、外部接地面に一致する金属アパーチャ、散乱の抑制、アパーチャでの安定な位相中心などの多くの利点を有する。しかしながら、スロット型は接地面の非二重性のためにダイポール型ＣＳＡの全体域幅を有していない。等方的な航空機アンテナは広帯域性とスロット型パターンとを必要とすることがよくあるが、ダイポール型ＣＳＡはこれらの用途には対応していない。ダイポール型ＣＳＡは水平の或いは水平近く（グレージング）の垂直偏波エネルギーに関する一定の要求を満たし得ないことが解析と測定とによって示されている。ダイポール型ＣＳＡはまたダイポール的素子パターンのために広角走査性能が制限されてしまう。
【特許文献１】米国特許第３９９５２７７号明細書
【特許文献２】米国特許第５４８５１６７号明細書
【特許文献３】米国特許第６５１２４８７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、水平近くの垂直偏波エネルギーを生成可能で、グレージング角付近まで走査可能なスロットパターンを具備する二重偏波スロットアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題に鑑み、二重偏波スロットモードアンテナは基板に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニットのアレーを有し、各二重偏波スロットモード・アンテナユニットは、中央給電位置付近で横方向に相隔てられた関係で配置された４つのパッチアンテナ素子を有する。隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子は、相隔てられたそれぞれのエッジ部を有し、該それぞれのエッジ部はそれらの間の隙間の形状を定めている。静電結合板がその隙間に隣接するとともに相隔てられたそれぞれのエッジ部に重なっており、それらの間の静電結合を増大させる。
【００１２】
基板は接地面とそれに隣接する誘電体層とを有してもよく、パッチアンテナ素子は誘電体層の接地面とは反対側に配置され、それらの間のそれぞれのスロットの形状を定めてもよい。パッチアンテナ素子は好ましくは同一形状、例えば長方形又は正方形など、を有する。静電結合板はパッチアンテナ素子の下方の誘電体層内に配置されてもよいし、パッチアンテナ素子平面の上方の第２の誘電体層内に配置されてもよい。
【００１３】
各アンテナユニットに、４つの同軸給電線路を有するアンテナ給電構造が設けられてもよい。各同軸給電線路は内部導体とそれを囲む関係にあるチューブ状の外部導体とを有する。外部導体は接地面に接続されており、内部導体はそれぞれの外部導体の末端から外側に延在するとともに、中央給電位置にあるそれぞれのパッチアンテナ素子に誘電体層を貫通して接続されている。
【００１４】
本発明に係る方法の一態様は、二重偏波スロットモードアンテナの製造方法に導かれ、基板に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニットのアレーを形成する形成工程を有する。各スロットモード・アンテナユニットは、中央給電位置付近で横方向に相隔てられた関係で配置された４つのパッチアンテナ素子を有する。隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子は相隔てられたそれぞれのエッジ部を有し、該それぞれのエッジ部はそれらの間の隙間の形状を定める。この方法は、各隙間に隣接し、相隔てられたそれぞれのエッジ部に重なるそれぞれの静電結合板を設け、それらの間の静電結合を増大させる設置工程を有する。
【００１５】
基板は接地面とそれに隣接する誘電体層とを有してもよく、形成工程はパッチアンテナ素子を誘電体層の接地面とは反対側に配置して、それらの間のそれぞれのスロットの形状を定めることを有してもよい。静電結合板はパッチアンテナ素子の下方の誘電体層内に配置されてもよいし、パッチアンテナ素子の上方の第２の誘電体層内に配置されてもよい。
【００１６】
本発明に係る方法は、４つの同軸給電線路を有するアンテナ給電構造を各アンテナユニットに設ける工程を有してもよい。各同軸給電線路は内部導体とそれを囲む関係にあるチューブ状の外部導体とを有する。外部導体は接地面に接続され、内部導体はそれぞれの外部導体の末端から外側に延在するとともに、誘電体層を貫通して中央給電位置でそれぞれのパッチアンテナ素子に接続される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は様々な形態で具現化され得るものであり、ここで説明される実施形態に限定されるとして解釈されるべきものではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が詳細且つ完全なものとなり、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるために提示されるものである。似通った参照符号は全体を通して似通った要素を参照し、ダッシュ表記は変形実施形態における同様の要素を指し示すために使用することとする。
【００１８】
図１乃至４を参照し、本発明に従った二重偏波スロットモード・アンテナアレー10について説明する。アンテナ10は、接地面26とそれに隣接する誘電体層24とを含む基板12、及び基板に支持された少なくとも１つのアンテナユニット13を有している。好ましくは、複数のアンテナユニット13がアレー状に配置される。例えば、図１に示されるように、アンテナ10は９個のアンテナユニット13を有している。各アンテナユニット13は、中央給電位置22付近で誘電体層24の接地面26とは反対側に相隔てられた関係で配置された、隣接する４つのアンテナパッチ又はアンテナ素子14、16、18、20を含んでいる。好ましくは、スロットモードを励起するために、例えば14／16及び14／18等のアンテナ素子対はそれらそれぞれの隙間を挟んで0°／180°の位相で給電される。素子励起のこの位相整合はまた、当業者に認識されるように、二重偏波（dual polarization）をもたらすものである。
【００１９】
各アンテナユニットはまた、４つの同軸給電線路32を含むアンテナ給電構造30を有し得る。各同軸給電線路32は、例えば、内部導体42とそれを囲む関係にあるチューブ状の外部導体44とを有している（図２参照）。アンテナ給電構造30は、それぞれの同軸給電線路32を受け入れるための通路61を内部に具備する給電線路形成体60を含んでいる。当業者に認識されるように、給電線路形成体60は好ましくはモノリシックユニットとして一体形成されている。
【００２０】
より具体的には、給電線路形成体60は接地面26に接続された基盤部62とその基盤部に支持されたガイド部63とを有してもよい。基盤部62は、それが接地面26にねじを用いて接続され得るように孔部68を有してもよい。当然ながら、当業者に知られたその他の好適な接続具が用いられてもよい。
【００２１】
ガイド部63は、基盤部62に支持される包囲された底部ガイド部64と、アンテナ素子14、16、18、20に隣接する包囲された頂部ガイド部65と、包囲された底部及び頂部のガイド部の間に延在している開放された中間ガイド部66とを有し得る。各同軸給電線路の外部導体44は、図２に例示されるように、開放された中間ガイド部66にて給電線路形成体60に半田67を介して接続され得る。
【００２２】
給電線路形成体60は好ましくは、例えば、その製造及び機械加工を比較的容易にできる、例えば黄銅などの導電体から成る。結果として、アンテナ給電構造30は接地面26とのしっかりとした信頼性ある接続をもたらすように大きな量で製造され得る。当然ながら、その他の好適材料も給電線路形成体60に使用可能であることは当業者に認識されるところである。
【００２３】
加えて、図３に例示されるように、同軸給電線路32が互いに平行に隣接するように、通路61は好ましくは共通軸Ａ−Ａに平行にされる。さらに、アンテナ給電構造30は有利には、包囲された頂部ガイド部65に携えられた同調板69を含む。同調板69は給電インダクタンスを補償するために使用され得ることは当業者に認識されるところである。
【００２４】
より具体的には、給電線路形成体60は、アンテナ給電構造が少なくとも１つのアンテナユニット13への比較的容易な接続のために基板12に本質的に“プラグイン”されることを可能にする。給電線路形成体60を含むアンテナ給電構造30はまた、アンテナ10への損傷のない比較的容易な取り外し及び／又は取り替えを可能にする。さらに、同軸給電線路32の不適切な接地に起因し得るコモンモード電流は、給電線路形成体60を含むアンテナ給電構造30を用いて実質的に低減され得る。すなわち、その開放された中間ガイド部66は同軸給電線路32のしっかりした信頼性ある接地を可能にする。
【００２５】
接地面26は横方向にアンテナユニット13の外周を超えて外側に延在してもよい。同軸給電線路32は、図２から分かるように、中央給電位置22から上流に向かって互いの接点から外側に逸れていってもよい。アンテナ10はまた、基板12に携えられてアンテナ給電構造30に接続された少なくとも１つのハイブリッド回路50を有してもよい。ハイブリッド回路50は、当業者に認識されるように、アンテナユニット13のそれぞれのアンテナ素子14、16、18、20への信号を制御し、受信し、且つ生成する。
【００２６】
誘電体層24は、好ましくは、アンテナ10の動作周波数帯域の最高周波数近くでの動作波長の約1/2程度の厚さを有しており、少なくとも１つの上部誘電体層又はインピーダンス整合誘電体層28がアンテナユニット13上に設けられてもよい。このインピーダンス整合誘電体層28はまた、図４に示されるように、横方向にアンテナユニット13の外周を超えて外側に延在してもよい。延在された基板12及び延在されたインピーダンス整合誘電体層28の使用により、２：１以上のアンテナ帯域幅が得られる。基板12は可撓性を有し、例えば航空機又は宇宙船の円錐状鼻部などの剛体面に従って等方的に搭載可能である。
【００２７】
より具体的に図１、５Ａ及び５Ｂを参照するに、隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニット13の隣接パッチアンテナ素子14、16、18、20は相隔てられたそれぞれのエッジ部23を有しており、エッジ部23はそれらの間の静電結合を増大させる所定形状及び相対位置を有している。相隔てられたそれぞれのエッジ部23はそれらの間の静電結合を増大させるように、図５Ａ及び５Ｂの拡大図に示されるように噛み合わされてもよい。このように、相隔てられたエッジ部23はエッジ部に沿って変わりなく連続的に噛み合わされてもよいし（図５Ａ）、エッジ部に沿って周期的に噛み合わされてもよい（図５Ｂ）。
【００２８】
従って、隣接するスロットモード・アンテナユニット13のアンテナ素子14、16、18、20との相互静電結合を有する各スロットモード・アンテナユニット13のアンテナ素子14、16、18、20を利用することにより、広周波数帯域幅と広走査角とを有するアンテナアレー10が得られる。従来手法は素子間の相互結合を低減することを狙うものであったが、本発明は広帯域を実現するために小さい間隔で配置されたアンテナ素子間の相互結合を利用し、且つ増大させるものである。
【００２９】
本発明に関連する方法の態様は、二重偏波スロットモードアンテナ10を製造するためのものであり、基板12に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニット13のアレーを形成することを含んでいる。各二重偏波スロットモード・アンテナユニットは中央給電位置22付近で横方向に相隔てられた関係で配置された４つのパッチアンテナ素子14、16、18、20を有している。この方法は、隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニット13の隣接パッチアンテナ素子の相隔てられたそれぞれのエッジ部23を、それらの間の静電結合を増大させるように成形及び位置決めすることを含んでいる。
【００３０】
成形及び位置決めは、相隔てられたそれぞれのエッジ部23を図５Ａ及び５Ｂの拡大図に示されるように連続的に、或いは周期的に噛み合わせることを含んでもよい。この場合も、基板12は可撓性を有してもよく、また、接地面26とそれに隣接する誘電体層24とを有してもよい。そして、アレーを形成することは４つのパッチアンテナ素子14、16、18、20を誘電体層の接地面とは反対側に配置することを有し、それぞれのスロットの形状をそれら素子間に定めている。
【００３１】
この方法はさらに、４つの同軸給電線路32を有するアンテナ給電構造30を各アンテナユニットに形成することを含んでもよい。その各同軸給電線路は内部導体42とそれを囲む関係にあるチューブ状の外部導体44とを有するものである。外部導体44は接地面26に接続され、内部導体42はそれぞれの外部導体の末端から外側に延在し、例えば図２に示されるように、中央給電位置22に隣接するそれぞれのパッチアンテナ素子に誘電体層24を貫通して接続される。
【００３２】
次に、図６、７Ａ及び７Ｂを参照し、他の一実施形態である二重偏波スロットモードアンテナ10’について説明する。隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニット13’の隣接パッチアンテナ素子14、16、18、20は、それらの間の隙間の形状を定める相隔てられたそれぞれのエッジ部23を有している。静電結合層又は静電結合板70がその隙間に隣接するとともに、相隔てられたそれぞれのエッジ部23に重なっており、それら間の静電結合を増大させている。静電結合層又は静電結合板70はパッチアンテナ素子の下方の誘電体層24内に配置されてもよいし（図７Ａ）、パッチアンテナ素子平面の上方の第２の誘電体層28内に配置されてもよい。
【００３３】
従って、隣接するスロットモード・アンテナユニット13’のアンテナ素子14、16、18、20との相互静電結合を有する各スロットモード・アンテナユニット13’のアンテナ素子14、16、18、20を利用することにより、広周波数帯域幅と広走査角とを有するアンテナアレー10’が得られる。
【００３４】
本発明のこの実施形態の方法の態様は、二重偏波スロットモードアンテナを製造するためのものであり、各隙間に隣接するとともに相隔てられたそれぞれのエッジ部23に重なるそれぞれの静電結合板70を、それらの間の静電結合を増大させるために設けることを含んでいる。この場合も、静電結合板70はパッチアンテナ素子の下方の誘電体層24内に配置されてもよいし、パッチアンテナ素子の上方の第２の誘電体層28内に配置されてもよい。
【００３５】
アンテナ10、10’は２：１のＶＳＷＲで７対１の帯域幅を有し得るとともに＋／−75°の走査角を実現し得る。アンテナ10、10’は３：１のＶＳＷＲで１０対１より大きい帯域幅を有し得る。故に、広周波数帯域幅と広走査角とを有する本発明に従った軽量なパッチアレーアンテナ10、10’が提供される。また、アンテナ10、10’は可撓性を有し、例えば航空機などの表面に従って等方的に搭載可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に従った二重偏波スロットモード・アンテナアレーを示す概略平面図である。
【図２】図１の直線２−２に沿って取られた、アンテナ給電構造を有するアンテナの断面図である。
【図３】図２のアンテナ給電構造の給電線形成体を示す斜視図である。
【図４】図１の直線４−４に沿って取られた、アンテナの接地面、誘電体層、アンテナユニット及び上部誘電体層を示す断面図である。
【図５Ａ】図１のアンテナアレーにおける隣接アンテナユニットの隣接アンテナ素子の、互いに噛み合うように相隔てられたエッジ部の実施形態を示す拡大図である。
【図５Ｂ】図１のアンテナアレーにおける隣接アンテナユニットの隣接アンテナ素子の、互いに噛み合うように相隔てられたエッジ部の実施形態を示す拡大図である。
【図６】本発明に従った二重偏波スロットモード・アンテナアレーの他の実施形態を示す概略平面図である。
【図７Ａ】図６の直線７−７に沿って取られた、アンテナの接地面、誘電体層、アンテナユニット、静電結合板及び上部誘電体層を示す断面図である。
【図７Ｂ】図６のアンテナの上部誘電体層に静電結合板を具備する他の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
10、10’ 二重偏波スロットアンテナアレー
12 基板
13、13’ 二重偏波アンテナユニット
14、16、18、20 アンテナ素子
22 中央給電位置
23 エッジ部
24、28 誘電体層
26 接地面
30 アンテナ給電構造
32 同軸給電線路
42 内部導体
44 外部導体
60 給電線路形成体
61 通路
62 基盤部
63 ガイド部
64 底部ガイド部
65 頂部ガイド部
66 中間ガイド部
68 孔部
70、70’ 静電結合板（層）
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信分野に関し、より具体的には、薄型フェーズドアレーアンテナ及びその関連方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
既存のマイクロ波アンテナは、例えば衛星受信、中継放送、又は軍事通信などの様々な用途に対して多様な構成を有している。低コスト、軽量、薄型及び大量生産性といった望ましい特性は、一般に、プリント回路アンテナによってもたらされている。最も単純な形態のプリント回路アンテナはマイクロストリップアンテナであり、そこでは、平面状の導体が均一厚さの誘電体シートによって単一の実質的に連続な接地体から隔てられている。マイクロストリップアンテナの一例は特許文献１に開示されている。
【０００３】
アンテナはアレー状に設計され、例えば、敵味方識別（identification friend/foe；ＩＦＦ）システム、パーソナル通信サービス（personal communication service；ＰＣＳ）システム、衛星通信システム、及び航空宇宙システム等の、低コスト、軽量、低サイドローブのような特性を必要とする通信システムで使用され得る。
【０００４】
しかしながら、このようなアンテナの帯域幅と指向性能は、特定用途に制限するものとなり得る。電磁結合されたマイクロストリップパッチ対の使用は帯域幅を拡大させ得るものであるが、特に、薄型と広いビーム幅の維持が望まれる場合、この利益を得るには大きな設計課題が残されている。また、マイクロストリップパッチアレーの使用は、所定の走査角を設けることによって指向性を向上させ得るものである。しかしながら、マイクロストリップパッチアレーを使用するにはジレンマが存在する。アレー素子が互いに小さい間隔で配置される場合、走査角は増大され得るが、小さい間隔で配置することによりアンテナ素子間の望ましくない結合が増大し性能を低下させてしまうからである。
【０００５】
さらに、マイクロストリップパッチアンテナは、例えば航空宇宙システム等の、形状に従った等方的な構成を必要とする用途では有利であるが、アンテナを実装する上で、等方性、十分な放射線カバー率及び指向性が維持されつつ周囲表面への損失が抑制されるように給電する方法に関して課題が残されている。より具体的には、広い走査角を有するフェーズド（位相）アレーアンテナの帯域幅を拡大させることは、従来、周波数域を複数の帯域に分割することによって実現されてきた。
【０００６】
このようなアンテナの一例は特許文献２に開示されている。そのアンテナは数対のダイポールペア・アレーを有し、各々のアレーは別々の周波数帯域に調整されるとともに送／受信方向に沿って互いに積層されている。最も高周波のアレーが２番目に低周波のアレーの前に配置されるというように配置されていく。
【０００７】
この手法は、アンテナの大きさと重量とをかなり増大させ得るものであり、さらに無線周波数（ＲＦ）インターフェース問題を生じさせてしまう。他の手法に、必要な走査角を機械的に実現するためにジンバル（gimbal）を用いるものがある。しかし、この手法もアンテナの大きさと重量とを増大させ得るものであり、応答時間を遅くする結果となる。
【０００８】
ハリス社の電流シートアレー（Current Sheet Array；ＣＳＡ）技術は最新の広帯域・薄型アンテナ技術に相当するものである。例えば、特許文献３は、密に詰め込んだ大きな相互静電結合を有するダイポールアンテナ素子を利用することにより、広周波数帯域及び広走査角を有する位相アレーアンテナを実現するものである。特許文献３のアンテナは、小さい間隔で配置されたダイポールアンテナ素子間の相互結合を利用し、且つ増大させることで、グレーティングローブを抑制するとともに広帯域幅を実現している。
【０００９】
スロット型のＣＳＡはダイポール型より、水平の垂直偏波を生成できること、外部接地面に一致する金属アパーチャ、散乱の抑制、アパーチャでの安定な位相中心などの多くの利点を有する。しかしながら、スロット型は接地面の非二重性のためにダイポール型ＣＳＡの全体域幅を有していない。等方的な航空機アンテナは広帯域性とスロット型パターンとを必要とすることがよくあるが、ダイポール型ＣＳＡはこれらの用途には対応していない。ダイポール型ＣＳＡは水平の或いは水平近く（グレージング）の垂直偏波エネルギーに関する一定の要求を満たし得ないことが解析と測定とによって示されている。ダイポール型ＣＳＡはまたダイポール的素子パターンのために広角走査性能が制限されてしまう。
【特許文献１】米国特許第３９９５２７７号明細書
【特許文献２】米国特許第５４８５１６７号明細書
【特許文献３】米国特許第６５１２４８７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、水平近くの垂直偏波エネルギーを生成可能で、グレージング角付近まで走査可能なスロットパターンを具備する二重偏波スロットアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題に鑑み、二重偏波スロットモードアンテナは基板に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニットのアレーを有し、各二重偏波スロットモード・アンテナユニットは、中央給電位置付近で横方向に相隔てられた関係で配置された４つのパッチアンテナ素子を有する。隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子は、相隔てられたそれぞれのエッジ部を有し、該それぞれのエッジ部はそれらの間の隙間の形状を定めている。静電結合板がその隙間に隣接するとともに相隔てられたそれぞれのエッジ部に重なっており、それらの間の静電結合を増大させる。
【００１２】
基板は接地面とそれに隣接する誘電体層とを有してもよく、パッチアンテナ素子は誘電体層の接地面とは反対側に配置され、それらの間のそれぞれのスロットの形状を定めてもよい。パッチアンテナ素子は好ましくは同一形状、例えば長方形又は正方形など、を有する。静電結合板はパッチアンテナ素子の下方の誘電体層内に配置されてもよいし、パッチアンテナ素子平面の上方の第２の誘電体層内に配置されてもよい。
【００１３】
各アンテナユニットに、４つの同軸給電線路を有するアンテナ給電構造が設けられてもよい。各同軸給電線路は内部導体とそれを囲む関係にあるチューブ状の外部導体とを有する。外部導体は接地面に接続されており、内部導体はそれぞれの外部導体の末端から外側に延在するとともに、中央給電位置にあるそれぞれのパッチアンテナ素子に誘電体層を貫通して接続されている。
【００１４】
本発明に係る方法の一態様は、二重偏波スロットモードアンテナの製造方法に導かれ、基板に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニットのアレーを形成する形成工程を有する。各スロットモード・アンテナユニットは、中央給電位置付近で横方向に相隔てられた関係で配置された４つのパッチアンテナ素子を有する。隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子は相隔てられたそれぞれのエッジ部を有し、該それぞれのエッジ部はそれらの間の隙間の形状を定める。この方法は、各隙間に隣接し、相隔てられたそれぞれのエッジ部に重なるそれぞれの静電結合板を設け、それらの間の静電結合を増大させる設置工程を有する。
【００１５】
基板は接地面とそれに隣接する誘電体層とを有してもよく、形成工程はパッチアンテナ素子を誘電体層の接地面とは反対側に配置して、それらの間のそれぞれのスロットの形状を定めることを有してもよい。静電結合板はパッチアンテナ素子の下方の誘電体層内に配置されてもよいし、パッチアンテナ素子の上方の第２の誘電体層内に配置されてもよい。
【００１６】
本発明に係る方法は、４つの同軸給電線路を有するアンテナ給電構造を各アンテナユニットに設ける工程を有してもよい。各同軸給電線路は内部導体とそれを囲む関係にあるチューブ状の外部導体とを有する。外部導体は接地面に接続され、内部導体はそれぞれの外部導体の末端から外側に延在するとともに、誘電体層を貫通して中央給電位置でそれぞれのパッチアンテナ素子に接続される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は様々な形態で具現化され得るものであり、ここで説明される実施形態に限定されるとして解釈されるべきものではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が詳細且つ完全なものとなり、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるために提示されるものである。似通った参照符号は全体を通して似通った要素を参照し、ダッシュ表記は変形実施形態における同様の要素を指し示すために使用することとする。
【００１８】
図１乃至４を参照し、本発明に従った二重偏波スロットモード・アンテナアレー10について説明する。アンテナ10は、接地面26とそれに隣接する誘電体層24とを含む基板12、及び基板に支持された少なくとも１つのアンテナユニット13を有している。好ましくは、複数のアンテナユニット13がアレー状に配置される。例えば、図１に示されるように、アンテナ10は９個のアンテナユニット13を有している。各アンテナユニット13は、中央給電位置22付近で誘電体層24の接地面26とは反対側に相隔てられた関係で配置された、隣接する４つのアンテナパッチ又はアンテナ素子14、16、18、20を含んでいる。好ましくは、スロットモードを励起するために、例えば14／16及び14／18等のアンテナ素子対はそれらそれぞれの隙間を挟んで0°／180°の位相で給電される。素子励起のこの位相整合はまた、当業者に認識されるように、二重偏波（dual polarization）をもたらすものである。
【００１９】
各アンテナユニットはまた、４つの同軸給電線路32を含むアンテナ給電構造30を有し得る。各同軸給電線路32は、例えば、内部導体42とそれを囲む関係にあるチューブ状の外部導体44とを有している（図２参照）。アンテナ給電構造30は、それぞれの同軸給電線路32を受け入れるための通路61を内部に具備する給電線路形成体60を含んでいる。当業者に認識されるように、給電線路形成体60は好ましくはモノリシックユニットとして一体形成されている。
【００２０】
より具体的には、給電線路形成体60は接地面26に接続された基盤部62とその基盤部に支持されたガイド部63とを有してもよい。基盤部62は、それが接地面26にねじを用いて接続され得るように孔部68を有してもよい。当然ながら、当業者に知られたその他の好適な接続具が用いられてもよい。
【００２１】
ガイド部63は、基盤部62に支持される包囲された底部ガイド部64と、アンテナ素子14、16、18、20に隣接する包囲された頂部ガイド部65と、包囲された底部及び頂部のガイド部の間に延在している開放された中間ガイド部66とを有し得る。各同軸給電線路の外部導体44は、図２に例示されるように、開放された中間ガイド部66にて給電線路形成体60に半田67を介して接続され得る。
【００２２】
給電線路形成体60は好ましくは、例えば、その製造及び機械加工を比較的容易にできる、例えば黄銅などの導電体から成る。結果として、アンテナ給電構造30は接地面26とのしっかりとした信頼性ある接続をもたらすように大きな量で製造され得る。当然ながら、その他の好適材料も給電線路形成体60に使用可能であることは当業者に認識されるところである。
【００２３】
加えて、図３に例示されるように、同軸給電線路32が互いに平行に隣接するように、通路61は好ましくは共通軸Ａ−Ａに平行にされる。さらに、アンテナ給電構造30は有利には、包囲された頂部ガイド部65に携えられた同調板69を含む。同調板69は給電インダクタンスを補償するために使用され得ることは当業者に認識されるところである。
【００２４】
より具体的には、給電線路形成体60は、アンテナ給電構造が少なくとも１つのアンテナユニット13への比較的容易な接続のために基板12に本質的に“プラグイン”されることを可能にする。給電線路形成体60を含むアンテナ給電構造30はまた、アンテナ10への損傷のない比較的容易な取り外し及び／又は取り替えを可能にする。さらに、同軸給電線路32の不適切な接地に起因し得るコモンモード電流は、給電線路形成体60を含むアンテナ給電構造30を用いて実質的に低減され得る。すなわち、その開放された中間ガイド部66は同軸給電線路32のしっかりした信頼性ある接地を可能にする。
【００２５】
接地面26は横方向にアンテナユニット13の外周を超えて外側に延在してもよい。同軸給電線路32は、図２から分かるように、中央給電位置22から上流に向かって互いの接点から外側に逸れていってもよい。アンテナ10はまた、基板12に携えられてアンテナ給電構造30に接続された少なくとも１つのハイブリッド回路50を有してもよい。ハイブリッド回路50は、当業者に認識されるように、アンテナユニット13のそれぞれのアンテナ素子14、16、18、20への信号を制御し、受信し、且つ生成する。
【００２６】
誘電体層24は、好ましくは、アンテナ10の動作周波数帯域の最高周波数近くでの動作波長の約1/2程度の厚さを有しており、少なくとも１つの上部誘電体層又はインピーダンス整合誘電体層28がアンテナユニット13上に設けられてもよい。このインピーダンス整合誘電体層28はまた、図４に示されるように、横方向にアンテナユニット13の外周を超えて外側に延在してもよい。延在された基板12及び延在されたインピーダンス整合誘電体層28の使用により、２：１以上のアンテナ帯域幅が得られる。基板12は可撓性を有し、例えば航空機又は宇宙船の円錐状鼻部などの剛体面に従って等方的に搭載可能である。
【００２７】
より具体的に図１、５Ａ及び５Ｂを参照するに、隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニット13の隣接パッチアンテナ素子14、16、18、20は相隔てられたそれぞれのエッジ部23を有しており、エッジ部23はそれらの間の静電結合を増大させる所定形状及び相対位置を有している。相隔てられたそれぞれのエッジ部23はそれらの間の静電結合を増大させるように、図５Ａ及び５Ｂの拡大図に示されるように噛み合わされてもよい。このように、相隔てられたエッジ部23はエッジ部に沿って変わりなく連続的に噛み合わされてもよいし（図５Ａ）、エッジ部に沿って周期的に噛み合わされてもよい（図５Ｂ）。
【００２８】
従って、隣接するスロットモード・アンテナユニット13のアンテナ素子14、16、18、20との相互静電結合を有する各スロットモード・アンテナユニット13のアンテナ素子14、16、18、20を利用することにより、広周波数帯域幅と広走査角とを有するアンテナアレー10が得られる。従来手法は素子間の相互結合を低減することを狙うものであったが、本発明は広帯域を実現するために小さい間隔で配置されたアンテナ素子間の相互結合を利用し、且つ増大させるものである。
【００２９】
本発明に関連する方法の態様は、二重偏波スロットモードアンテナ10を製造するためのものであり、基板12に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニット13のアレーを形成することを含んでいる。各二重偏波スロットモード・アンテナユニットは中央給電位置22付近で横方向に相隔てられた関係で配置された４つのパッチアンテナ素子14、16、18、20を有している。この方法は、隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニット13の隣接パッチアンテナ素子の相隔てられたそれぞれのエッジ部23を、それらの間の静電結合を増大させるように成形及び位置決めすることを含んでいる。
【００３０】
成形及び位置決めは、相隔てられたそれぞれのエッジ部23を図５Ａ及び５Ｂの拡大図に示されるように連続的に、或いは周期的に噛み合わせることを含んでもよい。この場合も、基板12は可撓性を有してもよく、また、接地面26とそれに隣接する誘電体層24とを有してもよい。そして、アレーを形成することは４つのパッチアンテナ素子14、16、18、20を誘電体層の接地面とは反対側に配置することを有し、それぞれのスロットの形状をそれら素子間に定めている。
【００３１】
この方法はさらに、４つの同軸給電線路32を有するアンテナ給電構造30を各アンテナユニットに形成することを含んでもよい。その各同軸給電線路は内部導体42とそれを囲む関係にあるチューブ状の外部導体44とを有するものである。外部導体44は接地面26に接続され、内部導体42はそれぞれの外部導体の末端から外側に延在し、例えば図２に示されるように、中央給電位置22に隣接するそれぞれのパッチアンテナ素子に誘電体層24を貫通して接続される。
【００３２】
次に、図６、７Ａ及び７Ｂを参照し、他の一実施形態である二重偏波スロットモードアンテナ10’について説明する。隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニット13’の隣接パッチアンテナ素子14、16、18、20は、それらの間の隙間の形状を定める相隔てられたそれぞれのエッジ部23を有している。静電結合層又は静電結合板70がその隙間に隣接するとともに、相隔てられたそれぞれのエッジ部23に重なっており、それら間の静電結合を増大させている。静電結合層又は静電結合板70はパッチアンテナ素子の下方の誘電体層24内に配置されてもよいし（図７Ａ）、パッチアンテナ素子平面の上方の第２の誘電体層28内に配置されてもよい。
【００３３】
従って、隣接するスロットモード・アンテナユニット13’のアンテナ素子14、16、18、20との相互静電結合を有する各スロットモード・アンテナユニット13’のアンテナ素子14、16、18、20を利用することにより、広周波数帯域幅と広走査角とを有するアンテナアレー10’が得られる。
【００３４】
本発明のこの実施形態の方法の態様は、二重偏波スロットモードアンテナを製造するためのものであり、各隙間に隣接するとともに相隔てられたそれぞれのエッジ部23に重なるそれぞれの静電結合板70を、それらの間の静電結合を増大させるために設けることを含んでいる。この場合も、静電結合板70はパッチアンテナ素子の下方の誘電体層24内に配置されてもよいし、パッチアンテナ素子の上方の第２の誘電体層28内に配置されてもよい。
【００３５】
アンテナ10、10’は２：１のＶＳＷＲで７対１の帯域幅を有し得るとともに＋／−75°の走査角を実現し得る。アンテナ10、10’は３：１のＶＳＷＲで１０対１より大きい帯域幅を有し得る。故に、広周波数帯域幅と広走査角とを有する本発明に従った軽量なパッチアレーアンテナ10、10’が提供される。また、アンテナ10、10’は可撓性を有し、例えば航空機などの表面に従って等方的に搭載可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に従った二重偏波スロットモード・アンテナアレーを示す概略平面図である。
【図２】図１の直線２−２に沿って取られた、アンテナ給電構造を有するアンテナの断面図である。
【図３】図２のアンテナ給電構造の給電線形成体を示す斜視図である。
【図４】図１の直線４−４に沿って取られた、アンテナの接地面、誘電体層、アンテナユニット及び上部誘電体層を示す断面図である。
【図５Ａ】図１のアンテナアレーにおける隣接アンテナユニットの隣接アンテナ素子の、互いに噛み合うように相隔てられたエッジ部の実施形態を示す拡大図である。
【図５Ｂ】図１のアンテナアレーにおける隣接アンテナユニットの隣接アンテナ素子の、互いに噛み合うように相隔てられたエッジ部の実施形態を示す拡大図である。
【図６】本発明に従った二重偏波スロットモード・アンテナアレーの他の実施形態を示す概略平面図である。
【図７Ａ】図６の直線７−７に沿って取られた、アンテナの接地面、誘電体層、アンテナユニット、静電結合板及び上部誘電体層を示す断面図である。
【図７Ｂ】図６のアンテナの上部誘電体層に静電結合板を具備する他の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
10、10’ 二重偏波スロットアンテナアレー
12 基板
13、13’ 二重偏波アンテナユニット
14、16、18、20 アンテナ素子
22 中央給電位置
23 エッジ部
24、28 誘電体層
26 接地面
30 アンテナ給電構造
32 同軸給電線路
42 内部導体
44 外部導体
60 給電線路形成体
61 通路
62 基盤部
63 ガイド部
64 底部ガイド部
65 頂部ガイド部
66 中間ガイド部
68 孔部
70、70’ 静電結合板（層）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板；
前記基板に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニットのアレーであり、各二重偏波スロットモード・アンテナユニットが中央給電位置付近で相隔てられた関係で配置された少なくとも４つのパッチアンテナ素子を有し；且つ
隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子が、相隔てられたそれぞれのエッジ部を有し、該それぞれのエッジ部がそれらの間の隙間の形状を定めている；
ところのアレー；及び
相隔てられたそれぞれのエッジ部に重なっており、それらの間の静電結合を増大させる静電結合層；
を有する二重偏波スロットモードアンテナ。
【請求項２】
前記基板が接地面とそれに隣接する誘電体層とを有し；且つ前記パッチアンテナ素子が前記誘電体層の前記接地面とは反対側に配置されているところの請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記静電結合層が前記誘電体層内に配置されているところの請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記パッチアンテナ素子を覆う第２の誘電体層をさらに有し；且つ前記静電結合層が前記第２の誘電体層内に配置されているところの請求項２に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記基板が接地面とそれに隣接する誘電体層とを有し；且つ前記４つのパッチアンテナ素子が前記誘電体層の前記接地面とは反対側に配置され、それらの間のそれぞれのスロットの形状を定めているところの請求項１に記載のアンテナ。
【請求項６】
二重偏波スロットモードアンテナの製造方法であって：
基板に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニットのアレーを形成する形成工程であり、各二重偏波スロットモード・アンテナユニットが、中央給電位置付近で相隔てられた関係で配置された少なくとも４つのパッチアンテナ素子を有し、隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子が、相隔てられたそれぞれのエッジ部を有し、該それぞれのエッジ部がそれらの間の隙間の形状を定めるところの形成工程；及び
相隔てられたそれぞれのエッジ部に重なった、それらの間の静電結合を増大させる静電結合層を設ける設置工程；
を有する製造方法。
【請求項７】
前記基板が接地面とそれに隣接する誘電体層とを有し；且つ前記形成工程が前記パッチアンテナ素子を前記誘電体層の前記接地面とは反対側に配置し、それらの間のそれぞれのスロットの形状を定めることを有するところの請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記設置工程がそれぞれの静電結合層を各隙間に隣接させて前記誘電体層内に配置することを有するところの請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記設置工程が：
前記パッチアンテナ素子を第２の誘電体層で覆うこと；及び
それぞれの静電結合層を各隙間に隣接させて前記第２の誘電体層内に配置すること；
を有するところの請求項７に記載の製造方法。
【請求項１０】
各アンテナユニットに、４つの同軸給電線路を有するアンテナ給電構造を設置する工程をさらに有する請求項６に記載の製造方法であって、各同軸給電線路が内部導体とそれを囲む関係にあるチューブ状の外部導体とを有し、前記外部導体が前記接地面に接続され、前記内部導体がそれぞれの外部導体の末端から外側に延在されるとともに前記誘電体層を貫通してそれぞれのパッチアンテナ素子に前記中央給電位置で接続されるところの製造方法。
【請求項１】
基板；
前記基板に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニットのアレーであり、各二重偏波スロットモード・アンテナユニットが中央給電位置付近で相隔てられた関係で配置された少なくとも４つのパッチアンテナ素子を有し；且つ
隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子が、相隔てられたそれぞれのエッジ部を有し、該それぞれのエッジ部がそれらの間の隙間の形状を定めている；
ところのアレー；及び
相隔てられたそれぞれのエッジ部に重なっており、それらの間の静電結合を増大させる静電結合層；
を有する二重偏波スロットモードアンテナ。
【請求項２】
前記基板が接地面とそれに隣接する誘電体層とを有し；且つ前記パッチアンテナ素子が前記誘電体層の前記接地面とは反対側に配置されているところの請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記静電結合層が前記誘電体層内に配置されているところの請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記パッチアンテナ素子を覆う第２の誘電体層をさらに有し；且つ前記静電結合層が前記第２の誘電体層内に配置されているところの請求項２に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記基板が接地面とそれに隣接する誘電体層とを有し；且つ前記４つのパッチアンテナ素子が前記誘電体層の前記接地面とは反対側に配置され、それらの間のそれぞれのスロットの形状を定めているところの請求項１に記載のアンテナ。
【請求項６】
二重偏波スロットモードアンテナの製造方法であって：
基板に支持された二重偏波スロットモード・アンテナユニットのアレーを形成する形成工程であり、各二重偏波スロットモード・アンテナユニットが、中央給電位置付近で相隔てられた関係で配置された少なくとも４つのパッチアンテナ素子を有し、隣接する二重偏波スロットモード・アンテナユニットの隣接パッチアンテナ素子が、相隔てられたそれぞれのエッジ部を有し、該それぞれのエッジ部がそれらの間の隙間の形状を定めるところの形成工程；及び
相隔てられたそれぞれのエッジ部に重なった、それらの間の静電結合を増大させる静電結合層を設ける設置工程；
を有する製造方法。
【請求項７】
前記基板が接地面とそれに隣接する誘電体層とを有し；且つ前記形成工程が前記パッチアンテナ素子を前記誘電体層の前記接地面とは反対側に配置し、それらの間のそれぞれのスロットの形状を定めることを有するところの請求項６に記載の製造方法。
【請求項８】
前記設置工程がそれぞれの静電結合層を各隙間に隣接させて前記誘電体層内に配置することを有するところの請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記設置工程が：
前記パッチアンテナ素子を第２の誘電体層で覆うこと；及び
それぞれの静電結合層を各隙間に隣接させて前記第２の誘電体層内に配置すること；
を有するところの請求項７に記載の製造方法。
【請求項１０】
各アンテナユニットに、４つの同軸給電線路を有するアンテナ給電構造を設置する工程をさらに有する請求項６に記載の製造方法であって、各同軸給電線路が内部導体とそれを囲む関係にあるチューブ状の外部導体とを有し、前記外部導体が前記接地面に接続され、前記内部導体がそれぞれの外部導体の末端から外側に延在されるとともに前記誘電体層を貫通してそれぞれのパッチアンテナ素子に前記中央給電位置で接続されるところの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【公開番号】特開２００７−１６６６３０（Ｐ２００７−１６６６３０Ａ）
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３６０６２（Ｐ２００６−３３６０６２）
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【出願人】（５９４０７１６７５）ハリス コーポレイション (287)
【氏名又は名称原語表記】Ｈａｒｒｉｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２８日（２００７．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月１３日（２００６．１２．１３）
【出願人】（５９４０７１６７５）ハリス コーポレイション (287)
【氏名又は名称原語表記】Ｈａｒｒｉｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【Ｆターム（参考）】
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