(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射ビームを送信及び／又は受信するように構成されたアンテナ素子であって、
単数又は複数の導体を有し、単数又は複数のスロットが形成された第１のパターン導電性レイヤーと、
バランを用いずに放射ビームに関連する複数の電気信号を伝送するように構成された不平衡型給電線と、
前記不平衡型給電線に電気的に接続されたインピーダンス変換部と、
前記 単数又は複数のスロットのうちの少なくとも１つのスロットを跨いでおり、前記インピーダンス変換部と前記第１のパターン導電性レイヤーとに電気的に接続され、前記単数又は複数のスロットからの放射を励起し又は前記単数又は複数のスロットからの放射によって励起されるように構成された単数又は複数のシングルエンド型不平衡励起プローブと、を備え、
前記インピーダンス変換部が、前記不平衡型給電線と前記単数又は複数のシングルエンド型不平衡励起プローブとの間のインピーダンスの差を減少させるように構成され、前記不平衡型給電線のインピーダンスを前記単数又は複数のシングルエンド型不平衡励起プローブのインピーダンスと整合させるアンテナ素子。
【請求項２】
前記第１のパターン導電性レイヤーから離間して配置され単数又は複数の導体を有する第２のパターン導電性レイヤーをさらに備える請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項３】
前記インピーダンス変換部が、前記第１のパターン導電性レイヤーと第２のパターン導電性レイヤーとの間に配置された請求項２に記載のアンテナ素子。
【請求項４】
前記インピーダンス変換部を前記単数又は複数のシングルエンド型不平衡励起プローブに電気的に接続させるように構成された導電性コンタクトをさらに備える請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項５】
前記単数又は複数のシングルエンド型不平衡励起プローブを前記第１の導電性レイヤー内の導体及び／又は第２の導電性レイヤー内の導体に電気的に接続させるように構成された単数又は複数の導電性コンタクトをさらに備える請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項６】
複数のシングルエンド型不平衡励起プローブが前記アンテナ素子内で中間動作周波数の概ね４分の１波長の距離の間隔をおいて配置される請求項５に記載のアンテナ素子。
【請求項７】
複数の隣接するシングルエンド型不平衡励起プローブが、中間動作周波数の２分の１波長よりも短い距離の間隔をおいて配置される請求項５に記載のアンテナ素子。
【請求項８】
前記インピーダンス変換部が導体を含み、
前記インピーダンス変換部のインピーダンスが、前記導体の長さと、前記導体の幅と、前記導体の配置と、前記インピーダンス変換部が設けられた誘電体の誘電率と、のうちの１つ又は複数によって決定される請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項９】
前記インピーダンス変換部が、遮蔽マイクロストリップ又はストリップラインクロッペンシュタイン変換器、のいずれか一方である請求項８に記載のアンテナ素子。
【請求項１０】
前記不平衡型給電線が第２のパターン導電性レイヤーの前記導体を通過して前記インピーダンス変換部に直角に接続するように構成された異なる導体を有する請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１１】
前記不平衡型給電線が前記第２のパターン導電性レイヤーの前記導体を接地に電気的に接続するように構成された異なる導体を有する請求項１０に記載のアンテナ素子。
【請求項１２】
単数又は複数のスロットが、最長動作波長の２分の１よりも長い長さと最短動作波長よりも短い幅とを有する連続的なスロットを形成する請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１３】
最高動作周波数と最低動作周波数との比である前記アンテナ素子のバンド幅が少なくとも約１０対１である請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１４】
最高動作周波数と最低動作周波数との比である前記アンテナ素子のバンド幅が少なくとも約１００対１である請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１５】
前記アンテナ素子の厚さが最低動作周波数の波長の２０分の１よりも少ない請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１６】
前記放射ビームを誘導し及び／又は電子的に走査することを可能にするために、前記複数の電気信号の相対位相を変化させるように構成された送受信機をさらに含む請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１７】
前記アンテナ素子がアンテナアレイの単位セルを含む請求項１に記載のアンテナ素子。
【請求項１８】
アンテナアレイを用いて放射ビームを放射及び／又は受信する方法であって、
前記方法は、
複数の導体を有し、単数又は複数のスロットが形成された第１のパターン導電性レイヤーを提供することと、
バランを用いずに前記放射ビームに関連する複数の電気信号を伝送するように構成された複数の不平衡型給電線を提供することと、
各複数の不平衡型給電線に電気的に接続された複数のインピーダンス変換部を提供することと、
前記単数又は複数のスロットのうちの少なくとも１つのスロットを跨いでおり、各インピーダンス変換部と前記第１のパターン導電性レイヤーとに電気的に接続され、各スロットからの放射を励起し又は各スロットからの放射によって励起されるように構成された複数のシングルエンド型不平衡励起プローブを提供することと、
を含み、
前記複数のインピーダンス変換部が、前記複数の不平衡型給電線と各シングルエンド型不平衡励起プローブとの間のインピーダンスの差を減少させるように構成され、前記複数の不平衡型給電線のインピーダンスを前記各シングルエンド型不平衡励起プローブのインピーダンスと整合させる方法。
【請求項１９】
バックプレーンをさらに備え、
前記バックプレーンは、吸収体、反射体、フェライト、又はメタマテリアルを含む請求項１のアンテナ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願はスロットアレイアンテナに関し、具体的には、広帯域の長スロットアンテナアレイに関する。スロットアレイアンテナは開口を有しており、この開口は、理論上、例えばFmax〜０．０１ｘFmax（すなわち、１００対１）のバンド幅以上の広帯域にわたって、３７７オーム（Ω）の駆動インピーダンスを一定に保つことができる。しかしながら、従来の長スロットアンテナアレイには、バックプレーン及びアンテナ給電部に起因する制約がある。従来のアンテナアレイは、狭い帯域幅しか有しておらず、物理的に厚みが大きすぎるので、広帯域の用途に適していない場合が多い。パッチアンテナは一般に 薄型であるが、多くの用途において必要とされる十分なバンド幅を有していない。
【０００２】
対照的に、ホーンアンテナ類似のテーパスロットアンテナアレイは広帯域を有するが、かなりの深さを必要とする。具体的には、テーパスロットアンテナアレイは、波長の長さ又はそれ以上の長さだけ放射素子の背後に伸びるテーパ部を有する。テーパ部がアンテナアレイの送受信電子モジュール及び給電線のインピーダンスを環境のインピーダンスと整合させる遷移部を提供するので、広帯域を実現するためにはテーパ部の長さを長くする必要がある。送受信機と環境との間の遷移部が長いほど、アンテナアレイによって実現できるバンド幅を広くすることができる。このように、従来のテーパ素子は、テーパ長さ並びにアンテナの厚み及び全体寸法を犠牲にすることで広帯域を実現することができる。
【０００３】
高性能な監視を行ったりその他の重要作戦を遂行する際には、極超短波（ＵＨＦ）スペクトル及びそれより短い波長における超広帯域無線（ＵＷＢ）機能が有用である。この用途に用いるには、アンテナの体積や設置面積が限定される基板上に、高解像度、ダイバーシティ、及び／又はマルチ無線周波数機能（multi-radio-frequency functionality）を実装することが必要とされる。しかしながら、ＵＨＦ放射の波長は１メートルのオーダーなので、従来の広帯域テーパスロットアンテナでは大きく高価になってしまい、実用的ではない。
【０００４】
これら以外の従来のＵＷＢ長スロットアンテナアレイは、バックプレーンの背後にある別個の回路にインピーダンス変換部を備える。このようにして、これらのアンテナアレイにおいては厚さが増加し、好ましい厚さよりも厚くなってしまう可能性がある。さらに、従来の開口は、対リード線等の平衡型給電線を必要とする放射素子を用いる。対リード線はリボンケーブルと類似しており、絶縁物質中に形成された２つの平行な導体を有する。ダイポールアンテナ等の平衡アンテナが不平衡型給電線（例えば同軸ケーブル）によって給電される場合には、望ましくないコモンモード電流が内部導体と外部導体との間に生成される。その結果、不平衡線とアンテナの両方から放射が起こり、非効率であるとともにアンテナアレイの放射パターンを歪ませることになり、他の電子部品において干渉を引き起こすことにもなる。
【０００５】
不平衡型給電線を平衡型給電線に変換するために、従来のアンテナアレイはバランを備える。しかしながら、従来のバランは高価で非効率であり、バンド幅と電源能力が限られている。また、従来のバラン非実装のＵＷＢ長スロットアンテナアレイにおいては、インピーダンス整合のために、厚く重い誘電性のラドームを有するアンテナアレイを用いることが必要となることがある。
【０００６】
したがって、平衡型給電線又はラドームを備える必要がある用途に関しては、従来のアンテナアレイは不十分であり望ましくない。また、従来のアンテナアレイは薄型でなく、さもなければ広帯域を実現できず、低周波数帯において動作することができない。したがって、薄型で高性能のアンテナアレイ、特に伝播方向の厚みが少ないアンテナアレイが望まれている。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書の様々な実施形態や態様においては、厚みと重量が少なく低コストのＵＷＢ長スロットアンテナアレイが提供される。一態様において、このアンテナアレイは、概ね１０対１又はそれ以上の大きさのバンド幅を有するとともに、最低動作周波数の波長の概ね２０分の１かそれ以下の厚みを有する。その結果、このアンテナアレイは、同様の厚みを有するアンテナアレイ（例えば４分の１波長パッチアンテナ）のバンド幅の概ね２００倍のバンド幅を有する。また、このアンテナアレイは、同様のバンド幅を有するアンテナ（例えば、フレア励起四重棟円錐ホーン（quad-ridged horn）アンテナ）の概ね２０分の１のサイズとなる。さらに、複数層のモノリシックタイル構造内に配置されたシングルエンド型不平衡インピーダンス整合給電プローブを用いて長スロットを駆動することによって、給電線の複雑さが緩和される。
【０００８】
上述したものを含め、本発明概念の目的、特徴、及び効果は本明細書によって明らかになる。発明の概要、発明を実施するための形態、図面の記載事項は、本明細書において説明される本発明概念の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】長スロットアンテナアレイの単位セル及びそのアレイから放射される放射ビームの形状の側面図である。
【００１０】
【図１Ｂ】バックプレーンの位置の関数としてインピーダンスの実部及び虚部を示す。
【００１１】
【図２】電磁波を放射し受信する素子のアレイの４つの単位セルの分解図を示す。
【００１２】
【図３】一実施形態におけるインピーダンス整合回路を含む単位セルを示す。
【００１３】
【図４Ａ】単位セルの平面図を示し、図４Ｂ、４Ｃに示される断面図の基準位置を示す。
【００１４】
【図４Ｂ】インピーダンス整合回路のダイレクトコンタクトを通過する断面図を示す。
【００１５】
【図４Ｃ】インピーダンス整合回路の垂直ライザーを通過する断面図を示す。
【００１６】
【図５Ａ】金属製のバックプレーンについて入力反射を示す。
【００１７】
【図５Ｂ】フェライトバックプレーンについて入力反射を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１Ａは、一実施形態における長スロットアンテナアレイの単位セル放射素子１００及び放射ビーム１５０の形状を示す。具体的には、導体１０１及び１０２がアンテナ面に設けられる。導体１０１及び１０２は、例えば、互いに離間して配置されてスロット１１０を形成する導電性ストリップである。一実施形態において、この導電性ストリップは銅等の金属ストリップであってもよい。給電線１２０は（例えば、アクティブモードにおいて放射され、パッシブモードにおいて受信される）放射ビーム１５０と関連する電気信号を、送受信機（不図示）とインピーダンス変換部１２６との間で伝達する。インピーダンス変換部１２６は、給電線１２０のインピーダンスを環境のインピーダンスと整合させ、（アクティブモードにおいて）上述の電気信号を放射ビーム１５０に効率良く結合し、（パッシブモードにおいて）ビーム１５０を電気信号に効率良く結合する。インピーダンス変換部１２６は励起プローブ１２８に電気的に接続されている。励起プローブ１２８はスロット１１０を跨いでおり、導体１０２と電気的に接続されている。励起プローブ１２８は、シングルエンド型不平衡励起プローブとして構成されてもよい。例えば、給電線１２０が同軸ケーブルの場合には、その内部導体によって電源が導体１０２に電気的に接続され、その外部導体によって導体１０１が接地１２２に電気的に接続される。アクティブモードにおいては、励起プローブを用いてスロット１１０に電気信号を提供することによって電流が発生し、その電流によって放射ビーム１５０及び後方伝播放射ビーム１５２がスロット１１０から放射される。バックプレーンを適切に配置することにより、後方伝播放射ビーム１５２はバックプレーン１４０に反射され、前方利得を最大化するように放射ビーム１５０と重なり合うことができる。
【００１９】
図１Ｂは、導体１０１及び１０２（すなわちアンテナ面）の背後におけるバックプレーン１４０の深さの関数として、バックプレーン１４０のインピーダンスを示す。具体的には、インピーダンスの虚部は、電力の流れのうち蓄積エネルギーに起因し正味の電力伝送を生じさせない部分を表す。このインピーダンスの虚部は、アンテナ面の背後の０、０．２５及び０．５波長（λ）の距離において０Ωとなる。対照的に、インピーダンスの実部は、電力の流れのうち正味の電力伝送を生じさせる部分を表す。このインピーダンスの実部はアンテナ面の背後の０．２５λの位置で最大となる。０．２５λの位置においてインピーダンスの虚部が最小となる一方実部が最大となるので、前方伝播方向における利得はバックプレーン１４０をアンテナ面の背後０．２５λの位置に配置した場合に最大となる。
【００２０】
図１Ａ及び1Bに示された実装において、バックプレーン１４０は、接地された導電性の金属製バックプレーンとして構成されてもよい。また、金属製バックプレーン１４０は、導体１０１及び１０２の背後の距離Ｓ１（中心周波数の概ね０．２５λ）の位置に配置することによって、４分の１波長短絡として構成することができる。この実装方法においては、ＴＥＭ伝送線路を使用することによって、反射損失が少なく４対１のバンド幅を実現することができる。また、バックプレーン１４０をフェライト等の吸収体として構成することにより、少なくとも１０対１のバンド幅で２〜３ｄＢの損失を実現することができる。
【００２１】
図２は、放射ビーム２０４を放射及び／又は受信するアンテナアレイ２００を示す。放射ビーム２０４の方向は、例えば隣接するアンテナ給電部間の相対位相を調整することにより制御可能である。また、メインビームを構成しない遠方場放射パターンにおけるグレーティングローブの形状を最小化することにより、放射パターンの精度を向上させるとともにノイズに対する脆弱性を減少させることができる。さらに、ビーム又はパターン２０４の方向を変更することができ、これにより、放射ビーム２０４を誘導し電子的に走査することができる。例えば、放射ビーム２０４は、ＸＹ平面に対して実質的に±６０度の角度（すなわち、１２０度円錐の放射）にわたって誘導され走査されるように構成することができる。
【００２２】
アンテナアレイ２００は、複数の単位セル放射素子２０１（例えば、２０１’、２０１’’、２０１’’’、及び２０１’’’’）を含む。各単位セル２０１はアンテナアレイ２００の一部であり、アンテナアレイ２００全体の配置及び構成を代表して表す一群の素子を含む。単位セル２０１は、アンテナアレイ２００に含まれる素子の繰り返しパターンの基本ユニットである。各単位セル２０１は類似の機能を有しているので、アンテナアレイ２００全体の構成及び動作を、１つの単位セル２０１について説明する。したがって、プライム記号（すなわち、’、’’、’’’、及び’’’’）は一群の等価な素子のうち特定の素子を指し示すために用いられ、プライム記号無しで用いられる素子の参照記号は、一群の等価な素子の全てを表すために用いられる。例えば、２０１’、２０１’’、２０１’’’及び２０１’’’’は、４つの異なる単位セルをそれぞれ示し、２０１は全ての単位セルをまとめて示す。
【００２３】
各単位セル２０１は特性インピーダンスを有している。インピーダンスの不整合により起こる電気信号の反射を最小化し、放射ビーム２０４に結合する電力を最大化するために、各単位セル２０１の特性インピーダンスは環境のインピーダンス（自由空間については３７７Ω）と整合していなければならない。この環境のインピーダンス（Z）は単位セルの長さUL及び幅UWの関数である（すなわち、Z＝377ｘUW／UL）。図２のように単位セル２０１が正方形に形成されている一実施形態においては、単位セル２０１に対する環境のインピーダンスは３７７Ωである。
【００２４】
さらに、各単位セル２０１は複数のレイヤーを含む。アンテナ面は導体２０８Ａによって形成される。導体２０８Ａは単位セル２０１にわたって（例えば、２０１’及び２０１’’’’にわたって）連続するよう構成されている。一実施形態において、導体２０８Ａは例えば導電性の金属ストリップである。
【００２５】
導体２０８Ａは、誘電体フィルム等の誘電体層２１４に設けられてもよい。様々な実施形態において、導電性物質を誘電体層２１４に直接蒸着させたり、銅被覆発泡体等の導電性表面の一部をエッチングすることにより導体を形成することができる。同様に、導体２０８Ｂは、導体２０８Ａと整列するように、また、導体２０８Ａから離間して設けられる。導体２０８Ａと２０８Ｂとは互いに電気的に接続されるが、この点は以下で説明する。
【００２６】
スロット２１２Ａは導体２０８Ａ間に形成され、単位セル２０１の全体にわたって（例えば図２に示されるように２０１’及び２０１’’’’の全体にわたって）連続する。スロット２１２Ａは単位セル２０１の開口であり、この開口を通じて電磁波を環境に放射し、環境から電磁波を受信する。スロット２１２Ａの幅SWは、概ね最短動作波長よりも短くすることができる。また、スロット２１２Ａは、隣接するスロット（例えば図２に示される２０１’及び２０１’’’’）によって形成される連続するスロットの長さが、最長動作波長の概ねλ／２よりも長くなるように構成されてもよい。
【００２７】
バックプレーン２５４は、スロット２１２Ａ及び導体２０８Ａの背後に設けられる。バックプレーン２５４は、誘電体２２２の背後の距離（dg）の位置に配置される。バックプレーン２５４の具体的な位置は、放射ビーム２０４へ伝達される電力又は放射ビーム２０４から伝達される電力を最大にするように選択される。一実施形態において、バックプレーン２５４は、誘電体２２２の背後の概ね０．２５λの位置に配置される。バックプレーン２５４は、アンテナアレイ２００内の電子機器を外部の電気信号や電磁放射から遮蔽する役割も果たす。また、バックプレーン２５４は、バックローブを最小化し放射ビーム２０４のメインローブを最大化することで、アンテナアレイ２００の前方利得を改善することができる。バックプレーン２５４は、様々な構成をとることができ、様々な物質を含むことができる。例えば、バックプレーン２５４は、金属製導体、吸収体、フェライト装荷反射体、又はメタマテリアル（すなわち、構造及び組成に起因する有利な特徴を持つ物質）として構成されてもよい。
【００２８】
アンテナアレイ２００は電磁波の放射も受信もできるように構成されるが、以下では、主にアンテナアレイ２００から放射ビーム２０４を放射する観点から説明を行う。放射ビーム２０４を受信する工程は放射ビーム２０４を放射する工程と実質的に逆向きなので、アンテナアレイ２００は、放射ビーム２０４を受信する際には放射ビーム２０４を放射する場合と実質的に逆に動作する。
【００２９】
図２の一実施形態においては、アンテナアレイ２００は、放射ビーム２０４に関連する電気信号を送信及び／又は受信する送受信電子モジュール２５８を含む。送受信電子モジュール２５８は、例えば、単数又は複数の電源、発振器、変調器、増幅器、送受信スイッチ、サーキュレータ、及び移相器を含む。このように、送受信機２５８は、所望の放射ビーム２０４及び／又は放射ビームパターンを形成するために必要な電気信号を生成することができる。また、アンテナアレイ２００の受信動作時には、送受信機２５８は、放射ビーム２０４に関連する電気信号を、後段の処理のために受信することができる。
【００３０】
一実施形態において、送受信機２５８は、インピーダンス変換部２３４及び２６４に電気的に接続される。インピーダンス変換部２３４及び２６４を（例えば同位相で）共に駆動することにより、空間的な精度を悪化させたり放射ビーム２０４にグレーティングローブを生じさせることなく、送受信機２５８の数を減少させることができる。様々な実施形態において、送受信機２５８とインピーダンス変換部２３４、２６４との割合は１対２でなくともよい。
【００３１】
送受信機２５８は電気信号の位相を調整するための移相器を含んでいてもよい。単位セル２０１の位相を他セルとの関係で相対的に変化させることにより、単位セル２０１間での強めあう干渉及び弱めあう干渉のパターンを変更することができる。その結果、連続的に調整される位相差によって、放射ビーム２０４を所望の方向に誘導し走査することができる。一実施形態において、放射ビーム２０４は例えば概ね１２０度の円錐内で方向付けられる。
【００３２】
給電線２３０は、送受信機２５８をインピーダンス変換部２３４及び２６４に電気的に接続する。一実施形態においては、例えば、給電線２３０は導体２０８Ｂから絶縁され、導体２０８Ｂを通過してインピーダンス変換部２３４及び２６４に（例えばＧＰＯ同軸ケーブルを用いて）接続される。電力伝達を最大化し反射損失を最小化するために、給電線２３０のインピーダンスは、送受信機２５８のインピーダンス及びインピーダンス変換部２３４及び２６４のインピーダンスと整合している必要がある。
【００３３】
一実施形態においては、給電線２３０は５０Ωのインピーダンスを有する同軸ケーブルである。同軸ケーブルは、その内部導体が外部導体から実質的に遮蔽されているため相対的に干渉の影響を受けにくく、給電線２３０として用いるのに適している。さらに、同軸ケーブルは様々な形状で用いることができ、相対的に使い勝手がよい。
【００３４】
同軸ケーブルは、しかしながら、不平衡型給電線である。具体的には、外部導体（すなわちシールド）が接地されている一方で内部導体が接地されていないため、その導体同士は対称性を持たない。また、内部導体及び外部導体における電流密度は互いに異なる。その結果、従来のアンテナアレイは、不平衡型給電線を用いるときには限定されたバンド幅とならざるを得ない。対照的に、アンテナアレイ２００の性能は、インピーダンスが整合しているという特徴のために、同軸ケーブル等の不平衡型給電線を使用する場合にも犠牲にならない。
【００３５】
インピーダンス変換部２３４及び２６４は、給電線２３０によって、送受信機２５８に電気的に接続されている。アンテナアレイ２００の動作は、インピーダンス変換部２３４を含む回路分岐に関して説明される。このインピーダンス変換部２３４を含む回路分岐は、単位セル２０１’の一部分であり、図２において濃線で描かれている。インピーダンス変換部２６４を含む回路分岐は、インピーダンス変換部２３４を含む回路分岐と同じように動作するため、インピーダンス変換部２６４を含む回路分岐の動作はインピーダンス変換部２３４を含む回路分岐ほどに詳しくは説明されない。
【００３６】
インピーダンス変換部２３４は、送受信機２５８、励起プローブ２４６及び２４８、及び環境の間に遷移部を提供し、これらのインピーダンスを整合させる。一実施形態においては、単位セル２０１の配置によって、インピーダンス変換部２３４によって実現されるべきインピーダンスの変化量を減少させることができる。例えば、正方形の単位セル２０１のインピーダンス（Z）は３７７Ω（Z＝377ｘUW／UL）である。しかしながら、一実施形態においては、インピーダンス変換部２３４、２６４側から見た単位セル２０１の実効インピーダンスを１８８Ωに減少させることができる。このインピーダンスの減少は、単位セル２０１当たりのスロット２１２Ａ及び２１２Ｂの数を倍にすることにより（すなわち、Ｅ面における素子間隔を半分にすることにより）実現される。例えば、電磁波を送受信する２組の回路（すなわち、インピーダンス変換部２３４、２６４をそれぞれ含む回路分岐）を単位セルにおいてＹ軸方向に設けることができる。その結果、単位セル２０１の幅UWは、インピーダンス変換部２３４、２６４によって提供されることが必要な実効インピーダンスの変化を決定する目的ではUW／２になる。
【００３７】
一実施形態においては、送受信機２５８及び給電線２３０はそれぞれ５０Ωのインピーダンスを有し、励起プローブ２４６及び２４８の総インピーダンス並びに環境のインピーダンスは１８８Ωとなる。したがって、インピーダンスを５０Ωから１８８Ωに増加させるために、４対１のインピーダンス変換部が必要とされる。対照的に、インピーダンス変換部２３４及び２６４が３７７Ωのインピーダンスを整合させる必要があるとすると、８対１のインピーダンス変換部が必要とされる。したがって、インピーダンス変換部２３４及び２６４によって提供されるべきインピーダンスの変化量に応じて、インピーダンス変換部２３４及び２６４を小型に形成することができる。
【００３８】
インピーダンス変換部２３４及び２６４のインピーダンスは、インピーダンスの必要な変化量を提供するために変更可能である。例えば、インピーダンス変換部の長さ、幅、及び／又は単数又は複数の導線のテーパ幅、全体配置、及び／又はインピーダンス変換部が設けられ誘電体２２２の誘電率を変更することによりインピーダンスを変更することができる。様々な実施形態において、インピーダンス変換部２３４は、例えば、集中素子、ストリップライン、遮蔽マイクロストリップ、又はクロッペンシュタインテーパ型変換器として構成される。例えば、一実施形態において、クロッペンシュタインテーパ型変換器における導体の幅を、概ね０．０５０インチから概ね０．００４インチまで狭くなるように構成することができる。一実施形態においては、インピーダンス変換部２３４を低誘電性の基板に設けることで、インピーダンスの相対的に大きな変化を低製造コストで提供することができる。インピーダンス変換部２３４及び２６４のその他の構成も可能である。そのような他の構成は、当業者であれば本明細書を参照することによって理解することができる。
【００３９】
また、インピーダンス変換部２３４の配置によって、アンテナアレイ２００の厚さを最小にすることができる。一実施形態においては、インピーダンス変換部２３４は導体２０８Ａ（すなわちＸＹ平面）と実質的に平行な面に配置される。対照的に、従来のアンテナアレイは、アンテナ面と直交する方向（すなわちＺ軸方向）においてインピーダンス整合を提供する。したがって、このような従来のアンテナアレイは、本明細書の実施形態よりもＺ軸方向の厚みを必要とする。
【００４０】
インピーダンス変換部２３４は、例えば、導体２０８Ｂの裏側の面に配置することができる。また、インピーダンス変換部２３４は、図２に示されるように、導体２０８Ａと２０８Ｂとの間の面に配置されてもよい。導体２０８Ａと２０８Ｂとの間にインピーダンス変換部２３４を配置することによって、スペースをより有効に利用することができ、インピーダンス変換部２３４を外部の電気信号や電磁的な干渉から遮蔽することができる。
【００４１】
インピーダンス変換部２３４は、垂直ライザー２３８の底部に電気的に接続される。垂直ライザー２３８は導体であり、誘電体２１８を通過して上方に延伸する。図２に示されるように、一実施形態において、垂直ライザー２３８は誘電体２１８の概ね中ほどを通過して延伸する。垂直ライザー２３８の頂部は、励起プローブ２４６及び２４８と電気的に接続される。垂直ライザー２３８は、励起プローブ２４６及び２４８が別個の回路分岐に分かれる分岐位置を提供する。さらに、垂直ライザー２３８によって、励起プローブ２４６及び２４８をインピーダンス変換部２３４とは異なる高さに配置することができる。このように、励起プローブ２４６、２４８、及びインピーダンス変換部２３４は、物理的にも電気的にも互いに干渉する可能性が少ない。一実施形態においては、インピーダンス変換部２３４を励起プローブ２４６及び２４８と同じ高さに配置し、インピーダンス変換部２３４を、垂直ライザー２３８を介すことなく励起プローブ２４６及び２４８に直接接続することができる。これにより、例えばインピーダンス変換部２３４と励起プローブ２４６、２４８とが互いに干渉しないときには、アンテナアレイ２００の複雑さを緩和することができる。
【００４２】
励起プローブ２４６及び２４８は、ダブルサイド平衡型である従来の手法とは対照的に、シングルサイド不平衡型でインピーダンス整合するように構成されるる。励起プローブ２４６及び２４８は、スロット２１２Ａを跨いでおり、導体２０８Ａ及び２０８Ｂに沿って一定間隔で配置される。励起プローブ２４６及び２４８に印加された電気信号によって電流が発生し、この電流がスロット２１２Ａを励起して電磁波を放射させる。さらに、励起プローブ２４６及び２４８は、単位セル２０１の実効インピーダンスが減少し、インピーダンス変換部２３４及び環境とインピーダンス整合するように配置される。
【００４３】
一実施形態においては、励起プローブ２４６及び２４８のインピーダンスは、インピーダンス変換部２３４及び環境の１８８Ωのインピーダンスと整合するように構成される。例えば、各励起プローブ２４６及び２４８のインピーダンスは、３７７Ωとなるように構成される。励起プローブ２４６及び２４８が図２に示されるように電気的に平行に構成される場合には、両励起プローブ２４６及び２４８の総インピーダンスはこの並列接続によって１８８Ωに減少する。様々な実施形態において、電気的に平行な一群の励起プローブに望ましい総インピーダンスを提供するために、電気的に平行に配置された様々な数の励起プローブを配置することができる。
【００４４】
励起プローブ２４６及び２４８は、ダイレクトコンタクト２５０に、例えばダイレクトコンタクト２５０の中間点付近で電気的に接続されている。ダイレクトコンタクトは、導体２０８Ａ及び２０８Ｂ間を電気的に接続する導体である。励起プローブ２４６及び２４８の端部がダイレクトコンタクト２５０に接続される。また、ダイレクトコンタクト２５０によって、励起プローブ２４６及び２４８が導体２０８Ａ及び２０８Ｂを介して接地電位に電気的に接続される。
【００４５】
これらの結果、アンテナアレイ２００は、より少ない部品点数で広帯域を実現することができる。例えば、アンテナアレイ２００は「バラン非実装」である。つまり、アンテナアレイ２００は、インピーダンスを整合させ不平衡型給電線を平衡型給電線に変換するためにバランを必要としない。アンテナアレイ２００は、導体２０８Ａに平行な面に、インピーダンス変換部２３４及び２６４を備えることができ、これによりアンテナアレイ２００の深さを最小化することができる。さらに、アンテナアレイ２００はラドームを必要としない。したがって、アンテナアレイ２００は、従来の様々な代替手法と比較して、安価で容易に実装することができる。
【００４６】
アンテナアレイ２００の寸法及び単位セル２０１の数は、アンテナアレイ２００の動作周波数の範囲によって決定される。具体的には、アンテナアレイ２００のバンド幅がより長い動作波長まで段階的に拡張される場合には、アンテナアレイ２００の寸法は大きくなる。一実施形態においては、アンテナアレイ２００の幅と長さは、最長の動作波長の少なくとも実質的に２分の１である。さらに、アンテナアレイ２００のバンド幅が最短波長まで段階的に拡張されるにつれて、単位セル２０１の数が増やされ、励起プローブ２４６及び２４８の間隔が減らされる。
【００４７】
単位セル２０１の必要数は、必要とされる単位セル２０１の空間間隔に基づいて定められる。具体的には、ナイキスト定理との類似性に基づいて説明する。ナイキスト定理では、空間的に少なくとも半波長ごとにサンプリングすることによって、送信周波数又は受信周波数のバンド幅スペクトルを維持することができる。サンプリング条件が満たされない場合には、同じサンプル値が複数の異なる周波数に対応することになり、原信号を完全に復元することができない。これに加えて、サンプリング条件が満たされない場合には、アンテナアレイ２００は、望ましいないグレーティングローブやサイドローブを生成することなく放射ビーム２０４を放射することはできない。
【００４８】
一実施形態においては、単位セル２０１の長さUL及び幅UWは、空間サンプリング条件を満たすためにナイキスト間隔（Nyquist spatial interval）の実質的に２分の１になっている。さらに、励起プローブ２４６と２４８との距離（Ｘ軸方向の距離）は、ナイキスト間隔の実質的に２分の１（すなわち、最高動作周波数の波長の４分の１）である。また、隣接する励起プローブ（Ｙ軸方向）の繰り返し部分の間隔も、ナイキスト間隔の実質的に２分の１である。例えば、隣接する励起プローブの端部間（すなわちＹ軸方向における２５０と２８０との間）の距離は、最高動作周波数の波長の実質的に４分の１である。このように、各励起プローブ２４６及び２４８は、単位セル２０１内で及び単位セル２０１間で、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において、最高動作周波数の波長の実質的に４分の１の距離だけ離間して配置される。例えば、図２に示されるように、プローブ２４６’は、プローブ２４８’’’’から４分の１波長の距離に配置される。
【００４９】
図３は、単位セル３０１の透視図を示す。具体的には、アンテナアレイ２００における様々な電気部品の接続関係をより明瞭に図示するために、図２と比較して、導体２０８Ａ及び２０８Ｂ及び誘電体レイヤー２１４、２１８及び２２２が取り除かれている。
【００５０】
アンテナアレイ２００は、単位セル３０１を繰り返すことによって製造することができる。しかしながら、単位セル３０１に手直しを加えて、パターンが不連続であることに起因するアンテナアレイ２００の外周における単位セルの不完全なインピーダンス整合回路を除去又は終端することが必要な場合がある。単位セル３０１は、３つの異なるインピーダンス整合回路を部分的に含む。整合回路の３つの異なる部分は、単位セル３０１ごとに２つの完全なインピーダンス整合回路を生じさせる。具体的には、単位セル３０１は、インピーダンス変換部２３４、励起プローブ２４６、２４８、及びダイレクトコンタクト２５０（図２において濃線で描かれた部分に相当する）を含む第１のインピーダンス整合回路を完全に含む。また、単位セル３０１は、励起プローブ３７６、３７８、及びダイレクトコンタクト３８０（インピーダンス整合回路の第２の部分に相当する）を有する第２のインピーダンス整合回路を含む。さらに、単位セル３０１は、インピーダンス変換部２６４、垂直ライザー３６８、及び励起プローブ３８２、３８４（インピーダンス整合回路の第３の部分に相当する）を含む第３のインピーダンス整合回路を含む。
【００５１】
送受信機２５８は、放射ビーム２０４に関連する電気信号を送受信する。送受信機２５８は、給電線２３０に電気的に接続されている。また、導体２０８Ｂは、導体２０８Ａ（図３には示されていない）と整列し、この導体２０８Ａと電気的に接続される。給電線２３０は導体２０８Ｂと絶縁され、導体２０８Ｂを垂直に通過してインピーダンス変換部２３４と接続するように構成されてもよい。インピーダンス変換部２３４は、送受信機２５８、励起プローブ２４６、２４８、及び環境の間に遷移部を提供し、これらのインピーダンスを整合させる。インピーダンス変換部２３４は、垂直ライザー２３８の底部に電気的に接続される。垂直ライザー２３８は、励起プローブ２４６及び２４８が別個の分岐回路に分岐する分岐位置を提供する。また、垂直ライザー２３８によって、励起プローブ２４６及び２４８をインピーダンス変換部２３４とは異なる高さに配置することができる。一実施形態においては、インピーダンス変換部２３４を励起プローブ２４６及び２４８と同じ高さに配置し、インピーダンス変換部２３４を垂直ライザー２３８を介すことなく励起プローブ２４６及び２４８に直接接続することができる。
【００５２】
励起プローブ２４６及び２４８はスロット２１２Ａ（図３では不図示）を跨いでおり、スロット２１２Ａを励起して電磁波を放射させる。励起プローブ２４６及び２４８は、単位セル２０１の実効インピーダンスが減少し、インピーダンス変換部２３４及び環境とインピーダンス整合するように配置される。具体的には、一実施形態において、単位セル３０１ごとに２つの完全なインピーダンス整合回路を設けることにより、インピーダンス変換部から見た環境の実効インピーダンスを２分の１だけ減少させる。さらに、一実施形態においては、励起プローブ２４６及び２４８の総インピーダンスが減少するように、２つの励起プローブ２４６及び２４８が平行に設けられる。励起プローブ２４６及び２４８は、ダイレクトコンタクト２５０に電気的に接続されている。その結果、励起プローブ２４６及び２４８は、導体２０８Ａ及び２０８Ｂに電気的に接続されている。
【００５３】
図４Ａは単位セル２０１の平面図を示す。単位セル２０１は３つの異なる整合回路を部分的に有する。具体的には、第１のインピーダンス整合回路は、インピーダンス変換部２３４及び励起プローブ２４６、２４８を含む。また、単位セル２０１は、励起プローブ３７６、３７８を含む第２のインピーダンス整合回路を含む。さらに、単位セル２０１は、インピーダンス変換部２６４及び励起プローブ３８２、３８４を含む第３のインピーダンス整合回路を含む。
【００５４】
導体２０８Ａは、インピーダンス変換部２３４及び２６４の上部に配置され、アンテナ面を形成するように接続されている。インピーダンス変換部２３４は、送受信機２５８と励起プローブ２４６、２４８のインピーダンスを整合させる遷移部を提供する。
【００５５】
図４Ｂは、単位セル２０１の正面図を示す。導体２０８Ａは、誘電体２１４の上面に設けられている。同様に、導体２０８Ｂは、誘電体２２２の底面に設けられている。一実施形態において、誘電体２１４は、例えば、アンテナアレイ２００や導体２０８Ａの製造工程を支援するポリイミドフィルム（例えば、カプトン（登録商標）フィルム）である。一実施形態において、誘電体２２２は例えばプリント配線基板であってもよい。誘電体２１４と誘電体２２２のレイヤー間には誘電体２１８が配置される。一実施形態において、誘電体２１８は誘電性発泡体又は空気のレイヤーを含む。図４Ｂに示されるように、誘電体２１４は誘電体２１８に設けられる。一実施形態においては、誘電体２１４を除去して、導体２０８Ａが誘電体２１８の上部に直接設けられるようにしてもよい。一実施形態においては、誘電体２１４、２１８、２２２によって、単位セル２０１に配置される電子部品が支持される。
【００５６】
インピーダンス変換部２３４、２６４は、誘電体２１４上に設けられる。これ以外に、誘電体２１４、２１８、２２２の中や下部にインピーダンス変換部２３４、２６４を設けるという配置や構成も可能である。さらに、インピーダンス変換部２３４及び２６４を囲む物質の誘電率は、インピーダンスの必要な変化を提供することができるように選択される。
【００５７】
垂直ライザー２３８及び３６８は、インピーダンス変換部２３４及び２６４を励起プローブ２４８、３８４にそれぞれ電気的に接続する。垂直ライザー２３８、３６８によって、励起プローブ２４８、３８４をインピーダンス変換部２３４及び２６４とは異なる高さに配置することができる。このように、励起プローブ２４８、３８４及びインピーダンス変換部２３４、２６４はそれぞれ、互いに物理的又は電気的に干渉しにくい。一実施形態においては、例えば、インピーダンス変換部２３４を励起プローブ２４６、２４８と同じ高さに配置し、インピーダンス変換部２３４が垂直ライザー２３８を介さずに励起プローブ２４６、２４８に直接に電気的に接続されるようにしってもよい。
【００５８】
励起プローブ２４６及び２４８はスロット２１２Ａを跨いでおり、スロット２１２Ａを励起して電磁波を放射させる。さらに、励起プローブ２４６及び２４８は、導体２０８Ａ及び２０８Ｂとダイレクトコンタクト２５０を介して電気的に接続されている。一実施形態において、励起プローブ２４６及び２４８は、導体２０８Ａ及び２０８Ｂを介して接地電位と電気的に接続されている。バックプレーン２５４は、導体２５４の下方に設けられる。
【００５９】
図４Ｃは単位セル２０１の側面図を示す。導体２０８Ａは、誘電体２１４の上面に設けられる。同様に、導体２０８Ｂは、誘電体２２２の底面に設けられる。誘電体２１４と誘電体２２２との間のレイヤーには誘電体２１８が配置される。給電線２３０は、導体２０８Ｂを垂直に通過してインピーダンス変換部２３４と連絡するように構成される。一実施形態において、インピーダンス変換部２３４は誘電体２２２上に設けられる。インピーダンス変換部２３４は、垂直ライザー２３８に電気的に接続される。垂直ライザー２３８は、励起プローブ２４６及び２４８に電気的に接続され、励起プローブ２４６及び２４８の分岐位置を提供する。垂直ライザー２３８によって、インピーダンス変換部２３４と励起プローブ２４６、２４８を異なる高さ、例えば導体２０８Ａと２０８Ｂとの間、に配置することができる。励起プローブ２４６及び２４８は、ダイレクトコンタクト２５０に電気的に接続されている。ダイレクトコンタクト２５０は、導体２０８Ａ及び２０８Ｂに電気的に接続されている。
【００６０】
３インチｘ３インチの単位セル寸法内に、単位セル２０１の１１ｘ１１のアレイが、アンテナアレイ２００の性能を実証するために作成された。このアンテナアレイを、２００〜２０００ＭＨｚ（すなわち、１０対１のバンド幅）にわたって、孤立した金属製のバックプレーン及びフェライト装荷バックプレーンを用いて試験した。また、このアンテナアレイは、前記最高動作周波数において、Ｅ面及びＨ面の両方にグレーティングローブを有しない±６０度の走査角を持つように決定された。
【００６１】
図５Ａは、１．８７５インチの深さの金属製のバックプレーンを用いた場合の０．４〜２．０ ＧＨｚにわたる入力反射を示す。図５Ｂは、フェライトバックプレーンを用いた場合の０〜２．０ＧＨｚにわたる損失を示す。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本明細書のアンテナアレイを用いて放射ビームを送受信するアンテナ素子及び方法は、様々な種類の通信システムにおいて産業上利用することが可能である。  
以下に、本願出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］放射ビームを送信及び／又は受信するように構成されたアンテナ素子であって、
単数又は複数の導体を有し、単数又は複数のスロットが形成された第１のパターン導電性レイヤーと、
前記放射ビームに関連する電気信号を伝送するように構成された不平衡型給電線と、
前記給電線に電気的に接続されたインピーダンス変換部と、
前記インピーダンス変換部に電気的に接続され、前記単数又は複数のスロットを励起し又は前記単数又は複数のスロットからの放射によって励起されるように構成された単数又は複数の励振器と、を備え、
前記インピーダンス変換部が、前記給電線と前記単数又は複数の励振器との間のインピーダンスの差を減少させるように構成され、前記給電線の前記インピーダンスを前記単数又は複数の励振器の前記インピーダンスと整合させるアンテナ素子。
［２］前記インピーダンス変換部が前記第１のパターン導電性レイヤーと実質的に直交する平面に設けられた前記［１］に記載のアンテナ素子。
［３］前記第１のパターン導電性レイヤーから離間して配置され単数又は複数の導体を有する第２のパターン導電性レイヤーをさらに備える前記［１］に記載のアンテナ素子。
［４］前記インピーダンス変換部が、前記第１のパターン導電性レイヤーと第２のパターン導電性レイヤーとの間に配置された前記［３］に記載のアンテナ素子。
［５］前記インピーダンス変換部を前記単数又は複数の励振器に電気的に接続させる導電性電気コンタクトをさらに備える前記［１］に記載のアンテナ素子。
［６］前記単数又は複数の励振器を前記第１の導電性レイヤー内の導体及び／又は第２の導電性レイヤー内の導体に電気的に接続させるように構成された単数又は複数の電気励振器コンタクトをさらに備える前記［１］に記載のアンテナ素子。
［７］前記単数又は複数の励振器の前記単数又は複数の電気励振器コンタクトが前記アンテナ素子内で中心動作周波数の概ね４分の１波長の距離だけ間隔をおいて配置される前記［６］に記載のアンテナ素子。
［８］単数又は複数の隣接するアンテナ素子励振器の前記単数又は複数の電気励振器コンタクトが、中心動作周波数の２分の１波長よりも短い距離だけ間隔をおいて配置される前記［６］に記載のアンテナ素子。
［９］前記インピーダンス変換部が導体を含み、前記インピーダンス変換部の前記インピーダンスが、前記導体の長さ、幅、配置、及び前記インピーダンス変換部が設けられた誘電体の誘電率のうちの１つ又は複数によって決定される前記［１］に記載のアンテナ素子。
［１０］前記インピーダンス変換部が遮蔽マイクロストリップ又はストリップラインクロッペンシュタイン変換器のいずれか１つである前記［９］に記載のアンテナ素子。
［１１］前記給電線が第２のパターン導体を通過して前記インピーダンス変換部に直角に接続するように構成された導体を有する前記［１］に記載のアンテナ素子。
［１２］前記給電線が前記第２のパターン導電性レイヤーの導体を接地に電気的に接続するように構成された第２の導体を有する前記［１］に記載のアンテナ素子。
［１３］単数又は複数のスロットが、最長動作波長の２分の１よりも長い長さと最短動作波長よりも短い幅とを有する連続的なスロットを形成する前記［１］に記載のアンテナ素子。
［１４］前記最高動作周波数の前記最低動作周波数に対する比である前記アンテナ素子のバンド幅が少なくとも約１０対１である前記［１］に記載のアンテナ素子。
［１５］前記最高動作周波数の前記最低動作周波数に対する比である前記アンテナ素子のバンド幅が少なくとも約１００対１である前記［１］に記載のアンテナ素子。
［１６］前記アンテナ素子の厚さが最低動作周波数の波長の２０分の１よりも少ない前記［１］に記載のアンテナ素子。
［１７］前記電気信号の相対位相を変化させるように構成され、前記放射ビームを誘導し及び／又は電子的に走査することができる送受信機をさらに含む前記［１］に記載のアンテナ素子。
［１８］前記アンテナ素子がアンテナアレイの単位セルを含む前記［１］に記載のアンテナ素子。
［１９］アンテナアレイを用いて放射ビームを放射及び／又は受信する方法であって、
単数又は複数の導体を有し、単数又は複数のスロットが形成された第１のパターン導電性レイヤーを提供し、
前記放射ビームに関連する電気信号を伝送する不平衡型給電線を提供し、
前記給電線に電気的に接続された複数のインピーダンス変換部を提供し、
各インピーダンス変換部に電気的に接続され、前記単数又は複数のスロットを励起し又は前記単数又は複数のスロットからの電磁波によって励起されるように構成された複数の励振器を提供し、
前記複数のインピーダンス変換部が、前記給電線と各励振器との間のインピーダンスの差を減少させるように構成され、前記給電線のインピーダンスを前記各励振器のインピーダンスと整合させる方法。
［２０］前記複数のインピーダンス変換部を提供することが、前記複数のインピーダンス変換部の１つ又は複数を、前記放射ビームのメインローブと実質的に垂直な平面に配置することを含む前記［１９］に記載の方法。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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