(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナシステムであって、
アンテナアレーと、導波路ホーンアレーとを備え、
前記アンテナアレーは、
矩形の誘電体材料基板と、
前記誘電体材料基板の長手方向に沿って間隔をおいて並べるとともに、前記誘電体材料基板の上面に形成される複数の輻射パッチと、
前記複数の輻射パッチに対応して設けられ、前記誘電体材料基板の上面に形成され、前記誘電体材料基板の一方の辺から対応する輻射パッチから所定の距離だけ離れた位置まで延びる複数の結合パッチと、
前記誘電体材料基板の下面に設けられており、前記誘電体材料基板の下方に所定の厚さの空気層を形成するように前記誘電体材料基板の下面から下に延びてグランドに接続される金属支持材とを含み、
前記導波路ホーンアレーは、
矩形金属板と、
前記矩形金属板の長手方向に沿って前記矩形金属板上に加工された、下段に矩形導波路が形成され、上段にベルマウスが形成された矩形断面の複数のホールと、
前記複数のホールの並べ方向に沿って延びる所定の深さの２つの溝とを含み、前記２つの溝の一方は、前記矩形金属板の上面に前記ホールの一方側に形成され、前記２つの溝の他方は、前記矩形金属板の上面に前記ホールの他方側に形成され、
前記導波路ホーンアレーの各矩形導波路のサイズが前記輻射パッチのサイズと同じ、且つ、各矩形導波路が対応する輻射パッチと結合する、ことを特徴とするアンテナシステム。
【請求項２】
前記空気層の厚さが０．５ｍｍ〜３．０ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項３】
前記金属支持材は、具体的に銅板であり、前記誘電体材料基板の両側に設けられる、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項４】
前記銅板の幅が、０．４ｍｍ〜０．６ｍｍである、ことを特徴とする請求項３に記載のアンテナシステム。
【請求項５】
前記溝には、導波路ホーンアレーをアンテナアレーに結合するように、複数のネジ穴が形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
【請求項６】
前記溝は、幅が３．０ｍｍ〜５．０ｍｍであり、深さが８．０ｍｍ〜１２．０ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロストリップアンテナに関し、具体的に、広帯域アンテナ技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波ホログラフィックイメージング技術において、被検体の三次元画像を得るために、一定帯域幅の周波数スキャンによって完全なデータ情報を得る必要である。スキャンシステムにおいて、送受信アンテナは最も先端に位置し、被検体に信号を送信するとともに被検体から反射してくる信号を受信するためのものであり、システム集積の送受信アンテナについては、以下のいくつかの要求がある。（１）体積が小さく、集積に便利である。（２）方向性が強く、主ビーム方向が被検体に直面する。（３）広帯域であり、周波数帯域幅に対するシステムの要求を満たす。
【０００３】
システム化集積において、スキャン送受信アンテナについて一系列の要求があり、小型化、方向性、システムと統合しやすい等のいくつかの点から総合的に考慮すれば、マイクロストリップアンテナがとても良い選択である。しかしながら、普通のマイクロストリップアンテナは、帯域幅が一般的に狭くなっており、電圧駐波比＜２を標準にして計算すれば、相対帯域幅は一般的に１０％より小さい。周波数中心が３０ＧＨｚのアンテナを例として、電圧駐波比＜２の作業帯域幅は３ＧＨｚであり、このような帯域幅は利用ニーズをはるかに満足できない。
【０００４】
通常は、マイクロストリップアンテナに帯域幅を増加させる方式は、以下の通りである。（１）等価回路のＱ値を低下させる。（２）誘電体の厚さを大きくさせたり、誘電体の誘電率εｒを低下させたり、誘電体の損失正接ｔｇδを大きくさせるなど、このような方法がアンテナの損失を大きくさせる。（３）寄生パッチを付加したり、電磁結合を採用するなど。（４）インピーダンス整合ネットワークを設計するが、整合ネットワークがアンテナのサイズを大いに大きくさせる。（５）アレー技術を利用する。
【０００５】
上記した異なる方式により周波数帯域を拡幅することは、一般的に体積の増大や効率の低下を招くことになり、それに異なる方式による周波数帯域の拡幅もアンテナのパターンに相応的に変化させる。
【０００６】
ミリ波広帯域アンテナは既に長い歴史を持っており、対応する技術は比較的完備な発展を持っている。しかしながら、本文が提出した方向性という要求に対して、周波数帯域を拡大するとともに強い方向性を有する技術が良く見られるものではなく、一般的な、帯域を拡大する方法において、誘電体板を切り欠くまたは寄生パッチを入れる技術が良く採用され、これらの技術はアンテナの帯域幅要求のみを解決でき、その方向性が低い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術に存在している問題を考慮して、小さいサイズのマイクロストリップアンテナとマッチングする導波路ホーンアレー及びその方法とアンテナシステムを提供している。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一つの局面は、矩形金属板と、前記矩形金属板の長手方向に沿って前記矩形金属板上に加工された、下段に矩形導波路が形成され、上段にベルマウスが形成された矩形断面の複数のホールと、  前記矩形金属板の上面に前記ホールの両側に形成された、前記複数のホールの並べ方向に沿って延びる所定の深さの溝とを含む導波路ホーンアレーを提出している。
【０００９】
前記溝には、導波路ホーンアレーをアンテナアレーに結合するように、複数のネジ穴が形成されていることが好ましい。
【００１０】
前記溝は、幅が３．０ｍｍ〜５．０ｍｍであり、深さが８．０ｍｍ〜１２．０ｍｍであることが好ましい。
【００１１】
本発明の別の局面は、導波路ホーンアレーを形成する方法であって、矩形金属板の長手方向に沿って前記矩形金属板上に、下段に矩形導波路が形成され、上段にベルマウスが形成された矩形断面の複数のホールを加工するステップと、前記矩形金属板の上面に前記ホールの両側に、前記複数のホールの並べ方向に沿って延びる所定の深さの溝を形成するステップとを含む、
ことを特徴とする方法を提出している。
【００１２】
前記方法は、前記溝には、導波路ホーンアレーをアンテナアレーに結合するように、複数のネジ穴を形成するステップを更に含むことが好ましい。
【００１３】
本発明の別の局面は、アンテナシステムであって、アンテナアレーと、導波路ホーンアレーとを備え、前記アンテナアレーは、矩形の誘電体材料基板と、前記誘電体材料基板の長手方向に沿って間隔をおいて並べるとともに、前記誘電体材料基板の上面に形成される複数の輻射パッチと、前記複数の輻射パッチに対応して設けられ、前記誘電体材料基板の上面に形成され、前記誘電体材料基板の一方の辺から対応する輻射パッチから所定の距離だけ離れた位置まで延びる複数の結合パッチとを含み、前記導波路ホーンアレーは、矩形金属板と、前記矩形金属板の長手方向に沿って前記矩形金属板上に加工された、下段に矩形導波路が形成され、上段にベルマウスが形成された矩形断面の複数のホールと、前記矩形金属板の上面に前記ホールの両側に形成された、前記複数のホールの並べ方向に沿って延びる所定の深さの溝とを含み、前記導波路ホーンアレーの各矩形導波路のサイズが前記輻射パッチのサイズと同じ、且つ、各矩形導波路が対応する輻射パッチと結合する、ことを特徴とするアンテナシステムを提出している。
【００１４】
前記アレーアンテナは、前記誘電体材料基板の下面に設けられており、前記誘電体材料基板の下方に所定の厚さの空気層を形成するように前記誘電体材料基板の下面から下に延びてグランドに接続される金属支持材を含むことが好ましい。
【００１５】
前記空気層の厚さが０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであることが好ましい。
前記金属支持材は、具体的に銅板であり、前記誘電体材料基板の両側に設けられることが好ましい。
【００１６】
前記銅板の幅が、０．４ｍｍ〜０．６ｍｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
上記の方案によれば、アンテナに帯域幅、方向性などの方面に良好な性能を持たせるとともに、システムの送受信アンテナのアイソレーションを向上することができる。
【００１８】
以下の図面は本発明の実施形態を示している。これらの図面と実施形態は非限定的且つ非網羅的な方式で本発明のいくつかの実施例を提供している。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本願の一つの実施例によるマイクロストリップアンテナの平面図である。
【図２】本願の一つの実施例によるマイクロストリップアンテナの右側面図である。
【図３】本願の一つの実施例によるマイクロストリップアンテナの正面図である。
【図４】本願の一つの実施例によるマイクロストリップアンテナの底面図である。
【図５】本願の一つの実施例によるマイクロストリップアンテナの、図１に示す方向に沿った断面図である。
【図６】本願の実施例によるマイクロストリップアンテナの定在波比の概略図である。
【図７】本願の実施例によるマイクロストリップアンテナの２８ＧＨｚ時におけるパターンを示しており、赤色と青色がそれぞれＰｈｉ＝０゜とＰｈｉ＝９０゜である。
【図８】本願の別の実施例によるアレーアンテナの概略図である。
【図９】本願の別の実施例による導波路ホーンアレーの平面図である。
【図１０】図９に示す導波路ホーンアレーの断面図である。
【図１１】送受信アンテナの定在波比の概略図である。
【図１２】アレーアンテナのパターンを示す。
【図１３】ベルマウスアレーが増加されないときのアレーアンテナのアイソレーションを示す。
【図１４】ベルマウスアレーが増加されたときのアレーアンテナのアイソレーションを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。なお、ここで説明した実施例は、例を挙げて説明するためのものであり、本発明がこれに限らないことに注意すべきである。以下の説明において、本発明に対する透徹の理解をさせるため、大量の特定の細部を陳述した。しかしながら、当業者にとって、必ずこれらの特定の細部を採用しなければ本発明を実現できないことではないことが明らかである。他の実施例においては、本発明を混同させることを避けるために、周知の回路、材料又は方法への具体的な説明を省略した。
【００２１】
本明細書の全体において、言及した「一つの実施例」、「実施例」、「一つの示例」又は「示例」は、該実施例又は示例に結合して描述した特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも一つの実施例に含まれていることを意味する。従って、明細書全体の各場所に現れた短文「一つの実施例において」、「実施例において」、「一つの示例」又は「示例」は、必ず同一の実施例又は示例を指したものではない。また、何らかの適宜な組み合わせ及び／又はサブ組み合わせによって、特定の特徴、構造又は特性を、一つ又は複数の実施例又は示例と組み合わせることもできる。また、当業者は、ここで、使用される用語“及び／又は”は、一つ或複数の関連して挙げた項目の何れ及び全ての組み合わせを含むと理解すべきである。
【００２２】
広帯域で方向性が強く、サイズが小さいアンテナを得るために、本願のいくつかの実施例は、広帯域パッチアンテナを提案している。このアンテナは、矩形の誘電体材料基板と、前記誘電体材料基板の上面に形成された輻射パッチと、前記誘電体材料基板の上面に形成され、前記誘電体材料基板の一方の辺から前記輻射パッチから所定の距離だけ離れた位置まで延びる結合パッチと、前記誘電体材料基板の下面に設けられ、且つ前記誘電体材料基板の下面の縁付近から下に延びてグランドに接続され、前記誘電体材料基板の下面とグランドとの間に所定の厚さの空気層を形成する金属支持材とを含む。上記の実施例のアンテナは高周波（例えば、中心周波数はＫ−Ｋａ波長域にあり、ミリ波アンテナ）に動作し、且つ、相対帯域幅が２０％以上であり、主ビームをアンテナ上方の空間内に集束して、大部分のエネルギーを有効検出するために用いさせる。また、このアンテナは、サイズが小さくて、例えば、アンテナのサイズが動作波長に相当する。
【００２３】
図１と、図２と、図３と、図４は本願の一つの実施例によるマイクロストリップアンテナの平面図、右側面図、正面図、底面図をそれぞれ示している。図１に示されるように、このアンテナは、矩形の誘電体材料基板１１０と、輻射パッチ１２０と、結合パッチ１３０とを含む。図３に示されるように、このアンテナは、空気層１６０媒体及び電磁結合を増加する方式を採用して帯域幅を拡大し、５０オームのマイクロストリップサイドフィードを採用する。
【００２４】
図に示されるように、輻射パッチ１２０は誘電体材料基板１１０の上面に形成されており、結合パッチ１３０は誘電体材料基板１１０の上面に形成され、誘電体材料基板１１０の一方の辺から輻射パッチ１２０から所定の距離だけ離れた位置まで延びている。金属支持材１４０は誘電体材料基板１１０の下面に設けられ、且つ、誘電体材料基板１１０の下面の縁付近から下に延びてグランド１５０に接続し、誘電体材料基板１１０の下面とグランドとの間に所定の厚さｈａの空気層を形成する。
【００２５】
いくつかの実施例において、誘電体材料基板１１０はＲｏｇｅｒｓ５８８０の誘電体材料を採用しており、厚さの範囲が０．２ｍｍ〜０．４ｍｍであり、０．２５４ｍｍであることが好ましく、誘電率εが２より大きく、２．２であることが好ましく、損失正接が０．０００９である。誘電体材料基板は、長さが６．５ｍｍ〜８．５ｍｍであり、７．８ｍｍであることが好ましく、幅が５ｍｍ〜７ｍｍであり、６．１ｍｍであることが好ましい。
【００２６】
いくつかの実施例において、空気層１６０の厚さｈａは０．５ｍｍ〜３．０ｍｍであり、１．０ｍｍであることが好ましい。結合パッチ１３０は、長さｌｐｌが１．５ｍｍ〜２．５ｍｍであり、１．９ｍｍであることが好ましく、幅ｗｐｌが０．５ｍｍ〜１．２ｍｍであり、０．８ｍｍであることが好ましい。輻射パッチ１２０は、長さｌｐが４．０ｍｍ〜５．０ｍｍであり、２．７ｍｍであることが好ましく、幅ｗｐが２．０ｍｍ〜３．０ｍｍであり、４．５ｍｍであることが好ましい。フィードパッチ１２０と結合パッチ１３０の間の距離ｄは０．４ｍｍ〜０．５ｍｍであり、０．４５ｍｍであることが好ましい。また、誘電体材料層１６０の裏面に支持材が設けられており、具体的には銅板であり、その幅が０．４ｍｍ〜０．６ｍｍであり、０．５ｍｍであることが好ましく、これは誘電体材料層１１０に対して支持する役割を果たしつつ、取り付ける時に良好な接地性を確保する。
【００２７】
図５には、本願の一つの実施例によるマイクロストリップアンテナの、図１に示す方向に沿った断面図を示している。図５に示されるように、金属支持部材１４０が誘電体材料層の下面の縁に設けられ、且つ下に延びている（図５の断面図には、右に延び）。
【００２８】
図６には、本願の実施例によるマイクロストリップアンテナの定在波比の概略図を示している。図６に示されるように、アンテナのＶＳＷＲ＜２のインピーダンス帯域幅は１０ＧＨｚ（２３ＧＨｚ〜３３ＧＨｚ）であり、中心周波数は２８ＧＨｚであり、相対帯域幅は３５．７％であり、超広帯域アンテナの要求を満たしている。図７には本願の実施例によるマイクロストリップアンテナの２８ＧＨｚ時のパターンを示しており、実線と点線がそれぞれＰｈｉ＝０゜とＰｈｉ＝９０゜である。図７から分かるように、アンテナの主ビームが輻射面の直上に位置し、応用要求に適う。
【００２９】
上記には具体的なサイズを結合してアンテナを作成したが、当業者は、適当にパラメータ値を変更することで中心周波数及び相対帯域幅を変更してもよい。
【００３０】
以上述べたのは単一のマイクロストリップアンテナの構造である。当業者はそれをアンテナアレーに形成することが可能である。図８には、本願の別の実施例によるアレーアンテナの概略図を示している。図８に示されるように、このアンテナアレーは、受信アンテナ又は送信アンテナであってもよい。いくつかの実施例において、アンテナアレーは、複数の一次元に並べた図１に示されている広帯域パッチアンテナを含む。
【００３１】
いくつかの実施例において、アレーアンテナを提供しており、該アレーアンテナは矩形の誘電体材料基板を含み、複数の輻射パッチと複数の結合パッチが誘電体材料基板の上面に相応に設けられる。例えば、複数の輻射パッチは、誘電体材料基板の長手方向に沿って間隔をおいて並べられ、且つ、誘電体材料基板の上面に形成される。複数の結合パッチは、複数の輻射パッチと対応して設けられており、それぞれの結合パッチが誘電体材料基板の上面に形成され、誘電体材料基板の一方の辺から対応する輻射パッチから所定の距離だけ離れた位置まで延びる。このアレーアンテナは金属支持材をさらに含み、該金属支持材が誘電体材料基板の下面に設けられ、且つ、誘電体材料基板の下面の縁付近から下に延びてグランドに接続され、誘電体材料基板の下面とグランドの間に所定の厚さの空気層を形成する。このような方式により、複数の広帯域パッチアンテナを有するアンテナアレーを形成することが可能になる。
【００３２】
送信アンテナと受信アンテナの間のアイソレーションは通信システムにおいて一つの重要な指標である。アイソレーションが低いと、受信信号にクロストークできる送信信号の信号強度が高く、通信品質が相応的に低減する。通常、アンテナアイソレーションとは、一つのアンテナが信号を送信し、別のアンテナによって受信された信号とこの送信されたアンテナ信号の比率を指すことである。
【００３３】
アイソレーションを向上するために、送受信アンテナの間の電磁結合チャンネルに障害を設けて電磁結合を防止したり、デュプレックス状態の送受信アンテナを採用し、送信と受信がそれぞれ直交直線分極又は直交円分極を採用してもよい。また、送受信アンテナの間に別の一つの結合チャンネルを増加してそれを元結合信号と相殺させてもよい。
【００３４】
いくつかの実施例において、上記のミリ波マイクロストリップアンテナアレーにそれとマッチングする導波路ホーンラジエーターを設け、元の送受信アンテナの広帯域及び方向性を確保した上で、送受信アンテナのアイソレーションを向上してもよい。
【００３５】
いくつかの実施例において、アンテナアレーにおける単一のアンテナは、上記した空気媒体層と電磁結合とを増加する方式を採用して帯域を拡大し、且つ、５０オームのマイクロストリップサイドフィードを採用する。全体システムは一次元アンテナアレーを採用し、アンテナ中心間隔が８．０ｍｍ〜１５．０ｍｍであり、１０．４ｍｍであることが好ましく、送受信アンテナ間の相対位置が、図８に示されるように、送受信アンテナの垂直間隔が２０ｍｍ〜４０ｍｍであり、３０ｍｍであることが好ましく、水平方向の相対位置が４．０ｍｍ〜６．０ｍｍであり、５．２ｍｍであることが好ましく、アンテナアレーの動作状態が単一受信で単一送信である。
【００３６】
アンテナアレーにおけるマイクロストリップアンテナは図１に示される実施例に従って設けてもよい。前記アンテナアレーにマッチングするホーンラジエーターは、矩形導波路と、ホーンとを含む。例えば、いくつかの実施例においてラジエーターのベルマウスは１段矩形導波路及びホーン自身からなる。矩形導波路のサイズは対応するマイクロストリップアンテナのパッチのサイズと一致する。
【００３７】
図９、１０に示されるように、いくつかの実施例において、導波路ホーンアレーを提供している。矩形金属板２１１の上に、矩形金属板２１１の長手方向に沿って矩形断面の複数のホールが加工されており、各ホールの下段に矩形導波路２１４が形成され、各ホールの上段にベルマウス２１３が形成されている。矩形金属板の上面にそれらのホールの両側に複数のホールの並べ方向に沿って延びている所定の深さの溝２１２が形成されている。例えば、ホーンの高さは１０ｍｍ〜１４ｍｍであり、１３ｍｍであることが好ましく、ベルマウスの幅は導波路幅と一致しており、ベルマウスの長さは９ｍｍ〜１２ｍｍであり、１１ｍｍであることが好ましい。ホーンアレーの両側に二つの２ｍｍ幅の金属壁が加えられており、そのうち両側の金属トラフが対称し、対称的な金属トラフが導波路ベルマウスを加えた後のアンテナパターンに対称性を持たせる。
【００３８】
また、溝２１２には、導波路ホーンアレーをアンテナアレーに結合するように複数のネジ穴（図示せず）が形成されている。いくつかの実施例において、請求項１に記載された導波路ホーンアレーのように、その中で溝２１２は、幅が３．０ｍｍ〜５．０ｍｍであり、４ｍｍであることが好ましく、深さが８．０ｍｍ〜１２．０ｍｍであり、１０ｍｍであることが好ましい。
【００３９】
図１１と図１２はそれぞれ送受信アンテナの定在波比とアンテナパターンの図であり、図１３と図１４はベルマウスアレーを増加した前後のアンテナアイソレーションの対照である。図１１、１２から分かるように、導波路ベルマウスを増加した後のアンテナは相変わらず広帯域であり、主ビーム方向が集中し、サイズが小さいなどの利点を持っており、ＶＳＷＲ＜２の帯域幅が２２．８ＧＨｚ〜３０．５ＧＨｚであり、相対帯域幅が２８．９％に達する。図１３と図１４の対照から分かるように、導波路ベルマウスアレーはアイソレーションを５〜１０ｄＢだけ増加させる。まとめて言えば、このような新型の導波路ベルマウスアレーはアイソレーションを向上する目的をよく達成している。
【００４０】
これより分かるように、上記の実施例によるマイクロストリップアンテナは、体積が小さく、集積に便利である利点を有する。それに、上記のマイクロストリップアンテナと導波路ホーンラジエーターを組み合わせた実施例は、アンテナに帯域幅、方向性などの方面に良好な性能を持たせるとともに、システムの送受信アンテナのアイソレーションを向上する。
【００４１】
以上、いくつかの典型的な実施例に基づいて本発明を説明した。当業者は、使用の用語が、説明するための例であって、本発明を限定する用語ではないと理解すべきである。また、当業者は、本発明の精神及び実質を逸脱しない限りに、本発明を種々の形態で具体的に実施できるので、上記の実施例は、前述の詳細に限らなく、請求の範囲によって限定されるものとして広く解釈すべきと理解すべきである。請求の範囲又は等価の範囲内での全ての変化や改善が請求の範囲内に含まれることを理解すべきである。
【図１】
0005866409.tif 000002
【図２】
0005866409.tif 000003
【図３】
0005866409.tif 000004
【図４】
0005866409.tif 000005
【図５】
0005866409.tif 000006
【図６】
0005866409.tif 000007
【図７】
0005866409.tif 000008
【図８】
0005866409.tif 000009
【図９】
0005866409.tif 000010
【図１０】
0005866409.tif 000011
【図１１】
0005866409.tif 000012
【図１２】
0005866409.tif 000013
【図１３】
0005866409.tif 000014
【図１４】
0005866409.tif 000015