(57)【要約】アンテナ及びアンテナアレイを提供する。放射素子及び対応する給電線路が、２枚のパネル間に挟まれた可変誘電率材料上に設けられる。このサンドイッチ構造は、ＬＣＤ構造であってよい。導電線路下部の選択された領域内の誘電率を変化させることにより、放射素子の位相を制御することが可能となる。放射素子下部の選択された領域内の誘電率を変化させることにより、放射素子の共振周波数を制御することが可能となる。また、導電線路下部の選択された領域内の誘電率を変化させることにより、放射素子の偏光を制御することも可能となる。【選択図】図３Ｂ
2009538565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナであって、
それ自体の表面上に導電層が設けられたバックパネルと、
上部パネルと、
前記バックパネルと前記上部パネルとの間に挟まれた可変誘電率材料と、
前記上部パネルの上方に設けられた少なくとも１つの放射素子と、
前記上部パネルの上方に設けられ、前記少なくとも１つの放射素子に結合される少なくとも１本の導電線路と
を備えるアンテナ。
【請求項２】
前記可変誘電率材料は、液晶を含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記バックパネル及び前記上部パネルは、絶縁材料を含む、請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記上部パネル上に設けられた少なくとも１つの電極と、
前記電極上に設けられた絶縁層と
をさらに備え、
前記少なくとも１つの放射素子及び前記少なくとも１本の導電線路は、前記絶縁層の上方に設けられる
請求項３に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記可変誘電率材料は、定義されたゾーンに設けられる、請求項４に記載のアンテナ。
【請求項６】
共通の前記電極、バックパネル、液晶、上部パネル、及び電極は、液晶ディスプレイを含む、請求項５に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの電極に結合された電源をさらに備える、請求項４に記載のアンテナ。
【請求項８】
走査アンテナアレイであって、
バックパネルと、
上部パネルと、
前記バックパネルと前記上部パネルとの間に挟まれた可変誘電率材料から成る複数のゾーンと、
前記上部パネルの上方に設けられた複数の放射素子と、
前記上部パネルの上方に設けられ、それぞれ前記複数の放射素子のうちの１つに結合され、前記ゾーンのうちの少なくとも１つの上部を横切る複数の導電線路と
を備える走査アンテナアレイ。
【請求項９】
前記各ゾーンは、電極をさらに備える、請求項８に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記電極の上方に設けられた絶縁層をさらに備え、前記放射素子及び前記導電線路は、前記絶縁層上に設けられる、請求項９に記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記ゾーンのうちの少なくとも１つにおける誘電率は、他の少なくとも１つのゾーンの誘電率と異なるようになる、請求項８に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記各電極は、電源に結合される、請求項９に記載のアンテナ。
【請求項１３】
アンテナの製造方法であって、
バックパネルを設けるステップと、
前記バックパネルの底面上に導電線路を製作するステップと、
上部パネルを設けるステップと、
前記バックパネルと前記上部パネルとの間に可変誘電率材料を挟むステップと、
前記上部パネルの上方に少なくとも１つの放射素子を設けるステップと、
前記上部パネルの上方に少なくとも１本の導電線路を設け、前記導電線路と前記放射素子とを結合させるステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記挟むステップは、複数のゾーンにおいて前記可変誘電率材料を挟むステップを含む、請求項１３に記載のアンテナ製造方法。
【請求項１５】
それぞれ前記ゾーンのうちの１つの上方に設けられる複数の電極を設けるステップと、
前記電極と、前記少なくとも１つの放射素子と、前記導電線路との間に誘電層を設けるステップと
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
可変誘電率材料を挟む前記ステップは、複数のゾーンにおいて液晶を挟むステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
バックパネルを設ける前記ステップと、上部パネルを設ける前記ステップと、前記バックパネルと前記上部パネルとの間に可変誘電率材料を挟む前記ステップとは、液晶ディスプレイを提供するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
バックパネルを設けるステップと、
前記バックパネルの底面上に導電線路を製作するステップと、
上部パネルを設けるステップと、
前記バックパネルと前記上部パネルとの間に可変誘電率材料を挟むステップと、
前記上部パネルの上方に少なくとも１つの放射素子を設けるステップと、
前記上部パネルの上方に少なくとも１本の導電線路を設け、前記導電線路と前記放射素子とを結合させるステップと
を含む方法によって製造されるアンテナ。
【請求項１９】
前記製造方法は、複数のゾーンにおいて前記可変誘電率材料を挟むステップをさらに含み、少なくとも１つのゾーンは、前記少なくとも１本の導電線路下にそれぞれ設けられる、請求項１８に記載のアンテナ。
【請求項２０】
前記製造方法は、
前記ゾーンのうちの１つの上方にそれぞれ設けられる複数の電極を設けるステップと、
前記電極と、前記少なくとも１つの放射素子と、前記少なくとも１本の導電線路との間に誘電層を設けるステップと
をさらに含む、請求項１９に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２００６年５月２４日に出願された米国特許出願第６０／８０８，１８７号、２００６年１１月１７日に出願された米国特許出願第６０／８５９，６６７号、２００６年１１月１７日に出願された米国特許出願第６０／８５９，７９９号、２００７年２月１６日に出願された米国特許出願第６０／８９０，４５６号、２００７年４月３日に出願された米国特許出願第１１／６９５，９１３号、及び２００７年５月１０日に出願された米国特許出願第１１／７４７，１４８号の優先権を主張する継続出願であり、これらのすべての出願の開示内容全体を参考として本明細書に援用する。
【０００２】
本発明の技術分野は一般に、放射性電磁デバイス及び非放射性電磁デバイスに使用可能な固有の電磁アンテナに関するものである。本発明の諸実施形態は一般に、アンテナ構造に関し、より詳しくは、ＬＣＤ上で構造化された放射素子を有するアンテナ構造、及びそのような放射素子のアレイを有するアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
当技術分野では、電磁放射線を送受信する様々なアンテナが知られている。物理的には、アンテナは、印加される電界及び関連する磁界に応答して放射電磁界を生成する伝導体で構成された放射素子から成る。このプロセスは双方向性であり、即ち、アンテナが電磁界に置かれたとき、その電磁界によってアンテナ内に交番磁界が誘起され、アンテナの端子間に電界が生成される。給電線路（ｆｅｅｄ  ｌｉｎｅ）又は送電線路（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｅ）あるいは給電網又は送電網により、アンテナとトランシーバの間で信号が移送される。給電網は、様々なタイプの送電線路、ベンド、パワースプリッタ、及びフィルタであってよく、アンテナ結合網及び／又は導波管も含むことができる。アンテナアレイとは、指向性放射パターンを生み出すように共通のソース又は負荷に結合された２つ以上のアンテナを指す。個々のアンテナ間の空間関係は、アンテナの指向性に寄与する。アンテナアレイは一般に、基本的には空間世界に標本化定理を適用するものである。したがって、基本アンテナ素子である何らかのタイプの素子から成るアレイを使用して、ホーンアンテナ、反射器、他の任意の形状の開放開口等、任意の開口アンテナが同様の放射パターン及び利得を生み出すように設計することができ、また、各素子が事前定義された間隔で隔置される長方形あるいは他の形の格子状に配列することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本明細書に開示されるアンテナは汎用的であり、様々な用途に適用することが可能であるが、本発明のアンテナの利益を特に享受し得る１つの具体的な用途は、固定環境とモバイル環境の両方における衛星テレビジョン（直接放送衛星（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｒｏａｄｃａｓｔ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）：「ＤＢＳ」）の受信である。固定ＤＢＳの場合では、静止衛星向けの指向性アンテナを用いて受信が実現される。モバイルＤＢＳの場合では、アンテナが（陸上、海上、又は航空）移動ビークル上に設置される。そのような状況では、ビークルの移動中、アンテナを絶えず衛星に向けておく必要がある。移動中にアンテナが衛星を追跡するように仕向けるために、電動メカニズム及び／又は位相偏移アンテナアレイの利用等、様々なメカニズムが使用される。モバイルＤＢＳに関する一般的な情報の詳細は、例えば参考として本明細書に援用する米国特許第６，５２９，７０６号で確認することができる。
【０００５】
１つの既知の２次元ビームステアリングアンテナは、アレイ内の各素子が移相器及び移相器に接続された増幅器を有するフェーズドアレイ設計を使用する。平面アレイ向けの典型的なアレイ設計は、マイクロストリップ技術又はスロット付き導波管技術を使用する（例えば、米国特許第５，５７９，０１９号参照）。マイクロストリップ技術では、アンテナサイズが増加するためにアンテナ効率が大幅に低下する。スロット付き導波管技術では、複雑な構成部品及びベンドならびに非常に狭いスロットがシステムに組み込まれ、製造プロセス中はそれらのすべての寸法及び幾何配置を厳格に制御する必要がある。移相器及び増幅器は、２次元半球カバレージを提供するのに使用される。しかしながら、移相器はコストが高く、特にフェーズドアレイが多くの素子を含む場合は全体のアンテナコストが極めて高くなる恐れがある。また、移相器は、別個の複雑な制御回路も必要とするので、コスト及びシステムの複雑性が過度に高まることになる。
【０００６】
ＤＢＳと類似のＧＢＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｂｒｏａｄｃａｓｔ  Ｓｅｒｖｉｃｅ：全地球放送サービス）と呼ばれる技術は、商用の既製技術を使用して、米国政府に関連する多様なユーザコミュニティに対し衛星を介して広帯域データ及び実時間ビデオを提供する。米軍ＣＥＣＯＭ  Ｓ＆ＴＣＤの宇宙技術局（Ｓｐａｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｂｒａｎｃｈ  ｏｆ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ‐Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｃｏｍｍａｎｄ’ｓ  Ｓｐａｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｒｒｅｓｔｒｉａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｄｉｒｅｃｔｏｒａｔｅ）で開発されたＧＢＳシステムは、機械追跡システムを有するスロット付き導波管アンテナを使用する。このアンテナは、レードーム（レーダードーム）を除いた高さが「僅か」１４インチ（約３５ｃｍ）の薄型アンテナと言われており、それ自体のサイズは、軍事用途に許容可能なサイズであっても、民生用途、例えば自家用車では許容可能でない可能性がある。民生用途では、このアンテナは、ビークルの美的外観を損なわず、それ自体の抗力係数を大幅に増加させない程度の薄さにされるはずである。
【０００７】
現行のモバイルシステムは、高額で複雑である。実際の消費者製品では、サイズ及びコストが重要な要因となるが、サイズ及びコストの大幅な低減を実現することは困難である。コストに加えて、既知のシステムの移相器は、性質上、各システムに追加的な損失（例えば、３ｄＢ以上の損失）をもたらし、したがって、そのような損失を相殺するには、アンテナサイズを大幅に増加させる必要がある。ＤＢＳアンテナシステム等の特定の場合では、サイズが４フィート×４フィート（約１．２メートル×１．２メートル）に達することもあり、民生用途では現実的でない。
【０００８】
上記の論述から分かるように、民生向けモバイルＤＢＳ又はＧＢＳシステムを開発するには、少なくとも以下の課題を解決しなければならない。即ち、信号収集効率の向上、サイズの縮小、及び低価格化である。現行のアンテナシステムは、やや大きすぎるため商用利用に向かず、収集効率にも問題があり、価格が数千ドル、あるいは数万ドルに及ぶこともあり、結果として、平均的な消費者の手の届く範囲を遥かに超えている。一般に、本明細書で論じる効率性とは、アンテナが受信した無線周波数信号を電気信号の形で収集する効率性を指す。上記の課題は、どのアンテナシステムにも共通する課題であり、本明細書で提供される解決策は、固定であれモバイルであれ任意の用途の任意のアンテナシステムを対象として、このような課題を解決するものである。
【０００９】
マイクロストリップアンテナ（プリントアンテナとしても知られる）にはいくつかのタイプが存在し、そのうちの最も一般的なタイプは、マイクロストリップパッチアンテナ又はパッチアンテナである。パッチアンテナは、絶縁基板に接着された金属トレースにアンテナ素子パターンをエッチングすることによって製作される狭帯域広ビームアンテナである。いくつかのパッチアンテナは、基板を避け、誘電体スペーサを使用して金属パッチを接地面上の空気中に浮遊させ、その結果得られる構造は頑強性が低下するが、より良好な帯域幅が得られることになる。このようなアンテナは非常に薄型であり、機械耐久性が高く、適合性を備える（ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅ）ことができるので、航空機及び宇宙船の外部に取り付けられ、又はモバイル無線通信デバイスに組み込まれることが多い。
【００１０】
パッチアンテナに固有の利点は、偏波ダイバーシティを有する能力である。パッチアンテナは、非対称パッチ構造を有する複数の給電ポイント（ｆｅｅｄ  ｐｏｉｎｔ）又は単一の給電ポイントを使用して、垂直偏波、水平偏波、右旋円偏波（ＲＨＣＰ）、又は左旋円偏波（ＬＨＣＰ）を有するように容易に設計することができる。このようなユニークな特性により、様々な要件を有する可能性がある様々な領域／タイプの通信リンクにおいて、パッチアンテナを使用することが可能となる。
【００１１】
図１は、従来技術のマイクロストリップアンテナの一例を示す。図１に示したように、誘電体１３０上に４つの導電性パッチ１０５〜１２０が設けられている。図１には示されていないが、誘電体１３０の下方にはベースとなる「共通の」接地導体が設けられている。導電線路１０５’〜１２０’は、中央の給電線路１４５に接続された幹線（ｍａｉｎ  ｌｉｎｅ）１４０との電気的接続をもたらす。
【００１２】
液晶ディスプレイ（一般に「ＬＣＤ」と略される）は、光源又は反射器の前方に配列される任意の数のカラーピクセル又はモノクロピクセルから構成される薄型の平面表示装置である。ＬＣＤの各ピクセルは、それぞれの偏光軸が互いに直交する、２つの透明電極と２つの偏光フィルタとの間に整列する垂直分子の層から成る。偏光フィルタ間に液晶が存在しなければ、１つのフィルタを通過した光は、電極によって遮断される。液晶材料と接触する電極の表面は、液晶分子が特定の方向に整列するように処理される。この処理は、典型的にはクロスで単方向に摩擦された薄いポリマー層から成る（液晶の整列方向は、摩擦の方向で定義される）。
【００１３】
電界を印加する前に、各表面の配列によって液晶分子の配向が決定される。捩れネマティック液晶デバイス（最も一般的な液晶デバイス）では、２つの電極表面の整列方向は垂直となり、したがって、分子もまた螺旋構造又は捩れ構造で配列される。液晶材料は複屈折性であるため、１つの偏光フィルタを通過した光は、それ自体が液晶層を通過する際に液晶螺旋によって回転され、その結果、２つ目の偏光フィルタを通過することが可能となる。光の半分は１つ目の偏光フィルタによって吸収されるが、そうでない場合は、アセンブリ全体が透明となる。
【００１４】
電極の両端間に電圧が印加されたときは、トルクの作用によって液晶分子が電界と平行に整列し、その結果螺旋構造に歪みが生じる（分子が表面に束縛されるため弾性力の抵抗を受ける）。これにより、入射光の偏光の回転が抑えられ、デバイスは灰色に見えることになる。印加電圧が十分に大きい場合は、液晶分子の捩れが完全に解け、入射光が液晶層を通過する際も、入射光の偏光はまったく回転しない。その後、この入射光は、２つ目のフィルタに対して垂直に偏光され、したがって完全に遮断され、ピクセルは黒色に見えることになる。各ピクセル内の液晶層の両端間に印加される電圧を制御することにより、様々な量の光を通過させることが可能となり、それに対応してピクセルを照明することが可能となる。
【００１５】
図２は、従来技術のＬＣＤの断面図である。図２に示したように、ＬＣＤ  ２００は、ガラスであってよいバックパネル２０５と、一般にやはりガラス製のフロントパネル２１０と、これらの２枚のパネル間に配置された液晶２１５と、酸化インジウムスズ（ｉｎｄｉｕｍ／ｔｉｔａｎｉｕｍ／ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）やアルミニウム等であってよい裏面電極２２０と、電位２３０と結合され一般にＩＴＯで構成される表面電極２２５とを備える。電位２３０は、各電極２２５に個別に印加することができる。電極２２５に電位が印加されたときは、当該電極の下方にある液晶の配向が変化し、その結果、給電された電極と、背面電極のうち表面電極の領域に対応するセクションとの間の局所的な誘電率（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ）が変化する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
以下の本発明の概要は、本発明のいくつかの態様及び特徴の基本的な理解を与えるために示されている。以下の概要は本発明の要素を網羅的に示したものではなく、したがって、本発明の重要な要素あるいは不可欠な要素を具体的に示すものでも本発明の範囲を定めるものでもない。以下の概要の主な目的は、後で示すより詳細な説明の序文として本発明のいくつかの概念を簡略化した形で提示することにある。
【００１７】
本発明の諸態様によれば、移相器又は低雑音増幅器（ＬＮＡ）を必要としない、１次元又は２次元電子走査アンテナが提供される。
【００１８】
本発明の諸態様によれば、放射素子を有し、小型且つ単純な低製造コスト及び高変換効率を実現する、新規な走査アンテナアレイが提供される。
【００１９】
本発明の諸態様によれば、ＬＣＤ構造上に放射素子アレイが設けられる、新規な走査アンテナアレイが提供される。
【００２０】
本発明の諸態様によれば、新規なアンテナであって、それ自体の表面上に導電層が設けられたバックパネルと、上部パネルと、前記バックパネルと前記上部パネルとの間に挟まれた可変誘電率材料（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｍａｔｅｒｉａｌ）と、前記上部パネルの上方に設けられた少なくとも１つの放射素子と、前記上部パネルの上方に設けられ、前記少なくとも１つの放射素子に結合される少なくとも１本の導電線路とを備えるアンテナが、提供される。前記可変誘電率材料は、液晶を含むことができる。前記バックパネル及び前記上部パネルは、絶縁材料を含むことができる。前記アンテナは、前記上部パネル上に設けられた少なくとも１つの電極と、前記電極上に設けられた絶縁層とをさらに備えることができ、前記少なくとも１つの放射素子及び前記少なくとも１本の導電線路は、前記絶縁層の上方に設けることができる。前記可変誘電率材料は、定義されたゾーンに設けることができる。共通の前記電極、バックパネル、液晶、上部パネル、及び電極は、液晶ディスプレイを含むことができる。前記アンテナは、前記少なくとも１つの電極に結合された電源をさらに備えることができる。
【００２１】
本発明の他の態様によれば、走査アンテナアレイであって、バックパネルと、上部パネルと、前記バックパネルと前記上部パネルとの間に挟まれた可変誘電率材料から成る複数のゾーンと、前記上部パネル上に設けられた複数の放射素子と、前記上部パネルの上方に設けられ、それぞれ前記複数の放射素子のうちの１つに結合され、前記ゾーンのうちの少なくとも１つの上部を横切る複数の導電線路とを備える走査アンテナアレイが、提供される。前記各ゾーンは、電極をさらに備えることができる。前記アンテナは、前記電極の上方に設けられた絶縁層をさらに備えることができ、前記放射素子及び前記導電線路は、前記絶縁層の上方に設けることができる。前記ゾーンのうちの少なくとも１つにおける誘電率は、他の少なくとも１つのゾーンの誘電率と異なるようにすることができる。前記各電極は、電源に結合することができる。
【００２２】
本発明の他の態様によれば、アンテナの製造方法であって、バックパネルを設けるステップと、上部パネルを設けるステップと、前記バックパネルと前記上部パネルとの間に可変誘電率材料を挟むステップと、前記上部パネル上に少なくとも１つの放射素子を設けるステップと、前記上部パネル上に少なくとも１本の導電線路を設け、前記導電線路と前記放射素子とを結合させるステップとを含む方法が、提供される。前記挟むステップは、複数のゾーンにおいて前記可変誘電率を挟むステップを含むことができる。前記方法は、それぞれ前記ゾーンのうちの１つの上方に設けられる複数の電極を設けるステップと、前記電極と、前記少なくとも１つの放射素子と、前記導電線路との間に誘電層を設けるステップとをさらに含むことができる。可変誘電率材料を挟む前記ステップは、複数のゾーンにおいて液晶を挟むステップを含むことができる。バックパネルを設ける前記ステップと、上部パネルを設ける前記ステップと、前記バックパネルと前記上部パネルとの間に可変誘電率材料を挟む前記ステップとは、液晶ディスプレイを提供するステップを含むことができる。
【００２３】
本発明の他の態様によれば、アンテナは、バックパネルを設けるステップと、上部パネルを設けるステップと、前記バックパネルと前記上部パネルとの間に可変誘電率材料を挟むステップと、前記上部パネルの上方に少なくとも１つの放射素子を設けるステップと、前記上部パネルの上方に少なくとも１本の導電線路を設け、前記導電線路と前記放射素子とを結合させるステップとを含む方法によって製造される。前記製造方法は、複数のゾーンにおいて前記可変誘電率材料を挟むステップをさらに含むことができ、少なくとも１つのゾーンは、前記少なくとも１本の各導電線路下に設けることができる。前記製造方法は、それぞれ前記ゾーンのうちの１つの上方に設けられる複数の電極を設けるステップと、前記電極と、前記少なくとも１つの放射素子と、前記少なくとも１本の導電線路との間に誘電層を設けるステップとをさらに含むことができる。
【００２４】
本明細書に組み込まれその一部を構成する添付の図面には、本発明の諸実施形態が例示されている。これらの図面は、本明細書と併せて本発明の諸原理を説明し図示するために添付されている。各図面には、例示的な諸実施形態の主要な特徴が図解で示されている。各図面には、必ずしも実際の実施形態のすべての特徴が示されているわけではなく、図示の要素の相対的な寸法も必ずしも縮尺どおりに描かれてはいない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来技術のマイクロストリップアンテナの一例を示す図である。
【図２】従来技術のＬＣＤの断面図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る走査アンテナの一例を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの破線円で示される領域の拡大断面図である。
【図３Ｃ】ＬＣＤを使用して誘電率が制御される一実施形態の断面図である。
【図４】デュアル円偏波を実現するように構成されたデュアル給電を用いる単一のパッチマイクロストリップアンテナを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る並列給電を使用した走査アレイを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る直列給電を使用した走査アンテナアレイを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の様々な実施形態は一般に、放射素子の構造と、ＬＣＤ構造上に設けられた各給電線路と、そのような構造が組み込まれた走査アンテナアレイ及びシステムとを対象とする。様々な実施形態の説明の文脈では、本発明のアンテナで使用されるＬＣＤ構造は、必ずしも光源を含む必要はない。本明細書に記載される様々な実施形態は、例えば固定プラットフォーム及び／又はモバイルプラットフォームと共に使用することができる。言うまでもなく、本明細書に記載される様々なアンテナ及び技法は、本明細書で具体的に論じるもの以外にも、他の様々な応用例を有する可能性がある。モバイルの応用例としては、例えば陸上、海上、又は航空ビークルに組み込まれるモバイルＤＢＳ又はＶＳＡＴを挙げることができる。また、２方向通信及び／又は他の受信専用の応用例の場合でも様々な技法が使用され得る。
【００２７】
図３Ａは、本発明の一実施形態に係る走査アンテナの一例を示し、図３Ｂは、図３Ａの破線楕円で示される領域の拡大断面図を示す。図３Ａに示したように、素子３０５〜３２０を備えるマイクロストリップアレイが、誘電体３３０上に設けられている。線路３０５’〜３２０’は、幹線３４０につながっており、幹線３４０は、ソース３４５に結合されている。図３Ｂに示したように、誘電体３３０は、ガラスであってよいバックパネル３５５との間に挟まれた液晶等の可変誘電材料３５０上に設けられている。本構成を使用すれば、マイクロストリップアレイを走査アンテナアレイとして使用することが可能となる。即ち、破線矩形で示されるように、給電線路３０５’〜３２０’下に所在する材料３５０の誘電率を個別に変更することにより、アレイ素子３０５〜３２０の放射間に位相遅延を導入することができる。
【００２８】
より具体的には、位相φを次式で表すことができる。
φ＝２πｄ／λｇ
上式で、λｇは、該当する波長であり、ｄは、伝搬線路の長さである。一方、λｇは、次式で表すことができる。
λｇ＝λ０／√εｅｆｆ
上式で、λ０は、空気中の波長であり、εｅｆｆは、εｒ、線路幅、及びマイクロストリップ線路に関する他の物理パラメータの関数であり、εｒは、伝搬材料の誘電率である。この場合の位相は、次式で表すことができる。
φ＝２πｄ√εｒ／λ０
したがって、可変誘電材料３５０のうち各導電線路３２０下に所在するセクションの誘電率を個別に制御することにより、各放射素子の位相を変更することが可能となる。また、位相は、制御対象となる可変誘電材料３５０のセクションの長さｄによって制御することもできる。
【００２９】
図３Ｃは、ＬＣＤを使用して誘電率が制御される一実施形態の断面図を示す。図３Ｃでは、ガラスパネルであってよい絶縁層３３０上に放射素子３２０及び導電線路３０２’が設けられている。絶縁層３３０は、透明電極３２５、上部誘電板３３０’、液晶３５０、下部誘電板３５５、及び下部電極３６０を備えるＬＣＤ上に設けられている。液晶は、破線で示されるゾーンに設けることができ、これらのゾーンは、電極３２５に対応させることができる。下部電極３６０は、共通電位、例えば接地電位に結合される。透明電極３２５は、電位３９０に個別に結合させることができる。いずれかの透明電極３２５上の電位が変化したときは、当該電極の下方にある液晶の誘電率が変化し、その結果、導電線路３２０’の位相変化が誘起される。位相変化は、透明電極３２５に印加される電圧量、即ちεｒを制御することによって、また、電圧を印加する電極数、即ちｄを制御することによって制御することができる。
【００３０】
説明上、２πの移相が可能となる関係を見出すために以下の計算を行うこととする。導電線路が、有効誘電率がε１となるように部分的にバイアスされた電極又はバイアスされていない電極と部分的に重なっている場合、及び誘電率ε２が得られるようにバイアスされた電極上に部分的に重なっている場合は、以下の結果が得られる。
２πｄ√ε１／λ０−２πｄ√ε２／λ０＝２π
上式は、次のように簡略化される。
√ε１−√ε２＝λ０／ｄ
したがって、バイアス量、又はバイアスされる材料の長さ、あるいはその両方を制御することにより、必要とされる任意の移相を実現することが可能となる。商用ＬＣＤでは、バイアスされるピクセル数及びバイアス量を独立して制御することができるので、本発明に係る走査アレイを容易に構築することができ、εｒとｄの両方を容易に制御することができる。本発明は、ＬＣＤの使用に限定されないことに留意されたい。即ち、制御可能な可変誘電率を示す任意の材料を使用することができる。例えば、液晶の代わりに強誘電材料を使用することができる。本明細書に示される実施形態は、ＬＣＤ技術の成熟とその利用しやすさからＬＣＤを使用しているが、このことが本発明を非常に魅力的なものとし、実装容易性をもたらしている。
【００３１】
本発明の別の特徴は、可変周波数走査アレイである。即ち、図３Ａ〜図３Ｃの各実施形態に示されるように、アレイの下部に所在する領域全体が制御可能な可変誘電率を有する。導電線路下部の誘電率を変更することにより、アレイの走査を実現する移相が得られる。一方、各アンテナパッチ下部の誘電率を変更することもできる。アンテナパッチ下部の誘電率を変更することにより、パッチの共振周波数が変化する。ＬＣＤ又は同様の構成が使用される場合は、パッチ下部の電極に印加される適切な電位を選択することによってパッチ下部の誘電率の変化量を制御することができ、その結果、パッチの動作周波数の可変性を制御することが可能となる。同様に、バイアスされるパッチの下部に所在する領域サイズを制御することもでき、その結果、アレイの共振周波数を制御して周波数調整可能なアンテナ又はアレイを提供することが可能となる。
【００３２】
本発明のアンテナの更に他の特徴は、円偏波及びデュアル円偏波（ｄｕａｌ  ｃｉｒｃｕｌａｒ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）が単純な形で実装され得る点である。図４は、例えば上述したＬＣＤ等の可変誘電サンドイッチ上に形成された単一のパッチマイクロストリップアンテナ４０５を示す。パッチは、２本の導電線路４０５’及び４０５’’によって２つの側から給電される。破線矩形で示される各導電線路の下部に所在する領域は、９０°の移相が得られるように誘電率を変化させるように制御され得る。どの領域を移相するか選択することにより、パッチの左旋円偏波（ＬＨＣＰ）あるいは右旋円偏波（ＲＨＣＰ）が可能となる。言うまでもなく、誘電率は随意に変更することができるので、ＲＨＣＰ又はＬＨＣＰの選択は、いつでも変更することができる。重要なこととして、ＬＨＣＰ及びＲＨＣＰは、単一のポイントからの給電中に実現することができる。このことは、そのような特徴を得るにはハイブリッド給電を実現しなければならず、ＬＨＣＰとＲＨＣＰの切り替えに給電ポイントの変更を必然的に伴う従来技術と比較して、優れた利点の１つである。一方、本発明では給電が固定され、単一のポイントから行われる故に、ハイブリッド給電に伴う複雑さが解消される。
【００３３】
本発明の走査アンテナアレイは、様々な用途に合わせて様々な走査特性、周波数調整、及び偏波を実現する様々な放射構成及び給電構成で構築することができる。説明のために、以下では本発明の特徴を利用した並列給電（ｃｏｒｐｏｒａｔｅ  ｆｅｅｄｉｎｇ）及び直列給電（ｓｅｒｉａｌ  ｆｅｅｄｉｎｇ）の例を示す。
【００３４】
図５は、本発明の一実施形態に係る並列給電を使用した走査アレイを示す。図５では、ＬＣＤ等の可変誘電サンドイッチ上に４つのアンテナパッチ５０５〜５２０が設けられている。各パッチは、それぞれ各破線矩形で示される制御可能な可変誘電率の領域を横切る、関連する導電線路５０５’〜５２０’を有する。関連する導電線路５０５’〜５２０’はすべて、給電ポイント５４５に結合された主給電線路（ｍａｉｎ  ｆｅｅｄ  ｌｉｎｅ）５４０に結合されている。当業者には理解されるように、各導電線路５０５’〜５２０’下部の誘電率を制御可能に変化させることにより、走査アレイ、この具体例では線形走査アレイを生成するために、各パッチ５０５〜５２０の位相を変化させることが可能となる。しかしながら、本例は、線形又は２次元走査アレイを生成するにあたり、任意の数のパッチを有する任意の構成に容易に一般化することができる。
【００３５】
図６は、本発明の一実施形態に係る直列給電を用いた走査アンテナアレイを示す。図６の例では、２次元アレイ構成において９つのアンテナパッチ６０５〜６４５が使用される。パッチ６０５〜６４５はすべて、破線矩形で示される制御可能な可変誘電率の領域を横切る各導電線路を介して互いに結合されている。このようにすれば、２次元走査アレイを提供するために各パッチの位相を制御可能に変化させることが可能となる。図５の例の場合と同様に、この概念もまた、任意の数のパッチを有する他の任意の構成に一般化することができる。
【００３６】
最後に、本明細書に記載される処理及び技法は、何らかの特定の装置と固有の関係を有するものと理解されるべきではなく、各構成要素の任意の適当な組合せによって実施することができることを理解されたい。さらに、本明細書に記載される教示内容に従って様々なタイプの汎用デバイスを使用することができる。また、本明細書に記載の各方法ステップを実行する特別な装置を構築することが有利であると考えられる場合もあるだろう。本発明を様々な具体例と共に説明してきたが、これらの例は決して限定的なものではなく、例示的なものにすぎない。本発明の実施に適したハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの多種多様な組合せが当業者には理解されるであろう。例えば、本明細書に記載のソフトウェアは、アセンブラ、Ｃ／Ｃ＋＋、Ｐｅｒｌ、Ｓｈｅｌｌ、ＰＨＰ、Ｊａｖａ（登録商標）、ＨＦＳＳ、ＣＳＴ、ＥＥＫＯ等、様々なプログラミング言語あるいはスクリプト言語で実装することが可能である。
【００３７】
本発明を様々な具体例と共に説明してきたが、これらの例は決して限定的なものではなく、例示的なものにすぎない。本発明の実施に適したハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアの多種多様な組合せが当業者には理解されるであろう。さらに、本明細書に開示される本発明の説明を読み、本発明を実施すれば、本発明の他の実装形態が当業者には明らかとなるであろう。上記の説明及び具体例は単なる例示的なものと解釈されるべきであり、本発明の真の範囲及び趣旨は、添付の特許請求の範囲に示されるものとする。
【図１】
2009538565.tif 000003
【図２】
2009538565.tif 000004
【図３Ａ】
2009538565.tif 000005
【図３Ｂ】
2009538565.tif 000006
【図３Ｃ】
2009538565.tif 000007
【図４】
2009538565.tif 000008
【図５】
2009538565.tif 000009
【図６】
2009538565.tif 000010
【国際調査報告】
2009538565.tif 000011
2009538565.tif 000012