(57)【要約】  アンテナを提供する。前記アンテナは、導波管の表面から延びる少なくとも１つの開放型構造を含むことができる。前記開放型構造は、多数の異なる形状の断面を有することができる。前記構造の各壁は、移動可能とすることができる。前記アンテナの構造は、回転させることができる。前記アンテナには、いくつかの異なる波フィードを組み込むことができる。前記アンテナは、２次元ビームステアリングを実現することができる。
2009538561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナであって、
上部プレート、底部プレート、及び後部を有する平行板導波管と、
前記導波管の前記上部プレートから前記上部プレート内に形成された開口部の上方に延びる少なくとも１つの放射素子とを備え、
前記素子は、前記導波管の前記上部プレートから離れた位置に遠位開口を形成する側壁を備え、前記開口部の中心は、前記後部から距離Ｌの位置に形成され、前記距離Ｌは、前記後部から反射される放射波が前記後部に向かって伝搬する伝搬波と同相で折り返すような距離が選択される
ことを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの放射素子は、近位端及び遠位端を有する突出部分であって、前記近位端から前記遠位端まで延びる壁部をさらに備える突出部分を備え、前記突出部分は、前記近位端及び前記遠位端において開口を有する管を形成する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記少なくとも１つの放射素子は、多角形断面を有する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの放射素子は、曲線断面を有する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの放射素子は、台形断面を有する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記少なくとも１つの放射素子は、正方形断面を有する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの放射素子は、矩形断面を有する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項８】
前記少なくとも１つの放射素子は、十字形断面を有する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記少なくとも１つの放射素子は、先細の矩形リッジを有する十字形断面を有する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの放射素子は、管状である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの放射素子は、円筒状である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの放射素子は、円錐状である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの放射素子は、前記導波管の表面に対して垂直な少なくとも１つの壁を備える第１の部分と、前記導波管の表面に対して非垂直な少なくとも１つの壁を備える第２の部分とを有する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの放射素子は、垂直部分と、拡幅部分とを備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１５】
前記導波管は、少なくとも１つの端部開口を備え、前記端部開口のうちの少なくとも１つにおいて励起波を受信するように適合されている、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１６】
波源をさらに備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１７】
前記放射素子の前記側壁は、円筒形断面を形成し、前記側壁内に形成された少なくとも２つのスロットをさらに備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１８】
前記放射素子の前記側壁は、円錐形状を備える、請求項１６に記載のアンテナ。
【請求項１９】
前記導波管は、多角形断面を備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項２０】
前記導波管は、円形断面を備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項２１】
アンテナを製造する方法であって、
上部プレート及び底部プレートを有する平行板導波管を形成するステップと、
前記上部プレート上に複数の開口部を形成するステップと、
それぞれ前記複数の開口部のうちの対応する１つを介して前記導波管と結合され、前記上部プレートから離れた位置に遠位開口を形成する側壁を有する複数の放射素子を形成するステップと
を含む方法。
【請求項２２】
前記側壁は、前記遠位開口が前記上部プレート上方の１／４波長の高さ（０．２５λ）に配置されるように形成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記側壁は、各遠位開口の面積が対応する開口部の面積よりも大きくなるように形成される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記側壁は、前記遠位開口が前記上部プレート上方の１／４波長の高さ（０．２５λ）に配置されるように延びる、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項２５】
前記側壁は、各遠位開口の面積が対応する開口部の面積よりも大きくなるように形成される、請求項１に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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ビルディングブロック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、導波管と一体化された放射素子を有するアンテナ構造、及び導波管と一体化された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】
【０００２】
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流が誘起され、アンテナの端子間に電圧が生成される。給電線路（ｆｅｅｄ  ｌｉｎｅ）又は送電線路（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｅ）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。給電線路は、アンテナ結合網及び／又は導波管を含むことができる。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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
本発明の諸態様によれば、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、新規な放射素子が提供される。
【００１０】
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、新規なアンテナが提供される。
【００１１】
本発明の諸態様によれば、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放射素子のアレイを有する、新規なアンテナが提供される。
【００１２】
本発明の他の諸態様によれば、導波管と放射素子との間の波エネルギーの結合は、他のいかなる介在要素を用いずに行われる。特に、送信方法は、空洞の一面において送信ポートから平面電磁波を生成するステップと、前記波を前記空洞内の伝搬方向に伝搬させるステップと、前記波の少なくとも一部が前記放射素子に沿って前記伝搬方向に対して垂直方向に伝搬するように方向変更することにより、前記伝搬波からのエネルギーを前記放射素子と結合させるステップと、前記放射素子から前記波エネルギーを放射するステップとによって実施される。前記結合素子、したがって前記伝搬方向は、０〜９０°の任意の角度で設計することができ、したがって直角以外の角度であってもよい。放射エネルギーの受信方法は、これと逆の順序で完全に対称となる。即ち、前記受信方法は、波エネルギーを前記放射素子と結合させるステップと、前記波を前記放射素子に沿って伝搬方向に伝搬させるステップと、前記波が前記空洞に沿って前記伝搬方向に対して垂直方向に伝搬するように方向変更することにより、前記伝搬波からのエネルギーを空洞と結合させるステップと、受信ポートにおいて前記波エネルギーを収集するステップとによって実施される。本発明に係るエネルギー結合方法を利用することにより、従来技術で通常利用される導波管ネットワークの必要なしに、アンテナアレイを構築することが可能となる。
【００１３】
いくつかの実施形態によれば、現行のアンテナシステムよりも優れたアンテナシステムが提供される。本明細書に記載される例示的な実施形態に係るアンテナシステムは、（それだけに限らないが）アンテナ構造、低雑音ブロック（ダウンコンバータ及び信号増幅器によって実現される）、アンテナ受信機、ならびに位置及びモバイルプラットフォーム感知システムに関して独自の側面を含む。
【００１４】
本発明の態様によれば、アンテナであって、導波管と、前記導波管の表面から延びる少なくとも１つの放射素子とを備え、前記素子は、前記導波管の前記表面から離れた位置に遠位開口を形成する側壁を備える、アンテナが提供される。前記放射素子は、近位端及び遠位端を有する突出部分であって、前記近位端から前記遠位端まで延びる壁部をさらに備える突出部分を備えることができ、前記突出部分は、前記近位端及び前記遠位端において開口を有する管を形成することができる。前記放射素子は、多角形断面、曲線断面、台形断面、正方形断面、矩形断面、十字形断面、又は他の断面形状（リッジが中心に位置する矩形断面等）をとることができる。前記放射素子は、管状、円筒状、円錐状等であってよい。前記素子は、前記導波管の表面に対して垂直な少なくとも１つの壁を備える第１の部分と、前記導波管の表面に対して非垂直な少なくとも１つの壁を備える第２の部分とを有することができる。前記放射素子は、垂直部分と、拡幅部分とを備えることができる。前記導波管は、少なくとも１つの端部開口を備えることができ、前記端部開口のうちの少なくとも１つにおいて励起波を受信するように適合されている。前記アンテナは、波源をさらに備えることができる。前記放射素子の前記側壁は、円筒形断面を形成することができ、前記側壁内に形成された少なくとも２つのスロットをさらに備えることができる。前記放射素子の前記側壁は、円錐形状を備えることができる。前記導波管は、多角形断面を備えることができる。前記導波管は、円形断面を備えることができる。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、アンテナを製造する方法は、少なくとも１つの開口及び複数の開口部を有する導波管を形成するステップと、それぞれ前記複数の開口部のうちの対応する１つを介して前記導波管と結合される複数の放射素子を形成するステップとを含む。
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】
【００１６】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係るアンテナの一例を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態に係るアンテナの一例を示す図である。
【図２】図１Ａ及び図１Ｂの実施形態に係るアンテナの断面図である。
【図３Ａ】交差偏波の２つの波の送信／受信に使用可能なアンテナの一実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】同一面からの２つの直交偏波の励起が可能となる構成以外は、図２と同様の断面図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係るアンテナを示す図である。
【図５】本発明に係るアンテナの別の実施形態を示す図である。
【図６】２つの異なる周波数の動作、及び任意選択で２つの異なる偏波の動作向けに最適化された一実施形態を示す図である。
【図７】拡幅側壁を有する放射素子を使用した本発明の一実施形態を示す図である。
【図８Ａ】円偏波放射向けに最適化されたアンテナの一実施形態を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ａの実施形態の上面図である。
【図８Ｃ】円偏波放射向けに最適化されたアンテナの別の実施形態を示す図である。
【図８Ｄ】正方形円偏波放射素子の上面図である。
【図８Ｅ】十字形円偏波放射素子の上面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るリニアアンテナアレイを示す図である。
【図１０】図９の実施形態の断面図である。
【図１１】ソースとなる扇形ホーンから給電される本発明の一実施形態に係るリニアアレイを示す図である。
【図１２Ａ】本発明の一実施形態に係る２次元アレイの一例を示す図である。
【図１２Ｂ】２つのソースを用いて動作するように構成された、本発明の別の実施形態に係る２次元アレイを示す図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｂに示されるアレイの上面図である。
【図１３】本発明の一実施形態に係る円形アンテナアレイの一例を示す図である。
【図１４】本発明に係る円形アンテナアレイの別の実施形態の上面図である。
【図１５】本発明の一実施形態に係るアレイ設計プロセスを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の様々な実施形態は一般に、放射素子及びアンテナ構造と、そのような放射素子が組み込まれたシステムとを対象とする。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。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、アンテナを形成するために単独で又はアレイの形で使用される放射素子が、開示される。放射構造は、アンテナが使用される個々の目的及び用途に応じて様々な形状をとることができる。放射素子又は素子アレイの形状は、信号の位相及び振幅ならびに放射／受信ビームの形状及び指向性の制御が可能となるように設計することができる。さらに、形状を使用してアンテナの利得を変更することもできる。本明細書に開示される放射素子は、製造が容易であり、製造公差要件も比較的緩いものとなるが、高い利得及び広い帯域幅を実現する。本明細書に開示される様々な実施形態によれば、放射素子に対して直線偏波又は円偏波を設計することができる。さらに、様々な給電メカニズムによってアンテナの指向性を操作することができ、その結果、アンテナは、移動プラットフォームから衛星を追跡することが可能となり、あるいは用途に応じてマルチビーム動作を可能にすることにより、アンテナを複数の衛星又はターゲットと共に使用することが可能となる。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、アンテナ構造が提供される。このアンテナ構造は一般に、平面給電型開放導波管アンテナ（ｐｌａｎａｒ‐ｆｅｄ，  ｏｐｅｎ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ａｎｔｅｎｎａ）として説明することができる。このアンテナは、単一の放射素子を使用することも、直線アレイ、２次元アレイ、円形アレイ等として構造化される素子アレイを使用することもできる。このアンテナは、アレイの放射素子として固有の開放波延長部（ｏｐｅｎ  ｗａｖｅ  ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）を使用する。この延長放射素子は、導波管からの波エネルギーと直接結合するように構築される。
【００２０】
素子は、マルチモード導波管の上部から突出させることができ、平面波励起を使用して、共通の密閉された平面導波管セクションにフィードすることができる。平面導波管の１つの側部から１つ（又は複数）の素子を突出させることができる。放射素子は、それだけに限らないが、十字形、長方形、円錐形、円筒形、又は他の形状を含めたいくつかの幾何形状のうち、任意の形状を有することができる。
【００２１】
図１Ａ及び１Ｂは、本発明の一実施形態に係るアンテナ１００の一例を示す。図１Ａは斜視図であり、図１Ｂは上面図である。アンテナ１００は、導波管１１０に結合された単一の放射素子１０５を備える。放射素子１０５と導波管１１０とを合わせて、ほぼ半球形のビーム形状を有するアンテナ１００が形成されるが、この形状は、以下でさらに説明するように、放射素子１０５の幾何形状によって制御することができる。導波管は、任意の従来の導波管であってよく、本例では、波エネルギー１２０がそこを介して伝達される波ポート（ｗａｖｅ  ｐｏｒｔ）／励起ポートとして働く単一の開口１１５を有する単純な矩形幾何形状を使用した平行板空洞（ｐａｒａｌｌｅｌ  ｐｌａｔｅ  ｃａｖｉｔｙ）を有する導波管として示されている。
【００２２】
図面を分かりやすくするために、導波管をデカルト座標に重ねて示している。ここで、導波管内の波エネルギーは、Ｙ方向に伝搬し、放射素子１０５から放射される又は放射素子１０５によって受信されるエネルギーは、ほぼＺ方向に伝搬する。一般に、導波管の高さｈｗは周波数によって定義され、０．１λ〜０．５λの間に設定される。一般に、導波管の高さｈｗの最適解は、０．３３λ〜０．２５λの範囲に設定される。導波管の幅Ｗｗは、周波数と独立して選択することができ、一般には、物理的なサイズ制限及び利得要件を検討して選択される。幅を増加させると利得が増加するが、用途によっては、サイズを検討した結果アンテナ全体のサイズが縮小される可能性もあり、したがって幅を制限する必要がある。導波管の長さＬｗもまた周波数とは独立して選択され、サイズ及び利得の検討に基づいて選択される。一方、後部１２５が閉鎖されている実施形態では、後部１２５は、空洞境界として働き、空洞境界１２５から素子１０５の中心までの長さＬｙは、周波数と関連付けて選択されることになる。即ち、後部１２５が閉鎖されている場合は、伝搬波１２０の一部は素子１０５を通過して伝搬を続け、残りの部分は後部１２５で反射されることになる。したがって、長さＬｙは、伝搬波と同相の反射となることが保証される値に設定される。
【００２３】
次に、放射素子１０５の設計に注目する。この特定の実施形態では、放射素子は円錐形であるが、他の実施形態に関して後述するように、他の形状を使用することもできる。放射素子は、導波管内の開口部１４０を介して導波管と直接物理的に結合されている。開口部１４０は、導波管と放射素子との間で波エネルギーを結合する結合開口部として働く。本明細書では、放射素子の上部開口１４５を放射開口部と呼ぶ。放射素子１０５の高さｈｅは、導波管１１０の上面１３０に衝突するエネルギーの位相に影響を与える。この高さは、同相の反射波を得るために約０．２５λ０に設定される。放射素子の下部半径ｒは、結合効率に影響を与え、総面積πｒ２は、アンテナの利得を定義する。一方、角度θ（及び対応する半径Ｒ）は、ビームの形状を定義し、９０°以下とすることができる。角度θを９０°未満、即ちＲ＞ｒとすると、ビームの形状が狭くなり、その結果、アンテナ１００の指向性が高くなる。
【００２４】
図２は、図１Ａ及び図１Ｂの実施形態に係るアンテナの断面図を示す。図２の断面図は、アンテナ２００の動作に関する読者の理解を助けるために使用され得る概略図である。図示のとおり、導波管２１０は、放射波がそこを介して伝達される波ポート２１５を有する。放射素子２０５は、導波管２１０の結合ポート２４０上に設けられ、放射ポート２４５を有する。以下では、信号を送信する場合のアンテナ動作を説明するが、信号受信中はこれと正反対の動作が行われることを理解されたい。
【００２５】
図２では、波面が波ポート２１５を介して入射し、方向Ｖｔに伝搬する様子が、矢印２５０で概略的に示されている。波が結合ポート２４０に到達すると、それ自体のエネルギーの少なくとも一部は、曲線矢印２５５で概略的に示されるように垂直方向の伝搬方向を仮定した場合、放射素子２０５と結合される。
その後、結合エネルギーは、矢印２６０で示されるように放射素子２０５に沿って伝搬し、最終的に破線２７０で示されるような指向性をもって放射される。残りのエネルギーが存在する場合は、それらは空洞境界２２５に衝突するまで引き続き伝搬する。その後、それらの残りのエネルギーは反射され、矢印Ｖｒで示される方向に折り返す。したがって、距離Ｌｙは、放射波が伝搬波と同相で折り返すことが保証される距離とすべきである。
【００２６】
本発明の諸原理を使用すると、波エネルギーの送信は、以下のステップ、即ち、導波管空洞の一面において平面電磁波を送信ポートから生成するステップと、前記波を前記空洞内の伝搬方向に伝搬させるステップと、前記波の少なくとも一部が放射素子に沿って前記伝搬方向に対して垂直（又は他の角度）方向に伝搬するように方向変更することにより、前記伝搬波からのエネルギーを前記放射素子と結合させるステップと、前記放射素子から自由空間に前記波エネルギーを放射するステップとによって実施される。放射エネルギーの受信方法は、これと逆の順序で完全に対称となる。即ち、前記受信方法は、波エネルギーを前記放射素子と結合させるステップと、前記波を前記放射素子に沿って伝搬方向に伝搬させるステップと、前記波が前記空洞に沿って前記伝搬方向に対して垂直方向に伝搬するように方向変更することにより、前記伝搬波からのエネルギーを空洞と結合させるステップと、受信ポートにおいて前記波エネルギーを収集するステップとによって実施される。
【００２７】
図１Ａ、図１Ｂ、及び図２の各実施形態に係るアンテナは、直線偏波又は円偏波された波を送受信するのに使用することができる。一方、図３Ａは、交差偏波の２つの波の送信／受信に使用可能なアンテナの一実施形態を示している。特に、図３Ａの実施形態では、導波管上に２つの励起ポート３１５及び３１５’が設けられている。第１の偏波の第１の波３２０は、ポート３１５を介して導波管空洞に進入し、異なる偏波の別の波３２０’は、ポート３１５’を介して導波管空洞に進入する。これらの波はいずれも、互いの直交偏波を維持しながら放射開口部３４５を介して放射される。
【００２８】
一方、図１Ａ及び図１Ｂの実施形態も、交差偏波の２つの波を送信／受信するのに使用することができる。これについては、図３Ｂを参照して説明する。図３Ｂは、導波管の高さｈｗが約λ／２に設定される点以外は、図２と同様の断面図である。この例では、当初の波が図２に示されるような垂直偏波を有する場合には、送信される波は、図２に示されるような水平偏波となる。一方、当初の波が図３に示されるような水平偏波を有する場合には、その波は、放射素子３０５と結合され、図２に示される波と直交する水平偏波で放射される。このようにして、必要とされる偏波が得られるように一方又は両方の波を供給することが可能となる。２つの偏波は、アンテナを励起する２つの波源の位相及び振幅を調整することによって任意の偏波に組み合わせることができることを理解されたい。
【００２９】
図４は、本発明の別の実施形態に係るアンテナを示す。図４では、アンテナ４００は、結合ポート４４０を介して導波管４１０と結合された放射素子４０５を備える。本実施形態では、放射素子４０５は、ほぼ多角形の断面を有する。素子４０５の高さは、先述の各実施形態の場合と同様に、例えば０．２５λを選択することができる。素子の底面幅ｗＬは、素子の結合効率を決定し、底面長さＬＬは、アンテナが動作可能な最低周波数を定義する。放射開口部４４５の面積、即ちｗｕ×Ｌｕは、アンテナの利得を定義する。角度θは、先述の各実施形態の場合と同様に、ビームの形状を定義し、９０°以下とすることができる。図示の実施形態では、第１の偏波を有する波４２０は、単一の励起ポート４１５を介して進入する。一方、他の実施形態に関して上述したように、例えば空洞境界４１５’の代わりに別の励起ポートを設けることもできる。そのような場合は、直交偏波を有する第２の波が、波４２０と結合され得る。
【００３０】
図５は、本発明に係るアンテナの別の実施形態を示す。図５の実施形態は、２つの直交偏波の動作向けに最適化されている。放射素子５０５は、重なり合った２つの矩形によって形成される十字形断面を有する。このようにして、一方の矩形が放射波５２０向けに最適化され、他方の矩形が放射波５２０’向けに最適化される。波５２０及び５２０’は、直交直線偏波を有する。図５の実施形態では、同様の周波数であるが交差偏波の２つの波を処理するために、十字形を形成するように重なり合った２つの矩形は、同じ長さを有する。
一方、図６は、２つの異なる周波数の動作、及び任意選択で２つの異なる偏波の動作向けに最適化された一実施形態を示している。上記の説明から分かるように、図５の実施形態と図６の実施形態の主な差は、図６の放射素子が長さの異なる重なり合った２つの矩形によって形成される十字形断面を有する点である。即ち、長さＬ１は、波６２０の周波数での動作向けに最適化されており、波Ｌ２は、波６２０’の周波数での動作向けに最適化されている。波６２０及び６２０’は、交差偏波することができる。十字を形成するように交差した導波管は、広帯域周波数動作を実現するためにＬ１及びＬ２と共にそれ自体の寸法パラメータが最適化された、各導波管の中心に位置するリッジを使用して構築することもできる。
【００３１】
図７は、拡幅（ｆｌａｒｅｄ）側壁を有する放射素子７０５を使用した本発明の一実施形態を示す。各クレメントは、下部垂直セクションと、上部拡幅セクションとを備える。垂直セクションの側部７０２は、結合開口部（図示せず）が設けられた導波管７１０の上面７３０に対して垂直な平面を定義する。拡幅セクションの側部７０４は、導波管７１０の上面７３０によって定義される平面と角度がずれ、該平面に対して非垂直な平面を定義する。図７の要素７０５は、同様の又は異なる周波数を有し、任意選択で交差偏波を有する２つの波の操作向けに最適化される点では、図５及び図６に示される要素と同様である。しかしながら、側壁上に拡幅部を導入することにより、結合開口部の設計は、放射開口部の設計と独立して行うことが可能である。これは、側壁が９０°未満の角度θで設けられる先述の各実施形態で示した場合と同様である。
【００３２】
本発明の１つの特徴によれば、広帯域ＸＰＤ（ｃｒｏｓｓ  ｐｏｌａｒ  ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ：交差偏波識別度）円偏波素子によって、広帯域能力を提供することができる。円偏波の波を生成する難しさの１つは、ハイブリッドを使用した複雑な給電網が必要となること、又は素子の給電を２つの直交点から行う必要があることである。
別の可能性としては、コーナー給電（ｃｏｒｎｅｒ‐ｆｅｄ）又はスロット素子の使用が挙げられる。それらの方法を使用する現行技術は、良好な交差偏波性能に必要とされる帯域幅、ならびにシステムのコスト及び複雑性に悪影響を及ぼす。導波管アンテナ（例えばホーン）で通常適用される代替的な解決策では、空洞に統合される外部偏波器（例えば金属又は誘電）を使用する必要がある。従来、このような外部偏波器は、単一ホーンアンテナにしか実装されていない。したがって、アンテナ製造プロセスにおいて偏波素子の設置及び統合の容易性を維持しながら、大型のアレイアンテナに組み込むことができる頑強な広帯域円偏波生成素子が必要とされている。
【００３３】
図８Ａは、円偏波放射向けに最適化されたアンテナ８００の一実施形態を示す。即ち、平面波８２０が導波管８１０に供給され、放射素子８０５と結合されると、スロット８９０は、放射波が円偏波されるような円偏波を導入するために、当該平面波に移相を導入する。図示のとおり、スロット８９０は、励起ポート８１５に対して４５°のアラインメントで設けられている。したがって、ポート８１５’を介して第２の平面波８２０’が導入された場合は、放射素子８０５は、直交円偏波の２つの波を発生させる。
【００３４】
図８Ｂは、図８Ａの実施形態の上面図である。図８Ｂに示したように、ここでは円偏波フィールドを生成するために以下の偏波制御スキームを提示する。平面波が生成され、導波管の空洞内を矢印Ｖｔで示されるように伝搬する。円錐素子のフィールドを摂動させ、直交する２つのＥフィールド成分（例えば、スロットと平行な成分やスロットＶｘ、Ｖｙに対して垂直な成分）間に９０度の移相を導入することによって、平面波に円偏波が導入される。これによって円偏波フィールドが生み出される。このような処理は、円偏波素子が組み込まれるアレイの動作に影響を与えることなく達成される。本例では、摂動は、素子の真下の空洞内を伝搬する偏波フィールドと４５度の関係をもつことに留意されたい。
【００３５】
スロットを生成する際は、以下の事項を考慮に入れるべきである。スロットの厚さは、波の摂動を引き起こすのに十分な大きさとすべきである。推奨される厚さは、０．０５〜０．１λ程度である。スロットのサイズ及びそれらの間で画定される領域Ａ（破線で示した領域）は、生成される有効誘電率が放射素子の残りの領域よりも高くなり、その結果成分Ｖｙが成分Ｖｘよりも遅い速度で伝搬し、それによってＶｘ＋ｊＶｙの円偏波された波が提供されるようなサイズ及び領域とすべきである。別法として、同様の結果が得られる他の手段を利用して、誘電率を高めることも可能である。例えば、図８Ｃは、円偏波放射向けに最適化されたアンテナの別の実施形態を示している。図８Ｃでは、放射素子８０５は、図１Ａの実施形態と同様の円錐形である。ただし、円偏波を生成するために、例えば空気よりも誘電率の高いテフロン（登録商標）等の素材の形をとるリターダ（ｒｅｔａｒｄｅｒ）８９１が、スロットの面積及び図８Ｂの領域Ａと同様の面積を占めるように挿入される。
【００３６】
上記の各実施形態に係る円偏波放射素子は、他の任意の形状で構築することもできる。例えば、図８Ｄは、正方形円偏波放射素子の上面図を示し、図８Ｅは、十字形円偏波放射素子の上面図を示している。
【００３７】
この特徴のいくつかの利点としては、それだけに限らないが、（１）一体型偏波器であること、（２）３０ｄＢを超える交差偏波識別度（ＸＰＤ）が得られること、（３）比較的平坦なアンテナとの適応性があること、（４）コストが非常に低いこと、（５）制御が単純であること、（６）広帯域動作が可能であること、及び（６）同時デュアル偏波を生成するように励起可能な能力があることを挙げることができる。この特徴のいくつかの適用例としては、それだけに限らないが、（１）円偏波広帯域フィールドを必要とする任意の平面アンテナ向けの技術プラットフォーム、（２）ＤＢＳ固定及びモバイルアンテナ、（３）ＶＳＡＴアンテナシステム、及び（４）固定のポイントツーポイントリンク及びポイントツーマルチポイントリンクが挙げられる。
【００３８】
図９は、本発明の一実施形態に係るリニアアンテナアレイを示す。一般に、リニアアレイは１×ｍ個の放射素子を有するが、本例では１×３のアレイが示されている。図９では、単一の導波管９１０上に放射素子９０５１、９０５２、及び９０５３が設けられている。本実施形態では、円錐形の放射素子が使用されるが、上記で開示されたいずれかの形状を含む任意の形状を使用することもできる。図１０は、図９の実施形態の断面図を示す。図１０に示したように、波１０２０は、導波管１０１０の空洞内を方向Ｖｔに伝搬し、先述の各実施形態の場合と同様に、それ自体のエネルギーの一部が各放射素子と結合される。各放射素子と結合されるエネルギー量は、単一の素子に関して上述したように、幾何形状によって制御することができる。また、上述のように、空洞の後部からアレイ内の最後の要素までの距離Ｌｙは、放射波が存在する場合に該放射波が進行波と同相で反射されるように構成すべきである。各放射素子が、空洞の後部から反射されるエネルギーが存在しなくなるほど十分な量のエネルギーと結合された場合には、その結果得られる構成によって進行波がもたらされる。一方、空洞内に何らかのエネルギーが残り、該エネルギーが空洞の後部で同相反射される場合には、定在波が発生する。
【００３９】
素子間の間隔Ｓｐを選択することにより、放射ビームに傾きを導入することが可能となる。即ち、間隔が約０．９〜１．０λに選択された場合、ビーム方向はボアサイト（ｂｏｒｅｓｉｇｈｔ）となる。一方、素子間の間隔を変更することによってビームを傾斜させることができる。例えば、走査フィード（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｆｅｅｄ）を使用して２０°〜７０°の範囲でビームを走査する場合は、間隔を約０．５λに設定することにより、４５°の静傾斜（ｓｔａｔｉｃ  ｔｉｌｔ）をもたらすことが有益である。こうすれば、フィードのアクティブ走査が、この傾斜軸を中心として、左右それぞれ２５°に制限される。
さらに、そのような傾斜を導入することにより、走査に起因する損失が低減される。即ち、θ０＝Ｓｑｒｔ（θｘ２＋θｙ２）の関係に従って、有効傾斜角をｘ成分及びｙ成分の傾斜よりも大きくすることができる。
【００４０】
図１１は、ソースとなる扇形ホーン１１９０から給電される本発明の一実施形態に係るリニアアレイ１１００を示す。図示の実施形態では、矩形の放射素子１１０５が使用されるが、他の形状を使用することもできる。また、給電はＨ型平面扇形ホーン１１９０を使用して行われるが、他の手段を使用して波フィードを行うこともできる。先述のとおり、間隔Ｓｐを使用してビームに静傾斜を導入することができる。
【００４１】
図９、図１０、及び図１１の各実施形態から分かるように、リニアアレイは、円錐形、矩形、十字形等、本明細書に開示される任意の形状を含む放射素子を使用して構築することができる。アレイ素子の形状は、少なくとも部分的には所望の偏波特性、周波数、及びアンテナの放射パターンに基づいて選択することができる。素子の数、分布、及び間隔は、以下で詳述するように特定の特性を有するアレイが構築されるように選択することができる。
【００４２】
図１２Ａは、本発明の一実施形態に係る２次元アレイ１２００の一例を示す。図１２Ａのアレイは、ｎ×ｍ個の放射素子１２０５を有する導波管１２１０によって構築される。ｎ又はｍが１に設定された場合は、結果として得られるアレイは、リニアアレイとなる。リニアアレイの場合と同様に、放射素子は、必要な性能を提供するように設計された形状であればどのような形状であってもよい。図１２Ａのアレイは、偏波放射に使用することができ、また、上述したように、直交する２つの方向から給電して交差偏波を実現することができる。また、後述するように、適切な給電を行うことによってビームステアリング及び複数の同時ビームの生成が可能となる。
【００４３】
図１２Ａに示される矩形円錐アンテナアレイ１２００の一例は、アレイの基本構成要素として円錐素子１２０５を使用することに基づいている。アンテナ１２００は、スロット付き導波管アレイ、マイクロストリップ、又は他の任意のフィードとして形成可能な、給電カプラ１２９５（例えば同軸コネクタ）を有する平面波ソース１２０８によって励起される。本例では、スロット付き導波管アレイフィードが使用され、フィード１２０８上の各スロット（図示せず）は、導波管１２１０の広い方の次元に設置され、したがって垂直偏波された平面波が励起される。その後、波は空洞内を伝搬する。この例では、該空洞の上面１２３０上の各円錐素子１２０５は、Ｘ次元及びＹ次元に沿って設計固定間隔の矩形格子上に設置されている。リニアアレイの場合と同様に、この間隔は、ボアサイト放射又は傾斜放射が実現されるように計算される。各円錐１２０５は、伝搬波のエネルギーの一部分と結合し、円錐１２０５の上部開口部を励起させ、波がすべての円錐に到達したときは、アンテナの遠方界ソースとして機能する。アンテナの遠方界では、利得値がアレイ内の素子数及び素子間の間隔に比例し、励起の振幅及び位相と関係付けられる、ペンシルビーム放射パターンが得られる。しかしながら、従来技術とは異なり、精巧な導波管ネットワークの作成に労力を注ぐ必要なしに、波エネルギーがアレイと結合される。例えば、従来技術では、４×４の素子アレイは、１６個の個々の導波管がポートへと続く多岐管の形で配列された導波管ネットワークを必要とする。給電網は、空洞からの波エネルギーを直接放射素子と結合させることによって必要なくなる。
【００４４】
図１２Ｂは、２つのソースを用いて動作するように構成された、本発明の別の実施形態に係る２次元アレイを示す。図１２Ｃは、図１２Ｂに示されるアレイの上面図である。導波管の基部及び放射素子は、導波管の２つの面にソース１２０４及び１２０６が設けられる点以外は、図１２Ａに示したものと同一である。この具体例では、反射器を有する新規なピン放射ソースが示されているが、他のソースを使用することもできる。本例では、ソース１２０４は、矢印１２１４で例示されるような垂直偏波を有する波を放射する。波が放射素子１２０５と結合されると、矢印１２１８で例示されるようなＹ方向の水平偏波となる。一方、ソース１２０６は、垂直偏波されるが、放射素子と結合するとＸ方向の水平偏波となる平面波を放射する。したがって、図１２Ｂのアンテナアレイは、２つの交差偏波放射で動作することができる。さらに、各ソース１２０４及び１２０６は、異なる周波数で動作することができる。
【００４５】
ソース１２０４及び１２０６はそれぞれ、ピンソース１２２４及び１２２６並びに湾曲反射器１２３４及び１２３６によって構築される。反射器の曲線は、導波管の空洞内に伝搬する必要な平面波を提供するように設計される。集束反射器（ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）１２５４及び１２５６は、ピン１２０４及び１２０６からの送信を湾曲反射器１２３４及び１２３６に集束させるために設けられている。
【００４６】
上述の各実施形態は、直線的な導波管基部を使用している。しかしながら、上記のとおり他の形状を使用することもできる。例えば、本発明の１つの特徴によれば、円形の導波管基部及び本明細書に開示される任意の形状の放射素子を使用して、円形アレイアンテナを構築することもできる。円形アレイアンテナは、「平面反射器アンテナ（ｆｌａｔ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ａｎｔｅｎｎａ）」として特徴付けられることもある。今日まで、２Ｄ構造では高いアンテナ効率が実現されていない。現状では、高い効率は、オフセット反射器アンテナ（３Ｄ構造）でしか実現することができない。３Ｄ構造は嵩張り、ビーム走査能力も限られている。フェーズドアレイや２Ｄ機械走査アンテナ等の他の技術は、典型的に大型であり、費用も高く、信頼性も低い。
【００４７】
本明細書に記載される円形アレイアンテナは、広範な走査角をカバーする組み込み走査機能を可能にする、低コストで製造容易なアンテナを提供する。したがって、（断面形状を円錐形、十字形、矩形、他の多角形等とすることが可能な）アンテナ素子内の空気中の電磁エネルギー伝搬を可能にする、開口部効率の高い円形空洞導波管アンテナ（ｃｉｒｃｕｌａｒ  ｃａｖｉｔｙ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ａｎｔｅｎｎａ）が提供される。各素子は、伝搬波の定位相曲線上に設置され配列される。円筒状空洞反射器の場合では、各素子は、擬似円弧上に配列される。空洞後部壁の断面関数（ｃｒｏｓｓ‐ｓｅｃｔｉｏｎ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）（放物形又は他の形状）を制御することにより、曲線を直線に変形させることができ、したがって矩形格子配列が実現される。この構造は、円筒波を生成する円筒ピン（例えばモノポールタイプ）ソースによって給電することができる。一例として、各円錐は、それぞれ定位相曲線に沿う各点のエネルギーと結合し、円錐の半径及び高さを注意深く制御することにより、結合エネルギー量を制御することが可能となり、その結果、円錐の開口部におけるフィールドの位相と振幅の両方を変更することが可能となる。同様のメカニズムを任意の形状の素子に適用することができる。
【００４８】
図１３は、本発明の一実施形態に係る円形アレイアンテナ１３００の一例を示す。図示のとおり、アンテナの基部が円形導波管１３１０となっている。導波管の上部には複数の放射素子１３０５が配列されている。本例では、円錐形の放射素子が使用されるが、円偏波誘起素子を含めた他の形状を使用することもできる。放射素子１３０５は、中心軸の周りの円弧内に配列される。円弧の形状は、フィード及び所望の放射特性に依存する。本実施形態では、アンテナは、全方向フィード、本例ではプレートの縁部に配置され、例えば５０’Ω同軸線路等の同軸ケーブル１３９０によって付勢される単一の金属ピン１３９５によって給電される。このフィードによって、空洞内を伝搬する円筒波が生成される。放射素子１３０５は、波エネルギーと結合し、該エネルギーを空気中に放射するために、固定位相の円弧に沿って配列される。導波管内の波は自由空間に伝搬し、放射素子と直接結合されるので、挿入損失はほとんど発生しない。また、波は円形空洞内に閉じ込められるので、素子を注意深く配置すればエネルギーの大部分を放射に使用することができる。これにより、他の平面アンテナの実施形態及びオフセット反射器アンテナで達成されるものよりも遥かに高いアンテナ利得及び効率を得ることが可能となる。
【００４９】
図１４は、本発明に係る円形アレイアンテナ１４００の別の実施形態の上面図である。本実施形態でも円形導波管１４１０が使用されるが、各放射素子１４０５は、中心軸の周りで対称となる、異なる形状の円弧内に配列される。この場合のフィードは、軸の縁部に設けられ、ボアサイトを定義するピン１４９５の形をとることもできる。
【００５０】
本発明の１つの特徴によれば、様々なアレイアンテナを用いてビーム走査を可能にすることができる。例えば、円形導波管のビームを走査するために、円形空洞の外周に沿う異なる角度位置にソースを配置することができ、したがって先の定位相曲線に沿う位相分布を生み出すことができる。各曲線では、Ｘ方向とＹ方向の両方に線形位相分布が存在し、これにより、ビームがζ方向及びφ方向に傾斜することになる。これにより、十分に薄い低コストの組み込み型走査アンテナアレイが実現される。円弧上に位置する１組のフィードを配列することによってマルチビームアンテナ構成が可能となり、典型的な移相器の必要がなくなることでビーム走査が簡略化される。
【００５１】
本発明の本態様のいくつかの利点としては、それだけに限らないが、（１）平坦で薄い２Ｄ構造であること、（２）コストが極めて低く機械公差も低いことから大量生産に適していること、（３）組み込み型の反射器及びフィード構成により、高額な移相器又は複雑な給電網の必要なしに広ビーム走査が可能となること、（４）任意の周波数に調整可能であること、（５）２方向の応用例や１方向の応用例等における多周波動作が可能であること、及び（６）高出力の応用例にも対処できることを挙げることができる。関連するいくつかの応用例としては、それだけに限らないが、（１）１方向ＤＢＳモバイルシステム又は固定アンテナシステム、（２）２方向モバイルＩＰアンテナシステム、（３）モバイル、又は固定、又は軍事ＳＡＴＣＯＭ、あるいはそれらのすべてにおける応用例、（４）ポイントツーポイント又はポイントツーマルチポイント高周波数帯システム（最大約１００ＧＨｚ）、（５）セルラー基地局用アンテナ、及び（６）レーダーシステムを挙げることができる。
【００５２】
図１５は、本発明の一実施形態に係るアレイ設計プロセスを示す。ステップ１５００で、必要とされる有効面積Ａｅｆｆを求めるために、利得方程式の入力として、所望の利得Ｇ、効率ζ、及び周波数ｆ０の各パラメータが与えられる。次に、ステップ１５１０及び１５２０で、ｘ方向及びｙ方向に沿った素子の間隔（図１０に関する説明を参照）を決定するために、ｙ方向及びｘ方向に沿ったビームの所望の静傾斜角度（θ０ｘ，θ０ｙ）が、入力として与えられる。ｘ方向及びｙ方向の静傾斜を導入することにより、（ｒ，θ）の空間の任意の方向にビームを静的に傾斜させることが可能となる。ステップ１５３０で、上記の面積及び間隔を使用してｘ方向及びｙ方向の素子数（Ｎｘ，Ｎｙ）が求められる。次に、ステップ１５３５で選択された放射素子が円形である場合には、ステップ１５４０で下部半径、即ち結合開口部の半径が判定され、また、ステップ１５５０では、ステップ１５４５で判定された高さ（例えば０．３λ）を使用して上部半径、即ち放射開口部の半径が生成される。一方、ステップ１５３５で多角形断面が選択された場合には、ステップ１５５５及び１５６０で、素子の下部幅及び長さ、即ち結合開口部の面積が判定される。次に、ステップ１５６５で、波長に基づいて高さが選択される。拡幅が望まれる場合には、所望の適切な特性が得られるように上部幅及び長さを調整することができる。
【００５３】
本明細書に記載される様々な実施形態に係るアンテナ及びアレイの構築方法によれば、アンテナの基部として矩形の金属導波管が使用される。１つ（又は複数）の放射素子は、導波管の側部上に突出させることによって形成することができる。各放射素子は、それ自体の上部を開放して放射開口部を提供し、それ自体の底部を開放して結合開口部を提供することができ、素子の各側部は、導波管から突出する金属を備える。導波管内を移動するエネルギーは、素子を通り、素子の開放上部を介して素子の外側に放射される。この製造方法は、他のアンテナと比較して単純であり、１つ（又は複数）の素子のサイズ及び形状は、利得、偏波、放射パターン要件のような所望のアンテナ特性が達成されるように制御することができる。
【００５４】
別の方法によれば、１つ（又は複数）の導波管放射素子の構造は、任意の従来のプラスチック製作技法を使用して全体的にプラスチックで構成され、その後金属で被覆される。このようにして、単純な製造技法によって安価で軽量なアンテナが提供される。
【００５５】
このアレイ設計の利点は、結果物としてのアンテナの効率が比較的高くなることである（一定の状況で最大約８０〜９０％の効率）。波は、自由空間内を伝搬し、突出素子は、製造プロセス中の高度な精密さを必ずしも必要としない。したがって、アンテナコストが比較的低くなる。従来技術の構造とは異なり、本発明の放射素子は、必ずしも共振性を有する必要はなく、したがってそれらの寸法及び公差要件が緩和され得る。また、開放導波管素子を用いることにより、広帯域が実現され、アンテナを広範な周波数に適合させることが可能となる。結果物としてのアンテナは、特に高周波数動作に適している可能性がある。さらに、結果物としてのアンテナは、縦型設計が可能であり、したがって、低仰角ビームピークにとって非常に効率的な性能が実現され得る。
【００５６】
本発明に係るアンテナの任意の実施形態に複数の波源を組み込むことができる。例えば、線形フェーズドアレイマイクロストリップアンテナを組み込むことができる。このようにして、放射アレイを励起する平面波の位相を制御することができ、したがって、それに応じてアンテナの主ビーム配向を変更することが可能となる。別の例では、線形受動切り替え型（ｌｉｎｅａｒ  ｐａｓｓｉｖｅ  ｓｗｉｔｃｈｅｄ）バトラーマトリクスアレイアンテナを組み込むことができる。このように、バトラーマトリクス技術を使用して受動線形フェーズドアレイを構築することができる。バトラーマトリクスに対する様々な入力を切り替えることにより、様々なビームを生成することができる。別の例では、平面導波管反射器アンテナを使用することができる。このフィードでは、アンテナのビーム走査を制御するために、平面反射器の焦点の周りにマルチ給電ポイントを配列することができる。マルチ給電ポイントは、固定又はモバイルＤＢＳシステムでの受信用に選択された衛星に対応するように配列することができる。本例によれば、反射器は、空洞閉じ込め構造（ｃａｖｉｔｙ  ｃｏｎｆｉｎｅｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を提供する放物曲線設計を有することができる。上記のそれぞれの場合では、１次元（例えば仰角）ビームステアリングが実現され、また、必要に応じてアンテナを回転させることにより、他の次元のビームステアリング（例えば方位角ビームステアリング）も実現される。
【００５７】
本明細書に記載される様々なアンテナ設計は、いくつかの走査技術を含むこともできる。例えば、アンテナシステムを自動車等のモバイルプラットフォームに組み込むことができる。プラットフォームが移動すること、及び既存の衛星システムが地球に対して固定（地球から見て静止）であることから、受信アンテナは、衛星から送られる信号を追跡可能なものとすべきである。したがって、ビームステアリングメカニズムがシステムに組み込まれることが好ましい。ビームステアリング素子は、２次元半球空間全体をカバーすることができることが好ましい。いくつかの構成を使用することができる。１つの構成では、機械回転と結合される１次元電気走査（例えばフェーズドアレイ又は切り替え給電）を使用することができる。一実施形態では、複数の放射素子の壁を、該素子壁が導波管の非突出面に対して定義する範囲の角度にわたって（例えばモータによって）機械的に回転させることができる。このような回転は、３６０度の方位角範囲と約２０〜７０度の仰角範囲とが達成される範囲の角度で実現することができる。別の構成では、２次元レンズ走査を実施することができる。この構成では、アンテナアレイは、固定角度で放射を行うように設計することができ、放射に干渉する位置にレンズを設置することができる。一実施形態では、レンズは、放射素子の外側に設置される。これらのレンズは、鋸歯状の構成を有する。各レンズを導波管の中心軸と平行な方向に沿って前後に移動させることにより、その移動方向に沿った線形位相分布を実現することができる。したがって、レンズの動作を制御することによって放射ビームを一定の方向に操作することができる。１つ目のレンズと直交するように別のレンズを重ね合わせることにより、２次元走査が可能となる可能性がある。別法によれば、不規則な形状のレンズを使用することができ（２つの別個のレンズを移動させることと等価）、該レンズを回転させて２次元走査を実現することができる。
【００５８】
本発明のいくつかの利点としては、それだけに限らないが、（１）平坦で薄い２次元構造であること、（２）コストが極めて低く機械公差も低く抑えられる可能性があることから大量生産に適していること、（３）組み込み型の反射器及びフィード構成により、高額な移相器又は複雑な給電網の必要なしに広ビーム走査が可能となること、（４）任意の周波数に調整可能であること、（５）２方向と１方向の両方の応用例における多周波動作が可能であること、及び（６）小寸法ギャップが存在しない単純な低損失構造の故に、高出力の応用例にも対処できることを挙げることができる。関連するいくつかの応用例としては、それだけに限らないが、（１）１方向ＤＢＳモバイルシステム又は固定アンテナシステム、（２）２方向モバイルＩＰアンテナシステム、（３）モバイル、又は固定、又は軍事ＳＡＴＣＯＭ、あるいはそれらのすべてにおける応用例、（４）ポイントツーポイント又はポイントツーマルチポイント高周波数帯システム（最大約１００ＧＨｚ）、（５）セルラー基地局用アンテナ、及び（６）レーダーシステムを挙げることができる。
【００５９】
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。
【００６０】
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１Ａ】
2009538561.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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