(57)【要約】放射器は、開口を有する導波路と、上記開口に配置されたパッチアンテナとを備える。一実施形態において、アンテナは、各素子がキャビティを有する導波路アンテナ素子のアレイと、上記キャビティに配置された上部パッチ素子および下部パッチ素子を備えるパッチアンテナ素子のアレイとを備える。
2005505963.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口を有する導波路と、
前記開口に配置されたパッチアンテナと、
を備えた放射器。
【請求項２】
請求項１に記載の放射器において、前記パッチアンテナは前記導波路に電磁結合されている放射器。
【請求項３】
請求項１に記載の放射器において、前記導波路開口に近接して配置されたパッチアンテナ支持層をさらに備え、
前記パッチアンテナは前記支持層によって支持される放射器。
【請求項４】
請求項３に記載の放射器において、前記パッチアンテナ支持層は誘電体である放射器。
【請求項５】
請求項１に記載の放射器において、前記導波路に電磁結合された給電回路をさらに備え、電磁信号が前記給電回路から前記導波路に送られ、該導波路は前記給電回路と前記パッチアンテナの間に配置される、放射器。
【請求項６】
請求項５に記載の放射器において、前記給電回路と前記パッチアンテナ素子の間に配置された少なくとも１つのスロットを有するスロット層をさらに備える放射器。
【請求項７】
請求項６に記載の放射器において、前記少なくとも１つのスロットは非共振性である放射器。
【請求項８】
請求項６に記載の放射器において、前記少なくとも１つのスロットはλ／２より短い長さを有し、ここでλは前記放射器によって放射される自由空間波長である、放射器。
【請求項９】
請求項６に記載の放射器において、
前記給電回路は、
ストリップライン伝送線路層と、
グラウンドプレーン層と、
を備え、前記ストリップライン伝送線路層は、前記グラウンドプレーン層よりも前記少なくとも１つのスロットの近くに離間して配置される、放射器。
【請求項１０】
請求項１に記載の放射器において、前記導波路はアルミニウムである放射器。
【請求項１１】
請求項１に記載の放射器において、前記導波路は金属層で被覆された射出成形材料である放射器。
【請求項１２】
請求項１に記載の放射器において、複数のパッチアンテナをさらに備え、該パッチアンテナの少なくとも１つが第１周波数で共振し、前記パッチアンテナの少なくとも別の１つが異なる第２周波数で共振する、放射器。
【請求項１３】
請求項１に記載の放射器において、
第２の開口を有し、前記パッチアンテナに近接して配置された第２の導波路と、
前記第２の開口に配置された第２のパッチアンテナと、
をさらに備える放射器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の放射器において、前記パッチアンテナが第１周波数で共振し、前記第２のパッチアンテナが異なる第２周波数で共振する、放射器。
【請求項１５】
請求項１に記載の放射器において、前記パッチアンテナは銅である放射器。
【請求項１６】
請求項１に記載の放射器において、前記パッチアンテナは光学的に活性な材料である放射器。
【請求項１７】
請求項１に記載の放射器において、複数の導波路をさらに備える放射器。
【請求項１８】
請求項１に記載の放射器において、前記アンテナ回路は統合されたエッジ処理をさらに含み、それによってエッジ回折を減少させる放射器。
【請求項１９】
請求項１に記載の放射器において、前記導波路は該導波路上に配置されたヒータをさらに備える放射器。
【請求項２０】
各素子がキャビティを有する導波路アンテナ素子のアレイと、
前記キャビティに配置された上部パッチ素子および下部パッチ素子を備えるパッチアンテナ素子のアレイと、
を備えたアンテナ。
【請求項２１】
請求項２０に記載のアンテナにおいて、前記導波路アンテナ素子のアレイは、前記下部パッチ層によって離間され分離された導電性格子の対を備える、アンテナ。
【請求項２２】
第１周波数を有する無線周波数信号に応答する第１の複数のパッチアンテナ素子を備える第１誘電体層と、
該第１誘電体層に近接して配置された第１モノリシック導電性格子と、
該第１モノリシック導電性格子に近接して配置された、第２の異なる周波数を有する無線周波数信号に応答する第２の複数のパッチアンテナ素子を備える第２誘電体層と、
該第２誘電体層に近接して配置された第２モノリシック導電性格子と、
を備え、
前記第１格子および前記第２格子は複数の導波路を形成し、各導波路は、対応する前記第１および対応する第２の複数のパッチアンテナ素子の各々に関連する、アンテナ。
【請求項２３】
請求項２２に記載のアンテナにおいて、前記第１格子に近接して配置された、複数の給電回路を有する給電層をさらに備え、前記給電回路の各々は前記第１格子に形成された対応する導波路に電磁信号を伝達する、アンテナ。
【請求項２４】
請求項２３に記載のアンテナにおいて、
前記給電層と前記第１格子の間に配置された少なくとも１つのスロットを有するスロット層をさらに備え、
前記少なくとも１つのスロットは、前記第１格子に形成された対応する導波路に電磁信号を伝達する、アンテナ。
【請求項２５】
請求項２４に記載のアンテナにおいて、前記少なくとも１つのスロットは非共振性であるアンテナ。
【請求項２６】
アンテナを製造する方法であって、
上部表面および下部表面を有する複数の誘電体層を設け、
該複数の誘電体層の前記下部表面上に複数のパッチアンテナ素子を形成し、
複数のモノリシック３次元導電性格子を設け、
該複数の格子の対応する各々に前記複数の誘電体層の各々をボンディングし、それによって、前記複数のパッチアンテナ素子が、前記複数の格子によって形成される複数の導波路と整列し、前記複数の誘電体層は前記複数の格子とインターリーブされる、
アンテナ製造方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載のアンテナ製造方法において、前記ボンディングは、前記複数の誘電体層を前記複数の格子の対応する各々にハンダ付けすることを含む方法。
【請求項２８】
請求項２６に記載のアンテナ製造方法において、前記ボンディングは、無損失結合接着剤で前記複数の誘電体層を前記複数の格子の対応する各々に接合することを含む、方法。
【請求項２９】
請求項２６に記載のアンテナ製造方法において、前記ボンディングは、ファスナーで前記複数の誘電体層を前記複数の格子の対応するそれぞれに接合することを含む、方法。
【請求項３０】
請求項２６に記載のアンテナ製造方法において、前記誘電体層は相対誘電率が６より大きく、それにより前記誘電体層の厚さが最小化される方法。
【請求項３１】
請求項２６に記載のアンテナ製造方法において、さらに、給電層を設け、該給電層を前記複数の格子の１つに結合することを含む方法。
【請求項３２】
請求項２６に記載のアンテナ製造方法において、材料組成を変更せずに周波数をスケーリングすることをさらに含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には無線周波数（ＲＦ）アンテナに関し、特定的にはＲＦアレイアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
当技術分野で既知のように、レーダや通信システムのアンテナは一般に、給電回路と、通常は反射器または放射器と呼ばれる少なくとも１つの導電性部材とを含む。同じく既知のように、アレイアンテナは、複数のアンテナ素子のそれぞれから放射されるＲＦ信号が合成されて所望の方向に強め合う干渉をするように、アレイ状に配置された複数のアンテナ素子を含む。
【０００３】
商業的用途では、ＲＦアンテナアレイを航空機、自動車、船、商業用および住宅用建造物の外面すなわち「外板」に、ならびに建物内部のワイヤレスＬＡＮ用途に統合することがしばしば望ましい。これらおよび他の用途のため、低いプロファイルおよび広帯域の周波数応答を有するアンテナまたは放射器を使用することが望ましい。
【０００４】
レーダ用途では通常、広い周波数帯域を有するアンテナを使用することが望ましい。従来の低プロファイル広帯域放射器は、わずかに異なる周波数で共振するように同調され、また誘電体基板により支持された２つの金属製パッチを含む積層パッチアンテナである。帯域幅を増大させるためには基板（例えばフォーム：foam）が厚いほうが好ましいが、帯域幅と、基板間にトラップされる表面波へのパワー損失量との間にはトレードオフが存在する。このトレードオフは、フェーズドアレイのスキャンボリューム（走査範囲）および全効率に対して制約を課する。さらに、厚いフォームはボリュームおよび重量を増大させ、湿気を吸収して信号損失を増大させる。
【０００５】
積層パッチ放射器で生じる表面波は望ましくない影響を有する。近くのパッチからの放射空間波および表面波によりパッチ上に電流が誘導される。ほとんどまたは全くパワーが放射されないように表面波がアレインピーダンスを変更するようなフェーズドアレイのある角度において、走査ブラインドネス（信号の損失を意味する）が生じ得る。アレイ視野は、表面波により走査ブラインドネスが生じる角度によって制限される場合が多い。
【０００６】
「ブリック」型フェーズドアレイ構成（すなわち、各アンテナ素子の給電回路および電子機器がアンテナ放射面に垂直な平面内で組み立てられる）で使用される導波路放射器には、スキャンボリュームを制限する走査角を有する内部表面波励振はないが、このような導波路放射器は通常、低いプロファイルまたは広い帯域幅を有していない。さらに、個々の導波路放射器をブリック型アーキテクチャで作製し組み立てなければならないため、コストが増大し信頼性が低下する。
【０００７】
したがって、陸地、海洋、宇宙または航空機搭載プラットフォーム用途に使用可能であって、タイル方式またはブリック方式のアレイ構成で使用することができ、広い帯域幅および大きいスキャンボリュームを有する低コストで低プロファイルの放射器を提供することが望ましい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、タイルアレイ構成の低コストで広帯域幅の直線または円偏波導波路放射器を提供することである。タイルアレイ構成とは、積層パッチアンテナに通常生じる望ましくない表面波の影響がない状態で、すべての給電ネットワークおよび能動電子機器が各アンテナ素子のユニットセル（単位セル）境界内に垂直に積層されることを意味する。
【０００９】
もう１つの目的は、長方形、正方形、正三角形または二等辺三角形および螺旋形態のような任意の格子配列をとることができる放射器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、放射器が、開口を有する導波路と、開口内に配置され導波路に電磁結合されたパッチアンテナとを含む。このような構成により、各放射素子および関連する給電ネットワークが近接する放射素子から電磁的に隔離されて、内部表面波励振がなくなるので、コニカルスキャンボリュームが±７０°を超えて広がる。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、アンテナは、各素子がキャビティ（空胴）を有する導波路アンテナ素子のアレイと、キャビティに配置された上部パッチ素子および下部パッチ素子を含むパッチアンテナ素子のアレイとを有する。このような構成は、タイルアレイ構成の低コストで広帯域幅の直線または円偏波導波路放射器を提供し、一実施形態では、各アンテナ素子の単位セル境界内に垂直に積層された給電ネットワークおよびアクティブ（能動）電子機器を含む。
【００１２】
本発明の別の態様によれば、アンテナが、第１周波数を有する無線周波数信号に応答する第１の複数のパッチアンテナ素子を有する第１誘電体層と、該第１誘電体層に隣接して配置された第１モノリシック導電性格子と、該第１モノリシック導電性格子に隣接して配置された、第２の異なる周波数を有する無線周波数信号に応答する第２の複数のパッチアンテナ素子を備える第２誘電体層とを含む。第２モノリシック導電性格子が上記第２誘電体層に隣接して配置され、第１格子および第２格子は複数の導波路を形成し、各導波路は対応する第１および第２の複数のパッチアンテナ素子のそれぞれに関連する。このような構成は、長方形、正方形、正三角形または二等辺三角形、および螺旋形態のような任意の格子配列をとることができる放射器、ならびに積層パッチ放射器の帯域幅および導波路放射器の大きなスキャンボリュームを有する広帯域で低プロファイルのスロット結合放射器を提供する。
【００１３】
本発明の以上の特徴は、発明それ自体とともに、図面についての以下の説明からより良く理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ここで図１を参照すると、積層パッチエッグクレート（egg-crate）アンテナ１０および関連する給電システム１００（ここではＸバンドに適応している）が、上部エッグクレート層１４の上に配置された上部パッチ層１２を含むように示されている。
【００１５】
上部パッチ層１２は、基板すなわちパッチキャリア２６上に配列された複数のパッチ２４ａ〜２４ｎ（包括的に上部パッチ２４という）を含む。上部パッチ２４の寸法は、放射器サブシステム１０とともに使用される周波数の関数である。Ｘバンド周波数用の一実施形態では、上部パッチ２４の寸法は０．２７λ×０．２７λである。ここでλはアンテナ１０の設計波長である。当業者には理解されるように、エッグクレート放射器におけるパッチは長方形（矩形）、円形であってもよく、あるいは放射およびモード励振を制御するための任意個数の特徴部を有していてもよい。当技術分野で既知の技法を用いて、特定の用途、偏波要件（例えば直線または円）および設置表面に適合するように、任意のサイズおよび形状の上部パッチ層１２を作製することができる。
【００１６】
上部エッグクレート層１４は、複数の上部導波路３０ａ〜３０ｎ（包括的に上部導波路３０という）を画定する上部側壁２８を含む。上部導波路３０の寸法は、上部パッチ２４のサイズおよび間隔ならびに上部側壁２８の高さＨｕｐｐｅｒによって決まる。一実施形態では、上部導波路３０は１．２７ｃｍ×１．２７ｃｍの開口部を有し、高さは０．２４１３ｃｍである。
【００１７】
下部パッチ層１６が、下部エッグクレート層１８に隣接して配置され、上部エッグクレート層１４に隣接して配置される。エッグクレート層１４、１８は、構造支持および導波路放射器のアレイを形成する。下部エッグクレート層１８は、関連する給電システム１００に隣接して配置される。給電システム１００は、給電回路層２２に隣接して配置されたスロット層２０を含む。この構成は、給電回路層２２からアンテナ１０内へ電磁信号を通すスロット層２０との物理的ＲＦ相互接続を必要とせずに、積層パッチ放射器の帯域幅と導波路放射器の隔離とを単一ラミネート構造内に兼ね備えている。給電回路層の下のＲＦ回路の付加的層（タイルアレイともいう）は図示していない。
【００１８】
下部パッチ層１６は複数のパッチ３２ａ〜３２ｎ（包括的に下部パッチ３２といい、下部パッチキャリア３４上に配列される）を含む。下部パッチ３２の寸法は、アンテナ１０とともに使用される周波数の関数である。Ｘバンド周波数用の一実施形態では、下部パッチ３２の寸法は０．３５λ×０．３５λである。当技術分野で既知の技法を用いて、特定の用途および設置表面に適合するように、任意のサイズおよび形状の下部パッチ層１６を作製することができる。上部側壁２８の高さの調節が、主として上部パッチ２４と下部パッチ３２の間の結合に影響を及ぼすことにより、エッグクレート放射器パスバンドの上部共振周波数および全帯域幅を制御するということに留意すべきである。
【００１９】
上部パッチ層１２および下部パッチ層１６は、好ましくは、誘電体の各面上に１４．１７４８グラムの銅層が融着された従来の誘電体材料（例えば、Ｒｏｇｅｒｓ  Ｒ／Ｔ  Ｄｕｒｏｉｄ（登録商標））から作製される。
【００２０】
エッグクレート層１４およびエッグクレート層１８は、好ましくは、比較的強力で軽量のアルミニウム素材から機械加工される。エッグクレート層１４、１８は、上部パッチ層１２、下部パッチ層１６、スロット層２０、および給電回路層２２を支持するための付加的構造を提供する。エッグクレート層１４、１８は、基礎構造を射出成形し、銅等の導電性材料でその構造を金属被覆することによっても作製することができるということを理解すべきである。
【００２１】
下部エッグクレート層１８は、複数の下部導波路３６ａ〜３６ｎ（包括的に下部導波路３６という）を画定する下部側壁３８を含む。下部導波路３６の寸法は、下部パッチ３４のサイズおよび間隔ならびに下部側壁３８の高さＨｌｏｗｅｒによって決まる。上部および下部導波路３０および３６が協働して、あたかも単一導波路であるかのように電気的に動作し、内部表面波によってもたらされるシステム制限を取り除く。
【００２２】
スロット層２０は、導波路３６ａ〜３６ｎを給電回路層２２に電磁結合して非対称ストリップライン給電組立体を形成するスロット６６を含む。非対称ストリップライン給電組立体は、材料および給電回路構成の組合せを用いて、アンテナ層１２〜１８に電磁信号を通す各スロット６６への適切な励振および最大結合を生成する。２つの組立体（スロット層２０および給電回路層２２と、アンテナ層１２〜１８）が協働して、薄く（Ｘバンド実施形態の場合、好ましくは０．４２９２６ｃｍ）、軽く、機械的に単純で、低コストのアンテナを生成する。下部側壁３８の高さの調節が、主として下部パッチ３２とスロット６６の間の結合に影響を及ぼすことにより、エッグクレート放射器パスバンドの下部共振周波数および全帯域幅を制御する。
【００２３】
給電回路層２２は、従来の誘電体ラミネート（例えば、Ｒｏｇｅｒｓ  Ｒ／Ｔ  Ｄｕｒｏｉｄ（登録商標））を含み、ドリリング（掘削）、銅メッキ、エッチングおよびラミネート等の標準的な大量生産プロセス技法を用いて作製される。
【００２４】
帯域幅を拡大するために誘電体またはフォーム基板を有する従来のアンテナの厚さが増大するにつれて、最低次表面波が伝搬可能な角度が小さくなることにより、通常のフェーズドアレイスキャンボリュームにわたる効率的なアンテナ性能が低下する。しかし、積層パッチエッグクレートアンテナ１０の低プロファイル導波路アーキテクチャは、素子間にトラップされる表面波をなくし、多機能フェーズドアレイにとって極めて重要なパラメータである帯域幅およびスキャンボリューム性能（±７０°より大きい）の増大を可能にする。
【００２５】
積層された金属製の上部エッグクレート層１４および下部エッグクレート層１８により形成される各キャビティは、各アンテナ素子を他のすべてのアンテナ素子から物理的に隔離する。キャビティの金属製側壁２８および３８は、電気的に反射する境界条件を与える。送信または受信のいずれの動作モードにおいても、所与の積層パッチエッグクレートキャビティ内部の電磁場は、フェーズドアレイアンテナ構造全体における他のすべての積層パッチエッグクレートキャビティから隔離される。こうして、内部的に励振された表面波が、キャビティ高さ、格子ジオメトリ、スキャンボリューム、偏波または帯域幅要件とは無関係に実質上減少する。
【００２６】
比較的薄い上部パッチキャリア２６もまた、上部および下部エッグクレート層１４、１８とともにアンテナ１０のための統合されたレドームとしての役割を果たし、構造支持を提供する。これは、エッグクレート放射器に追加されるべき厚い、または成形されたレドームを不要にし、下記の氷結防止機能のための電力要求を減らすことになる。
【００２７】
ここで図２を参照すると、アンテナ１０および給電サブシステム１００の構造のさらなる詳細が示されている。図１と同じ要素は同じ参照番号で表す。上部パッチ層１２は、上部パッチキャリア２６の下面に配置された銅層２７を含む。上部パッチ層１２は、取付層４４ａによって上部エッグクレート層１４の側壁２８の上面に取り付けられる。
【００２８】
下部パッチ層１６は、下部パッチキャリア３４の上面に配置された銅層５０と、下部パッチキャリア３４の底面に配置された底部銅層５４とを含む。下部パッチ層１６は、取付層４４ｂによって上部エッグクレート層１４の側壁２８の下面に取り付けられる。下部パッチ層１６は、取付層４４ｃによって下部エッグクレート層１８の側壁３８の上面に取り付けられる。
【００２９】
取付層４４ａ〜４４ｄは、好ましくは、Ｎｉ−ＡｕまたはＮｉ−ハンダメッキを使用する。Ｎｉ−ＡｕまたはＮｉ−ハンダメッキは、標準的なメッキ技法を用いて、下部および上部エッグクレート層１４および１８、ならびに下部および上部パッチ層１２および１６上のエッチングされた銅エッグクレートパターンに施される。その後、エッグクレート放射器構造全体が、層１２〜１８を積層しハンダをリフローイングさせることによって形成される。別法として、層１２〜１８は、当技術分野で既知のように、導電性接着プリフォームを用いて一緒にラミネートしてもよい。
【００３０】
導波路キャビティ５６は、パッチ２４ａおよび３２ａを含む上部および下部エッグクレート層１４、１８により形成される。上部エッグクレート層１４および下部エッグクレート層１８により形成されるキャビティの金属製側壁２８、３８は、キャビティ内部の電磁場に電気的に反射する境界条件を与え、導波路構造と等価になる。こうして電磁場は各導波路キャビティ５６の内部に制約され、構造の他の導波路キャビティ５６から隔離される。好ましくは、Ｘバンドシステムの場合、各エッグクレートのキャビティは１．２７ｃｍ×１．２７ｃｍである。
【００３１】
給電サブシステム１００は、スロット層２０および給電回路層２２を含む。スロット層２０は、金属層６４および支持層６８を含む。金属層６４は、従来のエッチング技法により形成された開口であるスロット６６を含む。金属層６４は好ましくは銅である。給電回路層２２は、ストリップライン伝送線路層７２および下部銅グラウンドプレーン（接地面）層７８を含む。その際キャリア層７６およびビア（バイア：via)７４が、上部銅層７２を下部銅グラウンドプレーン層７８の下のストリップライン伝送線路層（図示せず）と接続する。スロット層２０および給電回路層２２は、取付層４４ｅに接合される。給電サブシステム１００は、別個に組み立てられた後、取付層４４ｄを用いてアンテナ１０にラミネートされる。上記のように、取付層４４ｄは、低温ハンダまたは低温導電性接着技法のいずれかを用いてそれぞれの層を接合する。層７２および７８は、好ましくは、従来の誘電体材料（例えば、Ｒｏｇｅｒｓ  Ｒ／Ｔ  Ｄｕｒｏｉｄ（登録商標））であるキャリア層７６に銅融着される。
【００３２】
アルミニウムエッグクレート層１４および１８は導波路放射器キャビティ５６を形成し、アンテナの構造支持を提供する。給電サブシステムとともに組み立てられると、２つのアルミニウムエッグクレート層１４および１８ならびにキャリア層２６および３４がアンテナ１０を形成する。この組立体（アセンブリ）は、低温ハンダ、または等価的な低温導電性接着層を用いてタイルアレイ積層体（図４に関連して後述）に結合（ボンディング）することができる。別法として、エッグクレートのリブにより、アンテナ１０および給電サブシステム１００は、ネジまたは他の種類のファスナー（図示せず）でタイルアレイ冷却板（コールドプレート：図４に関連して後述）に機械的に留めることが可能である。この代替実施形態は、タイルアレイからアンテナを取り外して能動コンポーネントを取り替えることによる保守を可能にする。この保守技法は、従来のフォーム方式の放射器では実用的でない。
【００３３】
表１は、Ｘバンドシステムの場合のプロトタイプとして構築された一実施形態の放射器の材料組成、厚さおよび重量をまとめたものである。
【００３４】
【表１】
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【００３５】
層１２、４４ａ、１４、４４ｂ、１６、４４ｃ、および１８を含む積層パッチエッグクレートアンテナ１０は、導波路５６、上部および下部パッチ２４および３２、ならびに対応する支持層を含むＲＦパスに接着剤を有さない、ということに留意すべきである。ＲＦパスに接着剤がないことは、重大なフロントエンド損失を減少させるのに役立つ。フロントエンドオーム損失は、有効アンテナ温度を上昇させることによって、レーダ性能または通信性能に直接影響を及ぼして、アンテナ感度を低下させ、最終的にはアンテナコストを上昇させる。従来のフォーム方式の積層パッチ放射器では、機械的に信頼性のある接着剤はマイクロ波周波数以上で重大なオーム損失をもたらす。接着剤の厚さおよび制御フォーム侵入度(controlling foam penetration)が製造時のもう１つの制御困難なパラメータになると、信頼性が問題となる。さらに、大型のシートでフォーム構造を銅メッキし、かつエッチングするのは困難であり、通常、フォームシートは環境に対する保護被覆を必要とする。
【００３６】
図２に戻って、動作において、ＲＦ信号が能動層（図示せず）からビア７４を通って給電回路層２２に結合する。好ましくは、ストリップライン伝送線路層７２は、グラウンドプレーン層７８（０．０６３５ｃｍ）よりもスロット層２０のスロット６６（例えば０．０１７７８ｃｍ）の近くに位置し、スロット６６への結合を向上させるために非対称ストリップライン給電回路を提供する。非対称ストリップライン給電回路層２２は、ビア７４とストリップライン伝送線路層７２の間で無線周波数（ＲＦ）信号を導く。ＲＦ信号は、ストリップライン伝送線路から非共振スロット６６に結合する。下部および上部金属製エッグクレート層１８および１４は、各単位セルについて電気的にカットオフされた（非伝搬基本モード）導波路５６を形成する。導波路５６内の下部パッチ３２および上部パッチ２４は２つの異なる周波数でスロット、導波路キャビティおよび放射開口を共振させ、自由空間へ広帯域ＲＦ放射を提供する。
【００３７】
伝送線路として見ると、各パッチ２４、３２は、インピーダンスの大きさがパッチキャリア２６、３４のパッチ寸法および誘電率によって制御される等価シャントインピーダンスを与える。（非共振スロットに対しての）パッチのシャントインピーダンスおよび相対距離は、非共振スロット、導波路キャビティおよび放射開口によって与えられる等価直列インピーダンスと共振するように調節されて、自由空間の等価インピーダンスと整合する。伝送線スタブ８３ａ〜８３ｄ（図３）は、インピーダンス軌跡がスミス図表（図５Ａ）の中心に来るように調節されるシャントインピーダンスを回路に与える。
【００３８】
スロット、上部および下部パッチ２４、３２のフリンジ電磁場は、強く結合して相互作用し、標準およびデエンベッド（de-embed）インピーダンス軌跡をそれぞれ示すＸバンドスミス図表の中心を通る曲線１２４、１３２（図５Ａ）によって表されるインピーダンス特性をエッグクレートアンテナ１０に与える。前述のように、パッチ２４、３２とスロット６６の間の相対的なサイズおよび間隔は、結合を最適化するように、したがって帯域幅を最大化するように調節される。非共振スロット６６と下部パッチ３２の間の結合は主として下部共振周波数を決定し、上部パッチ２４と下部パッチ３２の間の結合は主として上部共振周波数を決定する。
【００３９】
図３を参照すると、スロット層２０（図１）のスロット６６が、給電回路層２２（図１）に重ね合わせて示されている。給電回路層２２は、複数の平衡給電単位セル８０ａ〜８０ｎ（包括的に平衡給電単位セル８０という）を含む。複数の平衡給電単位セル８０のそれぞれは、４個の隔離された非対称（すなわち、ストリップラインがグラウンドプレーン間に対称的に位置していない）ストリップラインフィード８２ａ〜８２ｄ（包括的にストリップラインフィード８２という）を含む。各ストリップラインフィードは、ストリップラインフィード８２ａ〜８２ｄの上方に位置する非共振スロット６６ａ〜６６ｄにそれぞれ給電する。ストリップラインフィード８２ａ〜８２ｄは、対応する伝送線スタブ８３ａ〜８３ｄを含む。スロット６６ａ〜６６ｄは、別個のスロット層２０（図１）に位置する。モード抑圧ポスト９２ａ〜９２ｎが、平衡給電単位セル８０内の各ストリップラインフィード８２ａ〜８２ｄに隣接して配置される。モード抑圧ポストは、好ましくは、直径０．０３９６２ｃｍ（標準ドリルサイズ）のメッキスルーホールである。図３の４×４アレイは平衡給電構成を示しているが、任意サイズのアレイ、格子間隔、任意の格子ジオメトリ（すなわち三角形、正方形、長方形、円形等）ならびに任意のスロット６６のジオメトリおよび形態（例えば、単一の完全長スロットまたは２個の直交するスロット）が使用可能である、ということを理解されたい。
【００４０】
モード抑圧ポスト９２ａ〜９２ｎは、平衡給電単位セル８０内のストリップラインフィード８２ａ〜８２ｄのそれぞれを隔離し、各平衡給電単位セル８０は他の平衡給電単位セル８０から隔離される。ストリップラインフィード８２ａ〜８２ｄの構成に応じて、直線偏波、デュアル直線偏波、または円偏波動作モードを実現することができる。図３に示す平衡給電形態は、デュアル直線偏波または円偏波システムで動作可能である。スロット層２０の薄い高誘電率のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluorethylene）層６８と、非共振スロットを超えて延びる伝送線スタブ８３ａ〜８３ｄの長さおよび幅の調節とによって結合が向上する。
【００４１】
一実施形態では、給電層は、層７８からスロット層２０（図２）のグラウンドプレーン層６４までの給電回路層２２を含む。給電回路層２２は、ビア７４（公称２５オーム）からスロット６６およびエッグクレート放射器１０（公称１０オーム）へのインピーダンス変換を提供するためにストリップラインフィード８２（図３）を含む。このコンパクトなストリップラインフィード形態は、広い帯域幅にわたってビアの入力インピーダンスをスロットおよびエッグクレート放射器のインピーダンスに整合させる２つの短セクショントランス（すなわち、各セクションの長さが４分の１波長より短い）を使用する。各トランスセクションの長さおよびインピーダンスは、ビアとスロットの間の反射を最小化するように選択される。ストリップラインフィードの広いほうのセクション（０．０８８９ｃｍ）では、ストリップラインフィード８２の狭いほうのセクション（０．０７６２ｃｍ、０．０５３３４ｃｍ、０．０３８１ｃｍ）に対して、伝送線スタブ８３ａがスロットの中心を超えて延びている。伝送線スタブ８３ａは、ビア７４、ストリップラインフィード８２、スロット６６、およびエッグクレート層１４、１８を含む回路全体にシャントインピーダンスを提供し、その長さおよび幅は、インピーダンス軌跡がスミス図表の中心に来るようにして、回路の無効（リアクタンス性）インピーダンス成分の大きさを最小化するように調節される。
【００４２】
同一線上にあるスロット６６ａ〜６６ｄの対（図３）は、同一線上にあるスロットの直交する対との交点における相互結合を減らし、給電回路設計におけるフレキシビリティを高めるために提供される。給電組立体の上部ＰＴＦＥ層６８（ここでは厚さ０．０１２７ｃｍ）および下部ＰＴＦＥ層７６（ここでは厚さ０．０６３５ｃｍ）は、好ましくは、誘電率がそれぞれ約１０．２および４．５であり、これがスロット層２０への結合を向上させる。さらに、誘電体６８および７６の選択により、好ましくは４個のスロットを含む平衡給電形態がＸバンドで比較的小さい単位セル（底辺１．３２０８ｃｍ×高さ１．５２４ｃｍ）に収まることを可能にし、オーム損失を最小化し標準的なエッチング公差要件に従う適度なサイズの伝送線セクションを可能にする。
【００４３】
スロット６６ａ〜６６ｄ（図３）は、パスバンド（通過帯域）にわたり長さが０．５（誘電体装荷波長を表す）より小さいので、非共振性である。非共振スロット結合の選択は、本発明において２つの利益を提供する。第１に、給電ネットワークがグラウンドプレーン９０によって放射素子から隔離され、スプリアス放射を防ぐ。第２に、非共振スロット６６が、放射器の利得を実質的に減少させる可能性がある（共振スロットに特徴的な）強いバックローブ放射をなくす。各ストリップラインフィード８２および関連するスロット６６は、直径０．０３９６２ｃｍのメッキスルーホールによって隔離される。表２は、非対称給電層の材料組成、厚さおよび重量をまとめたものである。表２において、ｔａｎδは誘電正接であり、εは誘電率である。
【００４４】
【表２】
2005505963.tif 000004
【００４５】
平衡スロット給電ネットワークは、１．３２０８ｃｍ（高さ）×１．５２４ｃｍ（底辺）という小さい単位セル領域に収まることができる。高さは薄く（０．０７８７４ｃｍ）、軽量である（０．４５０７６グラム）。ストリップラインフィード８２とスロット層２０の間に、薄い（０．０１２７ｃｍ）高誘電率（１０．２）のＰＴＦＥシート層６８を入れることによって、その２つの層８２と２０の間の領域に電場が集中し、それらの層の間の結合が向上する。
【００４６】
好ましくは、標準的なエッチング公差（１４．１７４８グラムの銅の場合、±０．００１２７ｃｍ）およびメッキスルーホールの低いアスペクト比（２：１）が使用される。線幅を広くすると、オーム損失およびエッチング公差に対する感度が減少する。
【００４７】
別法として、本発明の放射器設計は、低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ：low temperature co-fired ceramic）多層フィードとともに使用してもよい。スロット結合は、エッグクレート放射器がスロット層２０および給電回路層２２の材料および構成とは異なる材料および技法により作製されることを可能にする。
【００４８】
図４を参照すると、Ｘバンド用タイル方式アレイ２００は、エッグクレートアンテナ１０、関連する給電サブシステム１００、第１ウィルキンソンディバイダ層１０４、第２ウィルキンソンディバイダ層１０６、トランス層１０８、信号トレース層１１０、導電性接着剤層１１２、および導電性プレート１１４を含み、これらはともに積層されている。層１０４〜１０６は、包括的に信号ディバイダ／コンバイナ層と呼ばれる。Ｘバンド用タイル方式アレイ２００は、コネクタプレートに電気的に結合した同軸コネクタ１１６をさらに含む。
【００４９】
アンテナ１０および給電サブシステム１００は、当技術分野で既知のように、ファスナー（留め具）によって能動モジュールに機械的に取り付けられ、ファズ・ボタン（ｆｕｚｚ−ｂｕｔｔｏｎ）インタフェース接続を通じて電気的に取り付けられることが可能である。
【００５０】
ウィルキンソンディバイダ／コンバイナ層１０４および１０６は、給電回路層２２の下に位置し、同一線上のスロット６６ａ〜６６ｄの対応する対（図３）に同相で導波電磁信号を提供することにより、直線偏波しスロットの対に垂直な電場を生成する。同様に、第２ウィルキンソンディバイダ／コンバイナ層は、同一線上にあるスロットの直交する対からの信号を合成する。抵抗性ウィルキンソン回路は、パッチ層で励振される奇モードの終端を提供することにより、寄生共振をなくす。
【００５１】
円偏波平衡給電形態（図３）を有する信号を生成するため、（トランス層１０８の代わりに）ストリップライン直交ハイブリッド回路が各ウィルキンソン層からの信号を直交位相で（すなわち９０°の位相差で）合成する。平衡スロット給電アーキテクチャは、円偏波を実現し、（従来型給電の２プローブまたは２スロットアーキテクチャとは異なり）ストリップラインフィード間の不平衡複素電圧励振を最小化するので、走査角がアンテナ開口の主軸から離れる際の軸比性能示数の低下が抑えられる。
【００５２】
直線偏波を有する信号を生成するためには、同一線上のスロットの一方の対を除去し、同一線上のスロットの他方の対を１つのスロットで置き換える。単一のストリップ伝送線がその単一スロットに給電することにより、直線偏波が実現される。
【００５３】
次に図５Ａを参照すると、スミス図表１２０は、給電層上のビア７４（図２）における標準インピーダンス軌跡１２４および積層パッチエッグクレートアンテナ１０のスロット６６（図２）にデエンベッドされたデエンベッドインピーダンス軌跡１３２を表す曲線を含む。
【００５４】
次に図５Ｂを参照すると、リターンロス（反射減衰量）曲線１３４が、積層パッチエッグクレートアンテナ１０および関連する給電システム１００の全体のリターンロスを例示している。リターンロス曲線１３４は、ビア入力７４を２５オームの負荷で終端した場合の給電回路層２２およびスロット層２０ならびに積層パッチエッグクレートアンテナ１０の反射パワーを表す。−１０ｄＢ基準線１３８（すなわち、反射パワーが１０パーセント）の下のリターンロスは、ビア入力７４（図２）において最大限許容可能なリターンロスを示す。曲線１３６は、ローパス周波数選択性表面（図６に関連して後述）の影響を表す。
【００５５】
上部パッチ層１２すなわちレドームに氷が付着しないように、エッグクレート層１４にヒータワイヤ（図示せず）を通すことによって、ヒータが上部エッグクレート層１４（図１）に任意に組み込まれる。埋め込まれた氷結防止能力が上部エッグクレート構造１４によって提供される。従来の射出成形、フォトリソグラフィおよびメッキプロセス（例えば、銅またはアルミニウム）によって形成される非導電性のパターンメッキされたエッグクレートが、（放射器機能のための）導電性キャビティと、上面にメッキされた（適切な幅および抵抗率の）ワイヤパターンを含む。別法として、インコネル（Ｉｎｃｏｎｉｌ：ニッケル、鉄およびクロムの合金）からなる導電性金属ワイヤを上部エッグクレート表面と上部パッチキャリア２６（図１）の間に埋め込んでもよい。絶縁ワイヤおよびグラウンドワイヤを下部および上部エッグクレートリブの導管内に配置し、一端にワイヤパターンへの電力を供給し、他端をリターングラウンドとする。抵抗性ワイヤパターンは、任意の所与の格子ジオメトリおよび任意の偏波に対して、いかなる形でも導波路キャビティを妨害したりあるいは反射器電磁性能と干渉したりせずに、氷が形成されないように上部パッチキャリア２６のために熱を発生する。エッグクレートリブ（本実施形態では、０．０５０８ｃｍおよび０．３０４８ｃｍ）の幅は、広範囲のワイヤ導体幅およびワイヤ本数に対応しており、トランスを必要とせずに、容易に利用可能な電圧源を使用することができる。
【００５６】
上部パッチ２４は、上部パッチ層１２の内側表面にエッチングされる。上部パッチ層１２は、レドームとしての役割も果たし、環境から上部（および下部）パッチを保護する。下部および上部エッグクレートは構造支持を提供し、上部パッチ層を薄く（厚さ０．２５４ｃｍ）することができるので、氷結防止格子に必要な電力が少なくなり、動作コストおよびライフサイクルコストが減少し、赤外放射が最小化される（それにより、劣悪な環境での熱センサによる検出が最小化される）。厚い湾曲したレドームとは異なり、上部パッチ層によって提供される薄い平坦なレドームは、送受信信号の減衰（減衰は全アンテナ効率を低下させ、受信機におけるノイズパワーを増大させる）および電磁位相面の歪み（歪みは、ビーム照準精度および全アンテナパターン形状に影響する）を大幅に減らす。全体として、エッグクレート放射器アーキテクチャは、低プロファイルで、軽量で、構造的に堅固であり、ヒータ素子とレドームの機能を簡単に製造可能なパッケージに統合している。
【００５７】
次に図６を参照すると、代替実施形態が、第３エッグクレート層１５０を有する周波数選択性表面（ＦＳＳ）１４０を含み、レーダ断面積（ＲＣＳ）をさらに減少させるために、薄いローパスＦＳＳパッチ層１５２が第３エッグクレート層１５０上に配置されている。ＦＳＳパッチ層１５２は、好ましくは、複数のセル１５４ａ〜１５４ｎ（包括的にセル１５４という）を含む。各セル１５４はパッチ１５６ａ〜１５６ｄを含み、本実施形態ではパッチ１５６ａ〜１５６ｄは、曲線１３６（図５Ｂ）で示される修正リターンロス信号を生じるローパスフィルタとして作用する。当業者には理解されるように、パッチ１５６のサイズおよび個数は、生成する信号フィルタリング効果の範囲に応じて変更可能である。
【００５８】
さらに、上部パッチキャリア２６基板は、エッジ回折を減少させる統合されたエッジ処理（例えば、Ｏｍｅｇａ−ｐｌｙ（登録商標）層をラミネートに統合したＰＴＦＥシートを使用する）にも対応可能である。修正されたアンテナに使用される作製技法および材料は同様である。テーパ化エッジ処理は、アンテナアレイの物理エッジで散乱および回折する、表面電流を励振する斜角での入射信号に対するＲＦ負荷として作用する。上部エッグクレートはヒータ素子としての役割も果たし、ローパス周波数選択性表面１４０はレドームとしての役割を果たすことができる。
【００５９】
さらにもう１つの実施形態では、光学活性材料が上部および下部パッチ層１２および１６に一体化される。エッグクレートリブは、下部および上部エッグクレートの一方または両方に結合した光学活性材料シートの層（複数可）へ光ファイバフィードを通す（それにより、エッグクレート放射器の電磁性能への干渉をなくす）ための導管としての役割を果たす。光ファイバ信号は、瞬間的同調のためにパッチ寸法を再構成し（広帯域能力）、かつ／または完全に「金属製」のアンテナ表面を提示することによりステルス性を向上させクラッタを減少させる。標準的な製造プロセスから作製された（および適度の金属イオンでドープされた）シリコン構造は、中程度の光パワー強度の場合に「銅のような」性能を示した。エッグクレートアンテナ１０のこの実施形態では、薄いシリコンスラブ（励起時に多角形パターンを生成するようにドープされたもの）が、下部および／または上部パッチ誘電体層の上に配置される。光学的に活性化されると、多角形パターンが「銅のような」寄生導体となり、下部および／または上部パッチ誘電体層上の銅パッチを同調させることにより、エッグクレートキャビティを瞬間的に同調させる。
【００６０】
本発明のもう１つの有利な特徴は、同じ帯域幅およびコニカルスキャンボリュームにわたって依然として機能しながら、材料組成や構成技法を変えることなく、エッグクレート放射器アーキテクチャの周波数をスケーリング可能なことである。例えば、下記の表３は、図２に示したのと同じ材料構成に対する、Ｃバンド（５ＧＨｚ）にスケーリングされたエッグクレート放射器寸法の変化をまとめたものである。
【００６１】
【表３】
2005505963.tif 000005
【００６２】
さらに、エッグクレート放射器へのスロット結合により（プローブ結合とは対照的に）、給電層材料とは無関係に、エッグクレート材料およびプロセスを選択する際の設計自由度が得られる。例えば、エッグクレートは、射出成形体からなり、選択的に金属被覆されてもよい。さらに、上部および下部パッチキャリア、層１２および１６はそれぞれ、異なる誘電体材料を使用可能である。スロット結合エッグクレートアンテナ１０は、タイルアレイ型アーキテクチャでもブリックアレイ型アーキテクチャでも使用可能である。
【００６３】
本明細書で引用されているすべての刊行物および参考文献は、全体として参照により本明細書に明示的に援用されるものである。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、当業者には明らかなように、それらの概念を含む他の実施形態も使用可能である。したがって、これらの実施形態は、開示された実施形態に限定されるべきではなく、特許請求項の精神および範囲によってのみ限定されるべきであると考える。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明による積層パッチエッグクレートアンテナの平面図である。
【図２】積層パッチエッグクレートアンテナの断面図である。
【図３】例示的なスロット層および給電回路の底面図である。
【図４】積層パッチエッグクレートアンテナに含まれる放射素子および関連する給電システムの断面図である。
【図５Ａ】本発明による一実施形態における積層パッチエッグクレートアンテナの標準およびディエンベッドインピーダンス軌跡のスミス図表である。
【図５Ｂ】本発明による一実施形態における積層パッチエッグクレートアンテナのリターンロスのグラフである。
【図６】本発明の代替実施形態による積層パッチエッグクレートアンテナの３次元切断図である。
【図３】
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【図５Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年9月23日(2003.9.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数範囲の無線周波数（ＲＦ）信号に応答する放射器（１０）であって、
側壁（２８）によって画定された導波路（１４）であって、前記所定周波数範囲内においてカットオフモードで動作するように選択された寸法を有する導波路（１４）と、
該導波路（１４）に配置されたパッチアンテナ（１２）であって、該パッチアンテナ（１２）および前記導波路（１４）の組合せが前記所定周波数範囲内において実質的に共振モードで動作するような寸法を有するパッチアンテナ（１２）と、
を備えた放射器。
【請求項２】
請求項１に記載の放射器において、前記パッチアンテナは前記導波路に電磁的に結合されている放射器。
【請求項３】
請求項１に記載の放射器において、
前記導波路開口に近接して配置されたパッチアンテナ支持層をさらに備え、
前記パッチアンテナは前記支持層によって支持される、放射器。
【請求項４】
請求項３に記載の放射器において、前記パッチアンテナ支持層は誘電体である放射器。
【請求項５】
請求項１に記載の放射器において、前記導波路に電磁的に結合された給電回路をさらに備え、電磁信号が前記給電回路から前記導波路に通過し、該導波路は前記給電回路と前記パッチアンテナの間に配置される、放射器。
【請求項６】
請求項５に記載の放射器において、前記給電回路と前記パッチアンテナの間に配置された少なくとも１つのスロットを有するスロット層をさらに備える放射器。
【請求項７】
請求項６に記載の放射器において、前記少なくとも１つのスロットは非共振性である放射器。
【請求項８】
請求項６に記載の放射器において、前記少なくとも１つのスロットはλ／２より短い長さを有し、λは前記放射器によって放射される自由空間波長である、放射器。
【請求項９】
請求項６に記載の放射器において、
前記給電回路は、
ストリップライン伝送線路層と、
グラウンドプレーン層と、
を備え、前記ストリップライン伝送線路層は、前記グラウンドプレーン層よりも前記少なくとも１つのスロットの近くに離間して配置される、放射器。
【請求項１０】
請求項１に記載の放射器において、前記導波路はアルミニウムである放射器。
【請求項１１】
請求項１に記載の放射器において、前記導波路は金属層で被覆された射出成形材料である放射器。
【請求項１２】
請求項１に記載の放射器において、複数のパッチアンテナをさらに備え、該パッチアンテナの少なくとも１つが第１周波数で共振し、前記パッチアンテナの少なくとも別の１つが異なる第２周波数で共振する、放射器。
【請求項１３】
請求項１に記載の放射器において、
第２の開口を有し、前記パッチアンテナに近接して配置された第２の導波路と、
前記第２の開口に配置された第２のパッチアンテナと、
をさらに備える放射器。
【請求項１４】
請求項１３に記載の放射器において、前記パッチアンテナが第１周波数で共振し、前記第２のパッチアンテナが異なる第２周波数で共振する、放射器。
【請求項１５】
請求項１に記載の放射器において、前記パッチアンテナは銅である放射器。
【請求項１６】
請求項１に記載の放射器において、前記パッチアンテナは光学的に活性な材料である放射器。
【請求項１７】
（削除）
【請求項１８】
（削除）
【請求項１９】
（削除）
【請求項２０】
請求項１に記載の放射器において、前記導波路が導波路アンテナ素子のアレイのうちの１つと対応し、前記導波路アンテナ素子のアレイの各導波路がキャビティを有し、前記パッチアンテナがパッチアンテナ素子のアレイのうちの１つと対応し、前記パッチアンテナ素子のアレイの各パッチアンテナが、前記導波路アンテナ素子のアレイの各導波路と関連する前記キャビティに配置された上部パッチ素子および下部パッチ素子を含む、放射器。
【請求項２１】
（削除）
【請求項２２】
（削除）
【請求項２３】
（削除）
【請求項２４】
（削除）
【請求項２５】
（削除）
【請求項２６】
（削除）
【請求項２７】
（削除）
【請求項２８】
（削除）
【請求項２９】
（削除）
【請求項３０】
（削除）
【請求項３１】
（削除）
【請求項３２】
（削除）
【国際調査報告】
2005505963.tif 000036
2005505963.tif 000037
2005505963.tif 000038
2005505963.tif 000039