(57)【要約】      （修正有）【課題】導電性給電体と導電性パッチとのインピーダンス整合を改善するようにプロファイルされていることを特徴とするアンテナデバイスを提供する。【解決手段】アンテナデバイスは、第１の表面を含む第１の導電性延長本体構造と、第１の表面からオフセットされた第２の表面の面に実質的に配置された一連の離間された導電性パッチと、導電性パッチの離間されたアレイに容量結合された一連の導電性給電体相互接続とを含む。導電性給電体相互接続は、相補的直列インダクタンスを容量結合に提供して、それによって導電性給電体と導電性パッチとのインピーダンス整合を改善するようにプロファイルされている。【選択図】図３１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の表面を含む第1の導電性延長本体構造と、
前記第1の表面からオフセットされた第2の表面の面に実質的に配置された一連の離間された導電性パッチと、
前記導電性パッチの離間されたアレイに容量結合された一連の導電性給電体相互接続とを含むアンテナデバイスであって、
前記導電性給電体相互接続は、相補的直列インダクタンスを前記容量結合に提供して、それによって前記導電性給電体および導電性パッチのインピーダンス整合を改善するようにプロファイルされるアンテナデバイス。
【請求項２】
所定の周波数レンジにわたって動作し、前記導電性給電体および導電性パッチの相互接続のリアクタンスが低動作周波数において負であり、高動作周波数において正であり、中間周波数においてゼロである請求項1に記載のアンテナデバイス。
【請求項３】
前記第1の導電性延長本体構造は一連の開口を含み、前記導電性給電体相互接続は前記開口を介して給電される請求項1および2のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項４】
前記導電性給電体相互接続は対応する導電性パッチに直交偏波の方法で給電するために2組の直交偏波に配置される請求項1から3のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項５】
直交偏波からの給電体は前記パッチに結合されたとき離間される請求項4に記載のアンテナデバイス。
【請求項６】
各組の給電体は第1のグリッドが実質的にグリッドの半分の周期だけ第2のグリッドに対してオフセットされる前記第1および前記第2のグリッドを形成する請求項5に記載のアンテナデバイス。
【請求項７】
前記導電性給電体相互接続は任意の隣接する導電性パッチの表面に実質的に平行の伸長部分を含む請求項1から6のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項８】
前記伸長部分は実質的に前記導電性パッチの面と同じ面にある請求項7に記載のアンテナデバイス。
【請求項９】
前記伸長部分は前記導電性パッチと重なり合ってそれとの制御された容量結合をもたらす容量性プレート部分を含む請求項1から8のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項１０】
前記容量性プレート部分は導電性給電体の末端部分を備える請求項8に記載のアンテナデバイス。
【請求項１１】
前記導電性給電体相互接続は、前記第1の導電性延長本体に隣接する遮蔽によって取り囲まれ、前記遮蔽は前記第1の表面と前記導電性パッチとの間の前記囲まれた導電性給電体相互接続の共通モードの電流を低減し、または差動モードの電流を高める請求項10に記載のアンテナデバイス。
【請求項１２】
前記遮蔽は前記第1の導電性延長本体に導電的に相互接続される請求項11に記載のアンテナデバイス。
【請求項１３】
導電性パッチは規則的なアレイで配置される請求項1から12のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項１４】
前記第1の表面は薄いシートの一方の側を形成する請求項1に記載のアンテナデバイス。
【請求項１５】
前記導電性パッチおよび前記導電性給電体相互接続は小さな非導電性ギャップによって分離されている請求項1に記載のアンテナデバイス。
【請求項１６】
前記導電性パッチは丸みを帯びたコーナーを持つ全体的に四角の形態である請求項1から15のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項１７】
前記導電性給電体は前記導電性パッチの前記コーナーにおいて前記導電性パッチとの最も密な電磁結合を形成する請求項1から16のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項１８】
前記導電性給電体は前記導電性パッチを取り囲み、伸長が対応する導電性パッチの中心へ放射状方向にある全体的に伸長形態である請求項1から17のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項１９】
前記給電導体の有効長は前記第1の導電性延長本体構造に隣接する領域において前記第1の導電性延長本体構造に相互接続された導電性ユニットによって短縮される請求項1から18のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項２０】
全体的に箱状形態の前記導電性ユニットは前記対の間のその一方の表面にスロットを有する請求項19に記載のアンテナデバイス。
【請求項２１】
前記第1の導電性延長本体構造はその表面に一連のスロットを含む請求項1から20のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項２２】
アンテナアレイデバイスを設計する方法であって、前記デバイスは第1の表面を含む第1の導電性延長本体構造と、前記第1の表面からオフセットされた第2の表面に実質的に配置された一連の離間された導電性パッチと、前記離間された導電性パッチのアレイに電磁結合された一連の導電性給電体相互接続とを含む方法であって、
(a)前記アンテナアレイデバイスが前記第1の表面と前記第2の表面との間の距離が波長の1/4である周波数より高い周波数で動作されるときチェッカーボードまたは自己補対アレイに比較して前記導電性パッチのインダクタンスを増大させる導電性パッチパターンを提供するステップを含む方法。
【請求項２３】
前記導電性パッチのインダクタンスはチェッカーボードまたは自己補対パターンに対してパッチの大きさが低減することにより増大する請求項22に記載の方法。
【請求項２４】
前記導電性パッチのインダクタンスは前記第2の表面においてより小さな導電性パッチおよび一連の伸長された導電性給電体相互接続の利用により増大する請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
(b)前記第1の表面と前記第2の表面との間の1/4の波長の距離より大きい波長に等価の周波数より低い周波数において動作されたとき前記アンテナアレイデバイスの容量を増大させるステップ
をさらに含む請求項22から24のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記容量は所定の導電性パッチと対応する導電性給電体相互接続との間の容量性デバイスの相互接続によって増大する請求項25に記載の方法。
【請求項２７】
アンテナアレイデバイスにおける共通モードの電流の量を抑制する方法であって、前記デバイスは第1の表面を含む第1の導電性本体構造と、前記第1の表面からオフセットされた第2の表面に実質的に配置された一連の離間された導電性パッチと、前記離間された導電性パッチのアレイに電磁結合された一連の導電性給電体相互接続とを含む方法であって、
前記第1の導電性本体構造シートの近傍で前記導電性給電体相互接続を遮蔽することによって前記共通モードの電流を抑制するステップを含む方法。
【請求項２８】
前記遮蔽するステップは前記第1の導電性本体構造に導電的に相互接続された導電性遮蔽を含む請求項27に記載の方法。
【請求項２９】
前記導電性給電体相互接続は電圧差動モードで駆動される請求項22から28のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアンテナデバイスの分野に関し、特にアンテナ構造の改良形態を開示する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書全体を通して、背景技術に対するどのような議論も決して、そのような技術が広く知られていること、または当該分野に共通の一般的知識の一部を形成することに対する承認とはみなさないものとする。
【０００３】
アンテナ送信および受信システムは、多くの形態をとることができる。システムの1つの形態は、図1に示され、パラボラディッシュ型アンテナとして知られている。アンテナ1は、送信機/受信機3が置かれる焦点3に信号を集中または集束させる働きをするパラボラディッシュ2を含む。
【０００４】
様々な異なる種類の送信機/受信機が知られている。例えば、「Reconfigurable Self Complementary Array」という名称のPatent Cooperation Treaty Patent Application: PCT/AU2011/000862は、多くの用途での使用に適した自己補対形態の送信機/受信機の「チェッカーボードアレイ」の1つの形態を開示する。そのようなチェッカーボードアレイは、スクエアキロメートルアレイ(Square Kilometer Array:SKA)プロジェクトで提案されているものなど、送信機/受信機の大型受信ネットワークにおける用途を含む多くの用途に適している。
【０００５】
チェッカーボードアレイの設計を図2に模式図10で示す。本設計では、正方形が大きさおよび配向において等しく、正方形間領域とほぼ同じ面積である、タイル状パターンを形成する、導電性の正方形例11の平面アレイを使用する。アレイの設計には、最も近いコーナーの対の間で隣接する正方形を接続する電気回路(図示せず)が含まれる。
【０００６】
図3を参照すると、電子回路は、正方形例11のコーナーを、正方形11の面に平行であるグラウンド面31の方にいくらかの距離だけ離して置かれた電気回路に接続する給電導体30を含む。前記回路の導体は、グラウンド面31における穴32を通過することができ、グラウンド面との接続を含むことができ、他の回路を接続可能な1つまたはそれ以上の端子を含むことができる。回路は、受信されるまたはアレイに送信される信号を増幅する増幅器を含むことができる。
【０００７】
有効であると分かっている回路構成40が図4に示され、正方形のパッチが差動電圧例43の出力のために増幅器42に相互接続されている。図5は、図4と同じ配置を示し、差動電圧出力を提供するために外側バラン51が追加されている。
【０００８】
タイルドアレイ設計の改良形態を提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】Patent Cooperation Treaty Patent Application: PCT/AU2011/000862
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】SeniorとVolakis(IEE Electromagnetic Waves Series, 41, 1995)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、送信機および/または受信機の効果的な形態を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の態様によれば、第1の表面を含む第1の導電性延長本体構造と、前記第1の表面からオフセットされた第2の表面の面に実質的に配置された一連の離間された導電性パッチと、前記導電性パッチの離間されたアレイに容量結合された一連の導電性給電体相互接続とを含むアンテナデバイスであって、前記導電性給電体相互接続は、相補的直列インダクタンスを前記容量結合に提供して、それによって導電性給電体と導電性パッチとのインピーダンス整合を改善するようにプロファイルされていることを特徴とするアンテナデバイスが提供される。
【００１３】
好ましくは、アンテナデバイスは、所定の周波数レンジにわたって動作し、導電性給電体と導電性パッチとの相互接続のリアクタンスは、低動作周波数において負であり、高動作周波数において正であり、中間周波数においてゼロである。
【００１４】
好ましくは、第1の表面は薄いシートの一方の側を形成する。いくつかの実施形態では、導電性給電体相互接続は、対応する導電性パッチを直交偏波の方法で給電するために2組の直交偏波に配置される。いくつかの実施形態では、導電性給電体相互接続は、任意の隣接する導電性パッチの表面と実質的に平行の伸長部分を含む。好ましくは、直交偏波からの給電体はパッチに結合されたとき離間されている。
【００１５】
いくつかの実施形態では、伸長部分は、導電性パッチと重なり合って、それとの容量性結合の制御を行う容量性プレート部分を含む。容量性プレート部分は、導電性給電体の末端部分を備えることができる。本発明のさらなる態様によれば、実質的に平面形態の導電性グラウンドシートと、導電性グラウンド面に平行の面に実質的に配置された一連の離間された導電性パッチと、前記導電性パッチの離間されたアレイに電磁的に結合された一連の導電性給電体相互接続とを含むアンテナデバイスが提供される。導電性給電体相互接続は、導電性パッチの面に実質的に平行の伸長部分を含むことができる。伸長部分は、導電性パッチの面と同じ面にあってよい。
【００１６】
導電性グラウンドシートは、好ましくは、一連の開口を含むことができ、導電性給電体相互接続は、好ましくは、開口を介して給電される。導電性給電体相互接続は、好ましくは、導電性グラウンドシートに隣接する遮蔽によって取り囲まれる。遮蔽はグラウンドシートに導電的に相互接続されてよい。
【００１７】
導電性パッチは、好ましくは、規則的なアレイで配置される。一実施形態においては、導電性パッチは、好ましくは、導電性給電体相互接続に容量結合される。他の実施形態では、導電性パッチおよび導電性給電体相互接続は、好ましくは、小さな非導電性ギャップによって分離されている。
【００１８】
導電性パッチは、好ましくは、全体的に、丸みを帯びたコーナーを持つ正方形である。いくつかの実施形態では、導電性パッチのコーナーにおける導電性パッチとの最も密な電磁結合からの導電性給電体。導電性給電体は、導電性パッチを取り囲み、好ましくは、全体的に、対応する導電性パッチの中心へ放射状方向に伸長を持つ伸長形態である。
【００１９】
いくつかの実施形態では、給電導体の対は、好ましくは、グラウンドシートに隣接する領域においてグラウンドシートに相互接続された導電性ユニットによって遮蔽され、全体的に箱状形態の導電性ユニットが前記対の間のその一方の表面にスロットを有する。本発明のさらなる態様によれば、アンテナアレイデバイスを設計する方法であって、デバイスは、第1の表面を含む第1の導電性延長本体構造と、第1の表面からオフセットされた第2の表面に実質的に配置された一連の離間された導電性パッチと、前記導電性パッチの離間されたアレイに電磁結合された一連の導電性給電体相互接続とを含む方法であって、前記アンテナアレイデバイスが第1の表面と第2の表面との間の1/4の波長の距離より小さい同等の波長より高い周波数で動作されるときチェッカーボードまたは自己補対アレイに比較して導電性パッチのインダクタンスを増大させる導電性パッチパターンを提供するステップを含むことを特徴とする方法が提供される。
【００２０】
好ましくは、方法はチェッカーボードまたは自己補対パターンに対して相対的にパッチの大きさが低減することにより導電性パッチのインダクタンスを増大させるステップも含む。
【００２１】
好ましくは、導電性パッチのインダクタンスは、より小さな導電性パッチと前記第2の表面における一連の伸長された導電性給電体相互接続との利用により増大される。
【００２２】
好ましくは、方法は第1の表面と第2の表面との間の1/4の波長の距離より大きい波長と同等の周波数より低い周波数で動作されたときアンテナアレイデバイスの容量を増大させるステップも含む。前記容量は、所定の導電性パッチと対応する導電性給電体相互接続との間の容量性デバイスの相互接続によって増大させることが可能である。
【００２３】
本発明のさらなる態様によれば、アンテナアレイデバイスにおいて共通モードの電流の量を抑制する方法であって、前記デバイスは、第1の表面を含む第1の導電性本体構造と、第1の表面からオフセットされた第2の表面の面に実質的に配置された一連の離間された導電性パッチと、前記導電性パッチの離間されたアレイに電磁結合された一連の導電性給電体相互接続とを含む方法であって、前記第1の導電性本体構造シートの近傍に導電性給電体相互接続を遮蔽することによって共通モードの電流を抑制するステップを含むことを特徴とする方法が提供される。
【００２４】
好ましくは、遮蔽するステップは前記第1の導電性本体構造に導電的に相互接続された導電性遮蔽を含む。いくつかの実施形態では、前記導電性給電体相互接続は電圧差動モードで駆動される。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照しながらほんの一例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】パラボラ送信機/受信機を示す図である。
【図２】チェッカーボード送信機/受信機を示す平面図である。
【図３】チェッカーボードアレイのグラウンド面を介してアレイパッチの給電導体への相互接続を示す模式図である。
【図４】二重シングルエンド増幅器のアレイパッチ要素への電気的相互接続を示す模式図である。
【図５】出力側バラン持つ、図4と同様の構成の模式図である。
【図６】好ましい実施形態のアレイの改良された幾何形状を示す平面図である。
【図７】パッチ、給電導体およびグラウンド面を示す、図6のアレイの一部分を示す側面斜視図である。
【図８】給電導体およびパッチの配置の1つの形態の第1の側断面図である。
【図９】給電導体およびパッチの代替配置の第2の側断面図である。
【図１０】パッチ、給電導体インターフェースの間で相互接続されたキャパシタを示す平面図である。
【図１１】様々なタイルド設計に対するシミュレーションされたアレイインピーダンスを示すグラフである。
【図１２】給電導体とパッチとの間にキャパシタを持つ場合のアレイインピーダンスを示すグラフである。
【図１３】給電導体の周りの導電性チューブの利用を示す図である。
【図１４】給電導体の周りの導電性チューブの利用の結果を示すグラフである。
【図１５】図14と同様の結果を示すが、ただし、導電性チューブを取り外した場合のグラフである。
【図１６】給電導体の周りにチューブを持つ5x4アレイのインピーダンスを示すグラフである。
【図１７】給電導体をスロット付きグラウンド面延長で取り囲んだ、さらなる改良を示す図である。
【図１８】アレイおよび低ノイズ増幅器の最小ノイズインピーダンスを示すグラフである。
【図１９】修正されたタイルドアレイに対するノイズ温度を示すグラフである。
【図２０】自己補対アレイの構造を示す模式図である。
【図２１】図20のアレイの補対形態を示す図である。
【図２２】自己補対アレイの等価回路を示す図である。
【図２３】自己補対アレイおよびグラウンド面の近似等価回路を示す図である。
【図２４】負荷インピーダンスとアンテナインピーダンスとからなる近似等価回路を示す模式図である。
【図２５】スミスチャート上にプロットされたアンテナインピーダンスZAを示すグラフである。チャートの中心における基準インピーダンスはZ0である。ZAおよび容量C1=0.9pFおよびインダクタンスL1=25nHの直列組合せによって取得された改良アンテナインピーダンスZAAも示す。
【図２６】長さdの給電導体伝送路ならびに自己補対アレイと負荷回路との間に挿入された直列容量および誘導回路要素を持つアレイアンテナに対する等価回路を示す図である。
【図２７】スミスチャート上にプロットされた改良アンテナインピーダンスZAAを示すグラフである。チャートの中心における基準インピーダンスはZ0である。ZAAならびに長さdおよび特性インピーダンスZ0の給電導体伝送路の直列組合せによって取得されたインピーダンスZBBも示す。
【図２８】実効アンテナインピーダンスZBがプロットされたスミスチャートを示すグラフである。チャートの中心における基準インピーダンスはZ0である。実効アンテナインピーダンスZBは、ZBBおよび容量C2=1.2pFおよびインダクタンスL2=25nHの直列組合せである。
【図２９】図28の実効アンテナインピーダンスに対応する反射係数を示すグラフである。
【図３０】一連のスロットによりグラウンド面に形成された低損失直列インダクタンスを有する代替配置を示す図である。
【図３１】アレイ要素の代替形態を示す模式的側面斜視図である。
【図３２】図31の配置を示す上面図である。
【図３３】図31の配置による側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
好ましい実施形態において、改善された性能パラメータをもたらす自己補対アンテナタイルドアレイ設計の改良形態が提供される。
【００２８】
図6の平面図に最初に示されるように、図2の単なるタイルド設計を改良し、中央部分61と、小さなギャップにより中央部分から分離されている、一連の外側バー部分62〜65とを含む「星形」配置にタイルを置き換えている。中央部分61は、実質的に、丸みを帯びた端部を持つ正方形である。図7は、パッチ73の側面図を示し、給電導体72がグラウンド面71を介して突き出ている。
【００２９】
図8に示されるように、パッチ構成部品は小さなギャップにより給電導体から分離することができるが、それと同一平面上のままである。あるいは、図9に示すように、パッチは平行面にずれた給電導体からオフセットすることができる。この後者の場合、導電部分は共通の平行面上に突き出て重なり合うことができる。
【００３０】
図10に示されるように、給電導体101とパッチ102との間の端部はキャパシタのような電子回路によって接続可能である。
【００３１】
タイルドアレイ設計への改良は、アレイとアレイ要素を接続する電気回路とのインピーダンス整合を改善するようにアレイのインピーダンスを変更するのに使用可能である。アレイと回路とのインピーダンス整合を改善することにより、アレイが受信で動作されるときアレイと回路との間の受信信号電力伝達もしくは送信信号電力伝達またはこれらの回路における低ノイズ増幅器からのノイズ寄与の点において、アレイ性能を向上させることができる。インピーダンス整合の改善は、周波数レンジにわたって達成され、アレイの有効帯域幅を増大させることが可能である。
【００３２】
図11は、アレイインピーダンスへの可能な変更を例示するモデリング結果を示す。
【００３３】
初期曲線110および111は、上述の本明細書の元のチェッカーボードアレイを表す。インピーダンスの実部および虚部は、アレイ要素を接続する実用的回路へのインピーダンス整合を制限し得るように周波数によって変化する。
【００３４】
第2の一連の曲線112および113は、パッチの大きさが低減しギャップがない改良アレイの実数のインピーダンス成分および虚数のインピーダンス成分である。パッチ幾何形状に対する改良は、結果として高周波数におけるアレイインピーダンスの実質的な変化となっていることは明らかである。これらの変化は、インピーダンスの実部の増大およびインピーダンスの虚部の大きさの低減を含み、また高周波数における周波数によるインピーダンスの変化の低減を含む。
【００３５】
第3の一連の曲線114および115は、ギャップを追加し、ギャップ間に2pFの回路キャパシタを挿入した改良アレイの結果を示す。図示するように、容量性ギャップは、低周波数におけるアレイインピーダンスを変化させるのに使用可能である。2つの改良は、低周波数および高周波数におけるアレイインピーダンスを変化させ、増加した周波数レンジにわたって一定の実数のインピーダンスとのより近い近似を得るのに共に使用可能であることが分かる。
【００３６】
グラウンド面のアレイ端子における直列キャパシタを介してパッチアレイを駆動回路に結合することによってインピーダンス整合のさらなる改善を得ることができる。図12は、アレイ端子における10pFの容量に直列の改良アレイのインピーダンスを示す(S=13mm、ギャップ容量C=2pF)。このインピーダンスは、アレイ給電導体とグラウンド面との間のシングルエンド能動インピーダンスであり、3:1を超える周波数レンジにわたって150オームにほぼ等しい。
【００３７】
アレイに対する任意選択のさらなる改良を図13のFEMプロットに示す。ここで、グラウンド面に接続された導電性チューブ121は、2つの給電導体を部分的に取り囲み、接続する最も近い対のパッチコーナーへ遮蔽を提供する。この改良は、特に図6に示す接続回路構成が使用され、これらの回路の個々の差動電圧出力v1〜v2を線形に組み合わせてビーム形成器にしているときに信号強度および信号対ノイズ比を増大させるのに使用可能である。この構成は差動シングルエンド(DSE)ビーム形成と呼ばれ、信号および信号対ノイズ比の増大がビーム形成された信号に発生する。信号強度の増大を示すモデリングの結果は、図14および図15に示す信号電力伝達効率を比較することによって分かる。遮蔽は共通モードの電流を抑制する、または取り囲まれた導電性給電体相互接続の差動モードの電流を高める働きをする。
【００３８】
図14は、給電導体の周りに導電性チューブを持つ5x4タイルドアレイの効率を示す(s=13mm、t=50mm、追加ギャップ容量C=1.2pF、およびz0=100オームのシングルエンドインピーダンスに終端するアレイポート)。焦点距離対直径比が0.5の放射面反射鏡の焦点領域電磁界によって照射されたときのアレイ信号のシングルエンド(SE)および差動シングルエンド(DSE)ビーム形成に対する結果を示す。図15は、給電導体の周りに導電性チューブを含まない5x4アレイに対する同様の結果を示す。チューブの追加により、DSEビーム形成の信号電力を特に高周波数において増大させることが分かる。
【００３９】
この改良の第2の用途は、アレイインピーダンスを変更することであり得る。図16は、遮蔽チューブを使用したとき3:1を超える周波数レンジにわたってほぼ100オームのシングルエンドインピーダンスを与える、アレイインピーダンスの大きさの全体的低減を示す。
【００４０】
アレイへの別の任意選択の改良を図17に示す。いくつかの実施形態において、アレイ給電導体が通過する穴を含むグラウンド面の導電面をパッチアレイの面の方向に延ばすことは有益であり得る。この場合、グラウンド面に接続された導電面は、給電導体間の領域にスロットを含むことが可能である。このスロットは、アレイインピーダンスを変更するのに使用可能であり、高周波数において直列インダクタンスを追加し、実用的接続回路に対してアレイをインピーダンス整合させる上でより大きな柔軟さを得ることが可能になる。
【００４１】
このようなアレイへの改良の組合せを使用して取得することができる柔軟さおよび性能を図18および図19に示す。図18は、実用的な低ノイズ増幅器(LNA)回路への5x4アレイの計算されたインピーダンス整合を示す。LNAは図5に示す形態である。多ポートLNAノイズおよび信号インピーダンスは、個々のLNA回路上での測定から推定されている。図19はLNAの最小ノイズ温度を示す。図19は、アレイとLNAシステムとの組合せのノイズおよび信号対ノイズ比のパラメータも示す。これらのパラメータは、アレイのDSEビーム形成信号に関連付けた受信機ノイズ温度(Trec)および信号対ノイズ比のパラメータ(Trec/開口効率)である。より大きな信号対ノイズ比が、より大きなアレイにより期待され得る。
【００４２】
従って、実施形態の設計により、アレイとアレイ要素を接続する電気回路との良好なインピーダンス整合を有する、周波数レンジの増大がもたらされる。受信時の良好なインピーダンス整合は、特にノイズが接続回路における低ノイズ増幅器からの寄与によって支配されるとき、感度または信号対ノイズ比が高いことを意味する。特に低ノイズ受信用途に対する関連する利点は、導入された回路整合要素がすべて低損失キャパシタであり得ることである。典型的には比較的高い損失を持つインダクタ回路要素は必要とされない。改善されたアレイ設計において、アレイの導電表面に低損失の改良を加える誘導効果が実現される。
【００４３】
好ましい実施形態の別の利点は、アレイ信号のDSEビーム形成を適用したとき効率が増大することである。これは、等価ノイズ温度の定義が電力伝達効率を含むので、受信用途における等価システムノイズ温度の低下を意味する。差動モードへの電力伝達の増大は、DSE構成においてビーム形成されない関連した共通モードの構成部品における電力の低減を意味する。DSE構成は多くの用途において非常に重要である。フルSEビーム形成と比較して、DSE構成は信号のデジタル化およびデジタルビーム形成の費用を半減する。
【００４４】
説明したタイルド配置の改良は、天文学、通信、健康およびセキュリティの分野で特定の用途がある。
【００４５】
第1の実施形態の分析
理論によって縛られることを望まないが、第1の実施形態は、いくつかの有利なインピーダンス特性を持つとみなされる。これらは強化されたタイルドアレイの近似等価回路表現を考察することによって強調されることが可能である。
【００４６】
図20は、平面自己補対アレイアンテナ200のいくつかの連続的要素ならびにアレイの面へ垂直方向に伝搬する入射平面波201および送信平面波202の電界(E)ベクトルおよび磁界(H)ベクトルを示す。アレイは、アレイの面における点のデカルト座標(x、y)の関数としての表面インピーダンスZ(x、y)(オーム/スクエア)の分布としてモデル化されている。
【００４７】
表面インピーダンスの分布は、完全な導体例203と、自由空間と、電源供給領域(204)からなり、それぞれの表面インピーダンスはゼロ、無限大、およびZ0/2オーム/スクエアである。ここでZ0=376.7オームは自由空間の波形インピーダンスである
【００４８】
アレイの自己補対特性は、図21に示す補対アレイおよび相補的電磁界の構成210を考察することによって分かる。補対アレイは積Z(x、y)Zc(x、y)が(Z0/2)の二乗に等しくなるように表面インピーダンスZc(x、y)によって定義され、相補的電磁界は元の電磁界として定義されるが、電磁界ベクトルが伝搬の方向を中心に90度だけ回転する。図20の元のアレイ200は、灰色の電源供給領域のいずれかの中心の周りを90度だけ回転したとき、その補完物上にマッピングするので自己補対である。このようなアレイのいずれに対しても、電源供給領域のインピーダンスはZ0/2オーム/スクエアである。Babinetの原理のこの電磁形態の優れた議論は、SeniorとVolakis(IEE Electromagnetic Waves Series, 41, 1995)によって与えられている。
【００４９】
図22は、自己補対アレイの等価回路表現220を示す。これは電源供給領域表面インピーダンスを表すZ0/2の集中要素インピーダンスと、アレイの面のいずれかの側の平面波伝搬を表す特性インピーダンスZ0の2つの伝送路とからなる。この表現は、電源供給領域を占有し内部負荷インピーダンスZLがZ0/2オームである小さな電気回路にアレイ導体が接続されたときアレイがこのような波形に、またはこのような波形からエネルギーを効率的に送信または受信すべきであることを意味する。このような回路は図20および図21にも示される。
【００５０】
図23は、アレイに平行の導電面(グラウンド面)から距離dだけ離して配置されたときの自己補対アレイの近似等価回路230を示す。これは、図22の回路と同様であるが、有限長dでありショート回路によって終端するアレイのグラウンド面側の電磁界を表す伝送路を有する。
【００５１】
図23における負荷インピーダンスに接続された全インピーダンスは、伝送路によって提示される2つのインピーダンスの平行組合せである。これはアンテナインピーダンスによって示すことができ、図24の回路を解くことによって、次式により与えることができる。
ZA=(Z0/2)x(1-exp(-j2kd))
【００５２】
ここで、k=2π/λは自由空間における平面波の伝搬定数であり、λは対応する波長である。インピーダンスZAの定義により、図23の回路が図24に示すように回路240に簡略化することが可能になる。
【００５３】
図25は、チャートの中心における基準インピーダンスがZ0である、スミスチャート250上に周波数の関数としてプロットされたアンテナインピーダンスZA(251)を示す。アンテナインピーダンスは、周波数f0においてZ0に等しく、ここでグラウンド面と自己補対アレイとの間の距離dはλ/4に等しい。グラウンド面の導入により、アンテナインピーダンスZAが周波数によって変化し、負荷インピーダンスZLと異なる。このインピーダンス不整合により、例えば入射波から、接続された電気負荷回路への電力伝達の効率が低減する。図25に示すように、f0より低い周波数において、アンテナインピーダンスは誘導リアクタンスを有し、f0より高い周波数において、アンテナインピーダンスのリアクタンスは容量性となる。
【００５４】
図26に示されるように、アンテナインピーダンスは、直列容量C1および直列インダクタンスL1をアンテナインピーダンスに加えることによって無効分(reactive component)の大きさを低減するように変換することが可能である。この追加された直列インピーダンスの組合せは、f0より下または上の周波数において容量リアクタンスおよびインダクタンスリアクタンスをアンテナインピーダンスに追加する。それにより、これは負荷回路に対するインピーダンス整合を改善する。ZAおよび容量C1=0.9pFおよびインダクタンスL1=25nHの直列組合せによって取得された改良インピーダンス252を示す。
【００５５】
図26は、長さdの給電導体伝送路ならびに自己補対アレイと負荷回路との間に挿入された直列容量および誘導回路要素を持つ、アレイアンテナの等価回路を示す。ここで、負荷回路は、グラウンド面にあり、負荷回路のインピーダンスZLは、Z0/2からZ0に増加する。図27に示されるように、アレイ信号をアレイのグラウンド面に除去された負荷回路にそらす給電導体は、長さdの伝送路によって等価回路に表すこともできる。図27に示すように、この伝送路の追加により、実効アンテナインピーダンスはZAA271からZBB272に変換される。
【００５６】
図28に示されるように、インピーダンスZBB(282)のリアクタンスの大きさを直列容量C2およびインダクタンスL2を加えることによって低減させることができ、実効アンテナインピーダンスZB281を与えることができる。追加された容量およびインダクタンスは、主に、それぞれf0より下および上の周波数において容量および誘導リアクタンスを追加する。次いで、負荷回路への良好な整合が、負荷インピーダンスZLをZ0に等しくなるように増大させることによって取得される。
【００５７】
図29は、図28の実効アンテナインピーダンスに対応する結果として得られた反射係数を示す。
【００５８】
低周波数および高周波数における整合インピーダンスを含むアレイの再設計により、改善された結果を取得できることが分かる。
【００５９】
多くの変形が可能であることが明らかであろう。例えば、他の技法を利用して直列インダクタンスなどの実装をもたらすことが可能である。例えば、図17のスロット方式の代わりに、グラウンド面にスロットまたは他の改良を加えることが可能である。等価回路に低損失直列インダクタンスを設けるために一連のスロット301および302がグラウンド面に配置された、改良された配置の例を図30に示す。
【００６０】
さらに改良された実施形態が可能である。例えば、要件に応じ、パッチおよび給電体に様々な改良を加えて望ましいインピーダンスおよび容量を直列配置に改良する配置にすることが可能である。例えば、図31に、代替の給電路およびパッチの配置310を示す。この配置において、パッチ313は一連の給電体例312に電磁結合される。各給電路の太さは、調節可能インダクタンスをもたらすためにシミュレーションによりプロファイルされる。給電路は、パッチ例313からオフセットされた、一連のタブ例311を含む。タブは、タブとパッチとの間に選択的に調節可能な容量をもたらす。広範囲のシミュレーションにより、タブの大きさは、インピーダンス整合特性を改善するように調整することが可能である。タブは、パッチより上(図33)または下に形成することが可能である。
【００６１】
アンテナ配置における概説した利点は、送信動作モードおよび受信動作モードの両方に当てはまることが理解されよう。
【００６２】
解釈
以下の説明および図は、実施形態の構造および機能を当業者が理解する手助けをするために参照番号を利用している。同じ参照番号が異なる実施形態に使用されて同じまたは同様の機能および/または構造を持つ特徴を表す。
【００６３】
図面は、全体としておよび本明細書の関連する本文と一緒に見る必要がある。特に、図面のいくつかは、説明される特定の特徴についてより明確にするために、すべての事例にすべての特徴を含むことを選択的に省略している。これは読者を手助けするためになされているが、それらの特徴が関連する実施形態の動作に対して開示されていない、または必要とされていないとみなすべきではない。
【００６４】
本明細書全体を通して、「一実施形態」または「一実施例」は、実施形態に関連して説明された特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも1つの実施例に含まれることを意味する。従って、本明細書を通じて様々な場所における「一実施形態において」または「一実施例において」という表現の出現は、必ずしもすべて同一の実施形態を指すとは限らないが、指す場合もある。本開示から当業者には明らかであろうが、さらに、1つまたはそれ以上の実施形態において、特定の特徴、構造、または特性は任意の適切な方法で組み合わせることが可能である。
【００６５】
同様に、本開示の合理化および、本発明の様々な態様の1つまたはそれ以上の理解の手助けの目的のため、上記の本発明の典型的な実施形態の説明において、本発明の様々な特徴が時には単一の実施形態、図、またはその説明が1つにまとめられていることを認識すべきである。しかし、この開示方法は、請求項に係る発明が各請求項において明確に特定した以上の特徴を要求する意図を反映していると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が示す通り、発明の態様は、単一の前述の開示した実施形態のすべての特徴より少ない。従って、発明の詳細な説明に続く特許請求の範囲は、本発明自身の独立した実施形態として自立した各請求項とともに発明の詳細な説明に明示的に組み込まれる。
【００６６】
さらに、当業者には容易に理解されるであろうが、ここで述べたいくつかの実施形態はいくつかの特徴を含んでいるが、他の実施形態に含まれる他の特徴を含んでいない場合、異なる実施形態の特徴の組合せは本発明の範囲内であることを意味し、かつ異なる実施形態を形成する。例えば、以下の特許請求の範囲において、請求したいくつかの実施形態は、いかなる組合せでも使用可能である。
【００６７】
さらに、方法または方法の要素の組合せとしてここで述べたいくつかの実施形態は、コンピュータシステムのプロセッサまたは当該機能を実行するための他の手段によって実行されることができる。従って、そのような方法または方法の要素の組合せを実行するために必要な命令を持ったプロセッサは前記方法または方法の要素の組合せを実行する手段を形成する。さらに、ここで述べた装置の実施形態の要素は、本発明を実行する目的のための要素によって実行される機能を実行する手段の一例である。ここで提供される本明細書において、多数の特定の詳細が述べられる。しかし、本発明の実施形態は、これらの特定の詳細なしで実施できる可能性があるものとして理解されるべきである。他の事例においては、周知の手法、構造および技術はこの明細書の理解を不明瞭にしないために詳細を示していない。
【００６８】
同様に、特許請求の範囲で使用される「結合される」は、直接的な接続のみに限定して解釈すべきではないことに注意すべきである。「結合される」と「接続される」はその派生語に合わせて使用してもよい。これらの単語は、互いに同義語として意図されていないことを理解すべきである。従って、「デバイスBに結合されたデバイスA」という表現の範囲は、「デバイスAの出力が、デバイスBの入力に直接接続されたがデバイスまたはシステム」に限定されない。「他のデバイスまたは手段を含む経路が存在する可能性を含み、Aの出力とBの入力との間の経路が存在する。」ということを意味する。「結合される」は、2つまたはそれ以上の要素が物理的にまたは電子的に直接接触している、または2つまたはそれ以上の要素が直接接触してないが、まだお互いに協働または相互作用していることを意味する可能性がある。
【００６９】
従って、何が本発明の好ましい実施形態であるべきと確信されるかということが説明されているが、他のおよびさらなる改良が本発明の趣旨から逸脱することなくそれに加えることが可能であることが当業者には認められるであろうし、すべてのこのような変更および改良が本発明の範囲内に含まれるとして特許請求することが意図されている。例えば、上記のいかなる形態も使用可能な手順を単に表すものに過ぎない。機能性は構成図に加えたりまたは構成図から削除したりすることが可能であり、動作は機能ブロック間で互換可能である。ステップは本発明の範囲内で、説明された方法に追加したり、または方法から削除したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００７０】
1  アンテナ
2  パラボラディッシュ
3  焦点、送信機/受信機
10  模式図
11  正方形例
30  給電導体
31  グラウンド面
32  穴
40  回路構成
42  増幅器
43  差動電圧例
51  外側バラン
61  中央部分
62、63、64、65  一連の外側バラン
72  給電導体
73  パッチ
101  給電導体
102  パッチ
110、111  初期曲線
112、113  第2の一連の曲線
114、115  第3の一連の曲線
200  平面自己補対アレイアンテナ
201  入射平面波
202  送信平面波
203  完全な導体例
204  電源供給領域
210  補対アレイおよび相補的電磁界の構成
220  自己補対アレイの等価回路表現
230  自己補対アレイの近似等価回路
240  回路
250  スミスチャート
251  アンテナインピーダンス
260  改良インピーダンス
271  実効アンテナインピーダンスZAA
272  実効アンテナインピーダンスZBB
281  実効アンテナインピーダンスZB
282  インピーダンスZBB
301、302  一連のスロット
310  代替の給電路およびパッチの配置
311  一連のタブ例
312  一連の給電体例
313  パッチ
【図１】
2018191328.tif 000003
【図２】
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【図３】
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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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年8月31日(2018.8.31)
【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】
アンテナデバイスであって、
第1の表面を含む第1の導電性延長本体構造と、
前記第1の表面に平行であるとともに前記第1の表面からオフセットされた第2の表面に実質的に沿って配置された離間した導電性パッチのアレイと、
前記離間した導電性パッチのアレイの対応する導電性パッチに容量結合された一連の導電性給電体相互接続であって、これによりそれぞれの導電性給電体相互接続と前記対応する導電性パッチとの間の容量結合を提供する、一連の導電性給電体相互接続と、
を含み、
前記導電性給電体相互接続は、前記第1の表面の各開口を介して突出し、相補的直列インダクタンスを前記容量結合に提供して、それによって前記導電性給電体および導電性パッチのインピーダンス整合を改善するようにプロファイルされるアンテナデバイス。
【請求項２】
所定の周波数レンジにわたって動作し、前記導電性給電体および導電性パッチの相互接続のリアクタンスが低動作周波数において負であり、高動作周波数において正であり、中間周波数においてゼロである請求項1に記載のアンテナデバイス。
【請求項３】
前記第1の導電性延長本体構造は一連の開口を含み、前記導電性給電体相互接続は前記開口を介して給電される請求項1および2のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項４】
前記導電性給電体相互接続は対応する導電性パッチに直交偏波の方法で給電するために2組の直交偏波に配置される請求項1に記載のアンテナデバイス。
【請求項５】
直交偏波からの導電性給電体相互接続は前記導電性パッチに結合されたとき離間される請求項4に記載のアンテナデバイス。
【請求項６】
前記導電性給電体相互接続は任意の隣接する導電性パッチの表面に実質的に平行の伸長部分を含む請求項1に記載のアンテナデバイス。
【請求項７】
前記伸長部分は前記第2の表面と実質的に平行である請求項6に記載のアンテナデバイス。
【請求項８】
前記伸長部分は前記導電性パッチと重なり合ってそれとの制御された容量結合をもたらす容量性プレート部分を含む請求項6または7に記載のアンテナデバイス。
【請求項９】
前記容量性プレート部分は導電性給電体の末端部分を備える請求項8に記載のアンテナデバイス。
【請求項１０】
前記導電性給電体相互接続は、前記第1の導電性延長本体に隣接する遮蔽によって取り囲まれ、前記遮蔽は前記第1の表面と前記導電性パッチとの間の前記囲まれた導電性給電体相互接続の共通モードの電流を低減し、または差動モードの電流を高める請求項9に記載のアンテナデバイス。
【請求項１１】
前記遮蔽は前記第1の導電性延長本体に導電的に相互接続される請求項10に記載のアンテナデバイス。
【請求項１２】
導電性パッチは規則的なアレイで配置される請求項1から11のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項１３】
前記第1の表面は薄いシートの一方の側を形成する請求項1に記載のアンテナデバイス。
【請求項１４】
前記導電性パッチおよび前記導電性給電体相互接続は小さな非導電性ギャップによって分離されている請求項1に記載のアンテナデバイス。
【請求項１５】
前記導電性パッチは丸みを帯びたコーナーを持つ全体的に四角の形態である請求項1から14のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項１６】
前記導電性給電体は前記導電性パッチの前記コーナーにおいて前記導電性パッチとの最も密な電磁結合を形成する請求項15に記載のアンテナデバイス。
【請求項１７】
前記導電性給電体は前記導電性パッチを取り囲み、伸長が対応する導電性パッチの中心へ放射状方向にある全体的に伸長形態である請求項1から16のいずれか一項に記載のアンテナデバイス。
【請求項１８】
給電導体の有効長は前記第1の導電性延長本体構造に隣接する領域において前記第1の導電性延長本体構造に相互接続された導電性ユニットによって短縮される請求項1に記載のアンテナデバイス。
【請求項１９】
前記導電性ユニットは前記対の間のその一方の表面にスロットを有する全体的に箱状形態である請求項18に記載のアンテナデバイス。
【請求項２０】
前記第1の導電性延長本体構造はその表面に一連のスロットを含む請求項1に記載のアンテナデバイス。
【請求項２１】
アンテナアレイデバイスを設計する方法であって、前記デバイスは第1の表面を含む第1の導電性延長本体構造と、前記第1の表面に平行であるとともに前記第1の表面からオフセットされた第2の表面に実質的に沿って配置された離間した導電性パッチのアレイと、前記離間した導電性パッチのアレイの対応するパッチに容量結合された一連の導電性給電体相互接続であって、これによりそれぞれの導電性給電体相互接続と前記対応する導電性パッチとの間の容量結合を提供する、一連の導電性給電体相互接続とを含み、前記導電性給電体相互接続は、前記第1の表面の各開口を介して突出し、相補的直列インダクタンスを前記容量結合に提供して、それによって前記導電性給電体および導電性パッチのインピーダンス整合を改善するようにプロファイルされ、前記方法は、
（a）前記アンテナアレイデバイスが前記第1の表面と前記第2の表面との間の距離が波長の1／4である周波数より高い周波数で動作されるときチェッカーボードまたは自己補対アレイに比較して前記導電性パッチのインダクタンスを増大させる導電性パッチパターンを提供するステップを含む方法。
【請求項２２】
前記導電性パッチのインダクタンスはチェッカーボードまたは自己補対パターンに対してパッチの大きさが低減することにより増大する請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
前記導電性パッチのインダクタンスは前記第2の表面においてより小さな導電性パッチおよび一連の伸長された導電性給電体相互接続の利用により増大する請求項22に記載の方法。
【請求項２４】
（b）前記第1の表面と前記第2の表面との間の1／4の波長の距離より大きい波長に等価の周波数より低い周波数において動作されたとき前記アンテナアレイデバイスの容量を増大させるステップ
をさらに含む請求項21に記載の方法。
【請求項２５】
前記容量は所定の導電性パッチと対応する導電性給電体相互接続との間の容量性デバイスの相互接続によって増大する請求項24に記載の方法。
【請求項２６】
アンテナアレイデバイスにおける共通モードの電流の量を抑制する方法であって、前記デバイスは第1の表面を含む第1の導電性本体構造と、前記第1の表面に平行であるとともに前記第1の表面からオフセットされた第2の表面に実質的に沿って配置された離間した導電性パッチのアレイと、前記離間した導電性パッチのアレイの対応する導電性パッチに容量結合された一連の導電性給電体相互接続であって、これによりそれぞれの導電性給電体相互接続と前記対応する導電性パッチとの間の容量結合を提供する、一連の導電性給電体相互接続とを含み、前記導電性給電体相互接続は、前記第1の表面の各開口を介して突出し、相補的直列インダクタンスを前記容量結合に提供して、それによって前記導電性給電体および導電性パッチのインピーダンス整合を改善するようにプロファイルされ、前記方法は、
前記第1の導電性本体構造の近傍で前記導電性給電体相互接続を遮蔽することによって前記共通モードの電流を抑制するステップを含む方法。
【請求項２７】
前記遮蔽するステップは前記第1の導電性本体構造に導電的に相互接続された導電性遮蔽を含む請求項26に記載の方法。
【請求項２８】
前記導電性給電体相互接続は電圧差動モードで駆動される請求項21から27のいずれか一項に記載の方法。
【外国語明細書】
2018191328000001.pdf