(57)【要約】少なくとも一つの所定周波数且つ所定偏波の電磁波を送信および／または受信するマイクロ波アンテナであって、このアンテナは、上面と下面とを有する支持体と、上面と下面とに配置された少なくとも一対の実質的に同一の上側の放射素子と下側の放射素子とを含み、上面の放射素子と下面の対応する放射素子との各対において、下側の放射素子の位相中心は実質的に上側の放射素子の位相中心に一致する。
2007529946.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの所定周波数且つ所定偏波の電磁波を送信および／または受信するマイクロ波アンテナであって、
上面と下面とを有する支持体と、
前記上面と前記下面とに配置された少なくとも一対の略同一の上側の放射素子と下側の放射素子と、を含み、
各放射素子は、所定位置の位相中心を有する前記所定偏波の電磁波を送信および／または受信することができ、各対において、前記下側の放射素子の位相中心は前記上側の放射素子の位相中心に略一致する、アンテナ。
【請求項２】
前記支持体は等角である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記支持体は略平面である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記所定偏波は円偏波であり、前記放射素子のそれぞれは円偏波の電磁波を放射することができる、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記放射素子は屈曲形状の素子を含む、請求項４に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記屈曲形状はＬ字形である、請求項４に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記Ｌ字形は、第１および第２のブランチと、前記第２のブランチに設けられた給電点とを有し、前記第２のブランチで生成される電流が、前記第１のブランチで生成される電流に対して９０°位相が遅れるようにされる、請求項６に記載のアンテナ。
【請求項８】
前記Ｌ字形は、Ｘブランチと、直交するＹブランチとを有し、
−前記Ｘブランチの長さＡと前記Ｙブランチの長さＢとは、略同一であって、Ａ，Ｂ＝Ｋ１λ０（Ｋ１は０．３から０．３５の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−ＸブランチとＹブランチとの幅Ｃは、Ｃ＝Ｋ２λ０（Ｋ２は０．１０から０．２０の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−前記上側の放射素子のＸブランチと前記下側の放射素子のＸブランチとの間の長さＤは、Ｄ＝Ｋ３λ０（Ｋ３は０．３から０．６の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−前記上側の放射素子のＹブランチと前記下側の放射素子のＹブランチとの間の長さＥは、Ｅ＝Ｋ４λ０（Ｋ４は０．３から０．６の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
ここで、λ０は空気中の前記所定周波数の波長である、請求項７に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記上面と前記下面とに配置された前記略同一の上側の放射素子と下側の放射素子との対は、１ｄＢ〜３ｄＢの範囲の利得増大をもたらす、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１０】
少なくとも一つの所定周波数且つ所定偏波の電磁波を送信および／または受信するアンテナであって、
上面と下面とを備えた誘電体基板を有する多層基板構造を含み、少なくとも一対の略同一の上側の放射素子と下側の放射素子とが、前記誘電体基板の前記上面と前記下面とに配置され、各放射素子は、所定位置の位相中心を有する前記所定偏波の電磁波を送信および／または受信することができ、各放射素子は、その幾何学的寸法が前記所定周波数に依存する放射素子と伝送線路とを含み、各対において、
−前記上側の素子と下側の素子との前記伝送線路は互いに重なり、
−前記上側の素子と下側の素子との前記放射素子は、前記下側の放射素子の位相中心が前記上側の放射素子の位相中心に略一致するように、前記誘電体基板の平面に直交する平面に対して互いに対向して配置される、アンテナ。
【請求項１１】
前記多層基板構造は等角である、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記多層基板構造は略平面である、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１３】
前記所定偏波は円偏波であり、前記放射素子のそれぞれは円偏波の電磁波を放射することができる、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１４】
前記放射素子は、略Ｌ字形を有する放射素子を含む、請求項１３に記載のアンテナ。
【請求項１５】
前記放射素子は、Ｌ字形を有する放射素子を含む、請求項１３に記載のアンテナ。
【請求項１６】
前記Ｌ字形は、第１および第２のブランチと、前記第２のブランチに設けられた給電点とを有し、前記第２のブランチで生成される電流が、前記第１のブランチで生成される電流に対して９０°位相が遅れるようにされる、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項１７】
前記上面と前記下面とに配置された前記略同一の上側の放射素子と下側の放射素子との対は、１ｄＢ〜３ｄＢの範囲の利得増大をもたらす、請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１８】
少なくとも一つの所定周波数且つ所定偏波の電磁波を送信および／または受信する平面アンテナを提供する方法であって、前記アンテナは、上面と下面とを備えた誘電体基板を有し、少なくとも一対の略同一の上側の放射素子と下側の放射素子とが、前記誘電体基板の前記上面と前記下面とに配置され、各放射素子は、所定位置の位相中心を有する前記所定偏波の電磁波を送信および／または受信することができ、前記放射素子は第１および第２の放射素子ブランチを含み、
−前記所定偏波と前記少なくとも一つの所定周波数とに従って、前記第１および第２の放射素子ブランチの平面配置と幾何学的寸法とを決定する工程と、
−前記下側の放射素子の位相中心が、前記上側の放射素子の位相中心に略一致するように、前記上面の放射素子のそれぞれを前記下面の対応する放射素子に関連づける工程と、含む方法。
【請求項１９】
前記所定偏波は円偏波であり、前記放射素子のそれぞれは円偏波の電磁波を放射することができる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記放射素子は、屈曲形状を有する放射素子を含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記屈曲形状はＬ字形である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記Ｌ字形は、第１および第２のブランチと、前記第２のブランチに設置された給電点とを有し、前記第２のブランチで生成される電流が、前記第１のブランチで生成される電流に対して９０°位相が遅れるようにした、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記Ｌ字形は、Ｘブランチと、直交するＹブランチとを有し、
−前記Ｘブランチの長さＡと前記Ｙブランチの長さＢとは略同一であって、Ａ，Ｂ＝Ｋ１λ０（Ｋ１は０．３から０．３５の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−前記Ｘブランチと前記Ｙブランチとの幅Ｃは、Ｃ＝Ｋ２λ０（Ｋ２は０．１０から０．２０の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−前記上側の放射素子の前記Ｘブランチと前記下側の放射素子の前記Ｘブランチとの間の長さＤは、Ｄ＝Ｋ３λ０（Ｋ３は０．３から０．６の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−前記上側の放射素子の前記Ｙブランチと前記下側の放射素子の前記Ｙブランチとの間の長さＥは、Ｅ＝Ｋ４λ０（Ｋ４は０．３から０．６の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
ここで、λ０は空気中の前記所定周波数の波長である、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には高周波アンテナの分野に関し、特に、高周波マイクロ波用の平面等角アンテナの分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波マイクロ波伝送（例えば、０．１〜４０ＧＨｚの範囲の様々な部分での）用の平面（または平板）等角アンテナは、今日、例えばラジオ放送、移動通信、衛星通信において広く利用されている。このようなアンテナは、その特有の構成に基づき円偏波および直線偏波を提供することができる。
【０００３】
一般的には、印刷された等角平面アンテナは、多層基板構造（例えばＰＣＢ、プリント基板）上に形成され、特に、誘電体基板ならびに放射素子およびそのそれぞれの伝送線路のアレイを含み、その素子の数は素子利得とアンテナの所望の全体利得とに依存する。放射素子と伝送線路とは誘電体基板の片側または両側のいずれかに配置される。平面アンテナは、例えば、所謂「マイクロストリップ」技術あるいはフォトリソグラフィで印刷することにより製造される。
【０００４】
特許文献１には、少なくとも一つのＰＣＢを含み、そのＰＣＢの第１の側と第２の側との両方に放射素子と伝送線路とを相補的に設け、第１の側と第２の側との伝送線路が互いに重なり、そして第２の側の放射素子が、第１の側の放射素子から１８０度の角度で反対方向に伝送線路の終端から外側に延伸しているマイクロ波送信用の平面パネルアンテナが開示されている。
【０００５】
特許文献２には、直線偏波と円偏波とを有するアンテナが開示されている。このアンテナは、放射素子としてダイポールを使用し、直線偏波と円偏波とにおいて直交特性を持ち、そして前面側と背面側とを含む２つの板を使用して具現化される。
【０００６】
特許文献３には、絶縁（誘電体）基板の一方の側に配置された導電性ストリップの複数の対向する層を含む、拡縮可能なマルチダイポール構造を有する高周波信号送受信用の平面アンテナが開示されている。
【０００７】
特許文献４には、第１の一対のストリップ導体および第１の屈曲部分を含む第１のＬ字型ダイポールアンテナ素子ならびに第２の一対のストリップ導体および第２の屈曲部分を含む第２のＬ字型ダイポールアンテナ素子を含む、円偏波クロスダイポールアンテナが開示されている。第１のＬ字型ダイポールアンテナ素子は、単一平面内に実質的に設定された交差線により区切られた４つの領域のうちの第１の領域内に配置され、第２のＬ字型ダイポールアンテナ素子は、第１の領域の筋向かいである第２の領域に配置される。第１の屈曲部分と第２の屈曲部分とは、第１および第２のＬ字型ダイポールアンテナ素子が十字形を形成するように互いに近接し対向する。また、このアンテナは、第１および第２の屈曲部分から延伸してその単一平面内に給電するように設けられた平行二線型給電線を含む。
【０００８】
Ｓ．ＤｒａｇａｓとＭ．Ｓａｂｂａｄｉｎｉとは、革新的周期アンテナに関する第２７回ＥＳＡアンテナワークショップにおける「革新的広帯域円偏波アンテナ（A Novel Type of Wide Band Circular PolarisedAntenna）」の中で、準２アーム型（quasi two-arm）螺旋状放射素子を提示している。
【０００９】
特許文献５、特許文献６および特許文献７も、平面アンテナに関する。
【００１０】
この技術においては、新しい平面／等角アンテナが求められている。
【特許文献１】米国特許第６，２８５，３２３号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０２１８５７１号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００３／００２０６６５号明細書
【特許文献４】米国特許第６，１６３，３０６号明細書
【特許文献５】米国特許第５，７８６，７９３号明細書
【特許文献６】米国特許第６，５１８，９３５号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００３／００６３０３１号明細書
【発明の開示】
【００１１】
本発明は、０．１〜４０ＧＨｚの範囲の少なくとも一つの所定周波数且つ所定偏波の電磁波を送信および／または受信する平面等角アンテナを提供する。本発明によるアンテナは、所定の特有な構成に基づいた円偏波と直線偏波とを提供する。
【００１２】
本発明の実施形態によると、少なくとも一つの所定周波数且つ所定偏波の電磁波を送信および／または受信する平面または等角のアンテナが提供され、このアンテナは、上面と下面とを備えた平面状誘電体基板（ＰＣＢ）を有し、少なくとも一対の略同一の上側放射素子と下側放射素子とが上記上面と下面とに配置され、上面の放射素子と下面の対応する放射素子との各対において、下側の放射素子の位相中心は上側の放射素子の位相中心に略一致する。これにより、高レベルのアンテナ性能（例えば、同じ数の放射素子を用いた略同じ幾何学的寸法を有する従来技術のアンテナと比較して、少なくとも１ｄＢの利得、１．５ｄＢの利得、さらに最大で３ｄＢの利得、および放射ビームの大部分にわたる低い軸比）が可能となる。
【００１３】
本発明の実施形態によると、アンテナは円偏波を提供するために構成され、そして放射素子のそれぞれは円偏波の電磁波を放射することができる。本発明の別の実施形態によると、放射素子は屈曲形状の素子を含む。本発明のさらに別の実施形態によると、上記屈曲形状はＬ字形である。
【００１４】
本発明の実施形態によると、アンテナは直線偏波を提供するために構成され、そして放射素子は、互いに鋭角に配置された第１および第２のブランチを有する放射素子を含む。
【００１５】
本発明の実施形態によると、少なくとも一つの所定周波数且つ所定偏波の電磁波を送信および／または受信するアンテナが提供され、このアンテナは、上面と下面とを備えた誘電体基板を有する多層基板構造を含み、少なくとも一対の略同一の上側の放射素子と下側の放射素子とが誘電体基板の上面と下面とに配置され、各放射素子は、所定位置の位相中心を有する電磁波を送信および／または受信し、各放射素子は、幾何学的寸法が所定周波数に依存する放射素子と伝送線路とを含み、ここで、上面の放射素子と下面の対応する放射素子との各対において、
−上側の素子と下側の素子との伝送線路は互いに重なり、
−上側の素子と下側の素子との放射素子は、下側の放射素子の位相中心が上側の放射素子の位相中心に略一致するように、誘電体基板の平面に直交する平面に対して互いに対向して設けられる。
【００１６】
本発明のさらに別の実施形態によると、少なくとも一つの所定周波数且つ所定偏波の電磁波を送信および／または受信する平面アンテナを提供する方法が提供され、このアンテナは上面と下面とを備えた誘電体基板を有し、少なくとも一対の略同一の上側の放射素子と下側の放射素子とが誘電体基板の上面と下面とに配置され、この放射素子は第１および第２のブランチを含み、この方法は、
−所定偏波と少なくとも一つの所定周波数とに従って第１および第２のブランチの平面配置と幾何学的寸法とを決定する工程と、
−下側の放射素子の位相中心が上側の放射素子の位相中心に略一致するように、上面の放射素子のそれぞれを下面の対応する放射素子に関連づける工程と、を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を理解し、それがどのように実際に実施され得るかを見るために、好適な実施形態について、添付図面を参照して非限定的な実施例のみにより説明する。
【００１８】
図１は、高周波マイクロ波伝送（例えば、０．１〜４０ＧＨｚ範囲の様々な部分での）用のマイクロ波平面アンテナ８の全体断面図である。アンテナ８は多層構造を有しており、誘電材料（例えば、比誘電率εｒ＝２．２を有する、米国アリゾナ州のロジャーズ社から市販されているＰＴＦＥガラス繊維、ＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ（登録商標）５８８０）からなる少なくとも一つのＰＣＢ（プリント基板）１０を特に含む。ＰＣＢ１０は、電気的導電材料からなる放射素子（図１には図示せず）が配置される２つの面１０ａ（上面）、１０ｂ（下面）を有する。アンテナ８は、低い比誘電率（例えば、発泡体は通常はεｒ＝１．０５を有し、空気はεｒ＝１．００を有する）のスペーサ層１２と、通常は金属材料からなる接地板１４とをさらに含む。取付板、偏波層、ボックスなどの、アンテナ分野では周知の付加的な層（図１には図示せず）を利用してもよい。スペーサ層１２の代わりにディスクリートのスペーサを使用してもよい。ピン１８とスリーブ２０とを有する電気的同軸コネクタ１６は、アンテナに給電するために使用される。本発明は、図１に例証される平面アンテナの全体的な構造によって拘束されないということに留意されたい。例えば、アンテナ１０は、その形状が電磁気学以外の例えば、空気力学または流体力学的考察によって決定される、表面に適合する等角アンテナであってよい。
【００１９】
図２は、本発明の実施形態による、円偏波に適したアンテナ８のＰＣＢ１０の上面１０ａの上面図である。図２に例示的に示すように、複数の放射素子２１は面１０ａ上に特有の構成で配置される。放射素子２１は略同一であり、それぞれは、屈曲形状の素子２２と、共面伝送線路２３（図２では両者とも実線で印される）とを含む。複数の略同一な放射素子２１は面１０ｂ上に配置される。面１０ａ上に配置された放射素子２１のそれぞれは、以下にさらに詳細に検討する相補的な方法で、面１０ｂ上に配置された対応する放射素子と対をなす。一対の放射素子の伝送線路は実質的に互いに重なり（所謂「二線」構成）、したがって面１０ｂ上に配置された伝送線路２３は図２では示されない。面１０ｂ上に配置された屈曲形状の素子２２は破線で印される。両方の面上の放射素子は、給電構造１６、１８、２０のまわりに略対称的に配置される。「二線」構成の使用と、給電構造のまわりの素子の対称的配置とにより、すべての放射素子の同一の入力インピーダンスと、アレイ全体のエネルギ分布のバランスとを保証する。
【００２０】
図２の非限定的な実施例において、アンテナは、８×８個の対の放射素子アレイを含む。本発明はこの特定の実施例によって制限されず、場合に応じ他の多くのアレイ構成が可能であること、そして、通常、放射素子の対の数は、所望の一定利得を提供するように設定されることに留意されたい。本発明は、一対の放射素子だけを利用することにより具現化され得るということに留意されたい。また、本発明は、図２に例証される放射素子の特定のレイアウトおよび構成により拘束されないことに留意されたい。
【００２１】
図３ａ〜図３ｂに、８〜９ＧＨｚの周波数範囲の円偏波に適した図２のアンテナの一対の放射素子２１の構造を上面と側面とからそれぞれさらに詳細に概略的に図示する。同一の素子には同一の参照番号が付される。図３ａに示すように、放射素子２１のそれぞれは、給電点２５を介して伝送線路２３に接続された屈曲形状の素子２２を含む。さらに以下に詳細に説明されるように、放射素子２１のそれぞれは、円偏波の電磁波を放射できるように設計され、そして一対の素子２１は所定の方法で比較的コンパクトな空間配置で互いに位置合わせされ、略同じ幾何学的寸法を有する同じ数の放射素子を有する従来技術のアンテナと比較して例えば最大で３ｄＢの利得の高水準のアンテナ性能が達成されるようになっている。上面と下面とに配置された略同一の上側の放射素子と下側の放射素子との各対は、１ｄＢ〜３ｄＢの範囲の利得増大をもたらし、そして６ｄＢから９ｄＢ以上の範囲の利得を提供する（これは、例えば、図５ａに実証される）。
【００２２】
以下は、本発明の実施形態に基づく、円偏波構成の単一の放射素子の設計の説明である。以下の実施例では、ＰＣＢ材料は比誘電率εｒ＝２．２と幅ｗ＝０．５ｍｍとを有する。本発明は、以下の実施例により拘束されないことに留意されたい。
【００２３】
図３ａの非限定的な実施例において実証されたように、アンテナは８ＧＨｚ（所望の動作中心周波数）の周波数で動作し、直交するブランチＸ、ＹをＰＣＢ１０の平面上に配置したＬ字型の素子２２が使用される。Ｌ字型のブランチの幾何学的寸法は次の通りである。
【００２４】
ブランチＸ、Ｙの長さＡ、Ｂは略同一であり、次式により定義される。
【００２５】
［１］  Ａ，Ｂ＝Ｋ１λ０
【００２６】
ここで、Ｋ１は、０．３から０．３５の範囲であり、例えばＫ１＝０．３３、λ０は空気中の動作周波数の波長である。したがって、上記動作周波数（８ＧＨｚ）において、Ａ、Ｂは１２．５ｍｍに等しい。
【００２７】
ブランチＸ、Ｙの幅Ｃは次のように定義される。
【００２８】
［２］  Ｃ＝Ｋ２λ０
【００２９】
ここで、Ｋ２は０．１０から０．２０の範囲であり、例えばＫ２＝０．１０６。図３ａの実施例（８ＧＨｚの動作周波数）では、Ｃは４ｍｍに等しい。
【００３０】
給電点２５は、ブランチの一つ（図３ａの実施例ではＹブランチ）に接続される。この接続の位置は、ブランチＸ、Ｙに沿って伝播する電流成分間の遅延を決定し、そして円偏波を提供するために上記成分間に９０°の位相遅延を生成するように設定される。
【００３１】
本発明は図３ａに示す放射素子２１の特定の実施例によって制限されず、他の多くのもの、例えばそれぞれが略屈曲形状を有する図４ａ〜図４ｂに図示された素子が可能であることに留意されたい。屈曲形状の素子の形状は直線的な外形を有する必要はなく、任意のバージョン（なだらかな形状を含む）の屈曲形状の素子を使用することができることに留意されたい。
【００３２】
本発明の実施形態によると、放射素子は、円偏波を有する電磁界を生成するために構成され、この目的のために、放射素子は、第１および第２のブランチと、第２のブランチに設置された給電点とを備えて略Ｌ字形を有し、第２のブランチで生成される電流が第１のブランチで生成される電流に対して９０°位相が遅れるようにされる。
【００３３】
単一の放射素子の設計について説明した後は、本発明の実施形態による円偏波構成の一対の放射素子の設計の説明をする。
【００３４】
前述のように、ＰＣＢ１０の上面と下面との両方に配置された一対の素子２１は、上側と下側との素子の位相中心が略一致し、高水準なアンテナ性能をもたらすように相補的に比較的コンパクトな空間において対向して位置合わせされる。本発明の実施形態によると、上側と下側との素子は、以下のようにして、対向し隣接して位置合わせされる。
【００３５】
上側の放射素子のＸブランチと下側の放射素子のＸブランチとの間の長さＤと、上側の放射素子のＹブランチと下側の放射素子のＹブランチとの間の長さＥとは次式により定義される。
【００３６】
［３］  Ｄ＝Ｋ３λ０
［４］  Ｅ＝Ｋ４λ０
【００３７】
ここで、Ｋ３およびＫ４は、０．３から０．６の範囲であり、例えば、Ｋ３は０．５７λｏに等しく、Ｋ４は０．４１λ０に等しい。ＤとＥとが同じである必要はないことに留意されたい。また、上側と下側との放射素子は互いに完全対称である必要はないことに留意されたい。上記特定の値以外のＤとＥとの値を用いることができることに留意されたい。例えば、ＤまたはＥが０．６λ０を越えた場合、アンテナの利得は、アンテナの等価面（equivalent surface）の増大により増大し得る。しかしながら、軸比（対称軸上のアンテナの真円度の測定値）は増大する。
【００３８】
本発明によると、図２および図３ａに図示するように、上側と下側との放射素子の位相中心は互いに略一致する。一対の素子がアレイ状に配置された場合（図２に示すように）、隣接する一対の位相中心間の長さＦは、次の一定の範囲に維持されなければならない。
【００３９】
［５］  ０．５λ０＜Ｆ＜１λ０
【００４０】
図２および図３ａ〜図３ｂを参照した上記検討では、一対の素子２１の相対的な位置合わせは、２次元的に、すなわちＰＣＢ１０の平面を定義するＸ軸およびＹ軸に関してのみ提示された。しかしながら、一対の素子２１の相対的な位置合わせは、実際には３次元的に（すなわち、ＰＣＢ１０の平面上に、そしてまた直交するＺ軸に沿って）定義される。ＰＣＢ１０（図３ｂに示すように）の非常に小さな幅ｗ（通常は約０．１〜０．５ｍｍ）により、Ｚ軸に沿った相対的な位置合わせの考慮を無視することができ、一対の素子の相対的な位置合わせを２次元的のみに定義することができる。ＰＣＢ１０の幅ｗは、アンテナの動作周波数に対応する波長λに対し非常に小さくする必要があり（例えば、０．０５λまたは０．１λ未満）、そうでなければ、一対の素子の相対的な位置合わせは三次元的に定義されなければならない。
【００４１】
アンテナの位相中心は、測定、コンピュータシミュレーションおよび計算により決定することができる。Ｙ．Ｔ．Ｌｏ，Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ  Ｒｅｉｎｈｏｌｄ著「アンテナハンドブック：アンテナ理論  第２巻（Antenna Handbook, Volume II Antenna Theory）」（ｅｄ．Ｙ．Ｔ．Ｌｏ，Ｖａｎ  Ｎｏｓｔｒａｎｄ  Ｒｅｉｎｈｏｌｄ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）の第８章において検討されるように、アンテナの位相中心を決める解析式は、通常、限られた数のアンテナ構成のみに対し存在する。ＣＳＴコンピューターシミュレーションテクノロジ社（独国）から市販されているＣＳＴ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｓｔｕｄｉｏ（登録商標）ソフトウェアのようなシミュレーションツールだけでなく、アンテナの位相中心を決めるための実験的な技術もこの技術において周知である。
【００４２】
図５ａ〜図５ｅに、本発明の実施形態による図３ａに示す円偏波構成の一対の放射素子のシミュレーション特性を図示するが、これは以下のように８〜９ＧＨｚの範囲の動作周波数に関する。
【００４３】
図５ａに、単一の一対の放射素子の利得を示す。図３ａを参照し上に説明したように、略同一の幾何学的寸法を有する従来技術の放射素子の特徴的な利得は、通常、略６ｄＢ以内であることに留意されたい。図５ｂは、一対の放射素子の放射パターンのシミュレーションを示す。グラフＡは、Φ＝０°に対するＥΦ成分を表わす。そして、グラフＢは、Φ＝０°に対するＥΘ成分を表わす。図５ｃに、ｄＢでの反射減衰量（所謂Ｓ１１）を示す。図５ｄに、（０，０）°（所謂、ブロードサイド方向）での軸比を示す。図５ｅに、入力インピーダンスの所謂「スミスチャート」を示す。
【００４４】
本発明のさらに別の実施形態によると、直線偏波に適したアンテナが提供される。以下は、直線偏波の構成の対放射素子だけでなく単一の放射素子の設計についての説明である。
【００４５】
８ＧＨｚの動作周波数の直線偏波（場合に応じ、水平または垂直方向の）に適した本発明の実施形態によるアンテナの対放射素子３５の構造を図示する図６を次に参照する。直線偏波の場合、上側と下側との放射素子３６のそれぞれは、ブランチ間で鋭角をなす２ブランチ形状を有する屈曲形状の素子を有する。本発明の実施形態によると、上側と下側との放射素子は、図６に示すように、「Ｚ」字または「Ｓ」字形状（または、実質的にこのような形状）が生成されるように相対的に位置合わせされる。
【００４６】
本発明の実施形態によると、直線偏波構成の放射素子は、互いに鋭角に配置された第１および第２のブランチを有する屈曲形状の素子を含む。上側と下側との放射素子は、上側と下側との素子の第１のブランチが平行となるようにＰＣＢの両面上に略対称な配置で配置され、第１のブランチのそれぞれの電気的長さは、約０．５λ０（ここで、λ０は空気中の所定周波数の波長）である。言いかえれば、上側と下側との放射素子の第１のブランチのそれぞれは、単独で、直線偏波の放射素子として動作する。
【００４７】
以下の実施例では、ＰＣＢ材料は比誘電率εｒ＝２．２と幅ｗ＝０．５ｍｍとを有する。本発明は、以下の実施例により拘束されないことに留意されたい。以下の実施例による鋭角ブランチの幾何学的寸法は、次の通りである。
【００４８】
第１のブランチの長さＧは次式により定義される。
【００４９】
［７］  Ｇ＝Ｋ５λ０
【００５０】
ここで、Ｋ５は、０．３から０．４の範囲であり、例えばＫ５＝０．３６、λ０は空気中の動作周波数の波長である。したがって、上記実施例（８ＧＨｚの動作周波数）において、Ｇは１３．５ｍｍに等しい。
【００５１】
上側と下側との素子の第１のブランチ間の長さＨは、次式により定義される。
【００５２】
［８］  Ｈ＝Ｋ６λ０
【００５３】
ここで、Ｋ６は、０．３から０．３５の範囲であり、例えばＫ６＝０．３２、λ０は空気中の動作周波数の波長である。したがって、上記動作周波数（８ＧＨｚ）において、Ｈは１２ｍｍに等しい。
【００５４】
放射素子の幅Ｉは次式により定義される。
【００５５】
［９］  Ｉ＝Ｋ７λ０
【００５６】
ここで、Ｋ７は、０．０１５から０．０２５の範囲であり、例えばＫ７＝０．０２、λ０は空気中の動作周波数の波長である。したがって、上記動作周波数（８ＧＨｚ）において、Ｉは１ｍｍに等しい。本発明は図６の特定の実施例により制限されないことに留意されたい。
【００５７】
図７ａ〜図７ｃに、図６に示した本発明の実施形態によるアンテナの一対の素子の８〜９ＧＨｚの動作周波数範囲におけるシミュレーション特性を次のように図示する。図７ａは、一対の素子の入力インピーダンス（所謂、「スミスチャート」）のシミュレーションを示す。図７ｂに、８〜９ＧＨｚの周波数範囲における、一対の素子のｄＢでの反射減衰量（所謂、Ｓ１１）を示し、そして、図７ｃに、８．２ＧＨｚの周波数における一対の素子の偏波上昇（polar elevation）パターンを示す。グラフＡは、Φ＝９０°に対する成分ＥΘを表わし、グラフＢはΦ＝０°に対する成分ＥΦを表わす。
【００５８】
本発明のさらに別の実施形態によると、偏波器が、円偏波で動作する本発明のアンテナ（例えば、図２に示す）に追加され、これによりアンテナを直線偏波で動作するように変換する。直線偏波で動作するアンテナに偏波器を追加することにより、円偏波で動作する変換が達成されることに留意されたい。図８に示すように、偏波層Ｐ（偏波器）は、図３ａおよび図３ｂを参照して上に説明した種類の平面アンテナの一方の側（例えば、上側）に追加される（同一の参照数字が使用され同一の素子を参照する）。偏波器は、アンテナの上側の全表面（図３ａおよび図３ｂに示すＸＹ平面における）を略覆うように設計される。偏波器の厚さは、２ｃｍから３ｃｍの間の典型的な値を有する。
【００５９】
図３ａおよび図３ｂを参照して上に説明したアンテナがその上面を偏波器Ｐで完全に覆われるような上記詳細設計を使用することは、アンテナの適合性に実質的に何ら影響を与えない。８〜９ＧＨｚの周波数範囲において、その反射減衰量は、図５ｃに示したものと略同様である。測定されたアンテナのパターンは、当該周波数帯にわたって、−１５ｄＢ以下の主偏波と直交偏波との比率を示す。これは、円偏波から直線偏波への略正確な変換が得られたことを意味する。単一素子（例えば、図３ａに示す放射素子２１、または例えば、図４ａ−４ｄに示す他の素子）の測定された利得は、８ｄＢｉ以上の利得を示す。
【００６０】
ここで、図９ａ〜図９ｂを参照すると、本発明の別の実施形態による、同一領域上の右旋円偏波と左旋回円偏波とを合成するアンテナが示される。アンテナ９００は、上で説明した種類（例えば、図１、図２および図３ａに示す素子１０）のＰＣＢ９１０を含む。ＰＣＢ９１０は、２つの面９１０ａ（上面）、９１０ｂ（下面）を有し、その上に、本発明の放射素子（例えば、図３ａに示す素子２１）が配置され、一例として、右旋円偏波を提供する。ＰＣＢ９１０と同一であって、１８０°だけ回転されて（図３ａおよび図３ｂに示すように軸Ｙに対して回転）ＰＣＢ９１０をミラーするＰＣＢ９２０は、左旋円偏波を提供する。その結果として多層構造化されたものを図９ｂに図示するが、ここでは、各層と各面とは、見てすぐ分かるように矢印によって指示される。
【００６１】
放射素子は、ＰＣＢ９１０と９２０との上で離間され、ＰＣＢ９２０はＰＣＢ９１０に対して若干シフトされ（一つのＰＣＢの放射素子が他のＰＣＢの非放射部分上に位置することを可能にする図９ａに示すシフトＳ）、異なる層（ＰＣＢ９１０、ＰＣＢ９２０）の素子間の破壊的影響が回避されるようにする。素子の配置は次式によって定義される。
【００６２】
［１０］  Ｍ＝Ｋ８λ０
【００６３】
ここでＫ８は０．８〜１．０の範囲である。Ｍは同一のＰＣＢの表の隣接する一対の素子の位相中心間の距離を定義することに留意されたい。ＰＣＢ９１０、９２０は、小さな距離（例えば、０．１λ０）だけ互いに離間され、その間を絶縁する薄い空気層が提供される。本発明のこの実施形態は、効率的な方法で２つの同一の印刷アンテナ基板を組み合わせて使用することを可能にし、同一領域上に右旋円偏波もしくは左旋円偏波または必要ならば両方の円偏波を提供する。上述の本発明によると、放射素子（図３ａに図示する素子２１）のそれぞれの放射パターンは、上側と下側との素子の位相中心が重なることにより平衡化され、これにより高い利得をもたらすということに留意されたい。上側と下側との素子のアームが重ならないような異なる構造が使用された（すなわち、位相中心は一致しない）場合、結果として生じる放射パターンは非平衡化され、相対的に低い利得をもたらす。したがって、このような構造の性能を良くするために、素子は、隣接する素子間の相互結合が破壊的影響を与えないように位置合わせをする必要がある。
【００６４】
本発明は、放射素子が平面支持体の両面上に配置された平面構成を参照し詳細に説明された。本発明は上述の平面構成によって制限されないこと、そして、本発明の範囲内で他の配置は可能であることに留意されたい。例えば、本発明は、その形状が電磁気学以外の、例えば空気力学または流体力学的考察によって、または他の非平面構成によって決定される表面に適合する等角アンテナとして実施され得る。
【００６５】
本発明は、８〜９ＧＨｚの範囲内の動作周波数を参照し詳細に説明された。本発明はこの特定の実施例によって制限されず、必要な改変および変更により様々な周波数で動作するのに適し、例えば、動作周波数の変更は、放射素子の幾何学的寸法ならびにその平面レイアウトおよび配置の変更に帰着するであろうことに留意されたい。本発明は、印刷された構成（ＰＣＢを利用する）を参照して説明されたが、本発明がこの構成により制限されないことに留意されたい。相対的に低い周波数（例えば、１ＧＨｚ以下）の範囲では、λは３０ｃｍ以上となり、したがって、空気スペーサ、発泡体層等の使用だけでなく、金属からなる放射素子の使用も可能であることにも留意されたい。
【００６６】
本発明は、両面上に放射素子を配置した単一のＰＣＢ構成を参照して説明された。本発明は、隣接する放射素子の位相中心が略一致するように２つ以上のＰＣＢが隣接して使用されそれぞれが放射素子をその片面または両面上に配置した別の構成において実施され得ることに留意されたい。
【００６７】
本発明はある程度の特殊性により説明されたが、当業者は、様々な変更および改変が以下の請求項の範囲から逸脱することなく実行され得るということを容易に認識するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】平面マイクロ波アンテナの断面図
【図２】本発明の実施形態によるアンテナの上面図
【図３ａ】図２のアンテナ素子の構造の上面からの概略図
【図３ｂ】図２のアンテナ素子の構造の側面からの概略図
【図４】図４ａ〜図４ｄは、本発明の他のいくつかの実施形態による、図２のアンテナの素子の他の構造の概略図
【図５ａ】本発明の実施形態によるアンテナ素子のシミュレーション特性
【図５ｂ】本発明の実施形態によるアンテナ素子のシミュレーション特性
【図５ｃ】本発明の実施形態によるアンテナ素子のシミュレーション特性
【図５ｄ】本発明の実施形態によるアンテナ素子のシミュレーション特性
【図５ｅ】本発明の実施形態によるアンテナ素子のシミュレーション特性
【図６】本発明の別の実施形態によるアンテナ素子の構造の概略図
【図７ａ】本発明の別の実施形態によるアンテナ素子のシミュレーション特性
【図７ｂ】本発明の別の実施形態によるアンテナ素子のシミュレーション特性
【図７ｃ】本発明の別の実施形態によるアンテナ素子のシミュレーション特性
【図８】本発明の別の実施形態による平面マイクロ波アンテナの断面図
【図９ａ】本発明のさらに別の実施形態によるアンテナの素子の構造の概略図
【図９ｂ】本発明のさらに別の実施形態によるアンテナの素子の構造の概略図
【図１】
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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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年5月21日(2006.5.21)
【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】
少なくとも一つの所定周波数且つ所定偏波の電磁波を送信および／または受信するマイクロ波アンテナであって、
上面と下面とを有する第１の支持体と、
前記上面と前記下面とにそれぞれ配置された少なくとも一対の略同一の上側の放射素子と下側の放射素子と、を含み、
各放射素子は、第１および第２のブランチを規定する屈曲形状を有し、各放射素子は、前記第１および第２のブランチで生成される電流の間に９０°位相遅延を生じる位置に給電点を有して形成され、前記放射素子は、これにより円偏波を有する電磁場を生成するよう構成される、アンテナ。
【請求項２】
前記支持体は等角または略平面である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記屈曲形状はＬ字形である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記Ｌ字形は、Ｘブランチと、直交するＹブランチとを有し、
−前記Ｘブランチの長さＡと前記Ｙブランチの長さＢとは、略同一であって、Ａ，Ｂ＝Ｋ１λ０（Ｋ１は０．３から０．３５の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−ＸブランチとＹブランチとの幅Ｃは、Ｃ＝Ｋ２λ０（Ｋ２は０．１０から０．２０の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−前記上側の放射素子のＸブランチと前記下側の放射素子のＸブランチとの間の長さＤは、Ｄ＝Ｋ３λ０（Ｋ３は０．３から０．６の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−前記上側の放射素子のＹブランチと前記下側の放射素子のＹブランチとの間の長さＥは、Ｅ＝Ｋ４λ０（Ｋ４は０．３から０．６の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
ここで、λ０は空気中の前記所定周波数の波長である、請求項４に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記上面と前記下面とに配置された前記略同一の上側の放射素子と下側の放射素子との対は、１ｄＢ〜３ｄＢの範囲の利得増大をもたらす、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記略同一の上側の放射素子と下側の放射素子の各対において、前記上側の放射素子と前記下側の放射素子とは、前記上側の放射素子の前記第１または第２のブランチで生成される電流が、前記下側の放射素子の前記第１または第２のブランチで生成される電流とそれぞれ位置合わせされるように、前記支持体の平面に直交する平面に対して互いに対向して配置される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項７】
各対において、前記上側の放射素子と前記下側の放射素子とは、前記下側の放射素子の位相中心が前記上側の位相中心に略一致するように、互いに配置される、請求項６に記載のアンテナ。
【請求項８】
各放射素子は、伝送線路に関連付けられ、前記上側の放射素子の伝送線路と前記下側の放射素子の伝送線路とは互いに重なる、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項９】
少なくとも一つの所定周波数且つ所定偏波の電磁波を送信および／または受信する平面アンテナを提供する方法であって、前記アンテナは、上面と下面とを備えた誘電体基板と、少なくとも一対の略同一の上側の放射素子と下側の放射素子とが、前記誘電体基板の前記上面と前記下面とにそれぞれ配置され、各放射素子は、第１および第２のブランチを規定する屈曲形状を有し、各放射素子は、給電点を有して形成され、
前記少なくとも一つの所定周波数に従って前記第１および第２のブランチの平面配置と幾何学的寸法とを決定して、前記第１および第２のブランチで生成される電流の間に９０°位相遅延を生じる給電点の位置を選択する工程を含み、
前記放射素子は、これにより円偏波を有する電磁場を生成するよう構成される、方法。
【請求項１０】
前記屈曲形状は、Ｘブランチと、直交するＹブランチとを有するＬ字形であり、
−前記Ｘブランチの長さＡと前記Ｙブランチの長さＢとは、略同一であって、Ａ，Ｂ＝Ｋ１λ０（Ｋ１は０．３から０．３５の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−ＸブランチとＹブランチとの幅Ｃは、Ｃ＝Ｋ２λ０（Ｋ２は０．１０から０．２０の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−前記上側の放射素子のＸブランチと前記下側の放射素子のＸブランチとの間の長さＤは、Ｄ＝Ｋ３λ０（Ｋ３は０．３から０．６の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
−前記上側の放射素子のＹブランチと前記下側の放射素子のＹブランチとの間の長さＥは、Ｅ＝Ｋ４λ０（Ｋ４は０．３から０．６の範囲）の関係に従って前記所定周波数に依存し、
ここで、λ０は空気中の前記所定周波数の波長である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
−前記上側の放射素子の前記第１または第２のブランチで生成される電流が前記下側の放射素子の前記第１または第２のブランチで生成される電流と位置合わせされるように、支持体平面に直交する平面に対して前記上側の放射素子と前記下側の放射素子とを互いに対向して配置することにより、前記上側の放射素子と前記下側の放射素子とを位置合わせする工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記位置合わせする工程は、前記下側の放射素子の位相中心が前記上側の放射素子の位相中心に略一致するように、前記放射素子を配置する工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも一つの上側の放射素子により使用される上面全体を略覆い、これにより直線偏波で動作するように前記アンテナを変換する偏波層をさらに含む、請求項１から請求項８のいずれかに記載のアンテナ。
【請求項１４】
前記少なくとも一つの上側の放射素子により使用される上面全体を偏波層で覆い、これにより直線偏波で動作するように前記アンテナを変換する工程をさらに含む、請求項９から請求項１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の支持体と略同一の第２の支持体を含み、前記第２の支持体は、１８０°回転されて前記第１の支持体をミラーし、短距離だけ前記第１の支持体から離間され、前記第２の支持体に配置された放射素子は、前記第１の支持体に配置された放射素子と位置合わせされる、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１６】
前記第２の支持体に配置された放射素子は、隣接する素子間の相互結合が最小にまで低減されるように、前記第１の支持体に配置された放射素子と位置合わせされる、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項１７】
前記短距離は、約０．１λ０であり、ここでλ０は、空気中の前記所定周波数の波長である、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項１８】
−前記第１の支持体と略同一であり、１８０°回転されて前記第１の支持体をミラーする第２の支持体を、前記第２の支持体に配置された放射素子が前記第１の支持体に配置された放射素子と位置合わせされるように、短距離だけ前記第１の支持体から離間する工程をさらに含む、請求項９から請求項１２または請求項１４のいずれかに記載の方法。
【国際調査報告】
2007529946.tif 000020
2007529946.tif 000021
2007529946.tif 000022