(57)【要約】本発明は調整可能なインピーダンス表面を有する調整可能なマイクロ波／ミリメータ波の構成に関する。その構成は、少なくとも一つの調整可能な強誘電層（３）と、少なくとも一つの第１の上面金属層（１）と、少なくとも一つの第２の金属層（２Ａ，２Ｂ）とを有する電磁バンドギャップ構造（ＥＢＧ）を有する。第１の金属層（１）と第２の金属層（２Ａ）は、強誘電体層（３）の対向する側に配置され、少なくとも一つの第１の上面金属層（１）はパターン化され、少なくとも一つの強誘電層（３）の誘電率は、その強誘電体層の異なる側面に配置された第１の金属層（１）と第２の金属層（２Ａ，２Ｂ）との内の少なくともいずれかに直接的にまたは間接的に印加されるＤＣバイアス電圧に依存する。
2007522735.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
調整可能なインピーダンス表面を有する調整可能なマイクロ波／ミリメータ波の装置であって、
少なくとも一つの調整可能な強誘電層と少なくとも一つの第１の上面金属層と少なくとも一つの第２の金属層とを有する電磁性バンドギャップ構造（ＥＢＧ）を有し、
前記第１及び第２の金属層は、前記強誘電層の対向する側に配置され、
前記少なくとも第１の上面金属層はパターン化され、
前記少なくとも一つの強誘電層の誘電率は、前記強誘電層の異なる側面に配置された前記第１と第２の金属層の内、少なくともいずれかに直接的に或は間接的に印加されるＤＣバイアス電圧に依存することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記少なくとも第１のパターン化された金属層は、放射体アレイを形成する／有するようにパターン化されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記放射体は、共振器を有することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記共振器は、パッチ共振器を有することを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記パッチ共振器は、円形、正方形、長方形、或は、他の適切な形をしていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記放射体、例えば、前記共振器は、２次元（２Ｄ）アレイに配列され、例えば、正方形、直方形、三角形、或は、他の適切な形のグリッド配置のパッチをもつ２次元アレイアンテナを形成することを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記装置は、反射型アンテナを有することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の上面金属層の前記放射体は、前記強誘電層を介したビア接続によって、更なる第２の金属層と電気的に接続され、
ＤＣバイアス電圧が前記更なる第２の金属層により前記第１の金属層に間接的に印加されることを特徴とする請求項６又は７に記載の装置。
【請求項９】
前記第２の金属層はパターン化され、
前記第２の金属層は開口部或は孔を有しており、
該開口部或は孔により前記ビア接続が、パターン化された、或はパターン化されていない付加的な底面の前記更なる第２の金属層へと通じることが可能となり、
前記ＤＣバイアス（制御）電圧が、前記二つの第２の金属層の間に印加され、前記（上面の）放射体アレイのインピーダンスを変化させ、前記共振器の共振周波数を変化させることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記ビア接続は、ＲＦマイクロ波の電流が一番高い前記放射体の中央点に接続されることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記上面層における前記放射体の間隔は、約０．１ｃｍ≒λ0／３０であり、
前記λ0は入射マイクロ波信号の自由空間波長であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記ＤＣ制御（バイアス電圧）を変化させることによって、前記放射体アレイのインピーダンスは誘導性から容量性に変更され、前記放射体（共振器）の共振周波数で無限大に到逹することを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記（上面の）放射体アレイは、実質的に２０×２０個の放射体を有し、
前記強誘電層の誘電率ε（Ｖ）は、約２２５〜２００で変化するか、または、５０〜ｎ×１００００にあり、
ｎは整数で、
前記強誘電層は約５０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項７乃至１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記放射体は、少なくとも二つの２次元アレイに配列され、
前記アレイは、前記第１と第２の金属層を有し、
前記第１と第２の金属層との間に前記強誘電層が配置され、
前記装置は、伝送型アレイ、例えば、伝送型アンテナを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
誘電体或は強誘電層は前記第１と第２の金属層の側面、即ち、前記強誘電層に接触しない前記放射体（共振器）アレイに設けられることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
ＤＣ電圧が前記２つの金属層に印加され、
前記ＤＣ電圧と同じＤＣ電圧が夫々の放射体に印加され、前記強誘電膜の誘電率を変更して、前記放射体の共振周波数を変更することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置は、伝送されたマイクロ波信号の位相を変更するための波面位相変調器を有することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記放射体アレイは個別的にＤＣ電圧がバイアスされ、
各放射体に印加される前記ＤＣ電圧はインピーダンス手段によって制御可能、或は設定可能であることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の装置。
【請求項１９】
前記装置はビーム走査アンテナを有することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
分離したＤＣ分圧器が前記放射体に接続され、
前記分圧器の１つは一つの金属層の前記放射体に関してＸ方向にあり、前記分圧器の１つはＹ方向にあり、もう一つの金属層の放射体が前記Ｘ方向と前記Ｙ方向の夫々に不均一な電圧分布を可能にして、マイクロ波信号の位相面の調整可能な不均一な変調を可能にすることを特徴とする請求項１８又は１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記インピーダンスは抵抗を含むことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記インピーダンスはキャパシタを含むことを特徴とする請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
各放射体が分離した抵抗／キャパシタにより、別々かつ個別的にＤＣバイアス電圧に接続されることを特徴とする請求項２１又は２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記強誘電層の厚さは約１μｍ〜数ｍｍであり、
前記ＤＣバイアス電圧は０〜数ｋＶであることを特徴とする請求項１４乃至２３のいずれかに記載の装置。
【請求項２５】
前記第１と第２の金属層は多数の放射体をそれぞれ有し、
前記第１と第２の層の放射体は、異なる構成を有しているか、異なって配列されているかの内、少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１乃至５、請求項１４乃至２４のいずれかに記載の装置。
【請求項２６】
異なる結合手段が、前記第１と第２の層の放射体にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
ＤＣバイアス（制御電圧）は前記第１と第２の金属層の前記放射体に印加され、総合的なキャパシタンスを変更する、前記放射体、例えば、パッチ共振器の間の（弱い）容量結合を変更することを特徴とする請求項２５又は２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記調整可能な放射体アレイは導波管ホーンと一体となり、前記ＤＣバイアス電圧を変更することによって、前記ホーンがマイクロ波ビームを走査するか、或はマイクロ波信号空間での位相を変調することを特徴とする請求項１４乃至２７のいずれかに記載の装置。
【請求項２９】
隣接する放射体（例えば、共振器）の間の間隔は、前記強誘電層の入射マイクロ波信号の波長の約０〜１．５倍に該当することを特徴とする請求項１乃至２８のいずれかに記載の装置。
【請求項３０】
前記装置は、例えば、フィルタ、デュープレクサ等として用いられる３次元調整可能放射体アレイを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
【請求項３１】
請求項１乃至３０のいずれかの一つに記載の装置の使用方法であって、
自由空間または中空導波管におけるマイクロ波／(サブ)ミリメータ波信号を制御し、
前記自由空間を介して反射と伝送との内の少なくともいずれかによる信号の位相分布と振幅分布との内の少なくともいずれかを変更することを特徴とする使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は調整可能なインピーダンス表面を有する調整可能なマイクロ波／ミリメータ波の構成に関する。特に、本発明は、ビーム走査アンテナ、周波数選択表面、または位相変調器を有する構成に関する。本発明は、より詳しくは、反射型と伝送型との内少なくともいずかの型のアンテナを有する構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
異なる種類のいくつかのマイクロ波システム、例えば、マイクロ波通信システムにおいて、調整可能なインピーダンス表面を有する調整可能な構成が求められていることが現実となってきた。特に、小さいサイズを有し、適応性があるか、または再構成可能な構成が求められていることが現実となった。また、小さいサイズであるか、適応性があるか、または再構成可能であり、対費用効果がある、例えば、ビーム走査アンテナ或は位相変調器が求められていることが理解されてきた。半導体技術に基づいた位相シフタ、減衰器、及びパワースプリッタを用いる位相アレイアンテナが知られている。しかしながら、位相アレイアンテナは、高価で、また高電力消費を要する大きいサイズの装置である。このような位相アレイアンテナは、例えば、非特許文献１に記載されている。また、半導体技術に基づいたこのようなアンテナが広く知られているが、このようなアンテナはかなり高価であり、サイズも大きく、高電力を消費する。
【０００３】
最近、例えば、調整可能なアンテナのサイズを減少させ、また電力消費を低減させることをできるようにするため、強誘電体が検討されている。強誘電体に基づいた調整可能なアンテナは、例えば、特許文献１（特許文献２）、特許文献３、及び特許文献４に記載されている。
【０００４】
特許文献２に提案されているアンテナは単純な構造を有し、確かに費用効果が期待される。この設計では、アンテナの表面を横断して所望の位相振幅分布を達成することができる。しかしながら、ビーム走査を可能にできるために非常に大きいＤＣ電圧を必要とするということがこのアンテナの短所である。特許文献３は、強誘電体物質のＤＣ場依存の誘電率を用いるアンテナを提案している。しかしながら、特許文献３は、調整可能な表面インピーダンスまたはビーム走査能力について何も記述していない。
【０００５】
特許文献４は、強誘電体アンテナについて記述しているが、この強誘電体アンテナはビーム走査機能を可能にしていない。
【０００６】
さらに、非特許文献２には、簡単な構造を有し、ビームを制御するために集合的な半導体バラクタを用いるアンテナが開示されている。
【特許文献１】米国特許第６１９５０５９号明細書
【特許文献２】スウェーデン特許第５１３２２３号公報
【特許文献３】米国特許第６３２９９５９号明細書
【特許文献４】スウェーデン特許第５１７８４５号公報
【非特許文献１】Ｒ．Ｊメイルークス著、「フェーズドアレイアンテナ  ハンドブック」アーテックハウス、ボストン、１９９４年（R. J. Mailloux, "Phased Array Antenna Handbook", Artech House, Boston, 1994）
【非特許文献２】Ｄ．Ｓ．ジーベンピーペル及びＪ．シャフナー著、「電気的に調整可能なインピーダンス表面に基づくビーム操作マイクロ波反射体」、エレクトロニクス・レターズ、第３８巻第２１号、１２３７〜１２３８頁、２００２年(D. Sievenpiper and J. Schaffner, "Beam steering microwave reflector based on electrically tunable impedance surfaces", Electronics Letters、Vol.38, No.21, pp. 1237〜1238, 2002)
【非特許文献３】ジョナタン・レッドヴィック及びアンダース・デルネルド著、「基地局アンテナのためのＰＢＧ評価」、第２４回ＥＳＴＥＣ  革新的周期的アンテナについてのアンテナワークショップ：光バンドギャップ、フラクタル、及び周波数選択構造（ＷＰＰ−１８５）、ｐ５〜１０、２００１年（Jonathan Redvik and Anders Derneryd, "ＰＢＧ  Evaluation for Base Station Antennas", 24th  ESTEC  Antenna Workshop on Innovative Periodic Antennas : Photonic Bandgap, Fractal and Frequency Selective Structure(WPP-185), pp.5〜10, 2001）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、半導体バラクタを用いることは、特に、大きいサイズのアンテナアレイが関係する時、設計に非常に高い費用がかかる。従って、これら提案された構成の何れも満足に機能せず、それら全て一般的に設計面で複雑であり、調整のために高いＤＣ電圧を要する。
【０００８】
発明の要約
従って、サイズが小さく、対費用効果があり、高電力消費を要しなく調整可能なインピーダンス表面を有する調整可能なマイクロ波の構成が求められている。また、適応性があるか、または再構成可能な構成が求められている。特に、例えば、マイクロ波通信システムにおいて、ビーム走査アンテナまたは位相変調器として用いられる構成が求められている。更に、単純なデザインを有する構成が求められている。また、上述の目的の内、一つ以上を満たすビーム走査アンテナが求められている。またさらに、上述の要件の中で一つ以上を満足する位相変調構成が求められている。特に、自由空間或は中空導波管でマイクロ波信号を制御して、その自由空間で反射するか伝送されるかの内、少なくともいずれかのことが生じるマイクロ波信号の位相と振幅の内、少なくともいずれかの分布を変更することを可能にする構成が求められている。またさらに、製造しやすい構造も求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従って、初めに言及したような構造には、少なくとも一つの調整可能な強誘電体層を有する光バンドギャップ構造とも言われる電磁バンドギャップ構造（ＥＢＧ）を有する構造が備えられる。少なくとも第１の、或は上面金属層と、少なくとも一つの第２の金属層は、第１と第２の金属層が強誘電性の調整可能層の対向する側に配置されるように構成される。少なくとも第１の上面金属層はパターン化され、少なくとも一つの強誘電性層の誘電率は印加されたＤＣ場に依存する。
【００１０】
基地局アンテナのための光バンドギャップ（ＰＢＧ）、即ち、ＥＢＧ物質の使用は、非特許文献３に説明されている。
【００１１】
最近、マイクロ波及びミリメータ波の応用のために、電磁結晶（electromagnetic crystal）とも言われる平面光バンドギャップ（ＰＢＧ）構造の使用に関する多くの研究がなされている。強磁性体結晶は、特に、低価で製造しやすく、標準の平面の回路技術に適合するので、多くの関心を集めている。光バンドギャップ構造は、１次元、または２次元、または３次元的に周期性がある人工的に生成された構造である。また、光バンドギャップ構造は、自然の結晶の周期的な構造と類似性を有するので、電磁結晶と言われる。これら人工的に生成された物質は、光バンドギャップ物質、またはフォトニック結晶と言われる。ここで、バンドギャップは全波長の電磁波に適用される。実際に、電磁波の伝播が禁止される電磁バンドギャップの存在は、半導体技術及びその応用の基礎を形成する電子バンドギャップと類似する。従って、光バンドギャップ物質は、半導体のフォトニック類似となる周期的な誘電体の新たなクラスを形成する。電磁波は半導体での電子の作用と似たようにフォトニック結晶において振舞う。
【００１２】
本発明によれば、少なくとも第１のパターン化金属層は、放射体アレイを形成または有するように、より詳しくは共振器を有するようにパターン化される。その共振器は、例えば、円形、正方形、長方形、或は他の適切な形で良いパッチ共振器を有しても良い。特に、放射体、例えば、共振器は、２次元（２Ｄ）アレイ、例えば、２次元アレイアンテナを形成するように構成される。特に、それは反射型アンテナを有する。特に、第１の上面金属層の放射体は、更なる第２の金属層と、強誘電層を介したビア接続によって電気的に接続される。（もしあれば、）中間的な第２の金属層がパターン化されるか、或はホールが設けられ、それを介して前記ビア接続を通過させることを可能にしている。前記ビア接続は、第１の上面層の放射体を、パターン化されているか、またはパターン化されていない付加的な（底面の）第２の金属層に接続することに用いられ、ＤＣバイアス（制御）電圧が二つの第２の金属層の間に印加され、（上面の）放射体アレイのインピーダンスを変更、従って、強誘電層の誘電率を変更することを通じて、共振器、例えば、放射体の共振周波数を変更する。都合の良いことに、前記ビア接続は、無線周波数（ＲＦ）（マイクロ波）電流が一番高い二つの放射体の中心点に接続される。特に、上面層での放射体または共振器の間隔は、約λ0／３０に該当する約０．１ｃｍであり、ここで、λ0はマイクロ波信号の自由空間波長である。ＤＣバイアス電圧の制御を通じて、放射体アレイのインピーダンスは誘導性から容量性なものに変更され、放射体または共振器の共振周波数において無限大に逹することができる。特に、放射体の上面アレイは、約２０×２０個の放射体を有し、強誘電層の誘電率ε（Ｖ）は、約２２５〜２００、または、例えば、５０〜２００００で、その強誘電層は約５０μｍの厚さを有する。なお、これらの値はただ例示として与えられたものであり、何らかの適切な数の放射体ももちろん用いられることができ、先に言及されているように、放射体は円形でも良いし、或は、他の適切な形でも良いことは明らかである。また、強誘電層の誘電率は別の値でも良いが、高い値でなければならない。誘電率は、最大数万、またはそれ以上まで高くても良い。更に、強誘電層の厚さは原理的に代表的な値５０μｍから大きく外れることができる。
【００１３】
反射型放射体アレイの他の実施形に従えば、ただ第１の金属層と第２の金属層があり、その内の第１の（上面）層は放射体（例えば、パッチ共振器）を有し、第２の金属層はパターン化されても良いが、好適にはパターン化されない方が良い。そして、ＤＣバイアス電圧はこれらの二つの金属層に印加され、よって層の間にビア接続も要求されない。
【００１４】
また、他の実施形では、前記構成は、伝送型の構成、例えば、伝送アンテナを有する。第１と第２の金属層を有した前記放射体が２次元アレイに構成され、第１と第２の金属層の間に強誘電層が配置される。特に、第１の上面金属層の放射体と同じ周期性を備えるように構成される放射体を有する第２の金属層もパターン化されるが、その放射体は層または平面上の放射体の間の間隔に実質的に該当する量だけ変位して備えられる。
【００１５】
誘電或は強誘電層は、第１と第２の金属層の側面、即ち、前記強誘電層に接触しない放射体（共振器）アレイに設けられる。特に、ＤＣ電圧はそのアレイに印加され、同じＤＣ電圧が個々の放射体に印加され、強誘電層の誘電率を変更、それ故に、放射体の共振周波数を変更する。特に、その構成は、伝送されたマイクロ波信号の位相を変更するために波面位相変調器を有する。
【００１６】
また、他の実施例では、放射体アレイはＤＣ電圧によって個別的にバイアスされる。特定の実施形において、それはビーム走査アンテナを有することができる。そして、分離したインピーダンスＤＣ分圧器は複数の放射体に接続され、例えば、その１つの分圧器はＸ方向に、もう１つの分圧器はＹ方向に備えられ（前記放射体アレイの一方に一つが、前記放射体アレイの他方に一つが）、Ｘ方向とＹ方向のそれぞれにおいて不均一な電圧分布を可能にし、マイクロ波信号の位相面の調整可能な不均一な変調を可能にしている。
【００１７】
特に、前記インピーダンスは抵抗を含む。他の実施形では、そのインピーダンスはキャパシタを含む。そのインピーダンスの中でいくつかはさらに抵抗を含むことができる一方、その他のインピーダンスはキャパシタを含む。各放射体は、分離した抵抗またはキャパシタを介して、それぞれ個別的にＤＣバイアス電圧に接続されると良い。
【００１８】
強誘電層の厚さは１μｍから最大数ｍｍの間にあることができ、ＤＣバイアス電圧は０ｋＶから最大数ｋＶの範囲をとることができる。
【００１９】
伝送構成の一つの実施形では、第１と第２の金属層は多数の放射体をそれぞれ有し、第１と第２の層の放射体は、異なる構成を有しているか、異なって構成されるかの内、少なくともいずれかとなる。特に、異なる結合手段が、前記第１と第２の層の放射体にそれぞれ設けられる。ＤＣバイアス或は制御電圧が、前記第１と第２の金属層の放射体に印加され、集合的なキャパシタンスを変更する、従って、例えば、前述のようなパッチ共振器であるかもしれない放射体の間の（弱い）容量結合を変更することができる。
【００２０】
また更に、１つ以上の調整可能な放射体アレイは、導波管ホーンと一体化されて、そのホーンが空間でマイクロ波ビームを走査するか、またはマイクロ波信号の位相を変調するようにしても良い。
【００２１】
特に、前記構成は、例えば、フィルタ、或はマルチプレクサ／ディマルチプレクサ等として用いられる３次元の調整可能な放射体アレイを有する。特に、一つの層で放射体または共振器の間の間隔は、強誘電層の入射マイクロ波信号の波長の０．５〜１．５倍に該当する。
【００２２】
本発明は、自由空間或は中空導波管においてマイクロ波／（サブ）ミリメータ波信号を制御したり、或は、その自由空間を介して反射するか伝送されるかの内少なくともいずれかによる信号の位相と振幅の内の少なくともいずれかの分布を変更する何らかの実施形において、上記の説明に従う構成の使用を提案している。
【００２３】
反射型アンテナに対して、両方の金属層はパターン化されても良いが、必ずしもそうする必要はなく、これと逆に、底面の金属層はパターン化されないことが好ましい。特に、入射マイクロ波信号から最も遠く離れている層はパターン化されない。伝送アンテナにおいて一般には、全ての金属層はパターン化される。伝送型と反射型構成の両方に対して、多層構造が用いられ、その構造では、発明の概念に従って、他の方法で構成される複数の金属層と強誘電層を備えることができる。
【００２４】
本発明の概念は多くの適用分野をカバーするものであり、多数の方法で変更がなされても良いことは明らかである。本発明は、半導体に基づく代りに、強誘電層と電磁バンドギャップ構造に基づいた調整可能なインピーダンス表面を提案することである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、本発明を添付図面を参照しながら非限定的な方法でより完全に説明する。
【００２６】
図１Ａは反射型放射体アレイ１０の形態をした構成を有する本発明の第１実施例を示す図である。反射型放射体アレイ１０は、多数の放射体ａ22、ａ23を有する第１の金属層１を有している。図１Ａは放射体アレイの一部のみを示しているだけなので、それらの放射体の内、これらの二つの放射体だけが例示されている。そして、図２には放射体の全体が示されている。
【００２７】
反射型放射体ａ22、ａ23 を有する第１の金属層１と、開口部を有する分離構造を形成するようにパターン化され、ここの開口部に構成要素ｂ12、ｂ13、ｂ14を有する第２の金属層２Ａとの間に、強誘電層３が配置される。構成要素ｂ12、ｂ13、ｂ14は小さな開口部が設けられるように配置されている。強誘電層は、ＤＣ場に依存する高い誘電率ε（Ｖ）を有する。強誘電物質は薄いまたは厚い膜の層であるセラミック等を含むことができる。これらの値はただ例示として与えられているのであるが、ε（Ｖ）は２２５〜２００である。上述のように、ε（Ｖ）は最大２００００、３００００、或はそれ以上まで非常に高くとも良いが、より低くとも良い。誘電率はもちろん、ここで開示され、本発明の概念によりカバーされる全ての実施例に対して、これらの量であることができる。
【００２８】
更なる第２の金属層２Ｂは、第２の金属層２Ａの下に配置され、それらの金属層２Ａ、２Ｂの間には、従来の誘電層４が配置される。“第１の”上方の第２の金属層２Ａにおける孔、或は開口部は、放射体を備えた第１の金属層１と“底面”の金属層２Ｂとの間のビア接続がそこを通過して（最大マイクロ波、或はＲＦ電流に該当する）放射体パッチａ22、ａ23の中心点を第２の金属層２Ｂに電気的に接続するように配置されている。ここで、第２の金属層２ＡがＲＦ接地平面を形成する一方、第２の金属層２ＢはＤＣバイアス平面を形成し、第２の金属層２Ａと２Ｂの間に印加されるＤＣバイアス電圧が強誘電層３の誘電率を変更し、またそれ故にパッチ共振器ａ22、ａ23の共振周波数ｆ（Ｖ）を変更する。この共振周波数ｆ（Ｖ）は、下記の式から推定されるようにε（Ｖ）に依存する。
【００２９】
ｆ（Ｖ）＝ｃn／｛２ａ√（εf（Ｖ））｝
ここで、ａは正方形のパッチ共振器の辺の長さである。
【００３０】
本発明によれば、印加されたＤＣ電磁場に強く依存する高い誘電率を有する強誘電性物質は、放射体のインピーダンスとアレイから反射した入射波の位相分布とを制御することを可能にする。誘電率は高いので、構成、特に、アンテナのサイズは、非常に小さくすることができ（強誘電性物質においてマイクロ波の波長は、上述のように、誘電率の平方根に反比例する）、このことにより、例えば、ＬＴＣＣ（低温共焼成セラミック）、またはエピタキシャル薄膜の技術、またはその類似技術のようなグループ製造技術を用いるモノリシックに集積された放射体アレイの製造が可能になる。これらの物質は、実質的に何の漏（制御）電流もない非常に良い誘電体である。
【００３１】
本発明によれば、放射体、特に、ここでは共振器は、本願で既に論議されたように、電磁バンドギャップ（光バンドギャップ）構造の形態で実装される２次元アレイアンテナを形成する。図１Ａに例示されているように、調整可能な反射型アレイは潜在的に、１〜５０ＧＨzの周波数で有用である。
【００３２】
パッチ放射体は、原理的には、（この実施例のように）正方形、長方形、または円形等のどんな形でも良い。図１Ａの実施例において、ＲＦと表示される第２の金属平面（板）と、ＤＣ金属平面或は金属板とは、パッチ共振器の効果的な接地平面を形成する。
【００３３】
図１Ｂは例として放射体パッチａ22における電流及び電圧マイクロ波分布を示す図である。パッチの中心点で、それはＤＣバイアス面２Ｂと電気的に接続される。その中心点は図面から分かるように電流最大値に該当する。
【００３４】
図２は図１Ａで説明された部分が小さい部分を形成する反射型アレイの全体を単純化して示す図である。ここで、反射型アレイは、列方向に２０個、行方向に２０個が配置された４００個の放射体を有する。各パッチ放射体の一辺は０．８ｍｍと想定する。放射体ピッチ、即ち、二つの放射体の対応する端または中心点の間の距離は、ここでは、約０．１ｃｍであり、おおよそ１／３０×λ0に対応している。λ0は自由空間でマイクロ波の波長である。そして、そのアレイのサイズは、２．０ｃｍ×２．０ｃｍで、λ0＝３ｃｍとなる。ＤＣバイアス電圧を変更することによって、そのアレイのインピーダンスは誘導性インピーダンスから容量性インピーダンスに変更され、共振周波数で無限大に到逹する。この実施例では、強誘電層３の厚さは５０μｍと想定する。なお、パッチ放射体の形、パッチ放射体の数、層厚、グリッドレイアウト等は、ただ例示として与えられていることは明らかである。
【００３５】
図２に開示されているようなアレイは、Ｂａx、Ｓｒ1-xＴｉＯ3、または類似の特性を有する物質のような強誘電性物質の固溶体に基づいてＬＴＣＣのような標準的な対費用効果の高いセラミック技術を用いて製造されると良い。
【００３６】
また、本発明の概念は、正方形や長方形レイアウト以外のグリッドレイアウトにも同様に適用可能であることは明らかである。そのグリッドは、例えば、三角形や他の適切な形のものでも良い。
【００３７】
図３は多数の円形放射体パッチａ'1,1，……ａ'1,6，……ａ'4,1，……ａ'4,6を有する別の反射型アレイ３０の平面図である。多数の円形放射体パッチは、例えば、図１Ａのように強誘電層３'上に配置される。他の特徴としては、その機能は、その間にＤＣバイアスが印加される二つの第２の金属層を備えた図１Ａのアレイ等と類似している。これが必ずしも上記のケースではないが、ＤＣバイアスは、円形放射体パッチを有する第１の金属層と（ただ、例えば、パターン化されていない）第２の金属層（不図示）との間に印加されても良い。
【００３８】
図４は、強誘電体層３″上に配置される数多くの（３個だけ図示されている）反射型放射体パッチ１″備えた構造４０の他の実施形を示す図である。強誘電体層３″は第２の金属層２″の上に配置されている。このケースから分かるように、このケースでは、パターン化されていないただ一つの第２の金属層２が存在する。このケースにおいて、ＤＣバイアス電圧は放射体パッチ自身と第２の金属層２″に印加されなければならない。図３に開示された構成は、従って、断面図の上では、図４の構成、或は図１Ａ、図２の構成２０の一部１０のように見えるかもしれない。
【００３９】
図５は、多数の放射体パッチを有する第１の金属層１3と、第２の金属層２31を有し、第１の金属層１3と第２の金属層２31との間に第１の強誘電層３13が配置され、第２の金属層２31の下に第２の強誘電層３23が配置され、その下に別の第２の金属層２32が存在する反射型放射体アレイを備えた別の構成５０を示す図である。第２の金属層２31、２32は両方ともパターン化されるが、それらは互いに異なる方法でパターン化される。ＤＣバイアス電圧は放射体パッチを有する第１の金属層１3を有する各金属層に印加される。この実施例は、反射型アレイにおける底面層もパターン化されて良いことを示すために単に例示されたものである。しかしながら、おそらくは、それが固体層、即ち、最も好適には図１Ａに示されたような実施例（例えば、それは多層構造であるが）に類似のパターン化されていない層を有するなら、より有益である。
【００４０】
次に、伝送型構成に関する本発明の概念の実施形のいくつかの例について開示する。
【００４１】
図６Ａは、２次元アレイ（図６Ａではパッチｃ8,1，……，ｃ8,8のみ図示）に設けられ、第１の金属層１3を形成する第１のアレイのパッチアンテナｃ1,1，ｃ1,2，……，ｃ8,8を有する伝送型アレイの第１の構成６０の断面図である。第２のアレイのパッチアンテナｄ8,1，……，ｄ8,8は、第２の金属層２3を形成する。これらの二つのアレイ１3、２3のパッチアンテナの間には、調整可能な強誘電膜の層３3が挟み込まれている。本発明の概念はもちろんこれに制限されるものではないが、強誘電膜の厚さは一般に５０μｍ未満で良い。中間の強誘電層３3から離れて対面している第１と第２の金属層１3、２3の側面には、従来の誘電層４Ａ1、４Ａ2が設けられている。第１と第２の金属層は、図６Ａに概略的に示されているようにＤＣバイアスされる。
【００４２】
図６Ｂは、図６Ａに示された構成を誘電層４Ａ1を除去して上方から見た平面図である。この実施例では、ここでは放射体パッチｃ1,1，……，ｃ8,8を有する上層の放射体パッチが図示されている。この実施例では、第１の金属層１3の放射体パッチは、この図には示されていない第２の金属層２3の放射体パッチよりもいくらか大きい。ＤＣ電圧は薄い横線で示されている第２の金属層２3の全ての放射体パッチに印加される。第２の金属層２3の放射体パッチ（不図示）は、第２の金属層の全ての放射体パッチが同一のＤＣ電圧の供給を受けるように列方向に相互接続される。また、第１の金属層１3 はＤＣバイアス電圧に接続され（全ては、図７Ａ、図７Ｂにおけるパッチに対比して同じに）、そして、これらの放射体パッチは、図面から分かるように、行方向に相互接続される。図６Ａ、図６Ｂの構成６０は周波数を調整可能なＥＢＧ波面位相変調器を有する。アレイに供給されるＤＣ電圧は、中間の強誘電層３3の誘電率を変更し、それ故に、放射体の共振周波数を変更する。先で言及したように、図６Ａ、図６Ｂの構成は波面の均一な変調を提供し、ビーム走査は不可能となる。
【００４３】
図７Ａは、多数の放射体パッチで構成される第１の金属層１4'と、また多数の放射体パッチで構成される第２の金属層２4'とを有する別の伝送型構成７０の断面図である。この実施例では、底面層、即ち、第２の金属層２4'の放射体パッチは、第１の金属層１4'の放射体パッチよりいくらか大きい。第１の金属層１4'と第２金属層２4'との間に配置されているのは、前述の実施例のように強誘電層３4'である。また、前述した実施例のように、第１と第２の金属層はそれぞれ、強誘電層３4'から離れその側面が対面している従来の誘電体層４Ａ'1、４Ａ'2によって取り囲まれている。第１と第２の金属層のアレイは図面で示されているように、ここにある抵抗Ｒiの電圧Ｖ（Ｒi）によってＤＣバイアスされる。一般に、アレイの放射体夫々は、波面を調整する目的のために、個別的に電圧バイアスされると良い。断面が示されているところを示す図７Ａの実施例の平面図である図７Ｂに示されているように、単純なバイアス回路は、Ｘ方向とＹ方向に伝送されたビームの走査を可能にしている。ここで、二つの抵抗性ＤＣ分圧器が用いられ、Ｘ方向とＹ方向の夫々に不均一な電圧分布を可能にし、誘電率と放射体の共振周波数の不均一な変化をもたらす。Ｘ方向とＹ方向の分圧器の電圧を変更することによって、位相面の調整可能な不均一な変調と、Ｘ方向とＹ方向に伝送されたビームの走査を達成することが可能となる。
【００４４】
この実施例において、行または列方向の外部放射体パッチに対する接続の間に、抵抗Ｒ1x，Ｒ2x，……，Ｒ7x；Ｒ1y，Ｒ2y，……，Ｒ7yが設けられている。このことは抵抗値が互いに異なることを示唆している。インピーダンス手段（上記の抵抗）は代わりに、キャパシタを有することもできる。
【００４５】
この実施例では、第１の分圧器が第２の（下部）金属層２4'のより大きな放射体パッチに接続される一方、第２の分圧器は、全体が水平に相互接続される第１の上部金属層１4'のいくらか小さいサイズの放射体パッチに接続される（下側の放射体パッチは図面から分かるように垂直に相互接続される）。
【００４６】
しかしながら、第１の金属層１4'と第２の金属層２4'、即ち、中間の強誘電膜３4'の両面（上側及び下側）の放射体は、異なる構成と異なる結合手段を有しても良い。
【００４７】
多くの可能性のある構成の一つを示す図８には、そのような構成８０の一例が示されている。この実施例では、第１の金属層１5の放射体パッチは円形である一方、第２の金属層２5の放射体パッチは長方形である。３5で示されている強誘電膜の層は、円形放射体アレイと長方形放射体アレイとの間に配置される。この実施例では、円形の放射体パッチは分圧器に接続される一方（この図ではインピーダンスが示されていない）、長方形放射体パッチは別の分圧器に接続される（インピーダンスが示されていない）。例えば、図６Ｂと図７Ｂのように、インピーダンスが（個別的にまたはグループ的に放射体パッチに対して）設けられるかどうかに依存して、この実施形では走査を行なったり、またはそのようではないことがある。
【００４８】
図９は多数の強誘電体層３Ａ，……，３Ｇと多数の金属層１Ａ、２Ａ、１Ｂ、２Ｂ、１Ｃ、２Ｃ、１Ｄ、２Ｄとを有する多層構造９０の非常に概略的な断面図である。ＤＣバイアス電圧は、強誘電層を取り囲んでいる金属層に印加される。他の側面から見ると、その機能は上述されたことに類似する。
【００４９】
図１０Ａは、より小さいサイズの正方形の共振器１7を備えた第１の上面層と、より大きいサイズの長方形の放射体パッチを有する第２の金属層２7とを有する弱い（容量）結合されたパッチ共振器のアレイに基づいた調整可能なＥＢＧを基盤とした構造１００を概略的に示す図である。この図面から分かるように、上面層に接続された一つの分圧器を介して、そして底面層に接続されたもう一つの分圧器を介して、ＤＣバイアス電圧が印加される。図１０Ｂは図１０Ａの構成を単純化した断面図である。
【００５０】
図１１は導波管７とホーン８とが一体化した調整可能なＥＢＧアレイを示す図である。ホーンによって輻射されたビームは、放射体構成１０５に依存して、ＥＢＧ構造に印加されたＤＣバイアス電圧を変更することによって空間で変調、または走査される。
【００５１】
光バンドギャップ構造としても示される電磁バンドギャップ構造の形態をした３次元調整可能なアレイが同一の原理を用いて設計され、フィルタリング、デュープレキシング等のような複雑な機能を実行でき、本発明の概念は添付された請求の範囲を逸脱することなく多くの方法で変更できるということは明らかである。多数の側面から、本発明の概念は多くのやり方で変形され、これらは、例えば、強誘電層／金属層が交互に入れ替わる複数の層であるかもしれず、ＤＣバイアス電圧が他の方法で提供され、パッチ放射体は多数の異なる形をとることができ、異なる数で設けられ、異なる物質が強誘電層及び金属層（そして可能性としては周辺誘電層）等に用いられることは明らかである。また、多数の他の側面からみても本発明は具体的に例示された実施例に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１Ａ】反射型放射体アレイの第１実施例の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの実施例の放射体要素のマイクロ波の電流と電圧分布を示す平面図である。
【図２】図１Ａの実施例に従う反射型放射体アレイの全体平面図である。
【図３】別の実施例に従う反射型放射体アレイの平面図を単純化して示す図である。
【図４】反射型放射体アレイの（一部）別の実施例を単純化して示す断面図である。
【図５】多層構造を有する反射型アレイの他の実施例を示す図である。
【図６Ａ】ＥＢＧ波面位相変調器を有する伝送型放射体アレイの断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに従う構成の平面図である。
【図７Ａ】ビーム走査アンテナを有する伝送型放射体アレイの断面図である。
【図７Ｂ】図７Ａの構成の平面図である。
【図８】異なる金属層では異なる形の放射体を有する伝送型放射体アレイの別の実施例の平面図である。
【図９】多層構造を有するさらに別の伝送型放射体アレイを単純化して示す断面図である。
【図１０Ａ】弱い（容量）結合されたパッチ共振器に基づき、第１と第２の金属層において異なって構成された放射体アレイを有する伝送型の構成を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａの構成を単純化して示した断面図である。
【図１１】本発明に従う導波管ホーン及びＥＢＧ構造を一体化するビームスキャナを有する構成を単純化して示す断面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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