(57)【要約】電磁エネルギを結合し放射するシステムおよび方法である。本発明は新規なアンテナ10を含んでおり、そのアンテナは対向する第１の表面14と第２の表面16とを有する第１の誘電体基体12と、第１の表面14上に配置された導電材料のパッチ18と、第２の表面16上に配置された導電材料の接地平面20と、各入力22がフィード点26でパッチ18に結合されている３以上の入力ポート22とを具備している。フィード点26は各入力ポート22から反射される総パワーを最小にするように配置されている。例示的な実施形態では、フィード点26はパッチ18と同一の中心を有する円の周辺に均等に分散されており、各入力22の反射を最小にするように選択された半径を有する。本発明の新しい方法にしたがって、多ソース54の出力はソース54を直接アンテナ10に結合することによりアンテナ10自体中で結合される。【選択図】図９Ｂ
2008505569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁エネルギを放射するアンテナ（10）において、
両側の第１の表面（14）および第２の表面（16）を有する第１の誘電体基体（12）と、
前記第１の表面（14）上に配置された導電材料のパッチ（18）と、
第２の表面（16）上に配置された導電性材料の接地平面（20）と、
それぞれがフィード点（26）において前記パッチ（18）に結合されている少なくとも３個の入力ポート（22）とを具備しており、前記フィード点（26）は各入力ポート（22）から反射される総パワーを最小にするような位置に配置されているアンテナ（10）。
【請求項２】
前記フィード点（26）は、各入力ポート22に対して、前記入力ポート22から直接反射された信号が他の入力ポート（22）からの交差結合された信号によりほぼ消去されるように位置されている請求項１記載のアンテナ。
【請求項３】
前記フィード点（26）はＢ＝ＳＡを最小にするような位置に配置され、ここでＢは各入力ポート（22）における反射された波の振幅のベクトルであり、Ｓはアンテナ（10）のＳパラメータのマトリックスであり、Ａは各入力ポート（22）における入射波の振幅のベクトルである請求項１記載のアンテナ。
【請求項４】
前記パッチ（18）のサイズおよび形状は各入力ポート（22）から反射された総パワーを最小にするように選択されている請求項１記載のアンテナ。
【請求項５】
前記パッチ（18）はＮ重の回転対称を有し、ここでＮは入力ポート（22）の数である請求項１記載のアンテナ。
【請求項６】
前記フィード点（26）は前記パッチ（18）の対称軸を中心とする円周辺に分布されている請求項５記載のアンテナ。
【請求項７】
前記円の半径ｄは各入力ポート（22）から反射された総パワーを最小にするように選択されている請求項６記載のアンテナ。
【請求項８】
前記パッチ（18）は円形である請求項１記載のアンテナ。
【請求項９】
前記パッチ（18）は多数のＮ個の辺を有する多角形の形状であり、ここでＮは入力ポート（22）の数である請求項１記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記入力ポートは、フィード点（26）において前記パッチ（18）に接続されている中心導体（24）と、前記接地平面（20）に接続されている外部導体とを含んでいる同軸コネクタ（22）を備えている請求項１記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記入力ポートは、フィード点（26）において前記パッチ（18）に結合されているマイクロストリップフィードライン（30）を含んでいる請求項１記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子装置に関し、特にマイクロ波アンテナおよびパワー結合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ある応用は、多数のマイクロ波ソースからのパワーが単一の高パワー出力信号を生成するために結合され、それはその後、単一のアンテナより放射されることを必要とする。これは典型的にマイクロストリップパワー結合器のような１以上のパワー結合器を使用して実現され、この結合器は多数の増幅器からのパワーを結合し、それを１以上のマイクロストリップラインを使用して、通常の単一または２ポートアンテナへ供給する。しかしながら、パワー結合器は回路板のスペースの大きな部分を占める。多数のマイクロ波ソースの出力が結合されるならば、パワー結合回路により占有される領域の面積は回路板の全面積の大半となる可能性がある。全てのパワーは１または２つの非常に狭い可能性があるマイクロストリップラインに集中されるので、高パワー応用のためのこのパワー結合方法に関する問題も生じる可能性がある。非常の多くのパワーがマイクロストリップラインを通して供給されるならば、電気的破壊が生じる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
さらに、これらの同じ応用は時にはある程度の偏波ダイバーシティ、即ち単一のアンテナからの（右または左円偏波または水平または垂直の線形偏波のような）異なる偏波を放射する能力を必要とする。
【０００４】
Choi等の“V-band Single-Chip MMIC Oscillator Array Using a 4-port Microstrip Patch Antenna”、2003 IEEE MTT-S Digest、第２巻、2003年６月、881-884頁には、出力が４ポートパッチアンテナを使用して結合される４つの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）発振器のアレイが記載されている。プッシュ−プルモードで動作するＦＥＴ発振器の２つの並列の対は長方形のパッチアンテナの対向面を駆動し、これは４つの発振器の出力を結合し、部分的に各ポートのインピーダンスの不整合によるフィードバックを提供し、強力に結合されたシステムを生成する。即ち、アンテナは発振器アレイの一体的な部分であり、別々に考慮されることはできない。この構造は、インピーダンスの不整合がシステム動作に対して有害ではないので、パワー結合器として効果的である。しかしながら、各ポートが独立したマイクロ波ソースにより駆動されるか、または円偏波された放射が所望される場合には、使用されることができない。
【０００５】
Wang等による米国特許第5,880,694号明細書には、積層されたディスク放射装置を使用するフェイズドアレイアンテナが開示されている。励起プローブの２つの直交対は下部の励起可能なディスクへ結合される。アンテナの偏波は励起プローブの単一対または２つの対がどのように励起されるかに応じて、単一の線形偏波、二重線形偏波、または円偏波であることができる。しかしながら、このアンテナは多数のソースに対するパワー結合器として使用されることができない。
【０００６】
Bhattacharyya等による米国特許第6,549,166号明細書には円偏波された放射を発生することのできる４ポートパッチアンテナが開示されている。このアンテナは放射パッチと、放射パッチの下に配置された少なくとも４つのスロットを有する接地平面と、少なくとも４個の給電回路（各スロットに対して１つ）と、それぞれの出力がフィードネットワークの１つを給電し右円偏波された入力ポートと左円偏波された入力ポートと２つの整合された終端ポートとを有するハイブリッドネットワークとを具備している。アンテナの個々のポートにおける入力インピーダンスはフィードラインの入力インピーダンスに整合される必要はなく、ハイブリッドネットワークの２つの整合された終端ポートはアンテナにより反射されるほとんどのエネルギを吸収し、入力ポートにおける反射損失を増加させる。ハイブリッドネットワークの使用により、２よりも多数のマイクロ波ソースの出力を結合するためのアンテナの使用は阻止される。さらに、ハイブリッドネットワークは構成のため多くの面積を必要とする。
【０００７】
したがって、通常のパワー結合回路の必要性をなくし、高パワー応用および従来技術よりも大きな偏波ダイバーシティを有するマイクロ波エネルギ放射に適切である多数のマイクロ波ソースからのパワーを結合するための改良されたシステムまたは方法が技術で必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この技術の必要性は、本発明の電磁エネルギの結合および放射のためのシステムおよび方法によって解決される。本発明は新規なアンテナを含んでおり、そのアンテナは対向する第１および第２の表面を有する第１の誘電体基体と、その第１の表面上に配置された導電材料のパッチと、第２の表面上に配置された導電性材料の接地平面と、それぞれの入力がフィード点でパッチに結合されている少なくとも３つの入力ポートとを具備している。フィード点の位置とパッチの大きさは各入力ポートから反射された総パワーを最小にするように選択される。示された実施形態では、フィード点は半径ａの円形パッチと同一の中心を有する半径ｄの円周辺に均等に分散されており、ｄとａは各入力における反射を最小にするように選択されている。本発明の新規な方法によれば、多ソースの出力はそのソースを直接アンテナに結合することによって、アンテナ自体で結合される。アンテナは入力の適切なセットにより駆動されるとき、右円偏波と、左円偏波または任意の所望の線形偏波を放射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の有効な教示を説明するため、添付図面を参照にして、例示的な実施形態および例示的な応用を説明する。
【００１０】
本発明を特定の応用についての例示的な実施形態を参照してここで説明するが、本発明はそれに限定されないことを理解すべきである。当業者は本発明の技術的範囲内における付加的な変形、応用、実施形態および、本発明が非常に有用な付加的な分野を認識するであろう。
【００１１】
本発明はパッチアンテナに多数の入力ポートを提供することによって、多数のマイクロ波ソースの出力を予め結合する必要性をなくしている。パワーソースはアンテナに直接結合され、パワーは別々の回路ベースのパワー結合器を使用するのではなく、アンテナ自体で結合される。そうしなければパワー結合器により占有される面積を除去し、他の目的のために使用することができる。放射された全パワーは単一のフィードが使用されるよりも非常に大きい容積にわたって分散され、過剰に高いフィールドによる過熱または電気的破壊の可能性を減少する。本発明は各入力ポートにおける反射損失を増加するため反射消去を使用する。フィード点を適切に位置することにより、個々のポートからの直接反射は他のポートから結合される信号により消去され、付加的なインピーダンス整合回路の必要性をなくすことができる。さらに、本発明にしたがって設計された単一の多ポートパッチアンテナは、入力の適切なセットにより駆動されるとき、右円偏波、左円偏波または任意の所望の線形偏波を放射することができる。
【００１２】
図１の（Ａ）乃至（Ｄ）は本発明の教示による例示的な実施形態にしたがって設計されたアンテナ10の４ポート構造を示す図である。図１の（Ａ）は３次元図を示し、図１の（Ｂ）は側面図を示し、図１の（Ｃ）は正面図を示し、図１の（Ｄ）は背面図を示している。組み立てられたアンテナ10はマイクロストリップパッチアンテナと少なくとも３つの入力ポート22とを含んでいる。パッチアンテナ10は対向する第１および第２の表面14と16を有する誘電体基体12と、第１の表面14上に配置された導電材料のパッチ18と、第２の表面16上に配置された導電性材料の接地平面20からなる。図１の（Ｂ）では、パッチ18と接地平面20の厚さは説明のために誇張されていることに注意すべきである。パッチ自体は通常の印刷回路板エッチング技術を使用して製造されることができる。
【００１３】
図１の（Ａ）乃至（Ｄ）の例示的な実施形態ではパッチ18は円形である。パッチ18の寸法は主として所望の動作周波数によって決定される。半径ａの円形パッチの共振周波数は次式により近似されることがよく知られている。
【数１】
2008505569.tif 000003
【００１４】
ここでｘ’mnは第１の種類、［即ちＪ’mn（ｘ’mn）＝０］のｍ次のベッセル関数Ｊｍ（ｘ）の導関数のｎ番目のゼロを表している。関係する周波数はｍ＝１、ｎ＝１、ｘ’11＝１．８４１の最低次の共振周波数である。例えばμr＝１、εr＝２．２、ｆ＝１．０３ＧＨｚであるならば、パッチ半径はａ＝２．２６４インチでなければならない。
【００１５】
複数の入力ポート22はパッチ18に結合されている。図１の（Ａ）乃至（Ｄ）の例示的な実施形態では、アンテナ10はそれぞれがそのフィード点26、即ち同軸ポート22の中心導体24がパッチ18に取り付けられている点に直接取り付けられている４つの同軸ポート22により与えられる。
【００１６】
図２は、半径ａの円形パッチ18のフィード点26の位置を示す図である。この実施形態では、各入力ポート22はそのフィード点26に直接対向して配置されており、フィード点26は基板12のパッチ側14であり、入力ポート22は基板12の他方の面16にある。本発明の教示にしたがって、フィード点26はパッチ18と同一の中心を有する半径ｄの円周辺に均等に分布されている。図２では、４つのフィード点は１、２、３、４とラベル付けされ、ポート１はポート３に対向し、ポート２はポート４に対向している。
【００１７】
パッチの寸法の適切な選択とフィード点の適切な位置とは、本発明の設計および構造における最も臨界的な要素である。単一ポートのパッチアンテナにより、反射損失はパッチの中心から適切な距離にポートを位置させることにより最大にされる。４ポートパッチアンテナにより、単一ポートの設計では存在しないポート間での交差結合が存在するので、１ポート設計で占有するのと同一位置にポートを単に位置させることができない。即ち、全ての４つのポートが同時に励起されるならば、ポート１における反射される波は例えば全ての４つのポートからの影響、即ちポート１からの直接反射される波と、ポート２、３、４からの交差結合される波とから構成される。
【００１８】
本発明の教示によれば、直接反射されおよび交差結合された波の和が非常に小さくなるように、即ちポート１からの直接反射がポート２、３、４からの交差結合された波によりほぼ消去されるように、フィード点が位置される。この反射消去技術により、各ポートは付加的なインピーダンス整合素子を必要とすることなく整合される。
【００１９】
４つのポートにおける入射波の振幅がＡ1、Ａ2、Ａ3、Ａ4で示されるならば、４つの各ポートにおける反射された波の振幅Ｂ1、Ｂ2、Ｂ3、Ｂ4は次式により与えられる。  
【数２】
2008505569.tif 000004
【００２０】
ここでエレメントＳijは４ポートパッチアンテナのＳパラメータである。円偏波を放射することが所望されるならば、各ポートにおける入力はほぼ等しい振幅で、すぐ隣のポートの入力と９０度位相がずれていなければならない。例えば、
【数３】
2008505569.tif 000005
【００２１】
この入力のセットは右（右廻り）円偏波（ＲＨＣＰ）出力を生成する。左円偏波された（ＬＨＣＰ）出力を得るためには、式（３）では単にＡ2＝ｊ、Ａ4＝ｊとする。式（３）で与えられた入力についての、ポート１における反射された波の振幅は次式によって与えられる。  
Ｂ1＝Ｓ11Ａ1＋Ｓ12Ａ2＋Ｓ13Ａ3＋Ｓ14Ａ4  
＝Ｓ11＋ｊＳ12−Ｓ13−ｊＳ14 
＝Ｓ11−Ｓ13＋ｊ（Ｓ12−Ｓ14）                        ［４］
明らかに、反射された波の振幅は、以下の条件が満たされるならば、完全にゼロに等しい。
【００２２】
Ｓ11＝Ｓ13，  
Ｓ12＝Ｓ14                                                ［５］
図２に示されているようにアンテナとポートの位置の両者は対称的であるので、同一条件が３つの残りのポートで維持される。さらに、パッチとポートの位置の対称は、ポート２からポート１への結合がポート４からポート１への結合とほぼ同一であり、それ故Ｓ12はＳ14とほぼ等しい関係であることが保証される。それ故、反射は｜Ｓ11−Ｓ13｜が最小であるように各４つのポートを位置させるためにパッチの中心から適切な距離ｄを選択することによって最小にされることができる。
【００２３】
プロトタイプの４ポートパッチアンテナはｆ＝１．０３ＧＨｚの周波数で動作するように設計された。式１はパッチ半径のａ0＝２．２６４インチの開始値を計算するために使用された。距離ｄとａは反復的に決定された。図１の（Ａ）乃至（Ｄ）に示されている４ポートパッチでは、最良のパラメータはａ＝２．１９８インチ、ｄ＝０．３８０インチであることが発見された。この設計が製造され、そのＳパラメータはネットワーク解析装置を使用して測定された。図３はプロトタイプの４ポートアンテナにおける測定された実効的な反射損失対周波数のグラフであり、ここでは各ポートにおける反射された波の振幅は式３で与えられた入力のセットにより式２を使用して計算される。実効的な反射損失は対数目盛りで測定される反射されたパワーと入射されたパワーの比の大きさである。
【数４】
2008505569.tif 000006
【００２４】
中心周波数は約２ＭＨｚで高過ぎ、最悪のケースの反射損失は中心周波数で１５ｄＢよりも僅かに小さいことに注意すべきである。中心周波数を補正し、その中心周波数における反射損失を増加するためにさらに設計の改善を行うことができる。
【００２５】
入力位相の異なるセットを選択することにより、線形偏波の波を放射するためにも同じ設計が行われることができる。入力が次式により与えられると仮定する。  
Ａ1＝ｅj0＝１，  
Ａ2＝ｅj0＝１，  
Ａ3＝ｅjπ＝−１，  
Ａ4＝ｅjπ＝−１                                        ［７］
この場合、ポート１における反射された波の振幅は、Ｓ12がＳ14とほぼ等しい（Ｓ12とＳ14は実際のアンテナでほぼ等しい）ので、次式のようになる。
【数５】
2008505569.tif 000007
【００２６】
これは円偏波に関して同じ整合条件であり、それ故、同じアンテナが入力位相の適切な変化を有している偏波を放射する。
【００２７】
実際に、アンテナは入力の位相にしたがって、２つの直交する線形偏波のうちの一方を放射することができる。図４の（Ａ）と（Ｂ）はアンテナの背面から見たときの２つの直交する線形に偏波された出力と、対応する入力を示している。図４の（Ａ）では、入力は式６により与えられ、出力偏波はポート１からポート４への方向である。図４の（Ｂ）では、Ａ1＝１，Ａ2＝−１，Ａ3＝−１，Ａ4＝１であり、出力偏波はポート１からポート２の方向である。
【００２８】
本発明は４つのポートを有する円形の形状のパッチに限定されない。他の形状のパッチが本発明の技術的範囲を逸脱せずに使用されることができる。さらに、本発明は２よりも多数の任意の数の入力ポートを有することができる。図５の（Ａ）は３つの入力ポート22を有する正三角形のパッチ18に関する本発明の例示的な実施形態を示す図である。ポート22は図５の（Ａ）で示されているように、パッチの中心を中心としている円上で１２０゜の間隔で位置されることができる。頂点が３つのポート22である三角形はパッチ18に関して回転されていることに注意する必要がある。ポートは各辺の二等分線に沿って、または各角度の二等分線に沿って位置されることが必要である。
【００２９】
この形状では、各ポート22は他の２つのポートと正確に同じ環境を観察し、それ故、１つのポートが整合されるならば、全てのポートが整合される。同じことが三角形のパッチが円形パッチで置換されている図５の（Ｂ）に示されているアンテナでも当てはまる。
【００３０】
一般的に、ＮポートパッチアンテナはＮ重の回転対称を有する適切な形状図、即ち３６０／Ｎ度の任意の整数倍によりその対称軸を中心に回転されるとき、不変の図を使用することによって構成されることができる。特別なケースは円であり、これはその中心を中心にしての任意の回転で不変である。このようなＮポートパッチアンテナの設計は、各ポートにより“観察される”形状が同じであるとき非常に簡単にされ、それは１つのポートが整合されるならば、全てのポートが整合されるからである。この条件はパッチの対称軸を中心とする円の周辺にポートを等間隔で分布させることにより満足される。円形のパッチの場合、ポートはパッチと同一の中心を有する円の周辺に等しく分布される。
【００３１】
１例として、図６で示されているように配置されたポートを有する１６辺の多角形から構成された８ポートパッチアンテナを考える。ポート22は多角形の回転対称軸を中心とする半径ｄの円上で４５度毎に位置されている。ポート22はポート１とポート５が対向し、ポート２とポート６が対向し、ポート３とポート７が対向し、ポート４とポート８が対向しており、１乃至８のラベルを付けられている。パッチ形状と半径ｄは各ポートから反射された総パワーを最小にするために選択される。入力ポートにおける位相を適切に選択することによって、アンテナは左円偏波（ＬＨＣＰ）と右円偏波（ＲＨＣＰ）のいずれかを放射するように作られることができる。以下はＲＨＣＰの入力のセットの１例である。  
【数６】
2008505569.tif 000008
【００３２】
以下の入力はＬＨＣＰで使用されることができる。  
【数７】
2008505569.tif 000009
【００３３】
例えば、ＲＨＣＰ出力を生成する入力のセットでは、ポート１における全体の反射された波は次式により与えられる。  
【数８】
2008505569.tif 000010
【００３４】
反射された波の振幅を最小にするために、アンテナは次式を最小にするように設計されなければならない。  
【数９】
2008505569.tif 000011
【００３５】
これを実現する手順は前述の４ポート円形パッチの手順に類似している。
【００３６】
一般的に、Ｎ個のポートを有するアンテナに対しては、各ポートへの入力における位相は、左円偏波された反射波を生成するための時計回りの方向または右円偏波された反射波を生成するための反時計回りの方向のいずれかで、３６０／Ｎ度のインクリメントで増加される必要がある。
【００３７】
したがって、８ポートパッチアンテナは右および左円偏波の両者を放射することができる。線形偏波された波は、反対のヘリシティの２つの等しい振幅の円偏波された波の単なる重ね合わせであるので、垂直偏波された出力は次式により与えられるように、対応する円偏波された波を生成する入力の同一の重ね合わせによりアンテナを駆動することにより得られることができる。
【数１０】
2008505569.tif 000012
【００３８】
図７の（Ａ）は式１３により与えられる入力を有する８ポートパッチアンテナを示す図である。出力は（図７の（Ａ）では垂直に）ポート１からポート５の方向で線形偏波される。
【００３９】
水平の線形偏波は次式により、ポート１乃至ポート８に関して９０゜時計回りまたは反時計回りで入力を単に回転することにより入力の同一セットから得られる。
【数１１】
2008505569.tif 000013
図７の（Ｂ）は式１４により与えられる入力を有する８ポートパッチアンテナを示す図である。出力はポート７からポート２の方向で線形偏波される。
【００４０】
全てのポートが同一の形状を観察するという条件は、多ポートパッチアンテナの設計を簡単にするが、不可欠なことではない。異なるポートが異なる形状を観察する他のアンテナ構造は本発明の技術的範囲を逸脱せずに使用されることができる。
【００４１】
図１の（Ａ）乃至（Ｄ）の例示的な実施形態では、アンテナはそれぞれそのフィード点に直接取り付けられている４つの同軸ポートにより与えられる。この構造はフィード点が互いに近いために任意のコネクタが相互に干渉する場合には不便である。アンテナに供給するための他の構造は、本発明の技術的範囲を逸脱せずに使用されることができる。
【００４２】
図８の（Ａ）と（Ｂ）は、フィード点を入力ポートの位置から減結合してアンテナに給電するための代わりの方法による本発明のアンテナ10Ａの例示的な実施形態を示す図である。図８の（Ａ）は正常な状態の図を示し、図８の（Ｂ）は分解図を示している。この構造では、パッチ18は２層回路の１つの外部表面上に位置し、マイクロストリップフィードネットワーク30は他の表面上に位置している。パッチ18は第１の誘電体基体12の第１の表面上にあり、接地平面20は第１の誘電体基体12の第２の表面上に位置する。第２の誘電体基体32の第１の表面は接地平面20上に位置し、マイクロストリップフィードネットワーク30は第２の誘電体基体32の第２の表面に位置する。したがってパッチアンテナ18とマイクロストリップフィードネットワーク30は共通の接地平面を共有する。各ポート22（即ち同軸コネクタ）はマイクロストリップへの転移部を形成している。マイクロストリップ伝送線30はその後、ポート22により与えられたエネルギをアンテナ18上の対応するフィード点26の直接下の点へ伝送する。この地点で、金属のプローブ34はエネルギをマイクロストリップ伝送線30から共通の接地平面20中の穴を通してパッチ18の下部表面上のフィード点26へ伝送する。
【００４３】
このアンテナ給電方法には幾つかの利点がある。第１に、（フィード点の間の距離がコネクタのサイズよりも小さい場合に）高周波数で隣接コネクタ間の機械的干渉に気づかう必要がないので、これは全ての周波数に対する多ポートパッチアンテナをスケーリングすることを可能にする。さらに、回路のボードのマイクロストリップフィード側の領域を使用することも可能にする。例えばアンテナに供給するマイクロ波ソースを大きい反射から保護することが必要とされるならば、表面に取り付けられたアイソレータがアンテナの後部に取り付けられることができ、大きいシステムのどこか他の場所に回路板を設ける必要性をなくすことができる。
【００４４】
図９Ａと図９Ｂは、本発明の現在における最良モードの実施形態を示す図である。図９Ａは正常な状態を示し、図９Ｂは多ポートパッチアンテナの４ポートバージョンの分解図を示している。アンテナ10Ｂは２つの誘電体基体12と32を含んでいる。（この例では円形の）パッチ18は第１の誘電体基体12の第１の表面上に配置されている。第１の基体12の第２の表面は第２の基体32の第１の表面に面している。接地平面20は第２の基体32の第２の表面に配置されている。同軸コネクタ22はマイクロ波エネルギを、２つの誘電体基体12と32との間に挟まれているマイクロストリップフィードライン30に供給する。４つの同軸コネクタ22は円形パッチ18を囲む円で配置されて、接地平面20に取り付けられている。同軸ポート22の中心導体はそれぞれマイクロストリップフィードライン30に接続されている。各同軸ポート22に対して、対応するマイクロストリップフィードライン30の終端部からの接続点の距離は、同軸ポートとマイクロストリップの転移部からの反射されるパワーを最小にするように選択されている。マイクロストリップフィードライン30はマイクロ波信号をフィードラインの端部40へ伝送し、そこでこの信号はパッチ18と接地平面20との間の容積に対して放射される。フィードラインの端部40の位置は、他の実施形態のフィード点26について前述した方法と類似の方法で決定される。この例では、フィードラインの端部40はパッチ18と同一の中心を有する円で均等に分布されている。
【００４５】
最良のモードの実施形態を使用するプロトタイプの４ポートパッチアンテナが構成された。設計手順は前述した４ポートの円形のパッチの設計手順と同じである。図９Ａおよび９Ｂに示されている４ポートのパッチでは、円形パッチ18の半径ａは２．０７３インチであり、４つの各マイクロストリップフィードライン30の端部は半径１．７２インチの円上に配置されている。第１の基体12と第２の基体32の両者は厚さ０．１２５インチであり、誘電定数２．２を有している。図１０は、プロトタイプの４ポートアンテナにおける測定された実効的な反射損失対周波数のグラフである。中心周波数は約５ＭＨｚで非常に高く、最悪のケースの反射損失は中心周波数で約２７ｄＢであることに注意する必要がある。中心周波数を補正し、個々のポートの中心周波数における分散を減少するためにさらに設計の改善を行うことができる。
【００４６】
図１１の（Ａ）と（Ｂ）は本発明の教示による例示的な実施形態により設計されたアンテナの１６ポートのバージョンを示している。図１１の（Ａ）は正常な状態を示し、図１１の（Ｂ）は分解図を示している。アンテナ10Ｃは１６個のポート22とマイクロストリップフィードライン30を有する点を除いて、図９Ａと９Ｂのアンテナに類似している。このアンテナは円偏波された波を放射するように設計されている。これを実現するため、各ポートに対する入力の位相は２２．５度のインクリメントで増加し、即ち（任意のポートがポート１として選択されることができる場合）ポート１が０度ならば、ポート２に対する入力の位相は２２．５度でなければならず、ポート３に対する入力の位相は４５度でなければならず、ポートからポートへは左円偏波された放射波を生成する時計回り方向または右円偏波された放射波を生成する反時計回り方向に進行する。
【００４７】
プロトタイプの１６ポートパッチアンテナは図１１の（Ａ）と（Ｂ）に示されている設計を使用して構成された。図１１の（Ａ）と（Ｂ）に示されている１６ポートパッチでは、円形パッチ18の半径ａは２．０２３インチであり、１６個の各マイクロストリップフィードライン30の端部は半径１．９０８インチの円上に配置されている。第１の基体12と第２の基体32の両者は厚さ０．１２５インチであり、２．２の誘電定数を有している。図１２は、プロトタイプの１６ポートアンテナの各ポートにおける測定された実効的な反射損失対周波数のグラフである。中心周波数は約７ＭＨｚで非常に高く、最悪のケースの反射損失は中心周波数で約２１ｄＢであることに注意すべきである。中心周波数を補正し、個々のポートの中心周波数における分散を減少するためにさらに設計の改善を行うことができる。
【００４８】
本発明はアンテナの各ポートに対する入力における位相および振幅を制御する手段が設けられることを必要とする。振幅および位相制御は幾つかの手段により実現されることができる。図１３は、本発明の教示にしたがって設計された高パワーマイクロ波エネルギを放射するための例示的なモジュール50を示している。多くの場合、アンテナ10の各ポート22は別々のマイクロ波電力増幅器54により駆動される。振幅制御装置56は各増幅器54への入力の振幅の制御に使用され、位相制御装置58は各増幅器54への入力の位相の制御に使用される。各増幅器54により増幅されたマスター信号はマスター発振器52から得られることができ、それによって各振幅制御装置56への入力は同位相である。デジタル的に制御される可変減衰器を含めた複数の異なる手段が振幅制御装置56の構成に利用可能である。位相制御装置58は各増幅器54の入力または出力におけるフェライト位相シフタまたはデジタル遅延ラインの形態を取ることができる。アンテナ10の各ポート22に対する入力において所望の位相を生成するのに必要な長さに切断された伝送線（例えば同軸ケーブル）を使用して、アンテナ10を各増幅器54の出力へ単に接続することにより位相シフトを“ハードワイヤ”とすることも可能である。
【００４９】
以上、本発明を特定の応用についての特定の実施形態を参照にして説明した。当業者はこの発明の技術的範囲内で付加的な変更、応用実施形態を認識するであろう。
【００５０】
それ故、特許請求の範囲によって、本発明の技術的範囲内で、任意または全てのこのような応用、変形、実施形態をカバーすることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の教示による例示的な実施形態により設計されたアンテナの４ポート構造を示す３次元図と、側面図と、正面図と、背面図。
【図２】本発明の教示による例示的な実施形態による円形パッチ中のフィード点の位置を示す図。
【図３】本発明の教示による例示的な実施形態により設計されたプロトタイプの４ポートアンテナにおける測定された実効反射損失対周波数のグラフ。
【図４】本発明の教示による例示的な実施形態により設計された４ポートアンテナの２つの直交する線形偏波出力と、対応する入力とを示す図。
【図５】正三角形のパッチおよび３つの入力ポートを有する本発明の例示的な実施形態と、円形パッチおよび３つの入力ポートを有する本発明の例示的な実施形態を示す図。
【図６】１６辺のパッチおよび８つの入力ポートを有する本発明の例示的な実施形態を示す図。
【図７】本発明の教示による８ポートアンテナの２つの直交する線形偏波された出力を示す図。
【図８】アンテナに給電するための別の方法による本発明のアンテナの例示的な実施形態における正規図と、分解図。
【図９Ａ】本発明の現在の最良モードの実施形態における正規図。
【図９Ｂ】本発明の現在の最良モードの実施形態における分解図。
【図１０】本発明の教示による例示的な実施形態により設計されたプロトタイプの４ポートアンテナにおける測定された実効反射損失対周波数のグラフ。
【図１１】本発明の教示による例示的な実施形態により設計されたアンテナの１６ポートのバージョンを示す図。
【図１２】本発明の教示による例示的な実施形態により設計されたプロトタイプの１６ポートアンテナにおける測定された実効反射損失対周波数のグラフ。
【図１３】本発明の教示により設計された高パワーマイクロ波エネルギを放射するための例示的なシステムを示す図。
【図１】
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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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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