(57)【要約】【課題】  ワイヤレスフィデリティおよび他の無線通信ネットワーク、特にマルチホップアドホックネットワーク内で使用するのに適している低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナを提供する。また給電回路により給電される複数のリニアフェイズドアレイアンテナを備えるアンテナア実装のさまざまな実施形態を提供する。【解決手段】  給電回路は、同軸伝送線路、ストリップライン伝送線路、マイクロストリップ伝送線路、またはコプレーナ導波路伝送線路などの平行線伝送線路として実装される。給電回路ネットワークの選択された分岐は、高誘電率誘電体素子が移相を制御できるように配向され、サイズが決められた伝送線路移相器を備える。給電回路は、移相が制御可能な移相給電部を形成する。移相は、高誘電率誘電体素子と給電回路の移相分岐線との間の空間の制御か、高誘電率誘電体素子の誘電率の電気的な制御により、電気機械式な手段で制御できる。【選択図】  図６
2005184827.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナであって、
複数のアンテナ素子と、
複数の移相伝送線路を含む、前記アンテナ素子に接続されている給電回路と、
前記給電回路の前記複数の移相伝送線路の上方に位置する高誘電率誘電体素子と、
前記高誘電率誘電体素子の誘電率の前記給電回路の前記複数の移相伝送線路との相互作用を制御するコントローラと、
を備えることを特徴とするフェイズドアレイアンテナ。
【請求項２】
前記複数のアンテナ素子は、直線状に配列されることを特徴とする請求項１に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項３】
誘電体シートを含み、前記給電回路は前記誘電体シートの表面上に配置されることを特徴とする請求項１に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項４】
前記複数のアンテナ素子も、前記誘電体シートの表面上に配置されることを特徴とする請求項３に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項５】
前記複数のアンテナ素子および前記給電回路は、前記誘電体シートの同じ表面上に配置されることを特徴とする請求項４に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項６】
前記誘電体シートのもう一方の表面上に配置された第２の複数のアンテナ素子および第２の給電回路であって、前記第２の給電回路は前記第２の複数のアンテナ素子に接続され、前記第２の給電回路は複数の移相伝送線路を含むことと、
前記複数の移相伝送線路の上方に位置する第２の高誘電率誘電体素子であって、前記コントローラは、前記第２の高誘電率誘電体素子の誘電率の前記第２の給電回路の前記複数の移相伝送線路との相互作用を制御することと、
を備えることを特徴とする請求項５に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項７】
前記誘電体シートはプリント回路基板シートであり、前記複数のアンテナ素子および前記給電回路は、前記アンテナ素子および前記給電回路を前記プリント回路基板上に印刷することにより製作されることを特徴とする請求項４に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項８】
前記高誘電率誘電体素子は、ルチル（二酸化チタン）およびアルカリ土類金属を含有するルチルの化合物からなるグループから選択された材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項９】
前記アルカリ土類金属は、バリウムおよびストロンチウムからなるグループから選択されることを特徴とする請求項８に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１０】
前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対する、前記高誘電率誘電体素子の誘電率の相互作用を制御する前記コントローラは、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対する前記高誘電率誘電体素子の位置を制御する電気機械的システムを備えることを特徴とする請求項１に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１１】
前記高誘電率誘電体素子は、高誘電率誘電体を含む平面層であり、前記層を前記移相伝送線路に向かっておよび前記移相伝送路から離れて移動することにより、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対して、前記層が位置決めされることを特徴とする請求項１０に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１２】
前記高誘電率誘電体層は、誘電体で形成される支持層および前記誘電体支持層上に取り付けられた複数のスラグを備えることを特徴とする請求項１１に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１３】
前記高誘電率誘電体層は、自己支持層であることを特徴とする請求項１１に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１４】
前記高誘電率誘電体素子は、高誘電率材料を含む円柱であり、前記円柱の軸からオフセットされた軸に沿って前記円柱を回転させることにより、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対して、前記円柱が位置決めされることを特徴とする請求項１０に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１５】
前記高誘電率誘電体素子は強誘電体で形成され、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対する、前記高誘電率誘電体素子の誘電率の相互作用を制御する前記コントローラは、前記強誘電体に加えられる電気エネルギーを制御することを特徴とする請求項１に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１６】
前記複数のアンテナ素子は８個の素子であり、前記複数の移相伝送線路は、１つの長い移相伝送線路と、２つの中間の長さの移相伝送線路と、４つの短い移相伝送線路とを備えることを特徴とする請求項１に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１７】
前記中間の長さの移相伝送線路の長さは、前記長い移相伝送線路の長さの１／２であり、前記短い移相伝送線路の長さは、前記中間の長さの移相伝送線路の長さの１／２であることを特徴とする請求項１６に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１８】
前記短い移相伝送線路は同軸上に配列され、前記中間の長さの移相伝送線路も同軸上に配列され、前記長い移相伝送線路、前記中間の長さの移相伝送線路、および前記短い移相伝送線路は互いに平行に配置されることを特徴とする請求項１７に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項１９】
前記長い移相伝送線路は、前記アンテナ素子のうちの１つ、前記中間の長さの移相伝送線路のうちの１つ、および前記短い移相伝送線路のうちの１つに接続され、
前記短い移相伝送線路のうちの前記１つは、前記アンテナ素子のうちの他の１つに接続され、
前記中間の長さの移相伝送線路のうちの前記１つは、前記アンテナ素子のうちのさらに他の１つおよび前記短い移相伝送線路のうちの第２の短い移相伝送線路に接続され、
前記短い移相伝送線路のうちの前記第２の短い移相伝送線路は、前記アンテナ素子のうちのさらに他の１つに接続され、
前記中間の長さの移相伝送線路のうちの前記第２の中間の長さの移相伝送線路は、前記アンテナ素子のうちのさらに他の１つおよび前記短い移相伝送線路のうちの第３の短い移相伝送線路に接続され、
前記短い移相伝送線路のうちの前記第３の短い移相伝送線路は、さらに他のアンテナ素子に接続され、
前記第４の移相伝送線路は、前記アンテナ素子のうちのさらに他のアンテナ素子に接続され、
前記長い移相伝送線路、前記中間の長さの移相伝送線路のうちの前記第２の中間の長さの移相伝送線路、および前記短い移相伝送線路のうちの前記第４の短い移相伝送線路は、端子および前記８つのアンテナ素子のうちの残り１つに接続されることを特徴とする請求項１８に記載の低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ。
【請求項２０】
低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナであって、
ａ）Ｌ字型筐体と、
ｂ）４つのリニアフェイズドアレイアンテナであって、前記アンテナのうちの２つは反対方向を指向するように前記Ｌ字型筐体の各脚内に取り付けられ、前記リニアフェイズドアレイアンテナのそれぞれは、
ｉ）誘電体シートと、
ｉｉ）前記誘電体シートの表面上に配置されている複数のアンテナ素子と、
ｉｉｉ）複数の移相伝送線路を含み、前記誘電体シートの表面上に配置されており、前記アンテナ素子に接続された給電回路と、
ｉｖ）前記給電回路の前記複数の移相伝送線路の上方に位置する高誘電率誘電体素子とを備えることと、
ｃ）前記高誘電率誘電体素子の誘電率の、前記高誘電率誘電体素子が上方に位置する前記給電回路の前記複数の移相伝送線路との相互作用を制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項２１】
前記複数のアンテナ素子および前記給電回路は、前記誘電体シートの同じ表面上に配置されることを特徴とする請求項２０に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項２２】
前記誘電体シートは、前記Ｌ字型筐体の同じ１つの前記脚の中にある前記リニアフェイズドアレイアンテナに対して、共通であることを特徴とする請求項２１に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項２３】
前記誘電体シートはプリント回路基板シートであり、前記複数のアンテナ素子および前記給電回路は、前記アンテナ素子および前記給電回路を前記プリント回路基板上に印刷することにより製作されることを特徴とする請求項２０に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項２４】
前記高誘電率誘電体素子は、ルチル（二酸化チタン）およびアルカリ土類金属を含有するルチルの化合物からなるグループから選択された材料で形成されることを特徴とする請求項２０に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項２５】
前記アルカリ土類金属は、バリウムおよびストロンチウムからなるグループから選択されることを特徴とする請求項２４に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項２６】
前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対する前記高誘電率誘電体素子の誘電率の相互作用を制御する前記コントローラは、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対する前記高誘電率誘電体素子の位置を制御する電気機械的システムを備えることを特徴とする請求項２０に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項２７】
前記高誘電率誘電体素子は、高誘電率誘電体を含む平面層であり、前記層を前記移相伝送線路に向けて移動することおよび前期移相伝送線路から遠ざけることにより、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対して、前記層が位置決めされることを特徴とする請求項２６に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項２８】
前記高誘電率誘電体層は、誘電体で形成される支持層および前記誘電体支持層上に取り付けられた複数のスラグを含むことを特徴とする請求項２７に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項２９】
前記高誘電率誘電体層は、自己支持層であることを特徴とする請求項２７に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項３０】
前記高誘電率誘電体素子は、高誘電率材料を含む円柱であり、前記円柱の軸からオフセットされた軸に沿って前記円柱を回転することにより、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対して、前記円柱が位置決めされることを特徴とする請求項２６に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項３１】
前記高誘電率誘電体素子は強誘電体で形成され、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対する、前記高誘電率誘電体の誘電率の相互作用を制御する前記コントローラは、前記強誘電体に加えられる電気エネルギーを制御することを特徴とする請求項２０に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項３２】
前記複数のアンテナ素子は、８個の素子であり、前記複数の移相伝送線路は、１つの長い移相伝送線路と、２つの中間の長さの移相伝送線路と、４つの短い移相伝送線路とを備えることを特徴とする請求項２０に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項３３】
前記中間の長さの移相伝送線路の長さは、前記長い移相伝送線路の長さの１／２であり、前記短い移相伝送線路の長さは、前記中間の長さの移相伝送線路の長さの１／２であることを特徴とする請求項３２に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項３４】
前記短い移相伝送線路は同軸上に配列され、前記中間の長さの移相伝送線路も同軸上に配列され、前記長い移相伝送線路、前記中間の長さの移相伝送線路、および前記短い移相伝送線路は互いに平行に配置されることを特徴とする請求項３３に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項３５】
前記長い移相伝送線路は、前記アンテナ素子のうちの１つ、前記中間の長さの移相伝送線路のうちの１つ、および前記短い移相伝送線路のうちの１つに接続され、
前記短い移相伝送線路のうちの前記１つは、前記アンテナ素子のうちの他の１つに接続され、
前記中間の長さの移相伝送線路のうちの前記１つは、前記アンテナ素子のうちのさらに他の１つおよび前記短い移相伝送線路のうちの第２の短い移相伝送線路に接続され、
前記短い移相伝送線路のうちの前記第２の短い移相伝送線路は、前記アンテナ素子のうちのさらに他の１つに接続され、
前記中間の長さの移相伝送線路のうちの前記第２の中間の長さの移相伝送線路は、前記アンテナ素子のうちのさらに他の１つおよび前記短い移相伝送線路のうちの第３の短い移相伝送線路に接続され、
前記短い移相伝送線路のうちの前記第３の短い移相伝送線路は、さらに他のアンテナ素子に接続され、
前記第４の移相伝送線路は、前記アンテナ素子のうちのさらに他の素子に接続され、
前記長い移相伝送線路、前記中間の長さの移相伝送線路のうちの前記第２の中間の長さの移相伝送線路、および前記短い移相伝送線路のうちの前記第４の短い移相伝送線路は、端子および前記８つのアンテナ素子のうちの残り１つに接続されることを特徴とする請求項３４に記載の低コストの操向可能な３６０°フェイズドアレイアンテナ。
【請求項３６】
フェイズドアレイアンテナで使用するのに適する低コストの給電回路であって、
複数の移相伝送線路と、
前記複数の移相伝送線路の上方に位置する高誘電率誘電体素子と、
前記高誘電率誘電体素子の誘電率の、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路との相互作用を制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする給電回路。
【請求項３７】
誘電体シートを含み、前記複数の移相伝送線路は前記誘電体シートの片面上に配置されることを特徴とする請求項３６に記載の低コストの給電回路。
【請求項３８】
前記高誘電率誘電体素子は、ルチル（二酸化チタン）およびアルカリ土類金属を含有するルチルの化合物からなるグループから選択された材料で形成されることを特徴とする請求項３６に記載の低コストの給電回路。
【請求項３９】
前記アルカリ土類金属は、バリウムおよびストロンチウムからなるグループから選択されることを特徴とする請求項３８に記載の低コストの給電回路。
【請求項４０】
前記高誘電率誘電体素子の誘電率の、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対する相互作用を制御する前記コントローラは、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対する前記高誘電率誘電体素子の位置を制御する電気機械システムを備えることを特徴とする請求項３６に記載の低コストの給電回路。
【請求項４１】
前記高誘電率誘電体素子は高誘電率誘電体を含む平面層であり、前記層を前記移相伝送線路に向けて移動することおよび前記移送伝送路から遠ざけることにより、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対して、前記層が位置決めされることを特徴とする請求項３６に記載の低コストの給電回路。
【請求項４２】
前記高誘電率誘電体層は、誘電体で形成される支持層および前記誘電体支持層上に取り付けられた複数のスラグを含むことを特徴とする請求項４１に記載の低コストの給電回路。
【請求項４３】
前記高誘電率誘電体層は、自己支持層であることを特徴とする請求項４１に記載の低コストの給電回路。
【請求項４４】
前記高誘電率誘電体素子は高誘電率材料を含む円柱であり、前記円柱の軸からオフセットされた軸にそって前記円柱を回転することにより、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対して、前記円柱が位置決めされることを特徴とする請求項３６に記載の低コストの給電回路。
【請求項４５】
前記高誘電率誘電体素子は強誘電体で形成され、前記給電回路の前記複数の移相伝送線路に対する、前記高誘電率誘電体の誘電率の相互作用を制御する前記コントローラは、前記強誘電体に加える電気エネルギーを制御することを特徴とする請求項３６に記載の低コストの給電回路。
【請求項４６】
前記誘電体シートはプリント回路基板シートであり、前記給電回路は前記給電回路を前記プリント回路基板上に印刷することにより製作されることを特徴とする請求項３６に記載の低コストの給電回路。
【請求項４７】
前記複数の移相伝送線路は、１つの長い移相伝送線路、２つの中間の長さの移相伝送線路、および４つの短い移相伝送線路を備えることを特徴とする請求項３６に記載の低コストの給電回路。
【請求項４８】
前記中間の長さの移相伝送線路の長さは、前記長い移相伝送線路の長さの１／２であり、前記短い移相伝送線路の長さは、前記中間の長さの移相伝送線路の長さの１／２であることを特徴とする請求項４７に記載の低コストの給電回路。
【請求項４９】
前記短い移相伝送線路は同軸上に配列され、前記中間の長さの移相伝送線路も同軸上に配列され、前記長い移相伝送線路、前記中間の長さの移相伝送線路、および前記短い移相伝送線路は互いに平行に配置されることを特徴とする請求項４８に記載の低コストの給電回路。
【請求項５０】
前記長い移相伝送線路は、前記中間の長さの移相伝送線路のうちの１つおよび前記短い移相伝送線路のうちの１つに接続され、前記中間の長さの移相伝送線路のうちの前記１つは、前記短い移相伝送線路のうちの第２の短い移相伝送線路に接続され、前記中間の長さの移相伝送線路のうちの前記第２の中間の長さの移相伝送線路は、前記短い移相伝送線路のうちの第３の短い移相伝送線路に接続されることを特徴とする請求項４９に記載の低コストの給電回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナに関し、より詳細には、フェイズドアレイアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
アンテナは、一般に、無指向性アンテナと操向可能アンテナ（ｓｔｅｅｒａｂｌｅ  ａｎｔｅｎｎａ）の２種類に分けられる。無指向性アンテナでは信号の送受信は無指向性である、つまり全方向に信号を送信し、全方向から信号を受信する。単一ダイポールアンテナは、無指向性アンテナの一例である。無指向性アンテナは、安価であり、（例えば、信号を複数の場所から受信しかつ／または複数の場所に送信する必要があるため）信号の送受信の方向が知られていないか、または変化する環境で広く使用されている。しかし、無指向性アンテナには大きな欠点がある。無指向性という性質上、無指向性アンテナの電力信号必要条件が比較的高い。送信電力必要条件が高いのは、送信信号が特定の場所に向けて送信されるのではなく、全方向に送信されるからである。信号受信は無指向性なので、信号を検出するため送信信号源の電力必要条件は比較的高くなければならない。
【０００３】
操向可能（ｓｔｅｅｒａｂｌｅ）アンテナは、無指向性アンテナの電力必要条件の問題を克服する。しかし、過去において操向可能アンテナは高価であった。より具体的には、操向可能アンテナは、受信される信号の発信源または送信される信号の受信機の場所を「指向（ｐｏｉｎｔ）」する。操向可能アンテナは、一般に、機械式操向可能アンテナと電子式操向可能アンテナの２種類に分けられる。機械式操向可能アンテナでは、機械的なシステムを使用してアンテナ構造物を操向（ｓｔｅｅｒ）する。機械システムにより操向される大半のアンテナ構造物は、パラボラ反射鏡（ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）素子およびパラボラの焦点に置かれた送信および／または受信素子を備える。電子式操向可能アンテナは複数のアンテナ素子を使用するものであり、それらのアンテナ素子により送信および／または受信される信号の位相を制御することにより「操向」される。電子式操向可能アンテナは、通常、フェイズドアレイアンテナと呼ばれる。複数のアンテナ素子が直線状に配列されている場合、このアンテナをリニアフェイズドアレイアンテナ（ｌｉｎｅａｒ  ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ａｎｔｅｎｎａ）と呼ぶ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、フェイズドアレイアンテナは、さまざまな環境、特に、重要な軍事、航空宇宙、および携帯電話環境で広く使用されるようになったが、従来、フェイズドアレイアンテナには１つの大きな欠点があった。製造コストが高かったのである。製造コストが高いのは、主に、アンテナ素子の給電経路内に移相器とも呼ばれる多数の可変時間遅延素子が必要だからである。以前には、それぞれの素子により生じる時間遅延または移相は、何らかの予測可能なスケジュールに従って独立して制御されていた。一般に、時間遅延または移相の独立制御は、共振回路のキャパシタンスおよび／またはインダクタンスの精度の高い制御を必要とする。キャパシタンスおよびインダクタンスを制御するために機械装置を使用できるが、最新の時間遅延または移相回路では、バラクタなどの電子制御デバイスを使用し、回路により生じる時間遅延または移相を制御する。フェイズドアレイアンテナのコストは、セクタ指向／スイッチングフェイズドアレイアンテナ（ｓｅｃｔｏｒ  ｐｏｉｎｔｉｎｇ  ａｎｄ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ａｎｔｅｎｎａ）により低減できるが、そのようなアンテナの指向能力は比較的粗い。セクタ指向／スイッチングフェイズドアレイアンテナでは、ピンダイオードにより位相の遅延を切り換えて、セクタ間のスイッチングを行うマイクロ波スイッチング技術を使用することが多い。セクタ指向／スイッチングフェイズドアレイアンテナは、正確な位置を指しているのではなく、扇形部分を指している。したがって、無指向性アンテナのように、位置指向フェイズドアレイアンテナ（ｌｏｃａｔｉｏｎ  ｐｏｉｎｔｉｎｇ  ｐｈａｓｅｄ  ａｒｒａｙ  ａｎｔｅｎｎａｓ）よりも大きな電力の信号を必要とする。
【０００５】
高価であるため、従来、フェイズドアレイアンテナは低コストの無線ネットワーク環境には使用されなかった。例えば、以前のフェイズドアレイアンテナは、ワイヤレスフィデリティ（ＷｉＦｉ）ネットワークで使用されることはなかった。そのため、フェイズドアレイアンテナの大きな利点が低コストの無線ネットワーク環境では活かされていなかった。そこで、比較的精度の高い指向性を持つ低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナが必要である。本発明は、このようなアンテナを実現することを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、本発明は、ワイヤレスフィデリティ（ＷｉＦｉ）およびその他の無線通信ネットワーク環境で使用するのに好適な低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナを対象とする。本発明の実施形態は、マルチホップアドホック無線信号伝送ネットワーク（ｍｕｌｔｉ−ｈｏｐ  ａｄ  ｈｏｃ  ｗｉｒｅｌｅｓｓ  ｓｉｇｎａｌ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ）で使用するのに理想的である。
【０００７】
本発明により形成されたフェイズドアレイアンテナは、給電回路（ｃｏｒｐｏｒａｔｅ  ｆｅｅｄ）により給電される複数のアンテナ素子を備える。給電回路は、１本の伝送線路として実装される。給電回路の選択された分岐は、高誘電率誘電体素子の誘電率により関係のある方法で分岐の移相を制御できるように配置されサイズが決められる。したがって、給電回路は、移相アンテナ給電装置を形成する、つまり、選択された分岐が関連する方法で移相制御可能であるアンテナ給電装置を形成する。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、給電回路の選択された分岐、つまり、移相制御可能な分岐は、互いに平行であり、密集している。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、アンテナ素子は直線状に配列される。
【００１０】
本発明のさらに他の態様によれば、移相は、高誘電率誘電体素子と給電回路の移相分岐との間の空間を制御することにより電気機械的な手段により制御される。
【００１１】
本発明のさらに他の態様によれば、高誘電率誘電体素子は平面形状であり、移相は、素子の平面を給電回路の移相分岐に向けて移動することおよび移動分岐から遠ざけることにより制御される。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、高誘電率誘電体素子は、円柱の軸からオフセットされる回転の軸を有する円柱の形をとる。移相は、素子と給電回路の移相分岐との間の空間が変化するように円柱状素子を回転することにより制御される。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、移相は、高誘電率誘電体素子の誘電率を電気的に制御することにより電子的に制御される。
【００１４】
本発明のさらに他の態様によれば、操向可能フェイズドアレイアンテナは、４つの別々のリニアフェイズドアレイアンテナを備える１つのアセンブリであり、各アンテナは、Ｌ字型筐体の１つのアームの片側から外へ指向し、９０°の象限をカバーするように配置される。アンテナはそれぞれ異なる９０°象限をカバーし、それらの象限は重なり合わないため、アンテナアセンブリは３６０°の円弧を網羅する。したがって、アンテナアセンブリは、指向される位置が置かれている象限をカバーするアンテナを選択し、選択されたアンテナをその位置に指向させることにより任意の方向に「指向する」ことができる。
【００１５】
本発明のさらに他の態様によれば、リニアフェイズドアレイアンテナ素子および給電回路は、プリント回路基板形態で実装される。
【００１６】
本発明のさらに他の態様によれば、アンテナ素子および給電回路は、従来のプリント回路基板手法を使って１枚の誘電体シート上に印刷される。
【００１７】
本発明のさらに他の態様によれば、アンテナ素子および給電回路は、誘電体シートの反対側の表面に配置される。
【００１８】
本発明のさらに他の態様によれば、アンテナ素子および給電回路は、誘電体シートの同じ表面に配置される。
【００１９】
本発明のさらに他の態様によれば、アンテナ素子の第１の組および第１の給電回路は、誘電体シートの一方の面に配置され、アンテナ素子の第２の組および第２の給電回路は、誘電体シートの他方の面に配置される。
【発明の効果】
【００２０】
前述の発明の開示から容易にわかるように、本発明は、低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナを実現する。フェイズドアレイアンテナが低コストなのは、アンテナの素子に給電をする給電回路の中の、選択された分岐により生じる移相を制御するために、一般的な高誘電率誘電体素子が使用されているからである。本発明により形成されるフェイズドアレイアンテナでは、高精度で、高価な電子的な移相回路は必要ではなく、低コストの高誘電率誘電体素子を採用している。時間遅延（移相）制御は、給電回路の選択された分岐上で、高誘電率誘電体素子の誘電率の相互作用を、電気機械的な手段で制御することにより実現される。低コストのサーボ制御モーター、ボイスコイルモーターなどの低コストの電気機械デバイスを使用して、選択された分岐に対して高誘電率誘電体素子の位置を制御するか、または、高誘電率誘電体素子の誘電率を電気的に制御することによって、誘電率相互作用は制御される。本発明により形成されるフェイズドアレイアンテナは、さらに、そのようなアンテナは低コストのプリント回路基板形態で実装するのに、理想的と言って良いほど好適である。
【００２１】
前述の説明から、低コストで操向可能なフェイズドアレイアンテナを実現することに加えて、本発明はさらに、同時に制御可能な移相分岐とともに、新規で改良された給電回路を実現することは容易に理解されるであろう。
【００２２】
本発明の前述の態様およびその結果の利点の多くは、添付の図面について、以下の詳細な説明を参照することにより容易に理解できるため明白であろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。後述の説明から理解できるように、本発明により形成されたフェイズドアレイアンテナの給電回路では、伝送線路移相器を採用する。より具体的には、フェイズドアレイアンテナ素子は、通常、マイクロ波給電部から送信される信号を受信し、受信した信号をマイクロ波給電部に印加する。代表的なマイクロ波給電線路には、同軸伝送線路、ストリップライン伝送線路、マイクロストリップ伝送線路、およびコプレーナ導波路（ＣＰＷ）伝送線路がある。そのような伝送線路上の信号の波の伝搬は、そのような伝搬により生じる詳細な電磁現象を簡単化したものといえる実効誘電率により特徴付けることができる。この点で、平行線伝送線路に沿って進む信号の伝搬の速度（ｃ）は、以下の式で与えられる。
【００２４】
【数１】
2005184827.tif 000003
【００２５】
ただし、εは伝送線路の線間領域内の誘電体の比誘電率、μは比透磁率である。すべての実用的な誘電体のμはほぼ１なので、伝搬速度は誘電率値の平方根の逆数、つまり、εの平方根の逆数に比例することは容易にわかる。
【００２６】
図１および図２は、２種類のマイクロ波給電伝送線路−それぞれ、マイクロストリップ伝送線路およびＣＰＷ伝送線路−を例示する部分等角図である。伝送線路は両方とも、実験もしくは数値シミュレーションにより求めることができ、複素数による数式表現で与えられる実効誘電率を有する。多くの教科書および論文には近似式が掲載されており、また本発明を理解する上では必要ないので、そのような式は、本明細書では再掲していない。しかし、伝送線路の実効誘電率は、伝送線路の構造物内に含まれる異なる誘電体層の厚さおよび誘電率の値によって決まることには留意されたい。また、異なる誘電体層のパラメータを変化させる方法を使用することで、伝送線路の信号伝搬速度を変えられること、したがって、この方法を使用して、伝送線路に沿って伝搬する信号の位相をシフトすることができることを理解するのが重要である。信号速度を制御することによって、信号の時間遅延を制御し、さらに移相を制御する。
【００２７】
上述のように、図１は、マイクロストリップ伝送線路２１を例示している。例示されているマイクロストリップ伝送線路２１は、導電体で形成されているグランドプレーン２３、第１の誘電体層２５、これもまた導電体で形成されている信号導線２７、および第２の誘電体層２９を含む。グランドプレーン２３は、第１の誘電体層２５の一方の面に配置され、信号導線２７は、第１の誘電体層２５の他方の面に配置されている。第１の誘電体層２５は、プリント基板（ＰＣＢ）を作成するために使用されるタイプの従来の誘電体シートでよく、またグランドプレーン２３および信号導線２７のプリント基板は誘電体シートの反対側の面に配置することができる。第２の誘電体層２９は、信号導線２７を含む第１の誘電体層の表面から距離を空けて配置されている。図１に例示されているマイクロストリップ伝送線路の実効誘電率は、第１の誘電体層２５および第２の誘電体層２９の厚さと誘電率の値によって異なり、また空気も誘電体なので第１の誘電体層と第２の誘電体層の間の空隙３１によっても異なる。
【００２８】
図２に例示されているコプレーナ導波路（ＣＰＷ）伝送線路４１は、第１の誘電体層４３、信号導線４５、２本のグランド線４７ａおよび４７ｂ、および第２の誘電体層４９を含む。信号線４５およびグランド線４７ａおよび４７ｂは、第１の誘電体層４３の一方の面に配置される。第１のグランド線４７ａおよび第２のグランド線４７ｂは、信号線４５の反対側にあり、信号線４５と平行に配線されている。信号線と各グランド線との間の間隔は同じである、つまり、グランド線は信号線から等間隔に並んでいる。第１の誘電体層４３、信号線４５、第１のグランド線４７ａ、および第２のグランド線４７ｂは、導線が従来のプリント基板製造手法を使用して、誘電体シートの一方の面に蒸着されているプリント回路基板の形にすることができる。第２の誘電体層４９は、信号導線４５、第１のグランド線４７ａ、および第２のグランド線４７ｂを含む第１の誘電体層４３の表面から距離を空けて配置されている。図１に例示されているマイクロストリップ伝送線路の場合と同様に、図２に例示されているＣＰＷ伝送線路の実効誘電率は、第１の誘電体層４３および第２の誘電体層４９の厚さ、および誘電率の値および第１の誘電体層と第２の誘電体層との間の空隙５１によって決まる。
【００２９】
以下の説明によりよく理解できるであろうが、本発明は、図１および図２に例示されているマイクロストリップおよびＣＰＷ伝送線路などの、マイクロ波給電タイプの伝送線路に沿って伝搬する信号の速度は、伝送線路の実効誘電率に依存しているという理解に基づいている。信号伝搬の速度は、伝送線路の実効誘電率によって決定されるため、時間遅延、すなわち伝送線路で生じる移相は、伝送線路の実効誘電率を制御することによって、制御することができる。さらに、本発明のいくつかの実施形態は、マイクロ波給電伝送線路の信号線が通る誘電体層の対により定められる空隙の厚さを制御することによって、伝送線路の実効誘電率を制御することできるという理解に基づいている。より具体的には、本発明のこれらの実施形態は、伝送線路、つまり信号線の真上にある空気の層の厚さを制御することに基づいている。第１または第２の誘電体層のいずれかを、他方の誘電体層に対して移動させることも可能であるが、第２の誘電体層を第１の誘電体層に対して移動させて、第１の誘電体層は固定しておくのが好ましい。また、第２の誘電体層は、ルチル（二酸化チタン、つまりＴｉＯ２）、またはバリウムもしくはストロンチウムといったアルカリ土類金属を含有するルチルの化合物などの低コストの高誘電率材料で形成されるのが好ましい。
【００３０】
時間遅延、つまり移相を制御するために第１の誘電体層と第２の誘電体層との間の空隙の厚さを機械的に制御するのとは他の手段は、空隙の厚さを一定に保っておいて、第２の誘電体層の誘電率を制御することである。強誘電材料の誘電率は、電界の影響の下で変化する。ルチルおよびバリウムまたはストロンチウムなどのアルカリ土類金属を含有するルチル化合物は、強誘電特性を示す。
【００３１】
当業者であれば、図１および図２、さらに前述の説明から、伝送線路移相器は分布定数的な移相器であり、つまり集中定数素子を含まないという点で従来の移相器と異なることを、容易に理解できるであろう。結果として、伝送線路移相器を作るために個々の電気部品を必要としない。伝送線路移相器の物理的サイズには制限はないため、このような移相器は高出力で低周波数の用途にも使用できる。
【００３２】
フェイズドアレイアンテナは、単純な動作原理に基づいている。リニアフェイズドアレイアンテナの送信角度または受信角度、つまりブラッグ角θは、アンテナアレイの素子間の間隔ａ、印加される波の波長、および各アンテナ素子に印加される波の位相により決定される。具体的には、以下の式で表される。
【００３３】
【数２】
2005184827.tif 000004
【００３４】
ただし、ａはアンテナアレイの素子間の間隔、ｃは周波数（γ）を波長（λ）で割った値、Δは時間遅延、φは位相遅れである。各アンテナ素子（ｎ）は、以下の式で表される時間遅延で波を受け取る。
【００３５】
【数３】
2005184827.tif 000005
【００３６】
式（３）の量だけ各アンテナ素子からの信号を進めると、信号は合成する方法で干渉し合い、利得が得られる。
【００３７】
以下の説明からよく理解されるように、本発明の実施形態は、フェイズドアレイアンテナのアンテナ素子に接続された給電回路の分岐内において、上述のタイプの伝送線路移相器を使用している。図３は、８素子フェイズドアレイアンテナの素子６１ａ〜６１ｈに接続されている従来の給電回路を、例示している。従来の給電回路は、ツリーが分岐する際の頂点のそれぞれにトランスが配置されているツリー形状の配列である。トランスは、頂点で結合する分岐のインピーダンスを整合させるインピーダンス整合トランスである。インピーダンス整合は、通例、伝送線路の共振トランスで実現される。図３に例示されている給電回路の信号入力／出力端子６２は、それぞれ第２のレベルの頂点６３ｂ、６３ｃで終端する２つの分岐に分かれる第１のレベルの頂点６３ａで終端している。続いて、第２のレベルの頂点６３ｂ、６３ｃは、それぞれ、第３のレベルの頂点６３ｄ〜６３ｇで終端する分岐に分かれる。第３のレベルの頂点は、アンテナ素子６１ａ〜６１ｈで終端する分岐に分かれる。
【００３８】
本発明においては、給電回路ツリーの片側の分岐に印加される信号を適宜移相することにより、フェイズドアレイアンテナを操向できることが理解される。このような配置は、図４に例示されている。より具体的には、給電回路ツリーのすべての分岐の右側が伝送線路移相器を含むことを除いて、図４は、図３に例示されている給電回路と類似した給電回路により給電される、８アンテナ素子７１ａ〜７１ｈからなるフェイズドアレイアンテナを例示している。さらに具体的には、給電回路ツリーの第１の分岐の右側７３ａは伝送線路移相器を含み、左側分岐７３ｂは移相器を含まない。給電回路ツリーの次のレベルの７５ａおよび７５ｃの右側分岐は、同じく伝送線路移相器を含むが、左側分岐７５ｂおよび７５ｄは移相器を含まない。同様に、給電回路ツリーの次の（最終の）レベルの右側分岐７７ａ、７７ｃ、７７ｅ、７７ｇは、伝送線路移相器を含むが、左側分岐７７ｂ、７７ｄ、７７ｆ、および７７ｈは移相器を含まない。
【００３９】
図４の異なる線長によって例示されているように、移相の量は各レベルの分岐で異なる。第１のレベルの右側分岐７３ａで生じる移相の量がΔで表されるとすると、第２のレベルの右側分岐７５ａおよび７５ｃの移相はΔ／２であり、第３のレベルの右側分岐７７ａ、７７ｃ、７７ｅ、および７７ｇの移相はΔ／４である。さらに分岐が含まれていれば、次のレベルの右側分岐の遅延はΔ／８になる、というように進んでゆく。したがって、それぞれのアンテナ素子７１ａ〜７１ｈは、その隣の素子との間では、均一の増分の遅延を受ける。すなわち、８素子直線アレイの場合では、一番左の素子７１ｈの遅延は０、次の素子７１ｇの遅延はΔ／４、次の素子７１ｆの遅延はΔ／２、次の素子７１ｅの遅延は３Δ／４、次の素子７１ｄの遅延はΔ、次の素子７１ｃの遅延は５Δ／４、次の素子７１ｂの遅延は３Δ／２、最後の素子７１ｃの遅延は７Δ／４である。それぞれのアンテナは、その隣のアンテナとの間で、均一の増分の遅延を受けるので、アンテナアレイはブラッグ角θだけ左に操向される。
【００４０】
図４に例示されているように、前述の移相方式は、下位の分岐レベルから上位の分岐レベルへ進む中で、伝送線路の長さを半分にしながら、給電回路ツリーのレベルの移相分岐を形成していくことにより、容易に実現される。この配置の特徴は、給電回路ツリーの移相側（右側）分岐すべてを「１つにまとめ」、単一のメカニズムを使用して同時に移相側分岐のすべての実効誘電率を制御することができる点にある。したがって、単一の機械式間隔制御装置、または一つの電界の値だけあれば、図４に例示されているタイプの給電回路を組み込んだフェイズドアレイアンテナを操向することができる。図４は、給電回路のさまざまなレベルの右側分岐が、すべて伝送線路移相器を含む給電回路の場合を例示しているが、その代わりに、伝送線路移相器を左側分岐に入れることによっても同じ効果が得られることは理解されるであろう。
【００４１】
本発明に従い、図４に例示されているタイプの給電回路の移相分岐の移相を制御するため単一の制御システムを開発することができるが、そのような制御システムの複雑さとサイズは、図５に例示されている方法で給電回路の形状を変更することにより、低減することができる。図５は、給電回路のすべての移相側分岐が、一つの領域内にぎっちり詰め込まれている配置を例示している。より具体的には、図５に示されている給電回路においては、入力／出力端子８２は、図４に示されている給電回路の第１のレベルの右側分岐７３ａの機能を果たす第１の移相伝送線路８３ａに、接続されている。第１の移相伝送線路８３ａは第２の移相伝送線路８５ａに接続され、さらにこの第２の移相伝送線路８５ａは第３の移相伝送線路８７ａに接続されている。第２の移相伝送線路８５ａおよび第３の移相伝送線路８７ａは、図４に示されている給電回路の次の２つのレベルの一番右側の分岐７５ａおよび７７ａの機能を果たす。第３の移相伝送線路８７ａは、第１のアンテナ素子８１ａに接続される。
【００４２】
第３の移相伝送線路８７ａに接続されるほかに、第２の移相伝送線路８５ａは第２のアンテナ素子８１ｂに接続される。第２の移相伝送線路８５ａに接続されるほかに、第１の移相伝送線路８３ａは第４の移相伝送線路８７ｄに接続される。第４の移相伝送線路８７ｃは、図４に示されている給電回路の右側分岐７７ｃの機能を果たす。第４の移相伝送線路８７ｃは、第３のアンテナ素子８１ｃに接続される。第２の移相伝送線路８５ａは、さらに、第４のアンテナ素子８１ｄに接続される。
【００４３】
入力／出力端子８２は、さらに、第５の移相伝送線路８５ｃに接続される。第５の移相伝送線路８５ｃは、図４に示されている給電回路の右側分岐７５ｃの機能を果たす。第５の移相伝送線路８５ｃは、第６の移相伝送線路８７ｅに接続される。第６の移相伝送線路８７ｅは、図４に示されている給電回路の右側分岐７７ｅの機能を果たす。第６の移相伝送線路８７ｅは、第５のアンテナ素子８１ｅに接続される。第５の移相伝送線路８５ｃは、さらに第６のアンテナ素子８１ｆにも接続される。
【００４４】
入力／出力端子８２は、さらに、第７の移相伝送線路８７ｇに接続される。第７の移相伝送線路８７ｇは、図４に示されている給電回路の右側分岐７７ｇの機能を果たす。第７の移相伝送線路８７ｇは、第７のアンテナ素子８１ｇに接続される。入力／出力端子８２は、さらに、第８のアンテナ素子８１ｈに直結される。
【００４５】
第３の移相伝送線路８７ａ、第４の移相伝送線路８７ｃ、第６の移相伝送線路８７ｅ、および第７の移相伝送線路８７ｇの長さは、第２の移相伝送線路８５ａおよび第５の移相伝送線路８５ｃの長さの１／２に等しい。さらに、第２の移相伝送線路８５ａおよび第５の移相伝送線路８５ｃの長さは、第１の移相伝送線路８３ａの長さの１／２に等しい。さらに、第２の移相伝送線路８５ａおよび第５の移相伝送線路８５ｃのように、第３の移相伝送線路８７ａ、第４の移相伝送線路８７ｃ、第６の移相伝送線路８７ｅ、および第７の移相伝送線路８７ｇは、間隔が空けられているが、同軸である。最後に、第３の移相伝送線路８７ａ、第４の移相伝送線路８７ｃ、第６の移相伝送線路８７ｅ、および第７の移相伝送線路８７ｇの中心軸、第２および第５の移相伝送線路８５ａおよび８５ｃの中心軸、および第１の移相伝送線路８３ａの中心軸はすべて、互いに平行であり、互いに近接している。
【００４６】
図４および図５を比較すれば、次のことがわかる。図５の給電回路の形状が、図４に例示されている給電回路の形状と比べて、一つ領域内により密に詰め込まれているという点を除けば、それぞれのアンテナ素子に入射し、あるいは受信される信号に適用される線路遅延または移相量は、両方の図において同じである。以下に説明する本発明の好ましい実施形態からよくわかるように、一つの領域内に移相伝送線路を密に詰め込むことによって、移相伝送線路のそれぞれの移相を同時に制御するのに、より小型の高誘電率素子を使用することができる。さらに具体的には、以下の説明からよくわかるように、この配置をとれば、その位置を適当な電気機械装置により制御される高誘電率誘電体の四角い板または円柱を使用して、移相伝送線路により生じる移相を制御することができる。あるいは、誘電率制御可能な素子を使用できる。
【００４７】
図６〜図２２は、前述の移相という概念に基づき本発明により形成された、低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナのいくつかの実施形態を例示している。図６〜２２に例示され、本発明で説明されているフェイズドアレイアンテナはすべて、リニアフェイズドアレイアンテナである。他のアンテナ素子アレイを本明細書で説明されているタイプの給電回路と組み合わせて使用することにより、本発明の他のバージョンおよび実施形態を製作することができることも理解されるであろう。したがって、本発明は、これ以降詳細に説明される実施形態に限られないことは理解されるであろう。
【００４８】
図６〜図８は、本発明により形成された３６０°フェイズドアレイアンテナアセンブリの第１の実施形態を例示している。フェイズドアレイアンテナアセンブリは、Ｌ字型筐体９１を含んでいる。Ｌ字型筐体９１のそれぞれの脚には、２つの背合わせのフェイズドアレイアンテナ９３ａ、９３ｂ、９３ｃ、および９３ｄが配置されている。それぞれ８個の直線状に配列されたアンテナ素子、および図５に提示され上で説明されているタイプの給電回路を備える。より具体的には、各フェイズドアレイアンテナは、プリント基板（ＰＣＢ）シートなどの誘電体シート９４を備える。ＰＣＢシート９４の１つは、Ｌ字型筐体９１の４つの外面のそれぞれに隣接している。ＰＣＢシートのそれぞれの外側面は、アンテナ素子の直線状アレイを含み、本発明の実施形態では９５ａ〜９５ｈの８つが例示されている。それぞれのＰＣＢシート９４の内側面には、図５に例示され、上で説明されている幾何学的レイアウトを採用する給電回路９６が配置されている。給電回路９６のそれぞれの上には、高誘電体層９７、つまり、高誘電率材料で形成された誘電体層が位置している。低コストの高誘電率材料としては、ルチル（二酸化チタン、またはＴｉＯ２）またはバリウムまたはストロンチウムなどのアルカリ土類金属を含有するルチル化合物が好適である。高誘電率誘電体層は、他の誘電体シートまたは層で支えるか、または十分に強ければ、自己支持タイプでもよい。いかなる場合も、それぞれの高誘電率誘電体層９７は、ジャックスクリューメカニズム９８を作動させる電気モーター９９などの適当な電気機械式の位置決め手段によって、高誘電率誘電体層９７とその下の給電回路との間の間隙が制御できるように取り付けられ、支持される。電気モーター９９は、ＡＣまたはＤＣモーター、サーボモーター、またはその他の適当なモーターとすることができる。それとは別に、高誘電率層の位置は、ボイスコイルモーターにより制御することができる。説明を簡単にするため、ＰＣＢシート９４、高誘電率誘電体層９７、および電気モーター９９を支える支持メカニズムは、図６〜図８には例示されていない。
【００４９】
前述の説明から容易にわかるように、高誘電率誘電体層９７の位置を制御することにより、この層と給電回路の移相伝送線路との間の空隙を制御し、それにより、アンテナ素子の直線状アレイ９３ａ〜９３ｈの指向を「操向」、つまり制御する。図７の円弧により示されているように、フェイズドアレイアンテナ９３ａ、９３ｂ、９３ｃ、および９３ｄはそれぞれ異なる方向を指向（ｐｏｉｎｔ）する。本発明により、各アンテナは９０°の１つの円弧、つまり１つの象限をカバーする。図７に例示されているように、それらの象限は、組み合わされたときには、重なり合うことはなく、図６〜図８に例示されているアンテナアセンブリは３６０°をカバーする。その結果、このアンテナアセンブリは、図２３に関して後に説明するように、どのアンテナを使用するかおよびそのアンテナの指す先を制御することにより任意の方向に「指向（ｐｏｉｎｔ）する」ことができる。
【００５０】
図９〜図１１は、本発明により形成される低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナアセンブリの第２の実施形態を例示している。これは、図６〜図８に例示されている本発明の実施形態に多少似てはいるが、異なっている。図６〜図８に例示されている本発明の実施形態と同じように、図９〜図１１に例示されている本発明の実施形態はＬ字型筐体１０１を含んでいる。このＬ字型筐体１０１の各脚は、反対方向を指向している２つのリニアフェイズドアレイアンテナを含んでいる。ただし、フェイズドアレイアンテナが異なるＰＣＢシートの外向き側の面に取り付けられ、給電回路がその同じＰＣＢシートの内向き側の面に取り付けられる、というのではなく、図９〜図１１に例示されている本発明の実施形態は、両面が外側向きに面するように取り付けられている、一つのＰＣＢシート１０２を各脚に備えている。リニアフェイズドアレイアンテナのうちの１つの素子１０３ｃ〜１０３ｈは、ＰＣＢシート１０２の一方の面に配置され、他のフェイズドアレイアンテナの素子１０５ａ〜１０５ｈはそのＰＣＢシート１０２のもう一方の面に配置される。さらに、関連するアンテナの給電回路１０６は、ＰＣＢシート１０２の、関連するアンテナ素子と同じ側に配置される。さらに、図６〜図８の実施形態のように、高誘電率誘電体層が、アンテナ素子を支えるＰＣＢシート内にまたはそれらの間に配置されるのではなく、図９〜図１１の実施形態の高誘電率誘電体層１０７は、アンテナ素子および給電回路を支えるＰＣＢシート１０２の外に配置される。前のように、高誘電率誘電体層１０７は、それぞれのアンテナの給電回路１０６の上方に位置するか、または給電回路と一列に並べられる。さらに、適当な電気機械的な移動メカニズムを使用することで、給電回路１０６の移相伝送線路に対する高誘電率誘電体層１０７の位置を決める。各々の層が上に重なることによって、高誘電率誘電体層と給電回路の移相伝送線路の間の間隙を制御することができる。上述の電気機械的な移動メカニズムには、ネジ山付きの受け入れ側素子と相互作用するねじ込みシャフト、つまりジャックスクリュー１１０を有する電気モーター１０９などがある。
【００５１】
上述のように、図６〜図８および図９〜図１１に例示されている本発明により形成される低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナアセンブリの実施形態に含まれる高誘電率誘電体層は、単一の誘電体シートまたは層でよい。この層は、高誘電体材料で形成されており、自己支持型であるか、またはこれもまた誘電体で形成される支持シート上に取り付けられる。あるいは、図１２に例示されているように、これもまた誘電体で形成された支持シートの片方の表面に取り付けられた複数の低コストの高誘電率誘電体セクションまたはスラグ１１３ａ〜１１２ｄ、１１５〜１１５ｂ、および１１７により高誘電率誘電体層を形成することができる。高誘電率誘電体スラグは、矩形であるのが好ましい。形状にかかわりなく、基板１１上での高誘電率誘電体スラグ１１３ｄ、１１５ａ、１１５ｂ、および１１７のサイズおよび位置は、給電回路のそれぞれの移相伝送線路に対して並べられ、その上に載るように決められる。この点で、図１２にはっきり例示されているように、高誘電率誘電体スラグは４つの比較的短いスラグ１１３ａ〜１１３ｄ、２つの中間の長さのスラグ１１５ａおよび１１５ｂ、および１つの長いスラグ１１７を含み、それぞれの長さは、図５に例示され、上で説明されている給電回路の短い移相伝送線路、中間の長さの移相伝送線路、および長い移相伝送線路のそれぞれの長さに等しい。
【００５２】
図１３〜図１５は、本発明により形成される低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナアセンブリの第３の他の実施形態を例示している。図６〜図８に例示されている本発明の実施形態に、いくつかの点で似ている。より具体的には、図１３〜図１５に例示されている本発明の実施形態は、Ｌ字型筐体１２１を備える。Ｌ字型筐体１２１のそれぞれの脚には、２つのＰＣＢシート１２３が配置され、それぞれフェイズドアレイアンテナのアンテナ素子および給電回路を支えている。Ｌ字型筐体のそれぞれの脚における一つのＰＣＢシートは、脚の外面に隣接して配置され、同じ脚の他方のシートは、脚の内面に隣接して配置される。ＰＣＢシート１２３のそれぞれの外面上には、複数のフェイズドアレイアンテナ素子１２５ａ〜１２５ｈが配置される。ＰＣＢシート１２３のそれぞれの反対側には、ＰＣＢシート上に取り付けられているアンテナ素子に接続された給電回路１２６が配置される。給電回路１２６は、図５に例示され、上で説明されている給電回路と同様なものである。給電回路１２６のそれぞれの上には、高誘電率誘電体円柱１２７が位置する。高誘電率誘電体円柱は、ルチル、またはバリウムまたはストロンチウムなどのアルカリ土類金属を含有するルチル化合物などの、低コストの高誘電率材料で形成さている。高誘電率誘電体円柱の一端に、電気モーター１２９などの適切な回転メカニズムが配置される。図１５に最もよく例示されているように、高誘電率誘電体円柱の回転軸は、関連する電気モーター１２９の回転軸からオフセットされている。その結果、モーターがそれぞれの高誘電率誘電体円柱を回転させると、円柱とそれぞれの移相伝送線路との間の空隙が変化するので、この変化により、すでに説明した方法で給電回路の移相伝送線路により生じた時間遅延または移相を制御することができる。本発明の他の実施形態の場合と同様、ＰＣＢシートを支える支持メカニズム、高誘電率誘電体円柱、および電気モーターは、図を複雑にしすぎないように、図１３〜図１５には示されていない。
【００５３】
図１６〜図１８は、本発明により形成された低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナアセンブリの第４の他の実施形態を例示している。図１６〜図１８に例示されている本発明の実施形態は、本質的に、図９〜図１１および図１３〜図１５に例示されている本発明の実施形態の組み合わせである。より具体的には、図１６〜図１８に例示されている本発明の実施形態は、Ｌ字型筐体１３１を備える。Ｌ字型筐体１３１の脚のそれぞれの中心には、２つのフェイズドアレイアンテナのアンテナ素子および給電回路を支えるＰＣＢシート１３３が取り付けられている。より具体的には、ＰＣＢシート１３３のそれぞれの外面の両方に、アンテナ素子１３５ａ〜１３５ｈおよびアンテナ素子１３７ａ〜１３７ｈの直線状アレイが配置される。ＰＣＢシート１３３の両側には、それぞれのアンテナ素子の給電回路が配置される。アンテナ給電線のそれぞれの外側に、高誘電率誘電体円柱１３８が取り付けられる。各高誘電率誘電体円柱１３８は、それぞれの給電回路の上方に位置する。円柱１３８はそれぞれ、電気モーター１３９などの関連する回転メカニズムにより回転される。図１３〜図１５に例示されている本発明の実施形態と同様に、そして図１８に例示されているように、高誘電体円柱のそれぞれの回転軸は、関連するモーター１３９の回転軸からオフセットされる。その結果、モーターがそれぞれの円柱を回転させると、円柱とそれぞれの給電回路の移相伝送線路との間の空隙が変化し、この変化と同期しながら、給電回路における移相伝送線路の時間遅延または移相が変化する。
【００５４】
当業者なら容易にわかるように、図６〜図１８に例示されている本発明の実施形態は、高誘電率誘電体層または円柱と給電回路の移相伝送線路との間の空隙を制御するための電気機械的なシステムに基づいている。この空隙は、給電回路のすべての移相伝送線路に対して、同期して変化するため、移相伝送線路のセクションが増える毎に、同じだけの時間遅延または移相の変化が生じる。図５に例示されまた上で説明されているように、個々のセクションは、１／２の倍数で関連している、異なる長さを持つため、移相伝送線路毎の遅延は数学的に関連付けられている。変化の増分量は一定に保たれるため、個々の移相伝送線路の長さで決まるのでそれぞれの移相伝送線路の遅延合計は異なるとしても、さまざまな移相伝送線路の間では、この数学的関係は一定である。
【００５５】
上述したように、図６〜図１８に例示されている本発明の実施形態は、すべて高誘電率誘電体層または円柱と給電回路の移相伝送線路との間の空隙を、電気機械式な手段によって制御することに依存している。空隙を電気機械式な手段で変化させる方法の他の手段は、給電回路の移相伝送線路の上の固定された位置にある誘電体層の誘電率を電気的に制御することである。強誘電材料の誘電率は、電界の影響の下で変化することはよく知られている。ルチルおよびバリウムまたはストロンチウムなどのアルカリ土類金属を含有するルチル化合物は、このような強誘電特性を示す。強誘電体レンズを形成するためにこのような材料の薄膜が使用されている。
【００５６】
図１９〜図２２は、本発明により形成される、強誘電体を採用した低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナアセンブリの他の実施形態を例示している。フェイズドアレイアンテナに採用されている図５に例示されているようなタイプの給電回路における、移相伝送線路の遅延時間（つまり、移相）を制御するために、この誘電体の誘電率が電界の影響の下で変化させられる。より具体的には、本発明の他の実施形態と同様、図１９および２０に例示されている低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナアセンブリの実施形態は、Ｌ字型筐体１４１を備える。Ｌ字型筐体１４１の脚のそれぞれに、２枚のＰＣＢシート、つまり２枚の誘電体シート１４３が取り付けられる。脚のそれぞれにあるこのＰＣＢシートの１つは、Ｌ字型筐体の関連する脚の外面に隣接して配置され、それ以外のシートは、脚の内面に隣接して配置される。ＰＣＢシートの外に面している側は、それぞれ、複数の直線状に配列されたアンテナ素子１４５ａ〜１４５ｈおよび１４７ａ〜１４７ｈを備えている。したがって、本発明の図６〜図１８の実施形態と同様、図１９〜図２０の実施形態のアンテナ素子は、Ｌ字型筐体１４１の脚の４つの面から外側へ指向している。アンテナ素子１４５ａ〜１４５ｈおよび１４７ａ〜１４７ｈからＰＣＢシート１４３の反対側に、つまり、ＰＣＢシートの内側に面している側に、図５に例示され、上で説明されているタイプの給電回路１４８が取り付けられている。給電回路１４８のそれぞれの上方に、強誘電体層１４９が位置する。この誘電体層１４９は、誘電率が電界の影響の下で変化する材料の層である。強誘電体層１４９の位置は、関連する給電回路１４９に対して固定される。配線１５０で示されているように、電力が強誘電体層１４９に供給される。強誘電体層に送られる電力を制御することにより、関連する給電回路の移相伝送線路の時間遅延または移相を制御する。これは、すでに説明されている本発明の実施形態のように、空隙を制御することによって、移相伝送線路の時間遅延または移相を制御する方法に似ている。
【００５７】
図２１〜図２２は、本発明により形成される強誘電体層を採用した、低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナアセンブリのさらに他の実施形態を例示している。強誘電体により、給電回路の移相伝送線路の移相を制御することができる。より具体的には、本発明の他の実施形態と同様、図２１および図２２に例示されている低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナアセンブリは、Ｌ字型筐体１５１を備える。図９〜図１１および図１６〜図１８に例示されている本発明の実施形態と同様、Ｌ字型筐体１５１の各脚の中心に、ＰＣＢシート１５３が配置されている。ＰＣＢシート１５３のそれぞれの外面上の両方に、アンテナ素子１５５ａ〜１５５ｈおよび１５７ａ〜１５７ｈの直線状アレイが配置されている。またこのＰＣＢシート１５３の両面に、図５に例示され、上で説明されているタイプの給電回路１５８も配置されている。給電回路１５８は、ＰＣＢシート１５３の給電回路と同じ面側に配置されているアンテナ素子に接続される。給電回路１５８のそれぞれの上方に、強誘電体層１５９が位置する。強誘電体層１５９は、誘電率が電界の影響の下で変化する強誘電体で形成される層である。図１９および２０に例示されている実施形態と同様、強誘電体層に印可される電力を変化させることにより、関連する給電回路の移相伝送線路で生じる時間遅延または移相を制御する。
【００５８】
図２３は、図６〜図２２に例示されている低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナの指向を制御するのに、好適な制御システムを例示するブロック図である。この制御システムは、図６〜図２２に例示され、上で説明されているタイプの４つのリニアフェイズドアレイアンテナ１６５ａ〜１６５ｄに結合されるよう示されている指向方向コントローラ（ｐｏｉｎｔｉｎｇ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１６３を備える。操向制御信号１６１は、指向方向コントローラ１６３に印加される。操向制御信号１６１は、アンテナ指向方向を定めるデータを含む。指向方向コントローラ１６３は、まず、４つのリニアフェイズドアレイアンテナ１６５ａ〜１６５ｄのうちの、どれが指向される位置を含む象限をカバーするかを決定する。その後、指向方向コントローラは、その位置を正確に指向するのに必要な伝送線路の移相を決定する。高誘電率誘電体層の位置（図６〜図１２）、高誘電率誘電体円柱の回転角度（図１３〜図１８）、または強誘電体層に印加される電力（図１９〜図２２）を制御するために、伝送線路の移相情報が使用される。
【００５９】
図２４および図２５は、本発明により形成される低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナの典型的な使用例を示している。このようなアンテナは、さまざまな環境で使用することができる。図２４および図２５は、住宅または企業施設内に装備されている、ＷｉＦｉシステムとの接続において使用される本発明を例示している。より具体的には、図２４は、本発明により形成された低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ１７３ａ〜１７３ｄをそれぞれ備える複数の住宅１７１ａ〜１７１ｄを例示している。アンテナ１７３ａ〜１７３ｄは、それぞれ、別々の線がケーブル会社１７５などのインターネットサービスプロバイダに接続されているものとして示されている。そして、サービスプロバイダがインターネット１７７に接続されているものとして示されている。
【００６０】
図２５は、図２４と同様に、本発明により形成された低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナ１８３ａ〜１８３ｄをそれぞれ備える複数の住宅１８１ａ〜１８１ｄを例示している。ただし、図２４とは対照的に、住宅１８１ｂのうち１つのみについて、アンテナ１８３ｂの線がケーブル会社１８５などのインターネットサービスプロバイダに接続されている。インターネットサービスプロバイダは、インターネット１８７に接続されている。他の住宅１８１ａ、１８１ｃ、および１８１ｄにおいてはすべて、それぞれのアンテナ１８３ａ、１８３ｃ、および１８３ｄは、無線方式によって、インターネットサービスプロバイダに接続されている家庭１８１ｂのアンテナ１８３ｂに結合されている。
【００６１】
本発明のさまざまな実施形態について例示し、説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、さまざまな変更を加えられることが当業者には容易に理解されるであろう。例えば、アンテナ素子は、直線以外の形で配列することができる。特に開示されているもの以外の、ほかの高誘電率誘電体層または円柱を移動するメカニズムを、本発明の他の実施形態において採用することができる。さらに、Ｌ字型筐体以外のアンテナ筐体を採用することもできる。さらに、アンテナは、４つのアンテナの一アセンブリとして配備するのではなく、別々に配備することもできる。したがって、本発明は、付属の請求項の範囲内において、本明細書で具体的に説明している以外の方法で実施できることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】マイクロストリップ伝送線路の部分等角図である。
【図２】コプレーナ導波路伝送線路（ｃｏｐｌａｎａｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｌｉｎｅ）の部分等角図である。
【図３】８個の素子フェイズドアレイアンテナ用の給電回路の絵画図である。
【図４】本発明によりサイズおよび位置が決定された伝送線路移相分岐を含む、図３に例示されているタイプの給電回路の図である。
【図５】本発明による図４に例示されている給電回路の向きを変えたものの図である。
【図６】本発明により形成された低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナの第１の実施形態を示す等角図であり、部分的に断面図である。
【図７】図６の上部断面図である。
【図８】図６に例示されているフェイズドアレイアンテナの一部を示す端面図である。
【図９】本発明により形成された低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナの第２の実施形態の等角図であり、部分的に断面図である。
【図１０】図９の上部断面図である。
【図１１】図９に例示されているフェイズドアレイアンテナの一部を示す端面図である。
【図１２】図６〜８および９〜１１に例示されている本発明の実施形態で使用するのに好適な平面誘電体素子の他の実施形態の等角図である。
【図１３】本発明により形成された低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナの第３の実施形態の等角図であり、部分的に断面図である。
【図１４】図１３の上部断面図である。
【図１５】図１３に例示されているフェイズドアレイアンテナの一部を示す端面図である。
【図１６】本発明により形成された低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナの第４の実施形態の等角図であり、部分的に断面図である。
【図１７】図１６の上部断面図である。
【図１８】図１６に例示されているフェイズドアレイアンテナの一部を示す端面図である。
【図１９】本発明により形成された低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナの第５の実施形態の上部断面図である。
【図２０】図１９に例示されているフェイズドアレイアンテナの一部を示す端面図である。
【図２１】本発明により形成された低コストの操向可能なフェイズドアレイアンテナの第６の実施形態の上部断面図である。
【図２２】図２１に例示されているフェイズドアレイアンテナの一部を示す端面図である。
【図２３】図６〜２２に例示されている本発明の実施形態の操向を制御するための制御システムのブロック図である。
【図２４】本発明により形成されたフェイズドアレイアンテナを採用する従来の通信ネットワークの絵画図である。
【図２５】本発明により形成されたフェイズドアレイアンテナを採用するメッシュ型通信ネットワークの絵画図である。
【符号の説明】
【００６３】
９１  Ｌ字型筐体
９３ａ、９３ｂ、９３ｃ、９３ｄ  フェイズドアレイアンテナ
９４  ＰＣＢシート
９５ａ、９５ｂ、９５ｃ，９５ｄ、９５ｄ、９５ｅ、９５ｆ、９５ｇ、９５ｈ  アンテナ素子
９６  給電回路
９７  高誘電体層
９８  ジャックスクリューメカニズム
９９  電気モータ
【図１】
2005184827.tif 000006
【図２】
2005184827.tif 000007
【図３】
2005184827.tif 000008
【図４】
2005184827.tif 000009
【図５】
2005184827.tif 000010
【図６】
2005184827.tif 000011
【図７】
2005184827.tif 000012
【図８】
2005184827.tif 000013
【図９】
2005184827.tif 000014
【図１０】
2005184827.tif 000015
【図１１】
2005184827.tif 000016
【図１２】
2005184827.tif 000017
【図１３】
2005184827.tif 000018
【図１４】
2005184827.tif 000019
【図１５】
2005184827.tif 000020
【図１６】
2005184827.tif 000021
【図１７】
2005184827.tif 000022
【図１８】
2005184827.tif 000023
【図１９】
2005184827.tif 000024
【図２０】
2005184827.tif 000025
【図２１】
2005184827.tif 000026
【図２２】
2005184827.tif 000027
【図２３】
2005184827.tif 000028
【図２４】
2005184827.tif 000029
【図２５】
2005184827.tif 000030
【外国語明細書】
2005184827000001.pdf