(57)【要約】      （修正有）【課題】製造が容易で、利得が高く、サイドローブが低い円偏波アレーアンテナを提供する。【解決手段】円偏波アレーアンテナは、円偏波電磁波を放射及び／又は受信するパッチ２の少なくとも１セット１０からなる複数のグループと、各給電線３がセット１０のうちの１つに接続されるとともに、そのセットに対して縦又は垂直方向に延在し、セット１０に及び／又はセット１０から信号エネルギを伝達する給電線３の回路とを備える。  給電線３の方向が巡回した給電ネットワークを実現するために、セット１０のグループに接続された給電線３の各グループのポインティング方向は、給電線３の他のグループのポインティング方向とは異なり、給電線３の隣接した２つのグループは、それぞれ同じ角度を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円偏波電磁波を放射及び／又は受信するパッチ（２）の少なくとも１セット（１０）からなるグループ（６）と、
各給電線（３）が上記セット（１０）のうちの１つに接続されるとともに、該セットに対して縦又は垂直方向に延在し、該セット（１０）に及び／又はセット（１０）から信号エネルギを伝達する給電線（３）の回路とを備え、
給電線（３）の方向が巡回した給電ネットワークを実現するために、上記セット（１０）のグループ（６）に接続された給電線（３）の各グループのポインティング方向は、給電線（３）の他のグループのポインティング方向とは異なり、給電線（３）の隣接した２つのグループは、それぞれ同じ角度を有することを特徴とする円偏波アレーアンテナ。
【請求項２】
上記セット（１０）は、少なくとも１つのパッチ（２）を含むことを特徴とする請求項１に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項３】
給電線（３）の隣接した２つのグループのポインティング方向間の角度は、３６０度を給電線（３）のグループの数で除算した値に等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項４】
給電線（３）の隣接した２つのグループ間の位相は、３６０度を給電線（３）のグループの数で除算した値に等しいことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項５】
方形の２×２アレーに配置されたパッチ（２）からなる少なくとも４つのセット（１０）により構成されることを特徴する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項６】
隣接した２つの給電線（３）のポインティング方向間の角度は、９０度に等しいことを特徴とする請求項５に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項７】
隣接した２つの給電線（３）間の位相は、９０度に等しいことを特徴とする請求項５又は６に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項８】
上記パッチ（２）のセット（１０）は、３つのパッチ（２）からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項９】
上記給電線（３）は、３つのパッチ（２）からなるセット（１０）の中央のパッチ（２）に接続されていることを特徴とする請求項８に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項１０】
上記パッチ（２）間で信号エネルギを伝達できるように、上記パッチ（２）のセット（１０）における各パッチ（２）を接続する接続素子（９）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項１１】
上記接続素子（９）は、マイクロストリップ素子であることを特徴とする請求項１０に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項１２】
上記接続素子（９）は、個別電気部品からなることを特徴とする請求項１０に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項１３】
上記パッチ（２）の上には誘電体表板（１１）が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項１４】
上記誘電体表板（１１）は、１／４波長表板であることを特徴とする請求項１３に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項１５】
上記パッチ（２）の少なくとも２つのセット（１０）は、１つの部材に一体化されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項１６】
利得を高めるために、上記パッチ（２）の各セット（１０）にはホーンアンテナ（４）が取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項１７】
表面波を抑圧するために、上記２つのホーン（４）間にはスロット（５）がそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１６に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項１８】
上記ホーン（４）の少なくとも一部は、中空であることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項１９】
１つのセット（１０）の各パッチ（２）は、該セット（１０）の他のパッチ（２）とは異なる向きを有していることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の円偏波アレーアンテナ。
【請求項２０】
請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の円偏波アレーアンテナを備える移動端末。
【請求項２１】
パッチ（２）の少なくとも１つのセット（１０）からなるグループ（６）によって、円偏波電磁波を放射及び／又は受信するステップと、
各給電線（３）が上記セット（１０）のうちの１つに接続されるとともに、該セットに対して縦又は垂直方向に延在し、該セット（１０）に及び／又はセット（１０）から信号エネルギを伝達する給電線（３）の回路を設けるステップと、
給電線（３）の方向が巡回した給電ネットワークを実現するために、上記セットのグループ（６）に接続された給電線（３）の各グループを、給電線（３）の他のグループのポインティング方向とは異なるポインティング方向を有するように、配置するステップと、
給電線（３）の隣接した２つのグループがそれぞれ同じ角度を有するように、これらの給電線（３）のグループを配置するステップとを有するアレーアンテナの方法。
【請求項２２】
上記セット（１０）に少なくとも１つのパッチ（２）を設けることを特徴とする請求項２１に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項２３】
給電線（３）の隣接した２つのグループのポインティング方向間の角度を、３６０度を給電線（３）のグループの数で除算した値とすることを特徴とする請求項２１又は２２に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項２４】
給電線（３）の隣接した２つのグループ間の位相を、３６０度を給電線（３）のグループの数で除算した値とすることを特徴とする請求項２１、２２又は２３に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項２５】
方形の２×２アレーに配置されたパッチ（２）からなる少なくとも４つのセット（１０）を設けることを特徴する請求項２１乃至２４のいずれか１項に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項２６】
隣接した２つの給電線（３）のポインティング方向間の角度を、９０度とすることを特徴とする請求項２５に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項２７】
隣接した２つの給電線（３）間の位相を、９０度とすることを特徴とする請求項２５又は２６に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項２８】
上記パッチ（２）の各セット（１０）に、３つのパッチ（２）を設けることを特徴とする請求項２１乃至２７のいずれか１項に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項２９】
上記給電線（３）を、３つのパッチ（２）からなるセット（１０）の中央のパッチ（２）に接続することを特徴とする請求項２８に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項３０】
パッチ（２）間で信号エネルギを伝達できるように、上記パッチ（２）のセット（１０）における各パッチ（２）を接続する接続素子（９）を設けることを特徴とする請求項２１乃至２９のいずれか１項に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項３１】
上記接続素子（９）としてマイクロストリップ素子を設けることを特徴とする請求項３０に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項３２】
上記接続素子（９）として個別電気部品を設けることを特徴とする請求項３０に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項３３】
上記パッチ（２）の上に、誘電体表板（１１）を設けることを特徴とする請求項２１乃至３２のいずれか１項に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項３４】
上記誘電体表板（１１）として１／４波長表板を設けることを特徴とする請求項３３に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項３５】
上記パッチ（２）の少なくとも２つのセット（１０）を、１つの部材に一体化することを特徴とする請求項２１乃至３４のいずれか１項に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項３６】
利得を高めるために、上記パッチ（２）の各セット（１０）にホーンアンテナ（４）を取り付けることを特徴とする請求項２１乃至３５のいずれか１項に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項３７】
表面波を抑圧するために、上記２つのホーン（４）間に、スロット（５）をそれぞれ設けることを特徴とする請求項３６に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項３８】
上記ホーン（４）の少なくとも一部を、中空ホーン（４）として設けることを特徴とする請求項３６又は３７に記載のアレーアンテナの方法。
【請求項３９】
円偏波電磁波を放射及び／又は受信する少なくとも１つのパッチ（２）からなるセット（１０）と、
同じ円偏波を維持するとともに利得を高めるために、上記セット（１０）のうちの１つにそれぞれ取り付けられた複数のホーンアンテナ（４）とを備え、
上記ホーンアンテナ（４）は、少なくとも１つのホーンアンテナ（４）からなるグループに配置され、ホーンアンテナ（４）の各グループのビーム放射方向は、ホーンアンテナ（４）の他のグループのビーム放射方向とは異なることを特徴とするビーム切換型アレーアンテナ。
【請求項４０】
中央のホーン（４）の軸（８）は垂直であり、他のホーン（４）の軸（８）は傾斜し、中央のホーン（４）から外れるに従って、各ホーン（４）の軸が大きく傾斜することを特徴とする請求項３９に記載のビーム切換型アレーアンテナ。
【請求項４１】
少なくとも１つのパッチ（２）からなるセット（１０）によって、円偏波電磁波を放射及び／又は受信するステップと、
同じ円偏波を維持するとともに利得を高めるために、上記セット（１０）のうちの１つに、各ホーンアンテナ（４）をそれぞれ取り付けるステップとを有し、
これにより、ホーンアンテナ（４）の各グループは、ホーンアンテナ（４）の他のグループのビーム放射方向とは異なるビーム放射方向を有するように、上記ホーンアンテナ（４）を、少なくとも１つのホーンアンテナ（４）からなるグループに配置することを特徴とするビーム切換型アレーアンテナの方法。
【請求項４２】
中央のホーン（４）の垂直軸（８）を設け、他のホーン（４）の軸（８）を傾斜させ、中央のホーン（４）から外れるに従って、各ホーン（４）の軸が大きく傾斜することを特徴とする請求項４１に記載のビーム切換型アレーアンテナの方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に係る円偏波アレーアンテナ、及び請求項２１に係るアレーアンテナの方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、アンテナに対する必要が非常に増えている。最新のアンテナは、希望波の信号を増幅する一方で、雑音及び空間から到来する不要電波の信号を無くために、より高性能化されていなければならない。特に高速のデータレートでは、マルチパス効果を低減するとともに消費電力を削減する目的で、低いサイドローブ及び高い利得の放射パターンを有することが好ましい。
【０００３】
カナダ特許第２０６３９１４号には、マルチビームアンテナ、及び、マルチビームアンテナ又はフェーズドアレーアンテナと、アンテナ給電装置と、電気的なビームステアリング回路とを備えるビームフォーミングネットワークが開示されている。ホーンアンテナに複数の誘電体共振器を装荷して、放射器を構成している。このマルチビームアンテナの問題点は、放射器毎に２本の給電線が必要であり、その構造が複雑なことである。さらに、そのホーンの製造は容易ではない。
【０００４】
アブデル・ラーマン（Abdel-Rahman）等による文献「ホーン取付け準平面開口結合型マイクロストリップアンテナ（Aperture Coupled Microstrip Antenna With Quasi-Planner Surface Mounted Horn）」、ヨーロッパマイクロ波会議２００３（European Microwave Conference 2003）には、開口結合型マイクロストリップアンテナと準平面取付け型ショートホーンとの組合せにより、パッチアンテナの利得を高めることが開示されている。問題点は、この構成は直線偏波にしか用いることができず、円偏波に対しては機能しないことである。また、中程度の利得しか得られず、サイドローブ抑圧も比較的少ない。
【０００５】
米国特許第４０９０２０３号には、１つの放射素子を中心に円形に配置された、あるいは方形に配置された７個又は９個の放射素子を備えた基本サブアレーからなるアンテナ装置が開示されている。放射素子は同相に設定されているが、各素子に電力が供給され、また、素子間の間隔は、干渉によりサイドローブが実質的に無くなるように選択されている。このアンテナの問題点は、放射素子毎に給電線が必要であり、その構造が複雑なことである。さらに、製造が容易ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、製造が容易で、利得が高く、円偏波のサイドローブが低い等の優れた性能を有する円偏波用のアレーアンテナを提供することである。
【０００７】
本発明の更なる目的は、高損失又は高雑音を生じずに、アレーアンテナのビーム放射方向を変更することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、独立請求項の特徴により達成される。
【０００９】
本発明では、円偏波電磁波を放射及び／又は受信するパッチの少なくとも１セットからなるグループと、各給電線がセットのうちの１つに接続されるとともに、そのセットに対して縦又は垂直方向に延在し、セットに及び／又はセットから信号エネルギを伝達する給電線の回路とを備える円偏波アレーアンテナを提案する。給電線の方向が巡回した給電ネットワークを実現するために、セットのグループに接続された給電線の各グループのポインティング方向は、給電線の他のグループのポインティング方向とは異なり、給電線の隣接した２つのグループは、それぞれ同じ角度を有する。
【００１０】
さらに、本発明では、パッチの少なくとも１つのセットからなるグループによって、円偏波電磁波を放射及び／又は受信するステップと、各給電線がセットのうちの１つに接続されるとともに、そのセットに対して縦又は垂直方向に延在し、セットに及び／又はセットから信号エネルギを伝達する給電線の回路を設けるステップと、給電線の方向が巡回した給電ネットワークを実現するために、セットのグループに接続された給電線の各グループを、給電線の他のグループのポインティング方向とは異なるポインティング方向を有するように、配置するステップと、給電線の隣接した２つのグループがそれぞれ同じ角度を有するように、これらの給電線のグループを配置するステップとを有するアレーアンテナの方法を提案する。
【００１１】
さらに、本発明の他の側面として、円偏波電磁波を放射及び／又は受信する複数のパッチと、同じ円偏波を維持するとともに利得を高めるために、これらのパッチのうちの１つにそれぞれ取り付けられたホーンアンテナとを備えるアレーアンテナを提案する。ホーンアンテナは、少なくとも１つのホーンアンテナからなるグループに配置され、ホーンアンテナの各グループは、ホーンアンテナの他のグループのビーム放射方向とは異なるビーム放射方向を有する。
【００１２】
さらに、本発明では、少なくとも１つのパッチからなるセットによって、円偏波電磁波を放射及び／又は受信するステップと、同じ円偏波を維持するとともに利得を高めるために、セットのうちの１つに各ホーンアンテナをそれぞれ取り付けるステップとを有するビーム切換型アレーアンテナの方法を提案する。これにより、ホーンアンテナの各グループは、ホーンアンテナの他のグループのビーム放射方向とは異なるビーム放射方向を有するように、ホーンアンテナを、少なくとも１つのホーンアンテナからなるグループに配置する。
【００１３】
円偏波電磁波を放射及び／又は受信するパッチを、環状に配置された給電回路と組み合わせて設けることにより、利得を上げ、雑音を減らすとともに、高性能の円偏波を達成することができる。さらに、異なるビーム放射方向を有するホーンを設けることにより、信号の放射特性を犠牲することなく、半球の広い範囲をカバーすることができる。また、パッチの１つのセットに１本の給電線のみを設けることにより、給電線の回路を簡単にすることができる。
【００１４】
好ましくは、セットは、少なくとも１つのパッチを含んでいる。
【００１５】
好ましくは、給電線の隣接した２つのグループのポインティング方向間の角度は、３６０度を給電線のグループの数で除算した値に等しい。
【００１６】
さらに、好ましくは、給電線の隣接した２つのグループ間の位相は、３６０度を給電線のグループの数で除算した値に等しい。
【００１７】
好ましい一実施形態において、アレーアンテナは、方形の２×２アレーに配置されたパッチ（２）からなる少なくとも４つのセット（１０）により構成される。
【００１８】
さらに、この好ましい実施形態において、隣接した２つの給電線のポインティング方向間の角度は、円偏波を向上させるために９０度に等しい。
【００１９】
さらに、好ましくは、隣接した２つの給電線間の位相は９０度に等しい。
【００２０】
好ましくは、パッチのセットは３つのパッチからなる。
【００２１】
さらに、好ましくは、給電線は、３つのパッチからなるセットの中央のパッチに接続されている。
【００２２】
好ましくは、パッチ間で信号エネルギを伝達できるように、パッチのセットにおける各パッチを接続する接続素子が設けられている。
【００２３】
第１の実施形態において、接続素子はマイクロストリップ素子である。
【００２４】
他の実施形態において、接続素子は個別電気部品からなる。
【００２５】
好ましくは、パッチの上に誘電体表板が設けられている。
【００２６】
さらに、好ましくは、誘電体表板は１／４波長表板である。
【００２７】
好ましくは、パッチの少なくとも２つのセットは１つの部材に一体化されている。
【００２８】
好ましくは、利得を高めるために、パッチの各セットにはホーンアンテナが取り付けられている。
【００２９】
さらに、好ましくは、表面波を抑圧するために、２つのホーン間にはスロットがそれぞれ設けられている。
【００３０】
好ましい一実施形態において、ホーンの少なくとも一部は中空である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００３２】
図１は、本発明に係るアレーアンテナのパッチのセットを示す斜視図であり、アレーアンテナは、円偏波電磁波を放射及び／又は受信するパッチ２のセット１０を備え、この円偏波は、パッチ及び給電線３の構造によって、右円偏波又は左円偏波とすることができる。セット１０は、対応する給電線３を有し、給電線３は、パッチ２のセット１０の１つのパッチ２に接続されており、対応するパッチ２に及び／又は対応するパッチ２から信号エネルギを伝達することができる。給電は、縦又は垂直方向に延在する給電線のみによって行わなくてもよい。給電は、例えば中央のパッチを多層プリント基板の異なる層にビアホールを介して接続することによって、行うこともできる。最も重要なことは、各パッチの相対的な位相角を正しく設定することである。好ましくは、パッチ２のセット１０は、３つのパッチ２からなり、それによって、給電線３は中央のパッチ２に接続される。
【００３３】
パッチ間で信号エネルギを伝達できるように、パッチ２のセット１０の各パッチ２は、接続素子９によって接続されており、給電線３から中央のパッチ２に伝達された信号エネルギが、さらに、パッチ２のセット１０の他のパッチ２に伝達される。
【００３４】
ここで、接続素子９は、マイクロストリップ素子、又は抵抗Ｒ、コイルＬ、コンデンサＣのような個別部品、あるいはこれらの組合せで実現することができる。中央のパッチにおける電力の振幅に対する外側のパッチ素子における電力の振幅の比は、中央のパッチと外側のパッチとの間の接続素子９によって制御される。中央のパッチの振幅は、外側のパッチよりも大きい。サイドローブのレベルは、アレーの端部における振幅分布が終わるときの急峻さに密接に関連している。パッチ２間の接続を用いて、各パッチの振幅を制御する。パッチ素子の両端における振幅を小さくすることにより小さい振幅は、サイドローブの放射を低くすることができる。振幅を次第に小さくして、パッチ素子の端部において小さい値にすると、副ローブ（minor lobes）を無くすことができる。３つのパッチ２からなるセット１０を有する本発明に係るアレーアンテナでは、３つのパッチ２に対する電力分布を均一ではなく、不均一とする。均一な分布の場合、パッチのセット１０の３つのパッチ２の電力振幅は、１：１：１の比となる。これとは対照的、本発明では、二項分布、又は１：Ａ：−１というドルフ−チェビシェフ分布等の不均一な電力分布を実現することができる。なお、Ａは中央のパッチの振幅であり、１＜Ａ≦２である。
【００３５】
パッチ２のセット１０に１本の給電線３のみを設けることにより、複雑な給電回路（feeding network）を導入することなく、サイドローブレベルを低減することができる。また、減衰器又は増幅器を追加する必要はない。
【００３６】
図２は、本発明に係るアレーアンテナの断面を示す断面図である。ここで、パッチ２は、単一のパッチ２であってもパッチ２のセット１０であってもよく、基板１２上に設けられている。アンテナの利得を高めるために、パッチ２の上に誘電体の表板（superstrate）１１が設けられている。表板１１の材料の誘電率は、基板１２よりも高い。パッチ２の上に高い誘電率の１／４波長表板を用いることにより、広い横方向に電界が集中し、利得が高くなる。この表板１１により、最大の放射を得るためのパッチ２と空気間の良好なインピーダンス整合が得られる。
【００３７】
円偏波性能とアンテナ全体の利得を高めるために、パッチ２は、円形ホーン又は導波管アンテナ４に取り付けることができる。表板１１を設ける場合、表板１１の大きさは周囲のホーン４の開口部と同じである。誘電体の表板１１の形状は、平面板又はレンズ状、すなわち凹状又は凸状の形状とすることができる。
【００３８】
図３は、パッチ２からなる４つのセット１０のアレーを示す。円偏波を向上させるために、パッチのセット１０の縦軸が時計回り又は反時計回りに回転するように、パッチ２のセット１０を配置することができる。
【００３９】
図４は、２×２のアレーに配置されたパッチ２からなる４つのセット１０により構成されているアレーアンテナを示す。各セット１０の縦軸は９０度回転している。利得を高めるために、アレーアンテナには１つの部材からなるホーンアンテナ４が取り付けられている。ここでは、パッチのセット１０毎のホーンアンテナ４は、１つのホーンアンテナ部材に一体化されている。アンテナを組み合わせたときの、ある素子から他の素子への不要な電磁波の影響を取り除くために、セット１０の２つのホーン４間にスロット５がそれぞれ設けられており、アンテナ性能に影響を及ぼす虞があるクロスカップリング又は表面波を防止している。さらに、パッチ２の各セット１０に誘電体の表板１１を取る付けることができる。
【００４０】
図５ａは、パッチ２からなる幾つかのセット１０と、関連するホーンアンテナ４とから構成されるアレーを示す。一般的に、各放射／受信素子は、主ビーム放射方向を有している。このような方向を適切に説明するため、球座標系を導入する。ここで、ｚ軸は、アンテナの平面から垂直方向に延びる方向を示す。さらに、θ角及びΦ角は、球座標系における仰角及び方位角を示す。
【００４１】
標準的なマルチアレーアンテナは、主ビーム方向であるルック角（looking angle）が、ｚ軸の方向においてゼロとなるように設計されている。半球の広い範囲をカバーするために、ビーム方向を変更するための移相器（phase shifting）を用いて、ビームのルック角を、様々なθ角及びΦ角に変更する。これにより、ビームステアリング（beam steering）の全ての状態に対して、サイドローブ抑圧等の不要な信号の制御が非常に困難になるという問題が生じる。
【００４２】
したがって、本発明では、図５ａに示すように、異なるビーム方向を有するホーン４を一体化してアンテナアレーとしている。ここで、ホーン４の中心軸は、ホーン４の位置に応じて傾斜している。図５ｂは、図５ａ中の線Ｂ−Ｂ’に沿った断面を示す。図５ａ及び図５ｂに示す具体例では、パッチ２からなる４つのセット１０の各ホーン４は、同じビーム方向１３ａ、１３ｂ又は１３ｃを有している。ここで、中央のホーン４は、球座標系におけるｚ軸に沿った垂直ビーム方向１３ｂを有している。中央のホーン４から遠くなるほど、ビーム方向の傾斜は大きくなる。すなわち、両側のホーン４の軸１４と中央のホーン４の軸１４がなす角度が大きくなる。所望のビーム放射方向に応じて、アレーアンテナの制御回路に組み込まれているスイッチにより、ホーン４に及び／又はホーン４から伝搬される信号エネルギは、異なるビーム放射方向を有するホーン４間で切り換えられる。このようにして、不要な雑音又はサイドローブ信号の抑圧を犠牲にすることなく、半球の広い範囲をカバーすることができる。なお、同じビーム放射方向を有するホーンアンテナ４のグループを、一列、矩形、円形、あるいは２次元アレー又は３次元アレーとして配置される１つ以上のホーンアンテナによって構成することができる。ここで、範囲、すなわちアンテナアレー全体によりカバーされるビーム走査範囲（beam scanning range）は、同じビーム放射方向を有するホーン（４）からなる１つのグループによりカバーされるビーム幅に、異なるホーン（４）のグループにより実現されるビーム放射方向の数を乗算した範囲に等しい。
【００４３】
図６は、本発明に係る中空ホーンアンテナ４を有するアレーアンテナを示す。パッチ２又はパッチのセット１０は基板１２上に設けられ、ホーン４は中空であり、回路サイズを小さくするために、回路部品、例えば電気部品１５を中空のホーン部の下に配置することができる。また、ホーン部を電気シールドとしてを使用することができる。
【００４４】
アレーアンテナの円偏波を向上させるために、パッチ２又はパッチのセット１０を、異なる方向に向けることができ、すなわち、各パッチ２を隣接するパッチ２に対して例えば９０度回転させて配置することができる。また、以下に説明するように、給電線の回路を用いて、円偏波を向上させることができる。
【００４５】
図７は、円偏波電磁波を放射及び／又は受信するパッチ２を備えたアレーアンテナを示す斜視図である。円偏波電磁波は、パッチ及び給電線３の構造によって、右円偏波又は左円偏波とすることができる。各パッチ２は対応する給電線３を有し、給電線３はパッチ２に対して縦方向に延在している。給電線３は、パッチ２に接続されており、パッチ２に及び／又はパッチ２から信号エネルギを伝達することができる。給電は、縦又は垂直方向に延在する給電線のみによって行わなくてもよい。例えば、給電は、パッチを多層プリント基板の異なる層にビアホールを介して接続することによって、行うこともできる。最も重要なことは、各パッチの相対的な位相角を正しく設定することである。
【００４６】
図８に示すように、各給電線３のポインティング方向（pointing direction）、すなわち向きは、他の給電線３のポインティング方向とは異なる。これにより、給電線３の方向が巡回した給電ネットワークが実現でき、円偏波の性能を更に高めることができる。また、偏波方向を増強することができ、例えば、右円偏波パッチと給電方向が巡回した給電ネットワークとにより、右円偏波の放射を左円偏波よりも多くすることができる。したがって、不要な偏波の主ビームが小さくなるとともに、所望の偏波の主ビームから遠くなる。
【００４７】
この構造は、シングルレイヤのアレーアンテナとマルチレイヤのアレーアンテナの両方に使用することができる。
【００４８】
図７及び図８に示すように、円偏波性能を維持するとともにアンテナ全体の利得を高めるために、各パッチ２には円形ホーン又は導波管アンテナ４を取り付けることができる。ここで、円筒又は円錐形状のホーンアンテナ４を、アレーアンテナの各パッチ２に対して配置する。提案するマルチホーンアンテナを１つの部材に一体化することにより、安価に設計することができ、容易に取り付けることができるという利点を有する。
【００４９】
アンテナを組み合わせたときの、ある素子から他の素子への不要な電磁波の影響を取り除くために、２つのホーン４間にスロット５がそれぞれ設けられており、アンテナ性能に影響を及ぼす虞があるクロスカップリング又は表面波を防止している。
【００５０】
図７及び図８に示すアレーアンテナは、給電線３をそれぞれ有する４つのパッチ２により構成されている。２本の隣接する給電線３のポインティング方向は、９０度の角度を有している。また、２本の隣接する給電線３間の位相、すなわち２本の給電線３によって供給される２つの信号間の位相は、９０度の角度を有している。また、それぞれ異なるポインティング方向の給電線３を有する更に多くのパッチを使用することも可能である。この場合、２本の隣接する給電線３のポインティング方向間の角度、あるいは２本の隣接する給電線３間の信号の位相は、３６０度を給電線３の数で除算した値に等しい。例えば、８つのパッチ２を設けた場合、２本の給電線３間の角度及び信号位相は、４５度に設定される。
【００５１】
また、図９ａ乃至９ｄに示すように、パッチ２のグループ６を使用することもでき、パッチ２からなる１つのグループ６に接続されている給電線３の各グループのポインティング方向は、給電線３の他のグループのポインティング方向とは異なっている。例えば図３ａにおいて、パッチの各グループ６は、４つのパッチ２からなり、アレーアンテナ全体としては４つのグループ６から構成され、給電線３の各グループのポインティング方向間の角度は９０度となっている。
【００５２】
さらに、パッチ２又はパッチ２のグループ６を、２つの偏波状態、すなわち左円偏波と右円偏波が分離（decoupling）が最良となるように、配置することもできる。これは、給電線３の各グループのポインティング方向を、図９ａ及び図９ｃに示すように時計回りに、あるいは図９ｂ及び図９ｄに示すように反時計回りに回転させることによって実現することができる。
【００５３】
なお、本発明は、パッチ２を２次元アレー状に配置することに限定されず、パッチ２を３次元アレー状に配置することも含み、この場合、各給電線３のそれぞれの上に置かれた給電線３のポインティング方向は、異なる。
【００５４】
また、本発明では、「セット（set）」という用語は、１本の給電線３のみを有する１つ以上のパッチ２の組合せを意味する。セット１０が２つ以上のパッチ２を有する場合、セット１０のパッチ２は、接続素子９によって接続されている。本発明では、「グループ（group）」という用語は、パッチ２の１つ以上のセット１０の組合せを意味する。例えば、セット１０が１つのパッチ２のみを有し、グループ６が１つのセット１０のみを有する場合、グループ６は１つのパッチのみからなる。これは、１つのグループ６を１つのパッチ２又は複数のパッチ２によって構成することができ、これにより、各パッチ２は対応する１本の給電線３を有し、あるいは、１つのグループ６を２つ以上のパッチ２からなる１つ以上のセット１０によって構成することができ、これにより、各セット１０は対応する１本の給電線３を有することを意味する。
【００５５】
したがって、本発明では、図１０に示すように、異なるビーム方向を有する複数のホーンを一体化してアンテナアレーとしている。ここで、ホーン４の中心軸は、ホーンの位置に応じて傾斜している。図１１は、図１０中の線Ａ−Ａ’に沿った断面を示す。図１０及び図１１に示す具体例において、それぞれ２つのホーン４が同じビーム方向７ａ、７ｂ又は７ｃを有する。ここで、中央の２つのホーン４が、球座標系におけるｚ軸に沿った垂直ビーム方向７ｂを有している。中央の２つのホーン４から遠くなるほど、ビーム方向の傾斜は大きくなる。すなわち、両側のホーン４の軸８と中央のホーン４の軸８がなす角度が大きくなる。所望のビーム放射方向に応じて、アレーアンテナの制御回路に組み込まれているスイッチにより、ホーン４に及び／又はホーン４から伝搬される信号エネルギは、異なるビーム放射方向を有するホーン４間で切り換えられる。このようにして、不要な雑音及びサイドローブ信号の抑圧を犠牲にすることなく、半球の広い範囲をカバーすることができる。なお、同じビーム放射方向を有するホーンアンテナ４のグループを、一列、矩形、円形、あるいは２次元アレー又は３次元アレーとして配置される１つ以上のホーンアンテナ４によって構成することができる。ここで、範囲、すなわちアンテナアレー全体によりカバーされるビーム走査範囲は、同じビーム放射方向を有するホーン（４）からなる１つのグループによりカバーされるビーム幅に、異なるホーン（４）のグループにより実現されるビーム放射方向の数を乗算した範囲に等しい。
【００５６】
図１２及び図１３は、アンテナの電気的性能を向上させることができる様々な形状を有するホーン４を示す。主にホーンアンテナ４は導波管として機能し、給電線の開放端において導波管に及び／又は導波管から伝搬される信号エネルギを放射及び／又は受信することができる。図１３に示すように、矩形又は円形の断面を有する開放導波管は、単純なアンテナとして使用することができる。さらに、放射特性を向上させるために、一端が広がった導波管を使用することもでき、また、図１２に示すように、サイドローブ性能を改善するために滑らかな端部を有する導波管を使用することもできる。
【００５７】
なお、本発明は、図面に示したホーン形状に限定されず、ホーン機能を有するあらゆる導波管を含む。
【００５８】
本発明に係るアレーアンテナは、単純な構造で高さが低く、低い労力及びコストで製造することができ、モバイル器機や民生用製品のような小型でコンパクトな民生用製品に実装することができる。
【００５９】
本発明では、サイドローブのレベルが低く、好ましくは１５デシベル未満であり、利得が高く、電力が半分となるビーム幅が狭く、例えば２０度未満であり、右円偏波と左円偏波の分離に最適な円偏波ミリ波アンテナを、容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係るアレーアンテナにおけるパッチのセットを示す斜視図である。
【図２】本発明に係るアレーアンテナの断面図である。
【図３】パッチのセットの異なる方向を示すアレーアンテナの斜視図である。
【図４】本発明に係るアレーアンテナの第２の実施形態を示す斜視図である。
【図５ａ】異なるビーム方向を有するホーンアンテナのグループを備えたアレーアンテナの平面図である。
【図５ｂ】図５ａの断面図である。
【図６】中空のホーン部を有するアレーアンテナの断面図である。
【図７】円偏波を向上したアレーアンテナを示す斜視図である。
【図８】円偏波を向上したアレーアンテナの平面図である。
【図９】（ａ）乃至（ｄ）は、パッチのグループに対応する給電線のグループの異なるポインティング方向を示す図である。
【図１０】異なるビーム放射方向を有するホーンアンテナのグループを備えたアレーアンテナを示す平面図である。
【図１１】図１０の断面図である。
【図１２】ホーンアンテナの第１の実施形態を示す斜視図である。
【図１３】ホーンアンテナの第２の実施形態を示す斜視図である。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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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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【外国語明細書】
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