(57)【要約】多重送受信機能用のマルチアンテナビームを生成する再構成可能な広帯域フェーズドアレイアンテナ。このアンテナアレイは、スロット内に配設されたＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを備えた複数の長い非共振ＴＥＭスロットアンテナ開口を備える。このＲＦ  ＭＥＭＳスイッチは、スロット全体にわたって給電線路内に直接配置され、それによって、スロットへのＲＦエネルギーの結合を直接制御する。各スロット内で複数のＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを使用し、それによって、各スロットが複数の送受信機能および／または多重周波数をサポートすることができる。このスロットアンテナがもたらす周波数有効範囲は、１０：１の周波数範囲よりも大きい。
2004532546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の開口であって、それぞれ第１の側および第２の側ならびに前記第１の側と前記第２の側の間に開口部を有する開口と、
複数のアンテナ給電であって、その１つまたは複数が、各開口の第１の側または第２の側上に位置するアンテナ給電と、
前記複数の開口のそれぞれに近接して配置された複数のスイッチであって、それぞれが、少なくとも１つのアンテナ給電に接続され、近接する開口の一方の側上に位置する少なくとも１つのアンテナ給電から、開口の開口部を横切って、近接する開口の他方の側にＲＦエネルギーを選択的に結合するように制御可能なスイッチと、を備える、ＲＦエネルギーを放射するアレイアンテナ装置。
【請求項２】
複数の開口を設けるステップと、
複数のスイッチを設けるステップであって、前記スイッチの１つまたは複数が各開口に近接して配設され、前記各スイッチが、スイッチに近接した開口にＲＦエネルギーを結合する第１位置およびスイッチに近接した開口からＲＦエネルギーを分離する第２位置を有するステップと、
複数の前記スイッチの一部を前記第１位置に切り替えるステップと、
残りの前記スイッチを前記第２位置に切り替えるステップと、
スイッチにＲＦエネルギーを印加するステップと、を含む、最短動作波長および最長動作波長を有するアンテナアレイでＲＦエネルギーを放射し受信する方法。
【請求項３】
複数の開口であって、それぞれ第１の側および第２の側ならびに前記第１の側と前記第２の側の間に開口部を有する開口と、
複数群のスイッチであって、各スイッチ群がアンテナ開口に近接して配置された複数のスイッチを備え、それぞれが、各開口の異なる位置で開口部を横切ってＲＦエネルギーを選択的に結合するように制御可能なスイッチと、
複数のビーム形成器であって、それぞれが、前記複数群のスイッチのうち別々の群のスイッチに接続されたビーム形成器と、
前記複数のビーム形成器のうち選択された１つにＲＦエネルギーを結合するように選択的に制御可能なＲＦスイッチと、を備える、ビームを誘導するアンテナアレイ装置。
【請求項４】
アンテナアレイ内に複数の開口を設けるステップと、
複数群のスイッチを設けるステップであって、各スイッチ群が、開口に近接した異なる位置に配置された複数のスイッチを備え、前記各スイッチが、スイッチに近接した開口にＲＦエネルギーを結合する第１位置およびスイッチに近接した開口からＲＦエネルギーを分離する第２位置を有するステップと、
複数のビーム形成器を設けるステップであって、各ビーム形成器が、前記複数群のスイッチのうち別々の群のスイッチに接続されるステップと、
前記ビーム形成器群のビーム形成器のうち選択された１つにＲＦエネルギーを結合するステップと、
前記選択されたビーム形成器に接続されたスイッチ群の複数の前記スイッチを前記第１位置または前記第２位置のいずれかに切り替えるステップと、
残りの前記スイッチを前記第２位置に切り替えるステップと、を含む、アンテナビームを形成する方法。
【請求項５】
複数の送受信モジュールであって、それぞれが、１つまたは複数の複数送受信機能をもたらすＲＦハードウエアに結合され、かつ１つまたは複数のチャネルを有し、各チャネルが１つまたは複数の送受信ポートにおいて送受信モジュールから出力結合される送受信モジュールと、
１つまたは複数の開口であって、それぞれが、第１の側および第２の側ならびに前記第１の側と前記第２の側の間に開口部を有する開口と、
複数のアンテナ給電であって、そのうち１つまたは複数が、対応する１つの開口の第１の側または第２の側上に位置し、それぞれが、複数の前記送受信モジュールのうち１つ上の、１つまたは複数の送受信ポートのうち１つに結合されたアンテナ給電と、
前記開口に近接して配置された複数のスイッチであって、それぞれが、１つのアンテナ給電に接続され、対応する開口の一方の側上に位置する前記アンテナ給電から、対応する開口の開口部を横切って、対応する開口の他方の側にＲＦエネルギーを選択的に結合するように制御可能なスイッチと、を備える、最短動作波長および最長動作波長を有し、複数の送受信機能をサポートするフェーズドアレイアンテナシステム装置。
【請求項６】
複数の開口が複数の非共振スロット開口を含む、請求項１、３または５に記載の装置、あるいは請求項２または４に記載の方法。
【請求項７】
平面アレイとして前記非共振スロット開口を配置する、請求項６に記載の方法または装置。
【請求項８】
前記スイッチがＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを含む、請求項１から７のいずれか１つに記載の方法または装置。
【請求項９】
少なくとも１つのＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが、カンチレバー型単極単投ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを含む、請求項８に記載の方法または装置。
【請求項１０】
複数の前記非共振スロット開口が平面アレイ内に配設され、各非共振スロット開口が長手方向を有し、各非共振スロット開口の長手方向が、すべての他の非共振スロット開口の長手方向に概して平行である、請求項６に記載の方法または装置。
【請求項１１】
前記スイッチが、様々な形状のアンテナビームを形成するように選択的に制御可能である、請求項１、３または５に記載の装置、あるいは請求項２または４に記載の方法。
【請求項１２】
アレイアンテナ装置が最短動作波長および最長動作波長を有し、前記複数のスイッチが複数のＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを含み、複数の非共振スロット開口が、
上面および下面ならびに１つまたは複数のスロットを有する金属層であって、
各スロットが、金属層中に、最長動作波長よりも長い長さおよび最短動作波長よりも短い幅を有する開口部を備える金属層と、
上面および底面を有し、金属層の上面上に配設された基板材料を備える基板層であって、
基板層の底面が金属層に隣接し、アンテナ給電が基板層の上面上に位置する基板層と、
基板層の上面から基板層の底面に延び、金属層と電気的に接触する１つまたは複数のバイアと、を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
複数のＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが前記基板層上に配設され、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが、前記金属層中の開口部の上に位置し、対応するスロット開口の一方の側上に位置する少なくとも１つのアンテナ給電を、１つまたは複数の前記バイアのうち少なくとも１つのバイアに選択的に電気的に接続またはそれから切断するように制御可能である、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記基板層が、それぞれ前記金属層中の開口部に隣接しかつ概略その上に位置し、前記金属層中の開口部に概略等しい長さおよび幅を有する複数のスロットと、金属層中の開口部またはその上に直接配設され、対応するスロット開口の一方の側上に位置する少なくとも１つのアンテナ給電を、１つまたは複数の前記バイアのうち少なくとも１つのバイアに選択的に電気的に接続またはそれから切断するように制御可能である、複数の前記ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチと、を有する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
前記金属層の下面に接して配設されたレードームをさらに備える、請求項１２、１３または１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記レードームが複数の誘電体層を備え、各前記誘電体層が比誘電率および幅を有し、前記非共振スロット開口のインピーダンスを自由空間のインピーダンスに整合させるように、各層の前記比誘電率および前記幅が前記金属層に隣接する層から自由空間に隣接する層まで変化する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記基板層の上面の上に配設された吸収体をさらに備える、請求項１５または１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記吸収体が金属化バックプレートを備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
複数の前記開口が、上面および下面を有する金属層中に開口部を備え、各開口部が前記最長動作波長よりも長い長さおよび前記最短動作波長よりも短い幅を有する、請求項２に記載の方法。
【請求項２０】
上面および底面を有する基板層が前記金属層の上面上に配設され、前記基板層の底面が前記金属層の上面に隣接して配設され、前記基板層が、前記基板層の上面から前記基板層の底面まで延び、前記金属層に電気的に接触する複数の導電バイアを有する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
複数の前記スイッチが、前記基板層上に配設された複数のＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを含み、前記ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが、前記金属層中の前記開口部の上に位置し、選択的に前記バイアにＲＦエネルギーを結合または前記バイアからＲＦエネルギーを分離するように制御可能である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
複数の前記スイッチが複数のＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを含み、前記基板層が、それぞれ概略前記金属層中の前記開口部の上に位置する複数のスロットを有し、複数の前記ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが、前記金属層中の前記開口部の上に配設され、選択的に前記バイアにＲＦエネルギーを結合または前記バイアからＲＦエネルギーを分離するように制御可能である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記開口がインピーダンスを有し、前記金属層が、前記金属層の下面に接して配設されかつ複数の誘電体層を備えるレードームを有し、複数の前記誘電体層のそれぞれの幅および比誘電率が、前記開口のインピーダンスを自由空間に整合させるように選択される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
金属化バックプレートを備えた吸収体が前記基板層の上面の上に配設される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
前記複数のスイッチのそれぞれが、前記開口中の前記開口部のすぐ上で異なる位置に配置されるＲＦ  ＭＥＭＳスイッチである、請求項３に記載の装置。
【請求項２６】
最短動作波長を有し、各スイッチ群の各スイッチが、他のスイッチ群のそれぞれからのスイッチの前記最短動作波長の１／１０以内で配設される、請求項３に記載の装置。
【請求項２７】
前記アンテナアレイが最短動作波長を有し、各スイッチ群の各スイッチが、他のスイッチ群のそれぞれからのスイッチの前記最短動作波長の１／１０以内で配設される、請求項４に記載の方法。
【請求項２８】
各送受信モジュールの各送受信ポートが、１つまたは複数のアンテナ給電に結合され、１つの非共振スロット開口に近接して配置され、各送受信モジュールの１つの送受信ポートに接続された少なくとも１つの前記スイッチが、同じ非共振スロット開口に近接して配置され、送受信モジュールの他の送受信ポートのそれぞれに接続された少なくとも１つの前記スイッチに対して前記最短動作波長の１／１０の距離内で配設される、請求項５に記載の装置。
【請求項２９】
複数の前記スイッチが複数のＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを含み、１つまたは複数の前記開口が、
上面および下面ならびに１つまたは複数のスロットを有する金属層であって、
各スロットが、金属層中に、最長動作波長よりも長い長さおよび最短動作波長よりも短い幅を有する開口部を備える金属層と、
上面および底面を有し、前記金属層の上面上に配設された基板材料を備える基板層であって、
基板層の底面が前記金属層に隣接し、アンテナ給電が基板層の上面上に位置する基板層と、
前記基板層の上面から前記基板層の底面に延び、前記金属層に電気的に接触する１つまたは複数のバイアと、を備える、請求項５に記載の装置。
【請求項３０】
複数の前記ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが基板層上に配設され、前記ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが、前記金属層中の前記開口部の上に位置し、対応する開口の一方の側上に位置する少なくとも１つのアンテナ給電を、１つまたは複数のバイアのうち少なくとも１つのバイアに選択的に電気的に接続またはそれから切断するように制御可能である、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記基板が、それぞれ前記金属層中の前記開口部の上に概略位置する複数のスロットを有し、複数の前記ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが、前記金属層中の前記開口部の上に配設され、対応する開口の一方の側上に位置する少なくとも１つのアンテナ給電を、１つまたは複数の前記バイアのうち少なくとも１つのバイアに選択的に電気的に接続またはそれから切断するように制御可能である、請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
複数の誘電体層を有するレードームをさらに備え、各誘電体層が比誘電率および幅を有し、各層の前記比誘電率および前記幅が、前記開口と自由空間とのインピーダンス整合をもたらすように選択される、請求項５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、フェーズドアレイアンテナに関し、より詳細には、複数の機能用のマルチビームを生成することができる再構成可能な広帯域フェーズドアレイアンテナに関する。本開示では、再構成可能なインタリーブ型フェーズドアレイアンテナを説明する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、ＤＡＲＰＡが締結した契約第Ｎ６６０１−９９−Ｃ−８６３５号を受けて、政府援助によって行われた。政府は、本発明の一定の権利を有する。
【０００３】
レーダによる監視、地上および衛星通信、航行、識別および電子逆探装置などの防衛および商用電子システムは、多くの場合、船舶、航空機、衛星または建築物などの単一構造上に配備される。通常、これらのシステムは、電磁スペクトル中の様々な周波数帯域で動作する。多重帯域複数機能動作をサポートするには、通常、いくつかの単一離散アンテナを別々のアンテナ用プラットフォーム上に設置するが、しばしば、これらを担持する構造上で、スペースの取り合いになる。追加のアンテナ用プラットフォームは、余分な重量を追加し、容積を占有し、電磁適合性、レーダ断面および観測上の問題を引き起こす。
【０００４】
アンテナ動作に有害な影響を及ぼさずに、異なる周波数および異なる機能で互いに近接してアンテナ開口を動作させることが求められる。多くの場合、単一プラットフォームで多重帯域、広角走査および複数チャネルに対応する能力を有することが望まれる。単一プラットフォームで多重帯域、複数機能能力をもたらす典型的なアーキテクチャを図１に示す。このアンテナ用プラットフォーム１００は、複数のアンテナセル１１０Ａ．．．Ｎを備える。各セルは、放射素子１１６Ａ．．．Ｎ、ＲＦエネルギーを放射素子１１６Ａ．．．Ｎに結合する送信線路１１４Ａ．．．Ｎ、および位相シフタ、Ｔ／Ｒ（送受信）モジュール、または各放射素子１１６Ａ．．．Ｎから放射されるＲＦエネルギーを制御するその他のデバイスなどの放射制御素子１１２Ａ．．．Ｎ、からなる。アンテナセル１１０Ａ．．．Ｎはそれぞれ、別々の送信または受信機能１０Ａ．．．Ｎに結合される。送信または受信機能１０Ａ．．．Ｎはそれぞれ、振幅、位相および／または周波数の独立したプロセスである。たとえば、１つの機能は２ＧＨｚの衛星通信信号の送信であり、別の機能は１０ＧＨｚのレーダ信号の受信であり得る。アンテナ用プラットフォーム１００は、２次元で格子状に並べられたいくつかのアンテナセル１１０Ａ．．．Ｎを含む平面アレイを備えることができ、各セル１１０Ａ．．．Ｎは全体として働いて、全体的な所望の機能的特性に関連するファーフィールドビームを生成する。
【０００５】
アンテナ用プラットフォームは、異なる密度で同じ格子スペースを占めるアンテナセルを使用して、異なる送信または受信機能を行うことができる。たとえば、１０ＧＨｚで動作するレーダなどの高周波機能では、いくつかのアンテナセルを使用してビームを精密に誘導することができ、２ＧＨｚで動作する通信チャネルなどの低周波機能では、その波長がより長いために、使用するアンテナセルの数をより少なくすることができる。異なる機能を行うために異なる密度のアンテナセルを用いることをアレイシンニングと称することがある。送信または受信機能はそれぞれ、グレーティングローブのない走査を実現するなどの放射性能の最適化、あるいはビーム幅の合成の最適化を行うために、固有の格子間隔を必要とすることがある。グレーティングローブのない走査を実現するには、半波長よりも長い間隔を置いて配置された素子だけを制御しなければならないので、より低い周波数では、位相制御が必要な放射素子の数はより少なくなる。
【０００６】
図２に、異なる密度のアンテナセル２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃを使用して、３つの異なるアンテナ機能１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを行う平面アレイ２００を示す。図２では、平面アレイ２００の特定の部分である第１機能１０Ａは４つのアンテナセル２１０Ａを使用し、第２機能１０Ｂは２つの放射素子２１０Ｂしか使用せず、第３機能１０Ｃは１つのアンテナセル２１０Ｃしか使用しない。アンテナセル２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃはそれぞれ、依然として放射素子２１６Ａ、２１６Ｂ、２１６Ｃ、送信線路２１４Ａ、２１４Ｂ、２１４Ｃおよび放射制御素子２１２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃを含む。
【０００７】
アレイのシンニング化を行うと、平面アレイ内で必要な素子の数が減ることに留意されたい。たとえば、ある平面アレイが各機能ごとに１６個のアンテナセルを使用して３つの機能を提供する場合、このアレイには合計４８個のアンテナセルが必要である。これは、４８個の放射素子、送信線路および放射制御素子も必要であることも意味する。しかし、図２に示すアレイシンニングを利用する場合、必要なアンテナセルの数、したがってアンテナ構成要素の数は少なくなる。たとえば、図２で、第１機能１０Ａが合計１６個のアンテナセル２１０Ａを使用して所望の性能を実現する場合、１６個の放射素子２１６Ａ、送信線路２１４Ａおよび放射制御素子２１２Ａが必要である。しかし、第２機能１０Ｂに必要なアンテナセル２１０Ｂの数はその半分だけであり、そのため、８個の放射素子２１６Ｂ、送信線路２１４Ｂおよび放射制御素子２１２Ｂしか必要としない。最後に、第３機能１０Ｃに必要なアンテナセル２１０Ｃの数は第１機能１０Ａの１／４であり、そのため、４個の放射素子２１６Ｃ、送信線路２１４Ｃおよび放射制御素子２１２Ｃしか必要としない。したがって、図２に示すアレイシンニングによって、構成要素の数がかなり減少する。
【０００８】
シンニングした平面アレイのアンテナセルは、図２に示すように、単一アレイ内で交互に配置することができる。しかし、放射素子が互いに近接している場合、１つの機能をサポートするアンテナセルからのＲＦエネルギーが別のアンテナセルに結合することがよくあり、アレイの性能を低減させる。ＲＦエネルギーの結合を低減させる一手法は、図３に示すように、未使用のセルをスイッチで開閉することである。図３では、平面アレイ３００内のアンテナセル３１０Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ、放射制御素子３１２Ａ，Ｂ，Ｃ、ＲＦスイッチ３１８Ａ，Ｂ，Ｃ、送信線路３１４Ａ，Ｂ，Ｃおよび放射素子３１６Ａ，Ｂ，Ｃからなる。しかし、単にＲＦスイッチ３１８Ａ，Ｂ，Ｃで未使用のセル３１０Ａ，Ｂ，Ｃを切り離すことは望ましくない。というのは、開路状態の有限長送信線路３１４Ａ，Ｂ，Ｃは、アレイ３００にスプリアスインピーダンスを付加する傾向があり、また、スイッチ３１８Ａ，Ｂ，Ｃが負荷で終端されたときに損失が生じる恐れがあるからである。
【０００９】
従来技術では、スイッチを使用せずに上記で論じた交互配置の問題に対処するために、多くの技術が開示されている。Ｐｒｏｖｅｎｃｈｅｒ他の米国特許第３，６２３，１１１号、Ｂｏｗｅｎ他の米国特許第４，７７７２，８９０号、Ｃｈｕ他の米国特許第５，５５７，２９１号およびＭｏｔｔ他の米国特許第５，４６１，３９１号に、多重周波数帯域における動作を実現するのにスイッチを使用しない多重帯域アレイの例が開示されている。一般に、これらのアレイは、ある特定の周波数帯域で高周波エネルギーを放射するように構成された放射素子を使用する。隣接する非活動の放射素子への結合を減少させることによって、活動ポートのエネルギーの散逸を最小限に抑える。インタリーブ型開口内の隣接する素子は、周波数全体にわたって変化する振幅および位相を有するスプリアス信号を再放射し、したがって、所望の信号の放射と混信する恐れがあるので、通常、これらのアレイ内の開口は、互いに交差偏波させるか、あるいは、周波数間隔を広く空けて相互結合エラーを回避する。しかし、こうした設計を選択すると、アレイの柔軟性が制限される。
【００１０】
従来技術では、図４に示すように、カプラ、ダイプレクサまたはスイッチなどのＲＦコンバイナ４６０で放射素子を送信または受信機能と結合することによって、より低い周波数帯域で放射素子を再使用することも開示されている。図４に、３つの送信または受信機能１０Ａ，Ｂ，Ｃが別々の放射制御素子４２０Ａ，Ｂ，Ｃに結合されたアンテナアレイ４００を示す。しかし、ＲＦコンバイナ４６０を使用することによって、放射制御素子４２０Ａ，Ｂ，Ｃの出力は、特定の機能１０Ａ，Ｂ，Ｃをサポートするのに必要な最小限の数の放射素子４４０に多重化される。図４に示す例では、１つの機能１０Ａが４つの放射素子４４０を必要とするので、このアレイは４つの放射素子４４０だけを含む。したがって、実際には、特定の送信または受信機能１０Ａ，Ｂ，Ｃをサポートするのに使用するアンテナセルは、放射素子４４０および送信線路４３０を、別の送信または受信機能１０Ａ，Ｂ，Ｃをサポートするのに使用するアンテナセルと共有する。
【００１１】
放射素子を共有または「再使用」するアーキテクチャでは、受動的なカプラは損失を導入する傾向があるので、ダイプレクサまたは帯域通過フィルタを使用することが好ましい。Ｔａｎｇ他の米国特許第５，０８７，９２２号には、特定の動作周波数で開路または短絡を与えるダイポール素子に結合された帯域通過フィルタが開示されている。Ｌｅｅ他の米国特許第４，６８９，６２７号には、アレイ内で放射素子に結合されたダイプレクサが開示されている。このダイプレクサは、アレイが動作する２つの周波数帯域間の分離をもたらす。しかし、このように放射素子を再使用するには、極めて複雑でコストのかかる多重帯域ダイプレクサおよび／または広帯域放射素子の使用を必要とすることがある。
【００１２】
したがって、当技術分野では、極めて広い帯域を通じて複数の機能をサポートすることができるアンテナアレイが求められている。さらに、当技術分野では、異なる動作周波数における信号間の分離が改善され、より高い効率が得られ、いくつかの周波数で動作する柔軟性がもたらされるアンテナアレイが必要とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、広帯域にわたってＲＦ（高周波数）信号を送受信するために、ＲＦ信号を受信し放射するアンテナアレイおよび方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、単一のアンテナアレイで、多重帯域、広角走査および複数チャネル能力をサポートする能力を提供することである。さらに、本発明の目的は、高アレイ効率、低後方散乱で、アレイからの能動反射が低く、アレイの複数チャネル間の分離が高いアンテナアレイで、多重帯域、広角走査および複数チャネル能力を提供することである。
【００１４】
上記その他の目的は、複数のアンテナ開口と、アンテナ開口あるいはその内部に配設された複数の小型スイッチとを備えるアンテナアレイによって実現される。このスイッチにより、アンテナ開口のところで直接複数の送受信機能をインタリーブし切り替えることができる。このスイッチは、サイズが小型で、アンテナ開口のところでＲＦ信号の切替えを最適に実現するチャネル分離能力を有するＲＦ  ＭＥＭＳスイッチであることが好ましい。このアンテナ開口は、１０：１の周波数範囲全体を通じて動作することができる長い非共振ＴＥＭスロットであることが好ましい。長い非共振スロットの長さは、一般に、最大動作波長（スロットが放射する最低周波数）よりも長く、その幅は、一般に、最小動作波長（スロットが放射する最高周波数）よりも短い。インピーダンス整合レードームを使用して、アンテナ開口のインピーダンスを自由空間に整合させ、それによって、送受信放射をアレイの前側半球に送り、かつ送信効率を増大させることが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様によれば、ＲＦエネルギーを放射するアレイアンテナが提供される。このアレイアンテナは、複数の非共振スロット開口であって、それぞれ第１の側および第２の側ならびに第１の側と第２の側の間に開口部を有する開口と、複数のアンテナ給電であって、その１つまたは複数が、各非共振スロット開口の第１の側または第２の側上に位置するアンテナ給電と、複数の非共振スロット開口のそれぞれにすぐ近接して配置された複数のスイッチであって、それぞれが、少なくとも１つのアンテナ給電に接続され、近接するスロット開口の一方の側上に位置する少なくとも１つのアンテナ給電から、近接する非共振スロット開口の開口部を横切って、近接する非共振スロット開口の他方の側にＲＦエネルギーを選択的に結合するように制御可能なスイッチとを備える。これら複数の非共振スロット開口は、金属層内に開口部を備えることができ、これら開口部はそれぞれ、非共振スロットを形成する長さおよび幅を有する。
【００１６】
本発明の別の態様によれば、最小動作波長および最大動作波長を有するアレイアンテナによってＲＦエネルギーを放射し受信する方法が提供される。この方法は、複数の非共振スロット開口を設けるステップと、複数のスイッチを設けるステップであって、前記スイッチの１つまたは複数が各非共振スロット開口に近接して配設され、前記各スイッチが、スイッチに近接した開口にＲＦエネルギーを結合する第１位置およびスイッチに近接した開口からＲＦエネルギーを分離する第２位置を有するステップと、複数のスイッチの一部を第１位置に切り替えるステップと、残りのスイッチを第２位置に切り替えるステップと、これら複数のスイッチにＲＦエネルギーを印加するステップとを含む。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、ビームを誘導するアンテナアレイが提供される。このアンテナアレイは、複数の非共振スロット開口であって、それぞれ第１の側および第２の側ならびに第１の側と第２の側の間に開口部を有する開口と、複数群のスイッチであって、各スイッチ群がアンテナ開口にすぐ近接して配置された複数のスイッチを備え、それぞれが、異なる位置で各非共振スロット開口の開口部を横切ってＲＦエネルギーを選択的に結合するように制御可能なスイッチと、複数のビーム形成器であって、それぞれが、複数群のスイッチのうち別々の群のスイッチに接続されたビーム形成器と、複数のビーム形成器のうち選択された１つにＲＦエネルギーを結合するように選択的に制御可能なＲＦスイッチとを備える。複数の非共振スロット開口は、これらスロット開口が矩形グリッドに沿って位置する平面アレイを形成するように構成することができる。平面アレイ内のスロット開口は、一般に、スロットが互いに平行になるような向きであることが好ましい。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、アンテナのビームを形成する方法が提供される。この方法は、アンテナアレイ内に複数の非共振スロット開口を設けるステップと、複数群のスイッチを設けるステップであって、各スイッチ群が、非共振スロット開口にすぐ近接した異なる位置に配置された複数のスイッチを備え、前記各スイッチが、スイッチに近接した開口にＲＦエネルギーを結合する第１位置およびスイッチに近接した開口からＲＦエネルギーを分離する第２位置を有するステップと、複数のビーム形成器を設けるステップであって、各ビーム形成器が、複数群のスイッチのうち別々の群のスイッチに接続されるステップと、ビーム形成器群のビーム形成器のうち選択された１つにＲＦエネルギーを結合するステップと、選択されたビーム形成器に接続されたスイッチ群の複数のスイッチを第１位置または第２位置のいずれかに切り替えるステップと、第２位置に残りのスイッチを切り替えるステップとを含む。各群のスイッチのうち複数のスイッチは、開口のところで異なる密度で配設することができ、それによって、たとえば、第１群のスイッチの各スイッチごとに、第２群のスイッチのうち４つのスイッチが存在する。これらのスイッチ群が異なる密度で配設される場合、より高密度で配設されたスイッチ群の少なくとも１つのスイッチが、より低密度で配設されたスイッチ群の各スイッチのスロット開口の最大動作波長の１／１０波長内にあることが好ましい。
【００１９】
本発明の別の態様によれば、最小動作波長および最大動作波長を有し、複数の機能を有するフェーズドアレイアンテナシステムが提供される。このフェーズドアレイアンテナシステムは、複数の送受信モジュールであって、それぞれが、複数の機能に結合され、かつ複数のチャネルを有し、各チャネルが１つまたは複数の送受信ポートにおいて送受信モジュールから出力結合される送受信モジュールと、１つまたは複数の非共振スロット開口であって、それぞれが、第１の側および第２の側ならびに第１の側と第２の側の間に開口部を有する開口と、複数のアンテナ給電であって、そのうち１つまたは複数が、対応する１つのスロット開口の第１の側または第２の側上に位置し、それぞれが、１つの送受信モジュール上の、１つまたは複数の送受信ポートのうち１つに結合されたアンテナ給電と、非共振スロット開口にすぐ近接して配置された複数のスイッチであって、それぞれが、１つのアンテナ給電に接続され、対応するスロット開口の一方の側上に位置するアンテナ給電から、対応する非共振スロット開口の開口部を横切って、対応するスロット開口の他方の側にＲＦエネルギーを選択的に結合するように制御可能なスイッチとを備える。
【００２０】
本発明は、複数のビームを生成して複数の機能を行う能力を提供する。この能力は、１つまたは複数の広帯域非共振スロット開口の上に配置されたＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを制御することによって提供することができる。一連のこうした開口は、１０：１以上の広い周波数範囲を通じて送受信機能を行うための周波数およびビーム指向能力を提供する。本質的には、本発明は、開口の様々な位置に配置されたスイッチによって設けられた励振位置を切り替えることによって、単一構造内で複数のアンテナを組み合わせる能力を提供する。この単一構造は、他の現況技術のアンテナシステムに比べて、サイズ、重量、容積、レーダ断面、電磁適合性その他のアンテナファクタの点で大きな改善を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図５に、例として、３つの送信または受信機能１０Ａ，Ｂ，Ｃをサポートする、本発明による複数機能多重周波数帯域のフェーズドアレイアンテナ５００の簡略化した構成図を示す。図５で、送信または受信機能１０Ａ，Ｂ，Ｃを実現するハードウエアは、送信線路５３０Ａ，Ｂ，Ｃを介して、ＲＦ開口５８０内に直接配置されたスイッチ５８１Ａ，Ｂ，Ｃに結合されたＲＦエネルギーを制御する放射制御素子５２０Ａ，Ｂ，Ｃに結合される。図５には、前に説明し図２および３に示した４：２：１のアレイシンニングを利用した３つの送信または受信機能を示す。ただし、本発明によるフェーズドアレイアンテナは、１つまたは複数の送信および／または受信機能ならびに任意のアレイシンニングの変形形態あるいはアレイシンニングをまったく行わない変形形態に対応することができる。
【００２２】
スイッチ５８１Ａ，Ｂ，Ｃは、ＲＦ  ＭＥＭＳ（高周波用微小電子機械システム）スイッチであることが好ましい。この応用例では、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチは、他のタイプのスイッチに比べて大きな利点をもたらす。ダイオードスイッチは、マイクロ波およびミリ波周波数で大きな損失を示す。ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチは、現況技術の金属接点リレーよりも小型であり、ミリ波およびマイクロ波周波数用に寸法設定されたＲＦ開口内に容易に収容される。開口内で直接切替えを行うと、隣接した未使用の送信または受信経路は極めて良好に分離されたままの状態になり、それによって、これらの経路はほぼ理想的な開路を含むことになる。このような分離により、極めて広い動作周波数を通じて、スプリアスリアクタンスがほとんどなくなる。本発明によって、（上記で説明し図３に示したように、送信給電からより遠く離れた後方でではなく）開口内で未使用の給電を切り替えると、周波数的に近接したいくつかの別々の機能を行う送受信能力をもたらすことができる。
【００２３】
ＲＦ開口５８０は、長くて狭い非共振放射スロットを備えることが好ましい。この非共振放射スロットは、スロットが放射するＲＦ信号の最低動作周波数の波長の少なくとも複数個分の長さを有するべきである。このスロットが十分に長いと、極めて広い帯域を通じてＴＥＭ放射が発生し得る。少なくとも１０：１の動作帯域を通じて、複数の送受信機能が、このスロットを共有することができる。以下の説明では、周期的に励振される非共振スロットは、少なくとも１０：１という極めて広い帯域を有する。本発明によるフェーズドアレイアンテナは、複数のスロットを備えることが好ましい。これらのスロットは、大型のアレイ内で、水平垂直両方向に格子状に並べられ、それによって、ビーム制御および分解能が向上する。
【００２４】
このアレイは一連の複数スロットを備えることができる。すべてのスロットは、同じ長手方向の向きを有する。すなわち、これらのスロットは、その長手方向の寸法が互いにすべて平行になるように配置される。このアレイは、一群のサブアレイも備え、各サブアレイ内のスロットはそれぞれ同じ向きであるが、サブアレイ間でスロットの向きは変わり得る。さらに、（図５には示さない）レードームを使用して開口を覆うことができる。このレードームは、開口５８０の放射が前側半球の有効範囲に送られるように構築することができる。望まれる場合には、このレードームを使用してスイッチ５８１Ａ，Ｂ，Ｃを密封して保護することもできる。
【００２５】
開口５８０は、分路プローブによって励振され、分路プローブは、ＲＦ送信線路５３０Ａ，Ｂ，Ｃに結合したＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ５８１Ａ，Ｂ，Ｃによって活動状態になる。スロット開口の場合、本質的に、分路プローブは、スロットを横切って接地に至るＲＦ接続部であり、そのため、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチは、閉位置状態で、分路プローブとして働く。ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが開いているとき、スイッチに印加されたＲＦエネルギーは、スロットから分離され、スロットから放射されない。
【００２６】
効果的にアンテナビームを制御するためには、特定の信号を放射しているプローブが互いに十分に近接した間隔で配置されていることが好ましく、それによって、信号が放射されるべき最高周波数でグレーティングローブが生じないことになる。複数組のプローブが、独立した信号を放射するか、あるいは独立した送受信機能を行うように構成される場合、各組のプローブは、グレーティングローブの生成を回避するために、互いに十分近接した間隔で配置されるべきである。たとえば、図５に、送信線路５３０Ａおよび開口５８０内のスイッチ５８１Ａに結合した第１組の放射制御素子５２０Ａを示す。同様に、第２組の放射制御素子５２０Ｂおよび第３組の５２０Ｃも同じ開口５８０に結合され、アンテナは、埋め込まれたＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ５８１Ｂまたは５８１Ｃをそれぞれ活動化させることによって再構成され、それによって、独立した機能が活動状態になる。ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチのサイズが小さいので、スイッチを各群ごとに互いに十分に近接した間隔で容易に配置することができ、それによって、グレーティングローブが回避される。さらに、スイッチのサイズが小さいので、複数の独立した機能を行うためのスイッチをすべて互いに十分に近接した間隔で配置して、すべての機能についてグレーティングローブを回避することができる。
【００２７】
図６に、本発明によるアンテナセル６００の例の物理的な実施形態を示す。上記で説明したように、不定数のこうしたセル６００を、大型アレイ内で格子状に並べられるはずである。図６で、放射スロット６２１を形成した接地面６２０の上部に、基板６１０を配置する。接地面６２０は、レードーム６３０の上部に配置してよい。また、基板スロット６１１を基板６１０に形成する。基板スロット６１１は、基板６１０の下にある接地面６２０中の放射スロット６２１に対応するものである。一般に、基板６１０の厚さは、波長の何分の一かしかない。ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００は、基板スロット６１１内に配置する。
【００２８】
放射スロット６２１は、長い非共振ＴＥＭスロットである。したがって、放射スロット６２１およびそれに対応する基板スロット６２１の幅は、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００に対応するのに十分広くするべきであるが、できるだけ狭くする。放射スロット６２１の全長は、アンテナセル６００が送信または受信するＲＦ信号の最低動作周波数をサポートするのに十分長くすべきである。アンテナセル６００内のＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００は、アンテナセル６００の最大動作波長の１／２波長よりもはるかに短い間隔で配置すべきであり、最小動作波長の１／１０波長よりも短い間隔で配置されることが好ましい。
【００２９】
接地面６２０は、打抜き加工、切断、あるいはその他の方法でプレート中に設けた複数のスロットを備える金属プレートを含むものでよい。接地面６２０は、真空蒸着など当技術分野で周知の技術を用いて、レードーム６３０の上面上あるいは基板６１０の底面に被着させた金属層も含み得る。接地面６２０に用いる金属は、一般に接地面の導通用に使用する金属、たとえば金、銅またはアルミニウムを含む。しかし、アレイの重量が問題である場合には、アルミニウムが好ましいであろう。
【００３０】
一般に、基板６１０は、高誘電体で低損失の材料を含む。こうした材料の例には、アルミナ／ポリマーのハイブリッド、アルミナ粉を含むエポキシ充填基板および当技術分野では周知の他のマイクロ波用基板が含まれる。半導体製作技術を用いてアレイ構造をモノリシックに製作する場合、基板６１０は、シリコンまたはガリウムヒ素などの半導体材料を含んでよい。レードーム６３０は類似の材料を含むが、以下で説明するように、異なる材料の複数の層を含むことが好ましい。基板およびレードームの製作に使用する典型的な材料は、米国アリゾナ州Ｃｈａｎｄｌｅｒ所在のＲｏｇｅｒｓ社Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎから入手可能である。
【００３１】
ＲＦポート６４０によってＲＦエネルギーを各ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００に供給する。このポート６４０は、単にＲＦエネルギー源への接続部を備えるか、あるいは、ＲＦエネルギーのデバイスへの入力結合、あるいはデバイスからの出力結合の制御をもたらす能動デバイスを備えることができる。図６に示す３つのＲＦポート６４０は、同じ送信または受信機能に結合するか、あるいは、別の機能に結合して、セル６００によって機能をインタリーブすることができる。送信線路６４１は、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００をＲＦポート６４０に結合する。この送信線路は、基板６１０上に直接位置するマイクロストリップを含むことができる。送信線路６４１は、標準デバイスへの接続をもたらすために、５０オームのインピーダンスを有することもできる。セル内の送信線路６４１は、セル６００の所望の最大動作波長の１／２波長よりもはるかに短い間隔で配置し、それによって、結合の影響を最小限に抑えることが好ましい。
【００３２】
基板スロット６１１をｚ方向に横切る各ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００中のＲＦ接点７１０が通電されて入力ＲＦ線路７０３と出力ＲＦ線路７０１が接触すると、放射スロット６２１全体で放射結合が生じる。ＲＦ接続部６４３は、送信線路６４１をＲＦ入力線路７０３に接続する。ＲＦ接続部６４３は、ワイヤボンドまたは当技術分野では周知の他の接続手段を含んでよい。基板スロット６１１の反対側には、接地パッド６１３があり、これは、接地接続部６４５を介してＲＦ出力線路７０１に接続される。接地接続部６４５も、ワイヤボンドを含んでよい。接地パッド６１３は、（図６には示さない）ｘ方向のバイアによって接地面６２０に接続される。ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００は、閉状態で、送信線路６４１を接地パッド６１３、すなわち接地面６２０に接続する。したがって、スイッチ７００を閉じると、ＲＦエネルギーが、放射スロット６２１全体で結合され、放射スロット６２１から放射される。
【００３３】
ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００の作動は、スイッチに印加されるＤＣバイアス信号によって制御される。図６では、ＤＣ制御電圧は、ＤＣバイアスパッド６１５に供給される。ＤＣ接続部６１７は、ＤＣバイアスパッド６１５を、スイッチ７００上の第１スイッチバイアスパッド７２３に接続する。ＤＣ接続部６１７も、ワイヤボンド含んでよい。ＤＣ帰線接続部６１９は、第２スイッチバイアスパッド７２１を接地パッド６１３に接続する。ＤＣ電圧を印加すると、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００が閉じ、そのため、スイッチ７００を通るＲＦエネルギー放射が制御される。
【００３４】
本発明によるアンテナセル６５０の別の実施形態を図１８に示す。図１８に示すように、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００は、接地面６２０内の放射スロット６２１の上、基板６１０の上面上に直接製作することができる。一般に、基板の厚さは波長の何分の一かよりも薄いので、送信線路６４１から、（図示しない）バイアによって接地面６２０に接続された接地パッド６１３にＲＦエネルギーを結合するのに、基板スロット６１１は必要ない。上記で説明したように、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００を閉じると、ＲＦポート６４０から放射スロット６２１にＲＦエネルギーが結合され、それによって、放射スロット６２１からＲＦエネルギーが放射される。
【００３５】
基板スロットを形成せずに基板６１０上に直接ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００を製作すると、本発明の実施形態によるアンテナセル６５０をより簡単に製作することができる。アンテナセル６５０を形成する際に、最初に基板６１０の両面を金属で被覆することができる。基板６１０の下面をエッチングして金属を除去し、それによって、放射スロット６２１を形成することができる。基板６１０の上面をエッチングして金属を除去し、それによって、送信線路６４１、ＤＣバイアスパッド６１５および接地パッド６１３を形成することができる。次いで、当技術分野で周知のＭＥＭＳ製作技術を用いて、基板６１０の上部に直接、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを製作することができる。たとえば、真空蒸着を用いて、１つまたは複数の被着金属層を被着させて、ＤＣバイアスパッド６１５から第１スイッチバイアスパッド７２３に至るＤＣバイアス接続部６５７および接地パッド６１３から第２スイッチバイアスパッド７２１に至るＤＣ接地接続部６５９を形成することができる。同様に、１つまたは複数の金属層を被着させて、入力ＲＦ線路７０３および出力ＲＦ線路７０１を形成し得る。
【００３６】
本発明によるアンテナアレイの他の実施形態では、当技術分野で周知の標準の半導体製作技術を用いて、すべて一緒に統合され製作されたモノリシックなＲＦ送信線路、ＭＥＭＳワイヤボンドおよびＤＣバイアス線路を備えることができる。同様に、当技術分野で周知の標準の半導体製作技術を用いて、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチも構築することができる。
【００３７】
近接した間隔で配置され、選択したＲＦ送信線路６４１をスロット６２１内の接地に短絡するＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００により、スロット６２１から出てレードーム６３０を通る放射を励振することができる。レードーム６３０は、比較的高誘電体の材料を含む。レードーム６３０により、スロット６２１から放出されたＲＦエネルギーが確実にｘ方向に伝搬することになる。というのは、高誘電体の基板６１０により、スロット６２１のもう一方の面からエネルギーが放射するのが妨げられることになるからである。上記で論じたように、レードーム６３０は、基板６１０に使用するものに類似の材料の層を含む。
【００３８】
ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００は、たとえば、２０００年４月４日発行のＬｏｏ他の米国特許第６，０４６，６５９号に開示されているカンチレバー設計を含むことが好ましい。ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００の例の上面図を図７Ａに示す。図７Ａでは、入力ＲＦエネルギーを入力ＲＦパッド７０１に印加する。ＲＦエネルギーは、出力ＲＦパッド７０３でスイッチから出力結合される。ＤＣ作動パッド７２１、７２３は、スイッチ７００を開閉するのに必要なＤＣ電圧を供給する。
【００３９】
ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００の例の開閉時の構成の概略側面図を図７Ｂに示す。カンチレバー構造は、入力ＲＦ線路７０１と出力ＲＦ線路７０３の間で金属−金属間接触をもたらすＲＦ接点７１０を担持する。ＲＦ信号経路は、カンチレバーの長さ方向に直交する。超広帯域全体で極めて低挿入損失で高分離であるため、本発明では、カンチレバー型ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチが好ましい。また、このスイッチを作動させるのに必要な電力は極めて低い。しかし、当技術分野で周知の他のスイッチを使用して、スロット内でＲＦ短絡をもたらすこともできる。こうしたスイッチは、スロット内に位置する別の素子として設けることもでき、また、基板およびスロットと一体化して形成することもできる。
【００４０】
図１６に、放射スロット６２１にＲＦエネルギー２０を結合するのに使用する代替ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７５０を示す。上記で説明したように、Ｔ／Ｒモジュール１６５０は、ＲＦエネルギーの放射源（および送信先）として働き、送信線路６４１を介してＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７５０に結合される。図１６に示すＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７５０では、ＲＦ接続部６４３がカンチレバー構造７５１の基部に接続される。スイッチが動作すると、ＲＦエネルギー２０はカンチレバーアーム７５２を通って伝搬し、出力線路７５３から出力される。次いで、ＲＦエネルギー２０は、接地接続部６４５を介して接地面６２０に結合される。再度、スロットを横切ってＲＦエネルギーを接地に結合すると、一般にスロットに直交する方向にＲＦエネルギーが放射される。スロット開口内に配置するのに十分小さい他のタイプのスイッチとともに、当技術分野では周知の他のタイプのＲＦ  ＭＥＭＳスイッチも、本発明で使用することができる。
【００４１】
当技術分野で周知の方法によって、図６に示すような、スロット６２１を覆うレードーム６３０を自由空間に整合させることができる。図８Ａに、いくつかの中間層を用いて、比誘電率が９．６の誘電体を自由空間に整合させる一例を示す。所望のインピーダンス整合を実現するのに必要な誘電体層を決定する一方法が、Ｒ．Ｗ．Ｋｌｏｐｆｅｎｓｔｅｉｎの「Ａ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｌｉｎｅ  Ｔａｐｅｒ  Ｏｆ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ」、Ｐｒｏｃｅ．ＩＲＥ、ｐｐ．３１−３５、Ｊａｎｕａｒｙ  １９５６に開示されている。図８Ｂに、図８Ａに示す積層構造によって実現される誘電率の変動をプロフィール化して示す。図８Ｃに、図８Ａに示す積層レードームによって得られる反射が、５ＧＨｚから１５ＧＨｚの１０：１の帯域を通じて−１５ｄＢよりも小さいことを示す。このようにレードームを設計することにより、ＲＦ回路からの遮蔽を行いながら、基板に取り付けられた複数層の誘電体媒質を通る放射を高効率で行うことができる。
【００４２】
図９Ａに、アンテナスロット６２１を含む接地面６２０の前面に、４層のレードーム６３０を配設する本発明の実施形態を示す。レードーム６３０は、スロット型開口６２０のインピーダンスを自由空間に整合させるように、それぞれ異なる誘電率ｅｒを有する４種類の異なる材料を含む。この実施形態には、後方伝搬放射を吸収するのに使用する吸収体も示す。一般に、この吸収体は、金属化バックプレインを備える。図９Ｂに、４層のレードーム６３０、スロット型接地面６２０、基板６１０および吸収体６０５のこの組合せを使用した再構成可能なアンテナアレイの送信効率を示す。図９Ｂからわかるように、送信損失は、２〜１８ＧＨｚという極めて広い周波数範囲を通じて２ｄＢよりも小さい。
【００４３】
このアンテナアレイで意図した帯域は、層の数および層の幅を決める際に用いる１つのファクタである。アンテナに広帯域をサポートさせようとする場合、層の数をより多くすることになり、かつそれらの層をより厚くすることになる。アンテナに比較的狭い帯域をサポートさせようとする場合、レードーム内の層の数をより少なくすることになり、かつそれらの層をより薄くすることになる。レードームの上部層、すなわち、自由空間と接触するレードームの層は、テフロン（登録商標）を含むことが好ましく、それによって、自由空間との良好な誘電体整合が得られる。
【００４４】
図１０に、２チャネル型Ｔ／Ｒ（送受信）モジュール９５０に結合した本発明によるアンテナアレイ９００を示す。Ｔ／Ｒモジュール９５０は、２つの異なる機能をサポートする２つのチャネルＡおよびＢを提供する。複数チャネルＴ／Ｒモジュールの例が、「Ａ  Ｌｏｗ  Ｐｒｏｆｉｌｅ  Ｘ−Ｂａｎｄ  Ａｃｔｉｖｅ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  Ｆｏｒ  Ｓｕｂｍａｒｉｎｅ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」、ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｐｈａｓｅｄ  Ａｒｒａｙ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２０００で簡単に論じられている。このＴ／Ｒモジュール９５０は、標準のＧＰＯ同軸コネクタ９５１、９５３を介して、アンテナアレイ９００に接続することができる。Ｔ／Ｒモジュール９５０上のＡおよびＢチャネルの給電部間隔は、このシステムの最大動作波長の２０％であり、これによって、アンテナアレイ９００上に直接Ｔ／Ｒモジュール９５０を配置することができる。Ｔ／Ｒモジュール９５０には、Ｔ／Ｒモジュールが複数のスロットに並列に給電することができるコネクタも含まれる。
【００４５】
図１０では、給電線路９１０は、Ｔ／Ｒモジュール９５０のチャネルを、アレイ９００内のＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００に結合する。チャネルＡに接続されたＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００の格子間隔は、スイッチ７００に結合されたＲＦエネルギーを個々に位相調整すると、低帯域周波数で前面半球においてグレーティングローブのないビーム走査が得られることになるようにする。チャネルＢに用いる格子間隔の密度はその４倍であり、したがって、チャネルＡで使用するものよりも高い周波数でグレーティングローブのないビーム走査がサポートされる。図１０に示すアレイには、アレイシンニングを用いているところも示す。すなわち、チャネルＡは、チャネルＢに使用する数の１／４の放射器しか使用しない。したがって、チャネルＢの信号に使用する給電線路９１０は、実際には、２つのＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ７００に接続され、チャネルＡの信号に使用する給電線路は、１つのＲＦ  ＭＥＭＳスイッチにしか接続されない。図１０には、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチへのＤＣ接続部はスロットの一方の側から供給され、ＤＣ帰線接続部はスロットの他方の側から供給されることも示すことを留意されたい。図６に示し上記で説明したように、ＤＣ接続部およびＤＣ帰線接続部は、スロットの同じ側からも供給され得る。
【００４６】
上記で説明した２チャネル型Ｔ／Ｒモジュールを使用する従来技術のアンテナアレイでは、これら従来技術のアンテナアレイの（約３０％という）狭帯域による制限のために、両方のチャネルで同じ送信または受信機能をサポートするように実際上制限される。しかし、本発明による再構成可能なアンテナアレイでは、このＴ／Ｒモジュールの２チャネル機能を適切に利用することができる。というのは、このような再構成可能なアンテナアレイは、１０：１の周波数範囲をよりも拡張された使用可能システム帯域を提供するからである。
【００４７】
本発明によるアンテナアレイの２チャネル型の実施形態は、第１チャネルＣのスイッチを０．２２５インチ（０．５７ｃｍ）の間隔で配置し、第２格子Ｄのスイッチを０．４５インチ（１．１４ｃｍ）の間隔で配置してモデル化した。本発明によるユニットセルの性能は、無限ブロードサイド励振アレイでモデル化した。このアレイモデルは、これらのセルの一部が２次元で格子状に並べられ、各セルは全体的に働いて、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチの状態に応じて、第１チャネルＣまたは第２チャネルＤの全体的な所望の機能的特性に関連するファーフィールドビームが生成されると仮定している。このモデルの結果を図１１〜１４に示す。
【００４８】
図１１に、低帯域機能Ｄおよび高帯域機能Ｃを果たす２つの動作周波数で、ブロードサイドの場合について走査したファーフィールドビームの放射効率の計算値を示す。この放射効率は、これらの機能の対象となる周波数を通じて、−１ｄＢと−２ｄＢの間の値のままである。
【００４９】
図１２に、この２つの機能について、ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチにＲＦエネルギーを供給するＲＦポートで見られる能動入力反射の計算値を示す。この入力反射は、対象となる周波数を通じて−１０ｄＢよりも小さい。この能動反射は、アレイ内で格子状に並べられた無限に連なるセルから到来するとして相互結合をモデル化することに基づいて計算される。
【００５０】
図１３に、この２つの機能について、（主ブロードサイドビームから１８０度の）後方散乱放射の計算値を示す。この後方散乱は、失われるエネルギーの主要な構成要素を示しており、効率の損失に寄与する。スロットギャップ、比誘電率を適切に選択し、給電インピーダンスを最適化することによって、後方散乱損失をさらに減少させることができる。図１３に、本発明によるアンテナアレイが、極めて広い帯域を通じてかなりの性能をもたらすことを示す。このような性能は、他のアンテナアレイの設計では得難いものである。
【００５１】
図１４に、機能Ｃまたは機能Ｄを活動状態とした場合の隣接チャネル間の分離の計算値を示す。図に示すように、この分離は、対象とする周波数を通じて３０ｄＢよりも大きい。
【００５２】
本発明は、様々な状況でアンテナアレイを再構成する能力を提供する。図１５に、様々な状況のいくつかの例を示す。上記で説明したように、ＲＦ  ＭＥＭＳ７００スイッチは、アンテナアレイ１４１０の開口内に配置し、極めて高密度な放射素子の格子を実現するように制御することができる。高密度格子により、大きなアンテナ走査ボリューム全体でグレーティングローブを回避することができる。次いで、アンテナアレイ１４２０内でＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを制御して、低周波数用の低密度格子を提供することができる。閉じるＲＦ  ＭＥＭＳスイッチの数がより少なくなるように制御すると、より低い周波数でアレイを励振するのに必要なＴ／Ｒモジュールの数が減少するシンニングアレイが得られる。ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチは、不均一格子を有するアンテナアレイ１４３０が得られるように制御することもできる。このようにＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを制御すると、追加のビーム制御能力が得られ、それによって、平頂、コセカントその他の形状のアンテナビームを実現することができる。均一格子によって異なる形状のアンテナビームも得ることができるが、本発明が提供する不均一格子により、このようなアンテナビームを形成する際に余分に自由度が得られ、それによって、性能が向上する。アンテナビームのサイドローブを低減するか、あるいはビーム内でアダプティブヌル形成を実施するようにＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを制御することもできる。
【００５３】
本発明は、従来技術で必要とされるよりも少ない数の位相シフタで粗いアンテナビーム走査を実現する能力も提供する。図１７に示すように、ビーム形成器１７１０１．．．１７１０Ｎの１つを選択するスイッチ１７２５を介して、一連の受動ビーム形成器１７１０１．．．１７１０ＮにＴ／ＲモジュールなどのＲＦデバイス１７２０を接続することができる。各受動ビーム形成器内で、個々の方向にアンテナビームを誘導するのに必要な様々な位相遅れの配線を行う。次いで、各受動ビーム形成器を、アレイ開口１７６０内に配置された異なる組のＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ１７７０に結合する。ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチのサイズが小さいので、それらを互いに波長の１／１０よりもはるかに短い範囲内に配置するか、あるいは、ＲＦ放射のために、基本的に開口内で同じ場所に配置することができる。ＲＦスイッチ１７２５を介して、ＲＦデバイス１７２０を個々のビーム形成器１７１０１．．．１７１０Ｎに切り替え、ビーム形成器１７１０１．．．１７１０Ｎに関連したＲＦ  ＭＥＭＳスイッチ１７７０を活動化して、個々のアンテナビーム１７８０を選択する。別のアンテナビーム１７８０が望まれる場合、別のビーム形成器１７１０１．．．１７１０Ｎを選択し、それに対応するスイッチ１７７０を活動化させる。本発明のこの実施形態によって得られる粗いビーム走査により、各放射素子で位相シフタが必要なことがある従来型の能動アレイで必要とされるよりも低いコストで、複数の離散ビームを生成することができる。
【００５４】
図１７に、開口１７６０内のスイッチ１７７０から上流側で追加のＲＦ切替えを用いることによって、アレイが送受信するＲＦ放射の追加の制御が得られる本発明の追加の実施形態も示す。図１７に示すように、単一Ｔ／Ｒモジュール１７２０を任意の数の開口スイッチ１７７０に切り替え、次いで、これらの開口スイッチを切り替えて、所望のアンテナビームパターンを得ることができる。この多段切替え能力により、単一アンテナアレイ内で複数の機能をインタリーブし、アンテナアレイを再構成してこれらの異なる機能を行うための最適なアンテナビームを得る能力が向上する。
【００５５】
上記の説明から、本発明が多くの利点を有することが明らかである。これらの利点の一部は上記で説明したものであり、その他は上記で説明した本発明の実施形態に固有のものである。また、本明細書に記載の主題事項についての教示から逸脱することなく、上記で説明した再構成可能なインタリーブ型フェーズドアレイアンテナに改変を加えることができることも理解されたい。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲で要求されるものを除き、記載の実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】（従来技術）複数機能多重帯域フェーズドアレイアンテナの簡略化した構成を示す図である。
【図２】（従来技術）異なる機能に使用する放射素子が異なる密度を有する複数機能多重帯域フェーズドアレイアンテナの簡略化した構成を示す図である。
【図３】（従来技術）インタリーブ型放射素子を使用する複数機能多重帯域フェーズドアレイアンテナの簡略化した構成を示す図である。
【図４】（従来技術）様々な機能が放射素子を再利用する複数機能多重帯域フェーズドアレイアンテナの簡略化した構成を示す図である。
【図５】本発明による複数機能多重帯域フェーズドアレイアンテナの簡略化した構成を示す図である。
【図６】スロット内に配置した３つのＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを示す本発明の一実施形態によるアンテナセルを示す図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態とともに使用するＲＦ  ＭＥＭＳスイッチの例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示すＲＦ  ＭＥＭＳスイッチの開閉位置を示す側面図である。
【図８Ａ】アンテナアレイのインピーダンスを自由空間に整合させるのに使用する複数層レードーム構造を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示す複数層レードーム構造の誘電率プロフィールを示す図である。
【図８Ｃ】５ＧＨｚ〜１５ＧＨｚの周波数範囲にわたって生じる図８Ａに示すレードーム構造の損失を示す図である。
【図９Ａ】アンテナアレイのインピーダンスを自由空間に整合させるのに使用する４層レードーム構造を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示すレードーム構造を利用する本発明の実施形態の送信効率を示す図である。
【図１０】２チャネル送受信モジュールを結合した本発明の２チャネル型実施形態を示す図である。
【図１１】第１格子の間隔が０．２２５インチ（０．５７ｃｍ）であり、第２格子の間隔が０．４５インチ（１．１４ｃｍ）である２チャネルアレイのアレイ効率の計算値を示すグラフである。
【図１２】第１格子の間隔が０．２２５インチ（０．５７ｃｍ）であり、第２格子の間隔が０．４５インチ（１．１４ｃｍ）である２チャネルアレイの能動入力反射の計算値を示すグラフである。
【図１３】第１格子の間隔が０．２２５インチ（０．５７ｃｍ）であり、第２格子の間隔が０．４５インチ（１．１４ｃｍ）である２チャネルアレイの後方散乱放射の計算値を示すグラフである。
【図１４】第１格子の間隔が０．２２５インチ（０．５７ｃｍ）であり、第２格子の間隔が０．４５インチ（１．１４ｃｍ）である２チャネルアレイの２つのチャネル間の分離の計算値を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施形態によって得られる代替アレイ密度を示す図である。
【図１６】ＲＦエネルギーをスロット型開口に切り替えるための代替ＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを使用する本発明の実施形態を示す図である。
【図１７】離散角度アンテナビームを誘導するのに使用する本発明の実施形態を示す図である。
【図１８】スロットの上で基板上に配置された３つのＲＦ  ＭＥＭＳスイッチを示す本発明の別の実施形態によるアンテナセルを示す図である。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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