JP2000196347A - 多層パッチアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、成形ビームまたはペンシルビーム
を送受信することのできる簡単なレンズ構造のパッチア
ンテナを提供することを目的とする。 【解決手段】 第１のパッチを有する第１のパッチ平面
38と、上部スロット50を有する第１の接地平面24と、上
部スロット50と連絡して動作するフィード部材52を持つ
フィード部材面34と、下部スロット54を有する第２の接
地平面30と、下部スロット54と連絡して動作する第２の
パッチ42を有する第２のパッチ平面32と、第１のパッチ
平面22と第１の接地平面24の間の第１の誘電体層22と、
第１の接地平面24とフィード部材面34の間の第２の誘電
体層26と、フィード部材面28と第２の接地平面30の間の
第３の誘電体層28と、第２の接地平面30と第２のパッチ
平面42の間の第４の誘電体層32とによりそれぞれ構成さ
れた複数のユニットセルを含んでいることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロストリッ
プパッチアンテナおよびこのようなアンテナのアレイに
関し、とくに成形ビームまたはペンシルビームを発生す
るためのホーン給電アンテナアレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】衛星用のものでは、成形ビームまたはペ
ンシルビームを形成するためにレンズアンテナが使用さ
れている。一般に、単一のレンズ上には、１以上の導電
層を有する誘電性基板を含む単位セルのアレイが形成さ
れている。ユニットセルは、電磁波を伝送するストリッ
プラインフィード部材を有している。ストリップライン
フィード部材は、成形／ペンシルビームの生成に必要と
される適切な位相差を生じさせるためにその長さが異な
っている。送受信されるべき電磁放射線は、一般に電力
の形態でフィード部材に直接供給される。各ユニットセ
ルの位相対周波数特性は、周波数範囲にわたって所望の
ビーム形状を維持するために線形であることが好まし
い。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ストリ
ップラインフィード部材に電磁放射線をフィードする時
に、問題が発生する。既知の装置は、送信を可能にする
ために放射線源とフィード部材との間において直接電気
接続を使用する。一例として、一般的なブートレース(b
ootlace)レンズには、フィードパッチ層とフィード部材
と送信パッチ層との間において直接電気接続が必要とさ
れる。このような接続、すなわちプローブを製造するこ
とは、製造が困難で高価である。さらに、これらのプロ
ーブは、温度安定性に関して問題を生じさせる。したが
って、簡素化された構造を有する、成形またはペンシル
ビームを送受信することのできる簡単化されたレンズ構
造が必要とされている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明において、直接電
気接続を必要とせずに成形またはペンシルビームを送受
信することのできる新しいホーン給電多層パッチアンテ
ナが開示されている。本発明のアンテナは、ユニットセ
ルのアレイを含んでいる。各ユニットセルは、第１のパ
ッチ平面上に配置された送信パッチと、第２のパッチ平
面上に配置されたフィードパッチとを含んでいる。これ
らのパッチ間には、対応したスロットをそれぞれ含んで
いる２つの接地平面が設けられている。接地平面はフィ
ード部材によって分離されており、フィード部材はさら
に両接地平面のスロットと一致している。これらの素子
は全て、誘電性基板内に構成されている。

【０００５】動作において、ホーンは、第２のパッチ平
面に入射する電磁波を放射する。そのエネルギは、スロ
ットおよびフィード部材を介して第２のパッチ平面と第
１のパッチ平面との間で結合される。フィード部材は、
所望の成形またはペンシルビームを発生するために必要
とされる適切な位相差を与えるように、長さ、すなわち
寸法が異なっている。フィード部材はトランスバース電
磁（ＴＥＭ）モードで伝搬するため、各ユニットセルの
位相対周波数特性（パッチ−スロット−フィード部材−
スロット−パッチ）は線形である。これには、ある周波
数範囲にわたってビーム形状を維持するという利点があ
る。

【０００６】本発明がスロットおよびフィード部材を介
して第２のパッチ平面から第１のパッチ平面にエネルギ
を結合できることによって、従来技術の欠点が除去され
る。とくに、フィードパッチを送信パッチまたはフィー
ド部材に結合するために直接接続はもはや不要である。
したがって、本発明には、層穿孔(layer piercing)プロ
ーブを不要にし、それによってアンテナの製造を簡単に
するという別の利点がある。さらに、プローブ接続がな
くなることによって温度安定性が改良される。

【０００７】本発明のアンテナの従来技術に対する別の
利点は、その平坦な構造と軽量であることであり、これ
によって衛星用のパッケージ化に理想的なものとなって
いる。線形位相対周波数特性は、広い帯域の適用を可能
にし、また、アンテナの中央給電構造は分散問題の除去
に役立っている。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の付加的な利点および特徴
は、以下の詳細な説明および添付図面ならびに添付され
た特許請求の範囲から明らかになるであろう。本発明を
完全に理解するために、添付された説明および図面にお
いてさらに詳細に示された実施形態を参照されたい。以
下、本発明を送信モードにおける動作に関して説明す
る。相反定理によって、本発明は受信モードについて逆
の順序で同一の動作を実行する。図１を参照すると、レ
ンズアンテナ構造20は、そのプロフィールが低く、特定
された幾何学形状に容易に構成されることができるた
め、衛星10の使用に好ましい。この構造20は、Ｋｕおよ
びＫａ帯域における成形またはペンシルビームにとくに
適したホーン給電多層印刷回路レンズアンテナである。

【０００９】図２を参照すると、レンズアンテナ構造20
の１実施形態は、一連の積重ねられた層から構成されて
いる。第１の誘電体層22は、第１の接地平面24に隣接し
て配置され、この接地平面24は第２の誘電体層26に隣接
して位置されている。第２の誘電体層26は、第３の誘電
体層28に隣接して位置され、この第３の誘電体層28は第
２の接地平面30に隣接して位置されている。第２の接地
平面30は、第４の誘電体層32に隣接して位置されてい
る。

【００１０】第２の誘電体層26と第３の誘電体層28との
間には、フィード部材平面34が位置されている。さら
に、第１の誘電体層22の上面36上には第１のパッチ平面
38が位置され、第４の誘電体層32の下面40上には第２の
パッチ平面42が位置されている。さらに、スロット50，
54が第１および第２の接地平面24，30にそれぞれ配置さ
れている。第３の誘電体層28には、スロット50，54に対
応したフィード部材52が設けられている。

【００１１】動作において、フィード部材52は、第１お
よび第２のパッチ平面38，42と容量的および電磁的に結
合する。第２のパッチ平面42の下方に離れて位置された
ホーン44は、アンテナ構造の方向に電磁エネルギを放射
する。この信号は、第２のパッチ平面42によって受信さ
れ、中間接地平面24，30におけるスロット50，54および
誘電体面28におけるフィード部材52によってＴＥＭ波に
変換され、続いて第１のパッチ平面38によって送信され
る。

【００１２】図３は、本発明の１実施形態によるレンズ
アンテナ構造20の上面図である。図３に示されているよ
うに、レンズアンテナ構造20は、複数のユニットセル46
を含んでいる。ユニットセル46は、図４にさらに詳細に
示されている。

【００１３】図４に示されているように、各ユニットセ
ル46は、上述した層および平面の部分を含んでいる。各
ユニットセル46は、第１のパッチ平面38からの第１のパ
ッチ48と、第１の接地平面24からの上部スロット50と、
フィード部材面34からのフィード部材52と、第２の接地
平面30からの下部スロット54と、第２のパッチ平面42か
らの第２のパッチ56とを含んでいる。ユニットセル46を
含んでいる各素子は、誘電性基板によって分離されてい
る。

【００１４】図５に示されているように、パッチ48は、
第１の誘電体層22によってスロット50から分離され、ス
ロット50は第２の誘電体層26によってフィード部材52か
ら分離され、フィード部材52は第３の誘電体層28によっ
てスロット54から分離され、スロット54は第４の誘電体
層32によって第２のパッチ56から分離されている。

【００１５】再び図４を参照すると、上部スロット50は
実質的に第１のパッチ48の下方中央に配置され、下部ス
ロット54は実質的に第２のパッチ56の上方中央に配置さ
れている。第１のパッチ48は、第２のパッチ56と中心を
ずらして配置されている。フィード部材52は、実質的に
上部スロット50に対して垂直に位置された第１の端部58
と、下部スロット54に対して垂直に位置された第２の端
部60とを有している。フィード部材の両端58および60
は、それぞれスロット50および54を少し越えて延在して
いる。

【００１６】動作において、第２のパッチ56は、ホーン
44から電磁エネルギを受取る。このパッチ56は、第２の
パッチ56を中心とする周波数帯域で共振周波数を放射す
る。この放射線は、スロット54の長手に対して横断方向
に広がる下部スロット54における電界を含んでいる。こ
の電界によって、フィード部材52に沿って進行するＴＥ
Ｍ波が生じる。この波は、第１のパッチ48をその共振周
波数で励起する上部スロット50における第２の電界を含
んでいる。第１のパッチ48は、その共振周波数を中心と
する周波数帯域で送信する。

【００１７】フィード部材52は、図示のものと異なった
形状で構成されることができる。たとえば、フィード部
材52は、関連した上部スロット50が関連した下部スロッ
ト54と平行であるように直線であってもよく、あるいは
図９に示されているように折り曲げられてもよい。フィ
ード部材52の好ましい形状は、第１の端部58を第２の端
部60に対して直交するように位置させる形状である。こ
のようなフィード部材の形状により、同じアレイ内のあ
る１つのユニットセル46とその隣りのもののフィード部
材の長さを空間効率のよいように異らせることができる
ようになる。さらに、第１の端部58を第２の端部60に対
して直交するように位置させることによって、第１のパ
ッチ平面38および第２のパッチ平面42の両者に対して同
じパッチ平面パターンを利用することができるため、製
造が簡単になり、関連費用が減少する。同様に、第１お
よび第２の接地平面24，30に対して同じ接地平面パター
ンが使用されてもよい。

【００１８】図６を参照すると、“１”はフィード部材
52に沿った“Ｓ”から“ｓ”までの距離を表す。スロッ
トおよびパッチの寸法は、反射減衰量が良好であるよう
に設計される。たとえば、第１および第２のパッチの寸
法は、０．５ｃｍ×０．５ｃｍの第１および第２のパッ
チにより、ユニットセルの寸法が０．８８ｃｍ×０．８
８ｃｍであり、上部および下部スロットの寸法が０．４
ｃｍ×０．０５ｃｍであり、第１および第４の誘電体層
の厚さは０．１ｃｍであり、１．１の誘電率を有し、第
２および第３の誘電体層の厚さは０．０３８ｃｍであ
り、２．５３の誘電率を有し、−１５ｄＢの反射減衰量
の帯域幅はほぼ１０％である。これは、ライン100 で示
されているｌ＝０．６ｃｍ、またはライン102 で示され
ているｌ＝１．０ｃｍ、あるいはライン104 で示されて
いるｌ＝１．４ｃｍのいずれかの場合に該当する。

【００１９】図７に示されているように、フィード部材
52はＴＥＭモードで伝搬し、したがってユニットセル46
の位相対周波数特性は直線形である（ライン106,107,10
8 ）。それ故、広い周波数の範囲にわたってビーム形状
が維持されることができる。

【００２０】送信された帯域幅は、第１および第４の誘
電体層22，32に対して厚い基板を使用し、および、また
は積重ねられた第１のパッチ48を使用することによって
増加されることができる。積重ねられたパッチは、ほぼ
同じ周波数で共振するように寸法がほぼ等しいが、帯域
幅を広げるのに十分なだけ異なっていることが好まし
い。

【００２１】積重ねられたパッチ間で使用される誘電体
基板はまた、送信された周波数帯域幅を広げる。第１の
パッチ48と第２のパッチ56との間で十分な電磁結合を行
なうために、誘電率は第１および第４の誘電体層22，32
より第２および第３の誘電体層26，28が高い。また、パ
ッチ48とパッチ56との間の所定のオフセットのために、
フィード領域中の高誘電率の基板が位相に大きいダイナ
ミックレンジを与える。

【００２２】成形またはペンシルビームを発生するため
に、レンズアンテナ構造20は適切な位相差で動作しなけ
ればならない。位相差は、１つのユニットセル46とその
隣りのものとのフィード部材52の長さを変えることによ
って与えられる。図８は、代表的な周波数に対する位相
シフト対フィード部材52の長さを示す（ライン110 ）。

【００２３】図９は、ユニットセルの別の実施形態を示
す。二重偏波(dual polarization)用では、二重ユニッ
トセル62を使用した場合に構成されることができる。二
重ユニットセル62は、付加的な上部および下部スロット
50，54と結合された付加的なフィード部材52を備えたユ
ニットセル46に類似している。付加的なスロットは、元
のスロットから間隔を置いて垂直に位置されている。こ
の配置によって、二重偏波用にとって好ましい電子放射
線の直交結合が実現される。２つの偏波は、スロット50
および54が設けられた各接地平面を接続している導電性
の金属材料でめっきされた複数の孔64によってさらに隔
離される。適切な隔離を確実にするために、複数の孔64
の間における分離は、第１のパッチ48および第２のパッ
チ56の共振周波数の波長の０．２倍より小さいことが好
ましい。

【００２４】ここに開示されている本発明は好ましい実
施形態であるが、その他多数の形態が可能であることを
理解すべきである。ここでは、本発明の可能な等価な形
態または効果の全てに言及することは意図されていな
い。ここにおいて使用されている用語は、本発明を限定
するものではなく説明的なものに過ぎず、添付された特
許請求の範囲によって限定されている本発明の技術的範
囲を逸脱することなく種々の変更が可能なことが理解さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】衛星環境内のレンズアンテナ構造の概略図。

【図２】本発明の１実施形態による部分的なレンズアン
テナ構造の分解斜視図。

【図３】本発明の１実施形態によるレンズアンテナ構造
の上面図。

【図４】ユニットセルの１実施形態の概略図。

【図５】図４のユニットセルのライン５−５における部
分断面図。

【図６】本発明の１実施形態による３個の異なったユニ
ットセルの反射減衰量対周波数のグラフ。

【図７】本発明の１実施形態による３個のユニットセル
の位相対周波数のグラフ。

【図８】本発明の１実施形態による３個のユニットセル
のフィード部材の長さ対位相のグラフ。

【図９】ユニットセルの別の実施形態の概略図。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のパッチを有する第１のパッチ平面
   と、 前記第１のパッチ平面に隣接し、前記第１のパッチと連
   絡して動作する上部スロットを有する第１の接地平面
   と、 前記第１の接地平面に隣接し、前記上部スロットと連絡
   して動作するフィード部材を有するフィード部材面と、 前記フィード部材面に隣接し、前記フィード部材と連絡
   して動作する下部スロットを有する第２の接地平面と、 前記第２の接地平面に隣接し、前記下部スロットと連絡
   して動作する第２のパッチを有する第２のパッチ平面
   と、 前記第１のパッチ平面と前記第１の接地平面との間に配
   置された第１の誘電体層と、 前記第１の接地平面と前記フィード部材面との間に配置
   された第２の誘電体層と、 前記フィード部材面と前記第２の接地平面との間に配置
   された第３の誘電体層と、 前記第２の接地平面と前記第２のパッチ平面との間に配
   置された第４の誘電体層とをそれぞれ有している複数の
   ユニットセルを含んでいるアンテナ構造。
2. 【請求項２】 前記フィード部材は、実質的に前記上部
   スロットの下方においてこれに直交するように位置され
   ている第１の端部と、実質的に前記下部スロットの上方
   においてこれに直交するように位置されている第２の端
   部を有している請求項１記載のアンテナ構造。
3. 【請求項３】 前記複数のユニットセルの各ユニットセ
   ルは、異なる長さの前記フィード部材を有している請求
   項１記載のアンテナ構造。
4. 【請求項４】 前記第１の端部および前記第２の端部
   は、互いに直交するように位置している請求項２記載の
   アンテナ構造。
5. 【請求項５】 前記第１のパッチ平面および前記第２の
   パッチ平面は対称的に同一であり、前記第１の接地平面
   および前記第２の接地平面は対称的に同一である請求項
   ４記載のアンテナ構造。
6. 【請求項６】 前記第２の誘電体層および前記第３の誘
   電体層は、前記第１の誘電体層および前記第４の誘電体
   層より高い誘電率を有している請求項１記載のアンテナ
   構造。
7. 【請求項７】 前記複数の各ユニットセルは、第２のフ
   ィード部材と、関連した上部および下部スロットとを有
   しており、前記フィード部材は、導電めっきされて前記
   第２の誘電体層および前記第３の誘電体層を貫通してい
   る複数の孔によって分離され、それによって第１の接地
   面を第２の接地面と接続している請求項１記載のアンテ
   ナ構造。
8. 【請求項８】 前記第２のパッチ平面上にエネルギを放
   射するホーンをさらに具備している請求項１記載のアン
   テナ構造。