JP3871266B2 - 広帯域フェーズドアレイアンテナ及び関連する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、通信の分野に関わり、特に、フェーズドアンテナに関する。
【０００２】
（背景技術）
既存のマイクロ波アンテナは、衛星放送の受信、遠隔放送、または軍事通信等の種々の応用に対する多岐に亘る構成を含んでいる。プリント回路アンテナにより、一般に、低価格、軽量、薄型及び大量生産可能等の好ましい特性が提供されている。プリント回路アンテナの最も簡単な形態はマイクロストリップアンテナであり、これにおいて、フラットな導体素子は均一な厚さの絶縁シートにより単一で本質的に連続的な接地素子から間隔を置いている。マイクロストリップアンテナの例は米国特許第3,995,277号明細書（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
アンテナはアレー状にデザインされ、そして、味方／敵確認システム（ＩＦＦ：Identification Friend/Foe）、パーソナルコミュニケーションサービス（ＰＣＳ：Personal Communication Service）システム、衛星通信システム、及び航空宇宙システム等の通信システムのために用いることが可能であり、これらは低価格、軽量、薄型及び低いサイドローブ等の特性を必要とする。
【０００４】
そのようなアンテナの帯域幅及び指向能力は、しかしながら、特定なアプリケーションを限定している。電気機械結合マイクロストリップパッチの対は帯域幅を広げることができる一方、この利益を得るためには、特に薄型及び広いビーム幅の維持が求められていることもあり、かなりのデザインにおける挑戦をする必要がある。また、マイクロストリップパッチは、所定の走査角度を提供することにより指向性を改善することが可能である。しかしながら、マイクロストリップパッチにはジレンマがある。アレー素子が互いに隣り合って存在する場合、走査角度を増加させることが可能であるが、隣り合う間隔はアンテナ素子間の好ましくないカップリングを増大させる、即ち、性能を低下させる。
【０００５】
更に、マイクロストリップパッチアンテナは、例えば航空宇宙システムのようなコンフォーマル構成を必要とするアプリケーションにおいて有利である一方、そのアンテナを設置することは、給電される方式がうまく適合し満足できる放射範囲を有し、指向性が維持され、周囲の表面への損失が低減されることに関して課題を提供する。更に具体的には、広い走査角度をもつフェーズドアンテナの帯域幅の増加は、通常は、周波数範囲を複数の帯域に分割することにより実現される。この方法は、結果的にアンテナのサイズ及び重さを著しく増大させ、高周波（ＲＦ：Radio Frequency）インタフェースの問題が生じる。また、ジンバル（gimbal）が必要な走査角度を機械的に得るために用いられてきた。繰り返しになるが、この方法はアンテナのサイズ及び重さを増大させ、より遅い応答時間をもたらす。
【０００６】
それ故、広い周波数帯域幅と広い走査角度をもつ、即ち、表面にコンフォーマルに設置可能である、軽量なフェーズドアレーアンテナに対する要望がある。
【０００７】
（特許文献１）
米国特許第3,995,277号明細書
（発明の概要）
本発明の目的は、広い周波数帯域幅と広い走査角度をもつ、即ち、表面にコンフォーマルに設置可能である、軽量なフェーズドアレーアンテナを提供することである。
【０００８】
従来、広い帯域のフェーズドアレーアンテナはフレキシブル基板にダイポールアンテナ素子を備えている。各ダイポールアンテナ素子は、中央の給電部と外側に伸びる一対の足から構成され、隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合を増加させるために、隣り合うダイポールアンテナ素子の隣り合う足はそれぞれ間隔を置いて離れた端部を有する。それら間隔を置いて離れた端部は所定の形状を有し、隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合を増加させるために、相対的に配置される。好ましくは、隣り合う足の間隔を置いて離れた端部は互いにかみ合う部分を有し、各足は長い本体部分、その長い本体部分の端部に接続された長い幅の端部、及び前記長い幅の端部から外側に伸びる複数の、例えば４つの指から構成される。
【０００９】
好ましい周波数範囲及び隣り合う足の端部間の間隔を有する広い帯域のフェーズドアレーアンテナは、好ましい周波数範囲の最も高い周波数の波長の約２分の１未満である。また、ダイポールアンテナ素子アレーは、２極偏波を提供する第１及び第２の直交ダイポールアンテナ素子のセットを含む。接地層は、好ましくは、ダイポールアンテナ素子アレーに隣接し、好ましい周波数範囲の最も高い周波数の波長の約２分の１未満のダイポールアンテナ素子アレーから間隔を置いている。
【００１０】
好ましくは、各ダイポールアンテナ素子は、印刷された導電層より構成され、ダイポールアンテナ素子アレーは１平方フィート当たり約１００〜９００の範囲内の密度に配列される。広帯域のフェーズドアレーアンテナは、約２〜３０ＧＨｚの範囲内の周波数、及び約±６０°の走査角度において操作可能であるように、ダイポールアンテナ素子アレーは相対的に配置されている。ダイポールアンテナ素子アレーには少なくとも１つの誘電体層を設けることができ、平面的ではない三次元形状を有する硬い取り付け部材にフレキシブル基板を支持することが可能である。
【００１１】
好ましくは、広帯域フェーズドアレーアンテナの製造方法は、フレキシブル基板上にダイポールアンテナ素子アレーを形成する段階を含み、各ダイポールアンテナ素子は中央の給電部とそれから外側に伸びる一対の足から構成される。ダイポールアンテナ素子アレーを形成する段階は、隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合を増加させるために隣り合うダイポールアンテナ素子の隣り合う足のそれぞれの間隔を置いて離れた端部の形を作り且つ位置決めする段階を含む。それぞれの間隔を置いて離れた端部の形を作り且つ位置決めする段階は、好ましくは、互いに噛み合った部分を形成する段階を含む。
【００１２】
好ましくは、各ダイポールアンテナ素子は、印刷された導電層から構成され、ダイポールアンテナ素子は１平方フィート当たり約１００〜９００個の範囲内の密度で配列される。ダイポールアンテナ素子のアレーは、広帯域フェーズドアレーアンテナ素子が約２〜３０ＧＨｚの周波数範囲及び焼く±６０度の走査角度で動作するように大きさを決められ且つ相対的に位置決めされる。ダイポールアンテナ素子のアレーは少なくとも１つの誘電体層を有することが可能であり、平面的でない３次元形状を有する硬い取り付け部材にフレキシブル基板を支持することが可能である。
【００１３】
好ましくは、広帯域のフェーズドアレーアンテナを作製する方法はフレキシブル基板にダイポールアンテナ素子のアレーを形成することを含み、この基板において各ダイポールアンテナ素子は中央の給電部とその中央の給電部から外側に伸びる一対の足から構成される。ダイポールアンテナ素子のアレーを形成する段階は隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合を増加するために隣り合うダイポールアンテナ素子の隣り合う足のそれぞれの間隔を置いて離れた端部を成形し且つ位置決めすることを含む。それぞれの間隔を置いて離れた端部の成形且つ位置決めは噛み合う部分を形成することから構成される。
【００１４】
（発明の詳細な説明）
図１及び２は、広帯域のフェーズドアレーアンテナ１０を示している。アンテナ１０は、例えば、航空機または宇宙機のノーズコーン１２、または平面的でない三次元形状を有する他の硬い取り付け部材に搭載され、また、当業者に評価されるような送信及び受信コントローラ１４に接続されることが可能である。
【００１５】
広帯域のフェーズドアレーアンテナ１０は、図２に示すように、複数のフレキシブル層から成形される。これらの層は、グランド層３０とキャップ層２８の間に挿入されるダイポール層２０またはカレントシート（current sheet）を含む。それに加えて、フォームよりなる誘電体層２４とフォームよりなる外側の誘電体層２６を備える。それぞれの粘着性層２２は、ダイポール層２０、接地層３０、キャップ層２８、及びフォームよりなる誘電体層２４、２６一緒に固定し、フレキシブル且つコンフォーマルなアンテナ１０を形成する。誘電体層２４、２６は、走査角度を改善するために傾斜化した誘電率を有することが可能である。例えば、グランド層３０とダイポール層２０の間の誘電体層２４は誘電率３．０を有し、ダイポール層２０の反対側の誘電体層２４は誘電率１．７を、そして外側の誘電体層２６は誘電率１．２を有することが可能である。
【００１６】
ここで図３、４Ａ及び４Ｂを参照するに、ダイポール層２０についての第１実施形態が示されている。ダイポール層２０は、フレキシブル基板２３にダイポールアンテナ素子アレーを有する印刷された導電層である。各ダイポールアンテナ素子４０は、中央の給電部４２、及びそれから外側に伸びる一対の足４４から構成されている。それぞれの給電ラインは、基板２３の反対側から各々の給電部４２に接続される。隣り合うダイポールアンテナ素子４０の隣り合う足４４はそれぞれ間隔を置いて離れた端部４６を有し、隣り合うダイポールアンテナ素子間に静電結合を増大させる。隣り合うダイポールアンテナ素子４０は、静電結合を増大させるために所定の形状及び相対的位置関係を有する。例えば、隣り合うダイポールアンテナ素子４０間の静電容量は０．０１６〜０．６３６ピコファラド（ｐＦ）の範囲内であり、好ましくは０．１５９〜０．２３９ｐＦの範囲内である。
【００１７】
図４Ａに示すように、隣り合う足４４の間隔を置いて離れた端部４６は重なり合っていて、または互いに噛み合っていて、各々の足４４は長い本体部分４９と、その長い本体部分に結合された長い幅の端部５１と、そして長い幅の端部から外側に伸びる複数の、例えば４つの指５３と、から構成される。
【００１８】
更に、図４Ｂに示すように、隣り合うダイポールアンテナ素子４０の隣り合う足４４′は、隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合を増大させるためにそれぞれ間隔を置いて離れた端部４６′を有することが可能である。この実施形態において、隣り合う足４４′における間隔を置いて離れた端部４６′は、隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合を増大させるために、その長い本体部分４９′に結合された長い幅の端部５１′から構成される。ここで、例えば、間隔を置いて離れた端部４６′間の間隔Ｋは約０．００３インチである。
【００１９】
ダイポールアンテナ素子４０のアレーは、１平方フィート当たり約１００〜９００個の範囲内の密度に配列されている。ダイポールアンテナ素子４０のアレーは、広帯域のフェーズドアレーアンテナ１０が約２〜３０ＧＨｚの範囲内の周波数、及び約±６０°の走査角度において（低走査損失）操作可能であるように、大きさを決められ、相対的に配置されている。そのようなアンテナ１０はまた、１０対１またはそれ以上の帯域幅を有し、コンフォーマルな表面実装を含み、更に、比較的軽量であって低価格で容易に製造できる。
【００２０】
例えば、図４Ａは、隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合を増大させるためにそれぞれ間隔を置いて離れた端部４６を有する隣り合うダイポールアンテナ素子４０の隣り合う足４４を示す拡大図である。その例において、隣り合う足４４及びそれぞれ間隔を置いて離れた端部４６は次のような大きさを有する。即ち、長い幅の端部５１の長さＥは０．０６１インチであり、長い本体部分４９の幅Ｆは０．４４インチであり、隣り合う足４４の一体としての長さＨは０．２７６インチであり、複数の指５３各々の幅は０．００５インチであり、そして隣り合う指５３間の距離Ｊは０．００３インチである。この例において（図３を参照して）、ダイポール層２０は次のような大きさを有することが可能である。即ち、幅Ａは２０インチであり、高さＢは１８インチである。この例において、幅Ａに沿ったダイポールアンテナ素子４０の数Ｃは４３であり、そして長さＢに沿ったダイポールアンテナ素子の数Ｄは６５であり、従ってアレーにおけるダイポールアンテナ素子の数は２７９５になる。
【００２１】
広帯域フェーズドアレーアンテナ１０の好ましい周波数範囲は例えば２〜１８ＧＨｚであり、隣り合う足４４の端部４６間の間隔は好ましい周波数の最大の約２分の１未満である。
【００２２】
図５を参照するに、ダイポール層２０′の他の実施形態は、当業者にはよく理解されるように、２極偏波を提供するために互いに直交するダイポールアンテナ素子４０の第１及び第２セットを含む。
【００２３】
本発明の他の特徴は、次いでフレキシブル基板２３にダイポールアンテナ素子４０のアレーを形成することにより、広帯域フェーズアレーアンテナ１０を作製することを含む。これは、好ましくは、基板２３におけるダイポールアンテナ素子４０の導電層の印刷及び／またはエッチングを含む。図５に示すように、２極偏波を提供するために互いに直交するように、ダイポールアンテナ素子４０の第１及び第２セットを形成することが可能である。
【００２４】
繰り返すが、各ダイポールアンテナ素子４０は中央の給電部４２及びそれから外側に伸びる一対の足４４から構成される。ダイポールアンテナ素子４０を形成することは、隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合を増加させるために隣り合うダイポールアンテナ素子の隣り合う足４４のそれぞれの間隔を置いて離れた端部４６を形状化し且つ位置決めすることを含む。それぞれの間隔を置いて離れた端部４６の形状化及び位置決めは、互いに噛み合った部分４７（図４Ａ）または拡大された幅の端部５１′（図４Ｂ）を形成することを含む。グランド層３０は、好ましくは、ダイポールアンテナ素子４０のアレーに隣り合って形成され、そして１つまたはそれ以上の誘電体層２４、２６がそれらの間の粘着層２２と共にダイポール層２０の両側に積層される。
【００２５】
ダイポールアンテナ素子４０のアレーを形成することは、長い本体部分４９を伴う各々の足と、長い本体部分の先端に結合された拡大された幅の端部５１と、拡大された幅の端部から外側に伸びる複数の指５３と、を形成することを更に含むことが可能である。重ねて、広帯域フェーズドアレーアンテナ１０は好ましい周波数範囲を有し、隣り合う足４４の端部４６間の間隔は好ましい周波数範囲における最も高い周波数についての波長の約２分の１未満である。グランド層３０は好ましい周波数範囲における最も高い周波数についての波長の約２分の１未満のダイポールアンテナ素子４０から間隔がある。
【００２６】
ダイポールアンテナ素子４０のアレーは、広帯域フェーズドアレーアンテナ１０が約２〜３０ＧＨｚの周波数範囲、及び約±６０°の走査角度において動作するように大きさを決められ且つ相対的な位置に配置される。その方法はまた、ノーズコーン、航空機または宇宙機等の平面的ではない３次元形状を有する硬い取り付け部材１２にアンテナ１０を実装することを含む（図１）。
【００２７】
このように、大きな相互静電結合をもつ密に詰まったダイポールアンテナ素子４０を利用することにより、広い周波数帯域及び広い走査角度をもつフェーズドアレーアンテナ１０が得られる。従来の方法はダイポール間の相互結合を減少するために模索されてきたが、本発明は、グレーティングローブを防止し、広い帯域幅を達成するために隙間なく並んだダイポールアンテナ素子間の相互結合を利用し且つ増加させる。アンテナ１０は、ビームフォーマ（beam former）を用いて操作可能であり、各アンテナダイポール素子４０は広いビーム幅を有している。素子４０の配置をフレキシブル基板２３または印刷回路基板に適合することが可能であり、またはビームフォーマは位相を合わせて素子のパス長を調整するために用いることが可能である。
【００２８】
広帯域フェーズドアレーアンテナはフレキシブル基板においてダイポールアンテナ素子のアレーを含む。各ダイポールアンテナ素子は中央の給電部と外側に伸びる一対の足を有し、隣り合うダイポールアンテナ素子間で静電結合を増加させるために、隣り合うダイポールアンテナ素子の隣り合う足はそれぞれ間隔をおいて離れる端部を有している。各足は長い本体部分を有し、広がった幅の端部は長い本体部分の先端部に接続されている。大きな相互静電結合をもつ、密に詰まったダイポールアンテナ素子を利用することにより、広い周波数帯域幅と広い走査角度をもつフェーズドアレーアンテナは得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 例えば、航空機のノーズコーンに搭載される本発明の広帯域フェーズドアレーアンテナを示す模式図である。
【図２】 図１の広帯域フェーズドアレーアンテナの分解図である。
【図３】 図１の広帯域フェーズドアレーアンテナの印刷された導電層の模式図である。
【図４Ａ】 図１の広帯域フェーズドアレーアンテナの隣り合うダイポールアンテナ素子における隣り合う足の間隔を置いて離れた端部を拡大した模式図である。
【図４Ｂ】 図１の広帯域フェーズドアレーアンテナの隣り合うダイポールアンテナ素子における隣り合う足の間隔を置いて離れた端部を拡大した模式図である。
【図５】 本発明の他の実施形態の広帯域フェーズドアレーアンテナの印刷導電層の模式図である。

Claims (8)

1. 広帯域フェーズドアレーアンテナであって：
   フレキシブル基板；及び
   前記フレキシブル基板におけるダイポールアンテナ素子のアレーであって、各々のダイポールアンテナ素子は中央の給電部及びその中央の給電部から外側に伸びる一対の足から構成され、隣り合うダイポールアンテナ素子の隣り合う足は隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合を増加させるために所定の形及び相対的位置関係を有する、ダイポールアンテナ素子のアレー；
   から構成される広帯域フェーズドアレーアンテナであり、
   各々の足は、長い本体部と、長い本体部の先端に接続された幅の広い端部と、互いに噛み合った部分から構成される隣り合う足の間隔を置いて離れた端部と、から構成され、そして各々の足は、長い本体部と、長い本体部の先端に接続された幅の広い端部と、前記幅の広い端部から外側に伸びる複数の指と、から構成される；
   広帯域フェーズドアレーアンテナ。
2. 請求項１に記載の広帯域フェーズドアレーアンテナであって、隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合は約０．１５９〜０．２３９ピコファラドの範囲内にあり、広帯域フェーズドアレーアンテナは好適な周波数範囲を有し、そして隣り合う足の端部間の間隔は好適な周波数の最大についての波長の約２分の１未満である、広帯域フェーズドアレーアンテナ。
3. 請求項１に記載の広帯域フェーズドアレーアンテナであって、前記ダイポールアンテナ素子のアレーは２極偏波を提供するために第１及び第２の直交するダイポールアンテナ素子のセットから構成され、前記ダイポールアンテナ素子のアレーに隣り合う接地層を含み、そして広帯域フェーズドアレーアンテナは好適な周波数範囲を有し、前記接地層はダイポールアンテナ素子の前記アレーから好適な周波数の最大の波長の約２分の１未満の間隔を置いている、広帯域フェーズドアレーアンテナ。
4. 請求項１に記載の広帯域フェーズドアレーアンテナであって、各々のダイポールアンテナ素子は印刷された導電層から構成され、前記ダイポールアンテナ素子のアレーは１平方フィート当たり約１００〜９００個の範囲内の密度で配置され、前記ダイポールアンテナ素子のアレーは広帯域フェーズドアレーアンテナが２〜３０ＧＨｚの周波数範囲において動作可能であるように大きさを決められ且つ位置決めされている、広帯域フェーズドアレーアンテナ。
5. 請求項１に記載の広帯域フェーズドアレーアンテナであって、前記ダイポールアンテナ素子のアレーは広帯域フェーズドアレーアンテナが約±６０度の走査角度において動作可能であるように大きさを決められ且つ位置決めをされ、ダイポールアンテナ素子の前記アレーにおいて少なくとも１つの誘電体層を含み、そして硬い取り付け部材は前記フレキシブル基板を支持する平面的でない３次元形状を有している、広帯域フェーズドアレーアンテナ。
6. 広帯域フェーズドアレーを作製する方法であって：
   フレキシブル基板を提供する段階；及び
   フレキシブル基板にダイポールアンテナ素子のアレーを形成する段階であって、各ダイポールアンテナ素子は中央の給電部及びその中央の給電部から外側に伸びる一対の足から構成され、ダイポールアンテナ素子のアレーを形成する段階は隣り合うダイポールアンテナ素子間の静電結合を増加させるために隣り合うダイポールアンテナ素子の隣り合う足のそれぞれの間隔を置いて離れた端部の形を作り且つ位置決めをすることを含む、ダイポールアンテナ素子のアレーを形成する段階；
   から構成される方法であり、
   ダイポールアンテナ素子のアレーを形成する段階は、長い本体部と共に各々の足を形成し長い本体部の先端に幅の広い端部が接続されることと、噛み合った部分を形成することから構成されるそれぞれの間隔を置いて離れた端部の形を作り且つ位置決めをすることと、から構成され、ダイポールアンテナ素子のアレーを形成する段階は、長い本体部と、長 い本体部の先端に接続される幅の広い端部と、前記幅の広い端部から外側に伸びる複数の指と、を形成する段階から構成される、
   方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、広帯域フェーズドアレーアンテナは好適な周波数範囲を有し、そして隣り合う足の端部間の間隔は好適な周波数の最大についての波長の約２分の１未満であり、ダイポールアンテナ素子のアレーは２重偏波を提供するために第１及び第２の直交するダイポールアンテナ素子のセットを形成することから構成され、ダイポールアンテナ素子のアレーに隣り合う接地層を形成することを含み、広帯域フェーズドアレーアンテナは好適な周波数範囲を有し、ここで、接地層はダイポールアンテナ素子のアレーから好適な周波数の最大の波長の約２分の１未満の間隔を置いている、方法。
8. 請求項６に記載の方法であって、ダイポールアンテナ素子のアレーを形成する段階は各々のダイポールアンテナ素子を形成するために導電層を印刷することから構成され、ダイポールアンテナ素子のアレーは広帯域フェーズドアレーアンテナが約２〜３０ＧＨｚの周波数範囲において動作可能であるように大きさを決められ且つ相対的に位置決めされ、ダイポールアンテナ素子のアレーは広帯域フェーズドアレーアンテナが約±６０度の走査角度において動作可能であるように大きさを決められ且つ相対的に位置決めされ、ダイポールアンテナ素子のアレーに少なくとも１つの誘電体層を設け、平面的ではない三次元形状を有する硬い取り付け部材にダイポールアンテナ素子のアレーを支えるフレキシブル基板を取り付ける、方法。

Images