JP6980768B2 - 開口面アンテナ用のインピーダンス整合 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年9月14日出願の名称「WAIM RADOME(WAIMレードーム)」である対応の仮特許出願第62/394,582号及び2016年9月14日出願の名称「DIPOLE SUPERSTRATE(ダイポールスーパーストレート)」である仮特許出願第62/394,587号及び2016年10月27日出願の名称「LIQUID CRYSTAL (LC)−BASED TUNABLE IMPEDANCE MATCH LAYER(液晶(LC)ベースの調節可能インピーダンス整合層)」である仮特許出願第62/413,909号に対する優先権を主張し、これらを引用により本明細書に組み込む。
本発明の実施形態は、衛星通信の分野に関し、より具体的には、本発明の実施形態は、利得を増大させるために衛星アンテナにて使用される広角度インピーダンス整合構造に関する。
上述のように、メタ表面積層体は、アンテナ素子を有するアンテナ開口面のインピーダンス整合を提供する広角インピーダンス整合ネットワークとして用いることができる。1つの実施形態において、メタ表面積層体は、複数のメタ表面層を備え、ここでメタ表面層は、望ましい電磁応答を提供する特定の金属パターンを有する層を含む。金属パターンは、プリントパターンとすることができる。1つの実施形態において、メタ表面積層体は、複数の金属層と、アンテナ開口面上に所定の距離で配置される誘電体層ペアとを備える。1つの実施形態において、メタ表面積層体は、アンテナ開口面の利得を改善する。
別の実施形態において、インピーダンス整合ネットワークは、水平方向に分極した電界(H−polE−field)の場合において走査斜角度でアンテナ利得を改善するよう、アンテナ開口面(例えば、円筒状給電ホログラフィックラジアル開口面アンテナ)上に広角インピーダンス整合(WAIM)表面層を備える。換言すると、本発明の実施形態は、WAIM層と円筒状給電ホログラフィックラジアル開口面アンテナの組み合わせを含む。より具体的には、ラジアル開口面漏洩波アンテナのH−pol利得は、ビームが斜めの角度を向いているときに顕著に劣化する。本明細書で開示されるWAIM層を用いると、利得が大幅に改善される。
放射開口面の上部にダイポールパターン付きスーパーストレートを用いることにより、周波数応答を変更(共振周波数を下方にシフトさせること)し、ホログラフィックメタ表面アンテナの放射効率を改善する方法及び装置が記載される。これにより、アイリス周囲の装荷キャパシタインスが増大し、所望の値までの共振周波数の下方シフトをもたらし、また、単位セルにおける抵抗損を低減してアンテナの放射効率を改善して、例えば、図1Aで上述されたアンテナのようなメタ表面アンテナの構築後の周波数再設定が可能になる。1つの実施形態において、本明細書で記載される広角インピーダンス整合ネットワークと併せて、ダイポール基板が使用される点に留意されたい。ダイポール基板は、アンテナの周波数帯域を所望の周波数にまで下方にシフトさせるが、広角インピーダンス整合は、全ての走査角度において所望の帯域にわたって放射効率を改善する。換言すると、ダイポール基板が広角インピーダンス整合ネットワークと共に使用される場合には、ダイポール基板が、動作周波数帯域を調整すると同時に、インピーダンス整合ネットワークにより放射効率の改善が達成される。
アンテナの放射特性は、走査角度、動作周波数、及び放射界の偏波に応じて大幅に変化する可能性がある。アンテナ開口面の上方の磁気及び電気インピーダンス整合層は、アンテナの磁気応答及び電気応答にそれぞれ影響を与える可能性がある。結果として、インピーダンス層を調節可能にすることで、磁気的又は電気的事例に対して同時に又は別個にアンテナインピーダンス(又は性能)を調整する優れた能力を提供する。また、場合によっては状況又は仕様に応じて、アンテナ放射特性は、使用時に調整する必要がある。
上述の技術は、平面アンテナ(flat panel antenna)と共に使用することができる。このような平面アンテナの実施形態が開示される。平面アンテナは、アンテナ開口面上にアンテナ素子の1又は2以上のアレイを含む。1つの実施形態において、アンテナ素子は、液晶セルを含む。1つの実施形態において、平面アンテナは、行及び列状に配置されていないアンテナ素子の各々を一意的にアドレス指定して駆動するためのマトリクス駆動回路を含む円筒状給電アンテナである。1つの実施形態において、アンテナ素子は、リング状に配置される。
1つの実施形態において、平面アンテナは、メタマテリアルアンテナシステムの一部である。通信衛星地上局用のメタマテリアルアンテナシステムの実施形態について説明する。1つの実施形態において、アンテナシステムは、民間商用衛星通信用のKa帯域周波数又はKu帯域周波数のいずれかを使用して動作するモバイルプラットフォーム(例えば、航空、海上、陸上など)上で動作する衛星地上局(ES)のコンポーネント又はサブシステムである。アンテナシステムの実施形態はまた、モバイルプラットフォーム上でない地上局(例えば、固定地上局又は可搬型地上局)でも使用できることに留意されたい。
1つの実施形態において、アンテナ素子は、1つのグループのパッチアンテナを含む。このパッチアンテナのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。1つの実施形態において、アンテナシステムにおける各散乱素子は、下部導体、誘電体基板、及び上部導体からなる単位セルの一部であり、上部導体は、上部導体にエッチングされ又は堆積された相補的電気誘導型容量性共振器(「相補型電気LC」又は「CELC」)を組み込んでいる。当業者には理解されるであろうが、CELC関連におけるLCは、液晶とは対照的に、インダクタンス−キャパシタンスを指す。
図10のRFアレイ1606及び図11のRFアレイ1616は、放射体として機能する1つのグループのパッチアンテナ(すなわち、散乱体)を含む波散乱サブシステムを含む。このパッチアンテナのグループは、散乱メタマテリアル素子のアレイを含む。
1つの実施形態において、アンテナ素子は、系統的マトリクス駆動回路を可能にするように円筒状給電アンテナの開口面上に配置される。セルの配置は、マトリクス駆動用のトランジスタの配置を含む。図12は、アンテナ素子に対するマトリクス駆動回路の配置の1つの実施形態を示している。図12を参照すると、行コントローラ1701は、行選択信号Row1(行1)及びRow2(行2)それぞれを介してトランジスタ1711、1712に結合され、列コントローラ1702は、列選択信号Column1(列1)を介してトランジスタ1711、1712に結合される。また、トランジスタ1711は、パッチへの接続1731を介してアンテナ素子1721に結合され、トランジスタ1712は、パッチへの接続1732を介してアンテナ素子1722に結合される。
別の実施形態において、複合アンテナ開口面は、全二重通信システムで使用される。図14は、同時送信及び受信経路を有する通信システムの別の実施形態のブロック図である。1つの送信経路及び1つの受信経路のみが示されているが、通信システムは、1つよりも多い送信経路及び/又は1つよりも多い受信経路を含むことができる。
111 ダイポール素子
112 アンテナ素子
Claims (33)
- 無線周波数(RF)エネルギーを放射するよう作動するアンテナ素子の少なくとも1つのアレイを有するアンテナ開口面であって、前記アンテナ素子のアレイは複数のスロット放射体を含む、アンテナ開口面と、
前記アンテナ開口面に結合された一体化複合積層構造体と、
を備え、
前記一体化複合積層構造体が、前記アンテナ開口面と自由空間との間のインピーダンス整合を提供する広角インピーダンス整合ネットワークを含み、該一体化複合積層構造体が前記アンテナ素子にダイポール装荷を行い、前記広角インピーダンス整合ネットワークはその中に複数のダイポール素子を含む、ことを特徴とする、アンテナ。 - 前記インピーダンス整合ネットワークが、前記アンテナの放射効率を改善するか、ブロードサイド角度から走査ロールオフ角度までの範囲に含まれる全ての走査角度に対してインピーダンス整合をもたらす、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記アレイにおけるダイポール装荷の素子が、前記アンテナ素子の放射効率を向上させ、共振周波数応答を下方にシフトさせる、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記広角インピーダンス整合ネットワークは、複数の誘電体層及び複数のメタ表面層が交互に積層された積層構造を有し、前記積層構造は、
前記アンテナ素子上に配置された第1の誘電体層と、
複数のダイポール素子を含む前記第1の誘電体層上に配置された第1のメタ表面層と、
前記第1のメタ表面層上に配置された第2の誘電体層と、
前記第2の誘電体層上に配置され、複数のダイポール素子を含む第2のメタ表面層と、
を備える、請求項1に記載のアンテナ。 - 前記インピーダンス整合ネットワークが、少なくとも1つの誘電体層により互いに分離されたN個のメタ表面層を有するメタ表面積層構造体を備え、前記N個のメタ表面層の各々は、前記複数のダイポール素子を含み、該複数のダイポール素子の各ダイポール素子が、複数の前記アンテナ素子のうちの1つのアンテナ素子に対して整列され、前記Nが整数である、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記各ダイポール素子が、前記1つのアンテナ素子の軸線に対して回転される、請求項5に記載のアンテナ。
- 前記アンテナ素子の前記アレイが、複数の送信スロット放射体と交互配置された複数の受信スロット放射体を含み、前記複数のダイポール素子が、前記複数の受信スロット放射体及び前記複数の送信スロット放射体の一方又は両方における受信スロット放射体又は送信スロット放射体の上方で整列されている、請求項6に記載のアンテナ。
- 前記複数のダイポール素子の各々が、対応する前記受信スロット放射体の偏波と整列されている、請求項7に記載のアンテナ。
- 前記複数のダイポール素子の各々が、対応する前記受信スロット放射体に対して垂直である、請求項8に記載のアンテナ。
- 前記Nが2又は3である、請求項5に記載のアンテナ。
- 前記N個の層のペアのうちの少なくとも1つのペアの誘電体層が、発泡層を含む、請求項5に記載のアンテナ。
- 前記N個のメタ表面層の誘電体層の高さが、前記複数の受信スロット放射体のうちの前記受信スロット放射体が作動する衛星帯域に基づいて選択される、請求項5に記載のアンテナ。
- 前記インピーダンス整合ネットワークが、前記アンテナ開口面の上方に金属パターンを有するインピーダンス整合層を含む、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記金属パターンが、前記アンテナ開口面と自由空間との間のインピーダンス整合を提供するようなサイズに設定された周期的パターン要素を含む、請求項13に記載のアンテナ。
- 前記周期的パターン要素が、分割リング共振器を含む、請求項14に記載のアンテナ。
- 前記金属パターンが、前記アンテナ開口面によって生成された偏波電界と反応する要素を含む、請求項13に記載のアンテナ。
- 前記インピーダンス整合ネットワークが更に、前記アンテナ開口面と前記インピーダンス整合層との間に誘電体層を含む、請求項13に記載のアンテナ。
- 前記誘電体層が、発泡層を含む、請求項17に記載のアンテナ。
- 前記複数のアンテナ素子の上部に複数のダイポール素子を備える、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記複数のダイポール素子が、前記アンテナ開口面の上部にあるダイポールパターン付きスーパーストレートの一部である、請求項19に記載のアンテナ。
- 誘電材料上にプリントされ且つ前記アンテナ開口面からある距離だけ離れた金属層を更に備え、該金属層が、複数のダイポール素子を含む、請求項19に記載のアンテナ。
- 前記複数のダイポール素子の各々は、前記複数のアンテナ素子のうちの1つのアンテナ素子の単位セルを装荷するよう作動する、請求項19に記載のアンテナ。
- 前記複数のダイポール素子の各々は、前記複数のアンテナ素子のうちの1又は2以上のアンテナ素子の単位セルの動作周波数帯域を下方にシフトさせるように作動する、請求項19に記載のアンテナ。
- 前記インピーダンス整合層が、調節可能放射素子を含む、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記調節可能放射素子が、リング状ダイポールを含む、請求項24に記載のアンテナ。
- 前記アンテナ開口面が、円筒状給電ラジアルアンテナ開口面である、請求項1に記載のアンテナ。
- 前記アンテナ素子の少なくとも1つのアレイの各々が、ビーム形成を用いてビームを生成するよう制御される、請求項1に記載のアンテナ。
- 無線周波数(RF)エネルギーを放射するよう作動するアンテナ素子の少なくとも1つのアレイを有するアンテナ開口面と、
前記アンテナ開口面に結合された一体化複合積層構造体と、
を備え、
前記一体化複合積層構造体が、前記アンテナ開口面と自由空間との間のインピーダンス整合を提供する広角インピーダンス整合ネットワークを含み、該一体化複合積層構造体がアンテナ素子にダイポール装荷を行い、前記広角インピーダンス整合ネットワークは、ブロードサイド角度から走査ロールオフ角度までの範囲に含まれる全ての走査角度に対してインピーダンス整合をもたらし、前記インピーダンス整合ネットワークが、少なくとも1つの誘電体層により互いに分離されたN個のメタ表面層を有するメタ表面積層構造体を備え、前記N個のメタ表面層の各々は、複数のダイポール素子を含み、該複数のダイポール素子の各ダイポール素子が、複数の前記アンテナ素子のうちの1つのアンテナ素子に対して整列され、前記Nが整数であり、
複数の誘電体層及び複数のメタ表面層は前記メタ表面積層構造体において交互に積層される、ことを特徴とする、アンテナ。 - 前記アンテナ素子の前記アレイが、複数の送信スロット放射体と交互配置された複数の受信スロット放射体を含み、前記複数のダイポール素子が、前記複数の受信スロット放射体及び前記複数の送信スロット放射体の一方又は両方における受信スロット放射体又は送信スロット放射体の上方で整列されている、請求項28に記載のアンテナ。
- 前記複数のダイポール素子の各々が、対応する前記受信スロット放射体の偏波と整列されている、請求項29に記載のアンテナ。
- 無線周波数(RF)エネルギーを放射するよう作動するアンテナ素子の少なくとも1つのアレイを有するアンテナ開口面と、
前記アンテナ開口面に結合された一体化複合積層構造体と、
を備え、
前記一体化複合積層構造体が、前記アンテナ開口面と自由空間との間のインピーダンス整合を提供する広角インピーダンス整合ネットワークを含み、前記一体化複合積層構造体が、複数の前記アンテナ素子の上部で複数のダイポール素子を用いて前記アンテナ素子にダイポール装荷を行い、前記複数のダイポール素子の各々は、前記複数のアンテナ素子のうちの1又は2以上のアンテナ素子の単位セルの動作周波数帯域を下方にシフトさせるように作動し、前記広角インピーダンス整合ネットワークは更に、ブロードサイド角度から走査ロールオフ角度までの範囲に含まれる全ての走査角度に対してインピーダンス整合をもたらし、
前記インピーダンス整合ネットワークは、複数の誘電体層及び複数のメタ表面層が交互に積層され、前記複数のメタ表面層の各々が前記複数のダイポール素子を含む積層構造体を含む、ことを特徴とするアンテナ。 - 前記複数のダイポール素子が、前記アンテナ開口面の上部にあるダイポールパターン付きスーパーストレートの一部である、請求項31に記載のアンテナ。
- 誘電材料上にプリントされ且つ前記アンテナ開口面からある距離だけ離れた金属層を更に備え、該金属層が、複数のダイポール素子を含み、前記複数のダイポール素子の各々は、前記複数のアンテナ素子のうちの1つのアンテナ素子の単位セルを装荷するよう作動する、請求項31に記載のアンテナ。
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