JP6195935B2

JP6195935B2 - アンテナ要素、アンテナ要素を有する放射器、二重偏波電流ループ放射器およびフェーズドアレイアンテナ

Info

Publication number: JP6195935B2
Application number: JP2015541757A
Authority: JP
Inventors: ロバートエス．アイソム，
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2017-09-13
Anticipated expiration: 2033-04-26
Also published as: IL238280A0; JP2016501460A; US9537208B2; EP2917963A1; KR101687504B1; WO2014074156A1; US20140132473A1; KR20150060893A; IL238280B; EP2917963B1

Description

（分野）
本明細書に記載された概念、システム、回路、デバイスおよび技術は、概して無線周波数（ＲＦ）回路に、より具体的にはＲＦアンテナに関連する。

（背景）
当業者に公知のように、アレイアンテナにおいて、パフォーマンスは、アレイを構成するアンテナ要素のサイズおよびバンド幅制限によって制限される場合がある。ロープロファイルを維持する一方でバンド幅を向上することは、アレイシステムパフォーマンスが次世代の通信アプリケーション（例えば、ソフトウェア無線またはコグニティブ無線）のバンド幅およびスキャン要求を満たすことを可能にする。これらのアプリケーションも、二重直線または円偏波のどちらかをサポート可能であるアンテナ要素を頻繁に必要とする。

また公知のように、ロープロファイルのアンテナ要素およびアレイアンテナを製造する試みがなされてきた。このようなアレイアンテナは、理想的な電流シートのパフォーマンスを近似するしっかり結合されたダイポール要素のアレイ、さらにいわゆる「ウサギ耳」アンテナ、およびしっかり結合されたパッチアレイを含む。これらのアンテナ要素のデザインは、全てロープロファイルである一方で、これらのアンテナ要素のデザインは、二重直線または円偏波のどちらかをサポートするために必要なフィード構造を提供するために、所望のバンド幅にわたって動作できないか、または有意に増加した複雑さを提示するかのどちらかとなる（例えば、アレイアンテナのユニットセルの中にフィットすることが困難な外部の構成要素を必要とする）。Ｖｉｖａｌｄｉノッチアンテナ要素のような他のアンテナ要素は、比較的広いバンド幅を提供することが可能であるが、ロープロファイルではない。

それゆえ、比較的ロープロファイルを有しかつ広い周波数バンド幅およびスキャンボリュームにわたって二重直線または円偏波に応答するアンテナ要素およびアレイアンテナを提供することが望ましい。

（要約）
本明細書に記載されたのは、集積型バラン／フィードアセンブリを有するアンテナ要素である。アンテナ要素は、集積型バラン／フィードおよびレドーム（この組み合わせは、本明細書で放射要素と呼ばれる）をも有して提供され得る。このようなアンテナ要素および／または放射要素は、ワイドバンド（ＷＢ）またはウルトラワイドバンド（ＵＷＢ）フェーズドアレイアンテナアプリケーションにおける使用に適している。このようなアンテナ要素およびこのようなアンテナ要素のアレイは、３：１より大きい比バンド幅を必要とするアプリケーションおよびデザインであって、フィード構造において明示的な（別個の）バランを有しないことから有益であるアプリケーションおよびデザインにおける使用に適し得る。集積型バラン／フィードおよびレドームを伴うアンテナ要素は、ローアンテナプロファイル（すなわち、減少した高さを有する結合されたアンテナ要素およびレドームアセンブリ）を必要とするアプリケーションにおける使用に適している。

このようなアンテナ要素およびアンテナアレイは、パフォーマンスの向上（容量向上、および装置の高さの減少を含む）が望まれ得るアプリケーションにおける使用に適している。

本明細書に記載された概念、システムおよび回路によると、二重偏波電流ループ放射器は、金属バックプレーンに伝導的に取り付けられた形作られた金属タワーから誘電的に離間されたフェーズドアレイの中の金属パッチ放射器を含む。バックプレーンは、放射要素のための接地面を提供する。フィード回路のペア（それぞれは、鉛直導体およびフィードラインを備える）は、パッチ放射器に結合される。二重偏波電流ループ放射器は、以下の２つの異なる結合メカニズムを通して、関心の周波数バンドの範囲内のＲＦ信号に応答する。フィード回路に結合されたかまたは他の様態で提供されたＲＦ信号は、所望の放射モードの中へと結合される。フィード回路（すなわち、フィードラインおよび鉛直導体）は、形作られた金属タワーの側壁に沿って電流を誘導することによってフィードポイントに電流を誘導する。関心のバンドの範囲内の低周波数で、ＲＦ信号は、フィードポイントからパッチ要素に結合（すなわち、受信または放出）される。関心のバンドの範囲内の高周波数で、ＲＦ信号は、フィード回路と形作られた金属タワーの鉛直壁との間で、電流ループ放射器構造の中に形成された誘導路スロットラインモードを介して、フィードポイントから所望の放射モードの中へと結合される。したがって、放射器は、２つの放射メカニズム：パッチ要素に起因する第１の放射メカニズムおよび誘導路に起因する第２の放射メカニズムをサポートする。２つの放射メカニズムは、シームレス（すなわち、これらの２つの異なる放射タイプの間のシームレスな遷移が存在する）であり、これが放射器の動作バンド幅およびスキャンの有意な増加をもたらす。

この特定の配置により、フェーズドアレイアンテナにおける使用に適したコンパクトパッチ放射器が提供される。

本明細書に記載された概念および構造によって提供された複数のアンテナ要素は、比較的ロープロファイルを維持する一方で広いバンド幅およびスキャンボリュームにわたって動作可能なアレイアンテナとなる。１つの実施形態において、本明細書に記載された概念および構造によって提供されたアレイアンテナは、金属バックプレーンの上に約１インチの高さ（または全てのレドームおよびバラン間隔および構成要素を含むプロファイル）において、約２．４ＧＨｚから約１７．６ＧＨｚまでの周波数範囲にわたって幅広パフォーマンスを提供する。

このような完全な放射器／レドーム／バランの組み合わせについての高さ（またはプロファイル）は、類似する動作特徴を有する先行技術のアンテナ要素およびアレイアンテナのプロファイルと比較して比較的低い。

本明細書に記載された概念によると、小さいバンド幅を必要とするアプリケーションのために、アンテナの高さは、１インチ未満に減少され得る。例えば、２．４〜１７．６ＧＨｚのバンド幅（すなわち、比７．３３：１バンド幅）を有するアンテナにおいて、例えば約６ＧＨｚから１７．６ＧＨｚまでの周波数範囲において動作が望まれる場合、アンテナは、およそまたは約．４”の高さを有して提供され得る。しかしながら、約１２ＧＨｚから約１８ＧＨｚまでの範囲においてのみ動作が望まれた場合、アンテナは、約．２”の高さを有して提供され得る。これらの例は、必要とされるスキャンパフォーマンスが同一のままであることを仮定する。必要とされるスキャン角度が減少される場合、高さはさらに減少され得る。その上、スキャンパフォーマンスは、ＥプレーンおよびＨプレーンの両方から７０度を超えてパフォーマンスを提供すると潔く低下する。本明細書に記載されたアンテナ要素は、スキャンにわたって良質なアイソレーションおよび交差偏波パフォーマンスをも提供する。

本明細書に記載された概念の更なる側面によると、アンテナ要素は、アンテナ要素およびフィード回路を有する放射器ユニットセル構造を含み、フィード回路は、第１の周波数においてフィード回路がアンテナ要素に信号を結合し、第２のより高い周波数においてフィード回路が放射器ユニットセル構造の中の誘導路でＲＦ信号を生成するように配置される。

１つの実施形態において、フィード回路は、アンテナ要素に信号を結合する放射ユニットセル構造の中に配置された鉛直導体に結合される。

１つの実施形態において、アンテナ要素は、第１および第２のフィード回路に結合された第１および第２の鉛直導体を含み、第１および上記第２の鉛直導体ならびに第１および第２のフィード回路は、垂直に偏波されたＲＦ信号を結合するように、放射器ユニットセル構造に中に配置され、アンテナ要素が二重直線偏波を有するＲＦ信号に応答するようにする。

１つの実施形態において、アンテナ要素は、パッチアンテナ要素である。

１つの実施形態において、アンテナ要素は、誘電性基板上の伝導体として提供されたパッチアンテナ要素を含み、パッチアンテナ要素は、隣接するユニットセルからフィード回路によってフィードされる。

１つの実施形態において、フィード回路は、伝導性ビア、プローブ、または露出された同軸フィードのうちの１つとして提供されたフィードラインを備え、フィード回路は、鉛直導体に容量結合されたパッチアンテナ要素のフィードポイントに電流を誘導するために鉛直導体の一部を使用する。

１つの実施形態において、上記ａｌ伝導体の一部は、接地面上に配置される。

本明細書に記載された概念の更なる側面によると、放射器は、（ａ）レドーム、および（ｂ）接地面に対応する伝導性バックプレーンを有する放射器ユニットセル構造、バックプレーンに電気的に結合された鉛直導体、鉛直導体に容量結合されたパッチアンテナ要素、および鉛直導体に近接して配置されかつバックプレーンと水平導体に近接するフィードポイントとに結合されるフィード回路を備えるアンテナ要素を含み、第１の周波数においてフィード回路が信号をパッチアンテナ要素に結合し、第２のより高い周波数においてフィード回路が放射器ユニットセル構造の中の誘導路でＲＦ信号を生成するようにフィード回路が位置付けられる。

１つの実施形態において、レドームは、誘電性のピクセル化されたアセンブリを備える。

１つの実施形態において、レドームは、３つまたはそれより多い層を備える誘電性のピクセル化されたアセンブリを備える。

１つの実施形態において、レドームは、３つまたはそれより多い層を備える誘電性のピクセル化されたアセンブリを備え、３つまたはそれより多い層のうちの少なくとも１つは、空気層に対応する。

１つの実施形態において、上記ユニットセル構造に中に配置された鉛直導体は、第１の鉛直導体であり、フィード回路は、第１のフィード回路であり、アンテナ要素は、第２の鉛直導体および第２のフィード回路をさらに備え、第２の鉛直導体および第２のフィード回路は、第１の鉛直導体および第１のフィード回路に結合されたＲＦ信号に対して垂直であるＲＦ信号を結合するようにユニットセル構造に中に配置され、アンテナ要素が二重直線偏波を有するＲＦ信号に応答するようにする。

１つの実施形態において、パッチアンテナ要素は、誘電性基板上の伝導体として提供され、上記パッチアンテナ要素は、隣接するユニットセルからフィード回路によってフィードされる。

本明細書に記載された概念の更なる側面によると、二重偏波電流ループ放射器は、（ａ）第１のフィード回路および第２のフィード回路を有するアンテナ要素、および（ｂ）パッチアンテナ要素の上に配置されたレドームを含み、第１のフィード回路および第２のフィード回路のそれぞれは、ＲＦ信号をパッチアンテナ要素に結合し、第１のフィード回路および第２のフィード回路のそれぞれは、第２のより高い周波数において放射器ユニットセル構造の中の誘導路でＲＦ信号を生成し、レドームの少なくとも一部は、レドームの少なくとも一部が放射要素と集積されるように放射ユニットセル構造に中に配置される。

１つの実施形態において、放射ユニットセル構造は、閉端部および開端部であって、閉端部は、接地面に対応する閉端部および開端部と、放射ユニットセル構造の中に配置されかつ接地面に電気的に結合された第１の鉛直導体と、放射ユニットセル構造の中に配置されかつ接地面に電気的に結合されかつ第１の鉛直導体に対して垂直に配置された第２の鉛直導体とを有する。パッチアンテナ要素は、放射ユニットセル構造の中に配置され、第１の鉛直導体および第２の鉛直導体のそれぞれに容量結合される。第１のフィード回路は、第１の鉛直導体に近接して配置され、フィード回路の第１の端部は、バックプレーンに結合され、第２の端部は、第１のフィード回路とともにパッチアンテナ要素に近接する第１のフィードポイントに結合される。

１つの実施形態において、上記第１および第２のフィード回路は、第１および第２のフィードラインのうちのそれぞれのフィードラインを備え、第１および第２のフィードラインは、第１および第２のフィードポイントのうちのそれぞれのフィードポイントに電流を誘導するために第１および第２の鉛直導体のうちのそれぞれの鉛直導体の一部を使用して、伝導性ビア、プローブ、または露出された同軸フィードのうちの１つとして提供される。

本明細書に記載された概念の更なる側面によると、フェーズドアレイアンテナは、複数のユニットセルを備え、ユニットセルのそれぞれは、二重偏波電流ループ放射器を備え、それぞれの二重偏波電流ループ放射器は、（ａ）第１のフィード回路および第２のフィード回路を有するアンテナ要素、および（ｂ）パッチアンテナ要素の上に配置されたレドームを含み、第１のフィード回路および第２のフィード回路のそれぞれは、ＲＦ信号をパッチアンテナ要素に結合し、第１のフィード回路および第２のフィード回路のそれぞれは、第２のより高い周波数において放射器ユニットセル構造の中の誘導路でＲＦ信号を生成し、レドームの少なくとも一部は、レドームの少なくとも一部が放射要素と集積されるように放射ユニットセル構造の中に配置される。

この要約は、以下の詳細な説明の中でさらに説明される簡易形態における概念の選択をも導入するために提供されることを理解されるべきである。この要約は、クレームされた主題の主な特徴または本質的な特徴を特定することを意図されないし、クレームされた主題の範囲を制限するように使用されることも意図されない。

本発明の前述および他の目的、特徴、および利点は、添付している図面の中で図示されているように、本発明の特定の実施形態の以下の説明から明らかである。添付している図面の中で、同様の参照数字は、異なる図面を通して同一の部分を指示する。図面は、必ずしも縮尺どおりではなく、その代わりに本発明の原理を図示することを強調している。
図１は、集積型バランを有する二重偏波電流ループ放射器のユニットセルの等大図である。図１Ａは、図１の二重偏波電流ループ放射器のユニットセルの側面図である。図２は、図１の二重偏波電流ループ放射器のユニットセルの上面図である。図２Ａは、図１の二重偏波電流ループ放射器の複数のユニットセルの上面図である。図３は、誘電性のピクセル化されたアセンブリの等大図である。図３Ａは、図３の誘電性のピクセル化されたアセンブリの第１のピクセル化された層の上面図である。図３Ｂは、図３の誘電性のピクセル化されたアセンブリの第２のピクセル化された層の上面図である。図４は、アンテナ要素ｖｓ．周波数の定在波比（ＶＳＷＲ）のプロットである。図５は、アンテナアイソレーションｖｓ．周波数のプロットである。図６は、アンテナ伝送ｖｓ．周波数のプロットである。図７は、アンテナ交差偏波パフォーマンスｖｓ．周波数のプロットである。図８は、複数のユニットセルを備えるフェーズドアレイアンテナの透視図であり、複数のユニットセルのそれぞれは、図１〜２とともに上に記載された二重偏波電流ループ放射器と同一または類似し得る二重偏波電流ループ放射器を備える。

（詳細な説明）
本明細書に記載されるのは、導波構造において電磁波を励起および伝播するための構造および技術である。本明細書で使用される場合、用語「鉛直面」は、導波構造の長さに沿って延在する面を指示し、用語「水平面」は、鉛直面に対して垂直である面を指示する。

ここで、図１、１Ａおよび２を参照すると、二重偏波電流ループ放射器８は、集積型バランを含むアンテナ要素部分およびレドーム部分１１を含み、図１、１Ａおよび２の中の同様の要素がいくつもの図を通して同様の参照指定を有して提供される。バランは、形作られた伝導性タワーの「内側」伝導性表面を使用して形成される。形作られた伝導性タワーは、バックプレーンに取り付けられたかまたは他の様態で電気的に結合された鉛直導体１６、１６ａのペアから提供される。形作られた伝導性タワーの外側表面は、放射波の誘導をサポートする。バラン構造は、本質的に、エネルギーをフィード構造の方に指向し、フィード構造を所望の放射モードに誘導する高インピーダンス（フィードラインと比較して）空洞である。ユニットセル１２は、幅Ｗ、高さＨおよび長さＬを有する。形作られた金属片の長さは、概して、物質（この場合は、空気）における中心周波数の約４分の１の波長であるように選択される。厳密な値は、設計の反復の一部として４分の１の波長のスタート値から多少調整され得る。

図１〜２の例示的実施形態において、そして、本明細書の以下の記載から明白になる理由で、ユニットセル１２は、ここでは、正方形の断面形（すなわち、図２に示されているようにＷ＝Ｈ）を有して提供される。ユニットセル１２は、空気で満たされ得る（すなわち、中空）か、または誘電性物質で満たされ得る（部分的にまたは全面的にのうちのどちらかで満たされる）。最も広いバンド幅およびスキャンパフォーマンスに対しては、空気で満たされることが好ましい。

ユニットセル１２は、ユニットセル１２の１つの端部１２ａにわたって配置された、接地面として機能するバックプレーン１４を有する。一方で、ユニットセル１２の第２の端部１２ｂは、開いている。

幅Ｗ１、高さＨ１および長さＬ１を有する第１の導体１６は、ユニットセル１２の中の第１の鉛直面に配置される。導体１６が鉛直面に配置されるので、第１の導体１６は、第１の鉛直導体１６（またはさらに簡単に「鉛直導体１６」または「鉛直壁１６」）と言及される場合がある。鉛直導体１６は、バックプレーン１４と電気的に結合される。１つの実施形態において、これは、鉛直導体１６の少なくとも一部（例えば、鉛直導体１６の１つの端部）をバックプレーン１４の少なくとも一部と物理的接触させることによって達成される。他の技術も、鉛直導体１６を（例えば、バックプレーン１４と鉛直導体１６との間の電気的接続を提供するようにリボン状導体を使用して）バックプレーン１４に結合させるために使用され得る。

鉛直壁１６、１６ａの設置は、２つのファクターによって制御される。第１のファクターは、特に低周波において、バランのバンド幅パフォーマンスを最大化にすることに対する願望である。これは、通常は、形作られた金属タワーの内壁とフィード回路との間の容積を最大化することによってなされる。この理由で、形作られた金属タワーの壁は、薄いことが望ましい。第２のファクターは、フィード回路および形作られた金属タワーの鉛直壁によって形成された誘導伝送構造のインピーダンスを制御することである。適したインピーダンスを維持するために、概して、フィード回路および鉛直壁は、互いに近接するが望ましい。この近接は、アイソレーションおよび交差偏波パフォーマンスを向上することをも促進する。

鉛直導体１６が様々な異なる技術を使用して提供され得ることは理解されるべきである。例えば、鉛直導体１６は、バックプレーン１４に（例えば、自動化されたピックアンドプレース動作を介して）押し付けおよび取り付け（例えば、接合）され得る。代替的に、鉛直導体１６は、バックプレーン１４の一部として形成または他の様態で提供され得る。鉛直導体１６を提供するための他の技術ももちろん使用され得る。

第１のフィード信号経路１８（またはさらに簡単に「フィードライン１８」）は、鉛直導体１６と電気的に結合される。フィードライン１８および鉛直導体１６の組み合わせは、フィード回路１９を形成する。図１の例示的実施形態において、フィードライン１８は、接地面を通して配置された同軸ラインとして提供され、したがってフィード回路１９は、鉛直フィード回路１９に対応する。

図１〜２の例示的実施形態において同軸フィード回路１９が示されているが、当業者が、フィードライン１８がストリップ伝送ラインの任意のタイプ（例えば、フレックスライン、マイクロストリップライン、ストリップライン等）を含むがこれらに限定されない、伝送ラインの様々な異なるタイプのうちの１つとして実装され得ると認識することは理解されるべきである。さらに他の実施形態において、フィードは、伝導性ビアホール（またはさらに簡単に「ビア」）、プローブ、または同軸ライン（図１の例示的実施形態に示されているような）の露出された中央導体として提供され得る。さらに他の実施形態において、フィードは、コプレーナ導波フィードライン（接地してまたは接地せずにのうちのどちらか）として提供され得るか、またはスロットラインとしてフィードラインを形成し得る。当業者は、特定の用途のためのフィード回路１９を実装する（製造する）特定のやり方の選択の仕方を理解するだろう。特定の用途のために使用するフィードラインのタイプを選択するときに考慮するいくつかのファクターは、動作周波数、製造の簡単さ、コスト、信頼性、動作環境（例えば、動作および格納温度範囲、振動プロファイル等）を含むがこれらに限定されない。

図１〜２に図示された例示的実施形態において、同軸フィードライン１８は、バックプレーン１４と電気的に結合され、同軸フィードライン１８の少なくとも一部は、バックプレーン１４の開口部を通る。特に、同軸フィードライン１８の外側導体の一部は、中心導体および周囲の誘電性（例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標））ジャケットを露出させるために取り除かれる。中心導体および誘電性ジャケットは、ユニットセルの中に延在する。誘電性ジャケットは、同軸ライン１８の中心導体が地面と結合された鉛直導体１６と接触することを妨げる。同軸フィードライン１８および鉛直金属構造１６は、ユニットセル１２の中の放射モードと結合されるフィードポイント２４に電流を誘導する。本明細書に記載の例示的実施形態において、同軸ラインの外側導体は、バックプレーンの表面でストップする。しかしながら、他の実施形態において、同軸ラインの外側導体がバックプレーンを通りすぎてユニットセルの中に延在することが望ましくあり得るか、または必要でさえあり得る。

金属板構造３２が一部として提供された水平基板３０は、鉛直金属構造にわたって配置され、鉛直金属構造１６から離間されているが、鉛直金属構造１６と容量結合される。金属板構造３２は、パッチアンテナ要素として動作し、フィード回路１９のフィードポイント２４と接触する。１つの実施形態において、水平基板３０は、第１および第２の対向する表面に伝導性物質が配置された誘電性物質から提供される。１つの実施形態において、誘電性基板の対向する表面上の伝導性物質は、基板３０の第１および第２の対向する表面に配置された導体と電気的に結合するために、基板を通して延在する１つ以上の伝導性ビアホールによって電気的に結合される。金属板３２の有効厚さは、重要であり、経験的に決定される（例えば、反復によって決定される）ことが可能であるが、典型的には、関心の動作バンド幅の範囲内の低周波でのアンテナパフォーマンスを向上するために厚くされる。

鉛直導体１６の上縁は、水平導体３０から離間されている。鉛直導体１６の上部と水平導体３０との間の空間は、空気で満たされるか、または誘電性物質あるいは非伝導性接着性物質で満たされるかのどちらかであり得る。間隔を空けることの目的は、形作られた金属タワーにパッチがショートしないようにするためである。この距離に感応する。距離を減少させることが、静電容量を増加させる。距離は、設計の一部として選択され、これは、パフォーマンス要件を満たすための最適の静電容量値を見つけるまで反復される。１つの実施形態において、間隔を空けることは、典型的には数ミルのオーダーの厚さを有する誘電性スペーサー３２を使用して達成される。１つの例示的実施形態において、誘電性スペーサー３２は、ＲｏｇｅｒｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造され、約．０１インチの厚さを有しかつ約３．３６の比誘電率を有するＲＯ４３５０として特定されるタイプの誘電性物質として提供される。

上記のように、パッチ要素３２は、一般的に知られているようなアディティブまたはサブトラクティブ技術を使用して基板３０上に形成され得る。例えば、導体３２ａ、３２ｂは、基板３０の対向する表面上に銅パッチ３２ａ、３２ｂをパターニングし、そして、導体３２ａ、３２ｂを通る１つ以上のめっきされたスルーホール（概して３４と示される）を提供し、基板３０を通して厚い金属導体の効果を提供することによって、基板３０上に提供され得る。さらに、パッチ要素３２と電気的に結合されるのは、上記のパッチ３２をフィードするフィード回路要素３４および２６である。

放射器１０は、以下のように、２つの異なる結合メカニズムを通して、関心の周波数バンドの範囲内のＲＦ信号に応答する。同軸ライン１８の露出された端部１７（図１Ａ）に対して結合または他の様態で提供されたＲＦ信号は、ユニットセル１２の中へと結合される。同軸フィードライン１８および鉛直導体１６は、誘導スロットラインモードと結合されるフィードポイント２４に、結果として自由空間に放射する電流を誘導する。関心のバンドの範囲内の低周波数で、ＲＦ信号は、パッチ要素３２に結合される（すなわち、パッチ要素３２によって受信されるか、またはパッチ要素３２によって放出されるかのどちらか）。関心のバンドの範囲内の高周波数で、フィード回路１９を通してユニットセル１２の中へと結合されるＲＦ信号は、ユニットセル構造１２の中の誘導路スロットモードを介して放出される。したがって、放射器１０は、２つの放射メカニズム：パッチ要素に起因した第１の放射メカニズムおよび誘導路を介する第２の放射メカニズムをサポートする。２つの放射メカニズムは、シームレスである（すなわち、放射器の動作バンド幅およびスキャンにおける有意な増加をもたらすこれらの２つの異なる放射タイプの間のシームレスな遷移が存在する）。

上記のフィード回路１９は、単一直線偏波を有するＲＦ信号を放射器１０に／から結合するために使用され得る。

しかしながら、図１〜２の例示的な放射器８は、第２の同軸フィードライン１６ａ、第２の鉛直導体１８ａおよび第２のフィードポイント２４ａを備えた第２のフィード回路１９ａも含む。第２のフィード回路１６ａは、フィード回路１９によって励起されたＲＦ信号と直交する、パッチ３２上およびユニットセル１２の中のＲＦ信号を励起するように配置される。このようにして、アンテナ要素１０は、二重直線または円偏波に応答する。

上で言及されたように、レドーム１１は、アンテナ要素１０の上のユニットセル１２の中に配置される。レドーム１１は、複数の基板３８および４４から提供される。この例示的実施形態において、レドーム１１は、アンテナ要素１０を（例えば、環境上の力（例えば風、雨、等）を受けることから）保護し、さらに、アンテナ要素インピーダンスを自由空間インピーダンスと整合するためのインピーダンス整合機能を果たす。したがって、この例示的実施形態において、アンテナ要素１０とレドーム１１との両方を構成する構成要素の物理的および電気的特徴は、ＲＦ信号のための所望のインピーダンス整合を有する放射器８を提供することにおいて協力するように選択され、そのＲＦ信号は、放射器８によって受信されかつ放射器８に伝送される。

図１〜２の例示的実施形態において、レドーム１１は、複数の（ここでは３つの）層４０、４１および４２を有する誘電性のピクセル化されたアセンブリ３８を含む。層４０、４２は、特定の形状を有する層を提供するために、ここではいくつかの側面９が半径を有して提供されるが、層４０、４２は、他の形状（例えば、正方形、長方形、三角形、楕円または不規則な形状でさえ）を有して提供され得ることも理解されるべきである。層４０、４２が本明細書に示された例示的な幾何的形状を有していながら、同一の形状を有する層４０、４２を備えた複数の放射器８が共に配置されるとき、放射器８は、図２Ａに示されたパターンを提供する。

さらに、３つの層が示されるが、当業者は、ピクセル化されたアセンブリ３８が３つの層より少ないまたは多い層を含み得ることを理解する。層の数は、バンド幅およびスキャン要件のパフォーマンスニーズならびに許容可能な構成の複雑さに依存する。１つの層から数十の層までの任意の数であり得る。さらに多くの層は、パフォーマンスの更なる微調整を許容するが、建設の耐久力および複雑さに対して増加した感応を犠牲にする。多くの実用的な用途において、１〜５の範囲の中の層の数は、容認可能なパフォーマンスの特徴を有するアンテナをもたらす。

１つの実施形態において、ピクセル化されたアセンブリ３８は、空気、または約．０５”の厚さを有する発泡層４６の比誘電率を有する発泡層４６によって、基板３２の表面３２ａから離間している。ピクセル化されたアセンブリ３８の層４３は、約６．１５の比誘電率および約．０５”の厚さを有する誘電体から提供される。１つの特定の実施形態において、層４３は、ＲｏｇｅｒｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されるＲＯ４３６０のような市販の物質から提供され得る。層４１は、空気として、または約１．０の比誘電率を有しかつ約．２１”の厚さを有する発泡基板から提供され得る。層４２は、約２．３３の比誘電率および約．０６”の厚さを有する物質から提供され得る。層４２は、例えば、全ての銅が取り除かれたＡｒｌｏｎＣｌａｄ２３３として提供され得る。

基板４４は、約３．２の比誘電率を有しかつ約．０１５”の厚さを有するＣＥ／Ｑｕａｒｔｚ物質から提供され得る。基板４４の底面４４ａは、約．３３３”の厚さを有する領域４８によって、基板４２の上面４２ａから離間している。領域４８は、空気で満たされ得るか、または約１．０の比誘電率を有する発泡物質から提供され得る。

上で言及されたように、特定の寸法、誘電率および上で言及された他の特徴は、約２．４から１７．６ＧＨｚまでの周波数範囲における動作のための例示的なものにすぎない。本明細書の開示を読んだ後に、当業者は、他の周波数範囲内の動作のために、寸法、誘電率および本明細書に記載された構造の他の特徴を調整する仕方を理解する。

ここで、図３、３Ａ、３Ｂを参照すると、図１〜２とともに上に記載されたアセンブリ３８と同一または類似し得る例示的な誘電性のピクセル化されたアセンブリ３８’は、第１の層４０’、第２の層４１’および第３の層４２’を含み、図３、３Ａ、３Ｂの中の同様の要素がいくつもの図を通して同様の参照指定を有して提供される。ここで、第２の（つまり中間の）層４１’は、空気層である。層４１’には、内部に複数のホール５０が提供されており、各ホールは、約．２３２”の直径を有し、ホールの中心間の間隔が．３２”である。他のホール間隔およびホールパターン（例えば、三角形の格子状のパターン）ももちろん使用され得る。ホールの直径およびホール間隔は、インピーダンス整合およびスキャンパフォーマンスを最適化するように選択されることを理解されるべきである。特定のスキャンパフォーマンスは、誘電性モードに感応する。これらのモードがアクティブである領域において誘電体が取り除かれる場合、パフォーマンスが向上される。層４０および４２（ならびに４１（空気として提供されないとき））は、同一のホールパターン、ホールサイズ、ならびに幾何的形状およびサイズを有する必要ないが、同一のホールパターン、ホールサイズ、ならびに幾何的形状およびサイズを有すると、レドームのコスト、物質および他の製造源において効率的になることが可能となる。

アセンブリ３８’の中の各層のホールサイズおよびパターンが同一である必要ない（すなわち、アセンブリ３８’の中の各層が固有のホールパターンおよび固有のホールサイズを有して提供され得ることも理解されるべきである。さらに、同一の層上の各ホールの直径は、同一である必要はない。異なるホールサイズは、層間および層内の両方で許容される。

図４〜７は、本明細書に記載された概念によって提供された放射要素が、放射要素が広範な動作を有することとなる２つの異なる放射メカニズムで動作することを図示し、動作周波数バンドの範囲内の２つの異なる放射メカニズムの間の遷移がシームレスであることを図示する。

ここで、図４を参照すると、アンテナ要素の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）ｖｓ．０度から７０度までの範囲の複数の異なるスキャン角度での周波数のプロットが、周波数の広範囲にわたって「ドロップアウト」していないことを図示する。

ここで、図５を参照すると、アンテナアイソレーションｖｓ．０度から７０度までの範囲の複数の異なるスキャン角度での周波数のプロットが、周波数の広範囲にわたって悪質なアイソレーションの領域がないことを図示する。

ここで、図６を参照すると、アンテナ伝送ｖｓ．０度から７０度までの範囲の複数の異なるスキャン角度での周波数のプロットが、周波数の広範囲にわたって有効なアンテナ伝送の特徴を図示する。

ここで、図７を参照すると、アンテナ交差偏波パフォーマンスｖｓ．０度から７０度までの範囲の複数の異なるスキャン角度での周波数のプロットが、周波数の広範囲にわたって有効なアンテナ交差偏波の特徴を図示する。

ここで、図８を参照すると、フェーズドアレイアンテナ６０は、複数のユニットセル６２を備える。各ユニットセル６２は、二重偏波電流ループ放射器８’から形成され、二重偏波電流ループ放射器８’を備え、二重偏波電流ループ放射器８’は、図１〜２とともに上に記載された二重偏波電流ループ放射器８と同一または類似し得る。（図１〜２とともに上に記載された同軸フィードライン１８、１８ａと同一または類似し得る）いくつかのフィードライン６４は、図８において見える。

本願発明の特定の実施形態が示され記載された一方で、形状および詳細における様々な変化および改変が、以下の請求項によって定義されるような発明の精神および範囲から逸脱することなく本願発明の中でなされることが当業者に明らかである。したがって、添付された請求項は、全ての変化および改変のようなものを範囲内に包含する。

Claims

アンテナ要素であって：
第１の開端部および第２の端部を有する放射器ユニットセル構造であって、該第２の端部の上には伝導性バックプレーンが配置されており、該バックプレーンは接地面に対応する、放射器ユニットセル構造と、
該放射器ユニットセル構造の中に配置され、該バックプレーンと電気的に結合された第１鉛直導体と、
該放射器ユニットセル構造の中に配置され、該第１鉛直導体と容量結合された水平導体であって、パッチアンテナ要素に対応する水平導体と、
該第１鉛直導体に近接して平行に配置され且つ電気的に結合された第１フィード回路であって、該バックプレーンと電気的に結合された第１の端部を有し、該水平導体に近接する第１フィードポイントに電気的に結合された第２の端部を有し、該第１フィード回路は、第１の周波数において該第１フィード回路が該パッチアンテナ要素に信号を結合し、第２のより高い周波数において、該第１フィード回路が、該第１鉛直導体、該放射器ユニットセル構造の少なくとも１つの側壁、および、該放射器ユニットセル構造の中の該第１フィード回路により形成される第１誘導路のスロットラインモードでＲＦ信号を生成するように位置付けられる、第１フィード回路と
第２鉛直導体であって、該第１鉛直導体および該第２鉛直導体は前記バックプレーンに電気的に結合される、第２鉛直導体と、
該第２鉛直導体に電気的に結合された第２フィード回路であって、該第２鉛直導体および該第２フィード回路は、該第１鉛直導体および該第１フィード回路に結合されたＲＦ信号に対して垂直であるＲＦ信号を結合するように、該放射器ユニットセル構造の中に配置され、該アンテナ要素が二重直線偏波を有するＲＦ信号に応答するようにする、第２フィード回路と
を備え、該第２フィード回路は、該第２鉛直導体および該第２フィード回路により該放射器ユニットセル構造の中に形成される第２誘導路でＲＦ信号を生成し、該第１および第２誘導路はそれぞれ該放射器ユニットセル構造の側壁に沿ってＲＦ信号を該第１フィードポイントおよび第２フィードポイントに案内する、アンテナ要素。
前記パッチアンテナ要素は、誘電性基板上に導体として提供され、該パッチアンテナ要素は、隣接したユニットセルから第３フィード回路によってフィードされる、請求項１に記載のアンテナ要素。
前記第１フィード回路は、伝導性ビア、プローブ、または露出した同軸フィードのうちの１つとして提供されるフィードラインを備え、該第１フィード回路は、前記第１鉛直導体と容量結合される前記パッチアンテナ要素のパッチアンテナフィードポイントに電流を誘導するために該第１鉛直導体の一部を使用する、請求項１に記載のアンテナ要素。
前記第１鉛直導体の一部は、前記接地面上に配置される、請求項１に記載のアンテナ要素。
（ａ）レドームと、（ｂ）請求項１に記載のアンテナ要素とを有する放射器。
前記レドームは、誘電性のピクセル化されたアセンブリを備える、請求項５に記載の放射器。
前記誘電性のピクセル化されたものは、３つまたはそれより多い層を備える、請求項６に記載の放射器。
前記３つまたはそれより多い層のうちの少なくとも１つは、空気層に対応する、請求項７に記載の放射器。
前記パッチアンテナ要素は、誘電性基板上の導体として提供され、該パッチアンテナ要素は、隣接したユニットセルから第３フィード回路によってフィードされる、請求項５に記載の放射器。
前記第１フィード回路は、伝導性ビア、プローブ、または露出した同軸フィードのうちの１つとして提供されたフィードラインを備え、該第１フィード回路は、前記第１鉛直導体と容量結合される前記パッチアンテナ要素のパッチアンテナフィードポイントに電流を誘導するために該第１鉛直導体の一部を使用する、請求項５に記載の放射器。
前記第１鉛直導体の一部は、前記接地面上に配置される、請求項５に記載の放射器。
（ａ）アンテナ要素と、（ｂ）レドームとを有する二重偏波電流ループ放射器であって、該アンテナ要素は、
閉端部および開端部を有する放射器ユニットセル構造であって、該閉端部は接地面に対応する、放射器ユニットセル構造と、
該放射器ユニットセル構造の中に配置され、該接地面と電気的に結合された第１鉛直導体と、
該放射器ユニットセル構造の中に配置され、該接地面と電気的に結合され、該第１鉛直導体に対して垂直に配置された第２鉛直導体であって、前記第１鉛直導体および第２鉛直導体はバックプレーンに電気的に結合されている、第２鉛直導体と、
該放射器ユニットセル構造の中に配置され、該第１および第２鉛直導体のそれぞれと容量結合されたパッチアンテナ要素と、
該第１鉛直導体に近接して平行に配置され且つ電気的に結合された第１フィード回路であって、該バックプレーンと電気的に結合された第１の端部を有し、該パッチアンテナ要素に近接する第１フィードポイントに電気的に結合された第２の端部を有し、該第１フィード回路は、第１の周波数において該第１フィード回路がＲＦ信号を該パッチアンテナ要素と結合し、第２のより高い周波数において、該第１フィード回路が、該第１鉛直導体、該放射器ユニットセル構造の少なくとも１つの側壁、および、該放射器ユニットセル構造の中の第１フィード回路により形成される第１誘導路のスロットラインモードでＲＦ信号を生成するように位置付けられる、第１フィード回路と、
該第２鉛直導体に近接して平行に配置され且つ電気的に結合された第２フィード回路であって、該バックプレーンと電気的に結合された第１の端部を有し、該パッチアンテナ要素に近接する第２フィードポイントに電気的に結合された第２の端部を有し、該第２フィード回路は、第１の周波数において該第２フィード回路がＲＦ信号を該パッチアンテナ要素と結合し、第２のより高い周波数において、該第２フィード回路が、該第２鉛直導体、該放射器ユニットセル構造の少なくとも１つの側壁、および、該放射器ユニットセル構造の中の第２フィード回路により形成される第２誘導路でＲＦ信号を生成するように位置付けられる、第２フィード回路と
を備え、前記レドームは、該アンテナ要素の上に配置され、該レドームの少なくとも一部は、該レドームの少なくとも一部が放射要素と一体化されるように、該放射器ユニットセル構造の中に配置される、二重偏波電流ループ放射器。
前記第１および第２フィード回路のそれぞれは、第１および第２フィードラインのうちのそれぞれのフィードラインを備え、該第１および第２フィードラインは、それぞれ、第１および第２鉛直導体のうちのそれぞれの鉛直導体の一部を使用して第１および第２誘導路を形成するように、伝導性ビア、プローブ、または露出された同軸フィードのうちの１つとして提供され、該放射器ユニットセル構造の側壁に沿って、該第１および第２フィードポイントのうちのそれぞれに電流を誘導する、請求項１２に記載の二重偏波電流ループ放射器。
前記レドームは、誘電性のピクセル化されたアセンブリを備える、請求項１２に記載の二重偏波電流ループ放射器。
前記誘電性のピクセル化されたアセンブリは、３つまたはそれより多い層を備える、請求項１４に記載の二重偏波電流ループ放射器。
前記３つまたはそれより多い層のうちの少なくとも１つは、空気層に対応する、請求項１５に記載の二重偏波電流ループ放射器。
複数のユニットセルを有するフェーズドアレイアンテナであって、該ユニットセルのそれぞれは、請求項１２に記載の二重偏波電流ループ放射器を備える、フェーズドアレイアンテナ。
前記レドームは、誘電性のピクセル化されたアセンブリを備える、請求項１７に記載のフェーズドアレイアンテナ。
前記誘電性のピクセル化されたアセンブリは、３つまたはそれより多い層を備える、請求項１８に記載のフェーズドアレイアンテナ。
前記３つまたはそれより多い層のうちの少なくとも１つは、空気層に対応する、請求項１９に記載のフェーズドアレイアンテナ。