JP6749489B2 - 単層共用開口デュアルバンドアンテナ - Google Patents

Description

以下の本明細書は、本発明及びそれが行われる方法を詳細に説明する。

本開示の実施形態は、通信システムにおけるアンテナに関する。より詳細には、本開示の実施形態は、デュアルバンド共用開口アンテナに関する。

通信システムは、多機能動作を行うことができ、また軽量で、取り付けの複雑性が軽減され、突出に起因する空力外乱を回避するために任意の表面に埋め込むように等角（コンフォーマル）にすることがより容易であるアンテナを必要とする。航空機には、テレメトリ及びトランスポンダ用途のために地上局と通信するための様々な一方向及び双方向通信システムが装備される。それらは異なる周波数バンドで動作し、異なる放射パターンを要求し、従って、偏波は信号を送受信するために別々のアンテナを使用する。結果として、それはシステムの集積複雑性及び重量を増加させる。多機能アンテナの進化は、複数の個々のアンテナを、重量、アンテナによって占有される取り付けスペース、及びシステムのＲＦシグネチャを減少させる単一の多機能アンテナにゆっくりと置き換えている。

多機能アンテナは、開口の時分割及びアンテナ開口の共用を使用する。開口の時分割は、マルチバンド又は再構成可能性の機構を有する同じアンテナを順次利用するデータの伝送につながる。アンテナ開口の共用は、単一のアンテナ開口において別々の放射素子を連続に使用するデータの伝送を伴う。共用開口アンテナは、１つの周波数で送信し、別の周波数で同時に受信するために使用されることができ、或いは、それは、２つの異なる周波数信号を同時に送信することができる。

スパイラルモードマイクロストリップアンテナをループアンテナと組み合わせて、それぞれ３００ＭＨｚより大きい信号及びＦＭバンドの信号を受信するためのコンフォーマル多機能共用開口モデルが存在する。このアンテナは、円偏波電磁（ＥＭ）波を放射する放射素子として周波数に依存しないスパイラルの使用を提供する。

該技術分野においては、デュアルバンド又はトリバンド給電ネットワークを使用して近ＵＨＦ、Ｓ、及びＬバンドで動作する、アレイ構成のキャビティ付きスロットアンテナにおける共用開口の概念が知られる。これらのアンテナは通常、高指向性型であって、全方向性又は広ビーム動作には適していない。更に、多層基板集積導波路技術で設計され、Ｘ及びＫａバンド周波数で動作するデュアルバンド共用開口アンテナが存在する。それぞれがスペーサを介して接地面から離間されたドライバパッチ及び寄生パッチを含む、アレイ構成の放射素子として空気荷重マイクロストリップ積層パッチを有する部分共用開口アンテナの概念がまた報告される。多層アンテナは一般的に、それを乗り物の表面に等角にするために取り付け位置にかなりの深さが必要とされる。

米国特許第５１６０９３６号明細書 米国特許第５５０８７１０号明細書 米国特許出願番号第１０／４０８３３４号明細書

Pedram Moosavi Bafrooei, student member, IEEE, and Lotfollah Shafai, fellow, IEEE, "Characteristics of single- and double - layer microstrip square-ring antennas", IEEE Transactions on Antennas and propagation, VOL. 47 No.10 October 1999. Giuseppe Colangelo and Roberto Vitiello, "Shared Aperture Dual Band Printed Antenna", IEEE International conference on Electromagnetics in Advanced Applications 2011, pp.1092-1095. Richard Q Lee, Kai Fong Lee, "Experimental study of the two layer electromagnetically coupled rectangular patch antenna", IEEE transactions on antenna and propagation, Vol. 38, No. 8, August 1990.

本開示の方法の提供を介して、従来技術の欠点が克服され、追加の利点が提供される。

追加の特徴及び利点が、本開示の技法を介して実現される。本開示の他の実施形態及び態様は、本明細書で詳細に説明され、特許請求された開示の一部と見なされる。

本開示の一実施形態は、マイクロストリップアンテナである。マイクロストリップアンテナは、単層基板であって、基板の上側の複数の放射素子、基板の底側のアンテナ接地部、及び共用開口共平面構成のためのスロットを備え、複数の放射素子がデュアルバンドのための共用開口を共用する、基板と、複数の同軸給電部であって、複数の放射素子の各々に対する複数の同軸給電部の各々が、絶縁するようにアンテナの反対側に配置されている、複数の同軸給電部と、保護のために基板の片側に取り付けられたレドームとを備える。

上記で説明された本発明の態様及び実施形態が、互いに任意の組み合わせで使用されてもよいことを理解されたい。本発明の更なる実施形態を形成するために、幾つかの態様及び実施形態が組み合わされてもよい。

前述の概要は例示にすぎず、決して限定することは意図されない。上記で説明された例示的な態様、実施形態、及び機構に加えて、更なる態様、実施形態、及び機構が、図面及び以下の詳細な説明を参照することによって明らかになるであろう。

本開示の新規の機構及び特徴が、添付の特許請求の範囲に記載される。しかし、本開示それ自体の実施形態、並びにその好ましい使用モード、更なる目的及び利点は、添付の図面と併せて解読する場合に、例示的な実施形態の以下の詳細な説明を参照することによって最も良好に理解されるであろう。添付の図面を参照して、単なる例として、１つ又は複数の実施形態が次に説明される。

本開示の実施形態による、例示的な単層基板上のデュアルバンドマイクロストリップアンテナの実例を示す。 本開示の実施形態による、レドームのないマイクロストリップアンテナの単層基板上の印刷素子の平面図を示す。 本開示の実施形態による、ＳバンドのマイクロストリップアンテナのＳ１１プロットの実例を示す。 本開示の実施形態による、ＫａバンドのマイクロストリップアンテナのＳ１１プロットの実例を示す。 本開示の実施形態による、Ｓバンドにおけるマイクロストリップアンテナの仰角面のシミュレートされ、測定された放射パターンを示す。 本開示の実施形態による、Ｓバンドにおけるマイクロストリップアンテナの方位角面のシミュレートされ、測定された放射パターンを示す。 本開示の実施形態による、Ｓバンドにおけるマイクロストリップアンテナの、Ｋａバンドにおける仰角面のシミュレートされ、測定された放射パターンを示す。 本開示の実施形態による、Ｓバンドにおけるマイクロストリップアンテナの、Ｋａバンドにおける方位角面のシミュレートされ、測定された放射パターンを示す。

図面は、実例のみの目的のために本開示の実施形態を描く。当業者であれば、本明細書で説明される本開示の原理から逸脱することなく、本明細書に例示される構造及び方法の代替の実施形態が使用されてもよいことを以下の説明から容易に認識するであろう。

以下の本開示の詳細な説明がより良好に理解され得るように、前述では、本開示の機構及び技術的利点が幾分広く概説された。本開示の特許請求の範囲の主題を形成する本開示の追加の特徴及び利点が以下に説明される。その構成と動作方法との両方に関して、本開示の機構であると考えられる新規の機構が、更なる目的及び利点と共に、添付の図面と併せて考慮する場合に、以下の説明からより良好に理解されるであろう。しかし、図面の各々が、例示及び説明のみの目的のために提供されており、本開示の限定の画定として意図されないことは明確に理解されるべきである。

本開示の実施形態は、基板上の単層デュアルバンド共用開口マイクロストリップアンテナに関する。共用開口アンテナは、２つの異なるスポット周波数における地上局への信号の連続伝送のために使用される。共用開口は、アンテナから同時に両方のバンドでの連続伝送の要件を妥協することなく、乗り物によって要求されるアンテナの数を別々のアンテナ方式から半分に減少させる。共用開口アンテナは、Ｓバンドの周波数範囲に対するブロードサイド（ｂｒｏｄｅｓｉｄｅ）放射パターン及びＫａバンドの周波数範囲に対するスクント（ｓｑｕｉｎｔ）放射パターンの要件を満足する。

単層基板上の共用開口デュアルバンドマイクロストリップアンテナはまた、マイクロストリップアンテナ、共用開口アンテナ、単層アンテナ、又はアンテナとして参照される。共用開口アンテナは、低周波放射パッチ上の中心から僅かにオフセットされた方形スロットを含む。２つの素子の非共振進行波直列給電アレイを形成する高周波放射素子がスロットの内側に配置される。放射パッチの位置及び高インピーダンスのマイクロストリップ給電部の長さは、スロットに収まるように、且つ高周波において所望の傾斜（スクント）になるように調整される。

アンテナは、アンテナを独立して励振するために２つの別々の同軸給電部で構成される。第３の給電部が、アンテナのインピーダンスバンド幅を増加させる進行波アレイによって必要とされる終端を満たすように構成される。共用開口アンテナは、放射素子を環境から保護するために、所定の高さのレドームの内側に配置される。一実施形態においては、レドームの厚さは、要件、すなわちアンテナの仕様及びアンテナのパラメータのうちの少なくとも１つに基づいて増減してもよい。しかし、アンテナの伝送損失を最小にするために、レドームの高さは、両方のバンドにおけるλ／２の共通の整数倍に近くなる。アルミニウム・ハウジングが、航空機にアンテナを取り付けるために２つの部品で設計される。

図１は、本開示の実施形態による、単層基板上の例示的なデュアルバンドマイクロストリップアンテナの実例を示す。図１に示されるように、デュアルバンドアンテナ１００は、Ｋａバンドにおける損失を減少させるために低損失材料基板４上に印刷される。基板４の厚さは、Ｓバンドにおけるバンド幅要件を満たし、アンテナからの交差偏波の放射に寄与する、Ｋａバンドにおける表面波の発生を制限するように選択される。基板４は、アンテナを製造するための両面銅被覆基板である。基板４の一方の面においては放射素子が化学エッチング処理を介して印刷され、他方の面においてはアンテナ接地される。一実施形態においては、銅箔の厚さは０．０１７ｍｍであって、充分な電力処理能力を有するように増加してもよい。しかし、銅箔の厚さは、波長の見地から、波長の１／１００のように薄い。

デュアルバンドマイクロストリップアンテナは、アンテナを外部環境から保護するために基板４の上に配置されるレドーム２を備える。また、レドーム４は、取り付け表面に等角にするように湾曲して構成される。レドームの高さは、両方のバンドにおいて伝送損失が最小になるように最適化される。ＲＦ伝送損失は、Ｓバンド及びＫａバンドでそれぞれ約０．５ｄＢ及び１．５ｄＢである。

また、デュアルバンドマイクロストリップアンテナは、２つの部品で作られたハウジング、アンテナバックプレート８、及びトップカバー３を備える。実施形態においては、バックプレート８の一方の面に基板が４つのねじで固定され、他方の面に同軸コネクタが取り付けられる。デュアルバンドマイクロストリップアンテナは、６つの皿穴を使用してバックプレート８に固定される、レドームを保持するトップハウジングを有する。Ｅ平面放射パターンに影響を与えることなくレドームを堅く保持するために、円弧４５度の２つの雄ステップ１が、トップハウジングにおけるパッチの非放射縁部及びレドームにおける対応する雌ステップに向かって設けられる。

図２は、本開示の実施形態による、レドームのないマイクロストリップアンテナの単層基板上の印刷要素の平面図を示す。図２に示されるように、Ｓバンド銅パッチ９のサイズは、実効誘電率及びスポット周波数の値を必要とする、理論的公式を使用して計算される。方形スロット１０は、Ｓバンドパッチの中心に作られ、パッチの長さは、以下のように、パッチのスロットが共振をより低い周波数にシフトすると、要求される動作周波数に更に調整される。

Ｌｅはパッチの長さ、Ｗはスロットの幅、λは波長である。５はＳバンドにおける同軸給電部である。

共振パッチの中心における電界は最小であって、パッチから方形サイズの金属部分を除去することはＳバンドの放射パターン特性の最小の変化に寄与する。しかし、穿孔のサイズが大きくなると共に、アンテナバンド幅及び指向性は減少する。マイクロストリップパッチアンテナの入力インピーダンスは、アンテナを狭バンドにさせる穿孔に起因して非常に高くなる。スロットの存在は、スロットの周りの電流循環長を増大させ、共振周波数をより下側にシフトさせる。パッチの長さ及び幅が所望の周波数においてパッチ共振を調節するために減少すると、それは、指向性の減少をもたらすアンテナの全体的な物理的開口を減少させる。スロット長は、Ｓバンドにおいて３０ＭＨｚのバンド幅を達成するために制限される。

Ｄ_０は指向性、Ａ_ｅはアンテナの有効口径である。

また、一実施形態においては、アンテナは、６ｄＢ下方で４０°のビーム幅及び２つの素子を有するアレイ軸線から５０度の傾斜のためのＫａバンドにおける直列給電パッチアレイ１３を備える。アレイへの同軸給電点７は、より長いスロット長の要件を回避するために、高インピーダンス伝送線路を介して給電する代わりに、第１のパッチに直接設けられる。一実施形態においては、約２ＧＨｚのより高いインピーダンスバンド幅を達成するために、アレイの他方の端部は、給電ポートに達する反射電力を減少させる５０Ωに終端される。ポート５と７との間の絶縁は、反対側に両方のバンドの励振を維持することによって改善される。

また、単層デュアルバンド共用開口アンテナは、桁数が離れた２つの異なる周波数バンドＳ及びＫａにおいて動作し、且つ、単層基板の共通開口に対して同じ偏波であるが異なる放射パターン要件を有するアンテナを組み合わせる課題に対する解決策を提供する。２つの独立した同軸給電部は、両方のバンドにおいて信号の連続伝送を可能にする素子を別々に励振するために与えられる。本開示の一実施形態においては、レドームが、アンテナを環境から保護するために設けられ、アンテナ全体が、アルミニウム材料で作られたハウジングの内側に保持される。アンテナは、その単層基板設計に起因して、航空機の表面に容易に適合するようにされ得る。

また、単層デュアルバンド共用開口アンテナは、２つの異なるスポット周波数における地上局への信号の連続伝送のための航空機に取り付けられた２つのアンテナを置き換える。これは、アンテナからの同時の両方のバンドにおける連続伝送の要件を妥協にすることなく、乗り物によって要求されるアンテナの数を別々のアンテナ方式の半分に減少させる。また、このアンテナは、Ｓバンドの周波数範囲に対するブロードサイド放射パターン及びＫａバンドの周波数範囲に対するスクント放射パターンの要件を満足する。

単層デュアルバンド共用開口アンテナは、一般化され、一桁離れた任意の２つのスポット周波数において動作するように要求されるアンテナの設計に拡張されてもよい。また、インピーダンスバンド幅及び放射パターンは、提示された概念において使用されるアンテナの型式に従って実現されてもよい。

マイクロストリップアンテナの場合、開口の形成は、低周波パッチのスロットを切断し、直列給電アレイ構成のスロットの内側に高周波放射素子を配置して、共用開口概念のアンテナを実現することによって行われる。両方の周波数の放射素子が、単層基板においてアンテナを実現するために同一平面上にある。スロットは、給電接続部を接続するためにアンテナの中心からオフセットされる。方形パッチにおいてスロットを使用して、４０°の傾斜を得るために高周波素子をアレイ形式で配置する。

本開示の一実施形態においては、マイクロストリップアンテナは、スロットを使用することによって共用開口同一平面構成において小型化されたＳバンドパッチを備える。両方の周波数における広いビーム幅のカバレッジ、すなわち、Ｓバンドアンテナはブロードサイドにおけるカバレッジを提供し、Ｋａバンドはブロードサイドから４０°の角度におけるカバレッジを提供する。低周波パッチは共振型であって、高周波パッチは非共振型の進行波アレイアンテナである。高周波放射素子は、製造公差を緩和する反射に対して非感受性にするために、一端で励振され、他端で終端される非共振アレイ構成で配置される。電磁結合アンテナの性能劣化の一般的な原因である層の誤整列は、該アンテナにおいて単層構成を使用することによって回避される。

複数の同軸給電部が、両方の動作周波数のために設けられ、それらの間に良好な絶縁を有するように該アンテナにおいて反対側に配置される。２つの周波数放射素子間の相互結合効果が、該アンテナの設計において注意される。直線偏波が、両方の放射素子によって連続に且つ同時に透過される。両方の放射素子のＥ面は、アンテナにおいて整列される。アンテナは、展開後、環境からそれを保護するために該構成においてレドームを有するように設計される。機械的ハウジングは、Ｅ面放射パターンに影響を与えることなくレドームを保持するために、パッチの非放射縁部に向かってトップカバーにおいて円弧４５度の２つの円形の単一ステップを有する。ハウジングは、レドームとアンテナとを共に保持するように設計され、乗り物にアンテナを展開するために取り付け配置部を有する。

一実施形態において、アンテナが試験され、両方の動作周波数において１０ｄＢ良好であるリターンロスが測定される。図３は、本開示の実施形態による、ＳバンドのマイクロストリップアンテナのＳ１１プロットの実例を示す。図４は、本開示の実施形態による、ＫａバンドのマイクロストリップアンテナのＳ１１プロットの実例を示す。

図５は、本開示の実施形態による、Ｓバンドにおけるマイクロストリップアンテナの仰角面のシミュレートされ、測定された放射パターンを示す。図６は、本開示の実施形態による、Ｓバンドにおけるマイクロストリップアンテナの方位角面のシミュレートされ、測定された放射パターンを示す。Ｓバンドにおいてボアサイトで測定されたピーク利得は５．８ｄＢｉである。Ｅ平面及びＨ平面の３ｄＢビーム幅は、図５及び図６に示されるように１０６°及び９０°である。

図７は、本開示の実施形態による、Ｓバンドにおけるマイクロストリップアンテナの、Ｋａバンドにおける仰角面のシミュレートされ、測定された放射パターンを示す。図８は、本開示の実施形態による、Ｓバンドにおけるマイクロストリップアンテナの、Ｋａバンドにおける方位角面のシミュレートされ、測定された放射パターンを示す。Ｋａバンドにおいて得られたピーク利得は、図７に示されるようにボアサイトから４０°の角度において６ｄＢｉであって、±２０°ビーム幅は、仰角面のピーク利得から６ｄＢ下方で達成される。方位角面のビーム幅は、図８に示されるように±４５°である。

最後に、本明細書において使用される言語は、主に判読性及び説明目的のために選択され、本発明の主題を描写又は制限するために選択されていない。従って、本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に基づく本出願にもたらされる任意の請求項によって限定されることが意図される。よって、本発明の実施形態の開示は、特許請求の範囲に記載される本発明の範囲を例示であることが意図され、限定することは意図されない。

本明細書における実質的に任意の複数形及び／又は単数形の用語の使用に関して、当業者は、文脈及び／又は用途に適切であるように、複数形から単数形及び／又は単数形から複数形に言い換えることができる。様々な単数形／複数形の置換が、明確にするために、本明細書に明示的に記載され得る。

加えて、本開示の機構又は態様がマーカッシュ群の見地から説明される場合、当業者であれば、本開示がまたそれによってマーカッシュ群の任意の個々の部材又は部材の部分群の見地から説明されることを認識するであろう。

様々な態様及び実施形態が本明細書に開示されるが、他の態様及び実施形態が当業者には明らかであろう。本明細書に開示される様々な態様及び実施形態は、特許請求の範囲によって示される真の範囲及び精神と共に、例示を目的とし、限定されることが意図されない。

Claims (10)

1. マイクロストリップアンテナであって、
   単層基板であって、
   前記基板の上側の複数の放射素子であって、低周波バンドのための１つの放射素子及び高周波バンドのための２つの放射素子のアレイを含む複数の放射素子、
   前記基板の底側のアンテナ接地部、及び
   共用開口共平面構成のためのスロットであって、前記複数の放射素子はデュアルバンドのための共用開口を共用し、前記デュアルバンドは前記低周波バンド及び前記高周波バンドを含む、スロット
   を備える基板と、
   複数の同軸給電部であって、前記複数の放射素子の各々に対する前記複数の同軸給電部の各々は、絶縁するように前記基板の反対側に配置されている、複数の同軸給電部と、
   保護のために前記基板の片側に取り付けられたレドームと
   を備えるアンテナ。
2. 前記共用開口は、低周波放射素子において前記スロットを切断し、２つの高周波放射素子の前記アレイを直列給電アレイ構成で前記スロットの内側に配置することによって作製されている、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記デュアルバンドの周波数は、Ｓバンド及びＫａバンドであって、Ｓバンドアンテナは、ブロードサイドのカバレージを提供し、Ｋａバンドは、ブロードサイドから４０°の角度におけるカバレッジを提供する、請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記アンテナは、Ｓバンドの周波数範囲に対するブロードサイド放射パターン及びＫａバンドの周波数範囲に対するスクント放射パターンのうちの少なくとも一方を提供する、請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記アンテナは、アンテナのインピーダンスバンド幅を増加させる進行波アレイの終端のための第３の給電部を備える、請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記アンテナは、一桁離れた２つの異なる周波数において放射信号を生成する、請求項１に記載のアンテナ。
7. 前記スロットは、複数の給電接続部を接続するためにアンテナの中心からオフセットされる、請求項１に記載のアンテナ。
8. 前記スロットは方形パッチにあって、４０°の傾斜を得るために高周波素子をアレイ形式で配置する、請求項１に記載のアンテナ。
9. 低周波放射素子が共振型であって、２つの高周波放射素子の前記アレイが非共振型の進行波アレイアンテナである、請求項１に記載のアンテナ。
10. 前記アンテナは、Ｅ面放射パターンに影響を与えることなくレドームを保持するために、前記複数の放射素子の非放射端部に向かって上側において２つの円形の単一ステップを有する機械的ハウジングを更に備え、前記ハウジングは、前記レドーム及びアンテナを共に保持する、請求項１に記載のアンテナ。