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特表2022-520700１つまたは複数のメタマテリアル構造に基づくアンテナアレイ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-04-01
(54)【発明の名称】１つまたは複数のメタマテリアル構造に基づくアンテナアレイ
(51)【国際特許分類】
H01Q 21/06 20060101AFI20220325BHJP
H01P 3/123 20060101ALI20220325BHJP
H01Q 13/08 20060101ALI20220325BHJP
H01Q 13/10 20060101ALI20220325BHJP
H01Q 9/16 20060101ALI20220325BHJP
【ＦＩ】
H01Q21/06
H01P3/123
H01Q13/08
H01Q13/10
H01Q9/16
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021536725
(86)(22)【出願日】2020-02-04
(85)【翻訳文提出日】2021-06-22
(86)【国際出願番号】 SE2020050103
(87)【国際公開番号】W WO2020162818
(87)【国際公開日】2020-08-13
(31)【優先権主張番号】1930047-4
(32)【優先日】2019-02-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】SE
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】515096169
【氏名又は名称】ギャップウェーブス アーベー
(74)【代理人】
【識別番号】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100118843
【弁理士】
【氏名又は名称】赤岡 明
(74)【代理人】
【識別番号】100137523
【弁理士】
【氏名又は名称】出口 智也
(72)【発明者】
【氏名】トーマス、エマニュエルソン
(72)【発明者】
【氏名】ヤン、ジャン
(72)【発明者】
【氏名】アシュラフ、ウッザマン
(72)【発明者】
【氏名】ワイイェン、ヨン
【テーマコード（参考）】
5J021
5J045
【Ｆターム（参考）】
5J021AB03
5J021AB05
5J021AB06
5J045DA03
5J045DA10
(57)【要約】
層状構造を含むアンテナアレイであって、層状構造は、メタマテリアル構造を有するベース層と、プリント回路基板（ＰＣＢ）層と、ＰＣＢのうちの、１つまたは複数のＲＦ ＩＣとは反対側の面上に配置されたフィード層と、フィード層上に配置された放射層でありかつ複数の放射素子を含む放射層と、を含み、メタマテリアル構造は、少なくとも２つの隣接した導波路どうしの間を伝搬する周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
周波数帯域内で動作するためのアンテナアレイ（１００）であって、層状構造を含み、この層状構造は、
メタマテリアル構造を有したベース層（１１０）であり、前記メタマテリアル構造は、前記ベース層に沿って伝搬する前記周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されている、ベース層（１１０）と、
前記ベース層（１１０）の上面上に配置されたプリント回路基板（ＰＣＢ）層（１２０）であり、前記ＰＣＢ層（１２０）のうちの、前記ベース層（１１０）に対向した面上に配置された少なくとも１つの無線周波数（ＲＦ）集積回路（ＩＣ）を含み、前記１つまたは複数のＲＦ ＩＣから、前記ＰＣＢ層（１２０）の反対側の面へと、ＲＦ信号を転送するための１つまたは複数のフィード（１２１）をさらに含む、ＰＣＢ層（１２０）と、
前記ＰＣＢ層（１２０）のうちの、前記１つまたは複数のＲＦ ＩＣとは反対側の面上に配置された少なくとも１つのフィード層（１３０）であり、前記フィード層のうちの、前記ＰＣＢ層（１２０）とは反対側を向いた面上に、少なくとも１つの導波路を含み、各導波路は、自身に沿って電磁波を伝導させるリッジ（１３１）を含み、各導波路は、１つまたは複数のメタマテリアル構造（１３２）をさらに含み、前記メタマテリアル構造は、前記導波路に沿った方向とは別の方向に伝搬する前記周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されている、少なくとも１つのフィード層（１３０）と、
前記少なくとも１つのフィード層（１３０）上に配置された放射層（１４０）であり、ＲＦ信号を送信および／または受信するための複数の放射素子（１４１）を含む、放射層（１４０）と、を含む、アンテナアレイ。
【請求項2】
少なくとも１つの前記メタマテリアル構造（１１１、１３１）は、少なくとも２つのタイプの構成要素を含み、第１タイプの構成要素は、電気伝導性材料を含み、第２タイプの構成要素は、電気絶縁性材料を含み、前記第１タイプの構成要素は、前記第２タイプの構成要素と交互配置され、前記第１タイプの構成要素および前記第２タイプの構成要素の物理的寸法は、前記周波数帯域内の電磁放射が前記メタマテリアル構造によって減衰されるよう、前記周波数帯域内の電磁放射の波長よりも小さい、請求項１に記載のアンテナアレイ。
【請求項3】
前記第１タイプの構成要素は、突出した特徴物（２０１）を含み、前記第２タイプの構成要素は、前記突出した特徴物どうしの間の空間を占める、請求項２に記載のアンテナアレイ。
【請求項4】
前記第１タイプの構成要素は、複数のキャビティ（３０２）を有した電気伝導性材料（３０１）を含み、第２タイプの構成要素は、前記キャビティを占める、請求項２に記載のアンテナアレイ。
【請求項5】
前記第１タイプの構成要素および前記第２タイプの構成要素は、並進対称（５０１）、回転対称（５０２）、または映進対称（５０３）、あるいは準周期的パターン、によって特徴付けられるパターンで配置されている、請求項２、３、または４のいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
【請求項6】
少なくとも１つの前記メタマテリアル構造は、対照的な誘電特性を有した複数の材料からなる周期的なまたは準周期的な配置を含む、請求項１に記載のアンテナアレイ。
【請求項7】
前記アンテナアレイは、前記ＰＣＢと前記フィード層との間に配置されたフィルタ層（１５０）を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
【請求項8】
前記フィルタ層（１５０）内の導波路は、１つまたは複数のメタマテリアル構造を含み、前記メタマテリアル構造は、少なくとも２つの隣接した前記導波路どうしの間を伝搬する前記周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されている、請求項７に記載のアンテナアレイ。
【請求項9】
前記ＰＢＣ層（１２０）上の前記フィード（１２１）は、前記フィード層（１３０）内の対応する開口に対して接続された貫通穴であり、あるいはフィルタ層が存在する場合には前記フィルタ層（１５０）内の対応する開口に対して接続された貫通穴であり、前記ＰＣＢの前記貫通穴は、マイクロストリップラインによって給電される、請求項１～８のいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
【請求項10】
少なくとも１つの前記放射素子は、前記放射層を貫通して延びるスロット開口である、請求項１～９のいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
【請求項11】
少なくとも１つの前記放射素子は、ボウタイアンテナである、請求項１～１０のいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
【請求項12】
少なくとも１つの前記放射素子は、パッチアンテナである、請求項１～１１のいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
【請求項13】
少なくとも１つの前記放射素子は、磁電ダイポールアンテナである、請求項１～１２のいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
【請求項14】
請求項１～９のいずれか一項に記載のアンテナアレイを含む、レーダ用途のためのおよび／または通信用途のための送受信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、アンテナアレイに関し、特に、フェーズドアレイアンテナおよびビームステアリングアンテナに関する。アンテナアレイは、例えば電気通信およびレーダ送受信機などでの使用に好適である。
【背景技術】
【0002】
フェーズドアレイアンテナは、例えば自動車用レーダ用途などのレーダシステムにおいて、また、電気通信において、頻繁に使用されている。アンテナアレイの設計は、例えば導波路から漏れる電磁放射の形態などでの損失を考慮する必要があることが、多くの場合にネックとなる。
【0003】
フェーズドアレイアンテナ内のアンテナ素子どうしは、設計上、動作周波数における電磁放射の波長の半分以上の距離の分だけ、離間されることが多い。その結果、動作周波数が高くなると、波長が短くなるため、アンテナアレイをより小さなものとすることができる。これは、特にスペースが限られている用途（例えば、車載用通信アンテナおよびセンサアンテナ）において、多くの利点がある。しかしながら、サイズが小さくなると、例えばアンテナアレイに沿った電磁波伝搬などにより、異なるアレイ素子どうしの間の相互作用リスクも高まってしまう。このリスクも管理されなければならない。
【0004】
米国特許第８，８０３，６３８（Ｂ２）号明細書には、望ましくない方向への電磁波伝搬を停止させるために、突出したポストを使用した導波路構成が開示されている。
【0005】
しかしながら、損失を低減させた改良されたアンテナアレイが、なおも要望されている。
【発明の概要】
【0006】
本開示の目的は、コンパクトかつ低損失なアンテナアレイを提供することである。
【0007】
この目的は、周波数帯域内で動作するためのアンテナアレイによって達成される。アンテナアレイは、層状構造を含み、この層状構造は、メタマテリアル構造を有したベース層を含み、メタマテリアル構造は、ベース層に沿って伝搬する周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されている。アンテナアレイは、また、ベース層の上面上に配置されたプリント回路基板（ＰＣＢ）層を含み、ＰＣＢ層は、ＰＣＢ層のうちの、ベース層に対向した面上に配置された少なくとも１つの無線周波数（ＲＦ）集積回路（ＩＣ）を含む。ＰＣＢは、１つまたは複数のＲＦ ＩＣから、ＰＣＢの反対側の面へと、ＲＦ信号を転送するための１つまたは複数のフィードを、さらに含む。
【0008】
加えて、アンテナアレイは、ＰＣＢのうちの、１つまたは複数のＲＦ ＩＣ（ｓ）とは反対側の面上に配置されたフィード層を含む。このフィード層は、フィード層のうちの、ＰＣＢとは反対側を向いた面上に配置された、少なくとも１つの導波路を含み、そのような各導波路は、自身に沿って電磁波を伝導させるリッジと、１つまたは複数のメタマテリアル構造と、を含む。メタマテリアル構造は、導波路に沿った方向とは別の方向に伝搬する周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されている。例えば、メタマテリアル構造は、隣接した導波路どうしの間の伝搬を減衰させるように構成することができ、これにより、リークを緩和する。アンテナアレイは、また、フィード層上に配置された放射層を含み、放射層は、ＲＦ信号を送信および／または受信するための複数の放射素子を含む。
【0009】
説明したアンテナアレイは、コンパクトでありつつも、不要な方向に伝搬する電磁放射を減衰させるメタマテリアル構造の存在により、なおも低損失を維持している。例えば、フィード層内におけるメタマテリアルの配置は、隣接した導波路どうしの間の相互作用を最小化し、これにより、隣接したアンテナ素子どうしの間の相互作用を最小化する。そのような相互作用は、信号品質の劣化を引き起こしてしまい得る。メタマテリアル構造が存在しなければ、信号品質を維持するために、導波路どうしの間の間隔をより大きくする必要があったであろう。
【0010】
有利には、メタマテリアル構造以外のシールド部材を設ける必要がないため、設計が簡素化される。また、高精度の同軸ケーブルコネクタなどの高度なコネクタも必要がないという利点がある。
【0011】
態様によれば、アンテナアレイ内のメタマテリアル構造は、少なくとも２つのタイプの構成要素を含んでもよく、第１タイプの構成要素は、電気伝導性材料を含み、第２タイプの構成要素は、電気絶縁性材料を含み、第１タイプの構成要素は、第２タイプの構成要素と交互配置され、第１タイプの構成要素および第２タイプの構成要素の物理的寸法は、周波数帯域内の電磁放射がメタマテリアル構造によって減衰されるよう、周波数帯域内の電磁放射の波長よりも小さい。
【0012】
このタイプのメタマテリアルは、材料の電磁バンドギャップとも称されるように、周波数帯域内の電磁放射の減衰を引き起こすことが観測されており、これと同時に、コンパクトであって、製造が容易である。
【0013】
例示するならば、例えばフィード層などの上にメタマテリアル構造を具現し得る方法として、種々の方法が存在する。
【0014】
いくつかの態様によれば、第１タイプの構成要素は、突出した特徴物を含んでもよく、第２タイプの構成要素は、突出した特徴物どうしの間の空間を占めるように構成される。突出した特徴物どうしの間の空間を占める構成要素は、真空または空気、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの誘電体材料、あるいは、プラスチックなどのまたはＦＲ－４ガラスエポキシのようなプリント回路基板（ＰＣＢ）材料などの、他の絶縁材料、を含んでもよい。突出した特徴物は、例えば、金属製のポスト、金属化されたプラスチック製またはＰＴＦＥ製のポスト、あるいは、本質的に導電性のポリマー（ＩＣＰ）などの何らかの導電性ポリマー材料から形成されたポスト、などの導電性材料からなるポストを含んでもよい。
【0015】
他の態様によれば、第１タイプの構成要素は、複数のキャビティを有した電気伝導性材料を含んでもよく、第２タイプの構成要素は、それらキャビティを少なくとも部分的に占めるように構成される。第１タイプの構成要素および第２タイプの構成要素は、並進対称、回転対称、または映進対称、あるいは周期的、準周期的パターン、もしくは不規則パターン、のいずれかによって特徴付けられるパターンで配置されてもよい。この場合にも、キャビティを占める構成要素は、真空または空気、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの誘電体材料、あるいは、ＦＲ－４ガラスエポキシのようなＰＣＢ材料などの、何らかの他の絶縁材料、を含んでもよい。第１タイプの構成要素は、一体的に形成された構成要素から構成されてもよいし、別個の構成要素として構成されてもよい。第１タイプの構成要素は、金属構成要素、金属化されたプラスチックまたは金属化されたＰＴＦＥ構成要素、および、本質的に導電性ポリマーのような例えば何らかの導電性ポリマー材料などの導電性材料から形成された構成要素、のいずれかを含んでもよい。
【0016】
態様によれば、アンテナアレイは、また、ＰＣＢとフィード層との間に配置されたフィルタ層を含む。任意選択的に、フィルタ層は、互いに隣接して配置された少なくとも２つの導波路を含む。フィルタ層内の導波路は、１つまたは複数のメタマテリアル構造を含んでもよく、メタマテリアル構造は、少なくとも２つの隣接した導波路どうしの間を伝搬する周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されている。
【0017】
有利には、メタマテリアル構造は、フィルタ層内における損失を低下させることとなり、隣接した導波路内のＲＦ信号どうしの間の干渉を妨げることとなる。
【0018】
態様によれば、フィルタ層は、干渉する信号を減衰させるように構成されてもよく、また、信号内のノイズを低減するように構成されてもよい。
【0019】
態様によれば、放射層の放射素子は、放射層を貫通して延びるスロット開口であり、好ましくは矩形のスロット開口である。
【0020】
態様によれば、放射層の放射素子は、ボウタイアンテナである。有利には、ボウタイアンテナは、製造が容易である。
【0021】
態様によれば、放射層の放射素子は、磁電ダイポールアンテナである。有利には、磁電ダイポールアンテナは、製造が容易であり、広帯域を呈しつつ、低損失を呈する。
【0022】
態様によれば、ＰＢＣ上のフィードは、フィード層内の対応する開口に対して接続された貫通穴であり、あるいはフィルタ層が存在する場合にはフィルタ層内の対応する開口に対して接続された貫通穴であり、ＰＣＢの貫通穴は、マイクロストリップラインによって給電される。
【図面の簡単な説明】
【0023】
次に、本開示について、添付図面を参照してより詳細に説明する。
【発明を実施するための形態】
【0024】
以下においては、本発明の概念について、本発明の概念に関する特定の実施形態が図示されている添付図面を参照して、より詳細に説明する。しかしながら、本発明の概念は、多くの異なる態様で具現化することができ、本明細書に記載された実施形態に限定して解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、本開示が徹底して完全なものであり、本発明の概念の範囲を当業者に対して充分に伝えるように、例示として提供されている。
【0025】
同様の参照符号は、本明細書を通して同様の構成要素を参照する。破線で示す任意のステップまたは特徴点は、任意選択的なものとして見なされるべきである。
【0026】
図１は、周波数帯域内の無線周波数（ＲＦ）信号を送信および／または受信するためのアンテナアレイ１００を示している。周波数帯域とは、下側の遮断周波数と上側の遮断周波数との間に位置した周波数間隔である。アンテナアレイは、層状構造を有している。
【0027】
層状構造とは、層と称される複数の平面的構成要素を含む構造である。各構成要素は、２つの面または表面を有し、厚さが関連付けられている。厚さは、面の寸法よりもはるかに小さく、すなわち、層は、平坦な構成要素である。いくつかの態様によれば、層は、長方形または正方形である。しかしながら、円形または楕円形のディスク形状を含めて、より一般的な形状も、また、適用可能である。
【0028】
層状構造は、ベース層から始めて、各層を互いに上面上に配置していくという意味において、積層されている。第１層の上面上に配置される第２層は、ベース層からは、第１層と比較して、より遠くに位置する。言い換えれば、層状構造は、ベース層から一方向に構築されたサンドイッチ構造である。
【0029】
図１に示す層状構造１００は、ベース層１１０を含む。ベース層は、ここでは、ベース層に沿って伝搬する周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されたメタマテリアル構造１１１を含む。ここで、減衰させるとは、無線周波数信号などの電磁放射の振幅または出力を著しく低減させることとして解釈される。減衰は完全であることが好ましく、その場合、減衰と遮断とは同等であるけれども、そのような完全な減衰を常に達成し得るとは限らないことは、理解されよう。いずれにしても、メタマテリアル構造は、ベース層に沿って電磁放射が伝搬する際に発生するエネルギ損失を最小化するように構成されている。
【0030】
周波数帯域内の電磁放射を減衰させるメタマテリアルは、より一般的には、電磁バンドギャップ材料（ＥＢＭ）として公知である。多数の種類のＥＢＭが存在する。一般に、ＥＢＭは、対照的な誘電特性を有した複数の材料からなる異なるタイプの構成要素を含む。ここで、対照的な誘電特性とは、材料どうしの間の誘電特性の差が、所与の周波数帯域内の電磁波を回折させるのに充分な大きさであることを意味するものとして解釈される。一例によれば、ＥＢＭは、２つの材料からなるものであってもよく、第１材料は、空気と同様の誘電特性を有し、第２材料は、シリカガラスと同様の誘電特性を有している。言い換えれば、第１材料は、１に近い屈折率を有し、第２材料は、１．５に近い屈折率を有している。
【0031】
ＥＢＭの構成要素は、図５に関連して以下でより詳細に説明するように、１次元、２次元、または３次元内において、周期的パターンであるいは準周期的パターンで配置される。
【0032】
ここで、準周期的パターンとは、局所的には周期的であるけれども、長距離秩序を示さないパターンを意味するものとして解釈される。準周期的パターンは、１次元、２次元、または３次元で、実現することができる。一例として、準周期的パターンは、構成要素間隔の１０倍未満の長さスケールでは周期的であり得るけれども、構成要素間隔の１００倍を超える長さスケールでは周期的ではない。別の例として、準周期的パターンは、ペンローズタイルとすることができ、これは、非周期的なプロトタイルのセットによって生成された非周期的タイリングの一例を構成する。プロトタイルの非周期性は、タイリングのコピーをシフトしても元のタイリングとは決して一致しないことを意味する。ペンローズタイルは、反射対称性と、５回の回転対称性と、の両方を示すように構成することができる。ペンローズタイルは、非周期的であり、これは、並進対称性を有していないことを意味する。自己相似である場合には、同じパターンが、ますます大きなスケールで発生する。よって、タイリングは、「インフレーション」（または「デフレーション」）によって得ることができ、タイリングからのすべての有限のパッチは、無限に何度も発生する。これは、準結晶であり、すなわち、物理的な構造として実装されたペンローズタイルは、ブラッグ回折を起こし、その回折図は、５回対称性と、その基礎をなす長距離秩序と、の両方を呈する。
【0033】
ＥＢＭ内の構成要素は、放射を減衰させる周波数を決定するサイズパラメータを有している。一例として、構成要素が、スラブである場合には、すなわち長方形の箱状の構成要素である場合には、サイズパラメータは、スラブの厚さである。別の例として、構成要素が、断面が円形のロッド状である場合には、サイズパラメータは、円形断面の直径である。適切な電磁バンドギャップを得るためには、サイズパラメータは、その周波数帯域内の電磁放射に関する空気中での波長を、２で割算した値に近接したものでなければならない。一例として、中心周波数を、周波数帯域の中央の周波数として定義すると、構成要素のサイズは、中心周波数での放射波長を２で割った値に、０．９～１．１の係数をかけた値とすることができる。このタイプのＥＢＭは、また、フォトニック結晶とも称される。
【0034】
別の例によれば、ＥＢＭは、少なくとも２つのタイプの構成要素を含んでもよく、第１タイプの構成要素は、電気伝導性材料を含み、第２タイプの構成要素は、電気絶縁性材料を含む。第１タイプの構成要素は、銅またはアルミニウムなどの金属から形成されてもよく、あるいは、ＰＴＦＥまたはＦＲ－４などの非導電性材料に、金またはや銅などの導電性材料製の薄層をコーティングしたものであってもよい。第１タイプの構成要素は、また、カーボンナノ構造または導電性ポリマーなどの、金属と同程度の電気伝導率を有した材料から形成されてもよい。一例として、第１タイプの構成要素の電気伝導度は、１０３シーメンス／メートル（Ｓ／ｍ）超とすることができる。好ましくは、第１タイプの構成要素の電気伝導度は１０５Ｓ／ｍ超である。言い換えれば、第１タイプの構成要素の電気伝導度は、電磁放射が構成要素内に電流を誘導し得るほど充分に大きく、第２タイプの構成要素の電気伝導度は、第２タイプの構成要素内に電流を誘導し得ないほど充分に小さい。
【0035】
第２タイプの構成要素は、任意選択的に、非導電性ポリマー、真空、または空気、であってもよい。そのような非導電性タイプの構成要素の例は、また、ＦＲ－４ ＰＣＢ材料、ＰＴＦＥ、プラスチック、ゴム、およびシリコーン、を含む。
【0036】
第２タイプの構成要素の物理的特性は、また、ＥＢＭを通過する電磁伝搬の減衰を得るために必要な寸法も、決定する。よって、第２タイプの材料が、空気とは異なるように選択された場合、第１タイプの構成要素の必要寸法が変化する。その結果、第１タイプおよび第２タイプの構成要素に関する材料選択を変えることによって、より小型のアンテナアレイを得ることができる。有利には、そのような選択から、小型化されたサイズのアンテナアレイを得てもよい。
【0037】
第１の例によれば、第１タイプの構成要素は、いくらかの間隔を有した周期的パターンで配置される。第１タイプの構成要素どうしの間のスペースは、第２タイプの構成要素を構成する。言い換えれば、第１タイプの構成要素は、第２タイプの構成要素と交互配置されている。第１タイプの構成要素と第２タイプの構成要素との交互配置は、１次元、２次元、または３次元、のいずれにおいても実現することができる。
【0038】
第１タイプの構成要素のサイズ、または、第２タイプの構成要素のサイズ、あるいは、両方の構成要素のサイズは、周波数帯域内の電磁放射に関する空気中での波長よりも小さい。一例として、中心周波数を、周波数帯域の中央の周波数として定義すると、構成要素のサイズは、中心周波数における電磁放射に関する空気中での波長の、１／１０～１／５０である。このタイプのメタマテリアルは、また、人工磁気導体（ＡＭＣ）としても公知である。
【0039】
ここで、構成要素のサイズとは、放射が伝搬する方向における構成要素のサイズとして解釈される。一例として、断面が円形でありかつ電磁放射が水平面内を伝搬する鉛直方向ロッドを含む構成要素の場合、構成要素のサイズは、ロッドの断面の長さである。
【0040】
図２、図３、および図４は、第１タイプの構成要素および第２タイプの構成要素を、ＡＭＣ内に配置し得る態様の例を示している。図２に示すタイプのＡＭＣ２００は、導電性基板上に導電性突起２０１を含む。突起２０１は、任意選択的に、誘電体材料内に封入されてもよい。図２の例では、導電性突起が、第１タイプの構成要素を構成し、突起どうしの間の空間でありかつ任意選択的に非導電性材料が充填される空間が、第２タイプの構成要素を構成する。突起２０１を、異なる形状で形成し得ることは、理解されよう。図２は、突起が正方形断面を有した一例を示しているけれども、突起は、また、円形や、楕円形や、長方形や、あるいはより一般的な形状の、断面形状を有するものとして形成されてもよい。
【0041】
別の例として、図３に示すタイプのＡＭＣ３００は、キャビティ３０２が内部に形成された導電材料製のスラブ３０１からなる。キャビティは、空気によって充填されてもよいし、また、非導電性材料によって充填されてもよい。キャビティを、様々な形状で形成し得ることは、理解されよう。図３は、楕円断面形状の穴が形成された一例を示しているけれども、穴は、また、円形や、長方形や、あるいはより一般的な断面形状、を有して形成されてもよい。図３の例では、スラブ３０１が、第１タイプの構成要素を構成し、穴３０２が、第２タイプの構成要素を構成する。
【0042】
図４は、第３の例示的なタイプのＡＭＣ４００を概略的に示しており、このタイプのＡＭＣ４００は、任意選択的にロッドまたはスラブとされた、拡張された導電性部材４０１からなり、拡張された導電性部材４０１は、直前の層をなすロッドに対して角度を有しつつ層状で配置されたロッドを含んで、複数の層状で積層されている。図４の例では、ロッドが、第１タイプの構成要素を構成し、ロッドどうしの間のスペースが、第２タイプの構成要素を構成する。図４の例は、第１タイプの構成要素と第２タイプの構成要素との交互配置が３次元的に実現されているＡＭＣを示している。
【0043】
再び図１を参照すると、アンテナアレイ１００は、ベース層１１０の上面上に配置された、すなわちベース層上に配置される面を有した、プリント回路基板（ＰＣＢ）層１２０をさらに含み、ＰＣＢのうちの、ベース層に対向した面上に配置された少なくとも１つのＲＦ集積回路（ＩＣ）を含む。ＰＣＢは、１つまたは複数のＲＦ ＩＣから、ＰＣＢの反対側の面へと、ＲＦ信号を転送するための１つまたは複数のフィード１２１を、さらに含む。
【0044】
一例によれば、ＰＣＢ層１２０のフィード１２１は、ＰＣＢ層１２０の上面上に配置されたフィード層１３０内の対応する開口に対して接続された貫通穴であり、ＰＣＢ層１２０の貫通穴は、マイクロストリップラインによって給電される。
【0045】
アンテナアレイは、また、ＰＣＢのうちの、１つまたは複数のＲＦ ＩＣとは反対側の面上に配置されたフィード層１３０を含み、フィード層は、フィード層のうちの、ＰＣＢとは反対側を向いた面上に配置された少なくとも１つの導波路を含む。各導波路は、このリッジ１３１自身に沿って電磁波を伝導させるリッジ１３１と、１つまたは複数のメタマテリアル構造１３２と、を含む。メタマテリアル構造は、導波路に沿った方向とは別の方向に伝搬する周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されている。メタマテリアル構造は、上述したものなどの、ＥＢＭｓである。
【0046】
有利には、フィード層内においてＥＢＭｓを使用することは、導波路からの損失と、隣接した導波路内のＲＦ信号どうしの間の干渉と、を低減することができる。この結果、フィード層内にＥＢＭを使用して配置することにより、より大きな信号雑音比を維持することができる。より有利には、フィード層が、１つまたは複数のメタマテリアル構造を有した導波路を含む場合には、ＰＣＢ層１２０上のフィード１２１から導波路への転送部分において、高効率な結合を形成することができ、その結果、低損失をもたらし得る。さらに有利には、フィード１２１から導波路への高効率な結合は、スロット開口のところにおいて１／４波長短絡を使用しなくて済むため、よりコンパクトな設計が可能である。
【0047】
アンテナアレイは、フィード層の上面上に配置された放射層１４０をさらに含み、放射層は、ＲＦ信号を送信および／または受信するための複数の放射素子１４１を含む。
【0048】
一例として、放射層１４０の放射素子１４１は、放射層を貫通して延びるスロット開口であってもよい。スロット開口は、好ましくは長方形であるけれども、正方形や、円形や、あるいはより一般的な形状、などの他の形状も可能である。スロット開口は、好ましくは、放射層１４０のサイズと比較して小さいものであり、放射層１４０上において平行に配置されているけれども、他の配置も可能である。一例によれば、スロット開口のサイズは、８個～１０個のスロット開口を放射層１４０上において一直線に配置し得るような、サイズである。別の例によれば、放射層の大部分にわたって延びる単一の大きなスロット開口が、使用される。
【0049】
別の例として、放射層の放射素子は、ボウタイアンテナであってもよい。第３の例として、放射層の放射素子は、パッチアンテナであってもよい。有利には、ボウタイアンテナおよびパッチアンテナの双方は、製造が容易である。
【0050】
放射素子の別の例は、磁電（ＭＥ）ダイポールアンテナであり、これについては、図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃを参照されたい。ＭＥダイポールは、電気ダイポールアンテナおよび等価な磁気ダイポールアンテナという２つの基本的な放射素子を組み合わせるという原理に基づいている。ＭＥダイポールは、導電性キャビティによって囲まれた４つの導電性ピンを使用して実現することができ、ピンは、スロット開口を有する導電性表面上に配置される。このようなＭＥダイポールアンテナは、例えば従来のフライス加工技術などを使用して、容易に製造することができる。さらに、キャビティベースのＭＥダイポールアンテナは、広帯域幅でありながら低損失である。
【0051】
放射時には、フィード層１３０から来る電磁エネルギは、スロット７３０を介して放射素子に対して結合される。図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃの例では、スロットは、セリフ書体の大文字「Ｉ」の形状、すなわちダンベル形状、を有している。例えば、長方形、ボウタイの形状、あるいは階段状、などの他の形状も可能であることは、理解されよう。スロットは、方向Ｄ２において延在するとともに、動作周波数における電磁放射の半波長に対応した延在方向長さを有している。スロット７３０は、限られた間隔で広い帯域幅にわたってフィード層１３０から放射素子へと結合されるエネルギを最大化するために採用される。
【0052】
図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃは、例示的なフィード層１３０のうちの、図７Ａ、図７Ｂ、および図７Ｃにおける例示的なＭＥダイポールアンテナのための部分を、異なる角度で示している。例示的なフィード層部分は、図２における突起２０１と同様の突出ピン８１０を含む。また、この図は、導波リッジ８２０を示しており、スロットに関連した形状８３０は、スロット７３０の形状と一致するように配置されている。この一致は、限られた間隔で広い帯域幅にわたってフィード層１３０から放射素子へと結合されるエネルギを最大化するために採用される。突出ピン８１０は、フィード層において可能なメタマテリアル構造のほんの一例に過ぎず、本明細書において上述したように、他の多くのメタマテリアル構造が可能である。
【0053】
図７Ａ、図７Ｂ、および図７ＣのＭＥダイポールアンテナは、４つの導電性ピン７１０と、これらを囲むキャビティ壁７２０と、によって実現される。ピンは、導電面から延びる長さを有し、この長さは、動作周波数における電磁放射の波長の１／４に相当する。図７Ａでは、４つのピンは、長方形の断面形状を有し、長方形の長辺は、方向Ｄ２に延び、短辺は、方向Ｄ１に延びている。第１対をなすピンは、スロットのうちの、長方形の短辺の延在方向と一致している異なる辺上に位置した２つのピンを含む。第２対をなすピンは、残りの２つのピンを含む。この２対をなすピンの表面は、Ｄ１方向に沿ってそれぞれ２つの電気ダイポールとして機能する。導電性ピンとキャビティ壁との間のギャップでありかつ方向Ｄ２に沿ったギャップと、４つのピンどうしの間のギャップでありかつ方向Ｄ２におけるギャップと、によって、３つの等価な磁気双極子が実現される。円形（図９Ａ参照）や、楕円形や、三角形（図９Ｂ参照）や、あるいはより一般的な形状などの、ピンに関する他の断面形状も可能であることに、留意されたい。また、ＭＥダイポールアンテナに任意の偶数のピンを設け得ること、すなわち、スロットのそれぞれ対応する側部上のピンを有した対をなすピンを設け得ることにも留意されたく、単一対をなすピンの例については、図１０を参照されたい。
【0054】
好ましくは、放射層内の隣接したＭＥダイポールアンテナは、グレーティングローブを避けるために、動作周波数における電磁放射の半波長よりも小さな間隔を有するべきである。図１１Ａ、図１１Ｂ、および図１１Ｃは、放射層１４０を構成し得る、ＭＥダイポールアンテナからなる例示的なアレイを、異なる角度で示している。
【0055】
要約すると、図１は、周波数帯域内で動作するように構成されたアンテナアレイ１００を示しており、このアンテナアレイは、ベース層に沿って伝搬する周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されたメタマテリアル構造を有したベース層１１０を含む層状構造を有し、メタマテリアル構造は、複数の突出したポストを含んでいない。アンテナアレイ１００は、また、ベース層１１０の上面上に配置されたＰＣＢ層１２０であり、このＰＣＢ層１２０のうちの、ベース層１１０に対向した面上に配置された少なくとも１つの無線周波数（ＲＦ）集積回路（ＩＣ）を含むＰＣＢ層１２０を含む。ＰＣＢ層１２０は、１つまたは複数のＲＦ ＩＣから、ＰＣＢ層１２０の反対側の面へと、ＲＦ信号を転送するための１つまたは複数のフィード１２１を、さらに含む。
【0056】
アンテナアレイは、ＰＣＢ層１２０のうちの、１つまたは複数のＲＦ ＩＣとは反対側の面上に配置された少なくとも１つのフィード層１３０をさらに含み、フィード層は、フィード層のうちの、ＰＣＢ層１２０とは反対側を向いた面上に配置された少なくとも１つの導波路を含む。各導波路は、このリッジ１３１自身に沿って電磁波を伝導させるリッジ１３１と、１つまたは複数のメタマテリアル構造１３２と、を含み、メタマテリアル構造は、導波路に沿った方向とは別の方向に伝搬する周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されている。メタマテリアル構造は、複数の突出したポストを含んでいない。
【0057】
言い換えれば、本明細書では、メタマテリアル構造を含むアンテナアレイを開示しており、このアンテナアレイは、１つまたは複数のメタマテリアル構造が、導波路に沿った方向とは別の方向に伝搬する周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されたＥＢＭｓを含み、ＥＢＭは、突出したポスト以外のタイプの構成要素を含む、ことを特徴とする。
【0058】
アンテナアレイは、また、少なくとも１つのフィード層１３０上に配置された放射層１４０を含み、放射層は、ＲＦ信号を送信および／または受信するための複数の放射素子１４１を含む。
【0059】
図６を参照すると、アンテナアレイ１００は、また、ＰＣＢ層１２０とフィード層１３０との間に配置されたフィルタ層１５０を含んでもよい。フィルタ層１５０は、ＲＦ信号をフィルタリングするように構成されている。一例によれば、フィルタ層１５０は、遮断周波数よりも大きな信号成分のみを伝送するように、そして、遮断周波数よりも小さな信号成分を除去するように、構成されている。別の例によれば、フィルタ層１５０は、下側の遮断周波数よりも大きくかつ上側の遮断周波数よりも小さな信号成分のみを伝送するように、構成されている。
【0060】
フィルタ層１５０は、少なくとも１つの導波路を含む。フィルタ層内の導波路は、１つまたは複数のメタマテリアル構造を含んでもよく、１つまたは複数のメタマテリアル構造は、導波路に沿った方向とは別の方向に伝搬する周波数帯域内の電磁放射を減衰させるように構成されたＥＢＭｓを含む。有利には、フィルタ層の導波路内に１つまたは複数のメタマテリアル構造を組み込むことにより、従来の導波路と比較して損失が低減されることとなるとともに、隣接した導波路どうしの間の干渉が防止されることとなる。
【0061】
全体として、この層状構造は、８０ＧＨｚ前後のＥバンドにおける無線周波数信号などの高周波電磁信号の送受信のための効率的な手段を提供する。
【0062】
送信用の信号は、ＰＣＢ層１２０の一方の面上に配置された１つまたは複数のＲＦ ＩＣによって生成される。その信号は、フィード１２１に伝導される。ベース層１１０上のメタマテリアル構造１１１は、このステップでの損失を低減する。フィード１２１を経由して、信号は、フィード層１３０へと進み、リッジ１３１に追従する。メタマテリアル構造１３２は、このステップの際に、損失と、隣接した導波路内の信号どうしの間の相互作用と、を低減する。その後、信号は、放射層１４０内の放射素子１４１を介して送信される。
【0063】
任意選択的に、フィルタ層１５０が含まれている場合には、信号は、フィード１２１からフィルタ層１５０へと通過し、そこで信号がフィルタリングされる。その後、信号は、フィード層１３０へと伝導され、放射層１４０内の放射素子を介して送信される。
【0064】
受信した信号は、放射層１４０内の放射素子を介して入力される。信号は、フィード層の導波路へと入り、ＰＣＢ層１２０内のフィード１２１へと伝導される。フィードから、信号は、１つまたは複数のＲＦ ＩＣへと伝導される。これに代えて、フィルタ層１５０が含まれる場合には、信号は、ＰＣＢ層１２０へと入る前に、フィルタ層１５０によってフィルタリングされる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【国際調査報告】