JP7547349B2 - 積層平面共振器を有する統合フィルタを備えたアンテナ装置 - Google Patents

Description

本出願は、２０１９年１月１７日に出願された「固有のフィルタリング動作を有するマルチパッチアンテナ」と題する仮出願第６２／７９３，７７２号、整理番号ＫＩＩ－ＳＣ ＰＲＯ ０００１１ ＵＳ、および２０１９年８月９日に出願された「５Ｇフェーズドアレイアンテナモジュール」と題する仮出願第６２／８８４８５５号、整理番号ＫＩＩ－ＳＣ ＰＲＯ ０００１３ ＵＳの優先権を主張するものであり、これらは何れも本契約の譲受人に譲渡されたものであり、その全体を明示的に本明細書の一部として援用する。

本出願は、「統合フィルタを備えたアンテナ装置」と題するＰＣＴ特許出願（代理人整理番号ＫＩＩ－ＳＣ ０００１１Ａ ＵＳ）、ならびに「統合フィルタを備えたアンテナ装置」（代理人整理番号ＫＩＩ－ＳＣ ０００１１Ａ ＵＳ）および「統合フィルタを備えたアンテナ素子を有するアンテナアレイ」（代理人整理番号ＫＩＩ－ＳＣ ０００１３ ＵＳ）と題するＰＣＴ特許出願は、両者ともここでの譲受人に譲渡された本願と同時に出願されたものであり、且つ本明細書の一部として明示的に本願に援用される。

本発明は、一般には無線通信に関し、より具体的にはアンテナおよびアンテナフィルタに関する。

無線通信システムにおいて、アンテナは、電磁信号を受信および／または送信するために使用される。送信中は電気エネルギーが放出され、受信中は電気エネルギーが捕捉される。無線周波数（Radio Frequency：ＲＦ）システムでは、システムが興味対象とする帯域外での干渉を排除するために、アンテナの後にフィルタが配置される。フィルタは通常、適切な選択性を提供しながら、所望の帯域で動作するように適切にカップリングされた共振器の相互接続として設計される。このような構造の共振周波数は、共振器の物理的寸法および構造全体に直接関係している。通常は、共振器の物理的寸法が半波長に近づくときに共振が達成される。

アンテナ装置は、フィルタと統合されたアンテナを含む。当該アンテナ装置は、複数の平面共振器を含み、共振器の少なくとも一部はそれぞれ金属キャビティに囲まれ、少なくとも１つの平面共振器は、放射器素子を形成するために自由空間に曝される。当該アンテナ装置はフィルタ伝達関数を有し、これは少なくとも部分的には、平面放射器素子の寸法およびアンテナ装置内における当該平面放射器素子の位置によって決定される。

図１Ａは、複数のアンテナ素子を含むフェーズドアレイアンテナのブロック図であり、各アンテナ素子は、統合されたフィルタを備えたアンテナ装置を含む。 図１Ｂは、図１Ａのフェーズドアレイアンテナ内の複数のアンテナ素子の一例を示すブロック図である。 図１Ｃは、統合フィルタを備えたアンテナ装置のブロック図である。 図２Ａは、接地面間に平面共振器素子を含むアンテナ装置の一例における分解斜視図であり、ここでは接地面がビアと接続され、また接地面の開口部が共振器素子間のカップリングを提供している。 図２Ｂは、図２ＡのＡ－Ａ線に沿った前記アンテナ装置の側断面図である。 図２Ｃは、外部筐体を透明にして示す前記アンテナ装置の斜視図である。 図３Ａは、カップリング行列モデリングの一例についてのモデリングラベルを示す、アンテナ装置の斜視図である。 図３Ｂは、図３Ａの構造のカップリング行列モデリング関係である。 図４Ａは、二重直線偏波を有するアンテナ装置の一例の分解斜視図である。 図４Ｂは、図４Ａの線Ｂ－Ｂに沿った、アンテナ装置の水平断面図である。 図５は、二重偏波と、両方の偏波の伝達関数において伝送零点を生成する共振キャビティと、を備えた、アンテナ装置の一例の分解斜視図である。 図６Ａは、円偏波を有するアンテナ装置の一例を示す分解斜視図である。 図６Ｂは、カップリング行列モデリングの一例についてのモデリングラベルを示すアンテナ装置の斜視図である。 図６Ｃは、図６Ｂの構造についてのカップリング行列モデリング関係を示す図である。 図７は、接地面間に平面共振器素子を含むアンテナ装置の一例における側断面図であり、ここでは接地面がビアと接続され、また接地面を通るビアが共振器素子間のカップリングを提供する。 図８Ａは、接地面間に平面共振器素子を含むアンテナ装置の一例の分解斜視図であり、ここでは接地面がビアに接続され、また隣接していない共振器素子がダンベルカプラを介してカップリングされる。 図８Ｂは、アンテナ装置の側断面図である。 図９は、ビアおよび金属ストリップによって実装された非隣接クロスカップリングを備えた、アンテナ装置の一例における側断面図である。 図１０Ａは、フェーズドアレイアンテナおよび関連するスキャンボリュームアンテナパターンの一例を示す斜視図である。 図１０Ｂは、フェーズドアレイアンテナおよび関連するスキャンボリュームアンテナパターンの一例を示す頂面図である。 図１０Ｃは、フェーズドアレイアンテナの一部を示す頂面図である。 図１０Ｄは、フェーズドアレイアンテナの一部を示す正面図である。 図１０Ｅは、フェーズドアレイアンテナ１０００の一部を示す側面図である。

上記で述べたように、興味の対象である帯域の外の干渉を拒絶するために、ＲＦシステムのアンテナにはフィルタが接続される。アンテナは殆どの状況において必要な選択性を提供しないため、アンテナおよびフィルタが別々に設計され、必要な機能を実現するために相互接続される。フィルタは通常、適切な選択性と適切な通過帯域インピーダンス整合を提供しながら、所望の帯域で動作するように、適切にカップリングされた共振器の相互接続として設計される。フェーズドアレイアンテナには幾つかのアンテナ素子が含まれ、ここでは各アンテナ素子がフィルタに接続される。多くの場合、従来のシステムにおいて、アンテナ素子のグリッド間隔は、各フィルタを対応するアンテナ素子に隣接して配置できないようなものである。結果として、フィルタとアンテナ素子との間の接続には、ワイヤ、マイクロストリップ、ストリップライン、導電性トレース、または他の導電性接続が含まれることがあり、これは信号損失をもたらす。更に、従来のシステムでは、フィルタおよびアンテナ素子は通常別々に実装され、フィルタとアンテナ素子の間にインピーダンス整合ネットワークを挿入する必要がある。これにより追加の損失が発生し、スキャンボリュームが減少する可能性がある。位相配列では、アンテナから見たアクティブインピーダンスはスキャン角度によって変化するため、インピーダンス整合ネットワークは、スキャンボリューム内の全ての角度で特定の反射減衰量レベルを達成するために、アンテナから見た様々なアクティブインピーダンス間の妥協点を提供する必要がある。

本明細書で述べる例によれば、フェーズドアレイアンテナの各アンテナ素子は、フィルタと同じ固有の挙動を有する放射構造体であるアンテナ装置を具備する。その結果、フィルタは各アンテナ素子の一部であり、フェーズドアレイアンテナがフィルタリングを提供する。アンテナ素子を形成する各統合フィルタアンテナ装置は、フィルタがグリッド間隔内に実装される従来の技術で可能であるよりも、遥かに小さいグリッド間隔に対応するように実装できる。その結果、放射器とフィルタの間の損失のある接続が排除され、従来のアンテナに比較してグリッド間隔が小さくなり、スキャンボリュームが増加する。

フィルタの設計方法論は、アンテナ素子を形成するアンテナ装置を実装するためのフィルタと同じ固有の挙動を持った、放射構造体（アンテナ）を作製するために適用される。例えば、制限された通過帯域内にある信号は送受信されるが、通過帯域外の信号は拒否される（または少なくとも大幅に減衰される）。その結果、両方の機能（放射とフィルタリング）が１つの構造に統合される。従来のアンテナは、一部の周波数が減衰する固有のフィルタリング特性を有する可能性があるが、ここで説明するアンテナ装置の例は、共振器、放射器、および全体構造の寸法を選択すること、ならびに放射器と当該構造の残りの部分との関係に関連する寸法を選択することによって、特定の望ましいフィルタ伝達関数を有するように設計される。したがって当該構造は、放射器と、フィルタ部品を含む他のコンポーネントとの間の相互作用を考慮に入れることによって、所望の全体的な周波数応答を得るように構成される。加えて、相互接続を排除してオーム損失を減らし、コンパクトな構造を形成することができる。このコンパクトな構造は、スタンドアローンのシングルアンテナシステムおよびマルチエレメントアンテナアレイの両方にとって、多くの状況で有益であり得る。上記で述べたように、アンテナ装置のコンパクトな構造は、グリッド間隔が半波長以下であるフェーズドアレイアンテナ内の各アンテナ素子として、アンテナ装置を実装することを可能にする。したがって、フェーズドアレイアンテナはフィルタリング機能を含んでいる。統合されたフィルタリングを備えた結果として得られる位相配列構造は、フィルタの設計パラメータが、他の性能特性の中でも、特にスキャンボリュームを決定する設計特性を有する。各アンテナ素子の放射素子の寸法は、アンテナ装置の共振器の構成素子の寸法によって少なくとも部分的に制限されるので、共振器の寸法の選択は、フェーズドアレイアンテナのグリッド間隔の寸法を制限する。スキャンボリュームは、グリッド間隔によって少なくとも部分的に決定されるため、アンテナ装置における１つの共振器の少なくとも１つの寸法に依存する。

以下で述べる幾つかの例において、アンテナ装置は金属キャビティ内に封入され、垂直に積層され、相互に結合された幾つかの金属パッチ共振器を含む。１つの手法において、金属パッチ間の結合は、接地面の正確な形状の開口部またはアイリスで達成される。他の状況において、金属パッチは、ビアと呼ばれることもある金属ポストを使用した層間電気接続を用いて結合される。

議論された構造の１つの利点は、共振器の１つ（放射共振器）を放射器として使用することである。放射共振器は完全には密閉されていないため、当該構造体を自由空間に放射させ、アンテナとして機能させる。３つの空間次元の全てにおける寸法制御と、自由空間およびその下の共振器の両方へのカップリングにより、自由空間へ放射するフィルタが形成される。したがって、アンテナ装置のフィルタリング伝達関数は、少なくとも部分的には、放射器素子（自由空間に露出された共振器素子）と、例えば当該放射器素子と別の共振器金属パッチとの間の接地パッチのような、アンテナ装置の別の構成要素との間の距離に基づく。

図１Ａは、複数のアンテナ素子１２を含むフェーズドアレイアンテナ１０のブロック図であり、各アンテナ素子は、統合されたフィルタを備えたアンテナ装置１４を含む。一例において、複数のアンテナ素子１２は、当該アンテナ素子１２が他のアンテナ素子に対して定位置に固定されたままであるように、フレームまたは他のアセンブリ（図示せず）に固定される。幾つかの状況では、フェーズドアレイ構造全体を、単一のユニットとして移動および方向付けることができる。典型的な実装形態において、各アンテナ素子は他の回路に接続されており、送信および／または受信信号の位相を操作して、フェーズドアレイアンテナにより形成されるアンテナビームの方向および／または形状を変更できるようになっている。

アンテナ素子は、グリッド間隔によって互いに分離されており、アンテナ素子１２の寸法が、通常はグリッド間隔を決定する。アンテナ素子は必ずしも正方形ではないので、フェーズドアレイグリッドの第１の次元（例えば、幅）１８におけるグリッド間隔１６は、第２の次元（例えば、長さ）２２におけるグリッド間隔２０とは異なる可能性がある。フェーズドアレイアンテナは、任意の数のアンテナ素子を含み得る。図１Ａの例では４×４のアレイが示されており、両方の次元１８、２２において追加のアンテナ素子が含まれ得ることを示すために、黒い点が含まれている。アレイは、典型的な数が１６ないし数千の範囲である任意の数の素子を含み得る。各方向のアンテナ素子の数とグリッド間隔は、通常はアンテナアレイの特定のアプリケーションによって異なる。５Ｇ仕様に従って動作する基地局の場合、アンテナアレイには通常、８×８の構成で配置された６４個の素子が存在する。複数のアンテナを一緒に操作して、より大きなアレイ、例えば１２８、２５６、５１２、１０２４素子、またはその他の構成を形成することもできる。屋内適用およびモバイル装置の場合、アレイサイズは小さく、通常は４×４または２×８アレイで構成された１６個の素子を有する。状況によっては、スキャンボリュームは垂直方向よりも水平方向の方が大きく、波長（λ）での適切なグリッド間隔の例は、約０．４５λ×０．６５λである。

ここでの例において、グリッド間隔は次元に沿って均一であり、例えば第１の次元１８に沿った間隔１６が同じであり且つ第２の次元２２に沿った間隔２０が同じであるが、第１の次元の間隔１６が第２の次元間隔２０と同じでないことがある。しかしながら、状況によっては、次元１８、２２の少なくとも一方に沿ったグリッド間隔は均一でない場合がある。

図１Ｂは、図１Ａのフェーズドアレイアンテナ１０の中の複数のアンテナ素子１２のうち、１つの例を示すブロック図である。この例におけるアンテナ素子１２の各々はアンテナ装置１４であり、これは各々に結合された少なくとも２つの共振器２４、２６を含む統合構造体であり、ここでの共振器の１つは放射素子２４である。少なくとも１つの他の共振器２６は、金属筐体２８内に封入されている。

図１Ｃは、統合フィルタを備えたアンテナ装置１００のブロック図である。アンテナ装置１００は放射フィルタであり、ここでは少なくとも２つの共振器が互いに結合され、これら共振器の１つが放射器である。このアンテナ装置は、特定の実装に応じて、送信、受信、またはその両方に使用され得る。したがって、アンテナ装置１００は、図１Ａおよび図１Ｂのアンテナ装置１４の一例である。例えば図１Ｃの例について、アンテナ装置１００は、入力共振器１０２、中間共振器１０４、および放射器を形成する出力共振器１０６を含む。以下で述べるように、アンテナ装置１００は、幾つかの中間共振器１０４を含み得る。ここでの例において、各非放射共振器１０２、１０４は、金属筐体１１６、１１８のキャビティ１１２、１１４内に配置された金属共振器素子１０８、１１０で形成される。金属筐体１１６、１１８は、動作周波数における電磁筐体を形成し、したがって、開口部のない連続的な金属壁を含まないことがある。以下で説明するように、例えば、２つの平面導電性パッチ間の一連の金属ポスト（ビア）は、金属筐体の側壁を形成することがあり、ここでの２つの平面導電性パッチは、金属筐体の上部および下部を形成する。別の例では、金属スクリーンを使用して金属筐体を形成することができる。空気以外の誘電体（図１Ｃには示されていない）が、例として各キャビティ内で使用される。ある金属筐体の一部が、別の金属製筐体の一部を形成する場合がある。例えば、共振器が、接地面層の間に配置された平面導電性パッチで実装される場合、２つの隣接する共振器間の接地面層は、下部金属筐体の頂部および上部金属筐体の底部を形成し得る。

共振器内の共振器素子は、カップリング１２０、１２２を介して互いに結合される。各カップリング１２０、１２２は、ポストまたはネジなどの導電性要素で形成され得るか、または共振器素子を分離する接地面内の開口部を用いて実装され得る。以下で説明するように、例えば、２つの隣接する共振器素子を分離する接地面内のアイリスを用いてカップリングを形成できる。カップリング１２０、１２２はまた、非隣接共振器素子の間に形成されてもよい。したがって、カップリング１２０、１２２は、任意の２つの共振器素子間で電磁エネルギーをカップリングする任意のメカニズムであり得る。

入力共振器１０２は、信号源または受信機に接続できる入力ポート１２４を有する。したがって、入力ポート１２４は、他のデバイス、コンポーネント、および回路へのインターフェースを提供する。アンテナ装置１００の、入力ポート１２４から出力共振器（放射器）１０６を通る伝達関数１２６は、少なくとも非放射共振器１０２、１０４、カップリング１２０、１２２、および放射共振器１０６の特性、ならびに他の構成要素に対する放射器の位置によって決定される。殆どの場合、伝達関数１２６は、入力ポート１２４の特性にも依存する。したがって、伝達関数１２６は、共振器１０２、１０４、１０６およびカップリング１２０、１２２の寸法、ならびに当該構造内における放射器１０６の相対位置を選択することによって、特定の基準を満たすように適合または構成することができる。例えば、共振器が接地面筐体内の積層共振器素子であり、カップリングが接地面のアイリスで形成される実装では、伝達関数は少なくともアイリスの形状およびサイズ、共振器素子間の距離、共振器の寸法、最後の共振器（放射器）と隣接する接地面との間の距離、および入力ストリップのサイズに依存する。したがって、アンテナ装置の設計は、出力共振器の特性、およびアンテナ装置構造内における出力共振器の他のコンポーネントとの相互作用を考慮に入れる。その結果、所望の全体的なフィルタ伝達関数を実現するために、他の設計パラメータに加えて、放射器１０６と隣接する接地（図の下）との間の分離（距離）が選択される。したがって、放射器１０６と隣接する共振器素子１１０との間の距離（Ｄ１）１２８、および放射器１０６と筐体の接地面との間の距離（Ｄ２）１３０は、所望の出力カップリングおよび伝達関数を提供するように選択される。ここでの例について、出力カップリングは、（Ｄ１）１２８および（Ｄ２）１３０を調整することによって調整される。また、（Ｄ２）１３０を変更せずに（Ｄ１）１２８を変更すると、出力カップリングを変更せずに選択性が変更される。したがって、フィルタ伝達関数は通常、距離（Ｄ１）１２８および（Ｄ２）１３０を調整することによって調整される。

結果として、他の設計パラメータに加えて、放射器１０６と隣接する共振器素子１１０との間の分離（距離）が、所望の全体的なフィルタ伝達関数１２６を実現するように選択される。より具体的には、放射器１０６と隣接する共振器素子１１０との間距離（Ｄ１）１２８は、フィルタ伝達関数１２６のフィルタ応答の選択性１２９に影響を与え、放射器１０６と隣接する接地面１３２との間の距離（Ｄ２）１３０は、自由空間への出力カップリングに影響を与える。例において、アイリス１２２の寸法は、Ｄ１の変化と同様に選択性に影響を与える。本明細書で説明する例において、隣接する接地面１３２は、出力共振器素子１０６に隣接する筐体１１８の一部によって形成される。ここで述べるように、フィルタ伝達関数１２６の選択性１２９は、周波数に対する減衰のフィルタ応答の形状である。したがって、選択性１２９は、通過帯域（複数可）および阻止帯域（複数可）の帯域幅、ならびに通過帯域（複数可）と阻止帯域（複数可）との間の遷移の特性のようなパラメータを含む。したがって、少なくとも放射器１０６と隣接する共振器素子１１０との間の距離（Ｄ１）１２８、および放射器１０６と筐体の接地面との間の距離（Ｄ２）１３０は、所望の出力カップリングおよびフィルタ応答を提供するように選択される。以下で説明するように、フィルタ伝達関数はまた、共振器素子１０６、１０８、１１０の寸法、および共振器間のカップリングを形成する構造体の寸法に基づく。

ここでの議論について、送信装置としてのアンテナ装置と、受信装置としてのアンテナ装置との間には相反性がある。したがって、アンテナ装置の受信特性および送信特性は、当該例においては同一である。送信に関して述べられるアンテナ装置の特性、設計パラメータ、および構成は、受信装置として使用されるときのアンテナ装置に適用され得る。したがって、アンテナ装置が信号を受信するために使用されるとき、放射器は信号を捕捉し、入力ポートにおいて出力を提供する。より具体的に言えば、アンテナ装置１００は線形受動構造であるため、相反定理は、送信機および受信機としてのその動作に適用される。したがって、アンテナ装置１００は、送信時と受信時でまったく同じように動作する。送信モードにおいて、アンテナ装置１００の入力ポート１２４での信号は、放射器１０６に電流を誘導し、その結果、電磁場が自由空間に送信される。受信モードでは、アンテナ装置１００に到達する自由空間内の電磁波が、放射器１０６に電流を誘導し、次いで、放射器１０６は、アンテナの入力ポート１２４において信号を生成する。

図２Ａは、接地面間に平面共振器素子を含むアンテナ装置２００の一例における分解斜視図であり、ここでは接地面がビアと接続され、また接地面の開口部が共振器素子間のカップリングを提供する。図２Ｂは、アンテナ装置２００の図１ＣのＡ－Ａに沿った側断面図である。図２Ｃは、外側筐体２０１を透明として示すアンテナ装置２００の斜視図である。図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、必ずしも一定の縮尺ではなく、複数の素子の相対的な位置を示す一般的な図解以上のものであることは意図していない。本明細書で述べる例において、外部筐体２０１は、入力ポートおよび放射器のための開口部を除き、アンテナ装置構造を取り囲んでいる。追加のシールドおよび接地接続を提供することに加えて、外側筐体２０１は構造的安定性を提供する。外側筐体２０１を形成するための適切な技術の例には、金属シート、金属ビア、およびこれら２つの組み合わせを使用することが含まれる。しかし、状況によっては、外部筐体２０１を省略することができる。

図２Ａおよび図２Ｂの例のアンテナ装置２００は、入力共振器２０２、２つの中間共振器２０４、２０６、および出力共振器（放射器）２０８を含む。したがって、図２のアンテナ装置２００は、図１Ｃを参照して上述したアンテナ装置１００の一例である。共振器２０２、２０４、２０６の共振器筐体２１０、２１２、２１４は、一組のビア２１６、２１８、２２０で互いに接続された２つの接地面によって形成される。放射器を形成する出力共振器素子２２２を除いて、各放射器素子２２４、２２６、２２８は、２つの接地面と、これら２つの接地面の間に連結された一組のビア２１６、２１８、２２０とによって形成された筐体に囲まれている。２つの内部接地面２３０、２３２の各々は、２つの共振器筐体２１０、２１２の一部を形成する。例えば、下部中間接地面２３０は、入力共振器２０２用の入力共振器筐体２１０の頂部を形成し、また、下部中間共振器２０４用の下部中間筐体２１２の底部を形成する。上部中間接地面２３２は、下部中間共振器２０４用の下部中間筐体２１２の頂部を形成し、上部中間共振器２０６の上部中間共振器２１４用の底部を形成する。例えば、共振器を形成する金属パッチ構造は、自由空間に露出された放射器および入力ポートへのアクセスを提供する開口部のみを備えた外部筐体２０１に封入されている。この外側筐体２０１は、図２Ａおよび図２Ｂには示されていない。

底部（下部）接地面２３４以外に、接地面２３０、２３２、２３６は、隣接する共振器素子間のカップリングを提供する開口部２３８、２４０、２４２を含む。以下で述べる他の例において、底部接地面は、底部接地面の下の共振キャビティへのカップリングを提供する開口部を含み得る。上記で述べたように、カップリングを提供する接地面の開口部はアイリスと称することができる。アイリスの寸法および形状によって、カップリングの特性が決まる。したがって、アンテナ装置のフィルタ伝達関数は、アイリスの形状および寸法を選択することにより、少なくとも部分的に確立することができる。更に、アイリスと共振器形状の向きによって、アンテナ装置の放射パターンの偏波が決まる。以下で説明するように、アンテナ装置は、単一偏波、二重偏波、または円偏波を持つように設計することができる。したがって、アイリスの寸法および形状の選択を使用して、所望のフィルタ伝達関数および偏波放射パターンを取得できる。

共振器素子および接地面は、誘電体材料（図２Ａには示されていない）によって互いに分離されている。一例では、プリント回路基板（Printed Circuit Board：ＰＣＢ）技術を使用してアンテナ装置を形成する。したがって、接地面および共振器素子は、誘電体基板２４６上に積層された金属シートで形成することができる。ここで述べる例では、空気の誘電率よりも大きい誘電率を有する誘電体材料が使用され、幾つかの図ではハッチングを付した断面で示されている。分解図では、分かり易くするために誘電体を示していない。これらの例では、誘電体材料は構造内で均一であるが、状況によっては、異なる誘電体材料を使用することがある。一対の接地面間の複数のビアは、各共振器筐体の側壁を形成する。入力ポートは、下部筐体を通って延びるストリップライン２４７のセクションで形成される。入力は、他の手法を使用して形成してもよい。別の例では、入力ポートは、下部筐体を通って延びる金属ポストまたはビアによって形成される。アンテナ装置２００が信号を送信するために使用されるとき、送信機が入力ポートに接続され、無線周波数（ＲＦ）信号が入力ポートを介してアンテナ装置に供給される。ＲＦ信号はアンテナ装置によってフィルタリングされ、フィルタリングされた信号は放射素子から放射される。共振器素子の寸法は、共振器の共振周波数を決定する。図２Ａおよび図２Ｂの例について、各共振素子は矩形の金属パッチであり、共振器素子はサイズが僅かに異なる。共振器のサイズは類似しているが、各共振器の負荷が異なると異なるサイズをもたらす結果になる。共振器の共振を決定する矩形の金属パッチの寸法は、入力の側から反対側へと伸びる距離である。したがって、図２Ａの例については、距離２５０、２５２、２５４、２５６が、共振器の共振周波数を決定する。望ましいフィルタ応答は、誘電体、金属パッチの長さ、アイリスの長さ、接地面と共振器素子の間の間隔、隣接する共振器素子の間の間隔、および最後の共振器（放射器）１０６と隣接する接地面１３２（図中では放射器の直下の接地）との間の間隔（Ｄ２）１３０を選択することによって達成される。上記のように、放射器１０６と隣接する共振器素子１１０との間の距離（Ｄ１）１２８は、フィルタ伝達関数１２６のフィルタ応答の選択性１２９に影響を与え、また放射器１０６と隣接する接地面１３２との間の距離（Ｄ２）１３０は、自由空間への出力カップリングに影響を与える。したがって、図２Ａおよび図２Ｂについては、放射器２２２を形成する金属パッチと上部中間共振器素子２２８を形成する金属パッチとの間の距離２４８は、フィルタ応答の選択性を部分的に決定する。自由空間への出力結合は、金属パッチ放射器２２２と接地面２３６との間の距離２５８に少なくとも部分的に依存する。したがって、金属パッチ放出体２２２と金属パッチ共振器素子２２８との間の距離２４８は、図１Ｃの放射器１０６と隣接する共振器素子１１０との間の距離（Ｄ１）１２８の一例である。金属パッチ放出体２２２と接地面２３６との間の距離２５８は、図１Ｃの放出体１０６と接地面１３２との間の距離（Ｄ２）１３０の一例である。

アンテナ装置２００は、共振器２０２、２０４、２０６、２０８の寸法、共振器間のカップリングを形成する構造の特性、および共振器の構成要素間の間隔、ならびに放出体２２２の寸法、放出体２２２へのカップリングを形成する構造の特性、および他のアンテナ装置２００の構成要素に対する放出体２２２の相対位置を選択することにより、入力ストリップライン２４７から自由空間への所望のフィルタ伝達関数１２６を有するように構築される。

以下で更に詳細に述べるように、アンテナ装置の利点の１つは、放射面の何れかの側に沿って、半波長（λ／２）未満であるパッケージの中にフィルタおよびアンテナを実装する能力を含む。アンテナ装置は、異なる形状およびより大きなサイズの領域に実装できるが、状況によっては、何れかの側でサイズを半波長（λ／２）未満に制限することが有利である。図２Ｃの例については、放射器が配置される外側筐体２０１の平面は、半波長（λ／２）未満である幅２４８および長さ２５０を有する。他の状況では、複数のアンテナ装置が単一の外部筐体内に配置され、ここでの各放射器はそれぞれの側のλ／２未満の領域内にある。更に他の状況において、外側筐体２０１の寸法は、当該装置が、アレイの１つの方向のみにおいてλ／２未満のグリッド間隔内に収まるようなものである。

図３Ａは、カップリング行列モデリングの一例についての、モデリングラベルを示すアンテナ装置２００の斜視図である。図３Ｂは、図３Ａの構造についての、カップリング行列モデリング関係の図である。フィルタ回路をシミュレートし且つフィルタを設計するための１つの技術は、本明細書の議論に従って、アンテナ装置を設計するために適用できる技術の一例であるカップリング行列モデルを含んでいる。

マイクロ波およびミリ波周波数では、バンドパスフィルタは、共振器を相互接続（即ち、カップリング）することによって構築されることが多い。共振器は、カスケード接続で（即ち、隣接する共振器間で）でカップリングできる。これは全極周波数応答を生じ、または、非隣接共振器間カップリングを含み、それにより伝送零点を含む可能性のあるより複雑な周波数応答が導かれる。これらのフィルタは、単純な集中定数回路を用いてモデル化できる。同期直接カップリング共振器フィルタの一般的な２ポートモデルの場合、直接カップリング（隣接カップリング間）とクロスカップリング（非隣接共振器間）を表すことができる。回路シミュレータは、全ての可能なカップリング（隣接および非隣接）を含む回路応答をシミュレートするために使用でき、同期共振器（コンデンサおよびインダクタによって形成される）、アドミタンスインバータ、および周波数に依存しないアドミタンスを含む場合がある。適切な回路シミュレータの例には、ＮＩＡＷＲ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ＯｆｆｉｃｅやＡｎｓｙｓ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ回路シミュレータが含まれる。フィルタの中心周波数および帯域幅が定義されると、フィルタ回路は、カップリング行列と呼ばれる行列形式で表すことができる。カップリング行列Ｍの様々なエントリーは、回路の様々なコンポーネントを表す。対角要素は、周波数に依存しないアドミタンスの虚数部を表すが、非対角エントリーは、共振器間のカップリング（即ち、反転定数）を表す。このモデリングおよび設計の方法論は、バンドパス直接カップリング共振器フィルタのシミュレーションおよび設計に使用され、ここで説明するアンテナ装置の例を設計するために使用できる手法の一例である。図３Ａの例について、共振器はカスケード接続でカップリングされ、ここでは隣接する共振器がカップリングされて全極周波数応答を形成する。このモデルは、放射器へのカップリング、および放射器から自由空間へのカップリングにも適用できる。

一例によれば、フィルタの中心周波数、帯域幅、通過帯域等リップル反射減衰量レベル、および伝送零点の位置が選択される。これらのパラメータを用いて、この応答を合成するカップリング行列を分析的に計算できる。

カップリング行列は、カップリング行列の様々な要素を制御する物理的形状の特徴を識別することによって、実際の実装に変換される。一般に、例えば、共振器のサイズを変更して、その共振周波数（即ち、カップリング行列の対応する対角要素）を変更することができ、共振器間に作製される開口部のサイズは、それらの間のカップリングの量を制御することができる。様々な方法論を使用して、回路モードから幾何学的な値を抽出でき、ここでの通常の設計手順は、初期寸法の組を取得することから始まる。手順には、入力群遅延を確認すること、構造をより単純なブロックに分割すること、ＥＭシミュレーションを同等のブロックの回路シミュレーションと比較することが含まれ得る。初期寸法が確立された後に、最適化設計手順が適用される。したがって、アンテナ装置の設計には、必要とされる適切な通過帯域応答と帯域外排除を提供するカップリング行列を合成することが含まれる。このカップリング行列を合成するために、共振器の数（Ｎ）、中心周波数（ｆ０）、帯域幅（Bandwidth：ＢＷ）、および必要な通過帯域の等リップル反射減衰量の値が、特定の排除特性を満たすために決定される。

図３Ａおよび３Ｂの例については、９つの幾何学的寸法が操作されて、所望のフィルタ応答を実現し、ここでの幾何学的寸法には、共振器素子を形成する４つの金属パッチの長さ、金属パッチ間のカップリングを形成する３つの開口部の幅、金属パッチ放射器から接地面への距離、および入力タップの幅が含まれる。図３Ｂのカップリングモデルは、各幾何学的寸法をカップリング行列のエントリーとペアにする。入力ストリップライン２４７の入力タップ幅３０２は、ＭＳ１を制御する。入力共振器素子２２４の長さ３０４は、Ｍ１１を制御する。第１の中間共振器素子２２６を形成する金属パッチの長さ３０６は、Ｍ２２を制御する。第２の中間共振器素子２２８を形成する金属パッチの長さ３０８は、Ｍ３３を制御する。放射器素子２２２を形成する金属パッチの長さ３１０は、Ｍ４４を制御する。開口部２３８の長さ３１２は、Ｍ１２を制御する。開口部２４０の長さ３１４は、Ｍ２３を制御する。開口部２４２の長さ３１６は、Ｍ３４を制御する。金属パッチ放射器２２２と接地面２３６との間の距離２５０は、Ｍ４Ｌを制御する。放射器特性に対応する行列要素を含むカップリング行列要素を調整および最適化することにより、フィルタおよびアンテナを含む統合アンテナ装置の所望の伝達関数を達成することができる。

上記で述べた技術は、アンテナ装置１００の他の実装に適用することができる。以下で述べるように、アンテナ装置１００の他の例には、二重偏波および複数のポートを有する実装、円偏波を有する実装、および周波数応答において伝送零点を有する実装が含まれる。特定の構造に対して上記で説明した設計手法を適切に変更および適用することにより、これらの例ならびに他の実装をシミュレートおよび最適化することができる。

図４Ａは、二重偏波を備えたアンテナ装置４００の例の分解斜視図である。図４Ｂは、図４ＡのＢ－Ｂ線に沿って取られたアンテナ装置４００の頂部断面図である。図４Ａおよび図４Ｂのアンテナ装置４００は、したがって、図１Ｃを参照して上記で述べたアンテナ装置１００の別の例である。図４Ａおよび図４Ｂの例について、アンテナ装置４００は、水平偏波入力ポート４０２および垂直偏波入力ポート４０４を含む２つの入力ポート４０２、４０４を有する。二重配向は、同じ組の共振器および放射器の寸法を調整し、且つアイリスの形状を調整することによって達成される。各アイリス４０６、４０８、４１０は、２つの矩形のアイリス４１２、４１４の組み合わせであり、ここでは入力ポートの方向に垂直であるより長い寸法のアイリスが、当該入力からの信号をカップリングさせる。入力ポートの方向に平行な最長寸法を持つアイリスからの結合は、２つの入力ポートと信号間の分離を顕著に少なくする。したがって、水平入力ポート４０２の方向４１８に対して垂直な長さ４１６を有するアイリスの第１の矩形部分４１２は、水平入力ポート４０２で受信された信号をカップリングする。垂直入力ポート４０４の方向４２２に対して垂直な、長さ４２０を有するアイリスの第２の矩形部分４１４は、垂直入力ポート４０４で受信された信号をカップリングする。同じ向きを有する矩形部分、共振器、および放射器の各組は、図２Ａ．図２Ｂ、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明したようにして機能する。

図５は、二重偏波と、両方の偏波の伝達関数において伝送零点を生成する共振キャビティ（補助共振器）５０２と、を備えた、アンテナ装置５００の一例を示す分解斜視図である。図５の例について、共振キャビティ（補助共振器）５０２は、入力共振器接地面５０６、別の接地面５０８、およびこれら２つの接地面５０６、５０８に接続するビア５１０によって囲まれた金属共振パッチ５０４で形成される。補助共振器は、入力共振器５１２の他の共振器とは反対側に配置される。金属共振パッチ５０４は、入力共振器接地面５０６内のアイリス５１６を介して、入力共振器共振素子５１４にカップリングされる。例えば、アイリス５１６は、他のアイリスと同じ形状および向きを有する。１つの観点からすると、追加の共振キャビティ５０２は、特定の周波数およびその近傍でのエネルギー伝達を排除するためのメカニズムを提供する。共振キャビティ５０２内の金属共振パッチ５０４は、入力共振器に単独でカップリングされる。これは、他の共振器、または当該構造体の入力および出力の何れかに少なくとも二重にカップリングされる他の共振器とは異なる。結果として、パッチ５０４の共振周波数におけるエネルギーは、共振キャビティ５０２内に閉じ込められ、放射器に向かって継続して自由空間に放射されることができない。これは、一重にカップリングされた共振器がフィルタの様々な段階に配置され、周波数応答において伝送零点を形成する抽出極フィルタの特性に類似している。

図６Ａは、円偏波を有するアンテナ装置６００の一例を示す分解斜視図である。図６Ａのアンテナ装置６００は、図１Ｃを参照して上記で述べたアンテナ装置１００の一例であり、ここでは中間キャビティと入力キャビティが単一のキャビティである。したがって、アンテナ装置６００は、アンテナの通過帯域内の２つの共振をサポートする入力素子と、これもまたアンテナ装置の通過帯域内の２つの共振をサポートする放射器と、を含む。したがって、図６Ａの例について、アンテナ装置は単一のキャビティ６０２および放射器６０４を含む。共振器素子６０６および放射器素子６０４はそれぞれ、各パッチに含まれる２つの共振の間のカップリングを提供するために、対角線上で互いに対向する隅部にノッチを有する。放射器素子６０４の切り欠きのある隅部６０８、６１０は、切り欠きのない共振器素子６０６の隅部６１２、６１４の上に配置される。したがって、共振器素子６０６の２つの切り欠きのある隅部６１６、６１８は、切り欠きのない放射器素子６０４の隅部６２０、６２２の真下に配置される。図６Ａの例について、アイリス６２４は、寸法の長い方が入力ポート６２６の方向に平行であるような配向を有する。円偏光は、９０°の位相差を有する２つの直交直線偏光を供給することによって達成できる。これは、放射パッチが２つの直線偏光を維持する図６Ａに示す構造を用いて達成できる。隅部の差し込みは、各パッチによって維持される２つの共鳴間のカップリングを提供する。偏光と所望の通過帯域での入力マッチングとの間の９０°の位相差は、入力パッドの寸法および位置、２つのパッチの寸法、差し込みのサイズ、アイリスのサイズ、ならびに両パッチの間の差し込みの相対位置を適切に選択することによって実現される。この構成を用いれば、軸率帯域幅と同じマッチング帯域幅を有する円偏波アンテナを実装できる。

図６Ｂは、アンテナ装置６００の斜視図であり、カップリング行列モデリングの例についてのモデリングラベルを示す。図６Ｃは、図６Ｂの構造のカップリング行列モデリング関係の図である。上記で述べたように、カップリング行列モデルは、本明細書の議論に従ってアンテナ装置を設計するために適用できる技術の例である。この例では、ＭＳ１は、少なくとも部分的に、入力ポート６２６の幅６５０に基づいている。ＭＳ１は、入力ポート「ステップ」の長さ６５１によっても制御することができる。設計手法の一例では、最大入力カップリングが達成されるまで、幅６５０が増加される。続いて、長さ６５１が、所望の入力結合が達成されるまで増加される。

Ｍ１１およびＭ２２は、それぞれ、共振器素子６０６の長さ６５２および幅６５４に基づいている。Ｍ２３およびＭ１４は、それぞれアイリス６２４の長さ６５６および幅６５８に基づいている。Ｍ４４およびＭ３３は、それぞれ、放射器素子６０４の長さ６６０および幅６６２に基づいている。Ｍ１２は、共振器素子６０６のノッチ付き隅部６１６および６２２のサイズ６６４に基づいている。Ｍ３４は、放射器素子６０４のノッチ付き隅部６０８および６１０のサイズ６６６に基づいている。Ｍ４Ｖは、放射器素子と隣接する接地との間の距離６６８に基づく。

図７は、接地面の間に平面共振器素子を含むアンテナ装置７００の一例における側断面図であり、ここでは接地面がビアで接続され、また接地面を通るビアが共振器素子間のカップリングを提供する。図７のアンテナ装置７００の構造および動作は、カップリングがアイリスではなくビア７０２、７０４、７０６で形成されることを除き、上記で述べたアンテナ装置２００と同様である。入力共振器素子２２４は、２つの共振器素子２２４、２２６の間にある接地面２３０内の開口部７０８を通過する金属ポストまたはビア７０２を介して、第１の中間共振器素子２２６にカップリングされる。第１の中間共振器素子２２６は、２つの共振器素子２２６、２２８の間の接地面２３２内にある開口７１０を通過する金属ポストまたはビア７０４を介して、第２の中間共振器素子２２８にカップリングされる。第２の中間共振器素子２２８は、共振器素子２２８と放射器素子２２２との間にある接地面２３６内の開口７１２を通過する金属ポストまたはビア７０６を介して、放射器素子２２２にカップリングされる。上記で述べたモデリングおよび設計技術は、ビアが適切なカップリング特性で表されるアンテナ装置７００に使用することができる。図７の例については、ビアの位置および寸法が、隣接する共振器間のカップリングを制御する。

図８Ａは、接地面間に平面共振器素子を含むアンテナ装置８００の分解斜視図および例であり、ここでは接地面がビアを用いて接続され、また非隣接共振器素子がダンベルカプラを介してカップリングされている。図８Ｂは、アンテナ装置８００の側断面図である。アンテナ装置８００の構造および動作は、ダンベル８０２カプラが入力共振器素子８０４を第２の中間共振器素子８０６にカップリングさせることを除いて、上記のアンテナ装置４００と同様である。ダンベルカプラ８０２は、パッチ８１０、８１２の間に接続された金属ポストまたはビア８０８で形成されてもよい。図８の例について、ビア８０８は、接地面８１６のアイリス８１４を通過し、第１の共振器素子８２０の開口８１８を通過し、接地面８２４のアイリス８２２を通過する。したがって、ダンベルカプラによる非隣接カップリングが、アイリスを介したカップリングに追加される。非隣接カップリングにより、伝達関数において伝送零点を生成できるため、アンテナ装置の設計の融通性が高まる。

図９は、非隣接クロスカップリングを備えたアンテナ装置９００の一例を示す側断面図である。アンテナ装置９００の構造および動作は、ストリップラインおよびビアが非隣接共振器をカップリングするために使用されることを除き、上記のアンテナ装置２００と同様である。例えば、接地面９０２、９０４、９０６、９０８は、複数のビア９１０、９１２で互いに接続され、下部接地面９０２は、複数のビア９１４で上部接地面９０８に接続される。ビア９１０、９１２、９１４は、図９に側壁として示されているが、それらはビアの複数の互い違い列を含むことがある。

例えば、ストリップラインは、共振器素子を形成する２つの非隣接金属共振器パッチを、ストリップラインを接続するビアに接続し、それにより２つの共振器要素をカップリングさせる。ストリップライン９１６は、入力共振器金属パッチ共振器９１８をビア９２０に接続し、ストリップライン９２２は、第２の中間金属パッチ共振器９２４をビア９２０に接続する。その結果、入力共振器金属パッチ共振器９１８は、第２の中間金属パッチ共振器９２４にカップリングされる。

ビア９２０を更にシールドするために、下部接地面９０２はビア９１４に接続される。例えば、下部接地面９０２は金属面９２６を介してビア９１４に接続され、また上部接地面９０８は別の金属面９２８を介してビア９１４にカップリングされる。非隣接共振器素子９１８、９２４間のカップリングに加えて、図９の例示的構造は、他の例において上述したような隣接共振器間のカップリングを含む。入力共振器素子９０２は、アイリス９３２を介して第１の中間共振器素子９３０にカップリングされる。第１の中間共振器要素９３０は、アイリス９３４を介して第２の中間共振器要素９２４にカップリングされる。第２の中間共振器要素９２４は、アイリス９３８を介して放射器素子９３６にカップリングされる。

したがって、カップリングおよびパッチの寸法、ならびに放射器と隣接共振器との間の距離を適切に選択することによって、当該アンテナ装置は、直接カップリングされた共振器フィルタおよびアンテナとして機能するように設計できる。ビア、ダンベルプローブ、または入力共振器に隣接し且つ他の共振器の反対側にある追加の共振器を使用して非隣接カップリングを実装することにより、伝送零点を伝達関数に導入できる。この統合された構造は、フィルタおよびアンテナをコンパクトな形式で実装することを可能にし、これは少なくとも幾つかの実装において顕著な影響を有する。例えば、適切なフィルタ特性と、アンテナ放射パターンおよび偏波を有するアンテナ装置は、動作周波数の全体に亘って半波長未満の寸法を有する領域内に実装することができる。

図１０Ａは、フェーズドアレイアンテナ１０００およびアンテナの関連スキャンボリューム１００２の一例を示す斜視図であり、図１０Ｂはその頂面図である。図１０Ｃは、フェーズドアレイアンテナ１０００の一部を示す頂面図であり、図１０Ｄはその正面図であり、図１０Ｅはその側面図である。スキャンボリューム１００２は、アンテナ１０００がその放射エネルギーを方向付けることができる空間の部分を表す。フェーズドアレイアンテナ１０００は、複数のアンテナ素子を含み、各アンテナ素子は、統合されたフィルタを備えたアンテナ装置である。したがって、フェーズドアレイアンテナ１０００は、上記で述べたフェーズドアレイアンテナ１０の一例である。図１０Ａおよび図１０Ｂの例については、フェーズドアレイアンテナ１０００は、第１の方向１００４に第１のグリッド間隔を有し、また第２の方向１００６に第２のグリッド間隔を有し、ここでの第２のグリッド間隔１００６は第１のグリッド間隔１００４よりも大きい。フェーズドアレイアンテナのスキャン角度は、選択された信号強度またはアンテナ利得についてのボアサイト１００７からの最大角度である。最大走査角は少なくとも部分的にはグリッド間隔によって決定されるので、第１の配向１００４における走査角（α）１００８は、第２の配向１００６における走査角（β）１０１０よりも大きく、走査体積１００２は楕円形である。グリッド間隔が両方の方向で同じ例では、アンテナパターン１００２は円形であり得る。

フェーズドアレイアンテナは、独立して制御できる幾つかのアンテナで構成される。一緒に動作することで、個々のアンテナまたは素子は、個々の送信機および受信機、または送信機および受信機の群に接続することができる。個々のアンテナから放射される電磁波は合体して重なり合い、強め合う干渉（加算）をして所望の方向に放射される電力を高め、弱め合う干渉（キャンセル）をして他の方向に放射される電力を低減する。受信に使用する場合、個々のアンテナ素子からの個別の電磁気電流が受信機で正しい位相関係と組み合わされて、所望の方向から受信した信号を強化し、望まない方向からの信号をキャンセルする。位相配列には、各素子の振幅および位相を制御して「位相」ステアリングを可能にするコンポーネントが含まれている。言い換えれば、電磁波が電子的に操縦されている間、アレイは機械的には静止している。アクティブ電子フェーズドアレイ（ＡＥＳＡ）には、位相配列内に配置されたアクティブ素子が含まれる。アンテナ素子の位相的な性質とそれに続くカップリングにより、アンテナ素子にアクティブインピーダンス制御の追加要件が課せられる。位相ステアリングの要件は、素子の間隔を決定し、通常、動作スペクトルの上端において約半波長である。フェーズドアレイアンテナは、周波数スペクトルのより効率的な使用を可能にし、従来の通信システムの要求を満たすのに役立つ。ただし、従来の技術では、サイドローブレベル、アクティブ反射減衰量、効率、アレイ利得、スキャンボリュームなどのパラメータに関連する他の要件を満たしながら、アレイ内の各アンテナ素子で必要なフィルタリングを実現することはできないという制限がある。しかしながら、本明細書に記載のアンテナ装置および技術は、これらの要件を満たすフェーズドアレイアンテナの実装を可能にする。

フェーズドアレイアンテナを設計するための適切な技術の一例は、特定の特性を得るために、１つまたは複数の寸法が選択される回路シミュレータアプリケーションを使用すること、および他の特性を調整および補償するために、他の寸法を体系的に設定することが含まれる。アンテナアレイを設計するための適切な技術の例において、設計は、フィルタの仕様および必要なスキャンボリュームから始める。スキャンボリュームから、方位角および仰角のグリッド間隔が、放射器パッチと平面金属接地との間の最大距離と共に決定される。これらの値から、フィルタの最大出力カップリングが計算され、当該最大出力カップリング値の制約の下でフィルタ仕様を満たすように、当該カップリングに基づく回路モデル、カップリング行列が合成される。この回路モデルから、個々のアンテナ素子（アンテナ装置）の設計を参照して、当該構造の寸法が上記のように取得される。

明らかに、これらの教示を考慮すれば、当業者には、本発明の他の実施形態および改変が容易に生じるであろう。上記の説明は例示的なものであり、限定的なものではない。本発明は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきであり、これは上記で述べた明細書および添付の図面と併せて検討したときに、そのような全ての実施形態および改変を含むものである。したがって本発明の範囲は、上記の説明を参照して決定されるのではなく、以下の特許請求の範囲と、その均等物の全範囲と、を参照して決定される。

Claims (26)

1. アンテナ装置であって、
   入力ポートを有する入力平面共振器素子と、
   前記入力平面共振器素子に電気的にカップリングされた第１の中間平面共振器素子と、
   前記第１の中間平面共振器素子に電気的にカップリングされた第２の中間平面共振器素子と、
   前記第２の中間平面共振器素子に電気的にカップリングされた平面放射器素子と、
   前記入力平面共振器素子と前記第１の中間平面共振器素子との間に配置された第１の平面接地素子と、
   前記第１の中間平面共振器素子と前記第２の中間平面共振器素子との間に配置された第２の平面接地素子と、
   前記平面放射器素子と前記第２の中間平面共振器素子との間に配置された第３の平面接地素子と、を具備し、
   電磁信号が前記入力ポートに印加されたときに、前記入力ポートから前記平面放射器素子を通る自由空間へのフィルタ伝達関数に従って、前記平面放射器素子から電磁エネルギーを放射するように構成され、
   前記フィルタ伝達関数は、少なくとも部分的に、前記平面放射器素子と前記第２の中間平面共振器素子との間の距離によって決定され、
   前記フィルタ伝達関数は、伝送零点を生成する装置。
2. 前記フィルタ伝達関数の選択性は、少なくとも部分的に、前記平面放射器素子と前記第２の中間平面共振器素子との間の距離に基づく、請求項１に記載の装置。
3. 前記フィルタ伝達関数の自由空間への出力カップリングは、少なくとも部分的に、前記平面放射器素子と前記第３の平面接地素子との間の距離に基づく、請求項２に記載の装置。
4. 前記入力平面共振器素子は、前記フィルタ伝達関数において伝送零点を生成するように前記第２の中間平面共振器素子に電気的にカップリングされる、請求項３に記載の装置。
5. 前記入力平面共振器素子は、ダンベルプローブによって前記第２の中間平面共振器素子に電気的にカップリングされ、前記ダンベルプローブは
   前記入力平面共振器素子に隣接する第１の金属平面パッチと、
   前記第２の中間平面共振器素子に隣接する第２の金属平面パッチと、
   前記第１の金属平面パッチと前記第２の金属平面パッチとの間に接続された金属ポストと、を具備する、請求項４に記載の装置。
6. 前記金属ポストは、前記第１の平面接地素子の第１の開口部、前記第１の中間平面共振器素子の第２の開口部、および前記第２の平面接地素子の第３の開口部を通って延出する、請求項５に記載の装置。
7. 前記入力平面共振器素子は、金属ポストを介して前記第２の中間平面共振器素子に電気的にカップリングされ、前記金属ポストは、第１のストリップラインで前記入力平面共振器素子に接続され、第２ストリップラインで前記第２の中間平面共振器素子に接続される、請求項４に記載の装置。
8. 前記入力平面共振器素子にカップリングされ、前記第１の中間平面共振器素子の反対側の前記入力平面共振器素子に隣接して配置された補助共振器を更に具備し、前記補助共振器は前記フィルタ伝達関数において伝送零点を生成する、請求項１に記載の装置。
9. 前記平面接地素子内の開口部は、隣接する平面共振器素子間のカップリングを可能にする、請求項１に記載の装置。
10. 前記平面接地素子内の開口部を通って延出する金属ポストは、隣接する前記平面共振器素子を接続する、請求項１に記載の装置。
11. 第１の金属接地面パッチによって囲まれた入力金属平面共振器パッチと、第１の組の金属ポストビアを介して前記第１の金属接地面パッチに接続された第２の金属接地面パッチと、を含み、前記入力金属平面共振器パッチは入力ポートを有する入力共振器と、
    前記第２の金属接地面パッチによって囲まれた中間金属平面共振器パッチと、第２の組の金属ポストビアを介して前記第２の金属接地面パッチに接続された第３の金属接地面パッチと、を含む中間共振器と、
    前記第３の金属接地面パッチに隣接して配置された金属平面放射器パッチと、を具備し、
    前記入力金属平面共振器パッチは前記第２の金属接地面パッチの第１の開口部を介して前記中間金属平面共振器パッチにカップリングされ、前記中間金属平面共振器パッチは前記第３の金属接地面パッチの第２の開口部を介して前記金属平面放射器パッチにカップリングされ、
    電磁信号が前記入力ポートに印加されたときに、前記入力ポートから前記金属平面放射器パッチを通る自由空間へのフィルタ伝達関数に従って、前記金属平面放射器パッチから電磁エネルギーを放射するように構成され、
    前記フィルタ伝達関数は、少なくとも部分的に、前記金属平面放射器パッチと前記中間金属平面共振器パッチとの間の距離によって決定され、
    前記フィルタ伝達関数は、伝送零点を生成する、統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
12. 前記入力共振器内、前記中間共振器内、および前記金属平面放射器パッチと前記第３の金属接地面パッチとの間に配置された誘電体材料を更に含み、前記誘電体材料は空気の誘電率よりも大きい誘電率を有する、請求項１１に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
13. 前記フィルタ伝達関数の選択性は、少なくとも部分的に、前記金属平面放射器パッチと前記中間金属平面共振器パッチとの間の距離に基づく、請求項１２に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
14. 前記フィルタ伝達関数の自由空間への出力カップリングは、少なくとも部分的に、前記金属平面放射器パッチと前記第３の金属接地面パッチとの間の距離に基づく、請求項１３に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
15. 前記入力金属平面共振器パッチが別の入力ポートを有し、前記アンテナは、電磁信号が前記入力ポートに印加されるときは垂直偏波に従って前記金属平面放射器パッチから電磁エネルギーを放射し、前記電磁信号が前記別の入力ポートに印加されるときは水平偏波に従って前記金属平面放射器パッチから電磁エネルギーを放射するように構成された、請求項１４に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
16. 前記第１の開口部および前記第２の開口部の各々は、第１の矩形部分と、前記第１の矩形部分に対して垂直な第２の矩形部分と、を含み、前記第２の開口部の前記第１の矩形部分は前記第１の開口部の前記第１の矩形部分と整列しており、前記第１の開口部の前記第２の矩形部分は前記第１の開口部の前記第２の矩形部分と整列している、請求項１５に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
17. 前記入力ポートは、前記入力金属平面共振器パッチから第１の方向に延びる第１のストリップラインを含み、前記別の入力ポートは、前記入力金属平面共振器パッチから第２の方向に延びる第２のストリップラインを含み、前記第１の方向は前記第２の方向に垂直であり、
    前記第１の開口部および前記第２の開口部の前記第１の矩形部分は前記第１の方向に対して平行であり、前記第１の開口部および前記第２の開口部の前記第２の矩形部分は前記第２の方向に対して平行である、請求項１６に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
18. 第１の金属接地面パッチによって囲まれた入力金属平面共振器パッチと、第１の組の金属ポストビアを介して前記第１の金属接地面パッチに接続された第２の金属接地面パッチと、を含み、前記入力金属平面共振器パッチは入力ポートを有する入力共振器と、
    前記第２の金属接地面パッチによって囲まれた第１の中間金属平面共振器パッチと、第２の組の金属ポストビアを介して前記第２の金属接地面パッチに接続された第３の金属接地面パッチと、を含む第１の中間共振器と、
    前記第３の金属接地面パッチによって囲まれた第２の中間金属平面共振器パッチと、第３の組の金属ポストビアを介して前記第３の金属接地面パッチに接続された第４の金属接地面パッチと、を含む第２の中間共振器と、
    前記第４の金属接地面パッチに隣接して配置された金属平面放射器パッチと、を具備し、
    前記入力金属平面共振器パッチは前記第２の金属接地面パッチの第１の開口部を介して前記第１の中間金属平面共振器パッチにカップリングされ、前記第１の中間金属平面共振器パッチは前記第３の金属接地面パッチの第２の開口部を介して前記第２の中間金属平面共振器パッチにカップリングされ、前記第２の中間金属平面共振器パッチは前記第４の金属接地面パッチの第３の開口部を介して前記金属平面放射器パッチにカップリングされ、
    電磁信号が前記入力ポートに印加されたときに、前記入力ポートから前記金属平面放射器パッチを通って自由空間へのフィルタ伝達関数に従って、前記金属平面放射器パッチから電磁エネルギーを放射するように構成され、
    前記フィルタ伝達関数は、少なくとも部分的に、前記金属平面放射器パッチと前記中間金属平面共振器パッチとの間の距離によって決定され、
    前記フィルタ伝達関数は、伝送零点を生成する、統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
19. 前記入力共振器内、前記第１の中間共振器内、前記第２の中間共振器内、および前記金属平面放射器パッチと前記第４の金属接地面パッチとの間に配置された誘電体材料を更に含み、前記誘電体材料は空気の誘電率よりも大きい誘電率を有する、請求項１８に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
20. 前記フィルタ伝達関数の選択性は、少なくとも部分的に、前記金属平面放射器パッチと前記第２の中間金属平面共振器パッチとの間の距離に基づく、請求項１９に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
21. 前記フィルタ伝達関数の自由空間への出力カップリングは、少なくとも部分的に、前記金属平面放射器パッチと前記第４の金属接地面パッチとの間の距離に基づく、請求項２０に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
22. 前記入力金属平面共振器パッチが前記第２の中間金属平面共振器パッチに電気的にカップリングされて、前記フィルタ伝達関数において伝送零点を生成する、請求項２１に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
23. 前記入力金属平面共振器パッチは、ダンベルプローブによって前記第２の中間金属平面共振器パッチに電気的にカップリングされ、前記ダンベルプローブは
    前記入力金属平面共振器パッチに隣接する第１の金属平面結合パッチと、
    前記第２の中間金属平面共振器パッチに隣接する第２の金属平面結合パッチと、
    前記第１の金属平面結合パッチと前記第２の金属平面結合パッチとの間に接続されたカップリング金属ポストビアと、を具備する、請求項２２に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
24. 前記カップリング金属ポストビアは、前記第１の開口部、前記第２の開口部、および前記第１の中間金属平面共振器パッチの第４の開口部を通って延出する、請求項２３に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
25. 前記入力金属平面共振器パッチは、カップリング金属ポストを介して前記第２の中間金属平面共振器パッチに電気的にカップリングされ、前記カップリング金属ポストは、第１のカップリングストリップラインで前記入力金属平面共振器パッチに接続され、また第２のカップリングストリップラインで前記第２の中間金属平面共振器パッチに接続される、請求項２２に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。
26. 前記金属平面放射器パッチは、前記自由空間での電磁信号の周波数において、前記金属平面放射器パッチの各側に沿って半波長未満である、請求項１８に記載の統合積層パッチフィルタリングアンテナ。

Images