JP2000505992A - 広角走査能力を有するマイクロ波アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 連続トランスバーススタブアレイアンテナ(11)をフィードする２個の分布式フェライト走査ラインフィード(12,13)にＲＦ信号を結合するスイッチングマトリクス(14)を有するプレーナアレイアンテナ(10)である。走査ラインフィードは、両側からアンテナにＲＦエネルギを結合して、異なった角度の走査セクタをそれぞれカバーする空間的にオフセットされた合計４つのビームを形成する。アンテナは複雑さが軽減され、その設計および製造費用が低下される。広角走査を行うために二重フェライト走査ラインフィード、スイッチングマトリクスおよび連続トランスバーススタブアンテナを使用することによって、性能が著しく改善される。本発明は、高いミリメートル波周波数でより広い走査カバレージを得るために２個の分布式フェライト走査ラインフィードを使用し、その場合実現可能なフェライト材料は活性度が低く、減少された走査能力を提供する。走査ラインフィードおよびプレーナアレイアンテナは、４つの走査セクタが連続し、それによってアンテナの角度的な走査カバレージを増加させるように設計されることができる。スイッチングマトリクスは、４つの各ＲＦポートに逐次的にフィードして４つの連続した走査セクタ上を走査する単一のビームを効率的に生成するために使用される。

Description

【発明の詳細な説明】 広角走査能力を有するマイクロ波アンテナ ［発明の背景］ 本発明は、一般にマイクロ波アンテナに関し、とくに広角走査能力を有するマ イクロ波アンテナに関する。 従来技術において、走査ラインフィードがどのようにしてその反対側の端部か らフィードされ、空間的にオフセットした２つのビームを形成することができる かが教示されている。このような走査ラインフィードは、文献(Nester,et al．e ntitled“Bidirectional Series Fed Slot Array”,Symp．Digest,IEEE Antenna s and Propagation Society International Symposium(Stanford,CA)，June 197 7,pg.76,)または文献（Kinsey entitled“FAST Multibeam Antenna Concept”,R ADC-TR-85-170，Proc.Phased Array 1985 Symposium(Hanscom AFB,MA),Sept．19 85,pp.33-56）に記載されている。 たとえば、７７ＧＨｚのＷバンド・ターゲットレーダおよび前方監視レーダ自 動車システムのような軍事および民間用の廉価な１次元電気走査アンテナへの関 心が高まってきている。廉価な２次元走査は、上述の１次元電気走査アンテナを 第２の軸における３６０°ジンバルと共に使用することによって実現することが できる。ＰＩＮダイオード、ディスクリートなフェライト位相シフタまたは送受 信（Ｔ／Ｒ）モジュールのような通常の走査技術は、一般的にＷバンドでは利用 できないか、あるいは製造不可能であり、もしくは比較的余裕がない。 自由空間に放射するフェライト位相走査アンテナは、技術文献に記載されてい る。このフェライト位相走査アンテナは、たとえば文献（Stern,et al.entitled “A mm-Wave Homogeneous Ferrite Phase Scan antenna”,Microwave Journal， Vol.30,No.4,Apr.1987,pp.101-108）、および米国特許第4,691,208号明細書（“ Ferrite Waveguide Scanning Antenna”）に記載されている。 フェライト走査ラインフィードは、上記に記載した走査ラインフィードに類似 しており、走査範囲において同じ制限が課せられる装置である。相違点は、走査 ラインフィードがとくに、空気で充填されているか、あるいは誘電体で充填され てもよいプレーナアレイアンテナの並列板領域に放射するように設計されている ことである。さらに、走査ラインフィードは、両端から放射されるように二方向 性アレイ励起合成を使用して設計され、空間的にオフセットした２つの良好に成 形されたビームを生成する。 従来技術の主な欠点は、一般的に４０ＧＨｚ以上程度の高いミリメートル波周 波数のフェライト位相走査アンテナのために生じる可能性の高い走査カバレージ の制限である。したがって、たとえばKinsey氏の文献に記載されているようなデ ィスクリートな位相シフタにより走査される多数の走査ラインフィードを必要と しないプレーナアレイアンテナを有することは技術的な進歩である。複雑さが軽 減され、設計および製造コストがはるかに低いプレーナアンテナを有することも また有効である。したがって、本発明の目的は、広角走査能力を備えたマイクロ 波アンテナを提供することである。 発明の概要 本発明は、連続トランスバーススタブアレイのようなプレーナアレイアンテナ にフィードするように２個の分布式フェライト走査ラインフィードを使用するプ レーナアレイアンテナを提供する。走査ラインフィードは、両側からアンテナに ＲＦエネルギを結合して、異なった角度の走査セクタをそれぞれカバーする空間 的にオフセットされた合計４つのビームを形成する。本発明は、Kinsey氏の文献 に記載されているようなディスクリートな位相シフタにより走査される多数の走 査ラインフィードを必要としない。結果的に、第２の軸における３６０°ジンバ ルと組合せられた複雑さのこの軽減は、アンテナの設計および製造費用を減少さ せる。二重フェライト走査ラインフィードと、スイッチングマトリクスと、およ びプレーナアレイアンテナを使用して広角走査を行うことによって、連続トラン スバーススタブ（ＣＴＳ）アンテナおよびシステムの性能が著しく改善される。 本発明は、高いミリメートル波周波数でより広い走査カバレージを得るために ２個の分布式フェライト走査ラインフィードを使用し、その場合には通常実現可 能なフェライト材料は活性度が低く、減少された走査能力を提供する。走査ライ ンフィードおよびプレーナアレイアンテナは、４つの走査セクタが連続し、それ によってアンテナの角度的な走査カバレージを少なくとも４倍増加させるように 設計されている。スイッチングマトリクスは、４つの各ＲＦポートに逐次的に放 射して４つの連続した走査セクタ上を走査する単一のビームを効率的に生成する ために使用される。 図面の簡単な説明 以下の詳細な説明および添付図面を参照することによって本発明の種々の特徴 および利点が容易に理解されるであろう。なお、図面において、同じ参照符号は 同じ構造素子を示す。 図１は、４πＭ_s＝５０００ガウスでフェライトラインスキャナについて計算 された走査カバレージ対周波数特性を示す。 図２は、４つのＲＦポート間でスイッチングを行うことにより、６０°にわた ってカバーする連続走査セクタがどのようにして生成されるかを示す。 図３ａおよび３ｂは、２つの走査ラインフィードによってエッジフィードされ る本発明によるプレーナアレイアンテナを示す。 図４は、３つのスイッチングフェライトサーキュレータを有するスイッチング マトリクスを示す。 図５および６は、走査ラインフィードが接地平面を通って連続トランスバース スタブアレイアンテナの並列板領域にどのようにして結合するかを示す。 図７は、三角形格子に入れ子にされた連続トランスバーススタブサブアレイか ら構成されたプレーナアレイアンテナを示す。 図８ａおよび８ｂは修正されたウッドウォード・ローソン（Woodward-Lawson ）合成を使用して設計された７７ＧＨｚの走査ラインフィードの計算された前方 放射および後方放射ビームパターンをそれぞれ示す。 詳細な説明 図面を参照すると、図１は、ほぼ５０００ガウスの利用可能な最大飽和磁化（ ４πＭ_s）により現用の技術水準のフェライト材料を使用する典型的な通常のフ ェライトラインスキャナについて達成可能な計算された走査カバレージ対周波数 のグラフを示す。図１のグラフは、いくつかのミリメートル波周波数における１ インチ当たりの微分位相シフトの測定されたデータに基づいている。９４ＧＨ ｚでほぼ６２５°／インチが得られた。あるアンテナ用途に対して６０°の大き さが要求される可能性があるが、これは約１２．６°の走査カバレージしか生成 しない。 図２は本発明によって生成される４つの連続走査セクタを示し、それらは０° 乃至＋１２．６°、＋１２．６°乃至＋２５．８°、＋２５．８°乃至＋４０． ８°および＋４０．８°乃至＋６０．７°をそれぞれカバーする。この数値は、 以下の式から導出される： θ_{n max}＝Ｓｉｎ^-1（nλΔφ／３６０） ここで、θ_{n max}は所定の走査セクタに対する最大走査角であり、ｎは走査セク タ（この例では１乃至４）であり、λはインチ単位での空気中の波長（９４ＧＨ ｚに対して０．１２５６インチ）であり、Δφはインチ当たりの度数で表された 微分位相シフト（６２５）である。 本発明は、走査アンテナ１０（図３ａおよび３ｂに示されている）の角走査カ バレージの合計を増加させるために図２に示されているように多数の連続走査セ クタ間において切換えを行い、本発明の出願人によって開発された連続トランス バーススタブアンテナ11のようなプレーナアレイ走査アンテナ10に適用される特 有の構成である。連続トランスバーススタブアンテナ11は、本出願人に譲渡され 、その開示内容がここにおいて全て参考文献とされている米国特許第5,266,961 号明細書に記載されている。本発明の原理はまた、連続していない広い間隔で分 離された、あるいは多数の同時的に走査されるセクタが所望された場合に使用さ れてもよい。 図３ａおよび３ｂはそれぞれ、本発明によるプレーナアレイアンテナ10の上面 図および側面図である。このプレーナアレイアンテナ10は、連続トランスバース スタブアンテナ11から構成され、このアンテナ11はその両側に沿って配置された ２つの走査ラインフィード12，13（フェライトラインスキャナ）によってエッジ 方向に供給される。スイッチングマトリクス14は、ＲＦポート14ａから走査ライ ンフィード12，13の各ポート15ａ乃至15ｄにＲＦ信号を供給するために使用され る。ＲＦエネルギは、走査ラインフィード12，13の並列板領域と連続トランスバ ーススタブアレイアンテナ11との間の共通の壁におけるスロット16（図6）を通 って結合する。連続トランスバーススタブアレイアンテナ11は、両方向性アレイ 励起合成を使用して、両側に沿ってフィードされたときに良好に成形されたビー ムを生成するためにラインフィード12，13と類似の方法で設計されている。スイ ッチングマトリクス14は、４つの各ＲＦポート15ａ乃至15ｄに順次フィードする 。走査ラインフィード12，13は、両側からプレーナアレイアンテナ11にフィード して、異なった角度の走査セクタをそれぞれカバーする空間的にオフセットされ た合計４つのビームを生成する。これによって、４つの連続した走査セクタ上を 走査する単一のビームが効率的に生成される。 ４方向スイッチングマトリクス14は、選択されたアンテナポート15ａ乃至15d にＲＦ信号を導く。図４は、単極４投（ＳＰ４Ｔ）スイッチングマトリクス14が 、３つのスイッチングフェライトサーキュレータ17を使用してどのようにして構 成されるかを示す。単一の狭帯域接合サーキュレータ17に対する一般的なＷバン ド性能により、０．４乃至０．６ｄＢの挿入損失と１８乃至２０ｄＢの分離が得 られる。大きい分離は、図４に示されているスイッチングマトリクス14のスイッ チアームに付加的な接合サーキュレータ17を配置することによって得られる可能 性があるが、それにしたがって挿入損失を増加させる。 図５および６は、複数の連続トランスバーススタブアレイアンテナ11（サブア レイ11）を非常に密な格子形態でパッケージ化するために使用されることのでき る適当な装置を示す。連続トランスバーススタブアレイアンテナ11の開口は互い に非常に近接しているため、図３に示されているように、走査ラインフィード12 ,13をこのアンテナ11のエッジに沿って配置することは物理的に不可能なので、 それらは開口またはアンテナ11の背後に位置される。ラインフィード12，13とア ンテナ11との間の結合は、共通した接地平面の壁を通って配置された結合スロッ ト16を使用して行われる。図６には、２つのタイプの結合スロット16が示されて おり、それは第１のフィード12において幅広の壁の中心線から交互にずらされた 縦方向の分路スロット16を含み、第２のフィード13において傾斜したスロット16 を含んでいる。フィードポート15ａ乃至15ｄをスイッチングマトリクス14に接続 する１８０°湾曲導波管18は、連続トランスバーススタブアンテナ11の開口の輪 郭から垂直方向に突出している。しかしながら、アンテナ11の裏面上のポケット 19 （図６に示されている）は、アンテナ11（サブアレイ11）が図７に示されている ように入れ子に組合わせられ、完全なプレーナアレイアンテナ10を形成すること を可能にする。 図８ａおよび８ｂは、長さが４．４９インチである７７ＧＨｚの両方向ライン フィード12,13の計算された前方放射および後方放射ビームパターンをそれぞれ 示す。修正されたウッドウォード・ローソン合成がラインフィード12,13を生成 するために使用され、指数関数が通常の一様な関数に置換されている。ビームパ ターンは最適化されないが、−３ｄＢの点で２．２°のビーム幅および２０ｄＢ より下でサイドローブという公称アレイ要求を満たす。前方放射ビームパターン は、１．０６ｄＢのテーパ損失、１．０６：１のＶＳＷＲ、および負荷中への３ ．６％電力を有する。後方放射ビームパターンは、１．１０ｄＢのテーパ損失、 １．０４：１のＶＳＷＲ、および負荷中への２．９％電力を有する。上述したよ うに、連続トランスバーススタブアレイアンテナ11を設計するために類似の両方 向アレイ励起合成が使用されてもよい。 本発明は、コーンの体積全体にわたる走査カバレージを安価に実現するために 構成されてもよい。これは、ロールジンバル（すなわち、“回転盤”）上に１次 元スキャナを取付けることによって行われてもよい。この装置により、１次元ス キャナは、頂角（すなわち、コーンのゼロ軸から傾斜角まで）の半分をカバーす るだけでよい。ジンバルが直交平面で回転するとき、走査ビームは円錐型走査空 間を“掃引”する。 元来、本発明は、１次元スキャナが０乃至６０°のカバレージを必要とする特 定の適用向けに開発された。しかしながら、本発明によって広角走査に対する別 のオプションが提供されてもよい。 たとえば、本発明は、側面（０°）に関して対称的な走査カバレージを提供す るために使用されてもよい。これは、たとえば前方監視自動車アンテナの一般的 な走査カバレージである。本発明のスキャナは、４つの連続的な走査セクタを有 するように変形されてもよく、それは０から±１２．５９°まで、および±１２ ．５９°から±２５．８５°まで走査し、このカバレージは前方監視自動車アン テナにとって望ましいものである。 本発明は、側面に関して非対称的な走査を行う走査カバレージを提供するため に使用されてもよい。艦載アンテナは、艦が下方にロールしたときに、高い仰角 でカバレージを調整するためにしばしば上方に向かって２０°程度傾斜される。 たとえば、上方に１２．５°傾斜されたアンテナは、−１２．５９°から＋４０ ．８５°までをカバーする４つの連続的な走査セクタを提供するように構成され てもよい。艦を安定させてローリング角を最大１０°に制限した場合、少なくと も＋３００の仰角カバレージが実現されてもよい。 本発明によって提供される４つの走査セクタは、連続している必要はなく、重 り合ってもよいし、あるいは角度的に分離していてもよい。２つの走査セクタが ビーム幅の約半分だけ空間的にオフセットされたビームと重り合っている場合、 ２つの隣接するビーム間のシーケンシャルなロービングによって走査差パターン が形成される。分離した走査セクタが望ましい一例は、航空機の下側に取付けら れた側視レーダである。走査カバレージは、±１２．５９°から±２５．８５° であり、ギャップは−１２．５９°と＋１２．５９°との間に存在する。 さらに、４つの走査セクタは順次走査されるのではなく、それらの任意のもの が同時に走査されてもよい。しかしながら、これには、図４に示されているＳＰ ４Ｔスイッチングマトリクス14とは異なったスイッチングマトリクスが必要であ る。同時的なビーム走査適用において、スイッチングマトリクス14は、任意の所 定の時間に１乃至４つのビームを同時にオンにするように設計されている。この ような同時スイッチングマトリクス14は通常のよく知られたものであり、当業者 により容易に設計されるため、ここでは説明しない。同時重畳ビームに関して、 上述の走査差パターンにはロービングが不要である。 以上、広角走査能力を有する改良されたプレーナアレイマイクロ波アンテナを 開示してきた。説明した実施形態は、本発明の原理の適用を表す多数の特定の実 施形態のいくつかの単なる例示に過ぎないことが理解されるであろう。当業者は 、本発明の技術的範囲を逸脱することなく多数の他の構造を容易に考えることが できることが明らかである。

【手続補正書】 【提出日】１９９９年５月２５日（１９９９．５．２５） 【補正内容】 請求の範囲 １．連続トランスバーススタブアレイアンテナ(11)と、 連続トランスバーススタブアレイアンテナの両側に沿って配置され、連続トラ ンスバーススタブアレイアンテナにＲＦ入力信号を供給する第１のＲＦポート（ １5a,15b)および第２のＲＦポート(15c,15d)をそれぞれ備えている第１および第 ２の走査ラインフィード(12,13)と、 アンテナのＲＦ入力ポート(14)と走査ラインフィードの各ポートとの間に結合 されたスイッチングマトリクス(14)とを具備し、 走査ラインフィードは、両側からプレーナアレイアンテナにＲＦエネルギを結 合して、異なった角度の走査セクタをそれぞれカバーする空間的にオフセットさ れた合計４つのビームを形成していることを特徴とするプレーナアレイマイクロ 波アンテナ。 ２．４つのビームは、４つの連続した走査セクタ上を走査する単一のビームを効 率的に生成する請求項１記載のアンテナ。 ３．ＲＦエネルギは、走査ラインフィード(12,13)の並列板領域と連続トランス バーススタブアレイアンテナ(11)との間の共通の壁におけるスロット(16)を通っ て結合される請求項１記載のアンテナ。 ４．走査カバレージは側面に関して対称的である請求項１記載のアンテナ。 ５．走査カバレージは側即に関して非対称的である請求項１記載のアンテナ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 レモンス、アラン・シー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90254、ハーモサ・ビーチ、アードモア・ アベニュ・ナンバー 414 1600 (72)発明者 コッペッジ、スチュアート・ビー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90266、マンハッタン・ビーチ、モーニン グサイド・ドライブ 1024 【要約の続き】 グマトリクスは、４つの各ＲＦポートに逐次的にフィー ドして４つの連続した走査セクタ上を走査する単一のビ ームを効率的に生成するために使用される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．連続トランスバーススタブアレイアンテナ(11)と、 連続トランスバーススタブアレイアンテナの両側に沿って配置され、連続トラ ンスバーススタブアレイアンテナにＲＦ入力信号を供給する第１のＲＦポート(1 5a,15b)および第２のＲＦポート(15c,15d)をそれぞれ備えている第１および第２ の走査ラインフィード(12,13)と、 アンテナのＲＦ入力ポート(14)と走査ラインフィードの各ポートとの間に結合 されたスイッチングマトリクス(14)とを具備し、 走査ラインフィードは、両側からプレーナアレイアンテナにＲＦエネルギを結 合して、異なった角度の走査セクタをそれぞれカバーする空間的にオフセットさ れた合計４つのビームを形成することを特徴とするプレーナアレイマイクロ波ア ンテナ(10)。 ２．４つのビームは、４つの連続した走査セクタ上を走査する単一のビームを効 率的に生成する請求項１記載のアンテナ(10)。 ３．ＲＦエネルギは、走査ラインフィード(12,13)の並列板領域と連続トランス バーススタブアレイアンテナ(11)との間の共通の壁におけるスロット(16)を通っ て結合される請求項１記載のアンテナ(10)。 ４．スイッチングマトリクス(14)は、４方向スイッチングマトリクス(14)によっ て特徴付けられる請求項１記載のアンテナ(10)。 ５．４方向スイッチングマトリクス(14)は、３つのスイッチングフェライトサ− キュレータ(17)によって特徴付けられる請求項１記載のアンテナ(10)。 ６．走査カバレージは側面に関して対称的である請求項１記載のアンテナ(10)。 ７．走査カバレージは側面に関して非対称的である請求項１記載のアンテナ(10) 。 ８．４つの走査セクタは重り合っている請求項１記載のアンテナ(10)。 ９．４つの走査セクタは互いに角度的に分離されている請求項１記載のアンテナ (10)。