JP2005525771A - アルキメデス螺旋を含むフェーズドアレイアンテナ素子アレイ及び関連方法 - Google Patents

Abstract

フェーズドアレイアンテナは、基板と該基板により支えられ且つ仮想アルキメデス螺旋に沿って配列された複数の間隔を置いて離れたフェーズドアレイアンテナ素子とを含むことが可能である。更に詳細には、仮想アルキメデス螺旋は複数のレベルを含み、仮想アルキメデス螺旋に沿ったフェーズドアレイアンテナ素子の隣接対間の間隔は隣接レベル間の径方向の間隔に実質的に等しいことが可能である。

Description

本発明は、通信の分野に関し、特に、フェーズドアレイアンテナ及び関連する方法に関する。

アンテナシステムは、地上ベースの用途（例えば、セルラーアンテナ）と航空機用途（例えば、飛行機又は人工衛星のアンテナ）の両方において広く使用されている。例えば、適応アレイアンテナシステム又はフェーズドアレイアンテナシステムのような、所謂“スマート”アンテナシステムは、通信信号（例えば、マイクロ波信号、ＦＲ信号等）を送信及び／又は受信するために、複数のアンテナ素子の出力を信号処理能力と結び付ける。結果として、そのようなアンテナシステムは、性能特性を改善するために信号環境に応じて通信信号の方向（即ち、“ビームステアリング”）又は 送信又は受信パターン（即ち、“ビーム整形”）を変えることができる。

技術の発達及び小型化素子制御回路構成の結果として、例えば、フェーズドアレイアンテナにおけるアンテナ素子の密度は増加の一途を辿っている。同じ表面の面積内のアンテナ素子数を増加させることにより著しい優位性を実現することが可能である一方、互いに接近し過ぎている多数のアンテナ素子を集めることに対する潜在的問題点が存在する。

特に、主信号光が特定の角度で進むとき、信号再度ローブは特定のアンテナにより生じる。これらのサイドローブは、主信号光との不所望の干渉を引き起こす。特定の環境において、サイドローブは、主信号光の強度又は利得に等しい強度又は利得を有することが可能であり、一般に、“グレーティングローブ”と呼ばれ、特に問題がある。

アンテナ素子のパターンを変えることによりフェーズドアレイアンテナにおけるグレーティングローブ及び／又は高利得サイドローブを減少させるための試みが、先行技術においてなされてきた。そのような方法の１つは、非同調アンテナ素子アレイを使用することである。非同調アレイを有するフェーズドアレイアンテナの例は、本発明の譲受人に譲渡された、Ｈｉｌｄｅｂｒａｎｄ等による米国特許第６，１４７，６５７号明細書に開示されている。そのアレイのアンテナ素子は、アレイにおける素子間の角度分離及び線形分離を解除する不等間隔円形分布を有する。アレイのアンテナ素子間において特別な相互関係を伴わないで、サイドローブは有利に減少される。

上記の特許に記載されたフェーズドアレイアンテナ構造は当該技術分野において著しい発達を提供する一方、例えば、非同調アレイによる機能における１つの困難性は、使用されるアンテナ素子の数が変わるにつれて、デザインが必然的に変わることである。即ち、アンテナ素子の数が一のデザインから次のデザインに変わるとき、アンテナ素子間の相対間隔及び角度が著しく変わる。従って、非同調アレイは、一のアプリケーションから次のアプリケーションに容易にスケーリング可能でなく、それ故、広範囲のアドホック又は再デザインが各々の新しいアプリケーションと共に必要である。更に、比較的大きい数のアンテナ素子を使用するとき、必要とされる多数の位置及び角度の計算が厄介である。

サイド／グレーティングローブを減少させる他の試みが又、先行技術において用いられてきた。例えば、Ｄｏｕｇｈｅｒｔｙによる米国特許第５，８３８，２８４号明細書は、対数（即ち、等角）螺旋形状に配列されたアンテナ素子を有するフェーズドアレイアンテナについて開示している。そのようなデザインは、デザインするためには、非同調アレイより厄介ではなく、そのようなアンテナが光を導くために使用されるとき、そのようなアンテナは、尚も、広い走査角度において高利得サイドローブ又はグレーティングローブを被る。

他の関連する例は、Ｕｎｄｅｒｂｒｉｎｋによる米国特許第６，２０５，２２４号明細書においてみられる。その明細書は、対数螺旋が複数の同心円と交差する、対数螺旋上に位置付けられるアンテナ素子を有するアレイについて開示している。しかし、この方法は又、サイドローブを減少させる支援をすることが可能である一方、異なる数のアンテナ素子と表面の面積の変更とが利用可能である場合に、一のデザインから他のデザインに容易にスケーリングすることは可能ではない。それ故、各々の新しいアンテナアレイにより、かなりのデザインの時間が尚も必要とされる。

それ故、上記の問題点に鑑みて、本発明の目的は、グレーティングローブ及び／又は高利得サイドローブの発生を減少させ、多くのアプリケーションのために比較的容易にスケーリングすることが可能であるアレイを有するフェーズドアレイアンテナを提供することである。

本発明に従った、この及び他の目的、特徴及び優位性は、基板により支持され且つ仮想アルキメデス螺旋に沿って配列される、複数の間隔を置いたフェーズドアレイアンテナ素子と基板を有するフェーズドアレイアンテナにより提供される。更に詳細には、仮想アルキメデス螺旋は複数のレベルを有することが可能であり、仮想アルキメデス螺旋に沿ったフェーズドアレイアンテナ素子の隣接対間の間隔は、隣接レベル間の径方向の間隔と実質的に等しい。

仮想アルキメデス螺旋は極座標式ｒ＝ａθ^Ｎにより規定されることが可能であり、ここで、ｒは半径、θは角度、ａとＮは実数であって、好適にはＮは１に等しい。更に、フェーズドアレイアンテナは、動作波長λを有することが可能であり、フェーズドアレイアンテナ素子の隣接対間の間隔は約１０λより小さくすることが可能である。更に、複数のフェーズドアレイアンテナ素子は、仮想アルキメデス螺旋に沿って実質的に等しい間隔を有することが可能であり、その実質的に等しい間隔は又、約１０λより小さくすることが可能である。

特に、複数のフェーズドアレイアンテナ素子は、約２０個より多いフェーズドアレイアンテナ素子を有することが可能である。更に、実質的に全ての複数のフェーズドアレイアンテナ素子は、仮想アルキメデス螺旋に沿うことが可能である。

フェーズドアレイアンテナは、ビームステアリングを与えるために複数のフェーズドアレイアンテナ素子と協働するために少なくとも１つの制御器を更に有することが可能である。例えば、その少なくとも１つの制御器は、少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナ素子に各々接続される複数の素子制御器と、複数の素子制御器に接続される中央制御器とを有することが可能である。

本発明の方法の特徴は、上で簡略に述べたようなフェーズドアレイアンテナを作製するためのものである。この方法は、基板を提供する段階と、仮想アルキメデス螺旋に沿って基板上に複数のフェーズドアレイアンテナ素子を配列する段階とを有することが可能である。アルキメデス螺旋は複数のレベルを有することが可能であり、配列する段階は、隣接レベル間の径方向間隔に実質的に等しい仮想アルキメデス螺旋に沿ってフェーズドアレイアンテナ素子の隣接対間の間隔を設定する手順を有することが可能である。

更に詳細には、上記のように、仮想アルキメデス螺旋は、極座標式ｒ＝ａθ^Ｎにより規定され、ここで、ｒは半径、θは角度、ａ及びＮは実数であり、好適にはＮは１に等しい。更に、配列する段階は、約１０λより小さい隣接対間の間隔を有するように複数のフェーズドアレイアンテナ素子を配列する手順を有することが可能であり、ここで、λはフェーズドアレイアンテナの操作波長である。更に、配列する段階は、又１０λより小さくすることが可能である、仮想アルキメデス螺旋に沿って実質的に等しい間隔を有するように複数のフェーズドアレイアンテナ素子を配列する手順を有することが可能である。数多くのフェーズドアレイアンテナ素子は、例えば、約２０乃至２００の範囲内とすることが可能である。又、配列する段階は、仮想アルキメデス螺旋に沿って実質的に全ての複数のフェーズドアレイアンテナ素子を配列する手順を有することが可能である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態を示して、本発明について詳細に説明することとする。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態を具現化することが可能であり、以下に述べる実施形態に限定されるように意図されるものではない。むしろ、本発明の開示は徹底的なものとし、当業者に本発明の範囲を十分に説明するように、それらの実施形態を提供する。同じ参照符号は、一貫して同じ構成要素を表すこととする。

最初に図１を参照するに、フェーズドアレイアンテナ１０は、基板１０と、基板により支持される間隔を置いた複数のフェーズドアレイアンテナ素子１２とを有する。ここで用いる“基板”は、当業者に理解されるであろうように、フェーズドアレイアンテナ素子を支持するために適するいずれの表面であって、機械化構造等をいう。本発明に従って、アンテナ素子１２は、仮想アルキメデス螺旋１３に沿って有利に配列される。更に好適には、実質的に全ての複数のフェーズドアレイアンテナ素子１２が仮想アルキメデス螺旋１３に沿っているが、他の配列を一部の実施形態において用いることが可能である。

当業者に理解されるであろうように、アルキメデス螺旋は極座標式、
ｒ＝ａθ^Ｎ （１）
により規定されることが可能であり、ここで、ｒは半径、θは角度、ａ及びＮは実数である。所定のアルキメデス螺旋の特定形状は、数Ｎを選択することにより規定される。図１に示す仮想アルキメデス螺旋１３については、例えば、Ｎは１に等しく、これも又、アルキメデス螺旋として知られている。理解可能であるように、アルキメデス螺旋は、仮想アルキメデス螺旋１３のレベル１４乃至１７の間において、等しい径方向の間隔（図に示す例におけるｘ）を有する。値ａは、その間隔がどれ位密であるかを決定する。即ち、当業者に理解されるであろうように、値ａは、間隔ｘがどれ位であるかを決定する。

この対称性は、上記のように、一部の先行技術のアンテナアレイにおいて使用された対数螺旋と対象させることが可能である。１つのみのレベルが存在する円の、特別な場合を除いて、対数螺旋の外側のレベルは、互いに連続して径方向に遠ざかるよう間隔を置くこととなる。換言すれば、対数螺旋の外側のレベル間の径方向の距離は、その内側のレベル間より大きい。束縛されることを望まないが、径方向の距離は、一部のアプリケーションにおける広い走査角で高利得サイドローブ又はグレーティングサイドローブをももたらす対数螺旋素子アレイにおける種々のレベル間の対称性の違いである、と出願人は理論付ける。勿論、この問題は、より多くのレベルとアンテナ素子とを有するより大きい対数螺旋が用いられるにつれ、特に重大になる。

特定のアプリケーションにおいて用いられるレベル１４乃至１７の数は、例えば、利用可能な表面の面積とアンテナ素子の数とに依存する。４つのレベル１４乃至１７のみを図１に例証として示しているが、本発明に従っていずれのレベル数を用いることが可能であることが理解されるであろう。又、本発明に従って、１以外の値を式（１）における数Ｎ
に対して用いることが可能である。

フェーズドアレイアンテナ素子１２は、好適には、仮想アルキメデス螺旋１３に沿って実質的に等しい間隔を有するが、等しくない間隔が又、一部の実施形態において、用いられる。更に、フェーズドアレイアンテナ素子１２の隣接対間の間隔ｘは、隣接レベル間の径方向の間隔ｘに実質的に等しくすることが可能である。これは、当業者に理解されるであろうように、値ａをｘ／２ｎに等しく設定することにより達成されることが可能である。又、この配列は、デザインが多かれ少なかれフェーズドアレイアンテナ素子１２を有するようにかなり速く修正することができるという点で、この配列は、異なるアンテナ間の比較的容易なスケーリングを可能にすることが理解されるであろう。勿論、隣接フェーズドアレイアンテナ素子１２間の間隔とレベル１４乃至１７巻の径方向間隔とは一部の実施形態において異なることが可能である。

更に、フェーズドアレイアンテナ素子１２の隣接対間の間隔は、本発明に従って、フェーズドアレイアンテナ１０における動作波長λの約１０倍の波長又はそれ以上に、有利にスケーリングされることが可能である。例えば、図１に示した例証としての実施形態においては、図１の縦軸及び横軸に示している波長スケールに関して理解可能であるように、フェーズドアレイアンテナ素子１２間の間隔ｘは５λである。

従って、その結果、本発明は、例えば、関連する送信／受信回路構成及び／又は制御回路構成に適応させるために、フェーズドアレイアンテナ素子１２間に間隔が多かれ少なかれ必要とされるアレイに対して、有利に用いられることが可能である。即ち、レベル１４乃至１７間の半径方向の間隔、及び仮想アルキメデス螺旋１３に沿ったフェーズドアレイアンテナ素子１２間の間隔の両方は、当業者に理解されるであろうように、広範囲のアドホック又は再デザインの必要性を伴わずに、異なるアプリケーションに適応するようにスケーリングされることが可能である。

それ故、又、本発明のフェーズドアレイアンテナ１０は、多数のフェーズドアレイアンテナ素子１２を有するように、比較的容易にスケーリングされることが可能であることが理解されるであろう。例として、約２０個より多い範囲のフェーズドアレイアンテナ素子１２を、好適に使用することが可能であるが、一部の実施形態においては、少ない数のフェーズドアレイアンテナ素子を用いることが可能である可能性がある。

図１に示す実施形態においては、仮想アルキメデス螺旋１３に沿って配列された６４個のフェーズドアレイアンテナ素子１２がある。勿論、当業者に理解されるであろうように、例えば、特定の実施形態において効率性を増加させる支援をするために、仮想アルキメデス螺旋１３の中央のような、基板１１における他の位置に、他のフェーズドアレイアンテナ素子１２を置くことが可能である。勿論、不所望のサイドローブ及び／又はグレーティングローブがそのような位置からもたらされないことが確実であるように、注意が払われる必要がある。

ここで、図２を参照するに、フェーズドアレイアンテナ１０は、当業者に理解されるであろうように、他の機能間でビームステアリングを提供するために、複数のフェーズドアレイアンテナ素子１２と協働するための少なくとも１つの制御器を更に有することが可能である。更に詳細には、その少なくとも１つの制御器は、少なくとも１つのフェーズドアレイアンテナ素子１２に各々接続される複数の素子制御器２０と、複数の素子制御器に接続される中央制御器２１とを有することが可能である。

図２に例証として示すように、例えば、各々のフェーズドアレイアンテナ素子１２のためのそれぞれの素子制御器２０が存在するが、素子制御器は、一部の実施形態において２つ以上のフェーズドアレイアンテナ素子を制御するために使用されることが可能である。更に、比較的多数のフェーズドアレイアンテナ素子１２が使用される実施形態においては、当業者に理解されるであろうように、制御器の付加的レベルが又、用いられることが可能である。勿論、又、他の制御装置構成を用いることが可能である。

上記のように、本発明のフェーズドアレイアンテナ１０は、特に、ビームステアリングの間の広いビーム角において、高利得サイドローブ及び特にグレーティングローブを、有利に減少させる。このことは、図１のフェーズドアレイアンテナ１０についての利得対方位について示す図３のグラフを調べることにより、更に理解されるであろう。上記のように、６４個のフェーズドアレイアンテナ素子１２が、仮想アルキメデス螺旋１３に沿って、５λの間隔を置いて用いられた。この例においては、主信号光３０がビーム水平軸に沿って走査される。０ｄＢの利得を有する、１１１°の方位角、９０°の仰角（ボアサイトからの角度）にステアリングされた主信号ビーム３０により生じた最も大きい結果としてのサイドローブ３１は、利得が−６．０９ｄＢであって、方位角１５．６°、仰角３６．９°であった。

その結果、本発明は、広範囲のアドホックまたは差異デザインの必要性を伴わずに、種々のフェーズドアレイアンテナデザイン間で、比較的容易なスケーリング性を、有利に提供する。更に、スケーリング性の容易さのために、１０λまで又はそれ以上の比較的大きい（又は、小さい）間隔が、より大きい（又は、小さい）送信／受信及び／又は制御回路構成に適応するように、フェーズドアレイアンテナ素子１２間に与えられることが可能である。種々の波長間隔についての、本発明に従って提供される有利な周波数特性を示すグラフを、図４に例証として示している。

本発明の方法の特徴は、上記のようなフェーズドアレイアンテナ１０を作製するためのものである。この方法は、基板を与える段階と仮想的アルキメデス螺旋１３に沿った基板上の複数のフェーズドアレイアンテナ素子を配列する段階とを有することが可能である。アルキメデス螺旋は複数のレベル１４乃至１７を有することが可能であり、配列する段階は、隣接レベル間の径方向間隔ｘに実質的に等しくするように隣接対のフェーズドアレイアンテナ１２間の間隔を設定する手順を含むことが可能である。

更に詳細には、仮想アルキメデス螺旋１３は極座標式ｒ＝ａθ^Ｎにより規定されることが可能であり、ここで、ｒは半径、θは角度、ａとＮは実数であって、好適にはＮは１に等しい。更に、配列する段階は、例えば、約１０λより小さいことが可能である仮想アルキメデス螺旋に沿って実質的に等しい間隔ｘを有するように複数のフェーズドアレイアンテナ素子１２を配列する手順を含むことが可能である。フェーズドアレイアンテナ素子１２は、上記のように、約２０より大きいことが可能である。勿論、配列する段階は、基板１１及び仮想アルキメデス螺旋１３において各々の複数のフェーズドアレイアンテナ素子１２を配列する手順を有することが可能である。

本発明の多くの修正と他の実施形態が、上記の説明及び関連する図面に提供した教示の利益を得る当業者に考え付くことであろう。従って、本発明は上記の具体的な実施形態に限定されるものではなく、そのような修正及び実施形態は同時提出の請求の範囲内に含むとするものである。

本発明に従ったフェーズドアレイアンテナの模式的平面図である。 図１のフェーズドアレイアンテナの模式的ブロック図である。 図１のフェーズドアレイアンテナを用いて特定のビームステアリング角のための規格化利得対方位角を示すグラフである。 本発明に従ったフェーズドアレイアンテナに対する種々のアンテナ素子間隔に応じた周波数を示すグラフである。

Claims (25)

1. 基板；及び
   前記基板により支えられ且つ仮想アルキメデス螺旋に沿って配列された、複数の間隔を置いて離れたフェーズドアレイアンテナ素子；
   を有することを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
2. 請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナであって、仮想アルキメデス螺旋は複数のレベルから構成される、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
3. 請求項２に記載のフェーズドアレイアンテナであって、仮想アルキメデス螺旋に沿ったフェーズドアレイアンテナ素子の隣接対間の間隔は隣接レベル間の径方向の間隔に略等しい、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
4. 請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナであって、仮想アルキメデス螺旋１３は極座標式ｒ＝ａθ^Ｎにより規定され、ここで、ｒは半径、θは角度、ａは実数、及びＮ＝１である、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
5. 請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナであって、前記複数のフェーズドアレイアンテナ素子は仮想アルキメデス螺旋に沿って実質的に等しい間隔を有する、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
6. 請求項５に記載のフェーズドアレイアンテナであって、フェーズドアレイアンテナは動作波長λを有し、実質的に等しい間隔は約１０λより小さい、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
7. 請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナであって、フェーズドアレイアンテナは動作波長λを有し、フェーズドアレイアンテナ素子の隣接対間の間隔は約１０λより小さい、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
8. 請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナであって、前記複数のフェーズドアレイアンテナ素子は２０個より多いフェーズドアレイアンテナ素子により構成される、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
9. 請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナであって、ビームステアリングを提供するために前記フェーズドアレイアンテナ素子と協働する少なくとも１つの制御器から構成される、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
10. 請求項９に記載のフェーズドアレイアンテナであって、前記少なくとも１つの制御器は：
    少なくとも１つの前記フェーズドアレイアンテナに各々接続された複数の素子制御器；及び
    前記素子制御器に接続された中央制御器；
    から構成される、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
11. 請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナであって、フェーズドアレイアンテナの複数のフェーズドアレイアンテナ素子の実質的に全ては仮想アルキメデス螺旋に沿っている、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
12. 基板；及び
    前記基板における複数の間隔を置いて離れたフェーズドアレイアンテナ素子であって、実質的に全ての前記フェーズドアレイアンテナ素子が複数のレベルから構成される仮想アルキメデス螺旋に沿って配列され、仮想アルキメデス螺旋に沿ったフェーズドアレイアンテナ素子の隣接対間の間隔は隣接レベル間の径方向の間隔に実質的に等しい、複数の間隔を置いて離れたフェーズドアレイアンテナ素子；
    から構成されることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
13. 請求項１２に記載のフェーズドアレイアンテナであって、仮想アルキメデス螺旋１３は極座標式ｒ＝ａθ^Ｎにより規定され、ここで、ｒは半径、θは角度、ａは実数、及びＮ＝１である、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
14. 請求項１２に記載のフェーズドアレイアンテナであって、フェーズドアレイアンテナは動作波長λを有し、フェーズドアレイアンテナ素子の隣接対間の間隔は約１０λより小さい、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
15. 請求項１２に記載のフェーズドアレイアンテナであって、前記複数のフェーズドアレイアンテナ素子は２０個より多いフェーズドアレイアンテナ素子により構成される、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
16. 請求項１２に記載のフェーズドアレイアンテナであって、ビームステアリングを提供するために前記フェーズドアレイアンテナ素子と協働する少なくとも１つの制御器から構成される、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
17. 請求項１６に記載のフェーズドアレイアンテナであって、前記少なくとも１つの制御器は：
    少なくとも１つの前記フェーズドアレイアンテナに各々接続された複数の素子制御器；及び
    前記素子制御器に接続された中央制御器；
    から構成される、ことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。
18. フェーズドアレイアンテナを作製するための方法であって：
    基板を提供する段階；及び
    仮想アルキメデス螺旋に沿って、基板において複数のフェーズドアレイアンテナ素子を配列する段階；
    から構成されることを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載の方法であって、仮想アルキメデス螺旋は複数のレベルから構成される、ことを特徴とする方法。
20. 請求項１９に記載の方法であって、配列する段階は、隣接レベル間の径方向の間隔に実質的に等しいように仮想アルキメデス螺旋に沿ってフェーズドアレイアンテナ素子の隣接対間の間隔を設定する手順から構成される、ことを特徴とする方法。
21. 請求項１８に記載の方法であって、仮想アルキメデス螺旋１３は極座標式ｒ＝ａθ^Ｎにより規定され、ここで、ｒは半径、θは角度、ａは実数、及びＮ＝１である、ことを特徴とする方法。
22. 請求項１８に記載の方法であって、配列する段階は、仮想アルキメデス螺旋に沿って実質的に等しい間隔を有するようにフェーズドアレイアンテナの複数のフェーズドアレイアンテナ素子の実質的に全てを配列する手順から構成される、ことを特徴とする方法。
23. 請求項２２に記載の方法であって、フェーズドアレイアンテナは動作波長λを有し、実質的に等しい間隔は約１０λより小さい、ことを特徴とする方法。
24. 請求項１８に記載の方法であって、フェーズドアレイアンテナは動作波長λを有し、配列する段階は約１０λより小さいようにフェーズドアレイアンテナ素子の隣接対間の間隔を設定する手順から構成される、ことを特徴とする方法。
25. 請求項１８に記載の方法であって、複数のフェーズドアレイアンテナ素子は約２０個より多いフェーズドアレイアンテナ素子から構成される、ことを特徴とする方法。

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