JP2005526437A - レンズと反射器アセンブリを有する走査型指向性アンテナ - Google Patents

Abstract

機械的に走査される指向性アンテナ、特に、走査ビームアンテナに関する。アンテナは誘電体レンズと反射表面の回転可能結合体に電磁エネルギーを伝達するための供給部からなる。誘電体レンズと反射面の結合体は、レンズ／反射面アセンブリの回転に応答するアンテナビームの走査を支持するため、ホーンのようなエネルギー給電部の近傍および前面に配置される。レンズは典型的には誘電体材料からなり、反射面は電磁エネルギーを反射するように作用する薄い材料層からなる。例えば、レンズは半円筒形の誘電体材料からなり、反射面は半円筒レンズの平坦部に適用される。代案として、アンテナは２つ以上の電磁供給部と、中心に埋め込まれた２面の反射表面を含む誘電体材料の円筒レンズからなる。位置決めシステムはレンズと電磁供給部の近傍および前面の反射材料の結合体を回転するように使用可能である。

Description

本発明は全般的に機械走査型指向性アンテナに関する。特に、本発明は広視野範囲を走査するためレンズとミラーのような反射表面の回転可能な結合物を使用している走査型ビームアンテナに関する。

全方向性アンテナは単一ビームで３６０度の視野角をカバーする。狭方位角ビーム幅を有する指向性アンテナは利得を増加し又は指向性情報を提供するために使用できる。例えば、１０度、半出力ビームアンテナは同じ仰角ビーム幅を有する“オムニ（全方向性）”アンテナ以上のほぼ１５ｄＢ利得を有する。図１Ａおよび図１Ｂはこの利得差を強調しており、１８０度の視野角でアンテナ有効範囲を維持するため複数の狭ビームの使用を示している。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、１０度の狭方位角ビーム１４により特徴付けられたアンテナは全方向性アンテナの典型的なパターン１２と比較される場合の増加した利得を典型的に示す。広視野角で指向性アンテナのこの所望の利得増加を得るために、複数の狭方位角ビーム１６は１８０度の視野角をカバーするために機械的に又は電子的に走査される。

走査型アンテナは２つの形態の一方、例えば、電子走査又は機械走査で典型的に実施される。電子走査型アンテナは通常電子ＲＦスイッチ又は位相制御装置を含むビーム形成ネットワークを要求する。機械走査型アンテナは要求される視野角で異なる方向で指向性アンテナを回転し又は位置決めするためにモータを典型的に利用している。機械走査型アンテナは通常電子走査型アンテナより製造するのに安価であるが、可動部品の使用により走査能力が遅く且つ信頼性が低い。

図２は狭ビームを走査するための典型的な反射ミラーを有するアンテナを例示している。ミラー型反射器は小視野範囲で狭ビームを走査するために使用されてきた。ＲＦエネルギーは通常ミラーから離れてコリメート（平行に）され、もしミラーが大きな角度だけ傾斜すると、スピルオーバ損失を発生する。図２に示されるように、フレアアンテナは電磁エネルギーをアンテナ伝達軸から離間するように方向付けるためミラー２２のような反射面により反射される電磁信号を発生する。フレアホーン２０の出力スロットの近傍でミラー２０を回転することにより、電磁エネルギーが比較的小さい視野角の範囲で走査される。角度θはミラー２２とミラーの反射面により反射されるビームＢの反射軸間の角度を規定する。角度θでミラー２２の反射面から電磁エネルギーを反射するため、ミラー２２の長さＬはホーンスパンＨと角度θの比により規定される。ミラー２２の長さは以下の式１で規定される。

例えば、もし角度θが４５度であると、長さＬは１．４１ｘＨにより規定される。もし角度θが６０度であると、長さＬは２．０ｘＨにより規定される。もし角度θが７５度であると、長さＬは３．９ｘＨにより規定される。

機械追尾アンテナは典型的には位置の知識又はフィードバックでモータ駆動回転を使用し、１つのビーム位置から次のビーム位置を向け且つ滞在させるために命令される。もしユーザアプリケーションが同一の視野角の繰り返し急速走査を要求すると、ほとんどの機械走査型アンテナは逆方向の次の加速を可能にするため走査の終わりで減速することにより効率を失う。角運動量を逆にする時間非効率の他に、逆回転は位置決めシステムにコストと複雑さを追加し、位置決めシステムのベアリングと継ぎ手の磨耗とストレスの原因となる。

図３に示されるように、より簡単で低コストの追尾法は連続回転、機械走査型システムにより提供される。ホーンアンテナ３２はモータ３６により駆動されるＲＦ回転継ぎ手３４により伝達軸の周りを回転可能である。ホーンアンテナ３２の回転は所定の視野角に沿った狭ビームの走査になる。例えば、方位角角平面での１０度のビームで１８０度の視野角を走査するため、ホーンアンテナ３２はＲＦ回転継ぎ手３４およびモータ３６により完了する減速および加速動作に基づいて走査の方向を逆にすることによりオプション１に従って回転可能である。変形例において、ホーン３２はオプション２に従って狭ビームの連続走査を発生するために回転可能であり、所望のアンテナ有効範囲が１８０度である場合“不感”時間になる。オプション２が同一方向の再走査の利点を有するので、復旧期間は所望のアンテナ有効範囲が３６０度以下である場合アンテナの動きから生じる。特定の指示方向を再訪する待ち時間は、連続回転アンテナがその回転の復旧時間内である場合、目標の遮断された動きのため衝突警報レーダ又はミサイル探知レーダにおいて望ましくない。復旧時間はより早いアンテナの回転により減少できるが、これはコストを増加させ、信頼性を減少させ、より高い角回転レートによる目標の“滞留”時間を減少させる。

前述について考えると、広い視野角でアンテナビームを効率的に走査できる改良されたアンテナを求める技術において要望がある。さらに、複雑な位置決めシステムを要求しない信頼可能な方法で広い視野角で狭いビームを走査できる機械走査型アンテナを提供するための技術において要求がある。特定の指示方向の再走査を要求する用途のための近瞬時リセット又は“フライバック”能力を示す機械走査型指向性アンテナの技術において更なる要求がある。本発明は比較的広い視野角で狭いビームを走査するためミラーのような反射面を有する回転誘電体レンズを有する少なくとも１つの供給部からなるアンテナを提供することにより技術的にこれらおよび他の要求に対処するものである。

本発明は、電子走査型アンテナの高い信頼性および近瞬時リセット又は“フライバック”能力を有する低コスト機械走査型アンテナの所望の特性を達成することにより、従来技術の要求に対処するものである。本発明は信号源近傍に配置された反射レンズ／ミラーアセンブリを回転することにより広視野角を走査できる低コスト、高信頼度の機械走査型指向性アンテナを提供する。ライン源のような信号源を静止状態に維持し、レンズ／ミラーアセンブリを走査することにより、ＲＦ回転継ぎ手又はフレキシブル伝達ラインおよび増幅器スリップリングの必要性がアンテナ設計のために除去される。レンズはレンズの平坦部位に適用された金属ホイルテープのような反射表面又はミラーを有する定数Ｋ誘電体円筒の半分として実施される。例えば、平行板ホーンはホーン出力スロットの近傍に且つアンテナビームのための伝達軸内に位置決めされたレンズ／ミラーアセンブリを回転することにより１８０度の方位角面を走査できる。このミラーの後部に第２の半円筒レンズの取付は２つ以上の指向性ビームの発生を支持でき、それにより対向するホーンの対の使用で３６０度の同時走査を達成する。２つ以上のホーン間の単一送信器の出力の切替は“フライバック”再走査能力を可能にする。

一般に、本発明は電磁エネルギーを伝達するための供給部および誘電体レンズと反射表面の回転可能な結合体とからなるアンテナを提供する。反射レンズ／ミラーとして記載される誘電体レンズと反射表面の結合体はエネルギー供給部の近傍および前面に配置される。これは、反射レンズ／ミラーが所望の視野角内の得られたビームを走査するため所望の範囲で回転するので、電磁エネルギーの反射を支持する。本発明の１態様において、エネルギー供給部は平行板ホーンにより提供され、且つ誘電体レンズは半円筒形である。反射面は典型的には反射レンズ／ミラーアセンブリを形成するため半円筒レンズの平坦表面の近傍に配置される。レンズの円筒部はエネルギー供給部に面し、レンズの半径よりわずかに超える分だけレンズの平坦表面に沿って位置決めされた反射面をエネルギー源から分離する。反射レンズ／ミラーアセンブリはベルトドライブに結合されたモータのような機械回転機構によりエネルギー源の周囲を回転できる。反射レンズ／ミラーアセンブリを９０度の範囲で回転することにより、平行板ホーンはほぼ１８０度の範囲で狭ビームを走査する。アンテナ走査速度角運動はレンズミラーの回転速度／運動の２倍である。

本発明の他の態様において、第２半円筒レンズは１対の半円筒レンズ間に位置決めされた反射表面からなる円筒レンズを形成するため反射表面の後部の近傍に配置される。ホーンアンテナのような２以上のエネルギー供給部は円筒レンズ／反射表面アセンブリの回転に応答して広視野角を走査する２以上の指向性ビームを提供するため円筒レンズと反射面のこの回転可能な結合体の近傍に配置される。スイッチは“フライバック”再走査動作を可能にするため２つ以上のエネルギー供給部間の信号源を切り替えるために使用できる。

本発明がエネルギー供給部およびレンズと反射面の回転可能な結合体からなるアンテナを提供することは典型的実施例と添付の図面の以下の詳細な記述から明らかになるであろう。

一般的に説明すると、本発明は指向性ビームおよび走査装置のための位相コリメータとして半円筒レンズ又は円筒レンズおよび反射面からなる回転レンズ／ミラーを利用している。第２供給部、ＲＦスイッチ、および連続回転モータを追加することにより、走査アンテナは瞬時リセット又はフライバックで１８０度視野角をカバーできる。レンズの平坦表面に適用されるミラー付の半円筒レンズを回転することにより、通常の走査ミラー板アンテナのスピルオーバ損失が減少し、ミラー寸法が最小化される。供給部の数の増加、誘電体レンズの押し出し、ねじれ形ミラーの使用は単一の一定ＲＰＭモータで瞬時リセット能力を維持しながら視野角を減少できる。円筒レンズの直径は回転面のアンテナビーム幅を設定するために使用される。供給源は導波管ホーンで又は電源デバイダにより供給されるダイポール素子のアレイである。

ミラーのような反射面の使用はミラー／レンズの回転と相対的なアンテナビームの回転を２倍にする。例えば、９０度のレンズ／ミラー回転は１８０度のアンテナビームの回転になる。同様に、０から９０度の有効範囲は４５度のレンズ／ミラー有効範囲のみで達成できる。この設計は３６０度回転方位角ターンテーブルの上部で１５度から９０度の仰角有効範囲を提供するため円筒レンズの半分が水平方向のミラーで使用できる低プロフィール移動衛星端末のための理想的な候補を提供する。レンズ／ミラー位置は位置フィードバックを有するオープンループステッパモータ又はサーボモータのような回転位置決めシステムで制御できる。

典型実施例は単一走査ホーンの待ち時間の半分で視野角の走査を支持するため組み込まれた２面側面反射面を有する円筒誘電体レンズを回転する。２個のアクティブホーンを使用することにより、３６０度の範囲での任意の角方向はこのレンズ／ミラーアセンブリの一回転中に４回ビームにより滞在される。スイッチマトリクスを有する２個のホーンを使用することにより“不感”時間が無くレンズ／ミラー回転当たり４回１８０度視野角を更新することを可能にする。待ち時間はビームがＲＦスイッチの速度で１８０度の走査の終了から走査の開始にフライバックする能力により更に減少する。このスイッチング時間は機械スイッチで数ミリ秒、フェライトスイッチングサーキュレータで数マイクロ秒、又はＲＦダイオードスイッチで数ナノ秒になる。４個のアクティブホーンを使用すると、３６０度の角方向はレンズ／ミラーアセンブリの回転当たり８回更新できる。スイッチマトリクスを追加することによりレンズ／ミラーアセンブリの１回転で８回分９０度視野角の走査を可能にする。

互いに１８０度対向し電子ＲＦスイッチにより接続された２つの供給部の組み込みはホーンＡおよびホーンＢ間を切り替えることにより、元の位置に戻るビームの近瞬時リセットを可能にする。これは一定ＲＰＭモータの使用を可能にし、一定走査アンテナに通常関係する復旧時間を除去する。１８０度の視野角はレンズ／ミラーアセンブリの単一の回転で４回走査できる。

２供給部設計は回転レンズ／ミラーアセンブリの片側に追加供給部を配置することにより４供給部に拡張可能である。これにより、９０度の視野角が一定ＲＰＭモータおよび零不感時間で連続的に走査可能となる。“瞬時”再スタート又はフライバックは４個のホーン間を切り替えることにより達成される。

一般に、任意の視野角において、供給部の数は以下のように式２により与えられる。
式２： Ｎ_ｆｅｅｄ＝３６０／ＦＯＶ
例えば、１８０度の視野角（ＦＯＶ）において、ホーンアンテナのような１対の供給部はレンズと反射面の結合体と関連して使用するために要求される。１２０度の視野角は３個の供給部を要求する。

各供給部のための１つのレンズと１個のミラーは一定ＲＯＭ走査モータで連続有効範囲を達成するために供給される。各ミラーは好ましくは視野角の半分だけ方向において千鳥状に配列される。偶数供給部、１８０度、９０度、４５度等のため、ミラーの両側が使用でき、供給部の半分が互いに対向して搭載される。

図４Ａに戻ると、アンテナ４０は平行板ホーン４２のようなライン源と、レンズ４４を形成する誘電体材料の半円筒部と、レンズ４４の平坦表面の近傍に位置する反射面４６からなる。ホーンアンテナは好ましくは電磁エネルギーを放射するためのホーン４２の開口部間に伸びる前部開口部又はスロット４８を含むフレアホーンとして実施される。スロット４８は幅Ｈとして示される開口部を形成する。ホーン４２はレンズ４４の半円筒形の軸にほぼ平行に向けられる。

典型的には定数Ｋ誘電体材料からなるレンズ４４は半円筒形である。レンズ４４の湾曲半円筒表面はスロット４８に面し、レンズ４４の半径よりわずかに大きい径だけ反射面をスロット４８から分離している。反射面４６はレンズ４４の平坦表面に適用された金属ホイルテープの薄い層として実施される。半円筒レンズ４４の平坦表面は半円筒の軸と一致し、湾曲半円筒表面は軸上に集中される。反射面４６はレンズ４４の平坦側部の近傍に位置決めされ、レンズの湾曲半円筒表面に面している。反射面４６の長さＬは好ましくはスロット４８の幅Ｗに等しい。レンズ４４の中心は好ましくはホーン４２により出力され且つ反射面４６に到達するためレンズ４４の誘電体材料を通過する電磁エネルギーの有効反射を支持するためホーン４２の伝達軸に沿って位置決めされる。例えば、平行板ホーン４２により出力されるアンテナビームは位置“ａ”で誘電体レンズ４４に入射し、反射表面４６で反射し、位置“ｂ”でレンズを脱する。平行板ホーン４２は反射面４６の反射のため伝達軸に沿って及びレンズ４４上に電磁エネルギーを集中するため誘電体レンズ（図示せず）からなるサブ供給部を含む。このサブ供給部レンズは典型的には平行板ホーンの内部に配置される。

反射レンズ／ミラーアセンブリとして記載される、レンズ４４と反射面４６の結合体は選択された視野角の周囲をアンテナビームを回転するため一定ＲＰＭモータのような機械手段（図示せず）によりスロット４８の前面で回転可能である。その結果として、ホーンスロット４８により出力される電磁エネルギーは半円筒レンズ４４の誘電体材料を介して伝達軸に沿って伝播し、反射面４６で反射し、アンテナビームを所望の位置で発生するため反射軸に沿ってレンズ４４の誘電体材料を通過する。反射表面４６と反射軸間に伸びる角度θは反射レンズ／ミラーアセンブリのための回転領域を規定する。例えば、９０度の角度θにおいて、ホーンアンテナにより出力されるエネルギーは１８０度だけ反射レンズ／ミラーアセンブリにより反射される。同様に、０から９０度の有効範囲はレンズ／ミラーアセンブリを４５度の範囲のみで回転することにより達成可能である。

図４Ｂおよび図４Ｃはそれぞれ本発明の変形実施例の上面図および前面図である。図４Ｂおよび図４Ｃを参照すると、アンテナ４０ａは１対のホーン４２ａおよび４２ｂと、反射面４６’により分離された１対の半円筒レンズ４４ａおよび４４ｂを含む円筒レンズ４４’からなる。ホーン４２ａおよび４２ｂは供給部として動作し、好ましくはレンズ４４’の対向面に配置され且つ円筒の軸にほぼ平行に向けられる。ホーン４２ａおよび４２ｂはレンズ４４’に入射し且つ反射表面４６’のほぼ中心部と交差する伝送軸に沿って電磁エネルギーを放出する。半円筒の形状を有するレンズとして代案で記載された半円筒レンズ４４ａおよび４４ｂの各々は好ましくは電磁エネルギーの通路を可能にする定数Ｋ誘電体材料からなる。反射表面４６’は好ましくは円筒４４’内に実施可能な２面金属ホイル又はミラーのような反射材料からなる。特に、反射表面４６’は反射表面を円筒レンズ４４’の両レンズに与えるため半円筒レンズ４４ａおよび４４ｂの各々の平坦表面の近傍に配置される。反射表面４６’は好ましくは円筒４４’の中心部内に配置され、円筒部の中心軸に沿って伸びる。

レンズ４４’は３６０度の回転範囲をカバーするため一定ＲＰＭモータのような機械手段により回転可能である。ホーン４２ａおよび４２ｂ間の円筒レンズ４４’の回転は３６０度の全方位パターンをカバーする複数ビームの発生になる。ホーン４２ａおよび４２ｂ間の半円筒レンズ４４ａおよび４４ｂの対の回転に応答して、３６０度走査範囲は反射面４６’からの電磁エネルギーの反射により達成される。これにより、アンテナ４０ａは、従来の全方向性アンテナと比較すると、比較的狭いビーム幅と関連する増加利得の便宜を達成できる。

図４Ｄおよび図４Ｅはそれぞれアンテナ４０ａに類似するアンテナ４０ｂの上面図および前面図であり、ホーン４２ａおよび４２ｂの対の１つに対する電磁エネルギーの分布を制御するための信号源（図示せず）に接続されたＲＦスイッチの追加を例外としている。上記で簡単に説明されたように、電子ＲＦスイッチはホーン４２ａおよび４２ｂ間の電磁エネルギーの分布を切り替えることにより元の位置に対してビームのほぼ瞬時のリセットを可能にし、その間円筒レンズ４４’はホーン間で回転している。１８０度の走査範囲がアクティブホーン４２ａの前面でレンズ４４’を回転することにより達成可能であることが理解されるが、走査範囲の残りの１８０度はアクティブホーン４２ｂの前面で円筒レンズ４４’を回転することに起因する。反射ミラーとして記載される反射表面４６’は、スイッチ４９が電磁エネルギーを特有の時間間隔でホーンの１つのみに向けるので、ホーン４２ａ又は４２ｂにより出力されるビームに露出される。

図５Ａおよび図５Ｂは対向するホーン対間のレンズ／ミラーアセンブリの回転により達成される視野角を例示する図である。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、レンズ／ミラーアセンブリは中央に埋め込まれた２面反射表面を有する円筒レンズを形成するため平坦反射面の近傍に配置された半円筒誘電体レンズの対からなる。図５Ａに示されるように、３６０度の角方向は対向するホーン間のレンズ／ミラーアセンブリの１回転中に４回アンテナビームに出会う。例えば、レンズ／ミラーアセンブリが１３５度または３１５度に設定されると、ビームは第１ホーンにより９０度の角方向で発生する。レンズ／ミラーアセンブリが４５度または２１５度に設定されると、ビームは第２ホーンにより９０度の角方向で発生する。図５Ａは対向するホーン対間のレンズ／ミラーアセンブリの１回転がレンズ／ミラーアセンブリを１８０度の範囲での回転に応答してアンテナビームを３６０度の視野角範囲で走査可能であることを示している。

対向するホーン対間の電磁エネルギーの分布を切り替えることにより、レンズ／ミラーアセンブリは近瞬時フライバック能力で単一ビームを１８０度の視野角間で走査できる。図５Ｂに戻ると、単一ビームは９０度の範囲でのレンズ／ミラーアセンブリの回転に基づいて１８０度の視野角を走査できる。例えば、この模範アンテナはレンズ／ミラーアセンブリが４５度、１３５度、２２５度、および３１５度に設定されるので９０度の角方向で単一ビームを発生できる。

図６は対向するホーン対間の放射エネルギー分布を切り替えることにより達成可能であり、その間レンズ／ミラーアセンブリがホーン間で回転中である、近瞬時リセット又は“フライバック”動作の例示を示している。図５Ａおよび図５Ｂに関して上述されたレンズ／ミラーアセンブリに類似して、反射表面は誘電体材料の円筒レンズの軸に沿って中央部に埋めこまれ、位置決めシステムにより対向するホーン間で回転される。アンテナの動作は電磁エネルギーをホーンＡに向けるためスイッチを制御することにより開始される。時刻Ａで、レンズ／ミラーアセンブリがゼロ度に設定され、アンテナはゼロ度の角方向で単一ビームＢを発生する。時刻Ｂで、レンズ／ミラーアセンブリは９０度の角方向に回転され、９０度の角方向で単一ビームＢを発生する。時刻Ｃで、レンズ／ミラーアセンブリは１８０度に回転され、１８０度の角方向でビームＢを発生する。しかしながら、時刻Ｄで、電磁エネルギーの分布はスイッチ命令によりホーンＡからホーンＢに切り替えられ、その間レンズ／ミラーアセンブリは１８０度に設定される。これにより、ゼロ度の角方向で単一ビームＢを発生し、それによりホーンＡがアクティブであるとアンテナビームを時刻Ａで以前訪れた角方向にリセットする。

当業者はアンテナ利得のある劣化が自己阻止および初期走査位置によりほぼ時刻Ａで生じる事を理解するであろう。また高サイドローブ状態が走査の終点に到達するとほぼ時刻Ｃで存在することが理解されるであろう。

図７Ａおよび図７Ｂはそれぞれ４個のホーンからなるアンテナと、ホーン間で回転する中心に埋め込まれた反射面を有する円筒レンズからなるレンズ／ミラーアセンブリの上面図および前面図である。図７Ｃおよび図７Ｄはそれぞれレンズ／ミラーアセンブリの回転中に４個のホーンの１つに対する電磁エネルギーの分布を制御するためスイッチマトリクスを利用するアンテナの上面図および前面図である。図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、アンテナ７０ａは４個のホーン７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄと、円筒の軸に沿って延長する中央に埋め込まれた反射面７６を有する円筒レンズ７４からなる。円筒レンズ７４はホーン７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ間で位置決めされ、開ループステッパモータ又はサーボモータのような位置決めシステム（図示せず）の動作に応答して３６０度の範囲で回転可能である。ホーン７２の対は互いに対向して位置決めされる。即ち、ホーン７２ａはホーン７２ｂと対向して配置され、ホーン７２ｃはホーン７２ｄと対向して配置される。円筒レンズ７４は各々が誘電体材料からなる１対の半円筒７４ａおよび７４ｂからなる。半円筒７４ａおよび７４ｂの各々の平坦表面は２面の反射表面７６の反射側の近傍に位置決めされる。

図４Ｂおよび図４Ｃに関して記載された典型的なアンテナに類似して、４個のホーン７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄの何れかにより出力された信号はアンテナビームを所望の角位置に投射するため円筒レンズ７４と反射面７６の回転結合体により反射される。すべての４個のホーンが同時にアクティブになるので、３６０度の走査範囲がアンテナ７０ａにより達成される。特に、９０度の視野角はアンテナ７０ａにより連続的に走査される。

図７Ｃおよび図７Ｄを参照すると、アンテナ７０ｂは４個のホーン７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄからなり、円筒レンズ７５は誘電体材料からなり、埋め込み反射面７７および７９の対を含む。スイッチ７３は４個のホーン７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄの何れか１つに対する電磁エネルギーの分布を制御できる。ホーン７１ａおよび７１ｂは互いに近傍に配置され近傍に位置するホーン７１ｃおよび７１ｄの対と対向するように位置決めされる。円筒レンズ７５内に組み込まれた反射面７７および７９の対は所望の視野角の半分だけ方向において千鳥配列される。アンテナ７０ｂにおいて、反射面７７は４５度の傾斜を有し、反射面７９は−４５度の傾斜を有する。アンテナ７０ｂは位置決めシステム（図示せず）により円筒レンズと反射面７７および７９の一定の連続回転に基づいて９０度の視野角を連続的に走査できる。近瞬時再スタート又はフライバックは４個のホーン７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄの何れか１つとの間で電磁エネルギーの分布を切り替えることにより達成できる。

図８Ａおよび図８Ｂは、図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃおよび図７Ｄに示されるアンテナ７０ａおよび７０ｂのための走査プロットを示す図である。図８Ａは円筒レンズと４個のホーン間に配置された２面反射面の結合体の４５度の回転が９０度の視野角の一定走査になることを確認する。図８Ｂは切り替えられた組の４個のホーンの間の１対のねじれ反射面を含む円筒レンズの回転により近瞬時リセット能力で連続的に走査できることを示している。

図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃおよび図９Ｄを方位角追跡アンテナ上の仰角を与えるため単一のホーンと半円筒レンズと反射面の結合体の使用を示す図である。アンテナ９０はホーン９２と、誘電体材料の半円筒レンズ９４と、レンズ９４の平坦表面の近傍に位置決めされた反射面９６からなる。アンテナ９０はアンテナ部品を環境効果から保護するため低レドーム９８内に収納する事ができる。仰角視野角はホーン９２の出力部前の半円筒レンズ９４と反射面９６の結合体を回転することにより走査可能である。アンテナ９０は方位角面内のアンテナビームの走査を支持するため３６０度回転方位角ターンテーブルのような位置決めシステム９９に配置される。

例えば、図９Ａは仰角ビームがレンズ９４と垂直面から１５度の反射面９６の結合体を回転することに応答して３０度まで走査可能であることを示している。図９Ｂは仰角ビームがレンズ９４と垂直面から４５度の反射面９６の結合体を回転することに応答して９０度まで走査可能であることを示している。図９Ｃおよび図９Ｄは３６０度回転方位角ターンテーブルのような位置決めシステム９９によりアンテナ９０の回転に基づいて方位角面を走査するためアンテナ９０を使用することを示している。

図１０Ａおよび図１０Ｂは各々が定数Ｋレンズおよびミラーアセンブリ１２０又は１２５に対する電磁ホーン供給放射を含む３個のアンテナ１０５、１１０および１１５からなる変形アンテナシステム１００を示している。他の実施例において、各レンズアセンブリは付随ミラー付のルネブルグ型グレーデッド誘電体レンズを使用して実施できる。２個の半円レンズ１４０ａおよび１４０ｂ（１４５ａおよび１４５ｂ）およびミラー１３０（１３５）の両側がレンズアセンブリ１２０（１２５）のための直円円筒形構造体を形成するために組み合わせられる。第１アンテナレンズアセンブリ１２０はアンテナビームを方位角で走査するためモータ６０により直接駆動される。残りの２個のアンテナ１１０と１１５は垂直に配列され、且つ共通回転軸上の回転レンズおよびミラーアセンブリ１２５を採用している。アンテナ１１０と１１５は駆動ベルトアセンブリ１６５ａおよび１６５ｂと一定ＲＰＭモータ１６０によりアンテナ１０５と同期して駆動される。アンテナ１１０と１１５は好ましくはアンテナ１０５で同時に生じる走査角の有効範囲を与えるため整列される。この実施例において、アンテナシステム１００は広ビーム送信アンテナ１１０と広ビーム受信アンテナ１１５および狭ビーム受信アンテナ１０５を提供する。所望の受信開口狭ビーム又は広ビームはアンテナ１０５と１１５間を切り替えることによりスイッチングネットワーク１５０を介して選択できる。

代替アンテナシステム１００は複数軸の通信範囲を達成するため複数のホーンアンテナとレンズミラーアセンブリの結合体を示す。アンテナ１０５とレンズミラーアセンブリ１２０により提供される狭ビーム受信範囲はロングレンジの目標により放出される信号の検出を支持する。一方、アンテナ１１５とレンズミラーアセンブリ１２５により提供される広ビーム受信範囲はショートレンジ環境の目標により放出される信号の検出を支持する。スイッチングネットワーク１５０は狭ビーム又は広ビーム受信開口部間の切り替えを制御し、典型的には電磁スイッチにより実施される。受信機１５５ａはスイッチ１５０を介して受信アンテナ１０５又は受信アンテナ１１５に結合される。供給源１５５ｂは送信アンテナ１１０に直接結合される。

各々が導電材料からなる１つ又は複数の容器１７０は望まない又はスプリアス電磁放射を阻止するためアンテナ１０５、１１０および１１５の近くのアンテナシステム１００のための容器の一部として設置される。例えば、衝突回避レーダーシステムにおいて、容器１７０は浮遊電磁放射を制御し、スプリアス目標応答を最小にするために使用される。図１０Ｂに示される最善として、容器１７０はアンテナ１０５、１１０および１１５の各々の長さおよび上面を完全に収容する。しかしながら、容器１７０は各アンテナ１０５、１１０および１１５の出力開口部を妨害しない。容器１７０がアンテナシステム１００のための追加要素を示し、すべての通信用途に要求されないことが当業者により理解されるであろう。

図１１Ａおよび図１１Ｂは、それぞれ、容器のある場合と容器の無い場合の、図１０Ａに示されるアンテナのようなアンテナのための走査パターンを示す図である。図１１Ａは、方位角面で２９ＧＨｚの、１対のホーンアンテナと回転円筒レンズミラーアセンブリの結合体により発生される走査パターンを示す。どのホーンも不要なスプリアス放射を抑制するため導電体材料からなる容器により囲まれていない。図１１Ｂは、各々が導電材料の容器により囲まれている一対のホーンアンテナと、回転レンズミラーアセンブリのための３９ＧＨｚでの方位角面における走査パターンを図示する。容器は、図１１Ａおよび図１１Ｂの走査パターンの比較により証明されるように、方位角面でのスプリアス電磁放射のような不要な信号放射を抑制するように動作する。両図面はほぼ１２０度の視野角での複数のビームを示している。容器は典型的にはスプリアス電磁放射を吸収するため少なくとも導電材料の一部の近傍に位置決めされた吸収材料からなる。例えば、吸収材料はアンテナ放射に対して露出される容器の内部に貼り付けられる。

前述を考慮すると、本発明は所望の視野角に沿ってアンテナビームを走査するための回転レンズ／反射表面を含む創作アンテナアセンブリを提供することが理解される。本発明のアンテナアセンブリは典型的にはホーンアンテナで実施されるが、他の電磁信号源がレンズ反射表面との組合せで使用可能である。例えば、ダイポールアンテナは創作アンテナアセンブリと共に使用するための代替放射源を提供する。アンテナは伝達軸に沿って且つレンズ／反射面上に電磁エネルギーを集中させるためホーンアンテナ内に配置された誘電体レンズからなるサブ供給部を含んでもよい。レンズ／反射面は定数Ｋ誘電体材料のレンズおよび半円筒の軸に一致する平坦面の近傍に配置された反射表面からなる半円筒の形態に実施される。変形例において、レンズ／反射面は定数Ｋ誘電体材料とシリンダに沿って組み込まれた反射面からなるシリンダの形状を有する。円筒ルネブルグレンズは円筒定数Ｋ誘電体レンズの代わりに使用できる。前述の内容が本発明の実施例にのみ関連すること、および多くの変形が本発明の精神と範囲から逸脱することなく実施されることが理解されるべきである。

図１Ａおよび図１Ｂは、オムニ（全方向性）アンテナと比較する場合、狭ビームアンテナにより達成される高利得および制限された角有効範囲を一般的に示す図である。 図２は、通常の平板ミラー付のフレアホーンの結合体を示す図である。 図３は、一定ＲＰＭモータ付の走査ホーンとＲＦ回転継ぎ手の結合体を示す図である。 図４Ａは、本発明の典型実施例に従った、平行板ホーンと誘電体レンズと反射面の結合体を示す図である。 図４Ｂは、本発明の実施例に従った、１対の平行板ホーン間に配置された反射面を含む円筒誘電体レンズの平面図である。 図４Ｃは、本発明の実施例に従った、１対の平行板ホーン間に配置された反射面を含む円筒誘電体レンズの前面図である。 図４Ｄは、本発明の変形典型的実施例に従った、図４Ｂおよび図４Ｃに示されるアンテナおよびホーンのエネルギーの伝達を選択的に制御するスイッチの平面図である。 図４Ｅは、本発明の変形典型的実施例に従った、図４Ｂおよび図４Ｃに示されるアンテナおよびホーンのエネルギーの伝達を選択的に制御するスイッチの前面図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、２個のホーンおよび回転レンズ／ミラーを使用する典型的なアンテナ実施例のための走査プロットを示す図である。 図６は、本発明の典型的実施例に従った、２個のホーンとスイッチマトリクス付レンズ／ミラーを使用するアンテナ実施例の近瞬時リセット又はフライバック動作を示す図である。 図７Ａは、本発明の典型的実施例に従った、４個の平行板ホーン間に位置決めされた誘電体レンズの平面図である。 図７Ｂは、本発明の典型的実施例に従った、４個の平行板ホーン間に位置決めされた誘電体レンズの前面図である。 図７Ｃは、本発明の典型的実施例に従った、４個のホーン、円筒誘電体レンズ、および４個のホーンのいずれか１つのエネルギーの伝達を制御するスイッチングマトリクスを含むアンテナの平面図である。 図７Ｄは、本発明の典型的実施例に従った、４個のホーン、円筒誘電体レンズ、および４個のホーンのいずれか１つのエネルギーの伝達を制御するスイッチングマトリクスを含むアンテナの前面図である。 図８Ａおよび図８Ｂは、４個のホーンと少なくとも１つの回転レンズ／ミラーを利用する典型的なアンテナ実施例の為の走査プロットを示す図である。 図９Ａ、図９Ｂ、図９Ｃおよび図９Ｄは、本発明の典型的な実施例に従った、移動衛星通信の仰角／方位角追尾アンテナを提供するため高さの低いレドーム内に取り付けるように寸法決めされたアンテナを示す図である。 図１０Ａは、本発明の典型的な実施例に従って構成された、送信アンテナ、１対の受信アンテナ、１対の円筒誘電体レンズ、１対の受信アンテナ間で受信機を切り替えるためのスイッチからなるアンテナシステムを示すブロック図であり、図１０Ｂは、図１０Ａに示されるアンテナシステムの選択された構成部品を収容する容器の使用を示す図である。 図１１Ａは、本発明の典型的な実施例に従った、１対のホーンアンテナと、円筒誘電体レンズと反射面の回転可能な結合体からなるアンテナシステムのための走査プロットを示す図であり、図１１Ｂは、本発明の変形実施例に従った、円筒誘電体レンズと反射面の回転可能な結合体における収容されたホーンアンテナ対からなるアンテナシステムのための走査プロットを示す図である。

符号の説明

２２、３６、１３０、１３５ ミラー
３４ ＲＦ回転継ぎ手
３２、４０、７０、１０５、１１０、１１５ アンテナ
３６、１６０ モータ
４２、７１、７２ ホーン
４４、７４、７５、１４０、１４５ レンズ
４６、７７、７９ 反射面
４８ スロット
９８ レドーム
１００ アンテナシステム
１２０、１２５ レンズミラーアセンブリ
１５０ スイッチングネットワーク
１５５ 受信機
１６０ モータ
１６５ ドライブベルトアセンブリ
１７０ 容器

Claims (20)

1. 半円筒の形状を有し、且つレンズと反射面からなるレンズアセンブリであり、前記レンズが前記半円筒の軸と一致する平坦側部と前記軸に集中された湾曲半円筒表面からなり、前記反射面が前記レンズの平坦側部の近傍に位置決めされ、前記レンズの湾曲半円筒表面に面するところのレンズアセンブリと；
   前記レンズの外部に配置され且つ前記レンズの湾曲半円筒表面近傍に位置決めされ、且つ前記円筒の軸にほぼ平行に向けられ電磁エネルギーを放出するように動作可能であるところのライン源と；
   前記レンズアセンブリを前記半円筒の軸周りで回転させ、前記レンズアセンブリの回転中に反射表面から電磁エネルギーを反射させることにより前記ライン源のビーム走査を可能にする手段と；
   を備えることを特徴とするアンテナ。
2. 前記レンズは定数Ｋ誘電体レンズからなることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. 前記レンズはルネブルグレンズからなることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
4. 前記ライン源が電磁エネルギーのビームを伝達するための出力開口部を有するホーンアンテナからなり、前記開口部は前記レンズの湾曲半円筒表面の近傍に位置決めされ、それにより前記電磁エネルギーのビームの伝達軸内にレンズが配置されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
5. 前記レンズを回転するための手段は９０度の範囲で前記半円筒の軸の周りで前記レンズを回転するように動作可能であり、それにより前記ライン源がほぼ１８０度の範囲で電磁エネルギーのビームを走査させるのを可能にすることを特徴とする請求項４記載のアンテナ。
6. 半円筒形状を有し、レンズと反射面からなる第２レンズアセンブリであり、前記レンズが前記半円筒の軸と一致する平坦側部と、前記軸に集中する湾曲半円筒表面からなり、前記反射面が前記レンズの平坦側部の近傍に位置決めされ、前記第２レンズの平坦側部が円筒レンズアセンブリを形成するため前記レンズアセンブリの平坦側部の近傍に位置決めされた第２アセンブリと；
   前記第２レンズアセンブリの前記レンズの湾曲半円筒表面の外部で且つ近傍に配置された第２ライン源であり、前記第２ライン源は前記第２レンズアセンブリの前記半円筒の軸にほぼ平行に向けられ、且つ電磁エネルギーを放出するように動作可能であり、前記円筒レンズアセンブリが前記レンズアセンブリと前記第２レンズアセンブリにより形成され且つ前記ライン源と前記第２ライン源間に位置決めされるところの第２ライン源と；
   を更に備え；
   前記回転手段が前記円筒レンズを回転するように作用し、前記円筒レンズの回転中に前記反射面から電磁エネルギーを反射させることにより前記ライン源がビームを走査するのを可能にし、且つ前記円筒レンズアセンブリの回転中に前記第２レンズアセンブリの反射面から電磁エネルギーを反射させることにより前記第２ライン源がビームを走査するのを可能にすることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
7. 前記ライン源が第１ライン源であり、前記アンテナがさらに第２ライン源と前記第１ライン源又は前記第２ライン源間の供給源の結合を切り替えるためのスイッチからなり、前記第１ライン源は前記スイッチが前記第１ライン源を前記供給源に結合するとき電磁エネルギーを放出するように作用し、前記第２ライン源は前記スイッチが前記第２ライン源を前記供給源に結合するとき電磁エネルギーを放出するように作用することを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
8. 前記レンズアセンブリの回転中にスプリアス電磁放射を減少させるため前記ライン源の一部をカバーする導電材の容器をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
9. 前記容器がさらに前記スプリアス電磁放射を吸収するため導電材料の少なくとも一部の近傍に位置決めされた吸収材料からなることを特徴とする請求項８記載のアンテナ。
10. 前記ライン源が平行板アンテナからなり、サブ供給部が前記レンズアセンブル上に電磁エネルギーを集中させるための誘電体材料のレンズからなり、前記サブ供給部が前記平行板アンテナの平行板構造内に位置決めされることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
11. 円筒レンズと前記円筒レンズ内に組み込まれた反射面からなり、前記反射面が前記円筒レンズの湾曲表面に面し且つ前記円筒レンズの中心軸に沿って位置決めされた反射材料からなるレンズアセンブリと；
    前記円筒レンズの外部で且つ前記円筒レンズの湾曲表面の近傍に配置され、さらに前記円筒レンズの軸にほぼ平行であり且つ電磁エネルギーを放出するように動作可能である第１ライン源と；
    前記円筒レンズの外部で且つ前記円筒レンズの湾曲表面の近傍に配置され、さらに前記円筒レンズの軸にほぼ平行であり且つ電磁エネルギーを放出するように動作可能であり、且つ前記第１ライン源と対向して位置決めされている第２ライン源と；
    前記円筒レンズをその中心軸周りに回転するための手段と；
    前記第１ライン源と前記第２ライン源間で切り替えるためのスイッチであり、前記第１ライン源は前記第１ライン源が前記スイッチにより選択されるとき前記レンズアセンブリの回転中に前記反射面から電磁エネルギーを反射することによりビームを走査するように作用し、且つ前記第２ライン源は前記第２ライン源が前記スイッチにより選択されるとき前記レンズアセンブリの回転中に前記反射面から電磁エネルギーを反射することによりビームを走査するように作用するスイッチと；
    を備えることを特徴とするアンテナ。
12. 前記円筒レンズが定数Ｋ誘電体レンズまたはルネブルグレンズからなることを特徴とする請求項１１記載のアンテナ。
13. 前記レンズを回転させるための手段が１８０度の範囲で前記半円筒の軸の周りにレンズを回転するように動作可能であり、それにより前記第１ライン源と前記第２ライン源の結合体がほぼ３６０度の範囲で電磁エネルギーのビームを走査するのを可能にすることを特徴とする請求項１１記載のアンテナ。
14. 円筒レンズと前記円筒レンズ内に組み込まれた反射面からなり、前記反射面が前記円筒レンズの湾曲表面に面し且つ前記円筒レンズの中心軸に沿って位置決めされた反射材料からなる第１レンズアセンブリと；
    円筒レンズと前記円筒レンズ内に組み込まれた反射面からなり、前記反射面が前記円筒レンズの湾曲表面に面し且つ前記円筒レンズの中心軸に沿って位置決めされた反射材料からなる第２レンズアセンブリであり、前記第２レンズアセンブリの前記円筒レンズが前記第１レンズアセンブリの前記円筒レンズと異なるレンズ特性を有するところの第２レンズアセンブリと；
    前記第１円筒レンズアセンブリの外部で且つ前記第１円筒レンズアセンブリの湾曲表面の近傍に配置され、さらに前記第１円筒レンズアセンブリの軸にほぼ平行であり且つ電磁エネルギーを放出するように動作可能である送信アンテナと；
    前記第１円筒レンズアセンブリの外部で且つ前記第１円筒レンズアセンブリの湾曲表面の近傍に配置され、さらに前記第１円筒レンズアセンブリの軸にほぼ平行であり且つ電磁エネルギーを受信するように動作可能である第１受信アンテナと；
    第２受信アンテナと；
    前記第１円筒レンズをその中心軸周りに且つ前記第２円筒レンズをその中心軸周りに同期的に回転するための手段と；
    前記第１受信アンテナと前記第２受信アンテナ間で切り替えるためのスイッチであり、前記第１受信アンテナは前記第１受信アンテナが前記スイッチにより選択されるとき前記第１レンズアセンブリの回転中に前記反射面からの反射電磁エネルギーに応答して広ビームを走査するように作用し、且つ前記第２受信アンテナは前記第２受信アンテナが前記スイッチにより選択されるとき前記第２レンズアセンブリの回転中に前記反射表面からの反射電磁エネルギーに応答して狭ビームを走査するように作用するところのスイッチと；
    を備えることを特徴とするアンテナ。
15. 前記第１レンズアセンブリと前記第２レンズアセンブリの回転中にスプリアス電磁放射を減少するため前記送信アンテナ、前記第１受信アンテナ、および前記第２受信アンテナの少なくとも一部をカバーする導電材料の容器をさらに備えることを特徴とする請求項１４記載のアンテナ。
16. 前記送信アンテナが平行板アンテナからなり、サブ供給部が前記第１レンズアセンブリ上に電磁エネルギーを集中するための誘電体材料のレンズからなり、前記サブ供給部が前記平行板アンテナの平行板構造体内に位置決めされることを特徴とする請求項１５記載のアンテナ。
17. 円筒レンズと前記円筒レンズ内に組み込まれた反射面からなり、前記反射面が前記円筒レンズの湾曲表面に面し且つ前記円筒レンズの中心軸に沿って位置決めされた反射材料からなるレンズアセンブリと；
    前記円筒レンズの外部で且つ前記円筒レンズの湾曲表面の近傍に配置された複数のアンテナであり、各々が前記円筒レンズの軸にほぼ平行であり且つ電磁エネルギーを伝達するように動作可能である複数のアンテナと；
    前記レンズアセンブリを前記円筒レンズの中心軸周りに回転するための手段と；
    対向するアンテナ対の間で切り替えるためのスイッチであり、前記アンテナ対の第１アンテナは前記第１アンテナが前記スイッチにより選択されるとき前記レンズアセンブリの回転中に前記反射面から電磁エネルギーを反射することによりビームを走査するように作用し、且つ前記アンテナ対の第２アンテナは前記第２アンテナが前記スイッチにより選択されるとき前記レンズアセンブリの回転中に前記反射面から電磁エネルギーを反射することによりビームを走査するように作用するスイッチと；
    を備えることを特徴とするアンテナシステム。
18. 円筒レンズと前記円筒レンズ内に組み込まれた反射面からなり、前記反射面が前記円筒レンズの湾曲表面に面し、且つ前記円筒レンズの中心軸に沿って位置決めされた反射材料からなる、レンズアセンブリをその軸周りで回転する工程と；
    第１アンテナと前記第１アンテナに対向する第２アンテナ間を切り替える工程であり、前記レンズアセンブリは前記第１アンテナと前記第２アンテナ間および近傍であり、前記第１アンテナは前記第１アンテナの選択に応答して前記レンズアセンブリの回転中に前記反射表面から電磁エネルギーを反射することによりビームを走査するように作用し、且つ前記第２アンテナは前記第２アンテナの選択に応答して前記レンズアセンブリの回転中に前記反射面から電磁エネルギーを反射することによりビームを走査するように作用する工程と；
    を具備することを特徴とする視野角を走査するための方法。
19. 半円筒の形状を有し且つレンズと反射面からなるレンズアセンブリであり、前記レンズが前記半円筒の軸に一致する平坦側部と前記軸に集中する湾曲半円筒表面からなり、前記反射面が前記レンズの前記平坦側部の近傍であり且つ前記レンズの前記湾曲半円筒表面に面するところのレンズアセンブリと；
    前記レンズの外部で且つ前記レンズの湾曲半円筒表面の近傍に配置され、前記半円筒の軸にほぼ平行であり且つ電磁エネルギーを放出するように動作可能であるホーンアンテナと；
    前記レンズアセンブリを前記半円筒の軸周りで回転させ、それにより前記ホーンアンテナが前記レンズアセンブリの回転中に前記反射表面から電磁エネルギーを反射することによりビームを仰角平面で走査するのを可能にするための手段と；
    前記レンズアセンブリと前記ホーンアンテナの結合体を回転し、それにより前記ホーンアンテナが前記レンズアセンブリと、前記レンズアセンブリと前記ホーンアンテナの結合体の同時回転中に電磁エネルギーを前記反射面から反射することによりビームは方位角面で走査するのを可能にするための手段と；
    を備えることを特徴とするアンテナ。
20. レンズアセンブリを回転するための手段が前記レンズアセンブリに結合されたベルトドライブを有する回転モータからなり；
    前記レンズアセンブリと前記ホーンアンテナの結合体を回転するための手段が位置決めシステムからなる；
    ことを特徴とする請求項１９記載のアンテナ。

Images