JP2012165382A - アンテナアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナアレイの、大きなスキュー角に対するインピーダンスマッチングを図るフォーム構造を改善する。
【解決手段】規則的な格子に配設された複数のアンテナ素子（ＳＥ）を有するアンテナベースプレート（Ｐ）と、大きなスキュー角に対してインピーダンスマッチングするために、アンテナ素子（ＳＥ）の前方に配設された誘電体ＷＡＩＭ（Ｗｉｄｅ Ａｎｇｌｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｍａｔｃｈ）層（Ｗ）と、を備え、ＷＡＩＭ層（Ｗ）が、アンテナ素子（ＳＥ）を覆うモノリシック層であり、スペーサ（Ａ）が、ＷＡＩＭ層の材料から規則的な格子に機械加工され、スペーサ（Ａ）の格子は、アンテナ素子（ＳＥ）の格子に対応する。
【選択図】図２ａ

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の、大きなスキュー角に対するインピーダンスマッチング用のＷＡＩＭ層を有するアンテナアレイに関する。

主ビームの電子走査中に、アンテナアレイの伝送挙動に頻繁に見られる１つの現象として、アンテナのスキュー方向に依存した伝送レベルの差がある。通常、アンテナは、規定の偏波アライメント、例えば、垂直偏波または水平偏波を有する。この現象を説明するためには、これらの２つの平面（垂直および水平）に沿って、虚数形態で、アンテナアレイの主ビームを電子的に歪曲すればよい。放出された電界強度のベクトルが、スキュー方向から形成され且つアンテナに対して垂直であるものと定義される、スキュー面内にある場合には、「横磁場（ＴＭ）偏波」という用語が使用される。電界強度のベクトルが、この平面に対して直角にある場合には、「横電場（ＴＥ）」という用語が使用される。他のすべての可能な偏波状態が、これらの２つの偏波成分に分けられる。原則的に、従来のアンテナアレイ（および、誘電性レードームまたは周波数選択性レードームなどの、関連するタイプの他の構造）は、スキュー角が大きくなるにつれ、ＴＭよりＴＥの伝送レベルが低くなる傾向がある。

アンテナ素子の前方に配設された、いわゆる、ＷＡＩＭ（Ｗｉｄｅ Ａｎｇｌｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｍａｔｃｈ）層は、この効果を抑制することができる。ＴＥおよびＴＭの２つの偏波に対して、ＷＡＩＭ層は、並列接続容量としてアンテナの等価線形モデルに類似して作用するものであり、その等価線形モデルの相対サセプタンス（特性インピーダンスに対する相対サセプタンス）は、スキュー角θとともに変動する。ＷＡＩＭ層の誘電率が十分に高く、且つ、ＷＡＩＭ層の厚さが十分に薄ければ、この変化は、ＴＥ偏波の場合には、因子１／ｃｏｓ（θ）で起こるが、ＴＭ偏波の場合には、因子ｃｏｓ（θ）で起こる。ＷＡＩＭ層の設計が適切であれば、前述した因子の相互関係により、アンテナの伝送レベルは、スキュー中に、ＴＥ偏波とＴＭ偏波との間で互いに整合される。これは、例えば、θ＝０°からθ＝６０°までの技術的に検知可能な範囲内の想定され得るすべてのスキュー角に当てはまる。この整合により、すべての重要なセクションレベルにおいて、アンテナアレイのアンテナ素子の個々の極性図が、通常で望ましい広さになる。

これまで使用されている解決法は、本質的には、Ｍａｇｉｌｌ ＆ Ｗｈｅｅｌｅｒによる理論的研究（Ｅ． Ｍａｇｉｌｌ ａｎｄ Ｈ． Ｗｈｅｅｌｅｒ， “Ｗｉｄｅ−ａｎｇｌｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ａ ｐｌａｎａｒ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ ｂｙ ａ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｈｅｅｔ， ”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ， Ｖｏｌ． １４， Ｎｏ． １， ｐａｇｅｓ ４９−５３， １９６６）に基づいている。ＷＡＩＭ層とアンテナアレイのアンテナ素子との距離が、短いが、所定の距離に保たれてさえいれば、ＷＡＩＭ層は、ＴＥ偏波とＴＭ偏波との間の伝送整合の目的を果たす。

必要な物理的分離をもたらすための標準的な解決策は、例えば、ＵＳ ７，５８０，００３（Ｂ１）号のように、ＲＦ Ｆｏａｍ材料を使用することである。このようなフォームの利用可能性には問題ないが、このようなフォームを使用する過程で、さまざまな欠点が生じる。
‐ 吸湿性：多くのフォームは、時間の経過とともに環境から湿気を吸収する傾向があり、これにより、誘電特性が大幅に変化してしまう。その結果、フォーム層をカプセル化する手段が複雑になる。
‐ 許容範囲：数ミリメートルの厚さのフォーム層は、適度な許容範囲でしか生成できない。
‐ 接着接合：原則的に、ＷＡＩＭ層の適切な標準材料（市販されている高誘電率のＲＦプリント回路基板材料、例えば、Ｒｏｇｅｒｓ ＲＴ／ｄｕｒｏｉｄ ６０１０）は、テフロンを含むが、その標準材料は、フォーム材料に対して、長期にわたり効果を維持し、且つ、高信頼性の接着接合という点では、問題がある。実際のところ、原則的には、このような接着接合の生成は、技術的に実現可能であるが、テフロンを含むＷＡＩＭ成分のプラズマ活性などの複雑な手段を用いてしか、実現できない。

米国特許第３，６０５，０９８（Ａ）号は、アンテナ層について述べており、そのアンテナ層には、各アンテナ素子の前方に独立したＷＡＩＭ素子がある。いずれの場合にも、このようなＷＡＩＭ素子は、アンテナ素子の平面に平行なＷＡＩＭ層と、ＷＡＩＭ層が配設されたスペーサと、を備える。

ＭＣＧＲＡＴＨ Ｄ Ｔ： “Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｈｙｂｒｉｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｒｒａｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｒａｄｏｍｅ ｄｅｓｉｇｎ， ＰＨＡＳＥＤ ＡＲＲＡＹ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， ２０００． ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ． ２０００ ＩＥＥＥ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＯＮ ＤＡＮＡ ＰＯＩＮＴ， ＣＡ， ＵＳＡ ２１ −２５ ＭＡＹ ２０００， ＰＩＳＣＡＴＡＷＡＹ， ＮＪ， ＵＳＡ， ＩＥＥＥ， ＵＳ， ２１ ＭＡＹ ２０００ （２１−０５−２０００）， ｐａｇｅｓ ３１９−３２２， ＸＰ０１０５０４６００， ＤＯＩ；ＤＯＩ； １０．１１０９／ＰＡＳＴ．２０００．８５８９６５，ＩＳＢＮ：９７８−０−７８０３−６３４５−８には、アンテナの放射特性を明確に変更するために、誘電体充填素子を有する導波管アンテナ素子を備えるアンテナアレイについて述べている。誘電体充填素子は、アンテナから突出する。ＷＡＩＭ層は、これらの突出する誘電体充填素子に配設される。

米国特許第７，５８０，００３（Ｂ１）号明細書 米国特許第３，６０５，０９８（Ａ）号明細書

Ｅ． Ｍａｇｉｌｌ ａｎｄ Ｈ． Ｗｈｅｅｌｅｒ， "Ｗｉｄｅ−ａｎｇｌｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ａ ｐｌａｎａｒ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ ｂｙ ａ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｈｅｅｔ， "ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｎｔｅｎｎａｓ ａｎｄ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ， Ｖｏｌ． １４， Ｎｏ． １， ｐａｇｅｓ ４９−５３， １９６６ ＭＣＧＲＡＴＨ Ｄ Ｔ： "Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｈｙｂｒｉｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｒｒａｙ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｒａｄｏｍｅ ｄｅｓｉｇｎ， ＰＨＡＳＥＤ ＡＲＲＡＹ ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ， ２０００． ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ． ２０００ ＩＥＥＥ ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＣＯＮＦＥＲＥＮＣＥ ＯＮ ＤＡＮＡ ＰＯＩＮＴ， ＣＡ， ＵＳＡ ２１ −２５ ＭＡＹ ２０００， ＰＩＳＣＡＴＡＷＡＹ， ＮＪ， ＵＳＡ， ＩＥＥＥ， ＵＳ， ２１ ＭＡＹ ２０００ （２１−０５−２０００）， ｐａｇｅｓ ３１９−３２２， ＸＰ０１０５０４６００， ＤＯＩ；ＤＯＩ； １０．１１０９／ＰＡＳＴ．２０００．８５８９６５，ＩＳＢＮ：９７８−０−７８０３−６３４５−８

本発明の目的は、アンテナ素子とＷＡＩＭ層との間の中間層としてフォームを使用する場合に生じる欠点を回避するＷＡＩＭ層を有する、アンテナアレイを提供することである。

この目的は、請求項１の主題によって達成される。好適な実施形態は、さらなる請求項の主題である。

本発明によれば、ＷＡＩＭ層の材料から規則的な格子にスペーサが機械加工される。したがって、スペーサおよびＷＡＩＭ層は、互いに一体に（モノリシックに）接続され、スペーサの格子は、アンテナ素子の格子に対応する。例示的に、格子は正方形、矩形または六角形であってもよい。特に、スペーサは、断面が円形の円柱の形のものであってもよい。ＷＡＩＭ層は、機械接続手段（例えば、ねじ）によってスペーサ上のアンテナベースプレートに好適に取り付けられ、接続手段が設けられるこのようなスペーサの数は、特定の要件に依存する。したがって、特に、各スペーサに接続手段を設ける必要はない。

したがって、本発明によれば、スペーサがすでに集積されたＷＡＩＭ層の材料のみが、異なる材料を含む既知の多層構造（ＷＡＩＭ層‐接着膜‐フォーム）の代わりとして使用される。スペーサは、ＷＡＩＭ層とアンテナ素子との間に、空気充填セパレータまたは真空充填セパレータを与える。以前使用されていたフォームから生じる前述した欠点は、完全に回避される。さらに、ＷＡＩＭ層をフォームセパレータに接続するための複雑な接着接合プロセスが、必要ない。

スペーサは、要求される機械的な堅牢性を、ＷＡＩＭ層に与える。したがって、ＷＡＩＭ層は振動、衝撃などに反応しないため、堅牢性を要する用途にも適している。

スペーサが配設される格子が、アンテナ素子の格子に対応するので、アンテナアレイの固有周期性が、阻害されず、結果として、アンテナアレイの想定周波数範囲内では、アンテナ表面で起こるブラッグ反射がない。レーダー後方散乱断面積に受け入れられる必要のある損失はない。レーダー後方散乱断面積（ＲＣＳ）に対しての要求がそれほど厳しくない場合には、スペーサとアンテナ素子の格子が対応していないような実施形態の代用も、可能である。しかしながら、このように修正された格子の配向は、アンテナ素子の格子と同じままである。この目的のために、スペーサの格子は、ｎ番目のアンテナ素子ごとにのみ対応するスペーサがあるように（さらに、これらのスペーサの他にはさらなるスペーサはないように）、アンテナ素子の格子から得られる。したがって、これは、スペーサの最初の格子からの規定の間引きを表す。言い換えれば、基本的な格子構造は、維持されるが、格子寸法（格子定数）は、係数ｎだけ変化する。この場合には、ｎは１より大きな自然数である。

ＷＡＩＭ層の記載した形態は、特に、機械的な機械加工技術、例えば、フライス削りなどによって達成されてもよい。ＷＡＩＭ層としての機能に応じて、材料は、可能な限り高い誘電率と、低損失角度と、を有し、層の厚さは、可能な限り薄くするべきである。このような誘電材料は、半完成品として市販されている。

ＷＡＩＭ層の１つの適切な材料は、例えば、Ｃｕｍｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの誘電材料（製品）「Ｃ‐Ｓｔｏｃｋ ＡＫ」であり、この誘電材料は、顧客固有の誘電率で、且つ、さまざまな半完成品製品のサイズで、入手可能である。このような材料は、機械手段（例えば、フライス削り）を用いて、容易に処理可能である。

より高い機械的な堅牢性を与えるために、リブの形態の追加の補強構造が、ＷＡＩＭ層の材料から形成されてもよい。電子スキュー中に、これらの構造がアンテナの伝送レベルに負の影響を与えることを防ぐために、これらの構造は、さらに、アンテナ素子の配列に周期的に従うものでなければならない。リブは、各々が２つの隣接するスペーサと接続するように設計される。

ＷＡＩＭ層は、必ずしも平面である必要はない。ＷＡＩＭ層は、構造と共形の湾曲したアンテナアレイとともに使用するために、一次元または二次元の曲面を有してもよい。

ＷＡＩＭ層は、追加の誘電体層と接続することによって、多層ＷＡＩＭブロックを形成するように、拡張されてもよい。

以下の記載において、図面を参照しながら、本発明の特定の例示的な実施形態についてさらに詳細に説明する。

周期的に配設されたスペーサを有する、本発明によるＷＡＩＭ層の三次元図。 ＷＡＩＭ層の取り付け手段を示していない、本発明によるアンテナアレイの断面図。 後方からＷＡＩＭ層を取り付けた、本発明によるアンテナアレイの断面図。 前方からＷＡＩＭ層を取り付けた、本発明によるアンテナアレイの断面図。 アンテナベースプレートにＷＡＩＭ層がない、本発明によるアンテナアレイおよび関連するＷＡＩＭ層の平面図。 ＷＡＩＭ層が前方に配設された（ＷＡＩＭ層を透明に図示）、本発明によるアンテナアレイおよび関連するＷＡＩＭ層の平面図。 ＷＡＩＭ層を独自に有する、本発明によるアンテナアレイおよび関連するＷＡＩＭ層の平面図。

図１は、本発明によるＷＡＩＭ層Ｗの１例を示す。層Ｗは、透明に図示されている（紙面にある）。この実施形態では支柱の形状である（円形断面を有する）スペーサＡと、各々がそれぞれのスペーサＡと接続する強化リブＲとは、このＷＡＩＭ層Ｗから突出していることが分かる。スペーサＡおよび強化リブＲは、材料ブロックをフライス削りすることによって作られたものである。

図２は、前方にＷＡＩＭ層Ｗが配設された、本発明によるアンテナアレイの断面図を示す。アンテナに対して「前方」および「後方」という用語は、「前方」が放出の起こるアンテナの側を意味するものとして使用される。

図２は、規則的な格子状に配設されたスペーサＡが、個々のアンテナ素子ＳＥ間の中間空間に配設され、且つ、アンテナベースプレートＰに対して中間空間で当接することを示す。
ＷＡＩＭ層Ｗは、スペーサＡの領域において留められる多数のねじＳ（図２ｂ、図２ｃ）によって、アンテナアレイの金属アンテナベースプレートＰに取り付けられる。この場合には、アンテナの極性図に影響を及ぼさないようにするために、プラスチック材料から成るねじを使用することが好ましい。全体として、ねじＳは、ＷＡＩＭ層Ｗが、ベースプレートＰに、極めて堅牢に固定されることを保証する。ねじの材料特性は、ＷＡＩＭ層と可能な限り近い特性であることが好ましい。

個々のねじの数および位置は、アンテナの堅牢性の要求に応じて、選択される。特に、すべてのスペーサにねじを設ける必要はない。

しかしながら、アンテナの極性図へ及ぼす影響を可能な限り低くするために、アンテナ素子によって予め決められた格子と同じ格子が、ねじの配列に対して選択される。

しかしながら、要求されるねじの数が、スペーサの数より少なくなるように選択されれば、ねじの配列の配向は、アンテナ素子の格子と同じままである。次に、ねじの配列は、ｎ（ｎ＝２，３，４．．．）番目のスペーサごとにのみ、ねじが設けられるように、間引きされる。

図２ｂおよび図２ｃは、ＷＡＩＭ層が取り付けられる方向が相違する。この取り付けは、アンテナの背面（図２ｂ）および前面（図２ｃ）の両方から行われ得る。図２ｂの場合には、ねじＳは、ベースプレートＰを貫通してスペーサＡ内に留められる。図２ｃの場合には、ねじＳは、ＷＡＩＭ層Ｗを貫通してベースプレートＰ内に留められる。

レーダー後方散乱断面積（ＲＣＳ）を縮小できる点では、後方からねじ留めすることが好ましいが、言うまでもなく、アクセス性の点では、前面からの取り付けに利点がある。

図３ａは、アンテナ素子ＳＥが規則的な格子に配設されたアンテナベースプレートＰの平面図を示す。

図３ｃは、関連するスペーサＡとマッチングしたＷＡＩＭ層Ｗを示す。この場合には、ＷＡＩＭ層のスペーサＡの格子は、アンテナ素子ＳＥの格子に対応する。
図３ｂでは、ＷＡＩＭ層Ｗ（透明なものとして図示）は、アンテナベースプレートＰ上に載置されており、これにより、２つの格子間の対応性を極めて良く確認することができる。

Claims (8)

1. ‐ 規則的な格子に配設された複数のアンテナ素子（ＳＥ）を有するアンテナベースプレート（Ｐ）と、
   ‐ 大きなスキュー角に対してインピーダンスマッチングするために、前記アンテナ素子（ＳＥ）の前方に配設された誘電体ＷＡＩＭ（Ｗｉｄｅ Ａｎｇｌｅ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｍａｔｃｈ）層（Ｗ）と、
   を備えるアンテナアレイにおいて、
   前記ＷＡＩＭ層（Ｗ）が、前記アンテナ素子（ＳＥ）を覆うモノリシック層であり、スペーサ（Ａ）が、前記ＷＡＩＭ層（Ｗ）の材料から規則的な格子に機械加工され、前記スペーサ（Ａ）の格子が、前記アンテナ素子（ＳＥ）の格子に対応することを特徴とする、アンテナアレイ。
2. 前記アンテナ素子（ＳＥ）の格子が、正方形、矩形または六角形であることを特徴とする、請求項１に記載のアンテナアレイ。
3. 前記スペーサ（Ａ）の格子が、前記アンテナ素子（ＳＥ）の格子と同じではなく、前記スペーサ（Ａ）の格子が、ｎ（ｎ＝２，３，４．．．）番目のアンテナ素子（ＳＥ）ごとにのみ対応するスペーサ（Ａ）があるように、前記アンテナ素子（ＳＥ）の格子から得られることを特徴とする、請求項１または２に記載のアンテナアレイ。
4. 強化リブ（Ｒ）が、前記ＷＡＩＭ層（Ｗ）から機械加工され、各々が、２つの隣接するスペーサ（Ａ）を接続することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
5. 前記ＷＡＩＭ層（Ｗ）が、機械接続手段（Ｓ）によって、複数のスペーサ（Ａ）で、前記アンテナベースプレート（Ｐ）に取り付けられることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載のアンテナアレイ。
6. 前記機械接続手段（Ｓ）が、前記スペーサ（Ａ）の格子に対応する格子に配設されることを特徴とする、請求項５に記載のアンテナアレイ。
7. 前記機械接続手段（Ｓ）の格子が、前記スペーサ（Ａ）の格子と同じではなく、前記機械接続手段（Ｓ）の格子が、ｎ（ｎ＝２，３，４．．．）番目のスペーサごとにのみ対応する機械接続手段（Ｓ）が設けられるように、前記スペーサ（Ａ）の格子から得られることを特徴とする、請求項５に記載のアンテナアレイ。
8. 前記スペーサ（Ａ）の断面が円形であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のアンテナアレイ。

Images