JP2013529411A5 - - Google Patents

Description

モジュラ能動開口電子指向性アレイのためのＲＦ給電ネットワーク

[0001] 本発明は、全般的に、比較的低コストでの量産に適応されるフェーズド・アレイ・アンテナに関し、さらに特定すると、複数のサブアレイ・パネルを含む能動電子指向性アレイ(AESA; Active Electronically Steered Arrays)に関するものである。複数のサブアレイ・パネルのそれぞれは交換可能である。

発明の背景

[0002] フェーズド・アレイ・アンテナは、複数のアンテナ・エレメントを含む。複数のアンテナ・エレメントは、送信器または受信器の一方または双方に複数の位相器回路を通じて結合され、既知の距離で相互に間隔を空けている。フェーズド・アレイ・アンテナ（または単に「フェーズド・アレイ」）を利用する無線周波数（ＲＦ）システムについてより低い入手コストおよびライフサイクル・コストが望まれる。ＲＦシステムを製造する際にコストを削減するための１つの方法は、プリント配線板（ＰＷＢ）（プリント配線基板またはＰＣＢとも時々称される）を利用することであり、これにより、より有効な製造技術を用いることを可能にする。

[0003] 公知なように、フェーズド・アレイ・アンテナ・システムは、無線周波数エネルギー（ＲＦ）のビームを生み出し、このＲＦエネルギーの位相を（位相器回路を介して）制御することによって、このようなビームを、選択された方向に沿って送信器または受信器とアンテナ・エレメントのアレイとの間を通して導くのに適応される。電子走査フェーズド・アレイにおいて、位相器回路の位相（および、このようなビーム方向）は、制御信号または制御ワードを位相部の各々に送ることによって選択される。制御ワードは、通例、所望の減衰レベルおよび他の制御データと同様、所望の位相デジタル信号表現である。

[0004] フェーズド・アレイ・アンテナは、防衛および商用の電子システムにおいてしばしば用いられる。例えば、能動電子走査アレイ（ＡＥＳＡ; Active Electronically Scanned Arrays）は、レーダ監視、地上および衛星通信、モバイル電話通信、ナビゲーション、身分証明(identification)ならびに電子妨害手段といった広範にわたる防衛および商用の電子システムに対し需要がある。このようなシステムは、陸ベース、船および機上レーダ・システムならびに衛星通信システム用のレーダにおいてしばしば使用される。つまり、これらシステムは、船、航空機、ミサイル・システム、ミサイル・プラットフォーム、衛星または建造物といった単一の構造にしばしば配備される。ここでは、制限された空間量が利用可能である。

[0005] ＡＥＳＡは、機械的に指向された開口と同様に、受動走査アレイ通じて多数のパフォーマンスを供与する。しかしながら、ＡＥＳＡを配備することに関連するコストが、それら使用を特定の軍用システムに限定することができる。一桁分のアレイ・コスト削減は、レーダ、通信および電子戦闘（ＥＷ）の用途について広範にわたるＡＥＳＡの軍用および商用システムへの導入を可能する。ＡＥＳＡアーキテクチャの性能および信頼性による利益は、船、航空機、衛星、ミサイルおよび潜水艦を含む様々なプラットフォームにまで拡張することができる。製造コストを削減し、コンポーネント要求を増加させることが、ＡＥＳＡのコスト軽減を駆り立てることができる。

[0006] 従来の多くのフェーズド・アレイ・アンテナは、いわゆる「レンガ(brick)」型アーキテクチャを使用する。レンガ・アーキテクチャにおいて、無線周波数（ＲＦ）信号、およびフェーズド・アレイで能動コンポーネントに供給される電力信号は、一般的には、アンテナ開口と一致する（またはこれによって定義される）平面との直角平面内に配給される。

[0007] フェーズド・アレイ・アンテナアについての他のアーキテクチャには、いわゆる「パネル」または「タイル」アーキテクチャがある。タイル・アーキテクチャのために、このＲＦ回路および信号は、アンテナ開口によって定義される平面との平行平面内に配給される。このタイル・アーキテクチャは、「タイル」形態での基本構成単位(building block)を用いる。各タイルは、アンテナ・エレメント、およびアセンブリに含まれるこれに関係するＲＦ回路を含む多層プリント回路基板構造で形成される。また、各アンテナ・タイルは、それ自体が実質的に平面フェーズド・アレイとして、またはより大きいアレイ・アンテナのサブアレイとして動作することができる。

[0008] より大きなアンテナ開口を有する必要性およびコスト削減への要望のために、能動開口サブアレイのアレイとしてアンテナ開口を開発することが一般的になってきた。これらサブアレイは、通例、それら自体に内部ＲＦ電力分割器、ドライバ増幅器、時間遅延ユニット、論理配電ネットワーク、ＤＣ配電ネットワーク、ＤＣ／ＤＣ変換器、ならびに、ＲＦ、論理、ＤＣ電力および熱管理インターフェースのためにアクセス可能なポートを有する。サブアレイの各々が同一に製造することができ、全アレイ製造において交換可能に使用することができれば、望ましいものとなろう。しかしながら、開口がサブアレイから形成される場合、従来は柔軟性を欠いていた。何故ならば、受信ビーム形成およびエキサイタ(exciter)出力給電に対して必要なＲＦ給電ネットワークは、配線により開口バックプレーンに接続される。詳細な位置依存の、すなわち典型的ＡＥＳＡの開口は、サブアレイが交換可能となるようには構成されないからである。

[0009] したがって、複数のサブアレイ・パネルを含むＡＥＳＡを提供することが望ましく、このサブアレイ・パネルのそれぞれを交換可能とし、つまり、モジュラ開口構造技術を容易にし、コストを削減することができる。

[0010] 本願明細書において説明する技術によれば、アンテナ・サブアレイのための給電ネットワークは、和出力を有する第１の給電装置(feed arrangement)と、デルタ出力を有する第２の給電装置と、第１のポートおよび第２のポートを有する固定減衰器であって、当該第１ポートが第２給電装置のデルタ出力に接続される固定減衰器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第１の電力分割／合成器であって、当該第１ポートが前記固定減衰器の第２ポートに接続される第１電力分割／合成器と、第１ポートおよび第２ポートを有する可変位相器であって、当該第１ポートが第１電力分割／合成器の第２ポートに接続される可変位相器と、第１ポートおよび第２ポートを有する可変減衰器であって、当該第１ポートが可変位相器の第２ポートに接続される可変減衰器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第２の電力分割／合成器であって、当該第１ポートが固定減衰器の第２ポートに接続される第２電力分割／合成器と、第１のポート、第２のポート、および第２のポートを有する第１の循環器であって、当該第１ポートが第１給電装置の和出力に接続される第１循環器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第３の電力分割／合成器であって、当該第３ポートが循環器の第２ポートに接続され、当該第２ポートが可変減衰器の第２ポートに接続される第３電力分割／合成器と、を含む。

[0011] この特定の技術によれば、サブアレイは、基礎単位(building block)として振る舞うことができ、他のサブアレイと結合および交換することができ、モジュラ、ＡＥＳＡを提供する（すなわち、このようなサブアレイを有するアレイは能動フェーズド・アレイ・アンテナを形成するために用いることができる）。全てのサブアレイが同一のものであるため、アレイは、従来技術の手法よりも低コストとなる。

[0012] 本願明細書において説明する発明の概念の更なる態様によれば、パネル・アレイは、複数のアンテナ・サブアレイを含み、それぞれのサブアレイが、複数の放射器と、複数の送受信モジュールであって、それぞれが複数の放射器のそれぞれに結合される送受信モジュールと、複数のＲＦ結合器であって、それぞれが複数の送受信モジュールのそれぞれに接続されるＲＦ結合器と、複数のＲＦ結合器に結合される均一な電力分割器を有する第１の給電装置と、複数のＲＦ結合器に結合される均一な電力分割器を有する第２の給電装置と、給電ポート、伝送ポートおよび和ポートを有する第１の循環器であって、当該給電ポートが第１給電装置に接続される第１循環器と、給電ポート、伝送ポートおよび和ポートを有する第２の循環器であって、当該伝送ポートが第１循環器の伝送ポートに接続される第２循環器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第１の電力分割／合成器であって、当該第３ポートが第１循環器の和ポートに接続され、第２ポートが第２循環器の和ポートに接続される第１電力分割／合成器と、第１電力分割／結合器の第２ポートに接続される可変減衰器と、可変減衰器に接続される可変位相器と、を備える。

[0013] 上述のとおり、フェーズド・アレイが比較的高コストなために、最も専門化された用途以外ではフェーズド・アレイの使用を不可能なものとしてきた。アセンブリおよびコンポーネントのコストは、特に能動的な送信／受信チャネルについて、主要なコスト・ドライバである。コンパクトな能動電子走査アレイ（ＡＥＳＡ）にサブアレイを設けることは有利なものとなろう。サブアレイは、費用効果があるやり方で製造することができ、ＡＥＳＡを組み立てるのに交換可能に使用することができる。

当然のことながら、本開示によるアンテナのための給電ネットワークは、和出力を有する第１の給電配置と、デルタ出力を有する第２の給電装置と、第１のポートおよび第２のポートを有する固定減衰器であって、当該第１ポートが第２給電装置のデルタ出力に接続される固定減衰器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第１の電力分割／合成器であって、当該第１ポートが固定減衰器の第２ポートに接続される、第１電力分割／合成器と、第１ポートおよび第２ポートを有する可変位相器であって、当該第１ポートが第１電力分割／合成器の第２ポートに接続される、可変位相器と、第１ポートおよび第２ポートを有する可変減衰器であって、当該第１ポートが可変位相器の第２ポートに接続される、可変減衰器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第２の電力分割／合成器であって、当該第１ポートが固定減衰器の第２ポートに接続される、第２電力分割／合成器と、第１のポート、第２のポート、および第２のポートを有する第１の循環器であって、当該第１ポートが第１給電装置の和出力に接続される、第１循環器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第３の電力分割／合成器であって、当該第３ポートが循環器の第２ポートに接続され、当該第２ポートが可変減衰器の第２ポートに接続される、第３電力分割／合成器と、を含む。

アンテナ・サブアレイのためのこの給電ネットワークは、以下の特徴の１つ以上を含むことができる。すなわち、複数の結合器であって、当該結合器のそれぞれがアンテナ・ポート、和ポート、デルタ・ポートおよび終端ポートを有しており、当該複数の結合器のそれぞれが有する和ポートが第１給電装置に接続され、当該複数の結合器のそれぞれが有するデルタ・ポートが第２給電装置に接続される結合器と、第１のポート、第２のポートおよび第３のポートを有する第２循環器であって、当該第１ポートが第１循環器の第３ポートに接続され、当該第２ポートが第３電力分割／合成器の第１ポートに接続される第２循環器と、複数のハイブリッド結合器のそれぞれについて、

の数式から導出される結合値(coupling)であって、この結合値が、

の項から導出され、可変減衰器の減衰値が、

の項から導出され、可変位相器の位相値が、

の項から導出される、結合値である。

アンテナ・サブアレイのための給電ネットワークは、また、複数の結合器であって、それぞれがアンテナ・ポート、和ポート、デルタ・ポート、および終端ポートを備える複数の結合器と、複数の結合器が有する和ポートのそれぞれに接続される第１の給電装置であって、和出力を有する第１給電装置と、複数の結合器が有するデルタ・ポートのそれぞれに接続される第２の給電装置であって、デルタ出力を有する第２給電装置と、第１のポートおよび第２のポートを有する固定減衰器であって、当該第１ポートが第２給電装置のデルタ出力に接続される固定減衰器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第１の電力分割／合成器であって、当該第１ポートが固定減衰器の第２ポートに接続される第１電力分割／合成器と、第１ポートおよび第２ポートを有する可変位相器位あって、当該第１ポートが電力分割／合成器の第２ポートに接続される位相器と、第１のポートおよび第２のポートを有する可変減衰器であって、当該第１ポートが可変位相器の第２ポートに接続される可変減衰器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第２の電力分割／合成器であって、当該第１ポートが固定減衰器の第２ポートに接続される第２電力分割／合成器と、第１のポート、第２のポートおよび第３のポートを有する第１の循環器であって、当該第１ポートが第１給電装置の和出力に接続される第１循環器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第３の電力分割／合成器であって、当該第３ポートが循環器の第２ポートに接続され、当該第２ポートが可変減衰器の第２ポートに接続される、第３電力分割／合成器と、を含むこともできる。

アンテナ・サブアレイは、複数の放射器と、複数の送受信モジュールであって、それぞれが複数の放射器のそれぞれに結合される送受信モジュールと、複数のＲＦ結合器であって、それぞれが複数の送受信モジュールのそれぞれに接続されるＲＦ結合器と、複数のＲＦ結合器に結合される均一電力分割器が有する第１の給電装置と、複数のＲＦ結合器に結合される均一電力分割器が有する第２の給電装置と、給電ポート、伝送ポートおよび和ポートを有する第１の循環器であって、当該給電ポートが第１給電装置に接続される第１循環器と、給電ポート、伝送ポートおよび和ポートを有する第２の循環器であって、当該伝送ポートが第１循環器の伝送ポートに接続される第２循環器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第１の電力分割／合成器であって、当該第３ポートが第１循環器の和ポートに接続され、当該第２ポートが第２循環器の和ポートに接続される第１電力分割／合成器と、第１電力分割／結合器の第２ポートに接続される可変減衰器と、可変減衰器に接続される可変位相器と、を含むことができる。このアンテナ・サブアレイは、次の特徴のうち１又はそれ以上を含むことができる。すなわち、第２給電装置に接続される固定減衰器と、第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第２の電力分割／合成器であって、当該第１ポートが固定減衰器に接続され、当該第２ポートが前記可変位相器に接続される第２電力分割／合成器と、上記可変減衰器が、能動開口電子指向性アレイ内の位置にしたがって１つの値に調整されることと、複数のＲＦ結合器のそれぞれが４ポート結合器を備えることと、複数の放射器８つの放射器を含み、複数の送受信モジュールが８つの送受信モジュールを含むこと、である。

[0014] 本発明の上記特徴は、本発明そのものと同様に、以下の図に関する以下の説明からより完全に理解することができる：

[0015] 図１は、サブアレイのブロック図であり、本発明の概念を示している。 [0016] 図１Ａは、図１に示されるサブアレイ・アンテナで用いられる複数の結合器の拡大図である。 [0017] 図２は、複数のサブアレイから形成される線形アレイ・アンテナの概略図である。 [0018] 図２Ａは、３つのチャートを含んでおり、サブアレイ無しで構成される９６つのエレメントの線形アレイに対して取得される結果を、従来型のサブアレイの構成および新たなサブアレイの構成と比較したものである。 [0019] 図２Ｂは、差パターンの比較を、互いに重ね合わせたものとして示しているチャートである。 [0020] 図２Ｃは、典型的なフィードバック回路の結合値を示しているチャートである。 [0021] 図２Ｄは、典型的な減衰器の値を示しているチャートである。 [0022] 図２Ｅは、基準を８つのエレメントのアレイの中央に置いたときの典型的な結合値を示しているチャートである。 [0023] 図２Ｆは、基準を８つのエレメントのアレイの中央に置いたときの、典型的な減衰器の値を示しているチャートである。 [0024] 図２Ｇは、差パターンについて、基準が中心からシフトされる場合に相互に重ね合わせたものとして比較を示しているチャートである。 [0025] 図２Ｈは、第１のグラフにおける従来のアレイ、第２のグラフにおける従来のサブアレイ化されたアレイ、および第３のグラフにおける新たなアレイ・アーキテクチャについて、較正されたΔ／Σ比率からのアングル・オフ・ヌル推定を示しているチャートである。 [0026] 図３は、一行(row)に沿って配置される複数の列(column)において、一列に複数のサブアレイを配置して有する２次元アレイについての概略図である。 [0027] 図４は、一行に沿って配置される複数の列において、一列に複数のサブアレイを配置して有する２次元アレイについてのブロック図である。 [0028] 図５は、一行に沿って配置される複数の列において、一列に複数のサブアレイを配置して有する２次元アレイについてのブロック図である。 [0029] 図６は、複数のタイル・サブアレイから形成されるアレイ・アンテナの平面図である。 [0030] 図７は、図６に示されるアレイ・アンテナにおいて用いられる種類のタイル・サブアレイの斜視図である。

[0031] 図面および本文の明快さを促進するための努力において、図面は必ずしもスケールする必要はなく、代わりの強調が本発明の原理を図解するのになされている。

[0032] 本発明の様々な実施形態を説明する前に、若干の導入的な概念および技術用語について説明する。「レンガ」型アーキテクチャは、無線周波数（ＲＦ）信号およびフェーズド・アレイの能動コンポーネントに供給される電力信号に関連する。電力信号は、一般的に、アンテナ開口に一致する（またはこれによって定義される）平面の垂直平面に配給される。「パネル・アレイ」（またはより簡単に「パネル」）は、多層のプリント配線板（ＰＷＢ）に関連し、ＰＷＢは、１つの高集積ＰＷＢにおけるＲＦ、論理およびＤＣの配給回路と同様に、アンテナ・エレメント（またはより単純に「ラジエート・エレメント」または「放射器」）を含む。パネルはまた、時々、本明細書においてタイル・アレイ（またはより簡単に「タイル」）とも称されることもある。

[0033] アレイ・アンテナは、単一のパネル（タイル・アレイもしくはレンガ・アレイ）から、またはタイル・アレイもしくはレンガ・アレイの複数のパネルから設けることができる。アレイ・アンテナが複数のパネルから設けられる場合には、複数のパネルのうち単一のパネルは、本明細書において、「パネル・サブアレイ」（または「タイル・サブアレイ」）と称されることもある。

[0034] 本願明細書において、参照は、特定の数のパネルを有するアレイ・アンテナについてなされることもある。アレイ・アンテナが、いかなる数のパネルから構成することができ、また、当業者にとって、いかなる特定用途の使用にも特定の数のパネルを選択する方法を理解できるものと、当然に理解されるべきである。

[0035] また、本願明細書において、参照が、パネルに、または、特定アレイの形状および／もしくは物理的サイズまたは特定の数のアンテナ・エレメントを有するアレイ・アンテナになされることもあることにも注意すべきである。当業者は、本願明細書において説明している技術が、パネルおよび／またはアレイ・アンテナが有する様々なサイズおよび形状に適用でき、また、いかなる数のアンテナ・エレメントをも使用できるものと理解されよう。

[0036] したがって、本願明細書の以下の記載は、実質的に正方形または矩形の形状を有し、且つ、実質的に正方形または矩形の形状を有する複数のタイル・サブアレイから構成されるアレイ・アンテナの文脈で、発明の概念を説明している。しかし、当業者は、この概念は、アレイ・アンテナの他のサイズおよび形状、ならびに、アンテナ・エレメントの様々な異なるサイズ、形状および種類を有するパネル（またはタイル・サブアレイ）にも同等に適用することができるものと理解されよう。また、パネル（またはタイル）は、非周期的または任意に形成されるアレイ幾何(geometry)を含む他の幾何学的配置と同様に、周期的な格子の配置または構成（例えば矩形、円形、等辺または二等辺の三角形、および螺旋形を有する構成）を含むが、これに限定されず、様々な異なる格子の装置(arrangement)として配置することができる。

[0037] 参照はまた、本明細書において、特定の種類、サイズおよび／または形状を有するアンテナ・エレメントを含むアレイ・アンテナに対して行うこともある。例えば、１つの種類の放射エレメントは、特定周波数（例えば１０ＧＨｚ）または周波数レンジ（例えばＸ帯周波数レンジ）での動作と互換性がある正方形の形状およびサイズを有する、いわゆるパッチ・アンテナである。参照はまた、いわゆる「パッチ積層型(stacked patch)」アンテナ・エレメントについて行うこともある。当業者は、もちろん、アンテナ・エレメント（例えば、パッチ積層型アンテナ・エレメント以外のアンテナ・エレメント）の他の形状および種類もまた使用することができ、さらに、１つ以上のアンテナ・エレメントのサイズがＲＦ周波数レンジにおけるいかなる周波数（例えば約１ＧＨｚから約１００ＧＨｚのレンジのいかなる周波数）でも動作のために選択できることが認識されよう。本発明のアンテナにおいて使用可能な種類の放射エレメントは、当業者にとって公知のノッチエレメント、ダイポール、スロットその他いかなるアンテナ・エレメント（このエレメントがプリント配線エレメントであるかどうかにかかわらず）をも含むが、これに限定されない。

[0038] また、各パネルまたはサブアレイのアンテナ・エレメントは、非周期性または任意の格子の配置と同様に、矩形、正方形、三角形（例えば正三角形または二等辺三角形）、および螺旋の構成といった周期的な格子の配置（または構成）を含む複数の異なるアンテナ・エレメントの格子配置のいずれか１つを有するように設けることも理解すべきである。本願明細書において教示する概念は、サブアレイとして製造され、全アレイを完成するために結合される複数のアンテナ・エレメントを有するいかなるフェーズド・アレイ・アンテナと同様に、レンガ型アンテナ・アレイとタイル型アンテナ・アレイの両方に適用可能である。

[0039] 本願明細書において説明するパネル・アレイ・アーキテクチャに関する少なくともいくつかの実施形態の応用は、飛行機(ship)ベースで航空機に搭載したミサイルおよび衛星の用途を含む多種多様な用途についてのレーダ、電子戦闘（ＥＷ）および通信のシステムを含むが、これに限定されない。つまり、本願明細書において説明するパネル（またはサブアレイ）がレーダ・システムまたは通信システムの一部として使用することができるものと理解すべきである。さらに、本願明細書においてさらに説明するように、本発明についての少なくともいくつかの実施形態は、軍隊、航空機輸送、海上輸送、通信、無人空中車両（ＵＡＶ）および／または商用の無線用途に適用可能であるが、これに限定されない。

[0040] 本願明細書において以下に説明するサブアレイは、また、組み込み型循環器、スロット結合された偏波エッグクレート放射器、単一の統合モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）、および受動無線周波数（ＲＦ）回路アーキテクチャを利用することもできる。例えば、本願明細書においてさらに説明するように、以下の共通譲渡された米国特許に記載される技術を全体的にあるいは部分的に用いることができ、および／または本願明細書において説明するタイル・サブアレイの少なくともいくつかの実施形態で用いるために採用することができる。すなわち、「組み込み平面循環器(Embedded Planar Circulator)」と題された米国特許第６，６１１，１８０号、「スロット結合された偏波エッグクレート放射器(Slot Coupled, Polarized, Egg-Crate Radiator)」と題された米国特許第６，６２４，７８７号、「多層ストリップライン無線周波数回路および相互接続方法(Multilayer Stripline Radio Frequency Circuits and Interconnection Methods)」と題された米国特許第６，７３１，１８９号、「タイル・サブアレイならびに関連回路および関連技術(Tile Sub-array and Related Circuits and Techniques)」と称された米国特許第７，３４８，９３２号、および／または２００９年６月１５日に出願された「パネル・アレイ(Panel Array)」と題された米国特許出願第１２／４８４,６２６号である。ここで、上記の特許の各々は、これら全体を引用することにより本願明細書に組み込まれるものである。

[0041] 本発明の実施形態を説明する前に、ＡＥＳＡの技術分野における状況をチェックすることは有用なことであろう。サブアレイが公知のレーダにおいて交換可能でない理由の根源は、互換性をサポートする従来のＡＥＳＡ給電アーキテクチャが差パターンのグレーティング・ローブを発生させていることである。例えば、８（またはＮ）の位相中心についてそれぞれ１２（またはＭ）の交換可能サブアレイを含む線形アレイである。サブアレイは、最大の伝送効率を達成するために、無損失性で均一の協働電力分割器(corporate power divider)を用いて給電される。開口は大きく、また、我々は広い瞬時帯域幅を有することを望むため、時間遅延ユニットは各サブアレイの出力に関連付けられる。
各サブアレイは、内部的な均一の８ウェイ（またはＮウェイ）の電力分割器を有する。アレイにおける各位相中心には、付随する放射器およびＴ／Ｒモジュールがある。モジュールは、低ノイズおよび電力の増幅器、１つの位相器および１つの可変減衰器を含む。受信モードでは、可変減衰器は、所望の低サイドローブの和照射分布(sum illumination distribution)を生成するために起動される。可変減衰器は受信増幅に従うので、システム・ノイズ数に対するそれらの主要な寄与は照射効率(illumination efficiency)となる。このことまた、差パターンのグレーティング・ローブ問題の根源ともなり、低いサイドローブの差パターン応答が望まれることが推測される。

[0042] これらの差パターン応答ついての非常に劣ったサイドローブ応答は、強照射の不連続性に因るものである。全ての中で最も激しいものは、開口中央に跨る位相モノパルス不連続性である。ここで、この不連続性は、非常に卓越したものであるため、それがサイドローブ構造全体を無力なものにする。我々の不連続性の機能に関する理解によれば、中央の不連続性は取り除くことができないために、位相モノパルス・パターンは高サイドスローブで満たされることになる。一方で、他の差パターンについてのサイドローブ構造は、加重変化の反復不連続性より生成される。それらは確かにグレーティング・ローブであるが、差パターン・ヌルを表示しないが、しかしながら、それらは、全幅にわたる位相から１８０度である。差パターンのグレーティング・ローブ問題を回避するために、通常１つには、アレイ内のサブアレイの位置に一意となるＲＦ給電コンポーネントを用いてサブアレイ構成を使用する。

[0043] ＡＥＳＡにおいて、信号対ノイズ比（Ｓ／ＮまたはＳＮＲ）は、基本的には開口において確立される。Ｔ／Ｒと受信器の間の損失がシステム・ノイズ温度(noise temperature)全体において最小効果を有するように、Ｔ／Ｒ利得は設定される。このために、受動電子指向アレイ（ＥＳＡ）に対し利用不可能な多数のＲＦ給電ネットワークの選択肢を有している。例えば、ＡＥＳＡのすべてのエレメントの出力が、多数機能、すなわち和および双方の差、の間で等しく分割される場合には、ノイズ電力は各機能に等しく分散される。ＳＮＲが各機能について同一という訳ではなく、和チャネルのＳＮＲが不変であり、ヌル(null)をトラックする差パターンを満たすノイズがこの和チャネルのＳＮＲと整合するということである。ＥＳＡにおける類似の給電構成では、４．７７ｄＢで和チャネルＳＮＲを低下させる。

[0044] ＡＥＳＡにおけるＲＦ給電構成の選択は、システム・ダイナミック・レンジに影響を及ぼす。このことを考慮して、ＡＥＳＡアーキテクチャにおいて用いられてきた、または用いることができる、あり得る照射機能(illumination function)の組合せを考慮することは有益である。低サイドローブの和および差照射(sum and difference illuminations)というような、均一な伝送照射が望ましい。現時点では、ある公知の開口が、Ｔ／Ｒモジュールにおいて伝送および和分布(sum distribution)を確立することによって、また、指定(design)和分布により分割される所望の差分布(difference distribution)の比率として差分布を確立することによって、３つの機能の全面独立を達成している。後者の伝送および和分布は、ＲＦ給電ネットワークについて全ての位置の独立によって達成することができる。しかし、差分布はＲＦ給電ネットワークについての全ての位置依存によって達成することができるのみである。
次いで、Ｎ_ｓ個のサブアレイのＭ_ｓ個の列を有する矩形開口についてこのアーキテクチャを用い、Ｍ_ｓ個の別々のサブアレイ方位角配電ネットワーク設計およびＮ_ｓ個の別々のサブアレイ仰角配電ネットワーク設計が必要とされ、さらに、Ｎ’_ｓ個のサブアレイのＭ’_ｓ個の列において構成される同一の物理サブアレイから成る新規な開口ついては全く新規の設計のセットが必要とされる。

[0045] 差パターンの照射分布が達成される完全に独立した手法のために、差パターンは、和パターンのサイドローブと同じくらい下位のサイドローブ・レベルで発生させることができる。ここでのトレードオフは、通常、ヌル傾斜(null slope)対サイドローブ・レベルである。ベイリス分布(Bayliss distribution)は、所与のサイドローブ・レベルについてヌル傾斜を最大化する、しかし、ベイリス分布を用いてさえ、差パターン・サイドローブ・レベルの設計目標(design objects)を増加させることによって、より急な傾斜を得ることができる。差機能の実施についての代替手法は、和照射に機能的に依存する差照射を選択することである。２つの実施例は、切断した(trancated)レイリーおよびテイラーの派生照射(derivative illumination)である。これら双方の照射は派生照射である。すなわち、これらのパターンは特定の和パターンの変換空間派生(transfrom space derivative)である。レイリーは切断したガウス照射分布から取得されるパターンの派生(derivative)であり、そして、テイラー分布は、テイラー照射分布から得られるパターンからの派生である。一般に、派生照射は、以下のフーリエ変換関係式から得られる

もちろん、特定の派生照射が低いサイドローブ差パターンを生じることを少しも保証しない。しかし、レイリーならびに派生テイラーおよび派生的なｃｏｓ^ｍ（πｘ／Ｌ）分布はそのようにすることが知られている。一般に、派生パターンは、和パターンおよびより上位のサイドローブ・レベルと同一のサイドローブ低減を有する。

[0046] 本発明の概念を示すために、サブアレイ化した線形アレイについてサンプルした和分布をｇ_ｍ，ｎと規定し、ここで、ｍはサブアレイの番号であり、１≦ｍ≦Ｍである。また、ｎはサブアレイ内のエレメント・インデックスであり、１≦ｎ≦Ｎである。
エレメント間の間隔をｄ_ｘとし、エレメントがｘ＝０に中心化され、ｘ_１，１＝−ｘ_ｍａｘから計数されるとすると、派生分布は、以下のようになる。

ここで、位置依存性はアレイの全ての幅で正規化される。わずかな代数学の後に、上記数式３は、次のように書き直すことができる。

派生照射は、サブアレイ・レベルで排他的に加重された項、およびエレメント・レベルで排他的に加重された項を加算してキャストすることができる。しかしながら、ここで重要なことは、エレメント・レベルでの加重は、エレメントが実際のサブアレイとは独立であるということであり、それでも、和分布を増やしている斜面の傾斜に関する詳細な情報を含む。各サブアレイ出力においてｇ_ｍ，ｎの２つの独立したＲＦコピーを取り出すことができるとすれば、派生照射を正確に形成することができる。残念なことに、我々はそうすることができないが、１つの正確なコピーおよび１つの非常に優良な近似値を得ることができ、さらに、ＲＦにおいて加算演算を行うことができる。

[0047] 図１は、概ね数式４によって定義される演算を実行する給電回路１１０を有するサブアレイ１００を示す。図１に示すように、複数のアンテナ・エレメント１１２（ここでは８個）のそれぞれは、複数の無線周波数結合器１１４のそれぞれの１つのポートに接続される。簡単のためにアンテナ・エレメント１１２は単にアンテナ・エレメントとして示しているが、いくつかの実施形態では、アンテナ・エレメントに結合される送信器／受信器を含むことになることが理解されるべきである。アンテナ・エレメント１１２は、単一の供給源によって給電されている単一エレメントまたは複数エレメントを含むことができる。複数の無線周波数結合器１１４のそれぞれの第２のポートは、給電配置１１６に接続されて、受信モードで信号を結合し、供給装置１１６の出力は循環器１１８のポートに接続される。この供給配置１１６は、公知の手法で、複数のウィルキンソン電力分割／合成器または類似の４ポート構造から構成される。循環器１１８の第２ポートは和（Σ）信号を供給し、循環器１１８の第３ポートは伝送（Ｔ）信号を受信する。和信号を有する循環器１１８の出力ポートは、２つのポートをさらに有する電力分割器１２０の入力ポートに接続される。電力分割器１２０の出力ポートのうち１つは、可変減衰器１２２の入力ポートに接続され、可変減衰器１２２は可変位相器１２４の入力ポートに接続される出力ポートを有する。位相器１２４の出力は、電力結合器１２６の入力ポートに接続される。電力分割器１２０の第２出力ポートは、循環器１２８のポートに接続される。循環器１１８の第２のポートは、伝送信号経路のための循環器１２８の第２のポートに接続される。循環器１２８の第３のポートは、更なる処理のために和信号を供給し、または送信信号を受信する。複数の無線周波数結合器１１４のそれぞれが有する第３ポートは、給電装置１３０に接続され、受信モードで信号を結合して、ここで給電装置１３０の出力が３ｄＢ減衰器１３２の入力ポートに接続される。無線周波数結合器１１４のそれぞれの第４のポートは公知の手法で終端される点に留意すべきである。３ｄＢ減衰器１３２の出力ポートは、電力結合器１２６の第２ポートに接続される。電力結合器１２６の出力ポートは、デルタ（Δ）信号を更なる処理のために供給する。上記回路は、受信モードで説明しており、送信モードの場合では、信号フローは、電力結合器として作用する電力分割器および電力分割器として作用する電力結合器を用いて反対方向となる点が理解されるべきである。

[0048] 結合回路（配電装置）（バイナリで示されるが、必ずしもそうでなくてもよい）は、共に、均一電力分割器を含む。なお、良好な工学の実践では、電力分割器の各接合において、ロードされた第４のポートを有することになる。結合器および加算点の間の総経路長ならびにこの経路に沿う分散(dispersion)は、慎重に制御されなければならない。結合器１１４についての値は、数式４の大括弧内の第１項から得られる。３ｄＢパッド１３２の値は、名目上のものであり、循環器および配電ネットワークの損失に依存する。３ｄＢの最小減衰値を有する特定されない減衰器において、全てではないにしてもいくつかを占める(take up)ことができるであろう。特定されないＲＦ減衰器１２２についての値は、数式４の大括弧内の第２項から得られる。固定減衰器を可変減衰器１２２と交換することによって、回路は、任意のサブアレイが開口を構築するのに使用することができる。これと同様の手法で、可変移相器１２４を用い、ここでは可変位相器１２４の値は数式４の大括弧の第２項から得られる。可変減衰器１２２および可変移相器１２４を用いて、サブアレイのための給電回路１００は、ハードウェア変更態様のない、いかなる（均一な）数の開口をも構築するのに使用することができる。この特徴により、給電回路１１０を有するこのサブアレイ１００を、モジュラＡＥＳＡ技術が最も役立つようにする。

[0049] 回路によって発生される誤差は、和および差の両方の分布に影響する。ｃ_ｎを、エレメント結合器のための電圧結合値とする。すると、直通線の電圧は、（１−ｃ_ｎ ^２）^１／２となり、また、数式４は以下のようになる。

この数式は、誤差ε_ｍ，ｎを生成する。

数式６は、アレイ内の位置の関数として電圧誤差に寄与する。式を検査すると、最大誤差寄与項は、アレイ内のサブアレイ数の２乗の４倍に反比例することを示す。サブアレイ化された開口内のサブアレイ数は、通常はシステム瞬時帯域幅要件と比例するので、誤差の寄与がまた、瞬時帯域幅の２乗に反比例するようにも思える。このことは、非常に素晴らしい副産物(fall out)となる。誤差の寄与項を秩序立てて設けるために、２４個の８エレメント・サブアレイを有する開口が、和パターン照射の下で約３３ｄＢの最大誤差寄与項を有することになる。数式６の誤差寄与項が常に正である点に注意することもまた重要である。すなわち、誤差総計が、生成する照射の第２派生特性（すなわち、誤差照射は、エレメント位置の正方形によって変化する）を有する和パターンであり、エラー・パターンの中央ローブが差パターン・ヌルを満たすことを意味する。幸いにも、この効果は、最大誤差検査が示すほどは強くない。具体的には、最小誤差は、Ｍ^３として反比例に変化し、関数最大値付近に発生する。また、後述するように、新規な給電は、誤差全体を最小化するように調整することができる。この誤差による通例のヌル・フィル(null fill)により、和パターンについてシステマチックなサイドローブ・レベル以下にうまく保つことができる。

[0050] 次に、図２を参照すると、サブアレイ１００を含む複数のサブアレイが示されている。本実施形態において、サブアレイの各々は、サブアレイ１００と同様に製造され、共に配置されて、６４エレメントの線形アレイがここで作成される。サブアレイの各々は、コストを削減するために、製造するサブアレイ数を増やすのと同様にして、製造する必要がある異なるサブアレイの種類を最小にするように同一に製造することができる。もちろん、いかなる数のサブアレイも、特定の開口を有するアレイを生産するために結合することができる。例えば、サブアレイ１００と類似の１２個のサブアレイは、９６エレメントのアレイを作成するために用いることができよう。

[0051] 図２Ａは、サブアレイなしで構成される９６エレメントの線形アレイについて得られた結果を、従来のサブアレイ構成および新規のサブアレイ構成と比較した３つのチャートを含む。これらのシミュレーションにおいては、アレイ動作周波数は、放射器間でλ／２間隔をあけるように選択され、サブアレイ当たりのエレメント数は８に設定される。そして、追加の異なるチャネル拡充は合計に対する差分を適切に正規化するものと想定される。より近づけた様子を図２Ｂに示す。

[0052] 図２Ａは、２つの問題に向けられている。第１の問題では、差パターン・グレーティング・ローブの所与の削減を達成することができる。サブアレイ１００が提供する新規なビーム形成器がローブを確かに削除することは明白である。第２には、トレードオフの問題である。すなわち、派生分布は低いサイドローブを有するが、それら低サイドローブは和パターン合サイドローブのレベルをよく上回る。上述したとおり、非常に低いサイドローブ差パターンは、ＡＥＳＡアーキテクチャによって獲得することができ、このアーキテクチャは、サブアレイ位置依存性についてサブアレイ照度関数依存性を交換する。このトレードオフは、差パターン対モジュラ・アーキテクチャでのサイドローブ・レベルである。

[0053] サブアレイ１００において使用する新規な回路が提供できる改良および不完全なフィードバック・キャンセレーションによる誤差について、図２Ａに比較パターンを示す。図２Ａに示すとおり、差パターンのグレーティング・ローブは、約１８ｄＢ減少した。より大きな改良がより厳格なテーパーを用いれば実現されよう。最大照射誤差ε_ｍ，ｎに関して前述したように、不完全なフィードバック・キャンセレーションの効果は部分的にヌル(null)をフィルする(fill)ことになるが、非常に低レベルのものに対するのみである。この場合、合計ビームのピークはより小さい約７０ｄＢである。

[0054] これより図２Ｂを参照する。図２Ｂは、サブアレイなしで構成されるアレイ（従来のビーム形成器）の差パターンについて、従来のサブアレイ構成（従来のサブアレイ・アーキテクチャ）および新規のサブアレイ構成（新規なビーム形成器）と重ね合わせた比較を示すチャートであり、図２Ａに関して上述した結果の代替図である。

[0055] これから図２Ｃを参照すると、典型的なフィードバック回路結合値が示されている。これらの値は、数式４の大括弧の第１項である。典型的な可変減衰器の値を図２Ｄに示している。これらの値は、数式４の大括弧の第２項である。

[0056] モジュラ・アレイの実装に関する重要なブレークスルーは、アレイの全体にわたり−２５ｄＢを上回る結合器の値を維持する単純最適化について決定したことであった。サブアレイの基準点が第１エレメントからいくつかの内部エレメントまで移される場合であっても、数式６で表わされる誤差は小さいままである。ｎ_ｒｅｆ／Ｍ＊Ｎを大括弧の第１項に加算し、次いで、それを第２項から減算するという単純な方法によって、この基準点を移すことができる。基準は、結合器分散を平坦化するために、実際のところ、サブアレイ外部に移すことができる。このことは、数多くの小さいサブアレイを有する開口にとって重要である。例えば、図２Ｅおよび図２Ｆは、基準が８エレメント・サブアレイの中央に置かれたときに必要となる結合器および可変減衰器の設定を示している。ＲＦ基準についてのこの単純な再設定を用いると、最も散漫な結合値は１８．１ｄＢ増加した。その一方で最も厳格な結合値がわずか３．３３ｄＢしか増加しなかった。推測されるとおり、可変減衰器値の上範囲は変化することがなく、その一方で、下限は基準シフトを補償するために増加する。基準がサブアレイの外側に上手くシフトするときに可変減衰器の設定は同様にシフトするが、値の範囲は図２Ｆにおいて示したそれらと著しく異ならない。あまりに離れたシフトすなわちアレイの物理境界の外側が、新たな困難性を生み出していることについて注視すべきである。結合器分散は、あまりにフラットになりすぎ、結合器の製造上の耐用性を厳しいものにする。そして、差パターン・ヌル・フィルは、許容できないほど大きくなる。図２Ｇに示すように、基準をシフトすることは、パターン誤差全体を確実に増加させる。しかしながら、ヌル領域を除いて従来のサブアレイ・アーキテクチャによって得られる結果より、なおもかなり良い結果となる。図２Ｇが示すように、照射分布についてより重く励起した対称性のある寄与のために、ヌル・フィルになりはじめた。シフトがサブアレイの外側に基準をおくときには、ヌル・フィルは容認できないレベルに対してとなる。

[0057] 差パターンについて増幅後形成を用いるいかなるシステムと同様に、和パターンにおけるノイズ量は、Ｔ／Ｒモジュールの利得の受け取りを設定することにより維持することができ、増幅後の損失を克服する。図１のサブアレイ・ブロック図において、差パターンについての主要な励起は、受信信号を和パターンおよび差パターンの給電間で等しく分割(split)することによって生じる。この分割において、信号およびノイズは和および差の出力間で等しく分割され、そして、可変減衰器１２２とこの分割に続く可変位相器位２４とを有する異なる経路において、信号およびノイズ電力は等しく減衰される。同様のことは、その固定減衰器を有する被結合経路についても言える。最終的な結果としては、差分布におけるノイズ電力が、２つのチャネル内の全ての有効信号減衰の比率によって和チャネルの給電におけるノイズ電力に対して減少される。すなわち、２つの信号減衰が（おおよそ）以下によって与えられる場合、

および、

このとき、ノイズ電力比率は、約α_Δ／α_Σとなる。この実施例において用いる線形アレイ励起は、２５ｄＢのエッジ・テーパーを有する切断ガウス分布(truncated Gaussian)およびその派生であり、−１６．６ｄＢの近似ノイズ電力比を与える。つまり、これらの場合には、システム・ノイズ値を危うくすることなく差チャネル出力を１６．６ｄＢ増幅することができる。この増幅レベルは、上記に提示した相対的なパターンのプロットに含まれており、約１．３４ｄＢの差ピーク応答比率への和、および和パターン・サイドローブ・レベル以下のヌル・フィルを生じる。

[0058] 新規の給電回路１１０が低レベルのヌル・フィルを生じさせるにもかかわらず、ヌル傾斜は悪影響を受けない。図２Ｈは、第１のグラフにおける従来のアレイ、第２のグラフにおける従来のサブアレイ、および第３のグラフにおける新しいアレイ・アーキテクチャに対して較正されたδ／σ比率からの、アングル・オフ・ヌル(angle off null)推定を示す。図２Ｈに示される３つの構成の角度応答の間にほとんどまたは全く差異がないことは、明らかである。

[0059] これより図３を参照する。線形アレイに関して上記教示した技術を、これから、行(row)内に沿って配置された複数の列(column)とともに、列内に配置された複数のサブアレイを有する２次元アレイに適用する。ここで、アレイ３００は、和およびデルタ仰角(elevation)信号を提供する各サブアレイと、列に積層(stack)されるサブアレイ１００に類似の４つのサブアレイを有するように示される。複数の積層アレイが提供され、ここで、Ｍはいかなる数とすることができ、行にそった出力は、デルタ方位角信号を供給している。従来の組み合わせた技術を用いると、２次元アレイは、次いで、和信号、デルタ方位角信号およびデルタ仰角信号を供給される。本実施形態において４つのサブアレイが示されて列が設けられるが、いかなる数をも用いることができることが理解されるべきである。類似の方法で、サブアレイのそれぞれのエレメントの数は８とすることができるが、他のサイズも使用することができる。

[0060] これより図４を参照すると、２次元アレイ４００が、２次元のＭ×Ｎサブアレイ４１０のＰ列かつＱ行とともに示されている。サブアレイ４１０のそれぞれは、行のＭ個のエレメントおよび列のＮ個のエレメントと共に図１で教示した技術を用いて製造され、従来のモノパルス計算技術による、和信号、デルタ方位角信号、デルタ仰角信号、およびＱ信号を含むように各サブアレイがモノパルス信号を提供する。サブアレイのそれぞれからのモノパルス信号は、和マニホールド(sum manifold)４１２、デルタ方位角マニホールド４１４、デルタ仰角マニホールド４１６およびＱマニホールド４１８に供給され、ここでは、従来のモノパルス演算および電子ステアリング技術を用いて、信号は処理され、次いで、更なる処理のための４チャネル受信器に供給される。上述した回路を用いてサブアレイ４１０を製造するために、単一の種類のサブアレイのみが製造に必要で、アレイ４００を構築することが理解されるべきである。

[0061] これより図５を参照すると、２次元アレイ５００が、アレイ内の各列における４つのサブアレイ１００がアレイ内のＮ列と共に示されている。例えば、Ｎは８または１６とすることができる。プリント配線板技術を使用して、複数のサブアレイを有する単一の列が製造することができ、次いで、列アレイの層が積層されてアレイ５００を設けることができる。

[0062] これより図６を参照する。アレイ・アンテナ１０の一実施形態は、複数のタイル・サブアレイ１２ａ〜１２ｘ から構成される。この例示的な実施形態では、ｘの総タイル・サブアレイ１２が全てのアレイ・アンテナ１０を備えることが理解されるべきである。一実施形態において、タイル・サブアレイの総数は、１６のタイル・サブアレイ（すなわちｘ＝１６）である。完全なアレイ・アンテナを提供するために用いられるタイル・サブアレイ１２の特定の数は、動作周波数、アレイ利得、アレイ・アンテナが利用できる空間、およびアレイ・アンテナ１０が用いられることを意図する特定用途を含むが、これに限定さることのない、様々な要因にしたがって選択することができる。当業者であれば、完全なアレイ・アンテナを提供する際に用いるタイル・サブアレイ１２の数を選択する方法について理解するであろう。

[0063] 図６の例示的な実施形態において、タイル１２ｂおよび１２ｉに示したように、各タイル・サブアレイ１２ａ―１２ｘは、アンテナ・エレメント１５に８つの行１３ａ−１３ｈを備え各行が８つのアンテナ・エレメント１４ａ―１４ｈを含む（すなわち、より単純には「エレメント１５」を備える）。タイル・サブアレイ１２ａ−１２ｘの各々は、つまり、８掛ける８（すなわち８×８）のタイル・サブアレイと言われている。なお、アンテナ・エレメント１５がアレイ・アンテナ１０の露出面（すなわち、前面）上には直接見えないので、各アンテナ・エレメント５は図６のように示される点に留意すべきである。したがって、この特定の実施形態では、タイル・サブアレイ１２ａ−１２ｘのそれぞれは、６４個のアンテナ・エレメントを備えている。アレイ１０がこの種の１６個のタイルから構成される場合には、アレイ１０は合計で１，０２４個のアンテナ・エレメントを備える。

[0064] 他の実施形態では、タイル・サブアレイ１２ａ―１２ｘの各々は、１６個のエレメントを備える。つまり、アレイ１０がこのような１６個のタイルを備え、各タイルが１６個のエレメント１５を備える場合には、アレイ１０は、合計２５６個のアンテナ・エレメント１５を備える。

[0065] さらに別の例示的な実施形態では、タイル・サブアレイ１２ａ−１２ｘの各々は、１，０２４個のエレメントを備える。つまり、アレイ１０がこのような１６個のタイルを備える場合には、アレイ１０は、合計１６，３８４個のエレメント１５を備える。

[0066] 上記の例示的な実施形態の観点から、タイル・サブアレイの各々は、いかなる所望の数のエレメントを含むことができるとことが理解されよう。タイル・サブアレイ１２ａ―１２ｘの各々に含む特定の数のエレメントは、動作周波数、アレイ利得、アレイ・アンテナが利用できる空間、およびアレイ・アンテナ１０が用いられることを意図する特定用途、およびサブアレイ１２のサイズを含むが、これに限定されることのない、様々な要因にしたがって、選択することができる。所与のいかなる応用に対しても、当業者は、各タイル・サブアレイに含む放射エレメントの適切な数を選択する方法を理解するであろう。アンテナ・アレイ１０のようなアンテナ・アレイに含まれるアンテナ・エレメント１５の総数は、各タイルに含まれるタイル数と同様に、アンテナ・アレイに含まれるタイル数に依存する。

[0067] 各タイル・サブアレイが電気的に自立している（もちろん、タイル内で、および異なるタイルに対してエレメント１５の間に生じるいかなる相互結合を除く）ことが理解されるべきである。つまり、ＲＦエネルギーをタイル上の各放射器から結合するＲＦ給電回路が完全にそのタイル内に組み込まれる（すなわちＲＦ回路、およびＲＦ信号をタイル１２ｂのエレメント１５へ／から結合するビーム形成回路の全てがそのタイル１２ｂに収容される）。図７に関連して以下に説明するように、各タイルは、１つ以上のＲＦコネクタを含み、ＲＦ信号は、各タイル・サブアレイ上に設けられたこのＲＴコネクタを通じてタイルに供給される。

[0068] また、論理信号に対する信号経路、および信号を送信／受信（Ｔ／Ｒ）回路に結合する電力信号経路がタイル内に含まれる。ここでは、このＴ／Ｒ回路が存在し、ＲＦ信号は、サブアレイについて設けられた１つ以上の電力／論理コネクタを通じてタイルに供給される。

[0069] 全てのアレイ１０に対するＲＦビームは、タイル・サブアレイ１２ａ―１２ｘの各々からのＲＦ出力を結合する外部ビーム形成器（すなわち、タイル・サブアレイ１２の各々の外部にある）によって形成される。当業者には公知であるように、ビーム形成器は、従来、プリント配線板ストリップライン回路として実装され、その回路は、Ｎ個のサブアレイを１つのＲＦ信号ポートに結合する（そして、このことから、ビーム結合器は１対Ｎビーム形成器と称される。）
[0070] 本明細書において説明したこのタイル・サブアレイ（例えばタイル・サブアレイ１２ａ―１２ｘ）の実施形態は、従来のいわゆる「レンガ」アレイ・アーキテクチャとは異なるものであり、タイル・サブアレイのマイクロ波回路が平面に配置される回路層に含まれ、その平面は、タイルから作り上げられるアレイ・アンテナの表面（アレイ・アンテナ１０の表面）と平行である。図６の例示的な実施形態では、例えば、タイル１２ａ―１２ｘがそこから設けられる回路基板の層に設けた回路は、アレイ・アンテナ１０の表面１０ａとすべて平行である。アレイ・アンテナの表面によって定義される平面と平行の回路層を利用することによって、タイル・アーキテクチャ手法は、アレイ・アンテナが有するプロファイルの減少（すなわち、従来のアレイ・アンテナの厚みと比較した厚みの減少）をもたらす。

[0071] 有利なことに、本願明細書において説明したタイル・サブアレイの実施形態は、標準プリント配線板（ＰＷＢ）の製造プロセスを用いて製造することができ、その結果、商用のオフ・ザ・シェル（ＣＯＴＳ）マイクロ波材料を用いて高度に集積された受動ＲＦ回路、および高度に集積された能動モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）を作り出す。このことは、製造コストを削減する結果となる。アレイ・アンテナの製造コストはさらに削減することもできる。何故ならば、このタイル・サブアレイは、サブアレイの全てを同一のものとする従来のＰＷＢ製造技術を用いて、ＰＷＢの比較的大規模のパネルまたはシートから提供することができるからである。

[0072] これより図７を参照する。ここでは、図６と同じ構成要素が同じ参照指定で提供される。また、タイル・サブアレイ１２ｂをタイル・サブアレイ１２ａおよび１２ｃ―１２ｘの代表とみなす。このタイル・サブアレイ１２ｂは、上側多層アセンブリ（ＵＭＬＡ）１８を含む。ＵＭＬＡ１８は、この例示的な実施形態において、放射器サブアセンブリ２２を含む。放射器・サブアセンブリ２２は、いわゆる「円偏波共用積層パッチ・エッグクレート放射器(dual circular polarized stacked patch egg-crate radiator)」アセンブリとして供給され、「スロット結合された偏波エッグクレート放射器(Slot Coupled, Polarized, Egg-Crate Radiator)」と題された米国特許第６，６２４，７８７号に記載された種類と同一または類似のものとしてもよい。当該米国特許は、本発明の譲受人に譲り受けられており、引用によりその全体を本願明細書に包含するものとする。もちろん、図面および本文により供される説明の明確さを促進するためだけに、特定の種類の放射器サブアセンブリが本願明細書で説明されるものと理解すべきである。特定の種類の放射器についての説明は、いかなる方法でも限定のために意図しておらず、かつ、限定するものとして構築されるべきではない。したがって、積層されたパッチ・アンテナ・エレメント以外のアンテナ・エレメントが、サブアレイで使用することができる。

[0073] 放射器サブアセンブリ２２は、レードームとして作用することができる第１表面２２ａ、および対向する第２表面２２ｂを有して設けられる。放射器アセンブリ２２は、複数のマイクロ波回路基板（ＰＷＢとも称される）からなる（図７に図示せず）。放射器エレメント１５は表面２２ａの下で配置され、図７の視界では直接見えないために、図７のようにこれらを示している。

[0074] 放射器サブアセンブリ２２は、上側多層（ＵＭＬ）板３６（またはＵＭＬＢ３６）の上に配置される。例示的な実施態様では、このＵＭＬ板３６は、８個の個々のプリント回路基板（ＰＣＢ）から構成され、ＰＣＢは、これを併せてＵＭＬ板３６を形成する。もちろん、他の実施形態では、ＵＭＬ板３６が８個のＰＣＢより少ないまたは多いもの構成することができると理解されるべきである。ＵＭＬ板３６は、ＲＦ給電回路を含み、ＲＦ信号を、放射器サブアセンブリ２２の一部として設けたアンテナ・エレメント１５へ、およびアンテナ・エレメント１５から結合する。ＵＭＬＢ３６は、第１の相互接続板５０の上に配置される。相互接続板５０は循環器板６０の上に配置され、循環器板６０は、次に、第２の相互接続板７１の上に配置される。第２相互接続板７１は下側多層（ＬＭＬ）板８０の上に配置され、そして、ＬＭＬ板８０はヒート・スプレッダ(thermal spreader)板８６の上に配置される。Ｔ／Ｒモジュール７６（図７では不可視）と共にＬＭＬ板８０およびヒート・スプレッダ板８６が、下側多層アセンブリ（ＬＭＬＡ）（符号なし）を備える。

[0075] この特定の実施例では、各タイル・サブアレイ１２は、６４個の放射アンテナ・エレメント１５を含み、サブアレイが有する８個の行において所定のパターン（ここでは三角形格子パターン）で均一に分散される（すなわち、タイル・サブアレイの行のそれぞれが同一数のアンテナ・エレメントを有する）。図６や７の例示的な設計では、各ＬＭＬＡは、アンテナ・エレメント１５の２つの行に結合するように適合され、全部で１６個のアンテナ・エレメントを構成する。別の言葉で言うと、各ＬＭＬＡは、２×８の部分のサブアレイ１２ｂを供給する。つまり、アンテナ・エレメントがサブアレイ１２ｂに８個あり各ＬＭＬＡは２つの列を供給するので、４つのＬＭＬＡは、全てのサブアレイ１２ｂを供給することを必要とする。この例示的な実施形態において、タイル・サブアレイ１２ａ―１２ｘの各々は、８行のアンテナ・エレメントを備えているので、タイル・サブアレイ１２ａ―１２ｘの各々は４つのＬＭＬＡを必要とする。

[0076] この実施例では、各ＬＭＬＡが２行のアンテナ・エレメントを供給するにもかかわらず、各ＬＭＬＡが多くのアンテナを２より大きいか小さい行に供給する実施形態を作成できることがまた理解されるべきである。例えば、タイル・サブアレイが図６および図７に示した８つの行を含むと想定すると、ＬＭＬＡ構成は、アンテナ・エレメントの１つの行への結合を行うことができる（この場合、タイル・サブアレイ当たり８つのＬＭＬＡが必要となる）。その代替としては、ＬＭＬＡ構成は、アンテナ・エレメントが有する４行への結合（この場合、タイル・サブアレイ当たり２つのＬＭＬＡが必要になる）、またはアンテナ・エレメントが有する８列への結合（この場合は、タイル・サブアレイ当たり１つＬＭＬＡのみが必要になる）を行うことができる。いかなる特定のタイル・サブアレイで用いるための特定の数のＬＭＬＡ（すなわち特定のＬＭＬＡ構成）は、タイル・サブアレイの放射エレメント数、各ＬＭＬＡのコスト、タイル・サブアレイが使用される特定用途、（例えば、ＬＭＬＡが故障したときの）サブアレイのＬＭＬＡを変更する容易さ（または困難さ）、および１つが故障したときのタイル・サブアレイのＬＭＬＡを修理、取り換え、または他の変さらに要するコストを含む様々な要因に依存するが、これらに限定されることはない。当業者は、特定用途のための特定のＬＭＬＡ構成を選択する方法を理解するであろう。

[0077] 各ＬＭＬＡは、１つ以上のＴ／Ｒチャネルに関連付けることができる。例えば、図６および７の実施形態では、各ＬＭＬＡは、タイル・サブアレイ１２ｂの一部分として設けられたアンテナ・エレメントの２×８アレイに結合する２×８レイアウトに配置される１６個のＴ／Ｒチャネルを含む。つまり、このような４つのＬＭＬＡが、完備したタイル・サブアレイで使用される。各ＬＭＬＡは、特定用途で設計および実施される単一のまたは多数のエレメントに接続することができる。

[0078] ＵＭＬＡおよびＬＭＬＡの詳細は、図１を用いて教示する本発明の回路を実装するために、図６および７に関連して上述したＵＭＬＡおよびＬＭＬＡに含まれる回路のいくつかを説明することが意図される。つまり、図１に教示した技術では、利用可能な製造技術を用いて様々なサブアレイの接続形態(topology)で実装することができることが理解されるべきである。上述したサブアレイおよびこれに関連する回路は、組み込みの循環器、様々な種類の放射器、単一の統合モノリシック・マイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）、および受動無線周波数（ＲＦ）回路アーキテクチャを利用することができる。例えば、共通して譲り受けた米国特許に記載される技術を、全体または部分的に用いることができ、および／または、本願明細書で説明するサブアレイおよび関連する回路の少なくとも幾つかの実施形態で用いるように適合することができる。すなわち、「組み込み平面循環器(Embedded Planar Circulator)」と題された米国特許第６，６１１，１８０号、「スロット結合された偏波エッグクレート放射器(Slot Coupled, Polarized, Egg-Crate Radiator)」と題された米国特許第６，６２４，７８７号、「多層ストリップライン無線周波数回路および相互接続方法(Multilayer Stripline Radio Frequency Circuits and Interconnection Methods)」と題された米国特許第６，７３１，１８９号、「タイル・サブアレイならびに関連回路および関連技術(Tile Sub-array and Related Circuits and Techniques)」と称された米国特許第７，３４８，９３２号、および／または２００９年６月１５日に出願された「パネル・アレイ(Panel Array)」と題された米国特許出願第１２／４８４,６２６号である。上記特許の各々は、本願明細書に引用することにより、その全体包含するものとする。

[0079] 本発明の各種実施形態を説明してきたとおり、アンテナ・サブアレイのための給電ネットワークが和出力を有する第１の給電装置、デルタ出力を有する第２の給電装置、および第１のポートおよび第２のポートを有する固定減衰器を含み、第１ポートが第２給電装置のデルタ出力に接続されることがもはや理解されているべきである。アンテナ・サブアレイはまた、第１および第２のポートならびに第３のポートを有しこの第１ポートが固定減衰器の第２ポートに接続される第１の電力分割／合成器、第１のポートおよび第２のポートを有しこの第１ポートが電力分割／合成器の第２のポートに接続される可変位相器、ならびに第１のポートおよび第２のポートを有しこの第１ポートが可変位相器の第２ポートに接続される可変減衰器を含む。アンテナ・サブアレイは、さらに、第１および第２のポートならびに第３のポートを有しこの第１ポートが固定減衰器の第２ポートに接続される第２の電力分割／合成器、第１のポート、第２のポートおよび第３のポートを有しこの第１ポートが第１給電装置の和出力に接続される第１の循環器、ならびに第１および第２のポートならびに第３のポートを有しこの第３ポートが循環器の第２ポートに接続され第２ポートが可変減衰器の第２ポートに接続される第３の電力分割／合成器を備える。

[0080] アンテナ・サブアレイのための給電ネットワークはまた、複数の結合器を含む。この複数の結合器のそれぞれは、アンテナ・ポート、和ポート、デルタ・ポートおよび終端ポートを有しており、複数の結合器のそれぞれの和ポートが、第１の給電装置に接続され、複数の結合器のそれぞれのデルタ・ポートが第２の給電装置に接続される。アンテナ・サブアレイのための給電ネットワークは、さらに、第２の循環器を含み、第１のポート、第２のポートおよび第３のポートを有する。第１のポートは、第１循環器の第３のポートに接続され、第２のポートは第３の電力分割／合成器の第１のポートに接続される。

[0081] 上記構成により、和信号は２つの信号に分割される。そして、この２つの和信号のうちの１つが、所与の量の振幅および位相の減衰の後に、デルタ信号と結合される。複数のハイブリッド結合器のそれぞれについての結合値は、以下の数式から導出される。

ここで、結合値は、

の項から導出され、可変減衰器の減衰値は、

の項から導出される。また、可変位相器の位相値は、

の項から導出される。

[0082] 本願明細書において引用した全ての刊行物および文献は、参照することによってその全体が本明細書に明示的に包含されている。

[0083] 本出願の図面において、いくつかの実施例では、複数の構成要素が特定の構成要素を例示するものとして示されることがあり、また、単一の構成要素は、複数の特定の構成要素について説明に示されることがある。複数の特定の構成要素を示すことにより、本発明により実施されるシステムまたは方法がその構成要素またはステップの１つ以上を含まなければならないことを意図するものではなく、また、本発明が各構成要素の単一のものを有する実施形態に限定される単一の構成要素について説明することを意図するものでもない。当業者は、図面に示される特定の構成要素の数が、少なくともいくつかの例において、特定のユーザーのニーズに適応するように選択することができるものと理解するであろう。

[0084] 特定の構成要素の組合せおよび上述した詳細な実施形態の特徴は、例示の目的でのみ検討されることを意図したものであり、これらの教示について、本明細書における、また、参照により包含した特許や特許出願における他の教示を用いて、交換および代用することも、さらに明確に意図している。当業者は、本願明細書に説明したものについての変更、修正その他の実施について、本願明細書に記載され特許請求された概念の趣旨および範囲から逸脱することなく生じさせることができると理解するであろう。つまり、上述の説明は、例示のみによるものであって、いかなる形であれ限定するために意図すべきものでなく、かつ、そのように構築されるべきものであってはならない。

[0085] さらに、本発明を説明する際に、また、図面の概念についての実施形態を例示する中で、特定の技術用語、数、サイズおよび材料などを、明確化のために用いている。しかしながら、この概念は、特定の用語、数、寸法、材料等に限定されない。すなわち、選択された各々の特定の用語、数、サイズ、材料等には、少なくとも全ての技術的かつ機能的な均等物が含まれ、この均等物は類似の手法で類似の目的を達成するために動作する。所与の単語、フレーズ、数、サイズ、材料、言語上の用語、製品ブランドその他についての使用は、すべての文法上、字義通りの科学的で技術的かつ機能的な均等物を含むことを意図する。本願明細書において用いられる技術用語は、説明目的であって限定目的ではない。

[0086] 保護されるべく探求した概念についての好適な実施形態について説明してきたように、当業者がこの概念を包含する他の実施形態を用いることもあるということは明白であろう。さらに、当業者であれば、本願明細書において説明した本発明の実施形態を修正して、適用可能な技術や本願明細書で参照した規格に対して変更および改良に適用および／または遵守できることが理解するであろう。例えば、技術は、多くの他の異なった形態で実施することができ、また、多くの異なる環境において実施することができる。そして、本願明細書に開示される技術は、他の技術と組み合わせて使用することができる。本願明細書において説明したものついての変形、修正その他の実施は、当業者にとって、説明および特許請求する概念の趣旨および範囲から逸脱することがなく生じさせることができる。したがって、保護の範囲は、開示された実施形態に対し、またはこれによって限定されるべきではなく、むしろ、添付の請求の範囲の趣旨および範囲だけによってのみ限定されるべきである。

Claims (12)

1. アンテナ・サブアレイのための給電ネットワークであって、
   和形成信号出力を有する第１の給電装置と、
   デルタ形成信号出力を有する第２の給電装置と、
   第１のポートおよび第２のポートを有する固定減衰器であって、該固定減衰器の第１ポートが前記第２給電装置のデルタ形成信号出力に接続される固定減衰器と、
   第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第１の電力分割／合成器であって、該第１電力分割／合成器の第１ポートが前記固定減衰器の第２ポートに接続される、第１電力分割／合成器と、
   第１ポートおよび第２ポートを有する可変位相器であって、該可変位相器の第１ポートが前記第１電力分割／合成器の第２ポートに接続される、可変位相器と、
   第１ポートおよび第２ポートを有する可変減衰器であって、該可変減衰器の第１ポートが前記可変位相器の第２ポートに接続される、可変減衰器と、
   第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第２の電力分割／合成器であって、該第２電力分割／合成器の第１ポートが前記固定減衰器の第２ポートに接続される、第２電力分割／合成器と、
   第１のポート、第２のポート、および第２のポートを有する第１の循環器であって、該第１循環器の第１ポートが前記第１給電装置の和形成信号出力に接続され、該第１循環器の第２ポートが前記第２電力分割／合成器の第３ポートに接続される、第１循環器と、
   第１のポート、第２のポートおよび第３のポートを有する第２の循環器であって、該第２循環器の第１ポートが前記第２電力分割／合成器の第２ポートに接続され、該第２循環器の第２ポートが前記第１循環器の第３ポートに接続される、第２循環器と、
   を備える、給電ネットワーク。
2. 請求項１記載のアンテナ・サブアレイのための給電ネットワークであって、さらに、複数の結合器を備えており、該複数の結合器のそれぞれがアンテナ・ポート、和ポート、デルタ・ポートおよび終端ポートを有しており、前記複数の結合器のそれぞれが有する前記和ポートが前記第１給電装置に接続される、給電ネットワーク。
3. 請求項２記載のアンテナ・サブアレイのための給電ネットワークにおいて、前記複数の結合器のそれぞれが有する前記デルタ・ポートが前記第２給電装置に接続される、給電ネットワーク。
4. 請求項１記載のアンテナ・サブアレイのための給電ネットワークにおいて、複数のハイブリッド結合器のそれぞれについての結合値が、
   

   

   の数式から導出される、給電ネットワーク。
5. 請求項４記載のアンテナ・サブアレイのための給電ネットワークにおいて、前記結合値が、
   

   

   の項から導出される、給電ネットワーク。
6. 請求項４記載のアンテナ・サブアレイのための給電ネットワークにおいて、前記可変減衰器の減衰値が、
   

   

   の項から導出される、給電ネットワーク。
7. 請求項４記載のアンテナ・サブアレイのための給電ネットワークにおいて、前記可変位相器の位相値が、
   

   

   の項から導出される、給電ネットワーク。
8. アンテナ・サブアレイのための給電ネットワークであって、
   複数の結合器であって、それぞれがアンテナ・ポート、和ポート、デルタ・ポート、および終端ポートを備える複数の結合器と、
   前記複数の結合器が有する前記和ポートのそれぞれに接続される第１の給電装置であって、和形成信号出力を有する第１給電装置と、
   前記複数の結合器が有する前記デルタ・ポートのそれぞれに接続される第２の給電装置であって、デルタ形成信号出力を有する第２給電装置と、
   第１のポートおよび第２のポートを有する固定減衰器であって、該固定減衰器の第１ポートが前記第２給電装置のデルタ形成信号出力に接続される固定減衰器と、
   第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第１の電力分割／合成器であって、該第１電力分割／合成器の第１ポートが前記固定減衰器の第２ポートに接続される第１電力分割／合成器と、
   第１ポートおよび第２ポートを有する可変位相器であって、該可変位相器の第１ポートが前記第１電力分割／合成器の第２ポートに接続される位相器と、
   第１のポートおよび第２のポートを有する可変減衰器であって、該可変減衰器の第１ポートが前記可変位相器の第２ポートに接続される可変減衰器と、
   第１および第２のポートならびに第３のポートを有する第２の電力分割／合成器であって、該第２電力分割／合成器の第１ポートが前記固定減衰器の第２ポートに接続される第２電力分割／合成器と、
   第１のポート、第２のポートおよび第３のポートを有する第１の循環器であって、該第１循環器の第１ポートが前記第１給電装置の和形成信号出力に接続され、該第１循環器の第２ポートが前記第２電力分割／合成器の第３ポートに接続される第１循環器と、
   第１のポート、第２のポートおよび第３のポートを有する第２の循環器であって、該第２循環器の第１ポートが前記第２電力分割／合成器の第２ポートに接続され、該第２循環器の第２ポートが前記第１循環器の第３ポートに接続される、第２循環器と、
   を備える、給電ネットワーク。
9. アンテナ・サブアレイであって、
   複数の放射器と、
   複数の送受信モジュールであって、それぞれが前記複数の放射器のそれぞれに結合される送受信モジュールと、
   複数のＲＦ結合器であって、それぞれが前記複数の送受信モジュールのそれぞれに接続されるＲＦ結合器と、
   前記複数のＲＦ結合器に結合される均一な電力分割器が有する第１の給電装置と、
   前記複数のＲＦ結合器に結合される均一な電力分割器が有する第２の給電装置と、
   給電ポート、伝送ポートおよび和ポートを有する第１の循環器であって、該第１循環器の給電ポートが前記第１給電装置に接続される第１循環器と、
   給電ポート、伝送ポートおよび和ポートを有する第２の循環器であって、該第２循環器の伝送ポートが前記第１循環器の伝送ポートに接続される第２循環器と、
   第１および第２のポート、ならびに第３のポートを有する第１の電力分割／合成器と、
   第１および第２のポート、ならびに第３のポートを有する第２の電力分割／合成器であって、該第２電力分割／合成器の第３ポートが前記第１循環器の和ポートに接続され、該第２電力分割／合成器の第２ポートが前記第２循環器の和ポートに接続される、第２電力分割／合成器と、
   第１および第２のポートを有する可変減衰器であって、該可変減衰器の第２ポートが前記第２電力分割／結合器の第１ポートに接続される可変減衰器と、
   第１および第２のポートを有する可変位相器であって、該可変位相器の第２ポートが前記可変減衰器の第１ポートに接続され、該可変位相器の第１ポートが前記第１電力分割／合成器の第２ポートに接続される可変位相器と、
   第１のポートおよび第２のポートを有する固定減衰器であって、該固定減衰器の第１ポートが前記第２給電装置に接続され、該固定減衰器の第２ポートが前記第１電力分割／合成器の第１ポートに接続される固定減衰器と、を備える、アンテナ・サブアレイ。
10. 前記可変減衰器が、能動開口電子ステア・アレイ内の当該アンテナ・サブアレイの位置にしたがって１つの値に調整される、請求項９記載のアンテナ・サブアレイ。
11. 前記複数のＲＦ結合器のそれぞれが４ポート結合器を備える、請求項９記載のアンテナ・サブアレイ。
12. 前記複数の放射器が８つの放射器を含み、前記複数の送受信モジュールが８つの送受信モジュールを含む、請求項９記載のアンテナ・サブアレイ。