JP2629057B2 - 自己監視・較正フェイズドアレーレーダ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、フェイズドアレーレーダの各アンテナ素
子の個々の送信／受信作動回路の重要な性能パラメータ
の較正及び較正範囲内での維持に関し、また、特定のア
ンテナ素子に対して作動回路を設け、それにより自己監
視・較正を行うことができる調整・交換可能な新規な送
信／受信部分組立て体（sub−assembly）に関する。

（従来の技術） 従来のフェイズドアレイレーダ装置においては、出力
管または増幅器を用いて電力を発生した後伝送線回路網
を通じてこれを個々の放射素子へ配分していた。所望の
周波数帯域幅にわたりビームの操縦及び制御を行なうに
は、個々の伝送線経路のすべてが同一のまたは既知の路
線長となるよう注意しなければならない。使用中の路線
長の較正は通常必要ではない。

固体化レーダにおいては、通常は低電力励振器が送信
信号の搬送波を発生する。低電力のレーダ信号を発生す
るには、励振器出力をパルス化を含む振幅変調または位
相変調することが多い。次にこれらの低電力信号はフェ
イズドアレーのアンテナ素子を駆動するようそれぞれが
配列された電力増幅モジュール・アレーに配分される。

送信中は、モジュール内の電力増幅器は、アンテナパ
ターンを規定するため相互に位相コヒーレンシーを維持
することが絶対に必要である。ある種の使用においては
サイドローブを減らすため電力増幅器の「重み付け」を
する。また「重み付け」をした伝送としない伝送とのい
ずれにとっても、電力増幅器の電力レベルも装置性能に
とって重要である。

受信中は、同様な制約が受信機の機能に課せられる。
フェイズドアレーレーダ装置では、それぞれのアンテナ
素子には低雑音増幅器が備えられる。特に和と差の両ビ
ームの形成されるモノパルス使用の場合は、受信ビーム
が適切に形成されるには、各アンテナ素子に関連するそ
れぞれの低雑音増幅器は同じ位相レスポンスで信号を処
理し、同じ程度にこれを増幅しなければならない。

通常のフェイズドアレーレーダ装置では、特定の電力
利得あるいは位相要件に適合する必要性が、数千の作動
中の回路のそれぞれ、アレイの１素子に関連する回路の
それぞれに課せられる。従って、どの修正も多数の潜在
的誤差に対し有効に働かなければならない。

３ギガヘルツ以上の周波数で作動するレーダは“MMI
C"様式の使用に適したその能動デバイス用の「高周波」
バルク材料を必要とする。この周波数では、シリコンバ
ルク材料を使った能動デバイスはガリウムひ素などの高
周波バルク材料を使ったデバイスよりも大幅に効率が落
ちる。同時に、能動・受動部品ともに形態の実際の寸法
が小さくなり、能動部品と受動部品とを単一のモノリシ
ック回路に集積することが実行可能となる。この様式を
「モノリシックマイクロ波集積回路」（MMIC）と称す
る。

MMIC様式は、効率の良い受動デバイスと写真製版法を
用いて寸法を調節したレイアウトの回路構成とを可能と
するGaAsバルク材料の半絶縁特性を利用する。その結果
極めてコンパクトな回路構造となる。

MMIC様式における能動デバイスは写真製版法により再
生産することができ、ある種の新しい技法を使えば非常
に細かく段階付けして利得を調節することができる。例
えば、低雑音増幅器の場合には、段階的な利得が、移相
器の場合には段階的な位相が実現できる。

MMIC構造の根底には、回路定数に対する製造上の誤差
の影響がしばしば回路設計の許容値を上回るという事実
がある。例えば、ある種のMMICでは位相応答が相当にま
ちまちである。しかし、利得は、応用によっては依然と
して過度に変わるけれども、予測性が高い。従って、製
造上、あるいは経年変化により重要な特性の誤差が許容
範囲を超えると想定すれば、MMICの段階的な特性は、作
動回路の回路定数をもっと正確に達成する方法を示唆し
ている。

（発明が解決しようとする課題） 従って、この発明の１つの目的は、新しいフェイズド
アレーレーダ装置を提供することにある。

発明の他の目的は、個々のアンテナ素子と受信機／励
振器間の作動経路を監視・較正する新しい手段を有する
フェイズドアレーレーダ装置を提供することにある。

この発明のなおもう１つの目的は、フェイズドアレー
レーダ装置に使用する１組のアンテナ素子用の作動回路
を構成する新しい送信／受信（T/R）部分組立て体を提
供することにある。

この発明の更にもう１つの目的は、自己監視・較正フ
ェイズドアレーレーダ装置に使用する新しいT/R部分組
立て体を提供することにある。

この発明の１つの目的は、自己較正フェイズドアレー
レーダ装置に使用する利得調整可能な新しいT/R部分組
立て体を提供することにある。

この発明の他の１つの目的は、自己較正フェイズドア
レーレーダ装置に使用する位相調整可能な新しいT/R部
分組立て体を提供することにある。

この発明のなおもう１つの目的は、自己監視・較正フ
ェイズドアレーレーダ装置に使用する位相、利得及び／
又は電力調整が可能な新しいT/R部分組立て体を提供す
ることにある。

この発明の更にもう１つの目的は、フェイズドアレー
レーダ装置の同様のT/R部分組立て体などと互換使用可
能な新しいT/R部分組立て体を提供することにある。

この発明の他の１つの目的は、約１ギガヘルツ以上で
使用する新しい自己監視・較正フェイズドアレーレーダ
装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） この発明のこれらの及びその他の目的は、ｍ行×ｎ列
素子フェイズドアレーレーダ装置において、励振器から
各アンテナ素子への送信経路及び各アンテナ素子から受
信機への受信経路での正確な位相レスポンスを維持する
ための新規な組合せにおいて実現することができる。

この組合せには、較正及び送信用の信号を送る励振
器、励振器を基準とする位相誤差検出回路と測定ポート
とを有する受信機、及びビーム形成器が含まれる。ビー
ム形成器には励振器／受信機からアンテナ素子への送信
／受信作動経路内に置かれるｍ×n/j個のポートを備え
る（ｊは通常の場合１、２、または４である）。

この組合せには、通常の場合ｉが４である（ｍ×n/
j）個の複数のポートに内部結合される単独のポートを
備え、各経路が各アンテナ素子から励振器／受信機への
較正経路を形成する既知の電気長を有するコーポレート
較正給電回路網、及び４個のアンテナ素子の各サブレッ
ト用の送信／受信作動経路内に置かれる（ｍ×n/4）倍
の複数の位相調整可能な送信／受信（T/R）部分組立て
体が更に含まれる。

各T/R部分組立て体には、ビーム形成器に結合される
１つ、２つ、または４つのストリップラインポートと４
つのマイクロストリップポートを有する分割器回路網及
び推移部、及び、関連するアンテナ素子の信号を処理す
るための能動電子素子を内蔵し、マイクロストリップ伝
送経路を用いる４つのT/Rモジュールが含まれる。

更に明確には、各モジュールには、位相設定用制御器
を有し送信／受信作動経路内に置かれる双方向制御可能
な移相器、励振器信号を増幅するための電力増幅器信、
関連するアンテナ素子からの信号を増幅するための低雑
音増幅器、及び、送信中は励振器からの信号を電力増幅
器を経て関連するアンテナ素子へ送り、受信中はアンテ
ナ素子からの信号を低雑音増幅器を経て受信機へ送るた
めの分岐手段であって、T/Rスイッチとサーキュレータ
とを含む１対の３ポート送信／受信分岐手段を含む。

T/R部分組立て体には、更に、サーキュレータ分岐手
段をストリップラインアンテナ回路に結合する４個のマ
イクロストリップ−ストリップライン推移部が含まれ
る。アンテナ回路は、方向性較正結合器を有する１行内
の４つの隣接するアンテナ素子、及び４つのアンテナ素
子を較正結合器を経て較正回路網に接続する１つの４対
１コーポレート給電回路網を有する。従って４つの送信
／受信作動経路は１本の較正経路と直列に接続される。

較正ループは、最初は送信作動経路を、次に較正経路
を構成し、受信機測定ポートに終わる測定経路に励振器
信号を切換えることにより、送信作動経路較正に対して
完結する。受信作動経路較正に対してはこの順序を逆に
する。この場合は、励振器信号を最初は較正経路を、次
に受信作動経路を構成し、受信機測定ポートに終わる測
定経路に切換える。

この発明の更に別の面によれば、各T/Rモジュールの
移相器は双方向性で、複数のディジタル位相状態を有
し、各T/Rモジュールの低雑音増幅器は随意にディジタ
ルの電力及び利得状態を有し、これらの状態はすべて論
理制御に従う。電力または利得を制御する場合は、受信
機には適当な振幅誤差検出回路が設けられる。

この発明の１つの面によれば、移相器の位相は周期的
に調節されて送信作動経路及び受信作動経路を仮想ボア
サイト状態に再較正する。次に位相誤差データを消去可
能な記憶装置に記憶させ、送信中及び受信中のビーム操
縦位相指令を修正する。次回の較正まで、記憶された同
じ誤差データが使用される。

この発明のもう１つの面によれば、各T/R部分組立て
体には、各モジュールの利得及び電力の修正値を永久記
憶するための読出し専用記憶装置（ROM）が設けられ
る。周期的に、受信機測定ポートにおいて利得及び電力
を監視し、許容しうる性能を確認する。T/R部分組立て
体の単数または複数のモジュールが許容性能値を逸脱す
れば、故障という表示が出てそのT/R部分組立ては交換
される。T/Rモジュールそれ自体は、性能値に相当な変
動があってもT/R部分組立て体に組み込む前には相互交
換可能であるが、一旦組み込まれてROMをプログラミン
グして正しい値に設定した後は、ROMの交換なしには交
換することはできない。

その結果、励振器／受信機から１つのアンテナ素子へ
の各作動経路における良好な位相、電力及び利得性能が
生まれる。この発明は３ギガヘルツ以上で使用されMMIC
回路内ガリウムひ素材料を用いるフェイズドアレーレー
ダ・システムに適した応用面を有する。

本発明の創意に富み特有の特徴事項は本出願の請求項
に明記されている。しかし、発明自体及びその他の目的
や利益は、以下の説明と添付図面を参照することによっ
て最も良く理解できるであろう。

（実施例） 第１図Ａはフェイズドアレーレーダ装置の開口部を示
す透視図である。第１図Ａには、アレイに配置された個
々のアンテナ素子21を示すため、本来の係合位置から離
して示されている平坦な方形のレードーム３を有する大
型方形ハウジング２が示されている。レードームはアン
テナ素子を気象条件から守り、豪雨の場合はビーム操縦
を困難にする水の悪影響を低減する。このレードームは
1987年５月21日提出の「アンテナアレイに対する保護遮
蔽」と題するH.C.AST及びJ.D.Realeの発明の、特許出願
第052,728号の主題である。

第１図Ｃに示すように、アンテナ素子21は行と列に配
列される。１行64素子、１列56素子であるが角の埋まっ
ていない実用例では、総数は約3000である。この3000ほ
どのアンテナ素子は、垂直線上で４個ずつのグループに
順次組み立てられ、各グループは１個のT/R部分組立て
体20の一部を形成する。

第１図Ｂに示すT/R部分組立て体20はプラグインユニ
ットで容易に取り外すことができ、同様の交換可能装置
との交換が可能である。T/R部分組立て体は開口部全体
にわたっている大きな方形鋳物のレーダ装置の堅固なフ
レーム構造内に嵌まり込むように配列される。T/R部分
組立て体を組み立てた状態では、露出面は連続した平坦
な接地面を形成し、この面を貫いてアンテナ素子が突き
出す。通常は隠れているT/R部分組立て体の後面は、T/R
部分組立て体に対して所要の信号を送り、較正及びT/R
部分組立て体との制御結合を行う複数のコネクタ（34,2
4,39）を支えている。コネクタは、部分組立て体を接地
面に対して垂直に動かすことにより装置内の相手コネク
タとの嵌脱ができるように設計される。

各T/R部分組立て体には、４つのアンテナ素子を送信
モード及び受信モードで作動させるのに必要な能動送信
／受信電子回路を提供する４個の取り外し可能なT/Rモ
ジュール、４つのT/Rモジュールをビーム形成器の１個
の複数タップに結合する第１の４路コーポレート形信号
分配回路網、及び、較正回路網の１個の複数タップへの
接続のための第２の４路コーポレート形較正回路網が含
まれる。更に、局部制御機能も備えられ、これは中央
「同期装置」37と強力して数個の作動状態及び自己較正
状態をエネーブルし、４つのモジュールの較正調節機能
を確立する。

４個のT/Rモジュールが各T/R部分組立て体に含まれ、
それぞれのモジュールには１つのアンテナ素子に送信／
受信機能を行なわせるに必要なすべての能動電子回路が
含まれる。T/RモジュールはT/R部分組立て体の中で最も
故障し易かったり特性の変化し易い部分に当る。これら
は容易に取り外せるように設計され、T/R部分組立て体
に組み込む前や故障したユニットを取り替えるために交
換可能である。

４つの個々のT/RモジュールをT/R部分組立て体に組込
んだ後は、T/R部分組立て体制御論理内の記憶装置には
個々のT/Rモジュール間のばらつきを修正するため変更
を加えることがある。従って、T/Rモジュールは使用現
場では交換できないが、T/R部分組立て体の記憶装置の
プログラムを組みなおすことのできる修理施設では交換
することができる。

１つの例示的実施例でのレーダ装置には、それぞれの
行に64個の部分組立て体を含み14行に配列された約700
個のT/R部分組立て体、及び、3000あまりのアンテナ素
子のための能動電子回路を含む約3000のT/Rモジュール
が含まれる。互換性はあるが現場での交換が最もできに
くいユニットであるT/R部分組立て体は使用寿命が長い
とされ、主な故障源であるT/RモジュールがT/R部分組立
て体の交換の主な原因となる。

第１図Ａに示すフェイズドアレーレーダ装置は、静止
位置から作動し電子的に走査されるビームを形成する。
送信ビームの走査は、アレイの個々の素子に結合される
前に共通の励振器信号に加えられる電気的遅れを調節す
ることにより行なわれる。アレイの各素子が同相の信号
で励振されると、ビームはアレイの面に垂直な軸の方向
に向けられる。（アレイ面に対してブロードサイドなビ
ーム位置は「ボアサイト」位置として知られる。）。

送信ビームは、開口部を横切って垂直または水平座標
線に沿ってほとんど同じ増分でアンテナ素子間の位相を
ずらしてやることにより走査される。これによりビーム
はボアサイトから垂直または水平に偏向され、その偏向
量はアレイの素子間の位相増分に比例する。

フェイズドアレーレーダでは、ビーム形成及び操縦の
精度は、励振器から各アンテナ素子への経路での位相遅
れの精度により決まってくる。既に述べたように、１つ
の励振器の増幅された出力が各アンテナ素子を励振する
ため使われる。励振器出力は何らかの形の初期変調を受
け、中程度の電力レベルのものである。励振器出力は、
ビーム形成器の列給電部及び行給電部に加えられる前
に、信号を雑音より十分高いレベルに維持するためアン
テナ素子への経路内で再増幅され、電力増幅器で最終電
力増幅を受け１つのアンテナ素子を励振する。最終増幅
の前に、励振器出力は、各ビーム操縦角に適する所望の
位相角へ信号を設定するためのT/Rモジュール内のディ
ジタル制御移相器を通過する。

普通のレーダ応用では、ビーム形成−この用語は励振
器信号を電力増幅器に分配する回路網によりビームを形
成することを指す−は送信でも受信でも同じである。こ
の応用では、アレイの全素子における送信信号の振幅は
等しく保たれ、各ビーム操縦位置ごとに開口部を横切っ
て順次水平または垂直に進むにつれ、実質的に等しい位
相の増分（±最下位ビットの半分）が維持される。ある
ビーム位置に目標が存在すれば、相当する位相増分でア
レイの個々の素子に反響信号が到達し、ビーム形成回路
を逆に進めて適切に再構成すれば、最初に送った送信パ
ルスと同じ一つのパルスが発生する。比較的粗くてもよ
い位相設定を用いてビーム指向角を調節しても比較的高
い精度がえられるが、最終的精度はビット数に依存す
る。

しかし、アンテナ素子における振幅を等しくし開口部
を横切って順次段階的に位相を設定するビーム形成法は
フェイズドアレイレーダ装置に使われるいくつかのビー
ム形成調整の単に１つにすぎない。アレイの個々の素子
に供給する信号の振幅には、ビームのメインローブ経路
内にないジャマーからのジャミングを防ぐためサイドロ
ーブレベルを経らすことが望ましい場合は、屡々重み付
けが行われる。

振幅と位相をともに調整するビーム形成を伴うモノパ
ルス動作も普通に行われる。モノパルス送信のためのビ
ーム形成器は最適指向性を確保するように振幅を重み付
けした振幅で通常のビーム（即ちΣ）を送る。受信で
は、同様のまたは異なる振幅重み付けをした和ビームが
受信され、１対の差（Δ）ビームが位置（ΔAz）及び迎
角（ΔEl）に形成される。

従って前述の応用では、送信のため励振器信号を処理
する能動電子回路と受信に際してのアンテナ素子が受信
した反響信号へと位相制御以外に、重み付けされた振幅
の制御の必要が加わる。したがって、レーダ装置が設計
性能を発揮するには、位相と送信の際の電力と受信の際
の利得とを規定値に保持しなければならない。

前述のように、能動電子素子は、高い周波数で使用す
る実用のフェイズドアレイレーダ装置に必要なよりも初
期精度が低く安定性に劣ることが多い。その修正には２
つの主な形式を取る。製造に基づく誤差は機器の製造に
伴うものとして永久的な修正により除くことができる。
送信機電力または受信機利得の誤差は、正しい設定値を
求め修正値を永久記憶装置に記憶させて修正することが
できる。製造後も性能は繰り返し監視される。監視の結
果、許容性能値からの逸脱が発見されたら、非実働利得
素子を含む「最低交換可能ユニット」を交換する。この
実施例では、位相誤差はまた変動を受け、ディジタル制
御移相器が使われている。移相器は簡易な手段で頻繁に
監視され、許容値からの逸脱が検出されたら設定値を変
更する。

本発明によれば、取り外し可能なT/R部分組立て体に
は４個の交互性のあるT/Rモジュールが含まれ、各モジ
ュールはそれぞれのアンテナ素子に必要な能動電子回路
を含み、論理制御された位相または位相と振幅の調整を
行う手段を提供する。それぞれのモジュールは、励振器
から各アンテナ素子へ、そしてアンテナ素子から受信機
への作動経路でこれらの調整を行なう。モジュールの設
定を制御するT/R部分組立て体は、別の電子回路を使う
ので、送信信号及び受信信号に対して別の設定を行な
う。設定値の確度を保証する較正過程には、内部基準が
含まれ、ビーム形成過程での連続的な進行中の較正が可
能となる。

位相、電力及び／又は利得を理論的に制御するととも
に、全体的なレーダ装置の設計が適切であり、レーダ受
信機に適切な位相及び振幅検出回路を有するT/Rモジュ
ールを使うことにより、各作動経路での所望の位相・振
幅・利得応答を、設計性能を達成するに必要な精度で達
成することができる。

第２図Ａ及びＢはこの発明の１つの実施例の簡略系統
図であり、レーダ装置の４個のアンテナ素子21（即ちｊ
番目のサブセット）のためのT/R部分組立て体の送信及
び受信用の較正ループをそれぞれ示している。この部分
組立て体には４個のアンテナ素子及び４個のT/Rモジュ
ール（それぞれ素子27,28,29,30,31を含む）が含まれ、
各モジュールの素子は送信用及び受信用のそれぞれの能
動アンテナ回路の位相調整手段を備えている。（第２図
Ａ及びＢで使用されている参照番号及び説明は、第４図
及び第５図の更に詳細な回路図にも適用される。） レーダ装置の制御は、記憶された誤差データを供給す
る受信機11とともに作動する同期装置37、及び能動電子
回路を含む個々のT/RモジュールのそれぞれのT/R部分組
立て体20内の制御を司る制御チップ38によりシステムレ
ベルで行なわれる。第２図Ａに示す制御は、移相器31、
及び、個々のT/Rモジュール26及び状態の選択をエネー
ブルすることに限定される。２つの実用例に存在する更
に複雑な制御機能は第７図及び第８図に示す。

従って、第２図ＡはT/R部分組立て体20の一部である
４個のアンテナ素子のための送信作動経路における位相
誤差の修正に関するものである。第２図Ａに示す簡略化
された形でのT/R部分組立て体20は４つの同様なチャン
ネルを有し、各チャンネルには、論理制御される移相器
31を含むT/Rモジュール（26）及びT/R電子回路パッケー
ジ27,28,及び30が含まれる。更に、T/R部分組立て体に
は、ビーム形成器をT/Rモジュールに接続するための信
号分配回路網（33）、アンテナ素子を較正回路網（15,1
6）に接続するための較正分配回路網（25）、及び制御
同期装置39に接続される論理制御部38が備わっている。

更に、第２図Ａに示すレーダ装置は、送信用及び送信
経路較正用の信号を送る励振器10;基準及び測定入力端
子を持った較正誤差検出回路を有する受信機11;送信期
間及び送信経路較正期間での送信列給電13及び送信／受
信行給電14におけるビーム形成経路であって、図示のT/
R部分組立て体の・励振器／受信機信号端子34に至り集
積アンテナ素子21に終わるビーム形成経路を備えたビー
ム形成器（13,14）；そして送信期間及び送信経路較正
期間に集積アンテナ素子に始まり受信機11の測定誤差検
出端子に終わる較正経路を備えた較正給電部（15,16）
を備える。較正給電部は、本質的にコーポレートな（即
ち一つのポートから複数のポートのそれぞれへの電気長
が理想的には同じで、すべての分岐部が同じ電力分割／
加算値を生じる経路を有する）列給電部（15）及び行給
電部（16）に分割される。

送信中及び送信経路較正中は、励振器信号はビーム形
成器13,14の複数のポートから各T/R部分組立て体20の端
子34に結合される。その一つのポートが端子34に結合さ
れるT/R部分組立て体内の４分岐コーポレート給電回路
網33は、励振器出力を、各T/Rモジュールの第１の素子
を形成する４つの制御される双方向性移相器31のそれぞ
れへの（第10図の分解図に示す）マイクロストリップ推
移部23へ結合するストリップラインを介して４つのポー
トのそれぞれに分配する。

４つの移相器のそれぞれを個別に通過した後、別々に
処理された励振器信号は、各移相器に続く（各T/Rモジ
ュールの残りの部分である）直列結合のT/R電子回路へ
結合される。（送信または送信経路較正のための）各T/
R電子回路ブロックは、それぞれ素子30,28及び27から構
成される。第７図の詳細図に示すように、T/Rスイッチ3
0は励振器信号を電子増幅器28に切換え、サーキュレー
タ27は電力増幅器出力をアンテナ素子21への経路に分岐
する。

送信中はすべてのアンテナ素子は給電されてビームが
形成される。送信空路較正中は制御チップの制御の下で
一時に１つのアンテナ素子だけが給電され、実際のビー
ムは形成されない。

従って、送信経路較正中は４つの増幅された励振器出
力のうち１つだけが存在し、４個のサーキュレータ27の
１つから４個の方向性較正結合器（22）の１つの１次経
路を経て４つのアンテナ素子21の１つに結合される。方
向性結合器は、第１の経路と20dBの減衰で結合される２
次の経路を有する。20dB結合器はアンテナ励振の位相と
振幅にできるだけ近い反射を行うようにその関連するア
ンテナ素子の近くに置かれる。従って、20dB結合器が能
動アンテナ素子に近付くほど、送信機出力である増幅さ
れた励振器出力の低減されたサンプルが１つの方向性結
合器の２次出力において取り出される。

較正過程中において、４つのアンテナ素子のそれぞれ
から放射される信号の仮想的模写である送信信号の減衰
された４つのサンプルは、４つの方向性結合器のそれぞ
れによって別々に導出され、４路コーポレート給電回路
網25の複数のポートに結合される。４つのサンプルは異
なった時点に25の複数のポートから25の一つのポートを
経て端子24に至り、ここでT/R部分組立て体から較正給
電回路網15/16へと進む。

次に４つのサンプルは較正給電回路網（15,16）を経
て受信機11の位相誤差検出回路の測定端子に戻る。ここ
で、誤差回路の基準端子に直接結合される励振器出力に
より形成された基準信号と送信作動経路と較正経路とを
含む経路をたどったサンプルとの間に比較が行われる。
作動経路の較正ループはしたがって誤差検出受信機で閉
じ、作動経路の位相遅れが基準に対して測定される。回
路が所望の値からの位相誤差を指示した場合は、誤差は
受信機11に記憶され、同期装置37を経て制御チップ39に
結合され、較正される４つの経路のそれぞれにおける誤
差を相殺するため４個の移相器31の設定を再調整するの
に使われる。

送信及び受信作動経路の場合の較正過程は、700個のT
/R部分組立て体のそれぞれに対して制御チップ38を通じ
て作用する同期装置37の制御の下に行なわれる。全装置
の較正には（分というオーダーでの）かなりの時間がか
かる。レーダ装置を始動するときには全体的な較正を行
なうが、レーダの通常の作動中でも空き時間を利用して
少しずつ行なうこともできる。

各T/R部分組立て体の同期装置37及び制御チップ38
は、今説明したように送信作動経路較正の状態を制御
し、また他の３つの主要な状態の発生の制御を行なう。
他の状態とは、送信、受信作動経路の較正、及び受信で
ある。例えば送信モードでは、送信状態の全T/R部分組
み立ての４つのモジュールのすべては同時に作動状態に
なるが、送信経路較正では、すべてのT/R部分組み立て
を含む時間シーケンスで一時に１つだけのモジュールを
擬送信状態で作動させる。同期装置37及び制御チップ38
は、第２図に示すようにエネーブル制御によって各T/R
モジュールでこれらの状態を生じる。

ｍ×ｎ個の送信作動回路での位相誤差を修正するには
経路ごとに１つの移相器が必要であり、移相器は設定値
を保持しビーム操縦中にこの設定値から増分されること
ができる。移相器は較正中の所望の基準値からの逸脱を
修正する値にリセットされ、360゜にわたりこれを継続
できなければならない。

全経路の較正が済めば、仮想ボアサイト条件が生まれ
る。送信中は、位相修正はボアサイト条件からの所望の
オフセットへビームを操縦する際に位相の増分が加えら
れる「真の」ゼロ位相設定値として維持されなければな
らない。この要求条件は、論理制御を受ける通常４ビッ
トから６ビットのディジタル移相器により満足される。
適切な移相器としては、本出願の譲受人に譲渡されてい
る「ディジタル制御広帯域移相器」と題する1985年５月
20日提出のフワング（Hwang）らによる米国特許第4,63
8,190号に述べられているものがある。

内部に４個のT/Rモジュール（26）を有するT/R部分組
立て体（20）は、各送信経路に対する位相誤差を修正す
る手段を備えてはいるが、各経路の位相誤差のかなりの
部分に寄与する。ストリップライン回路網33及び25は、
信頼性が高く位相誤差は少ないが能動電子回路には、信
頼性が低く相当な位相誤差を示す移相器が含まれてい
る。送信経路較正に使われるモジュール26内のブロック
には、電力増幅器28、T/Rデバイス（30）、そしてサー
キュレータが27があり、電力増幅器28の入力に加えられ
電力増幅器28の出力から関連のアンテナ素子（21）に送
られる励振器信号の所要の操縦を行なう。（また各T/R
モジュールには送信中には作動しない低雑音増幅器（2
9）も含まれており、これは送信中は位相誤差に寄与し
ない。） 各移相器31は関連のT/Rモジュール（26）での、T/R部
分組立て体（20）の信号分配経路での、そして励振器か
ら関連のアンテナ素子への残りの経路での位相誤差を修
正する。その残りの主要な部分はビーム形成器13,14で
ある。

ビーム形成器は励振器10とｊ番目のT/R部分組立て体2
0の端子34との間に接続される。ビーム形成器（13,14）
は列給電回路網13と行給電回路網14から構成され、（第
６図に示すように）分岐が行われたときの励振器信号レ
ベルを維持するための増幅器を含んでいる。励振器10か
らビーム形成器（13,14）への入力接続は１つだけであ
り、ビーム形成器からT/R部分組立て体20への出力接続
は（34における）１つしかないので、選択されたｊ番目
のT/R部分組立て体に関してはビーム形成器を通る１つ
の独自の経路が含まれる。（それはｊ番目のT/R部分組
立て体の１部をなすどのアテナ素子にとっても同じビー
ム形成器経路である。）従って、ビーム形成器13,14を
通る独自の経路での位相の遅れは、励振器からある特定
のアンテナ素子への経路に存在する他の位相の遅れと組
み合わせられた固定量である。

送信経路較正中のある時点で１つのT/Rモジュールを
エネーブルすることは、他の３つのモジュールをディス
エーブルして励振器信号をある時点で１つのモジュール
だけに通すことによって行なわれ、これによってまた、
T/R部分組立て体内の回路間の相互結合はないものと仮
定すれば、送信経路較正中の特定のアンテナ素子に対す
るT/R部分組立て体を通る経路での冗長性を避けること
ができる。

このように、励振器からその特定のアンテナ素子に至
る全回路での位相の遅れは一定のアクセス可能な量とな
り、論理制御され調整可能な移相器をそれぞれの経路に
設けることにより容易に所望の値に修正することができ
る。従って、T/Rモジュール（26）ごとに１つ、T/R部分
組立て体20ごとに４つ、そして全レーダ装置には3000あ
まり存在する移相器31は、各送信経路の修正に関する必
要な自由度を備えている。

この発明による各経路の較正測定は、励振器出力を、
各アンテナ素子に到達したとき既知の電気長の経路によ
り位相比較回路網の測定端子に戻すように結合すること
により行なわれる。同時に、励振器からの直接の信号が
比較回路網の基準端子に結合される。このようにして、
送信作動経路と較正経路の双方を通過する際に観測され
た励振器信号の位相の遅れから較正経路での既知の位相
遅れを差し引いて作動経路での位相誤差が求められる。

較正経路内にはいずれも本質的に「コーポレート」な
行給電回路網16及び列給電回路網15が含まれる。「コー
ポレート」という用語は、一つのポートから複数のポー
トへの各経路が実質的に同じ電気長（つまり位相遅れ）
を持つように作られることを意味するものである。一旦
各経路が作られ試験用具と結合されたら、その経路長は
製作によって経済的になされるよりも高い精度で通常測
定され、残留誤差をコンピュータメモリに記憶させ、こ
れを較正過程で起こる可能性のあるあらゆる誤差を除去
するため用いる。0.0254mm即ち0.001インチ前後の公差
に基づく最終精度は、周波数にもよるが１゜の何分の１
という小さな値となる。

較正過程がうまく働くには、700個のT/R部分組立て体
のそれぞれにあるポート24から受信機11の較正誤差検出
回路の測定入力に至る単一の較正経路を較正回路網に設
けなければならない。更に、個々のT/R部分組立て体内
の結合器22及びコーポレート回路網25は、各アンテナ素
子からポート24までの電気長が等しい経路を与えなけれ
ばならない。

較正回路網15,16は、各T/R部分組立て体のポート24と
受信機11の較正誤差検出回路の測定入力との間の送信機
信号に既知の位相遅れを与える単一の経路を設けること
により、この条件を満足する。従って較正回路網は各T/
R部分組立て体に対する行給電部内に複数のポートを持
たねばならない。ｊ番目の部分組立て体のポート24にお
ける送信機出力はその部分組立て体に割当てられた行給
電部16の複数の端子に結合される。行給電部16の一つの
ポートに再現する送信機出力は、次に較正列給電部15の
複数のポートに結合される。最後に、送信機出力は較正
列給電部の一つのポートに再現し、これが受信機11の測
定入力に結合される。

すべての作動経路の較正に使われる基準位相は、励振
器に関係して安定している限り、全く随意とすることが
できる。その理由は、他のアンテナ素子における位相に
対する各アンテナ素子の信号の位相はビームの形成と操
縦に関連しているが、これらの信号の絶対位相は、ビー
ムの形成及び操縦に影響しないので関係がないからであ
る。

従って較正過程は、360゜の分数の二進値に設定でき
るそれぞれの移相器を励振器基準に対応する最も近い位
相に設定し、その後、15,16の特定の較正経路の規準か
らの外れを示すメモリから導いた修正値を加えることに
より行なわれる。送信または受信状態が活きているとき
には、任意の角度への操縦に必要な位相の増分を各アン
テナ素子における「真の」ゼロ値と組合わせて、ビーム
形成器、及びT/R部分組立て体の能動電子回路を通る異
なった経路の位相応答に関する修正を行なう。

較正過程には（誤差１゜以下の）精度が必要だが、同
時に、個々の移相器の設定の所望の無作為化が必要であ
る。

４ビット構成の移相器であれば、設定間に22.5゜の最
小段階があり、６ビット構成であれば、設定間に５−5/
8゜の最小段階がある。

ディジタル移相器を用いるアレイでは、誤差がアンテ
ナ開口全体にわたり無作為化されれば、通常はアンテナ
パターンは強められる。これは、最適ランダム誤差とし
て最小設定の半分を指令し、共通の垂直または水平線を
共有する移相器間の誤差の不規則な分布を指令する。

位相精度の要求は、既に述べたように較正回路網15,1
6の個々の経路において、及び、各T/R部分組立て体20の
４路コーポレート給電部25において生じる。４路コーポ
レート給電部25の形状は各アンテナ素子から共通のポー
ト24への経路の位相遅れが等しくなるように注意深く調
整されなければならない。これらは電気的経路における
位相遅れを等化するよう注意深く調整された平版印刷レ
イアウトを有するストリップライン構造を使って組立て
られる。25に適切なストリップライン印刷回路レイアウ
トは、第11図のＡ及びＢに示されている。レイアウトの
精度は0.0254mm（0.001インチ）に維持され、意図した
位相の精度は周波数にもよるが１゜の数分の１となる。

装置の残りの信号経路は一般に位相性能を最適化する
ためにはそれほど重要ではない。例えば、較正の精度に
それほど影響しない同じ対称性が、ビーム形成器を個々
のT/Rモジュールと接続する４路コーポレート給電部33
に利用される。給電部33（理想的には）精度が重要でな
い理由は、それが送信作動経路にありフィードバックル
ープにより修正されるからである。また（理想的に
は）、励振器から受信機較正入力へ、励振器からビーム
形成器入力へ、また較正列給電部の一つのポートから受
信機較正入力への経路は決定的ではない。これは、それ
らがアンテナ素子へのすべてへの作動経路に共通であり
絶対位相だけに影響するためである。

４路分割器25の精度により個々のアンテナ素子の位相
精度はこのように設定され、較正回路網15,16の700の経
路が等化される配慮、及び、較正回路網15,16に残る位
相誤差が記憶される精度が個々のビーム操縦指令を修正
するため使われる。

第２図Ｂでは、ｊ番目のT/R部分組立て体20に関連す
る同じ４つのアンテナ素子に対する受信作動経路におけ
る位相誤差の修正を扱っている。

第２図Ｂに示すように、（第２図Ａの程度の詳細さで
の）レーダ装置は実質的に同じ主要構成部分、即ち励振
器10、受信機11、ビーム形成器（但しここでは受信和・
差列給電部12及び送信／受信行給電部14を使う）及び較
正給電部15,16からなる。したがって受信経路較正用の
ビーム形成器経路は送信経路較正用のものとは異なり、
その詳細はモノパルスレーダ装置としての第６図に示さ
れている。モノパルス式でない簡単なレーダではこの相
違は存在しない。しかし、送信経路較正の場合と同じ
に、各T/R部分組立て体のポート34と受信機11の測定入
力の間にビーム形成器を通じて独自の経路が設けられ
る。

受信経路較正の送信経路較正との主な相違は、較正及
び作動信号経路を通じて信号の流れの方向が逆になるこ
とである。受信経路較正の場合は、励振器10から直接に
較正誤差検出回路の基準入力に、また直接に較正回路網
15,16の単一ポートに信号が送られる。次に測定信号は
列給電回路網15及び行列給電回路網16を通りポート24を
経てｊ番目のT/R部分組立て体のアンテナ回路へと結合
される。測定信号はそれから４路コーポレート分割器デ
バイダ25を経て方向性結合器22によりアンテナ回路に結
合される。方向性結合器は所定方向に測定信号を発し、
これに続いて信号がアンテナ素子で受取られ受信経路へ
送られる。較正経路はこうしてアンテナ素子の次の方向
性結合器のところで終わる。

受信経路較正においては、較正回路網15,16は送信経
路較正中に用いられる較正回路網と同じものであり、各
T/R部分組立て体に関連する経路は、回路網を通る測定
信号の向きこそ逆ではあるが、いずれの較正にも使用さ
れる。

受信作動経路内では、測定信号は選ばれたアンテナ素
子21から移相器31及び送信／受信電子回路（27,29,30）
を含む関連のT/Rモジュール26へ進む。受信経路では、
測定信号はサーキュレータ27に入り、可変利得増幅器29
へ向けられ、増幅後、測定された信号を移相器31へ向け
るよう整えられた送信／受信デバイス30に入る。移相器
の出力はコーポレート給電回路網33を経てT/R部分組立
て体のポート34に結合される。測定パルスは次のビーム
形成器素子12,14の複数のポートに入り、受信機11の較
正検出回路の１つの入力に結合されているビーム形成器
の単一のポートから出て行く。

送信経路較正の場合のように、T/R部分組立て体内の
個々のモジュールは受信経路較正中は制御をエネーブル
する必要があり、較正されているモジュール以外のモジ
ュールはすべてオフにされる。較正されている経路の可
変移相器31を適切な真のゼロ値に調整するために、制御
信号が与えられる。

受信経路較正に対する較正も本質的には送信経路較正
におけると同じに機能する。同期装置37及び制御チップ
38による制御の下に、受信または受信経路較正のいずれ
かの状態がエネーブルとされる。受信モードではすべて
のT/R部分組立て体の４つのモジュールのすべてが受信
状態で一時に作動するのに対し、受信経路較正では擬受
信様の状態で一時に作動するのは１つのT/R部分組立て
体内の１つのモジュールである。従って、較正に関して
は、同じT/R部分組立て体内の４つの受信経路それぞれ
の位相応答は別々に調整するため分離され、調整は順々
に行なわれる。

制御チップ38は、較正経路15,16での誤差に関し記憶
されている値を考慮に入れて、選ばれたT/R部分組立て
体の各移相器31を修正値に設定し直すための制御を行
う。受信が進行中でありすべてのT/Rモジュールが作動
しておれば、較正中に求められた真のゼロの値は記憶装
置から求められ、移相器へ送られるビーム操縦指令を修
正するため用いられる。移相器がディジタルであること
のアンテナパターンへの影響、個々の移相器における十
分なランダム誤差の必要性、及びアンテナアレイ全体に
わたり移相器をランダムに配置する必要性も受信につい
て存在する。

第２図Ａ及びＢは、較正ループ、及び、受信に際して
は先ず測定信号が較正経路を通り次に作動経路を通って
進むのに対し、送信に際しては先ず測定信号が作動経路
を通り次に較正経路を通って進むという事実をより明瞭
に示すため簡略化されている。

第２図Ａ及びＢではこの逆転を生じる回路の詳細は省
かれている。これらの詳細は第４図及び第５図に示され
る。受信機11は測定パルスと基準パルスの双方に対して
同じポートを使っているが、別の信号として生じる。較
正ループを反転する切換え機構には、ゲート17と18、及
び３個の方向性結合器を含むスイッチ19が含まれる。位
相誤差測定では２つの測定が続いて行なわれるが、励振
器は位相のコヒーレンシーを保持し受信機には励振器と
の位相同期性を維持するため励振器から導かれた局部発
振器を備えていることが前提である。

送信経路較正中はゲート18が開いて、基準信号は経路
42の第１の方向性結合器（19の一部）、スイッチ19、列
給電部12と受信機11の間の経路の第２の方向性結合器
（19の一部）を介して結合され、それにより、受信機11
の入力に結合される。送信経路測定については、ゲート
17が開き、信号は送信列給電部13に入る。励振器信号
は、送信作動経路40をダイポール素子21まで行き、較正
経路41に沿って方向性結合器22とコーポレート給電部25
そして較正給電部16及び15を通って第３のスイッチ19
（19の一部）に戻る。この点で、第３の方向性結合器
（19の一部）が較正測定信号を受け入れ、これを列給電
部12の間の経路へ通じる第２の方向性結合器を経て受信
機11に結合する。従って、基準パルス及び測定パルスは
時間的に連続して受信機11内の較正信号検出回路へ結合
され、受信機11で相次ぐ信号間の位相差が測定される。

受信経路較正中は、送信ゲート17は依然閉じたままで
あり、基準信号及び測定信号は経路43,45に沿ってゲー
ト18に進む。基準信号はスイッチ19及びその方向性結合
器を経て受信機11の入力に結合される。測定信号は較正
経路43に沿って較正給電部15,16にそれぞれ進み、ポー
ト24、分配回路網25及び方向性結合器22を経てT/R部分
組立て体のアンテナ回路に入り、続いて受信作動経路44
を通って受信機の方へ進む。測定信号は受信列給電部12
を出て受信機に入り、ここで先の基準信号との位相の比
較を受ける。

前記の切換え配列は従来のレーダ装置の性質を考慮す
るには便利である。他の装置が実用向きであり、第３図
Ａ及びＢに示された実施例では１対の制御された単極双
投スイッチによって表される。

第２図Ａ及びＢ、そして第４図及び第５図に示す実施
例では、４つのアンテナ素子がビーム形成器の１つの
（複数）ポートに結合される配列を考えている。この配
列は、ボアサイト位置から上下約25゜に始まるサブアレ
イ・グレーティングローブが許容できるフェイズドアレ
イレーダでは実用になる。

ボアサイト位置の上下40゜までのサブアレイグレーテ
ィングローブを動かす配列においては、第３図Ａに示す
ようにビー形成器に１つではなく２つのタップ（34′）
を使うことができる。この場合のT/R部分組立て体の最
初の実施例との唯一の相違はストリップライン給電回路
網33である。４分岐のコーポレート給電回路網33の代り
に２個の２分岐コーポレート給電部33′が必要である。
前の場合と同じに、修正を受ける較正ループの作動部分
内にあるので、コーポレート給電回路網33′の精度は必
要でない。第３図Ａの実施例では、較正経路に変更を加
える必要はなく、４つのアンテナ素子に対する単一のタ
ップだけが必要である。制御チップ38によって与えられ
る制御機能には何の複雑性も加わらない。

低いサイドローブが全体的に望ましい場合の本発明に
よる別の実施例では、４つの移相器31のそれぞれに１つ
ずつ、ビーム形成器への４つのポート（34″）を備える
ことができる。前と同じに、T/R部分組立て体は前の２
つの実施例に示されたものと実質的に同じでよく、唯１
つ違う点は、信号がビーム形成器の個々の４つのタップ
から４つの個々のT/Rモジュールに結合されるストリッ
プライン回路網33である。

この発明の３つの実施例における２つの作動経路の位
相調整の説明は、作動経路に適用されるのが望ましい４
つの共通の調整のうちの２つだけを表している。例え
ば、第７図には、T/R部分組立て体内の各T/Rモジュール
が送信時の位相調整と受信時の位相調整と送信中の電力
調整と受信中の利得調整とを受ける制御配置を示してい
る。（制御状態数は制御経路での並列ビット数で示され
ているが、これは一例であって特定の要件ごとに異な
る。） 第７図に示すように、T/Rモジュールは送信／受信に
対して位相調整を受ける移相器31及び電力増幅器28及び
低雑音増幅器29を持っている。電力増幅器28ドライバ増
幅器とデュアル出力段を含んでいる。電力増幅器は電力
制御とエネーブル化を受ける。低雑音増幅器29は３段か
らなり、その第２段はディジタル可変利得制御を受け
る。制御チップ38から１つのモジュールへの制御結合は
第７図に詳細が示されている。

第７図に示す１ギガヘルツ以上の周波数で使用する本
発明の実施例における回路素子には、能動装置用として
ガリウムひ素などの高周波バルク材料を使わなければな
らない。ガリウムひ素は半絶縁性であるので、能動回路
素子と受動回路素子のいずれもがバルク材料に写真平版
法で形成されるモノリシックマイクロ波集積回路（MMI
C）構造が好ましい。移相、低雑音増幅及び電力増幅に
対する別々の要求、そして特に熱放散は、全T/Rモジュ
ール回路を共通の大きな基板上に形成される２つ以上の
MMICデバイスでハイブリッド状に形成することを指示し
ている。

ディジタル制御される移相器及びディジタル制御され
る利得素子は、いずれも1985年５月20日に提出されゼネ
ラルエレクトリック社に譲渡された「ディジタル制御広
帯域移相器」と題する米国特許第4,638,190号及び「区
分されたデュアルゲート設計の信号スケーリングMESFE
T」と題する米国特許第4,734,751号に述べられている形
を取ることができる。低雑音増幅器は、1987年９月24日
に提出されデネラルエレクトリック社に譲渡されたAnth
ony W.Jacomb−Hoodによる「MMIC低雑音増幅器」と題す
る米国特許出願第100,416号に述べられている形を取る
ことができる。

第８図は部分組立て体制御チップ38の別の詳細な説明
であり、４つの各モジュールへの制御結合及び所望の制
御精度をえるに必要な例示的な並列ビット数が示されて
いる。

第８図にはまた、制御チップ38の２つの補助素子及び
制御チップ38と同期装置37間の結合も示されている。同
期装置はレーダ装置の状態の中央制御、及びコネクタ39
により生じる結合を通じてはたらく全T/R部分組立て体
のビーム設定の中央制御をつかさどる。制御チップ38の
補助素子にはディジタル・アナログ変換器及びROM記憶
装置が含まれる。

制御論理素子の収納及び電力調整のための装置を第９
図に示す。部分組立て体の側壁内に嵌まり込むように設
計された平らなアルミニウム基板50が備えられ、これが
部分組立て体の底とともに制御論理素子及び電力調整回
路を収容するスペースを作る。これらの機能を果たす回
路基板はこの基板の下面上に支持される。回路基板の端
部接点は、４個のT/Rモジュール26のそれぞれにつなが
る４つのコネクタにぴったり嵌まり各T/Rモジュールへ
の必要な制御及び電力の接続を行なう。中央論理制御及
び電力をT/R部分組立て体に送る主電源及び制御コネク
タ39はアルミニウム基板50の後端に示されている。T/R
部分組立て体コネクタ39はT/R部分組立て体の後壁に適
合し、T/R部分組立て体をレーダ装置のハウジング２に
設けられたコネクタに接続する。

個々のT/Rモジュールの異なる状態に対する電力と利
得の修正及び設定は、位相の修正及び設定と同じ方法で
制御できるが、通常は繰り返し較正を行なう必要はな
い。増幅器の電力及び利得特性は通例のシステム要求を
満足する適当な安定性を持っており、これらの特性は許
容値からの逸脱を検出するために常時監視されるので、
その後で交換あるいは修理を行なう。

電力及び利得の較正を行なうのはT/R部分組立て体を
レーダ装置に組み込み、所要の設定値が局部記憶装置に
記憶される前である。第７図に示すように、電力増幅器
28の送信電力レベルは可変利得電力増幅器により任意の
数のディジタルステップで任意の数に調整することがで
きる。同様に、低雑音増幅器29は第２段に可変利得増幅
器を有し、その利得は2⁶（64）ディジタルステップで調
整することができる。与えられる最小識別距離は装置の
要求性能に合わせて選ぶことができる。T/R部分組立て
体をレーダ装置に最終的に組み込む前に、電力増幅器ド
ライバ段及び低雑音増幅器の利得を較正する。所望の値
が得られたら、標準利得及び標準電力をえるに必要な制
御の設定値をその部分組立て体制御チップ38に関連する
記憶装置に記憶させる。これらの値が、重み付けを調整
する指令が逸脱する基準となる。

電力及び利得の設定の精度の監視には較正ループが用
いられ、通常は位相較正を伴なう。電力及び利得の監視
は受信機11の較正誤差検出回路で行われる。受信機には
励振器から送られ作動経路の能動回路を通る適当な既知
の振幅の測定信号と比較される内部振幅標準を備えるこ
とが望ましい。送信または受信作動経路をたどった後、
受信機入力における測定信号の振幅は、可変電力増幅器
28により与えられる電力または可変利得増幅器29により
与えられる利得を表わし、これによりそのT/Rモジュー
ルのこれらの素子の性能を監視する。

構成要素であるT/Rモジュールの位相、利得及び電力
に対するゼロ設定値を記憶する記憶装置を持つT/R部分
組立て体は、最初は各T/Rモジュールは異なっていて
も、全アレイの性能に悪影響を及ぼすことなく他のT/R
部分組立て体と互換性を持つようになる。

各T/R部分組立て体内に設けられるT/Rモジュールは少
数に限定される。個々のアンテナ素子への経路を較正す
るため使う最終の回路網の精度は、経路長の同等性に注
意を払って実行しなければならず、１〜２回または３
回、精度が大きく失われることなく２つ、４つ、または
８つのモジュールを許容するコーポレート給電であるこ
とが望ましい。経費その他の制約のため、T/Rモジュー
ルは１つよりも２つ、２つよりも４つが好ましく、３ギ
ガヘルツ以上の周波数では８つよりも４つの方が好まし
い傾向にある。

他の要因からも、T/R部分組立て体のT/Rモジュールの
数は他の数よりも４つの方が好ましい。それぞれのT/R
部分組立て体は、放射素子及びその空間要件により決ま
る前面パネル限界内になければならない。５−６ギガヘ
ルツで使用する実用のレーダ装置では、各放射素子の間
隔は水平方向に約38.1mm（１−4/4″）、垂直方向に41.
3mm（１−5/8″）である。通常、アンテナパターンの要
件により、１個の部分組立て体のアンテナ素子は１行ま
たは１列に位置しなければならない。好ましい方位もま
た、ビームが位置角よりも小さな迎角で（またはその逆
の）走査を行なう場合に指示される。前者の場合は放射
素子は垂直線状に並べられ、個々のダイポールも垂直に
整列される。その結果平らで細長いパッケージとなる。

しかし電力消費量が非常に高いので、T/R部分組立て
体の両側に適当な通風路を設けなければならない。この
ため部分組立て体は高々２つのファクタだけ薄くなる。
薄い形状が必要であるとすれば、利用できるスペース内
に適切な電力調整能力と適切な局部論理制御部を設ける
ことが困難になる。大部分が蓄電器で代表される局部電
力調整装置は理想的には厚いものとなる。しかし、注意
深く電源を設計することにより、「フェイズドアレイレ
ーダの送信モジュール用調整スイッチ」と題するWillia
m Peilの米国特許出願第140,292号に述べられているよ
うに、適切に４つのモジュールの電力供給と制御を行い
利用可能なスペースに適合する適切に小さなT/R部分組
立て体に対して、小型で適当に薄い電源を考案すること
ができる。

１個のT/R部分組立て体当りのモジュール数に影響す
る最後の要因は、高電力パルスエネルギを効率良く供給
するための適当に短い電力結合を備える適切なコネクタ
スペースが必要なことである。T/R部分組立て体はパネ
ルから引き出すように設計される。このように決めれ
ば、T/R部分組立て体の裏側の細長い面へのコネクタに
制限される。電力は１つの多重ピン導体（39）の最小数
のピンに集中することが望ましい。４個より多くのT/R
モジュールを加えることは、電力結合のための縦の経路
を長くし、直列インダクタンスを増し、電力供給効率を
低下させる傾向にある。この制約の点からも、T/R部分
組立て体１つ当りのT/Rモジュールの数は４つより多く
はならないことになる。

【図面の簡単な説明】 第１図Ａ、Ｂ及びＣは、複数の取り外し可能な送信／受
信部分組立て体を使って造られた自己較正フェイズドア
レイレーダ装置を示し、各部分組立て体には４つのアン
テナ素子用の能動電子回路と４つのアンテナ素子とを含
む４つのT/Rモジュールが組込まれる。なお、第１図Ｂ
は第１図Ａの装置から取り外したT/R部分組立て体の拡
大図を示し、第１図Ｃはアンテナ開口部上のアンテナ素
子の配列の拡大図を示す。 第２図Ａ及びＢは、１個のT/R部分組立て体に含まれる
４個のアンテナ素子についてのそれぞれ送信及び受信作
動回路での位相誤差を修正するための較正ループを示す
簡略化されたブロック図であり、これらの図はビーム形
成器が４つのアンテナ素子に対して１つの複数出力を持
つ本発明の実施例によっている。 第３図Ａ及びＢは、１個のT/R部分組立て体に含まれる
４個のアンテナ素子への送信及び受信作動経路での位相
誤差を修正するための較正ループを示す簡略化されたブ
ロック図であり、これらの図はビーム形成器が２つのア
ンテナ素子に対して１つの複数出力を、１つのアンテナ
素子に対して２つの複数出力を持つ本発明の別の実施例
によっている。 第４図は、モノパルスビーム形成器を用いるレーダ装置
における１個のT/R部分組立て体に関連する４個のアン
テナ素子の送信作動経路での位相誤差及び振幅誤差を修
正する較正ループを更に詳細に示したものである。 第５図は、第４図のレーダ装置における４個のアンテナ
素子の受信作動経路での位相誤差及び振幅誤差を修正す
る較正ループの第４図と同様の図である。 第６図は、第４及び第５図に示したのと同様のフェイズ
ドアレイレーダ装置のモノパルスビーム形成器の受信機
と較正給電回路網との間、及び、例示的T/R部分組立て
体と励振器との間の経路を示す。 第７図は、調整可能なT/R部分組立て体の状態及び設定
を調整するための制御機能のダイアグラムであり、位
相、電力及び利得が制御を受ける実施例における制御チ
ップ及び１つのT/Rモジュールとの結合を示す。 第８図は、位相及び利得が制御を受ける実施例における
T/R部分組立て体上の４つの個々のT/Rモジュールへの制
御結合を行うT/R部分組立て体制御チップのダイアグラ
ムである。 第９図は、一個のプラグインT/R部分組立て体の機械的
な形態の斜視図であり、組み上がった位置での４つの個
々のT/Rモジュールを示し、制御論理基板及び制御コネ
クタは組み上がり位置の上方に置かれている。 第10図は、T/R部分組立て体からT/Rモジュールを取り外
した分解図であり、T/Rモジュールと結合用ストリップ
ライン回路との間の２つの分離可能なマイクロストリッ
プ−ストリップライン推移部を示す。 第11図Ａ及びＢは、４つのT/Rモジュールが４つの個々
のアンテナ素子に結合されるT/R部分組立て体の例示的
なストリップライン部分、及び、T/R部分組立て体用の
単一の較正結合部となる４路コーポレート分割器を示
す。 図において、20……T/R部分組立て体、21……アンテナ
素子、24,34,39……コネクタ、26……T/Rモジュール。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブレーク・アレン・カーナハン アメリカ合衆国ニューヨーク州13035, ケーズノヴィア，ウエスト・レイク・ロ ード （番地なし) (72)発明者 ジェームズ・ウィリアム・クルーガー・ ジュニアー アメリカ合衆国ニューヨーク州13090, リバプール，バトンウッド・トレイル 4112 (72)発明者 ドナルド・ポール・ミラー アメリカ合衆国ニューヨーク州13090, リバプール，ヴァーゴ・コース 4285 (72)発明者 ジョン・ドナルド・リール アメリカ合衆国ニューヨーク州13203, シラキュース，ライン・ストリート 102 (56)参考文献 特開 昭59−128466（ＪＰ，Ａ) 特公 平７−44377（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平４−10994（ＪＰ，Ｂ２) 特公 平１−28522（ＪＰ，Ｂ２) 特表 平２−502689（ＪＰ，Ａ) 米国特許5027127（ＵＳ，Ａ)

Claims (24)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｍ×ｎ素子フェイズドアレーレーダ装置に
   おける励振器からそれぞれのアンテナ素子への送信経路
   での及び各アンテナ素子から受信機への受信経路での正
   確な位相応答を維持するための組合わせにおいて、 A.較正及び送信のための信号を送る励振器、 B.上記励振器に結合される基準ポートと測定ポートとを
   有する較正位相誤差検出回路を含む受信機、 C.励振器／受信機からアンテナ素子への送信／受信作動
   経路に置かれるｍ×n/j個（ｊは１を含む小さな整数）
   のポートを備え、複数のポートに内部結合された単一の
   ポートを有し、上記単一のポートが励振器／受信機に通
   じ、上記複数のポートのそれぞれはアンテナ素子のサブ
   セットｊに通じるビーム形成手段であって、励振器から
   アンテナ素子へ進む信号をアンテナ素子から受信機へ進
   む信号から分離する手段を有し、それぞれの送信及び受
   信作動経路がビーム形成器の複数のポートにおいて一致
   するビーム形成手段、 D.（ｍ×n/i）個（ｉは１を含まず、２の累乗でｊ以上
   の小さな整数）のポートに内部結合される単一のポート
   を備え、それぞれの経路は既知の電気長であり各アンテ
   ナ素子から励振器／受信機への較正経路となるコーポレ
   ート較正給電回路網、 E.それぞれがｉ個のアンテナ素子の各サブセットの送信
   ／受信作動経路内に置かれる（ｍ×n/i）倍の複数の位
   相調整可能な送信／受信部分組立て体であって、 それぞれの部分組立て体が、 （１）それぞれが複数のビーム形成器ポートに接続され
   るｊ個のストリップラインポート及びｉ個のマイクロス
   トリップポートを有するストリップライン−マイクロス
   トリップ分割器回路網及び推移部、 （２）それぞれが （ｉ）上記分割器回路網及び推進部の１つのマイクロス
   トリップポートに結合される送信／受信作動経路に置か
   れ位相設定用制御機構を有する双方向性制御可能移相
   器、 （ii）励振器信号増幅用として送信作動経路に置かれる
   電力増幅器、 （iii）関連のアンテナ素子からの信号の増幅用として
   受信作動経路に置かれる低雑音増幅器、 （iv）送信中は励振器からの信号を移相器と電力増幅器
   を経て関連のアンテナ素子へ結合し、受信中はアンテナ
   からの信号を移相器と低雑音増幅器を経て受信機へ結合
   するための、一対の３ポート送信／受信分岐手段であっ
   て、第１の分岐手段の送信／受信ポートが上記移相器に
   結合される１対の３ポート送受分岐手段、 を有し、１つの関連するアンテナ素子の信号を処理する
   ための能動電子回路を含み、マイクロストリップ伝送経
   路を使ったｉ個の送信／受信モジュール、 （３）上記第２の分岐手段の送信／受信ポートに結合さ
   れるｉ個のマイクロストリップ−ストリップライン推移
   部、 （４）（ｉ）ｉ個の直線状に配列された隣接するアンテ
   ナ素子、 （ii）それぞれが、アンテナ素子に結合されるアンテナ
   ポート、１つの推移部のストリップラインポートに結合
   される送信／受信ポート及び較正ポートを有し、上記推
   移部と上記アンテナ素子との間に置かれるｉ個の方向性
   較正結合器であって、上記アンテナに受信された信号は
   上記送信／受信ポートに内部結合され、上記送信／受信
   ポートに結合された信号は上記アンテナポート及び上記
   較正ポートに内部結合され、上記較正ポートに結合され
   る信号は上記送信／受信ポートに内部結合される方向性
   較正結合器、 （iii）本質的に同じ電気長の経路を通してｉ個の複数
   のポートに内部結合される較正回路網に結合するための
   単一のポートを有するコーポレート給電回路網であっ
   て、複数のポートのそれぞれがそれぞれの較正結合器の
   較正ポートに結合されてそれぞれの送信／受信作動経路
   を上記較正回路網の経路に直列に結合し、送信／受信作
   動経路の較正を容易にするコーポレート給電回路網、 を備え、上記ｉ個のストリップライン推移部に結合され
   るストリップラインアンテナ回路、 を有する部分組立て体、 F.送信作動経路測定のために励振器出力を、最初は送信
   作動経路から、次に較正経路から成り最後に受信機測定
   ポートに戻るループに切換え、受信作動経路測定のため
   に励振器出力を、最初は較正経路から、次に受信作動経
   路から成り最後に受信器測定ポートに戻るループに切換
   える手段、 の組合せ。
2. 【請求項２】それぞれのT/Rモジュール双方向性移相器
   が論理制御を受けるディジタル位相状態を有する請求項
   １記載の組合わせ。
3. 【請求項３】それぞれのT/Rモジュールの電力増幅器が
   論理制御を受けるディジタル電力状態を有する請求項１
   記載の組合わせ。
4. 【請求項４】それぞれのT/Rモジュールの低雑音増幅器
   が論理制御を受けるディジタル利得状態を有する請求項
   １記載の組合わせ。
5. 【請求項５】較正中に得られたそれぞれの送信作動経路
   及びそれぞれの受信作動経路における位相誤差を表わす
   位相誤差データを記憶する記憶装置、及び 上記の記憶された位相誤差データにより上記移相器の設
   定を調整して上記作動経路の好ましくない位相の変動を
   除く手段、 を含み、送信／受信作動状態中に移相器の位相状態を設
   定するために機器の状態信号及びビーム操縦指令を発生
   する制御論理を更に有する請求項２記載の組合わせ。
6. 【請求項６】各T/Rモジュールの電力増幅器が論理制御
   を受けるディジタル電力状態を有し、 各T/Rモジュールの低雑音増幅器が論理制御を受けるデ
   ィジタル利得状態を有し、且つ、 上記制御論理が機器の状態及びビーム操縦指令を発生し
   て、送信作動状態中は上記電力増幅器の状態を、受信作
   動状態中は上記低雑音増幅器の利得状態を設定する 請求項５記載の組合わせ。
7. 【請求項７】上記制御論理が、 較正により得られた電力及び利得の誤差データを記憶す
   る記憶装置、及び 上記記憶された誤差データにより上記電力増幅器及び上
   記低雑音増幅器の設定を調整し、上記送信作動経路での
   電力及び上記受信作動経路での利得の好ましくない変動
   を除去する手段、 を含む請求項６記載の組合わせ。
8. 【請求項８】較正により得られた電力及び利得の誤差デ
   ータを記憶する記憶装置が、較正中に書き込まれる読み
   だし専用記憶装置であり、 上記制御論理が、上記電力増幅器及び上記低雑音増幅器
   の設定を監視して、どの時点で上記電力及び利得性能が
   所望の値から大きく逸脱するかを決定し、取り外しや交
   換を要求する手段を含む 請求項７記載の組合わせ。
9. 【請求項９】上記ストリップライン−マイクロストリッ
   プ分割器回路網及び推移部、及び上記ｉ個のマイクロス
   トリップ−ストリップライン推移部は分離可能であり、
   電気性能を変えることなく交換を容易にするためにT/R
   モジュールをT/R部分組立て体から外すことのできる請
   求項１記載の組合わせ。
10. 【請求項１０】上記量ｉが４であり、上記量ｊが１、２
    または４である請求項９記載の組合わせ。
11. 【請求項１１】ｉ個（ｉは１及び２の累乗を含まない小
    さな整数）のアンテナ素子の組のための位相調整可能な
    T/R部分組立て体であって、ｍ×ｎ個のアンテナ素子を
    有しｉ個のアンテナ素子の各組のための較正経路を与え
    る較正回路網を含む自己較正フェイズドアレーレーダ装
    置の複数の同様なT/R部分組立て体とともに使用するよ
    うになされたT/T部分組立て体において、 （１）ｊ個（ｊは１を含みｉ以下）のストリップライン
    信号入力ポート、 （２）それぞれが信号入力ポート及びｉ個のマイクロス
    トリップポートに結合され、ｊ個のストリップラインポ
    ートを有するストリップライン−マイクロストリップ分
    割器回路網及び推移部、 （３）それぞれが１つの関連するアンテナ素子の信号を
    処理する能動電子回路を含み、 （ｉ）上記分割器回路網及び推移部の１つのマイクロス
    トリップポートに結合される送信／受信作動経路に置か
    れ、位相設定用制御部を有する双方向性の制御可能な移
    相器、 （ii）励振器信号増幅用として送信作動経路に置かれる
    電力増幅器、 （iii）関連のアンテナ素子からの信号の増幅用として
    受信作動経路に置かれる低雑音増幅器、 （iv）一対の３ポート送信／受信分岐手段であって、第
    １の分岐手段は送信中は移相器からの信号を電力増幅器
    を経て関連のアンテナ素子へ結合する送信／受信ポート
    を有し、第２の分岐手段は、受信中はアンテナからの信
    号を低雑音増幅器を経て移相器へ結合する送信／受信ポ
    ートを有する送信／受信分岐手段、 を有し、マイクロストリップ伝送経路を使用したｉ個の
    送信／受信モジュール、 （４）上記第２の分岐手段の送信／受信ポートに結合さ
    れるｉ個のマイクロストリップ−ストリップライン推移
    部、 （５）（ｉ）ｉ個の直線状に配列された隣接するアンテ
    ナ素子、 （ii）それぞれが、アンテナ素子に結合されるアンテナ
    ポート、１つの推移部のストリップラインポートに結合
    される送信／受信ポート及び較正ポートを有し、上記推
    移部と上記アンテナ素子との間に置かれるｉ個の方向性
    較正結合器であって、上記アンテナに受信された信号は
    上記送信／受信ポートに内部結合され、上記送信／受信
    ポートに結合された信号は上記アンテナポート及び上記
    較正ポートに内部結合され、上記較正ポートに結合され
    る信号は上記送信／受信ポートに内部結合される方向性
    較正結合器、 （iii）本質的に同じ電気長の経路を通してｉ個の複数
    のポートに内部結合される較正回路網に結合するための
    単一のポートを有するコーポレート給電回路網であっ
    て、複数のポートのそれぞれがそれぞれの較正結合器の
    較正ポートに結合されてそれぞれの送信／受信作動経路
    を上記較正回路網の経路に直列に結合し、送信／受信作
    動経路の較正を容易にするコーポレート給電回路網、 を備えるストリップラインアンテナ回路 を具備することを特徴とするT/R部分組立て体。
12. 【請求項１２】各T/Rモジュールの上記双方向性移相器
    が論理制御に従うディジタルな位相状態を有する請求項
    11記載の位相調整可能なT/R部分組立て体。
13. 【請求項１３】各T/Rモジュールの上記電力増幅器が論
    理制御に従うディジタルな電力状態を有する請求項11記
    載の位相調整可能なT/R部分組立て体。
14. 【請求項１４】各T/Rモジュール内の上記低雑音増幅器
    が論理制御に従うディジタルな利得状態を有する請求項
    11記載の位相調整可能なT/R部分組立て体。
15. 【請求項１５】上記T/R部分組立て体へ機器の状態及び
    ビーム操縦指令を送るためのコネクタ、及び、 機器の状態及びビーム操縦指令に応答して送信／受信作
    動状態の期間にｉ個の上記移相器の位相状態を設定する
    制御論理 を更に備える請求項12記載の位相調整可能なT/R部分組
    立て体。
16. 【請求項１６】各T/Rモジュールの上記ｉ個の電力増幅
    器が論理制御に従うディジタルな電力状態を有し、各T/
    Rモジュールの上記ｉ個の低雑音増幅器が論理制御に従
    うディジタルな利得状態を有し、且つ、上記制御論理が
    機器の状態のデータ及びビーム操縦指令に応答して送信
    作動状態中は上記ｉ個の電力増幅器の電力状態を、受信
    作動状態中は上記ｉ個の低雑音増幅器の利得状態を設定
    する請求項15記載の位相調整可能なT/R部分組立て体。
17. 【請求項１７】上記制御論理に、較正により得られた誤
    差データを記憶する記憶装置、及び 上記の記憶された誤差データにより上記指令への応答を
    調整して誤差を除去し、これによってモジュール間の好
    ましくない変動を低減する手段 を含む請求項16記載の位相調整可能なT/R部分組立て
    体。
18. 【請求項１８】上記ストリップライン−マイクロストリ
    ップ分割器回路網及び推移部及び上記ｉ個のマイクロス
    トリップ−ストリップライン推移部が分離可能であり、
    電気的性能を変えることなく上記T/R部分組立て体からT
    /Rモジュールを外して交換することのできる請求項11記
    載の位相調整可能なT/R部分組立て体。
19. 【請求項１９】上記量ｉが４であり、上記量ｊが１、２
    または４である請求項18記載の位相調整可能なT/R部分
    組立て体。
20. 【請求項２０】約３ギガヘルツ以上の周波数のレーダ装
    置に使用するための請求項18記載の位相調整可能なT/R
    部分組立て体において、 上記T/R部分組立て体がレーダ装置のアンテナ開口部の
    ためのフレームに同様のT/R部分組立て体とともに行と
    列に据え付ける寸法に作られ、上記T/R部分組立て体の
    前面が露出し、後面は上記フレーム内に位置するように
    設計され、 上記T/R部分組立て体の前面が露出したｉ個のアンテナ
    素子の行を収容するように延ばされ、上記前面背後の断
    面が、アンテナ素子間の所要の間隔を維持しつつ隣接す
    るT/R部分組立て体間の空気の流通を可能とする薄さで
    あり、且つ、 上記T/R部分組立て体への結合が後面で行なわれ、上記T
    /R部分組立て体を上記フレーム内に挿入することによっ
    て接続することが可能な、 位相調整可能なT/R部分組立て体。
21. 【請求項２１】上記ストリップライン−マイクロストリ
    ップ分割器回路網及び推移部、ｉ個の上記送信／受信モ
    ジュール及び上記ストリップライン回路が、この順に前
    から後へ上記T/R部分組立て体内に配列される請求項20
    記載の位相調整可能なT/R部分組立て体。
22. 【請求項２２】上記移相器、電力増幅器及び低雑音増幅
    器にガリウムひ素構造の能動及び受動回路素子を用いる
    請求項20記載の位相調整可能なT/R部分組立て体。
23. 【請求項２３】ｍ×ｎ素子フェイズドアレーレーダ装置
    における励振器からそれぞれのアンテナ素子への送信経
    路及び各アンテナ素子から受信機への受信経路での較正
    のための組合わせにおいて、 A.較正及び送信用の信号を送る励振器、 B.上記励振器に結合される基準ポート及び測定ポートを
    有する較正誤差検出回路を含む受信機、 C.励振器／受信機からアンテナ素子への送信／受信作動
    経路に置かれるｍ×n/j個（ｊは１を含む小さな整数）
    のポートを備え、複数のポートに内部結合されている単
    一のポートを有し、上記単一のポートが励振器／受信機
    に通じ、上記複数のポートのそれぞれはアンテナ素子の
    サブセットｊに通じるビーム形成手段であって、励振器
    からアンテナ素子へ進む信号をアンテナ素子から受信機
    へ進む信号から分離する手段を有し、それぞれの送信及
    び受信作動経路がビーム形成器の複数のポートにおいて
    一致するビーム形成手段、 D.（ｍ×n/i）個（ｉは小さな整数）のポートに内部結
    合される単一のポートを備え、それぞれの経路は既知の
    電気長であり各アンテナ素子に対して励振器／受信機へ
    の較正経路となるコーポレート較正給電回路網、 E.それぞれがｉ個のアンテナ素子の各サブセットの送信
    ／受信作動経路に置かれる（ｍ×n/i）倍の複数の位相
    調整可能な送信／受信部分組立て体であって、 それぞれの部分組立て体が、 （１）それぞれが関連する一つのアンテナ素子からの信
    号を処理するための能動電子回路を含むｉ個の送信／受
    信モジュールであってそれぞれのモジュールが、 （ｉ）送信／受信作動経路に置かれる双方向性移相器、 （ii）送信作動経路に置かれ、励振器信号を増幅するた
    めの電力増幅器、 （iii）受信作動経路に置かて、関連のアンテナ素子か
    らの信号を増幅するための低雑音増幅器 （iv）送信中は励振器からの信号を移相器と電力増幅器
    を経て関連のアンテナ素子へ結合し、受信中はアンテナ
    からの信号を移相器と低雑音増幅器を経て受信機へ結合
    するための１対の３ポートの送信／受信分岐手段であっ
    て、第１の分岐手段の送信／受信ポートが上記移相器に
    接続される送信／受信分岐手段、 を有するｉ個の送信／受信モジュール、 （２）（ｉ）ｉ個の直線状に配列された隣接するアンテ
    ナ素子、 （ii）それぞれが、アンテナ素子に接続されるアンテナ
    ポート、１つの推移部のストリップラインポートに結合
    される送信／受信ポート及び較正ポートを有し、上記推
    移部と上記アンテナ素子の間に置かれるｉ個の方向性較
    正結合器であって、上記アンテナに受信された信号は上
    記送信／受信ポートに内部結合され、上記送信／受信ポ
    ートに結合される信号は上記アンテナポート及び上記較
    正ポートに内部結合され、上記較正ポートに結合される
    信号は上記送信／受信ポートに内部結合される方向性較
    正結合器、 （iii）本質的に同じ電気長の経路を通して１組のｉ個
    のポートに内部結合される較正回路網に接続するための
    単一のポートを有し、ｉ組のポートのそれぞれがそれぞ
    れの較正結合器の較正ポートに接続されてそれぞれの送
    信／受信作動経路を上記較正回路網の経路に直列に接続
    し、送信／受信作動経路の較正を容易にする回路網、 を有し、上記第２の分岐手段の送信／受信ポートに結合
    されるアンテナ回路、 を備える送信／受信部分組立て体、 F.送信作動経路測定のために励振器出力を、最初は送信
    作動経路から、次に較正経路から成り、最後に受信機測
    定ポートに戻るループに選択的に切換え、受信作動経路
    測定のために励振器出力を、最初は較正経路から、次に
    受信作動経路から成り、最後に受信器測定ポートに戻る
    ループに切換える手段、 の組合せ。
24. 【請求項２４】上記量ｊが１、２または４であり、上記
    量ｉが４である請求項23記載の組合わせ。