JP2765770B2 - 電子走査レーダ用の高効率能動アンテナの放射パターンを形成する方法と、この方法を実行するためのアンテナ - Google Patents

電子走査レーダ用の高効率能動アンテナの放射パターンを形成する方法と、この方法を実行するためのアンテナ

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JP2765770B2
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    • G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
    • G01S7/032—Constructional details for solid-state radar subsystems

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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子走査レーダ用の高
効率能動アンテナの放射パターンを形成する方法と、こ
の方法を実行するためのアンテナとに係わる。
【０００２】
【従来の技術】電子走査は、その順応性（使用可能な多
数の作動モード）と速度（準瞬間的なビーム移動）とに
よってレーダ性能を大きく向上させる。
【０００３】しかしこの電子走査の主要は欠点は、非常
に多数の位相制御回路が必要とされ、且つ多くの場合に
非常に多数の振幅制御回路も必要とされ、そのためにそ
の損失と費用と質量と電力消費とが著しく多大なものと
なることが多いということである。
【０００４】損失と費用と質量と寸法とに係わる欠点
は、ガリウムヒ素上のモノリシックマイクロ波集積回路
(MMIC)の大量生産によって既に克服されている。これに
よって、位相シフトとスイッチングと送信−受信と増幅
との機能を一体化する能動送信−受信(TR)モジュール
を、非常にコンパクトに作ることが可能である。
【０００５】しかし、MMIC技術で作られる送信電力増幅
器は、比較的低い効率しか有せず、更にこれに加えて、
出力電力レベルに変動がある場合にはその効率が低下す
る。
【０００６】従来の設計では、そうした電力レベルの変
動が、低いレベルのサイドローブ(SLL) を有する放射パ
ターンを形成するが故に位置に応じて、且つ使用目的に
適合させるためにローブ幅を調整するが故に時間に応じ
て不可避的に発生する。
【０００７】その結果として、このタイプの能動レーダ
アンテナの電力消費は著しく大きいものとなる。
【０００８】特に次の文献のような、従来技術の幾つか
の文献が存在する。
【０００９】Microwave Journalにおいて発表された(19
87 年２月、３月）、Eli Brooknerによる「Array radar
s : an update（最近のアレイレーダ）」と標題された
論文のＩ部とII部と、Microwave Journal において発表
された(1987 年３月) 、Eugene H. Gregoryによる「App
licability, availability, and affordability of GaA
s MMICs inmilitary systems（軍事システムにおけるGa
As MMIC の適用可能性、入手可能性、及び有効性）」と
標題された論文と、Microwave Journal において発表さ
れた(1987 年３月) 、Ronald J. Naster,Anthony W. Ja
comb-Hood，Mark R. Langによる「Affordable MMIC des
ighns forphased arrays（フェイズドアレイのための有
効なMIIC設定）」と標題された論文とである。
【００１０】従来技術の初期の電子走査レーダは、ビー
ムを制御するためにダイオード移相器又はフェライト移
相器を使用している。
【００１１】ダイオード移相器の主要な欠点は、大きな
損失であり（４又は５ビットの移相器の場合には数d
B）、そのために既に臨界状態にある増幅器電力を更に
増大させることが必要とされ、一方、フェライト移相器
は１dB未満の損失しか示さないが、大きな質量と寸法と
を有する。これらのパラメータは、航空機搭載レーダに
関して重大であり、且つ人工衛星上にそうしたレーダを
取り付けることを不可能にする。
【００１２】ガリウムヒ素上のモノリシックマイクロ波
集積回路(MMIC)の大量生産が開始された時に、１つの重
要な進歩がもたらされた。この技術は、非常に小さな質
量と寸法とを有する様々なタイプのマイクロ波回路を、
比較的低いコストで大量生産的規模で製造することを可
能にし、特に前記技術は、調節可能な減衰器と移相器と
の製造のために使用可能である。
【００１３】MMIC移相器の主要な欠点は、大きな損失
（アナログ制御装置又は4/5 ビットのディジタル制御装
置を持つ０〜360°移相器の場合に、５dB以上）に存す
る。しかしこれらの移相器が、送信側においてその移相
器の下流側に配置された高出力増幅器(HPAs)と組み合わ
される場合には、その場合に発生する損失が、低いレベ
ルにあって、且つ前記増幅器の出力電力に対する制限作
用を持たず、従って単に前記出力増幅器の利得を僅かに
増加させることだけが必要であるが故に、こうした損失
の問題は副次的である。或いは前記移相器が、受信側に
おいてその移相器の上流側に配置された低ノイズ増幅器
(LNA）と組み合わされる場合には、これらの増幅器の利
得が十分である（20dB〜30dB）ならば、移相器に固有の
損失は受信器のノイズ係数に悪影響を殆ど与えないが故
に、こうした損失の問題は副次的である。
【００１４】送信−受信(TR)モジュールは一般的に、各
々に要素的機能を果たすガリウムヒ素の複数の「チッ
プ」を相互接続することによって、１つの共通（アルミ
ナ）基板の上に作られる。これらのチップ自体は、シリ
コン上に論理集積回路を作製するために使用される技術
に基づいたドーピング（イオン拡散又はイオン打ち込
み）技術とマスキング技術と酸化技術等を用いて大量生
産される。シリコンICは、信頼性を低下させることなく
大きなコスト削減をもたらす能力を発揮してきた。
【００１５】１つの能動レーダアンテナ（能動レーダア
ンテナは、それが増幅器の形の能動素子を含むが故に
「能動」と呼ばれる）内で、数 100〜数1000のこのよう
なMMIC-TR モジュールを相互接続することによって、航
空機搭載レーダにとって重大なパラメータであり及び宇
宙レーダにとっては更に一層重要なパラメータであるコ
ストと質量と大きさと、電子走査の必要条件とを両立さ
せることが可能である。
【００１６】そうした能動レーダアンテナに関する最後
の重要なパラメータは、その直流電力消費である。
【００１７】HPA増幅器の付加電力効率: ηa ＝ (Pout−Pin)/PDC は、マイクロ波の周波帯に応じて30〜60％の範囲内にあ
る進行波真空管技術の場合よりも、MMIC技術の場合（15
〜20％）の方が遙かに低い。
【００１８】入力電力を変化させ従って出力電力を変化
させながらＡ級（リニア）HPA を使用する時には、前記
効率は特に低い。電力消費は、供給されるべきPout最大
値に合わせて設定されたバイアス電流とバイアス電圧に
よって決定される。Poutを減少させるためにPin が減少
させられる時には、同一量の電力が消費される。
【００１９】低いPoutが要求される時には、この代わり
に、バイアス電圧を減少させる。こうして電力消費は減
少させられるが、しかし、電力出力を（百分率又はdBに
おいて）著しく下回り、従って前記効率ηa が大きく減
少させられる。
【００２０】しかし、高性能な放射パターンが形成され
なければならない場合には、アンテナの放射（放射テー
パ）のために必要とされる重み付けを得るように、TRモ
ジュール毎に異なった１つPoutを有することが少なくと
も必要であり、且つそのアンテナの使用目的から可変的
な幅のローブが必要とされる場合には、時間に応じて放
射テーパの振幅法則を変化させることも必要であり、従
ってHPA のPoutを変化させることも必要である。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】その結果として、従来
の能動レーダアンテナは次のジレンマに直面した。即
ち、低いレベルのサイドローブを有し且つ好ましくは変
調可能である放射パターンは、分散配置されたHPA の効
率を低減させることによってだけしか得られないのであ
る。
【００２２】これにより生じる電力消費の増大は、現在
まで航空機搭載レーダに使用される能動アンテナの普及
を制限してきたし、更には、その使用可能電力が非常に
限定される宇宙レーダに使用される能動アンテナに関し
ては、より一層その普及を制限してきた。
【００２３】本発明の目的は、能動アンテナ（即ち、送
信−受信増幅器を含む分散配置モジュールを有するアン
テナ）に特に良好に適合したレーダアンテナの放射パタ
ーンを形成する方法を提供することによって、こうした
「性能／電力消費」ジレンマから抜け出すことである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】この目的のために本発明
は、その放射要素の直後に亙って配置された増幅器を有
する能動アンテナに対して最適化された、レーダアンテ
ナの放射パターンを形成する方法を提供する。この方法
は、送信における放射パターンと受信における放射パタ
ーンとを分離可能とし、複数の送信増幅器の全てが同一
であって、該複数の送信増幅器の直流電力消費及び散逸
を最小にするために、送信において等振幅の放射を与え
ることを可能にし（上記の送信増幅器の効率の最大化と
直流電力消費及び散逸の最小化とは、 B級又はAB級動作
の能動アンテナにとって重要なポイントである）、（調
節可能な減衰器を用いて、又は利得を変化させることが
可能なLNA 終段を用いて）受信経路内の利得を調節する
ことによって、受信における放射パターンが最適化さ
れ、その結果送信−受信モジュールにおける利得調整が
受信側だけにおいて行われ、アンテナの電力消費には全
く影響しないようにし、送信において又は受信において
同一の位相法則を得ることを可能にし、それによって相
反(reciprocal)移相器が適度な速度で制御されながら使
用されることを可能にし、送信増幅器の電力も受信経路
の利得も変化させないまま、１つの適当な位相法則を適
用することによって可変的な幅の放射パターンを合成す
ることを可能にし、より大きな幅とより急峻なカットオ
フとを有する放射パターンを形成するように、送信中の
受信経路利得を調整することを可能にし、それによって
レーダの識別能力を改善することを可能にする。
【００２５】従って、各々のTRタイプのモジュールの受
信経路における利得が、送信パターンに適合した受信パ
ターンを形成するように、即ち、送信パターンが妨害性
のサイドローブを有する場合に、感度の落ち込みを有す
る受信パターンを形成するように調整される。その結果
として、レーダの性能は、球座標におけるその角度
（θ，φ）によって特定される所与の方向における積Ge
×Gr（送信利得×受信利得）に依存し、相反(reciproca
l)受動アンテナは送信と受信とにおいて同一の放射パタ
ーンを有し、即ち Ge（θ，φ）＝Gr（θ，φ） であり、一方、異なった放射パターンを有する本発明の
能動アンテナは、次の式によって与えられる放射パター
ンGer(θ，φ）を有する相反アンテナと同一の性能を有
し、 Ger(θ，φ）＝｛Ge（θ，φ）×Gr（θ，φ）｝1/2 Ger は「等価送信−受信パターン」と呼ばれる。
【００２６】GeがGrと等しい従来の方法によって得られ
るパターンと比較すると、より良好な性能が得られるこ
とが理解できる。
【００２７】従って本発明は、送信側においてはアンテ
ナ面積に亙って且つ経時的に一定であるレベルでTRモジ
ュールを作動させながら、そのTRモジュールの利得を受
信側においてだけ変化させることによって、可変的な幅
と低いサイドローブのレベルとを有する放射パターンを
合成する方法に係わる。
【００２８】受信パターンを送信パターンに適合させる
ことによって、非常に良好な送信／受信性能が得られ、
本発明は、分散配置された送信増幅器における許容可能
な効率を保持するという基本的な利点を提供する。航空
機搭載レーダと宇宙レーダとの両方において、電力消費
は著しく低いものとなる。
【００２９】本発明の基本的な利点は、TRモジュールに
おける利得調整が受信側においてだけ行われ、従ってア
ンテナの電力消費には全く影響しないということであ
る。受信信号（送信パルスのエコー）のレベルは、送信
信号のレベルを少なくとも100dB下回るが故に、受信経
路上で消費される追加の電力は、HPA によって消費され
る電力に比較すれば無視できるものである。
【００３０】（例えばMMIC技術におけるような）全て同
一な能動モジュールを使用することによって、様々な利
得の又は可変的な利得の増幅器に必要な最大レベルより
も低い電力レベルに適するように、前記モジュールの寸
法が決められることが可能であるが故に、大量生産効果
によってそのコストが低減される。全てのHPA を同一の
出力電圧で作動させることによって、全てのHPA の効率
が最適化され、それによって電力消費を低減させるが、
これは能動アンテナにとって１つの重要なポイントであ
る。
【００３１】移相器だけを制御することによって、且つ
送信側と受信側の両方において移相器を同一の仕方で制
御する（それによって機器再構成の速度を制限する）こ
とによって、ビーム幅が変化させられることが可能であ
る。
【００３２】従ってこれは制御信号の数を制限するとい
う付加的な利点を有する。
【００３３】有利には、そのアンテナの寸法の１つにお
いて非均一に分散配置された能動モジュールを有し、従
って、能動モジュールの数を著しく減少させることが可
能なアンテナが与えられることが可能である。電子走査
が単一の平面内でのみ行われる時には、本発明の方法は
前記単一の平面に対して適用され、この場合には、その
他の平面においては、能動モジュールの物理的分布によ
って生成される振幅重み付けは、送信と受信との両方に
おいて同一である。総体的にアンテナでは、送信増幅器
の全てが同一のレベルで作動し、且つ放射法則と放射パ
ターンとがそのアンテナの２つの主要平面（方位角平
面、仰角平面）において「分離可能」である。
【００３４】
【実施例】以下では本発明の実施例が、添付の図面を参
照して例として説明される。
【００３５】能動送信／受信(TR)モジュールの構造は、
図１に示される従来のTRモジュールの構造に基づく。こ
の構造は、レーダの能動要素に接続された送信入力E
と、アンテナの放射要素に接続された送信出力S と、デ
ィジタル移相器10と、送信用の高電力増幅器(HPA)13 及
び受信用の低ノイズ増幅器(LNA)14 の第１のスイッチ11
と第２のスイッチ12との間のヘッドツウテエール式の並
列接続と、を有する。利得制御がこの構造の受信経路内
に備えられている。この利得制御は異なった２つの方法
で、即ち図２に示されるように、LNA 14の後に１つの可
変減衰器15を加えることによってか、又は、従来通りに
入力ポートとして働く一方のゲートを有し且つそれに加
えられるバイアス電圧が変化させられる時にその利得を
変調させる他方のゲートを有する、２ゲート電界効果ト
ランジスタ(FET)16 を用いて LNA14の終段の利得を制御
することによって（図３）与えられることが可能であ
る。
【００３６】前記HPA の全てが、出力電力において連続
的に作動する。従って前記HPA をその圧縮領域又は飽和
領域で作動させることによって出力電力が最大にされる
ことが可能であり、その効率が最適化されることが可能
である。従って、その直線性領域において使用される増
幅器(A級）の場合よりも（一定のPoutに関して）その直
流電力消費及び散逸が著しく少ない、 B級又はAB級の増
幅器を使用することが可能である。送信電力を変化させ
る試みが全くなされなかった場合は、 A級増幅器は不可
欠なものだっただろう。
【００３７】出力スイッチ12は、送信−受信スイッチン
グと放射要素（２つの偏波：水平偏波H と垂直偏波V ）
に到る２つのポートとを同時に与える、２入力−２出力
の出力スイッチ(DPDT)である。この出力スイッチは、質
量と大きさとが非常に小さい集積回路（MMIC技術）とし
て使用されることに良く適合している。
【００３８】しかし従来技術では、そうした構成は、非
常に高電力なHPA に対しては技術的問題をもたらす。そ
うした状況では、１入力−２出力の出力電力スイッチ(S
PDT)がその後に続く１つのサーキュレータを含む解決策
（図示されていない）が適している。この場合には前記
LNA は、リミッタによって保護される必要がある。
【００３９】本発明の方法は、全ての放射要素の振幅Am
n と位相φmnとが互いに無関係である２次元合成に適用
可能であるが、分離可能な放射を有する矩形アンテナに
関する単純化された事例に関連してその結果が説明され
る。
【００４０】実際には、これは大半のレーダに適用さ
れ、特に合成開口レーダ(SAR) として働く航空機搭載レ
ーダ又は宇宙レーダに適用される技術であり、その放射
パターンが、主仰角平面（アンテナへの法線を含む垂直
平面）内と、主方位角平面（アンテナへの法線を含む水
平平面）内とで個別的に合成され、v＝(H/λ)sin E1で
あり且つElが前記仰角平面内の法線からの角度である時
の仰角放射パターンGel(v) は、その真空中の波長がλ
である周波数において作動する高さH のアンテナの垂直
軸上の放射規則 Eel(y) に関係付けられる。
【００４１】Gel(v) ＝｜ Fel(v) ｜2 前式中では Fel(v) が、 Eel(y) の複素フーリエ変換で
あり、E1の係数が、 Y座標y にある放射源の励起の振幅
を表わし、E1の偏角が前記励起の位相を表わす。
【００４２】同様に、u=(L/λ)sin Azであり且つAzが
前記方位角平面内の法線からの角度である時の方位角放
射パターンGaz(u) は、次式によって高さL のアンテナ
の水平軸上の放射規則 Eaz(X) に関係付けられ、 Gaz(ｕ) ＝｜ Faz(ｕ) ｜2 前式中で、 Faz(ｕ) が、 Eaz(x) の複素フーリエ変換
であり、 X座標x の放射源の励起の振幅と位相とを表わ
す。
【００４３】全ての振幅は最大値1(又は0 dB)に正規化
され、全ての位相は定数として取り扱われる。
【００４４】従って位置(x,y) における放射源（又は放
射要素）の励起は、 Eaz(x) × Eel(y) であり、この場
合に方向θ、φに於ける放射パターンは、 G（θ，φ）＝｜F(θ，φ）｜2 であり、前式中で、 F（θ，φ）＝ Faz(u) × Fel(v) u＝(L／λ） sinθ・ cosφ G（θ，φ）＝ Gaz(u) × Gaz(v) v＝(L／λ） sinθ・ sinφ 前式中で、θとφは球座標における従来的なオイラー角
であり、図４に示されるようにθは、アンテナに対する
法線Ozに関して算出され、φは、水平軸Oxに関して算出
される。
【００４５】従ってこれは、主平面xOz(方位角）と主平
面yOz(仰角) の各々において、放射源のアラインメント
（直線アレイ）によって作り出される１次元の放射パタ
ーンを合成することに帰着する。
【００４６】送信状態で作動した後に受信状態で作動す
るレーダアンテナに対しては、その放射パターンが２度
に亙って適用され、即ち、送信時には、前記放射パター
ンが、望ましい方向に送信エネルギーを集中すると同時
に、他の全ての方向においてはサイドローブ(SLL) の固
定レベルを越えることを防止し（例えば、 SLL＝−20d
B）、受信時には、照準方向以外の方向から来る信号が
前記放射パターンによって改めて重み付けされる。総体
的には、そのレーダの識別能力は、積「Ge（θ，φ）×
Gr (θ，φ）」＝「送信パターン×受信パターン」に基
づいている。これら２つのパターンの効果がdBで合計さ
れる。２次ローブレベルが送信時に−20dBであり且つ受
信時に−20dBであるならば、照準方向以外の方向におけ
る減衰は40dBである。
【００４７】しかし異なったパターンGeとGrとを、Geが
Grに等しい従来のパターン（増幅器なしの従来のアンテ
ナは相反的であり、その送信パターンと受信パターンと
は同一である）と比較することを可能とするために、次
のように等価「送信−受信」パターンが導かれ、 Ger(θ，φ）＝｛Ge（θ，φ）×Gr（θ，φ）｝1/2 即ち、送信と受信の両方に使用される場合にレーダ応用
において同一の総体的結果をもたらすであろう、単一の
等価パターン（即ち、同一の積Ge,Gr)が導かれる。
【００４８】例えば、互いの間の距離が0.57λであり且
つ各々の要素放射源が全指向性である 128個の放射源を
使用する、狭幅のローブの合成を考察しよう。
【００４９】図５Ａは、送信パターンを示し、これは12
8 のパッチ線路を用いる図５Ｂに示されるような均一な
放射を使用して、即ち等振幅放射（全HPA が同一のレベ
ルで作動する）と（狭幅ローブを得るための）等位相放
射とを使用して得られる。
【００５０】図６Ａは受信パターンを示し、図６Ｂに示
される放射は依然として等位相であるが、適切な振幅の
重み付けは、第１のサイドローブを後続のサイドローブ
に比べて低下させることを可能にする。
【００５１】図７は卓越した性能を有する等価送信−受
信パターンを示し、そのサイドローブのレベルは、この
特定の事例での目標レベルである−20dBに近く、その主
ローブの基部は、一方向だけにおける合成によって得ら
れるパターンの場合よりも狭い。これは特に、その不明
瞭性を可能な限り制限するために、即ち仰角と方位角と
の両方において近接エコーを可能な限り減衰させるため
に必要とされるSAR タイプの放射パターンにとっては基
本的な特性である。
【００５２】指向性に関する性能は「放射効率」ηi に
よって特徴付けられる。この放射効率は、均一な振幅及
び位相の法則の場合（この規則は、長さL のアラインメ
ントに対して2L／λの指向性を与える場合）に比較し
た、振幅及び位相の法則に起因する指向性の損失を表わ
す。
【００５３】等価送信−受信パターンによる指向性損失
は、ηi＝1/2(ηie ＋ηir )(dB)であり、前式のηie
とηir は各々に送信法則の放射効率と受信法則の放射
効率である。
【００５４】その結果として得られる効率ηi(−0.16d
B) は、一方向だけに同じSLL ≒−20dBを与える最良の
法則（所謂「テイラー」の規則）の場合に得られること
が可能な効率と同等である。
【００５５】各パターン図に示される曲線80と81は、各
々に外側と内側の極限特性であり、これらの曲線の両方
は設計要件である。
【００５６】受信時に利得の定量化が使用されるなら
ば、低下の量は小さい。
【００５７】実際的な理由から、受信時のTRモジュール
の利得の調整を単純化すること、従って前記利得を制限
された数のレベルに定量化することによって振幅規則を
制御することとが好ましい。
【００５８】図８Ａ、図９Ａ、図10は、各々に受信放射
パターン、送信放射パターン、送信−受信放射パターン
である。これらの図は、８つのレベル（従って３つのビ
ット）を使用する適切な定量化が、「連続制御」（図６
A）の受信放射法則に近い受信放射法則を有するのに十
分であり、且つ、類似の特性の放射パターンを有するの
に十分であることを示す。互いに0.57λだけ間隔が開け
られた 128個の全指向性放射源を使用する場合に、同様
に良好な総放射効率（−0.16dB）が得られる。
【００５９】狭幅のローブも、17個の振幅制御だけを用
いて合成されることが可能である。図11A 、図12A 、図
13の各々は、受信放射パターン、送信放射パターン、送
信−受信放射パターンである。これらのパターンは、ア
ンテナへの給電点の数が（従って、振幅制御点が）著し
く減らされる場合でさえ、且つ定量化が８つのレベルだ
けに保たれる場合でさえも、上記の方法によって同様の
特性の等価送信−受信放射パターンが得られるというこ
とを示す。これは宇宙SAR のための能動アンテナの場合
に重要であり、このアンテナは 8.16mの長さを有し、各
々が48cmの長さを有する17のサブパネルに分割され、各
々のサブパネルが振幅においてだけ制御され、それによ
って、各サブパネル内で同一の分配器を各々に使用する
ことを可能にする。得られる総放射効率はほぼ同様に良
好である (−0.18dB) 。
【００６０】この方法は、ここで考察されているアンテ
ナの寸法においては、約10の最小数を上回る任意の数の
能動モジュールに一般化されてよい。
【００６１】送信における同一の等振幅規則（同一の出
力電力HPA）と（図８B に示されるように定量化され
た）受信において見出される重み付け規則とを保ちなが
ら、移相器だけを使用することによって広幅のローブを
合成することが可能である。例えば、その使用目的が広
幅のローブを必要とする場合には（例えば、各々の回転
セル又はSAR から受け取ったエコーの強さに比例する輝
度の画素を生成することによって、地表を画像化するた
めの、航空機搭載用の側視レーダ(side lookingairborn
e radar)(SLAR) モードにおいて、一定不変の幅の地表
の帯状物を監視することが望ましい場合には）、放物線
タイプの位相規則が加えられてもよい。これに相当する
放射パターンが図14A 、図15A 、図16に示されている。
これらは各々に受信放射パターン、送信放射パターン、
送信−受信放射パターンである。互いに0.57λの間隔を
置いた128 の全指向性放射源を用いて、−4.83dBの総放
射効率が得られる。
【００６２】この方法は、能動モジュールに伝送される
べき制御信号の数を、移相器の再構成に必要な数だけに
限定する。これはいずれの場合にもビームの照準を移動
するために必要とされ、このことは一般的にビームの拡
幅に係わる。拡幅の位相が送信と受信とにおいて同一で
あるが故に、移相器に与えられる制御の速度は適度であ
る。
【００６３】能動モジュールの受信経路上に配置された
減衰器（又は可変利得LNA ）は、制御される必要はな
い。これらは望ましい値に予め調節され、従って位相を
乱す危険性はない。
【００６４】より良好に形成された広幅の放射パターン
を得ることが望ましい場合には、受信側のTRモジュール
の利得を時間に応じて制御することにある追加の自由度
が使用されてよい。これは、振幅及び位相における受信
放射規則を、各々の意図されたローブ幅により良好に適
合させることを可能にする。
【００６５】従って、送信放射パターン、受信放射パタ
ーン、送信−受信放射パターンを連続的に表す図17A ，
図18A ，図19と図20A ，図21A ，図22とは、互いに 0.8
22λの距離を置いた48の放射源から成る同一の能動アレ
イによって発生されるような、非常に多様な幅（最大値
から3dB において 1.4°と 8.8°）の２つのローブを示
す。
【００６６】送信における放射は、全てのHPA が同一レ
ベルで作動するように常に等振幅である。
【００６７】しかし受信の放射法則を振幅と位相との両
方において変化させることによって、 SLL≒−20dBを有
する非常に狭幅のローブ（図19）を発生させることも、
又は非常に急峻な側部と類似のSLL とを有する幅広のロ
ーブ（図22）を発生させることも可能である。
【００６８】（受信における振幅）制御において前記追
加の自由度を使用することによって、幅広のローブパタ
ーンは、図16のパターンに比べて遥かに急峻な側部を有
し、それによってレーダの識別能力を改善する。
【００６９】この実施例の唯一の欠点は、TRモジュール
の受信部分の利得が経時的に変化させられなければなら
ないということである。これは単位時間当たりの制御量
を増大させ、追加のドライバが前記TRモジュール内に備
えられなければならないことを意味する。
【００７０】利得の制御のためには、次のような２つの
選択が可能である。即ち第１には、最大ダイナミックレ
ンジ (この実施例では6.5dB)が許容され、それ故にTRモ
ジュールの受信経路における挿入位相を変化させること
を全く不要にすることによって、利得の制御が行われ、
第２には、より大きなダイナミックレンジがより良いパ
ターンを得るために必要であるならば、その結果として
生じる位相変化が測定され、移相器の制御の際に前記位
相変化が考慮に入れられることによって利得の制御が行
われるが、しかしこれは、送信と受信との間の移相器を
非常に迅速に再構成する必要があるという欠点を有す
る。
【００７１】レーダの中には、１つの平面だけにおいて
電子走査を行うことを必要とするものがあり、例えば、
航空機搭載用側視レーダ(side-looking airborne rada
r) 又は合成開口レーダの場合には、その仰角平面にお
いてだけ電子走査を行う必要がある。
【００７２】そうしたアンテナの水平平面内において
は、振幅及び位相の制御操作を数多く行う必要はない。
そうしたアンテナを単純化するために、少数の能動モジ
ュールがそのアンテナ長さに亙って分散配置される。
【００７３】この場合には、方位角における放射パター
ンの合成に上記の方法を適用するために十分なだけの振
幅及び位相の制御は行われない。しかし、TRモジュール
の間の間隔をより大きくすることによって、別の原理を
適用することが可能となる。
【００７４】この別の原理の場合には、同一の方位角放
射パターンが送信と受信との両方に与えられ、更に前述
の基本的な実施例の場合と同様に全てのHPA の効率を最
適化するように、同一の出力電力で作動する全HPA に対
して必要な振幅重み付けを行うために、TRモジュールが
前記アンテナの長さに亙って非均一な形に分散配置され
る。
【００７５】上記の原理の一例が次のように説明され
る。
【００７６】図23は、SAR モードで作動する宇宙監視レ
ーダとして使用するための１つの大型能動アンテナ(8.3
2m×1.91m)を示す。打ち上げロケットのノーズコーンの
下方に折り畳まれることを可能にするために、このアン
テナは３つのパネル25、26、27に分割される。図24に示
されるように、このアンテナは88の同一の水平送信ライ
ン28を有する。
【００７７】５つのTRモジュール29が、（この場合には
一方が水平偏波において放射し、他方が垂直偏波におい
て放射する、重ね合わされた溝穴付き導波管32、33であ
る)放射要素の各々の水平ライン28の上に配置される。
これらのモジュールは（中央部では互いにより接近する
ように）非均一に分散配置される。この分散配置は、一
方から他方に直線的にdB変化する振幅規則を得るように
調節される放射溝穴のコンダクタンスと組み合わされ、
それよって良好な特性のパターンが得られることを可能
にする（図25A ，図25B）。
【００７８】これと同時に２つのタイプの放射導波管だ
けが、即ち「斜めの」放射規則を有する長さ60.4cmの１
つの導波管30と、均一な放射規則を有する長さ53.7cmの
１つの導波管31とが必要とされるにすぎない。
【００７９】このことはアンテナの工業生産を大きく簡
易化する。しかし仰角パターンに関しては、上記の方法
が適用される。
【００８０】電子走査がこの平面において重要であるが
故に、（１つのサブパネルが、水平及び垂直偏波を放射
する１組の２つの導波管32と33を有する場合に）各々の
サブパネルは位相制御される。即ち位相制御がその波長
の0.7 倍に近いピッチで行われ、従って、そのアンテナ
の高さに亙って88の能動モジュールが非均一に分散配置
され、放射導波管の高さが常に同一である。送信時には
全てのHPA が同一の出力電力を有し、それによって図26
A ，図26B に示されるように均一の放射を与え、一方、
受信時には、LNA の後方に配置された減衰器が重み付け
を与えるように調節され、それによって図26Ａに示され
るようなパターンを与え、図28に示されるような等価送
信−受信パターンが上記と同一の特性を有する。
【００８１】当然のことながら、本発明はその好ましい
実施例に関してだけ説明され図解されてきた。こうした
実施例における構成要素は、本発明の範囲を逸脱するこ
とがない限り、同等物によって置き換えられることが可
能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のTRモジュールの説明図である。
【図２】本発明に従って変更されたTRモジュールの回路
図である。
【図３】本発明に従って変更されたTRモジュールの回路
図である。
【図４】球座標系を示す説明図である。
【図５Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送信
及び／又は受信放射パターン図である。
【図５Ｂ】図５Ａに対応する放射源励起曲線図である。
【図６Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送信
及び／又は受信放射パターン図である。
【図６Ｂ】図６Ａに対応する放射源励起曲線図である。
【図７】本発明の方法がどのように働くかを示す送信及
び／又は受信放射パターン図である。
【図８Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送信
及び／又は受信放射パターン図である。
【図８Ｂ】図８Ａに対応する放射源励起曲線図である。
【図９Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送信
及び／又は受信放射パターン図である。
【図９Ｂ】図９Ａに対応する放射源励起曲線図である。
【図１０】本発明の方法がどのように働くかを示す送信
及び／又は受信放射パターン図である。
【図１１Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送
信及び／又は受信放射パターン図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図１２Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送
信及び／又は受信放射パターン図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図１３】本発明の方法がどのように働くかを示す送信
及び／又は受信放射パターン図である。
【図１４Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送
信及び／又は受信放射パターン図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図１５Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送
信及び／又は受信放射パターン図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図１６】本発明の方法がどのように働くかを示す送信
及び／又は受信放射パターン図である。
【図１７Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送
信及び／又は受信放射パターン図である。
【１７Ｂ】図１７Ｂに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図１８Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送
信及び／又は受信放射パターン図である。
【図１８Ｂ】図１８Ａに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図１９】本発明の方法がどのように働くかを示す送信
及び／又は受信放射パターン図である。
【図２０Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送
信及び／又は受信放射パターン図である。
【図２０Ｂ】図２０Ａに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図２１Ａ】本発明の方法がどのように働くかを示す送
信及び／又は受信放射パターン図である。
【図２１Ｂ】図２１Ａに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図２２】本発明の方法がどのように働くかを示す送信
及び／又は受信放射パターン図である。
【図２３】１つの平面内においてだけ本発明の原理を用
いる溝穴付き導波管アンテナの一例を示す説明図であ
る。
【図２４】１つの平面内においてだけ本発明の原理を用
いる溝穴付き導波管アンテナの一例を示す説明図であ
る。
【図２５Ａ】送信及び／又は受信放射パターン図であ
る。
【図２５Ｂ】図２５Ａに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図２６Ａ】送信及び／又は受信放射パターン図であ
る。
【図２６Ｂ】図２６Ａに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図２７Ａ】送信及び／又は受信放射パターン図であ
る。
【図２７Ｂ】図２７Ａに対応する放射源励起曲線図であ
る。
【図２８】送信及び／又は受信放射パターン図である。
【符号の説明】
10 ディジタル移相器 11、12 スイッチ 13 高出力増幅器(HPA) 14 低ノイズ増幅器(LNA) 15 可変減衰器 16 2 ゲート電界効果トランジスタ(FET) Ｅ 送信入力 Ｓ 送信出力 Ｈ 水平偏波 Ｖ 垂直偏波
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−100503（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−175788（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−76477（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−6784（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭59−157347（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−50278（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭58−18801（ＪＰ，Ｂ２) 特許2589811（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01S 7/00 - 7/42 G01S 13/00 - 13/95 H01Q 3/28

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電子走査レーダ用の高効率能動アンテナ
    の放射パターンを形成する方法であって、 送信における放射パターンと受信における放射パターン
    とが分離され、 複数の送信増幅器の全てが同一であって、該複数の送信
    増幅器の効率を最大にするために、送信においては等振
    幅放射が行われ、したがって送信増幅器の直流エネルギ
    ー消費及び散逸が最小となり、 受信経路の利得を調整することによって、受信における
    放射パターンが最適化され、その結果送信−受信モジュ
    ールにおける利得調整が受信側だけにおいて行われ、ア
    ンテナの電力消費には影響しない ことを特徴とする方
    法。
  2. 【請求項２】 適度な制御速度で制御される相反移相器
    を使用可能とするように、送信と受信とにおいて位相法
    則が同一である請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 適切な位相法則を適用することによっ
    て、前記送信増幅器の電力を又は前記受信経路の利得を
    変化させることなく、可変的な幅の放射パターンが合成
    される請求項１または２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記レーダの識別能力を改善するよう
    に、急峻な側部を持つ幅広の放射パターンを形成するよ
    うに前記受信経路の利得が制御される請求項１から３の
    いずれか１項に記載の方法。
  5. 【請求項５】 請求項１の方法を実現するための、電子
    走査レーダ用の高効率能動アンテナであって、前記アン
    テナが、その放射要素の直後に亙って配置された増幅器
    を有しており、前記アンテナが能動送信−受信モジュー
    ルを備えており、該送信−受信モジュールが、送信側に
    おいて移相器の後ろに配置された高出力増幅器と、受信
    側において移相器の前に配置された低ノイズ増幅器とを
    含み、更に送信側において、前記増幅器の全てが同一で
    あり且つ前記アンテナに亙って均一に配置されており、
    前記増幅器の全てが経時的に一定の電力を給送するアン
    テナ。
  6. 【請求項６】 受信において前記低ノイズ増幅器の利得
    が、送信放射パターンに適合した放射パターンを形成す
    るように制御される請求項５に記載のアンテナ。
  7. 【請求項７】 前記能動モジュールの全てが同一である
    請求項５又は６に記載のアンテナ。
  8. 【請求項８】 送信と受信との両方において同一の仕方
    で前記移相器を制御することによってのみ、ビーム幅が
    変化させられる請求項５から７のいずれか１項に記載の
    アンテナ。
  9. 【請求項９】 前記能動送信−受信モジュールが、前記
    アンテナの１つのディメンジョンにおいて非均一に配置
    されている請求項５から８のいずれか１項に記載のアン
    テナ。
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