JP2980841B2 - 交互に配置されたテーパー付素子放射器と導波管放射器とを備えた多帯域フェーズドアレイアンテナ - Google Patents

交互に配置されたテーパー付素子放射器と導波管放射器とを備えた多帯域フェーズドアレイアンテナ

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JP2980841B2
JP2980841B2 JP8131896A JP13189696A JP2980841B2 JP 2980841 B2 JP2980841 B2 JP 2980841B2 JP 8131896 A JP8131896 A JP 8131896A JP 13189696 A JP13189696 A JP 13189696A JP 2980841 B2 JP2980841 B2 JP 2980841B2
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/40Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements
    • H01Q5/42Imbricated or interleaved structures; Combined or electromagnetically coupled arrangements, e.g. comprising two or more non-connected fed radiating elements using two or more imbricated arrays

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、マイクロ
波フェーズドアレイアンテナに関し、特に、多帯域フェ
ーズドアレイアンテナに関する。
【0002】
【従来の技術】多くのレーダユーザのニーズは、単一の
レーダビームの発生により満足させることができるが、
それぞれ特定の目的のために専用化されている複数のレ
ーダビームを必要とするユーザがいる。例えば、主要空
港では、中距離の空中監視、長距離の天候監視、空港表
面における検出、高度検出および管制制御を含む機能に
向けられたレーダを必要とする。第2の例として、軍艦
の環境では、長距離の監視、ナビゲーション、兵器制
御、追跡および識別、ならびに電子戦支援装置(ES
M)を含む機能に向けられたレーダを必要とする。
【0003】このような複数のタスクを取扱う複数のア
ンテナを提供することは、アンテナをインストールする
使用可能な空間が制限されている場合に特に困難なもの
になる。軍艦の上部構造がアンテナの配置に好ましい
が、この空間には、例えば、ブリッジ構造、ベンチレー
ション、空調設備、および兵器装備設備のような他の必
要なものが非常に多くある軍艦の環境では、このことは
特に事実となる。
【0004】複数の放射素子の位相を制御するので、単
一のフェーズドアレイアンテナで、複数のレーダビーム
を同時に放射および受信できる。しかし、前に述べたレ
ーダ機能の独特な要求は、通常、複数の周波数帯に広が
るレーダビームの同時使用の可能性を必要とする。例え
ば、従来から長距離の監視は、より長い波長、例えばS
帯域を必要とし、正確な追跡および目標識別レーダは、
一般的にさらに短い波長、例えばC帯域で最も効率良く
動作し、兵器制御およびドップラナビゲーションは、通
常、さらに短い波長、例えばX帯域やKu帯域で実施さ
れる。
【0005】S帯域は2〜4GHz周波数領域を占有
し、C帯域は4〜8GHz周波数領域を占有し、X帯域
は8〜12.5GHz周波数領域を占有するので、これ
ら3つすべての帯域での信号の放射および受信は、2オ
クターブより広い帯域幅を有する多帯域フェーズドアレ
イアンテナを必要とする。2オクターブより広い帯域幅
を有するこのような単一のフェーズドアレイアンテナ
は、制限された空間環境、例えば船と両立する一方、複
数のレーダ機能をサポートすることができる。
【0006】多数の多帯域レーダアンテナ形態が提案さ
れてきた。例えば、交互に配置され隣接する導波管の構
造が、1971年11月23日に発行された米国特許第
3,623,111号に記載されている。導波管とダイ
ポールとが交互に配置された2重帯域アレイアンテナ
が、クーアン.M.リー氏らの名前で1986年11月
18日に発行され、本発明の譲受人であるヒューズ・エ
アクラフト社に譲渡された米国特許第4,623,89
4号に記載されている。共平面ダイポールアレイアンテ
ナが、レイモンド.タング氏らの名前で1992年2月
11日に発行され、本発明の譲受人であるヒューズ・エ
アクラフト社に譲渡された米国特許第5,087,92
2号に記載されている。
【0007】これらのアンテナ形態は、複数のアンテナ
ビームを放射することができるが、その固有の大きさゆ
えに、低い周波数導波管、例えば(米国特許第3,62
3,111号に提案されているような)S帯域の使用を
避けることが望ましく、また、その固有の狭帯域性能ゆ
えに、(米国特許第4,623,894号および第5,
087,922号に提案されているような)ダイポール
アンテナ構造の使用を避けることが望ましい。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、2オクター
ブを超える動作周波数範囲を得るために広帯域放射素子
を使用する多帯域フェーズドアレイアンテナに向けられ
ている。
【0009】
【課題を解決するための手段】この目的は、テーパー付
素子放射器と導波管放射器とが交互に配置された関係で
配置されているアンテナ開口で実現される。テーパー付
素子放射器はそれぞれ、広帯域放射性能を強化するテー
パー付ウイング対を備えている。導波管放射器は、それ
らの放射端が、集合的にグランド平面を規定するように
配置されることが好ましい。予め定められたテーパー付
ウイングの放射インピーダンスを確立するように選択さ
れた距離だけ、それぞれのテーパー付素子放射器のテー
パー付ウイングを、このグランド平面を越えて延在させ
る。
【0010】テーパー付素子放射器と導波管放射器は、
それらがそれぞれ放射する最高周波数においてグレーテ
ィングローブが確実に発生しないスパンだけ、アンテナ
開口内でそれぞれ間隔があけられる。移相器および給電
網に埋込まれた時間遅延素子で、各放射ビームを別々に
走査できるように、開口は複数の給電網により給電され
る。
【0011】実施例では、テーパー付素子放射器の列
は、導波管放射器の列と交互に配置される。テーパー付
素子放射器の1つおきの列が、そのそれぞれの給電網で
励磁される。他のテーパー付素子放射器列は、導波管放
射器のグレーティングローブ性能を強化するために挿入
されるものである。他の実施例では、放射器は、矩形格
子および三角形格子を規定するように配置される。
【0012】本発明の新規な特徴は、添付された特許請
求の範囲に特に記載されている。本発明は、添付した図
面と共に、以下の説明から最も良く理解できるであろ
う。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明にしたがった多帯域フェー
ズドアレイアンテナが、図1、2、3(A)、4〜6、
7および8に図示されている。特に、図1および4は、
アンテナの開口部20を示し、図2および3(A)は、開
口部20を構成する導波管放射器40およびテーパー付素子
放射器60を示し、図5、6、7および8は、開口20の放
射器40および60にマイクロ波信号を分配することができ
る、導波管放射器給電網80およびテーパー付素子放射器
給電網100,120 を示している。図3(B)は、図3
(A)のテーパー付素子放射器の他の実施例を図示して
いる。
【0014】アンテナ開口20は、給電網80,100を介して
受信された3つの独立したマイクロ波信号に応答して、
3つの独立したマイクロ波アンテナビームを放射するこ
とができる。第1および第2のマイクロ波周波数帯域に
おける信号は、図6または図7および図8の給電網を介
して受信され、テーパー付素子放射器60Aにより放射さ
れる。第3のマイクロ波周波数帯における信号は、図5
の給電網80を介して受信され、導波管放射器40により放
射される。3つのマイクロ波信号を、2オクターブ以上
のマイクロ波周波数に広げることができる。例えば、第
1、第2および第3の周波数帯域は、S帯域、C帯域、
X帯域とすることができる。
【0015】最初に、図1、2、3(A)および4に図
示されているような、開口部20およびその構成部品に着
目する。開口部20は、交互配置の関係で配置された、導
波管放射器40とテーパー付素子放射器60とにより形成さ
れる。この実施例では、テーパー付素子放射器は、放射
器60Aと放射器60Bとに分けられる。放射器60Aおよび
60Bは、構造的に同一である。本発明の実施例が詳細に
説明されるにしたがって、異なる参照番号が付けられて
いる理由が明らかになるであろう。
【0016】特に、開口部20は、4つの導波管放射器40
で形成されている導波管放射器列22と、それぞれ2つの
テーパー付素子放射器60Aで形成されているテーパー付
素子放射器列24と、それぞれ2つのテーパー付素子放射
器60Bで形成されているテーパー付素子放射器列25とを
含んでいる。テーパー付素子放射器列24の対の間に、テ
ーパー付素子放射器列25が位置するようにして、導波管
放射器列22が、導波管放射器列24,25 と交互に配置され
る。
【0017】効率的なアンテナ開口は、開口部20で形成
することができるが、その放射マイクロ波ビームはかな
り広いものになる。その理由は、アレイアンテナの選択
された開口平面に沿った放射ビーム幅が、その平面に沿
った放射素子の数に反比例するからである。すなわち、
より狭いビーム幅は、より大きなアンテナ開口で達成さ
れる。延長2点鎖線26により示されているような、開口
部20の構造を延長する本発明の教示により、所望される
任意の大きさの開口を形成することができる。すなわ
ち、放射器列22,24 および25の高さは、仰角方向28に延
長され、付加的な列が方位角方向29に加えられる。
【0018】この開口部20の延長は、図4にさらに概略
が示されている。開口部20は、ここでは実線で示されて
いる。開口部20の開口パターンは、さらに大きな開口30
を形成するために、破線で示されている同様な放射器で
延長されている。開口30は、2点鎖線延長線26により示
されているように、さらに延長することができる。
【0019】開口部20の構造および機能のさらに詳細な
説明は、図2、3(A)および3(B)の放射器素子、
ならびに図5、6、7および8の給電網の詳細な説明ま
で読み進めればさらに補われる。
【0020】次に、放射器40,60 に着目する。導波管放
射器40は、入力端43と放射端44を備えた導波管部分42を
持っている。入力端43は、マイクロ波信号を受信するよ
うに構成されている。この構成は、入力端43上に支えら
れる同軸コネクタ45により実現される。コネクタ45は、
図5の給電網に結合するためのねじ付ジャック端46を持
っている。導波管空洞48に、電磁波モード、例えばTE
10モードを放射するように、ジャック端46の中央導体47
が、導波管入力端43中に延在している。導波管空洞に磁
界を結合するのに特に有用なループ50を形成するように
中央導体47が示されているが、他の放射器の実施例にお
いて、導波管内部に電界を結合するのに特に有用な電気
プローブを形成してもよい。
【0021】導波管空洞48の寸法は、相対誘電率εr
有する誘電体コア52で空洞を満たすことにより減少させ
ることができる。特定のマイクロ波放射が自由空間管内
波長λg を有し、導波管空洞48がコア52で満たされるの
であれば、マイクロ波放射は、実効管内波長λge=λg
(εr -1/2を有する。この波長減少の効果は、開口20
に着目すれば明らかである。導波管42中の反射を減少さ
せるために、ループ50を近接して受けるように、誘電体
コア52の空洞端54を形成することができる。
【0022】図3(A)中に示されているように、テー
パー付素子放射器60は、入力ポート61、テーパー付ウイ
ング62,63 対、入力ポート61とテーパー付ウイング62,6
3 対とを結合する伝送ライン64を備えている。例えば銅
のような導電体材料で、薄い誘電体シート65形態の基体
の各面をコーティングすることにより、放射器は容易に
製造することができる。入力ポート61は、図6、7およ
び8の給電網に結合するように構成されている。この構
成は同軸装着ブロック67の形態であり、この外部導体す
なわちシェル68は、ウイング62,63 の一つに接続されて
おり、またこの内部導体69は、ウイングのもう一方に接
続されている。
【0023】それぞれ選択可能な可変幅72を有し、スロ
ット73により分離されている共平面導電部材70,71 対に
より、伝送ライン64が形成されている。すなわち、伝送
ライン64は、マイクロストリップスロットラインであ
る。伝送ライン64のインピーダンスは、誘電体シート65
の厚みおよび誘電率、導電部材幅72、およびスロット73
の間隔を含むいくつかのパラメータにより制御される。
【0024】導電部材70,71 は、そのキャパシタンスを
減少させるために比較的狭く、一方、テーパー付ウイン
グ62,63 は、広い周波数帯域幅をサポートする表面電流
を流すために比較的広い。テーパー付ウイング62,63 の
領域では、ウイングの放射端74に近付くにしたがって、
スロット73が漸進的に広くなる。これは、広い放射帯域
幅にわたって、自由空間とのインピーダンス整合を強化
する。放射インピーダンスは、入力ポートインピーダン
スを整合させるために、伝送ライン64により変換され
る。サンプルの実施例では、伝送ラインは、1/4波長
インピーダンス変換器とすることができる。さらに複雑
な実施例では、本質的に、複数の変換器部分を含むこと
ができる。例えば、同軸装着ブロックインピーダンス、
例えば50Ωを、テーパー付ウイング62,63 の放射イン
ピーダンスと整合させるために、チェビシェフテーパー
にしたがって、導電部材幅72を変化させることができ
る。テーパー付ウイング62,63 および伝送ライン64の特
有の形状のために、テーパー付素子放射器60は、通常、
「バニーイアー」放射素子と呼ばれる。
【0025】放射器60は、テーパー付素子放射器として
一般的に呼ばれる放射器のクラスの1実施例である。放
射器60は、広い帯域幅のマイクロ波周波数を放射するの
に特に適しているが、本発明の教示を実施するために、
他のテーパー付素子放射器を使用してもよい。例えば、
図3(B)は、別のテーパー付素子放射器75を図示して
いる。
【0026】テーパー付素子放射器75は、同様な参照番
号を有する同様な素子の図3(A)の放射器60と似てい
る。放射器75は導電部材76,77 対を有し、この導電部材
76,77 対は、スロットライン78を規定するように間隔が
あけられ、また、広い帯域幅にわたって自由空間インピ
ーダンスを効率よく整合するために、ホーン部分79で互
いに離れる方向にフレアー状に広がっている。テーパー
付素子放射器60とは異なり、導電部材76,77 の幅は、入
力ポート61とホーン部分79との間で減少されない。した
がって、放射器75は、通常、放射器60よりも大きなキャ
パシタンスを示し、広い帯域幅にわたって放射すること
ができるが、通常、放射器60の例外的な帯域幅に整合さ
せることができない。
【0027】特有な外観のために、テーパー付素子放射
器75は、通常、「フレアーノッチ」放射素子として呼ば
れ、また、「ビバルディホーン」放射素子としても呼ば
れる。放射器60,75 は、例えば、リー.JJおよびリビ
ングトン.S.Iの「広帯域バニーイアー放射素子」、
IEEE AP−S国際シンポジウム、アン・アーバ
ー、ミシガン州、1993年、P1604〜1607の
ようなさまざまな参考文献に詳細に説明されている。
【0028】図1の導波管放射器列22にマイクロ波信号
を分配する給電網80が、図5に概略的に図示されてい
る。図示するために、給電網80は、導波管放射器40の1
6×16の格子に、すなわち、図1の2点鎖線26により
示されているように、図1の4×4の格子が16×16
の格子に延長されている格子に、マイクロ波エネルギを
分配するように構成されている。給電網80は、例えば同
軸コネクタのような入力ポート84に接続されている電力
分割器82を備えている。電力分割器82の各出力は、調整
可能な時間遅延素子88対により、8方向電力分割器86に
結合される。8方向電力分割器86は、同じ基体87上に構
成される。電力分割器82,86 は、方位角方向の平面に配
置される。電力分割器86の各出力90は、16方向仰角電
力分割器94により、導波管放射器40の異なる列92に結合
される。したがって、入力ポート84に入るマイクロ波信
号は64の導波管放射器40に分配される。
【0029】給電網80は、導波管放射器40のそれぞれか
ら放射されるマイクロ波エネルギの位相を制御する複数
の移相器96も含んでいる。移相器96の位置は、アンテナ
開口から放射されるマイクロ波ビームの意図された操縦
に基づいている。例えば、導波管放射器40からのビーム
が方位角方向の平面で走査されるべき場合、各導波管放
射器列92の放射位相は、別々に制御されなければならな
い。方位角方向の走査を達成するために、移相器は、方
位角方向電力分割器86の各出力90を、仰角方向の電力分
割器94の異なる一つに結合させなければならない。これ
らの移相器の位置は、参照番号96Aにより示されてい
る。
【0030】これに対して、放射器からのビームが、2
次元、すなわち仰角方向と方位角方向で走査されるべき
場合、各マイクロ波放射器40の放射位相は、別々に制御
されなければならない。2次元走査を達成するために、
移相器は、導波管放射器40のそれぞれを、方位角方向の
電力分割器94に結合させなければならない。これらの移
相器の位置は、参照番号96Bにより示されている。図の
明瞭化のため、例示的な移相器96および仰角方向電力分
割器94が示されており、残りの移相器および電力分割器
は、2点鎖線拡張線99により示されている。
【0031】給電網80の動作において、第3のマイクロ
波周波数帯域のマイクロ波信号が入力ポート84にインサ
ートされる。これらの信号の電力は、方位角方向の電力
分割器86で16に分割され、仰角方向の電力分割器94に
分配される。各電力分割器94への信号電力は、再度16
に分割され、各導波管放射器40に分配される。
【0032】給電網が移相器96Aで構成される場合、導
波管放射器40からの放射ビームは、移相器96Aにおける
選択された位相変化により、方位角方向の平面で走査さ
れる。これに対して、給電網が移相器96Bで構成される
場合、導波管放射器40からの放射ビームは、移相器96B
における選択された位相変化により、仰角方向および方
位角方向の両方の平面で走査される。
【0033】マイクロ波信号を図1のテーパー付素子放
射器60Aに分配する給電網100 が、図6に概略的に図示
されている。給電網100 は、テーパー付素子放射器60A
の8×8格子に、すなわち、図1の2点鎖線26により示
されているように、図1の2×2の格子が8×8の格子
に延長されている格子に、マイクロ波エネルギを分配す
るように構成されている。給電網100 は、テーパー付素
子放射器60Aと交互に配置されているダミーのテーパー
付素子放射器60Bには結合されない。
【0034】さまざまな従来の移相器、例えば、フェラ
イト移相器やダイオード移相器を、本発明の給電網で使
用してもよい。異なる周波数の位相は、特定の距離にわ
たって異なるので、移相器は、放射ビームの方向を、広
い放射周波数帯域にわたって変化させる。したがって、
図5の移相器は、可変時間遅延素子、例えば、遅延ライ
ンにより強化される。時間遅延素子により誘導される位
相は、その時間遅延素子を通過する周波数に反比例す
る。この効果は、広い放射帯域幅にわたってビーム方向
の変化を減少させるために使用することができる。
【0035】給電網100 は、例えば、同軸コネクタのよ
うな入力ポート104 に接続される8方向電力分割器102
を備えている。電力分割器102 は、方位角方向の平面に
位置している。電力分割器102 の各出力105 は、移相器
96Aにより、マイクロ波ダイプレクサ108 の一つの入力
脚に結合される。各ダイプレクサ108 の出力は、8方向
仰角電力分割器111 を有するテーパー付素子放射器60A
の異なる列110 に結合される。
【0036】給電網100 は、例えば同軸コネクタのよう
な入力ポート114 に接続された8方向電力分割器112 も
含んでいる。電力分割器112 は、方位角方向の平面に配
置されている。電力分割器112 の各出力115 は、移相器
96Bによりマイクロ波ダイプレクサ108 のもう一方の入
力脚に結合される。図の明瞭化のため、移相器96Bの一
つとそのそれぞれのダイプレクサ108 と間の接続は、2
点鎖線118 により示されている。他の移相器96Bは、対
応するそれぞれのダイプレクサ108 に同様に接続されて
いる。例示的な移相器96、放射器列110 、および仰角方
向の電力分割器111 のみが示されており、残りの移相
器、放射器列、および仰角方向の電力分割器は、2点鎖
線拡張線119 により示されている。
【0037】入力ポート104 および電力分割器102 は、
第1のマイクロ波周波数帯域、例えばS帯域のマイクロ
波エネルギを、ダイプレクサ108 に分配するように、構
成されて大きさが決められている。入力ポート114 およ
び電力分割器112 は、第2のマイクロ波周波数帯域、例
えばC帯域のマイクロ波エネルギを、ダイプレクサ108
に分配するように、構成されて大きさが決められてい
る。
【0038】給電網100 では、方位角方向の平面におけ
るS帯域走査を達成するために、各テーパー付素子放射
器列110 からのS帯域放射の位相を、移相器96Aで別々
に制御することができる。同時に、方位角方向の平面に
おけるC帯域走査を達成するために、各テーパー付素子
放射器列110 からのC帯域放射の位相を、移相器96Bで
別々に制御することができる。
【0039】給電網100 の動作において、第1および第
2のマイクロ波周波数帯域のマイクロ波信号がそれぞれ
入力ポート104,114 にインサートされる。これらの信号
の電力は、対応するそれぞれの方位角方向の電力分割器
102,112 で8に分割され、対応するそれぞれの移相器96
A,96Bを介して、ダイプレクサ108 に分配される。ダ
イプレクサでは、第1および第2のマイクロ波周波数帯
域の信号が組合わされて、仰角方向の電力分割器111 に
より、テーパー付素子放射器60Aに結合される。テーパ
ー付素子放射器60AからのS帯域放射ビームは、移相器
96Aにおける選択された位相変化により、方位角方向の
平面で走査され、テーパー付素子放射器60AからのC帯
域放射ビームは、移相器96Bにおける選択された位相変
化により、方位角方向の平面で走査される。
【0040】前に説明したように、2次元走査は、各放
射器を、別々の移相器を備えた対応する給電網に結合さ
せることにより達成される。したがって、第1および第
2の周波数帯域におけるマイクロ波信号を分配する交互
給電網が、図7および8に概略的に図示されている。
【0041】特に、図7は、給電網部120 Aを示し、図
8は、給電網部120 Bを示している。給電網120 Aは、
同様な参照番号により示されている同様な素子により、
図6の給電網100 と似ている。給電網100 とは異なり、
電力分割器102 の出力105 は、仰角方向の電力分割器11
1 に直接的に結合されている。また、テーパー付素子放
射器60Aは、移相器96Aおよびダイプレクサ108 を備え
た電力分割器111 に結合されている。移相器96Aは、ダ
イプレクサ108 の異なる一つの1本の脚にそれぞれ接続
されている。もう一方のダイプレクサ脚122 は、給電網
部120 Bへの接続用に使用可能である。
【0042】給電網120 Bは、電力分割器102,111 およ
び移相器96Aを含む給電網120 Aの部分に似ている。給
電網120 Bでは、方位角方向の電力分割器は124 として
参照されており、仰角方向の電力分割器は126 として参
照されており、移相器は96Bとして参照されている。電
力分割器124 は入力ポート127 を有し、移相器96Bはそ
れぞれ出力ポート128 を備えている。給電網120 Bの各
移相器ポート128 を、給電網120 Aの各ダイプレクサ脚
122 と接続することにより、給電網120 A,120 Bは、
一つの複合給電網に結合することができる。
【0043】このような複合給電網の動作は、図6の給
電網100 の動作に類似している。給電網100 と異なり、
分配されるマイクロ波信号は、各テーパー付素子放射器
60Aに専用化されているダイプレクサ108 で結合され
る。テーパー付素子放射器60AからのS帯域放射ビーム
は、図7の移相器96Aにおける選択された位相変化によ
り、仰角方向および方位角方向の両方の平面で走査さ
れ、テーパー付素子放射器60AからのC帯域放射ビーム
は、図8の移相器96Bにおける選択された位相変化によ
り、仰角方向および方位角方向の両方の平面で走査され
る。
【0044】図5、6、7および8では、電力分割器8
2,86,94,102,111,112,124,126は、誘電体基体によりグ
ランド平面から分離された伝送ライン、すなわちマイク
ロストリップ構造で実現される。一般的に、これらの電
力分割器は、従来の任意のマイクロ波伝送構造、例えば
ストリップラインにより実現することができる。給電網
100,120A,120Bは、可変遅延素子、例えば図5の時間
遅延素子88により強化される。
【0045】考察中の放射器素子40,60 および給電網8
0,100,120A,120Bの詳細な説明のために、図1および
4の開口部20に再度注目する。図6、7および8を参照
して、テーパー付素子放射器60Aが、例えば図6の給電
網100 のような給電網に結合され、テーパー付素子放射
器60Bはこのような給電網に結合されないことを既に説
明した。マイクロ波発生器140 により接続されているウ
イング62,63 対として、各テーパー付素子放射器60Aが
示されることにより、また、ウイング62,63 対のみを有
するものとして、各テーパー付素子放射器60B、すなわ
ちエネルギ供給源に結合されていない放射器60Bを示す
ことにより、この結合および非結合は、図4で概略的に
図示されている。
【0046】図4では、導波管放射器40が、スパン142
だけ仰角方向および方位角方向に間隔があけられるよう
に、テーパー付素子放射器60Aが、スパン144 だけ仰角
方向および方位角方向に間隔があけられるように示され
ている。放射器間のスパンが最高放射周波数に対してλ
/2より小さい場合、単一の放射ビームのみが形成され
ること、すなわち、グレーティングローブが発生しない
ことは、さまざまな著者(例えば、スコルニック、メリ
ル Iのレーダハンドブック、マグローヒル社、ニュー
ヨーク、第2版、第7頁第10行〜第7頁第17行)に
より示されている。対象とする走査領域にグレーティン
グローブが発生した時には、目標方向を発見するために
目標反射信号を解析することができないので、すなわ
ち、どの放射ローブが所定の反射信号を生じさせたのか
分からないので、グレーティングローブは、一般的に避
けるべきである。スコルニックで論じられているよう
に、アンテナの走査が+/−60°および+/−45°
に制限された場合には、スパンは、<0.53λまで、
または<0.58λまで増加させることができる。
【0047】したがって、テーパー付素子放射器60A間
のスパン144 は、図6、7および8の給電網 100,120
A,120Bにインサートされる第1および第2のマイクロ
波周波数帯域の最高周波数に対して、λ/2より小さく
することが好ましい。同様に、導波管放射器40間のスパ
ン142 は、図5の給電網80にインサートされる第3のマ
イクロ波周波数帯域の最高周波数に対して、λ/2より
小さくすることが好ましい。
【0048】例えば、第3のマイクロ波周波数帯域が、
8〜10GHzの範囲をカバーする場合、図5の入力ポ
ート84にインサートされる信号の最高予測周波数は、3
センチメートルの波長λを有する10GHzである。し
たがって、スパン142 は、ほぼ1.5センチメートル以
下に設定することが好ましい。開口20内における放射器
の交互に配置のために、スパン144 はスパン142 の2倍
である。この実施例では、スパン144 は、5GHzの放
射に対するλ/2である3センチメートルである。した
がって、テーパー付素子放射器60Aのサブアレイは、5
GHzより低い周波数に対してグレーティングローブを
生成せず、導波管放射器40のサブアレイは、10GHz
より低い放射周波数に対してグレーティングローブを生
成しない。
【0049】所望しないグレーティングローブを生成し
ないこれらのスパンは、サブアレイが他の放射器の存在
の下にない場合、まさに正確である。結合効果のため
に、導波管放射器40近くの他の放射器も、10GHzに
おけるλ/2の放射器間スパンを有するべきである。こ
れは、ダミーのテーパー付素子放射器60Bの列25の挿入
により、開口部20において達成される。これらの放射器
は励磁される必要がない。これらの放射器の存在によ
り、開口20が軍艦レーダが共通して要求する方位角方向
走査される場合に、導波管放射器40がグレーティングロ
ーブ確実に生成しないようになる。
【0050】1.5センチメートルのスパン142 を達成
するために、導波管放射器40は、実効管内波長λgeを下
げる誘電体で負荷されることが好ましい。例えば、図2
におけるコア52の誘電率が1.6である場合、導波管部
分42の垂直方向および水平方向の寸法は、それぞれスパ
ン142 と両立性があるほぼ1.4および1.0センチメ
ートルに設定することができる。
【0051】スパン144 は、テーパー付素子放射器60A
からのS帯域放射に対するグレーティングローブを避け
るために必要とされるものよりかなり狭い。したがっ
て、第1のマイクロ波周波数帯域において「ブロック給
電」を使用することが望まれる場合、図6、7および8
の給電網は変更される。すなわち、最低周波数帯域で
は、開口部20の4つすべてのテーパー付素子放射器60A
が、同じ位相を有する信号で励磁される。この帯域で
は、放射素子間のスパンは、スパン144 のほぼ2倍、す
なわち6センチメートルである。このスパンは、2.5
GHzより低い放射に対するλ/2より狭い。
【0052】導波管放射器40が方位角方向のグレーティ
ングローブを確実に生成しないようにするためには、ダ
ミーのテーパー付素子放射器60Bの列25を放射させる必
要はないが、放射ビームの電力と均一性を増加させるた
めに、この列25を放射させてもよい。この構成は、図9
の交互に配置された開口部160 の実施例で示されてい
る。開口部160 は、同様の参照番号により示されている
同様な素子で開口部20と似ている。しかしながら、開口
部160 では、導波管放射器40の列22が、励磁されるテー
パー付素子放射器60Aの列24とのみ交互に配置される。
【0053】開口部160 では、テーパー付素子放射器60
Aは、矩形格子を形成する。すなわち、テーパー付素子
放射器60Aは、垂直の列と水平の行で配置される。三角
形格子における放射器の構成は、同じ列間隔の矩形格子
より低いグレーティングローブを生成することが示され
ている(例えば、スコルニック、メリル Iのレーダハ
ンドブック、マグローヒル社、ニューヨーク、第2版、
第7頁第10行〜第7頁第17行)。代わりに、同じ強
度のグレーティングローブに対して、三角形格子の列間
隔を増加させることができる。言い換えると、三角形格
子の構造は、特定のグレーティングローブの減少を達成
するために必要とされる放射器の数を減少させることが
できる。三角形格子は、図10の開口部170 の実施例で
達成することができる。この開口部では、テーパー付素
子放射器60Aが三角形格子を規定するように、交互の列
24は、スパン142 だけ垂直方向にオフセットされる。
【0054】この点に説明されている開口の実施例は、
テーパー付素子放射器60Aからの2重帯域における放射
と、導波管放射器40からの単一帯域における放射とに向
けられているが、本発明の教示は、他の多帯域放射形態
にまで拡張することができる。例えば、図9において、
導波管放射器40は、XおよびKu帯域における放射のた
めに寸法が決められて間隔があけられ、また、テーパー
付素子放射器60Aは、SおよびC帯域における放射のた
めに寸法が決められて間隔があけられることができる。
対象とする走査領域におけるグレーティングローブを避
ける放射器間のスパンを達成するために、本発明の教示
にしたがって、テーパー付素子放射器および導波管放射
器のさまざまな交互配置パターンを考案することができ
る。
【0055】図1において、導波管放射器40の放射端
(図2の44)は、集合的にグランド平面を規定するよう
に配置される。このグランド平面は、図3(A)に、破
線172で示されている。テーパー付素子放射器60の広い
帯域の放射は、テーパー付ウイング62,63 の放射端74と
このグランド平面との間の距離を適当に調整することに
より強化される。すなわち、各テーパー付ウイング62,6
3 は、予め定められたテーパー付ウイングの放射インピ
ーダンスを確立するために選択された距離174 だけ、グ
ランド平面172 を越えるように延在することが好まし
い。導波管放射器の放射端44は、図1の平面的なグラン
ド平面を規定するために示されているが、他の配置の実
施例が、さまざまなグランド平面形状、例えば、航空機
表面に適合するものを規定してもよい。
【0056】図3(A)に示されているテーパー付素子
放射器60は、コンピュータ上で、図3(A)の寸法174,
176 がそれぞれ3.12および2.97センチメートル
に設定され、モデル化された。放射インピーダンスの反
射係数が、さまざまな走査角度を有するこのような放射
器のアレイに対して計算された。テーパー付ウイングの
平面に垂直な平面において、ほぼ2.2から5.1GH
zの周波数範囲にわたって、45°までの走査角度に対
し、反射係数は0.4(84%の放射電力が送信され
た)より小さかった。テーパー付ウイングの平面に平行
な平面において、ほぼ2.7から5.0GHzの周波数
範囲にわたって、30°までの走査角度に対し、反射係
数は0.4(84%の放射電力が送信された)より小さ
かった。
【0057】導波管放射器40の遮断周波数は、テーパー
付素子サブアレイから、導波管サブアレイの分離を強化
する自然フィルタをもたらす。同様に、テーパー付素子
サブアレイの分離を強化する導波管放射器のより高い周
波数において、テーパー付素子放射器の応答が落ちる。
さらに、図6および7のダイプレクサ108 は、本質的に
分離フィルタ処理をもたらす。所望される場合、導波管
放射器サブアレイからテーパー付素子放射器をさらに分
離するために、付加的なフィルタを、図6、7および8
の給電網にインストールすることができる。
【0058】本発明の実施例は、例えば図1の列22,24,
25のような放射器の列で示された。これは図示の目的の
ためであり、空間的な角度に関係なく任意の直線的配置
を示すための一般的な用語として列を使用したことを理
解すべきである。さらに、放射器の配置方向は、垂直方
向および水平方向配置に限定されず、例えば、図4の開
口部20は、任意の所望の角度だけ回転させることができ
る。
【0059】テーパー付素子放射器の電界は、本質的に
テーパー付ウイング(図3の62,63)の間に向けられ
る。本発明の実施例は、テーパー付素子放射器の電界に
垂直な方向に向けられている電界で励磁される導波管放
射器を備えることができるが、これは本発明の要求する
ところではなく、他の電界方向を有効に使用することが
できる。
【0060】よく知られているように、アンテナは相反
特性を有しており、すなわち、所定のアンテナの特性
は、アンテナが送信するか受信するかにかかわらず同じ
である。説明および特許請求の範囲で放射器、給電網お
よび分配のような用語を使用するのは、図示の便宜およ
び明瞭化のためであり、本発明により教示される構造を
限定することを意図するものではない。
【0061】本発明のいくつかの実施例を図示し説明し
たが、多くの変形例や代わりの実施例を当業者はなし得
る。このような変形例や代わりの実施例は予期されるも
のであり、添付した特許請求の範囲に規定されているよ
うな本発明の技術的範囲を逸脱することなくなし得るも
のである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にしたがったフェーズドアレイアンテナ
の開口部の斜視図である。
【図2】図1の開口部における導波管放射器の展開斜視
図である。
【図3】(A)は、図1の開口部におけるテーパー付素
子放射器の平面図であり、(B)は、図1の開口部で使
用するのに適する他のテーパー付素子放射器の平面図で
ある。
【図4】図1の開口部の概略図である。
【図5】図1の開口における導波管放射器へマイクロ波
信号を分配する給電網の概略図である。
【図6】図1の開口におけるテーパー付素子放射器へマ
イクロ波信号を分配する給電網の概略図である。
【図7】図1の開口におけるテーパー付素子放射器へマ
イクロ波信号を分配する他の給電網の第1の部分の概略
図である。
【図8】図1の開口におけるテーパー付素子放射器へマ
イクロ波信号を分配する他の給電網の第2の部分の概略
図である。
【図9】実施された他の開口部の概略図である。
【図10】実施された他の開口部の概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレン・ティー・エス・ワン アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90620、ブエナ・パーク、マホガニー・ サークル 8182 (56)参考文献 特開 平1−295503(JP,A) 欧州特許出願公開434282(EP,A 2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01Q 21/22 H01Q 5/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1のマイクロ波給電網と、 第2のマイクロ波給電網と、 それぞれが、入力ポート、テーパー付ウイング対、前記
    入力ポートと前記テーパー付ウイングとを結合する伝送
    ラインを有し、前記テーパー付ウイングがマイクロ波エ
    ネルギを放射するように構成され、前記各入力ポートが
    前記第1のマイクロ波給電網に結合されている複数のテ
    ーパー付素子放射器と、 それぞれが、マイクロ波信号を受信する入力端、マイク
    ロ波エネルギを放射する開放放射端を有し、前記各入力
    端が前記第2のマイクロ波給電網に結合されている複数
    の導波管放射器とを具備し、 前記テーパー付素子放射器と前記導波管放射器とが交互
    配置の関係で配置されていることを特徴とするアンテ
    ナ。
  2. 【請求項2】 前記各テーパー付素子放射器がバニーイ
    アー放射器であることを特徴とする請求項1記載のアン
    テナ。
  3. 【請求項3】 前記導波管放射器の放射端が、集合的に
    グランド平面を規定するように配置され、 前記各テーパー付ウイングが、予め定められたテーパー
    付ウイングの放射インピーダンスを確立するために選択
    された間隔だけ、前記グランド平面を越えて延在してい
    ることを特徴とする請求項1記載のアンテナ。
  4. 【請求項4】 前記テーパー付素子放射器が、第1およ
    び第2のマイクロ波周波数帯域で放射するように構成さ
    れ、 前記第1のマイクロ波給電網が、 低い方の帯域のマイクロ波周波数帯域におけるマイクロ
    波信号を受信して、前記テーパー付素子放射器に分配す
    る低い方の帯域のマイクロ波給電網と、 高い方の帯域のマイクロ波周波数帯域におけるマイクロ
    波信号を受信して、前記テーパー付素子放射器に分配す
    る高い方の帯域マイクロ波給電網と、 前記低い方の帯域のマイクロ波給電網と前記高い方の帯
    域マイクロ波給電網とを前記テーパー付素子放射器に結
    合する複数のダイプレクサとを含む2重帯域のマイクロ
    波給電網であることを特徴とする請求項1記載のアンテ
    ナ。
  5. 【請求項5】 前記導波管放射器が、第1および第2の
    マイクロ波周波数帯域で放射するように構成され、 前記第2のマイクロ波給電網が、 低い方の帯域のマイクロ波周波数帯域におけるマイクロ
    波信号を受信して、前記導波管放射器に分配する低い方
    の帯域のマイクロ波給電網と、 高い方の帯域のマイクロ波周波数帯域におけるマイクロ
    波信号を受信して、前記導波管放射器に分配する高い方
    の帯域マイクロ波給電網と、 前記低い方の帯域のマイクロ波給電網と前記高い方の帯
    域マイクロ波給電網とを前記導波管放射器に結合する複
    数のダイプレクサとを含む2重帯域のマイクロ波給電網
    であることを特徴とする請求項1記載のアンテナ。
  6. 【請求項6】 前記第1および第2のマイクロ波給電網
    はそれぞれ、 前記マイクロ波信号を分配する複数の電力分割器と、 前記電力分割器により分配された前記マイクロ波信号の
    位相を制御するように配置された複数の移相器とを含む
    ことを特徴とする請求項1記載のアンテナ。
  7. 【請求項7】 第1および第2のマイクロ波給電網を有
    するアンテナで使用するアンテナ開口において、 それぞれが、入力ポート、テーパー付ウイング対、前記
    入力ポートと前記テーパー付ウイングとを結合する伝送
    ラインを有し、前記テーパー付ウイングがマイクロ波エ
    ネルギを放射するように構成され、前記各入力ポートが
    前記第1のマイクロ波給電網に結合されている複数のテ
    ーパー付素子放射器と、 それぞれが、マイクロ波信号を受信する入力端、マイク
    ロ波エネルギを放射する開放放射端を有し、前記各入力
    端が前記第2のマイクロ波給電網に結合されている複数
    の導波管放射器とを具備し、 前記テーパー付素子放射器と前記導波管放射器とが交互
    配置の関係で配置されていることを特徴とするアンテナ
    開口。
  8. 【請求項8】 前記導波管放射器の放射端が、集合的に
    グランド平面を規定するように配置され、 前記各テーパー付ウイングが、予め定められたテーパー
    付ウイングの放射インピーダンスを確立するために選択
    された間隔だけ、前記グランド平面を越えて延在してい
    ることを特徴とする請求項7記載のアンテナ開口。
  9. 【請求項9】 前記交互配置の関係が、 前記テーパー付素子放射器の少なくともいくつかが、複
    数のテーパー付素子放射器列に配置され、 前記導波管放射器の少なくともいくつかが、複数の導波
    管放射器列に配置され、 前記導波管放射器列が、前記テーパー付素子放射器列と
    交互に配置されていることを含むことを特徴とする請求
    項7記載のアンテナ開口。
  10. 【請求項10】 マイクロ波エネルギを放射する複数の
    ダミーのテーパー付素子放射器をさらに具備し、 前記ダミーのテーパー付素子放射器が前記第1のマイク
    ロ波給電網に結合されず、 前記交互配置の関係が、 前記ダミーのテーパー付素子放射器の少なくともいくつ
    かが、複数のダミーのテーパー付素子放射器列に配置さ
    れ、 前記テーパー付素子放射器の少なくともいくつかが、複
    数のテーパー付素子放射器列に配置され、 前記導波管放射器列の少なくともいくつかが、複数の導
    波管放射器列に配置され、 前記導波管放射器列が、前記ダミーのテーパー付素子放
    射器列と交互に配置され、 前記テーパー付素子放射器列が、前記テーパー付素子放
    射器列の対の間に位置している前記ダミーのテーパー付
    素子放射器列のそれぞれと交互に配置されていることを
    含むことを特徴とする請求項7記載のアンテナ開口。
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