JP4226373B2 - スパイラル形に巻かれた直列給電型アレイアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フェーズドアレイアンテナに係る。より詳細には、本発明は、直列給電型フェーズドアレイアンテナに係る。
【０００２】
【従来の技術】
低費用のフェーズドアレイアンテナは、軍艦、陸上レーダー基地、及び同様の分野において必要とされる。一部の従来のフェーズドアレイアンテナは、周期的又はスパイラルの格子と、送信／受信モジュールを使用するが、これらは非常に高価である。アンテナが、新型のレーダー設計において短波で使用されるよう設計されると、低サイドローブ構造が必要とされる。
【０００３】
フェーズドアレイアンテナ構造の１つのタイプは、一般的なデュアルビームと、共有の無線周波数及びデジタル電力供給網とに基づいた両用技術応用プログラム（ＤＵＡＰ）アレイ構造を使用する。この構造は一般的に、低雑音増幅器、移相器、及び、他の各種の給電線、信号トレース、及び、コンポーネントデバイスといった、様々な回路構成要素のための様々な層を有する多層回路基板を含む。しかし、マルチプルビーム及びマルチプル偏向アレイの場合、このようなタイプのアンテナ構造は、多数の相互接続を有する複雑な印刷配線盤が必要となる。例えば、一部の印刷配線盤は、１８平方インチの印刷回路カードに、２，０００個以上のバイアスと、６４個の素子と、２つのアンテナビームを含む。このアレイの配置は、達成することが困難であるだけでなく、一部の現行の無線周波数の配置ツール容量を上回ってしまう。このようなタイプのアンテナ構造は更に、複雑な電力供給網と、クロスオーバすべきでない複雑な回路部品を有する多層回路基板とを必要とし、設計及び構成することがますます困難となる。
【０００４】
多くのフェーズドアレイアンテナは、複雑な相互接続システムを有する共有の電力供給網を使用する。というのは、共有給電されるアンテナは、広い帯域幅を可能にするからである。更に、共有電力供給網を有する平面アレイにおいては、アンテナ素子間の定期的な間隔及び位相設定は、単純な正弦計算のみを必要とする。共有電力供給網は一般的に、有利なインピーダンスマッチを与えることができる。しかし、共有電力供給網は、通常複雑であり、また、共有電力供給網は、有利であるからではなく習慣としてアンテナ構造内に設計される。
【０００５】
しかし、直線の、直列給電型アレイは、共有電力供給網に関連する複雑な設計上の欠点は有さない。一部の直線の直列給電型アレイは、早くも１９４０年代には形成されていた。例えば、米海軍は、ビームを走査するために使用される、給電式のＷＧスロットアレイのフェーズドアレイシリーズを形成した。このようなタイプの直線の直列給電型アレイは、周波数走査の効果であるメインローブと、グレーティングローブによって、その用途が制限されてしまっていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した背景を鑑みるに、本発明は、従来技術の直線の直列給電型のアレイアンテナに関連付けられる欠点を解決する、直列給電型のアレイアンテナを提供することを目的とする。
【０００７】
本発明は更に、周波数走査の効果であるメインローブと、グレーティングローブとを分ける直列給電型のアンテナアレイを提供することを目的とする。
【０００８】
本発明は更に、配置を簡単にし、且つ、複雑な共有電力供給網に関連するクロスオーバ欠陥を除去する、低費用のアンテナアレイを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のこれらの目的、他の目的、特徴、及び、利点は、回路基板と、回路基板上の少なくとも２つのスパイラルアンテナアーム内に配置される複数のアンテナ素子から形成される、バランスのとれた、直列給電型のアンテナアレイとを含むフェーズドアレイアンテナによって与えられる。少なくとも１つの信号供給点がスパイラルアンテナアームの中心部に配置されてアンテナアレイに直列給電し、それにより、アンテナがメインローブと、グレーティングローブとを分け易くされる。本発明の１つの面では、電子回路が、回路基板によって支持され、且つ、任意の送信信号及び受信信号を増幅する、移相させる、又はビーム形成するために、アンテナ素子に動作可能なように接続されることが可能である。
【００１０】
本発明の別の面では、アンテナアレイは、２つのバランスの取れた直列給電型のアンテナアレイとして形成され、各直列給電型アンテナアレイは、スパイラルアンテナアームとして形成され、且つ、二重の給電点を有する。回路基板は、アンテナアレイを直列駆動するために、アンテナ素子と動作可能であるマイクロストリップ層を有する多層回路基板として形成され得る。各スパイラルアンテナアーム内のアンテナ素子の数は、略同じである。アンテナ素子は、表面実装されたアンテナ素子、又は、印刷されたアンテナ素子として形成可能である。
【００１１】
本発明の更に別の面では、複数のアンテナ素子は、スパイラルアームの中心部に信号供給点を有する、バランスのとれた直列給電型アンテナアレイである４つのスパイラルアンテナアームとして、回路基板上に配置される。アンテナ素子は、位相差を持たせた動作の為に、それぞれ、０度のスパイラルアーム、９０度のスパイラルアーム、１８０度のスパイラルアーム、及び、２７０度のスパイラルアームとして形成可能である。
【００１２】
本発明の更に別の面では、フェーズドアレイアンテナは、回路基板上の少なくとも２つのスパイラルアンテナアーム内に配置される複数のアンテナ素子から形成される直列給電型アンテナアレイを含み、直列給電型アンテナアレイは、アンテナアレイに直列給電する為に、スパイラルアンテナアームの中心部に少なくとも１つの信号供給点を有する。スパイラルアームは、アンテナ素子を画成するスロットを有する導波管から形成可能である。導波管が使用されない場合、アンテナ素子は、上述したように、平面回路基板上に配置されることが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の他の目的、特徴、及び、利点は、添付図面を参照して、以下に示す本発明の詳細な説明から明らかとなろう。
【００１４】
本発明は、以下に添付図面を参照しながら、より具体的に説明する。添付図面には、本発明の実施例を示す。しかし、本発明は、多くの異なる形式で具現化することが可能であり、本発明は、以下に説明する実施例に制限されると考えるべきではない。むしろ、これらの実施例は、本発明の開示が、十分且つ完全であるよう設けられ、当業者に本発明の範囲が伝わるものとする。同様の番号は、全体を通して同様の構成要素を示し、プライム符号は、別の実施例における同様の構成要素を示すために使用している。
【００１５】
本発明は、回路基板上の少なくとも２つのスパイラルアンテナアーム内に配置される複数のアンテナ素子から形成され、バランスのとれた、直列給電されるフェーズドアレイアンテナを含む、フェーズドアレイアンテナを有利に提供する。少なくとも１つの信号供給点が、スパイラルアームの中心部に設けられ、それにより、アンテナアレイを直列給電し、且つ、メインローブとグレーティングローブとを分け易くするために送信信号又は受信信号を伝える。
【００１６】
この新しいクラスの直列給電型アンテナアレイは、メインローブとグレーティングローブとを分けない従来技術の直線の直列給電型アンテナアレイに対し有利である。本発明は更に、印刷回路基板上に構成されるアレイアンテナの物理的な構成を単純化し、アンテナ素子、信号供給回路、及び、関連付けられる部品の単純な配置を可能にしながら、非反復エンジニアリング（ＮＲＥ）費用を削減する。本発明のスパイラル構造は、ＴＣＤＬ（Ｔａｃｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｏｎ Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ：タクティカル共有データリンク）、ＣＤＬ−Ｎ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｄａｔａ Ｌｉｎｋ−Ｎａｖｙ：共有データリンク−ネイビー）、ＤＤ（Ｄｅｌｔａ Ｄｉｐｏｌｅ：デルタ・ダイポール）ＸＸ構造を含む多数の様々なビーム長に適用することができる。本発明の設計は、全てのアレイにおける費用と非反復エンジニアリング面を削減することができ、推定される削減は、５０％であり、予定される削減は、６ヶ月である。製造費用は、約１０％乃至約５０％まで低くすることができる。
【００１７】
図１は、移相器１４（矢印で示す）を用いる、多数の相互接続されたアンテナ素子１２と、当業者には周知である他の駆動素子及び信号回路を有する、従来技術の直線の直列給電型アレイアンテナ１０を示す。このようなタイプの直線の直列給電型アレイは、当業者に周知である技法によって多層回路基板上に形成される。給電点１６は、直線アレイ１０の中心に配置され、２つの信号給電線端子１８、２０を含む。当業者に周知であるように、この端子間に亘って信号電圧がおかれる。アレイは、適切なアースへの終端器２２によっていずれかの端部で終端する。
【００１８】
本発明では、フェーズドアレイアンテナは、直列給電型アンテナアレイ３０（図６参照）として形成される。アンテナアレイ３０は、図２乃至５の様々なスパイラルアームとして示すようにスパイラルに巻かれる。図２に、１つのスパイラルアームを示すが、これは、密接に間隔が置かれた単一のスパイラルアームを示す。図３は、図１に示す直線アレイが、給電点を中心にスパイラル形に巻かれたときに形成される２つのスパイラルアームを示し、これは、バランスの取れた、直列給電型アレイを形成する。図４は、ゆったりと形成された単一のスパイラルアームを示し、このアームは、図５に示す複数のスパイラルアームのためのものであり、これは、第２のバランスの取れた直列給電型アレイを形成する。これらのスパイラルアームは組合されて、図６に示すスパイラル直列給電型アレイ３０を形成し、メインローブとグレーティングローブとを分けるスパイラル構造に巻かれた２つのバランスの取れた、直列給電型アレイを示す。
【００１９】
１対の２重給電点、または、４つの信号供給「開始点」３２ａ、３２ｂ、３４ａ、及び３４ｂは、スパイラル形に巻かれた２つの直線の直列給電型アンテナから形成され得る二重のスパイラルのぞれぞれに対し示される。図６に示すスパイラル形に巻かれた直列給電型アンテナは、４つの信号供給点、又は、開始点３２ａ、３２ｂ、３４ａ、及び、３４ｂと、４つのスパイラルアーム３６ａ、３６ｂ、３８ａ、及び、３８ｂを有する。４つのスパイラルアームは、１，０００個以上のアンテナ素子を有する。この構造は、図示するように、４つの開始点のための二重の給電点を有する４倍駆動を形成する。これは、アンテナアレイに給電する為の単純な回路構造を形成する。４つのスパイラル信号供給開始点３２ａ、３２ｂ、３４ａ、及び、３４ｂを有する４つのスパイラルアーム３６ａ、３６ｂ、３８ａ、及び、３８ｂは、回路基板上に配置される複数のアンテナ素子を有し、それぞれ、３６ｂとしての０度のスパイラルアーム、３６ａとしての９０度のスパイラルアーム、３８ａとしての１８０度のスパイラルアーム、及び、３８ｂとしての２７０度のスパイラルアームを形成するようスパイラル形に巻かれる。図示するアンテナ構造は、非制限的な一例として、７．７８１５ｄＢｉアンテナ素子での０．６３６６２波長間隔を用いた、高い開口効率を有する。数値による波長ラムダ値は、様々なアンテナ素子の位置決めに対し、夫々ｘ軸及びｙ軸に示す。
【００２０】
図７に、本発明のアンテナ用の格子支持構造の非制限的な一例を示す。この格子支持構造は、レードーム４０と、直列給電型アレイとしてスパイラル構造に形成され、１つの多層回路基板４４上の配置される放射アンテナ素子とを含み得る。多層回路基板の上部層４６は、アンテナ素子４８と、一部の設計では、増幅器素子５０も含む。増幅器素子は、低雑音増幅器（ＬＮＡ）又は他の部品を含む。アンテナ素子４８は、当業者に既知である技法によって表面実装されるか、又は、印刷される。多層回路基板の底層部５２は、例えば、移相器と、コンバイナ及びビームステアリング素子を有する増幅後の回路素子と、その他の部品５４を含むことができる。中間層部５６（例えば、２層）は、電力組合せ及び信号分配５８を有するビームフォーミングネットワークを含むことができる。他の層は、ビーム制御構成要素、フィルタリング構成要素、又は、他の構成要素を含むことができ、これらは、一部の層又は別個の層上で組合されて存在することができる。１つ以上のマイクロストリップ層が、信号を伝え、アレイを駆動するために動作可能である。これらの層は、グリーンテープ層を含み、当業者に既知である技法によって形成することができる。機械的なパッケージング構成要素６０は、基本的な電源、冷却回路、及び、パッケージングを含むことが可能である。このような構造は、別の支持構造において、一体式の素子として格子の一部を形成することができる。
【００２１】
図８は、当業者に既知であり、スパイラル形に巻かれた直列給電型アレイを形成するよう巻くことができる導波管７０を示す。導波管７０は、当業者には既知であるように、フィード７２と複数のスロット７４を含む。スロット７４は、導波管の中心部から延在するに従って垂直でないようにされる。結合は、スロットの角度と関係がある。
【００２２】
本発明は、メインローブと、グレーティングローブとを分けるための、従来技術の直線の直列給電型アレイより有利である、スパイラル構造状に巻かれた直列給電型アレイアンテナを提供することが明らかである。
【００２３】
本発明の多くの変更及び他の実施例は、上述した説明及び関連の図面において提示される教示内容の利点を有する当業者であれば、直ぐに思いつくであろう。従って、本発明は、開示された特定の実施例に制限されるものではなく、上述したような変更及び実施例は、本願の特許請求の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 適切な移相器によって制御可能な個々のアンテナ素子を示す直線の直列給電型アレイアンテナを部分的に示す図である。
【図２】 単一のスパイラルアームとして示されるスパイラルアームを部分的に示す平面図である。
【図３】 二重のスパイラルアームとして示されるスパイラルアームを部分的に示す平面図である。
【図４】 単一のスパイラルアームとして示されるスパイラルアームを部分的に示す平面図である。
【図５】 二重のスパイラルアームとして示されるスパイラルアームを部分的に示す平面図である。
【図６】 ０度、９０度、１８０度、及び、２７０度のスパイラルアームを有し、スパイラル構造に巻かれた、例えば、図３及び図５に示すような２つのバランスが取れた直列給電型アレイを部分的に示す平面図である。
【図７】 単一の多層印刷回路基板から形成され、様々な増幅器素子、ビームフォーミングネットワーク、移相器、及び、パッケージング構成要素を支持する様々の層を示す、本発明の直列給電型フェーズドアレイアンテナを示す分解等角図である。
【図８】 本発明に応じてスパイラル構造に構成できる導波管を示す図である。
【符号の説明】
１０ 直列給電型アレイアンテナ
１４ 移相器
１６ 給電点
１８、２０ 端子
２２ 終端器
４０ レードーム
４４ 多層回路基板
４６ 上部層
４８ アンテナ素子
５０ 増幅器素子
５２ 底層
５４ 移相器、増幅後の回路素子等
５６ 中間層部
５８ 電力組合せ及び信号分配
６０ 機械的なパッケージング構成要素
７０ 導波管
７２ フィード
７４ スロット

Claims (10)

1. 回路基板上の少なくとも２つのスパイラルアンテナアーム内に配置される複数のアンテナ素子から形成されるバランスのとれた、直列給電アンテナアレイを含み、
   前記直列給電アンテナアレイは、前記スパイラルアンテナアームの中心部に、前記直列給電アンテナアレイに直列給電するための少なくとも１つの信号供給点を有する、フェーズドアレイアンテナであって、
   前記回路基板によって支持され、メインローブとグレーティングローブとの分離をし易くするよう任意の送信された又は受信した信号を増幅する、移相させる、及び、ビームを形成するよう前記複数のアンテナ素子に接続される電子回路を更に含み、
   前記スパイラルアンテナアームは、４つであり、
   前記信号供給点は、４つであり、
   前記４つのスパイラルアンテナアームは、２つの直列給電アンテナアレイをそれぞれの信号供給点を中心にしてスパイラル形に巻くことによって形成されるフェーズドアンテナアレイ。
2. 前記スパイラルアームは、前記複数のアンテナ素子を画成するスロットを有する導波管から形成される請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。
3. 前記複数のアンテナ素子がその上に配置される回路基板を更に含む請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。
4. フェーズドアレイアンテナを形成する方法であって、
   回路基板上の複数のアンテナ素子を、少なくとも２つのスパイラルアンテナアーム内に配置する段階と、
   前記アンテナアレイを直列給電するために、前記スパイラルアンテナアームの中心部に、少なくとも１つの信号供給点を設ける段階と、
   前記回路基板によって支持され、メインローブとグレーティングローブとの分離をし易くするよう任意の送信された又は受信した信号を増幅する、移相させる、及び、ビームを形成するよう前記複数のアンテナ素子に接続される電子回路を設ける段階と、
   を有し、
   前記フェーズドアレイアンテナの前記スパイラルアンテナアームは４つであり、前記信号供給点は、４つであり、
   前記４つのスパイラルアンテナアームは、２つの直列給電アンテナアレイをそれぞれの信号供給点を中心にしてスパイラル形に巻くことによって形成される、方法。
5. 前記回路基板を、相互接続及び電子構成要素を含む多層回路基板として形成する段階を更に含む請求項４記載の方法。
6. 前記スパイラルアンテナアームによって画成される前記中心部に形成される、二重の信号供給点を更に含む請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。
7. 前記回路基板は、前記アンテナアレイを直列駆動するために、前記複数のアンテナ素子と共に動作可能なマイクロストリップ層を含む請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。
8. 各スパイラルアンテナアーム内のアンテナ素子の数は、略同じである請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。
9. 前記アンテナ素子は、表面実装されたアンテナ素子を含む請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。
10. 前記アンテナ素子は、印刷されたアンテナ素子を含む請求項１記載のフェーズドアレイアンテナ。

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