JP4528005B2 - ダイポール部材を備えているようなビーム幅調節可能型かつ方位角走査型アンテナ - Google Patents

ダイポール部材を備えているようなビーム幅調節可能型かつ方位角走査型アンテナ Download PDF

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Description

本発明は、２００２年９月２６日付けで出願された“Dynamically Variable Beamwidth
and Variable Azimuth Scanning Antennas”と題する現在係属中の米国特許出願第１０／２５５，７４７号明細書の一部継続出願である。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。
本発明は、広義には、アンテナに関するものであり、より詳細には、そのようなアンテナのビーム幅および方位角走査角度を動的に変更し得る機構に関するものである。
アンテナ構成は、一般に、信号ビーム幅および方位角走査角度を規定する複数のアンテナカラムを備えている。アンテナのビーム幅は、複数のアンテナカラムに対して印加される電気信号の位相を変化させることによって、変更することができる。アンテナ技術における進歩の中には、各アンテナカラムに対して、機械的移相器を個別に連結することがある。各アンテナカラムのそれぞれに対して移相器が設けられているようなシステムにおいては、ビーム幅の制御と方位角走査角度の制御とを改良することができる。
個々に移相器が設置されているアンテナ構成においては、波動伝搬に関する制御性を向上させることができるけれども、ビーム幅の可変性と方位角走査角度の可変性とを、なおも改良することが要望されている。これに加えて、個々に移相器が設置される構成においては、例えばデュアルダイポール部材が要望される用途といったようなある種の信号ダイバーシティ用途において、十分な制御性を得られないことがある。信号ダイバーシティの場合には、一般に、その後の処理のために信号を分離する。例えば、互いに異なる極性を有した２つの信号を伝送時に組み合わせることができ、これにより、それらの集合信号強度を、それぞれの極性のアンテナカラムに対して複合信号を到達させ得るに十分なものとすることができる。
デュアルダイポール部材を備えたアンテナは、単一のアンテナカラムが、双方の極性を送受信することを可能とし、メンテナンスを不要とするとともに、省スペース化をもたらし、さらに、多数の単一極性アンテナの場合の美的欠点を排除する。しかしながら、デュアルダイポール部材に関連したダイバーシティの利点は、上述したような個々に移相器を設けた構成に関連して、実現されないままであって、２つの極性の一方において伝搬制御性が改良されるに過ぎない。
したがって、動的波動伝搬制御をより広範なものとすることが要望されている。さらなる改良は、また、各アンテナカラムが複数のポールを有している場合にも、可能である。
米国特許出願第１０／２５５，７４７号明細書
添付図面は、本明細書の一部をなすものであって、本発明における様々な実施形態を示している。以下においては、これら添付図面を参照しつつ、本発明の原理について詳細に説明する。
図１は、本発明の原理を説明する目的のための図であって、アンテナシステム（１０）の一例を示している。このアンテナシステムは、ビーム幅が動的に可変であり走査角度が動的に可変であるような少なくとも１つのアンテナ（１２）を備えている。アンテナ（１２）は、互いに離間して配置された複数の動的放射カラム（２８）を有している。所望によっては、各カラム（２８）は、ダイポール（２６ａ，２６ｂ）からなるデュアルダイポール部材（２６）を有している。
図１に示すように、各カラム（２８）は、各々が連続的に調節可能な複数の機械的移相器からなる２つの移相器（４０ａ，４０ｂ）がなす対（４０）に対して電気的に接続することができる。詳細に後述するように、各移相器対（４０）のうちの移相器（４０ａ）は、放射カラム（２８）の各デュアルダイポール部材（２６）の第１ダイポール（２６ａ）に対して接続することができ、各移相器対（４０）のうちの移相器（４０ｂ）は、放射カラム（２８）の各デュアルダイポール部材（２６）の第２ダイポール（２６ｂ）に対して接続することができる。このようにして、各移相器（４０ａ，４０ｂ）が配置されており、各カラム（２８）からの信号伝搬の各極性を制御することができる。
より詳細には、各移相器（４０ａ，４０ｂ）は、カラム信号ノード（５０）と供給ノード（５４）との間に配置されており、これにより、位相変動によって、信号のビーム幅および／または方位角走査角度を制御することができる。信号パターン制御をさらに促進するために、各移相器対（４０）は、個別的に制御されかつ遠隔的に制御される駆動源（４２）を備えている。この実施形態においては、各カラム（２８）の移相器対（４０）は、物質的な理由からおよび動作的な理由から、共通の駆動源（４２）に対して接続されている。例えば、そのような共通的な制御は、使用者による波動伝搬制御を単純化することができる。
ビーム幅および方位角走査角度は、それぞれ対応するカラムノード（５０）と供給ノード（５４）との間において行われる位相シフトおよび／またはパワー分散に関連する。本発明の原理によれば、後述するように、ビーム幅および／または方位角走査角度は、例えば制御ステーションからの信号に応答して変更することができ、これにより、ビーム幅を広げたりあるいは狭めたり、および／または、ビームの中心を左または右に移動させたり、することができる。
この目的のために、移相器（４０ａ，４０ｂ）は、互いに独立に動作可能とされており、これにより、それぞれが互いに独立に、それぞれ対応するカラム信号ノード（５０）とそれぞれ対応する供給ノード（５４）との間において、位相シフト量を変更することができる、すなわち、電気信号の位相を変更することができる。これにより、複数の動的放射カラム（２８）によって規定されるビームのビーム幅および／または方位角走査角度を変更することができる。
方位角供給ネットワーク（４６ａ，４６ｂ）内に収容されている複数のカスケード式出力分割器は、移相器（４０ａ，４０ｂ）と連携しつつ動作することができるあるいは移相器（４０ａ，４０ｂ）とは個別的に動作することができる。これにより、同様に、ビーム幅および／または方位角走査角度を制御することができる。つまり、一実施形態における複数の出力分割器は、カラム信号ノード（５０）と供給ノード（５４）との間に配置されている。そのような配置により、複数の出力分割器は、出力変動を引き起こすことによって、信号のビーム幅および／または方位角走査角度を制御することができる。そのような信号パターン制御を容易とするために、複数の出力分割器の大部分または全部は、互いに独立に制御される駆動源を備えることができる。要望されたときには、出力分割器の駆動源の制御は、操作性の観点からおよび性能的な観点から、遠隔的に制御される。
図１に示すように、各カラム（２８）内のデュアルダイポール部材（２６）は、図１における回路基板（５２）上において符号（３０）によって示されているようなストリップラインまたはマイクロストリップを有してなる立上げ供給ネットワークを介することによってといったような手法によって、電磁気的に接続されている。デュアルダイポール部材（２６）は、また、回路基板（５２）上に実装することができる。これに代えて、各カラム（２８）内のデュアルダイポール部材（２６）は、エアストリップラインを使用して、および／または、関連ケーブル接続（すべては図示されていない）を有した１つまたは複数の出力分割器を使用して、接続することができ、これにより、回路基板を不要とすることができる。図１に示すようなビーム幅を動的に変更可能なアンテナ（１２）は、各カラム（２８）が１０個のデュアルダイポール部材（２６）を有してなる５個のカラム（２８）を備えているけれども、本発明の実施形態は、本発明の精神を逸脱することなく、任意の所望数のカラムを使用してまた任意の所望数の部材を使用して構成することができる。さらに、デュアルダイポール部材が、本発明のある種の実施形態内において特定の応用を有しているけれども、当業者であれば、他の実施形態においては、単一極性部材または複数極性部材を有してなるような任意の放射部材を備えることができることは、理解されるであろう。
なおも図１を参照すると、各動的放射カラム（２８）には、それぞれ対応して対をなしている連続的に調節可能な機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）が、電気的に関連づけられている。各機械的移相器対（４０）は、典型的には、それぞれ対応する独立的に制御されかつ遠隔的に制御される駆動源（４２）に対して接続されている。対（４０）をなしている各機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）のそれぞれは、例えば同軸ケーブル（４４）および／またはストリップライン（３０）といったような手段によって、各動的放射カラム（２８）のデュアルダイポール部材（２６）に対して、直接的に電気接続されている。そのような直接的電気接続は、カラム信号ノード（５０）を形成している。
ある実施形態においては、２つの移相器からなる複数の対のそれぞれが、互いに異なる分極（例えば、＋４５°および−４５°）に関連し、アンテナのそれぞれ対応する放射カラムに対して接続されている。各ビームのビーム幅および／または方位角走査角度は、また、所望された場合には、遠隔的移相器インターフェースを介してアンテナから遠隔的に、調節することができる。
各機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）は、また、それぞれ対応する供給ノード（５４）を規定する各方位角供給ネットワーク（４６）の中に収容されている複数の出力分割器に対して、電気接続することができる。すなわち、図１において概略的に示すように、機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）は、カラム信号ノード（５０）と供給ノード（５４）との中間位置に接続されている。容易に理解されるように、ラジオ波（ＲＦ）接続（４８）が、供給ノード（５４）に対する信号および供給ノード（５４）からの信号に対して、接続される。機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）は、互いに独立に調節することができ、これにより、カラム（２８）から放出される信号の位相を変更することができる。
複数の出力分割器に加えて、例示としての方位角供給ネットワーク（４６）は、当業者であれば理解されるように、トレースや関連ケーブルや他の構造の形態とされた回路基板を備えることができ、シリアル供給または集合的供給を行うことができる。方位角供給ネットワーク（４６）の複数の出力分割器は、ノード（５４）のところにおけるパワー入力を、複数の移相器（４０ａ，４０ｂ）を介して複数の動的放射カラム（２８）へと分配することができ、これにより、アンテナ（１２）から放射される信号のビーム幅および方位角走査角度を変更することができる。これとは逆に、信号を受信する際には、各方位角供給ネットワーク（４６）内の複数の出力分割器は、放射カラム（２８）内の複数の部材（２６）上に入射したパワーを組み合わせることができ、それぞれ対応する供給ノード（５４）において受領することができる。
例示としての出力分割器は、１つまたは複数のカプラと、インライン型位相遅延デバイスと、を有している。当業者であれば、これに代えて、および／または、これに加えて、反射タイプの位相遅延デバイスを使用し得ることは、理解されるであろう。要望された場合には、各出力分割器（４１）は、一対のハイブリッド型方向性カプラを有することができる。当該技術分野において公知なように、ハイブリッド型方向性カプラは、４ポート型の電磁気的デバイスであって、信号源からの入射パワーだけに比例した出力をもたらすように構成されている。与えられたバンド幅に対して、ハイブリッド型方向性カプラは、直交位相における他の２つのポートの間の１つのポートにおいて、信号源からの入射パワーを分割する。入射パワーに対しての他の各ポートにおける相対パワーは、デバイスのポートに対してそれぞれ接続された一連の与えられたインピーダンスに関して既知となる。
直交ハイブリッド方向性カプラは、通信設備においては、通常的に使用されている。そのようなカプラは、入力ポートにおける通信信号入力および出力ポートすなわち『直接的』ポートにおける通信信号出力のサンプリングを、第３ポートすなわち『接続された』ポートにおける信号から、採取することができる。第４ポートすなわち『絶縁された』ポートからは、信号は送出されない。適切に構成されたときには、方向性カプラは、入力ポートにおける信号入力と、直接的ポートにおける信号入力と、を識別することができる。そのような識別能力は、例えばカプラがＲＦアンプとアンテナとの間に配置されているといったような場合に、特に有効である。そのような構成においては、ＲＦアンプの出力を、ミスマッチングのアンテナから反射された信号出力とは独立に、観測することができる。さらに、そのようにして観測された信号を使用することによって、例えば自動ゲイン制御（automatic gain control，ＡＧＣ）といった手法によりゲインを制御することができる、あるいは、ＲＦアンプの歪みを低減することができる。いずれにしても、この仕様の目的に関して適切な出力分割器は、パワーを適切に分割したりおよび／または組み合わせたりし得るような任意のデバイスを有することができる。
図２は、本発明の原理を説明するのに適した出力分割器構成（１４８）を示している。図示のように、図２の構成と同様の複数の出力分割器（４１）の構成は、図２の方位角供給ネットワーク（４６）の各々内において有することができ、ビーム幅の調整および方位角走査角度の調整をもたらすことができる。つまり、出力分割器構成（１４８）は、各カラム（２８）に対して接続することができる。例えば、この構成は、デュアルダイポール部材（２６）の特定の極性に対応した各々の（カラム（２８）の）移相器対の中の機械的移相器（４３ａ〜４３ｄ）に対して接続することができる。
図２に示すように、１つまたは複数の出力分割器（４１）は、可変移相器（４３ａ〜４３ｄ）に対して最初に接続することなく、それぞれ対応するデュアルダイポール部材（２６）に対して交互的に接続することができる。そのような構成の実施は、各デュアルダイポール部材（２６）の各位相を一定に維持する場合に、特に応用することができる。そのような状況については、詳細に後述する。
いずれにしても、各移相器（４３ａ〜４３ｄ）に対して供給されるパワー変化は、各移相器（４３ａ〜４３ｄ）に関連した特定の分極に対して、ビーム幅および方位角走査角度の変化を引き起こすことができる。単一のダイポール部材（２６）が交互的に使用されている場合、当業者であれば、単一の構成／方位角供給ネットワーク（４６）を使用してすべてのカラムに対して適切に供給を行い得ることが、理解されるであろう。さらに、本発明の実施形態においては、本発明の原理を保持しつつも、出力分割器（４１）の数を増減することができる。
図２をより詳細に参照すれば、第１出力分割器（４１ａ）は、各移相器（４２）を介して、アンテナ（１２）の各アンテナ部材に対して接続されている。ここで説明するように、アンテナ（１２）の適切なアンテナ部材は、上述したようなデュアルダイポール部材も含めて、電磁放射を送受信し得るよう構成された任意のデバイスを備えることができる。図１においては、各アンテナ部材（２６）は、各放射カラム（２８）内に収容することができる。
図２に示すように、第２出力分割器（４１ｂ）は、アンテナ（１２）の第３アンテナ部材と第４アンテナ部材とのそれぞれに対して接続されている。一方、第３出力分割器（４１ｃ）は、第１出力分割器（４１ａ）と、アンテナの複数のアンテナ部材（２６）のうちの第５アンテナ部材と、の双方に対して接続されている。最後に、第４出力分割器（４１ｄ）は、第２出力分割器（４１ｂ）と第３出力分割器（４１ｃ）との双方に接続されており、これにより、分配構成（１４８）を完成させている。方位角供給ネットワーク（４６）内において１つまたはすべての出力分割器（４１）の出力分配設定を調整することにより、使用者は、アンテナ（１２）からの信号伝搬におけるビーム幅および／または方位角走査角度を変更することができる。
要望された場合には、方位角供給ネットワーク（４６）の分配用出力分割器（４１）は、図１に示すように機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）を介して、アンテナ（１２）に対して接続することができる。機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）およびそれらの駆動源は、アンテナ（１２）のそれぞれ対応する放射カラム（２８）に対して直接的に隣接して実装される。そのような実装は、アンテナ（１２）における方位角供給ネットワーク（４６）の有用性を増強し、これにより、方位角供給ネットワーク（４６）ごとに単一のＲＦ接続（４８）を、アンテナ（１２）に対して設置することを可能とし、これにより、タワー（１４）を横切らなければならないケーブルの数を低減する。
各駆動源（４２）は、符号（２４）によって示されているようなケーブルや光学的リンクや光ファイバを通して結合された信号またはラジオ信号を使用して、互いに個別的になおかつ遠隔的に制御される。図１に示すように、各駆動源（４２）は、それぞれ自身の信号を有することができる。従来的なアドレッシング手段を使用することにより、信号（２４）は、インターフェース（５９）によって供給されるようにして、多重化することができる。ここで説明するように、共通の駆動源（４２）を、各移相器対（４０）の双方の移相器（４０ａ，４０ｂ）に対して適用することができる。そのような相互結合は、要望された場合には、使用者にとっての信号調整プロセスを単純化することができる。
そのようにすることで、各機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）を使用して、与えられた分極に対して、供給ノード（５４）と各カラムノード（５０）との間において、信号の位相または遅延を変更することができる。さらに、移相器（４０ａ，４０ｂ）を使用することによって、また、各ノード（５０）どうしの間における位相を、変更することができるあるいは交互的なものとすることができる。これにより、放射カラム（２８）どうしの間の位相を変更することができる。アンテナ（１２）からの信号の送信の受信に関連した、放射カラム（２８）どうしの間の位相差は、アンテナ（１２）のビーム幅および／または方位角走査角度を決定する。
一般に、そのようなアンテナ（１２）のビーム幅を変更する際には、最外側のカラムに対してより大きな量の遅延変化を印加するようにして、位相遅延を、放射カラム（２８）に対して加算または減算する。ビーム幅を変更するに際しての放射カラム（２８）どうしの間の位相差に関する数学的等式を、導くことができる。そのような１つの等式は、第二次の一次方程式または二次方程式とすることができる。
同様に、方位角走査角度を変更する際には、複数のカラム内においてカラム（２８）の一端に対して位相遅延を加算し、かつ、他端においては、カラムから位相遅延を減算することができる。方位角走査角度を変更するに際しての放射カラム（２８）どうしの間の位相差に関する数学的等式は、第１次の一次方程式である。当業者であれば、例えば放射カラム（２８）どうしの間の位相差に関連したより高次の多項等式といったような他の等式を、また使用し得ることおよび／または導出し得ることは、理解されるであろう。さらに、当業者であれば、例えば一次方程式や二次方程式といったような、放射カラム（２８）どうしの間の各位相差に関する等式どうしの組合せを使用することによって、ビーム幅と方位角走査角度との双方を変更し得ることは、理解されるであろう。
そのようなアンテナのビーム幅は、例えばカラム（２８）の構成に応じて各ビームに関して約３０°〜約１８０°までにわたって変化することができる。一方、方位角走査角度は、各ビームに関して、約＋／−５０°にわたって変更することができる。方位角走査角度を変更する能力は、選択されたビーム幅に依存する。例えば、４０°というビーム幅が選択されている場合には、方位角走査角度は、約＋／−５０°にわたって変更することができる。しかしながら、９０°というビーム幅が選択されている場合には、方位角走査角度は、例えば＋／−４０°に制限することができる。当業者であれば、他のビーム幅を選択することができ、それに応じて、方位角走査角度の変更可能範囲が影響を受けることは、理解されるであろう。
よって、本発明の原理においては、図１に示すように、移相器（４０ａ，４０ｂ）は、互いに独立にかつ遠隔的に制御可能であって、アンテナ（１２）のビーム幅および／または方位角走査角度を変更することができる（調節可能な出力分割器（４１）と連携して、あるいは、それらとは個別的に）。さらに、ビーム幅および／または方位角走査角度におけるそのような調節は、アンテナ（１２）を動作状態としつつ可能である、すなわち、動的に可能である。
カラム（２８）どうしの間における位相差が、そのようなアンテナのビーム幅および／または方位角走査角度に影響を与えることにより、１つまたは複数のかラム（２８）は、アンテナ（１２）から送出される信号に対してあるいはアンテナ（１２）を使用して受領される信号に対して、位相的に固定することができる。これにより、残りのカラム（２８）の位相を変更するだけで良い。例えば図１に示すように、包括線（５８）（破線として図示されている）によって示されているような、移相器（４０ａ，４０ｂ）からなる対（４０）と関連する駆動源（４２）と制御信号（２４）とを省略することができる。そのような包括線（５８）の数は、ノード（５０，５４）を実効的に短くし、カラム（２８）の数が、移相器対の数よりも多くなる、あるいは、移相器（４１）の数さえよりも多くなる。
その場合、残りの移相器（４１）は、ノード（５０）のところにおける信号を、短くしたノード（５８）のところにおける信号に対して、変更することができる。これにより、アンテナ（１２）のビーム幅および／または方位角走査角度を変更することができる。移相器（４１）および関連する駆動源を省略できることは、アンテナ（１２）のコストを低減する。当業者であれば、本発明の他の実施形態を、異なる数のカラム（２８）と移相器（４０ａ，４０ｂ）とおよび／または出力分割器（４１）とを使用して構成し得ることは、理解されるであろう。
ここで説明するように、例示としての機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）は、リニアタイプのものとすることも、反射タイプのものとすることも、あるいは、回転タイプのものとすることも、できる。各タイプの移相器は、例えばモータや他の適切な手段といったような駆動源（４２）に対して連結することができ、位相器内において導体に対して誘電体材料部分を移動させ、これにより、デバイスの入力ポートと出力ポートとの間における信号の挿入位相を変更することができる。
図３には、駆動源すなわちモータ（４２）を備えているような、例示としての回転型機械的移相器（６０）が示されている。駆動源（４２）は、制御信号（２４）に応答するものであって、シャフト（６２）を備えている。シャフト（６２）は、図３に示すようにして機械的移相器（６０）に対して直接的に結合することができる。あるいは、ギヤボックスやプーリ等（図示せず）を介して結合することができる。シャフト（６２）は、ハウジング（７８）内において矢印（６６）によって示すようにして回転されることとなる高誘電定数材料（６４）に対して、連結されている。
回転型機械的移相器（６０）は、ストリップライン型中央導体（７２）の両サイド上において、高誘電定数材料（６４）を回転（６６）させることによって、入力ポート（６８）と出力ポート（７０）との間における位相シフト量を変更する。高誘電定数材料（６４）は、空気よりも遅い伝搬定数を有しており、そのため、導体（７２）によって伝達される信号の電気的遅延を増大させる。スロット（７４，７６）は、誘電定数に勾配をもたらす。これに代えて、高誘電定数材料（６４）内に形成された複数の穴や他の開口を使用することによって、誘電定数に勾配をもたらすことができる。遅延量すなわち位相シフト量は、導体（７２）に関しての、高誘電定数材料（６４）によって上および／または下をカバーされている相対長さによって、決定される。よって、導体（７２）に対して、高誘電定数材料（６４）を回転させること（６６）により、移相器（６０）のポート（６８，７０）間の信号の位相を変更することができる。ハウジング（７８）は、アルミニウムや他のいくつかの剛性材料を使用して構成することができる。
回転型機械的移相器の他の例は、William T. Joines 氏による“A Continuously
Variable Dielectric Phase Shifter”と題する IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques, August 1971 に見出すことができる。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。
図４には、例示としてのリニア型機械的移相器（８０）が、分解図で示されている。このリニア型機械的移相器（８０）は、例えばモータ（４２）といったような駆動源であってシャフト（８２）を有した駆動源に対して、連結されている。シャフト（８２）は、例えばウォームギヤ（８４）といったような機構を介して、移相器（８０）内の高誘電性材料製スラブ（８６）に対して連結されている。信号（２４）に応答して、駆動源（４２）は、シャフト（８２）とウォームギヤ（８４）とを介して、高誘電定数材料（８６）を導体（８８）に対して矢印（９０）で示す方向に直線的に駆動する。
高誘電定数材料（８６）は、空気よりも遅い伝搬定数を有しており、そのため、導体（８８）によって伝達される信号の電気的遅延を増大させる。スロット（９６，９８）は、誘電定数に勾配をもたらす。遅延量すなわち位相シフト量は、導体（８８）に関しての、高誘電定数材料（８６）によって上および／または下をカバーされている相対長さによって、制御される。よって、導体（８８）に対して、高誘電定数材料（８６）の直線上における位置が、移相器（８０）のポート（９２，９４）間における信号の位相を決定する。
リニア型機械的移相器の他の例は、米国特許第３，４４０，５７３号明細書に見出すことができる。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。リニア型機械的移相器のさらに他の例は、米国特許第６，０７５，４２４号明細書に見出すことができる。この文献の記載内容は、参考のため、その全体がここに組み込まれる。
カラムどうしの間の位相関係に加えて、カラムの数や、カラムどうしの間の間隔や、アンテナ内におけるカラムどうしの相対的位置関係は、上述したようなビーム幅および／または方位角走査角度の変更能力を決定することができる。
図５〜図７は、本発明の原理を説明するのに適した特別のカラム構成を有した３つのアンテナを示す平面図である。当業者であれば、本発明がこれら構成のいずれかに限定されるものではないこと、および、それら構成が単なる例示に過ぎないことを、理解されるであろう。
より詳細には、図５は、５個の動的放射カラム（２８）からなる構成であって不規則的なまたは直線的にセグメント化された構成を有したアンテナを示している。各カラム（２８）は、複数のデュアルダイポール部材（２６）を備えている。各放射カラム（２８）内のデュアルダイポール部材（２６）は、各カラム（２８）内の１つまたは複数の回路基板（１５０）上に導電性部材を有している。回路基板（１５０）は、１つまたは複数のシート状金属製反射板（１３８）に対して実装されている。要望された場合には、反射板（１３８）は、放射カラム（２８）内のデュアルダイポール部材（２６）に対しての電気的接続のための１つまたは複数の穴や開口（図示せず）を有している。
各動的放射カラム（２８）内のデュアルダイポール部材（２６）は、図１に関連して上述したような立上げ供給ネットワーク（３０）を使用して、電磁気的に接続されている。そのため、複数の立上げ供給ネットワークは、反射板（１３８）の裏面側に配置されている。例えば、１個の動的放射カラム（２８）あたりに１０個の動的放射部材（２６）が使用されている場合には、各立上げ供給ネットワーク（３０）からの１０本のケーブルを使用することによって、各カラム（２８）内の各デュアルダイポール部材（２６）を電磁気的に接続することができる。
これに代えて、各カラム（２８）内のデュアルダイポール部材（２６）は、回路基板（１５０）上に配置されたストリップライン導体やマイクロストリップ導体と、複数の遠隔制御されかつ調節可能な出力分割器と、これら出力分割器に関連したケーブルであって反射板（１３８）の裏面側に配置されたケーブルと、の組合せを使用することによって、電磁気的な接続を行うこともできる。ここで説明するように、ブロック（１４８）内に配置された複数の調節可能な出力分割器によってもたらされるパワー変化により、使用者は、信号パターンのビーム幅および方位角走査角度を調節することができる。アンテナは、図１に関連して上述したようにまた図１，５において符号（１４８）によって示すように、複数の機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）と、複数の出力分割器（４１）と、を備えている。
カラム（２８）は、実質的に等間隔で（符号（１４０）で示す間隔。この間隔は、典型的には、波長幅の約０．４倍とされる）、配置することができる。複数のカラム（２８）は、実質的に第１平面（１４２）内に配置されている。複数のカラム（２８）は、実質的に等間隔（１４０）でもって互いに離間されている。複数のカラム（２８）は、さらに、第１平面（１４２）から、それぞれ距離（１４４，１４５）の分だけセットバックされている。このような不規則的なまたは直線的にセグメント化された構成においては、典型的には詳細に後述するような円弧状構成や曲線的構成や円筒状構成と同様に、ビーム（３２）をブロード化することができ、これと同時に、隣接カラムにおいて互いに隣接しているデュアルダイポール部材どうしの間における相互結合を低減することができる。
図５に示すように、例示としてのデュアルダイポール部材（２６）は、弓形をなすことができるまたは角度をなすことができるまたは内向きに『垂れ下がる』ことができる。この弓形特性は、これら部材が必要とするスペースを最小化することができ、最適なスペース効率を得ることができる。これら部材のこの弓形構成は、さらに、有利な伝搬特性をもたらすことができる。例えば、弓形形状は、複数のカラムから送信される信号の伝搬パターンに対して、例えばビーム幅の均等化といったような予測可能なかつ望ましい態様で、影響を与えることができる。図５のデュアルダイポール部材（２６）は、二重の傾斜した分極を有するものであるけれども、本発明に適合した他の実施形態においては、これに代えて、任意の直交分極を使用することができる。さらに、当業者であれば、アンテナ（１２）のチョーク（１４１ａ，１４１ｂ）構造およびグラウンド面構造や、また、各部材（２６）の相対形状を、特定用途に関する要求に適合するように変更し得ることは、理解されるであろう。例えば、チョーク（１４１ａ，１４１ｂ）およびグラウンド面は、前面から背面に向けての放射を防止し得るように最適化することができる。
図６には、複数の動的放射カラム（２８）からなる構成であって円弧状または曲線状または円筒状をなす構成を有したアンテナが示されている。このアンテナは、複数のデュアルダイポール部材（２６）を備えており、これら部材（２６）は、同様の円弧状または曲線状または円筒状をなす湾曲した反射板（１２６）に対して部材（２６）を実装することによって、実質的に等間隔（間隔（１２４））でもって互いに離間された８個の動的放射カラム（２８）として配置されている。反射板（１２６）は、各デュアルダイポール部材（２６）を各カラム（２８）に対して結合するために、ストリップラインまたはマイクロストリップトレース（図示せず）を有している。アンテナは、さらに、複数対をなす調節可能な機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）を備えている。各機械的移相器は、それぞれ対応するとともに独立に制御されかつ遠隔的に制御される駆動源（４２）と、複数の出力分割器（４６）と、に対して接続されている。動作時には、制御信号（２４）が駆動源（４２）を駆動し、駆動源（４２）が機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）を調節し、これにより、上述したようにして、アンテナのビーム幅および／または方位角走査角度を動的に変更することができる。同様に、複数の出力分割器（４６）は、各移相器に対して供給されるパワーを変更するように機能する。このパワー変化が、さらに、アンテナのビーム幅および／または方位角走査角度を変更するように機能する。
図６に示すような動的放射カラム（２８ａ〜２８ｈ）に関する円弧状または曲線状または円筒状構成においては、後述するように、直線状構成よりも、より大きなビームブロード化を得ることができる。例えば有利にはアンテナの中心周波数の波長幅の実質的に１／４（０．２５倍）といったような、カラム（２８）どうしの間隔（１２４）は、隣接カラムにおいて互いに隣接しているデュアルダイポール部材どうしの間における相互結合を増大させつつも、アンテナのサイドローブを低減させる。
図７には、複数のカラムに関しての、フラットなまたは平面的なまたは直線状をなす構成を有したアンテナが示されている。このアンテナは、実質的に等間隔（間隔（１０２））で離間して配置された４つの動的放射カラム（２８）を備えており、各カラムは、回路基板または反射板（１０４）に対して実装された複数のデュアルダイポール部材（２６）を有している。各放射カラム（２８）内のデュアルダイポール部材（２６）は、上述したのと同様に、ストリップラインやマイクロストリップやエアストリップライン（いずれも図示されていない）を使用して、接続されている。動的放射カラム（２８）は、連続的に調節可能な機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）がなす各対（４０）に対して直接的に電気接続されている。各対（４０）は、互いに独立に制御されかつ遠隔的に制御される駆動源（４２）に対して接続されている（ただし、図２に関連して上述したように、移相器（４０ａ，４０ｂ）の少なくとも一方を省略することができる）。図示した実施形態における各移相器（４０ａ，４０ｂ）は、また、複数の分配用出力分割器（４６）からなるネットワークに対して接続される。出力分割器（４６）は、各移相器（４０ａ，４０ｂ）に対して供給されるパワーを変更することができ、これにより、アンテナシステムのビーム幅および／または方位角走査角度を変更することができる。
ビーム幅および／または方位角走査角度は、また、駆動源（４２）を駆動する制御信号（２４）を介して制御し得るように構成することができる。駆動源は、機械的移相器（４０ａ，４０ｂ）を調節し得るよう構成され、これにより、上述したような出力分割器（４６）による制御とは独立にあるいはそのような制御と連携しつつ、アンテナのビーム幅および／または方位角走査角度を動的に変更することができる。
当業者であれば、移相器による制御操作と出力分割器による制御操作とを互いに実施することによって相乗的に優秀な信号パターン制御を得ることができるけれども、様々な実施形態においては、ビーム幅および／または方位角走査角度の変更に際して、移相器による制御操作と出力分割器による制御操作との一方のみを使用し得ることは、理解されるであろう。同様に、デュアルダイポール部材の使用が特別の有用性をもたらしているけれども、用途によっては、単一極性の放射部材を使用することができる。
よって、動作時には、アンテナシステムの各カラム（２８）は、複数のデュアルダイポール部材（２６）を備えている。よって、各カラム（２８）は、信号ダイバーシティ用途において有効な２つの極性を有している。各分極の利点を十分に得るために、アンテナシステムは、２つの独立な移相器を各カラム（２８）に対して接続する。その際、個別の移相器は、多様に分極した信号の各々に関して、バンド幅および／または方位角走査角度を調節することができる。後述するように、各カラム分極に対応した各移相器からなる各対は、動作条件によっては、共通の駆動源（４２）によって一緒に駆動することができる。これにより、個別的な複数の駆動源によって、信号ダイバーシティをなおも提供しつつ、各移相器（４０ａ，４０ｂ）を制御することができる。
各分極信号に対してより向上した波動伝搬制御性を得るため、本発明のある実施形態においては、各移相器（４０ａ，４０ｂ）を一連の調節可能出力分割器と組み合わせることによって、各移相器（４０ａ，４０ｂ）が互いに独立であるという特性を利用する。図２に示すように、出力分割器（４１）がなすネットワークは、特定の分極に関連した各移相器（４０ａ，４０ｂ）に対して接続することができる。そのため、出力分割器（４１）からなる２つの個別ネットワークは、アンテナ（１２）に対して供給されるエネルギーを変更することができ、これにより、各分極信号のビーム幅および／または方位角走査角度をさらに変更することができる。よって、出力分割器（４１）は、移相器（４０ａ，４０ｂ）とは個別的にあるいは連携して動作することができ、これにより、より大きな伝搬制御をもたらすことができる。
複数の放射カラム（２８）は、詳細に後述するように、複数のデュアルダイポールアンテナ部材（２６）を備えることができる。ある観点においては、デュアルダイポールアンテナ部材（２６）は、信号ダイバーシティをもたらす。つまり、デュアルダイポールアンテナ部材は、その同じデュアルダイポール部材によって受信されるべき信号を同時に送信することができる。この構成は、複数のアンテナの場合に関しての従来技術によるシステムにおける上記要求を除去する。その際、本発明の一実施形態においては、従来技術によるアンテナシステムにおいて問題点であったような使用者に対してのスペース的な負担やメンテナンスの負担を課すことなく、信号を送受信したり動的に設定したりすることができる。
上述の理由により、ビーム幅および／または方位角走査角度の調節に際して移相器を原理として、ビーム幅が動的に可変とされたおよび／または方位角走査角度が動的に可変とされたアンテナが提供され、これにより、それぞれの欠点をもたらすことなく、機械的移相器とスマートなアンテナとの双方の利点がもたらされる。
本発明について、本発明のいくつかの実施形態に関する説明によって例示したけれども、また、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明したけれども、出願人は、特許請求の範囲を、そのような詳細にまで限定することを意図していない。付加的な利点や修正は、当業者には自明であろう。この明細書の目的のためのアンテナを、個別的にまたは同時的に送信アンテナおよび／または受信アンテナとして使用することができ、これにより、所望に応じて、送受信のビーム幅を広げたりまたは狭めたり、および／または、ビーム中心の位置を変更したり、し得ることは理解されたい。さらに、本発明は、使用される放射部材のタイプに関して、制限を受けない。適切である限りにおいては、任意のタイプの放射部材を使用することができる。本発明は、また、放射部材の列数に制限されるものでもなく、列を必要とするものでもない。本発明は、また、機械的であっても電気的であっても、アンテナの下方傾斜を併用しつつあるいは併用することなく、使用することができる。
さらに、上述した方位角分散ネットワークに対して、それぞれ対応するカラム信号ノードのところにおいて信号強度を変更し得る能力を組み込むことができる。これにより、ビーム幅および／または方位角走査角度の変更能力を増強することができる。また、複数の移相器対および／または複数の出力分割器に関連しているカラムの数について上述したけれども、本発明の原理においては、他の関係を実現することもできる。また、当業者であれば、本発明によるアンテナを、上述した実装位置に限定することなく、任意の場所に実装し得ることは理解されるであろう。したがって、本発明は、広義な見地においては、上述した特定の細部や例示としての装置および方法や上述した例示に限定されるものではない。したがって、本出願人による全体的発明概念の精神および範囲を逸脱することなく、そのような細部を変更することができる。
本発明の原理を説明するための図であって、ビーム幅が動的に可変とされたおよび／または方位角走査角度が動的に可変とされたアンテナを概略的に示す図である。 本発明の原理を説明するのに適した方位角走査ネットワークを示すブロック図である。 駆動源を有した回転型機械的移相器の一例を示す分解斜視図である。 駆動源を有したリニア型機械的移相器の一例を示す分解斜視図である。 不規則的なまたは直線的にセグメント化されたカラム配置を有したアンテナを示す平面図である。 曲線的なカラム配置を有したアンテナを示す平面図である。 直線的なカラム配置を有したアンテナを示す平面図である。
符号の説明
１２ アンテナ
２４ 信号
２６ デュアルダイポール部材
２６ａ ダイポール
２６ｂ ダイポール
２８ 動的放射カラム
４０ 移相器対
４０ａ 移相器
４０ｂ 移相器
４１ 出力分割器
４１ａ 第１出力分割器
４１ｂ 第２出力分割器
４１ｃ 第３出力分割器
４１ｄ 第４出力分割器
４２ モータ（駆動源）
４３ａ 機械的移相器
４３ｂ 機械的移相器
４３ｃ 機械的移相器
４３ｄ 機械的移相器
４６ａ 方位角供給ネットワーク
４６ｂ 方位角供給ネットワーク
５０ カラム信号ノード
５４ 供給ノード
６０ 回転型機械的移相器
８０ リニア型機械的移相器
１４８ 出力分割器構成

Claims (23)

  1. ビーム幅および方位角走査角度が動的に可変とされたアンテナであって、
    互いに離間して配置された複数の動的な放射カラムであるとともに、各々がデュアルダイポール部材を備え、複数の放射カラムが、前記デュアルダイポール部材の第１分極および第２分極のそれぞれに対応して集合的に第１ビーム幅および第２ビーム幅と第１方位角走査角度および第２方位角走査角度とを規定し、前記各ビーム幅と前記各方位角走査角度とが、各供給ノードと複数のカラムの各放射カラムとの間の位相シフト量に関連するものとされているような、複数の放射カラムと；
    連続的に調節可能とされかつ遠隔的に制御可能とされた複数の機械的移相器であるとともに、各カラムに対して１つの対をなすようにして複数個の対へとグループ分けされていて、移相器対をなす各移相器が、前記第１分極および前記第２分極のそれぞれに対応しているとともに、各放射カラムと各供給ノードとの間において並置されており、移相器対をなす各移相器が、互いに独立に動作可能とされていて、前記複数の放射カラムの中の各放射カラムと前記供給ノードとの間において各分極に関しての前記位相シフト量を変更することができ、これにより、前記複数の動的放射カラムによって規定されたビーム幅と方位角走査角度との少なくとも一方を変更することができるようになっているような、複数の機械的移相器と；
    を具備していることを特徴とするアンテナ。
  2. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記第１分極が、前記第２分極と直交していることを特徴とするアンテナ。
  3. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記移相器対が、共通の駆動源を有していることを特徴とするアンテナ。
  4. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記デュアルダイポール部材が、先端部が基端部の方へと曲げられていることを特徴とするアンテナ。
  5. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記複数の放射カラムの数が、前記複数の移相器の数よりも多いことを特徴とするアンテナ。
  6. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記複数の放射カラムの数が、前記複数の移相器の数と同じであることを特徴とするアンテナ。
  7. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記複数の放射カラムが、５個の放射カラムを有していることを特徴とするアンテナ。
  8. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記複数の動的放射カラムが、フラットなまたは平面的なまたは直線状をなす構成を有したアンテナにおいて互いに離間して配置されていることを特徴とするアンテナ。
  9. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記複数の動的放射カラムが、直線的にセグメント化された構成を有したアンテナにおいて互いに離間して配置されていることを特徴とするアンテナ。
  10. 請求項９記載のアンテナにおいて、
    前記複数の動的放射カラムが、波長幅の０．４倍という離間距離でもって互いに離間して配置されていることを特徴とするアンテナ。
  11. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記複数の動的放射カラムが、円弧状または曲線状または円筒状をなす構成を有したアンテナにおいて互いに離間して配置されていることを特徴とするアンテナ。
  12. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記複数の動的放射カラムが、波長幅の４分の１という離間距離でもって互いに離間して配置されていることを特徴とするアンテナ。
  13. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記機械的移相器が、リニア型移相器であることを特徴とするアンテナ。
  14. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    前記機械的移相器が、回転型移相器と反射タイプの移相器との少なくとも一方を有していることを特徴とするアンテナ。
  15. 請求項１記載のアンテナにおいて、
    さらに、制御ステーションを具備し、
    この制御ステーションが、信号を使用することによって前記アンテナと電気的に結合しており、
    各信号が、それぞれ独立に制御される駆動源に関連しているとともに、この信号を使用することによって、前記駆動源を駆動し得るものとされ、これにより、前記移相器を調節することができて前記アンテナのビーム幅を変更し得るものとされていることを特徴とするアンテナ。
  16. 請求項１記載のアンテナにおいて、さらに、
    調節可能とされた複数の出力分割器であるとともに、互いに離間して配置された前記複数の動的放射カラムに対して電気接続されており、前記カラムと前記供給ノードとの間においてパワーレベルを変更し得るように動作可能とされ、これにより、前記複数の動的放射カラムによって規定されたビーム幅と方位角走査角度との少なくとも一方を変更することができるようになっているような、複数の出力分割器と；
    を具備していることを特徴とするアンテナ。
  17. 請求項１６記載のアンテナにおいて、
    前記複数の出力分割器が、絶縁されていることを特徴とするアンテナ。
  18. 請求項１６記載のアンテナにおいて、前記複数の出力分割器が、
    受信ポートと第１および第２送信ポートとを備えた第１出力分割器であるとともに、この第１出力分割器の前記第１送信ポートが、前記複数のアンテナ部材の中の第１アンテナ部材に対して結合され、この第１出力分割器の前記第２送信ポートが、前記複数のアンテナ部材の中の第２アンテナ部材に対して結合されているような、第１出力分割器と；
    受信ポートと第１および第２送信ポートとを備えた第２出力分割器であるとともに、この第２出力分割器の前記第１送信ポートが、前記複数のアンテナ部材の中の第３アンテナ部材に対して結合され、この第２出力分割器の前記第２送信ポートが、前記複数のアンテナ部材の中の第４アンテナ部材に対して結合されているような、第２出力分割器と；
    受信ポートと第１および第２送信ポートとを備えた第３出力分割器であるとともに、この第３出力分割器の前記第１送信ポートが、前記第１出力分割器の前記受信ポートに対して結合され、この第３出力分割器の前記第２送信ポートが、前記複数のアンテナ部材の中の第５アンテナ部材に対して結合されているような、第３出力分割器と；
    受信ポートと第１および第２送信ポートとを備えた第４出力分割器であるとともに、この第４出力分割器の前記第１送信ポートが、前記第３出力分割器の前記受信ポートに対して結合され、この第４出力分割器の前記第２送信ポートが、前記第２出力分割器の前記受信ポートに対して結合され、さらに、この第４出力分割器の前記受信ポートが、供給ノードに対して結合されているような、第４出力分割器と；
    を具備していることを特徴とするアンテナ。
  19. アンテナを駆動するための方法であって、
    互いに離間して配置されているとともに各々がデュアルダイポール部材を備えている複数の動的な放射カラムを、それぞれのカラム信号ノードのところにおいて励起させ、これにより、前記複数の放射カラムにより、集合的に、前記デュアルダイポール部材の第１分極および第２分極のそれぞれに対応して第１ビーム幅および第２ビーム幅と第１方位角走査角度および第２方位角走査角度とを規定し、この場合、前記各ビーム幅と前記各方位角走査角度とを、各供給ノードと複数のカラムの各放射カラムとの間の各位相シフト量に関連するものとし；
    連続的に調節可能とされた複数の機械的移相器を使用することによって、前記複数のカラムに対して供給する信号の位相を変更し、これにより、位相シフト量によって、ビーム幅および方位角走査角度の少なくとも一方を規定し、さらに、前記複数の機械的移相器を、各カラムに対して１つの対をなすようにして複数個の対へとグループ分けし、移相器対をなす各移相器を、前記カラムをなす部材の前記第１分極および前記第２分極のそれぞれに対応させ；
    前記複数の移相器の各駆動源であるとともにそれぞれが互いに独立に遠隔制御可能とされているような各駆動源を使用することによって、前記複数のカラムに関する各位相シフト量を互いに独立にかつ遠隔的に制御し、これにより、各カラム信号ノードどうしの間の位相シフト量を独立的に変更する；
    ことを特徴とする方法。
  20. 請求項１９記載の方法において、
    さらに、前記第１分極と前記第２分極とを、直交的に配向させることを特徴とする方法。
  21. 請求項１９記載の方法において、
    さらに、信号を使用することによって前記アンテナと電気的に結合させ、
    その場合、各信号を、それぞれ独立に制御される駆動源に関連したものとするとともに、この信号を使用することによって前記駆動源を駆動し、これにより、前記移相器を調節して、前記アンテナのビーム幅を変更することを特徴とする方法。
  22. 請求項１９記載の方法において、
    さらに、調節可能とされた複数の出力分割器を使用することによって、前記複数のカラムに対して供給される信号のパワーレベルを変更することにより、ビーム幅と方位角走査角度との少なくとも一方を規定することを特徴とする方法。
  23. 請求項１９記載の方法において、さらに、
    第１出力分割器の受信ポート内において、供給ノードからの受信信号を受信し；
    前記受信信号を、第１分割信号と第２分割信号とに分割し；
    前記第１出力分割器の第１送信ポートを介して、前記第１分割信号を、第２出力分割器の受信ポートへと、送信し；
    前記第１出力分割器の第２送信ポートを介して、前記第２分割信号を、第３出力分割器の受信ポートへと、送信し；
    前記第２出力分割器において、前記第１分割信号を、第３分割信号と第４分割信号とに分割し；
    前記第２出力分割器の第１送信ポートを介して、前記第３分割信号を、第４出力分割器の受信ポートへと、送信し；
    前記第２出力分割器の第２送信ポートを介して、前記第４分割信号を、複数のアンテナ部材の中の第１アンテナ部材へと、送信し；
    前記第４出力分割器において、前記第３分割信号を、第５分割信号と第６分割信号とに分割し；
    前記第５分割信号を、複数のアンテナ部材の中の第２アンテナ部材へと、送信し；
    前記第６分割信号を、複数のアンテナ部材の中の第３アンテナ部材へと、送信し；
    前記第３出力分割器において、前記第２分割信号を、第７分割信号と第８分割信号とに分割し；
    前記第３出力分割器の第１送信ポートを介して、前記第７分割信号を、複数のアンテナ部材の中の第４アンテナ部材へと、送信し；
    前記第３出力分割器の第２送信ポートを介して、前記第８分割信号を、複数のアンテナ部材の中の第５アンテナ部材へと、送信する；
    ことを特徴とする方法。
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