JP4564000B2 - コンパクトなｃｔｓフィードおよびｍｅｍｓ位相シフタを備えた２次元電子走査アレイ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、電子走査アンテナに関し、とくに、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）無線周波数（ＲＦ）位相シフタを備えた電子走査アンテナに関する。

最新式の航空機搭載および宇宙ベースのレーダシステムは、これまで、何千もの放射素子を備えた電子走査アンテナ（ＥＳＡ）を使用してきた。たとえば、多数のターゲットに同時に結合する大型の射撃制御用レーダはＥＳＡを使用して、要求される出力開口プロダクトを提供することができる。

宇宙ベースのレンズアーキテクチャは、航空機搭載および宇宙ベースのレーダシステム用のＥＳＡを実現する１つの方法である。しかしながら、宇宙ベースのレンズアーキテクチャが、たとえば、Ｘ帯域等の高い周波数で使用され、位相シフタのようなさらに多くの能動素子が所定の面積、重量内にパッケージされているとき、熱密度および電力消費量の増加がこのようなシステムの費用と適応性に悪影響を及ぼす可能性がある。
米国特許第６４２１０２１号明細書

これまで、電子走査レンズアレイアンテナ用の位相シフタ回路は、フェライト、ＰＩＮダイオードおよびＦＥＴスイッチ装置を具備していた。これらの位相シフタは重く、直流電力の消費量が多く、高価である。また、ＰＩＮダイオードおよびＦＥＴスイッチをＲＦ位相シフタ回路に構成することは、ＲＦ路に沿って直流バイアス回路を追加する必要があるために複雑なものとなる。ＰＩＮダイオードおよびＦＥＴスイッチにより必要とされる直流バイアス回路は位相シフタの周波数性能を制限し、ＲＦ損失を増加させる。ＥＳＡを現在入手可能な送受信（Ｔ／Ｒ）モジュールと共に配置することは、コストが高く、熱放散が低く、電力消費の効率が悪いために望ましくない。要約すると、利用可能な位相シフタ回路の重量、価格および性能は、これらの装置が何千個も使用される宇宙ベースのレーダおよび通信ＥＳＡに対して必要とされるものを満足させることができない。

本発明は、超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）の操縦可能な電子走査レンズアレイ（ＥＳＡ）アンテナを提供する。本発明の１つの特徴によると、ＭＥＭＳのＥＳＡアンテナはＭＥＭＳ位相シフタモジュールを使用してＥ平面において操縦可能であり、ＭＥＭＳ位相シフタモジュールを使用してＨ平面において操縦可能である。ＭＥＭＳのＥＳＡアンテナは、ＭＥＭＳのＥ平面で操縦可能なレンズアレイと、ＭＥＭＳのＨ平面で操縦可能な線形アレイとを備えている。ＭＥＭＳのＥ平面で操縦可能なレンズアレイは、広帯域の放射素子の第１および第２のアレイと、これらの放射素子の第１および第２のアレイの間に配置されたＭＥＭＳのＥ平面位相シフタモジュールのアレイとを備えている。ＭＥＭＳのＨ平面で操縦可能な線形アレイは、連続トランスバーススタブ（ＣＴＳ）フィードアレイと、このＣＴＳフィードアレイの入力に配置されたＭＥＭＳのＨ平面位相シフタモジュールのアレイとを備えている。ＭＥＭＳのＨ平面で操縦可能な線形アレイは、ＭＥＭＳのＥ平面で操縦可能なレンズアレイの放射素子の第１のアレイに隣接して配置され、近距離フィールドにおいて平面の波面を提供する。Ｈ平面位相シフタモジュールは、ＣＴＳフィードアレイ中に入力されたＲＦ信号をそのＨ平面位相シフタモジュールの位相設定に基づいてシフトし、Ｅ平面位相シフタモジュールは、ＣＴＳフィードアレイから放射されたビームをＥ平面においてそのＥ平面位相シフタモジュールの位相設定に基づいて操縦する。

本発明の別の特徴によると、無線周波数エネルギの周波数走査方法が提供され、この方法は、無線周波数（ＲＦ）エネルギをＭＥＭＳのＨ平面位相シフタモジュールのアレイ中に入力し、ＲＦエネルギの位相をＭＥＭＳのＨ平面位相シフタモジュールの位相設定に基づいて調節し、Ｈ平面の位相調節されたＲＦ信号を複数のＣＴＳ放射素子によって近距離フィールドにおいて平面波の形態で放射し、Ｈ平面位相調節されたＲＦ平面波を、ＭＥＭＳのＥ平面位相シフタモジュールを含むＭＥＭＳのＥ平面で操縦可能なレンズアレイの入力開口中に放射し、ＲＦ平面波をディスクリートなＲＦ信号に変換し、ディスクリートなＲＦ信号の位相を、ＭＥＭＳのＥ平面位相シフタモジュールの位相設定に基づいて調節し、Ｈ平面およびＥ平面の調節されたＲＦ信号をＭＥＭＳのＥ平面で操縦可能なレンズアレイの放射開口を通って放射し、それによってＲＦ信号を再結合し、アンテナビームを形成するステップを含んでいる。

上述および関連した結果を達成するために、本発明は以下詳細に説明され、とくに、特許請求の範囲に記載されている特徴を含んでいる。以下の説明および添付された図面において、本発明のある例示的な実施形態が詳細に記載されている。しかしながら、これらの実施形態は、本発明の原理が使用されることのできる種々の方法のいくつかの単なる例示に過ぎない。本発明のその他の目的、利点および新しい特徴は、以下の本発明の詳細な説明および図面から明らかになるであろう。

以下の詳細な説明において、同じコンポーネントは、それらが本発明の異なった実施形態において示されているか否かにかかわらず、同じ参照符号を与えられている。本発明を明瞭に示すために、図面は必ずしも一定のスケールで描かれているわけではなく、ある特徴は若干概略的に示されていることがある。

最初に図１乃至３を参照すると、本発明は、１次元のＭＥＭＳのＥ平面で操縦可能なレンズアレイ11と、１次元のＭＥＭＳのＨ平面で操縦可能な連続トランスバーススタブ（ＣＴＳ）の電子走査フィードアレイ12とを備えている２次元の超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）の操縦可能な電子走査レンズアレイアンテナ10（図３）である。ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11は、広帯域の放射素子14aの後方アレイと、広帯域の放射素子14bの前方アレイと、および放射素子14aの後方アレイと放射素子14bの前方アレイとの間に挟まれたＭＥＭＳ位相シフタモジュール18のアレイ（図２）とを備えている。ＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12は１つのＣＴＳフィードアレイ16と、このＣＴＳフィードアレイ16の入力に配置されたＭＥＭＳ位相シフタモジュール17の１つの行とを備えている。位相シフタモジュール17は、ＣＴＳフィードアレイ16がＨ平面中の１次元で電子的に走査することを可能にする。ＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12は、ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11の放射素子14aの後方アレイに隣接して位置され、近距離フィールドにおいて平面の波面を提供する。ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11のＭＥＭＳ位相シフタモジュール18はＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12から放射されたビームをＥ平面における１つのディメンションにおいて操縦する。Ｅ平面での操縦はまた、あるいは、その代わりに、周波数を変化させることにより行われることが可能であり、この周波数の変化は、ＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12の各位相を変化させ、それによってアンテナビームがＥ平面に沿った別の角度位置に移動するようにする。

認識されるように、本発明は、通常共同フィードされるアンテナと関連付けられている伝送線路、電力分割器および相互接続を不要にする。また、本発明は、ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11に配線される直流制御バイアスラインの数を減少させ、この直流バイアスラインは、大型の（Ｎ＞１００である場合）アンテナアレイシステムでは高価で複雑になる可能性が高い。

アンテナ10は、たとえば、軽航空機、艦船、監視航空機および宇宙船等を含む民間用および軍事用の両方に適している。図１は、アンテナ10を適切に組入れることのできるいくつかの最新の航空機搭載および宇宙ベースのレーダシステムの環境図を示している。これらのシステムは、たとえば、合成アパーチャレーダ（ＳＡＲ）システム22、地上移動ターゲット指示（ＧＭＴＩ）システム26および航空機搭載移動ターゲット指示（ＡＭＴＩ）システム28のための軽量のＸ帯域宇宙ベースレーダを含んでいる。これらのシステムは多数のアンテナを使用するが、本発明のアンテナ10は、ＭＥＭＳ位相シフタモジュール18によってコストが比較的低く、使用される電力が比較的少なく、ＰＩＮダイオードおよびＦＥＴスイッチ位相シフタまたは送受信（Ｔ／Ｒ）モジュールを使用する従来技術のアンテナより軽量である。

図２に示されているように、ＭＥＭＳ位相シフタモジュール17および18はそれぞれ、１対の対向した広帯域の放射素子の間に挟まれている。示されている実施形態において、放射素子14は実質的に同じ幾何学的構造を有し、ＭＥＭＳ位相シフタモジュール18を中心として対称的に配置され、また、アンテナ10を通る、とくに、そのＭＥＭＳ位相シフタモジュール18を通るフィード／放射方向を表す１つの軸Ａを中心として対称的に配置されている。認識されるように、その代り、放射素子14は異なった幾何学的構造を有していてもよく、および、またはＭＥＭＳ位相シフタモジュール18および、またはフィード／放射軸Ａを中心として非対称的に配置されてもよい。換言すると、前方または出力放射素子14bは後方または入力放射素子14aとは異なった幾何学的構造を有することができる。

広帯域の放射素子14はそれぞれ、方形のベース部分34と、比較的狭いステム部分38と、および弓形の末端部分42とを有する１対の蟹のはさみ状の突出物32を備えている。はさみ状の突出物32はそれらの間に、アンテナ10の動作中にＲＦエネルギが伝播する（たとえば、フィード／放射軸Ａの方向に）通路を提供するスロット36を形成している。ここでは接地平面とも呼ばれているベース部分34は、フィード／放射軸Ａを中心として互いに隣接し、また、フィード／放射軸Ａの方向において位相シフタモジュール18の両端部に隣接している。これらベース部分34の幅を合わせたものは、ＭＥＭＳ位相シフタモジュール18の幅と実質的に同じである。ステム部分38は各ベース部分34より狭く、ベース部分34からフィード／放射軸Ａの方向に突出しており、それらもまたフィード／放射軸Ａを中心として互いに隣接している。弓形の末端部分42は、各ステム部分38からフィード／放射軸Ａの方向に突出しており、フィード／放射軸Ａから横方向に、互いに遠ざかるように分岐している。弓形の末端部分42は一緒になって、逆じょうご形に曲がった形のＶ字形の穴を形成し、この穴はフィード／放射軸Ａの方向において位相シフタモジュール18から外方に広がっている。ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11の後端部における広帯域の放射素子14の逆じょうご形の穴は無線周波数（ＲＦ）エネルギをＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12から受取ってチャンネルし、対応したスロット36に沿ってＲＦエネルギを対応したＭＥＭＳ位相シフタモジュール18に伝播する。ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11の反対側の、すなわち、その前端部における広帯域の放射素子14の逆じょうご形の穴は、対応したＭＥＭＳ位相シフタモジュール18からのＲＦエネルギを対応したスロット36に沿って自由空間中に放射する。

図３を参照すると、ＭＥＭＳ位相シフタ18は、ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11における１つのアレイとして構成されている。したがって、ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11は、ＭＥＭＳ位相シフタ18の後部の入力放射素子14aのアレイを含む入力開口54と、ＭＥＭＳ位相シフタ18の前方の出力放射素子14bのアレイを含む出力開口58とを備えている。図３のＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11は、４つの行と７つの列のＭＥＭＳ位相シフタ18および４つの行と７つの列の入力および出力放射素子14aおよび14bのアレイを有している。このアレイは、特定の適用に対して望ましいものとなるように任意の適切な量のＭＥＭＳ位相シフタ18と入力および出力放射素子14aおよび14bとを含むことができることが認識されるであろう。たとえば、図４においては、ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11は、１６個のＭＥＭＳ位相シフタ18と、１６個の広帯域の入力および出力放射素子14aおよび14bとを備えている。

ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11は、ＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12によってフィードされる空間である。図３および４に示されているＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12は、複数のＭＥＭＳ位相シフタモジュール17（図３の実施形態では４個）と、複数のＲＦ入力62（図３の実施形態では４個）と、およびＣＴＳフィードアレイ16とを備えている。ＣＴＳフィードアレイ16は１個の連続スタブ64と複数のＣＴＳ放射素子68とを備えており、これらＣＴＳ放射素子68は連続スタブ64からＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11の入力開口54に向って突出している。示されている実施形態においては、ＣＴＳ放射素子68は入力および出力放射素子14aおよび14bと量的に対応している。また、示されている実施形態において、ＣＴＳ放射素子68の間の横断方向に隔てられた間隔は、入力放射素子14aの間の横断方向の間隔および出力放射素子14bの間の横断方向の間隔と距離的に実質的に同じである。ＣＴＳ放射素子68の間の間隔は、入力放射素子14aの間の間隔と同じであるか、あるいは対応している必要はないことが認識されるであろう。さらに、ＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12のＣＴＳ放射素子68（すなわち、列）および、またはＭＥＭＳ位相シフタモジュール17および、またはＲＦ入力62（すなわち、行）は、ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11の入力および出力放射素子14aおよび14bおよび、またはＭＥＭＳ位相シフタモジュール18の列および行と同じであるか、あるいは整列しているか、もしくは対応している必要はないことが認識されるであろう。したがって、たとえば、特定のアンテナ適用に応じて、ＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12はＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11より多い、または少ない行および、または列を有することが可能である。

図５は、図３のＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12のセグメントの斜視断面図である。ＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12は、レクソライト（ｒｅｘｏｌｉｔｅ）またはポリプロピレンのようなプラスチックから形成された誘電体70を備えており、図５に示されている形状に機械加工されるか、あるいは押出し成形される。その後、誘電体70は金属層74で被覆され、連続スタブ64およびＣＴＳ放射素子68を形成する。ＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12は、自動車製造動作において一般的である大量のプラスチックの押出し成形および金属めっき処理が容易であり、したがって生産コストが低くなる。

ＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12は、マイクロ波結合／放射アレイである。図５に示されているように、任意の形態の主ラインフィードを介して発射された入射平行導波管モードは、連続スタブ64の存在によって遮断された縦方向の電流成分をそれらに関連付け、それによってスタブ／平行板インターフェースを横切って縦方向のｚ方向変位電流を励起している。この誘導された変位電流は次に、連続スタブ64においてＣＴＳ放射素子68に向ってｘ方向に進行して自由空間中に出ていく等価な電磁波を励起する。このようなＣＴＳ非走査アンテナは、９４ＧＨｚの高い周波数で動作可能であることが認められている。例示的なＣＴＳフィードアレイに関するさらに詳細な内容は、この明細書においてその全ての全文が参考文献とされている米国特許第 6,421,021号明細書、米国特許第 5,361,076号明細書、米国特許第 5,349,363号明細書、および米国特許第 5,266,961号明細書に記載されている。

動作において、ＲＦエネルギはＲＦ入力62からＭＥＭＳのＨ平面位相シフタモジュール17中に直列フィードされ、その後をＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12の並列プレート導波体を介してＣＴＳ放射素子68に直列フィードされる。その後、Ｈ平面の位相調節されたＲＦ信号は近距離フィールドにおいて平面波の形態でＣＴＳ放射素子68を通って放射される。ＲＦエネルギがＲＦ入力62からＣＴＳ放射素子68に進行する距離は、等しくないことが認識される。ＲＦ平面波は、ＣＴＳ放射素子68によってＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11の入力開口54中に放射され、その後ディスクリートなＲＦ信号に変換される。その後、このＲＦ信号は、以下さらに詳細に説明される方式でＥ平面の走査を行うためにＭＥＭＳのＥ平面位相シフタモジュール18によって処理される。ＭＥＭＳ位相シフタに関するさらに詳細な内容は、この明細書においてその全ての全文が参考文献とされている米国特許第 6,281,838号明細書、米国特許第 5,757,379号明細書および米国特許第 5,379,007号明細書に記載されている。

その後、ＭＥＭＳで処理された信号はＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ11の放射開口58から再度放射され、その後、この放射開口58はＲＦ信号を再結合し、操縦アンテナビームを形成する。このような直列フィードされたＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12に対して、アンテナビームは、たとえば、図４において参照符号80で示されているように、周波数の関数としてＥ平面78（図３）に沿って異なった角度位置で移動する。周波数が変化すると、各ＣＴＳ放射素子68の出力位相は異なったレートで変化し、その結果Ｅ平面における周波数走査が発生する。したがって、アンテナは周波数変化および位相シフトによってＥ平面で操縦可能である。

別の実施形態において、広帯域の周波数は、共同の並列プレート導波体フィード（示されていない）を使用してＣＴＳ放射素子68に並列にフィードすることによって得られる。ＣＴＳ放射素子68を並列にフィードすることにより、ＲＦエネルギがＲＦ入力62からＣＴＳ放射素子68に進行する距離は等しくなる。周波数が変化すると、各ＣＴＳ放射素子68の出力位相は実質的に同じレートで変化し、したがって放射開口58から放射されたアンテナビームは固定された位置のままである。

図６は、本発明によるＥ平面走査を行うためにＭＥＭＳ位相シフタが列制御される１次元のＭＥＭＳのＥ平面で操縦可能なレンズアレイ90を示す概略斜視図である。図６において、矢印94はＥ平面走査を表している。Ｈ平面操縦のためのＣＴＳフィードアレイ98は、ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ90の後方の図６の背景の中に示されている。ＭＥＭＳの操縦可能なレンズアレイ90は、位相シフタモジュール18の３つの行と、各印刷回路板（ＰＣＢ）102上に取付けられた放射素子14aおよび14bと、５個のレンズ列支持体106とを備えており、レンズ列支持体106はそれぞれ１つの位相シフタバイアスラインを備え、また、それぞれが位相シフタモジュール18ならびに放射素子14aおよび14bの行の格子構成を維持する。各列支持体106に沿った、あるいはその内部のバイアスラインは、たとえば、図６の上部における印刷配線板（ＰＷＢ）108に接続され、次にこのＰＷＢ108はビーム操縦コンピュータおよび電源（示されていない）に接続される。制御回路は、上述したＥ平面の走査を行うために各列の位相シフタモジュール18をバイアスする。とくに、各列の位相シフタモジュール18は１つのグループとしてまとめて制御されるので、その列に沿った各位相シフタモジュール18は各レンズ列支持体106に沿った各バイアスラインから同じ位相設定を受取り、一方次のまたは隣接した列の位相シフタモジュール18は次のまたは隣接したレンズ列支持体106により異なった位相設定を（たとえば、位相の進みによって）与えられている。

図７乃至１４は、本発明によるＭＥＭＳ位相シフタモジュール18の列制御を行うＭＥＭＳの操縦可能な電子走査レンズアレイアンテナ110の１つの例示的な実施形態を示している。ＭＥＭＳの操縦可能なアンテナ110は、直流配電印刷配線板（ＰＷＢ）114と、複数の位相シフタ印刷回路板（ＰＣＢ）装置118と、ＭＥＭＳの操縦可能なアンテナ110を構造的に支持すると共に直流列相互接続およびバイアスラインを配線する複数のスペーサ122とを備えている。

各ＰＣＢ装置118は印刷回路板（ＰＣＢ）126と、広帯域の放射素子14aおよび14bならびに位相シフタモジュール18のアレイとを備えている。図９に示されているように、広帯域の放射素子14aおよび14bはこのＰＣＢ126上に形成されており、これらの入力および出力放射素子14aおよび14bの間にはＭＥＭＳ位相シフタモジュール18がＰＣＢ126に取付けられている。各ＭＥＭＳ位相シフタモジュール18は、たとえば、コバー（ｋｏｖａｒ）から形成されたハウジング130（図１２）と、このハウジング130中に取付けられた適切な数、たとえば、２個等、のＭＥＭＳ位相シフタスイッチ（示されていない）とを備えている。ＭＥＭＳ位相シフタスイッチの数は、特定の適用に依存することが認識されるであろう。

１対のＲＦピン134および複数の直流ピン138は、ハウジング130の下面からこのハウジング130の平面に対して実質的に垂直な方向に突出している（図１０）。ＲＦピン134は入力および出力放射素子14aおよび14bのそれぞれに対応している。ＲＦピン134はＰＣＢ126の厚さをこのＰＣＢ126の平面に垂直な方向に貫通し、ＲＦ ＭＥＭＳ位相シフタモジュール18が取付けられたＰＣＢ126の表面とは反対側の表面上に取付けられた各マイクロストリップ伝送線路142（すなわち、バラン）に電気的に接続されている（図１０および１１）。伝送線路142は入力および出力放射素子14aおよび14bのそれぞれに電気的に接続されて、これらの入力および出力放射素子14aおよび14bとの間でＲＦ信号を伝送する。示されている実施形態においては、伝送線路142はＬ字形であり、その一方の脚部は各放射素子14aおよび14bの方形のベース部分34（図２）における各スロット36を横切って延在している。方形のベース部分34は伝送線路142に対する接地平面として機能する。スロット36においては、接地平面（すなわち、方形部分34）を横切る切れ目（ｂｒｅａｋ）が存在し、この切れ目が電圧電位を生じさせ、それによって各放射素子14aおよび14bのスロット36に沿ってＲＦエネルギが強制的に伝播させられる。

直流ピン138もまたＰＣＢ126の厚さを貫通し、直流制御信号およびバイアスライン144に電気的に接続されている。図１１に示されていように、直流制御信号およびバイアスライン144はＰＣＢ126の中間部から外方に分岐し、各ＭＥＭＳ位相シフタモジュール18のフットプリントを越えて延在している。直流制御信号およびバイアスライン144はＰＣＢ126中のめっきされた貫通孔148を通ってこのＰＣＢ126の他方の側面に配線されている。めっきされた貫通孔148は２つの行の縦方向に整列された直流列相互接続を形成している。以下、これらの直流列相互接続の機能をさらに詳細に説明する。認識されるように、直流制御信号およびバイアスライン144の配線および配置は、伝送線路142の寸法およびディメンションならびに放射素子14aおよび14bの間の格子間隔のようなファクタに基づいている。

ＲＦピン134および直流ピン138をＭＥＭＳ位相シフタモジュール18のハウジング130の平面に対して方位付けすることにより、ＲＦピン134および直流ピン138を垂直に設置できることが認識されるであろう。このような垂直相互接続の特徴によって、ＭＥＭＳ位相シフタモジュール18の設置は、たとえば、通常のＭＭＩＣＳ同軸コネクタまたは外部結合線、あるいは多数の処理動作を必要とするエンドツーエント型接続を有する別の通常のパッケージと比較して、比較的簡単なものになる。垂直直相互接続によって設置の融通性が与えられと共に、たとえば、表面取付け、ピングリッドアレイ、またはＢＧＡタイプのパッケージ等が可能になる。

ＰＣＢ装置118は、図１３および１４に示されているようにスペーサ122により間隔を隔てられて垂直に積み重ねられている。とくに、このＰＣＢ装置118とスペーサ122は、ＰＣＢ装置118の放射素子14aおよび14bの間に格子間隔を提供するように交互に積み重ねられている。格子間隔は、たとえば、ＭＥＭＳの操縦可能なアンテナ110の周波数および走査要求に基づいている。

スペーサ122はその形状が細長い方形であり、成形プラスチックまたは液晶ポリマー（ＬＣＰ）のような適切な絶縁材料から形成されている。各スペーサ122は、前部壁150、後部壁152および１対の側壁156を備えている。前部壁150および後部壁152はそれぞれ、ＰＣＢ126におけるめっきされた貫通孔148に対応した複数の貫通孔158を備えている。中間壁160は、前部壁150、後部壁152および側壁156の上面170と下面172のほぼ中間に配置されている。この中間壁160の両側には上方空洞180および下方空洞182が存在し、前部壁150、後部壁152および側壁156がこれらの空洞180および182の壁を形成している。前部壁150および後部壁152はそれぞれ、放射素子14aおよび14bに対応した複数のノッチ形の穴190（図８および１４）を備えており、これらの穴190はアンテナの動作中にＲＦエネルギが放射素子14aおよび14bから、あるいはそれらに転送されることを可能にする。

図１４に示されているように、位相シフタモジュール18がスペーサ122の下方空洞182において受けられ、また、スペーサ122の前部壁150および後部壁152中の貫通孔158がＰＣＢ126において縦方向に整列しためっきされた貫通孔148の対と整列するように、スペーサ122は実質的にＰＣＢ装置118の中間部に沿って長手方向に位置される。

バイアスライン（示されていない）は貫通孔158を介してスペーサ122を通ってこれに含まれるように配線され、上述した直流制御信号およびバイアスライン142にＰＣＢ装置118のめっきされた貫通孔148を介して電気的に接続される。１実施形態においては、バイアスラインは、ファズ（ｆｕｚｚ）ボタンおよびポーゴー（ｐｏｇｏ）ピンのような圧縮可能な接触子を含んでいる。バイアスラインは印刷配線板に（ＰＷＢ）114に接続され、このＰＷＢ114は、ＭＥＭＳ位相シフタモジュール18の各列をバイアスし、それによってＥ平面において走査を行う制御回路を含んでいる。

一緒に挟まれたときに、スペーサ122はＰＣＢ装置118に対する列支持構造になり、そのＭＥＭＳ位相シフタモジュール18が列制御されることを可能にする。各スペーサ122および、とくに、その中間壁160は、各ＭＥＭＳ位相シフタモジュール18のハウジング130をＰＣＢ126にクランプするために使用可能であることが認識される。また、示されている実施形態に示されているように、スペーサ122およびＰＣＢ装置118は、積み重ねられたスペーサ122とＰＣＢ装置118を一緒に整列させてその位置でクランプすることを容易にするダウエルピン、ねじおよび、またはタイロッドのような整列固定具を受ける整列孔200を備えている。１実施形態においては、スペーサ122のエッジは電磁遮蔽を行うように金属めっきされている。本発明によると、スペーサ122は、ＭＥＭＳの操縦可能な電子走査レンズアレイアンテナ110に対するインターフェースハブとして機能し、直流バイアス、ＲＦ信号伝送、機械的整列および構造的な荷重支持を行う。

図１５乃至１７は、図３のＭＥＭＳのＨ平面で操縦可能な連続トランスバーススタブ（ＣＴＳ）電子走査フィードアレイ12のＣＴＳフィード開口中に１次元走査を組入れる例示的な手段を示している。上述したように、位相シフタモジュール17は、ＣＴＳフィードアレイ16がＨ平面において１次元で電子走査できるようにする。Ｈ平面における電子走査は、ラインフィード励起の傾斜（ｏｂｌｉｑｕｅ）入射を与えることにより行われる。図１５において、入射した波面は破線204で示され、Ｈ平面走査は矢印208で示されている。図１６に示されているように、伝播した導波モードの傾斜入射を使用してＣＴＳ放射素子の軸に対して入ってきた位相面を変化させ、それによって横断方向のＨ平面においてビームを走査することができる。電子走査レンズアレイ（ＥＳＡ）においては、この変化は、並列プレート領域を励起する主ラインフィードの電気変化によって行われる。走査されたビームの特定の走査角度θは、スネルの法則によって導波モードの位相面の入射角度θｉに関連付けられるであろう。

図１７は、例示的なＭＥＭＳの操縦可能なＣＴＳ12のパッケージ概念のブロック図を示している。たとえば、ウィルキンソン電力分割器を備えたマイクロストリップＲＦフィード220は、ＲＦ信号をＭＥＭＳ位相シフタモジュール17中にフィードし、次に直流マニホルド電力配線板（ＰＷＢ）224から直流電力を受取るために使用されることが可能であり、また、それは制御装置228により制御される。ＣＴＳフィードアレイ16は、ＲＦ信号をＭＥＭＳ位相シフタモジュール17からマイクロストリップ／同軸プローブ遷移部232を通って受取る。本発明の１実施形態において、図１２に示されている位相シフタモジュール17は、マイクロストリップＲＦフィード220および直流マニホルドＰＷＢ224を備えた金属プレート構体上に取付けられる。このような実施形態において、位相シフタモジュール17のＲＦピンおよび直流ピンは、マイクロストリップＲＦフィード220および直流マニホルドＰＷＢ224のＲＦおよび直流垂直インターフェースに接続されている。これらのＲＦおよび直流垂直インターフェースは、誘電体ヘッダにより囲まれたファズボタンのような圧縮可能な金属接触子を含んでいる。誘電体ヘッダは、ＲＦに対して５０オームを維持すると共にＲＦおよび直流に対する金属プレートへの相互接続の短絡を防止するように成形されている。

本発明は示されている実施形態に関して図示され、説明されているが、当業者はこの明細書および添付された図面を参照して理解することにより等価な変更および修正が可能であることを認識するであろう。とくに、上記の完全体（コンポーネント、構体、装置、構成等）により行われる種々の機能に関しては、このような完全体を説明するために使用されている用語（“手段”の引用を含む）は、その他の場合が示されていない限り、たとえ、本発明のここに示されている実施形態において機能を行う開示された構造と構造的に等価でなくても、説明された完全体の特定された機能を行う（すなわち、機能的に等価である）任意の完全体に相当するものである。さらに、本発明の特定の特徴がいくつかの示されている実施形態の１つだけに関して上述されているが、このような特徴は、任意の所定のまたは特定の適用のために所望され、有効なものとなるような別の実施形態の１以上の別の特徴と組合せられることができる。

本発明は全てのこのような等価物および修正を含んでおり、添付された特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。

本発明による超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）の位相シフタを備えた電子走査レンズアレイ（ＥＳＡ）アンテナを使用するいくつかのレーダ適用の環境概略図。 本発明による１対の広帯域の放射素子およびＭＥＭＳ位相シフタモジュールの上面図。 １次元のＭＥＭＳのＥ平面で操縦可能なレンズアレイと、１次元のＭＥＭＳのＨ平面で操縦可能な連続トランスバーススタブ（ＣＴＳ）の電子走査フィードアレイとを備えている本発明による２次元の超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）の操縦可能な電子走査レンズアレイアンテナの斜視図。 １６個のＭＥＭＳ位相シフタモジュールおよび１６個のＣＴＳ放射素子を備えていることを除いて図３と同じである電子走査レンズアレイアンテナの上面図。 図３の連続トランスバーススタブ（ＣＴＳ）電子走査フィードアレイのセグメントの斜視断面図。 本発明によるＥ平面走査を行うためにＭＥＭＳ位相シフタが列制御される１次元のＭＥＭＳのＥ平面で操縦可能なレンズアレイを示す概略斜視図。 アンテナが印刷配線板（ＰＷＢ）と、複数の位相シフタＰＣＢ装置と、および直流列相互接続を含む複数のスペーサとを備えている、本発明によるＭＥＭＳの操縦可能な電子走査レンズアレイアンテナの側断面図。 図７の本発明によるＭＥＭＳの操縦可能な電子走査レンズアレイアンテナの前面開口図。 本発明によるＰＣＢ上における印刷された広帯域の放射素子のアレイおよびＭＥＭＳ位相シフタモジュールのアレイを含んでいる図７のＭＥＭＳの操縦可能な電子走査レンズアレイアンテナの印刷回路板を示す概略図。 図９のＰＣＢおよびＭＥＭＳ位相シフタモジュールの図９のライン１０−１０における側断面図。 図９のＰＣＢおよびＭＥＭＳ位相シフタモジュールの底面図。 本発明によるＭＥＭＳ位相シフタモジュールの拡大図。 本発明による図７のＭＥＭＳの操縦可能な電子走査レンズアレイアンテナの展開図。 本発明による図７のＭＥＭＳの操縦可能な電子走査レンズアレイアンテナのスペーサの１つの斜視図。 入射した波面が破線で示され、Ｈ平面走査が矢印で示されている図３のＭＥＭＳのＨ平面で操縦可能な連続トランスバーススタブ（ＣＴＳ）電子走査フィードアレイの斜視図。 図１５の連続トランスバーススタブ（ＣＴＳ）電子走査フィードアレイのセグメントと、その位相定数を示す概略図。 図３のＭＥＭＳのＨ平面で操縦可能な連続トランスバーススタブ（ＣＴＳ）電子走査フィードアレイのパッケージ概念のブロック図。

Claims (9)

1. 連続トランスバーススタブ（以下ＣＴＳという）フィードアレイ(16)と、このＣＴＳフィードアレイ(16)の入力部に配置された超小型電気機械システム（以下ＭＥＭＳという）を備えたＨ平面で操縦可能なＨ平面位相シフタモジュール(17)とを具備している操縦可能な電子走査レンズアレイ（以下ＥＳＡという）アンテナにおいて、
   広帯域の放射素子(14a、14b)がそれぞれ格子状に配列されている第１および第２のアレイと、これら第１および第２のアレイの対応する放射素子(14a、14b)の間にそれぞれ接続されているＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)のアレイとにより構成されている格子状に配列されたＥ平面で操縦可能なレンズアレイ(11)を具備し、
   このＥ平面で操縦可能なレンズアレイ(11)の第１のアレイの放射素子(14a) は、近距離フィールドにおいて平面の波面を提供するＣＴＳフィードアレイ(16)と対向して隣接して配置されており、
   前記Ｅ平面位相シフタモジュール(18)はその位相設定に基づいてＣＴＳフィードアレイ(16)から放射されたビームをＥ平面において操縦するように構成され、
   前記Ｈ平面位相シフタモジュール(17)は、ＣＴＳフィードアレイ(16)中に入力された無線周波数信号をそのＨ平面位相シフタモジュール(17)の位相設定に基づいてシフトするように構成されており、
   前記レンズアレイ(11)を構成する第１のアレイの放射素子(14a) と第２のアレイの対応する放射素子(14b) とその間に配置されている各Ｅ平面位相シフタモジュール(18)とは格子状のアレイの各行にそれぞれ対応する複数のグループに分割されて印刷回路板上に並列に配置されて複数の位相シフタ印刷回路板装置(118) を形成しており、
   それら位相シフタ印刷回路板装置(118) の間に配置されてアンテナ(10)の支持構造を形成する複数のスペーサ(122) を具備し、
   前記位相シフタ印刷回路板装置(118) と前記スペーサ(122) とは交互に積層されて前記広帯域の放射素子の間の格子間隔を規定しているＥＳＡアンテナ。
2. ＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)はそれぞれ、ＭＥＭＳを備えたＥ平面で操縦可能なレンズアレイ(11)の放射素子(14a、14b)の第１および第２のアレイの第１および第２の放射素子のそれぞれに対応した１対の無線周波数ピン(134) を備えている請求項１記載のＥＳＡアンテナ(10)。
3. ＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)のアレイは、ＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)の２以上の行および１以上の列を備えており、ＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)はそれぞれ、各直流制御信号およびバイアスライン(144) に電気的に接続された複数の直流ピン(138) を備えており、ＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)の２以上の行は、その列に沿った２以上のＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)が同じ位相設定を受取るように１つのグループとしてまとめて列のような方式で直流制御信号およびバイアスライン(144) を介して制御される請求項１または２記載のＥＳＡアンテナ(10)。
4. ＭＥＭＳよりなるＥ平面位相シフタモジュール(18)はそれぞれ、ＭＥＭＳを備えたＥ平面で操縦可能なレンズアレイ(11)の放射素子(14a、14b)の第１および第２のアレイの第１および第２の放射素子のそれぞれに対応した１対の無線周波数ピン(134) と、各ＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)を動作させる制御コマンドを受取るための複数の直流ピン(138) とを備えており、無線周波数ピン(134) および直流ピン(138) は、前記ハウジングがＰＣＢ(102、126)と比較的垂直に相互接続することができるように各ＭＥＭＳ位相シフタモジュール(18)のハウジングに関して垂直に方位付けられている請求項１乃至３のいずれか１項記載のＥＳＡアンテナ(10)。
5. ＭＥＭＳを備えたＥ平面で操縦可能なレンズアレイ(11)の広帯域の放射素子(14 ａ、14b)は、Ｅ平面走査が放射素子の行と平行に行われるように方位付けられている請求項１乃至４のいずれか１項記載のＥＳＡアンテナ(10)。
6. 連続トランスバーススタブ（以下ＣＴＳという）フィードアレイ(16)と、このＣＴＳフィードアレイ(16)の入力部に配置された超小型電気機械システム（以下ＭＥＭＳという）を備えたＨ平面で操縦可能なＨ平面位相シフタモジュール(17)とを具備している操縦可能な電子走査レンズアレイ（以下ＥＳＡという）アンテナを使用して無線周波数エネルギを周波数走査する方法において、
   前記ＥＳＡアンテナは、広帯域の放射素子(14a、14b)がそれぞれ格子状に配列されている第１および第２のアレイと、これら第１および第２のアレイの対応する放射素子(14a、14b)の間にそれぞれ接続されているＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)のアレイとにより構成されている格子状のＥ平面で操縦可能なレンズアレイ(11)を具備しており、レンズアレイ(11)の放射素子(14a) の第１のアレイは、近距離フィールドにおいて平面の波面を提供するＣＴＳフィードアレイ(16)と対向して隣接して配置されており、
   前記Ｅ平面位相シフタモジュール(18)はその位相設定に基づいてＣＴＳフィードアレイ(16)から放射されたビームをＥ平面において操縦するように構成され、
   前記Ｈ平面位相シフタモジュール(17)は、ＣＴＳフィードアレイ(16)中に入力された無線周波数信号をそのＨ平面位相シフタモジュール(17)の位相設定に基づいてシフトするように構成されており、
   前記レンズアレイ(11)を構成する第１のアレイの放射素子(14a) と第２のアレイの対応する放射素子(14b) とその間に配置されている各Ｅ平面位相シフタモジュール(18)とは格子状のアレイの各行にそれぞれ対応する複数のグループに分割されて印刷回路板上に並列に配置されて複数の位相シフタ印刷回路板装置(118) を形成し、それらの印刷回路板装置(118) はスペーサ(122) と交互に積層されて放射素子の間の格子間隔を規定しており、
   無線周波数エネルギをＭＥＭＳを備えたＨ平面位相シフタモジュール(17)のアレイ中に入力し、
   無線周波数エネルギの位相をＭＥＭＳを備えたＨ平面位相シフタモジュール(17)の位相設定に基づいて調節し、
   Ｈ平面において位相調節された無線周波数信号を複数のＣＴＳ放射素子(68)によって近距離フィールドにおいて平面波の形態で放射し、
   Ｈ平面において位相調節された無線周波数平面波を、ＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)のアレイを備えたレンズアレイ(11)の入力開口(54)中に放射し、
   無線周波数平面波をディスクリートな無線周波数信号に変換し、
   ディスクリートな無線周波数信号の位相を、ＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)の位相設定に基づいて調節し、
   Ｈ平面およびＥ平面において調節された無線周波数信号をＥ平面で操縦可能なレンズアレイ(11)の放射開口(58)を通って放射して無線周波数信号を再結合し、アンテナビームを形成するステップを含んでいる無線周波数エネルギの周波数走査方法。
7. ＣＴＳフィードアレイ(16)中に入力された無線周波数信号の周波数を変化させ、それによってＭＥＭＳを備えたＥ平面で操縦可能なレンズアレイ(11)のＥ平面におけるアンテナビームの角度位置を変更させてアンテナビームによる周波数走査を行うステップをさらに含んでいる請求項６記載の方法。
8. 無線周波数エネルギを入力するステップは、ＣＴＳ放射素子(68)に直列にフィードするステップを含んでいる請求項６または７記載の方法。
9. ＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)のそれぞれにおける１以上のＭＥＭＳ位相シフタスイッチのバイアスを調節することによりＭＥＭＳを備えたＥ平面位相シフタモジュール(18)のそれぞれに対する位相シフタ出力を調節するステップをさらに含んでいる請求項６乃至８のいずれか１項記載の方法。

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