JP4698121B2

JP4698121B2 - 機械的ステアリング可能なアレイアンテナ

Info

Publication number: JP4698121B2
Application number: JP2002524255A
Authority: JP
Inventors: シキナ，トーマス・ヴイ
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: ES2231557T3; US20020075194A1; DE60107096T2; WO2002019466A2; AU9501501A; WO2002019466A9; DE60107096D1; WO2002019466A3; JP2004508749A; EP1314221A2; EP1314221B1; US6507319B2; ATE282250T1; AU2001295015B2

Description

【０００１】
発明の分野
本発明は、無線周波数（ＲＦ）アンテナ、より詳細には、機械的にステアリングする（指向させる）ことが可能なアレイアンテナに関する。
【０００２】
発明の背景
当技術分野において知られているように、衛星通信システムは衛星を含み、衛星は、そこを通して衛星が他の通信プラットフォームに対して信号を送受信する、衛星送信機および衛星受信機を含む。衛星と通信する通信プラットフォームは、しばしば地表面に、または、機上プラットフォームの場合は、地表面からある距離のところにある。衛星が通信する通信プラットフォームは、たとえば、いわゆる地上局、機上ステーション（たとえば、航空機またはヘリコプター局）または移動可能な地上ステーション（モバイル通信システムと呼ばれることがある）として設けることができる。これらプラットフォームの全ては、本明細書では、地上プラットフォームと言う。
【０００３】
衛星と地上プラットフォームの間での無線周波数（ＲＦ）信号の送信を可能にするために、地上プラットフォームは受信アンテナを利用し、受信アンテナは、たとえば衛星からの信号を受信し、受信信号を地上プラットフォームの受信機回路に結合する。地上プラットフォームはまた、送信アンテナに結合された送信機を含む。送信機はＲＦ信号を発生し、ＲＦ信号は送信アンテナに供給され、その後、衛星通信システムに向けて放射される。したがって、地上プラットフォームで使用される送受信アンテナは、地上プラットフォームの送受信機と衛星の送受信機の間に通信経路を実現できなければならない。
【０００４】
１つまたは複数の衛星と地上プラットフォームの間に通信を確立するために、地上プラットフォーム上のアンテナは、まず衛星を突き止め、その後、衛星に追随するようにアンテナビームを走査できなければならない。アンテナビームを走査可能なアンテナの１つのタイプは、電子的にステアリング可能なフェーズドアレイ（ＥＳＡ：electronically steerable phased array）アンテナである。しかし、ＥＳＡアンテナに関する１つの問題は、ＥＡＳアンテナが比較的大きく、費用がかかることである。したがって、ＥＳＡアンテナは、通常、頻繁に１つのロケーションから別のロケーションへ移動する、これら地上プラットフォームと共に使用するのに適していない。
【０００５】
さらに、ＥＳＡアンテナは高速にアンテナビームの位置を変えられるが、こうしたアンテナは、やはり任意の瞬間に単一アンテナビームのみを供給する。したがって、ＥＳＡアンテナは、一度に１つの衛星との通信を可能にするだけである。換言すれば、ＥＳＡアンテナは衛星との順次的（シーケンシャル）通信を可能にするだけである。
【０００６】
順次的動作は、いわゆる「ブレークビフォメーク（break-before-make）」機能を有する通信システムにおいて使用される。このタイプの通信システムでは、地上プラットフォームは、ある衛星との通信を「ブレーク(beak：遮断)」してから別の衛星との通信を確立する。こうした通信システムは、各衛星システムを順次捕捉できる単一ビームアンテナシステム（たとえば、ＥＳＡアンテナ）を利用することができる。
【０００７】
しかし、通信システムのなかには、いわゆる「メークビフォブレーク（make-before-break）」機能を必要とするものもある。メークビフォブレーク通信システムでは、地上プラットフォームは、地上プラットフォームが別の衛星との通信を確立するまで、ある衛星との通信をブレークしない。複数の衛星と同時に通信するために、地上プラットフォームは、複数のアンテナビームを同時に供給するアンテナシステムを有さなければならない。ＥＳＡアンテナは単一ビームしか供給できないため、２つのビームを供給するためには、地上プラットフォームが２つのＥＳＡアンテナを利用することが必要である。したがって、ＥＳＡアンテナを利用し、かつメークビフォブレーク機能を有する通信システムは、非常に費用がかかる可能性がある。
【０００８】
従来技術の地上プラットフォームのなかには、周波数走査アンテナを利用するものもある。周波数走査アンテナでは、アンテナビーム位置（アンテナ走査角度とも呼ばれる）は、アンテナの動作周波数が変化するにつれて変わる。任意の単一衛星の位置は比較的一定であるため、衛星アンテナと地上プラットフォームアンテナの間でいったん通信が確立すると、地上プラットフォームアンテナの走査角度を変えることによって、確立された通信経路が失われる可能性がある。したがって、一般的には、いったん通信経路が確立すれば、走査角度が変わることは望ましくない。
【０００９】
走査角度が変わるのを防ぐために、周波数走査アンテナは、比較的狭い周波数帯にわたって動作しなければならない。しかし、異なる通信システムは比較的広い周波数範囲（たとえば、ＫバンドおよびＫａバンド周波数範囲）にわたって広がる異なる周波数で動作する。周波数走査アンテナは、比較的狭い周波数帯にわたってしか動作しないため、こうしたアンテナは、通常、単一衛星通信システム（すなわち、比較的狭い周波数帯にわたって動作する単一システム）だけと適合する。したがって、通常、異なる衛星通信システムとともに動作する、それぞれ異なる地上プラットフォームに、異なるアンテナを設けることが必要である。
【００１０】
したがって、ＥＳＡアンテナのコストおよび大きさと比較して、比較的低コストで小型である信頼性のあるアンテナを提供することが望ましいであろう。さらに、地上局で、航空機またはヘリコプターなどの機上ステーションで、ＨＵＭＶなどのモバイル地上車両上で使用することができるアンテナを提供することが望ましいであろう。またさらに、比較的広い周波数範囲にわたって動作する一方、全周波数範囲にわたってステアリング可能なアンテナビームを提供することが望ましいであろう。この提供によって、アンテナは、それぞれがアンテナの動作周波数範囲内の異なる周波数で動作する、多くの異なる衛星通信システムと適合する。
発明の概要
本発明によれば、アンテナは、下方（部）プレートアセンブリのアンテナポートに供給される入力信号に応答して、下方プレートアセンブリの第１の表面上にフィード（給電）信号を供給する下方プレートアセンブリと、放射アパーチャ（開口）を画定する複数の放射素子（エレメント）に結合される給電回路を有する上方（部）プレートアセンブリとを含む。上方プレートアセンブリは、下方プレートアセンブリの第１の表面上に回転可能に配置されて、給電回路が下方プレートアセンブリと複数の放射素子の間でエネルギーを結合するようにする。下方プレートアセンブリに対する上方プレートアセンブリ上の給電回路の位置がアンテナの走査角度を決定する。この特定の装置構成によって、上方プレートアセンブリ上の給電回路と下方プレートアセンブリの間の角度を変えることによりそのアンテナビームの走査を可能にするアンテナが実現できる。下方および上方プレートアセンブリを平行プレート導波路から設けることができる。下方および上方プレートアセンブリのそれぞれの導波路は整列し、上方プレートアセンブリの給電回路はラインカプラ（たとえば、スロット）として設けることができ、ラインカプラは、平行プレート導波路伝送ライン（線路）とコーポレート給電（corporate feed）の間でエネルギーを結合する。ラインカプラが下方プレートアセンブリ上の給電信号をインターセプト(捕捉)する角度は、仰角(elevation)平面におけるアンテナ走査角を決定する。したがって、ラインカプラが下方プレートアセンブリ上の給電信号をインターセプトする角度を変えることによって、仰角平面におけるアンテナ走査角度が変わる。
【００１１】
上述の本発明の特徴ならびに本発明自体は、図面と関連する以下の説明からより完全に理解されるであろう。
【００１２】
ここで図１を参照すると、アンテナ１０は、表面１２ａおよび一対のアンテナポート１４ａ、１４ｂを有する下方プレートアセンブリ１２を含む。特定の一実施形態において、アンテナポート１４ａ、１４ｂのそれぞれは、２つの直交無線周波数（ＲＦ）信号（たとえば指向された電界Ｅ_x、Ｅ_y）の１つに対する給電ポートに対応する。
【００１３】
下方プレートアセンブリ１２は、一対の導電プレート１６、１８によって設けられ、一対の導電プレート１６、１８は、図７〜９に関して以下で述べるように、一対の平行プレート導波路伝送経路を形成する。下方プレートアセンブリ１２の表面１２ａから突き出る部材２０は、その中に導波路遷移回路が設けられる。一実施形態において、導波路遷移回路は、図９に関して以下で説明するように、９０°屈曲部として設けられる。本明細書では、導波路遷移回路は、プレート１６、１８内に形成された導波路伝送経路から、部材２０を通って、また部材２０内に設けられた導波路開口２２ａ、２４ａに至る導波路伝送経路内へ信号を結合するということを述べるだけに留めておく。したがって、ポート１４ａ、１４ｂに供給される信号は給電信号を生成し、この給電信号は、プレート１６、１８に設けられた伝送経路を通って、また部材２０内の遷移回路を通って伝搬し、開口２２、２４を通って下方アセンブリ１２の励起（励振）領域２５内に送られる。こうして供給された給電信号は、給電領域２５において一様な励振をもたらす。
【００１４】
上方プレートアセンブリ２６は放射層２８を有し、全体を３０で示す複数の放射素子が放射層２８上に配置される。放射素子３０は、米国特許第５，４８３，２４８号および同第５，９９５，０５５号に記載されるタイプとして設けることができ、この米国特許の両方は本発明の譲受人に譲渡されており、この米国特許の両方の全文を参照により本明細書に援用する。上方プレートアセンブリ２６は伝送経路３１を含み、伝送経路３１は、下方プレートアセンブリ１２内の導波路開口２２、２４から伝搬する給電信号を受け入れる。
【００１５】
伝送経路３１は、本明細書では、一対の導波路伝送ライン３２、３３から設けられる。一実施形態において、導波路伝送ライン３２、３３は一対の導電プレートから設けられ、一対の導電プレートは平行プレート導波路を形成する。上方プレートアセンブリ２６が下方プレートアセンブリ１２の表面１２ａ上に配置されると、開口３２、３３が、部材２０内に設けられた開口２２ａ、２４ａと整列する。
【００１６】
下方プレートアセンブリ１２に対する上方プレートアセンブリ２６の位置は、仰角平面における主アンテナビーム３１の走査角度（すなわち、図１のデカルト座標系で示される場合の角度θ）を決める。したがって、下方プレートアセンブリ１２に対する上方プレートアセンブリ２６の回転（たとえば、図１のデカルト座標系のｘ−ｙ平面における上方プレートアセンブリ２６の時計方向回転または反時計方向回転）は、仰角平面におけるアンテナビーム３１を走査する。アンテナビーム３１の位置は、アンテナ１０の動作周波数の変化に応じて変わることがないことに留意すべきである。
【００１７】
両方のプレートアセンブリ１２、２６の回転（すなわち、図１のデカルト座標系のｘ−ｙ平面での回転）によって、方位方向（すなわち、図１の座標系に示されるΦ方向）におけるアンテナビームの移動が生ずる。仰角ビーム方向および方位ビーム方向は直交するため、アンテナは円錐体積を走査できる。特定の一実施形態において、アンテナ１０は約５０°の円錐体積を走査する。
【００１８】
上方プレートアセンブリ２６に形成される平行プレート導波路伝送ラインは、比較的広い導波路として現れ、したがって、比較的低い損失フィールドである擬似横方向電磁（ＴＥＭ）給電フィールド(場)を励振することが可能である。理想的には、アンテナ１０の全円形開口を励振することが望ましい。その理由は、全円形開口が励振されると、主ビームおよび一連のサイドローブを有する遠方界放射パターンを得ることが可能になるためであり、この時、第１のサイドローブのレベルは主ビームのおよそ１７デシベル（ｄｂ）下にある。給電信号の擬似ＴＥＭ特性のために、ほぼ全ての放射素子３０が励振される。
【００１９】
走査機構は能動構成要素を使用せず、したがって、アンテナ１０は、比較的低いコストのアンテナである。さらに、アンテナは比較的低い外形を有する比較的小型のアンテナとして設けることができる。一実施形態において、下方プレートアセンブリ１２の底部表面から、放射アンテナ要素３０がその上に配置される放射層２８の表面までの距離は、約３インチである。
【００２０】
アンテナ１０が通信システムの一部として設けられると、アンテナ導波路ポート１４ａ、１４ｂを、１つまたは複数のマルチプレクサまたは１つまたは複数の受信機回路または１つまたは複数の送信機回路に結合することができる。一実施形態において、アンテナポート１４ａ、１４ｂの第１のポートは受信機回路に結合され、アンテナポート１４ａ、１４ｂの第２のポートは送信機回路に結合される。こうして、アンテナ１０は、同時送受信走査ビームを供給できる（すなわち、アンテナ１０は全二重通信方式アンテナとして設けることができる）。
【００２１】
一用途において、アンテナ１０は、ブレークビフォメークハンドオフ(hand-off)必要条件を有するインターネット通信用の地上局アンテナとして動作することができる。こうした用途において、２つのこうしたアンテナ１０を利用することが望ましく、このアンテナのそれぞれは、全二重通信方式動作特性を有し、それぞれのアンテナが、衛星局に対して全二重通信方式信号ビーム機能を提供できるようになっている。アンテナのうちの第１のアンテナは衛星と通信し、アンテナのうちの第２のアンテナは同様のインターネット接続を介して他の地上局に結合される。それぞれのアンテナは異なる周波数で同時に送受信できるため、信号は同時に反対方向へ移動する。
【００２２】
アンテナの走査角度は周波数に依存しないため、アンテナは、衛星または他の通信システムにおいて比較的広い範囲の周波数にわたって動作できる。一実施形態において、アンテナは、５５％の動作帯域幅を有するように設けられる。
【００２３】
アンテナポート１４ａ、１４ｂと放射素子３０の間の伝送経路を平行プレート導波路から設けることによって、また比較的低い損失の遷移回路およびカプラ回路を利用することによって、アンテナ１０は、比較的低い伝送損失および散乱損失を有するように設けられる。また、アンテナの能動開口は円形で、利用可能な領域は全て利用できる。低損失アンテナとしてアンテナを設け、利用可能なアンテナ開口を効率良く利用することによって、アンテナを利用する通信システムは、単一の送受信増幅器を使用でき、したがって、ＥＳＡアンテナに関連する複雑さおよびコストが避けられる。
【００２４】
アンテナポート１４ａ、１４ｂのそれぞれは、放射層上の放射素子３０に個別に結合されることを理解すべきである。したがって、二重偏波を供給し、また個別に結合することができる。
【００２５】
たとえば、第１の偏波を有する第１の信号、たとえば、ｘ指向性電界を有する信号Ｅ_xはポート１４ａに供給することができる。同様に、第２の偏波を有する第２の信号、たとえば、ｙ指向性電界を有する信号Ｅ_yはポート１４ｂに供給することができる。第１の信号および第２の信号は、ポート１４ａ、１４ｂから開口２８までの間ずっと、アンテナ１０において個別に扱われる。したがって、第１の信号および第２の信号を組み合わせることが可能である（たとえば、ポート１４ａ、１４ｂで）。第１の信号および第２の信号が、直交指向性信号（たとえば、Ｅ_x、Ｅ_y）である場合、信号を組み合わせて、円偏波を含む任意の偏波を有する信号を供給することができる。
【００２６】
ここで図２を参照すると（図２では、図１のアンテナシステム１０の同じ要素は同じ参照番号を有するようにしている）、上方アセンブリ２６は放射層２８を含む（見やすくするために放射器３０を省略）。放射層２８は、たとえば誘電体基板から提供することができ、誘電体基板は、複数の放射素子３０が、組み込まれるか、その他の方法でその上に配置されるか、またはその中に設けられる、第１の表面を有する。図５Ａに関して以下で説明する一実施形態において、放射層２８は、その上にカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）層が配置されている発泡体（フォーム：foam）層（たとえば、連続気泡発泡体または独立気泡発泡体）から設けられる。その後、放射器３０がカプトン層上に配置される。
【００２７】
特定の一実施形態において、放射器３０は、放射器層２８に接合されるか、またはその他の方法で結合される導電ブロックとして設けられる。導電ブロックは、機械加工処理によって、あるいは、金属デポジション（蒸着）技法などの付加工程によるか、あるいはパターニング処理またはサブトラクティブエッチング処理などのサブトラクティブ処理により誘電体層２８上に放射器３０を設けることによって、提供することができる。
【００２８】
放射層２８はグランドプレーン（接地面）層３６の第１の表面上に配置される。グランドプレーン層３６は、第１および第２の反対向きの導電面３６ａ、３６ｂを有するように設けられる。グランドプレーン層３６は、たとえば、導電プレートから、またはメタライゼーション（金属化）された表面３６ａ、３６ｂを有する誘電体部材から設けることができる。グランドプレーン層は、上方給電回路３７上に配置され、上方給電回路３７は、その中にライン給電部４８が配置される回転式ラインカプラ回路４６の第１の表面上に配置される。上方給電回路３７は、回転式ラインカプラ回路４６内に設けられるライン給電部４８と組み合わさって、放射層２８上の放射素子３０に給電信号を供給する。
【００２９】
この特定の実施形態において、上方給電回路３７は、一対のコラム（列）ビームフォーマ層３８、４２から設けられる。層３８、４２はそれぞれ、ライン給電部４８から所定の偏波を有する給電信号を結合し、給電信号を放射器３０に供給する。こうして、異なる偏波を有するＲＦ信号が送られ、放射素子３０に個別に結合する。したがって、アンテナ１０は所定の異なる偏波を有する信号に応答できる。
【００３０】
図２に示すように、層３８、４２はそれぞれ、ライン給電部４８から給電信号を結合し、層３８、４２のそれぞれに設けられた個々のコラム４０、４４を通して、給電信号を放射器に供給する。したがって、層３８、４２のそれぞれは、複数の個別のコラム４０、４４をそれぞれ有するように設けられており、それらコラムは、給電層３４上の放射素子３０のうち所定の素子に給電信号を供給する。コラム４０、４４のうちのいくつかだけがここに示されており、残りのコラムは見やすくするために省かれている。図３〜図５Ａに関して以下で述べるように、層３８、４２は、２方向(binomial)給電回路を形成する導電材料から設けることができる。別法として、層は、金属化した誘電体層（たとえば、メタライズドプラスチック層）として設けることができる。
【００３１】
上方給電回路３７は、ここでは一対の層３８、４２から設けるものとして示されているが、実施形態によっては、複数層よりもむしろ単一層から給電回路３７を設けることが望ましい場合があることを理解すべきである。さらに別法として、実施形態によっては、３層以上から上方給電回路３７を設けることが望ましいか、またはその必要がある場合がある。給電回路３７が、回転式ラインカプラアセンブリ４６から、給電層３４上の放射素子２８へ給電信号を結合できる限り、給電回路は、任意の数の層を有するように設けることができる。
【００３２】
重要であるのは、回転式ラインカプラアセンリ４６は下方給電アセンブリ１２に対して回転可能であることである。ここでは下方プレートアセンブリ１２の領域２５の表面１２ａから突き出るピンまたは他の部材として示される、整列機構４９は、回転式ラインカプラアセンブリ４６を下方給電アセンブリと整列させる。一実施形態において、層２８、３６、３８、４２および４６は組み合わされて、上方プレートアセンブリ２６を設け、上方プレートアセンブリ２６は、下方プレートアセンブリ１２の給電領域２５に回転可能に配置される、
したがって、本発明のアンテナは、比較的単純なライン源−平行プレート導波路結合機構を単一スロットに対して利用し、単一スロットは、給電信号をそれぞれのアンテナ要素に供給する同じ経路長を有するコーポレート給電部に給電することを理解すべきである。また、アンテナは、真の（true）遅延時間結合機構を利用するため、アンテナの動作周波数が変わる時、アンテナビームの位置は同じところに留まる。すなわち、アンテナビーム３１（図１）は、所与の機械的走査位置について、全てのアンテナ動作周波数で同じ空間的位置にある。
【００３３】
図１および２に関して述べた手法によると、放射素子の行（row：ロー）に沿って線形な位相分布を確立することができ、上方アセンブリコラムビームフォーマは等位相分布を提供する。等しい経路長（図５に関して以下で述べる）によって比較的広い帯域を有するアンテナが得られる。
【００３４】
ここで図３〜図４Ａ（図１および２の同じ要素は同じ参照番号を有するようにしている）を参照すると、図２に関して上述したタイプとすることができるビームフォーミング層３８’は複数の導電層を含む。ここでは１２個の導電層５０〜６８があり、その導電層において、チャネルすなわち開口６９が、ビームフォーミング回路を形成するように設けられるか、またはその他の方法で設けられる。給電信号はチャネル６９を通って放射素子３０（図１）に伝搬する。１２個の導電層５０〜６８がここでは示されているが、１２個より少なくても多くてもよいことが当業者には理解されるであろう。任意の特定の用途で使用する層の特定の数は、限定はしないが、アンテナの放射素子の大きさ、形および数を含む種々の要因によって選択される。考えるべき他の要因は、ビームフォーミング層３８および４２を設けるのに使用できる製造技法のコストおよび複雑さである。
【００３５】
層５０〜６８は導電材料（たとえば、銅のような金属または他の適当な導電材料）から作ることができ、この導電材料は、比較的低い伝送損失でＲＦ信号がそこを通って伝搬できる伝送ライン（たとえば、チャネル６９などのチャネル）の導電壁を形成するのに適しているであろう。別法として、層５０〜６８は、チャネル６９がその内部に形成されている非導電材料（たとえば、ＰＴＦＥまたはプラスチックまたは構造発泡体（ストラクチュアルフォーム：structural foam)などの誘電体材料）から作ることができ、この非導電材料は、その後、適当な導電材料を用いて金属化される。その導電材料は、信号経路６９の導電壁を設けるのに適しているため、ＲＦ信号は比較的低い伝送損失で導電壁６９を通って伝搬できる。
【００３６】
特定の一実施形態において、層５０〜６８にはコラムカプラ、コラムビームフォーマおよびユニットセルカプラが設けられる。コラムカプラはコラムビームフォーマへの遷移を提供する。コラムビームフォーマはｃｏｓ（Ｐｄ／４）振幅分布を有する、真の時間遅延の等位相分布を提供する。ユニットセルカプラは、垂直発射器(launches)として設けられており、ユニットセル放射器３０への遷移を可能にする。放射器３０は二重直交ＣＴＳ放射器として設けられ、自由空間へのフェーズドアレイインタフェースを形成する。
【００３７】
ここで図５を参照すると、複数のコーポレート給電回路７０ａ〜７０Ｎから設けられるコーポレート給電構造７０はアンテナ１０のそれぞれの象限に配置されており、アンテナの１つの象限だけが図５に示されている。コーポレート給電構造７０は、図３〜図４Ａに関して上述したビームフォーミング層内に設けられるタイプであってよい。コーポレート給電回路７０ａ〜７０Ｎのそれぞれは、複数の給電ポイント７２ａ〜７２Ｎの対応するポイントから供給される。コーポレート給電回路７０のそれぞれは、全体を７１で示す、複数の電力分割器回路から設けられる。電力分割器回路７１ａを電力分割器回路７１の全てを表すものと考えると、ポート７１ｂに送られた信号に応答して、回路７１は等位相、等振幅信号をポート７１ｃ、７１ｄに供給する。
【００３８】
位相ライン７７はコーポレート給電回路７０内に適切に挿入されるため、給電ポイント７２ａに供給される信号に応答して、コーポレート給電回路７０ａは等位相、等振幅信号をポート７４ａ〜７４ｌに供給する。こうした信号は、次に、ユニットセルカプラにおいて、放射素子３０（図１）のそれぞれの素子に結合する。したがって、コーポレート給電回路７０Ｎは、ポート７８ａ〜７８ｄの等位相、等振幅信号を放射素子３０に供給する。コーポレート給電部７０は比較的長い経路長７７を含み、その経路長がポート７８ａ〜７８ｄの位相をポート７４ａ〜７４ｌの位相に等しくなるように保つことに留意すべきである。
【００３９】
ここで、図５Ａ（図１〜５に関して上述したアンテナ１０と同じであってよい）を参照すると、アンテナ１０’の一部は、放射層８２の一部として設けられる複数の放射素子３０’を含む。放射層８２は一対の誘電体層８３、８４から設けられる。
【００４０】
一実施形態において、誘電体層８３は、そこに導電ブロック３０’が結合（ボンド）されるカプトン層として設けられる。導電ブロックは、機械加工処理によって、あるいは、付加工程（たとえば、金属蒸着）またはサブトラクティブ処理（たとえば、パターニング処理またはサブトラクティブエッチング処理）により誘電体上に放射器を設けることによって、設けることができる。層８４は、連続気泡発泡体、独立気泡発泡体または構造発泡体から作られる。
【００４１】
放射層８２はグラウンドプレーン層８６の上に配置され、グラウンドプレーン層８６はコラムビームフォーマ層８７の上に配置される。複数のラインカプラ９０は、グラウンドプレーン層を通して（たとえば、グラウンドプレーン層８６内に配置された開口を通して）、層８８、８９内に配置されたコラムビームフォーマ回路と放射器３０’の間でエネルギーを結合する。
【００４２】
ここで図６および図６Ａ（図１〜図４Ａの同じ要素は同じ参照番号を有するようにしている）を参照すると、下方プレートアセンブリ１２は、その上に配置された平行プレート導波路から設けられる回転式ラインカプラアセンブリ４６を有するように示される。ポート１４ａ、１４ｂ（図１）の１つに送られる信号は、下方プレートアセンブリ１２を通して、給電ラインの長いラインアレイ４８に結合する。
【００４３】
図１〜図４Ａに関して上述したように、アンテナポート１４ａ、１４ｂの１つに送られる信号は、平行プレート導波路および遷移回路を通して結合し、一様な位相面(phase front)９８を有する給電信号として回転式ラインカプラアセンブリ４６に供給される。ラインカプラ給電部４８によって供給される給電信号の角度は、式１、すなわち、
【００４４】
【数１】
ｓｉｎθ＝ｓｑｒｔ（ε_r）ｓｉｎθ’ （式１）
で示すように計算することができる。ここで、
θはアンテナ仰角走査角度に相当し、
ε_r1は下方プレートアセンブリ１２内の伝送媒体の比誘電率に相当し、
ε_r2はラインカプラアセンブリ４６内の伝送媒体の比誘電率に相当し、
θ’は同位相の給電信号９８に対するラインカプラ４８の角度に相当する。
【００４５】
したがって、回転式ラインカプラアセンブリ４６は、走査用の真の遅延時間の線形な位相分布を導入し、その分布によって、アンテナビームの向きが特定の方向にステアリングされることになる。
【００４６】
一実施形態において、下方プレートアセンブリ１２は、一様な給電信号をラインカプラ４８に供給するコーポレート給電回路を含む。図１０に関して以下で述べる好ましい実施形態において、下方アセンブリ１２は、いわゆるピルボックス給電部（ＴＢＲ）から設けられる一次元ビームフォーマに対応する。
【００４７】
回転式ラインカプラアセンブリ４６を下方プレートアセンブリ１２上に配置した後、アセンブリ４６は下方プレートアセンブリ１２に対して移動可能である。特に、ラインカプラ４８が給電信号を下方アセンブリ１２からインターセプトする角度を変えることができる。さらに、ラインカプラ４８が給電信号を下方プレートアセンブリからインターセプトする角度は、仰角方向におけるアンテナビーム３１（図１）の走査角度を決定する。
【００４８】
一実施形態において、リング軸受けを利用して、下方プレートアセンブリ１２に対するアセンブリ４６の回転が容易になり、それによって、ラインカプラ４８が下方アセンブリ１２によって供給される給電信号をインターセプトする角度を変える。アセンブリ４６が下方プレートアセンブリ１２に対して回転する実施形態において、整列ピン４９は回転軸の役目を果たすことができる。
【００４９】
アンテナＲＦインタフェースを提供するアンテナ導波路ポート１４ａ、１４ｂは、たとえば、剛性導波路として設けることができる。
ここで図６Ｂを参照すると、距離に対する電界振幅（大きさ）の図が示される。曲線１００は下方給電アセンブリ（たとえば、図１に関して上述した下方給電アセンブリ１２）によって供給される振幅分布に対応し、一方、曲線１０２は上方給電アセンブリ（たとえば、図１に関して上述した上方給電アセンブリ２６）によって提供される振幅分布に対応する。理想的には、振幅分布１００、１０２の組み合わせが直線１０３に対応する。上方または下方プレートアセンブリのいずれかによって提供される振幅１００、１０２のテーパー部(taper)のいずれかを変えて、アンテナの振幅歪みを統制することが可能であることに留意すべきである。
【００５０】
ここで図７〜図９（図１および２の同じ要素は同じ参照番号を有するようにしている）を参照すると、下方プレートアセンブリ１２は一対の平行プレート導波路を含み、その導波路は、そこを通って、理想的に一様なＴＥＭフィールドを伝搬させる導波路伝送ライン２２、２４を形成する。図８および９に見られるように、導波路は、平行プレート導波路内に２つの９０°屈曲部１０４、１０５を設けられており、その屈曲部は、ＴＥＭのフィールド方向および物理的レベルを変える。下方プレートアセンブリから供給されて得られる信号は、上方プレートアセンブリ２６（図７〜図９に示さず）に理想的に一様なＴＥＭフィールドを伝搬させて、上述したように放射素子に結合させるようにする。
【００５１】
下方プレートアセンブリ１２は、ここでは２つの平行プレート導波路から設けられるが、用途によっては、１つの平行プレート導波路のみを使用することが望ましいか、またはその必要がある場合があり、その場合には、アンテナはアンテナポート１４ａ、１４ｂのうちの単一のポートのみを有するように設けられることを理解すべきである。さらに別法として、ある用途においては、３個以上の平行プレート導波路から下方プレートアセンブリを設けることが望ましいか、またはその必要がある場合がある。この場合、それぞれの導波路伝送ラインはそれ自体のポートを有するように設けることができる。
【００５２】
下方プレートアセンブリ１２が１個または３個以上の平行プレート導波路を有するように設けれらる場合、相応して、下方プレートアセンブリ１２から供給される信号を受け取るように、上方プレートアセンブリ２６を変更しなければならない。
【００５３】
ここで図１０を参照すると、下方プレートアセンブリ１２はピルボックス給電部から設けられる一次元ビームフォーマを有するように設けられ、ピルボックス給電部において、導波路給電部１４の角度１１０が平面Ｐ１でもたらされる振幅のテーパー部を統制する。一実施形態において、ピルボックス給電部は、下方プレートアセンブリ１２の平行プレートを、ｃｏｓ^-1（Ｐｄ／４）の振幅歪みを有するＴＥＭフィールドで照射する。ピルボックス給電部は、平行プレート導波路内の２つの９０°屈曲部１０４、１０５（図９）を通して信号を供給し、屈曲部はＴＥＭフィールドの方向およびレベルを変える。その後、フィールドは、ラインカプラアセンブリ４６内に設けられる第２の平行プレート導波路伝送ラインを通して、ラインカプラ４８に送られる。
【００５４】
本発明の好ましい実施形態について述べたが、本発明の概念を取り入れた他の実施形態を用いることができることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の実施形態は、開示された実施形態に限定されるべきでなく、特許請求の範囲の精神およびその範囲によってのみ限定されるべきであると考える。
【００５５】
本明細書で引用した全ての出版物および参考文献の全文を、参照により本明細書で明示的に援用する。
【図面の簡単な説明】
【図１】機械的にステアリング可能であり、周波数に依存しないアレイアンテナの部分分解斜視図である。
【図２】図１の、機械的にステアリング可能であり、周波数に依存しないアレイアンテナの分解斜視図である。
【図３】ビームフォーマ層の平面図である。
【図４】図３のライン４−４で切り取った図３のビームフォーマ層の断面図である。
図４Ａは、図４のライン５−５で切り取った図３および図４のビームフォーマ層の一部の詳細を示す図である。
【図５】図１のアンテナで使用することができるタイプのコーポレート給電構造の略図である。
図５Ａは、機械的にステアリング可能であり、周波数に依存しないアレイアンテナの断面略図である。
【図６】下方プレートアセンブリおよびラインカプラアセンブリの分解斜視図である。図６Ａは、ラインカプラアセンブリがその上に配置されている下方プレートアセンブリの平面図である。
図６Ｂは、図６Ａの下方プレートアセンブリおよびラインカプラアセンブリの間の距離に対する下方プレートアセンブリおよびラインカプラアセンブリの電界振幅分布を示す図である。
【図７】下方プレートアセンブリの平面図である。
【図８】図７のライン８−８で切り取った下方プレートアセンブリの断面図である。
【図９】図８のライン９−９で切り取った下方プレートアセンブリの詳細図である。
【図１０】ピルボックス給電回路の線図である。

Claims

少なくとも１つのアンテナポートを有する下方プレートアセンブリであって、前記少なくとも１つのアンテナポートに供給される入力信号に応答して、前記下方プレートアセンブリの第１の表面上に給電信号を供給する下方プレートアセンブリと、
放射開口を画定する複数の放射素子に結合される給電回路を有する上方プレートアセンブリであって、前記上方プレートアセンブリは、前記下方プレートアセンブリの前記第１の表面上に回転可能に配置されて、前記給電回路が前記下方プレートアセンブリと前記複数の放射素子の間でエネルギーを結合するようにし、前記下方プレートアセンブリに対する前記上方プレートアセンブリ上の前記給電回路の位置がアンテナの走査角度を決定する、上方プレートアセンブリと、
を備えたアンテナ。
前記上方プレートアセンブリは、
前記下方プレートアセンブリの前記第１の表面上を伝搬するＲＦエネルギーを結合するように配置される回転ラインカプラと、
前記回転ラインカプラからＲＦエネルギーを結合するように配置されるコラムカプラと、
前記コラムカプラからＲＦエネルギーを結合するように配置されるコラムビームフォーマ回路と、
前記コラムビームフォーマ回路と前記複数の放射素子との間でＲＦエネルギーを結合するように配置される素子カプラとを備え、前記下方プレートアセンブリに対する前記回転ラインカプラの位置が前記アンテナの走査角度を決定する、請求項１に記載のアンテナ。
前記下方プレートアセンブリは、
前記アンテナポートに結合される第１の部分および第２の部分を有する少なくとも１つの平行プレート導波路伝送ラインと、
前記平行プレート導波路伝送ラインの前記第２の部分に結合される第１の部分および前記上方プレートアセンブリに結合される第２の部分を有する遷移回路と、
を備える請求項１に記載のアンテナ。
前記遷移回路は、少なくとも１つの９０°の屈曲部を有する導波路伝送ラインを備える、請求項３に記載のアンテナ。
前記下方プレートアセンブリは、第１のアンテナポートおよび第２のアンテナポートを有するように設けられ、前記下方プレートアセンブリは、一対の平行プレート導波路から設けられるビームフォーマをさらに備え、前記アンテナポートの各々は、前記平行プレート導波路の所定の１つに個別に結合され、前記ビームフォーマは、前記第１および第２のアンテナポートならびに前記複数の放射素子の間でエネルギーを結合するように適応される、請求項１に記載のアンテナ。
給電領域を有する下方プレートアセンブリと、
ラインカプラを含むラインカプラアセンブリであって、前記下方プレートアセンブリの前記給電領域に移動可能に配置されて、前記下方プレートアセンブリの前記給電領域と前記ラインカプラとの間で信号を結合する、ラインカプラアセンブリと、
前記ラインカプラアセンブリ上に配置され、前記ラインカプラと給電回路内に設けられた複数の放射素子給電ポートとの間で信号を結合する給電回路と、
複数の放射素子を有する放射層であって、前記給電回路上に配置されて、前記給電回路内に設けられた前記複数の放射素子給電ポートが前記複数の放射素子の対応するものと電気的に結合されるようにする、放射層と、
を備えたアンテナ。
前記アンテナによって供給されるアンテナビームの空間的位置は、前記給電領域における前記ラインカプラの相対位置によって決定される、請求項６に記載のアンテナ。
前記給電回路はコーポレート給電構造を備える、請求項６に記載のアンテナ。
前記下方プレートアセンブリはピルボックス給電回路を備える、請求項６に記載のアンテナ。
前記下方プレートアセンブリはコーポレート給電回路を備える、請求項６に記載のアンテナ。
前記ラインカプラアセンブリは一対のラインカプラを備え、該ラインカプラの各々は、前記下方プレートアセンブリの前記給電領域内に移動可能に配置されて、前記下方プレートアセンブリの前記給電領域内で信号を結合する、請求項６に記載のアンテナ。