JPH02122702A - 多数の周波数素子を有するマイクロストリップアンテナシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明はマイクロストリップ素子から構成されたアレイ
アンテナ、特に各素子が異なる周波数帯域で放射するよ
うに同調された複数のラジェータから形成されているア
レイアンテナに関する。

［従来技術］ マイクロストリップアンテナシステムは宇宙船およびコ
ンパクトなアンテナ構造を必要とするその他の環境にお
いて有効に使用されている。アレイアンテナは誘電体材
料から形成されたボードから容易に構成され、ボードは
反対面上の金属シートにより被覆されている。導電金属
ストリップによって互いに接続されたパッド型のアンテ
ナ素子のアレイはボードの片側の金属シートから容易に
エツチングされる。フォトリソグラフ技術は製造を促進
し、アンテナ素子および相互接続導体を高い精度で形成
するようにエツチングの際に使用されてもよい。

〔発明の解決すべき課題］ マイクロストリップアンテナ素子の電気特性は、アンテ
ナ素子のアレイの構造と同様に個々のアンテナ素子の構
造において特に重要である。原形ボードの厚さはボード
の一面上のアンテナ素子とボードの反対面上の金属シー
トによって与えられた接地平面との間の距離を決定する
。電気特性は素子と接地平面との間の距離に影響される
。パッド型アンテナ素子の電磁動作に関して、接地平面
から間隔を置かれた素子の物理的構造は、動作の分析お
よび理解のために特定の電磁モードで共振するオーブン
ウォールド空洞に例えられ、蓄積されたエネルギの電磁
信号の１サイクル毎に消費されるエネルギに対する比率
である比較的高いＱの値を有する。

素子と接地平面との間の距離の電気特性に対する影響の
一例として、距離の減少はオーブンウォールド空洞のＱ
を高め、アレイの面に沿って素子から素子へ伝播するこ
とができる表面波の発達を抑制し、アレイによって放射
されたビームの走査期間中に主内容の観察の際にブライ
ンド角を抑制し、アンテナ素子のアレイによって送信ま
たは受信される信号の帯域幅を減少することが認められ
ている。素子と接地平面間の距離に対する電気特性のこ
の依存性はマイクロストリップアレイアンテナ用の電気
特性の選択の際に必然的に代償を伴う。例えば、距離が
表面波および走査ブラインド角スを避けるために減少さ
れた場合、アンテナは非常に狭いために所望の指令の実
行に利用されることができない帯域幅を有する。

十分な帯域幅がない場合に２つの分野において問題が生
じる。１つの分野は広帯域信号の送信に関連し、これは
上記のアンテナ素子によって与えられるものよりも広い
帯域幅を有する信号である。

関連する第２の領域は、電磁放射の周波数の変化によっ
て走査されるファンビームの発生に関する。

このようなファンビームの発生に関して例示すると、あ
る共通したアンテナ構造は１組のアンテナ素子、または
一定した遅延で互いに接続されるサブアレイを含む。電
磁放射周波数の変化はアンテナ素子またはサブアレイの
連続したものによって出力された信号中の位相シフトの
変化を導く。このようなファンビームの成功的な走査は
、各アンテナ素子またはサブアレイが周波数においてシ
フトを適合させるのに十分に広い帯域幅を有することで
あると予測される。しかしなから、現在利用できるマイ
クロストリップアレイアンテナの場合、狭い帯域幅は広
帯域信号の送信および周波数走査ファンビームの使用を
過度に制限する。

［課題解決のための手段］ 本発明にしたがって、各アンテナ素子がラジェータのア
レイとして形成され、アンテナ素子の各ラジェータはア
ンテナ素子の別のラジェータと異なる周波数で共振する
ように構成されているマイクロストリップアンテナシス
テム１こよって上２己の問題が克服され、その他の利点
がもたらされる。

例えば、３または４個１組のラジェータが１つのアンテ
ナ素子構成に使用されてもよい。各ラジェータは正方形
パッドの形を有し、パッドは特有の放射特性を提供する
ために方形または円形等の別の形状を存してもよいこと
が理解される。特に、対角線方向に延在するスロットを
具備した方形パッドは円偏波放射の発生に有効である。

本発明の別の特徴によると、単一素子の各ラジェータは
別々の周波数帯域で放射を送信および受信するように構
成され、連続したラジェータの周波数帯域はスペクトル
において連続した隣接する送信／受信帯域として設けら
れる。論議のため、本発明は放射の送信を参照して示さ
れているが、アンテナは入来する電磁信号を受信するた
めにレシプロ的に動作することが理解される。単一のア
ンテナ素子中の１組のラジェータの構造を例にとると、
フィードに最も近いラジェータは送信帯域の低周波数部
分での送信のために大きい寸法を有し、第２のラジェー
タは中間の周波数での信号の送信のためにそれより小さ
い寸法を存し、第３のラジェータは帯域の高周波数部分
の送信のためにさらに小さい寸法を有する。

ラジェータはフェライトサーキュレータによって接続さ
れている。ラジェータを備えたサーキュレータの動作は
、異なる周波数に同調された３個のラジェータの上記の
例を参照して説明される。

最低周波数のラジェータは第１のサーキュレータを介し
てフィードに接続されている。第２のラジェータは第２
のサーキュレータを介して第１のサーキュレータの出力
端子に接続されている。第３のラジェータは第２のサー
キュレータの出力端子に接続されている。例によると、
低帯域信号、中間帯域信号および高帯域信号を含む電磁
放射は第１のサーキュレータの第１のポートに供給され
る。

これらの信号は第１のサーキュレータの第２のポートに
よって第１のラジェータに出力される。低帯域信号はラ
ジェータから放射し、中間帯域および高帯域信号は反射
されて第１のサーキュレータに戻される。したがってこ
れらの信号は第１のサーキュレータの第３のポートに入
り、第２のサーキュレータの第１のポートに入る。第２
のサーキュレータは中間帯域信号を放射し、−刃高帯域
信号を反射して第２のサーキュレータに戻す第２のラジ
ェータにこれらの信号を出力する。第２のサーキュレー
タは第３のポートから第３のラジェータに高帯域信号を
出力する。このように、アンテナ素子の各ラジェータは
、使用されるラジェータまたはサーキュレータの数に応
じてアンテナ素子が単一のラジェータの２．３または４
倍の帯域幅に等しい帯域幅を有する信号を放射すること
を可能にする信号帯域全体の特定の部分を受信および送
信する。本発明の実施例は、反射器を使用せずに広帯域
信号を送信する位相化されたアレイアンテナ、あるいは
衛星から地上の種々の位置における固定または移動受信
機またはトランシーバへの信号の通信に使用される周波
数走査ファンビーム反射器アンテナシステム用の複数ラ
ジェータアンテナ素子を例として記載されている。

本発明の１実施例において、平面アレイとして構成され
てもよい相補マイクロストリップアンテナシステムは周
波数走査ビームを供給するために反射器を照射する。こ
のアンテナシステムは複雑さが著しく減少され、寸法が
小さく、軽量で、ＲＦ損失が少ない。本発明のこの実施
例のアンテナシステムはビーム形成回路網、共焦点の反
射器システム、パトラ−マトリクスまたは大型の直接放
射アレイを必要とせずに動作されることができる。

［実施例］ 第１図乃至第３図は本発明にしたがって構成されたアン
テナシステム２０を示す。システム２０は、それぞれ誘
電体スラブ２６上のマイクロストリップから構成されて
いる（第３図）アンテナ素子２４のアレイを有するアレ
イアンテナ２２を含む。各アンテナ素子２４は、素子２
４の入力端子３２に接続されている位相シフタ３０を含
むアンテナサブ装置２８の一部として形成されている。

システム２０内には、トランシーバ３８に接続されたパ
ワーデバイダ３６、およびアンテナ２２によって送信さ
れる放射ビームを生成するだめの位相シフタ３０への位
相シフト命令を蓄積する読出し専用メモリ４０も含まれ
ている。

本発明を説明する便宜上、トランシーバ３８およびアン
テナ２２は電磁放射ビームの発生および送信に関連して
説明されているが、アンテナシステム２０は説明が電磁
信号の受信にも同様に適用するように動作においてレシ
プロ的であることが理解される。

トランシーバ３８は、電磁信号を送信および受信するた
めの回路網（図示されていない）を含む。

トランシーバ３８にはメモリ４０、および特定の方向に
ビームを発生するために位相シフト命令の組を選択する
ようにメモリ４０をアドレスするビームセレクタ４２が
含まれている。ビームは種々の位相シフタ３０に対して
異なる位相シフトの組を選択することによって方向を変
えることができる。セレクタ４２はビーム方向を選択す
るために手動で動作されるデジタルエンコーダ、もしく
は自動ビーム走査システムのアドレス発生器であっても
よい。パワーデバイダ３６は、コーホレートフィード構
造の配置で接続されている１組のパワースプリッタ４４
を含み、各スプリッタ４４は入射した送信パワーをスプ
リッタの２つのブランチに等しく分割する。

パワーデバイダ３６は入力端子４６を介して各サブ装置
２８の位相ンフタ３０にトランシーバ３８からのパワー
を等量づつ結合する。メモリ４０からの命令信号は入力
端子４８を介して各サブ装置２８の位相シフタ３０に結
合される。各入力端子４６はそれぞれ符号Ａｌ、Ａ２．
・・・ＡＮで識別され、各入力端子４８はそれぞれ符号
Ｂｌ、Ｂ２．・・・ＢＮで識別される。

各アンテナ素子２４は例示されている３個のラジェータ
のようなラジェータ５０を含み、所望ならばラジェータ
５０の２つだけが使用されるか、或は代わりに４つ以上
のラジェータ５０がアンテナ素子２４の構成に使用され
ることができる。参照を容易するために、３個のラジェ
ータ５０は第２図において符号Ｊ、におよびして示され
ている。３個のラジェータ５０は、便宜上第２図におい
て符号りおよびＥで示されたフェライトサーキュレータ
５２によって互いに接続されている。ラジェータ５ｏを
接続するために必要なサーキュレータ５２の数はラジェ
ータの数よりも１個少ない。したがって、３個のラジェ
ータ５０の場合には２個のサーキュレータ５２が使用さ
れる。アンテナ素子がただ２個のラジェタを有する場合
には、１個のサーキュレータ５２だけが必要である。４
個のラジェータを有するアンテナ素子の場合、全部で３
個のサーキュレータ５２がラジェータの相互接続に必要
である。

ラジェータ５０を具備するアンテナ素子２４の構造を参
照すると、第１のサーキュレータＤは入力端子３２を介
して位相シフタ３０とラジェータＪとを相互接続する。

第２のサーキュレータＥは第１のサーキュレータＤ１第
２のラジェータにおよび第３のラジェータＬを相互接続
する。各サーキュレータ５２は中央に位置された２個の
磁石５６間に設けられたフェライトディスク５４を含み
、その１個は誘電体スラブ２６のいずれかの側に設けら
れている（第２図には磁石５６の上部のものだけが示さ
れている）。各サーキュレータ５２において、フェライ
トディスク５４は、サーキュレータ５２の周りの電磁波
の循環案内を与えるように中央に位置された２個の磁石
を介して一定の磁界に応答して動作する。

サーキュレータの良く知られた構造によると、３つのポ
ートが設けられ、３つのポートは１つのポートから次の
ポートへパワーを伝送するために循環波の組合せをもた
らすようにディスク５４に関して均一に１２０　’の角
度で間隔を付けられている。

両サーキュレータ５２は共に同じ動作をするためサーキ
ュレータＥの動作だけが説明されればよい。

第１のポートＥ１に入ったパワーは第２のポートＥ２に
出る。ボー）Ｅ２に入ったパワーはポートＥ３に出る。

ポートＥ３に入ったパワーはポートＥｌに出る。循環波
の組合せは、本質的に全パワーは他のポートから出るパ
ワーは非常に少量だけで１つのポートだけから出るよう
にしている。

第３図に示されているように、アンテナ素子２４はスラ
ブ２６の背面に設けられた銅または金のような金属のン
ートとして形成されている接地平面５８を含む。ラジェ
ータ５０は金属パッドとして形成され、接地平面５８と
同じ金属から構成されてもよく、接地平面５８と反対の
スラブ２６の前面上に設けられる。平面５８から間隔を
置かれたラジェータ５０のパッドの構造は誘電体材料の
スラブ２６をそれらの間に有し、キャパシタおよびオー
プンウォールド空洞共振器の構造であることが認められ
る。この機械的構造は、特にラジェータ５０から放射さ
れた、もしくはラジェータ５０からサーキュレータ５２
へ反射された電磁波の周波数のこのような帯域に関する
電気特性をラジェータ５０に与える。金属ストリップ導
体６０はラジェータ５０をサーキュレータ５２と相互接
続する。サーキュレータ５２の中に入る導体８０のセク
ションは、サーキュレータポートの形態で通常行われる
ようにサーキュレータ５２の中央に向かって先細にされ
ている。

第４図は方形構造を有し、ラジェータ６２から放射され
た電磁波に円形偏波を与える対角線方向の方位を与えら
れたスロット６４を具備しているラジェータ６２の構造
を示す。ラジェータ６２は、第２図のラジェータ５０の
場合のようにストリップ導体６０によって励起される。

本発明の詳細な説明においてラジェータ５０が参照され
たが、動作の説明はまたラジェータ６２のような異なる
構造を有するラジェータに適用することが理解される。

アンテナ素子２４の動作は第５図のグラフを参照して説
明される。ラジェータＪ、におよびＬはそれぞれ特定の
周波数帯域において放射し、これらの帯域は第５図のグ
ラフの上部に符号Ｊ、におよびＬで示されている。さら
に破線で示されたトレースＭは、本発明の別の実施例の
説明のように第４のラジェータが存在する場合に、第４
のラジェータの放射特性を説明するために与えられてい
る。

ラジェータ５０の重要な特性は各ラジェータがラジェー
タの放射帯域よりも高い周波数でスペクトル範囲に存在
する放射エネルギのこのような部分をサーキュレータ５
２に反射して戻すという事実である。アンテナ素子のラ
ジェータは少し異なる構造または寸法で構成されている
か、もしくはそれらの周波数特性をずらすように負荷さ
れている。これは第５図のグラフの下部に示されており
、グラフのトレースはラジェータＪ、におよびＬに対応
するように同様に符号Ｊ、におよびＬを付けられている
。ラジェータＪは、その放射バスバンド内の周波数で電
磁エネルギを放射するが、パスバンドより上の周波数で
放射エネルギを反射する。同様のことがラジェータにお
よびＬｌ並びに４個のラジェータを有する本発明の実施
例に対しては仮想上爪された第４のラジェータに適用さ
れる。

第１図および第２図に関して、動作の上記原理は以下の
非常に有効な結果をもたらす。信号帯域幅がラジェータ
５０のいずれか１つの放射帯域より広くても、広帯域信
号はアンテナ索子２４を介してトランシーバ３８によっ
て送信されることができる。

例えば、信号帯域幅は第５図のスペクトル範囲Ｊ。

ＫおよびＬにわたって延在すると仮定すると、全てのパ
ワーは入力端子３２およびサーキュレータＤを介してラ
ジェータＪへ入射する。ラジェータＪの放射帯域のスペ
クトル部分は空間へ放射され、一方ラジエータにおよび
Ｌに対する電磁エネルギのスペクトル部分はラジェータ
Ｊから反射されてサーキュレータＤに戻される。残りの
２つのスペクトル部分はそれからサーキュレータＥを介
してラジェータＫに伝送され、Ｋ部分は放射され、Ｌ部
分は反射されてサーキュレータＥに戻される。

サーキュレータＥはラジェータしにＬ部分を出力する。

それによって、協動する３個のラジェータＪ、におよび
Ｌはラジェータ５０の１つの帯域幅の大きさの３倍の帯
域幅を有する電磁信号を放射することができる。アンテ
ナ素子２４がラジェータ５゜の２つだけを使用する場合
、素子２４の帯域幅の容量は単一のラジェータ５０の２
倍となるだけである。

それに対して、素子２４が４個のラジェータ５０を使用
する場合、単一ラジェータ５０のものの４倍の帯域幅を
有する電磁信号がアンテナ素子２４によって送信および
受信されることができる。

アンテナが複数のサブ装置２８を含み、３個のラジェー
タ５０を具備する上述のアンテナ素子２４を有するアレ
イアンテナ２２による放射ビームの発生に関して、各サ
ブ装置２８における位相シフタ３０は種々のサブ装置２
８においてラジェータＪにより放射された信号間に位相
シフトを導くことが認められる。対応した位相シフトは
対応したラジェータにの間、および種々のサブ装置２８
の対応したラジェータＬの間に導入される。それによっ
て３つの各信号帯域において放射された信号は、アンテ
ナ素子２４のアレイがアンテナ２２のアレイに関して所
望の方向にビームを発生するために信号を組み合わせる
ことを可能にするために必要な位相シフトを受ける。位
相シフタ３０の構造で例示すると、各位相シフタはメモ
リ４０によって端子４８に与えられたデジタル信号命令
にしたがって位相シフトを導く３ビツトビンダイオード
であってもよい。

アレイアンテナ２２の物理的構造のために、各アンテナ
素子２４におけるラジェータＪは互に放射された電磁波
のほぼ１／２波長の間隔を有する。対応した間隔はラジ
ェータにおよびラジェータＬ用の素子２４間に設けられ
る。この間隔は本質的に格子隙および格子ローブのない
良好に限定されたビームパターンを提供する。アンテナ
素子２４の構造における便宜上、位相シフタ３０および
素子２４は共通のスラブ上に支持されてもよい。所望な
らば、単一スラブ２６がアンテナ２２全体の構造におい
て使用され、素子２４および位相シフタ３０は全て同一
のスラブ２６上に構成されることができる。さらに、ス
トリップ導体素子から構成されてもよいパワーデバイダ
３６はまたアンテナサブ装置２８と共に同一スラブ２６
上に位置されることができる。これはパワーデバイダ３
６およびアレイアンテナ２２に単一の機械的構造を提供
する。

第１図乃至第５図に記載された本発明の実施例において
、ビームの発生および切断は反射器を使用せずにアレイ
アンテナによって達成される。第６図乃至第１０図に記
載された本発明の別の実施例において、反射器はビーム
を発生し切断するためにアレイアンテナと共に使用され
ている。

第６図は、アレイアンテナ６６が放射ビームを形成する
ために隣接して配置された１組となったアンテナ素子６
８を含む本発明の別の実施例を示す。

第６図のアンテナ６６は、第１図の位相シフタ３０が第
６図の実施例において取り除かれていることを除いて第
１図のアンテナ２２と同一の全体構造を有する。また第
６図の実施例において、各アンテナ素子６８は第１図の
実施例における３個のラジェータの代わりに４個で１組
のラジェータ５０を有する。

第６図の実施例ではまた、第１図の実施例において設け
られた２個のサーキュレータの代わりに各素子６８は３
個のサーキュレータ５２を有する。参照を容易にするた
めに、第６図におけるラジェータ５０および素子６８は
符号Ｊ、に、ＬおよびＭで示され、サーキュレータ５２
は符号り、ＥおよびＦで示されている。第５図を参照し
て上記に記載された動作の説明は第６図のアンテナ素子
６８の動作にも適合する。素子６８の構造は第３図を参
照して記載されたものと同じ断面形状を使用し、ラジェ
ータ５０は誘電体スラブ２６によって接地平面５８から
間隔を置かれている。第６図のラジェータ５０とサーキ
ュレータ５２との間の相互接続は第２図の実施例に対し
て示されたようにストリップ導体６０によって実行され
る。

アレイアンテナ６６は、１組のパワースプリッタ４４を
有するパワーデバイダ７２を含むアンテナシステム７０
の一部である。パワーデバイダ７２はそれらの各入力端
子４６を介して各アンテナ素子６８と接続する。パワー
スプリッタ４４はコーホレートフィード構造の構成で接
続され、各スプリッタ４４は所望のパワー分割を行うた
めにスプリッタの２つのブランチに特定の割合で入射送
信パワーを分割する。

トランシーバ７８は、放射ビームとして空間に送信する
ためにパワーデバイダ７２を介してアンテナ素子６８に
電磁信号を供給するためにパワーデバイダ７２の入力端
部８０に接続する。第１図のシステムによって送信され
た広帯域信号と対照的に、第６図のシステムは第５図の
スペクトル部分Ｊ、に、ＬおよびＭにわたって走査され
ることができる狭い帯域信号によって動作する。例えば
、データはトランシーバ７８でキャリア周波数をデータ
搬送信号で変調することによって送信され、キャリア周
波数が走査されてもよい。トランシーバ７８内の周波数
セレクタ８２はキャリア周波数の手動選択またはキャリ
ア周波数の自動的走査を実行する。

第５図を参照すると、狭帯域信号はラジェータＪ、に、
ＬおよびＭの４つのスペクトル部分の複合帯域幅にわた
って走査されることができる。例えば、放射周波数が低
い値でスタートすると仮定すると、これはラジェータＪ
のスペクトル部分となる。放射周波数が十分に増加され
たとき、ラジェータＪはラジェータＫから放射するため
にサーキュレータＤおよびＥを通して信号を反射して戻
す。ラジェータの調整はスタブ（図示されていない）の
ような調整構造の使用によって、もしくは本発明の好ま
しい実施例において行われているように素子６８中のラ
ジェータ５０を少し異なる物理的ディメンションに構成
することによって実行されることができる。第２図の実
施例のラジェータは、第６図の実施例の構造で使用され
る同じ方法でそれらの特定の周波数で放射するように調
整されることができる。１組の素子６８中のラジェータ
Ｊは、１組の素子６８のラジェータに、ＬおよびＭと同
様に放射された電磁波のほぼ１／２波長だけ間隔を置か
れている。ラジェータにおけるこの間隔は良好に限定さ
れたビームパターンをもたらす。

第７図を参照すると、アンテナシステム７ｏは、湾曲さ
れ典型的に焦点８８に関してパラボラ面のような第２次
曲線を持つ反射器８６を含んでもよい。

仮想線で示されたアンテナ６Ｇは焦点８８に位置されて
もよく、走査ビーム９０を供給するように反射器８６に
放射を向けてもよい。典型的に、ビーム９ｏはファンビ
ームである。第１０図を参照して後述されるように、ア
ンテナシステム１００は第７図で実線により示されてい
るように焦点８８でアンテナ６６の位置に挿入される。

アンテナシステム１ｏｏにおいて、それぞれ以下で明ら
かになる理由のために東に対してＥ１中夫に対してＣお
よび西に対してＷの符号で示された３個のアレイアンテ
ナ１０２が存在する。

第７図に示されているような本発明の一使用例において
、アンテナシステム７０は衛星上に保持され、反射器８
６がここでは合衆国として表されている地上９２の一部
にファンビームを導く。ビームの走査は第１０図を参照
して説明される。衛星からの走査ビームのこのような使
用は、地上面の種々の地点に位置されたステーション間
の通信を可能にし、ステーションは衛星を介する通信に
適切な送信および受信装置を有する。第７図における衛
星構造の本発明の展開は、以下において説明される種々
の利点をもたらす。

第８図は、第６図のアンテナ素子６８の別の実施例であ
る構造形態を使用するアンテナ素子９４を示す。第８図
において、アンテナ素子９４は第６図を参照して記載さ
れたのと同一のラジェータ５０およびサーキュレータ５
２を含み、またサーキュレータ５２によって活動的に駆
動されるラジェータ５０間に挿入された寄生ラジェータ
９６を含む。ラジェータの配列は寄生ラジェータ９６と
活動的なラジェータ５０との交互のシーケンスをもたら
す。所望ならば、寄生ラジェータ９６は第９図に示され
ているようにラジェータ５０の両側に位置されることが
できる。

第９図は第６図の素子６８のさらに別の実施例であり、
第８図の実施例とはさらに別の寄生ラジェータ９６が第
９図の素子９８中で使用される点で異なっている素子９
８を示す。第８図および第９図の両実施例における寄生
ラジェータ９６は、活動的ラジェータ５０の構造に対し
て第３図に示されたのと同じ方法でスラブ２６の前面に
設けられた金属パッドとして形成されている。第８図の
交互のシーケンスの代わりに、第９図において各活動的
ラジエタ５０は１対の寄生ラジェータ９６を具備し、活
動的ラジェータ５０の各側上に１個の寄生ラジェータ９
６が設けられている。したがって、第９図のアンテナ素
子９８には活動的ラジェータ５０の２倍の個数の寄生ラ
ジェータ９６が存在する。活動的ラジェータ５０は第８
図および第６図の実施例に対して上Ｊ己に示された同じ
方法によりサーキュレータ５２からの信号によって駆動
される。第８図および第９図の実施例における寄生ラジ
ェータは、ビームが地上を横切って走査されたときにビ
ームの放射パターンのサイドローブ抑制の作用をする。

第１０図は、第７図の衛星通信状況に利用できるアンテ
ナシステム１００の構造を示す。第１０図において、シ
ステム１００は共通の支持部１０４上に配置された３個
で１組のアレイアンテナ１０２を含み、支持部は３個の
アンテナ１０２の全てに対する共通の誘電体支持部とし
て機能するように第２図および第３図のスラブ２６とし
て構成されてもよい。１組の３個のパワーデバイダ１０
６は支持部１０４上に設けられ、各パワーデバイダ１０
Ｂはそれぞれ各アンテナ１０２に接続されている。アン
テナ１０２が近接して間隔を置いているために、支持部
１０４の前面において支持部１０４の左端部には１個の
パワーデバイダ１０６、および支持部１０４の右端部に
は別のパワーデバイダ１０６分の空間がある。中央アン
テナ１０２に接続されたパワーデバイダ１０６は破線で
示されているように支持部１０４の後面に設けられてい
る。中央アンテナ１０２のそのパワーデバイダに対する
接続は、支持部１０４を通る並列な電気送信ラインの通
路を設けるフィードスルーコネクタ１０ｇによって行わ
れる。パワーデバイダ１０６はセレクタスイッチ１１０
を介してトランシーバ７８に接続されている。各アンテ
ナ１０２はアンテナ素子６８（第６図）または９４（第
８図）もしくは９８（第９図）を具備したアンテナ６６
として構成されてもよい。パワーデバイダ１０Ｇはパワ
ーデバイダ７２（第６図）またはパワーデバイダ３Ｇ（
第１図）として構成されてもよい。

１組の位相シフタ３０の使用により動作するパワーデバ
イダ３６は直接放射アレイアンテナ衛星通信状況におけ
るビーム方向の移動の際にパワーデバイダ１０６として
使用されてもよい。しかしなから、放射周波数が第７図
のアレイ供給反射器アンテナ衛星通信状況においてファ
ンビームの各位置に対して異なっている狭帯域信号によ
るパワーデバイダ１０６として第６図のパワーデバイダ
７２を使用することが好ましい。各アンテナ１０２にお
いて、各アンテナ素子のラジェータＪ、に、ＬおよびＭ
は行に整列され、アンテナ１０２の全アンテナ素子のラ
ジェータＪの全てよりなる組が列に整列されている。同
様に、アンテナ１０２のラジェータにの全て、ラジェー
タＬの全て、およびラジェータＭの全てよりなる組が行
に垂直な列に整列されている。

第１０図におけるアンテナ１０２の隣接した配列および
第７図の反射器８６を参照すると、各アンテナ１０２は
反射器８６の焦点に関して異なる位置を有する。これは
さらに第７図および第１０図の両方で示されているよう
に符号１０２Ｂ、　１０２Ｃおよび１０２Ｗで別々に示
すことによって説明されることができる。

第７図において、合衆国の東部、中部および西部の照射
に対して符号９０Ｅ　、　９０Ｃおよび９０Ｖによりビ
ーム９０を別々に示すことが便利である。ビーム９０Ｅ
　、　９０Ｃおよび９０ｖノ放射ハフ　ンテｆ−１０２
Ｅ。

１０２Ｃおよび１０２ｗによって別々に行われる。セレ
クタスイッチ１１０はアンテナ１０２の別々の選択的励
起を実行する。したがって、アンテナ１０２の連続的な
励起に対するスイッチ１１０の動作は反射器８６の照射
のソースの位置のシフトとなり、最終的に第７図のアン
テナシステム７０によって生成されたビームの方位にお
けるシフトとなる。

さらに、ラジェータ５０によって送信された狭帯域信号
はどのラジェータの送信帯域幅よりも狭い。

狭帯域信号のキャリア周波数における変化はラジェータ
Ｊ１またはラジェータＪおよびラジェータにの一部、も
しくはラジェータＫからの送信を生成する。さらにキャ
リア周波数におけるシフトはラジェータにおよびり、Ｌ
、ＬおよびＭｌまたはＭからの放射を発生させる。ラジ
ェータＪ１並びにラジェータＫＳＬおよびＭの列整列の
観点から、周波数のシフトは結果的に１列のラジェータ
からの別の列のラジェータに対する信号の送信における
シフトになる。これが反射器８Ｇの照射のソースの位置
におけるシフトを成立させ、結果として第７図のアンテ
ナシステム７０によって生成されるビムの方位における
シフトとなる。地上の位置の関数として周波数を変化す
ることによって、各位置の地上ステーションはその位置
に割り当てられた特定の周波数に同調されることができ
る。それによって、衛星が静止軌道を進行する状況にお
いて地上ステーションは、意図されないステーションか
メツセージの受信地となる可能性を最少化するためにビ
ーム位置の関数および放射周波数の関数として選択され
ることができる。

動作において、第１Ｏ図のシステム１００は第７図にお
いて示された合衆国の３つの領域１１２　、１１４およ
びｔｔｅに対応してビームが指示する３個の分離した広
い領域に対して設けられている。アンテナ１０２Ｅおよ
び支持部１０４の左端部に位置されたパワーデバイダ１
０Ｂの使用による走査は東部領域１１Ｇの範囲内におけ
る東から西へのファンビーム９０Ｅの走査となる。同様
に、アンテナ１０２Ｃおよび支持部１０４の中央に位置
されたパワーデバイダ１０６は中部領域１１４の範囲内
における東から西へのファンビーム９０Ｃの走査を行う
。またアンテナ１０２Ｗおよび支持部１０４の右端部に
位置されたパワーデバイダ１０Ｂは西部領域１１２の範
囲内における東から西へのファンビーム９０νの走査を
行う。スイッチ１１０は３個のパワーデバイダ１０Ｂの
選択された１個にトランシーバ７８からの信号を結合す
るように動作する。アンテナ１０２の全ておよびパワー
デバイダ１０６の全てに対する共通支持部１０４の使用
は衛星への搭載を容易にするコンパクト構造をもたらす
。

このように、ビームに方位を与える２つのモードがある
。領域から領域への（第７図の領域１１２乃至１１６）
広範囲のシフトは第１０図におけるスイッチ１１０を使
用することによって実行される。領域１１２乃至１１６
のいずれか１つにおけるビームの走査はセレクタ８２（
第６図）の使用により送信された信号の周波数をシフト
することによって達成される。

第５図を参照すると、１つの送信帯域を表すトレースの
スカートは次の送信帯域のスカートと重なることが認め
られる。したがって、隣接するラジェータの周波数特性
の間の境界線周波数での放射で、第２図および第６図に
おけるラジェータＪおよびＫのような２個のラジェータ
からの放射は等しいことがある。このような場合、隣接
するラジェータから放射した２つの信号は同位相を有す
る。送信ビームに対する影響は、単一のラジェータから
の放射が反射器に入る２個のラジェータからの放射によ
って置換されたときに、中間周波数におけるビームを少
し広くすることである。

マイクロストリップアンテナの構造の詳細に関して、こ
こに記載された各実施例は第３図のアンテナ素子２４に
対して示されたものと同じ断面を有する構造を使用する
。ラジェータ５ｏのパッドの厚さはＩＧＨｚ　（ギガヘ
ルツ）の周波数における金に対してほぼ０．６　ミルで
あることが好ましい。ラジェータ５０によってサーキュ
レータ５２に与えられるインピーダンスにおける変化の
ために余分な厚さは除去される。接地平面５８の厚さは
また送信された放射のスキンディープのほぼ６倍である
。表面波の除去に関して、スラブ２６がテフロンのよう
なフッ素と化合された炭化水素とのガラスファイバの複
合物として生成された場合のように、はぼ２．３の誘電
定数を有するならば、スラブの厚さは自由空間で０，０
９波長よりも小さくなければならない。さらに例示する
と、誘電体が１０の誘電定数を有するアルミナのような
セラミックであるならば、スラブの厚さは表面波を除去
するために自由空間において０．０３波長よりも小さく
なければならない。

別の例では、スラブの誘電体材料は３．８２５の誘電定
数を有する溶融シリカであってもよく、この場合１４．
４Ｇ　Ｈｚの放射周波数および０．８２インチの自由空
間波長で表面波を除去するスラブの最大厚は６０ミルで
ある。第４図のラジェータ６２のような方形ラジェータ
は絶縁体においてほぼ１／２波長である側面の寸法を有
していなければならない。

１４．４Ｇ　Ｈｚでの放射の上記の例においてラジェー
タ６２の各側は０．１７０インチである。

第７図のアンテナシステム７０の構造における例のよう
に、１．５５Ｇ　Ｈｚの放射周波数では反射器８６は垂
直方向で３６０インチ、水平方向で４８０インチまで延
在し、２８０インチの焦点距離を有する。アレイアンテ
ナ６６は１００インチだけ焦点から外れ、５．４８８イ
ンチづづ離されている９６個のマイクロストリップパッ
チアンテナから形成されてもよい。

第５図における４つのスペクトルゾーンはそれぞれ２．
２５ＭＨｚの幅を有する。

第２図のフェライトサーキュレータ５２の構造に関して
、１０ＧＨｚにおいてサーキュレータ５２の外径は０．
２インチである。５ＧＨｚでは直径は０．３７０インチ
であり、１．５５Ｇ　Ｈｚにおいて直径は０．６８イン
チであり、これらの直径は放射波長の２／１０よりも小
さい。

本発明のマイクロストリップアンテナシステムは、ビー
クル上に容易に配置され、電気特性の正確な制御に対し
て高い精度公差で製造されることができ、放射ビームを
形成および方向変化のための動作が容易なコンパクトな
構造を提供する。複数のパワーデバイダの使用により、
本発明は衛星を介した電気通信を容易にするように地面
の予め定められた領域を選択的に走査するために反射器
と共に容易に使用される。

上記の本発明の実施例は単なる説明であり、当業者には
その修正か可能であることが理解されるべきである。し
たがって、本発明はここに記載された実施例に限定され
ず、添付の特許請求の範囲の各請求項によってのみ限定
されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はマイクロストリップアンテナ素子から構成され
た位相アレイアンテナを含むアンテナシステムを示し、
各素子は本発明による複数ラジェータ素子であり、アン
テナは広帯域信号の送信のために使用される。 第２図は第１図のアンテナ素子の簡単化された拡大平面
図である。 第３図は第２図のライン３−３におけるラジェータの部
分的断面図である。 第４図は別の構造を有するラジェータの平面図を示す。 第５図は第１図の１組のラジェータの周波数応答性を示
す１組のグラフである。 第６図は、周波数走査可能なファンビームの発生のため
に本発明の複数ラジェータマイクロストリップアンテナ
素子を使用するアンテナシステム反射器フィードを示す
。 第７図は、地上の種々の部分にわたるファンビムを走査
する反射器を具備した本発明のアンテナシステムを保持
した人工衛星の概略図である。 第８図は第６図のアンテナ素子の修正された構造を示し
、単一の寄生素子が一連のラジェータ間に設けられてい
る。 第９図は第６図のアンテナ素子の別の修正であり、２個
の寄生素子が各ラジェータの反対側に設けられている。 第１０図は第６図に示されているような３個のアンテナ
システム反射器フィードであり、地上の表面の３つの別
々の部分を照射するために共通の支持部に設けられてお
り、各アンテナシステムはそれぞれ地上表面の特定の一
部を走査するために走査可能なファンビームを生成する
。 ２０・・・アンテナシステム、２２．６６、１０２・・
・アンテナ、２４．６８．９４．９８・・・アンテナ素
子、２６・・・スラブ、３０・・・位相シフタ、３６．
７２．　１ＯＥｉ・・・パワーデバイダ、３８．７８・
・・トランシーバ、４０・・・メモリ、４２、８２・・
・セレクタ、４４・・・パワースプリッタ、５０、８２
・・・ラジェータ、５２・・・サーキュレータ、６０・
・・ストリップ導体、６４・・・スロット、７０．　１
００・・・アンテナシステム、８６・・・反射器、９６
・・・寄生ラジェータ、１０４・・・支持部、１１０・
・・セレクタスイッチ。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）それぞれ第１のラジエータ、第２のラジエータお
   よびサーキュレータを含むマイクロストリップアンテナ
   素子のアレイと、 前記アンテナ素子の各々の入力端子に接続されているパ
   ワー分割手段とを含むアンテナシステムにおいて、 前記素子の各々において、前記サーキュレータは複数の
   ポートを有し、前記第１のポートは前記入力端子で前記
   パワー分割手段と接続し、前記第２のポートは前記第１
   のラジエータと接続し、前記第３のポートは前記第２の
   ラジエータと接続し、前記素子の各々において、前記第
   ２のラジエータは前記第１のラジエータの第１の放射周
   波数帯域よりも高い第２の周波数帯域で放射するように
   動作し、前記第１のラジエータは前記サーキュレータを
   介して前記第２の周波数帯域の放射を前記第２のラジエ
   ータに反射し、 前記パワー分割手段は前記各アンテナ素子中の前記サー
   キュレータを介して前記各素子中の入力端子に両方のラ
   ジエータの周波数帯域を占有する放射を送信するアンテ
   ナシステム。
2. （２）前記パワー分割手段は前記各アンテナ素子中の入
   力端子と接続している位相シフト手段を含み、両方のラ
   ジエータの周波数帯域を同時に占有する広帯域信号を送
   信し、前記位相シフト手段は予め定められた方向に前記
   アレイから放射するビームを形成するように動作する請
   求項１記載のシステム。
3. （３）前記各素子は第３のラジエータおよび第２のサー
   キュレータを含み、第２のサーキュレータは前記第１の
   サーキュレータに前記第２のラジエータを接続し、前記
   第２のサーキュレータは複数のポートを有し、前記第２
   のサーキュレータの第１のポートは前記第１のサーキュ
   レータの前記第３のポートと接続し、前記第２のサーキ
   ュレータの前記第２のポートは前記第２のラジエータと
   接続し、前記第２のサーキュレータの第３のポートは前
   記第３のラジエータと接続し、 　前記第３のラジエータは前記第２の周波数帯域よりも
   高い第３の周波数帯域で放射するように動作し、前記第
   ２のラジエータは前記第２のサーキュレータを介して前
   記第３のラジエータに前記第３の帯域の放射を反射し、
   前記パワー分割手段は前記第１、第２および第３の周波
   数帯域を同時に占有する放射を送信する請求項２記載の
   システム。
4. （４）放射ビームを形成するために前記アンテナ素子の
   アレイによって照射されるように前記アンテナ素子のア
   レイに面する反射器を含み、 　前記パワー分割手段は連続する狭帯域放射信号を送信
   し、前記狭帯域信号の第１のものは前記第２の周波数帯
   域中の前記狭帯域信号の第２のものによって後続される
   前記第１の周波数帯域に現れ、　前記各帯域中の放射信
   号周波数は前記放射ビームの方向を変えるために一方の
   アンテナ素子から他方のアンテナ素子へ前記反射器の照
   射の位置をシフトするように動作し、前記ビームの方向
   は前記狭帯域信号の周波数のシフトの際に掃引ビームを
   供給するように前記狭帯域信号の周波数と異なっている
   請求項１記載のシステム。
5. （５）前記各素子は第３のラジエータおよび第２のサー
   キュレータを含み、前記第２のサーキュレータは前記第
   １のサーキュレータに前記第２のラジエータを接続し、
   前記第２のサーキュレータは複数のポートを有し、前記
   第２のサーキュレータのポートの第１のものは前記第１
   のサーキュレータの前記第３のポートと接続し、前記第
   ２のサーキュレータの前記第２のポートは前記第２のラ
   ジエータと接続し、前記第２のサーキュレータの第３の
   ポートは前記第３のラジエータと接続し、　前記第３の
   ラジエータは前記第２の周波数帯域よりも高い第３の周
   波数帯域で放射するように動作し、前記第２のラジエー
   タは前記第２のサーキュレータを介して前記第３のラジ
   エータに前記第３の帯域の放射を反射し、前記パワー分
   割手段は前記第１、第２および第３の周波数帯域を連続
   的に占有する放射を送信する請求項４記載のシステム。
6. （６）前記パワー分割手段は複数のパワーデバイダを含
   み、前記アンテナ素子のアレイは複数のアンテナ素子の
   サブアレイを含み、前記パワーデバイダの第１のものは
   前記サブアレイの第１のものに接続され、前記パワーデ
   バイダの第２のものは前記サブアレイの第２のものに接
   続され、前記第２のサブアレイは前記第１のサブアレイ
   から前記第２のサブアレイへ前記反射器の照射をシフト
   する際に前記ビームの方向を変えるために前記第１のサ
   ブアレイから前記反射器の焦点付近に移動される請求項
   ４記載のシステム。
7. （７）前記ビーム形成手段は前記ビームの方向を変える
   ために前記パワーデバイダの各々を選択的に付勢する手
   段を含む請求項４記載のシステム。
8. （８）前記各素子は第３のラジエータおよび第２のサー
   キュレータを含み、前記第２のサーキュレータは前記第
   １のサーキュレータに前記第２のラジエータを接続し、
   前記第２のサーキュレータは複数のポートを有し、前記
   第２のサーキュレータのポートの第１のものは前記第１
   のサーキュレータの前記第３のポートと接続し、前記第
   ２のサーキュレータの前記第２のポートは前記第２のラ
   ジエータと接続し、前記第２のサーキュレータの第３の
   ポートは前記第３のラジエータと接続し、　前記第３の
   ラジエータは前記第２の周波数帯域よりも高い第３の周
   波数帯域で放射するように動作し、前記第２のラジエー
   タは前記第２のサーキュレータを介して前記第３のラジ
   エータに前記第３の帯域の放射を反射し、前記パワー分
   割手段は前記第１、第２および第３の周波数帯域を同時
   に占有する放射を送信し、 　前記アンテナ素子の各々において、前記サーキュレー
   タはフェライトサーキュレータであり、　前記各アンテ
   ナ素子は接地平面、および前記接地平面上に設けられた
   誘電体スラブを含み、前記各ラジエータは前記スラブ上
   の接地平面と反対側に設けられ、前記ラジエータは金属
   ストリップ導体によって前記サーキュレータに接続され
   た金属パッドとして形成され、各ラジエータのパッドの
   ディメンションは前記各ラジエータの放射周波数帯域の
   異なる値を提供するように異なっている請求項１記載の
   システム。
9. （９）前記ラジエータは方形である請求項８記載のシス
   テム。
10. （１０）前記ラジエータは正方形である請求項８記載の
    システム。
11. （１１）前記各ラジエータはラジエータの側面に関して
    対角線方向に方位を与えられたスロットを具備し、この
    スロットはラジエータによって放射された電磁波に円偏
    波特性を与えている請求項１０記載のシステム。