JPH06232621A - アクティブ送信フェーズドアレイアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 フェーズドアレイ送信アンテナは、基板の空
洞部に配置された複数のアンテナ素子と、フィルタを通
過した空洞部のマイクロ波出力信号に反応する放射ホー
ンと、を含む。各空洞部は、マイクロ波ビームを励振す
る増幅器及びハイブリッドカプラを有し、ビームの指向
性及び形状を制御するために電子制御位相シフタ４８と
減衰器４６とを有する。フェーズドアレイ送信アンテナ
は、同時に生成された複数のマイクロ波ビームのうちの
１つを送信する。 【効果】 アレイの全素子は同一の振幅レベルで動作さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、マイクロ波ビームアンテナシス
テムに関し、特に複数の放射素子の信号の位相を相対的
に制御することによって複数のアンテナビームを同時に
生成するフェーズドアレイアンテナシステムに関する。

【０００２】

【背景技術】長年に亘って、レーダーシステムアレイア
ンテナが鋭い指向性を有するビームの形成に用いられて
きた。アレイアンテナ特性は、放射素子の配置と、各素
子にて励振された電波の振幅及び位相に依存する。マグ
ネトロンや他の高電力マイクロ波送信機などの近年のレ
ーダーの発達によって、汎用レーダー周波数を高周波数
に引き上げてきた。このように周波数が高くなるにつれ
て、ホーンフィードや他の初期のアンテナによって照射
される反射器（パラボラ）を通常含むアンテナの構造は
さらに簡単になっている。

【０００３】次に、電気（非慣性）スキャンニングは、
スキャン速度やランダムないしプログラムされたビーム
ポイントの能力を含むので、多くの理由によって重要に
なってきた。電子制御位相シフタ及びスイッチの発達以
来、各素子が別々に電気的に制御されるアレイタイプの
アンテナが注目されてきた。フェーズドアレイ分野での
制御可能な位相シフト装置は、迅速且つ正確なスイッチ
ングビームの能力を有し、レーダーに複数の機能を組み
合わせたりまたは同時に行えるようにしている。電子操
縦アレイレーダーは、多くのターゲットを追跡し、ター
ゲットにミサイルを誘導するために多くのターゲットを
照射する。さらに、アレイレーダーは、選択されたター
ゲットを追跡するために自動ターゲット選択により広角
の捜査を行い、遠方の受信機及び送信機に向けてビーム
を高い利得で指向させる通信システムとして動作する。
従って、位相スキャンドアレイの重要性はかなり大き
い。マグロウヒル（McGraw Hill ）から出版のメリル・
Ｉ・スコーリンク（MerrillI. Skolink）著の「レーダ
ーハンドブック」によれば、アレイアンテナに関する現
在の技術が記載されている。

【０００４】本発明の背景技術には以下に記載する引用
例が含まれる。１９６１年１月３日に確定した米国特許
第２，９６７，３０１号の「選択指向性スロット導波ア
ンテナ」と称するリアウィン（Rearwin ）特許には、地
表に対する航空機の速度を測定するためにシーケンシャ
ルビームを生成する方法が記載されている。

【０００５】１９６９年１月２１日に確定した米国特許
第３，４２３，７５６号の「スキャンニングアンテナフ
ィード」と称するフォルダー（Folder）特許には、電子
制御コニカルスキャンニングアンテナフィードが、周囲
に取り付けられて導波路に結合された４つの調整空洞部
を有する特大の導波路によって形成されている。空洞部
が調整される周波数の信号は、より高次のモードに分割
され、アンテナ開口の中心からの放射位相中心の移動を
生じる。４つの空洞を次々とこの信号の周波数に調整す
ることによって、アンテナ開口は円錐形にスキャンされ
る。他の周波数の信号は、空洞部が調整される周波数か
ら十分に離れていれば、少しも変調されることなく導波
路を伝搬し続ける。

【０００６】１９７６年７月１３日に確定した米国特許
第３，９６９，７２９号の「固有ＲＦ位相シフトを備え
たネットワークフィードフェーズドアレイアンテナシス
テム」と称するネメト（Nemet ）特許には、位相スキャ
ンアレイに用いる一体型素子・位相シフタが開示されて
いる。非共鳴導波路またはストリップラインタイプの伝
送ライン列は、アレイの素子に信号を送る。４つのＲＦ
ダイオードが、伝送ラインの外側の導電壁の対称スロッ
トパターンのスロットと接続するように配列され、伝送
ラインからのカップリングをスロットを介して各アンテ
ナ素子の開口へ変えている。故に、各ダイオードは、対
応する位相で各スロットから別々の素子の開口へのエネ
ルギの関与を制御して、開口のネット位相（net phase
）を決めている。

【０００７】１９７７年８月９日に確定した米国特許第
４，０４１，５０１号の「素子パターンの鋭いカットオ
フを備えたリミテッドスキャンアレイアンテナシステ
ム」と称するフラゼタ（Frazeta ）特許には、効率的な
素子パターンが、選択された角度領域空間内にアンテナ
ビームを放射するのに要する理想的な素子パターンに適
合するカップリング回路によって修正されアレイアンテ
ナシステムが開示されている。スキャンニングビームア
ンテナにカップリング回路を用いることによって、必要
な位相シフタの数が減らせる。

【０００８】１９７８年７月４日に確定した米国特許第
４，０９９，１８１号の「フラットレーダーアンテナ」
と称するスシリエリ（Scillieri）特許には、並列に配
置された複数の直線的な放射素子からなるレーダー装置
のフラットレーダーアンテナが開示されている。このア
ンテナでは、放射素子の１つとレーダー装置との間から
流れるエネルギ量が調整される。さらに、放射素子は同
一面の放射面を有する導波路であり、この導波路は４方
向に分けられ、各方向は１つまたは２つの状態をとるフ
ィード装置によってレーダー装置に接続される。また、
レーダー装置は、一方向の全導波路と、一方向の導波路
を除くアンテナ中心に最近接の列のみに信号が送られ
る。４つのフィード装置を同時に同一状態とする手段が
設けられているので、レーダーアンテナはアンテナ中心
に対して対称的なレーダービームを放射する。さらに、
レーダーアンテナはフィード装置の状態に応じて異なる
配置を採るものである。

【０００９】１９８６年６月１７日に確定した米国特許
第４，５９５，９２６号の「２重スペースフィード平行
プレートレンズアンテナビーム形成システム」と称する
コブス（Kobus ）特許には、ローサイドローブ放射パタ
ーンを生成するために線形アレイ用に適宜の振幅テーパ
ーが形成され焦点の合わないレンズを含み直列に接続さ
れた平行プレート対からなり、単一パルストランシーバ
に用いられるビーム形成システムが開示されている。デ
ィジタル位相シフタがビームの指向性を操るために用い
られ、焦点の合わないレンズは位相シフタの使用によっ
て生じる量子化エラーとの相関をなくす。

【００１０】１９７０年１２月８日に確定した米国特許
第３，５４６，６９９号の「スキャンニングアンテナシ
ステム」と称するスミス（Smith ）特許には、円弧に配
列された同相の電磁気エネルギのセパレートソースの固
定されたアレイと、円弧状の入力輪郭（contour ）整合
を有し円弧に近接する変換器と、線形出力輪郭（contou
r ）と、変換器によって放射される全出力エネルギが同
相となるような伝送特性と、円の中心を中心として円を
含む面内で変換器を回転させる手段と、を有するスキャ
ンニングアンテナシステムが開示されている。

【００１１】

【発明の概要】本発明は、所望の領域のみを照射する互
いに独立な複数のアンテナビームを同時に生成するフェ
ーズドアレイアンテナシステム、特にアクティブ送信フ
ェーズドアレイアンテナに関する。照射領域の大きさ及
び形状はアレイを構成する素子の大きさ及び数に依存
し、ビームの数はアレイに信号を供給するビーム形成ネ
ットワークの数に依存している。アレイの全素子は同一
の振幅レベルで動作し、ビームの形状及び指向性は位相
の設定によって決まる。

【００１２】

【実施例】図１に示すアクティブ送信フェーズドアレイ
アンテナは、六角形に配置された２１３個の素子を含ん
でいる。図２は、図１のアンテナに含まれる２１３個の
素子のうちの１つを示したものである。図１の素子の各
々は、図２に示す素子と同一であり、２つの直交偏波の
各々を２５ｄＢ以上の分離利得（isolation ）で放射で
きる放射ホーン１０を含んでいる。ホーンには、所望帯
域のエネルギを通過させ且つそれ以外の周波数のエネル
ギを遮断する多極バンドパスフィルタ手段１２によって
信号が送られてくる。本発明の送信アンテナが受信アン
テナとともに通信衛星に備えられるとき、送信機からの
受信帯域のエネルギが受信アンテナの受信素子に入り込
んで受信素子と干渉するので、上記フィルタ手段は大切
な役割を果たす。本実施例において、フィルタ手段１２
は、一連の連続した共鳴空洞部からなり、これらの共鳴
空洞部は、上記分離利得の保持に必要な高精度の直交性
を維持する方法に互いに連結されている。

【００１３】フィルタ手段１２は、基板３６に取り付け
られた気体誘電空洞部１４に連結されている。気体誘電
空洞部１４は、プッシュプル方式で直交マイクロ波を励
振する高効率のモノリシック増幅器を含んでいる。図３
は、図２の気体誘電空洞部１４の平面図を示す。マイク
ロ波の励振は、増幅器２２，２４，２６，２８にそれぞ
れ接続されたプローブ１８，２０，３０，３２によって
行われる。プローブ１８，２０は、相対的に１８０゜離
れた位置にて空洞部１４を駆動するように配置されてい
る。このプローブ１８，２０の配置によって、増幅器２
２，２４が位相がずれて駆動しているとき、プッシュプ
ル方式に必要な変換が行われる。同様に、増幅器２６，
２８は、プローブ１８，２０とは９０゜離れるとともに
互いに１８０゜離れたプローブ３０，３２に信号を送
り、空洞部内に直交マイクロ波エネルギを励振するもの
である。２対の増幅器は、１８０゜カプラ３４Ａ，３４
Ｂを介してハイブリッド３４の入力によって直角位相で
信号を送って円偏波を生成する。

【００１４】直交ビームに必要な位相及び振幅の正確な
一様性を得るために、増幅器２２，２４，２６，２８は
実質的に同一でなければならない。この同一性を得るた
めの方法としては、増幅器にモノリシックマイクロ波集
積回路（ＭＭＩＣ）を使用することである。９０゜ハイ
ブリッド３４は図３に示す２つのドッドにて終端して示
されている。これらのドッドは、図４の底面図に示す基
板３６からのフィードスル接続を表している。フィード
スル接続の他端は、符号３８，３９にて示されている。
このドッドの一方は右円偏波を励振し、他方は左円偏波
を励振する。さらに、フィードスル接続を通過した信号
が、９０゜ハイブリッド３４の作用を受けずに直接１８
０゜カプラ３４Ａ，３４Ｂに送られると、円偏波ビーム
よりも直線偏波ビームが励振されることとなる。ハイブ
リッド３４は、各偏波の検出用にコネクタ３８，３９を
介してＭＭＩＣ駆動増幅器４０，４２に接続される。各
ビームの所望の偏波はスイッチマトリックス４４によっ
て選択される。スイッチマトリックス４４は、２つの駆
動増幅器４０，４２に信号を送るために各偏波の全信号
を結合する。各ビーム入力部（本実施例では４つ）は、
ビームの指向性及び形状（各ビームのサイズ）を確定す
るために用いられる電子制御位相シフタ４８と減衰器４
６とを含んでいる。アレイの全素子は、任意のビームに
対して同一レベルで駆動される。このことは、ビームの
サイドローブを低減するためにアレイに振幅グラディエ
ントを用いる他の送信フェーズドアレイとは異なる点で
ある。

【００１５】上記アクティブ送信フェーズドアレイアン
テナは、アンテナの電力効率を最大にするために一様な
放射（グラディエント無し）を行うものである。さもな
ければ、アンテナ素子の電力容量が十分に利用されな
い。全体の平均電力は、ビーム対の間に電力を損失する
ことなく適宜分布している。ビームの電力配分が減衰器
４６を備えることによってアンテナの全素子に行われた
場合、ビームの指向性と形状とを確定するために、位相
シフタ４８を用いて位相が設定される。所望のビーム形
状及び指向性に対する位相の設定は、ビームの合成プロ
セスによって選択される。合成プロセスは、反復、算出
反復処理であり、コンピュータに記憶させることができ
る。合成プロセスの目的は、不要な領域を照射すること
なく所望の領域のみを最も効率良く照射するビームを形
成することである。この領域は正多角形によって画定さ
れ、領域の最小サイズはアレイにて選択された素子数及
びその空間的配置によって設定される。概して、アレイ
の素子数が多くなると、合成される多角形の形状はより
複雑になる。位相ビーム形成プロセスによって、所望の
ビーム形状が生成されるのみならず、格子ローブも生成
される。本発明の他の目的は、衛星アンテナとして使用
する際、格子ローブの相対的振幅を最小にするとともに
衛星の軌道位置から見える地表面に格子ローブが現れる
ことを防いで、格子ローブが隣接ビームでの干渉として
現れたり、格子ローブを不要な領域に送信して電力を浪
費しないようにしている。合成プロセスによって格子ロ
ーブは最小にされる。また、合成プロセスは、他の方法
では容認可能なレベルに小さくできない格子ローブの位
置でゼロとなるビームを生成するために用いられる。

【００１６】アクティブ送信フェーズドアレイアンテナ
によって生成される互いに独立したビームの数は、各素
子に信号を送る位相シフタ４８及び減衰器４６の数によ
って制限される。図５において、位相シフタ４８及び減
衰器４６の各列には、別々の一様な電力分割器によって
信号が送られる。各電力分割器のポート数は、素子の数
以上でなければならない。図５に示す例では、電力分割
器のポート数は２１３以上でなければならない。電力分
割器の個数は、アンテナから照射される互いに独立なビ
ームの数と等しくなければならない。故に、図示したシ
ステムは、各々が２１３個のポートを有する４つの電力
分割器を必要とする。

【００１７】前述の如く、各ビームでの電力の和は、効
率を最大にするために全素子の容量と等しくなければな
らない。各素子の容量は、線形容量、または非歪（non-
distorting）容量である。アクティブ送信フェーズドア
レイアンテナが生成したビームの独立を保持するため
に、チェーン内の各増幅器は、ビーム間の許容不能なク
ロストークを防ぐために線形範囲内で動作しなければな
らない。増幅器が線形である限り重畳原理が有効とな
る。増幅器が非線形領域で駆動しているとき、ビームの
独立性は危うい状態にある。最終の増幅器２２，２４，
２６，２８は、電力の９０％以上を消費するので最も重
要である。許容可能な動作を行うために、増幅器２２，
２４，２６，２８は、特異的な最大値以下の全動作レベ
ルで全体の調和歪が０．１％のオーダーでなければなら
ない。

【００１８】各素子は、図５に示すように、かなりの大
きさのゲートアレイ内に組み込まれたインターフェース
電子回路とともにマイクロプロセッサコントローラ５０
によって制御される。コントローラ５０は、各位相シフ
タ及び減衰器によって必要とされる所定制御電圧を生成
する機能を有するのみならず、現在及び次のコマンドを
記憶することもできる。適正な制御の機械化によって、
ビームは、所望の拠点、または多くの独立した領域にサ
ービスを行うために時間分割多重拠点の一方にスイッチ
される。各素子のコントローラは、内部装置制御バスに
よって相互に接続されている。アンテナが通信衛星の一
部として用いられる場合、内部装置制御バスは、衛星制
御電子回路と同じ場所に配置されたマスターコントロー
ラに接続されるために用いられる。各ビームに対する係
数は、地上で算出されて、衛星制御リンクによって衛星
に中継される。各素子は、唯一のバスアドレスを有し、
素子のハードウェアが固定される結合ネットワークへと
組み立てられたハードワイヤコードによって確定され
る。ドリフトに関係する温度のポテンシャルのために、
サーミスタが必要に応じて制御電圧を補償するために用
いられる。位相及び振幅を制御するために必要とされる
電圧が線形でない場合、マイクロプロセッサは、線形化
を行うテーブルを備えることができる。

【００１９】本発明を好ましい実施例に基づいて図示す
るとともに説明したが、当業者においては、本発明の請
求項から逸脱することなく実施例の形態及び詳細を変更
できるはずである。

【図面の簡単な説明】

【図１】アクティブ送信フェーズドアレイアンテナ用の
アレイ素子の複数を示す図である。

【図２】図１に示すフェーズドアレイアンテナに用いら
れる素子の断面図である。

【図３】図２に示す気体誘電空洞部の上面図である。

【図４】図２に示すシステムに用いられるコントローラ
の底面図である。

【図５】図４に示す位相シフタと減衰器との回路構成図
である。

【符号の説明】

１０ 放射ホーン １２ フィルタ手段 １４ 空洞部 １８，２０，３０，３２ プローブ ２２，２４，２６，２８ 増幅手段としての増幅器 ３４ ハイブリッド ３６ 基板 ４４ スイッチマトリックス ４６ 減衰器 ４８ 位相シフタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エドガー ダブリュ． マシューズ， ジ ュニア. アメリカ合衆国， カルフォルニア州 94040， マウンテン ビュー， クエル ナバカ サークル 1398 (72)発明者 ハワード エイチ． ルー アメリカ合衆国， カルフォルニア州 94087， サニーヴェイル， ビーバート ン コート 813

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同時に互いに独立な複数のマイクロ波信
   号ビームを生成するフェーズドアレイ送信アンテナシス
   テムであって、 基板のアレイに配置されるとともに選択された位相を有
   する直交マイクロ波エネルギ信号を供給するために前記
   基板の空洞部に配置された増幅手段及びハイブリッドカ
   プラを各々が含む複数のアンテナ放射素子と、 前記空洞部のマイクロ波出力信号に反応し選択された周
   波数帯域内の信号を通過させるフィルタ手段と、 指向性及び形状を有するビームとして前記マイクロ波信
   号を送信するために前記フィルタ手段を通過した前記マ
   イクロ波信号に反応する放射ホーンと、 を有し、 前記アンテナ放射素子の各々は、前記ビームの形状及び
   送信方向を決める同一電力値及び別々の位相値を有し同
   時に生成された複数のマイクロ波ビームの１つを送信す
   ることを特徴とするフェーズドアレイ送信アンテナシス
   テム。
2. 【請求項２】 前記空洞部は、前記空洞部内に直交マイ
   クロ波エネルギを励振するために、前記空洞部内に１８
   ０゜離れて配置された第１マイクロ波プローブ対と、前
   記空洞部内で前記第１マイクロ波プローブ対とは９０゜
   離れるとともに互いに１８０゜離れて配置された第２マ
   イクロ波プローブ対と、前記第１マイクロ波プローブ対
   に接続された第１線形増幅器対と、前記第２マイクロ波
   プローブ対に接続された第２線形増幅器対と、を含むこ
   とを特徴とする請求項１記載のフェーズドアレイ送信ア
   ンテナシステム。
3. 【請求項３】 前記基板は、円偏波信号を作る直角位相
   信号を供給するために前記空洞部内の前記第１及び第２
   増幅器対並びに前記第１及び第２マイクロ波プローブ対
   に接続された位相シフト手段及び減衰手段を有し、 前記増幅器対及び前記プローブ対の一方は、右円偏波を
   励振し、他方は左円偏波を励振することを特徴とする請
   求項２記載のフェーズドアレイ送信アンテナシステム。
4. 【請求項４】 前記位相シフト手段及び前記減衰手段
   は、複数の分離位相シフト回路及び減衰回路と、分離偏
   波信号を前記空洞部内の前記増幅器及び前記プローブ対
   に選択的に接続するために前記位相シフト回路及び減衰
   回路の各々に接続されたスイッチマトリックスと、を含
   み、 前記分離偏波信号は前記ホーンから送信された前記マイ
   クロ波ビームの指向性と形状とを形成することを特徴と
   する請求項３記載のフェーズドアレイ送信アンテナシス
   テム。
5. 【請求項５】 前記減衰手段は、複数の前記素子の前記
   ホーンから送信された前記マイクロ波ビームの振幅が等
   しくなるように設定されていることを特徴とする請求項
   ４記載のフェーズドアレイ送信アンテナシステム。
6. 【請求項６】 複数の電力信号をさらに含み、 前記アンテナ素子の各々に対する前記位相シフト回路及
   び減衰回路は、位相シフト回路及び減衰回路が直列に接
   続された直列回路の複数を含み、前記直列回路は分離電
   力信号に接続され、 前記直列回路の各々は、前記アンテナ素子によって送信
   されるべき分離ビームと対応するとともに、対応する前
   記ビームの指向性及び形状を決めることを特徴とする請
   求項５記載のフェーズドアレイ送信アンテナシステム。
7. 【請求項７】 前記位相シフト回路及び前記減衰回路の
   各々に接続された制御手段を含み、前記制御手段は、所
   望のビームの指向性及び形状を得るために選択された値
   で前記位相シフト回路を設定し、且つ前記アンテナ素子
   の全部が同一の振幅レベルを有するように選択された値
   に前記減衰回路を設定することを特徴とする請求項６記
   載のフェーズドアレイ送信アンテナシステム。
8. 【請求項８】 前記ハイブリッドカプラと前記スイッチ
   マトリックスの間に接続された第１及び第２モノリシッ
   クマイクロ波集積回路増幅器を含み、 前記モノリシックマイクロ波集積回路増幅器は、複数の
   ビームを相互作用を生じることなく同時に送信するため
   に、送信されるビームを互いに独立に保持する線形であ
   ることを特徴とする請求項７記載のフェーズドアレイ送
   信アンテナシステム。