JPS59226505A - 共振導波管開口マニホ−ルド - 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】 本発明は、一般的、位相の安定したマニホールドにか＼
わる。更に特定するに、本発明は、実用範囲にわたる温
度や周波数には本質的に無関係な走査ビーム・アンテナ
を監視したり、アンテナの照準方向に整列していない走
査角度において走査ビーム・アンテナを監視するための
共振導波管にか＼わる。

スロット付導波管は、しばしば、その性能を監視するた
めに、整相アレイ・アンテナの放射信号に結合する開口
マニホールドとして使用される。

か５る導波管マニホールドはマイクロ波着陸装置（ＭＬ
Ｓ）地上システムにおいて使用されて、その地上システ
ムの有効範囲（ｃｏｖｅｒａｇｅ　ｖｏｌｕｍｅ　）内
での特定の角度において受信器にて見られる信号に等価
な信号を作り出す。理想的には力弓る導波管マニホール
ドはその地上システムの走査用ビームの遠視野を与えそ
して、更に、各個々のアレイ・エレメントと関連せるア
ンテナ挿入位相および振幅を測定する。

ＭＬＳ地上システムの仰角および方位走査用ビームを監
視するために使用される導波管マニホールドは進行波を
伝撤する導波管であって、結果的に、その整相特性は周
波数および温度に依存する。従って、導波管出力におい
て監視されるビームの走査角度も温度および周波数に依
存する。更に、ＭＬＳ方位走査を監視するために、進行
波マニホールドは　ＭＬＳ動作周波数帯域幅における零
度コースを本質的に監視しない。これは、進行波マニホ
ールドのビーム指示特性が周波数および温度に依存して
いるためである。

本発明の目的は、温度および周波数には無関係な走査角
度においてビームを形成する共振導波管間ロマニホール
ドを提供するにある。

本発明による装置は予め決められた周波数範囲における
電磁エネルギを方向づけるための伝送ラインを含んでい
る。そのラインには結合用スロット又は孔のようなエレ
メントが連動されている。

又、ラインは、隣接せるグループが異なる位相を持ち、
結合用スロット又は孔のようなエレメントのグループき
連動されても良い。各グループは、Ｎを１よりも大きい
正の整数として、隣接せるものが異なる位相を持つＮ個
のエレメントを有している。

トランスジユーザは、予め決められた周波数範囲内にお
ける周波数を持つエネルギを対応せる周波数を持つ電気
的信号へと変換したり又はその逆変換を実施するために
、そのラインと連動されている。そのトランスジューサ
は、そのラインがあたかもその第１および第２の端部に
結合された無反射性終端を有しているかのようにそのラ
インに整合されたインピーダンスを持っている。第１の
手段はそのラインの第１の端部において短絡回路を作り
出しそして第２の手段はそのラインの第２の端部におい
て短絡回路を作り出している。

本発明の如上のおよび更に別な目的、利点および構成は
添付図面に関連しての以下の詳細な記載から明瞭に理解
されよう。更に、その範囲は特許請求の範囲において指
摘されている。

第１図に示されている如く、導電性材料から作られた従
来の進行波マニホールド１００は、遠い端部での吸収部
材１０３又は他の無反射性終端手段において終端されて
いる電搬路１０２に沿って電搬する波を受けるコネクタ
１０１のような出カドランスジューサが設けられている
。側面１０４は左側へと電搬する波を反射する短絡回路
として機能する。導波管１００の側面１０５には、間隔
ｄを持ち、弱く結合された人カスロッ）　１０６．１０
７．１０８．１０９．１１０．１１１．１１２および１
１３が与えられている。隣接するスロワ）１０６および
１０７間における位相関係は次式にて与えられる。すな
わち： 式によって示される如く、スロット１０６（φ、。６　
）の位相に比較した場合でのスロット１０７（φ１ｏ７
）の位相は、間隔ｄおよび導波管波長くλｇ）に依存す
る。すべての他の隣接せるスロットは同様な位相関係を
有している。間隔ｄは温度に依存しく銅又はアルミニウ
ムのような導電性材料は温度の変動と共に膨張又は収縮
する）をして導波管波長　λｇは周波数に依存するので
、進行波マニホールド１００は周波数と温度とに依存す
ることになる。

交番する位相ゐスロットを持つ進行波マニホールドに対
する監視されたビーム指示角度○は、マニホールド・ス
ロットにおいて分与される励振の結果として、マニホー
ルド出力コネクタに設けられるビームの指示角度として
規定される。相反作用によって、それは、マニホールド
出力コネクタによって分与される励振の結果として、そ
のマニホールド出力スロットにより放射されるビームの
指示角度の共役として規定されても良い。マニホールド
・ビーム指示角度は次式にて与えられる。

すなわち： θ−８１０＋（１−（λｏｆｏ　／λ。。１戸−λｏｆ
ｏ　　／　２ｄｆ 上式において、 λ。−基準自由空間波長（設計中心） λｃｏ−導波管カット・オフ波長 ｆｏ　”基準周波数 ｆ　−励振の周波数 上式は、監視されたビーム指示角度と、周波数と、そし
て結合用スロット間隔との間における明白な関係を与え
ている。本発明は、（ａ）　’ＪチャードＦ、フラジタ
、アルフレッドＲ，ロペツおよびリチャードＪ、ギアニ
ニによる米国特許第４．０４１゜５０１号において開示
されているような、エレメント・パターンについて鋭い
カット・オフを持つ広く走査する整相アレイアンテナを
使用するマイクロ波着陸装置と、そして（ｂ）複数の信
号運搬チャネルを持つシステムの校正とにか５わる。

さて第２図を参照するに、そこにはか＼るアンテナ・シ
ステムが一般的に示され、そのシステムは、エレメント
がアレイ軸線に沿って配列され且つ所定の距離だけ互い
に隔置されているアレイ１を形成する１つ又はそれ以上
の放射用エレメントを含んでいる。エレメントの各々は
、分配網２によってエレメントに接続されている複数の
移相器９の対応せるものを介して電力分割器に連結され
ている。信号発生器１１および電力分割器８からの波エ
ネルギ信号は、移相器９に対する相対的位相値の適切な
選択がアンテナ・エレメント１に作用して所望の放射線
パターンを空間の選ばれた角度領域へと放射させるよう
に、移相器９によってアンテナ・エレメント１へと供給
される。移相器９の相対的位相値の変動は、制御ライン
２２を介してビーム操縦ユニット１０によって達成され
、そして空間における角度Ａに関してその放射されたア
ンテナ・パターンの方向を変える。故に、移相器９とビ
ーム操縦ユニット１０とは一緒になって、電力分割器８
および分配網２によってアレイ１のエレメントに結合さ
れた発振器１１からの供給された波エネルギ信号の結果
としてアレイ１のアンテナ・エレメントによって放射さ
れたビームを走査するための手段３を形成している。

走査用アンテナの性質と、そして開口長さ、エレメント
間隔および分配網２の特定な構成のような設計パラメー
タを選ぶための技術とは従来技術により周知である。そ
うしたパラメータについての検討は米国特許第４．０４
１，５０１号において完全に記述されている。

放射されるビームのビーム指示角度を安定化するために
、開口マニホールド４がアレイ１のアンテナ・エレメン
トと連合されている。マニホールド４は、その放射され
るビームのビーム指示角度を代表する出力１２にて与え
られる信号を形成するための任意の手段である。マニホ
ールド４は、本発明の如く、アレイ１に結合され且つ本
来の周波数（位相）および温度効果を避けるべく中心に
おいて供給される高度に位相の安定した導波管すなわち
マニホールドであることが好ましい。中心饋電方式は、
周波数および絶対温度変動に関して１次依存性をも除去
する。

こ−で使用されるように、マニホールド４は信号をサン
プリングする任意の型式の装置であって、導波管、プリ
ント回路網、同軸ライン回路網又は電力組合せ器を含ん
でいる。定義によると、位相の安定したマニホールドは
、スロット励振を総合することによって形成されるビー
ムが周波数や温度の変化に感応せず、そして特定の角度
におけるバイアス・エラーを検出するべく本発明によっ
て整相アレイとの組合せにおいて使用されるものである
。マニホールド４はその整相アレイに関して特定の角度
をなして空間に置かれているプローブと機能において等
価である。本発明によるマニホールドはそのマニホール
ドのすべてのサンプル点（すなわち、スロット場所）で
、等しくて、零でない位相と等しい振幅とがあるように
、放射されたエネルギを監視するべく構成されたスロワ
トイ４導波管である。

マニホールド４の出力１２は、手段３と連合されていて
、マニホールド４の出力１２に応答してその反射された
ビームの走査を制御するための手段５に結合されている
。

第３図は本発明による共振導波管２００を例示している
。導波管２００には、導波管　２００の側面に直交ぜる
金属の導電性シートのような短絡回路において終端して
いる第１の端部２０１と、そして短絡回路において終端
している第２の端部２０２とが与えられている。導波管
２００は、電気的信号を電磁エネルギに変換しそしてそ
の逆変換をも実施するトランスジューサによって中心に
おいて饋電される。トランスジユーザとしては、通路２
０４に沿って両方向において伝搬する波を受ける出力コ
ネクタ２０３のような従来技術において周知のコネクタ
が好ましい。導波管２００の側面２０５には、放射アン
テナに結合するためのスロット２０６．２０７．２０８
．２０９．２１０．２１１．２１２．２１３および２１
４が設けられている。第４図は以下において記述される
結合用スロットの１８０度位相補償パターンを例示して
いる。第５および第６図は導波管２００の好ましき矩形
断面を例示している。

第７図によって示されるように、コネクタ２０３によっ
て放射される入射波は導波管　２００の全長に沿ってＡ
ｉｎｃの一定振幅を持っている。これは、結合用スロッ
トによって生じる進行波での振幅テーパーが導波管２０
０の共振によって反作用されそして除去されるためであ
る。

相反作用により、導波管２００は伝送又は受信モードの
いずれかにおいて使用される。伝送モードにおいて、コ
ネクタ２０３はアイソレータ２１５を介して信号源（示
されていない）に接続されている。信号は、導波管　２
００に沿って電磁しそしてスロット２０６−２１４にて
放射される電磁波エネルギへとコネクタ２０３によって
変換される。受信モードにおいて、スロワ）２０６〜２
１４は、導波管２００に沿って伝搬しそしてコネクタ２
０３によって電気的信号へと変換される電磁波エネルギ
により照らされる。便宜上且つ風習により、本発明は受
信モードにおいて記述された。しかしながら、こ５での
開示内容および特許請求の範囲はいづれか１つのモード
に限定されるものでなく、伝送および／又は受信モード
を含むものと広く解釈されたい。

第８図はコネクタ２０３によって放射される波の入射位
相φｉｎｃを例示し、そして導波管２００に沿った位相
が直線状に変わることを例示している。

短絡回路２０１および２０２は導波管２００内を伝搬す
る入射波を反射するので、第９図は、その反射された波
Δｒｅｆ　の振幅が導波管２００の全長に沿って一定で
あることを例示している。同様にして、導波管２００内
を伝搬するその反射波φｒ＋Ｊ　の位相は距離とともに
直線状に変化する。

その結果は、第１１図において例示されている如く、そ
れらスロットの間隔６間で零度および１８０度の交番す
る位相の複数のセルを持つ定在波となる。

第４Δ図に示されているように、各スロットは導波管２
００の定在波セルの１つ内に位置しているので、各定在
波セル内に１つじかも唯１つのスロット又はグループと
してのスロットがあるような範囲内に温度および周波数
における変動がある限り、結果的に得られるマニホール
ド出力は温度および周波数に無関係となる。方向を交番
させそれにより隣接せるスロットの位相を交番させるこ
とにより、結果的なマニホールド出力は、すべての放射
エレメントに対して等しい整相を与えることになる。こ
の開口マニホールドは、各定在波セル内での位相が一定
であるので、周波数および温度に無関係なビーム形成能
力を与える。反射された波のコネクタ２０３を通した戻
り伝達を防止するために、アイソレータ２１５がライン
超電コネクタ２０３内に置かれている。

第４Ｂ図に示されている如く、各スロットは導波管２０
０の定在波セルの１つ内に置かれている。方向を交番さ
せそれによりスロットの位相を交番させることにより、
結果的に得られるマニホールド出力は各結合用スロット
に対して等しい位相を持つことになり、そして各定在波
セル内に１つじかも唯１つのスロット又はグループとし
てのスロットがあるような範囲内に温度および周波数に
おける変動がある限り、温度および周波数には無関係と
なる。方向を交番させそれによりスロット（Ｎ＝２）の
各グループＡ、Ｂ、ＣおよびＤの位相を交番させること
により且つ方向を交番させそれにより各グループ内にお
ける隣接せるスロットの位相を交番させることにより、
結果的に得られるマニホールド出力は１１．２５度のビ
ーム指示角度に近似する。この開口マニホールドは、各
定在波セル内での位相が一定であるので、周波数および
温度には無関係などビーム形成能力を与える。反射され
た波のコネクタ２０３を通した戻り伝達を防止するため
に、アイソレータ２１５がライン饋電コネクタ２０３内
に置かれている。

本発明による共振マニホールド２００に対し、その動作
周波数帯域幅にわたるその監視されるビーム指示角度θ
は次式には与えられる。

すなわち： である。従って、マニホールド２００の整相はその動作
周波数帯域にわたって周波数および結合用スロット間隔
には無関係である。第４Ａ図に例示された実施例におい
て、θ−ｏ°　（ｍ−ｏＯ）で、そして放射されるビー
ムは通路２０４に対して直交している。第４Ｂ図に例示
された実施例において、ビーム指示角度は一般に０°で
なく、マニホールド２００　にて放射されるビームは、
スロットのグループの等しくない整相のために通路、２
ｏ４に対して直交していない。例えば、５．０６　Ｇ　
１（ｚ（すなわち、λ−２，３３吋町・・５．９　ｃｍ
　）の中心動作周波数とそして５．９７　’　（１５，
２ｃｍ）のグループｉ［％（ｄｇ）とを持っＭＬＳ地上
システムは、１１２５”の監視されたビーム指示９度を
持つことになる。

しかしながら、スロット２０６〜２１４は所望とされる
いづれがのビーム指示角度に近似するべく整相される。

特定のマニホールドのスロットが近似する実際のビーム
指示角度の範囲はその特定のマニホールドの物理的構成
によって制限される。

故に、いづれの場合でも、マニホールド２００の整相は
、その動作周波数帯域幅にわたって、周波数および結合
用スロット間隔に無関係となる。

如上の結果を達成するために、入力コネクタ２０５は、
第１図に例示されている従来技術で示されている如く、
あたがも導波管２００の各端部が無反射性の吸収部材に
おいて終端されているかのように、始めに、導波管２０
０　に対して整合されるか５る整合コネクタ２０５は第
２図に例示されている如き短絡回路において終端してい
る導波管２００と共に採用され、それにより、第９図に
おいて示されているような共振定在波を生じさせている
。　導波管２００の隣接せる結合用スロットの同相状態
を達成するために、必要とされる導波管波長λｇは結合
用スロット２０６〜２１４間における間隔ｄの２倍であ
る。この間隔ｄは導波管２００と連動された整相アレイ
・アンテナの放射特性によって決定され、代表的には、
２波長よりも僅かばかり大きい。マイクロ波着陸装置仰
角整相アレイ・アンテナに対しては、第６図に示されて
いるようなリッジ装荷（ｒｉｄｇｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　
）がその結果を得るのに使用されている。特に、対向せ
るリッジ２５０Ｒおよび２６０Ｒは、スロット励振の振
幅および位相をかき乱すことになる奇数モード共振を除
くために、導波管２０ＯＲ内に置かれている。

本発明によるマニホールドの最大長さＬはそれが連合さ
れる整相アレイ・アンテナの動作周波数帯域によって制
限される。帯域縁部での振幅テーパーによって生じるビ
ーム歪を制限するために、長さしは次式にて与えられ る値を越えてはならない。すなわち： Ｌ≦λ、ｆ、／２（ｆｍａｘ　　（ｌ−（１−λ。ｆｏ
／λｅｏｆｍａｘ）　２）−ｆｌ′ｎａｘ（ｌ−（１−
λ。ｆｏ／λｃ、ｆｍａｘ）　２））ＩＣＡＯ標準マイ
クロ波着陸装置帯域幅に対して、Ｌははゾ次式によって
与えられる。

すなわち： 上式で、Δｆ／ｆＯは製造公差に対する余裕を加えた設
計上の比帯域幅である。

△ｆ／ｆｏ　＝０．０１６５に対して、Ｌ＝３０．３λ
ｇである。６０λｇのオーダにある大きアレイに対して
は、２つの同様なマニホールドが等しい長さで安定な伝
送ラインでもって相互接続される。

第１２図は、ハゼルチン社にて所有されている米国特許
第３，９０３，５２４号において記述されているような
導波管３００と連合される導波管２００Ｒを例示してい
る。導波管３００はマイクロ波着陸装置（ＭＬＳ）地上
システムの方位アンテナを形成している一連の並列導波
管のうちの１つである。か＼る地上システムはその性能
を評価するための監視を必要とする。か＼る監視を与え
るために、導波管２００Ｒはマニホールドとして機能し
、そして並列導波管３００の各々と連合される。リッジ
２５０Ｒおよび２６０Ｒの形態にある導波管２００Ｒで
のりッジ装荷は、導波管２００の導波長を放射導波管３
００の必要とされる間隔に対して整合するために使用さ
れている。特に、偏波された放射用スロット　３０１を
持つ導波管３００はスロット２０８Ｈに結合される偏波
されていない開孔３０２を持っている。スロット２０６
Ｒおよび゛　　２０７Ｒに対しては他の垂直導波管が結
合されることになる。

第１３図は別なＭＬＳ地上システム結合構成を例示し、
この構成では、偏波されていない孔５゜６Ｒ，５０７Ｒ
および５０８Ｒを導波管５００Ｒの広い壁５０９Ｒに持
ち、そしてリッジ５１０Ｒを広い壁５１１Ｒ上に持って
いる。それらの偏波されていない孔は、偏波されたスロ
ット３０３によって、導波管　３００のような並列放射
導波管に結合される。この構成に対して、隣接せる結合
用孔間における必要な１８０度位相反転は導波管３００
の設計において取入れられている。隣接の導波管３００
はそれらの人カ波ランチャ−１すなわち、スロッ）３０
３において１８ｏ°の位相反転を有している。

第１４図は別なＭＬＳ地上システム結合構成を例示し、
そこにおいて、スロット２０６．２０６ａ、２０７．２
０７ａ、２０８、２０８ａは　、ＭＬＳ仰角アンテナと
して機能できるダイポール・アレイ４００に結合されて
いる。以上、本発明が仰角マニホールドとしての機能に
関連して特定的に記述されているけれども、それは方位
マニホ−ルド又は他のアレイ・モニターとしても使用で
きる。

以上の記載は本発明の好ましい実施例として現在考えら
れるものについて行われているけれども、当業者におい
ては、本発明から逸脱することなしに幾多の変更および
修正が成し得ることは明らかであり、従って、か＼るす
べての変更および修正も本発明の真の精神および範囲内
に入るものと理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による進行導波管の縦断面図である。 第２図は、Ｓｃａｎｎｉｎｇ　八ｎｔｅｎｎａ　ｗｉｔ
ｈＡｕｔｏｍａｔｉｃ　Ｂｅａｍ　５ｔａｂｉｌｉｚａ
ｔｉｏｎ　（自動ビーム安定装置を持つ走査アンテナ）
と云う名称の下で、１９８２年９月７日に出願された同
時係属出願第４１５．０５７号において開示され且つこ
＼でも参考として引用されている開口マニホールドにつ
いての１つの利用を例示している簡略化されたブロック
図である。 第３図は本発明による共振導波管の縦断面図である。 第４Ａ図は本発明による共振導波管の片側の斜視図であ
って、特にそこにあるスロットを示している図である。 第４Ｂ図は本発明による非対称共振導波管の片側の斜視
図であって、特に、各グループが交番せる位相の隣接ス
ロットを有し、交番せる位相のスロットの隣接グループ
を示しでいる図である。 第５図は本発明による１つの共振導波管の横断面図であ
って、特にその矩形構成を例示している図である。 第６図は本発明による別な共振導波管の横断面図であっ
て、特にそのリッジ付き矩形構成を例示している図であ
る。 第７図は本発明による導波管内を伝搬する入射波の振幅
図である。 だ８図は本発明による導波管内を伝搬する入射波の位相
図である。 第９図は本発明による導波管内を伝搬する反射波の振幅
図である。 第１０図は本発明による導波管内を伝搬する反射波の位
相図である。 第１１図は本発明による共振導波管内で発生される定在
波の図である。 第１２図はＭＬＳ方位アンテナの放射導波管の柱に対し
てスロットによって結合される本発明による共振導波管
の１例である。 第１３図はＭＬＳ方位アンデナの放射導波管の柱に対し
て孔によって結合される本発明による共振導波管の別な
例である。 第１４図はＭＬＳ仰角アンテナの放射導波管の柱に対し
てスロットによって結合される本発明による共振導波管
の例である。 ２００・・・伝送ライン ２０１・・・第１の短絡回路 ２０２・・・第２の短絡回路 ２０３・・・トランスジューサ ２０６〜２１４・・・エレメント ２１５・・・アイソレータ ＦＩＧ、　Ｉ ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３ ＦＩＧ、　４Ａ ＦＩＧ、４Ｂ ＦＩＧ、　５　　　　　　　　　　　　　　　　ＦＩＧ
、　６ＦＩＧ、　１３ ＦＩＧ、　＋４

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）予め決められた周波数範囲における電磁エネルギ
   を方向づけるための伝送ライン（２００）であって、該
   ラインが第１の端部と、第２の端部とを持つものと、そ
   して前記ラインに結合されたエレメント（２０６−２１
   ４）とを有している装置において： （ａ）　　前記ラインに結合されそして該ラインがあた
   かも前記第１および第２の端部に連結されている実質的
   に無反射性の成端を持っているかのように前記ラインに
   整合されたインピーダンスを有し、予め決められた周波
   数範囲内における周波数を持つエネルギを対応せる周波
   数の電気的信号へと変換したり又はその逆変換を実施す
   るためのトランスジユーザ（２０３）と；（ｂ）　　前
   記ラインのその第１の端部における第１の短絡回路（２
   ０１）と；そして （ｅ）　　前記ラインのその第２の端部における第２の
   短絡回路（２０２）と、 から成ることを特徴とする装置。
2. （２）前記伝送ライン（２００）は矩形状断面（第５お
   よび第６図）の直線導波管であり、そして前記エレメン
   トは前記ラインの導波管波長の実質的に半分だけ（第３
   図）隔置されたスロットの直線アレイを含み、隣接せる
   スロットが異なる位相を有している（第４図）ことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。
3. （３）奇数モード共振を除去し、それによりエレメント
   振動の振幅および位相歪を減少させるための装置（２５
   ０，２６０）を更に含んでいることを特徴とする特許請
   求の範囲の第１項に記載の装置。
4. （４）　　前記ラインに結合されたエレメントのグルー
   プ（Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ）を含み、そこにおいて、隣接せる
   グループは異なる位相を持ち（第４Ｂ図）、各グループ
   は、Ｎが１より大きい正の偶数である、Ｎ個のエレメン
   トを持ち、そして各グループ内における隣接せるエレメ
   ントは異なる位相を有し、以って、その予め決められた
   周波数範囲内にふける周波数を持つ電気的信号を前記ト
   ランスジューサに供給すると、前記伝送ラインに直交し
   ていないビームを前記エレメントにおいて放射すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。