JPS6013603B2 - 位相調整式のアレイアンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は位相調整式のアレイアンテナに係り、特に、移
相器が故障した場合にアンテナビームの指向精度が低下
するのを防止するための装置に係る。

大部分の位相調整式アレイアンテナシステムの１つの特
徴は、非常に多数のアンテナ素子が通常設けられている
ので、いずれかの特定素子に供繋合される信号に欠陥が
あってもアンテナの性能を著しく低下することがないと
いう点である。

それ故、このシステムは“穏かに故障し”、即ち素子が
故障する数に従って漸次に機能低下する。然し乍ら、マ
イクロ波着陸システムに於いては、航空機の角度位置を
正確に測定できる様にアンテナビームの指向精度が特に
厳密である。Ｆｒａｚｊｔａ氏等の米国特許第４０４１
５０１号には、マイクロ波着陸システムに有用であり且
つ公知の位相調整式アレイアンテナに比べて少数の熊勤
移相器を備えた様な位相調整式アレイアンテナシステム
が開示されている。正確にビームを指向することが要求
され、且つ１つの移相器が多数のアンテナ素子に信号を
与える様なこの形式のアンテナシステムに於いては、１
つの移相器が故障しても、特にアンテナビームの指向精
度という点でアンテナ性能の実質的な低下を生じること
になる。公知技術によれば、位相器に内蔵試験菱贋（Ｂ
ＩＴＥ）を使用することによって位相器の故障を検出す
ることができる。このＢＩＴＥは位相器の故障を速かに
且つ自動的に検出でき、そしてシステムの操作者がその
故障した部品を交換する用意ができる様にする。このＢ
ＩＴＥは故障が速かに検出される様にはするが、正確な
ビーム指向を維持すべき場合には故障した部品を交換す
るまでアンテナシステムの使用を中断する必要がある。
この様な予定されないシステムの停止は経費高となり且
つ特に離着陸の頻繁なェアターミナルでは危険である。
そこで本発明の目的は、移相器の故障が位相調整式アレ
イアンテナのビーム指向精度に影響を及ぼさない様にし
、故障した移相器を都合の良い時に取り替えできるまで
アンテナシステムの作動を維持できる様な装置を提供す
ることである。

本発明の更に別の目的は、既存の移相器設計と容易にイ
ンターフェイスし且つアンテナシステムに対して比較的
わずかなコスト増加で実施できる様な上記装置を提供す
ることである。本発明によれば、複数個のアンテナ素子
と、これら素子に波ェネルギ信号を供給する移相器を含
む結合回路網とを備えた位相調整式のアレイアンテナに
於いて、故障した移相器を通る波ェネルギ信号の供Ｖ給
を遮断する装置が提供される。

この装置は、位相器の故障を検出してその故障を表わす
出力信号を発生するため各位相器に組合わされた手段を
備えている。又、故障を表わす出力信号に応答して、そ
の故障した移相器を通るアンテナ素子への波ェネルギ信
号の供給を阻止するため各位相器に組合わされたスイッ
チも設けられている。本発明の１実施例に於いては、移
相器と直列に結合回路網の伝送ラインに接続されたダイ
オードを設けることによって上記スイッチが実施される
。別の実施例に於いては、ダイオード移相器自身の１８
びビットを用いて上記スイッチが実施される。この後者
の場合には、１８００ ビットの１つのダイオードに送
られるバイアス信号を別のダイオードに送られるバイア
ス信号に対して逆転することによって、ダイオード移相
器の１８０ｏビットをスイッチとして使用することがで
きる。移相器と、故障検出装置と、スイッチは１つのパ
ッケージに配置されるのが便利である。本発明のその他
の目的と共に本発明を更に良く理解するため、添付図面
を参照して本発明の実施例を以下に詳細に説明する。第
１図は、Ｆねｚｉｔａ氏等の米函特許算払似１５０１号
に開示された形式の位相調整式アレイアンテナを示した
ものである。

このアンテナシステムは結合回路網１４によってアンテ
ナ素子に接続された送信器１２を備えている。回路網１
４は複数個のデジタル移相機１８を備えている。移相器
の制御信号は制御ユニット３４によって与えられ、その
色々な設計が当業者に知られている。各々の移相器１８
の出力は鰭力分割器１６の対応する１つに後続され、そ
して各移相器からの信号は素子群２０．２１，２２、等
々の対応する１つに供給される。アンテナ素子群２０，
２１，２２・・・・・・は各々素子対２０ａ，２０ｂ，
２１ａ．２１ｂ…・・・を備えている。伝送ライン３０
及び３２は素子群を相互接続し、そして１つの電力分割
器１６の入力に送られる信号をアレイの全ての素子群の
素子に分配せしめる。第１図に示した形式のアンテナ結
合回路網１４は、位相調整式のアレイアンテナが或る選
択された空間領域に信号を放射しそしてその他の空間領
域への放射を抑制することができる様にし、それにより
不所望な格子ロープを生じることなく有効素子間隔を大
きくすることができる。

その結果、このアレイアンテナは同じ機能を果たす公知
のアレイアンテナよりも少数の移相器でよいことになる
。第１図に示されたアレイアンテナ１０は１句圏のアン
テナ素子に信号を供試合する８個の移相器を有している
。移相器の数が減少されたので、アレイアンテナ１０は
１つの移相器の故障によって生じるビーム指向エラーに
対してより影響を受けやすい。

第５図は２つの特定のビーム指向角に対してアンテナ素
子の位相を示している。１つのビーム指向方向に対して
滋想的な位相関数９２が、素子群に直接送られる信号に
対して選択された位相値９４によって近似されている。

アレイの移相器のうちの１つ、例えば素子群２３に絹合
わされた移相器、が故障しそしてその移相器ビットの１
つを不作動にせしめる場合には、素子群２３の素子に送
られる信号の位相が典型的なステップ関数９６からずれ
、そして所望の位相値９７を有するのではなくて別の位
相値９８を有することになり、これはどの移相器ビット
が故障したかに基いて所望の位相値と異なる。アンテナ
が別の理想的な位相関数１００を有するところの別のビ
ーム指向方向に於いては、全ての素子に供給される信号
の位相が、素子群２３に組合わされた移相器が故障しな
かった場合に機給されるであろうものと同じ位相に対応
する。

これは、故障した移相器が、曲線１００‘こ対応するビ
ーム指向方向に対して通常有するであろうものと同じ位
相値９８を有するために生じる。従って曲線９２に対応
する方向に放射されるアンテナビームに対しては、それ
に対応する移相器が故障した時に素子群２３に送られる
信号に位相エラーがあり、そしてアンテナが位相関係１
０川こ対応する方向に放射する向きにされた時には位相
エラーがない。素子群２３に送られる信号の位相エラー
はアンテナビームの角度指向エラーを生じる。

第６図の曲線で示される様に位相エラー自身は走査角の
関数であるから、アンテナビーム指向エラーも走査角の
関数である。この様にアンテナ指向角に依存されること
により、アンテナビームの監視装置を用いてエラーを検
出することが困難となり、システムを一定量だけ調整す
ることによってビーム指向エラーを修正することはでき
ない。故障した移相器を経て間違った位相でアンテナ素
子に信号を送り続けるよりも、この様な波ェネルギ信号
の供給を遮断した方がよいということが分った。

或るアンテナビーム指向方向に於いてのみ間違った位相
を有する様な信号を素子群に供給すると、方向によって
異なったエラーが生じ、これは通常の修正方法では補償
できず、マイクロ波着陸システムの航行エラーを招き、
これは非常に危険である。故障した移相器に組合わされ
た素子群への信号供給を遮断することにより、非常にわ
ずかな残留ギーム指向エラーが残されるだけであり、こ
の残留エラーは放射角の一定関数であるということが分
った。更に、アンテナの側部ロープレベルの増加は許容
できる程度である。第２図は第１図のアレイアンテナ１
川こ有用な移相器とスイッチとの結合ユニット１８を示
している。

第２図のユニット１８は４ビット移相器４０を備えてお
り、これには駆動・ＢＩＴＥ回路４２から制御信号が与
えられる。移相器は何らかの薄当な形角式のものである
。第１図に示した形努式の位相調整式アレイアンテナに
関してはダイオード又はフェライトのデジタル移相器が
一般に用いられる。回路４２は所望の位相を表わす論理
信号を制御ユニット３４から受け取り、そしてこれら信
号を、移相殺のＲＦ部分を制御するのに適した電圧及び
亀流に変換する。当業者に良く知られた詔贋牛原理によ
れば、回路４２は内蔵試験装置（ＢＩＴＥ）も備えてお
り、これは移相器が適正に機能しない場合に出力信号を
発生する。

このＢＩＴＥは駆動回路の論理及び電源部分の故障を検
出し且つ又移相器を正しく駆動する駆動回路の故障も検
出するのが好ましい。移相器がフェライト型のものであ
って、電流がワイヤを経て流されそして移相器のフェラ
イト物質の状態、を磁気的に変える場合には、フェライ
ト物質の磁束変化に応答して、移相器のフェライト部分
の正しい働きを指示する様な感知素子をＢＩＴＥが備え
ているのが好ましい。移相器がダイオード型のものであ
る場合には、移相器のダイオード素子をバイアスするの
に適した亀圧及び電流が駆動回路によって与えられてい
るかどうかを決定する回路をＢＩＴＥが備えているのが
好ましい。ダイオード素子が故障した場合にはこれらの
電圧及び電流が適正な大きさを持たなくなる。通常この
ＢＩＴＥはアンテナが送信していない時間中に働き、模
擬された位相制御信号に対する移相器の応答を試験する
。通常このＢＩＴＥは駆動回路又は移相器の部品に故障
が生じたことを指示する１つの論理出力信号を発する。
この出力信号は操作者のコンソールに送られ、そこで故
障の可視指示を与える。本発明によれば、この故障指示
信号はＲＦスイッチ４４を作動する駆動回路４６にも送
られる。スイッチ４４は、この様な信号に応答して、移
相器４０への入力伝送ラインを関略し、入力端子３６に
送られたＲＦ信号を出力端子４８へ送れない様にする。
スイッチ４４を移相器４０の出力に配置してもよいこと
は当業者に明らかであろう。

然し乍ら、このスイッチが入りＲＦ信号を反射する形式
のものである場合には、閥成したスイッチによって発生
される定常波が移相器４０の成分に悪影響を及ぼすのを
防止するためスイッチ４４を移相器４０の入力に醇億す
ることが好ましい。第３Ａ図は、移相器が１８ぴ移相器
ビット４８を備えたダイオード移相器である場合の本発
暁の１つの好ましい実施例を示している。

第３Ａ図の回磯は入力ＲＦ伝送ライン５０及び出力伝送
ライン５２を示しており、これらは汝Ｂカプラ５４の分
離されたボートに接続されている。カプラ５４の他方の
ボートは短絡蕗６０及び６２で終っている。１′心皮長
の伝送ライン５６及び５８が短絡路６０及び６２をダイ
オード６４及び６６に接続する。

これらのダイオードはキヤパシタ７０及びＴ２と直列に
伝送ラインと接地点との間に配置されている。制御端子
７８及び８０に逆バイアスが送られることによってこれ
らのダイオード６４及び６６が非導通状態である時は、
入力伝送ライン５０に送られたＲＦ信号が短絡蕗６０及
び６２から反射され、そして出力伝送ライン５２へ与え
られる。ダイオード６４及び６６へのバイアス供給が順
方向バイアスである時は、これらのダイオードが導通し
そして１／傘皮長だけカプラ５４に接近した点で伝送ラ
イン５６と５８を短絡する様に働く。従って入力伝送ラ
イン５０と出力伝送ライン５２との間に送られるＲＦ信
号は半波長小さな距離で進み、それによって１８びの移
相を受ける。ィンダクタ７４及び７６はＲＦ信号が制御
端子７８及び８川こ結合されない様にする。本発明の１
つの観点によれば、第３Ａ図に示した様なダイオード移
相器の１８００移相器ビット４８を用いて、本発明に必
要とされるスイッチ機能を達成することができる。

このスイッチ機能は、１方のダイオードが厭方向バイア
ス状態である間に他方のダイオードが逆方向バイアス状
態である様に制御端子７８及び８０に互いに逆のバイア
スを与えることによって達成できる。これは移相器ビッ
ト４８を適正に機能させるために、反射されるＲＦ信号
に等しくない位相を持たせ、入力伝送ライン５０の入力
ＲＦ信号をこの入力ライン５０に反射せしめる。従って
１８０ｏ移相器ビットをスイッチとして使用することも
できる。この作動に対しては第３Ｂ図に示した様に制御
端子７８及び８０に別々の駆動回路を設けることが必要
である。この実施例の１つの明らかな欠点は、１８０ｏ
移相器ビット４８の故障を検出しそして故障が生じた場
合に移相器を通るＲＦ信号を遮断するためにはより精巧
な回路を必要とし、且つダイオード６４及び６６並びに
それに関連した駆動回略に別々のＢＩＴＥを必要とする
という点である。本発明によって必要とされるスイッチ
の好ましい形機が第４図に示されている。スイッチ４４
は比較的簡単なダイオード型スイッチであり、ダイオー
ド８４が伝送ライン８２と接地点との闇に接続されてい
る。ダイオード８４に順方向バイアスを与えると、この
ダイオード８４は伝送ライン８２のＲＦ信号を接地へと
短絡せしめる。端子９０を用いてダイオード８４が逆バ
イアスされた時は、このダイオードが伝送ライン８２と
接地との間を開賂し、それによってＲＦ信号を通すこと
ができる。キャパシタ８６及びィンダクタ８８はＲＦ回
路とバイアス回路との干渉を防止する。第２図に示され
たスイッチと移相器との結合体１８に用いられた特定の
成分に対して別の変更がなされ得るということが当業者
に明らかとなろう。例えば大きな送信器磁力が含まれる
様な或る使用目的に於いては、フェライトスイッチを使
用するか、或いは又入力信号が送信器に向って反射され
て戻されない様な端子に接続されたスイッチを使用する
ことが必要であり又はそうすることが望ましい。第１図
に示された形式のアンテナは交互作用的であり、移相器
を適正に配列して使用すれば信号の送信及び受信の両方
に使用できるということも当業者に明らかであろう。然
し乍ら、フェライト移相器の様な或る形式の移相器は交
互作用的な性質を有しておらず、受信をする際には送信
に用いられるものと別の駆動信号を必要とする。然し、
本発明は、移相器が故障した時に移相回路を送信器又は
受信器から遮断することに関するものであるから、受信
アンテナシステムにも送信アンテナシステムにも等しく
適用でき、そして特許請求の範囲は受信アンテナシステ
ム又は送信アンテナシステムのいずれに用いられる装置
も包含すると解釈さるべきである。故障した移相器を通
る信号の流れを遮断することによって得られる効果は、
ビーム方向精度の改善に関する限りは、受信アンテナに
も等しく適用される。本発明の好ましい実施例と考えら
れるものを説明したが、本発明の範囲から逸脱せずにそ
の他の変更がなされ得るということは当業者に明らかで
あり、従ってこれらの変更は全て本発明の技術思想内に
包含されるものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による菱直を備えた位相調整式アレイア
ンテナシステムを示した図、第２図は第１図のアンテナ
システムに用いられる本発明の移相器及びスイッチを示
したブロック図、第３Ａ図および第３Ｂ図は移相器の１
８びビットがスイッチを形成する様な本発明の実施例の
回路図、第４図は本発明に用いることのできるＲＦスイ
ッチの回路図、第５図は第１図の配列体アンテナの素子
群に対する位相を示したグラフ、第６図は第１図のアン
テナの１つの移相器が故障した時に走査角の関数として
位相エラーを示したグラフである。 １０・・・…アレイアンテナ、１２・・・・・・送信器
、１４・・…・結合回路網、１６・・・…亀力分割器、
１８・・・・・・移相器（移相器とスイッチとの結合ユ
ニット）、２０，２１，２２・…・・アンテナ素子群、
３０，３２……伝送ライン、３４……制御ユニット、４
０……移相器、４２・・・・・・駆動・ＢＩＴＥ回路、
４４・・・…ＲＦスイッチ、４６・・・・・・駆動回路
、４８・・・・・・１８００移相器ビット、５０・・・
・・・入力ＲＦ伝送ライン、５２・・…・出力伝送ライ
ン、５４・・・・・・幻Ｂカプラ、５６，５８・・・・
・・伝送ライン、６０，６２・・・・・・短絡路、６４
，６６……ダイオード、７０，７２……キヤパンタ、７
８，８０…・・・制御端子。 ＦＩＧ．ｌＦＩＧ．２ ＦＩＧ．３Ａ ＦＩＧ．３Ｂ ＦＩＧ．４ ＦＩＧ．５ ＦＩＧ．６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個のアンテナ素子およびこのアンテナ素子に高
   周波（ＲＦ）の波エネルギ信号を供給する移相器を含む
   結合回路網を備えた位相調整式のアレイアンテナに於い
   て、故障している移相器を通る上記アンテナ素子へのＲ
   Ｆ信号の供給を遮断する装置であって、各々の上記移相
   器に組合わされ、移相器の故障を検出しそしてその故障
   を表わす出力信号を発生する手段と、各々の上記移相器
   に組合わされ、上記出力信号に応答して、故障している
   移相器を通る上記アンテナ素子へのＲＦ信号の供給を阻
   止するスイツチ手段とを備えていることを特徴とする装
   置。 ２ 上記スイツチ手段は上記移相器の高周波部分と直列
   に接続される特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 各々の上記移相器は入力伝送ラインと出力伝送ライ
   ンとを有し、上記スイツチ手段は上記伝送ラインの１方
   に配置されたダイオードを備えている特許請求の範囲第
   ２項記載の装置。 ４ 各々の上記移相器は第１及び第２反射ダイオードを
   含む１８０°移相器ビツトを備えたダイオード移相器で
   あり、そして上記スイツチ手段は上記１８０°位相器ビ
   ツトと、上記第１及び第２反射ダイオードを異った導通
   状態に駆動する手段との結合体を備えている特許請求の
   範囲第１項記載の装置。