JPS63502237A - 高効率光限定走査アンテナ - 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】 前記修正レンズ（７０）は前記光源分布を前記内面上に形成して前記光源分布の 拡大されたものである開口分布を前記線形開口に形成するように構成されている ことを特徴とする高効率の限定走査光学的アンテナ。

２、主供給手段は、１個の入力ポート（５６）と複数の出力ポート（５７）とを 有するパワー分割手段（５５）を具備し、このパワー分割手段は前記入力ポート における入力ｒｆ倍信号ｒｆパワーを前記出力ポート間に分配し、主供給手段は さらに、パワー分割手段（５５）の前記出力ポートに結合された複数の位相シフ タ（６ｏ）と、複数のフィード素子よりなるフィードアレイ（６５）とを具備し 、前記アレイは前記位相シフタにより前記出力ポートに結合され、前記フィード 素子は前記修正レンズ（７０）を照明するように配置され、 主供給手段はさらに、各位相シフト素子（６０）により導入された位相シフトを 制御して限定走査カバー範囲にわたって前記開口分布により形成されたビームを 制御するための位相シフト制御装置を具備している請求の範囲第１項記載の限定 走査光学的アンテナ。

３、開口レンズは内面（８１）とこの内面に沿って配置された複数のピックアッ プ素子（７５）を具備するブートレースレンズ（８０）よりなる請求の範囲第１ 項記載の限定走査光学的アンテナ。

４、修正レンズ（７０）はｒｆエネルギの光源分布を修正レンズの中心から選択 された半径にある像の弧に沿った像分布に変換し、前記開口レンズ（８０）は像 の弧の近くに配置されたパラボラ反射表面を有する折り返しピルボックスアンテ ナよりなる請求の範囲第１項記載の限定走査光学的アンテナ。

５、前記折り返しピルボックスアンテナのパラボラ反射表面は前記開口縁部にお いて像の弧と交差するように配置されている請求の範囲第４項記載の限定走査光 学的アンテナ。

６、前記折り返しピルボックスアンテナのパラボラ反射表面は前記開口の中心に おいて像の弧と交差するように配置されている請求の範囲第４項記載の限定走査 光学的アンテナ。

７、前記修正レンズ（７０）は誘電率が半径の関数として変化する円形対称レン ズからなる請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項記載の限定走査光学的ア ンテナ。

８．前記修正レンズ（７０）は１対の導電性の平行な板（１０Ｂ　。

１０７）からなる測地ドーム構造を具備している請求の範囲第１項乃至第７項の いずれか１項記載の限定走査光学的アンテナ。

９．１対の導電性の平坦な板は前記ドーム構造と前記ピックアップ素子との間に 電磁エネルギを導くためにドーム構造の板のそれぞれのものと前記内面との間に 延在している請求の範囲第８項記載の限定走査光学的アンテナ。

１０、前記修正レンズ（７０）がルーネベーグレンズからなる請求の範囲第７項 記載の限定走査光学的アンテナ。

明細書 高効率光陽定走査アンテナ 発明の技術的背景 この発明は、限定された走査アンテナに関するものであり、特に最小の能動素子 を使用して開口サイズと一致した最大可能な利得を有する、特定の角度範囲にわ たる狭いビームを走査するための高効率で、比較的低コストのアンテナに関する ものである。

各素子あたり１個の位相シフタを有する通常のフエイズド・アレイは広い側から おそらく±θ０度の角度範囲内の狭いビームの多くのビーム幅を走査する。この ような広角走査アンテナのカバーする角度範囲は第１図に示されている。限定走 査アンテナはある公称位置を中心とする、しばしばブロードサイドのいくつかの ビーム幅だけの狭いビームを走査する。

このような限定走査アンテナのカバーする角度範囲は第２図に示されている。限 定走査システムはいくつかの用途に使用される。

（Ｌ）兵器の位置発見レーダ （１１）マイクロ波着陸システム （ｉｉｉ　）宇宙通信システム （ｉｖ）適応アンテナ 第１の用途においては、廠射源を確認するために発射体の飛行の初期に正確な軌 道測定が要求される。狭い高利得のビτムは雑音と格闘し多重パス効果を最小に する必要があるが、数個のビーム幅の走査が必要であるに過ぎない。同じ考えは 盲目着陸システムにも適用される。第３の用途では、人工衛星から狭い高い利得 のビームを放射し、地球の一部、恐らくは大陸の半分だけをカバーすることが必 要である。そのような地球をカバーすることが要求されるビームの全体の数は適 度に小さく、人工衛星から見た地球の視角は１８度に過ぎない。

通信は単一ビームのカバー範囲の、外側で生じる妨害を受けないように行われる 。

限定走査アンテナの最近の用途は適応アレイにおける使用である。そのようなア ンテナにおける能動モジュールは位相シフタと減衰器であり、それらは受信モジ ュールの出力における妨害を最小にするように設計された制御回路によって設定 される。能動素子に取付けたターミナルはそれぞれ開口中にサブアレイ分布を生 成する。サブアレイ分布は各ターミナルに対して事実上同一である。対応するパ ターンは可能な最高の利得と観察する限定された範囲内の最大の可能な格子ロー ブ抑制を与える。これはより大きな信号対雑音比を与え、また事実上スプリアス 格子ローブ特性がない。さらに、サブアレイは全て同様であるから、最大エント ロピー法のような非常に迅速な適応アルゴリズムが使用できる。

限定走査アンテナデザインは同じ開口を有する完全なフエイズド・アレイと同じ 利得およびサイドローブ特性を与える。

数ビーム幅の走査しか必要でないから、限定走査機能を行なうために開口素子当 り１個の位相シフタを設ける必要がないことをのぞいてそれは合理的にみえる。

位相シフタと位相シフタ駆動装置は典型的には位相アレイ中の最も高価なもので あり、これら装置もまたアンテナ特性の信頼性の指数を利用する主たる支配者で あるから、限定走査アンテナデザイ°ンの目的は受動装置の複雑性の過度の増加 や利得およびサイドローブ特性の低下をまねくことなく能動部品の数を最小にす ることである。しかしながら、最近の技術では、固体送信装置、受信前置増幅器 、位相シフタ、おまび同様の能動装置をアレイを通じて分配する傾向にある。

限定走査能力は強制回路、すなわちｒｆエネルギが伝送ラインにより局限される 回路を使用することによって与えられる。

比較の標準は小さなパトラ−（Ｂｕｔｌｅｒ）マトリックスにより供給される大 きなパトラ−マトリックスよりなるシステムである。そのようなシステムは例え ば文献（Ａ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−ｂｅａｍ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ｆｅｅｄ　Ｎｅｔ ｗｏｒｋ、　Ｃ，Ｒｏｔｈｅｎｂｅｒｇおよび５０Ｍ１ｌａｚｚｏ、　Ｒａｄｉ ａｔｉｏｎ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　、　５ｐｅｒｒｙＧｙｒｏｓｃｏｐｅ　Ｃｏ　 、　１９６５年６月）に記載されている。ノ（トラ−マトリックスは当業者によ く知られており、例えば文献（Ａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　５ｃａｎｎｅｄ 　Ｂｅａｃｏｎ　Ａｎｔｅｎｎａ、　Ａ。

Ｅ、　Ｈｏ１ｌｅｙ　、　Ｅ、　Ｃ，Ｄｕ　ＦｏｒｔおよびＲ，Ａ、　Ｄｅｌｌ −Ｉｍａｇｕｉｒｅ、ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、ＡＰ　−２２，１９７４年１月、 ３頁）に記載されている。大きなパトラ−マトリックスは同時に高い利得のビー ムを生成するが、限定走査にはほんの少ししか使用されそいない。小さなパトラ −マトリックスは位相シフタおよび均一なパワーデバイダと共同して大きなツク トラ−マトリックスのターミナルの重みをビームを導くようにスライドする。こ のシステムは最小の数の能動素子（走査のビーム幅の数に等しい）が使用され、 利得は最大にされ、格子ローブのレベルが低い点で最適である。し力浅ながら、 多くる。

概観的にＭａｉｌｌｏｕｘは、ブートレース（ｂｏｏｔ　１ａｃｅ）開口レンズ およびパトラ−マトリックスを利用したハイブリッド構成について検討した（Ｒ −Ｊ　、　Ｍａｌｌｌｏｕｘ　Ｐｈａｓｅｄ　ＡｒｒａｙＴｈｅｏｒｙ　ａｎｄ 　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　’　Ｐｒｏｃ　、Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ７０．　Ｎｏ　。

３　、１９８２年３月、２４６頁等）。このような装置の特性はそのときに利用 できる純粋に光学的な方法よりよいけれども、パトラ−マトリックスは実際の応 用、特に３次元の場合には大きすぎる。

研究者はパトラ−／パトラー限定走査技術の光学的に等価なものを捜した。本発 明者が共同発明者である米国特許第３８３５４８９号明細書は低い位相エラーの レンズ型光学装置を開示している。小さなアレイおよび補正レンズによる開口の 照明はビームが走査されるとき固定されて静止してはいない。一方ではあふれ出 ることによる損失があり、他方では照明の低下がある。この問題は最小の数の素 子より多くの素子を使用することによってのみ修正することができる。

第２の純粋に光学的な方法はＣ，Ｈ，ＴａｎｇおよびＣ，Ｆ、　Ｗｌｎｔｅｒの リポート（“Ａ　Ｓ　ｔｕｄｙ　Ｏｆ　ｔｈｅ　Ｕｓｅｏｆ　ａ　Ｐｈａｓｅｄ 　Ａｒｒａｙ　ｔｏ　Ａｅｈｌｅｖｅ　Ｐｅｎｃｌｌ　Ｂｅａｍ　０ｖｅｒａ　 Ｌｉａ＋１ｔｅｄ　５ｅｃｔｏｒ　５ｃａｎ″ＡＦＣＲＬ　ＴＲ−７３００４８ ２゜ＥＲ−７３−４２９２，Ｒａｙｔｈｅｏｎ　Ｃｏｍｐａｎｙ、　Ｆｌｎａｌ 　ＲｅｐｏｒｔＣｏｎｔｒａｃｔ　Ｆ　１９Ｂ２８０７２−　Ｃ−０２１３，Ａ 　Ｄ　７８８８１８）に記載されている。この方法によれば、修正ブートレース レンズが焦点焦点を結ばせ、焦点分布はレンズの開口側に写像される。この焦点 分布は開口を照明する。ビームはフィードアレイ位相シフタを使用して修正レン ズのフィード側に沿って焦点を移動させることによりファ（ｆａｒ）フィールド 中で走査される。

このシステムは幾何学的に全ての走査角度に対して集束されるけれども、ビーム が走査するとき開口照明が一方の側にスライドして一端においてあふれ出る結果 となり、開口の他端において照明が低下する。もしも修正レンズの半径が経験的 に最適であれば、このシステムは最大走査角度の半分までは非常に効率がよい。

しかしながら、利得は最大走査においてパトラ−マトリックス技術よりもずっと 低い。その方法を改良する唯一の明らかな残りの方法は理論的な最小数の素子の 約２倍を使用するか、または大きな照明の低下した開口を使用することである。

それ故、可能な最小の開口と最小数の能動素子を使用し、限定された観察フィー ルド内の全ての角度に対して１００％に近い効率を維持する光学的限定走査アン テナを提供することはこの技術における進歩となるものである。

発明の概要 この発明は、サブアレイ・フィード回路網を備えたデュアルレンズ型アレイアン テナよりなる。そのアンテナシステムは、放射素子およびビック・アップ素子と 、ブートレース型マイクロ波開ロレンズと、フィードアレイによって供給される る中間光学レンズと、位相シフタと、入力パワー分割装置とを具備している。こ の発明によれば、位相シフタの数は放射素子の数よりもずっと少ない。このシス テムにおける能動素子は位相シフタだけであり、それは比較的少数のものが必要 であるに過ぎない。他の全ての部品は受動素子である。

中間光学レンズは２次元の場合に半径ｆを有する円対称であり、３次元の場合に は球対称である。この光学レンズの半径方向で変化する誘電定数は開口レンズの 円の背側の距離Ｆにおける点にその表面上の点が焦点を結ぶようにされる。供給 点、レンズの中心および焦点は対称の結果として共通線上にある。

開口レンズはブートレース型で、その内面は円であり（２次元の場合）、中間レ ンズの中心点に中心がある。開口レンズの背面にあるピック・アップ素子は等し い長さの伝送ラインによって線形開口上の放射素子に接続されている。二つの表 面上の素子の間隔は同じであり、または一方の側で不均一な間隔であるアツベ（ Ａｂｂｅ）の正弦条件にしたがって変化する。開口レンズは中間レンズの中心に ただ一つの完全な焦点を有する。

好ましい実施例では、完全に光学的であり、レンズのみ（反射器を備えていない ）を備えたフィード−スルー型である。結合器／伝送ラインマトリックス、パト ラ−マトリックスまたは入力パワー分割装置以外に必要な他の強制回路網はない が、しかし光学的半径方向パワー分割装置同様な作用を行なうことができる。位 相シフタ以外に必要なスイッチまたは他の能動素子はなく、これらは開口素子の 数に比較してはるかに少ない。

必要な位相シフタの数は所望の走査のビーム幅の数に等しい。このシステムは全 ての走査角度に対してあふれ出番５よる損失は無視できる程度であり、はとんど １００％に近い効率である全開口を使用し、事実上損失がな°く開口サイズに対 応するほとんど可能な最大利得を有する。

図面の簡単な説明 この発明のこれらの、お゛よびその他の特徴および利点は添附図面に記載された 実施例の以下の詳細な説明からさらに明瞭になるであろう。以下の図面において 、第１図および第２図は、広角走査アンテナおよび限定走査アンテナのカバー角 度範囲を示す。

第３図は、この発明の実施例の主要部品の概略図である。

第４図は、実施例で使用される中間修正レンズの相互関係を示す光線経路の概略 図である。

第５図は、ブロードサイド、中間および最大走査角度における実施例で使用され るブートレースレンズおよび中間レンズの動作を説明するための光線図である。

第６図は、並列プレート測地ドームとしての修正レンズの１実施例を示す上面図 である。

第７図は、線６−６におけるクレーム６の実施例の断面図である。

第８図は、開口レンズとしての折返しピルボックスアンテすを使用した実施例の 上面図である。

第９図は、修正レンズとしての並列プレート測地ドームおよび開口レンズとして の折返しピルボックスアンテナを使用する実施例の斜視図である。

第１０図は、第９図の線１０−１０に沿った第９図の構造の断面図である。

クスアンテナを使用する実施例の簡略図および光線図である。

開示の詳細な説明 第３図を参照すると、この発明を使用する限定走査アンテナシステム５０の主要 部品の概略が示されている。このアンテナシステム５０は入力ボート５６と複数 の出力ポート５７を備えたパワー分割装置５５と、複数の位相シフタ６０と、複 数の個々のフィード素子６５ａを有するフィードアレイ６５と、中間の光学レン ズ７０と、ピックアップ素子７５と、ブートレースレンズ８０と、放射素子８５ とを備えている。

この発明の動作およびシステムパラメータの選択は幾何光学によって論じること ができる。半径ｆで、誘電定数が半径方向の距離に依存する円形の修正レンズ７ ０は第４図に示されている。この発明によれば、誘電定数分布はレンズ表面の点 Ｓ１からの光線がレンズ７０ａによって屈折されて距離Ｆ≧ｆの別の点１１に焦 点を結ぶように選択されている。対称性から光源Ｓ１と、レンズ７０ａの中心７ １ａと、焦点を結ぶ点１１は共通線上にある。また、対称性から、もしも上記の 焦点を結ぶ条件が点Ｓ１と１１の一つの対において成立するとすれば、円形レン ズ表面上の全ての点は半径Ｆの画像面８１ａ上の特有の点に焦点を結ぶ。このレ ンズ７０ａは円形の画像面８１ａ心とする方位角によって測定したとき、画像分 布は修正レンズ７０ａの表面における光源分布に対応する。何故ならば、全ての 点の対に対する光路の長さは同じであるからである。対称線からの画像円および 表面８１ａに沿ってそれぞれ測定された弧の長さによれば、表面８１ａの映像分 布はレンズ７０ａの表面上の光源分布の蓼大したレプリカである。

この発明によれば、第３図に示された開口ブートレースレンズ８０の後面８１上 の映像円は、対称線９０から測った弧の長さが同じである全ての点の対を接続す る伝送線８３の長さを等しくすることによって歪みを生じることなく直線状開口 ８２に写像される。すなわち、点９１（面８１と対称線９０との交点）から測っ た弧の長さＬの面８１上の点は、点８４（直線状開口８２面８１と対称線９０と の交点）から測った同じ長さＬである直線状開口８２上の点に接続される。これ は単に映像分布を直線状にするものである。

したがって、光源関数Ａ　１　（ｓ　１　）　ｅ””は開口分布ＡＩ　（ｙ）　 ｅ−ｊ艦Ｃ７）となる。

ここで、 Ｓｌは供給点Ｓ（第３図）に対する修正レンズ７０の供給表面による対称線９０ の交点から測った弧の長さ、ｙは開口中心から測った直線状開口８２に沿った直 線距離であり、 対応するＳおよびｙにおける各開口と光源分布の相対位相はは同じであり、 ｙ−Ｆｓ１／ｆである。

ψ２　（ｙ）−ψ□　（Ｓｌ） 一ψ１　（ｆｙ／Ｆ）　・・・・・・（１）振幅はエネルギの保存から決定され る一定スケールの係数だけ相違する。

ＡＨ２（ｓｌ　）ｄｓｌ　−Ａ２２　（Ｙ）ｄｙ・・・・・・（２） ここで、ｄｓｌとｄｙは異なった弧の長さを表わす。

ｄｓ１／ｄｙ−Ｆ／ｆであるから、（２）式は次のようになる。

ム Ａ２　（）’）−（ｆ／Ｆ）　Ａｔ　（ｆ　ｙ／Ｆ）・・・・・・（３） それ故、一定の振幅を有する光源または入力分布は最大効率に必要な一定振幅の 開口分布を生じる。特に、入力位相分布ψ（ｓｌ）は弧の長さ８１の関数として 線形にされる。

ψ□−ｋｓｌｓｌｎφ１　・−・・（４）こて、ｋは波数２π／λであり、φ１ は中間レンズ（第５図）の表面におけるフィードアレイ６５から出る光線の角度 である。

そのとき開口分布は一定の振幅を有し、位相分布は次式で与えられる。

ψ２　（３／）　−ｋ　ｆ　ｙｓ１ｎφ１／Ｆ−−（５）一定角度φ１でフィー ドアレイ６５から出る光線は（５）式で得られた角度φ２で開口８２を出る。

ｓｉｎφ２−ｆｓ１ｎφ１／Ｆ　−−−−・−（６）開口アレイは角度φ２にお いて完全に無限大に焦点が結ばれる。一定振幅を有するフィードアレイ分布を使 用することによって、結果的に生じる開口分布の振幅もまた一定になる（第３図 から）。あふれ出も、位相歪みもなく、１００％の開口効率が得られる。しかし ながらファーフィールド（ｆａｒｆｉｅｌｄ　）中の角度走査は制限される。何 故ならばｓｉｎ　２φ１く１であるからである。結果的に（６）式から、ｓｉｎ 　２φ２　＜　（ｆ　／　Ｆ）　２＝　（７）一定振幅フィードアレイ分布を使 用する実施例において、ブートレース開口レンズ８０は各映像円８１上の同じ距 離ｙにおける点の対および直線状開口８２が連結されている通常のアツベのレン ズではない。その代りに、各映像円８１および直線状開口８２に沿って測った対 称線９０から等距離の点の対は互いに接続される。このレンズ８０はアツベのレ ンズがするように受信点に焦点を結ばない。受信においては、全ての入来する光 線は同じ入射角度で開口に当たる。それ故、この角度はレンズ８０の全ての光線 に対して保持され、光線は正常な入射においてのみ１点に焦点を結ぶ。上述の最 大の走査角度およびディメンションＦおよびＤの有用な比（Ｆ／Ｄ）の選択は、 最大走査角度において全ての入来光線が修正レンズに接線となることがないこと によって達成される。さらに入来角度が増加すると光線が完全にレンズに入らな くなる。第５図は、ブロードサイドで開口レンズ８０および中間修正レンズ７０ に当たる光線（実線）と、中間走査角度（ｆｓｉｎφ１−Ｆ　ｓｉｎφ２）にお ける光線（破線）と、最大走査角度（φ１−π／２゜φ２−５ｉｎ　’　ｆ／Ｆ ）における光線（鎖線）とを示している。

第７図から、最大走査角度はｓ１ｎφ２−ｆ／Ｆの関係によって決定される。比 Ｆ／Ｄの使用可能な範囲はまた最大走査の場合から決定される。短いＦ／Ｄはブ ートレースレンズ８０の半径を最小にするために所望される。他方、受信におけ る修正レンズ７０の照明された部分はフィードアレイ６５と重なってはならない 。第５図から、これは次の関係を満足することを角度Ｆ／Ｄに要求する。

（π／２−φ２）＋Ｄ／Ｆ＜πまたは、Ｄ／Ｆ＜ｙｒ／２＋（φ２　）　ｆｌｌ ａｘ　＝　（８）以上説明した等しい弧のブートレースレンズは一定の振幅およ び線形の遅延を生じ、したがって最大の利得を生じる（マグロウヒル社発行、Ｓ ａａ＋ｕｅｌ　５ｉｌｖｅｒ著“Ｍ　ｌｃｒｏｗａｖｅＡｎｔｅｎｎａ　Ｔｈｅ ｏｒｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　”　１９４９年、セクション６−４）。

しかしながら、用途によってはアツベのレンズを使用することが経済的で有利で あるかも知れない。それについては、ｙ＝Ｆｓｌｎ　（ｓｌ　／ｆ）　・−−・ ・（９）アツベのレンズによれば、Ｓ工の関数として非直線位相を有するフィー ドアレイ６５の分布は開口８２において線形遅延を生じるために必要である。角 度φ２にビームを走査するためにψ２　（ｙ）−ψ１（８１）およびψ１　（ｙ ）−（ｋｙ）ｓ１ｎφ２であるから、（９）式からフィードアレイＢ５上の与え られた位相分布は次のようでなければならない。

ｋＦ　（ｓｉｎ　Ｓｌ　／　ｆ）　ｓ１ｎφ２−（１０）また、式（１）および （９）から振幅分布は次の式で与えられる。

Ａ２　（Ｙ）−ＡＩ　（ｆｓｉｎ−”　ｙ／Ｆ）　・妙 （ｆ／Ｆ）／（１−ｙ２／Ｆ２）稀・・・（１１）それ故、アツベのレンズによ る一定フイード振幅分布はアレイの中心に振幅にディップを生じる。この発明の ３次元の実施例では、アツベのレンズは構成が容易であり、特に伝送ライン８３ を製作するのに導波管の長さが使用されるならば容易である。

幾何光学から予測される完全な特性は修正レンズ６５が別の円上に円を描くこと から得られ、またはフィード分布の拡大された写しである開口分布を固定する焦 点対のの連続があるために得られる。半径Ｆが無限大である場合、（２−ｒ２／ ｆ２）にしたがって半径ｒの関数として変化する誘電定数ｎ（ｒ）を有する通常 のルーネバーク（Ｌ　ｕｎｅｂｅｒｇ　）レンズは中間レンズ７０に対して所要 の機能を行なう。しかしながらルーネバークは全てのｒｌおよびｒ２に対して半 径ｒ２の別の円上に半径ｒ１の円を描くために一般的な問題を解決した（　Ｒ、 Ｋ　、　Ｌ　ｕｎｅｂｅｒｇ著、Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏ ｆＯｐｔｉｃｓ、、ブラウン・ユニバーシティ・プレス、１９４４年）。

ルーネバークは半径距離ｒＱにおける点源を半径距離ｒ１における第２の点に映 像する単位半径の球状対称レンズを考え、パラメータρ（ｒ）−ｒｎ　（ｒ）に よってレンズの屈折率ｎ（ｒ）に対する表現を導出するために光線理論を使用し た。

ｎｓｗ　ｅｉｓ）（ｆ、Ｙ、ゝ＋（ａＪ　（ｆ　、　ｒｎ　（１２）＊　−０ま たは１　・・・・・・（１８）ここで興味がある場合において、ｒは半径ｆで１ に正規化したレンズの半径であり、ｒｌはＦ／ｆである。関数ωはｒ０１＝１の とき簡単化される。

〜（ρ、　１）　−１／２Ｉｎ　［１＋　（１−ρ２？］・・・・・・（１４） 他方ωは数値的に評価される。

（１２）〜（１４）式は特定の応用、すなわちｆおよびＦの特定の値に対してル ーネバークレンズを特定するｎ　（ｒ）を決定するために使用できる。

中間レンズ７０の構成に対して最も困難な場合はＦ−ｆのマクスウェルの魚眼レ ンズであり、その場合には最大誘電定数は中心で４であり、その他では４／　（ １＋ｒ２／ｆ２）　２である。ルーネバークレンズは市販され、ブートレースレ ンズも同様にマイクロ波エンジニアにはよく知られている。大抵の光学的限定走 査は貧弱な穴の照明による不充分な幾何光学により示されることができる。一方 この発明は限定走査に１００％の効率であるアンテナシステムを提供するために 使用される。残りの損失をアドレスし、個別のフィードアレイ素子を算定するた めに、ある簡単な回折の概念に訴える。連続光源および均一の素子アレイは、ア レイ素子が連続光源の１／２波長離れたサンプル点であり、表面の曲率半径が波 長に比較して大きいときに与えられるのと本質的に同じフィールドを生成するこ とはよく知られている。焦点が幾何学的点てはなく、特性的な大きさが重要な波 長に比例する焦点スポットのピークであることもまた知られている。対称パター ンを有する単一アレイフィード素子は幾何学的焦点に中心を有する大中の有限の 大きさの対称スポットを生成する。したがって、穴の縁に画像の中心があるよう に配置されたフィード素子はそのパワーの半分があふれ出て損失となる。この損 失を避けるためにこれらのフィード素子は消去される。そのとき残りの回折損失 は開口分布中で小さな振幅および位相リップルによるものである。第３図を参照 すると、λ／２離れたＭＭλ／２−Ｄ／Ｆを占める。

（６）式から最大走査角度はｓｉｎ””　（ｆ／Ｆ）であり、それ故、角度カバ レージは Δφ−２ｓｌｎ−１ｆ　／　Ｆ　−２ｓｉｎ−”　（Ｍλ／２Ｄ）−Ｍλ／Ｄ　 ・・・・・・・・・（１５）１００％効率の開口のファーフィールドビーム幅り はλ／Ｄであるから、（１５）式は、限定走査アレイにおける能動素子の最小数 が角度カバー範囲のビーム幅の数に等しいというよく知られた結果を再生する。

この発明はこれに関して最適であり、開口における波長間隔能動素子のアレイに 比較して節約される能動素子の数が２ｆ／Ｆ（３次元では４ｆ２／Ｆ２）である アンテナを提供する。

この発明の装置は２次元と３次元の場合に分けられる。２次元では、等しい弧の 長さのブートレース開口レンズが容易に構成され、補正レンズが少なくとも二つ の方法で実現できる。可変誘電体方法がその一つである。それにおいては、レン ズは誘電体材料の平坦なレンズであり、そｑ誘電率が上記ルマー（ＦｅｒｒＡａ ｔ　）の公式により開始が決定される。特定の目的のドームに対して文献中に詳 細に説明された場合はこの構成は平行に近い（Ｅ　、Ｃ、Ｄ　ｕｆｏｒｔおよび Ｈ，Ｕ　ｙｅｄａ　ｌ　ＡＷｉｄｅ　Ａｎｇｌｅ　Ｓｃａｎｎｌｎｇ　０ｐｔ１ ｃａｌ　Ａｎｔｅｎｎａ、Ｉ　ＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ、ＧＡＰ　ＡＰ −１、１９８３年１月６０頁）。これらやドームは金属スピニング技術を使用し て製造することができる。

第６図および第７図は第３図で５０で示されたシステム中の修正レンズとして作 用する平行板ドームの２次元の場合を示す。第６図は平らな平行な板構造により ブートレースレンズ８０に連結されているドーム７０ｂの頂面を示している。こ の実施例の構造は第７図の断面図でより明瞭に示されている。ドームは２個の窪 んだ平行な金属板７２ａ　、　７２ｂで構成されている。ドームの供給縁に沿っ てフィード素子８５ａのアレイが第１図について説明したように配置されている 。ドームの開口側では上下のドーム板７２ａ　、　７２ｂはそれぞれ平らな金属 板７３ａ　、　７８ｂに連結されている。この平行板構造はドーム７０ｂをブー トレースレンズ０に結合する。ピックアップ素子またはプローブ７５が第３図に ついて上述したように像の弧の周辺ドーム７０ｂを構成する平行板の曲率は次の 方法で決定される。ｆがドームのベースにおける半径を示し、Ｆが中心点７１ｂ からの半径方向の距離を示すどする。中心点７１ｂの上の特定の高さ２において 軸７４から測ったドームの半径ρは次の姓 ｆｃｏｓ　’　（ｆ／Ｆ）／　（ｆ２−ｕ２）−ｃｏｓ−１（（ｆ２−ｕ２）／ ／！／（Ｆ２−ｕ２Ｐ１ムとして知られているＦが無限大に等しい場合を除いて 数学的に評価されなければならず、その場合Ｆはｆに等しい。

３次元では、開口レンズは各ピックアップおよび放射素子を接続してアツベのレ ンズを形成する導波管伝送ラインで大抵容易に構成される。上述のようにサブア レイは相違し、振幅分布は逆テーパーであろう。しかしながら、位相は補正され ることができ、利得は影響されない。現在知られているかぎりでは、修正レンズ は、２次元の場合の平行板測地ドームに類似する３次元のものは知られていない から、３次元では誘電体ルーネベルク（Ｌ　ｕｎｅｂｅｒｇ　）レンズとして構 成されなければならない。

フィードアレイに関しては、当業者によく知られているように、アレイは全ての 可能な入射角度における平面波に対し、て整合しなければならない。３次元では フィードアレイは修正レンズ７０の表面におけるプローブ中に終端されｆ導波管 部分から構成されるのが有利である。

開口レンズからなるピックアップ素子および放射素子は可能な入射角度にわたっ て平面波に対して整合しなければならない。この整合はフィードアレイに比較し て容易に達成される。それは開口レンズに対する角度範囲は修正レンズのように 広くないからである。

この発明を実現するために、フィードＱスルーΦブ二トレースレンズ８０を使用 する必要はない。例えばラインソースの場合には、ブートレースレンズは折り返 しピルボックスアンテナによって置換されることができる。ピルボックスアンテ ナは当業者にはよく知られており、例えば米国特許第２８８８５４６号明細書に 記載されている。折り返しピルボックスアンテナは金属板から構成されてよく、 折り返しが修正レンズ７０に対して適切に方位付けられるときシステムの特性は ブートレースレンズを使用するシステムと同程度に良好であり、システムの簡単 化が得られる。修正レンズが上述の適当に成型されたドームの形態の平行板で構 成されるとき、再修正レンズ７０および８０は金属板から製作することができ、 製造が比較的簡単で廉価である。

ブートレースレンズの代りにピルボックスアンテナを使用するこの発明の実施例 は第８図に示されている。この実施例は２次元の場合であり、修正レンズ１０５ は上記のようにその誘電率が半径により変化する平坦なディスク部材として構成 されることができる。その代りにレンズ１０５は第６図および第７図に関して前 述したように適当に成型された平行板ドームで構成してもよい。平行板構造１１ ０は光学的にレンズまたはドーム１０５をパラボラ反射器１１５に結合する。

反射器１１５は構造１１０の下に延在するフレアーホーン開口中にレンズまたは ドーム１０５から入射したエネルギを反射する。第８図に示された実施例では、 パラボラ反射器は開口のしている。像の弧上の分布は回折効果を無視すれば光源 分布の拡大されたものである。パラボラ反射器１１５は開口縁部で焦点のアーク と交差するから、パラボラ上の分布はこれらの点に強制的にされ、それ故あふれ 出による損失はない。開口分布は、ビームが広い側を外して走査されるので若干 歪む。

これは反射器構造を使用することに対する小さな欠点である。

第９図および第１０図は、修正レンズ１０５が平行板ドーム構造である場合に対 して第８図に示されたシステムを示している。第９図は構造の斜視図であり、第 １０図は第９図の線１０−１０に沿った断面図である。ドーム１０５は窪んだ平 行な板ｉｏｅ　、　１０７からなり、それらの形は式１６および１７にしたがっ て選択されている。上方の湾曲した板１０７は湾曲した線１０８に沿って構造１ １０の上方の平坦な板１１２と連続している。下方の湾曲した板１０６は湾曲し た線１０９に沿って構造１１０の下方の平坦な板１１１と連続している。

第９図および第１０図に示された構造に対するフィードアレイは、平行な板１０ Ｂ　、　１０７の間に形成された空間内のエネルギを出力し、または収集するよ うに構成された複数のフィードホーン１０３を備えている。

上方の平坦な板１１２はパラボラ反射表面１１５で終端され、このパラボラ反射 表面１１５は上方の平坦な板１１２に対して直角にそれに連結されている。平坦 な板１１７が反射器表面１１５の反対端にそれと直角に連結され、そのため平坦 な板１１７は平坦な板１１１　、１１２と平行に延在している。フレアーを有す る（広がった）表面１１８は平坦な板１１７に連続してピルボックスアンテナ構 造のフレアーホーン開口を形成している。

当業者によく知られているように、平坦な板１１１と反射器表面１１５の縁部の 間の間隙は、平坦な板１１１　、１１２の間を伝播し表面１１５に入射するエネ ルギの実質上全てのものが板１１１と１１７との間の領域中に反射され、それか らフレアー表面１１８と板１１１とにより形成されたフレアーホーン開口へ反射 されるように選択することができる。

反射器をパラボラ形状にすべきであることはフィードアレイの縁部における点源 からの反射を考えることにより明白である。フィードアレイの弧における点源は 像の弧上の点に焦点を結ぶ。点源からの照射の中心光線は反射パターンが所望の 方向に形成されるようにパラボラによって対称軸に平行に反射れる。各点源から 縁部光線にいくらかの回転が存在し、それはパラボラ反射器を使用することに対 する別の小さな欠点である。回転は反射器を若干再修正することによって修正第 １１図に示すように、対称軸における像の弧の接線方向であるようにパラボラ表 面の焦点長を増加させるために高度にテーパーを有する照明（低サイドローブを 有する放射パターン）を有するシステムは有効である。これは接点の近くにゼロ 歪みの分布を生じる。

この発明の光学的限定走査アンテナシステム５０は次のように動作する。入力ｒ ｆ倍信号パワー分割装置５５の入力ポート５６に与えられ、このパワー分割装置 ５５は当業者によく知られできる。パワー分割装置は修正レンズ７０において所 望の振幅分布を与えるようにパワー分割装置５５の各出力端子間に入力ｒｆエネ ルギを分配する。各出力端子５７は各位相シフタ６０によりフィードアレイ６５ を構成している対応するフィード素子６５ａに結合される。これらの位相シフタ ６０は修正レンズ７０において所望の位相分布が得られるように位相シフト制御 装置６２によって制御される。例えば所望のフィード分布は一定振幅分布および 開口利得を最大にするための上述した一定または線形位相分布であってよい。

フィードアレイからのｒｆエネルギは上述のようにして制御装置６２により決定 された角度φ１で修正レンズ７０を通過し、開口レンズ８０のピックアップ素子 ７５によって受けられる。フィード分布は線形開口８２の放射素子８５に形成（ マツプ）され、それにより上述のようにφ□、ＦおよびＤにより決定される角度 φ２で線形開口８２を出るｒｆエネルギのビームを発射する。

以上好ましい実施例の動作がトランジェントモードで記載されたが、当業者には この動作が交換的なものであって、この発明が限定走査範囲で受信または送信に 使用できることが理解されよう。

上記実施例はこの発明の詳細な説明する特定の可能な実施例の単なる例示に過ぎ ないことを理解すべきである。当業者にはこの発明の技術的範囲を逸脱すること なく、これらの原理に基づいて他の装置を構成することが可能である。

ＦＩＧ、１ 国際調査報告 １ｍｍＭＭＩ　Ａｍ″ａ＋“”’　ＰＣ？／υＳ　８６１０２５９０ＡＮＮＥＸ 　ＴＯＡ′ＨＥ　！ＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　５ＥＡＲＣＨＲＥＰＯＲＴ　０ ＮＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ　ｋＰＰＬｌｃＡＴＩＯＮ　Ｎｏ、　ＰＣＴ／Ｕ Ｓ　８６１０２５９０　（ＳＡ　１５５１４）ＵＳ−Ａ−４０８Ｓ４０４　１８ １０４／７８　ＮｏｎｅｔＪＳ−Ａ−３＋３３５４６９　１０１０９／７４　Ｎ ｏｎ＠

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．複数の放射素子（８５）を有する線形開口（８２）と主供給手段とを有する 高効率の限定走査光学的アンテナにおいて、線形開口（８２）は、有限半径を有 する円形の内面（８１）を有し、この円形の内面（８１）に沿って配置された複 数のピックアップ素子（７５）を備えている開口レンズ（８０）を具備しており 、前記放射素子およびピックアップ素子の対応するものは等しい長さの伝送ライ ン（８３）によって互いに結合されており、 前記内面の中心を中心とする対称光学修正レンズ（７０）を具備し、この修正レ ンズはその表面の放射点源を前記開口レンズの前記内面上の映像点に映像するよ うに構成され、主供給手段は前記修正レンズ（７０）をｒｆエネルギ光源分布に より照明し、 前記修正レンズ（７０）は前記光源分布を前記内面上に形成して前記光源分布の 拡大されたものである開口分布を前記線形開口に形成するように構成されている ことを特徴とする高効率の限定走査光学的アンテナ。
2. ２．主供給手段は、１個の入力ポート（５６）と複数の出力ポート（５７）とを 有するパワー分割手段（５５）を具備し、このパワー分割手段は前記入力ポート における入力ｒｆ信号のｒｆパワーを前記出力ポート間に分配し、主供給手段は さらに、パワー分割手段（５５）の前記出力ポートに結合された複数の位相シフ タ（６０）と、複数のフィード素子よりなるフィードアレイ（６５）とを具備し 、前記アレイは前記位相シフタにより前記出力ポートに結合され、前記フィード 素子は前記修正レンズ（７０）を照明するように配置され、 主供給手段はさらに、各位相シフト素子（６０）により導入された位相シフトを 制御して限定走査カバー範囲にわたつて前記開口分布により形成されたビームを 制御するための位相シフト制御装置を具備している請求の範囲第１項記載の限定 走査光学的アンテナ。
3. ３．開口レンズは内面（８１）とこの内面に沿って配置された複数のピックアッ プ素子（７５）を具備するブートレースレンズ（８０）よりなる請求の範囲第１ 項記載の限定走査光学的アンテナ。
4. ４．修正レンズ（７０）はｒｆエネルギの光源分布を修正レンズの中心から選択 された半径にある像の弧に沿った像分布に変換し、前記開口レンズ（８０）は像 の弧の近くに配置されたパラボラ反射表面を有する折り返しピルボックスアンテ ナよりなる請求の範囲第１項記載の限定走査光学的アンテナ。
5. ５．前記折り返しピルボックスアンテナのパラボラ反射表面は前記開口縁部にお いて像の弧と交差するように配置されている請求の範囲第４項記載の限定走査光 学的アンテナ。
6. ６．前記折り返しピルボックスアンテナのパラボラ反射表面は前記開口の中心に おいて像の弧と交差するように配置されている請求の範囲第４項記載の限定走査 光学的アンテナ。
7. ７．前記修正レンズ（７０）は誘電率が半径の関数として変化する円形対称レン ズからなる請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項記載の限定走査光学的ア ンテナ。
8. ８．前記修正レンズ（７０）は１対の導電性の平行な板（１０６，１０７）から なる測地ドーム構造を具備している請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか１項 記載の限定走査光学的アンテナ。
9. ９．１対の導電性の平坦な板は前記ドーム構造と前記ピックアップ素子との間に 電磁エネルギを導くためにドーム構造の板のそれぞれのものと前記内面との間に 延在している請求の範囲第８項記載の限定走査光学的アンテナ。
10. １０．前記修正レンズ（７０）がルーネベーグレンズからなる請求の範囲第７項 記載の限定走査光学的アンテナ。