(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁パルス発生器と、第一の誘電媒体を含む第一の横方向電磁モード伝送線路と、第二の誘電媒体を含む第二の横方向電磁モード伝送線路とを含み、信号を前記発生器から前記第二の横方向電磁モード伝送線路へ送信できるように直列に接続されており、前記第一の横方向電磁モード伝送線路が、前記発生器からの信号がブリュースター角に実質的に等しい角度で界面に入射するように構成された前記第一の誘電媒体と前記第二の誘電媒体との界面を提供する遷移要素を組み込んでいるアンテナ。
【請求項２】
前記第二の誘電媒体が空気である請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記第二の誘電媒体が、空気よりも高い破壊電位を有するガス状誘電体である請求項１に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記第一の誘電媒体が、ポリメチルメタクリレート、ポリスチレン、およびポリテトラフルオロエチレンからなるグループから選択される請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記電磁パルス発生器が３０ｋＶを越える電圧でパルスを発生できる請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記電磁パルス発生器が６０ｋＶを越える電圧でパルスを発生できる請求項５に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記電磁パルス発生器が１００ｋＶを越える電圧でパルスを発生できる請求項６に記載のアンテナ。
【請求項８】
前記電磁パルス発生器が２００ピコ秒未満の立上り時間を有するパルスを発生できる請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記電磁パルス発生器が１２０ピコ秒未満の立上り時間を有するパルスを発生できる請求項８に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記電磁パルス発生器が信号鋭化手段を含む請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記信号鋭化手段が火花間隙を含む請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記信号鋭化手段がフェライト鋭化線を含む請求項１０に記載のアンテナ。
【請求項１３】
前記第一の伝送線路が第一の横方向電磁モードホーンを含む請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１４】
前記第二の伝送線路が第二の横方向電磁モードホーンを含む請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項１５】
前記第二の横方向電磁モードホーンが、該第二の横方向電磁モードホーンのインピーダンスが、ホーンがその中に輻射する媒体のインピーダンスに開口において実質的に整合するように、界面から開口への距離とともに増大するように成形される請求項１４に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、横方向電磁（ＴＥＭ）モードにおいて使用するパルス発生器、特に高い電圧において使用するパルス発生器を組み込んだ広帯域アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
ますます高電圧で、持続時間が短く、パルス立上り時間および繰返し速度が速いパルスによって動作でき、例えば広帯域幅高分解能レーダシステムに応用できるアンテナを開発することが望まれている。パルスエネルギーの良好な伝導を保証するのに必要なそのようなアンテナの伝送線路の幾何学的形状は、より高い電圧および速いパルス立上り時間条件下で悪化する問題を伴う主な問題領域である。
【０００３】
これらのアンテナでは、発生器を含む誘電媒体と、信号がアンテナから離れて輻射される誘電媒体とは多分異なるものであり、前者は例えば誘電ポリマーまたは変圧器油であり、後者は例えば空気または他の適切な気体である。発生器から出力されたパルス信号が誘電媒体間で遷移した場合、問題に遭遇する。界面における反射による信号の劣化を最小限にするために、界面を横切るインピーダンス変動を最小限にする必要がある。しかしながら、二つの媒体は異なる誘電特性をもつことになり、したがって界面において連続する幾何学的形状を有する伝送線路では必ずインピーダンスの不連続性が生じ、その結果反射が起こる。垂直入射信号に対するインピーダンス整合は、界面に幾何学的形状の不連続性を組み込むことによって達成できるが、これはまたパルス品質の劣化をもたらすことが予想される。
【０００４】
幾何学的形状を決定する際の他の重要な問題は、破壊を回避するために伝送線路内で絶縁条件を維持する必要があることに起因する。ホールドオフ（holdoff）電圧は、大気圧の空気中で３０ｋＶ／ｃｍに達し、これが所与の電圧において空気充填された伝送線路の最小プレート分離距離を決定する。これらのファクタは電圧を制限する。又は、より長い立上り時間を有するパルスを使用しなければならなくなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、高電圧動作時に速い立上り時間を保持するために、二つの誘電媒体の界面において良好なインピーダンス整合をもたらすアンテナを提供することを目的とする。
【０００６】
したがって、本発明によれば、信号を発生器から第二の伝送線路へ送信できるように直列に接続された、電磁パルス発生器と、第一の誘電媒体を含む第一の横方向電磁モード伝送線路と、第二の誘電媒体を含む第二の横方向電磁モード伝送線路とを含み、第一の伝送線路が、発生器からの信号がブリュースター角に実質上等しい角度で界面に入射するように構成された第一の誘電媒体と第二の誘電媒体の界面を提供する遷移要素を組み込んだアンテナが提供される。
【０００７】
所与の対の均一な誘電材料について、ブリュースター角は、平坦な誘電体界面に入射する界面の平面に平行な方向において磁界を有する平面波が反射を受けない角度を表すことが理解できよう。より大きい屈折率、誘電率ε２の媒体２から、より小さい屈折率、誘電率ε１の媒体１へ透過する波について、角度Ψ１およびΨ２は
【数１】
0003720844.tif 000002
によって与えられる。
【０００８】
例えば、ポリメチルメタクリレートから空気への遷移の場合、これらの角度はΨ２＝５８．７°およびΨ１＝３１．３°である。この原理を使用して、媒体界面の両側に配置され、それに沿って接する二つのＴＥＭホーンのインピーダンスを整合させるために、まず等しい幅Ｗの高さＨ１の媒体１と高さＨ２の媒体２内の二つのストリップラインについて考える。
その場合、
【数２】
0003720844.tif 000003
が成り立つ。これは、ストリップラインのインピーダンス（Ｈ１、Ｈ２）＜＜Ｗの場合、ほぼＺ0（Ｈ１／Ｗ）と
【数３】
0003720844.tif 000004
によって与えられる）が界面を横切って整合することを意味する（ストリップラインの有限の幅に起因する影響は無視する）。ストリップラインの代わりにＴＥＭホーン要素を使用することができる。ただし、界面に到達する波面がほぼ平坦になるように、すなわち厳密な平坦度からのずれが小さいために反射が小さくなるように、ホーン要素のふ角とテーパが小さいことを条件とする。
【０００９】
ブリュースター角の概念をこのように使用することにより、遷移間で良好なインピーダンス整合を維持する誘電遷移を構成する方法が得られる。同時に、垂直入射に対するインピーダンス整合の場合に必然的に生じる界面における幾何学的形状の不連続性が小さくなる。ＴＥＭ波面構造は、アンテナ断面中に保存され、速いパルス立上り時間（２００ピコ秒未満）、短い持続時間（数ナノ秒）、高い電圧での動作を可能にする。
【００１０】
第二の誘電媒体は、ガス状であることが有利であることが多い。多数の用途では、第二の誘電媒体は、アンテナを使用して信号をその中に放送する媒体と同じであることが有利であり、したがってたいていの動作には、第二の誘電媒体は通常空気である。ただし、用途によっては、第二の誘電媒体として、所与の幾何学的形状におけるより高い電圧での動作を可能にするために、空気よりも高い破壊電位を有するガス状誘電体を使用することが望ましい。そのようなガスの一種、例えばＳＦ6がこの目的に考えられる。
【００１１】
第一の誘導媒体と第二の誘電媒体の界面は正確に構成する必要があり、これは通常、第一の誘電媒体が理想的な硬度および加工性を保持している場合に達成される。ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのポリマー材料がこの目的に適している。あるいは、第一の誘電媒体は、電圧器油など液体誘電体を、液体を制限しかつ正確な界面を提供する剛性材料でできた液体に対して実質上同じ誘電率の界面要素と組み合わせて含むことができる。
【００１２】
本発明は、電圧が高く、パルス立上り時間が速いパルスによる動作に特に適している。したがって、電磁パルス発生器は、使用に際して、３０ｋＶを越える、より好ましくは６０ｋＶを越える、最も好ましくは１００ｋＶを越える電圧においてパルスを発生できることが好ましく、また、使用に際して、２００ピコ秒未満、より好ましくは１２０ピコ秒未満の立上り時間を有するパルスを発生できることが好ましい。また、パルスは、持続時間が短いもの（数ナノ秒程度）が好ましい。これらのパラメータ内で信号を達成するために、電磁パルス発生器は、火花間隙（spark  gap）やフェライト鋭化線（ferrite  sharpening  lines）など信号鋭化手段を含んでいることが好ましい。
【００１３】
第一の伝送線路および第二の伝送線路は、簡単な実施の形態では、それぞれ平行導電プレート伝送線路を含むが、伝送線路の一方または両方が横方向電磁モードホーンを含んでいる場合、はるかに改善された性能が得られる。本明細書において適用されるブリュースター角の概念では、平坦な境界に平行な磁界成分を有する平面波が平坦な境界に入射する必要がある。したがって、波面は、それが伝送手段を通過する際に平坦度に近い特性を維持する必要があり、したがってホーンの上部導体と下部導体の間の角距離および頂角は、波面の近似平坦度を維持するのに十分小さい必要があることが明らかである。これらの制限事項内で、アンテナからの信号を輻射する第二のホーンの開口と、信号がその中に輻射される媒体との間のインピーダンス不整合を小さくすることによって、アンテナからの輻射電界強度を最大にすることができる（通常これは、空気／自由空間のインピーダンスとよく整合することを意味する）。これは、誘電体界面においてインピーダンス整合を保持しながら行う必要があり、したがって第二のホーンは、そのインピーダンスが、ホーンがその中に輻射する媒体のインピーダンスに開口において実質上整合するように、界面から開口への距離とともに増大するように成形することが好ましい。さらに、輻射パルス内に望ましくない特徴を生じさせるアンテナ開口から反射された電流を減衰させるために、第二のホーンに負荷抵抗を付加することが好ましい。
【００１４】
次に、本発明について図１から図５を参照しながら例としてのみ説明する。
【００１５】
図１および図２には、５０オームインピーダンスにおいて動作するように設計された接地面アンテナが示されている。電磁パルス発生器１は、パルサ３と火花間隙２とを組み込んだ火花間隙発生器、および接地プレート６と、誘電体１０としてＰＭＭＡを有する平行上部プレート８とを含む平行プレート伝送線路フィード４から構成される。ＰＭＭＡ誘電体での５０オーム動作には、伝送線路フィード４は約２．４の幅／高さの比（Ｗ３／Ｈ３）を必要とする。このフィードでは、火花間隙２から出力された鋭化パルス信号を、ＰＭＭＡ充填ＴＥＭホーン１２へ送ることができる。あるいは、火花間隙は、それがプレート６と８の両端間にあり、プレート６と８をショートさせ、その結果、さもなければそうなるであろう印加されたパルスの前部ではなく後部が鋭くなるように構成することができる。火花間隙媒体は、固体、気体または液体である。
【００１６】
ホーン１２は、接地プレート１４と、それに対してθ１の仰角で維持された上部プレート１６とを有する。θ１は、波面が、適用すべきブリュースター角の原理に必要な平坦度に近い特性を維持するように狭く保たれている。この特定の実施の形態では、ホーンアンテナがもたらす簡単なストップラインに勝る利点と、ほぼ平坦な波面を維持する必要性との角度θ１についての最適な折衷点は８．５°であることが分かっている。プレート１４、１６は、１９．５°の頂角θ２を有するホーンが生じるように構成される。
【００１７】
信号がアンテナから離れて輻射される第二の伝送線路は、接地プレート２０と、４０°の仮想頂角θ３が生じるように構成された上部プレート２２とを含む空気充填ＴＥＭホーン１８である。上部プレート２２は、接地プレート２０に対して８．５°の仰角で維持される。
【００１８】
空気充填ホーン１８とＰＭＭＡ充填ホーン１２の間には、遷移要素２４が備えられている。遷移要素２４は、その下部プレートの役目をし、ホーン１２および平行プレート線路フィード４内のＰＭＭＡ誘電体と連続するＰＭＭＡ誘電体を部分的に含み、またホーン１８内の空気と連続する空気２８を含む接地プレート２０を有する上部プレート２５を有する。二つの媒体間の界面３０は、角度Ψ１およびΨ２がそれぞれ３１．３°および５８．７°である必要があるＰＭＭＡ空気遷移に対して、波面がブリュースター角で入射するように成形する。高さＨ２、Ｈ１、したがってアンテナの他の寸法は、信号の破壊を回避する必要性によって左右され、したがって動作電圧によって決定される。３０ｋＶ動作には、Ｈ２＝５８ｍｍおよびＨ１＝３５ｍｍが容認できることが分かっており、したがってＰＭＭＡホーンの長さを妥当に短くすることができ（この幾何学的形状では３０ｃｍ）、したがって信号の分散が、１２０ピコ秒の程度のパルス立上り時間での動作を可能にするのに十分小さく保たれる。より高い電圧動作には、Ｈ２およびＨ１を高くできるが、ＰＭＭＡ充填ホーンの長さの対応する増大により、最小使用可能パルス立上り時間が増大し、したがって遷移領域内の六フッ化硫黄ジャケット（sulphur  hexafluoride  jacket）など他の修正を考慮することが好ましい。
【００１９】
製造が容易なように、プレート６、８、１４、１６、２０、２２および２５は、アルミニウムから構成されるが、当業者なら適宜に代替例を容易に考案できよう。
【００２０】
図３に、図１および図２のアンテナの変更例を示す。同じ部品を示すのに、同じ番号を適宜に使用している。この実施の形態では、ストリップライン４、ＰＭＭＡ充填ホーン１２、および上記と同じ設計の遷移要素２４が備えられている。しかしながら、この実施の形態では、フェライト鋭化線２７によって信号を鋭くする。パルサ（図示せず）からの信号は、鋭化を実施するためにコア内に含まれた一本のフェライト材料３２を有する一対の同軸導体２９を含む同軸線に送られる。鋭化した信号は、同軸−ストリップライン変換器３３を介してストリップライン４へ送られ、そこから前の実施の形態の場合と同様に第一のＴＥＭホーン１２へ送られる。また、火花間隙も同軸として構成できるが、その場合、同様の同軸−ストリップライン変換器３３が必要である。
【００２１】
これらの実施の形態におけるアンテナは５０オーム動作用に設計されており、信号が前の実施の形態の空気充填ホーン開口に達した場合に、自由空間との認知できるインピーダンス不整合が生じる。これを軽減するために、図３に示される実施の形態は、上部プレート２３を有する代わりの空気充填ホーン１９を含んでいる。上部プレート２３は、平坦ではないが、代わりに接地プレート２１から離れて拡がるように曲がっており、したがって高さ対幅の比、したがってインピーダンスが誘電体界面３０と開口３１の間で増大する。したがって、開口におけるインピーダンスは、自由空間のインピーダンスとほとんど一致し、輻射電界の強度が最大になる。
【００２２】
さらに、誘電体界面３０と開口３１の間で連続的に増大する抵抗の幾何学的形状が得られるように、接地プレート２１と上部プレート２３の間に負荷抵抗を付加することによって、不整合アンテナ開口から望ましくない反射が少なくなる。これは、プレートの一方または両方に抵抗コーティングまたはチップ抵抗を適用して、そのような負荷または抵抗終端を、アンテナの端部に適用できる接地に近づけることによって達成できる。例えば、接地プレート２１と上部プレート２３の間のそれらの開口端部のところに接続された二つの１００オーム抵抗３９は、アンテナの５０オームと仮定したインピーダンスを整合させる。
【００２３】
図４および図５には、図１および図２の接地面アンテナと同じ原理に従って構成された自由場アンテナが備えられている。
【００２４】
火花間隙３７によってパルス鋭化を実施するパルス発生器３５が備えられる。ＰＭＭＡ誘電体３８を含む平行導電プレート３６を含む平行プレート伝送線路フィード３４を使用して、立上り時間が速く、持続時間が短いパルスをＰＭＭＡ充填ＴＥＭホーン４０へ伝送する。ホーン４０は、８°（すなわち、角θ４）の角距離を有するように構成された一対のアルミニウムプレート４２を有し、プレートは、１２．７５°の角度で拡がり、２５．５°の頂角θ５を生成する。これらは、この場合も、波面が平坦度に近い特性を維持するように選択する。第二の伝送手段は、この場合も、同じ８°の角度距離に構成され、２３°で拡がり、４６°の仮想頂角θ６を生成する一対のアルミニウムプレート４６、４７から構成される空気充填ＴＥＭホーン４４を含む。
【００２５】
遷移要素４８は、伝送線路３４の平面に平行な平面内にある上部アルミニウムプレート５０と、下部アルミニウムプレート５２とから構成される。遷移領域５４内のＰＭＭＡ誘電体は、空気との界面５６における入射角がブリュースター角に対応し、したがってΨ３が５８．７°となり、下部プレート５２が界面５６に対して３１．３°の角度Ψ４をなすように成形される。上記アンテナアーム４６の高さ対幅の断面比は、不整合が最小になるように、概念上の５０オーム空気充填ストリップラインのそれにほぼ等しくなければならない。それには、上部プレート５０の遷移要素内での拡がりが、プレート４２の１２．７５°の拡がりよりもわずかに拡がっている必要がある。同様の考察により、下部プレート５２の遷移要素内での拡がり角は１２．７５°未満になる。関連する角度では、この領域内に大きな不連続性が生じず、したがって不整合は小さく、１０％またはそれ未満の程度である。
【００２６】
個々のアンテナ素子は、輻射パワーを増大させるために、アレイとしてアセンブルされてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施の形態による接地面アンテナの平面図である。
【図２】図１のアンテナの縦断面図である。
【図３】図１および図２の実施の形態に基づく変更された接地面アンテナの縦断面図である。
【図４】本発明の他の実施の形態による自由場アンテナ（free  field  antenna）の平面図である。
【図５】図４のアンテナの縦断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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