(57)【要約】本発明の１つの実施例によると、エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造は、航空機の翼の外面の一部に対応する、複合材から形成される上部外板と、航空機の翼の内面の一部に対応する、複合材から形成される下部外板と、上部外板と下部外板との間に配置される複数の近接配置される導電性素子を含む。各導電性素子は、導電面を有する少なくとも一枚の複合材のシートから形成され、複合材のシートは、導電面が、導電性素子の内面と、隣接する導電性素子に接触する導電性素子の任意の外面とを画成するよう構成される。
2005500774.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造であって、
航空機の翼の外面の一部に対応する、複合材から形成される上部外板と、
前記航空機の翼の内側の外板の一部に対応する、複合材から形成される下部外板と、
前記上部外板と前記下部外板との間に配置される複数の近接配置される導電性素子と、
を含み、
各導電性素子は、導電面を有する少なくとも一枚の複合材のシートから形成され、
前記複合材のシートは、前記導電面が、前記導電性素子の内面と、隣接する導電性素子に接触する前記導電性素子の任意の外面とを画成するよう構成される構造。
【請求項２】
複数の無線周波数透過性の芯材を更に含み、
各無線周波数透過性の芯材は、各導電性素子の内部体積を略決める請求項１記載の構造。
【請求項３】
各導電性素子は、上記上部外板に隣接するスロットを含み、
前記スロットは、前記複合材のシートの前記導電面により画成される一対の側壁面を有する請求項１記載の構造。
【請求項４】
前記スロットの付近に位置付けられる前記上部外板の一部は、低誘電性材料から形成される請求項３記載の構造。
【請求項５】
前記導電性素子は、少なくとも１つの方向における湾曲を有する請求項１記載の構造。
【請求項６】
胴体と、
前記胴体に接続され、上部外板と下部外板を有する翼と、
前記上部外板の一部を形成するエンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造と、
を含み、
前記エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造は、
複合材から形成される上部外板部と、
複合材から形成される下部外板部と、
前記上部外板部と前記下部外板部との間に配置される複数の近接配置される導電性素子と、を含み、
各導電性素子は、導電面を有する少なくとも一枚の複合材のシートから形成され、
前記複合材のシートは、前記導電面が、前記導電性素子の内面と、隣接する導電性素子に接触する前記導電性素子の任意の外面とを画成するよう構成される、航空機。
【請求項７】
複数の無線周波数透過性の芯材を更に含み、
各無線周波数透過性の芯材は、各導電性素子の内部体積を略決める請求項６記載の航空機。
【請求項８】
各導電性素子は、上記上部外板部に隣接するスロットを含み、
前記スロットは、前記複合材のシートの前記導電面により画成される一対の側壁面を有する請求項６記載の航空機。
【請求項９】
前記スロットの付近に位置付けられる前記上部外板部の一部は、低誘電性材料から形成される請求項８記載の航空機。
【請求項１０】
前記エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造は、前記翼の前記上部外板の曲率に等しい曲率を有する請求項６記載の航空機。
【請求項１１】
エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造を形成する方法であって、
複数のツーリングマンドレルを設ける段階と、
前記ツーリングマンドレルの周りに複数の導電性素子を形成する段階と、
前記導電性素子を互いに近接して位置付ける段階と、
前記導電性素子を、複合材から形成される上部外板と、複合材から形成される下部外板との間に配置する段階と、
前記導電性素子と、前記上部外板及び前記下部外板を硬化する段階とを、
含み、
前記導電性素子は、導電面を有する少なくとも一枚の複合材のシートから形成され、前記複合材のシートは、前記導電面が、前記導電性素子の内面と、隣接する導電性素子に接触する前記導電性素子の任意の外面を画成するよう構成される、方法。
【請求項１２】
前記複数のツーリングマンドレルを設ける段階は、複数の無線周波数透過性の芯材を設ける段階を含み、
各無線周波数透過性の芯材は、各導電性素子の内部体積を略決める請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
各導電性素子にスロットを形成する段階を更に含み、
前記スロットは、前記上部外板に隣接し、前記複合材のシートの前記導電面により画成される一対の側壁面を有する請求項１１記載の方法。
【請求項１４】
前記スロットの付近に位置付けられる前記上部外板の一部を低誘電性材料から形成する段階を更に含む請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記導電性素子に、少なくとも１つの方向における湾曲を形成する段階を更に含む請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は一般的に、アンテナの分野に関わり、より具体的には、エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造及び形成方法に係る。
【０００２】
発明の背景
今日、航空機には多くのタイプのアンテナが用いられている。そのようなアンテナのタイプの１つは、エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイと称する。エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイは、一般的に、キャビティ付スロットを有し、その長手方向に無線周波を放射する複数のアンテナ素子を含む。航空機に用いられる場合、エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造は、一般的に、翼上に位置付けられる。航空機の飛行中の空気力学的性能が重要なので、これらのアンテナ及び航空機に用いられる他のアンテナは、典型的に、レードーム内に置かれる。これらのレードームは、航空機の十分な空気力学的特性を維持しながら、アンテナが適切に機能するよう無線周波数を透過するシェルから構成される。しかし、航空機の翼上にシェル又は他の筐体がその中に置かれるレードームの寄生性質により、航空機設計者が、改善された空気力学的条件を実現することが阻止される。
【０００３】
発明の概要
本発明の１つの実施例によると、エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造は、航空機の翼の外面の一部に対応する、複合材から形成される上部外板と、航空機の翼の内面の一部に対応する、複合材から形成される下部外板と、上部外板と下部外板との間に配置される複数の近接配置される導電性素子を含む。各導電性素子は、導電面を有する少なくとも一枚の複合材のシートから形成され、複合材のシートは、導電面が、導電性素子の内面と、隣接する導電性素子に接触する導電性素子の任意の外面とを画成するよう構成される。
【０００４】
本発明の別の実施例によると、エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造を形成する方法は、複数のツーリングマンドレルを設ける段階と、ツーリングマンドレルの周りに複数の導電性素子を形成する段階を含む。導電性素子は、導電面を有する少なくとも一枚の複合材のシートから形成され、複合材のシートは、導電面が、導電性素子の内面と、隣接する導電性素子に接触する導電性素子の任意の外面を画成するよう構成される。方法は更に、導電性素子を互いに近接して位置付ける段階と、導電性素子を、複合材から形成される上部外板と、複合材から形成される下部外板との間に配置する段階と、導電性素子と、上部外板及び下部外板を硬化する段階を含む。
【０００５】
本発明の実施例は、多数の技術的利点を提供する。本発明の実施例は、これらの利点の全て又は幾らかを含むか、全く含まない場合がある。耐負荷性であり、航空機の空気力学的表面に一致するエンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造が提供され、これは、空気力学的性能を改善する。一致するアンテナアレイ構造により、レードームが必要でなくなる。エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造は、各導電性素子の内面に反射面があり、且つ、素子間に導電経路があるように導電性素子の側部の外面上に導電面があるよう複合材から形成される。そのような複合材からそのような構造を形成することによって、無線周波数の連続性のみならず構造上の連続性ももたらす。
【０００６】
発明の例示的な実施例の詳細な説明
他の技術的利点は、以下の図面、説明、及び特許請求の範囲から当業者には容易に明らかとなろう。
【０００７】
本発明をより完全に理解するために、且つ、更なる特徴及び利点のために、添付図面と共に、以下の説明を参照する。
【０００８】
本発明の例示的な実施例及びその利点は、図１乃至４を参照することにより最も良好に理解することができる。これらの図面において、同様の番号は同様の部分を示す。
【０００９】
図１は、胴体１０１と一対の翼１０２を有する航空機１００を示す斜視図である。航空機１００は、無人機、戦闘機、又は旅客機といった任意の好適な航空機である。図示する実施例では、翼１０２の上部外板１０４の一部が、エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造２００を含む。その他の実施例では、アレイ構造２００は、翼１０２の下部外板１０５の一部、胴体１０１の一部、尾部１０３の一部、又は、航空機の他の好適な場所で有り得る。
【００１０】
本発明の１つの実施例の教示によると、アレイ構造２００は、翼１０２の上部外板１０４及び／又は下部外板１０５の一部を形成する。アレイ構造２００を翼１０２の上部外板１０４及び／又は下部外板１０５と一体にすることによって、エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナを、レードームを利用することなく、航空機に用いることが可能となる。レードームは、一般的に、アンテナを収容するよう航空機の翼の表面上に置かれる無線周波数透過性の構造である。レードームを排除することは、航空機により良好な空気力学的性能をもたらす。アレイ構造２００は、翼１０２の一部なので、アレイ構造２００は、航空機１００の飛行中の航空力学的負荷に耐える能力を有する。更に、アレイ構造２００は、翼１０２の上部外板１０４及び／又は下部外板１０５と一体であるので、アレイ構造２００は、複合材のような好適な材料から形成される。複合材から形成されるアレイ構造２００の１つの実施例を、図２Ａ及び２Ｂを参照して以下に説明する。
【００１１】
図２Ａは、アレイ構造２００の１つの実施例を示す斜視図である。アレイ構造２００は、上部複合外板２０４と下部複合外板２０６の間に配置される複数の導電性素子２０２を含む。図示する実施例では、アレイ構造２００は、６つの導電性素子２０２から形成されるが、アレイ構造２００は、任意の好適な数の導電性素子２０２から形成され得る。従って、アレイ構造２００は、翼１０２の翼幅の任意の部分に亘り得る。
【００１２】
図２Ａでは、アレイ構造２００は、略矩形であるよう示される。しかし、アレイ構造２００は、任意の好適な形状に形成され得る。例えば、図１に示すように、アレイ構造２００は、一連の「階段状」の導電性素子２０２として形成され、各導電性素子２０２の長さは異なり得る。矩形に形成される場合、アレイ構造２００は、長さ２０８、幅２１０、及び、奥行き２１２を有する。アレイ構造２００は、任意の好適な長さ２０８、幅２１０、及び、奥行き２１２で形成され得る。例えば、１つの実施例では、長さ２０８は、約２４インチ（１インチ＝２．５４センチメートル）であり、幅２１０は、約２４０インチであり、奥行き２１２は、約１インチである。
【００１３】
図２Ａに更に示すように、アレイ構造２００は、略平らである。しかし、矢印２１４によって示すように、アレイ構造２００は、１つの方向における湾曲を有する場合もある。他の実施例では、アレイ構造２００は、複数の方向における湾曲を有する。一般的に、アレイ構造２００は、航空機１００の特定部分の形状と一致するような形状に形成される。更に、奥行き２１２は、翼１０２の上部外板１０４又は下部外板１０５のように航空機１００の対応する部分の厚さに略対応するよう得られる。
【００１４】
図２Ｂは、導電性素子２０２の更なる詳細を示すアレイ構造２００の部分断面図である。各導電性素子２０２は、内部にスロット２１８が形成される本体２１６を含む。導電性素子２０２は、本体２１６内に配置される芯材２２０も有し得る。導電性素子２０２は、任意の好適な幅２２４（図２Ａ）を有し得る。一例として、幅２２４は、１２インチである。
【００１５】
以下により詳細に説明するように、本体２１６は、導電面２２２を有する少なくとも一枚の複合材のシート２２１から形成される。このシートは、導電面２２２が、導電性素子２０２の内面と、隣接する導電性素子２０２に接触する導電性素子２０２の側部の外面を画成するよう構成される。任意の好適な材料のプロダクトフォームを用いて、金属箔、展伸された有孔箔（ｅｘｐａｎｄｅｄ  ｐｅｒｆｏｒａｔｅｄ  ｆｏｉｌ）、金属メッシュ、又は、金属で被覆されたベールマットで炭素又は繊維ガラスのプレプレグラミネート芯材を包むことにより形成される導電マットといった導電面２２２を得ることができる。金属箔、展伸された有孔箔、又は金属メッシュが用いられる場合、このプロダクトフォームは、導電性素子２０２に形成することのできる何らかの好適なタイプのマトリクスと組合わされる。
【００１６】
スロット２１８は、任意の好適な長さ２１９ａと任意の好適な幅２１９ｂで形成される。スロット２１８の寸法は、アレイ構造２００の無線周波数要件に依存する。一例では、長さ２１９ａは、２２インチであり、幅２１９ｂは、１インチである。
【００１７】
芯材２２０は、１つの実施例では、任意の好適なタイプのツーリングマンドレルであり、これは、導電性素子２０２の本体２１６及びスロット２１８を形成した後に除去される任意の好適な材料から形成される。この実施例では、芯材２２０は、導電性素子２０２の本体２１６に構造安定性を与える。別の実施例では、芯材２２０は、導電性素子２０２の本体２１６及びスロット２１８を形成するために用いられる任意の好適な無線周波数透過材料である。この後者の実施例では、芯材２２０は、更に、「フライアウェイ（ｆｌｙ−ａｗａｙ：いつでも飛行用に用いることのできる）」ツーリングマンドレルとして用いられ、従って、任意の好適な無線周波数透過構造の発泡体、及び／又は、非金属性のハニカム芯材プロダクトで有り得る。例えば、用いられ得るそのような材料の１つは、ロハセル（Ｒｏｈａｃｅｌｌ）（登録商標）発泡体である。芯材２２０は、導電性素子２０２の要件に依存して任意の好適な形状で有り得る。
【００１８】
図２Ａ及び２Ｂに示すように、導電性素子２０２は、アレイ構造が形成された後に、導電性素子２０２の隣接する側部が接触するよう互いに近接して位置付けられる。このことは以下に更に説明する。導電面２２２が、導電性素子２０２の側部の外面を画成するので、全ての導電性素子２０２間に導電経路が存在することとなる。更に、導電層２２２は、各本体２１６の内面を形成するので、各導電性素子２０２は、反射性の内面を有する。上述のような状態は、アレイ構造２００のＲＦ連続性を維持する結果をもたらす。
【００１９】
上部複合外板２０４及び下部複合外板２０６は、任意の好適な複合材で有り得る。例えば、そのような材料は、プレプレグ単層を生成するよう、エポキシ又はシアン酸エステル樹脂マトリクスに埋め込まれるガラス繊維、クオーツ、又は、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維で有り得る。上部外板１０４に関して重要な検討事項は、アンテナがより効率よく機能し得るために、少なくともスロット２１８の上方にある領域はＲＦ透過性材料から形成されなければならないことである。上部複合外板２０４が複合材の１つの種類から形成される１つの実施例では、この材料は、任意の好適なＲＦ透過性複合材であるべきである。例えば、上部複合外板２０４は、グラファイトエポキシプレプレグ、ガラスエポキシプレプレグ、又は、低誘電性材料から形成される任意の他の好適な複合外板で有り得る。別の実施例では、上部複合外板２０４には、図２Ｂに示すように、スロット２１８の上方に窓２１２が形成され得る。この実施例では、上部複合外板２０４は、グラファイトエポキシといった任意の好適な複合材から形成され、上部複合外板２０４の中に窓２１２が差し込まれる。窓２１２は、その場合、例えば、ガラス誘電体、ガラス繊維、又は、クオーツといった任意の好適なＲＦ透過材料から形成される。
【００２０】
上にアレイ構造２００の様々な素子を説明したので、以下に、図３Ａ乃至３Ｃと共に、アレイ構造２００を形成する１つの方法を説明する。
【００２１】
図３Ａ乃至３Ｃは、アレイ構造２００を形成する１つの方法を説明する立面図である。この方法は、図３Ａに示すように、芯材２２０を設けることにより始まる。上述したように、芯材２２０は、任意の好適な形状を有し得るが、ここでは、図示するように、芯材２２０は、導電性素子２０２のスロット２１８を画成するのに用いる突出部３００がある略矩形の形状を有する。ここでも、芯材２２０は、フライアウェイツーリングマンドレルとして用いられる場合は、任意の好適なＲＦ透過性材料で有り得、又は、導電性素子２０２を形成するためだけに用いられ、後で除去される場合は、任意の好適な材料であり得る。
【００２２】
図３Ｂを参照するに、本体２１６とスロット２１８の形成を説明する。最初に、シート２２１の導電面２２２が芯材２２０の近接するようシート２２１上に芯材２２０が置かれる。次に、シート２２１が突出部３００に到達するまで芯材２２０の周りに形成され、突出部３００では、シート２２１は、導電性素子２０２の側部を少なくとも仕上るまで自らの上を包むよう戻される。シート２２１のこの特定の形成は、シート２２１の非硬化性により可能にされる。芯材２２０の周りにシート２２１を形成した後、導電性素子２０２の内面が、十分に反射性であるよう導電面２２２から形成され、導電性素子２０２の側部の外面は、導電性素子２０２が互いに導電性であるよう導電面２２２から形成される。本発明の重要な技術的利点は、１つの実施例において、導電面２２２は、図３Ｂに最良に示すように、スロット２１８の側壁３０１を形成する点である。このことは、アレイ構造２００がより効率よく機能することを可能にする。
【００２３】
各導電性素子２０２は、上述したように形成される。適当な数の導電性素子２０２が上述したように形成されると、導電性素子２０２は、図３Ｃに示すように互いに近接して位置付けられる。
【００２４】
図３Ｃを参照するに、導電性素子２０２を互いに近接して位置付けた後、上部複合外板２０４と下部複合外板２０６は、導電性素子２０２を「サンドイッチ状」にするように敷かれる。任意の適切な複合レイアップ技術を用いて、上部及び下部複合外板２０４及び２０６を塗布することができる。
【００２５】
加工のこの時点における組立体は、オートクレーブ内に置かれ、真空バッグ形成といった複合材の技術において周知である任意の好適な複合硬化技術を用いて硬化される。更に、アレイ構造２００に１つ以上の湾曲を与えることが望まれる場合、好適な措置が、この硬化過程において取られる。硬化過程は、アレイ構造２００に用いられる全ての複合材を「凝固」させる。従って、各導電性素子２０２は、夫々の側部において互いに接触し、導電性素子２０２間の導電経路が確実にされる。
【００２６】
上部複合外板２０４、下部複合外板２０６、及び／又は、導電性素子２０２の任意のトリミングが、硬化過程後に行われ得る。このトリミングによって、アレイ構造２００の形成が完了する。アレイ構造２００は、次に、航空機１００の翼１０２の一部として更に加工され得る。
【００２７】
図４は、アレイ構造２００を形成する１つの方法のフローチャートである。段階４００において、芯材２２０といった複数のツーリングマンドレルが設けられる。段階４０２において、複数の導電性素子２０２が、ツーリングマンドレルの周りに形成される。上述したように、導電性素子２０２は、導電面２２２を有し、導電面２２が導電性素子２０２の内面と、隣接する導電性素子２０２と接触する任意の外面を画成するよう構成される少なくとも一枚の複合材のシート２２１から形成される。段階４０３において、各導電性素子２０２に、上述したようにスロット２１８が形成される。段階４０４において、導電性素子２０２とスロット２１８がツーリングマンドレルの周りに形成されると、それらは、図２Ａに最良に示すように、互いの近くに位置付けられる。段階４０６において、導電性素子２０２は、上部複合外板２０４と下部複合外板２０６との間に配置される。段階４０７において、スロット２１８の付近に位置付けられる上部複合外板２０４の一部は、低誘電性材料から形成される。段階４０８において、加工のこの時点における組立体は、複合材が凝固するよう硬化される。段階４１０において、任意のトリミング又は最終仕上げ過程が行われ、それにより、アレイ構造２００は完成し、航空機１００の翼１０２に組み込まれる準備が整う。
【００２８】
本発明の実施例及びその利点を詳細に説明したが、当業者は、特許請求の範囲に記載する本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、追加、及び省略を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の１つの実施例によるエンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造を有する航空機を示す斜視図である。
【図２Ａ】本発明の１つの実施例に従い加工されるエンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造を示す斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ａのエンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造を示す部分断面図である。
【図３Ａ】エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造を形成する１つの方法を説明するための立面図である。
【図３Ｂ】エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造を形成する１つの方法を説明するための立面図である。
【図３Ｃ】エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造を形成する１つの方法を説明するための立面図である。
【図４】エンドファイア型キャビティ付スロットアンテナアレイ構造を形成する１つの方法を説明するフローチャートである。
【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2005500774.tif 000015
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2005500774.tif 000017
2005500774.tif 000018
2005500774.tif 000019
2005500774.tif 000020
【国際調査報告】
2005500774.tif 000021
2005500774.tif 000022
2005500774.tif 000023