(57)【要約】【課題】効果的で正確な指向性送信（及び、受信）を提供し、比較的単純で安価に製造できる指向性ビーム・アンテナを提供する。【解決手段】電磁放射（特に、マイクロ波、及びミリ波放射）の送信／受信のために動作する再構成可能な指向性アンテナであり、個々に制御可能なアンテナ素子の配列へ電磁的に結合され、制御可能な振幅を有する送信（又は、受信）信号により各々が発振する伝送線路を含むアンテナを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線配列に配置された複数のアンテナ素子、
アンテナ素子の前記配列へ電磁的に結合され、それにより振動する電磁信号が伝送線路と前記各アンテナ素子の間で通信される前記伝送線路、及び
前記各アンテナ素子と前記伝送線路の間で通信される前記電磁信号の振動振幅を制御するための手段を含むことを特徴とする、ビーム形成アンテナ。
【請求項２】
前記電磁信号が周囲媒体の中で波長を有し、前記アンテナ素子が前記波長の３分の１を超えない間隔だけ互いに離される、請求項１に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項３】
前記振動振幅を制御するための前記手段が、前記各アンテナ素子と関連して動作する振幅制御装置を含む、請求項１に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項４】
前記振幅制御装置が、コンピュータ・プログラムの制御のもとで動作する、請求項３に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項５】
前記振幅制御装置が、スイッチ、利得制御増幅器、及び利得制御減衰器を含むグループから選択される、請求項３に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項６】
前記間隔が等しい、請求項２に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項７】
全部より少ない数の前記間隔が等しい、請求項２に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項８】
前記複数のアンテ素子が、第１直線配列に配置された第１の複数のアンテナ素子であり、更に、
前記第１直線配列に平行な第２直線配列に配置された、少なくとも第２の複数のアンテナ素子、及び
前記アンテナ素子の各直線配列へ電磁的に結合される伝送線路を含む、請求項１に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項９】
前記電磁信号が周囲媒体の中で波長を有し、各配列の前記アンテナ素子が前記波長の３分の１を超えない間隔だけ互いに離され、前記直線配列が前記波長の２分の１を超えない間隔だけ互いに離される、請求項８に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項１０】
選択された波長を有する振動する電磁信号を周囲媒体の中で送信及び／又は受信するためのビーム形成アンテナであって、
直線配列に配置され、前記周囲媒体の中で前記波長の３分の１を超えない間隔だけ互いに離される複数のアンテナ素子、
伝送線路と前記アンテナ素子の配列の間で前記信号を電磁的に結合させるために、前記アンテナ素子の配列に対して配置される前記伝送線路、及び
各々が前記複数のアンテナ素子の１つと関連して動作し、前記各アンテナ素子と前記伝送線路の間で結合された前記電磁信号の前記振動振幅を制御するために動作可能な複数の振幅制御装置を含むことを特徴とするビーム形成アンテナ。
【請求項１１】
前記振幅制御装置が、スイッチ、利得制御増幅器、及び利得制御減衰器を含むグループから選択される、請求項１０に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項１２】
前記間隔が等しい、請求項１０に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項１３】
全部より少ない数の前記間隔が等しい、請求項１０に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項１４】
前記振幅制御装置が、コンピュータ・プログラムの制御のもとで動作する、請求項１０に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項１５】
前記複数のアンテナ素子が、第１直線配列に配置された第１の複数のアンテナ素子であり、更に、
前記第１直線配列に平行な第２直線配列に配置された、少なくとも第２の複数のアンテナ素子、及び
前記アンテナ素子の各直線配列へ電磁的に結合された伝送線路を含み、前記直線配列が同一平面である、請求項１０に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項１６】
前記直線配列が、前記周囲媒体の中で前記波長の２分の１を超えない間隔だけ互いに離される、請求項１５に記載のビーム形成アンテナ。
【請求項１７】
伝送線路へ電磁的に結合されたアンテナ素子の直線配列の中の複数のアンテナ素子により送信又は受信される選択された波長を有する振動する電磁信号のビーム形状を制御可能に変化させる方法であって、前記伝送線路と前記アンテナ素子の配列の各アンテナ素子の間で結合された前記信号の前記振動振幅を制御可能に変化させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記信号の前記振動振幅を制御可能に変化させるステップが、前記各アンテナ素子と関連して動作する振幅制御装置により実行される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記振幅制御装置が、コンピュータ・プログラムの制御のもとで動作する、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
選択された波長の電磁信号を周囲媒体の中で送信及び受信するために動作可能な再構成可能な指向性アンテナであって、
各々が制御可能な振動振幅を有する前記信号により振動させられる、個々に制御可能なアンテナ素子の直線配列、及び
前記アンテナ素子の配列へ電磁的に結合される伝送線路を含むことを特徴とするアンテナ。
【請求項２１】
前記アンテナ素子が、前記周囲媒体の中で前記波長の３分の１を超えない間隔だけ互いに離される、請求項２０に記載のアンテナ。
【請求項２２】
前記振動振幅が、前記各アンテナ素子と関連して動作する振幅制御装置により制御される、請求項２０に記載のアンテナ。
【請求項２３】
前記振幅制御装置が、スイッチ、利得制御増幅器、及び利得制御減衰器を含むグループから選択される、請求項２２に記載のアンテナ。
【請求項２４】
前記複数のアンテナ素子が、第１直線配列に配置された第１の複数のアンテナ素子であり、更に、
前記第１直線配列に平行な第２直線配列に配置された、少なくとも第２の複数の個々に制御可能なアンテナ素子、及び
前記アンテナ素子の各直線配列へ電磁的に結合された伝送線路を含み、前記直線配列が同一平面である、請求項２０に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁放射を送受信するための指向性アンテナの分野に関し、特に（限定はしないが）マイクロ波、及びミリ波放射に関する。特に、本発明はアンテナ素子の配列を含む複合ビーム形成アンテナに関し、送受信されたビームの形状は個々のアンテナ素子の有効振幅を制御可能に変化させることにより決定される。本発明の関連では、用語「ビーム形状」はビーム方向を含み、ビーム方向は、少なくとも１つの所定の軸に対して送信／受信されたビームの電力ピークの角度位置、電力ピークのビーム幅、及びビーム電力曲線のサイドローブ分布として定められる。
【背景技術】
【０００２】
高指向性電磁信号の送信／受信を可能にするビーム形成アンテナは、米国特許第6,750,827号、米国特許第6,211,836号、米国特許第5,815,124号、及び米国特許第5,959,589号に例示のように、当該技術分野で既知である。これらの典型的な従来技術のアンテナは、細長い（一般には、棒状の）誘電体導波管から回転シリンダ（又は、ドラム）への電磁波のエバネッセント結合により動作し、結合された電磁エネルギーを、ドラムの表面特徴により決定される方向に放射する。（各列の部品が異なる周期を有する）部品の列を定めること、及び導波管の軸に平行な軸の周りでドラムを回転させることにより、異なる周期により決定される角度範囲全体にわたる平面内で放射は配向できる。このタイプのアンテナは制御可能な方法でドラムを回転させるモータ、並びに送信、及び制御機構を必要とし、それによりアンテナ・システムの重さ、サイズ、コスト、及び複雑さを付加する。
【０００３】
選択された方向に電磁放射を配向する問題に対する他のアプローチは、ジンバルに取り付けられた（比較的大きくて重く動作が遅い）放物面反射器、及び（複数のアンテナ素子を必要とし、各アンテナ素子が高価な移相器を有する、非常に高価な）フェーズドアレイアンテナを含む。
【特許文献１】米国特許第６，７５０，８２７号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２１１，８３６号明細書
【特許文献３】米国特許第５，８１５，１２４号明細書
【特許文献４】米国特許第５，９５９，５８９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、効果的で正確な指向性送信（及び、受信）を提供し、比較的単純で安価に製造できる指向性ビーム・アンテナの必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一般的に、本発明は、電磁放射（特に、マイクロ波、及びミリ波放射）の送信／受信のために動作する再構成可能な指向性アンテナであり、個々に制御可能なアンテナ素子の配列へ電磁的に結合され、制御可能な振幅を有する送信（又は、受信）信号により各々が発振する伝送線路を含む。
【０００６】
特に、各ビーム形成軸に対して、アンテナ素子は直線配列に並べられ、周囲媒体の中で送信（又は、受信）した放射の３分の１波長くらいの間隔だけ互いに離される。個々のアンテナ素子の振幅は、（スイッチ、利得制御増幅器、利得制御減衰器、又は当該技術分野で既知の機能的に等価な装置である）振幅制御装置により制御される。同様に、振幅制御装置は、所望するビーム形状を入力として受信し、（１組の所望するビーム形状に対して数値シミュレーションにより実験的に導出された）記憶された１組の振幅値に従って振幅制御装置を作動させるようにプログラムされたコンピュータにより制御される。
【発明の効果】
【０００７】
以下の詳細な説明から分かるように、本発明は、電磁放射を１つの形状を有するビームで送信（及び／又は、受信）するアンテナを提供し、更に詳細には、制御可能に選択され変化させられる方向を提供する。従って、本発明は、フェーズドアレイアンテナのビーム成形制御を提供するが、フェーズドアレイアンテナで利用される移相器より本質的に安価で安定した振幅制御装置を使用することにより提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１，２，３は、本発明によるビーム形成アンテナの３つの形状を各々示す。以下に詳細に記載されるように、本発明によるビーム形成アンテナは、個々のアンテナ素子の少なくとも１つの直線配列を含み、個々のアンテナ素子は振幅制御装置を通して伝送線路へ電磁的に結合され、アンテナ素子は、周囲媒体の中でアンテナにより送信（及び／又は、受信）される電磁放射の３分の１波長以下の間隔だけ離される。図１，２，３に示されるように、アンテナ素子の隣接する各組の間の間隔は好都合なことに等しいが、図４に対して以下で議論するように、これらの間隔が等しい必要はない。
【０００９】
特に、図１は、電磁放射の成形ビームを１方向に（即ち、１つの軸に沿って）送信するために構成されたビーム形成アンテナ１００を示す。アンテナ１００は個々のアンテナ素子１０２の直線配列を含み、個々のアンテナ素子１０２は、（例えば、電線、ケーブル、若しくは導波管、又はエバネッセント結合により）電磁信号を信号源１０６から受信する（当該技術分野で既知の適切なタイプの）伝送線路１０４に結合される。伝送線路１０４における電磁信号の位相速度は、アンテナ１００が配置される媒体（例えば、空気）中の位相速度より小さい。各アンテナ素子１０２は、伝送線路１０４に振幅制御装置１０８を通して結合され、伝送線路１０４からの信号は、各アンテナ素子１０２に（アンテナ素子１０２と関連して動作する）振幅制御装置１０８を通して結合される。
【００１０】
図２は、１方向からの電磁放射を優先的に受信するために構成されたビーム形成アンテナ２００を示す。アンテナ２００は個々のアンテナ素子２０２の直線配列を含み、個々のアンテナ素子２０２は、電磁信号を信号受信機２０６に供給する伝送線路２０４に結合される。各アンテナ素子２０２は伝送線路２０４に振幅制御装置２０８を通して結合され、各アンテナ素子２０２からの信号は、伝送線路２０４に（アンテナ素子２０２と関連して動作する）振幅制御装置２０８を通して結合される。アンテナ２００は、全ての点で、図１のアンテナ１００と類似する。
【００１１】
図３は、１方向からの電磁放射のビームを優先的に受信し、電磁放射の成形ビームを好ましい方向に送信するために構成されたビーム形成アンテナ３００を示す。アンテナ３００は個々のアンテナ素子３０２の直線配列を含み、個々のアンテナ素子３０２は（トランシーバ３０６へ同様に結合される）伝送線路３０４に結合される。各アンテナ素子３０２は伝送線路３０４を通して振幅制御装置３０８に結合され、各アンテナ素子３０２と伝送線路３０４の間の信号結合は（アンテナ素子３０２と関連して動作する）振幅制御装置３０８を通して行われる。アンテナ３００は、全ての点で、図１のアンテナ１００及び図２のアンテナ２００と類似する。
【００１２】
アンテナ１００，２００，３００の振幅制御装置１０８，２０８，３０８の各々は、スイッチ、利得制御増幅器、利得制御減衰器、又は当業者に提示できる適切な機能的に等価な装置でもよい。各アンテナ素子１０２，２０２，３０２により送信（及び／又は、受信）される電磁信号は振動信号をアンテナ素子の内部に創出し、振動信号の振幅は（アンテナ素子と関連して動作する）振幅制御装置１０８，２０８，３０８により制御される。同様に、以下で議論されるように、振幅制御装置の動作は、適切にプログラムされたコンピュータ（図示されない）により制御される。
【００１３】
図４は、上記のように振幅制御装置４０８を通して伝送線路４０４に結合されたアンテナ素子４０２の直線配列を含む、本発明によるビーム形成アンテナ４００を示す。しかし、本発明のこの変形では、アンテナ素子４０２の隣接する各組は間隔ａ1，．．．，ａNだけ離され、上記のように、周囲媒体の中で電磁信号の３分の１波長以下である限り、間隔は互いに異なってもよい。実際、最大間隔基準が満たされる限り、間隔は任意に分配される。
【００１４】
図５は、ビーム成形を３次元で提供する２次元ビーム形成アンテナ５００を示し、ビームの方向は方位角と仰角により一般に記載される。アンテナ５００は個々のアンテナ素子５１２の複数の直線配列５１０を含み、複数の配列５１０は平行かつ同一平面上に配置される。各配列５１０は伝送線路５１４に結合され、並列伝送線路ネットワークを形成するように、伝送線路５１４は主幹伝送線路５１６へ並列に接続される。各アンテナ素子５１２は、各伝送線路５１４に振幅制御装置５１８を通して結合される。各伝送線路５１４に供給される信号の位相は、（各伝送線路が主幹伝送線路５１６に接続される）主幹伝送線路５１６上の位置により決定される。従って、図５に示されるように、第１実施例では、伝送線路５１４を主幹伝送線路５１６に複数の結合点５２０の第１組で結合させることにより第１位相値は提供され、第２実施例では、伝送線路５１４を主幹伝送線路５１６に複数の（点線の端に示される）結合点５２０’の第２組で結合させることにより第２位相値は提供される。各直線配列５１０は、図１−図４に対して記載された構成の１つに従って組み立てられる。追加の構造基準として、２次元の構成では、隣接する配列５１０の間の間隔は、周囲媒体の中でアンテナ５００により送信（及び／又は、受信）される電磁信号の２分の１波長以下である。
【００１５】
図６ａ，６ｂ−図１１ａ，１１ｂは、本発明により組み立てられたアンテナにりよ生成された典型的なビーム形状を示す。一般に、上記のように、（スイッチ、利得制御増幅器、利得制御減衰器、又は機能的に等価な装置でよい）振幅制御装置は、適切にプログラムされたコンピュータ（図示されない）により制御される。コンピュータは各振幅制御装置を動作させて特定の信号振幅を各アンテナ素子に提供し、それによりアンテナ・配列要素全体に分布する振幅が、所望するビーム形状（即ち、電力ピーク方向、ビーム幅、及びサイドローブ分布）を生成する。
【００１６】
振幅制御装置のコンピュータに制御された動作を提供する特定の１つの方法は、数値シミュレーション、（各所望するビーム形状に対するビーム形状パラメータの値に対応する）アンテナ素子配列に対する振幅値の組により実験的に導出することである。次に、これら振幅値の組とビーム形状パラメータ値を有するルックアップテーブルが創出され、コンピュータのメモリに記憶される。コンピュータは、所望するビーム形状パラメータ値に対応する入力を受信し、次にこれらの値を表す入力信号を発生するようにプログラムされる。次に、コンピュータは、振幅値の対応する組を検索する。次に、振幅値を表す出力信号（又は、出力信号の組）が振幅制御装置に供給され、所望するビーム形状を生成する配列に沿って振幅分布を生成する。
【００１７】
方位角約−５０°におけるピークＰ１、中程度のビーム幅、及び比較的緩やかな減少を有するサイドローブ分布を有する第１の典型的なビーム形状が、図６ａに示される。図６ａのビーム形状を生成する実験的に導出された振幅分布（各アンテナ素子ｉに対するＲＦ電力として表される）が、図６ｂに示される。
【００１８】
方位角約−２０°におけるピークＰ２、狭いビーム幅、及び比較的急な減少を有するサイドローブ分布を有する第２の典型的なビーム形状が、図７ａに示される。図７ａのビーム形状を生成する実験的に導出された振幅分布が、図７ｂに示される。
【００１９】
方位角約０°におけるピークＰ３、狭いビーム幅、及び比較的急な減少を有するサイドローブ分布を有する第３の典型的なビーム形状が、図８ａに示される。図８ａのビーム形状を生成する実験的に導出された振幅分布が、図８ｂに示される。
【００２０】
方位角約＋１０°におけるピークＰ４、中程度のビーム幅、及び比較的急な減少を有するサイドローブ分布を有する第４の典型的なビーム形状が、図９ａに示される。図９ａのビーム形状を生成する実験的に導出された振幅分布が、図９ｂに示される。
【００２１】
方位角約＋３０°におけるピークＰ５、中程度のビーム幅、及び比較的急な減少を有するサイドローブ分布を有する第５の典型的なビーム形状が、図１０ａに示される。図１０ａのビーム形状を生成する実験的に導出された振幅分布が、図１０ｂに示される。
【００２２】
方位角約＋５０°におけるピークＰ６、比較的広いビーム幅、及び中程度の減少を有するサイドローブ分布を有する第６の典型的なビーム形状が、図１１ａに示される。図１１ａのビーム形状を生成する実験的に導出された振幅分布が、図１１ｂに示される。
【００２３】
図１２−図１７は、２次元ビーム形成アンテナ（例えば、図５に示される上記のアンテナ５００）により生成される典型的な遠距離電磁場電力分布を示す。これらのグラフでは、方位角はαと表示され、仰角はβと表示される。電力曲線は、ｄＢで測定される。
【００２４】
上記実施例から、高度に制御可能なビーム成形機能を提供するビーム形成アンテナを本発明が提供すること、全てのビーム形状パラメータ（ビームの電力ピークの角位置、電力ピークのビーム幅、及びサイドローブ分布）が、著しく減少した製造コスト、及び著しく向上した動作安定性で、フェーズドアレイアンテナと本質的に同じ精度で制御されることは高く評価されるであろう。
【００２５】
以上、本発明の好ましい実施例について図示し記載したが、特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなしに種々の変形及び変更がなし得ることは、当業者には明らかであろう。例えば、スイッチのカテゴリでは、利用できる多種多様の半導体スイッチ、光スイッチ、固体スイッチ、等が存在する。加えて、多種多様の伝送線路（例えば、導波管）、及びアンテナ素子（例えば、ダイポール）が、本発明で利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】アンテナが送信のために構成される、本発明によるビーム形成アンテナの概略図である。
【図２】アンテナが受信のために構成される、本発明によるビーム形成アンテナの概略図である。
【図３】アンテナが送信及び受信のために構成される、本発明によるビーム形成アンテナの概略図である。
【図４】隣接するアンテナ素子の間の間隔が等しくない、本発明によるビーム形成アンテナの概略図である。
【図５】アンテナが単一平面で平行な列に並べられ、ビーム成形を３次元で提供する、本発明による複数ビーム形成アンテナの概略図である。
【図６ａ】本発明によるビーム形成アンテナにより生成される第１の典型的な遠距離電磁場ビーム形状であり、αは方位角を表す。
【図６ｂ】図６ａのビーム形状をもたらすアンテナ素子の配列に対するＲＦ電力分布のグラフである。
【図７ａ】本発明によるビーム形成アンテナにより生成される第２の典型的な遠距離電磁場ビーム形状であり、αは方位角を表す。
【図７ｂ】図７ａのビーム形状をもたらすアンテナ素子の配列に対するＲＦ電力分布のグラフである。
【図８ａ】本発明によるビーム形成アンテナにより生成される第３の典型的な遠距離電磁場ビーム形状であり、αは方位角を表す。
【図８ｂ】図８ａのビーム形状をもたらすアンテナ素子の配列に対するＲＦ電力分布のグラフである。
【図９ａ】本発明によるビーム形成アンテナにより生成される第４の典型的な遠距離電磁場ビーム形状であり、αは方位角を表す。
【図９ｂ】図９ａのビーム形状をもたらすアンテナ素子の配列に対するＲＦ電力分布のグラフである。
【図１０ａ】本発明によるビーム形成アンテナにより生成される第５の典型的な遠距離電磁場ビーム形状であり、αは方位角を表す。
【図１０ｂ】図１０ａのビーム形状をもたらすアンテナ素子の配列に対するＲＦ電力分布のグラフである。
【図１１ａ】本発明によるビーム形成アンテナにより生成される第６の典型的な遠距離電磁場ビーム形状であり、αは方位角を表す。
【図１１ｂ】図１１ａのビーム形状をもたらすアンテナ素子の配列に対するＲＦ電力分布のグラフである。
【図１２】本発明による２次元ビーム形成アンテナにより３次元で生成された典型的な遠距離電磁場電力分布のグラフであり、αは方位角を表し、βは仰角を表し、グラフ上の電力曲線はｄＢで測定される。
【図１３】本発明による２次元ビーム形成アンテナにより３次元で生成された典型的な遠距離電磁場電力分布のグラフであり、αは方位角を表し、βは仰角を表し、グラフ上の電力曲線はｄＢで測定される。
【図１４】本発明による２次元ビーム形成アンテナにより３次元で生成された典型的な遠距離電磁場電力分布のグラフであり、αは方位角を表し、βは仰角を表し、グラフ上の電力曲線はｄＢで測定される。
【符号の説明】
【００２７】
１００，２００，３００，４００，５００  ビーム形成アンテナ
１０２，２０２，３０２，４０２，５１２  アンテナ素子
１０４，２０４，３０４，４０４，５１４  伝送線路
１０６  信号源
１０８，２０８，３０８，４０８，５１８  振幅制御装置
２０６  信号受信機
５１０  直剪配列
５１６  主幹伝送線路
【図１】
2007049714.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
2007049714.tif 000014
【図９ｂ】
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【図１０ａ】
2007049714.tif 000016
【図１０ｂ】
2007049714.tif 000017
【図１１ａ】
2007049714.tif 000018
【図１１ｂ】
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【図１２】
2007049714.tif 000020
【図１３】
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【図１４】
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