(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線アンテナアレイの要素であって、全長の等しくない複数の非対称ダイポールと、少なくとも１つの短い非対称でないダイポールとを備え、前記非対称ダイポールの各ポールは、前記ダイポールの端部分の長さが等しくかつ前記ダイポールの端部分が前記ダイポールの中央部分に対して所定の角度で形成されるような非対称であって、前記複数の非対称ダイポールの前記中央部分の長さは最も短い非対称でないダイポールの長さに等しく、前記ポールは２本の導体の伝送線路のそれぞれに対して互い違いに接続されて正しい励起位相で動作し、前記ダイポールの導線は所定の基準点からの各ダイポールの距離と当該各ダイポールの全長との比が一定になるように平行に並び、前記各ダイポールの全長は全周波数帯域内の所望の離散的送信または受信周波数に関係する半波長またはその倍数に等しい、直線アンテナアレイ要素。
【請求項２】
前記端部は実質的に非対称であって前記中央部分に対して直角である、請求項１に記載の直線アンテナアレイ要素。
【請求項３】
各ダイポールの各端部は逆向きに設けられて１つの垂直面内にある、請求項１または請求項２に記載の直線アンテナアレイ要素。
【請求項４】
各ダイポールの各端部は逆向きであり、実質的に１つの平面内にある、請求項１または請求項２に記載の直線アンテナアレイ要素。
【請求項５】
各ダイポールの各端部は同じ向きであり、実質的に同じ平面内にある、請求項１または２に記載の直線アンテナアレイ要素。
【請求項６】
前記ダイポールと伝送線路の各導体はプリント回路板の上にエッチングされ、その平面の表面は実質的に並行である、請求項４または請求項５に記載の直線アンテナアレイ要素。
【請求項７】
前記伝送線路の各導体とこれに接続する前記各ポールは前記プリント回路板の異なる側にエッチングされる、請求項４または請求項５に記載の直線アンテナアレイ要素。
【請求項８】
前記ダイポールと前記伝送線路とは、最も大きい非対称ダイポールから最も短かい非対称でないダイポールまでを包含し更に幅がゼロの寸法になるまで次第に先細るような形状を有する誘電材料の薄板内に包含されるように配置される、請求項５または請求項６に記載の直線アンテナアレイ要素。
【請求項９】
前記アンテナアレイ要素の軸は互いに平行であり、前記２本の導体の伝送線路の中心線に対して直角である、請求項１から８のいずれかに記載の複数の前記直線アンテナアレイ要素により形成される直線アレイ。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれかに記載の複数の前記直線アンテナアレイから成る任意の形状の平面アレイであって、前記直線アンテナアレイ要素は格子の節点上に規則的なまたは不規則的な間隔で設けられ、前記格子の節点は長方形か三角形かまたはその他の幾何学的形状であり、前記直線アンテナアレイ要素の軸は互いに平行で前記平面アレイがなす平面に対して直角である平面アレイ。
【請求項１１】
請求項１０に記載の前記平面アレイの表面を一重にまたは二重に曲げることにより形成される非平面領域アレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は例えばある種のレーダー装置に見られる無線周波数アンテナアレイ用の放射要素に関するもので、より特定すると、このようなアンテナアレイの非常に広い周波数帯域幅の動作に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電磁エネルギーは、種々の特定の形状のアンテナ構造により放射および受信される。ごく普通の簡単なアンテナ構造は、自動車の放送無線受信や家庭内テレビ受信への応用に見られる。より複雑なアンテナ構造は、軍事用および商業用の、遠方の移動中のターゲットを検出するためのレーダー装置に見ることができる。
【０００３】
最も複雑なレーダーアンテナはある種のアンテナアレイであって、例えば、複数の個別の小さなアンテナ要素を相互に接続して、アレイ全体を動かさずに空間内の電磁エネルギーの放射ビームを電子的に操作できるように設計されている。
【０００４】
アレイを形成する個々のアンテナ要素は、例えばよく知られている簡単なダイポールでよい。このような要素を基本要素と呼び、通常は放射エネルギーの所定の周波数において可能な最小の寸法を有する（図１）。ダイポールアーム１ａと１ｂの長さは通常は動作周波数においてそれぞれ１／４波長であって、金属接地板２の上から１／４波長ｘだけ離して設け、所望の方向ｚに放射させる。伝送線路３は、ダイポールアーム１ａと１ｂにエネルギーを供給する。長さｌと直径ｄの比は通常は１０以上であり、帯域の中心周波数に対して数パーセントの狭い周波数帯で良好な性能を示す。
【０００５】
アンテナアレイは所定の表面領域上に均一にまたは不均一に配置した複数のこのような要素を用いて製作し、所望のアンテナ放射特性を与えるよう選択する。表面は２平面以上で平面または曲面であり、周辺の形状は任意でよいが一般に円形または長方形、または単なる直線（長方形の一辺の寸法がゼロの特殊な長方形）である。
【０００６】
図２は、金属接地板６の上に設けられたＭｘＮ個のダイポール要素５の長方形アレイを示す。アレイ内のアンテナ要素は、例えば長方形（図の場合）または三角形の幾何学的格子４の節点の上に互いに間隔をあけて置かれる。アレイポールのパターンが望ましくない形にならないようにするには、要素５の相互の間隔ｓとｐとｄは放射電磁エネルギーの波長の分数の或る最大倍数を超えてはならない。アレイ内の要素の数を減らそうとして間隔をこの最大要素間隔より大きくすると、アレイから放射されたエネルギーのポールパターン内に「グレーティングローブ(grating lobes）」ができる。グレーティングローブはパターンの主（基本）ローブの複製であるが、空間的な方向が異なる。
【０００７】
レーダー応用では、主ビームが検出したターゲットとグレーティングローブビームが検出したターゲットを区別することができないため不明瞭になる。レーダー信号プロセッサはグレーティングローブビームが検出したターゲットを主ビームが受信したものとして処理し、全く間違った空間的方向を割り当てる。レーダーでも放送や通信サービスなどの他の応用でも、グレーティングローブは望ましくない空間領域にいくらかのエネルギーを運んでシステムの動作効率を悪くする。
【０００８】
多くの狭い周波数帯域応用においては、アレイ要素の間隔を制限することは一般に可能である。放射されたパターンの主ビームを電子的に走査しない場合は、動作周波数において図２の間隔ｄを最大で半波長にすることができる。主ビームを電子的に走査する場合は、最大走査角を大きくするに従って間隔を減らして、垂直線からアレイ表面まで９０度走査するときの最小で半波長にしなければならない。
【０００９】
しかし、広い周波数範囲で電磁エネルギーを送信および受信しなければならない場合がある。例えば、所定の広い周波数範囲に分布する１つまたは複数の周波数で動作する、周波数に鋭敏なレーダーである。周波数に鋭敏なので、どんな性質の妨害がどの周波数の受信より強くてもレーダーすなわち戦術的通信システムは動作を継続することができる。鋭敏性はターゲット検出や信号処理において他の利点を持ち、これはレーダー装置に一般に、特に軍事機能への応用に利用されている。
【００１０】
このような周波数に鋭敏な軍事用では、できるだけ広い周波数帯域で、少なくとも１オクターブにわたって動作することが一般に望ましい。このためには、アレイの各要素は選択された周波数範囲で動作し、かつ各要素の相互の間隔は前に述べた最大間隔基準を全ての動作周波数で満たさなければならない。帯域の平均周波数に対して約３０％の広い幅にわたって動作する広帯域ダイポールを設計する技術が確立されてはいるが、単一直線ダイポールなどの従来のアンテナ要素ではこれは明らかに不可能である。例えば、広帯域半波ダイポールについては、M. C. Bailey の、アンテナおよび伝播に関するＩＥＥＥ紀要(IEEE Transactions on Antennas and Propagation), vol AP-32, No. 4, April 1984, pp 410--412に述べられている。これは動作帯域の平均波長の０．３２倍の長さを持つ蝶ネクタイ形のダイポールであって、約６００ＭＨｚを中心とする３３％帯域幅で十分な性能を示し、入力電圧定在波比（ＶＳＷＲ）が２．０を超えないという基準で決定される。
【００１１】
周波数のオクターブ変化にわたって放射するダイポールを作ることができたとしても、複数のこのようなダイポールで形成されたアレイでは、オクターブ範囲でグレーティングローブのない放射を確実に行うのに必要な間隔の条件を満たすことはできない。ダイポールの長さは最低周波数での半波長と最高周波数での半波長の間なので、ダイポール間の物理的干渉を避けるためにはアレイ内のダイポールの間隔は最高周波数での半波長を超えなければならない。実績のある分析ソフトウエア数値電磁コード（ＮＥＣ）を用いた、上述のアンテナと伝播に関するＩＥＥＥ紀要の中の論文に示されている蝶ネクタイの数学モデルによると、オクターブ周波数範囲にわたって動作するよう設計することはできない。
【００１２】
アレイアンテナに用いる要素は単一ダイポールである必要はない。図３に示す対数周期ダイポールアレイ（ＬＰＤＡ）は平行の線の伝送線路７の上に一連の半波長ダイポールを同一平面に並列に配置したもので、広帯域要素として用いることができる。図３に示す５要素ＬＰＤＡはＬＰＤＡ級のアンテナの代表的なものである。ＬＰＤＡに用いるダイポール要素の数は必要な性能特性によって決まる。ＬＰＤＡ内のダイポールの長さと間隔は、固定座標基準点８からの距離に対数的に比例して増加する。ＬＰＤＡへのエネルギーは、ダイポール１０に近い供給点９から、基準点８の方向に供給される。
【００１３】
最初のダイポール１０と最後のダイポール１１は、数オクターブから１デカッドにわたる対象とする周波数帯に適するようそれぞれ選択される。ダイポール１０の寸法は、帯域の高周波数端で正しく放射するよう選択する。金属接地板１２をダイポール１１から最低動作周波数における約１／４波長のところに設けて単方向放射を行わせる。例えば逆方向に放射されたエネルギーがレーダーの動作に悪影響を与えるようなレーダーにこの発明を応用するときは、単方向放射が望ましい。伝送線路７は点Ａで金属接地板１２と交差して短絡する。このようなＬＰＤＡは既知であって例えば英国特許番号第８８４８８９号にこの種のＬＰＤＡが示されており、広く用いられている。ＬＰＤＡが放射しまたは受信する電界ベクトルの方向を波の偏りと呼び、矢印Ｅで示す。ベクトルＥはダイポールの共通平面（図では水平）内にある。それは、ダイポール励起電流が全てこの平面内にあるからである。
【００１４】
平面アレイアンテナは複数のＬＰＤＡ要素を含み、ダイポールの個々の組を含む平面は平面アレイに垂直になるように配置される。図４は、長方形格子１９の節点上に配置された、アレイ内の要素１４−１８を示す。
【００１５】
このように形成された平面アレイの利点は、その垂直方向から広い角度のパターンのサイドローブが、単一ダイポール要素の対応するアレイからのサイドローブに比べて少ないことである。その理由は、ＬＰＤＡ要素のビーム幅がダイポール要素のビーム幅より狭いからである。グレーティングローブをなくすためにダイポール要素のアレイに適用されるものと同じ要素間隔基準がＬＰＤＡ要素のアレイにも適用されるが、ＬＰＤＡ要素のビームパターンが狭いためにグレーティングローブの大きさは減少する。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ＬＰＤＡでは単一ダイポール要素の周波数帯域幅の制限はなくなるが、単一広帯域幅ダイポールと同様に、平面アレイにより生成されるグレーティングローブを抑えるのに必要な間隔基準は満たさない。例えば、図４のＬＰＤＡ１４と１５は、図３の最長のダイポール要素１１で可能な間隔より近くにアレイ内に置くことはできない。もしそうすると、ＬＰＤＡ１４と１５内の高周波要素２０は高周波で相互に半波長以上（ＬＰＤＡが１オクターブにわたって動作するよう設計すると実際には１波長）離れて、動作帯域内の高い周波数でグレーティングローブが形成される。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、上記の問題を解決する直線アレイ要素を与えることである。
【００１８】
この発明は、全長の等しくない複数の非対称ダイポールと、少なくとも１つの短い非対称でないダイポールを備える直線アンテナアレイ要素を与え、前記非対称ダイポールの各ポールは非対称であって前記ダイポールの端部分の長さは等しくかつ前記ダイポールの中央部分に対して或る角度で形成され、ここで前記中央部分の長さは最も短い非対称でないダイポールの長さに等しく、前記ポールは各２本の導体の伝送線路に交互に接続して正しい励起位相で動作し、前記導体は垂直面内に平行に並び、各ダイポールの長さと前記伝送線路の軸上の固定基準点からの距離の比は一定であり、また前記各ダイポールの全長は全周波数帯域内の所望の離散的送信または受信周波数に関係する半波長またはその倍数に等しい。
【００１９】
端部分は好ましくは中央部分に対して直角である。
この発明の別の態様では、各ダイポールの各端部分は逆向きに設けられて１つの垂直面内にある。
この発明の別の態様では、各ダイポールの各端部分は逆向きであり、実質的に同じ水平面内にある。
【００２０】
この発明の更に別の態様では、各ダイポールの各端部分は同じ向きであり、実質的に同じ水平面内にある。
この発明により、ＬＰＤＡ内の最低周波数（最大長さ）のダイポールにより課せられた平面アレイ内のＬＰＤＡの間隔についての制限はなくなり、少なくとも１オクターブの周波数帯域にわたって平面アレイアンテナは良好な動作を行う。
【００２１】
非対称ＬＰＤＡ要素は、隣接要素との間隔がグレーティングローブ抑制基準に従う複数の要素で構成されるアレイ内に理想的に置かれることは明らかで、アレイアンテナビームは少なくとも１オクターブの周波数帯域にわたって理想的に走査する。
【００２２】
複数の非対称ＬＰＤＡ要素は、システムが受信する自然のまたは人工の干渉信号に対して広帯域周波数鋭敏性が優れた防壁になるような特定のシステム応用のアレイとして用いられる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
【実施例】
図５は、個々のダイポールを「Ｚ」形すなわち非対称に配置した非対称ＬＰＤＡを示す。端部分と中央部分の間の角度βは互いに等しく、非対称ダイポールは１つの平面領域内に完全に含まれる。図の場合の角度βは９０度である。より詳しく述べると、全てのダイポールの中央部分の長さは同じであって、最高周波数の動作での半波長に等しい。すなわち従来の非対称でないＬＰＤＡ内の最短ダイポール１０の長さ（ｙの２倍）に等しい。例えば９０度非対称のダイポール２１の２つの端部分２１ａと２１ｂの長さは等しく、全ダイポール長さは図３の１３で示す等価直線ダイポールと同じである。このようにＬＰＤＡの「幅」は一定であり、帯域幅の要求とは無係に最高周波数の動作により調整される。
【００２４】
複数のこのような非対称ダイポールにより形成されるＬＰＤＡを製作する方法はいくつかある。図６から図９はこの発明の４つの実施の形態を示す。金属接地板を垂直面で示し、２線の伝送線路が第２の垂直面内にあって接地板と直角に交わるように示すと説明を理解しやすい。
【００２５】
図６において、ＬＰＤＡを形成する各ダイポールを含む平面は互いに平行であり、また金属接地板に平行である。しかし、非対称ＬＰＤＡを形成するダイポールは電流を運ぶ成分（Ｉｈ）と（Ｉｖ）をそれぞれ水平面と垂直面に有するので、放射電界ベクトルＥは水平面内にはない。ＬＰＤＡが送信する信号の偏りは直線ではあるが傾斜面内にあり、非対称ダイポールの構成部品が放射する電界の水平成分と垂直成分のベクトル和である。これを図６に低周波ダイポールアーム２２ａと２２ｂにおける成分Ｅ１ｈとＥ１ｖで示す。ベクトル和により真の低周波電界はＥ１＝Ｅ１ｈ+Ｅ１ｖであり、水平に対して角度θだけ傾斜する。ただしθ＝ｔａｎ−１（Ｅ１ｈ/Ｅ１ｖ）である。θは明らかに低周波ダイポールにおいて最大である。高周波ダイポールでは、垂直電流成分を含まないのでゼロである。このように、非対称ＬＰＤＡが放射する電界の偏りは直線であってその方向は周波数の関数である。アンテナが受信する信号についても同じことが言える。
【００２６】
レーダーでは、送信信号の偏りと受信信号の偏りは主として予想されるターゲットと地勢クラッタの性質を考慮して選択される。通常は水平か垂直か４５度である。レーダーとその応用の性質によるが、非常に広い鋭敏な帯域幅にわたって動作できるので、周波数に従う偏りの回転から生じる欠点を打ち消すことができる。メートル波（ＶＨＦ）と超高周波（ＵＨＦ）では、偏りが垂直のときは低周波（ＶＨＦ）で起こる回折により、また偏りが水平のときは高周波（ＵＨＦ）の葉浸透(foliage penetration）特性により、明らかな利点がある。非対称ＬＰＤＡがＶＨＦ帯とＵＨＦ帯の適当な部分をカバーするよう設計すると、これらの利点は図６に示す複数の非対称ＬＰＤＡ要素の平面アレイにより実現される。
【００２７】
この発明の第２の実施の形態を図７に示す。この場合は、フィード伝送線路２４ａと２４ｂを形成する導体の小さな間隔を無視すれば、非対称ダイポールは単一水平面内に制限される。したがってこの実施の形態の非対称ＬＰＤＡが送信する電界の直線の偏りは水平である。これは、例えば回折や葉浸透機構が重要でない高周波レーダーなどの、この発明の特定の応用において指定される要求である。
【００２８】
ダイポールの端部分が図８に示すように「Ｃ」型の非対称であって並行で同一平面に配置されているときは、この非対称ＬＰＤＡは図７に示す実施の形態の性能に比べて広い角度（α）で優れた性能を持つ。これは「Ｃ」型のダイポールの端部分が運ぶ電流が大きさが等しくて方向が逆だからであって、放射された電界成分は打ち消す傾向にある。α＝９０度のとき、成分は完全に打ち消されてその方向には放射が起こらない。これは、例えばレーダー応用において平面アレイ内に用いる非対称ＬＰＤＡ要素としては理想的である。
【００２９】
この発明の第４の実施の形態を図９に示す。この場合は、図８に示す形の非対称ダイポールと伝送線路は１つの両面または２つの片面のプリント回路板２６の上に完全に集積組立品としてエッチされる。この方法で製作すると製作公差の優れた制御と良い再現性が得られる。これは、波長が非常に小さい周波数では重要な利点である。ダイポール要素と伝送線路は、最大の非対称ダイポールを含む寸法から最短の非対称でないダイポールを超える点のゼロ寸法まで次第に減少する、誘電材料の薄板内に含まれる。
【００３０】
上に述べた各実施の形態において、アレイの端には多数の非対称でないダイポール１０を設けてよい。
図１０に、同じ非対称ＬＰＤＡ要素が平面アレイ内に配置された実施の形態を示す。各要素は規則的な長方形格子上に配置され、各軸は互いに平行であって前記直線アレイの基礎を形成する線に対して直角である。
【００３１】
平面アレイは、前に述べた複数の直線アレイ要素を含む任意の形に製作してよい。直線アレイ要素は格子の節点上に規則的なまたは不規則的な間隔で設けてよい。節点は長方形か三角形かまたはその他の幾何学的形状でよく、直線アレイ要素の軸は互いに平行であって平面アレイの平面に対して直角である。
【００３２】
非平面アレイは、上に述べた平面アレイの表面を一重にまたは二重に曲げて製作してよい。
この発明の応用はＶＨＦ帯やＵＨＦ帯に限られるものではなく、原理的にはレーダーや通信やその他の目的で、広い帯域幅、特に１オクターブ以上にわたって動作させるのに必要な、任意の平面または直線アレイアンテナに用いて非常に利点がある。周波数の上限は、フィード点と伝送線路を製作できる精度により決まる。
【図面の簡単な説明】
この発明の種々の実施の形態を、次の図面を参照して説明する。
【図１】  従来のアンテナアレイの基本要素であるダイポール。
【図２】  金属接地板の上にＭｘＮ個のダイポール要素を配置した従来の長方形のアンテナアレイ。
【図３】  従来の対数周期ダイポールアレイ（ＬＰＤＡ）。
【図４】  ＭｘＮ個のＬＰＤＡを配置した従来の長方形のアンテナアレイ。
【図５】  この発明の非対称対数周期ダイポールアレイ（ＬＰＤＡ）。
【図６】  この発明のＬＰＤＡの１つの実施の形態。
【図７】  この発明のＬＰＤＡの別の実施の形態。
【図８】  この発明のＬＰＤＡの別の実施の形態。
【図９】  この発明のＬＰＤＡの別の実施の形態。
【図１０】  非対称ＬＰＤＡの平面アレイ。
【符号の説明】
２  金属接地板
５  伝送線路
１０  非対称でないダイポール
２１  非対称のダイポール
【図１】
0004159140.tif 000002
【図２】
0004159140.tif 000003
【図３】
0004159140.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004159140.tif 000008
【図８】
0004159140.tif 000009
【図９】
0004159140.tif 000010
【図１０】
0004159140.tif 000011