(57)【要約】  アウターハウジングおよびアウターハウジングの中で回転可能な冷却板を含む、ハイブリッド電子／機械走査アレイアンテナ。アンテナ素子のアレイを含む導波管開口面が冷却板の上面に設置され、多層回路基板が冷却板の底面に設置される。複数の増幅器モジュールが冷却板に設置され、回路基板は増幅器モジュールが冷却板に直接設置されることを可能にする複数の開口を含み、冷却板は増幅器モジュールからのＲＦ信号を冷却板を通して伝えることを可能にする複数のＲＦ信号チャネルを含む。増幅器モジュールは仰角方向の電子信号走査のための位相重み付けを提供するように制御され、冷却板の回転は方位角方向の信号走査を可能にする。【選択図】図２
2017533673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査アレイアンテナであって、
アウターハウジングと、
前記アウターハウジング内で前記アウターハウジングに対して回転可能に設置され、上面および底面を含む冷却板と、
前記冷却板の前記上面に設置されたアンテナ素子のアレイを含む導波管開口面と、
前記冷却板の前記底面に設置された多層回路基板と、
前記回路基板を介して前記冷却板に設置された複数の増幅器モジュールであって、前記回路基板は前記増幅器モジュールが前記回路基板を介して前記冷却板に直接設置されることを可能にする複数の開口を含み、前記冷却板は前記増幅器モジュールからのＲＦ信号が前記冷却板を介して前記アンテナ素子に伝わることを可能にする複数のＲＦ信号チャネルを含み、前記複数の増幅器モジュールは位相重み付けを仰角方向の電子信号走査のために提供するよう制御され、前記冷却板の回転が方位角方向の信号走査を可能にする、複数の増幅器モジュールと、
を備える、走査アレイアンテナ。
【請求項２】
前記アンテナ素子のアレイは平面のスロットアレイである、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記アンテナ素子はスロットアンテナ素子である、請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
分配されたＲＦ信号を前記回路基板から受け取り、前記位相重み付けされた信号を前記増幅器モジュールに提供する、複数のビーム形成ネットワーク回路をさらに備える、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記多層回路基板は、ＤＣ配電層、制御信号分配層、ならびに１対４のＲＦ出力分配器およびＲＦ分配層を含み、前記出力分配器およびＲＦ分配層は前記ＲＦ信号をＢＦＮ回路に送る、請求項４に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記ハウジング内に設置されたロータリジョイントをさらに備え、前記ロータリジョイントは固定子および回転子を含み、前記回転子は前記冷却板に設置される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項７】
軸受アセンブリをさらに備え、前記冷却板は前記軸受アセンブリに設置され、前記軸受アセンブリはモータによって回転する、請求項６に記載のアンテナ。
【請求項８】
前記ロータリジョイントの前記固定子に取付けられ前記ハウジングを貫通して延びる冷却流体ホースをさらに備え、冷却流体は前記冷却流体ホースの内の１本を介して前記アンテナに入り、前記固定子を通して前記回転子に流れ込み、その後前記冷却板に流れ込みそこで熱せられ、前記熱せられた冷却流体は前記冷却板から前記回転子を通してまた前記固定子を通して流れ、その後前記冷却流体ホースの別の１本を介して前記アンテナから出る、請求項６に記載のアンテナ。
【請求項９】
前記ロータリジョイントの前記固定子に取付けられ、前記ハウジングおよび前記ロータリジョイントの前記固定子に取付けられたＲＦコネクタを貫通して延び、前記ハウジングのカバーを通過する、１つまたは複数の電気ハーネスをさらに備え、前記電気ハーネスは電気信号を前記回路基板に提供し、前記ＲＦコネクタはＲＦ信号を前記回路基板に提供する、請求項６に記載のアンテナ。
【請求項１０】
前記複数の増幅器モジュールの各々は、ドライバ増幅器および高出力増幅器を含む、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１１】
前記アンテナ素子のアレイは６４個の素子を含み、前記複数の増幅器モジュールは６４個の増幅器モジュールである、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１２】
前記ハウジングは筒形である、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１３】
前記増幅器モジュールは前記冷却板に締結される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１４】
前記アンテナは空中プラットフォームの外板内に設置されるように構成される、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項１５】
空中プラットフォームの外板内に設置されるように構成された走査アレイアンテナであって、前記アンテナは、
筒形のアウターハウジングと、
前記アウターハウジング内に前記アウターハウジングに対して回転可能に設置され、冷却流体の流れチャネルならびに上面および底面を含む、円形の冷却板と、
前記冷却板の前記上面に設置されたアンテナスロット素子のアレイを含む円形の導波管開口面と、
前記冷却板の前記底面に設置された多層回路基板と、
前記ハウジング内に設置され、固定子および回転子を含み、前記回転子は前記冷却板に設置される、ロータリジョイントと、
前記ロータリジョイントの前記固定子に取付けられ前記ハウジングを貫通して延びる冷却流体ホースであって、冷却流体は前記冷却流体ホースの内の１本を介して前記アンテナに入り、前記固定子を通して前記回転子に流れ込み、その後前記冷却板に流れ込みそこで熱せられ、前記熱せられた冷却流体は前記冷却板から前記回転子を通してまた前記固定子を通して流れ、その後前記冷却流体ホースの別の１本を介して前記アンテナから出る、冷却流体ホースと、
前記ロータリジョイントの前記固定子に取付けられ、前記ハウジングを貫通して延び、電気信号を前記回路基板に提供する、１つまたは複数の電気ハーネスと、
前記ロータリジョイントの前記固定子に取付けられ、前記ハウジングのカバーを通過し、ＲＦ信号を前記回路基板に提供する、ＲＦコネクタと、
前記回路基板を介して前記冷却板に設置された複数の増幅器モジュールであって、前記回路基板は前記増幅器モジュールが前記回路基板を介して前記冷却板に直接設置されることを可能にする複数の開口を含み、前記冷却板は前記増幅器モジュールからのＲＦ信号が前記冷却板を介して前記アンテナ素子に伝わることを可能にする複数のＲＦ信号チャネルを含み、前記複数の増幅器モジュールは位相重み付けを仰角方向の電子信号走査のために提供するよう制御され、前記冷却板の回転が方位角方向の信号走査を可能にする、複数の増幅器モジュールと、
を備える、走査アレイアンテナ。
【請求項１６】
前記アンテナは、分配されたＲＦ信号を前記回路基板から受け取り、前記位相重み付けされた信号を前記増幅器モジュールに提供する、複数のビーム形成ネットワーク回路をさらに備える、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項１７】
前記多層回路基板は、ＤＣ配電層、制御信号分配層、ならびに１対４のＲＦ出力分配器およびＲＦ分配層を含み、前記出力分配器およびＲＦ分配層は前記ＲＦ信号をＢＦＮ回路に提供する、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項１８】
前記アンテナは軸受アセンブリをさらに備え、前記冷却板は前記軸受アセンブリに設置され、前記軸受アセンブリはモータによって回転する、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項１９】
前記複数の増幅器モジュールの各々は、ドライバ増幅器および高出力増幅器を含む、請求項１５に記載のアンテナ。
【請求項２０】
前記アンテナ素子のアレイは６４個の素子を含み、前記複数の増幅器モジュールは６４個の増幅器モジュールである、請求項１５に記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は一般に走査アレイアンテナに関し、より詳細には、仰角方向を電気走査し方位角方向を機械走査するハイブリッド走査アレイアンテナに関する。このアンテナはコンパクトで空中プラットフォーム用途に適するものである。
【背景技術】
【０００２】
[0002]地球の周りの軌道には、商業目的および軍事目的の両方に使用するための、静止通信衛星群が存在する。群の中の隣接する衛星は、地上基地または空中プラットフォームから群の中の特定の衛星に伝送したアップリンク信号が、隣接する衛星に受信されたり干渉したりしないよう、ある最小距離または数度離れている必要がある。これを達成するため、アップリンク信号を伝送する伝送アンテナは、数度のオーダーのビーム幅と高い利得とを有することが必要である。
【０００３】
[0003]この目的のために当技術分野では、方位角方向および仰角方向の両方を電子走査できるアクティブフェーズドアレイ狭ビーム幅アンテナが利用可能である。アクティブフェーズドアレイアンテナは、良好なアンテナ性能および良好なレーダー断面（ＲＣＳ）性能を有するが、高価である。さらに、アクティブフェーズドアレイアンテナのコストは、アンテナのアパーチャサイズに比例して増加する。一般に、ＢＬＯＳまたはＳＡＴＣＯＭアンテナは大きいアパーチャ面積を必要とするが、それによって個々に位相に重み付けして増幅された数千のアンテナ素子を伴うアレイアンテナとなり、アンテナのコストを著しく増加させる。
【０００４】
[0004]空中プラットフォームの衛星通信用途のため、当技術分野では、二次元ジンバルを使用して方位角および仰角の両方向を機械走査されるパラボラアンテナを提供することが知られている。通常、このようなパラボラアンテナはサイズが大きく、航空機の外板（skin）から延在するレドームの下に設置される。レドームは航空機から延在するために抗力を生み出し、それによって燃料効率が下がり攻撃準備滞空の作戦時間を減少させる。また、レドームは航空機のＲＣＳを増加させ、そのため航空機はレーダー上でより捉えられやすくなる。さらにパラボラアンテナは、広い瞬時帯域幅にわたって動作するよう設計されたアンテナに対して、開口効率が乏しく、サイドローブレベルが高いことが多い。パラボラアンテナの伝送バージョンはしばしば、伝送信号を増幅するために高出力の進行波管増幅器（ＴＷＴＡ）を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、コンパクトで空中プラットフォーム用途に適する走査アレイアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態によれば、走査アレイアンテナであって、アウターハウジングと、アウターハウジング内でアウターハウジングに対して回転可能に設置され、上面および底面を含む冷却板と、冷却板の上面に設置されたアンテナ素子のアレイを含む導波管開口面と、冷却板の底面に設置された多層回路基板と、回路基板を介して冷却板に設置された複数の増幅器モジュールであって、回路基板は増幅器モジュールが回路基板を介して冷却板に直接設置されることを可能にする複数の開口を含み、冷却板は増幅器モジュールからのＲＦ信号が冷却板を介してアンテナ素子に伝わることを可能にする複数のＲＦ信号チャネルを含み、複数の増幅器モジュールは位相重み付けを仰角方向の電子信号走査のために提供するよう制御され、冷却板の回転が方位角方向の信号走査を可能にする、複数の増幅器モジュールと、を備える、走査アレイアンテナが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】[0005]ハイブリッド電子／機械走査アレイアンテナの上部投影等角図である。
【図２】[0006]ハイブリッド電子／機械走査アレイアンテナの底部分解図である。
【図３】[0007]アンテナから離した導波管給電型スロットアレイ開口面の投影等角図である。
【図４】[0008]アンテナ素子モジュールを示すアンテナの回路アレイの一部の切取り投影等角図である。
【図５】[0009]ハイブリッド電子／機械走査アレイアンテナのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
[0010]ハイブリッド電子／機械走査アレイアンテナに対する本発明の実施形態の以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明またはその用途もしくは使用を制限するものではない。例えば、以下では空中プラットフォームによる伝送目的のための特定の用途を有するアンテナについて説明する。しかし、本発明のアンテナが他の用途を持ち得ることが当業者には理解されよう。
【０００９】
[0011]図１はハイブリッド電子／機械走査アレイアンテナ１０の上部投影等角図で、図２はその底部分解図である。以下で詳細に説明するように、アンテナ１０は、空中プラットフォームおよび衛星通信に適した比較的低コストでコンパクトなアンテナを提供するために、アンテナアパーチャを回転させることによって方位角方向を機械走査すること、および位相に重み付けしたアンテナ素子を介して仰角方向に電気走査することを実現する。方位角方向における機械走査を実現することによって、位相重み付けした素子および増幅素子を必要とするアクティブフェーズドアレイアンテナ素子の数は減少される。明細書ではアンテナ１０は伝送目的であると説明されるが、アンテナ１０は出力増幅器の配向を逆にすることによって、および出力増幅器を適した低ノイズ増幅器に交換することによって、基本的に受信目的にも使用できることが当業者には容易に理解されよう。
【００１０】
[0012]アンテナ１０は、上部円筒形側壁１４と下部円筒形側壁３２と頂部カバー１６と閉鎖底板カバー１８とを有するアウターハウジング１２を含み、それらは接着剤、スナップ止めアセンブリ等の適切な方法で一緒に設置される。円形軸受リングアセンブリ２０はハウジング１２内に設置され、その上でアンテナアパーチャを方位角方向に機械的に回転させる軸受を提供する。導波管開口面（waveguide aperture）２４はカバー１６内に位置され、アンテナスロットアンテナ素子２６を有する導波管給電型スロットアレイ２２を含み、図３においては導波管開口面２４はアンテナ１０から離れて示されている。導波管給電型スロットアレイ２２は低損失、優れた走査能力、およびロープロファイルを実現する。しかし、他の平面アレイ素子もまた適用できる。蛇行線偏光子２８もまたカバー１６内の開口面２４の隣に位置され、開口面２４のスロットアレイ２２によって生じた直線偏波信号を衛星通信信号に適した円偏波信号に変換する。導波管開口面２４の配向およびサイズは、異なるサイズの開口面は異なる周波数を要するという点から、周波数に依拠する。
【００１１】
[0013]導波管開口面２４は、ハウジング１２内に位置する円形ヒートシンク取付冷却板３０の上面に設置される。以下でさらに詳細に説明するように、取付板３０は水等の冷却流体を受け入れる流れチャネル構成を含み、アンテナ電子機器を冷却する。多層回路基板３８は、取付板３０の下面に導波管開口面２４に対向して設置される。一連のリングフレームＧａＮ固体電力増幅器（ＳＳＰＡ）モジュール４０は、回路基板３８との電気的な相互接続を伴って取付板３０に対向して固定される。各モジュール４０は開口面２４のスロット素子２６の内の１つと関連付けられ、位相重み付けによって電子的に操作可能なアンテナ素子の内の１つを画定する。回路基板３８およびリングフレームモジュール４０は、仰角方向に走査され得る放射パターンを形成するような方法で設計され、スロットアレイ２２と一体化される。この非制限の実施形態において、特定の用途のための６４個のスロット素子２６およびモジュール４０が存在する。アンテナ１０の他の素子の以下の説明は、この個数のアンテナ素子を対象とするが、他の用途では他の個数のアンテナ素子を採用し得ることが理解されよう。
【００１２】
[0014]図４はモジュール４０のいくつかを示す切取り投影等角図で、モジュール４０の内の１つは回路基板３８から引き上げられた位置に示されている。モジュール４０の各々は取付板３０のネジ穴４４に固定され、ボルト４２によって取付板３０にボルト留めされる。回路基板３８は、ボルト４２が回路基板３８を貫通して取付板３０の穴４４にアクセスできる、多数のスロット４６を含む。スロット４６によるモジュール４０と取付板３０との間の金属間接触は、より良好な除熱を可能にする。さらに取付板３０はＲＦ信号チャネル４８を含む。ＲＦ信号チャネル４８は、取付板３０を貫通して延びて、ＲＦ信号が導波管開口面２４を通過して伝送されることを可能にするモジュール４０の各々のためのスロット４６に対して位置合わせされる。以下でさらに詳細に説明するように、モジュール４０の各々はドライバ増幅器および高出力増幅器を含む。またモジュール４０の各々は、ＲＦ入力信号用の単一の電気コネクタ５０および増幅器へのＤＣバイアス信号用の電気コネクタ５２を含む。
【００１３】
[0015]以下で詳細に説明するように、４つの１６素子のＳｉＧｅビーム形成ネットワーク（ＢＦＮ）回路５４は、電子走査の位相重み付けのための可変移相を提供する回路基板３８に設置される。さらに、以下で詳細に説明するように、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）回路（図２に示さず）も、回路基板３８に設置されて、制御信号およびタイミング信号を提供する。
【００１４】
[0016]アンテナ１０は、回転する回転子６２および回転しない固定子６４を有する円筒形の流体ＲＦ  ＤＣロータリジョイント６０を含み、一般に固定子６４および回転子６２は重ねられた構成で互いに同軸であり、回転子６２は取付板３０に結合される。ロータリジョイント６０によって、ＲＦ、ＤＣおよびデジタル信号が通過可能となり、また冷却板３０から廃熱を除去する冷却流体も通す。ＲＦ入力コネクタ７６は固定子６４上のロータリジョイント６０の軸上に配置され、閉鎖カバー１８の開口７８を介してアクセス可能であり、コネクタ７６に提供されるＲＦ信号はロータリジョイント６０を通過して回路基板３８に送られる。ＤＣ電気ハーネス６６およびデジタルハーネス６８はハウジング壁３２を貫通して延び、固定子６４に結合される。ロータリジョイント６０内部のＤＣスリップジョイントによって、電気ハーネス６６および６８が回転子６２から出て取付板３０を貫通し、回路基板３８の開口面側に送られることを可能にする。冷却流体ホース７０および７２はハウジング壁３２を貫通して延び、固定子６４に結合される。ホース７２は、例えば冷却装置（図示せず）から冷却流体を受け取り、冷却流体を固定子６４から回転子６２へとロータリジョイント６０内に送り、その後取付板３０の流れチャネルに送る。熱せられた冷却流体は、取付板３０内の流れチャネルから回転子６２へ流れて、ホース７０を通ってロータリジョイント６０から出る。方位角ドライブモータアクチュエータおよびエンコーダ７４は、方位角方向の走査のために冷却板３０を回転させ、正確な走査のために何回転したかを計測する。回転アセンブリは、モータアクチュエータ７４に接続された平歯車によって作動されるが、ベルトドライブモータに換えることができ、またはリングフレームモジュール４０をスロットアレイ２２と冷却板３０との間に移動させることによって換えることができる。位置および速度による遠隔計測は、ハウジング１２に設置されたＧＰＳ能力を有する慣性計測装置（ＩＭＵ）５８によって実現される。
【００１５】
[0017]図５は、アンテナアレイ１０について上述した素子を含むアンテナアレイ８０の概略ブロック図である。アンテナアレイ８０は、導波管開口面２４を表わす導波管放射開口面(waveguide radiating aperture)８２、冷却板３０を表わす冷却板８４、および回路基板３８を表わす多層混合信号プリント回路基板８６を含む。６４個のスロット素子８８の内２つは、スロット素子２６を表し、放射開口面８２に示されている。回路基板８６は、ＤＣ配電層９０、制御信号分配層９２、ならびに１対４のＲＦ出力分配器およびＲＦ分配層９４を含む。ＤＣ配電層９０はライン１００でＤＣ出力信号を受け取り、制御信号分配層９２はライン１０２でデジタルコマンドおよび遠隔計測信号を受け取り、伝送されるＲＦ信号はライン１１０で出力分配器およびＲＦ分配層９４に提供される。アンテナアレイ８０はまた、モジュール４０を表わす６４個のリングフレーム増幅器モジュール１１２、ＢＦＮ回路５４を表わす４つの１６素子ＢＦＮ回路１１４、およびＦＰＧＡ回路１１６を含む。
【００１６】
[0018]ライン１１０のＲＦ信号は出力分配器およびＲＦ分配層９４において４回分割され、各分割されたＲＦ信号は４つの１６素子ＢＦＮ回路１１４の内の１つに送られる。各ＢＦＮ回路１１４に送られた信号は、出力分配器１２４によって１６回分割された電力であり、各々が可変移相器１２６と可変減衰器１２８と増幅器１３０とを含む１６の個別のチャネル１２２に送られる。移相器１２６は、仰角方向の電子ビーム操作のための信号の移相を提供し、増幅器１３０は一般に、移相器１２６および減衰器１２８によってもたらされた信号損失を回復する。電子ビーム操作のためのフェーズドアンテナアレイの移相器を動作させて制御することは、当業者にはよく理解されている。ＢＦＮ回路１２２の各々からの１６の信号のそれぞれは、出力分配器およびＲＦ分配層９４を介して返送され、電気コネクタ５０を表わすライン１３２で、６４個のリングフレームモジュール１１２の内の１つに送られる。モジュール１１２は、０．２Ｗ  ＧａＡｓ  ＳＳＤＡチップ等のドライバ増幅器１３６、および２−８Ｗ  ＧａＮ  ＳＳＤＡチップ等の高出力増幅器１３８を含む。増幅器１３６および１３８のためのＤＣバイアス信号は、ライン１３４で、ＤＣ配電層９０から提供され、電気コネクタ５２を表わす。次に、増幅されたＲＦ信号は、スロット８８によって放射される信号チャネル４８を表わす導波チャネル１４０を介して送られる。ＦＰＧＡ回路１１６は、ライン１４２で、ＤＣ配電層９０から制御信号を受け取る。
【００１７】
[0019]前述の開示の説明は、本発明の単なる例示の実施形態に過ぎない。当業者はこのような説明ならびに添付の図面および特許請求の範囲から、以下の特許請求の範囲で定義されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な変更、修正、および変形が成されることを容易に理解されよう。
【図１】
2017533673.tif 000003
【図２】
2017533673.tif 000004
【図３】
2017533673.tif 000005
【図４】
2017533673.tif 000006
【図５】
2017533673.tif 000007
【国際調査報告】
2017533673.tif 000008
2017533673.tif 000009
2017533673.tif 000010