(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続トランスバーススタブアレイアンテナと、
前記連続トランスバ−スアレイアンテナの入出力端部である両側の側面に沿って配置され、前記連続トランスバ−スアレイアンテナをそれぞれ反対方向に走査するＲＦ入力信号を供給される第１および第２のＲＦポートをそれぞれ備え、フェライト素子を具備している第１および第２の走査ライン給電装置と、
アンテナのＲＦ入力ポートと前記第１および第２の走査ライン給電装置のそれぞれの前記第１および第２の各ＲＦポートとの間に結合されている３個のスイッチングフェライトサーキュレータを備えている４方向スイッチングマトリクスとを具備し、
前記スイッチングマトリクスは、第１および第２の走査ライン給電装置の第１および第２のＲＦポートのいずれかを選択してそれにアンテナのＲＦ入力ポートに供給されたＲＦ信号を供給して異なった角度の走査セクタをそれぞれカバーするように空間的にオフセットされた合計４つのビームを形成するように構成されているプレーナアレイマイクロ波アンテナ。
【請求項２】
前記走査セクタのカバーしている領域は連続トランスバーススタブアレイアンテナの入出力端部である側面に垂直な線に関して対称的である請求項１記載のプレーナアレイマイクロ波アンテナ。
【請求項３】
前記走査セクタのカバーしている領域は連続トランスバーススタブアレイアンテナの入出力端部である側面に垂直な線に関して非対称的である請求項１記載のプレーナアレイマイクロ波アンテナ。
【請求項４】
前記４つの走査セクタはオーバーラップしている請求項１記載のプレーナアレイマイクロ波アンテナ。
【請求項５】
前記４つの走査セクタは角度的に分離されている請求項１記載のプレーナアレイマイクロ波アンテナ。
【発明の詳細な説明】
［発明の技術分野］
本発明は、一般にマイクロ波アンテナに関し、とくに広角走査能力を有するマイクロ波アンテナに関する。
［従来の技術］
従来技術において、走査ライン給電がどのようにしてその反対側の端部から給電され、空間的にオフセットした２つのビームを形成することができるかが教示されている。このような走査ライン給電は、文献（Nester,et al. entitled “Bidirectional Series Fed Slot Array ”,Symp. Digest, IEEE  Antennas and Propagation Society International Symposium (Stanford,CA), June 1977,pg.76,）または文献（Kinsey entitled “FAST Multibeam Antenna Concept”,RADC-TR-85-170, Proc.Phased Array 1985 Symposium(Hanscom AFB, MA),Sept. 1985,pp.33-56）に記載されている。
たとえば、７７ＧＨｚのＷバンド・ターゲットレーダおよび前方監視レーダ自動車システムのような軍事および民間用の廉価な１次元電気走査アンテナへの関心が高まってきている。廉価な２次元走査は、上述の１次元電気走査アンテナを第２の軸における３６０°ジンバルと共に使用することによって実現することができる。ＰＩＮダイオード、ディスクリートなフェライト位相シフタまたは送受信（Ｔ／Ｒ）モジュールのような通常の走査技術は、一般的にＷバンドでは利用できないか、あるいは製造不可能であり、もしくは比較的余裕がない。
自由空間に放射するフェライト位相走査アンテナは、技術文献に記載されている。このフェライト位相走査アンテナは、たとえば文献（Stern,et al.entitled“A mm-Wave Homogeneous Ferrite Phase Scan antenna”,Microwave Journal,Vol.30,No.4,Apr.1987,pp.101-108）、および米国特許第4,691,208号明細書（“Ferrite Waveguide Scanning Antenna”）に記載されている。
フェライト走査ライン給電装置は、上記に記載した走査ライン給電に類似しており、走査範囲において同じ制限が課せられる装置である。相違点は、走査ライン給電がとくに、空気で充填されているか、あるいは誘電体で充填されてもよいプレーナアレイアンテナの並列板領域に放射するように設計されていることである。さらに、走査ライン給電は、両端から放射されるように二方向性アレイ励起合成を使用して設計され、空間的にオフセットした２つの良好に成形されたビームを生成する。
［発明の解決しようとする課題］
従来技術の主な欠点は、一般的に４０ＧＨｚ以上程度の高いミリメートル波周波数のフェライト位相走査アンテナのために生じる可能性の高い走査カバレージの制限である。したがって、たとえばKinsey氏の文献に記載されているようなディスクリートな位相シフタにより走査される多数の走査ライン給電を必要としないプレーナアレイアンテナを有することは技術的な進歩である。複雑さが軽減され、設計および製造コストがはるかに低いプレーナアンテナを有することもまた有効である。したがって、本発明の目的は、広角走査能力を備えたマイクロ波アンテナを提供することである。
［課題解決のための手段］
本発明は、連続トランスバーススタブアレイのようなプレーナアレイアンテナに給電するように２個の分布式フェライト走査ライン給電を使用するプレーナアレイアンテナを提供する。走査ライン給電装置は、両側からアンテナにＲＦエネルギを結合して、異なった角度の走査セクタをそれぞれカバーする空間的にオフセットされた合計４つのビームを形成する。本発明は、Kinsey氏の文献に記載されているようなディスクリートな位相シフタにより走査される多数の走査ライン給電を必要としない。結果的に、第２の軸における３６０°ジンバルと組合せられた複雑さのこの軽減は、アンテナの設計および製造費用を減少させる。二重フェライト走査ライン給電と、スイッチングマトリクスと、およびプレーナアレイアンテナを使用して広角走査を行うことによって、連続トランスバーススタブ（ＣＴＳ）アンテナおよびシステムの性能が著しく改善される。
本発明は、高いミリメートル波周波数でより広い走査カバレージを得るために２個の分布式フェライト走査ライン給電を使用し、その場合には通常実現可能なフェライト材料は活性度が低く、減少された走査能力を提供する。走査ライン給電装置およびプレーナアレイアンテナは、４つの走査セクタが連続し、それによってアンテナの角度的な走査カバレージを少なくとも４倍増加させるように設計されることができる。スイッチングマトリクスは、４つの各ＲＦポートに順次接続され、４つの連続した走査セクタ上を走査する単一のビームを効率的に生成するために使用される。
【図面の簡単な説明】
以下の詳細な説明および添付図面を参照することによって本発明の種々の特徴および利点が容易に理解されるであろう。なお、図面において、同じ参照符号は同じ構造素子を示す。
図１は、４πＭS＝５０００ガウスでフェライトラインスキャナについて計算された走査カバレージ対周波数特性を示す。
図２は、４つのＲＦポート間でスイッチングを行うことにより、６０°にわたってカバーする連続走査セクタがどのようにして生成されるかを示す。
図３ａおよび３ｂは、２つの走査ライン給電装置によってアンテナが給電される本発明によるプレーナアレイアンテナを示す。
図４は、３つのスイッチングフェライトサーキュレータを有するスイッチングマトリクスを示す。
図５および６は、走査ライン給電が接地平面を通って連続トランスバーススタブアレイアンテナの並列板領域にどのようにして結合するかを示す。
図７は、三角形格子に入れ子にされた連続ランスバーススタブサブアレイから構成されたプレーナアレイアンテナを示す。
図８ａおよび８ｂは修正されたウッドウォード・ローソン（Woodward-Lawson）合成を使用して設計された７７ＧＨｚの走査ライン給電の計算された前方放射および後方放射ビームパターンをそれぞれ示す。
［発明の詳細な説明］
本発明は、走査アンテナ10として図３ａおよび３ｂに示されているような連続トラバーススタブアレイアンテナ11を使用し、その角走査カバレージの全体を増加させるようにしたものである。この連続トランスバーススタブアンテナ11は、本発明の出願人によって開発されたアンテナであり、その構造および動作については本出願人の所有する米国特許第5,266,961号明細書に記載されている。この連続トランスバーススタブアンテナ11は平板状のアンテナ本体の表面に設けられた多数の横断方向に延在するスタブから電波を放射するものであるが、入力部である一方の側縁から入力させる信号の位相を横断方向でシフトさせることによって指向方向の角度を変化させることができる。
図１は、このような位相シフトを行うことのできる典型的な通常のフェライトラインスキャナ（位相シフト装置）の計算された走査カバレージ対周波数のグラフを示す。この例では、フェライトラインスキャナは、ほぼ５０００ガウスの利用可能な最大飽和磁化（４πＭs）により現用の技術水準のフェライト材料を使用する典型的な通常のフェライトラインスキャナである。図１のグラフは、いくつかのミリメートル波周波数における２．５４ｃｍ（１インチ）当たりの微分位相シフトの測定されたデータに基づいている。９４ＧＨｚでほぼ６２５°／２．５４ｃｍが得られたが、これは図１の特性では９４ＧＨｚでは約１２．６°の走査カバレージしか生成しない。アンテナの用途によっては６０°の大きな走査カバレージが要求され、そのような要求を満足させることはできない。
図２は本発明によって生成される４つの連続走査セクタを示し、それらは０°乃至＋１２．６°、＋１２．６°乃至＋２５．８°、＋２５．８°乃至＋４０．８°および＋４０．８°乃至＋６０．７°をそれぞれカバーする。この数値は、以下の式から導出される：
θn max＝Ｓｉｎ-1（ｎλΔφ／３６０）
ここで、θn maxは所定の走査セクタに対する最大走査角であり、ｎは走査セクタ（この例では１乃至４）であり、λは２．５４ｃｍ（１インチ）単位での空気中の波長（９４ＧＨｚに対して０．１２５６インチ）であり、Δφは２．５４ｃｍ当たりの度数で表された微分位相シフト（６２５）である。
図３ａおよび３ｂはそれぞれ、本発明によるプレーナアレイアンテナ10として使用される連続トラバーススタブアレイアンテナ11の上面図および側面図を示している。このアンテナ11はその両側の縁部に沿って配置された２つの走査ライン給電装置12，13によって給電される。このアンテナ11は走査ライン給電装置12，13からアンテナ11に信号を供給するとき、図３ａで上から下に進にしたがって位相シフトを増加させることによってアンテナ11の指向方向を傾斜させることができ、位相シフト量の変化によりその角度を変更することができるので、アンテナ11による空間の角度走査を行うことができる。このような位相シフトを与えることができるように各走査ライン給電装置12，13にはフェライト素子が設けられており、フェライトラインスキャナとして構成されている。ＲＦ信号は、ＲＦ入力ポート14aからスイッチングマトリックス14を通って走査ライン給電装置12，13の両端に設けられている第１および第２のＲＦポート15a乃至15dに供給され、そのＲＦポートの選択はスイッチングマトリックス14によって制御される。このスイッチングマトリックス14については図４に示され、また、走査ライン給電装置12，13に対するＲＦ信号の結合については図６に示されており、それらについては後述する。
本発明においては、スイッチングマトリックス14によって走査ライン給電装置12，13のいずれか一方を選択し、さらに、それらの走査ライン給電装置12，13の２つのＲＦポート15a乃至15dのいずれかを選択することによって指向角度を変化させ、その角度においてさらに走査ライン給電装置に含まれているフェライトラインスキャナによって角度を変化させて走査することによって異なった角度の走査セクタをそれぞれカバーする空間的にオフセットされた合計４つのビームを生成する。４つの走査セクタを隣接して設定すれば全体として連続した走査セクタを走査する単一のビームが効率的に生成される。
このような空間的にオフセットされた走査セクタを選択するための４方向スイッチングマトリクス14の構成は図４に示されている。図４では、単極４投（ＳＰ４Ｔ）スイッチングマトリクス14が、３つのスイッチングフェライトサーキュレータ17を使用して構成されている。中央のフェライトサーキュレータ17はＲＦ入力ポート14aから供給された入力ＲＦ信号を左右のフェライトサーキュレータ17のいずれかに選択的に導く。この信号を供給された左右のフェライトサーキュレータ17はそれに接続された走査ライン給電装置12，13の第１または第２のＲＦポートのいずれかを選択してそれにＲＦ信号を供給する。単一の狭帯域接合サーキュレータ17に対する一般的なＷバンド性能によれば、０．４乃至０．６ｄＢの挿入損失と１８乃至２０ｄＢの分離性能が得られる。図４に示されているスイッチングマトリクス14のスイッチアームに付加的な接合サーキュレータ17を配置することによってさらに大きい分離を得ることができるが、それは挿入損失を増加させる。
図５および６は、複数の連続トランスバーススタブアレイアンテナ11（サブアレイ11）を非常に密な格子形態でパッケージ化するために使用されることのできる装置を示す。多数の連続トランスバーススタブアレイアンテナ11を並べて大きいプレーナアンテナを形成する場合には各アレイアンテナ11は互いにできるだけ近接して配置する必要があり、アレイアンテナ11の両側に設けられる入出力のための走査ライン給電装置12，13が大きくなることは好ましくない。そのため、図６に示される構造では、走査ライン給電装置12，13はアンテナ11の側縁に沿って配置されたアンテナ11に信号を供給する空間に対して信号はアンテナ11の背後から供給される。すなわち、アンテナ11の側縁に沿って配置されたアンテナ11に信号を供給する空間に対する信号の供給はその背後（アンテナの放射面と反対側）に配置され、両端が第１または第２のＲＦポート15a，15bまたは15c，15dを構成している導波管18の延長部分である導波管によって行われ、前記アンテナ11に信号を供給する空間との境界の共通の壁に結合スロット16が形成されている。図６には、２つのタイプの結合スロット16を例示するために走査ライン給電装置12と13では別々の形状の結合スロット16が示されている。すなわち、第１の走査ライン給電装置12では幅広の壁の中心線から交互にずらされて縦方向に並んだスロット16が示され、第２の走査ライン給電装置13では傾斜したスロット16が示されている。給電ＲＦポート15a乃至15dをスイッチングマトリクス14に接続するために１８０°湾曲した導波管18がＲＦポート15a乃至15dとスイッチングマトリクス14との間に設けられている。スイッチングマトリクス14は図６に示されるようにアンテナ11の背後に配置されるが、１８０°湾曲した導波管18は連続トランスバーススタブアンテナ11の平板の輪郭形状に対して図５および６に示されるように上下方向に突出している。このような突出部があると多数のアンテナ11を隣接して配置する場合に密接して配置することができない。そのためこの実施例ではアンテナ11の裏面上に図６に示されているようにポケット19を設けて、この部分に隣接するアンテナ11の突出した１８０°湾曲した導波管部分が位置するように各アンテナ11（すなわちサブアレイ11）を図７に示されているように入れ子に組合わせることによって、相互間隔をほとんどゼロにして密接して配置されたプレーナアレイアンテナ10を形成することができる。
図８ａおよび８ｂは、長さが１１．４０ｃｍ（４．４９インチ）である７７ＧＨｚの両方向ライン給電装置12,13の計算された前方放射および後方放射ビームパターンをそれぞれ示す。修正されたウッドウォード・ローソン合成がライン給電装置12,13を生成するために使用され、指数関数が通常の一様な関数に置換されている。ビームパターンは最適化されないが、−３ｄＢの点で２．２°のビーム幅および２０ｄＢより下でサイドローブという公称アレイ要求を満たす。前方放射ビームパターンは、１．０６ｄＢのテーパ損失、１．０６：１のＶＳＷＲ、および負荷中への３．６％電力を有する。後方放射ビームパターンは、１．１０ｄＢのテーパ損失、１．０４：１のＶＳＷＲ、および負荷中への２．９％電力を有する。上述したように、連続トランスバーススタブアレイアンテナ11を設計するために類似の両方向アレイ励起合成が使用されてもよい。
本発明は、コーンの体積全体にわたる走査カバレージを安価に実現するために構成されてもよい。これは、ロールジンバル（すなわち、“回転盤”）上に１次元スキャナを取付けることによって行われてもよい。この装置により、１次元スキャナは、頂角（すなわち、コーンのゼロ軸から傾斜角まで）の半分をカバーするだけでよい。ジンバルが直交平面で回転するとき、走査ビームは円錐型走査空間を“掃引”する。
元来、本発明は、１次元スキャナが０乃至６０°のカバレージを必要とする特定の適用向けに開発された。しかしながら、本発明によって広角走査に対する別のオプションが提供されてもよい。
たとえば、本発明は、０°である側面（すなわちアンテナ11の放射面に対して垂直な方向）に関して対称的な走査カバレージを提供するために使用されてもよい。これは、たとえば前方監視自動車アンテナの一般的な走査カバレージである。本発明のスキャナは、４つの連続的な走査セクタを有するように変形されてもよく、それは０から±１２．５９°まで、および±１２．５９°から±２５．８５°まで走査し、このカバレージは前方監視自動車アンテナにとって望ましいものである。
本発明は、側面に関して非対称的な走査を行う走査カバレージを提供するために使用されてもよい。艦船に搭載するアンテナは、艦が下方にロールしたときに高い仰角でカバレージを調整するために、しばしば上方に向かって２０°程度傾斜される。たとえば、上方に１２．５°傾斜されたアンテナは、−１２．５９°から＋４０．８５°までをカバーする４つの連続的な走査セクタを提供するように構成されてもよい。艦船を安定させてローリング角を最大１０°に制限した場合、少なくとも＋３０°の仰角カバレージが実現されてもよい。
本発明によって提供される４つの走査セクタは、連続している必要はなく、重り合ってもよいし、あるいは角度的に分離していてもよい。２つの走査セクタがビーム幅の約半分だけ空間的にオフセットされたビームと重り合っている場合、２つの隣接するビーム間のシーケンシャルなロービングによって走査差パターンが形成される。分離した走査セクタが望ましい一例は、航空機の下側に取付けられた側視レーダである。走査カバレージは、±１２．５９°から±２５．８５°であり、ギャップは−１２．５９°と＋１２．５９°との間に存在する。
さらに、４つの走査セクタは順次走査されるのではなく、それらの任意のものが同時に走査されてもよい。しかしながら、これには、図４に示されているＳＰ４Ｔスイッチングマトリクス14とは異なったスイッチングマトリクスが必要である。同時的なビーム走査が使用される場合において、スイッチングマトリクス14は、任意の所定の時間に１乃至４つのビームを同時にオンにするように設計されている。このような同時スイッチングマトリクス14は通常のよく知られたものであり、当業者により容易に設計されるため、ここでは説明しない。同時重畳ビームに関して、上述の走査差パターンにはロービングは不要である。
以上、広角走査能力を有する改良されたプレーナアレイマイクロ波アンテナを開示してきた。説明した実施形態は、本発明の原理の適用を表す多数の特定の実施形態のいくつかの単なる例示に過ぎないことが理解すべきである。当業者は、本発明の技術的範囲を逸脱することなく多数の他の構造を容易に考えることができることが明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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