JPH01501194A - 進行波アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 複合スロットを使用したアレイビーム位置制御発明の背景 この発明はスロット導波管アレイ、特にビーム位置の制御に複合スロットを使用 したアレイに関する。

普通使用されている２種類のスロット導波管アレイはサーペンタインスロットア レイとシャントスロットアレイである。

両方のアレイにおいて、ビームを側面からかなり傾斜させようとするなら導波管 をそのカットオフ波長に近い波長で動作させなければならない。従って、励磁周 波数がスキャンされるにつれてビームはスキャンされる。

このため、導波管のカットオフ波長に近い波長でアレイを動作させることが必要 でなくなるように、ビーム位置を導波管の大きさに関係なく選べるようにするス ロット導波管アレイが望まれている。

一般の傾斜変位スロット（すなわち、複合スロット）の性質については、讐、Ｈ ，Ｗａｔｓｏｎ著”Ｔｈｅ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｐｒ１ｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆＷ ａｖｅｇｕｉｄｅ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ａｎｔｅｎｎａ　Ｓｙ ｓｔｅｍｓ”　、０ｘｆｏｒｄ　ａｔｔｈｅ　Ｃ１ａｒｅｄｏｎ　Ｐｒｅｓｓ、 　１９４７に記述されている。ワトソンは明らかにこれらのスロットの特殊な性 質を使用して、アレイがいつもの高い電圧定在波比がなくともブロードサイド周 波数により動作するように各スロットを同調ボタンと整合させることかできる進 行波アレイを組み立てた。しかしながら、知られている限りにおいては、ワトソ ンは複合スロットの位相特性を使用してビームを走査したりはしなかった。

論文「振幅と位相を独立に制御する共振スロット」’Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅ　５ｌ ｏｔｓ　ｗｉｔｈ　Ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆＡｍｐｌｉ ｔｕｄｅ　ａｎｄ　Ｐｈａｓｅ　’　Ｂ、Ｊ、Ｍａｘｕｍ、　ＩＥＥＥ　Ｔｒａ ｎｓ、　Ａｎｔｅｎｎａｓａｎｄ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、　Ｖｏｌ、　ＡＰ −Ｊｌ、　ｐｐ、　３ｇ４−３８９．　Ｊｕｌｙ、　１９６０には、特有の形状 のビームを、得るために複合スロットの位相特性を利用し、分析に伴う近似値の ため結合係数が小さな値に制限されている線形アレイが記述されている。

従って、導波管の大きさに関係なく、またアレイを導波管のカットオフ周波数に 近い波長で動作させることなしにビーム位置を選べる進行波スロット導波管アレ イを提供することは技術の進歩を示すことになろう。

更に、所望のビーム位置を獲得するために複合スロットを利用したスロット導波 管アレイを提供することは有益となるであろう。

発明の要約 上述の利益と目的は、床壁導波管に設けられたスロットの電圧の位相が導波管の 縦軸に対するスロットのオフセットと傾きの角度とにより制御される、複合スロ ットを使用したスロット導波管アレイにおいて達成される。位相制御を複合スロ ットで行うとＴＥ＋ｏモードのように導波管を伝搬する励起信号から生じるビー ムをブロードサイドに対して所望の方向に向けることができるであろう。

好ましい実施例は、第１及び第２の底壁と第１および第２の扶壁とにより形成さ れた導波管と第１の底壁に形成された複数の複合スロットを具備する。各スロッ トの傾きと縦軸がらのそのオフセットは必要電圧位相と振幅分布により決定され て所望のビームの方向を与える。各スロットは共振長を有する。導波管の一端は 整合負荷により終端されている。

この発明は、容認できない周波数感度が生じる導波管カットオフ周波数近くで動 作させる必要なしにビームの位置をブロードサイド方向から遠（に定めることを 可能にする。

図面の簡単な説明 この発明のこれらおよび他の特徴および利点は添付図面に示したような実施例の 詳細な説明から明らかとなろう。添付図面において、 第１Ａ図および第１Ｂ図は矩形導波管の底壁の並列、直列および複合スロットを 示す図、 第２Ａ図乃至第２Ｃ図はそれぞれ共振複合スロット、並列スロットおよび直列ス ロットの等価回路図、第３図は複数の複合スロットが形成された導波管を示す図 、第４Ａ図および第４Ｂ図は、前進波とバツクファイアの場合に対する誘電体充 填導波管により給電される９個の共振スロットを有するこの発明の実施例による 進行波アレイの空中線指向性図であり、実線は実験指向性を、点線は期待理論指 向性を示している、 第５図はこの発明の複数の進行波アレイが外縁に配列されたミサイル体を示す図 、そして 第６図は複合スロットの位置と向きを示す図である。

開示の詳細な説明 この発明の好ましい実施例は複数の複合スロットが１つの底壁に沿って形成され ている導波管を具備するスロット導波管アレイである。この発明の基本原理は導 波管２０（第１Ａ図）と３０（第１Ｂ図）に形成されたいろいろなスロットの平 面図を示す第１Ａ図および第１Ｂ図について理解されるであろう。

第１Ａ図のスロットＢ、Ｄおよび第１Ｂ図のＢ−、Ｄ−のような複合スロットは 両方とも底壁の中心線２５に対してオフセットするとともに傾いている。共振複 合スロットの等価回路はＷ、　２　Ａ図に示すようなＴネットワークである。こ れに対してスロットＡ、Ｅは軸２５と平行に配列されているが、軸からオフセッ トしており、このため第２Ｂ図に示すように純粋の並列アドミッタンスにより表 せよう。スロットＣ９Ｃ゛は軸２５上に配列されているが、軸に対して傾いてお り、このため第２Ｃ図に示すように純粋な直列インピーダンスとして表せよう。

　。

複合スロットの特徴は次の解析により理解することができる。第１Ａ図と第２Ａ 図に示されたスロットは全て共振長（励起エネルギの波長の半分）を持つものと する。この場合もし単位振幅とゼロ位相（断面ｚ−ｚ　’を基準とする）のＴＥ 、。

モードの励起信号が矢印２６の方向に導波管２０．３０を進行しながらこれらの スロットのどれにも入射するとすると、スロットＡに誘起される電界は軸２５か らのオフセットＸＡにより決まる振幅と９０°の位相を持つことになる。スロッ トＥに誘起される電界はスロットＡの場合と同じ振幅を有するが、位相は一９０ ＠である。スロットＣに誘起される電界は軸２５に対する傾斜角θＣにより決ま る振幅と０°の位相を持つ。

複合スロットＢおよびＤはそれぞれスロットＡからスロットＣ１スロットＣから スロットＥへの遷移と見られるので複合スロットＢおよびＤに誘起される電界の 位相はそれぞれ（９０’　、ｏ　＠）および（０°、−９０’　）の範囲にある 。これらの誘起電界の振幅と位相はスロットＢＳＤのオフセットＸ、、ＸＤと傾 斜角θＢ１θｐに依存することになる。

同様に、スロットＣ′に誘起される電界の位相は１８０　’であるので複合スロ ットＢ”、Ｄ＝に誘起される電界の位相はそれぞれ（９０”　、１８０　’　） と（１８’０　”　、−９０°）の範囲にある。これらの誘起電界の振幅と位相 はスロットＢ′、Ｄ゛のオフセットＸＢ・、ＸＤ−と傾斜角θＢ・、θｐ−に依 存することになる。

前述の説明から、ＴＥＩＯモード励起信号により共振複合スロットに誘起される 電界の位相は、スロットのオフセットと傾斜角を選択することにより３６０°の 全範囲にわたって調整することができるという重要な結論が得られる。この結論 ’＋ｔ、複合スロットを、ビームを所定角度にスキャンするに必要な位相を調整 するだけでなく相互結合の影響を補償するアレイの総合的位相制御に使用するこ とができることを示している。

相互結合の影響を有するスロットアレイの設計については、Ｌ、Ａ、　Ｋｕｒｔ ｚとＲ，ｓ、　Ｅｌｌｉｏｔによる”Ｔｈｅ　Ｄｅｓｌｇｎ　ｏｆ　Ｓｍａｌｌ Ｓｌｏｔ　Ａｒｒａｙ’　（小さいスロットアレイの設計）　ＩＥＥＥ　Ｔｒａ ｎｓ。

Ａｎｔｅｎｎａｓ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、　Ｖｏｌ、　ＡＰ−２８ ，２１４−２１９頁、１９７８年３月、およびＭ、　０ｒｅｆｉｃｅとＲ，Ｓ、 　ＥｌｌｉｏｔによるＤｅｓ１ｇｎ　ｏｆ　Ｉｎｃｌｉｎｅｄ　５ｅｒｉｅｓ　 ５ｌｏｔ　Ａｒｒａｙｓ　’　（傾斜型直列スロットアレイの設計）　ＵＣＬＡ 　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅｓ　Ｒｅ ｐｏｒｔ、　１９７９年１０月、の論文に報告されている。

これらの設計では、等価ダイポールアレイがバビネット（Ｂａｂｌｎｅｔ）の原 理によって提唱され、ダイポール初期インピーダンスの開口励起重みつけ和が相 互結合を表わすことが確かめられた。ダイポールの長さくスロットの長さでもあ る）が、装荷グイポールの自己インピーダンスの項と相互結合の項との和が純実 数となり、且つ適切な励起と入力整合を生じるレベルになるように調整された。

このため、並列スロットアレイについては、設計パラメータは（Ｘｎ、　２Ｌｎ 　）であった。

Ｘｎと２Ｌｎはそれぞれｎ番目のスロットのオフセットと長さを表わす。直列ス ロットアレイについては設計パラメータは（θｎ　、　２Ｌｎ　）であった。θ ｎと２Ｌｎはそれぞれｎ番目のスロットの傾斜角と長さを表わす。

これらの初期の設計とは異なり、この発明は、共振長複合スッロットを利用し、 ビーム走査角を定める位相を調整するだけでなく相互結合の影響を考慮して２つ のパラメータＸｎとθｎを調整する。

共振長アレイは、並列および直列スロットでは不十分である重要な応用、すなわ ち進行波アレイに使用するときに重要な利点を有する。これらの利点は矩形導波 管４０がその底壁４１の１つに非共振的に離間したスロット５ｌ−８ｎが形成さ れている第３図を参照することにより理解されよう。導波管４０は負荷４３で終 端している。連続スロットを、各スロットで本質的に同じであるが、２個のスロ ットで位相がＢ＋ｏｄラヂアンだけ異なるＴＥ＋ｏモードで励起するものとする 。ｄはスロットの間隔であり、ＢＩＯはモード（２π／λ）の位相速度である。

開口励起は、主ビームがｋｄ　ｃｏｓθ０　＋ｍＢ１゜ｄにより与えられるエン ドファイア（ｅｎｄｆｉｒｅ）からθ０の角度を示すような固有位相進行（ｎａ ｔｕｒａｌ　ｐｈａｓｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｏｎ）を有する０ｋ−２π／λで ある。（複合スロットにより与えられる負荷的な位相制御は考慮していない。） 故に、θｏ　−ａｒｃｃｏｓ（Ｂ　ｌｏハ）である。導波管４０の底壁４１の大 きさをどんなりよ。八にも、したがって、どんなビーム方向θ０にも対応するよ うに調整できると思われるかも知れないが、これはサイズの制限や周波数感度を 考慮しなければならない場合には実施上不可能である。

この発明は、進行波アレイにおいて、いかにしてＢ１゜ｄ以外のスロットからス ロットへの位相進行をもって開口励起を行い、ビームが固有の角度位置以外の角 度位置に定めることができるかという問題の解決策を提供する。理論的にこれは 純粋の直列あるいは並列のスロットのスロット長を調整して、開口励起への位相 進行に加えられると、ビームを所望の角度に定める位相差を与えることにより可 能となるかもしれない。

しかしながら、実際的な長さのアレイについては、この位相増加をかなりなもの とするほど自己アドミッタンスや自己インピーダンスに対するダイナミックレン ジが十分でない。複合スロットはこの制限を受けない。何故なら、複合スロット は個々のスロットを励起する際に３６０＠の全位相範囲を可能にするからである 。複合スロットの方向は、ビームの位置θ０　（第３図）が式（１）により決定 されるように付加的な位相シフトαを加える。

ｅＯｓθｏ　＝Ｂ　１ｏ／ｋ　＋ａ／ｋｄ　（１）その結果、複合スロットを使 用する進行波スロットアレイは、導波管の遮断波長に近い励起信号を必要とせず に、はとんどエンドファイア（ブロードサイドから９０”　）にビームを生じさ せることが可能である。

複合スロットアレイを設計するための例示的な手順を以下に概説する。導波管の サイズ、スロットの間隔、動作周波数および導波管の誘電充填物の誘電率が全て 選択されているものとする。この例においては、アレイ中に９個の共振長の複合 スロットがあり、共通の間隔がｄで、ｎ番目のスロットが励起源から一番遠い。

さらに、所望の放射パターンが指定されていて、このため各スロットの全電圧の 相対的振幅と位相が公知の技術を使用して決定されているものとする。

ｎ番目のスロットにおける全電圧はＶヵ°と表わし、（３）式に示すように４つ の成分から成る。

■ア゛−■ゎｒ”　＋Ｖ　、２ａ　＋ｖゎ３”　＋Ｖ　−４’　（３）ここに、 Ｖａ”は左から、すなわち、Ｚ＜Ｚ　ｓ　’がら入射する波Ａ、による部分スロ ット電圧であり、■。２°は右から、すなわち、Ｚ）Ｚ　ｆｉ　”から入射する 波り、にょる部分電圧であり、ｖ　、３“はアレイの全ての他のスロットとの外 部相互結合による部分電圧であり、Ｖ　ａ４°は同じ導波管のすぐ隣の２個のス ロットと結合する内部ＴＥ２０モードによる部分電圧である。

同様に、ｎ番目のスロットから離れた所の全後方散乱と前方散乱したＴＥＩＯモ ードは式（４）と（５）に示される振幅を有する。

Ｂ　、−ＢゎＩ＋Ｂ　Ｉ＋２＋Ｂ　ａ３＋８１１４　（４）Ｃ、−Ｃ＝＋＋Ｃ， ２＋Ｃ−３十〇　−ａ　（５）式（４）と（５）の数量を結び付ける関係はアペ ンディックスに示されている。

所望のスロット電圧と導波管の中心線からのスロットのオフセット（Ｘゎ）とそ れの中心線に対する傾斜角度（θ。）との関係に最終的に導く中心となる設計式 は次のように示される。

上式において、 但し、ｎは自由空間のインピーダンス、λ−λ、バε　）　１／２であり、誘電 率がε、−ε／ε。の無境界領域を伝搬する平面波あ波長である。

スロットの方向に関係する重要な項はｈ　、　（Ｘ、　、θ。、２Ｌ、）である 。この項は、 但し、２Ｌ、はｎ番目の複合スロットの共振長である。

２Ｌ、はｎ番目のスロットのオフセットの関数であり、また多分その傾斜角の関 数である。式（７）において、ｉ　−ａｒｃｓｉｎ（λ／２ａ）であり、そして 設計式（６）を解くために定数Ｌ　−、Ｋｒ、−、Ｋ　２．。は初期値が与えら れる。また、外部と内部の相互結合、Ｖ　ｍ３’　ｓ　Ｖ　ｍ４’がこれらの初 期値について計算される。設計式はこのようにしてり、からＸ、とθ。の新しい 値に導く値を導出する。このプロセスが繰り返されて、反復の都度Ｘゎとθ。の 真の値に近付いて行く。

この発明の実施例で使用される複合スロットは共振長のものである。当業者によ く知られているように、共振長は測定により経験的に、あるいはモーメント手法 の方法を用いた計算により決定可能なパラメータである。共振長パラメータの適 当な近似値はこの複合スロットと同じオフセットを有する純並列スロットのそれ であることがわかっている。

設計式（６）がＳバンドアンテナについて行われた実験に対してテストされた。

これらのアンテナのおのおのは９個の複合スロットから成り、中心で０．５５λ ０であり、進行波は誘電体で充填されたＴＥＩＯ波導波管により供給された。各 導波管は入力パワーの１０％を吸収する整合負荷で終端された。導波管の床壁の 大きさは１．３インチであり、扶壁は　、１５０インチである。導波管は誘電率 が２．５の誘電体で充填された。導波管は両側が銅で被覆されたストリップライ ンボード材料であるデュロイド（Ｄｕｒｏｉｄ）　５８７Ｂで製作され、突き合 わせ端が銅で被覆され密閉導波管を形成する。これらのアンテナの両方は初期の あまり正確でない設計手順により設計された。アレイは、入力から負荷への方向 にあるとして定義される前方エンドファイアから６０°と１２０　”の角度にビ ームを発生するよう設計された。

前方エンドファイアから６０″に主ビームを発生するように設計されたスロット アレイの９個のスロットＳ１の寸法と方向が一例として表■に示されている。

表　１ スロット＃　Ｘ、（インチ）　θ、、（度）　長さくインチ）１　＋、００３　 −．７Ｂ＠　１．１７２２　＋、０１８　−．３５’　１．１７４３　＋、０２ ２　＋１．４°　１．１７５４　０．０　＋３．８’　１．１７２ ５　−．０３８　＋３．３”　１．１８１６　−．０６９　−ｉ、ｏ＠１．２０ ０７　−．０５２　−５．５’　１．１８８８　＋、０１１　−５．２’　１． １７３９　十０．４１　−２．３”　１．１８２目標とする開口分布はティラー の一３０ｄＢ、　ｎ　＝８の分布であった。主ビームがブロードサイドから±３ ０″であり、エレメントファクタが含まれる場合には、これは−２６ｄＢの理論 的なサイドローブレベルとなる。これらのアンテナの実験から得られたパターン が第４Ａ図と第４Ｂ図とに示され、上述の実際のスロットの寸法と修正された設 計式を使用して計算されたパターンとが比較されている。この発明の独自の特徴 は、導波管の大きさやスロット間隔は同一であるのに、２個のアンテナのビーム がブロードサイドの両側にあることである。スロットの方向だけが異なる。

上の例は、前方エンドファイアから±６０″と１２０　’に、あるいはブロード サイドから±３０″にビームを発生するアレイについてのものである。この発明 により達成できる最大ビーム走査角はスロット素子の放射パターンの形状と二次 ビームの立ち上がりとによってのみ制限され、可能な素子間位相シフトの制限に よっては制限されないことを理解すべきである。

当業者には理解されるように、アレイが長ければ長いほどビームが細くなり、ビ ームがエンドファイアにより近く走査できる。

この発明の特に適した応用はミサイル標的検出装置あるいはヒユーズアンテナと してである。スロットアレイを有するミサイル体の一部の概略的斜視図が第５図 に示されている。

ビームをブロードサイドから遠く離れてビームを放射させるよう設計された１個 以上のスロットアレイ６２をミサイル体６０の外面に沿って長手方向に配列する ことができる。これらのアンテナのビームをミサイルが標的から少し離れている ときにミサイルにより近寄られている標的を発見することに使用することが可能 である。これにより、例えば、ミサイルに搭載した爆薬を爆発させて標的を破壊 するのに十分な時間が与えられる。ミサイルの周囲に配置されるアレイの個数は 応用に依存しよう。

上述の実施例はこの発明の原理を利用する具体的実施例を示したにすぎないこと が理解されよう。この発明の範囲を逸脱せずに当業者によりこの発明の原理に従 って色々な配置を工夫することが可能である。

碕 曙 ％ 特表平１−ｓｏｎ：）４（６） 特表平１−５０１１９４　（８） ＦＩＧ、４Ａ 国際調査報告 ｍｖｍ４１　Ａ＃５ｌｌｃｓｂｅｅ　Ｎａ、ＰＣＴ　／υＳ　８７１０２３８０ ＳＡ　１９０６６

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．第１および第２の導電性広壁と第１および第２の導電性狭壁とにより形成さ れた矩形導波管と、導波管の第１の端部から第２の端部へＴＥ１０モードで伝搬 する励起信号により導波管を励起する手段と、所定の中心間間隔で第１の広壁に 沿って形成された実質的に共振長を有する複数の複合スロット、各スロットの第 １の広壁の長手方向の中心線からの傾斜とオフセットとが各スロットにおける電 圧の位相と振幅を制御して励起信号から生じるビームを所定の方向に位置つける ように選択されている、と、導波管を第２の短部で終端する手段とを具備するこ とを特徴とするアレイビームを所定の方向に与えるための進行波アレイ。
2. ２．各複合スロットの共振長がそれぞれの複合スロットと中心線からの同じオフ セットで配置された純並列スロットの共振長として選択されていることを特徴と する請求の範囲第１項記載のアレイ。
3. ３．複合スロットのそれぞれの傾斜とオフセットとが更に複数の複合スロット間 の相互結合の影響に対して位相と振幅補正を与えるように選択されることを特徴 とする請求の範囲第２項記載のアレイ。
4. ４．導波管が１より大きい比誘電率を有する誘電材料で充填されることを特徴と する請求の範囲第２項記載のアレイ。
5. ５．導波管を終端する手段が整合負荷を具備することを特徴とする請求の範囲第 ２項記載のアレイ。
6. ６．スロットの中心間間隔は、λｏを固有導波管波長とするとほぼ．５λｏであ ることを特徴とする請求の範囲第２項記載のアレイ。
7. ７．細長のミサイル体を有するミサイルのためのヒューズアンテナアレイであり 、ミサイル体の外周の周りに配置された複数のスロット導波管アレイを具備し、 アレイのおののは一般にミサイル体の長手軸と平行に整列しており、各アレイは アレイ励起信号に応答してブロードサイド方向から傾斜したビームを提供するよ うになされており、各アレイが、第１および第２の導電性広壁と第１および第２ の導電性狭壁とにより形成された矩形導波管と、導波管の第１の端部から第２の 端部へＴＥ１０モードで伝搬する励起信号により導波管を励起する手段と、所定 の中心間間隔で第１の広壁に沿って形成された実質的に共振長を有する複数の複 合スロット、各スロットの第１の広壁の長手方向の中心線からの傾斜とオフセッ トとが各スロットにおける電圧の位相と振幅を制御して励起信号から生じるビー ムを所定の方向に位置付けるように選択されている、と、導波管を第２の短部で 終端する手段とを具備することを特徴とするヒューズアンテナアレイ。
8. ８．各複合スロットの共振長がそれぞれの複合スロットと中心線からの同じオフ セットで配置された純並列スロットの共振長として選択されていることを特徴と する請求の範囲第７項記載のアンテナアレイ。
9. ９．複合スロットのそれぞれの傾斜とオフセットとが更に複数の複合スロット間 の相互結合の影響に対して位相と振幅補正を与えるように選択されることを特徴 とする請求の範囲第７項記載のアンテナアレイ。
10. １０．導波管が１より大きい比誘電率を有する誘電材料で充填されることを特徴 とする請求の範囲第７項記載のアンテナアレイ。
11. １１．導波管を終端する手段が整合負荷を具備することを特徴とする請求の範囲 第７項記載のアンテナアレイ。
12. １２．スロットの中心間間隔は、λｏを固有導波管波長とするとほぼ．５λｏで あることを特徴とする請求の範囲第７項記載のアンテナアレイ。
13. １３．ブロードサイドから傾斜したアレイビームを与えるための進行波アレイで あり、第１および第２の導電性広壁と第１および第２の導電性狭壁とにより形成 され、誘電体で充填された矩形導波管と、導波管の第１の端部から第２の端部へ ＴＥ１０モードで伝搬する励起信号により導波管を励起する手段と、導波管を第 ２の短部で終端する整合負荷と、所定の中心間間隔で第１の広壁に沿って形成さ れた実質的に共振長を有する複数の複合スロット、各スロットの第１の広壁の長 手方向の中心線からの傾斜とオフセットとが各スロットにおける電圧の位相と振 幅を制御して励起信号から生じるビームを所定の方向に位置つけるように選択さ れている、とを具備することを特徴とする進行波アレイ。