JPH1070412A - 対数うずまき曲線の形を有するフェーズドアレイ - Google Patents
対数うずまき曲線の形を有するフェーズドアレイInfo
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- JPH1070412A JPH1070412A JP9125529A JP12552997A JPH1070412A JP H1070412 A JPH1070412 A JP H1070412A JP 9125529 A JP9125529 A JP 9125529A JP 12552997 A JP12552997 A JP 12552997A JP H1070412 A JPH1070412 A JP H1070412A
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- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
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- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
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- H01Q21/00—Antenna arrays or systems
- H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
- H01Q21/22—Antenna units of the array energised non-uniformly in amplitude or phase, e.g. tapered array or binomial array
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
- H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
- H04R1/32—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired directional characteristic only
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R2430/00—Signal processing covered by H04R, not provided for in its groups
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高周波数範囲にわたって機能し得るフェーズ
ドアレイを提供する。 【解決手段】 対数うずまき曲線の形を有するフェーズ
ドアレイの設計である。アレイの素子を対数うずまき曲
線の形に沿って分布することにより、空間的規則性が回
避され、よってアレイは広い周波数範囲にわたって機能
し得る。
ドアレイを提供する。 【解決手段】 対数うずまき曲線の形を有するフェーズ
ドアレイの設計である。アレイの素子を対数うずまき曲
線の形に沿って分布することにより、空間的規則性が回
避され、よってアレイは広い周波数範囲にわたって機能
し得る。
Description
【０００１】
【発明の分野】フェーズドアレイは、ある空間パターン
でのトランスデューサ（受信器、送信器、または両機能
を実行する素子）の分布である。各トランスデューサに
よって送信または受信される信号の位相を調整すること
によって、このアレイは所望の方向における強いナロー
ビームの単一の開口として機能する。ビームの方向は、
トランスデューサの位相を変化させることによって電子
的に制御できる。
でのトランスデューサ（受信器、送信器、または両機能
を実行する素子）の分布である。各トランスデューサに
よって送信または受信される信号の位相を調整すること
によって、このアレイは所望の方向における強いナロー
ビームの単一の開口として機能する。ビームの方向は、
トランスデューサの位相を変化させることによって電子
的に制御できる。
【０００２】フェーズドアレイは、レーダー、ソーナ、
医療用超音波画像作成、軍用電磁信号源探索、診断検査
のための音響源探索、電波天文学、および多くの他の分
野において用いられている。送信または受信される信号
の性質およびそれを操作するために必要な装置（位相調
整を含む）は応用によって異なる。この発明は、信号調
節装置の設計またはトランスデューサ（アンテナ、マイ
クロフォン、またはスピーカ）それ自体に取り組むので
はない。これらの問題は、さまざまな分野における熟練
技術者にはよく理解されている。この発明は、トランス
デューサの特定の空間的配置（実際には配置の類）を説
明する。
医療用超音波画像作成、軍用電磁信号源探索、診断検査
のための音響源探索、電波天文学、および多くの他の分
野において用いられている。送信または受信される信号
の性質およびそれを操作するために必要な装置（位相調
整を含む）は応用によって異なる。この発明は、信号調
節装置の設計またはトランスデューサ（アンテナ、マイ
クロフォン、またはスピーカ）それ自体に取り組むので
はない。これらの問題は、さまざまな分野における熟練
技術者にはよく理解されている。この発明は、トランス
デューサの特定の空間的配置（実際には配置の類）を説
明する。
【０００３】フェーズドアレイの多くの応用において
は、装置が広い周波数範囲にわたって働くことが必要で
ある。それには通常いくつかの別個のアレイが必要であ
る。なぜならば、先行技術によって設計されるどの単一
のアレイもそれがカバーできる周波数範囲が限られてい
るからである。この周波数の制限はアレイの設計（すな
わちトランスデューサの空間的配置）と輻射の波長との
関係から生じる。
は、装置が広い周波数範囲にわたって働くことが必要で
ある。それには通常いくつかの別個のアレイが必要であ
る。なぜならば、先行技術によって設計されるどの単一
のアレイもそれがカバーできる周波数範囲が限られてい
るからである。この周波数の制限はアレイの設計（すな
わちトランスデューサの空間的配置）と輻射の波長との
関係から生じる。
【０００４】所与のアレイが効果を有する最低周波数は
波長におけるアレイの全体の寸法によって決定される。
分解能のレイリーリミットは、ビームの幅（ラジアン
で）は波長を開口寸法で除したもので与えられるとして
いる。ここで考えられている平面アレイは、全体の形が
おおよそ正方形または円形である。アレイをちょうど含
むだけの大きさの円の直径をＤで示す。（具体例を挙げ
ると）もし許容可能な最大ビーム幅が１０°とするなら
ば、アレイが効果的に動作できる最長の波長は、（１０
°）×（２πラジアン／３６０°）×Ｄ＝Ｄ／５．７２
である。これと対応するアレイの最低周波数は、５．７
２ｃ／Ｄであり、ここでｃは応用の性質によって音また
は光の速度である。この結果を言い換えると、アレイの
最低直径は（ビーム幅要求が１０°である例において
は）、動作の最低周波数において５．７２波長である。
この低周波の制限は先行技術およびこの発明を含むすべ
ての平面アレイ設計に当てはまる。
波長におけるアレイの全体の寸法によって決定される。
分解能のレイリーリミットは、ビームの幅（ラジアン
で）は波長を開口寸法で除したもので与えられるとして
いる。ここで考えられている平面アレイは、全体の形が
おおよそ正方形または円形である。アレイをちょうど含
むだけの大きさの円の直径をＤで示す。（具体例を挙げ
ると）もし許容可能な最大ビーム幅が１０°とするなら
ば、アレイが効果的に動作できる最長の波長は、（１０
°）×（２πラジアン／３６０°）×Ｄ＝Ｄ／５．７２
である。これと対応するアレイの最低周波数は、５．７
２ｃ／Ｄであり、ここでｃは応用の性質によって音また
は光の速度である。この結果を言い換えると、アレイの
最低直径は（ビーム幅要求が１０°である例において
は）、動作の最低周波数において５．７２波長である。
この低周波の制限は先行技術およびこの発明を含むすべ
ての平面アレイ設計に当てはまる。
【０００５】アレイにおける下限から周波数が増加して
いくにつれ、ビームは、直径の波長に対する比率が増加
するために狭くなっていく。より狭いビームの方がほと
んどの応用においては有利なので、この点ではアレイの
性能は周波数が増加するに伴って向上する。（もし一定
のビーム幅が所望であれば、周波数によってトランスデ
ューサの重み係数を変えてビーム幅が減少しないように
することもできる。この技術はフェーズドアレイ技術を
よく知る技術者にはよく知られているはずである。）あ
る周波数を超えると、意図されるステアリング方向とは
違う角度の付加的な不所望のビームが主ビームに加わ
る。この余計なビームは、それが主ビームよりも弱いと
きには副ローブとして知られ、それが主ビームと同レベ
ルのときにはエイリアスとして知られる。多くの応用に
おいては、副ローブは主ビームよりも実質的に低ければ
許容可能である。必要な副ローブ抑圧の程度は問題とな
る信号源に対する妨害信号源の強度に依存する。再び特
定の例を挙げれば、副ローブが主ローブよりも７デシベ
ル低くなければならないと考えるのが合理的である。
いくにつれ、ビームは、直径の波長に対する比率が増加
するために狭くなっていく。より狭いビームの方がほと
んどの応用においては有利なので、この点ではアレイの
性能は周波数が増加するに伴って向上する。（もし一定
のビーム幅が所望であれば、周波数によってトランスデ
ューサの重み係数を変えてビーム幅が減少しないように
することもできる。この技術はフェーズドアレイ技術を
よく知る技術者にはよく知られているはずである。）あ
る周波数を超えると、意図されるステアリング方向とは
違う角度の付加的な不所望のビームが主ビームに加わ
る。この余計なビームは、それが主ビームよりも弱いと
きには副ローブとして知られ、それが主ビームと同レベ
ルのときにはエイリアスとして知られる。多くの応用に
おいては、副ローブは主ビームよりも実質的に低ければ
許容可能である。必要な副ローブ抑圧の程度は問題とな
る信号源に対する妨害信号源の強度に依存する。再び特
定の例を挙げれば、副ローブが主ローブよりも７デシベ
ル低くなければならないと考えるのが合理的である。
【０００６】通常の平面アレイ設計は、トランスデュー
サが正方形の格子を埋めている長方形のアレイを含む。
もし正方形の各辺の長さがＳならば、そしてアレイがｎ
＝ｍ＊ｍ個のトランスデューサを含むならば、トランス
デューサ間の間隔は、平面内の２つの直交する方向の各
々においてＳ／（ｍ−１）である。（上に定義するアレ
イの直径はそれを取囲む円の直径、すなわち、２の平方
根のＳ倍である。）この種のアレイにおいては、周波数
が十分に高く２分の１波長がトランスデューサの対の間
に入るときにエイリアスが起こる。このアレイが正しく
働くためには、波長は２Ｓ／（ｍ−１）より大きくなけ
ればならず、すなわち、周波数はｃ（ｍ−１）／（２
Ｓ）より低くなければならない。開口寸法Ｄに関して言
えば、正方形のアレイの動作周波数範囲は、５．７２ｃ
／Ｄから０．７０７（ｍ−１）ｃ／Ｄである。１００個
の素子を有する１０×１０のアレイ（ｍ＝１０）におい
ては、周波数の上限の周波数の下限に対する比率は６．
３：５．７２であり、本質的に単一周波数の設計とな
る。正方形のアレイで、（典型的に音響検査で必要とさ
れる）５０：１の周波数範囲をカバーするためには、法
外な数のアレイが必要であろう。
サが正方形の格子を埋めている長方形のアレイを含む。
もし正方形の各辺の長さがＳならば、そしてアレイがｎ
＝ｍ＊ｍ個のトランスデューサを含むならば、トランス
デューサ間の間隔は、平面内の２つの直交する方向の各
々においてＳ／（ｍ−１）である。（上に定義するアレ
イの直径はそれを取囲む円の直径、すなわち、２の平方
根のＳ倍である。）この種のアレイにおいては、周波数
が十分に高く２分の１波長がトランスデューサの対の間
に入るときにエイリアスが起こる。このアレイが正しく
働くためには、波長は２Ｓ／（ｍ−１）より大きくなけ
ればならず、すなわち、周波数はｃ（ｍ−１）／（２
Ｓ）より低くなければならない。開口寸法Ｄに関して言
えば、正方形のアレイの動作周波数範囲は、５．７２ｃ
／Ｄから０．７０７（ｍ−１）ｃ／Ｄである。１００個
の素子を有する１０×１０のアレイ（ｍ＝１０）におい
ては、周波数の上限の周波数の下限に対する比率は６．
３：５．７２であり、本質的に単一周波数の設計とな
る。正方形のアレイで、（典型的に音響検査で必要とさ
れる）５０：１の周波数範囲をカバーするためには、法
外な数のアレイが必要であろう。
【０００７】正方形のフェーズドアレイの周波数範囲を
何が制限しているのかを理解するために、受信モードを
考え、純音平面波信号がアレイに対して垂直に入射する
と仮定する。トランスデューサが同一だと仮定すれば、
すべての素子が同一の位相の同一の信号を受信する。ビ
ーム形成プロセスの基礎をなすフェーズドアレイの動作
は、各トランスデューサからの信号を複素フェーザによ
って乗算し、その結果をコヒーレントに合計することか
らなる。このフェーザは、トランスデューサの信号がス
テアリング方向から入射する平面波に対応するときに、
結果としての和が最大になるように決定される。ビーム
をアレイに垂直な方向に向けるためには、フェーザは単
位元である。実際の信号は垂直に入射するので、正しい
方向に向けられているときには、ビーム形成出力は各個
別のトランスデューサの応答のｎ倍になろう。デシベル
で表わすならば、アレイの利得は２０ｌｏｇ（ｎ）であ
る。もしビームが波の真の入射方向以外の方向に向けら
れているならば、ビーム形成和はランダム位相の和とな
り、ｎの平方根に等しい平均振幅の結果を与えるはずで
ある。デシベルでは、この結果は１０ｌｏｇ（ｎ）であ
る。アレイの純利得は、他の方向と真の入射方向とを比
較すると、２０ｌｏｇ（ｎ）−１０ｌｏｇ（ｎ）＝１０
ｌｏｇ（ｎ）である。さて、素子間の間隔が２分の１波
長より大きいと仮定しよう。特に、間隔が波長を２の平
方根で除したものだと仮定しよう。もしアレイが主平面
の１つの法線から４５°ずれた角度に向けられているの
ならば、ステアリングフェーザは再び単位元となり、ア
レイはこの方向にスプリアスの最大応答を与える。問題
は、アレイの素子間間隔が繰返されていることによっ
て、垂直入射以外のある方向におけるステアリング係数
に対するフェーザ値が繰返されることになるという点で
ある。これらの繰返される値は、ビーム形成において合
計されると、真の入射方向（この場合は垂直）に対応し
ないある方向において予測されるランダム位相和よりも
大きな結果を与える。この問題はすべての真の入射方向
において存在することに留意しなければならない。説明
においては分析を簡潔にするために垂直方向が選択され
ている。
何が制限しているのかを理解するために、受信モードを
考え、純音平面波信号がアレイに対して垂直に入射する
と仮定する。トランスデューサが同一だと仮定すれば、
すべての素子が同一の位相の同一の信号を受信する。ビ
ーム形成プロセスの基礎をなすフェーズドアレイの動作
は、各トランスデューサからの信号を複素フェーザによ
って乗算し、その結果をコヒーレントに合計することか
らなる。このフェーザは、トランスデューサの信号がス
テアリング方向から入射する平面波に対応するときに、
結果としての和が最大になるように決定される。ビーム
をアレイに垂直な方向に向けるためには、フェーザは単
位元である。実際の信号は垂直に入射するので、正しい
方向に向けられているときには、ビーム形成出力は各個
別のトランスデューサの応答のｎ倍になろう。デシベル
で表わすならば、アレイの利得は２０ｌｏｇ（ｎ）であ
る。もしビームが波の真の入射方向以外の方向に向けら
れているならば、ビーム形成和はランダム位相の和とな
り、ｎの平方根に等しい平均振幅の結果を与えるはずで
ある。デシベルでは、この結果は１０ｌｏｇ（ｎ）であ
る。アレイの純利得は、他の方向と真の入射方向とを比
較すると、２０ｌｏｇ（ｎ）−１０ｌｏｇ（ｎ）＝１０
ｌｏｇ（ｎ）である。さて、素子間の間隔が２分の１波
長より大きいと仮定しよう。特に、間隔が波長を２の平
方根で除したものだと仮定しよう。もしアレイが主平面
の１つの法線から４５°ずれた角度に向けられているの
ならば、ステアリングフェーザは再び単位元となり、ア
レイはこの方向にスプリアスの最大応答を与える。問題
は、アレイの素子間間隔が繰返されていることによっ
て、垂直入射以外のある方向におけるステアリング係数
に対するフェーザ値が繰返されることになるという点で
ある。これらの繰返される値は、ビーム形成において合
計されると、真の入射方向（この場合は垂直）に対応し
ないある方向において予測されるランダム位相和よりも
大きな結果を与える。この問題はすべての真の入射方向
において存在することに留意しなければならない。説明
においては分析を簡潔にするために垂直方向が選択され
ている。
【０００８】文献にはアレイの形を変えることによって
平面アレイの周波数範囲を広げようとするさまざまな試
みがある。たとえば、ネストされた三角形のアレイ、な
らびに、水平および垂直方向に対数的間隔の交差パター
ンを持つアレイが提案されてきた。これらにおいては、
繰返される間隔の数が減じられることで副ローブのレベ
ルは減じられている。しかしこれらは依然として規則的
な幾何学的パターンに基礎をおいているために完全に成
功したとは言えず、位相和は依然としてある方向におい
てスプリアスピークを与える。
平面アレイの周波数範囲を広げようとするさまざまな試
みがある。たとえば、ネストされた三角形のアレイ、な
らびに、水平および垂直方向に対数的間隔の交差パター
ンを持つアレイが提案されてきた。これらにおいては、
繰返される間隔の数が減じられることで副ローブのレベ
ルは減じられている。しかしこれらは依然として規則的
な幾何学的パターンに基礎をおいているために完全に成
功したとは言えず、位相和は依然としてある方向におい
てスプリアスピークを与える。
【０００９】先行技術における提案のいくつかはまた、
少なくともいくつかの間隔が常に２分の１波長よりも小
さくなるようにしようとする努力のために、アレイの中
心近くの小領域にあまりにも多くの素子を詰め込んでい
る。この方法は周波数範囲の両端ではうまくいかない。
低周波数では、詰め込まれた素子は互いに波長よりもは
るかに近づいているために、ステアリング方向とともに
変化しないビーム形成和に大きく寄与してしまう。この
効果は、中央ローブを広げ、レイリーリミットに対する
低周波数の分解能を低下させることである。高周波数に
おいては、外側の素子が依然として規則的格子に間隔を
おいて配置されており、副ローブが形成されやすいの
で、ごく部分的にしか副ローブを減じることができな
い。外側の素子は高周波数においては和から除外するこ
ともできるが、これによってアレイの利得も減じられ
る。
少なくともいくつかの間隔が常に２分の１波長よりも小
さくなるようにしようとする努力のために、アレイの中
心近くの小領域にあまりにも多くの素子を詰め込んでい
る。この方法は周波数範囲の両端ではうまくいかない。
低周波数では、詰め込まれた素子は互いに波長よりもは
るかに近づいているために、ステアリング方向とともに
変化しないビーム形成和に大きく寄与してしまう。この
効果は、中央ローブを広げ、レイリーリミットに対する
低周波数の分解能を低下させることである。高周波数に
おいては、外側の素子が依然として規則的格子に間隔を
おいて配置されており、副ローブが形成されやすいの
で、ごく部分的にしか副ローブを減じることができな
い。外側の素子は高周波数においては和から除外するこ
ともできるが、これによってアレイの利得も減じられ
る。
【００１０】ランダムに配置された素子からなるアレイ
が提案されてきた。これらの副ローブ性能は極めて低
い。
が提案されてきた。これらの副ローブ性能は極めて低
い。
【００１１】
【発明の概要】したがって、この発明の主要な目的は平
面フェーズドアレイの帯域幅を広げることにある。
面フェーズドアレイの帯域幅を広げることにある。
【００１２】このおよび他の目的ならびに利点は以下の
詳細な説明、図、および特定の例からより明白に理解さ
れるであろう。これらはこの発明の典型として意図され
るのであって、いかなる意味においてもこの発明を限定
するものではない。
詳細な説明、図、および特定の例からより明白に理解さ
れるであろう。これらはこの発明の典型として意図され
るのであって、いかなる意味においてもこの発明を限定
するものではない。
【００１３】簡潔に述べると、上述の目的は、トランス
デューサを対数うずまき曲線上に配置することによって
達成される。対数うずまき線は固定されたまたは繰返さ
れる間隔を含まない自然な形である。極座標において
は、対数うずまき線はρ＝ρ0ｅｘｐ（φ／ｔａｎ
（γ））で定義される曲線であり、ここでρおよびφは
曲線上の任意の点における半径および極角であり、定数
γは捩じれ角であり、ρ0 はφ＝０に対応する初期半径
である。以下の例においては、トランスデューサは、ρ
＝ρ0 およびφ＝０から始まってうずまき曲線に沿って
弧長内において等しく間隔をおいて位置づけられてい
る。ただし、特別な応用においてはこれ以外の間隔付け
が有利であるかもしれない。うずまき線の形の定義にお
いては固定された距離が存在しないために、トランスデ
ューサの配置は繰返される間隔を体系的に回避するもの
となり、結果的に広い周波数範囲にわたって大きな副ロ
ーブを免れる。
デューサを対数うずまき曲線上に配置することによって
達成される。対数うずまき線は固定されたまたは繰返さ
れる間隔を含まない自然な形である。極座標において
は、対数うずまき線はρ＝ρ0ｅｘｐ（φ／ｔａｎ
（γ））で定義される曲線であり、ここでρおよびφは
曲線上の任意の点における半径および極角であり、定数
γは捩じれ角であり、ρ0 はφ＝０に対応する初期半径
である。以下の例においては、トランスデューサは、ρ
＝ρ0 およびφ＝０から始まってうずまき曲線に沿って
弧長内において等しく間隔をおいて位置づけられてい
る。ただし、特別な応用においてはこれ以外の間隔付け
が有利であるかもしれない。うずまき線の形の定義にお
いては固定された距離が存在しないために、トランスデ
ューサの配置は繰返される間隔を体系的に回避するもの
となり、結果的に広い周波数範囲にわたって大きな副ロ
ーブを免れる。
【００１４】
【詳細な説明】アレイは、フェーズドアレイ装置の鍵と
なる構成要素である。他の要素としては、電源、信号調
整装置、ケーブル、ビーム形成プロセスを実行するコン
ピュータ、表示装置が含まれる。以下に極めて単純な装
置が示される。
なる構成要素である。他の要素としては、電源、信号調
整装置、ケーブル、ビーム形成プロセスを実行するコン
ピュータ、表示装置が含まれる。以下に極めて単純な装
置が示される。
【００１５】図１はフェーズドアレイ装置のブロック図
である。アレイ１は予め定められた空間関係をもって送
信素子および／または検出素子が実装および保持されて
いる剛構造である。図１では平面アレイは端部から見ら
れており、素子は見えない。トランスデューサはケーブ
ル（およびおそらくは他の信号調整装置）によって１列
のＡ／Ｄ変換器２に接続されている。（送信のために
は、これらはＤ／Ａ変換器であろう。）Ａ／Ｄ変換器か
らの信号はコンピュータ３に運ばれ、これはビーム形成
に関連する数学的演算を実行する。その結果（信号源の
位置およびおそらくは他の情報）は表示装置４上に表示
される。
である。アレイ１は予め定められた空間関係をもって送
信素子および／または検出素子が実装および保持されて
いる剛構造である。図１では平面アレイは端部から見ら
れており、素子は見えない。トランスデューサはケーブ
ル（およびおそらくは他の信号調整装置）によって１列
のＡ／Ｄ変換器２に接続されている。（送信のために
は、これらはＤ／Ａ変換器であろう。）Ａ／Ｄ変換器か
らの信号はコンピュータ３に運ばれ、これはビーム形成
に関連する数学的演算を実行する。その結果（信号源の
位置およびおそらくは他の情報）は表示装置４上に表示
される。
【００１６】図２は先行技術による平面アレイ設計の一
例である。これは１００個の素子を持ち、辺Ｓ＝４２．
４インチであり、実効直径（この場合には対角線）Ｄ＝
６０インチである正方形のアレイである。これは音速ｃ
＝１３，０００インチ／秒である空中での音響ビーム形
成のために意図されている。上述の分析によれば、その
周波数の下限は（１０°またはそれ以上の分解能におい
て）１２３９ヘルツであろう。これは、１３７９ヘルツ
およびそれ以上の周波数においてはエイリアスを示すで
あろう。
例である。これは１００個の素子を持ち、辺Ｓ＝４２．
４インチであり、実効直径（この場合には対角線）Ｄ＝
６０インチである正方形のアレイである。これは音速ｃ
＝１３，０００インチ／秒である空中での音響ビーム形
成のために意図されている。上述の分析によれば、その
周波数の下限は（１０°またはそれ以上の分解能におい
て）１２３９ヘルツであろう。これは、１３７９ヘルツ
およびそれ以上の周波数においてはエイリアスを示すで
あろう。
【００１７】図３はこの発明の一例である。これは１０
０個の素子を有し、内径がρ0 ＝４インチ、外径が３０
インチ（そして直径が６０インチ）、捩じれ角γ＝８７
°である対数うずまき線である。また、その周波数の下
限は１２３９ヘルツであろうが、エイリアスは全く示さ
ず、正方形のアレイの１３７９ヘルツという限界よりも
はるかに高い周波数に至るまで許容可能な低い副ローブ
を有するはずである。
０個の素子を有し、内径がρ0 ＝４インチ、外径が３０
インチ（そして直径が６０インチ）、捩じれ角γ＝８７
°である対数うずまき線である。また、その周波数の下
限は１２３９ヘルツであろうが、エイリアスは全く示さ
ず、正方形のアレイの１３７９ヘルツという限界よりも
はるかに高い周波数に至るまで許容可能な低い副ローブ
を有するはずである。
【００１８】残りの図（図４から図１７）はさまざまな
周波数における２つのアレイの性能を示す。各図は、特
定のアレイがθ＝０°の垂直に入射する平面波にどのよ
うに応答するかを示している。ビーム形成の振幅の応答
がプロットされている。理論上は、この応答はθ＝０°
のときに鋭いピークとなり、他の方向には有意の振幅を
有さないはずである。
周波数における２つのアレイの性能を示す。各図は、特
定のアレイがθ＝０°の垂直に入射する平面波にどのよ
うに応答するかを示している。ビーム形成の振幅の応答
がプロットされている。理論上は、この応答はθ＝０°
のときに鋭いピークとなり、他の方向には有意の振幅を
有さないはずである。
【００１９】広い範囲の方向に対しての実際の応答を要
約すれば、各プロットは２つの曲線を示す。照準からの
ずれの角度θに対して、アジマス角φの３６０°範囲に
わたる最大および最小のビーム形成の振幅がプロットさ
れている。ビーム形成は常に、入射平面波の振幅を正確
に決定するので、各曲線はθ＝０において１に近づいて
いる。（ピークは高周波数においてはあまりにも鋭くな
っており、曲線は鉛直軸と見分けが付かない。）中央ピ
ーク近くでθが小さい値を取るときには、最大および最
小の曲線が互いに一致することが望ましい。この状況は
平面波方向に対応する円形ピークを示すであろう。中央
ピーク内での最小および最大の曲線の間の差はアレイの
出力がアジマス角と均一ではないことを示す。円形であ
るはずのピークは楕円形で現れるであろう。このことは
図示されているアレイのいずれにおいても重要な問題で
はない。
約すれば、各プロットは２つの曲線を示す。照準からの
ずれの角度θに対して、アジマス角φの３６０°範囲に
わたる最大および最小のビーム形成の振幅がプロットさ
れている。ビーム形成は常に、入射平面波の振幅を正確
に決定するので、各曲線はθ＝０において１に近づいて
いる。（ピークは高周波数においてはあまりにも鋭くな
っており、曲線は鉛直軸と見分けが付かない。）中央ピ
ーク近くでθが小さい値を取るときには、最大および最
小の曲線が互いに一致することが望ましい。この状況は
平面波方向に対応する円形ピークを示すであろう。中央
ピーク内での最小および最大の曲線の間の差はアレイの
出力がアジマス角と均一ではないことを示す。円形であ
るはずのピークは楕円形で現れるであろう。このことは
図示されているアレイのいずれにおいても重要な問題で
はない。
【００２０】アレイの分解能は、３デシベル降下（３ｄ
Ｂ−ｄｏｗｎ）（半パワー）点での中央ピークの全幅と
して定義される。３デシベル降下点はａｌｏｇ（−３／
２０）＝０．７のビーム形成の振幅に対応する。たとえ
ば、図４は正方形のアレイの５００ヘルツでの分解能は
約２×１７＝３４°であることを示している。５００ヘ
ルツはレイリーの公式で予測される１２３９ヘルツの限
界よりも低いので、これは１０°よりも大きいものと予
測された。
Ｂ−ｄｏｗｎ）（半パワー）点での中央ピークの全幅と
して定義される。３デシベル降下点はａｌｏｇ（−３／
２０）＝０．７のビーム形成の振幅に対応する。たとえ
ば、図４は正方形のアレイの５００ヘルツでの分解能は
約２×１７＝３４°であることを示している。５００ヘ
ルツはレイリーの公式で予測される１２３９ヘルツの限
界よりも低いので、これは１０°よりも大きいものと予
測された。
【００２１】例として、最大の許容可能な副ローブレベ
ルがピークから１０デシベル下と仮定してみよう。これ
は０．３１６のビーム形成の振幅に対応する。図は、最
大曲線が中央ピークの外側で０．３１６を超えると副ロ
ーブの問題を示す。（これらの図は副ローブについての
可能な限り最も厳密なテストを示しているのではない。
それには入射および観測の方向をともに半球全体にわた
って変化させる必要があろう。しかしながら、これらの
図からアレイの副ローブ特性について大まかに知ること
ができる。） 図４および図５は正方形およびうずまき線形のアレイの
５００ヘルツでの性能をまとめている。いずれのアレイ
も約３４°の分解能を有し、この周波数においては許容
可能な副ローブを有する。
ルがピークから１０デシベル下と仮定してみよう。これ
は０．３１６のビーム形成の振幅に対応する。図は、最
大曲線が中央ピークの外側で０．３１６を超えると副ロ
ーブの問題を示す。（これらの図は副ローブについての
可能な限り最も厳密なテストを示しているのではない。
それには入射および観測の方向をともに半球全体にわた
って変化させる必要があろう。しかしながら、これらの
図からアレイの副ローブ特性について大まかに知ること
ができる。） 図４および図５は正方形およびうずまき線形のアレイの
５００ヘルツでの性能をまとめている。いずれのアレイ
も約３４°の分解能を有し、この周波数においては許容
可能な副ローブを有する。
【００２２】図６および図７は１０００ヘルツでのアレ
イの性能を示す。いずれのアレイも２０°の分解能を有
し、許容可能な副ローブを有する。
イの性能を示す。いずれのアレイも２０°の分解能を有
し、許容可能な副ローブを有する。
【００２３】図８および図９は２つのアレイの５０００
ヘルツでの性能を示す。いずれのアレイの分解能も約５
°であることがわかる。この周波数では予測されるよう
に正方形のアレイはエイリアスを有する。うずまき線形
のアレイは許容可能な副ローブレベルを有する。
ヘルツでの性能を示す。いずれのアレイの分解能も約５
°であることがわかる。この周波数では予測されるよう
に正方形のアレイはエイリアスを有する。うずまき線形
のアレイは許容可能な副ローブレベルを有する。
【００２４】図１０および図１１は１００００ヘルツで
のアレイを示す。中央ローブは極めて細い。正方形のア
レイはあまりにも多くのエイリアスを有しており、おそ
らくほとんどいかなる応用においても役にたたないであ
ろう。うずまき線形のアレイは許容可能な副ローブを有
する。
のアレイを示す。中央ローブは極めて細い。正方形のア
レイはあまりにも多くのエイリアスを有しており、おそ
らくほとんどいかなる応用においても役にたたないであ
ろう。うずまき線形のアレイは許容可能な副ローブを有
する。
【００２５】図１２および図１３は２００００ヘルツで
のパターンを示す。正方形のアレイはさらに多くの副ロ
ーブを有する。うずまき線形のアレイは許容可能な副ロ
ーブを有する。中央ピークはほとんど識別できなくなっ
ている。実用においては人工的にピークを広げる何らか
の手法が必要となるかもしれない。
のパターンを示す。正方形のアレイはさらに多くの副ロ
ーブを有する。うずまき線形のアレイは許容可能な副ロ
ーブを有する。中央ピークはほとんど識別できなくなっ
ている。実用においては人工的にピークを広げる何らか
の手法が必要となるかもしれない。
【００２６】図１４および図１５は正方形のアレイのエ
イリアスが４００００ヘルツにおいては半球をほとんど
覆ってしまっていることを示している。うずまき線形の
アレイの副ローブは許容可能である。
イリアスが４００００ヘルツにおいては半球をほとんど
覆ってしまっていることを示している。うずまき線形の
アレイの副ローブは許容可能である。
【００２７】図１６および図１７は８００００ヘルツで
のアレイのパターンを示している。正方形のアレイのパ
ターンは４００００ヘルツでのそのパターンと質的に同
じと見える。うずまき線形のアレイは依然として許容可
能な副ローブを有する。
のアレイのパターンを示している。正方形のアレイのパ
ターンは４００００ヘルツでのそのパターンと質的に同
じと見える。うずまき線形のアレイは依然として許容可
能な副ローブを有する。
【図１】フェーズドアレイ装置のブロック図である。
【図２】先行技術の平面アレイ設計の一例の図である。
【図３】この発明の典型の図である。
【図４】５００ヘルツでの正方形のアレイの性能をまと
めた図である。
めた図である。
【図５】５００ヘルツでのうずまき線形のアレイの性能
をまとめた図である。
をまとめた図である。
【図６】１０００ヘルツでの正方形のアレイの性能をま
とめた図である。
とめた図である。
【図７】１０００ヘルツでのうずまき線形のアレイの性
能をまとめた図である。
能をまとめた図である。
【図８】５０００ヘルツでの正方形のアレイの性能をま
とめた図である。
とめた図である。
【図９】５０００ヘルツでのうずまき線形のアレイの性
能をまとめた図である。
能をまとめた図である。
【図１０】１００００ヘルツでの正方形のアレイの性能
をまとめた図である。
をまとめた図である。
【図１１】１００００ヘルツでのうずまき線形のアレイ
の性能をまとめた図である。
の性能をまとめた図である。
【図１２】２００００ヘルツでの正方形のアレイの性能
をまとめた図である。
をまとめた図である。
【図１３】２００００ヘルツでのうずまき線形のアレイ
の性能をまとめた図である。
の性能をまとめた図である。
【図１４】４００００ヘルツでの正方形のアレイの性能
をまとめた図である。
をまとめた図である。
【図１５】４００００ヘルツでのうずまき線形のアレイ
の性能をまとめた図である。
の性能をまとめた図である。
【図１６】８００００ヘルツでの正方形のアレイの性能
をまとめた図である。
をまとめた図である。
【図１７】８００００ヘルツでのうずまき線形のアレイ
の性能をまとめた図である。
の性能をまとめた図である。
１ アレイ ２ Ａ／Ｄ変換器 ３ コンピュータ ４ 表示装置
Claims (2)
- 【請求項１】 対数うずまき曲線の形を有するフェーズ
ドアレイ。 - 【請求項２】 対数うずまき曲線に沿って位置付けら
れ、複数の変換器に結合された複数のトランスデューサ
を含むフェーズドアレイであって、前記複数の変換器
は、ビーム形成に関連する数学的演算を実行するコンピ
ュータに結合されている、フェーズドアレイ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US64939896A | 1996-05-17 | 1996-05-17 | |
| US08/649398 | 1996-05-17 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1070412A true JPH1070412A (ja) | 1998-03-10 |
| JPH1070412A5 JPH1070412A5 (ja) | 2005-03-10 |
| JP3866829B2 JP3866829B2 (ja) | 2007-01-10 |
Family
ID=24604609
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12552997A Expired - Lifetime JP3866829B2 (ja) | 1996-05-17 | 1997-05-15 | 対数うずまき曲線の形を有するフェーズドアレイ |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5838284A (ja) |
| EP (1) | EP0807992B1 (ja) |
| JP (1) | JP3866829B2 (ja) |
| KR (1) | KR100674541B1 (ja) |
| CN (1) | CN1170972A (ja) |
| CA (1) | CA2204444C (ja) |
| DE (1) | DE69715297T2 (ja) |
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