JPS6172404A - マイクロストリツプアンテナ - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、マイクロストリップアンテナに関する。

〔従来の技術〕

最も関連する先行技術は、本出願人に譲渡された１９８
２年５月１７日付の米国特許出願第３７８、．５７５号
に開示されている。この先行技術のアンテナは、アレイ
の両端に給電される単一開口面マイクロストリップアン
テナである。そのアンテナはある環境の下では全体とし
て満足に動作するが、温度に対し゛Ｃ非常に敏感で、水
面上の補償は湯１足できる程度には達していない。それ
らの欠点は部分的には、ドツプラーレーダを動作させる
ために４本のビームを発生させるために単一開口面アン
テナを使用する必要があることに原因を求めることがで
きる。

〔発明の概要〕

上記の先行技術と比較して本発明によるマイクロストリ
ップアンテナの特徴は、単一のアンテナとしてほぼ同じ
空間を占めるように互い違いに並べられる２つの独立し
たマイクロストリップアンテナを利用することを基にし
ている。この構造においては、各アンテナ開口面は、単
一開口面から４本のビームを発生する上記の先行技術に
対してただ２本のビームを各開口面が発生する。したが
って、各アンテナの構造は、先行技術におけるアレイの
各端部に給電するのとは異なり、平らな各アレイに単一
の給電を行なうような構造である。

第１の重要な利点は、各平面アレイが寮なる放射器間隔
の放射アレイを有することができるという事実のために
トラックに沿って温度？Ｉｌｉ償を行なえることである
。一方のアンテナのために前方励振アレイを用い、他方
のアンテナのために後方励振アレイを用いると、互い違
いに配置されている各アンテナに対して放射器間隔を選
択でき、その結果としてトラックに沿う方向に温度補償
を行なうことができる。本発明の第２の利点は、この構
造を用いると水面上バイアス誤差が大幅に小さくなるこ
とである。この利点は、このアンテナはただ１つの端部
から給電されるから、小さい水面上バイアス誤差を達成
するために必要な振幅関数を、給゛市アレイのいずれか
の端部から給電するために１回変更する必要があるとい
う事実から生ずるのである。上記の先行技術の場合には
、放射アレイに両端から給電せねばならないから、振幅
関数を２回変更づ゛る必要があった。

本発明の更に別の利点は、アンテナの１つの点から給電
するために振幅関数を最適にできるためにガンマビーム
幅が狭いことである。

〔発明の実施例〕

″　　　　以下、図面を参照して本発明の詳細な説明す
る。

ドツプラーエコーを追跡するために使用される技術とは
無関係に、陸上−水面上推移を無くすための設計に特別
の努力を払わなければ、全てのドツプラーレーダは陸上
−水面上推移を経験することになる。この陸上−水面上
推移の機構について論するために、第１ａ図に示すよう
な、γ０　（速度ベクトルと放射されたビームの中心の
間の角度）とφ。（散乱面へのビームの大剣角度）は同
じ平面内にあり、かつ互いに補角の関係にある簡単な単
一ビーム系について考えることにする。アンテナのビー
ム幅はΔγとして示されている。陸上においては一様な
後方散乱（第１ｂ図）のために、中心がγ。の関数で、
幅がΔγの関数であるスペクトラムが得られる（第１Ｃ
図）。水面上においては、後方散乱は一様ではなくて、
大きなφ角度（小さいγ角度）は低い散乱係数を有する
。より小さいγ角度はドツプラースペクトラムのより高
い周波数に伴って生ずるものであるから、高い周波数は
低い周波数よりも減衰させられるために、そのピークは
低い周波数の方へ推移させられる。

陸上−水面上推移はアンテナのパラメータに応じて全体
として１〜３％である。

三次元の状況は一層複雑である。航空機が第２図のＸ軸
に沿って飛行していると仮定する。、Ｙ＠は水平で、Ｘ
軸に直角であり、Ｚ軸は垂直である。

長方形アレイがそれらの軸に対しである角度を成す４本
のビームを発生する。それらのビームのうらの任意の１
つのビーム（たとえばビーム２）の軸線がＸ軸に対して
角度γ。を成し、Ｙ軸に対してσ　を成し、Ｚ軸に対し
て角度φ。を成す。第３ａ図に示す従来の長方形アンテ
ナは振幅関数Ａを有する。この振幅関数はＸ＠上および
Ｙ軸上の２つの独立関数の積と考えることができる。す
なわち、 Ａ　（Ｘ、Ｖ）　−ｆ　（ｘ）・ｇ（ｙ）したがって、
従来の長方形アンテナに苅り−るアンテナパターンはγ
とσに「分離できる」ということができる。水面上の散
乱係数（は角度に応じて変化するから、γとσの代りに
ｒとφに分ローできるアンテナパターンを右することが
望ましい。この種のアンテナパターンは陸上−水面上推
移を大幅に無くす。

第３ｂ図はφとγに分離できるアンテナパターンを得る
ための傾射軸座標系を示すものである。

Ｙ′軸はＸ−Ｙ平面へのビーム軸の投影である。

Ｙ′軸はＹ軸に対して角度Ｋを成す。

第３Ｃ図は傾射角度かに一４５度である傾射開口面アン
テナを示す。このアンテナの振幅関数はＸ軸とＹ′軸に
お【）る２つの独立関数の積である。

Ａ（ｘ、ｙ）＝ｆ’　　（ｘ）・ｇ’　　（ｙ）傾射聞
口面アンテナのアンテナパターンはγとξに関して分離
できる。ここにξはＹ′軸とビーム軸の間の角度である
。ビームの中心近くでｔよ、アンテナパターンはγおよ
びφに関しても良好な近似Ｃ分離でき、したがって陸上
−水面上推移に大ぎく依存する。しかし、第３Ｃ図は傾
射開口面アンテナが長方形状にマウン１−された領域の
大部分をほとんど使用しないまま放置することを示す。

したがって、傾射聞′口面アンテナの利１７は、長方形
領域全体が放射素子を含んでいる場合の利１ｑよりも低
い。更に、傾射アンテナアレイにＪ−５ける放射アレイ
が短いために各アレイにおける放射素子の数が制限され
るが、そのために許容できないほど低い挿入損失を生ず
ることがある。

しかし、第４図に示すように、ｖＡ射開開口面生ずるこ
と、ぞれの頭部を切ること、および希望の分離性を維持
する長方形開口面を得ることが可能である。更に、ある
程瓜の過補償が達成されるにうに傾射角度を変えること
が可能である。それらは本発明の基本的な設計上のｇ１
６すべき事項である。

前記米国特許出願に記載され、第５図に示されている種
類の典型的なマイクロストリップアンテナにおいては、
単一の給電手段１が複数の放射パッチアレイ２にとりつ
りられる。それらのパッチは半波共振器であって、前記
米国特許出願に記載されているように、パッチ縁部から
電力を放射する。ビーム幅を制御するためにビームの形
と、サイドローブのレベルと、各パッチにより放射され
″　　　８□カ（７）　Ｌ／　／’Ｃ／ｌｚ　、！：　
ｅ　ｔ’ヮ、わ。、ヶい。えおされる電力はパッチの導
電度に比例し、その導電度は波Ｑ１線のインピーダンス
およびパッチの幅に関連する。それらのパッチは位相リ
ンク３により接続される。位相リンクはアレイの軸線に
対するビームの角度を決定する。

パッチと位置リンクにより構成されたアレイは、給電手
段１からとり出された電力の量を調整する２段トランス
４を介して給電線に接続される。給電手段は一連の等し
い長さの位相リンク５により構成される。その位相リン
ク５はアレイに垂直な平面内のビーム角度を制御する。

給電手段は進行波構造でもある。与えられた任意の点で
利用できる電力は全入力電力から、先行する全てのアレ
イからとり出された電力を差し引いたものに等しい。

それらの構造は伝送媒体および放射器の帯域幅によって
のみ制限される広帯域幅構造である。この場合には、パ
ッチ放射器の高いＱが帯域幅を動作周波数の数％まで制
限する。

本発明は概念的には、第５図に関連して説明したような
種類の２つの独立したアンテナとして動作する。しかし
、同じ平面内で重畳された開口面を形成するように互い
違いに２つのアンテナを配置１°ることにＪ：り本発明
のアンテナ構造は実現される。このように構成すること
によりアンテナに必要なスペースを最小にできる。それ
ら２つの開口面がそれぞれ第６ａ図、第６ｂ図に線図的
に簡単に描かれている。たとえば、開口面Ａは、１つの
後方励振給電手段１０に接続されている２４個の前方励
振アレイで構成される。第６ｂ図に示す開口面Ｂは１つ
の後方励振給電手段１８で同様に構成される。しかし、
開口面Ｂには、開口面への前方励振アレイの代りに後方
励振アレイが設けられる。前方／１１！方励１ｆｉ　（
ｌ、ｉ進体に入る進行波が前方／後方の方向にビームを
発生する。第６図には４本のビームと、それらに関連す
る給電点が示されている。互い追いに組合わされている
アンテナ構造体が駆動されると、秤々の給電点が逐次駆
動される。

互い違いに配置された本発明のアンテナ構造の部分図が
第７図に示されている。放射素子が大きいリンクにより
相互に結合されているアレイが開口面△に対応する。そ
れらのアレイ番よ偶数番号をつけられているアレイとし
ての位置を占めていることがわかるであろう。これとは
逆に、小さいリンクにより相互に結合されている放射素
子は開口面Ｂに対応し、それらのアレイは奇数位置を占
めことがわかる。したがって、開口面Ａと８のアレイは
互い違いに規則的に交番して配置される。それら２つの
独立した開口面を良く分離するためには、隣接するアレ
イの間隔をできるだけ広くすることが望ましい。しかし
、そうするとパッチ幅が制限されて、ビーム整形の制御
が困難になる。したがって、ガンマ映像、ナイドローブ
おにσ水面上誤差に対して満足できる性能を発揮させる
ためには、選択きれるパッチ幅の値を妥協Ｖねばならな
い。

次に第９Ａ図、第９Ｂ図を参照する。参照番号６は本発
明の互い近いに配置されたアンテナをエツチングするた
めの印刷回路パターンを全体的に示す。第７図を参照し
て説明したように、開口面ＡとＢの互い違いに配置され
たアレイは共平面関係で存在する。給電線１０が開口面
へにス・１応づ°る偶数番号の位置に位置させられてい
る各アレイに接続される。したがって、たとえば、結合
点８が給ｔ■線１０と、２段トランス１９．１９ａを介
する第２の示されているアレイとの間に存在する。

給電点２８は第６ａ図を参照して先に説明したように第
１のビームに対応し、給電点２９は第６ａ図の第２のビ
ームに対応する。最も右側のアレイは第６ａ図に示す開
口面Ａにも対応し、このアレイは結合点９において給電
ｌ！１０に接続されていることがわかる。給電線１０の
右端部の給電点２９は、第６ａ図に関連して説明した第
２のビームに対する給電点に対応する。

開口面Ａを妨げることなしに開口面８の互い違いに配置
されているアレイをアクセスするためには、開口面Ｂの
ための給電手段を開口面Ａのアレイから絶縁され、かつ
隔てられた関係で装着するイ　　　必要がある。これを
行なうために、第９Ａ図に示すようにエツチングされた
導体の態様でフィードスルー印刷回路ストリップ７が開
発されている。

本発明の好適な実施例においては、主アンテナ桐造体の
エツチングされた導電部分９ａと、フィードスルースト
リップ７のエツチングされた３ｇ電部分が１つの基体上
に形成されて、適切に分離される。互い違いに配置され
ているアンテナ６の上にフィードスルーストリップ７を
絶縁して位置させることにより、電力を給電線１８を通
って、互い違いに配置されている個々の後方励振アレイ
へ送ることができる。すなわち、たとえば、第６ｂ図の
４番目の給電点に対応する給電点２４を駆動することに
より、結合点２７において２段トランス３８．４０を介
して電力がとり出されて、フィードスルーパッド３６に
終端する相互に接続されている導電部分４１へ送られる
。互い違いに配置されているアンテナ６の給電端の上に
適切に配置されているフィードスルーストリップ７によ
り、フィードスルーパッド３・６が第１の後方励振アレ
イのフィードスルーパッド３４に位置合わせして位置さ
せられ、それにより給電点２４とアレイの間の接続を完
了する。パッド３６と３４の間のこのフィードスルー接
続が第９Ａ、９８図の間のｔｉｌｌＪ線で示されている
。同様にして、第６ｂ図に示されている第３のビームの
給電点に対応する給電点３０が、最も右側に示されてい
る後方励振アレイへ、とり出し点３２から相互に接続さ
れている導電部分３１と２段トランス４２．４４を介し
て電力を与える。パッド２０と２１の間のフィードスル
ー接続が破線で示されている。

第１３図はフィードスルー構造の詳細図である。

−例として、第９ａ図の最も右側の後方励振アレイのフ
ィードスルーが示されている。互い違いに配置されてい
るアレイ６の平面は上方に向いているものとして示され
、導電性フィードスルーストリップ７が下を向いている
ものとして示されている。アレイ６とフィードスルース
トリップ７のそれぞれのフィードスルーパッド２１．２
０は間隔をおいて整列させられる。アンテナとフィード
スルーストリップのそれぞれの基体「１」と基体「２」
のそれぞれに穴４６．４８が設けられる。

アンチノーとフィードル−ストリップにそれぞれとりつ
けられているアルミニウム製の基体「１」。

「２」を貫通する大きな穴２３が設けられる。フィード
スルーは２つの］エツチングされたフィードスルーパッ
ド２０．２１の間のはんだづけピン５０により完成され
る。

周波数と温度に対する理論について考える。ドツプラー
レーダ装置は正確な速度情報を与えるものとすると、そ
れのアンテナにより発生されるビームはできるだけ安定
に保たなければならない。

周波数および温度の関数としてのビーム角度ドリフトの
ためにかなりの速度誤差が発生さぜられるから、発生さ
れた４本のビームの間の相対的な距離が保たれるように
ビーム角度ドリフトを最小にしなければならない。これ
を行なうために本発明のアンテナはいくつかの技術を用
いる。そ札らの技術には交互に配置された前方励振アレ
イと後方励振アレイを用いること、各開口面に対して異
なる素子間隔を選択することが含まれる。ビーム角ＣＯ
５Ｂヰ□ ここで、θは給電線とアレイの軸線とのなす角度であり
、 Ｓはアレイとアレイの間隔づなわちパッチとパッチの間
隔であり、 ｇは位相リンク長であり、 ξは誘電率ひあり、 λ０は自由空間波長である。

上の式の偏微分は次の通りである。

２ｓｉｎθ （Ｓ）ｓｉｎθ ここに、にξは誘電率の温度係数、 ４Ｓは基体の膨張率、 Δ ｆは周波ｖｌ（Ｉｌｚ）、 θはラジアンで表わされた角度である。

それらの漏微分の値は素子の間隔を変えることにより調
整できる。他の全てのパラメータは装置または物質を拘
束する。

ビーム対を補償する１つの方法は平均ビームの振れ対温
度および周波数を最小にすることである。

後方励振ビームと前方励振ビームが第８図に示すように
同じ速度で動くものとすると、θＢＦが増大し、θｆＦ
７Ｊ１減少するが、それらの値の余弦の平均はほぼ一定
に保たれる。

本発明のアンテノにおいては、開口面Ａの前方励振アレ
イと開口面Ｂの後方励振アレイにより、トラックに沿う
ガンマビーム対が交互に発生される。後方励振間隔と前
方励振間隔を実験的に調整することにより１周波数と温
度補償の間の妥協が達成される。

以上説明した構成によりアンテナの横方向軸に関してビ
ームが対称的に最少駆動くことになるとともに、トラッ
ク交差速度誤差が最小となり、しかも横方向軸を中心と
するビームの対称性が保たれる。あるいは、一方の給電
線、たとえば給電線１０、が前方励振型で、他方の給電
線、たとえば給電線１８、が後方型であるように給電線
１０と１８を配買できる。このように構成することによ
り一方の横方向ビーム対が能力の横方向ビーム対とは逆
の向きに動くことになり、かつ交差トラック速度誤差が
生ずることになる。この交着トラック速度誤差は温度お
よび周波数によって大きく変化づ”ることはない。

長方形アンテナの各集子により放射される電力は、通常
は、第１０図に示ずように直交軸に沿う振幅関数の積に
より決定される。それらの直交関数は、Ｘ軸とＹＩＩＩ
ｊｌからビームまで測定されるガンマ角度およびシグマ
角度に分離できるビームを発生ずる。ガンマ−ｐＳｉの
分離能力は、第１１図に示すようにＸ′軸とＹ′軸の上
に落ちる関数により発生された振幅分イ［にＪ−って近
似できる。この開口面は第２象限内のみに水面上誤差を
補償されたど一ムを発生する。

本発明のアンテナの開口面ＡとＢによるように、このア
ンテナににす２本のビームを発生Ｉ！ｂはイｒらないと
すると、振幅分布をＹ＠を中心として回転させて、第１
２図に示すように第１象限と第２象限内に補償されたビ
ームを発生できる。開口面の第２の半分上の傾斜の変化
のために起るビームの形の歪みによって、水面上誤差の
補償にある程度損失が生ずる。しかし、開口面の入力側
半分からほとんど放射するようにアンテナを構成するこ
とによりその歪みは最少にされる。

シグマ給電が採用され、かつ各開口面は２本のビームを
発生するだけで良いのであるから、本発明による水面上
誤差補償は大幅に高められる。

独立開口面の他の利点は、ある用途において見られるピ
ッチ角バイアスを補償できることである。

ある種の機体ではアンテナをＸ軸に対して一定の角度で
とりつける必要がある（第２図）。その場合には、前方
ビームをアンテナの法線へ向９てピッチざＵねばならな
ず、後方ビームをアンテナの法線からピッチさせて、装
着ピッチを補ｒＲｔ！ねばならない。単一放射開口面を
有するアンテナは、ビームを独立して動かすことができ
ないから、ピッチの補償はできない。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は典型的なアンテナ放射パターンを示す図、第
１ｂ図は典型的後方散乱関数を示すグラフ、第１Ｃ図は
陸上−水面上推移の効果を示すグラフ、第２図は典型的
な後方散乱関数を示す図、第３ａ図は従来の長方形アン
テナのための座標系を示１図、第３ｂ図は傾斜軸座標系
を示す図、第３Ｃ図は傾斜角が４５度である傾斜開口面
アンテナの領域を示すグラフ、第４図は頭部をＶＪ断さ
れた傾斜開口面を示す図、第５図は従来のアンテナを示
す図、第６ａ図は本発明の互い違いに配置されたアンテ
ナの第１の開口面を示で図、第６ｂ図は本発明の互い違
いに配置されたアンテナ構造体の第２の開口面を示す図
、第７図は本発明のアンテナの一部を示す一部、第８図
はビーム対補償の幾何学的関係を示す図、第９Ａ図は本
発明のＵい違いに配置されたアンテナの全放射面を示す
図、第″　　　　９Ｂ図は本発明の「フィードスルー」
接続部を示す図、第１０図は長方形開口面上に投影され
た直交蛋幅関数を示すグラフ、第１１図は長方形開口面
上に投影されたよじられた振幅１’３Ｉ！数を示すグラ
フ、第１２図は２ご一ム聞ロ面のための傾斜振幅分布を
示ず図、第１３図は本発明に用いられるフィードスルー
接続の詳細を示す図である。 １．２４，２９．３８．４０，４２．４４・・・給電点
、２・・・アレイ、３．５・・・位相リンク、４゜１９
．１９ａ・・・トランス、６・・・互い違いに配置され
たアンデノ“、７・・・フィードスルー印刷回路ストリ
ップ、１０．１８・・・給電線、２０．２１，３４゜３
６・・・フィードスルーパッド、Ａ、Ｂ・・・開口面。 出願人代理人　　猪　　股　　　　清 ７、、ｆ７１ｓ°Ｐ−Ｏ ＦＩＧ、　Ｉｂ ＩＧＩｃ ＦＩＧ、３ｂ ＦＩＧ　３ｃ Ｆｌに、４ ｔηソ馳ン！１ｒ、４噴ｔ４開口面 Ｆ／Ｇ、５ ＦＩＧ　６ａ　　　　　　　　　　Ｆｌに　６ｂＦＩＧ
、　７ ＦＩＧθ 茗　　　　　　　　　　塁 Ｃ５ロ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、隔てられた共平面関係で配置され、第１のアンテナ
   開口面に対応する複数の前方励振アレイと、 これら前方励振アレイの間に挟まれた関係で共平面内に
   位置させられ、第２のアンテナ開口面に対応する複数の
   後方励振アレイと、 前記前方励振アレイの第１の端部に接続され、前記前方
   励振アレイに電力を供給する第１の給電手段と、 前記前方励振アレイに対して接触しない関係で配置され
   、前記後方励振アレイの第１の端部に接続され、前記後
   方励振アレイに電力を供給する第２の給電手段とを備え
   、 それにより各開口面が２本の放射ビームを発生し、水面
   上バイアス誤差が小さく、ガンマビーム幅が狭い特性を
   示すことを特徴とするマイクロストリップアンテナ。 ２、特許請求の範囲第１項記載のマイクロストリップア
   ンテナにおいて、前記前方励振アレイおよび前記後方励
   振アレイはそれぞれ複数の結合された放射素子を備え、
   前記前方励振アレイの放射素子の間の間隔は前記後方励
   振アレイの放射素子の間隔に対して可変であって、それ
   によりトラックに沿う方向における温度補償を行なえる
   ようにしたことを特徴とするマイクロストリップアンテ
   ナ。 ３、特許請求の範囲第１項記載のマイクロストリップア
   ンテナにおいて、前記第１の給電手段は、前記前方励振
   アレイに対して共平面に横切る関係で位置させられるま
   っすぐな印刷回路給電線と、前記前方励振アレイのそれ
   ぞれを前記給電線に相互に接続する手段とを備えたこと
   を特徴とするマイクロストリップアンテナ。 ４、特許請求の範囲第１項記載のマイクロストリップア
   ンテナにおいて、前記第２の給電手段は、前記後方励振
   アレイに対して共平面に横切る関係で位置させられるま
   っすぐな印刷回路給電線と、前記後方励振アレイのそれ
   ぞれを前記給電線に相互に接続する手段とを備えたこと
   を特徴とするマイクロストリップアンテナ。 ５、特許請求の範囲第１項記載のマイクロストリップア
   ンテナにおいて、前記２本の給電線は前方励振セットお
   よび後方励振セットを有していることを特徴とするマイ
   クロストリップアンテナ。 ６、特許請求の範囲第１項記載のマイクロストリップア
   ンテナにおいて、対応する各アンテナ開口面は、異なる
   値のビーム角度およびガンマを有し、それによりピッチ
   補償を行なえるようにしたことを特徴とするマイクロス
   トリップアンテナ。 ７、特許請求の範囲第１項記載のマイクロストリップア
   ンテナにおいて、対応する各アンテナ開口面は、異なる
   値のビーム角度およびガンマを有し、それによりＸ軸に
   対するピッチ補償を行なえるようにすることを特徴とす
   るマイクロストリップアンテナ。 ８、特許請求の範囲第３項記載のマイクロストリップア
   ンテナにおいて、前記第２の給電手段は、前記後方励振
   アレイに対して上方に隔てられて横切る関係で位置させ
   られるまっすぐな印刷回路給電線と、前記後方励振アレ
   イのそれぞれを前記第２の給電線に相互に接続するフィ
   ードスルー手段とを備えることを特徴とするマイクロス
   トリップアンテナ。 ９、隔てられた共平面関係で配置され、第１のアンテナ
   開口面に対応する複数の平行な前方励振アレイと、 これら前方励振アレイの間に挟まれた関係で共平面内に
   位置させられ、第２のアンテナ開口面に対応する複数の
   平行な後方励振アレイと、 前記前方励振アレイに対して共平面を横切る関係で位置
   させられ、前記前方励振アレイに接続される印刷回路給
   電線と、 エッチングされた第２の給電ラインを有し、前記後方励
   振アレイに対して上方に隔てられて横切る関係で位置さ
   せられ、前記前方励振アレイから絶縁された分離印刷回
   路部分と、 前記後方励振アレイのそれぞれを第２の給電線に相互に
   接続するフィードスルーとを備え、印刷回路として構成
   されたことを特徴とするマイクロストリップアンテナ。