JP2776918B2 - 電子走査アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電子走査アンテナに係る。

電気通信技術科学集報の「宇宙空間電気通信」と題す
る報告の特に第１巻92頁〜94頁及び259頁〜261頁（1982
年マッソン）には、出力分配器及び移相器を介して同一
送信器から同時に供給される数基のアンテナを集合する
技術が説明されており、この集合系の放射特性は各アン
テナのダイアグラム、及び振幅並びに位相状態の出力分
布に同時に左右される。この特性は単一放射源放射では
得られないダイアグラムを得るために有利である。さら
に出力分配器及び移相器の特性を電子的手段によって修
正するならば、ダイアグラムの準瞬間的修正を得ること
ができる。放射源の最も単純な集合法はアレイであっ
て、アレイ内では放射源がすべて同一であり、且つ何ら
かの中継器によって互いに差引かれる。それ故特に直線
形又は平面形ネットワークを得ることができる。

他方ではこの報告は多重ビームを発生するための反射
鏡式アンテナの利用をも紹介しており、展開可能な構造
を用いることによって広い放射面と軽量性を実現するこ
とができる。緻密で数多いビームを発生したいときこの
種のアンテナが採用されるのが普通である。一般に反射
鏡の照射系は放射開口の閉塞を防ぐようにして反射鏡に
対して偏心されている。実際にこの開口の閉塞は副次ロ
ーブのレベルの上昇によって表わされるが、これはこの
種の適用ではともかく防がなければならない。主反射鏡
は例えば放物面である。多重ビームは照射源の全体を焦
点の近傍に配置することによって得られ、各照射源は１
ビームに相当する。それらを正確に焦点に配置すること
はできないから、照射は幾何学的に完全ではなく、照射
性能を少し損ねる位相の収差が生じる。照射ダイアグラ
ムの変形、焦点で実現可能な値に対する利得の低減及び
寄生副次ローブが観察される。これらの劣化は焦点から
遠ざかり、反射鏡の曲率が大きくなればそれだけ大きく
なる。それ故反射鏡をできる限り「平らに」しなければ
ならず、即ち高い焦点距離対開口径比をもって作られな
ければならない。こうして大寸法構造に到ると、精度並
びに機械的耐性の問題が生じてくる。さらに、追加副次
ローブを生じる寄生相互結合が異なる放射源間に存在す
ることができる。

宇宙空間部門への適用においては広い視界に放射され
る電波の電子的偏向が要求され、線束のかなりの幅の角
度偏差が生じる。従ってアンテナのダイアグラムの形状
を正確に管理し得ることが不可欠である。これらの大型
アンテナの構造はさらにいくつかの観点を考慮しなけれ
ばならない。

−衛星の容積を制限すること。これは送受信を同時に実
行するアンテナに必要である。

−プラットホーム上での機械的調整及び作動前及び作動
中の発射台上での調整の容易性に妥協がつけられてい
る。

−温度制御が良好であること。

−任務及び利用が場合によっては多様であること。

本発明はこれらの多様な問題の解決を目的とする。

本発明はこのため、エネルギを焦点合わせする反射鏡
と、基本放射源アレイと、給電・制御用電子装置を含ん
でおり、アレイが反射鏡の焦点帯域内に位置し、給電・
制御用電子装置が制御ユニットによって誘導される数個
の減衰移相回路を含んでおり、これらの回路が出力側で
少なくとも１個の合成器に結合されていることを特徴と
する電子走査アンテナを提案する。

本発明によれば、合成器は有効出力信号を得るまで２
つずつ結合された出力をもつハイブリッド結合装置で形
成される。

より有利には給電・制御用電子装置は切替え装置を含
んでいる。

提案された解決法は電子走査式である。この方法は反
射鏡の焦点帯域内に電磁界の合成を実現するアレイによ
って構成される。

機械的解決法に対して本発明は放射源又は反射鏡の運
動を必要としないという利点をもつ。本発明は短かい焦
点距離を利用することを可能にする（小型アンテナ）。
本発明は数個の同時接続を確保する。

直接放射式アレイ法と比較して次のような利点をも
つ。

アンテナの性能がアレイの全体寸法と直接結びついて
いない。

設置は必ずしも衛星地面上でなくてもよい。単純反射
鏡式想像アレイ法と比較して、提案された方法は次の利
点をもつ。

アレイの基本寸法が縮減される。

アンテナの効率が改善される。

最後に、２重反射鏡式想像アレイ法と比較すれば、本
発明アンテナの緻密性はあきらかである。

次に添付図面を参照して非限定例として示したいくつ
かの具体例につき説明して本発明の特性及び利点のさら
に詳しい理解を期す。

第１図に示す本発明アンテナは偏心放物面反射鏡10を
含み、該反射鏡は反射鏡の焦点Ｆの近傍に位置する電源
の平面アレイ11の給電を受ける。アレイ12はこの格11に
対応する虚放射源アレイを表す。

第２図は放射源アレイ11レベルでの２方向移動OX及び
OYの際の振幅分布を表す。

第２図は円板の直径はアレイの様々な放射源によって
受取られる信号の振幅を表す。

これら様々のエネルギ分布をキャッチするための効率
は、捕集器が定められた分布法則をもつ時、最適である
ことはできない。位相分布についても同じことが云え
る。

こうしてもし仮に反射鏡の焦点に対して放射源を移動
させれば、アンテナの効率に損害が生ずる。

本発明アンテナにおいては、各基本放射源の振幅と位
相がとりあげられる。これによって反射鏡の焦点Ｆに各
基本放射源の最適合成がくるように実現することができ
る。

この種の機能は、反射鏡10と基本放射源のアレイ11を
一定に保つことによって、利得が指向方向に左右されな
いアンテナを実現することを可能にする。放射源アレイ
11を用いて、現実の分配に対応する成分が局部的にキャ
ッチされる。フィルタ及び増幅の後、これらの成分はそ
れらの微分位相をゼロにするため位相項（可変移相器に
よる）を与えられ、可変減衰器及びハイブリッド結合器
により構成される合成装置によって最適な方法で加算さ
れることができる。

界の振幅の最大移動は一方では走査角度θの、他方で
はアレイの中心から反射鏡の中心までの距離の関数であ
る。

アレイの寸法は最大行程及び振幅分布から推論され
る。この分布は収差のためθの関数として変化する。

この種のアレイによる給電は、反射鏡10の焦点Ｆの領
域での電磁界の分布を調和させる界の分布を合成するこ
とを可能にする。さらに正確には、アンテナが信号を受
信するとき、そのことは特定方向からの最大出力を受取
るため、アレイの各基本放射源に付与される相対位相係
数と振幅係数の最適化を意味する。

相対位相係数及び振幅係数はアレイの基本素子に付与
されなければならないが、当業者に「共役複素数よる適
合」として知られる技術によって計算される。アレイの
各基本放射源及びその周囲界の分布間の最大出力伝達の
ため、アレイの開口上の全体の界の分布は反射鏡の焦点
領域内での界の分布の結合でなければならない。

基本放射源の振幅及び位相のこの種の制御は、原則と
してどのような界分布も合成されることができる（基本
放射源間の間隔に左右されて）から、数多くの利点を示
す。大きな比率F/Dの習慣的限定は（Ｆは反射鏡の焦点
距離、Ｄはその直径）指向位置移動による損失を低減す
るために緩和され、こうしてアレイ位置を最適化するこ
とができる。これらの特性はサブシステムアンテナの全
体形状に重大な影響をもつ。こうして例えばアレイは温
度制御を容易にするため衛星のプラットホーム面上に直
接に取付けることができる。さらに小さな比率F/Dは、
大きな指向位置移動損失を引起こすことなくプラットホ
ーム近傍に反射鏡を配置するようにして使用することが
できる。

第３図には受信ビームが唯１つである場合の本発明ア
ンテナの電子系の第１具体例を表す。

各基本放射源Sjの出力側に、第１水平偏波出力口Ｈと
第２垂直偏波出力口Ｖがあり、これらは２つともハイブ
リッド結合器20と結合し、この結合器では１つの信号か
ら他の信号への時間を90゜移相させた後、水平及び垂直
の２偏波の合計である円偏波が得られる。

ハイブリッド結合器20の出力側で得られる各信号は、
例えばフィルタ22及びいわゆる増幅器23より成る低ノイ
ズ増幅回路21に入り、次に、それぞれ制御ユニット27に
よって操作される調節可能の移相器25及び調節可能の減
衰器26より成るビーム形成回路24に入る。これらのビー
ム形成回路の出力側のアンテナ信号は、例えばハイブリ
ッド結合器のような超高周波結合器29のユニットによっ
て形成される合成器28に入る。これらの結合器の出力側
は当該ビームに対応する有効出力信号F1を得るまで２個
ずつ結合される。

受信ビームがｍであるとき、電子式給電装置は第４図
に示す形状をもつ。

この図では、第３図のそれと同じ素子は同一番号を付
してある。

低ノイズ増幅回路21は各放射源Sjの後方に位置する。
増幅後に信号は比率G/T（Ｇは利得、Ｔは雑音温度を表
す）の大きな劣化なしに利用装置の数ｍに分割される
（35）。

ビーム形成回路24は次に各信号の振幅及び位相を調節
し、それらの信号は次にｍ個の出力合成器28に送られ、
合計後に最大出力が得られる。それで各ビームに対する
ｍ個の信号F1…Fmが回収される。

付加チャネル数を制限するため、与えられた方向θに
ついてアレイの１部だけが性能に有意に役立つ。それゆ
え、切換え装置を使用することによって、チャネルの少
ない合計装置で満足することができる。アレイ上の欠陥
点の跡をたどるため、切換え装置は次のように働く。即
ち状態Ｎにおいて基本放射源Sp、Sp＋１、Sp＋ｇに対応
する能動回路は、次にＮ＋１状態では基本放射源Sr、Sr
＋１、Sr＋ｇに割当てられる。

移動する物標の追跡は次のように実行される。

小変化については、移動する物標の指向性の最大レベ
ルを守るため界の適合成分（各チャネルの振幅及び位
相）がとりあげられる。

スポットの移動が一定限界に達したとき、総利得性能
に最も役立つ素子の活性を守るようにチャネルが切換え
られる。

こうして切換え装置は、低ノイズ増幅回路21及び給電
移相回路24間に、かなりのパワーを受取る素子だけが小
寸法アレイによって制御されるようにして配置されてお
り、さらにパワー合成器（素子グループだけでアレイ全
体ではない）は各アレイ（又は各利用装置）について制
御される。

この種の変形例は重量をかなり減らすことを可能にす
る。

こうして第５図に示す通り、単一ビームの場合は、電
源Sj及びこれに続くハイブリッド結合器20及び低ノイズ
増幅回路21は切換え装置31に結合する。

この切換え装置31のｑ個の出力33は第７図に示すビー
ム形成ユニット32の入口34であり、これは第３図のユニ
ットと同様であるが、回路数はそれより少ない。これら
の回路と第３図のそれとを区別するため、これらの回路
には「′」符号が付加されている。

この第３の具体例はｍ本のビームの場合にも当てはめ
ることができ、従って第６図に示すように切換え装置が
用いられる。これらのｍ個の切換え装置の出力はｍ個の
ビーム形成ユニット32に接続される。

本発明アンテナの第４の変形例は、減衰移相回路の数
をかなり減らすことを可能にする。

これは切換え装置31を受動回路で置換えることによっ
て実行され、こうして複雑さを減じ、これらの切換え回
路を用いる変形型の利点を保ったうえでアンテナの信頼
度を向上させることができる この変形例は次の観察に基礎を置いている。即ち、ア
ンテナを構成するｎ個の放射素子について、そのうちの
いくつかは決して同時に使用されない。それらは２から
Ｘ個の受信ユニット（１個の受信ユニットは放射素子20
＋フィルタ22＋低ノイズ増幅器23を含む）をClからCqま
で分けたグループに再編成することができ、こうして各
ユニットは順次式に利用される。

各グループには、受信ユニットが同一平衡結合器29よ
り成る受動合成器40に対して再編成される。もしｑグル
ープが決定されれば、ビーム形成ユニット32のｑ個の入
口に結合されるｑ個の出力が得られ、従って減衰移相回
路24の数をq/n比で減らすことができよう。

各グループCiについて、与えられた瞬間に用いられる
放射素子はこれと結合した低ノイズ増幅器23に給電する
ことによって指定される。この構造はこれらの増幅器全
体の電力消費量をq/n比で切りつめるという利点をも
つ。

例としてあげた以下の適用例では、アンテナは、同時
には決して作動しない２から８個の素子を含む29のグル
ープに分配された126個の放射素子を含む。

減衰移相ユニット数の削減は、装置の重量及び信頼性
を４以上の比で向上させるよう実行される。

図はｍ個の利用装置即ちF1からFmのｍ個の同時ビーム
をもつアンテナを利用する場合に提案された変形例の延
長を表わす。

第９図はビーム分配器41が合成器40の前方に位置する
構造を表わす。

第10図にこれらの分配器41が合成器40の後方に位置す
る構造を示す。これはそれらの数をq/nの比で減らすと
いう利点をもつ。しかし受信装置を利用グループに結合
する可能性は減る。最適化の研究によってこれら２つの
構造間の中間に達することができる。

本発明電子走査アンテナの作動は以上までのところビ
ーム受信について説明したが、これは送出機能について
も有効である。ただしこの場合は第2,3,5及び７図に示
すフィルタ22及び低ノイズ増幅器23は出力増幅器22′及
び23′となる。

基本放射源アレイ11は、例えば支持板上にプリント
（パッチ法）された素子アレイであって、これらの素子
の各々は多周波アンテナ、例えば２周波アンテナを構成
することができる。

勿論本発明は好ましい例として説明したにすぎず、本
発明の範囲を越えることなく、これらの構成素子を等価
的な素子で代替することも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明走査アンテナの概略図、第２図は本発明
アンテナの機能図、第３図は本発明アンテナの給電及び
制御電子系の第１具体例の説明図、第４図は本発明アン
テナの給電及び制御電子系の第２具体例の説明図、第5,
6及び７図は本発明アンテナの給電電子系の第３の具体
例の説明図、第8,9及び10図は本発明アンテナの給電系
の第４の具体例の説明図である。 10……反射鏡、11……アレイ、29……超高周波結合器、
40……受動合成器、41……ビーム分配器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブノワ・アニン フランス国、31570・ランタ、サント・ フオワ・デイグルフイユ、プラビエル （番地なし) (72)発明者 レジス・ルノルマン フランス国、31000・トウールーズ、リ ユ・パルガミニエール、７・ビス (72)発明者 ジヤン―フイリツプ・マレ フランス国、31600・ミユレ、セイツス、 リユ・アンリ・バルビユス、１ (56)参考文献 特開 昭51−16844（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−32247（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−204902（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−47703（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01Q 19/17 H01Q 3/26 - 3/46 H01Q 25/00 - 25/04

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基本放射源（Sj）のアレイ（11）と、エネ
   ルギを焦点合わせする反射鏡（10）と、給電・制御用電
   子装置とを含み、アレイが反射鏡の焦点領域内に位置す
   る電子走査アンテナであって、 前記給電・制御用電子装置が、前記基本放射源のグルー
   プ（Ci）であって、そのグループの中で常に一つの基本
   放射源だけが活性であるそれぞれのグループに各々が結
   合された複数の合成器（40）と、 前記各放射源からの信号を、複数の信号に分配する分配
   器（41）であって、各分配器からの前記複数の信号の各
   々が別々の合成器に結合されるようにする、各基本放射
   源と該基本放射源のそれぞれの合成器との間の分配器と
   を含む電子走査アンテナ。
2. 【請求項２】基本放射源（Sj）のアレイ（11）と、エネ
   ルギを焦点合わせする反射鏡（10）と、給電・制御用電
   子装置とを含み、アレイが反射鏡の焦点領域内に位置す
   る電子走査アンテナであって、 前記給電・制御用電子装置が、前記基本放射源のグルー
   プ（Ci）であって、そのグループの中で常に一つの基本
   放射源だけが活性であるそれぞれのグループに各々が結
   合された複数の合成器（40）と、 前記合成器から受信した信号の位相と振幅とを調整する
   ための複数のビーム形成ユニットを含むビーム形成手段
   （32）と、 前記各合成器からの信号を、複数の信号に分配する分配
   器（41）であって、各分配器からの前記複数の信号の各
   々が別々のビーム形成ユニットに結合されるようにす
   る、各合成器と前記ビーム形成手段との間の分配器とを
   含む電子走査アンテナ。
3. 【請求項３】基本放射源（Sj）のアレイ（11）と、エネ
   ルギを焦点合わせする反射鏡（10）と、給電・制御用電
   子装置とを含み、アレイが反射鏡の焦点領域内に位置す
   る電子走査アンテナであって、 前記給電・制御用電子装置が、前記基本放射源のグルー
   プ（Ci）であって、そのグループの中で常に一つの基本
   放射源だけが活性であるそれぞれのグループに各々が結
   合された複数の合成器（40）を含み、 前記合成器の各々が、連続した、マイクロ波結合器のセ
   ットを含み、各結合器が２入力を受信し、１出力を供給
   し、前記連続したセットの第１段の結合器がそれぞれの
   基本放射源から入力を受信し、各後段のセットの結合器
   が前段のセットの結合器の出力から入力を受信し、最後
   段のセットが、合成器の出力信号を供給する１台の結合
   器を含む電子走査アンテナ。
4. 【請求項４】基本放射源（Sj）のアレイ（11）と、エネ
   ルギを焦点合わせする反射鏡（10）と、給電・制御用電
   子装置とを含み、アレイが反射鏡の焦点領域内に位置す
   る電子走査アンテナであって、 前記給電・制御用電子装置が、前記基本放射源のグルー
   プ（Ci）であって、そのグループの中で常に一つの基本
   放射源だけが活性であるそれぞれのグループに各々が結
   合された複数の合成器（40）と、 各合成器に対して、常に入力信号の一つのみを選択的に
   活性化するための、前記基本放射源と前記合成器との間
   の制御手段であって、前記基本放射源の各々に連結した
   低ノイズ増幅器（23）を選択的に活性化する制御手段と
   を含む電子走査アンテナ。