JPH0480561B2 - - Google Patents

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JPH0480561B2
JPH0480561B2 JP57501770A JP50177082A JPH0480561B2 JP H0480561 B2 JPH0480561 B2 JP H0480561B2 JP 57501770 A JP57501770 A JP 57501770A JP 50177082 A JP50177082 A JP 50177082A JP H0480561 B2 JPH0480561 B2 JP H0480561B2
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JP
Japan
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antenna
array
plane
elements
yagi
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JP57501770A
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Japanese (ja)
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JPS59500645A (en
Inventor
Furederitsuku Emu Gaantsu
Jasuteiin Dei Saamingunaani
Richaado Eichi Imuguramu
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Grumman Corp
Original Assignee
Grumman Aerospace Corp
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Publication date
Application filed by Grumman Aerospace Corp filed Critical Grumman Aerospace Corp
Publication of JPS59500645A publication Critical patent/JPS59500645A/en
Publication of JPH0480561B2 publication Critical patent/JPH0480561B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
    • H01Q1/286Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons substantially flush mounted with the skin of the craft
    • H01Q1/287Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons substantially flush mounted with the skin of the craft integrated in a wing or a stabiliser
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/42Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome
    • H01Q1/428Collapsible radomes; rotatable, tiltable radomes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/28Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements
    • H01Q19/30Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using a secondary device in the form of two or more substantially straight conductive elements the primary active element being centre-fed and substantially straight, e.g. Yagi antenna
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements 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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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Description

請求の範囲 1 電子的に走査される主放射ローブを発生する
ために航空機上においてその機体形状に適合する
ように装備するためのアンテナシステムであつ
て、 (a) 複数の八木アンテナを互いに重ならないよう
に約0.9λ以下の中心間隔において横方向に隔て
て直線配列したものからなり、各八木アンテナ
が、それぞれ、前記直線配列の方向に沿つて延
びる複数本の平行した直線素子導体の各々より
構成された励振器と反射器及び導波器を含み、
前記励振器、反射器及び導波器の各々が前記各
八木アンテナの中心間隔より短い長さを有する
ようにしたものにおいて、前記八木アンテナの
各々が、 前記直線配列の方向をX軸、そのアンテナ
のエンドフアイヤー方向をZ軸、そして前記
X軸及びZ軸に直交する方向をY軸とし、そ
れぞれX−Z平面及びY−Z平面において、
実質上90゜より小さい自由空間半値幅Bx及び
By、及び 前記八木アンテナのエンドフアイヤー方向
における自由空間最大利得 を有する電磁波を放射するように構成してなる前
記複数の八木アンテナの直線配列、並びに (b) 前記八木アンテナの直線配列からなるアンテ
ナシステム全体の前記Y−Z平面内における主
ローブ半値幅を約Byに等しく維持しつつ、前
記X−Z平面内における主ローブを、前記Bx
より実質的に大きい角度であつて、前記八木ア
ンテナ間の拡大型−相互結合効果により90゜以
上の角度範囲にわたつて電子走査すべく各八木
アンテナの信号位相及び振幅を制御するための
可変位相及び可変振幅手段 を含むことを特徴とする電子走査アンテナシステ
ム。
Claim 1: An antenna system to be installed on an aircraft to fit the shape of the aircraft in order to generate an electronically scanned main radiation lobe, comprising: (a) a plurality of Yagi antennas that do not overlap each other; Each Yagi antenna is composed of a plurality of parallel linear element conductors extending along the direction of the linear arrangement. including an exciter, a reflector and a waveguide,
Each of the exciter, reflector, and waveguide has a length shorter than the center spacing of each of the Yagi antennas, and each of the Yagi antennas has the direction of the linear arrangement as the X axis, and the direction of the linear arrangement as the X axis. The endfire direction is the Z axis, and the direction perpendicular to the X axis and the Z axis is the Y axis, and in the X-Z plane and the Y-Z plane, respectively,
Free space half-width Bx and
By, and a linear array of the plurality of Yagi antennas configured to radiate electromagnetic waves having a maximum gain in free space in the endfire direction of the Yagi antennas, and (b) an antenna consisting of the linear array of the Yagi antennas. While maintaining the main lobe half width in the Y-Z plane of the entire system equal to approximately By, the main lobe in the X-Z plane is
variable phase for controlling the signal phase and amplitude of each Yagi antenna to electronically scan over an angular range of 90° or more with an expanded mutual coupling effect between the Yagi antennas; and variable amplitude means.

2 前記八木アンテナ間の距離が約0.55λである
ことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載のア
ンテナシステム。
2. The antenna system according to claim 1, wherein the distance between the Yagi antennas is approximately 0.55λ.

3 Bxが約42゜であることを特徴とする特許請求
の範囲第1項記載のアンテナシステム。
3. An antenna system according to claim 1, characterized in that Bx is approximately 42°.

4 Y平面内におけるシステムの主ローブ半値幅
が約48゜であることを特徴とする特許請求の範囲
第1項記載のアンテナシステム。
4. The antenna system according to claim 1, wherein the main lobe half width of the system in the Y plane is approximately 48 degrees.

5 前記アンテナシステムが前記八木アンテナの
各々を航空機の翼部においてその翼部形状に適合
するように装備するための手段を含むことを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載のアンテナシス
テム。
5. An antenna system as claimed in claim 1, characterized in that the antenna system includes means for mounting each of the Yagi antennas on the wing of an aircraft to match the shape of the wing.

6 前記アンテナシステムが (a) 一対のサイドルツキングアンテナと、 (b) 前記サイドルツキングアンテナ、及び前記電
子走査アンテナシステムをその航空機上におい
てその機体形状に適合するように装備すること
により広い方位角範囲を達成するための手段 を含むことを特徴とする特許請求の範囲第1項記
載のアンテナシステム。
6. The antenna system comprises (a) a pair of side-lucking antennas, and (b) the side-lutzing antenna and the electronic scanning antenna system are installed on the aircraft in a manner that conforms to the shape of the aircraft, thereby achieving a wide azimuth. Antenna system according to claim 1, characterized in that it includes means for achieving angular coverage.

7 前記アンテナシステムと同様な第2の電子走
査アンテナシステムを含む2つのアンテナシステ
ムを構成し、前記機体適合装備のための手段がさ
らに前記2つのアンテナシステムをそれらのZ軸
が互いに反対向に延びY軸が平行して同方向に延
びる位置関係において取り付けるためのアンテナ
取付手段を含むことを特徴とする特許請求の範囲
第6項記載のアンテナシステム。
7 configuring two antenna systems including a second electronically scanned antenna system similar to said antenna system, wherein said means for said airframe compatible equipment further comprises said two antenna systems with their Z axes extending in opposite directions; 7. The antenna system according to claim 6, further comprising antenna mounting means for mounting the antenna in a positional relationship in which the Y-axes extend in parallel and in the same direction.

8 前記機体適合装備のための手段が、前記電子
走査アンテナシステムを前記航空機の主翼内にお
いてその形状に適合するように装備すべく構成さ
れたものであることを特徴とする特許請求の範囲
第6項記載のアンテナシステム。
8. Claim 6, characterized in that the means for fitting the aircraft is configured to fit the electronically scanned antenna system within the main wing of the aircraft. Antenna system as described in section.

9 前記アンテナ取付手段が、前記2つのアンテ
ナシステムをそれぞれ前記航空機の主翼及び水平
安定器内においてそれらの形状に適合するように
取り付けるべく構成されたものであることを特徴
とする特許請求の範囲第7項記載のアンテナシス
テム。
9. Claim 9, characterized in that said antenna mounting means is configured to mount said two antenna systems within the main wing and horizontal stabilizer of said aircraft, respectively, to fit their shapes. Antenna system according to item 7.

10 前記サイドルツキングアンテナが航空機の
胴体上においてその形状に適合するように取り付
けられたものであることを特徴とする特許請求の
範囲第9項記載のアンテナシステム。
10. The antenna system according to claim 9, wherein the side-lucking antenna is mounted on the fuselage of an aircraft so as to conform to the shape of the aircraft.

11 前記八木アンテナの各々における反射器が
共通反射部材からなることを特徴とする特許請求
の範囲第1項記載のアンテナシステム。
11. The antenna system according to claim 1, wherein the reflector in each of the Yagi antennas is made of a common reflecting member.

12 前記八木アンテナの各々が励振器と反射器
及び導波器を互いに固定した位置関係において支
持するための非導電性支持手段を含むことを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載のアンテナシス
テム。
12. The antenna system of claim 1, wherein each of the Yagi antennas includes non-conductive support means for supporting the exciter, reflector and waveguide in a fixed positional relationship with respect to each other. .

13 各八木アンテナにおける前記励振器、反射
器及び導波器が互いに約0.25λの距離だけ隔てら
れていることを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載のアンテナシステム。
13. The antenna system of claim 1, wherein the exciter, reflector, and waveguide in each Yagi antenna are separated from each other by a distance of approximately 0.25λ.

発明の背景 本発明はアンテナ、そして特に縦形素子(エン
ドフアイヤー素子)の直線配列を有する電子走査
アンテナシステムに関するものである。“縦形素
子”とは、その最大利得が“縦軸方向”、すなわ
ち、縦形素子を構成するように並列配置された励
振器、反射器、導波器等の素子導体の配列方向
(いわゆるエンドフアイヤー方向)に沿つて得ら
れるような素子として定義される。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to antennas, and more particularly to electronically scanned antenna systems having a linear array of vertical elements (endfire elements). A “vertical element” means that its maximum gain is in the “vertical axis direction”, that is, in the arrangement direction of the element conductors such as exciters, reflectors, waveguides, etc. arranged in parallel to constitute the vertical element (so-called end-of-axis direction). is defined as such an element obtained along the eye direction).

単純な素子からなり電子走査されるようにした
直線配列は従来よりよく知られている。このよう
な素子配列は比較的低利得であつて広い垂直指向
特性を有することが一般的な特徴である。全素子
配列を回転することによりその走査を機械的に行
うようにした縦形素子の配列もよく知られてい
る。これらの素子配列は機体に適合した取付状
態、すなわち航空機のエアフオイル(主翼及び水
平安定器)内に収まるような配置形態での取付状
態を要求されることも多いが、現状ではこれを十
分満足するものではない。
Electronically scanned linear arrays of simple elements are well known in the art. Such element arrays are generally characterized by relatively low gain and broad vertical directivity characteristics. Vertical element arrays in which scanning is performed mechanically by rotating the entire element array are also well known. These element arrays are often required to be installed in a manner that is compatible with the aircraft, that is, in an arrangement that fits within the aircraft's air oil (main wings and horizontal stabilizers), but this is currently not fully satisfied. It's not a thing.

種々のアンテナ素子配置が周知であるが、米国
特許第2236393号(Beck、その他)は広帯域縦形
アンテナ列を開示している。また、米国特許第
3182330号(Blume)は個々の素子間隔を不均一
にしたアンテナ配列を開示している。さらに、米
国特許第2425887号(Lindenblad)の開示する縦
形アンテナ列はすべての素子が適正位相において
等しい電圧により付勢されるようにしたものであ
る。米国特許第3258774号(Kinsey)は直列供給
位相型アンテナ配列を開示している。この点はさ
らに米国特許第3509577号(Kinsey)をも参照す
べきである。米国特許第2419562号(Kandoian)
は高い指向性を有するクローバ葉型パターンを形
成する2項配列を開示している。通常の八木アン
テナは米国特許第3466655号(Mayes、その他)
において記載されている。
Although various antenna element arrangements are well known, US Pat. No. 2,236,393 (Beck et al.) discloses a broadband vertical antenna array. Additionally, U.S. Patent No.
No. 3,182,330 (Blume) discloses an antenna array with non-uniform spacing between individual elements. Additionally, U.S. Pat. No. 2,425,887 (Lindenblad) discloses a vertical antenna array in which all elements are energized with equal voltages in proper phase. US Pat. No. 3,258,774 (Kinsey) discloses a series-fed phased antenna array. Reference should also be made to US Pat. No. 3,509,577 (Kinsey). U.S. Patent No. 2419562 (Kandoian)
discloses a binomial array that forms a cloverleaf pattern with high directionality. A typical Yagi antenna is U.S. Patent No. 3,466,655 (Mayes et al.)
It is described in.

さらに、周知のアンテナ配列においては一般に
素子アンテナ間の相互結合関係は不都合なものと
して認識され、その効果を最小化するような考慮
が払われている。これに対し本発明はアンテナ性
能を高めるために相互結合関係を利用するもので
ある。ここにいう“相互結合”とは、配列された
各素子アンテナからの放射波が互いに干渉し合つ
て本来の放射ローブを変化させ、異なつた形状の
合成放射ローブを形成することである。
Furthermore, in known antenna arrays, mutual coupling relationships between element antennas are generally recognized as disadvantageous, and consideration is given to minimizing their effects. In contrast, the present invention utilizes mutual coupling relationships to improve antenna performance. "Mutual coupling" as used herein means that the radiation waves from the arrayed element antennas interfere with each other, changing the original radiation lobe, and forming composite radiation lobes of different shapes.

この場合、典型的な縦形素子である八木アンテ
ナの縦軸(エンドフアイヤー方向)をZ軸とし、
素子アンテナを構成する直線導体からなる励振
器、反射器及び導波器等の“導体”軸をX軸と
し、このX軸とZ軸に直交する軸をY軸とすれ
ば、八木アンテナは水平面(X−Z平面)及び垂
直面(Y−Z平面)において指向性の鋭い高密度
放射ビームを発生するものとしてはよく知られて
いるが、配列した場合のアンテナ特性がどうなる
かはまつたく知られていなかつた。したがつて、
従来の慣例においては多数の素子アンテナを配列
した、いわゆるアレーアンテナを構成すれば、広
角電子走査にとつて不利になる考えられていた。
それは一般に、アレーアンテナの指向性走査角の
限度はアレー素子指向性(素子配列内で、ある一
素子のみを活性化し、他の全素子を無反射終端と
した場合の、その一素子の指向性)の実用的な幅
(角度範囲)により決定され、この幅は素子アン
テナ間の相互結合が強くなるほど、また素子数が
多いほど狭まるとされるからである。従来の方式
に反し、本発明は八木アンテナに関しては未知で
あつた素子アンテナ間の相互結合の効果を利用す
ることにより広角走査のための多素子配列を有利
に実現し、これによつて電子走査が要求される面
内でのアレー素子指向性を広げるようにしたもの
である。
In this case, the vertical axis (endfire direction) of the Yagi antenna, which is a typical vertical element, is the Z axis,
If the "conductor" axis of the exciter, reflector, waveguide, etc. made up of straight conductors that make up the element antenna is the X axis, and the axis perpendicular to the X axis and the Z axis is the Y axis, then the Yagi antenna will be placed on a horizontal plane. Although it is well known as a device that generates a high-density radiation beam with sharp directivity in the (X-Z plane) and vertical plane (Y-Z plane), it is still unclear what the antenna characteristics will be when arrayed. It wasn't. Therefore,
In conventional practice, it has been thought that configuring a so-called array antenna in which a large number of element antennas are arranged would be disadvantageous for wide-angle electronic scanning.
In general, the limit of the directional scanning angle of an array antenna is the array element directivity (the directivity of that one element when only one element is activated and all other elements are non-reflective terminated). ) is determined by the practical width (angular range) of the antenna element, and this width is said to become narrower as the mutual coupling between element antennas becomes stronger and as the number of elements increases. Contrary to conventional methods, the present invention advantageously realizes a multi-element array for wide-angle scanning by utilizing the effect of mutual coupling between element antennas, which was unknown with respect to Yagi antennas, and thereby enables electronic scanning. It is designed to widen the array element directivity in a plane where a

本発明の一つの目的は、アンテナ配列全体とし
て高利得であつて狭い垂直角度範囲を有する放射
ビームを発生し、さらにそれ自体は狭い水平角度
範囲を有する放射ビームが広い水平角度範囲を通
じて電子走査され得るようにしたアンテナ配列を
提供することである。
One object of the invention is to produce a beam of radiation having a high gain as a whole antenna array and a narrow vertical angular range, and the radiation beam itself having a narrow horizontal angular range is electronically scanned through a wide horizontal angular range. An object of the present invention is to provide an antenna array that can be obtained.

本発明の別の目的は、航空機のエアフオイル面
(翼面)、たとえば主翼の前端及び水平安定器の後
端の面上または面内において、好ましくは装備さ
れるようにしたきわめて小さな垂直指向性の角度
幅を有するアンテナ配列を提供することである。
これらの主翼前端等にはそのエアフオイルの一体
部分をなす適当なレードーム(注:レーダードー
ムの略、電気的に透明な空気力学的カバーのこ
と。)が形成される。
Another object of the present invention is to provide a very small vertically directional device preferably arranged on or in the plane of the airfoil plane (wing surface) of the aircraft, such as the leading edge of the main wing and the trailing edge of the horizontal stabilizer. An object of the present invention is to provide an antenna array having an angular width.
A suitable radome (abbreviation for radome, electrically transparent aerodynamic cover), which is an integral part of the airfoil, is formed at the leading edge of these main wings.

本発明のさらに別の目的は、アンテナメインロ
ーブが電子的に走査される角度範囲を拡大するた
めに、高利得かつ広げられたアレー素子指向性を
有するアンテナ配列を提供することである。
Yet another object of the present invention is to provide an antenna array with high gain and widened array element directivity to extend the angular range over which the antenna main lobe is electronically scanned.

上記の目的を特定すれば、縦形素子の配列にお
ける狭いアレー素子指向性を広げることである。
A specific purpose of the above is to widen the narrow array element directivity in an array of vertical elements.

本発明のいま一つの目的は、縦形素子配列のア
レー素子指向性を一つの面内、すなわち水平面内
においてのみ広げることである。
Another object of the present invention is to widen the array element directivity of a vertical element arrangement only in one plane, that is, in the horizontal plane.

要するに、本発明は近接間隔配置された八木ア
ンテナ間の相互結合を利用し、各八木アンテナの
アレー素子指向性パターンを拡大し、全アンテナ
アレーを方位角(水平面内)において電子的に操
作しようとするものである。
In summary, the present invention utilizes mutual coupling between closely spaced Yagi antennas, expands the array element directivity pattern of each Yagi antenna, and attempts to electronically steer the entire antenna array in azimuth (in the horizontal plane). It is something to do.

本発明のその他の目的、構成及び利点について
は以下図面を参照して行う詳細な説明により明ら
かになるであろう。
Other objects, configurations, and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description given below with reference to the drawings.

発明の要約 略述すれば、本発明は縦形素子の直線配列を有
する電子走査アンテナシステムであつて、前記縦
形素子が中心間隔で各素子アンテナの幅より大き
い長さないし0.9λ、好ましくは約0.55λずつ横方
向に隔たつており、これによつてそれらの相互結
合効果を高め、素子配列の面内((X−Z面内)
における放射信号の指向角度の走査範囲を拡大す
るようにしたものである。中心間隔の上限が0.9λ
に規制されるのは、素子アンテナ間の相互結合が
弱まり、縦軸方向に対する放射ビームの角度を余
り大きくできなくなるからである。また、相互結
合を利用するためには、中心間隔は短い方がよい
が、その下限は素子アンテナの幅、すなわち素子
導体の長さ以上でないと、導体端の重なりが生ず
る。したがつて、中心間隔の下限は、好ましい素
子導体の典型的な長さ(すなわち、素子アンテナ
の幅)0.5λを考慮すれば、理論上は0.5λとなる
が、構造上の余裕を見て、上記の好ましい間隔
0.55λが導かれる。
SUMMARY OF THE INVENTION Briefly, the present invention is an electronically scanned antenna system having a linear array of vertical elements, wherein the vertical elements have a center-to-center spacing of no more than 0.9λ, preferably about 0.55L, greater than the width of each element antenna. They are spaced apart by λ in the lateral direction, thereby increasing their mutual coupling effect and increasing the in-plane ((X-Z plane)
The scanning range of the directivity angle of the radiation signal is expanded. Upper limit of center spacing is 0.9λ
The reason for this restriction is that the mutual coupling between the element antennas weakens and the angle of the radiation beam with respect to the vertical axis cannot be made very large. Furthermore, in order to utilize mutual coupling, it is better to have a short center spacing, but if the lower limit is not greater than the width of the element antenna, that is, the length of the element conductor, the ends of the conductors will overlap. Therefore, the lower limit of the center-to-center spacing is theoretically 0.5λ, considering the typical length of the preferred element conductor (i.e., the width of the element antenna) of 0.5λ; , the preferred spacing above
0.55λ is derived.

“電子走査”なる用語は、個々の素子配列の励
起係数(たとえば位相及び振幅)を、ビーム生成
が要求される方向にしたがつて調整することを含
むものとして用いられる。
The term "electronic scanning" is used to include adjusting the excitation coefficients (eg, phase and amplitude) of individual element arrays according to the desired direction of beam generation.

アンテナのビームは波面(各時刻において振幅
が同一位相で連続する面、波頭と同義)に直角な
方向に向かうということは従来よりよく知られて
いる。アンテナ配列の位相走査においては各放射
素子の励起位相を個々に制御することにより、全
体として形成される同位相の波面(後述するが、
第4図において、アンテナ配列と角度θ0をなす傾
斜線はこの同位相波面である)をもつたビームを
操縦するように調整される。急激な走査を許容す
るためには、フエーズシフタ(移相器)が電子的
に駆動され、0〜2πradの範囲に位相を調整す
る。このような電子走査はたぶん最も一般的に利
用されている方法であるが、素子配列の同位相波
面を同様に変化させてビーム操縦を行うことがで
きるその他の手段を採用してもよい。素子配列の
励起係数の制御は一般に“アンテナフイード”と
して知られており、信号の振幅及び位相をアンテ
ナ配列の個々の素子間において互いに独立させ、
または従属させた形で制御するためのすべての手
段及びその分割または結合を行うための手段を含
むものである。
It has been well known that an antenna beam heads in a direction perpendicular to a wavefront (a plane in which the amplitude is continuous with the same phase at each time, which is synonymous with a wavefront). In phase scanning of an antenna array, by individually controlling the excitation phase of each radiating element, a wavefront of the same phase that is formed as a whole (as will be described later,
In FIG. 4, the inclined line making an angle θ 0 with the antenna array is adjusted to steer a beam with this in-phase wavefront. To allow rapid scanning, a phase shifter is electronically driven to adjust the phase between 0 and 2πrad. Although such electronic scanning is perhaps the most commonly used method, other means may be employed to similarly alter the in-phase wavefronts of the element array to effect beam steering. Control of the excitation coefficient of an array of elements is commonly known as an "antenna feed" and is used to make the amplitude and phase of the signal independent of each other between the individual elements of the antenna array.
or all means for controlling in a dependent manner and means for dividing or combining them.

第6図は、複数の八木アンテナ(素子導体長
0.5λ)を中心間隔0.55λにおいて配列した場合の
アレー素子指向性パターンと、単独で配置した同
一の八木アンテナの自由空間指向性パターンをそ
れぞれ実線及び破線で示したものである。この図
から明らかな通り、アレー素子指向性パターンの
方位角範囲(水平面内の指向角度範囲)は、単独
の八木アンテナのものより顕著に拡大している。
Figure 6 shows multiple Yagi antennas (element conductor length
The array element directivity pattern when antennas (0.5λ) are arranged with a center spacing of 0.55λ and the free space directivity pattern of the same Yagi antenna arranged singly are shown by solid lines and broken lines, respectively. As is clear from this figure, the azimuth range (direction angle range in the horizontal plane) of the array element directivity pattern is significantly expanded compared to that of a single Yagi antenna.

勿も、角度範囲拡大の程度は、アンテナの中心
間隔だけでなく、導波器の本数や、その間隔によ
つても左右されると考えられるが、単独配置され
た八木アンテナの指向性がシヤープであれば、複
数配列によつて拡大される角度範囲も、そのシヤ
ープなものの拡大となり、標準的な八木アンテナ
のアレーよりも小さくなることは明らかである。
Of course, the degree of expansion of the angular range is thought to depend not only on the spacing between antenna centers, but also on the number of waveguides and their spacing, but the directivity of a single Yagi antenna is sharp. If so, it is clear that the angular range expanded by the multiple array will be a sharp expansion, and will be smaller than that of a standard Yagi antenna array.

実施例の詳細な説明 第1図は本発明に従つて構成されたアンテナ1
0を略示するものである。アンテナ10は一般的
にアンテナフイードとして知られている素子駆動
回路14に電子的に結合された縦形素子12の直
線配列を含んでいる。
DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS FIG. 1 shows an antenna 1 constructed in accordance with the present invention.
0 is abbreviated. Antenna 10 includes a linear array of vertical elements 12 electronically coupled to element drive circuitry 14, commonly known as an antenna feed.

各縦形素子12は順次横方向に素子アンテナの
幅よりやや長い距離ないし約0.9λ、好ましくは約
0.55λの距離Dだけ隔てられた中心間隔を有する
ことにより、素子12間の相互結合効果を高め、
これによつて配列面内における主ビームの素子パ
ターンを第1図の中央に描かれた実線範囲で示す
ように拡大したものを構造的に無理なく得ること
ができる。各素子12の長さLは約1.25λである。
Each vertical element 12 is sequentially extended laterally over a distance slightly longer than the width of the element antenna to approximately 0.9λ, preferably approximately
Having centers spaced apart by a distance D of 0.55λ enhances the mutual coupling effect between elements 12;
As a result, an enlarged element pattern of the main beam within the array plane as shown by the solid line range drawn in the center of FIG. 1 can be obtained without structural difficulty. The length L of each element 12 is approximately 1.25λ.

第2図を参照すると、本発明のアンテナ配列に
おいて用いられる縦形素子としての八木アンテナ
12Aが示されている。周知の通り八木アンテナ
素子の配列は励振素子又は投射器に少くとも2個
の付属素子を加えたものである。八木アンテナ1
2Aは6本の導体素子16,18,20,22,
24及び26を備えている。このような多素子配
列は6素子ビームとして知られている。各素子は
約0.01λの直径と約0.5λの長さとを有する。
Referring to FIG. 2, a Yagi antenna 12A is shown as a vertical element used in the antenna array of the present invention. As is well known, an array of Yagi antenna elements consists of a driving element or projector plus at least two additional elements. Yagi antenna 1
2A has six conductor elements 16, 18, 20, 22,
24 and 26. Such a multi-element array is known as a six-element beam. Each element has a diameter of about 0.01λ and a length of about 0.5λ.

6素子16,18,20,22,24及び26
は隣接素子間の距離が約0.25λであつて、同一の
見通し線(横軸)に沿つて並列に配置されてい
る。この0.25λという素子導体間の距離は良好な
インピーダンス整合とともに滑らかでブロードな
アレー素子指向性を提供する。これは本発明を適
用する電子走査システムにおいて望ましくかつ重
要なことである。6素子16,18,20,2
2,24及び26は一対の非導電性のプレキシガ
ラス(商標名)製支持部28及び30に支持され
る。これはたとえば素子16,18,20,2
2,24及び26を、それらの支持部28及び3
0に形成された孔に挿入することによつて達せら
れる。支持部28及び30は素子16,18,2
0,22,24及び26を互いに電気的に絶縁す
るものであり、さらに発射される電磁波に対して
実質的に透明であるという利点を有する。
6 elements 16, 18, 20, 22, 24 and 26
The distance between adjacent elements is about 0.25λ, and they are arranged in parallel along the same line of sight (horizontal axis). This 0.25λ distance between element conductors provides good impedance matching as well as smooth and broad array element directivity. This is desirable and important in electronic scanning systems applying the present invention. 6 elements 16, 18, 20, 2
2, 24 and 26 are supported by a pair of non-conductive Plexiglas (trademark) supports 28 and 30. For example, elements 16, 18, 20, 2
2, 24 and 26, their supports 28 and 3
This is achieved by inserting it into a hole formed in 0. Supports 28 and 30 support elements 16, 18, 2
0, 22, 24 and 26 from each other and has the further advantage of being substantially transparent to emitted electromagnetic waves.

素子16は反射器、素子18は励振器、そして
素子20,22,24及び26は導波器である。
励振器18には同軸ケーブル32が電気的に結合
され、それに信号を提供するようになつている。
放射器16及び導波器20ないし26は常套的な
態様において相互作用することにより、励振器か
らの放射パターンに対し増大された利得及び単一
指向性を提供するものである。素子12Aが単独
で配置された場合の自由空間半値幅はE面、すな
わちX−Z平面においてBx=42゜(第2図参照)、
H面、すなわちY−Z平面において第2A図に示
す通りBy=48゜である。
Element 16 is a reflector, element 18 is an exciter, and elements 20, 22, 24 and 26 are waveguides.
A coaxial cable 32 is electrically coupled to exciter 18 and adapted to provide a signal thereto.
The radiator 16 and the waveguides 20-26 interact in a conventional manner to provide increased gain and unidirectionality to the radiation pattern from the exciter. When the element 12A is placed alone, the free space half-width is Bx=42° in the E plane, that is, the X-Z plane (see Figure 2),
In the H plane, that is, the Y-Z plane, By=48° as shown in FIG. 2A.

第3図を参照すると、第2図に示した形式の10
個の縦形素子12Aないし12Jは共通反射器1
6Aを有し、互いに約0.5〜0.9λ、好ましくは約
0.55λの中心間隔において横方向に近接して配列
され、これによつて相互結合効果を高めたもので
ある。すなわち、素子アンテナ間の距離を0.55λ
とすると、これは素子アンテナがフツク型ダイポ
ールドライバによつて励振されるときの配列素子
アンテナの放射電界強度分布を最もブロードかつ
平坦なものにする。この分布をより広くかつ平坦
にする利益は、アンテナ利得の低下を最小にし
て、より広い水平面内の方位角をカバーしうるこ
とであり、このような素子アンテナ間の相互結合
をもつて、“拡大型相互結合”と称する。また、
付加的な利益は、この0.55λの間隔が走査角の関
数として一定のインピーダンス整合をもたらすよ
うに、アンテナ駆動点インピーダンスの変動を最
少化するということである。このような配列によ
れば、配列の合成指向性、すなわちアンテナメイ
ンローブが電子的に走査されるべき水平面内の角
度範囲を、第2図の実線範囲で示す単一の縦形素
子12Aにおける±21゜、すなわち42゜から、この
配列10Aにおいて90゜より大きい角度まで拡大
することができる。(この態様は、第1図の略示
アンテナ配列10について示した通りである。)
単一の縦形素子12Aの場合において、第2A図
に示す±24゜、すなわち48゜の狭い垂直面(H面)
指向特性はこの10個の配列10Aにおいても維持
される。かくして直線配列10Aにおいて縦形素
子12Aを近接配置した効果は配列10Aの水平
面(E面)における素子指向特性の幅を拡大する
とともに、狭い垂直面(H面)指向特性を維持す
るものである。
Referring to Figure 3, 10 in the format shown in Figure 2.
vertical elements 12A to 12J are common reflectors 1
6A, about 0.5-0.9λ from each other, preferably about
They are arranged close to each other in the lateral direction with a center spacing of 0.55λ, thereby enhancing the mutual coupling effect. In other words, the distance between the element antennas is 0.55λ
This makes the radiated electric field intensity distribution of the arrayed element antenna the broadest and flattest when the element antenna is excited by the hook-type dipole driver. The benefit of making this distribution wider and flatter is that it can cover a wider azimuthal angle in the horizontal plane with minimal loss of antenna gain, and with mutual coupling between such elemental antennas, “ It is called "extended mutual coupling". Also,
An additional benefit is that this 0.55λ spacing minimizes variation in antenna drive point impedance so as to provide constant impedance matching as a function of scan angle. According to such an arrangement, the composite directivity of the arrangement, that is, the angular range in the horizontal plane over which the antenna main lobe is electronically scanned, is ±21 for a single vertical element 12A, as indicated by the solid line range in FIG. , i.e. from 42°, can be expanded to angles greater than 90° in this arrangement 10A. (This aspect is as shown for the schematic antenna array 10 of FIG. 1.)
In the case of a single vertical element 12A, a narrow vertical plane (H-plane) of ±24°, or 48°, shown in FIG. 2A.
The directional characteristics are maintained even in this ten array 10A. Thus, the effect of arranging the vertical elements 12A in close proximity to each other in the linear array 10A is to expand the width of the element directivity in the horizontal plane (E plane) of the array 10A, while maintaining the narrow vertical plane (H plane) directivity characteristic.

配列内において拡大された縦形素子のE面指向
特性は次のようにして確認することができる。す
なわち素子12Aないし12D、及び12Fない
し12Jは素子配列10Aにおける接地電位36
に結合された個々の終端インピーダンス34Aな
いし34D、及び34Fないし34Jを有する。
終端インピーダンス34Aないし34D、及び3
4Fないし34Jはアンテナ駆動点インピーダン
スを、E面内で0゜(Z軸方向)のアンテナ走査角
に整合するように選定される。ここにいう整合と
は、ある周波数によつて各八木アンテナが(受信
波又は放射波に対して)具現するインピーダンス
(アンテナ駆動点インピーダンス)を、E面内に
おける走査角0゜で互いに等しくすることである。
第3図に示された実施例において終端インピーダ
ンス34Aないし34D、及び34Fないし34
Jは50Ωである。素子12Eはメータ38により
監視される。すなわちこのメータは配列10Aか
ら十分な距離、すなわち遠隔場所に位置する電磁
波放射装置(図示せず)より送信された信号のた
めの受信装置として用いられる場合において、素
子12Eが受信した電力を測定するものである。
配列10Aが前記放射装置に関して角度を持つよ
うに一体的に回転されると、メータ38において
測定された電力は素子12Eの配列内の素子指向
特性に応じて変化することになる。この指向性測
定の方法は、この分野において周知である。さら
に、この態様で測定された配列内の素子指向特性
は、次に説明するような駆動回路接続を適用する
ことにより、すべての素子12Aないし12Jを
ビーム形成のために用いる場合において、角度の
関数としての配列10Aの利得にほぼ比例するも
のであることも従来より周知である。
The E-plane directivity characteristic of the vertical element expanded in the array can be confirmed as follows. That is, the elements 12A to 12D and 12F to 12J are at the ground potential 36 in the element array 10A.
34A through 34D, and 34F through 34J.
terminating impedance 34A to 34D, and 3
4F to 34J are selected to match the antenna driving point impedance to the antenna scanning angle of 0° (Z-axis direction) in the E plane. Matching here refers to making the impedance (antenna driving point impedance) that each Yagi antenna embodies (for received waves or radiated waves) at a certain frequency equal to each other at a scanning angle of 0° in the E plane. It is.
In the embodiment shown in FIG.
J is 50Ω. Element 12E is monitored by meter 38. That is, the meter measures the power received by element 12E at a sufficient distance from array 10A, i.e., when used as a receiving device for signals transmitted from a remotely located electromagnetic emitter (not shown). It is something.
When array 10A is rotated together at an angle with respect to the radiator, the power measured at meter 38 will vary depending on the element directivity within the array of elements 12E. This method of directivity measurement is well known in the art. Furthermore, the element directivity in the array measured in this manner can be made as a function of angle when all elements 12A to 12J are used for beamforming by applying drive circuit connections as described below. It is also well known that the gain of the array 10A is approximately proportional to the gain of the array 10A.

配列10Aは第4図を参照して次の通りに動作
する。結合及び駆動回路40にはフイード手段
(図示せず)により送信信号が供給され、この回
路40はそれらの信号を分割して配列44の個々
の素子42(計N個の移送器46は、信号の移送
をビームが要求される方向にしたがつてずらせる
ものである。この場合、水平面内(X−Z面内)
における前記傾斜線で示した波面の、アンテナ配
列線(X軸)に対する角度θ0についてφ=2π/λ Ssinθ0(ここに、λは波長、Sは素子間隔(中心
から中心まで)である。)だけ、各アンテナに接
続する移送器46の位相をθ0の開き方向の順に
次々と進ませる(送信時)か、又は遅らせる(受
信時)。各アンテナ素子に対し不均一な振幅を要
求され、それによつて比較的低いアンテナサイド
ローブ(一般には振幅勾配として知られている)
を形成するような使用形態においては結合及び駆
動回路40はこのような分布を効果的に提供する
ものである。
Array 10A operates as follows with reference to FIG. A coupling and drive circuit 40 is supplied with transmit signals by feed means (not shown), and this circuit 40 divides the signals to the individual elements 42 of the array 44 (a total of N transporters 46). In this case, in the horizontal plane (in the X-Z plane)
Regarding the angle θ 0 of the wavefront shown by the above-mentioned inclined line with respect to the antenna array line (X-axis), φ=2π/λ Ssinθ 0 (where λ is the wavelength and S is the element spacing (center to center). ), the phase of the transporter 46 connected to each antenna is advanced (during transmission) or delayed (during reception) one after another in the order of the opening direction of θ 0 . Requires non-uniform amplitude for each antenna element, resulting in relatively low antenna sidelobes (commonly known as amplitude slope)
The coupling and drive circuit 40 effectively provides such a distribution.

アンテナ配列10A及びそのフイード機構は両
方向性線形受動素子であり、交換の法則に従うた
め、それを受信モードにおいて用いても特性は不
変である。
Since the antenna array 10A and its feed mechanism are bidirectional linear passive elements and obey the exchange law, their characteristics remain unchanged even when they are used in receive mode.

第5図を参照すると、航空機48は本発明に従
つて主翼前端50及び52、並びに、水平安定器
54内に位置するアンテナ配列10B,10C及
び10Dを装備している。この構成によれば、配
列10B,10C及び10D、並びに胴体60の
両側に装備された常套的なサイドルツキング(側
視)アンテナ56及び58を電子的に走査するこ
とにより、水平面内において360゜の方位角範囲を
得ることができる。すなわち、主翼アンテナ配列
10B,10Cによつてそれぞれ前方±45゜(90゜)
を、サイドルツキングアンテナ56,58によつ
て左右各側方の±45゜(90゜)を、水平安定器アン
テナ配列10Dによつて、後方±45゜(90゜)をカ
バーする全方位型となる。このよう構成によれ
ば、同じ360゜の方位角範囲を提供するために機械
的に回転しなければならないような大型のレード
ームを、胴体60に装備する必要性を排除できる
という利益を有する。
Referring to FIG. 5, aircraft 48 is equipped with antenna arrays 10B, 10C and 10D located within wing leading edges 50 and 52 and horizontal stabilizer 54 in accordance with the present invention. According to this configuration, by electronically scanning arrays 10B, 10C and 10D, and conventional side-looking antennas 56 and 58 mounted on opposite sides of fuselage 60, a 360° can obtain an azimuth range of . In other words, the main wing antenna arrays 10B and 10C move forward ±45° (90°), respectively.
An omnidirectional type that covers ±45° (90°) to the left and right sides by the side Lutzking antennas 56 and 58, and ±45° (90°) to the rear by the horizontal stabilizer antenna array 10D. becomes. Such an arrangement has the advantage of eliminating the need for the fuselage 60 to be equipped with a large radome that must be mechanically rotated to provide the same 360° azimuthal range.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明に従つて構成された縦形素子の
直線配列を示す平面図、第2図は本発明の直線配
列における八木アンテナ縦形素子を示す斜視図、
第2A図は同素子の垂直面のビーム輪郭図、第3
図は第2図に示した型の八木アンテナ縦形素子の
直線配列であつて、縦形素子のすべてが一つの共
通反射器を有するようにしたものの平面図、第4
図は角度θ0となるように走査されている第3図と
同様な縦形素子の直線配列を示す平面図、第5図
は本発明に従つて縦形素子の直線配列を取り付け
た状態を示すために部分的に破断して描かれた航
空機の斜視図、第6図は複数の八木アンテナ(素
子導体長0.5λ)を中心間隔0.55λにおいて配列し
た場合のアレー素子指向性パターンと、単独で配
置した同一の八木アンテナの自由空間指向性パタ
ーンをそれぞれ実線及び破線で示したパターン図
である。
FIG. 1 is a plan view showing a linear arrangement of vertical elements constructed in accordance with the present invention; FIG. 2 is a perspective view showing a Yagi antenna vertical element in a linear arrangement of the invention;
Figure 2A is a beam profile diagram of the same element in the vertical plane;
FIG.
Figure 5 is a plan view showing a linear array of vertical elements similar to Figure 3 scanned at an angle θ 0 ; Figure 5 shows a linear array of vertical elements installed in accordance with the invention; Figure 6 is a partially cutaway perspective view of the aircraft, and Figure 6 shows the array element directivity pattern when multiple Yagi antennas (element conductor length 0.5λ) are arranged with a center spacing of 0.55λ, and when they are arranged individually. FIG. 4 is a pattern diagram showing the free space directivity patterns of the same Yagi antenna with solid lines and broken lines, respectively.

10,10A……アンテナ配列、12,12A
〜12J……素子アンテナ、16…反放射器、1
8……励振器、20,22,24,26……導波
器、28,30……支持体。
10,10A...Antenna array, 12,12A
~12J...Element antenna, 16...Anti-radiator, 1
8... Exciter, 20, 22, 24, 26... Wave director, 28, 30... Support body.

JP57501770A 1982-03-26 1982-03-26 Electronic scanning antenna system with linear array of vertical elements Granted JPS59500645A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US1982/000377 WO1983000952A1 (en) 1982-03-26 1982-03-26 An electronically scanned antenna system having a linear array of endfire elements

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JPS59500645A JPS59500645A (en) 1984-04-12
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EP0104173A1 (en) 1984-04-04
DE3279118D1 (en) 1988-11-17
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