JP2009246748A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧するとともに、製造コストの上昇を抑制したアレーアンテナを得る。
【解決手段】複数の素子アンテナ４をまとめたサブアレーアンテナ２ごとに移相器３を設けて束ね、ビーム形成を行うアレーアンテナ１であって、サブアレーアンテナ２は、１種類の二等辺三角形、あるいは１種類の二等辺三角形の底辺を組み合わせた１種類の菱形で平面形状が構成され、複数の素子アンテナ４が平面形状内に配列される。
【選択図】図１

Description

本発明は、いくつかの素子アンテナをまとめてサブアレーアンテナとし、サブアレーアンテナ単位に移相器を設けて束ね、ビーム形成を行うアレーアンテナに関する。

アレーアンテナは、レーダ装置あるいは電波監視装置の空中線として多く用いられている。そして、このようなアレーアンテナは、より遠くの目標を検出するために、あるいは、より微弱の電波を検知するために、空中線性能として、より大きな有効放射電力が要求される。

有効放射電力は、送信出力とアンテナ利得の積で定義されている。送信出力を増大させるためには、送信機あるいは各素子アンテナに接続された送信モジュールの出力を増大させればよい。一方、アンテナ利得は、空中線の開口径に比例するので、より大きなアンテナ利得を得るためには、空中線を大口径化する必要がある。

アレーアンテナにおいて、グレーティングローブが発生しないような素子アンテナ間隔にすると、素子間隔を広くとれない。この結果、大開口径化するに従って、素子アンテナ数が増大し、素子アンテナに接続される移相器の数も増大する。一般に、移相器は、高価であり、アンテナ全体における移相器の数を抑制することが望まれる。そこで、いくつかの素子アンテナをまとめてサブアレーとし、サブアレー毎に移相器を設けた構成にして、移相器の数を低減することが考えられている。（例えば、特許文献１参照）

このような構成では、移相器で位相を制御する単位が素子アンテナからサブアレーになる。従って、グレーティングローブが発生しないようにするには、サブアレーの中心の間隔をとる必要がある。しかし、素子アンテナの寸法が波長程度であるので、素子アンテナをまとめたサブアレーの中心間隔を１波長以下にするのは困難であり、グレーティングローブが発生するという問題がある。

グレーティングローブの発生により、所望の方向のアンテナ利得が低下するとともに、所望の指向方向以外の方向からの到来電波を受信することになり、方位検出においては、アンビギュイティが発生する。従って、素子アンテナに接続される移相器の数を低減した上で、グレーティングローブの発生を避けるための構成が望まれる。

かかる状況において、周期性を有しないアレーアンテナの間隔として、不等間隔にアンテナを配列してグレーティングローブによるアンビギュイティを低減する技術が開示されている（例えば、特許文献２、非特許文献１参照）。

また、周期性を有しない多角形配列方法として、ペンローズタイル、オクタゴナル、テーブルなどを選び、その頂点位置に素子アンテナを配置することで広帯域にわたり、グレーティングローブを抑圧した技術が提案されている（例えば、非特許文献２、３参照）。

特開平５−２９１８１４号公報 特開２００５−２５７３８４号公報 電子情報通信学会論文誌Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ｂ Ｎｏ．６ ｐｐ．８４５−８５１ "不等間隔アレーを用いた方位推定" Vincenzo Pierro et. al. "Radiation Properties of Planar Antenna Arrays Based on Certain Categories of Aperiodic Tilings" IEEE TRANSACTION ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol.53, NO.2, pp.635-644, Feb 2005 Glassner,A. "Penrose tiling", IEEE Computer Graphics and Applications, vol.18, Issue4, pp.78-86, July/Aug 1988

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
グレーティングローブを低減する方法として、素子アンテナの間隔を不等間隔にするとして、例えば、ランダムに素子アンテナの間隔を設定した場合には、周期性がないために素子アンテナに接続される給電系が複雑になるという問題があった。さらに、多品種少量製品となることで、アンテナの製造コストが上昇するという問題もあった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧するとともに、製造コストの上昇を抑制したアレーアンテナを得ることを目的とする。

本発明に係るアレーアンテナは、複数の素子アンテナをまとめたサブアレーアンテナごとに移相器を設けて束ね、ビーム形成を行うアレーアンテナであって、サブアレーアンテナは、１種類の二等辺三角形、あるいは１種類の二等辺三角形の底辺を組み合わせた１種類の菱形で平面形状が構成され、複数の素子アンテナが平面形状内に配列されるものである。

本発明によれば、特定の平面形状を有する１種類のサブアレーアンテナ内に複数の素子アンテナを所定の条件を満たすように配列し、このような１種類のサブアレーアンテナを複数組み合わせてアレーアンテナを構成することにより、周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧するとともに、製造コストの上昇を抑制したアレーアンテナを得ることができる。

以下、本発明のアレーアンテナの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、以降では、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。図１において、本実施の形態１に係るアレーアンテナ１は、１種類のサブアレーアンテナ２と移相器３とが設けられている。

各サブアレーアンテナ２の形状は、二等辺三角形であり、複数の素子アンテナ４を含んで構成され、それぞれ移相器３が接続されている。このような構成により、サブアレーアンテナ２毎に位相制御が行われ、ビーム形成や指向制御などが行われる。

本実施の形態１では、サブアレーアンテナ２の頂角をｎ°（ただし、ｎは、Ｎを３以上の整数としてｎ＝３６０／Ｎ）とする。さらに、サブアレーアンテナ２の頂角を中心に、３６０／ｎ角形となるようにサブアレーアンテナ２を配列することにより、アレーアンテナ１を構成する。図１では、頂角をｎ＝４０°とした、９角形（３６０／４０＝９）の構成を有するアレーアンテナ１を例示している。

図２は、本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ１を構成する１つのサブアレーアンテナ２を示す平面図である。サブアレーアンテナ２の平面形状は、二等辺三角形である。

サブアレーアンテナ２内の素子アンテナ４においては、素子アンテナ４それぞれの間隔を可能な限り離すことができれば、素子間結合が小さくなり、性能劣化を抑えることができる。

その反面、素子アンテナ間隔を大きくすると、ある指向角以上において、指向角方向以外に各素子アンテナからの放射電界が同相となる方向が生じ、グレーティングローブが発生する。このため、グレーティングローブが発生しないような間隔で素子アンテナ４を配置する必要がある。

そこで、本実施の形態１では、素子アンテナ４の配置を、互いの間隔を広くするようにした上でグレーティングローブを抑えるために、先の図２に示すように、素子アンテナ４の中心位置Ｐを中心とする半径ｒの円が互いに接し、かつ素子アンテナ４の中心位置Ｐを中心とする半径ｒの円がサブアレーアンテナ２の二等辺三角形の外形に接するようにする。

さらに、中心位置Ｐを中心とする半径ｒの大きさを選び、素子間隔を可能な限り大きくとる。この結果、素子アンテナ４が非周期的に配列され、グレーティングローブの発生を抑えることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、サブアレーアンテナの平面形状を、所定の角度ｎ°の頂角を有する二等辺三角形としている。さらに、このようなサブアレーアンテナを複数配列して、３６０／ｎ角形のアレーアンテナを構成している。

さらに、それぞれのサブアレーアンテナ内では、中心位置Ｐ、半径ｒの円で表した素子アンテナを、以下の条件を満たすように複数個配列している。
条件１）それぞれの素子アンテナの円が、少なくとも他の１以上の素子アンテナの円と接する。
条件２）すべての素子アンテナの円が、サブアレーアンテナの外形に接する。
条件３）中心位置Ｐを中心とする半径ｒの大きさを選び、素子間隔を可能な限り大きくとる。

このようにしてアレーアンテナを構成することにより、それぞれの素子アンテナの間隔を可能な限り離して素子間結合を小さくし、性能劣化を抑えることができるとともに、１種類のサブアレーアンテナによって非周期アレーアンテナを構成することができる。この結果、素子アンテナを非周期的に配列してグレーティングローブの発生を抑えることができるとともに、製造コストの上昇を抑制したアレーアンテナを得ることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１においては、サブアレーアンテナ２の平面形状を、二等辺三角形とした場合について説明した。本実施の形態２においては、サブアレーアンテナ２の平面形状を、二等辺三角形を２つ組み合わせた平行四辺形（菱形）とする場合について説明する。

図３は、本発明の実施の形態２に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。図３において、本実施の形態２に係るアレーアンテナ１は、１種類のサブアレーアンテナ２と移相器３とが設けられている。

各サブアレーアンテナ２の形状は、二等辺三角形を２個組み合わせた平行四辺形であり、複数の素子アンテナ４を含んで構成され、それぞれ移相器３が接続されている。このような構成により、サブアレーアンテナ２毎に位相制御が行われ、ビーム形成や指向制御などが行われる。

本実施の形態２では、サブアレーアンテナ２の頂角をｎ°（ただし、ｎは、Ｎを３以上の整数としてｎ＝３６０／Ｎ）とする。さらに、サブアレーアンテナ２の頂角を中心に、３６０／ｎ角形となるようにサブアレーアンテナ２を配列することにより、アレーアンテナ１を構成する。図２では、頂角をｎ＝４０°とした、９角形（３６０／４０＝９）の構成を有するアレーアンテナ１を例示している。

図４は、本発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ１を構成する１つのサブアレーアンテナ２を示す平面図である。サブアレーアンテナ２の平面形状は、二等辺三角形を２個組み合わせた平行四辺形である。

サブアレーアンテナ２内の素子アンテナ４の配置の方法は、先の実施の形態１と同様であり、図４に示すように、中心位置Ｐを中心とする半径ｒの大きさを選び、素子間隔を可能な限り大きくとる。

このように素子アンテナ４を配置することにより、サブアレーアンテナ２で平面を充填したとき、素子アンテナ４が非周期的に配列され、グレーティングローブの発生を抑えることができる。

以上のように、実施の形態２によれば、サブアレーアンテナの平面形状を、所定の角度ｎ°の頂角を有し、二等辺三角形を２個組み合わせた平行四辺形（菱形）とすることによっても、先の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナを構成する１つのサブアレーアンテナを示す平面図である。 本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係るアレーアンテナを構成する１つのサブアレーアンテナを示す平面図である。

符号の説明

１ アレーアンテナ、２ サブアレーアンテナ、３ 移相器、４ 素子アンテナ。

Claims (3)

1. 複数の素子アンテナをまとめたサブアレーアンテナごとに移相器を設けて束ね、ビーム形成を行うアレーアンテナであって、
   前記サブアレーアンテナは、１種類の二等辺三角形、あるいは前記１種類の二等辺三角形の底辺を組み合わせた１種類の菱形で平面形状が構成され、前記複数の素子アンテナが前記平面形状内に配列されることを特徴とするアレーアンテナ。
2. 請求項１に記載のアレーアンテナにおいて、
   前記サブアレーアンテナは、頂角をｎ°（ただし、ｎは、Ｎを３以上の整数としてｎ＝３６０／Ｎ）とする１種類の二等辺三角形、あるいは前記１種類の二等辺三角形の底辺を組み合わせた１種類の菱形で平面形状が構成され、
   前記サブアレーアンテナの頂角を中心に（３６０／ｎ）角形となるように複数のサブアレーアンテナを配列してビーム形成を行う
   ことを特徴とするアレーアンテナ。
3. 請求項１または２に記載のアレーアンテナにおいて、
   前記サブアレーアンテナ内に含まれる前記複数の素子アンテナのそれぞれは、配置される位置を中心位置として半径ｒの円を用いて表した際に、それぞれの素子アンテナの円が、少なくとも他の１以上の素子アンテナの円と接し、すべての素子アンテナの円が、前記サブアレーアンテナの前記平面形状の外形に接し、かつ、最大の半径を前記半径ｒの大きさとなるように配列されることを特徴とするアレーアンテナ。

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