JP2010219588A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ素子の約半数を無給電素子とする間引き給電を行ってもグレーティングローブレベルが全素子給電を行った場合に較べて同等以下であるアレーアンテナの実現。
【解決手段】１辺の長さが使用波長の４／√３倍以下の正三角形を２つ合わせた菱形の基板上で一辺を端から１、２、２、２、１の割合で区切る隣接辺に平行な４本線と隣接辺を端から１、２、２、２、１の割合で区切る一辺に平行な４本線の交叉点を仮想し、１本の線上の４つの交点のうち端から２つの交点に無給電素子を２個続けて配置し、続いて給電素子を２つ続けて配置し、隣りの線上の交点は給電、無給電を逆配置としたサブアレー基板を複数個その辺を辺に沿う素子が半ピッチだけずれるようにして平面的に並べて全体で六角形にする。
【選択図】図３

Description

本発明は、多数のアンテナ素子が平面上に配列され、個々のアンテナ素子に対する振幅と位相を制御することにより放射ビームの指向方向を制御するフェーズドアレーアンテナの技術分野に属する。

フェーズドアレーアンテナは、ビーム走査時に所望の方向ではない方向に出るグレーティングローブと呼ばれるサイドローブが出ないようにするために、給電アンテナ素子の間隔を使用波長の２分の１以下にして多数のアンテナ素子を配列している。
また、フェーズドアレーアンテナは、上述のようにアンテナ素子単位で、振幅と位相を制御するためにアンテナ素子毎に増幅器と移相器が設けられるので、アンテナ素子数の多いフェーズドアレーアンテナでは、増幅器および移相器の数も多数となり給電系統も含めて複雑で大型のものとなる。

そこで、増幅器と移相器の数を減らすために、アンテナ素子の総数のうち例えば約半数のアンテナ素子は給電受電を行わず、従って増幅器も移相器も設けないいわゆる無給電素子とし、増幅器と移相器に接続されているいわゆる給電素子と無給電素子とが交互配置になるようにした間引き給電方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
ところが、単純に間引きした給電では給電素子と給電素子の間に無給電素子が入ることになるため給電素子間の間隔が使用波長の２分の１より大きくなってしまい、グレーティングローブが発生するという問題がある。

例えば図８のように、アンテナ素子間隔を２分の１波長以下の定間隔で、輪郭が六角形になるように配列したものを横方向の列で１列置きに白丸で示すように無給電素子とした場合について、Ｙ方向の各列位置に対する給電素子の数をプロットして行くと図９のようになる。これを励振分布と呼んでいる。
励振分布が図９のように給電素子列の間隔である２分１波長以上の周期で山谷（増減）が存在する場合の、ＹＺ（Ｚはアレー平面に垂直な方向）断面における指向性をシミュレーションすると図７の（ｂ）に示されるように−１０deg 付近に約２５ｄＢiのピークのグレーティングローブを生ずる。
そこで、グレーティングローブを抑圧することができるアレーアンテナとして、以下のようなものが提案されている。

第１のグレーティングローブ抑圧アレーアンテナは、図１０に示すものであり、複数のサブアレーアンテナ１２、１３を設け、各サブアレーアンテナ１２、１３は複数の素子アンテナ１４から構成されているアレーアンテナ１１であって、前記複数のサブアレーアンテナ１２、１３は、それぞれの平面形状がペンローズタイルと同じであり、平面上に非周期に配列され、前記サブアレーアンテナ１２、１３内において、前記素子アンテナ１４の中心位置を中心とする円が互いに接し、かつ前記円が前記ペンローズタイルの外形に接するように、前記複数の素子アンテナ１４が配列されているというものである（例えば、特許文献１参照）。

第２のグレーティングローブ抑圧アレーアンテナは、図１１に示すものであり、複数の素子アンテナ１６が所定間隔ｓごとに一列に配列されたサブアレー部１７を複数備えている。このサブアレー部１７が平行に並べられて開口を構成している。サブアレー部１７は、それぞれ少なくとも１つのアンテナモジュール１８から構成されている。アンテナモジュール１８は、例えば４個の素子アンテナ１６を有し、アンテナモジュール１８の個数を調整することにより、開口形状が決定されている。サブアレー部１７は、一部その素子アンテナ１６が配列された方向に沿ってずらして、その直角方向から視た素子アンテナ１６の個数が開口形状の中心から両側に向かって順に所定間隔ｓごと少なくなっているというものである（例えば、特許文献２参照）。

第３のグレーティングローブ抑圧アレーアンテナは、アンテナの使用状況に応じて、消費電力や発熱量を抑制したい場合に、アレーに対する間引き給電を行うものであるが、給電を間引くだけでは給電素子間の間隔が広くなるが、その間隔でもグレーティングローブが発生しないように、使用波長を長くするため、周波数を低くすることができるように、間引き査定する場合には、周波数選択と励振モジュール選択ができるようになっているというものである（例えば、特許文献３参照）。

特開２００８−６６９３６号公報（段落［０００９］〜［００１８］、図１） 特開２００３−３１８６４７号公報（段落［００１７］、図１） 特開２００５−２６９５６９号公報（段落［０００９］〜［００１１］、図４）

Tadashi TAKANO他２名、「Simplification of anArray Antenna by Reducing the Fed Elements 」、IEICETRANS.COMMUN.、The Institute of Electronics,Informationand Communication Engineers、NO.9 SEPTEMBER 2005 、VOL.E88-B P.3811-3814

前記背景技術における第１のグレーティングローブ抑圧アレーアンテナは、サブアレーの基本形状は２種類であるが、サブアレー内にアンテナ素子を配置する際にその偏波方向を各サブアレー毎にそのサブアレーが配置される角度に合わせて変える必要があるため、サブアレーの種類が非常に多くなってしまうという問題がある。

前記第２のグレーティングローブ抑圧アンテナは、アンテナ素子を配列した平面内における１つの方向の垂直面におけるグレーティングローブが発生しないようにはできるが、その方向と直交する方向の垂直面においてはグレーティングローブを抑圧できないという問題がある。

第３のグレーティングローブ抑圧アンテナでは、周波数によって励振モジュールの数が増減するので、アンテナ利得が変動するという問題がある。

本発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、周波数を変えることなく、励振素子（給電素子）の数も変えることなくアンテナ素子総数の２分の１とし、アレー平面上総ての方位の垂直断面におけるグレーティングローブを抑圧できるフェーズドアレーアンテナを実現することにある。

上記課題のように、アレーの平面上の方位で全方位を走査するフェーズドアレーアンテナにおいて、アレー面の中心を通る垂直面内の指向性にグレーティングローブが発生しないようにするには、アレー面と垂直面の交線をＹ軸とし、Ｙ軸上の位置における、Ｙ軸と直交する線上に存在する給電素子の数の分布に使用波長の２分の１以上の周期で谷が存在せず、Ｙ軸の中心（０）で最も多くＹ軸上の距離が＋方向、−方向それぞれで単調に減少するか階段状に減少するように配置されていることが必要である。
このような配置にすることにより、アンテナ素子の総数の半数が無給電素子であってもグレーティングローブの発生を避けることができる。

本発明は、上記の課題を達成するために、以下のような構成を有する。
即ち、角々の内角が６０度、１２０度、６０度、１２０度で、１辺の長さｄが使用波長の√３分の４倍以下の長さの４等辺の菱形基板の面上に一辺から隣接辺上の距離でｄ／８、ｄ／４、ｄ／４、ｄ／４の間隔を置いて前記１辺に平行な４本の線と、隣接辺から一辺上の距離で同じくｄ／８、ｄ／４、ｄ／４、ｄ／４の間隔を置いて前記隣接辺と平行な４本の線とが交叉する交叉線を仮想し、１本の線上の４つの交点のうち端から２つの交点に無給電素子を２個続けて配置し、続いて給電素子を２つ続けて配置し、隣りの線上の４つの交点には同じ側の端から２つの交点に給電素子を続けて配置し、続いて無給電素子を２つ続けて配置し、合計１６の交点に給電素子８個、無給電素子８個が配置されたサブアレー基板の６０度の角の先端をカットしたものを複数個その菱形辺を接して各辺に沿うアンテナ素子列同士が互いに半ピッチだけずれるようにして平面的に並べて全体で六角形としたことを特徴とするアレーアンテナである。

図１の（ａ）は、前記課題解決手段に言うサブアレー基板である。
基板の基本形状は、カット部分４を含めて左上と右下の角の内角が６０度、左下と右上の角の内角が１２０度、４辺の長さがｄの４等辺菱形である。
ｄは使用波長λの４／√３以下である。丸はアンテナ素子であり、黒丸が給電素子２、白丸が無給電素子３である。その配置位置は、図示の間隔で縦方向と横方向に仮想された４本ずつの仮想線の交点上にある。
従って、隣接する３個のアンテナ素子は１辺をｄ／４とする正三角形の３つの頂点の位置にあることになる。

今、（ａ）のアンテナ素子の配列を列の構成として捉えると主たる列は（ｂ）のように３通り考えられる。
そして、これらの列の間隔を見てみると（ｂ）に示すように前記正三角形の高さｈに等しいことが分かる。
ところで、前記正三角形の１辺は前述のようにｄ／４であり、正三角形の高さは、その√３／２であるから√３ｄ／８となる。

ところがｄは前述のように、使用波長λの４／√３以下であるから結局、正三角形の高さ即ち、アンテナ素子列の間隔はλ／２以下となり、グレーティングローブを抑圧する間隔であることになる。

次に、（ｂ）の各方向の列についての給電素子の数を見てみれば、ｂ−１では各列とも２である。ｂ−２も各列２である。ｂ−３では左側の列から１、１、１、２、１、１、１となっている。
このようなサブアレー基板１を、複数個その菱形辺を接して、接し合う辺に沿うアンテナ素子列同士が半ピッチだけずれるようにして六角形を形成し、その六角形の１辺と平行な方向を列の方向として当該１辺から１列ずつの給電素子の数を見ていくと、１列進む毎にアンテナ素子が１個増加する。この増加したアンテナ素子が給電素子であれば、給電素子の数が１つ増加ということになるし、増加したアンテナ素子が無給電素子であれば、その列の給電素子の数は前の列と同じということになる。

このように、六角形の一辺から最大幅迄の間の列の給電素子の数は、列が１つ進んだ場合に、同じか１つ増えるということで減少することはない。
即ち、列を進んで行く途中で給電素子数の谷がないということである。
最大幅の列に達した後は、前記スタートの一辺と対向する辺まで列が進むにつれて列における給電素子の数は前の列と同じか、１つ減少するという変化を示し、給電素子数の谷がないということになる。
このように各列の位置とその列の給電素子の数を、前者を横軸とし後者を縦軸としてプロットしたものを励振分布と呼んでいる。

以上のことは、六角形の最初に着目した辺とその対向辺との間だけではなく、着目した辺の左隣接辺とその対向辺との間、および右隣接辺とその対向辺との間でも全く同様である。
その理由は、六角形が図１のような菱形のサブアレー基板だけの組合せだけでできているからで、このことは、その六角形を１２０度回転させた場合も２４０度回転させた場合も、給電素子、無給電素子の配列が最初と全く同じ配列になるからである。
また、列の間隔も前述のように使用波長の２分の１以下である。

かくして、図１に示すサブアレー基板を並べて形成した六角形のアレーアンテナは、その中心を通り、対向する２辺に垂直で中心に対して１２０度ずつ向きの異なる３つの面内の指向性においてグレーティングローブが抑圧されるという効果を有する。

更に、以上の中間の角度、例えば六角形の１つの角とそれに対向する角を結ぶ線に直角の方向を列の方向として見た場合は列の間隔がｄ／８となり、ｄは前述のように、
４λ／√３以下であるから、列間隔はλ／２√３となりλ／２より充分に小さいから、列毎の給電素子の数の変化にかかわらずグレーティングローブは抑圧される。

更にその間の角度では更に、列間隔が小さくなるので、上記と同様の理由によりグレーティングローブは抑圧され、結局、六角形のアレー平面の中心を通り全方位の垂直面内においてグレーティングローブが抑圧されるという効果がある。

本発明のアレーアンテナを構成するサブアレー基板の平面図である。 図１のサブアレー基板を３個用いて構成した本発明のアレーアンテナの平面図とその励振分布図である。 図１のサブアレー基板を１２個用いて構成した本発明のアレーアンテナの平面図である。 図３のアレーアンテナの励振分布図である。 図１のサブアレー基板を２７個用いて構成した本発明のアレーアンテナの平面図である。 図５のアレーアンテナ励振分布図である。 （ａ）は図３のアレーアンテナの全素子を給電素子とした場合のＹ１方向中心垂直面指向特性のシミュレーション図である。（ｂ）は図８のアレーアンテナのＹ方向垂直断面指向特性のシミュレーション図である。（ｃ）は図３のアレーアンテナのＹ１方向中心垂直面指向特性のシミュレーション図である。 ２分の１波長以下の列間隔のアンテナ素子列の１列置きに無給電素子列とする間引き給電を行うアレーアンテナのアンテナ素子配列平面図である。 図８のアンテナ素子配列におけるＹ方向の各列の列番を横軸に取り、縦軸に各列における給電素子数をプロットした励振分布図である。 従来のグレーティングローブ抑圧アレーアンテナの第１の例の斜視図である。 従来のグレーティングローブ抑圧アレーアンテナの第２の例のアレー平面図である。

本発明のアレーアンテナは、図１に示すようなサブアレー基板を、その菱形辺を接して各辺に沿うアンテナ素子列同士が互いに半ピッチだけずれるようにして平面的に並べて六角形にして構成される。並べる数の最少は３個でこの場合は図２の（ａ）のようになる。次は、１２個で図３のようになる。更に２７個で図５のようになる。同様にしてより大きなアレーアンテナを構成することができる。

どの大きさにするかは、そのアンテナに要求されるアンテナ利得、開口面の大きさにより選択されることになる。
給電素子と無給電素子の数は、サブアレー基板において８個と８個であるので、どのような大きさのアレーアンテナについても無給電素子はアンテナ素子総数の半数ということになり、従来の技術において素子配列の１列置きに無給電素子とした場合と同様の割合になる。
従って、移相器や増幅器の数も半減できることになる。
これら移相器や増幅器はアレー基板の裏面側に給電回路網とともに設けることになる。

図２の（ａ）は３サブアレー４８素子の実施例である。
（ｂ）は、（ａ）の配列を３方向から見た場合の各列の給電素子数をプロットした図であり、励振分布と呼ばれる。（ａ）の列番Ｙ１について見れば、目盛の数字はそこから横に引いた線が貫く素子列の番号を示す。素子列の間隔は発明の効果の項で述べたように、２分の１波長以下であり、（ｂ）の励振分布を見ても、平坦か、単調増加か、単調減少であり谷がないので、グレーティングローブが抑圧されていることが分かる。

図３は１２サブアレー１９２素子の場合の実施例である。
その励振分布は図４に示すとおりＹ１、Ｙ２、Ｙ３のいずれの方向においても谷がなく、グレーティングローブが抑圧されていることが示されている。
このアレーアンテナの中心を通るＹ１方向断面における指向特性をシミュレーションすると図７の（ｃ）のようになる。これによると、グレーティングローブは−６２deg 付近に約７ｄＢiのピークを有するグレーティングローブが現れている。

図８のように、給電素子列と無給電素子列を１列置きに配列した場合の指向性は前述のように図７の（ｂ）の通りであるからグレーティングローブのピーク値が約１８ｄＢi抑圧されていることが分かる。
因に、図３の素子配列で全素子を給電素子とした（間引き給電しない）場合の、アレー中心を通るＹ１方向断面の指向性をシミュレートすると、図７の（ａ）のようになる。

これによれば、約−６７deg 付近に１０ｄＢi弱のグレーティングローブが現れている。これと、本発明実施例２の場合（図７の（ｃ））とを較べると、（ｃ）の方が（ａ）より２〜３ｄＢi低くなっており、間引き給電をしても本発明によれば間引き給電をしない場合に較べてグレーティングローブのレベルは同等以下に抑圧されていることが分かる。

１ サブアレー基板
２ 給電素子
３ 無給電素子
４ カット部分
５ 仮想線
１１ アレーアンテナ
１２ サブアレーアンテナ
１３ サブアレーアンテナ
１４ 素子アンテナ
１５ 移相器
１６ 素子アンテナ
１７ サブアレー部
１８ アンテナモジュール

Claims (1)

1. 角々の内角が６０度、１２０度、６０度、１２０度で、１辺の長さｄが使用波長の√３分の４倍以下の長さの４等辺の菱形基板の面上に一辺から隣接辺上の距離でｄ／８、ｄ／４、ｄ／４、ｄ／４の間隔を置いて前記１辺に平行な４本の線と、隣接辺から一辺上の距離で同じくｄ／８、ｄ／４、ｄ／４、ｄ／４の間隔を置いて前記隣接辺と平行な４本の線とが交叉する交叉線を仮想し、１本の線上の４つの交点のうち端から２つの交点に無給電素子を２個続けて配置し、続いて給電素子を２つ続けて配置し、隣りの線上の４つの交点には同じ側の端から２つの交点に給電素子を続けて配置し、続いて無給電素子を２つ続けて配置し、合計１６の交点に給電素子８個、無給電素子８個が配置されたサブアレー基板の６０度の角の先端をカットしたものを複数個その菱形辺を接して各辺に沿うアンテナ素子列同士が互いに半ピッチだけずれるようにして平面的に並べて全体で六角形としたことを特徴とするアレーアンテナ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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