JP2013034118A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】サブアレーアンテナの配列間隔を給電部に接続される方形導波管の広壁面に必要とされる外形寸法よりも小さくすることができるアレーアンテナを得ること。
【解決手段】複数のサブアレーアンテナ３は、それぞれの給電線路５の長手方向長の略中央に設けられる給電部６が隣接する他のサブアレーアンテナにおける給電線路の給電部と干渉しないように、長手方向に交互にずれて配置されている。これによって、サブアレーアンテナ３の配列間隔を給電部に接続される方形導波管の広壁面に必要とされる外形寸法である０．９波長よりも小さい約０．６波長程度とすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ波帯やミリ波帯で用いられるアレーアンテナに関するものである。

マイクロ波帯やミリ波帯で用いられるアレーアンテナには、マイクロストリップアレーアンテナや同軸スロットアレーアンテナなど各種ある。それらのアレーアンテナは、平面上に、複数のサブアレーアンテナを所定の間隔（アレー間隔）を置いて並置して構成される。各サブアレーアンテナは、所定の間隔を置いて略直線状に配置される複数の素子アンテナと、該複数の素子アンテナがそれぞれ接続される給電線路とを備えている。

各サブアレーアンテナの給電線路には、給電部が設けられている。各サブアレーアンテナの給電部とアンテナ外部の送信系および受信系との間は、方形導波管を介して接続される場合が多い。送信の例で言えば、送信系が出力するマイクロ波帯やミリ波帯の高周波信号が方形導波管から給電部に入力され、該給電部から給電線路の長手方向の一方側と他方側とに出力され、それぞれの側の給電線路における複数の素子アンテナに順々に給電されてそれぞれの素子アンテナが励振される。なお、給電部は、一般には給電線路の長手方向長のほぼ中央に設けられている。

ところで、アレーアンテナでは、指向性パターンで問題になるグレーティングローブを小さくして、測角能力を決めるビーム走査範囲を拡大するには、サブアレーアンテナの配列間隔をできるだけ狭くする必要がある。具体的には、複数のサブアレーアンテナを例えば約０．６波長の間隔で配列できれば、グレーティングローブを抑圧しつつ最大走査角を４０度にすることができる。

この場合、素子アンテナとしてパッチアンテナを用いたマイクロストリップアレーアンテナを例に挙げて説明すると、各サブアレーアンテナ内の給電線路は、例えば、マイクロストリップ線路やトリプレート線路、ポスト壁導波路などであるので、その線路幅は、方形導波管の広域面幅と比較すると、占有スペースは小さく、各サブアレーアンテナの並置間隔を狭くする上で、通常は、制約とはならない。

ところが、各サブアレーアンテナの給電部と送信系および受信系との間を接続する各方形導波管は、それぞれの広壁面を各サブアレーアンテナの配置面と直交させ、かつ各サブアレーアンテナの配列方向と並行させた状態で各給電部と接続される。つまり、各給電部は、その外観形状が接続される方形導波管の断面矩形開口の形状をしていて、各サブアレーアンテナは、各給電部の長手方向側端面を隣接する給電部間で対面させて各給電線路を並行させて配列されている。したがって、各給電部の長手方向側寸法は、方形導波管の広壁面幅に必要とされる外形寸法（０．９波長以上）と同程度の寸法になっている。

このように、給電部がほぼ中央に設けられる各給電線路がその長手方向の両端を揃えて配置される構成においては、隣接する給電部同士間で、長手方向側面を接触させた状態で各給電線路を配置した場合が、各サブアレーアンテナの配列間隔を最も狭くできた配置構成である。これは、サブアレーアンテナの配列間隔は、０．９波長以下にはできないことを示している。この問題は、同軸スロットアレーアンテナにおいても同様に発生する問題である。

この問題に対し、例えば特許文献１では、マイクロストリップアレーアンテナでの対処例であるが、第１の給電線路（複数の素子アンテナが接続される本来の給電線路であり、ほぼ中央に給電部が設けられる）を配置するアンテナ基板の他に、アンテナ基板上の隣接給電部間の間隔を０．６波長以下にするため波長短縮効果を有する誘電体線路からなる第２の給電線路を配置した給電基板を設け、給電部における方形導波管同士の干渉を回避したアレーアンテナが提案されている。

特開２０１０−２１２９４６号公報

上記特許文献１に提案されたアレーアンテナでは、サブアレーアンテナの配列間隔を約０．６波長まで狭くすることができる。しかし、アンテナ基板の他に給電基板が必要になるため、製造コストが増加するという問題がある。また、上記特許文献１に提案された技術は、同軸スロットアレーアンテナには適用できない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、サブアレーアンテナの配列間隔を給電部に接続される方形導波管の広壁面幅に必要とされる外形寸法よりも小さくすることができるアレーアンテナを得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、所定の間隔を置いて略直線状に配列される複数の素子アンテナ、および、前記複数の素子アンテナがそれぞれ接続されるとともに、送信系及び受信系と方形導波管を介して接続される給電部が設けられる給電線路を備えるサブアレーアンテナの複数個を、平面上に、接続される前記方形導波管の断面矩形開口の形状に合わせた外観形状をした前記給電部の長手方向側端面を隣接する給電部間で対面させて前記各給電線路が並行するように配置したアレーアンテナにおいて、前記複数のサブアレーアンテナは、それぞれの前記給電線路に設けられる前記給電部が、隣接する給電部の長手方向側端面が対面せずに、短手方向側端面が対面するように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、各サブアレーアンテナを、隣接する給電線路における給電部同士を長手方向側端面が対面せず短手方向側端面が対面するように配置するので、サブアレーアンテナの配列間隔を給電部に接続される方形導波管の広壁面幅に必要とされる外形寸法（０．９波長）よりも小さくすることができる。具体的には、アレーアンテナがマイクロストリップアレーアンテナであるか、同軸スロットアレーアンテナであるかを問わず、サブアレーアンテナの配列間隔を限界付近の約０．６波長程度まで狭くすることができる。したがって、グレーティングローブを抑圧しつつビーム走査範囲を拡大できるという効果を奏する。なお、アレーアンテナがマイクロストリップアレーアンテナであっても、特許文献１に記載の発明のように、アンテナ基板の他に給電基板などを使用しないため、製造コストを抑制することができるという効果も得られる。

図１は、本発明の実施の形態１によるアレーアンテナの外観構成を示す概念図である。 図２は、図１に示す給電部と方形導波管との関係を説明するＡ−Ａ’線断面図である。 図３は、図１に示す給電部に設けられるマイクロストリップ線路・導波管変換部の詳細を説明する平面図である。 図４は、図３に示すＢ−Ｂ’線での断面図である。 図５は、本発明の実施の形態２によるアレーアンテナの外観構成を示す概念図である。

以下に、本発明にかかるアレーアンテナの実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるアレーアンテナの外観構成を示す概念図である。図２は、図１に示す給電部と方形導波管との関係を説明するＡ−Ａ’線断面図である。図３は、図１に示す給電部に設けられるマイクロストリップ線路・導波管変換部の詳細を説明する平面図である。図４は、図３に示すＢ−Ｂ’線での断面図である。

図１において、本実施の形態１によるアレーアンテナ１は、例えばマイクロストリップアレーアンテナであって、アンテナ基板２上に所定の間隔（アレー間隔）を置いて並置された複数のサブアレーアンテナ３により構成される。

マイクロストリップアレーアンテナを構成する複数のサブアレーアンテナ３は、それぞれ、アンテナ基板２上に所定の間隔を置いて略直線状に配置されるパッチアンテナである複数の素子アンテナ４と、複数の素子アンテナ４がそれぞれ接続される給電線路５とを備えている。給電線路５は、複数の素子アンテナ４の配列方向に沿って配置されるから、同様に略直線状の配置となっている。給電線路５は、例えば、マイクロストリップ線路やトリプレート線路、ポスト壁導波路などであり、その長手方向長の略中央に給電部６が設けられる。

給電部６とアンテナ外部の送信系および受信系との間は、方形導波管を介して接続されるから、給電部６は、例えば図２〜図４に示すようなマイクロストリップ線路・方形導波管変換部を構成している。

図１では、各給電線路５が交互に長手方向にずれて配置されているので、図２では、１つおきの給電部６と１つおきの給電線路５とが示されている。図２に示すように、アンテナ基板２上に形成される各給電部６では、アンテナ基板２の背面を被覆する地導体パターン７に、方形導波管８の断面矩形開口端８ａが接続される。マイクロストリップ線路・導波管変換部である給電部６は、具体的には、例えば図３、図４に示すようになっている。なお、図３、図４では、方形導波管８の管壁肉厚は図示を省略している。

図３、図４において、地導体パターン７には、接続される方形導波管８の断面矩形開口端８ａの矩形状に相似な細長い矩形形状の結合スロット９が管軸位置を中心にして断面矩形開口端８ａの長辺に並行して形成されている。そして、方形導波管８の接続位置に対応したアンテナ基板２の表面領域には、導体パターン１０が形成されるが、この導体パターン１０から、給電線路５を構成するストリップ導体５ａが結合スロット９の直上位置から両方向へ引き出されている。導体パターン１０の外周囲と地導体パターン７とを接続する複数の接続導体１１は、方形導波管８の断面矩形開口端８ａの外周囲を取り囲むように配置されている。

複数の接続導体１１は、金属壁を構成するから、アンテナ基板２内に擬似的な方形導波管が形成される。このアンテナ基板２内の擬似方形導波管と給電部６に接続される方形導波管８とが、結合スロット９を介して電磁気的に結合することにより、給電線路５での伝送モードと方形導波管８での伝送モードとの変換が行われる。

このように、給電部６の外形状は、接続される方形導波管８の断面矩形開口の形状に合わせた形状（多くの場合、矩形形状）をしている。なお、接続される方形導波管８の断面矩形開口の形状は、図３では、４つの角部が直角である場合を示したが、アールが付いている場合もある。

さて、フェーズドアレーアンテナまたはデジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）等の電子走査アンテナでは、複数のサブアレーアンテナの配列間隔が適切でない場合には、本来のメインビームの他にグレーティングローブも発生する。例えばレーダアンテナの場合、グレーティングローブが目標物を捉えると、目標物の方向検出を誤る等の重大な問題が生じる。そのため、グレーティングローブが発生しないように設計する必要がある。

グレーティングローブを発生させない条件は、複数のサブアレーアンテナの配列間隔をｄとし、波長をλとし、最大ビーム走査角をθｍとすれば、次式（１）
ｄ≦λ／（１＋｜ｓｉｎθｍ｜） …（１）
で与えられる。

式（１）から理解できるように、最大ビーム走査角θｍを大きくするには、配列間隔ｄを狭くする必要がある。例えば、最大ビーム走査角θｍを４０°とすると、配列間隔ｄは０．６λ以下に設定する必要がある。但し、素子アンテナとして通常用いられるパッチアンテナの外形寸法は０．５λ程度であるので、配列間隔ｄを０．５λまで近づけることは困難であり、ｄ＝０．６λ程度が限界となる。

一般的なアレーアンテナの外観構成を図１に示した符号を用いて説明すると、一般的なアレーアンテナでは、複数のサブアレーアンテナ３を、アンテナ基板２上に、図１とは異なり、それぞれの給電線路５を両端を揃えて配置していた。

このとき、各サブアレーアンテナの給電部６に接続される各方形導波管８は、図２〜図４に示したように、それぞれの広壁面を各サブアレーアンテナの配置面と直交させ、かつ各サブアレーアンテナの配列方向と並行させた状態で各給電部６と接続される。したがって、各給電部６の外観形状は、接続される方形導波管８の断面矩形開口と相似の形状（多くの場合、矩形形状）をしている。

要するに、一般的なアレーアンテナでは、各サブアレーアンテナが、それぞれの給電線路５の両端を揃えて配置されていたので、給電部６の長手方向側端面を隣接する給電部間で対面させて各給電線路５が並行するように配置されていた。したがって、給電部６の長手方向の寸法は、接続される方形導波管８の広壁面幅に必要とされる外形寸法と同程度の寸法である。

ここで、方形導波管の寸法は、周波数毎に公的規格で定められている。例えば、ミリ波帯の７６．５ＧＨｚ用の方形導波管の寸法は、内径が２．５４×１．２７ｍｍとなっている。これに管の肉厚として０．５ｍｍを加えると、外形寸法は、３．５４×２．２７ｍｍとなり、波長λで表すと、内径は０．６４８λ×０．３２４λとなり、外形寸法は０．９０３λ×０．５７９λとなる。つまり、マイクロ波帯やミリ波帯で用いる方形導波管の広壁面幅に必要とされる外形寸法は、０．９波長以上となる。

したがって、一般的なアレーアンテナでは、サブアレーアンテナの配列間隔を０．９波長以下に狭くしようとすると、隣接する給電部６の長手方向側端面同士が互いに干渉するので、サブアレーアンテナの配列間隔を０．９波長以下には狭くできない。

この問題を解決する方法として、複数のサブアレーアンテナ３それぞれの給電線路５を、隣接する給電部６の長手方向側端面が対面せず、短手方向側端面が対面するように、配置できれば、隣接する給電部６の長手方向側端面同士が互いに干渉させずに、サブアレーアンテナの配列間隔を０．９波長以下に狭くすることができる。そのような配置態様の構成例として実施の形態１と実施の形態２とを示す。

本実施の形態１では、図１に示すように、給電部６が給電線路５のほぼ中央に設けられている場合に、それぞれの給電線路５を交互に長手方向にずらして配置するようにした。そうすれば、給電線路５間において、各給電部６を、隣接する給電部６の長手方向側端面同士が互いに対面せず、隣接する給電部６の短手方向側端面同士が対面するように配置できるので、配列間隔を、限界の約０．６波長程度まで狭くすることができる。

次に、動作について説明する。本アレーアンテナ１を送信に使用する場合、複数のサブアレーアンテナ３の各給電部６には、外部の送信系に接続される方形導波管８からマイクロ波帯またはミリ波帯の高周波信号が入力される。入力された高周波信号は、各給電部６において伝送モードが給電線路５での伝送モードへ変換される。伝送モードが変換された高周波信号は、給電線路５の長手方向の一方側と他方側とに分配され、それぞれの側の給電線路５における複数の素子アンテナ４に順々に給電され、空間に電磁波が放射される。

また、本アレーアンテナ１を受信に使用する場合、空間から到来した電磁波は、複数のサブアレーアンテナ３のそれぞれにおける複数個の素子アンテナ４によって受信され、給電線路５および給電部６によって合成された高周波信号が、外部の受信系に接続される方形導波管８へ出力される。アンテナは一般に送受可逆であるから、本アレーアンテナ１は送信にも受信にも使用できる。

ここで、本実施の形態１によれば、各給電線路５の長手方向のほぼ中央に給電部６を設けるマイクロストリップアレーアンテナにおいて、図１に示すように、サブアレーアンテナ３を長手方向に交互にずらして配置している。そのため、隣接する給電部６を、互いに長手方向側端面を干渉させずに、互いに短手方向側端面を対面させるように、各給電線路５を近づけて配置することができるので、各サブアレーアンテナ３の配列間隔を限界の約０．６波長程度まで狭くすることができる。

したがって、グレーティングローブを抑圧しつつビーム走査範囲を拡大できるという効果が得られる。また、特許文献１に記載の発明のように、アンテナ基板の他に給電基板などを使用しないため、製造コストを抑制することができるという効果も得られる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２によるアレーアンテナの外観構成を示す概念図である。なお、図５では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一または同等である構成要素には同一の符号が付されている。図５においては、本実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。

図５に示すように、本実施の形態２によるアレーアンテナ２０は、図１（実施の形態１）に示した構成において、サブアレーアンテナ３に代えて、サブアレーアンテナ２１が設けられている。サブアレーアンテナ２１は、給電線路２２ａが設けられる第１のサブアレーアンテナと、給電線路２２ｂが設けられる第２のサブアレーアンテナとを交互に配置して構成されている。

そして、図５に示すように、本実施の形態２によるアレーアンテナ２０は、給電線路２２ａが設けられるサブアレーアンテナ（第１のサブアレーアンテナ）２１と、給電線路２２ｂが設けられるサブアレーアンテナ（第２のサブアレーアンテナ）２１とが両端を揃えて、交互に配置されている。

ここで、給電線路２２ａ，２２ｂは、実施の形態１での給電線路５と同様に、マイクロストリップ線路やトリプレート線路、ポスト壁導波路などで構成され、設けられる給電部６も同様に方形導波管が接続され、同様に変換部が構成され、同様の寸法を有した外観形状であるが、給電部６の配置位置が実施の形態１とは異なっている。すなわち、給電線路２２ａでの給電部６は、給電線路２２ａの長手方向長の略中央から長手方向一端側へ所定間隔ずれた位置に設けられ、また、給電線路２２ｂでの給電部６は、給電線路２２ｂの長手方向長の略中央から長手方向他端側へ所定間隔ずれた位置に設けられている。

隣接する給電線路２２ａと給電線路２２ｂとは、給電部６を互いに逆向きの長手方向へずらして配置してあるので、図５に示すように、給電線路２２ａ，２２ｂを両端を揃えて交互に配置すれば、隣接する給電部６間で、互いの長手方向側端面が干渉せず、互いの短手方向側端面が対面するように、近づけて配置することができ、給電線路２２ａ，２２ｂの配列間隔を０．９波長以下に狭くすることができる。

したがって、本実施の形態２によれば、サブアレーアンテナ２１の配列間隔を限界の約０．６波長程度まで狭くすることができるので、実施の形態１と同様に、グレーティングローブを抑圧しつつビーム走査範囲を拡大できる。

ここで、実施の形態１では、図１に示すように、隣接する給電線路５が互いに長手方向にずれて配置されているので、複数のサブアレーアンテナ３それぞれの位相中心が配列方向において略直線上に並ばなくなり、測角時に直交成分が混入し、測角精度が低下する可能性がある。

これに対し、本実施の形態２では、図５に示すように、隣接する給電線路２２ａ，２２ｂ間において長手方向へのずれがないので、複数のサブアレーアンテナ２１それぞれの位相中心が配列方向において略直線上に並ぶことになり、測角時に直交成分が混入することがなく、測角精度の低下を防止できる。

したがって、本実施の形態２によれば、実施の形態１で得られる作用・効果に加えて、実施の形態１において問題になる測角精度の低下を防止できる。

なお、マイクロ波帯やミリ波帯で用いられるアレーアンテナとして、実施の形態１，２では、マイクロストリップアレーアンテナへの適用例を示したが、その他、例えば同軸スロットアレーアンテナなどにも同様に適用することができる。

以上のように、本発明にかかるアレーアンテナは、サブアレーアンテナの配列間隔を給電部に接続される方形導波管の広壁面に必要とされる外形寸法よりも小さくすることができるアレーアンテナとして有用である。

１，２０ アレーアンテナ
２ アンテナ基板
３，２１ サブアレーアンテナ
４ 素子アンテナ
５，２２ａ，２２ｂ 給電線路
５ａ 給電線路を構成するストリップ導体
６ 給電部
７ 地導体パターン
８ 方形導波管
８ａ 方形導波管の断面矩形開口端
９ 結合スロット
１０ 導体パターン
１１ 接続導体

Claims (3)

1. 所定の間隔を置いて略直線状に配列される複数の素子アンテナ、および、前記複数の素子アンテナがそれぞれ接続されるとともに、送信系及び受信系が方形導波管を介して接続される給電部が設けられる給電線路を備えるサブアレーアンテナの複数個を、平面上に、接続される前記方形導波管の断面矩形開口の形状に合わせた外観形状をした前記給電部の長手方向側端面を隣接する給電部間で対面させて前記各給電線路が並行するように配置したアレーアンテナにおいて、
   前記複数のサブアレーアンテナは、
   それぞれの前記給電線路に設けられる前記給電部が、隣接する給電部の長手方向側端面が対面せず、短手方向側端面が対面するように配置されている
   ことを特徴とするアレーアンテナ。
2. 前記複数のサブアレーアンテナは、
   前記給電部がそれぞれの前記給電線路の長手方向長の略中央に設けられ、隣接する給電部間では互いの短手方向側端面が対面し、１つおきの給電部間では互いの長手方向側端面が対面するように、各前記給電線路が互いに長手方向へずれて配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。
3. 前記複数のサブアレーアンテナは、
   前記給電線路の長手方向長の略中央から該長手方向の一端側へ所定間隔ずれた位置に前記給電部が設けられる第１のサブアレーアンテナと、
   前記給電線路の長手方向長の略中央から該長手方向の他端側へ所定間隔ずれた位置に前記給電部が設けられる第２のサブアレーアンテナと
   で構成され、
   前記第１のサブアレーアンテナと前記第２のサブアレーアンテナとが、前記給電線路の両端を揃えて配列方向へ交互に配置され、かつ隣接する前記給電部の短手方向側端面を対面させて配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。

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