JP2016012919A - 衛星通信用アレイアンテナおよびアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 衛星軌道面に発生するサイドローブを抑圧し、給電損失の低減も図ることができる衛星通信用アレイアンテナを得る。
【解決手段】 衛星通信用アレイアンテナ１００は、一定のピッチでマトリクス状に配列された複数のアンテナ素子１を有する第１のサブアレイ１０と、一定のピッチでマトリクス状に配列された複数のアンテナ素子１を有する第２のサブアレイ２０とを備え、第１のサブアレイ１０と第２のサブアレイ２０とが衛星軌道方向に位置をずらされて配置されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、２次元に配列されたアンテナ素子を有する衛星通信用アレイアンテナおよびアンテナに関する。

一般に、衛星通信用アレイアンテナでは、衛星通信システムの間の電波干渉を避けるために、メインローブに対するサイドローブの相対的なレベル（信号強度）を示すサイドローブレベルが小さい必要がある。そこで、例えば特許文献１は、サイドローブレベルを小さくするため、複数のアンテナ素子から構成されるサブアレイが衛星軌道方向に密に配列されたアレイアンテナを開示している。

特開平９−２１４２４１号公報

特許文献１が開示するアレイアンテナによれば、励振位相をそろえるために給電部から各アンテナ素子までの給電線路の線路長を等しくするための冗長な線路の引き回しが必要となる。このため、給電損失が大きい。

この発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、サイドローブレベルが小さく、給電損失が小さいアンテナを提供することを目的とする。

この発明に係る衛星通信用アレイアンテナは、一定のピッチでマトリクス状に配列された複数のアンテナ素子をそれぞれ有する第１のサブアレイおよび第２のサブアレイを備え、前記第１のサブアレイと前記第２のサブアレイとが衛星軌道方向に位置をずらされて配置されている。
また、この発明に係るアンテナは、基板と、前記基板上にマトリクス状に配列された複数のアンテナ素子から構成される第１のサブアレイと、前記基板上にマトリクス状に配列された複数のアンテナ素子から構成される第２のサブアレイと、を備え、前記第１のサブアレイと前記第２のサブアレイとは短手方向に隣接し、長手方向に位置をずらされて配置されている。

この発明によれば、サイドローブレベルが小さく、給電損失が小さい衛星通信用アレイアンテナおよびアンテナを提供することができる。

この発明の実施の形態１に係る衛星通信用アレイアンテナのサブアレイの配列を示す図である。 図１におけるＡＡ部のアンテナ素子の給電線路の接続状態を示す図である。 実施の形態１に係るアレイアンテナの放射パターンを示す図である。 第１のサブアレイに属する各アンテナ素子の位相中心と第２のサブアレイに属する各アンテナ素子の位相中心との間隔とサイドローブレベル最大値との関係を示す図である。 実施の形態１に係る衛星通信用アレイアンテナの変形例を示す図である。 実施の形態１に係る衛星通信用アレイアンテナの他の変形例を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る衛星通信用アレイアンテナのサブアレイの配列を示す図である。

実施の形態１．
以下に、この発明の実施の形態１に係る衛星通信用アレイアンテナを図１〜図４を参照しながら説明する。

図１は、この発明の実施の形態１係る衛星通信用アレイアンテナのサブアレイの配列を示す図である。図１に示すように、この発明の実施の形態１に係る衛星通信用アンテナ１００（以下、単にアレイアンテナ１００という）は、絶縁性基板３０と、絶縁性基板３０の一方の主面に配置された複数のアンテナ素子１と、を備える。なお、アンテナ素子１と絶縁性基板３０との区別を容易にするために、アンテナ素子１にハッチングを施している。

ここで、理解を容易にするため、ｘｙｚ直交座標系を設定する。図１において、アレイアンテナ１００の主面の短手方向をｘ軸方向とし、アレイアンテナ１００の主面の長手方向、すなわち、ｘ軸と直交する方向をｙ軸方向とする。また、ｘ軸およびｙ軸に直交する方向をｚ軸方向とする。アレイアンテナ１００を使用して衛星との間で通信する時には、アレイアンテナ１００の主面を衛星の方向に向ける。つまり、アレイアンテナ１００の主面の法線方向であるＺ軸方向を衛星の方向に向ける。そして、アレイアンテナ１００と通信する衛星の衛星軌道面が、ｙ軸とｚ軸を含むｙｚ平面と平行になるように、アレイアンテナ１００の主面のＹ軸方向を配置する。衛星軌道方向６０は、衛星軌道面とアレイアンテナ１００の主面との交線と平行であり、ｙ軸方向と平行である。

図１に示すように、アレイアンテナ１００は、一定のピッチｄでマトリクス状（ｍ行ｎ列）に配列された複数のアンテナ素子１をそれぞれ有する第１のサブアレイ１０および第２のサブアレイ２０を備える。換言すると、第１のサブアレイ１０と第２のサブアレイ２０は、ピッチｄで２行１２列に配列されたアンテナ素子１を有する。アンテナ素子１のマトリクスの行方向はｙ方向すなわち長手方向に設定され、列方向はｘ方向すなわち短手方向に設定されている。

第１のサブアレイ１０と第２のサブアレイ２０とは、短手方向であるｘ方向（衛星軌道方向と直交する方向）に隣接しており、ｙ方向にピッチｄの１／２だけ位置をずらして配置されている。ある方向に位置をずらしてサブアレイを配置することを、その方向にオフセットを持たせてサブアレイを配置するとも言う。第１のサブアレイ１０に含まれる各アンテナ素子１の位相中心２を衛星軌道面上に垂直に投影したときの投影点２ａと第２のサブアレイ２０に含まれる各アンテナ素子１の位相中心２を衛星軌道面上に垂直に投影したときの投影点２ｂとの間隔Δｄ１は、第１のサブアレイ１０と第２のサブアレイ２０との位置ずらしの長さと等しく、ピッチｄの１／２となる。位置ずらし、すなわち意図的な位置ずれを、オフセットとも呼ぶ。

図２は、図１におけるＡＡ部のアンテナ素子１の給電線路の接続状態を示す図である。図２に示すように、ＡＡ部におけるマトリクス状に配列された各アンテナ素子１は、同一の長さを有する給電線路９０を介して、分岐点ｎａに接続されている。これは、図１におけるＢＢ部〜ＦＦ部についても同様である。また、ＡＡ部〜ＦＦ部のそれぞれに設けられた分岐点ｎａは、同一の長さを有する各給電線路９０を介して、同一の給電部に接続されている。このため、ＡＡ〜ＦＦ部において、給電部から各アンテナ素子への各給電線路９０は、冗長な線路の引き回しなしで、等しい線路長となっている。

次に、図３を参照して、アレイアンテナ１００のサイドローブレベルについて説明する。図３(a)における横軸は、図３(b)に示すように、アレイアンテナ１００のボアサイト方向（ｚ軸方向）を基準方向とし、このボアサイト方向とｙｚ面内の観測方向とがなす角度θ[ｄｅｇ]を示す。また、図３(a)における縦軸は、角度θ＝０におけるメインローブを基準としたときの、各角度θにおけるサイドローブレベル[ｄＢ]を示す。放射パターン９は、２つのサブアレイの位置が衛星軌道方向６０にずらされていない衛星通信用アレイアンテナの放射パターンを示す。また、規格値例１２は、ＩＴＵ−Ｒ勧告等によって許容されるサイドローブレベルを示し、−９０〜―４８[ｄｅｇ]および４８〜９０[ｄｅｇ]の範囲で−３４ｄＢ以下に設定されている

図３(a)に示すように、２つのサブアレイが衛星軌道方向６０にずらされていない（オフセットを有しない）衛星通信用アレイアンテナの放射パターン９は、規格値例１２を上回っている。一方、２つのサブアレイの位置が衛星軌道方向６０にずらされた（オフセットを有した）構成を有するアレイアンテナ１００の放射パターン８は、規格値例１２を下回っている。このように、アレイアンテナ１００は、２つのサブアレイの位置が衛星軌道方向６０にずらされていないアレイアンテナよりも、衛星軌道面内でのサイドローブレベルが小さい。

次に、図４を参照して、間隔Δｄ１とサイドローブとの関係について説明する。図４は、間隔Δｄ１とサイドローブレベル最大値１３との関係を示す図である。なお、図４におけるサイドローブレベル最大値１３は、図３(a)において規格値例１２が設定された角度範囲（−９０〜―４８[ｄｅｇ]および４８〜９０[ｄｅｇ]）内におけるサイドローブレベルの最大値である。

図４に示すように、間隔Δｄ１が０またはｄの場合、サイドローブレベル最大値１３は最大値となる。一方、間隔Δｄ１が１／２ｄの場合、サイドローブレベル最大値１３は最小値となる。したがって、間隔Δｄ１がピッチｄの１／２である場合には、衛星軌道面内のサイドローブレベルが最も小さい。

アレイアンテナ１００では、間隔Δｄ１が、２つのサブアレイの位置ずらし（オフセット）の長さと等しく、ピッチｄの１／２であるので、衛星軌道面のサイドローブレベルが非常に小さい。

上述した本実施の形態１に係るアレイアンテナ１００によれば、マトリクス状に配列された複数のアンテナ素子１を有する２つのサブアレイの位置が衛星軌道方向６０にずらされていることにより、衛星軌道面内のサイドローブレベルが非常に小さい。また、アンテナ素子１がマトリクス状に配置されているので、線路長を調整するための冗長な線路の引き回しなしで、各アンテナ素子１の給電線路９０の線路長を等しくすることができ、給電損失が小さい。

また、本実施の形態１に係るアレイアンテナ１００は、２つのサブアレイの位置ずらしの長さをピッチの１／２とすることにより、衛星軌道面のサイドローブレベルが非常に小さい。

本実施の形態では、図１に示すように、アンテナ素子１の形状として、正方形を例示したが、アンテナ素子１の形状は任意である。アンテナ素子１の形状は、例えば、長方形、円形、楕円形、三角形などでもよい。

また、本実施の形態では、図１に示すように、マトリクス状（ｍ行ｎ列）に配列された複数のアンテナ素子１を有するサブアレイが２列に配置されている。この発明はこれに限定されず、このようなサブアレイが３列以上配置されていてもよい。例えば、図５の例では、絶縁性基板３０の一方の主面に第１のサブアレイ１５が配置され、これを上下両側から挟むように第２のサブアレイ２１と第３のサブアレイ２２とが配置されている。第１のサブアレイ１５と第２のサブアレイ２１および第３のサブアレイ２２とは、長手方向（衛星軌道方向６０）にピッチｄの１／２だけ位置がずらされている。第１のサブアレイ１５に含まれるアンテナ素子１の数と第２のサブアレイ２１と第３のサブアレイ２２とに含まれるアンテナ素子の総数は、同数に設定されることが望ましい。また、図５に示すサブアレイの構成は、４行１２列の第１のサブアレイ１５の上下両側に４行１２列のサブアレイが分割されてそれぞれ配置されている例に相当する。

本実施の形態では、アンテナ素子１のピッチとして、行方向のピッチと列方向のピッチが等しくピッチｄである例を示したが、図６に例示するように、行方向（衛星軌道方向６０）のピッチｄｒと列方向（衛星軌道方向６０と直交する方向）のピッチｄｃとが異なっていてもよい。なお、各サブアレイ内のアンテナ素子１の数は、図５に示すアレイアンテナ１０１、図６に示すアレイアンテナ１０２の各サブアレイが有するアンテナ素子１の数には限定されず、任意である。

実施の形態２．
図７は、この発明の実施の形態２に係る衛星通信用アレイアンテナ２００（以下、単にアレイアンテナ２００という）のサブアレイの配列を示す図である。アレイアンテナ２００は、実施の形態１に係るアレイアンテナ１００と同様、絶縁性基板３０と、この絶縁性基板３０の一方の主面に配置された複数のアンテナ素子１と、を備える。アンテナ素子１と絶縁性基板３０との区別を容易にするために、アンテナ素子１にハッチングを施している。また、図７に示すｘｙｚ直交座標系の各座標軸とアレイアンテナ２００等との関係は、実施の形態１の場合と同様であるため、説明は省略する。

図７に示すように、実施の形態２に係るアレイアンテナ２００は、上記実施の形態１において第１のサブアレイ１０と第２のサブアレイ２０とが衛星軌道方向６０に位置がずらされている。さらに、第１のサブアレイ１０と第２のサブアレイ２０が、それぞれ、衛星軌道方向６０と直交する面で分割され、分割された分割サブアレイ同士の位置が、衛星軌道方向６０と直交する方向７０にずらされている。より具体的には、第１のサブアレイ１０と第２のサブアレイ２０が衛星軌道方向６０と直交する面で、第１の分割サブアレイ１０Ａおよび第２の分割サブアレイ１０Ｂと、第３の分割サブアレイ２０Ａおよび第４の分割サブアレイ２０Ｂに分割され、第１の分割サブアレイ１０Ａと第２の分割サブアレイ１０Ｂとがｘ軸方向にピッチｄの１／２だけ位置がずらされて配置され、第３の分割サブアレイ２０Ａと第４の分割サブアレイ２０Ｂとがｘ方向にピッチｄの１／２だけオフセットされている。これにより、第１の分割サブアレイ１０Ａに含まれる各アンテナ素子１の位相中心２を衛星軌道面と直交する面上に垂直に投影したときの投影点２ｃと第２の分割サブアレイ１０Ｂに含まれる各アンテナ素子１の位相中心２を衛星軌道面と直交する面上に垂直に投影したときの投影点２ｄとの間隔Δｄ２は、ピッチｄの１／２となる。同様に、第３の分割サブアレイ２０Ａに含まれる各アンテナ素子１の位相中心２を衛星軌道面と直交する面上に垂直に投影したときの投影点２ｅと第４の分割サブアレイ２０Ｂに含まれる各アンテナ素子１の位相中心２を衛星軌道面と直交する面上に垂直に投影したときの投影点２ｆとの間隔Δｄ３もピッチｄの１／２となる。このように、各サブアレイの位置がずらされていないアレイアンテナの場合と比較して、実施の形態２に係るアレイアンテナ２００では、各アンテナ素子１の位相中心２の投影点が衛星軌道方向６０と直交する方向７０に密となるため、衛星軌道方向６０と直交する面内のサイドローブレベルが小さい。

上述したように、実施の形態２に係るアレイアンテナ２００は、第１のサブアレイ１０と第２のサブアレイ２０とが衛星軌道方向６０にオフセットされるとともに、第１の分割サブアレイ１０Ａと第２の分割サブアレイ１０Ｂとが衛星軌道方向６０と直交する方向７０に位置がずらされ、第３の分割サブアレイ２０Ａと第４の分割サブアレイ２０Ｂとが衛星軌道方向６０と直交する方向７０に位置がずらされて配置されることにより、実施の形態１に係るアレイアンテナ１００による効果に加えて、衛星軌道方向６０と直交する面内のサイドローブレベルも小さい。

また、実施の形態２に係るアレイアンテナ２００は、同一のサブアレイから分割された分割サブアレイ同士の位置ずらしの長さをピッチｄの１／２としたことにより、衛星軌道方向６０と直交する面内のサイドローブレベルが非常に小さい。

実施の形態２に係るアレイアンテナ２００は、短手方向に隣接し長手方向に位置をずらして配置された２個のサブアレイを有するアレイアンテナに、さらに２個のサブアレイを追加したアレイアンテナと考えることもできる。そう考える場合には、例えば、第１の分割サブアレイ１０Ａが第１のサブアレイであり、第３の分割サブアレイ２０Ａが第２のサブアレイである。そして、第２の分割サブアレイ１０Ｂが第３のサブアレイであり、第４の分割サブアレイ２０Ｂが第４のサブアレイである。図７に示すように、第３のサブアレイ（第２の分割サブアレイ１０Ｂ）と第４のサブアレイ（第４の分割サブアレイ２０Ｂ）は短手方向に隣接し、長手方向に位置をずらされて配置されている。第３のサブアレイ（第２の分割サブアレイ１０Ｂ）は、第１のサブアレイ（第１の分割サブアレイ１０Ａ）に対して長手方向に隣接し、短手方向に位置をずらされて配置されている。第４のサブアレイ（第４の分割サブアレイ２０Ｂ）は、第２のサブアレイ（第３の分割サブアレイ２０Ａ）に対して長手方向に隣接し、短手方向に位置をずらされて配置されている。

上記の実施の形態１においては、第１のサブアレイ１０と第２のサブアレイ２０との位置ずらしの長さはピッチｄの１／２としたときに、衛星軌道面内のサイドローブレベルが非常に小さいことを示した。また、上記の実施の形態２においては、同一のサブアレイから分割された分割サブアレイ同士の位置ずらしの長さをピッチｄの１／２としたことにより、衛星軌道方向６０と直交する面内のサイドローブレベルが非常に小さいことを示した。しかしながら、サブアレイの位置ずらしの長さは、実質的にピッチｄの１／２であればよく、同様の効果が得られれば、例えば、ピッチｄの１／２の８０〜１２０パーセントの範囲であってもよい。

上記の実施の形態においては、実施の形態１に係るアレイアンテナ１００および実施の形態２に係るアレイアンテナ２００の送信特性を中心に説明したが、これらアレイアンテナは受信に関しても同様に優れた特性を示す。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、請求の範囲で示される。そして、請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

１ アンテナ素子、１０、２０、１５、２１、２２ サブアレイ、１０Ａ、１０Ｂ、２０Ａ、２０Ｂ 分割サブアレイ、６０ 衛星軌道方向、７０ 衛星軌道方向と直交する方向、１００、１０１、１０２、２００ 衛星通信用アレイアンテナ。

Claims (10)

1. 一定のピッチでマトリクス状に配列された複数のアンテナ素子をそれぞれ有する第１のサブアレイおよび第２のサブアレイを備え、前記第１のサブアレイと前記第２のサブアレイとが衛星軌道方向に位置をずらされて配置されている衛星通信用アレイアンテナ。
2. 前記第１のサブアレイと前記第２のサブアレイとの位置ずらしの長さは、実質的に前記ピッチの１／２である、請求項１に記載の衛星通信用アレイアンテナ。
3. 前記第１のサブアレイと前記第２のサブアレイは、それぞれ、前記衛星軌道方向と直交する面で、第１の分割サブアレイおよび第２の分割サブアレイと、第３および第４の分割サブアレイに分割され、前記第１の分割サブアレイと前記第２の分割サブアレイとが前記衛星軌道方向と直交する方向に位置をずらされて配置され、前記第３の分割サブアレイと前記第４の分割サブアレイとが前記衛星軌道方向と直交する方向に位置をずらされている、請求項１または２に記載の衛星通信用アレイアンテナ。
4. 前記第１の分割サブアレイと前記第２の分割サブアレイとの位置ずらしの長さおよび前記第３の分割サブアレイと前記第４の分割サブアレイとの位置ずらしの長さは、実質的に前記ピッチの１／２である、請求項３に記載の衛星通信用アレイアンテナ。
5. 前記複数のアンテナ素子の各々に給電する各給電線路を備え、この各給電線路の長さが等しい、請求項１に記載の衛星通信用アレイアンテナ。
6. 基板と、
   前記基板上にマトリクス状に配列された複数のアンテナ素子から構成される第１のサブアレイと、
   前記基板上にマトリクス状に配列された複数のアンテナ素子から構成される第２のサブアレイと、とを備え、
   前記第１のサブアレイと前記第２のサブアレイとは短手方向に隣接し、長手方向に位置をずらされて配置されているアンテナ。
7. 前記第１のサブアレイと前記第２のサブアレイとの位置ずらしの長さは、実質的に前記複数のアンテナ素子の長手方向のピッチの１／２である、請求項６に記載のアンテナ。
8. 前記基板上にマトリクス状に配列された複数のアンテナ素子から構成される第３のサブアレイと、
   前記基板上にマトリクス状に配列された複数のアンテナ素子から構成される第４のサブアレイと、とをさらに備え、
   前記第３のサブアレイと前記第４のサブアレイとは短手方向に隣接し、長手方向に位置をずらされて配置され、
   前記第３のサブアレイは、前記第１のサブアレイに対して長手方向に隣接し、短手方向に位置をずらされて配置され、
   前記第４のサブアレイは、前記第２のサブアレイに対して長手方向に隣接し、短手方向に位置をずらされて配置されている、請求項６に記載のアンテナ。
9. 前記第１のサブアレイと前記第３のサブアレイとの位置ずらしの長さおよび前記第２のサブアレイと前記第４のサブアレイとの位置ずらしの長さは、実質的に前記複数のアンテナ素子の短手方向のピッチの１／２である、請求項８に記載のアンテナ。
10. 前記複数のアンテナ素子の各々に給電する各給電線路を備え、この各給電線路の長さが等しい、請求項６に記載のアンテナ。

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