JP2005340939A - アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】所望の指向性を備え、且つアンテナエレメントが効率良く配列形成されたアレイアンテナを提供する。
【解決手段】基板１の表面には、該基板１の長辺方向を配列方向としてアンテナエレメント２ａ〜２ｔがそれぞれ所定の間隔で直線状に配列形成されている。また、基板１表面のアンテナエレメント２ｉ，２ｊ間に対応する位置には位相反転分配器６が形成されており、この位相反転分配器６から前記配列方向に沿って延びる親給電ライン４が形成されている。各アンテナエレメント２ａ〜２ｔと親給電ライン４とは、それぞれ所望のインピーダンスを有する子給電ライン３ａ〜３ｔにより接続されており、子給電ライン３ａ〜３ｔはそれぞれアンテナエレメント２ａ〜２ｔにおける位相反転分配器６側の前記配列方向に垂直な辺の略中央にてアンテナエレメント２ａ〜２ｔと接続されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、それぞれに電波を放射する複数のアンテナエレメントを略直線状に配列形成したアレイアンテナに関するものである。

従来、複数のアンテナエレメントを基板に配列形成し、これらアンテナエレメントにそれぞれ子給電ラインを接続し、これら子給電ラインを並列的に接続する構成のアレイアンテナが種々考案されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような従来のアレイアンテナにおいて、アンテナエレメントを直線状に配列形成してなるものがあり、このアレイアンテナは図６に示すような構造をなしている。
図６は、アンテナエレメントを直線状に配列形成した従来のアレイアンテナの概略構成を示す平面図である。
図６に示すように、アレイアンテナは、平面視した形状が長方形状の基板１と、該基板１の表面に形成されたアンテナエレメント２ａ〜２ｉと、該アンテナエレメント２ａ〜２ｉにそれぞれ接続する子給電ライン３ａ〜３ｉと、子給電ライン３ａ〜３ｉに接続する親給電ライン４と、該親給電ライン４に接続するとともに図示しない外部回路に接続する接続用ライン５とから構成される。そして、基板１は誘電体材料により形成されており、アンテナエレメント２ａ〜２ｉ、子給電ライン３ａ〜３ｉ、親給電ライン４、接続用ライン５は基板１表面に形成された導体により形成されている。

アンテナエレメント２ａ〜２ｉは基板１の長辺方向を配列方向として、略直線状に所定の等間隔で配列形成されており、各アンテナエレメント２ａ〜２ｉは各子給電ライン３ａ〜３ｉに、配列方向に垂直な辺で、且つアンテナエレメント２ａ〜２ｉに対して同じ方向、図６で示せばアンテナエレメント２ａ〜２ｉの右側の辺で接続されている。これは、各アンテナエレメントに同じ方向の電界を誘導するとともに、子給電ラインに所定のインピーダンスを備えるためである。そして、アンテナエレメント２ａ〜２ｉの形成間隔は、アンテナエレメント２ａ〜２ｉから放射される電波の位相を同期させることと電波の放射パターンを最適化するため、通常、放射電波の波長の整数倍に設定されている。

これにより、全てのアンテナエレメントが等間隔で配置されて、所定方向に高強度の電波が放射される。
特開平１１−３１２９０９号公報

しかしながら、このような従来のアレイアンテナでは、子給電ライン３ａ〜３ｉがアンテナエレメント２ａ〜２ｉに対して同じ方向から接続する構造をなすため、基板１の長辺方向の両端付近までアンテナエレメントを形成することができず、基板長Ｌ_pwbに対してアンテナ長Ｌ_antが短くなり、基板１の表面にアレイアンテナを効率良く形成することができなかった。

したがって、この発明の目的は、所望の指向性を備え、且つ基板に効率良くアンテナエレメントが配列形成されたアレイアンテナを提供することにある。

この発明は、基板表面に、略一直線状に配列形成された複数のアンテナエレメントと、該複数のアンテナエレメントに、配列方向に対して垂直な辺からそれぞれ接続する複数の子給電ラインと、該複数の子給電ラインを並列的に接続する親給電ラインとを備えたアレイアンテナにおいて、親給電ラインの途中点に位相反転分配器を接続するとともに、複数のアンテナエレメントのそれぞれの子給電ライン接続点を各アンテナエレメントの位相反転分配器側とし、複数のアンテナエレメントを、位相反転分配器の接続点を通り配列方向に垂直な基準線に対して線対称に配列し、且つアンテナエレメントの配列間隔を不均等としたことを特徴としている。

さらに、この発明のアレイアンテナは、親給電ラインおよび子給電ラインを、基準線に対して線対称に配置したことを特徴としている。または、この発明のアレイアンテナは、基準線に垂直で且つアンテナエレメントの基準線に平行な辺の中点を通る第２基準線と基準線との交点に位相反転分配器を配置し、親給電ラインおよび子給電ラインを、この交点に対して点対称に配置することを特徴としている。

この構成では、各子給電ラインがアンテナエレメントに対して、基板の長辺方向の途中点に配置された位相反転分配器側で接続するので、配列形成された両端のアンテナエレメントの子給電ラインとの接続点は、基板の端面と対向する側の辺に配置される。これにより、基板の長辺方向の端部までアンテナエレメントが形成される。この際、前記基準線に対して対称な位置のアンテナアライメント同士では、給電方向、すなわち子給電ラインとの接続点の位置が、アンテナエレメントに対して反対になるが、これら子給電ラインに供給される信号は、位相反転分配器により逆相関係に制御されているので、互いに相殺されることはない。

また、アンテナエレメントの配列間隔が不均等であることから、この配列間隔を適当に制御することで、各アンテナエレメントから放射される電波の相互干渉により、アレイアンテナから放射される電波の指向性が変化して、所定方向に強い指向性を有する電波が放射される。

また、この発明は、位相反転分配器から各アンテナエレメントまでの給電ラインをそれぞれ異なるインピーダンスで形成することを特徴としている。

この構成では、各アンテナエレメントへの給電ラインのインピーダンスをそれぞれ異ならせることにより、アンテナエレメント毎に異なる減衰量のアッテネータが挿入されることとなる。このため、アンテナエレメント毎に異なる強度で電波が放射される。そして、この強度が異なる電波同士が相互干渉することで、所定の指向性が得られる。

また、この発明は、アンテナエレメントの配列間隔を、位相反転分配器に近接するアンテナエレメント間の間隔のみ他のアンテナエレメント間の間隔と異ならせたことを特徴としている。

この構成では、アンテナエレメントの配列間隔が位相反転分配器の近傍のみ異なることでアンテナエレメントの配列パターンが単純化され、アレイアンテナが簡素な構造で形成される。

この発明によれば、アンテナエレメントを基板の両端付近まで形成することができるので、所定外形寸法の基板に対して可能な限り長いアンテナ長のアレイアンテナを形成することができる。これにより、同じアンテナ長であれば、従来よりもアレイアンテナを小型に形成することができる。さらに、アンテナエレメントの配列間隔を適当に不均等にすることで、指向性を制御することができ、所望の指向性を有するアレイアンテナを構成することができる。したがって、所望の指向性を有するアレイアンテナを予め設定された基板サイズで、より効果的に構成することができる。

また、この発明によれば、各アンテナエレメントに接続する子給電ラインがそれぞれ異なる減衰量を有するアッテネータとして機能するので、この減衰量を制御することで、アレイアンテナから放射される電波の指向性を制御でき、所望の指向性を有するアレイアンテナを構成することができる。

本発明の第１の実施形態に係るアレイアンテナについて図１〜図３および表１、表２を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係るアレイアンテナの概略構成を示す平面図である。
図１に示すように、アレイアンテナは、平面視した形状が長方形状の基板１と、該基板１の表面に配列形成された、複数のアンテナエレメント２ａ〜２ｔと、基板１の表面にそれぞれ形成された子給電ライン３ａ〜３ｔ、親給電ライン４、接続用ライン５、位相反転分配器６とを備える。そして、基板１は誘電体材料により形成されており、アンテナエレメント２ａ〜２ｔ、子給電ライン３ａ〜３ｔ、親給電ライン４、接続用ライン５は基板１表面に形成された電極により形成されている。位相反転分配器６は親給電ライン４と接続用ライン５と接続部に所定パターンで形成された導体により構成されており、例えば、信号分配回路と位相反転回路とからなる。

アンテナエレメント２ａ〜２ｔは、外形形状が基板１の短辺方向を自身の長辺方向とし基板１の長辺方向を自身の短辺方向とする平面視した形状が長方形状である。これらアンテナエレメント２ａ〜２ｔは基板１の長辺に平行な方向を配列方向として、所定の間隔で配列形成されている。そして、アンテナエレメント２ｉとアンテナエレメント２ｊとの間の基板１の長辺方向の略中心で、基板１のアンテナエレメント２ａ〜２ｔが配列形成された領域から短辺方向に所定距離離れた位置に、位相反転分配器６が形成されている。
親給電ライン４は、位相反転分配器６からアンテナエレメント２ａ〜２ｔの配列方向、すなわち基板１の長辺方向に延びる形状に形成されており、アンテナエレメント２ａ〜２ｉ側に延びる第１親給電ライン部４ａとアンテナエレメント２ｊ〜２ｔ側に延びる第２親給電ライン部４ｂとからなる。

第１親給電ライン部４ａとアンテナエレメント２ａ〜２ｉとは、それぞれ子給電ライン３ａ〜３ｉにより接続されており、これら子給電ライン３ａ〜３ｉはそれぞれアンテナエレメント２ａ〜２ｉの位相反転分配器６側で配列方向に垂直な辺に一方端が接続し、アンテナエレメント２ａ〜２ｔの配列方向（基板１の長辺方向）に所定距離延びる形状で形成された部分と、この部分の他方端に接続するとともに第１親給電ライン４ａの延びる方向と垂直な方向（基板１の短辺方向）に延びて第１親給電ライン４ａに接続する部分とからなる。

同様に、第２親給電ライン部４ｂとアンテナエレメント２ｊ〜２ｔとは、それぞれ子給電ライン３ｊ〜３ｔにより接続されており、これら子給電ライン３ｊ〜３ｔはそれぞれアンテナエレメント２ｊ〜２ｔの位相反転分配器６側で配列方向に垂直な辺に一方端が接続し、アンテナエレメント２ａ〜２ｔの配列方向（基板１の長辺方向）に所定距離延びる形状で形成された部分と、この部分の他方端に接続するとともに第２親給電ライン４ｂの延びる方向と垂直な方向（基板１の短辺方向）に延びて第２親給電ライン４ｂに接続する部分とからなる。このような構成とすることで、アンテナエレメント２ａ〜２ｉ、子給電ライン３ａ〜３ｉ、第１親給電ライン４ａからなる電極パターン群と、アンテナエレメント２ｊ〜２ｔ、子給電ライン３ｊ〜３ｔ、第２親給電ライン４ｂからなる電極パターン群とが、位相反転分配器６を通りアンテナエレメント２ａ〜２ｔの配列方向に垂直な基準線に対して線対称の形状となる。

位相反転分配器６は、接続用ライン５を介して入力された信号を第１親給電ライン４ａと第２親給電ライン４ｂとに低損失で分配し、一方の信号の位相を反転させる。例えば、第１親給電ライン４ａに伝送する信号に対して、第２親給電ライン４ｂに伝送する信号の位相をπ［ｒａｄ．］進ませるかπ［ｒａｄ．］遅らせる。

これにより、各アンテナエレメント２ａ〜２ｔに誘導される電界Ｅａ〜Ｅｔの方向が図２に示すように一致する。図２、は本実施形態のアンテナエレメントに誘導される電界の向きを示す概念図である。
この結果、位相反転分配器６を通りアンテナエレメント２ａ〜２ｔの配列方向に垂直な基準線（図１中の１点鎖線）に対して対称な位置に配置されたアンテナエレメント同士から放射される電波の相殺が防止されて、アレイアンテナから所定の指向性を有する電波が放射される。

ここで、アンテナエレメント２ａ〜２ｔの形成間隔は、アンテナエレメント２ａ，２ｂ間を長さＬ_abとし、アンテナエレメント２ｂ，２ｃ間を長さＬ_bcとし、アンテナエレメント２ｃ，２ｄ間を長さＬ_cdとし、アンテナエレメント２ｄ，２ｅ間を長さＬ_deとし、アンテナエレメント２ｅ，２ｆ間を長さＬ_efとし、アンテナエレメント２ｆ，２ｇ間を長さＬ_fgとし、アンテナエレメント２ｇ，２ｈ間を長さＬ_ghとし、アンテナエレメント２ｈ，２ｉ間を長さＬ_hiとし、アンテナエレメント２ｉ，２ｊ間を長さＬ_ijとし、アンテナエレメント２ｊ，２ｋ間を長さＬ_jkとし、アンテナエレメント２ｋ，２ｍ間を長さＬ_kmとし、アンテナエレメント２ｍ，２ｎ間を長さＬ_mnとし、アンテナエレメント２ｎ，２ｐ間を長さＬ_npとし、アンテナエレメント２ｐ，２ｑ間を長さＬ_pqとし、アンテナエレメント２ｑ，２ｒ間を長さＬ_qrとし、アンテナエレメント２ｒ，２ｓ間を長さＬ_rsとし、アンテナエレメント２ｓ，２ｔ間を長さＬ_stとしている。そして、本実施形態では、表１に示すように、アンテナエレメント２ｉ，２ｊ間の長さＬ_ijのみが他の長さＬ_ab〜Ｌ_hi，Ｌ_jk〜Ｌ_stと異なっており、これらの間隔は各アンテナエレメント２ａ〜２ｔから放射される電波が所定の放射パターンとなるように設定されている。
また、子給電ライン３ａ〜３ｔは、表２に示すように、それぞれ所定の減衰量が得られるように、子給電ライン３ａ〜３ｔ毎に異なるインピーダンスを有する。これを実現するため、子給電ライン３ａ〜３ｔはそれぞれ所定の厚みや幅で電極が形成されていたり、子給電ラインの途中に抵抗器等のインピーダンス素子を直列接続している。

表１は、各アンテナエレメント間の長さＬ_ab〜Ｌ_hiの設定値を示しており、表２は位相反転分配器６から各アンテナエレメント２ａ〜２ｔまでの親給電ライン４および各子給電ライン３ａ〜３ｔによる減衰量を示している。

表１に示すように、本実施形態のアレイアンテナは、位相反転分配器６に近接するアンテナエレメント２ｉ、２ｊ間の間隔Ｌ_ijのみを、他のアンテナエレメントの間隔Ｌ_ab〜Ｌ_hi，Ｌ_jk〜Ｌ_stと異ならせている。

また、表２に示すように、本実施形態のアレイアンテナは、前記基準線に対して対称な位置に配置された対向するアンテナエレメントまで給電ラインの減衰量を同じにし、位相反転分配器６からの距離に応じてそれぞれの対のアンテナエレメント毎に給電ラインの減衰量を変化させている。

このような構成でアレイアンテナを形成することにより図３に示す放射特性が得られる。
図３は本実施形態のアレイアンテナにおける、アレイアンテナの長辺方向の放射特性を示す図である。
図３に示すように、本実施形態の構造、すなわち、位相反転分配器６に近接するアンテナエレメント２ｉ、２ｊ間の間隔Ｌ_ijのみを他のアンテナエレメントの間隔Ｌ_ab〜Ｌ_hi，Ｌ_jk〜Ｌ_stと異ならせて、且つ位相反転分配器６から各アンテナエレメント２ａ〜２ｔまでの給電ラインの減衰量を所定値に設定することで、長辺方向の中心付近でのみ強く電波が放射するアレイアンテナを単純な構造で形成することができる。

以上のような構成とすることで、アンテナエレメントが基板の長辺方向の両端付近まで形成されるので、アンテナエレメントが基板に効率良く配置され、基板長Ｌ_pwbに対して可能な限りアンテナ長Ｌ_antが長いアレイアンテナを形成することができ、さらに、各子給電ライン３ａ〜３ｔによる減衰量を適当に設定することで、所望の放射特性を得ることができる。すなわち、所望の放射特性（指向性）を備えるアレイアンテナを所定形状の基板を用いて効率良く形成することができる。また、アンテナエレメントの配列方向の中心のアンテナエレメント間の間隔、すなわち、位相反転分配器に近接するアンテナエレメント間の間隔のみが異なることで、アンテナエレメントの配列パターンが単純化されて、アレイアンテナを容易に形成することができる。

次に、第２の実施形態に係るアレイアンテナについて図４、および表３、表４を参照して説明する。
本実施形態に示すアレイアンテナは、アンテナエレメント２ａ〜２ｔの配列間隔を異ならせるとともに、各子給電ライン３ａ〜３ｔによる減衰量を異ならせた点を除き、第１の実施形態に示したアレイアンテナ（図１参照）と同じである。

表３は本実施形態のアレイアンテナのアンテナエレメントの配列間隔を示し、表４は本実施形態のアレイアンテナの位相反転分配器６から各アンテナエレメント２ａ〜２ｔまでの親給電ライン４および各子給電ライン３ａ〜３ｉによる減衰量を示している。

表３に示すように、本実施形態のアレイアンテナはアンテナエレメント２ａ，２ｂ間の間隔Ｌ_abとアンテナエレメント２ｓ，２ｔ間の間隔Ｌ_stとが等しく（Ｌ_ab＝Ｌ_st）、アンテナエレメント２ｂ，２ｃ間の間隔Ｌ_bcとアンテナエレメント２ｒ，２ｓ間の間隔Ｌ_rsとが等しく（Ｌ_bc＝Ｌ_rs）、アンテナエレメント２ｃ，２ｄ間の間隔Ｌ_cdとアンテナエレメント２ｑ，２ｒ間の間隔Ｌ_qrとが等しく（Ｌ_cd＝Ｌ_qr）、アンテナエレメント２ｄ，２ｅ間の間隔Ｌ_deとアンテナエレメント２ｐ，２ｑ間の間隔Ｌ_pqとが等しく（Ｌ_de＝Ｌ_pq）、アンテナエレメント２ｅ，２ｆ間の間隔Ｌ_efとアンテナエレメント２ｎ，２ｐ間の間隔Ｌ_npとが等しい（Ｌ_ef＝Ｌ_np）。さらに、アンテナエレメント２ｆ，２ｇ間の間隔Ｌ_fgとアンテナエレメント２ｍ，２ｎ間の間隔Ｌ_mnとが等しく（Ｌ_fg＝Ｌ_mn）、アンテナエレメント２ｇ，２ｈ間の間隔Ｌ_ghとアンテナエレメント２ｋ，２ｍ間の間隔Ｌ_kmとが等しく（Ｌ_gh＝Ｌ_km）、アンテナエレメント２ｈ，２ｉ間の間隔Ｌ_hiとアンテナエレメント２ｊ，２ｋ間の間隔Ｌ_jkとが等しい（Ｌ_hi＝Ｌ_jk）。そして、アンテナエレメント２ｉ，２ｊ間の間隔Ｌ_ijとともに、これら対になる間隔および単独の間隔を必ずしも同じにするのではなく、不均等に設定している。

また、表４に示すように、本実施形態のアレイアンテナは、前記基準線に対して対称な位置に配置された対向するアンテナエレメントまでの給電ラインの減衰量を同じにし、位相反転分配器６からの距離に応じてそれぞれの対のアンテナエレメント毎に給電ラインの減衰量を変化させている。

このような構成でアレイアンテナを形成することで図４に示す放射特性を得られる。
図４は本実施形態のアレイアンテナにおける、アレイアンテナの長辺方向の放射特性を示す図である。

図４に示すように、本実施形態の構造を用いることで、第１の実施形態に示したアレイアンテナよりもさらに顕著に長辺方向の中心付近でのみ強く電波が放射するアレイアンテナを形成することができる。

以上のような構成とすることで、各アンテナエレメント間の間隔を適当に設定するともに、各子給電ライン３ａ〜３ｔによる減衰量を適当に設定することで、所望の放射特性を得ることができ、且つより放射特性の設定範囲を大きくすることができる。すなわち、より広い放射特性の設定範囲から所望の放射特性（指向性）を備えるアレイアンテナを所定形状の基板を用いて効率良く形成することができる。また、第１の実施形態に示したアレイアンテナと比較して、アンテナエレメントの自由度が向上するので、より最適な放射特性を備えるアレイアンテナを実現することができる。

なお、前述の各実施形態では、アンテナエレメント、親給電ライン、および子給電ラインを、位相分配器を通りアンテナエレメントの配列方向に垂直な基準線に対して線対称に配置した。しかしながら、図５に示すように、アンテナエレメント２ａ〜２ｔの配列方向に伸び、アンテナエレメン２ａ〜２ｔの前記基準線に平行な辺の中点を通る第２基準線と前記基準線との交点に位相反転分配器６を配置し、且つ、子給電ライン３ａ〜３ｔと親給電ライン４ａ，４ｂとをこの交点に対して点対称に配置してもよい。図５はアレイアンテナの他の概略構成を示す平面図である。このような構成を用いても、前述の効果を奏することができる。

また、前述の各実施形態では、アンテナエレメント数を１８個にしたが、アンテナエレメント数は所望とする放射特性やこのアレイアンテナが装着される装置の仕様に応じて任意に設定することができる。
また、前述の各実施形態では、位相反転分配器をアンテナエレメントの配列方向の中心に対応する位置に形成したが、位相反転分配器の形成位置は所望とする放射特性に応じて前記配列方向に沿って任意に設定することができる。

また、前述の実施形態では、アンテナエレメントと位相反転分配器との間のインピーダンスを各子給電ラインのインピーダンスを変化させることにより個別に設定したが、親給電ラインにおける子給電ラインの接続点間のインピーダンスを設定することで、アンテナエレメントと位相反転分配器との間のインピーダンスを所望値に設定してもよい。

第１の実施形態に係るアレイアンテナの概略構成を示す平面図 第１の実施形態に係るアレイアンテナのアンテナエレメントに誘導される電界の向きを示す概念図 第１の実施形態のアレイアンテナにおける、アレイアンテナの長辺方向の放射特性を示す図 第２の実施形態のアレイアンテナにおける、アレイアンテナの長辺方向の放射特性を示す図 アレイアンテナの他の概略構成を示す平面図 従来のアレイアンテナの概略構成を示す平面図

符号の説明

１−基板
２ａ〜２ｔ−アンテナエレメント
３ａ〜３ｔ−子給電ライン
４−親給電ライン
４ａ−第１親給電ライン部
４ｂ−第２親給電ライン部
５−接続用ライン
６−位相反転分配器

Claims (5)

1. 基板表面に、略一直線状に配列形成された複数のアンテナエレメントと、
   該複数のアンテナエレメントに、配列方向に対して垂直な辺からそれぞれ接続する複数の子給電ラインと、該複数の子給電ラインを並列的に接続する親給電ラインとを備えたアレイアンテナにおいて、
   前記親給電ラインの途中点に位相反転分配器を接続するとともに、
   前記複数のアンテナエレメントのそれぞれの子給電ライン接続点が各アンテナエレメントの前記位相反転分配器側であり、
   前記複数のアンテナエレメントは、前記位相反転分配器の接続点を通り前記配列方向に垂直な基準線に対して線対称に配列され、且つアンテナエレメントの配列間隔が不均等であることを特徴とするアレイアンテナ。
2. 前記親給電ラインおよび前記子給電ラインは、前記基準線に対して線対称に配置されている請求項１に記載のアレイアンテナ。
3. 前記位相反転分配器は、前記基準線に垂直で且つ前記アンテナエレメントの前記基準線に平行な辺の中点を通る第２基準線と前記基準線との交点に配置され、
   前記親給電ラインおよび前記子給電ラインは、前記交点に対して点対称に配置されている請求項１に記載のアレイアンテナ。
4. 前記位相反転分配器と各アンテナエレメントとの間の給電ラインはそれぞれ異なるインピーダンスで形成されている請求項１〜請求項３のいずれかに記載のアレイアンテナ。
5. 前記アンテナエレメントの配列間隔は、前記位相反転分配器に近接するアンテナエレメント間の間隔のみ他のアンテナエレメント間の間隔と異なる請求項１〜請求項４のいずれかに記載のアレイアンテナ。

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