JP2007228172A

JP2007228172A - アレーアンテナ

Info

Publication number: JP2007228172A
Application number: JP2006045537A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Uchida; 浩光内田; Hisafumi Yoneda; 尚史米田; Takuo Sasaki; 拓郎佐々木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: JP4689493B2

Abstract

【課題】一定の周波数帯域幅全域にわたり各サブアレー間の位相差補償を軽量かつ小型に実現するアレーアンテナを得る。
【解決手段】給電回路として最長の給電導波管４ｂを有する１以上の第１のサブアレー５ｂと、給電回路として第１のサブアレー５ｂの有する最長の給電導波管４ｂよりも短い長さの給電導波管４ａを有する１以上の第２のサブアレー５ａと、第１のサブアレー５ｂおよび第２のサブアレー５ａのそれぞれの給電導波管の出力端子と接続され、第１のサブアレー５ｂおよび第２のサブアレー５ａの受信電力を合成する電力合成器１３とを備えたアレーアンテナにおいて、ＴＥＭ線路あるいは準ＴＥＭ線路に一定周期でインダクタを装荷して構成され、第２のサブアレー５ａの給電導波管４ａの出力端子と電力合成器１３との間に挿入される遅延線路９をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電回路として給電導波管を有する複数のサブアレーにより構成されるアレーアンテナに関するものである。

従来の導波管アレーアンテナにおいては、給電回路が導波管のみにより構成されていた。図４は、導波管給電回路を含む従来のサブアレーの構造図である（例えば、非特許文献１参照）。図４において、誘電体基板１０３の上面には、素子アンテナとなるパッチアンテナ１０１、およびパッチアンテナを給電するマイクロストリップ線路１０２が構成されている。また、金属筐体１０５の内部には、給電導波管１０６が形成されており、給電導波管１０６とパッチアンテナ１０１との間は、給電ピン１０４により電気的に接続されている。

各素子アンテナの受信電力は、給電導波管１０６により合成され、図４の下端にある出力端子に出力される。そして、図４に示したアンテナを単位サブアレーとして、その単位サブアレーを複数個配置することでアレーアンテナを構成することができる。

“Ｌｏｗ−Ｃｏｓｔ、Ｈｉｇｈ−ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙＱｕａｓｉ−ＰｌａｎａｒＡｒｒａｙｏｆＷａｖｅｇｕｉｄｅ−ＦｅｄＣｉｒｃｕｌａｒｌｙＰｏｌａｒｉｚｅｄＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＡｎｔｅｎｎａｓ”ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ｏｎＡｎｔｅｎｎａｓａｎｄＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、Ｖｏｌ．５３、Ｎｏ．６、Ｊｕｎｅ２００５

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。アレーアンテナの開口面形状としては、方形が一般的であるが、時として楕円形状とすることがある。図５は、開口面形状を楕円形状としたアレーアンテナの例示図である。先の図４に示したアンテナを単位サブアレーとして楕円開口のアレーアンテナを構成する場合には、例えば、この図５に示すように、アレー面内の中心部と周辺部においてサブアレーの給電導波管の合計長が互いに異なってくる。

そこで、電力合成時には、給電導波管の合計長を補償する必要が生ずる。図６は、給電導波管の合計長を補償する構成の例示図である。図６に示すように、各サブアレーの受信電力をある一定の周波数帯域全域にわたり同相合成するためには、導波管１１０を付加して、給電導波管の長さをサブアレー間で同一とすることで合成時の位相差を補償したうえで、電力合成を行う必要がある。

しかし、導波管は、その低損失性が利点ではあるものの、同軸線路やマイクロストリップ線路などに比べて重量および寸法が大きくなってしまう欠点がある。従って、このような導波管１１０を付加することにより、給電回路全体の重量、寸法の増加を招いてしまう問題があった。

これに対して、図７は、軽量・小型化を図った給電回路の構成の例示図である。図７に示すように、導波管１１０ではなく、同軸ケーブル１１１、あるいはマイクロストリップ線路などのより軽量かつ小型な伝送線路を用いて位相差補償を行うことが考えられる。

しかし、導波管１１０は、その位相定数の周波数に関する偏微分が定数とならない周波数分散性線路であるのに対して、同軸ケーブル１１１による伝送線路は、周波数分散性がないＴＥＭ（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃ）線路、あるいは周波数分散性がほぼ無視できる準ＴＥＭ線路となる。

図８は、図７の構成を有する給電回路の位相特性を示した図である。図７の構成により、同軸ケーブル１１１による伝送線路で位相差補償を行った場合には、図８に示すように、ある特定の周波数では位相差が正しく補償され同相合成が可能となるものの、それ以外の周波数では位相差の発生が不可避となり、サブアレー間の合成電力の劣化を招いてしまう問題があった。

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、一定の周波数帯域幅全域にわたり各サブアレー間の位相差補償を軽量かつ小型に実現する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、給電回路として最長の給電導波管を有する１以上の第１のサブアレーと、給電回路として第１のサブアレーの有する最長の給電導波管よりも短い長さの給電導波管を有する１以上の第２のサブアレーと、第１のサブアレーおよび第２のサブアレーのそれぞれの給電導波管の出力端子と接続され、第１のサブアレーおよび第２のサブアレーの受信電力を合成する電力合成器とを備えたアレーアンテナにおいて、ＴＥＭ線路あるいは準ＴＥＭ線路に一定周期でインダクタを装荷して構成され、第２のサブアレーの給電導波管の出力端子と電力合成器との間に挿入される遅延線路をさらに備えたものである。

本発明によれば、軽量かつ小径のＴＥＭあるいは準ＴＥＭ線路に一定周期でインダクタを装荷することにより、故意に周波数分散性を有する線路を構成して、同線路をサブアレー内の給電回路に挿入することで、一定の周波数帯域幅全域にわたり各サブアレー間の位相差補償を軽量かつ小型に実現する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。
本発明のアレーアンテナは、先端短絡スタブを装荷して構成される遅延線路を挿入することにより、給電導波管の長さの違いにより生ずる位相差を補償し、同相電力合成を一定の周波数帯域全域にわたって行うことを可能とし、その結果、装置の軽量化、小型化を実現するものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナの構成図である。素子アンテナ１は、誘電体基板２に実装されている。また、金属筐体３ａ，３ｂ内には、給電回路として矩形状の給電導波管４ａ、４ｂが形成されている。そして、給電導波管４ａ、４ｂのそれぞれと素子アンテナ１とは、給電導波管４ａ、４ｂの壁面に挿入された給電ピン１１を経て電磁的に結合されている。

これらの部品は、それぞれサブアレー５ａ、５ｂを構成する。ここで、サブアレー５ｂ（第１のサブアレーに相当）の有する給電導波管４ｂの長さは、サブアレー５ａ（第２のサブアレーに相当）の有する給電導波管４ａの長さよりも短い。そこで、給電導波管４ｂは、最長の給電導波管に相当する。

さらに、サブアレー５ａ内の給電導波管４ａは、導波管−マイクロストリップ線路変換器６、マイクロストリップ線路基板７ａ、マイクロストリップ線路−同軸線路変換器１４、同軸ケーブル１２ａを経て、電力合成器１３に接続される。同様に、サブアレー５ｂ内の給電導波管４ｂも、導波管−マイクロストリップ線路変換器６、マイクロストリップ線路基板７ｂ、マイクロストリップ線路−同軸線路変換器１４、同軸ケーブル１２ｂを経て、電力合成器１３に接続される。

なお、導波管−マイクロストリップ線路変換器６の出力端には、低雑音増幅器１０が接続される（図１下段の部分拡大図参照）。これらの部品により、１つのアレーアンテナが構成される。

ここで、給電導波管４ａは、先に説明したように、最長の給電導波管である給電導波管４ｂに比べてその長さが短くなっている。そこで、この長さの違いにより生じる位相差を補償するために、長さの短い給電導波管４ａに接続されるマイクロストリップ線路基板７ａには、その先端がスルーホール８により接地された先端短絡スタブ９が周期的に装荷されている。ここで、スルーホール８および先端短絡スタブ９は、遅延線路に相当する。

次に、本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナの動作について説明する。サブアレー５ａ、５ｂの間で給電導波管４ａ、４ｂの長さが異なる場合に、各サブアレー間の受信電力を電力合成器１３にて同相合成してアンテナ利得を最大とするためには、給電導波管４ａ、４ｂの長さの差違により生じる位相差を、アンテナ動作周波数帯域全域にわたり補償する必要がある。

しかし、その位相差補償をマイクロストリップ線路基板７ａ、７ｂの長さを互いに違えることで実現しようとした場合には、前述したような問題が生じる。すなわち、給電導波管は、周波数分散性を有する線路であるのに対して、マイクロストリップ線路は、周波数分散性がほとんどない線路であるため、たとえ、ある特定の周波数で位相差補償ができたとしても、それ以外の周波数では位相差補償誤差が大きくなってしまう。

これに対して、本実施の形態１におけるアレーアンテナは、マイクロストリップ線路基板７ａに、給電導波管と同等の周波数分散性を持たせた遅延線路を挿入することで、所望の周波数帯域全域にわたり十分な位相差補償を行うことができる。本実施の形態１では、インダクタとして動作する先端短絡スタブ９をマイクロストリップ線路基板７ａに周期的に装荷することにより構成された遅延線路を用いることで、給電導波管と同等の周波数分散性を得ている。

図２は、本発明の実施の形態１における周期的にインダクタを装荷したＴＥＭ線路の単位長さあたりの等価回路図である。この図２において、Ｌ_０、Ｃ_０は、それぞれＴＥＭ線路が元々有する単位長さ当りのインダクタンス、キャパシタンスを示している。また、Ｌ_ｓは、周期的に装荷したインダクタにより生じる等価的な単位長さあたりのインダクタンスを示している。ここで、ＴＥＭ線路の位相定数β（ω）は、下式（１）により与えられる。

一方、給電導波管の位相定数β_ＷＧ（ω）は、下式（２）により与えられる。なお、下式（２）において、ｃ_０は光速であり、ａは導波管横方向寸法である。

通常のＴＥＭ、準ＴＥＭ線路では、Ｌ_ｓ→∞となるため、βのωに関する偏微分で与えられる周波数分散性は、上式（１）より０となる。しかしながら、ある有限量のＬ_ｓを与えることで、上式（２）で与えられる給電導波管と同等の分散特性が得られることがわかる。

従って、先端短絡スタブ９が周期的に装荷されたマイクロストリップ線路基板７ａは、給電導波管と同等の周波数分散性を有する遅延線路として動作し、マイクロストリップ線路基板７ａの働きにより、サブアレー５ａ、５ｂ内の給電導波管４ａ、４ｂの長さの差違に起因する位相差を、一定の周波数帯域にわたり良好に補償できる。これにより、アレーアンテナ利得の劣化を抑圧できることになる。

また、低雑音増幅器を前述の遅延線路の前段に装荷することで、遅延線路の損失による受信アンテナのＧ／Ｔ比（受信アンテナ利得と受信雑音の比）の劣化を抑圧することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、マイクロストリップ線路に一定周期で先端短絡スタブを装荷して構成される遅延線路をサブアレー給電回路に接続することにより、各サブアレー受信電力の同相電力合成を一定の周波数帯域全域にわたり、小型かつ軽量に実現することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、遅延線路の一例として、先端短絡スタブの先端をスルーホールにて接地する場合について説明した。本実施の形態２では、別の遅延線路の一例として、コプレーナ線路を用いて先端短絡スタブの先端を接地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におけるアレーアンテナの構成図である。素子アンテナ１は、誘電体基板２に実装されている。また、金属筐体３ａ，３ｂ内には、給電回路として矩形状の給電導波管４ａ、４ｂが形成されている。そして、給電導波管４ａ、４ｂのそれぞれと素子アンテナ１とは、給電導波管４ａ、４ｂの壁面に挿入された給電ピン１１を経て電磁的に結合されている。

なお、導波管−マイクロストリップ線路変換器６の出力端には、低雑音増幅器１０が接続される（図３下段の部分拡大図参照）。これらの部品により、１つのアレーアンテナが構成される。

ここで、給電導波管４ａは、先に説明したように、最長の給電導波管である給電導波管４ｂに比べてその長さが短くなっている。そこで、この長さの違いにより生じる位相差を補償するために、長さの短い給電導波管４ａに接続されるマイクロストリップ線路基板７ａの一部には、コプレーナ線路２０が構成されている。さらに、コプレーナ線路２０には、先端がコプレーナ線路２０の地板面に接続された先端短絡スタブ２１が周期的に装荷されている。ここで、コプレーナ線路２０および先端短絡スタブ２１は、遅延線路に相当する。

次に、本発明の実施の形態２におけるアレーアンテナの動作について説明する。本実施の形態２は、実施の形態１において遅延線路をマイクロストリップ線路基板７ａではなく、コプレーナ線路２０により構成した点が異なるだけである。従って、前述した実施の形態１と同等の動作を呈する。

遅延線路においては、先端短絡スタブなどのインダクタ素子が必要となるが、本実施の形態２では、このインダクタ素子をコプレーナ線路２０の先端短絡スタブ２１により実現している。この結果、実施の形態１で必要としていたスルーホール８が不要となり、製造コストを低減することが可能となる。

以上のように、実施の形態２によれば、コプレーナ線路に一定周期で先端短絡スタブを装荷して構成される遅延線路をサブアレー給電回路に接続することにより、各サブアレー受信電力の同相電力合成を一定の周波数帯域全域にわたり、小型かつ軽量に実現することができる。さらに、スルーホールを用いないことから遅延線路の製造コストを低減することもできる。

なお、上述の説明においては、長さの異なる２種類の給電導波管に対する位相補償について説明したが、本発明におけるアレーアンテナは、これに限定されるものではない。３種類以上の異なる長さの給電導波管を有するサブアレーを備えたアレーアンテナにおいても、それぞれの長さに応じた遅延線路を設けることにより、同様の効果を得ることが可能である。

本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナの構成図である。本発明の実施の形態１における周期的にインダクタを装荷したＴＥＭ線路の単位長さあたりの等価回路図である。本発明の実施の形態２によるアレーアンテナの構成図である。導波管給電回路を含む従来のサブアレーの構造図である。開口面形状を楕円形状としたアレーアンテナの例示図である。給電導波管の合計長を補償する構成の例示図である。軽量・小型化を図った給電回路の構成の例示図である。図７の構成を有する給電回路の位相特性を示した図である。

符号の説明

１素子アンテナ、２誘電体基板、３ａ、３ｂ金属筐体、４ａ給電導波管、４ｂ給電導波管（最長の給電導波管）、５ａサブアレー（第２のサブアレー）、５ａサブアレー（第１のサブアレー）、６導波管−マイクロストリップ線路変換器、７ａ、７ｂマイクロストリップ線路基板、８スルーホール、９先端短絡スタブ（遅延線路）、１０低雑音増幅器、１１給電ピン、１２ａ、１２ｂ同軸ケーブル、１３電力合成器、１４マイクロストリップ線路−同軸線路変換器、２０コプレーナ線路、２１先端短絡スタブ（遅延線路）。

Claims

給電回路として最長の給電導波管を有する１以上の第１のサブアレーと、
給電回路として前記第１のサブアレーの有する前記最長の給電導波管よりも短い長さの給電導波管を有する１以上の第２のサブアレーと、
前記第１のサブアレーおよび前記第２のサブアレーのそれぞれの給電導波管の出力端子と接続され、前記第１のサブアレーおよび前記第２のサブアレーの受信電力を合成する電力合成器と
を備えたアレーアンテナにおいて、
ＴＥＭ線路あるいは準ＴＥＭ線路に一定周期でインダクタを装荷して構成され、前記第２のサブアレーの給電導波管の出力端子と前記電力合成器との間に挿入される遅延線路をさらに備えたことを特徴とするアレーアンテナ。
請求項１に記載のアレーアンテナにおいて、
前記遅延線路の前段に低雑音増幅器をさらに備えたことを特徴とするアレーアンテナ。
請求項２に記載のアレーアンテナにおいて、
前記遅延線路は、準ＴＥＭ線路として誘電体基板上にマイクロストリップ線路として構成され、前記誘電体基板上に一定周期で設けられた先端短絡スタブをインダクタとして装荷したことを特徴とするアレーアンテナ。
請求項３に記載のアレーアンテナにおいて、
前記先端短絡スタブは、先端がスルーホールにより接地されることを特徴とするアレーアンテナ。
請求項２に記載のアレーアンテナにおいて、
前記遅延線路は、準ＴＥＭ線路として誘電体基板上にコプレーナ線路として構成され、前記誘電体基板上に一定周期で設けられた先端短絡スタブをインダクタとして装荷したことを特徴とするアレーアンテナ。
請求項５に記載のアレーアンテナにおいて、
前記先端短絡スタブは、先端が前記コプレーナ線路の地板面により接地されることを特徴とするアレーアンテナ。