JP2008283525A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ素子の間隔を狭くすることができ、しかも回路の複雑化を低減できるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】送受信モジュール１１に対するアンテナ素子１０の位置が異なる複数種類のユニットが複合されて成る複合ユニットをＮ種類（Ｎは正の整数）備え、このＮ種類の複合ユニットがアンテナ開口面を形成するようにランダムに配列されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のアンテナ素子が配列されたアンテナ装置に関し、特にアンテナ素子を配列する技術に関する。

従来、アンテナ装置として、例えば図１４（ａ）に示すように、アンテナ開口面に複数の送受信兼用のアンテナ素子ＴＲを規則的に配列し、所定の励振条件で給電するアレイアンテナが知られている（例えば、非特許文献１参照）。このようなアレイアンテナでは、経済的な観点から、所望の指向性を損なわない範囲でシンニング（素子の節減）が望まれている。この要請に応えるべくシンニングを行うとグレーティングローブによってサイドローブが上昇するので、これを避けるために、アンテナ素子をランダムに配列することが行われている（例えば、非特許文献２参照）。

例えば、図１４（ａ）に示すＡ×Ｂの領域に配置されている４個のアンテナ素子ＴＲをシンニングして、図１４（ｂ）に示すように、１個のアンテナ素子ＴＲに減らす場合、アンテナ素子ＴＲと、移相器や増幅器などから成る送受信モジュールとを一体化してユニットを形成し、さらに、このユニットを複合して複合ユニットを形成し、この複合ユニットを、図１４（ｃ）に示すように、ランダムに配列してアンテナ開口面を形成することが行われている。これにより、サイドローブを抑えつつ、所望の指向性を得ることができる。
吉田、"改訂レーダ技術"、電子情報通信学会（1996） pp.119-123 電子情報通信学会編、"アンテナ工学ハンドブック"、オーム社(1980) pp.558-561

上述した従来のアンテナ装置において、複合ユニットを構成する各ユニットは、送受信モジュールの略中央にアンテナ素子ＴＲが配置された構成を有する。したがって、アンテナ素子ＴＲの配置のランダム性を確保するために、アンテナ素子ＴＲの間隔を狭くするには、送受信モジュールの外形も小さくする必要がある等の制約がある。

また、アンテナ素子ＴＲの配置に対応して送受信モジュールがランダムに配置されるため、送受信モジュールに対する給電回路や電源線および制御線の配線が複雑になるという問題がある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたものであり、その課題は、アンテナ素子の間隔を狭くすることができ、しかも回路の複雑化を低減できるアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明は、送受信モジュールに対するアンテナ素子の位置が異なる複数種類のユニットが複合されて成る複合ユニットをＮ種類（Ｎは正の整数）備え、このＮ種類の複合ユニットがアンテナ開口面を形成するようにランダムに配列されていることを特徴とする。

また、第２の発明は、送受信モジュールに対するアンテナ素子の位置が異なる複数種類のユニットが複合されて成る複合ユニットをＭ種類（Ｍは正の整数）備え、このＭ種類の複合ユニットがアンテナ開口面を形成するように、整列方向の配置順番をランダムにして、一定の規則性をもって配列されていることを特徴とする。

また、第３の発明は、アンテナ素子は、送信用の送信アンテナ素子と受信用の受信アンテナ素子とから成ることを特徴とする。

第１の発明によれば、アンテナ素子と送受信モジュールの位置関係が異なるＮ種類の複合ユニットをランダムに配列してアンテナ開口面を形成するので、アンテナ素子の間隔が狭い配置も実現しやすくなる。その結果、シンニングした場合であっても、アンテナ素子のランダム配列が容易になるので、サイドローブを低減させることができる。

また、第２の発明によれば、アンテナ素子と送受信モジュールの位置関係が異なるＭ種類の複合ユニットがアンテナ開口面を形成するように、整列方向の配置順番をランダムにして、一定の規則性をもって配列されるので、アンテナ素子の間隔が狭い配置も実現しやすくなる。その結果、シンニングした場合であっても、アンテナ素子のランダム配列が容易になるので、サイドローブを低減させることができる。加えて、複合ユニットは一定の規則性をもって配列されるので、送受信モジュールに対する給電回路や電源線および制御線の配線が複雑になるのを防止できる。

また、第３の発明によれば、送信用の送信アンテナ素子と受信用の受信アンテナ素子とを別々に配置したので、送信のサイドローブ形状と受信のサイドローブ形状とが別になるので、これらをキャンセルすることが可能になり、送受信のサイドローブを低減させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。このアンテナ装置で使用される複合ユニットは、図１（ｂ）に示すように、送受信モジュール１１に対する送受信アンテナ素子（ＴＲ）１０の配置位置が異なる複数種類（図示例では４種類）のユニットを組み合わせることにより構成されている。送受信アンテナ素子（ＴＲ）１０は、送受信兼用のアンテナ素子である。

また、複合ユニットとしては、ユニットの組み合わせが異なるＮ種類（Ｎは正の整数）の複合ユニットが用意されている。実施例１に係るアンテナ装置では、Ｎ種類の複合ユニットが、図１（ｃ）に示すように、アンテナ開口面を形成するようにランダムに配列されて構成されている。

図２は、実施例１に係るアンテナ装置を線路給電で実現した場合の該アンテナ装置の電気的な構成を示す図である。このアンテナ装置は、複数の送受信アンテナ素子１０にそれぞれ接続された複数の送受信モジュール１１が、線路給電回路１２に接続されて構成されている。複数の送受信モジュール１１への給電は、線路給電回路１２から線路を用いて行われる。

図３は、図２に示すアンテナ装置で使用される送受信モジュール１１の回路構成を示す図である。この送受信モジュール１１は、サーキュレータ１１１、送信増幅器１１２ａ、受信増幅器１１２ｂ、スイッチ１１３、移相器１１４およびスイッチ１１５から構成されている。サーキュレータ１１１は、送信増幅器１１２ａから送られてくる高周波送信信号を送受信アンテナ素子１０に送るか、送受信アンテナ素子１０から送られてくる高周波受信信号を受信増幅器１１２ｂに送るかを切り替える。

送信増幅器１１２ａは、移相器１１４からスイッチ１１３を介して送られてくる高周波送信信号を増幅し、サーキュレータ１１１に送る。受信増幅器１１２ｂは、サーキュレータ１１１から送られてくる高周波受信信号を増幅し、スイッチ１１３を介して移相器１１４に送る。

移相器１１４は、線路給電回路１２からスイッチ１１５を介して送信信号として送られてくる高周波信号の位相を、図示しない走査制御器から設定された移相量に応じて調整し、高周波送信信号としてスイッチ１１３を介して送信増幅器１１２ａに送る。また、移相器１１４は、受信増幅器１１２ｂからスイッチ１１３を介して送られてくる高周波受信信号の位相を、図示しない走査制御器から設定された移相量に応じて調整し、受信信号としてスイッチ１１５を介して線路給電回路１２に送る。

なお、実施例１に係るアンテナ装置は、空間給電で実現することもできる。図４は、実施例１に係るアンテナ装置を空間給電で実現した場合の該アンテナ装置の電気的な構成を示す図である。このアンテナ装置は、複数の送受信アンテナ素子１０にそれぞれ接続された複数の送受信モジュール２１が、一次放射器２２との間で電波を送受信する複数の送受信アンテナ素子２０に接続されて構成されている。複数の送受信モジュール２１への給電は、一次放射器２２から放射される電波によって行われる。

図５は、図４に示すアンテナ装置で使用される送受信モジュール２１の回路構成を示す図である。この送受信モジュール２１は、サーキュレータ２１１、送信増幅器２１２ａ、受信増幅器２１２ｂ、サーキュレータ２１３および移相器２１４から構成されている。サーキュレータ１１１は、送信増幅器１１２ａから送られてくる高周波送信信号を送受信アンテナ素子１０に送るか、送受信アンテナ素子１０から送られてくる高周波受信信号を受信増幅器１１２ｂに送るかを切り替える。

送信増幅器１１２ａは、移相器１１４からサーキュレータ２１３を介して送られてくる高周波送信信号を増幅し、サーキュレータ１１１に送る。受信増幅器２１２ｂは、サーキュレータ１１１から送られてくる高周波受信信号を増幅し、サーキュレータ２１３を介して移相器２１４に送る。サーキュレータ２１３は、移相器２１４から送られてくる高周波送信信号を送信増幅器２１２ａに送るか、受信増幅器２１２ｂから送られてくる高周波受信信号を移相器２１４に送るかを切り替える。

移相器２１４は、一次放射器２２から送受信アンテナ素子２０を介して送信信号として送られてくる高周波信号の位相を、図示しない走査制御器から設定された移相量に応じて調整し、高周波送信信号としてサーキュレータ２１３を介して送信増幅器２１２ａに送る。また、移相器２１４は、受信増幅器２１２ｂからサーキュレータ２１３を介して送られてくる高周波受信信号の位相を、図示しない走査制御器から設定された移相量に応じて調整し、受信信号として送受信アンテナ素子２０を介して一次放射器２２に送る。

なお、上述した例は、透過型の空間給電を行う構成について説明したが、反射型の空間給電を行うように構成することもできる。反射型の空間給電については、例えば、『吉田、“改訂レーダ技術”、電子情報通信学会（1996） pp.132-134』に説明されている。

以上説明したように、本発明の実施例１に係るアンテナ装置によれば、送受信アンテナ素子１０と送受信モジュール１１の位置関係が異なるＮ種類の複合ユニットをランダムに配列してアンテナ開口面を形成するので、アンテナ素子の間隔が狭い配置も実現しやすくなる。その結果、シンニングした場合であっても、アンテナ素子のランダム配列が容易になるので、サイドローブを低減させることができる。

図６は、本発明の実施例２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。このアンテナ装置で使用される複合ユニットは、図６（ｂ）に示すように、送受信モジュール１１に対する送受信アンテナ素子（ＴＲ）１０の配置位置が異なる複数種類（図示例では４種類）のユニットを組み合わせることにより構成されている。送受信アンテナ素子（ＴＲ）１０は、送受信兼用のアンテナ素子である。

また、複合ユニットとしては、ユニットの組み合わせが異なるＭ種類（Ｍは正の整数）の複合ユニットが用意されている。実施例２に係るアンテナ装置では、Ｍ種類の複合ユニットが、図６（ｃ）に示すように、アンテナ開口面を形成するように整列方向の配置順番をランダムにして、一定の規則性をもって配列されることにより構成されている。

なお、この実施例２に係るアンテナ装置では、図６（ｃ）に示すように、Ｍ種類の複合ユニットを、行および列の両方向に一列に整列させるように構成したが、図７（ａ）に示すように、列方向に一列に整列させ、行方向には所定距離だけずらして配列するように構成することができる。また、図７（ｂ）に示すように、行方向に一列に整列させ、列方向には所定距離だけずらして配列するように構成することもできる。

実施例２に係るアンテナ装置を線路給電で実現した場合の該アンテナ装置の電気的な構成は、図２に示した実施例１に係るアンテナ装置の電気的な構成と同じであり、この場合の送受信モジュール１１の回路構成は、図３に示した実施例１に係るアンテナ装置のそれと同じである。

実施例２に係るアンテナ装置を空間給電で実現した場合の該アンテナ装置の電気的な構成は、図４に示した実施例１に係るアンテナ装置の電気的な構成と同じであり、この場合の送受信モジュール１１の回路構成は、図５に示した実施例１に係るアンテナ装置のそれと同じである。

以上説明したように、本発明の実施例１に係るアンテナ装置によれば、送受信アンテナ素子１０と送受信モジュール１１の位置関係が異なるＭ種類の複合ユニットがアンテナ開口面を形成するように、整列方向の配置順番をランダムにして、一定の規則性をもって配列されるので、送受信アンテナ素子１０の間隔が狭い配置も実現しやすくなる。その結果、シンニングした場合であっても、アンテナ素子のランダム配列が容易になるので、サイドローブを低減させることができる。さらに、複合ユニットは一定の規則性をもって配列されるので、送受信モジュール１１に対する線路給電回路１２や電源線および制御線の配線が複雑になるのを防止できる。

本発明の実施例３に係るアンテナ装置は、実施例１および実施例２における送受信アンテナ素子１０を、送信用のアンテナ素子（以下、「送信アンテナ素子」という）１０ａと受信用のアンテナ素子（以下、「受信アンテナ素子」という）１０ｂとに分けて配置するようにしたものである。

図８は、本発明の実施例３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。このアンテナ装置で使用される複合ユニットは、図８（ｂ）および図８（ｃ）に示すように、送受信モジュール１１に対する送信アンテナ素子（Ｔ）１０ａおよび受信アンテナ素子（Ｒ）１０ｂの配置位置が異なる複数種類（図示例では４種類）のユニットを組み合わせることにより構成されている。

また、複合ユニットとしては、ユニットの組み合わせが異なるＭ種類（Ｍは正の整数）の複合ユニットが用意されている。実施例３に係るアンテナ装置では、Ｍ種類の複合ユニットが、図８（ｄ）に示すように、アンテナ開口面を形成するようにランダムに配列されて、または、図８（ｅ）に示すように、整列方向の配置順番をランダムにして、一定の規則性をもって配列されることにより構成されている。

図９は、実施例３に係るアンテナ装置を線路給電で実現した場合の該アンテナ装置の電気的な構成を示す図である。このアンテナ装置は、複数の送信アンテナ素子１０ａおよび受信アンテナ素子１０ｂにそれぞれ接続された複数の送受信モジュール３１が、線路給電回路３２に接続されて構成されている。複数の送受信モジュール３１への給電は、線路給電回路３２から線路を用いて行われる。

図１０は、図９に示すアンテナ装置で使用される送受信モジュール３１の回路構成を示す図である。この送受信モジュール３１は、送信増幅器３１２ａ、受信増幅器３１２ｂ、スイッチ３１３、移相器３１４およびスイッチ３１５から構成されている。

送信増幅器３１２ａは、移相器３１４からスイッチ３１３を介して送られてくる高周波送信信号を増幅し、送信アンテナ素子１０ａに送る。受信増幅器３１２ｂは、受信アンテナ素子１０ｂから送られてくる高周波受信信号を増幅し、スイッチ３１３を介して移相器３１４に送る。

移相器１１４は、線路給電回路３２からスイッチ３１５を介して送信信号として送られてくる高周波信号の位相を、図示しない走査制御器から設定された移相量に応じて調整し、高周波送信信号としてスイッチ３１３を介して送信増幅器３１２ａに送る。また、移相器３１４は、受信増幅器３１２ｂからスイッチ３１３を介して送られてくる高周波受信信号の位相を、図示しない走査制御器から設定された移相量に応じて調整し、受信信号としてスイッチ３１５を介して線路給電回路３２に送る。

上記のように構成される実施例３に係るアンテナ装置では、送信信号と受信信号とを乗算することにより、図１１（ａ）に示すような、送信パターンに含まれるグレーティングローブ等のサイドローブレベルの高い部分と、図１１（ｂ）に示すような、受信パターンに含まれるグレーティングローブ等のサイドローブレベルの高い部分とを別の角度にすることにより、図１１（ｃ）に示すように、送受信パターンのサイドローブを低減する。

なお、実施例３に係るアンテナ装置は、空間給電で実現することもできる。図１２は、実施例１に係るアンテナ装置を空間給電で実現した場合の該アンテナ装置の電気的な構成を示す図である。このアンテナ装置は、複数の送信アンテナ素子１０ａおよび受信アンテナ素子１０ｂにそれぞれ接続された複数の送受信モジュール４１が、一次放射器４２との間で電波を送受信する複数の送受信アンテナ素子４０に接続されて構成されている。複数の送受信モジュール４１への給電は、一次放射器４２から放射される電波によって行われる。

図１３は、図１２に示すアンテナ装置で使用される送受信モジュール４１の回路構成を示す図である。この送受信モジュール４１は、送信増幅器４１２ａ、受信増幅器４１２ｂ、サーキュレータ４１３および移相器４１４から構成されている。

送信増幅器４１２ａは、移相器４１４からサーキュレータ４１３を介して送られてくる高周波送信信号を増幅し、送信アンテナ素子１０ａに送る。受信増幅器４１２ｂは、受信アンテナ素子１０ｂから送られてくる高周波受信信号を増幅し、サーキュレータ４１３を介して移相器４１４に送る。サーキュレータ４１３は、移相器２１４から送られてくる高周波送信信号を送信増幅器４１２ａに送るか、受信増幅器４１２ｂから送られてくる高周波受信信号を移相器４１４に送るかを切り替える。

移相器４１４は、一次放射器４２から送受信アンテナ素子４０を介して送信信号として送られてくる高周波信号の位相を、図示しない走査制御器から設定された移相量に応じて調整し、高周波送信信号としてサーキュレータ４１３を介して送信増幅器４１２ａに送る。また、移相器４１４は、受信増幅器４１２ｂからサーキュレータ４１３を介して送られてくる高周波受信信号の位相を、図示しない走査制御器から設定された移相量に応じて調整し、受信信号として送受信アンテナ素子４０を介して一次放射器４２に送る。

なお、上述した例は、透過型の空間給電を行う構成について説明したが、反射型の空間給電を行うように構成することもできる。

以上説明したように、本発明の実施例３に係るアンテナ装置によれば、送信アンテナ素子１０ａと受信アンテナ素子１０ｂとを別々に配置したので、送信のサイドローブ形状と受信のサイドローブ形状とが別になるので、これらをキャンセルすることが可能になり、送受信のサイドローブを低減させることができる。

なお、上述した実施例１〜実施例３に係るアンテナ装置で使用されるアンテナ素子の偏波については、垂直、水平、円偏波等、いずれの場合にも適用できる。

また、アンテナ素子としては、パッチアンテナを用いる場合の図を示して説明したが、例えばダイポールアンテナ等といった他のアンテナ素子を用いることもできる。

本発明は、経済性が求められるアレイアンテナ装置に利用可能である。

本発明の実施例１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るアンテナ装置を線路給電で実現した場合の該アンテナ装置の電気的な構成を示す図である。 図２に示すアンテナ装置で使用される送受信モジュールの回路構成を示す図である。 本発明の実施例１に係るアンテナ装置を空間給電で実現した場合の該アンテナ装置の電気的な構成を示す図である。 図４に示すアンテナ装置で使用される送受信モジュールの回路構成を示す図である。 本発明の実施例２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例２に係るアンテナ装置における複合ユニットの他の配列例を説明するための図である。 本発明の実施例３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。 本発明の実施例３に係るアンテナ装置を線路給電で実現した場合の該アンテナ装置の電気的な構成を示す図である。 図９に示すアンテナ装置で使用される送受信モジュールの回路構成を示す図である。 本発明の実施例３に係るアンテナ装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施例３に係るアンテナ装置を空間給電で実現した場合の該アンテナ装置の電気的な構成を示す図である。 図１２に示すアンテナ装置で使用される送受信モジュールの回路構成を示す図である。 従来のアンテナ装置を説明するための図である。

符号の説明

１０、２０、４０ 送受信アンテナ素子
１０ａ 送信アンテナ素子
１０ｂ 受信アンテナ素子
１１、２１、３１、４１ 送受信モジュール
１２、３２ 線路給電回路
１１１、２１１、２１３、４１３ サーキュレータ
１１２ａ、２１２ａ、３１２ａ、４１２ａ 送信増幅器
１１２ｂ、２１２ｂ、３１２ｂ、４１２ｂ 受信増幅器
１１３、１１５、３１３、３１５ スイッチ
１１４、２１４、３１４、４１４ 移相器
２２、４２ 一次放射器

Claims (3)

1. 送受信モジュールに対するアンテナ素子の位置が異なる複数種類のユニットが複合されて成る複合ユニットをＮ種類（Ｎは正の整数）備え、
   前記Ｎ種類の複合ユニットがアンテナ開口面を形成するようにランダムに配列されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 送受信モジュールに対するアンテナ素子の位置が異なる複数種類のユニットが複合されて成る複合ユニットをＭ種類（Ｍは正の整数）備え、
   前記Ｍ種類の複合ユニットがアンテナ開口面を形成するように、整列方向の配置順番をランダムにして、一定の規則性をもって配列されていることを特徴とするアンテナ装置。
3. 前記アンテナ素子は、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とから成ることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。

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