JP2010016704A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、アイソレーションを省略し多重反射波の発生を許容する給電構造において、所定の空間領域又は角度方向における励振分布の乱れを最小限に抑えることができるアレーアンテナを提供する。
【解決手段】複数の放射素子対２は、第１放射素子５及び第２放射素子６によって構成されている。複数の放射素子対２は、第１の方向Ａ及び第２の方向Ｂにそれぞれ沿って並べられている。複数の放射素子対２のそれぞれの第１放射素子５及び第２放射素子６は、第２の方向Ｂで互いに隣り合うように配置されている。第１放射素子５の放射特性に含まれるマイナスの誤差と、第２放射素子６の放射特性に含まれるプラスの誤差とが、第１観測面Ｃへ向けて投影された際に互いに相殺され、放射素子対２の第１観測面Ｃでの放射特性における振幅は、所望の放射特性の振幅となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の放射素子と給電点とを結ぶ給電回路内で多重反射波が発生するアレーアンテナに関する。

一般的なアレーアンテナとして、各放射素子に対して、所望の励振振幅・位相（以下、励振分布という）で給電して所望の放射特性を実現するものには、移相器又は増幅器を直結接続して振幅・位相を制御するフェーズドアレー形式がある。しかしながら、この形式の場合、構成が全体的に複雑で高コストとなるため、固定ビームを与えるアンテナとして用いられることは少ない。

これに対して、固定ビームを実現するアンテナ構成の一例として、マイクロストリップアレーアンテナが知られている。このマイクロストリップアレーアンテナにおいて、放射素子と同一平面上に給電回路を構成する共平面給電方式では、一度のエッチングで加工ができ、製造が容易で低コスト化が図れる。これに加えて、薄型化、軽量化も容易である。

また、マイクロストリップアレーアンテナにおいて、給電点から入力された電波は、マイクロストリップ線路により構成されるＴ分岐線路などにより所望の励振分布で放射素子に給電される。このＴ分岐線路は、比較的コンパクトな寸法で構成することができるため、共平面給電方式のマイクロストリップアレーアンテナの給電回路では一般的な電力合成・分配回路としてよく使用されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許第３２７９２６８号公報 特許第３２７９２６４号公報

ここで、一般的にマイクロストリップアレーアンテナには、Ｔ分岐線路が分配器として用いられるが、このＴ分岐線路には、アイソレーションがないため、内部を通過する電波が反射されたり、放射素子で反射されてＴ字分配器に戻る電波がＴ分岐線路で再反射されたりして、多重反射波が生じる。

この結果、多重反射波に起因して放射素子の放射特性に誤差が生じ、所望の放射特性から大きく外れてしまう。つまり、入力端子側から見た場合のインピーダンスの整合がとれていても、出力端子側から見た場合のインピーダンスの整合がとれていない状態となってしまう。このため、アレーアンテナの電磁界分布、即ち励振分布に乱れが生じ、放射素子の所望の放射特性が得られないという問題があった。

なお、例えば、内部にアイソレーションが設けられたウィルキンソン分配器等の電力合成・分配回路を用いることによって、多重反射波の発生を抑えることが可能となる。しかしながら、このような電力合成・分配回路を用いた構成を採用した場合、アレーアンテナ自体のサイズが大型化してしまうため、マイクロストリップアレーアンテナには、不向きであった。この他に、放射素子及び給電回路を互いに異なる基板に実装する多層給電方式がある。しかしながら、このような構成を採用した場合にも、アレーアンテナ自体のサイズが大型化したり、製造コストが高くなったりするという問題が生じてしまう。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、アイソレーションを省略し多重反射波の発生を許容する給電構造において、所定の空間領域又は角度方向における励振分布の乱れを最小限に抑え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。

この発明に係るアレーアンテナは、給電回路内の多重反射波による誤差によって所望の放射特性の振幅よりも小さな振幅で放射する第１放射素子と、多重反射波による誤差によって所望の放射特性の振幅よりも大きな振幅で放射する第２放射素子とにより構成され、第１放射素子及び第２放射素子が給電回路内の同一分岐点を経て給電される放射素子対を複数配置したものであって、複数の放射素子対は、所定の観測面へ向けて投影される第１放射素子及び第２放射素子の多重反射波による誤差同士が互いに相殺されるように配置されているものである。

この発明のアレーアンテナによれば、所定の観測面へ向けて投影される第１放射素子及び第２放射素子の誤差同士が互いに相殺されるように、複数の放射素子対が配置されているので、アイソレーションを省略し多重反射波による誤差の発生を許容する給電構造において、所定の空間領域又は角度方向における励振分布の乱れを最小限に抑えることができる。

以下、この発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるマイクロストリップアレーアンテナを示す構成図である。なお、図１の矢示Ａは、第１の方向であり、方位角（ＡＺ：Ａｚｉｍｕｔｈ）を示す。また、矢示Ｂは、第１の方向に対して直交する第２の方向であり、仰角（ＥＬ：Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ）を示す。線Ｃは、第１の方向Ａに沿う所定の観測面としての第１観測面（観測線）を示す。この所定の観測面とは、多重反射波による誤差の影響を抑制したい観測面である。線Ｄは、第２の方向Ｂに沿う第２観測面（観測線）を示す。線Ｅは、給電回路の中心点を通り、かつ第１観測面Ｃに対して平行な基準線である。これらの矢示Ａ，Ｂ及び線Ｃ，Ｄ，Ｅについては、他の図でも同様である。

図１において、共平面形のアンテナ用基板は、地導体、誘電体基板、及びストリップ導体によって構成されている。地導体は、誘電体基板の一方の面に配置されている。ストリップ導体は、誘電体基板の他方の面に配置されている。アンテナ用基板には、給電点１、及び複数の放射素子対（素子ペア）２が設けられている。

また、アンテナ用基板のストリップ導体は、マイクロストリップ線路３及び複数のＴ分岐線路４（分配器）を形成している。なお、Ｔ分岐線路４については、図中破線で示す。マイクロストリップ線路３及び複数のＴ分岐線路４によって、給電点１から複数の放射素子対２への電力の伝送経路、即ち給電回路が構成されている。複数の放射素子対２は、それぞれ第１放射素子５及び第２放射素子６によって構成されている。なお、所望の放射特性を得るために（必要な励振分布を実現するために）、各箇所のマイクロストリップ線路３の長さや、Ｔ分岐線路４の分配比あるいは形状・種類等が選定される。

次に、第１放射素子５及び第２放射素子６の放射特性について具体的に説明する。図２は、図１の第１及び第２放射素子５，６の多重反射モデルの一例を説明するための説明図である。図２において、Ｔ分岐線路４と第１放射素子５との間の距離Ｌ１は、Ｔ分岐線路４と第２放射素子６との間の距離Ｌ２よりも短くなっている（Ｌ１≠Ｌ２）。

このような線路構成において、Ｔ分岐線路４からの入射波Ｆの一部が第１放射素子５で反射されて、反射波となってＴ分岐線路４に戻る。その反射波がＴ分岐線路（分配器）４で再び反射されて第１素子５へ戻り、再反射波Ｇが生じる。なお、再反射波Ｇの他にも、例えば、入射波Ｆが第１放射素子５で反射された電波となって第２放射素子６へ伝わり、第２放射素子６で再び反射されるような再反射波、あるいはＴ分岐線路４から第２放射素子に進行した入射波Ｆが第２放射素子６で反射されて第１放射素子５に入射する反射波（図示せず）も生じる。

第１放射素子５への入射波Ｆの位相と再反射波Ｇの位相とは、互いに異なる。これにより、入射波Ｆが再反射波Ｇ等による多重反射波によって減衰（干渉）され、第１放射素子５の放射特性の振幅が、所望の放射特性の振幅よりも小さくなる（マイナスの誤差が生じる）。一方、第２放射素子６では、入射波が再反射波等による多重反射波によって増幅（合成）され、第２放射素子６の放射特性の振幅が、所望の放射特性の振幅よりも大きくなる（プラスの誤差が生じる）。

ここで、先の図１において、複数の放射素子対２は、第１の方向Ａ及び第２の方向Ｂにそれぞれ沿って並べられている。また、複数の放射素子対２のそれぞれの第１放射素子５及び第２放射素子６は、第２の方向Ｂで互いに隣り合うように配置されている。さらに、複数の放射素子対２の第１放射素子５同士は、第１の方向Ａで互いに隣り合うように配置されている。これと同様に、複数の放射素子対２の第２放射素子６同士は、第１の方向Ａで互いに隣り合うように配置されている。

また、複数の放射素子対２の第２放射素子は、基準線Ｅ側に配置されている。即ち、複数の放射素子対２は、基準線Ｅに対して線対称になるように並べられている。このような複数の放射素子対２の配列によって、第１観測面Ｃへ向けて投影される第１放射素子５及び第２放射素子６の放射特性に含まれる誤差の分布が図１の（ａ）に示すようになる。また、第２観測面Ｄへ向けた第１放射素子５及び第２放射素子６の放射特性に含まれる誤差の分布が図１の（ｂ）に示すようになる。

従って、図１の（ａ）に示すように、第１放射素子５の放射特性に含まれるマイナスの誤差と、第２放射素子６の放射特性に含まれるプラスの誤差とが互いに相殺され、放射素子対２の第１観測面Ｃでの放射特性における振幅は、所望の放射特性の振幅となる。つまり、複数の放射素子対２は、第１観測面Ｃへ向けて投影される第１放射素子５及び第２放射素子６の多重反射波による誤差同士が互いに相殺されるように配置されている。

ここで、図３は、多重反射波による誤差の影響を考慮せずに放射素子対２を並べた場合のマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンを示す特性図である（従来のものの特性図）。図４は、図１のマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンを示す特性図である。図５は、多重反射波による誤差の影響が無い場合の理想状態でのマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンを示す特性図である。なお、各特性図の中心領域（ＡＺ＝０，ＥＬ＝０の周辺の領域）は、マイクロストリップアレーアンテナから放射されたメインビームを示す。

多重反射波による誤差の影響を考慮していない場合の放射パターンでは、図３に示すように、メインビーム以外の領域において、励振分布の乱れが生じており、マイクロストリップアレーアンテナからサイドローブが、ほぼ不規則に放射されていることが解る。これに対して、図１のマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンは、図４に示すように、第１の方向Ａにおいて、誤差のない理想状態での放射パターンである図５とほぼ同じ放射パターンとなっていることが解る。即ち、図１のマイクロストリップアレーアンテナでは、所望の観測面において誤差の影響による励振分布の乱れを最小限に抑えることができ、多重反射波による励振分布の乱れが抑制されている。

上記のようなマイクロストリップアレーアンテナでは、複数の放射素子対２が、第１観測面Ｃへ向けて投影される第１放射素子５及び第２放射素子６の多重反射波による誤差同士が互いに相殺されるように配置されている。この構成により、アイソレーションを省略し多重反射波の発生を許容する給電構造において、所定の空間領域又は角度方向における励振分布の乱れを最小限に抑えることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、先の図１に示すように、基準線Ｅ側に第２放射素子６が配置されていた。これに対して、実施の形態２では、図６に示すように、基準線Ｅ側に第１放射素子５が配置されている。即ち、実施の形態２では、放射素子対２における第１放射素子５と第２放射素子６との配列が逆になっている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

ここで、先の図１に示すマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンと、図６に示すマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンとを比較する。図７は、図６のマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンを示す特性図である。まず、先の図４の特性図においては、図５の特性図における誤差がない場合に比べて、第２の方向Ｂに対するメインビーム幅は若干拡大するものの、サイドローブレベルはほとんど上昇していない。これに対して、図７の特性図においては、第２の方向Ｂに対するサイドローブレベルは上昇するものの、メインビーム幅の拡大は抑えられる。

従って、マイクロストリップアレーアンテナの特性において、サイドローブレベルの抑制とメインビーム幅の収束性とのうち、サイドローブレベルの抑制を優先する場合には、実施の形態１の構成（図１の構成）を用いればよい。これに対して、メインビーム幅の収束性を優先する場合には、実施の形態２の構成（図６の構成）を用いればよい。

実施の形態３．
実施の形態３では、具体的なペア素子の構成例として、第１放射素子１５及び第２放射素子１６が１点給電方式の円偏波放射用の放射素子である場合について説明する。

図８は、この発明の実施の形態３によるマイクロストリップアレーアンテナの一部を示す構成図である。図８において、実施の形態３の第１放射素子１５及び第２放射素子１６は、マイクロストリップ線路１３及びＴ分岐線路１４を介して給電点から給電される。また、第１放射素子１５及び第２放射素子１６は、１点給電方式の円偏波放射用の放射素子である。さらに、第１放射素子１５及び第２放射素子１６には、それぞれ円偏波励振用切り欠き１５ａ，１６ａが設けられている。

また、第１放射素子１５の向きは、第２放射素子１６の向きに対して、第１の方向又は第２の方向へ９０度ずらして（回転して）配置されている。Ｔ分岐線路１４は、第１放射素子１５と第２放射素子１６との位相差が９０度となるようになっている。他の構成は実施の形態１又は実施の形態２と同様である。

上記のようなマイクロストリップアレーアンテナでは、第１放射素子１５及び第２放射素子１６の素子端からの反射波の位相がＴ分岐線路１４で同相とはならないことにより多重反射波が生じる。この多重反射波の影響による励振分布の乱れについても、実施の形態１、２と同様に、その構造を変更することなく最小限に抑えることができる。

実施の形態４．
実施の形態３では、第１放射素子１５及び第２放射素子１６が、１点給電方式の円偏波放射用の放射素子であった。これに対して、実施の形態４では、第１放射素子２５及び第２放射素子２６が、２点給電方式の円偏波放射用の放射素子である。

図９は、この発明の実施の形態４によるマイクロストリップアレーアンテナの一部を示す構成図である。図９において、実施の形態４の第１放射素子２５及び第２放射素子２６は、マイクロストリップ線路２３及びＴ分岐線路２４ａ，２４ｂ，２４ｃを介して給電点から給電される。他の構成は、実施の形態３と同様である。

上記のようなマイクロストリップアレーアンテナでは、第１放射素子２５及び第２放射素子２６が２点給電方式の円偏波放射用の放射素子である場合であっても、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態１，２では、第１観測面Ｃを所定の観測面としたが、第２観測面を所定の観測面としてもよい。つまり、第１の方向Ａを、仰角とし、第２の方向Ｂを方位角としてもよい。

また、実施の形態１〜４では、マイクロストリップアレーアンテナについて説明したが、この発明は、マイクロストリップアレーアンテナ以外のアレーアンテナにも適用することができる。

さらに、実施の形態１〜４では、放射素子の数が３２個の場合について説明した。しかしながら、放射素子の数は、この例に限るものではなく、励振分布の誤差量が＋と−との対となる２素子ペアの配列を基本として、所望の観測面へ向けて投影した誤差が相殺できるよう２のべき乗個であれば、任意の数でよい。

この発明の実施の形態１によるマイクロストリップアレーアンテナを示す構成図である。 図１の第１及び第２放射素子の多重反射モデルの一例を説明するための説明図である。 従来のマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンを示す特性図である。 図１のマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンを示す特性図である。 理想状態でのマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンを示す特性図である。 この発明の実施の形態２によるマイクロストリップアレーアンテナを示す構成図である。 図６のマイクロストリップアレーアンテナの放射パターンを示す特性図である。 この発明の実施の形態３によるマイクロストリップアレーアンテナの一部を示す構成図である。 この発明の実施の形態４によるマイクロストリップアレーアンテナの一部を示す構成図である。

符号の説明

１ 給電点、２ 放射素子対、４，１４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ Ｔ分岐線路（分岐点）、５，１５，２５ 第１放射素子、６，１６，２６ 第２放射素子、Ｃ 第１観測面（所定の観測面）、Ｄ 第２観測面、Ｅ 基準線。

Claims (6)

1. 給電回路内の多重反射波による誤差によって所望の放射特性の振幅よりも小さな振幅で放射する第１放射素子と、前記多重反射波による誤差によって前記所望の放射特性の振幅よりも大きな振幅で放射する第２放射素子とにより構成され、前記第１放射素子及び前記第２放射素子が前記給電回路内の同一分岐点を経て給電される放射素子対を複数配置したアレーアンテナであって、
   前記複数の放射素子対は、所定の観測面へ向けて投影される前記第１放射素子及び前記第２放射素子の前記多重反射波による誤差同士が互いに相殺され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. 前記複数の放射素子対は、前記観測面に対する直交方向に沿って並べられている
   ことを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ。
3. 前記複数の放射素子対の前記第２放射素子は、前記給電回路の中心点を通り前記観測面に対して平行な基準線側に配置されており、
   前記複数の放射素子対は、前記基準線に対して線対称になるように並べられている
   ことを特徴とする請求項２記載のアレーアンテナ。
4. 前記複数の放射素子対の前記第１放射素子は、前記給電回路の中心点を通り前記観測面に対して平行な基準線側に配置されており、
   前記複数の放射素子対は、前記基準線に対して線対称になるように並べられている
   ことを特徴とする請求項２記載のアレーアンテナ。
5. 前記第１放射素子及び第２放射素子は、それぞれ円偏波放射用の放射素子である
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
6. 前記複数の放射素子対の前記第１放射素子の向きは、前記第２放射素子の向きに対して９０度ずれるように配置されており、
   前記複数の放射素子対の前記第１放射素子及び前記第２放射素子は、前記給電回路の前記同一分岐点からの励振電圧の位相差が９０度となるように設定されている
   ことを特徴とする請求項５記載のアレーアンテナ。

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