JP2010057091A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧するとともに、製造コストの上昇を抑制することができるアレーアンテナを提供する。
【解決手段】複数の素子アンテナ４をまとめたサブアレーアンテナ２毎に移相器３を設けて束ね、ビーム形成を行うアレーアンテナ１であって、サブアレーアンテナ２は、三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形で平面形状が構成され、平面上に非周期的に配列されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、いくつかの素子アンテナをまとめてサブアレーアンテナとし、サブアレーアンテナ単位に移相器を設けて束ね、ビーム形成を行うアレーアンテナに関する。

アレーアンテナは、レーダ装置あるいは電波監視装置の空中線として多く用いられている。そして、このようなアレーアンテナは、より遠くの目標を検出するために、あるいは、より微弱な電波を検知するために、空中線性能として、より大きな有効放射電力が要求される。

有効放射電力は、送信出力とアンテナ利得との積で定義されている。送信出力を増大させるためには、送信機あるいは各素子アンテナに接続された送信モジュールの出力を増大させればよい。一方、アンテナ利得は、空中線の開口径に比例するので、より大きなアンテナ利得を得るためには、空中線を大開口径化する必要がある。

アレーアンテナにおいて、グレーティングローブが発生しないような素子アンテナ間隔を設定すると、素子間隔を広くとることができない。この結果、大開口径化するにしたがって、素子アンテナの数が増大し、素子アンテナに接続される移相器の数も増大する。一般に、移相器は高価なので、アンテナ全体における移相器の数を抑制することが望まれる。そこで、いくつかの素子アンテナをまとめてサブアレーアンテナとし、サブアレーアンテナ毎に移相器を設けた構成にして、移相器の数を低減することが考えられている（例えば、特許文献１参照）。

このような構成では、移相器で位相を制御する単位が、素子アンテナからサブアレーアンテナになる。したがって、グレーティングローブが発生しないようにするには、サブアレーアンテナの中心の間隔をとる必要がある。しかしながら、素子アンテナの寸法が波長程度であるので、素子アンテナをまとめたサブアレーアンテナの中心間隔を１波長以下にするのは困難であり、グレーティングローブが発生するという問題がある。

グレーティングローブの発生により、所望の方向のアンテナ利得が低下するとともに、所望の指向方向以外の方向からの到来電波を受信することになり、方位検出においては、アンビギュイティが発生する。したがって、素子アンテナに接続される移相器の数を低減した上で、グレーティングローブの発生を避けるための構成が望まれる。

このような状況において、周期性を有しないアレーアンテナの間隔として、不等間隔にアンテナを配列してグレーティングローブによるアンビギュイティを低減する技術が開示されている（例えば、特許文献２、非特許文献１参照）。

また、周期性を有しない多角形配列方法として、ペンローズタイル、オクタゴナル、テーブル等を選び、その頂点位置に素子アンテナを配置することで、広帯域にわたり、グレーティングローブを抑圧した技術が提案されている（例えば、非特許文献２、非特許文献３参照）。

特開平５−２９１８１４号公報 特開２００５−２５７３８４号公報 「不等間隔アレーを用いた方位推定」 電子情報通信学会論文誌Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ｂ Ｎｏ．６ ｐｐ．８４５−８５１ Vincenzo Pierro et. al. "Radiation Properties of Planar Antenna Arrays Based on Certain Categories of Aperiodic Tilings" IEEE TRANSACTION ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol.53, NO.2, pp.635-644, Feb 2005 Glassner,A. "Penrose tiling", IEEE Computer Graphics and Applications, vol.18, Issue4, pp.78-86, July/Aug 1988

しかしながら、従来技術には、次のような課題があった。
グレーティングローブを低減する方法として、素子アンテナの間隔を不等間隔にするとして、例えば、ランダムに素子アンテナの間隔を設定した場合には、周期性がないために、素子アンテナに接続される給電系が複雑になるという問題があった。さらに、多品種少量製品となることで、アンテナの製造コストが上昇するという問題もあった。

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って、その目的は、周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧するとともに、製造コストの上昇を抑制することができるアレーアンテナを提供することにある。

この発明に係るアレーアンテナは、複数の素子アンテナをまとめたサブアレーアンテナ毎に移相器を設けて束ね、ビーム形成を行うアレーアンテナであって、サブアレーアンテナは、三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形で平面形状が構成され、平面上に非周期的に配列されているものである。

この発明によれば、三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形で平面形状が構成されたサブアレーアンテナを、平面上に非周期的に配列してアレーアンテナを構成することにより、周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧するとともに、製造コストの上昇を抑制することができる。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。
図１において、この実施の形態１に係るアレーアンテナ１には、１種類の複数のサブアレーアンテナ２と、複数の移相器３とが設けられている。

各サブアレーアンテナ２の平面形状は、直角三角形であり、１種類の複数の素子アンテナ４を含んで構成され、それぞれ移相器３が接続されている。このような構成により、サブアレーアンテナ２毎に位相制御が行われ、ビーム形成や指向制御等が行われる。

この実施の形態１では、三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形で平面形状が構成されたサブアレーアンテナ２を、平面上に非周期的かつフラクタル状に隙間なく充填（配列）することにより、アレーアンテナ１を構成している。

図２は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ１を構成する１つのサブアレーアンテナ２を示す平面図である。
図２において、サブアレーアンテナ２の平面形状は、上述したように三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形であり、この形状は、ピンウィールタイルの構成要素である。

ここで、図３を参照しながら、ピンウィールタイルについて説明する。
図３は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ１を構成するピンウィールタイルを示す説明図である。
ピンウィールタイルとは、三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形からなるタイルである。１つのピンウィールタイルは、三辺の長さの比が同じく１：２：√５となる５つの相似なピンウィールタイルに分割することができ、分割されたピンウィールタイルは、さらに三辺の長さの比が同じく１：２：√５となる５つの相似なピンウィールタイルに分割することができる。
このピンウィールタイルを用いて平面を充填した場合には、周期的なパターンが現れず、平面を非周期的に隙間なく充填することができる。なお、アレーアンテナ１は、ピンウィールタイルの一部を切り出して構成される。

この実施の形態１では、サブアレーアンテナ２の平面形状として、ピンウィールタイルの構成要素である直角三角形を選び、平面を充填している。この結果、図３に示すように、直角三角形の向きが非周期的となるので、アレーアンテナ１において、サブアレーアンテナ２の配置自体に周期性を持たせなくすることが可能となる。

また、サブアレーアンテナ２内の素子アンテナ４においては、素子アンテナ４それぞれの間隔を可能な限り離すことができれば、素子間結合が小さくなり、性能劣化を抑えることができる。

その反面、素子アンテナ間隔を大きくすると、ある指向角以上において、指向角方向以外に各素子アンテナからの放射電界が同相となる方向が生じ、グレーティングローブが発生する。このため、グレーティングローブが発生しないような間隔で素子アンテナ４を配置する必要がある。

そこで、この実施の形態１では、素子アンテナ４の配置を、互いの間隔を広くするようにした上でグレーティングローブを抑えるために、素子アンテナ４の中心位置を中心とする円が互いに接し、かつ素子アンテナ４の中心位置を中心とする円がサブアレーアンテナ２の直角三角形の外形に接するようにする。

この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナによれば、三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形で平面形状が構成されたサブアレーアンテナを、平面上に非周期的に配列してアレーアンテナを構成することにより、周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧するとともに、製造コストの上昇を抑制することができる。
また、サブアレーアンテナの平面形状である直角三角形の向きの非周期性は、アレーアンテナの周波数とは無関係なので、広帯域にわたってグレーティングローブを抑圧することができる。
また、直角三角形の三辺の長さの比をあらかじめ決定しておくことにより、設計時に決定すべき事項（自由度）を減らして、アレーアンテナを容易に設計することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、サブアレーアンテナ２が、１種類の素子アンテナ４を含んでいる場合について説明した。この実施の形態２では、サブアレーアンテナ２が、複数種類の素子アンテナを含んでいる場合について説明する。なお、上記実施の形態１と同様の構成および機能については、説明を省略する。

図４は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。
図４において、この実施の形態２に係るアレーアンテナ１には、複数のサブアレーアンテナ２と、複数の移相器３とが設けられている。

各サブアレーアンテナ２の平面形状は、直角三角形であり、複数の素子アンテナ５、６を含んで構成され、それぞれ移相器３が接続されている。このような構成により、サブアレーアンテナ２毎に位相制御が行われ、ビーム形成や指向制御等が行われる。

この実施の形態２では、三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形で平面形状が構成されたサブアレーアンテナ２を、平面上に非周期的かつフラクタル状に隙間なく充填（配列）することにより、アレーアンテナ１を構成している。

図５は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ１を構成する１つのサブアレーアンテナ２を示す平面図である。
図５において、サブアレーアンテナ２は、寸法の互いに異なる複数の素子アンテナ５、６で構成されている。また、素子アンテナ５、６の中心位置は、上記実施の形態１における素子アンテナ４の中心位置と同じ位置に設定されている。
素子アンテナの動作周波数は、そのアンテナ寸法で決まり、寸法が互いに異なれば動作周波数も互いに異なる。

ここで、素子アンテナ５は、第１の周波数で動作し、素子アンテナ６は、第２の周波数で動作する。また、素子アンテナ５、６がそれぞれ広帯域素子アンテナである場合には、素子アンテナ５は、第１の周波数帯域で動作し、素子アンテナ６は、第２の周波数帯域で動作する。
なお、サブアレーアンテナ２は、動作周波数が互いに異なる３種類以上の素子アンテナを含んでいてもよい。

この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナによれば、サブアレーアンテナ内を寸法の互いに異なる複数の素子アンテナで構成すること、すなわち動作周波数あるいは動作周波数帯域の異なる複数の素子アンテナで構成することにより、複数帯域で、あるいは広帯域にわたって動作するアレーアンテナを得ることができる。
また、サブアレーアンテナの平面形状である直角三角形の向きの非周期性は、アレーアンテナの周波数とは無関係なので、広帯域にわたってグレーティングローブを抑圧することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、サブアレーアンテナ２が、１種類の素子アンテナ４を含んでいる場合について説明した。この実施の形態３においても、サブアレーアンテナ２が、複数種類の素子アンテナを含んでいる場合について説明する。なお、上記実施の形態１と同様の構成および機能については、説明を省略する。

図６は、この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。
図６において、この実施の形態３に係るアレーアンテナ１には、複数のサブアレーアンテナ２と、複数の移相器３とが設けられている。

各サブアレーアンテナ２の平面形状は、直角三角形であり、複数の素子アンテナ７、８を含んで構成され、それぞれ移相器３が接続されている。このような構成により、サブアレーアンテナ２毎に位相制御が行われ、ビーム形成や指向制御等が行われる。

この実施の形態３では、三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形で平面形状が構成されたサブアレーアンテナ２を、平面上に非周期的かつフラクタル状に隙間なく充填（配列）することにより、アレーアンテナ１を構成している。

図７は、この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ１を構成する１つのサブアレーアンテナ２を示す平面図である。
図７において、サブアレーアンテナ２は、配置方向の互いに異なる２種類の素子アンテナ７、８を混在させて構成されている。また、素子アンテナ７、８の中心位置は、上記実施の形態１における素子アンテナ４の中心位置と同じ位置に設定されている。

素子アンテナの偏波方向は、その配置方向で決まり、アンテナ軸が垂直方向であれば、垂直偏波用の素子アンテナとなり、アンテナ軸が水平方向であれば、水平偏波用の素子アンテナとなる。
ここで、素子アンテナ７は、垂直偏波用の素子アンテナであり、素子アンテナ８は、水平偏波用の素子アンテナである。

この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナによれば、サブアレーアンテナ内を偏波方向の互いに異なる複数の素子アンテナで構成することにより、２偏波共用で広帯域にわたって動作するアレーアンテナを得ることができる。
また、サブアレーアンテナの平面形状である直角三角形の向きの非周期性は、アレーアンテナの周波数とは無関係なので、広帯域にわたってグレーティングローブを抑圧することができる。

実施の形態４．
上記実施の形態１では、サブアレーアンテナ２が、１種類の素子アンテナ４を含んでいる場合について説明した。この実施の形態４においても、サブアレーアンテナ２が、複数種類の素子アンテナを含んでいる場合について説明する。なお、上記実施の形態１と同様の構成および機能については、説明を省略する。

図８は、この発明の実施の形態４に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。
図８において、この実施の形態４に係るアレーアンテナ１には、複数のサブアレーアンテナ２と、複数の移相器３とが設けられている。

各サブアレーアンテナ２の平面形状は、直角三角形であり、複数の素子アンテナ４を含んで構成され、各素子アンテナ４にそれぞれ移相器３が接続されている。このような構成により、素子アンテナ４毎に位相制御が行われ、ビーム形成や指向制御等が行われる。

この実施の形態４では、三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形で平面形状が構成されたサブアレーアンテナ２を、平面上に非周期的かつフラクタル状に隙間なく充填（配列）することにより、アレーアンテナ１を構成している。

この実施の形態４では、素子アンテナ４の配置を、互いの間隔を広くするようにした上でグレーティングローブを抑えるために、素子アンテナ４の中心位置を中心とする円が互いに接し、かつ素子アンテナ４の中心位置を中心とする円がサブアレーアンテナ２の直角三角形の外形に接するようにする。

この発明の実施の形態４に係るアレーアンテナによれば、平面上に非周期的かつフラクタル状に隙間なく充填（配列）されたサブアレーアンテナ内に、グレーティングローブの発生を抑えるように互いの間隔を広くするように素子アンテナを配列することで、素子アンテナは非周期に配列されるため、広帯域にわたってグレーティングローブを抑圧することができる。

この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナを構成する１つのサブアレーアンテナを示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナを構成するピンウィールタイルを示す説明図である。 この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナを構成する１つのサブアレーアンテナを示す平面図である。 この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナを構成する１つのサブアレーアンテナを示す平面図である。 この発明の実施の形態４に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ アレーアンテナ、２ サブアレーアンテナ、３ 移相器、４〜８ 素子アンテナ。

Claims (4)

1. 複数の素子アンテナをまとめたサブアレーアンテナ毎に移相器を設けて束ね、ビーム形成を行うアレーアンテナであって、
   前記サブアレーアンテナは、三辺の長さの比が１：２：√５となる直角三角形で平面形状が構成され、平面上に非周期的に配列されていることを特徴とするアレーアンテナ。
2. 前記サブアレーアンテナは、動作周波数が互いに異なる２種類以上の素子アンテナを含むことを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。
3. 前記サブアレーアンテナは、水平偏波用の素子アンテナと垂直偏波用の素子アンテナとを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアレーアンテナ。
4. 前記サブアレーアンテナは、移相器を各素子アンテナ毎に設けたことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のアレーアンテナ。

Images