JP2010212895A - アンテナ装置、レーダ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】アンテナ装置は、複数のアンテナ素子102と、アンテナ素子102へ給電する給電線路103を含む複数のサブアレ―アンテナ101と、複数のサブアレ―アンテナ101の端部それぞれに接続される給電部104とを具備し、給電線路103は、給電線路103を流れる信号の位相シフトを行うための位相制御部105を備え、複数のサブアレ―アンテナ101を同一平面上に自由空間波長以下の間隔で平行に並列させ、かつ複数のサブアレ―アンテナ101の全本数を2等分し2つのサブアレ―アンテナ群に分割する中心軸に対して、2つのサブアレ―アンテナ群のアンテナ素子群同士が鏡像の関係にある。
【選択図】図1
Description
まず、本発明の実施形態に係るアンテナ装置およびレーダ装置について図1を参照して説明する。
本実施形態に係るアンテナ装置100は、サブアレ―アンテナ101、アンテナ素子102、位相制御部105を備える給電線路103、給電口104を含む。さらにアンテナ装置100は、複数のサブアレ―アンテナ101をアンテナ素子102が整列している方向と同一平面上で、平行に並列させることによりアレーアンテナ群が形成される。
サブアレ―アンテナ101は、複数のアンテナ素子102、位相制御部105を備える給電線路103を含む。
アンテナ素子102は、例えば、導波管構造を用いる場合はスロットまたはホーン、マイクロストリップ線路、トリプレート線路を用いる場合はパッチ素子によって構成される。
給電線路103は、例えば、導波管、誘電体導波管、マイクロストリップ線路、トリプレート線路、ポスト壁導波路によって構成され、アンテナ素子102に給電する。また、給電線路103は、位相制御部105を備えている。
給電口104は、給電の際に用いられる給電線路103の種類によりその形状が変化する。給電口104はその給電線路103の形状にあわせたモード変換器の構造をとる。
中心以外の位置に並列するサブアレ―アンテナ101については、隣り合うサブアレ―アンテナ101の給電口104が、お互いに最も遠い位置に配置される。つまり図1に示すようにサブアレ―アンテナ101の一方の端に給電口104があり、隣あうサブアレ―アンテナ101はサブアレ―アンテナ101の整列方向に対して反対側の端部に給電口104があるように互い違いになるインターディジタル構造をとる。ここで、サブアレ―アンテナ101の数の合計が偶数の場合は、鏡像を保つために中心軸を挟んで中心軸に最も近い2つのサブアレ―アンテナ101の給電口104を、互いに隣り合うように配置する。
このとき、中心にある二つのサブアレ―アンテナ101の給電口は、サブアレ―アンテナ101同士を自由空間波長以下の間隔に保ち、かつ互いの給電口が物理的に干渉しないように、給電口の位置を横方向にオフセットしてもよい。オフセットを行う距離は、中心にあるサブアレ―アンテナの給電部の中心から、中心軸方向に向かう給電部の周縁までの最短距離と前記間隔の半分との差以上となる距離だけ、中心軸方向にずらす。具体的に図1を参照して説明すると、導波管の幅をw、サブアレ―アンテナの間隔をdとすると、
例えば本実施形態に係るアンテナ装置100をレーダ装置として使用する場合、モノパルス方式での測角をおこなうことが考えられる。モノパルス方式で測角をおこなうレーダ装置の一例を図3に示す。図3はモノパルス方式の受信時の回路を示しており、本実施形態に係るレーダ装置300は、アンテナ301a、301b、301c、301d、RFチップ部302、周波数変換部及びAD変換部303、モノパルスDBF(Digital Beam Forming)部304、を含む。
RFチップ部302は、サブアレ―アンテナであるアンテナ301a、301b、301c、301dで受信した信号を、増幅したり、信号のダウンコンバートを含む処理をおこない、AD変換部303に送る。
AD変換部303は、RFチップ部より送られた信号をアナログディジタル変換をおこなってディジタル信号を生成し、モノパルスDBF303部に送る。
モノパルスDBF部304は、AD変換部303から送られたディジタル信号を用いてビームの到来方向を推定する。さらなる詳細な動作については公知の技術を用いるためここでの説明は省略する。
ここで、アンテナ301a、301b、301c、301dのそれぞれが本実施形態に係るアンテナ装置100のサブアレ―アンテナ101を示すとする。ここでは4本のサブアレ―アンテナを用いているが、任意の本数のサブアレ―アンテナを用いてもよい。
モノパルス方式では、サブアレーアンテナで受信した出力を合成して和信号と差信号を作り、対象物の測角を行う。図3を用いて具体的に説明すると、例えばアンテナ301aと301b、アンテナ301cと301dに分けて、アンテナ301aと301b出力と、アンテナ301cと301dの出力を逆相に合成すると正面方向にヌルを形成する。
実際に本実施形態に係るアンテナ装置100をポスト壁導波路スロットアレーアンテナによって実現したものを図4に示す。ポスト壁導波路スロットアレーアンテナ401とパッケージ402が、導波管線路401を通じて接続されている。ポスト壁導波路スロットアレーによって実現したアンテナ装置については後に図6を用いて詳細に説明する。
ここでは、サブアレ―アンテナ101を端から、301a、301b、301c、301dと仮定する。各サブアレ―アンテナ101から受信した信号は、各サブアレ―アンテナ101の給電部に接続された給電線路301を通じてパッケージ302に入力される。
図1の点線で示す部分が鏡像の関係にあるため、アンテナ素子102およびアンテナ素子102を接続する給電線路103の製作誤差によって、給電線路102に流れる信号に位相差が生じてしまったとしても、各給電線路で同じ分だけ位相差を生じることとなるため、位相差を互いに打ち消しあい、正面方向のヌルを維持することができる。
次に、図1で示した本実施形態に係るアンテナ装置100の変形例を図5に示す。これはサブアレ―アンテナ101の総数が偶数個である場合に、鏡像の関係を保つために中心にある2つのサブアレ―アンテナ101の給電口104を隣り合わせに並列させる必要があるため、給電線路103をオフセットしたとしても隣り合う給電口104同士が干渉する可能性がある。そこで、中心軸に最も近い2つのサブアレ―アンテナ101は、それぞれの給電部に最も近いアンテナ素子102との距離が、他のサブアレ―アンテナ101の距離に比べて長くなるように引き回す。つまり、給電口104同士が干渉することがないように一番外側のサブアレ―アンテナ101のさらに外側に給電線路103を引き回して給電する。つまり図5に示すように、中心の右側にあるサブアレ―アンテナ101の給電線路103が「L」字となる状態を形成する。
第1の変形例をポスト壁導波路スロットアレーで作製した一例を図6に示す。ポスト壁導波路は、誘電体基板と、サブアレ―アンテナ601、アンテナ素子602、給電線路603、給電口604、位相制御部605を含む。
誘電体基板は、セラミックや液晶ポリマーなどの材質の上に上下両面が例えば銅のような導電性金属材料により作られた金属膜により覆われている。
給電線路603および位相制御部605は、スルーホール606および整合ピン607を含む。スルーホール606および整合ピン607は、誘電体基板を貫通して金属膜間を短絡する金属部材(スルーホール部材と呼ばれる)によって作られる。このスルーホール606を整列させたスルーホール列により、等価的に誘電体が充填された導波管構造のように動作するポスト壁導波路が形成される。ポスト壁導波路は、導波管の狭壁面に相当する側面を共有している。
アンテナ素子602は、スロットアンテナの場合、エッチングによりスロットを開けることにより形成される。ポスト壁導波路スロットアレーアンテナは、誘電体の充填された導波管のスロットアレーアンテナとして動作する。スロットは、ポスト壁導波路における管軸方向(ポスト壁導波路を形成するスルーホール列と並行な方向に相当)に対して、平行、垂直、斜め45度等、様々な方向に形成されてもよく、また、様々な方向にあけたスロットを組み合わせてもよい。スロットの間隔は、等間隔であっても、不等間隔であってもよい。ポスト壁導波路スロットアレーアンテナにおいて、ポスト壁導波路を形成するスルーホール群以外に、ポスト壁導波路内にスルーホールが具備されていてもよい。
第1の変形例を形成するために、中心にある二つのサブアレ―アンテナの給電口604は、ベンド構造を介して、一番外側のサブアレ―アンテナの外側に、引き回されて給電される。
本実施形態では、第1の実施形態または第1の実施形態の変形例及びその具体例におけるサブアレ―アンテナを、導波管スロットアレーアンテナ、誘電体導波管スロットアレーアンテナ、マイクロストリップ線路パッチアレーアンテナ、トリプレート線路パッチアレーアンテナ、ホーンアレーアンテナにより構成する。各アンテナの製作法については公知の技術を用いるためここでの詳細な説明は省略する。ここでは特にサブアレ―アンテナ内のアンテナ素子の配列について図7から図9を参照して詳細に説明する。図1では、1列の給電線路に直列に接続されているが、図7のように給電線路703から片側に向けて、アンテナ素子702が枝分かれした配置をとるサブアレ―アンテナ701でもよい。また、図8のように給電線路803から両側にアンテナ素子802が枝分かれするサブアレ―アンテナ801の配置をとってもよい。さらに図9のように、給電線路903から枝分かれした後、T分岐を3回繰り返してその末端にアンテナ素子902を配置することにより、給電線路902からの1つの枝分かれに対して8個のアンテナ素子902が配置されるサブアレ―アンテナ901としてもよい。
これら図7から図9のサブアレ―アンテナ701、801、901に共通することは、本実施形態に係るアンテナ装置の中心軸に対して、鏡像の関係と保つようにアンテナ素子配置をとることである。具体的には図10に示したアンテナ素子配置であれば、サブアレ―アンテナの右側に枝分かれをしたものが中心軸から見て左側に配置されている場合、中心軸から右側に配置されているサブアレ―アンテナは、左側に枝分かれする構造をとるようにする。
以上に示した第2の変形例によれば、様々なアンテナの形状に対応したアンテナ素子配置で本実施形態に係るアンテナ装置を実現することができる。
Claims (20)
- 複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子へ給電する給電線路とを含む複数のサブアレ―アンテナと、
前記複数のサブアレ―アンテナの端部にそれぞれ1つずつ接続される複数の給電部とを具備し、
前記給電線路は、前記給電線路を流れる信号の位相シフトを行うための位相制御部を備え、
前記複数のサブアレ―アンテナを、同一平面上に自由空間波長以下の間隔で平行に並列させ、該同一平面上で該複数のサブアレ―アンテナに平行で、かつ該複数のサブアレ―アンテナの全本数を2等分し2つのサブアレ―アンテナ群に分割する中心軸に対して、前記2つのサブアレ―アンテナ群の前記アンテナ素子群同士が鏡像の関係にあるアンテナ装置。 - 前記位相制御部は、前記複数のサブアレ―アンテナの給電線路に流れる信号が、それぞれ同相となるように、前記給電線路を流れる信号の位相シフトを行うことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記位相制御部は、前記中心軸により分割された一方のサブアレ―アンテナ群の給電線路に流れる信号の位相と、他方のサブアレ―アンテナ群の給電線路に流れる信号の位相とが同相となるように、前記給電線路に流れる信号の180度位相シフトを行うことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記位相制御部は、前記給電線路と幅が異なる線路であることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記給電線路のうち、前記中心軸により分割された一方のサブアレ―アンテナ群の給電線路の前記位相制御部の線路長は、他方のサブアレ―アンテナ群の給電線路の前記位相制御部の線路長と異なることを特徴とする請求項1乃至3いずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記位相制御部は、前記サブアレ―アンテナの最も前記給電部側に設けられたアンテナ素子と前記給電部の間にあることを特徴とする請求項1乃至5いずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記中心軸を挟んで該中心軸に最も近い2つのサブアレ―アンテナのそれぞれの給電部は、該給電部に最も近い前記アンテナ素子との距離が、他のサブアレ―アンテナの該距離に比べて長いことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記中心軸を挟んで該中心軸に最も近い2つのサブアレ―アンテナのそれぞれの給電部は、前記給電部と前記中心軸との最短距離が、他の給電部の該最短距離に比較して最も長い距離に配置されることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記2つのサブアレ―アンテナ群内のそれぞれで、前記複数のサブアレ―アンテナに含まれる第1サブアレ―アンテナの、前記複数の給電部に含まれる第1給電部に対し、隣接する第2サブアレ―アンテナの、前記複数の給電部に含まれる第2給電部が、該第1給電部から最も遠い距離にある該第2サブアレ―アンテナの端部に接続されており、順次隣接する各サブアレ―アンテナに対し給電部がインターディジタルに接続されることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
- 複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子へ給電する給電線路とを含む複数のサブアレ―アンテナと、
前記複数のサブアレ―アンテナの端部にそれぞれ1つずつ接続される複数の給電部とを具備し、
前記給電線路は、前記給電線路を流れる信号の位相シフトを行うための位相制御部を備え、
前記複数のサブアレ―アンテナは、前記複数のアンテナ素子の整列方向に対し、同一平面上で平行に前記複数のサブアレ―アンテナを並列させて隣接するサブアレ―アンテナ同士の間隔が自由空間波長以下となるように配置させ、前記複数のサブアレ―アンテナと平行で、かつ該複数のサブアレ―アンテナの全本数を2等分し2つのサブアレ―アンテナ群に分割する中心軸に対して、前記サブアレ―アンテナ群の前記アンテナ素子群同士が鏡像の関係となり、前記2つのサブアレ―アンテナ群内のそれぞれで、前記中心軸に最も近いサブアレ―アンテナである第3サブアレ―アンテナの第3給電部に対し、隣接する第4サブアレ―アンテナの第4給電部が、該第3給電部から最も遠い距離にある該第4サブアレ―アンテナの端部に接続されて、順次隣接する各サブアレ―アンテナに対し給電部がインターディジタルに接続されることを特徴とするアンテナ装置。 - 前記位相制御部は、前記複数のサブアレ―アンテナの給電線路に流れる信号が、それぞれ同相となるように、前記給電線路を流れる信号の位相シフトを行うことを特徴とする請求項10に記載のアンテナ装置。
- 前記位相制御部は、前記中心軸により分割された一方のサブアレ―アンテナ群の給電線路に流れる信号の位相と、他方のサブアレ―アンテナ群の給電線路に流れる信号の位相とが同相となるように、前記給電線路に流れる信号の180度位相シフトを行うことを特徴とする請求項10に記載のアンテナ装置。
- 前記位相制御部は、前記給電線路と幅が異なる線路であることを特徴とする請求項10乃至12いずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記給電線路のうち、前記中心軸により分割された一方のサブアレ―アンテナ群の給電線路の前記位相制御部の線路長は、他方のサブアレ―アンテナ群の給電線路の前記位相制御部の線路長と異なることを特徴とする請求項10乃至12いずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記位相制御部は、前記サブアレ―アンテナの最も前記給電部側に設けられたアンテナ素子と前記給電部の間にあることを特徴とする請求項10乃至14いずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記中心軸を挟んで該中心軸に最も近い2つのサブアレ―アンテナのそれぞれの給電部は、該給電部に最も近い前記アンテナ素子との距離が、他のサブアレ―アンテナの該距離に比べて長いことを特徴とする請求項10に記載のアンテナ装置。
- 前記複数のサブアレ―アンテナの数の合計が偶数である場合は、前記サブアレ―アンテナ群内のそれぞれで、前記中心軸に最も近いサブアレ―アンテナである第3サブアレ―アンテナを第3給電部に接続する位置が、前記給電部の中心から前記中心軸方向に向かう該給電部の周縁までの最短距離と前記間隔の半分との差以上となる距離だけ前記第3サブアレ―アンテナを前記第3給電部よりも前記中心軸の方向へオフセットして配置することを特徴とする請求項1または請求項9または請求項10のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 前記複数のサブアレ―アンテナの数の合計が奇数である場合は、中心にある1つの前記サブアレ―アンテナを前記中心軸として、他の前記複数のサブアレ―アンテナを配置することを特徴とする請求項9または請求項10に記載のアンテナ装置。
- 前記複数のアンテナ素子および前記複数のサブアレ―アンテナを、ポスト壁導波路スロットアレーアンテナ、誘電体導波管スロットアレーアンテナ、導波管スロットアレーアンテナ、マイクロストリップ線路パッチアレーアンテナ、トリプレート線路パッチアレーアンテナ、ホーンアレーアンテナのいずれか1つにより実現することを特徴とする請求項1から請求項18のいずれか1項に記載のアンテナ装置。
- 複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子へ給電する給電線路とを含む複数のサブアレ―アンテナと、前記複数のサブアレ―アンテナの端部にそれぞれ1つずつ接続される複数の給電部とを具備し、前記給電線路は、前記給電線路を流れる信号の位相シフトを行うための位相制御部を備えるアンテナと、
前記アンテナより受信した信号の増幅および該信号の周波数変換し変換信号を得るダウンコンバートを含む処理をおこなうRFチップ部と、
前記変換信号にアナログディジタル変換を行いディジタル信号に変換するアナログディジタル変換部と、
前記ディジタル信号よりビームの到来方向を推定するモノパルスDBF部と、を具備し、
前記複数のサブアレ―アンテナを、同一平面上に自由空間波長以下の間隔で平行に並列させ、該同一平面上で該複数のサブアレ―アンテナに平行で、かつ該複数のサブアレ―アンテナの全本数を2等分し2つのサブアレ―アンテナ群に分割する中心軸に対して、前記サブアレ―アンテナ群の前記アンテナ素子群同士が鏡像の関係にあることを特徴とするレーダ装置。
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