JP2012209830A - ダイポールアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 プリント化ダイポールアンテナを素子アンテナとするフェーズドアレーアンテナを広い周波数帯域で広帯域に使用する場合、表面波による素子間結合によるスキャンブラインドネス現象発生の影響により、アクティブインピーダンスが低周波数帯の広角方向ビーム走査時に劣化し、利得低下が生じる課題がある。
【解決手段】 プリント化ダイポールアンテナと同一基板上でアンテナの左右にモノポール状の無給電素子を複数設置することで、表面波を従来例よりも遅延させてＥ面方向の隣接素子まで伝搬させることができる。これにより、同一周波数において、スキャンブラインドネス現象の発生を、より広角方向へシフトするので、覆域内での利得低下を防ぎ、広角ビーム走査特性の劣化を抑えられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーダ、通信等幅広い用途に用いられるダイポールアレーアンテナに関する。

プリント基板にダイポールアンテナの素子アンテナが形成されたプリント化ダイポールアンテナは、例えば特許文献１、非特許文献１に記載されるように、一般的にはマイクロストリップ線路からテーパバランを介して平行２線に変換する給電構造を持つ。反射板上方略１／４波長の高さにダイポールアンテナを設置して用いる場合には、給電線路が反射板と接触しないように、反射板にスロット状の穴を開ける。この種のプリント化ダイポールアンテナは、反射板上に複数個の素子アンテナが配列されて、各素子に励振位相調整手段である移相器を装荷されることで、フェーズドアレーアンテナを構成する。

特開平０６−２６８４３３号公報

Ｊ．Ｓ．Ｆｕ，Ｍ．Ｂ．Ｗａｎｇ，Ｙ．Ｌｕ ａｎｄ Ｌ．Ｃｈｉｎ，゛Ｃｏｍｐｏｕｎｄ Ｄｉｐｏｌｅ Ｗｉｔｈ Ｈ−ｐｌａｎｅ Ｐａｒａｓｉｔｉｃ Ｐｏｓｔｓ Ｆｏｒ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ｗｉｄｅ−ａｎｇｌｅ Ｗｉｄｅ−ｂａｎｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ,゛Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １９９９ ＩＥＥＥ Ｒａｄａｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐ．２２−２６，Ａｐｒｉｌ １９９９．

従来、ダイポールアンテナを素子アンテナとするフェーズドアレーアンテナを広い周波数帯域で広帯域に使用する場合、非特許文献１に記載されているように、素子間結合による影響でアクティブインピーダンスが低周波数帯の広角方向ビーム走査時に劣化し、利得低下が生じる恐れがある。

図４（ａ）は従来のプリント化ダイポールアンテナの概略構造を示す。図において、プリント化ダイポールアンテナの素子アンテナ単体５は、誘電体基板１と、ダイポールアンテナをなす放射部２と、給電回路３と、反射板４から構成される。放射部２、給電回路３およびテーパバラン（図示無し）は、プリント加工にて誘電体基板１上に一体化構成されている。反射板４にはスロット穴（図示無し）が設けられており、この穴から前記誘電体基板１が差し込まれて放射部２および給電回路３が反射板４より上方に飛び出した構造となっている。テーパバランは、反射板４の裏面側に設けるのが一般的である。

このプリント化ダイポールアンテナの素子アンテナ単体５は、反射板４上に一次元（リニア状）や二次元に複数個配列されて、素子毎に移相器を装荷してフェーズドアレーアンテナを構成している。一例として、図４（ｂ）はリニア状に複数個配列したアレーの状態を示す図であり、また図５は二次元に配列したアレーの素子アンテナ配列の概略を示す上面図である。

次に、図４、図５に示した従来のプリント化ダイポールアンテナからなるフェーズドアレーアンテナの動作について説明する。アンテナにおいて送信と受信の関係は可逆であるため、ここではアンテナから電波が放射される送信の場合を例に述べる。まずは、素子アンテナ単体の動作を説明する。

送信信号は入力端子から分配回路（図示せず）を介して各素子の移相器に伝搬され、所望の励振位相値に調整された後、プリント化ダイポールアンテナの素子アンテナ単体５に到達する。送信信号はその後、誘電体基板１上に構成された平衡不平衡変換器であるテーパバランを介して平行２線である給電回路３に伝搬される。給電回路３が反射板４との干渉を避けるために、反射板４上にスロット穴が設けられている。その後、送信信号は給電回路３を伝わり放射部２に到達し、ダイポールアンテナが給電され送信波が放射部２から空間に放射される。ところで、各素子の送信信号は、各素子の送受信部にて振幅調整、位相制御されて素子アンテナ単体の入力端に伝わる。そのため、各素子アンテナ単体から放射された送信波は空間合成されて所望の放射特性を実現する。（ところで、前記で「フェーズドアレーアンテナの動作」について説明すると述べたが、送受信部にて各素子信号の振幅調整がなされた場合は、正しくは「アクティブフェーズドアレーアンテナ」のことを説明していることとなる。）

さて、前記プリント化ダイポールアンテナでは、テーパバランと給電回路３との不整合や放射部２と給電回路３との不整合により給電回路３に不平衡電流が流れ、そこが波源として不要波が発生する恐れがある。これは、特に、帯域端のアンテナ特性の劣化し始める領域で生じやすい。この不要波は表面波として誘電体基板１上をダイポールアンテナのＥ面方向に伝搬する（図４（ｂ）の表面波伝搬の様子を参照）。そして、この表面波は、誘電体基板１上を伝搬するときはほとんど減衰することなくＥ面方向の隣接する素子アンテナまで伝搬する。その際、各素子でのビーム走査設定位相と表面波の伝搬による位相遅れとの重畳によって、Ｅ面方向の素子アンテナ間で同相となる条件が揃った場合にスキャンブラインドネス現象が発生し、ビーム走査方向での利得低下が発生する。この利得低下によって、広角ビーム走査特性の劣化、すなわちビーム走査覆域が減少する課題がある。なお、図５に示す二次元に配列したアレーにおいて、表面波は点線で囲んだ誘電体基板１の伸長方向（Ｅ面方向）に伝搬するので、その方向において表面波伝搬に対する対策を施す必要がある。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、不要波の表面波伝搬による素子アンテナ間結合によって発生する、ダイポールアンテナのビーム走査方向での利得の低下を抑えることを目的とする。

本発明によるダイポールアレーアンテナは、ダイポールアンテナを形成する素子アンテナと、前記素子アンテナと同一基板上で、前記素子アンテナを間に挟むＥ面方向の両側に、前記素子アンテナから所定の間隔を空けて対称的に配置されたモノポール状の無給電素子と、を表面に具備したプリント基板が、前記素子アンテナのＥ面方向に複数個配列されたものである。

本発明に係るダイポールアレーアンテナによれば、無給電素子を設けることによって、不要波による表面波を、従来よりも遅延させてＥ面方向の隣接する素子アンテナまで伝搬させることができる。これにより、同一周波数において、スキャンブラインドネス現象の発生を、より広角方向へシフトするので、覆域内での利得低下を防ぎ、広角ビーム走査特性の劣化を抑えることができる。

実施の形態１によるプリント化ダイポールアレーアンテナの概略構成を示す図である。 実施の形態１によるプリント化ダイポールアレーアンテナのアクティブＶＳＷＲ（電圧定在波比）の解析結果の一例を示す図である。 実施の形態１によるプリント化ダイポールアレーアンテナの放射パターン解析結果の重ね書きの一例を示す図である。 従来のプリント化ダイポールアレーアンテナの概略構成を示す図である。 従来のプリント化ダイポールアンテナの２次元アレーの概略構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態１について、プリント化ダイポール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。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るプリント化ダイポールアレーアンテナの構成を示す図であり、図１（ａ）は素子アンテナ単体を示し、図１（ｂ）は素子アンテナ単体が複数配列された配列状態を示しており、一列のみを側面から見た場合として示している。

図１において、プリント化ダイポールアレーアンテナは素子アンテナ単体１０が複数配列されて、（アクティブ）フェーズドアレーアンテナが構成される。素子アンテナ単体１０は、誘電体基板１１と、放射部１２と、給電回路部１３と、トリプレート線路１４と、反射板１７と、無給電素子１８を備えて構成される。また、給電回路部１３は、地導体１９とトリプレート線路１４とスロット線路１５とスルーホール１６によって構成される。放射部１２、地導体１９、および無給電素子１８は、いずれも誘電体基板１１の両表面上にエッチングによるプリント加工にて同形状に構成されている。

地導体１９は、Ｃの字型形状をなして屈曲した２つの導体線路から構成される。地導体１９は、Ｃの字の中腹をなす一部が反射板１７およびグランドに接続されている。トリプレート線路１４は、地導体１９の間に挟まれるように、誘電体基板１１の内層に配線される。スロット線路１５は、給電回路部１３がスリット状に切り込まれた部分に形成され、当該スリット状に切り込まれた部分に所定の間隙を有した平行２線路によって構成される。スロット線路１５は、それぞれの線路の一端部が給電回路部１３における地導体１９のＣの字型の端部にそれぞれ接続されている。スルーホール１６はトリプレート線路１４の端部に設けられており、誘電体基板１１の両表面に設けられた給電回路部１３における地導体１９の端部とトリプレート線路１４の一端部とを短絡している。トリプレート線路１４の他端部は、誘電体基板１１上の給電回路部１３の入力端側に延在して配置される。放射部１２は、伸長方向がスロット線路１５の伸長方向に直交するように、スロット線路１５の他端部に接続される。放射部１２は、スロット線路１５に対し外側に拡がるように配置される。

反射板１７はスロット穴が設けられており、誘電体基板１１は当該スロット穴を貫通して、反射板１７の上面から法線方向に突き出して設置される。このとき、放射部１２と反対の反射板１７の裏面側に誘電体基板１１が伸長されており、誘電体基板１１の両表面には地導体１９が設けられている。この地導体１９は、前述の通り給電回路部１３と接続され、トリプレート線路１４の地導体も兼ねている。反射板１７は、この地導体１９と導通を有して接続されており、誘電体基板１１を取り囲むように設けられており、誘電体基板１１との間に電気的隙間は存在しない。また、反射板１７は放射部１２から略１／４波長離れた位置に設けられる。反射板１７は地導体１９を介してグランドに接続されている。

モノポール状の無給電素子１８は、前記反射板１７または地導体１９に接続されており、地導体１９や反射板１７と導通がとられている。無給電素子１８は、その伸長方向がスロット線路１５の伸長方向と平行になるように、素子アンテナ単体１０におけるＥ面方向の両側に、所定の間隔で１つもしくは複数個配置されている。無給電素子１８も放射部１２や給電回路部１３と同様に対称性を有するために、誘電体基板１１の両表面に設けられている。無給電素子１８の長さ（高さ）をｌ、幅をｗとする。また、隣接して複数配置される場合は、その間隔をｄと定める。

次に、この実施の形態１に係るプリント化ダイポールアレーアンテナの動作について、前記従来例と同様に送信の場合を例に説明する。
図中の入力端からの送信信号はトリプレート線路１４を伝搬し、スロット線路１５との交差点にて、電磁結合によりスロット線路１５側に伝搬する。ここで、トリプレート線路１４は、スロット線路１５と交差した直後にスルーホール１６を介して誘電体基板１１の両表面上にある給電部１３と導通する構造としているので、トリプレート線路１４はスロット線路１５との交差点直後で短絡状態となる（テーパバランが不要）。これにより、交差点ではトリプレート線路１４上に電流が最大で流れるためスロット１５側に効率よく電磁結合される。また、前記トリプレート線路１４との交差点近傍のスロット線路１５の端部形状は任意に選択でき、プリント化ダイポールアンテナを構成する素子アンテナ単体１０の反射特性の広帯域化に繋がる。

スロット１５に電磁結合された入力信号は、給電回路部１３内のスロット線路１５上を伝搬し、放射部１２に到達の後、放射部１２を給電する。その後、給電された放射部１２上に平衡電流が流れ、プリント化ダイポールアンテナ１０から送信波が空間に放射される。なお、ダイポールアンテナの特性上、送信波は、反射板１７の法線方向で反射板１７から遠ざかる直接波のほかに、反射板１７に向かう側にも同じ大きさで放射される（これを反射波と呼ぶ）。前述の通り、反射板１７は放射部１２から略１／４波長離れているので、反射波は反射板１７で反射して同相で直接波に重畳し、利得が２倍となる。

また、各素子アンテナ単体１０の入力端での送信信号は、その前に各素子アンテナ単体１０の送受信部にて振幅調整、位相制御されて入力端に伝わったものである。そのため、各素子アンテナ単体１０から放射された送信波は空間合成されて所望の放射特性を実現する。

ところで、プリント化ダイポールアンテナを構成する素子アンテナ単体１０は、従来のプリント化ダイポールアンテナとは異なり、トリプレート線路１４およびスロット１５を用いているので、テーパバランがなく不整合が生じにくい構造となっている。それでも、トリプレート線路１４とスロット線路１５との交差点では平衡−不平衡線路変換となるので、特に素子アンテナ単体１０の帯域端では、そこでの不整合や放射部１２と給電回路部１３との不整合により、給電回路部１３上に不平衡電流が流れ、そこが波源として不要波が発生する可能性がある。

この不要波は、表面波として誘電体基板１１上を伝搬し、ある特定の周波数とビーム走査角度方向において、前記従来例にて説明した原理に従いスキャンブラインドネス現象が発生し、ビーム走査方向での利得低下が発生する。しかし、誘電体基板上に設けた無給電素子１８により、前記表面波が従来例よりも遅延してＥ面方向の隣接する素子アンテナまで伝搬する。このため、同一周波数において、スキャンブラインドネス現象の発生は、より広角方向にシフトするので、覆域内での利得低下を防ぎ、広角ビーム走査特性の劣化を抑えられる。

また、無給電素子１８の数を増加させることで、表面波の伝搬遅延量をさらに増大させることができ、より広角方向にてスキャンブラインドネス現象を発生させることができることから、広角ビーム走査特性をより低帯域まで改善できるという広帯域特性を実現できる。

例えば、図１（ａ）の例では、無給電素子１８が片側３素子で記載されているが、片側１素子や２素子で構成した場合よりも、同一周波数ではより広角度方向に利得低下現象をシフトさせることが可能である。

また、無給電素子１８は等価的にインダクタンス素子として考えることができ、その長さや幅を変えることで無給電素子のもつインダクタンス値（自己インダクタンス）を変えることが容易にでき、周波数や角度方向のシフトなどの広角ビーム走査特性の調整が可能となる。例えば、より低周波数帯で効果を得るには、長さｌを長く設定したり、幅ｗを広げたりする。さらに、複数の無給電素子１８を隣接して設置する場合の幅ｄは、無給電素子間の相互インダクタンス値に起因し、伝搬遅延量の調整パラメータの一つとして扱うことができる。

ここで、無給電素子１８の効果を示す電磁界解析の結果を説明する。図２は無限周期アレーモデルでの素子アンテナ単体１０におけるアクティブＶＳＷＲの結果の一例を示す図である。図２において、無給電素子数は片側３素子ずつ、無給電素子の長さ（物理長）ｌはスキャンブラインドネス発生周波数で約０．１波長、幅（物理長）ｗは約０．０３波長である。また、図２（ａ）は無給電素子１８が存在しない場合、図２（ｂ）は無給電素子１８が存在する場合である。図２（ａ）にて広角方向でのＶＳＷＲが劣化している（図中の矢印）のに対して、図２（ｂ）では広角においてもＶＳＷＲ値が小さく抑えられていることがわかる。
なお、前記のように無給電素子１８の長さｌは、通常、スキャンブラインドネス発生周波数での共振長（略１／４波長）よりも短いという構造的特長がある。

図３は、図２と同じモデルにおけるビーム走査時放射パターンの重ね書きの一例である。図中の●印は各ビーム走査方向での利得推移の軌跡である。無給電素子１８を設けたことで、±６０度以降に発生していた利得低下現象は抑えられていることが明らかである。なお、解析モデルでは便宜上４００素子アレーと仮定して計算しており、図の縦軸の絶対値は無限周期アレーとしては意味をなさない。ここでは、角度間での相対的な利得推移を表す結果である。

無給電素子１８は図１をみてもわかるように、プリント化ダイポールアンテナ１０と同時にエッチング加工にて容易に形成できる利点もある。図５に示す２次元アレーの場合であっても、前記表面波は誘電体基板１１上を伝搬するので、その方向の誘電体基板１１上に無給電素子１８を設ければよい。すなわち、列の異なる素子アンテナ間には設ける必要はないので、同一列の複数の素子アンテナを１枚の基板に実装し、エッチング加工のみで所要の無給電素子１８を形成することができる。

また、無給電素子１８は、プリント化ダイポールアンテナ１０の左右に対称に設けられているので、無給電素子１８上に誘起される電流は左右で逆相である。このため、誘電体基板１１に直交するカット面内では無給電素子１８からの放射波は相殺されるので、不要放射（交差偏波）は抑圧される。

さらに、図１では全て同一形状の無給電素子１８を設けているが、片側の素子群内で全て同一である必要はなく、任意である。しかし、左右の素子群間は前記不要放射の相殺の絡みもあるので、対称性を維持するほうが良い。また、無給電素子１８は、その伸張方向が反射板１７に対して必ずしも垂直にする必要はなく、場合によっては反射板１７に対して傾斜させても差し支えない。この場合、左右の素子群間は前記不要放射の相殺の絡みもあるので、対称性を維持するように傾斜させる。
加えて、素子アンテナ１０からの無給電素子１８の配置距離の違いにより、表面波の伝搬遅延量が異なる。これは、誘電体基板１１上の隣接素子アンテナ１０に具備されている無給電素子１８との間隔が変化するので、その状態によっては両者間で相互インダクタンス量の変化が効いてくるためである。すなわち、無給電素子１８の素子アンテナ１０からの距離も設計パラメータの一つとなりうる。

また、前記表面波は誘電体基板１１上を伝搬することから、そもそも誘電体基板１１のＥ面方向サイズ（基板幅）によっても伝搬遅延量を制御できる。基板幅が広ければ、それだけ伝搬遅延量が増すということである。また、図１（ｂ）のアレー状態の図に示すようにＥ面方向の隣接する素子アンテナ間に空間領域がある場合、この領域での表面波は減衰しつつ伝搬遅延も自由空間の波数に従うので、誘電体基板１１上のそれよりも小さい。このことから、Ｅ面方向素子アンテナ間での誘電体基板領域と空間領域との割合を変えることでも、スキャンブラインドネス現象の発生角度を変更できる。前記無給電素子１８との併用でスキャンブラインドネス現象の発生角度の調整に対し、さらに自由度が増す利点も備わっている。

このように実施の形態１によるダイポールアレーアンテナは、ダイポールアンテナを形成する素子アンテナと、前記素子アンテナと同一基板上で、前記素子アンテナを間に挟むＥ面方向の両側に、前記素子アンテナから所定の間隔を空けて対称的に配置されたモノポール状の無給電素子と、を表面に具備したプリント基板が、前記素子アンテナのＥ面方向に複数個配列されたことを特徴とする。

また、前記無給電素子は、前記素子アンテナのＥ面方向に複数個配列されたことを特徴とする。

また、前記プリント基板は、トリプレート線路と、前記トリプレート線路と交差し、前記素子アンテナに接続されたスロット線路と、前記スロット線路とトリプレート線路の交差点で、当該スロット線路とトリプレート線路の一端部に接続されたスルーホールと、前記スロット線路の他端部に接続され、上記トリプレート線路を間に挟む地導体と、前記地導体に接続された前記素子アンテナの反射板と、を備えたことを特徴とする。

これによって、無給電素子を設けることにより、不要波による表面波を、従来よりも遅延させてＥ面方向の隣接する素子アンテナまで伝搬させることができる。また、同一周波数において、スキャンブラインドネス現象の発生を、より広角方向へシフトするので、覆域内での利得低下を防ぎ、広角ビーム走査特性の劣化を抑えることができる。

以上の説明では、図１に示すトリプレート線路給電タイプのプリント化ダイポールアンテナを素子アンテナ単体とするアレーについて述べたが、この無給電素子１８は特許文献１の従来例に示すプリント化ダイポールアレーアンテナに対しても、勿論その効果を発揮するものである。

また、無給電素子１８の数を増加させることで、表面波の伝搬遅延量も増す。このため、より広角方向にてスキャンブラインドネス現象は発生することから、広角ビーム走査特性を改善できる。さらに、無給電素子は等価的にインダクタンス素子として考えることができ、その長さや幅を変えることで、広角ビーム走査特性の調整が可能である。

なお、実施の形態１によるプリント化ダイポールアレーアンテナは、固定局および移動局問わず、各種レーダ用アクティブフェーズドアレーアンテナとして用いることができる。

１ 基板、２ 放射部、３ 給電回路、４ 反射板、５ 素子アンテナ単体、１０ 素子アンテナ単体（プリント化ダイポールアンテナ）、１１ 基板、１２ 放射部、１３ 給電回路部、１４ トリプレート線路、１５ スロット線路、１６ スルーホール、１７ 反射板、１８ 無給電素子、１９ 地導体。

Claims (3)

1. ダイポールアンテナを形成する素子アンテナと、
   前記素子アンテナと同一基板上で、前記素子アンテナを間に挟むＥ面方向の両側に、前記素子アンテナから所定の間隔を空けて対称的に配置されたモノポール状の無給電素子と、
   を表面に具備したプリント基板が、前記素子アンテナのＥ面方向に複数個配列されたことを特徴とするダイポールアレーアンテナ。
2. 前記無給電素子は、前記素子アンテナのＥ面方向に複数個配列されたことを特徴とする請求項１に記載のダイポールアレーアンテナ。
3. 前記プリント基板は、
   トリプレート線路と、
   前記トリプレート線路と交差し、前記素子アンテナに接続されたスロット線路と、
   前記スロット線路とトリプレート線路の交差点で、当該スロット線路とトリプレート線路の一端部に接続されたスルーホールと、
   前記スロット線路の他端部に接続され、上記トリプレート線路を間に挟む地導体と、
   前記地導体に接続された前記素子アンテナの反射板と、
   を備えた請求項１または請求項２に記載のダイポールアレーアンテナ。

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