JP2018186337A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】アジマス方向及びエレベーション方向のいずれの方向にもビームステアリングを行い、かつ位相シフト制御の対象の増加を抑制し、高いアンテナ利得を得ることが可能なアレーアンテナを提供する。【解決手段】複数のサブアレーの各々が複数の放射素子を含み、相互に直交する第１の方向及び第２の方向に二次元的に配列されている。複数の給電線路が、複数のサブアレーごとに別々に高周波入出力デバイスから給電を行う。複数のサブアレーは、第１の方向に直線に沿って配列されており、第２の方向には、第２の方向に隣り合う２つのサブアレーの一方が他方に対して第１の方向にずれて配列されている。【選択図】図１

Description

本発明は、アレーアンテナに関する。

下記の特許文献１及び２にアレーアンテナが開示されている。
特許文献１に開示されたアレーアンテナは、所定の素子間隔で配列された第１のアンテナ素子と、第１のアンテナ素子の配列方向と平行に、同一の素子間隔で配列された第２のアンテナ素子とを含む。第１の分岐点で分岐した線路により第１のアンテナ素子に給電し、第２の分岐点で分岐した線路により第２のアンテナ素子に給電する。第２の分岐点は、第１の分岐点に対し配列方向に所定距離だけずれている。給電線路の分岐点の位置を好ましい位置に配置することにより、アレーアンテナの不要放射が低減される。

特許文献２に開示されたアレーアンテナは、少なくとも４つの一次元放射器アレイを備えている。偶数番目の放射器アレイは、奇数番目の放射器アレイに対して放射器間の距離の１／２だけシフトしている。放射器アレイをシフトさせることによって、放射器の密度を最適化することが可能になり、その結果ビーム形成が改善される。

１つの発振器から出力された信号が一次元放射器アレイの複数の放射素子に対応して分岐された後、位相シフトプッシュプッシュ発振器によって位相シフトを受ける。一次元放射器アレイの放射器が配列された方向（アレイ方向）に位相シフトされた信号の各々は、４つの一次元放射器アレイが並ぶ方向（アレイ方向と直交する方向）に分岐された後、所定の位相差を生じさせて各放射器に供給される。

国際公開第２０１０／０８９９４１号 特表２０１０−５４１３１５号公報

特許文献１に開示されたアレーアンテナにおいては、給電線路の分岐点で分岐された信号が各アンテナ素子に供給される。このため、アクティブフェーズドアレーアンテナとして動作させることができない。

特許文献２に開示されたアレーアンテナにおいては、位相シフトプッシュプッシュ発振器によって位相シフト量を変化させることにより、アレイ方向にビームステアリングを行うことができる。アレイ方向と直交する方向には、所定の位相差を設けて所望のカバレッジを提供することができるが、ビームステアリングを行うことはできない。また、高いアンテナ利得を得るために放射素子の個数を増やすと、位相シフト制御の対象が増えて高周波回路が複雑になる。

本発明の目的は、アジマス方向及びエレベーション方向のいずれの方向にもビームステアリングを行い、かつ位相シフト制御の対象の増加を抑制し、高いアンテナ利得を得ることが可能なアレーアンテナを提供することである。

本発明の第１の観点によるアレーアンテナは、
各々が複数の放射素子を含み、相互に直交する第１の方向及び第２の方向に二次元的に配列された複数のサブアレーと、
複数の前記サブアレーごとに別々に高周波入出力デバイスから給電を行う複数の給電線路と
を有し、
複数の前記サブアレーは、前記第１の方向に直線に沿って配列されており、前記第２の方向には、前記第２の方向に隣り合う２つの前記サブアレーの一方が他方に対して前記第１の方向にずれて配列されている。

給電線路を介して、複数のサブアレーに所望の位相差を付して高周波信号を供給することができる。これにより、第１の方向及び第２の方向に関してビームステアリングを行うことが可能になる。第２の方向に関して、複数のサブアレーが第１の方向にずれて配列されているため、全体として第１の方向に関するサブアレーの実効的なピッチが、第１の方向に配列された１行のサブアレーのピッチより小さくなる。その結果、第１の方向に関するビームの振れ角を大きくすることができる。高周波入出力デバイスの１つの入出力端子が、１つのサブアレーに含まれる複数の放射素子に接続されるため、入出力端子の個数よりも多くの放射素子を配置することができる。放射素子の個数を増やすことにより、高いアンテナ利得を得ることができる。言い換えると、放射素子の個数が増えても、高周波入出力デバイスの入出力端子の増加を抑制することができる。

本発明の第２の観点によるアレーアンテナは、第１の観点によるアレーアンテナの構成に加えて、
複数の前記サブアレーが、前記第１の方向に第１のピッチで配列されており、前記第２の方向に隣り合う２つの前記サブアレーの、前記第１の方向に関する位置のずれ量が、前記第１のピッチの１／２以下であるという特徴を有する。

複数のサブアレーの第１の方向に関する実効的なピッチを、第１のピッチより小さくすることができる。

本発明の第３の観点によるアレーアンテナは、第２の観点によるアレーアンテナの構成に加えて、
複数の前記サブアレーを前記第１の方向に平行な直線に垂直投影した複数の像が、前記第１の方向に前記第１のピッチの１／２以下の等ピッチで配列されるという特徴を有する。

第１の方向に関して前記第１のピッチの１／２以下の等ピッチで配列されたアクティブフェーズドアレーアンテナとして動作可能である。

本発明の第４の観点によるアレーアンテナは、第１から第３までの観点によるアレーアンテナの構成に加えて、
前記第２の方向に配列された複数の前記サブアレーが千鳥状に配置されているという特徴を有する。

第２の方向に配列された複数のサブアレーを千鳥状に配置すると、千鳥形状の振幅がサブアレーの第１の方向へのずれ量に相当する。

本発明の第５の観点によるアレーアンテナは、第１から第４までの観点によるアレーアンテナの構成に加えて、
複数の前記サブアレーが、前記第２の方向に第２のピッチで配列されているという特徴を有する。

第２の方向に関して第２のピッチで配列されたアクティブフェーズドアレーアンテナとして動作させることができる。

本発明の第６の観点によるアレーアンテナは、第１から第５までの観点によるアレーアンテナの構成に加えて、
複数の前記サブアレーの各々が、ｎを正の整数として２^ｎ個の前記放射素子で構成されているという特徴を有する。

サブアレーごとに給電線路の２分岐を繰り返すことにより、放射素子に給電することができる。

給電線路を介して、複数のサブアレーに所望の位相差を付して高周波信号を供給することができる。これにより、第１の方向及び第２の方向に関してビームステアリングを行うことが可能になる。第２の方向に関して、複数のサブアレーが第１の方向にずれて配列されているため、全体として第１の方向に関するサブアレーの実効的なピッチが、第１の方向に配列された１行のサブアレーのピッチより小さくなる。その結果、第１の方向に関するビームの振れ角を大きくすることができる。高周波入出力デバイスの１つの入出力端子が、１つのサブアレーに含まれる複数の放射素子に接続されるため、入出力端子の個数よりも多くの放射素子を配置することができる。放射素子の個数を増やすことにより、高いアンテナ利得を得ることができる。言い換えると、放射素子の個数が増えても、高周波入出力デバイスの入出力端子の増加を抑制することができる。

図１Ａは、第１実施例によるアレーアンテナの平面図であり、図１Ｂは、アレーアンテナと高周波入出力デバイスとの接続形態を示す図である。 図２Ａは、１つのサブアレー及び給電線路の一部分を示す平面図であり、図２Ｂは、アレーアンテナの一部分の断面図である。 図３は、第２実施例によるアレーアンテナの１つのサブアレー及び給電線路の一部分を示す平面図である。 図４Ａは、第３実施例によるアレーアンテナの１つのサブアレーの平面図であり、図４Ｂ及び図４Ｃは、第３実施例の変形例によるアレーアンテナの１つのサブアレーの平面図である。 図５は、第４実施例によるアレーアンテナの平面図である。

［第１実施例］
図１Ａから図２Ｂまでの図面を参照して、第１実施例によるアレーアンテナについて説明する。

図１Ａは、第１実施例によるアレーアンテナの平面図である。第１実施例によるアレーアンテナ１０は、相互に直交するｘ方向及びｙ方向に二次元的に配列された複数のサブアレー１１を含む。例えば、ｘ方向に４個、ｙ方向に４個、合計１６個のサブアレー１１が配置されている。複数のサブアレー１１の各々は、ｘ方向及びｙ方向をそれぞれ行方向及び列方向とする２行２列の行列状に配置された４個の放射素子１２を含む。放射素子１２として、パッチアンテナが用いられている。

サブアレー１１内の放射素子１２の配置は、複数のサブアレー１１において同一である。サブアレー１１ごとに配置された給電線路から分岐した給電線路１３を経由して、各放射素子１２に高周波信号が供給される。１つのサブアレー１１に含まれる４個の放射素子１２は、励振方向、励振位相等が同一の条件で励振される。

複数のサブアレー１１は、ｘ方向には直線に沿って等ピッチで配列されており、ｙ方向には千鳥状に等ピッチで配列されている。すなわち、ｙ方向に隣り合う２つのサブアレー１１はｘ方向にずれて配置されている。複数のサブアレー１１のｘ方向のピッチをＣｘで表し、ｙ方向のピッチをＣｙで表し、ｙ方向に隣り合う２つのサブアレー１１のｘ方向へのずれ量をＣｄで表す。ずれ量Ｃｄはｘ方向のピッチＣｘの１／２である。ｘ方向のピッチＣｘとｙ方向のピッチＣｙとは同一である。

ｘ方向を行方向とし、ｙ方向を列方向と定義したとき、２行目のサブアレー１１は、１行目のサブアレー１１に対してｘ方向にＣｄだけシフトした位置に配置されている。３行目のサブアレー１１は、ｘ方向に関して１行目のサブアレー１１と同じ位置に配置されている。４行目のサブアレー１１は、ｘ方向に関して２行目のサブアレー１１と同じ位置に配置されている。複数のサブアレー１１を、ｘ方向に平行な直線に垂直投影した複数の像が、ｘ方向にピッチＣｘ／２で配列される。

１つのサブアレー１１内の４つの放射素子１２のｘ方向のピッチ（中心間距離）をＣｉｘで表し、ｙ方向のピッチをＣｉｙで表す。ｘ方向に相互に隣り合う２つのサブアレー１１の一方のサブアレー１１内の放射素子１２と、他方のサブアレー１１内の放射素子１２との、ｘ方向の最短ピッチ（最短の中心間距離）をＣａｘで表す。ｙ方向に相互に隣り合う２つのサブアレー１１の一方のサブアレー１１内の放射素子１２と、他方のサブアレー１１内の放射素子１２との、ｙ方向の最短ピッチをＣａｙで表す。

サブアレー１１内のｘ方向のピッチＣｉｘ（以下、サブアレー内ピッチという。）と、サブアレー１１に跨ったｘ方向のピッチＣａｘ（以下、サブアレー間ピッチという。）とは同一である。すなわち、放射素子１２はｘ方向に等ピッチで配列されている。サブアレー１１内のｙ方向のサブアレー内ピッチＣｉｙと、ｙ方向のサブアレー間ピッチＣａｙとも同一である。すなわち、放射素子１２はｙ方向に等ピッチで配列されている。

図１Ｂは、第１実施例によるアレーアンテナ１０と高周波入出力デバイス１５との接続形態を示す図である。複数のサブアレー１１が、それぞれ高周波入出力デバイス１５の複数の入出力端子に複数の給電線路１３を経由して接続されている。高周波入出力デバイス１５の入出力端子に接続された給電線路１３の各々は、２分岐を２回繰り返して１つのサブアレー１１内の４つの放射素子１２に接続されている。複数の給電線路１３を介して、複数のサブアレー１１ごとに別々に高周波入出力デバイス１５から給電が行われる。

図２Ａは、１つのサブアレー１１及び給電線路１３の一部分を示す平面図である。高周波入出力デバイス１５の入出力端子に接続された給電線路１３が分岐点１６Ａで２分岐された後、さらに、それぞれ分岐点１６Ｂ、１６Ｃで２分岐され、４つの放射素子１２に接続されている。放射素子１２の各々は長方形または正方形の平面形状を持つ。全ての放射素子１２において、その中心位置からｙ方向に同一の距離だけずれた位置に給電点１４が設けられている。言い換えると、各々が放射素子１２及び給電点１４からなる複数の平面図形は並進対称性を有する。最初の分岐点１６Ａから４つの給電点１４までの線路長は同一である。このため、１つのサブアレー１１内の全ての放射素子１２は、同一方向に同一の位相で励振される。

図２Ｂは、第１実施例によるアレーアンテナ１０の一部分の断面図である。誘電体基板２０の上面に複数の放射素子１２が形成されている。誘電体基板２０の内層にグランドプレーン２１が配置されている。放射素子１２の各々の給電点１４に給電線路１３が接続されている。給電線路１３は、誘電体基板２０の内層に配置されたマイクロストリップライン１３Ａと、層間を接続するビア導体１３Ｂとを含む。

次に、第１実施例の優れた効果について説明する。
第１実施例では、高周波入出力デバイス１５の１つの入出力端子が１つのサブアレー１１に接続されており、各サブアレー１１が４個の放射素子１２を含むため、高周波入出力デバイス１５の入出力端子数以上の個数の放射素子１２を励振することができる。放射素子１２の個数を増やすことができるため、高いアンテナ利得を得ることができる。言い換えると、放射素子１２の個数が増加しても、高周波入出力デバイス１５の入出力端子の増加を抑制することができる。

複数のサブアレー１１が、それぞれ高周波入出力デバイス１５の別々の入出力端子に接続されているため、サブアレー１１ごとに高周波信号の位相を独立して制御することができる。このため、ｘ方向及びｙ方向の２方向にビームステアリングを行うことができる。

また、第１実施例では、アレーアンテナ１０全体として、複数のサブアレー１１のｘ方向の実効的なピッチが各行のサブアレー１１のピッチＣｘの１／２になる。ｘ方向に関する実質的なピッチが短くなるため、ｘ方向に関するビームの振れ角を大きくすることができる。言い換えると、ずれ量Ｃｄ（図１Ａ）が０のアレーアンテナと比べて、ｘ方向への振れ角が大きな特定の方向への利得の低下を抑制することができる。ｙ方向に関しては、サブアレー１１がピッチＣｙで配列されたアレーアンテナとして動作する。

例えば、ｘ方向をアジマス方向とし、ｙ方向をエレベーション方向とすると、アジマス方向へのビームの振れ角を大きくすることができる。その結果、水平方向のカバレッジを大きくすることができる。

次に、第１実施例の変形例について説明する。
第１実施例では、ｘ方向のサブアレー内ピッチＣｉｘ（図１Ａ）と、ｘ方向のサブアレー間ピッチＣａｘ（図１Ａ）とを等しくしたが、必ずしも両者を等しくする必要はない。例えば、サブアレー内ピッチＣｉｘを大きくすると、サブアレー１１ごとのｘ方向に関する指向性を鋭くすることができる。サブアレー間ピッチＣａｘを小さくすると、ｘ方向へのビームの振れ角を大きくすることができる。ｙ方向に関しても同様に、サブアレー内ピッチＣｉｙとサブアレー間ピッチＣａｙとを異ならせてもよい。

また、第１実施例では、アレーアンテナ１０の１つの行内において複数のサブアレー１１を等ピッチで配列させたが、不等ピッチで配列させてもよい。さらに、ｙ方向に関しても、複数のサブアレー１１を不等ピッチで配列させてもよい。

第１実施例では、放射素子１２（図１Ａ）としてパッチアンテナを用いたが、他のアンテナ、例えばスロットアンテナ、ダイポールアンテナ等を用いてもよい。

［第２実施例］
次に、図３を参照して第２実施例によるアレーアンテナ１０について説明する。以下、図１Ａから図２Ｂまでの図面に示した第１実施例によるアレーアンテナ１０と共通の構成については説明を省略する。

図３は、第２実施例によるアレーアンテナ１０の１つのサブアレー１１及び給電線路１３の一部分を示す平面図である。第１実施例では、１つのサブアレー１１内の全ての放射素子１２（図２Ａ）において、給電点１４が放射素子１２の中心から同一の方向にずれた位置に配置されていた。第２実施例では、ｙ方向に並ぶ２つの放射素子１２において、給電点１４が放射素子１２の中心から相互に近づく向きに同じ距離だけずれた位置に配置されている。言い換えると、ｙ方向に隣り合う２つの放射素子１２及び給電点１４の平面図形は、鏡像対称性を有する。

給電線路１３の分岐点１６Ｂから一方の放射素子１２の給電点１４までの線路長と、他方の放射素子１２の給電点１４までの線路長とが異なっている。この線路長の差は、２つの給電点１４に供給される高周波信号の位相が１８０°ずれるように設定されている。その結果、ｙ方向に並ぶ２つの放射素子１２は、同一方向に同一の位相で励振される。

第２実施例のように給電点１４を配置しても、給電線路１３の線路長を異ならせて複数の放射素子１２を同一位相で励振することにより、第１実施例と同様の効果を得ることができる。

［第３実施例］
次に、図４Ａから図４Ｃまでの図面を参照して、第３実施例によるアレーアンテナ１０について説明する。以下、図１Ａから図２Ｃまでの図面に示した第１実施例によるアレーアンテナ１０と共通の構成については説明を省略する。

図４Ａは、第３実施例によるアレーアンテナの１つのサブアレー１１の平面図である。第１実施例では、１つのサブアレー１１が４個の放射素子１２（図１Ａ）を含んでいたが、第４実施例では、１つのサブアレー１１が８個の放射素子１２を含んでいる。８個の放射素子１２は４行２列の行列状に配置されている。高周波入出力デバイス１５に接続された給電線路１３は、３段の分岐点を経由して複数の放射素子１２に至る。

図４Ａに示したように、サブアレー１１内においてｙ方向に多くの放射素子１２を配列させることにより、ｙ方向に関する指向性を鋭くすることができる。

図４Ｂに示すように、８個の放射素子１２を２行４列の行列状に配置してもよい。このように、ｘ方向に多くの放射素子１２を配列させることにより、ｘ方向に関する指向性を鋭くすることができる。

図４Ｃに示すように、１６個の放射素子１２を４行４列の行列状に配置してもよい。放射素子１２の個数を増やすことにより、アンテナ利得を高めることができる。

１つのサブアレー１１内の放射素子１２の個数を、２^ｎ個にしてもよい。ここで、ｎは正の整数である。この場合、高周波入出力デバイス１５から各放射素子１２に至るまでの給電線路１３の分岐点の個数がｎ個になる。このように、すべての放射素子１２において、高周波入出力デバイス１５から放射素子１２までの分岐点の個数を同一にすることができる。

［第４実施例］
次に、図５を参照して第４実施例によるアレーアンテナ１０について説明する。以下、図１Ａから図２Ｃまでの図面に示した第１実施例によるアレーアンテナ１０と共通の構成については説明を省略する。

図５は、第４実施例によるアレーアンテナ１０の平面図である。第１実施例では、ｙ方向に隣り合う２つのサブアレー１１のｘ方向へのずれ量Ｃｄ（図１Ａ）が、各行のサブアレー１１のピッチＣｘ（図１Ａ）の１／２であった。第４実施例においては、ｙ方向に隣り合う２つのサブアレー１１のｘ方向へのずれ量Ｃｄが、各行のサブアレー１１のピッチＣｘの１／３である。例えば、１行目のサブアレー１１に対する２行目のサブアレー１１のｘ方向へのずれ量Ｃｄ、及び２行目のサブアレー１１に対する３行目のサブアレー１１のｘ方向へのずれ量Ｃｄは、ピッチＣｘの１／３である。４行目のサブアレー１１は、ｘ方向に関して１行目のサブアレー１１と同じ位置に配置されている。

複数のサブアレー１１をｘ方向に平行な直線に垂直投影した複数の像は、ｘ方向にピッチＣｘ／３で配列される。第４実施例では、第１実施例と比べて、複数のサブアレー１１のｘ方向の実効的なピッチが小さくなるため、ｘ方向へのビームの振れ角をより大きくすることができる。

ずれ量Ｃｄをｘ方向のピッチＣｘの１／４としてもよい。より一般的に、ずれ量Ｃｄをｘ方向のピッチＣｘの１／ｍとしてもよい。ここで、ｍは２以上の整数である。ずれ量Ｃｄを小さくすることにより、ｘ方向へのビームの振れ角をより大きくすることができる。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ アレーアンテナ
１１ サブアレー
１２ 放射素子
１３ 給電線路
１３Ａ マイクロストリップライン
１３Ｂ ビア導体
１４ 給電点
１５ 高周波入出力デバイス
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ 分岐点
２０ 誘電体基板
２１ グランドプレーン

［第３実施例］
次に、図４Ａから図４Ｃまでの図面を参照して、第３実施例によるアレーアンテナ１０について説明する。以下、図１Ａから図２Ｂまでの図面に示した第１実施例によるアレーアンテナ１０と共通の構成については説明を省略する。

図４Ａは、第３実施例によるアレーアンテナの１つのサブアレー１１の平面図である。第１実施例では、１つのサブアレー１１が４個の放射素子１２（図１Ａ）を含んでいたが、第３実施例では、１つのサブアレー１１が８個の放射素子１２を含んでいる。８個の放射素子１２は４行２列の行列状に配置されている。高周波入出力デバイス１５に接続された給電線路１３は、３段の分岐点を経由して複数の放射素子１２に至る。

［第４実施例］
次に、図５を参照して第４実施例によるアレーアンテナ１０について説明する。以下、図１Ａから図２Ｂまでの図面に示した第１実施例によるアレーアンテナ１０と共通の構成については説明を省略する。

Claims (6)

1. 各々が複数の放射素子を含み、相互に直交する第１の方向及び第２の方向に二次元的に配列された複数のサブアレーと、
   複数の前記サブアレーごとに別々に高周波入出力デバイスから給電を行う複数の給電線路と
   を有し、
   複数の前記サブアレーは、前記第１の方向に直線に沿って配列されており、前記第２の方向には、前記第２の方向に隣り合う２つの前記サブアレーの一方が他方に対して前記第１の方向にずれて配列されているアレーアンテナ。
2. 複数の前記サブアレーは、前記第１の方向に第１のピッチで配列されており、前記第２の方向に隣り合う２つの前記サブアレーの、前記第１の方向に関する位置のずれ量が、前記第１のピッチの１／２以下である請求項１に記載のアレーアンテナ。
3. 複数の前記サブアレーを前記第１の方向に平行な直線に垂直投影した複数の像が、前記第１の方向に前記第１のピッチの１／２以下の等ピッチで配列される請求項２に記載のアレーアンテナ。
4. 前記第２の方向に配列された複数の前記サブアレーは千鳥状に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
5. 複数の前記サブアレーは、前記第２の方向に第２のピッチで配列されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
6. 複数の前記サブアレーの各々は、ｎを正の整数として２^ｎ個の前記放射素子で構成されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアレーアンテナ。

Images