JP2022141559A - radial array antenna - Google Patents
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Abstract
Description
特許法第30条第2項適用申請有り IEEE AP-S/URSI International Symposium on Antennas and Propagation and North American Radio Science Meeting 2020のアーカイブ論文集
本発明は、高利得アンテナであるが製作が容易で扱いやすく、かつ形状が美しいアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device which is a high-gain antenna, is easy to manufacture, is easy to handle, and has a beautiful shape.
利得が高いアンテナは2次元の開口を有するが、その代表は図1に示すパラボラアンテナである。その放射特性は非特許文献1で示されているように、開口面上の励振強さ(電界強度)の分布により決定される。 A high-gain antenna has a two-dimensional aperture, and its representative is the parabolic antenna shown in FIG. The radiation characteristics are determined by the distribution of excitation intensity (electric field intensity) on the aperture plane, as shown in
カセグレンやグレゴリアンアンテナでは、反射鏡が主反射鏡1と副反射鏡2のように2枚あるので、両反射鏡を修正して開口面上の励振分布を設計できる。これは非特許文献2において、鏡面修正技術として述べられている。例えば一様分布とすると、利得は高いがサイドローブは高くなり、その結果干渉を受けやすくなってしまう。また開口端で励振を弱めた分布とすると、利得が落ちるがサイドローブを低くできる。 Since the Cassegrain and Gregorian antennas have two reflectors such as the
しかし主反射鏡と副反射鏡を、特殊な形状に設計する必要があり、製作が難しい。さらに一度製作してしまうと、変更が難しいことも欠点である。副反射鏡が主反射鏡からの電波を遮るので(ブロッキング効果)、修正効果が劣化してしまう。また主反射鏡に丸味があり、全体的に副反射鏡支持柱3を含めて厚みがあるので、設置するため特別な指示構造が必要になり、扱いにくい。 However, the main reflector and the sub-reflector must be designed in a special shape, which is difficult to manufacture. Another drawback is that it is difficult to change once it is made. Since the sub-reflector blocks radio waves from the main reflector (blocking effect), the correction effect deteriorates. In addition, since the main reflector is rounded and the whole including the
2次元の開口を実現する別な方法として、小さい放射素子を1次元に並べた線状アレーを、並べる方法がある。従来は図2に示すように、格子状あるいは変形した菱形に配置した例がある。この場合、励振強さを変えて望む放射特性を得ることは、実際できない(非特許文献3)。 Another way to achieve a two-dimensional aperture is to line up a linear array of small radiating elements in one dimension. Conventionally, as shown in FIG. 2, there is an example in which they are arranged in a grid pattern or a modified rhombus. In this case, it is practically impossible to obtain the desired radiation characteristics by varying the excitation strength [3].
ただし図3に示す1次元アレーアンテナに対しては、特許文献1に示したように、励振強さを望む分布にすることが行われている。アレーアンテナの基板4の上に放射素子5が、適当な距離をおいて配列されている。 However, for the one-dimensional array antenna shown in FIG. 3, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-100000, the excitation intensity is made to have a desired distribution. Radiating
1次元アレーアンテナにおける励振分布の設計法を、図4に示す。グラフ横軸6は、アレーアンテナ上の座標を表す。グラフ縦軸8は、素子5の励振強さを表す。素子は1次元アレーアンテナの両端9の間に配列されて、各素子固有の励振強さ8を有している。例えば両端9間で一様な分布10は、高利得型の励振分布と呼ばれ、高利得であるがサイドローブが高くなる。それに対し、両端9で肩が落ちた分布11は、低サイドローブ型の励振分布である。 FIG. 4 shows a method of designing the excitation distribution in a one-dimensional array antenna. The
この1次元アレーアンテナの放射パターンを、計算により求める。放射素子として実際は、半波長ダイポールなどが使われる。しかしこの計算では、議論を簡単にして見通しを良くするため、等方性とする。すなわち配列パターンを求めることになる。放射素子単独の放射パターンが等方性でない場合でも、この配列パターンに素子パターンを掛ければ良い。またアレーアンテナが2次元あるいは曲面の形状であっても、同じ解析法を適用できる。 A radiation pattern of this one-dimensional array antenna is calculated. A half-wave dipole or the like is actually used as the radiation element. In this calculation, however, we assume isotropy for the sake of simplicity and perspective. That is, an arrangement pattern is obtained. Even if the radiation pattern of the radiating elements alone is not isotropic, the array pattern may be multiplied by the element pattern. Also, the same analysis method can be applied even if the array antenna has a two-dimensional or curved shape.
計算の一例は、素子間隔が一定値λ/2(λ:波長)で、17素子配列し、エッジレベル=-2dBの場合である。その結果得られた放射パターンを、図5に示す。グラフ横軸12はアンテナ正面からの角度を、グラフ縦軸13は放射レベルを相対値(デシベル)で、各々表す。アンテナ正面方向14にメインローブ15が向いて、サイドローブ16は約-15dBと低い。ただし1次元アレーアンテナなので、軸(x方向)の周囲では一様な放射特性を有する。 An example of calculation is the case where the element spacing is a constant value λ/2 (λ: wavelength), 17 elements are arranged, and the edge level is -2 dB. The resulting radiation pattern is shown in FIG. The
1次元アレーの励振強さすなわち励振密度を、素子入力レベルの代わりに、同一入力レベルの素子群の間隔を調整して、等価的に等しくすることもできる(特許文献2)。図5では、励振密度として素子入力レベルおよび素子間隔で各々調整している場合について、放射パターンを重ね描きしているが差異を認められない。 It is also possible to make the excitation intensity or excitation density of a one-dimensional array equivalent by adjusting the spacing between groups of elements with the same input level instead of the element input level (Patent Document 2). In FIG. 5, the radiation patterns are overlaid in the case where the element input level and the element spacing are respectively adjusted as the excitation density, but no difference is recognized.
この1次元アレーを平面あるいは曲面上に並べて、2次元アレーアンテナを構成したい。しかし励振強さを変えるための設計理論は、これまで無かった。
また2次元にするため必要となる放射状配列の本数も、分かっていなかった。I would like to construct a two-dimensional array antenna by arranging this one-dimensional array on a plane or a curved surface. However, until now there has been no design theory for changing the excitation strength.
In addition, the number of radial arrays required to make it two-dimensional was also unknown.
以上述べた先行技術の問題点を除くため、1次元アレーアンテナ放射状に配列して、2次元アレーアンテナを構成する。図6に示すように、基板4の上に放射素子5が配列されて1次元アレーを成し、この場合放射状に6本配列されている。全体として放射状アレーアンテナの開口29を成し、その放射方向は正面17のz軸方向になる。このように放射状アレーアンテナは、外形が円形で美しく、かつ平板構造なのでアンテナ設置がやりやすい。 In order to eliminate the above-described problems of the prior art, the one-dimensional array antennas are arranged radially to form a two-dimensional array antenna. As shown in FIG. 6, the
ここで、放射状1次元アレーを極めて多数用いれば、連続体であるパラボラアンテナに近い特性が得られそうである。しかし実際上は1次元アレーをなるべく少なくしたいので、どこまで少なくしてもアンテナとして安定に使えるか、が問題となる。 Here, if a large number of radial one-dimensional arrays are used, it is likely that characteristics close to those of a continuous parabolic antenna can be obtained. In practice, however, it is desirable to reduce the number of one-dimensional arrays as much as possible, so the problem is how much the number of arrays can be reduced to ensure stable use as an antenna.
また放射状アレーアンテナにおいて、図1のカセグレンアンテナで行った反射鏡面修正技術と同じ効果を得るには、1次元アレーアンテナの段階で励振分布をどのようにしたら良いか、従来分かっていなかった。 In addition, in the radial array antenna, it was not known how the excitation distribution should be set at the stage of the one-dimensional array antenna in order to obtain the same effect as the reflecting mirror surface modification technique used in the Cassegrain antenna of FIG.
以上述べた先行技術の問題点を除くため、2次元放射線状アレーアンテナの放射特性を計算した。1次元アレーとしては図5の例の半分、すなわち素子間隔が一定値λ/2(λ:波長)で、9素子配列し、エッジレベル=-2dBである。その結果の1例として、1次元アレー間の角度ΔΨが60度すなわち1次元アレーが6本の場合について、放射パターンを図7に示す。この図から、メインローブ15は正面方向に確認でき、サイドローブ16はメインローブを繋がってしまっているが約-15dBと読める。 In order to eliminate the problems of the prior art described above, the radiation characteristics of a two-dimensional radial array antenna were calculated. As a one-dimensional array, it is half of the example in FIG. 5, that is, the element spacing is a constant value λ/2 (λ: wavelength), 9 elements are arranged, and the edge level is −2 dB. As an example of the results, FIG. 7 shows a radiation pattern when the angle ΔΨ between the one-dimensional arrays is 60 degrees, that is, when there are six one-dimensional arrays. From this figure, the
サイドローブ16’は、1次元アレーアンテナの励振強さを素子間隔に置換した(特許文献2)時の第1サイドローブであり、通常の振幅制御アレーのレベル16と、ほとんど同じである。 A sidelobe 16' is the first sidelobe when the excitation intensity of the one-dimensional array antenna is replaced by the element spacing (Patent Document 2), and is almost the same as the
次に放射線状アレーアンテナを構成する1次元アレーの数を、増やしていき、アンテナ特性の変化を見た。その結果を、図8に示す。グラフ横軸18は1次元アレー間の角度を、グラフ横軸19は1次元アレーの本数を、各々表す。グラフ縦軸20は、第1サイドローブレベルを相対値(デシベル)で表す。通常の振幅制御アレーにおける第1サイドローブレベルの変化21は、本数23以上であれば本数によらず安定なレベル22となる。 Next, the number of one-dimensional arrays constituting the radial array antenna was increased, and changes in antenna characteristics were observed. The results are shown in FIG. The graph
なお21’は、1次元アレーアンテナの励振強さを素子間隔に置換した時の第1サイドローブレベルの変化を示し、21とほとんど同じである。以上の結果、1次元アレーを7本以上配置すれば、放射パターンが安定することが分かる。 21' shows the change in the first sidelobe level when the excitation intensity of the one-dimensional array antenna is replaced by the element spacing, which is almost the same as 21. FIG. As a result, it can be seen that the radiation pattern is stabilized by arranging seven or more one-dimensional arrays.
図7において、メインローブと第1サイドローブがつながってしまうのは、放射状アレーアンテナでは中心部に励振が集中するためであることが分かった。そのため望む放射特性に対応した開口面上の励振分布を、1次元アレーの励振分布に変換するため、次に理論式を導く。 In FIG. 7, it was found that the reason why the main lobe and the first side lobe are connected is that the excitation is concentrated in the central part of the radial array antenna. Therefore, in order to convert the excitation distribution on the aperture plane corresponding to the desired radiation characteristics to the excitation distribution of the one-dimensional array, the following theoretical formula is derived.
開口面アンテナの各点(ρ,ψ)から、(θ,φ)方向に放射される電波の放射パターンF(θ,φ)は、非特許文献1などで示されているように次式で表される。
F(θ,φ)=∫∫f(ρ,ψ)exp{(jkρsinθcos(φ-ψ)}ρdρdψ
ここに、ρとψは開口上の点すなわち励振点の半径と角度である。kは波数、jは虚数単位である。
望む放射特性F(θ,φ)を実現するため、非特許文献1などで、分布関数f(ρ,ψ)が求められている。The radiation pattern F(θ, φ) of the radio waves radiated in the (θ, φ) direction from each point (ρ, ψ) of the aperture antenna is given by the following equation, as shown in
F(θ,φ)=∫∫f(ρ,ψ)exp{(jkρsinθcos(φ−ψ)}ρdρdψ
where ρ and ψ are the radius and angle of the point on the aperture, ie the excitation point. k is the wavenumber and j is the imaginary unit.
In order to achieve desired radiation characteristics F(θ, φ), a distribution function f(ρ, ψ) is obtained in
放射状アレーアンテナの場合、励振点は1次元アレー上にのみ放射素子として存在する。そのため素子密度は、開口中心からの距離に反比例して増加してしまう。これを避けて。開口上で望む励振分布関数f(ρ,ψ)を得るためには、1次元アレー上の分布として励振点の半径ρを掛けて、f(ρ,ψ)ρでなければならない。 In the case of radial array antennas, the excitation points exist as radiating elements only on the one-dimensional array. Therefore, the element density increases in inverse proportion to the distance from the center of the aperture. avoid this. To obtain the desired excitation distribution function f(.rho., .psi.) on the aperture, the distribution on the one-dimensional array must be multiplied by the radius .rho.
1次元アレー上の分布決定法を、図9に示す。開口アレーアンテナにおいて、望む放射特性を与える励振強さの分布が、24である。各1次元アレーに与えるべき励振分布25は、半径を重み関数として掛けた結果である。この理論の効果を、シミュレーション計算により確認する。ここでは分布関数24として、効果が顕著な低サイドローブ型(エッジレベルが低い)のf(ρ,ψ)とする。 A distribution determination method on a one-dimensional array is shown in FIG. In an aperture array antenna, 24 is the excitation strength distribution that gives the desired radiation characteristics. The
上記理論の計算結果を、図10に示す。ここでは中心付近の過度な励振集中が除かれて、開口アンテナに対応した放射パターンのヌル26が明確に現れている。メインローブも明瞭になっている。 Calculation results of the above theory are shown in FIG. Excessive excitation concentration near the center is removed here, and the
上記の重み関数として、半径ρは理論に従った最適なものである。しかし実際には、中心部(ρが小さい領域)で小さくなるような他関数も使うことができる。例えば、ρ2やρ0.5でも良い。As the above weighting function, the radius ρ is the optimum one according to theory. However, in practice, other functions can be used that are smaller in the center (area where ρ is small). For example, ρ 2 or ρ 0.5 may be used.
また上記の理論は、放射状アレーアンテナの等価的な励振密度を、開口上分布関数24に合わせるものである。従って間隔制御アレー(励振密度として、素子間隔で調整している)においても、適用することができる。 The above theory also fits the equivalent excitation density of a radial array antenna to the
実際、間隔制御アレーの場合も計算して、図10に示す。この場合ヌルは26’であり、振幅制御アレーの場合のヌル26とほとんど同じである。 In fact, the case of the spacing control array is also calculated and shown in FIG. The null in this case is 26', much the same as the null 26 for the amplitude control array.
以上述べた放射状アレーアンテナは、所望の放射特性を設計することができる。しかもカセグレン型などのパラボラアンテナに比べて、副反射鏡ブロッキングが無いので、修正効果が顕著にできる利点がある。重量も軽くできる。さらに放射素子に位相変化機能を付けることによりビームを振れば、アンテナの設置調整が容易にでき、高機能無線通信システムも可能となる。 The radial array antenna described above can be designed to have desired radiation characteristics. Moreover, compared with parabolic antennas such as the Cassegrain type, there is no sub-reflector blocking, so there is an advantage that the correction effect can be remarkable. The weight can also be reduced. Furthermore, if the beam is oscillated by adding a phase change function to the radiating element, the installation adjustment of the antenna can be easily performed, and a highly functional wireless communication system can be realized.
格子型アレーアンテナに比べると、円形で美しく、放射特性も対称性が優れたものとなる。開口面の励振分布を望む形に設計する場合、中心部の放射素子は励振が弱くなるため、アレーアンテナで問題になる素子間の結合を小さくできる利点もある。 Compared to grid-type array antennas, they are circular and beautiful, and their radiation characteristics are excellent in symmetry. When the excitation distribution of the aperture plane is designed in a desired shape, the radiation element in the central part is excited weakly, so there is an advantage that the coupling between the elements, which is a problem in the array antenna, can be reduced.
本発明の原理は、放射状アレーアンテナの等価的な励振密度を、開口上分布関数24に合わせるものである。従って1次元アレーの数を、半径によって変えても良い。例えば図11に示す2重放射状アレーアンテナの場合、1次元アレーが境界29’の内側では8本であるが、その外側では16本にしてある。この場合、外側の1次元アレーの励振を内側の半分にすれば、開口面での等価的励振は等しくなる。ただしこの図では煩雑を避けるため、放射素子は省いてある。 The principle of the present invention is to match the equivalent excitation density of a radial array antenna to the
本発明の外観は、図6や図11においてアレー基板4や4’をむき出しにすると、細板が交差した形となりパラボラとは全く違った印象になる。また全体を覆えば、丸い円盤のように見えるので、目立たなくすることができる。 When the
図12は、本発明の応用実施の1例として、5Gあるいはローカル5Gシステムにおいて基地局への適用例を示す。基地局建物や構造物27において、アンテナを装着する面28に放射状アレーアンテナ29を設置する。アンテナ29は平面構造なので、設置しやすく、かつ外観的にも斬新である。 FIG. 12 shows an example of application to a base station in a 5G or local 5G system as an example of application implementation of the present invention. In a base station building or
電波が照射するサービス域は、アンテナ放射ビームの境界30の内側になる。ただし放射ビームの断面積31内で、照射レベルは一定でなく緩やかに落ちていくので、境界30は通信システムが要求する電界強度で決まる。放射状アレーアンテナは、素子の位相を調整すれば放射ビームの方向を変更できるので、設置や試験が容易にできる。さらにダイナミックに位相変化すれば、サービス域を通信需要に合わせて調整できる利点が生じる。 The radio-radiated service area is inside the
図13は、本発明の応用実施の第2例として、人工衛星搭載アンテナへの適用例を示す。人工衛星の構造物32において、人工衛星のアンテナ装着する面33に放射状アレーアンテナ29を設置する。アンテナ29は平面構造なので平面33に馴染み、かつ軽いので衛星の搭載アンテナとして最適である。太陽電池パドル34は、ロータリジョイント35により、アンテナビームの照射域外になる。 FIG. 13 shows a second example of application of the present invention to an antenna mounted on a satellite. In a
1 主反射鏡
2 副反射鏡
3 副反射鏡支持柱
4 アレーアンテナの基板
5 放射素子
6 グラフ横軸で、アレーアンテナ上の座標を表す
7 グラフ縦軸で、素子の励振強さを表す
8 各素子の励振強さ
9 1次元アレーアンテナの端
10 高利得型の励振分布
11 低サイドローブ型の励振分布
12 グラフ横軸で、アンテナ正面からの角度を表す
13 グラフ縦軸で、放射レベルを相対値(デシベル)で表す
14 アンテナ正面方向
15 メインローブ
16 第1サイドローブ
17 放射状アレーアンテナの正面方向
16’1次元アレーの励振強さを素子間隔に置換した時の第1サイドローブ
18 グラフ横軸であり、放射状アレーアンテナを成す1次元アレー間の角度を表す
19 グラフ横軸であり、放射状アレーアンテナを成す1次元アレーの本数を表す
20 グラフ縦軸であり、第1サイドローブレベルを相対値(デシベル)で表す
21 第1サイドローブレベルの変化
21’1次元アレーの励振強さを素子間隔に置換した時の第1サイドローブレベルの変化
22 1次元アレーの本数によらず安定なレベル
23 本数によらず安定なレベルとなる最少本数
24 開口アレーアンテナにおいて、望む放射特性を与える励振強さの分布
25 1次元アレーに与えるべき励振分布
26 放射パターンのヌル
27 基地局建物や構造物
28 アンテナを装着する面
29 放射状アレーアンテナの外縁
29’2重放射状アレーアンテナの内区分
4’ 2重放射状アレーアンテナの外側部分の基板
30 アンテナ放射ビームの境界
31 放射ビームの断面積
32 人工衛星の構造物
33 人工衛星のアンテナ装着する面
34 太陽電池パドル
35 ロータリジョイント1
Claims (3)
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