JP2851187B2 - アクティブアレイアンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アクティブアレイアン
テナに関し、更に詳しくいえば、各種レーダアンテナ、
ＥＳＭ用及びＥＣＭ用アンテナ等に使用されるアクティ
ブアレイアンテナに関する。

【０００２】アクティブアレイアンテナとは、電力分配
後、電力を増幅するアクティブ素子（増幅器等）を有す
る構成であり、電力を増幅するアクティブ素子を持たな
いパッシブアレイアンテナと区別している。

【０００３】アクティブアレイアンテナの特徴は、多数
のアクティブ素子（増幅器等）を持ち、電力を空間で合
成することにより、進行波管等を使用せずに、高電力が
得られること、また、移相器を電気的にコントロールで
きるために、高速でビームスキャンが可能になることで
ある。

【０００４】進行波管等は、寿命が短く信頼性に欠け、
また整備性が悪く、近年固体化が注目されている。この
ため、上記のようなアクティブアレイアンテナが注目さ
れている。

【０００５】

【従来の技術】図１０は従来のアクティブアレイアンテ
ナ（送信側）を示した図であり、図中、１はアンテナエ
レメント、２Ｓは、送信側の増幅器（アンプ）、３は移
相器、４は電力分配器、Ｔは端子を示す。

【０００６】従来の１例として、図１０に示したような
８個のアンテナエレメントを有するアクテイブアレイア
ンテナ（送信側）について説明する。端子Ｔより入力し
た高周波信号は、複数の電力分配器４により８分配さ
れ、それぞれの信号は、移相器３に送られる。また、各
移相器３の出力は、それぞれ増幅器２Ｓにより電力増幅
した後、アンテナエレメント１によりビームとなって放
射される。

【０００７】この場合、各移相器３ではアンテナ面の信
号の出力移相を制御し、放射ビームの方向を変えてい
る。今アンテナエレメント１間の距離をＳ、アンテナか
ら放射する信号ビームの向き（鉛直方向に対する傾き
角）をθ、アンテナエレメント１から放射する信号の位
相をψ、その波長をλとした場合、前記位相ψは次式で
与えられる。 ψ＝２π／λ・Ｓ・Ｓｉｎ θ（Ｒａｄ）

【０００８】そして、各アンテナエレメントから放射さ
れる放射電力の位相を、図示のように設定する。すなわ
ち、端部のアンテナエレメント１の位相を基準とし、順
次ψ、２ψ、３ψ、４ψ、５ψ、６ψ、７ψのように設
定する。

【０００９】このように、各位相を設定すれば、全体と
して図示の放射面から出力信号がビームとなって放射さ
れる。ところで、必要なアンテナエレメント数は、要求
された空中線利得と、放射電力によって決まる。空中線
利得は、アンテナエレメントの増加に伴ってビーム幅を
細かくできる。

【００１０】このため、例えばレーダのアンテナに使用
する場合は、ビーム幅を狭くする必要があり、多くの素
子数が必要となる。放射電力Ｐは、各増幅器２Ｓの出力
をＰ₀ 、増幅器２Ｓの数をＮとし、合成損失を無視した
場合、Ｐ＝Ｐ₀ ×Ｎとなる。

【００１１】従って、仮りに、１Ｗ出力の増幅器２Ｓを
使い、１ＫＷの進行波管と置き換えるためには、１００
０個のアンテナエレメント１が必要になる。この場合、
アンテナエレメント１だけでなく、増幅器２と移相器３
もそれぞれ１０００個必要となる。なお、図１０は、送
信側の例であるが、受信側の場合は、増幅器の向きが逆
になるだけであり、他の構成は図１０と同じである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のも
のにおいては、次のような課題があった。 (1)１つのアンテナエレメントに対し、１つの増幅器と
１つの移相器とを必要とする。しかし、増幅器や移相器
は高価なものであるから、全体として高価なアクティブ
アレイアンテナとなる。

【００１３】(2)アクティブアレイアンテナは、コスト
パフォ−マンスが非常に悪いという問題があり、製品化
が困難である。 (3)アンテナエレメントの間隔は、使用する周波数によ
り決まっている。通常、その間隔は、波長λ以下とな
る。例えば使用周波数が３０ＧＨｚとすると、間隔Ｓは
最大１０mmとなり、アクティブ素子が実装できないとい
う問題もあった。

【００１４】本発明は、このような従来の課題を解決
し、アクティブアレイアンテナの低価格化を実現すると
共に、使用周波数の高い領域でもアクティブアレイアン
テナが構成できるようにすることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理図で
あり、図１Ａは原理図（１）、図１Ｂは原理図（２）で
ある。図中、図１０と同符号は同一のものを示す。ま
た、２Ｒは受信側の増幅器、ＳＷは送受切換スイッチを
示す。本発明は上記の課題を解決するため、次のように
構成した。

【００１６】(1)複数のアンテナエレメント１と、この
アンテナエレメント１に接続されて電力増幅を行う増幅
器２Ｓ、２Ｒと、各アンテナエレメント間の信号位相を
制御する位相器３と、電力の分配及び合成を行う電力分
配器４を具備したアクティブアレイアンテナにおいて、
各アンテナエレメント１に、それぞれ増幅器２Ｓ、２Ｒ
を接続すると共に、前記増幅器の内、隣り合う複数の増
幅器に、電力分配器４を介して１つの移相器３を接続し
た。

【００１７】(2)複数のアンテナエレメント１と、前記
アンテナエレメント１に接続されて電力増幅を行う増幅
器２Ｓ、２Ｒと、各アンテナエレメント１間の信号位相
を制御する移相器３と、電力の分配及び合成を行う電力
分配器４を具備したアクティブアレイアンテナにおい
て、各アンテナエレメント１の内、隣り合う複数のアン
テナエレメントに、電力分配器４を介して１つの増幅器
２Ｓ、２Ｒを接続すると共に、前記増幅器２Ｓ、２Ｒ
に、移相器３を接続した。

【００１８】

【作用】上記構成に基づく本発明の作用を、図１を参照
しながら説明する。図１Ａにおいて、送受切換スイッチ
ＳＷを図示実線側に切り換えると送信モードになり、図
示点線側に切り換えると受信モードになる。

【００１９】送信モードでは、移相器３→電力分配器４
→増幅器２Ｓ→アンテナエレメント１の順で高周波信号
が送られる。また、受信モードでは、アンテナエレメン
ト１→増幅器２Ｒ→電力分配器４→移相器３の順で受信
信号が送られる。

【００２０】この場合、複数のアンテナエレメント１に
対して、１つの移相器３で位相調整をするので、複数
（例えば２つ）のアンテナエレメントを単位として位相
調整を行う。

【００２１】また、図１Ｂにおいても同様にして、送受
切換スイッチＳＷを制御することにより、送信モードと
受信モードとに切り換えられる。この場合も、複数（例
えば２つ）のアンテナエレメント１を単位として、１つ
の移相器３で位相調整を行う。

【００２２】そして図１Ａのように構成すると、移相器
３の数が、従来例とくらべて例えば１／２になる。ま
た、図１Ｂのように構成すると、増幅器２Ｓ、２Ｒと、
移相器３の数が例えば１／２になる。

【００２３】このようにすれば、各アクティブ素子（増
幅器、移相器）は、２アンテナエレメント分のスペース
ができることになる。従って、周波数が高くても、素子
が実装できないということもなくなる。

【００２４】なお、図１Ｂでは、アンテナエレメント出
力を同じにするために、増幅器出力は２Ｐ₀ （図１Ａで
はＰ₀ ）となっている。また、高価なアクティブ素子の
数を少なくできるので、その分価格を低くできる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。 （第１実施例の説明）図２〜図４は、本発明の第１実施
例を示した図であり、図２はアクティブアレイアンテナ
（送受信側）、図３はアクティブアレイアンテナ（送信
側）、図４はアクティブアレイアンテナの位相関係説明
図である。

【００２６】図中、図１と同符号は同一のものを示す。
第１実施例は、移相器３の数を半分に減らした例であ
り、図１Ａに相当する。先ず、アクティブアレイアンテ
ナの送受信側の例を図２について説明する。図２に示し
たように、１つのアンテナエレメント１に対して、１つ
の送信用の増幅器２Ｓと１つの受信側の増幅器２Ｒを接
続する。

【００２７】この場合、送信時と受信時の切り換えを行
うために、増幅器２Ｓ、２Ｒの前後には送受切換スイッ
チＳＷを設け、スイッチコントロール信号ＳＷ ＣＮＴ
によって制御できるようになっている。

【００２８】また、この実施例では、隣り合う２つの増
幅器２Ｓ、２Ｒ、２Ｓ、２Ｒを一組とし、この一組の増
幅器に１つの移相器３を接続する。使用時には、スイッ
チコントロール信号ＳＷ ＣＮＴにより、送受切換スイ
ッチＳＷを送信側に切り換えると、アンテナエレメント
１に送信側の増幅器２Ｓが接続され、受信側に切り換え
ると、アンテナエレメント１に受信側の増幅器２Ｒが接
続される。

【００２９】また、電力分配器４は、送信時には電力の
分配を行い、受信時には電力の合成を行う。なお、以後
の説明では、説明を簡単にするため、送信側の例につい
て説明するが、受信側についても同様に実施できる。

【００３０】次に、図３に示した送信側のアクティブア
レイアンテナの例について説明する。図３に示したよう
に、各アンテナエレメント１には、それぞれ増幅器２Ｓ
を接続し、隣接する２つの増幅器２Ｓを１組として、電
力分配器４を介し、１つの移相器３に接続している。

【００３１】即ち、アンテナエレメント１と増幅器２Ｓ
は、１対１の関係で接続すると共に、２つの増幅器２Ｓ
に対して、１つの移相器３を接続する。この場合、各移
相器３への電力分配は、各電力分配器４（上記の分配器
とは別のもの）により行う。

【００３２】図３に示したアクティブアレイアンテナで
問題となるのは、多数のアンテナエレメント１から放射
する信号が同位相で放射されるため、サイドローブレベ
ル及びビーム設定精度に悪影響を与えることである。

【００３３】そこで、各アンテナエレメント１から放射
する位相関係について検討した。以下、検討結果を図３
に基づいて説明する。図３の横軸はアンテナエレメント
の位置、縦軸は移相量を示す。図３の上側はビームの向
きがθの場合であり、下側はθ＝３０度の場合を示す。
また、実線Ａは理想的な移相量を示し、点線Ｂは本発明
で設定可能な移相量を示す。

【００３４】アンテナエレメント１から放射する信号の
位相関係は、ビームの向きθによって決まる。特に、θ
が小さい時、移相設定誤差は少なくなり問題はない。
今、ビームの向きがθの時のアンテナアレイ間の位相ス
テップをψ−ＳＴＥＰとすると、ψ−ＳＴＥＰ＝２π／
λ・２Ｓ・Ｓｉｎθ（ｒａｄ）となる。

【００３５】従って、本発明で設定可能な移相量と、理
想的な移相量との誤差は、各アンテナエレメントに対
し、△ψ＝２π／λ・0.５Ｓ・Ｓｉｎθ（ｒａｄ）とな
る。今、仮りに、アンテナエレメント１の間隔Ｓを、Ｓ
＝１５mm、周波数ｆ＝１０ＧＨｚ（λ＝３０mm）、ビー
ムの角度θ＝３０度とした場合、図４の下図のような特
性になる。

【００３６】図示のように、この例では、ψ−ＳＴＥＰ
＝１８０度（3.１４ｒａｄ）、△ψ＝４５度（0.７８５
ｒａｄ）となる。すなわち、図２に示した構成のアクテ
ィブアレイアンテナでは、理想的な移相量と最大４５度
離れることになる。

【００３７】この移相設定誤差は、サイドローブレベル
及びビーム設定精度に悪影響を与えることになるが、ア
ンテナエレメント数が多い場合、設定誤差の平均化によ
り、この影響がほとんど問題にならなくなる。

【００３８】（第２実施例の説明）図５は第２実施例に
おけるアクティブアレイアンテナ（送信側）を示した
図、図６は第２実施例におけるアンテナエレメントの配
置図、（トライアンギュラーアレイの正面図）である。
図中、図１〜図３と同符号は同一のものを示す。

【００３９】第２実施例は、増幅器と移相器の数を半分
に減らした例である。図５に示したように、隣り合う２
つのアンテナエレメント１を１組として、電力分配器４
を介して１つの増幅器２Ｓに接続すると共に、該増幅器
２Ｓを移相器３に接続する。

【００４０】この場合、２つのアンテナエレメントに対
し、１つの増幅器と１つの移相器とを必要とするから、
全体では、増幅器２Ｓの数と、移相器３の数が半分に減
少する。なお、第２実施例の位相関係も、図３に示した
第１実施例と同じであり、実用上位相の設定誤差は問題
にならない。

【００４１】また、送受信側のアクティブアレイアンテ
ナとするには、第１実施例と同様にして構成できる。す
なわち、送信側の増幅器２Ｓと並列に、受信側の増幅器
を設け、これらの増幅器を、送受切換スイッチで切り換
えるようにすればよい。

【００４２】前記アクティブアレイアンテナにおけるア
ンテナエレメント１を、トライアンギュラーアレイ（ｔ
riangular array)とした例を図６に示す。図６は、トラ
イアンギュラーアレイを正面から見た図であり、多数の
アンテナエレメント１が縦横に配置してある。

【００４３】これらのアンテナエレメント１は、隣り合
う２つのアンテナエレメントを１組としており、各組の
アンテナエレメントは、１つの移相器３により制御され
ている。

【００４４】前記１組のアンテナエレメントは、図の横
方向へ配列してあるが、縦方向の配列をずらすことによ
り、全体として、３つのアンテナエレメントが三角形状
に配列された形状になっている。

【００４５】（第３実施例の説明）図７〜図９は第３実
施例を示した図であり、図７はアクティブアレイアンテ
ナ（送信側）を示した図、図８はアンテナエレメントの
配置図（スクエアアレイの正面図）、図９はアクティブ
アレイアンテナの詳細図である。

【００４６】図中、図１〜図５と同符号は同一のものを
示す。また、６は移相制御器、７は増幅器電源、８は移
相器電源、９はアイソレータ、２は増幅器を示す。第３
実施例は、４つのアンテナエレメント１に対して、１つ
の増幅器２Ｓと１つの移相器３を用いた例であり、第２
実施例のアンテナよりも、更に増幅器２と移相器３の数
を減少させたものである。（ただし、図は送信側のみ）

【００４７】この例では、隣り合う４つのアンテナエレ
メント１を１組として、電力分配器４を介して１つの増
幅器２Ｓに接続すると共に、該増幅器２Ｓを１つの移相
器３に接続した。

【００４８】この場合、移相量の設定誤差は大きくなる
が、アンテナエレメントの数が多ければ、実用上問題に
ならない。前記アンテナエレメントを、スクエアアレイ
（Square Array) とした例を図８に示す。図８は、スク
エアアレイの正面図であり、縦横に多数のアンテナエレ
メントが配置してある。

【００４９】このスクエアアレイでは、図７に示したよ
うに、４個のアンテナエレメントを１組とし、この１組
のアンテナエレメントを１つの移相器３で制御してい
る。前記１組のアンテナエレメントは、正面から見る
と、四角形状に配列されており、全体としても四角形状
に配列されている。次に、第３実施例のアクティブアレ
イアンテナの詳細な構造を図９に基づいて説明する。図
９は、３２素子アクティブフェーズアレイアンテナの例
である。

【００５０】このアンテナは、図７に示したように、４
個のアンテナエレメント１を１組とし、この１組のアン
テナアレイに対し、電力分配器４を介して１つの増幅器
２と１つの移相器３に接続している。この場合、アンテ
ナエレメント１と増幅器２との間の電力分配器として
は、４電力分配器を使用し、前記４電力分配器４と増幅
器２との間には、アイソレータ９を設ける。

【００５１】また、増幅器２と移相器３との間にもアイ
ソレータ９を設ける。前記移相器３には、移相制御器６
が接続され、この移相制御器からの制御信号により、移
相器３の移相量を制御するようになっている。前記移相
器３へ入力する高周波信号は、８電力分配器４により、
８系統に分けて分配される。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果がある。 (1)高価な増幅器や移相器の数を減少させることができ
るので、アクティブアレイアンテナの価格を低くするこ
とができる。

【００５３】(2)増幅器や移相器の数を減少できるの
で、アクティブアレイアンテナの信頼性も向上する。ま
た、スペース的に不可能であった高周波数領域において
も、アクティブアレイアンテナを構成することが可能と
なる。

【００５４】(3)特にアンテナエレメント数が多い場合
に有利であり、アンテナエレメント数は従来と同じであ
るために、空中線利得を変えずにアクティブ素子数を減
らすことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明の第１実施例にけるアクティブアレイア
ンテナ（送受信側）を示した図である。

【図３】第１実施例のアクティブアレイアンテナ（送信
側）を示した図である。

【図４】第１実施例の位相関係説明図である。

【図５】第２実施例におけるアクティブアレイアンテナ
（送信側）を示した図である。

【図６】第２実施例におけるアンテナエレメントの配置
図（トライアンギュラーアレイの正面図）である。

【図７】第３実施例におけるアクティブアレイアンテナ
（送信側）を示した図である。

【図８】第３実施例におけるアンテナエレメントの配置
図（スクエアアレイの正面図）である。

【図９】第３実施例におけるアクティブアレイアンテナ
の詳細図である。

【図１０】従来のアクティブアレイアンテナ（送信側）
を示した図である。

【符号の説明】

１ アンテナエレメント ２Ｓ 送信用の増幅器 ２Ｒ 受信用の増幅器 ３ 移相器 ４ 電力分配器 ＳＷ 送受切換器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−284484（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−236611（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−54708（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−220475（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−140560（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−38102（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 7/02 G01S 7/28 H01Q 23/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のアンテナエレメント（１）と、前
   記アンテナエレメント（１）に接続されて電力増幅を行
   う増幅器（２Ｓ、２Ｒ）と、 各アンテナエレメント間の信号位相を制御する移相器
   （３）と、 電力の分配及び合成を行う電力分配器（４）を具備した
   アクティブアレイアンテナにおいて、 各アンテナエレメント（１）に、それぞれ増幅器（２
   Ｓ、２Ｒ）を接続すると共に、 前記増幅器の内、隣り合う複数の増幅器（２Ｓ、２Ｒ、
   ２Ｓ、２Ｒ）に、 電力分配器（４）を介して１つの移相器（３）を接続し
   たことを特徴とするアクティブアレイアンテナ。
2. 【請求項２】 複数のアンテナエレメント（１）と、 前記アンテナエレメント（１）に接続されて電力増幅を
   行う増幅器（２Ｓ、２Ｒ）と、 各アンテナエレメント（１）間の信号位相を制御する移
   相器（３）と、 電力の分配及び合成を行う電力分配器（４）を具備した
   アクティブアレイアンテナにおいて、 各アンテナエレメント（１）の内、隣り合う複数のアン
   テナエレメントに、 電力分配器（４）を介して１つの増幅器（２Ｓ、２Ｒ）
   を接続すると共に、 前記増幅器（２Ｓ、２Ｒ）に、移相器（３）を接続した
   ことを特徴とするアクティブアレイアンテナ。