JP3169325B2 - アレーアンテナ - Google Patents
アレーアンテナInfo
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Description
し、特に敵・味方識別(IFF)システムに使用する航
空機搭載用のアレーアンテナの構成に関する。
る敵・味方識別(IFF)システムにおいて、アンテナ
は主に戦闘機の機首外面に取り付けられており、物理的
には、空気抵抗の低減並びにパイロットの視界の確保の
観点から、高さの低いアンテナが要求される。また電気
的には、パイロットに対する不要放射を抑制する観点か
ら、前後比(FRONT−TO−BACK RATI
O、以下FBRと記す)の高い指向性放射パターンが要
求される。さらに、IFFシステムでは送受信周波数と
して1030MHz及び1090MHzが使用されるの
で、アンテナの周波数特性は比帯域5.7%以上が必要
となる。
は、特開平3−213005号公報により開示された強
制励振アンテナがある。以下、特開平3−213005
号公報に開示された強制励振アンテナについて簡単に説
明する。図6は強制励振アンテナの構成を示した図であ
り、図において20、22、24はそれぞれ第1、第
2、第3のモノポールアンテナ、40、48は第1及び
第2の励振回路、44及び50は第1及び第2の二重同
調回路である。第1及び第3モノポールアンテナ20、
24は第1励振回路40と接続し、第2モノポールアン
テナ22は第2二重同調回路50に接続している。前記
第1励振回路40は第1二重同調回路44に接続し、さ
らに該第1二重同調回路44は第2励振回路48に接続
している。また、第2二重同調回路50は第2励振回路
48によって第1二重同調回路44に結合され、入出力
コネクタ16に接続されている。このように構成した強
制励振アンテナは、物理的要求である低姿勢性能を実現
するために、アンテナ素子としてトップロード型モノポ
ールアンテナを用い、通常のモノポールアンテナに比べ
てその寸法を半分以下に短縮している。
うにアンテナの寸法を半分以下としたために、アンテナ
の入力インピーダンスの実数部は数オームの低抵抗特性
を呈し、したがって通常の方法では送受信機とのインピ
ーダンス整合が困難となるので、第1及び第2二重同調
回路44、50を備え、これによりインピーダンス整合
を図っている。また高FBR性能を実現するために、2
項係数エンドファイヤアレーとしているが、このために
励振分布を第1励振回路40及び第2励振回路48によ
り制御している。すなわち、上述したような従来の強制
励振アンテナでは所望の物理的及び電気的性能を実現す
るために、複雑な励振回路、同調回路(整合回路)を必
要とし、製造コストが高くなる等の問題点があった。本
発明は上述した従来のIFFシステムに使用する航空機
搭載用アンテナの問題点に鑑みなされたものであって、
複雑な励振回路や同調回路を用いることなく、低姿勢で
パイロットの視野を妨げず、且つ不要放射を抑制し、高
FBR指向性放射パターンの航空機搭載用アンテナを提
供することを目的とする。
発明に係るアレーアンテナの第一の手段は、給電素子と
しての逆Fアンテナと、無給電素子として電気的長さを
任意に設定でき、且つグランド板に設置された導体とを
備え、該無給電素子の素子長は前記給電素子の素子長と
異なっており、前記給電素子と1素子以上の前記無給電
素子とを所定間隔で配置したことを特徴とする。本発明
に係るアレーアンテナの第二の手段は、前記第一の手段
において、素子長がほぼλ/4以下の無給電素子を1素
子以上備え、該無給電素子と給電素子とを所定間隔で配
置し、前記無給電素子を導波器として動作させたことを
特徴とする。
は、前記第一の手段において、素子長がほぼλ/4以上
の無給電素子を1素子以上備え、該無給電素子と給電素
子とを所定間隔で配置し、前記無給電素子を反射器とし
て動作させたことを特徴とする。本発明に係るアレーア
ンテナの第四の手段は、前記第一の手段において、素子
長がほぼλ/4以下の第一の無給電素子と、素子長がほ
ぼλ/4以上の第二の無給電素子とをそれぞれ1素子以
上ずつ備え、給電素子より前方に前記第一の無給電素子
を配置し、また給電素子より後方に前記第二の無給電素
子を配置し、前記第一の無給電素子を導波器、前記第二
の無給電素子を反射器として動作させたことを特徴とす
る。
は、前記第一乃至第四の手段において、前記給電素子及
び無給電素子を、誘電体基板上にエッチング等により形
成した導体パターンを用いて構成したことを特徴とす
る。本発明に係るアレーアンテナの第六の手段は、前記
第一乃至第五の手段において、前記無給電素子として1
素子以上の逆Lアンテナを用いたことを特徴とする。
は、前記第一乃至第五の手段において、前記無給電素子
として1素子以上のモノポールアンテナを用いたことを
特徴とする。本発明に係るアレーアンテナの第八の手段
は、前記第一乃至第五の手段において、前記無給電素子
として1素子以上のT型アンテナを用いたことを特徴と
する。
いて本発明を詳細に説明する。図1は本発明の基本的な
実施例である3素子アレーアンテナの構成と形状パラメ
ータを説明するための図であり、1は逆Fアンテナ、2
及び3はそれぞれ前記逆Fアンテナ1の給電ピンHより
距離AS1或いは距離AS2づつ離れた位置に配列され
た逆Lアンテナである。なお、図において、斜線部(/
//)は機体或いはグランド板を意味している。 逆F
アンテナ1は給電ピン部H、短絡ピン部HS、頂部ワイ
ヤ部WL及びWRから構成し、給電は給電ピン部Hの下
部より行われる。また短絡ピン部HSの下部は機体或い
はグランド板に接地された状態となっている。逆Lアン
テナ2は垂直部HR、水平部WRRより構成し、垂直部
HRの下部は機体に接地されており、同様に逆Lアンテ
ナ3も垂直部HD、水平部WRDより構成し、垂直部H
Dの下部は機体に接地されている。したがって、逆Lア
ンテナ2及び3は無給電素子として配置されている。
いて説明する。なお、本願発明のアレーアンテナは基本
的には八木・宇田アンテナの原理を用いている。すなわ
ち、給電素子に対し所定の距離をおいてほぼλ/4以上
若しくはλ/4以下の無給電素子を配置することによ
り、反射器或いは導波器を構成するものであり、該八木
・宇田アンテナは、従来よりテレビ受信用アンテナとし
て周知であって、一般的にはダイポールアンテナを用い
た構成であるが、上述したような逆Lアンテナ、逆Fア
ンテナを用い、八木・宇田アンテナの原理を用いたアレ
ーアンテナの構成は今までに公表されたことがないた
め、その基本動作から説明する。
アンテナ1と無給電素子である逆Lアンテナ3から構成
する2素子アレーアンテナモデルを用いて考察する。設
計周波数をIFF送受信信号の中心周波数である106
0MHzとしたとき、配列間隔AS2=70.75mm
(λ/4)、H=HS=HD=28.3mm(0.1
λ)とし、共振周波数をほぼ1060MHzに設定する
ために、WR=34mm、WL=5mmとする。このと
き、WRDの長さに対する−X方向と+X方向の利得の
モーメント法による計算値を図3に示す。ここで、ワイ
ヤ半径はra=2.1mmとし、以下、説明するデータ
は全てワイヤ半径ra=2.1mmである。
逆Lアンテナ3の無給電素子長(HD+WRD)をλ/
4より短くすると+X方向に最大放射が発生し、逆に無
給電素子長をλ/4より長くすると、−X方向に最大放
射が発生する。すなわち、逆L無給電素子3の素子長を
λ/4より短くすれば導波器として動作し、一方、λ/
4より長くすれば反射器として動作する。したがって、
図1に示した3素子構成においても、無給電素子2及び
3の長さを適宜設定することにより3素子八木・宇田ア
ンテナとして動作しうることが分かる。
について説明する。図2はIFFシステムに用いる航空
機搭載用アンテナの具体的な形状寸法を示した図であ
る。ここで設計周波数は1060MHz(λ/4=7
0.75mm)として、アンテナの高さを低くする目的
で、給電素子及び無給電素子を構成する垂直部材及び給
電ピンの各高さをH=HS=HR=HD=0.08λ
(22.6mm)とする。 また、本発明に係るアレー
アンテナの特徴の一つである入力インピーダンスを広帯
域にするために、形状パラメータを図2に示す如く、L
=145.08mm、AS1=48.11mm、AS2
=45.28mm、WRR=37.54mm、WL=5
mm、WR=42.5mm、WRD=51.69mmと
設定した。各素子長を波長で表すと、逆Fアンテナ(給
電素子)の素子長”H+WL+WR”は70.1mm≒
0.25λ(λ/4)、導波器の素子長”HR+WR
R”は60.14mm≒0.21λ、反射器の素子長”
HD+WRD”は74.29mm≒0.26λである。
このように構成することにより、入力インピーダンス特
性はIFFシステム帯域(1030MHzから1090
MHz)内でほぼ50Ω純抵抗となり、特別な同調回路
等を用いることなく、インピーダンス整合を容易に図る
ことができる。
す。図4の縦軸はリターンロス、横軸は周波数を示し、
リターンロスが−9.5dB以下(電圧定在波比:VS
WR=2)の比帯域幅は10%であるため、IFFシス
テムの要求性能である5.7%を十分満足することがで
きる。この性能と従来のダイポールで構成した3素子八
木・宇田アンテナの性能とを比較すると、従来のアンテ
ナの比帯域幅は2〜3%であるのに対し、本発明の如く
逆F給電素子及び逆L無給電素子とを用いることにより
その帯域を3倍以上に改善することができる。また、放
射パターンの一例としてIFFシステムの送信周波数で
ある1030MHzのZX面のパターンを図5に示す。
図において、角度0°は図2におけるZ方向(天頂方
向)、角度−90°は−X方向、角度+90°は+X方
向を示す。同図から明らかなように、ビーム半値角は約
100°、FBR(図5では角度−90°と+90°方
向のレベル比)は約18dBである。なお、形状パラメ
ータを変更することにより、FBRが25dB程度のも
のを得ることもできる。また、図5に示したデータは、
無限大グランド板を仮定したモーメント法による計算値
であり、実際の機体等に本発明に係るアレーアンテナを
装備した場合には、ビームピークは天頂方向に20°〜
30°チルトする。以上説明したように、本発明の如く
逆Fアンテナの給電素子と逆Lアンテナの無給電素子と
を用いたアレーアンテナでは、高さの低いアンテナであ
りながら特別な励振回路や同調回路を必要とせず、所望
の性能を得ることが可能となる。
る。上述した基本実施例では半径raのワイヤ導体を用
いてアンテナを構成したが、非誘電率εrの誘電体基板
を機体或いはグランド板に垂直に設置し、該基板の片面
上に銅箔にて図1に示した形状の導体パターンを形成し
てもよい。この場合、波長は概ねλ/√εr〜0.95
λに短縮されるので、上述した給電素子と無給電素子の
間隔、給電素子長及び各無給電素子長も概ね1/√εr
〜0.95に短縮する必要がある。また、発砲材等の誘
電体の片面上に板状導体を接着材等で保持し、当該板状
導体により導体パターンを形成してもよい。この場合、
εr≒1であるため、給電素子と無給電素子の間隔、、
給電素子長及び各無給電素子長の短縮等は行わなくてよ
い。
アンテナを用いた場合を例に挙げて説明したが、これに
限定されるものではない。すなわち、無給電素子はその
素子長がアレーアンテナの動作条件として重要なパラメ
ータであることは自明であり、設計上、アンテナ形状に
自由度があれば、無給電素子としてモノポールアンテナ
や逆Lアンテナの先端部を下方に折り曲げた形状のも
の、さらにはT型アンテナや上述した特開平3−213
005に記載されているようにT型アンテナの先端部を
下方に折り曲げた形状のものを用いても、上述した本願
発明に係るアレーアンテナとして動作することは明らか
である。さらに、無給電素子として給電素子と同一の逆
F形状を有するアンテナを用いてもよく、いずれの形状
の無給電素子を用いた場合であっても、無給電素子の長
さは、導波器としてはほぼλ/4以下、反射器としては
ほぼλ/4以上が必要であることは、上述した実施例と
同じである。
するものであるから、アンテナ高さは従来のモノポール
アンテナの約30%に低減することが可能となり、航空
機等に搭載した場合に空気抵抗を低減せしめ且つパイロ
ットの視野を妨げることがない。また、入力VSWR特
性が比帯域10%、放射指向性パターンは20dB前後
の高FBR特性を有するアンテナを特別な励振回路や同
調回路を必要とせず安価に得ることができるので、IF
Fシステム等航空機搭載アンテナとして著しい効果を有
する。
ンテナの構成と形状パラメータを説明するための図。
の具体的な形状寸法を示した図。
図。
図。
信周波数である1030MHzのZX面のパターンを示
す図。
Claims (8)
- 【請求項1】 給電素子としての逆Fアンテナと、無給
電素子として電気的長さを任意に設定でき、且つグラン
ド板に設置された導体とを備え、該無給電素子の素子長
は前記給電素子の素子長と異なっており、前記給電素子
と1素子以上の前記無給電素子とを所定間隔で配置した
ことを特徴とするアレーアンテナ。 - 【請求項2】 素子長がほぼλ/4以下の無給電素子を
1素子以上備え、該無給電素子と給電素子とを所定間隔
で配置し、前記無給電素子を導波器として動作させたこ
とを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ。 - 【請求項3】 素子長がほぼλ/4以上の無給電素子を
1素子以上備え、該無給電素子と給電素子とを所定間隔
で配置し、前記無給電素子を反射器として動作させたこ
とを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ。 - 【請求項4】 素子長がほぼλ/4以下の第一の無給電
素子と、素子長がほぼλ/4以上の第二の無給電素子と
をそれぞれ1素子以上ずつ備え、給電素子より前方に前
記第一の無給電素子を配置し、また給電素子より後方に
前記第二の無給電素子を配置し、前記第一の無給電素子
を導波器、前記第二の無給電素子を反射器として動作さ
せたことを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ。 - 【請求項5】 前記給電素子及び無給電素子を、誘電体
基板上にエッチング等により形成した導体パターンを用
いて構成したことを特徴とする請求項1乃至4記載のア
レーアンテナ。 - 【請求項6】 前記無給電素子として1素子以上の逆L
アンテナを用いたことを特徴とする請求項1乃至5記載
のアレーアンテナ。 - 【請求項7】 前記無給電素子として1素子以上のモノ
ポールアンテナを用いたことを特徴とする請求項1乃至
5記載のアレーアンテナ。 - 【請求項8】 前記無給電素子として1素子以上のT型
アンテナを用いたことを特徴とする請求項1乃至5記載
のアレーアンテナ。
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JP22852595A Expired - Fee Related JP3169325B2 (ja) | 1995-08-14 | 1995-08-14 | アレーアンテナ |
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- 1995-08-14 JP JP22852595A patent/JP3169325B2/ja not_active Expired - Fee Related
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