JP3923431B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

技術分野
この発明はアンテナ装置に関し、特に、例えば通信やレーダにおいて、複数の素子アンテナを配置してビーム形成を行うアンテナ装置に関するものである。
背景技術
図７は従来のアンテナ装置の構成を示した構成図であり、例えば、特開平７−２８８４１７号公報に示されたアンテナ装置である。図において、１は平面に配置された複数の素子アンテナ、２は素子アンテナ１が配置されている同心円（または同心円周）である。各素子アンテナ１には、励振振幅や励振位相を調整する給電手段（図示せず）が接続されている。
次に動作について説明する。給電手段によって、各素子アンテナ１の励振振幅および励振位相を調整することにより、本アンテナ装置は所望の放射特性を得ることができる。
従来のアンテナ装置は以上のように構成されていたが、各同心円２において周方向の素子アンテナ１の間隔を広くすると、高レベルなサイドローブを発生してしまい、所望の放射特性を得られないという問題点があった。
また、このサイドローブを回避するためには周方向の素子アンテナ間隔を狭くすれば良いが、必要以上に間隔を狭くすると、素子アンテナ数が増加してコストが高くなるとともに、素子アンテナ間の相互結合が増加して、所望の放射特性を得にくくなるという問題が発生する。
この発明はかかる問題点を解決するためになされたもので、不要なサイドローブを抑制するのに必要な最小限の素子アンテナ数を有する、低コストなアンテナ装置を得ることを目的とする。
発明の開示
この発明は、平面上に想定された半径の異なる複数の同心円上に複数の素子アンテナを配置し、当該平面に垂直な方向から最大θ_０だけ傾いた方向にビームを形成するアンテナ装置であって、内側からｎ番目の同心円の半径をａ_ｎ、内側からｎ番目の同心円上に配置される素子アンテナの数をＭ_ｎ、波数をｋとした場合に、各々の同心円上に配置される素子アンテナの数Ｍ_ｎを次式

を満たすように定め、かつ、上記素子アンテナを上記各々の同心円の周方向に略々等間隔で配置するアンテナ装置である。
また、最も内側にある同心円の半径をａ_１、その周上にある素子アンテナの数をＭ_１とし、内側からｎ番目の同心円の半径をｎａ_１、その周上にある素子アンテナの数をｎＭ_１とした場合に、上記最も内側にある同心円上の素子アンテナの数Ｍ_１を次式

を満たすように定めている。
また、内側からｎ番目の同心円上に配置される素子アンテナの数Ｍ_ｎを奇数としている。
また、最も内側にある同心円上の素子アンテナの数Ｍ_１を奇数としている。
また、複数の同心円の中心を通過する任意の直線を想定した場合、各同心円上の素子アンテナが、直線に平行な直線上に並ばないように配置している。
また、各同心円上の素子アンテナの配置開始位置を、同心円の中心を通過する直線から、それぞれ、ランダムに選ばれた所定の角度Δ_ｎだけ回転した位置とする。
また、複数の同心円の中心を通過する直線を想定し、直線を境とした片方の半面にある素子アンテナ数と、他方の半面にある素子アンテナ数が略々同数となるようにしている。
また、複数の素子アンテナをラジアル導波路を介して給電する。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
ここではまず、同心円上に素子アンテナを配置したアレーアンテナの動作について説明し、本発明の効果を明らかにする。図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置の素子アンテナ配置を示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は平面図である。図１において、１は平面に配置された素子アンテナ、２は素子アンテナが配置されている同心円（または同心円周）、３は同心円周方向に沿った素子アンテナ間隔、４は座標を表す。また、図２は上記アンテナ装置の放射特性を波数空間で説明する図である。図中５は波数空間座標、６は可視域を表す。なお、本アンテナ装置においても、上述した従来のアンテナ装置と同様に、各素子アンテナ１に対する励振振幅および励振位相を調整する給電手段（図示せず）が接続されている。
次に本アンテナ装置の構造について説明する。本アンテナ装置は、座標４のｘ−ｙ平面上に想定される複数の同心円２上のそれぞれに複数の素子アンテナ１を配置したものである。同心円２は、図１（ｂ）に示すように、内側から順に番号ｎ（１≦ｎ≦Ｎ）をつけることとし、その総数はＮ個である。また、第ｎ番目の同心円２の半径はａ_ｎとし、第ｎ番目の同心円２上にある素子アンテナ数をＭ_ｎ個とする。一つの同心円２内では、素子アンテナ１は同心円２の周方向に等間隔にならんでいるものとし、また第ｎ番目の同心円２上にある素子アンテナは全て励振振幅が等しいものとし、これをＥ_ｎとする。さらに第ｎ番目の同心円２では、座標４のｘ軸から角度Δ_ｎだけ回転した位置から素子アンテナ１が配置されていくものとする。なお、この角度Δ_ｎはランダムに選ぶものとし、その理由については、後述の実施の形態５において詳細に説明する。
次に本アンテナ装置の動作について説明する。本アンテナ装置は上記素子アンテナ１に所定の励振振幅および励振位相を与えることで所望の放射特性を得る。本実施の形態では、所定の方向（θ_０，φ_０）で各素子アンテナ１の放射位相が共相となるように励振位相を与える場合を考える。第ｎ番目同心円２上における、ｘ軸から数えてｍ_ｎ番目の素子アンテナ２の、ｘ−ｙ面上の角度φをφ′_ｍｎ、自由空間中の波数をｋとすると、このアンテナの放射特性ｆ（θ，φ）は次式で表現される。

上記式（１）を、ｓｉｎθｃｏｓφとｓｉｎθｓｉｎφを直交軸とする波数空間で表現すると次式（２）のようになる。ただし、次式（２）でＪ_ｎはｎ次の第１種ベッセル関数である。

上式（２）より波数空間の放射特性は、ビーム方向（ｓｉｎθ_０ｃｏｓφ_０，ｓｉｎθ_０ｓｉｎφ_０）からの距離ρが一定の円周上において正弦状にレベルが変化することがわかる。図２にその様子を示す。図２において、波数空間座標５の原点から１の距離にある円周内が実際の物理空間に現れる放射パターンである（可視域６）。さらに、式（２）より、０次の第１種ベッセル関数を有する式（２）の一重下線部は、メインビーム（ρ＝０の位置）およびサイドローブ（ρ＞０の領域）に寄与するが、式（２）の二重下線部は、ρ＝０で値を持たない１次以上の第１種ベッセル関数で形成されるため、ρ＞０のサイドローブのみに寄与することがわかる。したがって、可視域６において二重下線部の値が充分に小さくなればサイドローブを低くすることができる。
１次以上の第１種ベッセル関数Ｊ_ｎ（ｘ）は、概ねｘ＝０〜ｎにおいてその値は極めて小さく、これより大きいｘで正弦状の変化をする。したがって式（２）の二重下線部において、ｑ＝１の項が可視域６内で充分小さければ、ｑ＞１の項は無視でき、二重下線部全体が小さくなる。上記アンテナ装置において、天頂（図１のｚ軸）からのビーム走査が最大θ_０まで行われる場合、図２に示すように、可視域におけるρの最大値は（１＋ｓｉｎθ_０）である。また、第１種ベッセル関数Ｊ_ｎ（ｘ）の最初のピーク位置は

で表される。したがって式（２）の二重下線部を十分小さくするには、各同心円２上の素子アンテナ数Ｍ_ｎが次式（３）を満たすように選べば良い。

以上のように、上記式（３）を満たす最小のＭ_ｎを各同心円２上の素子アンテナ数として選び、それらを略々等間隔で配置することで、可視域６におけるサイドローブを抑制し、かつ、素子アンテナ間の相互結合の増加を防止でき、所望の放射特性を得ることが可能な最小素子アンテナ数のアンテナ装置を構成することができる。これにより、素子アンテナ数を必要最小限に抑えることができたため、コスト低減の効果を得ることができる。
実施の形態２．
ここでは図１に基づき、第２の実施の形態について説明する。実施の形態１において各同心円２の半径ａ_ｎ間の間隔を等しくし、ａ_ｎ＝ｎ・ａ_１とする。また、内側から１番目の同心円２上の素子アンテナ数をＭ_１とした場合、第ｎ番目の同心円２上の素子アンテナ数はＭ_ｎ＝ｎ・Ｍ_１とする。この場合、各同心円２の周方向に沿った素子アンテナ間隔は、いずれの同心円２においても２πａ_１／Ｍ_１となる。
以上のような条件において、実施の形態１において上述した式（３）は次式のようになる。

上記式（４）を満たすようにＭ_１を選定すれば、実施の形態１と同様に、可視域６におけるサイドローブを抑圧して所望の放射特性を得ることができる最小素子アンテナ数のアンテナ装置を構成でき、コスト低減の効果を得ることができる。
さらに本実施の形態のアンテナ装置では、素子アンテナ間隔を半径方向および周方向で等間隔にしたので、アンテナ開口にほぼ均一に素子アンテナ１が配置されることになる。このため開口効率が高くなり、利得が高いアンテナを構成できるという効果を得る。
実施の形態３．
ここでは、上式（２）と図３に基づいて、第３の実施の形態について説明する。図３は上記同心円２の一つを取り上げ、所定の（ｋ・ａ_ｎ・ρ）における式（２）の一重下線と二重下線の項の加算を表すベクトル空間である。図中７は一重下線の項、８は二重下線のとある１項を表すベクトルであり、９は両者の加算で発生するベクトル（すなわち、サイドローブ）を表す。
本実施の形態は、図１の配列において、各同心円２上の素子アンテナ数を奇数にしたことを特長とする。奇数にすることでサイドローブがどのような振る舞いをするかを以下に述べる。
式（２）のサイドローブに寄与する二重下線部の内、もっとも早く可視域内に現れ、かつ、振幅が大きいのは、ｑ＝１の項である。実施の形態１〜２ではこの項を抑制するような素子アンテナ数を選択したが、広角においてはこのｑ＝１の項のピークは見えなくても、その立ち上がりが見えて、サイドローブが大きくなる場合がある。このサイドローブを抑制するには各同心円２上の素子アンテナ数を奇数にすれば良い。
第ｎ番目の同心円２上の素子アンテナ１によって形成される放射パターンについて、広角にあたる所定の（ｋ・ａ_ｎ・ρ）での振る舞いを考える。式（２）の一重下線の項７は素子アンテナ数に係わらず常に実数である。これに対して、式（２）の二重下線部でｑ＝１の項８は、Ｍ_ｎが偶数の場合には実数となり、奇数の場合には虚数となる。項７と項８の合成９を図３に示す。Ｍ_ｎが偶数の場合には、図３（ａ）に示すように、両者の位相が合って大きなサイドローブ９が形成されるが、奇数の場合には、図３（ｂ）に示すように、両者が直交するため、サイドローブ９は小さくなる。このことは一つの同心円２に限らず、複数の同心円２を合成したときにも同様の現象が生じる。したがって、各同心円２上の素子アンテナ数を奇数にすることで、サイドローブレベルをさらに小さく抑えることができるという効果を有する。
実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態２のアンテナ装置において、第１番目の同心円２上の素子アンテナ数Ｍ_１を奇数としたものである。実施の形態２のアンテナ装置では、全ての素子アンテナ間隔を等しくして概ね均一な素子アンテナ配置を実現するために、同心円２の半径にａ_ｎ＝ｎ・ａ_１、また、周方向素子アンテナ数にＭ_ｎ＝ｎ・Ｍ_１なる関係を設けている。このため全ての同心円２上の素子アンテナ数を奇数にすることはできないが、Ｍ_１を奇数とすることで、第１、３、５…と奇数番目の同心円２上の素子アンテナ数を奇数にすることができる。これにより実施の形態３と同様の効果によって、サイドローブを抑制することができる。
なお、補足ながら、Ｍ_１を偶数にした場合には、全ての同心円２上の素子アンテナ数が偶数となるため、奇数素子アンテナ数によるサイドローブ抑制の効果は得られなくなる。しかしながら、もちろん本手法においても、実施の形態２と同様、アンテナ開口にほぼ均一に素子アンテナが配置されることにより開口効率が高くなり、利得が高いアンテナ装置を構成できるという効果は得られるものである。
実施の形態５．
実施の形態５におけるアンテナ装置の素子アンテナ配置を図４に示す。図４（ａ）は、本アンテナ装置を示し、各同心円２の素子アンテナ１の配置開始位置をｘ軸からそれぞれΔ_ｎだけずらした場合、図４（ｂ）は、本発明の構成と比較して説明するための参考例であり、全ての素子アンテナ１の配置開始位置をｘ軸としたものである。図中１０は、素子アンテナ１の配置開始位置を同一直線上にしたことによってアンテナの中心付近に現れた素子アンテナ１間の隙間ｄである。他の番号は前述のものと同じである。
本実施の形態では、実施の形態２または４で述べた、全ての周方向素子間隔が等しい配列を例にしている。図４（ｂ）は全ての同心円２において素子アンテナ１をｘ軸から配置し始めている。この場合同心円２の半径が大きくなると、図４（ｂ）に示すように、ｘ軸の上下に、ｘ軸から

の間隔１０だけ離れたｘ軸に並行な直線上に、一様に素子アンテナ１が並ぶようになる。このため素子アンテナ１の集団が、２ｄの間隔をもってｘ軸の上下に分布するようにみえる。このように規則的な隙間が発生すると大きなサイドローブが発生するという問題が生じる。
これを解決するために、本発明では図４（ａ）のように各同心円２の素子アンテナ１の配置開始位置をｘ軸から、それぞれΔ_ｎだけずらし、かつ、Δ_ｎをランダムに選ぶようにしている。この手法により、素子アンテナ１が直線上に並ぶことによる規則的な隙間が発生することを防ぎ、上記サイドローブの上昇を抑制できるという効果を得る。
実施の形態６．
実施の形態６の素子アンテナ配置を図５に示す。図中１１の示す括弧付きの数字は各同心円２上におけるｘ軸の上側と下側にある素子アンテナ数を示している。他の番号は前述のものと同じである。
本実施の形態では、実施の形態４で述べた、全ての周方向素子間隔が等しく、かつ、内側から奇数番目の同心円２上の素子アンテナ数が奇数となる配列を例にしている。本発明の目的は、放射特性でモノパルス差パターンを得ることである。例えば図５のｙ−ｚ面パターンで差パターンを構成する場合、ｘ軸の上下に配置された素子アンテナ数を概ね等しくする必要がある。各同心円２に注目すると、周方向素子間隔が等しいため、素子アンテナ数が偶数の同心円２では、必ずｘ軸の上下で素子アンテナ数が等しくなる。しかしながら素子アンテナ数が奇数の同心円２では、ｘ軸の上下のどちらかで１個素子アンテナ数が多くなる。そこで図５のように、ｘ軸の上側の素子アンテナ数が多い同心円２と、下側が多い同心円２を、内側から交互に組合せることで、アンテナ装置全体としてｘ軸の上下で素子アンテナ数をほぼ等しくすることができる。この手法によりモノパルス差パターンを形成できるアンテナ装置を得る。
ここでは実施の形態４の場合を例に取ったが、前述の他の実施の形態においても、それぞれの実施の形態で得た効果を失うことなく、同様の手法を適用することができる。
ｙ−ｚ面の他にｘ−ｚ面でもモノパルス差パターンを形成したい場合は、ｘ軸の上下およびｙ軸の左右でも素子アンテナ数が等しくなるように、上記手法を適用すれば良い。
実施の形態７．
実施の形態７のアンテナ装置を図６に示す。図６（ａ）は断面図、図６（ｂ）は上面図である。図中、１２は各素子アンテナ１と接続し、増幅器や移相器を備えたモジュール、１３はモジュール１２とラジアル導波路を電気的に結合させるプローブ、１４はラジアル導波路、１５はラジアル導波路１４に給電する同軸プローブである。
本実施の形態の動作を送信アンテナの場合で説明する。同軸プローブ１５から放射された電波はラジアル導波路１４の内部を、同軸プローブ１５を中心とする円筒状の波面を形成して進行する。この電波は途中プローブ１３を介してモジュール１２に結合する。モジュール１２は結合した電波を所望の振幅・位相に増幅、位相調整し、素子アンテナ１を励振する。各素子アンテナ１から出た電波によりアンテナ装置の放射パターンが合成される。なお、受信アンテナの場合には電波の進行方向が上記と逆になる。
ラジアル導波路１４でアンテナを給電する場合に重要なのは、円筒状の波面を崩さないことである。ラジアル導波路１４内に不規則にプローブ等の散乱体が存在する場合、波面が乱れて各モジュール１２を定まった振幅位相で給電できなくなり、所望の放射特性を得ることが困難になる。本実施の形態では、前述の実施の形態１〜６で示した素子アンテナ配列を用いており，したがってプローブ１３もラジアル導波路１４内に同心円状に配列されている。すなわちプローブ１３による散乱波が発生してもその対称性から上記円筒状の波面が概ね維持され、所望の放射特性を得ることができる。
本実施の形態では、ラジアル導波路１４で各モジュール１２を給電できるので、アレーアンテナの給電に一般に用いられる、複数の分配器を組み合わせた複雑な構造の給電回路網が不要となる。すなわち給電構造を簡易化することで低コスト化を図ることができるという効果を有する。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかるアンテナ装置は、平面上に想定された半径の異なる複数の同心円上に複数の素子アンテナを配置し、当該平面に垂直な方向から最大θ_０だけ傾いた方向にビームを形成するアンテナ装置であって、内側からｎ番目の同心円の半径をａ_ｎ、内側からｎ番目の同心円上に配置される素子アンテナの数をＭ_ｎ、波数をｋとした場合に、各々の同心円上に配置される素子アンテナの数Ｍ_ｎを次式

を満たすように定め、かつ、上記素子アンテナを上記各々の同心円の周方向に略々等間隔で配置するように構成したので、サイドローブの発生を抑制するのに必要な最小限の素子アンテナを選択することにより、低コスト化を図り、かつ、所望の放射特性を得ることができる。
また、最も内側にある同心円の半径をａ_１、その周上にある素子アンテナの数をＭ_１とし、内側からｎ番目の同心円の半径をｎａ_１、その周上にある素子アンテナの数をｎＭ_１とした場合に、上記最も内側にある同心円上の素子アンテナの数Ｍ_１を次式

を満たすように定めて、素子アンテナ間隔を半径方向および周方向で等間隔にしたので、アンテナ開口にほぼ均一に素子アンテナが配置されて、開口効率が高くなり、利得を高くすることができる。
また、内側からｎ番目の同心円上に配置される素子アンテナの数Ｍ_ｎを奇数としたことにより、サイドローブのレベルをさらに小さく抑えることができる。
また、最も内側にある同心円上の素子アンテナの数Ｍ_１を奇数としたので、第１，３，５、…と奇数番目の同心円上の素子アンテナ数を奇数にできるため、サイドローブのレベルを小さく抑えることができる。
また、複数の同心円の中心を通過する任意の直線を想定した場合、各同心円上の素子アンテナが、直線に平行な直線上に並ばないように配置しているので、素子アンテナが直線上に並ぶことによる規則的な隙間が発生することを防ぎ、サイドローブの上昇を抑制することができる。
また、各同心円上の素子アンテナの配置開始位置を、同心円の中心を通過する直線から、それぞれ、ランダムに選ばれた所定の角度Δ_ｎだけ回転した位置とするので、素子アンテナが直線上に並ぶことによる規則的な隙間が発生することを防ぎ、サイドローブの上昇を抑制することができる。
また、複数の同心円の中心を通過する直線を想定し、直線を境とした片方の半面にある素子アンテナ数と、他方の半面にある素子アンテナ数が略々同数となるようにしているので、直線を境としてその両側で素子アンテナ数を等しくすることができるため、放射特性でモノパルス差パターンを得ることができる。
また、複数の素子アンテナをラジアル導波路を介して給電するようにしたので、通常用いられている複雑な構造の給電回路網が不要となり、給電構造を簡易化することにより、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の素子アンテナ配置を示す図、
図２は、図１の本アンテナ装置の放射特性を波数空間で説明する説明図、
図３は、式（２）の一重下線の項と二重下線の項との加算を表すベクトル空間を示した説明図、
図４は、本発明の実施の形態５によるアンテナ装置の素子アンテナ配置と、それと比較するための参考例とを示した説明図、
図５は、本発明の実施の形態６によるアンテナ装置の素子アンテナ配置を示す図、
図６は、本発明の実施の形態７によるアンテナ装置の給電構造を示した図、
図７は、従来のアンテナ装置の素子アンテナ配置を示した図である。

Claims (8)

1. 平面上に想定された半径の異なる複数の同心円上に複数の素子アンテナを配置し、上記平面に垂直な方向から最大θ_０だけ傾いた方向にビームを形成するアンテナ装置であって、
   内側からｎ番目の上記同心円の半径をａ_ｎ、上記内側からｎ番目の同心円上に配置される素子アンテナの数をＭ_ｎ、波数をｋとした場合に、上記各々の同心円上に配置される素子アンテナの数Ｍ_ｎを次式
   

   

   を満たすように定め、かつ、上記素子アンテナを上記各々の同心円の周方向に略々等間隔で配置する
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 最も内側にある同心円の半径をａ_１、その周上にある素子アンテナの数をＭ_１とし、内側からｎ番目の上記同心円の半径をｎａ_１、その周上にある素子アンテナの数をｎＭ_１とした場合に、上記最も内側にある同心円上の素子アンテナの数Ｍ_１を次式
   

   

   を満たすように定めた
   ことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 上記内側からｎ番目の同心円上に配置される素子アンテナの数Ｍ_ｎを奇数としたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 上記最も内側にある同心円上の素子アンテナの数Ｍ_１を奇数としたことを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
5. 上記複数の同心円の中心を通過する任意の直線を想定した場合、上記各同心円上の素子アンテナが、上記直線に平行な直線上に並ばないように配置したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 上記各同心円上の素子アンテナの配置開始位置を、上記同心円の中心を通過する上記直線から、それぞれ、ランダムに選ばれた所定の角度Δ_ｎだけ回転した位置とすることを特徴とする請求項５記載のアンテナ装置。
7. 上記複数の同心円の中心を通過する直線を想定し、上記直線を境とした片方の半面にある素子アンテナ数と、他方の半面にある素子アンテナ数が略々同数となるようにしたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のアンテナ装置。
8. 上記複数の素子アンテナをラジアル導波路を介して給電することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のアンテナ装置。

Images