JP4384610B2 - Phased array antenna - Google Patents
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Description
本発明は、フェーズドアレイアンテナに関し、特に低コスト・低損失なフェーズドアレイアンテナを提供することを目的とした、直列給電型フェーズドアレイアンテナに関する。 The present invention relates to a phased array antenna, and more particularly to a series-feed type phased array antenna for the purpose of providing a low-cost and low-loss phased array antenna.
直列給電型フェーズドアレイアンテナを実現する場合、直列給電線路とアンテナを分けて形成する方法と、直列給電線路とアンテナを一体に形成する方法がある。前者は線路とアンテナを別々に形成するため、給電線路長が長くなり線路損失が増加するという問題があった。
後者は線路長を短く形成することが可能であるため、線路損失を抑制することができる。そのため、従来、後者を用いることによって低損失化を図った直列給電型フェーズドアレイアンテナが提案されている(非特許文献1参照)。
When realizing a series-feed type phased array antenna, there are a method of separately forming a series feed line and an antenna, and a method of integrally forming a series feed line and an antenna. In the former, since the line and the antenna are formed separately, there is a problem that the length of the feed line becomes long and the line loss increases.
The latter can reduce the line loss because the line length can be shortened. For this reason, a series-feed type phased array antenna has been proposed which uses the latter to reduce the loss (see Non-Patent Document 1).
図5に従来における直列給電型フェーズドアレイアンテナの構成を示す。図5において、1は給電線路、2はパッチアンテナ、3は可変リアクタンス素子群、4は給電ポート、5は終端抵抗、6は地板付き誘電体基板、7はオープンスタブである。図5に示すフェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板6上に形成されている。
201〜203はそれぞれ3つのパッチアンテナ素子からなるパッチアンテナ素子群であり、それぞれのパッチアンテナ素子群を構成する長辺方向が励振方向であるパッチアンテナ素子は、全てオープンスタブ7を励振方向の両端に備え、オープンスタブ7とパッチアンテナ素子との間に可変リアクタンス素子群3を構成する可変リアクタンス素子を備える。
FIG. 5 shows a configuration of a conventional series-feed type phased array antenna. In FIG. 5, 1 is a feed line, 2 is a patch antenna, 3 is a variable reactance element group, 4 is a feed port, 5 is a terminating resistor, 6 is a dielectric substrate with a ground plane, and 7 is an open stub. The phased array antenna shown in FIG. 5 is formed on a
パッチアンテナ素子群201〜203は給電線路1で接続され、等間隔に形成されている。
給電線路1はパッチアンテナ素子の入力と出力側で、位相が互いに逆転する場所に接続される。また、パッチアンテナ素子群201〜203間においては位相調整のため給電線路1はS字型に曲げられている。
また、可変リアクタンス素子群3の各可変リアクタンス素子は同じ量のリアクタンスに調整されているものとする。
The patch
The
It is assumed that each variable reactance element of the variable
上記構成において、給電ポート4よりRF信号とDC電圧が給電される。給電ポート4より給電される電力(信号)は給電線路1を介してパッチアンテナ素子群201に給電されパッチアンテナ素子群201を構成する3素子により位相遅延を受ける。
さらに給電線路1を介して信号はパッチアンテナ素子群202に給電され、同様にパッチアンテナ素子群202、203にて同じ量の位相遅延を受ける。可変リアクタンス素子群3における各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を同時に制御すると、パッチアンテナ素子群間に等間隔な位相差が付き、擬似的な3素子アレイアンテナとしてみなすことができる。
In the above configuration, the RF signal and the DC voltage are supplied from the
Further, the signal is fed to the patch
ここでスタブ長を変えることにより、オープンスタブ7のインピーダンスにより可変リアクタンス素子の動作点を等価的にずらすことが可能で、それにより可変リアクタンス素子におけるリアクタンス値の可変範囲に制限がある場合でも大きな位相変化を得るように調整することが可能である。
給電線路1はパッチアンテナの入力と出力側で、位相が互いに逆転する場所に構成されるため、ある任意の一素子に注目すると、入力側に流れる電流と出力側に流れる電流は逆相になる。従って、それらの入出力線路が近傍にある場合、それらの線路は互いに線路からの不要放射を打ち消しあうことが可能となる。
Here, by changing the stub length, it is possible to shift the operating point of the variable reactance element equivalently by the impedance of the
Since the
またパッチアンテナ素子群を構成するパッチアンテナ素子あたりの位相変移量は、従来における3素子アレイと比べて1/3になるため、可変リアクタンスの変移量が少ない量で済み、パッチアンテナ素子のインピーダンス変化量が減るため、パッチアンテナ素子を通過する電力量変化が少なくなる。従って、パッチアンテナ素子群あたり大きな位相変化を実現しても、アレイ全体の電力分布変化が僅かで済む。よって、可変リアクタンス素子を制御することによって大きく指向性を制御することが可能である。
従来におけるフェーズドアレイアンテナでは、複数のパッチアンテナ素子を近接させて配置するため、小さなパッチアンテナ素子を用いる必要があった。
しかし、小さなパッチアンテナに給電線路を接続した場合、給電線路の幅がパッチアンテナ素子に対して大きいためパッチアンテナ素子の電流分布が変化し、アンテナ特性が劣化し損失が増加するという問題があった。
また、パッチアンテナ素子群どうしを接続する給電線路の方向がパッチアンテナ素子の長辺方向と異なるために、給電線路から発生する不要放射によってアンテナの交さ偏波特性が劣化するという問題があった。
In the conventional phased array antenna, since a plurality of patch antenna elements are arranged close to each other, it is necessary to use a small patch antenna element.
However, when the feed line is connected to a small patch antenna, the current distribution of the patch antenna element changes because the width of the feed line is larger than the patch antenna element, and the antenna characteristics deteriorate and loss increases. .
In addition, since the direction of the feed line connecting the patch antenna element groups is different from the long side direction of the patch antenna element, there is a problem that the cross polarization characteristics of the antenna deteriorate due to unnecessary radiation generated from the feed line. It was.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、損失の低減化、交さ偏波特性の改善を図ったフェーズドアレイアンテナを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a phased array antenna in which loss is reduced and cross polarization characteristics are improved.
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、誘電体基板上に複数の直線型線状導体片または矩形導体片を4つ以上具備するフェーズドアレイアンテナであって、前記導体片は動作周波数における半径1波長の仮想的な球体内に2つ以上が配列されることにより1つの導体片群を構成し、かつ前記導体片群を複数、構成するとともに、全ての前記導体片の長辺が真空中における波長の半分以下の長さとされ、かつ、前記1つの導体片群を構成する全ての導体片が、各導体片の長辺が互いに平行となるように配列されており、 前記複数の導体片群のいずれかの導体片群は、1つ以上の導体片が可変リアクタンス素子を具備し、かつ該導体片群を構成する1つ以上の導体片は特性インピーダンスが80Ω以上の信号伝送手段を具備し、前記信号伝送手段は他の導体片群、または信号発生手段、または電力終端手段のいずれかに接続されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
また、請求項2に記載の発明は、誘電体基板上に複数の長方形状導体片を4つ以上具備するフェーズドアレイアンテナであって、該導体片は動作周波数における半径1波長の仮想的な球体内に2つ以上が配列されることにより1つの導体片群を構成し、且つ複数の導体片群を構成するとともに、全ての前記導体片の長辺が真空中における波長の半分以下の長さとされており、前記複数の導体片群の各々は、導体片の一方の端部のみに該端部からの距離が動作周波数における0.1波長未満かつ接触しない距離の範囲内にスタブを有し、かつ該導体片の端部から0.1波長以内の何れかの部位とスタブとの間に接続される可変リアクタンス素子を具備する導体片を1つ以上具備し、前記一方の端部のみにスタブと可変リアクタンス素子を具備する導体片は他方の端部の0.1波長以内の何れかの部位に特性インピーダンスが80Ω以上の信号伝送手段を具備し、前記信号伝送手段の伝送方向は該信号伝送手段と接続される長方形状導体片の長辺方向と平行であり、前記信号伝送手段は他の導体片群、または信号発生手段、または電力終端手段のいずれかに接続されていることを特徴とする。
The invention according to
また、請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のフェーズドアレイアンテナにおいて、前記信号伝送手段は動作周波数の0.1波長以下の長さの高インピーダンス線路であって、該高インピーダンス線路は一端が直接導体片に接続され、他端に特性インピーダンスが80Ω以下の低インピーダンス線路を具備することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the phased array antenna according to the second aspect, the signal transmission means is a high impedance line having a length of 0.1 wavelength or less of an operating frequency, and the high impedance line Is characterized in that one end is directly connected to the conductor piece and the other end is provided with a low impedance line having a characteristic impedance of 80Ω or less.
以上説明したように、本発明によれば、反射損失が低く、低損失特性を有する、交さ偏波レベルの低いフェーズドアレイアンテナが実現される。 As described above, according to the present invention, a phased array antenna having low reflection loss and low loss characteristics and a low cross polarization level is realized.
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の第1実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの構成を図1に示す。同図において、フェーズドアレイアンテナは地板付き誘電体基板上に形成され、1はマイクロストリップ線路により構成されるインピーダンスが80Ω以上の給電線路、201〜203はそれぞれ可変リアクタンス素子301〜303を有する導体片群で全ての導体片(矩形導体片)の長辺は真空中における波長の半分以下の長さである。可変リアクタンス素子は導体片と基板裏側の地板の間に接続される。
また、導体片群201は導体片201a、201b、201cから、導体片群202は導体片202a、202b、202cから、導体片群203は導体片203a、203b、203cから、それぞれ構成されている。
The configuration of the phased array antenna according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG. In the figure, a phased array antenna is formed on a dielectric substrate with a ground plane, 1 is a feed line having an impedance of 80Ω or more constituted by a microstrip line, 201 to 203 are conductor pieces having
The
信号源10により給電ポート4から給電される電力は給電線路1を介して導体片群201の1つの導体片201aに給電され、給電された導体片201aは長辺方向を励振方向とするパッチアンテナとして動作する。導体片群201を構成する他の導体片201b、201cは動作周波数の1波長以内に近接して構成されるため、電磁結合によって励振され、パッチアンテナとして動作する。
可変リアクタンス素子301のリアクタンス値を同時に変化させると、パッチアンテナの励振位相が変化し、電磁的に結合される隣接するパッチアンテナには、電力とともに位相遅延が伝わり、同様にもう1つのパッチアンテナに対してもさらに加算された位相遅延が伝わる。
The power fed from the
When the reactance value of the
導体片群201に入射した電力(信号)は導体片群201で位相遅延を受け、給電線路1によってさらに隣の導体片群202に伝わる。導体片群202においても導体片群201と同様に可変リアクタンス素子302によって位相遅延が制御され、導体片群203においてもさらに可変リアクタンス素子303によって位相遅延が制御される。導体片群203における導体片203cから給電線路1によって伝わる電力は終端抵抗5によって終端されることによって反射を抑制する。
The power (signal) incident on the
導体片群においては、各素子は3素子ずつ近接して配置されるため、遠方界からは近接する3素子の平均位相が観測される。従って、201〜203の導体片群はそれぞれの導体片群を等価的に1素子としてみなした、擬似的な3素子パッチアレイアンテナとしてみなす事ができる。可変リアクタンスの制御によってパッチアンテナの励振位相を変えることによって、各導体片群から放射された電界が強めあう方向が変化し、主ビーム方向が走査される。
In the conductor piece group, since each element is arranged close to each other by three elements, an average phase of the three adjacent elements is observed from the far field. Therefore, the
給電線路1のインピーダンスを80Ω以上にすると、給電線路1の線路幅が十分に細くなるため、導体片に接続してもパッチアンテナとして動作する導体片上の電流分布に与える影響が十分に小さくなる。よって、電流分布が変化することによるアンテナインピーダンスの変化が小さくなり、反射特性が改善される。そのため、反射損失が軽減され、給電線路によるアンテナの放射電力や損失特性への影響が小さくなるためアンテナの電力損失が低減される。
以上の構成によって、本実施形態によれば、反射損失の小さい低損失なフェーズドアレイアンテナが実現される。
なお、導体片は矩形導体片に限らず、直線型線状導体片あるいはU字型線状導体片であってもよい。
When the impedance of the
With the above configuration, according to the present embodiment, a low-loss phased array antenna with small reflection loss is realized.
The conductor piece is not limited to a rectangular conductor piece, and may be a linear linear conductor piece or a U-shaped linear conductor piece.
次に、本発明の第2実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの構成を図2に示す。同図において図1に示した第1実施形態に係るフェーズドアレイアンテナと同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。同図において、第2実施形態に係るフェーズドアレイアンテナは、地板付き誘電体基板上に形成されている。
201〜204はそれぞれパッチアンテナとして動作する3つの矩形の導体片からなる導体片群であり、それぞれの導体片群を構成する導体片は長辺方向が励振方向と平行である。導体片群201は、導体片201a’、201b’、201c’から、導体片群202は、導体片202a’、202b’、202c’から、導体片群203は、導体片203a’、203b’、203c’から、導体片群204は、導体片204a’、204b’、204c’から、それぞれ構成されている。
Next, the configuration of the phased array antenna according to the second embodiment of the present invention is shown in FIG. In the figure, the same components as those of the phased array antenna according to the first embodiment shown in FIG. In the figure, the phased array antenna according to the second embodiment is formed on a dielectric substrate with a ground plane.
201-204 are each a conductor piece group which consists of three rectangular conductor pieces which operate | move as a patch antenna, and the long side direction of the conductor pieces which comprise each conductor piece group is parallel to an excitation direction. The
導体片群201〜204を構成する3つの導体片のうちの中央に位置する導体片201b’、 202b’、 203b’、 204b’は長辺方向の両端にオープンスタブ7を有している。
また導体片群201〜204の各々において、各導体片群をそれぞれ構成する3つの導体片のうちの外側の2つの導体片は一方の端のみにオープンスタブ7を有している。例えば、導体片群201において、外側に位置する導体片201a,201cは一方の端のみにオープンスタブ7を有している。導体片群202〜204についても同様である。
The
Further, in each of the
全てのオープンスタブ7は可変リアクタンス素子3によって近接する導体片と接続される。また、導体片群201〜204を互いに接続する信号伝送手段として高インピーダンス線路である給電線路1が形成されている。
本構成では、パッチアンテナとして動作する導体片の端部に可変リアクタンス素子3が接続され、さらにオープンスタブ7が接続されている。そのため、可変リアクタンス素子3が抵抗成分を持つ場合でも、スタブ7の長さを調整しておくことによって、可変リアクタンス素子に流れる電流を制御し損失を軽減することができる。
All the
In this configuration, the
上記構成において、信号源10より給電端4から電力を入射した場合、導体片群201を構成する導体片201c’が励振されパッチアンテナとして動作する。各導体片は線路により互いに接続されているため他の導体片201b’、201a’も同時に励振される。可変リアクタンス素子3のリアクタンス値を変化させると、パッチアンテナとして動作する各導体片の位相が変化する。さらに、導体片群が複数の導体片により構成され、各導体片は線路により互いに接続されているため、各導体片で生じた位相遅延は累積して伝わり、導体片の数に比例した大きな移相量が得られる。
In the above configuration, when power is incident from the
導体片群201を構成する導体片のうち外側にある導体片201a,201cは一方の端部のみに可変リアクタンス素子3が接続されており、他方の端部が高インピーダンス線路である給電線路1に接続されている。給電線路1のインピーダンスを80Ω以上にすると、給電線路1の線路幅が十分に細くなるため、導体片に接続してもパッチアンテナとして動作する導体片上の電流分布に与える影響が十分に小さくなる。よって、電流分布が変化することによるアンテナインピーダンスの変化が小さくなり、反射特性が改善される。そのため、反射損失が軽減され、給電線路によるアンテナの放射電力や損失特性への影響が小さくなるためアンテナの電力損失が低減される。
The
また、給電線路1の伝送方向と導体片201a’,201b’,201c’の励振方向が平行であるため、給電線路1から不要放射が発生した場合でも導体片の偏波方向と等しく交さ偏波特性を劣化させることがない。全ての導体片201a’,201b’,201c’の両端に可変リアクタンス素子3とスタブ7を形成した場合は給電線路1を接続することができず、また導体片の長辺に給電線路1を接続した場合は給電線路1をカーブさせて地板付き誘電体基板上に形成する必要があるため、給電線路1からの不要放射が交さ偏波特性を劣化させる。
In addition, since the transmission direction of the
導体片群202〜204も同様に動作する。各導体片群において導体片は、3素子ずつ近接して配置されるため、遠方界からは近接する4素子の平均位相が観測される。従って、導体片群201〜204は、それぞれの導体片群を等価的に1素子としてみなした、擬似的な4素子パッチアレイアンテナとしてみなすことができる。
可変リアクタンス素子3の制御によってパッチアンテナの励振位相を変えることによって、導体片群201〜204の各導体片群から放射された電界が強めあう方向が変化し、主ビーム方向が走査される。
The
By changing the excitation phase of the patch antenna by controlling the
本実施形態に係るフェーズドアレイアンテナでは導体片に高インピーダンスの給電線路を接続し電力を入射させることによって、給電線路を導体片に接続しても導体片上の電流分布に与える影響が十分に小さくなり、導体片をアンテナとして動作させることができる。よって、電流分布が変化することによるアンテナインピーダンスの変化が小さくなり、良好な反射特性が得られる。そのため、反射損失が軽減され、給電線路によるアンテナの放射電力や損失特性への影響が小さくなるためアンテナの電力損失が低減される。 In the phased array antenna according to the present embodiment, the influence on the current distribution on the conductor piece is sufficiently reduced even when the feed line is connected to the conductor piece by connecting the high impedance feed line to the conductor piece and making the power incident. The conductor piece can be operated as an antenna. Therefore, the change in the antenna impedance due to the change in the current distribution is reduced, and good reflection characteristics can be obtained. For this reason, the reflection loss is reduced, and the influence of the feed line on the radiated power and loss characteristics of the antenna is reduced, so that the power loss of the antenna is reduced.
また、導体片励振方向を導体片長手方向と平行として導体片の両端ではなく一方の端のみにスタブと可変リアクタンス素子構成し、もう一方の端には代わりに高インピーダンス線路を接続し、線路方向と導体片励振方向を同じにすることによって、線路放射の偏波方向とアンテナとして動作する導体片の偏波方向が一致するため、低レベルな交さ偏波特性が得られる、従って、低損失特性を有し、交さ偏波が低レベルな特性を有するフェーズドアレイアンテナが実現される。 Also, with the conductor piece excitation direction parallel to the conductor piece longitudinal direction, a stub and a variable reactance element are configured only at one end, not at both ends of the conductor piece, and a high impedance line is connected to the other end instead. Since the polarization direction of the line radiation and the polarization direction of the conductor piece operating as an antenna coincide with each other, a low-level cross polarization characteristic can be obtained. A phased array antenna having a loss characteristic and a low level of cross polarization is realized.
すなわち、本実施形態では一方の端部のみにスタブと可変リアクタンス素子を持つ導体片の反対側の端部に高インピーダンス線路である給電線路を接続して電力を入射させることによって、低損失特性を有し、交さ偏波が低レベルな特性を有するフェーズドアレイアンテナを実現することができる。 That is, in this embodiment, a low loss characteristic is achieved by connecting a power supply line that is a high impedance line to the opposite end of a conductor piece having a stub and a variable reactance element only at one end and allowing power to enter. It is possible to realize a phased array antenna having a characteristic of having a low level of cross polarization.
次に、本発明の第3実施形態に係るフェーズドアレイアンテナの構成を図3に示す。同図において図2に示した第2実施形態に係るフェーズドアレイアンテナと同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
図3において、第3実施形態に係るフェーズドアレイアンテナは、地板付き誘電体基板上にされている。201〜204はそれぞれパッチアンテナとして動作する矩形の導体片3素子からなる導体片群であり、それぞれの導体片群を構成する導体片は長辺方向が励振方向と平行である。導体片群201〜204を構成する3つの導体片のうち中央に位置する導体片201b’、 202b’、 203b’、 204b’は長辺方向の両端にオープンスタブ7を備える。
Next, FIG. 3 shows a configuration of a phased array antenna according to the third embodiment of the present invention. In the figure, the same components as those of the phased array antenna according to the second embodiment shown in FIG.
In FIG. 3, the phased array antenna according to the third embodiment is formed on a dielectric substrate with a ground plane. 201-204 are each a conductor piece group which consists of three rectangular conductor pieces which operate as a patch antenna, and the long sides of the conductor pieces constituting each conductor piece group are parallel to the excitation direction. Of the three conductor pieces constituting the
また、導体片群201〜204の各々の導体片群における3つの導体片のうち外側の2つの導体片は一方の端部にのみにオープンスタブ7を備える。
全てのオープンスタブ7は可変リアクタンス素子3によって近接する導体片と接続されている。
また、給電線路1は、80Ω以下の低インピーダンス線路1Aとその両端に形成された高インピーダンス線路1Bとからなる。導体片群201〜204を互いに接続する給電線路1は導体片群201〜204との接続部のみに長さの短い80Ω以上の高インピーダンス線路1Bが形成され、接続部の線路幅が狭く形成されている。
In addition, the outer two conductor pieces of the three conductor pieces in each of the
All the
The
本実施形態では、パッチアンテナとして動作する導体片の端部に可変リアクタンス素子3が接続され、さらにオープンスタブ7が接続されている。そのため、可変リアクタンス素子3が抵抗成分を持つ場合でも、オープンスタブ7の長さを調整しておくことによって、可変リアクタンス素子3に流れる電流を制御し損失を軽減することができる。
In the present embodiment, the
信号源10より給電端4から電力を入射した場合、導体片群201を構成する導体片201c’が励振されパッチアンテナとして動作する。導体片群201における各導体片は線路により互いに接続されているため他の導体片201b’、201a’も同時に励振される。可変リアクタンス素子3のリアクタンス値を変化させると、パッチアンテナとして動作する導体片の位相が変化する。
さらに導体片群201が複数の導体片により構成され、各導体片201a’、201b’、 201c’は線路により互いに接続されているため、各導体片で生じた位相遅延は累積して伝わり導体片の数に比例した大きな移相量が得られる。
When power is incident from the
Furthermore, since the
導体片群201の外側にある導体片は一方の端部のみに可変リアクタンス素子3が接続されており、他方の端部のみが給電線路1のうちの高インピーダンス線路部1Bに接続されている。給電線路1の接続部のインピーダンスを80Ω以上にすると、給電線路1の線路幅が十分に細くなるため、導体片に接続してもパッチアンテナとして動作する導体片上の電流分布に与える影響が十分に小さくなる。導体片群201のインビーダンスが80Ω以下の場合でも1の接続部のみ高いインピーダンス、例えば、80Ω以上のインピーダンスを与え高インピーダンスである線路長を短くする、例えば、動作周波数の0.1波長以下の長さにすることによっても効果が得られる。
The
これは高インビーダンス線路の線路長が動作周波数の波長に比べ十分に短い場合は、高インピーダンス線路によるインピーダンス変換量が小さいため、給電線路1の中央部の低インピーダンス線路1Aと導体片201のインピーダンスを等しく与えることによって、整合を取ることが可能であるためである。
よって、電流分布が変化することによるアンテナインピーダンスの変化が小さくなり、反射特性が改善される。そのため、反射損失が軽減され、給電線路によるアンテナの放射電力や損失特性への影響が小さくなるためアンテナの電力損失が低減される。
This is because when the line length of the high impedance line is sufficiently shorter than the wavelength of the operating frequency, the amount of impedance conversion by the high impedance line is small, so the
Therefore, the change in the antenna impedance due to the change in the current distribution is reduced, and the reflection characteristics are improved. For this reason, the reflection loss is reduced, and the influence of the feed line on the radiated power and loss characteristics of the antenna is reduced, so that the power loss of the antenna is reduced.
また、給電線路1の伝送方向と導体片201a’、201b’、 201c’の励振方向が平行であるため、給電線路1から不要放射が発生した場合でも導体片201a’、201b’、 201c’の偏波方向と等しく交さ偏波特性を劣化させることがない。
これに対して、全ての導体片201a’、201b’、 201c’の両端に可変リアクタンス素子3とスタブ7を形成した場合は給電線路1を接続することができず、また導体片の長辺に給電線路1を接続した場合は給電線路1をカーブさせて形成する必要があるため、給電線路からの不要放射が交さ偏波特性を劣化させる。
以上の動作は、導体群202〜204についても同様である。
In addition, since the transmission direction of the
On the other hand, when the
The above operation is the same for the
導体片群201〜204の各々において、各導体片は3素子ずつ近接して配置されるため、遠方界からは近接する4素子の平均位相が観測される。従って、導体片群201〜204それぞれの導体片群を等価的に1素子としてみなした、擬似的な4素子パッチアレイアンテナとしてみなすことができる。可変リアクタンス素子3の制御によってパッチアンテナの励振位相を変えることによって、各導体片群から放射された電界が強めあう方向が変化し、主ビーム方向が走査される。
In each of the
以上に説明したように、第3実施形態によれば、導体片に信号伝送手段である高インピーダンス線路1Bを接続し電力を入射させることによって、給電線路を導体片に接続しても導体片上の電流分布に与える影響が十分に小さくなり、導体片をアンテナとして動作させることができる。導体片のインピーダンスが80Ωより低い場合でも、 0.1波長以下の長さでかつ80Ω以上のインピーダンスを有する高インピーダンス線路1Bを介して低インピーダンス線路1Aを接続することによって、導体片と低インビーダンス線路1Aとの間の整合条件を損なうことなく接続することが可能となる。
As described above, according to the third embodiment, even if the feeder line is connected to the conductor piece by connecting the
よって、電流分布が変化することによるアンテナインピーダンスの変化が小さくなり、良好な反射特性が得られる。そのため、反射損失が軽減され、給電線路によるアンテナの放射電力や損失特性への影響が小さくなるためアンテナの電力損失が低減される。従って、反射損失の小さい低損失なフェーズドアレイアンテナが実現可能となる。
以上、第3実施形態によれば、一方の端部のみにスタブ7と可変リアクタンス素子3を有する導体片の反対側の端部に給電線路1を構成する高インピーダンス線路1Bを接続し電力を入射させることによって、低損失特性を有し、交さ偏波が低レベルな特性を有するフェーズドアレイアンテナを実現することができる。
Therefore, the change in the antenna impedance due to the change in the current distribution is reduced, and good reflection characteristics can be obtained. For this reason, the reflection loss is reduced, and the influence of the feed line on the radiated power and loss characteristics of the antenna is reduced, so that the power loss of the antenna is reduced. Therefore, a low-loss phased array antenna with a small reflection loss can be realized.
As described above, according to the third embodiment, the
次に、図4に本発明の第3実施形態に係るフェーズドアレイアンテナにおける単一の導体片群の数値解析結果を示す。図4(a)は数値解析モデルであり、導体片201aまたは導体片201bと、線路1Aとの間に0.04λg(λg:線路内での実効波長)の十分に短い特性インピーダンスの値がZ0の線路1Bが挿入されている。
Next, FIG. 4 shows a numerical analysis result of a single conductor piece group in the phased array antenna according to the third embodiment of the present invention. FIG. 4A shows a numerical analysis model, in which a sufficiently short characteristic impedance value of 0.04λg (λg: effective wavelength in the line) is Z0 between the
図4(b)は特性インピーダンスZ0を変化させた場合の反射電力|S11|の計算結果である。図4(b)より、特性インピーダンスZ0が上昇するにつれて反射電力|S11|が減少することが判る。しかし、図4(b)の場合の反射電力|S11|の変化は−12.5dB〜−24dBの間であり、導体片群への入射電力に対する反射電力|S11|の比は最大約6%程度であり、反射電力自体がアンテナ特性へ与える影響は小さい。
FIG. 4B shows the calculation result of the reflected power | S 11 | when the
図4(c)は、数値解析結果は特性インピーダンスZ0を変化させた場合の透過電力|S21|の数値解析結果を示している。
ここで、導体片群あたりの放射電力が一定である場合、透過電力が大きいほど挿入損が小さいことを意味する。Z0が上昇するにつれて挿入損が減少することが確認できる。また、図4(a)に示した反射電力と銅損のみにより挿大損を推定した結果(破線)と比べると、数値解析により実際に得られた挿入損は小さいことがわかる。よって、挿入損の改善は、インピーダンスがZ0である線路を挿入することによる整合の効果ではなく、アンテナ特性自体の改善によるものであることか確認できる。
FIG. 4C shows the numerical analysis result of the transmitted power | S 21 | when the characteristic impedance Z0 is changed.
Here, when the radiated power per conductor piece group is constant, the larger the transmitted power, the smaller the insertion loss. It can be confirmed that the insertion loss decreases as Z0 increases. Further, it can be seen that the insertion loss actually obtained by the numerical analysis is small compared with the result (broken line) in which the insertion loss is estimated only by the reflected power and the copper loss shown in FIG. Therefore, it can be confirmed that the improvement in insertion loss is not due to the effect of matching by inserting a line having an impedance of Z0, but due to the improvement of the antenna characteristics itself.
図4(d),(e)にそれぞれ可変リアクタンス素子3のリアクタンス値Xを変化させた場合の反射電力|S11|と透過電力|S21|の数値解析結果を示す。これらの結果から、インピーダンスZoを高い値にすることによって反射特性及び透過特性が大きく改善され、本発明によってアンテナ特性の低損失化か実現できることが示された。
4D and 4E show numerical analysis results of the reflected power | S 11 | and the transmitted power | S 21 | when the reactance value X of the
1…給電線路(信号伝送手段)、1A…低インピーダンス線路、1B…高インピーダンス線路、2…パッチアンテナ、3…可変リアクタンス素子、4…給電ポート
5…終端抵抗(電力終端手段)、6…地板付き誘電体基板、7…スタブ、10…信号源(信号発生手段)、201〜204…導体片群
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記導体片は動作周波数における半径1波長の仮想的な球体内に2つ以上が配列されることにより1つの導体片群を構成し、かつ前記導体片群を複数、構成するとともに、
全ての前記導体片の長辺が真空中における波長の半分以下の長さとされ、かつ、前記1つの導体片群を構成する全ての導体片が、各導体片の長辺が互いに平行となるように配列されており、
前記複数の導体片群のいずれかの導体片群は、1つ以上の導体片が可変リアクタンス素子を具備し、かつ該導体片群を構成する1つ以上の導体片は特性インピーダンスが80Ω以上の信号伝送手段を具備し、
前記信号伝送手段は他の導体片群、または信号発生手段、または電力終端手段のいずれかに接続されていることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。 A phased array antenna comprising four or more linear linear conductor pieces or rectangular conductor pieces on a dielectric substrate,
The conductor pieces constitute one conductor piece group by arranging two or more in a virtual sphere having a radius of one wavelength at the operating frequency, and constitute a plurality of the conductor piece groups,
The long sides of all the conductor pieces have a length that is half or less of the wavelength in vacuum, and all the conductor pieces constituting the one conductor piece group have parallel long sides of each conductor piece. Are arranged in
One of the plurality of conductor piece groups includes one or more conductor pieces each including a variable reactance element, and the one or more conductor pieces constituting the conductor piece group have a characteristic impedance of 80Ω or more. Comprising signal transmission means,
The phased array antenna according to claim 1, wherein the signal transmission means is connected to another conductor piece group, a signal generation means, or a power termination means.
該導体片は動作周波数における半径1波長の仮想的な球体内に2つ以上が配列されることにより1つの導体片群を構成し、且つ複数の導体片群を構成するとともに、
全ての前記導体片の長辺が真空中における波長の半分以下の長さとされており、
前記複数の導体片群の各々は、導体片の一方の端部のみに該端部からの距離が動作周波数における0.1波長未満かつ接触しない距離の範囲内にスタブを有し、かつ該導体片の端部から0.1波長以内の何れかの部位とスタブとの間に接続される可変リアクタンス素子を具備する導体片を1つ以上具備し、
前記一方の端部のみにスタブと可変リアクタンス素子を具備する導体片は他方の端部の0.1波長以内の何れかの部位に特性インピーダンスが80Ω以上の信号伝送手段を具備し、
前記信号伝送手段の伝送方向は該信号伝送手段と接続される長方形状導体片の長辺方向と平行であり、
前記信号伝送手段は他の導体片群、または信号発生手段、または電力終端手段のいずれかに接続されていることを特徴とするフェーズドアレイアンテナ。 A phased array antenna comprising four or more rectangular conductor pieces on a dielectric substrate,
The conductor pieces constitute one conductor piece group by arranging two or more in a virtual sphere having a radius of one wavelength at the operating frequency, and constitute a plurality of conductor piece groups,
The long sides of all the conductor pieces have a length equal to or less than half the wavelength in vacuum,
Each of the plurality of conductor piece groups has a stub at only one end portion of the conductor piece within a range where the distance from the end portion is less than 0.1 wavelength at the operating frequency and does not contact, and the conductor Including one or more conductor pieces including a variable reactance element connected between any portion within 0.1 wavelength from the end of the piece and the stub;
The conductor piece having the stub and the variable reactance element only at the one end includes a signal transmission means having a characteristic impedance of 80Ω or more at any part within 0.1 wavelength of the other end,
The transmission direction of the signal transmission means is parallel to the long side direction of the rectangular conductor piece connected to the signal transmission means,
The phased array antenna according to claim 1, wherein the signal transmission means is connected to another conductor piece group, a signal generation means, or a power termination means.
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