JP4541643B2 - アンテナ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、例えば特開平７−２８８４１７号公報に示された従来のアンテナ装置を示す図である。図１２において、１は平面に配置された素子アンテナ、２は複数の素子アンテナ１が配置されている同心円である。なお、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が接続されている。
【０００３】
次に、上述した従来のアンテナ装置の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の励振振幅や、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。
【０００４】
また、図１３は、例えば1999 IEEE AP-Sのpp.2032-2035、’Design of low sidelobe circular ring arrays by element radius optimization’に示された他の従来のアンテナ装置を示す図である。この図は、同心円２に素子アンテナ１を配列したアレーアンテナにおける素子アンテナ配置を示す。なお、４は座標である。
【０００５】
図１３において、同心円の間隔を示す表は、同心円２の間隔を波長単位で表したものである。同表では、右の列は各同心円２が等間隔に並んでいる場合、左の列はサイドローブを低減するために同心円２の間隔を調整した場合を示している。
【０００６】
次に、他の従来のアンテナ装置の動作について説明する。この他の従来のアンテナ装置では、同心円２の間隔を調整することでサイドローブの低減を図っている。その手法としては、所望の放射パターンを規定し、それに近似するように内側から順次、同心円２の半径を決定している。
【０００７】
ただし、下記に述べる準グレーティングローブを避けるために、各同心円２の間隔は１波長以下に限定されている。なお、上記文献には、同心円の間隔が等間隔である場合は、−１７．７ｄＢであったメインビーム近傍のサイドローブレベルが、同心円の間隔を調整した場合には、−２７．４ｄＢに低減した旨が記載されている。
【０００８】
アレーアンテナにおいては、給電系の構成のし易さ等から、素子アンテナの配列を四角配列や三角配列にするのが一般的である。この四角配列や三角配列では、素子アンテナの数を減らすために素子アンテナ間隔（以下、素子間隔）を広くするとメインローブとほぼ同等のレベルを有するグレーティングローブが発生し、不要方向への放射等の問題が発生する。これに対して、上述した従来例のような同心円配列では、素子間隔を広くしても明確なグレーティングローブが発生しないという利点を有している。
【０００９】
しかしながら、この同心円配列においても、素子間隔を広くすると、広角に準グレーティングローブとも言うべきある程度のレベルを有するサイドローブが発生し、不要放射抑制の点で問題になることがある。
【００１０】
図１１（ａ）に一例を示す。図１１（ａ）は、１８個の同心円が等間隔に並んだアレーアンテナの放射パターン（放射特性）を示す図である。各同心円２の円周上には比較的密に素子アンテナ１が配列されており、円周方向の素子間隔を広げることによる高サイドローブの発生は防いでいる。また、全同心円２の円周方向に沿った素子間隔は等しく、全素子アンテナ１は等しい振幅を有している。
【００１１】
図１１（ａ）の横軸ｕは、波数空間に対応するｕ座標（実施例の欄で詳述）を表現しており、ｕ＝０にメインビームを構成している。同心円２の間隔が広くなると、放射パターンが実空間に現れる可視域が広くなる。例えば、メインビームがアンテナ平面と垂直な天頂方向にある場合には、同心円２の間隔が１λ（λ：波長）のときは、０≦ｕ≦６．２８、同心円２の間隔が２λのときには、０≦ｕ≦１２．５７の領域が実空間の放射パターンとなる。
【００１２】
図１１（ａ）から分かるように、同心円２の間隔が概ね１λより大きくなると−２０ｄＢレベルの比較的大きいサイドローブが広角に現れる。このサイドローブの出現は、同心円２の間隔に依存し、メインビームを広角に走査する場合には、１λより小さい同心円２の間隔でも実空間に出現する。また、この広角サイドローブレベルは、同心円２の数が増えてもあまり変わらず、開口の振幅分布が均一の場合は概ね−２０ｄＢ程度である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の等間隔同心円配列では、素子アンテナ１の数を減らす等の目的で、同心円２の間隔を大きくすると、広角にレベルの高いサイドローブが発生するという問題点があった。
【００１４】
また、同心円２の間隔が狭い場合については、他の従来のアンテナ装置で説明したように、同心円２の間隔を調整することでサイドローブを低減する手法は示されていた。しかしながら、同心円２の間隔が１λ以上となるような場合については有効な手法が明らかにされていなかった。
【００１５】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、同心円の間隔を広くした場合に、上記広角の不要サイドローブを抑制することができるアンテナ装置を得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るアンテナ装置は、同一平面上に、各々が、異なる半径を有し、複数の素子アンテナが円周方向に配置された複数の同心円アレーアンテナを備え、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振されるアンテナ装置であって、前記複数の同心円アレーアンテナの内、同心円アレーアンテナの半径方向の基準間隔をｄとすると、隣接した同心円アレーアンテナと半径方向の間隔がｄ±（０．４〜０．６）ｄで配置された同心円アレーアンテナを少なくとも１個含み、前記複数の同心円アレーアンテナの内、残りの同心円アレーアンテナは、等しい半径方向の基準間隔ｄで配置され、前記複数の同心円アレーアンテナの半径方向の間隔は、１波長以上である。
【００１８】
この発明の請求項２に係るアンテナ装置は、同一平面上に、各々異なる半径を有する複数の同心円アレーアンテナを備え、各同心円アレーアンテナは、複数の素子アンテナが円周方向に配置され、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振され、前記複数の同心円アレーアンテナは、連続する４個の同心円アレーアンテナを含む組に分けられ、各組に含まれる４個の同心円アレーアンテナの内の１個の同心円アレーアンテナは、半径方向の間隔ｄ±（０．４〜０．６）ｄで配置され、前記各組の残りの３個の同心円アレーアンテナは、等しい半径方向の間隔ｄで配置され、前記複数の同心円アレーアンテナの半径方向の間隔は、１波長以上である。
【００２０】
この発明の請求項３に係るアンテナ装置は、複数の素子アンテナが円周方向に等間隔に配置され、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振され、半径係数をＬ ｎ （ｎは整数）、同心円アレーアンテナの半径方向の基準間隔をｄとすると、半径ａ ｎ ＝Ｌ ｎ ・ｄを有する第１の同心円アレーアンテナと、複数の素子アンテナが円周方向に等間隔に配置され、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振され、半径ａ ｎ＋１ ＝Ｌ ｎ＋１ ・ｄ±（０．４〜０．６）ｄを有する第２の同心円アレーアンテナとを備え、前記第１及び第２の同心円アレーアンテナの半径方向の間隔は、１波長以上である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施例１．
この発明の実施例１に係るアンテナ装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施例１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２３】
図１において、１はアンテナ素子、２は複数のアンテナ素子１が配列された同心円である。
【００２４】
ここでは、まず、同心円２上に素子アンテナ１を配置したアレーアンテナの動作について説明し、本実施例１の効果を明らかにする。
【００２５】
図２は、同心円配列アレーアンテナの素子アンテナ配置を示す図である。図２において、１はアンテナ素子、２は同心円、３は同心円２の円周方向に沿った素子アンテナ１の間隔、４は座標である。
【００２６】
また、図３は、上記アンテナ装置の放射特性を波数空間で説明するための図である。図３において、５は波数空間座標、６は可視域を表す。
【００２７】
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、図２に示すように、座標４のｘ−ｙ平面上に想定される複数の同心円２上に複数の素子アンテナ１を配置したものである。
【００２８】
同心円２は、図２（ｂ）に示すように、内側から順に番号をつけることとし（１,２,３,・・・,ｎ,・・・,Ｎ）、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ａｎとし、第ｎ番目の同心円２上にある素子アンテナの数をＭｎ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の円周方向に等間隔にならんでいるものとし、さらに第ｎ番目の同心円２上にある素子アンテナ１は全て励振振幅が等しいものとし、これをＥｎ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Δｎ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。
【００２９】
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、励振位相を与えることで所望の放射特性を得る。本実施例１では、所望方向（θ０，φ０）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番目の同心円２上における、ｘ軸から数えてｍｎ番目の素子アンテナ１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）は次の式（１）で表現される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
上記の式（１）を、ｓｉｎθｃｏｓφとｓｉｎθｓｉｎφを直交軸とする波数空間で表現すると次の式（２）のようになる。ただし、下記の式（２）で、Ｊｎはｎ次の第１種ベッセル関数である。
【００３２】
【数２】
【００３３】
上記の式（２）より、波数空間の放射特性は、図３に示すように、ビーム方向（ｓｉｎθ０ｃｏｓφ０，ｓｉｎθ０ｓｉｎφ０）からの距離ρが一定の円周上において正弦状に振幅が変化することがわかる。図３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）。
【００３４】
さらに、上記の式（２）より、０次の第１種ベッセル関数を有する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、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。
【００３５】
１次以上の第１種ベッセル関数Ｊｎ（ｘ）は、概ねｘ＝０〜ｎにおいて値は極めて小さく、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＞０の項は無視でき、二重下線部全体が小さくなる。
【００３６】
すなわち、各同心円２上の素子アンテナ数Ｍｎがある程度大きければ式（２）の二重下線部は可視域６において無視でき、一重下線部の項のみで放射特性を評価できる。また、この場合、放射パターンは、波数空間の周方向変数ξに依存しなくなり、ビーム方向（ｓｉｎθ０ｃｏｓφ０，ｓｉｎθ０ｓｉｎφ０）からの距離ρが一定の円周上において一定の振幅を有するようになる。すなわち、波数空間においてビーム方向を中心とする回転対称な放射特性を有するようになる。
【００３７】
ここで、同心円２の基準間隔をｄとし、第ｎ番目の同心円２の半径をａｎ＝Ｌｎ・ｄと表す。なお、Ｌｎは、半径係数である。また、上記の式（２）の二重下線部を省略すると、放射特性は、次の式（３）のように表される。
【００３８】
【数３】
【００３９】
この式（３）は、波数空間のｕ座標による表現である。図１１（ａ）の放射特性は、前述したように、全ての同心円２の間隔が等しく（Ｌｎ＝ｎ）、かつ全ての素子アンテナ１の振幅が等しく（Ｅｎ＝１）、また、全同心円２上の周方向素子間隔が等しい（Ｍｎ∝Ｌｎ）場合を示している。
【００４０】
次に、図１１（ａ）において、波数空間の座標ｕ＝６．３、または、ｕ＝１２．６近傍で大きなサイドローブが発生する理由について説明する。
【００４１】
図４は、図１１（ａ）の放射特性を有する同心円配列アレーアンテナにおいて、半径係数Ｌｎ＝１、３、５、１０の同心円２における個々の放射特性を示したものである。計算は、式（３）による。位相関係がわかるように、縦軸の振幅は、電界真数値で表している。
【００４２】
図４からわかるように、全ての同心円２の半径が半径係数Ｌｎ＝ｍで、かつｍが整数の場合（全ての同心円２の間隔が等しい場合もこれに含まれる。）、各同心円２の放射特性が、波数空間の座標ｕ＝６．３、または、ｕ＝１２．６近傍でほぼ同相になる。このため大きなサイドローブが発生する。
【００４３】
次に、本実施例１の具体例とその効果について説明する。簡単のため、２個の同心円２からなる同心円配列アレーを考える。その半径係数は、式（３）でＬ１＝７及びＬ２＝８とする。
【００４４】
図５は、この同心円配列アレーの各々の放射特性を分離して表示したものである。上記のように半径係数Ｌｎ＝ｍで、かつｍが整数の場合であるため、図４と同様、半径係数の座標ｕ＝６．３、または、ｕ＝１２．６近傍で両者はほぼ同相となっている。厳密には半径係数Ｌ１＝７の同心円は、ｕ＝６．４にピークを有している。
【００４５】
ここで、半径係数Ｌ２の値を調整して半径係数Ｌ１＝７の同心円２における座標ｕ＝６．４のピークに、半径係数Ｌ２の同心円２の谷を重畳するようにすれば、両者の合成パターンにおける座標ｕ＝６．３近傍のサイドローブは減衰するはずである。半径係数Ｌ２＝８の同心円２の谷は、座標ｕ＝６にあるので、新たに半径係数Ｌ２＝８×６／６．４＝７．５とする。
【００４６】
図６（ａ）に半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８の場合、同図（ｂ）に半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝７．５の場合におけるアレー全体の放射特性を示す。図６（ａ）及び（ｂ）より、半径係数Ｌ２の同心円２の半径を調整することで広角（特にｕ＞４）におけるサイドローブが低減することがわかる。
【００４７】
このように隣接する同心円２の半径を調節することにより、ｕ広角でのサイドローブの低減が可能になる。この手法は、隣接するピークと谷を重畳するので、半径係数Ｌ２の変化量は概ね±０．４〜０．６である。
【００４８】
より多数の同心円２からなる場合においても、一部の同心円２の半径を同様に調整することで広角のサイドローブを低減できる。
【００４９】
以上のように、本実施例１では、複数の同心円２の内、一部の半径を±０．４〜０．６ｄ（ｄ：同心円２の基準間隔）変化させることにより、広角のサイドローブを低減するという効果を有する。
【００５０】
実施例２．
この発明の実施例２に係るアンテナ装置について図面を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施例２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【００５１】
図７において、１はアンテナ素子、２は複数のアンテナ素子１が配列された同心円である。
【００５２】
ここでは、４個の同心円２よりなる同心円配列アレーを考える。最初は、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０とする。ここで、半径係数Ｌ２の同心円２の半径を調節し、Ｌ２＝８．４４とする。これは図５におけるＬ１＝７のｕ＝６．４のピークと、Ｌ２＝８のｕ＝６．７５の谷を重畳するようにしたもので、半径係数Ｌ２＝８×６．７５／６．４≒８．４４として求めている。このときの半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８．４４の合成放射特性を図８（ａ）に、半径係数Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０のそれを同図（ｂ）に示す。
【００５３】
図６（ａ）、並びに図８（ａ）及び（ｂ）の放射特性は、いずれも波数空間のｕ軸に対する波動となっているが、ここではその法絡線に注目する。半径係数Ｌ１＝７とＬ２＝８の放射特性を示す図６（ａ）と、半径係数Ｌ３＝９とＬ４＝１０の放射特性を示す図８（ｂ）とでは、法絡線のピークと谷がほぼ対応している。これは、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０と等間隔で同心円半径が変化する場合，特定の位置でサイドローブが大きくなりやすいことを意味している。
【００５４】
これに対して、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８．４４の合成放射特性を示す図８（ａ）は、法絡線のピークと谷が図８（ｂ）と概ね入れ違いになっている。したがって、図８（ａ）と（ｂ）を合成した放射特性では、サイドローブが低減することが予想される。
【００５５】
半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０と、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８．４４、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０の場合の合成放射特性を、それぞれ図９（ａ）及び（ｂ）に示す。後者の放射特性は、広角においてサイドローブが減少（特に、ｕ＝６．３近傍）している。
【００５６】
以上のように、本実施例２では、２個の同心円２のうち、１個の半径を±０．４〜０．６ｄ調整したものと、２個とも調整をしていない同心円２の組みを組み合わせる手法、すなわち、４個の同心円２のうち１個だけの半径を±０．４〜０．６ｄ調整することで、広角のサイドローブを低減するという効果を有する。
【００５７】
実施例３．
この発明の実施例３に係るアンテナ装置について図面を参照しながら説明する。図１０は、この発明の実施例３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【００５８】
図１０において、１はアンテナ素子、２は複数のアンテナ素子１が配列された同心円である。また、７は以下で説明する同心円２の４個ずつの組を表す。
【００５９】
上記実施例２では４個の同心円２でサイドローブを低減したが、より多数の同心円２からなるアレーアンテナでは、同心円２群を４個ずつの組７にして、それぞれの組７において１個の同心円２の半径を±０．４〜０．６ｄ調整すれば、サイドローブを低減できる。
【００６０】
また、図１０中、Ｘ、Ｙは同心円２の基準間隔ｄで規格化した値である。本実施例３は、１８個の同心円２から成り、放射特性への寄与の小さいｎ＝１及び２の同心円を別として、ｎ＝３〜６、ｎ＝７〜１０、ｎ＝１１〜１４、ｎ＝１５〜１８の同心円２の組７で、上記実施例２の手法を適用している（ｎは同心円２の内側からの位置を表す）。すなわち、Ｌ４＝４．４３、Ｌ８＝８．４４、Ｌ１２＝１２．４７、Ｌ１６＝１６．５０とし、それ意外ではＬｎ＝ｎとしている。
【００６１】
図１１（ｂ）は、上記不等間隔同心円配列の全体の合成放射特性を示す図である。また、比較のため、上記調整を行っていない場合、すなわち全ての同心円２の間隔が等しい場合（全ての同心円２においてＬｎ＝ｎ）の放射特性を、図１１（ａ）に示す。
【００６２】
図１１（ａ）及び（ｂ）では、縦軸をｄＢで表示している。この図１１（ａ）及び（ｂ）から本実施例３の手法により、広角のサイドローブが低減しており、特に座標ｕ＝６．３近傍では約５ｄＢの低減が成されていることがわかる。すなわち、広角の最大サイドローブレベルが５ｄＢ低減したことになる。
【００６３】
以上のように、本実施例３の手法は、より多数の同心円２を有するアレーアンテナにおいても広角のサイドローブレベルを低減するという効果を有する。
【００６４】
既に述べたように、素子アンテナ数を減らす等の目的で同心円配列の同心円間隔を大きくすると、三角配列や四角配列に見られるようなグレーティングローブは出現しなくても、レベルの高いサイドローブが発生するという問題があった。上述した各実施例は、この同心円配列において、よりサイドローブを低くする手法を示したものであり、特に同心円間隔が１波長以上となるような場合にも適用できる点で効果が大きい。また、同心円間隔を広げて素子アンテナ数を減らす効果をもたらすものである。さらに、高価なモジュールが素子アンテナ毎に接続するフェーズドアレーアンテナ等においては、本発明による低コスト化の効果も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施例１に係る、同心円配列アレーアンテナの素子アンテナ配置を示す図である。
【図３】この発明の実施例１に係るアンテナ装置の放射特性を波数空間で説明するための図である。
【図４】同心円配列アレーアンテナにおいて、半径係数Ｌｎ＝１、３、５、１０の同心円における個々の放射特性を示す図である。
【図５】同心円配列アレーアンテナの各々の放射特性を分離して示す図、
【図６】図６はこの発明の実施例１に係る、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８の場合、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝７．５の場合におけるアレー全体の放射特性を示す図である。
【図７】この発明の実施例２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図８】この発明の実施例２に係る、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８．４４の合成放射特性と、半径係数Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０の合成放射特性を示す図である。
【図９】この発明の実施例２に係る、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０の場合の合成放射特性と、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８．４４、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０の場合の合成放射特性を示す図である。
【図１０】この発明の実施例３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図１１】等間隔同心円配列（同心円数１８）の合成放射特性（従来例）と、不等間隔同心円配列（同心円数１８）の合成放射特性（実施例３）を示す図である。
【図１２】従来のアンテナ装置の構成を示す図である。
【図１３】他の従来のアンテナ装置の構成を示す図である。
【発明の属する技術分野】
この発明は、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。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、例えば特開平７−２８８４１７号公報に示された従来のアンテナ装置を示す図である。図１２において、１は平面に配置された素子アンテナ、２は複数の素子アンテナ１が配置されている同心円である。なお、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が接続されている。
【０００３】
次に、上述した従来のアンテナ装置の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の励振振幅や、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。
【０００４】
また、図１３は、例えば1999 IEEE AP-Sのpp.2032-2035、’Design of low sidelobe circular ring arrays by element radius optimization’に示された他の従来のアンテナ装置を示す図である。この図は、同心円２に素子アンテナ１を配列したアレーアンテナにおける素子アンテナ配置を示す。なお、４は座標である。
【０００５】
図１３において、同心円の間隔を示す表は、同心円２の間隔を波長単位で表したものである。同表では、右の列は各同心円２が等間隔に並んでいる場合、左の列はサイドローブを低減するために同心円２の間隔を調整した場合を示している。
【０００６】
次に、他の従来のアンテナ装置の動作について説明する。この他の従来のアンテナ装置では、同心円２の間隔を調整することでサイドローブの低減を図っている。その手法としては、所望の放射パターンを規定し、それに近似するように内側から順次、同心円２の半径を決定している。
【０００７】
ただし、下記に述べる準グレーティングローブを避けるために、各同心円２の間隔は１波長以下に限定されている。なお、上記文献には、同心円の間隔が等間隔である場合は、−１７．７ｄＢであったメインビーム近傍のサイドローブレベルが、同心円の間隔を調整した場合には、−２７．４ｄＢに低減した旨が記載されている。
【０００８】
アレーアンテナにおいては、給電系の構成のし易さ等から、素子アンテナの配列を四角配列や三角配列にするのが一般的である。この四角配列や三角配列では、素子アンテナの数を減らすために素子アンテナ間隔（以下、素子間隔）を広くするとメインローブとほぼ同等のレベルを有するグレーティングローブが発生し、不要方向への放射等の問題が発生する。これに対して、上述した従来例のような同心円配列では、素子間隔を広くしても明確なグレーティングローブが発生しないという利点を有している。
【０００９】
しかしながら、この同心円配列においても、素子間隔を広くすると、広角に準グレーティングローブとも言うべきある程度のレベルを有するサイドローブが発生し、不要放射抑制の点で問題になることがある。
【００１０】
図１１（ａ）に一例を示す。図１１（ａ）は、１８個の同心円が等間隔に並んだアレーアンテナの放射パターン（放射特性）を示す図である。各同心円２の円周上には比較的密に素子アンテナ１が配列されており、円周方向の素子間隔を広げることによる高サイドローブの発生は防いでいる。また、全同心円２の円周方向に沿った素子間隔は等しく、全素子アンテナ１は等しい振幅を有している。
【００１１】
図１１（ａ）の横軸ｕは、波数空間に対応するｕ座標（実施例の欄で詳述）を表現しており、ｕ＝０にメインビームを構成している。同心円２の間隔が広くなると、放射パターンが実空間に現れる可視域が広くなる。例えば、メインビームがアンテナ平面と垂直な天頂方向にある場合には、同心円２の間隔が１λ（λ：波長）のときは、０≦ｕ≦６．２８、同心円２の間隔が２λのときには、０≦ｕ≦１２．５７の領域が実空間の放射パターンとなる。
【００１２】
図１１（ａ）から分かるように、同心円２の間隔が概ね１λより大きくなると−２０ｄＢレベルの比較的大きいサイドローブが広角に現れる。このサイドローブの出現は、同心円２の間隔に依存し、メインビームを広角に走査する場合には、１λより小さい同心円２の間隔でも実空間に出現する。また、この広角サイドローブレベルは、同心円２の数が増えてもあまり変わらず、開口の振幅分布が均一の場合は概ね−２０ｄＢ程度である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の等間隔同心円配列では、素子アンテナ１の数を減らす等の目的で、同心円２の間隔を大きくすると、広角にレベルの高いサイドローブが発生するという問題点があった。
【００１４】
また、同心円２の間隔が狭い場合については、他の従来のアンテナ装置で説明したように、同心円２の間隔を調整することでサイドローブを低減する手法は示されていた。しかしながら、同心円２の間隔が１λ以上となるような場合については有効な手法が明らかにされていなかった。
【００１５】
この発明は、前述した問題点を解決するためになされたもので、同心円の間隔を広くした場合に、上記広角の不要サイドローブを抑制することができるアンテナ装置を得ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るアンテナ装置は、同一平面上に、各々が、異なる半径を有し、複数の素子アンテナが円周方向に配置された複数の同心円アレーアンテナを備え、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振されるアンテナ装置であって、前記複数の同心円アレーアンテナの内、同心円アレーアンテナの半径方向の基準間隔をｄとすると、隣接した同心円アレーアンテナと半径方向の間隔がｄ±（０．４〜０．６）ｄで配置された同心円アレーアンテナを少なくとも１個含み、前記複数の同心円アレーアンテナの内、残りの同心円アレーアンテナは、等しい半径方向の基準間隔ｄで配置され、前記複数の同心円アレーアンテナの半径方向の間隔は、１波長以上である。
【００１８】
この発明の請求項２に係るアンテナ装置は、同一平面上に、各々異なる半径を有する複数の同心円アレーアンテナを備え、各同心円アレーアンテナは、複数の素子アンテナが円周方向に配置され、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振され、前記複数の同心円アレーアンテナは、連続する４個の同心円アレーアンテナを含む組に分けられ、各組に含まれる４個の同心円アレーアンテナの内の１個の同心円アレーアンテナは、半径方向の間隔ｄ±（０．４〜０．６）ｄで配置され、前記各組の残りの３個の同心円アレーアンテナは、等しい半径方向の間隔ｄで配置され、前記複数の同心円アレーアンテナの半径方向の間隔は、１波長以上である。
【００２０】
この発明の請求項３に係るアンテナ装置は、複数の素子アンテナが円周方向に等間隔に配置され、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振され、半径係数をＬ ｎ （ｎは整数）、同心円アレーアンテナの半径方向の基準間隔をｄとすると、半径ａ ｎ ＝Ｌ ｎ ・ｄを有する第１の同心円アレーアンテナと、複数の素子アンテナが円周方向に等間隔に配置され、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振され、半径ａ ｎ＋１ ＝Ｌ ｎ＋１ ・ｄ±（０．４〜０．６）ｄを有する第２の同心円アレーアンテナとを備え、前記第１及び第２の同心円アレーアンテナの半径方向の間隔は、１波長以上である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施例１．
この発明の実施例１に係るアンテナ装置について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施例１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２３】
図１において、１はアンテナ素子、２は複数のアンテナ素子１が配列された同心円である。
【００２４】
ここでは、まず、同心円２上に素子アンテナ１を配置したアレーアンテナの動作について説明し、本実施例１の効果を明らかにする。
【００２５】
図２は、同心円配列アレーアンテナの素子アンテナ配置を示す図である。図２において、１はアンテナ素子、２は同心円、３は同心円２の円周方向に沿った素子アンテナ１の間隔、４は座標である。
【００２６】
また、図３は、上記アンテナ装置の放射特性を波数空間で説明するための図である。図３において、５は波数空間座標、６は可視域を表す。
【００２７】
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、図２に示すように、座標４のｘ−ｙ平面上に想定される複数の同心円２上に複数の素子アンテナ１を配置したものである。
【００２８】
同心円２は、図２（ｂ）に示すように、内側から順に番号をつけることとし（１,２,３,・・・,ｎ,・・・,Ｎ）、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ａｎとし、第ｎ番目の同心円２上にある素子アンテナの数をＭｎ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の円周方向に等間隔にならんでいるものとし、さらに第ｎ番目の同心円２上にある素子アンテナ１は全て励振振幅が等しいものとし、これをＥｎ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Δｎ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。
【００２９】
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、励振位相を与えることで所望の放射特性を得る。本実施例１では、所望方向（θ０，φ０）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番目の同心円２上における、ｘ軸から数えてｍｎ番目の素子アンテナ１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）は次の式（１）で表現される。
【００３０】
【数１】
上記の式（１）を、ｓｉｎθｃｏｓφとｓｉｎθｓｉｎφを直交軸とする波数空間で表現すると次の式（２）のようになる。ただし、下記の式（２）で、Ｊｎはｎ次の第１種ベッセル関数である。
【００３２】
【数２】
上記の式（２）より、波数空間の放射特性は、図３に示すように、ビーム方向（ｓｉｎθ０ｃｏｓφ０，ｓｉｎθ０ｓｉｎφ０）からの距離ρが一定の円周上において正弦状に振幅が変化することがわかる。図３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）。
【００３４】
さらに、上記の式（２）より、０次の第１種ベッセル関数を有する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、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。
【００３５】
１次以上の第１種ベッセル関数Ｊｎ（ｘ）は、概ねｘ＝０〜ｎにおいて値は極めて小さく、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＞０の項は無視でき、二重下線部全体が小さくなる。
【００３６】
すなわち、各同心円２上の素子アンテナ数Ｍｎがある程度大きければ式（２）の二重下線部は可視域６において無視でき、一重下線部の項のみで放射特性を評価できる。また、この場合、放射パターンは、波数空間の周方向変数ξに依存しなくなり、ビーム方向（ｓｉｎθ０ｃｏｓφ０，ｓｉｎθ０ｓｉｎφ０）からの距離ρが一定の円周上において一定の振幅を有するようになる。すなわち、波数空間においてビーム方向を中心とする回転対称な放射特性を有するようになる。
【００３７】
ここで、同心円２の基準間隔をｄとし、第ｎ番目の同心円２の半径をａｎ＝Ｌｎ・ｄと表す。なお、Ｌｎは、半径係数である。また、上記の式（２）の二重下線部を省略すると、放射特性は、次の式（３）のように表される。
【００３８】
【数３】
この式（３）は、波数空間のｕ座標による表現である。図１１（ａ）の放射特性は、前述したように、全ての同心円２の間隔が等しく（Ｌｎ＝ｎ）、かつ全ての素子アンテナ１の振幅が等しく（Ｅｎ＝１）、また、全同心円２上の周方向素子間隔が等しい（Ｍｎ∝Ｌｎ）場合を示している。
【００４０】
次に、図１１（ａ）において、波数空間の座標ｕ＝６．３、または、ｕ＝１２．６近傍で大きなサイドローブが発生する理由について説明する。
【００４１】
図４は、図１１（ａ）の放射特性を有する同心円配列アレーアンテナにおいて、半径係数Ｌｎ＝１、３、５、１０の同心円２における個々の放射特性を示したものである。計算は、式（３）による。位相関係がわかるように、縦軸の振幅は、電界真数値で表している。
【００４２】
図４からわかるように、全ての同心円２の半径が半径係数Ｌｎ＝ｍで、かつｍが整数の場合（全ての同心円２の間隔が等しい場合もこれに含まれる。）、各同心円２の放射特性が、波数空間の座標ｕ＝６．３、または、ｕ＝１２．６近傍でほぼ同相になる。このため大きなサイドローブが発生する。
【００４３】
次に、本実施例１の具体例とその効果について説明する。簡単のため、２個の同心円２からなる同心円配列アレーを考える。その半径係数は、式（３）でＬ１＝７及びＬ２＝８とする。
【００４４】
図５は、この同心円配列アレーの各々の放射特性を分離して表示したものである。上記のように半径係数Ｌｎ＝ｍで、かつｍが整数の場合であるため、図４と同様、半径係数の座標ｕ＝６．３、または、ｕ＝１２．６近傍で両者はほぼ同相となっている。厳密には半径係数Ｌ１＝７の同心円は、ｕ＝６．４にピークを有している。
【００４５】
ここで、半径係数Ｌ２の値を調整して半径係数Ｌ１＝７の同心円２における座標ｕ＝６．４のピークに、半径係数Ｌ２の同心円２の谷を重畳するようにすれば、両者の合成パターンにおける座標ｕ＝６．３近傍のサイドローブは減衰するはずである。半径係数Ｌ２＝８の同心円２の谷は、座標ｕ＝６にあるので、新たに半径係数Ｌ２＝８×６／６．４＝７．５とする。
【００４６】
図６（ａ）に半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８の場合、同図（ｂ）に半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝７．５の場合におけるアレー全体の放射特性を示す。図６（ａ）及び（ｂ）より、半径係数Ｌ２の同心円２の半径を調整することで広角（特にｕ＞４）におけるサイドローブが低減することがわかる。
【００４７】
このように隣接する同心円２の半径を調節することにより、ｕ広角でのサイドローブの低減が可能になる。この手法は、隣接するピークと谷を重畳するので、半径係数Ｌ２の変化量は概ね±０．４〜０．６である。
【００４８】
より多数の同心円２からなる場合においても、一部の同心円２の半径を同様に調整することで広角のサイドローブを低減できる。
【００４９】
以上のように、本実施例１では、複数の同心円２の内、一部の半径を±０．４〜０．６ｄ（ｄ：同心円２の基準間隔）変化させることにより、広角のサイドローブを低減するという効果を有する。
【００５０】
実施例２．
この発明の実施例２に係るアンテナ装置について図面を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施例２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【００５１】
図７において、１はアンテナ素子、２は複数のアンテナ素子１が配列された同心円である。
【００５２】
ここでは、４個の同心円２よりなる同心円配列アレーを考える。最初は、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０とする。ここで、半径係数Ｌ２の同心円２の半径を調節し、Ｌ２＝８．４４とする。これは図５におけるＬ１＝７のｕ＝６．４のピークと、Ｌ２＝８のｕ＝６．７５の谷を重畳するようにしたもので、半径係数Ｌ２＝８×６．７５／６．４≒８．４４として求めている。このときの半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８．４４の合成放射特性を図８（ａ）に、半径係数Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０のそれを同図（ｂ）に示す。
【００５３】
図６（ａ）、並びに図８（ａ）及び（ｂ）の放射特性は、いずれも波数空間のｕ軸に対する波動となっているが、ここではその法絡線に注目する。半径係数Ｌ１＝７とＬ２＝８の放射特性を示す図６（ａ）と、半径係数Ｌ３＝９とＬ４＝１０の放射特性を示す図８（ｂ）とでは、法絡線のピークと谷がほぼ対応している。これは、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０と等間隔で同心円半径が変化する場合，特定の位置でサイドローブが大きくなりやすいことを意味している。
【００５４】
これに対して、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８．４４の合成放射特性を示す図８（ａ）は、法絡線のピークと谷が図８（ｂ）と概ね入れ違いになっている。したがって、図８（ａ）と（ｂ）を合成した放射特性では、サイドローブが低減することが予想される。
【００５５】
半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０と、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８．４４、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０の場合の合成放射特性を、それぞれ図９（ａ）及び（ｂ）に示す。後者の放射特性は、広角においてサイドローブが減少（特に、ｕ＝６．３近傍）している。
【００５６】
以上のように、本実施例２では、２個の同心円２のうち、１個の半径を±０．４〜０．６ｄ調整したものと、２個とも調整をしていない同心円２の組みを組み合わせる手法、すなわち、４個の同心円２のうち１個だけの半径を±０．４〜０．６ｄ調整することで、広角のサイドローブを低減するという効果を有する。
【００５７】
実施例３．
この発明の実施例３に係るアンテナ装置について図面を参照しながら説明する。図１０は、この発明の実施例３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【００５８】
図１０において、１はアンテナ素子、２は複数のアンテナ素子１が配列された同心円である。また、７は以下で説明する同心円２の４個ずつの組を表す。
【００５９】
上記実施例２では４個の同心円２でサイドローブを低減したが、より多数の同心円２からなるアレーアンテナでは、同心円２群を４個ずつの組７にして、それぞれの組７において１個の同心円２の半径を±０．４〜０．６ｄ調整すれば、サイドローブを低減できる。
【００６０】
また、図１０中、Ｘ、Ｙは同心円２の基準間隔ｄで規格化した値である。本実施例３は、１８個の同心円２から成り、放射特性への寄与の小さいｎ＝１及び２の同心円を別として、ｎ＝３〜６、ｎ＝７〜１０、ｎ＝１１〜１４、ｎ＝１５〜１８の同心円２の組７で、上記実施例２の手法を適用している（ｎは同心円２の内側からの位置を表す）。すなわち、Ｌ４＝４．４３、Ｌ８＝８．４４、Ｌ１２＝１２．４７、Ｌ１６＝１６．５０とし、それ意外ではＬｎ＝ｎとしている。
【００６１】
図１１（ｂ）は、上記不等間隔同心円配列の全体の合成放射特性を示す図である。また、比較のため、上記調整を行っていない場合、すなわち全ての同心円２の間隔が等しい場合（全ての同心円２においてＬｎ＝ｎ）の放射特性を、図１１（ａ）に示す。
【００６２】
図１１（ａ）及び（ｂ）では、縦軸をｄＢで表示している。この図１１（ａ）及び（ｂ）から本実施例３の手法により、広角のサイドローブが低減しており、特に座標ｕ＝６．３近傍では約５ｄＢの低減が成されていることがわかる。すなわち、広角の最大サイドローブレベルが５ｄＢ低減したことになる。
【００６３】
以上のように、本実施例３の手法は、より多数の同心円２を有するアレーアンテナにおいても広角のサイドローブレベルを低減するという効果を有する。
【００６４】
既に述べたように、素子アンテナ数を減らす等の目的で同心円配列の同心円間隔を大きくすると、三角配列や四角配列に見られるようなグレーティングローブは出現しなくても、レベルの高いサイドローブが発生するという問題があった。上述した各実施例は、この同心円配列において、よりサイドローブを低くする手法を示したものであり、特に同心円間隔が１波長以上となるような場合にも適用できる点で効果が大きい。また、同心円間隔を広げて素子アンテナ数を減らす効果をもたらすものである。さらに、高価なモジュールが素子アンテナ毎に接続するフェーズドアレーアンテナ等においては、本発明による低コスト化の効果も大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施例１に係る、同心円配列アレーアンテナの素子アンテナ配置を示す図である。
【図３】この発明の実施例１に係るアンテナ装置の放射特性を波数空間で説明するための図である。
【図４】同心円配列アレーアンテナにおいて、半径係数Ｌｎ＝１、３、５、１０の同心円における個々の放射特性を示す図である。
【図５】同心円配列アレーアンテナの各々の放射特性を分離して示す図、
【図６】図６はこの発明の実施例１に係る、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８の場合、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝７．５の場合におけるアレー全体の放射特性を示す図である。
【図７】この発明の実施例２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図８】この発明の実施例２に係る、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８．４４の合成放射特性と、半径係数Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０の合成放射特性を示す図である。
【図９】この発明の実施例２に係る、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０の場合の合成放射特性と、半径係数Ｌ１＝７、Ｌ２＝８．４４、Ｌ３＝９、Ｌ４＝１０の場合の合成放射特性を示す図である。
【図１０】この発明の実施例３に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図１１】等間隔同心円配列（同心円数１８）の合成放射特性（従来例）と、不等間隔同心円配列（同心円数１８）の合成放射特性（実施例３）を示す図である。
【図１２】従来のアンテナ装置の構成を示す図である。
【図１３】他の従来のアンテナ装置の構成を示す図である。
Claims (3)
- 同一平面上に、各々が、異なる半径を有し、複数の素子アンテナが円周方向に配置された複数の同心円アレーアンテナを備え、
各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振されるアンテナ装置であって、
前記複数の同心円アレーアンテナの内、同心円アレーアンテナの半径方向の基準間隔をｄとすると、隣接した同心円アレーアンテナと半径方向の間隔がｄ±（０．４〜０．６）ｄで配置された同心円アレーアンテナを少なくとも１個含み、
前記複数の同心円アレーアンテナの内、残りの同心円アレーアンテナは、等しい半径方向の基準間隔ｄで配置され、
前記複数の同心円アレーアンテナの半径方向の間隔は、１波長以上である、
アンテナ装置。 - 同一平面上に、各々異なる半径を有する複数の同心円アレーアンテナを備え、
各同心円アレーアンテナは、複数の素子アンテナが円周方向に配置され、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振され、
前記複数の同心円アレーアンテナは、連続する４個の同心円アレーアンテナを含む組に分けられ、各組に含まれる４個の同心円アレーアンテナの内の１個の同心円アレーアンテナは、半径方向の間隔ｄ±（０．４〜０．６）ｄで配置され、
前記各組の残りの３個の同心円アレーアンテナは、等しい半径方向の間隔ｄで配置され、
前記複数の同心円アレーアンテナの半径方向の間隔は、１波長以上である、
アンテナ装置。 - 複数の素子アンテナが円周方向に等間隔に配置され、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振され、半径係数をＬ ｎ （ｎは整数）、同心円アレーアンテナの半径方向の基準間隔をｄとすると、半径ａ ｎ ＝Ｌ ｎ ・ｄを有する第１の同心円アレーアンテナと、
複数の素子アンテナが円周方向に等間隔に配置され、各素子アンテナが、所定の方向で電波の位相が共相になるように励振され、半径ａ ｎ＋１ ＝Ｌ ｎ＋１ ・ｄ±（０．４〜０．６）ｄを有する第２の同心円アレーアンテナとを備え、
前記第１及び第２の同心円アレーアンテナの半径方向の間隔は、１波長以上である、
アンテナ装置。
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