JP4689493B2 - Array antenna - Google Patents
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Description
本発明は、給電回路として給電導波管を有する複数のサブアレーにより構成されるアレーアンテナに関するものである。 The present invention relates to an array antenna composed of a plurality of subarrays having a feed waveguide as a feed circuit.
従来の導波管アレーアンテナにおいては、給電回路が導波管のみにより構成されていた。図4は、導波管給電回路を含む従来のサブアレーの構造図である(例えば、非特許文献1参照)。図4において、誘電体基板103の上面には、素子アンテナとなるパッチアンテナ101、およびパッチアンテナを給電するマイクロストリップ線路102が構成されている。また、金属筐体105の内部には、給電導波管106が形成されており、給電導波管106とパッチアンテナ101との間は、給電ピン104により電気的に接続されている。
In the conventional waveguide array antenna, the feeding circuit is constituted only by the waveguide. FIG. 4 is a structural diagram of a conventional subarray including a waveguide feeding circuit (see, for example, Non-Patent Document 1). In FIG. 4, a
各素子アンテナの受信電力は、給電導波管106により合成され、図4の下端にある出力端子に出力される。そして、図4に示したアンテナを単位サブアレーとして、その単位サブアレーを複数個配置することでアレーアンテナを構成することができる。
The received power of each element antenna is combined by the
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。アレーアンテナの開口面形状としては、方形が一般的であるが、時として楕円形状とすることがある。図5は、開口面形状を楕円形状としたアレーアンテナの例示図である。先の図4に示したアンテナを単位サブアレーとして楕円開口のアレーアンテナを構成する場合には、例えば、この図5に示すように、アレー面内の中心部と周辺部においてサブアレーの給電導波管の合計長が互いに異なってくる。 However, the prior art has the following problems. The shape of the aperture of the array antenna is generally rectangular, but sometimes it is elliptical. FIG. 5 is an illustration of an array antenna having an elliptical aperture shape. When an elliptical aperture array antenna is configured using the antenna shown in FIG. 4 as a unit sub-array, for example, as shown in FIG. 5, a feed waveguide of the sub-array at the center portion and the peripheral portion in the array plane. The total lengths of are different from each other.
そこで、電力合成時には、給電導波管の合計長を補償する必要が生ずる。図6は、給電導波管の合計長を補償する構成の例示図である。図6に示すように、各サブアレーの受信電力をある一定の周波数帯域全域にわたり同相合成するためには、導波管110を付加して、給電導波管の長さをサブアレー間で同一とすることで合成時の位相差を補償したうえで、電力合成を行う必要がある。
Therefore, it is necessary to compensate the total length of the feed waveguide during power combining. FIG. 6 is an exemplary diagram of a configuration for compensating the total length of the feeding waveguide. As shown in FIG. 6, in order to combine the received power of each sub-array in the same phase over a certain frequency band, the
しかし、導波管は、その低損失性が利点ではあるものの、同軸線路やマイクロストリップ線路などに比べて重量および寸法が大きくなってしまう欠点がある。従って、このような導波管110を付加することにより、給電回路全体の重量、寸法の増加を招いてしまう問題があった。
However, although the waveguide has an advantage of its low loss property, it has a drawback that the weight and size are increased as compared with a coaxial line, a microstrip line, and the like. Therefore, there is a problem that adding such a
これに対して、図7は、軽量・小型化を図った給電回路の構成の例示図である。図7に示すように、導波管110ではなく、同軸ケーブル111、あるいはマイクロストリップ線路などのより軽量かつ小型な伝送線路を用いて位相差補償を行うことが考えられる。
On the other hand, FIG. 7 is an exemplary diagram of a configuration of a power feeding circuit that is lightweight and downsized. As shown in FIG. 7, it is conceivable to perform phase difference compensation using a lighter and smaller transmission line such as a
しかし、導波管110は、その位相定数の周波数に関する偏微分が定数とならない周波数分散性線路であるのに対して、同軸ケーブル111による伝送線路は、周波数分散性がないTEM(Transverse Electro Magnetic)線路、あるいは周波数分散性がほぼ無視できる準TEM線路となる。
However, the
図8は、図7の構成を有する給電回路の位相特性を示した図である。図7の構成により、同軸ケーブル111による伝送線路で位相差補償を行った場合には、図8に示すように、ある特定の周波数では位相差が正しく補償され同相合成が可能となるものの、それ以外の周波数では位相差の発生が不可避となり、サブアレー間の合成電力の劣化を招いてしまう問題があった。
FIG. 8 is a diagram showing the phase characteristics of the power feeding circuit having the configuration of FIG. With the configuration of FIG. 7, when phase difference compensation is performed on the transmission line using the
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、一定の周波数帯域幅全域にわたり各サブアレー間の位相差補償を軽量かつ小型に実現するアレーアンテナを得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain an array antenna that realizes phase difference compensation between sub-arrays over a certain frequency bandwidth in a lightweight and small size.
本発明に係るアレーアンテナは、給電回路として最長の給電導波管を有する1以上の第1のサブアレーと、給電回路として第1のサブアレーの有する最長の給電導波管よりも短い長さの給電導波管を有する1以上の第2のサブアレーと、第1のサブアレーおよび第2のサブアレーのそれぞれの給電導波管の出力端子と接続され、第1のサブアレーおよび第2のサブアレーの受信電力を合成する電力合成器とを備えたアレーアンテナにおいて、第2のサブアレーの給電導波管と同等の周波数分散性を有するように、TEM線路あるいは準TEM線路に一定周期でインダクタを装荷して構成され、第2のサブアレーの給電導波管の出力端子と電力合成器との間に挿入される遅延線路をさらに備えたものである。
The array antenna according to the present invention includes one or more first subarrays having a longest feed waveguide as a feed circuit and a feed having a length shorter than the longest feed waveguide of the first subarray as a feed circuit. One or more second sub-arrays having waveguides and the output terminals of the respective feed waveguides of the first sub-array and the second sub-array are connected, and the received power of the first sub-array and the second sub-array is In an array antenna including a power combiner to be combined, an inductor is loaded on a TEM line or a quasi-TEM line at a constant period so as to have a frequency dispersion equivalent to that of the feed waveguide of the second sub- array. And a delay line inserted between the output terminal of the power supply waveguide of the second sub-array and the power combiner.
本発明によれば、軽量かつ小径のTEMあるいは準TEM線路に一定周期でインダクタを装荷することにより、故意に周波数分散性を有する線路を構成して、同線路をサブアレー内の給電回路に挿入することで、一定の周波数帯域幅全域にわたり各サブアレー間の位相差補償を軽量かつ小型に実現するアレーアンテナを得ることができる。 According to the present invention, an inductor is loaded on a light-weight, small-diameter TEM or quasi-TEM line at a constant period, thereby intentionally configuring a line having frequency dispersion, and inserting the line into a feeding circuit in the subarray. Thus, it is possible to obtain an array antenna that realizes phase difference compensation between the sub-arrays in a light weight and a small size over the entire fixed frequency bandwidth.
以下、本発明のアレーアンテナの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明のアレーアンテナは、先端短絡スタブを装荷して構成される遅延線路を挿入することにより、給電導波管の長さの違いにより生ずる位相差を補償し、同相電力合成を一定の周波数帯域全域にわたって行うことを可能とし、その結果、装置の軽量化、小型化を実現するものである。
Hereinafter, preferred embodiments of the array antenna of the present invention will be described with reference to the drawings.
The array antenna of the present invention compensates for the phase difference caused by the difference in the length of the feed waveguide by inserting a delay line configured by loading a short-circuited short-stub stub, and performs in-phase power synthesis in a certain frequency band. It can be performed over the entire area, and as a result, the device can be reduced in weight and size.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1におけるアレーアンテナの構成図である。素子アンテナ1は、誘電体基板2に実装されている。また、金属筐体3a,3b内には、給電回路として矩形状の給電導波管4a、4bが形成されている。そして、給電導波管4a、4bのそれぞれと素子アンテナ1とは、給電導波管4a、4bの壁面に挿入された給電ピン11を経て電磁的に結合されている。
FIG. 1 is a configuration diagram of an array antenna according to
これらの部品は、それぞれサブアレー5a、5bを構成する。ここで、サブアレー5b(第1のサブアレーに相当)の有する給電導波管4bの長さは、サブアレー5a(第2のサブアレーに相当)の有する給電導波管4aの長さよりも短い。そこで、給電導波管4bは、最長の給電導波管に相当する。
These components constitute subarrays 5a and 5b, respectively. Here, the length of the
さらに、サブアレー5a内の給電導波管4aは、導波管−マイクロストリップ線路変換器6、マイクロストリップ線路基板7a、マイクロストリップ線路−同軸線路変換器14、同軸ケーブル12aを経て、電力合成器13に接続される。同様に、サブアレー5b内の給電導波管4bも、導波管−マイクロストリップ線路変換器6、マイクロストリップ線路基板7b、マイクロストリップ線路−同軸線路変換器14、同軸ケーブル12bを経て、電力合成器13に接続される。
Furthermore, the
なお、導波管−マイクロストリップ線路変換器6の出力端には、低雑音増幅器10が接続される(図1下段の部分拡大図参照)。これらの部品により、1つのアレーアンテナが構成される。
A
ここで、給電導波管4aは、先に説明したように、最長の給電導波管である給電導波管4bに比べてその長さが短くなっている。そこで、この長さの違いにより生じる位相差を補償するために、長さの短い給電導波管4aに接続されるマイクロストリップ線路基板7aには、その先端がスルーホール8により接地された先端短絡スタブ9が周期的に装荷されている。ここで、スルーホール8および先端短絡スタブ9は、遅延線路に相当する。
Here, as described above, the length of the
次に、本発明の実施の形態1におけるアレーアンテナの動作について説明する。サブアレー5a、5bの間で給電導波管4a、4bの長さが異なる場合に、各サブアレー間の受信電力を電力合成器13にて同相合成してアンテナ利得を最大とするためには、給電導波管4a、4bの長さの差違により生じる位相差を、アンテナ動作周波数帯域全域にわたり補償する必要がある。
Next, the operation of the array antenna in the first embodiment of the present invention will be described. When the lengths of the
しかし、その位相差補償をマイクロストリップ線路基板7a、7bの長さを互いに違えることで実現しようとした場合には、前述したような問題が生じる。すなわち、給電導波管は、周波数分散性を有する線路であるのに対して、マイクロストリップ線路は、周波数分散性がほとんどない線路であるため、たとえ、ある特定の周波数で位相差補償ができたとしても、それ以外の周波数では位相差補償誤差が大きくなってしまう。
However, when the phase difference compensation is to be realized by making the lengths of the
これに対して、本実施の形態1におけるアレーアンテナは、マイクロストリップ線路基板7aに、給電導波管と同等の周波数分散性を持たせた遅延線路を挿入することで、所望の周波数帯域全域にわたり十分な位相差補償を行うことができる。本実施の形態1では、インダクタとして動作する先端短絡スタブ9をマイクロストリップ線路基板7aに周期的に装荷することにより構成された遅延線路を用いることで、給電導波管と同等の周波数分散性を得ている。
On the other hand, the array antenna according to the first embodiment is inserted over the entire desired frequency band by inserting a delay line having a frequency dispersion equivalent to that of the feed waveguide into the
図2は、本発明の実施の形態1における周期的にインダクタを装荷したTEM線路の単位長さあたりの等価回路図である。この図2において、L0、C0は、それぞれTEM線路が元々有する単位長さ当りのインダクタンス、キャパシタンスを示している。また、Lsは、周期的に装荷したインダクタにより生じる等価的な単位長さあたりのインダクタンスを示している。ここで、TEM線路の位相定数β(ω)は、下式(1)により与えられる。 FIG. 2 is an equivalent circuit diagram per unit length of the TEM line in which the inductor is periodically loaded in the first embodiment of the present invention. In FIG. 2, L 0 and C 0 indicate the inductance and capacitance per unit length that each TEM line originally has. L s indicates an equivalent inductance per unit length generated by the periodically loaded inductor. Here, the phase constant β (ω) of the TEM line is given by the following equation (1).
一方、給電導波管の位相定数βWG(ω)は、下式(2)により与えられる。なお、下式(2)において、c0は光速であり、aは導波管横方向寸法である。 On the other hand, the phase constant β WG (ω) of the feed waveguide is given by the following equation (2). In the following equation (2), c 0 is the speed of light, and a is the transverse dimension of the waveguide.
通常のTEM、準TEM線路では、Ls→∞となるため、βのωに関する偏微分で与えられる周波数分散性は、上式(1)より0となる。しかしながら、ある有限量のLsを与えることで、上式(2)で与えられる給電導波管と同等の分散特性が得られることがわかる。 In a normal TEM or quasi-TEM line, since L s → ∞, the frequency dispersibility given by the partial differentiation with respect to ω of β is 0 from the above equation (1). However, it can be seen that by giving a certain finite amount of L s , a dispersion characteristic equivalent to that of the feed waveguide given by the above equation (2) can be obtained.
従って、先端短絡スタブ9が周期的に装荷されたマイクロストリップ線路基板7aは、給電導波管と同等の周波数分散性を有する遅延線路として動作し、マイクロストリップ線路基板7aの働きにより、サブアレー5a、5b内の給電導波管4a、4bの長さの差違に起因する位相差を、一定の周波数帯域にわたり良好に補償できる。これにより、アレーアンテナ利得の劣化を抑圧できることになる。
Therefore, the
また、低雑音増幅器を前述の遅延線路の前段に装荷することで、遅延線路の損失による受信アンテナのG/T比(受信アンテナ利得と受信雑音の比)の劣化を抑圧することができる。 Further, by loading the low noise amplifier in the preceding stage of the delay line, it is possible to suppress the deterioration of the G / T ratio (reception antenna gain / reception noise ratio) of the reception antenna due to the loss of the delay line.
以上のように、実施の形態1によれば、マイクロストリップ線路に一定周期で先端短絡スタブを装荷して構成される遅延線路をサブアレー給電回路に接続することにより、各サブアレー受信電力の同相電力合成を一定の周波数帯域全域にわたり、小型かつ軽量に実現することができる。 As described above, according to the first embodiment, the in-phase power synthesis of each subarray received power is performed by connecting the delay line configured by loading the short-circuited short-circuit stub on the microstrip line to the subarray feed circuit. Can be realized in a small size and light weight over the entire frequency band.
実施の形態2.
実施の形態1では、遅延線路の一例として、先端短絡スタブの先端をスルーホールにて接地する場合について説明した。本実施の形態2では、別の遅延線路の一例として、コプレーナ線路を用いて先端短絡スタブの先端を接地する場合について説明する。
In the first embodiment, as an example of the delay line, the case where the tip of the tip short-circuit stub is grounded through the through hole has been described. In the second embodiment, as an example of another delay line, a case where the tip of the tip short-circuited stub is grounded using a coplanar line will be described.
図3は、本発明の実施の形態2におけるアレーアンテナの構成図である。素子アンテナ1は、誘電体基板2に実装されている。また、金属筐体3a,3b内には、給電回路として矩形状の給電導波管4a、4bが形成されている。そして、給電導波管4a、4bのそれぞれと素子アンテナ1とは、給電導波管4a、4bの壁面に挿入された給電ピン11を経て電磁的に結合されている。
FIG. 3 is a configuration diagram of the array antenna according to the second embodiment of the present invention. The
これらの部品は、それぞれサブアレー5a、5bを構成する。ここで、サブアレー5b(第1のサブアレーに相当)の有する給電導波管4bの長さは、サブアレー5a(第2のサブアレーに相当)の有する給電導波管4aの長さよりも短い。そこで、給電導波管4bは、最長の給電導波管に相当する。
These components constitute subarrays 5a and 5b, respectively. Here, the length of the
さらに、サブアレー5a内の給電導波管4aは、導波管−マイクロストリップ線路変換器6、マイクロストリップ線路基板7a、マイクロストリップ線路−同軸線路変換器14、同軸ケーブル12aを経て、電力合成器13に接続される。同様に、サブアレー5b内の給電導波管4bも、導波管−マイクロストリップ線路変換器6、マイクロストリップ線路基板7b、マイクロストリップ線路−同軸線路変換器14、同軸ケーブル12bを経て、電力合成器13に接続される。
Furthermore, the
なお、導波管−マイクロストリップ線路変換器6の出力端には、低雑音増幅器10が接続される(図3下段の部分拡大図参照)。これらの部品により、1つのアレーアンテナが構成される。
A
ここで、給電導波管4aは、先に説明したように、最長の給電導波管である給電導波管4bに比べてその長さが短くなっている。そこで、この長さの違いにより生じる位相差を補償するために、長さの短い給電導波管4aに接続されるマイクロストリップ線路基板7aの一部には、コプレーナ線路20が構成されている。さらに、コプレーナ線路20には、先端がコプレーナ線路20の地板面に接続された先端短絡スタブ21が周期的に装荷されている。ここで、コプレーナ線路20および先端短絡スタブ21は、遅延線路に相当する。
Here, as described above, the length of the
次に、本発明の実施の形態2におけるアレーアンテナの動作について説明する。本実施の形態2は、実施の形態1において遅延線路をマイクロストリップ線路基板7aではなく、コプレーナ線路20により構成した点が異なるだけである。従って、前述した実施の形態1と同等の動作を呈する。
Next, the operation of the array antenna according to
遅延線路においては、先端短絡スタブなどのインダクタ素子が必要となるが、本実施の形態2では、このインダクタ素子をコプレーナ線路20の先端短絡スタブ21により実現している。この結果、実施の形態1で必要としていたスルーホール8が不要となり、製造コストを低減することが可能となる。
In the delay line, an inductor element such as a tip short-circuited stub is required. In the second embodiment, this inductor element is realized by the tip short-circuited
以上のように、実施の形態2によれば、コプレーナ線路に一定周期で先端短絡スタブを装荷して構成される遅延線路をサブアレー給電回路に接続することにより、各サブアレー受信電力の同相電力合成を一定の周波数帯域全域にわたり、小型かつ軽量に実現することができる。さらに、スルーホールを用いないことから遅延線路の製造コストを低減することもできる。 As described above, according to the second embodiment, the in-phase power synthesis of the received power of each subarray is performed by connecting the delay line configured by loading the short-circuited stub at a fixed period to the coplanar line to the subarray feed circuit. It can be realized in a small size and light weight over the entire fixed frequency band. Furthermore, since the through hole is not used, the manufacturing cost of the delay line can be reduced.
なお、上述の説明においては、長さの異なる2種類の給電導波管に対する位相補償について説明したが、本発明におけるアレーアンテナは、これに限定されるものではない。3種類以上の異なる長さの給電導波管を有するサブアレーを備えたアレーアンテナにおいても、それぞれの長さに応じた遅延線路を設けることにより、同様の効果を得ることが可能である。 In the above description, phase compensation for two types of feed waveguides having different lengths has been described. However, the array antenna in the present invention is not limited to this. Even in an array antenna including a subarray having three or more types of feed waveguides having different lengths, a similar effect can be obtained by providing a delay line corresponding to each length.
1 素子アンテナ、2 誘電体基板、3a、3b 金属筐体、4a 給電導波管、4b 給電導波管(最長の給電導波管)、5a サブアレー(第2のサブアレー)、5a サブアレー(第1のサブアレー)、6 導波管−マイクロストリップ線路変換器、7a、7b マイクロストリップ線路基板、8 スルーホール、9 先端短絡スタブ(遅延線路)、10 低雑音増幅器、11 給電ピン、12a、12b 同軸ケーブル、13 電力合成器、14 マイクロストリップ線路−同軸線路変換器、20 コプレーナ線路、21 先端短絡スタブ(遅延線路)。 1 element antenna, 2 dielectric substrate, 3a, 3b metal casing, 4a feed waveguide, 4b feed waveguide (longest feed waveguide), 5a subarray (second subarray), 5a subarray (first Sub-array), 6 waveguide-microstrip line converter, 7a, 7b microstrip line substrate, 8 through-hole, 9 short-circuited stub (delay line), 10 low noise amplifier, 11 feed pin, 12a, 12b coaxial cable , 13 Power combiner, 14 Microstrip line-coaxial line converter, 20 Coplanar line, 21 Short-circuited stub (delay line).
Claims (6)
給電回路として前記第1のサブアレーの有する前記最長の給電導波管よりも短い長さの給電導波管を有する1以上の第2のサブアレーと、
前記第1のサブアレーおよび前記第2のサブアレーのそれぞれの給電導波管の出力端子と接続され、前記第1のサブアレーおよび前記第2のサブアレーの受信電力を合成する電力合成器と
を備えたアレーアンテナにおいて、
前記第2のサブアレーの給電導波管と同等の周波数分散性を有するように、TEM線路あるいは準TEM線路に一定周期でインダクタを装荷して構成され、前記第2のサブアレーの給電導波管の出力端子と前記電力合成器との間に挿入される遅延線路をさらに備えたことを特徴とするアレーアンテナ。 One or more first sub-arrays having the longest feed waveguide as a feed circuit;
One or more second subarrays having a feed waveguide with a length shorter than the longest feed waveguide of the first subarray as a feed circuit;
An array comprising: a power combiner that is connected to output terminals of the respective feed waveguides of the first subarray and the second subarray, and combines the received power of the first subarray and the second subarray. In the antenna,
A TEM line or a quasi-TEM line is loaded with an inductor at a constant period so as to have a frequency dispersion equivalent to that of the second sub-array feed waveguide, and the second sub-array feed waveguide An array antenna, further comprising a delay line inserted between an output terminal and the power combiner.
前記遅延線路の前段に低雑音増幅器をさらに備えたことを特徴とするアレーアンテナ。 The array antenna according to claim 1, wherein
An array antenna, further comprising a low noise amplifier in front of the delay line.
前記遅延線路は、準TEM線路として誘電体基板上にマイクロストリップ線路として構成され、前記誘電体基板上に一定周期で設けられた先端短絡スタブをインダクタとして装荷したことを特徴とするアレーアンテナ。 The array antenna according to claim 2,
The delay line is configured as a microstrip line on a dielectric substrate as a quasi-TEM line, and a tip short-circuited stub provided on the dielectric substrate at a constant period is loaded as an inductor.
前記先端短絡スタブは、先端がスルーホールにより接地されることを特徴とするアレーアンテナ。 The array antenna according to claim 3,
The tip antenna short-circuited stub is grounded through a through hole.
前記遅延線路は、準TEM線路として誘電体基板上にコプレーナ線路として構成され、前記誘電体基板上に一定周期で設けられた先端短絡スタブをインダクタとして装荷したことを特徴とするアレーアンテナ。 The array antenna according to claim 2,
2. The array antenna according to claim 1, wherein the delay line is configured as a coplanar line on a dielectric substrate as a quasi-TEM line, and a short-circuited short stub provided on the dielectric substrate at a constant period is loaded as an inductor.
前記先端短絡スタブは、先端が前記コプレーナ線路の地板面により接地されることを特徴とするアレーアンテナ。 The array antenna according to claim 5, wherein
The array antenna according to claim 1, wherein the tip short-circuited stub is grounded by a ground plane surface of the coplanar line.
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