JP4724862B2 - アレーアンテナ - Google Patents

Description

この発明は、いくつかの素子アンテナをまとめてサブアレーアンテナとし、サブアレーアンテナ単位に移相器などを設けて束ね、ビーム形成を行うアレーアンテナに関するものである。

アレーアンテナは、レーダ装置あるいは電波監視装置の空中線として用いられているが、より遠くの目標の検出あるいはより微弱の電波を検知するため、空中線性能としてより大きな有効放射電力が要求される。有効放射電力は、送信出力とアンテナ利得の積で定義されている。送信出力は、送信機あるいは各素子アンテナに接続された送信モジュールの出力を増大させればよく、アンテナ利得は、空中線の開口径に比例するので、より大きなアンテナ利得を得るために空中線を大口径化する必要がある。

アレーアンテナにおいて、グレーティングローブが発生しない素子アンテナ間隔を満たそうとすると、大開口径化するに従って素子アンテナの数が増大し、素子アンテナに接続される移相器の数も増大する。移相器が高価であるため、移相器の数を低減することが望まれる。そこで、いくつかの素子アンテナをまとめてサブアレーアンテナとし、サブアレーアンテナ毎に移相器を設けた構成にして、移相器の数を低減することが考えられている（例えば、特許文献１参照）。

この構成では移相器で位相を制御する単位が素子アンテナからサブアレーアンテナになるので、グレーティングローブが発生しないサブアレーアンテナの中心の間隔にする必要がある。しかし、素子アンテナの寸法は波長程度であるので素子アンテナをまとめたサブアレーアンテナの中心間隔を１波長以下にするのは困難であり、グレーティングローブが発生するという問題がある。グレーティングローブの発生で、所望の方向のアンテナ利得を低下させるとともに、所望の指向方向以外の方向からの到来電波を受信することになり、方位検出においてはアンビギュイティを発生させる。従って、素子アンテナに接続される移相器を低減し、グレーティングローブの発生を避けるための構成が望まれる。

かかる状況において、周期性を有しないアレーアンテナの間隔として、不等間隔に素子アンテナを配列してグレーティングローブによるアンビギュイティを低減する技術が提案されている（例えば、特許文献２及び非特許文献１参照）。

また、周期性を有しない多角形配列方法としてペンローズタイル、オクタゴナル、テーブルなどを選び、その頂点位置に素子アンテナを配置することで広帯域にわたり、グレーティングローブを抑圧した技術が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。

特開平５−２９１８１４号公報 特開２００５−２５７３８４号公報 中澤利之他２名著「不等間隔アレーを用いた方位推定」電子情報通信学会論文誌Ｂ Ｖｏｌ．Ｊ８３−Ｂ Ｎｏ．６ ｐｐ．８４５−８５１ ２０００年６月 Vincenzo Pierro et. al. "Radiation Properties of Planar Antenna Arrays Based on Certain Categories of Aperiodic Tilings" IEEE TRANSACTION ON ANTENNAS AND PROPAGATION, vol.53, NO.2, pp.635-644, Feb 2005 Glassner,A. "Penrose tiling", IEEE Computer Graphics and Applications, vol.18, Issue4, pp.78-86, July/Aug 1988

グレーティングローブを低減する方法として、素子アンテナの間隔を不等間隔にするとして、例えばランダムに素子アンテナの間隔を設定した場合、周期性がないために素子アンテナに接続される給電系が複雑になるという問題があった。また、多品種少量製品において、アレーアンテナの製造コストが上昇するという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧することができるアレーアンテナを得るものである。

この発明に係るアレーアンテナは、個数比が黄金比になるように、開口領域をすき間なく敷き詰められたファット菱形タイルサブアレーアンテナとシン菱形タイルサブアレーアンテナとを備え、前記ファット菱形タイルサブアレーアンテナは、平面形状が内角７２°と１０８°のペンローズタイルと同じ菱形形状を有し、かつ前記シン菱形タイルサブアレーアンテナは、平面形状が内角３６°と１４４°のペンローズタイルと同じ菱形形状を有し、前記ファット菱形タイルサブアレーアンテナと前記シン菱形タイルサブアレーアンテナの面積比となるように、両者に素子アンテナの個数が割り当てられ、前記素子アンテナの中心位置を中心とする所定の半径の円が互いに接し、かつ前記円が前記ファット菱形タイルサブアレーアンテナ、あるいは前記シン菱形タイルサブアレーアンテナの外形に接するように、各素子アンテナが前記ファット菱形タイルサブアレーアンテナ内と前記シン菱形タイルサブアレーアンテナ内に配置され、前記所定の半径の円は、素子アンテナの開口径に相当するものである。

この発明に係るアレーアンテナは、周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナについて図１から図６までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この実施の形態１に係るアレーアンテナ１は、ファット（ｆａｔ）菱形タイルサブアレーアンテナ２と、シン（ｔｈｉｎ）菱形タイルサブアレーアンテナ３と、移相器５とが設けられている。

各サブアレーアンテナ２、３は、複数の素子アンテナ４で構成され、各サブアレーアンテナ２、３には、移相器５が接続され、サブアレーアンテナ毎に位相制御が行われ、ビーム形成や指向制御などが行われる。

図２は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナのサブアレーアンテナを示す平面図である。図２において、（ａ）はファット菱形タイルサブアレーアンテナ２を、（ｂ）はシン菱形タイルサブアレーアンテナ３をそれぞれ示す。ファット菱形タイルサブアレーアンテナ２、シン菱形タイルサブアレーアンテナ３は、図２に示すように、それぞれ異なる菱形形状を有するサブアレーアンテナである。

ここで、ファット菱形タイルサブアレーアンテナ２とシン菱形タイルサブアレーアンテナ３の平面形状は、ペンローズタイルと同じ菱形形状を有する。ペンローズタイルについては後述するが、内角が７２°と１０８°を有する菱形（タイプ１）と、内角が３６°と１４４°を有する菱形（タイプ２）からなる。図２では、ファット菱形タイルサブアレーアンテナ２がタイプ１に相当し、シン菱形タイルサブアレーアンテナ３がタイプ２に相当する。

実施の形態１では、このような菱形形状のファット菱形タイルサブアレーアンテナ２、シン菱形タイルサブアレーアンテナ３のそれぞれを１サブアレーアンテナとし、これらのサブアレーアンテナの組み合わせにより、アレーアンテナ１を構成する。

ここで、ペンローズタイルについて説明する。ペンローズタイルとは、イギリスの物理学者ロジャー・ペンローズ（Ｒｏｇｅｒ Ｐｅｎｒｏｓｅ）が考案した、面積比が黄金比である２種類のタイルであり、このペンローズタイルを用いて平面上を充填した場合、周期的なパターンが現れず、平面上を非周期的に充填できることが示されている（例えば、非特許文献３参照）。

図３は、図２に示したファット菱形タイルサブアレーアンテナ２とシン菱形タイルサブアレーアンテナ３を用いて組み合わせ配列したアレーアンテナの一例である。

ここではアレーアンテナ１の開口領域を、ファット菱形タイルサブアレーアンテナ２とシン菱形タイルサブアレーアンテナ３とを用いて、すき間なく敷き詰めている。このとき、２種類のサブアレーアンテナ２、３の個数比が黄金比になるように敷き詰める。先に述べたように、ファット菱形タイルサブアレーアンテナ２とシン菱形タイルサブアレーアンテナ３の平面形状はペンローズタイルと同じ形状であるため、これらの２種類のサブアレーアンテナを開口領域に敷き詰めた結果、アレーアンテナ１において、サブアレーアンテナ２、３の配置自体に周期性を持たなくすることが可能となる。

ここで改めて、実施の形態１において、ペンローズタイルの理論をアレーアンテナに適用する長所について説明する。サブアレーアンテナで構成されたアレーアンテナにおいてグレーティングローブを発生させないサブアレーアンテナ間隔を設定する必要があるが、サブアレーアンテナを構成する素子アンテナの大きさが波長程度の大きさであるのでサブアレーアンテナ間隔を１波長以下にするのは困難であり、グレーティングローブが発生する。

このグレーティングローブを抑圧する方法として、素子アンテナ間隔あるいはサブアレーアンテナ間隔を不等間隔、非周期にする方法が、上述したように、非特許文献１に提案されている。しかしながら、上述したように、例えばランダムに素子アンテナの間隔を設定した場合、周期性がないために素子アンテナに接続される給電系が複雑になり、また、多品種少量製品において、アンテナの製造コストが上昇するという欠点があった。

このため、本発明の実施の形態１では、サブアレーアンテナをペンローズが提唱したタイル形状にして配列するようにした。

このように配列してできあがったアレーアンテナにおいてサブアレーアンテナは周期性を持たないため、結果として、グレーティングローブを抑圧することができる。グレーティングローブを抑圧できる複数のサブアレーアンテナからなるアレーアンテナを構成できれば、アレーアンテナに必要な位相器の個数を低減でき、アレーアンテナのコストを低減できる。

しかしながら、サブアレーアンテナ内の素子アンテナ４の配列（配置）によっては、サブアレーアンテナを配置してアレーアンテナを構成した結果、隣接するサブアレーアンテナ間の素子間隔が広くなり、グレーティングローブが発生するという問題がある。

そこで、この実施の形態１では、更に、ペンローズタイルをサブアレーアンテナ２、３とする際、サブアレーアンテナ２、３内に配列される素子アンテナ４の互いの間隔を広くするようにして放射パターン形状等の性能劣化を抑えたうえでグレーティングローブを抑えられるように素子アンテナ４を配列する。素子アンテナ４の配列について次に説明する。

サブアレーアンテナ２、３内の素子アンテナ４の配列の一例を図２（ａ）、（ｂ）に示す。

まず、それぞれのサブアレーアンテナ２、３内に配置する素子アンテナの個数について説明する。図２において、シン菱形タイルサブアレーアンテナ３とファット菱形タイルサブアレーアンテナ２の面積比は、先に述べたように黄金比（1：（１＋√５）／２≒１：１．６２）となっている。ここで、シン菱形タイルサブアレーアンテナ３とファット菱形タイルサブアレーアンテナ２の各々に割り当てる素子アンテナ４の個数を、シン菱形タイルサブアレーアンテナ３とファット菱形タイルサブアレーアンテナ２の面積比となるようにする。これにより、シン菱形タイルサブアレーアンテナ３内で素子アンテナ４が占有する面積とファット菱形タイルサブアレーアンテナ２内で素子アンテナ４が占有する面積との比を黄金比に近づけることができ、結果的に、素子アンテナが非周期的に配列されることになる。図２では、黄金比の整数近似を行い、ファット菱形タイルサブアレーアンテナ２中に８素子、シン菱形タイルサブアレーアンテナ３中に５素子を割り当てている。

なお、アレーアンテナ内の素子アンテナの全数はアレーアンテナの開口面積、使用周波数、素子アンテナの方式等の設計事項により決定されるものである。また、サブアレーアンテナの個数は、位相器の個数などにより決定されるものである。

次に、各サブアレーアンテナ内における素子アンテナ４の配置について説明する。

サブアレーアンテナに配列される素子アンテナに関しては、素子アンテナ間隔を可能な限り離すことができれば、素子間結合が小さくなり、例えば、グレーティングローブ抑えることができる。

一方、素子アンテナ間隔が大きくなると、ある指向角以上において、指向角方向に対する各素子アンテナからの径路長差が１波長を超えるためグレーティングローブが発生する。このため、素子アンテナ４は適度な間隔で配置する必要がある。

そこで、この実施の形態１では素子アンテナ４の配置を、ペンローズタイルをサブアレーアンテナ２、３とするときペンローズタイルに配置される素子アンテナ４の互いの間隔を広くするようにしたうえでグレーティングローブを抑えるため、図２に示すように、素子アンテナ４の中心位置Ｐを中心とする半径ｒの円が互いに接し、かつ素子アンテナ４の中心位置Ｐを中心とする半径ｒの円がペンローズタイルであるファット菱形タイルサブアレーアンテナ２、あるいはシン菱形タイルサブアレーアンテナ３の外形に接するようにする。

すなわち、この実施の形態１のアレーアンテナでは、（１）サブアレーアンテナ２、３の各々に割り当てる素子アンテナ４の個数の比を略黄金比とする。その上で、（２）素子アンテナ４の中心位置Ｐを中心とする半径ｒの円が互いに接し、かつ素子アンテナ４の中心位置Ｐを中心とする半径ｒの円がペンローズタイルであるファット菱形タイルサブアレーアンテナ２、あるいはシン菱形タイルサブアレーアンテナ３の外形に接するようにする。このように配置することにより、結果として、素子アンテナ４が非周期的に配列され、グレーティングローブの発生を抑えることができる。

図４は、本実施の形態１によるサブアレーアンテナを非周期に配列した非周期アレーアンテナと、非周期アレーアンテナと同等の開口面を有しサブアレーアンテナを周期的に配列した周期アレーアンテナとで、アレーファクターを比較した図である。両者共に位相器はサブアレーアンテナ毎に設け、素子アンテナ４は無指向性の点波源とし、サブアレーアンテナの中心を位相基準としている。図４は、主ビームを＋２０［ｄｅｇ］へ向けたものである。図４のように、周期アレーアンテナでは−１９［ｄｅｇ］で発生しているグレーティングローブが本実施の形態１の非周期アレーアンテナでは９．３［ｄＢ］低くなっている。

図５に、シン菱形タイルサブアレーアンテナ３、ファット菱形タイルサブアレーアンテナ２に、ｎ（＝１〜９）個の素子アンテナ４を配置したときの一例を示す。いずれの場合も、素子アンテナ４の中心位置Ｐを中心とする半径ｒの円が互いに接し、かつ素子アンテナ４の中心位置Ｐを中心とする半径ｒの円がペンローズタイルであるファット菱形タイルサブアレーアンテナ２、あるいはシン菱形タイルサブアレーアンテナ３の外形に接するようになっている。

図６に、図３で示したファット菱形タイルサブアレーアンテナ２とシン菱形タイルサブアレーアンテナ３を用いて組み合わせ配列したアレーアンテナとは別の配列の例を示す。なお、ファット菱形タイルサブアレーアンテナ２とシン菱形タイルサブアレーアンテナ３の配列は平面上を非周期的に充填できればよく、図３や図６で示した配列に限定されるものではない。

また、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの素子アンテナは、例えばホーンアンテナ、ダイポールアンテナ、パッチアンテナ等であってよく、素子アンテナの形式に限定されるものではない。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナについて図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。

図５において、この実施の形態２に係るアレーアンテナ１は、ファット（ｆａｔ）菱形タイルサブアレーアンテナ２と、シン（ｔｈｉｎ）菱形タイルサブアレーアンテナ３と、受信機６と、信号処理部７とが設けられている。

各サブアレーアンテナ２、３は、複数の素子アンテナ４で構成され、各サブアレーアンテナ２、３には、それぞれ受信機６が接続され、この受信機６は信号処理部７に接続され、サブアレーアンテナ２、３毎に得られた受信信号を基にして信号処理部７の演算処理により、ビーム形成や指向制御などが行われる。

この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナのサブアレーアンテナを示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係るサブアレーアンテナの配置例を示す平面図である。 この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの特性図である。 この発明の実施の形態１に係る素子アンテナの配置を素子アンテナの個数ｎ毎に示した図である。 この発明の実施の形態１に係るサブアレーアンテナの別の配置例を示す平面図である。 この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。

符号の説明

１ アレーアンテナ、２ ファット菱形タイルサブアレーアンテナ、３ シン菱形タイルサブアレーアンテナ、４ 素子アンテナ、５ 移相器、６ 受信機、７ 信号処理部。

Claims (6)

1. 個数比が黄金比になるように、開口領域をすき間なく敷き詰められたファット菱形タイルサブアレーアンテナとシン菱形タイルサブアレーアンテナとを備え、
   前記ファット菱形タイルサブアレーアンテナは、平面形状が内角７２°と１０８°のペンローズタイルと同じ菱形形状を有し、かつ
   前記シン菱形タイルサブアレーアンテナは、平面形状が内角３６°と１４４°のペンローズタイルと同じ菱形形状を有し、
   前記ファット菱形タイルサブアレーアンテナと前記シン菱形タイルサブアレーアンテナの面積比となるように、両者に素子アンテナの個数が割り当てられ、
   前記素子アンテナの中心位置を中心とする所定の半径の円が互いに接し、かつ前記円が前記ファット菱形タイルサブアレーアンテナ、あるいは前記シン菱形タイルサブアレーアンテナの外形に接するように、各素子アンテナが前記ファット菱形タイルサブアレーアンテナ内と前記シン菱形タイルサブアレーアンテナ内に配置され、
   前記所定の半径の円は、素子アンテナの開口径に相当する
   ことを特徴とするアレーアンテナ。
2. 前記ファット菱形タイル及びシン菱形タイルサブアレーアンテナに接続され、前記ファット菱形タイル及びシン菱形タイルサブアレーアンテナ毎に位相制御を行なう移相器をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ。
3. 前記ファット菱形タイル及びシン菱形タイルサブアレーアンテナに接続され、前記ファット菱形タイル及びシン菱形タイルサブアレーアンテナ毎に得られた信号を受信する受信機をさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１又は２記載のアレーアンテナ。
4. 前記素子アンテナは、ホーンアンテナである
   ことを特徴とする請求項１、２又は３記載のアレーアンテナ。
5. 前記素子アンテナは、ダイポールアンテナである
   ことを特徴とする請求項１、２又は３記載のアレーアンテナ。
6. 前記素子アンテナは、パッチアンテナである
   ことを特徴とする請求項１、２又は３記載のアレーアンテナ。

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