JP5142950B2

JP5142950B2 - アレーアンテナ

Info

Publication number: JP5142950B2
Application number: JP2008287666A
Authority: JP
Inventors: 恭介望月; 隆司石井; 孝至片木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2028-11-10
Also published as: JP2010114818A

Description

本発明は、主たるビーム走査面に垂直な方向に配列された複数の素子アンテナと、前記複数の素子アンテナにつながれた給電回路と、前記給電回路につながれた移相器とを有するリニアサブアレーを、ビーム走査方向に垂直なＸ方向および前記ビーム走査方向に平行なＹ方向で規定される矩形形状に配列して構成されるアレーアンテナに関する。

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多く用いられている。そして、このようなアレーアンテナは、より遠くの目標を検出するために、あるいは、より微弱の電波を検知するために、空中線性能として、より大きなアンテナ利得が要求される。

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は、空中線を大開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ような素子アンテナ間隔にすると、素子間隔を広くとれない。この結果、大開口径化するに従って、素子アンテナ数が増大し、素子アンテナに接続される移相器の数も増大する。一般に、移相器は、高価であり、アンテナ全体における移相器の数を抑制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とし、サブアレー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）。

このような構成では、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になる。従って、グレーティングローブが発生しないようにするには、サブアレーの中心の間隔をとる必要がある。しかし、素子アンテナの寸法が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により、所望の方向のアンテナ利得が低下するとともに、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る。この結果、方位検出においては、アンビギュイティが発生する。従って、素子アンテナに接続される移相器の数を低減した上で、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開示されている（例えば、特許文献２、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、３参照）。

特開平５−２９１８１４号公報特開２００５−２５７３８４号公報電子情報通信学会論文誌ＢＶｏｌ．Ｊ８３−ＢＮｏ．６ｐｐ．８４５−８５１ "不等間隔アレーを用いた方位推定" 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

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
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する。ここで、例えば、ランダムに素子アンテナの間隔を設定した場合には、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。さらに、多品種少量製品となることで、アンテナの製造コストが上昇するという問題もあった。

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、グレーティングローブを抑圧するとともに、製造コストの上昇を抑制したアレーアンテナを得ることを目的とする。

本発明に係るアレーアンテナは、主たるビーム走査面に垂直な方向に配列された複数の素子アンテナと、複数の素子アンテナにつながれた給電回路と、給電回路につながれた移相器とを有するリニアサブアレーを、ビーム走査方向に垂直なＸ方向およびビーム走査方向に平行なＹ方向で規定される矩形形状に配列して構成されるアレーアンテナにおいて、リニアサブアレーは、Ｘ方向寸法ａ、Ｙ方向寸法ｂ、素子数ｎで構成され、リニアサブアレーを同一周期でＹ方向に並べたリニアアレーを、Ｘ方向にＩ行（Ｉは１以上の整数）並べたものを単位リニアアレーとし、単位リニアアレーをＸ方向にＷ個（Ｗは１以上の整数）配列することで矩形形状の配列を構成し、それぞれの単位リニアアレーにおける同一周期をＴ（ｗ）（ｗは１以上Ｗ以下の整数）とし、それぞれの単位リニアアレーにおける１行目のリニアアレーとｉ行目（ｉは１以上Ｉ以下の整数）のリニアアレーとの間のＹ方向のずれ量をΔＺ（ｗ、ｉ）とし、配列を定めるためにすべての単位リニアアレーに共通に設定される定数をα（０＜α≦１）とした場合に、下式
Ｔ（ｗ）＝ｂ＋α（ｗ−１）ｂ／Ｗ（ｗ＝１、・・・、Ｗ）
ΔＺ（ｗ、ｉ）＝（ｉ−１）Ｔ（ｗ）／Ｉ（ｉ＝１、・・・、Ｉ）
によりそれぞれの単位リニアアレー内における周期Ｔ（ｗ）およびそれぞれの単位リニアアレー内の各行のずれ量ΔＺ（ｗ、ｉ）を決定し、矩形形状の配列を特定するものである。

本発明によれば、同一形状からなるリニアサブアレーを特定の周期で並べたリニアアレーをずらして配置することで、同一設計のリニアサブアレーと複数種類のリニアアレーを設計・製造することにより、製造コストを低減しつつ、ランダムに素子を配列した場合と同様なグレーティングローブの抑圧効果を得ることができ、グレーティングローブを抑圧するとともに、製造コストの上昇を抑制したアレーアンテナを得ることができる。

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。なお、以降では、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの一部である単位リニアアレーの構成を示す斜視図である。図１におけるそれぞれの符号は、次のものを意味している。
１：素子アンテナ
２：素子アンテナ１につながれた給電回路
３：給電回路２につながれた移相器
４：リニアサブアレー
５：リニアアレー

図１において、主たるビーム走査方向は、Ｙ方向であり、ビーム走査方向に直交する方向は、Ｘ方向である。そして、Ｘ方向に並べられた素子数４個の素子アンテナ１と、１個の給電回路２と、１個の移相器３とで、１つのリニアサブアレー４が構成されている。さらに、この１つのリニアサブアレー４は、ビーム走査方向に直交するＸ方向の寸法がａ、ビーム走査方向に平行なＹ方向の寸法がｂで規定されている。

また、リニアアレー５は、リニアサブアレー４を同一周期（図１におけるＴ（ｗ）に相当）でＹ方向に並べた１行分のリニアサブアレー４で構成されている。さらに、このような構成のリニアアレー５をＸ方向に複数行（図１においては３行）並べたものを単位リニアアレーとしている。

そして、図１に示した単位リニアアレーを、Ｘ方向に複数配列することで、矩形形状の配列を有するアレーアンテナが構成される。ここで、ビーム走査方向に直交するＸ方向のアレーアンテナの外形寸法をＡ，ビーム走査方向に平行するＹ方向のアレーアンテナの外形寸法をＢとする。また、上述したように、リニアサブアレー４のＸ方向寸法をａ、Ｙ方向寸法をｂとし、リニアサブアレー４中の素子数をｎとする。

また、単位リニアアレーをＸ方向にＷ個（Ｗは１以上の整数）配列することで矩形形状の配列を構成するとした場合に、さらに、以下の符号を定義する。
Ｔ（ｗ）：ｗ番目の単位リニアアレー内で共通する周期であり、Ｙ方向に隣接するリ
ニアサブアレー４の相対距離に相当（ｗは、１以上Ｗ以下の整数）
Ｉ：すべての単位リニアアレーに共通であり、単位リニアアレーを構成するリニアア
レーの行数（Ｉは、１以上の整数）
Ｍ（ｗ）：ｗ番目の単位リニアアレー内において、リニアサブアレー４を同一周期
Ｔ（ｗ）でＹ方向に並べたときの列数
ΔＺ（ｗ、ｉ）：ｗ番目の単位リニアアレーにおける１行目のリニアアレーとｉ行目
（ｉは１以上Ｉ以下の整数）のリニアアレーとの間のＹ方向のずれ
量
α：配列を定めるためにすべての単位リニアアレーに共通に設定される定数（０＜α
≦１）

この場合、アレーアンテナの矩形形状の配列を、下式（１）（２）で特定する。
Ｔ（ｗ）＝ｂ＋α（ｗ−１）ｂ／Ｗ（ｗ＝１、・・・、Ｗ）（１）
ΔＺ（ｗ、ｉ）＝（ｉ−１）Ｔ（ｗ）／Ｉ（ｉ＝１、・・・、Ｉ）（２）

このとき、リニアアレーが開口面内に収まるためには、ＩおよびＭ（ｗ）は、下式（３）（４）を満足する必要がある。
Ｉ≦｛Ａ／（ａ×Ｗ）｝（３）
Ｍ（ｗ）≦Ｂ／Ｔ（ｗ）−｛１−（１／Ｉ）｝（４）

図２は、本発明の実施の形態１のアレーアンテナにおけるリニアサブアレー４の具体的な配列を示した例示図である。この図２においては、各パラメータは、次のように設定している。ただし、λは、波長である。
Ａ＝Ｂ＝２０λ
ａ＝λ
ｂ＝１．５λ
ｎ＝２
Ｗ＝４
α＝１

そして、上式（１）〜（４）を用いて、ＩおよびＭ（１）〜Ｍ（４）を以下のように設定している。
Ｉ＝５
Ｍ（１）＝１２
Ｍ（２）＝９
Ｍ（３）＝８
Ｍ（４）＝６

図２の配列を備えたアレーアンテナの場合、グレーティングローブレベルは、１０．１３ｄＢ改善されることが数値計算にて確認できた。

以上のように、実施の形態１によれば、リニアサブアレーは、全て同一の機能・寸法を有するため、１種類の設計・製造条件での製造が可能である。さらに、リニアサブアレーをＹ軸方向に並べたリニアアレーの設計も、Ｗ種類の設計・製造条件で製造し、アレー構成時に位置をずらすだけですむ。このため、従来のランダム配列アレーに比べ、アレーアンテナの製造コストを低減しつつ、同様なグレーティングローブの抑圧が可能となる。

実施の形態２．
先の実施の形態１の図２の構成を備えたアレーアンテナは、同一周期のリニアアレーが隣接している。このため、斜め方向に局所的な周期性が残り、これがグレーティングローブ抑圧を妨げていた。そこで、本実施の形態２では、このような周期性を打ち消すためのリニアサブアレー４の配列について説明する。

図３は、本発明の実施の形態２のアレーアンテナにおけるリニアサブアレー４の具体的な配列を示した例示図である。先の実施の形態１における図２の配列では、Ｉ＝５、Ｗ＝４としていたため、同一周期のリニアアレーが隣接する状態が生じていた。これに対して、本実施の形態２における図３の配列では、Ｉ＝１、Ｗ＝２０とし、隣接するリニアアレーの周期が同一にはならないようにしている。

また、図示していないが、先の図２に示した配列において、同一周期のリニアアレーが隣接しないように、Ｙ方向の順序を１行単位で入れ替えることによっても、周期性を打ち消すことが可能である。

これらの方法を用いて周期性を打ち消すことにより、グレーティングローブが走査面に直交する方向に分散されて抑圧されることとなる。

以上のように、実施の形態２によれば、同一周期のリニアアレーが隣接しないように、周期性を打ち消す配列とすることにより、先の実施の形態１における効果に加え、さらなるグレーティングローブの抑圧が可能となる。

実施の形態３．
先の実施の形態１、２では、矩形形状アレーアンテナについて説明した。本実施の形態３では、基本的にはこの矩形形状の配列を利用しつつ、円形または多角形形状のアンテナ外形を有したアレーアンテナに適用する場合について説明する。

図４は、本発明の実施の形態３のアレーアンテナにおけるリニアサブアレー４の具体的な配列を示した例示図である。この図４におけるアレーアンテナ７は、先の実施の形態１、２で説明した手法による矩形形状の配列を備えたアレーアンテナである。一方、図４におけるアレーアンテナ６は、円形または多角形形状のアンテナ外形を有しており、アレーアンテナ７を矩形形状にて配列した後に、所望の外形形状に含まれるリニアサブアレーを選択することで実現している。

以上のように、実施の形態３によれば、矩形形状にて配列されたリニアサブアレーの中から所望のものを選択して、円形または多角形形状のアンテナ外形を有するアレーアンテナを構成することにより、先の実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの一部である単位リニアアレーの構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態１のアレーアンテナにおけるリニアサブアレーの具体的な配列を示した例示図である。本発明の実施の形態２のアレーアンテナにおけるリニアサブアレーの具体的な配列を示した例示図である。本発明の実施の形態３のアレーアンテナにおけるリニアサブアレーの具体的な配列を示した例示図である。

符号の説明

１素子アンテナ、２給電回路、３移相器、４リニアサブアレー、５リニアアレー、６、７アレーアンテナ。

Claims

主たるビーム走査面に垂直な方向に配列された複数の素子アンテナと、前記複数の素子アンテナにつながれた給電回路と、前記給電回路につながれた移相器とを有するリニアサブアレーを、ビーム走査方向に垂直なＸ方向および前記ビーム走査方向に平行なＹ方向で規定される矩形形状に配列して構成されるアレーアンテナにおいて、
前記リニアサブアレーは、Ｘ方向寸法ａ、Ｙ方向寸法ｂ、素子数ｎで構成され、
前記リニアサブアレーを同一周期でＹ方向に並べたリニアアレーを、Ｘ方向にＩ行（Ｉは１以上の整数）並べたものを単位リニアアレーとし、
前記単位リニアアレーをＸ方向にＷ個（Ｗは１以上の整数）配列することで前記矩形形状の配列を構成し、
それぞれの単位リニアアレーにおける同一周期をＴ（ｗ）（ｗは１以上Ｗ以下の整数）とし、それぞれの単位リニアアレーにおける１行目のリニアアレーとｉ行目（ｉは１以上Ｉ以下の整数）のリニアアレーとの間のＹ方向のずれ量をΔＺ（ｗ、ｉ）とし、配列を定めるためにすべての単位リニアアレーに共通に設定される定数をα（０＜α≦１）とした場合に、下式（１）（２）
Ｔ（ｗ）＝ｂ＋α（ｗ−１）ｂ／Ｗ（ｗ＝１、・・・、Ｗ）（１）
ΔＺ（ｗ、ｉ）＝（ｉ−１）Ｔ（ｗ）／Ｉ（ｉ＝１、・・・、Ｉ）（２）
によりそれぞれの単位リニアアレー内における周期Ｔ（ｗ）およびそれぞれの単位リニアアレー内の各行のずれ量ΔＺ（ｗ、ｉ）を決定し、前記矩形形状の配列を特定することを特徴とするアレーアンテナ。
請求項１に記載のアレーアンテナにおいて、
前記それぞれの単位リニアアレーの１行目のリニアアレーのＸ方向の配置をグレーティングローブが走査面に直交する方向に分散されて抑圧されるように決定することを特徴とするアレーアンテナ。
請求項１または２に記載のアレーアンテナにおいて、
（Ｉ×Ｗ）行からなるリニアアレーの行の順番を入れ替えて前記矩形形状の配列を最終的に特定することを特徴とするアレーアンテナ。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のアレーアンテナにおいて、
特定された前記矩形形状の配列に含まれるリニアサブアレーの中から、円形または多角形形状のアンテナ外形を有する所望の外形形状に含まれるリニアサブアレーを選択することで構成されることを特徴とするアレーアンテナ。