JP5289092B2 - アレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の素子アンテナから構成されたアレーアンテナ装置に関し、特に、主ビーム方向をブロードサイド方向から傾斜（以下、「ビームチルト」と称する）可能なアレーアンテナ装置に関する。

図８は、一般的なアレーアンテナ装置を示す構成図である。
図８において、このアレーアンテナ装置は、直線上に等間隔ｄで配列された８個の素子アンテナ５１ａ〜５１ｈを備えている。また、素子アンテナ５１ａ〜５１ｈの配列方向に沿った軸をｘ軸とし、アレーアンテナ装置のブロードサイド方向（ｘ軸に垂直な方向）をｚ軸とする。

ここで、アレーアンテナ装置の主ビーム方向をｚ軸方向（ブロードサイド方向）からｘ軸方向に所定角度θ_０だけビームチルトさせる場合には、隣接する各素子アンテナ５１ａ〜５１ｈ間に、次式（１）で表される位相差ΔＰを与えるように給電する必要がある。なお、式（１）において、ｋはアレーアンテナ装置を動作させる周波数の波数（ｋ＝２π／λ）を示している。

ΔＰ＝ｋ×ｄ×ｓｉｎθ_０ （１）

隣接する各素子アンテナ５１ａ〜５１ｈ間に位相差ΔＰを与えるためには、各素子アンテナ５１ａ〜５１ｈの給電回路に移相器を接続すればよい。しかしながら、一般的に、移相器は高価であり、また、制御回路を必要とすること等から、アレーアンテナ装置の構成が複雑になるとともに、製造コストが上昇するという問題があった。

そこで、従来のアレーアンテナ装置では、移相器を用いることなく、ＲＦスイッチの切り替えによって、主ビーム方向を特定の４方向にビームチルトさせている（例えば、特許文献１参照）。

また、主ビーム方向のビームチルト角が特定の角度に固定されているような場合には、給電線路の一部に位相遅延線路を挿入することにより、移相器を用いることなく、上述した位相差ΔＰを実現することができる。
図９は、位相遅延線路を用いて主ビーム方向をビームチルトさせるアレーアンテナ装置を示す構成図である。

図９において、このアレーアンテナ装置は、直線上に配列された８個の素子アンテナ５１ａ〜５１ｈを備えている。また、素子アンテナ５１ａ〜５１ｈには、各素子アンテナ５１ａ〜５１ｈに給電を行う給電線路５２が接続されている。また、各素子アンテナ５１ｂ〜５１ｈと給電線路５２との間には、互いに種類の異なる位相遅延線路５３ａ〜５３ｇがそれぞれ挿入されている。そして、給電線路５２と位相遅延線路５３ａ〜５３ｇとで、アレーアンテナ装置の給電回路が構成されている。

ここで、位相遅延線路５３ａは、位相差ΔＰを与え、位相遅延線路５３ｂは、位相差２ΔＰを与え、以下、位相遅延線路５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ、５３ｆ、５３ｇは、それぞれ位相差３ΔＰ、４ΔＰ、５ΔＰ、６ΔＰ、７ΔＰを与える。
これにより、隣接する各素子アンテナ５１ａ〜５１ｈ間に位相差ΔＰを与えることができ、移相器を用いることなく、アレーアンテナ装置の主ビーム方向をビームチルトさせることができる。

しかしながら、図９のアレーアンテナ装置では、主ビーム方向をビームチルトさせるための構造を、比較的低コスト、かつ簡素な構成で実現することができるものの、多種類（ここでは、７種類）の位相遅延線路を用意する必要があるという問題があった。

そこで、上記の問題を解決するものとして、図１０に示すようなアレーアンテナ装置が提案されている。
図１０は、位相遅延線路を用いて主ビーム方向をビームチルトさせるアレーアンテナ装置を示す別の構成図である。

図１０において、このアレーアンテナ装置は、直線上に配列された８個の素子アンテナ５１ａ〜５１ｈを備えている。また、素子アンテナ５１ａ〜５１ｈには、各素子アンテナ５１ａ〜５１ｈに給電を行う給電線路５２が接続されている。なお、給電線路５２は、３段階でそれぞれ２つの線路に分岐して素子アンテナ５１ａ〜５１ｈに接続されている。

ここで、給電線路５２の１段階目の分岐箇所で分岐した一方の線路には、位相差４ΔＰを与える位相遅延線路５３ｄが挿入されている。また、給電線路５２の２段階目の分岐箇所で分岐した一方の線路には、それぞれ位相差２ΔＰを与える位相遅延線路５３ｂが挿入されている。また、給電線路５２の３段階目の分岐箇所で分岐した一方の線路には、それぞれ位相差ΔＰを与える位相遅延線路５３ａが挿入されている。

そして、給電線路５２と位相遅延線路５３ａ、５３ｂ、５３ｄとで、アレーアンテナ装置の給電回路が構成されている。
これにより、隣接する各素子アンテナ５１ａ〜５１ｈ間に位相差ΔＰを与えることができ、移相器を用いることなく、アレーアンテナ装置の主ビーム方向をビームチルトさせることができる。

特開２００８−０６０８９７号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
図１０のアレーアンテナ装置では、使用する位相遅延線路の種類を低減することができるものの、給電線路を多段に構成するとともに、分岐した段階毎に位相遅延線路を挿入する必要がある。そのため、給電線路の全長が長くなって構成が複雑になるという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、使用する位相遅延線路の種類を低減するとともに、簡素な構成で主ビーム方向をビームチルトさせることができるアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアレーアンテナ装置は、直線上に等間隔で配列された複数の素子アンテナを備え、主ビーム方向をブロードサイド方向から所望の角度だけ傾斜可能なアレーアンテナ装置であって、Ｘ個（Ｘは３以上の整数）の素子アンテナを１単位として、１単位中の素子アンテナのうち２個目からＸ個目までの素子アンテナには、素子アンテナに供給される電力の位相を遅延させて出力する位相遅延線路が接続され、位相遅延線路は、隣接する素子アンテナとの位相差が、２πＹ／Ｘ（Ｙは１以上の整数、Ｙ／Ｘは１／２の整数倍以外の数）となるように位相を遅延させるものである。

この発明に係るアレーアンテナ装置によれば、Ｘ個（Ｘは３以上の整数）１単位の素子アンテナのうち２個目からＸ個目までの素子アンテナには、位相遅延線路が接続され、位相遅延線路は、隣接する素子アンテナとの位相差が、２πＹ／Ｘ（Ｙは１以上の整数、Ｙ／Ｘは１／２の整数倍以外の数）となるように位相を遅延させる。
これにより、同一の位相遅延線路を周期的に繰り返し使用することができるようになり、使用する位相遅延線路の種類を低減するとともに、簡素な構成で主ビーム方向をビームチルトさせることができる。

この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置を示す別の構成図である。 この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す構成図である。 共平面マイクロストリップアレーアンテナを示す構成図である。 一層構造導波管スロットアレーアンテナを示す構成図である。 この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す別の構成図である。 一般的なアレーアンテナ装置を示す構成図である。 位相遅延線路を用いて主ビーム方向をビームチルトさせるアレーアンテナ装置を示す構成図である。 位相遅延線路を用いて主ビーム方向をビームチルトさせるアレーアンテナ装置を示す別の構成図である。

以下、この発明のアレーアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置を示す構成図である。
図１において、このアレーアンテナ装置は、直線上に等間隔ｄで配列された８個の素子アンテナ１ａ〜１ｈを備えている。また、素子アンテナ１ａ〜１ｈの配列方向に沿った軸をｘ軸とし、アレーアンテナ装置のブロードサイド方向（ｘ軸に垂直な方向）をｚ軸とする。ここでは、アレーアンテナ装置の主ビーム方向をｚ軸方向（ブロードサイド方向）からｘ軸方向に所定角度θ_０だけビームチルトさせるとする。

また、素子アンテナ１ａ〜１ｈには、各素子アンテナ１ａ〜１ｈに給電を行う給電線路２が接続されている。
また、素子アンテナ１ｂ、１ｆと給電線路２との間には、位相差ΔＰを与える位相遅延線路３ａがそれぞれ挿入されている。また、素子アンテナ１ｃ、１ｇと給電線路２との間には、位相差２ΔＰを与える位相遅延線路３ｂがそれぞれ挿入されている。また、素子アンテナ１ｄ、１ｈと給電線路２との間には、位相差３ΔＰを与える位相遅延線路３ｃがそれぞれ挿入されている。

すなわち、位相遅延線路３ａ〜３ｃは、それぞれ４個の素子アンテナ１ａ〜１ｄおよび素子アンテナ１ｅ〜１ｈを１単位として、１単位中の素子アンテナのうち、２個目から４個目までの素子アンテナにそれぞれ接続されている。また、位相遅延線路３ａ〜３ｃは、素子アンテナ１ａ〜１ｈのすぐ背面に挿入されている。そして、給電線路２と位相遅延線路３ａ〜３ｃとで、アレーアンテナ装置の給電回路が構成されている。
ここで、位相遅延線路３ａ〜３ｃは、次式（２）を満たすように位相差ΔＰ（２ΔＰ、３ΔＰ）を与える。

ΔＰ＝２π／Ｎ （２）

式（２）において、Ｎは、上記１単位中の素子アンテナの数であり、図１のアレーアンテナ装置では、Ｎ＝４である。
このとき、位相遅延線路３ａはπ／２の位相差を与え、位相遅延線路３ｂはπの位相差を与え、位相遅延線路３ｃは３π／２の位相差を与えることとなる。したがって、隣接する各素子アンテナ１ａ〜１ｈ間に与えられる位相差ΔＰは、π／２となり、主ビーム方向をビームチルトさせることができる。
また、素子アンテナ１ａから素子アンテナ１ｅまでの間に、１周期分の位相差が発生していることが分かる。これにより、同一の位相遅延線路３ａ〜３ｃを周期的に繰り返し使用することができるようになる。

なお、上記式（２）において、Ｎ＝１とした場合には、素子アンテナ１ａ〜１ｈを全て同相で励振し、また、Ｎ＝２とした場合には、隣接する素子アンテナ１ａ〜１ｈを逆相（０およびπ）で励振することになる。そのため、両者とも主ビーム方向をビームチルトすることができないので、Ｎは３以上の整数とする。
また、素子アンテナ全体の数および１単位中の素子アンテナの数Ｎは、それぞれ８および４に限定されず、素子アンテナ全体の数が１単位中の素子アンテナの数Ｎよりも多く、１単位中の素子アンテナの数Ｎが３以上の整数であれば、別の値であってもよい。

ここで、主ビーム方向のビームチルト角θ_０は、上記式（１）および式（２）から、次式（３）のように表される。なお、式（３）において、λは、アレーアンテナ装置を動作させる周波数の波長を示している。

θ_０＝ｓｉｎ^−１（λ／（Ｎ×ｄ）） （３）

式（３）より、上記１単位中の素子アンテナの数Ｎの選択に加えて、隣接する素子アンテナとの間隔ｄを調整することにより、所望のビームチルト角θ_０を実現することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、Ｎ個（Ｎは３以上の整数）１単位の素子アンテナのうち２個目からＮ個目までの素子アンテナには、位相遅延線路が接続され、位相遅延線路は、隣接する素子アンテナとの位相差が、２π／Ｎとなるように位相を遅延させる。
これにより、同一の位相遅延線路を周期的に繰り返し使用することができるようになり、使用する位相遅延線路の種類を低減するとともに、簡素な構成で主ビーム方向をビームチルトさせることができる。
また、位相遅延線路および給電線路からなる給電回路が、複数の素子アンテナが配列される面に対して、主ビーム方向の反対側に形成されているので、平面積の小さなアレーアンテナ装置を得ることができる。そのため、取り付け箇所の平面積が小さい場合でも、取り付けを容易に行うことができる。

なお、上記実施の形態１では、給電線路２の電力分配構成を並列接続としたが、これに限定されず、図２に示すように、トーナメント状（多段）に形成してもよい。
ここで、給電線路２の電力分配構成を並列接続とした場合には、給電線路２の段数および線路長を減らすことができるので、給電線路２の損失を低減してアレーアンテナ装置の利得の低下を防止することができる。

一方、給電線路２の電力分配構成をトーナメント状にした場合には、素子アンテナ１ａ〜１ｈに供給される電力の分配比を、特別な設計なしに全て等しくすることができるので、設計手順を簡略化することができる。
また、並列接続の電力分配構成とトーナメント状の電力分配構成とを組み合わせて給電線路を構成してもよい。

また、上記実施の形態１では、上記式（２）において、Ｎを３以上の整数としたが、これに限定されない。位相遅延線路は、隣接する各素子アンテナ間に、次式（４）を満たすように位相差ΔＰを与えてもよい。なお、式（４）において、Ｋは、１以上の整数であり、Ｌは、２Ｋ＋１以上で、かつ素子アンテナ全体の数よりも小さな整数である。

ΔＰ＝２πＫ／Ｌ （４）

以下、Ｋ＝２とし、Ｌ＝５とした場合について、具体的に説明する。
このとき、位相遅延線路によって与えられる位相差（ΔＰ、２ΔＰ、・・・）は、４π／５、８π／５、１２π／５（＝２π／５）、１６π／５（＝６π／５）、２０π／５（＝０）、２４π／５（＝４π／５）、２８π／５（＝８π／５）・・・と変化する。この結果より、５個の位相遅延線路を１単位として、同じ位相差が周期的に繰り返されることが分かる。
したがって、この場合には、位相遅延器によって与えられる位相差ΔＰの選択肢が増えるので、設計の自由度を高めることができる。

なお、上述したもの以外にも、Ｘ個（Ｘは３以上の整数）１単位の素子アンテナのうち２個目からＸ個目までの素子アンテナに位相遅延線路を接続し、隣接する素子アンテナとの位相差が、２πＹ／Ｘ（Ｙは１以上の整数、Ｙ／Ｘは１／２の整数倍以外の数）となるように位相遅延線路が位相を遅延させることにより、同一の位相遅延線路を周期的に繰り返し使用することができるようになり、使用する位相遅延線路の種類を低減するとともに、簡素な構成で主ビーム方向をビームチルトさせることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、複数個の素子アンテナを直線上に１次元状に配列したが、素子アンテナは、平面上に２次元状に配列されてもよい。
図３は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置を示す構成図である。なお、上述した実施の形態１と同様の構成については、説明を省略する。
図３において、上述したｘ軸およびｚ軸に対して直交する方向をｙ軸とする。

また、図３において、このアレーアンテナ装置は、各素子アンテナ１ａ〜１ｈがそれぞれ４個ずつｙ軸方向に配列されて形成されたサブアレー４ａ〜４ｈを備えている。また、サブアレー４ａ〜４ｈには、各サブアレー４ａ〜４ｈに給電を行う給電線路２が接続されている。また、サブアレー４ａ、４ｆ、サブアレー４ｃ、４ｇおよびサブアレー４ｄ、４ｈと給電線路２との間には、位相遅延線路３ａ、位相遅延線路３ｂおよび位相遅延線路３ｃがそれぞれ挿入されている。

以上のように、実施の形態２によれば、複数の素子アンテナの配列方向およびブロードサイド方向に対して直交する方向に素子アンテナを配列し、サブアレーを形成することにより、２次元状のアレーを形成することができ、任意の開口径を有するアレーアンテナ装置を得ることができる。

なお、上記実施の形態２では、サブアレー４ａ〜４ｈ内の給電線路の電力分配構成をトーナメント状（多段）に形成しているが、これに限定されず、並列接続としてもよい。
この場合も、上述したものと同様に、給電線路の電力分配構成を並列接続とした場合には、アレーアンテナ装置の利得の低下を防止することができ、給電線路の電力分配構成をトーナメント状にした場合には、設計手順を簡略化することができる。
また、並列接続の電力分配構成とトーナメント状の電力分配構成とを組み合わせて給電線路を構成してもよい。

また、上記実施の形態２において、各サブアレー４ａ〜４ｈ内の各素子アンテナ１ａ〜１ｈには、全て同位相の電力が給電されているが、これに限定されない。サブアレー４ａ〜４ｈ内に位相遅延線路を挿入することにより、アレーアンテナ装置の主ビーム方向をｚ軸方向からｙ軸方向にもビームチルトさせてもよい。
この場合には、２次元の方向でアレーアンテナ装置の主ビーム方向をビームチルトさせることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、給電線路２および位相遅延線路３ａ〜３ｃからなる給電回路が、素子アンテナ１ａ〜１ｈのすぐ背面（ｚ軸負側方向）に形成されていたが、給電回路は、素子アンテナ１ａ〜１ｈおよびサブアレー４ａ〜４ｈが形成されるｘｙ平面上に形成されてもよい。

図４は、この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す構成図である。なお、上述した実施の形態１、２と同様の構成については、説明を省略する。
図４において、給電線路２および位相遅延線路３ａ〜３ｃからなる給電回路は、素子アンテナ１ａ〜１ｈおよびサブアレー４ａ〜４ｈが形成されるｘｙ平面上であって、素子アンテナ１ａ〜１ｈの配列方向（ｘ軸方向）に対して直交する方向（ｙ軸方向）に伸張するように形成されている。

このようなアレーアンテナ装置の具体例としては、図５に示す共平面マイクロストリップアレーアンテナが挙げられる。
図５において、この共平面マイクロストリップアレーアンテナは、マイクロストリップアンテナ５と、マイクロストリップ給電線路６と、互いに種類の異なる位相遅延線路７ａ〜７ｃとを備えている。
ここで、位相遅延線路７ａ〜７ｃは、マイクロストリップ給電線路６の一部を蛇行して実現されている。

また、このようなアレーアンテナ装置の別の具体例として、図６に示す一層構造導波管スロットアレーアンテナが挙げられる。
図６において、この一層構造導波管スロットアレーアンテナは、導波管８によって形成されている。また、導波管８の広壁面には、放射スロット９が設けられている。また、互いに種類の異なる位相遅延線路１０ａ〜１０ｃは、導波管８の幅広面の幅の一部を変更することによって実現されている。

以上のように、実施の形態３によれば、位相遅延線路および給電線路からなる給電回路が、複数の素子アンテナが配列される面と同じ面上であって、複数の素子アンテナの配列方向に対して直交する方向に形成されているので、低姿勢なアレーアンテナ装置を得ることができる。

なお、実施の形態３（図４〜６）では、給電回路が全て素子アンテナ１ａ〜１ｈから見て一方側のみに形成されているが、これに限定されない。給電回路は、図７に示すように、給電線路の一部が素子アンテナ１ａ〜１ｈの一方側（ｙ軸負側方向）に形成され、給電回路の残りの部分が素子アンテナ１ａ〜１ｈの他方側（ｙ軸正側方向）に形成されて、給電回路が素子アンテナ１ａ〜１ｈを挟み込むように配置されてもよい。

例えば、導波管のような立体的な構造を給電回路として用いる場合には、給電線路および位相遅延線路を素子アンテナの一方側のみに密に配置することが困難で、アレーアンテナ装置の製造性が悪化する恐れがある。
このような場合に、給電回路を素子アンテナの両側に分解して配置することにより、給電回路の実装を容易にすることができる。
また、図７では、給電回路への給電口が２箇所に分かれているが、アンテナを多層化し、アンテナの背面に２箇所の給電口を合成する回路を設けることにより、１箇所の給電点から給電回路に電力を供給することができる。

１ａ〜１ｈ 素子アンテナ、２ 給電線路、３ａ〜３ｃ 位相遅延線路、４ａ〜４ｈ サブアレー。

Claims (8)

1. 直線上に等間隔で配列された複数の素子アンテナを備え、主ビーム方向をブロードサイド方向から所望の角度だけ傾斜可能なアレーアンテナ装置であって、
   Ｘ個（Ｘは３以上の整数）の素子アンテナを１単位として、１単位中の素子アンテナのうち２個目からＸ個目までの素子アンテナには、素子アンテナに供給される電力の位相を遅延させて出力する位相遅延線路が接続され、
   前記位相遅延線路は、隣接する素子アンテナとの位相差が、２πＹ／Ｘ（Ｙは１以上の整数、Ｙ／Ｘは１／２の整数倍以外の数）となるように位相を遅延させることを特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアレーアンテナ装置において、
   Ｘは２Ｙ＋１以上の整数であることを特徴とするアレーアンテナ装置。
3. 前記複数の素子アンテナの配列方向および前記ブロードサイド方向に対して直交する方向にも素子アンテナを配列し、サブアレーを形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアレーアンテナ装置。
4. 前記位相遅延線路および前記複数の素子アンテナに電力を供給する給電線路からなる給電回路が、前記複数の素子アンテナが配列される面に対して、前記主ビーム方向の反対側に形成されることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のアレーアンテナ装置。
5. 前記位相遅延線路および前記複数の素子アンテナに電力を供給する給電線路からなる給電回路が、前記複数の素子アンテナが配列される面と同じ面上であって、前記複数の素子アンテナの配列方向に対して直交する方向に形成されることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のアレーアンテナ装置。
6. 前記給電回路の一部が、前記複数の素子アンテナの配列方向に対して直交する方向の一方側に形成され、前記給電回路の残りの部分が、前記複数の素子アンテナの配列方向に対して直交する方向の他方側に形成されることを特徴とする請求項５に記載のアレーアンテナ装置。
7. 前記給電線路は、前記素子アンテナまたは前記位相遅延線路を並列に接続することを特徴とする請求項４から請求項６までの何れか１項に記載のアレーアンテナ装置。
8. 前記給電線路は、多段に分岐して前記素子アンテナまたは前記位相遅延線路を接続することを特徴とする請求項４から請求項６までの何れか１項に記載のアレーアンテナ装置。

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