JP5523197B2 - フェーズド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を有し、各素子アンテナに位相差を設定して主ビーム方向を電子的に走査するフェーズドアレーアンテナ装置に関し、特に、素子アンテナとして平衡型アンテナを用いたフェーズドアレーアンテナ装置に関する。

図６に従来の平衡型アンテナの構成を模式的に示す。図６において、１１ａ，１１ｂは、一対の放射部１１を形成する一対の導体である。１２ａ，１２ｂは、一対の給電線路１２を形成する一対の導体である。１３は、アンテナの給電部（給電点）である。放射部１１と給電部１３とは、給電線路１２を介して互いに接続されている。１４は、素子アンテナの中心位置を通る中心線である。放射部１１と給電線路１２との全体の形状は、中心線１４を対称軸として線対称な形状である。放射部１１、給電線路１２及び給電部１３は、平衡型アンテナ１０を構成している。

ここで、放射部１１を形成する各導体１１ａ，１１ｂに、互いに等振幅で、かつ互いに逆相となる電流（以下、「平衡モード電流」という。）が流れるように、また、給電線路１２を形成する各導体１２ａ，１２ｂに平衡モード電流が流れるように、給電部１３が放射部１１を励振する。図６の２１ａ，２１ｂは、放射部１１を形成する各導体１１ａ，１１ｂに流れる平衡モード電流を表し、図６の２２ａ，２２ｂは、給電線路１２を形成する各導体１２ａ，１２ｂに流れる平衡モード電流を表す。

図７には、図６の平衡型アンテナ１０を直線状あるいは平面状に並べてアレー化し、かつ各アンテナ１０の給電部１３に移相器を設けてなるフェーズドアレーアンテナ装置を示す。図７において、１００は各アンテナ１０の給電部１３に接続された接続ケーブルであり、１０１は移相器であり、１０２は分配／合成回路である。複数の平衡型アンテナ１０は、所定の間隔をおいて配列されている。このようなフェーズドアレーアンテナ装置では、複数の平衡型アンテナ１０のそれぞれに設けられた移相器１０１によって、位相差をつけて放射部１１を励振することにより、フェーズドアレーアンテナ装置の主ビームを電子的に走査することが可能である。

ここで、平衡型アンテナ１０を素子アンテナとして用いて、フェーズドアレーアンテナ装置を構成した際、フェーズドアレーアンテナ装置の動作時において、放射部１１及び給電線路１２に新たに不平衡モード電流が誘起される場合がある。これは、主に隣接素子間の相互結合の影響によるものであり、特に、主ビーム方向をフェーズドアレーアンテナ装置のボアサイト方向から傾斜させた場合にその影響が顕著になる。このような不平衡モード電流がアンテナ本来の平衡モード電流に重畳してしまうと、アンテナの放射パターン形状が乱されたり、アンテナの利得が低下したりする等の問題が生じる。

また、例えば特許文献１には、対数周期ダイポールアンテナ（以下、「ログペリアンテナ」という。）をアレー化した場合に、アンテナの放射部（ダイポールエレメント）と放射部同士とを接続する給電線路（平行２線線路）上に不平衡モード電流が流れる現象が説明されている。このような現象に対して、例えば特許文献１に示すような従来装置では、平行２線線路の外側に、アンテナ動作帯域において損失性を有する物質を塗布又は装着することによって、不平衡モード電流のみを選択的に減衰させる。

特許第３７４４２９６号公報

しかしながら、上記の特許文献１に示すような従来装置では、アンテナ動作帯域において損失性を有する物質が、平衡モード電流に対して全く影響が無いとはいえない。つまり、平衡モード電流成分も、アンテナ動作帯域において損失性を有する物質によって少なからず吸収されてしまう。このため、アンテナの利得が低下するといった問題がある。

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、アンテナの利得を低下させずに、不平衡モード電流のみを抑圧することができるフェーズドアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明のフェーズドアレーアンテナ装置は、直線状あるいは平面状に並べられた複数の素子アンテナと、前記複数の素子アンテナにそれぞれ設けられた複数の移相器とを備えるものであって、前記素子アンテナは、当該素子アンテナの中心位置を通る中心線を対称軸として線対称な形状であり、かつ一対の放射部をなす一対の導体と、前記中心線を対称軸として線対称な形状であり、前記一対の放射部にそれぞれ接続された一対の給電線路と、前記一対の放射部に互いに等振幅でかつ互いに逆相の電流が流れるように、前記一対の放射部を励振する給電部と、前記一対の放射部及び前記一対の給電線路と非接触状態となるように前記中心線に沿って設けられ、かつ前記中心線を対称軸として線対称な形状の金属導体とを有し、前記中心線に沿って設けられる前記金属導体は、前記一対の放射部の間、かつ前記一対の給電線路の間に配置されるものである。

この発明のフェーズドアレーアンテナ装置によれば、金属導体が、一対の放射部及び一対の給電線路と非接触状態となるように素子アンテナの中心線に沿って設けられ、その金属導体の形状が、素子アンテナの中心線を対称軸として線対称な形状であるので、一対の給電線路に不平衡モード電流が流れた際に、その不平衡モード電流によって、その不平衡モード電流とは逆相の電流が金属導体に誘起されることから、アンテナの利得を低下させずに、不平衡モード電流のみを抑圧することができる。

この発明の実施の形態１によるフェーズドアレーアンテナ装置の素子アンテナを模式的に示す構成図である。 図１の金属導体に流れる平衡モード電流を説明するための説明図である。 図１の金属導体に流れる不平衡モード電流を説明するための説明図である。 この発明の実施の形態２によるフェーズドアレーアンテナ装置の素子アンテナとしてのプリントダイポールアンテナを示す分解斜視図である。 この発明の実施の形態３によるフェーズドアレーアンテナ装置の素子アンテナとしてのテーパスロットアンテナを示す斜視図である。 従来の平衡型アンテナを模式的に示す構成図である。 図６の平衡型アンテナを素子アンテナとするフェーズドアレーアンテナ装置を模式的に示す構成図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるフェーズドアレーアンテナ装置の素子アンテナを模式的に示す構成図である。なお、図６と同様の構成については、同一符号を付して説明を省略する。
図１において、３０は、金属導体である。金属導体３０は、中心線１４に沿って、一対の放射部１１及び一対の給電線路１２と接しないように、即ち一対の放射部１１及び一対の給電線路１２と非接触状態で配置されている。

また、金属導体３０の形状は、棒状又は板状であり、中心線１４を対称軸として線対称となるような形状である。さらに、金属導体３０は、例えば誘電体等からなるスペーサ（図示せず）を介して、一対の給電線路１２又は給電部１３から支持されている。なお、図１に示す平衡型アンテナ１０は、図７に示すようなフェーズドアレーアンテナ装置における素子アンテナをなしている。

次に、動作について説明する。金属導体３０を、一対の放射部１１及び一対の給電線路１２の近傍に配置することによって、例えば図２に示すように、給電線路１２を形成する各導体１２ａ，１２ｂに流れる平衡モード電流２２ａ，２２ｂによって、金属導体３０には、電流２３ａ，２３ｂがそれぞれ誘起される。

ここで、平衡モード電流２２ａ，２２ｂが互いに逆相であり、金属導体３０に誘起される電流２３ａ，２３ｂも互いに逆相になる。このため、電流２３ａ，２３ｂは、互いに相殺され、結果として金属導体３０には、電流が流れない。これにより、平衡モード電流２２ａ，２２ｂにとって、金属導体３０の影響は無く、元から何も無い状態に等しい。

次に、フェーズドアレーアンテナ装置の素子間結合等の影響によって、平衡型アンテナ１０に不平衡電流が流れる様子を図３に示す。図３において、３１ａ，３１ｂは、放射部１１を形成する各導体１１ａ，１１ｂに流れる不平衡モード電流である。３２ａ，３２ｂは、給電線路１２を形成する各導体１２ａ，１２ｂに流れる不平衡モード電流を表す。また、３３ａ，３３ｂは、不平衡モード電流によって金属導体３０に誘起される電流を表す。

図３に示すような状態では、不平衡モード電流３２ａ，３２ｂが互いに同相であるため、金属導体３０に誘起される電流３３ａ，３３ｂも互いに同相である。この結果、金属導体３０には、一定の電流が流れる。ただし、給電線路１２を形成する各導体１２ａ，１２ｂに流れる不平衡モード電流３２ａ，３２ｂと、金属導体３０に誘起される電流３３ａ，３３ｂとは、互いに逆相の関係である。このため、給電線路１２と金属導体３０との全体で見ると不平衡モード電流同士が相殺される。この結果、不平衡モード電流の影響は抑圧され、アンテナの放射パターン形状が乱されたり、アンテナの利得が低下したりする等の問題を回避することができる。

従って、上記のような実施の形態１によれば、金属導体３０が、一対の放射部１１及び一対の給電線路１２と非接触状態となるように、平衡型アンテナ１０の中心線１４に沿って設けられ、その金属導体３０の形状が、平衡型アンテナ１０の中心線１４を対称軸として線対称な形状である。この構成により、一対の給電線路１２に不平衡モード電流３２ａ，３２ｂが流れた際に、その不平衡モード電流３２ａ，３２ｂによって、その不平衡モード電流３２ａ，３２ｂとは逆相の電流３３ａ，３３ｂが金属導体３０に誘起されることから、アンテナの利得を低下させずに、不平衡モード電流のみを抑圧することができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、プリントダイポールアンテナを、素子アンテナ（平衡アンテナ）として用いる構成について説明する。図４は、この発明の実施の形態２によるフェーズドアレーアンテナ装置の素子アンテナとしてのプリントダイポールアンテナを示す分解斜視図である。ここで、図４は、ダイポールアンテナ５１を分解した状態を示しており、使用状態では２枚の誘電体基板４０が貼り合わされている。

図４において、４０は、誘電体基板である。５１ａ，５１ｂは、ダイポールアンテナ５１の放射部及び給電線路を形成する導体である。導体５１ａは、２枚の誘電体基板４０のうちの一方の上面に形成されている。導体５１ｂは、２枚の誘電体基板４０のうちの他方の底面に形成されている。金属導体３０は、２枚の誘電体基板４０に挟まれた面に形成されている。即ち、実施の形態２の金属導体３０は、誘電体基板４０の厚さ方向で導体５１ａ，５１ｂと非接触状態で配置されている。なお、他の構成は、実施の形態１と同様であり、導体５１ａ，５１ｂは、実施の形態１と同様に給電部（図示せず）に接続されている。

上記のような実施の形態２では、プリントダイポールアンテナ５１を、素子アンテナとして用いた場合であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

なお、実施の形態２では、誘電体基板４０を有するプリントダイポールアンテナを、素子アンテナとして用いた構成について説明した。しかしながら、金属導体３０を支持するためのスペーサを誘電体基板４０に代えて有するダイポールアンテナを、素子アンテナとして用いてもよい。また、ダイポールアンテナの複数組の放射部（ダイポールエレメント）を対数周期的に配列してなるログペリアンテナを、素子アンテナとして用いてもよい。

実施の形態３．
実施の形態３では、テーパスロットアンテナを、素子アンテナ（平衡アンテナ）として用いる構成について説明する。図５は、この発明の実施の形態３によるフェーズドアレーアンテナ装置の素子アンテナとしてのテーパスロットアンテナを示す斜視図である。

図５において、６１ａ，６１ｂは、テーパスロットアンテナ６１の放射部及び給電線路を形成する導体である。導体６１ａ，６１ｂは、誘電体基板４０の表面（図５の上面）に形成されている。実施の形態３の金属導体３０は、誘電体基板４０の表面における導体６１ａ，６１ｂと同じ面に、導体６１ａ，６１ｂと非接触状態となるように形成されている。なお、他の構成は、実施の形態１と同様であり、導体６１ａ，６１ｂは、実施の形態１と同様に給電部（図示せず）に接続されている。

上記のような実施の形態３では、テーパスロットアンテナ６１を、素子アンテナとして用いた場合であっても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

１０ 平衡型アンテナ（素子アンテナ）、１１ 放射部、１１ａ，１１ｂ 導体、１２ 給電線路、１２ａ，１２ｂ 導体、１３ 給電部、１４ 中心線、３０ 金属導体、４０ 誘電体基板、５１ ダイポールアンテナ（素子アンテナ）、５１ａ，５１ｂ 導体、６１ テーパスロットアンテナ（素子アンテナ）、６１ａ，６１ｂ 導体、１００ 接続ケーブル、１０１ 移相器、１０２ 分配／合成回路。

Claims (5)

1. 直線状あるいは平面状に並べられた複数の素子アンテナと、
   前記複数の素子アンテナにそれぞれ設けられた複数の移相器と
   を備えるフェーズドアレーアンテナ装置であって、
   前記素子アンテナは、
   当該素子アンテナの中心位置を通る中心線を対称軸として線対称な形状であり、かつ一対の放射部をなす一対の導体と、
   前記中心線を対称軸として線対称な形状であり、前記一対の放射部にそれぞれ接続された一対の給電線路と、
   前記一対の放射部に互いに等振幅でかつ互いに逆相の電流が流れるように、前記一対の放射部を励振する給電部と、
   前記一対の放射部及び前記一対の給電線路と非接触状態となるように前記中心線に沿って設けられ、かつ前記中心線を対称軸として線対称な形状の金属導体と
   を有し、
   前記中心線に沿って設けられる前記金属導体は、前記一対の放射部の間、かつ前記一対の給電線路の間に配置される
   ことを特徴とするフェーズドアレーアンテナ装置。
2. 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記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
3. 前記素子アンテナは、前記一対の導体を複数組有し、前記複数組の導体が対数周期的に配列された対数周期ダイポールアンテナである
   ことを特徴とする請求項１記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
4. 前記素子アンテナは、テーパスロットアンテナである
   ことを特徴とする請求項１記載のフェーズドアレーアンテナ装置。
5. 前記一対の放射部、前記一対の給電線路、及び前記金属導体は、誘電体基板に形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のフェーズドアレーアンテナ装置。

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