JP5838465B2 - マルチビームアンテナ装置 - Google Patents
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Description
である。
の関係式を満足するようにロトマンレンズの形状を決定して、ロトマンレンズの大きさGをβ=αの限定条件で設計した基本設計寸法未満の大きさとしたことを特徴とする。
前記入力端子または前記出力端子の素子列数nを決定する段階と、
前記素子列の配置間隔Pを決定する段階と、
前記ビームのビーム数及びビームステップ角を決定する段階と、
空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点S2と前記複数の入力端子の1つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとしたとき、β<αとなるようαに対するβの比を設定する段階と、
b2−4ac=0となるFxを算出する段階と、
F値を決定する段階と、
G値を決定する段階と、
前記素子数nに対応するN個の出力端子座標(x,y)、及び各出力端子の補正線路位相wを算出する段階と
からなる設計ステップによって設計されたことにより、
S3を、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点とし、ロトマンレンズの大きさGをS2とS3との距離としたとき、Gをβ=αの条件で設計した場合のロトマンレンズの大きさよりも小さくなるよう前記ロトマンレンズの形状が決定されたことを特徴とする。
ただし、
であり、
である。
本発明にかかるマルチビームアンテナ装置において、空間でのアレーアンテナ(5)のビーム形成方向βが、出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び中心線(8)の交点S2と入力端子とを結ぶ線と、中心線(8)とがなす仰角αに対して、β<αの条件において、S3は、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点とし、Fは入力端子(21)とS2との距離、GはS2とS3との距離でロトマンレンズの大きさ、2Lnはアレーアンテナ(5)の開口長としたとき、第6式の関係式を満足するようにロトマンレンズの形状を決定して、ロトマンレンズの大きさGをβ=αの限定条件で設計した基本設計寸法未満の大きさとしたことを特徴とする。
の範囲が望ましい。また、アンテナ素子(41),(42),・・・(4n)の数が増えてアレーアンテナ(5)の開口2Lnが大きくなった場合は、入力端子(21)とS2との距離Fは、2Lnに比例して大きくなり、結果としてロトマンレンズの基本設計寸法Gは大きくなる。
の範囲で望ましい設計が可能となる。この場合、β=αの限定条件で設計したロトマンレンズの基本設計寸法Gに対して、1/2倍の寸法で設計できる。
次に、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置における各部材の寸法等からみた実施例を、図2に沿って説明する。スロット板(50)、第1の地導体(53)、第2の地導体(13)、金属スペーサ(51a,51b)、金属スペーサ(11a,11b)は、厚さ0.3mmのアルミ板を用いた。また、基板支持誘電体(71a,71b)は、厚さ0.3mmで比誘電率約1.1の発泡ポリエチレンフォームを用いた。アンテナ基板(52)及びロトマンレンズ基板(12)は、ポリイミドフィルム(例えば、厚み25μm)に銅箔(例えば、厚み25μm)を貼り合わせたフレキシブル基板を用い、不要な銅箔をエッチングで除去して放射素子(56)、給電線路(57)、第1の接続部(58)及びロトマンレンズ(1)、伝送線路部(7)、伝送線路(7)の接続端子部(16)、入力端子部(17)を形成した。地導体とスロット板及び金属スペーサは、すべてアルミ板に機械プレスで打ち抜き加工したものを用いた。
さらに、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置では、図5に示すように、入力端子(521),(522),・・・(52m)の接続部を2分岐伝送線路として電力を分散供給することにより、各入力端子からロトマンレンズ(1)内部に給電された電力を出力端子(531),(532),・・・(53n)の中央部に集中させて、ロトマンレンズ(1)の出力端子が配置される部分曲線の出力端子(531),(532),・・・(53n)の無い領域への電力の拡散を抑制して、不要な内部反射成分を低減することで、アレーアンテナ(5)の放射ビームのサイドローブ特性の悪化を抑制することができる。また、特に入力端子(521)や(52m)のように入力端子が配置される部分曲線の端部から入力する場合、接続部の2分岐伝送線路に位相差を設けて電力供給することにより、ロトマンレンズ(1)内部に給電された電力の伝播方向性を制御することができ、出力端子(531),(532),・・・(53n)の中央部に集中させて、アレーアンテナ(5)の放射ビームのサイドローブ特性の悪化を抑制することができる。
なお、かかる効果は、図6に示した効果を何ら損なうものではなく、むしろ相乗するものである。
背景技術の欄で述べたように、ロトマンの考え方に基づくレンズ設計は、通常、β=αの条件のもとで設計される。また、本発明の特徴は、β<αの条件において、既に述べたロトマンの変形手法を用いて従来のロトマンレンズ設計に基づいたレンズ設計を可能としたことである。すなわち、β<αの条件においては、β(アンテナ素子側の放射角度)がα(ロトマンレンズ側のビーム角度)よりも小さいため、本発明は、狭角度に対して高い解像度を必要とする場合に特に有効である。例えば、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置を車両に搭載した場合、車両正面に対して垂直な向きを0度として左右15度程度までの範囲(つまり、左右トータルで30度程度までの開き角を有する)に対して鋭敏な検知能力を発揮できるので好適である。
すなわち、本発明にかかるアンテナ装置は、車載用アンテナ装置等に求められる理想的な電力分布及び位相分布を得ることができる。
個々に励振でき、電力を供給する複数個の入力素子と上記電力を取り出す複数個の出力素子を備えた平行平板と、
複数個の素子アンテナで構成され、空間に電波を放射するアレーアンテナとを結ぶ伝送線路と
からなり、
入力素子が配列される曲線上の三つの焦点をもとに、上記出力素子が配列される曲線および伝送線路の長さを決定し、
所定の入力素子を励振したときその入力素子に対応した角度方向にビームが放射されるようにしたアンテナ装置において、上記入力素子が配列される曲線の形状が円の一部でない
ことを特徴とするアンテナ装置、
である。
そして、特許文献3に記載の発明について考察するに、β(アンテナ素子側の放射角度)をα(ロトマンレンズ側のビーム角度)よりも大きくする必要がある用途としては、例えば広角な範囲を少ない位相誤差で検知する軍事用レーダなどが考えられる。
このビームスキャン用平面アンテナにおけるロトマンレンズの設計にあたっては、従来どおりα=βの条件のものでの設計が行われていたが、同文献の図2の指向特性からも読み取れるように、同文献の平面アンテナの有する素子数は、本発明における素子数よりも少ないものであった。したがって、アンテナ素子の数が増えてアレーアンテナの開口2Lnが大きくなる場合は、入力端子とS2との距離Fもアレーアンテナの開口2Lnに比例して大きくする必要があり、結果としてロトマンレンズの大きさGが大きくなってしまうという課題を生じさせることとなっていたことはすでに述べたとおりである。そこで、本発明はかかる課題を解決し、損失増加を抑制するようなロトマンレンズ設計を可能にし、利得向上を可能とする低損失マルチビームアンテナ装置を提供することができたものである。
本発明の特徴は、β<αの条件においてロトマンの変形手法を用いて従来のロトマンレンズ設計に基づいたレンズ設計を可能としたことであるが、本発明にかかるロトマンの変形手法を図9A及び図9Bに示すフローチャートに基づいて更に詳細に説明する。
1.136F0<G<1.4F0
となる。
の関係式を満たすようにロトマンレンズの形状が決定されるように各設計パラメータが制御され、各端子座標(X,Y)が算出される。
1.136FX<G<1.4FX
となる。
上記式6で示した条件
のもとで、具体的数値をともなった実施例1及び2を既にしめしたが、ここで若干の補足をしておく。好適な実施例のもとでは、β/αの数値範囲は、おおむね
0.33≦β/α<1
であり、ηが上限の場合、標準の場合、下限の場合を、それぞれ次のとおり想定している。
(1)ηが上限の場合
η=(β/α)・(Ln/F)≒1となる場合であり、このときFは最小(Fの選択範囲のうちで最小値)となる。
(2)ηが標準の場合
η=(β/α)・(Ln/F)=0.88となる場合であり、このときFは最適(Fの選択範囲のうちで最適値)となる。
(3)ηが下限の場合
η=(β/α)・(Ln/F)≦0.5〜0.7となる場合であり、このときFは最大(Fの選択範囲のうちで最大値)となる。
そして、ηが上限の場合、標準の場合、下限の場合におけるFの実測値は波長λの何倍となるか、表にまとめると次の表2のとおりとなる。
なお、2Ln(=(n−1)P)は、アレーアンテナ(5)の開口長であるが、アンテナ基板(52)に設けられる放射素子(56)の一方の端の列の素子(中心部)と他方の端の列の素子(中心部)との距離を示す。
角度βは、放射素子(56)からスロット板側に引いた垂線と放射素子からビームが放射される方向とのなす角度を示す。
本発明において、設定した入力端子のX、Y座標及び式5、式6等に基づいて算出した出力端子のX、Y座標からロトマンレンズを設計する際、例えば、図5において入力端子の接続部を2分岐伝送線路とする場合には、2分岐された先にある2つの山型入力端子接合点が設定位置となり、分岐しない場合には、接続先の山型入力端子の開口中央部が設定位置となる。なお、この設定位置に対する考え方は従来からなされてきたものであり、出力端子についても同様に適用される。そして、後述の表3においても同様に適用される。
また、本発明におけるGが従来技術におけるGと比べてどの程度小さくできるかについて、説明すると、従来技術におけるG0に対して本発明におけるG1は、
少なくとも、
0.25G0<G1<0.80G0
の範囲での実現が技術的には可能であり、表2に基づけば、
0.33G0<G1<0.67G0
の範囲になっていることが既出の式によって導出できるであろう。さらに、
0.33G0<G1<0.5G0
の範囲での実施において、非常に良好な結果が得られていることを述べておく。
同様に、実施例3に対応する実測結果を次の表3にまとめる。
最後に、図2に示した本発明にかかるマルチビームアンテナ装置の構成について、補足的に説明しておく。すでに図2においても明らかであるが、スロット板50の拡大図を図10(A)に、アンテナ基板52の拡大図を図10(B)にそれぞれ示す。図10において、スロット板50には複数のスロット54が縦横に設けられている。各スロット54は、アンテナ基板52上の各放射素子56の配置と略一致するように配置されている。そして、スロット板50及びアンテナ基板52には重ね合わせたときに一致する位置にそれぞれリベット孔101が設けられており、後述する他の基板等とともに一体化するようリベット締めされる。
また、第1の地導体53を図11(A)に、ロトマンレンズ基板を図11(B)に、第2の地導体を図11(C)にそれぞれ示す。図11において、第1の地導体53上には、第1の接続孔59とリベット孔101とが設けられている。また、第2の地導体13上には、第2の接続孔15とリベット孔101が設けられている。リベット孔は積層された基板等を一体的にリベット締めするためのものである。
また、金属スペーサ51a、51bを図12(A)に、金属スペーサ11a、11bを図12(B)に示す。それぞれのスペーサ内側には、空隙部55a、55b、14a、14bが設けられるか、あるいは誘電体71a、71bが充填されている。スペーサ周辺部に設けられたリベット孔101は、重ねあわされたときに他の基板等に設けられたリベット孔と一致するように設けられ、積層された基板等を一体的にリベット締めするためのものである。
5 アレーアンテナ
7 伝送線路部
8 ロトマンレンズの中心線
9 入力端子の位置を表す補助線
10 アレーアンテナの正面方向から見たビームの方向
11a、11b 金属スペーサ
12 ロトマンレンズ基板
13 第2の地導体
14a、14b 空隙部
15 第2の接続孔
16 伝送線路の接続端子部
17 マルチビームアンテナ装置の入力端子部
21、22、・・・2m ロトマンレンズ入力端子
31、32、・・・3n ロトマンレンズ出力端子
41、42、・・・4n アンテナ素子
50 スロット板
51a、51b 金属スペーサ
52 アンテナ基板
53 第1の地導体
54 スロット
55a、55b 空隙部
56 放射素子
57 給電線路
58 第1の接続部
59 第1の接続孔
61、61、・・・6n 出力端子とアンテナ素子とを結ぶ伝送線路
71a、71b 基板支持誘電体
Claims (5)
- 電力を供給する複数の入力端子(21),(22),・・・(2m)及び前記複数の入力端子の電力を取り出すための複数の出力端子(31),(32),・・・(3n)から形成されるロトマンレンズと、複数のアンテナ素子で構成され空間に電波を放射するアレーアンテナと、前記出力端子を前記アンテナ素子に結ぶ伝送線路とからなり、前記複数の出力端子が配列される曲線及び前記伝送線路の長さを決定して、所定の入力端子を励振したとき当該入力端子に対応した角度方向にビームが形成されるマルチビームアンテナ装置において、
空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点S2と前記複数の入力端子の1つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとし、
Fを入力端子(21)とS2との距離とし、2Lnをアレーアンテナの開口長とし、S3を、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される円弧と中心線(8)との交点とし、前記円弧は、前記ロトマンレンズの焦点S1位置を中心とする半径Rの円弧であり、ロトマンレンズの大きさGをS2とS3との距離とし、2Lnを前記アレーアンテナの開口長としたき、
β<αの関係式を満たし、
の関係式を満たし、Gをβ=αの条件で設計した場合のロトマンレンズの大きさよりも小さくするよう前記ロトマンレンズの形状を決定したことを特徴とするマルチビームアンテナ装置。 - 前記ロトマンレンズをトリプレートで構成することを特徴とする請求項1に記載のマルチビームアンテナ装置。
- 前記アレーアンテナをトリプレートで構成することを特徴とする請求項2に記載のマルチビームアンテナ装置。
- 前記複数の入力端子部を2分岐伝送線路として電力を分散供給することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のマルチビームアンテナ装置。
- 電力を供給する複数の入力端子(21),(22),・・・(2m)及び前記複数の入力端子の電力を取り出すための複数の出力端子(31),(32),・・・(3n)から形成されるロトマンレンズと、複数のアンテナ素子で構成され空間に電波を放射するアレーアンテナと、前記出力端子と前記アンテナ素子とを結ぶ伝送線路からなり、前記複数の出力端子が配列される曲線及び前記伝送線路の長さを決定して、所定の入力端子を励振したとき当該入力端子に対応した角度方向にビームが形成されるマルチビームアンテナ装置を製造する方法であって、前記ロトマンレンズを、
前記アンテナ素子の素子列数nを決定する段階と、
前記アンテナ素子の素子列の配置間隔Pを決定する段階と、
前記ビームのビーム数及びビームステップ角を決定する段階と、
空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点S2と前記複数の入力端子の1つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとしたとき、β<αとなるようαに対するβの比を設定する段階と、
b2−4ac=0となるFxを算出する段階と、
F値を決定する段階と、
G値を決定する段階と、
前記素子列数nに対応するn個の出力端子座標(x,y)、及び各出力端子の補正線路位相wを算出する段階と
からなる設計ステップによって設計することにより、
S3を、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される円弧と中心線(8)との交点とし、前記円弧は、前記ロトマンレンズの焦点S1位置を中心とする半径Rの円弧であり、ロトマンレンズの大きさGをS2とS3との距離としたとき、Gをβ=αの条件で設計した場合のロトマンレンズの大きさよりも小さくなるよう前記ロトマンレンズの形状を決定し、
であり、
である、ことを特徴とする方法。
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