JP6094990B2 - アレーアンテナ装置およびその制御方法 - Google Patents
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Description
平面上にアンテナ素子を複数配置し、特定の位相関係で各アンテナ素子に給電することにより、アンテナの指向性を高くすることができる。これにより、指向性の高いメインビーム方向に対しては、微弱な電波反射源を検出することができ、かつ、利得が低い角度範囲に対しては、電波の反射体や電波干渉源が存在しても影響を受けにくく、方位測定精度の劣化が小さい。ただし、アンテナ利得が低い角度範囲から電波が到来した場合には方向探知が困難となるので、1個のアレーアンテナが受け持つ角度範囲は、アンテナ利得が高い領域に限定する必要があるが、複数のアレーアンテナを向きを変えて設置することにより、水平面内の全角度範囲を探知している。
また、通信の場合、指向性の高いメインビーム方向に対しては、遠方の無線機と比較的低い送信電力で通信でき、かつ、利得が低い角度範囲に対しては、電波の反射体や電波干渉源が存在しても影響を受けにくく、メインビーム歩行にある無線機との通信が効率的に行える。ただし、1つの平面上に構成されたアレーアンテナのメインビームの方向は、平面の正面方向に限られるので、複数のアレーアンテナを向きを変えて設置することにより、水平面内の全角度範囲のカバーを可能としている。
なお、この発明によるアレーアンテナ装置等は、主に通信に使用されるものを主眼においているが、レーダや探査等にも適用可能である。
また以下の実施の形態では、金属基板を使用したものを例に説明しているが、基板の材料はこれに限定されるものではない。
図1はこの発明の実施の形態1によるアレーアンテナ装置の外観を概略的に示す図である。アレーアンテナ装置1の基体10は例えば図示のような立方体等の立体形状を有する。図1の立方体からなる基体10は4側面にサブアレーアンテナA,B,C,Dが、上面と下面にサブアレーアンテナE,Fがそれぞれ設けられている。各サブアレーアンテナA〜Fの指向性の中心方向(最大放射方向)をAd,Bd,Cd,Dd,Ed,Fdで示す。なお説明の都合上、図1に示すように、側面に垂直な面の方向をxy平面、下面から上面への方向をz軸とする。また、xz平面のz軸からy軸を中心に反時計回りに回転した角度をθ、xy平面のx軸からz軸を中心に反時計回りに回転した角度をφとする。
図4の(a)は、偏波方向PDがx軸方向のサブアレーアンテナEと偏波方向PDがz軸方向のサブアレーアンテナAとを指向性合成し、+側のz軸と+側のy軸の間の範囲のエリア内で所望の利得(最大放射方向)を得る場合の指向性合成動作を示す。
図4の(b)は、偏波方向PDがy軸方向のサブアレーアンテナEと偏波方向PDがz軸方向のサブアレーアンテナBとを指向性合成し、+側のz軸と+側のy軸の間の範囲のエリア内で所望の利得(最大放射方向)を得る場合の指向性合成動作を示す。
また図4の(c)は、3つのサブアレーアンテナを指向性合成し、偏波方向PDがφ=0°〜90°の間の方向(例えば上面と下面が正方形でサブアレーアンテナA,Bが同じ性能であれば偏波方向はφ=45°)のサブアレーアンテナEと偏波方向PDがz軸方向のサブアレーアンテナAと偏波方向PDがz軸方向のサブアレーアンテナBとを指向性合成し、+側のz軸と+側のx軸と+側のy軸の間の範囲のエリア内で所望の利得(最大放射方向)を得る場合の指向性合成動作を示す。
また図4の(d)は、偏波方向がz軸方向のサブアレーアンテナAと偏波方向がz軸方向のサブアレーアンテナBとを指向性合成し、+側のx軸と+側のy軸の間の範囲のエリア内で所望の利得(最大放射方向)を得る場合の指向性合成動作を示す。
図7の(a)は、偏波方向PDがy軸方向のサブアレーアンテナEと偏波方向PDがy軸方向のサブアレーアンテナAとを指向性合成し、+側のz軸と+側のy軸の間の範囲のエリア内で所望の利得(最大放射方向)を得る場合の指向性合成動作を示す。
図7の(b)は、偏波方向PDがx軸方向のサブアレーアンテナEと偏波方向PDがx軸方向のサブアレーアンテナBとを指向性合成し、+側のz軸と+側のy軸の間の範囲のエリア内で所望の利得(最大放射方向)を得る場合の指向性合成動作を示す。
また図7の(c)は、3つのサブアレーアンテナを指向性合成し、偏波方向PDがφ=−90°〜0°の間の方向(例えば上面と下面が正方形でサブアレーアンテナA,Bが同じ性能であれば偏波方向はφ=−45°)のサブアレーアンテナEと偏波方向PDがy軸方向のサブアレーアンテナAと偏波方向PDがx軸方向のサブアレーアンテナBとを指向性合成し、+側のz軸と+側のx軸と+側のy軸の間の範囲のエリア内で所望の利得(最大放射方向)を得る場合の指向性合成動作を示す。
また図7の(d)は、偏波方向PDがy軸方向のサブアレーアンテナAと偏波方向PDがx軸方向のサブアレーアンテナBとを指向性合成し、+側のx軸と+側のy軸の間の範囲のエリア内で所望の利得(最大放射方向)を得る場合の指向性合成動作を示す。
図8はこの発明の実施の形態2によるアレーアンテナ装置の外観を概略的に示す図である。アレーアンテナ装置1の基体10aは例えば図示のような六角柱等の角柱形状を有する。図8の六角柱からなる基体10aは6側面にサブアレーアンテナA1〜A6が、上面と下面にサブアレーアンテナE,Fがそれぞれ設けられている。各サブアレーアンテナA1〜A6,E,Fの指向性の中心方向(最大放射方向)をA1d〜A6d,Ed,Fdで示す。
図9はこの発明の実施の形態3によるアレーアンテナ装置の外観を概略的に示す図である。アレーアンテナ装置1の基体10bは例えば図示のような円柱形状を有する。図9の円柱からなる基体10bは側面周囲がN(Nは1以上の整数)個の領域S1〜SNに分けられ、各領域にサブアレーアンテナAR1〜ARNが、上面と下面にサブアレーアンテナE,Fがそれぞれ設けられている。各サブアレーアンテナAR1〜ARN,E,Fの指向性の中心方向(最大放射方向)をAR1d〜ARNd,Ed,Fdで示す。
図10はこの発明の実施の形態4によるアレーアンテナ装置の構成の一例を示す図である。図10は図1に示すアレーアンテナ装置1の他の具体的な構成例を示している。基体10は上面から下面の方向に複数枚の基板(11,12,13,14)を積層して構成されている。上面を構成する基板12の上面および下面を構成する基板12の下面には、基体の上面と下面に設けられるサブアレーアンテナを構成する、基板12の表面に形成されて複数の給電点を有するパッチアンテナ2bbがそれぞれ複数、マトリックス状に配列されている。
これに対してこの発明のように異なる面の複数のサブアレーアンテナを指向性合成するように同時に制御した場合、10dBi(絶対利得)以上の利得エリアを拡大する。
サブアレーアンテナのアンテナ素子を削減すると、サブアレーアンテナ単体がカバーできる10dBi以上の利得エリアが小さくなるが、ヘテロサブアレー指向性合成を併用し、サブアレーアンテナ単体の未カバーエリアを補償することで、所望のエリア内で利得が10dBi以上のBFを得ることができる。
これにより、全てのサブアレーアンテナのアンテナ素子を4×2配列にしても3次元BFが可能であり、サブアレーアンテナ単位のみを使う4×4配列の80素子に比べて、半分の40素子で3次元BFが可能となった。
Claims (5)
- 立体形状の基体の複数の面のうちの隣接する少なくとも2の面にそれぞれに設けられた複数のサブアレーアンテナと、
隣接する複数の面に設けられたサブアレーアンテナを指向性合成するように同時に制御する制御部と、
を備え、
前記基体が立方体であり、
前記基体の複数の側面に設けられるサブアレーアンテナがそれぞれ前記基体の上面及び下面と垂直又は平行な方向の偏波方向を有し、前記上面と下面の少なくとも一方に設けられたサブアレーアンテナが前記側面と垂直及び平行な角度を含む複数の角度に偏波方向が切り換え可能であることを特徴とするアレーアンテナ装置。 - 立体形状の基体の複数の面又は領域のうちの隣接する少なくとも2の面又は領域にそれぞれに設けられた複数のサブアレーアンテナと、
隣接する複数の面又は領域に設けられたサブアレーアンテナを指向性合成するように同時に制御する制御部と、
を備え、
前記基体が角柱状又は円柱状であり、
角柱状の前記基体の複数の側面又は円柱状の前記基体の側面の周に亘って複数に分割された複数の領域の2以上の領域に設けられる各サブアレーアンテナがそれぞれ前記基体の上面及び下面と垂直又は平行な方向の偏波方向を有し、前記上面と下面の少なくとも一方に設けられたサブアレーアンテナが前記各側面又は各領域と垂直又は平行な角度を含む複数の角度に偏波方向が切り換え可能であることを特徴とするアレーアンテナ装置。 - 前記基体が上面から下面の方向に複数枚の基板が積層して構成され、
前記基体の側面の各サブアレーアンテナの各アンテナ素子が基板端部に形成されたダイポールアンテナからなり、前記基体の上面と下面の少なくとも一方に設けられた各サブアレーアンテナの各アンテナ素子が上面と下面を形成する基板の表面に形成されて複数の給電点を有するパッチアンテナからなることを特徴とする請求項1または2に記載のアレーアンテナ装置。 - 立体形状の基体の複数の面のうちの2以上の面にそれぞれに形成された複数のサブアレーアンテナの、異なる複数の面に設けられたサブアレーアンテナを同時に使用し指向性合成するアレーアンテナの制御方法であって、
前記基体を立方体とし、前記基体の複数の側面に設けられるサブアレーアンテナの偏波方向をそれぞれ前記基体の上面及び下面と垂直又は平行な方向とし、
前記上面と下面の少なくとも一方に設けられたサブアレーアンテナを前記側面と垂直及び平行な角度を含む複数の角度に偏波方向を切り換えることを特徴とするアレーアンテナの制御方法。 - 立体形状の基体の複数の面又は領域のうちの2以上の面又は領域にそれぞれに形成された複数のサブアレーアンテナの、異なる複数の面又は領域に設けられたサブアレーアンテナを同時に使用し指向性合成するアレーアンテナの制御方法であって、
前記基体を角柱状又は円柱状とし、角柱状の前記基体の複数の側面又は円柱状の前記基体の側面の周に亘って複数に分割された複数の領域の2以上の領域に設けられる各サブアレーアンテナの偏波方向をそれぞれ前記基体の上面及び下面と垂直又は平行な方向とし、
前記上面と下面の少なくとも一方に設けられたサブアレーアンテナを前記各側面又は各領域と垂直又は平行な角度を含む複数の角度に偏波方向を切り換えることを特徴とするアレーアンテナ制御方法。
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