JP6102537B2 - アレーアンテナおよびアレーアンテナのアンテナ開口の拡大方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子ユニットを１つの構成単位とし、さらにこれらの電子ユニットが複数組み合わさることにより構成されるアレーアンテナであって、サイドローブの上昇を抑えるための間引きによる密度分布の形成を可能にし、且つ、電子ユニットの数の変更のみでアンテナ開口の拡張を可能にしたアレーアンテナに関する。

電子ユニットを１つの構成単位とし、さらにこれらの電子ユニットが複数組み合わさることにより構成されるアレーアンテナは、特許等ですでに公開されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００９−１５９４３０号公報 特開２００４−３６９６５５号公報

特許文献１によれば、従来のアレーアンテナは、電子ユニットの一部として素子アンテナが具備され、それら素子アンテナは規則的な間隔で配置されている。また、電子ユニットに具備された全ての素子アンテナに対して信号を送受信できるように、素子アンテナの数と等しい増幅器等が電子ユニット内に搭載されており、各々の素子アンテナに接続されている。このような構成とすることで全ての電子ユニットが同じ構造となるため標準化が図れ、これら電子ユニットを複数組み合わさることにより構成されるアレーアンテナも安価に製造できるとされる。

また、プラットホームの変更時に、電子ユニットの数を変えるだけで容易にアンテナ開口を拡大できるため、アンテナ開口の拡張性に優れたアレーアンテナとされる。

また、特許文献１のアレーアンテナは、電子ユニット内部に可変減衰器を有しており、この減衰量を制御することによりサイドローブの上昇を抑えることのできるアレーアンテナとされる。

一方、特許文献２によれば、電子ユニット（特許文献２ではブロックと称する）を備えたアレーアンテナにおいて、間引き技術（単に、間引きともいう）による密度分布を実現した例が記載されている。
間引きとは、空間へ放射させない非励振素子アンテナを設けることで、励振素子アンテナと前記非励振素子アンテナを組み合わせてアンテナ開口に密度分布を形成する技術である。
この間引き技術を用いたアレーアンテナは、熱に変換される可変減衰器を設ける必要がなくアンテナ開口に密度分布を形成できるため、雑音指数（以下ＮＦ）の劣化が小さいという特長である。特許文献２のアンテナ構成においては、励振する素子アンテナの位置を予め決めておいた複数種類の電子ユニットを用意し、所望な密度分布が得られるよう前記複数種類の電子ユニットを組み合わせることで所望な密度分布を形成し、サイドローブレベルの上昇を抑えるアレーアンテナとなる。

従来のアレーアンテナは、電子ユニットを同一品として製造し標準化しているため、電子ユニットに具備された全ての素子アンテナに対してＲＦ信号を増幅する増幅器が設けられており、全ての素子アンテナが励振素子アンテナとなる。ゆえに、アンテナ開口分布が均一分布となってしまいサイドローブレベルが上昇することから、電子ユニット内部に可変減衰器を設けて所望な密度分布を形成し、サイドローブの上昇を抑制していた。しかし、可変減衰器を用いることでＲＦ信号が熱に変換されるため、アレーアンテナ装置としてのＮＦが劣化するという課題があった。

一方、電子ユニットを具備した従来のアレーアンテナにおいて、間引きによる密度分布を実現しようとした場合、電子ユニットを具備する位置に応じて励振素子アンテナと非励振素子アンテナの位置が電子ユニット毎において異なるため、前記励振素子アンテナに接続する電子ユニット内の送受信モジュールの搭載位置も電子ユニット毎に異なってしまう。ゆえに、種類の異なる電子ユニットを複数用意する必要があり、その結果、前記電子ユニットが標準化できず、コストが増加するという課題があった。

また、間引きによる密度分布においては、各々の電子ユニットが特定のアンテナ規模での密度分布に特化したものとなってしまうため、プラットホームの変更によるアンテナ開口拡張に際し、新な別の間引きを有する電子ユニットが必要となる。ゆえに、単純な電子ユニットの数の増加だけでは、アンテナ開口が拡大できず、拡張性を損なうという問題があった。

この発明に係るアレーアンテナは、配列された複数の素子アンテナと、前記素子アンテナと接続され前記素子アンテナにＲＦ信号を出力する送受信モジュールとの間に設けられたインターフェース部と、前記インターフェース部と着脱可能で、ＲＦ信号の送受信出力が低出力である送受信モジュールを有する低出力電子ユニットと、前記インターフェース部と着脱可能で、ＲＦ信号の送受信出力が前記低出力電子ユニットの送受信モジュールよりも高出力な送受信モジュールを有する高出力電子ユニットとを備え、前記インターフェース部は、前記素子アンテナのうち電波を空間へ放射する励振素子アンテナと前記送受信モジュールとを接続するための接続ケーブルと、前記素子アンテナのうち間引きにより電波を空間へ放射しない非励振アンテナと接続される終端抵抗を有し、所望のアンテナ開口に応じて、前記低出力電子ユニットは前記インターフェース部の所定の位置に搭載され、前記高出力電子ユニットは前記インターフェース部の所定の位置に搭載される。

本発明におけるアレーアンテナは、間引きによる密度分布を形成しつつ、アンテナ開口を安価に拡張できる。アンテナ開口の拡張に際し、拡張に対応した素子アンテナと送受信モジュールを接続するインターフェース部を設けることで、標準化した電子ユニットを用いながら、前記標準化した電子ユニットの数を増加するのみでアンテナ開口を拡大でき、ＮＦが劣化することなくアンテサイドローブの上昇を抑えるための間引きによる密度分布の形成との両立が可能となる。

本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの基本構成を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの詳細構成を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布に対応した励振素子アンテナと電子ユニットの接続図の一例である。 本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの拡張したアンテナ開口の励振素子アンテナ分布を示す図である。 本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナの拡張したアンテナ開口の励振素子アンテナ分布に対応した励振素子アンテナと電子ユニットの接続図の一例である。 本発明の実施の形態１に係るアレーアンテナのサイドローブレベルを計算した放射パターンを示す図である。 本発明の実施の形態１のアンテナ開口を拡張する際の電子ユニットの入れ替えを示す図である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ１００について、図１〜図８を用いて説明する。

図１は実施の形態１に係るアレーアンテナ１００の基本構成を説明する図である。図２は、アレーアンテナ１００の詳細構成を説明する図である。
図１、２において、１は素子アンテナ、２は素子アンテナと送受信モジュールを接続するインターフェース部、３は電子ユニットを示す。

図１に示すように、アレーアンテナ１００は、素子アンテナ１、素子アンテナ１と送受信モジュールを接続するインターフェース部２、電子ユニット３から構成される。電子ユニット３は内部に複数の送受信モジュール７ａ〜７ｇを備え、一体のユニットを構成する。送受信モジュール７は、周知のように、ハイパワーアンプ、ローノイズアンプ、移相器およびサーキュレータ等を備えたものである。
電子ユニット３はインターフェース部２と、取り付けまたは取り外しが可能である。
例えば図２に示すように、電子ユニット３を構成する送受信モジュール７ａ〜７ｇはそれぞれコネクタ２５を有しており、インターフェース部２に備えられた対応コネクタ２６との間で着脱可能となっている。
また、素子アンテナ１は電子ユニット３から独立するような構成とする。
インターフェース部２の一方の面には例えば平面に沿って２次元マトリックス状に配列された複数の素子アンテナが接続される。インターフェース部２の他方の面には、電子ユニットが配置され、コネクタ２５、２６を介して各送受信モジュール７（送受信モジュール７ａ〜７ｇ）が接続される。また、インターフェース部２の内部には接続ケーブル８が配置され、後述する励振素子アンテナ４とコネクタ２６との間を電気的に接続する。また、インターフェース部２の内部には終端抵抗が配置され、この終端抵抗は一部の素子アンテナ１（後述する非励振素子アンテナ５）と接続される。

次に、図２を用いて本構成の詳細について説明する。図２において、４は励振素子アンテナ、５は非励振素子アンテナ、６は終端抵抗、７は送受信モジュール、８は接続ケーブルを示す。以下の図においてそれぞれ同一の構成には同一の番号を付す。

図２において、素子アンテナ１には、実際に空間へ放射する励振素子アンテナ４と、間引き技術により選定される非励振素子アンテナ５の２種類がある。
前記非励振素子アンテナ５は、前述の終端抵抗６が接続された素子アンテナ１であり、放射には寄与しない素子アンテナとなる。
本アレーアンテナは、励振素子アンテナ４と非励振素子アンテナ５と後述するＲＦ信号の送受出力が異なる２種類もしくは２種類以上の電子ユニットを組み合わせることで所望な密度分布を有するアンテナ開口となる。
素子アンテナ１と送受信モジュール７を接続するインターフェース部２には、励振素子アンテナ４と電子ユニット３の内部に設けられた送受信モジュール７とを接続するための接続ケーブル８が具備されており、非励振素子アンテナ５とは接続することなく励振素子アンテナ４と送受信モジュール７を接続できる。

次に、上記で説明した本アレーアンテナ構成において、標準化された電子ユニットを備え、且つ、プラットホームの変更時にも前記標準化された電子ユニットを増やすだけでアンテナ開口を拡大できる拡張性を有し、さらにＮＦが劣化することなくアンテサイドローブの上昇を抑えるための間引きによる密度分布が形成できる原理について、図３〜図７を用いて説明する。

図３〜図７は、上記の原理を説明した図であり、９は低出力な送受信モジュールを有する電子ユニット、１０は高出力な送受信モジュールを有する電子ユニット、１１、１２は所望な小アンテナ開口用の密度分布、１３は小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布、１４は拡張したアンテナ開口の励振素子アンテナ分布、１５、１６は所望な拡張したアンテナ用の密度分布、１７は小アンテナ開口の高出力な素子アンテナ、１８は小アンテナ開口の低出力な素子アンテナ、１９は小アンテナ開口のみで終端する素子アンテナ、２０は拡張したアンテナ開口における高出力な素子アンテナ、２１は拡張したアンテナ開口における低出力な素子アンテナである。

本実施の形態では、はじめに、ＲＦ信号の送受信出力が異なる２種類の電子ユニットを用意する。
信号出力が低い電子ユニットを、低出力な送受信モジュールを有する電子ユニット９とする。信号出力が高い電子ユニットを、高出力な送受信モジュールを有する電子ユニット１０とする。

なお、異なる出力を有する電子ユニットの製造は、電子ユニットの中の送受信モジュールの半導体増幅器の段数を変えることで容易に実現できる。

また、本実施の形態では説明を簡単にするため、ＲＦ信号の送受信出力が異なる２種類の電子ユニットを用いているが、送受信出力が異なる２以上の種類の電子ユニットを用いてもよい。

図３は、本実施の形態に係るアレーアンテナの小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布を示す図である。
図３において、まず、間引き技術を用いて、所望な小開口用の密度分布１１（図のｙ方向）及び密度分布１２（図のｘ方向）に従う小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布１３を得る。ここで得た小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布１３は、高い密度を有するアンテナ開口の中心部には小アンテナ開口の高出力な素子アンテナ１７を配置し、アンテナ開口のから広がるに連れ、小アンテナ開口の低出力な素子アンテナ１８を配置し、最終外においては非励振素子アンテナ５を配置した図３のアンテナ開口分布となる。

図４は、本実施の形態に係るアレーアンテナの小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布に対応した励振素子アンテナと電子ユニットの接続図の例である。
図３の小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布１３に従い、図４に示すように、小アンテナ開口の低出力な素子アンテナ１８と、低出力な送受信モジュールを有する電子ユニット９を、インターフェース部２を介して接続する。
また、小アンテナ開口の高出力な素子アンテナ１７と、高出力な送受信モジュールを有する電子ユニット１０を、インターフェース部２を介して接続する。

小アンテナ開口のみで終端する素子アンテナ１９については、後に示す拡張したアンテナ開口に用いる。よって、後に説明するアンテナ開口を拡張した際の接続に従い、素子アンテナ１９と終端抵抗６を、インターフェース部２を介して接続し、予め具備しておく。

次に、小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布１３から大規模なアンテナ開口へ拡張する手段について説明する。

まず、アンテナ開口を拡張する際には、小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布１３を構成する際に設けた素子アンテナ１と送受信モジュールを接続するインターフェース部２のケーブル接続を変えることなく、アンテナ開口の拡張を行う必要がある。
仮に、励振素子アンテナの位置や、素子アンテナ１と送受信モジュールを接続するインターフェース部２のケーブルの接続を変えてしまうことになれば、電子ユニットの数を増すだけでは、アンテナ開口の拡張が困難となり、拡張性を損なうアレーアンテナとなってしまう。

図５は、本実施の形態に係るアレーアンテナの拡張したアンテナ開口の励振素子アンテナ分布を示す図であり、図３に示す小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布１３を構成する際に設けた素子アンテナ１と送受信モジュールを接続するインターフェース部２のケーブル接続を変えることなく、アンテナ開口の拡張する手段の一例である。

図５の例では、まず、小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布１３において励振した全ての素子アンテナ１（すなわち、高出力な素子アンテナ１７と低出力な素子アンテナ１８）を、拡張したアンテナ開口における高出力励振素子アンテナ２０となるように機能を置き換える。
つまり、小アンテナ開口１３で接続した低出力な送受信モジュールを有する電子ユニット９を全て取り外し、高出力な送受信モジュールを有する電子ユニット１０に置き換える。
次に、前記拡張したアンテナ開口における高出力な素子アンテナ２０の周囲に、拡張したアンテナ開口における低出力な素子アンテナ２１を間引き技術を適用して配置し、所望な拡張用の密度分布１６及び１７に従うような拡張したアンテナ開口の励振素子アンテナ分布１４を実現する。

図６は、本実施の形態に係るアレーアンテナの拡張したアンテナ開口の励振素子アンテナ分布に対応した励振素子アンテナと電子ユニットの接続図の一例である。
図５の拡張したアンテナ開口の励振素子アンテナ分布１４に従い、図６に示すように、拡張したアンテナ開口における高出力な素子アンテナ２０と、高出力な送受信モジュールを有する電子ユニット１０を、インターフェース部２を介して接続する。また、拡張したアンテナ開口における低出力な素子アンテナ２１と、低出力な送受信モジュールを有する電子ユニット９を、インターフェース部２を介して接続する。

図７は、本実施の形態１に係るアレーアンテナのサイドローブレベルを計算した放射パターンを示す図であり、小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布１３（図３）のサイドローブレベルを示す放射パターンと、拡張したアンテナ開口の励振素子アンテナ分布１４（図５）のサイドローブレベルを示す放射パターンを示した図である。
両方の開口において約２５ｄＢの良好なサイドローブ特性が得られており、間引き技術を適用したアンテナ開口の特長であるサイドローブ上昇も抑制されていることがわかる。

図８は、本実施の形態のアンテナ開口を拡張する際の電子ユニットの入れ替えを示す図である。図８のように、図４の小アンテナ開口１３において励振した全ての素子アンテナを、拡張したアンテナ開口における高出力励振素子アンテナ２０に置き換えている。

このように本実施の形態に係るアレーアンテナは、電子ユニット３を入れ替えるのみで、素子アンテナと送受信モジュールを接続するインターフェース部２のケーブルの接続を変えることなく、アンテナ開口が拡張できる。

また、本実施の形態に係るアレーアンテナによれば、拡張に対応した素子アンテナ１と送受信モジュール７を接続するインターフェース部２を設けることで、間引きによる密度分布を形成しつつ、アンテナ開口を安価に拡張できる。

また、本実施の形態に係るアレーアンテナによれば、アンテナ開口の拡張に際し、拡張に対応した素子アンテナと送受信モジュールを接続するインターフェース部を設けることで、標準化した電子ユニットを用いながら、前記標準化した電子ユニットの数を増加するのみでアンテナ開口を拡大でき、ＮＦが劣化することなくアンテサイドローブの上昇を抑えるための間引きによる密度分布の形成との両立が可能となる。

なお、アンテナ開口の拡張する手段について一例を用いて説明したが、他の手段を用いた場合でもこの限りではない。

１ 素子アンテナ、２ インターフェース部、３ 電子ユニット、４ 励振素子アンテナ、５非励振素子アンテナ、６ 終端抵抗、７ 送受信モジュール、８ 接続ケーブル、９ 低出力な送受信モジュールを有する電子ユニット、１０ 高出力な送受信モジュールを有する電子ユニット、１１、１２ 所望な小アンテナ開口用の密度分布、１３ 小アンテナ開口の励振素子アンテナ分布、１４ 拡張したアンテナ開口の励振素子アンテナ分布、１５、１６ 所望な拡張したアンテナ用の密度分布、１７ 小アンテナ開口の高出力な素子アンテナ、１８ 小アンテナ開口の低出力な素子アンテナ、１９ 小アンテナ開口のみで終端する素子アンテナ、２０ 拡張したアンテナ開口における高出力な素子アンテナ、２１ 拡張したアンテナ開口における低出力な素子アンテナ、２５、２６ コネクタ、１００ アレーアンテナ。

Claims (1)

1. 配列された複数の素子アンテナと、前記素子アンテナと接続され前記素子アンテナにＲＦ信号を出力する送受信モジュールとの間に設けられたインターフェース部と、前記インターフェース部と着脱可能に接続され、ＲＦ信号の送受信出力が低出力である送受信モジュールを有する複数の低出力電子ユニットと、前記インターフェース部と着脱可能に接続され、ＲＦ信号の送受信出力が複数の前記低出力電子ユニットの送受信モジュールよりも高出力な送受信モジュールを有する高出力電子ユニットと、前記インターフェース部と着脱可能に接続された複数の終端抵抗を備え、
   前記インターフェース部は、前記素子アンテナのうち電波を空間へ放射する励振素子アンテナと前記送受信モジュールとを接続するための接続ケーブルと、前記素子アンテナのうち間引きにより電波を空間へ放射しない非励振アンテナと接続される内部終端抵抗を有し、
   前記インターフェース部の中央部分に前記高出力電子ユニットが接続され、前記インターフェース部における前記高出力電子ユニットの周囲に前記低出力電子ユニットが接続され、前記インターフェース部における前記低出力電子ユニットの外周に前記終端抵抗が接続されたアレーアンテナのアンテナ開口を拡大する拡大方法であって、
   前記インターフェース部の接続ケーブルに接続された複数の前記低出力電子ユニットのうち所定の低出力電子ユニットを前記高出力電子ユニットに置き換えて前記インターフェース部の接続ケーブルに接続し、
   前記インターフェース部の接続ケーブルに接続された複数の前記終端抵抗のうち所定の終端抵抗を前記低出力電子ユニットに置き換えて前記インターフェース部の接続ケーブルに接続する
   ことを特徴とするアレーアンテナのアンテナ開口の拡大方法。

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