JP6530814B2 - アレイアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、主として、並べて配置された複数のアンテナエレメントから電波を放射するアレイアンテナに関する。

従来から、基板と、アンテナエレメントと、給電ラインと、を備えるアレイアンテナが知られている。基板は、所定の大きさの誘電体製の板材であり、アンテナ エレメント及び給電ラインが配置される。アンテナエレメントは、一方向（以下、配列方向）に並べて配置されている。給電ラインは、外部から入力された電波 をアンテナエレメントに供給する。特許文献１及び２は、この種のアレイアンテナを開示する。

特許文献１のアレイアンテナにおいて、給電ラインは、配列方向から（図１の右側から）アンテナエレメントに接続される。特許文献１では、給電ラインが接続される方向は、全てのアンテナエレメントで同一である。

特許文献２のアレイアンテナにおいて、基板の長手方向の中央より右側では、給電ラインは、左側（中央側）からアンテナエレメントに接続される。一方、基板の長手方向の中央より左側では、給電ラインは、右側（中央側）からアンテナエレメントに接続される。

特開平１１−１９５９２４号公報 特許第４３０７３２４号公報

特許文献１では、右端に配置されるアンテナエレメントの更に右から給電ラインが接続されるため、基板の面積を有効に活用し切れておらず、アンテナエレメン トの設置数が少なくなることがあった。この点、特許文献２では、基板の両端までアンテナエレメントを配置することができるので、同じ大きさの基板を用いた 場合であっても、アンテナエレメントの設置数を増やすことができる

しかし、特許文献２では、中央に配置される２つのアン テナエレメントに接続される２つの給電ラインは、ともに中央側から接続されているので、２つの給電ラインの間隔が近くなる。これらの２つの給電ラインはア ンテナエレメントに接続される方向が異なる（一方は左側から、他方は右側から）ため、一方の給電ラインに対して他方の給電ラインを長くする等して位相を反 転させる位相反転部を配置することが必要となる。

距離が近い２つの給電ラインの間に位相反転部を配置する場合、例えば、 一方の給電ラインを大きく湾曲させる必要がある。しかし、給電ラインを大きく湾曲させた場合、サイドローブが発生し易くなる。特に、基板の中央は電波の電 力が大きいため、強いサイドローブが発生し易くなる。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、アンテナエレメントを効率的に配置しつつ、サイドローブを抑制可能なアレイアンテナを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の観点によれば、以下の構成のセンターフィード型のアレイアンテナが提供される。即ち、このアレイアンテナは、基板と、複数のアンテナエレメント と、親給電ラインと、複数の子給電ラインと、位相反転部と、を備える。前記アンテナエレメントは、前記基板の長手方向に並べて配置される。前記子給電ライ ンは、前記親給電ラインから前記アンテナエレメント毎に分岐するように前記基板に配置されており、それぞれの前記アンテナエレメントに前記基板の長手方向 の向きから接続され、少なくとも両端部に配置される前記アンテナエレメントには前記基板の中央側から接続される。前記位相反転部は、前記基板の長手方向の 端部を第１端部及び第２端部としたときに、前記アンテナエレメントに対する子給電ラインの接続向きが変わる箇所であって、前記基板の長手方向の中央よりも 前記第１端部側で隣り合う前記アンテナエレメントの間に少なくとも配置され、伝達される電波の位相を反転させる。

これにより、基板の端に給電ラインが配置されないので、基板の大きさを有効に活用してアンテナエレメントの配置数を多くすることができる。また、位相反転部を中央より第１端部側に配置することで、当該位相反転部から発生するサイドローブを抑えることができる。

前記のアレイアンテナにおいては、前記位相反転部は、前記基板を長手方向に４つの領域に等分割したときにおいて、前記第１端部を含む領域に少なくとも配置されることが好ましい。

これにより、位相反転部が端部の近傍に配置されるため、サイドローブの発生を一層抑えることができる。

前記のアレイアンテナにおいては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、このアレイアンテナは、前記位相反転部としての第１位相反転部に加え、第２位相 反転部及び第３位相反転部を備える。前記第２位相反転部は、前記基板の長手方向の中央よりも前記第２端部側で隣り合う前記アンテナエレメントの間に配置さ れる。前記第３位相反転部は、第１位相反転部と第２位相反転部の間に配置される。

これにより、第３位相反転部が配置され る箇所において、隣り合う２つのアンテナエレメントの外側から子給電ラインが接続されるので、２つの子給電ラインの間隔を広くすることができる。従って、 給電ラインをあまり曲げることなく位相反転部を構成できるので、サイドローブの発生を抑えることができる。

前記のアレイアンテナにおいては、前記第３位相反転部は、前記基板の長手方向の中央を挟んで隣り合うように配置された前記アンテナエレメントの間に配置されることが好ましい。

これにより、給電ラインが接続される方向が切り替わる位置が中央となるため、不要な垂直偏波同士をある程度打ち消すことができるので、放射する電波の質を向上させることができる。

前記のアレイアンテナにおいては、前記子給電ラインは、前記基板の長手方向の中央に引いた線を対称線として線対称であることが好ましい。

これにより、不要な垂直偏波同士を一層打ち消すことができるので、放射する電波の質を更に向上させることができる。

前記のアレイアンテナにおいては、前記位相反転部は、前記基板の長手方向の中央よりも前記第１端部側及び前記第２端部側のうち、前記第１端部側にのみ配置されることが好ましい。

これにより、位相反転部の数を抑えつつ、本発明の効果を発揮させることができる。

前記のアレイアンテナにおいては、前記位相反転部は、前記基板の最も前記第１端部側に配置される前記アンテナエレメントと、その隣に配置される前記アンテナエレメントと、の間に配置されることが好ましい。

これにより、比較的電力の弱い端部で位相を反転させるため、サイドローブの発生を一層抑えることができる。

本発明の一実施形態に係るアレイアンテナの正面図。 比較例のアレイアンテナの正面図。 本実施形態と比較例のアレイアンテナの放射パターンを比較するグラフ。 変形例に係るアレイアンテナの正面図。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。初めに、図１を参照して、本発明の一実施形態に係るアレイアンテナ１の概要について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るアレイアンテナ１の正面図である。

アレイアンテナ１は、船舶等の移動体又は建物等に設置されるレーダ装置のレーダアンテナとして用いられる。アレイアンテナ１は、図略の信号発生部から入力 された電波（信号）を外部へ放射する。また、アレイアンテナ１は、外部へ放射した電波の反射波を受信する。なお、アレイアンテナ１は、電波の送信のみに用 いられる構成であっても良い。

図１に示すように、アレイアンテナ１は、基板２と、接続用ライン３と、親給電ライン４と、 子給電ライン５ａ〜５ｔと、位相反転部６ａ〜６ｃと、アンテナエレメント７ａ〜７ｔと、を備える。なお、図１では、接続用ライン３、親給電ライン４、及 び、子給電ライン５ａ〜５ｔを同じ太さの線で描いているが、実際には特性等に応じた太さの伝送路が形成される。

基板２は、誘電体から構成され、正面視で長方形状の板材である。アレイアンテナ１は、基板２に垂直な方向（図１の紙面表側）へ電波を放射する。

接続用ライン３は、導体から構成される細長状の部材である。接続用ライン３は、同軸ケーブル等を介して前記信号発生部から電波が入力される。本実施形態のアレイアンテナ１は、基板２の長手方向の中央近傍から給電される、いわゆるセンターフィード型のアンテナである。

なお、本実施形態では、接続用ライン３は、厳密には基板２の長手方向の中央よりも図１のやや右側にズレているが、この程度のズレがあってもセンターフィー ド型に該当する。接続用ライン３は、例えば、中央に配置される子給電ライン５ｊと子給電ライン５ｋの間に配置されていれば良い。また、本実施形態では、図 １の紙面裏側から接続用ライン３に電波が供給されているが、別の方向（例えば下側）から接続用ライン３に電波が供給されていても良い。

親給電ライン４は、導体から構成される細長状の部材である。親給電ライン４は、接続用ライン３と接続されており、当該接続用ライン３を介して入力された電 波をアンテナエレメント７ａ〜７ｔに向けて伝達する。親給電ライン４は、略直線状であり、基板２の長手方向（換言すればアンテナエレメント７ａの配列方 向）に沿うように配置されている。なお、以下の説明では、アンテナエレメント７ａの配列方向を単に「配列方向」と称する。

子給電ライン５ａ〜５ｔは、導体から構成される細長状の部材である。子給電ライン５ａ〜５ｔは、それぞれ親給電ライン４と接続されている。子給電ライン ５ａ〜５ｔは、親給電ライン４を介して入力された電波を、アンテナエレメント７ａ〜７ｔ毎に分岐させて、アンテナエレメント７ａ〜７ｔへ伝達する。

具体的には、子給電ライン５ａ〜５ｔは、親給電ライン４との接続箇所から基板２の短手方向に延びるとともに、略直角に曲がり、基板２の長手方向（配列方 向）からアンテナエレメント７ａ〜７ｔに接続される。なお、子給電ライン５ａ〜５ｔがアンテナエレメント７ａ〜７ｔのどちら側（図１の右側又は左側）の端 部に接続されるかは後述する。

位相反転部６ａ〜６ｃは、供給する電波の位相を反転させる部分である。本実施形態では、親 給電ライン４及び／又は子給電ライン５ａ〜５ｔの長さを調整することで位相反転部６ａ〜６ｃが構成される。なお、位相反転部６ａ〜６ｃは、親給電ライン４ 及び子給電ライン５ａ〜５ｔと別部材であっても良い。なお、第１位相反転部６ａ〜第３位相反転部６ｃの詳細について後述する。

アンテナエレメント７ａ〜７ｔは、導体から構成される略長方形状の部材である。アンテナエレメント７ａ〜７ｔは、基板２の長手方向と同じ方向に並べて配置 されている。本実施形態ではアンテナエレメント７ａ〜７ｔは、それぞれ子給電ライン５ａ〜５ｔに接続されている。この構成により、アンテナエレメント ７ａ〜７ｔは、信号発生部が生成した電波を外部に放射することができる。

また、アンテナエレメント７ａ〜７ｔの配置間隔 は原則として一定（放射する電波の一波長と同じ）である。ただし、基板２の大きさに合わせてアンテナエレメントを配置するため、アンテナエレメント ７ａ，７ｂ間、アンテナエレメント７ｓ，７ｔ間の間隔は他よりも小さい。従って、隣り合うアンテナエレメントに供給される電波の位相が揃うように、子給電 ライン５ａ，５ｔを湾曲させている。なお、アンテナエレメント７ａ〜７ｔの配置間隔は任意であり、特許文献２等に示すように一定でなくても良い。

次に、子給電ライン５ａ〜５ｔがアンテナエレメント７ａ〜７ｔに接続される向き、及び、位相反転部６ａ〜６ｃの配置等について説明する。なお、基板２の長手方向の一方の端部を第１端部、他方の端部を第２端部と称する。

図１に示すように、子給電ライン５ａ，５ｂは、基板２の中央側（図１の右側、第２端部側）からアンテナエレメント７ａ，７ｂに給電（接続）している。子給 電ライン５ｃ〜５ｊは、基板２の端側（図１の左側、第１端部側）からアンテナエレメント７ｃ〜７ｊに給電している。子給電ライン５ｋ〜５ｒは、基板２の端 側（図１の右側、第２端部側）からアンテナエレメント７ｋ〜７ｒに給電している。子給電ライン５ｓ，５ｔは、基板２の中央側（図１の左側、第１端部側）か らアンテナエレメント７ｓ，７ｔに給電している。

このように、少なくとも配列方向の端に配置されるアンテナエレメント７ａ，７ｔについては、中央側から給電されている。これにより、基板２の端部に子給電ラインが配置されないので、アンテナエレメントの配置数を多くすることができる。

また、子給電ライン５ａ〜５ｔ及びアンテナエレメント７ａ〜７ｔは、基板２の長手方向の中央を通る線を対称線として線対称である。これにより、不要な垂直偏波同士を打ち消すことができるので、放射する電波の質を向上させることができる。

次に、位相反転部６ａ〜６ｃについて説明する。なお、位相反転部６ａ〜６ｃが所定のアンテナエレメントの間に配置されるとは、当該アンテナエレメント同士 を電気的に接続するライン（子給電ライン、親給電ライン）上に位相反転部６ａ〜６ｃが配置されることを示すものとする。

第１位相反転部６ａは、アンテナエレメント７ｂとアンテナエレメント７ｃの間（基板２の長手方向の中央よりも第１端部側で隣り合うアンテナエレメントの 間）に配置されている。子給電ライン５ｂと子給電ライン５ｃは、給電を行う方向が逆であるため、アンテナエレメント７ｂ，７ｃから放射される電波を揃える ために、伝達する電波の位相を反転させる必要がある。第１位相反転部６ａは、アンテナエレメント７ｂまでの経路長と、アンテナエレメント７ｃまでの経路長 と、がλ／２異なるように、子給電ライン５ｂを湾曲させている。なお、子給電ライン５ｂを湾曲させることでサイドローブが発生する可能性がある。

ここで、基板２の端部近傍では中央部と比較して放射される電波の電力が小さいため、サイドローブの発生を抑えることができる。従って、第１位相反転部６ａ は、図１に示すように、基板２を長手方向に４つの領域に等分割したときにおいて第１端部を含む領域に配置されることが好ましい。本実施形態の第１位相反転 部６ａは、第１端部を含む領域に配置されている。また、本実施形態では、第１端部から２番目のアンテナエレメント７ｂと、３番目のアンテナエレメント７ｃ との間に第１位相反転部６ａが配置されているが、最も第１端部に近いアンテナエレメント７ａと、２番目のアンテナエレメント７ｂとの間に第１位相反転部 ６ａが配置されていても良い。

第２位相反転部６ｂは、基板２を長手方向に４つの領域に等分割したときにおいて、第１位相 反転部６ａと反対側の端の領域（第２端部を含む領域）に配置されている。即ち、本実施形態では、基板２の長手方向の中央よりも第２端部側で隣り合うアンテ ナエレメントの間にも位相反転部が配置されている。第２位相反転部６ｂは、第１位相反転部６ａと線対称な位置に配置されているため、第１位相反転部６ａと 同等の構成及び機能を有するので、説明を省略する。

第３位相反転部６ｃは、第１位相反転部６ａと第２位相反転部６ｂの間 に配置されている。詳細には、基板２の長手方向の中央を挟んで隣り合うように配置されたアンテナエレメント７ｊ，７ｋの間に配置されている。子給電ライン ５ｊと子給電ライン５ｋは、給電を行う方向が逆であるため、アンテナエレメント７ｊ，７ｋから放射される電波を揃えるために、伝達する電波の位相を反転さ せる必要がある。第３位相反転部６ｃは、アンテナエレメント７ｊまでの経路長と、アンテナエレメント７ｋまでの経路長と、がλ／２異なるように、接続用ラ イン３と親給電ライン４の接続位置を中央から少しズラしている。

本実施形態では、第３位相反転部６ｃの両側に配置される アンテナエレメント７ｊ，７ｋの両方が、端側から給電されるため、子給電ライン５ｊと子給電ライン５ｋの間隔が広くなる。従って、特許文献２のように給電 ラインを湾曲させることなく、位相を反転させることができる。従って、サイドローブの発生を抑えることができる。

次に、本発明の効果を確認するために行ったシミュレーションの結果について、図２及び図３を参照して説明する。

図２に示す比較例のアレイアンテナ１１は、特許文献２と同様のレイアウトである。アレイアンテナ１１は、基板１２と、接続用ライン１３と、親給電ライン １４と、子給電ライン１５と、位相反転部１６と、アンテナエレメント１７と、を備える。位相反転部１６は、基板２の長手方向の中央に配置されている。課題 において説明したように、特許文献２のレイアウトでは、中央で隣り合う子給電ライン１５の間隔が狭くなるため、給電ラインを大きく湾曲させないと位相反転 部１６が構成できない。しかし、給電ラインを大きく湾曲させることで、サイドローブが発生する。比較例では、位相反転部１６を覆うように、金属製の板材で ある遮蔽板１８を取り付けることで、サイドローブの発生を抑制する。

なお、遮蔽板１８を取り付けることでも本願の課題を解決できるが、部品点数が増えてしまう。

図３は、本実施形態と比較例のアレイアンテナの放射パターンを比較するグラフである。本実施形態のアレイアンテナ１は遮蔽板１８を備えていないにもかかわ らず、遮蔽板１８を備えたアレイアンテナ１１と同様又はそれ以上にサイドローブの発生を抑制できていることが図３のグラフから分かる。

次に、上記実施形態の変形例を説明する。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。図４は、変形例に係るアレイアンテナ１の正面図である。

上記実施形態では位相反転部が３つ配置されているが、変形例では位相反転部が１つ配置されている。以下、具体的に説明する。変形例のアレイアンテナ１は、 最も第１端部側に配置されるアンテナエレメント７ａには、第２端部側から子給電ライン５ａが接続されており、それ以外のアンテナエレメント７ｂ〜７ｔには 第１端部側から子給電ライン５ｂ〜５ｔが接続されている。

子給電ライン５ａと子給電ライン５ｂは、給電を行う方向が逆で あるため、アンテナエレメント７ａ，７ｂから放射される電波を揃えるために、伝達する電波の位相を反転させる必要がある。従って、アンテナエレメント ７ａ，７ｂの間に第４位相反転部６ｄが配置されている。第４位相反転部６ｄは、第１位相反転部６ａ等と同様に、子給電ライン５ａを湾曲させて位相を反転さ せる部分である。

なお、第４位相反転部６ｄが形成される位置は、上記に限られないが、基板２を長手方向に４つの領域に等分割したときにおいて第１端部又は第２端部を含む領域に配置されていることが好ましい。

本変形例のレイアウトにおいても、基板２の長手方向の端部近傍に第４位相反転部６ｄを配置できるので、サイドローブの発生を抑えることができる。また、基板２の端部に給電ラインが配置されないので、アンテナエレメントの配置数を多くすることができる。

以上に説明したように、本実施形態又は変形例のアレイアンテナ１は、基板２と、複数のアンテナエレメント７ａ〜７ｔと、親給電ライン４と、複数の子給電ラ イン５ａ〜５ｔと、位相反転部６ａ（６ｄ）と、を備える。アンテナエレメント７ａ〜７ｔは、基板２の長手方向に並べて配置される。子給電ライン５ａ〜５ｔ は、親給電ライン４からアンテナエレメント７ａ〜７ｔ毎に分岐するように基板２に配置されており、それぞれのアンテナエレメント７ａ〜７ｔに基板２の長手 方向の向きから接続され、少なくとも両端部に配置されるアンテナエレメント７ａ，７ｔには基板２の中央側から接続される。位相反転部６ａ（６ｄ）は、アン テナエレメント７ｒ，７ｓ（７ａ，７ｂ）に対する子給電ライン５ｒ，５ｓ（５ａ，５ｂ）の接続向きが変わる箇所であって、基板２の長手方向の中央よりも第 １端部側において隣り合うアンテナエレメント７ｒ，７ｓ（７ａ，７ｂ）の間に配置され、伝達される電波の位相を反転させる。

これにより、基板２の端部に給電ラインが配置されないので、基板２の大きさを有効に活用してアンテナエレメントの配置数を多くすることができる。また、位相反転部６ａ（６ｄ）を中央以外に配置するため、サイドローブの発生を抑えることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態及び変形例を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記実施形態及び変形例では、基板２に２０のアンテナエレメント７ａ〜７ｔが配置されているが、アンテナエレメントの数は任意であり、１９以下であっても２１以上であっても良い。

上記実施形態及び変形例では、第１位相反転部６ａ、第２位相反転部６ｂ、第４位相反転部６ｄは、基板２を長手方向に４つの領域に等分割したときにおいて第 １端部又は第２端部を含む領域に配置されることが好ましいと記した。しかし、中央の２つの領域に跨って配置されないのであれば、中央の２つの領域の何れか に配置されていても良い。このレイアウトであっても、特許文献２と比較してサイドローブの発生を抑えることができる。

上 記実施形態及び変形例で示した基板２、接続用ライン３、親給電ライン４、子給電ライン５ａ〜５ｔ、位相反転部６ａ〜６ｄ、アンテナエレメント７ａ〜７ｔの 形状は任意であり上記で示した形状に限られない。例えば、アンテナエレメント７ａ〜７ｔは略円形であっても良い。また、接続用ライン３及び親給電ライン４ が基板２に２つ以上配置されていても良い。

上記実施形態では、子給電ライン５ａ〜５ｔ、位相反転部６ａ，６ｂ、アンテナエレメント７ａ〜７ｔは、基板２の中央を基準として線対称に配置されているが、非対称であっても良い。

１ アレイアンテナ
２ 基板
３ 接続用ライン
４ 親給電ライン
５ａ〜５ｔ 子給電ライン
６ａ 第１位相反転部（位相反転部）
６ｂ 第２位相反転部
６ｃ 第３位相反転部
６ｄ 第４位相反転部（位相反転部）
７ａ〜７ｔ アンテナエレメント

Claims (9)

1. 直列給電型でセンターフィード型のアレイアンテナにおいて、
   基板と、
   前記基板の長手方向に延びる親給電ラインと、
   前記親給電ラインと並行して前記基板の長手方向に並べて配置された３つ以上のアンテナエレメントと、
   前記親給電ラインから前記アンテナエレメント毎に分岐するように前記基板に配置されており、それぞれの前記アンテナエレメントに前記基板の長手方向に平行な向きから接続され、前記基板の長手方向の端部を第１端部及び第２端部としたときに、少なくとも最も前記第１端部側に配置される前記アンテナエレメントには前記基板の前記第２端部側から接続され、少なくとも最も前記第２端部側に配置される前記アンテナエレメントには前記基板の前記第１端部側から接続される複数の子給電ラインと、
   前記アンテナエレメントに対する子給電ラインの接続向きが前記第１端部側からか前記第２端部側からかが変わる箇所であって、前記基板の長手方向の中央よりも前記第１端部側で隣り合う前記アンテナエレメントの間に少なくとも配置され、伝達される電波の位相を反転させる位相反転部と、
   を備えることを特徴とするアレイアンテナ。
2. 請求項１に記載のアレイアンテナであって、
   前記位相反転部は、前記基板を長手方向に４つの領域に等分割したときにおいて、前記第１端部を含む領域に少なくとも配置されることを特徴とするアレイアンテナ。
3. 請求項１に記載のアレイアンテナであって、
   前記位相反転部としての第１位相反転部に加え、第２位相反転部を備え、
   前記第２反転部は、前記基板の長手方向の中央よりも前記第２端部側で隣り合う前記アンテナエレメント間に配置されることを特徴とするアレイアンテナ。
4. 請求項３に記載のアレイアンテナであって、
   第３位相反転部を備え、
   前記第３位相反転部は、前記第１位相反転部と前記第２位相反転部の間に配置されることを特徴とするアレイアンテナ。
5. 請求項４に記載のアレイアンテナであって、
   前記第３位相反転部は、直線状であることを特徴とするアレイアンテナ。
6. 請求項４又は５に記載のアレイアンテナであって、
   前記第３位相反転部は、前記基板の長手方向の中央を挟んで隣り合うように配置された前記アンテナエレメントの間に配置されることを特徴とするアレイアンテナ。
7. 請求項６に記載のアレイアンテナであって、
   前記子給電ラインは、前記基板の長手方向の中央に引いた線を対称線として線対称であることを特徴とするアレイアンテナ。
8. 請求項１又は２に記載のアレイアンテナであって、
   前記位相反転部は、前記基板の長手方向の中央よりも前記第１端部側及び前記第２端部側のうち、前記第１端部側にのみ配置されることを特徴とするアレイアンテナ。
9. 請求項８に記載のアレイアンテナであって、
   前記位相反転部は、前記基板の最も前記第１端部側に配置される前記アンテナエレメントと、その隣に配置される前記アンテナエレメントと、の間に配置されることを特徴とするアレイアンテナ。

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