JPH06291535A

JPH06291535A - アレイアンテナ

Info

Publication number: JPH06291535A
Application number: JP5073522A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Watabe; 勉渡部; Shinichi Takeya; 晋一竹谷; Kazumi Yahagi; 和美矢作; Takeshi Kumamoto; 剛熊本; Atsushi Tanaka; 淳田中
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-03-31
Filing date: 1993-03-31
Publication date: 1994-10-18
Anticipated expiration: 2015-07-10
Also published as: JP3061504B2

Abstract

(57)【要約】【目標】アレイアンテナにおけるアンテナ素子をサブ
アレイ化させることにより、移相器の数を減らし軽量コ
ンパクトなアレイアンテナを提供する。【構成】給電装置５１１により給電された送信信号ま
たは目標とする対象物より反射された受信信号を、分配
合成回路３１１〜３１Ｍ，３２１〜３２Ｍによって分
配、合成しサブアレイ化させる。これらサブアレイ化さ
れたサブアレイ素子Ａ１１〜Ａ１Ｍ，Ａ２１〜Ａ２Ｍに
移相器４１１〜４１Ｍを接続し、各移相器を走査制御器
６１１からの制御信号により移相制御することで、所望
の方向にビームを発生させるアレイアンテナを実現す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、任意面上に複数のアン
テナ素子を配列形成してなるアレイアンテナに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図１１に従来のアレイアンテナの構造を
示す。図１１に示すように従来のアレイアンテナでは、
一次放射器５１１，一次側アンテナ素子２１〜２，移
相器７１１〜７１Ｉ，走査制御器６１１及び放射側アン
テナ素子１１〜１から構成される。

【０００３】まず、送信系においては、送受信回路３か
ら送出された送信信号が一次放射器５１１に入力され、
一次放射器５１１よりアレイアンテナに向け空間に放射
される。この信号は各一次側アンテナ素子２１〜２で
受信され各移相器７１１〜７１Ｉに入力される。これら
の各移相器７１１〜７１Ｉでは、走査制御器６１１から
の制御信号に従い、位相制御を行う。ここで移相制御さ
れた信号は、各放射側アンテナ素子１１〜１Ｉに入力さ
れ、目的物へと放射される。このとき、放射されるビー
ムは、特定の角度方向で等位相となるビームを形成する
ように移相器７１１〜７１Ｉによって位相制御されてい
る。

【０００４】受信系については、目的物からの反射波
を、各放射側アンテナ素子１１〜１Ｉで受信し、この受
信信号は、各移相器７１１〜７１Ｉで位相制御され各々
一次側アンテナ素子２１〜２Ｉに入力される。入力され
た受信信号は、これら各一次側アンテナ素子から空間に
放射され電界合成されて一次放射器５１１によって受信
される。この受信信号がビーム出力として一次放射器５
１１から送受信回路３に出力される。ここで、移相器で
設定される位相は、特定の角度方向から到来する受信信
号が一次放射器において等位相で電界合成されるように
走査制御器６１１からの制御信号によって制御されてい
る。

【０００５】また、別の給電方法として給電回路から直
接各移相器に信号を送信、または、各移相器から直接給
電回路へと信号を受ける回路給電によるアレイアンテナ
もあるが、いずれにしても上記に示すような、従来のア
レイアンテナにおいては、移相器をアンテナ素子の数だ
け必要とし、とりわけ、素子数の多いアレイアンテナで
は、これにより回路規模が増大し、重量も増加してしま
うという問題点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上、説明したように
従来のアレイアンテナでは、アンテナ素子数１個に対し
て同じく１個の移相器を必要とするため、アンテナ素子
数の増加に比例して移相器も増加しアンテナにおける回
路規模の増大及び重量の増加という問題点を生じてしま
っていた。そこで、本発明では上記の問題点を解消しア
ンテナの回路規模を縮小させ、軽量コンパクトなアレイ
アンテナを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】配列形成された複数個の
アンテナ素子に移相器を介して信号を給電させ、この信
号の位相量を変化させることにより、ビームを所望の方
向に向けるアレイアンテナにおいて、前記アンテナ素子
へ前記移相器から供給された信号を分配し、又、前記ア
ンテナ素子を任意に分割し、それぞれで受信した信号を
合成させ、前記移相器へ信号を供給する分配合成回路
と、前記移相器の位相変化量を制御する位相制御器を具
備することを特徴とするアレイアンテナを提供する。

【０００８】また、複数個のアンテナ素子から形成され
るサブアレイ素子に接続され信号の分配合成をする分配
合成回路と、放射側前記サブアレイ素子及び前記分配合
成回路と対をなす一次側前記サブアレイ素子及び前記分
配合成回路との間に介し、信号の位相量を変化させる移
相器と、この移相器の移相変化量を制御する移相制御器
とを具備することを特徴とするアレイアンテナを提供す
る。

【０００９】

【作用】上記構成によるアレイアンテナでは給電装置か
ら給電された送信信号または、目標とする物体より反射
された受信信号を分配合成回路で分配もしくは合成し、
各アンテナ素子で送受した送信信号または、受信信号を
サブアレイ化することにより、送受信信号の位相を変え
る移相器の数を減らすことを可能としている。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て詳細に説明する。図１に本発明における第一の実施例
を表すアレイアンテナの構成図を示す。このアレイアン
テナは複数のアンテナ素子からなるサブアレイ素子Ａ１
〜ＡＭ，分配合成回路１５１〜１５Ｍ、移相器１２１〜
１２Ｍ，給電回路１３１及び、各移相器において移相を
制御する移相制御器としての走査制御器１４１より成り
立っている。

【００１１】まず、送信系において、送受信回路１より
送信された信号は給電回路１３１に入力される。この給
電回路１３１では、この送信信号を分配して各移相器１
２１〜１２Ｍに入力している。各移相器１２１〜１２Ｍ
では、走査制御器１４１からの位相制御信号に従い位相
制御を行なった後、各分配合成回路１２１〜１２Ｍへと
送信信号を送る。ここでは、入力された送信信号を放射
側各サブアレイ素子Ａ１〜ＡＭに向けて信号分配し、こ
れら放射側各アンテナ素子１１〜ＭＮ_M より空間に送信
信号が放射される。ここで、例えば、サブアレイ素子Ａ
１は１つまたは複数のアンテナ素子１１〜１Ｎ₁ から構
成されるものである。この際、移相器で設定される位相
は目的とする対象物の存在する角度方向で位相がそろう
ように走査制御器１４１によって位相制御されている。

【００１２】受信系では、目標からの反射波は、放射側
の各アンテナ素子１１〜ＭＮ_M において受信され，この
受信信号は分配合成回路１５１〜１５Ｍに送られる。分
配合成回路１５１〜１５Ｍでは、受信信号をＲＦ合成
し、移相器１２１〜１２Ｍに向けて出力する。この合成
された受信信号は、各移相器１２１〜１２Ｍにおいて位
相制御され給電回路に入力される。給電回路１３１は，
この入力された受信信号を電界合成し、ビーム出力とし
て送受信回路１に出力する。このとき、移相器１２１〜
１２Ｍで設定される位相は、特定角度方向から到来する
受信信号が給電回路で等位相に電界合成されるように、
走査制御器１４１からの制御信号によって制御される。

【００１３】次に、本発明における第二の実施例につい
て図２を参照して説明する。図２は給電方法に空間給電
を用いた場合の本発明に係るアレイアンテナの構成を示
す図である。

【００１４】このアレイアンテナは、複数の、放射側ア
ンテナ素子１１１〜１ＭＮ_M ，及び一次側アンテナ素子
２１１〜２ＭＮ_M からなる放射側サブアレイ素子Ａ１１
〜Ａ１Ｍ，及び一次側サブアレイ素子Ａ２１〜Ａ２Ｍ，
移相器４１１〜４１Ｍ，一次放射器５１１，及び各移相
器において所望の移相に制御させる移相制御装置として
走査制御器６１１より成り立っている。

【００１５】まず、送信系においては、送受信回路２よ
り一次放射器５１１に入力された送信信号が空間に放射
される。この放射された送信信号は、各一次側サブアレ
イ素子Ａ２１〜Ａ２Ｍで受信され、各移相器４１１〜４
１Ｍに入力される。これら各移相器４１１〜４１Ｍで
は、走査制御器６１１からの制御信号に従い特定の角度
方向で等位相となるように移相制御される。位相制御さ
れた送信信号はここから各放射側サブアレイ素子に入力
され、目標とする対象物に向かって空間に放射される。

【００１６】受信系については、目標とする対象物から
反射された信号が，各放射側サブアレイ素子Ａ１１〜Ａ
１Ｍで受信され、各移相器４１１〜４１Ｍに入力され
る。移相器４１１〜４１Ｍは，受信信号を位相制御する
とともに，各一次側サブアレイ素子Ａ２１〜Ａ２Ｍに，
この信号を入力する。入力された受信信号は、一次側サ
ブアレイ素子Ａ２１〜Ａ２Ｍを形成するアンテナ素子Ａ
２１〜２ＭＮ_M により，空間に放射され，電界合成され
る。この電界合成された受信信号は一次放射器５１１で
受信され，送受信回路２へと送られる。このとき，移相
器４１１〜４１Ｍで設定される位相は特定の角度方向か
ら到来する受信信号が一次放射器５１１で等位相で受信
されるよう、走査制御器６１１からの制御信号によって
制御されている。

【００１７】ここで、一次側サブアレイ素子Ａ２１〜Ａ
２Ｍは１つまたは複数のアンテナ素子２１１〜２ＭＮ_M
から構成されるものである。同様に、放射側サブアレイ
素子Ａ１１〜Ａ１Ｍも１つまたは複数のアンテナ素子１
１１〜１ＭＮ_M により構成される。また、一次側及び放
射側サブアレイ素子Ａ１１〜Ａ１Ｍ，Ａ２１〜Ａ２Ｍに
接続された各分配合成回路３１１〜３１Ｍ，３２１〜３
２Ｍでは、各アンテナ素子で送信または受信する信号を
ＲＦ合成あるいは分配する働きを担っている。

【００１８】次に、上記第一，第二の実施例におけるア
レイアンテナのサブアレイ化されたアンテナ素子の実際
の配列状態とそのときの位相状況及びアンテナパターン
について説明する。

【００１９】図３に、２素子のアンテナ素子及び４素子
のアンテナ素子からなる２種類のサブアレイ素子を縦方
向に配列したアレイアンテナの素子配列を示す。各サブ
アレイ素子は横方向にｍ列，縦方向にｎ個等間隔で規則
正しく配列されている。このとき、各アンテナ素子に給
電を行ない、縦方向に位相をみたときの状態を図４に示
す。ただし、サブアレイ素子Ａ１〜ＡＭ，Ａ１１〜Ａ１
Ｍ，Ａ２１〜Ａ２Ｍの中心位置を位相中心とし、図中に
×印で示している。各移相器１２１〜１２Ｍ，４１１〜
４１Ｍではこの位相中心を所望の位相に合わせるよう走
査制御器１４１，６１１によって制御される。したがっ
て、サブアレイ素子１つに対して１つの移相器が接続さ
れることになり、アンテナ素子数に対する移相器の数量
は軽減されることにつながる。

【００２０】図４より、各アンテナ素子に給電される位
相は、各サブアレイ素子から見た場合，所望の位相から
ずれた周期的な位相誤差をもつ。したがって、アンテナ
パターンは図５に示すように主ビーム方向以外に電波を
強め合う方向が存在し、高いサイドローブが生じる。よ
って、全アンテナ素子に移相器を取り付けた場合に比
べ、主ビームのピークレベルに対する最大値をもつサイ
ドローブとの差である最大サイドローブレベルは劣化し
てしまうことになる。

【００２１】そこで、これを改善するため、次の実施例
を示すことにする。図６は、２種別のサブアレイ素子を
ランダムな順序で配列し、列ごとに１素子ずつずらして
配列したものである。ただし、これは任意でよく、例え
ば３素子ずらしたり、２素子半ずらして配列してもよ
い。また、図６の配列において各アンテナ素子に給電を
行ない、縦方向に位相をみたときの位相を図７に示しこ
の時の縦方向におけるアンテナパターンを図８に示す。
ただし、サブアレイ素子の中心位置を位相中心とし，図
中に×印で示している。各移相器では、この位相中心を
所望の位相に合わせるよう、走査制御器によって制御さ
れる。

【００２２】図７より、各アンテナ素子に給電される位
相は各サブアレイ素子から見ると、所望の位相を中心に
一定の幅を持ったばらつきとして表現できる。この位相
のばらつきは、サブアレイ素子の位相中心がランダムに
配列されているためアンテナ素子の縦方向の位置によら
ない位相誤差をもつ。したがって、図８に示すようにア
ンテナパターンは、サイドローブの形状が周期性をもた
ないランダム形状となり主ビーム方向以外には、高い強
度を持つサイドローブが現れてこない。よって、これに
より、移相器の数を節約することによる最大サイドロー
ブレベルの劣化を防ぐことができるようになる。

【００２３】本発明によるサブアレイ化されたアレイア
ンテナにおいては、サブアレイ化するためアンテナ素子
単体のビーム幅に比べ、サブアレイ素子単体のビーム幅
が狭くなってしまう。このため、特に、アンテナの端部
に近づく程、サブアレイのエレメントパターンの形状か
ら一次放射器への電波の入出力レベルが低下してしま
う。図１０は分配合成部８５及び各アンテナ素子８１〜
８４を同一基板上に形成したものであるが、このアンテ
ナ端部における電波の入出力レベルの低下を防ぐため、
この図に示すように給電点８６から各アンテナ素子８１
〜８４への経路長の長さを変える等の方法により各信号
において位相傾斜をつけサブアレイ化したアンテナ素子
のビームを一次放射器の方向に向ける。これにより効率
の良い電波の送受信を行なうことを可能としている。

【００２４】なお、本発明では位相制御をおこなうデバ
イスとして、移相器の他、送受信モジュールを使用した
場合においても同様にアンテナ素子のサブアレイ化を適
用させることができる。図９に示す送受信モジュールの
系統図において、この送受信モジュールは送受切換器１
２１１，１２２４，低雑音増幅器１２２２，高出力増幅
器１２２３及び移相器１２２５から構成される。

【００２５】送信系においては、入力された送信信号が
移相器１２２５により位相制御され、送受切換器１２２
４を介し高出力増幅器１２２３に入力される。高出力増
幅器１２２３で増幅された送信信号が送受切換器１２１
１を介し出力される。受信系においては、入力された受
信信号が送受切換器１２１１を介し低雑音増幅器１２２
２に入力される。低雑音増幅器１２２２で増幅された受
信信号が送受切換器１２２４を介し移相器１２２５で位
相制御され出力される。このように、送受信モジュール
を使用したアレイアンテナでは，ビームを高出力化させ
て空間へ放射させることができるため探知距離を伸ばす
等の利点をもっている。

【００２６】なお、上記各実施例では、主に和ビームに
ついて説明がなされているが、アンテナ開口を２分割、
または、一次放射器を複数ポートに分割し、減算処理を
行なうことにより得られる差ビームをも用いて、到来電
波の方向を検出するモノパルスビームにおいても同様に
本発明を適応することができる。

【００２７】また、アンテナ素子の偏波特性には垂直ま
たは水平等の直線偏波、あるいは、左旋または右旋の円
偏波のいずれかが考えられるが、放射側アンテナ素子と
一次側アンテナ素子との偏波特性は独立に選ぶことがで
きる。これにより、例えば一次側アンテナ素子における
偏波特性を垂直偏波とし、放射側アンテナ素子における
偏波特性を水平偏波とさせ直交させた場合、一次放射器
からのスピルオーバによる電波とアレイアンテナから放
射される電波の干渉を防ぐことができる等の利点を有し
ている。

【００２８】また、上述してきた実施例においてアンテ
ナ素子を配列する面は、例えば平面状でも半球面上でも
よく任意形状面上に配列形成させることが可能である。
さらに、アンテナ素子を分割形成したサブアレイ素子
は、４素子及び２素子の２種類のサブアレイ素子を例と
して上げたが任意形状面上に配列されたアンテナ素子の
分割パターンは、これに限るものではなく、その他アン
テナ素子数が，３素子，５素子等からなるサブアレイ素
子も考えることができる。またこのとき各サブアレイ素
子に含まれるアンテナ素子数は、互いに異なる素子数に
する必要もなく、各サブアレイ素子に含まれるアンテナ
素子数を同数に分割したものでもよい。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、アレイアンテナにおい
て複数のアンテナ素子を分配合成し、サブアレイ化させ
たサブアレイ素子構造をとることにより、一つのアンテ
ナ素子に対して一つの移相器を必要とする従来のアレイ
アンテナに比べ、移相器の数を大幅に減らすことができ
るようになる。したがって、アンテナの回路規模を抑
え、また、重量を低減させる軽量コンパクトなアレイア
ンテナを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるアレイアンテナの第一の実施例
を示す図。

【図２】本発明におけるアレイアンテナの第二の実施例
を示す図。

【図３】アレイアンテナ面上における素子の配列状態を
示す図。

【図４】図３の素子配列における各アンテナ素子の位相
状態を示す図。

【図５】アンテナパターンを示す図。

【図６】アレイアンテナ面上における素子の配列状態を
示す図。

【図７】図６の素子配列における各アンテナ素子の位相
状態を示す図。

【図８】アンテナパターンを示す図。

【図９】送受信モジュールを示す図。

【図１０】一次側アンテナ素子及び分配合成回路を示す
図。

【図１１】従来のアレイアンテナの例を示す図。

【符号の説明】

１１〜ＭＮ_M ，１１１〜１ＭＮ_M ，２１１〜２ＭＮ_M
……アンテナ素子Ａ１〜ＡＭ，Ａ１１〜Ａ１Ｍ，Ａ２１〜Ａ２Ｍ
……サブアレイ素子１５１〜１５Ｍ，３１１〜３１Ｍ
……分配合成回路１２１〜１２Ｍ，４１１〜４１Ｍ
……移相器１４１，６１１
……走査制御器５１１
……一次放射器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者熊本剛神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝小向工場内 (72)発明者田中淳神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝小向工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数個のアンテナ素子を任意に分割形成
してなる複数のサブアレイ素子と、これらサブアレイ素
子に接続され、送信信号及び、受信信号の分配合成を行
う分配合成回路と、この分配合成回路に接続され、受信
信号及び送信信号の位相量を変化させる移相器と、この
移相器の移相変化量を制御する移相制御器と、前記移相
器に接続され信号の給電を行う給電部とを具備すること
を特徴とするアレイアンテナ。
【請求項２】複数個のアンテナ素子を任意に分割形成
してなる複数の一次側サブアレイ素子及び複数の放射側
サブアレイ素子と、これらサブアレイ素子に接続され、
送信信号及び受信信号の分配合成を行う一次側分配合成
回路及び放射側分配合成回路と、これら一次側分配合成
回路及び放射側分配合成回路との間に介し、信号の位相
量を変化させる移相器と、この移相器の移相変化量を制
御する移相制御器とを具備することを特徴とするアレイ
アンテナ。
【請求項３】前記複数のサブアレイ素子をランダムに
配列形成した請求項１または２いずれか一項記載のアレ
イアンテナ。
【請求項４】前記一次側サブアレイ素子と前記放射側
サブアレイ素子における偏波特性を異なる偏波特性とす
る請求項２記載のアレイアンテナ。
【請求項５】前記一次側分配合成回路において移相器
から各一次側アンテナ素子へ至る信号経路を所望の長さ
にすることで位相を変化させ、一次側アンテナ素子から
送信されるビームを給電装置へ指向させることを特徴と
する請求項２記載のアレイアンテナ。