JPH07131240A

JPH07131240A - アレーアンテナ給電方法および円形配列アレーアンテナ

Info

Publication number: JPH07131240A
Application number: JP27083993A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Nakayama; 稔啓中山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-10-28
Filing date: 1993-10-28
Publication date: 1995-05-19

Abstract

(57)【要約】【目的】円錐ビームの方向θ₀をより大きく設定するこ
とが可能で、円錐ビームの利得を大きくする。【構成】アンテナ素子の素子数をＮ個（ただし、Ｎは２
以上の整数）備え、当該アンテナ素子を、円形上に等間
隔に配置した円形配列アレーアンテナにおける給電方法
であって、前記円形の一周で給電位相差が２ｍπ(Rad.)
（ただし、ｍは２以上の整数）になるように（ただし、
前記円形の一周の給電位相差を、２ｐＮπ(Rad.）（た
だし、ｐは自然数）にする場合を除く）、前記アンテナ
素子の各々の前記円形上の配置位置に基づいて、前記ア
ンテナ素子の各々に給電する給電位相をそれぞれずらし
て等電力で給電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、円形配列アレーアンテ
ナの給電方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、赤道上空の静止衛星との通信に用
いられるアンテナとして、例えば、円錐ビームを形成す
るアレーアンテナが知られている。この円錐ビームアン
テナについては、特公平１−２０８０２号公報に示され
ている技術がある。該従来例における円形配列アレーア
ンテナを図２により説明する。

【０００３】図２は、アンテナ素子６素子で構成する円
形配列アレーアンテナを表している。円形配列アレーア
ンテナのビームパターンは、図２に示すように、天頂に
対して利得をもたない円錐ビームを形成しており、船舶
の移動にかかわらず無追尾の状態で通信を可能にしてい
る。ここで、円形配列アレーを構成する平面に垂直で、
円形配列の中心点を通る鉛直軸からの傾きを示すθを天
頂角とし、θ₀を円錐ビームの方向、ｒを円形配列の半
径、ｎはアンテナ素子番号で１からＮまでの整数、φ_n
（Rad．）を基準アンテナ素子Ａ₁と、基準アンテナ素子
Ａ₁から数えてｎ番目のアンテナ素子Ａ_nが、円形配列の
配列中心Ｏとなす角度φをアレーアンテナの構成されて
いる平面内の方位角とする。

【０００４】ところで、第１の平面に垂直に交わる第２
の平面上の電磁界の大きさがゼロになるようにする場
合、２素子のアンテナ素子を用い、その２素子を前記第
２の平面に対して対称の位置に配置し、各素子に給電す
る給電位相をそれぞれ逆相、つまり、π(Rad.)ずらして
給電すれば良いことが知られている。このように給電し
た場合、それぞれのアンテナ素子から同じ距離だけ離れ
た場所では、それぞれ２素子のアンテナ素子から放射さ
れた電磁界のベクトルの大きさは等しく、ベクトルの向
きはちょうど逆向きとなり、そこでの２素子のアンテナ
素子の放射する電磁界の作る合成電磁界は相殺される。

【０００５】そこで、上記従来技術では、天頂に対して
利得をもたないようにするために、図２に示すように、
その２つのアンテナ素子の中心点を結んだ直線上にあ
る、それぞれのアンテナ素子からの等距離の点Ｏを円形
配列の中心となるようにし、各アンテナ素子に対する給
電位相は、円形配列の中心Ｏを挟んで対称に位置する２
素子に対しては逆相に給電している。また、６つのアン
テナ素子を、点Ｏを中心とする円周上に６０度ずつ角度
間隔をおいて配置し、隣合うアンテナ素子に対する給電
位相差はそれぞれ一定になるように、π／３(Rad.)ずつ
給電位相差を付けて給電し、一周で２π(Rad.)の給電位
相差が付くようにしている。このようにアンテナ素子を
配置して給電位相を決めると、各アンテナ素子が放射す
る電磁波の作る合成電磁界は、各アンテナ素子からの等
距離の点、すなわち、配列中心Ｏを通る鉛直軸上でのベ
クトルの向きは互いに相殺されて円錐ビームを構成す
る。このとき、円周方向の一様性は、円形配列素子の素
子数で決まる。また、円錐ビームの方向θ₀は、円形配
列の半径ｒで決まる。円形配列の半径ｒを大きくすれ
ば、円錐ビームの方向θ₀は小さくなり、円錐ビームの
強さを示す利得は大きくなる。また、円形配列の半径ｒ
を小さくすれば、円錐ビームの方向θ₀は大きくなり、
円錐ビームの強さを示す利得は小さくなる。このよう
に、アレー半径ｒを変化させると円錐ビームの方向θ₀
とその利得とが一意的に決まってしまう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような構成の円
形配列アレーアンテナを、赤道上空の静止衛星との通信
に用いる場合、高緯度地方では静止衛星を見込む天頂角
は大きくなるため、円錐ビームの方向θ₀が大きくなる
ように配列半径ｒを決定しなければならない。しかし、
θ₀を大きくするとビームの強さを示す利得は小さくな
ってしまい、赤道上空の静止衛星との通信ができなくな
るという問題が生じる。さらに、従来の構成では、半径
ｒを小さくしても、このθ₀は利得が小さくなりすぎる
ために３５度ぐらいまでしか調整できず、θ₀をさらに
大きくすることができないという問題がある。

【０００７】本発明は、この問題点を解決するために、
円錐ビームの方向θ₀をより大きく設定することが可能
な給電方法および円形配列アレーアンテナを提供するこ
とを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、少なくとも２つ以上のアンテナ素子を、
円形配列した円形配列アレーアンテナにおいて、前記ア
ンテナ素子の各々に給電する給電部を有し、前記給電部
は、前記円形の一周で給電位相差が２ｍπ(Rad.)（ただ
し、ｍは２以上の整数）になるように、前記アンテナ素
子の各々の前記円形上の配置位置に基づいて、前記アン
テナ素子の各々に給電する給電位相をそれぞれずらす位
相手段を備える。ただし、前記アンテナ素子の素子数を
Ｎ個（ただし、Ｎは２以上の整数）としたときに、前記
位相手段は、前記円形の一周の給電位相差を、２ｐＮπ
(Rad.）（ただし、ｐは自然数）にする場合を除く。

【０００９】また、前記アンテナ素子は、円形上に等間
隔に配置され、前記位相手段は、基準となる１つのアン
テナ素子の給電位相を０としたときに、他のアンテナ素
子と当該基準となるアンテナ素子との円形配列の中心を
挟んだ角度により、前記給電位相差をあらかじめ決定し
ておくことができる。

【００１０】また、前記給電部は、電力を出力する給電
回路と、前記アンテナ素子ごとに設けられ、前記アンテ
ナ素子の各々に対しては等電力で給電を行なうように前
記電力を分配する分配器と、前記給電回路に接続され、
前記給電回路から前記分配器の各々に給電するための給
電線路とをさらに備え、前記位相手段は、前記アンテナ
素子間の前記給電線路の長さを変化させることにより、
前記給電位相差を調整することができる。

【００１１】前記給電線路は、複数系統設けられ、前記
給電回路にそれぞれ接続されるようにしてもよい。

【００１２】前記アンテナ素子は、ヘリカルアンテナと
パッチアンテナとのうちいずれかで構成し、前記位相手
段は、前記アンテナ素子への給電点の位置を変えること
により、前記給電位相差を調整することができる。

【００１３】アンテナ素子の素子数をＮ個（ただし、Ｎ
は２以上の整数）備え、当該アンテナ素子を、円形上に
等間隔に配置した円形配列アレーアンテナにおける給電
方法として、前記円形の一周で給電位相差が２ｍπ(Ra
d.)（ただし、ｍは２以上の整数）になるように（ただ
し、前記円形の一周の給電位相差を、２ｐＮπ(Rad.）
（ただし、ｐは自然数）にする場合を除く）、前記アン
テナ素子の各々の前記円形上の配置位置に基づいて、前
記アンテナ素子の各々に給電する給電位相をそれぞれず
らして等電力で給電することにより、本発明の目的を達
成することができる。

【００１４】

【作用】本発明は、上記したように構成するが、このよ
うな場合の作用を以下に示す。

【００１５】給電部の位相手段は、前記円形の一周で給
電位相差が２ｍπ(Rad.)（ただし、ｍは２以上の整数）
になるように、前記アンテナ素子の各々の前記円形上の
配置位置に基づいて、前記アンテナ素子の各々に給電す
る給電位相をそれぞれずらす。これは、円形に配列され
たアンテナ素子に対して、次の数１式で表されるよう
に、基準となるアンテナ素子Ａ₁とｎ番目のアンテナ素
子Ａ_n（ただし、アンテナ素子数をＮ（ただし、Ｎは２
以上の整数）個としたときに、ｎは、１からＮまでの整
数で、アンテナ素子番号を示す）とが、円形配列の中心
Ｏに対して作る角度φ_nのｍ（ただし、ｍは２以上の整
数を表す）倍の給電位相ψ_nとすることである。

【００１６】

【数１】ψ_n＝ｍ×φ_n ・・・・・・・・（１）このとき、まず、円形に等間隔に配列されたアンテナ素
子に対して給電位相を１周で２ｍπ(Rad.)、つまりＮを
アンテナ素子の総数として、隣あうアンテナ素子ごとに
２ｍπ／Ｎ(Rad.)の給電位相差で給電した場合の指向特
性を求める。この場合、円形配列アレーの中心Ｏに対し
て対称に位置するアンテナ素子は、必ずしも逆相に給電
されない。例えば、ｍ＝２の場合、１周で４π(Rad.)と
なり、円形配列の配列中心Ｏに対して対称に位置するア
ンテナ素子への給電位相差は２π(Rad.)となり逆相給電
とはならない。

【００１７】以下、このような場合について、図１を用
いてその作用を説明する。図１において、Ｎはアンテナ
素子の総数、ｎは、アンテナ素子番号であり、１からＮ
までの整数を示す。Ａ₁からＡ_Nまでのアンテナ素子が円
形に等間隔に配置されている。ｒは配列半径、Ｏは配列
中心、ψ_nはｎ番目のアンテナ素子に対する給電位相、
φ_nはｎ番目のアンテナ素子Ａ_nの基準アンテナ素子Ａ₁
からの配列中心Ｏを挟んだ角度を示す。図１において
は、Ｎ個のアンテナ素子Ａ₁からＡ_Nを半径をｒとして等
間隔に円形に配列し、各アンテナ素子に対しては数１式
に従って給電位相を決めている。すなわち、アンテナ素
子Ａ_nに対する給電位相は、基準アンテナ素子Ａ₁と円形
配列の中心Ｏが挟む角度φ_nのｍを自然数としてｍ倍で
給電する。図１に示すようにアンテナ素子が等間隔に円
周上に配列されていた場合、アレーアンテナの指向特性
を表す式Ｆ（θ，φ）は、アンテナ素子の指向特性を表
す式ｇ（θ，φ）とアンテナ素子の空間配置、給電振
幅、および、給電位相の効果を含む項を表すアレーファ
クターｆ（θ，φ）を用いて次の数２式で表される。

【００１８】

【数２】Ｆ（θ，φ）＝ｇ（θ，φ）・｜ｆ（θ，φ）｜……（２）但し、以下の数３および数４式で表せる。

【００１９】

【数３】

【００２０】

【数４】

【００２１】上記数３式からアンテナ素子が有限個であ
ることに起因する円周方向の非一様性を無くして数３式
を簡単化するために、アンテナ素子数Ｎを無限大まで拡
張する。これは、数３式の級数項を積分することによ
り、アレーファクターは次の数５式のように求められ
る。

【００２２】

【数５】

【００２３】ただし、ｕは数６に示すように表すことが
できる。

【００２４】

【数６】

【００２５】また、ｋ₀は自由空間波数、Ｃは比例定
数、θは天頂角、φは方位角、ｍは自然数である。

【００２６】従って、アンテナ素子数を無限大にしたと
きにはアレーファクターは数５式のようにｍ次のベッセ
ル関数に収束する。すなわち、円形配列アレーによって
円錐ビームを形成する場合、その限界は数５式で表され
る。つまり、数５式に示されるように、配列中心Ｏに対
して対称に位置する２素子に対する給電位相差が逆相で
なくても、円形配列アレーならば天頂に対して電波を放
射しない円錐ビームを形成することができることがわか
る。ここで、ベッセル関数の次数ｍは円形に配列された
アンテナ素子に図１に示すように一周で給電位相差が２
ｍπ(Rad.)になるようにすることに対応している。

【００２７】次に、具体的に、天頂方向に対して利得を
持たないような円錐ビームが形成されていることを天頂
方向のアレーファクターを用いて示す。この場合、天頂
方向は、θ＝０であり、そのときのアレーファクターが
０の場合に、天頂方向に対して利得を持たないことを示
している。

【００２８】前述と同様に、一周で２ｍπ(Rad.)の給電
位相差が付くように円形配列アレーの各アンテナ素子に
対して給電する場合を考える。この場合、まず、従来の
ように、円形配列の中心Ｏに対して対称に位置する２つ
のアンテナ素子におけるアレーファクターを考えてみ
る。２つのアンテナ素子に対する給電位相は、初期給電
位相をδ（Rad.）とすると、δ(Rad.)、δ＋ｍπ(Rad.)
となる。この２素子が作る天頂方向のアレーファクター
をθ＝０とし、φについての項を消して（φは、この場
合考慮しないため）、ｆ（０）を計算すると、数７式の
ようになる。

【００２９】

【数７】

【００３０】数７式をみてみると、ｍが奇数の場合、つ
まり、円形配列アレーに対する給電位相が一周で２π、
６π、１０π(Rad.)等の場合はexp(jmπ)は−１となる
ので天頂方向のアレーファクターは必ず０になるが、ｍ
が偶数の場合、つまり、円形配列アレーに対する給電位
相が一周で４π、８π、１２π(Rad.)等の場合はexp(jm
π)は１となり、天頂方向のアレーファクターは０には
ならない。すなわち、天頂方向に対して利得を持ってし
まい、円錐ビームとはならない。しかし、本発明におい
ては、中心Ｏに対して対称に位置する２つのアンテナ素
子だけでなく、アレーアンテナとして用いるすべてのア
ンテナ素子から放射する電界により天頂方向の利得をな
くすようにしている。

【００３１】図３を参照してこのことを説明する。図３
に示すような実線で示している４つの互いに直交してい
るアンテナ素子を用いて、現在考えている２素子に加え
て、その２素子に直交する別の２素子のアンテナ素子を
合わせて全部で４素子のアンテナ素子を考える。上記と
同様に、円形配列に対して一周で２ｍπ(Rad.)の給電位
相差を付けた場合、円形配列の中心に対して対称に位置
する２つのアンテナ素子の給電位相差はｍπ(Rad.)にな
るが、４つのアンテナ素子に対する給電位相は、初期給
電位相をδ（Rad.）とすると、δ(Rad.)、δ＋ｍπ／２
(Rad.)、δ＋ｍπ(Rad.)、δ＋３ｍπ／２(Rad.)とな
る。天頂方向のアレーファクターをθ＝０とし、φにつ
いての項を消して（φは、この場合考慮しないため）、
ｆ（０）を計算すると、数８式に示すようになる。

【００３２】

【数８】

【００３３】このようにして、ｍが奇数の場合、天頂方
向に対して利得を持たない指向特性が得られることが示
せる。

【００３４】ただし、以下に述べるような理由から、ア
ンテナ素子数をＮ個とすると、２ｍπ(Rad.)が一周で２
ｐＮπ(Rad.)（ただし、ｐは自然数）で給電する場合は
除く。

【００３５】まず、ｍが偶数の場合を考える。ｍ＝２
ｍ’（ｍ’は自然数）とすると、お互いに直交する４つ
のアンテナ素子の天頂方向に作る指向特性のアレーファ
クターｆ（０）は次の数９式のようになる。

【００３６】

【数９】

【００３７】数９式をみてみると、ｍ’が奇数の場合、
円形配列アレーに対する給電位相が一周で４π、１２
π、２０π(Rad.)等の場合はexp(jm'π)は−１となるの
で天頂方向のアレーファクターは必ず０になる。また、
ｍ’が偶数の場合、つまり、ｍが４の倍数の場合は、円
形配列アレーに対する給電位相が一周で８π、１６π、
２４π(Rad.)等の場合はexp(jm'π)は１となり、天頂方
向のアレーファクターは０にはならない。これは、例え
ば、４素子のアンテナ素子を円形に並べた場合、一周で
８π(Rad.)の給電位相差がつくように給電を行うと、各
アンテナ素子の給電位相差は２π(Rad.)となり同相給電
となってしまい、アレーアンテナの天頂方向に対して電
波を放射し、利得を持ってしまうことを意味する。すな
わち、アンテナ素子数をＮ個とすると、一周で２ｐＮπ
(Rad.)で給電する場合、アンテナ素子数Ｎを無限大にし
て取れば理論上は上記数５式のように示せても実際のア
ンテナ素子数Ｎは有限個なので、２ｐＮπ(Rad.)で給電
すると各アンテナ素子間の給電位相差は同相となりアレ
ーアンテナの天頂方向に対して電波を放射してしまい、
利得を持ってしまう。これは、ｍ＝ｐＮであるときを除
くことを意味する。

【００３８】したがって、アンテナ素子数をＮ個とし一
周で２ｐＮπ(Rad.)で給電する場合を除いて、一周で２
ｍπ(Rad.)の給電位相差が付くように各アンテナ素子に
対して給電を行うと円形配列アレーアンテナの場合、必
ず天頂方向に対して電波を放射しない円錐ビームを形成
する指向特性となる。

【００３９】つぎに、上記数５式および数６式に基づい
て、円錐ビームの方向θ₀としたいときに、円形配列の
半径をどのように設定すればよいかを説明する。

【００４０】数５式において、φについての項を消す
（φは、この場合考慮しないため）と、数１０式に示す
ようになる。

【００４１】

【数１０】

【００４２】ここで、ｆ（θ）の値を最も大きくしたい
ときのθをθ₀とすると、数１０式は数１１式のように
なる。

【００４３】

【数１１】

【００４４】ここで、数１１式が最大になるような半径
ｒを求めればよいので、数１１式を数１２式のように書
き直す。

【００４５】

【数１２】

【００４６】数１２式において、最大値を与えるｒをも
とめればよい。このため、数１２式を微分して、微分係
数が０となるときのｒを数１３式より求める。

【００４７】

【数１３】

【００４８】以上のようにして、円錐ビームの方向θ₀
としたいときに、円形配列の半径を求める。

【００４９】また、円形配列の半径を求める他の方法と
しては、以下に示すようなシミュレーションにより計算
してもとめる方法がある。

【００５０】（１）上記数１０式に基づいて、ｒに電波
の波長（ここで、電波の波長をλで示す）で規格化した
値０．５を代入する。

【００５１】（２）θに、０度から９０度までの値を入
れて、関数値ｆとθとの関係を表すグラフを求める。

【００５２】（３）そのときにｆが最大となるθ₀を求
める。

【００５３】（４）θ₀とこのときのｒの値を記憶して
おく。

【００５４】（５）ｒの値を少しづつ変えるために、ｒ
＝ｒ＋０．０１などを代入する。

【００５５】（６）上記（２）から（５）を繰返し、θ
₀とｒの値を複数求めていく。

【００５６】（７）記録した複数のθ₀とｒの値から、
θ₀とｒとの関係を示すグラフを作成する。

【００５７】（８）（７）で作成したグラフより、希望
する円錐ビームの方向θ₀に対応するｒを求める。

【００５８】このようにして作成したグラフを、図１２
（ｂ）に示す。また、利得が大きくなるという効果を示
すために、半径ｒと最大利得との関係を図１２（ａ）を
示す。図１２（ａ）において、横軸は、円形配列の半
径、縦軸は最大利得を示す。また、図１２（ｂ）におい
て、横軸は、円形配列の半径、縦軸は円錐ビームの方向
を示す。また、図１２（ａ）および（ｂ）において、給
電位相を１周で２ｍπ（Ｒａｄ．）（ここでは、ｍ＝
１，２，３，４，５の場合を示す）で給電したときのそ
れぞれの関係を示している。ここで、給電位相を１周で
２π（Ｒａｄ．）とした場合は、従来の構成によるもの
である。

【００５９】図１２（ｂ）に示すように、従来の構成で
は、半径が０．５λ〜１．５λの間では、円錐ビームの
方向θ₀については、１０度ぐらいから３０度ぐらいま
でしか設定できない。本発明では、円形の一周で給電位
相差が２ｍπ(Rad.)（ただし、ｍは２以上の整数）にな
るように設定するので、図１２（ｂ）に示すように、円
形の一周で給電位相差を、４π、６π、８π、１０π(R
ad.)とすることにより円錐ビームの方向θ₀をより大き
く設定することが可能となる。

【００６０】さらに、円錐ビームの方向θ₀が同じ値の
場合には、円形の一周で給電位相差を、４π、６π、８
π、１０π(Rad.)とすることにより最大利得を大きくす
ることができる。例えば、円錐ビームの方向θ₀を３０
度とすると、図１２（ｂ）から給電位相差２πのときに
半径ｒは０．５４λ、４πのときに半径ｒは０．９４
λ、６πのときに半径ｒは１．３λ、８πおよび１０π
のときに半径ｒは１．５λ以上となる。その時の最大利
得は、図１２（ａ）より、０．５４λのときに６．８９
（ｄＢｉ）、０．９４λのときに８．８１（ｄＢｉ）、
１．３λのときに９．１（ｄＢｉ）とそれぞれなる。こ
のように、給電位相を１周で４π、６π、８π、１０π
(Rad.)と大きくするに従って特定方向（この場合、天頂
角３０度）にビームを向けたときに最大利得も大きくな
る。

【００６１】これにより、円錐ビームの方向θ₀が大き
くなると、電波の強さが小さくなるという問題点を解決
することが可能となる。

【００６２】また、方位角方向に対して、一様に電波を
放射させるためには、アンテナ素子数は多ければ多いほ
どよい。

【００６３】

【実施例】以下、本発明を適用した場合の具体的なアン
テナ素子に対する給電方法の例を図４から図９を参照し
て説明する。

【００６４】本実施例では、円形に等間隔に配列された
アンテナ素子に対して給電位相を１周で２ｍπ(Rad.)、
つまりＮをアンテナ素子の総数として、隣あうアンテナ
素子ごとに２ｍπ／Ｎ(Rad.)の給電位相差で給電する場
合において、ｍ＝２として給電位相差を一周で４π(Ra
d.)になるようにした給電方法を示している。すなわ
ち、配列中心Ｏに対して対称に位置する２素子に対する
給電位相差が３６０度となるように各アンテナ素子に給
電を行う。

【００６５】図４に、本発明を８素子の円形配列アレー
アンテナに適用した場合のアレーアンテナの構成図を示
す。図４において、１はアンテナ素子であり、複数のア
ンテナ素子が、等間隔になるように配置されている。ア
ンテナ素子としては、パッチアンテナやヘリカルアンテ
ナを利用することができる。給電線路２は、アンテナ素
子に電力を分配するための分配器１１を備え、給電回路
１０に接続する。給電回路１０は、各アンテナ素子に対
して給電をして、各アンテナ素子に対する分岐部分で
は、分配器１１により各アンテナ素子に対して同じだけ
の電力を供給するために、給電線路内での損失を考慮し
て不等分配している。分配器１１としては、ウィルキン
ソン型などのＹ型電力分配器や、ハイブリッド回路（３
ｄＢ方向性結合器）などを利用すればよい。ハイブリッ
ド回路としては、ブランチライン型、１／４波長分布結
合型、ラットレース型、位相反転型などがある。これら
は、分配する電圧比をそれぞれ設定できるようになって
いるので、給電線路内での損失を考慮して電圧比をあら
かじめ設定しておく。また、この構成では、各アンテナ
素子Ａ₁からＡ₈までの給電位相をそれぞれ０から４π(R
ad.)までつける。すなわち、隣合うアンテナ素子の給電
位相差をπ／２(Rad.)ずつずらす必要がある。このため
に、隣あうアンテナ素子に対する給電線路の長さの差を
利用することにより位相差を設けている。この場合、給
電線路内を伝搬する電波の波長、すなわち、管内波長を
λ_gとすると、隣あうアンテナ素子への給電線路長の差
がλ_g／４になるようにすれば、給電位相差はπ／２(Ra
d.)となる。

【００６６】また、図５に、図４と同様に、８素子の円
形配列アレーアンテナに対する別の構成図を示す。図５
において、給電線路３は、給電線路２に対して予め２π
(Rad.)、すなわち、３６０度の位相差を付けている。図
６に、この時のアレーアンテナの配置を示す。図６に示
すように、各アンテナ素子Ａ₁からＡ₄までと、Ａ₅から
Ａ₈までとの給電位相差をそれぞれ２π（Rad.）まで付
けるだけでよい。また、それぞれのアンテナ素子の給電
位相差と、給電線路２に対する給電線路３の位相差と
は、前述と同様の原理で、給電線路の長さの差を利用す
ればよい。

【００６７】また、図７に、図４と同様に、８素子の円
形配列アレーアンテナに対する別の構成図を示す。図７
において、給電線路３は、給電線路２に対して予め２π
(Rad.)の位相差を付けている。図８に、この時の具体的
な給電方法を含めたアレーアンテナの配置を示す。図８
に示すように、アンテナ素子としてヘリカルアンテナ６
を利用している。図８において、４はヘリカルアンテナ
の巻始めの点を示している。ヘリカルアンテナの場合、
その巻始めの角度を変えると給電点の位置が変化して位
相差を変えることができる。すなわち、アンテナ素子ま
での給電線路は等長の線路であっても、そのヘリカルア
ンテナの巻始めの点の位置４、つまり、給電点を３６０
度変化させることにより、給電位相を２π（Rad.）だけ
変化できることを利用している。このことを利用し、Ａ
₁からＡ₄のアンテナ素子に対しては、等長の給電線路２
で給電し、アンテナ素子の給電点の位置をπ／２（Ra
d.）ずつずらして０から２π（Rad.)の給電位相差を付
け、Ａ₅からＡ₈のアンテナ素子にたいしては、予め、２
πだけ位相をずらした別の給電線路３を用い、アンテナ
素子に対する給電点をＡ₁からＡ₅と同様に、π／２(Ra
d.)ずつずらして給電を行ない、全体として、一周で４
π(Rad.)の給電位相差を付けている。

【００６８】図７および図８に示した構成におけるヘリ
カルアンテナの代わりにパッチアンテナ素子を用いても
よい。この場合の１６素子の円形配列アレーアンテナに
対する構成図を図１３に示す。また、図１４に、この時
の具体的な給電方法を含めたアレーアンテナの配置を示
す。図１３および図１４においては、１６素子の円形配
列アレーアンテナに１周で８π(Rad.)の給電位相差を付
けている。図１４において、アンテナ素子としてパッチ
アンテナ７を用い、給電点８は、パッチアンテナの給電
点を示している。また、給電線路９は、給電線路２と比
較して予め４πだけ位相差をつけた別の給電線路であ
り、給電線路１２は、給電線路２と比較して予め６πだ
け位相差をつけた別の給電線路である。本実施例におい
ては、パッチアンテナの給電点の位置により給電位相を
変化させている。この場合、パッチアンテナの給電点の
位置によって、位相が２πまでは変化させることができ
るので、それ以上の給電位相差をつけるときには前述の
ように給電線路の長さの調整を合わせて行なう。この場
合、給電位相については１６素子のパッチアンテナを４
素子ずつのグループに別けて、それぞれのグループに、
給電線路２と比較して予め２π、４π、６π（Rad.)ず
つそれぞれ位相差をつけておき、各グループ内の給電線
路は等長にし、各パッチアンテナ素子の給電点を、図１
３および図１４に示すように、９０度ずつずらすように
する。これにより、隣あうアンテナ素子の給電位相を９
０度ずつ、１周で８π(Rad.)の給電位相差を付けること
ができる。また、円偏波を発生させる場合には、給電点
８を２つに分け、それぞれの給電点８に対する給電位相
を線路長でλ_g／４ずらして９０度ずらし、さらに、２
つの給電点８を９０度ずらした位置に設ければよい。

【００６９】また、別の実施例として、図９に、固定移
相器を用いた場合の構成図を示す。図９において、固定
移相器５は、各アンテナ素子に対して、前述のようにπ
／２(Rad.)ずつ位相差を付けている。

【００７０】以上述べたように、前述の作用に述べたよ
うな位相差を、線路長や移相器などの移相手段により各
アンテナ素子ごとに設けることにより、円錐ビームを構
成することができる。

【００７１】これらの実施例では、給電線路を模式的に
同一基板上に配置しているが、給電線路だけを別の基板
に構成して多層化してもよい。また、ここまでは、８素
子円形配列アレーに一周で４πの給電位相差を付ける場
合について述べているが、一周で６π(Rad.)、８π(Ra
d.)、１０π(Rad.)等でもよい。なお、一周で６π(Ra
d.)、８π(Rad.)、１０π(Rad.)の給電位相差を付ける
場合、アンテナ素子数がそれぞれ、３、４、５個の場合
は、作用の項で説明したように、各アンテナ素子は同相
給電となってしまうので、素子数をそれぞれ３、４、５
個以外の数にしなければならない。また、方位角方向の
円錐ビームを一様性をもたせるためには、アンテナ素子
数を多くすればよい。さらに、作用で述べたように、円
錐ビームの方向θ₀を、円形配列の半径ｒを変えること
によって設定する。

【００７２】つぎに、指向特性図を参照して本実施例の
効果を説明する。本実施例を適用した場合のシミュレー
ションによる指向特性図を図１１に示し、比較するため
に従来技術を用いた場合のシミュレーションによる指向
特性図を図１０に示す。この指向特性図は、作用で述べ
たように、数５式および数６式から求め、アンテナ素子
数を無限大にした場合を示している。図１０および図１
１において、縦軸はアンテナから放射される電波の利
得、すなわち電波の強さを表しており、横軸は天頂角を
表している。図１０においては、前述した従来技術によ
って、給電位相差２π／１周の位相差で、円形配列の中
心Ｏを挟んで対称に位置する２素子に対しては逆相に給
電している。この場合、円錐ビームの方向θ₀を３０度
に向けたときの指向特性を表し、（５）式によってこの
場合の限界性能を示している。この構成のアレーアンテ
ナにおいてはこれよりよい性能の指向特性は得られな
い。この場合、配列半径ｒは波長で規格化した値で０．
５４λとなっており、天頂角θ₀が３０度における電波
の強さを示す利得は６．８９ｄＢｉである。また、図１
１は、上記実施例を適用し、給電位相差４π／１周の位
相差で、円錐ビームの方向θ₀を３０度に向けたときの
指向特性を表し、（５）式によってこの場合の限界性能
を示している。この場合の配列半径ｒは波長で規格化し
た値で０．９４λとなっており、電波の強さを示す利得
は８．８１ｄＢｉとなる。この２つの図を比べるとわか
るように、本発明を適用した場合の方が、その限界性能
は、従来の技術によって形成された円錐ビームの利得よ
りもよくなっていることがわかる。

【００７３】以上の説明のように、給電位相を一周で２
π(Rad.)の自然数倍にすると、円錐ビームの方向を示す
同一角度θ₀において、その利得を上げることができ
る。具体的には、前述したように、図１２において、円
錐ビームの方向θ₀を３０度にする場合、給電位相を一
周で２πにした場合と、一周で４πにした場合では、そ
の利得は、６．８９ｄＢｉと８．８１ｄＢｉとなる。そ
の時の配列半径ｒは、電波の波長λとすると０．５４λ
と０．９４λとなる。従って、円錐ビームの方向θ₀を
決めた後、その利得を給電方法を円形配列アレー一周で
２ｍπ(Rad.)とすることによって変えることができる。
また、円形配列の半径を変えることによって、円錐ビー
ムの方向θ₀を変化させることができる。すなわち、円
錐ビームの方向θ₀が大きくなると、電波の強さが小さ
くなるという問題点を解決することが可能となる。さら
に、本実施例によれば、円錐ビームの方向θ₀を、給電
位相を一周で２πにした場合より大きくすることができ
る。

【００７４】

【発明の効果】円錐ビームの方向θ₀をより大きく設定
することが可能な給電方法および円形配列アレーアンテ
ナを提供する

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による円形配列アレーに対するアンテナ
素子に対する給電方法を表す説明図。

【図２】従来の技術による円形配列アレーの構成図。

【図３】本発明を適用した給電方法によって円形配列ア
レーに給電した場合の配列中心に対して対称に位置する
４つのアンテナ素子の給電位相を示した説明図。

【図４】本発明を８素子の円形配列アレーに適用した場
合の給電回路構成図。

【図５】本発明を８素子の円形配列アレーに適用した場
合の他の給電回路構成図。

【図６】図５で示した給電回路構成を８素子の円形配列
アレーに適用した場合の具体的な給電線路配置図。

【図７】本発明を８素子の円形配列アレーに適用した場
合の他のの給電回路構成図。

【図８】図７で示した給電回路構成を８素子の円形配列
アレーに適用した場合の具体的な給電線路配置図。

【図９】固定移相器を用いて本発明の給電方法を８素子
の円形配列アレーに適用した場合の具体的な給電線路配
置図。

【図１０】従来の技術によって円形配列アレーに給電し
た場合の垂直面内指向特性図。

【図１１】本発明による円形配列アレーに対する給電方
法によって給電された場合の垂直面内指向特性図。

【図１２】円形半径と円錐ビームの方向との関係を示す
グラフ（ａ）と、円形半径と最大利得との関係を示すグ
ラフ（ｂ）。

【図１３】本発明を１６素子の円形配列アレーに適用し
た場合の他の給電回路構成図。

【図１４】図１３で示した給電回路構成を１６素子の円
形配列アレーに適用した場合の具体的な給電線路配置
図。

【符号の説明】

１…アンテナ素子、２…給電線路、３…給電線路２に対
して、予め２πの位相差を付けた別の給電線路、４…４
はヘリカルアンテナの巻始めの点、５…固定移相器、６
…ヘリカルアンテナ、７…パッチアンテナ素子、８…パ
ッチアンテナの給電点、９…給電線路２に対して、予め
４πの位相差を付けた別の給電線路、１０…給電回路、
１１…分配器、１２…給電線路２に対して、予め６πの
位相差を付けた別の給電線路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも２つ以上のアンテナ素子を、円
形配列した円形配列アレーアンテナにおいて、前記アンテナ素子の各々に給電する給電部を有し、前記給電部は、前記円形の一周で給電位相差が２ｍπ(R
ad.)（ただし、ｍは２以上の整数）になるように、前記
アンテナ素子の各々の前記円形上の配置位置に基づい
て、前記アンテナ素子の各々に給電する給電位相をそれ
ぞれずらす位相手段を備えることを特徴とする円形配列
アレーアンテナ。
【請求項２】請求項１において、前記アンテナ素子の素
子数をＮ個（ただし、Ｎは２以上の整数）としたとき
に、前記位相手段は、前記円形の一周の給電位相差を、２ｐ
Ｎπ(Rad.）（ただし、ｐは自然数）にする場合を除く
ことを特徴とする円形配列アレーアンテナ。
【請求項３】請求項２において、前記アンテナ素子は、
円形上に等間隔に配置され、前記位相手段は、基準となる１つのアンテナ素子の給電
位相を０としたときに、他のアンテナ素子と当該基準と
なるアンテナ素子との円形配列の中心を挟んだ角度によ
り、前記給電位相差をあらかじめ決定しておくことを特
徴とする円形配列アレーアンテナ。
【請求項４】請求項２において、前記給電部は、電力を出力する給電回路と、前記アンテ
ナ素子ごとに設けられ、前記アンテナ素子の各々に対し
ては等電力で給電を行なうように前記電力を分配する分
配器と、前記給電回路に接続され、前記給電回路から前
記分配器の各々に給電するための給電線路とをさらに備
え、前記位相手段は、前記アンテナ素子間の前記給電線路の
長さを変化させることにより、前記給電位相差を調整す
ることを特徴とする円形配列アレーアンテナ。
【請求項５】請求項４において、前記給電線路は、複数
系統設けられ、前記給電回路にそれぞれ接続されること
を特徴とする円形配列アレーアンテナ。
【請求項６】請求項２において、前記アンテナ素子は、
ヘリカルアンテナとパッチアンテナとのうちいずれかで
構成し、前記位相手段は、前記アンテナ素子への給電点の位置を
変えることにより、前記給電位相差を調整することを特
徴とする円形配列アレーアンテナ。
【請求項７】アンテナ素子の素子数をＮ個（ただし、Ｎ
は２以上の整数）備え、当該アンテナ素子を、円形上に
等間隔に配置した円形配列アレーアンテナにおける給電
方法であって、前記円形の一周で給電位相差が２ｍπ(Rad.)（ただし、
ｍは２以上の整数）になるように（ただし、前記円形の
一周の給電位相差を、２ｐＮπ(Rad.）（ただし、ｐは
自然数）にする場合を除く）、前記アンテナ素子の各々
の前記円形上の配置位置に基づいて、前記アンテナ素子
の各々に給電する給電位相をそれぞれずらして等電力で
給電することを特徴とする円形配列アレーアンテナの給
電方法。