JPH11308044A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 場所によってアンテナ特性が変化したり、低
下しないようなアレーアンテナを提供する。 【解決手段】 放射素子１が複数個並列される場合に、
放射素子１の各々はその側部が導体壁６で囲まれてキャ
ビティ１０内に設けられる構造になっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は放射素子が直線状ま
たは平面状に並べられるアレーアンテナに関する。さら
に詳しくは、放射素子単体の電気特性を一様にしてアン
テナ全体としての特性を向上させ得るアレーアンテナに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアレーアンテナは、たとえば図９
に示されるようなカール素子やヘリカル素子などを給電
部から突出させて直線状または平面状に並べて、それぞ
れの放射素子１から放射される電磁波の合成によりアレ
ーアンテナとして形成される。このようなカール素子や
ヘリカル素子などを放射素子として使ったアレーアンテ
ナにおいては、放射素子の振幅制御は給電回路で行わ
れ、位相制御は放射素子の回転角φによって行われてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
放射素子を直線状または平面状に並べて形成されるアレ
ーアンテナでは、各放射素子の回転角φを変化させるこ
とにより放射素子の給電位相を変化させている。しか
し、その正面方向（ｚ軸方向）では安定したアンテナ特
性が得られるものの、斜め方向（ｚ軸からたとえばθ傾
いた方向）では、その特性、とくにサイドローブレベル
の特性が場所によって変化したり、悪化するという問題
がある。この現象は前述のカール素子やヘリカル素子の
場合に限らず、パッチ素子のような放射素子を並置して
アレーアンテナが構成される場合でも同様に現れる。

【０００４】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、場所によってアンテナ特性が変化し
たり、低下しないようなアレーアンテナを提供すること
を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、アレーア
ンテナにおいて、アレーアンテナの面と直角の方向から
傾いた方向（θ方向）でのアンテナ特性の変動や低下を
防止するため鋭意検討を重ねた結果、同じ位置に設けら
れていても、前述のカール素子の回転角φを変化させる
と、θ方向での一定の場所で信号の振幅や位相が周期的
に変化し、非線形になっていることを見出した。このこ
とは、パッチ素子などの給電部を異ならせて回転位相中
心にしたものでも同様の現象が現れる。さらに、本発明
者らはリッジ導波管を用いることにより、放射素子の間
隔を短くすることができ、所望のアンテナ特性を得るこ
とができるようになったが、放射素子の間隔が短くなる
と放射素子間での結合が生じ、その影響によりθ方向で
のアンテナ特性に影響が現れることも判明した。すなわ
ち、このような放射素子は放射素子自身の回転角φに対
する対称性がなく、この非対称に起因して放射素子単体
の性能が低下すること、隣接する放射素子間での結合
が、斜めの方向でそのアレーアンテナ特性を変動させた
り、劣化させる原因になっていること、という知見に基
づき、放射素子単体での性能の改善および隣接する素子
間での結合を防止することにより、斜め方向におけるア
レーアンテナ特性についても安定した高特性のアレーア
ンテナが得られることを見出した。

【０００６】本発明によるアレーアンテナは、放射素子
が複数個配置される場合に、前記放射素子の各々はその
側周部が導体壁で囲まれたキャビティ内に設けられる構
造にされている。この構造にすることにより、周囲を覆
う導体壁が導波管の機能を果たし、放射素子から放射さ
れる回転角φに対する非対称な信号電波でも導波管モー
ドに修正されて、放射素子単体での性能が向上する。ま
た、導体壁により、隣接する素子間の結合も排除される
ため、場所や方向により性能が変動したり劣化すること
のない安定した性能のアレーアンテナが得られる。

【０００７】前記導体壁は、前記放射素子の上面とほぼ
同じ高さまたはそれより高く形成されておれば、充分に
素子特性の回転角φに対する対称性が得られる。

【０００８】内壁の一面または相対する二面にリッジが
設けられることによりリッジ導波管が形成され、該リッ
ジ導波管に給電部が設けられると共に、該リッジ導波管
の管軸方向に対して直角、かつ、リッジ導波管の幅広面
に対して直角に結合用プローブが挿入され、該結合用プ
ローブと一体または該結合用プローブの他端部と接続さ
れて前記リッジ導波管の一壁面を構成する金属板から突
出するように前記放射素子が設けられている構造で前記
アレーアンテナを構成することにより、放射素子間の間
隔を狭くしてサイドローブの小さい高性能のアンテナを
得ることができると共に、斜め方向に対してもアンテナ
特性を安定させることができる。

【０００９】前記リッジ導波管が複数本並列に並べら
れ、該複数本のリッジ導波管の各給電部に給電するた
め、該並列に並べられた複数本の導波管と交差する方向
に延びる第２のリッジ導波管が設けられ、該第２のリッ
ジ導波管に設けられた第２の結合用プローブの他端部が
前記複数のリッジ導波管のそれぞれに挿入されることに
より給電され、前記第２のリッジ導波管に外部回路と接
続し得る第２の給電部が設けられることにより、平面ア
ンテナが形成される。

【００１０】また、前記複数本のリッジ導波管に結合さ
れる放射素子が第１の偏波の信号の送受信用に形成さ
れ、該偏波と直交する偏波の信号を送受信し得る第２の
放射素子が結合される第３のリッジ導波管が複数本形成
され、前記第１のリッジ導波管と第３のリッジ導波管と
が交互に配列され、該第３のリッジ導波管にそれぞれ給
電するための第４のリッジ導波管が前記複数本の第３の
リッジ導波管と交差する方向に延びて設けられることに
より、複数の偏波を送受信することができると共に、斜
め方向でも回転角φに対して変動しない安定な特性のア
レーアンテナが得られる。

【００１１】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明のアレーアンテナについて説明をする。

【００１２】本発明のアレーアンテナは、図１に１個の
放射素子１の部分が示されるように、放射素子１が複数
個配置される場合に、放射素子１の各々はその側部が導
体壁６で囲まれてキャビティ１０内に設けられる構造に
なっている。

【００１３】前述のように、本発明者らはアレーアンテ
ナにおいて、放射素子が配置される面に対して垂直方向
から傾いた斜め方向におけるアンテナ性能が変動した
り、低下する原因について鋭意検討を重ねて調べた結
果、放射素子１の回転角φに対する非対称性に基づく放
射素子単体での性能の変動に起因していることを見出し
た。すなわち、図２（ａ）に示されるようなカール素子
１の放射方向（垂直方向）Ｒ（図１参照）からの傾き角
θが広角（たとえば６０゜以上）の方向での、カール素
子１の放射特性である振幅および位相を回転角φを変化
させて調べた結果、図２（ｂ）に示されるように、カー
ル素子１の回転角φにより、振幅および位相の両方とも
周期的に変化していた。これは、角度θが大きくなる
と、結合用プローブ（中心軸）１ａからの電磁波の輻射
成分が見えること、結合用プローブ（中心軸）１ａに対
して回転対称な形状でないこと、のためであると考えら
れる。この観点から、前述のようにカール素子でなくて
も、スパイラル素子やヘリカル素子でも同様に中心軸か
らの輻射成分があると共に中心軸に対して非対称にな
り、また、パッチ素子でも給電点の位置により各素子の
位相が調整され、給電点に対して回転位相中心が異なる
ため非対称となり、同様の傾向が現れる。

【００１４】そして、前述のように導体壁６で囲まれた
キャビティ１０内にカール素子１を設けることにより、
放射素子１自身の電気的対称性が得られ、斜め方向にお
いても回転角φに対する線形特性が得られることを見出
した。すなわち、前述の導体壁６が周囲に設けられたカ
ール素子１の回転角φを変えたときの同じ条件での振幅
および位相の変化を調べた結果、図２（ｃ）に示される
ように、振幅は一定で、位相はリニアに変化し、非常に
対称性が向上した。そして、この放射素子１を並べて、
アレーアンテナを形成した結果、垂直方向から傾いた方
向においても、アンテナ特性が変動したり劣化しない
で、安定した高特性のアレーアンテナが得られた。これ
は、放射素子１が導体壁６で囲まれて少なくとも放射素
子１の表面まで被覆されることにより、その表面まで導
波管モードで電磁波が伝搬し、導波管モードの電気的に
対称な電磁波として放射されるためと考えられる。

【００１５】放射素子１は、図１に示される例では、リ
ード線がカール状に一定の角度で巻回されたカール素子
の例で、その一端部側はカール素子と連続して、または
別リードの接続により結合用プローブ（中心軸）１ａと
して、図示しないたとえば導波管内に結合され、給電部
と接続される構造になっている。この放射素子１は、カ
ール素子でなくても、図８（ａ）〜（ｄ）に示されるよ
うスパイラル素子、ヘリカル素子、パッチ素子（パッチ
状平面アンテナ素子）、ジグザグ素子（右に平面図が示
されるように、平面内で九十九折りにされているアンテ
ナ素子）などでも同様である。

【００１６】導体壁６は、金属板などの表面が導体で覆
われているものであればよく、たとえばプラスティック
などの絶縁物でもその表面に導体膜が設けられておれば
よい。また、図１に示される例では、１個の放射素子１
の部分のみが図示されており、１個の放射素子１だけを
個別に導体壁６で覆う構造になっているが、実際には並
列される放射素子１の間に金属板などが格子状に設ける
ことにより個々の放射素子１が導体壁６で覆われる構造
になる。この導体壁６は、通常は導波管の一壁面または
接地板上に放射素子１が延出して設けられ、その接地板
に接続して設けられることによりアースに接続される。
しかし、パッチ素子のように接地板上の誘電体基板上に
設けられる場合は、誘電体基板上に設けてその導体壁を
接地しても同様の効果が得られる。もちろん、導体壁の
部分の誘電体基板を除去して接地板に直接接触するよう
に設けることもできる。

【００１７】また、導体壁６の高さｈは放射素子１の突
出高さ程度またはそれより数ｍｍ程度高く形成されてお
ればよい。すなわち、この導体壁６を設ける目的は前述
のように、放射素子１から放射される電磁波が導波管モ
ードで伝搬する電磁波として放射されるようにするため
のもので、放射素子１と結合（給電）される導波管また
は同軸ケーブルなどの正常な伝送モードを放射素子１の
表面まで維持すれば、放射素子１の非対称性に拘らず、
導波管モードとして放射されるからである。したがっ
て、この導体壁６で囲まれたキャビティ１０内を電磁波
が伝搬する構造になり、導体壁６の間隔が余り狭くなっ
てカットオフ周波数以下になると設ける意味がなくな
る。しかし、並列される放射素子１の間隔は少なくとも
伝搬し得る間隔（導波管との結合であればλ_g ／２）で
設けられているため、隣接する放射素子１の間に隔壁と
して金属板を挿入して導体壁６が設けられることによ
り、充分に導波管モードを維持することができる。

【００１８】この導体壁６は、断面が正方形になるよう
に設けられることが、回転角φに対する対象構造が得ら
れるため好ましい。したがって、放射素子１がマトリク
ス状に配列される平面アンテナで、アンテナ特性によ
り、その放射素子１の間隔が縦と横とで異なる場合は、
異なる厚さの金属板を放射素子１の間に挿入することが
好ましい。また、前述の導波管モードを放射素子の先端
まで維持するという目的からはキャビティ１０は矩形で
なくてもよく、円筒状に導体壁を設けることもできる。
しかし、円形導波管では矩形導波管よりカットオフ周波
数が高くなるため、同じ周波数に対して直径を矩形の一
辺の長さより大きくする必要があり、放射素子の間隔を
狭くする必要がある場合は矩形の方が好ましい。

【００１９】本発明によれば、放射素子の側周囲が導体
壁により囲まれて開口面を有するキャビティが形成され
ているため、キャビティを導波管と見なすことができ、
電磁波は導波管内伝搬モードとしてキャビティの中を伝
搬しながら放射素子の表面の開口面から放射される。そ
のため、導波管モードの一様な電磁界分布により放射さ
れ、個々の放射素子としての特性が一様になる。また、
隣接する素子間で結合が強い場合であっても、その間に
導体壁が設けられているため、隣接する素子間での結合
も防止することができる。その結果、この放射素子を用
いて個々の放射素子の位相を調整するように、たとえば
回転角を変化させて配列することによりアレーアンテナ
を構成しても、放射素子単体の特性が一様になっている
ため、総合特性が理論計算通りの非常に安定した高特性
になる。

【００２０】つぎに、この放射素子を、損失が少なく放
射素子の間隔を小さくすることができるリッジ導波管に
結合する平面アンテナについて説明をする。

【００２１】図３（ａ）は、その一実施形態の斜視説明
図で、図３（ｂ）〜（ｃ）はそのＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線の
断面説明図である。

【００２２】この例は、図４に示されるリッジ導波管を
用いた直線アレーアンテナを並列に並べたもので、ここ
では、導波管２の上面の金属部分を取り除き、複数本の
導波管に共通の１枚の金属板２ｃで閉塞されるように、
金属板２ｃの裏面に上面が除去された第１のリッジ導波
管２が並列に複数本並べて取り付けられている。また、
金属板２ｃの放射素子１の取付部に貫通孔が設けられ、
誘電体４を介して結合用プローブ１ａの一端部がリッジ
導波管２内に挿入され、他端部に放射素子１が設けられ
ている。そして、このアレーアンテナが複数本並列に並
べられることにより、２次元に構成されていると共に、
この複数本の第１のリッジ導波管２に給電できるよう
に、この第１のリッジ導波管２の裏面側にさらに第２の
リッジ導波管５が、たとえばリッジ導波管２の中心部を
横断する（直交する）ように設けられている。そして、
第２のリッジ導波管５の底面にコネクタ３ｂおよび給電
用プローブ３ａが設けられ、給電用プローブ３ａがリッ
ジ５ａに設けられた貫通孔を経て第２のリッジ導波管５
の空洞内に挿入されている。そして、第１および第２の
リッジ導波管２、５の空洞部につながるように、図示し
ない誘電体を介して第２の結合用プローブ１ｂが設けら
れて、第１のリッジ導波管２に給電される構造になって
いる。

【００２３】すなわち、コネクタ３ｂを介して外部回路
から給電されて第２のリッジ導波管５に結合され、第２
のリッジ導波管５と複数本の第１のリッジ導波管２との
間を第２の結合用プローブ１ｂにより結合して第１のリ
ッジ導波管２に給電されている。この結合の強さも、結
合用プローブ１ｂの挿入深さを調整することにより、自
由に設定することができる。その結果、第１のリッジ導
波管２のそれぞれと結合して設けられた放射素子１から
平面的に信号が放射されたり、受信することができる。

【００２４】図３のアレーアンテナを構成する一列の直
線アレーアンテナは、たとえば図４（ａ）にその一例の
斜視説明図が、図４（ｂ）〜（ｃ）にそのＢ−Ｂ線、Ｃ
−Ｃ線の一部の断面説明図がそれぞれ示されるように、
両端を短絡板２ｂにより短絡し、実質的に矩形の断面を
有する導波管の長手方向の内壁の一面にリッジ２ａが形
成されたリッジ導波管２の管軸方向に直角、かつ、リッ
ジ導波管の幅広面に対して直角に結合用プローブ１ａが
挿入され、その結合用プローブ１ａと一体でまたは接続
して放射素子１が管軸方向に沿って複数個設けられるこ
とにより構成されている。結合用プローブ１ａは、リッ
ジ導波管２の管壁の部分では、その位置が動かないよう
に、かつ、管壁と接触しないように、誘電体４で保持さ
れている。リッジ導波管２には、図４に示される例で
は、リッジ２ａが設けられた下面から給電用プローブ３
ａが挿入され、コネクタ３ｂを介して外部回路と接続す
ることができる給電部３が設けられている。

【００２５】このリッジ導波管２の一壁面となる金属板
２ｃ上に突出する放射素子１をそれぞれ仕切るように金
属板が格子状に設けられており、放射素子１のそれぞれ
の周囲が導体壁６で覆われている。その結果、放射素子
１が１個づつ導体壁６により囲まれることにより、方形
キャビティ１０内に放射素子１が存在することになり、
前述のように導波管内の伝搬モードとなり、キャビティ
開口面における電磁界分布が一様になる。このときの放
射パターンを図５に示す。導体壁が設けられない従来の
放射パターンは図５に点線で示されるようなサイドロー
ブが現れていたが、本発明によればサイドローブが非常
に小さく高特性のアンテナが得られた。

【００２６】なお、図３では４本のリッジ導波管を並置
した例が図示されているが、この本数は、必要なアンテ
ナ特性が得られるようにｎ本のリッジ導波管を並置する
ことができる。また、コネクタ３ｂ側に図示しない整合
回路が設けられることにより給電部とリッジ導波管との
マッチングを取ることもできる。

【００２７】図６は、リッジ導波管に結合する平面アン
テナの他の例である。この例は、導体壁６を円筒状に形
成したもので、図５に示される例では、導体壁６が１枚
の金属板に円形の貫通孔６ａが設けられることにより形
成されている。このような構造にすることにより、非常
に簡単に形成することができる。なお、図３と同じ部分
には同じ符号を付してその説明を省略する。

【００２８】図７は、平面アンテナのさらに他の実施形
態の図３（ａ）と同様の説明図であるが、導体壁を省略
して図示してある。この例は、たとえば右旋円偏波と左
旋円偏波の両偏波を送受信することができるように直交
する偏波のアンテナが設けられた例である。すなわち、
たとえば右旋円偏波用の放射素子１が第１のリッジ導波
管２に並べられて形成された右旋用アレーアンテナと、
左旋円偏波用の放射素子９が第３のリッジ導波管７に並
べて結合された左旋用アレーアンテナとが、１本おきに
並べられている。そして、第１のリッジ導波管２に給電
するための第２のリッジ導波管５および第３のリッジ導
波管７に給電するための第４のリッジ導波管８が、それ
ぞれ第１および第３のリッジ導波管２、７と直交するよ
うに設けられている。この第２および第４のリッジ導波
管５、８には、図示されていないが、前述のようにコネ
クタが設けられており、外部回路と給電することができ
るようになっている。

【００２９】このような構造にすることにより、２以上
の偏波を送受信することができる平面アンテナを斜め方
向でもアンテナ特性を劣化させることなく送受信するこ
とができる。なお、図７に示される例では、右旋円偏波
用の放射素子１と、左旋円偏波用の放射素子９とがずれ
て配置されるように構成されている。図７に示されるよ
うに右旋円偏波用と左旋円偏波用とをずらせて配置する
ことにより、放射素子間の距離が大きくなり、相互の影
響を減らすことができるため一層好ましい。また、前述
の例では、右旋円偏波用と左旋円偏波用の直交する円偏
波の送受信用であったが、直線偏波の水平偏波用と垂直
偏波用などの直交する偏波用のアンテナにすることもで
きる。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、放射素子をキャビティ
構造内に配置しているため、素子単体の電気的特性がそ
の回転角に対して一様になる。さらに、隣接する放射素
子間での相互作用を防止することができ、アレーアンテ
ナとしてのアンテナ特性、とくにサイドローブ特性を非
常に改善することができる。すなわち、理論計算通りに
製造することができる。その結果、非常に高特性で、か
つ、斜め方向に対しても特性が低下しないアレーアンテ
ナが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアレーアンテナの一実施形態の１個の
放射素子部分の説明図である。

【図２】放射素子の回転角に対する特性の変化を示す説
明図である。

【図３】図１の放射素子を並べて平面アンテナを構成し
た例の説明図である。

【図４】図３の直線状アレーアンテナの説明図である。

【図５】図３のアレーアンテナによる放射パターンを示
す図である。

【図６】本発明のアレーアンテナの他の実施形態の説明
図である。

【図７】平面アンテナの構成の他の例を示す説明図であ
る。

【図８】放射素子の例を示す図である。

【図９】従来のアレーアンテナに用いるパッチ素子の方
向による特性の説明図である。

【符号の説明】

１ 放射素子 ２ リッジ導波管 ６ 導体壁 １０ キャビティ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放射素子が複数個配置されたアレーアン
   テナであって、前記放射素子の各々はその側部が導体壁
   で囲まれたキャビティ内に設けられてなるアレーアンテ
   ナ。
2. 【請求項２】 前記導体壁は、前記放射素子の上面とほ
   ぼ同じ高さまたはそれ以上の高さに設けられてなる請求
   項１記載のアレーアンテナ。
3. 【請求項３】 前記放射素子が、カール素子、スパイラ
   ル素子、ヘリカル素子、パッチ素子、およびジグザク素
   子から選ばれる少なくとも１種である請求項１または２
   記載のアレーアンテナ。
4. 【請求項４】 内壁の一面または相対する二面にリッジ
   が設けられることによりリッジ導波管が形成され、該リ
   ッジ導波管に給電部が設けられると共に、該リッジ導波
   管の管軸方向に対して直角、かつ、リッジ導波管の幅広
   面に対して直角に結合用プローブが挿入され、該結合用
   プローブと一体または該結合用プローブの他端部と接続
   されて前記リッジ導波管の一壁面を構成する金属板から
   突出するように前記放射素子が設けられてなる請求項
   １、２または３記載のアレーアンテナ。
5. 【請求項５】 前記リッジ導波管が複数本並列に並べら
   れ、該複数本のリッジ導波管の各給電部に給電するた
   め、該並列に並べられた複数本の導波管と交差する方向
   に延びる第２のリッジ導波管が設けられ、該第２のリッ
   ジ導波管に設けられる第２の結合用プローブの他端部が
   前記複数のリッジ導波管のそれぞれに挿入されることに
   より給電され、前記第２のリッジ導波管に外部回路と接
   続し得る第２の給電部が設けられて平面アンテナが形成
   されてなる請求項４記載のアレーアンテナ。
6. 【請求項６】 前記複数本のリッジ導波管に結合される
   放射素子が第１の偏波の信号の送受信用に形成され、該
   偏波と直交する偏波の信号を送受信し得る第２の放射素
   子が結合される第３のリッジ導波管が複数本形成され、
   前記第１のリッジ導波管と第３のリッジ導波管とが交互
   に配列され、該第３のリッジ導波管にそれぞれ給電する
   ための第４のリッジ導波管が前記複数本の第３のリッジ
   導波管と交差する方向に延びて設けられてなる請求項５
   記載のアレーアンテナ。
7. 【請求項７】 前記リッジ導波管の管壁の一部が、前記
   複数本のリッジ導波管に共通の１枚の金属板により形成
   されてなる請求項４、５または６記載のアレーアンテ
   ナ。