JPS61169002A - 円形アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、アレイアンテナに関し、特に航空機塔載電
波方向探知機用アンテナとして好適な円形アレイアンテ
ナに関するものである。

〔従来の技術〕

従来、電波方向探知機あるいは無線方位測定機（以下、
単に電波方探とする）は、航空および海上用の航法機器
として重要な役割を果たしており、航空機あるいは船舶
に到来する電波を指向特性を有するアンテナで受け、そ
の進行方向から航空機または船舶の方位を知ることがで
きるようになっている。このうち、航空機用電波方探に
おいては、ＶＨＦ帯およびＵＨＦ　帯の電波が用いられ
、アンテナとしてはループアンテナと垂直アンテナを組
合わせたアトコックアンテナやりフレフタ付ビームアン
テナ等が用いられており、船舶用電波方探においては、
中短波帯の場合は直交ループアンテナが用いられ、さら
に短い波長帯ではアトコックアンテナが使用されること
もあるが、いずれにしても、これらの電波方探における
方向探知能力は給電回路も含めてアンテナ系によって決
定されるということができる。

このような電波方探用アンテナは、特定のいくつかの方
向において電波を送受波することができるよう、これら
の各方向に対して強い指向性を持つことが要求される。

単にこれらの各方向に強い指向性を持つアンテナ系を得
るといつだ′けであれば、たとえば八木−宇田アンテナ
等の単指向性アンテナを各方向に１組ずつ複数組（たと
えば９．ｏｏずつ方、向をずらして４組）配置すればよ
いが、このような多素子型の単指向性アンテナを多数用
いることは、スペース上の制約があり、特に航空機塔載
用としては、小型、軽量であることが要求されるため、
通常非実用的である。

また、電波方探においては、相当広範囲にわたるいくつ
かの周波数帯域の電波が使用されるので、アンテナにも
それだけ広い周波数帯域が要求されるが、上記のような
単指向性アンテナは狭帯域であり、使用周波数毎に帯域
の異なるアンテナを設けることは、さらに大きなスペー
スを要するため、実際上不可能である。なお、電波方探
用アンテナの周波数帯域特性としては、良好な特性の得
られる上限周波数と下限周波数との比で表わして、通常
、この比が少なくとも３倍以上であることが要求される
。さらに、電波方探用アンテナとしては、全方位を等角
度間隔で少なくとも４分割した４つの方向において電波
的に等方性を有することが望まれる。

そこで、複数の給電アンテナ素子を円周上に等間隔で配
列した円形アレイアンテナは、３６０°の範囲の探査が
可能なため、相当以前から研究がなされ、いくつかのも
のが実用化されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のような従来の円形アレーアンテナ
にあっては、要求される指向特性および周波数帯域特性
を共に満たすことは困難で、これを満たすには複雑な給
電回路が必要となり、またサイドローブを抑圧するのに
別途多数の素子を同心円周上に配列しなければならない
等の問題があった。

この発明は上記の事情に鑑みなされたもので、その目的
は、比較的簡単な給電回路とアンテナ素子配列により、
要求される指向特性および周波数特性を共に満足するこ
とのできる、特に航空機塔載電波方探用アンテナとして
好適な円形アレイアンテナを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の問題点を解決するために、この発明は、半径にの
円周上に等間隔で配置された４つの放射素子Ｅｉ（ｉ＝
１．・・・、４）とその中心に配置された中心素子Ｅ。

よりなるアンテナ系と；上記中心素子Ｅ、に対する上記
円周上の各放射素子Ｅｉの方位にそれぞれ対応させて設
けられた４つの給電端子ｐｉ（ｉ＝１．・・・、４）を
有して、その１つの給電端子Ｆｉ　　に振幅１、角周波
数ωの高周波信号を給電した時、上記中心素子鳥、給電
中の給電端子Ｆｉに対する放射素子Ｅｉ１　これに対し
て１８０°の位置にある放射素子Ｅｉ十ｚ　（ｉ　＝　
１．２のとき）またはＥｉ−２＜　ｉ　＝３．４のとき
）、９０’の位置にある放射素子Ｅｉ＋２（１＝１　、
２　、３のとき）またはＥ　ｉ−ａ　（ｉ＝　４のとき
）、２７０°の位置にある放射素子Ｅ　ｉ＋３　（１；
ｌのとき）またはＥｉ−１（ｉ＝２゜３．４のとき）を
、ａを正の実数として、それぞれｊａ　：　ｅｊＰ”）
・ｊＰ”）：　Ｊ　（１−２）　Ａ（ω）　’　ｊ（１
、−ｅ −Ｔ）Ａ（ω）で表わされる複素振幅分布（相対値）で
励振する、振幅補償特性が近似的にＡ（ω）＝ｓｉｎ（
−Σ・邑）の振幅補償回路（ω。＝Ｒが１／４波長に等
しくなる角周波数）およびこれにより生じる位相変位を
補償するための位相補償特性Ｐ（ω）の位相補償回路を
含む給電回路と；を備えたことを特徴とする円形アレイ
アンテナを提供するものである。

〔作用〕

上記の構成を有するこの発明の円形アレイアンテナの動
作原理を、以下、第１図および第２図を参照しつつ説明
する。

第１図に示すように、中心素子もとこの中心素子Ｅ。か
ら半径Ｒの円周上に放射素子Ｅ、をＸ軸の正方向（Ｘ＋
）に合わせて等角度間隔で配置された４つの素子ＥＩ　
＋　Ｅ２　＋　Ｅ３およびＥ４よりなるアンテナ系１は
、給電回路２により給電される。給電回路２には、円周
上の上記各放射素子Ｅｉ（ｉ＝１．・・・。

４）の中心素子Ｅ。に対する方位（ｘ＋　、　ｙ＋　、
　ｚ−９γ−）にそれぞれ対応させて４つの給電端子Ｆ
１ｐＦ２　＋　Ｆ３およびＦ４が備えられている。

いま、給電端子Ｆ１より振幅１、角周波数ωの高周波が
給電されたとすると、給電回路２は、中心素子Ｅ０、給
電端子Ｆ１に対する放射素子Ｅ８、この素子Ｅ１に対し
て１８０°の位置にある素子Ｅ３．９０゜の位置にある
素子Ｅ２．２７００　の位置にある素子Ｅ４の複素振幅
がそれぞれ、、ｅｊｐ（ｃｕ）　　　ｊｐ（ｃ′））、
−ｅ Ｊ（１−医）Ａ（ω）、ｊ（１−Ｈ）Ａ（ω）となる複
素振幅分布（相対値）でこれらの各素子を励振する。す
ると、第２図に示すように、素子Ｅ、とＥ、はＸ軸の正
方向と負方向とでローブの極性が反転する８字指向性Ｄ
１を示し、中心素子Ｅ。と素子Ｅ２およびＥ４はｙ軸方
向に並んだブロードサイド・アレイとして作用し、Ｘ軸
の正負の方向に細長いまゆ形指向性Ｄ２を示す。従って
、アンテナ系１は、全体として、上記８字指向性ＤＩと
まゆ形指向性Ｄ２の合成により、次式■で示されるよう
に、Ｘ軸の正方向に主ローブ（ビーム）を有しかつｙ軸
方向の放射（受波）レベルおよび後方放射（受波）レベ
ルが著しく抑えられた合成指向性を示す。

Ｅ（ψ）＝（ｅｊｋＲＣＯ５ψ　−ｊｋＲｃｏｓψ）ｅ
ｊＰ（ｃｕ）＋ｅ Ａ（ω）　（−ｕ　＋Ｃ１−見）　ｃｏｓ　（ｋＲｓｉ
ｎψ）　）　）−・−■但し、ｋ：自由空間内の伝播定
数；波長λとして２π ｋ　＝　　− λ ψ：Ｘ軸の正方向をψ−〇とする方位角なお、振幅補償
特性Ａ（ω）および位相補償特性Ｐ（ω）は、円形アレ
ーアンテナでカバーする必要のある周波数帯域内におい
て、上記８字指向性り。

とまゆ形指向性Ｄ２の合成指向性の後方放射レベルが、
周波数にかかわらず、できるだけゼロに近いレベルに抑
えられるよう、振幅補償回路および位相補償回路の回路
定数としてあらかじめ組入れられている。

同様に、給電端子Ｆ２から給電すると、中心素子Ｅ０、
素子Ｅ２、この素子Ｅ２に対して１８０°の位置にある
素子Ｅ４．９０°、２７００の位！にある素子Ｅ５、Ｅ
ｌの振幅がそれぞれｊ３、ｅｊＰ（０）−に＝−ｅｊＰ
（ｆｆｌ）、ｊ（１−医）Ａ（ω）、ｊ（１−Σ）Ａ（
ω）となる複素振幅分布（相対値）でアンテナ系１が励
振され、ｙ＋の方向に主ローブを持つ上記式■で与えら
れる（ただしψ＝ψ−９００）合成指向性を示す。

同様にして、給電端子Ｆ、またはＦ４から給電すると、
アンテナ系１は、Ｘ−またはｙ−の方位に主ローブを持
ち、これらの各方位において横方向および後方の放射レ
ベルが低く、しかも周波数特性のよい合成指向性を示す
。

この発明の円形アレイアンテナは、上記のように、円周
上の４つの放射素子に１つの中心素子を付加しただけの
簡単な構造のアンテナ系により、４つの方向にすぐれた
指向特性を持つことができる。従って、このようにすぐ
れた指向特性をもって到来電波の探索を行なうのに素子
数が少なくて済み、小型・軽量化が可能なため、特に航
空機塔載電波方探用アンテナとして好適である。

〔実施例〕

以下、この発明の円形アレイアンテナの一実施例につい
て第３図を参照しつつ説明する。

図示実施例の円形アレイアンテナにおいて、アンテナ系
１は半径にの円の中心に配置された中心素子Ｅ。および
その円周上においてＸ＋、ｙ＋、Ｘ−１ｙ″″の方位に
それぞれ配置された４つの放射素子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ１、
Ｅ４を有し、給電回路２は、それぞれ４つの３ｄＢカプ
ラＨ１１、・・・、）（１４、Ｈ２１、・・・、Ｈ２４
、Ｈ３０、・・・、）′Ｉ３４　　よりなる第１カプラ
群Ｈ１、第２カプラ群Ｈ２および第３カプラ群Ｈ３、角
周波数ωに対する振幅補償特性がＡ（ω）の振幅補償回
路Ａ１．・・・＋　Ａ４および位相補償特性がＰ（ω）
の位相補償回路Ｐ３．・・・＋　Ｆ４よりなる振幅・位
相補償回路群ＡＰ、　　ハイブリッドカプラＨｃｔ、、
Ｈα２およびＨＢ１、ＨＢ２、四分配器４、減衰器（Ａ
ｔ【）５、および２つの９０°遅相器６＋　、６２等で
構成されている。

上記の第１８、第２、第３カプラ群Ｈ８、Ｈ２％Ｈ。

の各カプラ（Ｈ）は、第４図に示すように、端子■より
１なる波を入力すると、端子■および■に電圧７そｔ″
′れＴ・−’６”出力を生じ・逆′Ｉ子■より１なる波
を入力すると端子■および■にそれぞれ−ＪＴ・τ　の
出力を生じる・また・減衰器５は、入力を透過係数εで
減衰させて出力する。

ハイブリッドカプラ〜（Ｈ（Ｏｔ、、Ｈ工２）およびＨ
β（ＨＩ３、ＨＩ３）は、第５図に示すように、端子■
より１なる波を入力すると、端子■、■にＨ（Ｏｔ　で
はα、−Ｊβ、またＨβ　ではβ、−ｊαの出力がそれ
ぞれ生じ、端子■よりそれぞれ１なる波を入力すると、
端子■、■にＨαでは−ｊβ、α、またＨβでは−ｊα
、β　の出力がそれぞれ生じ、従ってα２＋β２＝１が
成立する回路である。なお、第３図に示すように、第１
、第２カプラ群のカプラ（Ｈ）および各ハイブリッドカ
プラ（Ｈヶ、Ｈβ）の使用しない端子には、波の反射を
防ぐためのダミー７が接続されている。

図示実施例において、上記第１カプラ群の３ｄＢカプラ
Ｈ１１の端子■、Ｈ１□の端子■、■］１３の端子■、
Ｆ１４の端子■は、アンテナ系１の円周上の各素子Ｅ１
、Ｆ２、Ｆ５、Ｆ４の中心素子Ｅ。に対する方位（ｘ＋
、ｙ＋、Ｘ−１７−）にそれぞれ対応した給電回路２の
給電端子Ｆ１、Ｆ２、Ｆ８、Ｆ４　　をなしており、こ
れらのうちいずれかの端子から給電を行なうと、アンテ
ナ系１は、以下に述べるように、その給電中の端子に対
応した方位に主ローブを有する指向性を示す。

上記３ｄＢ　カプラ□馬１、Ｆ１３の端子■は四分配器
４にそれぞれ接続されており、Ｈ１□、Ｆ１４の端子■
もそれぞれ９０°遅相器６１．６２を介して四分配器４
に接続されている。従って、たとえば給電端子Ｆ、に１
なる波が入力されると、アンテナ系１の中心素子Ｅ。は
−Ｊ　　１　　ｇで励振される。

また、３ｄＢ　　カプラ）１１１の端子■は第２カプラ
群Ｈ２の３ｄＢカプラＨ２１の端子■に接続されており
、このカプラＨ２□の端子■、■はそれぞれ第３カプラ
群Ｈ３の３ｄＢカプラＨ３□の端子■、Ｆ３３の端子■
に接続されている。これらの３ｄＢ　　カプラＨ３１、
）（３３の端子■は、それぞれ位相補償回路ＰいＰ、を
介して、ハイブリッドカプラＨｃｔ１、Ｈ（ｔ２の端子
■に接続されており、カプラＨ３１、Ｆ３３の端子■は
、それぞれ振幅補償回路Ａ１、Ａ３を介して、ハイブリ
ッドカプラＨβ１、ＨＩ３の端子■に接続されている。

これらのハイブリッドカプラＨ工、、Ｈ（ｔ□、ＨＩ３
、ＨＩ３　の端子■はそれぞれアンテナ系１の円周上の
素子Ｅ１、Ｆ３、Ｆ２、Ｆ４　　に接続されている。

その結果、上記給電端子Ｆ１に入力された１なる端子■
、■にそれぞれ＜　−ｊ−Ｌ）　（−ｊ　’−）　（’
−）、ｈ　　　　６６ て現われる。すると、中心素子Ｅ。に接続された減衰器
５の端子■、ハイブリッドカプラＨ，：ｔＩ、Ｈｃｔ２
、ＨＩ３、ＨＩ３　の端子■の複素振幅分布は、−’２
ｆ’ｉε：、　１ ニーＪ−βＡ　（ω）　＝　ｊｇ　：　ｄｅｊＰ”）：
　−ｔｉｅ　ＪＰ””　：　ｊβＡ（ω）Ｂ ：ｊβＡ（ω）となる。

ε 一＝　　ａ　　　　　　　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・　　■α すなわち、α２＋β２＝１　であるからとなるようにα
、β、εを定めれば、アンテナ系１の中心素子Ｅ０、円
周上の素子Ｅ１、Ｅ２、Ｅ８、Ｅ４　　の複素振幅分布
（相対値）はｊａ　：Ｃｊｐ（ｌｔｌ）　。

−ｅｊＰ”）：　ｊ＜　１−’）　Ａ（ω）　：　ｊ＜
　１−もＡ（Ｇ））となり、前に〔作用〕の項で説明し
た指向性の合成により、アンテナ系１は放射素子Ｅ、が
表わす方位、すなわちＸ　の方向に主ローブを有し、横
方向（ｙ軸方向）の放射レベルおよび後方放射レベルが
著しく抑えられた指向特性を示す。しかも、この指向特
性は、振幅補償特性Ａ（ω）、位相補償特性Ｐ（ω）に
よって、対象とする周波数帯域内における周波数変化に
対して極めて安定している。

このようにして、アンテナ系１の各素子は、給電端子Ｆ
１、・・・、Ｆ４のいずれから給電されているかに従っ
てそれぞれ次表に示すような複素振幅分布（相対値）で
励振され、その給電端子に対応した方位に上記のような
すぐれた指向特性を示す。

なお、上記実施例において、給電回路２のカプラ等の回
路素子を接続する線路およびアンテナ系へ到る線路の長
さは、どのルートを通っても、経由する線路による位相
変位が等しくなるような線路長に設定されている。

この発明の円形アレイアンテナによれば、主ローブの方
向に対して±９０°の方向の放射レベルを＝１０．５ｄ
Ｂ以下とすることができ、かつ良好な特性の得られる上
限周波数と下限周波数との比が約９倍以上というすぐれ
た周波数帯域特性を得ることが可能なことが確認されて
いる。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明したように、この発明によれば、比較
的簡単な給電回路とアンテナ素子配列により、要求され
る指向特性および周波数特性を共に満足し得る、特に航
空機塔載電波方探用アンテナとして好適な円形アレイア
ンテナを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の円形アレイア・ンテナの基本構成
およびそのアンテナ系における複素振幅分布を示すブロ
ック図、第２図はこの発明の円形アレイアンテナによる
指向性合成の原理を示す指向性図、第３図はこの発明の
円形アレイアンテナの一実施例の構成を示すブロック図
、第４図および第５図は上記実施例に使用する３ｄＢカ
プラおよびハイブリッドカプラの作用をそれぞれ説明す
るためのブロック図である。 １・・・アンテナ系、２・・・給電回路、Ｅｏ・・・中
心素子、ＥＩＮ・・・、Ｅ４・・・円周上の放射素子、
Ｆ８、・・・、Ｆ４・・・給電端子、Ａｌ゛、・・・、
Ａ４・・・振幅補償回路、Ｐ１、・・・、Ｐ４・・・位
相補償回路。 同　　代理人　　鎌　　１）　文　　二第１図 第２図 ■

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半径Ｒの円周上に等間隔で配置された４つの放射素子Ｅ
   ｉ（ｉ＝１、・・・、４）とその円の中心に配置された
   中心素子Ｅ＿０よりなるアンテナ系と；上記中心素子Ｅ
   ＿０に対する上記円周上の各放射素子Ｅｉの方位にそれ
   ぞれ対応させて設けられた４つの給電端子Ｆｉ（ｉ＝１
   、・・・、４）を有して、その１つの給電端子Ｆｉに振
   幅１、角周波数ωの高周波信号を給電した時、上記中心
   素子Ｅ＿０、給電中の給電端子Ｆｉに対する放射素子Ｅ
   ｉ、これに対して１８０°の位置にある放射素子Ｅ＿ｉ
   ＿＋＿２（ｉ＝１、２のとき）またはＥ＿ｉ＿−＿２（
   ｉ＝３、４のとき）、９０°の位置にある放射素子Ｅ＿
   ｉ＿＋＿３（ｉ＝１、２、３のとき）またはＥ＿ｉ＿−
   ＿３（ｉ＝４のとき）、２７０°の位置にある放射素子
   Ｅ＿ｉ＿＋＿３（ｉ＝１のとき）またはＥ＿ｉ＿−＿１
   （ｉ＝２、３、４のとき）を、ａを正の実数として、そ
   れぞれｊａ：ｅ＾ｊ＾ｐ＾（＾ω＾）：−ｅ＾ｊ＾Ｐ＾
   （＾ω＾）：ｊ（１−ａ／２）Ａ（ω）：Ｊ（１−ａ／
   ２）Ａ（ω）で表わされる複素振幅分布（相対値）で励
   振する、振幅補償特性が近似的にＡ（ω）＝ｓｉｎ（π
   ／２・ω／ω＿０）の振幅補償回路（ω＿０：Ｒが１／
   ４波長に等しくなる角周波数）およびこれにより生じる
   位相変位を補償するための位相補償特性ｐ（ω）の位相
   補償回路を含む給電回路と；を備えたことを特徴とする
   円形アレイアンテナ。