JPS641964B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は複数個の素子アンテナから成るアレ
イアンテナを１次放射器とする反射鏡アンテナを
用い、二つの周波数₁と₂とで異なる二つの方向
に２本のビームを同時に放射するアンテナ装置に
おいて、上記１次放射器によるアンテナ開口面の
一部遮蔽により劣化する放射パターンを上記２周
波数の各々の周波数に１本ずつ対応する２本のビ
ームに対して改善するようにしたアンテナ装置に
関するものである。

ここで、まず、アレイアンテナ給電の反射鏡ア
ンテナにより、２周波２ビームを発生するアンテ
ナ装置について第１図を用いて説明する。第１図
において、１は反射鏡、２は１次放射器としての
アレイアンテナで、アレイアンテナ２は複数個の
素子アンテナ３から成りたつ、４は送信源、５は
蛇行給電線、６は結合器、７は給電線である。こ
のようなアンテナ構成においては送信源４からの
信号は蛇行給電線５に入り、その途中、順次、結
合器６によつて信号の一部は給電線７を通つて素
子アンテナ３に給電される。アレイアンテナ２か
らの１次放射ビームは反射鏡１で反射され、鋭い
２次ビームとなつて放射される。ここで、蛇行給
電線５はその線路の伝搬位相定数の周波数特性を
利用して、第１図の紙面内で与えられた隣接の結
合器６間の距離と必要な位相差に対して、その隣
接の結合器６の間の蛇行給電線５の長さを適当に
選ぶことによつて、二つの周波数₁，₂の信号に
対して、それぞれ必要な位相差をもつて各結合器
６を介して各素子アンテナ３に信号を送りこむこ
とができる。したがつて、送信源４として₁と₂
の二つの周波数の信号を同時に発生させたとき、
アレイアンテナ２の位相分布としては二つの周波
数₁と₂に対してそれぞれ異なる分布が生じ、こ
の結果、１次放射ビームの方向が、したがつて反
射鏡１を介した後の２次放射ビームの方向が２周
波数₁と₂とでそれぞれ異なる２本のビームが同
時に発生することになる。すなわち、放射される
２本のビームは二つの周波数₁，₂の各々に対応
する１本のビームを同時に放射させるものであ
る。この２周波数２ビーム方式はレーダなどに応
用した場合には、同時に２本のビームが独立に放
射されるために捜索時間が半分で済む効果を有す
る。

ところで、第１図のように反射鏡１の開口前面
に１次放射器としてのアレイアンテナ２が置かれ
ると開口の一部が遮蔽（ブロツキング）されるた
めに公知のように放射パターン、アンテナ利得が
劣化する。特に、サイドロープレベルが上昇し、
低サイドロープ特性の要求されるレーダ用アンテ
ナとしては実用上問題が大きい。

しかるに、この１次放射器による遮蔽の悪影響
をとり除くために、１次放射器と背中合わせに、
別個に副放射器を設けて前述の遮蔽によつてなく
なつたエネルギーを補なう方法が考えられてい
る。この方式をもつアンテナ装置を第２図を用い
て説明する。第２図において、８は副アレイアン
テナであり、複数個の副素子アンテナ９から成り
たつている。また、１０は結合器、１１は給電線
であり、したがつて、結合器６から素子アンテナ
３に向かう信号の一部は結合器１０によつて取り
出され、給電線１１を通つて副素子アンテナ９に
入る。すなわち、アレイアンテナ２に給電される
電力の一部は副アレイアンテナ８に給電される。
アレイアンテナ２から放射され、反射鏡１を介し
てできる２次放射ビームに副アレイアンテナ８か
らの放射ビームが重畳されることになり、この場
合、給電線１１の長さを適当に選ぶことによつて
上記２次ビームと副アレイの放射ビームとも同位
相で重ね合わせることができる。これは単に位相
項のみを配慮した同相給電を考えている。なお、
結合器１０を介して２周波₁と₂の信号が隣接の
副素子アンテナ９の端子間に₁と₂とでそれぞれ
異なる位相差をもつて入力され、副アレイアンテ
ナ８全体として２本の放射ビームが放射される
が、その２本のビームの方向は本来の反射鏡１を
介して生成される２本の２次放射ビームの方向に
一致しなければ、これまで述べてきた遮蔽による
悪影響の除去は成立しない。しかし、これについ
ては、第２図の紙面内での副素子アンテナ９の配
列素子間隔を適当に選ぶことによつてビーム方向
を一致させることができる。

しかるに、次の問題は₁と₂に対する２本の２
次放射ビームの間に位相差が生ずるということで
ある。これは、₁と₂の周波数差および反射鏡１
とアレイアンテナ２の形状および相対配置で決ま
る光学的性質に基づくものであり、例えば給電回
路内に可変移相器をつないだとしても、２周波数
₁，₂とで独立に位相を制御できない以上、この
位相差を副アレイの２ビーム間に与えることは不
可能である。すなわち、まず、₁と₂に対する２
本の２次放射ビームの位相をφ₁，φ₂とする。こ
こで、副アレイが従来のように一つの周波数に対
して１本の放射ビームを放射するとき、この副ア
レイの周波数₁と₂の各々に対応するビームの位
相を上記の位相φ₁とφ₂にすることは一般にでき
ない。なぜなら、上記光学的性質に基づく伝搬光
路長による位相の周波数特性と同じ周波数特性を
持つ副アレイ用給電位相回路を実現することは不
可能であるからである。

このため、この発明では一つの周波数₁または
₂に対してφ₁とφ₂の位相をもつ二つのローブ（ビ
ーム）を持つ放射パターンを発生する副アレイを
用い、かつ、その副アレイの給電に後述する“た
すきがけ”給電を新たに施すことによつて上記の
問題を解決したものである。以下、図面により詳
しく説明する。まず、第３図は２本の２次放射ビ
ームの配置を示し、周波数₁，₂に対して図のＺ
軸からの角度としてそれぞれθ₁，θ₂の方向にビー
ムが発生し、それぞれビーム方向での放射電界の
位相はφ₁，φ₂であるとする。この位相φ₁，φ₂は
いわゆるアンテナの位相指向性図における位相そ
のものである。また、この位相φ₁，φ₂は２つの
周波数における相対的な位相差に意味がある。さ
らに位相φ₁，φ₂は各素子アンテナ３自身の振
幅・位相指向性のバラツキや各励振振幅・位相の
バラツキのために一般に正負の離散的な位相
（0゜、180゜、360゜）以外の値もとり得る。今、₂＞
₁であるとし、第２図の蛇行給電線５の特性によ
り、₁に比べて₂の方の信号の位相遅れが大き
く、したがつて第３図のように第３図の紙面内で
₂のビームの方が₁のビームより上方に放射され
るものとする。

次に、第４図はこの発明によるアンテナの構成
を示す。結合器１０から取り出された信号の一部
は給電線１２を通り、さらに可変移相器１３で適
当に位相変化を受けて副素子アンテナ８に給電さ
れる。第４図で明らかなように素子アンテナ３と
副素子アンテナ９の対応は第２図の場合とは異な
り、第４図の最上部にある素子アンテナ３につな
がる結合器１０で取り出された信号は最下部にあ
る副素子アンテナ９に入力される。また、上から
２番目の素子アンテナ３につながる結合器１０か
らの信号は下から２番目の副素子アンテナ９に入
力される。

以下、同様に、いわゆる“たすきがけ”状に素
子アンテナ３と副素子アンテナ９が結びつけられ
ている。このように上下ひつくり返しの給電をす
ることにより、アレイアンテナ２の各素子アンテ
ナの励振位相が第４図において例えば下から上に
向かつて遅れ位相のとき、副アレイ８では逆に上
から下に向かつて遅れ位相となる。したがつて、
副アレイアンテナ８で発生する２周波２ビームは
第３図の場合とは上下逆に上側に₁のビームが下
側に₂のビームが発生することになる。この“た
すきがけ”給電はこの発明にとつて必須のもので
ある。

一方、第４図の可変移相器１３はこれによつ
て、一つの周波数₁または₂の信号に対して副ア
レイアンテナ８の放射パターンとして二つのロー
ブ（あるいはビーム）が現われるいわゆる双ビー
ムパターンを合成させるためにつながれている。
双ビームパターンは一つの放射パターンの中に二
つの主ローブを持つ、いわば二つのコブを持つ放
射パターンである。すなわち、一般にアレイアン
テナはこれを構成する素子アンテナの励振振幅・
位相を制御することにより種々の形状で放射パタ
ーンを合成できることは従来のアンテナ技術で可
能である。この場合、各素子アンテナの励振の振
幅と位相の両方が可変制御できるのがもつとも望
ましいが、振幅固定で位相のみ可変することによ
つても実用的には十分な放射パターンを合成する
ことが可能である。第５図は二つの方向θ_aとθ_bの
二つのローブを合成した放射パターンの図例であ
り、この二つのローブの位相を例えばφ₁とφ₂に
することも従来のアレイアンテナ指向性合成技術
で可能である。すなわち、アレイアンテナを構成
する素子アンテナの励振振幅、位相、あるいは位
相のみを制御することによつて、各観測角度方向
で所望の振幅と位相をもつ放射パターンを作るこ
と、すなわち指向性合成が可能である。さらに具
体的には、一つのローブ（位相φ₁をもつローブ）
の方向で共相となるように各副素子アンテナ９に
与えるべき位相P₁と、他のローブ（位相φ₂をも
つローブ）の方向で共相となるように各副素子ア
ンテナ９に与えるべき位相P₂を求める、このと
き、位相P₁を与えたときの副アレイアンテナ８
の主ビーム方向の合成電界の位相がφ₁になるよ
うに、又、位相P₂を与えたときの上記合成電界
の位相がφ₂となるように、P₁とP₂のそれぞれに
一定の位相バイアスを加える。このようにして得
られたP₁とP₂とから、各副素子アンテナには
（e^jP ₁＋e^jP ₂）の位相分が可変移相器１３によつて
与えられる。すなわち、二つの異なる方向のビー
ムを作る位相分布を重ね合わせ、その位相分を与
えるものである。

さて、第６図は上記の位相制御により一つの周
波数₁または₂の電波に対して双ビームパターン
を合成するようにしたこの発明による副アレイア
ンテナ８の放射ビームの配置を示す図である。周
波数₁に対しては第６図のＺ軸（第３図のＺ軸に
等しい）の方向からの角度がθ₁とθ₃の方向に相対
位相がそれぞれφ₁とφ₂である二つのローブすな
わち双ビームパターンが発生している。第３図の
可変移相器１３はこのように₁に対してθ₁とθ₃方
向にローブを形成するように位相が設定されてい
る。このとき、第４図の回路構成により、周波数
₂の信号による副アレイアンテナ８からの放射ビ
ームは第６図において実線で示した₁に対する２
本のビームがそれぞれ下方にずれて（これは先に
説明した第４図における“たすきがけ”給電によ
る効果である。）、破線で示すような双ビームパタ
ーンが形成される。もし、第４図において“たす
きがけ”給電を施さなかつた場合、すなわち、ア
レイアンテナ２の一番上の素子アンテナ３と副ア
レイアンテナ８の一番上の副素子アンテナ９とが
結合器１０を介して関係し、以下、上から順に下
方に向かつて素子アンテナ３と副素子アンテナ９
が関係し、最後は一番下の素子アンテナ３と一番
下の副素子アンテナ９が関係している場合、第６
図において、周波数₁に対する双ビームパターン
が図の実線とするとき、周波数₂に対する双ビー
ムパターンは同図の破線のように実線のものに対
して下方の角度方向にシフトするのではなく、逆
に、実線のものに対して上方の角度方向にシフト
する。したがつて、周波数₁、位相φ₁のローブは
所期の方向θ₁を向いたとしても、周波数₂、位相
φ₂のローブは所期の方向θ₂から外れて、第６図の
θ₃あるいはそれ以上に上方の方向に向くことにな
る。したがつて、θ₂方向での１次放射器による遮
蔽の影響をとり除くことができない。可変移相器
１３は₁と₂に対して周波数特性がなく、相対位
相φ₁，φ₂は₂においても保存される。₁と₂によ
る位相差と副アレイアンテナ８の副素子アンテナ
９の素子間隔を適当に選ぶことによつて、第６図
のように₂に対する双ビームパターンの二つのロ
ーブはθ₂とθ₄の方向に生じる。すなわち、副アレ
イアンテナ８により、周波数₁，₂に対してそれ
ぞれ２本ずつ計４本のローブを発生させるもので
ある。しかるに、この４本のうち第６図に示すθ₁
方向の₁のローブとθ₂方向の₂のローブが、第３
図に示した２本のビームにそれぞれ同位相で重な
り合う。すなわち、アレイアンテナ２の遮蔽によ
つて消えた放射電界を副アレイアンテナ８のθ₁と
θ₂のローブで復活させ、元の遮蔽ない状態の特性
の良い放射パターンが実現されることになる。

副アレイアンテナ８としては一つの周波数で２
本のローブを形成し、遮蔽を打消すには１本のロ
ーブしか使わないため、１本のローブは無駄とな
り、仮に副アレイアンテナ８で１本だけのローブ
を作る場合に比べてアンテナ利得は3dB（半分）
損をするが、この損失の影響は実用上小さい。何
故なら一般にアレイアンテナ２による遮蔽面積は
反射鏡１の開口面積に比べて数％と小さく、２次
放射ビームのレベルに対して副アレイアンテナ８
の放射ビームのもつべきレベルは十分低い。した
がつて、第６図において不用となるθ₃やθ₄の方向
のローブは２次放射ビームとの合成後においてサ
イドローブとして残る可能性があるが、そのレベ
ルは十分小さい。なお、結合器１０の結合比は開
口の遮蔽の比率に応じて決まる副アレイアンテナ
８の必要な放射レベルに対応して決定される。な
お、本発明はこれまでに説明した通り、主アレイ
アンテナが一つの周波数で１本の放射ビーム（２
周波数で同時に２本の放射ビーム）、副アレイア
ンテナは一つの周波数で双ビームパターン（２周
波数で同時に二つの双ビームパターン）の組合せ
に限るものである。

なお、この発明は実施例に限定されず、給電用
のアレイアンテナの素子配列やアンテナ形式など
その種類を問わない。また、実施例は送信の場合
について説明したが、受信でも実施できることは
当然である。また、反射鏡の形式もパラボラ反射
鏡、双曲面反射鏡、円筒放物面鏡など任意の形式
に適用できる。また、反射鏡給電用アレイアンテ
ナの各素子アンテナにも可変移相器を設け、その
位相を制御して２次放射ビームを電子走査する、
いわゆるフエイズドアレイ給電の反射鏡アンテナ
を用いてこの発明を実施することもできる。この
場合には、例えば第４図の可変移相器１３は副ア
レイアンテナ８のビーム走査に必要な位相変化分
を各副素子アンテナ９に与える働きもすることに
なる。また、副素子アンテナの数は素子アンテナ
の数に等しいか、またはそれ以下である。

以上のようにこの発明によればアレイアンテナ
を１次放射器とした反射鏡アンテナを用い、２周
波数で２ビームを発生させるアンテナ装置におい
て、上記アレイアンテナの背後に副アレイアンテ
ナを設け、結合器を用いてアレイアンテナ側から
“たすきがけ”状に給電し、かつ、一つの周波数
において位相差のある双ビームを作ることによ
り、アレイアンテナによつてアンテナ開口の一部
が遮蔽されて、劣化した放射パターンを２周波数
の２ビームに対して遮蔽がないとした状態のパタ
ーンに復元できるため、これをレーダ用アンテナ
などに利用した場合に低サイドローブ特性をもつ
ために地面反射などのクラツターの影響を受けに
くいなどその効果は著しく大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は２周波で２ビームを出すアレイアンテ
ナ給電反射鏡アンテナの構成図、第２図はアレイ
アンテナによる遮蔽の影響を打消すために副アレ
イアンテナを設けた場合のアンテナ構成図、第３
図は２周波２ビームの説明図、第４図はこの発明
による実施例の概略構成図、第５図はアレイアン
テナによる双ビームパターンの図、第６図はこの
発明による２周波４ビームの説明図である。 図中、１は反射鏡、２はアレイアンテナ、３は
素子アンテナ、５は蛇行給電線、６，１０は結合
器、８は副アレイアンテナ、９は副素子アンテ
ナ、１３は可変移相器、１２は給電線である。な
お、図中、同一あるいは相当部分には同一符号を
付して示してある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 反射鏡とこの反射鏡の開口の前面に位置し、
   上記開口の一部を遮蔽し、かつ、複数個の素子ア
   ンテナから成る１次放射器としてのアレイアンテ
   ナとから成るアンテナ装置において、上記各素子
   アンテナは結合器を介して蛇行給電線から給電さ
   れ、これによつて二つの周波数f₁とf₂を用いて上
   記反射鏡での反射後の放射ビームを二つの方向に
   同時に発生させこのとき各放射ビーム方向の放射
   電界の位相をφ₁，φ₂とすると共に、上記アレイ
   アンテナと背中合わせに位置し、上記素子アンテ
   ナへの給電電力の一部が結合器と可変移相器を介
   して供給される副素子アンテナから成る副アレイ
   アンテナを備え、かつ、上記素子アンテナの配列
   方向と上記副素子アンテナの配列方向が同じのと
   き、上記配列方向の先頭側の素子アンテナと末尾
   側の副素子アンテナとが上記結合器と可変移相器
   を介して関係し、以下、順次たすきがけ状に上記
   素子アンテナと上記副素子アンテナが関係してお
   り、かつ、上記副アレイアンテナは上記可変移相
   器により副素子アンテナの励振位相を制御して周
   波数f₁またはf₂に対して、それぞれ二つのローブ
   をもつ双ビームパターンを放射形成し、かつ双ビ
   ームパターンの二つのローブ方向の放射電界の位
   相がφ₁，φ₂であることを特徴とするアンテナ装
   置。