JPWO2019220511A1 - アレーアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

隣接するリニアアレーアンテナ（１０〜８０）で、第１の素子アンテナ（１１ａ〜８４ａ）と第２の素子アンテナ（１１ｂ〜８４ｂ）の配列方向のそれぞれの位置が、素子アンテナの配列間隔の半分だけ互いにシフトして配列される。一つ飛びで隣接する二つのリニアアレーアンテナで、一方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナ（１１ａ〜８４ａ）の位置と他方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナ（１１ｂ〜８４ｂ）が同じ位置となり、かつ、一方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナ（１１ｂ〜８４ｂ）の位置と他方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナ（１１ａ〜８４ａ）が同じ位置となるよう配列される。

Description

この発明は、レーダまたは無線通信に用いられるアレーアンテナ装置に関するものである。

アレーアンテナ装置の設計では、メインローブ以外の不要放射であるグレーティングローブを発生させないようにすることが必要とされる。グレーティングローブが発生するか否かは、アレーアンテナ装置を構成する素子アンテナの配列に依存する。グレーティングローブを発生させないようにするには、素子アンテナを動作周波数の波長に対して所定距離以下の間隔で配置すれば良い。しかしながら、素子アンテナの大きさなどの物理的な要因のために、狭い間隔で配列することが困難となる場合がある。

一方、素子アンテナを狭い間隔で配列することが困難となる場合でもグレーティングローブの発生を軽減できる方法が例えば特許文献１に示されている。これは、導波管スロットアレーアンテナ装置において、導波管スロットアレーアンテナを平面状に複数個備え、矩形導波管の管軸と直交する方向に隣り合う導波管スロットアレーアンテナを一群とし、管軸方向に隣り合う導波管スロットアレーアンテナ一群を管軸と直交する方向に使用周波数の自由空間波長の約１／２の距離だけ互いにジグザグ状にオフセットして配列したことを特徴としている。この配列を用いることにより、互いに隣接する導波管スロットアレーアンテナ群が導波管の管軸に直交する方向に放射する電波の位相が逆相になり、その結果、グレーティングローブを打ち消すことができる。

特開２００７−２５９０４７号公報

上記特許文献１に示されている従来のアレーアンテナ装置では、アンテナの偏波は一つのみの場合を考慮していた。一方、近年、通信用途等において、送受信する情報量の増大を図るため偏波多重技術が用いられている。これは、例えば直交する二つの偏波それぞれに異なる情報を付与することによって、互いに干渉を与える、または受けることなく情報を送受信し、情報伝達量を２倍にするものである。しかしながら、特許文献１に記載されたような従来のアレーアンテナ装置では偏波多重への対応が考慮されておらず、それぞれの偏波を持つアレーアンテナを同一アンテナ開口内に配列するための方法が明確では無かった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、二つの偏波を有するアレーアンテナ装置であっても、グレーティングローブを抑圧することのできるアレーアンテナ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るアレーアンテナ装置は、互いに直交した偏波面を有する第１の素子アンテナと第２の素子アンテナを交互に複数直線状に配列してリニアアレーアンテナを形成すると共に、リニアアレーアンテナを素子アンテナの配列方向とは直交した方向に複数列配列し、隣接するリニアアレーアンテナにおいて、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナの配列方向のそれぞれの位置が、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナの配列間隔の半分だけ互いにシフトして配列され、かつ、一つ飛びで隣接する二つのリニアアレーアンテナにおいて、一方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナの位置と他方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナが同じ位置で、かつ、一方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナの位置と他方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナが同じ位置となるよう配列されたものである。

この発明のアレーアンテナ装置は、隣接するリニアアレーアンテナで、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナの配列方向のそれぞれの位置が、素子アンテナの配列間隔の半分だけ互いにシフトして配列され、かつ、一つ飛びで隣接する二つのリニアアレーアンテナで、一方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナの位置と他方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナが同じ位置となり、かつ、一方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナの位置と他方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナが同じ位置となるよう配列されたものである。これにより、二つの偏波を有するアレーアンテナ装置であっても、グレーティングローブを抑圧することができる。

この発明の実施の形態１によるアレーアンテナ装置を示す構成図である。 比較例のアレーアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態１によるアレーアンテナ装置と比較例の規格化放射パターンを示す説明図である。 この発明の実施の形態２によるアレーアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるアレーアンテナ装置を示す構成図である。 この発明の実施の形態３によるアレーアンテナ装置の他の例を示す構成図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
図１は、本実施の形態によるアレーアンテナ装置の構成図である。
図１に示すアレーアンテナ装置は、第１の素子アンテナ１１ａ〜１４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜１４ｂからなるリニアアレーアンテナ１０と、第１の素子アンテナ２１ａ〜２４ａと第２の素子アンテナ２１ｂ〜２４ｂからなるリニアアレーアンテナ２０と、第１の素子アンテナ３１ａ〜３４ａと第２の素子アンテナ３１ｂ〜３４ｂからなるリニアアレーアンテナ３０と、第１の素子アンテナ４１ａ〜４４ａと第２の素子アンテナ４１ｂ〜４４ｂからなるリニアアレーアンテナ４０と、第１の素子アンテナ５１ａ〜５４ａと第２の素子アンテナ５１ｂ〜５４ｂからなるリニアアレーアンテナ５０と、第１の素子アンテナ６１ａ〜６４ａと第２の素子アンテナ６１ｂ〜６４ｂからなるリニアアレーアンテナ６０と、第１の素子アンテナ７１ａ〜７４ａと第２の素子アンテナ７１ｂ〜７４ｂからなるリニアアレーアンテナ７０と、第１の素子アンテナ８１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ８１ｂ〜８４ｂからなるリニアアレーアンテナ８０とからなる。

ここで、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂはアレーアンテナを構成する素子アンテナである。これら第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂは、ダイポールアンテナのような素子アンテナを模式的に表したものであり、長方形の長手方向に偏波を有するものとする。すなわち、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂは互いに直交する関係にある。以降では、記号ａを付与するものを第１の素子アンテナ、記号ｂを付与するものを第２の素子アンテナとして区別する。また、その記号を付与する２桁の数字は配列内における素子位置を表すものとする。例えば、第１の素子アンテナ３１ａは３行１列目にある第１の素子アンテナを表すものとする。

例えば、リニアアレーアンテナ１０では、第１の素子アンテナ１１ａと第２の素子アンテナ１１ｂ、第１の素子アンテナ１２ａと第２の素子アンテナ１２ｂ、第１の素子アンテナ１３ａと第２の素子アンテナ１３ｂ、第１の素子アンテナ１４ａと第２の素子アンテナ１４ｂといったように図のｘ軸方向に交互に素子間隔ｄｘで直線状に配列されている。素子間隔ｄｘはリニアアレーアンテナ内で一定でも良く、また、素子間毎に異なっていても良い。他のリニアアレーアンテナ２０〜８０も同様に構成されている。

これらリニアアレーアンテナ１０〜８０は第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂの配列方向と直交した方向、すなわち図のｙ軸方向に素子間隔ｄｙで複数列配列されている。これらリニアアレーアンテナ１０〜８０によりアレーアンテナを形成している。素子間隔ｄｙはリニアアレーアンテナ間で一定でも良く、また、リニアアレーアンテナ毎に異なっていても良い。

隣接するリニアアレーアンテナ１０〜８０において、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂの配列方向のそれぞれの位置が、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂの配列間隔の半分だけ、すなわちｄｘ／２だけ互いにシフトして配列されている。例えば、図１に示すように、リニアアレーアンテナ１０の第１の素子アンテナ１１ａの位置とリニアアレーアンテナ２０の第１の素子アンテナ２１ａの位置はｄｘ／２だけシフトしている。

また、一つ飛びで隣接するリニアアレーアンテナ１０〜８０、例えばリニアアレーアンテナ１０とリニアアレーアンテナ３０において、リニアアレーアンテナ１０の第１の素子アンテナ１１ａ〜１４ａの配列方向の位置（ｘ方向の位置）と、リニアアレーアンテナ３０における第２の素子アンテナ３１ｂ〜３４ｂの配列方向の位置とが同じであり、かつ、リニアアレーアンテナ１０における第２の素子アンテナ１１ｂ〜１４ｂの配列方向の位置（ｘ方向の位置）と、リニアアレーアンテナ３０における第１の素子アンテナ３１ａ〜３４ａの配列方向の位置とが同じである。他のリニアアレーアンテナ１０〜８０における第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂ同士の位置関係も同様である。

なお、図示例では、各リニアアレーアンテナ１０〜８０内におけるそれぞれの素子アンテナとして、４個の第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと４個の第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂで構成したが、リニアアレーアンテナ内の素子アンテナの構成個数はこれに限らない。また、リニアアレーアンテナ１０〜８０も８個としたが、構成個数はこれ以外であっても良い。

次に、実施の形態１のアレーアンテナ装置の動作について説明する。
図２は、比較例として、各リニアアレーアンテナ１０〜８０において、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂの配列を同じにした構成を示す。
図２において、第１の素子アンテナのみ、あるいは、第２の素子アンテナのみに着目した場合、ｘ方向に並ぶ素子アンテナに着目すると、その素子間隔は不等間隔となる。例えば、第１の素子アンテナ１１ａと第１の素子アンテナ２１ａのｘ方向距離はｄｘ／２であるのに対して、第１の素子アンテナ２１ａと第１の素子アンテナ３２ａの距離はｄｘ×３／２である。すなわち、ｘ方向に歯抜けとなる状態で配列されている。このような配列では、メインローブ発生角度方向以外の方向にも波面が揃う場合が生じ、グレーティングローブ、あるいはそれに準ずる大きなサイドローブといった不要ローブを発生してしまう。一方、図１にてｘ方向に並ぶ素子アンテナに着目した場合、全ての素子アンテナがｄｘ／２で等間隔に配列されているので、不要ローブの発生を抑えることができる。

図３に、実施の形態１のアレーアンテナ装置と図２の比較例との規格化放射パターンを示す。ここで、縦軸は規格化された利得（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｇａｉｎ）、横軸はｘｚ面の半空間における角度（ｄｅｇ）を示す。また、実線が実施の形態１のアレーアンテナ装置の特性を、破線が比較例のアレーアンテナ装置の特性を示す。図３では、素子単体指向性をコサイン電界指向性（ｃｏｓθ）として、図１に示す実施の形態１のアレーアンテナ装置及び図２に示す比較例のアレーアンテナ装置の放射パターンをそれぞれ計算した結果を示す。素子間隔はｄｘとｄｙ共に計算周波数の半波長としている。図３から明らかなように、実施の形態１のアレーアンテナ装置は、広角度方向に現れるグレーティングローブを十分抑圧できることがわかる。

第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａ及び第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂの給電に関しては、素子アンテナ毎に高周波信号を供給する回路を備えてもよい。あるいは、複数の第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと複数の第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂとをそれぞれ束ねたサブアレーとして、サブアレー毎に高周波信号を供給する回路を備えてもよい。

以上説明したように、実施の形態１のアレーアンテナ装置によれば、互いに直交した偏波面を有する第１の素子アンテナと第２の素子アンテナを交互に複数直線状に配列してリニアアレーアンテナを形成すると共に、リニアアレーアンテナを素子アンテナの配列方向とは直交した方向に複数列配列し、隣接するリニアアレーアンテナにおいて、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナの配列方向のそれぞれの位置が、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナの配列間隔の半分だけ互いにシフトして配列され、かつ、一つ飛びで隣接する二つのリニアアレーアンテナにおいて、一方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナの位置と他方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナが同じ位置で、かつ、一方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナの位置と他方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナが同じ位置となるよう配列されたので、二つの偏波を有するアレーアンテナ装置であっても、グレーティングローブを抑圧することができる。

また、実施の形態１のアレーアンテナ装置によれば、リニアアレーアンテナにおける第１の素子アンテナと第２の素子アンテナの配列間隔が等間隔であるようにしたので、不要ローブの発生を抑えることができる。

また、実施の形態１のアレーアンテナ装置によれば、リニアアレーアンテナの配列間隔が等間隔であるようにしたので、不要ローブの発生を抑えることができる。

また、実施の形態１のアレーアンテナ装置によれば、第１の素子アンテナの偏波が垂直偏波または水平偏波の一方であって、第２の素子アンテナの偏波が垂直偏波または水平偏波の他方であるようにしたので、直交する二つの偏波を有するアレーアンテナ装置を実現することができる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２のアレーアンテナ装置の構成図である。
実施の形態１では、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａの偏波をｘ方向偏波、第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂの偏波をｙ方向偏波としていたが、実施の形態２では、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂのうち、いずれか一方を＋４５度偏波、他方を−４５度偏波としたものである。図４に示すアレーアンテナ装置では、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａを＋４５度偏波、第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂを−４５度偏波とした例を示している。各リニアアレーアンテナ１０〜８０内の第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂの配列は実施の形態１と同様である。また、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂの偏波の組合せは図示例に限らず、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂの偏波が互いに直交する関係にあれば同様である。

以上説明したように、実施の形態２のアレーアンテナ装置によれば、第１の素子アンテナの偏波が＋４５度または−４５度の一方であって、第２の素子アンテナの偏波がその他方であるようにしたので、二つの偏波を有するアレーアンテナ装置であっても、グレーティングローブを抑圧することができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂにおけるそれぞれの素子アンテナを、複数素子で構成したものである。
図５は実施の形態３のアレーアンテナ装置の構成図である。図示のアレーアンテナ装置は、第１の素子アンテナ１１ａが、素子アンテナの配列方向（ｘ方向）に二つの素子１１ａ−１，１１ａ−２を並べたサブアレーアンテナとして構成され、同様に、第２の素子アンテナ１１ｂが、素子アンテナの配列方向（ｘ方向）に二つの素子１１ｂ−１，１１ｂ−２を並べたサブアレーアンテナとして構成されている。なお、図５では、図面の煩雑さを避けるため、第１の素子アンテナ１１ａ及び第２の素子アンテナ１１ｂのみ符号を付しているが、これ以外の第１の素子アンテナ１２ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１２ｂ〜８４ｂも同様に構成されている。

また、実施の形態３においても、実施の形態１と同様に、第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａ及び第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂのそれぞれの素子アンテナ毎に高周波信号を供給する回路を備えてもよい。あるいは、複数の第１の素子アンテナ１１ａ〜８４ａと複数の第２の素子アンテナ１１ｂ〜８４ｂとをそれぞれ複数束ねて、束ねた単位で高周波信号を供給する回路を備えてもよい。

また、図６に示すように二つの素子１１ａ−１，１１ａ−２をｙ方向に並べて第１の素子アンテナ１１ａを構成し、かつ、二つの素子１１ｂ−１，１１ｂ−２をｙ方向に並べて第２の素子アンテナ１１ｂを構成するようにしてもよい。これ以外の第１の素子アンテナ１２ａ〜８４ａと第２の素子アンテナ１２ｂ〜８４ｂも同様の構成である。

さらに、図５と図６の例では、一つの素子アンテナを二つの素子で構成したが、三つ以上の素子から構成してもよい。また、一つの素子アンテナとして、ｘ方向とｙ方向のそれぞれに複数の素子を配列した平面上の配列としてもよい。また、図５と図６の例では、二つの素子の偏波をｘ方向偏波とｙ方向偏波としたが、実施の形態２のアレーアンテナ装置に対応した構成として、二つの素子を＋４５度偏波と−４５度偏波としても良い。

以上説明したように、実施の形態３のアレーアンテナ装置によれば、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナは、それぞれ、リニアアレーアンテナにおける第１の素子アンテナと第２の素子アンテナの配列方向に複数素子を線状に配したサブアレーアンテナからなるようにしたので、二つの偏波を有するアレーアンテナ装置であっても、グレーティングローブを抑圧することができる。

また、実施の形態３のアレーアンテナ装置によれば、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナは、それぞれ、リニアアレーアンテナの配列方向に複数素子を線状に配したサブアレーアンテナからなるようにしたので、二つの偏波を有するアレーアンテナ装置であっても、グレーティングローブを抑圧することができる。

また、実施の形態３のアレーアンテナ装置によれば、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナは、それぞれ複数素子を平面状に配したサブアレーアンテナからなるようにしたので、二つの偏波を有するアレーアンテナ装置であっても、グレーティングローブを抑圧することができる。

本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意な構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意な構成要素の省略が可能である。

以上のように、この発明に係るアレーアンテナ装置は、互いに直交した偏波面を有する第１の素子アンテナと第２の素子アンテナを交互に複数直線状に配列してリニアアレーアンテナを形成する構成に関するものであり、レーダまたは無線通信のアレーアンテナ装置として用いるのに適している。

１１ａ〜８４ａ 第１の素子アンテナ、１１ｂ〜８４ｂ 第２の素子アンテナ、１０〜８０ リニアアレーアンテナ、１１ａ−１、１１ａ−２、１１ｂ−１、１１ｂ−２ 素子。

この発明に係るアレーアンテナ装置は、互いに直交した偏波面を有する第１の素子アンテナと第２の素子アンテナを交互に複数直線状に配列してリニアアレーアンテナを形成すると共に、リニアアレーアンテナを第１の素子アンテナと第２の素子アンテナの配列方向とは直交した方向に複数列配列し、隣接するリニアアレーアンテナにおいて、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナの配列方向のそれぞれの位置が、第１の素子アンテナと第２の素子アンテナの配列間隔の半分だけ互いにシフトして配列され、かつ、一つ飛びで隣接する二つのリニアアレーアンテナにおいて、一方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナの位置と他方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナが同じ位置で、かつ、一方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナの位置と他方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナが同じ位置となるよう配列されたものである。

Claims (8)

1. 互いに直交した偏波面を有する第１の素子アンテナと第２の素子アンテナを交互に複数直線状に配列してリニアアレーアンテナを形成すると共に、
   前記リニアアレーアンテナを前記素子アンテナの配列方向とは直交した方向に複数列配列し、
   隣接する前記リニアアレーアンテナにおいて、前記第１の素子アンテナと前記第２の素子アンテナの配列方向のそれぞれの位置が、前記第１の素子アンテナと前記第２の素子アンテナの配列間隔の半分だけ互いにシフトして配列され、
   かつ、一つ飛びで隣接する二つのリニアアレーアンテナにおいて、一方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナの位置と他方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナが同じ位置で、かつ、前記一方のリニアアレーアンテナの第２の素子アンテナの位置と前記他方のリニアアレーアンテナの第１の素子アンテナが同じ位置となるよう配列されたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 前記リニアアレーアンテナにおける前記第１の素子アンテナと前記第２の素子アンテナの配列間隔が等間隔であることを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
3. 前記リニアアレーアンテナの配列間隔が等間隔であることを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
4. 前記第１の素子アンテナの偏波が垂直偏波または水平偏波の一方であって、前記第２の素子アンテナの偏波が前記垂直偏波または水平偏波の他方であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
5. 前記第１の素子アンテナの偏波が＋４５度または−４５度の一方であって、前記第２の素子アンテナの偏波がその他方であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
6. 前記第１の素子アンテナと前記第２の素子アンテナは、それぞれ、前記リニアアレーアンテナにおける前記第１の素子アンテナと前記第２の素子アンテナの配列方向に複数素子を線状に配したサブアレーアンテナからなることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
7. 前記第１の素子アンテナと前記第２の素子アンテナは、それぞれ、前記リニアアレーアンテナの配列方向に複数素子を線状に配したサブアレーアンテナからなることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
8. 前記第１の素子アンテナと前記第２の素子アンテナは、それぞれ複数素子を平面状に配したサブアレーアンテナからなることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。

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