(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信信号を分配供給する給電回路と、前記給電回路に接続され、供給された送信信号の位相を制御する複数の移相器と、前記各移相器に接続された増幅器と、前記各増幅器に接続され、送信信号を空中に放射する複数の素子アンテナとを有するサブアレイを備え、複数の前記サブアレイの連結部位を相互に接続してアレイアンテナ開口面を形成する際、各サブアレイの連結部位間に形成された接続部が前記アンテナ開口面の同一励振振幅位置において連続しないよう、前記サブアレイの連結部位を前記アレイアンテナ開口面の水平または垂直方向から見て、連続しないよう支持部材に配置接続したことを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項２】
送信信号を分配供給する給電回路と、前記給電回路に接続され、供給された送信信号の位相を制御する複数の移相器と、前記各移相器に接続された増幅器と、前記各増幅器に接続され、送信信号を空中に放射する複数の素子アンテナとを有するサブアレイを備え、複数の前記サブアレイの連結部位を相互に接続してアレイアンテナ開口面を形成する際、各サブアレイの連結部位間に形成された接続部が前記アンテナ開口面の同一励振振幅位置において連続しないよう、前記サブアレイの連結部位を前記アレイアンテナ開口面の水平または垂直方向から見て階段状とし、連続しないよう支持部材に配置接続したことを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項３】
送信信号を分配供給する給電回路と、前記給電回路に接続され、供給された送信信号の位相を制御する複数の移相器と、前記各移相器に接続された増幅器と、前記各増幅器に接続され、送信信号を空中に放射する複数の素子アンテナとを有するサブアレイを備え、複数の前記サブアレイの連結部位を相互に接続してアレイアンテナ開口面を形成する際、各サブアレイの連結部位間に形成された接続部が前記アンテナ開口面の同一励振振幅位置において連続しないよう、前記サブアレイの連結部位を前記アレイアンテナ開口面の水平または垂直方向から見て斜めに一直線状とし、連続しないよう支持部材に配置接続したことを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項４】
送信信号を分配供給する給電回路と、前記給電回路に接続され、供給された送信信号の位相を制御する複数の移相器と、前記各移相器に接続された増幅器と、前記各増幅器に接続され、送信信号を空中に放射する複数の素子アンテナとを有するサブアレイを備え、複数の前記サブアレイの連結部位を相互に接続してアレイアンテナ開口面を形成する際、各サブアレイの連結部位間に形成された接続部が前記アンテナ開口面の同一励振振幅位置において連続しないよう、前記サブアレイの連結部位を前記アレイアンテナ開口面の水平または垂直方向から見て鋸状とし、連続しないよう支持部材に配置接続したことを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項５】
送信信号を分配供給する給電回路と、前記給電回路に接続され、供給された送信信号の位相を制御する複数の移相器と、前記各移相器に接続された増幅器と、前記各増幅器に接続され、送信信号を空中に放射する複数の素子アンテナとを有するサブアレイを備え、複数の前記サブアレイの連結部位を相互に接続してアレイアンテナ開口面を形成する際、各サブアレイの連結部位間に形成された接続部が前記アンテナ開口面の同一励振振幅位置において連続しないよう、前記サブアレイの連結部位を前記アレイアンテナ開口面の水平または垂直方向から見てランダムとし、連続しないよう支持部材に配置接続したことを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項６】
複数に分割されたサブアレイの連結部位を相互に接続してアンテナ開口面が形成され、前記サブアレイは、給電回路より分配された送信信号が供給される複数の増幅器及びこれに接続された複数の素子アンテナがそれぞれ配置され、これら複数の素子アンテナのうち前記連結部位付近における素子アンテナの位置をこれに対応する増幅器の位置からオフセットさせて前記連結部位付近における素子アンテナ間の間隔をそれ以外における素子アンテナ間の間隔よりも広くし、かつ、その連結部位付近における素子アンテナの間隔が、前記連結部位により隔てられた他のサブアレイにおける素子アンテナとの間の間隔と等しくなるようにしたことを特徴とするアレイアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は平面または曲面に沿って二次元マトリックス状に配列された複数の素子アンテナから形成された大型のアレイアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は従来のアンテナ装置の構成図の一例である。二次元に配列された素子アンテナ１と、増幅器４、移相器５、給電回路６a、６bと、前記素子アンテナ１と前記増幅器４と前記移相器５と前記給電回路６aからなるサブアレイ１３と、と送信部７からなる。アンテナが大型の場合にはトラックへの搭載による制約などからアンテナ開口面の分割が必要となり、その際、支持部材８によって分割部を接続して使用する。
【０００３】
次に、このアンテナの動作について説明する。送信の場合について説明する。まず送信部７から出力された送信種信号が給電回路６aに供給される。給電回路６aではサブアレイ１３ごとに送信信号を分配し、サブアレイ１３内の給電回路６bに供給する。給電回路６bでは、それぞれの移相器５に送信信号を分配供給し、各移相器５で移相制御を行い、増幅器４によって増幅し、各素子アンテナ１によって空中に放射される。放射された信号は空間で合成されてビームを形成する。なお、アンテナ開口面の分割が必要であり、支持部材８によってアンテナ分割部を接続する場合、接続部には素子アンテナ１を配列することができない。
【０００４】
アンテナ開口面の分割が必要でない構成のアレイアンテナ装置において、仮に、素子アンテナ１の配列間隔を一定にし、かつ各素子アンテナ１における励振振幅を一定にしたとすると、いわゆるサイドローブ（指向特性において最大となる主ローブ以外の他の方向の放射ローブ）のレベルは、約−１３．２dBとなるが、通信などに用いられるアンテナでは、他の無線施設との干渉を避けることが必要不可欠であり、主ローブに対するサイドローブのレベルを低くする必要がある。そこで低サイドローブ化の方法として、アンテナ工学ハンドブック（電子通信学会編、オーム社）の５．４．２項に示されているように、アンテナ開口面の励振振幅分布をテイラー分布やチェビシェフ分布にする例がある。図２２にテイラー分布で励振した場合のアンテナ開口面の振幅レベルの図を示す。また、図２３にテイラー分布で励振した場合のアンテナパターンを示す。
【０００５】
また、他の技術として、素子アンテナ１の配列を開口面中央で密にし、開口面周辺部では疎にして、素子配列に重みをもたせることで励振振幅に分布を与える方法もある。
【０００６】
一般にアレイアンテナの素子間隔を大きくすると各素子間の相互作用が減少するとともにビーム幅も小さくなり、都合が良い。しかし、素子間隔を大きくしすぎると、グレーティングローブが現われてしまうため、グレーティングローブが現れない範囲で、できるだけ素子間隔を大きくして使用するのが普通である。例えば、開口面に対し垂直に伸びる直線方向を中心として±３０°の範囲を走査する場合、使用する電波の波長に対して6割程度の素子間隔にしなければならない。このように素子間隔は使用する電波の波長と走査する角度によって決定される。
【０００７】
次に平面アレイアンテナの指向性についてであるが、例えば４角配列の場合、アンテナ工学ハンドブックの５．３．２項の式（３．１１）にあるように、原点からｘ軸方向にｎ番目、ｙ軸方向にｍ番目の素子の移相を含めた励振の大きさをInmとすると、
【数１】
0003642260.tif 000002
ただし、
【数２】
0003642260.tif 000003
平面アレイアンテナの場合、ｘ軸方向にｎ番目、ｙ軸方向にｍ番目の素子の励振の大きさInmは一般に次のように励振されるのが普通である。
Inm＝InIm                                          …（３．１２）
これを式（３．１１）に代入すれば、明らかに、
【数３】
0003642260.tif 000004
であり、平面アレイアンテナの指向性が一般に直線アレイアンテナの指向性の積で表されることを示している。例えば、ｘ軸方向のアンテナパターンを考える場合、x軸方向の素子配列が問題となり、ｙ軸方向については各励振振幅位置での素子数が問題となる。それ以外の、y軸方向の素子配列などはx軸方向のアンテナパターンには影響しない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術で述べたように、アレイアンテナの素子アンテナ１は、使用する電波の波長とビーム走査角度から決定される一定の素子間隔ｄで配列されている。しかし、開口の大きさが数ｍにもなる大型のアレイアンテナではトラックへの搭載などの制約から、図１９のように小さいサブアレイ１３にアンテナを分割せざるを得ない。分割した場合、その分割部には支持部材８や他のサブアレイ１３と連結するための部位も必要となり、その分割部には移相器５、増幅器４や素子アンテナ１を配列することができない。そのため、図２０のように分割部では素子間隔がｄ＋Δｄに広がり、図１８の振幅レベルで表されるように分割部の振幅レベルが落ち込み、理想的なテイラー分布の振幅レベルから外れてしまう。そのため、図２１のようなアンテナ放射パターンとなり、図２３と比べるとサイドローブレベルの上昇などのアンテナの電気性能が劣化するという問題点があった。
【０００９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、大型のアレイアンテナ装置であり、支持部材によってサブアレイ同士が連結され、連結部位に素子アンテナが配列できないアンテナ開口面に対し、サイドローブレベルの上昇というアンテナの電気的特性を劣化を抑えることを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアレイアンテナ装置は、送信信号を分配供給する給電回路と、
前記給電回路に接続され、供給された送信信号の位相を制御する複数の移相器と、
前記各移相器に接続された増幅器と、
前記各増幅器に接続され、送信信号を空中に放射するとともに、前記送信信号の周波数に対応して定められた所定の一定間隔で二次元的に配列された素子アンテナとを有するサブアレイを備え、
複数の前記サブアレイ同士を支持部材により接続してアレイアンテナを形成する際、前記接続する部分が前記アレイアンテナ開口面の水平または垂直方向から見て分散して配置されているものである。
【００１１】
また、前記各サブアレイの連結部位間の接続部を階段状に配置したものである。
【００１２】
また、前記各サブアレイの連結部位間の接続部を前記アレイアンテナ開口面の水平または垂直方向に対して斜めに一直線状に配置したものである。
【００１３】
また、前記各サブアレイの連結部位間の接続部を鋸状に配置したものである。
【００１４】
また、前記各サブアレイの連結部位間の接続部をランダムに配置したものである。
【００１５】
また、複数に分割されたサブアレイの連結部位を相互に接続してアンテナ開口面が形成され、前記サブアレイは、給電回路より分配された送信信号が供給される複数の増幅器及びこれに接続された複数の素子アンテナがそれぞれ配置され、これら複数の素子アンテナのうち前記連結部位付近における素子アンテナの位置をこれに対応する増幅器の位置からオフセットさせて前記連結部位付近における素子アンテナ間の間隔をそれ以外における素子アンテナ間の間隔よりも広くし、かつ、その連結部位付近における素子アンテナの間隔が、前記連結部位により隔てられた他のサブアレイにおける素子アンテナとの間の間隔と等しくなるようにしたものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は本発明の実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の構成をあらわすものである。従来例と同一の構成要素には同じ符号を付す。開口面を形成するサブアレイ３はこの切り口で見ると従来例と同じであるが、開口面を正面からみた場合に従来と異なる。
【００１８】
図２は実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の振幅レベル、図３は実施の形態１に係るアンテナ装置の開口面を表している。
【００１９】
実施の形態１では、アンテナ開口面２の水平方向のサイドローブレベルを抑える方策を示す。
【００２０】
従来の技術でも述べたように、開口面２を水平方向から見たアンテナパターンは水平方向の同一励振振幅位置での素子数が問題となる。水平方向のアンテナパターンに対する同一励振振幅位置とは、開口面の鉛直方向に伸びる直線上に存在する点の集合のことである。逆に開口面の鉛直方向のアンテナパターンを考えた場合の同一励振振幅位置とは開口面の水平方向に伸びる直線上に存在する点の集合のことである。
【００２１】
図３のように、開口面２の分割位置をずらして階段状にした結果、開口面２上の各同一励振振幅位置上（例えば２１，２２，２３）で接続部が連続していないため、素子数がゼロになることはない。従って、開口面２の水平方向の振幅レベルは図２のようになる。これにより、図１９の従来例のように開口面の分割位置を同一励振振幅位置で連続に配置した場合と比べて接続位置での振幅レベルの落ち込みを抑え、より理想の振幅レベル（例えばテイラー分布）に近い振幅レベルを得ることができる。
【００２２】
図４は実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の放射パターン表している。開口面２の分割位置をずらして階段状に配置した結果、従来例と比べてサイドローブレベルの上昇を抑えることができる。
【００２３】
以上の例では、開口面２の水平方向に対してアンテナパターンの劣化を抑える方策を示したが、実際にはアンテナの目的に応じて劣化を抑える方向を決め、分割方法を決定すればよい。
【００２４】
実施の形態２
図６は実施の形態２に係るアレイアンテナ装置の開口面の分割方法を表している。図５は図６の実施の形態２に係るアレイアンテナ装置の開口面２の水平方向の振幅レベルを表している。実施の形態２では、実施の形態１と同様に開口面２の水平方向に対して、アンテナ指向性を向上しようとしている。
【００２５】
同一励振振幅位置に対し、垂直でない直線上に接続部を配置することによって、接続部に素子アンテナが配置できない影響を一個所に集中することを避け、サイドローブレベルの上昇を抑える。
【００２６】
実施の形態３
図８は実施の形態３に係るアレイアンテナ装置の開口面の分割構造を表している。図７は図８のから見た実施の形態３に係るアンテナ装置の振幅レベルを表している。図８のようにアンテナ開口面のサブアレイ接続位置をノコギリ状にすることによって、接続部位の素子数が減る影響を一箇所に集中することを避け、サイドローブレベルの上昇を抑える。
【００２７】
実施の形態４
図１０は実施の形態４に係るアレイアンテナ装置の開口面の分割構造を表している。図９は図１０の実施の形態４に係るアレイアンテナ装置の開口面２の水平方向の振幅レベルを表している。図１０のようにサブアレイの接続位置をランダム化することによって、接続部の影響が一箇所に集中するのを避けることにより、サイドローブレベルの上昇を抑える。
【００２８】
実施の形態５
以上の実施の形態1から４では、サブアレイ接続部の配置法に特徴があったが、実施の形態５では接続部周辺の素子アンテナをサブアレイ接続部側に寄せて配置することで、サイドローブレベルの上昇を抑える点に特徴がある。
【００２９】
図１１は実施の形態５に係るアレイアンテナ装置の構成図である。構成要素は実施の形態１と同一なので同じ符号を付す。実施の形態５は、素子間隔と増幅器４、移相器５の大きさとの関係上、接続部周辺にこれ以上増幅器４、移相器５を配置することはできないが、素子アンテナ１を接続部側に寄せるスペースは確保できる場合に適用する。図１１のように素子アンテナ１を接続部周辺に寄せて配置することによって、接続部で素子アンテナ間隔が広がってしまう影響を少なくする。
【００３０】
図１２は実施の形態５に係るアレイアンテナ装置の接続部周辺の素子配列を表している。本来ならば通常の素子間隔ｄに対し分割部の素子間隔はｄ＋Δｄに広がるが、接続部周辺の素子も含めて、その間隔を少しずつ広げる。図１２は一例を表しており、接続部周辺の４列の素子間隔を少しずつ広げて、それぞれの素子間隔をｄ＋Δｄ／３とする。分割部周辺以外の素子間隔はｄのままである。
【００３１】
図１３は実施の形態５に係るアレイアンテナ装置の振幅レベルの図である。開口面の分割方法は従来例と同じで、サブアレイ接続部周辺の素子アンテナを接続部側へ寄せて配置した場合を表している。破線２１は従来例の振幅レベルを表し、実線２２が実施の形態５の振幅レベルである。接続部周辺の素子アンテナ間隔を大きくし、接続部でのみ間隔が大きくなることを避けることで、テイラー分布に近づけることができ、サイドローブレベルの上昇を抑えることができる。また、この実施例は素子アンテナ数、送受信モジュール数を変えずにサイドローブレベルの上昇を抑えることができる。
【００３２】
以上、本実施の形態５では、分割部周辺の素子間隔をｄ＋Δｄ／３としたが、実際には素子アンテナ１の放射特性や増幅器４、移相器５の配置の実現性等を考慮して間隔を決定すればよい。
【００３３】
また、実施の形態５は、実施の形態１から４と組み合わせることができる。例えば、実施の形態１と組み合わせれば、サブアレイ接続部を階段状に配置し、かつ接続部周辺の素子アンテナを接続部側に寄せて配置する。これによって、実施の形態１または５を単独で実施した場合より、サイドローブレベルの低下を抑えることができる。
【００３４】
実施の形態６
本実施の形態６は、接続部周辺の素子アンテナ間隔を小さくし、接続部周辺の素子アンテナ数を増やすことにより、サイドローブレベルの上昇を抑える点に特徴がある。
【００３５】
図１４は実施の形態６に係るアンテナ装置の構成を表している。構成要素は実施の形態１と同一なので同じ符号を付す。実施の形態６は、素子間隔と増幅器４および移相器５の大きさの関係上、配置できる素子数に対し、サブアレイ３内に増幅器４と移相器５が余分に配置できる場合に適用される。図１４のように増幅器４と移相器５は素子間隔より間隔を小さく配置し、素子アンテナ１はサブアレイ３の接続部周辺以外では通常の素子間隔をもって配置し、接続部周辺のみ間隔をつめて配置する。
【００３６】
図１５は実施の形態６に係るアレイアンテナ装置の接続部周辺の素子配列を表している。接続部周辺の素子アンテナ数を増やし、接続部の素子間隔の広がりｄ＋Δｄはそのままで、分割部周辺の素子間隔を狭く配列する。図１５は、接続部に面した素子列と接続部とは反対側に隣接した素子列との間隔の中間点に素子アンテナを設置し、素子間隔をｄ／２にした例である。これによって接続部周辺の振幅レベルを高くし、接続部で振幅レベルが落ちる効果を抑える。
【００３７】
図１６は実施の形態６に係るアレイアンテナ装置の振幅レベルの図である。従来例と同じ開口面分割で、かつサブアレイ接続部周辺のみ素子アンテナ間の間隔を小さくした場合である。図中の破線２１は従来例の振幅レベルを表している。実線２３が実施の形態６の振幅レベルである。従来例と比べて接続部周辺の励振振幅位置での振幅レベルが上がり、接続部で生じる振幅レベルの低下を補い、サイドローブレベルの上昇を抑える。
【００３８】
本実施の形態６も、実施の形態５と同様に素子アンテナ１の放射特性や増幅器４、移相器５の配置の実現性を考慮して素子間隔を決定する。
【００３９】
また、実施の形態６は実施の形態５と同様、実施の形態１から４と組み合わせることによって、よりアンテナパターンの劣化を抑えることができる。
【００４０】
本発明により、送信信号を分配供給する給電回路と、前記給電回路に接続され、供給された送信信号の位相を制御する複数の移相器と、前記各移相器に接続された増幅器と、前記各増幅器に接続され、送信信号を空中に放射する複数の素子アンテナとを有するサブアレイを備え、複数の前記サブアレイの連結部位を相互に接続してアレイアンテナ開口面を形成する際、各サブアレイの連結部位間に形成された接続部が前記アレイアンテナ開口面の水平または垂直方向から見て分散して配置されるように前記サブアレイの連結部位を支持部材により接続したことで、サブアレイ同士を接続する支持部材用のスペースを確保しながら、接続部で素子間隔が広がったことによる影響が励振振幅位置の一箇所に集中することを避け、サイドローブレベルの上昇などのアンテナ性能の劣化を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の構成を表すブロック図である。
【図２】  本発明の実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の振幅レベルである。
【図３】  本発明の実施の形態１に係るアレイアンテナ装置の開口面分割図である。
【図４】  本発明の実施の形態１に係るアレイアンテナ装置のアンテナパターンである。
【図５】  本発明の実施の形態２に係るアレイアンテナ装置の振幅レベルである。
【図６】  本発明の実施の形態２に係るアレイアンテナ装置の開口面分割図である。
【図７】  本発明の実施の形態３に係るアレイアンテナ装置の振幅レベルである。
【図８】  本発明の実施の形態３に係るアレイアンテナ装置の開口面分割図である。
【図９】  本発明の実施の形態４に係るアレイアンテナ装置の振幅レベルである。
【図１０】  本発明の実施の形態４に係るアレイアンテナ装置の開口面分割図である。
【図１１】  本発明の実施の形態５に係るアレイアンテナ装置の構成を表すブロック図である。
【図１２】  本発明の実施の形態５に係るアレイアンテナ装置の素子配列図である。
【図１３】  本発明の実施の形態５に係るアレイアンテナ装置の振幅レベルである。
【図１４】  本発明の実施の形態６に係るアレイアンテナ装置の構成を表すブロック図である。
【図１５】  本発明の実施の形態６に係るアレイアンテナ装置の素子配列図である。
【図１６】  本発明の実施の形態６に係るアレイアンテナ装置の振幅レベルの図である。
【図１７】  従来のアレイアンテナ装置の構成を表すブロック図である。
【図１８】  従来のアレイアンテナ装置の振幅レベルの図である。
【図１９】  従来のアレイアンテナ装置の開口面分割を表す図である。
【図２０】  従来のアレイアンテナ装置の素子配列を表す図である。
【図２１】  従来のアレイアンテナ装置のアンテナパターンの図である。
【図２２】  理想的な振幅レベルの図である。
【図２３】  理想的なアンテナパターンの図である。
【符号の説明】
１  素子アンテナ、  ２  アンテナ開口面、  ３  サブアレイ、  ４  増幅器、  ５  移相器、  ６  給電回路、  ７  送信部、  ８  支持部材
【図１】
0003642260.tif 000005
【図２】
0003642260.tif 000006
【図３】
0003642260.tif 000007
【図４】
0003642260.tif 000008
【図５】
0003642260.tif 000009
【図６】
0003642260.tif 000010
【図７】
0003642260.tif 000011
【図８】
0003642260.tif 000012
【図９】
0003642260.tif 000013
【図１０】
0003642260.tif 000014
【図１１】
0003642260.tif 000015
【図１２】
0003642260.tif 000016
【図１３】
0003642260.tif 000017
【図１４】
0003642260.tif 000018
【図１５】
0003642260.tif 000019
【図１６】
0003642260.tif 000020
【図１７】
0003642260.tif 000021
【図１８】
0003642260.tif 000022
【図１９】
0003642260.tif 000023
【図２０】
0003642260.tif 000024
【図２１】
0003642260.tif 000025
【図２２】
0003642260.tif 000026
【図２３】
0003642260.tif 000027