(57)【要約】【課題】素子間隔を決定論的に規定することによって、アレーアンテナ上での入力電力の不均一性を軽減し、アレーアンテナの効率を向上するアレーアンテナ配列法を得る。【解決手段】素子アンテナで所定の入力電力となる基準の占有面積４を決定する辺の長さd1を決定し、基準の素子アンテナに隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さd2以降を数式（１）に基づいて算出し、隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さdmまでの素子アンテナの配置を順次決定する。  素子間隔を決定論的に規定することによって、アレーアンテナ上での入力電力の不均一性を軽減し、アレーアンテナの効率を向上することができる。【選択図】図１
2014072844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上に複数の素子アンテナを配列するアレーアンテナ配置法において、
前記アレーアンテナの素子アンテナで所定の入力電力となる矩形面積を決定する辺の長さd1を算定し、前記辺の長さd1で決定される素子アンテナが占有する面積を基準の占有面積とし、
前記辺の長さd1で決定される基準の占有面積の素子アンテナに隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さd2以降を数式（１）に基づいて算定し、隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さdmまでの素子アンテナの配置を順次算定することによって各素子アンテナは重複することなく不等間隔で格子状に配列されることを特徴とするアレーアンテナ配列法：
2014072844.tif 000018
但し、Poptは素子アンテナにおける所定の入力電力、kは単位面積当たりの最大入力電力密度、αは受信電力密度分布（ガウス分布）で決定される係数である。
【請求項２】
平面上に複数の素子アンテナを配列するアレーアンテナ配置法において、
前記アレーアンテナの素子アンテナで所定の入力電力となる円形面積を決定する直径d1を算定し、前記直径d1で決定される素子アンテナが占有する面積を基準の占有面積とし、
前記直径d1で決定される基準の占有面積の素子アンテナに隣接する素子アンテナの占有面積を決定する直径d2以降を数式（１２）に基づいて算定し、隣接する素子アンテナの占有面積を決定する直径dmまでの素子アンテナの配置を順次算定することによって各素子アンテナは重複することなく不等間隔で同心円状に配列されることを特徴とするアレーアンテナ配列法：
2014072844.tif 000019
但し、Poptは素子アンテナにおける所定の入力電力、kは単位面積当たりの最大入力電力密度、αは受信電力密度分布（ガウス分布）で決定される係数である。
【請求項３】
占有面積の基準となる素子アンテナの中心がアレーアンテナの中心ではなく、いずれかの象限に属していることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアレーアンテナ配列法。
【請求項４】
占有面積の基準となる素子アンテナの中心がアレーアンテナの中心であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のアレーアンテナ配列法。
【請求項５】
平面上に複数の素子アンテナを備えたアレーアンテナ装置において、
前記アレーアンテナの素子アンテナで所定の入力電力となる矩形面積を決定する辺の長さd1を算定し、前記辺の長さd1で決定される素子アンテナが占有する面積を基準の占有面積とし、
前記辺の長さd1で決定される基準の占有面積の素子アンテナに隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さd2以降を数式（１）に基づいて算定し、隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さdmまでの素子アンテナの配置を順次算定することによって各素子アンテナは重複することなく不等間隔で格子状に配列されることを特徴とするアレーアンテナ装置：
2014072844.tif 000020
但し、Poptは素子アンテナにおける所定の入力電力、kは単位面積当たりの最大入力電力密度、αは受信電力密度分布（ガウス分布）で決定される係数である。
【請求項６】
平面上に複数の素子アンテナを備えたアレーアンテナ装置において、
前記アレーアンテナの素子アンテナで所定の入力電力となる円形面積を決定する直径d1を算定し、前記直径d1で決定される素子アンテナが占有する面積を基準の占有面積とし、
前記直径d1で決定される基準の占有面積の素子アンテナに隣接する素子アンテナの占有面積を決定する直径d2以降を数式（１２）に基づいて算定し、隣接する素子アンテナの占有面積を決定する直径dmまでの素子アンテナの配置を順次算定することによって各素子アンテナは重複することなく不等間隔で同心円状に配列されることを特徴とするアレーアンテナ装置：
2014072844.tif 000021
但し、Poptは素子アンテナにおける所定の入力電力、kは単位面積当たりの最大入力電力密度、αは受信電力密度分布（ガウス分布）で決定される係数である。
【請求項７】
占有面積の基準となる素子アンテナの中心がアレーアンテナの中心ではなく、いずれかの象限に属していることを特徴とする請求項５または請求項６記載のアレーアンテナ装置。
【請求項８】
占有面積の基準となる素子アンテナの中心がアレーアンテナの中心であることを特徴とする請求項５または請求項６記載のアレーアンテナ装置。
【請求項９】
素子アンテナに整流回路が接続され、前記素子アンテナにおける所定の入力電力Poptを前記整流回路の効率が最大となる入力電力としたことを特徴とする請求項５から請求項８のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
【請求項１０】
素子アンテナは、複数に区分された素子アンテナをまとめたサブアレーからなることを特徴とする請求項５から請求項８のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
【請求項１１】
一次放射器によって給電される反射素子を備えた平面反射鏡アンテナ装置において、
平面反射鏡における前記反射素子を素子アンテナとして請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ配列法で配列したことを特徴とする平面反射鏡アンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の素子アンテナから構成される大規模なアレーアンテナの高効率なアレーアンテナ配列法、アレーアンテナ装置および平面反射鏡アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
大規模なアレーアンテナは、レーダ装置などで多く用いられている。
微弱な電波でも受信できるよう、効率の良いアレーアンテナが要求される。
このような大規模アレーアンテナでは、アレーアンテナ上の各素子アンテナ間における入力電力を均一とすることが、高効率なアレーアンテナを実現するためには必要である。
【０００３】
しかし、アレーアンテナで電波を受信する際、アレーアンテナ上に照射される電波はガウス分布となる。
そのため、アレーアンテナの中心部では強く照射され、端部では弱く照射されるため、アレーアンテナ上で入力電力に差が生じる。
これに伴いアレーアンテナ上では、素子アンテナ間の入力電力が不均一となり、効率が低下する。
【０００４】
ここで、下記非特許文献１では、素子配列を不等間隔とし、素子アンテナに対する入力電力を全てで同じとなるようにし、アンテナ効率の向上を図っている。
また、下記特許文献１では、ビーム走査を行うことによって、照射電力をアレーアンテナ上で平均化させることにより、アンテナ効率の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−０９５１８８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】村尾他，“無線電力伝送における開口面アレー形送電アンテナとレクテナの設計に関する一検討”，電子情報通信学会論文誌B-II, Vol., J81-B-II, No.1, pp.46-53, 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記非特許文献１では、不等間隔で素子アンテナを配列しており、各素子アンテナに入力する電力を均一にすることが可能である。
しかし、前記非特許文献１には、具体的な素子間隔の決定方法が記載されておらず、配列方法が不明であり、また、アンテナ効率の改善量に関する記述がない。
【０００８】
前記特許文献１では、入力電力の不均一性を軽減するために、送信側で受信アレーアンテナ上をビーム走査することで、受信アレーアンテナ上の入力電力を平均化することが述べられている。
しかし、前記特許文献１の構成では、送信側において移相器などのデバイスが必要となり、コストが増大する。
また、受信側においては、ビーム同士が重なる部分やビームが照査されない部分が生じることによって、受信アンテナ上で入力電力が不均一となる。
【０００９】
本発明は、前記課題を解決するものであり、素子間隔を決定論的に規定することによって、アレーアンテナ上での入力電力の不均一性を軽減し、アレーアンテナの効率を向上するアレーアンテナ配列法、アレーアンテナ装置および平面反射鏡アンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、アレーアンテナの素子アンテナで所定の入力電力となる矩形面積を決定する辺の長さd1を算定し、辺の長さd1で決定される素子アンテナが占有する面積を基準の占有面積とし、辺の長さd1で決定される基準の占有面積の素子アンテナに隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さd2以降を数式（１）に基づいて算定し、隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さdmまでの素子アンテナの配置を順次算定することによって各素子アンテナは重複することなく不等間隔で格子状に配列されるようにした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、素子アンテナで所定の入力電力となる基準の占有面積を決定する辺の長さd1を算定し、基準の素子アンテナに隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さd2以降を数式（１）に基づいて算定し、隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さdmまでの素子アンテナの配置を順次算定するようにした。
よって、素子間隔を決定論的に規定することによって、アレーアンテナ上での入力電力の不均一性を軽減し、アレーアンテナの効率を向上することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１によるアレーアンテナを示す構成図である。
【図２】各式で用いる各記号を示す説明図である。
【図３】等間隔配列とした場合のアレーアンテナの各素子アンテナにおける入力電力分布の一例を示す説明図である。
【図４】本実施の形態１の配列法を用いた場合のアレーアンテナの各素子アンテナにおける入力電力分布の一例を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態２によるアレーアンテナを示す構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３によるアレーアンテナを示す構成図である。
【図７】本発明の実施の形態４によるアレーアンテナを示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態５によるアレーアンテナを示す構成図である。
【図９】本発明の実施の形態６によるアレーアンテナを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、本発明の好適な実施の形態を図面を参照しながら説明する。
なお、各図において同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
図１は本発明の実施の形態１によるアレーアンテナを示す構成図である。
図１において、アレーアンテナは、xy平面上に配置されており、全ての象限で対称としているため、第一象限のみを示している。
【００１４】
素子アンテナの占有面積１は、素子アンテナの中心２がアレーアンテナの開口３の内側に含まれているものを考慮し、四角配列である。
このアレーアンテナの斜め方向に存在する正方形の占有面積を有する素子アンテナに着目する。
【００１５】
本実施の形態１は、原点に近接する素子アンテナの占有面積４を初期値とし、数式（１）に基づいて、中心から離れた素子アンテナの占有面積が大きくなり、従って、不等間隔で素子アンテナ同士が配列される配列法およびアレーアンテナ装置である。
2014072844.tif 000003
但し、Poptは素子アンテナにおける所定の入力電力、kは単位面積当たりの最大入力電力密度、αは受信電力密度分布（ガウス分布）で決定される係数である。
【００１６】
数式（１）の素子アンテナの配列法について説明する。
なお、数式（１）で求まる辺長dmには、20％程度の誤差が含まれても良いものとする。
本実施の形態１は、アレーアンテナ上で受信した電波のビームが数式（２）で表されるガウス分布となり、各素子アンテナで電力分布が均一とならないことを補償するアレーアンテナ配列法である。
2014072844.tif 000004
【００１７】
図２は以下の各式で用いる各記号を示したものである。
m (m=2,3,4,…)をx方向の素子アンテナ番号、n(n=2,3,4,…)をy方向の素子アンテナ番号として、x方向の辺長をdm、y方向の辺長をdnとして、各素子アンテナの占有面積Amnを数式（３）、アレーアンテナの原点からある占有面積Amnを有する素子アンテナの中心点(xm,yn)までの距離ρmnを数式（４）、アレーアンテナ上のある占有面積Amnを有する素子アンテナへのガウス分布状の入力電力Emnを数式（２）、ある占有面積Amnを有する素子アンテナにおける入力電力Pmnを数式（５）とし、同式中kは単位面積当たりの最大入力電力密度である。
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【００１８】
本実施の形態１の配置法では、はじめにアレーアンテナの原点に近接する初期占有面積A11の辺長d1から決定する。
A11は数式（６）によって決定する。なお、Poptは素子アンテナにおける所定の入力電力を示す。
2014072844.tif 000008
A11は正方形であるため、数式（６）からd1が数式（７）によって直ちに求まる。
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【００１９】
d1を初期値として、アレーアンテナの開口の斜め方向の占有面積に着目し、次の辺長d2を決定する。
入力電力を全てPoptとすることが条件であるため、辺長d2はアレーアンテナ上にガウス分布状の電力分布が生じていることを考慮すると、数式（８）の関係が得られる。
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従って、ガウス分布となる分、占有面積を広げて入力電力の不足を補う。
【００２０】
数式（８）と同様に計算を行うと、x方向y方向共にm番目の素子アンテナにおいては、辺長dmの関係は数式（１）に帰着する。
この数式より、d1から逐次辺長を求めることによって、dmまでの全ての辺長を入力電力が同じになるよう、占有面積を決定することが可能である。
【００２１】
また、斜め方向以外の占有面積で、占有面積の形状が長方形となる部分と正方形状の占有面積における入力電力の関係を示す。
初期占有面積における入力電力をP11とし、x方向のm番目の素子アンテナとy方向のn番目の任意の素子アンテナへの入力電力Pmnは数式（５）より、数式（９）で表される。
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P11とPmnが等しいという条件を用いると、両者の比は数式（１０）となる。
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【００２２】
指数関数の累乗項を、辺長dmと辺長dnを用いて展開すると数式（１１）が得られ、指数関数の累乗項は0になるため、P11とPmnの比は1となり、両者は等しいことが言える。
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従って、初期占有面積を有する素子アンテナへの入力電力と任意点における素子アンテナへの入力電力は等しくなる。
【００２３】
図３に等間隔配列とした場合のアレーアンテナの各素子アンテナにおける入力電力分布の一例を示す。
等間隔配列とすると、アレーアンテナ上の入力電力分布の不均一性が大きく、アレーアンテナの端部に行くに従って、入力電力がアレーアンテナ中心と比較して6dB以上の差が生じる。
【００２４】
これに対し、図４に本実施の形態１の配列法を用いた場合のアレーアンテナの各素子アンテナにおける入力電力分布の一例を示す。
図３と比較して入力電力の不均一性が補え、受信効率の良い素子アンテナが増大することにより、アレーアンテナ全体としても効率が向上する。
【００２５】
以上のように、本実施の形態１によれば、素子アンテナで所定の入力電力となる基準の矩形の占有面積を決定する辺の長さd1を決定し、基準の素子アンテナに隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さd2以降を数式（１）に基づいて算出し、隣接する素子アンテナの占有面積を決定する辺の長さdmまでの素子アンテナの配置を順次決定するようにした。
よって、矩形の素子間隔を決定論的に規定することによって、アレーアンテナ上での入力電力の不均一性を軽減し、アレーアンテナの効率を向上することができる。
【００２６】
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２によるアレーアンテナを示す構成図である。
図５において、アレーアンテナは、xy平面上に配置され、各素子アンテナの占有面積１は円で定義されており、各円の中心２が同一円周上に配列されるため、同心円配列となり、同一円周上の円は、同一の半径と占有面積を有している。
【００２７】
原点に近接する素子アンテナの占有面積４を初期値とし、数式（１２）に基づいて、中心から離れるに従って、素子アンテナの占有面積が大きくなる配列法である。
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なお、数式（１２）で求まる直径dmには20％程度の誤差が含まれても良いものとする。
数式（１２）は、数式（２）から数式（８）の過程と同様にして算出する。
【００２８】
数式（１２）の素子アンテナの配列法について説明する。
直径をdmとして、各素子アンテナの占有面積A'mを数式（１３）、アレーアンテナの原点から各素子アンテナの占有面積の中心点までの距離ρ'mを数式（１４）に示す。
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【００２９】
なお、数式（４）及び数式（５）は同一のものを用いる。
ここで、数式（８）に示す所定の電力を表す式は、数式（１５）へ変形される。
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【００３０】
数式（１５）と同様に、直径を求めた素子アンテナに隣接する素子アンテナの直径の計算を行うと、直径dmの関係は数式（１２）に帰着する。
この数式より、d1から逐次直径を求めることによって、dmまでの全ての直径について、入力電力が同じになる占有面積を決定する直径を決めることが可能である。
【００３１】
以上のように、本実施の形態２によれば、素子アンテナで所定の入力電力となる基準の円形の占有面積を決定する直径d1を決定し、基準の素子アンテナに隣接する素子アンテナの占有面積を決定する直径d2以降を数式（１２）に基づいて算出し、隣接する素子アンテナの占有面積を決定する直径dmまでの素子アンテナの配置を順次決定するようにした。
よって、円形の素子間隔を決定論的に規定することによって、アレーアンテナ上での入力電力の不均一性を軽減し、アレーアンテナの効率を向上することができる。
また、同一円周上の素子アンテナが同一面積を有し、実施の形態１と比較して、配列設計の自由度を増加させることができる。
【００３２】
実施の形態３．
図６は本発明の実施の形態３によるアレーアンテナを示す構成図である。
図１および図５では、基準とする素子アンテナの中心を、アレーアンテナの中心ではなく、ある象限に属した位置として、xy平面上に配列した。
しかし、その限りではなく、図６に示すように、基準とする素子アンテナの中心を、アレーアンテナの中心になるように配列しても良い。
【００３３】
また、同図では、実施の形態１で示した格子状配列の例としたが、その限りではなく、実施の形態２で示した同心円配列としたものでも良い。
その際に、数式（１）や数式（１２）の関係を変えずに用いることが可能であり、占有面積４を初期値とし、数式（１）や数式（１２）を用いて初期値とした占有面積４に近接する素子アンテナの占有面積を決定する辺長や直径d2を決定し、同様にして辺長や直径dmまで決定する。
【００３４】
以上のように、本実施の形態３によれば、基準とする素子アンテナの中心を、アレーアンテナの中心になるように配列した。
よって、アレーアンテナの中心にも素子アンテナを配列することが可能となるため、実施の形態１および実施の形態２と比較して、配列設計の自由度を増加させることができる。
【００３５】
実施の形態４．
図７は本発明の実施の形態４によるアレーアンテナを示す構成図である。
実施の形態３までは通常の素子アンテナが、xy平面上に複数配列されているアレーアンテナとして説明をしてきた。
しかし、その限りではなく、アレーアンテナの配列対象を素子アンテナだけにするのではなく、素子アンテナに整流回路５を接続したマイクロ波受電装置として構成し、実施の形態３までに示したアレーアンテナ配列法を適用しても良い。
【００３６】
マイクロ波受電装置において、整流回路が接続された素子アンテナへの入力電力が不均一となる場合、高周波からの電力変換効率が低下する。
実施の形態３までに示した配列法を用いて、整流回路５が接続された素子アンテナを配列することで、アレーアンテナ上の入力電力の不均一性が補えることにより、電力変換効率を改善することが可能となる。
なお、実施の形態３までに示したアレーアンテナ配列法を整流回路５が接続された素子アンテナに適用する場合、数式（１）や数式（１２）で示した所定の電力Poptは、整流回路５の効率が最大となる電力とする。
【００３７】
以上のように、本実施の形態４によれば、素子アンテナに整流回路５が接続され、素子アンテナにおける所定の入力電力Poptを整流回路５の効率が最大となる入力電力とした。
よって、マイクロ波受電装置において、高周波からの電力変換効率を改善することができる。
【００３８】
実施の形態５．
図８は本発明の実施の形態５によるアレーアンテナを示す構成図である。
実施の形態４までは、本配列の対象を単一の素子アンテナ、または単一の素子アンテナに整流回路が接続されたアンテナとしていた。
しかし、その限りではなく、複数に区分された素子アンテナや複数に区分された素子アンテナの各々に整流回路が接続されたアンテナをまとめた状態を一つの単位とし、まとまっている単位で本アレーアンテナ配列法を適用しても良い。
【００３９】
このように、素子アンテナまたは素子アンテナに整流回路が接続されているアンテナを複数個まとめたアンテナを、サブアレー６と呼ぶ。
本配列法において、各素子アンテナの占有面積１の中心２を各サブアレー６の中心７とし、数式（１）または数式（１２）を用いることで、大規模アレーアンテナでサブアレー６を用いた場合においても、効率の良いアレーアンテナが実現可能である。
【００４０】
以上のように、本実施の形態５によれば、素子アンテナを、複数に区分された素子アンテナや複数に区分された素子アンテナの各々に整流回路が接続されたアンテナをまとめたサブアレー６とした。
よって、サブアレー６を用いた大規模アレーアンテナにおいて、効率を改善することができる。
【００４１】
実施の形態６．
図９は本発明の実施の形態６によるアレーアンテナを示す構成図である。
実施の形態５までは配列法の対象を直接放射系の素子アンテナ、または素子アンテナに整流回路が接続されたものとして説明していた。
しかし、その限りではなく、地板８、誘電体９、反射素子１０および一次放射器１１から構成される平面反射鏡アンテナ装置に、本アレーアンテナ配列法を適用しても良い。
【００４２】
平面反射鏡アンテナ装置において、一次放射器１１から放射された電波は、開口面上の入力電力に不均一性を生じさせる。
本アレーアンテナ配列法を平面反射鏡アンテナ装置の反射素子１０に対して適用することで、開口面上の入力電力の不均一性が補え、従って、開口面上における振幅分布が一様になるため、利得低下の低減が可能となる。
【００４３】
以上のように、本実施の形態６によれば、平面反射鏡における反射素子１０を素子アンテナとして本アレーアンテナ配列法を適用した。
よって、平面反射鏡アンテナ装置において、利得低下の低減を改善することができる。
【００４４】
なお、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の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１，４  占有面積、２，７  中心、３  開口、５  整流回路、６  サブアレー、８  地板、９  誘電体、１０  反射素子、１１  一次放射器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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