(57)【要約】      （修正有）【課題】同一の給電素子を用いることを可能とし、調整作業を大幅に簡略し、かつ増幅器等の動作能率を高くできるアレーアンテナ装置を提供する。【解決手段】アレーアンテナの各放射素子を一様振幅１６で励振し増幅器の動作レベルを線形範囲の上限近くに設定し、各放射素子の間隔１７を所望の開口分布の振幅に対応させて変化させる。これにより、アレーアンテナの各放射素子に対応して同一の給電素子を用いることを可能とし、調整作業を大幅に簡略し、かつ、増幅器等の動作能率を高くすることができる。【選択図】図４
2018201073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各放射素子を一様振幅で励振し、その素子間隔を所望の開口分布の振幅に対応して決定論的に決定し、等価的に所望の開口分布を実現することを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項２】
請求項1の装置において、所望分布における各点の界の強さを、弱い励振振幅の素子により単純に量子化し、素子群にすることを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項３】
請求項1の装置において、所望分布における各点の界の強さから、最小励振レベルを差し引いて残りを量子化し、素子群にすることを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項４】
請求項1の装置において、所望分布における各点の界の強さを素子間隔で割った値と、一様励振素子の一定振幅を間隔で割った値が等しいように、素子間隔を設定することを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項５】
請求項1の装置において、ある点における所望分布の界の強さを素子間隔で割った値と、一様励振素子の一定振幅を間隔で割った値が等しいように素子間隔を設定し、さらにその一様励振素子の位置における所望分布の界の強さを基にして、隣の一様励振素子の間隔を決めることを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項６】
請求項４および５の装置において、部分的に素子間隔が大きい部分の励振振幅を低くして、素子間隔を狭くすることを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項７】
2次元アレーにおいて、請求項１から６の技術を適用したことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアレーアンテナの各放射素子に対応して、同一の給電素子を用いることを可能とし、調整作業を大幅に簡略し、かつ増幅器等の動作能率を高くできる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に開口面アンテナにおいては、望む放射特性を実現するため、開口上の電界・磁界の分布（界分布と略称）を特定の形にする。例えば、高利得にしたい場合は一様な分布に、低サイドローブにしたい場合はテーパつけた分布にする。従来のアレーアンテナでは非特許文献１に示されるごとく、各放射素子の励振振幅を所望の開口分布の素子位置における振幅値に比例させている。かつほとんどの場合、素子間隔を一定にしている。
【０００３】
放射素子に電波を給電する回路には、増幅器や減衰器があるがその動作レベルは、一般に一定ではなくなる。従って、励振振幅を所望の値にするため増幅率や減衰器の調整作業が必要であり、人手が必要であった。
これに対し、放射素子の励振振幅を一定にして、等価的に所望の開口分布にする提案もある。例えば特許文献１では、ランダムに素子を抜いて素子密度を開口分布にしようとしている。しかしこれでは、素子配列が決定論的に決まらず、かつ一部素子間隔が広がって格子ローブが発生する危険がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】C.A.Balanis, "Antenna Theory", John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997.
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開2012-182714号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
それに対し本発明では、アレーアンテナの各放射素子を一様振幅で励振し、等価的に所望の開口分布を実現する。そして増幅器の動作レベルを、線形範囲の上限近くに設定する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そのため各放射素子の間隔を、決定論的アルゴリズムにより、所望の開口分布の振幅に対応させて変化させる。
【発明の効果】
【０００８】
これにより一様振幅で励振した放射素子を用いても、等価的に所望の開口分布を実現できる。従ってアレーアンテナは、所望の特性を持ったものとなる。
一様振幅で放射素子を励振するので、同一特性の減衰器や増幅器でアレーアンテナを構成できるので、増幅器の動作能率を高くできる。更に減衰器や増幅器の調整が不要となり、大量生産に向く。従って、アンテナ装置を安くできる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一般的なアレーアンテナの構成を示す。
【図２】従来のアレーアンテナ設計手順を示す。
【図３】増幅器の入力と出力の関係、および動作範囲を示す。
【図４】等励振素子により任意界分布を、等価的に実現する形態を示す。
【図５】本発明の一実施例で、単純に量子化する法を示す。
【図６】本発明の一実施例で、バイアス付きで量子化する法を示す。
【図７】本発明の一実施例で、分割面積を変換する法を示す。
【図８】本発明の一実施例で、逐次面積を変換法を示す。
【図９】本発明の一実施例で、複数励振レベルを用いる法を示す。
【図１０】本発明（実施例２〜３）を、2次元のアンテナへ実施した１例を示す。
【図１１】本発明（実施例４〜６）を、2次元のアンテナへ実施した１例を示す。
【図１２】本発明（実施例４〜６）を、2次元のアンテナへ実施した１例を示す。
【図１３】本発明アンテナの放射パターンを、従来のアレーアンテナと比較して示す。
【図１４】本発明を、無線電力伝送アンテナに応用した実施例を示す。
【図１５】本発明を、携帯電話の基地局アンテナに応用した実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、図1に示すアレーアンテナに適用される。同一面に小型の放射素子４が、1次元あるいは２次元方向に複数配列されている。一つの電波源１で生成された電波は、各放射素子に対応して分けられる。各放射素子の前に、減衰器２と増幅器３が装着され、従来のアレーアンテナではその動作条件を変えることにより所望の励振振幅を得る。
【００１１】
従来のアレーアンテナの設計手順は、図2で示されている。ただしここでは、開口上の座標６を1次元表示として、界の強さ７を描いている。まず望むアンテナ特性に応じて、開口面上の連続的な界分布８を決める。次にアレーアンテナで等間隔９な放射素子配置に対し、その位置での励振強さ１０を決める。このアンテナを基本アレーアンテナとして、本発明アンテナとの関連を以後説明する。
【００１２】
このアレーアンテナの放射特性は、次式で表される。
(数１）
F(Θ) = Σ f(x0i) exp (jΘ x0i) dc 
ここに、f(x) は望むアンテナ特性を実現するための連続な界分布であり、dcは素子間の間隔（一定）、x0i は i 番目素子の位置、従って f(x0i) は i 番目素子の励振振幅を表す。またΘ = k sinθであり、ｋは波数、θはアンテナ正面から測った角度である。
被積分関数 f(x) exp(jΘ x) は、変数 ｘ 上での界の密度を表す。
【００１３】
一般的に増幅器の特性は図3で示されるが、入力１１がある一定のレベルまでは、一定の増幅率で増幅する。しかし最大動作レベル１５を越えると、出力１２は理想値１３より低くなってしまう（飽和現象）。直流電力を電波電力に変換する効率は、入力レベルが低いと悪く、最大動作レベルに近い点で最大となり、飽和領域に入ると再び悪くなる。
【実施例１】
【００１４】
以下図面を使いつつ、発明を実施する形態を説明する。図4は、本発明を適用した場合のアレーアンテナの構成を示す。各素子の励振振幅１６は一定で、その装着位置１７が変化している。いわば座標軸上に振幅一定のパルスが並んでいる形である。
【実施例２】
【００１５】
図５は、各励振振幅を単純に複数素子の和で置き換える（パルスにより量子化する）方法を示す。ここでは、A1点の振幅パルスを、振幅一定の3個の素子で置換して、量子化パルス群１８としている。
【実施例３】
【００１６】
図６では、各素子点の界の強さから最小励振レベル２０を差し引いて、残りを量子化し小さい励振振幅の素子群で置換する。ここではA1から最外点１９励振ANを引いて、残りを2素子２１で表している。いわば、各素子の励振振幅に  バイアスを付けて量子化する。図5の単純量子化法より、素子数を少なくできる利点があるが、励振振幅が2つ必要である。
【実施例４】
【００１７】
図7は、図2に示した素子の励振密度（標本化パルスの励振密度）を変えないで、等価的に任意開口分布を実現する方法を示している。すなわち、まず基本アレーアンテナのある放射素子の界の強さを素子間隔（一定）で割った値（界の密度）と、等振幅パルスの振幅を間隔で割った値が等しいように、素子間隔２２−１を決定する。次に隣の放射素子に対し同じように、次のように素子間隔２２−２を決定する。すなわち等振幅パルスの位置は、これらの素子間隔の和で表される。    
【実施例５】
【００１８】
図８は別な、素子の励振密度（標本化パルスの励振密度）を変えない方法を示している。まず第一の放射素子に対し、図7と同じように素子間隔２３−１を決定する。次に素子間隔２３−１だけ離れた仮想的な放射素子に対し、図7と同じように素子間隔２３−２を決定する。すなわち等振幅パルスの位置は、これらの素子間隔の和で表される。
【実施例６】
【００１９】
実施例４と５では、所望分布の界が極端に低くなると、等励振素子の間隔が広がりすぎて、グレーティングローブが発生したり、アンテナ開口が大きくなってしまう。これを防ぐため、その部分の励振レベルを低くして、素子間隔を狭める方法が有効である。
【００２０】
図９の実施例では、所望開口分布で周辺部分のレベルが低いので、励振が単一レベル１６では等励振素子の間隔が広がりすぎている。そこで半分のレベル２４にすることによって、素子間隔を約半分にした素子２６を挿入し、単一励振レベルでの素子２５を削除している。
一般には2以上の複数励振レベルを用いる。また低くする励振レベルは、元の励振レベルAcの半分と限らなくても良い。
【実施例７】
【００２１】
実施例２〜６は1次元モデルで説明したが、これを2次元のアンテナで実施することは容易である。実施例２を応用した例を、一つの基本アレーアンテナの素子２７について、図１０に示す。基本アレーアンテナの素子２７は、x軸とy軸を各々分割した格子点上にある。その励振振幅を量子化して、変換された素子群２８を当該の素子近辺に置けばよい。実施例３を応用する場合、励振振幅が2種類になる。
【実施例８】
【００２２】
2次元のアンテナで実施例４〜６を実施した例を図１１に示す。基本アレーアンテナの素子位置２７から、x軸方向の位置変化量２９とy軸の変化量３０を各々もとめると、一様振幅励振素子は新しい位置３１に決定される。
【実施例９】
【００２３】
2次元のアンテナで実施例４〜６を実施する場合、基本アレーアンテナの各素子について上述の計算をするのは、労力を要する。これを簡単化した例を図１２に示す。
【００２４】
まず x軸あるいはそれに最接近した平行線の上で、一様振幅励振素子の位置３２を決める。同じく ｙ軸あるいはそれに最接近した平行線の上で、一様振幅励振素子の位置３３を決める。次にｙ軸上の素子位置からx軸平行に引いた線の上で、一様振幅励振素子の位置を決める。このようにして最終的に、ｘ−ｙ面内で一様振幅励振素子の位置３４が決定される。
【実施例１０】
【００２５】
本発明アンテナの放射パターン３５を、実施例４に基づいて計算した。その結果を、従来のアレーアンテナの放射パターン３６と比較して、図１３に示す。両者は良く一致しており、本特許の有効性を示している。
【実施例１１】
【００２６】
本発明によるアンテナ装置は、無線通信やレーダ、リモートセンシング、無線電力伝送など、高利得なアンテナを要するシステムに応用できる。
【００２７】
無線電力伝送に本発明を応用した実施例を、図14に示す。送電側変換装置４０により直流あるいは交流の電力を電波に変換する。その電波は送電アンテナ３７により、電波ビーム39として放射され、受電アンテナ３８により受けられる。受電側変換装置４１は、電波を直流あるいは交流に変換する。この場合電波電力を受電側に集中させるため、両アンテナ共極めて多い放射素子を要する。
【００２８】
また漏れ電力を防ぐため、低サイドローブ用の界分布を用いる必要がある（所望界分布はエッジレベルを落としたものになる）。従って本特許によれば、一様励振振幅で素子位置を変えれば製作できるので、有利である。
【実施例１２】
【００２９】
本発明を携帯電話の基地局アンテナ４３に応用した実施例を、図１５に示す。この場合放射素子４２の数は多くないが、高い電力利用効率が求められ、また基地局４４は数が多い。本特許によれば、放射素子に付随した増幅器を最大動作レベルで動作でき、本アンテナは大量生産に向くので、有利である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は応用実施例で述べたように、無線通信やレーダ、リモートセンシング、無線電力伝送など、高利得なアンテナあるいは電力効率が高いアンテナを要するシステムに応用できる。
【００３１】
そしてアンテナの低価格化に資するので、アンテナの大量利用を促すことができる。例えば、自動車の自動運転に不可欠な電波センサーとして、本特許が生きてくると思われる。
【符号の説明】
【００３２】
１  電波源                              ２  減衰器
３  増幅器                              ４  放射素子
５  放射素子の固定装置  
６  アンテナ開口上の座標                ７  界・励振の強さ                  
８  アンテナ開口で所望の連続的界分布    ９  素子間隔                  
１０  従来のアレーアンテナにおける放射素子の励振振幅  
１１  入力                              １２  出力
１３  理想                              １４  現実
１５  最大線形レベル                
１６  励振振幅（一定）                  １７  素子間隔（変化）              
１８  量子化パルスの配列
１９  最低励振レベルの素子              ２０  バイアスレベル
２１  バイアス付き量子化パルスの配列
２２−１  分割面積変換により決めた第１素子の間隔
２２−２  分割面積変換により決めた第２素子の間隔
２３−１  逐次面積変換により決めた第１素子の間隔
２３−２  逐次面積変換により決めた第２素子の間隔
２４  複数励振振幅で用いる励振振幅        ２５  複数励振振幅で削除する素子
２６  複数励振振幅で新たに挿入する素子
２７  従来のアレーアンテナにおける素子位置
２８  量子化パルスの配置例
２９  x軸方向の位置変化量                ３０  ｙ軸方向の位置変化量
３１  変換された素子位置
３２  x軸上で変換された素子位置          ３３  ｙ軸上で変換された素子位置
３４  ｙ軸上素子位置を通るx軸平行線上で変換された素子位置
３５  本発明のアンテナにおける放射パターン  
３６  従来のアレーアンテナにおける放射パターン
３７  送電アンテナ                        ３８  受電アンテナ
３９  電波ビーム                          ４０  送電側変換装置
４１  受電側変換装置
４２  放射素子                            ４３  基地局アンテナ
４４  基地局
【図１】
2018201073.tif 000003
【図２】
2018201073.tif 000004
【図３】
2018201073.tif 000005
【図４】
2018201073.tif 000006
【図５】
2018201073.tif 000007
【図６】
2018201073.tif 000008
【図７】
2018201073.tif 000009
【図８】
2018201073.tif 000010
【図９】
2018201073.tif 000011
【図１０】
2018201073.tif 000012
【図１１】
2018201073.tif 000013
【図１２】
2018201073.tif 000014
【図１３】
2018201073.tif 000015
【図１４】
2018201073.tif 000016
【図１５】
2018201073.tif 000017