(57)【要約】【課題】アレイアンテナのＶＳＷＲをアンテナ素子単体よりも改善できるアレイアンテナを提供する。【解決手段】伝送線路から複数のアンテナ素子６ａ、６ｂへ給電するアレイアンテナにおいて、各アンテナ素子６ａ、６ｂと伝送線路４ａ、４ｂとのインピーダンス整合を行うための複数のインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃを備え、各インピーダンス変換トランス５ａ、５ｃの形状が互いに異なるものである。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝送線路から複数のアンテナ素子へ給電するアレイアンテナにおいて、各アンテナ素子と伝送線路とのインピーダンス整合を行うための複数のインピーダンス変換トランスを備え、各インピーダンス変換トランスの形状が互いに異なることを特徴とするアレイアンテナ。
【請求項２】
上記インピーダンス変換トランスは、トランスまたはスタブまたはリングである請求項１記載のアレイアンテナ。
【請求項３】
上記インピーダンス変換トランスは、反射波の位相特性が異なる請求項１または２記載のアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレイアンテナに係り、特にインピーダンス変換トランスを用いた整合回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術のアレイアンテナの構成の一例を図１０に示す。
【０００３】
アレイアンテナは、アレイアンテナに電磁波を供給する給電部１と、電磁波を伝送する伝送線路２、４ａ、４ｂと、伝送された電磁波を分岐する分岐部３と、アンテナ素子６ａ、６ｂとのインピーダンスを整合するためのインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂと、アンテナ素子６ａ、６ｂとを備えて構成される。
【０００４】
給電部１より送信するための電磁波が入力される。入力された電磁波は、伝送線路２を伝送されて分岐部３に至り、伝送線路４ａ、４ｂに分岐される。分岐された電磁波は、それぞれインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂを介して、アンテナ素子６ａ、６ｂに至る。アンテナ素子６ａ、６ｂに至った電磁波は、空間に放射される。
【０００５】
インピーダンス変換トランス５ａ、５ｂは、アンテナ素子６ａ、６ｂとのインピーダンス変換を行うためのもので、例えば図１２に示すような構造のものである。インピーダンス変換トランス５ａ、５ｂは、同軸線路１０からなり中心導体１１の直径を場所毎に異ならせることで、段階的に線路のインピーダンスを変化させている。インピーダンスが代わる断面（中心導体１１の直径が変わるところ）ではインピーダンスの不整合によって入力側に戻る反射波が発生する。
【０００６】
このインピーダンス不整合を解消するため、中心導体１１の直径を変えてインピーダンスを変化させる長さは、入力される電磁波の波長λの１／４毎にして、１箇所でのアンテナ素子６ａからの反射波と隣の箇所でのアンテナ素子６ｂからの反射波との位相をλ／２づつ変化させ、各反射波が打ち消し合うようにしている。
【０００７】
アレイアンテナの電圧定在波比（以下、ＶＳＷＲという。）を調整するためには、インピーダンス変換トランス５ａ、５ｂにおいて、上記１／４波長毎にインピーダンスの異なる部分を有する整合トランスを用いたり、スタブやリングなどを用いた集中定数回路を追加したりする。インピーダンス変換トランス５ａ、５ｂの特性は、その形状に依存するが、形状の決定は通常実験的に行って最適値になるように設定する。
【０００８】
しかし、ＶＳＷＲの調整は、接続されている分岐部３やアンテナ素子６ａ、６ｂの特性が影響するため、最適形状は一通りだけではなく、調整の方法や手順によって複数存在する場合が多い。従来は、製造上の簡単のためインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂは、同一形状のものを用いている。
【０００９】
図６（ａ）は、アレイアンテナの分岐部３のＶＳＷＲを示す特性図である。図６（ｂ）は、分岐部３の特性を示すスミスチャートである。
【００１０】
図６（ａ）に示す特性図の縦軸はＶＳＷＲを示し、横軸は周波数（単位ＧＨｚ）を示す。図６（ｂ）で示すスミスチャートは、横軸が反射波の複素振幅（Γ＝Γ１＋ｊΓ２）の実数部（Γ１＝Ｒｅ（Γ））を示し、縦軸が反射波の複素振幅の虚数部（Γ２＝Ｉｍ（Γ））を示す。
【００１１】
図示したように分岐部３は、周波数０．５０〜０．６５ＧＨｚでＶＳＷＲがほぼ１．２以下であることが分かる。
【００１２】
図７（ａ）は、アレイアンテナのインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂのＶＳＷＲを示す特性図である。図７（ｂ）は、インピーダンス変換トランス５ａ、５ｂの特性を示すスミスチャートである。
【００１３】
図示したようにインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂは、周波数０．５０〜０．６５ＧＨｚでＶＳＷＲが最大約１．１６であることが分かる。
【００１４】
図１１（ａ）は、アレイアンテナの分岐部３とインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂとを接続した場合のＶＳＷＲを示す特性図である。図１１（ｂ）は、分岐部３とインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂとを接続した場合の特性を示すスミスチャートである。
【００１５】
図１１（ａ）に示したように、分岐部３とインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂとを接続した場合は、周波数０．５０〜０．６５ＧＨｚでＶＳＷＲが最大約１．１６であることが分かる。
【００１６】
図７（ｂ）及び図１１（ｂ）から分かるように、インピーダンス変換トランス５ａ、５ｂは同一形状であるため各々の位相特性（図示したスミスチャート上で曲線図形分布の中心からの偏りに相当する）が同等であり、分岐部３とインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂとを接続した合成特性はインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂ単体の特性とほぼ同等になる。
【００１７】
このようにして、アレイアンテナのＶＳＷＲ調整を行うことができる。
【００１８】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【００１９】
【特許文献１】
特開平１１−１６８３０８号公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では分岐部３の特性とインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂの特性とを合成するとＶＳＷＲはほぼインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂ単体と同等になる。従来のアレイアンテナでは同一形状のインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂを用いているために、アレイアンテナでは全て同一の位相で反射波が戻ってくることになり、ＶＳＷＲを簡単には改善できないという問題点がある。
【００２１】
そこで、各インピーダンス変換トランス５ａ、５ｂまでの伝送線路４ａ、４ｂの長さを送信する電磁波の波長λの１／２だけ異ならせることで、反射波の位相をλ／２だけずらして反射波が打ち消し合うようにする方法が考えられる。しかし、この方法では、各アンテナ素子への給電位相が異なってしまうため、アンテナの指向特性に影響を及ぼしてしまう。
【００２２】
そこで、本発明の目的は、アレイアンテナのＶＳＷＲをアンテナ素子単体よりも改善できるアレイアンテナを提供することにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、伝送線路から複数のアンテナ素子へ給電するアレイアンテナにおいて、各アンテナ素子と伝送線路とのインピーダンス整合を行うための複数のインピーダンス変換トランスを備え、各インピーダンス変換トランスの形状が互いに異なるものである。
【００２４】
請求項２の発明は、上記インピーダンス変換トランスは、トランスまたはスタブまたはリングであるものである。
【００２５】
請求項３の発明は、上記インピーダンス変換トランスは、反射波の位相特性が異なるものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２７】
図１は、本発明の好適実施の形態を示すアレイアンテナの構成図である。
【００２８】
アレイアンテナは、アレイアンテナに電磁波を供給する給電部１と、電磁波を伝送する伝送線路２、４ａ、４ｂと、伝送された電磁波を分岐する分岐部３と、アンテナ素子６ａ、６ｂとのインピーダンスを整合するインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃと、アンテナ素子６ａ、６ｂとを備えて構成される。
【００２９】
給電部１は、図示しない送受信機から供給される電磁波が入力される部分である。伝送線路２、４ａ、４ｂは入力された電磁波を伝送するための線路であり、同軸ケーブル、導波管等が用いられる。分岐部３は、伝送された電磁波を複数の経路に分岐するためのものである。
【００３０】
インピーダンス変換トランス５ａ、５ｃは、アンテナ素子６ａ、６ｂと伝送線路２、４ａ、４ｂとのインピーダンス整合を行うためのもので、同軸線路状に形成されるトランスである。同軸線路型のインピーダンス変換トランス５ｃの構造を図２に、インピーダンス変換トランス５ａの構造を図１２に各々示す。
【００３１】
同軸線路１０に形成されたインピーダンス変換トランス５ａとインピーダンス変換トランス５ｃとは、中心導体１１の各部の径を互いに異ならせることで、各部のインピーダンスを異ならせることができ、アレイアンテナは、アンテナ素子６ａ、６ｂからの反射波の位相特性が異なるようになる。
【００３２】
すなわち、図２に示すインピーダンス変換トランス５ｃの中心導体１１の各部の径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３と、図１２に示すインピーダンス変換トランス５ａの対応する各部の径Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６とが異なっている。Ｄ１≠Ｄ４、Ｄ２≠Ｄ５、Ｄ３≠Ｄ６であることから、対応する各部のインピーダンスが異なり、これはインピーダンス変換トランス５ａと、インピーダンス変換トランス５ｃとの各両端におけるインピーダンス変換の特性が異なることを意味する。
【００３３】
また、同軸線路１０に形成されたインピーダンス変換トランス５ａとインピーダンス変換トランス５ｃとは、各部の直径が変わる間隔が互いに異なることで伝送、反射する電磁波の位相が異なる形状を有している。
【００３４】
すなわち、従来インピーダンス変換トランス５ａ、５ｂの各部の径Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６（図１２）は、使用する電磁波の波長λの１／４を単位として径Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６を変えていたが、インピーダンス変換トランス５ｃでは、１／４よりも短い単位や長い単位で径Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３を変化させることでもよい。各部の中心導体１１の長さが異なることは、従来アンテナ素子６ａ、６ｂからの反射波の位相で反射波を互いに打ち消し合うようにしていたが、アンテナ素子６ａ、６ｂからの各反射波の位相特性がより異なることになり、互いの反射波の位相差をより簡単に調整することができることを意味する。
【００３５】
インピーダンス変換トランス５ａ、５ｃは、上記同軸線路状のもの以外にも、マイクロストリップ線路を用い、そのマイクロストリップ線路の幅や長さ、回路基板の厚さ等の形状を変えることでインピーダンスや位相を変化させ、上記と同様のインピーダンス整合を行うようにしてもよい。
【００３６】
図３に、マイクロストリップ線路型のインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃの構造を示す。
【００３７】
マイクロストリップ線路型のインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃは、図示したように誘電体の基板７の上に導体薄膜等によりパターン８ａが形成され、パターン８ａが形成された面とは反対の全面には導体薄膜等によりアースパターンが形成されたものである。図中マイクロストリップ線路の幅が、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３と任意に変化することにより、各部のインピーダンスが異なる構造となっている。
【００３８】
また、マイクロストリップ線路型のインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃは、同軸線路型のものと同様に、各部の線路の幅が変わる間隔が互いに異なることで伝送、反射する電磁波の位相が異なる形状を有している。
【００３９】
他に同様の効果を得られるものとして、スタブを形成したり、リングを設けたりすることにより集中定数回路を追加することも有効である。
【００４０】
図４に、マイクロストリップ線路にスタブを形成してインピーダンス変換を行う例の構造を示す。
【００４１】
スタブは、マイクロストリップ線路で形成される伝送線路のパターン８ｂの途中に、伝送線路の一部の幅を変えることにより形成されるものである。図示したように伝送線路８ｂの幅がＷｔであるのに対して、形成されたスタブのパターン８ｃは幅Ｗｓ、長さＬｓであり、伝送線路のパターン８ｂとスタブのパターン８ｃとはインピーダンスが異なる構造となっている。
【００４２】
図５に、リングを使用してインピーダンス変換を行う例の構造を示す。図５（ａ）は、リングの形状を示す概観図である。図５（ｂ）は、リングを同軸線路に挿通した状態を示す概観図である。
【００４３】
リング１２は、導電性材質で形成される円筒、中空状のものである。リング１２は、円筒の長さや円筒外径寸法を変えることにより、リング１２のインピーダンスを変えることができる構造となっている。リング１２は、図５（ｂ）に示すように同軸線路１０の中心導体１１に密着して挿通され、同軸線路１１内を線路長手方向にスライドして移動させて任意の位置に設置する。中心導体１１のみの部分と、リング１２が挿通された部分とでは各々のインピーダンスが異なることで、インピーダンス整合を行うことができる。
【００４４】
アンテナ素子６ａ、６ｂは供給された電磁波を、各アンテナ素子６ａ、６ｂから空中に送信するためのものである。なお、本実施の形態では、簡単のためアンテナ素子６ａ、６ｂと２素子の例で説明するが、３素子以上に分岐されたアレイアンテナの場合においても本実施の形態と同様の改善効果が得られる。
【００４５】
送信するための電磁波は、給電部１に入力される。給電部１に入力された電磁波は、伝送線路２を介して伝送され、分岐部３に供給される。分岐部３で、送信するための電磁波は分岐され、伝送線路４ａ、４ｂを介してインピーダンスを整合するためのインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃに供給される。
【００４６】
インピーダンス変換トランス５ａに供給された電磁波は、アンテナ６ａに給電され空間に放射される。インピーダンス変換トランス５ｃに供給された電磁波は、アンテナ６ｂに給電され空間に放射される。
【００４７】
図１に於ける構成の実施例として、給電部１にＷＸ−２０Ｄ型フランジ、伝送線路２、４ａ、４ｂは５０Ω同軸線路、分岐部３は２分配ジャンクションボックス、インピーダンス変換トランス５ａ、５ｃは放送用４Ｌ双ループアンテナの給電エルボー、アンテナ素子６ａ、６ｂは放送用４Ｌ双ループアンテナを用いたアレイアンテナがある。
【００４８】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００４９】
インピーダンス変換トランス５ａと、インピーダンス変換トランス５ｃとは異なる形状からなるため、インピーダンス整合特性の異なるものとなっている。
【００５０】
図６（ａ）は、アレイアンテナにおける分岐部３のＶＳＷＲを示す特性図である。図６（ｂ）は、分岐部３の特性を示すスミスチャートである。
【００５１】
図７（ａ）は、アレイアンテナにおけるインピーダンス変換トランス５ａのＶＳＷＲを示す特性図である。図７（ｂ）は、アレイアンテナのインピーダンス変換トランス５ａの特性を示すスミスチャートである。
【００５２】
図８（ａ）は、アレイアンテナにおける形状の異なるインピーダンス変換トランス５ｃのＶＳＷＲを示す特性図である。図８（ｂ）は、インピーダンス変換トランス５ｃの特性を示すスミスチャートである。
【００５３】
図７（ｂ）、図８（ｂ）に示すように、インピーダンス変換トランス５ａ、５ｃの反射波の位相特性は、スミスチャートの曲線図形分布の中心からの偏りに相当して異なる。
【００５４】
図９（ａ）は、アレイアンテナの分岐部３とインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃとを接続した場合の合成のＶＳＷＲを示す特性図である。図９（ｂ）は、分岐部３とインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃとを接続した場合の合成の特性を示すスミスチャートである。
【００５５】
各インピーダンス変換トランス５ａ、５ｃの反射波の位相特性が異なるため、分岐部３（図６（ａ））、とインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃ（図７（ａ）、図８（ａ））とを接続した場合の合成のＶＳＷＲ特性（図９（ａ））は、インピーダンス変換トランス５ａ、５ｃ単体とは異なったものとなっている。
【００５６】
すなわち、各アンテナ素子６ａ、６ｂからの反射波の位相が互いに等しい場合には、反射波の合成振幅は最大となり、反射波の位相が１８０度異なる（位相が反転する）場合には、反射波の合成振幅は最小となる。
【００５７】
その中間の位相である場合には、反射波の合成振幅は上記最大値と最小値の中間の値となる。スミスチャートで表現すると、反射波が合成された状態でのスミスチャートは、各単体のスミスチャートの特性のほぼ中点の軌跡となる。
【００５８】
したがって、分岐部３とインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃとを接続した時のスミスチャート上の中点の位置がインピーダンス整合がとれたときの反射波の位相特性となるようにインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃの特性を設定した時の方が、良好なＶＳＷＲ特性が得られやすい。
【００５９】
周波数０．５ＭＨｚ〜０．６５ＧＨｚの間を観察してみると、図７（ａ）では最大ＶＳＷＲが１．１６であり、図８（ａ）ではＶＳＷＲが最大１．１２であるのに対して、合成した特性を示す図９（ａ）では最大ＶＳＷＲが１．１１となり改善されていることが分かる。
【００６０】
なお、特性が異なるインピーダンス変換トランス５ａ、５ｃは、上記では２種類で説明したが３種類以上用意しておくと調整できる組合せが増し、良好なＶＳＷＲ調整を行うことができる。
【００６１】
このようにして、アレイアンテナのＶＳＷＲ調整を行うことにより、単体のＶＳＷＲ特性よりも良好な特性が得られ、一種類のインピーダンス変換トランス５ａ、５ｂを用いたよりも特性が改善される優れた効果を得られる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、アレイアンテナのＶＳＷＲをアンテナ素子単体よりも改善できる優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】アレイアンテナの実施の形態を示す構成図である。
【図２】アレイアンテナに使用される同軸線路型のインピーダンス変換トランスの構造を示す概観図である。
【図３】マイクロストリップ線路型のインピーダンス変換トランスの構造を示す概観図である。
【図４】スタブ型のインピーダンス変換トランスの構造を示す概観図である。
【図５】図５（ａ）は、リングの構造を示す概観図である。図５（ｂ）は、リングを同軸線路に挿通した状態を示す概観図である。
【図６】図６（ａ）は、アレイアンテナの分岐部のＶＳＷＲを示す特性図である。図６（ｂ）は、アレイアンテナの分岐部の特性を示すスミスチャートである。
【図７】図７（ａ）は、アレイアンテナのインピーダンス変換トランスのＶＳＷＲを示す特性図である。図７（ｂ）は、アレイアンテナのインピーダンス変換トランスの特性を示すスミスチャートである。
【図８】図８（ａ）は、アレイアンテナの異なるインピーダンス変換トランスのＶＳＷＲを示す特性図である。図８（ｂ）は、異なるインピーダンス変換トランスの特性を示すスミスチャートである。
【図９】図９（ａ）は、アレイアンテナのＶＳＷＲを示す特性図である。図９（ｂ）は、アレイアンテナの特性を示すスミスチャートである。
【図１０】従来技術のアレイアンテナを示す構成図である。
【図１１】図１１（ａ）は、従来技術のアレイアンテナのＶＳＷＲを示す特性図である。図１１（ｂ）は、従来技術のアレイアンテナの特性を示すスミスチャートである。
【図１２】同軸線路型のインピーダンス変換トランスの構造を示す概観図である。
【符号の説明】
１  給電部
２  伝送線路
３  分岐部
４ａ、４ｂ  伝送線路
５ａ、５ｃ  インピーダンス変換トランス
６ａ、６ｂ  アンテナ素子
【図１】
2005033476.tif 000003
【図２】
2005033476.tif 000004
【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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【図１０】
2005033476.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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