(57)【要約】【課題】本発明の課題は、副反射鏡による遮蔽を軽減し、特に小型のアンテナの場合でも良好な利得、サイドローブ特性を有する安価なフェーズドアレイアンテナ装置を実現することにある。【解決手段】本発明は、一次放射器４１から放射される所定偏波の電波を反射し、所定偏波と直交した偏波を透過する偏波選択機能を有する第１の反射器４３と、第１の反射器４３から反射された所定偏波の電波を直交した偏波に変えて反射すると共に位相を変化させてビーム指向方向を制御する第２の反射器４２とを有するフェーズドアレイアンテナ装置であって、第２の反射器４２として、所定偏波の電波を直交した偏波に変換する機能および位相を変化させる移相機能を有するアンテナ素子を複数素子面状に配置して構成したことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定偏波の電波を放射する一次放射器と、
前記一次放射器から放射される電波の照射位置に設けられ、一次放射器から放射される所定偏波の電波を反射し、前記所定偏波と直交した偏波を透過する偏波選択機能を有する第１の反射器と、
前記第１の反射器から反射された所定偏波の電波を直交した偏波に変えて反射すると共に位相を変化させてビーム指向方向を制御する第２の反射器とを有するフェーズドアレイアンテナ装置であって、
前記第２の反射器として、所定偏波の電波を直交した偏波に変換する機能および位相を変化させる移相機能を有するアンテナ素子を複数素子面状に配置して構成したことを特徴とするフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項２】
第１の反射器の反射面形状が曲面で形成されることを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項３】
第１の反射器の反射面形状が平面で形成されることを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項４】
第２の反射器のアンテナ素子に直交偏波給電のマイクロストリップパッチアンテナを使用することを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【請求項５】
第２の反射器のアンテナ素子にクロスダイポールアンテナを使用することを特徴とする請求項１に記載のフェーズドアレイアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定偏波の電波を直交した偏波に変えると共に位相を変化させてビーム指向方向を制御するフェーズドアレイアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、通信やレーダ用のアンテナでは、高い利得と鋭いビームを得るためパラボラアンテナやカセグレンアンテナが多く使われてきている。
【０００３】
図５は従来のカセグレンアンテナを示す斜視図であり、図６は従来のカセグレンアンテナの動作原理を説明するための図である。図５に示すように、金属板よりなる主反射鏡１１の中心部には一次放射器１２が設けられ、前記一次放射器１２の前面には金属板よりなる副反射鏡１３が取り付けられる。すなわち、図６に示すように、一次放射器１２から放射された直線偏波の水平偏波ＨＰは副反射鏡１３で反射された後、主反射鏡１１で反射されて外部に放出される。
【０００４】
これらの反射鏡アンテナは、アレイアンテナに比較して構造が簡単であるため、同じ利得、ビーム幅を得るには安価に製造できるという利点がある。しかし、これらの反射鏡アンテナは、パラボラアンテナでは一次放射器、カセグレンアンテナでは副反射鏡が主反射鏡の前面にあるため、一次放射器や副反射鏡自体及び一次放射器や副反射鏡を機械的に保持する保持具が主反射鏡から放射する電波を遮るため利得の低下及びサイドローブの劣化を生じている。
【０００５】
前記一次放射器や副反射鏡の寸法は、使用周波数及び反射鏡アンテナの形状パラメータに大きく依存しているが主反射鏡の大きさには依存しない性質を有する。従って、アンテナの直径（主反射鏡の直径に対応）が小さい小型アンテナの場合は、主反射鏡の寸法に対して一次放射器や副反射鏡の寸法の割合が大きくなり、電波の遮蔽割合も大きくなるため、利得やサイドローブの劣化が大きくなるという欠点を有している。カセグレンアンテナは一次放射器が主反射鏡の近くに位置するため、パラボラアンテナに比べて送受信器から一次放射器までの給電線路の長さを短くできる利点があるが、副反射鏡の寸法がパラボラアンテナの一次放射器より一般的には大きくなるため、小型のアンテナでは副反射鏡の遮蔽割合が非常に大きくなり、パラボラアンテナに比べて利得、サイドローブ特性が劣化するという問題がある。
【０００６】
上記の問題点を解決する手段として、使用する偏波が直線偏波である場合は、ツイストリフレクタと呼ばれるアンテナ方式を用いることが考えられる。これにより、上で述べた副反射鏡の遮蔽を軽減することができ、遮蔽による特性の劣化を防止することができる。
【０００７】
図７は従来のツイストリフレクタの動作原理を説明するための図である。図７に示すように、ツイストリフレクタは、カセグレンアンテナの副反射鏡に対応する第１の反射器２３が偏波選択性を有した特殊な面で構成されている。この偏波選択性を有した特殊な面は、一方向の直線偏波に対してはほぼ完全な反射を生じ、この偏波と直交した直線偏波にはほとんど影響を与えず透過させる性質を有している。また、カセグレンアンテナの主反射鏡に対応した第２の反射器２１は、入射した直線偏波を直交した直線偏波に変換したうえで反射する特殊な性質を持つ。一次放射器２２から放射された直線偏波（仮に、水平偏波ＨＰとする）は、水平偏波ＨＰを反射するように設置された第１の反射器２３で反射され、第２の反射器２１に入射する。第２の反射器２１に入射した電波は、偏波の方向を９０°変えられ垂直偏波ＶＰとなって反射される。第２の反射器２１で反射された電波は、第２の反射器２１の反射方向に置かれた第１の反射器２３に入射するが、第１の反射器２３は垂直偏波ＶＰに対しては透過性を有するので、遮蔽を受けずに放射される。以上より、ツイストリフレクタは、カセグレンアンテナのような副反射鏡の遮蔽による特性劣化を防止できることが分かる。
【０００８】
図８は従来のカセグレン方式の反射型空間給電アレイアンテナの動作原理説明のための図である。図８に示すように、一次放射器３２から放射された直線偏波の水平偏波ＨＰは副反射鏡３３で反射された後、各素子アンテナ３１で反射されて外部に放出される。この場合、各素子アンテナ３１で反射された電波がさらに副反射鏡３３で反射されるときは外部に放出されず遮蔽された電波となる。
【０００９】
一方、高速ビーム走査が可能なフェーズドアレイアンテナにおいて、アレイアンテナの各素子アンテナ３１に行う給電を簡素化する方法として、空間給電方式がある。この方式は、一次放射器３２よりアレイアンテナの各素子アンテナ３１に電波を放射することで給電を行うものであり、通常、分配器で構成される給電回路が不要となるため安価、軽量にアレイアンテナを構成できる大きな利点がある。この空間給電方式の一つである反射型空間給電アレイアンテナでは、一次放射器３２から放射した電波は一度素子アンテナ３１で受信され、移相器により所定の位相量の位相変化を与えられ、再度同じ素子アンテナ３１から放射される。この方式は、パラボラアンテナの反射鏡を素子アンテナ群で置き換えたものと見ることができる。しかし、パラボラアンテナでは高速なビーム走査を行うことができないが、このアレイアンテナでは移相器による位相制御を行うことで高速なビーム走査を行うことができる。
【００１０】
反射型空間給電方式のフェーズドアレイアンテナにおいても、副反射鏡３３を用いたカセグレンアンテナに類似の方式を用いることができる。しかし、カセグレンアンテナのところで述べたように、副反射鏡３３は素子アンテナ３１から放射された電波を遮蔽するためアンテナ特性の劣化を生じる問題を有しており、特に小型アンテナの場合にはその劣化が大きくなる性質があることはカセグレンアンテナの場合と同様である。更に、反射型空間給電方式のフェーズドアレイアンテナでは位相制御によりビーム走査を行うが、正面以外の方向にビームを走査した場合には副反射鏡３３を機械的に保持している保持具の遮蔽割合が正面にビームを走査した場合より一層大きくなり、これにより利得及びサイドローブの劣化が増大するという問題がある。
【非特許文献１】P.W.Hannan,“Microwave Antennas Derived from the Cassegrain Telescope”,IRE Transactions on Antennas and Propagation,pp140-153,March 1961
【非特許文献２】D.Piltz and W.Menzel,“Folded reflectaary antenna”,Electronics Letters,Vol.34,No.9,pp832-833,April 1998
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上述べたように、副反射鏡を有する反射型空間給電フェーズドアレイアンテナにおいても、カセグレンアンテナと同様に副反射鏡及びその保持具による遮蔽の問題が生じ、特性の劣化を招く。
【００１２】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、副反射鏡による遮蔽を軽減し、特に小型のアンテナの場合でも良好な利得、サイドローブ特性を有する安価なフェーズドアレイアンテナ装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明は、所定偏波の電波を放射する一次放射器と、前記一次放射器から放射される電波の照射位置に設けられ、一次放射器から放射される所定偏波の電波を反射し、前記所定偏波と直交した偏波を透過する偏波選択機能を有する第１の反射器と、前記第１の反射器から反射された所定偏波の電波を直交した偏波に変えて反射すると共に位相を変化させてビーム指向方向を制御する第２の反射器とを有するフェーズドアレイアンテナ装置であって、前記第２の反射器として、所定偏波の電波を直交した偏波に変換する機能および位相を変化させる移相機能を有するアンテナ素子を複数素子面状に配置して構成したことを特徴とするものである。
【００１４】
また本発明は、前記フェーズドアレイアンテナ装置において、第１の反射器の反射面形状が曲面で形成されることを特徴とするものである。
【００１５】
また本発明は、前記フェーズドアレイアンテナ装置において、第１の反射器の反射面形状が平面で形成されることを特徴とするものである。
【００１６】
また本発明は、前記フェーズドアレイアンテナ装置において、第２の反射器のアンテナ素子に直交偏波給電のマイクロストリップパッチアンテナを使用することを特徴とするものである。
【００１７】
また本発明は、前記フェーズドアレイアンテナ装置において、第２の反射器のアンテナ素子にクロスダイポールアンテナを使用することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のフェーズドアレイアンテナ装置では、第２の反射器から放射されるビーム走査角度に対応して所定の位相量の位相変化を与えられた電波の偏波方向が、第１の反射器を透過する方向の偏波に変換されているので、第１の反射器の遮蔽を受けずに透過して放射されるため第１の反射器の遮蔽による特性の劣化を受けない。そのため、特に小型のアンテナの場合でも良好な利得、サイドローブ特性を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置を示す斜視図であり、図２は本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置の動作原理を説明するための図である。図１に示すように、一次放射器４１は円盤状の第２の反射器４２の中心部に設けられ、所定偏波の電波を放射する。前記一次放射器４１前方の一次放射器４１から放射される電波の照射位置には第１の反射器４３が設けられる。前記第１の反射器４３は一次放射器４１から放射される所定偏波の電波を反射し、前記所定偏波と９０°異なる方向の直交した偏波を透過する偏波選択機能を有する。前記第２の反射器４２は第１の反射器４３から反射された所定偏波の電波が入射され、所定偏波の電波を９０°変えて直交した偏波に変換して反射すると共に位相を変化させてビーム指向方向を制御する。
【００２１】
前記第２の反射器４２として、所定偏波の電波を直交した偏波に変換する機能および位相を変化させる移相機能を有するアンテナ素子を複数素子面状に配置して構成される。例えば、複数のアンテナ素子を縦横に配列して面状にした円盤状に構成される。
【００２２】
図３は本発明の実施形態に係る第２の反射器のアンテナ素子の一例を示す構成説明図である。図３は直交偏波給電のマイクロストリップパッチアンテナ５１を示し、マイクロストリップパッチアンテナ５１の入力端子５２に入力された直線偏波の水平偏波ＨＰは移相器５３により位相を所定位相に変化されると共に直線偏波の水平偏波ＨＰが９０°異なる方向の直線偏波の垂直偏波ＶＰに変換されて出力端子５４より放射される。
【００２３】
図４は本発明の実施形態に係る第１の反射器の一例を示す構成説明図である。図４に示すように、第１の反射器４３は、円状の枠体６１内に複数本の棒状のアンテナ部材６２が水平方向に等間隔で配置されて構成される。すなわち、直線偏波の水平偏波ＨＰは反射されるが、直線偏波の垂直偏波ＶＰは透過される偏波選択性を有する。
【００２４】
図２に示すように、一次放射器４１から放射された直線偏波（仮に水平偏波ＨＰとする）の電波は、水平偏波ＨＰを反射し垂直偏波ＶＰを透過する偏波選択性を有する第１の反射器４３に当り反射され、第１の反射器４３に対向しておかれた偏波変換機能を有する第２の反射器４２を構成するアンテナ素子群に到達する。アンテナ素子群中の各アンテナ素子である直交偏波給電のマイクロストリップパッチアンテナ５１に到達した水平偏波ＨＰの電波は、一度マイクロストリップパッチアンテナ５１の入力側の端子５２により受信された後、マイクロストリップパッチアンテナ５１の入出力端子間に接続された移相器５３によって、ビーム走査方向に対応した所定の位相変化を与えられマイクロストリップパッチアンテナ５１の出力側の端子５４に到達する。出力側の端子５４は入力側とは９０°直交した偏波を発生するようになっているため、垂直偏波ＶＰの電波が各マイクロストリップパッチアンテナ５１から放射される。各マイクロストリップパッチアンテナ５１から放射された電波は設定されたビーム方向に進むが、一部は第１の反射器４３に入射する。
【００２５】
しかし、第１の反射器４３は垂直偏波ＶＰを透過する特性をもっているので、各マイクロストリップパッチアンテナ５１から放射された電波は第１の反射器４３に遮蔽されることなく進行し、遮蔽による特性の劣化を受けずビームを生成することができる。
【００２６】
以上の実施形態では、第１の反射器４３の形状には特に言及していないが、反射面形状が回転双曲面、回転楕円面、平面のいずれであってもよく、またその他の任意の曲面であっても構わない。平面の場合は、第１の反射器４３の直径は第２の反射器４２の直径の半分となり、回転双曲面や回転楕円面では半分より小さくすることができる。また、第２の反射器４２を構成するアンテナ素子群も平面状でも任意の曲面状であっても構わない。
【００２７】
また、第２の反射器４２を構成する偏波変換機能を有するアンテナ素子は、正方形パッチアンテナ、クロスダイポールアンテナなどの直交偏波素子が考えられるが、その他のものであっても直交偏波に対応できるものであれば良い。
【００２８】
なお、上記実施形態では直線偏波の場合を示したが、円偏波にも適用できる。この場合は、一次放射器は円偏波を放射するものを使用し、第１の反射器は一次放射器と同じ旋回方向の円偏波を反射し、逆方向の、つまり電気的に直交した円偏波を透過させるものを使用する。そして、第２の反射器は一次放射器と同じ旋回方向の円偏波を電気的に直交した円偏波に変換すると共に直線偏波の場合と同量の位相変化を与えるものを使用する。
【００２９】
なお、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係るフェーズドアレイアンテナ装置の動作原理を説明するための図である。
【図３】本発明の実施形態に係る第２の反射器に用いられるアンテナ素子の一例を示す構成説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る第１の反射器の一例を示す構成説明図である。
【図５】従来のカセグレンアンテナを示す斜視図である。
【図６】従来のカセグレンアンテナの動作原理を説明するための図である。
【図７】従来のツイストリフレクタの動作原理を説明するための図である。
【図８】従来のカセグレン方式の反射型空間給電アレイアンテナの動作原理説明のための図である。
【符号の説明】
【００３１】
４１…一次放射器、４２…第２の反射器、４３…第１の反射器。
【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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