(57)【要約】【課題】  従来の非周期アレーアンテナでは、隣接する２つのサブアレーアンテナに配列された素子アンテナを中心とする同一半径の円が、隣接する２つのサブアレーアンテナに共通した外形の辺に接するように配列されるため、前記円の半径の２倍の距離を保ちながら配列されてしまう。このため多数の素子アンテナが周期性を持つことになり、高いサイドローブが発生するという問題があった。【解決手段】  サブアレーアンテナ内に素子アンテナを配列する際、前記素子アンテナの中心位置を中心とする同一半径の円に互いに接し、かつ前記円が前記サブアレーアンテナの外形に接するように配列した位置から、黄金角に従い素子アンテナの位置をずらして素子アンテナの配列位置を設定することで、周期性を持たないようにサブアレーアンテナ内に素子アンテナを配列できるため、広帯域にわたり高いサイドローブレベルの発生を抑制する非周期アンテナを実現することができる。【選択図】      図１
2013179525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非周期に配列された複数のサブアレーアンテナにそれぞれ設けられ、当該各サブアレーアンテナの外形に接し、かつ隣接する他の円と相互に接する同一半径の複数の円の位置を基準位置として、当該基準位置から黄金角の整数倍の角度をなす方向にずらした位置に配列された、複数の素子アンテナを備えたアレーアンテナ。
【請求項２】
前記サブアレーアンテナにそれぞれ接続された移相器を備えた請求項１記載のアレーアンテナ。
【請求項３】
前記サブアレーアンテナは、ペンローズタイル形状に配置された請求項１記載のアレーアンテナ。
【請求項４】
ペンローズタイル形状をなす外形に接し、かつ互いに接する同一半径の複数の円の位置を基準位置として、当該基準位置から黄金角の整数倍の角度をなす方向にずらした位置に配列された複数の素子アンテナと、
当該各素子アンテナに接続された移相器と、
を備えたアレーアンテナ。
【請求項５】
非周期に配列された複数のサブアレーアンテナの外形に接し、かつ隣接する他の円と相互に接する同一半径の複数の円の位置を基準位置とするステップ、
前記基準位置から黄金角の整数倍の角度をなす方向を求め、当該方向に所定距離ずらすた位置に素子アンテナを配置するステップ、
を備えた複数の素子アンテナを配列するアレーアンテナの素子アンテナ配列方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アレーアンテナ、及びその素子アンテナ配列方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周期性を持たないサブアレーアンテナ配列を構成し、グレーティングローブを抑圧することのできる非周期アレーアンテナが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−６６９３６（第１図）
【０００４】
従来の非周期アレーアンテナは、サブアレーアンテナ内に複数の素子アンテナを配列する際、前記素子アンテナの中心位置を中心とする同一半径の円が互いに接し、かつ前記円が前記サブアレーアンテナのペーンローズスタイルの外形に接するように配列されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
隣接する２つのサブアレーアンテナに配列された前記複数の素子アンテナのうち、ほとんどの前記素子アンテナは、隣接する２つのサブアレーアンテナに共通した外形の辺に接するように配列されるため、前記円の半径の２倍の距離を保ちながら配列される。
【０００６】
このため、従来の非周期アレーアンテナは、前記半径の２倍の距離を保有し配列される多数の素子アンテナが周期性を持つことになり、この２倍の距離がちょうど１λとなる周波数より高い周波数帯域では、高いサイドローブが発生するという問題があった。
【０００７】
本発明は係る課題を解決するためになされたものであって、アレーアンテナ内に周期性を持たないように素子アンテナを配列し、広帯域にわたり高いサイドローブレベルの発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によるアレーアンテナは、非周期に配列された複数のサブアレーアンテナにそれぞれ設けられ、当該各サブアレーアンテナの外形に接し、かつ隣接する他の円と相互に接する同一半径の複数の円の位置を基準位置として、当該基準位置から黄金角の整数倍の角度をなす方向にずらした位置に配列された、複数の素子アンテナを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、アレーアンテナ内に周期性を持たないように素子アンテナを配列できるため、広帯域にわたり高いサイドローブレベルの発生を抑制する、非周期アンテナを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１によるアレーアンテナの構成を示す図である。
【図２】ペンローズタイル形状に配置された通常の非周期アレーアンテナの素子アンテナの配置例を示す図である。
【図３】図３は、図２の非周期アレーアンテナにおける一部の隣接するサブアレーアンテナ群Ａを拡大した、素子アンテナの配列を示す図である。
【図４】実施の形態１による１番素子アンテナを設置する際の仮配置からの移動例を示す説明図である。
【図５】実施の形態１による２番素子アンテナを設置する際の仮配置からの移動例を示す説明図である。
【図６】実施の形態１によるアレーアンテナ３００において、１番素子アンテナから２１番素子アンテナについて、仮配置から移動を行った移動後の配置例を示している。
【図７】実施の形態１に用いる黄金角の説明図である。
【図８】実施の形態１において、黄金角を用いて素子アンテナを移動させる方向の軸の導出方法を示す説明図である。
【図９】実施の形態１のアレーアンテナのサイドローブ抑圧効果を説明するための放射パターンを示す図である。
【図１０】実施の形態２によるアレーアンテナの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、本発明に係る実施の形態１によるアレーアンテナについて説明する。図１は、実施の形態１によるアレーアンテナ３００の構成を示す図である。図において、アレーアンテナ３００は、信号処理器１０１と、信号処理器１０１に接続された複数の移相器１１０と、移相器１１０に接続された複数のサブアレーアンテナ１２０から構成される。各サブアレーアンテナ１２０は、複数のアンテナ素子１１１から構成される。図１は、３つのサブアレーアンテナ１２０から構成されている。
【００１２】
各サブアレーアンテナ１２０は、それぞれ移相器１１０が接続されており、図示しない位相制御器によって位相が制御される。また、各サブアレーアンテナ１２０で受信され、移相器１１０にて位相制御された受信信号は、図示しないＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）処理回路で増幅、周波数変換、または波形整形された後、それぞれ信号処理器１０１に入力される。信号処理器１０１は、サブアレーアンテナ１２０毎に得られた受信信号が入力されると、各種演算処理によりビーム形成やビームの指向制御を行う。アレーアンテナ３００は、非周期アレーアンテナを構成している。
【００１３】
各サブアレーアンテナ１２０は、ファット菱形タイルサブアレーアンテナ１２１と、シン菱形タイルサブアレーアンテナ１２２との２タイプのサブアレーアンテナを組み合わせて、ペンローズタイル形状に配置される。ここで、シン菱形タイルサブアレーアンテナ１２２とファット菱形タイルサブアレーアンテナ１２１の面積比は、黄金比（１：（１＋√５）／２となっている。また、シン菱形タイルサブアレーアンテナ１２２とファット菱形タイルサブアレーアンテナ１２１の各々に割り当てる素子アンテナ１１１の個数を、シン菱形タイルサブアレーアンテナ１２２とファット菱形タイルサブアレーアンテナ１２１の面積比となるようにする。これにより、シン菱形タイルサブアレーアンテナ１２２内で素子アンテナ１１１が占有する面積とファット菱形タイルサブアレーアンテナ１２１内で素子アンテナ１１１が占有する面積との比を黄金比とすることができ、結果的に、素子アンテナ１１１が非周期に配列されることとなる。
【００１４】
図２は、特許文献１のペンローズタイル形状に配置された非周期アレーアンテナにおける、素子アンテナ２１２の配置例を示す図である。図２に示すように、特許文献１のペンローズタイル形状に配置された非周期アレーアンテナは、サブアレーアンテナ１２０内に複数の素子アンテナ２１２を配列する際、素子アンテナ２１２の中心位置を中心とする同一半径の円２１３が互いに接し、かつ円２１３が前記サブアレーアンテナ１２０のペーンローズスタイルの外形に接するように配列されている。また、隣接する２つのサブアレーアンテナ１２０に配列された複数の素子アンテナ２１２のうち、ほとんどの素子アンテナ２１２は、隣接する２つのサブアレーアンテナ１２０に共通した外形の辺に接するように配列されることで、円２１３の半径の２倍の距離を保ちながら配列されている。
【００１５】
ここで、実施の形態１によるアレーアンテナ３００の素子アンテナ１１１の配列方法について説明する。以下においては、２１個の素子アンテナで構成された３つのサブアレーアンテナ１２０を設けた場合の素子アンテナ配列を例に、実施の形態１による非周期アレーアンテナを構成するアレーアンテナ３００の素子アンテナ１１１の配列構造を説明する。
【００１６】
まず、アレーアンテナ３００の素子アンテナの配列を得るための、初期配列から説明する。
図３は、例えば図２の非周期アレーアンテナにおける一部の隣接するサブアレーアンテナ群Ａを拡大した、素子アンテナの配列を示す図である。ここでのサブアレーアンテナ群Ａは、２つのファット菱形タイルサブアレーアンテナ１２１と１つのシン菱形タイルサブアレーアンテナ１２２とが、ペンローズタイル形状に隣接して配置された部分を示している。この図３に示す素子アンテナ２１２の素子配列は、実施の形態１によるアレーアンテナ３００の素子アンテナ１１１の素子配列を得るための、初期配置（仮配置）を与える。図３において、符号１から符号２１は、素子アンテナ２１２として配列された、１番素子アンテナから２１番素子アンテナの仮配置の位置を示している。
【００１７】
図２、３に示すように、特許文献１に示す非周期アレーアンテナと同様、サブアレーアンテナ１２０（１２１、１２２）内に素子アンテナ２１２を配列する際、前記素子アンテナの中心位置を中心とする同一半径の円２１３に互いに接し、かつ前記円２１３が前記サブアレーアンテナ１２０の外形に接するように配列する。この配列は、実施の形態１によるアレーアンテナの素子アンテナ１１１の配置方法における、仮配置となっている。
【００１８】
次に、各素子アンテナに対して素子番号Ｎを割り振る。このとき番号付けの順番は適当でも構わない。
【００１９】
続いて、各素子アンテナの仮配置位置を基準位置とし、当該素子アンテナを基準位置から本配置位置へずらすように移動して、本配置位置へ素子アンテナを設置する方法について、図４から図８を用いて説明する。
図４は、実施の形態１によるアレーアンテナ３００において、１番素子アンテナを設置する際に、仮配置位置から本配置位置へずらす移動例を示している。図４において、符号１は１番目の素子アンテナの仮配置の位置であり図３と同一のものである。符号２２は１番素子アンテナの移動の際に用いる基軸、符号２３は１番素子アンテナの移動方向を示す軸、符号２４は１番素子アンテナの移動後の配置の位置を示している。
【００２０】
また、図５は、実施の形態１によるアレーアンテナ３００において、２番素子アンテナを設置する際に、仮配置位置から本配置位置へずらす移動例を示している。図５において、符号２は２番素子アンテナの仮配置の位置であり図３と同一のものである。符号２５は２番素子アンテナの移動の際に用いる基軸、符号２６は２番素子アンテナの移動方向を示す軸、符号２７は２番素子アンテナの移動後の配置の位置を示している。
【００２１】
さらに、図６は、実施の形態１によるアレーアンテナ３００において、１番素子アンテナから２１番素子アンテナについて、仮配置位置から本配置位置へずらした移動後の配置例を示している。図６において、符号２４は１番素子アンテナの移動後の配置の位置であり、図４と同一のものである。符号２７は２番素子アンテナの移動後の配置の位置であり、図５と同一のものである。符号２８から４６は、３番素子アンテナから２１番素子アンテナの全素子アンテナを移動した後の、移動後の配置位置をそれぞれ示している。
【００２２】
図７は黄金角を説明するための図である。
また、図８は、実施の形態１において、黄金角を用いて素子アンテナを移動させる方向の軸の導出方法を示す説明図である。
【００２３】
ここで、番号付けされた前記素子アンテナは、黄金角θを用いて移動がなされる。
はじめに、黄金角の説明をする。公の黄金角θは数１のように表すことができる。黄金角とは、図７に示すような円周を黄金比１：（１＋√５）／２に分けた角度であり、自然界においては枝の生える角度等がこの黄金角度に従うとされている。
【００２４】
【数１】
2013179525.tif 000003
【００２５】
数１をもとに、各素子アンテナを移動させるための黄金角θNを、数２のように定義する。ここで、θNはＮ番素子アンテナを移動する際に用いる基軸からの成す黄金角、Ｎは素子番号である。
【００２６】
【数２】
2013179525.tif 000004
【００２７】
次に、数２で算出されるθNを用いて、素子アンテナを移動させる方向軸の導出方法について、図８を用いて説明する。図８における符号４７は素子アンテナを移動する際に用いる基軸、符号４８から５２は、１番素子アンテナから５番素子アンテナの移動方向を示す軸である。
【００２８】
ここでは、１番素子アンテナから５番素子アンテナまでの、移動させる方向を決定する場合を例にあげる。
まず、数２を用いて、各素子アンテナにおける基軸からの成す黄金角を算出する。Ｎ番素子アンテナの黄金角θNは、基本となる黄金角θ1のＮ倍（整数倍）になるように設定される。
【００２９】
例えば、数２より、θ1＝１３４．５０４８°（小数点以下５桁は四捨五入）、θ２＝２７５．０１５５°（小数点以下５桁は四捨五入）、θ３＝４１２．５２３３°（小数点以下５桁は四捨五入）、θ４＝５５０．０３１１°（小数点以下５桁は四捨五入）、θ５＝６８７．５３８８°（小数点以下５桁は四捨五入）と算出できる。
さらにθ３、θ４、θ５において、０〜３６０°内で規格化すると、θ３からθ５は、θ３＝５２．５２３２９°（小数点以下５桁は四捨五入）、θ４＝１９０．０３１１°（小数点以下５桁は四捨五入）、θ５＝３２７．５３８８°（小数点以下５桁は四捨五入）等となる。
【００３０】
次に、移動する方向を示す軸の導出について説明する。図８において、素子アンテナを移動する際に用いる基軸４７から周囲方向に角度を取り、数２より導出した１番素子アンテナを移動させる黄金角θ1＝１３４．５０４８°となる軸を図示すると、１番素子アンテナを移動させる方向を示す軸４８を得る。同様に、２番素子アンテナから５番素子アンテナに対しても黄金角θ２〜θ５等を用いて、２番素子アンテナの移動方向を示す軸４９〜５番素子アンテナの移動方向を示す軸５２を得ることができる。
【００３１】
次に、前記の説明で得た素子アンテナを移動させる方向の軸を用いた素子アンテナの動かし方について、図４〜図６を用いて具体的に説明する。
【００３２】
最初に１番素子アンテナを動かす場合について、図４を用いて説明する。図４において、まず、１番素子アンテナの移動の際に用いる基準軸２２を設け、前記図８を用いて説明した要領で、黄金角θ1に従い、１番素子アンテナの移動方向を示す軸２３を得る。次に、前記１番素子アンテナの移動方向を示す軸２３に沿って、素子アンテナを１番素子アンテナの移動後の本配置位置２４へ移動させる。このとき、移動距離については任意で良いが、移動後に他の素子アンテナと近接もしくは干渉しないように配置し、例えば前記円２１３の半径以内にすると良い。
【００３３】
次に、２番素子アンテナを動かす場合について、図５を用いて説明する。図において、まず、２番素子アンテナの移動の際に用いる基準軸２５を設け、前記図８を用いて説明した要領で、黄金角θ２に従い、２番素子アンテナの移動方向を示す軸２６を得る。ここで、前記２番素子アンテナの移動の際に用いる基軸２５の延伸方向は、前記１番素子アンテナの移動の際に用いる基準軸２２と同じ方向となる。次に、前記２番素子アンテナの移動方向を示す軸２６に沿って素子アンテナを２番素子アンテナの移動後の本配置位置２７へ移動させる。このとき、移動距離については、前期１番素子アンテナを動かした距離と同じにする。
【００３４】
これを３番素子アンテナから２１番素子アンテナまで繰り返し、同じ要領で黄金角θ３〜θＮ（Ｎは素子アンテナ番号）に従い、全ての素子アンテナを移動すると、図６の符号２８〜４６で示した素子アンテナの移動後の本配置位置が決定される。このようにして、アレーアンテナ３００の素子アンテナ１１１の素子配列の本配置位置が設定されることとなる。
【００３５】
次に、実施の形態１によるアレーアンテナ３００について、素子アンテナ１１１が本配置位置に配列された場合の放射パターン例を示す。図９は、実施の形態１のアレーアンテナ３００のサイドローブ抑圧効果を説明するための放射パターンを示す図である。
【００３６】
図９において、図３の素子配列を有した従来の非周期アレーアンテナと、実施の形態１によるアレーアンテナ３００の放射パターンを重ねて示している。点線は、図３の素子配列を有した従来の非周期アレーアンテナの放射パターンを示し、実線は図１の素子配列を有したアレーアンテナ３００の放射パターンである。図９からわかる通り、実施の形態１によるアレーアンテナ３００を適用することによって、特定の方位角（図９の例では±３０°の角度）において、８〜９ｄＢ程度、高いサイドローブが抑圧されている効果を、確認することができる。
【００３７】
かくして、図９の効果から明らかなように、実施の形態１によるアレーアンテナ３００は、黄金角を用いて素子アンテナを仮設置位置から本配置位置へ移動させているため、絶対に同じ方向への移動は皆無であり、全ての素子アンテナ位置において周期性を有さずに配列できることから、高いサイドローブが抑圧されることとなる。
【００３８】
なお、実施の形態１によるアレーアンテナ３００は、任意形状のサブアレーアンテナにおいても効果がある。
【００３９】
また、図１は前記円２１３の１／２倍の距離を移動させた例であるが、距離においては素子アンテナ１１１の大きさに応じて任意に変えると良い。
【００４０】
以上説明した通り、実施の形態１によるアレーアンテナ３００は、非周期に配列された複数のサブアレーアンテナ１２０にそれぞれ設けられ、当該各サブアレーアンテナ１２０の外形に接し、かつ隣接する他の円と相互に接する同一半径の複数の円２１３の位置を基準位置（素子アンテナ２１２の仮配置位置）として、当該基準位置から黄金角の整数倍の角度をなす方向にずらした位置に配列された、複数の素子アンテナ１１１を備えている。また、サブアレーアンテナ１２０にそれぞれ接続された移相器１１０を備えている。また、サブアレーアンテナ１２０は、ペンローズタイル形状に配置されたことを特徴としている。
【００４１】
さらに、実施の形態１によるアレーアンテナの素子アンテナ配列方法は、非周期に配列された複数のサブアレーアンテナ１２０の外形に接し、かつ隣接する他の円と相互に接する同一半径の複数の円２１３の位置を基準位置とするステップ、前記基準位置から黄金角の整数倍の角度をなす方向を求め、当該方向に所定距離ずらした位置に素子アンテナ１１１を配置して、複数の素子アンテナ１１１を配列するステップ、を備えている。
【００４２】
これによって、アレーアンテナ内に周期性を持たないように素子アンテナを配列できるため、広帯域にわたり高いサイドローブレベルの発生を抑制する、非周期アンテナを得ることができる。
【００４３】
実施の形態２．
実施の形態１では、サブアレーアンテナ１２０毎に移相器１１０を設けたアレーアンテナ３００について説明した。この発明の実施の形態２においては、実施の形態１において配列された素子アンテナ１１１の一つ一つに移相器１１５を設けたアレーアンテナとする。その他の構成については、図１で説明した実施の形態１と同じである。次に、実施の形態２の動作について説明する。
【００４４】
図１０は、本発明に係る実施の形態２によるアレーアンテナ３００の構成を示す図である。図１０において、実施の形態１の素子アンテナ１１１は、それぞれ移相器１１５に接続されている。
【００４５】
図１０において、実施の形態１の素子アンテナ１１１に、ビーム形成やビーム指向制御を可能にする移相器１１５が１つの素子アンテナに１つ設けられている。このとき、素子アンテナ１１１それぞれにおいて非周期な配列を有するため、実施の形態１と同じような効果を得ることができる。
【００４６】
このように、実施の形態２によるアレーアンテナ３００は、ペンローズタイル形状をなす外形に接し、かつ互いに接する同一半径の複数の円の位置を基準位置として、当該基準位置から黄金角の整数倍の角度をなす方向にずらした位置に配列された複数の素子アンテナ１１１と、当該各素子アンテナ１１１に接続された移相器１１５と、を備えている。これによって、実施の形態１の効果に加えて、１つの素子アンテナ１１１に１つの移相器１１５が設けられかつ非周期アレーアンテナとしたい場合、素子配置を決定する上でより柔軟な配置が可能となる。
【００４７】
１０１  信号処理器、１１１  素子アンテナ、１１０  移相器、１１５  移相器、１２０  サブアレーアンテナ、３００  アレーアンテナ。
【図１】
2013179525.tif 000005
【図２】
2013179525.tif 000006
【図３】
2013179525.tif 000007
【図４】
2013179525.tif 000008
【図５】
2013179525.tif 000009
【図６】
2013179525.tif 000010
【図７】
2013179525.tif 000011
【図８】
2013179525.tif 000012
【図９】
2013179525.tif 000013
【図１０】
2013179525.tif 000014