(57)【要約】【課題】マルチバンドで使用するアレイアンテナのパターン劣化を抑えた安価なマルチバンドアレイアンテナを提供する。【解決手段】低域素子及び狭ビームの高域素子により構成した素子ユニットを所定の配列面に低域に対応する間隔で複数配列し、高域のグレーティングローブを抑圧可能としたことを特徴とする。【選択図】図１
2009232213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低域素子及び狭ビームの高域素子により構成した素子ユニットを所定の配列面に低域に対応する間隔で複数配列し、高域のグレーティングローブを抑圧可能としたことを特徴とするマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項２】
前記配列面はシリンドリカル状曲面であることを特徴とする請求項1記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項３】
前記配列面はプレーナ状平面であることを特徴とする請求項１記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項４】
前記素子ユニット毎に移相器を有するモジュールを具備したことを特徴とする請求項１ないし３の何れかの請求項記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項５】
前記低域素子及び高域素子は、低域と高域を切替える切替器を介して前記モジュールに接続したことを特徴とする請求項４記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項６】
前記低域素子及び高域素子は何れもパッチアンテナとして構成したことを特徴とする請求項１ないし５の何れかの請求項記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項７】
前記低域素子及び高域素子はそれぞれパッチアンテナ及びパッチアンテナの小アレイとして構成したことを特徴とする請求項１ないし５の何れかの請求項記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項８】
前記小アレイの各パッチアンテナは、合成分配器に接続されたことを特徴とする請求項７記載のマルチバンドアレイアンテナ
【請求項９】
前記低域素子及び高域素子は、低域と高域で開口面を共用する多周波共用のアンテナ素子で構成したことを特徴とする請求項１ないし４の何れかの請求項記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項１０】
前記低域素子及び高域素子はそれぞれ低域用の合成分配器及び高域用の合成分配器に各々接続したことを特徴とする請求項１ないし３の何れかの請求項記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項１１】
前記低域素子及び高域素子は、低域と高域で開口面を共用する多周波共用のアンテナ素子で構成し、低域と高域を切替える切替器を介してそれぞれ低域合成分配器及び高域合成分配器に接続したことを特徴とする請求項１ないし３の何れかの請求項記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項１２】
前記アンテナ素子は、ホーンアンテナとして構成したことを特徴とする請求項９又は１１記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【請求項１３】
前記アンテナ素子は、リフレクタを有するダイポールアンテナとして構成したことを特徴とする請求項９又は１１記載のマルチバンドアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチバンドアレイアンテナに関し、特に低域素子と高域素子を用いたマルチバンドアレイアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にアレイアンテナは、アンテナ素子を平面状、円柱状あるいは球面状の配置面に並べて実装することにより構成される。また、フェーズドアレイアンテナは、アンテナ素子ごとに移相器を具備するモジュールを前記配置面に並べて実装し、移相器によるアンテナ素子の信号を制御することによりビーム走査が行われる。
【０００３】
マルチバンドのフェーズドアレイアンテナは、グレーティングローブが出ない素子間隔で配列すると高い周波数（高域）の素子（高域素子）の素子数が低い周波数（低域）の素子（低域素子）の素子数に比べて周波数比の約二乗倍となり、移相器等を備える高域用モジュールの数が増大する（特許文献１参照）。また、低域素子と高域素子の配列には物理的な制約がある他、電気的干渉が発生してパターンの乱れが生じる（特許文献２参照）。
【０００４】
図８は本発明の関連技術のマルチバンドのフェーズドアレイアンテナの構成例を示す図である。
【０００５】
図８（ａ）は、低域が２×２素子、高域が４×４素子の素子配列を示しており、低域素子及び高域素子は多層化されて同一平面に並べられている。
【０００６】
図８（ｂ）はフェーズドアレイアンテナとした場合の給電回路図を示しており、低域素子及び高域素子にそれぞれ移相器を備えるモジュールが接続されている。低域素子Ｓ１及び高域素子Ｓ２がそれぞれ低域モジュール１１及び高域モジュール１２に接続されることによりフェーズドアレイアンテナが構成される。
【０００７】
図８（ｃ）はマルチバンド素子構造の一例を示している。多層基板１５の上層に低域素子Ｓ１が配置され、低域素子Ｓ１の下層（下側）に高域素子Ｓ２が配置されている。また、上層の低域素子Ｓ１は網状とし高域周波数での電波の透過を良くするように構成されている（非特許文献１）。
【０００８】
なお、マルチバンド素子の構造については特許文献１、３にも開示されているが本発明とは直接関係しないので詳細説明は省略する。
【特許文献１】特開平４−３５２０８号公報
【特許文献２】特開２００２−１６４７３６号公報
【特許文献３】特開平８−１８６４３７
【非特許文献１】IEE Proceedings Vol.135, Part H,No.5,October1988,304ページ乃至312ページJ.R.jamesらによる「Superimposed Dichroic Microstrip antenna array」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
マルチバンドのアレイアンテナは、グレーティングローブ（サイドローブ）が出ない素子間隔で配列すると高域素子数が低域素子数に比べて周波数比の約二乗倍となり、同フェーズドアレイアンテナでは高域用モジュール等の数も増大する（特許文献１参照）。また、低域素子と高域素子の配列には物理的な制約がある他、電気的干渉が発生してパターンの乱れが生じる。
【００１０】
このように、グレーティングローブが出ない素子間隔としたマルチバンドアレイアンテナは、高域素子や高域用モジュール等の数が増大して高価となる。
【００１１】
そこで、マルチバンドアレイアンテナの素子数を削減するため、高域素子の素子間隔を低域素子の素子間隔と同じに構成するとグレーティングローブが発生する。
【００１２】
また、マルチバンドアレイアンテナは低域素子と高域素子が交錯して特に高域素子の素子パターンが乱れ、アレイパターンでのサイドローブの悪化を招く。
【００１３】
（目的）
本発明の目的は、前記課題を解決するものであり、マルチバンドで使用するアレイアンテナのパターン劣化を抑えた安価なマルチバンドアレイアンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のマルチバンドアレイアンテナは、低域素子及び狭ビームの高域素子により構成した素子ユニットを所定の配列面に低域に対応する間隔で複数配列し、高域のグレーティングローブを抑圧可能としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、素子ユニットを低域の素子間隔で配列することにより、アンテナ素子数、高域用モジュール等の個数を大幅に削減することが可能となり、装置のハードウェア規模の増大を免れて価格低減が図れる。
【００１６】
また、高域素子を低域素子と同じ素子間隔に配列して素子数を削減してもグレーティングローブを抑圧したアレイパターンが得られる。つまり、高域の素子パターンを狭ビーム化することにより素子間隔を広げたときに発生するグレーティンクローブを抑圧できる。
【００１７】
更に高域素子数が削減され、素子配列の簡素化が図れるから物理的制約、電気的干渉が低減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
（構成の説明）
次に、本発明の第１の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は本発明のマルチバンドアレイアンテナの第１の実施形態を示す図であり、（ａ）はシリンドリカル型、（ｂ）はプレーナ型、（ｃ）は素子配列である。本実施形態はレーダ用アンテナ装置への適用例を示している。
【００２０】
図１（ａ）は素子を配列した配列面をシリンドリカル状曲面としたシリンドリカルアレイアンテナである。シリンドリカルアレイアンテナ１は基台部３上に設置し、励振素子をスイッチにより選択し、切替えて水平面のビームを走査する。
【００２１】
図１（ｂ）は同配列面がプレーナ状平面としたプレーナアレイアンテナである。基台部３とアレイアンテナ２との間のペデスタル４により、アレイアンテナ２を機械的に回転して水平面のビームを走査する。
【００２２】
図１（ｃ）は（ａ）あるいは（ｂ）のアンテナ開口部の素子配列の構成例を示している。本実施形態では、中央の高域用導体の高域素子５２と低域用導体の低域素子５１の配置で構成した素子ユニット５を上下方向にライン状に複数配列して構成している。
【００２３】
また、素子ユニット５の低域素子５１は広ビーム、高域素子５２は狭ビームとし、各ラインの素子ユニット５は低域のグレーティングローブ（サイドローブ）を抑圧できるような間隔で配列し、各ライン間では素子ユニット５を上下に１／２アレイ間隔ずらした三角配列としている。各列間又は各列の素子間隔は１／２アレイ間隔とすることができる。
【００２４】
次に、本実施形態の低域素子５１を広ビームとし、高域素子５２を狭ビームとする素子ユニット５による具体的な素子アンテナの構成例について説明する。
【００２５】
図２は低域で広ビーム、高域で狭ビームとなる素子アンテナの構成例を示す図である。  
図２（ａ）に示す方式では、一つの素子ユニット５として多層基板の上層に低域素子５１を配置し、その下部の下層に複数の高域素子５２を配列して、合成回路により高域素子５２の信号を合成することにより小アレイとし、高域素子５２の狭ビーム化を実現する。例えば、素子ユニットの低域素子及び高域素子は何れもパッチアンテナとし、高域素子５２はパッチ数を３×３とした小アレイのアンテナ（パッチ小アレイアンテナ）として狭ビームを実現する。
【００２６】
図２（ｂ）に示す方式では、素子ユニット５として導体の低域素子５１と、前記低域素子５１の中央に形成した導体の高域素子５３とにより低域／高域のマルチバンド素子を構成し、高域素子に導波器として働く無給電素子５３を付加することにより高域素子５２の狭ビーム化を実現する。例えば、素子ユニットの低域素子及び高域素子は何れもパッチアンテナとし、高域素子５２は無給電素子付パッチとして狭ビームを実現する。
【００２７】
図２（ｃ）に示す方式では、導体のコーナーリフレクタ５５を使用するアンテナであり、コーナーリフレクタ５５の谷部からダイポールアンテナ用の支柱を設け、低域／高域のマルチバンド素子を組み合わせたダイポールアンテナを配置した素子ユニット５を開口面を共用する低域／高域共用のアンテナ素子として構成し、高域の狭ビーム化を実現する。例えば、素子ユニットの高域素子は中央の短い素子及び低域素子は両端を含めた長い素子とし、コーナーリフレクタ付低域／高域２周波共用ダイポールとして狭ビームを実現する。
【００２８】
図２（ｄ）に示す方式では、マルチバンドホーン形式のアンテナであり、低域／高域のマルチバンドホーン５６のアンテナ素子を配置し、素子ユニット５は開口面を共用する低域／高域共用のアンテナ素子として構成し、同一開口で高域の狭ビーム化を実現する。
【００２９】
次に、本実施形態のマルチバンドアレイアンテナの給電回路の構成例について説明する。
【００３０】
図３は広帯域モジュールを具備した素子ユニットの給電回路の構成例を示す図である。
【００３１】
図３（ａ）は図２（ａ）に示す素子ユニットに対応するアレイ合成二点給電方式の給電回路を示すものである。高域素子５２（＃１〜＃ｎ）と接続した合成分配回路７と低域素子５１を高域と低域を切替える切替器８を介して広帯域モジュール６に接続した構成の給電回路である。
【００３２】
図３（ｂ）は図２（ｂ）に示す素子ユニットに対応する二点給電方式の給電回路の構成例を示すものである。低域素子５１と高域素子５２を高域と低域を切替える切替器８を介して広帯域モジュール６に接続した構成の給電回路である。
【００３３】
図３（ｃ）は図２（ｃ）及び（ｄ）に示す素子ユニットに対応する一点給電方式の給電回路を示すものである。コーナーリフレクタやホーンを使用した低域と高域で開口面を共用する多周波共用のアンテナ素子５４、５５を広帯域モジュール６に接続した構成の給電回路である。
【００３４】
（動作の説明）
次に本実施形態の各マルチバンドアレイアンテナのアンテナ構造と走査等に関する動作について説明する。
【００３５】
図１（ａ）に示すシリンドリカル型フェーズドアレイアンテナの場合は、水平方向は励振素子をスイッチにより選択することにより電子的に走査する。また、モジュールの移相器により低域では広角度の走査、高域では微小角度の走査が可能である。
【００３６】
つまり、高域では素子パターンが狭ビーム化されているため励振素子列は制限される。また、このフェーズドアレイアンテナは、目標の捜索、追尾するレーダ用アンテナ装置に適している。
【００３７】
図１（ｂ）に示すプレーナ型フェーズドアレイアンテナの場合は、水平方向はペデスタル４により機械的に走査する。また、モジュールの移相器により低域では広角度の走査、高域では微小角度の走査が可能であり、目標の捜索、追尾するレーダ用アンテナ装置に適している。
【００３８】
図１（ｃ）は図１（ａ）（ｂ）の素子配列を示す図で素子ユニットの間隔は低域に対応する間隔のグレーティングローブが発生しない値で配列される。
【００３９】
次に、本実施形態の各マルチバンドアレイアンテナのアンテナ構造と低域で広ビーム、高域で狭ビームを実現する動作について説明する。
【００４０】
図２（ａ）は図８（ｃ）に示す構造を用いた構成例であるが、低域素子の１素子（パッチ）に対し、高域素子の素子数（パッチ数）を３×３に増加し、図３（ａ）に示すように給電回路として高域素子の各素子を合成分配器７に接続し、小アレイとして構成して高域素子パターンの狭ビーム化を図っている。低域素子と高域素子とは、切替器８を介して広帯域モジュールに接続し、モジュール数の低減をも図っている。
【００４１】
図２（ｂ）はパッチ２層構造のマルチバンド素子でなる構成例であり、高域素子５２の前方に高域で導波素子として機能する無給電素子を配置して狭ビーム化を図っている。また、給電回路は図３（ｂ）に示すように高域及び低域の２点に給電する。
【００４２】
図２（ｃ）はダイポール構造のマルチバンド素子５４とコーナーリフレクタ５５を組み合わせた構造としたものであり、コーナーリフレクタ５５の開口面を共用することで高域のパターンを狭めている。また、給電回路は図３（ｃ）に示すように高域及び低域を共用とした１点に給電する。
【００４３】
図２（ｄ）はホーン構造のマルチバンド素子を使用する構成例である。素子ユニット５としてのホーン５６は開口面を共用した複数のホーンで構成される低域／高域２周波共用ホーンとすることにより、高域のパターンを狭めている。また、給電回路は図３（ｃ）に示すように高域及び低域を共用とした１点に給電する。
【００４４】
また、給電回路の例としては、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）及び（ｄ）に対応する移相器を具備した広帯域モジュールが使用される。
【００４５】
次に、本実施形態の各マルチバンドアレイアンテナのアレイパターンについて説明する。
【００４６】
図４は素子ユニットの低域素子及び高域素子のそれぞれ素子単体のパターンを示す図であり、図５は水平方向４０素子ユニット、仰角方向４０素子ユニットを１．５波長間隔に三角配列した場合のアレイパターンを示す図である。低域と高域の周波数比が3倍の場合、低域素子を０．５波長間隔で配列すると高域では１．５波長間隔となり、図５はこの場合の高域パターンである。
【００４７】
図４（ａ）は低域で広ビーム５１１、高域で狭ビーム５２１の素子パターンの特性を示し、図４（ｂ）は低域、高域ともに広ビーム５１１、５２２の素子パターンの特性を示している。
【００４８】
図５（ａ）は図４（ａ）に示す素子パターンでシミュレーションした結果のアレイパターンの特性であり、図５（ｂ）は図４（ｂ）に示す素子パターンでシミュレーションした結果のアレイパターンの特性である。
【００４９】
図５（ａ）と図５（ｂ）の比較により分かるように、アレイアンテナを図４（ｂ）に示すように低域、高域ともに広ビームの素子パターンとした場合は、アレイパターンにグレーティングローブ（サイドローブ）が発生する。
【００５０】
これに対し、アレイアンテナを図４（ａ）に示すように低域で広ビーム、高域で狭ビームの素子パターンとした場合は、アレイパターンにグレーティングローブ（サイドローブ）が低減される。
【００５１】
以上のように本実施形態では、低域で広ビーム、高域で狭ビームのアンテナ素子を一つの素子ユニットとして、この素子ユニットを低域のグレーティングローブ（サイドローブ）を抑圧可能な間隔で配列したアレイを構成する。高域の素子パターンが低域の素子パターンと同様に広ビームの場合は、アレイパターンにグレーティングローブ（サイドローブ）が発生するのに対し、低域の素子間隔でマルチバンドの素子ユニットを配列すると高域の素子間隔が波長に対し大きくなるが、素子パターンが狭ビーム化されているためにグレーティングローブ（サイドローブ）が低減される。
【００５２】
低域の素子間隔でマルチバンドの素子ユニットを配列することで、高域用モジュール等の数を低域用と同数に減らすことができる。また広帯域モジュールを用いて低域／高域共用化すれば更に数を半減させることができる。その結果マルチバンドアレイアンテナのハードウェア規模の増大を招くことなく、価格を低減することが可能となる。
【００５３】
（第２の実施形態）
図６は本発明の第２の実施形態のマルチバンドアレイアンテナを示す外観図である。
図２に示す第１の実施形態のマルチバンドの素子ユニットを図１（ｃ）と同様に配列したアレイアンテナ１４と、基台部３上の水平方向（ＡＺ）及び垂直方向（ＥＬ）の２軸の回転機構をもつペデスタル１３と、で構成される。
【００５４】
プレーナ型マルチバンドのアレイアンテナ１４が２軸のペデスタル１３によりＡＺ、ＥＬ共に機械的にビーム操作が行われるアンテナ装置である。
【００５５】
図７は第２の実施形態のアンテナ素子の給電回路の構成例である。図７（ａ）は図２（ａ）及び（ｂ）に示す素子ユニット５を使用した場合のそれぞれ図３（ａ）及び（ｂ）に示す２点給電方式の給電回路の構成例である。低域素子５１に対する低域合成分配器９と、高域素子５２に対する高域合成分配器１０とから構成される。
【００５６】
図７（ｂ）は図２（ｃ）及び（ｄ）に示す素子ユニット５を使用した場合のそれぞれ図３（ｃ）及び（ｄ）に示す１点給電方式の給電回路の構成例である。低域／高域共用素子５４又はホーン５５に、低域と高域を切替える切替器７を介して接続される低域合成分配器９及び高域合成分配器１０により構成される。
【００５７】
図７（ａ）及び（ｂ）ともに低域合成分配器９及び高域合成分配器１０は、各素子ユニットの信号（受信）を合成あるいは各素子ユニットに信号（送信）を分配してアレイアンテナのビームを形成する。
【００５８】
図６に示すような水平方向（ＡＺ）、垂直方向（ＥＬ）ともに機械的な回転によりビーム走査を行い、グレーティングローブの抑圧、素子配列の簡素化、電気的干渉の低減によるパターンの乱れ防止の効果が得られる。
【００５９】
本実施形態においても、低域で広ビーム、高域で狭ビームのアンテナ素子を一つの素子ユニットとして、この素子ユニットを低域のグレーティングローブ（サイドローブ）を抑圧可能な間隔で配列したアレイを構成する。高域の素子パターンが低域の素子パターンと同様に広ビームの場合は、アレイパターンにグレーティングローブ（サイドローブ）が発生するのに対し、低域の素子間隔でマルチバンドの素子ユニットを配列すると高域の素子間隔が波長に対し大きくなるが、素子パターンが狭ビーム化されているためにグレーティングローブ（サイドローブ）が低減される。
【００６０】
低域に対応する素子間隔でマルチバンドの素子ユニットを配列することで、高域用の素子数を低域用と同数に減らすことができ、マルチバンドアレイアンテナのハードウェア規模の増大を招くことなく、価格を低減することが可能となる。
【００６１】
（他の実施形態）
以上の実施形態において、給電回路は図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように広帯域のモジュールの使用例を示したが、低域用と高域用２種類のモジュールを用いて構成することも可能である。
【００６２】
アンテナの周波数帯は低域、高域の２つの周波数帯域に限らず、３帯域以上、あるいは広帯域のアレイにも適応可能である。
【００６３】
更に図１に示す実施形態では素子配列として、図１（ｃ）に示す三角配列の構成例を示したが、素子配列を四角配列としても同様の効果が得られる。また、図２に示す素子ユニットの配列では四角配列の構成例を示しているが、同様に三角配列の構成とすることができることは明らかである。
【００６４】
また、図６に示す実施形態においては、モジュールを具備しないマルチバンドアレイアンテナとして、プレーナ型のアンテナの構成例を示したが、図１（ａ）に示すシリンドリカル型のアンテナにおいても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明のマルチバンドアレイアンテナの第１の実施形態を示す図であり、（ａ）はシリンドリカル型、（ｂ）はプレーナ型、（ｃ）は素子配列である。
【図２】第１の実施形態の低域で広ビーム、高域で狭ビームとなる素子アンテナの構成例を示す図である。
【図３】第１の実施形態の広帯域モジュールを具備した素子ユニットの給電回路の構成例を示す図である。
【図４】素子ユニットの低域素子及び高域素子のそれぞれ素子単体のパターンを示す図である。
【図５】水平方向４０素子ユニット、仰角方向４０素子ユニットを低域素子の１．５波長間隔に三角配列した場合のアレイパターンを示す図である。
【図６】本発明のマルチバンドアレイアンテナの第２の実施形態を示す外観図である。
【図７】第２の実施形態のアンテナ素子の給電回路の構成例である。
【図８】本発明の関連技術を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１  シリンドリカルアレイアンテナ
２、１４  プレーナアレイアンテナ
３  基台部
４  ペデスタル
５  素子ユニット
５１  低域素子
５２  高域素子
５３  無給電素子
５４  低域／高域共用素子
５５  ホーン
５６  コーナーリフレクタ
５１１  低域素子パターン
５２１、５２２  高域素子パターン
６  広帯域モジュール
７  合成分配器
８  切替器
９  低域合成分配器
１０  高域合成分配器
１１  低域モジュール
１２  高域モジュール
１３  ２軸のペデスタル
１５  多層基板
【図１】
2009232213.tif 000003
【図２】
2009232213.tif 000004
【図３】
2009232213.tif 000005
【図４】
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【図５】
2009232213.tif 000007
【図６】
2009232213.tif 000008
【図７】
2009232213.tif 000009
【図８】
2009232213.tif 000010