(57)【要約】【課題】天頂より低い仰角（仰角が９０度より小さい）衛星方向を向くアンテナ素子を用いたフェーズドアレイアンテナを提供する。【解決手段】半球面上に２つの主ビームを持つ素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ、又は、ダイポールアンテナと反射板から構成され、反射板とダイポールアンテナとの間隔が０．３５λ〜０．５５λである素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ、又は、半球面上に２つの主ビームを持つ素子アンテナと無給電素子を交互に配列したフェーズドアレイアンテナ。【選択図】図３
2009171022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半球面上に２つの主ビームを持つ素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ。
【請求項２】
ダイポールアンテナと反射板から構成され、反射板とダイポールアンテナとの間隔が０．３５λ〜０．５５λである素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ。
【請求項３】
半球面上に２つの主ビームを持つ素子アンテナと無給電素子を交互に配列したフェーズドアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フェーズドアレイアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来反射板付ダイポールアンテナを素子アンテナとするフェーズドアレイアンテナとしてはレーダーを用途としたアンテナがある。この場合用途がレーダーであるためアンテナの主ビーム方向は配列アンテナ面に対して垂直方向にある必要があり、通常配列面に対して±４５度程度の電子的ビーム走査を行っている。
【０００３】
一方衛星通信移動体用フェーズドアレイアンテナとしてはＬ−バンド帯で使用することを目的として、薄型化の観点からマイクロストリップアンテナを素子アンテナとしたアンテナが報告されている(非特許文献１)。
更に近年の移動体衛星通信の必要性から以下に示す非特許文献２ないし４が発表されている。
【０００４】
【非特許文献１】電子情報通信学会論文誌、B-II、 Vol. J72-B-II、 No.7、 pp. 323-329、 1989年、題目：自動車搭載衛星通信用電子走査アンテナ、著者：西川訓利、佐藤和夫、藤元美俊、所属：株式会社豊田中央研究所
【非特許文献２】電子情報通信学会論文誌、B、 Vol. J89-B、 No. 9、 pp. 1696-1704、 2006年、題目：簡易衛星追尾型アレーアンテナの電子走査特性、著者：金子謙一、田中憲光、高橋応明、伊藤公一、所属：千葉大学
【非特許文献３】IEEE Antennas and Propagation Magazine、 Vol. 33、 No. 3、 pp. 33-41 (pp. 37-38の第6章、 Planar microstrip Yagi array)、 June 1991、題目:Microstrip Antenna Development at JPL、 著者:John Huang、 所属:Jet Propulsion Laboratory
【非特許文献４】IEEE Transactions on Antennas and Propagation、 Vol. 55、 No. 6、 pp. 1883-1887、 June 2007、題目:A Novel Planar Switched Parasitic Array Antenna With Steered Conical Pattern、 著者:W. H. Chen、 J. W. Sun、 X. Wang、 Z. H. Feng、 F. L. Chen、 Y. Furuya、 and A. Kuramoto、 所属:Tsinghua University and NEC YRP Center
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したようにフェーズドアレイアンテナはレーダーあるいは衛星通信を目的として各種のアンテナが開発、研究されてきたが、これらフェーズドアレイアンテナに共通した点はアレイアンテナとして使用する素子アンテナの放射指向性はその最大放射方向がアンテナ面に垂直である点である(図１参照)。
【０００６】
これは元来フェーズドアレイアンテナは軍需用レーダーを目的として研究開発されたものであるため、その基本技術はレーダーを目的とした技術にあるためである。即ち素子アンテナの指向特性は半球面上に一つのビームしか持たないアンテナ素子を用いる技術であり、このため素子アンテナのビーム幅に沿ってしかビーム走査が出来ないフェーズドアレイアンテナにおいては、せいぜい±４５度程度しかビーム走査ができず、従って、赤道上に静止している通信衛星と、地上を移動する自動車あるいは列車等の移動体との通信（移動体衛星通信）は、一部の国家（赤道直下にある国々）を除いて、アンテナ高は高くなる欠点はあるが高品質な通信を確保するためにアレイアンテナを衛星方向に傾け、その状態でビーム走査、もしくはアンテナを固定して使うか、あるいはアンテナを薄くするために平面上のアンテナを用いたフェーズドアレイアンテナによる不十分な品質の通信で満足するかであった。
【０００７】
この問題に対処するには素子アンテナの主ビームが衛星方向に向くような素子アンテナを用いれば良いのであるが、この分野の専門家の間では、この手法では仰角90度方向の放射レベルが劣化し、素子アンテナのビームが図2に示すように2つに割れるため、フェーズドアレイアンテナとしたとき、1つのビームが作れないのではないかとの推測から、これまでそのような特性を持つ素子アンテナを用いてフェーズドアレイアンテナを構成した例がなかった。
【０００８】
また、フェーズドアレイアンテナでは電子的なビーム走査の為に各アンテナ素子に給電位相を変えるための移相器を装着する必要があるが、この移相器が高価であるため、上述したようにいくつかのフェーズドアレイアンテナの研究がなされてきたが実用に至っていないのが実情である。
【０００９】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、これまで使用された素子アンテナの主ビームが素子に対して天頂方向を向くのではなく、天頂より低い仰角（仰角が９０度より小さい）の衛星方向を向くアンテナ素子を用いたフェーズドアレイアンテナを提供するものである。
【００１０】
更に本発明のアンテナでは、高価な移相器の数を削減するため全てのアンテナ素子を給電するのではなく、給電素子を間引くことにより安価なフェーズドアレイアンテナを提供することをも目的の１つとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本願では、例えば、以下の各発明を提供する。
（発明１）
半球面上に２つの主ビームを持つ素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ。
（発明２）
ダイポールアンテナと反射板から構成され、反射板とダイポールアンテナとの間隔が０．３５λ〜０．５５λである素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ。
【００１２】
発明１及び２の素子アンテナは素子アンテナと垂直方向、即ち天頂方向にはほぼ放射せず、円錐状に２つの最大放射方向をもつアンテナであり(図２参照)、半球面上に２つの主ビームを持っていることを特徴としている。なお、「円錐状」とは、図２のドーナッツの右方向と左方向に「厚み」が厚い部分を示す。
【００１３】
更に、この素子アンテナをフェーズドアレイアンテナとして用いたとき、やはり天頂方向(仰角９０度)ではなく、それより低い仰角(仰角＜９０度)の主ビームを有する点がこれまでにない大きな特徴である(図３参照)。
【００１４】
（発明３）
半球面上に２つの主ビームを持つ素子アンテナと無給電素子を交互に配列したフェーズドアレイアンテナ。
このような構成にすることによって、間引き給電を行うことができるので、高価な移相器を削減でき一層の価格の低減化が図れる。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明のアンテナは円錐状の放射特性を持つ素子アンテナによって構成されるフェーズドアレイアンテナであるから、日本国内から赤道上に静止する静止衛星との通信を行うような、所望の衛星が天頂方向にない場合の衛星通信を行う場合に従来の素子アンテナを用いたフェーズドアレイアンテナに比べて特に高角度方向のアンテナ利得が高いことから、通信品質の良い通信を提供できるばかりか、小型することが可能となり、ひいてはアンテナ価格の低減化が可能となる。
【００１６】
更に本発明のアンテナでは間引き給電を行うことができるので、高価な移相器を削減でき一層の価格の低減化が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下の説明では、本願発明の「天頂方向(仰角９０度)ではなく、それより低い仰角(仰角＜９０度)の主ビームを有する」という特徴を更に具体化して、赤道上の静止衛星を見る仰角、３０度〜６０度方向の仰角を有するアンテナを中心に説明を行なう。
【００１８】
図４に本発明の実施形態に係る、フェーズドアレーアンテナの慨構成を示す。
当該アンテナは素子アンテナを多数配列したアレイアンテナ部４０１と、それら各素子にビーム走査に必要な移相器を含む給電回路部４０３から成っている。
【００１９】
素子アンテナとしては通常用いられる半波長ダイポールアンテナを用い、これを平面反射板上に配列している。配列方法としては４つの素子アンテナがそれぞれ４角形をなす構造の方形配列であっても、また３つの素子アンテナが３角形をなす３角配列であっても良い。
【００２０】
この場合反射板と素子アンテナの距離はレーダー等で用いられる単ビームを形成するλ／４ではなく、図２に示すようにアンテナの天頂方向には放射せずに円錐状に２方向に最大放射を示す距離であることが好ましい。このような距離の素子アンテナを配列してフェーズドアレーアンテナを構成すれば、後述のように、赤道上の静止衛星を見る仰角、３０度〜６０度方向の仰角を有するアンテナが得られる。
【００２１】
計算によれば国内から赤道上の静止衛星を見る仰角、３０度〜６０度方向でこの特性が得られるアンテナ高は０．３５λ〜０．５５λであり、またこのアンテナ高の時にフェーズドアレイアンテナでのビーム走査可能角度が最大放射方向に対し±１５度以上得られ、国内から衛星を追尾するに必要な仰角３０度〜６０度を満足することができる。
【００２２】
なお、アンテナ高＝０．３５λのときには、他のアンテナのパラメータ(素子アンテナどうしの間隔距離、素子アンテナ間の給電位相差、等)がどのようなものであっても、３０度の仰角、アンテナ高＝０．５５λのときには、他のアンテナのパラメータがどのようなものであっても、６０度の仰角、ということが言える。つまり、アレイにすると相互結合の影響で正確には２〜３°変わりるが、アンテナに従事している当業者はこの程度の違いは測定しても判別不可能なため、問題にはしない。
【００２３】
因みに、アンテナ高＝0.45λ〜0.52λの場合、上記アンテナ高の時に最大放射方向はほぼ天頂から４５度方向を向く。
【００２４】
更にこの場合、本アンテナを素子アンテナとして配列してフェーズドアレイアンテナとし、位相制御によって国内から見た上記した所望の衛星方向にビームを走査した場合には、上記の仰角範囲で図３に示すように主ビームは１つとなり、従来の半球面内で１つの主ビームを持つ素子アンテナによるフェーズドアレイアンテナと同様なビームが形成される。つまり、所定の方位角と、９０度より小さい仰角を有するフェーズドアレイアンテナを得ることが可能である。
【００２５】
この場合の「方位角」を変えることは、各素子への給電位相を変えることによって可能である。
【００２６】
このときアンテナ利得は従来のアンテナと比較すると、図５に示すように天頂方向から３０度程度の角度(仰角６０度)における走査時には２ｄＢ程度の利得低下がみられるものの、６０度以上(仰角３０度以下)の高角度走査時、例えば６３度においては、本発明のアンテナの方が従来アンテナと比較し逆にアンテナ利得が７ｄＢ以上高くなる利点を有する。（なお、３０度程度の角度＝仰角６０度、６０度以上＝仰角３０度以下、という意味である）
【００２７】
従って例えば我が国以外でさらに高角度の走査が必要となる北欧等の国々に対しては非常に有効である。配列に要する素子数は多くなるほどその効果は顕著であるが、１６素子以上あればよい。
【００２８】
本構成のダイポールアンテナ素子としては、アンテナ工学の知識があるものが寸法等も含めて通常設計するアンテナ素子である。従って線状導体によってアンテナを構成するも良いし、通常用いられる高周波用の誘電体基板を用いてダイポールアンテナを設計したものでも良い。
【実施例１】
【００２９】
アレイアンテナの実施例として、高さｈ＝０．４８λ、ダイポール素子（１１）の半径α＝０．００８７λ、ダイポール素子（１１）の長さＬ＝０．４７４λの反射板付ダイポールアンテナを、図６のように、三角配列１９素子アレーアンテナとし、ｘ軸方向、及びｙ軸方向でのダイポール素子（１１）の間隔ｄｘ、ｄｙをそれぞれｄｘ＝０、５５λ、ｄｙ＝０．４７６λ、反射板（１２）を５λ×５λとした場合のＨ面ビーム走査特性のシミュレーション結果を図７（ａ）に示す。
【００３０】
図７（ａ）は移相量に対するアレーアンテナの主ビーム角であり、移相量を６７．５〜１５７．５度に設定することにより、主ビームが通信衛星方向の放射角３０〜６０度にビーム走査されている。
【００３１】
図７（ｂ）は移相量に対するアレーアンテナの利得であり、移動体衛星通信において通信を行わない天頂方向から放射角２０度付近までは低利得であるが、放射角２６〜６４度付近で高利得となっており、かつ利得が安定している。
【００３２】
本実施例１のアレイアンテナは、下記のようにも表現できる。
平面反射板と、
前記平面反射板上に、高さｈ＝０．４８λの問隔を保って配置した、単一の半波長ダイポールアンテナ、
を備えるアンテナであって、
磁界面での主ビーム角が仰角３０度〜６０度となることを特徴とした反射板付ダイポールアンテナを素子アンテナとし、この素子アンテナを複数配列したアレーアンテナであって、
前記ｈ＝０．４８λ、
前記半波長ダイポールアンテナの素子半径α＝０．００８７λ、
前記ダイポール素子長Ｌ＝０．４７４λ、
前記反射板の大きさを５λ×５λの矩形、
とし、
前記アレーアンテナを前記反射板に鉛直方向から見たときに、個々のダイポールアンテナの長手方向が、互いに平行にＸ軸方向に並び、
前記鉛直方向に直交し、かつ前記Ｘ軸に直交する、Ｙ軸方向に、順番に、３本、４本、５本、４本、３本、だけ前記ダイポールアンテナが配置され、
前記３本、５本、３本のダイポールアンテナの、中央の１本のダイポールアンテナの長手方向の中心のＸ座標が一致し、
前記４本、４本のダイポールアンテナの、中央の１本のダイポールアンテナの長手方向の中心のＸ座標が一致し、
前記３本、５本、３本のダイポールアンテナのそれぞれの長手方向の中心のＸ座標が、前記４本、４本のダイポールアンテナの素子間の空隙の中心のＸ座標と一致し、
Ｘ軸方向での隣接したダイポールアンテナ中心同士の間隔ｄｘ＝０．５λ、
Ｙ軸方向での隣接したダイポールアンテナ中心同士の間隔ｄｙ＝０．４７６λ、
全素子数＝１９、
前記１９素子のダイポールアンテナ群の重心が、前記矩形の反射板の重心と一致し、
互いに隣接するアンテナ間の移相量＝６７．５〜１５７．５度とする、
ことによって、主ビームが放射角＝３０〜６０度の範囲でビーム走査される、
フェーズドアレーアンテナ。
【実施例２】
【００３３】
更に本発明のアンテナは配列された全てのアンテナ素子に給電せずに、給電しない素子を含む構造、即ち間引き給電法であっても良い。このとき本発明のアンテナは全てのアンテナ素子に給電するとほぼ同等のアンテナ特性が得られる。
【００３４】
実験と計算結果によれば間引きを行う素子については以下の基本条件に従っている。
（１）給電素子と無給電素子とを交互に配置する。
（２）但し、数パーセントは給電素子、あるいは無給電素子が連続してもかまわない。
（３）その時の主ビームの方向は下記の式によって決まる。
θ＝ｓｉｎ-1（φ／kd）          (式１)
ここでθは主ビームの方向、ｋは波数  、ψは所望のθ方向にビーム走査するための給電素子間の位相差、ｄは通常考えられている無給電素子も含めた素子間距離ではなく、給電素子の素子間距離である。
また、λは波長である。
【００３５】
次に間引き給電をした場合の説明を行なう。
図８には間引き給電をした場合のアンテナの一実施例を示す。
このアンテナは、反射板１、給電用素子アンテナ２、及び、無給電の素子アンテナ３から構成される。
【００３６】
図８では、給電素子と無給電素子の反射板からの高さは等しく０．４８λに取られている。計算によれば無給電素子の高さは給電素子の高さと必ずしも等しく取る必要はなく、給電アンテナ素子の高さの半分から１．５倍の高さの範囲であれば同等あるいはそれ以上の特性が得られている。
【００３７】
素子数は縦方向に５素子、横方向に５素子の２５素子配列となっている。また更に反射板の寸法は従来から配列アンテナで採用されている素子数により決まる寸法に取られ、この例ではほぼ３．３λの角型に取られている。
【００３８】
各アンテナ素子間距離は無給電素子も含めて０．５５λに取られ、配列方法は縦、横方向とも同一直線状に各アンテナ素子が配列された所謂方形配列である。この場合、配列方法は方形配列の他、フェーズドアレイアンテナで問題となる配列面内の４５度方向のサイドローブ特性を改善するために通常用いられる３角配列でも良い。
このアンテナのビーム走査時の指向特性の実測値を図９に示す。
【００３９】
なお、実施例２の具体例に係る発明は、以下のようにも表現できる。
平面反射板と、
前記平面反射板上に、高さｈ＝０．４８λの問隔を保って配置した、単一の給電半波長ダイポールアンテナ、及び、
前記平面反射板上に、高さｈ＝０．４８λから０.７２λの問隔を保って配置した、単一の無給電半波長ダイポールアンテナ
を備えるアンテナであって、
前記反射板の大きさを３．３λ×３．３λの矩形、
とし、
前記アレーアンテナを前記反射板に鉛直方向から見たときに、個々の給電及び無給電ダイポールアンテナの長手方向が、互いに平行に、０．５５λの等間隔でＸ軸方向に並び、
前記鉛直方向に直交し、かつ前記Ｘ軸に直交する、Ｙ軸方向に、０．５５λの等間隔で順番に、５本の給電ダイポール、５本の無給電ダイポール、５本の給電ダイポール、５本の無給電ダイポール、５本の給電ダイポールが配置され、
全素子数＝２５、
前記２５素子のダイポールアンテナ群の重心が、前記矩形の反射板の重心と一致し、
互いに隣接するアンテナ間の移相量＝ψ度とする、
ことによって、
波数＝ｋ、ｄ＝１．１λ、としたとき、
主ビームが放射角θ＝ｓｉｎ-1(ψ／ｋｄ)でビーム走査される、
フェーズドアレーアンテナ。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は自動車、列車等の陸上を移動する移動体に装備して、衛星を介して通信あるいは放送等を送受信することを目的とした電子的追尾アンテナに等に利用可能であるが、この用途に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来技術のアレイアンテナとして使用する素子アンテナの放射指向性。
【図２】素子アンテナと垂直方向、即ち天頂方向にはほぼ放射せず、円錐状に２つの最大放射方向をもつ本願発明の実施の形態に係るアンテナの放射指向性。
【図３】図２の素子アンテナをフェーズドアレイアンテナとして用いたとき、天頂方向(仰角９０度)ではなく、それより低い仰角(仰角＜９０度)の主ビームを有するフェーズドアレイアンテナの放射指向性。
【図４】本発明の実施形態に係る、フェーズドアレーアンテナの慨略構成。
【図５】ｈ＝0.25λとした素子アンテナを用いたアレイアンテナの利得(◆)と、ｈ＝0.48λとした素子アンテナを用いたアレイアンテナの利得（■）の比較
【図６】三角配列１９素子反射板付ダイポールアレーアンテナ。
【図７（ａ）】高さｈ＝0.48λの三角配列１９素子反射板付ダイポールアレーアンテナのビーム走査特性(移相量に対するアレーアンテナの主ビーム角)。
【図７（ｂ）】高さｈ＝0.48λの三角配列１９素子反射板付ダイポールアレーアンテナのビーム走査特性(移相量に対するアレーアンテナの利得)。
【図８】間引き給電をした場合のアンテナの一実施例
【図９】図８のアンテナのビーム走査時の指向特性の実測値
【符号の説明】
【００４２】
４０１  アレイアンテナ部
４０３  給電回路部
【図５】
2009171022.tif 000003
【図６】
2009171022.tif 000004
【図７（ａ）】
2009171022.tif 000005
【図７（ｂ）】
2009171022.tif 000006
【図８】
2009171022.tif 000007
【図９】
2009171022.tif 000008
【図１】
2009171022.tif 000009
【図２】
2009171022.tif 000010
【図３】
2009171022.tif 000011
【図４】
2009171022.tif 000012