(57)【要約】【課題】アレーアンテナにおいて、給電する素子数を削減し、その結果、給電回路を簡略化する。特に、自由空間に配置したアレーアンテナでなく、アレーアンテナに近接した反射板が存在する場合に、給電素子を間引きする。【解決手段】複数の放射素子と、反射板を備え、複数の放射素子が反射板の反射面と略平行な同一平面上に配置されているアレーアンテナであって、複数の放射素子は、給電端に給電線が接続された給電素子と、給電端を短絡又は開放させた無給電素子を含み、給電素子を挟む位置に無給電素子が配置され、給電素子のサイドローブによって照射された無給電素子による再放射波の位相が、複数の放射素子の各々から放射される放射波の位相と同一位相であるアレーアンテナ。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の放射素子と、反射板を備え、当該複数の放射素子が当該反射板の反射面と略平行な同一平面上に配置されているアレーアンテナであって、
前記複数の放射素子は、給電端に給電線が接続された給電素子と、当該給電端を短絡又は開放させた無給電素子を含み、当該給電素子を挟む位置に当該無給電素子が配置され、
前記給電素子のサイドローブによって照射された前記無給電素子による再放射波の位相が、前記複数の放射素子の各々から放射される放射波の位相と同一位相である、
アレーアンテナ。
【請求項２】
前記放射素子が、前記反射板から約０．６５λ（λは使用電波の波長）だけ離れて配置されている、請求項１に記載のアレーアンテナ。
【請求項３】
前記無給電素子と、前記放射素子が、約０．６λ（λは使用電波の波長）の整数倍だけ離れて配置されている、請求項１又は２に記載のアレーアンテナ。
【請求項４】
前記無給電素子の長さが、約０．４５λないし約０．４８λの間である、請求項１ないし３に記載のアレーアンテナ。
【請求項５】
前記放射素子が、前記反射板から約λ／３０（λは使用電波の波長）以下離れて配置され、かつ、当該放射素子に近接する前記反射板の部分が突出する、請求項１に記載のアレーアンテナ。
【請求項６】
前記無給電素子が誘電体によって構成されている、請求項１に記載のアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施例はアレーアンテナに関し、より詳細には、給電素子と無給電素子を反射板上で電磁気的に結合して、アレーアンテナとして使用するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来アレーアンテナの素子として用いられてきたダイポール素子を図3-1、図3-2に示す。アレーアンテナにおいては、全ての素子に給電する必要があり、煩雑である。その素子数の合計が所定数である給電素子と無給電素子を用いて、当該所定数の給電素子のみを用いた場合と同等のゲインを得るための、いわゆる間引き給電型アレーアンテナの発明が、特許文献１（特開２００６−２３７７８１号公報）において提案されている。しかしこの開示は、主に自由空間におけるものであり、反射板がある場合については、その具体的な構成が不明である。
【０００３】
また、アレーアンテナの素子に給電しない技術として、シニング法がある。しかし、無給電素子に負荷を付けており、サイドローブ抑制が目的であり、間引き率も10％程度に過ぎない。（ここで、「間引き率」とは、所定のゲインを得るために所定数Ｎの給電素子を用いた場合に、そのうちｎ＜Ｎ個を無給電素子で置き換えても、同等のゲインを得られる場合の、ｎ／Ｎのことである。）
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２３７７８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施例では、アレーアンテナにおいて、給電する素子数を削減し、その結果、給電回路を簡略化すること、特に、自由空間に配置したアレーアンテナでなく、アレーアンテナに近接した反射板が存在する場合に、給電素子を間引きすることを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施例においては、複数の放射素子と、反射板を備え、当該複数の放射素子が当該反射板の反射面と略平行な同一平面上に配置されているアレーアンテナであって、前記複数の放射素子は、給電端に給電線が接続された給電素子と、当該給電端を短絡又は開放させた無給電素子を含み、当該給電素子を挟む位置に当該無給電素子が配置され、前記給電素子のサイドローブによって照射された前記無給電素子による再放射波の位相が、前記複数の放射素子の各々から放射される放射波の位相と同一位相である、アレーアンテナにおいて、給電素子と反射板に対し、無給電素子を最適形状かつ、最適配置し、給電素子と無給電素子の結合を強め、かつ全素子からの放射波の位相を所望方向で合わせる。
【０００７】
特に、以下のような特徴を持つ：
（a）給電素子と反射板との距離を最適にする（図６参照）。
（b）無給電素子の設置位置、素子数を最適にする（図７、図８、図９参照）。
（c）無給電素子の長さ・形状を最適にする（図１２参照）。
（d）無給電素子として誘電体を用いる（図１３参照）。
（e）反射板の形状を最適にする（図１５参照）。
【０００８】
より具体的には、本出願では、以下の各発明を提供する。
（発明１）
複数の放射素子と、反射板を備え、当該複数の放射素子が当該反射板の反射面と略平行な同一平面上に配置されているアレーアンテナであって、
前記複数の放射素子は、給電端に給電線が接続された給電素子と、当該給電端を短絡又は開放させた無給電素子を含み、当該給電素子を挟む位置に当該無給電素子が配置され、
前記給電素子のサイドローブによって照射された前記無給電素子による再放射波の位相が、前記複数の放射素子の各々から放射される放射波の位相と同一位相である、
アレーアンテナ。
このような構成にすることによって、給電素子の数を削減しつつ、削減前のアンテナ放射パターンとほぼ同等のパターンを維持することが可能となる。
【０００９】
（発明２）
前記放射素子が、前記反射板から約０．６５λ（λは使用電波の波長）だけ離れて配置されている、発明１に記載のアレーアンテナ。
このように放射素子と反射板の距離を設定することによって、アンテナ利得を最大化することができる。
【００１０】
（発明３）
前記無給電素子と、前記放射素子が、約０．６λ（λは使用電波の波長）の整数倍だけ離れて配置されている、発明１又は２に記載のアレーアンテナ。
このように素子間の距離を設定することによって、アンテナ利得を最大化することができる。
【００１１】
（発明４）
前記無給電素子の長さが、約０．４５λないし約０．４８λの間である、発明１ないし３に記載のアレーアンテナ。
このように無給電素子の長さを設定することによって、アンテナ利得を最大化することができる。
【００１２】
（発明５）
前記放射素子が、前記反射板から約λ／３０（λは使用電波の波長）以下離れて配置され、かつ、当該放射素子に近接する前記反射板の部分が突出する、発明１に記載のアレーアンテナ。
このように構成することによって、素子と反射板の距離を(発明１)より小さくしつつ、それと同等のアンテナ特性を実現できる。
反射板を平坦とせずに突出形状を持たせること（例えば図１５参照）は、通常の技術常識には反し、アンテナ装置全体のサイズを小さくするためのブレークスルーであると考える。
【００１３】
（発明６）
前記無給電素子が誘電体によって構成されている、発明１に記載のアレーアンテナ。
誘電体で構成することによって、位相調整の自由度が大きくなり(例えば図１３参照)、アンテナ設計がより容易となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の種々の実施例によって、例えば、それぞれ以下の効果のいずれか、又は、全体が奏される：
(a)給電素子数の削減。
(b)給電回路、位相器、増幅器の削減。
(c)アレーアンテナ全体の経済化、軽量化、低消費電力化。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、従来技術としての、反射板101上のダイポール素子103を示す。ダイポール素子103の高さhをλ/4（λ：波長）とすると、放射パターン・利得・インピーダンス整合が良好となる。従来のアレーアンテナは、このダイポール素子103を複数配列して構成していた。
【００１６】
図２は、図１のアンテナの放射パターン205を示す。サイドローブレベルは、充分低いものとなっている。
【００１７】
図３は、反射板が無い自由空間中に4個のダイポール８301〜304）を配列し、全て給電したアレーアンテナを示す。
【００１８】
図４は、図３から間引き給電したアレーアンテナを示す。素子#1（401）と#2（402）で発射し、#3（403）と#4（404）で散乱された電波の伝搬は、図５で示される。その結果として、図４では図３と同じ利得が得られる。
【００１９】
図６は、図１においてダイポール603の高さを約0.6λにした場合の放射パターン605を示す。サイドローブ（605ａ、605ｂ）が高くなっている。
【００２０】
図７は、本発明の一実施例であり、給電素子#1(701)の両側に間隔dで無給電素子#2（702）と#3(703)が配列されている。各素子の高さhは約0.6λである。給電素子及び反射板によって放射される電波の伝搬は、より一般的な形では図８で示される。ここでは給電ダイポール802の側方に無給電素子（804、806）を設置し、給電素子(802)からの直接放射波と無給電素子からの散乱波が同一位相になるようにする。この時、再放射を含めた放射パターンは図９に示すようになり、サイドローブ（902ａ、902ｂ）が図６に示す単一ダイポール素子の場合より低くなる。アンテナ利得Gは、ダイポールと寄生素子の配列パラメータd、h、ho、により決まる。なお、給電素子と、無給電素子の高さを変えると、振幅と位相の調整に自由度を持たせることができる。
【００２１】
図１０は、図７の実施例において、半波長のダイポールを使用し、かつh＝hoとした時の、利得を等高線で示したものである。高さhに対しては、0.6λ周辺と1.2λ周辺に高いピークが見える。dについては、hよりも変化が緩いが、0.65λ周辺で最大になることが分る。
【００２２】
図１１は、図７の実施例において、間隔dを0.60λに固定し、hを変化した時、Gの変化を示す。h＝0.63λにおける最大利得は、3素子全て給電した場合と同じ13dBとなる。
無給電素子の長さや太さ、形状を変えると入射波に対する散乱波の位相が変化する。この性質を用いて、給電素子からの直接放射波と無給電素子からの散乱波との間で、位相を合わせる事が出来る。図１２は、図７の実施例において、無給電素子の長さを変えた時のアンテナ利得の変化を示す。
無給電素子として、金属でなく誘電体を用いる事ができる。この場合の位相推移を、図１３に示す。この位相特性を生かして、2波の位相を合わせる事が出来る。
図６の給電素子（603）高さhを、極端に低くすると（例えば、λ/30）、放射パターン1404は図１４のようにサイドローブが低いものとなってしまう。従って、図８のように給電素子と無給電素子間の結合を強めて、間引き給電を行う事ができない。この場合でも反射板を平面でなく、図１５のように凸凹（1503）を作ればサイドローブ（1507ａ、1507ｂ）を高くする事が出来、更に、形成されたサイドローブの位置に無給電素子を配置すれば、素子と反射板の距離が小さくコンパクトで、同時に間引き率も高い、アレーアンテナが実現できる。
【００２３】
図１６は4個の給電素子（１６Ｆ１〜４）と6個の無給電素子（１６Ｐ１〜６）を、2次元的に配列した例を示す。この場合シミュレーションによる利得推定値は18.6dBi、実験による実測値は 18.3dBi である。これは、反射板付きλ/4間隔ダイポールを10素子用いて、全て給電した場合の利得18.2dBiとほぼ同じ利得である。無給電素子/全素子、すなわち間引き率は、60％に達する。
【００２４】
図１７は4個の給電素子（１７Ｆ１〜４）と21個の無給電素子（１７Ｐ１〜２１）を、2次元的に配列した例を示す。この場合シミュレーションによる利得推定値は21.3dBi である。これは、反射板付きλ/4間隔ダイポールを25素子用いて、全て給電した場合の利得22.1dBiとほぼ同じ利得である。無給電素子/全素子、すなわち間引き率は、84％に達する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の実施例は、例えば、
（a）通信システムあるいはレーダにおけるアレーアンテナの簡単化、経済化、
（b）マイクロ波電力送電やSPS（宇宙太陽発電所）におけるアレーアンテナの簡単化、経済化、
等に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】反射板上のダイポール素子を示す。
【図２】図１のアンテナの放射パターンを示す。
【図３】反射板が無い自由空間中に4ダイポールを配列し、全て給電したアレーアンテナを示す。
【図４】図３から間引き給電したアレーアンテナを示す。
【図５】図４において素子#1（401）と#2（402）で発射し、#3（403）と#4（404）で散乱された電波の伝搬を示す(図５においては、#1、#2、#3、#4、はそれぞれ501,502,503,504で表示)。
【図６】図１においてダイポールの高さを約0.6λにした場合の放射パターンを示す。
【図７】本発明の一実施例であり、給電素子#1の両側に間隔dで無給電素子#2と#3が配列されている。
【図８】図７の実施例におけるＹＺ平面での電波の伝搬方向を示す。
【図９】図７の実施例におけるＹＺ平面での、再放射を含めた電波の放射パターンを示す。
【図１０】図７の実施例において半波長のダイポールを使用して、かつh＝hoとした時の、利得を等高線で示したものである。
【図１１】図７の実施例において半波長のダイポールを使用して、間隔dを0.60λに固定し、hを変化した時、Gの変化を示す。
【図１２】図７の実施例において半波長のダイポールを使用して、無給電素子の長さを変えた時のアンテナ利得の変化を示す。
【図１３】無給電素子として導電体又は誘電体を用いた場合の位相推移を示すグラフ。
【図１４】図６における高さｈを、極端に低く（例えば、λ/30）した場合の放射パターン。
【図１５】図１４において、反射面に凹凸を作った場合のサイドローブ。
【図１６】4個の給電素子と6個の無給電素子を、2次元的に配列した例を示す。
【図１７】4個の給電素子と21個の無給電素子を、2次元的に配列した例を示す。
【符号の説明】
【００２７】
１０１、２０１、６０１、７００、８００、１４００、１５００、１６００、１７００
反射板
１０３、２０３、３０１、３０２、３０３、３０４、４０１、４０２、５０１、６０３、７０１、８０２、１４０２、１５０３、１６Ｆ１〜１６Ｆ４、１７Ｆ１〜１７Ｆ４、
給電素子
４０３、４０４、５０３、５０４、７０２、７０３、８０４、８０６、１６Ｐ１〜１６Ｐ６、１７Ｐ１〜１７Ｐ２１、
無給電素子（寄生素子）
【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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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１０】
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