無線システムの進展の基盤となるアンテナ・伝搬技術論文特集

論 文

シーケンシャル配列を用いた非周期アレーアンテナの軸比特性
吉村 亮佑†

牧野滋†

別段 信一†

片木 孝至††

廣田 哲夫†

野口 啓介†

伊東 健治†

佐竹 孝宣†††

渡辺光††††

Axial Ratio Characteristics of an Aperiodic Array Antenna Using Sequentially
Rotated Array Technique
Ryousuke YOSHIMURA† , Shigeru MAKINO† , Shin-ichi BETSUDAN† ,Takashi KATAGI†† , Tetsuo HIROTA† , Keisuke NOGUCHI† , Kenji ITOH† ,Takanori SATAKE††† , and Hikaru WATANABE††††

あらまし 素子アンテナの相互結合がなく放射特性が同じである場合，任意配列のアレーアンテナがシーケンシャル配列の条件を満足するとき，ブロードサイド方向で円偏波となることが理論的に示されている．しかし，相互結合を考慮すると，素子アンテナの放射特性が等しくならない場合があり，シーケンシャル配列の条件を満足するとは限らない．本論文では，円偏波用単一給電マイクロストリップアンテナ（MSA）の素子アンテナが周期的または非周期的に配列された場合における，シーケンシャル配列による軸比特性について相互結合を考慮して検討し，放射素子（パッチ）のみならず給電ピンの相互結合を考慮した設計が軸比の広帯域化に必要であることを計算と実験から示した．
キーワード

アレーアンテナ，シーケンシャル配列，非周期アレー，軸比ないため 1/2 波長程度であるが，サブアレー化により1. ま え が き

サブアレー同士の間隔が 1/2 波長以上となり GL が発主ビームを高速ビーム走査できるアンテナとして生する．GL を抑圧するためにサブアレーを非周期的フェーズドアレーアンテナ（以下 PAA）があり，移動に配列する方法がある [1]．サブアレーの種類は少な

体衛星通信などに用いられている．PAA は素子アンく，かつ非周期的に配列できることが望ましく，非周テナ（以下素子）ごとに高価な移相器を設けるため，

期 PAA の種類としてダイヤモンド型 [2]，ペンローズ高コストとなる欠点がある．この欠点を解消する方法

型 [3]，風車型 [4] などが研究されている．

として，複数の素子をサブアレーアンテナ（以下サブ非周期 PAA の場合，サブアレーの向きはそれぞれアレー）としてまとめ，サブアレーごとに移相器を設異なっており，直線偏波を使用するとサブアレーの向け，制御を行う方法がある．しかし，一般に素子間隔きに応じて，異なる種類のサブアレーが必要となる．

はグレーティングローブ（以下 GL）を可視域に入れしかし，円偏波を用いれば，1 種類のサブアレーで足††††††

りる．本論文では，複数の円偏波素子で構成されるサ
金沢工業大学，野々市市
Kanazawa Institute of Technology, 7–1 Ogigaoka, Nonoichi-ブアレーの軸比特性の改善を目的としている．円偏波

shi, 921–8812 Japan

アレーアンテナにおいて，インピーダンス特性と軸比

三菱電機株式会社，鎌倉市
Mitsubishi Electric Corp., 325 Kamimachiya, Kamakura-

特性を広帯域化する技術として，シーケンシャル配列

shi, 247–8520 Japanが研究されている [5]．シーケンシャル配列は同一の素三菱電機エンジニアリング株式会社，春日井市子で構成する任意配列の N 素子アレーにおいて，各Mitsubishi Electric Engineering Company, 139 Azashimo††††yasiki, Shimoyashiki-cho, Kasugai-shi, 486–0906 Japan

アンテナを P π/N [rad]（P は 1 ≤ P ≤ N − 1 の整三菱電機株式会社，鎌倉市数）ずつ素子#1（基準アンテナ）に対して回転させ，Mitsubishi Electric Corporation, 5–1–1 Ofuna, Kamakurashi, 247–8501 Japan1106

電子情報通信学会論文誌

かつ，その回転に応じて P π/N [rad] ずつ励振位相をc 一般社団法人電子情報通信学会 2012
B Vol. J95–B No. 9 pp. 1106–1113 

論文／シーケンシャル配列を用いた非周期アレーアンテナの軸比特性変化させる．これは，素子に物理的回転を与え，その回転角に応じて励振位相を与えることで広帯域化を実現するものであり，相互結合がなく各素子の放射特性が同じである場合においては，素子のアレー配列に無関係に，シーケンシャル配列の条件を満たす場合にブロードサイド方向で良好な円偏波が得られることを理論式で示している [5]．しかし，非対称な有限地板上に非周期的に素子を配列した場合，素子配列の対称性が崩れるために，相互結合を考慮した素子の特性が同一ではなくなり，必ずしも，広帯域な特性とはならない．
本論文では，P = 2，N = 4 のシーケンシャル配列について，相互結合を考慮した場合の軸比特性について検討する．素子を周期配列した 4 素子アレーアン
テナにおいて放射素子（以下パッチ）だけ回転対称なシーケンシャル配列にしても，給電点位置がほぼ回転対称でない場合，各給電ピン間の相互結合量が異なるために，必ずしもブロードサイド方向で良好な円偏波とはならないことを示す．更に，風車型アレーアンテナに使用する直角三角形型 4 素子サブアレーを例として取り上げ，完全に素子の対称性が崩れる素子を非対称な有限地板上に非周期配列した場合においても，ブFig. 1

図 1 素子アンテナの設計パラメータ
Design parameter of an element antenna.
表 1 MSA のパラメータ
Table 1 Parameters of MSA.

Parameters
Patch radiusOﬀset of feeding probe
Conductor thickness
Substrate height
Radius of inner conductor
Radius of outer conductor

Symbolaρthr1r2

Value
16.13 mm0.36a
0.018 mm
3.164 mm0.64 mm2.05 mm

Perturbation amount
Aspect ratio
Length of coaxial line

2Wp DpDp /Wp
L0.023a2 π
3.36λ0 /4

ロードサイド方向で完全な円偏波（軸比 0 dB）にはならないものの，通常配列と比べ，シーケンシャル配列が軸比広帯域化に有効であることを示す．

2. 4 素子アレーアンテナの特性計算
パッチの配列がシーケンシャル配列の条件を満足していると思われる 4 素子の周期型シーケンシャル配列を例として取り上げ，相互結合の影響を考慮して検討する．
パッチに使用する 1 点プローブ給電摂動素子付左旋円偏波マイクロストリップアンテナ（以下 MSA）の設計パラメータを図 1 に示す．このパッチの状態をシーケンシャル配列における回転角 0 deg とする．設図 2 通常配列 4 素子アレーアンテナの計算モデル（Model0）
Fig. 2 Calculation model of the four elements array
antenna (Model0).

計周波数は 3 GHz，波長 λ0 は 100 mm である．MSAのパラメータを表 1 に示す．計算は有限要素法（以のみで構成している．図 3 に素子#1〜#4 を 90 deg下 FEM）を用いており，境界条件は放射境界条件とごとに物理的回転角と励振位相を偏移させたシーケした．また，計算プログラムには HFSS（High fre-ンシャル配列（Model1〜Model8）を示す．隣り合うquency structure simulator）を用いた．計算に用い素子が 90 deg 異なるように左回りに変化させた場

たアンテナ基板の比誘電率は 2.6，tan δ は 0.0016 で合（Model1〜Model4）と右回りに変化させた場合パッチと地板は銅（δ = 5.8 × 108 s/m）ある．

（Model5〜Model8）の計 8 通りである．いずれの場

図 2 に通常配列の場合の 4 素子アレーアンテナ

合も，パッチの配列は回転対称となっており，パッチ（Model0）の計算モデルを示す．図 2 に示すようにによる相互結合量及び地板の影響を考慮した放射特性

全ての素子の回転角は 0 deg としており，平行移動は等しいものと考えられるが，給電点の配置が異なる．
1107

電子情報通信学会論文誌 2012/9 Vol. J95–B No. 9

図 4 に通常配列とシーケンシャル配列の軸比特性を行四辺形となるモデルでは，パッチの配列は回転対称

FEM で計算した結果を示す．計算結果からシーケンとなっているが給電点位置が回転対称となっていない

シャル配列により，通常配列と比べシーケンシャル配ため，給電ピンの相互結合の影響により，素子の放射列が，広帯域な軸比特性を示していることが分かる．

特性が等しくならず，軸比特性に劣化が見られたと考また，同じシーケンシャル配列でも中心周波数で軸比えられる．このため，パッチ間のみならず給電ピン間特性 0 dB となり広帯域を示しているものと，中心周の相互結合を考慮した設計が必要であることが分かる．

波数においても軸比特性が 0 dB ではなく周波数特性

3. 直角三角形型 4 素子サブアレーアンテも悪いモデルがあることが分かる．計算した全ての周波数において良好な軸比特性を示している Model1〜4ナの特性計算

では，給電点位置に着目すると，各素子の給電点位置

風車型アレーアンテナに用いる直角三角形型サブアをつないだ線が正方形であるのに対して，Model5〜8レー内の非周期な素子配列に対するシーケンシャル配では菱形あるいは平行四辺形であることが分かる．ま列の有効性を検討する．図 5 に示す風車型アレーア

た，計算モデルの摂動素子（切り込み）を給電点に対ンテナは，2 種類の 1：2： 5 の直角三角形のサブアして 90 deg 回転させ，右旋円偏波にした場合についレーをすき間なく配列した構成である．図 6 に直角√ても計算したが，給電点位置が正方形になるモデルが三角形型 4 素子サブアレーの計算モデルを示す．こ

良好な軸比特性を示した．各給電点位置をつないだ線

こでは，図 6 のように 2 種類のサブアレーを「Leftが正方形のとき，給電点位置についても回転対称となtriangle」，「Right triangle」と呼称する．直角三角形

り，給電ピン間の相互結合の影響が等しく，素子の軸比特性が完全に同じ特性になったため良好な軸比特性が得られたものと考えられる．また，給電点位置が平図 5 風車型アレーアンテナ
Fig. 5 Pinwheel array antenna.
図 3 シーケンシャル配列の計算モデル
Fig. 3 Calculation models of sequential array.

Fig. 41108

図 4 4 素子アレーアンテナの軸比特性
Axial ratio characteristics of the four elements
array antenna.

図 6 直角三角形型サブアレーのモデル
Fig. 6 Models of triangle subarray antenna.

論文／シーケンシャル配列を用いた非周期アレーアンテナの軸比特性型サブアレーの素子配列は，可視領域内に GL が発生しない λ0 /2 の素子間隔で配列するために，素子中心から半径 λ0 /4 の円を描きその円がタイル外形に接し，かつそれらの円同士が 2 点で交わらないという条件のもとで，その直角三角形の大きさが最小となる配列にしており，その配列は図 6 のように一義的に決定される．また，MSA 単体の寸法，給電部の構造は図 1 と同様である．
計算したサブアレーのシーケンシャル配列のパターンは，素子#1〜4 について 0 deg，90 deg，180 deg，270 deg の 4 種からなる 24 通り全ての組合せである．
計算では，給電回路の周波数特性は考慮しておらず，(a) Left triangle

理想的な励振振幅位相としている．軸比特性の計算結果を図 7 に示す．図 7 において，破線が通常配列，その他の線が 24 通りのシーケンシャル配列の場合の軸比特性である．軸比特性 3 dB 以下を軸比帯域幅とすると，通常配列では軸比帯域幅 1.3%に対し，シーケンシャル配列では Left triangle，Right triangle ともに25%以上の軸比帯域幅となった．また，Left triangle，Right triangle の二つを合わせた全 48 通りのうち 38通りが，計算周波数 2.5 GHz〜3.5 GHz に対して軸比3 dB 以下の値を示した．非周期サブアレーにおけるシーケンシャル配列の場合，パッチの配列，給電ピンの配列のいずれも対称性がとれず，パッチ間及び給電ピン間の相互結合量が異なり，また三角形の地板の影(b) Right triangle

図 7 計算による軸比特性
Fig. 7 Axial ratio characteristics (calculated).

響も素子ごとに異なるためブロードサイド方向で軸比特性 0 dB とならないと考えられる．しかし，通常配列と比べるとブロードサイド方向で軸比特性が優れ，効性を検証するため，モデル実験を実施した．製作し周波数特性も優れていることが分かり，非周期に素子たサブアレーは，図 8 に示す風車型アレーアンテナを配列した場合においても，シーケンシャル配列が有を構成する 2 種類の給電回路付き直角三角形型 4 素効であることが分かる．

子サブアレーである．シーケンシャル配列のパターン

また，48 通りの軸比特性を全体的にみるとばらつきは，前記 24 通りのうち軸比特性と給電回路の電力分はあるが，その最悪値は 2.5 GHz で 4 dB 程度，中心配と位相設定のしやすさを考慮し選択し，給電回路を周波数 3 GHz で 1 dB 程度，3.5 GHz で 2 dB 程度の含んだ計算及び製作を行った．なお，選択した配列パ軸比特性となっており，図 4 に示した Model5〜8 とターンでの給電回路を含まない計算結果は図 7 の太い似た傾向となっている．このことから，パッチの対称実線である．図 8 (a) に示すようにパッチ#1〜#4 に性よりも給電点位置の対称性の方が重要であることが90 deg ずつ物理的回転角と励振位相差を与えたシー分かる．また，個別には 3 GHz より低い周波数帯域でケンシャル配列を用いる．図 8 (b) は給電回路のスト軸比特性が良いもの，高い周波数帯域で軸比が良いもリップ線路のパターンである．給電回路は，給電点かのなど様々な特性を示しているが，これは設計の自由ら 50 Ω 線路を 12.5 Ω にインピーダンス変換したのち度であり，目的に応じて選択する必要がある．

T 分岐により 2 分配を 2 回行い，50 Ω 線路に変換し4. モデル実験て各パッチに給電する構造で，更に各線路長を変化さ

非周期サブアレーにおけるシーケンシャル配列の有図に示すように下面から同軸線路 1 点給電を行いストせることで励振位相差を与えている．図 8 (c) の断面1109

電子情報通信学会論文誌 2012/9 Vol. J95–B No. 9(a) Top view(a) Left triangle(b) Strip line patten(b) Right triangle
Fig. 9図 9 VSWR 特性
VSWR characteristics of subarrays.

(c) Side view

図 8 給電回路付き直角三角形型サブアレーの構成
Fig. 8 Conﬁguration of triangle subarray with feedcircuit.

軸比特性について，軸比 3 dB 以下となる軸比帯域幅が Left triangle では計算値の 9.2%に対して実測値が8.6%，Right triangle では計算値の 6.3%に対して実測値は 6%である．
リップ線路で等電力分配し，所望の位相差を与えてプ

図 11 にスピンリニア法による実測値と FEM にローブを介して給電する構造にし，平行平板モードのよる計算値（破線）とを比較した放射パターンを示

抑圧のため，各プローブの周囲に Via を付けている．

す．VSWR 特性及び軸比特性が計算値と比べ実測値給電回路付き直角三角形型サブアレーについて計算が約 0.1 GHz 高い周波数にシフトしていたため，放結果と測定結果を比較する．VSWR 特性を図 9 に示射パターンの測定は計算（3 GHz）より 0.1 GHz 高い

す．図 9 から，実測値が計算値と比べモデルの製作誤3.1 GHz で行った．図 11 の実測値からブロードサイ差などで約 0.1 GHz 高い周波数にシフトしたが，計算ド方向での軸比が 3 dB 以下であり，円偏波が放射さ値と似た傾向であることが分かる．VSWR が 2 以下れていることが分かる．となるインピーダンス帯域幅が Left triangle では計

Left triangle と Right triangle で特性が異なるの算値の 20%に対して実測値が 18%，Right triangle では，シーケンシャル配列を行った MSA の特性が異なは計算値の 16.2%に対して実測値は 12.6%である．軸ることに加え，給電回路が異なっていることが原因と比特性を図 10 に示す．図 10 から，VSWR 特性と同して考えられる．また，計算値と実測値の差異の原因

様に実測値が計算値と比べ約 0.1 GHz 高い周波数にシとして，製作誤差や MSA と給電回路とを積層した基フトしたが，計算値と似た傾向があることが分かる．

板間のすき間による基板の実効誘電率が変化したこと1110

論文／シーケンシャル配列を用いた非周期アレーアンテナの軸比特性(a) Left triangle(a) Left triangle(b) Right triangle

図 11 放射パターン
Fig. 11 Measured pattern.

(b) Right triangle
Fig. 10

図 10 軸 比 特 性
Axial ratio characteristics of subarrays.

今回の検討では，パッチ及び給電プローブによる相が考えられる．

互結合，基板の非対称性がシーケンシャル配列したア

5. む す び

レーアンテナの軸比特性に与える影響について検討し本論文では，素子を周期配列した 4 素子アレーアン

た，本論文ではサブアレー内の非周期アレーアンテナ

テナにおいてパッチをシーケンシャル配列しても，そについて検討したが，風車型アレーのような全体が非の給電点位置の対称性を考慮しない場合，相互結合が周期配列されたアレーアンテナでは，アンテナ全体が異なるために，必ずしも広帯域にはならない場合があシーケンシャル配列に近い配列と考えれるが，その効ることを示した．また，風車型アレーアンテナに使用果については今後検討していく．

する直角三角形型 4 素子サブアレーを例として取り上げ，非周期配列した 4 素子サブアレーにおいても，ブたが，給電回路を含めた検討が今後の課題である．ま

本研究は科研費（20560377）の助成を受けたものである．
文

ロードサイド方向で完全な円偏波（軸比 0 dB）にはならないものの，通常配列と比べ，シーケンシャル配[1]tenna arrays based on certian categories of aperiodic

列にすることで軸比が広帯域化となり，シーケンシャ

tilings,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol.53, no.2,

ル配列が有効であることを示した．給電回路を一体化した直角三角形型サブアレーよるモデル実験によFeb. 2005.
[2]性を示した．軸比 3 dB 以下の帯域幅が実測値で Left
（計算値 1.3%）と比べ広帯域になることを示した．

牧野滋，藤方 基，野口啓介，廣田哲夫，段信一，水澤丕雄，遠藤 勉，佐藤正人，片木孝至，“1 種類の菱形タイル” 信学論（B），vol.J93-B,を用いた非周期アレーアンテナ，no.9, pp1219–1228, Sept. 2010.

り，0.1 GHz の周波数シフトがあるが計算結果の妥当

triangle 8.6%，Right triangle 6%となり，通常配列

献

V. Pierro, et.al, “Radiation properties of planar an-[3]藤方 基，片木孝至，別段信一，水澤丕雄，廣田哲夫，野口啓介，“ペンローズタイルを用いた非周期アレーアンテ1111

電子情報通信学会論文誌 2012/9 Vol. J95–B No. 9[4][5]

ナ，” 信学論（B），vol.J90-B, no.10, pp.1019–1027, Oct.
2007.
門口彰吾，牧野 滋，別段信一，水澤丕雄，野口啓介，遠藤勉，佐藤正人，片木孝至，“風車タイルを用いた非周期アレーアンテナ，” 2008 信学ソ大（通信），B-1-10, Sept.
2008.
T. Teshirogi, et.al, “Wideband circularly polarizedarray antenna with sequential rotations and phaseshift of elements,” Proc. 1985 Int. Symp. AP.,
ISAP’85, pp.117–120, Kyoto, Aug. 1985.

（平成 23 年 12 月 28 日受付，24 年 3 月 17 日再受付）

片木亮佑 （学生員）

平 22 金沢工大・工・情報通信卒．同年
同大大学院博士前期課入学．

（正員：フェロー）昭 38 京大・工・電気卒．同年，三菱電機（株）に入社．地上マイクロ波回線用アンテナ，レーダ用アンテナ，地球局用アンテナ，衛星搭載用アンテナなどの研究に従事．同社電子システム研究所所長，情報技術総合研究所所長を経て，平 12 金沢工大教授．平 20 三菱電機（株）鎌倉製作所顧問．昭 41 後期稲田賞，昭 61 本会業績賞，昭 53 恩賜発明賞，平 6 全国発明賞，平
9 科学技術功労者表彰，平 20 本会通ソ優秀論文賞，平 21 本会通ソチュートリアル論文賞など受賞．IEEE Fellow．工博．

廣田
吉村孝至哲夫（正員）

昭 54 京大・工・電子卒．昭 56 同大大学
院博士前期課程了．同年日本電信電話公社（現 NTT）入社．マイクロ波〜ミリ波回路の研究に従事．この間，平 3〜4 米 UCLA滞在研究員．（株）NTT ドコモ勤務を経て，平 15 金沢工大・工・電気系・教授，現在に至る．昭 63 年度本会学術奨励賞，平 20 本会通ソ優秀論
文賞受賞．IEEE 会員．工博．

牧野滋 （正員：フェロー）

野口啓介

（正員）

昭 52 京大・工・電気第二卒．同年三菱電機（株）に入社．地上マイクロ波回線用

平 2 金沢工大・工・電子卒．平 4 東北大大学院博士前期課程了．同年（株）日立製

アンテナ，レーダ用アンテナ，地球局用アンテナ，衛星搭載用アンテナなどの研究に従事．同社情報技術総合研究所アンテナ技術部長を経て，平 19 年金沢工大教授．昭作所入社．平 7 金沢工大・工・電子・助手．
現在，同電気系・教授．移動体通信用小形アンテナの研究に従事．平 10 電気学会論62，平 8，平 9，平 10 関東地方発明表彰発明奨励賞，平 10R&D100 賞，平 17 第 16 回電波功績賞電波産業会会長表彰，
平 18 市村産業賞貢献賞，平 21 本会通ソチュートリアル論文賞など受賞．IEEE Senior member．工博．

文発表賞，平 20 本会通ソ優秀論文賞受賞．
IEEE 会員．博士（工学）．

伊東健治

（正員）

昭 58 同志社大・工・電子卒．平 9 東北大

別段信一 （正員）昭 38 東北大・工・通信卒．同年三菱電機（株）入社．同社通信機製作所にて，レーダ用アンテナ，衛星通信地球局アンテナ及び電波望遠鏡の開発・設計に従事．同社通信機製作所技師長を経て，平 9 金沢工大・工・電気電子系・教授．現在，同電気系・教授．平 20 本会通ソ優秀論文賞受賞．IEEE 会員．工博．

学工学研究科・電子工学専攻・後期博士課
程了．昭 58 三菱電機（株）に入社．衛星通信地球局，衛星搭載中継器，レーダ装置などに用いられるマイクロ波・ミリ波送受信機の研究・開発，RF-IC，携帯電話機の開発に従事．同社モバイルターミナル製作所・ハードウェア技術部長を経て，平 21 金沢工大教授．平 12，平 17 関東地方発明表彰発明奨励賞，平 18 近畿地方発明表彰発明奨励賞，平 14 第50 回オーム技術賞など受賞．平 16〜20 IEEE Trans. MTTの Associate Editor，平 18〜20，平 22，平 24〜現在 IEEE
MTT-S elected ADCOM member．平 20〜23 URSI-C 委員長．著書「モバイル通信の無線回路技術」（本会，共著）．IEEE
Senior member．博士（工学）．

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論文／シーケンシャル配列を用いた非周期アレーアンテナの軸比特性

佐竹孝宣

平 21 金沢工大・工・情報通信工卒．平23 同大大学院博士前期課程了．現在，三菱電機エンジニアリング（株）．

渡辺

光 （正員）

平 21 金沢工大・工・情報通信工卒．平23 同大大学院博士前期課程了．現在，三菱電機（株）．

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