一般社団法人 電子情報通信学会
THE INSTITUTE OF ELECTRONICS,
社団法人 電子情報通信学会
INFORMATIONAND COMMUNICATION ENGINEERS

信学技報
IEICE Technical Report
A･P2020-78(2020-11)

信学技報
TECHNICAL REPORT OF IEICE.

THE INSTITUTE OF ELECTRONICS,
INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS

高能率・低サイドローブとなる共振素子間隔の検討
瀧能翔太†

牧野滋†

瀧川道生††

深谷芽衣†

中嶋重光賛志郎†宏昌††† 金沢工業大学 〒 921–8501 石川県野々市市扇が丘 7–1†† 三菱電機株式会社情報技術総合研究所 〒 247–8501 神奈川県鎌倉市大船 5–1–1
E-mail: †b1613265@planet.kanazawa-it.ac.jp
あらまし

従来までのリフレクトアレーアンテナの設計において、低能率、高サイドローブとなった原因として金属板装荷 FSR で透過した成分によって伝播するグレーティングローブの影響によるものであることを明らかにし、これらを考慮した共振素子間隔の条件及びこの条件を用いた高能率・低サイドローブ特性を示すリフレクトアレーアン
テナを設計・試作を行い、その妥当性を示した．本論文では、誘電体基板上の条件式と自由空間上での条件式の２パターンを用いた共振素子間隔でリフレクトアレーアンテナを設計し、どのくらいの長さまでがグレーティングローブが影響しないのかの検討を行い、その妥当性を示す．
キーワード

リフレクトアレーアンテナ，FSR，グレーティングローブ，サイドローブ，能率Investigation of the spacing between the resonant elements for high eﬃciency
and low-side-lobe
Shota TAKINO† , Shigeru MAKINO† , Mei FUKAYA† , Sanshiro SHIGEMITSU† , MichioTAKIKAWA†† , and Hiromasa NAKAJIMA††† Kanazawa Institute of Technology Ohgigaoka 7–1, Nonoichi, Ishikawa, 921–8501 Japan†† Mitsubishi Electric Corporation Ofuna 5–1–1, Kamakura, Kanagawa 247–8501 Japan
E-mail: †b1613265@planet.kanazawa-it.ac.jp
Abstract In this paper, we design a reﬂect array antenna with a resonant element interval using two patterns ofa conditional expression on a dielectric substrate and a conditional expression on free space, and examine how long
the grating lobe does not aﬀect.And show its validity.
Key words Reﬂectarray antenna, FSR, Grating-robe, Side-lobe,eﬃciency

1. は じ め にできる．従来までの設計では，低能率，高サイドローブの原因が共振素子から発生したグレーティングローブが誘電体内で伝波長に比べて小さい金属素子 (共振素子) を誘電体基板上に播することであることを明らかにし，誘電体内及び自由空間で二次元的に周期配列した FSR(Frequency Selective Reﬂector:のグレーティングローブが伝播しない条件からこの条件を反映周波数選択板) は入射した電磁波を周波数によって反射・透過したリフレクトアレーを設計し，試作により Ku 帯のある周波する空間フィルタとして用いられている [1]. また，FSR に誘電数帯域 fL - f0 の周波数帯域において，60 ％以上の能率を達成体を介して金属板を装荷した金属板装荷 FSR は，その共振素し、サイドローブレベルも-30dB 以下の低サイドローブ特性を子の半径や形状を適切に選ぶことにより，入射した電磁波の反実現でき妥当性を明らかにした．本論文では、誘電体基板上で射位相を制御できることが知られている．リフレクトアレーアの条件式と自由空間上での条件式の 90 ％，100 ％，110 ％の計

ンテナ (以下、リフレクトアレー) は，金属板装荷 FSR が有す

6 パターンの共振素子間隔での解析を行い，どのパターンまでる反射位相制御の機能を反射鏡に適用したものであり，平面のが実際のリフレクトアレーの共振素子間隔の許容範囲なのかのの鏡面と一次放射器により構成され，一次放射器から給電され検討を行った．なお，解析は中心周波数のみの解析となっていた球面波の反射位相を制御することで平面波を形成することがる．その結果，誘電体基板上での条件式の 90 ％，100 ％の共振- 28 —1—
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素子間隔において，能率が 60 ％以上であり，サイドローブレされるのかの検証を行った．なお，反射，透過を制御するのはベルも概ね-30dB の低サイドローブ特性を実現した．

各共振素子で行うため，共振素子間隔について考慮する． 誘2. 高能率・低サイドローブリフレクトアレー設計法及びその結果電体内でグレーティングローブが伝播しないための素子間隔条
件は次の通りである．

d1<λd1 + sin θt

2. 1 高能率・低サイドローブリフレクトアレー設計法
まず，BS 受信用を想定した円偏波における主偏波成分を TE波と TM 波の複素反射係数より次式 1 で求める．

Rco =1(RT M + RT E )2(4)

条件中，θt は入射角 θ に対する誘電体内の屈折角，λd は誘電体内√√の波長 λ/ ϵr である．誘電体の境界条件より，sin θ = ϵr sin θtであるから，(1)d1< √λ0ϵr + sin θ0

ここで RT M は TM 入射偏波の反射係数，RT E は TE 入射偏(5)波の反射係数である．次に，円偏波における交差偏波成分につと表すことができる．今回は，ϵr =2.59 の誘電体を使用しておいて次式 2 で表すことができる

り，波長条件 λ0 は設計周波数が Ku 帯のある周波数 f0 より|ϕT M − ϕT E |1|Rcr | = |RT M − RT E | = sin22求めることができる．また，θ は 25deg とした中で条件式 4 と(2)条件 5 において，それぞれの条件式の 90 ％，100 ％，110 ％交差偏波成分は，式 2 中の ϕT M − ϕT E で示す TM 波と TE 波となる共振素子間隔 d を求めると，d は 0.4392λ0 ，0.4961λ0 ，の位相差を小さくすることで低減できる．これらをもとに，自0.5409λ0 ，0.6303λ0 ，0.6995λ0 ，0.7727λ0 の 6 パターンとな

由空間でグレーティングローブが伝播しないような条件式が次る．これら 6 パターンの放射パターン及び能率を比較し，どの式 3 である．くらいの長さまでが実際のリフレクトアレーの共振素子間隔と1d<λ1 + sin θ

して最適であるのかを判断するとともに，条件式 5 が妥当であ(3)るのかの確認も行う．

従来のリフレクトアレーは，式 3 を用いて求めた共振素子間隔

2. 2 設計パラメータおよび鏡面設計

d で低利得・高サイドローブ特性を示していた．その原因とし今回設計したリフレクトアレーの設計パラメータを表 1，6て，式 3 では誘電体内のグレーティングローブ発生を考慮してつの共振素子間隔それぞれの鏡面の CAD 図を図 2〜図 7 に示いないためグレーティングローブが発生し，低利得・高サイドす．今回，設計パラメータとして誘電体基板厚 t，比誘電率 ϵr ，ローブ特性を示したと考えられる．誘電体内でのグレーティン

共振素子間隔 d，リング幅 w，リング半径 r の 5 つを用いていグローブ発生の詳細図を図 1 に示す．入射した電波は共振素子る．図 2〜図 7 より，共振素子間隔が大きくなればなるほど素子数が減り，鏡面の素子模様も十分にはゾーニングができていないように思われる．
表 1 設計パラメータ
設計周波数 f0Ku

比誘電率 ϵr2.59

誘電体基板厚 t
共振素子間隔 d
鏡面の原点の座標 (x，z)

0.1301λ00.4392λ0 ,0.4961λ0 ,0.5409λ0 ,0.6303λ0 ,0.6995λ0 ,0.7727λ0(344.72,-289.26)

鏡面角度 θd [deg]25

リング幅 w

0.0081λ0

リング半径 r0.0122λ0 〜0.1749λ0

図 1 グレーティングローブ発生の詳細図

2. 3 結果及び比較で反射する成分，透過する成分に分かれる．反射する成分は，今回，解析シミュレーターとして ANSYS 社の HFSS の入射角と同じ角度で反射する．一方，透過する成分は金属板とLinkedField 機能を用いたフルウェーブ解析を行っており，条誘電体間で伝播しながら最終的に入射角と同じ角度を持って件式 4 の 90 ％，100 ％，110 ％の放射パターンと条件式 5 の放射する．ここで，この透過する成分においてグレーティング90 ％，100 ％，110 ％の放射パターンを図 8〜図 13 に示す．な

ローブ成分が伝播すると，この成分は全く意図しない方向に放お，これらの図は，横軸 Azimuth 面，縦軸振幅の放射パターン射することとなる．以上のことから，誘電体内のグレーティンであり，いずれも設計周波数は Ku 帯のある周波数 f0 での放グローブを考慮した設計を提案した [3]．今回は，過去の報告で射パターンである．

使用した条件式を利用し，どのくらいの長さまでの共振素子間隔であれば実際のリフレクトアレーの共振素子間隔として許容- 29 -—2—

図 5 共振素子間隔 0.6303λ0 の時の鏡面

図 2 共振素子間隔 0.4392λ0 の時の鏡面

図 6 共振素子間隔 0.6995λ0 の時の鏡面

図 3 共振素子間隔 0.4961λ0 の時の鏡面

図 7 共振素子間隔 0.7727λ0 の時の鏡面
図 4 共振素子間隔 0.5409λ0 の時の鏡面

図 8，図 9 より，条件式 5 の 90 ％，100 ％の時の共振素子間隔での放射パターンは H 偏波，V 偏波ともにサイドローブが-30dB付近であり低サイドローブ特性を実現できている．また，図 10より条件式 5 の 110 ％の時の共振素子間隔での放射パターンは90 ％，100 ％の時に比べると H 偏波，V 偏波ともに多少サイドローブが上がっているが，概ね-30dB 付近にきており低サイドローブ特性を実現できている．しかし，図 11，図 12，図 13

図 8 共振素子間隔 0.4392λ0 の時の放射パターン

より，条件式 4 の 90 ％，100 ％，110 ％の時の共振素子間隔での放射パターンは H 偏波，V 偏波ともにサイドローブが-30dB

14，図 15 は条件式 4 と条件式 5 によって求めた 6 つの共振素よりもはるかに高くなっている．これは，誘電体内のグレー子間隔にそれぞれの能率・利得をプロットしたもである．なお，ティングローブの発生した影響であると考えられる．また，各

図 14，図 15 の点直線は低いところから，能率・利得が 50 ％，偏波ごとのアンテナの能率・利得を図 14，図 15 に示す． 図

60 ％，70 ％，80 ％となっている．図 14，図 15 より，条件式- 30 -—3—

図 9 共振素子間隔 0.4961λ0 の時の放射パターン

図 13 共振素子間隔 0.7727λ0 の時の放射パターン

図 10 共振素子間隔 0.5409λ0 の時の放射パターン

図 14 H 偏波の能率・利得

図 11 共振素子間隔 0.6303λ0 の時の放射パターン

図 15 V 偏波の能率・利得時の共振素子間隔での能率・利得に関しては，H 偏波，V 偏波ともに 60 ％以上を満たすことができなかった．これは，共振素子で発生したグレーティングローブが誘電体内で伝播した影響だと考えられる．

3. む す び
本論文では，誘電体内のグレーティングローブを考慮した条件式が妥当であるかの確認及び，共振素子間隔がどのくらいの長さまでがリフレクトアレーの共振素子間隔として有効なのか
図 12 共振素子間隔 0.6995λ0 の時の放射パターンの検討を行った．その結果，設計周波数 f0 において有効な共振素子間隔は条件式 5 の 90 ％，100 ％の時の共振素子間隔の5 の 90 ％，100 ％の時の共振素子間隔での能率・利得は，H 偏2 つであり，この 2 つの共振素子間隔の時，能率 60 ％以上の波，V 偏波ともに 60 ％以上であり高能率を実現している．ま高能率，またサイドローブレベルが概ね-30dB 以下と低サイド

た，条件式 5 の 110 ％の時の共振素子間隔での能率・利得は，ローブ特性を実現することができた．さらに，条件式 5 の妥当

H 偏波に関しては 60 ％以上を実現しているが，V 偏波に関し性も証明することができた．ては 60 ％に届かなかった．条件 4 の 90 ％，100 ％，110 ％の- 31 -—4—

文献[1] 佐藤郁郎，玉川晉，岩田龍一， 方形金属格子による準光学分波
器 ，信学論 (B)，Vol.J-67-B，No.4，pp.447-454，1984.
[2] S.Makino. et al., EUCAP2017, Mar, 2017.
[3] 藤井由香，他，信学総大，B-1-96，2015．

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