JP2008085998A - アレイアンテナの電力分配方法および電力分配器、その分配器を用いたアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アレイアンテナの前後方比（Ｆ／Ｂ）および前側方比（Ｆ／Ｓ）特性の向上を図るために改善された電力分配方法、およびその分配方法が適用された分配器、前記分配器が適用されたアレイアンテナを提供する。
【解決手段】 本発明は、アレイアンテナを構成する各放射素子に電力を分配して供給する方法において、給電部に印加された電力を分配初段で分けて二分配した後、二分配された電力のどちらか一方を中心側放射素子に供給し、他の一方をさらに分けて外郭側の各放射素子に供給することにより、中心側放射素子に大きい電力を供給し、外郭側放射素子には相対的に小さい電力を供給することを特徴とし、前記電力分配方法は、中心側放射素子には中心側放射素子が一つの場合は直列に電力を供給し、２つ以上の場合は並列に電力を供給し、外郭側放射素子には並列に電力を供給し、前記電力分配方法は、誘電体基板上で行われることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＲＦ中継用アレイアンテナに係り、特に、アレイアンテナの各放射素子に効率よく電力を分配する方法および装置に関する。

ＲＦ中継用アンテナは、一般に、電波送受信用放射素子アレイと、放射素子アレイの後方に配置され、電波を反射させる反射板と、各放射素子に電力を均等分割供給する分配回路とを含んでいる。一般的なアンテナは、放射素子の各位置によって電波の強さが均一ではなく、且つ反射板のエッジで電波の散乱が発生するなどの関係で、バックローブ（ｂａｃｋ−ｌｏｂｅ）およびサイドローブ（ｓｉｄｅ−ｌｏｂｅ）が発達した放射パターンを示す。

このような現象により、送受信信号間または他の中継器との信号干渉が発生する。従って、バックローブおよびサイドローブを発生させる不要波を抑制してアンテナの前後方比（Ｆ／Ｂ：ｆｒｏｎｔ ｔｏ ｂａｃｋ ｒａｔｉｏ）および前側方比（Ｆ／Ｓ：ｆｒｏｎｔ ｔｏ ｓｉｄｅ ｒａｔｉｏ）を改善しようとする方案が提案されている。
例えば、多重反射板構造および電波吸収体を用いた方案、放射素子の配置および素子間の間隔調整による方案がそれである。ところが、前者の方案によれば、アンテナ全体の規模、大きさ、重量などが増加するという問題と、前方に対する副次的なサイドローブが発生して実際に２０ｄＢ以上の高性能前側方比特性を実現し難いという問題がある。

これに対し、後者の方案によれば、放射素子の配置および間隔などの設計、放射パターンの調整のための手段が非常に複雑であって設計および実現が難しくなるという問題がある。
理論的に知られているように、アレイの中心側パッチのパワーを大きくし、外郭側パッチのパワーを相対的に小さくすることにより、前後方比および前側方比を向上させることができる。

しかし、通常の並列給電方式において、中心側に大きいパワーを供給しようとする場合、大きい差の分配率が必要となり、これにより分配パターンの幅を非常に狭く設計する必要があるい。例えば、図１に例示した通常の３×３パッチアレイにおいて、誘電率３．０、厚さ０．８ｔの誘電体基板で１：８のパワー分配を行う場合、０．２ｍｍ以下のパターンが必要とされる。このような理由で、実現自体が難しいうえ、アンテナの最大許容電力を高くすることができないという問題がある。
特開平０７−３２１５３６号公報

本発明の目的は、アレイアンテナの前後方比（Ｆ／Ｂ）および前側方比（Ｆ／Ｓ）特性の向上を図るために改善された電力分配方法、およびその分配方法が適用された分配器を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、前記分配器が適用されたアレイアンテナを提供することにある。

本発明は、アレイアンテナを構成する各放射素子に電力を分配して供給する方法において、給電部に印加された電力を分配初段で分けて二分配した後、二分配された電力のどちらか一方を中心側放射素子に供給し、他の一方をさらに分けて外郭側の各放射素子に供給することにより、中心側放射素子に大きい電力を供給し、外郭側放射素子には相対的に小さい電力を供給することを特徴とする。

前記電力分配方法は、中心側放射素子にそれが一つの場合は直列に電力を供給し、２つ以上の場合は並列に電力を供給し、外郭側放射素子には並列に電力を供給し、前記電力分配方法は、誘電体基板上で行われることを特徴とする。

また、本発明は、電力が印加される給電部と、前記給電部から延長され且つ電力を分配する給電線路が形成された給電基板と、前記給電線路の各末端に接触する状態で基板上に固着され、一端はアレイアンテナを構成する各放射素子に連結される給電線とを備え、前記給電線路は給電部から分配初段で二分岐され、第１分岐線路は基板の中心側末端に連結され、第２分岐線路はさらに分岐されて基板の外郭側末端に連結されることを特徴とする。

前記第１分岐線路はメアンダ型であり、基板の中心側末端が一つの場合には基板の中心側末端に直列に連結され、複数の場合には基板の中心側末端に並列に連結され、前記第２分岐線路は、基板の外郭側末端に並列に連結されることを特徴とし、前記第２分岐線路は、連続する二分割線路であって、各外郭側末端にまで延長されるように設計されたことを特徴とする。

また、本発明は、放射素子が配列されたアレイ基板と、前記アレイ基板の背面側に配置される分配器と、前記分配器の後方に前記分配器から隔てて配置される単一の反射板とを備えるアンテナ装置において、前記分配器は、電力が印加される給電部と、前記給電部から延長され且つ電力を分配する給電線路が形成された給電基板と、前記給電線路の各末端に接触する状態で基板上に固着され、一端はアレイアンテナを構成する各放射素子に連結される給電線とを含み、前記給電線路は、給電部から分配初段で二分岐され、第１分岐線路は基板の中心側末端に連結され、第２分岐線路はさらに分岐されて基板の外郭側末端に連結されることを特徴とする。

前記給電線は、一端が給電基板の分配回路の各末端に対して垂直方向に固定され、アレイ基板側では前記給電線路の分配回路の各末端に対して水平方向に折り曲げられた「Ｌ」型給電線であり、放射素子とＥＭ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ）方式によって連結され、前記アレイ基板は、反射板中心部を基準として一側に片寄って配置され、前記反射板は、外側が傾いた形状に形成されることを特徴とする。

前記分配器は、反射板の中心部の上端に据え置き固定され、アレイ基板は、給電基板とアレイ基板との間に延在しているスペーサによって給電基板と一定の間隔を置いて固定され、前記第２分岐線路は、連続する二等分回路を経由して各外郭側末端にまで延長されるように設計されたことを特徴とする。

本発明では、給電部に印加された電力を二分配し、二分配された電力のどちらか一方を中心側放射素子に直列に供給し、他の一方を外郭側放射素子に均等供給する方法および装置を提供する。本発明は、容易に実現可能であり、アンテナ装置に本発明を適用することにより、アンテナの特性が向上できるという効果がある。

以下、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。

図２は、図１に示す「３×３」に配列された放射素子１５ａ〜１５ｉに対して電力分配を行うための簡略回路図である。分配回路１０は、給電コネクタに連結される単一の給電部１１と、給電部１１から、アレイ基板上に配列された各放射素子１５ａ〜１５ｉに連結される給電線路１２とを含む。給電線路１２は、給電部１１の分配初段で第１分岐線路１３と第２分岐線路１４に二分岐され、第１分岐線路１３は中心側放射素子１５ａに連結され、第２分岐線路１４はさらに分岐されて外郭側放射素子１５ｂ〜１５ｉに連結される。

結局、本発明によれば、給電部１１に印加された電力を分配初段で二分配し、その中のどちらか一方を中心側放射素子１５ａに供給し、他の一方をさらに分けて外郭側放射素子１５ｂ〜１５ｉに供給する方法によって電力の分配が行われる。
図の「３×３」アレイ形状において、中心側放射素子１５ａには直列に供給し、外郭側放射素子１５ｂ〜１５ｉには並列に均等供給する。一方、「４×４」アレイ形状のように中心側放射素子が２つ以上の場合には、第１分岐線路１３から並列に供給する。このような電力分配方法によって、中心側放射素子１５ａのパワーが大きくなり、外郭側放射素子１５ｂ〜１５ｉのパワーは相対的に弱くなる。従って、アンテナの前後方比および前側方比の特性が向上する。

図３は、前述した電力分配方法が適用された電力分配器を示すものである。分配器２０は、給電部２２と給電線路２４が形成された誘電体給電基板２１と、基板２１上に固定され、アレイアンテナを構成する各放射素子（図１の符号１５ａ〜１５ｉ）へ電力を供給する給電線２３とを含む。そして、給電線２３は、給電線路２４の各末端に挿入されて固定される。給電線２３は、基板２１に挿入されて堅く固定できる。

給電線路２４は、給電部２２から分配初段で二分岐される。二分岐された線路のうち、第１分岐線路２５は、基板２１の中心側末端に直列に連結され、第２分岐線路２６は、さらに分岐されて基板２１の外郭側末端に並列に連結される。このような分配器２０の構造によって、基板２１の中心側末端のパワーが大きくなり、基板２１の外郭側末端のパワーは相対的に弱くなる。各放射素子（図１の符号１５ａ〜１５ｉ）の位相を同一に合わせるために、第１分岐線路２５は、屈曲メアンダ型に形成される。

給電基板２１の各外郭側末端に対する均一なパワー分配のために、本実施例では、第２分岐線路２６は、連続する二等分割線路２７、２８、２９であって、各外郭側末端にまで延長されるように設計される。但し、本発明は、第２分岐線路２６の特定の設計に限定されるものではなく、様々な設計の変更が可能である。
図において、符号「Ｓ」は、落雷や過負荷などからアンテナを保護するためのＤＣショート回路である。

一方、給電部２２に印加された電力は、まず、給電線路２４の初段で二分配される。分配された電力のどちらか一方は基板２１の中心側末端と給電線２３を経由して中心側放射素子１５ａに供給され、他の一方は各外郭側末端と給電線２３を経由して外郭側放射素子１５ｂ〜１５ｉに供給される。この構造によって、中心側放射素子１５ａのパワーが大きくなり、外郭側放射素子１５ｂ〜１５ｉのパワーは相対的に弱くなる。よって、アンテナの前後方比およびサイドローブの特性が向上する。

図４〜図６は分配器２０が適用されたアンテナ装置３０を示す。アンテナ装置３０は、アレイ基板３１と、基板３１の背面に提供される分配器２０と、分配器２０の後方に、分配器から一定の間隔を隔てて配置される反射板３２とを含む。図において、符号３３は給電コネクタである。
分配器２０は、給電線路２４が形成された給電基板２１と、基板２１上に固定される給電線２３を含む。具体的に、給電線２３は、一端が給電線路２４の各末端に対して垂直方向に固定され、アレイ基板３１側では給電線路２４の各末端に対して水平方向に折り曲げられた「Ｌ」型給電線である。給電線２３は、アレイ基板３１と直接接触せず、アレイ基板３１上の各放射素子１５ａ〜１５ｉとＥＭ（ｅｌｅｃｔｒｏ ｍａｇｎｅｔｉｃ）方式で連結されている。これにより、給電線２３はアンテナ装置３０の第１放射部になり、アレイ基板３１上の放射素子１５ａ〜１５ｉは第２放射部になる。

図５および図６に示す通り、アレイ基板３１は、反射板３２を基準としてその中心ではなく、反射板３２を中心として一側に片寄って配置されていることが分かる。これは、給電線２３の形態に起因したもので、「Ｌ」型給電線２３の非対称型によって、実測において、一定の９０°方向へのサイドローブビームパターンが生ずる現象が発生した。このため、図の如くアレイ基板３１を一側に片寄って配置することにより、給電線２３の非対称によるサイドローブ現象を除去するようにした。この際、アレイ基板３１の片寄りの度合いは実測結果に基づいて調整される。

反射板３２は１枚備える。反射板３２は、その中心部が分配器２０の給電基板２１の後方に給電基板から一定の間隔（ｄ）を隔てて配置され、拡張外側３２ａは傾いた形状に形成される。この構造において、反射板３２は、第１放射部としての給電線２３の放射電力漏れを最小にする役割、およびサイドローブを主ビームに効率よく合成させる役割を果たす。構造的に、分配器２０は反射板３２の中心部の上端に据え置き固定され、アレイ基板３１は給電基板２１とアレイ基板３１との間に延在しているスペーサ３４によって給電基板２１と一定の間隔を置いて固定される。

図７（ａ）、（ｂ）および図８はそれぞれアンテナ装置３０を横４１０ｍｍ×縦４２０ｍｍ×幅１００ｍｍに製作して測定した垂直パターン、水平パターン、定在波比のグラフである。その結果から分かるように、前後方比（Ｆ／Ｂ）および前側方比（Ｆ／Ｓ）がそれぞれ３５ｄＢ以上の優れた特性を示しており、満足すべき定在波比の得られることが分かる。

一般な放射素子アレイの斜視図である。 本発明に係る電力分配方法を説明するための簡略回路図である。 本発明に係る電力分配器の斜視図である。 図３の電力分配器が適用されたアンテナ装置の斜視図である。 図４のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図４の平面図である。 （ａ）は、図４のアンテナ装置の垂直パターン図である。 （ｂ）は、図４のアンテナ装置の水平パターン図である。 図４のアンテナ装置の定在波比を示すグラフである。

符号の説明

１１ 給電部
１２ 給電線路
１５ａ〜１５ｉ 放射素子
２０ 分配器
２１ 給電基板
２２ 給電部
２３ 給電線
２４ 給電線路
２５ 第１分岐線路
２６ 第２分岐線路
３１ アレイ基板
３２ 反射板

Claims (13)

1. アレイアンテナを構成する各放射素子に電力を分配して供給する方法において、
   給電部に印加された電力を分配初段で分けて二分配した後、二分配された電力のどちらか一方を中心側放射素子に供給し、他の一方をさらに分けて外郭側の各放射素子に供給することにより、中心側放射素子に大きい電力を供給し、外郭側放射素子には相対的に小さい電力を供給することを特徴とするアレイアンテナの電力分配方法。
2. 前記電力分配方法は、中心側放射素子にそれが一つの場合は直列に電力を供給し、２つ以上の場合は並列に電力を供給し、外郭側放射素子には並列に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナの電力分配方法。
3. 前記電力分配方法は、誘電体基板上で行われることを特徴とする請求項１または２に記載のアレイアンテナの電力分配方法。
4. 電力が印加される給電部と、
   前記給電部から延長され且つ電力を分配する給電線路が形成された給電基板と、
   前記給電線路の各末端に接触する状態で基板上に固着され、一端はアレイアンテナを構成する各放射素子に連結される給電線とを備え、
   前記給電線路は給電部から分配初段で二分岐され、第１分岐線路は基板の中心側末端に連結され、第２分岐線路はさらに分岐されて基板の外郭側末端に連結されることを特徴とするアレイアンテナの電力分配器。
5. 前記第１分岐線路はメアンダ型であることを特徴とする請求項４に記載のアレイアンテナの電力分配器。
6. 前記第１分岐線路は、基板の中心側末端が一つの場合には基板の中心側末端に直列に連結され、複数の場合には基板の中心側末端に並列に連結され、前記第２分岐線路は、基板の外郭側末端に並列に連結されることを特徴とする請求項４に記載のアレイアンテナの電力分配器。
7. 前記第２分岐線路は、連続する二分割線路であって、各外郭側末端にまで延長されるように設計されたことを特徴とする請求項４または５に記載のアレイアンテナの電力分配器。
8. 放射素子が配列されたアレイ基板と、前記アレイ基板の背面側に配置される分配器と、前記分配器の後方に前記分配器から隔てて配置される単一の反射板とを備えるアンテナ装置において、
   前記分配器は、電力が印加される給電部と、前記給電部から延長され且つ電力を分配する給電線路が形成された給電基板と、前記給電線路の各末端に接触する状態で基板上に固着され、一端はアレイアンテナを構成する各放射素子に連結される給電線とを含み、
   前記給電線路は、給電部から分配初段で二分岐され、第１分岐線路は基板の中心側末端に連結され、第２分岐線路はさらに分岐されて基板の外郭側末端に連結されることを特徴とするアンテナ装置。
9. 前記給電線は、一端が給電基板の分配回路の各末端に対して垂直方向に固定され、アレイ基板側では前記給電線路の分配回路の各末端に対して水平方向に折り曲げられた「Ｌ」型給電線であり、放射素子とＥＭ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ）方式によって連結されていることを特徴とする請求項８に記載のアンテナ装置。
10. 前記アレイ基板は、反射板中心部を基準として一側に片寄って配置されたことを特徴とする請求項９に記載のアンテナ装置。
11. 前記反射板は、外側が傾いた形状に形成されることを特徴とする請求項８に記載のアンテナ装置。
12. 前記分配器は、反射板の中心部の上端に据え置き固定され、アレイ基板は、給電基板とアレイ基板との間に延在しているスペーサによって給電基板と一定の間隔を置いて固定されたことを特徴とする請求項８に記載のアンテナ装置。
13. 前記第２分岐線路は、連続する二等分回路を経由して各外郭側末端にまで延長されるように設計されたことを特徴とする請求項８に記載のアンテナ装置。

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