JP6569435B2

JP6569435B2 - アレイアンテナ

Info

Publication number: JP6569435B2
Application number: JP2015191691A
Authority: JP
Inventors: 晋二荒井; 智宏高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2035-09-29
Also published as: JP2017069694A

Description

本発明は、ホーンアンテナ素子を１次元または２次元に配列したアレイアンテナに関する。

ホーンアンテナ素子を１次元または２次元に配列したアレイアンテナでは、ホーンアンテナ素子の間隔は使用される周波数帯域の上限周波数における１波長未満とする必要がある。その理由は、素子間隔が１波長以上だと、アンテナ放射パターンにグレーティングローブが発生するからである。高周波数領域で素子間隔を１波長未満にし、かつある程度の広さの開口面積を持たせようとすると、ホーンアンテナ素子の数が多くなる。ホーンアンテナ素子の数が多くなると、それぞれのホーンに給電しホーンが受信した電波を合成する給電合成回路が大きなものとなる。給電合成回路を小型化するために、ホーンの開口を複数に分割する格子状の導体を備えるアレイアンテナがある（例えば、特許文献１を参照）。

米国特許出願公開第２０１３／０１４１３００号明細書

１個のホーンの開口を格子状の導体で分割することで、１個のホーンの開口を分割したサブ開口をそれぞれ有する複数のホーンアンテナ素子として扱うことができる。しかし、区分導体は開口に近い部分だけしかなく、隣接するホーンアンテナ素子間での電磁結合などの影響により、各アンテナ素子の位相中心がサブ開口の中心ではなく、ホーンの側面側に存在することになる。その結果、隣接するホーンアンテナ素子間の位相中心の間隔は、長いものと短いものが交互に存在することになる。長い方の間隔が１波長よりも長くなり、グレーティングローブが発生してしまうという課題がある。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、１個のホーンの開口を導体で区切った複数のホーンアンテナ素子を１次元または２次元のアレイに配列したアレイアンテナで、グレーティングローブの発生を防止することを目的とする。

この発明に係るアレイアンテナは、少なくとも内表面が導電性を有する材料ででき、開口を有するホーンと、前記開口を複数のサブ開口に分割し、前記ホーンの内表面と電気的に接続し、少なくとも表面が導電性を有する材料でできた区分導体と、それぞれの前記サブ開口の断面形状の平面図形としての重心であるサブ開口重心を通り前記サブ開口の断面に垂直な直線であるサブ開口重心線が通る位置に配置された複数のパッチ導体とを備えたホーンアンテナを１次元または２次元のアレイ状に配列し、前記ホーンアンテナに属するすべての前記サブ開口を囲む導体領域に、すべての前記サブ開口を切れ目なく囲むように溝が設けられ、前記ホーンアンテナが配列する方向で隣接し、異なる前記ホーンアンテナに属する前記サブ開口の前記サブ開口重心の間の距離が、前記ホーンアンテナが放射する電波の中で最も波長が短い電波の波長である最少放射波長よりも小さいことを特徴とするものである。

この発明によれば、１個のホーンの開口を導体で区切った複数のホーンアンテナ素子を１次元または２次元のアレイに配列したアレイアンテナで、グレーティングローブの発生を防止できる。

この発明の実施の形態１に係るアレイアンテナの斜視図である。実施の形態１に係るアレイアンテナの一部を拡大した斜視図である。実施の形態１に係るアレイアンテナのパッチ導体および基板を取り付ける前の状態での一部を拡大した斜視図である。実施の形態１に係るアレイアンテナの平面図である。実施の形態１に係るアレイアンテナのパッチ導体および基板を取り付ける前の状態での平面図である。実施の形態１に係るアレイアンテナのパッチ導体および基板を取り付ける前の状態での一部を拡大した平面図である。図２に示すＡ−Ａ線での切断部端面図である。図２に示すＢ−Ｂ線での切断部端面図である。実施の形態１に係るアレイアンテナを有するアンテナ装置の機能ブロック図である。比較例としてのパッチ導体を有さないアレイアンテナでの位相中心を説明する図である。実施の形態１に係るアレイアンテナでの位相中心を説明する図である。

実施の形態１
図１は、この発明の実施の形態１に係るアレイアンテナの斜視図である。アレイアンテナ１００は、複数のホーンアンテナ１０を直線状に長手方向に配列したものを、短手方向に複数列に配列している。アレイアンテナ１００の開口面であるアレイ開口面が平面になるように、ホーンアンテナ１０の開口面を配列する。図１では、長手方向に１７個のホーンを配列し、短手方向に６列配列した場合を示している。なお、ホーンアンテナ１０を１次元のアレイに配列してもよい。

アレイアンテナ１００の中央の２列では互いに長手方向に位置がずれていないが、片側の３列は、短手方向で隣接するホーンアンテナ１０は、長手方向に位置をずらして配置される。全体としてみると、短手方向の中央部が長手方向の片側で突出し、反対側ではへこむ形状である。図１に示すとおり、アレイアンテナ１００の短手方向をＸ方向とし、短手方向と直交する長手方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に垂直な方向をＺ方向にする。Ｚ方向は、アレイアンテナ１００の指向方向すなわちメインローブの方向である。

図１において破線で示した範囲５０の部分を拡大した斜視図を、図２に示す。図１および図２では、パッチ導体１が載置された誘電体の基板２（図４に図示）を透視して書いている。また、パッチ導体１および基板２を取り付ける前の、図２と同様な部分の斜視図を図３に示す。図４に、パッチ導体１および基板２を取り付けた状態での実施の形態１に係るアレイアンテナの平面図を示す。図５に、パッチ導体１および基板２を取り付ける前の状態での平面図を示す。図６に、図５において破線で示した範囲６０の部分を拡大した平面図を示す。図６では、パッチ導体１を破線で示す。図７は、図２に示すＡ−Ａ線での切断部端面図である。図８は、図２に示すＢ−Ｂ線での切断部端面図である。なお、切断部端面図では、切断する平面上に存在する物体だけを表現する。後で説明するが、図６と図７には、アレイアンテナ１００の各部の寸法を示す。

図１から図７に示すように、ホーン６の開口部には、開口を４個の合同な断面形状を有するサブ開口３を設けるための格子状の区分導体４が設けられる。４個のサブ開口３の断面形状は、角をとった正方形である。区分導体４は、決められた厚さと幅の板状の部材が十字状に形成されたものである。区分導体４は、ホーン枠体５と一体に形成されている。ホーン枠体５は、ホーン６を構成するホーン壁部と隣接するホーン６と連結するための機能を持つ部材である。すべてのホーン枠体５および区分導体４は、一体に形成されている。つまり、この実施の形態１のアレイアンテナ１００の開口部側は一体に形成されている。この部材を、開口面部材と呼ぶ。開口面部材は、アルミニウムなどの導電性がよい金属板に、ホーン６ごとに開口およびサブ開口３を設けるように切削加工して形成する。アレイアンテナ１００の他の部分も、同様にアルミ板を切削加工して形成する。アレイアンテナ１００は、アルミニウム板を重ね合わせて形成し、図示しない締結部材で一体化している。

複数のホーン６をそれぞれ形成し、それらをアレイ状に配列するようにしてもよい。また、区分導体４をホーン枠体５と別体に形成し、区分導体４をホーン枠体５に取り付けてもよい。ホーン６および区分導体４は、すべてが導体でなくてもよく、樹脂の表面に導体層を設けたものでもよい。ホーン６は、その少なくとも内表面が導電性を有する材料でできていればよい。区分導体４は、少なくとも表面が導電性を有する材料でできていればよい。ホーン６の内表面と区分導体３の表面とが電気的に接続されていればよい。

図２および図４から分かるように、アレイアンテナ１００の開口面には、パッチ導体１を載置した基板２が取り付けられる。図６の平面図に示すように、それぞれのパッチ導体１は、対応するそれぞれのサブ開口３のほぼ中央に配置される。より厳密にいうと、サブ開口３の断面形状の平面図形としての重心であるサブ開口重心１１を通りサブ開口３の断面に垂直な直線であるサブ開口重心線が通る位置に、開口部導体であるパッチ導体１は配置される。サブ開口３の開口側でのサブ開口重心線に垂直な面が、サブ開口面である。

パッチ導体１をサブ開口面に射影した平面図形である開口面射影形状が内部に欠落部分を有し、サブ開口重心１１が欠落部分に存在する場合も、サブ開口重心線がパッチ導体１を通るとする。正確には、パッチ導体１の開口面射影形状を包含する最小の凸図形の内部にサブ開口重心１１が存在する場合に、サブ開口重心線がパッチ導体１を通るとする。ここで、凸図形とは、図形内の任意の２点を結ぶ線分上の点がその図形内に存在する図形である。

図７および図８から分るように、導波管と接続する部分での断面の正方形と開口面側での断面の正方形では、開口面側の方が大きく、曲線状に開口の辺の長さが大きくなる。

さて、アレイアンテナ１００を使用するアンテナ装置の構造を説明する。図９は、実施の形態１に係るアレイアンテナを有するアンテナ装置の機能ブロック図である。アレイアンテナ１００は、複数のホーンアンテナ１０を有する。各ホーンアンテナ１０の導波管側には、電波に円偏波を付加する偏波付加器２１が接続される。なお、偏波付加器は円偏波ではなく直線偏波を付加する場合もある。また、偏波を付加する必要が無い場合は、偏波付加器を有さない。

複数の偏波付加器２１は、合成回路部２２により導波路が段階的に統合して１個の導波路になり、分波回路２３に接続される。分波回路２３側から見れば、１個の導波路が合成回路部２２で段階的に分岐して、偏波付加器２１およびホーンアンテナ１０の複数の組に接続される。分波回路２３には、送信用給電回路２４を介して送信機２５が接続し、受信用給電回路２６を介して受信機２７が接続する。分波回路２３は、送信用給電回路２４からの送信信号を合成回路２２に供給し、アレイアンテナ１００が受信した受信信号を合成回路２２から受信用給電回路２６に供給する。

アレイアンテナ１００は、電波を図１などに示すＺ方向をメインローブとして放射する。また、Ｚ方向の逆向きの方向から到来する電波を、効率よく受信することができる。ここで、アレイアンテナ１００が放射する電波の中で最も波長が短い電波の波長を最短放射波長と呼ぶ。最短放射波長を変数λで表現する。

各部の長さに関して説明する。以下の変数を定義する。図６に、一部のホーンアンテナ１０でサブ開口３の図形としての重心であるサブ開口重心１１を小さい白丸で示す。
Ｌ_Ｈ：ホーンアンテナ１０の一辺の長さ
Ｐ：Ｙ方向に並んだホーンアンテナ１０のＸ方向での位置ずれの長さ。Ｐ≒Ｌ_Ｈ／４である。
Ｗ_Ｌ：ホーン６の開口の一辺の長さ。
Ｗ_Ｓ：サブ開口３の一辺の長さ。
Ｗ_１：区分導体４の幅。Ｗ_１＝Ｗ_Ｌ−２Ｗ_Ｓである。
Ｗ_２：ホーン枠体５の幅。Ｗ_２＝Ｌ_Ｈ−Ｗ_Ｌ≧Ｗ_１である。
Ｌ_１：同じホーンアンテナ１０内で隣接するサブ開口重心１１間の距離。
Ｌ_１＝(Ｌ_Ｈ−Ｗ_２)／２である。
Ｌ_２：Ｘ方向でホーン枠体５を挟んで隣接するサブ開口重心１１間の距離。
Ｌ_２＝(Ｌ_Ｈ−Ｗ_１)／２≧Ｌ_１である。
Ｌ_３：Ｙ方向でホーン枠体５を挟んで隣接するサブ開口重心１１間の距離。
Ｌ_３＝√(Ｌ_２ ^２＋Ｐ^２)≧Ｌ_２である。
ｒ：パッチ導体１の直径。
ｄ：溝７の深さ。
ｈ：基板２の厚さ。

アレイアンテナ１００は、その各部の寸法を以下が成立するように決めている。
Ｌ_１≦Ｌ_２≦Ｌ_３＜λ (1)
λ＜Ｌ_Ｈ＝Ｌ_１＋Ｌ_２ (2)

(1)式は、ホーンアンテナ素子の間隔を最短放射波長λ未満として、グレーティングローブを発生させないようにするための条件である。(2)式は、区分導体４によりホーンアンテナ１０を４個のホーンアンテナ素子として動作させることで、ホーンアンテナ１０の一辺の長さを最短放射波長λよりも大きくできることを表している。

この発明のパッチ導体１の作用を説明するために、比較例としてパッチ導体１および溝７を有しないアレイアンテナの作用について説明する。図１０は、比較例としてのパッチ導体を有さないアレイアンテナでの位相中心を説明する図である。図１０で、各ホーンアンテナ素子の位相中心１２を小さな×印で示す。比較例での隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２間の距離を表現する変数として、以下を定義する。
Ｌ_１Ｄ：同じホーンアンテナ１０内で隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２間の距離。
Ｌ_２Ｄ：Ｘ方向でホーン枠体５を挟んで隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２間の距離。
Ｌ_３Ｄ：Ｙ方向でホーン枠体５を挟んで隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２間の距離。

１個のホーン６を開口面付近でだけ区分導体４で区切った場合には、区分導体４が開口付近だけしかなく、隣接するホーンアンテナ１０と電磁結合するため、位相中心１２はサブ開口重心１１よりもホーン６の内面に近い位置になる。そのため、比較例での同じホーン６内で隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２の間隔Ｌ_１Ｄは、サブ開口重心１１の間隔Ｌ_１よりも広くなる。また、比較例でのホーン枠体５を挟んでＸ方向またはＹ方向に隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２の間隔Ｌ_２ＤおよびＬ_３Ｄは、サブ開口重心１１の間隔Ｌ_２およびＬ_３よりも狭くなる。そのため、(1)式の関係が成立する場合でも、以下のような関係になる。
Ｌ_２Ｄ＜Ｌ_３Ｄ＜λ＜Ｌ_１Ｄ (3)
(3)式は、位相中心の間隔Ｌ_１Ｄが最少放射波長λよりも長くなり、グレーティングローブが発生することを意味する。

図１１は、実施の形態１に係るアレイアンテナでの位相中心を説明する図である。パッチ導体１および溝７を設けることで、位相中心１２はサブ開口重心１１とほぼ同じ位置になる。この実施の形態１での隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２間の距離を表現する変数として、以下を定義する。
Ｌ_１Ｓ：同じホーンアンテナ１０内で隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２間の距離。
Ｌ_２Ｓ：Ｘ方向でホーン枠体５を挟んで隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２間の距離。
Ｌ_３Ｓ：Ｙ方向でホーン枠体５を挟んで隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２間の距離。

この実施の形態１でのホーン枠体５を挟んでＸ方向またはＹ方向に隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２の間隔Ｌ_２ＳおよびＬ_３Ｓは、サブ開口重心１１の間隔Ｌ_２およびＬ_３とほぼ同じになる。この実施の形態１での同じホーン６内で隣接するホーンアンテナ素子の位相中心１２の間隔Ｌ_１Ｓは、サブ開口重心１１の間隔Ｌ_１とほぼ同じになる。つまり、以下の関係が成立する。
Ｌ_１Ｓ＜Ｌ_２Ｓ＜Ｌ_３Ｓ＜λ (4)
(4)式は、位相中心の間隔Ｌ_１ＳおよびＬ_２ＳおよびＬ_３Ｓが最少放射波長λよりも短く、グレーティングローブが発生しないことを意味する。なお、一般的にはホーン枠体５の幅Ｗ_２の方が区分導体４の幅Ｗ_１よりも大きく、Ｌ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３の関係が成立するので、位相中心１２はサブ開口重心１１よりも少しホーン６の内面側にある場合に、Ｌ_１ｓ＝Ｌ_２ｓとなる。また、ＭＡＸ(Ｌ_１Ｓ,Ｌ_２Ｓ,Ｌ_３Ｓ)＜λが成立するようなサブ開口重心１１の近傍に位相中心１２が存在すればよい。

この発明で、サブ開口の位相中心１２がサブ開口重心１１に近づくのは、主にパッチ導体１の作用である。パッチ導体１は円形の薄板である。パッチ導体１の直径ｒは、最少放射波長λの１／４程度にしている。パッチ導体１は、サブ開口３のＺ方向の外側に、ＸＹ平面上でサブ開口３のほぼ中央に配置されている。パッチ導体１の直径ｒが、最少放射波長λの１／２であれば、最少放射波長λの電波はパッチ導体１と共振する。共振した状態では、電波はパッチ導体１にすべて入り、ホーン６の外部に放射されなくなる。パッチ導体１の直径ｒを小さくしていけば、共振が弱まり、外部へ電波が放射できるようになる。また、直径ｒが最少放射波長λの１／２未満のパッチ導体１は、電波をパッチ導体１に引き寄せる、すなわち位相中心１２をサブ開口重心１１に近づけるように作用する。パッチ導体１の位置と直径ｒは、位相中心１２の位置と放射効率を考慮して適切に決める。複数の波長の電波を放射する場合には、放射する電波の波長すべてに関して総合的に考慮して、パッチ導体１の位置と直径ｒを決める。そのようにして決めたパッチ導体１の直径ｒは、最少放射波長λの１／２未満の値になる。

パッチ導体１の主面の平面形状は、円形の方が望ましいが、円形でなくてもよい。凸図形が望ましいが、凸図形でなくてもよい。円形でない平面図形の場合は、その平面図形を囲む最少の長方形の長い方の辺の長さが、パッチ導体１と電波の共振に影響する。平面図形を囲む最少の長方形を最少包長方形と呼ぶ。最少包長方形の長い方の辺の長さを、最少包長径と呼ぶ。パッチ導体１の最少包長径が最少放射波長λの１／２であれば、電波とパッチ導体１が共振する。共振を適度に弱め、かつ電波をパッチ導体１に適度に引き寄せるように、パッチ導体１の形状と最少包長径を決める。そのようにして決めた最少包長径は、最少放射波長λの１／２未満である。

位相中心１２がホーン６の壁面側に近づく原因の１つは、ホーンアンテナ１０の間のホーン枠体６が導体であるため、隣接するホーンアンテナ１０が電磁的に結合していることである。ホーンアンテナ１０を電磁的に分離するため、ホーン６すなわち４個のサブ開口３を切れ目なく囲むように、溝７を設ける。溝７の深さｄは、最少放射波長λの１／５程度から３／１０割程度の範囲内とする。アレイアンテナ１００が最少放射波長λの電波だけを放射する場合には、溝７の深さｄ＝λ／４とすれば、溝７の両側で電波が逆位相になり互いに打ち消しあうので、電磁結合が弱くなる。複数の波長の電波を放射する場合は、複数の波長の電波での電磁結合の度合いを考慮して、溝７の深さを決める。そのようにして決めた溝７の深さｄは、最少放射波長λの１／５程度から３／１０割程度の範囲内である。

パッチ導体１は誘電体の基板２に載置されているので、パッチ導体１は開口面からＺ方向に、基板２の厚さｈだけ離れる。基板２の誘電率と厚さｈを調整することで、ホーンアンテナ１０の反射特性を調整できる。基板２の誘電率と厚さｈは、反射ができるだけ小さくなるように決める。パッチ導体１は、誘電体の基板２のホーンアンテナ１０の側に載置してもよい。

サブ開口３の平面図形としての形状は、角をとった正方形である。角をとるとは、角の頂点から決められた範囲を曲線または直線で角の頂点を含む部分を除くことである。角を除く範囲は適切に決める。全く角をとらなくてもよい。角をとった正方形も正方形と呼ぶ。サブ開口断面の平面図形としての形状は正方形が望ましいが、長方形、他の種類の四角形あるいは四角形ではない多角形でもよい。角をとった長方形、四角形あるいは多角形も、長方形、四角形あるいは多角形と呼ぶ。

この実施の形態では、ホーン６の開口を４つの合同な正方形の形状を有するサブ開口３に分割した。分割数は、２、３、６、９など、４以外の数でもよい。４つに分割する場合は、すべてのサブ開口が合同な形状が望ましいが、すべてのサブ開口が合同でなくてもよい。

なお、本願発明はその発明の精神の範囲内において実施の形態の変形、省略が可能である。

１パッチ導体（開口部導体）
２基板
３サブ開口
４区分導体
５ホーン枠体
６ホーン
７溝
１０ホーンアンテナ
１１サブ開口重心
１２位相中心
２１偏波付加器
２２合成回路
２３分波回路
２４送信用給電回路
２５送信機
２６受信用給電回路
２７受信機
５０範囲
６０範囲
１００アレイアンテナ

Claims

少なくとも内表面が導電性を有する材料ででき、開口を有するホーンと、
前記開口を複数のサブ開口に分割し、前記ホーンの内表面と電気的に接続し、少なくとも表面が導電性を有する材料でできた区分導体と、
それぞれの前記サブ開口の断面形状の平面図形としての重心であるサブ開口重心を通り前記サブ開口の断面に垂直な直線であるサブ開口重心線が通る位置に配置された複数の開口部導体とを備えたホーンアンテナを１次元または２次元のアレイ状に配列し、
前記ホーンアンテナに属するすべての前記サブ開口を囲む導体領域に、すべての前記サブ開口を切れ目なく囲むように溝が設けられ、
前記ホーンアンテナが配列する方向で隣接し、異なる前記ホーンアンテナに属する前記サブ開口の前記サブ開口重心の間の距離が、前記ホーンアンテナが放射する電波の中で最も波長が短い電波の波長である最少放射波長よりも小さいことを特徴とするアレイアンテナ。
前記開口部導体が前記サブ開口重心線に垂直な平面であるサブ開口面に平行に配置された板状であり、
前記開口部導体の主面の平面形状を囲む面積が最少の長方形の長い方の辺の長さが前記最少放射波長の半分未満であることを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ。
すべての前記ホーンアンテナの開口面が配置された平面であるアレイ開口面に配置された前記開口部導体を載置した誘電体を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアレイアンテナ。
前記開口部導体の主面の形状が円形であることを特徴とする請求項２に記載のアレイアンテナ。
前記区分導体が、前記開口を断面形状が合同な４個の前記サブ開口に分割するものであることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のアレイアンテナ。
前記サブ開口の断面形状が正方形であることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のアレイアンテナ。
前記溝の深さが前記最少放射波長の５分の１から１０分の３の範囲内であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のアレイアンテナ。