特許第6575958号(P6575958)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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特許6575958アレーアンテナ、中央給電アレーアンテナ及び平面状アレーアンテナ
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6575958
(24)【登録日】2019年8月30日
(45)【発行日】2019年9月18日
(54)【発明の名称】アレーアンテナ、中央給電アレーアンテナ及び平面状アレーアンテナ
(51)【国際特許分類】
   H01Q 13/28 20060101AFI20190909BHJP
   H01Q 21/06 20060101ALI20190909BHJP
【FI】
   H01Q13/28
   H01Q21/06
【請求項の数】6
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2015-112978(P2015-112978)
(22)【出願日】2015年6月3日
(65)【公開番号】特開2016-225935(P2016-225935A)
(43)【公開日】2016年12月28日
【審査請求日】2018年5月28日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004330
【氏名又は名称】日本無線株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100119677
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 賢治
(74)【代理人】
【識別番号】100115794
【弁理士】
【氏名又は名称】今下 勝博
(72)【発明者】
【氏名】菅野 真行
【審査官】 新田 亮
(56)【参考文献】
【文献】 特開平10−242746(JP,A)
【文献】 特開平11−088045(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2008/0018537(US,A1)
【文献】 MISMAN et al.,THE EFFECT OF CONDUCTOR LINE TO MEANDER LINE ANTENNA DESIGN,Journal of Telecommunication, Electronic and Computer Engineering,2009年12月,p.5-9
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01Q 13/28
H01Q 21/06
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
伝送線路がクランク状に形成されるアレーアンテナであって、
クランク状に形成される前記伝送線路は、前記アレーアンテナの延伸方向と平行方向に二列に形成される平行部分線路と、前記アレーアンテナの延伸方向と垂直方向に形成される垂直部分線路と、を備え、
一の列に形成される前記平行部分線路の線路幅は、他の列に形成される前記平行部分線路の線路幅及び前記垂直部分線路の線路幅より広いことを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項2】
前記他の列に形成される前記平行部分線路は、前記アレーアンテナの延伸方向と平行方向のサイズと、お互いに隣接する前記垂直部分線路の間の線路長と、を調整する曲げ構造部を備えることを特徴とする、請求項1に記載のアレーアンテナ。
【請求項3】
前記垂直部分線路は、前記アレーアンテナの給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する反射抑圧部を備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載のアレーアンテナ。
【請求項4】
前記アレーアンテナの給電位置と反対方向の終端位置に形成される終端アンテナ、をさらに備えることを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載のアレーアンテナ。
【請求項5】
請求項1から4のいずれかに記載の二体のアレーアンテナが、一列に形成され、前記一列の中央で給電されることを特徴とする中央給電アレーアンテナ。
【請求項6】
請求項5に記載の複数の中央給電アレーアンテナが、同一平面上にかつお互いに平行に形成されることを特徴とする平面状アレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、高放射効率及び広角指向性を有するアレーアンテナに関する。
【背景技術】
【0002】
パッチアレーアンテナについて、非特許文献1に開示されている。共振波型パッチアレーアンテナは、狭帯域特性を有する一方で、進行波型パッチアレーアンテナは、広帯域特性を有するため、広帯域用途では、進行波型パッチアレーアンテナが利用されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【非特許文献1】羽石 操著、「最新 平面アンテナ技術」、総合技術センター、1993年1月、pp.353〜354
【非特許文献2】羽石 操著、「最新 平面アンテナ技術」、総合技術センター、1993年1月、pp.79〜80
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ここで、進行波型パッチアレーアンテナの全パッチ素子が同相で励振されるときには、全パッチ素子から同相で反射が起きるため、この周波数において反射ロスが大きくなり放射効率が低くなる。一方で、進行波型パッチアレーアンテナの各パッチ素子が異相で励振されるときには、各パッチ素子から異相で反射が起きるため、正面方向からチルトした方向に放射が起きるものの、広帯域において反射ロスが小さくなり放射効率が高くなる。
【0005】
そして、進行波型パッチアレーアンテナが一端において給電されるときには、動作周波数が変化すると、正面方向に対する放射方向のチルト角度が変化する。一方で、進行波型パッチアレーアンテナが中央において給電されるときには、動作周波数が変化しても、正面方向に対する放射方向のチルト角度が変化しない。そこで、進行波型パッチアレーアンテナを広帯域において利用する際に、アレーの中央において給電することを目標とした。
【0006】
アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と同様に、アレーの延伸方向と平行方向のサイズ(すなわち、パッチ素子数)を維持することが必要となる。つまり、アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と比べて、延伸方向と平行方向の各々のサイズ(すなわち、パッチ素子数)が半分である二体のアレーを、給電部を挟んで形成することになる。
【0007】
ここで、進行波型パッチアレーアンテナは、給電部に近いパッチ素子において、給電電力の一部を放射し、給電部から遠いパッチ素子において、残りの電力の一部を放射し、アレーの終端の抵抗において、残りの電力を散逸する。よって、アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と比べて、放射効率が低くなる。
【0008】
アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と同様に、放射効率を高くするために、各パッチ素子の放射量を増やすことが考えられる、すなわち、各パッチ素子の幅を広げることが考えられる。しかし、各パッチ素子の幅が広がれば、アレーの延伸方向と垂直方向の指向性が狭くなる。本出願の発明者は、このことが、監視領域を広げたいレーダ等の用途において、問題になると突き止めた。
【0009】
そこで、前記課題を解決するために、本発明は、中央給電進行波型アレーアンテナが備える二体の各々のアレーアンテナのように、素子数の少ないアレーアンテナにおいて、高放射効率及び広角指向性を両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
マイクロストリップラインアンテナについて、非特許文献2に開示されている。本出願の発明者は、マイクロストリップラインアンテナのうちで、伝送線路がクランク状に形成されるアレーアンテナについて、放射効率及び指向性をシミュレーションで評価した。
【0011】
ここで、クランク状の不連続部から放射させるのみでは、所望の放射量を得られなかった。しかし、クランク状の不連続部から放射させるのみならず、インピーダンスの不連続部から放射させることにより、所望の放射量を得ることができた。
【0012】
つまり、クランク状に形成される伝送線路を、アレーアンテナの延伸方向と平行方向に二列に形成される平行部分線路と、アレーアンテナの延伸方向と垂直方向に形成される垂直部分線路と、に分けたときに、一の列に形成される平行部分線路の線路幅を、他の列に形成される平行部分線路の線路幅及び垂直部分線路の線路幅より広くした。
【0013】
或いは、マイクロストリップラインアンテナに対して、パッチアレーアンテナを組み合わせた。そして、マイクロストリップラインアンテナからの放射量を追加した分だけ、パッチアレーアンテナからの放射量を削減してもよい。よって、各パッチ素子の幅を広げ過ぎなくてもよく、アレーの延伸方向と垂直方向の指向性を広くすることができる。
【0014】
具体的には、本発明は、伝送線路がクランク状に形成されるアレーアンテナであって、前記アレーアンテナの延伸方向と平行方向に二列に形成される平行部分線路と、前記アレーアンテナの延伸方向と垂直方向に形成される垂直部分線路と、を備え、一の列に形成される前記平行部分線路の線路幅は、他の列に形成される前記平行部分線路の線路幅及び前記垂直部分線路の線路幅より広いことを特徴とするアレーアンテナである。
【0015】
この構成によれば、中央給電進行波型アレーアンテナが備える二体の各々のアレーアンテナのように、素子数の少ないアレーアンテナにおいて、高放射効率及び広角指向性を両立させることができる。なお、本発明は、中央給電進行波型アレーアンテナが備える二体の各々のアレーアンテナのみならず、より一般的に素子数の少ないアレーアンテナにおいて、高放射効率及び広角指向性を両立させることができる。
【0016】
また、本発明は、前記他の列に形成される前記平行部分線路は、前記アレーアンテナの延伸方向と平行方向のサイズと、お互いに隣接する前記垂直部分線路の間の線路長と、を調整する曲げ構造部を備えることを特徴とするアレーアンテナである。
【0017】
この構成によれば、アレーの延伸方向と平行方向の開口を小さくするため、アレーの延伸方向と平行方向の指向性を広くすることができる。そして、アレーアンテナの各アンテナ素子が異相で励振されるときには、正面方向に対する放射方向のチルト角度を調整するために、各アンテナ素子の間の線路長を調整することができる。さらに、アレーアンテナの全アンテナ素子が同相で励振されるときには、全アンテナ素子からの同相での反射を起こしにくくしたうえで(次に後述の反射抑圧部を用いたうえで)、各アンテナ素子の間の線路長を2πradの整数倍分に調整することができる。
【0018】
また、本発明は、前記垂直部分線路は、前記アレーアンテナの給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する反射抑圧部を備えることを特徴とするアレーアンテナである。
【0019】
この構成によれば、アレーアンテナの全アンテナ素子が同相で励振されるときでも、全アンテナ素子からの同相での反射が起きにくいため、この周波数において反射ロスが小さくなり放射効率が高くなるとともに、正面方向に放射が起こるようになる。
【0020】
また、本発明は、前記アレーアンテナの給電位置と反対方向の終端位置に形成される終端アンテナ、をさらに備えることを特徴とするアレーアンテナである。
【0021】
この構成によれば、進行波型アレーアンテナは、元々終端抵抗において散逸された電力を、終端アンテナにおいて放射するため、放射効率をさらに向上させることができる。
【0022】
また、本発明は、以上に記載の二体のアレーアンテナが、一列に形成され、前記一列の中央で給電されることを特徴とする中央給電アレーアンテナである。
【0023】
この構成によれば、中央給電アレーアンテナにおいて、以上に記載の効果を奏する。
【0024】
また、本発明は、以上に記載の複数の中央給電アレーアンテナが、同一平面上にかつお互いに平行に形成されることを特徴とする平面状アレーアンテナである。
【0025】
この構成によれば、平面状アレーアンテナにおいて、以上に記載の効果を奏する。
【発明の効果】
【0026】
このように、本発明は、中央給電進行波型アレーアンテナが備える二体の各々のアレーアンテナのように、素子数の少ないアレーアンテナにおいて、高放射効率及び広角指向性を両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
図1】本発明のアレーアンテナの構成を示す図である。
図2】本発明のアレーアンテナの詳細を示す図である。
図3】本発明の中央給電アレーアンテナの構成を示す図である。
図4】本発明の平面状アレーアンテナの構成を示す図である。
図5】本発明の平面状アレーアンテナの構成を示す図である。
図6】本発明の中央給電アレーアンテナの水平方向指向性を示す図である。
図7】本発明の中央給電アレーアンテナの垂直方向指向性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。
【0029】
(アレーアンテナの構成)
本発明のアレーアンテナの構成及び詳細を図1及び図2に示す。アレーアンテナAは、平行部分線路1、平行部分線路2、垂直部分線路3及び終端アンテナ4を備える。平行部分線路2は、曲げ構造部21を備える。垂直部分線路3は、反射抑圧部31を備える。
【0030】
アレーアンテナAは、伝送線路がクランク状に形成されるアレーアンテナである。平行部分線路1及び平行部分線路2は、アレーアンテナAの延伸方向と平行方向に二列に形成される、クランク状の伝送線路の一部断片である。垂直部分線路3は、アレーアンテナAの延伸方向と垂直方向に形成される、クランク状の伝送線路の一部断片である。
【0031】
平行部分線路1の線路幅は、平行部分線路2の線路幅及び垂直部分線路3の線路幅より広い。すると、平行部分線路2及び垂直部分線路3の交点の近傍において、クランク状の不連続部に起因する、マイクロストリップラインアンテナからの放射が生じる。そして、平行部分線路1の角部の近傍において、クランク状の不連続部及びインピーダンスの不連続部に起因する、マイクロストリップラインアンテナからの放射が生じる。さらに、平行部分線路1の全長及び全幅において、パッチアンテナからの放射が生じる。
【0032】
よって、マイクロストリップラインアンテナからの放射量を追加した分だけ、パッチアレーアンテナからの放射量を削減してもよい。そして、各パッチ素子の幅を広げ過ぎなくてもよく、すなわち、各平行部分線路1の幅を広げ過ぎなくてもよく、アレーアンテナAの延伸方向と垂直方向の指向性を広くすることができる。このように、中央給電進行波型アレーアンテナが備える二体の各々のアレーアンテナAのように、素子数の少ないアレーアンテナAにおいて、高放射効率及び広角指向性を両立させることができる。
【0033】
本実施形態では、直線偏波アンテナを想定している。よって、平行部分線路2及び垂直部分線路3の交点から平行部分線路1の中線までの線路長は、約λ/2としている。そして、平行部分線路1の線路長は、平行部分線路1がパッチアンテナとして機能することも考慮したうえで、約λ/2としている。ここで、λは、アレーアンテナAが形成される誘電体基板の周囲の環境における、実効波長である。
【0034】
なお、平行部分線路2及び垂直部分線路3の交点から平行部分線路1の中線までの線路長と、平行部分線路1の線路長は、マイクロストリップラインアンテナからの放射及びパッチアンテナからの放射が最適化されるように、実験又は計算で決定すればよい。また、平行部分線路1の線路幅は、所望のサイドローブの特性が得られるように、実験又は計算で決定すればよく、各々の平行部分線路1の線路幅は、それぞれ異なってもよい。
【0035】
曲げ構造部21は、アレーアンテナAの延伸方向と平行方向のサイズと、お互いに隣接する垂直部分線路3の間の線路長と、を調整する。本実施形態では、曲げ構造部21は、クランクであるが、マイクロストリップラインアンテナとしては機能しない。そして、曲げ構造部21は、アンテナ素子として機能する平行部分線路1及び垂直部分線路3に形成されず、線路長の調整としてのみ機能する平行部分線路2に形成される。
【0036】
このように、アレーアンテナAの延伸方向と平行方向の開口を小さくするため、アレーアンテナAの延伸方向と平行方向の指向性を広くすることができる。そして、アレーアンテナAの各アンテナ素子が異相で励振されるときには、正面方向に対する放射方向のチルト角度を調整するために、各アンテナ素子の間の線路長を調整することができる。さらに、アレーアンテナAの全アンテナ素子が同相で励振されるときには、全アンテナ素子からの同相での反射を起こしにくくしたうえで(次に後述の反射抑圧部31を用いたうえで)、各アンテナ素子の間の線路長を2πradの整数倍分に調整することができる。
【0037】
反射抑圧部31は、アレーアンテナAの給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する。本実施形態では、反射抑圧部31は、スタブである。そして、反射抑圧部31は、曲げ構造部21が形成されて他の要素の配置の余裕がない平行部分線路2に形成されず、曲げ構造部21が形成されず他の要素の配置の余裕がある垂直部分線路3に形成される。
【0038】
このように、アレーアンテナAの全アンテナ素子が同相で励振されるときでも、全アンテナ素子からの同相での反射が起きにくいため、この周波数において反射ロスが小さくなり放射効率が高くなるとともに、正面方向に放射が起こるようになる。
【0039】
終端アンテナ4は、アレーアンテナAの給電位置と反対方向の終端位置に形成される。よって、進行波型アレーアンテナは、元々終端抵抗において散逸された電力を、終端アンテナ4において放射するため、放射効率をさらに向上させることができる。
【0040】
(中央給電アレーアンテナの構成)
本発明の中央給電アレーアンテナの構成を図3に示す。中央給電アレーアンテナCでは、以上に記載の二体のアレーアンテナAが、一列に形成され、中央給電部5により、当該一列の中央で給電される。ここで、中央給電アレーアンテナCの水平方向を、アレーアンテナAの延伸方向に垂直な方向と同様な方向と定義する。そして、中央給電アレーアンテナCの垂直方向を、アレーアンテナAの延伸方向に平行な方向と同様な方向と定義する。
【0041】
(アレーアンテナの構成)で説明したように、中央給電アレーアンテナCにおいて、高放射効率及び水平方向の広角指向性を両立させることができる。ここで、水平方向の広角指向性は、平行部分線路1の線路幅を広げ過ぎなくてもよいことによるものである。
【0042】
(平面状アレーアンテナの構成)
本発明の平面状アレーアンテナの構成を図4及び図5に示す。平面状アレーアンテナPでは、以上に記載の複数の中央給電アレーアンテナCが、同一平面上にかつお互いに平行に形成される。ここで、平面状アレーアンテナPの水平方向を、中央給電アレーアンテナCの水平方向と同様な方向と定義する。そして、平面状アレーアンテナPの垂直方向を、中央給電アレーアンテナCの垂直方向と同様な方向と定義する。図4では、中央給電部5は、平面状アレーアンテナPの水平方向に直線上に配置される。図5では、中央給電部5は、平面状アレーアンテナPの水平方向に千鳥状に配置される。
【0043】
(アレーアンテナの構成)で説明したように、平面状アレーアンテナPにおいて、高放射効率及び水平方向の広角指向性を両立させることができる。ここで、水平方向の広角指向性は、平行部分線路1の線路幅を広げ過ぎなくてもよいことによるものであるとともに、中央給電アレーアンテナCを水平方向に密に形成可能であることによるものである。
【0044】
(中央給電アレーアンテナの評価)
本発明の中央給電アレーアンテナCの水平方向及び垂直方向の指向性を図6及び図7に示す。アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と同様に、所望の放射量を削減することなく維持したうえで、水平方向及び垂直方向の指向性を十分に広角に拡げることができることが分かる。
【0045】
(その他の変形例)
本発明は、中央給電進行波型アレーアンテナが備える二体の各々のアレーアンテナAのみならず、より一般的に素子数の少ないアレーアンテナAにおいて、例えばアンテナの小型化を図るために面積の小さい基板に形成せざるをえないアレーアンテナAにおいて、高放射効率及び広角指向性を両立させることができる。
【産業上の利用可能性】
【0046】
本発明のアレーアンテナ、中央給電アレーアンテナ及び平面状アレーアンテナは、監視領域を広げたいレーダ等の用途において、適用することができる。
【符号の説明】
【0047】
A:アレーアンテナ
C:中央給電アレーアンテナ
P:平面状アレーアンテナ
1:平行部分線路
2:平行部分線路
3:垂直部分線路
4:終端アンテナ
5:中央給電部
21:曲げ構造部
31:反射抑圧部

図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7