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JP4378255B2 - Array antenna - Google Patents
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Description

この発明は、例えば衛星等に対して電波を送受信するアレイアンテナに関し、特に高利得を有するアレイアンテナに関する。   The present invention relates to an array antenna that transmits and receives radio waves to, for example, a satellite, and more particularly to an array antenna having a high gain.

衛星等に対して電波を送受信するアンテナとして、パラボラアンテナを利用したアンテナが知られている(特許文献1参照)。   An antenna using a parabolic antenna is known as an antenna that transmits and receives radio waves to and from a satellite or the like (see Patent Document 1).

このアンテナは、いわゆるレーダードームに覆われた状態で、船のマスト等に取り付けられることから小型・軽量であることが要求されている。   This antenna is required to be small and light because it is covered with a so-called radar dome and attached to the mast of a ship.

ところが、パラボラアンテナは、反射鏡と一次放射器が必要であるため、形状が大きく、重量も重くなる。   However, since the parabolic antenna requires a reflecting mirror and a primary radiator, it is large in shape and heavy.

そこで、パラボラアンテナに代替してアレイアンテナを利用することが考えられる。   Therefore, it is conceivable to use an array antenna instead of the parabolic antenna.

通常、アレイアンテナの利得は、各素子アンテナの間隔と素子アンテナの利得によって決定される。したがって、より高い利得を得るためには、第1に素子アンテナの間隔を広げる、あるいは第2に金属製のリム等を素子アンテナの周囲に配置して素子アンテナの利得を高くする必要がある(非特許文献1参照)。   Usually, the gain of the array antenna is determined by the distance between the element antennas and the gain of the element antennas. Therefore, in order to obtain a higher gain, it is necessary to first widen the distance between the element antennas, or secondly, arrange a metal rim or the like around the element antenna to increase the gain of the element antenna ( Non-patent document 1).

特公平6−66573号公報(図1)Japanese Examined Patent Publication No. 6-66573 (FIG. 1) 短い軸モードヘリカルアンテナで構成される4素子アレイアンテナ、塩川孝泰、唐沢好男、p1267−p1274、VOL. J65-B NO.10 (Section J)、昭和57年10月、電子通信学会論文誌4-element array antenna composed of short axial mode helical antenna, Takayasu Shiokawa, Yoshio Karasawa, p1267-p1274, VOL. J65-B NO. 10 (Section J), October 1982, IEICE Transactions

しかしながら、上記第1の手法では、利得の増加に伴いアレイアンテナの径が大きくなる。上記特許文献1に開示されているような機械的な駆動装置を用いて通信相手の追尾するアンテナにおいてはアンテナの径が大きくなると重量が増加し、アンテナ駆動装置が複雑かつ高価になるという問題がある。   However, in the first method, the diameter of the array antenna increases as the gain increases. In an antenna that is tracked by a communication partner using the mechanical drive device disclosed in Patent Document 1, the antenna increases in weight as the antenna diameter increases, and the antenna drive device becomes complicated and expensive. is there.

上記第2の手法をアレイアンテナに適用した場合には、波源となる各素子アンテナとリムの位置が異なるため、リムからの回折波の位相が揃わず、アンテナ利得の低下やサイドローブ特性の悪化をもたらすことが懸念される。   When the second method is applied to an array antenna, the position of each rim antenna serving as a wave source is different from that of the rim, so that the phase of the diffracted wave from the rim does not match, resulting in a decrease in antenna gain and a deterioration in sidelobe characteristics. There is a concern to bring about.

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、アンテナの径を大きくすることなく利得を高くすることを可能とするアレイアンテナを提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such problems, and an object of the present invention is to provide an array antenna that can increase the gain without increasing the diameter of the antenna.

この発明のアレイアンテナは、複数個の素子アンテナと、前記複数個の素子アンテナが平面視で外側に配置され、平面視で内側に前記複数の素子アンテナのそれぞれに対応し且つ前記複数個の素子アンテナから等しい距離にある位置に地導体と同電位にされた金属壁が配置される地導体板と備えることを特徴とする。 The array antenna of the present invention includes a plurality of element antennas and the plurality of element antennas arranged outside in a plan view, and corresponding to each of the plurality of element antennas inside in a plan view and the plurality of elements and the ground conductor plate metal wall that is at the same potential and the ground conductor in a position in equal distance from the antenna is disposed, in that it comprises the features.

この発明によれば、各素子アンテナからの電波が等位相で金属壁に当たり、金属壁からの回折波が等位相で合成される。そのため、金属壁がない場合には、アンテナの側面方向に放射されていた電波がアンテナのブロードサイド方向で合成されることになり、アンテナ利得の向上が図れる。   According to the present invention, the radio waves from the element antennas strike the metal wall with equal phase, and the diffracted waves from the metal wall are synthesized with equal phase. Therefore, when there is no metal wall, the radio wave radiated in the side surface direction of the antenna is combined in the broad side direction of the antenna, and the antenna gain can be improved.

このアレイアンテナにおいて、複数個の素子アンテナが、正四角形の各頂点に設けられている4個の素子アンテナである場合、金属壁は、正四角形の中心から等距離の位置であって、各素子アンテナの隣接する辺と平行するように設ければよい。   In this array antenna, when the plurality of element antennas are four element antennas provided at the vertices of a regular square, the metal wall is located at an equal distance from the center of the regular square, What is necessary is just to provide in parallel with the adjacent edge | side of an antenna.

なお、複数個の素子アンテナは、2個の素子アンテナとすることができる。   The plurality of element antennas can be two element antennas.

この発明によれば、複数の素子アンテナから等距離の位置に金属壁を設けることにより、アレイアンテナの径を大きくすることなく利得を高くすることができる。   According to the present invention, by providing the metal wall at a position equidistant from the plurality of element antennas, the gain can be increased without increasing the diameter of the array antenna.

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は、この発明の一実施形態の円偏波アレイアンテナ10の斜視図である。   FIG. 1 is a perspective view of a circularly polarized array antenna 10 according to an embodiment of the present invention.

図2は、円偏波アレイアンテナ10の平面図である。   FIG. 2 is a plan view of the circularly polarized array antenna 10.

この円偏波アレイアンテナ10は、アルミニューム製の地導体板12を有し、この地導体板12上に、それぞれ円偏波の4個の素子アンテナ14と、高さHで平面視が正四角形の中空の金属壁20が取り付けられた構成となっている。なお、中空ではなく蓋のついた金属壁20でもよい。蓋付き金属壁20の場合には、例えば、中空内部に搭載した高周波給電回路のシールドを兼ねることができる。なお、金属壁20の各壁は、図2に示すように、4個の素子アンテナ14の対向する側面から、それぞれ等しい距離Lの位置に設けられている。   The circularly polarized array antenna 10 has a ground conductor plate 12 made of aluminum. On the ground conductor plate 12, four circularly polarized element antennas 14 and a height H, respectively, are correctly viewed in plan view. A rectangular hollow metal wall 20 is attached. The metal wall 20 with a lid may be used instead of the hollow. In the case of the metal wall 20 with a lid, for example, it can also serve as a shield for a high-frequency power supply circuit mounted inside the hollow. Each wall of the metal wall 20 is provided at an equal distance L from the opposing side surfaces of the four element antennas 14 as shown in FIG.

4個の素子アンテナ14は、図2に示すように、1辺の長さが0.7λ(λは波長)の正方形130の頂点128上に配置されている。この円偏波アレイアンテナ10の使用周波数帯は、300[MHz]〜30[GHz]のマイクロ波帯である。   As shown in FIG. 2, the four element antennas 14 are arranged on the apexes 128 of a square 130 having a side length of 0.7λ (λ is a wavelength). The frequency band used for this circularly polarized array antenna 10 is a microwave band of 300 [MHz] to 30 [GHz].

図1及び図2に示すように、素子アンテナ14は、それぞれ、誘電体基板16上に形成された4個の給電素子18が配列された構成になっている。   As shown in FIGS. 1 and 2, each element antenna 14 has a configuration in which four feeding elements 18 formed on a dielectric substrate 16 are arranged.

給電素子18は、正方形の対向する2角を切り落とし、縮退分離素子19として六角形形状とされている。金属壁20の各壁は、対向する縮退分離素子19、換言すれば、素子アンテナ14の隣接する辺からそれぞれ等距離Lの位置に存在している。   The feeding element 18 has a hexagonal shape as the degenerate separation element 19 by cutting off two opposing squares. Each wall of the metal wall 20 is located at an equal distance L from the adjacent degenerate separation element 19, in other words, the adjacent side of the element antenna 14.

給電方法としては、以下に説明する3通りの方法がある。第1に、各給電素子18の右下端部の給電点33に、図示しないマイクロストリップ給電線で給電する。第2に、地導体板12の裏面側から地導体板12を貫通し、同軸コネクタ等を用いて給電点33に給電する。第3に、地導体板12に開口窓を開け裏面側から電磁給電する。   As a power feeding method, there are three methods described below. First, power is fed to a feed point 33 at the lower right end of each feed element 18 by a microstrip feed line (not shown). Secondly, the ground conductor plate 12 is penetrated from the back side of the ground conductor plate 12, and power is fed to the feeding point 33 using a coaxial connector or the like. Third, an opening window is opened in the ground conductor plate 12, and electromagnetic power feeding is performed from the back side.

なお、各給電素子18の各給電点33からは、順に、位相が90゜ずれる長さにされた各給電線を経由し、各給電線を1つにまとめて給電口とすることで、給電口において、給電素子18に流れる電流を同相合成することができる。   In addition, from each feed point 33 of each feed element 18, the feed lines are sequentially gathered as one feed port through the feed lines whose phases are shifted by 90 °, thereby feeding power. At the mouth, the current flowing through the feeding element 18 can be synthesized in phase.

以上のように構成される円偏波アレイアンテナでは、四角形の2角を切り落とした縮退分離素子19を有する給電素子18の一辺近傍に形成された給電点33から給電するようにしているので、縮退分離素子19が対向する方向及びこれと直交する方向に2つの波源に基づく電流が流れ、円偏波に対応した素子アンテナ14として動作する。このとき、各素子アンテナ14から等しい距離Lにある金属壁20の距離Lと高さHを適宜選択することにより、各素子アンテナ14からの電波が等位相で金属壁20に当たることになるため、金属壁20からの回折波が給電素子18で等位相で合成される。このため、金属壁20が存在しない場合には、給電素子18の側面方向(地導体板12に沿う方向)に放射されていた電波が素子アンテナ14のブロードサイド方向で合成されることからアンテナ利得を高くすることができる。   In the circularly polarized array antenna configured as described above, power is fed from a feed point 33 formed in the vicinity of one side of the feed element 18 having the degeneracy separation element 19 obtained by cutting off two square corners. Currents based on the two wave sources flow in a direction in which the separation element 19 faces and in a direction perpendicular thereto, and the element antenna 14 operates corresponding to circular polarization. At this time, by appropriately selecting the distance L and the height H of the metal wall 20 at an equal distance L from each element antenna 14, the radio wave from each element antenna 14 hits the metal wall 20 in an equal phase. The diffracted waves from the metal wall 20 are synthesized in equiphase by the feed element 18. For this reason, when the metal wall 20 is not present, the radio wave radiated in the side surface direction (the direction along the ground conductor plate 12) of the power feeding element 18 is combined in the broad side direction of the element antenna 14, and thus the antenna gain. Can be high.

図3は、金属壁20があって、給電素子18からの距離LがL=0.1×λ0、その高さHが、それぞれ、H=0.08λ0、H=0.13λ0、H=0.18λ0の場合の規格化周波数とアンテナ利得[dBi]の関係を示す実測した特性図である。   In FIG. 3, there is a metal wall 20, the distance L from the feeding element 18 is L = 0.1 × λ0, and the heights H are H = 0.08λ0, H = 0.13λ0, and H = 0, respectively. .18 is an actually measured characteristic diagram showing the relationship between the normalized frequency and antenna gain [dBi] in the case of 18λ0.

なお、λ0は、規格化周波数「1」のときの波長であり、この実施形態では、λ0=188[cm](周波数は、1.592[GHz])である。   Note that λ0 is a wavelength when the normalized frequency is “1”, and in this embodiment, λ0 = 188 [cm] (frequency is 1.592 [GHz]).

図3から分かるように、金属壁20がある場合には、金属壁20がない場合に比較して、少なくとも規格化周波数0.95〜1.05の全範囲でアンテナ利得[dBi]が高くなることが分かる。   As can be seen from FIG. 3, when the metal wall 20 is present, the antenna gain [dBi] is increased at least over the entire range of the normalized frequency 0.95 to 1.05, compared to the case without the metal wall 20. I understand that.

なお、この発明は、上述した実施形態に限らず、図4に示すように、誘電体基板116上に給電素子118が配置された2個の素子アンテナ114と、この2個の素子アンテナ114から等しい距離Lにある位置に配置された高さHの金属壁120と2個の素子アンテナ114が配置された地導体板112とを備え、地導体板112の裏面側から同軸コネクタ等により給電点133に対して給電するアレイアンテナ110とする等、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。図4例の場合にも、給電の仕方は、図5に示すように、給電端子136からマイクロストリップ線路134を通じて給電端133に給電するアレイアンテナ110Aとする方法、あるいは図示はしないが、図4例の地導体板112に開口窓を開け裏面側から電磁給電する方法を採用することができることはいうまでもない。
いずれの実施形態においても、金属壁20、120は、地導体板116(地導体)と電気的に接続され、金属壁20、120は、地導体と同電位になっている。
The present invention is not limited to the above-described embodiment. As shown in FIG. 4, two element antennas 114 each having a feeding element 118 disposed on a dielectric substrate 116 and the two element antennas 114 are used. A metal wall 120 having a height H disposed at a position at an equal distance L and a ground conductor plate 112 on which two element antennas 114 are disposed are provided. It goes without saying that various configurations can be adopted based on the description of this specification, such as the array antenna 110 that feeds power to 133. In the case of FIG. 4 as well, as shown in FIG. 5, the feeding method is a method of using the array antenna 110A that feeds power from the feeding terminal 136 to the feeding end 133 through the microstrip line 134, or although not shown in FIG. Needless to say, a method of opening an opening window in the ground conductor plate 112 of the example and electromagnetically feeding from the back side can be adopted.
In any embodiment, the metal walls 20 and 120 are electrically connected to the ground conductor plate 116 (ground conductor), and the metal walls 20 and 120 are at the same potential as the ground conductor.

この発明の一実施形態に係るアレイアンテナの斜視図である。1 is a perspective view of an array antenna according to an embodiment of the present invention. 図1例のアレイアンテナの平面図である。It is a top view of the array antenna of the example of FIG. 規格化周波数に対する金属壁の有無のアンテナ利得の特性図である。It is a characteristic view of the antenna gain with and without the metal wall with respect to the normalized frequency. 他の実施形態に係るアレイアンテナの斜視図である。It is a perspective view of the array antenna which concerns on other embodiment. 図4例のアレイアンテナの他の給電方法の説明図である。It is explanatory drawing of the other electric power feeding method of the array antenna of the example of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10、110、110A…アレイアンテナ 12、112…地導体板
14、114…素子アンテナ 16…誘電体基板
18…給電素子 19…縮退分離素子
20、120…金属壁 33…給電点
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 110, 110A ... Array antenna 12, 112 ... Ground conductor plates 14, 114 ... Element antenna 16 ... Dielectric substrate 18 ... Feeding element 19 ... Degenerate separation element 20, 120 ... Metal wall 33 ... Feeding point

Claims (3)

複数個の素子アンテナと、
前記複数個の素子アンテナが平面視で外側に配置され、平面視で内側に前記複数の素子アンテナのそれぞれに対応し且つ前記複数個の素子アンテナから等しい距離にある位置に地導体と同電位にされた金属壁が配置される地導体板と
備えることを特徴とするアレイアンテナ。
A plurality of element antennas;
The plurality of element antennas are arranged outside in a plan view, and are in the same potential as the ground conductor at a position corresponding to each of the plurality of element antennas and in the same distance from the plurality of element antennas in a plan view A ground conductor plate on which the arranged metal wall is disposed ;
An array antenna comprising:
請求項1記載のアレイアンテナにおいて、
前記複数個の素子アンテナが、正四角形の各頂点に設けられている4個の素子アンテナである場合、前記金属壁は、前記正四角形の中心から等距離の位置であって、前記各素子アンテナの隣接する辺と平行するように設けられている
ことを特徴とするアレイアンテナ。
The array antenna according to claim 1, wherein
When the plurality of element antennas are four element antennas provided at the vertices of a regular square, the metal wall is located at an equal distance from the center of the regular square, and the element antennas An array antenna characterized by being provided so as to be parallel to adjacent sides.
請求項1記載のアレイアンテナにおいて、
前記複数個の素子アンテナは、2個の素子アンテナである
ことを特徴とするアレイアンテナ。
The array antenna according to claim 1, wherein
The array antenna, wherein the plurality of element antennas are two element antennas.
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