JPS5846082B2 - アレイアンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、複数のアンテナ素子を一方向あるいは多方向
に配列したアレイアンテナに関する。

一般にアンテナ素子を直線上又は平面、立体面、曲面上
等に等間隔で配夕１ルたアレイアンテナでは、アンテナ
素子間の電気長が長くなると、その配列の周期性に起因
して、放射指向性パターンにはメインローブの他にこの
メインローブとほぼ同じ強度のグレイティングローブが
発生する。

すなわち、アンテナ素子間の間隔を物理的に一定とすれ
ば、周波数が高くなるにつれて電気長が長くなるので、
グレイティングローブが生じ易くなる。

このグレイティングローブの発生は、アレイアンテナの
有効帯域幅を制限する要因となる。

また、指定性パターンにグレイティングローブを持つこ
とは、アレイアンテナを広帯域特性が要求されるレーダ
のアンテナあるいはレーダから放射される電波を対象と
する送受信アンテナに用いた場合に目標の誤認を招く原
因ともなる。

従って、グレイティングローブを除去又は抑圧すること
は重要な課題である。

ところで、第１図に示す如く、大きさ及び電気的特性が
全く同じであるアンテナ素子ＩＡを一直Ｍ上に間隔ｄで
Ｎ個配夕１ルたアレイアンテナの放射指向性Ｅ（のは次
式で表わされる。

（ただし、λ：使用周波数の自由空間波長、θ：アンテ
ナ素子配列直線に対する法線方向からの角度） この（１）式において、Ｅ（θ）は周期関数であり、間
隔ｄの値にかかわらずθ＝０で最大値、すなわちメイン
ローブを生じる。

しかし、ｄ−λとすると、第２図にその放射指向性パタ
ーンを示すように、θ＝±９００の方向でもＥ（θ）は
最大値を持ち、メインローブと同じ強度のグレイティン
グローブを持つようになる。

これは各アンテナ素子１Ａから放射される電波が観測点
において同相で合成されるためであって、間隔ｄが波長
λの整数倍のとき、この現象が生じる。

また、アンテナ素子の配列が２次元、３次元となった場
合でも、放射指向性は上記の場合と同じ性質を持ち、い
ずれの場合もアンテナ素子の間隔が均一であることから
グレイティングローブが発生する。

従って、グレイティングローブを除去又は抑圧する方法
としては、アンテナ素子の配列を等間隔とせずに不等間
隔あるいはランダムな配列にすることが考えられる。

しかし、これらの方法では実際にグレイティングローブ
をなくす配列状態を見出すことが容易でなく、製作面で
も複雑さを伴う。

また、たとえ単一周波数でグレイティングローブを除去
できたとしても、他の周波数ではグレイティングローブ
が出ることがあり、周波数帯域も考慮に入れると非常に
困難な方法である。

本発明は、上記の点に鑑み、比較的広帯域にわたりグレ
イティングローブを抑圧して有効帯域幅の拡大を図った
アレイアンテナを提供しようとするものである。

本発明のアレイアンテナは、動作周波数帯域の異なる２
種以上のアンテナ素子、具体的には所要周波数帯全域で
動作するアンテナ素子及び所要周波数帯内の任意の周波
数から所要周波数帯の上限周波数までの帯域で動作する
アンテナ素子を一方向又は多方向に配夕１ルたものであ
る。

この場合、それぞれのアンテナ素子としては、その大き
さが各動作周波数帯域の下限周波数に反比例するものを
用いる。

その結果、動作周波数帯域の異なる夫夫のアンテナ素子
が使用周波数に応じて動作し、使用周波数が高くなるに
つれて段階的にその実質的な間隔が狭くなるので、どの
使用周波数でもグレイティングローブが抑圧されるよう
に作用することになる。

以下、本発明に係るアレイアンテナの実施例を図面に従
って説明する。

第３図は本発明の第１実施例を示す。

この図において、半径Ｒ１のアンテナ素子１と半径Ｒ２
のアンテナ素子２とはいわゆるインターレース配列を構
成するように一直線上に交互に配列されている。

ここで、Ｒ１＞Ｒ２であり、アンテナ素子１の配列間隔
はＤＬ、隣接するアンテナ素子１及び２の配列間隔はＤ
Ｈで示される。

アンテナ素子１゜２はいずれもその大きさ、つまり半径
Ｒ１及びＲ２がその下限動作周波数に反比例しており、
アンテナ素子１はアレイアンテナの所要周波数帯全域ｆ
ｔ−ｆＨ（ｆｔ ：下限周波数、ｆＨ：上限周波数）で
動作するように構成され、アンテナ素子２はｆ２〜ｆＨ
（ｆ２：所要周波数帯域内の任意の周波数であって、ア
ンテナ素子２の下限動作周波数、ｆＬ＜ｆ２〈ｆＨ）の
帯域で動作するように構成される。

なお、アンテナ素子１．２としては、たとえば円形キャ
ビティ表面に放射素子となる導体を形成したものなどを
使用でき、この種のアンテナ素子としては、バックキャ
ビティ付平面スパイラルアンテナやバックキャビティ付
対数周期形アンテナ等が従来知られている。

第３図の第１実施例に示した配列のアレイアンテナの各
アンテナ素子１．２を夫々に割当てられた帯域で動作さ
せるための給電回路の一例を第４図に示す。

この図において、分波器１０Ａ、ＩＯＢは、夫々低域通
過フィルタ１１，１３及び高域通過フィルタ１２．１４
を有しており、それらのカットオフ周波数ｆＣはいずれ
もアンテナ素子２の下限動作周波数ｆ２に選ばれる。

従って、給電端子１６に所要周波数帯全域ｆＬ−４，０
給電がなされると、アンテナ素子１には、実線矢印で示
す経路に従い、分波器１０Ａの低域通過フィルタ１１で
抽出されたｆＬ−ｆ２の周波数成分と、分波器１０Ａの
高域通過フィルタ１２で抽出され分配器１５で分配され
たｆ２〜ｆＨの周波数成分とが分波器１０Ｂを介して加
えられる。

すなわち、アンテナ素子１には所要周波数全域ｆＬ〜ｆ
Ｈの給電が行われる。

アンテナ素子２には、破線矢印で示す経路に従い、高域
通過フィルタ１２で抽出されたｆ２〜ｆＨの周波数成分
が分配器１５を介して加えられる。

以上の構成において、ｆＬ＜ｆ＜ｆ２の範囲内の動作周
波ｉｆにおいてはアンテナ素子１のみカ働（ので実質的
なアンテナ素子配列間隔はＤＬとなり、ｆ ２＜ ｆ
＜ｆ Ｈの範囲内の動作周波数ｆにおいてはアンテナ素
子１．２０両方が動作するので実質的なアンテナ素子配
列間隔はＤＨとなる。

すなわち、グレイティングローブが発生しやすい高い周
波数帯ではアンテナ素子の実質的な配列間隔が狭（なる
ので、グレイティングローブを抑圧することができる。

従って、アレイアンテナとしての有効帯域幅を拡大する
ことが可能であり、かつグレイティングローブに基づく
目標の誤認等も少なくすることができる。

このため、広帯域特性が要求されるレーダのアンテナあ
るいはそれから放射される電波を対象とする送受信アン
テナとして用いた場合、非常に有効である。

上記第１実施例の場合の有効帯域幅の向上効果は第５図
に示される。

この図は、横軸に有効帯域幅ｆ／ｆ Ｌ、縦軸にアンテ
ナ素子配列間隔ＤＫ対応したＤλＬ／λＲｚ （ただし
、λｒ、 ＝ Ｃ／ｆ Ｌ、λ二Ｃ／ｆ、Ｃは光速）の
値を夫々とり、これらの関係をアンテナ素子１及び２の
大きさく半径）の比Ｒ２／Ｒ１をパラメータとして示し
たものである。

ここで、ＤλＬ／λＲ１の値はグレイティングローブの
発生程度の目安となるもので、ＤλＶ′λＲ１の値が大
きくなる程グレイティングローブが大きく出ることを示
す。

この図において、例えばＤλＶ′λＲ１の値が６以下で
あれば、そのときのＤの値が実用上問題のないアンテナ
素子配列間隔であるとする。

このとき、Ｒ２／Ｒ１＝１、すなわちインターレース配
列をしていない従来の場合には、太線Ａで示すようＫｆ
／ｆＬ＝３であるが、Ｒ２／Ｒ１＝ｏ、ｓとして第３図
の第１実施例の如きインターレース配列をした場合には
、１（ｆＬ＜２の範囲でアンテナ素子１のみが働き、２
＜ ｆ ／ｆ Ｌの範囲ではアンテナ素子２も共に働
くため、太線Ｂで示すようにｆ／ｆ Ｌ＝４となり、有
効帯域幅が著しく拡大されることが判る。

なお、Ｒ２／Ｒ１＝ ０．２５とした場合は細線Ｃで示
されるが、この場合はアンテナ素子１．２の大きさの設
定が不適当であり、アンテナ素子２が動作する以前にＤ
λＬ／λＲ１の値が６以上になってしまうことを示す。

従って、実用上許容し得るＤλＬ／λＲ１の値を考慮し
てＲ２／Ｒ１の値を設定する必要があるが、Ｒ２／Ｒ１
を０．４〜０．８の範囲内とすれば従来のＲ２／Ｒ１−
１の場合よりも改善効果が得られる。

上記第１実施例では、アンテナ素子が２種類でかつ直線
上に交互に配列された場合を示したが、本発明は２次元
、３次元のアンテナ素子配列にも応用できる。

第６図ａは本発明の第２実施例であって３種類のアンテ
ナ素子１．２．３を同一直線上に一定順序で配置１ルた
場合を示す。

ここで、各アンテナ素子１．２．３０半径はＲ１、Ｒ２
、Ｒ３（但し、Ｒ□＞ Ｒ２＞ Ｒ３）であって、動作
周波数帯域は夫々ｆＬ〜ｆＨ，ｆ２〜ｆＨ及びｆ３〜ｆ
Ｈ（但し、ｆ Ｌ＜ ｆ ２＜ｆ ３＜ｆＨ）である。

なお、半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は各アンテナ素子１．２．
３の下限動作周波数ｆＬ、ｆ２、ｆ３に反比例した大き
さに設定される。

第６図すは本発明の第３実施例であって、２種類のアン
テナ素子１．２をすべて異なる種類のアンテナ素子と隣
接するように、つまりアンテナ素子１．２が夫々正三角
形の頂点に位置するように同一平面上に配置１ルた場合
を示す。

なお、アンテナ素子１．２０半径及び動作周波数帯域は
第１実施例の場合と同様にして定めればよい。

第６図Ｃは本発明の第４実施例であって、３種類のアン
テナ素子１．２．３を夫々が正方形の頂点に位置するよ
うに配置１ルた場合を示す。

なお、各アンテナ素子の半径及び動作周波数は第２実施
例と同様にすればよい。

給電回路の構成も使用するアンテナ素子の種類によって
変える必要があるが、第６図ａ及びＣに示した第２、第
４実施例のように３種類のアンテナ素子１．２．３を用
いる場合の給電回路の構成例を第７図に示す。

この図において、給電端子２０に所要周波数全域ｆＬ〜
ｆＨの給電がなされると、分波器２１によりｆＬ−ｆ２
の周波数成分、ｆ −ｆ の周波数成分及びｆ３〜
ｆＨの周波３ 数成分に分波される。

そのｆ２〜ｆ３の周波数成分は、さらに二分配器２５を
介して分波器２２．２４に分配され、ｆ３〜ｆＨの周波
数成分は二分配器２６を介してアンテナ素子３及び分波
器２３．２４に分配される。

この結果、アンテナ素子３はｆ３〜ｆＨの周波数成分の
給電を受け、アンテナ素子２は分波器２４を介してｆ２
〜ｆＨの周波数成分の給電を受け、アンテナ素子１は分
波器２３を介してｆｌ−ｆＨの所要周波数帯全域の給電
を受けることになる。

なお、上記各実施例ではアンテナ素子として円形のもの
を例示したが、円形のものに限らず他の形状でもよく、
またアンテナ素子を相互に接触させた場合を示したが、
一定間隔をおいて近接配置するようにしても差し支えな
い。

取上のように、本発明によれば、使用周波数にかかわら
ずグレイティングローブを抑圧でき有効帯域幅を拡げる
ことが可能なアレイアンテナを実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアレイアンテナの一例を示す概略構成図
、第２図はその放射指向性パターンを示すグラフ、第３
図は本発明に係るアレイアンテナの筬１実施例を示す概
略構成図、第４図は第１実施例に用いる給電回路の一例
を示すブロック図、第５図は実施例の効果を説明するた
めのグラフ、第６図ａは本発明の第２実施例を示す概略
構成図、同図すは第３実施例を示す概略構成図、同図Ｃ
は第４実施例を示す概略構成図、第７図は、第２、第４
実施例に用いる給電回路の一例を示すブロック図である
。 １．２．３・・・・・・アンテナ素子、ＩＯＡ、１０Ｂ
、２１．２２．２３．２４・・・・・・分波器、１１，
１３・・・・・・低域通過フィルタ、１２．１４・・・
・・・高域通過フィルタ、１５．２５．２６・・・・・
・分配器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 所要周波数帯の下限周波数に反比例した径方向の大
   きさＲ１を有しかつその所要周波数帯全域で動作する第
   １のアンテナ素子と、所要周波数帯内の任意の周波数を
   下限動作周波数としこの下限動作周波数に反比例した径
   方向の大きさＲ２を有していて、その下限動作周波数か
   ら前記所要周波数帯の上限周波数までの帯域で動作する
   第２のアンテナ素子とを一方向又は多方向に交互に又は
   一定順序で配夕１ル、前記第１のアンテナ素子の配列間
   隔を約Ｒ１＋Ｒ２としかつＲ２／／Ｒ１を０．４〜０．
   ８に設定したことを特徴とするアレイアンテナ。