JP2019047266A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】アレーアンテナの反射端からの電波放射を抑制する。【解決手段】アレーアンテナは、給電線路（２０）及び複数の放射素子（３１、３２）を備える。給電線路は、その反射端から電気長で波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）に相当する部分（１０）の線路幅が、該相当する部分より入力端側の他の部分に比べて広い。【選択図】図２

Description

本発明は、アレーアンテナの技術分野に関する。

この種のアンテナとして、例えば直線状に延びた給電ストリップ線路と、該線路から垂直に突出した１０個の放射アンテナ素子とを有する平面アレーアンテナが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００１−１１１３３０号公報

特許文献１に記載の給電ストリップ線路の形状のような形状を有するアレーアンテナでは、反射端からの電波放射が比較的大きい。反射端からの電波放射は、放射アンテナ素子以外からの不要な電波放射である。反射端からの電波放射が比較的大きいと、サイドローブのレベルが上昇し、アレーアンテナの指向性に影響が及ぶ。このため、誤検出やノイズが増加し、結果としてアレーアンテナの検出性能が低下してしまう。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、反射端からの電波放射を抑制することができるアレーアンテナを提供することを課題とする。

本発明の一態様に係るアレーアンテナは、給電線路及び複数の放射素子を備えるアレーアンテナであって、前記給電線路は、その反射端から電気長で波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）に相当する部分の線路幅が、前記相当する部分より入力端側の他の部分に比べて広いというものである。

実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。 実施形態に係るアレーアンテナの反射端を示す拡大図である。 比較例に係るアレーアンテナを示す平面図である。 比較例に係るアレーアンテナの特性の一例を示す図である。 比較例に係るアレーアンテナの特性の他の例を示す図である。 アレーアンテナの反射端近傍の形状とその特性との関係の一例を示す図である。 実施形態の第１変形例に係るアレーアンテナの反射端を示す拡大図である。 実施形態の第２変形例に係るアレーアンテナの反射端を示す拡大図である。 実施形態の第３変形例に係るアレーアンテナの反射端を示す拡大図である。

実施形態に係るアレーアンテナについて図１乃至図６を参照して説明する。

（構成）
実施形態に係るアレーアンテナについて図１を参照して説明する。図１は、実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。ここで、図１（ａ）は、実施形態に係る水平偏波用のアレーアンテナを示している。図１（ｂ）は、実施形態に係る垂直偏波用のアレーアンテナを示している。

図１（ａ）に示すように、水平偏波用のアレーアンテナは、直線状に延びる給電線路２０と、該給電線路２０が延びる方向と交わる方向に枝状に突出した複数の放射素子部３１とを備えて構成されている。同様に、図１（ｂ）に示すように、垂直偏波用のアレーアンテナは、直線状に延びる給電線路２０と、該給電線路２０に沿って所定間隔で配置された複数の放射素子部３２とを備えて構成されている。ここで、給電線路２０は、マイクロストリップ線路であることが望ましい。

給電線路２０の入力端２１に入力された電力の一部は、各放射素子部３１又は３２に順次結合して放射される（即ち、各放射素子部３１又は３２から電波が放射される）。入力端２１に入力された電力の他の部分（即ち、残余電力）は、給電線路２０の開放型の反射端に達する。反射端で反射された電力は、再度、放射素子部３１又は３２に順次結合して放射される。

本実施形態に係るアレーアンテナは反射端を含む部分１０の形状に特徴がある。以降では、水平偏波用のアレーアンテナ及び垂直偏波用のアレーアンテナの区別を明記せずに、部分１０の形状について説明する。

部分１０について図２を参照して説明を加える。図２は、実施形態に係るアレーアンテナの反射端を示す拡大図である。

図２において、部分１０は、給電線路２０との接続部２３から見たときに電気長で波長の４分の１倍に相当する部分である。言い換えれば、部分１０は、給電線路２０の反射端２２から電気長で波長の４分の１に相当する部分である。図２に示すように、部分１０の幅Ｗ１（即ち、給電線路２０が延びる方向に交わる方向の距離）は、部分１０より入力端２１側の給電線路２０の幅Ｗ２よりも広くなっている。

給電線路２０の左方端部から部分１０の左方への突き出し量と部分１０の給電線路２０が延びる方向の長さは同じＬ１である。同様に、給電線路２０の右方端部から部分１０の右方への突き出し量と部分１０の給電線路２０が延びる方向の長さは同じＬ１である。

（比較例）
ここで、比較例に係るアレーアンテナを挙げつつ、上記部分１０の形状の意義について説明する。比較例に係るアレーアンテナは、図３に示すように、給電線路２０の反射端近傍の部分（即ち、上記部分１０に相当する部分）の幅が、給電線路２０の該部分より入力端２１側の幅と同じである。

上述の如く、アレーアンテナの入力端２１から入力された電力のうち残余電力は、給電線路２０の反射端に達する。反射端に達した残余電力の一部は反射端で反射され、残余電力の他の部分は反射端から放射される。ここで特に、開放型の反射端では、反射端の電圧が比較的大きくなり、反射端及び地板（図示せず）間に比較的強い電界が生じる。この結果、比較的多くの電力が電波として反射端から放射される。

具体的には例えば、垂直偏波用のアレーアンテナでは、各放射素子部３２からの電力の放射量（図４の“設計値”を示す白丸参照）以外に反射端からの放射が生じる（図４の“設計外”を示す白菱形参照）。ここでは、仮に振幅値で最大値の２０％（電力にして４％）の放射が反射端からあるものとする。

この反射端からの電力の放射は、アレーアンテナの放射指向性に影響を与える。具体的には例えば、図５に示すように、反射端からの電力の放射がある場合の放射指向性（図５の“端部放射あり”を示す実線参照）は、反射端からの電力の放射が無い場合の放射指向性（図５の“設計値”を示す破線参照）に比べて、サイドローブのレベルが高い。サイドローブは周囲からの干渉やノイズの増大を引き起こすことが知られている。このため、比較例に係るアレーアンテナでは、誤検出やノイズが増加し、結果として該アレーアンテナの検出性能が低下してしまう。

さて、給電線路２０が上述の部分１０を有することにより次のような作用が得られる。即ち、給電線路２０を入力端２１から反射端２２に向かって伝搬する電力は、反射端２２と、部分１０の入力端２１側の接続部２３との２箇所で反射する。なぜなら、接続部２３を境として特性インピーダンスが変化するからである。接続部２３において電力（即ち、残余電力）の一部が反射されるので、反射端２２に達する電力が減ることになる。この結果、反射端２２から放射される電力量が抑制される。

開放型の反射端２２での電力の反射は開放端反射であるので、反射波の位相は入射波の位相から変化しない。他方、接続部２３での電力の反射は固定端反射である。なぜなら、部分１０の特性インピーダンスは、給電線路２０の特性インピーダンスより低いからである。このため、接続部２３で反射する反射波の位相は入射波の位相から１８０度ずれる（即ち、位相が反転する）。

ここで、反射端２２で反射する電力と接続部２３で反射する電力との行路差は、電気長で波長の２分の１倍（即ち、“λ／２”）である。なぜなら、部分１０を接続部２３から見たときの電気的長さはλ／４に相当する（往復でλ／２）からである。このため、反射端２２で反射する電力と接続部２３で反射する電力とは同相となり強め合う関係にある。この結果、部分１０による反射特性の劣化は生じない。

（技術的効果）
実施形態に係るアレーアンテナの技術的効果について図６を参照して説明する。図６は、アレーアンテナの反射端近傍の形状とその特性との関係の一例を示す図である。図６（ａ）において、符号“＃１”で示す形状は、上述した比較例に係るアレーアンテナに相当する。符号“＃３”で示す形状は、本実施形態に係るアレーアンテナの部分１０の形状に相当する。

図６（ｂ）は、周波数７６．５ＧＨｚ（ギガヘルツ）における反射特性測定の結果の一例である。図６（ｂ）に示すように、給電線路の反射端近傍の幅（図２の“幅Ｗ１”に相当）が広くなるほど、反射が大きくなることがわかる。つまり、給電線路の反射端近傍の幅が広くなるほど、反射端から放射される電力量が減る。

図６（ｃ）は、周波数を７６ＧＨｚ〜７７ＧＨｚの範囲で変化させた場合の反射波の位相変化量測定の結果の一例である。図６（ｃ）に示すように、給電線路の反射端近傍の幅を広げると位相変化量は小さくなるが、幅を広げ過ぎると位相変化量は増加に転じる。ここで、位相変化量が小さいことは、アレーアンテナを広帯域化することができることを意味する。

本実施形態に係るアレーアンテナによれば、給電線路２０の反射端２２から放射される電力量を抑制することができる。加えて、上述の如く、部分１０を接続部２３から見たときの電気的長さをλ／４とすることによって、部分１０による反射特性の劣化を生じないようにすることができる。更に、図６（ｃ）に示すように、当該アレーアンテナを広帯域化することができる。

尚、部分１０の幅Ｗ１は、幅Ｗ２よりも広ければ、図２に示した幅に限定されない。図６（ｂ）に示すように、幅Ｗ１が幅Ｗ２よりも広い場合、そうでない場合（図６（ａ）の“＃１”参照）と比較して反射端２２から放射される電力量を抑制可能である。ただし、部分１０の幅Ｗ１は、部分１０の給電線路２０が延びる方向の長さより長いことが望ましい。幅Ｗ１が部分１０の給電線路２０が延びる方向の長さより長い場合には、そうでない場合（図６（ａ）の“＃２”参照）と比較して、反射端２２から放射される電力量を抑制可能である（図６（ｂ）参照）とともに、位相変化量を抑制可能である（図６（ｃ）参照）。

反射端２２から放射される電力量の抑制効果及びアレーアンテナの広帯域化効果に鑑みれば、アレーアンテナの反射端近傍の形状は、図６（ａ）において符号“＃３”で示す形状（即ち、図２の部分１０の形状）が望ましいと言える（図６（ｂ）、（ｃ）参照）。

＜第１変形例＞
上述した実施形態に係るアレーアンテナの第１変形例について図７を参照して説明する。図７は、実施形態の第１変形例に係るアレーアンテナの反射端を示す拡大図である。

部分１０は、図７に示すように、幅Ｗ２の第１部分１１と、該第１部分１１を挟むように配置された第２部分１２（例えばパッチ）とにより形成されていてよい。図７に示す例では、第２部分１２は一辺がａ１（＝Ｌ１）の正方形である。

＜第２変形例＞
上述した実施形態に係るアレーアンテナの第２変形例について図８を参照して説明する。図８は、実施形態の第２変形例に係るアレーアンテナの反射端を示す拡大図である。

上述した実施形態に係る部分１０は、図８に示す部分１０´のように、外縁の一部が円弧状に形成されていてよい。給電線路２０を伝搬する電流は、該給電線路２０の側方端部に集中する。この側方端部を流れる電流が、反射端近傍の部分（ここでは部分１０´）において放射状に広がる。部分１０´の形状は、部分１０´において放射状に広がる電流分布を反映したものである。

部分１０´のうち給電線路２０の左方端部から部分１０´の左方へ突出している部分の半径（即ち、ａ２）は、部分１０´を接続部から見たときの電気的長さがλ／４に相当する半径とすることが望ましい。同様に、部分１０´のうち給電線路２０の右方端部から部分１０´の右方へ突出している部分の半径（即ち、ａ２）は、部分１０´を接続部から見たときの電気的長さがλ／４に相当する半径とすることが望ましい。

＜第３変形例＞
上述した実施形態に係るアレーアンテナの第３変形例について図９を参照して説明する。図９は、実施形態の第３変形例に係るアレーアンテナの反射端を示す拡大図である。

上述した実施形態に係る部分１０は、図９に示す部分１０´´のように、給電線路２０が延びる方向の長さ（即ち、ａ３）が、部分１０´´を接続部から見たときの電気的長さが３λ／４に相当する長さであってよい。この場合、反射端２２（図２参照）で反射する電力と接続部２３（図２参照）で反射する電力との行路差は、電気長で波長の２分の３倍（即ち、“３λ／２”）である。このため、反射端２２で反射する電力と接続部２３で反射する電力とは同相となり強め合う関係にある。従って、本変形例によれば、給電線路２０の反射端２２から放射される電力量を抑制するとともに、部分１０´´による反射特性の劣化を生じないようにすることができる。

以上に説明した実施形態及び変形例から導き出される発明の各種態様を以下に説明する。

発明の一態様に係るアレーアンテナは、給電線路及び複数の放射素子を備えるアレーアンテナであって、前記給電線路は、その反射端から電気長で波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）に相当する部分の線路幅が、前記相当する部分より入力端側の他の部分に比べて広い。

「電気長」は、電気的な位相変化量に基づく長さであり、位相が３６０°変化する長さを１波長相当とする。

上記相当する部分の線路幅を他の部分の線路幅よりも広くすることにより、給電線路を反射端に向かって伝搬する電力は、給電線路の反射端と、相当する部分の入力端側の端部との２箇所で反射する。このため、給電線路の反射端に達する電力が減少する。結果として反射端からの電力放射が減少することとなる。従って、当該アレーアンテナによれば、反射端からの電力（電波）放射を抑制することができる。

反射端での電力の反射は開放端反射であるので、反射波の位相は入射波の位相から変化しない。他方、相当する部分の入力側の接続部での電力の反射は固定端反射である。なぜなら、相当する部分は他の部分よりも特性インピーダンスが低いからである。このため、反射波の位相は入射波の位相から１８０度ずれる（即ち、位相が反転する）。反射端で反射する電力と、相当する部分の入射端側の接続部で反射する電力との行路差は、電気長の（２ｎ−１）／２倍である。なぜなら、相当する部分の給電線路が延びる方向の長さは、相当する部分を接続部から見たときの電気的長さが、波長の（２ｎ−１）／４倍だからである。このため、反射端で反射する電力と、相当する部分の入射端側の接続部で反射する電力とは同相となり強め合う関係にある。相当する部分の給電線路が延びる方向の長さを相当する部分を接続部から見たときの電気的長さを波長の（２ｎ−１）／４倍に相当する長さとなるように構成することによって、相当する部分の形状による反射特性の劣化が生じないようにすることができる。

発明の他の態様に係るアレーアンテナでは、前記相当する部分は、前記給電線路が延びる方向の長さに比べて、前記延びる方向に交わる方向の長さが長い。このように構成すれば、給電線路を反射端に達する電力を減少させることができるので、結果として反射端からの電力放射をより減少させることができる。

発明の他の態様に係るアレーアンテナでは、当該アレーアンテナをその上方から平面的に見て、前記相当する部分は、前記他の部分と同じ線路幅を有する第１部分と、前記第１部分を挟むように配置された第２部分とにより形成されている。このように構成すれば、前記相当する部分を比較的容易に形成することができる。

発明の他の態様に係るアレーアンテナでは、前記給電線路は、マイクロストリップ線路である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うアレーアンテナもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１０、１０´、１０´´…部分、２０…給電線路、２１…入力端、２２…反射端、３１、３２…放射素子部

Claims (4)

1. 給電線路及び複数の放射素子を備えるアレーアンテナであって、
   前記給電線路は、その反射端から電気長で波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）に相当する部分の線路幅が、前記相当する部分より入力端側の他の部分に比べて広い
   ことを特徴とするアレーアンテナ。
2. 前記相当する部分は、前記給電線路が延びる方向の長さに比べて、前記延びる方向に交わる方向の長さが長いことを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。
3. 当該アレーアンテナをその上方から平面的に見て、前記相当する部分は、前記他の部分と同じ線路幅を有する第１部分と、前記第１部分を挟むように配置された第２部分とにより形成されてい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。
4. 前記給電線路は、マイクロストリップ線路であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアレーアンテナ。

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