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JP2009171022A - Phased array antenna - Google Patents

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JP2009171022A
JP2009171022A JP2008004404A JP2008004404A JP2009171022A JP 2009171022 A JP2009171022 A JP 2009171022A JP 2008004404 A JP2008004404 A JP 2008004404A JP 2008004404 A JP2008004404 A JP 2008004404A JP 2009171022 A JP2009171022 A JP 2009171022A
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JP
Japan
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antenna
array antenna
phased array
degrees
dipole
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Application number
JP2008004404A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Sugawara
章 菅原
Yasuhiro Kazama
保裕 風間
忠 ▲高▼野
Tadashi Takano
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Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Original Assignee
Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
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Publication date
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Priority to JP2008004404A priority Critical patent/JP2009171022A/en
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  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

【課題】天頂より低い仰角(仰角が90度より小さい)衛星方向を向くアンテナ素子を用いたフェーズドアレイアンテナを提供する。
【解決手段】半球面上に2つの主ビームを持つ素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ、又は、ダイポールアンテナと反射板から構成され、反射板とダイポールアンテナとの間隔が0.35λ〜0.55λである素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ、又は、半球面上に2つの主ビームを持つ素子アンテナと無給電素子を交互に配列したフェーズドアレイアンテナ。
【選択図】図3
There is provided a phased array antenna using an antenna element that faces a satellite at an elevation angle lower than the zenith (an elevation angle is less than 90 degrees).
A phased array antenna in which element antennas having two main beams are arranged on the same plane on a hemisphere, or a dipole antenna and a reflector, and the distance between the reflector and the dipole antenna is 0.35λ. A phased array antenna in which element antennas of 0.55λ are arranged on the same plane, or a phased array antenna in which element antennas having two main beams and parasitic elements are alternately arranged on a hemisphere.
[Selection] Figure 3

Description

本発明は、フェーズドアレイアンテナに関する。   The present invention relates to a phased array antenna.

従来反射板付ダイポールアンテナを素子アンテナとするフェーズドアレイアンテナとしてはレーダーを用途としたアンテナがある。この場合用途がレーダーであるためアンテナの主ビーム方向は配列アンテナ面に対して垂直方向にある必要があり、通常配列面に対して±45度程度の電子的ビーム走査を行っている。   Conventionally, as a phased array antenna using a dipole antenna with a reflector as an element antenna, there is an antenna that uses a radar. In this case, since the application is radar, the main beam direction of the antenna needs to be perpendicular to the array antenna surface, and an electronic beam scan of about ± 45 degrees is usually performed with respect to the array surface.

一方衛星通信移動体用フェーズドアレイアンテナとしてはL−バンド帯で使用することを目的として、薄型化の観点からマイクロストリップアンテナを素子アンテナとしたアンテナが報告されている(非特許文献1)。
更に近年の移動体衛星通信の必要性から以下に示す非特許文献2ないし4が発表されている。
On the other hand, as a phased array antenna for a satellite communication mobile body, an antenna using a microstrip antenna as an element antenna has been reported for the purpose of use in the L-band band (Non-patent Document 1).
Further, Non-Patent Documents 2 to 4 shown below have been announced due to the necessity of recent mobile satellite communications.

電子情報通信学会論文誌、B-II、 Vol. J72-B-II、 No.7、 pp. 323-329、 1989年、題目:自動車搭載衛星通信用電子走査アンテナ、著者:西川訓利、佐藤和夫、藤元美俊、所属:株式会社豊田中央研究所IEICE Transactions, B-II, Vol. J72-B-II, No.7, pp. 323-329, 1989, Title: Electronic scanning antenna for on-board satellite communications, Authors: Nishikawa Kunoshi, Sato Kazuo, Yoshitoshi Fujimoto, Affiliation: Toyota Central Research Institute, Ltd. 電子情報通信学会論文誌、B、 Vol. J89-B、 No. 9、 pp. 1696-1704、 2006年、題目:簡易衛星追尾型アレーアンテナの電子走査特性、著者:金子謙一、田中憲光、高橋応明、伊藤公一、所属:千葉大学IEICE Transactions, B, Vol. J89-B, No. 9, pp. 1696-1704, 2006, Title: Electronic scanning characteristics of a simple satellite tracking array antenna, Authors: Kenichi Kaneko, Norimitsu Tanaka, Toyoaki Takahashi, Koichi Ito, Affiliation: Chiba University IEEE Antennas and Propagation Magazine、 Vol. 33、 No. 3、 pp. 33-41 (pp. 37-38の第6章、 Planar microstrip Yagi array)、 June 1991、題目:Microstrip Antenna Development at JPL、 著者:John Huang、 所属:Jet Propulsion LaboratoryIEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 33, No. 3, pp. 33-41 (Chapter 6 of pp. 37-38, Planar microstrip Yagi array), June 1991, Title: Microstrip Antenna Development at JPL, Author: John Huang, Affiliation: Jet Propulsion Laboratory IEEE Transactions on Antennas and Propagation、 Vol. 55、 No. 6、 pp. 1883-1887、 June 2007、題目:A Novel Planar Switched Parasitic Array Antenna With Steered Conical Pattern、 著者:W. H. Chen、 J. W. Sun、 X. Wang、 Z. H. Feng、 F. L. Chen、 Y. Furuya、 and A. Kuramoto、 所属:Tsinghua University and NEC YRP CenterIEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 55, No. 6, pp. 1883-1887, June 2007, Title: A Novel Planar Switched Parasitic Array Antenna With Steered Conical Pattern, Authors: WH Chen, JW Sun, X. Wang, ZH Feng, FL Chen, Y. Furuya, and A. Kuramoto, Affiliation: Tsinghua University and NEC YRP Center

上述したようにフェーズドアレイアンテナはレーダーあるいは衛星通信を目的として各種のアンテナが開発、研究されてきたが、これらフェーズドアレイアンテナに共通した点はアレイアンテナとして使用する素子アンテナの放射指向性はその最大放射方向がアンテナ面に垂直である点である(図1参照)。   As described above, various types of phased array antennas have been developed and studied for the purpose of radar or satellite communications. However, what is common to these phased array antennas is the maximum radiation directivity of the element antennas used as array antennas. The radiation direction is perpendicular to the antenna surface (see FIG. 1).

これは元来フェーズドアレイアンテナは軍需用レーダーを目的として研究開発されたものであるため、その基本技術はレーダーを目的とした技術にあるためである。即ち素子アンテナの指向特性は半球面上に一つのビームしか持たないアンテナ素子を用いる技術であり、このため素子アンテナのビーム幅に沿ってしかビーム走査が出来ないフェーズドアレイアンテナにおいては、せいぜい±45度程度しかビーム走査ができず、従って、赤道上に静止している通信衛星と、地上を移動する自動車あるいは列車等の移動体との通信(移動体衛星通信)は、一部の国家(赤道直下にある国々)を除いて、アンテナ高は高くなる欠点はあるが高品質な通信を確保するためにアレイアンテナを衛星方向に傾け、その状態でビーム走査、もしくはアンテナを固定して使うか、あるいはアンテナを薄くするために平面上のアンテナを用いたフェーズドアレイアンテナによる不十分な品質の通信で満足するかであった。   This is because the phased array antenna was originally researched and developed for the purpose of radar for military use, and its basic technology is a technology intended for radar. That is, the directivity of the element antenna is a technique using an antenna element having only one beam on the hemisphere. Therefore, in a phased array antenna that can perform beam scanning only along the beam width of the element antenna, ± 45 at most. The beam scanning can only be performed to a certain degree. Therefore, communication between a communication satellite that is stationary on the equator and a mobile object such as an automobile or a train that travels on the ground (mobile satellite communication) is limited to some countries (equator. Except for countries directly below), there is a drawback that the antenna height is high, but in order to ensure high-quality communication, the array antenna is tilted toward the satellite, and in that state beam scanning or antenna is fixed, Or it was satisfied with insufficient quality communication with a phased array antenna using a planar antenna to make the antenna thinner.

この問題に対処するには素子アンテナの主ビームが衛星方向に向くような素子アンテナを用いれば良いのであるが、この分野の専門家の間では、この手法では仰角90度方向の放射レベルが劣化し、素子アンテナのビームが図2に示すように2つに割れるため、フェーズドアレイアンテナとしたとき、1つのビームが作れないのではないかとの推測から、これまでそのような特性を持つ素子アンテナを用いてフェーズドアレイアンテナを構成した例がなかった。   To deal with this problem, it is sufficient to use an element antenna with the main beam of the element antenna pointing in the direction of the satellite. However, among experts in this field, this technique deteriorates the radiation level in the direction of 90 ° elevation. However, since the beam of the element antenna is split into two as shown in Fig. 2, it is assumed that one beam cannot be made when a phased array antenna is used. There has been no example of configuring a phased array antenna using.

また、フェーズドアレイアンテナでは電子的なビーム走査の為に各アンテナ素子に給電位相を変えるための移相器を装着する必要があるが、この移相器が高価であるため、上述したようにいくつかのフェーズドアレイアンテナの研究がなされてきたが実用に至っていないのが実情である。   In addition, in the phased array antenna, it is necessary to attach a phase shifter for changing the feeding phase to each antenna element for electronic beam scanning. However, since this phase shifter is expensive, as described above, some Although research on such a phased array antenna has been made, the fact is that it has not been put into practical use.

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、これまで使用された素子アンテナの主ビームが素子に対して天頂方向を向くのではなく、天頂より低い仰角(仰角が90度より小さい)の衛星方向を向くアンテナ素子を用いたフェーズドアレイアンテナを提供するものである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the main beam of the element antenna used so far does not face the zenith direction with respect to the element, but the elevation angle is lower than the zenith (the elevation angle is less than 90 degrees). ) To provide a phased array antenna using antenna elements facing the satellite.

更に本発明のアンテナでは、高価な移相器の数を削減するため全てのアンテナ素子を給電するのではなく、給電素子を間引くことにより安価なフェーズドアレイアンテナを提供することをも目的の1つとしている。   Furthermore, in the antenna of the present invention, one of the objects is to provide an inexpensive phased array antenna by thinning out the feeding elements instead of feeding all the antenna elements in order to reduce the number of expensive phase shifters. It is said.

上記課題を解決するために、本願では、例えば、以下の各発明を提供する。
(発明1)
半球面上に2つの主ビームを持つ素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ。
(発明2)
ダイポールアンテナと反射板から構成され、反射板とダイポールアンテナとの間隔が0.35λ〜0.55λである素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ。
In order to solve the above problems, the present invention provides, for example, the following inventions.
(Invention 1)
A phased array antenna in which element antennas having two main beams are arranged on the same plane on a hemisphere.
(Invention 2)
A phased array antenna in which element antennas, each of which is composed of a dipole antenna and a reflector, and whose distance between the reflector and the dipole antenna is 0.35λ to 0.55λ are arranged on the same plane.

発明1及び2の素子アンテナは素子アンテナと垂直方向、即ち天頂方向にはほぼ放射せず、円錐状に2つの最大放射方向をもつアンテナであり(図2参照)、半球面上に2つの主ビームを持っていることを特徴としている。なお、「円錐状」とは、図2のドーナッツの右方向と左方向に「厚み」が厚い部分を示す。   The element antennas of the inventions 1 and 2 are antennas that do not radiate in the direction perpendicular to the element antenna, that is, the zenith direction, and have two maximum radiation directions in a conical shape (see FIG. 2). It is characterized by having a beam. The “conical shape” indicates a portion where the “thickness” is thick in the right direction and the left direction of the donut in FIG. 2.

更に、この素子アンテナをフェーズドアレイアンテナとして用いたとき、やはり天頂方向(仰角90度)ではなく、それより低い仰角(仰角<90度)の主ビームを有する点がこれまでにない大きな特徴である(図3参照)。   Furthermore, when this element antenna is used as a phased array antenna, it is a major feature that has never been seen before, which has a main beam with a lower elevation angle (elevation angle <90 degrees) than the zenith direction (elevation angle 90 degrees). (See Figure 3).

(発明3)
半球面上に2つの主ビームを持つ素子アンテナと無給電素子を交互に配列したフェーズドアレイアンテナ。
このような構成にすることによって、間引き給電を行うことができるので、高価な移相器を削減でき一層の価格の低減化が図れる。
(Invention 3)
A phased array antenna in which element antennas with two main beams and parasitic elements are arranged alternately on a hemisphere.
With such a configuration, thinning-out power feeding can be performed, so that an expensive phase shifter can be reduced and the price can be further reduced.

以上説明したように、本発明のアンテナは円錐状の放射特性を持つ素子アンテナによって構成されるフェーズドアレイアンテナであるから、日本国内から赤道上に静止する静止衛星との通信を行うような、所望の衛星が天頂方向にない場合の衛星通信を行う場合に従来の素子アンテナを用いたフェーズドアレイアンテナに比べて特に高角度方向のアンテナ利得が高いことから、通信品質の良い通信を提供できるばかりか、小型することが可能となり、ひいてはアンテナ価格の低減化が可能となる。   As described above, since the antenna of the present invention is a phased array antenna composed of element antennas having a conical radiation characteristic, it is desirable to communicate with a geostationary satellite stationary on the equator from Japan. When satellite communication is performed when the satellite is not in the zenith direction, the antenna gain in the high angle direction is particularly high compared to the phased array antenna using the conventional element antenna, so that communication of good communication quality can be provided. Thus, it is possible to reduce the size of the antenna, and thus the antenna price can be reduced.

更に本発明のアンテナでは間引き給電を行うことができるので、高価な移相器を削減でき一層の価格の低減化が図れる。   Further, since the antenna of the present invention can perform thinning power feeding, an expensive phase shifter can be reduced and the cost can be further reduced.

以下の説明では、本願発明の「天頂方向(仰角90度)ではなく、それより低い仰角(仰角<90度)の主ビームを有する」という特徴を更に具体化して、赤道上の静止衛星を見る仰角、30度〜60度方向の仰角を有するアンテナを中心に説明を行なう。   In the following description, the feature of the present invention “having a main beam having a lower elevation angle (elevation angle <90 degrees) than the zenith direction (elevation angle 90 degrees)” is further embodied, and a geostationary satellite on the equator is viewed. An explanation will be made focusing on an antenna having an elevation angle of 30 to 60 degrees.

図4に本発明の実施形態に係る、フェーズドアレーアンテナの慨構成を示す。
当該アンテナは素子アンテナを多数配列したアレイアンテナ部401と、それら各素子にビーム走査に必要な移相器を含む給電回路部403から成っている。
FIG. 4 shows a saddle configuration of a phased array antenna according to an embodiment of the present invention.
The antenna includes an array antenna unit 401 in which a large number of element antennas are arranged, and a power feeding circuit unit 403 including a phase shifter necessary for beam scanning in each of the elements.

素子アンテナとしては通常用いられる半波長ダイポールアンテナを用い、これを平面反射板上に配列している。配列方法としては4つの素子アンテナがそれぞれ4角形をなす構造の方形配列であっても、また3つの素子アンテナが3角形をなす3角配列であっても良い。   As the element antenna, a normally used half-wave dipole antenna is used and arranged on a flat reflector. The arrangement may be a square arrangement in which each of the four element antennas forms a quadrangle, or may be a triangle arrangement in which the three element antennas form a triangle.

この場合反射板と素子アンテナの距離はレーダー等で用いられる単ビームを形成するλ/4ではなく、図2に示すようにアンテナの天頂方向には放射せずに円錐状に2方向に最大放射を示す距離であることが好ましい。このような距離の素子アンテナを配列してフェーズドアレーアンテナを構成すれば、後述のように、赤道上の静止衛星を見る仰角、30度〜60度方向の仰角を有するアンテナが得られる。   In this case, the distance between the reflector and the element antenna is not λ / 4 which forms a single beam used in radar or the like, but does not radiate in the zenith direction of the antenna as shown in FIG. It is preferable that it is the distance which shows. If element antennas having such distances are arranged to constitute a phased array antenna, an antenna having an elevation angle when viewing a stationary satellite on the equator and an elevation angle in the direction of 30 to 60 degrees can be obtained as will be described later.

計算によれば国内から赤道上の静止衛星を見る仰角、30度〜60度方向でこの特性が得られるアンテナ高は0.35λ〜0.55λであり、またこのアンテナ高の時にフェーズドアレイアンテナでのビーム走査可能角度が最大放射方向に対し±15度以上得られ、国内から衛星を追尾するに必要な仰角30度〜60度を満足することができる。   According to the calculation, the antenna height at which this characteristic can be obtained at an elevation angle of 30 to 60 degrees when viewing a geostationary satellite on the equator from Japan is 0.35λ to 0.55λ, and at this antenna height, a phased array antenna is used. The beam scannable angle of ± 15 degrees or more with respect to the maximum radiation direction is obtained, and the elevation angle of 30 degrees to 60 degrees necessary for tracking the satellite from within the country can be satisfied.

なお、アンテナ高=0.35λのときには、他のアンテナのパラメータ(素子アンテナどうしの間隔距離、素子アンテナ間の給電位相差、等)がどのようなものであっても、30度の仰角、アンテナ高=0.55λのときには、他のアンテナのパラメータがどのようなものであっても、60度の仰角、ということが言える。つまり、アレイにすると相互結合の影響で正確には2〜3°変わりるが、アンテナに従事している当業者はこの程度の違いは測定しても判別不可能なため、問題にはしない。   When the antenna height is 0.35λ, the elevation angle of 30 degrees, the antenna, regardless of the parameters of the other antennas (interval distance between element antennas, feeding phase difference between element antennas, etc.) When high = 0.55λ, it can be said that the elevation angle is 60 degrees regardless of the parameters of other antennas. In other words, when it is an array, it changes by 2 to 3 ° precisely due to the influence of mutual coupling. However, since this difference cannot be discriminated even by a person skilled in the art engaged in antennas even if it is measured, it is not a problem.

因みに、アンテナ高=0.45λ〜0.52λの場合、上記アンテナ高の時に最大放射方向はほぼ天頂から45度方向を向く。   Incidentally, when the antenna height is 0.45λ to 0.52λ, the maximum radiation direction is substantially 45 degrees from the zenith at the antenna height.

更にこの場合、本アンテナを素子アンテナとして配列してフェーズドアレイアンテナとし、位相制御によって国内から見た上記した所望の衛星方向にビームを走査した場合には、上記の仰角範囲で図3に示すように主ビームは1つとなり、従来の半球面内で1つの主ビームを持つ素子アンテナによるフェーズドアレイアンテナと同様なビームが形成される。つまり、所定の方位角と、90度より小さい仰角を有するフェーズドアレイアンテナを得ることが可能である。   Furthermore, in this case, when this antenna is arranged as an element antenna to form a phased array antenna, and the beam is scanned in the desired satellite direction as seen from the country by phase control, as shown in FIG. The number of main beams is one, and a beam similar to that of a conventional phased array antenna formed by an element antenna having one main beam in a hemisphere is formed. That is, it is possible to obtain a phased array antenna having a predetermined azimuth angle and an elevation angle smaller than 90 degrees.

この場合の「方位角」を変えることは、各素子への給電位相を変えることによって可能である。   In this case, the “azimuth angle” can be changed by changing the feeding phase to each element.

このときアンテナ利得は従来のアンテナと比較すると、図5に示すように天頂方向から30度程度の角度(仰角60度)における走査時には2dB程度の利得低下がみられるものの、60度以上(仰角30度以下)の高角度走査時、例えば63度においては、本発明のアンテナの方が従来アンテナと比較し逆にアンテナ利得が7dB以上高くなる利点を有する。(なお、30度程度の角度=仰角60度、60度以上=仰角30度以下、という意味である)   At this time, the antenna gain is 60 degrees or more (elevation angle 30), although a gain decrease of about 2 dB is observed when scanning at an angle of about 30 degrees from the zenith direction (elevation angle 60 degrees) as shown in FIG. When scanning at a high angle (less than or equal to degrees), for example, at 63 degrees, the antenna of the present invention has an advantage that the antenna gain is 7 dB or more higher than the conventional antenna. (An angle of about 30 degrees = an elevation angle of 60 degrees, 60 degrees or more = an elevation angle of 30 degrees or less)

従って例えば我が国以外でさらに高角度の走査が必要となる北欧等の国々に対しては非常に有効である。配列に要する素子数は多くなるほどその効果は顕著であるが、16素子以上あればよい。   Therefore, for example, it is very effective for countries such as Scandinavia that require scanning at a higher angle outside Japan. The effect becomes more remarkable as the number of elements required for the arrangement increases.

本構成のダイポールアンテナ素子としては、アンテナ工学の知識があるものが寸法等も含めて通常設計するアンテナ素子である。従って線状導体によってアンテナを構成するも良いし、通常用いられる高周波用の誘電体基板を用いてダイポールアンテナを設計したものでも良い。   As a dipole antenna element of this configuration, an antenna element that has knowledge of antenna engineering is usually designed including dimensions and the like. Therefore, the antenna may be constituted by a linear conductor, or a dipole antenna may be designed using a generally used high frequency dielectric substrate.

アレイアンテナの実施例として、高さh=0.48λ、ダイポール素子(11)の半径α=0.0087λ、ダイポール素子(11)の長さL=0.474λの反射板付ダイポールアンテナを、図6のように、三角配列19素子アレーアンテナとし、x軸方向、及びy軸方向でのダイポール素子(11)の間隔dx、dyをそれぞれdx=0、55λ、dy=0.476λ、反射板(12)を5λ×5λとした場合のH面ビーム走査特性のシミュレーション結果を図7(a)に示す。   As an example of the array antenna, a dipole antenna with a reflector having a height h = 0.48λ, a radius α = 0.0007λ of the dipole element (11), and a length L = 0.474λ of the dipole element (11) is shown in FIG. As described above, the triangular array 19-element array antenna is used, and the distances dx and dy between the dipole elements (11) in the x-axis direction and the y-axis direction are dx = 0, 55λ, dy = 0.476λ, and the reflector (12 FIG. 7A shows the simulation result of the H-plane beam scanning characteristic when) is 5λ × 5λ.

図7(a)は移相量に対するアレーアンテナの主ビーム角であり、移相量を67.5〜157.5度に設定することにより、主ビームが通信衛星方向の放射角30〜60度にビーム走査されている。   FIG. 7A shows the main beam angle of the array antenna with respect to the phase shift amount. By setting the phase shift amount to 67.5 to 157.5 degrees, the radiation angle of the main beam in the direction of the communication satellite is 30 to 60 degrees. The beam is scanned.

図7(b)は移相量に対するアレーアンテナの利得であり、移動体衛星通信において通信を行わない天頂方向から放射角20度付近までは低利得であるが、放射角26〜64度付近で高利得となっており、かつ利得が安定している。   FIG. 7B shows the gain of the array antenna with respect to the amount of phase shift. The gain is low from the zenith direction where communication is not performed in mobile satellite communication to the vicinity of the radiation angle of 20 degrees, but near the radiation angle of 26 to 64 degrees. The gain is high and the gain is stable.

本実施例1のアレイアンテナは、下記のようにも表現できる。
平面反射板と、
前記平面反射板上に、高さh=0.48λの問隔を保って配置した、単一の半波長ダイポールアンテナ、
を備えるアンテナであって、
磁界面での主ビーム角が仰角30度〜60度となることを特徴とした反射板付ダイポールアンテナを素子アンテナとし、この素子アンテナを複数配列したアレーアンテナであって、
前記h=0.48λ、
前記半波長ダイポールアンテナの素子半径α=0.0087λ、
前記ダイポール素子長L=0.474λ、
前記反射板の大きさを5λ×5λの矩形、
とし、
前記アレーアンテナを前記反射板に鉛直方向から見たときに、個々のダイポールアンテナの長手方向が、互いに平行にX軸方向に並び、
前記鉛直方向に直交し、かつ前記X軸に直交する、Y軸方向に、順番に、3本、4本、5本、4本、3本、だけ前記ダイポールアンテナが配置され、
前記3本、5本、3本のダイポールアンテナの、中央の1本のダイポールアンテナの長手方向の中心のX座標が一致し、
前記4本、4本のダイポールアンテナの、中央の1本のダイポールアンテナの長手方向の中心のX座標が一致し、
前記3本、5本、3本のダイポールアンテナのそれぞれの長手方向の中心のX座標が、前記4本、4本のダイポールアンテナの素子間の空隙の中心のX座標と一致し、
X軸方向での隣接したダイポールアンテナ中心同士の間隔dx=0.5λ、
Y軸方向での隣接したダイポールアンテナ中心同士の間隔dy=0.476λ、
全素子数=19、
前記19素子のダイポールアンテナ群の重心が、前記矩形の反射板の重心と一致し、
互いに隣接するアンテナ間の移相量=67.5〜157.5度とする、
ことによって、主ビームが放射角=30〜60度の範囲でビーム走査される、
フェーズドアレーアンテナ。
The array antenna of the first embodiment can also be expressed as follows.
A plane reflector,
A single half-wave dipole antenna disposed on the planar reflector with a height h = 0.48λ.
An antenna comprising:
A dipole antenna with a reflector, characterized in that the main beam angle on the magnetic field surface is 30 to 60 degrees, and an array antenna in which a plurality of the element antennas are arranged,
H = 0.48λ,
Element radius α = 0.0007λ of the half-wave dipole antenna;
The dipole element length L = 0.474λ,
The size of the reflecting plate is a rectangle of 5λ × 5λ,
age,
When the array antenna is viewed from the vertical direction on the reflector, the longitudinal directions of the individual dipole antennas are arranged in parallel to each other in the X-axis direction,
The dipole antenna is arranged in order of three, four, five, four, three in order in the Y-axis direction perpendicular to the vertical direction and perpendicular to the X-axis,
The X coordinate of the center in the longitudinal direction of one central dipole antenna of the three, five, and three dipole antennas coincides,
The X coordinate of the center in the longitudinal direction of one central dipole antenna of the four or four dipole antennas coincides,
The X coordinate of the center in the longitudinal direction of each of the three, five, and three dipole antennas coincides with the X coordinate of the center of the gap between the elements of the four and four dipole antennas,
Distance dx = 0.5λ between adjacent dipole antenna centers in the X-axis direction,
The distance dy = 0.476λ between adjacent dipole antenna centers in the Y-axis direction,
Total number of elements = 19,
The center of gravity of the 19-element dipole antenna group coincides with the center of gravity of the rectangular reflector,
The amount of phase shift between adjacent antennas = 67.5-157.5 degrees,
Accordingly, the main beam is scanned in a range of radiation angle = 30 to 60 degrees.
Phased array antenna.

更に本発明のアンテナは配列された全てのアンテナ素子に給電せずに、給電しない素子を含む構造、即ち間引き給電法であっても良い。このとき本発明のアンテナは全てのアンテナ素子に給電するとほぼ同等のアンテナ特性が得られる。   Furthermore, the antenna of the present invention may have a structure including an element that does not supply power without supplying power to all the arranged antenna elements, that is, a thinning power supply method. At this time, when the antenna of the present invention is fed to all antenna elements, substantially the same antenna characteristics can be obtained.

実験と計算結果によれば間引きを行う素子については以下の基本条件に従っている。
(1)給電素子と無給電素子とを交互に配置する。
(2)但し、数パーセントは給電素子、あるいは無給電素子が連続してもかまわない。
(3)その時の主ビームの方向は下記の式によって決まる。

θ=sin-1(φ/kd) (式1)

ここでθは主ビームの方向、kは波数 、ψは所望のθ方向にビーム走査するための給電素子間の位相差、dは通常考えられている無給電素子も含めた素子間距離ではなく、給電素子の素子間距離である。
また、λは波長である。
According to the experiment and calculation results, the elements to be thinned are in accordance with the following basic conditions.
(1) Feeding elements and parasitic elements are alternately arranged.
(2) However, for several percent, a feeding element or a parasitic element may be continuous.
(3) The direction of the main beam at that time is determined by the following equation.

θ = sin −1 (φ / kd) (Formula 1)

Where θ is the direction of the main beam, k is the wave number, ψ is the phase difference between the feeding elements for beam scanning in the desired θ direction, and d is not the distance between the elements including the normally considered parasitic elements. , The distance between elements of the feeding element.
Λ is a wavelength.

次に間引き給電をした場合の説明を行なう。
図8には間引き給電をした場合のアンテナの一実施例を示す。
このアンテナは、反射板1、給電用素子アンテナ2、及び、無給電の素子アンテナ3から構成される。
Next, a description will be given of the case where thinning power feeding is performed.
FIG. 8 shows an embodiment of an antenna when thinning power feeding is performed.
This antenna is composed of a reflecting plate 1, a feeding element antenna 2, and a parasitic element antenna 3.

図8では、給電素子と無給電素子の反射板からの高さは等しく0.48λに取られている。計算によれば無給電素子の高さは給電素子の高さと必ずしも等しく取る必要はなく、給電アンテナ素子の高さの半分から1.5倍の高さの範囲であれば同等あるいはそれ以上の特性が得られている。   In FIG. 8, the heights of the feeding element and the parasitic element from the reflecting plate are equally 0.48λ. According to the calculation, the height of the parasitic element does not necessarily have to be equal to the height of the feed element, and the characteristics are equal to or higher than the half of the height of the feed antenna element to 1.5 times the height. Is obtained.

素子数は縦方向に5素子、横方向に5素子の25素子配列となっている。また更に反射板の寸法は従来から配列アンテナで採用されている素子数により決まる寸法に取られ、この例ではほぼ3.3λの角型に取られている。   The number of elements is a 25-element array of 5 elements in the vertical direction and 5 elements in the horizontal direction. Further, the size of the reflecting plate is determined by the number of elements conventionally employed in the array antenna, and in this example, the size of the reflecting plate is approximately 3.3λ.

各アンテナ素子間距離は無給電素子も含めて0.55λに取られ、配列方法は縦、横方向とも同一直線状に各アンテナ素子が配列された所謂方形配列である。この場合、配列方法は方形配列の他、フェーズドアレイアンテナで問題となる配列面内の45度方向のサイドローブ特性を改善するために通常用いられる3角配列でも良い。
このアンテナのビーム走査時の指向特性の実測値を図9に示す。
The distance between the antenna elements is 0.55λ including the parasitic elements, and the arrangement method is a so-called square arrangement in which the antenna elements are arranged in the same straight line in both the vertical and horizontal directions. In this case, the arrangement method may be a rectangular arrangement or a triangular arrangement that is usually used to improve the sidelobe characteristics in the 45-degree direction in the arrangement plane, which is a problem with the phased array antenna.
FIG. 9 shows measured values of directivity characteristics during beam scanning of this antenna.

なお、実施例2の具体例に係る発明は、以下のようにも表現できる。

平面反射板と、
前記平面反射板上に、高さh=0.48λの問隔を保って配置した、単一の給電半波長ダイポールアンテナ、及び、
前記平面反射板上に、高さh=0.48λから0.72λの問隔を保って配置した、単一の無給電半波長ダイポールアンテナ
を備えるアンテナであって、
前記反射板の大きさを3.3λ×3.3λの矩形、
とし、
前記アレーアンテナを前記反射板に鉛直方向から見たときに、個々の給電及び無給電ダイポールアンテナの長手方向が、互いに平行に、0.55λの等間隔でX軸方向に並び、
前記鉛直方向に直交し、かつ前記X軸に直交する、Y軸方向に、0.55λの等間隔で順番に、5本の給電ダイポール、5本の無給電ダイポール、5本の給電ダイポール、5本の無給電ダイポール、5本の給電ダイポールが配置され、
全素子数=25、
前記25素子のダイポールアンテナ群の重心が、前記矩形の反射板の重心と一致し、
互いに隣接するアンテナ間の移相量=ψ度とする、
ことによって、
波数=k、d=1.1λ、としたとき、
主ビームが放射角θ=sin-1(ψ/kd)でビーム走査される、
フェーズドアレーアンテナ。
In addition, the invention which concerns on the specific example of Example 2 can also be expressed as follows.

A plane reflector,
A single fed half-wave dipole antenna disposed on the planar reflector with a spacing of height h = 0.48λ, and
An antenna comprising a single parasitic half-wavelength dipole antenna disposed on the plane reflector plate with a height h = 0.48λ to 0.72λ.
The size of the reflecting plate is a rectangle of 3.3λ × 3.3λ,
age,
When the array antenna is viewed from the vertical direction on the reflector, the longitudinal directions of the individual feed and parasitic dipole antennas are parallel to each other and arranged in the X-axis direction at equal intervals of 0.55λ,
Five power supply dipoles, five power supply dipoles, five power supply dipoles, five in order at equal intervals of 0.55λ in the Y axis direction orthogonal to the vertical direction and orthogonal to the X axis There are 5 parasitic dipoles, 5 feeding dipoles,
Total number of elements = 25,
The center of gravity of the 25-element dipole antenna group coincides with the center of gravity of the rectangular reflector,
The amount of phase shift between adjacent antennas = ψ degrees,
By
When wave number = k, d = 1.1λ,
The main beam is scanned with a radiation angle θ = sin −1 (ψ / kd).
Phased array antenna.

本発明は自動車、列車等の陸上を移動する移動体に装備して、衛星を介して通信あるいは放送等を送受信することを目的とした電子的追尾アンテナに等に利用可能であるが、この用途に限定されない。   The present invention can be used for an electronic tracking antenna that is equipped with a moving body that travels on land such as an automobile or a train, and that is used for transmitting or receiving communication or broadcasting via a satellite. It is not limited to.

従来技術のアレイアンテナとして使用する素子アンテナの放射指向性。Radiation directivity of an element antenna used as a conventional array antenna. 素子アンテナと垂直方向、即ち天頂方向にはほぼ放射せず、円錐状に2つの最大放射方向をもつ本願発明の実施の形態に係るアンテナの放射指向性。Radiation directivity of the antenna according to the embodiment of the present invention, which does not substantially radiate in the direction perpendicular to the element antenna, that is, the zenith direction and has two maximum radiation directions in a conical shape. 図2の素子アンテナをフェーズドアレイアンテナとして用いたとき、天頂方向(仰角90度)ではなく、それより低い仰角(仰角<90度)の主ビームを有するフェーズドアレイアンテナの放射指向性。When the element antenna of FIG. 2 is used as a phased array antenna, the radiation directivity of a phased array antenna having a main beam with an elevation angle (elevation angle <90 degrees) lower than the zenith direction (elevation angle 90 degrees). 本発明の実施形態に係る、フェーズドアレーアンテナの慨略構成。1 is a schematic configuration of a phased array antenna according to an embodiment of the present invention. h=0.25λとした素子アンテナを用いたアレイアンテナの利得(◆)と、h=0.48λとした素子アンテナを用いたアレイアンテナの利得(■)の比較Comparison of the gain (◆) of an array antenna using an element antenna with h = 0.25λ and the gain (■) of an array antenna using an element antenna with h = 0.48λ 三角配列19素子反射板付ダイポールアレーアンテナ。Dipole array antenna with triangular array 19-element reflector. 高さh=0.48λの三角配列19素子反射板付ダイポールアレーアンテナのビーム走査特性(移相量に対するアレーアンテナの主ビーム角)。Beam scanning characteristics of a dipole array antenna with a triangular array 19-element reflector with a height h = 0.48λ (the main beam angle of the array antenna with respect to the amount of phase shift). 高さh=0.48λの三角配列19素子反射板付ダイポールアレーアンテナのビーム走査特性(移相量に対するアレーアンテナの利得)。Beam scanning characteristics of a dipole array antenna with a triangular array 19-element reflector with a height h = 0.48λ (array antenna gain with respect to phase shift amount) 間引き給電をした場合のアンテナの一実施例An example of an antenna in the case of thinning power feeding 図8のアンテナのビーム走査時の指向特性の実測値Measured value of directivity during beam scanning of antenna in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

401 アレイアンテナ部
403 給電回路部
401 Array antenna unit 403 Feed circuit unit

Claims (3)

半球面上に2つの主ビームを持つ素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ。   A phased array antenna in which element antennas having two main beams are arranged on the same plane on a hemisphere. ダイポールアンテナと反射板から構成され、反射板とダイポールアンテナとの間隔が0.35λ〜0.55λである素子アンテナを同一平面上に配列したフェーズドアレイアンテナ。   A phased array antenna in which element antennas, each of which is composed of a dipole antenna and a reflector, and whose distance between the reflector and the dipole antenna is 0.35λ to 0.55λ are arranged on the same plane. 半球面上に2つの主ビームを持つ素子アンテナと無給電素子を交互に配列したフェーズドアレイアンテナ。   A phased array antenna in which element antennas with two main beams and parasitic elements are arranged alternately on a hemisphere.
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