JPH1117438A

JPH1117438A - 広帯域幅のアンテナアレイ

Info

Publication number: JPH1117438A
Application number: JP10162090A
Authority: JP
Inventors: David Roy Hill; ロイヒルデビッド
Original assignee: British Aerospace Defence Systems Ltd
Current assignee: BAE Systems Defence Systems Ltd
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 1999-01-22
Anticipated expiration: 2018-06-10
Also published as: GB9711972D0; DE69833070D1; GB2326284A; CN1206230A; CA2236830A1; CN1153317C; CA2236830C; ES2251749T3; DE69833070T2; EP0884798A2; JP4159140B2; US5900844A; EP0884798A3; EP0884798B1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】要素の間隔を制限することなく格子ローブを
抑えることのできる、平面アレイを形成する非対称の対
数周期ダイポールアレイ（ＬＰＤＡ）を提供する。【解決手段】この非対称ＬＰＤＡでは、最短のダイポ
ールを除く全てのダイポールは非対称の「Ｚ」型であ
る。１つの実施の形態では、Ｚダイポールの端部分と中
央部分の角度は９０度である。非対称ＬＰＤＡの幅は一
定で、最高周波数のダイポールの長さに等しい。非対称
ＬＰＤＡの平面アレイは、少なくとも１オクターブにわ
たって格子ローブのない性能を示す。動作周波数の上限
は、主としてフィード点を製作する精度により決まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は例えばある種のレ
ーダー装置に見られる無線周波数アンテナアレイ用の放
射要素に関するもので、より特定すると、このようなア
ンテナアレイの非常に広い周波数帯域幅の動作に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電磁エネルギーは、種々の特定の形状の
アンテナ構造により放射および受信される。ごく普通の
簡単なアンテナ構造は、自動車の放送無線受信や家庭内
テレビ受信への応用に見られる。より複雑なアンテナ構
造は、軍事用および商業用の、遠方の移動中のターゲッ
トを検出するためのレーダー装置に見ることができる。

【０００３】最も複雑なレーダーアンテナはある種のア
ンテナアレイであって、例えば、複数の個別の小さなア
ンテナ要素を相互に接続して、アレイ全体を動かさずに
空間内の電磁エネルギーの放射ビームを電子的に操作で
きるように設計されている。

【０００４】アレイを形成する個々のアンテナ要素は、
例えばよく知られている簡単なダイポールでよい。この
ような要素を基本要素と呼び、通常は放射エネルギーの
所定の周波数において可能な最小の寸法を有する（図
１）。ダイポールアーム１ａと１ｂの長さは通常は動作
周波数においてそれぞれ１／４波長であって、金属接地
板２の上から１／４波長ｘだけ離して設け、所望の方向
ｚに放射させる。伝送線路３は、ダイポールアーム１ａ
と１ｂにエネルギーを供給する。長さｌと直径ｄの比は
通常は１０以上であり、帯域の中心周波数に対して数パ
ーセントの狭い周波数帯で良好な性能を示す。

【０００５】アンテナアレイは所定の表面領域上に均一
にまたは不均一に配置した複数のこのような要素を用い
て製作し、所望のアンテナ放射特性を与えるよう選択す
る。表面は２平面以上で平面または曲面であり、周辺の
形状は任意でよいが一般に円形または長方形、または単
なる直線（長方形の一辺の寸法がゼロの特殊な長方形）
である。

【０００６】図２は、金属接地板６の上に設けられたＭ
ｘＮ個のダイポール要素５の長方形アレイを示す。アレ
イ内のアンテナ要素は、例えば長方形（図の場合）また
は三角形の幾何学的格子４の節点の上に互いに間隔をあ
けて置かれる。アレイポールのパターンが望ましくない
形にならないようにするには、要素５の相互の間隔ｓと
ｐとｄは放射電磁エネルギーの波長の分数の或る最大倍
数を超えてはならない。アレイ内の要素の数を減らそう
として間隔をこの最大要素間隔より大きくすると、アレ
イから放射されたエネルギーのポールパターン内に「格
子ローブ(grating lobes) 」ができる。格子ローブはパ
ターンの主（基本）ローブの複製であるが、空間的な方
向が異なる。

【０００７】レーダー応用では、主ビームが検出したタ
ーゲットと格子ローブビームが検出したターゲットを区
別することができないため不明瞭になる。レーダー信号
プロセッサは格子ローブビームが検出したターゲットを
主ビームが受信したものとして処理し、全く間違った空
間的方向を割り当てる。レーダーでも放送や通信サービ
スなどの他の応用でも、格子ローブは望ましくない空間
領域にいくらかのエネルギーを運んでシステムの動作効
率を悪くする。

【０００８】多くの狭い周波数帯域応用においては、ア
レイ要素の間隔を制限することは一般に可能である。放
射されたパターンの主ビームを電子的に走査しない場合
は、動作周波数において図２の間隔ｄを最大で半波長に
することができる。主ビームを電子的に走査する場合
は、最大走査角を大きくするに従って間隔を減らして、
垂直線からアレイ表面まで９０度走査するときの最小で
半波長にしなければならない。

【０００９】しかし、広い周波数範囲で電磁エネルギー
を送信および受信しなければならない場合がある。例え
ば、所定の広い周波数範囲に分布する１つまたは複数の
周波数で動作する、周波数に鋭敏なレーダーである。周
波数に鋭敏なので、どんな性質の妨害がどの周波数の受
信より強くてもレーダーすなわち戦術的通信システムは
動作を継続することができる。鋭敏性はターゲット検出
や信号処理において他の利点を持ち、これはレーダー装
置に一般に、特に軍事機能への応用に利用されている。

【００１０】このような周波数に鋭敏な軍事用では、で
きるだけ広い周波数帯域で、少なくとも１オクターブに
わたって動作することが一般に望ましい。このために
は、アレイの各要素は選択された周波数範囲で動作し、
かつ各要素の相互の間隔は前に述べた最大間隔基準を全
ての動作周波数で満たさなければならない。帯域の平均
周波数に対して約３０％の広い幅にわたって動作する広
帯域ダイポールを設計する技術が確立されてはいるが、
単一直線ダイポールなどの従来のアンテナ要素ではこれ
は明らかに不可能である。例えば、広帯域半波ダイポー
ルについては、M.C. Bailey の、アンテナおよび伝播
に関するＩＥＥＥ紀要(IEEE Transactionson Antennas
and Propagation), vol AP-32, No. 4, April 1984, pp
410--412に述べられている。これは動作帯域の平均波
長の０．３２倍の長さを持つ蝶ネクタイ形のダイポール
であって、約６００ＭＨｚを中心とする３３％帯域幅で
十分な性能を示し、入力電圧定在波比（ＶＳＷＲ）が
２．０を超えないという基準で決定される。

【００１１】周波数のオクターブ変化にわたって放射す
るダイポールを作ることができたとしても、複数のこの
ようなダイポールで形成されたアレイでは、オクターブ
範囲で格子ローブのない放射を確実に行うのに必要な間
隔の条件を満たすことはできない。ダイポールの長さは
最低周波数での半波長と最高周波数での半波長の間なの
で、ダイポール間の物理的干渉を避けるためにはアレイ
内のダイポールの間隔は最高周波数での半波長を超えな
ければならない。実績のある分析ソフトウエア数値電磁
コード（ＮＥＣ）を用いた、上述のアンテナと伝播に関
するＩＥＥＥ紀要の中の論文に示されている蝶ネクタイ
の数学モデルによると、オクターブ周波数範囲にわたっ
て動作するよう設計することはできない。

【００１２】アレイアンテナに用いる要素は単一ダイポ
ールである必要はない。図３に示す対数周期ダイポール
アレイ（ＬＰＤＡ）は平行の線の伝送線路７の上に一連
の半波長ダイポールを同一平面に並列に配置したもの
で、広帯域要素として用いることができる。図３に示す
５要素ＬＰＤＡはＬＰＤＡ級のアンテナの代表的なもの
である。ＬＰＤＡに用いるダイポール要素の数は必要な
性能特性によって決まる。ＬＰＤＡ内のダイポールの長
さと間隔は、固定座標基準点８からの距離に対数的に比
例して増加する。ＬＰＤＡへのエネルギーは、ダイポー
ル１０に近い供給点９から、基準点８の方向に供給され
る。

【００１３】最初のダイポール１０と最後のダイポール
１１は、数オクターブから１デカッドにわたる対象とす
る周波数帯に適するようそれぞれ選択される。ダイポー
ル１０の寸法は、帯域の高周波数端で正しく放射するよ
う選択する。金属接地板１２をダイポール１１から最低
動作周波数における約１／４波長のところに設けて単方
向放射を行わせる。例えば逆方向に放射されたエネルギ
ーがレーダーの動作に悪影響を与えるようなレーダーに
この発明を応用するときは、単方向放射が望ましい。伝
送線路７は点Ａで金属接地板１２と交差して短絡する。
このようなＬＰＤＡは既知であって例えば英国特許番号
第８８４８８９号にこの種のＬＰＤＡが示されており、
広く用いられている。ＬＰＤＡが放射しまたは受信する
電界ベクトルの方向を波の偏りと呼び、矢印Ｅで示す。
ベクトルＥはダイポールの共通平面（図では水平）内に
ある。それは、ダイポール励起電流が全てこの平面内に
あるからである。

【００１４】平面アレイアンテナは複数のＬＰＤＡ要素
を含み、ダイポールの個々の組を含む平面は平面アレイ
に垂直になるように配置される。図４は、長方形格子１
９の節点上に配置された、アレイ内の要素１４−１８を
示す。

【００１５】このように形成された平面アレイの利点
は、その垂直方向から広い角度のパターンのサイドロー
ブが、単一ダイポール要素の対応するアレイからのサイ
ドローブに比べて少ないことである。その理由は、ＬＰ
ＤＡ要素のビーム幅がダイポール要素のビーム幅より狭
いからである。格子ローブをなくすためにダイポール要
素のアレイに適用されるものと同じ要素間隔基準がＬＰ
ＤＡ要素のアレイにも適用されるが、ＬＰＤＡ要素のビ
ームパターンが狭いために格子ローブの大きさは減少す
る。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ＬＰＤＡでは単一ダイ
ポール要素の周波数帯域幅の制限はなくなるが、単一広
帯域幅ダイポールと同様に、平面アレイにより生成され
る格子ローブを抑えるのに必要な間隔基準は満たさな
い。例えば、図４のＬＰＤＡ１４と１５は、図３の最長
のダイポール要素１１で可能な間隔より近くにアレイ内
に置くことはできない。もしそうすると、ＬＰＤＡ１４
と１５内の高周波要素２０は高周波で相互に半波長以上
（ＬＰＤＡが１オクターブにわたって動作するよう設計
すると実際には１波長）離れて、動作帯域内の高い周波
数で格子ローブが形成される。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は、上記
の問題を解決する直線アレイ要素を与えることである。

【００１８】この発明は、全長の等しくない複数の非対
称ダイポールと、少なくとも１つの短い非対称でないダ
イポールを備える直線アンテナアレイ要素を与え、前記
非対称ダイポールの各ポールは非対称であって前記ダイ
ポールの端部分の長さは等しくかつ前記ダイポールの中
央部分に対して或る角度で形成され、ここで前記中央部
分の長さは最も短い非対称でないダイポールの長さに等
しく、前記ポールは各２本の導体の伝送線路に交互に接
続して正しい励起位相で動作し、前記導体は垂直面内に
平行に並び、各ダイポールの長さと前記伝送線路の軸上
の固定基準点からの距離の比は一定であり、また前記各
ダイポールの全長は全周波数帯域内の所望の離散的送信
または受信周波数に関係する半波長またはその倍数に等
しい。

【００１９】端部分は好ましくは中央部分に対して直角
である。この発明の別の態様では、各ダイポールの各端
部分は逆向きに設けられて１つの垂直面内にある。この
発明の別の態様では、各ダイポールの各端部分は逆向き
であり、実質的に同じ水平面内にある。

【００２０】この発明の更に別の態様では、各ダイポー
ルの各端部分は同じ向きであり、実質的に同じ水平面内
にある。この発明により、ＬＰＤＡ内の最低周波数（最
大長さ）のダイポールにより課せられた平面アレイ内の
ＬＰＤＡの間隔についての制限はなくなり、少なくとも
１オクターブの周波数帯域にわたって平面アレイアンテ
ナは良好な動作を行う。

【００２１】非対称ＬＰＤＡ要素は、隣接要素との間隔
が格子ローブ抑制基準に従う複数の要素で構成されるア
レイ内に理想的に置かれることは明らかで、アレイアン
テナビームは少なくとも１オクターブの周波数帯域にわ
たって理想的に走査する。

【００２２】複数の非対称ＬＰＤＡ要素は、システムが
受信する自然のまたは人工の干渉信号に対して広帯域周
波数鋭敏性が優れた防壁になるような特定のシステム応
用のアレイとして用いられる。

【００２３】

【発明の実施の形態】

【実施例】図５は、個々のダイポールを「Ｚ」形すなわ
ち非対称に配置した非対称ＬＰＤＡを示す。端部分と中
央部分の間の角度βは互いに等しく、非対称ダイポール
は１つの平面領域内に完全に含まれる。図の場合の角度
βは９０度である。より詳しく述べると、全てのダイポ
ールの中央部分の長さは同じであって、最高周波数の動
作での半波長に等しい。すなわち従来の非対称でないＬ
ＰＤＡ内の最短ダイポール１０の長さ（ｙの２倍）に等
しい。例えば９０度非対称のダイポール２１の２つの端
部分２１ａと２１ｂの長さは等しく、全ダイポール長さ
は図３の１３で示す等価直線ダイポールと同じである。
このようにＬＰＤＡの「幅」は一定であり、帯域幅の要
求とは無係に最高周波数の動作により調整される。

【００２４】複数のこのような非対称ダイポールにより
形成されるＬＰＤＡを製作する方法はいくつかある。図
６から図９はこの発明の４つの実施の形態を示す。金属
接地板を垂直面で示し、２線の伝送線路が第２の垂直面
内にあって接地板と直角に交わるように示すと説明を理
解しやすい。

【００２５】図６において、ＬＰＤＡを形成する各ダイ
ポールを含む平面は互いに平行であり、また金属接地板
に平行である。しかし、非対称ＬＰＤＡを形成するダイ
ポールは電流を運ぶ成分（Ｉ_h) と（Ｉ_v) をそれぞれ
水平面と垂直面に有するので、放射電界ベクトルＥは水
平面内にはない。ＬＰＤＡが送信する信号の偏りは直線
ではあるが傾斜面内にあり、非対称ダイポールの構成部
品が放射する電界の水平成分と垂直成分のベクトル和で
ある。これを図６に低周波ダイポールアーム２２ａと２
２ｂにおける成分Ｅ_1hとＥ_1vで示す。ベクトル和により
真の低周波電界はＥ₁＝Ｅ_1h +Ｅ_1vであり、水平に対し
て角度θだけ傾斜する。ただしθ＝ｔａｎ^-1（Ｅ_1h /Ｅ
_1v）である。θは明らかに低周波ダイポールにおいて最
大である。高周波ダイポールでは、垂直電流成分を含ま
ないのでゼロである。このように、非対称ＬＰＤＡが放
射する電界の偏りは直線であってその方向は周波数の関
数である。アンテナが受信する信号についても同じこと
が言える。

【００２６】レーダーでは、送信信号の偏りと受信信号
の偏りは主として予想されるターゲットと地勢クラッタ
の性質を考慮して選択される。通常は水平か垂直か４５
度である。レーダーとその応用の性質によるが、非常に
広い鋭敏な帯域幅にわたって動作できるので、周波数に
従う偏りの回転から生じる欠点を打ち消すことができ
る。メートル波（ＶＨＦ）と超高周波（ＵＨＦ）では、
偏りが垂直のときは低周波（ＶＨＦ）で起こる回折によ
り、また偏りが水平のときは高周波（ＵＨＦ）の葉浸透
(foliage penetration) 特性により、明らかな利点があ
る。非対称ＬＰＤＡがＶＨＦ帯とＵＨＦ帯の適当な部分
をカバーするよう設計すると、これらの利点は図６に示
す複数の非対称ＬＰＤＡ要素の平面アレイにより実現さ
れる。

【００２７】この発明の第２の実施の形態を図７に示
す。この場合は、フィード伝送線路２４ａと２４ｂを形
成する導体の小さな間隔を無視すれば、非対称ダイポー
ルは単一水平面内に制限される。したがってこの実施の
形態の非対称ＬＰＤＡが送信する電界の直線の偏りは水
平である。これは、例えば回折や葉浸透機構が重要でな
い高周波レーダーなどの、この発明の特定の応用におい
て指定される要求である。

【００２８】ダイポールの端部分が図８に示すように
「Ｃ」型の非対称であって並行で同一平面に配置されて
いるときは、この非対称ＬＰＤＡは図７に示す実施の形
態の性能に比べて広い角度（α）で優れた性能を持つ。
これは「Ｃ」型のダイポールの端部分が運ぶ電流が大き
さが等しくて方向が逆だからであって、放射された電界
成分は打ち消す傾向にある。α＝９０度のとき、成分は
完全に打ち消されてその方向には放射が起こらない。こ
れは、例えばレーダー応用において平面アレイ内に用い
る非対称ＬＰＤＡ要素としては理想的である。

【００２９】この発明の第４の実施の形態を図９に示
す。この場合は、図８に示す形の非対称ダイポールと伝
送線路は１つの両面または２つの片面のプリント回路板
２６の上に完全に集積組立品としてエッチされる。この
方法で製作すると製作公差の優れた制御と良い再現性が
得られる。これは、波長が非常に小さい周波数では重要
な利点である。ダイポール要素と伝送線路は、最大の非
対称ダイポールを含む寸法から最短の非対称でないダイ
ポールを超える点のゼロ寸法まで次第に減少する、誘電
材料の薄板内に含まれる。

【００３０】上に述べた各実施の形態において、アレイ
の端には多数の非対称でないダイポール１０を設けてよ
い。図１０に、同じ非対称ＬＰＤＡ要素が平面アレイ内
に配置された実施の形態を示す。各要素は規則的な長方
形格子上に配置され、各軸は互いに平行であって前記直
線アレイの基礎を形成する線に対して直角である。

【００３１】平面アレイは、前に述べた複数の直線アレ
イ要素を含む任意の形に製作してよい。直線アレイ要素
は格子の節点上に規則的なまたは不規則的な間隔で設け
てよい。節点は長方形か三角形かまたはその他の幾何学
的形状でよく、直線アレイ要素の軸は互いに平行であっ
て平面アレイの平面に対して直角である。

【００３２】非平面アレイは、上に述べた平面アレイの
表面を一重にまたは二重に曲げて製作してよい。この発
明の応用はＶＨＦ帯やＵＨＦ帯に限られるものではな
く、原理的にはレーダーや通信やその他の目的で、広い
帯域幅、特に１オクターブ以上にわたって動作させるの
に必要な、任意の平面または直線アレイアンテナに用い
て非常に利点がある。周波数の上限は、フィード点と伝
送線路を製作できる精度により決まる。

【図面の簡単な説明】

この発明の種々の実施の形態を、次の図面を参照して説
明する。

【図１】従来のアンテナアレイの基本要素であるダイポ
ール。

【図２】金属接地板の上にＭｘＮ個のダイポール要素を
配置した従来の長方形のアンテナアレイ。

【図３】従来の対数周期ダイポールアレイ（ＬＰＤ
Ａ）。

【図４】ＭｘＮ個のＬＰＤＡを配置した従来の長方形の
アンテナアレイ。

【図５】この発明の非対称対数周期ダイポールアレイ
（ＬＰＤＡ）。

【図６】この発明のＬＰＤＡの１つの実施の形態。

【図７】この発明のＬＰＤＡの別の実施の形態。

【図８】この発明のＬＰＤＡの別の実施の形態。

【図９】この発明のＬＰＤＡの別の実施の形態。

【図１０】非対称ＬＰＤＡの平面アレイ。

【符号の説明】

２金属接地板５伝送線路１０非対称でないダイポール２１非対称のダイポール

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直線アンテナアレイの要素であって、全
長の等しくない複数の非対称ダイポールと、少なくとも
１つの短い非対称でないダイポールとを備え、前記非対
称ダイポールの各ポールは非対称であって前記ダイポー
ルの端部分の長さは等しくかつ前記ダイポールの中央部
分に対して所定の角度で形成され、前記中央部分の長さ
は最も短い非対称でないダイポールの長さに等しく、前
記ポールは各２本の導体の伝送線路に交互に接続して正
しい励起位相で動作し、前記導体は垂直面内に平行に並
び、各ダイポールの長さと前記伝送線路の軸上の固定基
準点からの距離の比は一定であり、また前記各ダイポー
ルの全長は全周波数帯域内の所望の離散的送信または受
信周波数に関係する半波長またはその倍数に等しい、直
線アンテナアレイ要素。
【請求項２】前記端部は実質的に非対称であって前記
中央部分に対して直角である、請求項１に記載の直線ア
ンテナアレイ要素。
【請求項３】各ダイポールの各端部は逆向きに設けら
れて１つの垂直面内にある、請求項１または請求項２に
記載の直線アンテナアレイ要素。
【請求項４】各ダイポールの各端部は逆向きであり、
実質的に１つの平面内にある、請求項１または請求項２
に記載の直線アンテナアレイ要素。
【請求項５】各ダイポールの各端部は同じ向きであ
り、実質的に同じ平面内にある、請求項１に記載の直線
アンテナアレイ要素。
【請求項６】前記ダイポールと伝送線路の各導体はプ
リント回路板の上にエッチされ、その平面の表面は実質
的に並行である、請求項４または請求項５に記載の直線
アンテナアレイ要素。
【請求項７】前記伝送線路の各導体とこれに接続する
前記各ポールは前記プリント回路板の異なる側にエッチ
される、請求項４または請求項５に記載の直線アンテナ
アレイ要素。
【請求項８】前記ダイポールと伝送線路は、最大の非
対称ダイポールを含む寸法から最短の非対称でないダイ
ポールを超える点でのゼロ寸法まで次第に減少して誘電
材料の薄板内に含まれる、請求項５または請求項６に記
載の直線アンテナアレイ要素。
【請求項９】前記アンテナアレイ要素の軸は互いに平
行であり、前記直線アレイの基礎を形成する線に対して
直角である、前記請求項のいずれかに記載の複数の前記
直線アンテナアレイ要素により形成される直線アレイ。
【請求項１０】前記直線アンテナアレイ要素は格子の
節点上に規則的なまたは不規則的な間隔で設けられ、前
記格子の節点は長方形か三角形かまたはその他の幾何学
的形状でよく、前記直線アンテナアレイ要素の軸は互い
に平行で前記平面アレイの平面に対して直角である、請
求項１から８のいずれかに記載の複数の前記直線アンテ
ナアレイから成る任意の形状の平面アレイ。
【請求項１１】請求項１０に記載の前記平面アレイの
表面を一重にまたは二重に曲げることにより形成される
非平面領域アレイ。