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JP6569435B2 - Array antenna - Google Patents

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JP6569435B2 JP2015191691A JP2015191691A JP6569435B2 JP 6569435 B2 JP6569435 B2 JP 6569435B2 JP 2015191691 A JP2015191691 A JP 2015191691A JP 2015191691 A JP2015191691 A JP 2015191691A JP 6569435 B2 JP6569435 B2 JP 6569435B2
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Description

本発明は、ホーンアンテナ素子を1次元または2次元に配列したアレイアンテナに関する。   The present invention relates to an array antenna in which horn antenna elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally.

ホーンアンテナ素子を1次元または2次元に配列したアレイアンテナでは、ホーンアンテナ素子の間隔は使用される周波数帯域の上限周波数における1波長未満とする必要がある。その理由は、素子間隔が1波長以上だと、アンテナ放射パターンにグレーティングローブが発生するからである。高周波数領域で素子間隔を1波長未満にし、かつある程度の広さの開口面積を持たせようとすると、ホーンアンテナ素子の数が多くなる。ホーンアンテナ素子の数が多くなると、それぞれのホーンに給電しホーンが受信した電波を合成する給電合成回路が大きなものとなる。給電合成回路を小型化するために、ホーンの開口を複数に分割する格子状の導体を備えるアレイアンテナがある(例えば、特許文献1を参照)。   In an array antenna in which horn antenna elements are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, the interval between horn antenna elements needs to be less than one wavelength at the upper limit frequency of the frequency band to be used. The reason is that a grating lobe occurs in the antenna radiation pattern when the element interval is one wavelength or more. If the element interval is set to less than one wavelength in the high frequency region and an opening area with a certain extent is provided, the number of horn antenna elements increases. As the number of horn antenna elements increases, a power feeding combining circuit that feeds power to each horn and synthesizes radio waves received by the horn becomes larger. In order to reduce the size of the power feeding and synthesizing circuit, there is an array antenna including a lattice-shaped conductor that divides a horn opening into a plurality of parts (for example, see Patent Document 1).

米国特許出願公開第2013/0141300号明細書US Patent Application Publication No. 2013/0141300

1個のホーンの開口を格子状の導体で分割することで、1個のホーンの開口を分割したサブ開口をそれぞれ有する複数のホーンアンテナ素子として扱うことができる。しかし、区分導体は開口に近い部分だけしかなく、隣接するホーンアンテナ素子間での電磁結合などの影響により、各アンテナ素子の位相中心がサブ開口の中心ではなく、ホーンの側面側に存在することになる。その結果、隣接するホーンアンテナ素子間の位相中心の間隔は、長いものと短いものが交互に存在することになる。長い方の間隔が1波長よりも長くなり、グレーティングローブが発生してしまうという課題がある。   By dividing the opening of one horn with a grid-like conductor, it can be handled as a plurality of horn antenna elements each having a sub-opening obtained by dividing the opening of one horn. However, the section conductor has only a portion close to the opening, and due to the influence of electromagnetic coupling between adjacent horn antenna elements, the phase center of each antenna element exists not on the center of the sub-opening but on the side of the horn. become. As a result, the phase center interval between adjacent horn antenna elements is alternately long and short. There is a problem that the longer interval becomes longer than one wavelength and a grating lobe is generated.

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、1個のホーンの開口を導体で区切った複数のホーンアンテナ素子を1次元または2次元のアレイに配列したアレイアンテナで、グレーティングローブの発生を防止することを目的とする。   The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is an array antenna in which a plurality of horn antenna elements in which a single horn opening is divided by a conductor are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array. An object is to prevent the occurrence of grating lobes.

この発明に係るアレイアンテナは、少なくとも内表面が導電性を有する材料ででき、開口を有するホーンと、前記開口を複数のサブ開口に分割し、前記ホーンの内表面と電気的に接続し、少なくとも表面が導電性を有する材料でできた区分導体と、それぞれの前記サブ開口の断面形状の平面図形としての重心であるサブ開口重心を通り前記サブ開口の断面に垂直な直線であるサブ開口重心線が通る位置に配置された複数のパッチ導体とを備えたホーンアンテナを1次元または2次元のアレイ状に配列し、前記ホーンアンテナに属するすべての前記サブ開口を囲む導体領域に、すべての前記サブ開口を切れ目なく囲むように溝が設けられ、前記ホーンアンテナが配列する方向で隣接し、異なる前記ホーンアンテナに属する前記サブ開口の前記サブ開口重心の間の距離が、前記ホーンアンテナが放射する電波の中で最も波長が短い電波の波長である最少放射波長よりも小さいことを特徴とするものである。
The array antenna according to the present invention includes at least an inner surface made of a conductive material, a horn having an opening, the opening being divided into a plurality of sub-openings, and electrically connected to the inner surface of the horn. A sub-opening barycentric line that is a straight line passing through the sub-opening barycentric center passing through the sub-opening barycentric center as a plane figure of the cross-sectional shape of each sub-opening and a section conductor made of a conductive material on the surface Are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array, and in the conductor region surrounding all the sub-openings belonging to the horn antenna, all the sub antennas are arranged. opening a groove so as to surround without a break is provided to be adjacent in the direction in which the horn antenna is arranged, different said sub of the sub-apertures belonging to the horn antenna The distance between the opening centroid, the horn antenna is characterized in that less than minimum emission wavelength is most wavelengths shorter wave wavelengths in the radio wave radiated.

この発明によれば、1個のホーンの開口を導体で区切った複数のホーンアンテナ素子を1次元または2次元のアレイに配列したアレイアンテナで、グレーティングローブの発生を防止できる。   According to the present invention, the generation of grating lobes can be prevented with an array antenna in which a plurality of horn antenna elements in which the opening of one horn is divided by a conductor are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array.

この発明の実施の形態1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 Embodiment 1 of the present invention. 実施の形態1に係るアレイアンテナの一部を拡大した斜視図である。3 is an enlarged perspective view of a part of the array antenna according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係るアレイアンテナのパッチ導体および基板を取り付ける前の状態での一部を拡大した斜視図である。It is the perspective view which expanded a part in the state before attaching the patch conductor and board | substrate of the array antenna which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係るアレイアンテナの平面図である。3 is a plan view of the array antenna according to Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係るアレイアンテナのパッチ導体および基板を取り付ける前の状態での平面図である。It is a top view in the state before attaching the patch conductor and board | substrate of the array antenna which concern on Embodiment 1. FIG. 実施の形態1に係るアレイアンテナのパッチ導体および基板を取り付ける前の状態での一部を拡大した平面図である。It is the top view which expanded a part in the state before attaching the patch conductor and board | substrate of the array antenna which concerns on Embodiment 1. FIG. 図2に示すA−A線での切断部端面図である。FIG. 3 is a cutaway end view taken along line AA shown in FIG. 2. 図2に示すB−B線での切断部端面図である。FIG. 3 is an end view of a cut portion taken along line BB shown in FIG. 2. 実施の形態1に係るアレイアンテナを有するアンテナ装置の機能ブロック図である。2 is a functional block diagram of an antenna apparatus having an array antenna according to Embodiment 1. FIG. 比較例としてのパッチ導体を有さないアレイアンテナでの位相中心を説明する図である。It is a figure explaining the phase center in the array antenna which does not have the patch conductor as a comparative example. 実施の形態1に係るアレイアンテナでの位相中心を説明する図である。6 is a diagram for explaining a phase center in the array antenna according to the first embodiment. FIG.

実施の形態1
図1は、この発明の実施の形態1に係るアレイアンテナの斜視図である。アレイアンテナ100は、複数のホーンアンテナ10を直線状に長手方向に配列したものを、短手方向に複数列に配列している。アレイアンテナ100の開口面であるアレイ開口面が平面になるように、ホーンアンテナ10の開口面を配列する。図1では、長手方向に17個のホーンを配列し、短手方向に6列配列した場合を示している。なお、ホーンアンテナ10を1次元のアレイに配列してもよい。
Embodiment 1
1 is a perspective view of an array antenna according to Embodiment 1 of the present invention. The array antenna 100 includes a plurality of horn antennas 10 linearly arranged in the longitudinal direction and arranged in a plurality of rows in the short direction. The aperture surfaces of the horn antenna 10 are arranged so that the array aperture surface, which is the aperture surface of the array antenna 100, becomes a flat surface. FIG. 1 shows a case where 17 horns are arranged in the longitudinal direction and 6 rows are arranged in the short direction. Note that the horn antennas 10 may be arranged in a one-dimensional array.

アレイアンテナ100の中央の2列では互いに長手方向に位置がずれていないが、片側の3列は、短手方向で隣接するホーンアンテナ10は、長手方向に位置をずらして配置される。全体としてみると、短手方向の中央部が長手方向の片側で突出し、反対側ではへこむ形状である。図1に示すとおり、アレイアンテナ100の短手方向をX方向とし、短手方向と直交する長手方向をY方向とし、X方向およびY方向に垂直な方向をZ方向にする。Z方向は、アレイアンテナ100の指向方向すなわちメインローブの方向である。   In the two central rows of the array antenna 100, the positions of the horn antennas 10 adjacent to each other in the short direction are shifted from each other in the longitudinal direction. When viewed as a whole, the central portion in the lateral direction protrudes on one side in the longitudinal direction, and is recessed on the opposite side. As shown in FIG. 1, the short direction of the array antenna 100 is the X direction, the long direction perpendicular to the short direction is the Y direction, and the direction perpendicular to the X direction and the Y direction is the Z direction. The Z direction is the direction of the array antenna 100, that is, the direction of the main lobe.

図1において破線で示した範囲50の部分を拡大した斜視図を、図2に示す。図1および図2では、パッチ導体1が載置された誘電体の基板2(図4に図示)を透視して書いている。また、パッチ導体1および基板2を取り付ける前の、図2と同様な部分の斜視図を図3に示す。図4に、パッチ導体1および基板2を取り付けた状態での実施の形態1に係るアレイアンテナの平面図を示す。図5に、パッチ導体1および基板2を取り付ける前の状態での平面図を示す。図6に、図5において破線で示した範囲60の部分を拡大した平面図を示す。図6では、パッチ導体1を破線で示す。図7は、図2に示すA−A線での切断部端面図である。図8は、図2に示すB−B線での切断部端面図である。なお、切断部端面図では、切断する平面上に存在する物体だけを表現する。後で説明するが、図6と図7には、アレイアンテナ100の各部の寸法を示す。   FIG. 2 shows an enlarged perspective view of a range 50 indicated by a broken line in FIG. In FIG. 1 and FIG. 2, the dielectric substrate 2 (illustrated in FIG. 4) on which the patch conductor 1 is placed is seen through. FIG. 3 is a perspective view of the same part as FIG. 2 before the patch conductor 1 and the substrate 2 are attached. FIG. 4 shows a plan view of the array antenna according to the first embodiment with the patch conductor 1 and the substrate 2 attached. In FIG. 5, the top view in the state before attaching the patch conductor 1 and the board | substrate 2 is shown. FIG. 6 is an enlarged plan view of a range 60 indicated by a broken line in FIG. In FIG. 6, the patch conductor 1 is indicated by a broken line. FIG. 7 is a cutaway end view taken along line AA shown in FIG. FIG. 8 is an end view of the cut portion taken along line BB shown in FIG. In the cut end view, only the object existing on the plane to be cut is represented. As will be described later, FIGS. 6 and 7 show the dimensions of each part of the array antenna 100.

図1から図7に示すように、ホーン6の開口部には、開口を4個の合同な断面形状を有するサブ開口3を設けるための格子状の区分導体4が設けられる。4個のサブ開口3の断面形状は、角をとった正方形である。区分導体4は、決められた厚さと幅の板状の部材が十字状に形成されたものである。区分導体4は、ホーン枠体5と一体に形成されている。ホーン枠体5は、ホーン6を構成するホーン壁部と隣接するホーン6と連結するための機能を持つ部材である。すべてのホーン枠体5および区分導体4は、一体に形成されている。つまり、この実施の形態1のアレイアンテナ100の開口部側は一体に形成されている。この部材を、開口面部材と呼ぶ。開口面部材は、アルミニウムなどの導電性がよい金属板に、ホーン6ごとに開口およびサブ開口3を設けるように切削加工して形成する。アレイアンテナ100の他の部分も、同様にアルミ板を切削加工して形成する。アレイアンテナ100は、アルミニウム板を重ね合わせて形成し、図示しない締結部材で一体化している。   As shown in FIGS. 1 to 7, the opening of the horn 6 is provided with a grid-like segmented conductor 4 for providing four sub-openings 3 having congruent sectional shapes. The cross-sectional shape of the four sub-openings 3 is a square with a corner. The section conductor 4 is a cross-shaped plate member having a predetermined thickness and width. The section conductor 4 is formed integrally with the horn frame body 5. The horn frame body 5 is a member having a function for connecting to a horn wall portion constituting the horn 6 and an adjacent horn 6. All the horn frame bodies 5 and the segment conductors 4 are integrally formed. That is, the opening side of the array antenna 100 of the first embodiment is integrally formed. This member is called an opening surface member. The opening surface member is formed by cutting a metal plate having good conductivity such as aluminum so that the opening and the sub-opening 3 are provided for each horn 6. Similarly, the other portions of the array antenna 100 are formed by cutting an aluminum plate. The array antenna 100 is formed by overlapping aluminum plates and integrated with a fastening member (not shown).

複数のホーン6をそれぞれ形成し、それらをアレイ状に配列するようにしてもよい。また、区分導体4をホーン枠体5と別体に形成し、区分導体4をホーン枠体5に取り付けてもよい。ホーン6および区分導体4は、すべてが導体でなくてもよく、樹脂の表面に導体層を設けたものでもよい。ホーン6は、その少なくとも内表面が導電性を有する材料でできていればよい。区分導体4は、少なくとも表面が導電性を有する材料でできていればよい。ホーン6の内表面と区分導体3の表面とが電気的に接続されていればよい。   A plurality of horns 6 may be formed respectively and arranged in an array. Alternatively, the segment conductor 4 may be formed separately from the horn frame body 5, and the segment conductor 4 may be attached to the horn frame body 5. The horn 6 and the segmented conductor 4 may not be all conductors, and may be a resin layer provided with a conductor layer. The horn 6 only needs to be made of a material having at least an inner surface thereof having conductivity. The segment conductor 4 may be made of a material having at least a surface having conductivity. It is only necessary that the inner surface of the horn 6 and the surface of the segmented conductor 3 are electrically connected.

図2および図4から分かるように、アレイアンテナ100の開口面には、パッチ導体1を載置した基板2が取り付けられる。図6の平面図に示すように、それぞれのパッチ導体1は、対応するそれぞれのサブ開口3のほぼ中央に配置される。より厳密にいうと、サブ開口3の断面形状の平面図形としての重心であるサブ開口重心11を通りサブ開口3の断面に垂直な直線であるサブ開口重心線が通る位置に、開口部導体であるパッチ導体1は配置される。サブ開口3の開口側でのサブ開口重心線に垂直な面が、サブ開口面である。   As can be seen from FIGS. 2 and 4, the substrate 2 on which the patch conductor 1 is mounted is attached to the opening surface of the array antenna 100. As shown in the plan view of FIG. 6, each patch conductor 1 is disposed approximately at the center of each corresponding sub-opening 3. More precisely, the opening conductor is located at a position passing through the sub-opening centroid 11 that is the center of gravity of the cross-sectional shape of the sub-opening 3 as a plane figure and passing through the sub-opening centroid line that is perpendicular to the cross-section of the sub-opening 3. A certain patch conductor 1 is arranged. A surface perpendicular to the sub-opening center of gravity line on the opening side of the sub-opening 3 is a sub-opening surface.

パッチ導体1をサブ開口面に射影した平面図形である開口面射影形状が内部に欠落部分を有し、サブ開口重心11が欠落部分に存在する場合も、サブ開口重心線がパッチ導体1を通るとする。正確には、パッチ導体1の開口面射影形状を包含する最小の凸図形の内部にサブ開口重心11が存在する場合に、サブ開口重心線がパッチ導体1を通るとする。ここで、凸図形とは、図形内の任意の2点を結ぶ線分上の点がその図形内に存在する図形である。   Even when the aperture projection shape, which is a plane figure obtained by projecting the patch conductor 1 onto the sub-opening surface, has a missing part inside and the sub-opening center of gravity 11 exists in the missing part, the sub-opening center of gravity line passes through the patch conductor 1. And Precisely, it is assumed that the sub-opening centroid line passes through the patch conductor 1 when the sub-opening centroid 11 exists inside the smallest convex figure including the projected shape of the opening surface of the patch conductor 1. Here, the convex figure is a figure in which a point on a line segment connecting any two points in the figure exists in the figure.

図7および図8から分るように、導波管と接続する部分での断面の正方形と開口面側での断面の正方形では、開口面側の方が大きく、曲線状に開口の辺の長さが大きくなる。   As can be seen from FIG. 7 and FIG. 8, in the square of the cross section at the portion connected to the waveguide and the square of the cross section on the opening surface side, the opening surface side is larger, and the length of the side of the opening in a curved shape Becomes bigger.

さて、アレイアンテナ100を使用するアンテナ装置の構造を説明する。図9は、実施の形態1に係るアレイアンテナを有するアンテナ装置の機能ブロック図である。アレイアンテナ100は、複数のホーンアンテナ10を有する。各ホーンアンテナ10の導波管側には、電波に円偏波を付加する偏波付加器21が接続される。なお、偏波付加器は円偏波ではなく直線偏波を付加する場合もある。また、偏波を付加する必要が無い場合は、偏波付加器を有さない。   Now, the structure of an antenna device using the array antenna 100 will be described. FIG. 9 is a functional block diagram of an antenna apparatus having an array antenna according to the first embodiment. The array antenna 100 has a plurality of horn antennas 10. A polarization adder 21 that adds circular polarization to radio waves is connected to the waveguide side of each horn antenna 10. Note that the polarization adder may add linearly polarized waves instead of circularly polarized waves. In addition, when there is no need to add polarization, no polarization adder is provided.

複数の偏波付加器21は、合成回路部22により導波路が段階的に統合して1個の導波路になり、分波回路23に接続される。分波回路23側から見れば、1個の導波路が合成回路部22で段階的に分岐して、偏波付加器21およびホーンアンテナ10の複数の組に接続される。分波回路23には、送信用給電回路24を介して送信機25が接続し、受信用給電回路26を介して受信機27が接続する。分波回路23は、送信用給電回路24からの送信信号を合成回路22に供給し、アレイアンテナ100が受信した受信信号を合成回路22から受信用給電回路26に供給する。   The plurality of polarization adders 21 are integrated into a single waveguide by the synthesis circuit unit 22 in a stepwise manner, and are connected to the branching circuit 23. When viewed from the branching circuit 23 side, one waveguide is branched in stages in the synthesis circuit unit 22 and connected to a plurality of sets of the polarization adder 21 and the horn antenna 10. A transmitter 25 is connected to the demultiplexing circuit 23 via a transmission power supply circuit 24, and a receiver 27 is connected via a reception power supply circuit 26. The demultiplexing circuit 23 supplies the transmission signal from the transmission power supply circuit 24 to the synthesis circuit 22 and supplies the reception signal received by the array antenna 100 from the synthesis circuit 22 to the reception power supply circuit 26.

アレイアンテナ100は、電波を図1などに示すZ方向をメインローブとして放射する。また、Z方向の逆向きの方向から到来する電波を、効率よく受信することができる。ここで、アレイアンテナ100が放射する電波の中で最も波長が短い電波の波長を最短放射波長と呼ぶ。最短放射波長を変数λで表現する。   The array antenna 100 radiates radio waves with the Z direction shown in FIG. Also, radio waves coming from the direction opposite to the Z direction can be received efficiently. Here, the wavelength of the shortest wavelength among the radio waves radiated from the array antenna 100 is referred to as the shortest radiation wavelength. The shortest radiation wavelength is expressed by a variable λ.

各部の長さに関して説明する。以下の変数を定義する。図6に、一部のホーンアンテナ10でサブ開口3の図形としての重心であるサブ開口重心11を小さい白丸で示す。
:ホーンアンテナ10の一辺の長さ
P:Y方向に並んだホーンアンテナ10のX方向での位置ずれの長さ。P≒L/4である。
:ホーン6の開口の一辺の長さ。
:サブ開口3の一辺の長さ。
:区分導体4の幅。W=W−2Wである。
:ホーン枠体5の幅。W=L−W≧Wである。
:同じホーンアンテナ10内で隣接するサブ開口重心11間の距離。
=(L−W)/2である。
:X方向でホーン枠体5を挟んで隣接するサブ開口重心11間の距離。
=(L−W)/2≧Lである。
:Y方向でホーン枠体5を挟んで隣接するサブ開口重心11間の距離。
=√(L +P)≧Lである。
r:パッチ導体1の直径。
d:溝7の深さ。
h:基板2の厚さ。
The length of each part will be described. Define the following variables: FIG. 6 shows a sub-opening center of gravity 11 which is a center of gravity as a figure of the sub-opening 3 in some horn antennas 10 by small white circles.
L H : Length of one side of the horn antenna 10 P: Length of positional deviation in the X direction of the horn antennas 10 arranged in the Y direction. P≈L H / 4.
W L : The length of one side of the opening of the horn 6.
W S : The length of one side of the sub-opening 3.
W 1 : The width of the section conductor 4. W 1 = W L −2W S.
W 2 : The width of the horn frame 5. W 2 = L H −W L ≧ W 1 .
L 1 : distance between adjacent sub-opening centroids 11 in the same horn antenna 10.
L 1 = (L H −W 2 ) / 2.
L 2 : Distance between the sub-opening centroids 11 adjacent to each other with the horn frame 5 in the X direction.
L 2 = (L H −W 1 ) / 2 ≧ L 1 .
L 3 : Distance between the sub-opening centroids 11 adjacent to each other across the horn frame 5 in the Y direction.
L 3 = √ (L 2 2 + P 2 ) ≧ L 2 .
r: Diameter of the patch conductor 1
d: The depth of the groove 7.
h: thickness of the substrate 2.

アレイアンテナ100は、その各部の寸法を以下が成立するように決めている。
≦L≦L<λ (1)
λ<L=L+L (2)
The array antenna 100 determines the dimensions of each part so that the following holds.
L 1 ≦ L 2 ≦ L 3 <λ (1)
λ <L H = L 1 + L 2 (2)

(1)式は、ホーンアンテナ素子の間隔を最短放射波長λ未満として、グレーティングローブを発生させないようにするための条件である。(2)式は、区分導体4によりホーンアンテナ10を4個のホーンアンテナ素子として動作させることで、ホーンアンテナ10の一辺の長さを最短放射波長λよりも大きくできることを表している。   Equation (1) is a condition for setting the interval between the horn antenna elements to be less than the shortest radiation wavelength λ so that no grating lobe is generated. Equation (2) indicates that the length of one side of the horn antenna 10 can be made larger than the shortest radiation wavelength λ by operating the horn antenna 10 as four horn antenna elements by the segment conductor 4.

この発明のパッチ導体1の作用を説明するために、比較例としてパッチ導体1および溝7を有しないアレイアンテナの作用について説明する。図10は、比較例としてのパッチ導体を有さないアレイアンテナでの位相中心を説明する図である。図10で、各ホーンアンテナ素子の位相中心12を小さな×印で示す。比較例での隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12間の距離を表現する変数として、以下を定義する。
1D:同じホーンアンテナ10内で隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12間の距離。
2D:X方向でホーン枠体5を挟んで隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12間の距離。
3D:Y方向でホーン枠体5を挟んで隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12間の距離。
In order to describe the operation of the patch conductor 1 of the present invention, the operation of the array antenna without the patch conductor 1 and the groove 7 will be described as a comparative example. FIG. 10 is a diagram for explaining a phase center in an array antenna having no patch conductor as a comparative example. In FIG. 10, the phase center 12 of each horn antenna element is indicated by a small cross. The following is defined as a variable expressing the distance between the phase centers 12 of adjacent horn antenna elements in the comparative example.
L 1D : Distance between phase centers 12 of adjacent horn antenna elements in the same horn antenna 10.
L 2D : Distance between phase centers 12 of adjacent horn antenna elements with the horn frame 5 sandwiched in the X direction.
L 3D : Distance between phase centers 12 of adjacent horn antenna elements across the horn frame 5 in the Y direction.

1個のホーン6を開口面付近でだけ区分導体4で区切った場合には、区分導体4が開口付近だけしかなく、隣接するホーンアンテナ10と電磁結合するため、位相中心12はサブ開口重心11よりもホーン6の内面に近い位置になる。そのため、比較例での同じホーン6内で隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12の間隔L1Dは、サブ開口重心11の間隔Lよりも広くなる。また、比較例でのホーン枠体5を挟んでX方向またはY方向に隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12の間隔L2DおよびL3Dは、サブ開口重心11の間隔LおよびLよりも狭くなる。そのため、(1)式の関係が成立する場合でも、以下のような関係になる。
2D<L3D<λ<L1D (3)
(3)式は、位相中心の間隔L1Dが最少放射波長λよりも長くなり、グレーティングローブが発生することを意味する。
When one horn 6 is divided by the segmented conductor 4 only in the vicinity of the aperture surface, the segmented conductor 4 is not only in the vicinity of the aperture, but is electromagnetically coupled to the adjacent horn antenna 10. Rather than the inner surface of the horn 6. Therefore, the interval L 1D between the phase centers 12 of adjacent horn antenna elements in the same horn 6 in the comparative example is wider than the interval L 1 between the sub-opening centroids 11. Further, the distances L 2D and L 3D between the phase centers 12 of the horn antenna elements adjacent in the X direction or the Y direction across the horn frame body 5 in the comparative example are larger than the distances L 2 and L 3 of the sub-opening center of gravity 11. Narrow. Therefore, even when the relationship of equation (1) is established, the relationship is as follows.
L 2D <L 3D <λ <L 1D (3)
Equation (3) means that the phase center interval L 1D is longer than the minimum emission wavelength λ, and a grating lobe is generated.

図11は、実施の形態1に係るアレイアンテナでの位相中心を説明する図である。パッチ導体1および溝7を設けることで、位相中心12はサブ開口重心11とほぼ同じ位置になる。この実施の形態1での隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12間の距離を表現する変数として、以下を定義する。
1S:同じホーンアンテナ10内で隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12間の距離。
2S:X方向でホーン枠体5を挟んで隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12間の距離。
3S:Y方向でホーン枠体5を挟んで隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12間の距離。
FIG. 11 is a diagram for explaining the phase center in the array antenna according to the first embodiment. By providing the patch conductor 1 and the groove 7, the phase center 12 becomes substantially the same position as the sub-opening gravity center 11. The following is defined as a variable expressing the distance between the phase centers 12 of adjacent horn antenna elements in the first embodiment.
L 1S : Distance between phase centers 12 of adjacent horn antenna elements in the same horn antenna 10.
L 2S : Distance between phase centers 12 of adjacent horn antenna elements across the horn frame 5 in the X direction.
L 3S : Distance between phase centers 12 of adjacent horn antenna elements across the horn frame 5 in the Y direction.

この実施の形態1でのホーン枠体5を挟んでX方向またはY方向に隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12の間隔L2SおよびL3Sは、サブ開口重心11の間隔LおよびLとほぼ同じになる。この実施の形態1での同じホーン6内で隣接するホーンアンテナ素子の位相中心12の間隔L1Sは、サブ開口重心11の間隔Lとほぼ同じになる。つまり、以下の関係が成立する。
1S<L2S<L3S<λ (4)
(4)式は、位相中心の間隔L1SおよびL2SおよびL3Sが最少放射波長λよりも短く、グレーティングローブが発生しないことを意味する。なお、一般的にはホーン枠体5の幅Wの方が区分導体4の幅Wよりも大きく、L<L<Lの関係が成立するので、位相中心12はサブ開口重心11よりも少しホーン6の内面側にある場合に、L1s=L2sとなる。また、MAX(L1S,L2S,L3S)<λが成立するようなサブ開口重心11の近傍に位相中心12が存在すればよい。
The distances L 2S and L 3S between the phase centers 12 of the horn antenna elements adjacent to each other in the X direction or the Y direction across the horn frame 5 in the first embodiment are equal to the distances L 2 and L 3 of the sub-opening center of gravity 11. It will be almost the same. The interval L 1S between the phase centers 12 of adjacent horn antenna elements in the same horn 6 in the first embodiment is substantially the same as the interval L 1 between the sub-opening centroids 11. That is, the following relationship is established.
L 1S <L 2S <L 3S <λ (4)
Equation (4) means that the phase center intervals L 1S, L 2S, and L 3S are shorter than the minimum radiation wavelength λ, and no grating lobe is generated. Incidentally, generally greater than the width W 1 of it is partitioned conductor 4 the width W 2 of the horn frame body 5, the relation of L 1 <L 2 <L 3 is satisfied, the phase center 12 subaperture centroid L 1s = L 2s when it is slightly on the inner surface side of the horn 6 than 11. Further, it is only necessary that the phase center 12 exists in the vicinity of the sub-opening center of gravity 11 such that MAX (L 1S , L 2S , L 3S ) <λ holds.

この発明で、サブ開口の位相中心12がサブ開口重心11に近づくのは、主にパッチ導体1の作用である。パッチ導体1は円形の薄板である。パッチ導体1の直径rは、最少放射波長λの1/4程度にしている。パッチ導体1は、サブ開口3のZ方向の外側に、XY平面上でサブ開口3のほぼ中央に配置されている。パッチ導体1の直径rが、最少放射波長λの1/2であれば、最少放射波長λの電波はパッチ導体1と共振する。共振した状態では、電波はパッチ導体1にすべて入り、ホーン6の外部に放射されなくなる。パッチ導体1の直径rを小さくしていけば、共振が弱まり、外部へ電波が放射できるようになる。また、直径rが最少放射波長λの1/2未満のパッチ導体1は、電波をパッチ導体1に引き寄せる、すなわち位相中心12をサブ開口重心11に近づけるように作用する。パッチ導体1の位置と直径rは、位相中心12の位置と放射効率を考慮して適切に決める。複数の波長の電波を放射する場合には、放射する電波の波長すべてに関して総合的に考慮して、パッチ導体1の位置と直径rを決める。そのようにして決めたパッチ導体1の直径rは、最少放射波長λの1/2未満の値になる。   In the present invention, the phase center 12 of the sub-opening approaches the sub-opening center of gravity 11 mainly due to the action of the patch conductor 1. The patch conductor 1 is a circular thin plate. The diameter r of the patch conductor 1 is about ¼ of the minimum radiation wavelength λ. The patch conductor 1 is disposed outside the sub opening 3 in the Z direction and substantially at the center of the sub opening 3 on the XY plane. If the diameter r of the patch conductor 1 is ½ of the minimum emission wavelength λ, the radio wave having the minimum emission wavelength λ resonates with the patch conductor 1. In the resonated state, all radio waves enter the patch conductor 1 and are not radiated to the outside of the horn 6. If the diameter r of the patch conductor 1 is reduced, the resonance is weakened and radio waves can be emitted to the outside. In addition, the patch conductor 1 having a diameter r of less than ½ of the minimum radiation wavelength λ acts to attract radio waves to the patch conductor 1, that is, to bring the phase center 12 closer to the sub-opening center of gravity 11. The position and diameter r of the patch conductor 1 are appropriately determined in consideration of the position of the phase center 12 and the radiation efficiency. When radiating radio waves having a plurality of wavelengths, the position and the diameter r of the patch conductor 1 are determined in consideration of all the wavelengths of the radiated radio waves. The diameter r of the patch conductor 1 determined in this way is a value less than ½ of the minimum radiation wavelength λ.

パッチ導体1の主面の平面形状は、円形の方が望ましいが、円形でなくてもよい。凸図形が望ましいが、凸図形でなくてもよい。円形でない平面図形の場合は、その平面図形を囲む最少の長方形の長い方の辺の長さが、パッチ導体1と電波の共振に影響する。平面図形を囲む最少の長方形を最少包長方形と呼ぶ。最少包長方形の長い方の辺の長さを、最少包長径と呼ぶ。パッチ導体1の最少包長径が最少放射波長λの1/2であれば、電波とパッチ導体1が共振する。共振を適度に弱め、かつ電波をパッチ導体1に適度に引き寄せるように、パッチ導体1の形状と最少包長径を決める。そのようにして決めた最少包長径は、最少放射波長λの1/2未満である。   The planar shape of the main surface of the patch conductor 1 is preferably circular, but may not be circular. Although a convex figure is desirable, it may not be a convex figure. In the case of a plane figure that is not circular, the length of the longer side of the smallest rectangle that surrounds the plane figure affects the resonance between the patch conductor 1 and the radio wave. The smallest rectangle that encloses a plane figure is called the smallest rectangle. The length of the longer side of the smallest package rectangle is called the smallest package length. If the minimum package length of the patch conductor 1 is ½ of the minimum radiation wavelength λ, the radio wave and the patch conductor 1 resonate. The shape and the minimum package length of the patch conductor 1 are determined so that the resonance is moderately weakened and the radio wave is appropriately attracted to the patch conductor 1. The minimum envelope length determined in this way is less than ½ of the minimum radiation wavelength λ.

位相中心12がホーン6の壁面側に近づく原因の1つは、ホーンアンテナ10の間のホーン枠体6が導体であるため、隣接するホーンアンテナ10が電磁的に結合していることである。ホーンアンテナ10を電磁的に分離するため、ホーン6すなわち4個のサブ開口3を切れ目なく囲むように、溝7を設ける。溝7の深さdは、最少放射波長λの1/5程度から3/10割程度の範囲内とする。アレイアンテナ100が最少放射波長λの電波だけを放射する場合には、溝7の深さd=λ/4とすれば、溝7の両側で電波が逆位相になり互いに打ち消しあうので、電磁結合が弱くなる。複数の波長の電波を放射する場合は、複数の波長の電波での電磁結合の度合いを考慮して、溝7の深さを決める。そのようにして決めた溝7の深さdは、最少放射波長λの1/5程度から3/10割程度の範囲内である。   One of the causes that the phase center 12 approaches the wall surface side of the horn 6 is that the adjacent horn antennas 10 are electromagnetically coupled because the horn frame 6 between the horn antennas 10 is a conductor. In order to electromagnetically isolate the horn antenna 10, a groove 7 is provided so as to surround the horn 6, that is, the four sub-openings 3 without interruption. The depth d of the groove 7 is in the range of about 1/5 to about 3/10% of the minimum emission wavelength λ. When the array antenna 100 radiates only radio waves having the minimum radiation wavelength λ, if the depth of the groove 7 is d = λ / 4, the radio waves are opposite in phase on both sides of the groove 7 and cancel each other. Becomes weaker. When radiating radio waves of a plurality of wavelengths, the depth of the groove 7 is determined in consideration of the degree of electromagnetic coupling with radio waves of a plurality of wavelengths. The depth d of the groove 7 thus determined is in the range of about 1/5 to about 3/10% of the minimum radiation wavelength λ.

パッチ導体1は誘電体の基板2に載置されているので、パッチ導体1は開口面からZ方向に、基板2の厚さhだけ離れる。基板2の誘電率と厚さhを調整することで、ホーンアンテナ10の反射特性を調整できる。基板2の誘電率と厚さhは、反射ができるだけ小さくなるように決める。パッチ導体1は、誘電体の基板2のホーンアンテナ10の側に載置してもよい。   Since the patch conductor 1 is mounted on the dielectric substrate 2, the patch conductor 1 is separated from the opening surface in the Z direction by the thickness h of the substrate 2. By adjusting the dielectric constant and thickness h of the substrate 2, the reflection characteristics of the horn antenna 10 can be adjusted. The dielectric constant and thickness h of the substrate 2 are determined so that the reflection is as small as possible. The patch conductor 1 may be placed on the horn antenna 10 side of the dielectric substrate 2.

サブ開口3の平面図形としての形状は、角をとった正方形である。角をとるとは、角の頂点から決められた範囲を曲線または直線で角の頂点を含む部分を除くことである。角を除く範囲は適切に決める。全く角をとらなくてもよい。角をとった正方形も正方形と呼ぶ。サブ開口断面の平面図形としての形状は正方形が望ましいが、長方形、他の種類の四角形あるいは四角形ではない多角形でもよい。角をとった長方形、四角形あるいは多角形も、長方形、四角形あるいは多角形と呼ぶ。   The shape of the sub-opening 3 as a planar figure is a square with a corner. To take a corner is to exclude a portion including the vertex of a corner by a curve or a straight line from a range determined from the vertex of the corner. The range excluding the corners is appropriately determined. It is not necessary to take a corner at all. Squares with corners are also called squares. The shape of the sub-opening section as a plane figure is preferably a square, but may be a rectangle, another kind of quadrangle, or a polygon other than a quadrangle. A rectangle, square or polygon with a corner is also called a rectangle, square or polygon.

この実施の形態では、ホーン6の開口を4つの合同な正方形の形状を有するサブ開口3に分割した。分割数は、2、3、6、9など、4以外の数でもよい。4つに分割する場合は、すべてのサブ開口が合同な形状が望ましいが、すべてのサブ開口が合同でなくてもよい。   In this embodiment, the opening of the horn 6 is divided into four sub-openings 3 having a congruent square shape. The number of divisions may be any number other than 4, such as 2, 3, 6, 9. In the case of dividing into four, it is desirable that all the sub-openings have a congruent shape, but all the sub-openings may not be congruent.

なお、本願発明はその発明の精神の範囲内において実施の形態の変形、省略が可能である。   The present invention can be modified and omitted from the embodiments within the spirit of the invention.

1 パッチ導体(開口部導体)
2 基板
3 サブ開口
4 区分導体
5 ホーン枠体
6 ホーン
7 溝
10 ホーンアンテナ
11 サブ開口重心
12 位相中心
21 偏波付加器
22 合成回路
23 分波回路
24 送信用給電回路
25 送信機
26 受信用給電回路
27 受信機
50 範囲
60 範囲
100 アレイアンテナ
1 Patch conductor (opening conductor)
2 Substrate 3 Sub-aperture 4 Section conductor 5 Horn frame 6 Horn 7 Groove 10 Horn antenna 11 Sub-opening center of gravity 12 Phase center 21 Polarization adder 22 Synthesizing circuit 23 Demultiplexing circuit 24 Transmitting power supply circuit 25 Transmitter 26 Receiving power supply Circuit 27 Receiver 50 Range 60 Range 100 Array antenna

Claims (7)

少なくとも内表面が導電性を有する材料ででき、開口を有するホーンと、
前記開口を複数のサブ開口に分割し、前記ホーンの内表面と電気的に接続し、少なくとも表面が導電性を有する材料でできた区分導体と、
それぞれの前記サブ開口の断面形状の平面図形としての重心であるサブ開口重心を通り前記サブ開口の断面に垂直な直線であるサブ開口重心線が通る位置に配置された複数の開口部導体とを備えたホーンアンテナを1次元または2次元のアレイ状に配列し、
前記ホーンアンテナに属するすべての前記サブ開口を囲む導体領域に、すべての前記サブ開口を切れ目なく囲むように溝が設けられ、
前記ホーンアンテナが配列する方向で隣接し、異なる前記ホーンアンテナに属する前記サブ開口の前記サブ開口重心の間の距離が、前記ホーンアンテナが放射する電波の中で最も波長が短い電波の波長である最少放射波長よりも小さいことを特徴とするアレイアンテナ。
A horn having at least an inner surface made of a conductive material and having an opening;
The opening is divided into a plurality of sub-openings, electrically connected to the inner surface of the horn, and at least the surface is a segmented conductor made of a conductive material;
A plurality of opening conductors arranged at positions passing through a sub-opening centroid as a plane figure of a cross-sectional shape of each of the sub-openings and passing through a sub-opening centroid line that is a straight line perpendicular to the cross-section of the sub-opening; The horn antennas provided are arranged in a one-dimensional or two-dimensional array,
In the conductor region surrounding all the sub-openings belonging to the horn antenna, a groove is provided so as to surround all the sub-openings seamlessly,
The distance between the sub-opening centroids of the sub-openings that are adjacent in the direction in which the horn antennas are arranged and belong to different horn antennas is the wavelength of the shortest wave among the radio waves radiated by the horn antenna An array antenna characterized by being smaller than the minimum radiation wavelength.
前記開口部導体が前記サブ開口重心線に垂直な平面であるサブ開口面に平行に配置された板状であり、
前記開口部導体の主面の平面形状を囲む面積が最少の長方形の長い方の辺の長さが前記最少放射波長の半分未満であることを特徴とする請求項1に記載のアレイアンテナ。
The opening conductor is a plate-like shape arranged in parallel to a sub-opening surface that is a plane perpendicular to the sub-opening barycenter line,
2. The array antenna according to claim 1, wherein the length of the longer side of the rectangle having the smallest area surrounding the planar shape of the main surface of the opening conductor is less than half of the minimum radiation wavelength.
すべての前記ホーンアンテナの開口面が配置された平面であるアレイ開口面に配置された前記開口部導体を載置した誘電体を備えたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアレイアンテナ。   The dielectric material which mounted the said opening part conductor arrange | positioned at the array opening surface which is a plane in which the opening surface of all the said horn antennas is arrange | positioned was provided. Array antenna. 前記開口部導体の主面の形状が円形であることを特徴とする請求項2に記載のアレイアンテナ。   The array antenna according to claim 2, wherein the shape of the main surface of the opening conductor is circular. 前記区分導体が、前記開口を断面形状が合同な4個の前記サブ開口に分割するものであることを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載のアレイアンテナ。   The array antenna according to any one of claims 1 to 4, wherein the segmented conductor divides the opening into four sub-openings having a congruent cross-sectional shape. 前記サブ開口の断面形状が正方形であることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載のアレイアンテナ。   The array antenna according to any one of claims 1 to 5, wherein the sub-opening has a square cross-sectional shape. 前記溝の深さが前記最少放射波長の5分の1から10分の3の範囲内であることを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載のアレイアンテナ。 The array antenna according to any one of claims 1 to 6, wherein a depth of the groove is in a range of 1/5 to 3/10 of the minimum emission wavelength .
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