JP7654330B2 - Antenna Device - Google Patents
Antenna Device Download PDFInfo
- Publication number
- JP7654330B2 JP7654330B2 JP2021094552A JP2021094552A JP7654330B2 JP 7654330 B2 JP7654330 B2 JP 7654330B2 JP 2021094552 A JP2021094552 A JP 2021094552A JP 2021094552 A JP2021094552 A JP 2021094552A JP 7654330 B2 JP7654330 B2 JP 7654330B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- antenna
- unit
- plane wave
- wave generating
- plane
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Landscapes
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Description
この発明は、アンテナ装置に関し、例えば、種々の移動体に搭載される衛星通信用アンテナに適用して好適な技術に関する。 This invention relates to an antenna device, for example, to technology suitable for use in satellite communication antennas mounted on various mobile objects.
複数チャンネルの電波走査を行う従来のアンテナとして、複数個の素子アンテナと、各素子アンテナの受信信号の位相を制御する移相器と、位相を制御された複数の受信信号を合成する合成器とを有するサブアレーを複数個組み合わせて構成するアンテナ装置が知られている(特許文献1参照)。 A conventional antenna for scanning radio waves on multiple channels is known to be an antenna device that is configured by combining multiple subarrays, each of which has multiple element antennas, a phase shifter that controls the phase of the received signal from each element antenna, and a combiner that combines the multiple phase-controlled received signals (see Patent Document 1).
ところで、特許文献1のアンテナ装置では、複数個の素子アンテナの各々に対応させて移相器が設けられるために相当数の移相器が必要になるので、機器構成が複雑になり、また、コストが増加する、という問題がある。 However, in the antenna device of Patent Document 1, a considerable number of phase shifters are required to be provided in correspondence with each of the multiple element antennas, which results in a complex device configuration and increased costs.
そこでこの発明は、移相器を必要とすることなく全方向のビームを走査することが可能な、アンテナ装置を提供することを目的とする。 Therefore, the objective of this invention is to provide an antenna device that can scan beams in all directions without requiring a phase shifter.
上記課題を解決するために、この発明に係るアンテナ装置は、平面波発生部と、アンテナ部と、第1の回動部と、第2の回動部と、を有し、前記平面波発生部が、電磁波を放射するプローブと、前記プローブから放射される円筒波の電磁波を平面波の電磁波に変換するカセグレン構造を構成する主反射鏡および副反射鏡と、を有し、前記アンテナ部が、板状の基部と、前記基部において列状に連なるスロットとして形成されて相互に等間隔で離間しつつ平行に配設される複数の放射スタブと、を備えるフィードアレイを有し、前記第1の回動部により前記プローブを回転中心として前記平面波発生部と前記アンテナ部とを一緒に回転させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、前記第2の回動部により前記プローブを回転中心として前記平面波発生部に対して前記アンテナ部を回転させて前記アンテナ部の前記基部へと入射される前記平面波の電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行う、ことを特徴とする。 In order to solve the above problem, the antenna device according to the present invention has a plane wave generating unit, an antenna unit, a first rotating unit, and a second rotating unit, the plane wave generating unit has a probe that radiates electromagnetic waves, and a main reflector and a sub-reflector that form a Cassegrain structure that converts the cylindrical electromagnetic waves radiated from the probe into plane electromagnetic waves, the antenna unit has a feed array that includes a plate-shaped base and a plurality of radiating stubs that are formed as slots in a row in the base and are arranged in parallel at equal intervals, and the first rotating unit rotates the plane wave generating unit and the antenna unit together around the probe as a center of rotation to perform beam scanning in the azimuth angle direction, and the second rotating unit rotates the antenna unit relative to the plane wave generating unit around the probe as a center of rotation to tilt the wavefront of the plane wave electromagnetic wave incident on the base of the antenna unit, thereby performing beam scanning in the altitude angle direction.
この発明に係るアンテナ装置は、前記平面波発生部が、平行平板線路を各々構成して積層される下層導波管および上層導波管を備える折り返し導波管を有し、前記カセグレン構造が前記下層導波管内に設けられ、前記アンテナ部が前記上層導波管側に設けられる、ようにしてもよい。 The antenna device according to the present invention may be configured such that the plane wave generating section has a folded waveguide including a lower layer waveguide and an upper layer waveguide that are stacked and each of which constitutes a parallel plate line, the Cassegrain structure is provided within the lower layer waveguide, and the antenna section is provided on the upper layer waveguide side.
この発明に係るアンテナ装置によれば、平面波発生部とアンテナ部とを一緒に回転させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、平面波発生部に対してアンテナ部を回転させてアンテナ部の基部へと入射される平面波の電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行うようにしているので、移相器を必要とすることなく全方向のビームを走査することが可能となるとともに、アンテナ装置のコストの低廉化を実現することが可能となる。 The antenna device of this invention performs beam scanning in the azimuth direction by rotating the plane wave generating unit and the antenna unit together, and performs beam scanning in the altitude direction by rotating the antenna unit relative to the plane wave generating unit and tilting the wavefront of the electromagnetic plane wave incident on the base of the antenna unit. This makes it possible to scan the beam in all directions without the need for a phase shifter, and also makes it possible to reduce the cost of the antenna device.
この発明に係るアンテナ装置によれば、また、平面波発生部およびアンテナ部の回転中心からプローブ給電するようにしているので、アンテナ装置の構成を一層簡易にすることが可能となる。 The antenna device of the present invention also provides probe power feeding from the center of rotation of the plane wave generating unit and the antenna unit, making it possible to further simplify the configuration of the antenna device.
この発明に係るアンテナ装置は、平面波発生部が折り返し導波管を有するようにした場合には、アンテナ装置のコンパクト化を図ることが可能となる。 When the plane wave generating section of the antenna device according to the present invention has a folded waveguide, it is possible to make the antenna device more compact.
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ここでの説明では、アンテナ装置1の構造に対して、相互に直交するx軸,y軸,およびz軸によって規定される3次元直交座標系のx軸方向,y軸方向,およびz軸方向を図1などに示すように対応させる。また、この発明において平面波発生部2およびアンテナ部3はyz面に沿って回転可能であるように構成され、図1中のx軸方向,y軸方向,およびz軸方向に対して平面波発生部2およびアンテナ部3が同図中の位置にある状態のことを「図1の状態」と呼ぶ。また、各図は、アンテナ装置1のあくまでも概略構成や働きを説明するための図であり、各部の詳細構造や相互の寸法関係を厳密に表すものではない。 The present invention will be described below based on the illustrated embodiment. In this description, the structure of the antenna device 1 is associated with the x-axis, y-axis, and z-axis directions of a three-dimensional Cartesian coordinate system defined by mutually orthogonal x-axis, y-axis, and z-axis as shown in FIG. 1. In this invention, the plane wave generating unit 2 and the antenna unit 3 are configured to be rotatable along the yz plane, and the state in which the plane wave generating unit 2 and the antenna unit 3 are in the positions shown in FIG. 1 with respect to the x-axis, y-axis, and z-axis directions is referred to as the "state of FIG. 1". In addition, each figure is merely a diagram for explaining the schematic configuration and function of the antenna device 1, and does not strictly represent the detailed structure of each part or the dimensional relationships between them.
図1は、この発明の実施の形態に係るアンテナ装置1の概略構成を示す図である。実施の形態に係るアンテナ装置1は、主に、平面波発生部2と、アンテナ部3と、第1の回動部(図示していない)と、第2の回動部(図示していない)と、制御部(図示していない)と、を有する。 Figure 1 is a diagram showing the schematic configuration of an antenna device 1 according to an embodiment of the present invention. The antenna device 1 according to the embodiment mainly has a plane wave generating unit 2, an antenna unit 3, a first rotating unit (not shown), a second rotating unit (not shown), and a control unit (not shown).
この実施の形態に係るアンテナ装置1は、平面波発生部2と、アンテナ部3と、第1の回動部と、第2の回動部と、を有し、平面波発生部2が、電磁波を放射するプローブ28と、プローブ28から放射される円筒波の電磁波を平面波の電磁波に変換するカセグレン構造を構成する主反射鏡26および副反射鏡27と、を有し、アンテナ部3が、板状の基部311と、基部311において列状に連なるスロットとして形成されて相互に等間隔で離間しつつ平行に配設される複数の放射スタブ312と、を備えるフィードアレイ31を有し、第1の回動部によりプローブ28を回転中心として平面波発生部2とアンテナ部3とを一緒に回転させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、第2の回動部によりプローブ28を回転中心として平面波発生部2に対してアンテナ部3を回転させてアンテナ部3の基部311へと入射される平面波の電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行う、ようにしている。 The antenna device 1 according to this embodiment has a plane wave generating section 2, an antenna section 3, a first rotating section, and a second rotating section. The plane wave generating section 2 has a probe 28 that radiates electromagnetic waves, and a main reflector 26 and a sub-reflector 27 that form a Cassegrain structure that converts the cylindrical electromagnetic waves radiated from the probe 28 into plane electromagnetic waves. The antenna section 3 has a plate-shaped base 311 and slots formed in a row in the base 311, which are arranged in parallel and spaced apart from each other at equal intervals. The antenna has a feed array 31 with multiple radiation stubs 312, and the first rotating part rotates the plane wave generating part 2 and the antenna part 3 together around the probe 28 as the center of rotation to perform beam scanning in the azimuth direction, and the second rotating part rotates the antenna part 3 relative to the plane wave generating part 2 around the probe 28 as the center of rotation to tilt the wavefront of the electromagnetic wave of the plane wave incident on the base part 311 of the antenna part 3 to perform beam scanning in the altitude direction.
この実施の形態に係るアンテナ装置1は、また、平面波発生部2が、平行平板線路を各々構成して積層される下層導波管21および上層導波管22を備える折り返し導波管を有し、前記カセグレン構造が下層導波管21内に設けられ、アンテナ部3が上層導波管22側に設けられる、ようにしている。 The antenna device 1 according to this embodiment also has a folded waveguide in which the plane wave generating section 2 includes a lower layer waveguide 21 and an upper layer waveguide 22 that are stacked and each constitute a parallel plate line, the Cassegrain structure is provided within the lower layer waveguide 21, and the antenna section 3 is provided on the upper layer waveguide 22 side.
平面波発生部2は、平面波発生機構として機能する機序であり、主に、下層導波管21,上層導波管22,折り返し部23,反射板24,導体板25,主反射鏡26,副反射鏡27,プローブ28,およびチョーク29を有する(図1,図2参照)。平面波発生部2は、第1の回動部によってyz面に沿って回転可能であるように構成される。 The plane wave generating unit 2 is a mechanism that functions as a plane wave generating mechanism, and mainly includes a lower layer waveguide 21, an upper layer waveguide 22, a folding section 23, a reflector 24, a conductor plate 25, a main reflector 26, a sub-reflector 27, a probe 28, and a choke 29 (see Figures 1 and 2). The plane wave generating unit 2 is configured to be rotatable along the yz plane by the first rotating section.
下層導波管21および上層導波管22は、図1の状態におけるxy面視において広壁面幅(即ち、図1の状態におけるy軸方向における幅;言い換えると、横幅)がaであるとともに狭壁面幅(即ち、x軸方向における幅;言い換えると、高さ)がbである方形導波管が広壁面幅に沿って(即ち、図1の状態におけるy軸方向に沿って)180°折り返されて、x軸方向において積層状態に構成される。下層導波管21と上層導波管22とは、それぞれ、平行平板線路を構成する。 The lower waveguide 21 and the upper waveguide 22 are rectangular waveguides with a wide wall width (i.e., width in the y-axis direction in the state of FIG. 1; in other words, horizontal width) of a and a narrow wall width (i.e., width in the x-axis direction; in other words, height) of b when viewed from the xy plane in the state of FIG. 1, folded back 180° along the wide wall width (i.e., along the y-axis direction in the state of FIG. 1) and stacked in the x-axis direction. The lower waveguide 21 and the upper waveguide 22 each constitute a parallel plate line.
折り返し部23は、図1の状態におけるxy面視においてy軸方向における幅(言い換えると、横幅)がaであるとともにx軸方向における幅(言い換えると、高さ)が2×bである方形状に形成されて、下層導波管21と上層導波管22とを結合する。 The folded portion 23 is formed in a rectangular shape with a width in the y-axis direction (in other words, horizontal width) of a and a width in the x-axis direction (in other words, height) of 2×b when viewed in the xy plane in the state shown in FIG. 1, and connects the lower waveguide 21 and the upper waveguide 22.
折り返し部23の、下層導波管21と上層導波管22とに対向する面(即ち、xy面に沿う内面)に反射板24が形成される。 A reflector 24 is formed on the surface of the folded portion 23 that faces the lower waveguide 21 and the upper waveguide 22 (i.e., the inner surface along the xy plane).
導体板25は、下層導波管21と上層導波管22との間にyz面に沿って配設されて下層導波管21と上層導波管22とを分離し、下層導波管21と上層導波管22とに共通の管壁となる。導体板25の、折り返し部23側の端は反射板24から離間し、折り返し部23における下層導波管21と上層導波管22とに対する開口窓が設けられる。 The conductor plate 25 is disposed along the yz plane between the lower waveguide 21 and the upper waveguide 22 to separate the lower waveguide 21 and the upper waveguide 22, and serves as a common wall for the lower waveguide 21 and the upper waveguide 22. The end of the conductor plate 25 on the folded section 23 side is spaced from the reflector 24, and an opening window is provided in the folded section 23 for the lower waveguide 21 and the upper waveguide 22.
上記の下層導波管21,上層導波管22,折り返し部23,反射板24,および導体板25は折り返し導波管を構成し、上記の広壁面幅a,狭壁面幅b,および導体板25の端の反射板24からの離間の幅は平行平板線路内を伝搬する電磁波の自由空間波長や伝搬モードなどに基づいて適宜設定される。 The lower waveguide 21, upper waveguide 22, folded section 23, reflector 24, and conductor plate 25 constitute a folded waveguide, and the wide wall width a, narrow wall width b, and the distance between the end of the conductor plate 25 and the reflector 24 are appropriately set based on the free space wavelength and propagation mode of the electromagnetic waves propagating through the parallel plate line.
主反射鏡26は、カセグレン構造の凹面鏡として機能するものであり、yz面視において放物状に形成されて、下層導波管21内に設けられる。主反射鏡26について、開口部の寸法をL〔m〕とし、焦点をf2とする。なお、図に示す例では、L=aである(但し、a:下層導波管21および上層導波管22の広壁面幅)。また、焦点f2から主反射鏡26全体を見込む開口角は、例えば、120°~180°程度の範囲のうちのいずれかの角度に設定される。 The main reflector 26 functions as a concave mirror with a Cassegrain structure, is formed in a parabolic shape when viewed in the yz plane, and is provided inside the lower waveguide 21. The opening dimension of the main reflector 26 is L [m], and the focal point is f2. In the example shown in the figure, L = a (where a is the wide wall surface width of the lower waveguide 21 and the upper waveguide 22). The aperture angle at which the entire main reflector 26 is viewed from the focal point f2 is set to, for example, any angle within the range of approximately 120° to 180°.
副反射鏡27は、カセグレン構造の凸面鏡として機能するものであり、yz面視において双曲状に形成されて、下層導波管21内に設けられる。副反射鏡27について、双曲状(別言すると、双曲線)の2つの焦点のうちの一方の焦点f1はプローブ28から放射される円筒波(別言すると、電磁波)の位相中心(また、平面波発生部2およびアンテナ部3の平面視における回転中心位置でもある)と一致し、他方は主反射鏡26の焦点f2と一致する。 The sub-reflector 27 functions as a convex mirror with a Cassegrain structure, is formed in a hyperbolic shape in the yz plane, and is provided in the lower waveguide 21. One of the two focal points of the sub-reflector 27, focus f1, coincides with the phase center (also the rotation center position in the planar view of the plane wave generating unit 2 and the antenna unit 3) of the cylindrical wave (in other words, a hyperbola) emitted from the probe 28, and the other coincides with focus f2 of the main reflector 26.
下層導波管21への電磁波(別言すると、RF(Radio Frequency の略)信号)の給電はプローブ28によって行われる。プローブ28は、平面波発生部2およびアンテナ部3の平面視(即ち、yz面視)における回転中心位置に配設される。 The electromagnetic wave (in other words, the RF (Radio Frequency) signal) is supplied to the lower waveguide 21 by the probe 28. The probe 28 is disposed at the center of rotation of the plane wave generating unit 2 and the antenna unit 3 in a plan view (i.e., in the yz plane view).
プローブ28の近傍の、図1の状態におけるz軸方向における一方の側(図1の状態において、z軸の矢印の向きの側と反対側)に、チョーク29が設けられる。チョーク29の働きにより、プローブ28の放射方向が、当該プローブ28の、図1の状態におけるz軸方向における他方の側(図1の状態において、z軸の矢印の向きの側)に配設される副反射鏡27へと向けられる。 A choke 29 is provided near the probe 28 on one side in the z-axis direction in the state of FIG. 1 (the side opposite the direction of the z-axis arrow in the state of FIG. 1). The choke 29 functions to direct the radiation direction of the probe 28 toward the secondary reflector 27 disposed on the other side of the probe 28 in the z-axis direction in the state of FIG. 1 (the side in the direction of the z-axis arrow in the state of FIG. 1).
プローブ28からみたチョーク29のチョーク深さsは、電磁波(RF信号)の自由空間波長をλとすると、s=λ/4を満たすように調節される。 The choke depth s of the choke 29 as seen from the probe 28 is adjusted to satisfy s = λ/4, where λ is the free space wavelength of the electromagnetic wave (RF signal).
プローブ28から放射される電磁波(尚、円筒波である)は、副反射鏡27による反射と主反射鏡26による反射とによって平面波に変換されて下層導波管21内を図1の状態におけるz軸方向に沿ってz軸の矢印の向きに伝搬し、折り返し部23を通過して、上層導波管22内を図1の状態におけるz軸方向に沿ってz軸の矢印の向きと反対向きに伝搬する。図1の状態における平面波発生部2およびアンテナ部3にとってのz軸方向のことを「電磁波伝搬方向」と呼ぶ。 The electromagnetic wave (which is a cylindrical wave) emitted from the probe 28 is converted into a plane wave by reflection from the subreflector 27 and the main reflector 26, and propagates in the lower waveguide 21 along the z-axis direction in the state shown in FIG. 1 in the direction of the z-axis arrow, passes through the turn-back section 23, and propagates in the upper waveguide 22 along the z-axis direction in the state shown in FIG. 1 in the opposite direction to the direction of the z-axis arrow. The z-axis direction for the plane wave generating section 2 and the antenna section 3 in the state shown in FIG. 1 is called the "electromagnetic wave propagation direction."
プローブ28は、アンテナポート(別言すると、入出力ポート)として機能する例えば同軸コネクタ(図示していない)と電気的に接続される。 The probe 28 is electrically connected to, for example, a coaxial connector (not shown) that functions as an antenna port (in other words, an input/output port).
同軸コネクタに纏わる構造/構成はこの発明では特定の構造/構成には限定されないので詳細の説明は省略するが、同軸コネクタは、例えば、(必要に応じて電気回線を介して)プローブ28に電気的に接続されるとともに同軸ケーブル(図示していない)の内導体から信号(SIG)が入力される内導体と、下層導波管21の管壁に電気的に接続されるとともに同軸ケーブルの外導体から信号(例えば、GND)が入力される外導体とを有し、プローブ28に対してRF信号(別言すると、無線通信波)を供給する構造/構成とされ得る。 The structure/configuration of the coaxial connector is not limited to a specific structure/configuration in this invention, so a detailed description will be omitted, but the coaxial connector may have, for example, an inner conductor that is electrically connected to the probe 28 (via an electrical line if necessary) and receives a signal (SIG) from the inner conductor of the coaxial cable (not shown), and an outer conductor that is electrically connected to the wall of the lower waveguide 21 and receives a signal (e.g., GND) from the outer conductor of the coaxial cable, and may be structured/configured to supply an RF signal (in other words, a wireless communication wave) to the probe 28.
アンテナ部3は、主な構成としてフィードアレイ31を有する。アンテナ部3は、第2の回動部によって平面波発生部2に対してyz面に沿って回転可能であるように設けられる。平面波発生部2の平面視における回転中心とアンテナ部3の平面視における回転中心とは相互に一致する。 The antenna unit 3 has a feed array 31 as its main component. The antenna unit 3 is provided so as to be rotatable along the yz plane relative to the plane wave generating unit 2 by the second rotating unit. The center of rotation of the plane wave generating unit 2 in a planar view and the center of rotation of the antenna unit 3 in a planar view coincide with each other.
フィードアレイ31は、導電性を備える材質によってyz面視において円形板状に形成される基部311と、複数の放射スタブ312と、を含む(図3も参照)。 The feed array 31 includes a base 311 formed of a conductive material in the shape of a circular plate in the yz-plane, and a number of radiating stubs 312 (see also FIG. 3).
複数の放射スタブ312は、各々、基部311において列状に連なるスロットとして形成される。複数の放射スタブ312は、各々の長手方向(即ち、図1の状態におけるy軸方向)が相互に平行に、また、各々の長手方向と直交する方向(即ち、図1の状態におけるz軸方向)において等しい間隔Dで相互に離間して配設される。 The multiple radiation stubs 312 are each formed as a row of slots in the base 311. The multiple radiation stubs 312 are arranged parallel to each other in their respective longitudinal directions (i.e., the y-axis direction in the state of FIG. 1) and spaced apart from each other at equal intervals D in a direction perpendicular to each longitudinal direction (i.e., the z-axis direction in the state of FIG. 1).
各々の(言い換えると、自身の)長手方向と直交する方向において連続して設けられる放射スタブ312同士の、各々の長手方向と直交する方向における相互の間隔Dは、電磁波(RF信号)の自由空間波長をλとすると、λ/2≦D<λを満たすように調節される。 The mutual spacing D between the radiation stubs 312 arranged consecutively in a direction perpendicular to each other's longitudinal direction (in other words, their own) is adjusted to satisfy λ/2≦D<λ, where λ is the free space wavelength of the electromagnetic wave (RF signal).
フィードアレイ31は、yz面視において円形であるとともに、複数の放射スタブ312を構成するように複数の細長い溝孔が形成される。 The feed array 31 is circular in the yz plane and has multiple elongated slots formed to define multiple radiating stubs 312.
アンテナ部3は、基部311の、図においてx軸の矢印の向きの側と反対側の面を平面波発生部2の端面に接触させて摺動させながら、平面波発生部2に対してyz面に沿って回転する。 The antenna unit 3 rotates along the yz plane relative to the plane wave generating unit 2 while the surface of the base 311 opposite the side indicated by the x-axis arrow in the figure comes into contact with and slides against the end surface of the plane wave generating unit 2.
なお、放射スタブ312それぞれが誘電体で埋められる(言い換えると、誘電体が充填される)ようにしてもよい。 In addition, each of the radiating stubs 312 may be buried in a dielectric (in other words, filled with a dielectric).
ここで、各放射スタブ312としての開口部(即ち、細長い溝孔)は、導電性の遮蔽をもたず、放射スタブ312としての開口部を通る電磁エネルギの伝搬を可能とし、アンテナ放射パターンが規定される。 Here, each opening (i.e., an elongated slot) as the radiating stub 312 has no conductive shielding and allows electromagnetic energy to propagate through the opening as the radiating stub 312, thereby defining the antenna radiation pattern.
平面波発生部2の上層導波管22内を電磁波伝搬方向(即ち、図1の状態におけるz軸方向)に沿って平面波/電磁波(RF信号)が伝搬し、前記平面波/電磁波(RF信号)により、フィードアレイ31(具体的には、基部311)において、前記平面波/電磁波(RF信号)が伝搬する方向である電磁波伝搬方向の変位電流が励起される。そして、前記電磁波伝搬方向の変位電流が、放射スタブ312に向かってx軸方向に沿って進行して自由空間へと放射される等価な電磁波を励起する。そして、フィードアレイ31の放射スタブ312を通って、RF信号が平面波の形態で放射される。 A plane wave/electromagnetic wave (RF signal) propagates in the electromagnetic wave propagation direction (i.e., the z-axis direction in the state of FIG. 1) within the upper waveguide 22 of the plane wave generating unit 2, and the plane wave/electromagnetic wave (RF signal) excites a displacement current in the electromagnetic wave propagation direction, which is the direction in which the plane wave/electromagnetic wave (RF signal) propagates, in the feed array 31 (specifically, the base 311). The displacement current in the electromagnetic wave propagation direction then excites an equivalent electromagnetic wave that travels along the x-axis direction toward the radiating stub 312 and is radiated into free space. The RF signal then passes through the radiating stub 312 of the feed array 31 and is radiated in the form of a plane wave.
上記の構成を備えるフィードアレイ31は連続トランスバーススタブ(CTS:Continuous Transvers Stub の略)アンテナとも呼ばれる構造の一部に相当し、フィードアレイ31の機能については例えば「The Continuous Transverse (CTS) Array: Basic Theory, Experiment, and Application」(Milroy,W.W. 「Proceedings of the Antenna Applications Symposium Held on 25-27 September 1991. Volume 1」 AD-A253 682,p253-283)並びに特表2006-522561号公報,米国特許第6,281,838号明細書,米国特許第5,757,379号明細書,米国特許5,483,248号明細書,米国特許第5,379,007号明細書,および米国特許第5,266,961号明細書に説明されている。 The feed array 31 having the above configuration corresponds to a part of a structure also called a continuous transverse stub (CTS) antenna, and the function of the feed array 31 is described, for example, in "The Continuous Transverse (CTS) Array: Basic Theory, Experiment, and Application" (Milroy, W.W. "Proceedings of the Antenna Applications Symposium Held on 25-27 September 1991. Volume 1" AD-A253 682, pp. 253-283) as well as in JP-A-2006-522561, U.S. Patent No. 6,281,838, U.S. Patent No. 5,757,379, U.S. Patent No. 5,483,248, U.S. Patent No. 5,379,007, and U.S. Patent No. 5,266,961.
第1の回動部(図示していない)は、yz面視においてプローブ28(さらに言えば、プローブ28から放射される円筒波/電磁波の位相中心)を回転中心としてyz面に沿って平面波発生部2を回転駆動させる。 The first rotating unit (not shown) rotates the plane wave generating unit 2 along the yz plane with the probe 28 (or, more specifically, the phase center of the cylindrical wave/electromagnetic wave emitted from the probe 28) as the center of rotation when viewed in the yz plane.
第2の回動部(図示していない)は、yz面視においてプローブ28(さらに言えば、プローブ28から放射される円筒波/電磁波の位相中心)を回転中心としてyz面に沿ってアンテナ部3を回転駆動させる。 The second rotating part (not shown) rotates the antenna part 3 along the yz plane with the probe 28 (or more specifically, the phase center of the cylindrical wave/electromagnetic wave emitted from the probe 28) as the center of rotation when viewed in the yz plane.
第1の回動部や第2の回動部は、例えば平面波発生部2やアンテナ部3をプローブ28を回転中心として回転可能に支持する保持機構/ガイド機構ならびにモータなどを含む仕組みとして構成され、平面波発生部2やアンテナ部3をyz面に沿って回転駆動させる。 The first and second rotating parts are configured as mechanisms including, for example, a holding mechanism/guide mechanism that rotatably supports the plane wave generating unit 2 and the antenna unit 3 around the probe 28 as the center of rotation, as well as a motor, and drive the plane wave generating unit 2 and the antenna unit 3 to rotate along the yz plane.
第1の回動部が平面波発生部2を回転駆動させる際にはアンテナ部3も回転し、第2の回動部がアンテナ部3を回転駆動させる際にはアンテナ部3のみが回転する。すなわち、第1の回動部が作動することによって平面波発生部2とアンテナ部3とが一緒に回転し、第2の回動部が作動することによってアンテナ部3が単独で回転する。 When the first rotating part rotates the plane wave generating part 2, the antenna part 3 also rotates, and when the second rotating part rotates the antenna part 3, only the antenna part 3 rotates. In other words, when the first rotating part is operated, the plane wave generating part 2 and the antenna part 3 rotate together, and when the second rotating part is operated, the antenna part 3 rotates independently.
第1の回動部や第2の回動部のモータの駆動は制御部(図示していない)によって制御され、すなわち、平面波発生部2の回転の程度と平面波発生部2に対するフィードアレイ31の回転の程度とのそれぞれが制御部によって制御される。 The drive of the motors of the first rotating unit and the second rotating unit is controlled by a control unit (not shown), i.e., the degree of rotation of the plane wave generating unit 2 and the degree of rotation of the feed array 31 relative to the plane wave generating unit 2 are each controlled by the control unit.
アンテナ装置1は、方位角(AZ:Azimuth)方向のビーム走査を行うとともに、高度角(EL:Elevation)方向のビーム走査を行う。なお、方位角(AZ)は、北方向または南方向を0°とし、時計回りを正として定めた角度である。また、高度角(EL)は、地平線を0°とし、天頂方向へと向かって定めた角度である。 The antenna device 1 performs beam scanning in the azimuth (AZ) direction and elevation (EL) direction. The azimuth (AZ) angle is an angle defined with the north or south direction as 0° and clockwise as positive. The elevation (EL) angle is an angle defined with the horizon as 0° and heading toward the zenith.
アンテナ装置1は、第1の回動部によって平面波発生部2(および、アンテナ部3)を回転させることにより、方位角(AZ)方向のビーム走査を行う。 The antenna device 1 performs beam scanning in the azimuth (AZ) direction by rotating the plane wave generating unit 2 (and the antenna unit 3) using the first rotating unit.
アンテナ装置1は、また、第2の回動部によって平面波発生部2に対してアンテナ部3を回転させる(言い換えると、アンテナ部3を単独で回転させる)ことにより、高度角(EL)方向のビーム走査を行う。 The antenna device 1 also rotates the antenna unit 3 relative to the plane wave generating unit 2 using the second rotating unit (in other words, rotates the antenna unit 3 independently), thereby performing beam scanning in the elevation angle (EL) direction.
具体的には、平面波発生部2に対するアンテナ部3のフィードアレイ31の回転の程度が制御されることにより、平面波発生部2の上層導波管22内を電磁波伝搬方向に沿って伝搬する電磁波の波面に対するフィードアレイ31の複数の放射スタブ312各々の長手方向の傾斜の程度に変化が与えられ、フィードアレイ31(具体的には、基部311)へと入射される電磁波の波面に傾斜が与えられて、高度角(EL)方向のビーム走査が行われる。 Specifically, by controlling the degree of rotation of the feed array 31 of the antenna unit 3 relative to the plane wave generating unit 2, the degree of longitudinal inclination of each of the multiple radiating stubs 312 of the feed array 31 relative to the wavefront of the electromagnetic wave propagating along the electromagnetic wave propagation direction within the upper waveguide 22 of the plane wave generating unit 2 is changed, and a tilt is imparted to the wavefront of the electromagnetic wave incident on the feed array 31 (specifically, the base 311), thereby performing beam scanning in the elevation angle (EL) direction.
すなわち、フィードアレイ31へと伝搬する導波モードの傾斜入射を用いて、放射スタブ312へと入ってくる電磁波の位相面を放射スタブ312の長手方向において変化させることにより、放射スタブ312の長手方向のH平面においてビーム走査が行われる。 That is, by using the oblique incidence of the guided mode propagating to the feed array 31, the phase front of the electromagnetic wave entering the radiating stub 312 is changed in the longitudinal direction of the radiating stub 312, thereby performing beam scanning in the H-plane in the longitudinal direction of the radiating stub 312.
ここで、この発明では、フィードアレイ31へと伝搬する導波モードの傾斜入射を用いて、放射スタブ312へと入ってくる電磁波の位相面を放射スタブ312の長手方向において変化させることにより、放射スタブ312を、当該放射スタブ312の長手方向に沿って複数の素子アンテナが1列に連なって並んでいる機序として機能させる。放射スタブ312を構成していると看做される(想定上の)素子アンテナのことを「仮想素子アンテナ312a」と呼ぶ。 In this invention, the phase front of the electromagnetic wave entering the radiating stub 312 is changed in the longitudinal direction of the radiating stub 312 by using the oblique incidence of the guided mode propagating to the feed array 31, so that the radiating stub 312 functions as a mechanism in which multiple element antennas are arranged in a row along the longitudinal direction of the radiating stub 312. The (hypothetical) element antennas considered to constitute the radiating stub 312 are called "virtual element antennas 312a."
図4(A)に、放射スタブ312が同位相で励振される場合の、すなわち、放射スタブ312を構成していると看做される複数の仮想素子アンテナ312aのそれぞれが同位相で励振される場合の、複数の仮想素子アンテナ312aの配列と指向性との関係を示す。 Figure 4 (A) shows the relationship between the arrangement and directivity of the multiple virtual element antennas 312a when the radiation stub 312 is excited in phase, i.e., when each of the multiple virtual element antennas 312a considered to constitute the radiation stub 312 is excited in phase.
この場合は、放射スタブ312の長手方向が電磁波伝搬方向と直交する方向(即ち、図1の状態におけるy軸方向)に沿っている状態であり(図1(B)参照)、隣り合う仮想素子アンテナ312aが同位相で励振される場合、言い換えると、隣り合う仮想素子アンテナ312aについての位相のシフト量の差Δφが0(ゼロ)であるように制御されて励振される場合と捉え得る。 In this case, the longitudinal direction of the radiation stub 312 is aligned along a direction perpendicular to the electromagnetic wave propagation direction (i.e., the y-axis direction in the state of FIG. 1) (see FIG. 1(B)), and adjacent virtual element antennas 312a are excited in phase, in other words, it can be considered that adjacent virtual element antennas 312a are excited in such a way that the difference Δφ in the amount of phase shift between them is 0 (zero).
放射スタブ312が同位相で励振される場合は、複数の仮想素子アンテナ312aの配列(即ち、放射スタブ312の長手方向であり、図1,図4(A)におけるy軸方向)と平行に電磁波の波面が形成され、複数の仮想素子アンテナ312aの配列と直交する方向(即ち、図1,図4(A)におけるx軸方向)にメインローブが形成される。 When the radiating stubs 312 are excited in phase, the wavefront of the electromagnetic wave is formed parallel to the arrangement of the multiple virtual element antennas 312a (i.e., the longitudinal direction of the radiating stubs 312, i.e., the y-axis direction in Figures 1 and 4(A)), and a main lobe is formed in a direction perpendicular to the arrangement of the multiple virtual element antennas 312a (i.e., the x-axis direction in Figures 1 and 4(A)).
図4(B)に、放射スタブ312が位相差を付けて励振される場合の、すなわち、放射スタブ312を構成していると看做される複数の仮想素子アンテナ312aのそれぞれが位相差を付けて励振される場合の、複数の仮想素子アンテナ312aの配列と指向性との関係を示す。 Figure 4 (B) shows the relationship between the arrangement and directivity of the multiple virtual element antennas 312a when the radiation stub 312 is excited with a phase difference, that is, when each of the multiple virtual element antennas 312a considered to constitute the radiation stub 312 is excited with a phase difference.
この場合は、放射スタブ312の長手方向が電磁波伝搬方向と直交する方向に対して傾斜している状態であり(図5参照)、隣り合う仮想素子アンテナ312aごとにΔφ(≠0)の位相差を付けて励振される場合、言い換えると、隣り合う仮想素子アンテナ312aについての位相のシフト量の差Δφが或る値(但し、0ではない)で一定であるように制御されて励振される場合と捉え得る。 In this case, the longitudinal direction of the radiation stub 312 is inclined relative to a direction perpendicular to the electromagnetic wave propagation direction (see FIG. 5), and adjacent virtual element antennas 312a are excited with a phase difference of Δφ (≠0). In other words, it can be considered that adjacent virtual element antennas 312a are excited while being controlled so that the difference Δφ in the amount of phase shift between them is constant at a certain value (but not 0).
放射スタブ312が位相差を付けて励振される場合は、複数の仮想素子アンテナ312aの配列(即ち、放射スタブ312の長手方向)に対して電磁波の波面が傾斜し、その結果としてメインローブの方向が複数の仮想素子アンテナ312aの配列と直交する方向(即ち、図1,図4(B)におけるx軸方向)に対してΔθだけ回転する。なお、仮想素子アンテナ312a同士の相互の間隔をdとすると、Δθ=d・sin(Δφ) である。 When the radiation stub 312 is excited with a phase difference, the wavefront of the electromagnetic wave is tilted with respect to the arrangement of the multiple virtual element antennas 312a (i.e., the longitudinal direction of the radiation stub 312), and as a result, the direction of the main lobe rotates by Δθ with respect to the direction perpendicular to the arrangement of the multiple virtual element antennas 312a (i.e., the x-axis direction in Figures 1 and 4(B)). Note that if the mutual distance between the virtual element antennas 312a is d, then Δθ = d sin(Δφ).
上記したような、放射スタブ312を構成していると看做される複数の仮想素子アンテナ312aの配列と指向性との関係を実現する位相シフト制御をアンテナ部3(具体的には、フィードアレイ31)の回転制御によって実行することにより、放射スタブ312の長手方向のH平面内の指向性をスキャンすることができる。 By performing phase shift control that realizes the relationship between the arrangement and directivity of the multiple virtual element antennas 312a that are considered to constitute the radiating stub 312 as described above by controlling the rotation of the antenna unit 3 (specifically, the feed array 31), it is possible to scan the directivity within the H-plane in the longitudinal direction of the radiating stub 312.
そして、例えば、第2の回動部を作動させて平面波発生部2に対してアンテナ部3が回転して平面波発生部2に対するアンテナ部3の回転の程度が調節されることによって高度角(EL)方向が設定され、平面波発生部2に対するアンテナ部3の回転の程度を固定した状態で第1の回動部を作動させて平面波発生部2とアンテナ部3とが一緒に回転することによって方位角(AZ)方向のビーム走査が行われる。 For example, the second rotation unit is operated to rotate the antenna unit 3 relative to the plane wave generating unit 2, and the degree of rotation of the antenna unit 3 relative to the plane wave generating unit 2 is adjusted to set the altitude angle (EL) direction, and the first rotation unit is operated while the degree of rotation of the antenna unit 3 relative to the plane wave generating unit 2 is fixed, causing the plane wave generating unit 2 and the antenna unit 3 to rotate together, thereby performing beam scanning in the azimuth angle (AZ) direction.
実施の形態に係るアンテナ装置1によれば、平面波発生部2とアンテナ部3とを一緒に回転させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、平面波発生部2に対してアンテナ部3を回転させてアンテナ部3の基部311へと入射される平面波の電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行うようにしているので、移相器を必要とすることなく全方向のビームを走査することが可能となるとともに、アンテナ装置のコストの低廉化を実現することが可能となる。 According to the antenna device 1 of the embodiment, the plane wave generating unit 2 and the antenna unit 3 are rotated together to perform beam scanning in the azimuth direction, and the antenna unit 3 is rotated relative to the plane wave generating unit 2 to tilt the wavefront of the electromagnetic wave of the plane wave incident on the base 311 of the antenna unit 3 to perform beam scanning in the altitude direction. This makes it possible to scan the beam in all directions without the need for a phase shifter, and also makes it possible to reduce the cost of the antenna device.
実施の形態に係るアンテナ装置1によれば、また、平面波発生部2およびアンテナ部3の回転中心からプローブ給電するようにしているので、アンテナ装置の構成を一層簡易にすることが可能となる。 In the antenna device 1 according to the embodiment, the probe is powered from the center of rotation of the plane wave generating unit 2 and the antenna unit 3, which further simplifies the configuration of the antenna device.
また、実施の形態に係るアンテナ装置1によれば、平面波発生部2が折り返し導波管を有するようにしているので、アンテナ装置のコンパクト化を図ることが可能となる。 In addition, according to the antenna device 1 of the embodiment, the plane wave generating section 2 has a folded waveguide, which makes it possible to make the antenna device more compact.
以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the specific configuration is not limited to the above embodiment, and even if there are design changes within the scope of the invention that do not deviate from the gist of the invention, they are included in the invention.
具体的には、上記の実施の形態では給電部によって生成される平面波がアンテナ部3のフィードアレイ31(具体的には、基部311)へと入射されるようにしているが、フィードアレイ31へと入射される平面波を生成する機構は上記の実施の形態における給電部に限定されるものではなく、他の平面波発生機構によって生成される平面波がフィードアレイ31へと入射されるようにしてもよい。 Specifically, in the above embodiment, the plane wave generated by the power supply unit is incident on the feed array 31 (specifically, the base 311) of the antenna unit 3, but the mechanism for generating the plane wave incident on the feed array 31 is not limited to the power supply unit in the above embodiment, and a plane wave generated by another plane wave generating mechanism may be incident on the feed array 31.
1 アンテナ装置
2 平面波発生部
21 下層導波管
22 上層導波管
23 折り返し部
24 反射板
25 導体板
26 主反射鏡
27 副反射鏡
28 プローブ
29 チョーク
3 アンテナ部
31 フィードアレイ
311 基部
312 放射スタブ
312a 仮想素子アンテナ
REFERENCE SIGNS LIST 1 Antenna device 2 Plane wave generating section 21 Lower waveguide 22 Upper waveguide 23 Folded section 24 Reflector 25 Conductor plate 26 Main reflector 27 Sub-reflector 28 Probe 29 Choke 3 Antenna section 31 Feed array 311 Base 312 Radiating stub 312a Virtual element antenna
Claims (2)
前記平面波発生部が、
電磁波を放射するプローブと、
前記プローブから放射される円筒波の電磁波を平面波の電磁波に変換するカセグレン構造を構成する主反射鏡および副反射鏡と、を有し、
前記アンテナ部が、
板状の基部と、
前記基部において列状に連なるスロットとして形成されて相互に等間隔で離間しつつ平行に配設される複数の放射スタブと、を備えるフィードアレイを有し、
前記第1の回動部により前記プローブを回転中心として前記平面波発生部と前記アンテナ部とを一緒に回転させることによって方位角方向のビーム走査を行うとともに、
前記第2の回動部により前記プローブを回転中心として前記平面波発生部に対して前記アンテナ部を回転させて前記アンテナ部の前記基部へと入射される前記平面波の電磁波の波面を傾斜させることによって高度角方向のビーム走査を行う、
ことを特徴とするアンテナ装置。 The antenna includes a plane wave generating unit, an antenna unit, a first rotating unit, and a second rotating unit,
The plane wave generating unit is
A probe that emits electromagnetic waves;
a main reflector and a sub-reflector forming a Cassegrain structure for converting the cylindrical electromagnetic wave radiated from the probe into a plane electromagnetic wave,
The antenna portion is
A plate-shaped base;
a plurality of radiating stubs formed in the base as a series of slots arranged in parallel and equally spaced apart relation to one another;
The first rotating unit rotates the plane wave generating unit and the antenna unit together around the probe as a rotation center, thereby performing beam scanning in an azimuth direction;
and rotating the antenna unit with respect to the plane wave generating unit around the probe as a rotation center by the second rotating unit to tilt a wavefront of the electromagnetic wave of the plane wave incident on the base of the antenna unit, thereby performing beam scanning in an altitude angle direction.
1. An antenna device comprising:
前記カセグレン構造が前記下層導波管内に設けられ、
前記アンテナ部が前記上層導波管側に設けられる、
ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。 the plane wave generating section has a folded waveguide including a lower layer waveguide and an upper layer waveguide which are laminated and each of which constitutes a parallel plate line,
The Cassegrain structure is disposed within the underlying waveguide;
The antenna unit is provided on the upper waveguide side.
2. The antenna device according to claim 1 .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021094552A JP7654330B2 (en) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | Antenna Device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021094552A JP7654330B2 (en) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | Antenna Device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2022186372A JP2022186372A (en) | 2022-12-15 |
| JP7654330B2 true JP7654330B2 (en) | 2025-04-01 |
Family
ID=84442062
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021094552A Active JP7654330B2 (en) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | Antenna Device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP7654330B2 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000307334A (en) | 1999-04-19 | 2000-11-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Antenna device and radar device using the same |
| US20180069321A1 (en) | 2014-12-12 | 2018-03-08 | Thinkom Solutions, Inc. | Optimized true-time delay beam-stabilization techniques for instantaneous bandwith enhancement |
-
2021
- 2021-06-04 JP JP2021094552A patent/JP7654330B2/en active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000307334A (en) | 1999-04-19 | 2000-11-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Antenna device and radar device using the same |
| US20180069321A1 (en) | 2014-12-12 | 2018-03-08 | Thinkom Solutions, Inc. | Optimized true-time delay beam-stabilization techniques for instantaneous bandwith enhancement |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2022186372A (en) | 2022-12-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7656358B2 (en) | Antenna operable at two frequency bands simultaneously | |
| US7847749B2 (en) | Integrated waveguide cavity antenna and reflector RF feed | |
| US7656359B2 (en) | Apparatus and method for antenna RF feed | |
| US20190229427A1 (en) | Integrated waveguide cavity antenna and reflector dish | |
| US7961153B2 (en) | Integrated waveguide antenna and array | |
| EP3242358B1 (en) | High gain, multi-beam antenna for 5g wireless communications | |
| US7554505B2 (en) | Integrated waveguide antenna array | |
| CN101584080A (en) | Integrated waveguide antenna array | |
| JP7689796B2 (en) | Phased Array Antenna | |
| Mei et al. | A low-profile and beam-steerable transmitarray antenna: Design, fabrication, and measurement [antenna applications corner] | |
| JP7689797B2 (en) | Phased Array Antenna | |
| JP7654330B2 (en) | Antenna Device | |
| Taillieu et al. | Low-profile and broadband dual-linearly polarized offset dual-reflector antenna for w-band applications | |
| CN211182508U (en) | Low-profile scannable planar reflective array antenna system with rotary subreflector | |
| JP3941349B2 (en) | Beam scanning antenna | |
| JP2022184131A (en) | Plane wave generation mechanism | |
| CN115051143B (en) | Scanning method based on high-gain planar transmitting array antenna system | |
| JP2003204218A (en) | Antenna device | |
| JPH10327014A (en) | Antenna device | |
| JPS6017163B2 (en) | double beam scanning antenna | |
| EP1647070A1 (en) | An antenna |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20240516 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20250227 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20250318 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20250318 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7654330 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |