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公開番号2025088633
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-11
出願番号2023203453
出願日2023-11-30
発明の名称アレイアンテナとアンテナシステム
出願人国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H01Q 5/30 20150101AFI20250604BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】本発明は、アレイアンテナとアンテナシステムの提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係るアレイアンテナは、異なる半径を有する複数の円環アンテナアレイが同一中心を有するように同心配置され、前記各円環アンテナアレイには複数のアンテナ素子が前記各円環アンテナアレイの中心を取り囲む位置に配置され、前記各円環アンテナアレイの半径と、前記各円環アンテナアレイのアンテナ素子群の素子数と、前記アンテナ素子の必要実効長に起因する形状と、前記円環アンテナアレイのアンテナ素子配置が、分割された動作周波数に応じて異なる前記円環アンテナアレイを有し、前記全てのアンテナ素子の全体で相似関係を有するようにフラクタル構造を持つようにすることで、極超広帯域において均一のビームフォーミング能力を有することを特徴とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
異なる半径を有する複数の円環アンテナアレイが同一中心を有するように同心配置され、前記各円環アンテナアレイには複数のアンテナ素子が前記各円環アンテナアレイの中心を取り囲む位置に配置され、
前記各円環アンテナアレイの半径と、前記各円環アンテナアレイのアンテナ素子群の素子数と、前記アンテナ素子の必要実効長に起因する形状と、前記円環アンテナアレイのアンテナ素子配置が、分割された動作周波数に応じて異なる前記円環アンテナアレイを有し、前記全てのアンテナ素子の全体で相似関係を有するようにフラクタル構造を持つようにすることで、極超広帯域において均一のビームフォーミング能力を有するアレイアンテナ。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記アンテナ素子と前記円環アンテナアレイが、極超広帯域を任意に分割した動作周波数に対応し、前記各アンテナ素子の形状と前記各円環アンテナアレイの半径となるような規則性を持たせたフラクタル構造を持つ、
請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項３】
前記アンテナ素子と前記円環アンテナアレイが、極超広帯域を比帯域幅において均等に分割した動作周波数に対応し、前記各アンテナ素子の形状と前記各円環アンテナアレイの半径が同じ比率になるよう規則性を持たせたフラクタル構造を有する、
請求項２に記載のアレイアンテナ。
【請求項４】
前記アンテナ素子と前記円環アンテナアレイが、極超広帯域を比帯域幅において一定の割合で傾斜がかかった帯域幅になるように分割した動作周波数に対応し、前記各アンテナ素子の形状と前記各円環アンテナアレイの半径が同じ比率になるように規則性を持たせたフラクタル構造を有する、
請求項２に記載のアレイアンテナ。
【請求項５】
前記アンテナ素子が、前記複数の円環アンテナアレイの間において、対応する各帯域幅に応じた異なる構造のアンテナ素子とされた、
請求項１または請求項２に記載のアレイアンテナ。
【請求項６】
前記異なる構造のアンテナ素子のうち、１種がパッチアンテナであり、他の１種がスパイラルアンテナである、
請求項５に記載のアレイアンテナ。
【請求項７】
前記複数の円環アンテナアレイにおいて、異なる構造のアンテナ素子が設けられた構造であり、同心状に配置された複数の前記円環アンテナアレイのうち、比帯域幅において、中央側に狭帯域であり、かつ高周波数動作を行うパッチアンテナが配置され、外側に広帯域であり、かつ低周波動作するスパイラルアンテナが配置された、
請求項５に記載のアレイアンテナ。
【請求項８】
前記複数の円環アンテナアレイにおいて、異なる構造のアンテナ素子が設けられた構造において、同心に配置された複数の円環アンテナアレイのうち、比帯域幅において、外側に狭帯域であり、かつ高周波数動作を行うパッチアンテナが配置され、中央側に広帯域であり、かつ低周波動作するスパイラルアンテナが配置された、
請求項５に記載のアレイアンテナ。
【請求項９】
前記アンテナ素子と前記円環アンテナアレイが、各円環アンテナアレイで同一の数のアンテナ数であり、かつ動作周波数に対して相対的に同じアンテナ間隔となるように、各アンテナ素子の形状と各円環アンテナアレイの半径になるよう規則性を持たせたフラクタル構造を有する、
請求項１に記載のアレイアンテナ。
【請求項１０】
前記アンテナ素子の間隔が、円環アンテナアレイ内で非等間隔あるいは一部の前記アンテナ素子が削除された構成により不均一であり、その不均一性が各円環アンテナアレイで同様の規則性を持つことでフラクタル構造を有する、
請求項１に記載のアレイアンテナ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明はアレイアンテナとアンテナシステムに関する。
続きを表示（約 3,600 文字）【背景技術】
【０００２】
従来の１～２桁オーダーの超高帯域に比べ、極超広帯域とでもいうべき３桁以上の帯域にまたがるビームフォーミングにおいて、従来のアンテナアレイでは周波数ごとに指向性が大きく変化しパフォーマンスを劣化させてしまう。ここで、ビームフォーミングとは、複数のアンテナで計測した電波信号をデジタル変換することで同時に色々な方向の観測ができる技術を意味する。
広帯域アンテナとして自己補対アンテナを筆頭に多くのアンテナが提案されているが（例えば、非特許文献１参照）、アンテナアレイ方式とは別々に議論されており、アンテナアレイ方式も単一アンテナの配置最適論に止まりがちである（例えば、非特許文献２参照）。
そのため、極超広帯域においてビームフォーミングが可能な最適化の報告例は部分的なものが多い。
【０００３】
その様な状況が発生する場合として、例えばレーダーや通信におけるアレイアンテナシステムがある。広帯域になるほどに低周波側での動作に必要なアンテナ寸法が支配的になり、アンテナアレイとした場合に高周波側のアンテナアレイの密度が不足し、アンテナ素子間隔が広がり、グレーティングローブ発生の原因となってしまう。グレーティングローブとは、アンテナの素子間隔を１波長にすると、横方向でも等位相面が揃って正面方向と同じ強さのビームが出てしまうことを意味する。
高周波側に合わせたアンテナアレイの場合は、必然ながら低周波側にとって過密なアンテナアレイとなり、アンテナ間結合が顕著となり、アンテナ素子サイズも不十分なことから性能劣化の要因となる。また、低周波側の開口長が相対的に不足し、指向性の広がりを生じてしまう（例えば、非特許文献３参照）。
【０００４】
このような課題に対し、これまで用いられてきたレーダーや通信に求められる広帯域特性は、せいぜい数倍から１桁程度の周波数範囲であることが多い（例えば、非特許文献４参照）。あるいは、超広帯域におけるビームフォーミングは周波数依存性を無視できる範囲であることが多い。
また、粗密なアンテナアレイにおいてアンテナ間結合が生じない範囲の高周波においてグレーティングローブの低減手法について議論されるに留まっている（例えば、非特許文献５参照）。極超広帯域においては、従来から必要な周波数帯毎に十分な指向性を持つアンテナシステムを複数持つことで対処がなされている（例えば、非特許文献６参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
フリー百科事典ウィキペディア「自己補対アンテナ」 https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%87%AA%E5%B7%B1%E8%A3%9C%E5%AF%BE%E3%82%A2%E3%83%B3%E3%83%86%E3%83%8A ：検索日2023/09/11
IEEE Conference Proceedings “Thinning of Concentric Circular Antenna Array Using Binary Salp Swarm Algorithm” 2019号 P1-4 2019年発行
“ビーム形成とグレーティングローブの説明 http://www.takuichi.net/hobby/edu/em/array/beam_grating/index-j.html#:~:text=%E7%B4%A0%E5%AD%90%E9%96%93%E9%9A%94%E3%82%92%EF%BC%91%E6%B3%A2%E9%95%B7,(grating%20lobe)%E3%81%A8%E8%A8%80%E3%81%86%E3%80%82 ：検索日2023/09/11
フリー百科事典ウィキペディア「超広帯域無線」 https://ja.wikipedia.org/wiki/%E8%B6%85%E5%BA%83%E5%B8%AF%E5%9F%9F%E7%84%A1%E7%B7%9A ：検索日2023/09/11
Xin Tu, Guofu Zhu, Xikun Hu, and Xiaotao Huang., “Grating Lobe Suppression in Sparse Array-Based Ultrawideband Through-Wall Imaging Radar”, IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS, VOL.15, 2016.
東陽テクニカルマガジン７０周年記念号第１８号 “電波望遠鏡と衛星追尾～パラボラアンテナとその利用～” https://www.toyo.co.jp/magazine/detail/id=34168 ：検索日2023/09/11
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
昨今、数桁にまたがる極超広帯域の電波観測などにおいて、衛星受信などの限られた機器搭載リソースの中で良好なパフォーマンスを発揮できるビームフォーミングが期待されている。
しかしながら、数桁にまたがる極超広帯域の電波観測においては、周波数毎のビームフォーミング性能の差異が顕著となり、詳細な信号発信源位置の特定や必要な信号対雑音比の確保において無視できない問題がある。
また、アンテナシステムを帯域ごとに分割する方法も複数のアンテナ構造物を確保するため、適用条件が限られてしまう問題がある。
【０００７】
本発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであり、極超広帯域に対応可能なアレイアンテナにおいて、周波数ごとに同質のデジタルビームフォーミング能力を提供できるアレイアンテナとアンテナシステムの提供を目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされた発明であり、手段として、以下の構成を有する。
（１）本発明の一形態に係るアレイアンテナは、異なる半径を有する複数の円環アンテナアレイが同一中心を有するように同心配置され、前記各円環アンテナアレイには複数のアンテナ素子が前記各円環アンテナアレイの中心を取り囲む位置に配置され、前記各円環アンテナアレイの半径と、前記各円環アンテナアレイのアンテナ素子群の素子数と、前記アンテナ素子の必要実効長に起因する形状と、前記円環アンテナアレイのアンテナ素子配置が、分割された動作周波数に応じて異なる前記円環アンテナアレイを有し、前記全てのアンテナ素子の全体で相似関係を有するようにフラクタル構造を持つようにすることで、極超広帯域において均一のビームフォーミング能力を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、極超広帯域対応のアダプティブアレイアンテナにおいて、全ての周波数で同質のデジタルビームフォーミングが可能であり、素子数も最小限とすることができるアレイアンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
（ａ）は本発明の第１実施形態に係るアレイアンテナを示す構成図、（ｂ）は分割する周波数について示す説明図。
（ａ）は本発明の第２実施形態に係るアレイアンテナを示す構成図、（ｂ）は分割する周波数について示す説明図。
（ａ）は本発明の第３実施形態に係るアレイアンテナを示す構成図、（ｂ）は分割する周波数について示す説明図。
（ａ）は本発明の第４実施形態に係るアレイアンテナを示す構成図、（ｂ）は分割する周波数について示す説明図。
本発明の第５実施形態に係るアレイアンテナを示す構成図。
本発明の第６実施形態に係るアレイアンテナを示す構成図。
本発明の第７実施形態に係るアレイアンテナを示す構成図。
本発明の第８実施形態に係るアレイアンテナを示す構成図。
本発明の第９実施形態に係るアレイアンテナを示す構成図。
本発明の第１実施形態に係るアンテナシステムを示す構成図。
本発明の第２実施形態に係るアンテナシステムを示す構成図。
本発明の第３実施形態に係るアンテナシステムを示す構成図。
本発明の第４実施形態に係るアンテナシステムを示す構成図。
本発明の第１０実施形態に係るアレイアンテナを宇宙空間に設置した一例を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
（【００１１】以降は省略されています）

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