アンテナアレイ

アンテナアレイ（またはアレイアンテナ）は、複数の接続されたアンテナのセットであり、単一のアンテナとして連携して機能し、電波を送信または受信します。^{[1] : p.149  [2]} 個々のアンテナ（エレメントと呼ばれる）は通常、特定の位相関係でエレメントに電力を供給する給電線によって単一の受信機または送信機に接続されます。各個別のアンテナから放射される電波は結合して重ね合わされ、加算（建設的干渉）して目的の方向に放射される電力を強化し、打ち消し（破壊的干渉）して他の方向に放射される電力を減らします。同様に、受信に使用する場合、個々のアンテナからの個別の無線周波数電流が受信機内で正しい位相関係で結合し、目的の方向から受信した信号を強化し、望ましくない方向からの信号を打ち消します。より高度なアレイアンテナには、それぞれが個別のアンテナエレメントまたはエレメントのグループに接続された複数の送信機または受信機モジュールがある場合があります。

アンテナアレイは、単一の素子で達成できるものよりも高いゲイン（指向性）を実現できます。つまり、電波のビームは狭くなります。一般的に、使用される個々のアンテナ素子の数が多いほど、ゲインが高くなり、ビームは狭くなります。一部のアンテナアレイ（軍用フェーズドアレイレーダーなど）は、数千の個々のアンテナで構成されています。アレイは、より高いゲインの実現、通信の信頼性を高めるパスダイバーシティ（MIMOとも呼ばれる）^{[3]の実現、特定の方向からの}干渉の除去 、無線ビームを電子的に操作して異なる方向を向くこと、無線方向探知（RDF）に使用できます。^[4]

アンテナアレイという用語は、一般的には、受信機または送信機に接続された 複数の同一の駆動素子で構成される駆動アレイを意味します。寄生アレイは、給電線に接続された単一の駆動素子と、寄生素子と呼ばれる、給電線に接続されていない他の素子で構成されます。これは通常、八木宇田アンテナの別名です。

フェーズドアレイとは、通常、電子的にスキャンされるアレイ、つまり、コンピュータで制御される位相シフターを介して各要素が送信機または受信機に接続されている駆動アレイアンテナを意味します。電波のビームは、アンテナを動かさずに、電子的に操作して、広い角度で任意の方向に瞬時に向けることができます。ただし、「フェーズドアレイ」という用語は、通常のアレイアンテナを意味するために使用されることもあります。^[4]

レイリーの基準によれば、アンテナの指向性、つまり放射される電波のビームの角度幅は、電波の波長をアンテナの幅で割った値に比例します。1 /4 波長モノポールや1/2 波長ダイポールなど、1 波長程度の小型アンテナは指向性 (ゲイン)があまりなく、広い角度で電波を放射する全方向性アンテナです。狭いビームで電波を放射する指向性アンテナ(高ゲイン アンテナ) を作成するには、次の 2 つの一般的な手法を使用できます。

1 つの技術は、放物面反射鏡やホーンなどの大きな金属表面による反射、または誘電体レンズによる屈折を利用して電波の方向を変え、単一の低利得アンテナからの電波をビームに集中させることです。このタイプは開口アンテナと呼ばれます。パラボラ皿は、このタイプのアンテナの一例です。

2 番目の手法は、同じ送信機または受信機から給電される複数のアンテナを使用することです。これはアレイ アンテナまたはアンテナ アレイと呼ばれます。送信アンテナの場合、任意のポイントで受信される電磁波は、各アンテナ要素からの電磁波のベクトル和です。電流が適切な位相でアンテナに給電されると、干渉現象により、個々のアンテナからの球面波がアレイの前で結合 (重ね合わせ) され、平面波、つまり特定の方向に進む電波のビームが作成されます。個々のアンテナからの波が同位相で到達する方向では、波は加算され (建設的干渉)、放射される電力が強化されます。個々の波が位相外れで到達し、一方の波の山がもう一方の波の谷に一致する方向では、波が打ち消し合い (弱め合う干渉)、その方向に放射される電力が減少します。同様に、受信時には、目的の方向から受信した電波から個別のアンテナで受信される振動電流は同位相であり、受信機内で結合されると互いに強め合いますが、他の方向から受信した電波からの電流は位相がずれているため、受信機内で結合されると互いに打ち消し合います。

このようなアンテナの放射パターンは、一方向の強いビーム（メインローブ）と、さまざまな角度にあるサイドローブと呼ばれる一連の弱いビーム（通常は不要な方向への残留放射を表す）で構成されます。アンテナの幅が広く、アンテナ要素の数が多いほど、メインローブは狭くなり、達成できるゲインが高くなり、サイドローブは小さくなります。

アンテナ素子が同位相で給電されるアレイはブロードサイドアレイであり、メインローブは素子の平面に対して垂直に放射されます。

最大のアレイアンテナは、電波天文学の分野で使用されている電波干渉計です。このアンテナでは、大きなパラボラアンテナで構成される複数の電波望遠鏡がアンテナアレイにリンクされ、より高い解像度を実現します。開口合成と呼ばれる技術を使用すると、このようなアレイは、アンテナ間の距離に等しい直径のアンテナの解像度を持つことができます。超長基線電波干渉法(VLBI) と呼ばれる技術では、別々の大陸にある皿がリンクされ、数千マイルの大きさの「アレイアンテナ」が作成されます。

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  折り畳みダイポールのVHF共線アレイ
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  携帯電話の塔のセクター アンテナ(白いバー)。共線ダイポール アレイが、平らな扇形のビームを放射します。
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  第二次世界大戦中に使用されたSCR-270レーダーの108 MHz反射アレイアンテナは、反射スクリーンの前にある 32 個の半波長ダイポール アンテナで構成されています。
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  アラスカの弾道ミサイル探知用米国空軍PAVE PAWS フェーズドアレイ420～450 MHz レーダーアンテナ。2 つの円形アレイはそれぞれ 2,677 本の交差ダイポールアンテナで構成されています。
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  PAVE PAWSフェーズドアレイアンテナの交差ダイポール素子の一部（左）
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  バットウィングVHFテレビ放送アンテナ
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  クロスダイポールFMラジオ放送アンテナ
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  カーテンアレイ短波送信アンテナ、オーストリア。鉄塔の間に吊り下げられたワイヤーダイポール
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  衛星通信に使用されるターンスタイルアンテナアレイ
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  衛星テレビ受信用のフラットマイクロストリップアレイ アンテナ。
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  ニューメキシコ州ソコロにある、27 基のパラボラアンテナを Y 字型に並べた電波望遠鏡、Very Large Array (超大型干渉電波望遠鏡)
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  HAARP はアラスカにある180個の交差ダイポールのフェーズドアレイで、研究目的で3～10MHzの電波の3.6MWビームを電離層に送信できます。
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  衛星追跡アンテナとして使用される4つのらせんアンテナのアレイ、フランス、プルムール ボドゥー

ほとんどのアレイ アンテナは、構成アンテナの軸が放射方向とどのように関係しているかに基づいて 2 つのクラスに分けられます。

• ブロードサイド アレイは、電波の放射方向 (メイン ローブ) がアンテナの平面に対して垂直になる 1 次元または 2 次元のアレイです。垂直に放射するには、アンテナに同位相で給電する必要があります。
• エンドファイア アレイは、放射の方向がアンテナのラインに沿う線形アレイです。アンテナには、隣接するアンテナの間隔に等しい位相差で給電する必要があります。

これらのいずれのカテゴリにも属さない アレイ（フェーズドアレイなど）もあり、その場合、放射の方向はアンテナ軸に対して別の角度になります。

アレイアンテナは、要素アンテナの配置方法によっても分類できます。

• 駆動アレイ– これは、個々の構成アンテナがすべて「駆動」され、送信機または受信機に接続されたアレイです。個々のアンテナは通常同一であり、半波長ダイポールなどの単一の駆動要素で構成されることがよくありますが、八木アンテナやターンスタイルアンテナなどの複合アンテナである場合もあります。
  • コリニアアレイ- 複数の同一ダイポールアンテナを垂直に一列に並べたブロードサイドアレイ。これは高利得の全方向性アンテナで、 VHF帯域でテレビ局の放送アンテナや陸上移動双方向無線の基地局アンテナ。
    • スーパーターンスタイルまたはバットウィングアレイ - テレビ放送用の特殊な垂直アンテナで、マスト上に同一直線上に設置された複数の交差ダイポール アンテナで構成されています。広帯域幅の高ゲイン全方向性放射パターンです。
  • 平面アレイ– 平面の 2 次元アンテナ アレイ。全方向性アンテナ アレイは、アンテナの両側から 180° 離れた横方向に 2 つのビームを放射するため、通常は平面反射鏡の前に取り付けられるか、八木アンテナやヘリカルアンテナなどの指向性アンテナで構成され、一方向性ビームを生成します。
  • 反射アレイ– 金属板や金網などの平らな反射板の前にある、同位相で給電される半波長ダイポールアンテナの平面アレイ。アレイに対して垂直 (ブロードサイド) に単一の電波ビームを放射します。UHFテレビアンテナやレーダーアンテナとして使用されます。
    • カーテン アレイ- 平行ワイヤの「カーテン」で作られた垂直反射器の前に吊り下げられたワイヤ ダイポールの平面アレイで構成される屋外ワイヤ短波送信アンテナ。短波放送局の長距離送信アンテナとして HF バンドで使用されます。フェーズド アレイとして操作できます。
    • マイクロストリップ アンテナ-プリント基板上に作られたパッチ アンテナのアレイで、裏面には反射板として機能する銅箔が付いています。エレメントは銅箔で作られたストリップラインを通じて給電されます。UHF および衛星テレビ受信アンテナとして使用されます。

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    フェーズドアレイまたは電子スキャンアレイ– アンテナを物理的に動かすことなく、ビームを電子的に操作してアレイの前方の広い角度の任意の方向に向けることができる平面アレイ。送信機からの電流は、コンピュータで制御される位相シフターを介して各構成アンテナに供給されます。供給電流の相対位相を変更することで、ビームを瞬時に異なる方向に向けることができます。この技術は軍事用レーダーで広く使用されており、民間用途にも急速に普及しています。
    • パッシブ電子走査アレイ(PESA) - 上で説明したフェーズドアレイで、アンテナ要素は位相シフタを介して単一の送信機または受信機から給電されます。
    • アクティブ電子走査アレイ(AESA) – 各アンテナ要素に独自の送信機および/または受信機モジュールがあり、中央コンピュータによって制御されるフェーズドアレイ。この第 2 世代のフェーズドアレイ技術は、複数の周波数で複数のビームを同時に放射することができ、主に高度な軍用レーダーで使用されます。
  • コンフォーマル アレイ– 平面ではなく、曲面に適合する 2 次元フェーズド アレイ。個々の要素は、変化する経路長を補正する位相シフターによって駆動され、アンテナが平面波ビームを放射できるようにします。コンフォーマル アンテナは、空気抵抗を減らすために、航空機やミサイルの曲面外皮に組み込まれることがよくあります。
  • スマートアンテナ、再構成可能アンテナ、またはアダプティブアレイは、電波の到来方向を推定し、それを受信するように放射パターンを電子的に最適化し、その方向にメインローブを合成する受信アレイです。 ^[5]フェーズドアレイと同様に、コンピューターによって制御される給電線に位相シフター を備えた複数の同一要素で構成されています
• 対数周期ダイポールアレイ(LPDA) - 長さが徐々に長くなる多数のダイポール駆動素子を一列に並べたエンドファイアアレイ。高ゲインのブロードバンドアンテナとして機能します。テレビ受信アンテナや短波通信に使用されます。

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  寄生アレイ– これは、1 列に並んだ複数のアンテナ要素で構成されるエンドファイア アレイです。そのうちの 1 つの駆動要素のみが送信機または受信機に接続され、他の要素 (寄生要素) は接続されません。寄生要素は共振器として機能し、駆動要素からの電波を吸収して異なる位相で再放射し、アンテナの放射パターンを変更して、目的の方向に放射される電力を増加させます。これらには駆動要素が 1 つしかないため、「アレイ」ではなく「アンテナ」と呼ばれることがよくあります。
  • 八木宇田アンテナまたは八木アンテナ - このエンドファイア アレイは、一列に並んだ複数の半波長ダイポール素子で構成されています。これは、放射方向に複数の「ディレクター」寄生素子を持つ単一の駆動素子と、通常はその背後に単一の「リフレクター」寄生素子で構成されています。これらは、 HF、 VHF、 UHF帯域でテレビ アンテナ、短波通信アンテナ、レーダー アレイとして広く使用されています。
  • クワッド アンテナ- 複数のループ アンテナが一列に並んでおり、1 つのループが駆動され、他のループは寄生です。機能は八木アンテナと同様です。

直交座標系のx軸に沿って素子が配置された線形アレイを考えてみましょう。放射器は同じ方向を持ち、電界の偏波も同じであると仮定します。これに基づいて、アレイ係数は次のように表すことができます^[6]

${\displaystyle F(u)=\sum _{n=1}^{N}I_{n}\,e^{jk\,x_{n}u}}$

ここで、はアンテナ素子の数、は波数、（メートル単位）はそれぞれ n 番目の放射体の複素励起係数と位置で、 と はそれぞれ天頂角と方位角です。隣接する素子の間隔が一定の場合、 と書くことができ、アレイは周期的であるといわれます。アレイは空間的（物理的）にも変数 においても周期的です。たとえば、 でが波長である場合、アレイ係数の大きさの周期は、 の領域でに等しくなります。 は補助変数であることを強調しておく価値があります。実際、物理的な観点から、放射目的に関係するの値は、およびの値に関連付けられた 区間 に該当します。この場合、区間 [-1,1] は可視空間と呼ばれます。さらに示されているように、変数の定義が変わると、可視空間の範囲もそれに応じて変わります。 ${\displaystyle N}$${\displaystyle k}$${\displaystyle I_{n}}$${\displaystyle x_{n}}$${\displaystyle u=\sin \theta \cos \phi }$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \phi }$${\displaystyle x_{n+1}-x_{n}=d}$${\displaystyle u}$${\displaystyle d=\lambda /2}$${\displaystyle \lambda }$${\displaystyle u}$${\displaystyle 2}$${\displaystyle u}$${\displaystyle u}$${\displaystyle [-1,1]}$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \phi }$${\displaystyle u}$

ここで、励起係数が正の実変数であると仮定します。この場合、 の領域に常に存在し、アレイ係数の大きさは で最大値をとるメインローブ と呼ばれるメインローブ、サイドローブと呼ばれるメインローブよりも低いいくつかの二次ローブ、およびグレーティングローブと呼ばれるメインローブのレプリカを持ちます。グレーティングローブは、送信と受信の両方において不都合な原因となります。実際、送信では、グレーティングローブは望ましくない方向への放射につながる可能性があり、受信では、メインローブ領域に入る目的の信号がさまざまなグレーティングローブの領域に入る他の信号（不要な干渉信号）によって強く妨害される可能性があるため、グレーティングローブは曖昧さの原因となる可能性があります。したがって、周期的アレイでは、隣接する放射器の間隔が特定の値を超えてはならず、（可視空間での）グレーティングローブの出現を防止します。可視空間) では、隣接する放射器の間隔が特定の値を超えてはなりません。たとえば、前に見​​たように、 の最初のグレーティングローブは で発生します。したがって、この場合は、グレーティングローブが区間 [-1,1] の外側にあるため、問題はありません。 ${\displaystyle u}$${\displaystyle u=0}$${\displaystyle d=\lambda /2}$${\displaystyle u=\pm 2}$

上で見たように、隣接する放射器間の間隔が一定の場合、アレイ係数はグレーティングローブの存在によって特徴付けられます。文献では、アレイ係数の周期性を破壊するには、同じアレイの形状も非周期的にする必要があることが十分に実証されています。^[7]放射器の位置を操作して、これらの位置が互いに整合しないようにすることができます。位置がさらなる自由度（未知数）を表すアレイを合成するためのいくつかの方法が開発されています。決定論的^[8]および確率論的^{[9] [10]}の両方の方法論があります。非周期アレイの確率理論は十分に体系化された理論であり、強力な一般的な方法論的基礎を備えているため、まずはその特殊性を説明することに集中しましょう。

放射器の位置は、独立かつ同一分布するランダム変数であり、そのサポートはアレイの開口部全体と一致すると仮定する。その結果、アレイ係数は確率過程となり、その平均は次のようになる^[9]。${\displaystyle \{x_{n}\}_{n=1}^{N}}$

${\displaystyle E\left[F(u)\right]=\textstyle \int \limits _{-L/2}^{L/2}f(x)\,e^{jkxu}\,dx}$

固定放射パターンを提供するアンテナアレイでは、給電ネットワークはアンテナアレイの一部であると考えることができます。したがって、アンテナアレイには単一のポートがあります。アレイの各要素の位相が適切であれば、狭いビームを形成できます。さらに、各要素が受信する励起の振幅（放射中）も適切に選択すれば、指定されたパターンに近い放射パターンを持つ単一ポートアレイを合成できます。^[6]アレイパターン合成には多くの方法が開発されています。考慮すべき追加の問題は、マッチング、放射効率、帯域幅です。

電子的に操作可能なアンテナ アレイの設計は異なります。各要素の位相を変更でき、各要素の相対振幅も変更できる可能性があるからです。この場合、アンテナ アレイには複数のポートがあるため、マッチングと効率の問題は単一ポートの場合よりも複雑になります。さらに、マッチングと効率は、アンテナ間の相互作用を無視できる場合を除き、励起に依存します。

空間ダイバーシティや空間多重化（MIMO無線通信の異なるタイプ）に使用されるアンテナアレイには、常に複数のポートがあります。^[11]これは、送信時に独立した励起を受信し、受信時に多かれ少なかれ独立した信号を送信することを目的としています。ここでも、特にモバイルデバイスのアンテナアレイの場合（^[11]の第10章を参照）、マッチングと効率の問題が関係します。この場合、アンテナアレイの周囲がその動作に影響を与え、時間の経過とともに変化するためです。適切なマッチングメトリックと効率メトリックは、最悪の励起を考慮に入れます。^[12]

• 全アクティブ反射係数

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