反射アレイアンテナ

通信やレーダーにおいて、反射アレイアンテナは指向性 アンテナの一種であり 、複数の駆動素子が平らな面の前に取り付けられ、目的の方向に電波を反射するように設計されている。アレイアンテナの一種である。VHFおよびUHF周波数帯でよく使用される。VHFの例は一般に大きく、高速道路の看板に似ているため、ビルボードアンテナと呼ばれることもある。アンテナを構成する素子の種類に応じて、ベッドスプリングアレイ^[1]やボウタイアレイとも呼ばれる。カーテンアレイは、短波ラジオ放送局で使用される大型バージョンである。

反射アレイ アンテナは通常、電気的に広い平坦な反射面の前に、同位相で給電される同一の駆動素子が多数配置されており、一方向性の電波ビームを生成してアンテナ利得を高め、不要な方向への放射を減らします 。使用する素子の数が多いほど、利得が高くなり、ビームは狭くなり、サイドローブは小さくなります。個々の素子は、駆動素子だけでなく寄生素子も含まれる場合もありますが、最も一般的には半波長ダイポールです。反射鏡は金属板ですが、より一般的には金網です。金属スクリーンは、スクリーンの穴が波長の約 10 分の 1 よりも小さい限り、固体の金属板と同様に電波を反射するため、アンテナの重量と風荷重を減らすためにスクリーンがよく使用されます。これらは通常、ダイポール素子の軸と平行に配置された平行ワイヤまたはロッドのグリルで構成されます。

駆動される素子には、RF ソースからの電力を素子間で均等に分割する伝送線路のネットワークによって電力が供給されます。この回路は、多くの場合、ツリー構造になっています。

無線信号が導体を通過すると、導体に電流が誘導されます。無線信号は空間を満たし、導体のサイズは有限であるため、誘導電流は導体に沿って移動するにつれて増加または相殺されます。アンテナ設計の基本的な目標は、エネルギーが取り出されるポイントで電流が最大になるようにすることです。これを実現するために、アンテナ要素は無線信号の波長に応じてサイズが決定され、給電ポイントで最大になる定 在波の電流を設定することが目的です。

これは、特定の波長を受信するように設計されたアンテナには自然なサイズがあることを意味します。受信を改善するには、単にアンテナを大きくするだけでは不十分です。アンテナを大きくすると、アンテナが受信する信号量（主に面積の関数）は改善されますが、受信効率は低下します（特定の波長で）。したがって、受信を改善するために、アンテナ設計者は複数の要素を使用し、それらを組み合わせて信号が加算されるようにすることがよくあります。これらはアンテナ アレイとして知られています。

信号を加算するには、同位相で到着する必要があります。2 つのダイポール アンテナを端から端まで一直線、つまり共線上に配置した場合を考えてみましょう。結果として得られるアレイがソース信号に直接向けられている場合、両方のダイポールは同じ瞬間信号を受信するため、受信は同位相になります。ただし、アンテナを回転させて信号に対して角度を付けると、信号から遠いダイポールへの余分な経路により、わずかに位相がずれた信号を受信することになります。その後 2 つの信号を加算すると、厳密には互いを強め合わなくなり、出力が低下します。これにより、アレイは水平方向により敏感になり、ダイポールを平行に積み重ねるとパターンが垂直方向に狭まります。これにより、設計者は要素を移動させることで 受信パターン、ひいてはゲインを調整できます。

アンテナが信号に対して適切に位置合わせされていれば、ある瞬間にアレイ内のすべてのエレメントが同じ信号を受信し、同位相になります。ただし、各エレメントからの出力は 1 つの給電点に集められる必要があり、信号がアンテナを通ってその点に到達すると、その位相が変化します。2 エレメント アレイでは、給電点をエレメント間に配置できるため、これは問題になりません。伝送線路で発生する位相シフトは、両方のエレメントで同じです。ただし、これを 4 エレメント アレイに拡張すると、この方法は機能しなくなります。外側のペアからの信号はさらに遠くまで移動する必要があるため、中央に到達したときに内側のペアとは異なる位相になるからです。すべてが同じ位相で到達するようにするために、信号パスに追加の伝送線を挿入するか、差が波長の1 ⁄ 2より大きい場合は伝送線路を交差させて位相を反転させるのが一般的です。

反射板を追加することで、利得をさらに向上させることができます。一般的に、平らなシート内の導体は無線信号に対して鏡のように機能しますが、導体間のギャップがターゲット波長の約1 ⁄ 10未満である限り、非連続面にも当てはまります。^[2]これは、金網や平行ワイヤ、金属棒を使用できることを意味します。これは、材料の総量を減らすだけでなく、風荷重を減らすのにも特に役立ちます。

反射時に信号伝播方向が変わるため、信号は位相反転します。反射器が出力信号に加算されるためには、信号が同位相で素子に到達する必要があります。通常、これには反射器を素子の後ろの波長の 1/4に配置する必要があり、これはテレビアンテナなどの一般的な反射器アレイの多くに見られます。ただし、この距離を変える要因は多数あり、実際の反射器の位置は異なります。

反射板には、アンテナの背面から受信する信号を減らすという利点もあります。背面から受信して反射板から再放送される信号は位相が変化しておらず、前面からの信号に追加されません。これにより、アンテナの前後比が大幅に改善され、指向性が高まります。これは、より指向性の高い信号が必要な場合や、不要な信号が存在する場合に便利です。これが望ましくない場合もありますが、反射板はアレイアンテナでよく見られますが、普遍的ではありません。たとえば、UHFテレビアンテナでは、反射板付きのボウタイアンテナのアレイがよく使用されますが、反射板なしのボウタイアレイは、マイクロ波領域では比較的一般的な設計です。^[3]

アレイに要素を追加すると、アンテナのメインローブのビーム幅が狭くなり、ゲインが増加します。理論上、このプロセスに制限はありません。ただし、要素の数が増えると、信号の位相を維持するために必要な給電ネットワークの複雑さが増します。最終的には、給電ネットワークの固有損失の増加が、要素数の増加によって得られる追加ゲインよりも大きくなり、達成可能な最大ゲインが制限されます。

実用的なアレイアンテナの利得は、約 25～30 dB に制限されています。反射スクリーンから半波長と 1/4 波長離れた 2 つの半波長素子が、設計周波数で約 9.8 dBi の標準利得アンテナとして使用されています。^[4]一般的な 4 ベイテレビアンテナの利得は約 10～12 dB で、^[5] 8 ベイ設計ではこれが 12～16 dB に増加する可能性があります。^[6] 32 素子の SCR-270 の利得は約 19.8 dB でした。^[7]数百メートルの幅と数百の素子を含むソビエトのDuga レーダーなど、非常に大規模な反射アレイも構築されています。素子のグループが個別の RF アンプによって駆動されるアクティブアレイアンテナは、はるかに高い利得を実現できますが、非常に高価です。

1980年代以降、マイクロ波周波数で使用するバージョンでは、パッチアンテナ素子を金属表面の前に取り付けたものが作られるようになった。 ^[8]

同位相で駆動する場合、反射アレイの放射パターンは、アンテナの平面に垂直な1 つのメインローブと、両側に等しい角度の複数のサイドローブで構成されます。使用する要素の数が多いほど、メインローブは狭くなり、サイドローブで放射される電力は少なくなります。

アンテナのメインローブは、個々のエレメントに適用される駆動信号を位相シフトすることにより、限られた角度内で電子的に操作できます。各アンテナエレメントは、デジタル制御可能な位相シフターを介して供給され、各信号を連続的に遅延させます。これにより、個々のエレメントの重ね合わせによって作成された波面が、アンテナの平面に対して角度をなします。この技術を使用するアンテナはフェーズドアレイと呼ばれ、現代のレーダーシステムでよく使用されます。

ビームを操縦する別のオプションは、アンテナ構造全体を回転プラットフォームに取り付け、機械的に回転させることです。

• マーズ キューブ ワン(反射アレイ アンテナを搭載した 2018 年の宇宙船設計)

 この記事には、連邦規格 1037Cのパブリック ドメイン マテリアルが組み込まれています。一般調達局。2022 年 1 月 22 日にオリジナルからアーカイブされました。( MIL-STD-188 をサポート)。