JP2014007631A - アレイアンテナ - Google Patents
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Abstract
【課題】従来のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現する。
【解決手段】5素子ダブルスロットアレイアンテナ1のアンテナ部5は、平面状のアンテナ基板上において同一形状のダブルスロットアンテナ10a、10b、10c、10d、10eが同一直線L上に配置され、隣接するそれぞれのダブルスロットアンテナ10の距離は、当該ダブルスロットアンテナ10から放射される無線通信波の半波長である。
【選択図】図2
【解決手段】5素子ダブルスロットアレイアンテナ1のアンテナ部5は、平面状のアンテナ基板上において同一形状のダブルスロットアンテナ10a、10b、10c、10d、10eが同一直線L上に配置され、隣接するそれぞれのダブルスロットアンテナ10の距離は、当該ダブルスロットアンテナ10から放射される無線通信波の半波長である。
【選択図】図2
Description
本発明は、マイクロ波、ミリ波無線通信に利用するアレイアンテナに関する。
近年、広帯域な信号を無線伝送するための手段として、マイクロ波やミリ波を利用した広帯域無線伝送システムが注目されている。特に、ミリ波帯は、波長が短いことからシステムに用いる機器の小型化が可能である。このため、ミリ波帯を利用した広帯域無線伝送システムは、大容量伝送かつ低コストを実現する無線システムとして多様な利用形態が期待されている。
無線通信システムでは、送信側の端末装置から送信された無線信号は、通信路上で多重反射する。このため、受信側では、伝送損失の増加や多重干渉波による伝送品質の劣化が起こる。伝送品質の劣化の対策として、干渉波を少なくし、回線設計のマージンを持たせる必要があり、高利得アンテナの利用が有効となる。
従来、高利得アンテナについては、各種検討が行われている(例えば、非特許文献1、2参照)。例えば、マイクロ波帯では、ダイポールアンテナを半波長ごとに配置したアレイアンテナが高利得アンテナを実現している。ミリ波帯では、多数のスロットを設けた矩形導波管を同一平面上で並行に複数並べた導波管スロットアレイアンテナが高利得アンテナを実現している。
通常、これらのアレイアンテナでは、アンテナ素子間の相互結合の影響を少なくするために、アンテナ素子を半波長間隔に並べて配置される。
さらに、アレイアンテナへの給電は電力2分配器を複数組み合わせて実現されることが多く、その結果、アンテナ素子の数は、偶数となることが多い。
また、各アンテナ素子に与えられる位相差を離散値とすることで、移相器の簡易化と低損失化を実現する例が示されている(例えば、特許文献1参照)。
Junyi Wang et al., "Beamforming Codebook Design and Performance Evaluation for 60GHz Wideband WPANs",VTC, 10D,2,Fall 2009
Yosuke Sato et al., "A Millimeter−wave 8−element Double Slot Array Antenna for High Gain Beam−forming," Global Symposium on Millimeter Waves 2011, May 23−25, 2011, Espoo, Finland
ところで、従来のアレイアンテナにおいて、所定値以上の利得が得られるアンテナビーム走査角を確保するには、それぞれのアンテナ素子に対する位相組み合わせを多くする必要がある。しかしながら、位相組み合わせを多くするには、移相器の構成が複雑となり、損失が増加する。
本発明は、従来のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することを目的とする。
(1) 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の半波長である
アレイアンテナ。
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の半波長である
アレイアンテナ。
(1)によれば、素子数nを奇数とした場合、偶数の素子数の場合に2n−1必要であった位相組合せを、構造の対称性を利用することで1+(n−1)/2と半数以下の移相器の位相組合せに減らすことができる。これにより、従来のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができる。また、隣接するそれぞれのアンテナ素子との距離を、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の半波長とすることにより、半波長よりも短い間隔で配置する場合に比べて、アンテナ素子間の相互結合を抑制することができる。
(2) 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、それぞれ、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍の任意の距離である
アレイアンテナ。
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、それぞれ、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍の任意の距離である
アレイアンテナ。
(2)によれば、(1)と同様の効果を奏することができる。また、(2)によれば、例えば、波長の0.7倍の間隔でアンテナ素子を並べて配置することによって最も高い利得を得ることができる。
(3) 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、前記直線上において中央に配置されるアンテナ素子を基準として前記直線を分割した場合に、それぞれの直線において独立に、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍の任意の距離である
アレイアンテナ。
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、前記直線上において中央に配置されるアンテナ素子を基準として前記直線を分割した場合に、それぞれの直線において独立に、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍の任意の距離である
アレイアンテナ。
(3)によれば、(1)と同様の効果を奏することができる。また、(3)によれば、例えば、波長の0.7倍の間隔でアンテナ素子を並べて配置することによって最も高い利得を得ることができる。
(4) (1)から(3)のいずれかにおいて前記アンテナ素子は、同一直線上に3個以上配置される。
本発明によれば、簡易的な移相器の構成で、従来のアレイアンテナと同等のアンテナ特性を実現することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナとしての5素子ダブルスロットアレイアンテナ1の回路構成の一例を示す図である。図1に示される例において、5素子ダブルスロットアレイアンテナ1は、電力分配器2と、移相器3と、電力増幅器4と、アンテナ部5とによって構成される。電力分配器2は、移相器3に接続されており、入力されたRF信号(無線通信波)を分配して、移相器3に供給する。移相器3は、分配されたRF信号の位相を調整し、調整後のRF信号を電力増幅器4に供給する。電力増幅器4は、供給されたRF信号を増幅して、アンテナ部5に供給する。
図1は、第1の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナとしての5素子ダブルスロットアレイアンテナ1の回路構成の一例を示す図である。図1に示される例において、5素子ダブルスロットアレイアンテナ1は、電力分配器2と、移相器3と、電力増幅器4と、アンテナ部5とによって構成される。電力分配器2は、移相器3に接続されており、入力されたRF信号(無線通信波)を分配して、移相器3に供給する。移相器3は、分配されたRF信号の位相を調整し、調整後のRF信号を電力増幅器4に供給する。電力増幅器4は、供給されたRF信号を増幅して、アンテナ部5に供給する。
図2は、図1に示すアンテナ部5の詳細を示す図である。アンテナ部5は、5つのダブルスロットアンテナ10a、10b、10c、10d、10eにより構成されている。ここで、ダブルスロットアンテナ10a、10b、10c、10d、10eは、それぞれ同一の構成であり、中央に位置するダブルスロットアンテナ10cを基準として、同一直線上に対称に配置されている。以下、ダブルスロットアンテナ10a、10b、10c、10d、10eを特に区別しない場合、これらをダブルスロットアンテナ10という。
5つのダブルスロットアンテナ10のそれぞれは、同一のアンテナ基板11と、このアンテナ基板11の裏面に配置されている反射板12によって実現される。5つのダブルスロットアンテナ10それぞれは、アンテナ基板11の表面側(図2(A)、(B)においてz方向)にマイクロ波帯、又はミリ波帯の無線通信波を放射する。反射板12は、アンテナ基板11の裏面側に放射される無線通信波を正面方向に反射して、各ダブルスロットアンテナ10の利得を増大させる。反射板12は、反射した無線通信波が、アンテナ基板11から正面方向に放射される無線通信波と同位相となるように、アンテナ基板11の裏面から所定の間隔Dだけ離れて配置される。
ここで、ダブルスロットアンテナ10について、図3を用いて説明する。図3は、第1の実施の形態に係るダブルスロットアンテナ10を示す図である。図3に示すように、ダブルスロットアンテナ10は、表面側パターン及び裏面側パターンによって構成される。表面側パターンは、アンテナ基板11を構成する誘電体基板21、裏面側パターンと共に、無線通信波の伝送路であるマイクロストリップ線路22、このマイクロストリップ線路22により伝送された無線通信波を等分に分配するテーパ付きのアンテナ部電力分配器23、このアンテナ部電力分配器23で分配された無線通信波をそれぞれ伝送するスタブ線路24、25を形成する。裏面側パターンは、一定幅により誘電体基板21の周辺部から延長するように形成され、途中で二股に分岐した後、ほぼ平行に一定幅で延長するように形成される。また、アンテナ部電力分配器23は、二股に分岐する箇所において、パターン幅を徐々に広げて二股に分岐し、これによりテーパを形成する。
裏面側パターンは、パターンニングにより、1対のスロット31、32が設けられる。ここで、スロット31、32は、矩形形状に形成される。このスロット31、32は、それぞれスタブ線路24、25により伝送された無線通信波を放射するように、それぞれスタブ線路24、25の幅方向に対して、これらスタブ線路24、25から離れる方向に延長するように設けられる。
ダブルスロットアンテナ10a、10b、10c、10d、10eそれぞれのスロット31、32は、隣り合うアンテナ素子のスロット31、32と平行に配置されている。これらスロット31、32は、隣り合うダブルスロットアンテナ10のスロット31、32と、間隔λ/2で配置されている。ここで、λは、ダブルスロットアンテナ10により放射される無線通信波の波長である。
続いて、図2に示す5素子ダブルスロットアレイアンテナのビームパターンについて説明する。図4は、電磁界シミュレーションから得られた5素子ダブルスロットアレイアンテナのビームパターンを示す図である。図4から、5種の位相組合せによるビームパターンの最大利得は、15dBiであることが確認できる。最大利得である15dBiからの減少が3dB以下に収まる範囲をビーム走査角とすると、この5素子ダブルスロットアレイアンテナのビーム走査角は、図4に示されるように、66°となる。ここで、図4に示される、例えば「23012」等の記号は、各ダブルスロットアンテナ10に給電するRF信号の位相差の状態を示すものである。「0」は0°、「1」は90°、「2」は180°、「3」は270°の位相状態を示している。例えば、「23012」は、ダブルスロットアンテナ10a、10b、10c、10d、10eに給電するRF信号の位相差が、(+180°,+270°,0°,+90°,+180°)であることを示している。
図5は、電力分配器及び固定移相器と、図2のアンテナ部5とを用いて、図4に示すビームパターンに対応する位相組合せの一部である3種の位相組合せを実現した場合の5素子ダブルスロットアレイアンテナを示す図である。
図5(a)は、位相組合せ「00000」、すなわち、5つのダブルスロットアンテナ10から放射される無線通信波の位相差が(0°,0°,0°,0°,0°)の場合の5素子ダブルスロットアレイアンテナを示す図である。図5(b)は、位相組合せ「11003」、すなわち、5つのダブルスロットアンテナ10から放射される無線通信波の位相差が(+90°,+90°,0°,0°,+270°)の場合の5素子ダブルスロットアレイアンテナを示す図である。図5(c)は、位相組合せ「21032」、すなわち、5つのダブルスロットアンテナ10から放射される無線通信波の位相差が(+180°,+90°,0°,+270°,+180°)の場合の5素子ダブルスロットアレイアンテナを示す図である。
図5に示されるように、電力分配器は、パターンニングにより配線を5分岐させることによって実現される。また、移相器は、遅延線をパターニングすることにより固定移相器として実現される。ここで、5つのダブルスロットアンテナ10のうち、中央に位置するダブルスロットアンテナ10cを基準として位相組合せを設計する場合、中央に位置するダブルスロットアンテナ10cの位相差を0°、すなわち、中央のアンテナ素子の位相制御を行わないようにすることができる。
図6は、図2の5素子ダブルスロットアレイアンテナのみの場合と図5の5素子ダブルスロットアレイアンテナと電力分配器及び固定移相器を付加した場合の電磁界シミュレーションから得られたビームパターンを示す図である。
また、図6では、電力分配器及び固定移相器を付加した3種の位相組合せの5素子ダブルスロットアレイアンテナのビーム幅は、5素子ダブルスロットアレイアンテナのビーム幅に比べて広いことが確認できる。これら最大利得の低下及びビーム幅の増大は、電力分配器及び移送器による損失に起因するものである。
以上、第1の実施の形態によれば、5素子ダブルスロットアレイアンテナ1は、中央に位置するアンテナ素子(ダブルスロットアンテナ10c)の位相差を0°として、位相組合せを設計することができるので、結果として、中央に位置するアンテナ素子に対する移相器を不要とし、中央のアンテナ素子の位相制御を行わないようにすることができる。また、中央に位置するアンテナ素子に対する移相器を不要とすることにより、他のアンテナ素子に対応する移相器の設置等の制約が軽減され、結果として、移相器の簡素化も可能となる。また、5素子ダブルスロットアレイアンテナ1では、各位相組合せのうち、各ダブルスロットアンテナ10から放射される無線通信波の位相差が中央に位置するダブルスロットアンテナ10を基準として対称となるペアが存在する。このため、従来の偶数のダブルスロットアンテナによって構成される偶数素子ダブルスロットアレイアンテナに比べて、簡易的に位相組合せを設計することができる。以上によれば、従来の偶数素子のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができる。
[第2の実施の形態]
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
図7に示されるように、第2の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ50は、平面状の基板上において、同一直線L上に3つのアンテナ素子51、52、53が形成されることによって実現される。
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
図7に示されるように、第2の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ50は、平面状の基板上において、同一直線L上に3つのアンテナ素子51、52、53が形成されることによって実現される。
ここで、アンテナ素子51、52、53は、例としてダイポールアンテナ素子を示す。すなわち、アンテナ素子51、52、53は、それぞれ同一形状のアンテナ素子であり、それぞれ同一波長の無線通信波(RF信号)を放射する。また、アンテナ素子51、52、53は、アンテナ素子の長手方向が、上記直線Lに対して垂直となるように配置されているものとする。
この奇数素子アレイアンテナ50では、中央に位置するアンテナ素子52に隣接するそれぞれのアンテナ素子51及び53との距離は、このアンテナ素子52により放射される無線通信波の半波長(λ/2)である。
以上、第2の実施の形態によれば、従来の偶数素子のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができると共に、アンテナ素子51、52、53を、これらのアンテナ素子から放射される無線通信波の半波長間隔に並べて配置することにより、半波長よりも短い間隔で配置する場合に比べて、アンテナ素子間の相互結合を抑制することができる。
[第3の実施の形態]
図8は、本発明の第3の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
図8に示されるように、第3の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ60は、平面状の基板上において、同一直線L上に3つのアンテナ素子61、62、63が形成されることによって実現される。
図8は、本発明の第3の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
図8に示されるように、第3の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ60は、平面状の基板上において、同一直線L上に3つのアンテナ素子61、62、63が形成されることによって実現される。
アンテナ素子61、62、63は、例としてダイポールアンテナを示す。すなわち、アンテナ素子61、62、63は、それぞれ同一形状のアンテナ素子であり、同一波長の無線通信波を放射する。また、各アンテナ素子の長手方向が、上記直線Lに対して垂直となるように配置されているものとする。
この奇数素子アレイアンテナ60では、中央に位置するアンテナ素子62に隣接するそれぞれのアンテナ素子61及び63との距離は、それぞれ、このアンテナ素子62により放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍の任意の距離である。
なお、隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、直線L上において中央に配置されるアンテナ素子62を基準として直線Lを分割した場合に、それぞれの直線において独立に、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍の任意の距離であるようにしてもよい。
例えば、アンテナ素子間距離の一方を0.1λから1λの任意の距離、他方のアンテナ素子間距離を0.1λから1λの任意の距離に設定できる。
以上、第3の実施の形態によれば、従来の偶数素子のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができる。また、アンテナ素子61、62、63を、このアンテナ素子62により放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍の任意の距離に配置するので、例えば、これらのアンテナ素子から放射される無線通信波の波長の0.7倍の間隔に並べて配置することにより、最も高い利得を得ることができる。
[第4の実施の形態]
図9は、本発明の第4の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
第4の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ70は、第2の実施の形態に比べてアンテナ素子の数が多い点で、第2の実施の形態と異なり、その他の構成は、第2の実施の形態と同一である。
図9は、本発明の第4の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
第4の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ70は、第2の実施の形態に比べてアンテナ素子の数が多い点で、第2の実施の形態と異なり、その他の構成は、第2の実施の形態と同一である。
第4の実施の形態において、奇数素子アレイアンテナ70は、平面状の基板上において、同一直線L上に5つのアンテナ素子71、72、73、74及び75が形成されている。図9において確認できるように、奇数素子アレイアンテナ70では、中央に位置するアンテナ素子73に対して隣接する2つのアンテナ素子72、74に対して、それぞれ、中央に位置するアンテナ素子73から離れる方向に、アンテナ素子71、75が配置されている。また、隣接し合うアンテナ素子の距離は、それぞれのアンテナ素子から放射される無線通信波の半波長(λ/2)である。
なお、第4の実施の形態では、アンテナ素子が5個あるものとして説明したが、これに限らない。例えば、同一形状のアンテナ素子が、同一直線上に、アンテナ素子から放射される無線通信波の半波長間隔に並べて奇数個配置されているものであればよい。
以上、第4の実施の形態によれば、素子数nを奇数した場合、偶数の素子数の場合に2n−1必要であった位相組合せを、構造の対称性を利用することで1+(n−1)/2と半数以下の移送器の位相組合せに減らすことができる。これにより、従来のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができる。また、アンテナ素子を5個以上配置することとしたので、アンテナ素子を3個配置した場合に比べて利得及びビーム走査角をより向上させることができる。
[第5の実施の形態]
図10は、本発明の第5の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
第5の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ80は、第3の実施の形態に比べてアンテナ素子の数が多い点で、第3の実施の形態と異なり、その他の構成は、第3の実施の形態と同一である。
図10は、本発明の第5の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
第5の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ80は、第3の実施の形態に比べてアンテナ素子の数が多い点で、第3の実施の形態と異なり、その他の構成は、第3の実施の形態と同一である。
第5の実施の形態において、奇数素子アレイアンテナ80は、平面状の基板上において、同一直線上に5つのアンテナ素子81、82、83、84及び85が形成されている。図10において確認できるように、奇数素子アレイアンテナ80では、中央に位置するアンテナ素子83に対して隣接する2つのアンテナ素子82、84に対して、それぞれ、中央に位置するアンテナ素子83から離れる方向に、アンテナ素子81、85が配置されている。また、隣接し合うアンテナ素子の距離は、アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍である。ここで、隣接し合うアンテナ素子の距離は、それぞれ異なっていてもよいものとする。
なお、第5の実施の形態では、アンテナ素子が5個あるものとして説明したが、これに限らない。例えば、同一形状のアンテナ素子が、同一直線上に、アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍の間の任意の間隔に並べて奇数個配置されているものであればよい。
以上、第5の実施の形態によれば、従来の偶数素子のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができる。また、アンテナ素子を5個以上配置することとしたので、アンテナ素子を3個配置した場合に比べて利得をより向上させることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述した実施の形態に限るものではない。また、本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
例えば、上記した実施の形態では、アンテナ素子がダブルスロットアンテナやダイポールアンテナである場合について説明を行ったが、これに限らない。例えば、アンテナ素子として、シングルスロットアンテナ等を用いてもよい。
1 5素子ダブルスロットアレイアンテナ
2 電力分配器
3 移相器
4 電力増幅器
5 アンテナ部
10、10a、10b、10c、10d、10e ダブルスロットアンテナ
11 アンテナ基板
12 反射板
21 誘電体基板
22 マイクロストリップ線路
23 アンテナ部電力分配器
24、25 スタブ線路
31、32 スロット
50、60、70、80 奇数素子アレイアンテナ
51、52、53、61、62、63、71、72、73、74、75、81、82、83、84、85 アンテナ素子
2 電力分配器
3 移相器
4 電力増幅器
5 アンテナ部
10、10a、10b、10c、10d、10e ダブルスロットアンテナ
11 アンテナ基板
12 反射板
21 誘電体基板
22 マイクロストリップ線路
23 アンテナ部電力分配器
24、25 スタブ線路
31、32 スロット
50、60、70、80 奇数素子アレイアンテナ
51、52、53、61、62、63、71、72、73、74、75、81、82、83、84、85 アンテナ素子
Claims (4)
- 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の半波長である
アレイアンテナ。 - 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、それぞれ、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍の任意の距離である
アレイアンテナ。 - 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、前記直線上において中央に配置されるアンテナ素子を基準として前記直線を分割した場合に、それぞれの直線において独立に、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の0.1倍から1倍の任意の距離である
アレイアンテナ。 - 中央のアンテナ素子の位相制御を行わないことを特徴とする、
請求項1から3のいずれか1項に記載のアレイアンテナ。
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JP2012142885A JP2014007631A (ja) | 2012-06-26 | 2012-06-26 | アレイアンテナ |
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2012
- 2012-06-26 JP JP2012142885A patent/JP2014007631A/ja active Pending
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