JP4771090B2 - 機能アンテナ装置およびこれを用いた無線システム - Google Patents

Description

本発明は、高い指向特性を持つアンテナを小さな給電損失で実現し、アンテナを無線システムの周囲方向に回転し、無線リンク形成に最適な方向に電磁波の指向制御が可能な、小型で低コスト化に適した機能アンテナ装置およびこれを用いた無線システムに関する。なお、電磁波放射構造とアンテナとは同義語である。

準ミリ波・ミリ波帯を用いたブロードバンド通信システムでは、マルチパスによる無線伝送条件の悪化を防ぎ、高速無線伝送に必要な十分なＣ／Ｎを確保するために、高い指向性アンテナを有した無線機器同士による無線リンクを、機能的に形成できる機能アンテナ技術の実現が求められている。
従来のアンテナのビームを指向制御する方法として、例えば、マイクロ波帯のフェーズドアレー方式は、位相制御回路を含めた給電系損失の急増により、性能上の問題、コスト上の問題、および寸法的な問題がある。また、例えば、旋回型アンテナとして実用されているマイクロ波レーダーや、衛星追尾用アンテナは、極めて高価な同軸型や導波管型ロータリージョイントを用いる必要があるという問題とともに、給電系損失の急増による性能劣化、コスト、寸法的な問題もあり、一般向け無線システム技術として利用できないものであった。

上記した問題を解決するためには、給電線の損失が最も少ない、固定された単一の電磁波放射構造で電磁波放射の指向制御を行う技術が必要となっている。

特に、ミリ波帯技術の一般への普及を実現するために、小型軽量で量産による低コスト化が可能な新しい電磁波放射の指向制御を行う技術が必要となっていた。

したがって、本発明は、上記実情に鑑み提案されたもので、高い指向特性を持つアンテナを小さな給電損失で実現し、かつ、アンテナを無線システムの周囲方向に回転し、無線リンク形成に最適な方向に電磁波の指向制御が可能な、小型で低コスト化に適した機能アンテナ装置およびこれを用いた無線システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、準ミリ波帯あるいはミリ波帯の機能アンテナ装置において、前記機能アンテナ装置は、単一の電磁波放射構造と、この電磁波放射構造の上に配置された回転する機械的構造物と、前記電磁波放射構造と前記機械的構造物との間に配置された電磁波遮断構造と、前記機械的構造物に付加された誘電体と、前記機械的構造物を回転させる駆動部と、からなり、前記電磁波遮断構造は、前記電磁波放射構造の接地面と前記機械的構造物との間を非接触させるものであって、この非接触面の間隔が空間波長の１／１０から１／１００までの範囲であり、この非接触面が空気または誘電体フィルムであり、前記機械的構造物は、所望電磁波の空間波長の１倍から４倍までの電磁波開口部を有し、かつ前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸に対して非対称な構造であるとともに、前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面を有する、電磁波を効率良く空間へ放射するための導体壁面部を持つものであり、この導体壁面部の一つの対称面内における一方をα側とした場合、このα側の導体壁面部は、前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸と０度±２０度の角度をなし、長さが、所望電磁波の空間波長の０．５倍から３倍の範囲であって、前記導体壁面部の一つの対称面内における他方をβ側とした場合、このβ側の導体壁面部は、前記電磁波放射構造中心からの垂直軸と７０度±２０度の角度をなし、長さが、所望電磁波の空間波長の１倍から６倍までの範囲であり、前記機械的構造物に付加された前記誘電体は、前記電磁波放射構造から見て、厚さが、β側において空間波長の１倍から６倍までの範囲であってα側と比較して厚く、α側において空間波長の０倍を含む０．５倍以下であってβ側と比較して薄く、この厚さの変化が緩やかな放物線構造を有することで、電磁波放射方向がβ側に傾くものであり、前記機械的構造物が、前記電磁波遮断構造との間の非接触面にて、前記垂直軸を中心軸として前記駆動部によって回転することを特徴とする。

また、上記した機能アンテナ装置における誘電体の厚さは、上記α側の厚さが薄く、β側の厚さが厚いが、この変化の度合いが直線的に変化、または２次曲線的に変化、または階段状に変化するうちのいずれかとなっていることが好ましい。

また、上記した誘電体は上記α側の誘電率が小さく、β側の誘電率が大きい平行平板状の収束媒質となっていることが好ましい。

また、上記した機能アンテナ装置における電磁波放射構造は、スロットアンテナ構造、導体パッチ構造、平面スパイラルアンテナ構造、ボータイアンテナ構造のうちのいずれかとなっていることが好ましい。

そして、上記した機能アンテナ装置を用いた無線システムは、機能アンテナ装置のアンテナからの受信信号を受信機に入力し、受信機からの受信信号を適切に信号処理することで、信号処理部に接続された駆動部でアンテナの回転を行い、所望な方向にアンテナの指向制御を行うことを特徴とする。

また、上記した機能アンテナ装置における駆動部の回転構造は、静電気モータ、磁気的モータ、超音波モータ含むすべてのモータのいずれかとなっていることが好ましい。

また、上記した機能アンテナ装置における回転する機械的構造物の導体壁面部は、非対称方形ホーン型、非対称円形ホーン型、非対称方形ホーン型の簡易型、非対称円形ホーン型の簡易型として、電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面に沿う左右対称な導体壁面部の一部が省略されている形状のうちのいずれかとなっていることが好ましい。

また、上記した無線システムは、アンテナの指向制御が受信信号、ビーコン、指向性をもった光学系のうちのいずれかとなっていることが好ましい。

本発明に係る機能アンテナ装置では、まず、電磁波遮断構造を、電磁波放射構造の周囲に回転する機能を持つ機械的構造物と電磁波放射構造との間に設けたので、電磁波の漏れを防止することができ、電磁波を効率よく機械的構造物を経て空間に放射することができる。
また、機械的構造物に付加されている誘電体は、電磁波放射構造から見て、α側の厚さを薄くし、β側の厚さを厚くした非対称な充填密度となるように形成されているので、誘電体中の電磁波の伝搬速度が分極の効果により空気中より遅くなるため、電磁波の波長に比べ小さな領域から波長の数倍の領域において、電磁波の分布を広げることができて、高い指向性を得ることができるとともに、付加的な機械的構造物の開口を経て空間へ放射される電磁波波面を、通過してきた領域に応じて相対的な位相の進みと遅れを生じた波束の合成として得えることができて、アンテナ指向性の向上と、電磁波波面の方向を偏向させることができる。
さらに、誘電体の厚さの変化が電磁波の波長に比べ緩やかに変化する場合、電磁波は、緩やかな屈折率分布のある領域を伝搬することとなり、誘電体が薄い領域では電磁波の位相が相対的に早く進み、誘電体が厚い領域では電磁波の位相が遅くなるので、誘電体が滑らかな曲線形状で変化するか、波長に比べ小さな階段状に変化する方法などにより非対称な充填構造を持つようにすることにより、電磁波放射方向が誘電体に関しての厚い方向のβ側に傾く効果を引き出すことができる。そうすると、機械的構造物が電磁波遮断構造との非接触面にて、電磁波放射構造の中心からの垂直軸を中心軸として駆動部により回転することで、無線リンク形成に最適な方向へ電磁波の指向制御をすることができる。

また、回転する機械的構造物に付加された誘電体を、α側の厚さを薄くし、β側の厚さを厚くしたが、この変化の度合いが直線的に変化、または２次曲線的に変化、または階段状に変化するうちのいずれかとしたので、所望の電磁波放射方向を得るために最適な誘電体の厚さの変化を選択することができる。また、誘電体を、α側の誘電率が小さく、β側の誘電率が大きい平行平板状の収束媒質としたので、誘電体の厚さを可変することと同様な効果が得られるので、実装しやすくて、所望な電磁波放射方向をより効率よく得ることができる。

また、電磁波放射構造は、スロットアンテナ構造、導体パッチ構造、平面スパイラルアンテナ構造、ボータイアンテナ構造のうちのいずれかとしたので、所望な電磁波放射方向を得るために最適な電磁波放射構造および最適な実装手段を選択することができる。

そして、本発明に係る無線システムは、上記機能アンテナ装置のアンテナからの受信信号を受信機に入力し、受信機からの受信信号を適切に信号処理することで、信号処理部に接続された駆動部でアンテナの回転を行い、所望な方向にアンテナの指向制御を行うので、マルチパスによる無線伝送条件の悪化を防ぎ、高速無線伝送に必要な十分なＣ／Ｎを確保することができる。

また、上記した機能アンテナ装置における駆動部の回転構造は、静電気モータ、磁気的モータ、超音波モータ含むすべてのモータのいずれかとしたので、すでに実用化された低価格で微小軽量なものを適用することができ、すなわち低コスト化、および小型化することができる。

また、上記した機能アンテナ装置における回転する機械的構造物の導体壁面部は、非対称方形ホーン型、非対称円形ホーン型、または非対称方形ホーン型の簡易型、非対称円形ホーン型の簡易型として電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面に沿う左右対称な導体壁面部の一部が省略されている形状のうちのいずれかとしたので、所望の電磁波放射方向を得るための最適な電磁波放射構造を選択することができる。

また、上記した無線システムは、アンテナの指向制御が受信信号、ビーコン、指向性をもった光学系のうちのいずれかとしたので、受信ＲＦ信号を用いた指向制御でなくても、別の指向性をもった信号を受信し、その後信号処理することで、電磁波の指向制御を行うことができる。

すなわち、本発明により初めて、アンテナを無線システムの周囲方向に回転し、無線リンク形成に最適な方向に電磁波の指向制御が可能な、小型で低コスト化に適した機能アンテナ装置、および、この機能アンテナ装置を用いた無線システムを提供することができる。

（第一参考例）
図１（Ａ）は本発明に係る機能アンテナ装置の第一参考例の断面図であり、図１（Ｂ）は本発明に係る機能アンテナ装置の第一参考例の平面図である。

本発明に係る機能アンテナ装置は、図１（Ａ）および図１（Ｂ）に示すように、基板１０１に電磁波放射構造としてのパッチアンテナ１０２がパターン形成され、このパッチアンテナ１０２から見て非対称な機械的構造物１０３が付加され、さらに、この機械的構造物１０３とパッチアンテナ１０２との間には、電磁波遮断構造１０４が設けられているものである。また、機械的構造物１０３には、誘電体１０５が取り付けられている。そして、本発明に係る機能アンテナ装置には、パッチアンテナ１０２の中心からの垂直軸１０６を回転軸として、機械的構造物１０３を回転させる駆動部１０７が設けられている。
なお、この機械的構造物１０３は、パッチアンテナ１０２の中心からの垂直軸１０６を含む一つの対称面を持ち、当該一つの対称面内において、一方をα側（右辺側）１０３ａと仮定した場合、このα側１０３ａがパッチアンテナ１０２の中心からの垂直軸１０６と平行して０度±２０度の角度範囲θ１で傾けられ、他方をβ側（左辺側）１０３ｂと仮定した場合、このβ側１０３ｂが電磁波放射構造の中心からの垂直軸と平行して７０度±２０度の角度範囲θ２で傾けられている。
また、機械的構造物１０３に取り付けられた誘電体１０５は、厚さに関し、パッチアンテナ１０２から見て、β側１０３ｂの方がα側１０３ａと比較して厚い構造をもっている。

次に、この構造の動作原理を示す。
基板１０１にパターン形成されたパッチアンテナ１０２から放射された電磁波は、まず、パッチアンテナ１０２から見て非対称な機械的構造物１０３内に設けられた誘電体１０５を通過する。パッチアンテナ１０２から放射された電磁波は、機械的構造物１０３に付加されている誘電体１０５の厚さが薄いα側１０３ａと厚さが厚いβ側１０３ｂとを通過する際、誘電体１０５を通過する電磁波の遅延量が異なるため、β側１０３ｂの電磁波がα側１０３ａの電磁波と比較して遅れることで、電磁波がβ側１０３ｂに屈折し、β側１０３ｂに電磁波が放射される。
そうすると、機械的構造物１０３は、駆動部１０７によってパッチアンテナ１０２の中心からの垂直軸１０６を中心軸として回転することで、無線リンク形成に最適な方向へ電磁波の指向制御ができる。
なお、電磁波遮断構造１０４は、パッチアンテナ１０２の接地面と機械的構造物１０３とを非接触させ、および放射された電磁波の漏れを防止する目的で設けられている。これにより、パッチアンテナ１０２から放射された電磁波が効率よく機械的構造物１０３に放射されることとなり、アンテナ利得が向上できる。

なお、この指向制御は、受信に関しても、アンテナの可逆作用によって同じであるため、受信信号の指向制御に関しても有効である。

ここで、機械的構造物１０３は、所望電磁波の空間波長の１倍から４倍までの範囲である間隙Ｌ１を持った電磁波開口部を有するもので、電磁波を遮断する特性を持った、導体あるいは導体と非導体とが組み合わされ、機械的な削りだし、あるいは射出整形、接着などを行い製作される。

機械的構造物１０３のα側１０３ａは、パッチアンテナ１０２の中心からの垂直軸１０６と平行して０度±２０度の角度範囲θ１で傾けられ、このα側の機械的構造物１０３の垂直軸１０６側の長さＬ２が、所望電磁波の空間波長の０．５倍から３倍までの範囲となっている。一方、機械的構造物１０３のβ側１０３ｂは７０度±２０度の角度範囲θ２で傾けられ、このβ側１０３ｂの機械的構造物１０３の垂直軸１０６側の長さＬ３が、所望電磁波の空間波長の１倍から６倍までの範囲となっている。

また、電磁波遮断構造１０４は、パッチアンテナ１０２の接地面と機械的構造物１０３とを非接触させているが、この非接触面の間隔が、空間波長の１／１０から１／１００までの範囲であり、この非接触面が空気または誘電体フィルムである。また、この非接触面は、一方の非接触面がフラットな導体面であり、他方の非接触面は、フラットな誘電体上に、所望電磁波の空間波長の１／４倍の導体パターンを１個から１０個までの範囲で形成した構造である。

誘電体１０５は、石英、ガラスの他、ポリメチルメタクリレート、スチレンアクリロニトリル、ポリカーボネイト、ポリスチレン、エポキシ、ポリメチルペンテン、ポリテトラフロロエチレン、ポリエチレン、テフロン（登録商標）等の材料を機械的な削りだし、あるいは金型で整形して製作する。誘電体１０５は、機械的構造物１０３のβ側１０３ｂの厚さがα側１０３ａと比較して厚くなっているが、機械的構造物１０３のα側１０３ａの高さを越えない範囲で、かつ最適な厚みを選択することで、所望な電磁波放射方向を得ることができる。

そして、第一参考例では、機械的構造物１０３を傾けた方形小型ホーンのような形状としているが、傾けた円形小型ホーン、折れ曲げた平板等でも同じ効果が得られ、最適な構造を選択することで、所望の電磁波放射方向を得ることができる。

また、パッチアンテナ１０２を用いているが、スロットアンテナ構造、導体パッチ構造、平面スパイラルアンテナ構造、ボータイアンテナ構造のうちのいずれかとしてもよい。

また、駆動部１０７は、低価格で微小軽量なものが実用化されており、静電気モータ、磁気モータ、超音波モータを含むすべてのモータのいずれかが選択可能である。

（第一実施例）
図２は、本発明に係る機能アンテナ装置を構成品とした、無線システムに係る第一実施例の断面図である。この第一実施例は、基板１と、電磁波放射構造２と、機械的構造物３と、電磁波遮断構造４と、誘電体５と、駆動部７と、受信機８と、信号処理部９と、無線対象機器１０と、で構成されている。

ここで、基板１にパターン形成された電磁波放射構造２は、図３（Ａ）に示されるパッチアンテナ３１に限定されるものではなく、図３（Ｂ）に示すように、スロット３２ａを有するスロットアンテナ構造３２としてもよく、図３（Ｃ）に示すように、開口部３３ａ内に複数のストリップ片３３ｂが設けられたマルチスロットアンテナ構造３３としてもよい。さらに、図３（Ｄ）に示すように、ボータイアンテナ構造３４としてもよく、平面スパイラル、フランジ構造を有する導波管スロット等を用いてもよい。

機械的構造物３の電磁波が放射される電磁波開口部の間隙Ｌ１は、電磁波を最適に放射させるため、および小型化のため、所望電磁波の空間波長の１倍から３倍までの範囲となっている。

また、機械的構造物３は、電磁波を最適に傾けるため、電磁波放射構造２の中心からの垂直軸６を含む一つの対称面を持ち、当該一つの対称面内において、一方をα側３ａと仮定した場合、この機械的構造物３のα側３ａは、電磁波放射構造２の中心からの垂直軸６と平行して０度±２０度の角度範囲θ１で傾けられ、他方をβ側３ｂと仮定した場合、この機械的構造物３のβ側３ｂは、電磁波放射構造２の中心からの垂直軸６と平行して７０度±２０度の角度範囲θ２で傾けられている。

さらに、機械的構造物３は、小型化のため、α側３ａの長さＬ２が所望電磁波の空間波長の０．５倍から３倍までの範囲となっており、β側３ｂの長さＬ３が所望電磁波の空間波長の１倍から６倍までの範囲となっている。

また、機械的構造物３は、図４（Ａ）の４１のような傾けた方形小型ホーン（図４（Ｂ）は斜め上方から見た斜視図）の形状をしており、導体壁面部４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄを有している。この場合、電磁波放射構造２から見た、導体壁面部４１ｃ、および４１ｄは、電磁波放射構造２の中心からの垂直軸６に対して２０度から９０度までの範囲の角度をなしている。また、図４（Ｃ）の４２のような傾けた円形小型ホーン（図４（Ｄ）は斜め上方から見た斜視図）の形状の場合、対称面４４から見て最も導体壁面部の開口が広がる点４２ａが、電磁波放射面の中心からの垂直軸６に対して２０度から９０度までの範囲の角度をなしている。
なお、機械的構造物３は、図４（Ｅ）の４３のような折れ曲げた平板（図４（Ｆ）は斜め上方から見た斜視図）等の形状でもよく、最適な構造を選択することで、所望の電磁波放射方向を得ることができる。

電磁波遮断構造４は、図５（Ａ）の断面図で示されるように、基板１上に形成された電磁波放射構造２の近傍に形成されるもので、基板１と機械的構造物３との間に設けられている。そして、電磁波遮断構造４は、導体パターン部と、全面導体部と、機械的構造物３を回転させるために必須な空隙と、からなる。

図５（Ａ）を５１の一の切片で切り取った断面図において、機械的構造物３の電磁波開口部が方形の場合の導体パターン部は、図５（Ｂ）のような形状となる。図５（Ｂ）で示される５３は誘電体であり、５４は誘電体面に設けられた導体パターンである。この導体パターン幅は、所望電磁波の実行波長の１／４倍であり、導体パターンの数は１個から１０個までの範囲で設けられている。一方、図５（Ａ）を５１の一の切片で切り取った断面図において、機械的構造物３の電磁波開口部が円形の場合の導体パターン部は、図５（Ｃ）のような形状となる。図５（Ｃ）で示される５３は誘電体であり、５４は誘電体面に設けられた導体パターンである。この導体パターン幅は、所望電磁波の実行波長の１／４倍であり、導体パターンの数は１個から１０個までの範囲で設けられている。

また、図５（Ａ）を５２の他の切片で切り取った断面図は、図５（Ｄ）または図５（Ｅ）に示す形状となる。
図５（Ｄ）の場合、機械的構造物３に全面導体部５５が形成され、基板１に導体パターン部５６が形成され、この全面導体部５５と導体パターン部５６との間の空隙により、電磁波遮断構造４が構成される。図５Ｅの場合、基板１上に全面導体部５５が形成され、機械的構造物３に導体パターン部５６が形成され、この全面導体部５５と導体パターン部５６との間の空隙により、電磁波遮断構造４が構成される。

そして、この基板１と機械的構造物３とが非接触し、この非接触面は、空気または誘電体フィルムである。また、この機械的構造物３を回転させるために必須な空隙である非接触面は、空間波長の１／１０から１／１００までの範囲である。
なお、電磁波遮断構造４は、電磁波放射構造２の周囲に回転する機能を持つ機械的構造物３と、基板１上に固定して設けられる電磁波放射構造２との間に形成される空隙を介しての電磁波の漏れを防止する目的で設けられている構造であり、電磁波が効率よく機械的構造物１０３に放射されることで、無線リンク形成に最適な方向へ電磁波の指向制御が可能な機能アンテナ装置が構成できる。

誘電体５は、特に定まった形状に限定されるものではなく、図６（Ａ）の６１のような三角形型構造であってもよく、図６（Ｂ）の６２のようなずらした積層型構造であってもよく、図６（Ｃ）の６３のような電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側が２次曲線的な構造であってもよく、図６（Ｄ）の６４のような、電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な構造であってもよく、図６（Ｅ）の６５のような、電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側までがずらした積層型構造であってもよく、図６（Ｆ）の６６のような、電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が２次曲線的な構造であってもよく、図６（Ｇ）の６７のような、電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な構造であってもよく、図６（Ｈ）の６８のような、電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な積層型誘電体を重ねた構造であってもよく、図６（Ｉ）のような右辺側の誘電率が小さく、左辺側の誘電率が大きい平行平板状の収束媒質であってもよい。すなわち、誘電体５は、右辺側の誘電率が小さく、左辺側の誘電率大きく、この変化の度合いが直線的に変化、または２次曲線的に変化、若しくは階段状に変化するうちのいずれかであれば、限定されない。

駆動部７は、静電気モータ、磁気モータ、超音波モータなどに限られず、機械的構造物３を電磁波放射構造２の中心を回転軸として回転させることができるものであればよい。

したがって、本発明に係る機能アンテナ装置を用いた無線システムは、図２に示すように、無線対象機器１０からのＲＦ信号Ｓ１が、機械的構造物３に付加された誘電体５、電磁波放射構造２を経由して受信機８に入力され、受信機８からの受信信号を信号処理部９で信号処理し、信号処理部９に制御される駆動部７によって、機械的構造物３を電磁波放射構造２の中心からの垂直軸を中心として回転させる。これによって、無線リンク形成に最適な、マルチパスによる無線伝送条件の悪化が少なく、また同時に高いＣ／Ｎを確保できる方向へ、電磁波の指向制御を行うことができる。
しかし、この方式に限定されるものではなく、図７（Ａ）のように、無線対象機器１０に付属されたＬＥＤ又はレーザー等の光学素子７１から無線対象機器１０のＲＦ信号Ｓ２と同じ方向へ出力されている光信号Ｓ２を、機械的構造物３と同じ方向で回転する受光素子７２により光信号Ｓ２を受信することで、この光受信信号レベルが最も高くなる方向を信号処理部９で検出し、信号処理部９に制御される駆動部７によって、この光信号Ｓ２が最も高くなる方向に機械的構造物３を電磁波放射構造２の中心を軸として回転させてもよい。これによっても、無線リンク形成に最適な、マルチパスによる無線伝送条件の悪化が少なく、また同時に高いＣ／Ｎを確保できる方向へ、電磁波の指向制御を行うことができる。
また、図７（Ｂ）のように、低レートであるビーコン信号発生部７３を無線対象機器１０に設け、無線対象機器１０のＲＦ信号Ｓ１と同じ方向にビーコン信号Ｓ３を出力し、機械的構造物３と同じ方向で回転するビーコン受信部７４によりビーコン信号Ｓ３を受信することで、ビーコン信号レベルが最も高くなる方向を信号処理部９で検出し、信号処理部９に制御される駆動部７によって、このビーコン受信信号レベルが最も高くなる方向に、機械的構造物３を電磁波放射構造２の中心を回転軸として回転させ、電磁波の指向制御を行ってもよい。すなわち、受信ＲＦ信号Ｓ１を用いた指向制御でなくても、別の指向性をもった光信号Ｓ２、ビーコン信号Ｓ３などの信号を受信および信号処理することで、電磁波の指向制御を行うことが可能である。

（第二実施例）
図８は、本発明に係る機能アンテナ装置を構成品とした、無線システムにおける第二実施例の断面図である。

第二実施例は、図２の受信機８を図８で示される送信機または送受信機に変更することだけが異なる。第二実施例では、無線対象機器１０からのＲＦ信号Ｓ１が、機械的構造物３に付加された誘電体５、電磁波放射構造２を経由して受信機８に入力され、受信機８からの受信信号を信号処理部９で信号処理し、信号処理部９に制御される駆動部７によって、機械的構造物３を電磁波放射構造２の中心を回転軸として回転させる。これによって、無線リンク形成に最適な、マルチパスによる無線伝送条件の悪化が少なく、また同時に高いＣ／Ｎを確保できる方向へ、電磁波の指向制御を行うことができる。そして、この指向制御は、送信に関しても、アンテナの可逆作用によって同じであるため、送信信号の指向制御に関しても有効である。したがって、図２の受信機８を図８の送信機または送受信機としてもよい。

本発明は、準ミリ波・ミリ波帯を用いた通信装置に適用でき、マルチパスによる無線伝送条件の悪化を防ぎ、高速無線伝送に必要な十分なＣ／Ｎを確保するために、高い指向性アンテナを有した無線機器同士による無線リンクを実現するのに有用である。

（Ａ）は、本発明に係る機能アンテナ装置における第一参考例の断面図であり、（Ｂ）は、本発明に係る機能アンテナ装置の平面図である。 本発明に係る機能アンテナ装置を構成品とした無線システムにおける第一実施例の断面図である。 （Ａ）は、第一実施例における電磁波放射構造の一例を示す、パッチアンテナ構造を示す図である。（Ｂ）は、電磁波放射構造の一例を示す、スロットアンテナ構造を示す図である。（Ｃ）は、電磁波放射構造の一例を示す、マルチスロットアンテナ構造を示す図である。（Ｄ）は、電磁波放射構造の一例を示す、ボータイアンテナ構造を示す図である。 （Ａ）は、第一実施例における機械的構造物の一例を示す、方形小型ホーン構造を上面から見た平面図である。（Ｂ）は、これを斜め上方から見た斜視図である。（Ｃ）は、円形小型ホーン構造を上面から見た平面図である。（Ｄ）は、これを斜め上方から見た斜視図である。（Ｅ）は、平板構造を上面から見た平面図である。（Ｆ）は、これを斜め上方から見た斜視図である。 （Ａ）は、電磁波遮断構造が設けられている断面図を示し、アンテナ構造を示す図である。（Ｂ）は、（Ａ）を一の切片で切り取った断面図であって、機械的構造物の電磁波開口部が方形の場合の電磁波遮断構造を示す図である。（Ｃ）は、（Ａ）を一の切片で切り取った断面図であって、機械的構造物の電磁波開口部が円形の場合の電磁波遮断構造を示す図である。（Ｄ）は、（Ａ）を他の切片で切り取った断面図であって、（Ｂ）または（Ｃ）で示される電磁波遮断構造が基板に付加されていることを示す図である。（Ｅ）は、（Ａ）を他の切片で切り取った断面図であって、（Ｂ）または（Ｃ）で示される電磁波遮断構造が機械的構造物に付加されていることを示す図である。 （Ａ）は、第一実施例における誘電体の変形例を示す図であり、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）、（Ｈ）、（Ｉ）に関しても同様の変形例を示す図である。 （Ａ）は、第一実施例における無線システムの変形例である光学系を利用した指向制御方式を示す図であり、（Ｂ）は、ビーコンを利用した指向制御方式を示す図である。 本発明に係る機能アンテナ装置を構成品とした無線システムにおける第二実施例の断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 電磁波放射構造
３ 機械的構造物
３ａ 機械的構造物のα側（右辺側）
３ｂ 機械的構造物のβ側（左辺側）
４ 電磁波遮断構造
５ 誘電体
６ 垂直軸
７ 駆動部
８ 受信機
９ 信号処理部
１０ 無線対象機器
３１ パッチアンテナ３１
３２ スロットアンテナ構造
３２ａ スロット
３３ マルチスロットアンテナ構造
３３ａ 開口部
３３ｂ ストリップ片
３４ ボータイアンテナ
４１ 方形小型ホーンの形状
４１ａ〜ｄ 導体壁面部
４２ 円形小型ホーン
４２ａ 最も導体壁面部の開口が広がる点
４３ 折れ曲げた平板
４４ 対称面
５１ 一の切片
５２ 他の切片
５３ 誘電体
５４ 誘電体面に設けられた導体パターン
５５ 全面導体部
５６ 導体パターン部
６１ 三角形型構造
６２ 積層型構造
６３ 電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側が２次曲線的な構造
６４ 電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な構造
６５ 電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側までがずらした積層型構造
６６ 電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が２次曲線的な構造
６７ 電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な構造
６８ 電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な積層型誘電体を重ねた構造
７１ 光学素子
７２ 受光素子
７３ ビーコン信号発生部
７４ ビーコン信号受信部
１０１ 基板
１０２ パッチアンテナ
１０３ 機械的構造物
１０３ａ 機械的構造物のα側（右辺側）
１０３ｂ 機械的構造物のβ側（左辺側）
１０４ 電磁波遮断構造
１０５ 誘電体
１０６ 垂直軸
１０７ 駆動部
Ｌ１ 間隙（電磁波開口部）
Ｌ２ α側の機械的構造物の垂直軸側の長さ
Ｌ３ β側の機械的構造物の垂直軸側の長さ
Ｓ１ ＲＦ信号
Ｓ２ 光信号
Ｓ３ ビーコン信号
θ１ α側（右辺側）の角度範囲
θ２ β側（左辺側）の角度範囲

Claims (9)

1. 準ミリ波帯あるいはミリ波帯の機能アンテナ装置において、
   前記機能アンテナ装置は、単一の電磁波放射構造と、この電磁波放射構造の上に配置された回転する機械的構造物と、前記電磁波放射構造と前記機械的構造物との間に配置された電磁波遮断構造と、前記機械的構造物に付加された誘電体と、前記機械的構造物を回転させる駆動部と、からなり、
   前記電磁波遮断構造は、前記電磁波放射構造の接地面と前記機械的構造物との間を非接触させるものであって、この非接触面の間隔が空間波長の１／１０から１／１００までの範囲であり、この非接触面が空気または誘電体フィルムであり、
   前記機械的構造物は、所望電磁波の空間波長の１倍から４倍までの電磁波開口部を有し、かつ前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸に対して非対称な構造であるとともに、前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面を有する、電磁波を効率良く空間へ放射するための導体壁面部を持つものであり、
   この導体壁面部の一つの対称面内における一方をα側とした場合、
   このα側の導体壁面部は、前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸と０度±２０度の角度をなし、長さが、所望電磁波の空間波長の０．５倍から３倍の範囲であって、
   前記導体壁面部の一つの対称面内における他方をβ側とした場合、
   このβ側の導体壁面部は、前記電磁波放射構造中心からの垂直軸と７０度±２０度の角度をなし、長さが、所望電磁波の空間波長の１倍から６倍までの範囲であり、
   前記機械的構造物に付加された前記誘電体は、前記電磁波放射構造から見て、厚さが、β側において空間波長の１倍から６倍までの範囲であってα側と比較して厚く、α側において空間波長の０倍を含む０．５倍以下であってβ側と比較して薄く、この厚さの変化が緩やかな放物線構造を有することで、電磁波放射方向がβ側に傾くものであり、
   前記機械的構造物が、前記電磁波遮断構造との間の非接触面にて、前記垂直軸を中心軸として前記駆動部によって回転することを特徴とする機能アンテナ装置。
2. 請求項１に記載の機能アンテナ装置において、
   前記誘電体の厚さは、前記α側の厚さが薄く、前記β側の厚さが厚いが、この変化の度合いが直線的に変化、または２次曲線的に変化、若しくは階段状に変化するうちのいずれかであることを特徴とする機能アンテナ装置。
3. 請求項２に記載の機能アンテナ装置において、
   前記誘電体は、前記α側の誘電率が小さく、前記β側の誘電率が大きい平行平板状の収束媒質であることを特徴とする機能アンテナ装置。
4. 請求項１に記載の機能アンテナ装置において、
   前記電磁波放射構造は、スロットアンテナ構造、導体パッチ構造、平面スパイラルアンテナ構造、ボータイアンテナ構造のうちのいずれかであることを特徴とする機能アンテナ装置。
5. 請求項１に記載の機能アンテナ装置のアンテナからの受信信号を受信機に入力し、この受信機からの前記受信信号を適切に信号処理することにより、信号処理部に接続された前記駆動部にて前記アンテナの回転を行って、所望な方向に前記アンテナの指向制御を行うことを特徴とする無線システム。
6. 請求項１に記載の機能アンテナ装置において、
   前記駆動部の回転構造は、静電気モータ、磁気的モータ、超音波モータのいずれかであることを特徴とする機能アンテナ装置。
7. 請求項１に記載の機能アンテナ装置において、
   前記導体壁面部は、非対称方形ホーン型、非対称円形ホーン型、または非対称方形ホーン型の簡易型、非対称円形ホーン型の簡易型として前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面に沿う左右対称な前記導体壁面部の一部が省略されている形状のうちいずれかであることを特徴とする機能アンテナ装置。
8. 請求項７に記載の機能アンテナ装置において、
   前記導体壁面部は、前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面を持ち、この対称面に並行する前記導体壁面部が、前記電磁波放射構造中心からの垂直軸と２０度から９０度までの範囲をもった広がり角度をなすことを特徴とする機能アンテナ装置。
9. 請求項５に記載の無線システムにおいて、前記アンテナの指向制御がビーコン、指向性をもった光学系のうちのいずれかであることを特徴とする無線システム。

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