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
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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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