JP6628947B2 - アンテナ装置及びアレーアンテナ装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、励振係数が異なる複数の無給電素子のうち、所望の励振係数を有する無給電素子を選択する手段として、スイッチを用いたアンテナ装置が示されている。
また、特許文献2には無給電素子の電気長を変化させることで、無給電素子の励振係数を変更するアンテナ装置が示されている。
しかし、この無給電素子は、給電素子との電磁結合のみで励振しているため、無給電素子の取り得る励振振幅の大きさは限定的である。このため、位相だけの調整では任意の方向に放射パターンを向けることができても、サイドローブのレベルを低減することができないという問題があった。
また、振幅を決定するパラメータである素子の大きさや給電素子と無給電素子の距離は、励振振幅と同時に位相にも変化を与えるため設計が難しく、そもそも、任意放射パターンの形成そのものが困難であるという問題があった。
図1から図5を用いて、本実施の形態に係るアンテナ装置について説明を行う。
図1は、本実施の形態に係るアンテナ装置の平面図であり、図2は、本実施の形態に係るアンテナ装置の断面図である。
図1と図2において、1は誘電体基板、2は誘電体基板1の下面(一面)に導体を設けることで形成された地板(第1の導体)、100は、誘電体基板1の上面(反対の面)に形成された給電素子(第2の導体)、200aは誘電体基板1の上面に形成された無給電素子(第3の導体)、3aと3bは誘電体基板1の上面に形成された伝送線路、300は無給電素子200aに電源を供給する制御装置、31aは制御線、32はグラウンド(GND)線である。
本実施の形態では、給電素子100の形状を正方形としているが、x軸対象であるとともにy軸対象であれば、どのような形状であっても良い。つまり、給電素子100は、正方形や長方形の他にも、例えば、正八角形や正十二角形などであってもよいし、楕円であってもよい。
同様に、無給電素子200aも、本実施の形態では正方形としているが、x軸対象であるとともにy軸対象であれば、どのような形状であっても良い。
なお、図1中の線分a‐a’は給電素子100と無給電素子200aの中心点を通るx軸と平行な線分である。
本実施の形態に係るアンテナ装置は、誘電体基板1に形成された給電素子100と無給電素子200a、伝送線路3a、3b、制御装置300で構成される。
給電点12は、導体素子11の中心からずれた位置に配置され、所望の電波の偏波方向と入力インピーダンスから位置が決定される。例えば、電波がy軸方向の偏波とする場合は中心からy軸上にずれた位置に配置される。入力インピーダンスは、給電点12が導体素子11の中心にある場合は0、端部にある場合は最大となり、給電回路の特性インピーダンスと整合が取れる位置に配置される。
導体素子11の大きさは、給電点12から給電される高周波信号の周波数が共振周波数となるように設計される。
スロット22は、導体素子21の中心点を含む範囲を取り除くことで形成する。本実施の形態は、導体素子21の一部を長方形状に取り除くことでスロット22を形成した例について説明しているが、このスロット22の形状はスルーホールよりも大きく、かつ、無給電素子200aが所望の励振係数を満たすならば、無給電素子200aと同形状でなくても良い。
スルーホール24a、24bは、導体素子21の線分a‐a’上の位置に配置され、地板2を介してGND線32に接続する。
スルーホール25aは、スロット22の線分a‐a’上に配置する。なお、スルーホール25aが地板2と導通しないように、スルーホール25a周囲の地板2の導体は取り除かれ、スルーホール25aは制御線31aに接続する。
スイッチ23aは、スルーホール25aと線分a‐a’から見て+y方向側の導体素子21との間に接続し、スイッチ23bは、スルーホール25aと線分a‐a’から見て−y方向側の導体素子21との間に接続する。
スイッチ23aは、アノード側をスルーホール25aと接続し、カソード側を線分a‐a’から見て+y方向側の導体素子21に接続する。同様に、スイッチ23bは、アノード側をスルーホール25aと接続し、カソード側を線分a‐a’から見て−y方向側の導体素子21に接続する。
伝送線路3aと伝送線路3bは、線分a‐a’に対して対称な位置で給電素子100と無給電素子200aを接続する。
給電点12から高周波信号が給電されると、導体素子11の中心点と給電点12とを結ぶ線分を含む面がアンテナの偏波面となる。
無給電素子200aは、給電素子100を流れる高周波信号によって発生する電磁結合によって励振するのであるが、この他にも給電素子100を流れる高周波信号が伝送線路3aと3bを経由して直接流れてくることでも励振する。
ここで制御装置300によって、スイッチ23aとスイッチ23bを導通となるようにし、順バイアス電圧をかけた場合、無給電素子200aは共振周波数を給電素子100よりも高く設計しているため、導波器として動作する。
図3は、スイッチ23aとスイッチ23bを導通となるように、順バイアス電圧をかけた場合の給電素子100と無給電素子200aの位相関係を示すグラフである。
図3に示すように、無給電素子200aは、給電素子100よりも位相が遅れ、給電素子100と無給電素子200aが放射するそれぞれの電波が共相となる+x方向に高い利得を持つ放射パターンを得ることが可能となる。
伝送線路3a、3b間の距離dを変化させることで無給電素子200の励振振幅が変化し、結果としてサイドローブ形状が変化することが分かる。つまり、最大利得方向だけでなく、サイドローブのレベルを低くすることによって高度な放射パターンの設計が可能となる。
また、制御線31aとGND線32が、地板2に対し給電素子100および無給電素子200aの裏側に配置されるため、制御線が地板から見て電波放射側にある場合と比較して高周波信号の結合を低く抑えることができるうえ、結合された高周波信号が制御線31aとGND線32から再放射されても、アンテナの指向性への影響を排除することができる。
なお、実施の形態1では地板を最下層としたが、地板2の下に制御線路層、制御線路層の下層にシールド層を設けても良い。この場合、わずかに漏洩した高周波信号が制御線31aとGND線32を通ることにより発生する背面への放射を完全に排除することができる。
実施の形態1では、無給電素子200aに1組のスイッチを備えたものについて述べた。本実施の形態では、無給電素子200aに3組のスイッチを備えた場合について述べる。なお、3組のスイッチは、別々に制御可能とする。
図6および図7は本実施の形態にかかるアンテナ装置を示す図である。図6および図7において、図1および図2と同一の符号は、同一または、相当部分を示している。
実施の形態1と同様、図6および図7において、給電素子100と伝送線路3a、3bは同じ構造をしているが、無給電素子200aは構造が一部異なる。
また、31bは、スルーホール25bと接続される制御線、31cはスルーホール25cと接続する制御線である。
スイッチ23aと23b、23cと23d、23eと23fのアノード側はそれぞれスルーホール25a、25b、25cに接続される。
スイッチ23a、23c、23eのカソード側は線分a‐a’から見て+y方向側の導体素子21に接続され、スイッチ23b、23d、23fのカソード側は線分a‐a’から見て−y方向側の導体素子21に接続される。
給電点12から高周波信号が給電されると、無給電素子200aは、給電素子100を流れる高周波信号によって発生する電磁結合の他にも、この給電素子100を流れる高周波信号が、伝送線路3aと3bを経由して直接流れてくることで無給電素子200aが励振される点は、実施の形態1と同様である。
図8にスイッチを導通または非導通とした状態の例、図9に給電素子100と無給電素子200aの励振位相関係を示す。
図9に示されるよう、状態1と状態2のどちらの場合においても無給電素子200aの共振周波数は給電素子100よりも高いため、導波器として動作する。
状態2では、スイッチ23c、23dが非導通のため、電流はスイッチ23c、23dを迂回し、導体素子21とスイッチ23a、23b、23e、23fに電流が流れる。
状態1と状態2の共振周波数を比較すると、電流が迂回する分、状態2は状態1よりも低くなり、結果として状態2は状態1の励振位相よりも遅くなる。これによって、2種類の励振位相パターンを実現できる。
なお、実施の形態1および本実施の形態では、無給電素子にスイッチとしてPINダイオードを用いた場合について説明したが、PINダイオードの代わりに可変容量ダイオードを用いてもよい。
可変容量ダイオードの容量の値を変化させると段階的に無給電素子の共振周波数は段階的に変化し、結果として励振位相も変化する。
よって、PINダイオードの代わりに可変容量ダイオードを用いても、放射パターンの最大利得角度を変更可能である。
実施の形態1および2では、伝送線路の経路が1通りのみの場合について説明した。本実施の形態では、伝送線路の経路が複数ある場合について説明する。
図10は、本実施の形態に係るアンテナ装置の平面図である。図10において、図1と同一符号は、同一または相当部分を示している。
本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態1と基本的な構成は同じであるが、伝送線路が2通りある点が異なる。
本実施の形態では、図10に示すように、伝送線路3aには切替器4a、4b、伝送線路5a、6aが備えられ、伝送線路3bには切替器4c、4d、伝送線路5b、6bが備えられる。
給電素子100に給電された高周波信号は、電磁結合と伝送線路を介して無給電素子を励振する。その際、伝送線路3a、3bは切替器4a、4b、4c、4dによって、伝送線路5a、5bもしくは伝送線路6a、6bに接続される。
例えば、伝送線路6a、6bが接続するよう、切替器4a、4b、4c、4dを設定した場合、伝送線路6a、6bは伝送線路5a、5bよりも長いため、無給電素子200aの励振位相は伝送線路5a、5bを接続した場合よりも遅れる。これによって、2種類の励振位相パターンを実現することが可能となる。
以上のように、異なる長さをもつ伝送線路の経路を複数保有し、これらを切り替えることにより、無給電素子の励振位相を変化させることが可能となる。その結果、放射パターンの最大利得角度を変更できる。
以上の実施の形態では、1つ給電素子に対し、無給電素子を1つ配置したアンテナ装置について述べた。本実施の形態では、1つ給電素子に対し、無給電素子を複数配置した場合について述べる。
図11は、本実施の形態に係るアンテナ装置400aの平面図である。図11において、図1と同一符号は、同一または、相当部分を示している。
本実施の形態に係るアンテナ装置は、実施の形態1と基本的な構成は同じであるが、給電素子100の周囲に無給電素子200aの他、無給電素子200b、無給電素子200c、無給電素子200dを配置している。
無給電素子200bは、無給電素子200bの中心が、給電素子100の中心から−y軸方向に移動した位置に配置する。無給電素子200bの中心と給電素子100の中心の距離は、無給電素子200aの中心と給電素子100の中心との距離と同じとする。
無給電素子200dは、無給電素子200dの中心が、給電素子100の中心から+y軸方向に移動した位置に配置する。無給電素子200dの中心と給電素子100の中心の距離は、無給電素子200aの中心と給電素子100の中心との距離と同じとする。
無給電素子200b、200dは給電素子100の周囲に配置されるが、給電素子100とは物理的には接続されておらず、電磁結合のみで励振される。
給電点12から高周波信号が給電されると、無給電素子200a、200cは、電磁結合と伝送線路3a、3b、3c、3dを介することで励振される。一方、無給電素子200b、200dは、電磁結合のみによって励振される。
一方、無給電素子200b、200c、200dの励振振幅は弱く放射パターンへの影響は少ない。このとき、アンテナ装置400aの放射パターンは+x軸方向に高い利得を持つ。
以上のように、本実施の形態では複数の無給電素子を給電素子100の周囲に配置することで、放射パターンの最大利得方向を2次元的に変更できるようになる。
実施の形態4では、無給電素子を複数有するアンテナ装置を1つ配置したものについて述べた。本実施の形態では、このアンテナ装置を複数並べ、アレーアンテナ装置とした場合について述べる。
図13は、本実施の形態に係るアレーアンテナ装置の平面図である。図13において、400a、400b、400c、400d、400eは、実施の形態4で説明したアンテナ装置であり、アンテナ装置400a、400b、400c、400d、400eを面上に配置することによってアレーアンテナを構成する。
以上のように、アンテナ装置を面上に複数並べ、アレーアンテナとすることで、アンテナ装置が1つの場合よりも高い利得を得ることができる。
なお、本実施の形態は三角配列であるが、直線配列や四角配列、不等間隔配列、三次元的に配置されていても良い。
このビーム走査方向に連動する形でアンテナ装置400a、400b、400c、400d、400eの指向性を所望方向で利得の高い放射パターンに変化させることで、アレーアンテナ装置の放射パターンにおいて従来よりも高い利得が得られるようになる。
さらに、アンテナ装置400a、400b、400c、400d、400eの放射パターンが特定方向で利得が低いようにすることで、アレーアンテナ装置の放射パターンにおいても特定方向のサイドローブを下げることができる。
Claims (6)
- 誘電体基板と、
前記誘電体基板の一面に設けられた第1の導体と、
前記誘電体基板の前記第1の導体と反対の面に設けられ、給電点を有する第2の導体と、
前記第2の導体と同一面に設けられた第3の導体と、
前記第2の導体と前記第3の導体を電気的に接続する一対の伝送線路とを備え、
前記第3の導体は、中心点を含む範囲にスロットが設けられ、前記第2の導体の中心点と前記第3の導体の中心点とを結ぶ線分上に前記第3の導体と前記第1の導体とを電気的に接続するスルーホールを有し、
前記スロット内の、前記第2の導体の中心点と前記第3の導体の中心点とを結ぶ線分と垂直方向にある双方の辺と接続し、前記第2の導体の中心点と前記第3の導体の中心点とを結ぶ線分に対し、対称な位置に設けられたスイッチを有することを特徴とするアンテナ装置。 - 前記スイッチを複数有することを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
- 前記一対の伝送線路は、前記第2の導体の中心点と前記第3の導体の中心点を結ぶ線分に対し、対称な位置に設けられたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアンテナ装置。
- 前記一対の伝送線路を複数有し、複数ある前記一対の伝送線路のうち、所望の前記一対の伝送線路に切り替える切替器を有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
- 前記第3の導体を複数有することを特徴とした請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
- 請求項1から請求項5のいずれか一項に記載のアンテナ装置を面上に複数並べて構成されたアレーアンテナ装置。
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