JP6980194B2

JP6980194B2 - フェーズドアレーアンテナシステム

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Publication number: JP6980194B2
Application number: JP2018126178A
Authority: JP
Inventors: 健平賀; 大誠内田; 麻希新井; 学山本; 隆日景
Original assignee: Hokkaido University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Hokkaido University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2021-12-15
Anticipated expiration: 2038-07-02
Also published as: JP2020005233A

Description

本発明は、フェーズドアレーアンテナシステムに関する。

多くの国で９ＧＨｚ程度の広い帯域が利用可能な６０ＧＨｚ帯を用いた無線通信は、免許不要無線通信用周波数帯として、非圧縮映像伝送やマルチギガビット無線ＬＡＮ（Local Area Network）への利用が活発化している。こうした周波数帯における通信モジュールはベースバンド部分がシステムオンパッケージとなっており、ＲＦ（Radio Frequency）回路とフェーズドアレーアンテナとがシステムオンパッケージとなった通信モジュールが主流である。今後、６０ＧＨｚ帯に限らず、ミリ波帯の無線通信モジュールにおいても同様の構成となることが予想される。

高周波数帯は波長が短いため、マイクロ波帯と比べて小さい開口面のアンテナで幅の狭い電波を作ることができる。このような電波の幅（ビーム幅）を狭めることを狭ビーム化という。狭ビーム化により、同じ周波数帯を用いて複数の通信を行う並列伝送や、高密度で端末を配置して同時に通信を行うことが可能となるため、ミリ波を用いた通信の利点は、広帯域が利用可能であるだけにとどまらず、さらに大きくなる。

ミリ波通信モジュールが持つビーム幅よりさらにビーム幅を狭くする狭ビーム化を行い、上記の並列伝送や高密度通信を行うためには、モジュールの外側に集光レンズを外付けして使用することが想定される。既製のミリ波通信モジュールは、フェーズドアレーアンテナにより電波の方向を電子的に変える機能（ビームステアリング機能）を具備している。しかしながら、このようなモジュールのアンテナ部分に集光レンズを外付けした構成でステアリングを実施しようとすると、アンテナの位置を物理的に切り替えるしか方法は無い。そのため、集光レンズによる狭ビーム化は、ミリ波通信モジュールへの外付けには適さない場合が多い。

図１５は、フェーズドアレーアンテナ部分のアンテナ指向性が正面に設定されている場合に、凸レンズを用いて狭ビーム化する従来の方法を説明する説明図である。凸レンズの焦点距離にフェーズドアレーアンテナ部分があると、凸レンズを透過した電波は平面波となり、ビーム幅が狭くなる。その結果、アンテナ利得がアップする。ビーム幅と利得とはレンズのサイズに依存する。レンズが大きいほど、アンテナの開口面サイズが大きくなるため、電波は狭くなりアンテナ利得は大きくなる。なお、図１５における点線は、フェーズドアレーアンテナ部分から発射された電波の光線を示す。

次にフェーズドアレーアンテナ部分をビームステアリングする方法を説明する。図１６は、凸レンズを用いて狭ビーム化する従来の方法によって狭ビーム化され、さらに、左方向にステアリングされた状態の電波の光線を示す。凸レンズを透過した光線に注目すると、電波の中心軸が左方向にシフトしただけで、電波の方向は正面のままになることがわかる。
このように，フェーズドアレーアンテナに集光型レンズを適用した場合には、フェーズドアレーアンテナが持つビームステアリングの機能が機能しないことがわかる。

このような集光型レンズを使用して狭ビーム化をしながらビームステアリングを行うには、例えば、レンズの焦点距離上の平面内で使用するアンテナ素子の位置を変えるしかない（非特許文献１参照）。非特許文献１では、図１７に示すように、アンテナ素子を複数設けて、使用するアンテナを切り替えることでビームステアリングを実現している。しかしながら、アンテナの切り替えを必要とせずに、狭ビーム化とビームステアリングとを両立することが望まれている。

Juha Ala-Laurinaho, et al., "2-D Beam-Steerable Integrated Lens Antenna System for 5G E-Band Access and Backhaul", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 64, No. 7, JULY 2016.

上記事情に鑑み、本発明は、電波を放射するアンテナを放射方向に応じて切り替えることなく狭ビーム化とビームステアリングとを両立するアンテナシステムを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、電波を放射する複数のアンテナ素子を同一平面内に備え、前記同一平面に平行であって、前記同一平面との距離が、前記電波の自由空間内の波長に比べて無視できるほど短い位置に位置する平面内に前記電波を反射する地導体板を備える平面型フェーズドアレーアンテナと、前記同一平面に平行な平板状の誘電体であって、前記アンテナ素子のブロードサイド方向に位置する誘電体である誘電体板と、を備え、前記誘電体板の厚さは、前記電波の前記誘電体における物質内波長の１／４に略同一であって、前記誘電体板の前記アンテナ素子に対抗する面と、前記アンテナ素子を備える面との距離が、前記電波の自由空間内の波長の１／２に略同一である、フェーズドアレーアンテナシステムである。

本発明の一態様は、上記のフェーズドアレーアンテナシステムであって、前記誘電体板を複数備える。

本発明の一態様は、上記のフェーズドアレーアンテナシステムであって、前記平面型フェーズドアレーアンテナは、前記同一平面と前記地導体板を備える平面とに挟まれた空間に、さらに、前記同一平面に平行な平板状の誘電体層を備え、前記各アンテナ素子の中心点と、前記各アンテナ素子に最近接の前記誘電体層の周上の箇所との間の距離を余白Ｈとして、Ｈは、前記電波の自由空間内の波長の３／４に略同一である。

本発明の一態様は、上記のフェーズドアレーアンテナシステムであって、前記誘電体板を挟んで前記平面型フェーズドアレーアンテナの反対側に位置する負のメニスカスレンズを備える。

本発明により、電波を放射するアンテナを放射方向に応じて切り替えることなく狭ビーム化とビームステアリングとを両立することが可能となる。

第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００の構成の具体例を示す図。第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００の断面の具体例を示す図。第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００が奏する効果を説明するための等価モデルの具体例を示す図。第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００においてパッチ素子１２が放射する放射電波の伝搬の様子を説明する説明図。第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００が実現する狭ビーム化をシステム等価モデルによって説明する説明図。第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００によるビームステアリングについて説明する説明図。第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００によるビームステアリングの具体的なシミュレーションの条件を説明する説明図。第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００によるビームステアリングの具体的なシミュレーション結果を示す図。第２の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ａの構成の具体例を示す図。第２の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ａが放射する電波の放射パターンをシミュレーションした結果を示す図。第３の実施形態におけるフェーズドアレーアンテナシステム１００ｂの構成の具体例を示す図。第３の実施形態における平面型フェーズドアレーアンテナ１ｂの構成の具体例を示す上面図。第３の実施形態における距離Ｈと利得との周波数依存性を示す具体的なシミュレーション結果を示す図。第４の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ｃの構成の具体例を示す図。凸レンズによる従来の狭ビーム化の方法を説明する説明図。凸レンズによる従来の狭ビーム化の方法によって狭ビーム化され、さらに、左方向にステアリングされた状態の電波の光線を示す図。アンテナを切り替えることでビームステアリングを実現する方法を説明する説明図。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００の構成の具体例を示す図である。
フェーズドアレーアンテナシステム１００は、平面型フェーズドアレーアンテナ１及び誘電体板２を備える。平面型フェーズドアレーアンテナ１は、所定の方向に電波を放射する。誘電体板２は、平面型フェーズドアレーアンテナ１が放射した電波の一部を反射し、一部を透過させる。フェーズドアレーアンテナシステム１００は、平面型フェーズドアレーアンテナ１及び誘電体板２の間で生じる電波の多重反射によって、狭ビーム化された電波を放射する。

平面型フェーズドアレーアンテナ１は、誘電体板２に向けて電波を放射するアンテナ素子を同一平面内に複数備える２次元平面状のフェーズドアレーアンテナである。ユーザは、一般のフェーズドアレーアンテナと同様に、各アンテナ素子に印加する電圧又は電流の位相をアンテナ素子ごとに違う位相にすることで、平面型フェーズドアレーアンテナ１が放射する電波の方向を変えることができる。アンテナ素子は、例えば、マイクロストリップアンテナである。以下、平面型フェーズドアレーアンテナ１が放射する電波を放射電波という。平面型フェーズドアレーアンテナ１が放射電波を放射する方向は、ブロードサイド方向である。平面型フェーズドアレーアンテナ１は平板に略同一の形状である。以下、平面型フェーズドアレーアンテナ１の中心と誘電体板２の中心とを結ぶ軸をＺ軸とし、平面型フェーズドアレーアンテナ１から誘電体板２を見る方向をＺ軸の正方向とする。平面型フェーズドアレーアンテナ１は、平板に略同一の形状であり、Ｚ軸に垂直なＸＹ面に平行に配置される。

誘電体板２は、平面型フェーズドアレーアンテナ１からＺ軸方向に距離Ｓだけ隔ててＸＹ面に平行に配置された平板状の誘電体である。すなわち、誘電体板２と平面型フェーズドアレーアンテナ１とは、平行である。距離Ｓは、放射電波の自由空間中の波長の１／２の長さに略同一である。誘電体板２のＺ軸方向の厚さｔは、誘電体板２における放射電波の波長λｄ（すなわち、いわゆる物質内波長）の１／４の長さに略同一である。より具体的には、誘電体板２の比誘電率をεとし、放射電波の自由空間中の波長をλ０として、誘電体板２の比透磁率が１である場合には、誘電体板２の厚さｔは、λｄ／４＝（λ０／（ε＾（１／２）））／４に略同一である。なお、εは１より大きな正の値である。以下、説明の簡単のため、誘電体板２の比透磁率は１であると仮定する。

図２は、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００の断面の具体例を示す図である。

平面型フェーズドアレーアンテナ１は、誘電体層１１、パッチ素子１２及び地導体板１３を備える。誘電体層１１は、ＸＹ面に平行な平板状の誘電体である。誘電体層１１の厚さは、誘電体層１１内及び自由空間内の放射電波の波長に比べて無視できるほど薄い厚さである。誘電体層１１は、電波との相互作用の強さが０に略同一である。

パッチ素子１２は、アンテナ素子であって、誘電体層１１のＺ軸に垂直な一方の面上に位置する。パッチ素子１２は、誘電体板２に対向する位置に位置する。パッチ素子１２のＺ軸方向の厚さは、パッチ素子１２内及び自由空間内の放射電波の波長に比べて無視できるほど薄い厚さである。パッチ素子１２は、放射電波をＺ軸正方向の空間に向けて放射する。以例えば、パッチ素子１２は、放射電波をＺ軸正方向に略平行に放射する。以下、説明の簡単のため、パッチ素子１２は、放射電波をＺ軸正方向に略平行に放射すると仮定する。パッチ素子１２がＺ軸正方向に略平行に放射電波を放射するため、放射電波は、誘電体板２に略垂直に入射する。

地導体板１３は、誘電体層１１のＺ軸に垂直な他方の面上に位置する。地導体板１３のＺ軸方向の厚さは、地導体板１３内及び自由空間内の放射電波の波長に比べて無視できるほど薄い厚さである。地導体板１３は、伝導体であって、放射電波に対する透過率が０％に略同一であり、所定の反射率で放射電波を反射する。地導体板１３の反射率は１００％に略同一であることが望ましい。以下、説明の簡単のため地導体板１３の反射率は１００％であると仮定する。

ここで、誘電体板２の厚さｔが、物質内波長λｄの１／４に略同一であることによって生じる効果について説明する。

誘電体板２に入射した放射電波は、誘電体板２の厚さｔによらず、一部が誘電体板２の下面において反射（この反射は固定端反射である）され、一部が誘電体板２の内部を伝搬する。なお、誘電体板２の下面は、誘電体板２の面のうちパッチ素子１２に対抗する面である。図２においては、誘電体板２の下面は、誘電体板２のＺ軸に垂直な面のうち負方向の面である。誘電体板２の内部を伝搬する放射電波も、誘電体板２の上面において一部が反射（この反射は自由端反射である）され、一部が誘電体板２を透過する。なお、誘電体板２の上面とは、誘電体板２の面のうち誘電体板２の下面に平行であって、誘電体板２の反対側に位置する面である。図２において、誘電体板２の上面は、誘電体板２のＺ軸に垂直な面のうち正方向の面である。

以下、パッチ素子１２から放射され、誘電体板２の下面に入射し、誘電体板２の下面において反射された後、パッチ素子１２に入射する放射電波を放射電波Ｒ１という。
以下、パッチ素子１２から放射され、誘電体板２の内部を伝搬して誘電体板２の上面に入射し、誘電体板２の上面において反射された後、パッチ素子１２に入射する放射電波を放射電波Ｒ２という。

放射電波Ｒ１と放射電波Ｒ２とは、放射電波Ｒ２が誘電体板２の内部を伝搬するために、光路長が異なる。放射電波Ｒ１と放射電波Ｒ２との光路長の差は、それぞれの電波が誘電体板２の内部を伝搬するかしないかによって生じるため、２εｔである。
また、上記したように、誘電体板２の上面における反射は自由端反射であり、下面における反射は固定端反射である。そのため、ｔ＝λｄ／４である場合、放射電波Ｒ１と放射電波Ｒ２との、誘電体板２からパッチ素子１２まで伝搬する経路における位相は同相になる。

仮に、放射電波Ｒ１と放射電波Ｒ２との、誘電体板２からパッチ素子１２まで伝搬する経路における位相が逆位相であった場合、放射電波Ｒ１と放射電波Ｒ２とは互いに打ち消しあう。これは、パッチ素子１２が電波を放射できないことを意味する。また、放射電波Ｒ１と放射電波Ｒ２との、誘電体板２からパッチ素子１２まで伝搬する経路における位相が、逆位相ではないものの同位相ではない場合、同位相と比較して、放射電波Ｒ１と放射電波Ｒ２との間のコヒーレント性が下がる。

一般に、コヒーレント性が高いほど、レーザー光のように強く狭ビーム化された電波が生成される。そのため、このように、誘電体板２の厚さｔ＝λｄ／４である第１の実施形態におけるフェーズドアレーアンテナシステム１００は、放射する電波を強く狭ビーム化することができる。

また、放射電波Ｒ１と放射電波Ｒ２とのコヒーレント性が高い場合、放射電波Ｒ１と放射電波Ｒ２とは同じ電波とみなしてよい。このことは、フェーズドアレーアンテナシステム１００において生じる電波の解析に際して、解析者は誘電体板２の上面による反射と下面による反射とをそれぞれ区別する必要はないことを意味する。そのため、解析に際して、解析者は誘電体板２を厚さのない薄膜（以下「等価反射膜」という。）に近似することができる。等価反射膜は、誘電体板２の下面と同じ位置に位置し、入射する電波の一部を反射し、一部を透過させる厚さのない膜である。

図３は、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００が奏する効果を説明するための等価モデルの具体例を示す図である。以下、フェーズドアレーアンテナシステム１００が奏する効果を説明するための等価モデルをシステム等価モデルという。

まず、システム等価モデルにおけるパッチ素子１２について説明する。図３に示す等価波源を表す点は、パッチ素子１２の等価モデルである。上述したように、パッチ素子１２は、Ｚ軸正方向に略平行に放射電波を放射する。そのため、第１の実施形態におけるフェーズドアレーアンテナシステム１００において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向への電波の伝搬距離はＺ軸方向への伝搬距離に比べて無視できるほどである。また、上述したように、パッチ素子１２の厚さは、パッチ素子１２内及び自由空間内の放射電波の波長に比べて無視できるほど薄い。このことは、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００における電波の解析にあたって、パッチ素子１２の大きさは無視してもよいことを意味する。
このように、システム等価モデルにおけるパッチ素子１２は、大きさを無視してよい。そのため、システム等価モデルにおいてパッチ素子１２の等価モデルは、図３に示すように、大きさのない点として表現される。なお、等価波源は、パッチ素子１２の中心位置と同じ位置に位置する。

次に、システム等価モデルにおける地導体板１３について説明する。システム等価モデルにおける地導体板１３は、等価波源が位置するＸＹ面である。すなわち、システム等価モデルにおける等価波源が位置するＸＹ面は、地導体板１３と同様に、Ｚ軸正方向から入射した電波を１００％反射する。以下、システム等価モデルにおけるＸＹ面を等価導体板という。

システム等価モデルに、誘電体層１１は存在しない。なぜなら、誘電体層１１の厚さは、パッチ素子１２内及び自由空間内の放射電波の波長に比べて無視できるほど薄く、電波との相互作用の強さが０に略同一であるためである。

システム等価モデルにおいて、誘電体板２は、等価反射膜である。
システム等価モデルにおいて、等価反射膜と等価波源との距離は距離Ｓである。
このようなシステム等価モデルによって、フェーズドアレーアンテナシステム１００が奏する効果は説明可能である。

次に、図４及び図５によって、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００による狭ビーム化について説明する。

なお、以下図４において、簡単のため、放射電波の伝搬の様子をいくつかのステップに分けて、ステップごとに説明するが、実際の物理現象においては、全てのステップが略同一の時間内に起きる。

図４は、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００においてパッチ素子１２が放射する放射電波の伝搬の様子を説明する説明図である。

等価波源がＺ軸正方向に向けて放射電波を放射する。以下、説明の簡単のため、等価波源がＺ軸正方向に向けて放射電波を放射した時点を時点ｔ０という。等価波源が放射した放射電波は、等価反射膜上の地点Ｐ０に入射する。等価反射膜の地点Ｐ０に入射した放射電波の一部は、反射される。等価反射膜の地点Ｐ０において反射された放射電波は、等価導体板に入射する。等価導体板に入射した放射電波は、反射される。等価導体板によって反射された放射電波は、等価反射膜に再度入射する。地点Ｐ１は、図４において、放射電波が再度、等価反射膜に入射する地点である。以下、放射電波が等価反射膜に二回目に入射した時点を時点ｔ１という。時点ｔ０から時点ｔ１までの間に放射電波が伝搬した距離は、３Ｓである。
なお、図において、地点Ｐ０及び地点Ｐ１は、説明の簡単のため有限の距離があるかのように描いているが、実際には、地点Ｐ０と地点Ｐ１との距離は０に略同一である。また、同様に、仮想波源のＸ軸方向又はＹ軸方向の位置は、等価波源のＸ軸方向又はＹ軸方向の位置に略同一である。

ここまで、放射電波が等価反射膜によって１回反射される場合について説明してきたが、Ｎ回反射される場合についても、同様である。
具体的には、放射電波が等価反射膜によってＮ回（Ｎは１以上の整数）反射される場合、このような放射電波が時点ｔ_０から時点ｔ_Ｎまでの間に伝搬する距離は、Ｎ×２Ｓ＋Ｓ＝（２Ｎ＋１）Ｓである。ｔ_Ｎは、等価反射膜によってＮ回反射する放射電波が（Ｎ＋１）回目に透過反射膜に到達する時点である。以下、放射電波が（Ｎ＋１）回目に入射した等価反射膜の地点を地点Ｐ_Ｎという。なお、地点Ｐ_０〜地点Ｐ_Ｎの各地点間の距離は０に略同一である。

ここで、仮想波源及び仮想電波という概念について説明する。仮想波源とは、等価反射膜からＺ軸負方向にＳの整数倍である所定の距離だけ離れた位置に位置する仮想的な波源であって、Ｚ軸正方向に向けて仮想電波を放射する仮想的な波源である。仮想電波は、放射電波と同じ周波数を有し、時点ｔ_０において放射電波と同じ位相で放射され、誘電体板２及び地導体板１３によって反射及び吸収されない仮想的な電波である。

仮想波源及び仮想電波は、実体があるものではなく、フェーズドアレーアンテナシステム１００における放射電波の複雑な多重反射が奏する効果を説明するための仮想的な概念である。図４は、Ｎ＝１の場合における仮想波源と仮想電波とを示している。図４における仮想波源は、等価反射膜からＺ軸負方向に３Ｓだけ離れた位置に位置する仮想波源である。

以下、等価反射膜からＺ軸負方向に距離（２Ｎ＋１）Ｓだけ離れた位置に位置する仮想波源を第Ｎ仮想波源という。以下、第Ｎ仮想波源が放射する仮想電波を第Ｎ仮想電波という。図４における仮想波源と等価波源との位置関係と同様に、第Ｎ仮想波源のＸ軸方向又はＹ軸方向の位置は、等価波源のＸ軸方向又はＹ軸方向の位置に略同一である。

このような仮想波源及び仮想電流を用いると、時点ｔ_Ｎ以降の放射電波の周波数、位相及び波数ベクトルは第Ｎ仮想電波と同等であることが説明される。

なぜならば、放射電波と仮想電波とは、同じ周波数であり、時点ｔ_０において同じ位相で等価波源又は仮想波源から放射され、時点ｔ_０から時点ｔ_Ｎまでの伝搬距離が同じであり、地点Ｐ_Ｎに同じ方向から入射するからである。

そのため、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００における放射電波の多重反射によって生じる効果は、等価反射膜において生じる反射の回数に応じた仮想波源によって説明可能である。

具体的には、仮想波源の概念を用いてフェーズドアレーアンテナシステム１００をモデル化したシステム等価モデルによって、フェーズドアレーアンテナシステム１００の奏する効果は説明可能である。

図５は、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００が実現する狭ビーム化をシステム等価モデルによって説明する説明図である。

フェーズドアレーアンテナシステム１００において、原理的には、放射電波は、誘電体板２によって無限回反射される。このことは、無限個の仮想波源が存在することと等価である。そのため、システム等価モデルにおいて、仮想波源はＺ軸負方向に無限個存在する。システム等価モデルにおいて、無限個の各仮想波源は、２Ｓの距離をごとにＺ軸負方向に向かって配置される。

ここで、Ｓが波長の１／２であることについて考える。Ｓが波長の１／２であるため、放射電波及び仮想電波の位相は、等価反射面において同位相である。そのため、放射電波及び仮想電波は互いに強め合い、コヒーレント性の高い電波が生成される。

このように波源を波長間隔で周期的に一軸方向に配置したアンテナシステムは、一般に、エンドファイアアレーという。エンドファイアアレーは、狭いビームの電波を生成するアンテナシステムである。

第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００は、実体のある波源の代わりに仮想的な波源を、波長間隔で周期的に一軸方向に配置した仮想的なエンドファイアアレーであるといえる。そのため、このように構成された第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００は、平面型フェーズドアレーアンテナ１と誘電体板２とを波長の１／２だけ隔てて備えるため、エンドファイアアレーと同様に、電波の狭ビーム化を実現することができる。なお、図５において、狭ビーム電波は、フェーズドアレーアンテナシステム１００によって狭ビーム化された電波である。

図６は、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００によるビームステアリングについて説明する説明図である。ここまで、説明の簡単のため、パッチ素子１２は、放射電波をＺ軸正方向に略平行に放射すると仮定してきた。フェーズドアレーアンテナシステム１００が電波のビームステアリングをする場合には、パッチ素子１２は、Ｚ軸と角度をなす方向に放射電波を放射する。そのため、図６においては、パッチ素子１２は、放射電波をＺ軸正方向に略平行に放射するだけではなく、Ｚ軸と角度をなす方向にも放射電波を放射すると仮定する。

まず、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００によるビームステアリングについて説明する。ビームステアリング時には、平面型フェーズドアレーアンテナ１は、Ｚ軸方向に平行ではなく、Ｚ軸と角度をなす方向に放射電波を放射する。以下、平面型フェーズドアレーアンテナ１が放射電波を放射する方向がＺ軸となす角をθとする。この場合、放射電波の方向が角度θの方向であるため、フェーズドアレーアンテナシステム１００が放射する電波も角度θの方向に放射される。このようにして、フェーズドアレーアンテナシステム１００は、ビームステアリングを実現することができる。

次に、平面型フェーズドアレーアンテナ１が、角度θの方向に放射電波を放射する場合であっても、狭ビーム化が実現されることを説明する。平面型フェーズドアレーアンテナ１が、Ｚ軸方向に平行ではない方向に放射電波を放射する場合であっても、角度θが所定の範囲内である場合には、放射電波の伝搬経路は図３によって説明した伝搬経路に近似することができる。そのため、平面型フェーズドアレーアンテナ１が所定の角度範囲内の角度θの方向に放射電波を放射する場合には、フェーズドアレーアンテナシステム１００は電波を狭ビーム化することができる。

このように、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００によって、図６に示すようなビームステアリングされた電波が狭ビーム化された状態で放射される。図６において、狭ステアード電波は、狭ビーム化され、ビームステアリングされた電波である。

以下、図７及び図８によって、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００によるビームステアリングのシミュレーション結果を示す。

図７は、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００によるビームステアリングの具体的なシミュレーションの条件を説明する図である。シミュレーションは、誘電体板の比誘電率が１０．２であって、Ｓ＝１５ｍｍであって、誘電体板の厚さｔ＝３ｍｍの元で実施された。また、シミュレーションにおいて、パッチ素子１２は、一軸方向に等間隔に４つ配置されていた。隣接するパッチ素子１２の中心点同士の距離は、０．５波長に略同一である。

図８は、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００によるビームステアリングの具体的なシミュレーション結果を示す図である。なお、シミュレーションにおける電波の周波数は、１０ＧＨｚである。

図８（ａ）は、ステアリングされた電波の放射パターンを示す。図８（ｂ）は、ステアリングされていない電波の放射パターンを示す。図８（ａ）及び（ｂ）は、いずれも、誘電体板２が存在する場合には、誘電体板２が存在しない場合よりも狭ビーム化された電波を放射することを示す。
図８は、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００において、１６°程度のビームステアリングが実現されることを示す。また、図８は、ビームステアリングされた電波が狭ビーム化されていることを示す。

このように構成された第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００は、平面型フェーズドアレーアンテナ１と、平面型フェーズドアレーアンテナ１との距離が自由空間における電波の波長の１／２に略同一である位置に、自由空間における波長の１／４に略同一の厚さの誘電体板２とを備える。そのため、仮想的なエンドファイアアレーを実現することができ、従来のアンテナシステムよりも簡易な構成によって狭ビーム化とビームステアリングとを両立することができる。

なお、パッチ素子１２はどのように放射電波を放射してもよい。パッチ素子１２は、例えば、交流電源によって励振されることで、放射電波を放射してもよい。

（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ａの構成の具体例を示す図である。
第２の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ａは、一つではなく、複数の誘電体板２を一軸方向に備える点で第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００と異なる。
以下、第２の実施形態における誘電体板２を、誘電体板２ａという。第２の実施形態における誘電体板２ａは、Ｚ軸方向に、所定の間隔で順番に配置される。以下、誘電体板２ａをそれぞれ区別する場合、誘電体板２ａ−ｍ（ｍは１以上の整数）という。

誘電体板２ａ−ｍは、平面型フェーズドアレーアンテナ１からＺ軸正方向に距離ｍ×Ｓだけ隔ててＸＹ面に平行に配置された平板状の誘電体である。すなわち、誘電体板２ａ−ｍと平面型フェーズドアレーアンテナ１とは、平行である。誘電体板２ａの比誘電率及び比透磁率と、誘電体板２ａのＺ軸方向の厚さとは、第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ａは、複数の誘電体板２ａを備える。そのため、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００よりも電波が反射される伝搬経路が増える。そのため、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００よりもさらに強く電波を狭ビーム化することができる。

図１０は、第２の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ａが放射する電波の放射パターンをシミュレーションした結果を示す図である。図１０は、平面型フェーズドアレーアンテナ１が２×６つのアンテナ素子を備え、周波数９ＧＨｚの電波を放射する場合の結果を示す。

図１０（ａ）は、誘電体板２ａが無い場合と、１つの場合との結果を示す。図１０（ｂ）は、誘電体板２ａが１つの場合と、２つの場合との結果を示す。図１０は、誘電体板２ａが無い場合は、電力半値角が２７°であることを示す。図１０は、誘電体板２ａが１つの場合は、電力半値角が２０°であることを示す。図１０は、誘電体板２ａが２つの場合は、電力半値角が１７°であることを示す。
このように、誘電体板２ａの数が増えるほど、第２の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ａが放射する電波は狭ビーム化される。

このように構成された第２の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ａは、平面型フェーズドアレーアンテナ１と、複数の誘電体板２ａとを備える。そのため、電波が反射される伝搬経路を増やすことができ、第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００よりもさらに狭ビーム化を実現することができる。

（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態におけるフェーズドアレーアンテナシステム１００ｂの構成の具体例を示す図である。
フェーズドアレーアンテナシステム１００ｂは、平面型フェーズドアレーアンテナ１ｂと、誘電体板２ａ−１及び２ａ−２とを備える。
以下、図１、図２又は図９と同様の機能を有するものは同じ符号を付すことで説明を省略する。

平面型フェーズドアレーアンテナ１ｂは、誘電体層１１と、複数のパッチ素子１２と、地導体板１３とを備える。

図１２は、第３の実施形態における平面型フェーズドアレーアンテナ１ｂの構成の具体例を示す上面図である。
誘電体層１１は、ＸＹ面内において長辺が長さＬ_Ｓ、短辺が長さＷ_Ｓの長方形形状である。以下、簡単のため、誘電体層１１の長辺はＸ軸に平行とし、短辺はＹ軸に平行であると仮定する。パッチ素子１２は、ＸＹ面内において１辺Ｌ_ｄの正方形形状である。Ｌ_ｄは、放射電波の自由空間中の波長の１／４に略同一であり、放射電波の自由空間中の波長の１／４以上の長さである。

各パッチ素子１２の一辺は、誘電体層１１の一辺に平行である。複数のパッチ素子１２は、誘電体層１１の各辺に平行に行列状に位置する。各パッチ素子１２の中心間距離は、所定の長さｄである。長さｄは、放射電波の自由空間中の波長の１／２に略同一である。
各パッチ素子１２の中心点と、各パッチ素子１２に最近接の誘電体層１１の一辺との間の距離Ｈは、以下の式（１）及び式（２）を満たす。

Ｖ_Ｗは、誘電体層１１の短辺に平行な軸方向のパッチ素子１２の数である。Ｖ_Ｌは、誘電体層１１の長辺に平行な軸方向のパッチ素子１２の数である。
図１２において、Ｖ_Ｗは、２であり、Ｖ_Ｌは、６である。
距離Ｈは、誘電体層１１の余白の長さを反映した長さである。簡単のため、以下、距離Ｈを余白Ｈという。

図１３は、第３の実施形態における距離Ｈと利得との周波数依存性を示す具体的なシミュレーション結果を示す図である。図１３は、Ｌ_ｓ＝１３５ｍｍの条件の元で行われたシミュレーション結果である。図１３におけるλ_ｓは、周波数がシミュレーションにおける中心周波数である電波の自由空間における波長である。シミュレーションにおける中心周波数は、１０ＧＨｚである。

図１３に示すシミュレーション結果は、余白Ｈが、（２／４）×λ_ｓである場合と、余白Ｈが（３／４）×λ_ｓである場合と、余白Ｈが、（４／４）×λ_ｓである場合と、余白Ｈが、（５／４）×λ_ｓである場合とについて、利得と周波数との関係を示す。

図１３に示すシミュレーション結果は、余白Ｈが（３／４）×λ_ｓの場合に、余白Ｈが（４／４）×λ_ｓである場合と、余白Ｈが（５／４）×λｓである場合よりも周波数の変化に対する利得の変動幅が小さくなることを示す。また、図１３に示すシミュレーション結果は、例えば、余白Ｈを（２／４）×λ_ｓのように、（３／４）×λ_ｓよりも小さくした場合、観測している周波数範囲の中での全体的な利得の低下も起きないことを示す。図１３図１３そのため、図１３のシミュレーション結果は、余白Ｈを（３／４）×λ_ｓにしたフェーズドアレーアンテナシステム１００ｂが、狭ビーム化を実現するために最適であることを示す。余白Ｈが（３／４）×λ_ｓよりも小さい場合には、開口面サイズが十分に得られず利得が減少する。また、余白Ｈが（３／４）×λ_ｓよりも大きい場合には、帯域が狭くなるとともに、利得の低い極小値が現れる。この原因は、誘電体層１１に共振モードが立つためである。

誘電体層１１の形状及びパッチ素子１２の形状は必ずしも四角形でなくてもよい。また、余白Ｈは、必ずしも、形状が四角形の誘電体層１１の一辺と、パッチ素子１２の中心点との距離でなくてもよい。余白Ｈは、パッチ素子１２の中心点と、誘電体層１１の周上の、パッチ素子１２の中心点に最近接の箇所との距離であれば、どのような距離であってもよい。
誘電体層１１の形状及びパッチ素子１２の形状は、例えば、円形であってもよい。このような場合、余白Ｈは、パッチ素子１２の中心点と誘電体層１１の円周とを結ぶ最短の距離である。

（第４の実施形態）
図１４は、第４の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ｃの構成の具体例を示す図である。
第４の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ｃは、負メニスカスレンズ３を備える点で第１の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００と異なる。
負メニスカスレンズ３は、負のメニスカスレンズである。負メニスカスレンズ３は、誘電体板２を挟んで平面型フェーズドアレーアンテナ１の反対側に位置する。負メニスカスレンズ３は、ステアリングされた電波である狭ステアード電波のＺ軸となす角を大きくする。なお、図１４において、Ｚ軸は、ビームステアードされておらず、狭ビーム化はされた電波が伝搬する方向に平行である。

このように構成された、第４の実施形態のフェーズドアレーアンテナシステム１００ｃは、フェーズドアレーアンテナシステム１００、１００ａ及び１００ｂよりも、ステアリング範囲を増大することができる。なお、ステアリング範囲を増大するとは、ビームステアードされた電波とビームステアードされていない電波とのなす角を広げることである。

図４〜図５において説明したように、フェーズドアレーアンテナシステム１００、１００ａ及び１００ｂは、従来のアンテナシステムとは異なる動作原理によって、狭ビーム化を実現する。また、図６において説明したように、フェーズドアレーアンテナシステム１００、１００ａ及び１００ｂはビームステアリングも実現する。しかしながら、フェーズドアレーアンテナシステム１００、１００ａ及び１００ｂでは、電波が狭ビーム化されるため、電波が狭ビーム化されればされるほど、ステアリング範囲が狭くなるという問題がある。第４の実施形態におけるフェーズドアレーアンテナシステム１００ｃは、負メニスカスレンズ３を備えるため、ステアリング範囲を広げることができ、ステアリング範囲が狭くなるという問題を解決することができる。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…平面型フェーズドアレーアンテナ、１ｂ…平面型フェーズドアレーアンテナ、２…誘電体板、２ａ…誘電体板、３…負メニスカスレンズ、１１…誘電体層、１２…パッチ素子、１３…地導体板、１００…フェーズドアレーアンテナシステム、１００ａ…フェーズドアレーアンテナシステム、１００ｂ…フェーズドアレーアンテナシステム、１００ｃ…フェーズドアレーアンテナシステム

Claims

電波を放射する複数のアンテナ素子を同一平面内に備え、前記同一平面に平行であって、前記同一平面との距離が、前記電波の自由空間内の波長に比べて無視できるほど短い位置に位置する平面内に前記電波を反射する地導体板を備える平面型フェーズドアレーアンテナと、
それぞれ、前記同一平面に平行な平板状の誘電体であって、前記アンテナ素子のブロードサイド方向に位置する誘電体である複数の誘電体板と、
を備え、
複数の前記誘電体板の厚さは、それぞれ前記電波の前記誘電体における物質内波長の１／４に略同一であって、
複数の前記誘電体板の前記アンテナ素子に対向するそれぞれの面と、前記アンテナ素子を備える面との距離は、互いに異なりかつ前記電波の自由空間内の波長の１／２の自然数倍に略同一である、
フェーズドアレーアンテナシステム。
電波を放射する複数のアンテナ素子を同一平面内に備え、前記同一平面に平行であって、前記同一平面との距離が、前記電波の自由空間内の波長に比べて無視できるほど短い位置に位置する平面内に前記電波を反射する地導体板、および前記同一平面と前記地導体板を備える平面とに挟まれた空間に前記同一平面に平行な平板状の誘電体層を備える平面型フェーズドアレーアンテナと、
前記同一平面に平行な平板状の誘電体であって、前記アンテナ素子のブロードサイド方向に位置する誘電体である誘電体板と、
を備え、
前記誘電体板の厚さは、前記電波の前記誘電体における物質内波長の１／４に略同一であって、
前記誘電体板の前記アンテナ素子に対向する面と、前記アンテナ素子を備える面との距離が、前記電波の自由空間内の波長の１／２に略同一であり、
前記各アンテナ素子の中心点と、前記各アンテナ素子に最近接の前記誘電体層の周上の箇所との間の距離を余白Ｈとして、Ｈは、前記電波の自由空間内の波長の３／４に略同一である、
フェーズドアレーアンテナシステム。
電波を放射する複数のアンテナ素子を同一平面内に備え、前記同一平面に平行であって、前記同一平面との距離が、前記電波の自由空間内の波長に比べて無視できるほど短い位置に位置する平面内に前記電波を反射する地導体板を備える平面型フェーズドアレーアンテナと、
前記同一平面に平行な平板状の誘電体であって、前記アンテナ素子のブロードサイド方向に位置する誘電体である誘電体板と、
前記誘電体板を挟んで前記平面型フェーズドアレーアンテナの反対側に位置する負のメニスカスレンズと、
を備え、
前記誘電体板の厚さは、前記電波の前記誘電体における物質内波長の１／４に略同一であって、
前記誘電体板の前記アンテナ素子に対向する面と、前記アンテナ素子を備える面との距離が、前記電波の自由空間内の波長の１／２に略同一である、
フェーズドアレーアンテナシステム。