JPH1197915A

JPH1197915A - 位相アレーアンテナ

Info

Publication number: JPH1197915A
Application number: JP19964998A
Authority: JP
Inventors: Bezurin Burankobitsuchi; ベズリンブランコビッチ; Arekusandaa Neshitsuku; アレクサンダーネシック
Original assignee: Sony International Europe GmbH
Current assignee: Sony Deutschland GmbH
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 1999-04-09
Also published as: EP0889542A1

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、効率よく、極めて広帯域で、ミリ
波の周波数にまで応用できる位相アレーアンテナを提供
する。【解決手段】位相アレーアンテナは、誘電体基板１
と、その前面２に第１の方向を向いてプリントされた第
１のアンテナ素子５と、背面３に、第１の方向とは逆の
第２の方向を向いてプリントされた第２のアンテナ素子
６とをそれぞれ有し、電磁波信号を放射及び受信する複
数のダイポール４と、第１のアンテナ素子５に接続して
前面２にプリントされた第１の線路８と、第２のアンテ
ナ素子６に接続して背面３にプリントされた第２の線路
９とを有し、ダイポール４に対して信号を送受するメタ
ルストリップ７と、背面３に平行であって、誘電率が
１．２以下の低損失支持体１１を介在して配設された反
射板１０とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数のダイポール
アンテナを備えた位相アレーアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】ダイポールアンテナとしては、米国特許
５０２１７９９号が知られている。この米国特許は、ダ
イポールアンテナに関する発明であり、このダイポール
アンテナを構成するマイクロストリップ線路のうちの第
１の線路及び第２の線路はテーパ状になっており、これ
によって、マイクロストリップ線路を平衡線路インピー
ダンスに変換している。また、第１の線路と第２の線路
は、誘電体基板を中間層として、その上下に配設され、
電界を形成しており、マイクロストリップ線路の不平衡
線路部と第１及び第２の平衡型ダイポールアンテナ素子
とを接続している。すなわち、米国特許５０２１７９９
号で開示されているアンテナでは、不平衡伝送から平衡
伝送への変換は、ダイポールアンテナのマイクロストリ
ップ線路内で行われている。また、このアンテナは、古
典的なダイポールマイクロストリップ構造を有している
ので、固有の周波数選択性を有し、すなわち広帯域では
ない。更に、このアンテナは許容誤差が厳しい。このア
ンテナの基板の厚さは、０．０１２５波長であり、この
ため、実際の厚さは、６０ＧＨｚのレンジでは０．０６
２ｍｍとなってしまい、製造したり取り扱ったりするの
にはあまりにも薄くて危険である。なお、米国特許５０
２１７９９号で開示されているダイポールアンテナは、
その用途は主に狭帯域であるので、特有の構造を有して
いる。高次のモードが発生する可能性がある上に、製造
における許容誤差、誘電体素材における損失が多いこ
と、基板の厚さが薄いこと、反射板までの距離が一様で
ある基板を支えていることによって、マイクロ波のうち
の低い周波数範囲（３−３０ＧＨｚ）でのみ用いられて
いる。

【０００３】米国特許４７３７７９７号には、反射板が
ないダイポールアンテナが開示されている。このダイポ
ールアンテナは、マイクロストリップ線路内に伝送部を
備え、そこにおいて線路が不平衡形から平衡形に変換さ
れ、信号が第１及び第２の平衡型ダイポールアンテナ素
子に分配されるようになっている。米国特許４７３７７
９７号で開示されているダイポールアンテナの帯域は、
１．７ＧＨｚ（約３０％）までの広帯域用である。しか
し、このダイポールアンテナは、平衡回路と不平衡回路
の変換部における許容誤差が小さく（線路が薄く）、ま
た基板が非常に薄い（６０ＧＨｚで０．０２４ｍｍ）の
で、ミリ波レンジまでしか用いることができない。この
ダイポールアンテナにおける構造の物理的支持力（強
度）やこのような薄い基板の利用可能性は、望ましいも
のではない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した実
状に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、効率
よく、極めて広帯域で、ミリ波の周波数にまで応用でき
る位相アレーアンテナを提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る位相アレー
アンテナは、前面と背面を有する誘電体基板と、誘電体
基板の前面に第１の方向を向いてプリントされた第１の
アンテナ素子と誘電体基板の背面に第１の方向とは逆の
第２の方向を向いてプリントされた第２のアンテナ素子
とをそれぞれ有し、電磁波信号を放射及び受信する複数
のダイポールと、第１のアンテナ素子に接続して誘電体
基板の前面にプリントされた第１の線路と第２のアンテ
ナ素子に接続して誘電体基板の背面にプリントされた第
２の線路とを有し、ダイポールに対して信号を送受する
メタルストリップと、誘電体基板の背面に平行であっ
て、誘電率が１．２以下の低損失支持体を介在して配設
された反射板とを備える。第１の線路及び第２の線路
は、それぞれ複数の第１の線路部及び第２の線路部を有
し、第１の線路部及び第２の線路部は、それぞれＴ結合
部に接続されており、第１の線路部及び第２の線路部
は、隣接した２つのＴ結合部間においてテーパ状になっ
ており、各線路部の幅は、第１のアンテナ素子及び第２
のアンテナ素子に向かうにしたがって広くなっており、
後続のＴ結合部においてインピーダンス変換が行われ
る。

【０００６】この位相アレーアンテナは、極めて広帯域
であり、ミリ波の周波数帯域にまで用いることができ
る。線路がテーパ状になっているので、給電回路の特定
のインピーダンスを変換をすることができ、効率が良
く、高いゲインを得ることができる。また、この位相ア
レーアンテナは、例えば、単純な平面技術、プリント技
術及び／又は単純で安価なプリントの写真平版製造技術
を用いて、非常に低いコストで製造することができる。
更に、この位相アレーアンテナは、許容誤差が厳しくな
く、サイズが小さく、再現性がある。また、将来、マイ
クロ波及びミリ波の技術は、導波管技術よりむしろ平面
機構に基づくことになると予想されるので、プラナーＲ
Ｆ機構を組み込むことができる。この位相アレーアンテ
ナの大きな利点は、異なった周波数帯域の様々な種類の
通信装置に、同じアンテナを使うことができる点であ
る。可能とされている応用は、例えば、広帯域家庭用通
信網、無線ＬＡＮ（構内通信網）、民間無線放送網、自
動車のミリ波レーダ、ミリ波ラジオ、テレビジョン放送
（送信器及び超低コスト受信器）である。このアンテナ
が対応可能な周波数帯域は、５ＧＨｚ、１０．５ＧＨ
ｚ、１７〜１９ＧＨｚ、２４ＧＨｚ、２６〜２７ＧＨ
ｚ、２８ＧＨｚ、４０ＧＨｚ、５１ＧＨｚ、５９〜６４
ＧＨｚ、７６ＧＨｚ、９４ＧＨｚ等である。この位相ア
レーアンテナには、一般的な必要条件、すなわち特定の
指向性、目的とする周波数帯域での良好な整合性、目的
とする周波数帯域での効率の良さを有する。

【０００７】従来のダイポールアンテナと比較して、本
発明に係る位相アレーアンテナが有する利点は、次のよ
うなものがある。この位相アレーアンテナは、従来のマ
イクロストリップダイポールアンテナと比較して、３０
％以上も広い動作周波数帯域を有している。したがっ
て、この位相アレーアンテナは、様々なシステムやアプ
リケーションに用いることができる。また、この位相ア
レーアンテナの各部の許容誤差は、従来のマイクロスト
リップダイポールアンテナと比較して、厳しくない。こ
のことは、マイクロ波帯及びミリ波帯において非常に重
要なことである。この位相アレーアンテナは、特有の構
造を有するので、従来のマイクロストリップダイポール
アンテナと比較して、損失が少なく、マイクロ波やミリ
波のような高周波帯域における高次モードの伝播にも対
応することができる。この位相アレーアンテナは、許容
誤差が厳しくないので、特にミリ波帯用のものを製造す
ることの危険性は遙かに少ない。マイクロストリップ線
路における不要な高次モードは、同じ厚さの基板にプリ
ントされた平衡形マイクロストリップと比較して、より
低い周波数帯域で現れる。更に、この位相アレーアンテ
ナは、平衡形マイクロストリップ線路の構造をしている
ため、アンテナ指向性に対する給電回路の影響は、従来
のマイクロストリップダイポールアンテナよりも遙かに
少ない。最適の動作条件（所望の放射パターンで低損
失）を満たすのに必要な誘電体基板の厚さは、従来のマ
イクロストリップダイポールアンテナの場合には、非常
に薄い。この位相アレーアンテナの誘電体基板の厚さ
は、それ程薄くないので、この位相アレーアンテナは安
価で簡単に製造することができる。更に、この位相アレ
ーアンテナの大きな利点は、最高動作周波数が高いこと
であり、このような位相アレーアンテナを低コストの写
真平版技術を使って製造することができる。この位相ア
レーアンテナの最高動作周波数は、誘電体基板が商業用
として可能な約５０μｍの厚さで、最新の写真平版技術
を使って、９４ＧＨｚ及び１４０ＧＨｚである。従来の
マイクロストリップダイポールアンテナの最高動作周波
数は、最新の技術を使っても４０ＧＨｚ及び６０ＧＨｚ
であり、再現性にも問題がある。したがって、本発明に
係る位相アレーアンテナは、特にマイクロ波帯やミリ波
帯での応用に適した、許容誤差が緩やかな、低コストの
広帯域アンテナである。

【０００８】例えば、第１の線路部及び第２の線路部の
幅が徐々に広くなっており、後続のＴ結合部において、
比が１：２のインピーダンス変換が行われる。第１の線
路部及び第２の線路部は、一次関数、指数関数又は多項
関数に基づくテーパ状とされている。また、低損失支持
体は、反射板及び誘電体基板の背面を支持する支持構造
となっている。更に、第１の線路、第２の線路及びＴ結
合部は、平衡形であり、誘電体基板の前面と背面上に、
互いに平行であって、対応して配設されている。

【０００９】例えば、目的とする帯域の中心周波数の自
由空間波長をλとし、第１のアンテナ素子及び第２のア
ンテナ素子の長さｌは０．５λ以下であり、各アンテナ
素子の平均の幅ｗは０．３５λ以下であり、各アンテナ
素子と第１の線路及び第２の線路の接続部の幅ｃは０．
１λ以下であり、第１の線路及び第２の線路と、接続部
に接続された第１のアンテナ素子及び第２のアンテナ素
子の辺とのなす角度αは、１０°以上である。第１のア
ンテナ素子及び第２のアンテナ素子は、少なくとも３つ
の角を有し、これらの角のうちの１つが、接続部となっ
ている。また、第１のアンテナ素子及び第２のアンテナ
素子は、５角形である。また、反射板と誘電体基板の中
心面間の距離ｄは、低損失支持体内における動作帯域の
電波の波長の約１／４である。更に、第１の線路に接続
した第１の歯形素子と、第２の線路に接続した第２の歯
形素子とからなる導波管変換素子を備え、第１の歯形素
子は、第１の方向を向いており、第２の歯形素子は、第
１の方向とは逆の第２の方向を向いており、第１の歯形
素子及び第２の歯形素子は、第１の線路及び第２の線路
の方向に直交する方向を向いている。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る位相アレーア
ンテナについて図面を参照しながら説明する。

【００１１】図１は、本発明に係る位相アレーアンテナ
を上面から見た概略図であり、このアンテナは、誘電体
基板１を備え、この誘電体基板１の前面２及び背面３に
は、金属製のストリップ（以下、メタルストリップとい
う。）７及び複数のダイポール４がプリントされてい
る。本発明に係る位相アレーアンテナでは、図２に示す
ように、ダイポール４のうちの第１のアンテナ素子５
は、誘電体基板１の前面２にプリントされており、ダイ
ポール４のうちの第２のアンテナ素子６は、誘電体基板
１の背面３にプリントされている。第１のアンテナ素子
５は、前面２に設けられた第１の線路８に接続されてお
り、この第１の線路８は、信号を第１のアンテナ素子５
に供給するとともに、第１のアンテナ素子５からの信号
を受信する。第２のアンテナ素子６は、背面３に設けら
れた第２の線路９に接続されており、この第２の線路９
は、信号を第２のアンテナ素子６に供給するとともに、
第２のアンテナ素子６からの信号を受信する。図１に示
す具体例では、メタルストリップ７を構成している第１
の線路８及び第２の線路９は、平衡形マイクロストリッ
プの構造を有し、ダイポールアンテナの端部近傍に位置
する導波管変換素子１２に接続されており、この導波管
変換素子１２は、第１の線路８及び第２の線路９と、ダ
イポール４から放射される信号を供給する導波管との間
の変換を行っている。導波管変換素子１２は、第１の線
路８及び第２の線路９をそれぞれ導波管に接続する２つ
の部分からなっている。これらの導波管の２つの部分
は、第１の線路８及び第２の線路９に直交する方向であ
って、それぞれ前面２と背面３に配設された複数の歯形
素子からなる。マイクロ波及びミリ波帯における商業通
信用のアンテナは、今後、平面技術に基づき、他の種類
の変換素子が必要になると考えられる。導波管変換素子
１２は、平面アンテナ用のフロントエンドがない現状で
は、図１の具体例においては非常に重要である。

【００１２】図１に示すように、前面２及び背面３上に
それぞれプリントされた第１の線路８及び第２の線路９
は、アンテナのほぼ中央に位置するＴ結合（又は分配）
部１５においてそれらに直交する第１の線路部１３と第
２の線路部１４にそれぞれ繋がっている。そして、第１
の線路部１３及び第２の線路部１４の各他端は、更なる
Ｔ結合部１５となっている。すなわち、第１の線路部１
３及び第２の線路部１４は、互いに隣接したＴ結合部１
５を接続している。

【００１３】また、図１に示すように、第１の線路部１
３、第２の線路部１４及びそれらに続くＴ結合部１５の
構造は、左右対称になっている。さらに、互いに隣接し
た第１の線路部１３及び第２の線路部１４は、直交して
いる。末端のＴ結合部１５に後続する第１の線路８及び
第２の線路９の各他端は、それぞれダイポール４に繋が
っている。各ダイポール４は、第１のアンテナ素子５
と、第２のアンテナ素子６を備え、これらの第１のアン
テナ素子５及び第２のアンテナ素子６は、第１の線路８
と第２の線路９によって伝搬される電磁波信号を放射す
るとともに、電磁波信号を受信する。第１のアンテナ素
子５は、誘電体基板１の前面２上にプリントされてお
り、第２のアンテナ素子６は、誘電体基板１の背面３上
にプリントされている。第１のアンテナ素子５と第２の
アンテナ素子６は、それらに接続した第１の線路部１３
及び第２の線路部１４と略直交している。また、図１に
示すように、第１のアンテナ素子５は、第１の方向を向
いており、第２のアンテナ素子６は、第１の方向とは逆
の第２の方向を向いている。第１のアンテナ素子５及び
第２のアンテナ素子６の好ましい形状は、５角形であ
る。さらに、図１に示すように、隣接した２つのＴ結合
部１５間にある第１の線路部１３及び第２の線路部１４
は、インピーダンス変換を行うために、ダイポール４側
のＴ結合部１５から他の結合部１５に向かってテーパ
（先細り）状になっている。このように第１の線路部１
３及び第２の線路部１４がテーパ状になっていてので、
第１の線路部１３及び第２の線路部１４の幅は、第１の
アンテナ素子５及び第２のアンテナ素子６に近づくに従
って広くなっている。

【００１４】図２は、図１に示すアンテナのうちの２つ
のダイポール部分を概略的に表した斜視図である。この
アンテナは、前面２と背面３を有する誘電体基板１を備
えている。第１のアンテナ素子５は、前面２上にプリン
トされており、第２のアンテナ素子６は、背面３上にプ
リントされている。また、第１の線路８は、前面２にプ
リントされており、第２の線路９は、背面３にプリント
されている。図２には２つのダイポール４のみが示され
ており、これらは、第１の線路８及び第２の線路９から
信号が供給される。２つのダイポール４の間にあるＴ結
合部１５には、前面２上の第１の線路部１３５と背面３
上の第２の線路部１４から信号が供給される。第１の線
路部１３及び第２の線路部１４は、テーパ状になってお
り、ダイポール４に向かって、幅が広くなっている。テ
ーパ状になっていることによって、インピーダンスを、
第１の線路部１３及び第２の線路部１４の幅の狭い部分
における１００Ωから、第１の線路部１３及び第２の線
路部１４の幅の広い部分における５０Ωに変換してい
る。第１の線路部１３及び第２の線路部１４は、Ｔ結合
部１５において、テーパ状でない第１の線路８、第２の
線路９にそれぞれ分岐して、ダイポール４に繋がってい
る。誘電体基板１と反射板１０間には、損失をなるべく
少なくするために、例えば誘電率が１．２以下の低損失
材料からなる支持体（以下、低損失支持体１１とい
う。）が設けられている。この低損失支持体１１は、図
２に示すように、反射板１０を支持するとともに、誘電
体基板１をその背面３で支持する構造となっている。な
お、他の実施の形態としては、この低損失支持体１１の
材料としては、例えば空気でもよく、この場合、誘電体
基板１と反射板１０との間は空洞となっている。また、
低損失支持体１１の材料としては、例えばポリウレタン
・フォウムでもよい。さらに、低損失支持体１１の材料
としては、誘電率が１．２以下の他の材料であってもよ
い。低損失支持体１１を形成する材料の種類が変わる
と、ダイポールアンテナの厚さも変わる。図２では、第
２のアンテナ素子６及び第２の線路９が、誘電体基板１
の背面３にプリントされていることを示すために、点線
が用いられている。

【００１５】図３は、本発明に係る位相アレーアンテナ
の断面図である。第１のアンテナ素子５は、誘電体基板
１の前面２にプリントされており、第２のアンテナ素子
６は、誘電体基板１の背面３にプリントされている。第
２のアンテナ素子６及び第２の線路９がプリントされて
いる誘電体基板１は、支持構造を形成している低損失支
持体１１に支持されている。低損失支持体１１の一方の
面は、誘電体基板１の背面３と対向しており、低損失支
持体１１の他方の面に反射板１０が設けられている。こ
の反射板１０は、誘電体基板１の背面３に平行となって
いる。

【００１６】反射板１０の上面と誘電体基板１の中心面
間の距離ｄは、低損失支持体１１が誘電体基板１と反射
板１０を支持する構造となっているので、中心周波数
（動作帯域の中心値）の電波の波長λの約１／４であ
る。具体的には、この距離ｄは、λ/(4×sqrt(ε_r))±1
0%とすることができる。ここで、εは低損失支持体１１
の誘電率である。この距離ｄを変えると、ダイポールア
ンテナの指向特性が大きく変化し、この性質は、時々あ
えて利用される。また、この実施の形態におけるアンテ
ナは平面状であるが、本発明に係る位相アレーアンテナ
は、他の形状で合ってもよい。

【００１７】図４は、誘電体基板１と、前面２及び背面
３上にそれぞれプリントされた第１の線路８及び第２の
線路９との断面図である。図４に示すように、第１の線
路８及び第２の線路９は、平衡形であり、それぞれ前面
２と背面３上に互いに対向して平行に配設されている。
第１の線路８及び第２の線路９の幅と形状は同一であ
る。平衡形メタルストリップ線路を互いに平行とすると
ともに、対向させることによって、メタルストリップ７
からなる給電回路網全体が実現されている。第１の線路
８及び第２の線路９の対称軸は、誘電体基板１の中心面
内にある。Ｔ結合部１５は、複数のダイポール４に信号
を分配するとともに、複数のダイポール４からの信号を
集める。第１の線路８及び第２の線路９のＴ結合部１５
もまた、平衡形Ｔ結合部であり、それぞれ前面２と背面
３上に、互いに平行であって対向して配設されている。
また、Ｔ結合部１５には、結合部における不連続の影響
を補償するために、例えば図２に示すように三角形のギ
ャップが設けられている。

【００１８】本発明に係る位相アレーアンテナに必要な
フロントエンドを組み込むためには、本発明に係る平衡
形メタルストリップ線路間の伝搬線路が、フロントエン
ドの技術を用いた伝搬線路に変換されることが必要であ
る。導波管技術を、フロントエンドに用いるときは、図
１に示す導波管変換素子１２を用いることができる。フ
ロントエンドに、マイクロストリップ技術を用いるとき
は、マイクロストリップを平衡形マイクロストリップに
変換することが必要である。フロントエンドに、平行平
面（coplanar）導波管技術を用いるときは、平行平面導
波管を、平衡形マイクロストリップに変換することが必
要である。フロントエンドに、同軸線路を用いるとき
は、同軸コネクタを、平衡形マイクロストリップに変換
することが必要である。

【００１９】本発明に係る位相アレーアンテナは、超広
帯域にわたって動作可能であり、誘電体基板の厚さが商
業用として十分利用できる厚さであるため、本発明に係
る位相アレーアンテナの構造を変えることなく、１４０
ＧＨｚ以上の周波数帯域まで対応することができる。本
発明に係る位相アレーアンテナは、単にスケールアップ
又はスケールダウンするだけで、ダイポールアンテナの
構造を再計算することなく、より高周波数帯域や低周波
数帯域で用いることができる。

【００２０】図５は、隣接した２つのＴ結合部１５間に
あるテーパ状の第１の線路部１３の構成を示す図であ
る。この第１の線路部１３の幅が狭くなっている端部１
６は、例えば図１に示す導波管変換素子１２等の変換器
側のＴ結合部１５に接続している。また、幅が広い端部
１７は、ダイポール４側のＴ結合部１５に接続されてい
る。その線路部の幅は、幅が狭い端部１６から幅が広い
端部１７へと広がっており、このため、幅が広い端部１
７に接続しているＴ結合部１５において、インピーダン
スが、１００Ωから２×５０Ωに変換される。１００Ω
から５０Ωへのインピーダンス変換を行うために、線路
部の幅が徐々に広くなっており、後続のＴ結合部１５に
おいて、比が１：２のインピーダンス変換が行われる。
平衡線路の第１の線路部１３及び第２の線路部１４は、
滑らかなテーパ状となっており、誘電体基板１の前面２
及び背面３上の線路の幅が、同時に変化している。線路
部の幅が変わると、伝搬線路のインピーダンスも変化す
る。上述したことは、第２の線路部１４にも同様に当て
はまる。

【００２１】図５の具体例で示すように、線路部の側部
１８、１９は、一次元関数に基づいて変化している。な
お、側方部１８、１９の他の具体的な形状としては、例
えば指数関数又は「チェビシェフの多項式」を含む多項
関数に基づいて変化するようにしてもよい。テーパ形状
としてどのような関数を選択するかは、それぞれの場合
における動作周波数によって定まり、線路部における反
射率が最小となるように選択される。線路部をテーパ状
とすることは、高い周波数選択性と許容誤差が小さな従
来の４分の１波長変成器を用いることよりも有益であ
る。また、例えばフロントエンドの導波管上にプリント
された構造に変換する方が遙かに容易であるので、平衡
形メタルストリップ構造は、従来のマイクロストリップ
構造よりも有益である。更に、厚さが均一の誘電体基板
１を用いると、不要な現象である高次モードの伝播が、
低周波数帯域において、本発明に係る平衡形メタルスト
リップ線路よりも従来の不平衡形マイクロストリップ線
路方がより多く現れる。

【００２２】図６は、ダイポール４の第１のアンテナ素
子５及び第２のアンテナ素子６の具体的な４種類の形状
を示す図である。これら全ての形状は、許容誤差が厳し
くないので、マイクロ波帯及びミリ帯波で利用すること
ができるとともに、中心周波数の周りの５０％以上の帯
域で、良好な結合及び放射特性を得ることができる。な
お、図６（ａ）に示す５角形のアンテナ素子の性能がも
っとも良好であり、本発明に係る位相アレーアンテナの
望ましい形状である。第１のアンテナ素子５及び第２の
アンテナ素子６は、例えば少なくとも３つの角を有し、
これらの角のうちの１つが、第１の線路部１３又は第２
の線路部１４と、第１のアンテナ素子５又は第２のアン
テナ素子６との間の接続部である。

【００２３】図６（ｂ）に示す第１のアンテナ素子５又
は第２のアンテナ素子６は、４つの角を有するととも
に、接続部の角に隣接した２本の長い辺と、これらの２
本の長い辺と逆側の２本の短い辺とを有する。図６
（ｃ）に示す第１のアンテナ素子５又は第２のアンテナ
素子６は、３つの角を有する。図６（ｄ）に示す第１の
アンテナ素子５又は第２のアンテナ素子６は、８つの角
を有するとともに、対向した２本の長い辺と、これらに
それぞれ隣接し、互いに対向したより短い２本の辺と、
互いに対向した更に短い２本の辺とを有する。２本の長
い辺と一番短い２本の辺は、直交している。図６（ｄ）
に示すように、一番短い２本の辺のうちの１本が、各線
路部との接続部である。

【００２４】例えば、第１のアンテナ素子５及び第２の
アンテナ素子６の長さｌは、それぞれ０．５λ以下であ
り、各アンテナ素子の平均の幅ｗは、０．３５λ以下で
あり、各アンテナ素子と第１の線路８及び第２の線路９
との接続部の幅ｃは、０．１λ以下である。ここで、λ
は、目的とする帯域の中心周波数の自由空間波長であ
る。図６に示すように、平均の幅ｗは、第１のアンテナ
素子５及び第２のアンテナ素子６の長さｌの半分の位置
における幅として定義される。図６（ａ）、６（ｂ）及
び６（ｃ）において、第１のアンテナ素子５及び第２の
アンテナ素子６の各角のうちの１つが接続部になってい
るので、接続部の幅ｃは０である。一方、図６ｄにおい
ては、接続部の幅ｃは、第１のアンテナ素子５及び第２
のアンテナ素子６の最短の辺のうちの１本の長さであ
る。それぞれの第１の線路８及び第２の線路９と、接続
部に接続されたアンテナ素子の辺とのなす角度αは、例
えば１０°以上である。図６に示す形状及び上述の特性
を有する第１のアンテナ素子５及び第２のアンテナ素子
６は、例えば中心周波数の少なくとも３０％の帯域、通
常は４０〜５０％の帯域で動作することができ、２以上
の電圧定在波比（ＶＳＷＲ）を有する。このような第１
のアンテナ素子５及び第２のアンテナ素子６は、１オク
ターブ以上の帯域においても、２．５以下のＶＳＷＲを
有する。

【００２５】６０ＧＨｚの中心周波数で動作するように
設計された本発明に係る位相アレーアンテナは、６４個
のダイポールと、厚さが０．１２７ｍｍ、誘電率が２．
２２の誘電体基板（テフロン−繊維ガラス）と、メタラ
イゼーション厚が１７μｍのプリントされた線路及びア
ンテナ素子と、誘電率が１．０３のポリウレタン製の低
損失支持体と、ＲＦフロントエンドにおけるプラナ（pl
anar）／導波管変換器とを備えている。このようなアン
テナの具体的な寸法を図７及び図８に示す。動作周波数
帯域が９４ＧＨｚの位相アレーアンテナには、より薄い
誘電体基板が必要である。特に高い周波数におけるアン
テナ寸法の最終的な調整は、直接寸法を計測しないとき
には、全波長の電磁波に対するシミュレータが必要であ
る。本発明に係る位相アレーアンテナは、同じ構造を用
いて、面給電方法（in-face feeding network）を変え
ることにより、特定の周波数におけるサイドローブの数
を減らすことができる。ダイポールアンテナ素子の数
は、６４個に限定されるものではなく、増減してもよ
い。具体的には、アンテナ素子の数を、例えば４，１
６，６４，２５６のように４の倍数としてもよい。２５
６個のアンテナ素子を用いると、６０ＧＨｚでの動作ゲ
インは、約１８ｄＢであると予想される。アンテナ素子
の数が増えると、アンテナの指向性は増すが、必ずしも
ゲインは増すとは限らない。伝搬線路が長くなると損失
が増え、アンテナ素子の数を増やすと、表面面積が増大
するので、実用的ではない。

【００２６】図７は、共通の誘電体基板上にプリントさ
れた複数の第１のアンテナ素子５及び第２のアンテナ素
子６の具体的な寸法を示す図である。図７に示す具体的
な寸法は、全てミリメートル単位である。上述したよう
に、また図７に示すように、第１のアンテナ素子５及び
第２のアンテナ素子６の望ましい形状は、５つの角を有
する５角形である。これらの角のうちの１つは、第１の
アンテナ素子５及び第２のアンテナ素子６と、第１の線
路８及び第２の線路９との接続部となっている。第１の
アンテナ素子５は、第１の方向を向いており、第２のア
ンテナ素子６は、第１の方向とは逆の第２の方向を向い
ている。第１の方向及び第２の方向は、第１の線路８及
び第２の線路９の長さ方向と直交している。第１のアン
テナ素子５及び第２のアンテナ素子６の接続部となって
いる角に隣接した内側の辺の長さは、０．６３３８ｍｍ
であり、外側の辺の長さは、０．９ｍｍである。第１の
アンテナ素子５及び第２のアンテナ素子６の接続部とな
っている角と反対側の辺の長さは、０．４５９５ｍｍで
あり、この辺と、接続部に隣接した辺との間の２本の辺
の長さは、０．８１９４ｍｍである。末端のＴ結合部１
５と、第１のアンテナ素子５及び第２のアンテナ素子６
との間にある第１の線路８及び第２の線路９の幅は、例
えば０．１９ｍｍであり、Ｔ結合部１５から接続部まで
の長さは、１．８８４ｍｍである。Ｔ結合部１５の幅
は、０．４８５ｍｍであり、これは、第１のアンテナ素
子５及び第２のアンテナ素子６の方向を向いているＴ結
合部１５における第１の線路部１３及び第２の線路部１
４の幅でもある。第１のアンテナ素子５及び第２のアン
テナ素子６に接続している第１の線路８及び第２の線路
９と、それらに平行である第１の線路部１３及び第２の
線路部１４との間の距離は、１．８５７４ｍｍである。
同一のＴ結合部１５を軸に対称となっている隣接の第１
のアンテナ素子５間及び第２のアンテナ素子６間の距離
は、４．３９ｍｍである。第１のアンテナ素子５及び第
２のアンテナ素子６の接続部となっている角の内角は、
８０°以下であり、接続部になっている角に隣接した２
つの角の内角は、約１２０°であり、接続部になってい
る角とは反対側の２つの角の内角は、約１１０°であ
る。アンテナの長さ方向における２つの第１のアンテナ
素子５間又は第２のアンテナ素子６間の距離は、４．３
９ｍｍである。この距離は、２つの第１のアンテナ素子
５又は２つの第２のアンテナ素子６の対応した角の間の
距離でもある。したがって、それぞれの第１のアンテナ
素子５又は第２のアンテナ素子６は、等価である。

【００２７】図８は、導波管変換素子１２の具体的な寸
法を示す図である。導波管変換素子１２は、平衡形メタ
ルストリップ７と、ＷＲ−１５等の導波管との間の変換
を行う。導波管変換素子１２は、第１の線路８と第２の
線路９用のそれぞれ複数の歯形素子２０、２１を備え、
これらの歯形素子２０、２１は、第１の線路８及び第２
の線路９の方向に直交する方向を向いている。第１の線
路８に配設された歯形素子２０は、第１の方向を向いて
おり、第２の線路９に配設された歯形素子２１は、第１
の方向とは逆の第２の方向を向いている。歯形素子２
０，２１の長さは、０．９３ｍｍであり、幅は、０．２
３４ｍｍである。第１の線路８及び第２の線路９に接続
している第１の点２２から、導波管に接続している第２
の点２３までの、導波管変換素子１２の全体の長さは、
５．１８ｍｍである。図７及び図８に示した具体的な寸
法は、中心周波数が６０ＧＨｚで動作するアンテナにお
いて採用されたものであり、中心周波数がこの６０ＧＨ
ｚに限定されるものではなく、これらの寸法は、適宜変
更することができる。

【００２８】図９は、本発明に係る位相アレーアンテナ
の５０．０ＧＨｚから６５．０ＧＨｚまでの周波数帯域
に対する入力反射係数Ｓ１１（ｄＢ）を示す特性図であ
る。この図９に示すように、本発明に係る位相アレーア
ンテナの入力反射特性は、フロントエンドからの周波数
選択性を有する導波管を、本発明に係る位相アレーアン
テナの平衡形給電線路に変換しているにもかかわらず、
優れたものである。本発明に係る位相アレーアンテナの
入力反射係数は、測定範囲において−１３ｄＢを越える
ことはなく、最高ＶＳＷＲは１．５８である。入力反射
係数Ｓ１１の値は、図９に示すように、５０．０ＧＨｚ
から６５．０ＧＨｚまでの周波数帯域において類似して
おり、動作周波数帯域は、少なくとも３０％である。な
お、測定に使用した導波管（ＷＲ−１５．５９）の周波
数帯域（７０ＧＨｚ以下）の制限により、より高い周波
数帯域での測定は、不可能であった。

【００２９】図１０は、本発明に係る位相アレーアンテ
ナの６０ＧＨｚにおける主水平面上の指向特性を示すグ
ラフである。この図１０は、周波数が６０ＧＨｚにおけ
る−４５°〜＋４５°の放射角度ρに対するゲインをｄ
Ｂで表したものである。このゲインは、従来のホーンア
ンテナと比較して測定されたものである。ゲイン特性が
明らかに非対称となっているのは、測定器が完全なもの
ではないためである。予想されるアンテナゲインが２
６．５ｄＢであるのに対して、測定結果は、２３．５ｄ
Ｂであり、導波管から平衡形メタルストリップ線路への
変換損失を含む全体の損失が約３ｄＢ〜３．５ｄＢであ
った。この測定結果は、優れた値である。測定周波数帯
域を５０ＧＨｚ〜６５ＧＨｚとして、各周波数における
ゲインを測定したが、周波数による変化は認められず、
例えば各周波数における最大ゲインのリップルは、１ｄ
Ｂ以下であった。これは、本発明に係る位相アレーアン
テナの特性が優れていることを示している。

【００３０】本発明に係る位相アレーアンテナに、主ロ
ーブに対してサイドローブが−１３ｄＢになるように、
位相を変化させて給電した。測定した５０ＧＨｚ〜６５
ＧＨｚの全て周波数において、サイドローブの搬送波強
度は、−１０ｄＢ〜−１１ｄＢを越えることはなかっ
た。「異なる位相」での給電を行うと、サイドローブ
は、直接影響を受ける。ここ測定は、予め定義された数
学的な関数に従って、プリントされたダイポールを、プ
リントされたパッチの外側から位相の中心（アンテナの
中心）に近づけて給電線の長さを変えることにより、行
われた。

【００３１】本発明に係る位相アレーアンテナの特に優
れた特性を示すために、本発明に係る位相アレーアンテ
ナの入力反射係数と、単純な放射素子（例えばマイクロ
ストリップのパッチ）の入力反射係数を比較する。図１
１に、６１．５ＧＨｚに適合するように設計されたマイ
クロストリップパッチアンテナの入力反射係数Ｓ１１
（ｄＢ）を示す。この測定されたマイクロストリップパ
ッチアンテナは、安価であるが、非常に高い周波数にお
いて、高いゲインを得るために、複数のアンテナ素子を
用いると、許容誤差が狭く、これによって給電の問題が
生じる。

【００３２】図１２は、６１．５ＧＨｚに適合するよう
に設計された周知のモノポールアンテナの入力反射係数
Ｓ１１（ｄＢ）を、ラドームなしで測定した結果を示す
図である。この測定したモノポールアンテナは、許容誤
差が狭く、ゲインが低かった。また、測定したモノポー
ルアンテナの９０°の仰角における再現性及びシャドー
イングは、非常に悪い。

【００３３】図１３は、測定結果の１本の曲線と、シミ
ュレートした結果の２本の曲線を示すものであり、これ
らの曲線は、周波数帯域が５７．０ＧＨｚ〜６５．０Ｇ
Ｈｚにおける誘電体レンズアンテナの入力反射係数Ｓ１
１（ｄＢ）を表している。２本の滑らかな曲線は、シミ
ュレートの結果であり、一方、５８．７ＧＨｚにおいて
急峻に低下している第３の曲線が、測定された誘電体レ
ンズアンテナの結果である。この測定した誘電体レンズ
アンテナは、現在のところ、導波管給電線を必要とし、
この導波管給電線は、６０ＧＨｚでは太すぎ（例えば直
径が８ｃｍ）、ゲインが低い遠隔局（基地局）でしか用
いられず、非常に高価である。

【００３４】

【発明の効果】上述した特性からも明らかなように、本
発明に係る位相アレーアンテナは、非常に高い周波数で
も優れた特性を有する。この位相アレーアンテナは、ゲ
インが高いアンテナとしては勿論のこと、低コストで、
ゲインが低いアンテナとしても、マイクロ波帯及びミリ
波帯における多種多様な目的で、製造されることができ
る。本発明に係る位相アレーアンテナは、低コストで平
面の自動車レーダ、マイクロ波帯及びミリ波帯の無線Ｌ
ＡＮ、個人用の短い距離のデータリンク等に用いること
ができる。更に、この位相アレーアンテナは、５９ＧＨ
ｚ〜６４ＧＨｚのミリ波帯の無線ＬＡＮ用として、ま
た、欧州、米国（７６ＧＨｚ）及び日本（６１ＧＨｚ）
における自動車の衝突防止レーダとして用いることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】同じ基板にプリントされた本発明に係る位相ア
レーアンテナを上部から見た概略図である。

【図２】図１に示したアンテナのうちの、２つのダイポ
ールの部分を概略的に表した透視図である。

【図３】本発明に係る位相アレーアンテナの構造を説明
した断面図である。

【図４】平衡形メタルストリップ線路を説明した、本発
明に係る位相アレーアンテナの上部の断面図である。

【図５】テーパ状のメタルストリップ線路の一部の概略
図である。

【図６】ダイポールアンテナ素子の４種類の異なった使
用可能な形状を示す図である。

【図７】具体的な寸法が書かれた、複数のプリントされ
たダイポールアンテナの一部の上部概略図である。

【図８】具体的な寸法が書かれた、平衡形メタルストリ
ップと、ＷＲ−１５等の導波管との間の変換を行う導波
管変換素子の上部概略図である。

【図９】本発明に係る位相アレーアンテナの５０．０Ｇ
Ｈｚから６５．０ＧＨｚまでの周波数帯域に対する入力
反射係数Ｓ１１（ｄＢ）を示す特性図である。

【図１０】本発明に係る位相アレーアンテナの６０ＧＨ
ｚにおける主水平面上の指向特性を示す特性図である。

【図１１】６１．５ＧＨｚに適合するように設計された
マイクロストリップパッチアンテナの入力反射係数Ｓ１
１（ｄＢ）を示す特性図である。

【図１２】６１．５ＧＨｚに適合するように設計された
周知のモノポールアンテナの入力反射係数Ｓ１１（ｄ
Ｂ）を、ラドームなしで測定した結果を示す特性図であ
る。

【図１３】周波数帯域が５７．０ＧＨｚ〜６５．０ＧＨ
ｚにおける周知の誘電体レンズアンテナの入力反射係数
Ｓ１１（ｄＢ）を示す特性図である。

【符号の説明】

１誘電体基板、２誘電体基板の前面、３誘電体基
板の背面、４ダイポール、５第１のアンテナ素子、
６第２のアンテナ素子、７メタルストリップ、８
第１の線路、９第２の線路、１０反射板、１１低
損失支持体、１３第１の線路部、１４第２の線路部、
１５Ｔ結合部

フロントページの続き (72)発明者ネシックアレクサンダーユーゴスラビアベオグラードノビ 11070 ブルバーアブノヤ 80／37

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】前面と背面を有する誘電体基板と、上記誘電体基板の前面に第１の方向を向いてプリントさ
れた第１のアンテナ素子と、上記誘電体基板の背面に、
上記第１の方向とは逆の第２の方向を向いてプリントさ
れた第２のアンテナ素子とをそれぞれ有し、電磁波信号
を放射及び受信する複数のダイポールと、上記第１のアンテナ素子に接続して上記誘電体基板の前
面にプリントされた第１の線路と、上記第２のアンテナ
素子に接続して上記誘電体基板の背面にプリントされた
第２の線路とを有し、上記ダイポールに対して信号を送
受するメタルストリップと、上記誘電体基板の背面に平行であって、誘電率が１．２
以下の低損失支持体を介在して配設された反射板とを備
え、上記第１の線路及び第２の線路は、それぞれ複数の第１
の線路部及び第２の線路部を有し、上記第１の線路部及
び第２の線路部は、それぞれＴ結合部に接続されてお
り、上記第１の線路部及び第２の線路部は、隣接した２
つのＴ結合部間においてテーパ状になっており、各線路
部の幅は、上記第１のアンテナ素子及び上記第２のアン
テナ素子に向かうにしたがって広くなっており、後続の
Ｔ結合部においてインピーダンス変換が行われることを
特徴とする位相アレーアンテナ。
【請求項２】上記第１の線路部及び第２の線路部の幅
が徐々に広くなっており、後続のＴ結合部において、比
が１：２のインピーダンス変換が行われることを特徴と
する請求項１に記載の位相アレーアンテナ。
【請求項３】上記第１の線路部及び第２の線路部は、
一次関数、指数関数又は多項関数に基づくテーパ状とさ
れていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載
の位相アレーアンテナ。
【請求項４】上記低損失支持体は、上記反射板及び上
記誘電体基板の背面を支持する支持構造となっているこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の
位相アレーアンテナ。
【請求項５】上記第１の線路、第２の線路及びＴ結合
部は、平衡形であり、上記誘電体基板の前面と背面上
に、互いに平行であって、対応して配設されていること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位
相アレーアンテナ。
【請求項６】目的とする帯域の中心周波数の自由空間
波長をλとし、上記第１のアンテナ素子及び第２のアン
テナ素子の長さｌは０．５λ以下であり、各アンテナ素
子の平均の幅ｗは０．３５λ以下であり、各アンテナ素
子と上記第１の線路及び第２の線路の接続部の幅ｃは
０．１λ以下であり、上記第１の線路及び第２の線路
と、接続部に接続された上記第１のアンテナ素子及び第
２のアンテナ素子の辺とのなす角度αは、１０°以上で
あることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に
記載の位相アレーアンテナ。
【請求項７】上記第１のアンテナ素子及び上記第２の
アンテナ素子は、少なくとも３つの角を有し、これらの
角のうちの１つが、上記接続部となっていることを特徴
とする請求項６に記載の位相アレーアンテナ。
【請求項８】上記第１のアンテナ素子及び第２のアン
テナ素子は、５角形であることを特徴とする請求項６又
は請求項７に記載の位相アレーアンテナ。
【請求項９】上記反射板と上記誘電体基板の中心面間
の距離ｄは、低損失支持体内における動作帯域の電波の
波長の約１／４であることを特徴とする請求項１乃至８
のいずれか１項に記載の位相アレーアンテナ。
【請求項１０】上記第１の線路に接続した第１の歯形
素子と、上記第２の線路に接続した第２の歯形素子とか
らなる導波管変換素子を備え、上記第１の歯形素子は、
第１の方向を向いており、上記第２の歯形素子は、上記
第１の方向とは逆の第２の方向を向いており、上記第１
の歯形素子及び上記第２の歯形素子は、上記第１の線路
及び第２の線路の方向に直交する方向を向いていること
を特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の位
相アレーアンテナ。
【請求項１１】前面と背面を有する誘電体基板と、上記誘電体基板の前面にプリントされた第１のアンテナ
素子と、上記誘電体基板の背面にプリントされた第２の
アンテナ素子とを有し、電磁波信号を放射及び受信する
少なくとも１つのダイポールと、上記第１のアンテナ素子に接続して上記誘電体基板の前
面にプリントされた第１の線路と、上記第２のアンテナ
素子に接続して上記誘電体基板の背面にプリントされた
第２の線路とを有し、上記ダイポールに対して信号を送
受するメタルストリップと、上記誘電体基板の背面に平行であって、誘電率が１．２
以下の低損失支持体を介在して配設された反射板とを備
え、上記第１の線路、第２の線路は、平衡形であり、上記誘
電体基板の前面と背面上に、互いに平行であって、対応
して配設されていることを特徴とするアンテナ。
【請求項１２】上記低損失支持体は、上記反射板及び
上記誘電体基板の背面を支持する支持構造となっている
ことを特徴とする請求項１１に記載のアンテナ。
【請求項１３】上記誘電体基板の前面及び上記誘電体
基板の背面にプリントされた第１のアンテナ素子及び第
２のアンテナ素子とをそれぞれ有し、上記第１の線路及
び第２の線路は、それぞれ複数の第１の線路部及び第２
の線路部を有し、上記第１の線路部及び第２の線路部
は、それぞれＴ結合部に接続されており、上記第１のア
ンテナ素子は第１の方向を向いており、上記第２のアン
テナ素子は第２の方向を向いている複数のダイポールを
備えることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記
載のアンテナ。
【請求項１４】上記第１の線路部及び第２の線路部
は、隣接した２つのＴ結合部間においてテーパ状になっ
ており、各線路部の幅は、上記第１のアンテナ素子及び
上記第２のアンテナ素子に向かうにしたがって広くなっ
ており、後続のＴ結合部においてインピーダンス変換が
行われることを特徴とする請求項１３に記載のアンテ
ナ。
【請求項１５】上記第１の線路部及び第２の線路部の
幅が徐々に広くなっており、後続のＴ結合部において、
比が１：２のインピーダンス変換が行われることを特徴
とする請求項１４に記載のアンテナ。
【請求項１６】上記第１の線路部及び第２の線路部
は、一次関数、指数関数又は多項関数に基づくテーパ状
とされていることを特徴とする請求項１４又は請求項１
５に記載のアンテナ。
【請求項１７】目的とする帯域の中心周波数の自由空
間波長をλとし、上記第１のアンテナ素子及び第２のア
ンテナ素子の長さｌは０．５λ以下であり、各アンテナ
素子の平均の幅ｗは０．３５λ以下であり、各アンテナ
素子と上記第１の線路及び第２の線路の接続部の幅ｃは
０．１λ以下であり、上記第１の線路及び第２の線路
と、接続部に接続された上記第１のアンテナ素子及び第
２のアンテナ素子の辺とのなす角度αは、１０°以上で
あることを特徴とする請求項１１乃至１６のいずれか１
項に記載のアンテナ。
【請求項１８】上記第１のアンテナ素子及び上記第２
のアンテナ素子は、少なくとも３つの角を有し、これら
の角のうちの１つが、上記接続部となっていることを特
徴とする請求項１７に記載のアンテナ。
【請求項１９】上記第１のアンテナ素子及び第２のア
ンテナ素子は、５角形であることを特徴とする請求項１
７又は請求項１８に記載のアンテナ。
【請求項２０】上記反射板と上記誘電体基板の中心面
間の距離ｄは、低損失支持体内における動作帯域の電波
の波長の約１／４であることを特徴とする請求項１１乃
至１９のいずれか１項に記載のアンテナ。
【請求項２１】上記第１の線路に接続した第１の歯形
素子と、上記第２の線路に接続した第２の歯形素子とか
らなる導波管変換素子を備え、上記第１の歯形素子は、
第１の方向を向いており、上記第２の歯形素子は、上記
第１の方向とは逆の第２の方向を向いており、上記第１
の歯形素子及び上記第２の歯形素子は、上記第１の線路
及び第２の線路の方向に直交する方向を向いていること
を特徴とする請求項１１乃至２０のいずれか１項に記載
のアンテナ。