JP2008035424A - Array antenna - Google Patents

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Shinichiro Matsuzawa
晋一郎 松沢
Yoshitoku Inoue
良徳 井上
Kazuo Sato
和夫 佐藤
Takeshi Nomura
壮史 野村
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Toyota Central R&D Labs Inc
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To materialize a compact array antenna which facilitates a scan control or shape control of electromagnetic wave beams in a high frequency bandwidth of 1 GHz or more also, and is easy to obtain a high gain. <P>SOLUTION: A via VA formed by plugging a metal in a cylindrical hole is formed to cause a grounding plate 16 formed on the back of a dielectric substrate 15 and an end of a stab 12 to be short-circuited with respect to at least a high frequency. Trunk connection parts 16a are formed in an island shape on the back side of the dielectric substrate 15 by forming a slit S in a ring shape coaxial with this via VA in the grounding plate 16. The respective trunk connection parts 16a are all connected to the grounding plate 16 through one capacitance C. This capacitance C causes a stripe line 14 and the grounding plate 16 to be short-circuited with respect to a high frequency, and simultaneously to be insulated with respect to a direct current. Further, one capacitance C is connected to a direct current power supply so as to provide a potential difference (i.e., in parallel) at both ends thereof. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、裏面に接地板を有する誘電体基板の表側に導体から成る所定の単位パターンを一軸方向に周期的に繰り返し配置することによって形成されたストリップ線路を有するアレーアンテナ(漏れ波アンテナ)に関し、特に、アンテナの指向性を制御可能としたものに関する。
この発明は、ミリ波帯域又はマイクロ波帯域の電磁波を送信または受信するレーダや通信機器などに有益であり、アンテナの小型化または配設空間の省スペース化に大いに有用なものである。
The present invention relates to an array antenna (leakage wave antenna) having a strip line formed by periodically and repeatedly arranging a predetermined unit pattern made of a conductor on the front side of a dielectric substrate having a ground plate on the back surface. In particular, the present invention relates to an antenna having controllable directivity.
The present invention is useful for radars and communication devices that transmit or receive electromagnetic waves in the millimeter wave band or microwave band, and is very useful for reducing the size of antennas or the space required for installation.

誘電体基板上にCRLH(Composite Right and Left Handed )伝送線路を備えた従来のストリップアレーアンテナ(漏れ波アンテナ)の構成例を図16に例示する。このCRLH線路には、伝送線路(X軸方向の主線路)を周期的に分断するギャップや、その伝送線路から枝分かれしたスタブなどが具備されている。このアンテナでは、ギャップが供するキャパシタンスや、スタブが供するインダクタンスの作用により、ある周波数帯において、伝送される電磁波の群速度の向きと位相速度の向きを相互に反対の向きとすることができる。これにより、伝送される電磁波の周波数を変化させることができるので、主線路上で電磁波が伝播する向きとは反対向きの図中のz軸の正の向きからx軸の負の向きの方に傾斜したθ<0なる角度領域に対しても電磁波を放射することができる。その結果、放射ビームの方向を変化させる場合には、その放射ビームの走査範囲を広くとることができる。この様な、位相速度と群速度の向きが反対となる原理については、例えば下記の非特許文献1などに詳しい開示がある。   A configuration example of a conventional strip array antenna (leakage wave antenna) having a CRLH (Composite Right and Left Handed) transmission line on a dielectric substrate is illustrated in FIG. The CRLH line is provided with a gap that periodically divides the transmission line (main line in the X-axis direction), a stub branched from the transmission line, and the like. In this antenna, the direction of the group velocity and the phase velocity of transmitted electromagnetic waves can be opposite to each other in a certain frequency band by the action of the capacitance provided by the gap and the inductance provided by the stub. As a result, the frequency of the transmitted electromagnetic wave can be changed, so that the direction of the electromagnetic wave propagates on the main line is inclined from the positive z-axis direction to the negative x-axis direction in the figure. Electromagnetic waves can be emitted even in the angle region where θ <0. As a result, when the direction of the radiation beam is changed, the scanning range of the radiation beam can be widened. Such a principle that the phase velocity and the group velocity are opposite to each other is disclosed in detail in, for example, Non-Patent Document 1 below.

また、下記の非特許文献2には、給電点から入力する電磁波の周波数を一定値に固定したまま、所定の電子制御に基づいて放射ビームの放射角を可変制御する制御方式が開示されている。この放射角の制御方式では、例えば図16などの様な配線パターンの個々のギャップやスタブに対して、それぞれバラクタダイオードを接近させて配置し、各バラクタダイオードの容量を可変制御することによって放射ビームの放射角を可変制御している。指向性の制御は、各ストリップ線路に印加する電圧を制御することで行うことができる。即ち、誘電体基板の表面に垂直な方向を中心(角度基準)として伝送方向に沿った、給電点側寄り又は終端点側寄り等の指向性(即ち、図16の角度θに関する指向性)は、各単位パターンへの給電電圧に基づいて変化する。   Non-Patent Document 2 below discloses a control method for variably controlling the radiation angle of a radiation beam based on predetermined electronic control while fixing the frequency of an electromagnetic wave input from a feeding point to a constant value. . In this radiation angle control method, for example, a varactor diode is arranged close to each gap or stub of a wiring pattern as shown in FIG. 16 and the capacitance of each varactor diode is variably controlled to radiate the radiation beam. The radiation angle is variably controlled. The directivity can be controlled by controlling the voltage applied to each strip line. That is, the directivity (that is, the directivity related to the angle θ in FIG. 16) along the transmission direction around the direction perpendicular to the surface of the dielectric substrate, such as near the feeding point or near the termination point, is It changes based on the power supply voltage to each unit pattern.

また、下記の特許文献1には、中央にビアのある金属パッチを誘電体基板上に周期的に配置したEBG構造(Electrical Band Gap 構造)の反射体を利用したビーム走査アンテナ(図17−A,−B)が提案されている。このビーム走査アンテナは、反射体が有する各金属パッチ間のキャパシタンスを変化させることによって、所定の方向からその反射体に入射した電磁波の反射波の進行方向、すなわち、反射の指向性を可変制御するもので、各金属パッチ間のキャパシタンスは、金属パッチが貼り付けられた可動板を水平方向に動かすことによって可変制御される。   Further, in Patent Document 1 below, a beam scanning antenna (FIG. 17-A) using a reflector having an EBG structure (Electrical Band Gap structure) in which a metal patch having a via in the center is periodically arranged on a dielectric substrate. , -B) has been proposed. This beam scanning antenna variably controls the traveling direction of the reflected wave of electromagnetic waves incident on the reflector from a predetermined direction, that is, the directivity of reflection, by changing the capacitance between the metal patches of the reflector. Therefore, the capacitance between the metal patches is variably controlled by moving the movable plate to which the metal patches are attached in the horizontal direction.

なお、通常、電磁波センシングや無線通信などの分野では、放射電磁波の周波数を変化させることなく、アンテナの放射ビームの指向性が制御可能であることが望ましい。
伊藤龍男、他2名、’CHARACTERISTICS AND APPLICATIONS OF PLANAR NEGATIVE REFRACTIVE INDEX MEDIA’,MWE2003,WS02−03 伊藤龍男、他2名、’Electronically-Controlled Metamaterial-Based Transmission Line as a Continuous-Scanning Leaky-Wave Antenna’,2004 IEEE MTT-S Digest TU1D-4. 米国特許:US6,552,696B1
In general, in the field of electromagnetic wave sensing or wireless communication, it is desirable that the directivity of the radiation beam of the antenna can be controlled without changing the frequency of the radiated electromagnetic wave.
Tatsuo Ito and two others, 'CHARACTERISTICS AND APPLICATIONS OF PLANAR NEGATIVE REFRACTIVE INDEX MEDIA', MWE2003, WS02-03 Tatsuo Ito and two others, 'Electronically-Controlled Metamaterial-Based Transmission Line as a Continuous-Scanning Leaky-Wave Antenna', 2004 IEEE MTT-S Digest TU1D-4. US Patent: US 6,552,696 B1

しかしながら、非特許文献1に記載されている従来のアレーアンテナにおいては、給電電力の周波数を大きく変化させない限り、上記の様なθ<0なる角度領域をも含んだ広範囲に渡ってビームの指向性を任意に持たせることは困難であり、このため、この従来のアンテナでは、一定の周波数の電磁波の放射ビームの放射角を任意に可変制御することはできない。このため、この方式を採用したアンテナは、少なくとも通信やセンシングなどの用途には不利または不向きである。   However, in the conventional array antenna described in Non-Patent Document 1, the directivity of the beam over a wide range including the angle region where θ <0 as described above is used unless the frequency of the feed power is greatly changed. Therefore, it is difficult to arbitrarily control the radiation angle of the radiation beam of the electromagnetic wave having a constant frequency with this conventional antenna. For this reason, the antenna which employ | adopted this system is disadvantageous or unsuitable at least for uses, such as communication and sensing.

また、非特許文献2に記載されている従来のアレーアンテナには、可変容量としてバラクタダイオードが用いられているが、一般にバラクタダイオードは伝送損失が大きいため、数GHz以上の周波数帯域においては、バラクタダイオードを所望の可変容量として動作させることは難しい。このため、数GHz以上の周波数帯域の電磁波を取り扱うアレーアンテナにこの従来技術を用いることはできない。
また、放射角が可変制御可能な1GHz以下の周波数帯域などにおいても、一般にバラクタダイオードでは標準容量(所定の基準容量)に対する容量変位の比率(変化率)を十分大きく確保することは必ずしも容易ではないので、放射角の変動範囲を大きく確保することも必ずしも容易とは言えない。
In the conventional array antenna described in Non-Patent Document 2, a varactor diode is used as a variable capacitor. However, since a varactor diode generally has a large transmission loss, a varactor is used in a frequency band of several GHz or more. It is difficult to operate the diode as a desired variable capacitor. For this reason, this prior art cannot be used for an array antenna that handles electromagnetic waves in a frequency band of several GHz or more.
Further, even in a frequency band of 1 GHz or less in which the radiation angle can be variably controlled, it is not always easy to ensure a sufficiently large capacity displacement ratio (change rate) with respect to a standard capacity (predetermined reference capacity) in a varactor diode. Therefore, it is not always easy to ensure a large variation range of the radiation angle.

また、非特許文献3に記載されている従来のビーム走査アンテナ(図17−A,−B)には、以下の様な生産性や制御性や、或いは小型化や薄板化など係わる問題がある。
(1)図17−A,−Bに示す様に、EBG構造の反射体を用いてビーム走査アンテナを構成するので、この反射体に対して電磁波を照射するための別の給電用アンテナを別途用意する必要がある。また、電磁波ビームの放射において上記の反射体が介在するため、高い反射効率を実現しない限り、所望の放射ビームを高利得で得ることは難しい。
(2)可動板を水平方向に動かすことによって、アンテナの放射ビームの指向性を可変制御することはできるが、各金属パッチには周期的な位置関係に関する強い制約があり、各金属パッチをそれぞれ独立に位置制御することはできない。このため、この従来のビーム走査アンテナに対して、ビーム幅やビームパターンを可変制御するなどのビーム成形技法を導入することができない。
Further, the conventional beam scanning antenna (FIGS. 17A and 17B) described in Non-Patent Document 3 has the following problems relating to productivity and controllability, and downsizing and thinning. .
(1) As shown in FIGS. 17A and 17B, since a beam scanning antenna is configured using a reflector having an EBG structure, another power feeding antenna for irradiating electromagnetic waves to the reflector is separately provided. It is necessary to prepare. Further, since the above-described reflector is interposed in the radiation of the electromagnetic wave beam, it is difficult to obtain a desired radiation beam with high gain unless high reflection efficiency is realized.
(2) Although the directivity of the radiation beam of the antenna can be variably controlled by moving the movable plate in the horizontal direction, each metal patch has a strong restriction on the periodic positional relationship. The position cannot be controlled independently. For this reason, a beam shaping technique such as variably controlling the beam width and beam pattern cannot be introduced to this conventional beam scanning antenna.

また、目的のアンテナを構成する誘電体基板の誘電率または透磁率を、能動的に制御された電界または磁界によって可変制御して、これによってアレーアンテナの放射ビームの放射角を所望の角度に可変制御する制御方式を考えることもできるが、誘電率が変化する例えばフェライトなどの材料をアンテナ基板に用いた場合には、アンテナ中を伝播する電磁波の電力損失が非常に大きくなるので、アンテナの利得を大きく確保することは困難になる。   In addition, the dielectric constant or permeability of the dielectric substrate constituting the target antenna is variably controlled by an actively controlled electric field or magnetic field, whereby the radiation angle of the array antenna radiation beam can be varied to a desired angle. Although a control method can be considered, when a material such as ferrite whose dielectric constant changes is used for the antenna substrate, the power loss of the electromagnetic wave propagating in the antenna becomes very large, so the antenna gain It is difficult to secure a large value.

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、1GHz以上の高い周波数帯域においても、電磁波ビームの走査制御または形状制御が容易で、高利得が得られ易い小形のアレーアンテナを実現することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to easily perform scanning control or shape control of an electromagnetic wave beam and to obtain a high gain even in a high frequency band of 1 GHz or higher. This is to realize a small array antenna.

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第1の手段は、平面状の導体から成る同一または類似の単位パターンを誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、その誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、この誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段とを備え、上記の単位パターンに、伝送線路と、この伝送線路を途中で分断するギャップと、この伝送線路から枝分かれするスタブとを備え、上記の誘電率可変部材を上記のギャップまたはスタブに対して接近して配置し、上記の誘電体基板に、接地板から独立した島状に上記の誘電体基板の裏面に形成された中継接続部と上記のスタブとを電気的に接続するビアを設け、上記の電界設定手段によって、この中継接続部に与える直流電位を可変制御することにより、上記の電界を可変制御することである。
In order to solve the above problems, the following means are effective.
That is, the first means of the present invention includes a strip line formed by arranging a plurality of identical or similar unit patterns made of planar conductors in a predetermined direction on the front side of a dielectric substrate, and the dielectric substrate. In an array antenna having a ground plate made of a conductor formed on the back surface of the substrate, a dielectric constant variable member whose dielectric constant changes according to an applied electric field, and an electric field setting means for applying an electric field to the dielectric constant variable member The unit pattern includes a transmission line, a gap that divides the transmission line in the middle, and a stub that branches from the transmission line, and the dielectric constant variable member approaches the gap or stub. The relay connection portion formed on the back surface of the dielectric substrate in an island shape independent of the ground plate and the stub are electrically connected to the dielectric substrate. A via provided by the electric field setting means, by variably controlling the DC potential applied to the relay connection unit, and to variably control the electric field.

ただし、本願発明のアレーアンテナは何れも、ストリップ線路が1本のラインアンテナであっても、複数本のストリップ線路から成る平面アンテナであっても良い。言い換えれば、上記の単位パターンは、1列に配列しても良いし、複数列に渡ってそれぞれ配列しても良い。
また、上記の電界の可変制御は、電界強度を連続的に変化させ得るものであっても、段階的に変化させるものであってもよく、直流電位の単なるon/off制御によるものであっても良い。したがって、例えば、上記の電界設定手段で与える電界の強さの加減によって、上記の誘電率可変部材の各方向の誘電率は、単調かつ連続的に自在に可変制御することもできる。
なお、上記のビアには金属導体を埋め込むものとする。
However, any of the array antennas of the present invention may be a single line antenna or a planar antenna composed of a plurality of strip lines. In other words, the unit patterns described above may be arranged in one column, or may be arranged in a plurality of columns.
In addition, the variable control of the electric field may be one in which the electric field intensity can be continuously changed or may be changed in stages, and is based on simple on / off control of the DC potential. Also good. Therefore, for example, the dielectric constant in each direction of the dielectric constant variable member can be variably controlled monotonically and continuously by adjusting the electric field strength applied by the electric field setting means.
Note that a metal conductor is embedded in the via.

また、本発明の第2の手段は、上記の第1の手段において、上記の誘電率可変部材を液晶または強誘電体から構成することである。
また、本発明の第3の手段は、上記の第1又は第2の手段において、上記の電界設定手段を上記の単位パターン毎にそれぞれ個別に設け、上記の直流電位の可変制御をこれらの単位パターン毎にそれぞれ独立に実行することである。
また、本発明の第4の手段は、上記の第1乃至第3の何れか1つの手段において、上記の中継接続部と接地板とを高周波に対して容量を介してショートさせることである。
According to a second means of the present invention, in the first means, the variable dielectric constant member is made of liquid crystal or a ferroelectric.
According to a third means of the present invention, in the first or second means, the electric field setting means is individually provided for each unit pattern, and the variable control of the direct current potential is performed in these units. This is performed independently for each pattern.
According to a fourth means of the present invention, in any one of the first to third means, the relay connection portion and the ground plate are short-circuited to a high frequency via a capacitor.

また、本発明の第5の手段は、平面状の導体から成る同一または類似の単位パターンを誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、この誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、ストリップ線路からの高さhが変動可能な可動部材と、この可動部材に対して機械的に作用して可動部材の高さhを変化させるアクチュエータとを設け、上記の単位パターンに、伝送線路と、この伝送線路を途中で分断するギャップと、この伝送線路から枝分かれするスタブとを設け、上記の可動部材をストリップ線路または単位パターンに対して接近させてストリップ線路または単位パターンを覆う様に配設し、上記の誘電体基板に、上記のスタブと接地板とを高周波に対してショートさせるビアを設けることである。
ただし、上記のビアには金属導体を埋め込むものとする。また、上記の高さhは、単位パターンが配列される誘電体基板の表面から垂直に計った距離である。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a strip line formed by arranging a plurality of identical or similar unit patterns made of planar conductors in a predetermined direction on the front side of the dielectric substrate, and the dielectric substrate. In an array antenna having a ground plate made of a conductor formed on the back surface of the metal plate, it is composed of at least one of a dielectric, a magnetic material, a metal conductor, or a composite thereof, and the height h from the strip line varies A movable member that can be moved and an actuator that mechanically acts on the movable member to change the height h of the movable member are provided, and the transmission line and the transmission line are divided in the unit pattern. A gap and a stub branching from the transmission line are provided, and the movable member is brought close to the strip line or the unit pattern so that the strip line or Position disposed to cover the pattern, to the dielectric substrate, is to provide a via shorting said stub and the ground plate with respect to high frequency.
However, a metal conductor is embedded in the via. The height h is a distance measured perpendicularly from the surface of the dielectric substrate on which the unit patterns are arranged.

また、本発明の第6の手段は、上記の第5の手段において、アクチュエータと可動部材を上記の各単位パターン毎にそれぞれ個別に設け、上記の高さhに関する可変制御を上記の各単位パターン毎にそれぞれ独立に実行することである。
また、本発明の第7の手段は、上記の第5または第6の何れか1つの手段において、上記のビアと接地板とを、誘電体基板の裏面側において容量を介して、高周波に対してショートさせることである。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
According to a sixth means of the present invention, in the fifth means, an actuator and a movable member are individually provided for each unit pattern, and the variable control for the height h is performed for each unit pattern. It is to execute each independently.
According to a seventh means of the present invention, in any one of the fifth and sixth means, the via and the ground plate are connected to a high frequency via a capacitor on the back side of the dielectric substrate. Short circuit.
By the above means of the present invention, the above-mentioned problem can be effectively or rationally solved.

CRLH漏れ波アンテナのスタブの構成形態としては、スタブの先端に一定の面積(即ち擬似的な接地容量)を有する幅広の端部領域を設けることで仮想的にグランド接続の代わりにする方式と、金属導体を詰めたビアを誘電体基板に設けて、表側のスタブの終端部を基板裏面のグランド(接地板)にこのビアを介して少なくとも高周波的にショートさせる方式の2通りを考えることができる。
そして、ビアを用いる後者の方式によれば、上記の端部領域を設ける必要がなくなるため、その単位パターンにおいては、前者の方式を採用する場合よりも、誘電体基板の表側の放射面積が減少すると共にスタブに流れる電流が減少する。このため、後者の方式によれば、導体から成る単位パターンを誘電体基板の表面に数多く配列する場合に、給電部付近に配列された単位パターンからの無駄な放射が効果的に抑えられると同時に、給電点から遠い単位パターンにまで給電電力を効率よく配給することができる。このため、各単位パターンの間で放射量が均一化されるか、少なくとも各単位パターンの間で放射量の偏りが効果的に減少する。この結果、アンテナの利得が向上すると共に放射ビームの形状が、前者の方式よりも細くなる。
したがって、ビアを用いる後者の方式を採用する本発明のアレーアンテナによれば、高い利得と優れた指向性を同時に得ることができる。
As a configuration form of the stub of the CRLH leakage wave antenna, a method of virtually replacing the ground connection by providing a wide end region having a certain area (that is, a pseudo grounding capacity) at the tip of the stub; There can be considered two types of methods in which vias filled with metal conductors are provided in a dielectric substrate, and the terminal portion of the stub on the front side is short-circuited to the ground (ground plate) on the back side of the substrate at least in high frequency via the vias. .
According to the latter method using vias, it is not necessary to provide the above-described end region. Therefore, in the unit pattern, the radiation area on the front side of the dielectric substrate is reduced as compared with the case where the former method is adopted. As a result, the current flowing through the stub decreases. Therefore, according to the latter method, when many unit patterns made of conductors are arranged on the surface of the dielectric substrate, wasteful radiation from the unit patterns arranged in the vicinity of the power feeding portion can be effectively suppressed and at the same time. The feeding power can be efficiently distributed to the unit pattern far from the feeding point. For this reason, the radiation amount is made uniform between the unit patterns, or at least the bias of the radiation amount is effectively reduced between the unit patterns. As a result, the gain of the antenna is improved and the shape of the radiation beam is narrower than that of the former method.
Therefore, according to the array antenna of the present invention employing the latter method using vias, high gain and excellent directivity can be obtained simultaneously.

以下、前述の本発明の各手段によるそれぞれの作用・効果について説明する。
例えば、本発明の第1の手段によれば、上記の電界設定手段を使って、上記の誘電率可変部材が置かれる空間領域の電界を可変制御することができるので、それらの誘電率可変部材を構成する分子レベルの電気双極子のモーメントベクトルの方向を所望の方向に可変制御することができる。よって、この可変作用に基づいて、上記の誘電率可変部材の各方向の誘電率が制御可能となる。更に、この誘電率可変部材の誘電率の変化により、ストリップ線路を構成する上記の各ギャブが持つキャパシタンスや、上記の各スタブが持つインダクタンスや、或いは各単位パターンと接地板との間の各キャパシタンスまたはアドミタンスなどが変化する。
Hereinafter, each operation and effect by each means of the above-mentioned present invention is explained.
For example, according to the first means of the present invention, since the electric field in the space region where the dielectric constant variable member is placed can be variably controlled using the electric field setting means, those dielectric constant variable members It is possible to variably control the direction of the moment vector of the electric dipole at the molecular level constituting the desired direction. Therefore, based on this variable action, the dielectric constant in each direction of the dielectric constant variable member can be controlled. Furthermore, due to the change in the dielectric constant of the variable dielectric constant member, the capacitance of each of the above-mentioned gabs constituting the strip line, the inductance of each of the stubs, or the capacitance between each unit pattern and the ground plate Or admittance changes.

したがって、本発明の第1の手段によれば、これらの可変作用に基づいて、アンテナの指向性を広域に渡って任意に制御することができる(指向性可変制御機能)。また、上記の可変動作は液晶等の分子レベルの動作に基づくものであるから、走査動作の高速化や装置の小形化などにも有利である。
なお、ビアの裏面側に配置される上記の中継接続部は、上記の電界設定手段が備える直流電源に対して高周波的にはアースされるが、この様な接地経路は、その他にも例えば本発明の第4の手段の様にして容量を用いて補ってもよいし、また、補わなくてもよい。この様なビアを用いることによって、前述の幅広の端部領域を表側のスタブの先端に設ける必要がなくなるため、優れた指向性と高い利得が得られることは前述の通りである。
Therefore, according to the first means of the present invention, the directivity of the antenna can be arbitrarily controlled over a wide area based on these variable actions (directivity variable control function). Further, since the above variable operation is based on a molecular level operation of liquid crystal or the like, it is advantageous for speeding up the scanning operation and reducing the size of the apparatus.
The relay connection portion arranged on the back side of the via is grounded at a high frequency with respect to the DC power source provided in the electric field setting means. The capacity may be supplemented as in the fourth means of the invention, or may not be supplemented. By using such a via, it is not necessary to provide the aforementioned wide end region at the front end of the stub on the front side, so that excellent directivity and high gain can be obtained as described above.

また、本発明の第1の手段によれば、上記の電界設定手段が有する直流電源に上記の中継接続部が接続されるため、表側に位置する単位パターンの一部を構成するスタブは、高周波に対しては上記のビアを介して接地状態となる。また、この中継接続部は誘電体基板の裏面側に配設されるので、この中継接続部と直流電源とを接続するバイアス線路は、誘電体基板の裏面側に隠すことができる。
したがって、本発明の第1の手段によれば、そのバイアス線路から表側へ放射される高周波の漏れ出しを効果的に抑えることができ、よって、アレーアンテナの放射特性に対するバイアス線路の悪影響を効果的に排除することができる。このため、アンテナの設計が容易となると共に、アンテナの放射特性が従来よりも良好となる。
According to the first means of the present invention, since the relay connection portion is connected to the DC power source of the electric field setting means, the stub constituting a part of the unit pattern located on the front side is a high frequency Is grounded through the via. In addition, since the relay connection portion is disposed on the back surface side of the dielectric substrate, the bias line connecting the relay connection portion and the DC power source can be hidden on the back surface side of the dielectric substrate.
Therefore, according to the first means of the present invention, leakage of the high frequency radiated from the bias line to the front side can be effectively suppressed, so that the adverse effect of the bias line on the radiation characteristics of the array antenna is effectively reduced. Can be eliminated. For this reason, the design of the antenna becomes easy, and the radiation characteristics of the antenna become better than before.

また、上記の中継接続部と基板裏面の接地板との間は直流的にはショートされず、この間には上記の電界設定手段によって任意の直流電位差を与えることができるので、これによって上記の指向性可変制御機能が保証される。
ちなみに、上記のバイアス線路は、その配線幅を例えば10μm程度にまで十分に細くすれば、そのリアクタンスに基づいて高周波を伝達しなくなるので表側に設けても構わなくなる。しかしながら、現在のエッチング加工の技術水準に照らすと、基板上に形成可能な配線の幅は、80〜100μm程度の細さが限界である。このため、上記の所望の加工精度を実現することは容易ではなく、よって、配線幅を十分に細くして基板の表側にバイアス線路を配設する様な方式は、少なくとも今のところ余り現実的なアプローチとは言えない。
一方、本発明の第1の手段によれば、上記のバイアス線路は、誘電体基板の裏面側に隠れるため、配線が若干太くなりがちなワイヤーボンディングなどの工法も、誘電体基板の裏面側においては、従来よりも自由に導入することができ、配線の加工が容易である。
In addition, the relay connection portion and the ground plate on the back side of the substrate are not short-circuited in a direct current, and an arbitrary direct-current potential difference can be given between them by the electric field setting means. Variable control function is guaranteed.
Incidentally, if the above-mentioned bias line is sufficiently narrowed to, for example, about 10 μm, high frequency is not transmitted based on its reactance, so it may be provided on the front side. However, in light of the current technical level of etching processing, the width of the wiring that can be formed on the substrate is limited to about 80 to 100 μm. For this reason, it is not easy to achieve the above-mentioned desired processing accuracy. Therefore, a method of sufficiently narrowing the wiring width and disposing the bias line on the front side of the substrate is at least very realistic for now. It's not a good approach.
On the other hand, according to the first means of the present invention, since the bias line is hidden on the back side of the dielectric substrate, the wire bonding or the like, which tends to be slightly thicker, can be used on the back side of the dielectric substrate. Can be introduced more freely than before, and the processing of the wiring is easy.

また、本発明の第2の手段によれば、上記の誘電率可変部材が示す誘電率の可変範囲をより広く確保することができるので、放射ビームの走査角の範囲をより大きく確保することができる。また、本発明の第2の手段によれば、放射ビームの形状を所望の形状に制御する場合にも、それらの制御性(自由度)をより高く確保することができる。   In addition, according to the second means of the present invention, the variable range of the dielectric constant indicated by the dielectric constant variable member can be ensured wider, so that the range of the scanning angle of the radiation beam can be ensured larger. it can. Further, according to the second means of the present invention, even when the shape of the radiation beam is controlled to a desired shape, the controllability (degree of freedom) thereof can be secured higher.

また、本発明の第5の手段の可動部材を基板に対して垂直に機械的に動かすと、これにより、ギャップやスタブの近傍の等価誘電率を変化させたり、ギャップが供するキャパシタやスタブが供するインダクタの電気長を変化させることができる。即ち、上記の高さhを可変制御することにより、ギャップのキャパシタンスやスタブのインダクタンスを変化させることができるため、アレーアンテナから放射される電磁波の強度や位相分布などを自在に可変制御することができる。したがって、本発明の第5の手段によれば、上記の高さhを上記のアクチュエータを用いて可変制御することにより、当該アレーアンテナの指向性を可変制御することができる。   Further, when the movable member of the fifth means of the present invention is mechanically moved perpendicularly to the substrate, this changes the equivalent dielectric constant in the vicinity of the gap or stub, or provides the capacitor or stub provided by the gap. The electrical length of the inductor can be changed. That is, since the gap capacitance and the stub inductance can be changed by variably controlling the height h, the intensity and phase distribution of electromagnetic waves radiated from the array antenna can be variably controlled. it can. Therefore, according to the fifth means of the present invention, the directivity of the array antenna can be variably controlled by variably controlling the height h using the actuator.

また、この時の高さhの変動幅は、1mm未満の十分に小さな長さに留めることができるので、本発明の第5の手段によれば、1GHz以上の高い周波数帯域においても、所定の周波数に対してビーム指向の走査範囲の広い、従来よりも格段に小形のアレーアンテナを実現することができる。これは、個々の可動部材の微小変位に基づいて、放射ビームの指向性が可変制御できるので、アレーアンテナ全体の方位を機械的に変化させて指向性を可変制御する従来方式の場合に比べ、所望のアレーアンテナをよりコンパクトに形成することができるためである。
なお、本発明の第5の手段においても、上記のビアを用いることによって前述の幅広の端部領域を表側のスタブの先端に設ける必要がなくなり、その結果、優れた指向性と高い利得が得られることは前述の通りである。
In addition, since the fluctuation range of the height h at this time can be kept to a sufficiently small length of less than 1 mm, according to the fifth means of the present invention, even in a high frequency band of 1 GHz or higher, a predetermined range is obtained. It is possible to realize an array antenna with a much smaller beam than the conventional one having a wide beam-oriented scanning range with respect to the frequency. This is because the directivity of the radiation beam can be variably controlled based on the minute displacement of each movable member, so compared to the conventional method in which the directivity is variably controlled by mechanically changing the orientation of the entire array antenna. This is because a desired array antenna can be formed more compactly.
In the fifth means of the present invention, it is not necessary to provide the aforementioned wide end region at the front end of the stub on the front side by using the above-described via, and as a result, excellent directivity and high gain can be obtained. As described above.

また、本発明の第3または第6の手段によれば、上記のキャパシタンスやインダクタンスを各単位パターン毎に制御することができるので、アンテナのビーム幅やビーム形状をも自在に可変制御することができる。   Further, according to the third or sixth means of the present invention, the above-described capacitance and inductance can be controlled for each unit pattern, so that the beam width and beam shape of the antenna can be variably controlled. it can.

例えば、上記のキャパシタンスやインダクタンスを各単位パターン毎に制御することによって、アンテナの有効長を可変制御することができるので、これによって、アンテナのビーム幅を可変制御することができる。この有効長は、当該アンテナを構成する単位パターンの配列の全長の内、実際にアンテナとして実質的に有効に作用する部分の長さのことであり、この長さは各単位パターンの各放射量に基づいて判定することができる。より具体的には、これらのアンテナの有効長は、所定の周波数帯に対して動作しにくい単位パターンの並びをアンテナの終端側に設けてそこにバンドギャップを形成することによって可変制御することができ、所定の周波数帯に対して動作しにくい上記の単位パターンの並びの長さ(単位パターンの長さ×単位パターンの個数)が長い場合ほど、アンテナの有効長を短く設定することができる。   For example, since the effective length of the antenna can be variably controlled by controlling the capacitance and inductance for each unit pattern, the beam width of the antenna can be variably controlled. This effective length is the length of the portion of the array of unit patterns constituting the antenna that actually acts effectively as an antenna. This length is the amount of radiation of each unit pattern. Can be determined based on More specifically, the effective length of these antennas can be variably controlled by providing an arrangement of unit patterns that are difficult to operate for a predetermined frequency band on the terminal end side of the antenna and forming a band gap there. The effective length of the antenna can be set shorter as the arrangement length of the unit patterns (unit pattern length × number of unit patterns), which is difficult to operate in a predetermined frequency band, is longer.

また、個々の単位パターン毎にそれらの位相を可変制御することによって、個々の単位パターン毎にそれらの指向性を制御すれば、アレーアンテナのビーム形状にヌルを形成することができる。また、例えばテーラー分布などの様な適当な放射パターンを採用すれば、上記のキャパシタンスやインダクタンスを各単位パターン毎に制御することによって、サイドローブの小さなビーム形状を実現することも可能となる。
また、これらの可変制御を任意に組み合わせることによって、以上で述べた放射ビームの指向性の可変機能や放射ビームの形状の可変機能など各種の所望の機能を何れも任意に組み合わせて同時に実現することができる。
Further, if the directivity is controlled for each unit pattern by variably controlling the phase for each unit pattern, a null can be formed in the beam shape of the array antenna. Further, if an appropriate radiation pattern such as a tailor distribution is employed, a beam shape with a small side lobe can be realized by controlling the capacitance and inductance for each unit pattern.
In addition, by combining these variable controls arbitrarily, various desired functions such as the radiation beam directivity variable function and the radiation beam shape variable function described above can be combined and realized simultaneously. Can do.

また、本発明の第4または第7の手段によれば、各単位パターンと接地板との間の容量や上記の各ギャップの容量などを設計する場合に、これらの容量に関する設計の自由度が大きくなる。このため、本発明の第4または第7の手段によれば、所望のアンテナの放射ビームの指向性、ビーム形状、走査範囲などのチューニングが容易となる。また、この様な自由度の導入は、装置の小形化にも効果的に寄与し得る。   In addition, according to the fourth or seventh means of the present invention, when designing the capacity between each unit pattern and the ground plate, the capacity of each of the gaps, etc., the degree of design freedom regarding these capacities is increased. growing. Therefore, according to the fourth or seventh means of the present invention, tuning of the radiation beam directivity, beam shape, scanning range, etc. of a desired antenna becomes easy. In addition, the introduction of such a degree of freedom can effectively contribute to downsizing of the apparatus.

上記の単位パターンは、少なくとも設計や製造の容易性の観点からすれば、同一パターンのものを周期的に配列することが望ましいが、必ずしも同一パターンのものを周期的に配列する必要はない。また、ストリップ線路の構成要素となる上記の単位パターンは、伝送線路やスタブなどの各部の太さや長さなどの寸法が、必ずしも揃える必要はなく、また、ギャップなどの間隔なども不揃いでも良い。
また、上記のスタブはストリップ線路の片側だけにあっても、同位置で両側にあっても良く、或いは、進行方向に沿って設ける側を交互に反転しても良い。また、通常、上記のスタブはストリップ線路に対して直角に設けられるが、その角度は一般に任意で良い。また、上記のギャップを構成するストリップ線路の対峙部分は、そのキャパシタンスを大きくするために、伝送方向に対して垂直な方向の幅を広く構成しても良い。
The unit patterns are desirably arranged in the same pattern periodically, at least from the viewpoint of ease of design and manufacturing, but it is not always necessary to periodically arrange the unit patterns. In addition, the unit pattern as a constituent element of the strip line does not necessarily have to have the same dimensions such as the thickness and length of each part such as the transmission line and the stub, and the gaps and the like may not be uniform.
The stub may be provided only on one side of the strip line, on both sides at the same position, or the side provided along the traveling direction may be alternately reversed. In general, the stub is provided at a right angle to the strip line, but the angle may be generally arbitrary. Further, the opposite part of the strip line constituting the gap may be configured to have a wide width in the direction perpendicular to the transmission direction in order to increase the capacitance.

また、以下に例示する各実施例のアレーアンテナが放射または受信する電磁波の周波数は、概ね10GHz〜300GHzの範囲(ミリ波帯及び準ミリ波帯)において概ね略一定に固定された周波数を想定したものであり、単位パターンをx軸方向に繰り返し形成する際のそのパターン形成周期は、勿論従来と同様にしてその周波数に合わせて決定すれば良い。ただし、本発明によって得ることができる作用・効果は、必ずしも上記の周波数帯域内の電磁波を取り扱うアレーアンテナだけに限定されるものではない。   In addition, the frequency of the electromagnetic wave radiated or received by the array antenna of each example illustrated below is assumed to be a substantially fixed frequency in the range of 10 GHz to 300 GHz (millimeter wave band and quasi-millimeter wave band). Of course, the pattern formation period when the unit pattern is repeatedly formed in the x-axis direction may be determined according to the frequency as in the conventional case. However, the operations and effects that can be obtained by the present invention are not necessarily limited to the array antenna that handles electromagnetic waves in the above frequency band.

また、特に上記の誘電率可変部材を液晶で構成する場合には、上記の電界を掛けていない時にその液晶分子を所望の向きに揃えるために、その方向に溝が彫られた板(例えば配向膜など)を用いることが望ましい。即ち、この様な液晶分子の配向制御には、例えば液晶ディスプレーの分野の技術などを適用したり応用したりすることができる。   In particular, when the dielectric constant variable member is composed of liquid crystal, a plate (for example, an orientation) in which grooves are carved in that direction in order to align the liquid crystal molecules in a desired direction when the electric field is not applied. It is desirable to use a film. That is, for example, techniques in the field of liquid crystal display can be applied or applied to such alignment control of liquid crystal molecules.

また、特に上記の本発明の第5の手段を採用する場合には、以下の実施形態なども有効である。即ち、例えば、上記のアクチュエータは、例えば、圧電素子(ピエゾ素子)などを用いて構成することが可能であり、この場合には、電気的に上記の高さhを制御することができる。ただし、上記の高さhは、機械的な駆動制御機構を用いて可変制御しても良い。   In particular, when the above-described fifth means of the present invention is employed, the following embodiments are also effective. That is, for example, the actuator can be configured using, for example, a piezoelectric element (piezo element) or the like, and in this case, the height h can be electrically controlled. However, the height h may be variably controlled using a mechanical drive control mechanism.

また、誘電体と金属導体との複合体、若しくは磁性体と金属導体との複合体で、上記の可動部材を構成した場合には、その誘電体や磁性体の表面に金属導体を設けても良く、或いはその誘電体や磁性体の内部に金属導体を設けても良い。
ただし、ストリップ線路全体または単位パターン全体を覆う様な広範に渡って連なる金属導体を配置すると、当該アレーアンテナからの電磁波の放射が阻止されてしまうので、板状または網状に広く連なった金属導体を上記の可動部材の構成に使用することはない。これらの金属導体を用いる場合には、それらの金属導体は、例えば誘電体基板の中に局所的に含めるなどして、上記の可動部材の少なくとも一部として局所的に分散配置する。
In addition, when the movable member is composed of a composite of a dielectric and a metal conductor, or a composite of a magnetic and a metal conductor, a metal conductor may be provided on the surface of the dielectric or magnetic body. Alternatively, a metal conductor may be provided inside the dielectric or magnetic material.
However, if a metal conductor that is connected over a wide area so as to cover the entire strip line or the entire unit pattern is disposed, the radiation of electromagnetic waves from the array antenna is blocked. It is not used for the structure of the movable member. When these metal conductors are used, the metal conductors are locally distributed as at least a part of the movable member, for example, locally included in a dielectric substrate.

また、上記の可動部材は、必ずしも上記の単位パターンの全体を覆う様に配設しなくても良い。例えば、上記の可動部材によって、ギャップだけを上から覆う様にしても良いし、スタブだけを上から覆う様にしても良いし、それらの両方だけを上から覆う様にしても良い。ギャップの近傍に配設される可動部材の部分がそのギャップのキャパシタンスを支配的に変化させ、スタブの近傍に配設される部分がそのスタブのインダクタンスを支配的に変化させる。   The movable member does not necessarily have to be disposed so as to cover the entire unit pattern. For example, only the gap may be covered from above by the movable member, only the stub may be covered from above, or both of them may be covered from above. The portion of the movable member disposed in the vicinity of the gap predominantly changes the gap capacitance, and the portion disposed in the vicinity of the stub predominantly changes the inductance of the stub.

なお、上記の可動部材の材料としては、例えばフッ素樹脂やセラミックスなどが適している。これらの材料を用いれば、上記の可動部材の比誘電率を2〜10に制御することができるので、1GHz以上の高い周波数帯域においても使用可能な、ビーム指向の走査範囲の広い小形のアレーアンテナを安価に実現することができる。   In addition, as a material of said movable member, a fluororesin, ceramics, etc. are suitable, for example. If these materials are used, the relative permittivity of the movable member can be controlled to 2 to 10, so that it can be used in a high frequency band of 1 GHz or more and is a small array antenna having a wide beam-oriented scanning range. Can be realized at low cost.

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described based on specific examples.
However, the embodiments of the present invention are not limited to the following examples.

図1に本実施例1のアレーアンテナ100の平面図を示す。比誘電率が2.2の4フッ化エチレン樹脂から成る誘電体基板15の中央には、矩形のプール領域15aが形成されており、このプール領域15aの中には、ネマティック液晶に光重合成ポリマーを混合して成る液晶13(誘電率可変部材)が充鎮されている。また、この液晶13を包む各面には、x軸方向に延びた配向溝が形成されている。給電点p1 から終端点p2 へ展開されているストリップ線路14の殆どの部位は、この液晶13の上にパターン形成されている。このストリップ線路14は例えば銅などの導体から形成することができ、その殆どの部位は、単位パターンUの周期的な繰り返しによって形成されている。単位パターンUは、x軸方向に延びる主線路11と、この主線路11を幹としてy軸方向に延びるスタブ12と、主線路11を途中で分断するギャップG1から構成されている。 FIG. 1 shows a plan view of the array antenna 100 of the first embodiment. A rectangular pool region 15a is formed at the center of the dielectric substrate 15 made of tetrafluoroethylene resin having a relative dielectric constant of 2.2. In this pool region 15a, photomultiplication is performed on a nematic liquid crystal. Liquid crystal 13 (dielectric constant variable member) made by mixing a polymer is filled. In addition, alignment grooves extending in the x-axis direction are formed on each surface surrounding the liquid crystal 13. Most portions of the strip line 14 developed from the feeding point p 1 to the terminal point p 2 are patterned on the liquid crystal 13. The strip line 14 can be formed from a conductor such as copper, and most of the strip line 14 is formed by periodically repeating the unit pattern U. The unit pattern U includes a main line 11 extending in the x-axis direction, a stub 12 extending in the y-axis direction using the main line 11 as a trunk, and a gap G1 that divides the main line 11 in the middle.

このアレーアンテナ100は、上記の単位パターンUをx軸方向に16周期配列して構成されている。分断された主線路11の対峙面から形成されるこのギャップG1はキャパシタを構成するものであり、その対峙部11a,11bはそれぞれ、ギャップG1のキャパシタンスを増大させるために、y軸方向に拡張して形成されている。また、y軸方向に突き出したスタブ12の端部には、ビアVAが形成されている。   The array antenna 100 is configured by arranging the above unit patterns U in the x-axis direction for 16 periods. The gap G1 formed from the facing surface of the divided main line 11 constitutes a capacitor, and the facing portions 11a and 11b are expanded in the y-axis direction in order to increase the capacitance of the gap G1. Is formed. A via VA is formed at the end of the stub 12 protruding in the y-axis direction.

図2−A,−B,−Cにアレーアンテナ100の単位パターンUの平面図と、その各断面α、断面βにおける断面図をそれぞれ示す。誘電体基板15の裏面には、平板状の導体から成る接地板16が形成されている。ビアVAは、誘電体基板15の裏面に形成される接地板とスタブ12の端部とを少なくとも高周波に対してショートさせるためのものであり、誘電体基板15にz軸方向に掘り空けた円柱形の穴に金属を詰めて形成したものである。ビアVAの裏面側は、中継接続部16aに接続されている。この中継接続部16aは、ビアVAと同軸のリング形状のスリットSを接地板16に形成することによって、誘電体基板15の裏面側に島状に形成されたものである。各中継接続部16aは、何れも1つの容量Cを介して、接地板16に接続されている。この容量Cは、ストリップ線路14と接地板16とを、高周波に対してはショートさせ、同時に直流に対しては絶縁する。また、一方の容量Cには、その両端に電位差を設けるように(即ち並列に)直流電源が接続されている。即ち、この直流電源の一方の配線q1 は中継接続部16aに、もう一方の配線q2 は接地板16に接続されている。この様な直流電源は、各単位パターンU毎に配設してもよいし、例えば並列接続などによって、1つの直流電源を各単位パターンUの間で共有する様にしても良い。 2A, -B, and -C show a plan view of the unit pattern U of the array antenna 100, and cross-sectional views of the cross section α and cross section β, respectively. A ground plate 16 made of a flat conductor is formed on the back surface of the dielectric substrate 15. The via VA is for short-circuiting the ground plate formed on the back surface of the dielectric substrate 15 and the end portion of the stub 12 at least with respect to high frequency, and is a cylinder dug in the dielectric substrate 15 in the z-axis direction. It is formed by filling a metal in a shape hole. The back side of the via VA is connected to the relay connection portion 16a. The relay connection portion 16 a is formed in an island shape on the back surface side of the dielectric substrate 15 by forming a ring-shaped slit S coaxial with the via VA in the ground plate 16. Each relay connection portion 16a is connected to the ground plate 16 through one capacitor C. The capacitor C causes the strip line 14 and the ground plate 16 to be short-circuited with respect to high frequencies and at the same time to be insulated from direct current. Further, a DC power source is connected to one capacitor C so as to provide a potential difference at both ends (that is, in parallel). That is, one wiring q 1 of this DC power supply is connected to the relay connection portion 16 a and the other wiring q 2 is connected to the ground plate 16. Such a DC power supply may be provided for each unit pattern U, or one DC power supply may be shared among the unit patterns U by, for example, parallel connection.

この様な電界設定手段(上記の直流電源や配線q1 ,q2 など)を用いて、ストリップ線路14の下に配置された液晶13(誘電率可変部材)に対してz軸方向に電界を掛けると、液晶13を構成する液晶分子が回転して向きを変えるので、この時、z軸方向の誘電率は高くなる。
例えば、上記の液晶13のz軸方向の厚みを約0.127mmに設定した場合、上記の電界設定手段でストリップ線路14と接地板16との間に100Vの電圧をかけると、液晶13のz軸方向の比誘電率は約2.2から約2.8まで変化する。また、この電圧を50Vにすると、液晶13のz軸方向の比誘電率は約2.4になる。
Using such electric field setting means (the above-described DC power supply, wirings q 1 , q 2, etc.), an electric field is applied in the z-axis direction to the liquid crystal 13 (dielectric constant variable member) disposed under the strip line 14. When applied, the liquid crystal molecules constituting the liquid crystal 13 rotate and change direction, and at this time, the dielectric constant in the z-axis direction increases.
For example, when the thickness of the liquid crystal 13 in the z-axis direction is set to about 0.127 mm, when a voltage of 100 V is applied between the strip line 14 and the ground plate 16 by the electric field setting means, the z of the liquid crystal 13 is set. The axial dielectric constant varies from about 2.2 to about 2.8. When this voltage is 50 V, the relative dielectric constant of the liquid crystal 13 in the z-axis direction is about 2.4.

図3−Aは、アレーアンテナ100の放射シミュレーションにおける配線図である。ここでは、上記の直流電源を電圧可変の電源とし、各単位パターンUの間で共有する様に、各単位パターンUを電源に対して並列に接続した。   FIG. 3A is a wiring diagram in the radiation simulation of the array antenna 100. Here, the DC power source is a variable voltage power source, and each unit pattern U is connected in parallel to the power source so as to be shared among the unit patterns U.

一方、図3−Bには、同放射シミュレーションに対する比較例の構成を示す。このアレーアンテナ900においては、ビアを設けずに直接スタブ12の幅広の端部12aから配線q3 を用いて、各単位パターンのストリップ線路に直流電位を与える方式とした。ここで、端部12aを幅広に形成する理由は、この部位によって接地点を擬似的に具現するためであり、これによって、仮想的な接地容量が構成されている。
本実施例のアレーアンテナ100では、表側のストリップ線路14の面積がアレーアンテナ900のものよりも小さいため、ストリップ線路14と接地板16との間の容量も小さくなってしまうが、それらは、上記の容量C(図2−C)によって補ったり調整したりすることができる。また、上記の幅広の端部12aが奏する容量(上記の接地容量)についても同様に、上記の容量C(図2−C)によって、補ったり調整したりすることができる。
On the other hand, FIG. 3-B shows a configuration of a comparative example for the radiation simulation. In this array antenna 900 by using the wire q 3 from the wide end 12a of the direct stub 12 without providing the vias, and the method of providing a DC potential to the strip line of the unit pattern. Here, the reason why the end portion 12a is formed to be wide is to embody a grounding point in a pseudo manner by this portion, thereby forming a virtual grounding capacitance.
In the array antenna 100 of the present embodiment, since the area of the strip line 14 on the front side is smaller than that of the array antenna 900, the capacity between the strip line 14 and the ground plate 16 is also small. It can be compensated or adjusted by the capacity C (FIG. 2-C). Similarly, the capacitance (the ground capacitance) produced by the wide end portion 12a can be supplemented or adjusted by the capacitance C (FIG. 2-C).

したがって、この様な調整を適当に行えば、アレーアンテナ100を、その放射面積以外の点でアレーアンテナ900(比較列)と略等価な回路に構成することができる。言い換えれば、これらの調整パラメータを集中定数素子を用いて簡単に具備できる点でも、本実施例1のアレーアンテナ100のスタブの接地方式は優れており、例えば本実施例の様な裏面の容量Cを介した接地方式によれば、所望のアンテナの放射ビームの指向性、ビーム形状、走査範囲などのチューニングが容易となる。また、この様な自由度の導入は、目的のアレーアンテナの小形化にも寄与する。   Therefore, if such adjustment is appropriately performed, the array antenna 100 can be configured as a circuit that is substantially equivalent to the array antenna 900 (comparison column) in terms other than its radiation area. In other words, the grounding method of the stub of the array antenna 100 of the first embodiment is excellent in that these adjustment parameters can be easily provided using a lumped constant element. According to the grounding system via the antenna, tuning of the radiation beam directivity, beam shape, scanning range, etc. of a desired antenna becomes easy. The introduction of such a degree of freedom also contributes to the miniaturization of the target array antenna.

図4−A〜Cに、本実施例1の放射シミュレーションの結果(放射特性)を示す。本シミュレーション結果より、以下のことが分かる。ただし、この放射シミュレーションでは、給電する高周波の周波数を76GHzとし、上記の容量Cを5pFと仮定した。
(1)ビアを有する本実施例1のアレーアンテナ100では、直流電源の電圧を0Vから100Vまで変化させることによって、放射ビームの放射ピークの方位角θを+28°から−24°まで振ることができる。
(2)アレーアンテナ100(ビアあり)では、アレーアンテナ900よりも利得が約1dBi高い。
(3)アレーアンテナ100(ビアあり)のビーム幅は、アレーアンテナ900のものよりも狭い。(この放射特性は、観測対象とすべきターゲットを絞り込む際などに、非常に有利である。)
4A to 4C show the results (radiation characteristics) of the radiation simulation of the first embodiment. From the simulation results, the following can be understood. However, in this radiation simulation, it was assumed that the frequency of the high frequency to be fed was 76 GHz, and the capacitance C was 5 pF.
(1) In the array antenna 100 according to the first embodiment having vias, the azimuth angle θ of the radiation peak of the radiation beam can be swung from + 28 ° to −24 ° by changing the voltage of the DC power source from 0V to 100V. it can.
(2) The gain of the array antenna 100 (with vias) is about 1 dBi higher than that of the array antenna 900.
(3) The beam width of array antenna 100 (with vias) is narrower than that of array antenna 900. (This radiation characteristic is very advantageous when narrowing down the target to be observed.)

これらのシミュレーション結果は、アレーアンテナ100においては、給電点付近に配列される単位パターンUからの無駄な放射が抑制されると共に、その分の給電電力が終端点付近の単位パターンにまで効率よく行き届くために、各単位パターン間で放射が均一化された結果生じるものと考えられる。
また、アレーアンテナ900では、バイアス線路(配線q3 )を誘電体基板の表側に露出させざるを得ないが、アレーアンテナ100では、ビアVAの導入によって、これらの配線(配線q1 ,q2 )を裏面側に隠すことができるため、これらのバイアス線路からの放射が、所望のアレーアンテナの放射特性に悪影響を与える恐れも払拭される。
These simulation results show that in the array antenna 100, useless radiation from the unit pattern U arranged in the vicinity of the feeding point is suppressed, and the corresponding feeding power efficiently reaches the unit pattern near the termination point. For this reason, it is considered that this is caused as a result of the uniform radiation between the unit patterns.
In the array antenna 900, the bias line (wiring q 3 ) must be exposed to the front side of the dielectric substrate, but in the array antenna 100, these wirings (wirings q 1 and q 2) are introduced by introducing the via VA. ) Can be concealed on the back side, so that the radiation from these bias lines can also adversely affect the radiation characteristics of the desired array antenna.

図5−A,−Bに、本実施例2の放射シミュレーションにおける配線図を示す。本実施例では、実施例1のアレーアンテナ100に対して、各単位パターン毎にその配線q1 上にそれぞれスイッチSWを設けることによって新たにアレーアンテナ110を構成し、これらのスイッチSWのon/off状態に基づいて、アンテナの放射ビームの幅を可変制御できる様にした。 5A and 5B show wiring diagrams in the radiation simulation of the second embodiment. In the present embodiment, the array antenna 110 is newly formed by providing the switch SW on the wiring q 1 for each unit pattern with respect to the array antenna 100 of the first embodiment. Based on the off state, the width of the radiation beam of the antenna can be variably controlled.

図5−A,−Bの直流電源の電圧は何れも100Vであるが、図5−Aが表す接続状態aにおいては、16個の全てのスイッチSWがoff状態になっているため、各誘電率可変部材(液晶13)のz軸方向の比誘電率はそれぞれ何れも2.2のままになっている。一方、図5−Bが表す接続状態bにおいては、給電点寄りの8つの単位パターンUに対応する各スイッチSWがそれぞれoff状態になっており、残り半分の終端点P2 寄りの8つの単位パターンUについては、対応する各スイッチSWがon状態になっている。このため、終端点P2 寄りの8つの単位パターンUの各誘電率可変部材(液晶13)のz軸方向の比誘電率はそれぞれ2.8に変化している。 The voltage of the DC power source in FIGS. 5-A and -B is 100V, but in the connection state a shown in FIG. 5-A, all 16 switches SW are in the off state. The relative permittivity in the z-axis direction of the variable rate member (liquid crystal 13) remains 2.2. On the other hand, in the connection state b shown in FIG. 5B, the switches SW corresponding to the eight unit patterns U near the feeding point are in the off state, and the eight units near the terminal point P 2 in the other half. For the pattern U, the corresponding switches SW are in the on state. For this reason, the relative dielectric constant in the z-axis direction of each dielectric constant variable member (liquid crystal 13) of the eight unit patterns U near the termination point P 2 is changed to 2.8.

この時、上記の接続状態b(図5−B)では、事実上有効なアンテナ長が接続状態a(図5−A)の半分になっている。これは、液晶13の個々の分子からなる各双極子モーメントが電界に従ってそれぞれz軸方向に配向されると、図2−AのギャップG1の部分(容量)を高周波が伝播し難くなると同時に、伝播された高周波が接地板16にアースされ易くなるためであり、この作用に基づいて、接続状態bでは終端点P2 寄りの8つの各単位パターンUはアンテナ素子(放射エレメント)としては殆ど動作しない。以下、この様な非動作の単位パターンUの群列によって形成される、アレーアンテナの非動作部をバンドギャップと言う。 At this time, in the connection state b (FIG. 5-B), the effective antenna length is substantially half that of the connection state a (FIG. 5-A). This is because, when each dipole moment composed of individual molecules of the liquid crystal 13 is aligned in the z-axis direction according to the electric field, it becomes difficult for the high frequency to propagate through the gap G1 portion (capacitance) in FIG. is because the high frequency is easily grounded to the ground plate 16, on the basis of this action, eight each unit patterns U of the connection state b in end point P 2 closer hardly operate as an antenna element (radiating elements) . Hereinafter, the non-operating portion of the array antenna formed by the group sequence of such non-operating unit patterns U is referred to as a band gap.

図6に、この放射シミュレーションの結果(放射特性)を示す。このグラフから分かる様に、利得が3dBi〜4dBiの付近では、アレーアンテナ110の接続状態aにおける放射ビームの幅は、接続状態bの時の凡そ半分になっている。また、放射ピークにおける利得は、接続状態aの時が10.1dBiで、接続状態bの時が7.6dBiになっている。これらの結果より、近距離のものを幅広く検出したい場合には、図5−Bの様に制御するとよく、遠方のものを角度を絞って検出したい場合には、図5−Aの様な制御形態が適していることが分かる。
また、アンテナの放射ビームの幅は、他の類例を後から図15を用いて例示するのと同様に、非動作状態に設定する(即ち、液晶の双極子モーメントがz軸方向に配向される)単位パターンUの数によって制御することができる。
FIG. 6 shows the result of this radiation simulation (radiation characteristics). As can be seen from this graph, in the vicinity of the gain of 3 dBi to 4 dBi, the width of the radiation beam in the connection state a of the array antenna 110 is approximately half that in the connection state b. Further, the gain at the radiation peak is 10.1 dBi in the connection state a and 7.6 dBi in the connection state b. From these results, when it is desired to detect a wide range of objects at short distances, the control should be performed as shown in FIG. 5-B. When a remote object is detected at a narrow angle, the control as shown in FIG. It can be seen that the form is suitable.
Further, the width of the radiation beam of the antenna is set to a non-operational state (that is, the dipole moment of the liquid crystal is aligned in the z-axis direction, as illustrated later with reference to FIG. ) It can be controlled by the number of unit patterns U.

更に、図5−Bの接続形態bにおいて、直流電源の電圧を100Vから50Vに変更して、同様のシミュレーションを行った。その結果を図7のグラフbに示す。ただし、この図7中のグラフaは、図4−Aのビアありの場合のグラフを比較参照のためにそのまま写したものである。各電源の電圧をこの様に比較的狭い範囲(0V〜50V)で制御した場合には、バンドギャップは形成されず、各単位パターンUからの放射量や放射の方向を任意に制御することができる。
本図7のグラフaとグラフbとでは、ピーク利得に殆ど差異がないが、グラフbには、+2°の周辺にヌルが形成されている。これは、給電側の8つの単位パターンUからの放射ビームがBackward側に向き、終端側の8つの単位パターンUからの放射ビームがForward 側に向くためであり、この作用により、アンテナの略正面の方向にヌルが向く。また、このヌルが向く方向は、直流電源の電圧を変化させることにより制御可能である。
したがって、例えばノイズ源の方位が既知である場合などには、その方向に上記のヌルの方向を合わせることによって、当該アレーアンテナのS/N比を効果的に向上させることができる。
Furthermore, in the connection form b of FIG. 5-B, the same simulation was performed by changing the voltage of the DC power source from 100V to 50V. The result is shown in graph b of FIG. However, the graph a in FIG. 7 is a copy of the graph with vias in FIG. 4-A as it is for comparison and reference. When the voltage of each power source is controlled in such a relatively narrow range (0 V to 50 V), no band gap is formed, and the amount of radiation from each unit pattern U and the direction of radiation can be controlled arbitrarily. it can.
Although there is almost no difference in the peak gain between the graph a and the graph b in FIG. 7, a null is formed around + 2 ° in the graph b. This is because the radiation beams from the eight unit patterns U on the feeding side are directed toward the backward side, and the radiation beams from the eight unit patterns U on the termination side are directed toward the forward side. Null is facing in the direction of. Further, the direction in which the null faces can be controlled by changing the voltage of the DC power supply.
Therefore, for example, when the direction of the noise source is known, the S / N ratio of the array antenna can be effectively improved by aligning the null direction with that direction.

図8に示す本実施例3のアレーアンテナ120は、実施例1のアレーアンテナ100において、図2−Cの直流電源を各単位パターンU毎に設けたものであり、これらの各直流電源の電圧は、それぞれ個別に可変制御することができる。上記の実施例2におけるビーム幅調整機能やヌル形成機能は、個々の単位パターンUに掛ける電界の大きさをそれぞれ可変制御することによって実現されるものであるから、勿論本実施例3のアレーアンテナ120によっても、同様の機能を実現することができる。   The array antenna 120 of the third embodiment shown in FIG. 8 is the same as the array antenna 100 of the first embodiment except that the DC power supply of FIG. 2-C is provided for each unit pattern U, and the voltage of each of these DC power supplies. Can be variably controlled individually. Since the beam width adjusting function and the null forming function in the second embodiment are realized by variably controlling the magnitude of the electric field applied to each unit pattern U, of course, the array antenna of the third embodiment. The same function can be realized by 120.

なお、この構造においても同様に、特に各電源の電圧を比較的狭い範囲(例:0V〜50V)で制御した場合には、バンドギャップ(上記の非動作部)は形成されず、各単位パターンUからの放射量や放射の方向を任意に制御することができる。このため、本実施例3のアレーアンテナ120を用いれば、上記のヌル形成機能などの他にも、例えば以下の機能を実現することもできる。   Similarly, in this structure, in particular, when the voltage of each power source is controlled within a relatively narrow range (eg, 0 V to 50 V), no band gap (the above non-operating portion) is formed, and each unit pattern The amount of radiation from U and the direction of radiation can be arbitrarily controlled. For this reason, if the array antenna 120 of the third embodiment is used, for example, the following functions can be realized in addition to the above-described null forming function.

(サイドローブ抑制機能)
本サイドローブ抑制機能は、xz面上に現われるサイドローブの放射レベルを抑えるものであり、この機能は各単位パターンUからの放射の分布を一般的に知られているテイラー分布とすることによって実現することができる。
(Side lobe suppression function)
This sidelobe suppression function suppresses the radiation level of the sidelobe appearing on the xz plane, and this function is realized by making the distribution of radiation from each unit pattern U into a generally known Taylor distribution. can do.

図9に本実施例4のアレーアンテナ200の斜視図および断面図を示す。誘電体基板1は、4フッ化エチレン樹脂(:比誘電率2.2)から形成された厚さ約0.13mmの板状材料から成り、これが高さ変動可能な可動部材に相当している。この誘電体基板1は、ピエゾ素子2を介して、当該アンテナの本体10に接続されている。ピエゾ素子2は、その表面に電圧を印加することによって、誘電体基板1の法線方向、即ち図中のz軸方向に伸縮動作することができる。即ち、このピエゾ素子2が、誘電体基板1の高さhを変化させるアクチュエータに相当している。   FIG. 9 shows a perspective view and a cross-sectional view of the array antenna 200 of the fourth embodiment. The dielectric substrate 1 is made of a plate-like material having a thickness of about 0.13 mm formed from a tetrafluoroethylene resin (: relative dielectric constant 2.2), and this corresponds to a movable member whose height can be varied. . The dielectric substrate 1 is connected to a main body 10 of the antenna via a piezo element 2. The piezo element 2 can be expanded and contracted in the normal direction of the dielectric substrate 1, that is, the z-axis direction in the drawing by applying a voltage to the surface thereof. That is, the piezo element 2 corresponds to an actuator that changes the height h of the dielectric substrate 1.

図9の断面図に示すように、本体10は、誘電体基板15をベースに形成されており、この誘電体基板15の上面にはストリップ線路14が形成されている。また、この誘電体基板15の裏面には金属層から形成された接地板16が積層されている。更に、この接地板16とストリップ線路14とは、ビアVAによってショートされている。このビアVAは、誘電体基板15にz軸方向に掘り空けた円柱形の穴に金属を詰めて形成したものである。   As shown in the cross-sectional view of FIG. 9, the main body 10 is formed based on a dielectric substrate 15, and a strip line 14 is formed on the upper surface of the dielectric substrate 15. A ground plate 16 formed of a metal layer is laminated on the back surface of the dielectric substrate 15. Further, the ground plate 16 and the strip line 14 are short-circuited by a via VA. This via VA is formed by filling a metal in a cylindrical hole dug in the dielectric substrate 15 in the z-axis direction.

図10に、この本体10の平面図を示す。上記のストリップ線路14は、実施例1の単位パターンUのx軸方向における周期的な配列によって形成されており、上記のビアVAは、ストリップ線路14の一部を構成するスタブ12の先端に設けられている。即ち、これらの配線パターンは、図1の配線パターンと同様に形成されている。ただし、この本体10の誘電体基板15には、液晶を充填する領域がなく、本実施例4のアレーアンテナ200には、液晶は用いられていない。   FIG. 10 shows a plan view of the main body 10. The strip line 14 is formed by a periodic arrangement of the unit patterns U of the first embodiment in the x-axis direction, and the via VA is provided at the tip of the stub 12 constituting a part of the strip line 14. It has been. That is, these wiring patterns are formed in the same manner as the wiring pattern of FIG. However, the dielectric substrate 15 of the main body 10 does not have a region filled with liquid crystal, and the array antenna 200 of the fourth embodiment uses no liquid crystal.

図9の高さhは、この本体10のベースを成す上記の誘電体基板15の上面から、上記の誘電体基板1の裏面までの距離を示すものであり、z軸方向に測る。この高さhは、上記の様にその印加電圧が可変制御可能なピエゾ素子2(アクチュエータ)の伸縮動作によって、自在に可変制御することができる。   The height h in FIG. 9 indicates the distance from the top surface of the dielectric substrate 15 that forms the base of the main body 10 to the back surface of the dielectric substrate 1, and is measured in the z-axis direction. The height h can be freely variably controlled by the expansion / contraction operation of the piezo element 2 (actuator) whose applied voltage can be variably controlled as described above.

図11に、このアレーアンテナ200の放射シミュレーションの結果、即ち、指向性の高さhに関する依存特性を示す。この指向性は、上記の高さhを以下に示す3通りに変化させてそれぞれ測定したものである。ただし、この時の給電電力の周波数は、76GHzとした。この時の放射パターンのピーク位置(角度θ)は、h=1.0mmの時にはθ=−14°であり、h=0.6mmの時にはθ=+2°であり、h=0.2mmの時にはθ=+20°であった。
例えば、この様に、本実施例のアレーアンテナ200では、上記のアクチュエータで上記の高さhを可変制御することによって、放射ビームの方向を自在に可変制御することができる。
FIG. 11 shows the result of the radiation simulation of the array antenna 200, that is, the dependence characteristic related to the directivity height h. The directivity is measured by changing the height h in the following three ways. However, the frequency of the feeding power at this time was 76 GHz. The peak position (angle θ) of the radiation pattern at this time is θ = −14 ° when h = 1.0 mm, θ = + 2 ° when h = 0.6 mm, and when h = 0.2 mm. θ = + 20 °.
For example, in this way, in the array antenna 200 of this embodiment, the direction of the radiation beam can be variably controlled by variably controlling the height h with the actuator.

この実施例4のアレーアンテナ200に対する比較例を図12に示す。図12のストリップ線路14は、図3−Bのものと同様に形成されたものであり、本比較例では、この図12の本体10′を用いて、上記と略同等のシミュレーションを実施した。ただし、図12の本体10′には、液晶が具備されておらず、勿論、直流電源やそのバイアス線路も接続されていない。   FIG. 12 shows a comparative example for the array antenna 200 of the fourth embodiment. The stripline 14 in FIG. 12 is formed in the same manner as that in FIG. 3B, and in this comparative example, a simulation substantially equivalent to the above was performed using the main body 10 ′ in FIG. However, the main body 10 'of FIG. 12 is not provided with a liquid crystal and, of course, is not connected to a DC power supply or its bias line.

図13に、この比較例に係わる放射シミュレーションの結果を示す。この指向性は、上記の高さhを、h=0.1mm,0.05mm,0.025mmの3通りに変化させて、それぞれ測定したものである。給電電力の周波数は、76.5GHzとした。この時の放射パターンのピーク位置(角度θ)は、h=0.05mmの時θ≒0°(z軸方向)であり、h=0.1mmの時θ≒+25°であり、h=0.025mmの時θ≒−28°であった。   FIG. 13 shows the result of the radiation simulation according to this comparative example. This directivity is measured by changing the height h in three ways: h = 0.1 mm, 0.05 mm, and 0.025 mm. The frequency of the feed power was 76.5 GHz. The peak position (angle θ) of the radiation pattern at this time is θ≈0 ° (in the z-axis direction) when h = 0.05 mm, θ≈ + 25 ° when h = 0.1 mm, and h = 0. At 025 mm, θ≈−28 °.

図11と図13の各グラフを比較すると分かる様に、スタブ12に端部12aを設けて仮想的な接地状態を実現する方式よりも、実際にビアVAを用いて裏面の接地板16に直接スタブ12の先端を接地する方式の方が、放射ビームの幅をより細くすることができる。これは、実施例1で示した作用と同様の作用によるものである。即ち、アレーアンテナ200においては、給電点付近に配列される単位パターンUからの無駄な放射が抑制されると共に、その分の給電電力が終端点付近の単位パターンにまで効率よく行き届くために、各単位パターン間で放射が均一化されるものと考えられる。
また、この様にビーム幅の細い放射特性は、観測対象とすべきターゲットを絞り込む際などに、非常に有利である。
As can be seen by comparing the graphs of FIG. 11 and FIG. 13, rather than the method of providing the end 12 a on the stub 12 and realizing the virtual ground state, the vias VA are actually used to directly contact the ground plate 16 on the back surface. The method of grounding the tip of the stub 12 can make the width of the radiation beam narrower. This is due to the same action as that shown in the first embodiment. That is, in the array antenna 200, unnecessary radiation from the unit pattern U arranged near the feeding point is suppressed, and the corresponding feeding power efficiently reaches the unit pattern near the termination point. It is considered that the radiation is made uniform between unit patterns.
In addition, the radiation characteristics with such a narrow beam width are very advantageous when narrowing down the target to be observed.

図14に本実施例5のアレーアンテナ210の斜視図を示す。このアレーアンテナ210は、上記の実施例4のアレーアンテナ200を改良したものであり、本体10については、実施例4のアレーアンテナ200に用いたものと同一材料で同一構造のものを使用した。ただし、個々の単位パターンUの形状などの構成は同一としたが、単位パターンUのx軸方向における繰り返し回数は、11単位とした。   FIG. 14 is a perspective view of the array antenna 210 according to the fifth embodiment. The array antenna 210 is an improvement of the array antenna 200 of the above-described fourth embodiment. The main body 10 is the same material and the same structure as that used for the array antenna 200 of the fourth embodiment. However, although the configuration of each unit pattern U is the same, the number of repetitions of the unit pattern U in the x-axis direction is 11 units.

このアレーアンテナ210の特徴は、アレーアンテナ200の誘電体基板1を各単位パターンU毎にそれぞれ対応させて、分割して配列した点にある。即ち、このアレーアンテナ210においては、アレーアンテナ200の誘電体基板1が、1a〜1kの計11枚にそれぞれ分割されてx軸方向に並べられている。また、この分割に伴って、アレーアンテナ200のピエゾ素子2(アクチュエータ)も、各誘電体基板1a〜1k毎に対応させて、それぞれ個別に配設されている。即ち、例えば、ピエゾ素子2kは、誘電体基板1kをz軸方向に並進移動させるためのアクチュエータである。ピエゾ素子2a〜2jについても同様である。   The array antenna 210 is characterized in that the dielectric substrate 1 of the array antenna 200 is divided and arranged in correspondence with each unit pattern U. In other words, in this array antenna 210, the dielectric substrate 1 of the array antenna 200 is divided into a total of 11 pieces of 1a to 1k and arranged in the x-axis direction. Further, along with this division, the piezo elements 2 (actuators) of the array antenna 200 are also arranged individually corresponding to the respective dielectric substrates 1a to 1k. That is, for example, the piezo element 2k is an actuator for translating the dielectric substrate 1k in the z-axis direction. The same applies to the piezo elements 2a to 2j.

(実施例5の作用と効果)
各誘電体基板1a〜1kの高さhは、2a〜2kの各圧電素子に印加する電圧をそれぞれ可変制御することによって、それぞれ可変制御することができる。そして、この高さhの可変制御を各単位パターン毎にそれぞれ独立に実行することによって、以下の作用・効果を得ることができる。
(Operation and effect of Example 5)
The height h of each dielectric substrate 1a-1k can be variably controlled by variably controlling the voltage applied to each piezoelectric element 2a-2k. Then, by executing the variable control of the height h independently for each unit pattern, the following actions and effects can be obtained.

(1)アンテナのビーム幅を自在に変更する
例えば、上記のアクチュエータを用いて、ギャップのキャパシタンス成分やスタブのインダクタンス成分を可変制御することができるので、これにより、一部の単位パターンを所定の周波数に対して非動作状態に制御することができる。そして、この場合、それらの非動作状態の単位パターンによって、当該アレーアンテナの終端側に、即ち、給電点の反対側にバンドギャップを形成することができるので、この作用により、当該アレーアンテナの有効長を可変制御することができる。その際、アレーアンテナの有効長が短い場合ほど、当該アレーアンテナのビーム幅が広くなるので、アンテナのビーム幅を自在に可変制御することが可能となる。ただし、上記の有効長とは、当該アンテナを構成する単位パターンの配列の全長の内、実際にアンテナとして実質的に有効に作用する部分の長さのことであり、この長さは各単位パターンの各放射量に基づいて判定することができる。
(1) Change the beam width of the antenna freely For example, the capacitance component of the gap and the inductance component of the stub can be variably controlled by using the actuator described above. The frequency can be controlled to be inactive. In this case, a band gap can be formed on the end side of the array antenna, that is, on the side opposite to the feeding point, by the unit pattern in the non-operating state. The length can be variably controlled. At that time, the shorter the effective length of the array antenna, the wider the beam width of the array antenna, so that the beam width of the antenna can be variably controlled. However, the above-mentioned effective length is the length of the portion of the array of unit patterns constituting the antenna that actually acts effectively as an antenna. This length is the length of each unit pattern. It can be determined based on each radiation amount.

図15に、アレーアンテナ210の放射シミュレーションの結果(方位−利得特性)を例示する。例えば、給電電力の周波数を76.0GHzとし、誘電体基板1a〜1cの高さhをそれぞれ0.1mmに、誘電体基板1d〜1kの高さhをそれぞれ0.025mmにすると、図15の(c)に示す様なビーム形状が得られる。また、同一周波数で、誘電体基板1a〜1gの高さhを0.1mmに、誘電体基板1h〜1kの高さhを0.025mmにすると、図15の(b)に示す様なビーム形状が得られる。また、同一周波数で、誘電体基板1a〜1kの高さhをそれぞれ全て0.1mmにすると、図15の(a)に示す様なビーム形状が得られる。   FIG. 15 illustrates the result (azimuth-gain characteristic) of the radiation simulation of the array antenna 210. For example, when the frequency of the feeding power is 76.0 GHz, the height h of the dielectric substrates 1a to 1c is 0.1 mm, and the height h of the dielectric substrates 1d to 1k is 0.025 mm, respectively, FIG. A beam shape as shown in (c) is obtained. When the height h of the dielectric substrates 1a to 1g is set to 0.1 mm and the height h of the dielectric substrates 1h to 1k is set to 0.025 mm at the same frequency, a beam as shown in FIG. A shape is obtained. Further, when the heights h of the dielectric substrates 1a to 1k are all 0.1 mm at the same frequency, a beam shape as shown in FIG. 15A is obtained.

(2)不要なサイドローブの放射量を抑制する
また、高さhの可変制御を各単位パターン毎にそれぞれ独立に実行すれば、サイドローブレベルを抑制することも可能となる。即ち、上記のアクチュエータを用いて、上記の単位パターンの各放射量の分布を、例えば周知のテイラー分布などの様なサイドローブ抑制作用を奏する適当な分布に制御することができ、これによって、当該アレーアンテナのサイドローブの放射量を小さく抑制することができる。
(2) Suppressing unwanted side lobe radiation If the variable control of the height h is executed independently for each unit pattern, the side lobe level can also be suppressed. That is, by using the actuator, it is possible to control the distribution of each radiation amount of the unit pattern to an appropriate distribution that exerts a sidelobe suppression action such as the well-known Taylor distribution. The amount of radiation of the side lobe of the array antenna can be reduced.

(3)所望の向きにヌルを形成する
また、高さhの可変制御を各単位パターン毎にそれぞれ独立に実行すれば、単位パターンの各指向性を相異なる複数の向きに制御することによって、それらの向きから外れた向きにヌルを形成することができ、これによって、任意の方向からの信号の受信を低減させることができる。例えば、アンテナの正面方向にヌルを形成したい場合には、半数の単位パターンのビームの向きを後方波(Backward波)の側(即ち、左手系のビームの向き)に向け、残りの半数の単位パターンのビームの向きを前方波(Forward 波)の側(即ち、右手系のビームの向き)に向ければ良い。これにより、正面方向からの信号の受信を低減させることができる。
(3) Null is formed in a desired direction. Further, if variable control of the height h is executed independently for each unit pattern, each directivity of the unit pattern is controlled in a plurality of different directions, Nulls can be formed in directions that deviate from those directions, thereby reducing the reception of signals from any direction. For example, when nulls are to be formed in the front direction of the antenna, the beam direction of half of the unit pattern is directed toward the backward wave (ie, the direction of the left-handed beam) and the remaining half of the unit pattern The pattern beam may be directed toward the forward wave (ie, the direction of the right-handed beam). Thereby, reception of the signal from the front direction can be reduced.

ただし、例えば、単位パターンの各指向性を相異なる2つの向きに組分けして制御する場合、一方の向きに放射させる単位パターンの組に属する各単位パターンは、必ずしも単位パターンの配列上に連続に一纏まりに配置する必要はない。即ち、相異なる指向性を与える単位パターンを交互に配置しても良いし、一方の向きに放射させる単位パターンの組を配列上の連続的な1組にまとめても良い。また、上記の複数の向きは、3方向でも4方向以上でも良い。   However, for example, when controlling the directivity of unit patterns in two different directions, each unit pattern belonging to a set of unit patterns to be radiated in one direction is not necessarily continuous on the unit pattern array. There is no need to arrange them together. That is, unit patterns that give different directivities may be arranged alternately, or a set of unit patterns that radiate in one direction may be combined into a continuous set on the array. The plurality of directions may be three directions or four or more directions.

〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
(変形例1)
例えば、先の実施例2では、アレーアンテナ110(図5−A,−B)の直流電源の電圧を100Vに固定してシミュレーションを行ったが、アレーアンテナ110の直流電源は、電圧を任意に可変制御できる直流電源にしてもよい。この場合には、実施例1,2のシミュレーション結果からも分かる様に、スイッチを用いて放射ビームの幅を任意の幅に制御すると同時に、その直流電圧を可変制御することによって、更にその任意幅の放射ビームの走査制御を広い角度領域に渡って自在に行うことができる。
[Other variations]
The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modifications as exemplified below may be made. Even with such modifications and applications, the effects of the present invention can be obtained based on the functions of the present invention.
(Modification 1)
For example, in the previous second embodiment, the simulation was performed with the voltage of the DC power supply of the array antenna 110 (FIGS. 5-A and -B) fixed to 100V. A DC power source that can be variably controlled may be used. In this case, as can be seen from the simulation results of Examples 1 and 2, the width of the radiation beam is controlled to an arbitrary width using a switch, and at the same time, the DC voltage is variably controlled to further increase the arbitrary width. It is possible to freely perform scanning control of the radiation beam over a wide angle region.

(変形例2)
また、上記の直流電源は、交流電源としてもよい。図4−A〜Cのシミュレーション結果から分かる様に、上記の直流電源の電圧を周期的に変化させれば、その周期に従って放射ビームの走査制御を行うことも可能となる。したがって、上記の直流電源の代わりに、例えば10Hzの交流電源を用いれば、1秒間当り10回の走査動作を実現することができる。
(Modification 2)
The DC power source may be an AC power source. As can be seen from the simulation results in FIGS. 4A to 4C, if the voltage of the DC power source is periodically changed, the scanning control of the radiation beam can be performed according to the cycle. Therefore, if a 10 Hz AC power source is used instead of the DC power source, for example, 10 scanning operations per second can be realized.

(変形例3)
また、上記の実施例4、実施例5では、可動部材として誘電体を上下に移動させているが、これらの誘電体の内部には、例えば金属片などを入れても良い。その場合は単に誘電率を制御するだけでなく、同時にギャップやスタブの電気長を制御することもでき、よって、誘電体の移動に対するビーム角θの変化をより敏感に設定することが可能となる。したがって、この様な改造を施せば、ビーム方向の変化範囲をより幅広く確保したり、或いは、アクチュエータを更に小型化したりすることも可能又は更に容易となる。
(Modification 3)
In the above-described fourth and fifth embodiments, the dielectric is moved up and down as the movable member. However, for example, a metal piece may be placed inside these dielectrics. In that case, it is possible not only to control the dielectric constant but also to control the electrical length of the gap and stub at the same time, so that the change of the beam angle θ with respect to the movement of the dielectric can be set more sensitively. . Therefore, if such a modification is made, it is possible or easier to secure a wider range of change in the beam direction, or to further downsize the actuator.

(変形例4)
また、上記の実施例4、実施例5では、可動部材を上下方向(z軸方向)に並進移動させているが、可動部材の運動は、並進往復運動でも回動運動でも良い。任意の形態の運動によって、上記の高さhを可変制御することができる。
(Modification 4)
In the fourth and fifth embodiments, the movable member is translated in the vertical direction (z-axis direction), but the movement of the movable member may be a translational reciprocating motion or a rotating motion. The height h can be variably controlled by any form of motion.

(変形例5)
また、本願発明のアレーアンテナは、スロットアンテナに内蔵する放射源として利用してもよい。言い換えれば、例えばアンテナの利得を調整したりサイドローブレベルを低減させたりするために、本願発明のアレーアンテナの上部に基板に対して平行に、スロット放射用のスロット板を設けるなどしてもよい。
(Modification 5)
The array antenna of the present invention may be used as a radiation source built in the slot antenna. In other words, for example, in order to adjust the gain of the antenna or reduce the sidelobe level, a slot plate for slot radiation may be provided on the upper portion of the array antenna of the present invention in parallel to the substrate. .

本発明は、無線通信や電磁波センシングに有用であり、例えば、無線通信装置や、車両の事故防止システムやオートクルーズ制御システムなどに用いられる障害物センサや、或いはその他の車両周辺の物体に対する物体探索手段などとして利用することができる。   The present invention is useful for wireless communication and electromagnetic wave sensing. For example, an object search for a wireless communication device, an obstacle sensor used in a vehicle accident prevention system, an auto cruise control system, or other objects around the vehicle. It can be used as a means.

実施例1のアレーアンテナ100の平面図Plan view of array antenna 100 of the first embodiment アレーアンテナ100の単位パターンUの平面図Plan view of unit pattern U of array antenna 100 アレーアンテナ100の単位パターンUの断面αにおける断面図Sectional view in section α of unit pattern U of array antenna 100 アレーアンテナ100の単位パターンUの断面βにおける断面図Sectional view in section β of unit pattern U of array antenna 100 アレーアンテナ100の放射シミュレーションにおける配線図Wiring diagram for radiation simulation of array antenna 100 同放射シミュレーションに対する比較例の構成を示す平面図The top view which shows the structure of the comparative example with respect to the radiation simulation 同放射シミュレーションの結果(放射特性)を示すグラフGraph showing the radiation simulation results (radiation characteristics) 同放射シミュレーションの結果(放射特性)を示すグラフGraph showing the radiation simulation results (radiation characteristics) 同放射シミュレーションの結果(放射特性)を示すグラフGraph showing the radiation simulation results (radiation characteristics) 実施例2の放射シミュレーションにおける配線図Wiring diagram in radiation simulation of Example 2 実施例2の放射シミュレーションにおける配線図Wiring diagram in radiation simulation of Example 2 同放射シミュレーションの結果(放射特性)を示すグラフGraph showing the radiation simulation results (radiation characteristics) 同放射シミュレーションの結果(放射特性)を示すグラフGraph showing the radiation simulation results (radiation characteristics) 実施例3のアレーアンテナ120の配線図Wiring diagram of array antenna 120 of the third embodiment 実施例4のアレーアンテナ200の斜視図および断面図The perspective view and sectional drawing of the array antenna 200 of Example 4. FIG. アレーアンテナ200の本体10の平面図Plan view of main body 10 of array antenna 200 アレーアンテナ200の放射シミュレーションの結果を示すグラフGraph showing the result of radiation simulation of array antenna 200 アレーアンテナ200の比較例の本体10′の平面図A plan view of a main body 10 'of a comparative example of the array antenna 200 同比較例に係わる放射シミュレーションの結果を示すグラフGraph showing radiation simulation results for the comparative example 実施例5のアレーアンテナ210の斜視図The perspective view of the array antenna 210 of Example 5. FIG. アレーアンテナ210の放射シミュレーションの結果を示すグラフGraph showing the result of radiation simulation of array antenna 210 従来のストリップアレーアンテナの構造と動作を示す斜視図A perspective view showing the structure and operation of a conventional strip array antenna EBG構造の反射体を持つ従来のビーム走査アンテナの平面図Plan view of a conventional beam scanning antenna having a reflector having an EBG structure 同ビーム走査アンテナの構造と動作を示す側面図Side view showing the structure and operation of the beam scanning antenna

符号の説明Explanation of symbols

100 : アレーアンテナ
11 : 主線路
12 : スタブ
13 : 液晶
14 : ストリップ線路
15 : 誘電体基板
16 : 接地板
G1 : ギャップ
VA : ビア
U : 単位パターン
100: Array antenna 11: Main line 12: Stub 13: Liquid crystal 14: Strip line 15: Dielectric substrate 16: Ground plate G1: Gap VA: Via U: Unit pattern

Claims (7)

平面状の導体から成る同一または類似の単位パターンを誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、
与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、
前記誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と
を有し、
前記単位パターンは、
伝送線路と、
前記伝送線路を途中で分断するギャップと、
前記伝送線路から枝分かれするスタブと
を有し、
前記誘電率可変部材は、
前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置されており、
前記誘電体基板は、
前記裏面に前記接地板から独立した島状に形成された中継接続部と、前記スタブとを電気的に接続するビアを有し、
前記電界設定手段は、
前記中継接続部に与える直流電位を可変制御することにより前記電界を可変制御する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
A strip line formed by arranging a plurality of identical or similar unit patterns made of planar conductors in a predetermined direction on the front side of a dielectric substrate, and a ground plate made of a conductor formed on the back surface of the dielectric substrate In an array antenna having
A dielectric constant variable member whose dielectric constant changes according to a given electric field;
Electric field setting means for applying an electric field to the dielectric constant variable member,
The unit pattern is
A transmission line;
A gap for dividing the transmission line in the middle;
A stub branching from the transmission line,
The dielectric constant variable member is:
Arranged close to the gap or the stub,
The dielectric substrate is
A relay connection portion formed in an island shape independent of the ground plate on the back surface, and a via for electrically connecting the stub;
The electric field setting means includes
An array antenna, wherein the electric field is variably controlled by variably controlling a DC potential applied to the relay connection portion.
前記誘電率可変部材は、
液晶または強誘電体から構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載のアレーアンテナ。
The dielectric constant variable member is:
2. The array antenna according to claim 1, wherein the array antenna is made of a liquid crystal or a ferroelectric.
前記電界設定手段は、
前記単位パターン毎にそれぞれ個別に設けられており、
前記直流電位の可変制御を前記単位パターン毎にそれぞれ独立に実行する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のアレーアンテナ。
The electric field setting means includes
Each unit pattern is provided individually,
The array antenna according to claim 1 or 2, wherein the variable control of the DC potential is performed independently for each unit pattern.
前記中継接続部と前記接地板とは、
高周波に対して容量を介してショートされている
ことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載のアレーアンテナ。
The relay connection portion and the ground plate are:
4. The array antenna according to claim 1, wherein the array antenna is short-circuited via a capacitor with respect to a high frequency.
平面状の導体から成る同一または類似の単位パターンを誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、
誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、前記ストリップ線路からの高さhが変動可能な可動部材と、
前記可動部材に対して機械的に作用して前記可動部材の前記高さhを変化させるアクチュエータと
を有し、
前記単位パターンは、
伝送線路と、
前記伝送線路を途中で分断するギャップと、
前記伝送線路から枝分かれするスタブと
を有し、
前記可動部材は、
前記ストリップ線路または前記単位パターンに対して接近して、前記ストリップ線路または前記単位パターンを覆う様に配設されており、
前記誘電体基板は、
前記スタブと前記接地板とを高周波に対してショートさせるビアを有する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
A strip line formed by arranging a plurality of identical or similar unit patterns made of planar conductors in a predetermined direction on the front side of a dielectric substrate, and a ground plate made of a conductor formed on the back surface of the dielectric substrate In an array antenna having
A movable member made of at least one of a dielectric, a magnetic material, a metal conductor, or a composite thereof, and a height h from the stripline that can be varied;
An actuator that mechanically acts on the movable member to change the height h of the movable member;
The unit pattern is
A transmission line;
A gap for dividing the transmission line in the middle;
A stub branching from the transmission line,
The movable member is
Close to the strip line or the unit pattern, and disposed so as to cover the strip line or the unit pattern,
The dielectric substrate is
An array antenna comprising a via for short-circuiting the stub and the ground plate with respect to a high frequency.
前記アクチュエータと前記可動部材は、
前記単位パターン毎にそれぞれ個別に設けられ、
前記高さhに関する可変制御は、
前記単位パターン毎にそれぞれ独立に実行される
ことを特徴とする請求項5に記載のアレーアンテナ。
The actuator and the movable member are:
Provided individually for each unit pattern,
The variable control related to the height h is
The array antenna according to claim 5, wherein the array antenna is executed independently for each unit pattern.
前記ビアと前記接地板とは、
前記裏面側において容量を介して、高周波に対してショートされている
ことを特徴とする請求項5または請求項6に記載のアレーアンテナ。
The via and the ground plate are
The array antenna according to claim 5 or 6, wherein the rear surface side is short-circuited to a high frequency via a capacitor.
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