JP2002094319A

JP2002094319A - アレーアンテナ

Info

Publication number: JP2002094319A
Application number: JP2000280758A
Authority: JP
Inventors: Naoki Honma; 尚樹本間; Tamami Maruyama; 珠美丸山; Toshikazu Hori; 俊和堀
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2002-03-29
Anticipated expiration: 2020-09-14
Also published as: JP4118010B2

Abstract

(57)【要約】【課題】素子個別に位相制御をする必要がなく、また
位相制御の操作に部品の着脱や交換の作業を省いた、二
次元的にビーム制御可能なアレーアンテナを実現する。【解決手段】１つ以上の分岐点を有する給電線路
（５）と、前記各給電線路（５）と接続されるアンテナ
素子（１）と、分岐した２つ以上の前記給電線路（５）
の一部または全てを覆う誘電体（７）を平面回路上に具
備し、前記誘電体（７）を可動及び着脱することによっ
て、前記誘電体（７）の覆う前記複数の給電線路（５）
の長さを可変するアレーアンテナを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はビームステアリング
可能なアレーアンテナに関し、特に平面回路により構成
される給電線路上に取り付ける簡易な構造の誘電体移相
器を用いたアレーアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、アレーアンテナでビームをステア
リングするためには、各ＭＳＡ素子毎に可変移相器を取
り付けおり、また、前記各移相器のシフト量を適度に調
整することによって所望のビーム角度を得ている。特に
平面アレーアンテナの場合、アンテナと一体で作成可能
な給電部である平面回路上に移相器を取り付ける方法が
一般的である。

【０００３】平面回路に用いられる移相器は、シフト量
が固定の移相器とシフト量を制御できる可変型移相器と
がある。前記シフト量固定の移相器は、所望の遅延を与
えるよう平面回路にプリントされる線路に冗長な部分を
備え、その冗長部の線路長に応じた伝送遅延を与えるこ
とができる。

【０００４】一方、可変型移相器は数多くあるが、第１
の例としてＰＩＮダイオード移相器がある。このＰＩＮ
ダイオード移相器は、重量、寸法も小さく安価である。
第二の例として、伝送線路に電圧制御可能な誘電体を回
路構成する基板として用いる方法があり（特開平７−７
３０３号公報）、また、誘電体基板に液晶を用いて同様
の効果を得るという報告（九鬼、藤掛、曾山、野本、
「液晶を用いたマイクロ波可変遅延線」、９９年信学ソ
サイエティ大会、Ｃ−２−６３、ｐ−９２．参照）もな
されている。さらに、第三の例として、複数の線路上に
誘電体を配した可変型移相器（特願２０００−１３２７
８号公報）がある。これは誘電体基板上に構成された平
行な線路の上に、三角形状の誘電体を取り付けて線路に
位相差を与える誘電体移相器を実現している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、平面回
路に予め位相差を組み込んだシフト量固定の移相器にお
いては、位相を変化させるときに、新しく回路を構成す
ることが必要になるため、アレーアンテナのビームを制
御（ステアリング）することができない。また、シフト
量を制御できる可変型移相器の第１の例として挙げたＰ
ＩＮダイオード移相器は、挿入損失が大きいため、増幅
器を付加する必要があり、回路は複雑になるという問題
がある。さらに、可変型移相器の第二の例として挙げた
電圧制御可能な誘電体を回路基板として用いる方法で
は、伝送線路を電圧制御可能な特殊な基板上に構成する
必要があり、構造が複雑になるという問題がある。ま
た、第三の例として挙げた可変型移相器では、位相調整
のためには、主に誘電体の着脱や交換が必要となり、調
整のためには多くの形状の誘電体を予め用意する必要が
ある。また、上記に挙げている構造をアレーアンテナに
適用した場合、一次元的なビーム制御しかできない。

【０００６】本発明は、各ＭＳＡ素子個別に位相制御を
する必要がなく、また位相制御の操作に部品の着脱や交
換の作業を省いた、二次元的にビーム制御（ステアリン
グ）可能なアレーアンテナを実現するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、少なく
とも１つ以上の分岐点を具備する給電線路と、前記各給
電線路と接続されるアンテナ素子と、分岐した２つ以上
の前記給電線路の一部または全てを覆う誘電体を平面回
路上に具備し、前記誘電体を可動及び着脱する手段によ
って、前記誘電体が覆う前記複数の給電線路の長さを可
変にすることを特徴とする。

【０００８】また、前記給電線路が１つ以上の分岐点を
具備する放射状の平面回路で、前記誘電体板が放射状に
分岐した２つ以上の給電線路の一部または全てを覆うこ
とを特徴とし、また、前記誘電体が円板状で、前記放射
状の給電線路の中心点が前記誘電体の円内に入る範囲で
前記給電線路面を前記誘電体が移動することを特徴とす
る。

【０００９】また、前記誘電体を前記給電線路が互いに
接続される点を中心として回転させることにより、前記
各給電線路を覆う長さを可変とすることを特徴とし、ま
た、前記誘電体は板状で、ある方向にアンテナビームを
向けるのに必要な遅延量によって予め定められた長さで
前記給電線路を覆う形状であることを特徴とする。

【００１０】また、前記給電線路の放射状方向へ、前記
誘電体の縁の厚さがテーパ状に加工されていることを特
徴とし、また、前記誘電体が円弧状の誘電体板であっ
て、１つまたは２つ以上の円弧状誘電体板を円弧の中心
を支点として回転させることにより、前記誘電体板の各
給電線路を覆う長さを可変とすることを特徴とする。

【００１１】また、前記２つ以上に分岐した放射状の給
電線路が、蛇行していることを特徴とし、また、前記分
岐した２つ以上の線路に特定の遅延を与え、前記誘電体
の場所によって厚みもしくは誘電率に変化をつけた誘電
体板であって、前記給電線路の遅延量制御を、前記誘電
体板の可動及び着脱により行うことを特徴としている。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態を図１を
用いて説明する。

【００１３】図１（ａ）は、本アンテナの上面図、図１
（ｂ）は、本アンテナの側面図、図１（ｃ）は、本アン
テナの下面図である。図１（ａ）に示すように、誘電体
基板２には、ＭＳＡ（マイクロストリップアンテナ）素
子１がプリントされている。また、図１（ｂ）に示すよ
うに、前記誘電体基板２と誘電体基板６との間には、地
板導体３が形成され、この地板導体３に形成されたスロ
ット４を有している。また、給電線路５がプリントされ
た前記誘電体基板６上には、移動可能な円盤状の誘電体
板７が密着するように配置されている。前記ＭＳＡ素子
１は、前記給電線路５よりスロット４を介して給電され
るようになっているスロット結合型ＭＳＡ素子である。
また、図１（ｃ）に示すように、給電線路５は、前記誘
電体基板６の中心より放射状に形成され、６０゜の間隔
で均等に給電線路５が配置されている。また、図１
（ｂ）に示すように、前記誘電体板７は前記誘電体基板
６に密着させて配置される。さらに、給電線路５の放射
状の中心点が、前記誘電体板７の円内に入る範囲で、給
電線路面に沿って誘電体板７を移動させることができ
る。前記誘電体板７を誘電体基板６の中央に配置する場
合は、各ＭＳＡ素子１に同じ位相で給電されるが、誘電
体板７を任意の方向に移動した場合、各線路毎に誘電体
板７と交差する線路長が異なるために、各ＭＳＡ素子１
に異なる位相で給電されることになる。

【００１４】また、ビームの方向の制御可能な最大角度
は、前記誘電体板７の円の中心が、給電線路５の放射状
の中心と最も離れた場合に得られる角度（ビーム角度）
である。ＭＳＡ素子１の面の法線から、前述の最大角度
離れた範囲の円内で本平面アレーアンテナのビームステ
アリング（ビーム制御）が実現される。

【００１５】次に図２（ａ）は、図１のアンテナ構造に
おけるビーム形状を計算した結果をグラフにした図であ
り、図２（ｂ）は、誘電体基板６の中心からの移動量を
Δｘとしたときの誘電体板の図である。ここでは、例え
ば、誘電体基板６と誘電体板７は厚さ共に１．６ｍのも
のを用いており、前記誘電体板７全体を貫いている給電
経路５の長さは６０ｍｍ、誘電体板７の直径は３０ｍｍ
である。

【００１６】図２（ａ）では、誘電体板７の誘電率ε₂
＝１０の時に最大約４°、ε₂＝２０の時に最大約６°
の角度で指向性を変化させることができることを示して
いる。また、本平面アレーアンテナは、アンテナ面の法
線から前記の最大角度の範囲内で自由にビームの方向を
変えることができ、簡易な構造で容易にビームステアリ
ング可能なアンテナを実現することができる。

【００１７】次に、本発明の第２の実施形態を図３を用
いて説明する。第２の実施の形態は、誘電体板の形状が
第１の実施形態と相違している。また、図中において、
同一部分は、第１の実施形態と同一符号を付してその説
明を省略し、第３の実施形態以降においても同様であ
る。

【００１８】図３に示すように、７０１は回転可能な板
状の誘電体板であり、各ＭＳＡ素子にビームを傾けるの
に必要な遅延量を与えるために、その与える遅延量によ
って予め定められた長さで給電線路５を覆う形状となっ
ている。また、前記誘電体板７０１を給電線路５が互い
に接続される点を中心として回転させることによって、
本平面アレーアンテナのビームの方向は、アンテナ面の
法線方向と一定の角度を保ちながら連続的に変化する。
誘電体板の詳細な構造を図３（ｂ）に示す。誘電体の回
転中心を原点とし、φはxy平面におけるx軸からの角
度、r(φ)は原点からの誘電体縁までの距離で、本図形
の原点からの最短距離をr0、最長の距離を(r0+r1)とす
ると、図形の形状は次のように規定される。

【００１９】r(φ)=r1(1+cosφ)+r0 このアンテナは、最適な位相差をＭＳＡ素子に与えるこ
とが可能なため、指向性制御による利得の低下を最低限
に抑えることができる。また、ビームの方向の制御はア
ンテナ面の法線と一定角を保った条件内でのみ可能であ
る。

【００２０】次に、本発明の第３の実施形態を図４を用
いて説明する。まず、給電線路５が誘電体基板６の中心
より放射状に形成され、図４に示すように、６０°の間
隔で均等に線路が構成されている。回転可能な板状の誘
電体板７０２は、ある方向にビームを向けるのに必要な
遅延を与えるために、その与える遅延量によって予め定
められた長さで給電線路を覆う形状をとっている。誘電
体板７０２を前記給電線路５が互いに接続される点を中
心として回転させることによって、本平面アレーアンテ
ナのビームの方向を制御する。また、上述の第２の実施
形態では、アンテナ面の法線と一定角を保った円周方向
でのみビーム制御が可能であったが、本実施形態は、図
４のような花状の形状を取ることによって、第２の実施
形態とほぼ同様な操作に加えてアンテナ面の法線との角
度の制御を行うことができる。また、図４の状態から、
誘電体板７０２を右回転させるとビームの方向はアンテ
ナ面法線に近づき、回転角が６０°に達すると再びビー
ムと法線方向の角度が大きくなり、また、誘電体７０２
を回転させた方向に６０°の角度で向きを変える。さら
に６０°ずつ右回転させていくと同様の動作を行う。そ
の結果、第２の実施形態よりも広い自由度でビームを制
御することができる。一方、誘電体７０２の回転方向に
おけるビーム操作の方向は段階的なものとなる。例え
ば、図４の場合は６段階の形態を示している。

【００２１】次に、本発明の第４の実施形態を図５を用
いて説明する。図５に示すように、第４の実施形態で
は、着脱、移動可能な円板状の誘電体板７０３を用い
る。図５（ａ）は、アレーアンテナの側面図であり、前
記円板状の誘電体板７０３の縁には厚みが変化するよう
にテーパがかけられているのがわかる。図５（ｂ）は、
下面図であり、テーパのかかった円板状の誘電体板７０
３が、例えばこの場合は中央に配置されている。このよ
うなテーパを施すことによって、誘電体板７０３の装着
による給電線路５の反射特性の劣化を抑制することが可
能となり、高誘電率の誘電体を用いても反射特性の劣化
が抑制され、位相シフトの効果の大きい高誘電率誘電体
の採用が可能となる。その結果、ビーム制御範囲が広
く、かつ反射特性の改善を図った平面アレーアンテナが
実現できる。

【００２２】次に、本発明の第５の実施形態を図６を用
いて説明する。本実施形態では回転可能な板状の誘電体
板７０４を用いる。図６（ａ）は、アレーアンテナの側
面図であり、前記誘電体板７０４は、各ＭＳＡ素子にビ
ームを傾けるのに必要な位相差を与える形状をとり、か
つ第４の実施形態と同様に縁には厚みが変化するように
テーパがかけてあるのがわかる。図５（ｂ）は、下面図
であり、このような形状にすることによって誘電体板７
０４の装着による給電線路５の反射特性の劣化を抑制す
ることが可能となり、従って、位相制御量を大きくする
ことができる高誘電率の誘電体の採用が可能となる。ま
た、本アンテナは位相制御による利得低下を最低限に抑
制することができるため、高誘電率の誘電体の採用が有
効であり、そのため、他の例よりも広角でビームを制御
することが可能である。一方、誘電体板の操作は原点を
中心に回転させるだけなので、ビームの方向の制御はア
ンテナ面の法線と一定角を保った条件内でのみ可能であ
る。

【００２３】次に、本発明の第６の実施形態を図７を用
いて説明する。本実施形態では円弧状の誘電体板７０５
を用い、６個の円弧状誘電体板７０５を配している。配
置（ａ）では、放射状に分岐した全ての給電線路５と誘
電体板７０５との交差長が等しいため、遅延が均等に与
えられるようになっており、ビームはアンテナ正面方向
に放射される。また、配置（ｂ）では、右側の給電線路
５に最も遅延が大きく左側の線路に対しては遅延を与え
ないようになっており、右側に行くに従って段階的に遅
延を与えることが可能な配置であり、ビームの方向は傾
く。さらに、配置（ｃ）は、配置（ｂ）よりも遅延差を
少なく与えることが可能で、ビームの傾きは小さい。ま
た、配置（ｄ）は、右斜め上方向に遅延を与える配置
で、ビームの傾く方向が（ｂ）や（ｃ）の給電線路５に
そった方向ではなく、２つの線路の中間の方向になる。
また、配置（ａ）〜（ｄ）の誘電体全体を回転させるこ
とによって、さらに多様な方向にビームを向けることが
可能である。

【００２４】本発明の第７の実施形態を図８を用いて説
明する。第７の実施形態では、放射状に構成された蛇行
した給電線路５０１を用いている。これによって、線路
と誘電体の交差長を長く取ることが可能となるので、位
相遅延のシフト量が大きくなる。したがって、ビームス
テアリング（制御）角度を大きくすることが可能とな
る。図９は、図８のアンテナ構造におけるビーム形状を
計算したものをグラフに表した図である。アレーアンテ
ナと誘電体板７の形状は、第１の実施形態に示す構造と
同一であって、説明は省略する。グラフでは、前記誘電
体板７の中心からの移動量Δｘ＝１５ｍｍとし、誘電体
板７の比誘電率ε₂＝２０とし、給電線路５は蛇行によ
って第１の実施形態と比べて２倍の線路長を有する。ま
た、約１２°の角度でアンテナ正面から指向方向が変化
しており、第１の実施形態よりも広い範囲でビームを制
御可能である。本平面アレーアンテナは、アンテナ面の
法線から前記の最大角度の範囲内で自由にビームの方向
を変えることができる。

【００２５】次に、本発明の第８の実施形態を図１０を
用いて説明する。第８の第実施形態では、放射状に構成
された蛇行した給電線路５０１を用いている。着脱、移
動可能な円板状の誘電体板７０３の縁は厚みが変化する
ようにテーパがかけられている。これらによって、ビー
ムステアリング（制御）角度がより大きく、かつ給電線
路５０１の反射特性の劣化を抑制したアンテナを実現す
る。

【００２６】次に、本発明の第９の実施形態を図１１を
用いて説明する。図１１（ａ）に示すように、ＭＳＡ素
子１がプリントされている誘電体基板２の下には、回転
可能であって厚みに連続的な変化を持つ誘電体板７０６
が配置されており、また、図１１（ｂ）に示すように、
前記誘電体板７０６のさらに下には、給電線路５０２が
プリントされている誘電体基板６が配置されている。

【００２７】図１１に示すように、誘電体基板２と誘電
体基板６の間には地板（図示せず）があり、前記ＭＳＡ
素子１は、５０２の給電線路より、地板に設けられたス
ロットを介して給電される、スロット結合型ＭＳＡ素子
である。給電線路５０２は、給電点の中心より、二分岐
による等分配を繰り返し、ＭＳＡ素子１直下のスロット
に達する。また、誘電体板７０６は誘電体基板６に密着
させて配置される。これにより、誘電体板７０６の厚い
部分では給電線路５０２に与えられる遅延が大きくな
り、薄い部分では与えられる遅延が小さくなる。従って
ＭＳＡ素子毎に段階的に遅延が与えられ、それによって
ビームの方向がアンテナ面法線より傾けられる。さら
に、誘電体板７０６を回転させることによって、ビーム
の方向を法線と一定の角度を保ちながら誘電体板と共に
回転させることができる。これによって本平面アレーア
ンテナのビームステアリングを実現できる。

【００２８】

【発明の効果】以上本発明によれば、ＭＳＡ素子個別に
位相制御をする必要の無い、簡易なビームステアリング
可能なアレーアンテナを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る構成説明を示す
図。

【図２】本発明の第１の実施形態に係る平面アレーアン
テナの指向性パターンの変化を示す図。

【図３】本発明の第２の実施形態に係る構成説明を示す
図。

【図４】本発明は第３の実施形態に係る構成説明を示す
図。

【図５】本発明は第４の実施形態に係る構成説明を示す
図。

【図６】本発明の第５の実施形態に係る構成説明を示す
図。

【図７】本発明の第６の実施形態に係る構成説明を示す
図。

【図８】本発明の第７の実施形態に係る構成説明を示す
図。

【図９】本発明の第７の実施形態に係る平面アレーアン
テナの指向性パターンを示す図。

【図１０】本発明は第８の実施形態に係る構成説明を示
す図。

【図１１】本発明は第９の実施形態に係る斜視図。

【符号の説明】

１・・・ＭＳＡ素子、２、６・・・誘電体基板、３・・
・地板、４・・・電磁結合給電用スロット、５・・・給
電線路、７・・・ビームの方向制御用誘電体、５０１、
５０２…給電線路、７０１、７０２、７０３、７０４、
７０５、７０６…誘電体板

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年１１月１６日（２０００．１１．
１６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

フロントページの続き (72)発明者堀俊和東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5J012 GA14 5J021 AA05 AA09 AB06 DB03 FA06 GA02 HA05 HA07 5J045 AA21 AB05 DA10 GA01 HA03 MA07 NA01 5J046 AA07 AA19 AB13 PA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つ以上の分岐点を具備する
給電線路と、前記各給電線路と接続されるアンテナ素子と、分岐した２つ以上の前記給電線路の一部または全てを覆
う誘電体を平面回路上に具備し、前記誘電体を可動及び着脱する手段によって、前記誘電
体が覆う前記複数の給電線路の長さを可変にすることを
特徴とするアレーアンテナ。
【請求項２】前記給電線路が１つ以上の分岐点を具備
する放射状の平面回路で、前記誘電体板が放射状に分岐
した２つ以上の給電線路の一部または全てを覆うことを
特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。
【請求項３】前記誘電体が円板状で、前記放射状の給
電線路の中心点が前記誘電体の円内に入る範囲で前記給
電線路面を前記誘電体が移動することを特徴とする請求
項２に記載のアレーアンテナ。
【請求項４】前記誘電体を前記給電線路が互いに接続
される点を中心として回転させることにより、前記各給
電線路を覆う長さを可変とすることを特徴とする請求項
１または２に記載のアレーアンテナ。
【請求項５】前記誘電体は板状で、ある方向にアンテ
ナビームを向けるのに必要な遅延量によって予め定めら
れた長さで前記給電線路を覆う形状であることを特徴と
する請求項４に記載のアレーアンテナ。
【請求項６】前記給電線路の放射状方向へ、前記誘電
体の縁の厚さがテーパ状に加工されていることを特徴と
する請求項３または４に記載のアレーアンテナ。
【請求項７】前記誘電体が円弧状の誘電体板であっ
て、１つまたは２つ以上の円弧状誘電体板を円弧の中心
を支点として回転させることにより、前記誘電体板の各
給電線路を覆う長さを可変とすることを特徴とする請求
項１または２に記載のアレーアンテナ。
【請求項８】前記２つ以上に分岐した放射状の給電線
路が、蛇行していることを特徴とする請求項２乃至７の
いずれか１に記載のアレーアンテナ。
【請求項９】前記分岐した２つ以上の線路に特定の遅
延を与え、前記誘電体の場所によって厚みもしくは誘電
率に変化をつけた誘電体板であって、前記給電線路の遅
延量制御を、前記誘電体板の可動及び着脱により行うこ
とを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。