JP2004531176A - 位相配列アンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の放射素子を有し、特にマイクロ波周波数レンジ用に設計された、小型化された位相配列アンテナに関する。このアンテナは、特に、放射素子（１０ｘｙ）の各々が、アレイでのそれらの位置に基づいて配列され、所望のアンテナ特性に対して決定されたアンテナ上の電流分布を実現することを特徴とする。これにより、アンテナの効率を感知できるほど低減させずに、非常に強く小型化されたアンテナの実現が可能となる。

Description

【０００１】
本発明は、複数の個別の放射素子を備え、特にマイクロ波レンジで用いられる位相配列アンテナ（ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ）に関する。
【０００２】
無線ネットワークにおいて複数の配置及び装置を無線相互接続することは、通信業界において重要な技術となっており、最近では家庭用電化製品用としても益々重要なものとなっている。この一例は、例えば、既知のブルートゥース規格である。ワイヤレス無線ネットワーク相互接続は、ケーブル・ネットワークを越える複数の利点を提供する。特に、より高い移動性と、よりシンプルな敷設が利点である。しかし、欠点は、ガラス・ファイバ・ケーブル・ネットワークと比較して相対的に低いデータ・レートしか今のところ実現できていない点である。
【０００３】
無線ネットワークを最適に利用するために、例えば、ＴＤＭＡ（時分割多重アクセス）、ＦＤＭＡ（周波数分割多重アクセス）、及び、ＣＤＭＡ（符号分割多重アクセス）などの特殊なアクセス方法が開発され、商業セルラ無線ネットワークにおいて既に確立されている。これらアクセス方法は、送信信号の周波数又は信号のタイム・シーケンスを変調パラメータとして用いる。これより更に先を行く方法：ＳＤＭＡ（空間分割多重アクセス）は、送信信号の空間特性を追加的変調パラメータとして用いる。この方法では伝送の信号対雑音比をかなり向上させることができるため、対応する無線ネットワークにおいて全体としてより高速なデータレートを実現することができる。加えて、指向性放射により、送信電力を下げること又は有効レンジを増やすことができる。
【０００４】
しかし、この変調方法を実現する必須前提条件は、空間指向性放射が可能なアンテナを用意することである。さらに、これらアンテナは、例えば携帯電話などの携帯装置への内蔵を可能にするために、できるかぎり小さくしなければならない。
【０００５】
指向性を実現するために、いわゆる位相配列アンテナがしばしば用いられる。このようなアンテナは、ほぼ規則的に配列された放射素子から成る。放射素子における電流の振幅及び位相は、適切な電源供給ネットワークを用いて、調整することができる。アンテナの所望の指向性特性は、これらパラメータの対応する選択を通じて、達成される。実際、所望される程度に高い直線性効果を生成することは理論的にはできるが、現実の実現においては限界がある。長さＬの線形位相配列アンテナについては、ほぼＬ／λの指向性を実現することができ、表面積Ａを有するこの種の平面アンテナはについては、ほぼＡ／λ^２オーダーの指向性を実現することができる。ここで、λは真空における波長である。
【０００６】
所定のサイズに対してより高い指向性を実現するためには、又は、所定の指向性に対してアンテナの小型化を実現するためには、放射素子において比較的高い電流強さが必要である。これに伴う高オーム損失は、このようなアンテナのオペレーションを非常に非効率にする。
【０００７】
指向性を向上させる別の可能性がＷＯ９９／１７３９６に記載されている。この文献は、個々の放射素子が例えば半球面などの曲面上に配列された、衛星と通信する位相配列アンテナについて開示している。しかし、このような表面を用いて得られた指向性は、比較的小さい。加えて、これらアンテナの製造は、比較的高価である。
【０００８】
したがって、本発明は、冒頭段落に記載した種類の位相配列アンテナであって、所望の放射方向に実質的により高いアンテナ利得を実現できる位相配列アンテナを提供することをその目的とする。
【０００９】
さらに、特に無線ネットワークにおいて複数の配置及び装置をシンプルな方法で無線相互接続することを可能にする位相配列アンテナが提供される。
【００１０】
最後に、例えば携帯電話などの携帯装置に内蔵できるように可能な限り小さくされた位相配列アンテナが提供される。
【００１１】
この目的は、冒頭段落に記載した種類の位相配列アンテナであって、請求項１に係り、放射素子の各々が、アレイでのそれらの位置に基づいて配列され、所望のアンテナ特性に対して決定されたアンテナにおける電流分布を実現する、ことを特徴とする位相配列アンテナによって達成される。
【００１２】
これは、位相配列アンテナにおける常として個々の放射素子における電流の振幅及び位相を調整できるだけでなく、アンテナ特性を最適化するパラメータとしてこれら電流の方向を用いることができる。
【００１３】
そのとき、放射素子は、例えば、縦寸法が揃えられたストリップ導体であってもよく、或いは、電源供給ネットワークによって放射素子内に電気的に接合された、例えば行に並べられた、複数の個別の点状の放射源から構成されてもよい。
【００１４】
この解決策特有の利点は、このようなアンテナは、その効率を実質的に落とすことなく、非常に強く小型化できることである。また、このようなアンテナは、小さい寸法と相まったその良好な指向性のおかげで、無線ネットワークにおいて複数の配置及び装置を無線相互接続するのに用いることもできる。
【００１５】
従属項は、本発明の別の有益的な実施形態に関する。
【００１６】
請求項２に定義された実施形態は、アンテナにおけるオーム損失を考慮しながら、所定の空間方向におけるアンテナ利得を最大にする。
【００１７】
請求項３、４、及び５に定義された実施形態は、比較的シンプル且つ集積的な方法で製造することができる。一方、請求項６は、有益的な寸法決めに関する。
【００１８】
最後に、請求項７の実施形態は、特に、あらゆる所望のアンテナ特性の実現を可能にする。
【００１９】
本発明の別の詳細、特性、及び、利点は、図面を参照して与えられる好ましい実施形態の確かな説明から明らかとなる。
【００２０】
図１は、誘電体基材１によって形成されたアンテナの一実施形態を示す。この基材は、該基材の少なくとも一側面上に個々の放射素子の列１０を有する。基材１の形状は、あらゆる所望の形状でよく、それが組み込まれる構造に従って選択される。
【００２１】
図２は、列（アレイ）１０を倍尺で示す。この列は、１０×１０の個別の略長方形の放射素子１０ｘｙ（１≦ｘ≦１０；１≦ｙ≦１０）の２次元の略正方形の配置によって形成される。各列は、略λ／２のエッジ長を有する。これら放射素子の導電率は、実質的に、銅のそれと一致する。
【００２２】
各放射素子は、例えば、ダイポール又はストリップ導体などの既知の方法で形成される。各個別の放射素子１０ｘｙのｘ／ｙ平面での向きも、この図から明らかである。電流は長方形である放射素子の長辺に平行に流れるため、各放射素子は、列内での位置に依存した自身の地理的方向性のため、電流の流れる方向を決定し、よってアンテナ面上での電流分布を決定する。この配置は、アンテナに供給するための通常の電源供給ネットワークを用いることができるという利点を有する。加えて、この電源供給ネットワークを用いると、個々の放射素子の振幅及び位相を既知の方法で調整できる。
【００２３】
別の方法として、個別の放射素子は、例えば、約λ／４０×λ／４０、などの寸法の略等しい辺長を有してもよい。
【００２４】
図３は、約１ＧＨｚの作動周波数用に設計された２次元アンテナ・アレイ用の放射素子１０ｘｙを象徴的に示す。図３では、電流方向が矢印の向きによって表され、電流密度振幅が個々の矢印の長さによって表されている。この図から明らかなように、電流密度振幅は、アレイのエッジに位置する放射素子において、特に高い。
【００２５】
したがって、本発明に係る位相配列アンテナの基本的な特徴は、個別の放射素子における電流の振幅及び位相だけでなく、電流の向きが定義されること、よって、アンテナ全体にわたる電流分布が明確に調整されること、である。これは、所定のアンテナ・サイズに対して、すなわちアンテナのサイズを変えずに、効率の大幅な増加を実現する。驚いたことに、本発明に係るアンテナは、高指向性であるだけでなく、非常に小さい寸法で効率的に作動可能であることが分かった。ゆえに、付随する高効率のために今までに比類ない程度にまで指向性アンテナを小型化することができる。
【００２６】
放射素子は、アンテナにおけるオーム損失を考慮しながら、定義可能な空間方向におけるアンテナ利得が最大となるようなアンテナ上の電流分布が実現されるように、それらの電流方向が並べられる。ここで、アンテナ利得とは、放射された全出力とオーム出力損失の合計に対する所望方向に放射された出力の比として定義される。
【００２７】
放射素子における電流の方向、引いてはアンテナ構造における電流分布、の決定は以下の特定の検討に基づく。ここで、有限アンテナ容量Ｖ、及び、所定の観測方向
【００２８】
【数１】

を想定する。このアンテナ容量Ｖにおける電流密度ベクトル場が探索され、いずれのベクトルが所望の観測方向においてアンテナに供給された出力全体に対して最大の放射、すなわちこの方向における最大利得、を導くかが探される。以下のテキストにおいて、
【００２９】
【数２】

は方向
【００３０】
【数３】

に放射された出力を示し、
【００３１】
【数４】

は
【００３２】
【数５】

と定義される全放射出力を示し、
【００３３】
【数６】

はオーム出力損失を示す。ここでパラメータσは導電率を示す。
【００３４】
利得
【００３５】
【数７】

を電流密度ベクトル場の関数として最大化すると、フレドホルム（Ｆｒｅｄｈｏｌｍ）タイプの以下の積分式が導かれる。
【００３６】
【数８】

ここで、パラメータζは、３次元であって、ζ＝４πｃ／ω^２μσに基づき、積分コアは、
【００３７】
【数９】

と定義される。ここで、
【００３８】
【数１０】

である。
【００３９】
この積分式を解くと、所定のアンテナ容量Ｖについて、所定の空間方向
【００４０】
【数１１】

において、利得を最大化する、アンテナ構造上の電流分布が得られる。
【００４１】
加えて、注意すべきは、上記積分式自体は、一般的に、電流が流れる表面が比較的シンプルな場合（例えば球面の場合）にのみ、正確に解くことができるものである。したがって、他の多くの場合、最終的には連続電流分布の決定という無限次元問題を有限次元問題へ低減する近似処理に頼らざるを得ない。上記ケースにおいて上記目的のために行われる近似は、個々の放射素子における電流密度が一定であるものと仮定する。しかし、放射素子の空間依存度をより正確に計算し、考慮することが可能である。特定のケースにおいて個々の放射素子における一定電流密度の近似が十分でない場合、個々の電流密度に対してフーリエ展開を実施し、特定のオーダーで断絶させてもよい。
【００４２】
空間配列された放射素子列を有する図２に示すアンテナの実施形態において、電流密度振幅及び位相は、適切な電源供給ネットワークによって、個々の放射素子について調整される。個々の放射素子の空間配列並びにその電流密度振幅及び位相は、上記数式によって決定され、所望の方向において最大利得を得るという観点から最適な電流密度を決定する。ここで、個々のアンテナ・アレイ素子の空間配列は、効率を保ったまま、更なる小型化を可能することが必須である。
【００４３】
結果として得られる放射素子の配列並びにその電流密度振幅及び位相の特徴は、放射素子は同じ位相で励起され、アレイ平面に垂直な対称方向（ｚ軸）において利得を最大化する処理のために、アレイ平面（ｘ／ｙ平面）内のみで空間配列される、という事実である。これは、誘電基材１の一平面上を金属化することを通じて、アレイの製造を簡素化する。さらに、放射素子に生じる最適な励起にとって、比較的高い電流密度振幅がアレイ領域のエッジにおいて発生するのはよくあることである。
【００４４】
加えて、十分に高い誘電透過性を有する誘電基材上に放射素子を設けることによって、個々の放射素子の共振長さを短くすることができるため、適切な電源供給ネットワークを用いてアレイを共振励起させることが可能である。
【００４５】
図４は、図２に示す空間配列を有するアンテナを用いて、個々の放射素子を励起させて測定されたｚ平面における利得の指向性極座標図を示す。ここで、外側の円は、利得を１／１０スケールで示す。
【００４６】
利得は、アレイに垂直な方向（ｚ平面）において、この配列及び上記電流密度振幅を用いて、最大化される。ここでは、効率９６％で、最大利得Ｇ＝８．６、指向性Ｄ＝８．９、が実現された。式Ｄ＝８．８３×面積／λ^２に従って計算された、同じエッジ長で、同じ励起の２次元アレイの指向性Ｄと比較すると、本発明に係るアンテナでは指向性に４倍を越える向上が見られた。
【００４７】
図面から明らかなように、最大利得の放射は、０°方向及び１８０°方向、すなわち（＋ｚ）方向及び（−ｚ）方向で発生する。しかし、ｘ／ｙ平面に例えばλ／４離して２次元アレイに平行に反射板を設置すると、実質的に一空間方向のみにおいて最大利得の放射を実現することができる。
【００４８】
最大アンテナ利得が別の方向（放射素子平面にかならずしも垂直でなくてもよい、すなわちｚ平面でなくてもよい）で望まれる場合、個々の放射素子の適切な励起は、ｘ／ｙ平面にかならずしも限定されない放射素子の位相及び空間配列を変えて、上記方法により計算することができる。このようにすれば、適切な配列及び位相の選択により、好ましい方向における指向性放射を反射板無しでも実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明に係るアンテナの概略全体図である。
【図２】このようなアンテナの放射素子の空間配置及び配列を示す図である。
【図３】放射素子における電流方向及び電流密度振幅を示す図である。
【図４】図２に示すアンテナの指向性図である。

Claims (7)

1. 複数の放射素子を有する位相配列アンテナであって、
   前記放射素子の各々は、アレイでのそれらの位置に基づいて配列され、所望のアンテナ特性に対して決定されたアンテナにおける電流分布を実現する、ことを特徴とする位相配列アンテナ。
2. 請求項１記載の位相配列アンテナであって、
   前記放射素子の各々は、所望の方向に放射された出力の全放射出力とオーム出力損失の合計に対する比として定義されたアンテナ利得が最大となるように配列される、ことを特徴とする位相配列アンテナ。
3. 請求項１記載の位相配列アンテナであって、
   前記放射素子は、誘電基材に設けられ、共振励起が可能である、ことを特徴とする位相配列アンテナ。
4. 請求項３記載の位相配列アンテナであって、
   前記誘電基材は、所望のアンテナ特性を得るために前記放射素子が設けられた曲面を有する、ことを特徴とする位相配列アンテナ。
5. 請求項３記載の位相配列アンテナであって、
   前記放射素子の各々はマイクストリップ導体によって形成される、ことを特徴とする位相配列アンテナ。
6. 請求項３記載の位相配列アンテナであって、
   前記個別の放射素子のアレイは、一辺の長さが約λ／２の略正方形の形状をしており、
   前記放射素子の各々は、約λ／４０×λ／４０の寸法を有する、ことを特徴とする位相配列アンテナ。
7. 請求項１記載の位相配列アンテナであって、
   所望のアンテナ特性について決定された前記アンテナ上での電流分布が更なる向上が可能なように、前記放射素子を前記アレイの個々の放射素子の位置に基づいて異なる振幅及び位相を有する電流で駆動する電源供給ネットワークを更に有する、ことを特徴とする位相配列アンテナ。