JP2006121406A - アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 複数個のパッチアンテナ素子がマトリクス状に配置されるアレイアンテナにおいて、隣接するパッチアンテナ素子の影響を受けて、任意のパッチアンテナ素子の指向特性が乱れるのを防止する。
【解決手段】 誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面上にマトリクス状に設けられる複数個のパッチアンテナ素子と、前記誘電体基板の他方の面上に配置される接地電極と、前記互いに隣接するパッチアンテナ素子の間に配置される導電性の隔壁とを有し、前記隔壁は、前記接地電極と電気的に接続されている。また、前記各パッチアンテナ素子上に配置される複数個の無給電素子と、前記隔壁上に配置されるカバーとを有し、前記複数個の無給電素子は、前記カバー上に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アレイアンテナに係り、特に、アンテナ素子としてパッチアンテナ素子を用いるアダブティブアレイアンテナに関する。

複数個のアンテナ素子をマトリクス状に配置したアレイアンテナの用途の一つに、アダブティブアレイアンテナがある。
このアダブティブアレイアンテナは、アレイアンテナの個々のアンテナ素子に供給する励振電力の位相を異ならせて、電波の放射パターン（あるいは、指向特性）を変化させることができる。
このようなアレイアンテナとして、図９に示すような、パッチアンテナ素子（または、マイクロストリップアンテナ素子）をマトリクス状に配置したものが知られている。
図９は、従来のアレイアンテナの概略構成を示す斜視図であり、同図において、１は誘電体基板、３はパッチアンテナ素子である。
各パッチアンテナ素子３は、λｏ以下の間隔で配置される。なお、λｏは、アレイアンテナの使用中心周波数（ｆｏ）の自由空間波長である。

図１０は、図９に示すアレイアンテナの中の任意のパッチアンテナ素子の電界面指向特性を示すグラフであり、図９に示すＹ−Ｚ面（電界面）の指向特性を示すグラフである。
図１１は、図９に示すアレイアンテナの中の任意のパッチアンテナ素子の磁界面指向特性を示すグラフであり、図９に示すＸ−Ｚ面（磁界面）の指向特性を示すグラフである。
この図１０、図１１は、図９に示すアレイアンテナの中のパッチアンテナ素子３１にのみ励振電力を印加し、他のパッチアンテナ素子は、例えば、５０Ωの抵抗器で終端した場合の指向特性を示すグラフである。
なお、図１０、図１１に示すグラフにおいて、パッチアンテナ素子３の横方向素子配置間隔（後述するｌａ）は、０．５λｏ（ｌａ＝０．５λｏ）、パッチアンテナ素子３の縦方向素子配置間隔（後述するｌｂ）は、０．５λｏ（ｌｂ＝０．５λｏ）である。
図１０に示す指向特性において、０°方向の指向特性が大きく落ち込んでいる。これは、図９に示すアレイアンテナでは、各パッチアンテナ素子３がλｏ以下の間隔で配置されているため、各パッチアンテナ素子３が、隣接するパッチアンテナ素子３の影響を受けるためである。
このように、従来の、複数個のパッチアンテナ素子がマトリクス状に配置されるアレイアンテナでは、隣接するパッチアンテナ素子３の影響を受けて、任意のパッチアンテナ素子の指向特性が、乱れるという問題点があった。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、複数個のパッチアンテナ素子がマトリクス状に配置されるアレイアンテナにおいて、隣接するパッチアンテナ素子の影響を受けて、任意のパッチアンテナ素子の指向特性が乱れるのを防止することが可能となる技術を提供することにある。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
前記課題を解決するために、本発明のアレイアンテナは、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面上にマトリクス状に設けられる複数個のパッチアンテナ素子と、前記誘電体基板の他方の面上に配置される接地電極と、前記互いに隣接するパッチアンテナ素子の間に配置される導電性の隔壁とを有し、前記隔壁は、前記接地電極と電気的に接続されていることを特徴とする。
また、本発明は、前記各パッチアンテナ素子上に配置される複数個の無給電素子と、前記隔壁上に配置されるカバーとを有し、前記複数個の無給電素子は、前記カバー上（カバーの前記パッチアンテナ素子側の面、あるいは、カバーの前記パッチアンテナ素子側の面と反対側の）に配置されていることを特徴とする。
さらに、本発明は、前記誘電体基板の一方の面上で、前記マトリクス状に設けられた複数個のパッチアンテナ素子の周囲に配置される複数個のダミーのパッチアンテナ素子を有することを特徴とする。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明の、複数個のパッチアンテナ素子がマトリクス状に配置されるアレイアンテナによれば、隣接するパッチアンテナ素子の影響を受けて、任意のパッチアンテナ素子の指向特性が乱れるのを防止することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
図１は、本発明の実施例のアレイアンテナの概略構成を示す斜視図である。また、図２は、本実施例のアレイアンテナを正面から見た正面図、図３（ａ）は、本実施例のアレイアンテナの断面構造を示す断面図である。
図１、図２、図３（ａ）において、１は誘電体基板であり、この誘電体基板１の他方の面（例えば、裏面）には、接地電極２が形成される。また、誘電体基板１の一方の面（例えば、表面）には、複数個のパッチアンテナ素子３がマトリクス状に形成される。さらに、各パッチアンテナ素子３上には、無給電素子５が配置される。
なお、図１では、３×３個のパッチアンテナ素子３が形成されている。ここで、図２に示すように、複数個のパッチアンテナ素子３の横方向素子配置間隔（ｌａ）と、縦方向素子配置間隔（ｌｂ）は、下記（１）式のように設定される。
［数１］
０．３λｏ≦ｌａ≦λｏ
０．３λｏ≦ｌｂ≦λｏ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ （１）
ここで、λｏは、アレイアンテナの使用中心周波数（ｆｏ）の自由空間波長である。

これまでの構成は、従来のアレイアンテナと同じであるが、本実施例では、隣接するパッチアンテナ素子３の間には、金属などの導電性材料で構成される隔壁９が設けられる。また、隔壁９は接地電極２に電気的に接続され、基準電位（ＧＮＤ）が印加されている。
ここで、隔壁９とパッチアンテナ素子３との間は、ｌａ／２、ｌｂ／２とされ、即ち、隔壁９は、隣接するパッチアンテナ素子３の中心に配置される。
さらに、隔壁９の高さ（ｌｃ）は、他のパッチアンテナ素子３の影響、目標とするビーム幅により設定されるが、図２（ａ）では、隔壁９の高さ（ｌｃ）は、各パッチアンテナ素子３上に配置される無給電素子５の高さと同一とされている。
このような場合には、図３（ｂ）に示すように、隔壁９上にカバー７を配置し、カバー７のパッチアンテナ素子側の面上で、各パッチアンテナ素子３と対向する領域に、各無給電素子５を設けるようにすればよい。
なお、図３（ｂ）において、カバー７のパッチアンテナ素子側の面と反対側の面上で、各パッチアンテナ素子３と対向する領域に、各無給電素子５を設けるようにしてもよい。

図４は、本実施例のアレイアンテナの中の任意のパッチアンテナ素子の電界面指向特性を示すグラフであり、図１に示すＹ−Ｚ面（電界面）の指向特性を示すグラフである。
図５は、本実施例のアレイアンテナの中の任意のパッチアンテナ素子の磁界面指向特性を示すグラフであり、図１に示すＸ−Ｚ面（磁界面）の指向特性を示すグラフである。
この図１０、図１１は、以下の条件下のときに、図１に示すアレイアンテナの中のパッチアンテナ素子３１にのみ励振電力を印加し、他のパッチアンテナ素子は、例えば、５０Ωの抵抗器で終端した場合の指向特性を示すグラフである。
（１）アレイアンテナの使用中心周波数（ｆｏ）が、２．４５ＧＨｚ（ｆｏ＝２．４５ＧＨｚ）。
（２）パッチアンテナ素子３の横方向素子配置間隔（ｌａ）が、０．５λｏ（ｌａ＝０．５λｏ）。
（３）パッチアンテナ素子３の縦方向素子配置間隔（ｌｂ）が、０．５λｏ（ｌｂ＝０．５λｏ）。
（４）隔壁９の高さ（ｌｃ）は、無給電素子５の高さと同一。

図４に示すように、本実施例では、隔壁９により、隣接するパッチアンテナ素子３の影響が受けにくくなるため、０°方向の指向特性の落ち込みが、図１０に示す指向特性に比して格段に改善されていることが分かる。
また、パッチアンテナ素子３上の無給電素子５を配置したことにより、電界面内の指向特性において、ビーム幅が、１２０°、垂直面内の指向特性において、ビーム幅が、１２０．５°と、一般的なパッチアンテナ素子に比して、広いビームを実現している。
図６は、本実施例のアレイアンテナの周波数特性を示すグラフである。この図６に示す周波数特性は、前述の（１）〜（４）の条件下で測定したときの周波数特性である。
図６に示すように、本実施例では、２．４ＧＨｚから２．５ＧＨｚの間で、ＶＳＷＲが１．５以下となっている。
本実施例では、電界面内の指向特性において、ビーム幅が１２０°、垂直面内の指向特性において、ビーム幅が１２０．５°であり、電界面内指向特性、および垂直面内指向特性のビーム幅が、ほぼ同等であるため、前述の（１）〜（４）の条件下で、円偏波用のアレイアンテナとしたときには、図７に示すように、非常に広角で、軸比特性の優れたアンテナとすることができる。

図８は、本実施例のアレイアンテナの変形例を示す図であり、本実施例のアレイアンテナの変形例を正面から見た正面図である。
図８に示すアレイアンテナは、マトリクス状に設けられた複数個のパッチアンテナ素子３の周囲に、複数個のダミーのパッチアンテナ素子６を設けたものである。
図８では、３×３のマトリクス状に設けられた９個のパッチアンテナ素子３の周囲に、１６個の複数個のダミーのパッチアンテナ素子６が配置されている。
図１に示すアレイアンテナでは、マトリクス状に設けられたパッチアンテナ素子の外側のパッチアンテナ素子３は、その外側にパッチアンテナ素子が配置されない。
そのため、マトリクス状に設けられたパッチアンテナ素子の外側のパッチアンテナ素子３は、マトリクス状に設けられたパッチアンテナ素子の中心のパッチアンテナ素子３と比して、特性が変化する。
しかしながら、図８に示すように、ダミーのパッチアンテナ素子６を配置することにより、マトリクス状に設けられた各パッチアンテナ素子３の左右、上下に、必ずパッチアンテナ素子３が配置されることになるので、マトリクス状に設けられた各パッチアンテナ素子の特性を同一とすることができる。
なお、前述の説明では、パッチアンテナ素子３として、円形状のパッチアンテナ素子３を用いたが、パッチアンテナ素子３は、四角形状であってもよい。
以上説明したように、本実施例では、パッチアンテナ素子３の間に、隔壁の追加するという簡単な構成で、非常の薄型で広いビーム幅を有するアレイアンテナを制作することができるので、アンテナの小型化に有効である。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

本発明の実施例のアレイアンテナの概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例のアレイアンテナを正面から見た正面図である。 本発明の実施例のアレイアンテナの断面構造を示す断面図である。 本発明の実施例のアレイアンテナの中の任意のパッチアンテナ素子の電界面内の指向特性を示すグラフである。 本発明の実施例のアレイアンテナの中の任意のパッチアンテナ素子の垂直面内の指向特性を示すグラフである。 本発明の実施例のアレイアンテナの周波数特性を示すグラフである。 本発明の実施例のアレイアンテナを円偏波用のアレイアンテナとしたときの軸比特性を示すグラフである。 本発明の実施例のアレイアンテナの変形例を正面から見た正面図である。 従来のアレイアンテナの概略構成を示す斜視図である。 図９に示すアレイアンテナの中の任意のパッチアンテナ素子の電界面指向特性を示すグラフである。 図９に示すアレイアンテナの中の任意のパッチアンテナ素子の磁界面指向特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 誘電体基板
２ 接地電極
３，３１ パッチアンテナ素子
５ 無給電素子
６ ダミーのパッチアンテナ素子
７ カバー
９ 隔壁

Claims (4)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の一方の面上にマトリクス状に設けられる複数個のパッチアンテナ素子と、
   前記誘電体基板の他方の面上に配置される接地電極と、
   前記互いに隣接するパッチアンテナ素子の間に配置される導電性の隔壁とを有し、
   前記隔壁は、前記接地電極と電気的に接続されていることを特徴とするアレイアンテナ。
2. 前記各パッチアンテナ素子上に配置される複数個の無給電素子を有することを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ。
3. 前記隔壁上に配置されるカバーを有し、
   前記複数個の無給電素子は、前記カバー上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のアレイアンテナ。
4. 前記誘電体基板の一方の面上で、前記マトリクス状に設けられた複数個のパッチアンテナ素子の周囲に配置される複数個のダミーのパッチアンテナ素子を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のアレイアンテナ。

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