JP2007228353A - ビーム放射方向可変アンテナ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】反射板と、前記反射板と所定の間隔をおいて配置される矩形形状の放射素子と、前記反射板と前記所定の間隔をおいて、前記矩形形状の放射素子の周囲に配置される矩形形状のリング状導体と、前記矩形形状のリング状導体の4つの隅の外側に配置される4個のビーム方向可変素子とを有し、前記各ビーム方向可変素子は、前記矩形形状のリング状導体の各隅を挟んで隣接する2片に沿って形成される第1および第2の導体と、前記第1の導体と前記第2の導体との接続点を、前記反射板に電気的に接続する手段とを有し、前記4個のビーム方向可変素子の中のいずれか1個、または、いずれか2個、あるいは、いずれか3個のビーム方向可変素子の、前記第1の導体と前記第2の導体との接続点を前記反射板に電気的に接続することにより、ビームの放射方向を可変する。
【選択図】図1−1
Description
同図に示すビーム放射方向可変アンテナは、中心にモノポールアンテナ10を配置し、このモノポールアンテナ10を中心に同心円状に、基部にリアクタンス装荷したモノポール素子(11a〜11f)を配置した、所謂、エスパアンテナである。(下記、非特許文献2参照)
このエスパアンテナでは、基部にリアクタンス装荷したモノポール素子(11a〜11f)のリアクタンス量を可変させることにより、図7に示すX−Y面内のビームの放射方向を調整することが可能である。
ACR Research Result 2003 http://www.acr.atr.co.jp/acr/general/report/dept3/ESPAR2002/ESPAR.html
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、低姿勢で、かつ、簡単にビームの放射方向を可変することが可能なビーム放射方向可変アンテナを提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
前述の目的を達成するために、本発明は、反射板と、前記反射板と所定の間隔をおいて配置される放射素子と、前記反射板と前記所定の間隔をおいて、前記放射素子の周囲に配置されるリング状導体と、前記放射素子の中心を通り互いに直交する線を、それぞれ第1および第2の直線とするとき、前記リング状導体における前記第1および第2の直線により分割される部分の外側に配置される4個のビーム方向可変素子とを有し、前記各ビーム方向可変素子は、前記リング状導体の外側に沿って形成される第1および第2の導体と、前記第1の導体と前記第2の導体との接続点を、前記反射板に電気的に接続する手段とを有し、前記ビーム方向可変素子の前記第1の導体と前記第2の導体との接続点を前記反射板に電気的に接続した状態をビーム方向可変素子のオン状態、前記ビーム方向可変素子の前記第1の導体と前記第2の導体との接続点を前記反射板に電気的に接続しない状態をビーム方向可変素子のオフ状態というとき、前記4個のビーム方向可変素子の中のいずれか1個、または、いずれか2個、あるいは、いずれか3個のビーム方向可変素子をオン状態、残りのビーム方向可変素子をオフ状態にして、ビームの放射方向を可変することを特徴とする。
また、本発明では、前記放射素子は、矩形形状の放射素子であり、前記リング状導体は、矩形形状のリング状導体であり、前記各ビーム方向可変素子は、前記矩形形状のリング状導体の4つの隅の外側に配置され、前記各ビーム方向可変素子の第1および第2の導体は、前記矩形形状のリング状導体の各隅を挟んで隣接する2片に沿って形成される。
また、本発明では、前記放射素子は、円形状の放射素子であり、前記リング状導体は、円形状のリング状導体である。
本発明によれば、低姿勢で、かつ、簡単にビームの放射方向を可変することが可能なビーム放射方向可変アンテナを提供することが可能となる。
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。
[実施例1]
図1−1は、本発明の実施例1のビーム放射方向可変アンテナの概略構成を示す斜視図であり、図1−2は、本発明の実施例1のビーム放射方向可変アンテナを上から見た上平面図である。
図1−1,図1−2において、1は反射板、2は、反射板1と所定の間隔をおいて配置される矩形形状のパッチ素子(本願発明の放射素子)、3は、反射板1と所定の間隔をおいて、矩形形状のパッチ素子の周囲に配置される矩形形状のリング状導体、5a〜5dは、矩形形状のリング状導体3の4つの隅の外側に配置される4個のビーム方向可変素子である。なお、図1−2において、反射板1の図示は省略している。
矩形形状のパッチ素子2は、給電導体(あるいは、モノポール素子)7の先端に取り付けられ、矩形形状のパッチ素子2の中心点に励振電力が供給される。
図2に示すように、ビーム方向可変素子(5a〜5d)は、矩形形状のリング状導体3の各隅を挟んで隣接する2片に沿って形成される第1の導体51および第2の導体52と、第1の導体51と第2の導体52との接続点(図2のP点)と、反射板1との間に形成される第3の導体53とを有する。
本実施例では、矩形形状のパッチ素子2の周囲に、矩形形状のリング状導体3を配置し、さらに、矩形形状のリング状導体3の4つの隅の外側に4個のビーム方向可変素子(5a〜5d)を配置し、4個のビーム方向可変素子(5a〜5d)の中のいずれか1個、または、いずれか2個、あるいは、いずれか3個のビーム方向可変素子の第1の導体51と第2の導体52との接続点を、反射板1に電気的に接続し、残りのビーム方向可変素子の第1の導体51と第2の導体52との接続点を、反射板1に電気的に接続しないようにして、ビームの放射方向を可変することを特徴とする。
ビーム方向可変素子の第1の導体51と第2の導体52との接続点を反射板1に電気的に接続すると、矩形形状のリング状導体3における、第1の導体51と第2の導体52との接続点が反射板1に接続されたビーム方向可変素子を外側に有する隅のインピーダンスが低下し電界が集中する。
しかし、集中した電界の位相を変化させなければ、指向性を効果的に変化させることができないが、矩形形状のリング状導体3とビーム方向可変素子との間隔、あるいは、ビーム方向可変素子の第1の導体51および第2の導体52の長さを変化させることで、リアクタンス変化し、発生する電界の位相を調整でき、ビームの放射方向を可変することができる。
この図3−1〜図3−11のグラフは、使用中心周波数を2.4GHz(λo=125mm)とし、下記(イ)〜(ヘ)の条件下で、図1−1、図1−2に示すビーム放射方向可変アンテナを、FDTD法で解析した結果を示すグラフである。
(イ)矩形形状のパッチ素子2の一辺の長さ(Sptch)が、0.06λo(Sptch=0.06λo)
(ロ)矩形形状のリング状導体3の内周の一辺の長さ(Sin)が、0.12λo(Sin=0.12λo)
(ハ)矩形形状のリング状導体3の外周の一辺の長さ(Sout)が、0.24λo(Cout=0.24λo)
(ニ)矩形形状のリング状導体3の幅(W)が、0.06λo(W=0.06λo)
(ホ)矩形形状のパッチ素子2と矩形形状のリング状導体3との間隔(d)が、0.03λo(d=0.03λo)
(ヘ)ビーム方向可変素子(5a〜5d)が配置される矩形形状の一辺の長さ(ST)が、0.28λo(ST=0.28λo)
(ト)ビーム方向可変素子(5a〜5d)の第1の導体51および第2の導体52の長さ(LT)が、0.09λo(LT=0.09λo)
したがって、ビーム方向可変素子(5a〜5d)の第1の導体51および第2の導体52と、矩形形状のリング状導体3の外周との間隔は、0.02λo
(チ)矩形形状のパッチ素子2および矩形形状のリング状導体3と、反射板1との間の間隔(h)が、0.08λo(h=0.08λo)
なお、表1中の5a〜5dは、図1の5a〜5dに示すビーム方向可変素子を表し、また、「0」は、ビーム方向可変素子の第1の導体51と第2の導体52との接続点を反射板1に電気的に接続していない状態(以下、ビーム方向可変素子のオフ態という)、「S」は、ビーム方向可変素子の第1の導体51と第2の導体52との接続点を反射板1に電気的に接続した状態(以下、ビーム方向可変素子のオン態という)を表す。
図3−2は、表1のcase1の場合で、ビーム方向可変素子(5a)がオン、残りのビーム方向可変素子(5b〜5d)がオフ状態の時の指向特性を示す。このcase1では、ビームの放射方向が225°となっている。
図3−3は、表1のcase2の場合で、ビーム方向可変素子(5b)がオン、残りのビーム方向可変素子(5a,5c,5d)がオフ状態の時の指向特性を示す。このcase2では、ビームの放射方向が315°となっている。
図3−4は、表1のcase3の場合で、ビーム方向可変素子(5c)がオン、残りのビーム方向可変素子(5a,5b,5d)がオフ状態の時の指向特性を示す。このcase3では、ビームの放射方向が45°となっている。
図3−5は、表1のcase4の場合で、ビーム方向可変素子(5d)がオン、残りのビーム方向可変素子(5a〜5c)がオフ状態の時の指向特性を示す。このcase4では、ビームの放射方向が135°となっている。
図3−7は、表1のcase6の場合で、ビーム方向可変素子(5a,5d)がオン、残りのビーム方向可変素子(5b,5c)がオフ状態の時の指向特性を示す。このcase6では、case1とcase4の指向特性が合成され、ビームの放射方向が180°となっている。
図3−8は、表1のcase7の場合で、ビーム方向可変素子(5b,5c)がオン、残りのビーム方向可変素子(5a,5d)がオフ状態の時の指向特性を示す。このcase7では、case2とcase3の指向特性が合成され、ビームの放射方向が0°となっている。
図3−9は、表1のcase8の場合で、ビーム方向可変素子(5c,5d)がオン、残りのビーム方向可変素子(5a,5b)がオフ状態の時の指向特性を示す。このcase8では、case3とcase4の指向特性が合成され、ビームの放射方向が90°となっている。
図3−11は、表1のcase10の場合で、ビーム方向可変素子(5b,5c,5d)がオン、残りのビーム方向可変素子(5a)がオフ状態の時の指向特性を示す。このcase10では、case9の場合と同様の指向性が得られる。
このように、4個のビーム方向可変素子(5a〜5d)の中のいずれか1個、または、いずれか2個、あるいは、いずれか3個のビーム方向可変素子をオン、即ち、ビーム方向可変素子の第1の導体51と第2の導体52との接続点を反射板1に電気的に接続し、残りのビーム方向可変素子をオフとすることにより、X−Y面内におけるビームの放射方向を、0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°の方向に可変することが可能である。
なお、本実施例のビーム放射方向可変アンテナにおいて、矩形形状のパッチ素子2と、矩形形状のリング状導体3は、スペーサ(図示せず)により反射板1に固定してもよく、さらに、矩形形状のパッチ素子2と、矩形形状のリング状導体3とを、誘電体基板の一面(あるいは、両面)に形成することも可能であり、この場合には、安価に量産することが可能となる。
なお、前述の(イ)〜(チ)に記載した各部の寸法は一例であって、それ以外の寸法であっても構わない。
例えば、矩形形状のパッチ素子2の一辺の長さ(Sptch)は、0.8×0.06λo≦Sptch≦1.2×0.06λoが好ましい。
同様に、矩形形状のリング状導体3の内周の一辺の長さ(Sin)は、0.8×0.12λo≦Sin≦1.2×0.12λoが好ましく、矩形形状のリング状導体3の外周の一辺の長さ(Sout)は、0.8×0.24λo≦Cout≦1.2×0.24λoが好ましい。)
また、間隔(d)は、0.8×0.03λo≦d≦1.2×0.03λoが好ましい。
また、ビーム方向可変素子(5a〜5d)が配置される矩形形状の一辺の長さ(ST)は、0.8×0.28λo≦ST≦1.2×0.28λoが好ましい。
また、第1の導体51および第2の導体52の長さ(LT)は、0.8×0.09λo≦LT≦1.2×0.09λoが好ましい。
さらに、間隔(h)は、0.8×0.08λo≦h≦1.2×0.08λoが好ましい。
図4−1は、本発明の実施例2のビーム放射方向可変アンテナの概略構成を示す図である。図4−1に示すように、本実施例では、反射板1と、矩形形状のパッチ素子2および矩形形状のリング状導体3との間に、4個の直線状導体(6a〜6d)を配置したことを特徴とする。
図4−2は、図4−1に示す直線状導体を説明するための図である。図4−1、図4−2に示すように、各直線状導体(6a〜6d)は、矩形形状のパッチ素子2の中心点から、矩形形状のパッチ素子2および矩形形状のリング状導体3の各辺を横切るように、放射状に設けられ、さらに、矩形形状のパッチ素子2の中心点側の一端は、反射板1に電気的に接続されている。
前述の実施例1のビーム放射方向可変アンテナにおいて、矩形形状のリング状導体3の周辺の電界分布を変化させると、結果的に、矩形形状のパッチ素子2の入力インピーダンスも影響を受ける。
そこで、本実施例では、反射板1と、矩形形状のパッチ素子2および矩形形状のリング状導体3との間に、4個の直線状導体(6a〜6d)を配置し、矩形形状のパッチ素子2の中心点側の一端を反射板1と電気的に接続することで、矩形形状のパッチ素子2の入力インピーダンスの変化を抑えるようにしたものである。
この図5−1は、使用中心周波数を2.4GHz(λo=125mm)とし、下記(ワ)〜(ヘ)の条件下で、図4に示すビーム放射方向可変アンテナを、FDTD法で解析した結果を示すグラフである。
(ワ)直線状導体(6a〜6d)の長さ(LH)が、0.12λo(LH=0.12λo)
(カ)直線状導体(6a〜6d)の、反射板1に接続される一端と、矩形形状のパッチ素子2の中心点との間隔(dL)が、0.02λo(dL=0.02λo)
(ヨ)直線状導体(6a〜6d)と反射板1との間の間隔(LV1)が、0.04λo(LV1=0.04λo)
また、図5−1のグラフは、下記表2に示す条件下でのVSWRを示す図である。
なお、図5−1において、●は4個の直線状導体(6a〜6d)がない場合のVSWR、▲は4個の直線状導体(6a〜6d)がある場合のVSWRを示す図である。
また、表2には、表2中のcase11〜case18と対応する表1のcase番号を合わせて図示している。
図5−1のグラフから、4個の直線状導体(6a〜6d)を配置することにより、VSWRを2以下にできることが分かる。
この図5−2、図5−3も、前述の(ワ)〜(ヘ)の条件下で、図4に示すビーム放射方向可変アンテナを、FDTD法で解析した結果を示すグラフである。なお、図5−2、図5−3において、Aは、4個の直線状導体(6a〜6d)がある場合、Bは4個の直線状導体(6a〜6d)がない場合の周波数特性を示す
図5−2は、表2のcase11の場合の周波数特性を示す図であり、4個の直線状導体(6a〜6d)がない場合には、VSWRが2.0以下となる比帯域幅は0であるが、4個の直線状導体(6a〜6d)を設けることにより、VSWRが2.0以下となる比帯域幅は18%と、4個の直線状導体(6a〜6d)がない場合に比して広帯域化されていることが分かる。
同様に、図5−3は、表2のcase12の場合の周波数特性を示す図であり、4個の直線状導体(6a〜6d)がない場合には、VSWRが2.0以下となる比帯域幅は0であるが、4個の直線状導体(6a〜6d)を設けることにより、VSWRが2.0以下となる比帯域幅は18%と、4個の直線状導体(6a〜6d)がない場合に比して広帯域化されていることが分かる。
なお、前述の(ワ)〜(ヨ)に記載した各部の寸法は一例であって、それ以外の寸法であっても構わない。例えば、直線状導体(6a〜6d)の長さ(LH)は、0.8×0.12λo≦LH≦1.2×0.12λoが好ましい。
同様に、間隔(dL)は、0.8×0.02λo≦dL≦1.2×0.02λoが好ましい。さらに、間隔(LV1)は、0.8×0.04λo≦LV1≦1.2×0.04λoが好ましい。
図7は、本実施例のビーム放射方向可変アンテナの変形例を示す図であり、放射素子として円形状のパッチ素子2を、また、リング状導体として円形状のリング状導体3を使用したものである。
図7に示すビーム放射方向可変アンテナでは、円形状の放射素子2の中心を通り互いに直交する線を、それぞれ第1の直線(A)および第2の直線(B)とするとき、4個のビーム方向可変素子(5a〜5d)は、円形状のリング状導体3における、第1の直線(A)および第2の直線(B)により分割される部分の外側に配置される。
そして、ビーム方向可変素子(5a〜5d)の第1の導体51と第2の導体52は、円形状のリング状導体3の外側に沿って円弧状に形成される。
この場合には、円形状の放射素子2の中心点から、各ビーム方向可変素子(5a〜5d)の第1の導体51と第2の導体52の接続点とを結ぶ線を、それぞれ第11乃至第14の直線(OP1〜OP4)とするとき、4個の直線状導体(6a〜6d)は、円形状の放射素子2の中心点から、円形状の放射素子2および円形状のリング状導体3における、第11乃至第14の直線(OP1〜OP4)により分割される部分を横切るように設けられる。
以上説明したように、本実施例のビーム放射方向可変アンテナは、低姿勢でありながら、簡単にビームの放射方向を可変することができ、さらに、矩形形状のパッチ素子2の入力インピーダンスの変化を抑えることが可能となる。
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。
2 パッチ素子
3 リング状導体
5a〜5d ビーム方向可変素子
6a〜6d 直線状導体
7 給電導体
10 モノポールアンテナ
11a〜11f モノポール素子
51 第1の導体
52 第2の導体
53 第3の導体
Claims (4)
- 反射板と、
前記反射板と所定の間隔をおいて配置される放射素子と、
前記反射板と前記所定の間隔をおいて、前記放射素子の周囲に配置されるリング状導体と、
前記放射素子の中心を通り互いに直交する線を、それぞれ第1および第2の直線とするとき、前記リング状導体における前記第1および第2の直線により分割される部分の外側に配置される4個のビーム方向可変素子とを有し、
前記各ビーム方向可変素子は、前記リング状導体の外側に沿って形成される第1および第2の導体と、
前記第1の導体と前記第2の導体との接続点を、前記反射板に電気的に接続する手段とを有し、
前記ビーム方向可変素子の前記第1の導体と前記第2の導体との接続点を前記反射板に電気的に接続した状態をビーム方向可変素子のオン状態、前記ビーム方向可変素子の前記第1の導体と前記第2の導体との接続点を前記反射板に電気的に接続しない状態をビーム方向可変素子のオフ状態というとき、前記4個のビーム方向可変素子の中のいずれか1個、または、いずれか2個、あるいは、いずれか3個のビーム方向可変素子をオン状態、残りのビーム方向可変素子をオフ状態にして、ビームの放射方向を可変することを特徴とするビーム放射方向可変アンテナ。 - 前記反射板と、前記放射素子および前記リング状導体との間に配置される4個の直線状導体を有し、
前記放射素子の中心から、前記各ビーム方向可変素子の前記第1の導体と前記第2の導体との接続点とを結ぶ線を、それぞれ第11乃至第14の直線とするとき、前記各直線状導体は、前記放射素子の中心点から、前記放射素子および前記リング状導体における、前記第11ないし第14の直線により分割される部分を横切るように設けられ、
前記放射素子の中心点側の一端は、前記反射板に電気的に接続されることを特徴とする請求項1に記載のビーム放射方向可変アンテナ。 - 前記放射素子は、矩形形状の放射素子であり、
前記リング状導体は、矩形形状のリング状導体であり、
前記各ビーム方向可変素子は、前記矩形形状のリング状導体の4つの隅の外側に配置され、
前記各ビーム方向可変素子の第1および第2の導体は、前記矩形形状のリング状導体の各隅を挟んで隣接する2片に沿って形成されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のビーム放射方向可変アンテナ。 - 前記放射素子は、円形状の放射素子であり、
前記リング状導体は、円形状のリング状導体であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のビーム放射方向可変アンテナ。
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