JP2007243375A

JP2007243375A - アレーアンテナ

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Publication number: JP2007243375A
Application number: JP2006060537A
Authority: JP
Inventors: Kyosuke Mochizuki; 恭介望月; Kazufumi Nishizawa; 一史西澤; Hiroaki Miyashita; 裕章宮下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: JP4650302B2

Abstract

【課題】アレー状態を構築した後にもアレー状態を変えずに容易に誘電体材料またはＥＢＧ構造などを変更でき、所望の周波数においてアンテナ素子間の相互結合を低減できるアレーアンテナを得ること。
【解決手段】第１の誘電体材料で形成した第１の誘電体基板の面上に励振アンテナ素子を設けたアンテナ素子構成部の複数個を地板に配列して設けると共に、前記複数個の励振アンテナ素子構成部の間の前記地板に第２の誘電体材料で形成した第２の誘電体基板を設け、さらに、前記第２の誘電体基板には、その面上に配置したパッチ部を前記地板に導通接続するスルーホール部を有するＥＢＧ構造を設けて平面アレーを形成し、前記第２の誘電体材料の比誘電率と前記第２の誘電体基板の厚みおよび前記ＥＢＧ構造を前記励振アンテナ素子の励振周波数に応じた所定の比誘電率と厚みおよびＥＢＧ構造に設定変更可能にした。
【選択図】図７

Description

本発明は、通信、レーダ等に使用するマイクロ波送受信用のアレーアンテナに関する。

図１は模式的に表した任意のアレーアンテナを示す説明図である。図１において、１は励振アンテナ素子、２は励振アンテナ素子１に隣接した励振アンテナ素子、３は励振アンテナ素子に影響を与える隣接する励振アンテナ素子２からの電力を表す矢印である。一般にアレーアンテナにおいて、隣接するアンテナ素子から放射される電力の影響を受けることによる相互結合量の増加により、励振アンテナ素子１の自己インピーダンスの劣化および励振アンテナ素子後段の増幅器等の機器への負荷を生じる。このため、アレーアンテナにおいては、所望の電気特性を得る為に、相互結合量の低減が必要となる。

また、ここで、ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＢａｎｄＧａｐ（以下、ＥＢＧと称す。）を配列し、高インピーダンス面を形成する技術として、例えば、図２のようなものがある（非特許文献１参照）。

Dan Sievenpiper著「High-Impedance Electromagnetic Surfaces with a Forbidden Frequency Band」IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 47, NO. 11, NOVEMBER 1999

図２において、４はＥＢＧパッチ部（容量性構成部）、５はＥＢＧスルーホール部（誘導性構成部）、６は地板を示す。
次にＥＢＧの構造を説明する。図３にＥＢＧパッチ部４とＥＢＧスルーホール部５から成る、ＥＢＧを等価回路化したものを示す。図３において、７はＥＢＧパッチ部１を等価回路化したＥＢＧ容量性成分等価回路、８はＥＢＧスルーホール部を等価回路化したＥＢＧ誘導性成分等価回路を示す。

ここで、図３に示す等価回路のインピーダンスＺは次式のように表される。
Ｚ＝ｊωＬ／（１−ω^２ＬＣ）
これより、ω^２＝１／ＬＣを満足するとき、インピーダンスＺが無限大となり、ＥＢＧ部において高インピーダンス面が形成される。ただし、ここでωは角速度であり、高インピーダンス面が形成される周波数をｆ_ｒとすると、ω＝２πｆ_ｒとなる。このときの周波数ｆ_ｒを高インピーダンス周波数と称す。

図４は、上記図２のＥＢＧの動作を説明するための図である。図４において、９ａはＥＢＧに伝搬する地板６に垂直な電界成分、９ｂはＥＢＧを伝搬した電界９ａを示す。このとき、ＥＢＧは前述の高インピーダンス周波数ｆ_ｒにおいて高インピーダンス面を形成するので、高インピーダンス周波数ｆ_ｒで励振した場合には、電界９ａがＥＢＧを通過すると、ＥＢＧは電界９ａを電界９ｂのように減衰させる効果を奏する。

前述のＥＢＧを、アレーアンテナのアンテナ素子の素子間に配置し、アンテナ素子間の相互結合量の低減に使用する場合には、ＥＢＧをアンテナ素子間に複数列配列する必要がある。また、製造の容易さを考え、アンテナ素子とＥＢＧを同一の誘電体材料に構成しようとする場合に、アレーアンテナの覆域を確保するためには、素子間隔を狭める必要があるので、アンテナ素子間隔に対しＥＢＧの寸法が大きくなり、ＥＢＧをアンテナ素子間に複数列配列できないという問題が生じる。

一方、ＥＢＧを使用しない場合のアンテナ素子間の相互結合低減手法としては、アレーアンテナのアンテナ素子を形成する誘電体材料に比誘電率が高い材料を使用する、もしくは誘電体材料の厚みを厚くする等があるが、アレーアンテナの構造上の制約が発生する。また、アンテナ素子自体を高誘電率基板上に形成すると、放射効率が低下する恐れがある。

この発明は上述のような問題点を解決するためになされたもので、アレー状態を構築した後にもアレー状態を変えずに容易に誘電体材料またはＥＢＧ構造などを変更でき、所望の周波数においてアンテナ素子間の相互結合を低減できるアレーアンテナを得ることを目的とする。

また、ＥＢＧ構成上の制限を軽減させた構成でＥＢＧを配置でき、ＥＢＧを用いた場合を含め、広角でのビーム走査時（アレーアンテナの覆域を確保）におけるアンテナ素子間の相互結合を低減したアレーアンテナを得ることを目的とする。

この発明に係るアレーアンテナは、第１の誘電体材料で形成した第１の誘電体基板の面上に励振アンテナ素子を設けたアンテナ素子構成部の複数個を地板に配列して設けると共に、前記複数個の励振アンテナ素子構成部の間の前記地板に第２の誘電体材料で形成した第２の誘電体基板を設けて平面アレーを形成したアレーアンテナであって、前記第２の誘電体材料の比誘電率と前記第２の誘電体基板の厚みを前記励振アンテナ素子の励振周波数に応じた所定の比誘電率と厚みに設定変更可能にしたものである。

また、第１の誘電体材料で形成した第１の誘電体基板の面上に励振アンテナ素子を設けたアンテナ素子構成部の複数個を地板に配列して設けると共に、前記複数個の励振アンテナ素子構成部の間の前記地板に第２の誘電体材料で形成した第２の誘電体基板を設け、さらに、前記第２の誘電体基板には、その面上に配置したパッチ部を前記地板に導通接続するスルーホール部を有するＥＢＧ構造を設けて平面アレーを形成したアレーアンテナであって、前記第２の誘電体材料の比誘電率と前記第２の誘電体基板の厚みおよび前記ＥＢＧ構造を前記励振アンテナ素子の励振周波数に応じた所定の比誘電率と厚みおよびＥＢＧ構造に設定変更可能にしたものである。

この発明は、アンテナ素子構成部の複数個を地板に配列して設けると共に、前記複数個の励振アンテナ素子構成部の間の前記地板に、第２の誘電体材料で形成した第２の誘電体基板を設けて平面アレーを形成し、前記第２の誘電体材料の比誘電率と前記第２の誘電体基板の厚みを励振アンテナ素子の励振周波数に応じた所定の比誘電率と厚みに設定変更可能にしたので、アレー状態を構築した後にもアレー状態を変えずに第２の誘電体基板単位での変更により容易に第２の誘電体材料などを変更でき、所望の周波数においてアンテナ素子間の相互結合を低減できる。
また、第２の誘電体基板に、その面上に配置したパッチ部を地板に導通接続するスルーホール部を有するＥＢＧ構造を設けて平面アレーを形成し、前記第２の誘電体材料の比誘電率と前記第２の誘電体基板の厚みおよび前記ＥＢＧ構造を励振アンテナ素子の励振周波数に応じた所定の比誘電率と厚みおよびＥＢＧ構造に設定変更可能にしたので、アレー状態を構築した後にもアレー状態を変えずに第２の誘電体基板単位での変更により容易に第２の誘電体材料またはＥＢＧ構造などを変更でき、所望の周波数においてアンテナ素子間の相互結合を低減できる。

さらに、第２の誘電体基板に、その面上に配置したパッチ部を地板に導通接続するスルーホール部を有するＥＢＧ構造を設けて平面アレーを形成するため、第２の誘電体材料の誘電率を適宜設定することによりＥＢＧ構造を小形化でき、ＥＢＧを用いた場合を含め、広角でのビーム走査時（アレーアンテナの覆域を確保）におけるアンテナ素子間の相互結合を低減できる。

実施の形態１．
図５は、この発明を実施するための実施の形態１におけるアレーアンテナの構成を正面図とＡ−Ａ’位置における断面図で示す構成説明図である。図において、１０ａはアレーアンテナを構成する励振アンテナ素子、１０ｂは励振アンテナ素子１０ａに隣接して配列された励振アンテナ素子、１１０ａは第１の比誘電率を持つ第１の誘電体材料１１で形成された第１の誘電体基板１１１の面上に励振アンテナ素子１０ａが形成されたアンテナ素子構成部、１１０ｂは第１の比誘電率を持つ第１の誘電体材料１１で形成された第１の誘電体基板１１１の面上に励振アンテナ素子１０ｂが形成されたアンテナ素子構成部、１１２は第２の比誘電率を持つ第２の誘電体材料１２で形成された第２の誘電体基板、１３は第１の誘電体基板１１１と第２の誘電体基板１１２の底面に共通に形成された地板、１４は励振アンテナ素子１０ａで励振された地板１３に垂直な電界（表面波）成分を示している。

次に、実施の形態１におけるアレーアンテナの動作について図６を参照して説明する。図６は、図５のＡ−Ａ’位置における断面図に基づいて、励振アンテナ素子１０ａが励振する際の放射の様子を説明するための説明図である。なお、第１の誘電体基板１１１、第２の誘電体基板１１２は図示を省略している。ここで、１５は空間への放射、１６は隣接した励振アンテナ素子への空間結合を示す。このとき、励振アンテナ素子１０ａが励振されることにより、地板１３に垂直な電界（表面波）１４が発生し、電界（表面波）１４は地板１３に沿って水平方向に第２の誘電体材料１２を伝搬し、隣接して配列された励振アンテナ素子１０ｂへ結合する。
以上のことから、アンテナ素子間の相互結合量低減に寄与するのは、電界（表面波）１４であるため、ここでは電界（表面波）１４に着目して説明する。

図６において、電界（表面波）１４はそれぞれ比誘電率の異なる第１の誘電体材料１１で形成された第１の誘電体基板１１１から第２の誘電体材料１２で形成された第２の誘電体基板１１２へ向かって誘電体材料中を伝搬するため、誘電体による波長短縮により電界（表面波）１４の振幅・位相が変化する。なお、アレーアンテナの振幅・位相状態は表面波の影響も受ける。電界（表面波）１４の大きさは第１の誘電体材料１１および第２の誘電体材料１２の比誘電率および誘電体材料の厚さに比例するので、励振アンテナ素子１０ａ、１０ｂ間の第２の誘電体材料１２の誘電率または厚みの少なくとも一方を変更することにより、アレー状態を構築した後にも第２の誘電体基板１１２を変更することにより、アレー状態を変えずに容易に励振振幅・位相を変化させることができる。

以上のように、この実施の形態１におけるアレーアンテナでは、平面アンテナで構成されたアレーアンテナのアンテナ素子間に、第１の誘電体材料１１に対して比誘電率または厚みの少なくとも一方が異なる第２の誘電体材料１２を挿入することにより、励振アンテナ素子１０ａから隣接して配列された励振アンテナ素子１０ｂへ伝搬する電界（表面波）１４への振幅・位相状態などの影響を変化させ、相互結合量を低減することができる。

また、第２の誘電体材料１２を第１の誘電体材料１１で形成した第１の誘電体基板１１１とは別の第２の誘電体基板１１２で構成することにより、第２の誘電体基板１１２の交換のみで第２の誘電体材料１２を変更でき、アレー状態を構築した後にも容易に所望の周波数においてアンテナ素子間の相互結合の低減を図れる。
さらに、第２の誘電体材料１２を第２の誘電体基板１１２で構成することにより、アレーアンテナの構造を簡素化でき、製造コストの低減も図れる。

また、通常、アレーアンテナの整合を取るには、アンテナ素子の変更もしくはアンテナ素子間隔の変更が必要である。しかし、この実施の形態１におけるアレーアンテナでは、アンテナ素子の変更やアンテナ素子間隔の変更を要せず、第２の誘電体基板１１２の変更によりアレー状態での整合が可能となる。

実施の形態２．
図７は、この発明を実施するための実施の形態２におけるアレーアンテナの構成を正面図で示す構成説明図である。また、図８に図７のＢ−Ｂ’位置における断面図を示す。図において、１２０は複数のアンテナ素子構成部１１０間の第２の誘電体基板１１２に配置されたＥＢＧ構造である。また、１７ａは第２の誘電体基板１１２の面上に設けられたＥＢＧパッチ部（容量性成分）、１７ｂはＥＢＧパッチ部１７ａを地板１３に接続するＥＢＧスルーホール部（誘導性成分）を示す。なお、その他の実施の形態１との相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。

次に、実施の形態２におけるアレーアンテナの動作について図８を参照して説明する。図８は、図７のＢ−Ｂ’位置における断面図であり、励振アンテナ素子１０ａが励振する際の放射の様子を説明するための説明図である。ここで、１８ａは励振アンテナ素子１０ａより放射された地板１３に垂直な電界（表面波）、１８ｂは電界（表面波）１８ａが地板１３に沿って地板１３の面方向に励振アンテナ素子１０ａから隣の励振アンテナ素子１０ｂへＥＢＧ構造１２０を伝搬した後の減衰した状態を示すものである。このとき、励振アンテナ素子１０ａが励振されることにより、電界（表面波）１８ａが発生し、電界（表面波）１８ａは地板１３に沿って水平方向にＥＢＧ構造１２０を伝搬して減衰した電界（表面波）１８ｂとなって隣の励振アンテナ素子１０ｂへ結合する。
なお、この実施の形態２においても、前記実施の形態１と同様で、アンテナ素子間の相互結合量低減に寄与する電界（表面波）１８ａに着目して説明する。

そこで、この実施の形態２におけるアレーアンテナでは、励振アンテナ素子１０ａの所望の励振周波数をＥＢＧ構造１２０の高インピーダンス周波数とするようにＥＢＧ構造１２０を構成することにより、励振アンテナ素子１０ａから放射されＥＢＧ構造１２０を伝搬する電界（表面波）１８ａに対する高インピーダンス面が形成され、電界（表面波）１８ａのアンテナ素子構成部１１０の励振アンテナ素子１０ａから隣のアンテナ素子構成部１１０の励振アンテナ素子１０ｂへの結合が低減される。

ここで、ＥＢＧ構造１２０の構成では、ＥＢＧ形状および配列間隔、配列数などと共に、第２の誘電体基板１１２の誘電体材料１２、厚みなどを設定するもので、ＥＢＧの形態（ＥＢＧ形状および配列間隔、配列数、励振アンテナ素子からの距離等）は、前記図２などに例示した形状に限定しない。

以上のように、ＥＢＧ構造１２０を第２の誘電体基板１１２上に構成しているため、ＥＢＧの寸法を第２の誘電体材料１２による波長短縮効果で小型化でき、ＥＢＧをそれぞれのアンテナ素子構成部１１０の間に必要となる複数列配置できる。なお、ここで、第２の誘電体材料１２の比誘電率が高いほど、ＥＢＧの寸法を小型化できる。
また、アレーアンテナの覆域を確保するためには、アンテナ素子間隔を狭める必要があるが、ＥＢＧの寸法を第２の誘電体材料１２による波長短縮効果で小型化でき、所望の周波数が低い場合においても、ＥＢＧをそれぞれのアンテナ素子構成部１１０の間に複数列配置できる。

したがって、この実施の形態２におけるアレーアンテナでは、第１の誘電体基板１１１とは別の第２の誘電体基板１１２を用い、第２の誘電体基板１１２にＥＢＧ構造１２０を構成することにより、第２の誘電体基板の交換のみで第２の誘電体材料１２やＥＢＧ構造１２０を変更でき、アレー状態を構築した後にも容易に所望の周波数においてアンテナ素子間の相互結合の低減を図れる。
さらに、第２の誘電体基板の交換のみで第２の誘電体材料１２やＥＢＧ構造１２０を変更できるため、アレーアンテナの構造を簡素化でき、製造コストの低減も図れる。

また、この実施の形態２におけるアレーアンテナでは、狭いアンテナ素子間隔でもＥＢＧを複数列配置でき、広角でのビーム走査時（アレーアンテナの覆域を確保）におけるアンテナ素子間の相互結合を低減できる。
また、通常、アレーアンテナの整合を取るには、アンテナ素子の変更もしくはアンテナ素子間隔の変更が必要である。しかし、この実施の形態２におけるアレーアンテナでは、アンテナ素子の変更やアンテナ素子間隔の変更を要せず、アレー状態での整合が可能となる。

以上の実施の形態では、励振アンテナ素子の形状、数、配列などにつき、矩形を４個配列した場合を例示して説明したが、これに限るものではない。また、以上の実施の形態では、励振アンテナ素子への励振手段および給電線路などは図示省略したが、通常実施されているもので構わない。
なお、以上のことから、この発明に係るアレーアンテナでは、グレーティングローブ発生方向での励振アンテナ素子間結合に起因して発生するスキャンブラインドネスの改善効果が得られる。

隣接するアンテナ素子から放射される電力の影響を受けることによる相互結合を説明するための模式的に表した任意のアレーアンテナを示す説明図である。ＥＢＧを配列し、高インピーダンス面を形成する技術を説明するためのＥＢＧ構造の説明図である。ＥＢＧパッチ部４とＥＢＧスルーホール部５から成る、ＥＢＧを等価回路化した説明図である。図２のＥＢＧの動作を説明するための図である。この発明を実施するための実施の形態１におけるアレーアンテナを示す構成説明図である。図５のＡ−Ａ’位置における断面図であり、励振アンテナ素子１０ａが励振する際の放射の様子を説明するための説明図である。この発明を実施するための実施の形態２におけるアレーアンテナを示す構成説明図である。図７のＢ−Ｂ’位置における断面図であり、励振アンテナ素子１０ａが励振する際の放射の様子を説明するための説明図である。

符号の説明

１励振アンテナ素子、２励振アンテナ素子、３励振アンテナ素子からの電力、４ＥＢＧパッチ部（容量性構成部）、５ＥＢＧスルーホール部（誘導性構成部）、６地板、７ＥＢＧ容量性成分等価回路、８ＥＢＧ誘導性成分等価回路、９ａＥＢＧに伝搬する地板に垂直な電界成分、９ｂＥＢＧを伝搬した電界、１０励振アンテナ素子、１１第１の比誘電率を持つ誘電体材料、１２第２の比誘電率を持つ誘電体材料、１３地板、１４地板に垂直な電界（表面波）成分、１５励振アンテナ素子の主ビーム、１６励振アンテナ素子から隣接するアンテナ素子への空間結合、１７ａＥＢＧパッチ部（容量性構成部）、１７ｂＥＢＧスルーホール部（誘導性成分）、１８ａ地板に垂直な電界（表面波）、１８ｂＥＢＧを伝搬した電界、１１０アンテナ素子構成部、１１１第１の誘電体基板、１１２第２の誘電体基板、１２０ＥＢＧ構造。

Claims

第１の誘電体材料で形成した第１の誘電体基板の面上に励振アンテナ素子を設けたアンテナ素子構成部の複数個を地板に配列して設けると共に、前記複数個の励振アンテナ素子構成部の間の前記地板に第２の誘電体材料で形成した第２の誘電体基板を設けて平面アレーを形成したアレーアンテナであって、前記第２の誘電体材料の比誘電率と前記第２の誘電体基板の厚みを前記励振アンテナ素子の励振周波数に応じた所定の比誘電率と厚みに設定変更可能にしたことを特徴とするアレーアンテナ。
第１の誘電体材料で形成した第１の誘電体基板の面上に励振アンテナ素子を設けたアンテナ素子構成部の複数個を地板に配列して設けると共に、前記複数個の励振アンテナ素子構成部の間の前記地板に第２の誘電体材料で形成した第２の誘電体基板を設け、さらに、前記第２の誘電体基板には、その面上に配置したパッチ部を前記地板に導通接続するスルーホール部を有するＥＢＧ（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＢａｎｄＧａｐ）構造を設けて平面アレーを形成したアレーアンテナであって、前記第２の誘電体材料の比誘電率と前記第２の誘電体基板の厚みおよび前記ＥＢＧ構造を前記励振アンテナ素子の励振周波数に応じた所定の比誘電率と厚みおよびＥＢＧ構造に設定変更可能にしたことを特徴とするアレーアンテナ。