JP2008098919A

JP2008098919A - アレーアンテナ装置

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Publication number: JP2008098919A
Application number: JP2006277792A
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: 2006-10-11
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-10-11
Also published as: JP4629641B2

Abstract

【課題】より簡易な誘電体基板構成で製造性及びコスト低減を図り、広角でのビーム走査時における相互結合量を低下できるアレーアンテナ装置を得る。
【解決手段】アンテナ素子１０ａと、アンテナ素子１０ａに隣接したアンテナ素子１０ｂと、アンテナ素子１０ａ、１０ｂが上部に装荷され、第１の比誘電率を持つ誘電体基板１１と、アンテナ素子１０ａ、１０ｂが対向する部分に、アンテナ素子間で表面電流が伝搬しない間隔のスリットＳ１を設けた地板１３と、第２の比誘電率を持つ誘電体基板１２と、地板１４と、誘電体基板１２の内部でアンテナ素子が対向する部分に装荷され、地板１３、１４を電気的に接続し、アンテナ素子間を伝搬する表面電流の波長に対して狭い間隔で、スリットＳ１に対応する部分の両側にスリットＳ１と平行にそれぞれ１列に複数配置されたスルーホール１５とを設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、平面アンテナをアンテナ素子とするアレーアンテナ装置であって、主に通信、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装置に関するものである。

図８は、例としてパッチアンテナ（平面アンテナ）をアンテナ素子とする従来のアレーアンテナ装置の構成を示す平面図である。図８において、従来のアレーアンテナ装置は、励振アンテナ素子（網掛）１と、励振アンテナ素子１に隣接した励振アンテナ素子２とが設けられている。また、励振アンテナ素子１に影響を与える周囲の複数（８個）の励振アンテナ素子２からの電力３が図示されている。なお、アンテナ素子１、２中の黒点は、給電点を表す。

一般に、アレーアンテナ装置において、隣接するアンテナ素子２から放射される電力３の影響を受ける相互結合量の増加は、励振アンテナ素子１のアクティブインピーダンスの劣化と、励振アンテナ素子１の後段の増幅器等の機器に負荷を与える。このため、アレーアンテナ装置の所望の電気特性を得る為に、相互結合量の低減は、アレーアンテナ装置の課題となる。

図９は、別の従来のアレーアンテナ装置の構成を示す図である（例えば、非特許文献１参照）。図９において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は概略断面をそれぞれ示し、（ａ）と（ｂ）はスケールが異なる。別の従来のアレーアンテナ装置は、励振アンテナ素子４と、４列のＥＢＧ（ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＢａｎｄ−Ｇａｐ）５と、誘電体基板６と、地板６ａとが設けられている。図９に示すように、相互結合を低減する技術の例として、ＥＢＧ５を配列し、高インピーダンス面を形成している。

次に、相互結合の低減の動作を説明する。図１０は、ＥＢＧ容量性成分とＥＢＧ誘導性成分から成るＥＢＧの等価回路を示す図である。図１０において、等価回路は、ＥＢＧパッチ部分をＥＢＧ容量性成分７として等価回路化したものと、ＥＢＧスルーホール部分をＥＢＧ誘導性成分８として等価回路化したものとを並列接続している。

ここで、図１０に示す等価回路のインピーダンスＺは、次の式（１）のように表される。

Ｚ＝ｊωＬ／（１−ω^２ＬＣ）式（１）

式（１）から、ω^２＝１／√ＬＣを満足する周波数ｆ_ｒのとき、インピーダンスＺ＝∞（無限大）となり、ＥＢＧ５部において高インピーダンス面を形成する。

図１１は、図９に示すＥＢＧの動作を説明するための図である。図１１において、地板６ａに垂直な電界成分９ａと、ＥＢＧ５を伝搬し、減衰した電界成分９ｂとが図示されている。ＥＢＧ５は、前述の周波数ｆ_ｒにおいて、高インピーダンス面を形成する。このとき、例えば、電界成分９ａがＥＢＧ５を通過するとき、ＥＢＧ５は周波数ｆ_ｒにおいてのみ電界を減衰させ、電界成分９ｂとなる効果を得る。

Fan Yang「Microstrip Antennas Integrated With Electromagnetic Band-Gap (EBG) Structures: A Low Mutual Coupling Design for Array Applications」IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 51, NO. 10, OCTOBER 2003

上述したような別の従来のアレーアンテナ装置では、前述のＥＢＧを、アンテナ素子間に配置し、アンテナ素子間の相互結合量の低減を目的にすると、アンテナ素子間にＥＢＧを複数列配置する必要がある。しかしながら、アレーアンテナ装置の覆域を確保するために、アンテナ素子間隔を狭める必要があるという問題点があった。さらに、製造の容易さを考え、アンテナ素子とＥＢＧを同一の誘電体基板に構成しようとする場合、アンテナ素子間に対し、ＥＢＧの寸法が大きくなり、アンテナ素子間にＥＢＧを配列できないという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、より簡易な誘電体基板構成で製造性及びコスト低減を図ることができるとともに、広角でのビーム走査時における相互結合量を低下することができるアレーアンテナ装置を得るものである。

この発明に係るアレーアンテナ装置は、平面アンテナをアンテナ素子とするアレーアンテナ装置であって、第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子に隣接した第２のアンテナ素子と、前記第１及び第２のアンテナ素子が上部に装荷され、第１の比誘電率を持つ第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板の下部に装荷され、前記第１及び第２のアンテナ素子が対向する部分に、前記第１及び第２のアンテナ素子間で表面電流が伝搬しない間隔のスリットを設けた第１の地板と、前記第１の地板の下部に装荷され、第２の比誘電率を持つ第２の誘電体基板と、前記第２の誘電体基板の下部に装荷された第２の地板と、前記第２の誘電体基板の内部で前記第１及び第２のアンテナ素子が対向する部分に装荷され、前記第１及び第２の地板を電気的に接続し、前記第１及び第２のアンテナ素子間を伝搬する表面電流の波長に対して狭い間隔で、前記スリットに対応する部分の両側に前記スリットと平行にそれぞれ１列に複数配置されたスルーホールとを設けたものである。

この発明に係るアレーアンテナ装置は、より簡易な誘電体基板構成で製造性及びコスト低減を図ることができるとともに、広角でのビーム走査時における相互結合量を低下することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置について図１及び図２を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の構成を示す図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、（ａ）は平面、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線の断面をそれぞれ示す。この実施の形態１に係るアレーアンテナ装置は、アレーアンテナ装置を構成する励振アンテナ素子（平面アンテナ）（金属板）１０ａと、励振アンテナ素子１０ａに隣接した励振アンテナ素子（平面アンテナ）（金属板）１０ｂと、第１の比誘電率を持つ誘電体基板（材料）１１と、第２の比誘電率を持つ誘電体基板（材料）１２と、スリットＳ１が設けられた地板（金属板）１３と、地板（金属板）１４と、地板１３及び地板１４と導通し、遮断したい表面電流の波長に対して十分狭い間隔で１列に複数配置したスルーホール１５とが設けられている。なお、平面図の励振アンテナ素子１０ａ、１０ｂ中の黒点は、給電点を表し、断面図の励振アンテナ素子１０ａ、１０ｂの裏面に接続された電源から給電される。

本実施の形態１は、平面アンテナをアンテナ素子とするアレーアンテナ装置のアンテナ素子１０ａ、１０ｂの下層に、誘電体基板（第１の誘電体基板）１１と、遮断したい表面電流の波長に対して伝搬しない間隔のスリットＳ１を設けたアンテナ素子１０ａ、１０ｂの地板（第１の地板）１３と、地板（第２の地板）１４と、地板１３、１４と導通を持つスルーホール１５を装荷した誘電体基板（第２の誘電体基板）１２を配置し、アンテナ素子間を伝搬する表面電流を遮断し、相互結合量を低減させるものである。

つぎに、この実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の動作について図面を参照しながら説明する。図２は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の励振アンテナ素子が励振する際の放射の様子を示す断面図である。

まず、励振アンテナ素子１０ａが励振する際の放射の様子を示す図２は、図１（ｂ）と同様である。図２において、空間への放射１６と、隣接したアンテナ素子１０ｂへの空間結合１７と、励振アンテナ素子１０ａから発生し、地板１３に垂直な電界（表面波）１８と、この電界１８に直交し、励振アンテナ素子１０ａ側の地板１３→励振アンテナ素子１０ａ側のスルーホール１５→地板１４→励振アンテナ素子１０ｂ側のスルーホール１５→励振アンテナ素子１０ｂ側の地板１３という経路を流れる表面電流（破線の矢印）１９とが図示されている。この中で、本実施の形態１による相互結合量の低減で効果を得られるのは表面電流１９であるため、ここでは表面電流１９に着目し説明する。

図２において、表面電流１９は、電界（表面波）１８に直交し、地板１３を励振アンテナ素子１０ｂに向かって伝搬する。また、地板１３は、表面電流１９が伝搬しない程度の間隔のスリットＳ１が設けられているとき、スリットＳ１は開放状態（インピーダンスが無限大（∞））に見える。

ここで、図２の表面電流（破線の矢印）１９が辿る誘電体基板１１及び誘電体基板１２の波長短縮を考慮した伝搬経路長が表面電流１９の位相量をＮ・λ／２（Ｎは奇数、λは伝搬する表面電流１９の波長）ずらす距離であった場合、表面電流１９は、図２で破線の矢印で示すような経路で伝搬する。この結果、表面電流１９の位相が反転し、励振アンテナ素子１０ｂに伝搬しなくなり、アンテナ素子間の結合量が低下する効果を有する。

また、誘電体基板１２、地板１３、１４、スルーホール１５を基板で構成することにより、アレー状態において、誘電体基板１２、地板１３、１４、スルーホール１５部分の交換のみで特性を変更でき、構造の簡素化及び製造コストを低減できる効果を有する。

また、誘電体基板１２の比誘電率及び厚み、スルーホール１５の配置及び配列数を変化させることにより、所望の周波数に対して相互結合量を低減できる効果を有する。

なお、本実施の形態１における地板１３、１４の形状（スリットＳ１の長さ、厚み等）、誘電体基板１１、１２の形状（誘電体の分断の有無、比誘電率等）、スルーホール１５の形状（長さ、太さ、材質等）は、図１及び図２の形状に限定されない。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置について図３から図５までを参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置の構成を示す図である。

図３において、（ａ）は平面、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’線の断面をそれぞれ示す。この実施の形態２に係るアレーアンテナ装置は、アレーアンテナ装置を構成する励振アンテナ素子（平面アンテナ）（金属板）１０ａと、励振アンテナ素子１０ａに隣接した励振アンテナ素子（平面アンテナ）（金属板）１０ｂと、第１の比誘電率を持つ誘電体基板（材料）（第１の誘電体基板）１１と、第２の比誘電率を持つ誘電体基板（材料）（第２の誘電体基板）１２と、スリット（第１のスリット）Ｓ１が設けられた地板（金属板）（第１の地板）１３と、スリット（第２のスリット）Ｓ２が設けられた地板（金属板）（第２の地板）１４と、地板１３及び地板１４と導通し、遮断したい表面電流の波長に対して十分狭い間隔で１列に複数配置したスルーホール（第１のスルーホール）１５と、第３の比誘電率を持つ誘電体基板（材料）（第３の誘電体基板）２０と、地板（金属板）（第３の地板）２１と、地板１４及び地板２１と導通し、遮断したい表面電流の波長に対して十分狭い間隔で１列に複数配置したスルーホール（第２のスルーホール）２２とが設けられている。なお、平面図の励振アンテナ素子１０ａ、１０ｂ中の黒点は、給電点を表し、断面図の励振アンテナ素子１０ａ、１０ｂの裏面に接続された電源から給電される。

つぎに、この実施の形態２に係るアレーアンテナ装置の動作について図面を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置の励振アンテナ素子が励振する際の放射の様子を示す断面図である。また、図５は、図４のＣ部（中央部）を拡大した断面図である。

まず、励振アンテナ素子１０ａが励振する際に放射する様子を図４及び図５に示す。図４及び図５において、電界１８に直交し、励振アンテナ素子１０ａ側の地板１３→励振アンテナ素子１０ａ側のスルーホール１５→励振アンテナ素子１０ａ側の地板１４→スリットＳ２→励振アンテナ素子１０ｂ側の地板１４→励振アンテナ素子１０ｂ側のスルーホール１５→励振アンテナ素子１０ｂ側の地板１３という経路を流れる表面電流（破線の矢印）２３が図示されている。

また、電界１８を直交し、励振アンテナ素子１０ａ側の地板１３→励振アンテナ素子１０ａ側のスルーホール１５→励振アンテナ素子１０ａ側の地板１４→励振アンテナ素子１０ａ側のスルーホール２２→地板２１→励振アンテナ素子１０ｂ側のスルーホール２２→励振アンテナ素子１０ｂ側の地板１４→励振アンテナ素子１０ｂ側のスルーホール１５→励振アンテナ素子１０ｂ側の地板１３という経路を流れ、上記の表面電流２３よりも波長の短い表面電流（白線の矢印）２４が図示されている。

上記の実施の形態１と同様に、表面電流２３は、励振アンテナ素子１０ａから放射される電界１８に直交し、励振アンテナ素子１０ｂに向かって伝搬する。また、地板１３は表面電流２３が伝搬できない程度の間隔のスリットＳ１が設けられている。そして、地板１４にも、表面電流２３の波長より十分狭い間隔のスリットＳ２（＜Ｓ１）が設けられている。このとき、スリットＳ２は開放状態（インピーダンスが無限大（∞））に見える。

ここで、図５の表面電流（破線の矢印）２３が辿る誘電体基板１１及び誘電体基板１２の波長短縮を考慮した伝搬経路長が表面電流２３の位相量をＮ・λ／２（Ｎは奇数、λは伝搬する表面電流２３の波長）ずらす距離であった場合、表面電流２３は、図５で破線の矢印で示すような経路で伝搬する。

また、上述したように、地板１４の下層に第３の比誘電率を持つ誘電体基板２０と、地板２１と、地板１４及び地板２１と導通し、遮断したい表面電流の波長に対して十分狭い間隔で１列に複数配置したスルーホール２２を装荷する。

ここで、表面電流（白線の矢印）２４は、上述したように、地板１４までは表面電流２３と同じ経路を伝搬するが、地板１４に設けられたスリットＳ２も開放状態に見える。このとき、表面電流２４が辿る誘電体基板１１、誘電体基板１２及び誘電体基板２０の波長短縮を考慮した伝搬経路長が表面電流２４の位相量をＮ・λ／２（Ｎは奇数、λは伝搬する表面電流２４の波長）ずらす距離であった場合、表面電流２４は、図５で白線の矢印で示すような経路で伝搬する。この結果、表面電流２３及び表面電流２４の位相が反転し、励振アンテナ素子１０ｂに伝搬しなくなり、複数の周波数において素子間結合量が低下する効果を有する。

また、誘電体基板１２、２０、地板１３、１４、２１、スルーホール１５、２２を基板で構成することにより、アレー状態において、誘電体基板１２、２０、地板１３、１４、２１、スルーホール１５、２２部分の交換のみで特性を変更でき、構造の簡素化及び製造コストを低減できる効果を有する。

また、誘電体基板１２、２０の比誘電率及び厚み、スルーホール１５、２０の配置及び配列数を変化させることにより、複数の所望の周波数に対して相互結合量を低減できる効果を有する。

なお、本実施の形態２における地板１３、１４、２１の形状（スリットＳ１、Ｓ２の長さ、厚み等）、誘電体基板１１、１２、２０の形状（誘電体の分断の有無、比誘電率等）、スルーホール１５、２２の形状（長さ、太さ、材質等）は、図３、図４及び図５の形状に限定されない。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置について図６を参照しながら説明する。図６は、この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置の構成を示す平面図である。

図６において、この実施の形態３に係るアレーアンテナ装置は、上記の実施の形態１と同様のスリットＳ１とスルーホール１５を、励振アンテナ素子１０ａ及び励振アンテナ素子１０ｂの周囲を囲むように配置し、スリットＳ１とスルーホール１５で囲まれた励振アンテナ素子を２次元配列したものである。その結果、励振アンテナ素子１０ａ及び励振アンテナ素子１０ｂだけでなく、各励振アンテナ素子の周囲の素子間結合を低減できる効果を有する。なお、その他の構成は上記の実施の形態１と同様である。また、平面図の励振アンテナ素子１０ａ、１０ｂ中の黒点は、給電点を表し、励振アンテナ素子１０ａ、１０ｂの裏面に接続された電源（図示せず）から給電される。

なお、本実施の形態３における地板１３、１４の形状（スリットＳ１の長さ、厚み等）、誘電体基板１１、１２の形状（誘電体の分断の有無、比誘電率等）、スルーホール１５の形状（長さ、太さ、材質等）は、図１、図２及び図６の形状に限定されない。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係るアレーアンテナ装置について図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の構成を示す平面図である。

図７において、この実施の形態４に係るアレーアンテナ装置は、上記の実施の形態２と同様のスリットＳ１とスルーホール１５に加え、スリットＳ２とスルーホール２２を、励振アンテナ素子１０ａ及び励振アンテナ素子１０ｂの周囲を囲むように配置し、スリットＳ１、Ｓ２とスルーホール１５、２２で囲まれた励振アンテナ素子を２次元配列したものである。その結果、励振アンテナ素子１０ａ及び励振アンテナ素子１０ｂだけでなく、各励振アンテナ素子の周囲の素子間結合を低減できる効果を有する。なお、その他の構成は上記の実施の形態２と同様である。また、平面図の励振アンテナ素子１０ａ、１０ｂ中の黒点は、給電点を表し、励振アンテナ素子１０ａ、１０ｂの裏面に接続された電源（図示せず）から給電される。

また、誘電体基板１２、２０の比誘電率及び厚み、スルーホール１５、２０の配置及び配列数を変化させることにより、所望の周波数ならびに周波数帯域に対して相互結合量を低減できる効果を有する。

なお、本実施の形態４における地板１３、１４、２１の形状（スリットＳ１、Ｓ２の長さ、厚み等）、誘電体基板１１、１２、２０の形状（誘電体の分断の有無、比誘電率等）、スルーホール１５、２２の形状（長さ、太さ、材質等）は、図３、図４、図５及び図７の形状に限定されない。

この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の励振アンテナ素子が励振する際の放射の様子を示す断面図である。この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置の励振アンテナ素子が励振する際の放射の様子を示す断面図である。図４のＣ部を拡大した断面図である。この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置の構成を示す平面図である。この発明の実施の形態４に係るアレーアンテナ装置の構成を示す平面図である。例としてパッチアンテナをアンテナ素子とする従来のアレーアンテナ装置の構成を示す平面図である。別の従来のアレーアンテナ装置の構成を示す図である。ＥＢＧ容量性成分とＥＢＧ誘導性成分から成るＥＢＧの等価回路を示す図である。図９に示すＥＢＧの動作を説明するための図である。

符号の説明

１０ａ励振アンテナ素子、１０ｂ励振アンテナ素子、１１誘電体基板、１２誘電体基板、１３地板、１４地板、１５スルーホール、２０誘電体基板、２１地板、２２スルーホール、Ｓ１スリット、Ｓ２スリット。

Claims

平面アンテナをアンテナ素子とするアレーアンテナ装置であって、
第１のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子に隣接した第２のアンテナ素子と、
前記第１及び第２のアンテナ素子が上部に装荷され、第１の比誘電率を持つ第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板の下部に装荷され、前記第１及び第２のアンテナ素子が対向する部分に、前記第１及び第２のアンテナ素子間で表面電流が伝搬しない間隔のスリットを設けた第１の地板と、
前記第１の地板の下部に装荷され、第２の比誘電率を持つ第２の誘電体基板と、
前記第２の誘電体基板の下部に装荷された第２の地板と、
前記第２の誘電体基板の内部で前記第１及び第２のアンテナ素子が対向する部分に装荷され、前記第１及び第２の地板を電気的に接続し、前記第１及び第２のアンテナ素子間を伝搬する表面電流の波長に対して狭い間隔で、前記スリットに対応する部分の両側に前記スリットと平行にそれぞれ１列に複数配置されたスルーホールと
を備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
平面アンテナをアンテナ素子とするアレーアンテナ装置であって、
第１のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子に隣接した第２のアンテナ素子と、
前記第１及び第２のアンテナ素子が上部に装荷され、第１の比誘電率を持つ第１の誘電体基板と、
前記第１の誘電体基板の下部に装荷され、前記第１及び第２のアンテナ素子が対向する部分に、前記第１及び第２のアンテナ素子間で表面電流が伝搬しない間隔の第１のスリットを設けた第１の地板と、
前記第１の地板の下部に装荷され、第２の比誘電率を持つ第２の誘電体基板と、
前記第２の誘電体基板の下部に装荷され、前記第１のスリットの下部に平行して、前記第１のスリットよりも狭い間隔の第２のスリットを設けた第２の地板と、
前記第２の誘電体基板の内部で前記第１及び第２のアンテナ素子が対向する部分に装荷され、前記第１及び第２の地板を電気的に接続し、前記第１及び第２のアンテナ素子間を伝搬する表面電流の波長に対して狭い間隔で、前記第１のスリットに対応する部分の両側に前記第１のスリットと平行にそれぞれ１列に複数配置された第１のスルーホールと、
前記第２の地板の下部に装荷され、第３の比誘電率を持つ第３の誘電体基板と、
前記第３の誘電体基板の下部に装荷された第３の地板と、
前記第３の誘電体基板の内部で２列の前記第１のスルーホールの下部かつ内側に装荷され、前記第２及び第３の地板を電気的に接続し、前記第１及び第２のアンテナ素子間を伝搬する表面電流の波長に対して狭い間隔で、前記第２のスリットに対応する部分の両側に前記第２のスリットと平行にそれぞれ１列に複数配置された第２のスルーホールと
を備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
前記スリットと前記スルーホールで囲まれたアンテナ素子を２次元配列した
ことを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
前記第１及び第２のスリットと前記第１及び第２のスルーホールで囲まれたアンテナ素子を２次元配列した
ことを特徴とする請求項２記載のアレーアンテナ装置。