JP2011055419A - 強結合素子アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】間引き給電を行っても、地導体板とアンテナ素子配列面との間隔を小さくすることのできる強結合素子アレーアンテナの実現。
【解決手段】誘電体基板の１面に地導体板を設け、他面にアンテナ素子パッチを半波長以下のピッチで直線状或いは平面行列状に配列し、直線或いは行或いは列のいずれで見ても、給電素子パッチと無給電素子パッチが交互になるようにし、給電素子パッチと無給電素子パッチとの間は、両者のパッチ電流が同振幅逆相になる箇所間を線路波長の２分の１の長さの結合線路で結合するか、或いは両者のパッチ電流が同振幅同相になる箇所間を線路波長の１波長の長さの結合線路で結合し、給電素子パッチへは、それぞれ可変移相器と増幅器を介して給電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数のアンテナ素子が平面状に配列され、個々のアンテナ素子に対する振幅と位相を制御することにより放射ビームの指向方向を制御するフェーズドアレーアンテナの技術分野に属する。

従来、フェーズドアレーアンテナは、上述のように平面状に配列された多数のアンテナ素子に給電し、それぞれの振幅と位相を制御することにより放射ビームの指向方向を制御するものであるから、アンテナ素子１個ずつに増幅器と移相器が設けられていた。そのため、素子数の多い（例えば数百）アレーアンテナの場合、増幅器と移相器の数も同数ずつ必要となり膨大な数となり、アレーアンテナが大きく、重く高価なものとなり、また増幅器や移相器での消費電力も大きくなるため実用例が限定されたものとなっていた。
そこで、配列されたアンテナ素子総てに給電するのではなく、予め定めた所定位置のアンテナ素子には給電しない、所謂、無給電素子とすることにより、増幅器と移相器の数の低減を図る技術（いわゆる間引き給電）が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

この場合、無給電素子は、給電素子と空間波で結合し、それによって励振され、給電素子とともに放射素子としての機能を果す。無給電素子からの放射は給電素子との結合度が大きくなる程大きくなり、給電素子に近い機能を果すことになる。
これによって、フェーズドアレーアンテナの増幅器や移相器の数を低減することができることになる。

図１０は、地導体板２から４分の１波長の高さの所に２分の１波長間隔で３個のダイポール９ａ〜９ｃを配列し、全ダイポールに増幅器５と移相器６を介して給電した例であり、図１１は、図１０のＺＸ面における指向特性のシミュレーション図であり、実線は同相給電の場合であり、以下、左端のダイポール９ａの位相を４５度、９０度、１３５度、１８０度と進めるとともに、中央のダイポール９ｂは、その２分の１ずつ進めた場合の指向特性のシミュレーション図であり、位相を変えることによりビーム走査が行われることが示されている。
なお、ダイポールアレーアンテナの指向特性のシミュレーションにおける諸元は以下の通りである。
１．計算手法 モーメント法、地導体板は無限平面
２．周波数 １２．５ＧＨｚ 自由空間波長２４mm
３．ダイポール導体 導電率５．８×１０^７Ｓ／ｍ、半径０．２４mm
片側長さ５．２５mm

図１２は、図１０の配列に対し、真中のダイポール９ｂを無給電とした間引き給電の場合の斜視図であり、図１３は図１１と同様に、図１２のアンテナのビーム指向特性およびビーム走査をシミュレーションした図である。ビーム走査範囲において、図１１とほぼ同じである。

図１４は、誘電体基板１の下面に地導体板２が設けられ、上面に３個のアンテナ素子パッチ３ａ〜３ｃが２分の１波長間隔で、直線状に配置されたアレーアンテナの斜視図であり、全アンテナ素子パッチ３ａ〜３ｃそれぞれに増幅器５と、移相器６を介して給電しているものである。

図１５は、図１４のアレーアンテナのＺＸ面における指向特性および位相を変えることにより、ビーム走査が行われることが示されているシミュレーション図である。移相量は図１１の場合と同じである。
即ち、実線はアンテナ素子パッチ３ａ、３ｂ、３ｃが同相であり、破線Ｂはアンテナ素子パッチ３ａを４５度、同３ｂを２２．５度進めた場合であり、破線Ｃはアンテナ素子パッチ３ａを９０度、同３ｂを４５度進めた場合、同様に点線Ｄは１３５度と６７．５度進めた場合、１点鎖線Ｅは１８０度と９０度進めた場合である。

Tadashi TAKANO他２名、「Simplification of an Array Antenna by Reducing the Fed Elements」、IEICE TRANS.COMMUN.、The Institute of Electronics,Information and Communication Engineers、NO.9 SEPTEMBER 2005、VOL.E88-B P.38 11-3814

前述のような間引き給電における無給電素子と給電素子との空間波による結合度は、地導体板からアンテナ素子配列面までの間隔を大きくすると大きくなり、間隔を小さくすると小さくなるので、無給電素子の放射素子としての機能を上げるために結合度を大きくしようとすると、地導体板とアンテナ素子配列面間の寸法が大きくなるためアンテナが大きくなってしまうという問題がある。

本発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、間引き給電を行っても、地導体板とアンテナ素子配列面間の寸法を大きくせずに、従来のフェーズドアレーアンテナと同程度の放射ビーム指向の制御が可能なフェーズドアレーアンテナを実現することにある。

上記の課題を達成するために、本発明は以下の各手段構成を有する。
本発明の第１の構成は、誘電体基板の一面に地導体板が設けられ、他面には、給電アンテナ素子パッチと無給電アンテナ素子パッチとが、使用周波数の自由空間波長の２分の１以下のピッチで交互に直線状１列に配列され、その両端が給電アンテナ素子パッチであり、隣接する給電アンテナ素子パッチと無給電アンテナ素子パッチとは、各パッチの中心を通る中心線に対して互いに反対側で中心線から同じ距離のパッチ側縁箇所同士が、使用周波数における線路波長の２分の１の長さの結合線路で接続され、給電アンテナ素子パッチへは可変移相器と増幅器を介して給電されるようになっていることを特徴とする１次元配列強結合素子アレーアンテナである。
ここで使用周波数とは、使用周波数帯域中における代表周波数であり、多くの場合中心周波数である。以下、実施例の場合も同様である。

本発明の第２の構成は、誘電体基板の一面に地導体板が設けられ、他面には、給電アンテナ素子パッチと無給電アンテナ素子パッチとが、使用周波数の自由空間波長の２分の１以下のピッチで交互に直線状１列に配列され、その両端が給電アンテナ素子パッチであり、隣接する給電アンテナ素子パッチと無給電アンテナ素子パッチとは、各パッチの中心を通る中心線に対して互いに同じ側で中心線から同じ距離のパッチ側縁箇所同士が、使用周波数における線路波長１波長の長さの結合線路で接続され、給電アンテナ素子パッチへは可変移相器と増幅器を介して給電されるようになっていることを特徴とする１次元配列強結合素子アレーアンテナである。

本発明の第３の構成は、前記第１の構成の１次元配列強結合素子アレーアンテナと、該アレーアンテナの給電アンテナ素子パッチを無給電アンテナ素子パッチに置き換え、同じく無給電アンテナ素子パッチを給電アンテナ素子パッチに置き換えた置換え１次元配列強結合素子アレーアンテナとが、使用周波数の自由空間波長の２分の１以下のピッチで、交互に複数列が端部を揃えて平行で平面的に配列され、最初の列と最後の列が前記第１の構成の１次元配列強結合素子アレーアンテナであることを特徴とする２次元配列強結合素子アレーアンテナである。

本発明の第４の構成は、前記第２の構成の１次元配列強結合素子アレーアンテナと、該アレーアンテナの給電アンテナ素子パッチを無給電アンテナ素子パッチに置き換え、同じく無給電アンテナ素子パッチを給電アンテナ素子パッチに置き換えた置換え１次元配列強結合素子アレーアンテナとが、使用周波数の自由空間波長の２分の１以下のピッチで、交互に複数列が端部を揃えて平行で平面的に配列され、最初の列と最後の列が前記第２の構成の１次元配列強結合素子アレーアンテナであることを特徴とする２次元配列強結合素子アレーアンテナである。

本発明の第１の構成では、隣り合う給電アンテナ素子パッチと無給電アンテナ素子パッチとは、各パッチの中心を通る中心線に対して互いに反対側で中心線から同じ距離のパッチ側縁箇所、即ちパッチ上を流れる電流が丁度逆相になる箇所同士を、線路波長の半分の長さの結合線路で結合しているので、結局、無給電アンテナ素子パッチは左右の給電アンテナ素子パッチとそれぞれ同相で導体結合されることになり、左右の両給電アンテナ素子からの結合電力の合成電力によって励振されたようになり、放射素子として機能することになり、全アンテナ素子を給電素子とした場合に近い特性が得られる。

このように、結合線路により強結合を得るようにしているので、従来のように無給電素子と給電素子間との結合を空間波で行っている場合のように、強結合を得るために、地導体板とアンテナ素子配列面との間隔を大きくする必要がなく、誘電体基板の一面に地導体板を設け、他面にアンテナ素子パッチを配列するというように両者の間隔を小さくできるので、間引き給電を行ってもアレーアンテナの厚さ寸法を従来のものより薄くできるという効果がある。

本発明の第２の構成では、給電アンテナ素子パッチと無給電アンテナ素子パッチとの結合は、各パッチの中心を通る中心線に対して、互いに同じ側で中心線から同じ距離のパッチ側縁箇所同士を、即ちパッチ上を流れる電流が丁度同相になる箇所同士を使用周波数における線路波長１波長の長さの結合線路で結合しているので、結局は、無給電アンテナ素子パッチは、前記第１の構成の場合と同様に、両側の給電アンテナ素子パッチと同相で強結合されることになる。その結果、第１の構成の場合と同様の効果が得られることになる。

第３の構成は、第１の構成の１次元配列強結合素子アレーアンテナと、該アンテナの給電素子を無給電素子に、無給電素子を給電素子に置き換えたものとが、自由空間の２分の１波長以下のピッチで交互に複数列が端部を揃えて平行で平面的に配列されたものであるので、第１の構成の効果を有するとともに、放射指向方向を２次元的に制御できるという効果がある。

第４の構成は、第２の構成の１次元配列強結合素子アレーアンテナと、該アンテナの給電素子を無給電素子に、無給電素子を給電素子に置き換えたものとが、自由空間の２分の１波長以下のピッチで交互に複数列が端部を揃えて平行で平面的に配列されたものであるので、第２の構成の効果を有するとともに、放射指向方向を２次元的に制御できるという効果がある。

本発明の第１の実施例のプリント基板型１次元配列強結合パッチアレーアンテナ（３素子の場合）の構成図である。 図１の１次元配列強結合パッチアレーアンテナのＺＸ面における指向特性およびビーム走査をシミュレーションした図である。 図１のような１次元配列強結合パッチアレーアンテナにおける半波長結合線路の経路４態を示す図である。 図１のような１次元配列強結合パッチアレーアンテナにおける１波長結合線路の経路例を示す図である。 本発明の第２の実施例のプリント基板型２次元配列強結合パッチアレーアンテナのプリント基板部分の斜視図である。 図５の２次元配列強結合パッチアレーアンテナのＺＸ面（Ｈ面）における指向特性およびビーム走査をシミュレーションした図である。 図５の２次元配列強結合パッチアレーアンテナのＺＹ面（Ｅ面）における指向特性およびビーム走査をシミュレーションした図である。 図５の２次元配列強結合パッチアレーアンテナの第３行第１列のパッチの中心と、第１行第３列のパッチの中心を結んだ直線を含む垂直面内における指向特性およびビーム走査をシミュレーションした図である。 アンテナ素子パッチを５行５列（２５素子）に配列した２次元配列の拡張例を示す図である。 全給電ダイポールアレーアンテナの構成例を示す図である。 図１０の全給電ダイポールアレーアンテナのＺＸ面における指向特性とビーム走査をシミュレーションした図である。 図１０のダイポールアレーアンテナの真中のダイポールを無給電とした間引き給電ダイポールアレーアンテナの構成例である。 図１２の間引き給電ダイポールアレーアンテナの指向特性とビーム走査をシミュレーションした図である。 全給電１次元配列パッチアレーアンテナの構成を示す図である。 図１４の全給電１次元配列パッチアレーアンテナのＺＸ面における指向特性およびビーム走査をシミュレーションした図である。

本発明のアレーアンテナは、給電素子と無給電素子が交互に直線的に配列された間引き給電アレーアンテナにおいて、給電素子と無給電素子を導体伝送路で結合することにより給電素子と無給電素子との強結合を図っているので、従来の空間波結合の場合のように、強結合を得るために地導体板と素子配列面の間隔を大きくしなくてよいため、薄い誘電体板の一面に地導体板を密着させ、他面にアンテナ素子パッチおよび結合線路をプリントしたプリント基板型のアレーアンテナとすることができる。

図１は、本発明の第１の実施例のプリント基板型１次元配列強結合パッチアレーアンテナであり、誘電体基板１の下面には地導体板２が密着しており、上面にはアンテナ素子パッチ３ａ〜３ｃが自由空間波長の２分の１以下のピッチ（隣り合うパッチの中心間間隔）で直線状に配列プリントされており、アンテナ素子パッチ３ａ、３ｃは、励振源から増幅器５、移相器６を介して給電される給電素子であり、アンテナ素子パッチ３ｂは、給電されない無給電素子である。アンテナ素子パッチ３ｂは、左右のアンテナ素子パッチ３ａ、３ｃと結合線路４で結合されている。

結合線路４のパッチに対する接続点ＡとＢはパッチの中心点を結ぶ中心線に対して、距離は同じであるが反対側にある。このため、接続点Ａを流れるパッチ電流と接続点Ｂを流れるパッチ電流は等振幅逆位相となっている。
他方、結合線路４の長さは、使用周波数における線路波長の２分の１となっている。従って、結合線路で位相が１８０度回転する。
このため、接続点Ｂは接続点Ａと同相で励振されることになり、結局、無給電素子であるアンテナ素子パッチ３ｂは、左右の給電素子であるアンテナ素子パッチ３ａと３ｃとからそれぞれ同相で励振されることになり、アンテナ素子パッチ３ａ、３ｃとともに、放射素子とし機能することになる。

図２は、図１の１次元配列強結合パッチアレーアンテナのＺＸ面における指向特性およびビーム走査をシミュレーションした図である。実線Ａは、アンテナ素子パッチ３ａと同３ｃが同相で励振された場合であり、以下、アンテナ素子パッチ３ａの方の励振位相を破線Ｂは４５度、破線Ｃは９０度、点線Ｄは１３５度、１点鎖線Ｅは１８０度と進めていった場合の指向特性であり、位相を変えることによりビーム走査が可能なことを示している。そのビーム走査角は、位相進み１８０度の場合で約２７度となっており、図１４の全パッチ給電の場合における図１５のビーム走査範囲約２７度と殆ど同じである。

なお、本発明の強結合アレーのシミュレーションにおける諸元は以下の通りである。
１．計算手法 ２．５次元モーメント法
誘電体と地導体は無限平面
２．周波数 １２．５ＧＨｚ
自由空間波長：２４mm
３．誘電体基板 比誘電率：２．５
誘電正接：０．００１
誘電体厚さ：０．７８７mm
４．導体 導電率：５．８×１０^７Ｓ／ｍ
厚み：１８μｍ
５．パッチ寸法 ７×７mmの正方形
６．給電点 パッチ中心からのオフセット：２．４mm
給電ピンの直径：１mm
７．結合線路 線路幅：０．２mm
パッチ中心線からのオフセット：２mm
等価比誘電率：１．８８８
管内波長：１７．４５５mm
線路のインピーダンス：１５０．４８Ω

図３は、図１のような３素子パッチのアレーアンテナにおいて、給電素子であるアンテナ素子パッチ３ａ、３ｃと、無給電素子であるアンテナ素子パッチ３ｂとの間の結合線路４の態様４態を示したものである。結合された接続点ＡとＢは、いずれも中心線に対する距離は同じであるが、互いに中心線の反対側にある。このため、パッチ上におけるＡ点とＢ点の電流は同振幅で逆相である。そして、結合線路４の長さは、使用周波数における線路波長の２分の１の長さとなっている。
従って、結合線路による位相回転は丁度１８０度となり、接続点Ａで励振された信号は接続点Ｂでアンテナ素子パッチ３ｂにおける電流と同相になる。
結合線路４の形状は、図３では１ステップの階段状になっているが、形状はこれに限定されるものではなく、線路波長の２分の１の長さになっていればよい。

図４は、接続点Ａ、Ｂが中心線に対して同じ側で、中心線から同じ距離の所に設けられている。従って、パッチ上での電流位相は同相である。
この場合、結合線路８は、使用周波数における線路波長の１波長の長さにしてある。従って、結合線路８での位相回転は３６０°となり、接続点Ａと同相で接続点Ｂを励振することになる。結合線路８の形状は、図４の形状に限定されるものではなく、中心線方向での往き還りのない形で１線路波長であればよい。

図５は、本発明の第２の実施例のプリント基板型２次元配列強結合パッチアレーアンテナであり、図１の１次元配列のものを３行平行に並べたものである。
各行間のピッチは、自由空間波長の２分の１以下である。

図６は、図５の２次元配列強結合パッチアレーアンテナのＺＸ面（Ｈ面）における指向特性およびビーム走査をシミュレーションした図である。
実線Ａは、全給電素子が同相の場合であり、以下破線Ｂは第１列の給電素子を４５度進め、第２列の給電素子を２２．５度進めた場合、破線Ｃは同様に９０度、４５度進めた場合、点線Ｄは１３５度、６７．５度進めた場合、および１点鎖線Ｅは１８０度、９０度進めた場合の指向特性であり、約２５度のビーム走査が可能になっている。

図７は、図５の２次元配列強結合パッチアレーアンテナのＺＹ面（Ｅ面）における指向特性およびビーム走査をシミュレーションした図である。
実線Ａは、全給電素子が同相の場合であり、以下破線Ｂは第３行の位相を４５度進め、第２行の位相を２２．５度進めた場合、破線Ｃは第３行の位相を９０度進め、第２行の位相を４５度進めた場合、点線Ｄは第３行の位相を１３５度進め、第２行の位相を６７．５度進めた場合、および１点鎖線Ｅは第３行の位相を１８０度進め、第２行の位相を９０度進めた場合の各指向特性が示されており、位相を前述のように変えることにより、約２６度のビーム走査が可能であることが示されている。

図８は、図５の２次元配列強結合パッチアレーアンテナの第３行第１列のパッチの中心と第１行第３列のパッチの中心を結んだ直線を含む垂直面内における指向特性およびビーム走査をシミュレーションした図である。
実線Ａは、全給電点同相励振の場合であり、破線Ｂは１番給電点を９０度、２〜４番給電点を４５度進めた場合であり、破線Ｃは、１番給電点を１８０度、２〜４番給電点を９０度進めた場合であり、点線Ｄは１番給電点を２７０度、２〜４番給電点を１３５度進めた場合、１点鎖線Ｅは１番給電点を３６０度、２〜４番給電点を１８０度進めた場合である。
以上のように、各給電点の位相を変えることにより、約２５度のビーム走査が可能であることを示している。

図９は、アンテナ素子パッチを５行５列（２５素子）に配列した２次元配列の拡張例である。どの程度の規模の配列にするかは、必要とするアンテナ利得や指向特性によって定まる。

１ 誘電体基板
２ 地導体板
３ａ〜３ｃ アンテナ素子パッチ
４ 結合線路
５ 増幅器
６ 移相器
７ 給電点
８ 結合線路
９ａ〜９ｃ ダイポール
１０ 給電素子パッチ
１１ 無給電素子パッチ

Claims (4)

1. 誘電体基板の一面に地導体板が設けられ、他面には、給電アンテナ素子パッチと無給電アンテナ素子パッチとが、使用周波数の自由空間波長の２分の１以下のピッチで交互に直線状１列に配列され、その両端が給電アンテナ素子パッチであり、隣接する給電アンテナ素子パッチと無給電アンテナ素子パッチとは、各パッチの中心を通る中心線に対して互いに反対側で中心線から同じ距離のパッチ側縁箇所同士が、使用周波数における線路波長の２分の１の長さの結合線路で接続され、給電アンテナ素子パッチへは可変移相器と増幅器を介して給電されるようになっていることを特徴とする１次元配列強結合素子アレーアンテナ。
2. 誘電体基板の一面に地導体板が設けられ、他面には、給電アンテナ素子パッチと無給電アンテナ素子パッチとが、使用周波数の自由空間波長の２分の１以下のピッチで交互に直線状１列に配列され、その両端が給電アンテナ素子パッチであり、隣接する給電アンテナ素子パッチと無給電アンテナ素子パッチとは、各パッチの中心を通る中心線に対して互いに同じ側で中心線から同じ距離のパッチ側縁箇所同士が、使用周波数における線路波長１波長の長さの結合線路で接続され、給電アンテナ素子パッチへは可変移相器と増幅器を介して給電されるようになっていることを特徴とする１次元配列強結合素子アレーアンテナ。
3. 請求項１の１次元配列強結合素子アレーアンテナと、該アレーアンテナの給電アンテナ素子パッチを無給電アンテナ素子パッチに置き換え、同じく無給電アンテナ素子パッチを給電アンテナ素子パッチに置き換えた置換え１次元配列強結合素子アレーアンテナとが、使用周波数の自由空間波長の２分の１以下のピッチで、交互に複数列が端部を揃えて平行で平面的に配列され、最初の列と最後の列が請求項１の１次元配列強結合素子アレーアンテナであることを特徴とする２次元配列強結合素子アレーアンテナ。
4. 請求項２の１次元配列強結合素子アレーアンテナと、該アレーアンテナの給電アンテナ素子パッチを無給電アンテナ素子パッチに置き換え、同じく無給電アンテナ素子パッチを給電アンテナ素子パッチに置き換えた置換え１次元配列強結合素子アレーアンテナとが、使用周波数の自由空間波長の２分の１以下のピッチで、交互に複数列が端部を揃えて平行で平面的に配列され、最初の列と最後の列が請求項２の１次元配列強結合素子アレーアンテナであることを特徴とする２次元配列強結合素子アレーアンテナ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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