JP2014007631A - アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現する。
【解決手段】５素子ダブルスロットアレイアンテナ１のアンテナ部５は、平面状のアンテナ基板上において同一形状のダブルスロットアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅが同一直線Ｌ上に配置され、隣接するそれぞれのダブルスロットアンテナ１０の距離は、当該ダブルスロットアンテナ１０から放射される無線通信波の半波長である。
【選択図】図２

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波無線通信に利用するアレイアンテナに関する。

近年、広帯域な信号を無線伝送するための手段として、マイクロ波やミリ波を利用した広帯域無線伝送システムが注目されている。特に、ミリ波帯は、波長が短いことからシステムに用いる機器の小型化が可能である。このため、ミリ波帯を利用した広帯域無線伝送システムは、大容量伝送かつ低コストを実現する無線システムとして多様な利用形態が期待されている。

無線通信システムでは、送信側の端末装置から送信された無線信号は、通信路上で多重反射する。このため、受信側では、伝送損失の増加や多重干渉波による伝送品質の劣化が起こる。伝送品質の劣化の対策として、干渉波を少なくし、回線設計のマージンを持たせる必要があり、高利得アンテナの利用が有効となる。

従来、高利得アンテナについては、各種検討が行われている（例えば、非特許文献１、２参照）。例えば、マイクロ波帯では、ダイポールアンテナを半波長ごとに配置したアレイアンテナが高利得アンテナを実現している。ミリ波帯では、多数のスロットを設けた矩形導波管を同一平面上で並行に複数並べた導波管スロットアレイアンテナが高利得アンテナを実現している。

通常、これらのアレイアンテナでは、アンテナ素子間の相互結合の影響を少なくするために、アンテナ素子を半波長間隔に並べて配置される。

さらに、アレイアンテナへの給電は電力２分配器を複数組み合わせて実現されることが多く、その結果、アンテナ素子の数は、偶数となることが多い。

また、各アンテナ素子に与えられる位相差を離散値とすることで、移相器の簡易化と低損失化を実現する例が示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２９４５４０号公報

Ｊｕｎｙｉ Ｗａｎｇ ｅｔ ａｌ．， "Ｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ Ｃｏｄｅｂｏｏｋ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ６０ＧＨｚ Ｗｉｄｅｂａｎｄ ＷＰＡＮｓ"，ＶＴＣ， １０Ｄ，２，Ｆａｌｌ ２００９ Ｙｏｓｕｋｅ Ｓａｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ａ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ ８−ｅｌｅｍｅｎｔ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓｌｏｔ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｇａｉｎ Ｂｅａｍ−ｆｏｒｍｉｎｇ，" Ｇｌｏｂａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅｓ ２０１１， Ｍａｙ ２３−２５， ２０１１， Ｅｓｐｏｏ， Ｆｉｎｌａｎｄ

ところで、従来のアレイアンテナにおいて、所定値以上の利得が得られるアンテナビーム走査角を確保するには、それぞれのアンテナ素子に対する位相組み合わせを多くする必要がある。しかしながら、位相組み合わせを多くするには、移相器の構成が複雑となり、損失が増加する。

本発明は、従来のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することを目的とする。

（１） 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の半波長である
アレイアンテナ。

（１）によれば、素子数ｎを奇数とした場合、偶数の素子数の場合に２ｎ−１必要であった位相組合せを、構造の対称性を利用することで１＋（ｎ−１）／２と半数以下の移相器の位相組合せに減らすことができる。これにより、従来のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができる。また、隣接するそれぞれのアンテナ素子との距離を、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の半波長とすることにより、半波長よりも短い間隔で配置する場合に比べて、アンテナ素子間の相互結合を抑制することができる。

（２） 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、それぞれ、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の０．１倍から１倍の任意の距離である
アレイアンテナ。

（２）によれば、（１）と同様の効果を奏することができる。また、（２）によれば、例えば、波長の０．７倍の間隔でアンテナ素子を並べて配置することによって最も高い利得を得ることができる。

（３） 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、前記直線上において中央に配置されるアンテナ素子を基準として前記直線を分割した場合に、それぞれの直線において独立に、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の０．１倍から１倍の任意の距離である
アレイアンテナ。

（３）によれば、（１）と同様の効果を奏することができる。また、（３）によれば、例えば、波長の０．７倍の間隔でアンテナ素子を並べて配置することによって最も高い利得を得ることができる。

（４） （１）から（３）のいずれかにおいて前記アンテナ素子は、同一直線上に３個以上配置される。

本発明によれば、簡易的な移相器の構成で、従来のアレイアンテナと同等のアンテナ特性を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る５素子ダブルスロットアレイアンテナの回路構成の一例を示す図である。 図１に示すアンテナ部の詳細を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るダブルスロットアンテナを示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係る５素子ダブルスロットアレイアンテナについて、電磁界シミュレーションから得られたビームパターンを示す図である。 図２のアンテナ部５と、電力分配器及び固定移相器とを用いて、図４に示すビームパターンに対応する位相組合せを実現した場合の５素子ダブルスロットアレイアンテナを示す図である。 図２の５素子ダブルスロットアレイアンテナのみの場合と図５の５素子ダブルスロットアレイアンテナと電力分配器及び固定移相器を付加した場合の電磁界シミュレーションから得られたビームパターンを示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナとしての５素子ダブルスロットアレイアンテナ１の回路構成の一例を示す図である。図１に示される例において、５素子ダブルスロットアレイアンテナ１は、電力分配器２と、移相器３と、電力増幅器４と、アンテナ部５とによって構成される。電力分配器２は、移相器３に接続されており、入力されたＲＦ信号（無線通信波）を分配して、移相器３に供給する。移相器３は、分配されたＲＦ信号の位相を調整し、調整後のＲＦ信号を電力増幅器４に供給する。電力増幅器４は、供給されたＲＦ信号を増幅して、アンテナ部５に供給する。

図２は、図１に示すアンテナ部５の詳細を示す図である。アンテナ部５は、５つのダブルスロットアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅにより構成されている。ここで、ダブルスロットアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅは、それぞれ同一の構成であり、中央に位置するダブルスロットアンテナ１０ｃを基準として、同一直線上に対称に配置されている。以下、ダブルスロットアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅを特に区別しない場合、これらをダブルスロットアンテナ１０という。

５つのダブルスロットアンテナ１０のそれぞれは、同一のアンテナ基板１１と、このアンテナ基板１１の裏面に配置されている反射板１２によって実現される。５つのダブルスロットアンテナ１０それぞれは、アンテナ基板１１の表面側（図２（Ａ）、（Ｂ）においてｚ方向）にマイクロ波帯、又はミリ波帯の無線通信波を放射する。反射板１２は、アンテナ基板１１の裏面側に放射される無線通信波を正面方向に反射して、各ダブルスロットアンテナ１０の利得を増大させる。反射板１２は、反射した無線通信波が、アンテナ基板１１から正面方向に放射される無線通信波と同位相となるように、アンテナ基板１１の裏面から所定の間隔Ｄだけ離れて配置される。

ここで、ダブルスロットアンテナ１０について、図３を用いて説明する。図３は、第１の実施の形態に係るダブルスロットアンテナ１０を示す図である。図３に示すように、ダブルスロットアンテナ１０は、表面側パターン及び裏面側パターンによって構成される。表面側パターンは、アンテナ基板１１を構成する誘電体基板２１、裏面側パターンと共に、無線通信波の伝送路であるマイクロストリップ線路２２、このマイクロストリップ線路２２により伝送された無線通信波を等分に分配するテーパ付きのアンテナ部電力分配器２３、このアンテナ部電力分配器２３で分配された無線通信波をそれぞれ伝送するスタブ線路２４、２５を形成する。裏面側パターンは、一定幅により誘電体基板２１の周辺部から延長するように形成され、途中で二股に分岐した後、ほぼ平行に一定幅で延長するように形成される。また、アンテナ部電力分配器２３は、二股に分岐する箇所において、パターン幅を徐々に広げて二股に分岐し、これによりテーパを形成する。

裏面側パターンは、パターンニングにより、１対のスロット３１、３２が設けられる。ここで、スロット３１、３２は、矩形形状に形成される。このスロット３１、３２は、それぞれスタブ線路２４、２５により伝送された無線通信波を放射するように、それぞれスタブ線路２４、２５の幅方向に対して、これらスタブ線路２４、２５から離れる方向に延長するように設けられる。

ダブルスロットアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅそれぞれのスロット３１、３２は、隣り合うアンテナ素子のスロット３１、３２と平行に配置されている。これらスロット３１、３２は、隣り合うダブルスロットアンテナ１０のスロット３１、３２と、間隔λ／２で配置されている。ここで、λは、ダブルスロットアンテナ１０により放射される無線通信波の波長である。

続いて、図２に示す５素子ダブルスロットアレイアンテナのビームパターンについて説明する。図４は、電磁界シミュレーションから得られた５素子ダブルスロットアレイアンテナのビームパターンを示す図である。図４から、５種の位相組合せによるビームパターンの最大利得は、１５ｄＢｉであることが確認できる。最大利得である１５ｄＢｉからの減少が３ｄＢ以下に収まる範囲をビーム走査角とすると、この５素子ダブルスロットアレイアンテナのビーム走査角は、図４に示されるように、６６°となる。ここで、図４に示される、例えば「２３０１２」等の記号は、各ダブルスロットアンテナ１０に給電するＲＦ信号の位相差の状態を示すものである。「０」は０°、「１」は９０°、「２」は１８０°、「３」は２７０°の位相状態を示している。例えば、「２３０１２」は、ダブルスロットアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅに給電するＲＦ信号の位相差が、（＋１８０°，＋２７０°，０°，＋９０°，＋１８０°）であることを示している。

図５は、電力分配器及び固定移相器と、図２のアンテナ部５とを用いて、図４に示すビームパターンに対応する位相組合せの一部である３種の位相組合せを実現した場合の５素子ダブルスロットアレイアンテナを示す図である。

図５（ａ）は、位相組合せ「０００００」、すなわち、５つのダブルスロットアンテナ１０から放射される無線通信波の位相差が（０°，０°，０°，０°，０°）の場合の５素子ダブルスロットアレイアンテナを示す図である。図５（ｂ）は、位相組合せ「１１００３」、すなわち、５つのダブルスロットアンテナ１０から放射される無線通信波の位相差が（＋９０°，＋９０°，０°，０°，＋２７０°）の場合の５素子ダブルスロットアレイアンテナを示す図である。図５（ｃ）は、位相組合せ「２１０３２」、すなわち、５つのダブルスロットアンテナ１０から放射される無線通信波の位相差が（＋１８０°，＋９０°，０°，＋２７０°，＋１８０°）の場合の５素子ダブルスロットアレイアンテナを示す図である。

図５に示されるように、電力分配器は、パターンニングにより配線を５分岐させることによって実現される。また、移相器は、遅延線をパターニングすることにより固定移相器として実現される。ここで、５つのダブルスロットアンテナ１０のうち、中央に位置するダブルスロットアンテナ１０ｃを基準として位相組合せを設計する場合、中央に位置するダブルスロットアンテナ１０ｃの位相差を０°、すなわち、中央のアンテナ素子の位相制御を行わないようにすることができる。

図６は、図２の５素子ダブルスロットアレイアンテナのみの場合と図５の５素子ダブルスロットアレイアンテナと電力分配器及び固定移相器を付加した場合の電磁界シミュレーションから得られたビームパターンを示す図である。

また、図６では、電力分配器及び固定移相器を付加した３種の位相組合せの５素子ダブルスロットアレイアンテナのビーム幅は、５素子ダブルスロットアレイアンテナのビーム幅に比べて広いことが確認できる。これら最大利得の低下及びビーム幅の増大は、電力分配器及び移送器による損失に起因するものである。

以上、第１の実施の形態によれば、５素子ダブルスロットアレイアンテナ１は、中央に位置するアンテナ素子（ダブルスロットアンテナ１０ｃ）の位相差を０°として、位相組合せを設計することができるので、結果として、中央に位置するアンテナ素子に対する移相器を不要とし、中央のアンテナ素子の位相制御を行わないようにすることができる。また、中央に位置するアンテナ素子に対する移相器を不要とすることにより、他のアンテナ素子に対応する移相器の設置等の制約が軽減され、結果として、移相器の簡素化も可能となる。また、５素子ダブルスロットアレイアンテナ１では、各位相組合せのうち、各ダブルスロットアンテナ１０から放射される無線通信波の位相差が中央に位置するダブルスロットアンテナ１０を基準として対称となるペアが存在する。このため、従来の偶数のダブルスロットアンテナによって構成される偶数素子ダブルスロットアレイアンテナに比べて、簡易的に位相組合せを設計することができる。以上によれば、従来の偶数素子のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
図７に示されるように、第２の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ５０は、平面状の基板上において、同一直線Ｌ上に３つのアンテナ素子５１、５２、５３が形成されることによって実現される。

ここで、アンテナ素子５１、５２、５３は、例としてダイポールアンテナ素子を示す。すなわち、アンテナ素子５１、５２、５３は、それぞれ同一形状のアンテナ素子であり、それぞれ同一波長の無線通信波（ＲＦ信号）を放射する。また、アンテナ素子５１、５２、５３は、アンテナ素子の長手方向が、上記直線Ｌに対して垂直となるように配置されているものとする。

この奇数素子アレイアンテナ５０では、中央に位置するアンテナ素子５２に隣接するそれぞれのアンテナ素子５１及び５３との距離は、このアンテナ素子５２により放射される無線通信波の半波長（λ／２）である。

以上、第２の実施の形態によれば、従来の偶数素子のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができると共に、アンテナ素子５１、５２、５３を、これらのアンテナ素子から放射される無線通信波の半波長間隔に並べて配置することにより、半波長よりも短い間隔で配置する場合に比べて、アンテナ素子間の相互結合を抑制することができる。

［第３の実施の形態］
図８は、本発明の第３の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
図８に示されるように、第３の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ６０は、平面状の基板上において、同一直線Ｌ上に３つのアンテナ素子６１、６２、６３が形成されることによって実現される。

アンテナ素子６１、６２、６３は、例としてダイポールアンテナを示す。すなわち、アンテナ素子６１、６２、６３は、それぞれ同一形状のアンテナ素子であり、同一波長の無線通信波を放射する。また、各アンテナ素子の長手方向が、上記直線Ｌに対して垂直となるように配置されているものとする。

この奇数素子アレイアンテナ６０では、中央に位置するアンテナ素子６２に隣接するそれぞれのアンテナ素子６１及び６３との距離は、それぞれ、このアンテナ素子６２により放射される無線通信波の波長の０．１倍から１倍の任意の距離である。

なお、隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、直線Ｌ上において中央に配置されるアンテナ素子６２を基準として直線Ｌを分割した場合に、それぞれの直線において独立に、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の０．１倍から１倍の任意の距離であるようにしてもよい。

例えば、アンテナ素子間距離の一方を０．１λから１λの任意の距離、他方のアンテナ素子間距離を０．１λから１λの任意の距離に設定できる。

以上、第３の実施の形態によれば、従来の偶数素子のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができる。また、アンテナ素子６１、６２、６３を、このアンテナ素子６２により放射される無線通信波の波長の０．１倍から１倍の任意の距離に配置するので、例えば、これらのアンテナ素子から放射される無線通信波の波長の０．７倍の間隔に並べて配置することにより、最も高い利得を得ることができる。

［第４の実施の形態］
図９は、本発明の第４の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
第４の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ７０は、第２の実施の形態に比べてアンテナ素子の数が多い点で、第２の実施の形態と異なり、その他の構成は、第２の実施の形態と同一である。

第４の実施の形態において、奇数素子アレイアンテナ７０は、平面状の基板上において、同一直線Ｌ上に５つのアンテナ素子７１、７２、７３、７４及び７５が形成されている。図９において確認できるように、奇数素子アレイアンテナ７０では、中央に位置するアンテナ素子７３に対して隣接する２つのアンテナ素子７２、７４に対して、それぞれ、中央に位置するアンテナ素子７３から離れる方向に、アンテナ素子７１、７５が配置されている。また、隣接し合うアンテナ素子の距離は、それぞれのアンテナ素子から放射される無線通信波の半波長（λ／２）である。

なお、第４の実施の形態では、アンテナ素子が５個あるものとして説明したが、これに限らない。例えば、同一形状のアンテナ素子が、同一直線上に、アンテナ素子から放射される無線通信波の半波長間隔に並べて奇数個配置されているものであればよい。

以上、第４の実施の形態によれば、素子数ｎを奇数した場合、偶数の素子数の場合に２ｎ−１必要であった位相組合せを、構造の対称性を利用することで１＋（ｎ−１）／２と半数以下の移送器の位相組合せに減らすことができる。これにより、従来のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができる。また、アンテナ素子を５個以上配置することとしたので、アンテナ素子を３個配置した場合に比べて利得及びビーム走査角をより向上させることができる。

［第５の実施の形態］
図１０は、本発明の第５の実施の形態に係る奇数素子アレイアンテナを示す図である。
第５の実施の形態の奇数素子アレイアンテナ８０は、第３の実施の形態に比べてアンテナ素子の数が多い点で、第３の実施の形態と異なり、その他の構成は、第３の実施の形態と同一である。

第５の実施の形態において、奇数素子アレイアンテナ８０は、平面状の基板上において、同一直線上に５つのアンテナ素子８１、８２、８３、８４及び８５が形成されている。図１０において確認できるように、奇数素子アレイアンテナ８０では、中央に位置するアンテナ素子８３に対して隣接する２つのアンテナ素子８２、８４に対して、それぞれ、中央に位置するアンテナ素子８３から離れる方向に、アンテナ素子８１、８５が配置されている。また、隣接し合うアンテナ素子の距離は、アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の０．１倍から１倍である。ここで、隣接し合うアンテナ素子の距離は、それぞれ異なっていてもよいものとする。

なお、第５の実施の形態では、アンテナ素子が５個あるものとして説明したが、これに限らない。例えば、同一形状のアンテナ素子が、同一直線上に、アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の０．１倍から１倍の間の任意の間隔に並べて奇数個配置されているものであればよい。

以上、第５の実施の形態によれば、従来の偶数素子のアレイアンテナと比較して簡易的な移相器の構成で同等のアンテナ特性を実現することができる。また、アンテナ素子を５個以上配置することとしたので、アンテナ素子を３個配置した場合に比べて利得をより向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述した実施の形態に限るものではない。また、本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

例えば、上記した実施の形態では、アンテナ素子がダブルスロットアンテナやダイポールアンテナである場合について説明を行ったが、これに限らない。例えば、アンテナ素子として、シングルスロットアンテナ等を用いてもよい。

１ ５素子ダブルスロットアレイアンテナ
２ 電力分配器
３ 移相器
４ 電力増幅器
５ アンテナ部
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ ダブルスロットアンテナ
１１ アンテナ基板
１２ 反射板
２１ 誘電体基板
２２ マイクロストリップ線路
２３ アンテナ部電力分配器
２４、２５ スタブ線路
３１、３２ スロット
５０、６０、７０、８０ 奇数素子アレイアンテナ
５１、５２、５３、６１、６２、６３、７１、７２、７３、７４、７５、８１、８２、８３、８４、８５ アンテナ素子

Claims (4)

1. 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
   隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の半波長である
   アレイアンテナ。
2. 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
   隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、それぞれ、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の０．１倍から１倍の任意の距離である
   アレイアンテナ。
3. 平面状の基板上において同一形状のアンテナ素子が同一直線上に奇数個配置されたアレイアンテナであって、
   隣接するそれぞれのアンテナ素子の距離は、前記直線上において中央に配置されるアンテナ素子を基準として前記直線を分割した場合に、それぞれの直線において独立に、当該アンテナ素子から放射される無線通信波の波長の０．１倍から１倍の任意の距離である
   アレイアンテナ。
4. 中央のアンテナ素子の位相制御を行わないことを特徴とする、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のアレイアンテナ。

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