JP2014192652A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｆ／Ｂ比を改善することが可能なアレーアンテナを提供する。
【解決手段】 グランド導体の第１の位置に給電モノポール素子が配置されている。グランド導体の、第１の位置を取り囲む少なくとも３個所の第２の位置の各々に無給電モノポール素子が配置されている。可変リアクタンス素子が無給電モノポール素子の各々を終端する。複数のスリットがグランド導体に形成されている。スリットの各々は、相互に隣り合う第２の位置の間に配置され、第２の位置同士を結ぶ仮想線と交差する方向に延びる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、給電素子と、その周囲を取り囲む複数の無給電素子とを有するアレーアンテナに関する。

特許文献１に、指向特性の制御が容易なアレーアンテナが開示されている。特許文献１に開示されたアレーアンテナは、１本の給電素子と、この給電素子を取り囲むように配置された複数の無給電素子を含む。給電素子の長さと無給電素子の長さとは等しい。無給電素子は、可変リアクタンス素子により終端されている。

可変リアクタンス素子を誘導性インダクタンスにすると、無給電素子の電気長が給電素子の電気長より長くなり、無給電素子が反射器として働く。可変リアクタンス素子を容量性リアクタンスにすると、無給電素子の電気長が給電素子の電気長より短くなり、無給電素子が導波器として働く。１つの無給電素子を導波器として動作させ、他の無給電素子を反射器として動作させると、給電素子を中心として、導波器として動作している無給電素子の方向の利得が高い指向特性が得られる。無給電素子を終端している可変リアクタンス素子のリアクタンスを変化させることにより、アレーアンテナの指向特性を変化させることができる。

特許文献２に、無給電素子を終端する可変リアクタンス素子の最適なリアクタンス値を演算する方法が開示されている。この方法によると、所望の無線信号が到来する方向を示す方位角に基づいて、高次元アルゴリズムの運動方程式を用いて、評価関数が最小になるように繰返し演算が行われる。評価関数は、可変リアクタンス素子のリアクタンス値と方位角との関数であり、アレーアンテナの利得に基づいて定義される。

特許文献３に、無給電素子を終端する可変リアクタンス素子としてバラクタダイオードを用いたアレーアンテナが開示されている。給電素子から増幅器を介して受けた受信信号に基づいて、到来波の周波数偏移スペクトルを検出することにより、到来波の方位角を推定する。

特許文献４に、無給電素子を終端する可変リアクタンス素子として２つのバラクタダイオード、及び１つのインダクタを用いたアレーアンテナが開示されている。２つのバラクタダイオードと１つのインダクタが直列に接続されている。２つのバラクタダイオードは、相互に逆向きに接続されている。

特許文献５に、到来波の到来方向を、より正確に推定することができるアレーアンテナが開示されている。このアレーアンテナにおいては、アレーアンテナの指向特性をある方向に設定したときの電力強度と、基準電力パターンとを比較することにより、到来波の到来方向が推定される。

特開２００１−２４４３１号公報 特開２００４−１５３８５４号公報 特開２００６−１８６５４０号公報 特開２００７−２２１５２３号公報 特開２０１２−９０２５４号公報

到来波の到来方向をより正確に推定するために、アレーアンテナの指向特性のフロントバックレシオ（Ｆ／Ｂ比）を高くすることが望まれる。

本発明の目的は、Ｆ／Ｂ比を改善することが可能なアレーアンテナを提供することである。

本発明の一観点によると、
グランド導体と、
前記グランド導体の第１の位置に配置された給電モノポール素子と、
前記グランド導体の、前記第１の位置を取り囲む少なくとも３個所の第２の位置の各々に配置された無給電モノポール素子と、
前記無給電モノポール素子の各々を終端する可変リアクタンス素子と、
前記グランド導体に形成された複数のスリットと
を有し、
前記スリットの各々は、相互に隣り合う前記第２の位置の間に配置され、前記第２の位置同士を結ぶ仮想線と交差する方向に延びるアレーアンテナが提供される。

可変リアクタンス回路のリアクタンス素子を変化させることにより、アレーアンテナの指向特性を変化させることができる。グランド導体にスリットを設けることにより、Ｆ／Ｂ比を改善することができる。

本発明の他の観点によると、前記可変リアクタンス素子の各々が、ダイオードとリアクタンス素子とを含み、前記ダイオードに順方向電流が流れている状態と、流れていない状態とで、前記可変リアクタンス素子のリアクタンスが２値の間で切り替わるように構成されているアレーアンテナが提供される。

可変リアクタンス回路のリアクタンス値を２値の間で切り替えるため、リアクタンス値の組み合わせが単純になり、複雑なアルゴリズムを適用することなく、到来波の方位を推定することが可能になる。

複数の前記スリットは、前記第１の位置を中心として放射状に配置することが好ましい。

前記スリットの各々の長さは、前記給電モノポール素子の動作周波数に対応する波長の０．０３倍以上にすることが好ましい。

前記スリットの各々は、前記グランド導体の外周まで達する構成とすることが好ましい。

さらに、前記グランド導体の外周において、前記スリットの各々の開放部の両側の２点間を相互に接続する抵抗素子を有するアレーアンテナが提供される。抵抗素子を配置することにより、水平偏波のピーク利得に対する垂直偏波のピーク利得の比を大きくすることができる。

前記抵抗素子の抵抗値は１０Ω以上にすることが好ましい。抵抗値を１０Ω以上にすると、水平偏波のピーク利得に対する垂直偏波のピーク利得の比を大きくする効果が高くな
る。

可変リアクタンス回路のリアクタンス素子を変化させることにより、アレーアンテナの指向特性を変化させることができる。グランド導体にスリットを設けることにより、アレーアンテナのＦ／Ｂ比を改善することができる。

図１は、実施例１によるアレーアンテナの斜視図である。 図２Ａは、実施例１によるアレーアンテナの給電モノポール素子に接続された整合回路の等価回路図であり、図２Ｂは、可変リアクタンス回路の等価回路図である。 図３Ａ〜図３Ｄは、指向特性のシミュレーション対象として採用したアレーアンテナの平面図である。 図４は、図３Ａ〜図３Ｄのアレーアンテナの指向特性のシミュレーション結果を示すグラフである。 図５は、Ｆ／Ｂ比と、スリットの長さとの関係を示すグラフである。 図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれスリットが設けられていないアレーアンテナ、及びスリットが設けられたアレーアンテナの電流分布のシミュレーション結果を示す図である。 図７は、実施例２によるアレーアンテナの平面図である。 図８は、実施例２によりアレーアンテナの水平偏波の指向特性を、抵抗素子の種々の抵抗値について示すグラフである。 図９は、実施例２によりアレーアンテナの垂直偏波の指向特性を、抵抗素子の種々の抵抗値について示すグラフである。 図１０Ａは、垂直偏波のＦ／Ｂ比と、抵抗素子の抵抗値との関係を示すグラフであり、図１０Ｂは、Ｖ／Ｈ比と、抵抗素子の抵抗値との関係を示すグラフである。 図１１Ａ〜図１１Ｃは、グランド導体を円形にしたアレーアンテナの例を示す平面図である。 図１２Ａ及び図１２Ｂは、それぞれグランド導体を正三角形及び正五角形にしたアレーアンテナの例を示す平面図である。

［実施例１］
図１に、実施例１によるアレーアンテナの斜視図を示す。平面形状がほぼ正方形のグランド導体１０の第１の位置１５に、給電モノポール素子１１が配置されている。第１の位置１５は、例えばグランド導体１０の中心に一致する。グランド導体１０の、第１の位置１５を取り囲む複数の第２の位置１６の各々に無給電モノポール素子１２が配置されている。第２の位置１６は、例えば正方形の平面形状を有するグランド導体１０の四隅に一致する。

給電モノポール素子１１及び無給電モノポール素子１２は、グランド導体１０に対して垂直である。給電モノポール素子１１とグランド導体１０との短絡を回避するために、給電モノポール素子１１の基部の近傍において、グランド導体１０が部分的に除去されている。同様に、無給電モノポール素子１２とグランド導体１０との短絡を回避するために、無給電モノポール素子１２の基部の近傍において、グランド導体１０が部分的に除去されている。

無給電モノポール素子１２の各々は、可変リアクタンス回路１４を介して接地（終端）されている。グランド導体１０に複数のスリット１３が形成されている。スリット１３の各々は、相互に隣り合う第２の位置１６の間に配置され、第２の位置１６同士を結ぶ仮想
直線と交差する方向に延びる。実施例１においては、スリット１３の各々は、グランド導体１０の４つの辺の各々の中点からグランド導体１０の中心、すなわち第１の位置１５に向かって延びる。言い換えると、複数のスリット１３は、第１の位置１５を中心として放射状に配置され、グランド導体１０の外周まで達している。

給電モノポール素子１１の動作周波数をλで表したとき、グランド導体１０の一辺の長さは、例えばλ／６に設定される。給電モノポール素子１１及び無給電モノポール素子１２の長さも、λ／６に設定される。給電モノポール素子１１及び無給電モノポール素子１２の各々の基部にインダクタンスを挿入することにより、電気長を補償することができる。

図２Ａに、給電モノポール素子１１の基部に挿入された整合回路の等価回路図を示す。整合回路は、シリーズインダクタ２０及びシャントインダクタ２１を含む。高周波回路２２から整合回路を介して給電モノポール素子１１に給電される。シリーズインダクタ２０のインダクタンスは、例えば１３．５ｎＨであり、シャントインダクタ２１のインダクタンスは、例えば４ｎＨである。

図２Ｂに、可変リアクタンス回路１４の等価回路図を示す。給電モノポール素子１２が、ダイオード２４とインダクタ２５との直列回路を介して接地されている。直流電源２８が、抵抗素子２７及びチョークコイル２６を介して、ダイオード２４に順方向電流を流す。スイッチ２９が、直流電源２８、抵抗素子２７、チョークコイル２６、及びダイオード２４を含む電流路のオンオフを行う。

ダイオード２４に順方向の電流が流れているとき、アレーアンテナの動作周波数帯においては、ダイオード２４が短絡されていることと等価である。このため、無給電モノポール素子１２はインダクタ２５により終端される。ダイオード２４に電流が流れていないとき、アレーアンテナの動作周波数帯においては、ダイオード２４がオープン状態（開放状態）であることと等価である。このため、無給電モノポール素子１２は、グランド導体１０から絶縁される。すなわち、終端インピーダンスが無限大になる。このように、可変リアクタンス回路１４のリアクタンス値は、スイッチ２９のオンオフにより、２値の間で切り替わる。

一例として、インダクタ２５のインダクタンスは１５ｎＨであり、チョークコイル２６のインダクタンスは８２ｎＨであり、抵抗素子２７の抵抗値は１ｋΩであり、直流電源２８の電圧は３Ｖである。

次に、グランド導体１０に設けられたスリット１３（図１）の効果について説明する。グランド導体１０にスリットを設けていないアレーアンテナと、スリットを設けたアレーアンテナとの指向特性のシミュレーションを行なった。

図３Ａ〜図３Ｄに、シミュレーションの対象となるアレーアンテナの平面図を示す。いずれのアレーアンテナにおいても、グランド導体１０は、一辺の長さが５０ｍｍの正方形である。グランド導体１０の中心に給電モノポール素子１１が配置され、４個所の頂点に、それぞれ無給電モノポール素子１２が配置されている。無給電モノポール素子１２の各々は、図２Ｂに示した可変リアクタンス回路１４で終端されている。

図３Ａに示したアレーアンテナにおいては、グランド導体１０にスリットが設けられていない。図３Ｂ〜図３Ｄに示したアレーアンテナにおいては、グランド導体１０に、各辺の中点から中心に向かって延びるスリット１３が設けられている。スリット１３の幅は１ｍｍである。図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄに示したアレーアンテナのスリット１３の長さは、
それぞれ１５ｍｍ、２０ｍｍ、２３ｍｍである。

図３Ａ〜図３Ｄにおいて、上方を方位角の基準（方位角０°）とし、時計回りを方位角の正の向きと定義する。方位角２２５°の位置（図３Ａ〜図３Ｄにおいて左下）の無給電モノポール素子１２に接続された可変リアクタンス回路１４のスイッチ２９（図２Ｂ）をオンにし、他の無給電モノポール素子１２に接続された可変リアクタンス回路１４のスイッチ２９（図２Ｂ）をオフにしたときの指向特性をシミュレーションにより求めた。すなわち、方位角２２５°の位置の無給電モノポール素子１２は、１５ｎＨのインダクタンスで終端され、他の無給電モノポール素子１２は、オープン状態である。このとき、１５ｎＨのインダクタンスで終端された無給電モノポール素子１２は反射器として動作する。動作周波数は９２０ＭＨｚとした。

図４に、垂直偏波の水平面内における指向特性のシミュレーション結果を示す。アクティブ型の無線タグは、通常、無指向性の放射を実現するために、垂直偏波の信号を発信している。アレーアンテナを、無線タグの位置検出器として使用する場合には、垂直偏波の指向特性が重要である。図４において、アンテナ利得を単位「ｄＢｉ」で表す。破線３Ａが、図３Ａに示したアレーアンテナの指向特性を示し、実線３Ｂ〜３Ｄが、それぞれ図３Ｂ〜図３Ｄに示したアレーアンテナの指向特性を示す。いずれのアレーアンテナにおいても、方位角４５°において利得が最大になっている。

図５に、スリット１３（図３Ｂ〜図３Ｄ）の長さと、指向特性のフロントバックレシオ（Ｆ／Ｂ比）との関係を示す。横軸はスリット１３の長さを単位「ｍｍ」で表し、縦軸はＦ／Ｂ比を単位「ｄＢ」で表す。スリットの長さが０ｍｍの点は、図３Ａに示したアレーアンテナのＦ／Ｂ比を示す。グランド導体１０（図３Ｂ〜図３Ｄ）にスリット１３を設けると、Ｆ／Ｂ比が改善されることがわかる。また、スリット１３を長くするに従って、Ｆ／Ｂ比が大きくなっている。

図６Ａ及び図６Ｂに、それぞれ図３Ａ及び図３Ｄに示したアレーアンテナの電流分布のシミュレーション結果を示す。図６Ａ及び図６Ｂにおいて、電流が相対的に大きな領域が、相対的に濃い色で表されている。いずれの場合にも、グランド導体１０のうち、方位角２２５°の方位に位置する頂点の近傍、及び中心の近傍に電流が集中していることがわかる。図６Ａと図６Ｂとを比較すると、スリット１３を形成すると、スリット１３で仕切られた４つの領域の電流分布の独立性が高まる。このため、無給電モノポール素子１２の独立性が高くなり、方位角２２５°の方向に位置する無給電モノポール素子１２が反射器として動作しやすくなる。その結果、Ｆ／Ｂ比が改善されたと考えられる。

図５から、スリット１３の長さを８ｍｍにすると、スリットを設けていない場合（図３Ａ）に比べて、Ｆ／Ｂ比が２ｄＢ程度改善されることがわかる。Ｆ／Ｂ比の２ｄＢの改善は、有意な改善であるといえる。長さ８ｍｍは、アレーアンテナの動作周波数に対応する波長λの約０．０３倍である。従って、一般的に、スリット１３の長さを、動作周波数に対応する波長λの０．０３倍以上にすることが好ましい。グランド導体１０の一辺の長さが、約λ／６であるから、スリット１３の長さを、グランド導体１０の一辺の長さの０．１８倍以上にすることが好ましい。言い換えると、無給電モノポール素子１２が配置されている第２の位置１６を通過する円周の直径の０．１３倍以上にすることが好ましい。

実施例１では、可変リアクタンス回路１４（図２）が、２値の間で切り替えられる。このため、複数の可変リアクタンス回路１４のとり得るリアクタンス値の組み合わせが少ない。アレーアンテナの指向特性を一方向に向ける場合、複数の可変リアクタンス回路１４のうち１つを誘導性にし、他をオープン状態にする。例えば、４個の無給電モノポール素子１２を有する実施例１の場合には、可変リアクタンス回路１４の取り得るリアクタンス
値の組み合わせは、高々４通りである。

［実施例２］
図７に、実施例２によるアレーアンテナの平面図を示す。以下、実施例１との相違点について説明し、同一の構成については説明を省略する。

実施例１では、スリット１３の、グランド導体１０の外周側の端部が開放されていた（図１）。実施例２においては、グランド導体１０の外周において、スリット１３の各々の開放部の両側の２点間が、抵抗素子３０により相互に接続されている。実施例１は、抵抗素子３０の抵抗値が無限大である場合に相当する。

図８及び図９に、それぞれ実施例２によるアレーアンテナの水平偏波及び垂直偏波の指向特性のシミュレーション結果を示す。図８及び図９において、アンテナ利得を単位「ｄＢｉ」で表す。抵抗素子３０（図７）の抵抗値が０Ω、５Ω、１０Ω、２０Ω、及び５０Ωの場合についてシミュレーションを行なった。スリット１３（図６）の長さは２３ｍｍとした。その他のシミュレーション条件は、図４に示した実施例１のシミュレーション条件と同一である。

水平偏波の指向特性は、図８に示したように、方位角１３５°及び３１５°の方向で利得が極大値を示し、方位角４５°及び２２５°の方向で利得が極小値を示す。垂直偏波の指向特性は、図９に示したように、方位角４５°の方向で利得が最大となる。

図１０Ａに、垂直偏波の指向特性のＦ／Ｂ比と、抵抗素子３０（図７）の抵抗値との関係を示す。横軸は抵抗値を表し、縦軸はＦ／Ｂ比を単位「ｄＢ」で表す。抵抗値を大きくするに従って、Ｆ／Ｂ比が改善されていることがわかる。抵抗値を１０Ωにすると、抵抗値が０Ωのときに比べて、Ｆ／Ｂ比が約２ｄＢ改善していることがわかる。抵抗値が０Ωのときに比べて、有意なＦ／Ｂ比の改善効果を得るために、抵抗素子３０の抵抗値を１０Ω以上にすることが好ましい。

抵抗素子３０の抵抗値が無限大の状態に相当する実施例１のアレーアンテナのＦ／Ｂ比は約１１ｄＢであった。抵抗値を、少なくとも２０Ω〜５０Ωの範囲内に設定すると、Ｆ／Ｂ比を、実施例１によるアレーアンテナのＦ／Ｂ比より大きくすることができる。

図１０Ｂに、水平偏波のピーク利得に対する垂直偏波のピーク利得の比（以下、「Ｖ／Ｈ比」という。）と、抵抗素子３０（図７）の抵抗値との関係を示す。横軸は、抵抗値を表し、縦軸はＶ／Ｈ比を単位「ｄＢ」で表す。水平偏波のピーク利得は、図８に示したように、方位角１３５°または３１５°の方向に現れる。垂直偏波のピーク利得は、図９に示したように、方位角４５°の方向に現れる。アクティブ型の無線タグから放射される垂直偏波の信号を検出して、無線タグの位置を推定する場合には、垂直偏波の成分が有意な信号となり、水平偏波の成分はノイズとなる。良好なＳ／Ｎ比を確保するために、Ｖ／Ｈ比を大きくすることが好ましい。

図１０Ｂに示すように、抵抗値が大きくなるに従って、Ｖ／Ｈ比が大きくなっている。抵抗素子３０の抵抗値が無限大の状態に相当する実施例１のアレーアンテナのＶ／Ｈ比は、抵抗値が０ΩのときのＶ／Ｈ比とほぼ同程度である。図１０Ｂに示したシミュレーション結果から、抵抗素子３０（図７）を取り付けることにより、スリット１３の外側の端部が短絡されている場合、及び開放されている場合のいずれの場合よりも、Ｖ／Ｈ比を改善することができる。

上記実施例１及び実施例２では、グランド導体１０（図１、図７）の平面形状を正方形
にしたが、他の形状にしてもよい。特に、垂直偏波は、グランド導体１０の平面形状の影響を受け難いため、正方形以外の形状を採用しても、実施例１及び実施例２の場合と同様の効果を得ることができる。

図１１Ａに、グランド導体１０の平面形状を円形にしたアレーアンテナの平面図を示す。円形のグランド導体１０の中心に給電モノポール素子１１が配置されている。４本の無給電モノポール素子１２は、給電モノポール素子１１が配置された位置を中心とした円周上に、等間隔に配置される。スリット１３は、相互に隣り合う無給電モノポール素子１２が配置されている位置を両端とする線分の垂直二等分線に沿って配置される。

図１１Ｂに示すように、無給電モノポール素子１２の本数を３本にしてもよいし、図１０Ｃに示すように、無給電モノポール素子１２の本数を５本にしてもよい。さらに、無給電モノポール素子１２を６本以上にしてもよい。

図１１Ｂ及び図１１Ｃのいずれの構成例においても、無給電モノポール素子１２は、給電モノポール素子１１を中心とした円周上に等間隔で配置される。スリット１３は、相互に隣り合う無給電モノポール素子１２が配置されている位置を両端とする線分の垂直二等分線に沿って配置される。

図１２Ａに示すように、グランド導体１０の平面形状を正三角形にしてもよいし、図１２Ｂに示すように、正五角形にしてもよい。いずれの場合にも、グランド導体１０の中心に給電モノポール素子１１が配置され、グランド導体１０の頂点に対応する位置に無給電モノポール素子１２が配置される。スリット１３は、グランド導体１０の各辺の垂直二等分線に沿って配置される。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ グランド導体
１１ 給電モノポール素子
１２ 無給電モノポール素子
１３ スリット
１４ 可変リアクタンス回路
１５ 第１の位置
１６ 第２の位置
２０ シリーズインダクタ
２１ シャントインダクタ
２２ 高周波回路
２４ ダイオード
２５ インダクタ
２６ チョークコイル
２７ 抵抗素子
２８ 直流電源
２９ スイッチ
３０ 抵抗素子

Claims (7)

1. グランド導体と、
   前記グランド導体の第１の位置に配置された給電モノポール素子と、
   前記グランド導体の、前記第１の位置を取り囲む少なくとも３個所の第２の位置の各々に配置された無給電モノポール素子と、
   前記無給電モノポール素子の各々を終端する可変リアクタンス素子と、
   前記グランド導体に形成された複数のスリットと
   を有し、
   前記スリットの各々は、相互に隣り合う前記第２の位置の間に配置され、前記第２の位置同士を結ぶ仮想線と交差する方向に延びるアレーアンテナ。
2. 前記可変リアクタンス素子の各々は、ダイオードとリアクタンス素子とを含み、前記ダイオードに順方向電流が流れている状態と、流れていない状態とで、前記可変リアクタンス素子のリアクタンスが２値の間で切り替わるように構成されている請求項１に記載のアレーアンテナ。
3. 複数の前記スリットは、前記第１の位置を中心として放射状に配置されている請求項１または２に記載のアレーアンテナ。
4. 前記スリットの各々の長さは、前記給電モノポール素子の動作周波数に対応する波長の０．０３倍以上である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
5. 前記スリットの各々は、前記グランド導体の外周まで達している請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアレーアンテナ。
6. さらに、前記グランド導体の外周において、前記スリットの各々の開放部の両側の２点間を相互に接続する抵抗素子を有する請求項５に記載のアレーアンテナ。
7. 前記抵抗素子の抵抗値は１０Ω以上である請求項６に記載のアレーアンテナ。