JP2016127453A

JP2016127453A - アレーアンテナ装置

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Publication number: JP2016127453A
Application number: JP2015000478A
Authority: JP
Inventors: 誠桧垣; Makoto Higaki; 橋本　紘; Hiroshi Hashimoto; 紘橋本; 向井　学; Manabu Mukai; 学向井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2016-07-11
Also published as: US20160197405A1

Abstract

【課題】同じアンテナの開口面積に外接する円の最大直径で比べた場合にアンテナ性能を向上させることができるアレーアンテナ装置を提供することである。
【解決手段】実施形態のアレーアンテナ装置は、複数の放射素子と、給電線路とを持つ。複数の放射素子は、Ｎを２以上の任意の自然数とする２^Ｎ×２^Ｎ個の二次元格子状に設けられる領域のうち、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域の全体によって形成される４角形領域の４つの隅部の各々において少なくとも１つの領域を除いて得られる複数の領域に配置される。給電線路は、複数の放射素子に給電する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、アレーアンテナ装置に関する。

従来、複数の放射素子を二次元格子状に配置したアレーアンテナ装置がある。このアレーアンテナ装置においては、放射素子の素子数が増大すると、アンテナの開口面積が増大する。しかしながら放射素子の素子数の増大に伴ってアンテナの開口面積が増大するだけでは、同じアンテナの開口面積に外接する円の最大直径に対して実現するアンテナ性能を向上させることができない可能性があった。

特開２０１０−２０６６８３号公報

本発明が解決しようとする課題は、同じアンテナの開口面積に外接する円の最大直径で比べた場合にアンテナ性能を向上させることができるアレーアンテナ装置を提供することである。

実施形態のアレーアンテナ装置は、複数の放射素子と、給電線路とを持つ。複数の放射素子は、Ｎを２以上の任意の自然数とする２^Ｎ×２^Ｎ個の二次元格子状に設けられる領域のうち、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域の全体によって形成される４角形の４つの隅部の各々において少なくとも１つの領域を除いて得られる複数の領域に配置される。給電線路は、複数の放射素子に給電する。

実施形態のアレーアンテナ装置の構成を模式的に示す斜視図。実施形態のアレーアンテナ装置の複数の放射素子の配置を示す平面図。実施形態のアレーアンテナ装置の複数の放射素子を含む最小の円の直径と、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域の全てに配置される放射素子を含む最小の円の直径とを示す平面図。実施形態の変形例のアレーアンテナ装置の複数の放射素子の配置を示す平面図。実施形態の第１の変形例のアレーアンテナ装置の構成を模式的に示す斜視図。実施形態の第２の変形例のアレーアンテナ装置の構成を模式的に示す斜視図。実施形態の第３の変形例のアレーアンテナ装置の構成を模式的に示す斜視図。

以下、実施形態のアレーアンテナ装置を、図面を参照して説明する。

実施形態のアレーアンテナ装置１００は、図１に示すように、誘電体基板１０１と、複数の放射素子１０２と、給電線路１０３と、接地導体１０４と、無線機１０５と、を備えている。
誘電体基板１０１は、例えば、樹脂基板、セラミック基板、発泡プラスチック、またはフィルム基板などの絶縁体である。誘電体基板１０１の外形は、矩形板状、例えば正方形板状に形成されている。
複数の放射素子１０２の各々は、例えば、金属パッチである。複数の放射素子１０２の各々は、例えば、誘電体基板１０１の第１主面上にパターニングされる導電材によって形成されている。各放射素子１０２の外形は、矩形、例えば正方形に形成されている。

複数の放射素子１０２は、誘電体基板１０１の第１主面上に格子状に配列されている。複数の放射素子１０２は、誘電体基板１０１の第１主面上において、Ｎを２以上の任意の自然数とする２^Ｎ×２^Ｎ個の二次元格子状に設けられる領域２０１のうちの所定領域に配置されている。所定領域は、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１の全体によって形成される４角形領域２０２の４つの隅部２０３の各々において少なくとも１つの領域２０１を除いて得られる複数の領域２０１を備えている。各隅部２０３の少なくとも１つの領域２０１は、４角形領域２０２の各頂点に近い所定数Ｍ＝（（（２^Ｎ／４）×（１＋２^Ｎ／４））／２）個の領域２０１である。所定数Ｍは、初項１かつ公差１の等差数列（１，２，…，２^Ｎ／４）の和である。所定領域は、例えばＮを２とする場合、図２に示すように、４つの隅部２０３の各々において４角形領域２０２の頂点に最も近い１つの領域２０１を除いて得られる１２個の領域２０１を備えている。

所定領域は、４角形領域２０２の４つの隅部２０３の各々において各頂点を含む３角形領域２０４を４角形領域２０２から除いて得られる８角形領域２０５に含まれる複数の領域２０１を備えている。３角形領域２０４は、４角形領域２０２の４つの隅部２０３の各々において４角形領域２０２の頂点および頂点に接続される２辺の一部によって形成されている。３角形領域２０４は、４角形領域２０２の長辺の長さＬ１および短辺の長さＬ２に対して、各頂点に接続される長さ（Ｌ１／４）および長さ（Ｌ２／４）の２辺を備えている。各３角形領域２０４の面積は、４角形領域２０２の全体面積の１／３２である。

複数の放射素子１０２の全てを含む最小の円の直径Ｒ１は、図３に示すように、例えば２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１の全てに配置される放射素子１０２を含む最小の円の直径Ｒ０に比べて、小さくなる。また、直径Ｒ１の円内を充填する複数の放射素子１０２の面積の割合は、直径Ｒ０の円内を充填する２^Ｎ×２^Ｎ個の放射素子１０２の面積の割合よりも大きい。

給電線路１０３の形状は、いわゆる完全トーナメント型の対称構造を有する並列給電型の給電線路の一部が取り除かれた形状に形成されている。給電線路１０３の形状は、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１に対して対称構造を有する並列給電型の給電線路から、各３角形領域２０４に少なくとも一部が含まれる領域２０１に対する給電線路が取り除かれた形状に形成されている。
給電線路１０３は、複数の放射素子１０２と同様に、例えば、誘電体基板１０１の第１主面上にパターニングされる導電材によって形成されている。給電線路１０３は、例えば、マイクロストリップ線路である。接地導体１０４は、誘電体基板１０１の第２主面（つまり第１主面に対向する表面）を覆うように設けられている。
給電線路１０３は、無線機１０５に接続する１つの端点から、全ての放射素子１０２に電力を分配して給電できるように枝分かれしている。給電線路１０３は、多段に接続される複数のＴ型分岐部１０６を備えている。

無線機１０５は、４角形領域２０２の４つの隅部２０３の何れかにおいて、３角形領域２０４に少なくとも一部が含まれる少なくとも１つの領域２０１に配置されている。無線機１０５は、複数の放射素子１０２と同一平面上に実装されている。無線機１０５は、複数の放射素子１０２に対して無線信号を送受信する。

以上説明した実施形態によれば、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１の各隅部２０３から少なくとも１つの領域２０１を除いて得られる複数の領域２０１に放射素子１０２を持つことにより、アンテナ性能の低下を抑制しながら、アンテナ開口面積を小さくすることができる。２^Ｎ×２^Ｎ個から除外する個数を抑制しながらアンテナ開口面積を小さくする放射素子１０２を持つので、アンテナ開口面積の単位面積当たりのアンテナ性能を向上させることができる。
さらに、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１から除外された領域２０１に配置される無線機１０５を持つので、無線機１０５を含むアレーアンテナ装置１００全体のサイズを小型化することができる。

以下、変形例について説明する。
上述した実施形態では、無線機１０５を備えるとしたが、これに限定されず、無線機１０５以外の高周波信号を送信または受信する装置、もしくは動作状態を表示する装置など無線以外の機能を有する装置が実装されてもよい。

上述した実施形態では、複数の放射素子１０２および給電線路１０３は、銅などの導電材による導体膜が貼り付けられた誘電体基板１０１の第１主面がエッチングされるなどによってパターニングされるとしたが、これに限定されない。
複数の放射素子１０２および給電線路１０３のパターンを有する金属板を、誘電体基板１０１の第１主面に積層または張り付けてもよい。
また、複数の放射素子１０２および給電線路１０３のパターンを有する金属板が自身を支持する剛性を有している場合には、誘電体基板１０１は省略されてもよい。
また、各放射素子１０２の外形は、例えば、多角形、円形、または他の複雑な形状でもよい。

上述した実施形態では、複数の放射素子１０２および給電線路１０３は、同一平面に配置され、直流的に導通するとしたが、これに限定されない。積層される金属層を増やすことによって、共平面給電以外の他の給電形態を用いてもよい。
複数の放射素子１０２および給電線路１０３は、電磁結合することによる近接結合給電、スロットを介して電磁結合することによるスロット結合給電、または金属ビアによって接続されることによる背面結合給電などを用いてもよい。

上述した実施形態では、放射素子１０２を金属パッチとしたが、これに限定されない。
放射素子１０２は、例えば、スロットアンテナまたは線状アンテナなどであってもよい。

上述した実施形態では、Ｎを２とする場合について説明したが、上述したようにＮを２以上の任意の自然数とすることができる。
複数の放射素子１０２は、例えばＮを３とする場合、図４に示すように、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１の全体によって形成される４角形領域２０２の４つの隅部２０３の各々において頂点に最も近い３つの領域２０１を除いて得られる５２個の領域２０１に配置される。

以下、第１の変形例について説明する。
上述した実施形態では、給電線路１０３は、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１から除外される領域２０１、つまり３角形領域２０４に少なくとも一部が含まれる領域２０１に配置される抵抗負荷５０１に接続されてもよい。
第１の変形例のアレーアンテナ装置５００は、図５に示すように、誘電体基板１０１と、複数の放射素子１０２と、給電線路１０３と、接地導体１０４と、無線機１０５と、複数の抵抗負荷５０１と、を備えている。
複数の抵抗負荷５０１は、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１から除外される領域２０１、つまり３角形領域２０４に少なくとも一部が含まれる領域２０１に配置されている。複数の抵抗負荷５０１の各々は、給電線路１０３が有する特性インピーダンスと同一のインピーダンスを有している。

第１の変形例によれば、給電線路１０３が有する特性インピーダンスと同一のインピーダンスの抵抗負荷５０１を持つので、放射素子１０２が存在しない領域２０１からの無線信号の反射を防止することができる。これにより放射素子１０２が存在する領域２０１の電磁界分布を、例えば２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１の全てに放射素子１０２が配置される場合と同等の電磁界分布とすることができる。
アレーアンテナ装置５００の全体から放射される電磁界分布を、例えば２^Ｎ×２^Ｎ個の全ての領域２０１に放射素子１０２が格子状に配列される場合に比べて乱すことなく、単に除外される領域２０１の電磁界分布が無くなる場合と同等にすることができる。これにより所望のアンテナ性能を実現し易くなる。

以下、第２の変形例について説明する。
上述した実施形態では、給電線路１０３の形状は、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１に対して対称構造を有する並列給電型の給電線路から、３角形領域２０４に少なくとも一部が含まれる領域２０１に対する給電線路が取り除かれた形状としたが、これに限定されない。
給電線路１０３の形状は、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１から除外される領域２０１と対を成す領域２０１に配置される放射素子１０２に接続される部位６０１が、他の放射素子１０２に接続される部位よりも太くされた形状に形成されてもよい。
第２の変形例のアレーアンテナ装置６００は、図６に示すように、３角形領域２０４に少なくとも一部が含まれる領域２０１と対を成す領域２０１の放射素子１０２に接続される部位６０１が他の放射素子１０２に接続される部位よりも太い給電線路１０３を備えている。部位６０１は、３角形領域２０４に少なくとも一部が含まれる領域２０１と対を成す領域２０１の放射素子１０２と、この放射素子１０２の直近のＴ型分岐部１０６とを接続する。部位６０１の太さは、例えば、３角形領域２０４に少なくとも一部が含まれる領域２０１に対して省略される放射素子１０２の電力分を、部位６０１に接続される放射素子１０２の電力分に加えて供給することができる太さなどである。

第２の変形例によれば、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１から除外される領域２０１と対を成す領域２０１の放射素子１０２に接続される部位６０１が他の部位よりも太い給電線路１０３を持つので、無線信号の送受信における電力損失を低減することができる。３角形領域２０４に少なくとも一部が含まれる領域２０１に対して省略される放射素子１０２の電力分を、３角形領域２０４に少なくとも一部が含まれる領域２０１と対を成す領域２０１の放射素子１０２に供給することができる。

以下、第３の変形例について説明する。
上述した実施形態では、誘電体基板１０１の外形は、正方形板状に形成されているとしたが、これに限定されず、図７に示す第３の変形例のアレーアンテナ装置７００のように、誘電体基板１０１の外形は、長方形板状に形成されてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、２^Ｎ×２^Ｎ個の領域２０１の各隅部２０３から少なくとも１つの領域２０１を除いて得られる複数の領域２０１に配置される放射素子１０２を持つことにより、アンテナ開口面積を小さくすることができる。２^Ｎ×２^Ｎ個から除外する個数を抑制しながらアンテナ開口面積を小さくする放射素子１０２を持つので、アンテナ性能の低下を抑制しながら、アンテナ開口面積の単位面積当たりのアンテナ性能を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００…アレーアンテナ装置、１０１…誘電体基板、１０２…放射素子、１０３…給電線路、１０４…接地導体、１０５…無線機、１０６…Ｔ型分岐部、２０１…領域、２０２…４角形領域、２０３…隅部、２０４…３角形領域、５０１…抵抗負荷、６０１…部位

Claims

Ｎを２以上の任意の自然数とする２^Ｎ×２^Ｎ個の二次元格子状に設けられる領域のうち、前記２^Ｎ×２^Ｎ個の領域の全体によって形成される４角形の４つの隅部の各々において少なくとも１つの前記領域を除いて得られる複数の前記領域に配置される複数の放射素子と、
前記複数の放射素子に給電する給電線路と、
を備える、
アレーアンテナ装置。
前記４つの隅部の各々における前記少なくとも１つの前記領域は、
（（（２^Ｎ／４）×（１＋２^Ｎ／４））／２）個の前記領域である、
請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
前記４つの隅部の各々における前記少なくとも１つの前記領域は、
前記４角形の頂点および前記頂点に接続される２辺の一部によって形成される３角形に少なくとも一部が含まれる前記領域であり、
前記２辺は、前記４角形の長辺の長さの１／４の長さを有する辺と、前記４角形の短辺の長さの１／４の長さを有する辺とである、
請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
前記４つの隅部の各々における前記少なくとも１つの前記領域に配置される抵抗負荷を備え、
前記給電線路は前記抵抗負荷に接続される、
請求項１から請求項３の何れか１つに記載のアレーアンテナ装置。
前記４つの隅部の各々における前記少なくとも１つの前記領域と対になる前記領域に配置される前記放射素子に接続される前記給電線路の太さは、前記対になる前記領域以外に配置される前記放射素子に接続される前記給電線路の太さよりも太い、
請求項１から請求項４の何れか１つに記載のアレーアンテナ装置。
前記４つの隅部の各々における前記少なくとも１つの前記領域に配置される無線機を備え、
前記給電線路は前記無線機に接続される、
請求項１から請求項５の何れか１つに記載のアレーアンテナ装置。