JP2016139950A - アレイアンテナ装置、通信装置およびアレイアンテナ構成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 アレイアンテナ装置の小型化および周波数掃引によるビーム走査範囲の拡大を図る。【解決手段】 アレイアンテナ装置１は、複数のセル２が配列されている態様を備える。各セル２は、特性インピーダンスの異なる複数種の伝送線路３（３ａ，３ｂ，３ｃ）が電気的に直列接続されている線路群の態様を備えている。線路群は、曲がり部５を有する形状を備えている。セル２が配列している方向のセル２の幅の物理的な長さをセル幅ｄとした場合に、セル２の線路群が持つ電気的な長さである電気長は、セル幅ｄ分の自由空間の電気長よりも長い。【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の放射素子が配列配置されているアレイアンテナの技術に関する。

アンテナには多数の種類が有り、その一種として、アレイアンテナがある。このアレイアンテナにも多数の種類が有り、その一種として、直列給電アレイアンテナがある。この直列給電アレイアンテナは、配列配置されている複数の放射素子と、それら放射素子を電気的に直列に接続する複数の給電線路とを有する配列構造を備えている。このような直列給電アレイアンテナにおいては、その配列構造の一端側に進行波（電流（信号））を供給することによって、各放射素子に進行波が供給され当該放射素子から電波（電磁波）が放射される。これら各放射素子からの電波は合成され、この合成波によりアレイアンテナ装置の送受信動作が行われる。このようなアレイアンテナ装置における電波（合成波）の放射パターンの主軸方向は、周波数掃引（電流の周波数変化）によって給電線路における位相（移相量）が変化することを利用して制御できることが知られている。

特許文献１において開示されているレーダ装置は、複数の放射素子と、それら放射素子を電気的に直列に接続する給電線路とを備えている。このレーダ装置では、給電線路はクランク状に引き回されている。このように給電線路をクランク状に引き回すことによって給電線路の電気的な長さ（電気長）が長くなる。このように、給電線路の電気長を長くすることにより、レーダ装置は、周波数掃引によるビーム走査範囲（放射パターンの主軸方向の可変範囲）を広くできる。

特許文献１では、給電線路において、放射素子と接続している部位（素子給電部）間における物理的な長さ（線路長）は次のように設計されている。

ここで、電流が供給される給電線路の一端側を給電端というものとする。また、給電線路に接続されている複数の放射素子のうち、給電端に電気的に最も近い放射素子を１番目の放射素子とし、その次に給電端に電気的に近い放射素子を２番目の放射素子とするというように、給電端側から放射素子に番号が付されているとする。さらに、給電線路に供給される電流の周波数が周波数ｆ0である場合に、１番目の放射素子が給電線路に接続している素子給電部Ｐでの電流の位相を基準位相とし、ｋ番目の放射素子の素子給電部における電流の位相をＰ_ｓ（ｋ）とする。ｋ番目の放射素子の特性に基づく電流の移相量（位相遅延量）をＰｅ（ｋ）とする。ｋ番目の放射素子の素子給電部とｋ＋１番目の放射素子の素子給電部との間の給電線路の電気長に基づく移相量をＰｌ（ｋ）とする。

このような場合に、ｋ番目とｋ＋１番目の放射素子の素子給電部間における電流の位相差ΔＰは、数式（１）のように書き表すことができる。

この位相差ΔＰが２ｎπ［rad］（ｎは自然数）である場合に、アレイアンテナの放射効率を高めることができる。このことから、位相差ΔＰが２ｎπ［rad］となるように、ｋ番目とｋ＋１番目の放射素子の素子給電部間の給電線路の線路長ＤＬが設計される。つまり、位相差ΔＰが２ｎπ［rad］となるための線路長ＤＬは、数式（２）により求めることができる。なお、数式（２）におけるλgは、周波数ｆ0の電流における波長を表している。

なお、特許文献２には、アンテナとして機能する放射素子の形状がミアンダ形状である構成が開示されている。特許文献３には、デュアルバンドアンテナの構成が開示されており、そのデュアルバンドアンテナを構成する放射素子として、ミアンダ形状の放射素子が開示されている。

特許第４８５８５５９号公報 国際公開第ＷＯ２００７／０１０６７５号 国際公開第ＷＯ２０１４／０６４７８６号

特許文献１に開示されている上記のような給電線路の線路長等の設計手法では、給電線路と放射素子とのインピーダンス整合が考慮されていない。このため、特許文献１に開示されている設計手法を利用すると、周波数によっては、給電線路と放射素子とがインピーダンス整合していない状態になってしまう場合がある。アレイアンテナでは、給電線路と放射素子とが電気的に周期的に配列されていることから、そのようなインピーダンス不整合の状態になると、Bragg反射に因るストップバンドが発生してしまう。このストップバンドでは、アレイアンテナは、電波を放射しにくくなるために、周波数によっては、アンテナとして動作できなくなるという事態が発生する。このことに起因して、特許文献１に開示されているアレイアンテナにおいては、周波数掃引によるビーム走査範囲を広げることが難しいという問題がある。

本発明は上記課題を解決するために成された。すなわち、本発明の主な目的は、小型化、および、周波数掃引によるビーム走査範囲の拡大が容易な直列給電アレイアンテナに関する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のアレイアンテナ装置は、
異なる特性インピーダンスを持つ複数種の伝送線路が電気的に直列接続され前記伝送線路のうちの特性インピーダンスの低い前記伝送線路が放射素子として機能する線路群により構成されるセルを複数有し、これらセルは、電気的に直列接続されている態様でもって配列されており、
前記セルにおける前記線路群は、曲がり部を有する形状を備え、
前記セルが配列している方向の前記セルの幅の物理的な長さをセル幅ｄとした場合に、前記セルの前記線路群が持つ電気的な長さである電気長は、前記セル幅ｄ分の自由空間の電気長よりも長い特性を持つ。

本発明の通信装置は、
本発明のアレイアンテナ装置と、
当該アレイアンテナ装置に電流を供給する給電源である無線回路と
を備える。

本発明のアレイアンテナ構成方法は、
異なる特性インピーダンスを持つ複数種の伝送線路が電気的に直列接続されている線路群により構成される複数のセルを、電気的に直列接続されている態様でもって配列形成し、
前記セルが配列している方向の前記セルの幅の物理的な長さをセル幅ｄとした場合に、前記セルの前記線路群が持つ電気的な長さである電気長は、前記セル幅ｄ分の自由空間の電気長よりも長くなるように、前記セルにおける前記線路群を、曲がり部を有する形状に形成する。

本発明によれば、直列給電アレイアンテナ装置において、小型化、および、周波数掃引によるビーム走査範囲の拡大を容易にする。

本発明に係る第１実施形態のアレイアンテナ装置の構成を説明する図である。 本発明に係る第２実施形態のアレイアンテナ装置の構成を模式的に表す斜視図である。 第２実施形態のアレイアンテナ装置を構成するセル（線路群）の分散関係の一例を表すグラフである。 第２実施形態のアレイアンテナ装置を構成するセル（線路群）の放射効率と周波数との関係例を表すグラフである。 第２実施形態のアレイアンテナ装置におけるビーム走査範囲の一例を表す図である。 本発明に係る第３実施形態のアレイアンテナ装置の構成を模式的に表すモデル図である。 本発明に係る第４実施形態のアレイアンテナ装置の構成を説明する図である。 本発明に係る第５実施形態のアレイアンテナ装置の構成を説明する図である。 本発明に係る第６実施形態のアレイアンテナ装置の構成を説明する図である。 本発明に係るその他の実施形態のアレイアンテナ装置を説明する図である。 本発明に係るさらに別のその他の実施形態のアレイアンテナ装置を説明する図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面を参照しながら説明する。

＜第１実施形態＞
図１（ａ）は、本発明に係る第１実施形態のアレイアンテナ装置の構成を簡略化して表すモデル図である。この第１実施形態のアレイアンテナ装置１は、直列給電タイプのアレイアンテナ装置である。このアレイアンテナ装置１は、複数のセル２を有している。各セル２は、複数の伝送線路３（３ａ，３ｂ，３ｃ）が電気的に直列接続されている線路群の態様を備えている。各セル２を構成する伝送線路３（３ａ，３ｂ，３ｃ）は開放系の線路である。また、伝送線路３ｂ，３ｃの特性インピーダンスは等しい、あるいは、ほぼ等しい。伝送線路３ａの特性インピーダンスは、伝送線路３ｂ，３ｃの特性インピーダンスよりも低い。換言すれば、接続されている伝送線路３ａ，３ｂの特性インピーダンスは互いに異なり、また、接続されている伝送線路３ａ，３ｃの特性インピーダンスも互いに異なっている。

このように特性インピーダンスが異なる複数種の伝送線路３が接続されていることにより、セル２は、電流が特性インピーダンスの低い伝送線路から特性インピーダンスの高い伝送線路に流れ込む線路接続部を有する。この線路接続部において、電流の一部が反射し、これによる電波（電磁波）の放射が発生する。つまり、この第１実施形態では、各セル２における特性インピーダンスの低い伝送線路３ａは、電波（電磁波）を放射する放射素子として機能する。

この第１実施形態のアレイアンテナ装置１は、放射素子として機能する伝送線路３ａを有する複数のセル２が電気的に直列接続されている。このように複数のセル２が配列されているセル列の一端側Ｓは、電流を供給する給電源（無線回路（高周波回路））７に接続されている。また、セル列の他端側Ｅは、例えば、終端抵抗８に接続されている。

給電源７からアレイアンテナ装置１（セル列）に電流（進行波）が供給されることにより、放射素子としての各伝送線路３ａから電波が放射される。各伝送線路３ａから放射された電波は合成され、この合成波により、アレイアンテナ装置１はアンテナとしての機能を実現することができる。また、各セル２の伝送線路３ａは伝送線路３ｂ，３ｃを介して直列接続されていることにより、各伝送線路３ａに通電している電流（進行波）に位相差が生じる。この位相差を周波数掃引によって変化させることにより、前記合成波の進行方向（換言すれば、放射ビームの主軸方向）が変化（走査）する。

この第１実施形態では、各セル２の線路群（伝送線路３ａ，３ｂ，３ｃ）は、曲がり部５を有する形状と成している。これにより、この第１実施形態のアレイアンテナ装置１は、次のような特性を備えている。すなわち、ここでは、セル２が配列している方向Ｘのセル２の幅の物理的な長さをセル幅ｄとする。また、セル２の線路群（伝送線路３ａ，３ｂ，３ｃ）の一端から他端までの線路の電気的な長さ（電気長）をＬｅとする。さらに、電磁波がセル幅ｄ分の自由空間を進んだ場合におけるセル幅ｄ分の自由空間の電気長をＬｏとする。

この第１実施形態では、セル２の線路群の電気長Ｌｅは、セル幅ｄ分の自由空間の電気長Ｌｏよりも長い（Ｌｅ＞Ｌｏ）。

この第１実施形態のアレイアンテナ装置１は、上記のように、セル２の線路群が曲がり部を有する形状を備えていることによって、各セル２の線路群の電気長Ｌｅを短くすることなく、各セル２の小型化を図ることができる。これにより、アレイアンテナ装置１は、大型化することなく、配列するセル２の数を増加することができる。つまり、アレイアンテナ装置１は、放射素子（伝送線路３ａ）を増加することができるので、放射効率の向上を図ることができる。

また、第１実施形態のアレイアンテナ装置１においては、前記の如く、各セル２の線路群が曲がり部を有する形状と成し、各セル２は、線路群の電気長Ｌｅがセル幅ｄ分の自由空間の電気長Ｌｏよりも長い（Ｌｅ＞Ｌｏ）という特性を備えている。このように、セル２の線路群は、電気長Ｌｏよりも長い電気長Ｌｅを備えていることから、アレイアンテナ装置１は、その電気長Ｌｅが関与する、周波数の変化に対する放射ビームの主軸方向の変化を大きくできる。すなわち、アレイアンテナ装置１は、ビーム走査範囲（放射ビームの主軸方向の可変範囲）の拡大を図ることができる。

このようなアレイアンテナ装置１は、例えば、図１（ｂ）に表されているように、給電源である無線回路（高周波回路）７を備える通信装置４に組み込まれ当該通信装置４を構成する。第１実施形態のアレイアンテナ装置１を組み込んだ通信装置４は、上記のようなアレイアンテナ装置１の放射効率向上とビーム走査範囲の拡大によって、通信性能の向上を図ることができる。

＜第２実施形態＞
以下に、本発明に係る第２実施形態を説明する。なお、この第２実施形態の説明において、第１実施形態のアレイアンテナ装置を構成する構成部分と同一名称部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

図２は、本発明に係る第２実施形態のアレイアンテナ装置の構成を簡略化して表す斜視図である。

この第２実施形態のアレイアンテナ装置１は、第１実施形態のアレイアンテナ装置１と基本構成が同様な直列給電アレイアンテナ装置であり、第１実施形態における伝送線路３と同様な伝送線路３を有している。すなわち、第２実施形態のアレイアンテナ装置１は、特性インピーダンスの異なる複数種の伝送線路３（３ａ，３ｂ，３ｃ）を有する線路群を備えた複数のセル２が電気的に直列接続されている構成を備えている。換言すれば、複数のセル２は、伝送線路３による電流（進行波）の位相遅延量が周期的となるように一列に並べられた配列構造を構成している。

この第２実施形態では、伝送線路３（３ａ，３ｂ，３ｃ）は、基体（誘電体基体）１０に形成されたマイクロストリップ線路により構成されている。

また、この第２実施形態では、各セル２において、伝送線路３ａの電気長Ｌａと、特性インピーダンスが同様な伝送線路３ｂ，３ｃの合計の電気長Ｌｂとは、仕様等により定められている使用周波数帯において、数式（３）を満たすように設計されている。

なお、数式（３）におけるβ₁は、伝送線路３ａに関する、物理的な単位長さ当たりの線路による電流（進行波）の位相遅延量を表す位相定数を示している。β₂は、伝送線路３ｂ，３ｃに関する、物理的な単位長さ当たりの線路による電流（進行波）の位相遅延量を表す位相定数を示している。また、ｌ₁は、伝送線路３ａの線路長（物理的な長さ）を表し、ｌ₂は、伝送線路３ｂ，３ｃの合計の線路長（物理的な長さ）を表している。

伝送線路３（３ａ，３ｂ，３ｃ）が数式（３）を満たすように設計されることによって、伝送線路３ａ，３ｂ，３ｃが接続している部分におけるインピーダンス整合条件が満たされることとなる。これにより、アレイアンテナ装置１は、特性インピーダンスの高い伝送線路３ｂから特性インピーダンスの低い伝送線路３ａに電流が流れる線路接続部分での電流（進行波）の反射を抑制できる。これにより、伝送線路３を通電している電流（進行波）が無用に減衰することが抑制され、当該電流は、効率良く終端抵抗８までアレイアンテナ装置１を通電できる。

この第２実施形態では、アレイアンテナ装置１は、上記したような条件を満たすだけでなく、以下に説明するような条件をも満たすように設計される。

ここで、直列給電アレイアンテナ装置の特性を説明するパラメータについて説明する。

この第２実施形態におけるアンテナ構造のような周期的な構造における電磁波の特性は、Floquetの定理（固体物理学ではBlochの定理とも呼ばれる）に基づくと、数式（４）のように表すことができる。この数式（４）は、周期間隔（つまり、セル２におけるセル幅）ｄでもって周期的に配列された複数のセル２のうち、給電源７側からｎ番目のセル２における電圧Ｖnと電流Ｉnを表す式である。

なお、数式（４）において、Ｖnは、給電源７側からｎ番目のセル２における電圧を表し、Ｉnは、給電源７側からｎ番目のセル２における電流を表している。Ｖn+1は、給電源７側からｎ+1番目のセル２における電圧を表し、Ｉn+1は、給電源７側からｎ+1番目のセル２における電流を表している。行列[Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ]は伝送行列（Ｆ（(Fundamental）行列）を表している。さらに、γは伝搬定数を表している。ｄはセル２の配列間隔（セル幅）を表している。

数式（４）における電圧Ｖnと電流Ｉnが解を持つためには、数式（５）が成立する必要がある。

数式(５)を利用することにより、伝搬定数γについて、数式(６)に表されるような分散関係が得られる。

数式（６）におけるｄはセル２の配列間隔（セル幅）を表している。αは電流（進行波）の減衰項を表す減衰定数を表している。βは位相定数を表している。減衰定数αと位相定数βは、電流（進行波）の周波数に依存する値であり、アレイアンテナ装置１のアンテナ特性に大きく関与する値である。

つまり、減衰定数αが大きい場合には、電流（進行波）が伝送線路３を給電源７側から終端抵抗８側に伝搬していく際の電流の減衰量が大きい、つまり、電流（進行波）は効率良く伝搬されない。これにより、伝送線路３ａ（換言すれば、アレイアンテナ装置１）から放射される電波が弱くなる。このことを考慮すると、減衰定数αは、アレイアンテナ装置１における使用周波数帯において、小さいことが好ましい。なお、減数定数αが大きい値となる周波数帯は、ストップバンドあるいは禁止帯あるいは禁制帯などと呼ばれる。

数式（３）、（６）を利用することにより、伝搬定数γに関する数式（７）が得られる。この数式（７）は、アレイアンテナ装置１における分散関係を表している。

なお、数式（７）におけるＺ₁は、伝送線路３ａにおける特性インピーダンスを表し、Ｚ₂は、伝送線路３ｂ，３ｃにおける特性インピーダンスを表している。

アレイアンテナ装置１において、減衰定数α（伝搬定数γ）を低減するための条件は、数式（６）、（７）を参照すると、数式（３）を満たすという条件である。この第２実施形態では、前記の如く、数式（３）を満たすように伝送線路３が設計されることから、減衰定数αが低減され、アレイアンテナ装置１は、放射効率を高めることができる。

ところで、アレイアンテナ装置１における放射ビームの主軸方向は、伝送線路３が形成されている基体１０の上面に直交する方向に対する角度θを利用して表すと、数式（８）のようにセル２における位相定数βを用いて表すことができる。

なお、数式（８）におけるｌは、セル２における線路群（伝送線路３ａ，３ｂ，３ｃ）の一端から他端までの線路の物理的な長さを表している。ｄはセル２のセル幅を表している。ｋ₀はセル幅ｄにおける自由空間での電波の波数を表している。

すなわち、アレイアンテナ装置１が電波を放射するためには、数式（８）が成立する必要があり、このためには、｜β｜＜ｋ₀という条件を満たす必要がある。また、位相定数βは、各セル２の線路群の線路長によって可変調整できる。具体的には、セル２における線路群の線路長が長くなるに従って、位相定数βは、周波数の変化に対する変化が大きくなる。さらに、数式（８）に基づくと、周波数の変化に対する位相定数βの変化が大きくなるに従って、放射ビームの主軸方向θを大きく可変できる。これらのことを考慮すると、放射ビームの主軸方向θの可変範囲を広くするためには、アレイアンテナ装置１は、セル２における線路群の線路長を長くすることが好ましい。

この第２実施形態では、セル２の線路群は、線路長が関与するセル２の線路群の電気長を利用した次のような条件を満たすように設計される。その条件の一つは、第１実施形態の説明でも述べた条件であり、アレイアンテナ装置１の使用周波数帯において、セル２の線路群の電気長Ｌｅは、セル幅ｄ分の自由空間の電気長Ｌｏよりも長い（Ｌｅ＞Ｌｏ）という条件である。さらに、別の条件として、伝送線路３ａの電気長Ｌａは、伝送線路３ｂ，３ｃの合計の電気長Ｌｂと等しい、あるいは、ほぼ等しいという条件もある。

この第２実施形態におけるアレイアンテナ装置１は、上記のように構成されており、例えば、図３、図４および図５に表されるような特性を持つことができる。すなわち、図３は、各セル２における伝送線路３に通電する電流（進行波）の周波数と、伝送線路３における分散関係との関係例を表すグラフである。この図３におけるグラフの横軸は周波数を表し、縦軸は分散関係に応じた数値を表している。また、図３における鎖線Ａは、αｌ/π（＝α×ｌ÷π）に関する分散関係を表し、点線Ｂは、βｌ/π（＝β×ｌ÷π）に関する分散関係を表し、実線Ｃは、ｋ₀ｌ/π（＝ｋ₀×ｌ÷π）に関する分散関係を表している。なお、αは減衰定数を表し、βは位相定数を表し、ｌはセル２の線路群の線路長を表し、ｋ₀はセル幅ｄにおける自由空間での電波の波数を表している。

この第２実施形態では、前記の如く、各セル２における伝送線路３ａの電気長Ｌａと、伝送線路３ｂ，３ｃの合計の電気長Ｌｂとは同じ、あるいは、ほぼ同じであり、これら電気長Ｌａ，Ｌｂは、円周率πの自然数の倍数である。図３に表されているハッチング領域は、その伝送線路３における電気長の条件を満たす周波数帯を表し、アレイアンテナ装置１は、そのハッチング領域の周波数帯において、アンテナ動作を行うことができる。図３に表されているように、アレイアンテナ装置１は、複数の周波数帯においてアンテナ動作を行うことができる。

図４は、第２実施形態のアレイアンテナ装置１における放射特性を表すグラフである。この図４のグラフにおける縦軸は放射効率を表し、横軸は周波数を表している。また、図４におけるハッチング領域は、図３に表されているハッチング領域と同じ周波数帯（つまり、アレイアンテナ装置１がアンテナ動作を行う周波数帯）を表している。図４に表されているように、アレイアンテナ装置１の放射効率が高くなっている周波数帯は、アンテナ動作に使用される周波数帯である。換言すれば、第２実施形態のアレイアンテナ装置１は、アンテナ動作に使用する周波数帯において、放射効率を高めることができる。なお、放射効率は、周波数が高くなるほど、相対的にアンテナの実効開口面積が広くなるために高くなる傾向がある。

図５は、アレイアンテナ装置１における指向性（放射ビームの主軸方向）を表す図である。図５における円形グラフの外周に付されている数値は角度θを表し、この角度θは、図２に表されている角度θに相当している。この図５における点線Ａは伝送線路３に通電している電流（進行波）の周波数が８１７ＭHzである場合における指向性を表している。点線Ｂは伝送線路３に通電している電流（進行波）の周波数が８４６ＭHzである場合における指向性を表している。点線Ｃは伝送線路３に通電している電流（進行波）の周波数が８７４ＭHzである場合における指向性を表している。点線Ｄは伝送線路３に通電している電流（進行波）の周波数が９０３ＭHzである場合における指向性を表している。点線Ｅは伝送線路３に通電している電流（進行波）の周波数が９４６ＭHzである場合における指向性を表している。点線Ｆは伝送線路３に通電している電流（進行波）の周波数が９７４ＭHzである場合における指向性を表している。実線Ｇは伝送線路３に通電している電流（進行波）の周波数が１００３ＭHzである場合における指向性を表している。

図５に表されているように、通電する電流の周波数を８１７ＭHzから１００３ＭHzにかけて掃引した場合に、アレイアンテナ装置１における放射ビームの主軸方向は、−５０°から＋４０°の角度範囲に亘って変化する。このように、この第２実施形態のアレイアンテナ装置１は、周波数掃引によって、広い角度範囲でもって放射ビームの主軸方向を変化できる。

この第２実施形態のアレイアンテナ装置１は、上記のように、小型化、および、周波数掃引によるビーム走査範囲の拡大を容易に図ることができるという効果を得ることができる。

また、この第２実施形態では、伝送線路３ａの曲がり部５は、角度を持つ角部ではなく、曲率を持つ円弧状と成している。この構成は、その曲がり部５での不要な放射を抑制できる。すなわち、伝送線路３ａのように、線路幅が広い線路においては、電流（進行波）の周波数が高くなるにつれて線路の曲がり部でのインピーダンス不連続性が顕著になる。このため、伝送線路３ａの曲がり部が例えば鋭角を持つ角部であるような曲がりがきつい角部である場合には、電流（進行波）の周波数が高い場合に、その曲がり部でインピーダンス不整合が生じ、これにより電流の不要な放射が生じる可能性がある。これに対し、この第２実施形態では、伝送線路３ａの曲がり部は、円弧状であり、曲がりが緩やかであることから、そのような電流の不要な放射を抑制できる。このことは、放射効率の向上に寄与するものである。

さらに、この第２実施形態では、伝送線路３はマイクロストリップ線路により構成されている。これにより、伝送線路３は、誘電体基体１０の誘電率に起因して電気長を長くすることができる。

＜第３実施形態＞
以下に、本発明に係る第３実施形態を説明する。なお、この第３実施形態の説明において、第１や第２の実施形態のアレイアンテナ装置における構成部分と同一名称部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

図６は、第３実施形態のアレイアンテナ装置における伝送線路の一部を抜き出し簡略化して表すモデル図である。この第３実施形態では、各セル２は、電気長の異なる複数の伝送線路３を含む複数の組１２（１２Ａ，１２Ｂ）を有している。図６の例では、電気長の異なる複数の伝送線路３Ａ₁，３Ａ₂，３Ａ₃によって、組１２Ａが構成されている。また、電気長の異なる複数の伝送線路３Ｂ₁，３Ｂ₂，３Ｂ₃によって、組１２Ｂが構成されている。さらに、組１２Ａにおける伝送線路３Ａ₁，３Ａ₂，３Ａ₃の特性インピーダンスは、組１２Ｂにおける伝送線路３Ｂ₁，３Ｂ₂，３Ｂ₃の特性インピーダンスよりも低くなるように設計されている。

この第３実施形態では、上記のような複数の組１２Ａ，１２Ｂを持つセル２が配列配置されている。つまり、組１２Ａ，１２Ｂが交互に配列配置されている。この第３実施形態では、電気的に隣り合う組１２Ａ，１２Ｂは、スイッチ回路１３を介して電気的に接続される。スイッチ回路１３は、電気的に隣り合う組１２の一方を構成する複数の伝送線路３のうちの選択された１本を、他方の組１２の選択された１本の伝送線路３に電気的に直列接続する回路構成を有する。かつ、スイッチ回路１３は、直列接続する伝送線路３の組み合わせを切り換える回路構成を備えている。このスイッチ回路１３の切り換え動作は、例えば、アレイアンテナ装置１が組み込まれる通信装置４の制御装置（図示せず）によって制御される。

なお、給電源７に最も近い組１２Ｂの伝送線路３は、スイッチ回路１４を介して給電源７に電気的に接続される。また、終端抵抗８に最も近い組１２Ａの伝送線路３は、スイッチ回路１５を介して終端抵抗８に電気的に接続される。スイッチ回路１４，１５は、組１２Ａ，１２Ｂの複数の伝送線路３のうちの選択された１本を給電源７あるいは終端抵抗８に電気的に切り換え接続する回路構成を備えている。これらスイッチ回路１４，１５の切り換え動作は、スイッチ回路１３と同様に、例えば、アレイアンテナ装置１が組み込まれる通信装置４の制御装置（図示せず）によって制御される。

なお、この第３実施形態においても、第２実施形態と同様に、接続する組１２Ａ，１２Ｂの伝送線路３は、同じ電気長を持つことが好ましい。このため、スイッチ回路１３は、組１２Ａ，１２Ｂの同じ電気長を持つ伝送線路３同士が電気的に接続するように切り換え動作が制御される。なお、このようにスイッチ回路１３の切り換え動作が制御されることによって、各セル２の位相遅延量が同様になる。

この第３実施形態のアレイアンテナ装置１における上記以外の構成は、第１又は第２の実施形態のアレイアンテナ装置１の構成と同様であり、ここでは、その重複説明は省略する。

この第３実施形態のアレイアンテナ装置１においても、第１又は第２の実施形態と同様の構成を備えていることから、第１又は第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。つまり、第３実施形態においても、各伝送線路３（３Ａ₁，３Ａ₂，３Ａ₃，３Ｂ₁，３Ｂ₂，３Ｂ₃）は、円周率πの自然数倍の電気長を持つように設計されている。また、伝送線路３Ａ₁，３Ａ₂，３Ａ₃のうちの選択された１本と、伝送線路３Ｂ₁，３Ｂ₂，３Ｂ₃のうちの選択された１本とがスイッチ回路１３によって電気的に直列接続されることによって、セル２における線路群が構成される。各セル２の線路群は、曲がり部を有する形状と成しており、当該線路群が持つ電気長Ｌｅは、セル幅ｄ分の自由空間の電気長Ｌｏよりも長い（Ｌｅ＞Ｌｏ）という条件を満たすように設計されている。このような構成を備えていることにより、第３実施形態のアレイアンテナ装置１は、小型化、および、周波数掃引によるビーム走査範囲の拡大を容易に図ることができるという効果を得ることができる。

さらに、この第３実施形態のアレイアンテナ装置１は、複数の伝送線路３の中から選択された伝送線路３にスイッチ回路によって電流が通電するように、電流経路（線路群の電気長）の切り換えが可能な構成を備えている。これにより、第３実施形態のアレイアンテナ装置１は、各セル２における線路群の位相定数を可変制御することが容易となる。また、アレイアンテナ装置１は、送受信が可能な電波の周波数帯を増加することが容易となる。

＜第４実施形態＞
以下に、本発明に係る第４実施形態を説明する。なお、この第４実施形態の説明において、第１〜第３の各実施形態のアレイアンテナ装置の構成部分と同一名称部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

図７は、第４実施形態のアレイアンテナ装置の構成を簡略化して表すモデル図である。なお、第４実施形態のアレイアンテナ装置１においても、セル２は、第１〜第３の実施形態で述べたと同様に、複数の伝送線路３が接続されている線路群を備えているが、図７では、伝送線路３の図示が省略されている。

この第４実施形態では、アレイアンテナ装置１は、複数のセル２が配列配置されている複数のセル列１８を備えている。これらセル列１８は、例えば、並設されている。具体的には、例えば、複数のセル列１８は、セル２の配列方向Ｘに直交する方向Ｙに配列配置されている。

さらに、アレイアンテナ装置１は、電力分配回路（例えば電力分配器）１６と、移相回路（例えば移相器）１７とを備えている。電力分配回路１６は、給電源１７から供給される電流（進行波）を各セル列１８に分配供給する回路構成を備えている。移相回路１７は、電力分配回路１６から各セル列１８にそれぞれ電流を供給する分岐通路１９にそれぞれ介設されている。各移相回路１７は、各セル列１８に供給する電流の位相を可変調整することが可能な回路構成を備えている。各移相回路１７は、例えば、アレイアンテナ装置１が組み込まれる通信装置４の制御装置（図示せず）によって制御されることによって、セル列１８に供給する電流の位相を可変制御する。

この第４実施形態のアレイアンテナ装置１における上記以外の構成は第１又は第２又は第３の実施形態のアレイアンテナ装置１の構成と同様であり、ここでは、その説明は省略する。この第４実施形態のアレイアンテナ装置１は、第１又は第２又は第３の実施形態のアレイアンテナ装置１と同様な構成を備えている。このため、第４実施形態のアレイアンテナ装置１は、第１〜第３の実施形態と同様に、小型化、および、周波数掃引によるビーム走査範囲の拡大を容易に図ることができるという効果を得ることができる。

さらに、この第４実施形態のアレイアンテナ装置１は、複数のセル列１８が配列配置され、移相回路１７によって、各セル列１８に供給される電流の位相を可変可能な構成を備えている。このため、第４実施形態のアレイアンテナ装置１は、ビーム走査範囲をより広げることができる。すなわち、セル２が配列している方向をＸ方向とし、セル列１８が配列している方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向をＺ方向とする。第４実施形態のアレイアンテナ装置１は、Ｘ方向およびＺ方向に平行なＸＺ平面における角度θの方向に放射ビームを走査できるだけでなく、Ｙ方向およびＺ方向に平行なＹＺ平面においても、放射ビームの主軸方向を走査できる。

なお、この第４実施形態では、アレイアンテナ装置１は、電力分配回路１６と位相回路１７を備えているが、アレイアンテナ装置１は、それら電力分配回路１６と位相回路１７を含まず、当該電力分配回路１６と位相回路１７は通信装置４に設けられていてもよい。

＜第５実施形態＞
以下に、本発明に係る第５実施形態を説明する。なお、この第５実施形態の説明において、第１〜第４の実施形態のアレイアンテナ装置の構成部分と同一名称部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

図８は、第５実施形態のアレイアンテナ装置を構成する伝送線路３を抜き出して簡略化して表すモデル図である。この第５実施形態のアレイアンテナ装置１は、第１〜第４の何れかの実施形態の構成に加えて、放射素子２０を備えている。放射素子２０は、伝送線路３とは異なる態様の放射素子であり、各セル２における伝送線路３の接続部に電気的に接続されている。具体的には、放射素子２０は，特性インピーダンスの高い伝送線路３ｂ（３Ｂ₁，３Ｂ₂，３Ｂ₃）から特性インピーダンスの低い伝送線路３ａ（３Ａ₁，３Ａ₂，３Ａ₃）に電流が流れ込む線路接続部分に電気的に接続されている。

この第５実施形態のアレイアンテナ装置１は、第１〜第４の実施形態と同様の構成を備えていることによって、第１〜第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、各セル２において、放射素子２０が電気的に接続されているので、第５実施形態のアレイアンテナ装置１は、各セル２における放射効率をより高めることができる。

なお、第３実施形態のように、伝送線路３間にスイッチ回路１３が介設されている場合には、例えば、そのスイッチ回路１３において、接続対象として選択された伝送線路３間を電気的に接続する経路に、放射素子２０を接続する構成を備える。

＜第６実施形態＞
以下に、本発明に係る第６実施形態を説明する。なお、この第６実施形態の説明において、第１〜第５の実施形態のアレイアンテナ装置の構成部分と同一名称部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

第１〜第５の各実施形態では、各セル２を構成する線路群は、特性インピーダンスの異なる２種類の伝送線路３が電気的に直列接続されている態様を備えている。これに対し、この第６実施形態では、各セル２を構成する線路群は、特性インピーダンスの異なる３種類以上の伝送線路３が電気的に直列接続されている態様を備えている。図９は、そのようなセル２における線路群の一例を表すモデル図である。図９の例では、各セル２を構成する線路群は、特性インピーダンスの異なる５種類の伝送線路３（３ｒ，３ｓ，３ｔ，３ｕ，３ｖ）が直列接続されている態様を備えている。この例では、各伝送線路３の特性インピーダンスは、伝送線路３ｒ，３ｓ，３ｔ，３ｕ，３ｖの順に高くなっている。

これら各伝送線路３に関しても、第１〜第５の各実施形態における伝送線路３と同様に、各伝送線路３の電気長は、アレイアンテナ装置１における使用周波数帯において、円周率πの自然数の倍数となっている。また、各セル２を構成する伝送線路３の線路群（３ｒ，３ｓ，３ｔ，３ｕ，３ｖ）は、曲がり部を有する形状と成し、当該線路群の電気長Ｌｅは、セル幅ｄ分の自由空間の電気長Ｌｏよりも長い（Ｌｅ＞Ｌｏ）という条件を満たすように設計されている。

この第６実施形態のアレイアンテナ装置１においても、第１〜第５の各実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、各セル２において、第１〜第５の実施形態よりも、特性インピーダンスの異なる伝送線路３の接続部（つまり、電波の放射部分）の数が増加することから、アレイアンテナ装置１の放射効率を高めることができる。さらに、各セル２の線路群が特性インピーダンスの異なる３種類以上の伝送線路３を有する構成は、特性インピーダンスの種類が増加することにより、設計の自由度を高くすることができる。

＜その他の実施形態＞
なお、本発明は第１〜第６の各実施形態に限定されず、様々な実施の形態を採り得る。例えば、第１〜第６の各実施形態では、各セル２を構成する線路群の曲がり部５は、曲率を持つ円弧状である。これに対し、各セル２を構成する線路群の曲がり部５の少なくとも一つは、角度を持つ角部であってもよい。図１０は、セル２を構成する線路群が曲がり部５として角部２４を持つ態様の一例が表されている。このように、セル２を構成する線路群が曲がり部５として角部２４を持つ態様である場合には、その角部２４がインピーダンス不連続部分となって不要な放射が発生することを防止するために、角部２４は、次のような角度条件を満たしている。すなわち、角部２４は、１３５°以上、かつ、１８０°以下の角度範囲内の角度ｐ，ｑを持つ鈍角となるように設計される。

また、前述した各実施形態では、セル２の配列の終端は終端抵抗８に接続されている。これに対し、セル２の配列の終端は、例えば、図１１（ａ）に表されるように、開放端であってもよい。または、セル２の配列の終端は、例えば、図１１（ｂ）に表されるように、リアクタンス２２に接続されてもよい。さらに、セル２の配列の終端は、例えば、図１１（ｃ）に表されるように、基準電位を持つグラウンドに接地（短絡）されてもよい。これらのように、セル２の配列の終端を開放端とする、あるいは、リアクタンスやグラウンドに接続する構成とすることにより、アレイアンテナ装置１に定在波給電を行うことができるため、より放射効率を高めることができる。

１ アレイアンテナ装置
２ セル
３ 伝送線路
５ 曲がり部
１０ 基体
１８ セル列
２０ 放射素子

Claims (10)

1. 異なる特性インピーダンスを持つ複数種の伝送線路が電気的に直列接続され前記伝送線路のうちの特性インピーダンスの低い前記伝送線路が放射素子として機能する線路群により構成されるセルを複数有し、これらセルは、電気的に直列接続されている態様でもって配列されており、
   前記セルにおける前記線路群は、曲がり部を有する形状を備え、
   前記セルが配列している方向の前記セルの幅の物理的な長さをセル幅ｄとした場合に、前記セルの前記線路群が持つ電気的な長さである電気長は、前記セル幅ｄ分の自由空間の電気長よりも長い特性を持つアレイアンテナ装置。
2. 前記セルを構成する前記各種の伝送線路の電気長は、それぞれ、設定の使用周波数帯において、円周率πの自然数倍である請求項１記載のアレイアンテナ装置。
3. 前記伝送線路は、マイクロストリップ線路により構成されている請求項１又は請求項２記載のアレイアンテナ装置。
4. 前記セルを構成する複数種の前記伝送線路のうちの最も特性インピーダンスの低い前記伝送線路は前記曲がり部を有し、当該曲がり部は、曲率を有する円弧状であるか、あるいは、角度を持つ角部であり、当該曲がり部が角部である場合には、当該角部は、１３５°以上、かつ、１８０°以下の角度範囲内の角度を持つ鈍角である請求項１又は請求項２又は請求項３記載のアレイアンテナ装置。
5. 前記セルは、電気長の異なる複数本の前記伝送線路を含む組を複数備え、これら組は、互いに特性インピーダンスが異なり、かつ、スイッチ回路を介して電気的に直列に配列されており、
   前記スイッチ回路は、電気的に隣り合う前記組の一方を構成する複数本の前記伝送線路のうちの選択された１本の前記伝送線路と、隣り合う前記組の他方を構成する複数本の前記伝送線路のうちの選択された１本の前記伝送線路とを電気的に接続すると共に、それら接続する前記伝送線路の組み合わせを切り換える回路構成を備えている請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載のアレイアンテナ装置。
6. 前記セルが配列されているセル列の一端側は、電流を供給する給電源に電気的に接続され、前記セル列の他端側は、開放端であるか、あるいは、終端抵抗に電気的に接続されるか、あるいは、リアクタンスに電気的に接続されるか、あるいは、グラウンドに短絡される請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載のアレイアンテナ装置。
7. 前記セルが配列されているセル列が複数並設されており、それら各セル列は、電流の位相遅延量を可変調整する別々の移相回路を通して共通の給電源に電気的に接続される請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載のアレイアンテナ装置。
8. 前記セルには、前記伝送線路とは異なる放射素子が、特性インピーダンスが異なる前記伝送線路の接続部分に電気的に接続されている請求項１乃至請求項７の何れか一つに記載のアレイアンテナ装置。
9. 請求項１乃至請求項８の何れか一つに記載のアレイアンテナ装置と、
   当該アレイアンテナ装置に電流を供給する給電源である無線回路と
   を備える通信装置。
10. 異なる特性インピーダンスを持つ複数種の伝送線路が電気的に直列接続されている線路群により構成される複数のセルを、電気的に直列接続されている態様でもって配列形成し、
    前記セルが配列している方向の前記セルの幅の物理的な長さをセル幅ｄとした場合に、前記セルの前記線路群が持つ電気的な長さである電気長は、前記セル幅ｄ分の自由空間の電気長よりも長くなるように、前記セルにおける前記線路群を、曲がり部を有する形状に形成するアレイアンテナ構成方法。

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