JP2017143474A

JP2017143474A - アンテナ素子、アレーアンテナ及び平面アンテナ

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Publication number: JP2017143474A
Application number: JP2016024881A
Authority: JP
Inventors: 真行菅野; Masayuki Sugano
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2017-08-17
Anticipated expiration: 2036-02-12
Also published as: JP6721354B2

Abstract

【課題】本発明は、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することを目的とする。【解決手段】本発明は、誘電体基板１１に形成されるアンテナ素子１であって、誘電体基板１１の一方の表面に形成される地板導体１２と、誘電体基板１１の他方の表面に形成される給電線路１３と、給電線路１３の給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する反射抑圧部１４と、給電線路１３及び反射抑圧部１４の表面に形成される電磁結合層１５と、アンテナ素子１の積層方向から見て給電線路１３及び反射抑圧部１４と一部が重なり合い、電磁結合層１５を介して給電線路１３及び反射抑圧部１４と電磁結合するアンテナ素子導体１６と、を備えることを特徴とするアンテナ素子１である。【選択図】図２

Description

本発明は、高放射効率及び広角指向性を有するアンテナ素子、並びに、グレーティングローブを抑圧するアレーアンテナ及び平面アンテナに関する。

以下に掲げる特許文献１及び非特許文献１は、それぞれ、ダイポールアレーアンテナ及びパッチアレーアンテナについて開示している。各ダイポール素子又は各パッチ素子は、給電線路に対して直接結合又は電磁結合によって結合されている。

特許第３３０６５９２号明細書

羽石操著、「最新平面アンテナ技術」、総合技術センター、１９９３年１月、ｐｐ．３５３〜３５４．

以上に掲げた特許文献１及び非特許文献１は、それぞれ、ダイポールアレーアンテナ及びパッチアレーアンテナについて、以下に示す課題を追及する余地を残していると考えられる：（１）アンテナ素子の放射効率の設計自由度の向上、（２）アンテナ素子の広角指向性の向上、（３）アレーアンテナのグレーティングローブの抑圧。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、アンテナ素子導体が、アンテナ素子の積層方向から見て給電線路と一部が重なり合い、電磁結合層を介して給電線路と電磁結合するようにした。そして、反射抑圧部が、給電線路の給電方向と反対方向の電力反射を抑圧するようにした。

具体的には、本発明は、誘電体基板に形成されるアンテナ素子であって、前記誘電体基板の一方の表面に形成される地板導体と、前記誘電体基板の他方の表面に形成される給電線路と、前記給電線路の給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する反射抑圧部と、前記給電線路及び前記反射抑圧部の表面に形成される電磁結合層と、前記アンテナ素子の積層方向から見て前記給電線路と一部が重なり合い、前記電磁結合層を介して前記給電線路と電磁結合するアンテナ素子導体と、を備えることを特徴とするアンテナ素子である。

この構成によれば、給電方向と垂直方向にアンテナ素子の大きさを小さくすることができ、給電方向と垂直方向にアレーアンテナ及び平面アンテナの素子間隔を小さくすることができる。よって、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。そして、アレーアンテナの全アンテナ素子が同相で励振されるときでも、アレーアンテナの全アンテナ素子からの同相での反射が起きにくいため、この周波数において、反射ロスを小さくすることができ、正面方向に放射を起こすことができる。

また、本発明は、前記アンテナ素子導体は、前記アンテナ素子の積層方向から見て前記反射抑圧部と一部が重なり合い、前記電磁結合層を介して前記反射抑圧部と電磁結合し、前記反射抑圧部は、前記アンテナ素子導体との電磁結合度を調整する、ことを特徴とするアンテナ素子である。

この構成によれば、アンテナ素子からの反射量を調整するのみならず、アンテナ素子からの放射量を調整するにあたり、給電線路及びアンテナ素子導体のサイズ及び位置を調整パラメータとするのみならず、反射抑圧部のサイズ及び位置を調整パラメータとすることができる。よって、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上を実現することができる。

また、本発明は、前記アンテナ素子導体の表面に形成される誘電体層、をさらに備えることを特徴とするアンテナ素子である。

この構成によれば、誘電体層をアンテナ素子導体の表面に形成する場合では、誘電体層をアンテナ素子導体の表面に形成しない場合より、アンテナ素子導体の周囲の環境での実効誘電率が高くなる。よって、アンテナ素子導体の大きさを小さくすることができ、アンテナ素子における広角指向性の更なる向上を実現することができる。そして、給電方向と垂直方向にアレーアンテナ及び平面アンテナの素子間隔を小さくすることができ、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。

また、本発明は、上記のアンテナ素子が直線状に配置され、単一の前記誘電体基板、前記地板導体及び前記電磁結合層が、複数の前記反射抑圧部及び前記アンテナ素子導体により共有されることを特徴とするアレーアンテナである。

この構成によれば、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、アレーアンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。特に、後述する中央給電進行波型アレーアンテナにおいて、有利な効果を奏する。

また、本発明は、上記のアンテナ素子が格子状に配置され、単一の前記誘電体基板、前記地板導体及び前記電磁結合層が、複数の前記反射抑圧部及び前記アンテナ素子導体により共有されることを特徴とする平面アンテナである。

この構成によれば、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。特に、後述する中央給電進行波型平面アンテナにおいて、有利な効果を奏する。

このように、本発明は、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。

第１実施形態のアンテナ素子の構成を示す図である。第２実施形態のアンテナ素子の構成を示す図である。第２実施形態のアンテナ素子の寸法を示す図である。第２実施形態のアンテナ素子の放射効率を示す図である。第３実施形態のアンテナ素子の構成を示す図である。第４実施形態のアレーアンテナの構成を示す図である。第４実施形態の平面アンテナの構成を示す図である。第４実施形態の平面アンテナの構成を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。

（第１実施形態）
第１実施形態のアンテナ素子の構成を図１に示す。図１の上段及び下段は、それぞれ、平面図（アンテナ素子１の積層方向から見た図）及び側面図（給電線路１３の給電方向から見た図）を示す。アンテナ素子１は、誘電体基板１１、地板導体１２、給電線路１３、反射抑圧部１４、電磁結合層１５及びアンテナ素子導体１６から構成される。

誘電体基板１１は、アンテナ素子１を形成される。地板導体１２は、誘電体基板１１の一方の表面に形成される。給電線路１３は、誘電体基板１１の他方の表面に形成される。

反射抑圧部１４は、給電線路１３の給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する。第１実施形態では、反射抑圧部１４は、給電線路１３に形成されたスタブである。変形例として、反射抑圧部１４は、給電線路１３に形成された切欠きでもよい。

電磁結合層１５は、給電線路１３及び反射抑圧部１４の表面に形成される。アンテナ素子導体１６は、アンテナ素子１の積層方向から見て給電線路１３と一部が重なり合い、電磁結合層１５を介して給電線路１３と電磁結合する。第１実施形態では、アンテナ素子導体１６は、給電線路１３の給電方向に対して４５度だけ傾いたダイポール素子導体である。変形例として、アンテナ素子導体１６は、給電線路１３の給電方向に対して任意角だけ傾いたダイポール素子導体でもよく、パッチ素子導体でもよい。

このように、給電方向と垂直方向にアンテナ素子１の大きさを小さくすることができ、給電方向と垂直方向にアレーアンテナ（図６）及び平面アンテナ（図７、８）の素子間隔を小さくすることができる。よって、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。

そして、アレーアンテナ（図６）の全アンテナ素子１が同相で励振されるときでも、アレーアンテナの全アンテナ素子１からの同相での反射が起きにくいため、この周波数において、反射ロスを小さくすることができ、正面方向に放射を起こすことができる。

（第２実施形態）
第２実施形態のアンテナ素子の構成を図２に示す。第２実施形態では、第１実施形態に加えて、アンテナ素子導体１６は、アンテナ素子１の積層方向から見て反射抑圧部１４と一部が重なり合い、電磁結合層１５を介して反射抑圧部１４と電磁結合し、反射抑圧部１４は、アンテナ素子導体１６との電磁結合度を調整する。

第２実施形態のアンテナ素子の寸法を図３に示す。自由空間での電磁波の波長をλとする。アンテナ素子導体１６の長さ方向の寸法は、０．２１７λである。アンテナ素子導体１６の幅方向の寸法は、０．０７７λである。アンテナ素子導体１６の給電線路１３に対する平面図内での傾斜角度は、４５度である。アンテナ素子導体１６の中心部と給電線路１３の給電方向に延びる中心線との平面図内での隔たりは、０．１２８λである。反射抑圧部１４の給電線路１３からの延伸長さは、ｉであり可変である。反射抑圧部１４の延伸方向に延びる中心線とアンテナ素子導体１６の中心部との平面図内での隔たりは、ｘであり可変である。ここで、ｘ＝０のときには、反射抑圧部１４は、アンテナ素子導体１６と給電線路１３とがなす鋭角内にある。そして、ｘが正の方向に増加するにつれて、反射抑圧部１４とアンテナ素子導体１６との重なり合いの程度は、徐々に増加し、極大を経て、徐々に減少する。

第２実施形態のアンテナ素子の放射効率を図４に示す。図４の縦軸は、入力電力に対する放射電力の比率を表す。図４の横軸は、反射抑圧部１４におけるｘを表す。図４は、反射抑圧部１４におけるｘ及びｉを可変にして、入力電力に対する放射電力の比率をシミュレーションしている。ｘが増加するにつれて、入力電力に対する放射電力の比率は、反射抑圧部１４とアンテナ素子導体１６との重なり合いの程度に呼応して、０．０２５λ＜ｘ＜０．０７５λにおいて徐々に増加し、ｘ〜０．０７５λにおいて極大を経て、０．０７５λ＜ｘ＜０．１００λにおいて徐々に減少する。ｉが増加するにつれて、入力電力に対する放射電力の比率は、反射抑圧部１４とアンテナ素子導体１６との重なり合いの程度に呼応して、０．０１３λ＜ｉ＜０．０５１λにおいて増加し（増加率は、徐々に緩やかになる。）、０．０５１λ＜ｉ＜０．０７７λにおいてほぼ飽和する。

このように、アンテナ素子１からの反射量を調整するのみならず、アンテナ素子１からの放射量を調整するにあたり、給電線路１３及びアンテナ素子導体１６のサイズ及び位置を調整パラメータとするのみならず、反射抑圧部１４のサイズ及び位置を調整パラメータとすることができる。よって、第１実施形態と比べて、第２実施形態では、アンテナ素子１における放射効率の設計自由度の更なる向上を実現することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態のアンテナ素子の構成を図５に示す。第３実施形態では、第１、２実施形態に加えて、アンテナ素子１は、アンテナ素子導体１６の表面に形成される誘電体層１７をさらに備える。ここで、誘電体層１７の厚さは、アンテナ素子１の指向性が、広角指向性を有するように、そして、正面方向にヌルを生じないように、調整することができる。

ここで、誘電体層１７をアンテナ素子導体１６の表面に形成する場合では、誘電体層１７をアンテナ素子導体１６の表面に形成しない場合より、アンテナ素子導体１６の周囲の環境での実効誘電率が高くなる。よって、第１、２実施形態と比べて、第３実施形態では、アンテナ素子導体１６の大きさを小さくすることができ、アンテナ素子１における広角指向性の更なる向上を実現することができる。そして、第１、２実施形態と比べて、第３実施形態では、給電方向と垂直方向にアレーアンテナ（図６）及び平面アンテナ（図７、８）の素子間隔を小さくすることができ、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態のアレーアンテナの構成を図６に示す。第４実施形態のアレーアンテナ２では、第１〜３実施形態のアンテナ素子１が直線状に配置され、単一の誘電体基板１１、地板導体１２及び電磁結合層１５が、複数の反射抑圧部１４（図６に不図示）及びアンテナ素子導体１６により共有される。第４実施形態では、アレーアンテナ２は、中央給電進行波型アレーアンテナであり、図６の上下方向にそれぞれ延びる複数のアンテナアレーは、１個の給電回路２１（例えば、伝送線路／導波管変換回路）により給電される。

第４実施形態の平面アンテナの構成を図７、８に示す。第４実施形態の平面アンテナ３では、第１〜３実施形態のアンテナ素子１が格子状に配置され、単一の誘電体基板１１、地板導体１２及び電磁結合層１５が、複数の反射抑圧部１４（図７、８に不図示）及びアンテナ素子導体１６により共有される。第４実施形態では、図７に示したように、複数の給電回路２１が給電方向と垂直方向に直線状に配置されるように、複数のアレーアンテナ２が配置されるか、図８に示したように、複数の給電回路２１が給電方向と垂直方向に千鳥状に配置されるように、複数のアレーアンテナ２が配置される。

共振波型アレーアンテナは、狭帯域特性を有する一方で、進行波型アレーアンテナは、広帯域特性を有するため、広帯域用途では、進行波型アレーアンテナが利用されている。本出願の発明者は、進行波型アレーアンテナについて、以下に示す課題を突き止めた。

つまり、進行波型アレーアンテナの全アンテナ素子が同相で励振されるときには、全アンテナ素子から同相で反射が起きるため、この周波数において反射ロスが大きくなり放射効率が低くなる。一方で、進行波型アレーアンテナの各アンテナ素子が異相で励振されるときには、各アンテナ素子から異相で反射が起きるため、正面方向からチルトした方向に放射が起きるものの、広帯域において反射ロスが小さくなり放射効率が高くなる。

そして、進行波型アレーアンテナが一端において給電されるときには、動作周波数が変化すると、正面方向に対する放射方向の角度が変化する。一方で、進行波型アレーアンテナが中央において給電されるときには、動作周波数が変化しても、正面方向に対する放射方向の角度が変化しない。そこで、進行波型アレーアンテナを広帯域において利用する際に、図６〜８に示したように、アレーの中央において給電することとした。

本発明のアンテナ素子、アレーアンテナ及び平面アンテナは、監視領域を方位方向に広げたいレーダ等の用途において、適用することができる。

１：アンテナ素子
２：アレーアンテナ
３：平面アンテナ
１１：誘電体基板
１２：地板導体
１３：給電線路
１４：反射抑圧部
１５：電磁結合層
１６：アンテナ素子導体
１７：誘電体層
２１：給電回路
２２：終端アンテナ

Claims

誘電体基板に形成されるアンテナ素子であって、
前記誘電体基板の一方の表面に形成される地板導体と、
前記誘電体基板の他方の表面に形成される給電線路と、
前記給電線路の給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する反射抑圧部と、
前記給電線路及び前記反射抑圧部の表面に形成される電磁結合層と、
前記アンテナ素子の積層方向から見て前記給電線路と一部が重なり合い、前記電磁結合層を介して前記給電線路と電磁結合するアンテナ素子導体と、
を備えることを特徴とするアンテナ素子。
前記アンテナ素子導体は、前記アンテナ素子の積層方向から見て前記反射抑圧部と一部が重なり合い、前記電磁結合層を介して前記反射抑圧部と電磁結合し、
前記反射抑圧部は、前記アンテナ素子導体との電磁結合度を調整する、
ことを特徴とする、請求項１に記載のアンテナ素子。
前記アンテナ素子導体の表面に形成される誘電体層、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のアンテナ素子。
請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ素子が直線状に配置され、
単一の前記誘電体基板、前記地板導体及び前記電磁結合層が、複数の前記反射抑圧部及び前記アンテナ素子導体により共有されることを特徴とするアレーアンテナ。
請求項１から３のいずれかに記載のアンテナ素子が格子状に配置され、
単一の前記誘電体基板、前記地板導体及び前記電磁結合層が、複数の前記反射抑圧部及び前記アンテナ素子導体により共有されることを特徴とする平面アンテナ。