JP2023112394A - アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】アレイアンテナの大型化を抑制するとともに、指向性への影響を抑え、かつ、偏波結合量の抑制を図りやすいアレイアンテナを提供する。
【解決手段】少なくとも１つの偏波面をもつ第１アンテナ素子１０Ａと、少なくとも１つの第１アンテナ素子の偏波面と直交する偏波面をもつ第２アンテナ素子１０Ｂと、板形状の第１平面に第１アンテナ素子１０Ａおよび第２アンテナ素子１０Ｂが直線Ｌ上に配置された基板２０と、導電性を有する材料を用いて板状に形成された板状部材３０Ａ，３０Ｂであって、基板２０における第１平面と反対側の第２平面２２から突出して配置された少なくとも１つの板状部材３０Ａ，３０Ｂと、を有する。アレイアンテナ１の大型化を抑制するとともに、指向性への影響を抑え、かつ、偏波結合量の抑制を図りやすいという効果を奏する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、アレイアンテナに関する。

アンテナ素子を複数並べて構成するアレイアンテナにおいて、通信品質の向上や通信容量を増やすために、送受信間の結合量を低く抑える必要がある。そのために、第一のアンテナ素子群の偏波方向に対して第二のアンテナ素子群の偏波方向を９０度異ならせたアレイアンテナが知られている（例えば、特許文献１および２参照。）。

第一のアンテナ素子群と第二のアンテナ素子群の結合量は偏波間結合量（以下、単に「結合量」とも表記する。）とも呼ばれる。結合量を下げる方法として、以下の方法が一般的に知られている。

１つ目の方法では、第一のアンテナ素子群と第二のアンテナ素子群の物理的な距離を離すことで結合量を抑えている。２つ目の方法では、第一のアンテナ素子群と第二のアンテナ素子群の間に電波を遮蔽または反射させる構造物を設けることで、電気的な距離を離し結合量を抑えている。３つ目の方法では、第一のアンテナ素子群への給電線と第二のアンテナ素子群への給電線との間隔を離すことで結合量を抑えている。

特開２００２－０２６６２９号公報 特開２０１３－０２６７０７号公報

上述した１つ目の方法では、第一のアンテナ素子群と第二のアンテナ素子群との物理的な距離を離すため、アレイアンテナの全体の大きさが大きくなりやすい。アレイアンテナが設置される場所に広さの制限がある場合、大きなアレイアンテナは設置が難しくなるという問題があった。

２つ目の方法では、アレイアンテナの形式によって構造物を設置する空間を確保できず、結合量を抑えることが難しいという問題があった。具体的には、偏波方向が９０度異なる第一のアンテナ素子および第二のアンテナ素子を組み合わせて同一箇所に配置した素子群を有する形式のアレイアンテナでは、第一のアンテナ素子および第二のアンテナ素子の間に構造物を設置する空間が確保できない。

３つ目の方法では、第一のアンテナ素子群と第二のアンテナ素子群とへの配線の長さを変えて合成指向性を制御するアレイアンテナの場合には、配線の配置に制限があるため結合量を抑えることが難しいという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、アレイアンテナの大型化を抑制するとともに、指向性への影響を抑え、かつ、偏波結合量の抑制を図りやすいアレイアンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のアレイアンテナは、少なくとも１つの偏波面をもつ第１アンテナ素子と、少なくとも１つの前記第１アンテナ素子の偏波面と直交する偏波面をもつ第２アンテナ素子と、板形状の第１平面に前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子が直線上に配置された基板と、導電性を有する材料を用いて板状に形成された板状部材であって、前記基板における前記第１平面と反対側の第２平面から突出して配置された少なくとも１つの板状部材と、を有する。

本発明のアレイアンテナによれば、基板における第１アンテナ素子および第２アンテナ素子が配置される第１平面と反対側の第２平面に板状部材が配置される。導電性を有する板状部材を用いることにより、第１アンテナ素子と第２アンテナ素子との物理的な距離を離すことなく結合量を抑えることができる。さらに、第１アンテナ素子と第２アンテナ素子とへの配線の長さに対する制限を設けることなく結合量を抑えることができる。

また、第２平面に板状部材を配置することにより、第１アンテナ素子と第２アンテナ素子との間に板状部材を配置する空間を確保しなくてもよい。さらに、第１アンテナ素子と第２アンテナ素子とを組み合わせて同一箇所に配置することも可能となる。

本発明のアレイアンテナによれば、基板における第１アンテナ素子および第２アンテナ素子が配置される第１平面と反対側の第２平面に板状部材を配置することにより、アレイアンテナの大型化を抑制するとともに、指向性への影響を抑え、かつ、偏波結合量の抑制を図りやすいという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るアレイアンテナの構成を説明する斜視図である。 基板、配線および金属片の構成を説明する部分斜視図である。 基板および金属片の構成を説明する側面視図である。 金属片の別の形状例を説明する斜視図である。 金属片の更に別の形状例を説明する側面視図である。 金属片の別の配置例を説明する斜視図である。 金属片がないアレイアンテナ、および、金属片があるアレイアンテナにおける結合量の測定結果を説明するグラフである。 金属片がないアレイアンテナ、および、金属片があるアレイアンテナにおける結合量の測定結果を説明するグラフである。 金属片がないアレイアンテナ、および、金属片があるアレイアンテナにおける結合量の測定結果を説明するグラフである。 第１アンテナ素子および第２アンテナ素子の別の配置例を説明する斜視図である。 配線の別の配線構造例を説明する斜視図である。

この発明の一実施形態に係るアレイアンテナ１について、図１から図１１を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るアレイアンテナ１の構成を説明する斜視図である。図１には、アレイアンテナ１の１ユニットが図示されている。アレイアンテナ１は、直線Ｌに沿って複数のユニットが並んで配置されている。なお、１ユニットのみでアレイアンテナ１が構成されてもよい。以下では、アレイアンテナ１の１ユニットの構成について説明する。

アレイアンテナ１には、図１に示すように、複数の第１アンテナ素子１０Ａと、複数の第２アンテナ素子１０Ｂと、基板２０と、フレーム４０と、が設けられている。本実施形態では、３つの第１アンテナ素子１０Ａと、３つの第２アンテナ素子１０Ｂと、が設けられた例に適用して説明する。なお、第１アンテナ素子１０Ａおよび第２アンテナ素子１０Ｂの数は、それぞれ１つであってもよい。

第１アンテナ素子１０Ａは偏波面をもつアンテナ素子である。第２アンテナ素子１０Ｂは第１アンテナ素子１０Ａの偏波面と直交する偏波面をもつアンテナ素子である。本実施形態では、第１アンテナ素子１０Ａが垂直偏波用のアンテナ素子であり、第２アンテナ素子１０Ｂが水平偏波用のアンテナ素子である例に適用して説明する。なお、第１アンテナ素子１０Ａが＋４５度偏波用のアンテナ素子であり、第２アンテナ素子１０Ｂが－４５度偏波用のアンテナ素子であってもよい。

本実施形態では、第１アンテナ素子１０Ａおよび第２アンテナ素子１０Ｂが、２本の直線状のエレメントを有するダイポールアンテナである例に適用して説明する。なお、第１アンテナ素子１０Ａおよび第２アンテナ素子１０Ｂは、スロットアンテナやパッチアンテナなどダイポールアンテナ以外のアンテナであってもよい。

第１アンテナ素子１０Ａおよび第２アンテナ素子１０Ｂは、基板２０における第１平面２１に配置されている。基板２０の長手方向に延びる中心線を直線Ｌとした場合、第１アンテナ素子１０Ａは、エレメントが直線Ｌと直交するように配置されている。第２アンテナ素子１０Ｂは、エレメントが直線Ｌと平行になるように配置されている。言い換えると、第１アンテナ素子１０Ａおよび第２アンテナ素子１０Ｂは、それぞれのエレメントが互いに直交するように配置されている。

３つの第１アンテナ素子１０Ａおよび３つの第２アンテナ素子１０Ｂは、直線Ｌ上にそれぞれ離れた３ヶ所に配置されている。言い換えると、前述の３ヶ所のそれぞれの場所に、１つの第１アンテナ素子１０Ａおよび１つの第２アンテナ素子１０Ｂが配置されている。前述の３ヶ所は、等間隔に離れていてもよいし、異なる間隔で離れていてもよい。

基板２０は板状に形成されたプリント基板であって、第１アンテナ素子１０Ａおよび第２アンテナ素子１０Ｂが配置される部材である。基板２０におけるグランド面である第１平面２１には、第１アンテナ素子１０Ａおよび第２アンテナ素子１０Ｂが配置される。

図２は、基板２０、配線２５Ａ，２５Ｂおよび金属片３０Ａ，３０Ｂの構成を説明する部分斜視図である。基板２０における第１平面２１と反対側の配線面である第２平面２２には、図２に示すように、配線２５Ａ，２５Ｂと、２組の金属片（板状部材に相当する。）３０Ａ，３０Ｂと、が配置されている。

配線２５Ａは、第１アンテナ素子１０Ａに電力を供給する層状に形成された配線である。配線２５Ａには、当該電力の供給に用いられる給電点２６Ａが導電可能に接続されている。配線２５Ａは、給電点２６Ａから、３つの第１アンテナ素子１０Ａに向かって枝分かれする構成を有している。配線２５Ａと第１アンテナ素子１０Ａとは、基板２０を貫通して導電可能に接続されている。

配線２５Ｂは第２アンテナ素子１０Ｂに電力を供給する層状に形成された配線である。配線２５Ｂには、当該電力の供給に用いられる給電点２６Ｂが導電可能に接続されている。配線２５Ｂは、給電点２６Ｂから、３つの第２アンテナ素子１０Ｂに向かって枝分かれする配線構造を有している。配線２５Ｂと第２アンテナ素子１０Ｂとは、基板２０を貫通して導電可能に接続されている。

なお、配線２５Ａ，２５Ｂにおける配線構造は、図２に示す配線構造であってもよいし、それ以外の配線構造であってもよい。また、給電点２６Ａ，２６Ｂの配置位置も、図２に示す位置であってもよいし、それ以外の配置位置であってもよい。

図３は、基板２０および金属片３０Ａ，３０Ｂの構成を説明する側面視図である。金属片３０Ａ，３０Ｂは、導電性を有する材料を用いて板状に形成された板状部材である。金属片３０Ａ，３０Ｂは、同じ形状および同じ大きさを有している。

本実施形態では、金属片３０Ａ，３０Ｂが銅、銅を成分に含む合金、アルミニウム、または、アルミニウムを成分に含む合金を用いて形成された部材である例に適用して説明する。

金属片３０Ａ，３０Ｂは、図２および図３に示すように、２つが一組となっている。金属片３０Ａ，３０Ｂは、第２平面２２に対して交差する方向に突出して配置されている。より好ましくは、第２平面２２に対して直交する方向に延びて配置されている。

また、金属片３０Ａ，３０Ｂは、直線Ｌに対して交差する方向に間隔Ｄを開けて並んで配置されている。金属片３０Ａ，３０Ｂは、同一平面を構成するように並んで配置されている。本実施形態では、間隔Ｄが基板２０の幅に対して３０％である例に適用して説明する。間隔Ｄは、基板２０の幅に対して４０％以下とすることが好ましい。

また、金属片３０Ａ，３０Ｂは、直線Ｌを間に挟んで配置されていることが好ましく、直線Ｌを中心に挟んで対称に配置されていることがより好ましい。金属片３０Ａ，３０Ｂは、直線Ｌに対して直交する方向に並んで配置されていることが好ましい。

上記同一平面に沿って金属片３０Ａ，３０Ｂが並ぶ方向の長さＷは、アレイアンテナ１から放射される電波の周波数に応じて定められる。本実施形態では、長さＷが基板２０の幅に対して５０％である例に適用して説明する。長さＷは、基板２０の幅に対して５０％以上とすることが好ましい。また、上記同一平面に沿って金属片３０Ａ，３０Ｂが第２平面２２から突出する方向の高さＨは、アレイアンテナ１から放射される電波の周波数に応じて定められる。

金属片３０Ａ，３０Ｂの長さＷ、間隔Ｄおよび高さＨはそれぞれ、偏波間結合量を低減させる周波数により決定される。そのため、低減させる周波数によっては、上記の条件とは異なる長さＷ、間隔Ｄおよび高さＨの組み合わせが最良となる場合もある。

２組の金属片３０Ａ，３０Ｂは、第２平面２２における直線Ｌ方向の両方の端部にそれぞれ配置されている。金属片３０Ａ，３０Ｂは、配線２５Ａ，２５Ｂと絶縁を確保する間隔を開けて配置されている。

図４は、金属片の別の形状例を説明する斜視図である。１組の金属片３０Ａ，３０Ｂの代わりに、図４に示すように１つの金属片３０を用いてもよい。図４に示す金属片３０は、１の金属片３０Ａ，３０Ｂと同じ長さＷ、高さＨおよび厚さを有する。言い換えると、金属片３０は、１組の金属片３０Ａ，３０Ｂにおける間隔Ｄを０（ゼロ）とした形状を有している。

図５は、金属片の更に別の形状例を説明する側面視図である。１組の金属片３０Ａ，３０Ｂの代わりに、図５に示すように１つの金属片３０を用いてもよい。図５に示す金属片３０は、四角フレームおよび基板２０により形成される筒形状の開口を塞ぐ形状を有している。

図６は、金属片の別の配置例を説明する斜視図である。金属片３０Ａ，３０Ｂの組は２組よりも多くてもよい。例えば、図６に示すように、４組の金属片３０Ａ，３０Ｂが設けられてもよい。４組の金属片３０Ａ，３０Ｂは、直線Ｌの方向に沿って間隔を開けて配置されている。４組の金属片３０Ａ，３０Ｂが配置される直線Ｌ方向の間隔は、等間隔であってもよいし、不等間隔であってもよい。

フレーム４０は、図１および図３に示すように、基板２０を第２平面２２側から支持する部材である。フレーム４０は、基板２０から第２平面２２側に放射される電波を遮蔽する材料から形成されている。本実施形態では、フレーム４０がステンレス鋼を用いて形成された部材である例に適用して説明する。なお、フレーム４０は、銅、銅を成分に含む合金、アルミニウム、または、アルミニウムを成分に含む合金を用いて形成された部材であってもよい。

フレーム４０には、２つの側面４１および１つの底面４２が設けられている。２つの側面４１は平行に配置された板状の部材であり、基板２０を支持する部材である。底面４２は、２つの側面４１をつなぐ板状の部材である。

フレーム４０は、直線Ｌと直交する断面視においてＵ字状の形状を有する。基板２０は、底面４２と対向する位置に配置され、フレーム４０に支持される。言い換えると、基板２０が配置されたフレーム４０は、基板２０とともに四角筒状の形状を構成する。

次に、上記の構成からなるアレイアンテナ１における結合量について図７から図９を参照しながら説明する。図７から図９は、金属片３０Ａ，３０Ｂがないアレイアンテナ、および、金属片３０Ａ，３０Ｂがあるアレイアンテナ１における結合量の測定結果を説明するグラフである。図７から図９における横軸は周波数（Ｈｚ）であり、縦軸は結合量（ｄＢ）である。

横軸に示されているｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５は、結合量を測定した際の周波数を示している。ｆ１，ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５は正の値である。ｆ１が最も小さな値であり、ｆ２，ｆ３，ｆ４，ｆ５の順に大きな値となる。

図７におけるグラフＡは金属片３０Ａ，３０Ｂがないアレイアンテナにおける結合量を示し、グラフＡ´は金属片３０Ａ，３０Ｂがあるアレイアンテナ１における結合量を示す。図８におけるグラフＢは金属片３０Ａ，３０Ｂがないアレイアンテナにおける結合量を示し、グラフＢ´は金属片３０Ａ，３０Ｂがあるアレイアンテナ１における結合量を示す。図９におけるグラフＣは金属片３０Ａ，３０Ｂがないアレイアンテナにおける結合量を示し、グラフＣ´は金属片３０Ａ，３０Ｂがあるアレイアンテナ１における結合量を示す。

グラフＡ、グラフＢおよびグラフＣに対応する金属片３０Ａ，３０Ｂがないアレイアンテナは、それぞれ異なる個体である。グラフＡ´、グラフＢ´およびグラフＣ´に対応する金属片３０Ａ，３０Ｂがあるアレイアンテナ１は、図２に示すアレイアンテナであって、それぞれ異なる個体のアレイアンテナである。

また、グラフＡのアレイアンテナは、グラフＡ´のアレイアンテナ１から金属片３０Ａ，３０Ｂを除いた同一固体のアレイアンテナである。グラフＢのアレイアンテナは、グラフＢ´のアレイアンテナ１から金属片３０Ａ，３０Ｂを除いた同一固体のアレイアンテナである。グラフＣのアレイアンテナは、グラフＣ´のアレイアンテナ１から金属片３０Ａ，３０Ｂを除いた同一固体のアレイアンテナである。

アレイアンテナ１における結合量は、あらかじめ定めた所定の閾値以下であるか否かに基づいて判定する。ここでは、閾値が－３０ｄＢである場合に適用して説明する。
図７においてグラフＡは周波数ｆ４まで閾値以下であるが、周波数ｆ５では閾値を超えている。これに対してグラフＡ´は、周波数ｆ１からｆ５までの全てにおいて閾値以下である。つまり、金属片３０Ａ，３０Ｂがあるアレイアンテナ１の結合量が抑制されていることが示されている。

図８においてグラフＢは周波数ｆ４まで閾値以下であるが、周波数ｆ５では閾値を超えている。これに対してグラフＢ´は、周波数ｆ１からｆ５までの全てにおいて閾値以下である。つまり、金属片３０Ａ，３０Ｂがあるアレイアンテナ１の結合量が抑制されていることが示されている。

図９においてグラフＣは周波数ｆ４まで閾値以下であるが、周波数ｆ５では閾値を超えている。これに対してグラフＣ´は、周波数ｆ１からｆ５までの全てにおいて閾値以下である。つまり、金属片３０Ａ，３０Ｂがあるアレイアンテナ１の結合量が抑制されていることが示されている。

アレイアンテナの個体の違いによるばらつきにより偏波間結合量の初期状態が異なっていても（グラフＡ、グラフＢおよびグラフＣ参照。）、金属片３０Ａ，３０Ｂを設けることにより偏波間結合量が抑えられている（グラフＡ´、グラフＢ´およびグラフＣ´参照。）ことが分かる。

上記の構成のアレイアンテナ１は、基板２０における第２平面２２に導電性を有する金属片３０，３０Ａ，３０Ｂが配置される。そのため、第１アンテナ素子１０Ａと第２アンテナ素子１０Ｂとの物理的な距離を離すことなく結合量を抑えることができる。アレイアンテナ１の結合量を抑制するとともに大型化を抑制しやすくなる。

さらに、第１アンテナ素子１０Ａと第２アンテナ素子１０Ｂとへの配線２５Ａ，２５Ｂの長さに対する制限を設けることなく結合量を抑えることができる。そのため、結合量を抑制するとともに指向性への影響を抑えやすくなる。

また、第２平面２２に金属片３０，３０Ａ，３０Ｂを配置することにより、第１アンテナ素子１０Ａと第２アンテナ素子１０Ｂとの間に金属片３０，３０Ａ，３０Ｂを配置する空間を確保しなくてもよい。さらに、第１アンテナ素子１０Ａと第２アンテナ素子１０Ｂとを組み合わせて同一箇所に配置することも可能となる。そのため、アレイアンテナ１の結合量を抑制するとともに大型化を抑制しやすくなる。

基板２０における直線Ｌ方向の端部に金属片３０，３０Ａ，３０Ｂを配置することにより、第１アンテナ素子１０Ａと第２アンテナ素子１０Ｂとの結合量を抑える効果を高めやすい。

金属片３０，３０Ａ，３０Ｂを直線Ｌと交差して配置することにより、第１アンテナ素子１０Ａと第２アンテナ素子１０Ｂとの結合量を抑える効果を高めやすい。また、金属片３０，３０Ａ，３０Ｂを直線Ｌと直交して配置することにより結合量を抑える効果を更に高めやすい。

直線Ｌを中心として金属片３０，３０Ａ，３０Ｂを対称に配置することにより、第１アンテナ素子１０Ａと第２アンテナ素子１０Ｂとの結合量を抑える効果を高めやすい。

基板２０を支持するフレーム４０を有することにより、基板２０を安定して保持しやすくなる。

フレーム４０および基板２０により形成される筒形状の開口に金属片３０を配置することにより、第１アンテナ素子１０Ａと第２アンテナ素子１０Ｂとの結合量を抑える効果を高めやすくなる。また、金属片３０の形状が開口を塞ぐ形状とすることにより、結合量を抑える効果を高めやすくなる。

図１０は、第１アンテナ素子１０Ａおよび第２アンテナ素子１０Ｂの別の配置例を説明する斜視図である。第１アンテナ素子１０Ａおよび第２アンテナ素子１０Ｂは、図１に示すように、同じ場所に配置されてもよいし、図１０に示すように別々の場所に配置されてもよい。図１０では、２つの第１アンテナ素子１０Ａおよび２つの第２アンテナ素子１０Ｂが直線Ｌ上に交互に並んで配置されている例が示されている。

図１１は、配線２５Ａ，２５Ｂの別の配線構造例を説明する斜視図である。２つの第１アンテナ素子１０Ａおよび２つの第２アンテナ素子１０Ｂが図１０に示す通りに配置された場合、配線２５Ａ，２５Ｂの配線構造は、例えば図１１に示す通りとなる。

配線２５Ａは、給電点２６Ａから、２つの第１アンテナ素子１０Ａに向かって枝分かれする構成を有している。配線２５Ｂは、給電点２６Ｂから、２つの第２アンテナ素子１０Ｂに向かって枝分かれする構成を有している。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本発明を上記の実施形態に適用したものに限られることなく、これらの実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定するものではない。

１…アレイアンテナ、 １０Ａ…第１アンテナ素子、 １０Ｂ…第２アンテナ素子、 ２０…基板、 ２１…第１平面、 ２２…第２平面、 ３０，３０Ａ，３０Ｂ…金属片（板状部材）、 ４０…フレーム、 Ｌ…直線

Claims (6)

1. 少なくとも１つの偏波面をもつ偏波用の第１アンテナ素子と、
   少なくとも１つの前記第１アンテナ素子の偏波面と直交する偏波面をもつ偏波用の第２アンテナ素子と、
   板形状の第１平面に前記第１アンテナ素子および前記第２アンテナ素子が直線上に配置された基板と、
   導電性を有する材料を用いて板状に形成された板状部材であって、前記基板における前記第１平面と反対側の第２平面から突出して配置された少なくとも１つの板状部材と、
   を有するアレイアンテナ。
2. 前記板状部材は、少なくとも前記基板における前記直線方向の端部に配置されている請求項１記載のアレイアンテナ。
3. 前記板状部材は、前記第２平面から突出するとともに、前記直線と交差して配置されている請求項１または２に記載のアレイアンテナ。
4. 前記板状部材は、前記直線を中心として対称に配置されている請求項３記載のアレイアンテナ。
5. 導電性を有する材料から形成され、前記基板を前記第２平面側から支持するフレームを更に有する請求項１から４のいずれか１項に記載のアレイアンテナ。
6. 前記フレームは、２つの側面および前記２つの側面をつなぐ底面を有するとともに、前記２つの側面にわたって前記基板が配置され、
   前記板状部材は、前記フレームおよび前記基板により形成される筒形状の開口に配置され、前記開口を塞ぐ形状を有している請求項５記載のアレイアンテナ。

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