JP2024036021A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ小型で電波の指向性制御を実現するアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置１は、アンテナ素子１０ａを配置したアンテナ基板１０と、アンテナ基板１０に対して平行となる姿勢を基準姿勢とする反射板１１と、アンテナ基板１０は、基準姿勢にあるときの反射板１１の表面をアンテナ基板１０と対向する方向に沿って投影させた範囲で規定される変位空間Ｓ内で、反射板１１の姿勢を変化させる可変機構としての回転機構１２を備える。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

近年、従来のマイクロ波帯よりも高周波帯の準ミリ波・ミリ波を使用した移動体通信規格が普及しつつある。このような電波の高周波化に伴う伝搬距離の縮小の対策として、基地局アンテナ又は中継局アンテナの設置数の増加が予想される。例えば、ミリ波帯の電波は、建物外の基地局から室内へ侵入するとき、ガラスによって大きく遮蔽されるため、別途、室内にアンテナを設置することが検討されている。このとき、室内のすべてを通信エリアとするために、簡易な方法での放射電波の指向性制御が求められる。

特許文献１は、垂直軸及び水平軸を基準として適宜回転する反射鏡を利用して１次放射器からの放射電波を反射させることで指向性を制御するホーンリフレクタアンテナ装置に関する技術を開示している。反射鏡には、１次放射器からの放射電波を平面波に変換する変換器としての役割もある。また、特許文献２は、予め所定の角度で傾いているアンテナ基板の下方に反射板を設置し、反射板を適宜水平移動させることで放射電波の指向性を制御する基板型アンテナに関する技術を開示している。

特開平９－２４６８５６号公報 特開２００５－２２９２８４号公報

特許文献１に開示されているホーンリフレクタアンテナ装置では、反射鏡に平面波変換器としての役割もあるため、設計難易度が高く、装置全体が大型化する。また、特許文献２に開示されている基板型アンテナでは、水平方向への移動範囲を確保しなければならないため、装置全体が大型化する。

本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして本発明の目的は、簡易かつ小型で電波の指向性制御を実現するアンテナ装置を提供することにある。

本発明の態様に係るアンテナ装置は、アンテナ素子を配置したアンテナ基板と、アンテナ基板に対して平行となる姿勢を基準姿勢とする反射板と、基準姿勢にあるときの反射板の表面をアンテナ基板と対向する方向に沿って投影させた範囲で規定される変位空間内で、反射板の姿勢又は位置を変化させる可変機構と、を備える。

本発明によれば、簡易かつ小型で電波の指向性制御を実現するアンテナ装置を提供することができる。

反射板が基準姿勢にある第１実施形態に係るアンテナ装置の図である。 反射板が回転姿勢にある第１実施形態に係るアンテナ装置の図である。 反射板の有無で比較した指向性を示す図である。 反射板が基準姿勢か回転姿勢かで比較した指向性を示す図である。 反射板が第１位置にある第２実施形態に係るアンテナ装置の図である。 反射板が第２位置にある第２実施形態に係るアンテナ装置の図である。 基板間距離ごとに比較した指向性を示す図である。

以下、図面を用いて各実施形態に係るアンテナ装置について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。

（第１実施形態）
図１Ａ及び図１Ｂは、第１実施形態に係るアンテナ装置１を示す斜視図である。図１Ａは、反射板１１が基準姿勢にある場合のアンテナ装置１の図である。図１Ｂは、反射板１１が回転姿勢にある場合のアンテナ装置１の図である。

アンテナ装置１は、基地局アンテナ又は中継局アンテナ、室内アンテナ、又は、車載アンテナなど、様々な用途で用いられ得る。また、アンテナ装置１は、特に第５世代移動体通信規格（５Ｇ）に採用される準ミリ波・ミリ波等の高周波帯の電波に対応する。

アンテナ装置１は、アンテナ基板１０と、反射板１１と、回転機構１２と、制御部１３とを備える。ここで、以下の説明では、一例として、アンテナ基板１０と反射板１１とが対向する方向をＺ方向とし、Ｚ方向に対して垂直となる平面をＸＹ平面とする。

アンテナ基板１０は、本実施形態では、誘電体基板に複数のアンテナ素子１０ａを長手方向に沿って配置した長板状の平面アンテナである。具体的には、アンテナ基板１０は、アンテナ素子１０ａをダイポールアンテナとした、水平偏波を主偏波とする平面ダイポールアンテナである。更に、アンテナ基板１０は、５Ｇ用途としての必要性に合わせて、４つのアンテナ素子１０ａを長手方向に沿って配置した４素子アレーアンテナである。また、アンテナ基板１０は、表面１０ｂがＸＹ平面に対して平行となる姿勢で設置されるものとする。

なお、アンテナ基板１０は、上記例示に限定されるものではなく、アンテナの種別又は素子数などは、適宜設定されてよい。また、図１Ａ及び図１Ｂでは、アンテナ基板１０に接続される配線類は、不図示である。

反射板１１は、金属製の平板である。例えば、反射板の材質は、利得の低下を抑えるために、金、銅又はアルミ等、一般に電気伝導度が高い金属であることが望ましい。反射板１１の表面１１ａのサイズは、アンテナ基板１０の表面１０ｂのサイズ以上である。本実施形態では、反射板１１の表面１１ａの形状は、一例として、アンテナ基板１０の表面１０ｂと同等である。また、反射板１１の厚みは、使用する電波の周波数によって規定される表皮深さよりも厚い。

また、図１Ａに示すように、反射板１１がアンテナ基板１０に対して平行となるときの姿勢を「基準姿勢」と定義する。反射板１１が基準姿勢にあるとき、アンテナ基板１０と反射板１１との間の距離Ｌ（「基板間距離」と略記する場合がある）は、λ／４（１／４波長）に設定される。

更に、反射板１１は、Ｙ方向に対応する長手方向に沿って延伸し、ＸＺ平面と平行な反射板１１の断面における重心位置を貫通する回転軸１１ｂを含む。反射板１１は、回転軸１１ｂを基準として回転自在である。

回転機構１２は、反射板１１の回転軸１１ｂを適宜回転させることで、反射板１１の姿勢を変化させる可変機構である。回転機構１２は、例えばモーターである。図１Ｂに示すように、回転機構１２が駆動すると、反射板１１は、回転軸１１ｂを基準として回転し、基準姿勢の状態から傾斜角θ分、姿勢を変化させる。このときの姿勢を、以下「回転姿勢」という。この場合、反射板１１は、基準姿勢にあるときの反射板１１の表面１１ａをアンテナ基板１０と対向する方向であるＺ方向に沿って投影させた範囲で規定される変位空間Ｓ内で回転姿勢となる。変位空間Ｓは、図１Ａ中、二点鎖線で示されている。

制御部１３は、指定された指向性に合わせて回転機構１２の動作を制御する。つまり、制御部１３は、特定のアルゴリズムに従って回転機構１２を動作させることにより反射板１１の傾斜角θを調整させることで、電波の指向性を制御することができる。ここで、特定のアルゴリズムとは、特定の通信規格に限定されるものではなく、適用される通信規格の必要要件を満たすものであればよい。なお、制御部１３には、必要に応じて、パイロット信号等を受信する受信回路が備わっていてもよい。

次に、アンテナ装置１の作用及び効果について説明する。

アンテナ装置１は、アンテナ素子１０ａを配置したアンテナ基板１０と、アンテナ基板１０に対して平行となる姿勢を基準姿勢とする反射板１１とを備える。また、アンテナ基板１０は、基準姿勢にあるときの反射板１１の表面をアンテナ基板１０と対向する方向に沿って投影させた範囲で規定される変位空間Ｓ内で、反射板１１の姿勢又は位置を変化させる可変機構を備える。

まず、アンテナ装置１では、アンテナ基板１０に対して反射板１１の姿勢又は位置を適宜変化させることで、電波の指向性を制御することができる。このとき、可変機構は、反射板１１の姿勢又は位置のいずれかを変化させるものであればよいため、アンテナ装置１全体の構造が簡易化され得る。また、可変機構は、基準姿勢にあるときの反射板１１の表面をアンテナ基板１０と対向する方向に沿って投影させた範囲として規定される変位空間Ｓ内で反射板１１の姿勢又は位置を変化させる。つまり、反射板１１が姿勢又は位置を変化させる範囲が最小化されるため、アンテナ装置１全体が小型化される。

以上のように、本実施形態によれば、簡易かつ小型で電波の指向性制御を実現するアンテナ装置１を提供することができる。

また、アンテナ装置１では、アンテナ基板１０と、基準姿勢にあるときの反射板１１との間の距離Ｌは、λ／４であってもよい。このとき、可変機構は、反射板１１の傾斜角θが変化するように反射板１１を回転させる回転機構１２であってもよい。

図２は、反射板１１が基準姿勢にあるときのアンテナ装置１と、反射板１１を有しない比較例としてのアンテナ装置とで比較した指向性を示す図である。図２に示される指向性は、アンテナ基板１０のＺ方向に沿った長手方向の中心位置における、ＸＺ平面と平行な断面を観測面として得られたものである。また、図２中、実線で示される範囲が、反射板１１が基準位置にあるときのアンテナ装置１で得られる指向性である。一方、図２中、破線で示される範囲が、比較例としてのアンテナ装置１で得られる指向性である。なお、比較例としてのアンテナ装置は、すなわち、本実施形態におけるアンテナ基板１０のみで構成される。

図２の例示のように、本実施形態によれば、アンテナ基板１０に対してλ／４だけ離間した位置に反射板１１を配置することで、電波の放射方向を、仰角０度方向から仰角４５度方向に変更することができる。これにより、例えば、反射板１１の表面１１ａのサイズをアンテナ基板１０の表面１０ｂのサイズと同等としても、距離Ｌもλ／４程度でよい。したがって、アンテナ装置１は、準ミリ波・ミリ波等の高周波帯の利用において、小型なサイズで実現され得る。

図３は、反射板１１が傾斜角＝０°の基準姿勢にあるときのアンテナ装置１と、反射板１１が傾斜角θ＝３０°の回転姿勢にあるアンテナ装置１とで比較した指向性を示す図である。図３に示される指向性は、図２の場合と同様の観測面として得られたものである。また、図３中、実線で示される範囲が、反射板１１が基準位置にあるときのアンテナ装置１で得られる指向性である。一方、図３中、破線で示される範囲が、反射板１１が回転姿勢にあるときのアンテナ装置１で得られる指向性である。

図３の例示のように、本実施形態によれば、回転機構１２が反射板１１を傾斜角θ＝３０°となるように回転させることで、電波の指向性を仰角４５度方向から仰角３０度方向に変更することができる。ここで、例えば、反射板を水平移動させることでアンテナ基板に対する位置を変更させるようなアンテナ装置の場合、反射板の移動範囲は、本実施形態でいう変位空間Ｓよりも大きくなり、結果として、当該アンテナ装置全体が大型となる。これに対して、本実施形態に係るアンテナ装置１では、反射板１１の回転範囲が変位空間Ｓ内に収まるため、アンテナ装置１全体として小型化される。そして、アンテナ装置１によれば、反射板１１を回転させる回転機構１２のみで電波の指向性を制御することができるので、装置全体としての設計難易度を低下させ、移相器等の別部品を要することもないため、低コストとなり得る。

また、アンテナ装置１は、指定された指向性に合わせて回転機構１２の動作を制御する制御部１３を備えてもよい。

このアンテナ装置１によれば、例えば、５Ｇ用途に合わせたアルゴリズムに従って電波の指向性を自動で制御させることができる。

更に、アンテナ装置１では、アンテナ基板１０は、複数のアンテナ素子１０ａを長手方向に沿って配置した長板状の平面アンテナであってもよい。

このアンテナ装置１によれば、例えば、準ミリ波・ミリ波の高周波帯の電波が適用される５Ｇ用途に採用されるに際して、簡易かつ小型とするのにより有利となり得る。

（第２実施形態）
第１実施形態に係るアンテナ装置１では、反射板１１を回転させることで電波の指向性が制御される。これに対して、第２実施形態に係るアンテナ装置２では、アンテナ基板１０と反射板１１との間の距離Ｌを変化させることで電波の指向性が制御される。

図４Ａ及び図４Ｂは、第２実施形態に係るアンテナ装置２を示す斜視図である。以下、アンテナ装置２において、第１実施形態に係るアンテナ装置１における構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付し、説明を省略する。

図４Ａは、距離Ｌが第１距離Ｌ１である場合のアンテナ装置２の図である。図４Ｂは、距離Ｌが第２距離Ｌ２である場合のアンテナ装置２の図である。本実施形態では、反射板１１は、常時、基準姿勢を維持する。また、第２距離Ｌ２は、第１距離Ｌ１よりも長い。

アンテナ装置２は、可変機構として、第１実施形態における回転機構１２に代えて、直動機構２２を備える。直動機構２２は、基準姿勢を維持させた状態で距離Ｌが変化するように反射板１１を移動させる。本実施形態では、直動機構２２は、一例として、一端が反射板１１に接続されてＺ方向に沿って直動する直動軸２２ａを有する直動アクチュエータである。なお、直動機構２２の構造は、特に限定されるものではなく、ボールねじを用いた直動構造、又は、複数のアームを組み合わせたリンク機構等で構成されるものであってもよい。また、距離Ｌの可変範囲は、λ／１０（１／１０波長）からλ／２（１／２波長）までの間である。

このように、アンテナ装置２では、可変機構は、基準姿勢を維持させた状態で、アンテナ基板１０までの距離Ｌがλ／１０からλ／２までの間で反射板１１の位置が変化するように反射板１１を移動させる直動機構２２であってもよい。

図５は、アンテナ装置２において距離Ｌをλ／１０程度の小さい値からλ／２程度の大きい値まで５段階に変化させたときの指向性の変化を示す図である。図５に示される指向性は、図２の場合と同様の観測面として得られたものである。また、図５中、実線で示される範囲が、距離Ｌがλ／１０であるときのアンテナ装置２で得られる指向性である。一方、図５中、小さい間隔の破線で示される範囲が、距離Ｌがλ／２であるときのアンテナ装置２で得られる指向性である。

図５の例示のように、本実施形態によれば、距離Ｌを小さい値から大きい値に変化させることで、電波の指向性を変更することができる。また、図５の例示のように距離Ｌを段階的に変化させるだけでなく、連続的に変化させることで、より厳密に電波の指向性を変更することもできる。

更に、アンテナ装置２は、指定された指向性に合わせて直動機構２２の動作を制御する制御部１３を備えてもよい。

このアンテナ装置２によれば、第１実施形態と同様に、例えば、５Ｇ用途に合わせたアルゴリズムに従って電波の指向性を自動で制御させることができる。

以上、各実施形態を説明したが、実施形態はこれらに限定されるものではなく、各実施形態の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。

１，２ アンテナ装置
１０ アンテナ基板
１０ａ アンテナ素子
１１ 反射板
１２ 回転機構
１３ 制御部
２２ 直動機構
Ｓ 変位空間
θ 傾斜角

Claims (6)

1. アンテナ素子を配置したアンテナ基板と、
   前記アンテナ基板に対して平行となる姿勢を基準姿勢とする反射板と、
   前記基準姿勢にあるときの前記反射板の表面を前記アンテナ基板と対向する方向に沿って投影させた範囲で規定される変位空間内で、前記反射板の姿勢又は位置を変化させる可変機構と、を備えるアンテナ装置。
2. 前記アンテナ基板と、前記基準姿勢にあるときの前記反射板との間の距離は、１／４波長であり、
   前記可変機構は、前記反射板の傾斜角が変化するように前記反射板を回転させる回転機構である、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 指定された指向性に合わせて前記回転機構の動作を制御する制御部を備える、請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記可変機構は、前記基準姿勢を維持させた状態で、前記アンテナ基板までの距離が１／１０波長から１／２波長までの間で前記反射板の前記位置が変化するように前記反射板を移動させる直動機構である、請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 指定された指向性に合わせて前記直動機構の動作を制御する制御部を備える、請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記アンテナ基板は、複数の前記アンテナ素子を長手方向に沿って配置した長板状の平面アンテナである、請求項１に記載のアンテナ装置。

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