JP2557401B2 - 平面アレイアンテナ - Google Patents

平面アレイアンテナ

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JP2557401B2
JP2557401B2 JP62192115A JP19211587A JP2557401B2 JP 2557401 B2 JP2557401 B2 JP 2557401B2 JP 62192115 A JP62192115 A JP 62192115A JP 19211587 A JP19211587 A JP 19211587A JP 2557401 B2 JP2557401 B2 JP 2557401B2
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  • Waveguide Switches, Polarizers, And Phase Shifters (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、平面アレイアンテナに係り、特に基板面に
複数のマイクロストリップパッチアンテナを配設してな
る平面アレイアンテナに関する。
(従来の技術) 第5図は従来の平面アレイアンテナの構成例を示す。
第5図において、誘電体基板3の上面には、4個のマイ
クロストリップパッチアンテナ1が所定の素子間隔dを
隔てて横一列に配設されるとともに、各マイクロストリ
ップパッチアンテナ1への給電線路であるマイクロスト
リップライン4が配設されている。周知のように、4個
のマイクロストリップパッチアンテナ1によって所望の
方向へ単一方向に最大電界を持った指向性を有するビー
ム(以下の説明ではペンシルビームで代表させて説明す
る)を形成するためには、各マイクロストリップパッチ
アンテナ1の励振位相を制御する必要があるが、これは
各マイクロストリップパッチアンテナ1へのマイクロス
トリップラインの長さを適宜に設定することでなされる
(第5図では全て等長に描いてある)。
ところで、ストリップパッチアンテナ1の配列方向を
x軸、x軸と直行し誘電体基板3の上面に平行な方向を
y軸、誘電体基板3の上面に垂直な方向をz軸とする
と、ペンシルビームの形成方向はx−z面内にあり、位
相基準をx軸上のどこにとるかによって各マイクロスト
リップパッチアンテナ1の励振位相を与える式は異なる
が、例えば位相基準を図中最左端のマイクロストリップ
パッチアンテナ1とし、x−z面内でz軸からx軸方向
へθラジアン傾斜した方向にペンシルビームを形成する
場合の各マイクロストリップパッチアンテナ1の励振位
相φ〜同φは次の式(1)で与えられる。
ここで、nはマイクロストリップパッチアンテナ1に
付した番号で、図中左端から順に1,2,3,4とする。ま
た、λは自由空間波長、dは素子間隔である。なお、
符号2はグランド板であり、これは導体からなる。
以上要するに、従来の平面アレイアンテナでは、各マ
イクロストリップパッチアンテナ(以下、「放射素子」
という)の励振位相が、マイクロストリップラインの通
路長差で決定されるため、誘電体基板上のマイクロスト
リップラインおよび放射素子のエッチングパターンが決
まると、最大放射方向が決まってしまう。つまり最大放
射方向の角度は、誘電体基板を物理的に傾斜させない
で、可変とすることはできない構造となっている。
(発明が解決しようとする問題点) ところで、近年、衛星通信の利用分野が拡大し、衛星
回線を利用した移動通信システムの構築が進められてい
るが、このとき問題となるものの1つにアンテナがあ
る。移動体として自動車を考えると、アンテナは小形軽
量であることが望ましく、この点前述した平面アレイア
ンテナは好適であると言える。ところが、移動通信シス
テムにおいては、衛星追尾が必要となる。これはアンテ
ナ全体を傾斜・回転等することによって実現することに
なるが、アンテナを搭載するものが、自動車などの動き
の激しい移動体である場合は、非常に高速なサーボ機構
が必要となり、実現不可能または、高価となってしまう
という問題点がある。
本発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、
その目的は、ビームスキャン機能を備えた平面アレイア
ンテナを提供することにある。
(問題点を解決するための手段) 前記目的を達成するため、本発明の平面アレイアンテ
ナは次の如き構成を有する。
即ち、本発明の平面アレイアンテナは、基板上面に、 複数のマイクロストリップパッチアンテナと、 1つの給電点より左右対称に分岐し、前記マイクロス
トリップパッチアンテナに接続するマイクロストリップ
ラインと、 前記マイクロストリップラインの途中に前記給電点よ
り左右対称の位置に設けられた2通りの励振位相を形成
する移相器とを配設したものからなり、 前記移相器は、給電線路とインピーダンス整合をとる
変成器と、 この変成器のスタブ先端に設けられ当該スタブ先端を
短絡または開放するためのダイオードと、 ダイオードにバイアス電圧を印加すべく配設されるバ
イアスラインとを備え、 ダイオードをオン・オフ作動させることによって単一
方向に最大電界を有するビームの形成方向を2方向に高
速に切り替えることを特徴とするものである。
(作 用) 次に、前記の如く構成される本発明の平面アレイアン
テナの作用を説明する。
移相器では、バイアス電圧によってダイオードをオン
・オフ作動させると、スタブ先端が短絡または開放とな
り変成器からスタブをみたインピーダンスが容量性と誘
導性に変化し、その結果移相量が例えば+θと−θの2
通りに変化する。
マイクロストリップパッチアンテナの配置態様には1
次元的な場合と2次元的な場合とがある。
1次元的な場合には、ペンシルビームの形成方向は基
準軸から+θ傾いた方向と−θ傾いた方向とに切り替え
られる。また、2次元的な場合には、第1の移相器で例
えば縦方向における切替制御を行い、第2の移相器で横
方向における切替制御を行うことができる。
このように、本発明の平面アレイアンテナによれば、
ダイオードのオンオフ作動によって2通りの励振位相を
形成できる移相器を設けたので、ペンシルビームを、放
射素子が1次元的配列の場合には異なる2つの角度方向
へ、また放射素子が2次元的配列の場合には横方向と縦
方向において異なる2つの角度方向へそれぞれ切り替え
て形成できる。つまり、本発明の平面アレイアンテナに
よれば、アンテナ自体を物理的に傾斜させないでも電気
的に、しかも高速にビームスキャンを行えるのである。
その結果、本アンテナと、簡単な回転機構を組み合せれ
ば、自動車等のピッチングの大きな移動体に搭載しても
簡単かつ安価に衛星追尾を行うことができる効果があ
る。
(実 施 例) 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図は本発明の一実施例に係る平面アレイアンテナ
を示す。この第1実施例では、第5図に示した従来例と
同様に4放射素子タイプのものを示す。故に、従来例と
同一構成部分には同一符号名称を付しその説明を省略す
る。
本発明に係る平面アレイアンテナは、第1図に例示す
る如く、放射素子である各マイクロストリップパッチア
ンテナ1への給電線路であるマイクロストリップライン
4の途中に移相器5を設けたものである。
移相器5は、第2図に拡大して示す如く、スタブ6
と、ダイオード7と、ショートバー8と、変成器9と、
バイアスライン10と、コンデンサ11とを備える。
変成器9は、長さがλg/4のマイクロストリップライ
ンからなる。ここに、λはマイクロストリップライン
上の1波長であって、誘電体基板3の誘電率をε、自
由空間波長をλとすると、 となる、この変成器9の長手方向両端側の一側部には幅
狭部6aと幅広部6bからなるスタブ6が設けられ、スタブ
6の先端部である幅広部6bの先端にはダイオード7が設
けられる。ショートバー8はダイオード7とグランド板
9とを電気的に短絡すべく誘電体基板3内に埋設されて
いる。なお、ダイオード7はPINダイオードからなる。
また、変成器9の長手方向両端は給電線路の一部であ
る主線路12a,同12bとそれぞれ連接されている。主線路1
2aと同12bは説明の都合上異なる符号を付してあるが、
両者は同一線幅の給電線路であって主線路12aが放射素
子側、主線路12bが給電側のものとなっている。
そして、主線路12aの一側部にはバイアスライン10が
設けられ、また主線路12bの途中にはコンデンサ11が介
挿されている。
バイアスライン10は基端側の幅狭部10aと先端側の幅
広部10bとからなり、両者とも長さはλg/4である。ここ
で、幅広部10bは先端開放のスタブであって、その基部
A(幅狭部10aと幅広部10bの接続部)は高周波的には短
絡状態にある。故に、主線路12aから基部Aを見たイン
ピーダンスは無限大となり、主線路12aへの影響は無視
できる。つまり、基部Aにバイアス電圧を印加できるの
である。なお、線幅が異なる幅狭部10aと幅広部10bでも
って構成したのは広帯域性を保証するためである。
主線路12bから基部A側を見たインピーダンスは実際
には無限大とはならないが、実用上1000Ω程度あれば良
い。そこで、基部Aが実際には零電位になくとも幅狭部
10aの線幅を細くして高インピーダンスを実現しておけ
ば、主線路12aから基部Aを見たインピーダンスを高い
状態に設定できる。一方、幅広部10bに関しては、線幅
を広くして低インピーダンス化を図り、基部Aを可能な
限り短絡状態に近づけるのである。
主線路12bに介挿したコンデンサ11は基部Aに印加し
たバイアス電圧に基づくバイアス電流が他回路へ流出す
るのを防止する機能を有する。
さて、基部Aにバイアス電圧を印加すると、ダイオー
ド7がオンオフ作動し、両スタブ6の先端を短絡開放す
る。この状態で変成器9から見た両スタブ6のインピー
ダンスは一方が容量性、他方が誘導性となる。そこで、
両スタブ6のラインインピーダンスzs,同zkは容量性イ
ンピーダンスと誘導性インピーダンスの絶対値が等しく
なるように設定し、これに基づくインピーダンスztによ
って変成器9は主線路12a,同12bのインピーダンスz0
の整合をとっているのである。
つまり、ダイオード7をスイッチング駆動することに
よって2つの異なる励振位相量が得られるのであって、
アンテナの最大放射方向(ペンシルビームの形成方向)
を基準軸から+θ方向と−θ方向にアンテナ自体を動か
すことなく切り替えることができるのである。そして、
ダイオード7のスイッチング駆動は高速で行えるから、
高速の切り替えができることが解る。
第1図に示す如く、アンテナ全体の位相基準をアレイ
中心に設定したときに基準軸であるz軸からx軸へ向か
い角度θ傾斜した方向へ最大放射させるための励振位相
ηは、総素子数をNTとすれば で与えられる。なお、nは放射素子の配列順序に基づく
番号である。そこで、第1図に示す如く、NT=4の場合
の各放射素子の励振位相ηは次表の如くになる。
要するに、各移相器4は、移相量が前表に示すものと
なるように設定するのである。なお、第3図には、本実
施例に係る平面アレイアンテナの実測放射パターンを示
してある。これは最大放射方向が±2゜である2つのペ
ンシルビームの放射パターンである。1次元ビームスキ
ャンタイプの平面アレイアンテナが実現できたのであ
る。
また、本図において、4個のマイクロストリップパッ
チアンテナ1と移相器5とは共に中心となる給電点から
左右対称に配置されている。即ち、中心からの間隔は、
左右について共にd/2と3d/2とになっている。この結
果、給電点から見た位相量が左右で同一であるため、本
アンテナで受信する場合に受信信号の位相変動を発生す
ることがない。このように構成することにより、位相変
動により符号誤りを発生する例えばQPSK信号のような位
相変調信号を受信した場合においても、安定に受信でき
ることとなる。
次に、第4図は本発明の他の実施例に係る平面アレイ
アンテナ(2次元ビームスキャンタイプ)の電気的構成
を示す。この第2実施例に係る平面アレイアンテナは、
複数の放射素子41を2次元的に配設してある。図示例で
は横方向に5個、縦方向に3個の配列となっている。そ
して、各放射素子について前記と同様構成の第1の移相
器42を設けるとともに、例えば横方向に配設される放射
素子列の1つを単位として各放射素子列における第1の
移相器42について第2の移相器43を設け、第1の移相器
42によって例えば横方向に切り替え、第2の移相器43で
は縦方向に切り替えるようにしたものである。
なお、放射素子であるマイクロストリップパッチアン
テナは、前記実施例では円形のもので説明したが、矩形
等任意形状のものでも良い。また、本アンテナは円偏
波、直線偏波のいずれであっても使用できることは勿論
である。さらに、念のため付記すれば、本発明に係る平
面アレイアンテナは、送受信いずれの状態であってもビ
ームスキャンを行えることは明らかである。
(発明の効果) 以上詳述したように、本発明の平面アレイアンテナに
よれば、ダイオードのオンオフ作動によって2通りの励
振位相を形成できる移相器を設けたので、ペンシルビー
ムを、放射素子が1次元的配列の場合には異なる2つの
角度方向へ、また放射素子が2次元的配列の場合には横
方向と縦方向において異なる2つの角度方向へそれぞれ
切り替えて形成できる。つまり、本発明の平面アレイア
ンテナによれば、アンテナ自体を物理的に傾斜させない
でも電気的に、しかも高速にビームスキャンを行えるの
である。その結果本アンテナと、簡単な回転機構を組み
合せれば、自動車等のピッチングの大きな移動体に搭載
しても簡単かつ安価に衛星追尾を行うことができる効果
がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明の一実施例に係る平面アレイアンテナ
(1次元ビームスキャンタイプ)の外観斜視図、第2図
は移相器の拡大斜視図、第3図は最大放射方向が±2度
である2つのペンシルビームの放射パターンを示す図、
第4図は本発明の他の実施例に係る平面アレイアンテナ
(2次元ビームスキャンタイプ)の電気的構成図、第5
図は従来の平面アレイアンテナの外観斜視図である。 1……マイクロストリップパッチアンテナ(放射素
子)、2……グランド板、3……誘電体基板、4……マ
イクロストリップライン(給電線路)、5……移相器、
6……スタブ、7……ダイオード、8……ショートバ
ー、9……変成器、10……バイアスライン、11……コン
デンサ、12a,12b……主線路、41……放射素子、42……
第1の移相器、43……第2の移相器。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上面に、 複数のマイクロストリップパッチアンテナと、 1つの給電点より左右対称に分岐し、前記マイクロスト
    リップパッチアンテナに接続するマイクロストリップラ
    インと、 前記マイクロストリップラインの途中に前記給電点より
    左右対称の位置に設けられた2通りの励振位相を形成す
    る移相器とを配設したものからなり、 前記移相器は、給電線路とインピーダンス整合をとる変
    成器と、 この変成器のスタブ先端に設けられ当該スタブ先端を短
    絡または開放するためのダイオードと、 ダイオードにバイアス電圧を印加すべく配設されるバイ
    アスラインとを備え、 ダイオードをオン・オフ作動させることによって単一方
    向に最大電界を有するビームの形成方向を2方向に高速
    に切り替えることを特徴とする平面アレイアンテナ。
  2. 【請求項2】前記複数のマイクロストリップパッチアン
    テナは1次元的に配設してあることを特徴とする特許請
    求の範囲第(1)項記載の平面アレイアンテナ。
  3. 【請求項3】前記複数のマイクロストリップパッチアン
    テナは2次元的に配設され、前記移相器は各マイクロス
    トリップパッチアンテナについて設けられる第1の移相
    器と、横方向または縦方向に配設されるマイクロストリ
    ップパッチアンテナ列の1つを単位として各マイクロス
    トリップパッチアンテナ列における前記第1の移相器の
    入力に対して設けられる第2の移相器とからなる、第1
    の移相器と第2の移相器の移相制御による前記ビームの
    切替形成方向は互いに交差する方向であることを特徴と
    する特許請求の範囲第(1)項記載の平面アレイアンテ
    ナ。
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KR102018083B1 (ko) * 2018-04-25 2019-09-04 성균관대학교산학협력단 광대역 패치 어레이 안테나 장치

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