JP3672770B2 - アレーアンテナ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナ素子からなる指向特性を変化させることができるアレーアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来技術のフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１２において、例えばリニアアレー１００で並置された複数Ｎ個のアンテナ素子１−１乃至１−Ｎで受信された各無線信号は低雑音増幅器（ＬＮＡ）２−１乃至２−Ｎ及び可変移相器３−１乃至３−Ｎを介して合成器４に入力され、合成器４は入力される移相後のＮ個の無線信号を合成して、合成後の合成無線信号を無線受信機５に出力する。無線受信機５は合成無線信号に対してより低い周波数への周波数変換（ダウンコンバージョン）及びデータ復調などの処理を行ってデータ信号を取り出して出力する。
【０００３】
フェーズドアレーアンテナ装置は複数の放射素子を所定の相対位相関係で励振することにより所望の放射パターンを得る高機能なアンテナであり、図１２に示すように、所望の励振位相関係を設定するための手段として、複数の可変移相器３−１乃至３−Ｎを用いている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１２に示すように、従来技術のフェーズドアレーアンテナ装置においては、例えば受信側では、複数の低雑音増幅器２−１乃至２−Ｎ、複数の可変移相器３−１乃至３−Ｎ及び合成器４とを備える必要があるために、構成が複雑となり、製造コストが大幅に高くなり、アンテナ素子１−１乃至１−Ｎの数が多い場合に特にこの欠点は深刻なものとなる。
【０００５】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して構成が簡単であって製造コストを大幅に軽減でき、しかも指向特性の制御が容易であるアレーアンテナ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアレーアンテナ装置は、無線信号が給電される放射素子と、
上記放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも１個の非励振素子と、
上記非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とを備え、
上記リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置の指向性を変化させるアレーアンテナ装置において、
接地導体が形成された誘電体基板を備え、
上記放射素子は上記接地導体から電気的に絶縁されつつ上記誘電体基板を厚さ方向に貫通して支持されており、
上記非励振素子は上記接地導体から電気的に絶縁されつつ上記誘電体基板を厚さ方向に貫通して支持されており、
上記可変リアクタンス素子は上記誘電体基板の裏面側に配置され、上記非励振素子の一端を上記接地導体に高周波的に接地し、上記誘電体基板の裏面側において当該可変リアクタンス素子に可変電圧直流電源から逆バイアス電圧を印加することを特徴とする。
【０００７】
また、上記アレーアンテナの制御装置において、上記可変リアクタンス素子には、上記可変電圧直流電源から抵抗を介して逆バイアス電圧が印加され、当該抵抗の上記可変電圧直流電源側は、高周波バイパス用キャパシタを介して上記接地導体に高周波的に接地されていることを特徴とする。
【０００８】
さらに、上記アレーアンテナ装置において、上記非励振素子を複数個備え、上記複数個の非励振素子は、上記放射素子を中心とする円形状の位置に配置されたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。
【００１０】
図１は本発明に係る第１の実施形態であるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であり、図２は図１の給電アンテナ素子Ａ０の構成を示す模式図であり、図３は図１の無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６の構成を示す模式図である。
【００１１】
本実施形態においては、図１に示すように、それぞれモノポール素子である、給電アンテナ素子Ａ０と、６本の無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６とがそれぞれ、各素子Ａ０乃至Ａ６の長さｌｏ，ｌｎ（ｎ＝１，２，…，６）に対して十分に大きい広さを有する導体板にてなる接地導体１１から電気的に絶縁され、かつ給電アンテナ素子Ａ０を中心とする例えば半径ｄ＝λ／４の円形形状の位置に互いに同一の６０度の間隔で無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６が配置されるように設けられる。
【００１２】
図２において、給電アンテナ素子Ａ０は、例えばλ／４の所定の長手方向の長さｌｏを有し接地導体１１とは電気的に絶縁された円柱形状の放射素子６を備え、無線機（図示せず。）から給電される無線信号を伝送する同軸ケーブル２０の中心導体２１は放射素子６の一端に接続され、その外部導体２２は接地導体１１に接続される。これにより、無線機から無線信号が同軸ケーブル２０を介して給電アンテナ素子Ａ０に給電されて放射される。
【００１３】
図３において、各無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６はそれぞれ、例えばλ／４の所定の長手方向の長さｌｎ（ｎ＝１，２，…，６）を有し接地導体１１とは電気的に絶縁された円柱形状の非励振素子７と、リアクタンス値Ｘｎ（ｎ＝１，２，…，６）を有する可変リアクタンス素子２３とを備えて同様の構造を有して構成される。ここで、非励振素子７の一端は可変リアクタンス素子２３を介して接地導体１１に対して高周波的に接地される。例えば放射素子６と非励振素子７の長手方向の長さが実質的に同一であると仮定したとき、例えば、可変リアクタンス素子２３がインダクタンス性（Ｌ性）を有するときは、可変リアクタンス素子２３は延長コイルとなり、無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６の電気長が給電アンテナ素子Ａ０に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子２３がキャパシタンス性（Ｃ性）を有するときは、可変リアクタンス素子２３は短縮コンデンサとなり、無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６の電気長が給電アンテナ素子Ａ０に比較して短くなり、導波器として働く。
【００１４】
従って、図１のアレーアンテナ装置において、各無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６に接続された可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置の全体の平面指向性特性を変化させることができる。
【００１５】
図４は、図１のアレーアンテナ装置の詳細な構成を示す断面図であり、図４の好ましい実施形態では、可変リアクタンス素子２３として可変容量ダイオードＤを用いている。
【００１６】
図４において、例えばポリカーボネートなどの誘電体基板１０の上面に接地導体１１が形成され、放射素子６は、接地導体１１から電気的に絶縁されつつ、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して支持されており、無線機（図示せず。）から無線信号が給電される。また、非励振素子７は接地導体１１から電気的に絶縁されつつ、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して支持される。ここで、非励振素子７の一端は可変容量ダイオードＤ及び、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して充填形成されてなるスルーホール導体１２を介して接地導体１１に高周波的に接地されるとともに、抵抗Ｒを介して端子Ｔに接続される。また、端子Ｔは高周波バイパス用キャパシタＣ及び、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して充填形成されてなるスルーホール導体１３を介して接地導体１１に高周波的に接地される。
【００１７】
端子Ｔには、アレーアンテナ装置の制御装置（図示せず。）により電圧制御される可変電圧直流電源３０が接続され、これにより、可変容量ダイオードＤに印加する逆バイアス電圧を変化させることにより、可変容量ダイオードＤにおける静電容量値を変化させる。これにより、非励振素子７を備えた無給電可変リアクタンス素子Ａ１の電気長を、給電アンテナ素子Ａ０に比較して変化させ、当該アレーアンテナ装置の平面指向性特性を変化させることができる。さらに、他の非励振素子７を備えた無給電可変リアクタンス素子Ａ２乃至Ａ６も同様に構成されて同様の作用を有する。以上のように構成されたアレーアンテナ装置は電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna， ＥＳＰＡＲアンテナ）と呼ぶことができる。
【００１８】
以上説明したように、図１２の従来技術のアレーアンテナ装置に比較して、非常に簡単な構造を有し、例えば可変容量ダイオードＤを用いれば、直流電圧で指向特性を電子的に制御可能なアレーアンテナ装置を実現できる。当該アレーアンテナ装置は、例えば、移動体通信端末用のアンテナとしてノートパソコンやＰＤＡのような電子機器へ装着が容易であり、また、水平面のどの方向へ主ビームを走査した場合でも、すべての無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６が導波器又は反射器として有効に機能し、指向特性の制御もきわめて容易である。
【００１９】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明に係る第２の実施形態であるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。本実施形態のアレーアンテナ装置は、図１のアレーアンテナ装置におけるモノポールを、ダイポールに置き換えたものである。
【００２０】
図５において、当該アレーアンテナ装置の中心に設けられた給電アンテナ素子ＡＡ０は、互いに所定の間隔を置きかつ互いに１直線上に設けられた１対の放射素子６ａ，６ｂを備えて構成され、放射素子６ａ，６ｂの互いに対向する各一端はそれぞれ端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続される。ここで、端子Ｔ１１，Ｔ１２は平衡型伝送ケーブルを介して無線機に接続され、無線機から無線信号が当該給電アンテナ素子ＡＡ０に給電される。
【００２１】
給電アンテナ素子ＡＡ０を中心とした円形形状の位置に互いに所定の角度間隔で設けられた各無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６はそれぞれ、互いに所定の間隔を置きかつ互いに１直線上に設けられた１対の非励振素子７ａ，７ｂを備え、非励振素子７ａ，７ｂの互いに対向する各一端は可変容量ダイオードＤ１を介して接続され、可変容量ダイオードＤ１の一端は抵抗Ｒ１を介して端子Ｔ１に接続され、可変容量ダイオードＤ１の他端は抵抗Ｒ２を介して端子Ｔ２に接続される。ここで、端子Ｔ１及びＴ２の間に高周波バイパス用キャパシタＣ１が接続される。また、端子Ｔ１及びＴ２には、図４の第１の実施形態と同様に、可変容量ダイオードＤ１に対して逆バイアス電圧を印加するための可変電圧直流電源（図示せず。）が接続される。
【００２２】
可変電圧直流電源により、各無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６の可変容量ダイオードＤ１に印加する逆バイアス電圧を変化させることにより、可変容量ダイオードＤにおける静電容量値を変化させる。これにより、非励振素子７ａ，７ｂを備えた各無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６の電気長を、給電アンテナ素子ＡＡ０に比較して変化させ、当該アレーアンテナ装置の平面指向性特性を変化させることができる。
【００２３】
以上説明したように、図１２の従来技術のアレーアンテナ装置に比較して、非常に簡単な構造を有し、例えば可変容量ダイオードＤ１を用いれば、直流電圧で指向特性を電子的に制御可能なアレーアンテナ装置を実現できる。当該アレーアンテナ装置は、例えば、移動体通信端末用のアンテナとしてノートパソコンやＰＤＡのような電子機器へ装着が容易であり、また、水平面のどの方向へ主ビームを走査した場合でも、すべての無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６が導波器又は反射器として有効に機能し、指向特性の制御もきわめて容易である。
【００２４】
＜変形例＞
以上の実施形態においては、送信用のアレーアンテナ装置について説明しているが、当該装置は非可逆回路を含まない可逆回路であるので、図１２の従来技術の装置と同様に受信用に用いることができる。
【００２５】
以上の実施形態においては、６本の無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６又はＡＡ１乃至ＡＡ６を用いているが、その本数は少なくとも１本あれば、当該アレーアンテナ装置の指向特性を電子的に制御することができる。また、無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６又はＡＡ１乃至ＡＡ６の配置形状も上記の実施形態に限定されず、給電アンテナ素子Ａ０から所定の距離だけ離れていればよい。すなわち、各無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６又はＡＡ１乃至ＡＡ６に対する間隔ｄは一定でなくてもよい。
【００２６】
さらに、可変リアクタンス素子２３は可変容量ダイオードＤ，Ｄ１に限定されず、リアクタンス値を制御可能な素子であればよい。可変容量ダイオードＤ，Ｄ１は一般に容量性の回路素子なので、リアクタンス値は常に負の値となる。なお、表１の数値例では、インピーダンスＺとしてゼロや正の値を用いている。上記可変リアクタンス素子２３のリアクタンス値は、正から負の値までの範囲の値をとってもよく、このためには、例えば可変容量ダイオードＤ，Ｄ１に直列に固定のインダクタを挿入するか、もしくは、非励振素子７の長さをより長くすることにより、正から負の値までにわたってリアクタンス値を変化させることができる。
【００２７】
【実施例】
本発明者は、以上の実施形態に係るアレーアンテナ装置の性能を検証するために以下のシミュレーションを行った。ここで、図６及び図７の解析モデルを用いる。本実施形態のアレーアンテナ装置の設計上で重要なパラメータは以下の通りである。
【００２８】
（１）無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６の本数Ｎ及び長さｌｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）：Ｎは実施形態では６であるが、これは一例である。また、長さｌｎは３６０度走査を考慮し、好ましくは、すべての無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６で同一の値とする。
（２）給電アンテナ素子ＡＡ０と無給電可変リアクタンス素子ＡＡ０乃至ＡＡ６の間隔ｄ。（３）無給電可変リアクタンス素子ＡＡｎに装荷するリアクタンスの値Ｘｎ。
【００２９】
このうち、上記（１）及び（２）のパラメータは設計により決定したら動かせないパラメータであるのに対して、上記（３）のパラメータは上述の通り、可変容量ダイオードＤ１によりある程度の幅で電子的に制御可能なパラメータである。最適なパラメータ決定のための基礎データを得るため、本実施形態のＥＳＰＡＲアンテナ装置のパラメータをある程度変化させた時の諸特性をモーメント法を用いて計算した。解析は接地導体１１が無限大であると仮定し、自由空間中にダイポールアンテナが配置されたものとして行った。解析モデルを図６及び図７に示す。各パラメータのセットが次の表１に示す値をとる場合の、入力インピーダンスＺｉｎ、利得Ｇａｉｎ、電界が最大（Ｅmax）又は最小（Ｅmin）となる角度Ｄｅｇ（Ｅmax），Ｄｅｇ（Ｅmin）、並びに、電界の最大値と最小値の比Ｅmin／Ｅmaxの計算値を表２に示す。なお、表１において、Ｚｎ＝Ｘｎである。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
また、水平面内遠方放射電界パターン（相対値）の計算結果を図８乃至図１１に示す。表２に示す利得Ｇａｉｎの値及び図８乃至図１１の指向特性のパターン形状より、リアクタンスの値Ｘｎを適切に選ぶことにより、無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６は導波器もしくは反射器として動作することが確認された。また、図８と図９及び図１０と図１１を比較すると、明らかなように、間隔ｄの値を少し変化させただけで、放射パターンの形状は大きく変化することがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に係るアレーアンテナ装置によれば、無線信号が入出力される放射素子と、上記放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が入出力されない少なくとも１個の非励振素子と、上記非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とを備えたアレーアンテナ装置であって、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナ装置の指向特性を変化させる。従って、本発明によれば、図１２の従来技術のアレーアンテナ装置に比較して、非常に簡単な構造を有し、例えば可変容量ダイオードなどの可変リアクタンス素子を用いれば、直流電圧で指向特性を電子的に制御可能アレーアンテナ装置を実現できる。当該アレーアンテナ装置は、例えば、移動体通信端末用のアンテナとしてノートパソコンやＰＤＡのような電子機器へ装着が容易であり、また、水平面のどの方向へ主ビームを走査した場合でも、すべての無給電可変リアクタンス素子が導波器又は反射器として有効に機能し、指向特性の制御もきわめて容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第１の実施形態であるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図２】 図１の給電アンテナ素子Ａ０の構成を示す模式図である。
【図３】 図１の無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６の構成を示す模式図である。
【図４】 図１のアレーアンテナ装置の詳細な構成を示す断面図である。
【図５】 本発明に係る第２の実施形態であるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図６】 第２の実施形態のアレーアンテナ装置の解析モデルを示す斜視図である。
【図７】 図６のアレーアンテナ装置の平面配置を示す平面図である。
【図８】 図６及び図７のアレーアンテナ装置におけるケース１の水平面指向特性を示すグラフである。
【図９】 図６及び図７のアレーアンテナ装置におけるケース２の水平面指向特性を示すグラフである。
【図１０】 図６及び図７のアレーアンテナ装置におけるケース３の水平面指向特性を示すグラフである。
【図１１】 図６及び図７のアレーアンテナ装置におけるケース４の水平面指向特性を示すグラフである。
【図１２】 従来技術のアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
Ａ０，ＡＡ０…給電アンテナ素子、
Ａ１乃至Ａ６，ＡＡ１乃至ＡＡ６…無給電可変リアクタンス素子、
Ｃ，Ｃ１…キャパシタ、
Ｄ，Ｄ１…可変容量ダイオード、
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２…抵抗、
Ｔ，Ｔ１，Ｔ２…端子、
６，６ａ，６ｂ…放射素子、
７，７ａ，７ｂ…非励振素子、
１０…誘電体基板、
１１…接地導体、
１２，１３…スルーホール導体、
２０…給電用同軸ケーブル、
２１…中心導体、
２２…外部導体、
２３…可変リアクタンス素子、
３０…可変電圧直流電源。
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のアンテナ素子からなる指向特性を変化させることができるアレーアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来技術のフェーズドアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。図１２において、例えばリニアアレー１００で並置された複数Ｎ個のアンテナ素子１−１乃至１−Ｎで受信された各無線信号は低雑音増幅器（ＬＮＡ）２−１乃至２−Ｎ及び可変移相器３−１乃至３−Ｎを介して合成器４に入力され、合成器４は入力される移相後のＮ個の無線信号を合成して、合成後の合成無線信号を無線受信機５に出力する。無線受信機５は合成無線信号に対してより低い周波数への周波数変換（ダウンコンバージョン）及びデータ復調などの処理を行ってデータ信号を取り出して出力する。
【０００３】
フェーズドアレーアンテナ装置は複数の放射素子を所定の相対位相関係で励振することにより所望の放射パターンを得る高機能なアンテナであり、図１２に示すように、所望の励振位相関係を設定するための手段として、複数の可変移相器３−１乃至３−Ｎを用いている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図１２に示すように、従来技術のフェーズドアレーアンテナ装置においては、例えば受信側では、複数の低雑音増幅器２−１乃至２−Ｎ、複数の可変移相器３−１乃至３−Ｎ及び合成器４とを備える必要があるために、構成が複雑となり、製造コストが大幅に高くなり、アンテナ素子１−１乃至１−Ｎの数が多い場合に特にこの欠点は深刻なものとなる。
【０００５】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して構成が簡単であって製造コストを大幅に軽減でき、しかも指向特性の制御が容易であるアレーアンテナ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るアレーアンテナ装置は、無線信号が給電される放射素子と、
上記放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも１個の非励振素子と、
上記非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とを備え、
上記リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置の指向性を変化させるアレーアンテナ装置において、
接地導体が形成された誘電体基板を備え、
上記放射素子は上記接地導体から電気的に絶縁されつつ上記誘電体基板を厚さ方向に貫通して支持されており、
上記非励振素子は上記接地導体から電気的に絶縁されつつ上記誘電体基板を厚さ方向に貫通して支持されており、
上記可変リアクタンス素子は上記誘電体基板の裏面側に配置され、上記非励振素子の一端を上記接地導体に高周波的に接地し、上記誘電体基板の裏面側において当該可変リアクタンス素子に可変電圧直流電源から逆バイアス電圧を印加することを特徴とする。
【０００７】
また、上記アレーアンテナの制御装置において、上記可変リアクタンス素子には、上記可変電圧直流電源から抵抗を介して逆バイアス電圧が印加され、当該抵抗の上記可変電圧直流電源側は、高周波バイパス用キャパシタを介して上記接地導体に高周波的に接地されていることを特徴とする。
【０００８】
さらに、上記アレーアンテナ装置において、上記非励振素子を複数個備え、上記複数個の非励振素子は、上記放射素子を中心とする円形状の位置に配置されたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。
【００１０】
図１は本発明に係る第１の実施形態であるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であり、図２は図１の給電アンテナ素子Ａ０の構成を示す模式図であり、図３は図１の無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６の構成を示す模式図である。
【００１１】
本実施形態においては、図１に示すように、それぞれモノポール素子である、給電アンテナ素子Ａ０と、６本の無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６とがそれぞれ、各素子Ａ０乃至Ａ６の長さｌｏ，ｌｎ（ｎ＝１，２，…，６）に対して十分に大きい広さを有する導体板にてなる接地導体１１から電気的に絶縁され、かつ給電アンテナ素子Ａ０を中心とする例えば半径ｄ＝λ／４の円形形状の位置に互いに同一の６０度の間隔で無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６が配置されるように設けられる。
【００１２】
図２において、給電アンテナ素子Ａ０は、例えばλ／４の所定の長手方向の長さｌｏを有し接地導体１１とは電気的に絶縁された円柱形状の放射素子６を備え、無線機（図示せず。）から給電される無線信号を伝送する同軸ケーブル２０の中心導体２１は放射素子６の一端に接続され、その外部導体２２は接地導体１１に接続される。これにより、無線機から無線信号が同軸ケーブル２０を介して給電アンテナ素子Ａ０に給電されて放射される。
【００１３】
図３において、各無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６はそれぞれ、例えばλ／４の所定の長手方向の長さｌｎ（ｎ＝１，２，…，６）を有し接地導体１１とは電気的に絶縁された円柱形状の非励振素子７と、リアクタンス値Ｘｎ（ｎ＝１，２，…，６）を有する可変リアクタンス素子２３とを備えて同様の構造を有して構成される。ここで、非励振素子７の一端は可変リアクタンス素子２３を介して接地導体１１に対して高周波的に接地される。例えば放射素子６と非励振素子７の長手方向の長さが実質的に同一であると仮定したとき、例えば、可変リアクタンス素子２３がインダクタンス性（Ｌ性）を有するときは、可変リアクタンス素子２３は延長コイルとなり、無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６の電気長が給電アンテナ素子Ａ０に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子２３がキャパシタンス性（Ｃ性）を有するときは、可変リアクタンス素子２３は短縮コンデンサとなり、無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６の電気長が給電アンテナ素子Ａ０に比較して短くなり、導波器として働く。
【００１４】
従って、図１のアレーアンテナ装置において、各無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６に接続された可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置の全体の平面指向性特性を変化させることができる。
【００１５】
図４は、図１のアレーアンテナ装置の詳細な構成を示す断面図であり、図４の好ましい実施形態では、可変リアクタンス素子２３として可変容量ダイオードＤを用いている。
【００１６】
図４において、例えばポリカーボネートなどの誘電体基板１０の上面に接地導体１１が形成され、放射素子６は、接地導体１１から電気的に絶縁されつつ、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して支持されており、無線機（図示せず。）から無線信号が給電される。また、非励振素子７は接地導体１１から電気的に絶縁されつつ、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して支持される。ここで、非励振素子７の一端は可変容量ダイオードＤ及び、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して充填形成されてなるスルーホール導体１２を介して接地導体１１に高周波的に接地されるとともに、抵抗Ｒを介して端子Ｔに接続される。また、端子Ｔは高周波バイパス用キャパシタＣ及び、誘電体基板１０を厚さ方向に貫通して充填形成されてなるスルーホール導体１３を介して接地導体１１に高周波的に接地される。
【００１７】
端子Ｔには、アレーアンテナ装置の制御装置（図示せず。）により電圧制御される可変電圧直流電源３０が接続され、これにより、可変容量ダイオードＤに印加する逆バイアス電圧を変化させることにより、可変容量ダイオードＤにおける静電容量値を変化させる。これにより、非励振素子７を備えた無給電可変リアクタンス素子Ａ１の電気長を、給電アンテナ素子Ａ０に比較して変化させ、当該アレーアンテナ装置の平面指向性特性を変化させることができる。さらに、他の非励振素子７を備えた無給電可変リアクタンス素子Ａ２乃至Ａ６も同様に構成されて同様の作用を有する。以上のように構成されたアレーアンテナ装置は電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna， ＥＳＰＡＲアンテナ）と呼ぶことができる。
【００１８】
以上説明したように、図１２の従来技術のアレーアンテナ装置に比較して、非常に簡単な構造を有し、例えば可変容量ダイオードＤを用いれば、直流電圧で指向特性を電子的に制御可能なアレーアンテナ装置を実現できる。当該アレーアンテナ装置は、例えば、移動体通信端末用のアンテナとしてノートパソコンやＰＤＡのような電子機器へ装着が容易であり、また、水平面のどの方向へ主ビームを走査した場合でも、すべての無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６が導波器又は反射器として有効に機能し、指向特性の制御もきわめて容易である。
【００１９】
＜第２の実施形態＞
図５は、本発明に係る第２の実施形態であるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。本実施形態のアレーアンテナ装置は、図１のアレーアンテナ装置におけるモノポールを、ダイポールに置き換えたものである。
【００２０】
図５において、当該アレーアンテナ装置の中心に設けられた給電アンテナ素子ＡＡ０は、互いに所定の間隔を置きかつ互いに１直線上に設けられた１対の放射素子６ａ，６ｂを備えて構成され、放射素子６ａ，６ｂの互いに対向する各一端はそれぞれ端子Ｔ１１，Ｔ１２に接続される。ここで、端子Ｔ１１，Ｔ１２は平衡型伝送ケーブルを介して無線機に接続され、無線機から無線信号が当該給電アンテナ素子ＡＡ０に給電される。
【００２１】
給電アンテナ素子ＡＡ０を中心とした円形形状の位置に互いに所定の角度間隔で設けられた各無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６はそれぞれ、互いに所定の間隔を置きかつ互いに１直線上に設けられた１対の非励振素子７ａ，７ｂを備え、非励振素子７ａ，７ｂの互いに対向する各一端は可変容量ダイオードＤ１を介して接続され、可変容量ダイオードＤ１の一端は抵抗Ｒ１を介して端子Ｔ１に接続され、可変容量ダイオードＤ１の他端は抵抗Ｒ２を介して端子Ｔ２に接続される。ここで、端子Ｔ１及びＴ２の間に高周波バイパス用キャパシタＣ１が接続される。また、端子Ｔ１及びＴ２には、図４の第１の実施形態と同様に、可変容量ダイオードＤ１に対して逆バイアス電圧を印加するための可変電圧直流電源（図示せず。）が接続される。
【００２２】
可変電圧直流電源により、各無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６の可変容量ダイオードＤ１に印加する逆バイアス電圧を変化させることにより、可変容量ダイオードＤにおける静電容量値を変化させる。これにより、非励振素子７ａ，７ｂを備えた各無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６の電気長を、給電アンテナ素子ＡＡ０に比較して変化させ、当該アレーアンテナ装置の平面指向性特性を変化させることができる。
【００２３】
以上説明したように、図１２の従来技術のアレーアンテナ装置に比較して、非常に簡単な構造を有し、例えば可変容量ダイオードＤ１を用いれば、直流電圧で指向特性を電子的に制御可能なアレーアンテナ装置を実現できる。当該アレーアンテナ装置は、例えば、移動体通信端末用のアンテナとしてノートパソコンやＰＤＡのような電子機器へ装着が容易であり、また、水平面のどの方向へ主ビームを走査した場合でも、すべての無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６が導波器又は反射器として有効に機能し、指向特性の制御もきわめて容易である。
【００２４】
＜変形例＞
以上の実施形態においては、送信用のアレーアンテナ装置について説明しているが、当該装置は非可逆回路を含まない可逆回路であるので、図１２の従来技術の装置と同様に受信用に用いることができる。
【００２５】
以上の実施形態においては、６本の無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６又はＡＡ１乃至ＡＡ６を用いているが、その本数は少なくとも１本あれば、当該アレーアンテナ装置の指向特性を電子的に制御することができる。また、無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６又はＡＡ１乃至ＡＡ６の配置形状も上記の実施形態に限定されず、給電アンテナ素子Ａ０から所定の距離だけ離れていればよい。すなわち、各無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６又はＡＡ１乃至ＡＡ６に対する間隔ｄは一定でなくてもよい。
【００２６】
さらに、可変リアクタンス素子２３は可変容量ダイオードＤ，Ｄ１に限定されず、リアクタンス値を制御可能な素子であればよい。可変容量ダイオードＤ，Ｄ１は一般に容量性の回路素子なので、リアクタンス値は常に負の値となる。なお、表１の数値例では、インピーダンスＺとしてゼロや正の値を用いている。上記可変リアクタンス素子２３のリアクタンス値は、正から負の値までの範囲の値をとってもよく、このためには、例えば可変容量ダイオードＤ，Ｄ１に直列に固定のインダクタを挿入するか、もしくは、非励振素子７の長さをより長くすることにより、正から負の値までにわたってリアクタンス値を変化させることができる。
【００２７】
【実施例】
本発明者は、以上の実施形態に係るアレーアンテナ装置の性能を検証するために以下のシミュレーションを行った。ここで、図６及び図７の解析モデルを用いる。本実施形態のアレーアンテナ装置の設計上で重要なパラメータは以下の通りである。
【００２８】
（１）無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６の本数Ｎ及び長さｌｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）：Ｎは実施形態では６であるが、これは一例である。また、長さｌｎは３６０度走査を考慮し、好ましくは、すべての無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６で同一の値とする。
（２）給電アンテナ素子ＡＡ０と無給電可変リアクタンス素子ＡＡ０乃至ＡＡ６の間隔ｄ。（３）無給電可変リアクタンス素子ＡＡｎに装荷するリアクタンスの値Ｘｎ。
【００２９】
このうち、上記（１）及び（２）のパラメータは設計により決定したら動かせないパラメータであるのに対して、上記（３）のパラメータは上述の通り、可変容量ダイオードＤ１によりある程度の幅で電子的に制御可能なパラメータである。最適なパラメータ決定のための基礎データを得るため、本実施形態のＥＳＰＡＲアンテナ装置のパラメータをある程度変化させた時の諸特性をモーメント法を用いて計算した。解析は接地導体１１が無限大であると仮定し、自由空間中にダイポールアンテナが配置されたものとして行った。解析モデルを図６及び図７に示す。各パラメータのセットが次の表１に示す値をとる場合の、入力インピーダンスＺｉｎ、利得Ｇａｉｎ、電界が最大（Ｅmax）又は最小（Ｅmin）となる角度Ｄｅｇ（Ｅmax），Ｄｅｇ（Ｅmin）、並びに、電界の最大値と最小値の比Ｅmin／Ｅmaxの計算値を表２に示す。なお、表１において、Ｚｎ＝Ｘｎである。
【００３０】
【表１】
【表２】
また、水平面内遠方放射電界パターン（相対値）の計算結果を図８乃至図１１に示す。表２に示す利得Ｇａｉｎの値及び図８乃至図１１の指向特性のパターン形状より、リアクタンスの値Ｘｎを適切に選ぶことにより、無給電可変リアクタンス素子ＡＡ１乃至ＡＡ６は導波器もしくは反射器として動作することが確認された。また、図８と図９及び図１０と図１１を比較すると、明らかなように、間隔ｄの値を少し変化させただけで、放射パターンの形状は大きく変化することがわかる。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明に係るアレーアンテナ装置によれば、無線信号が入出力される放射素子と、上記放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が入出力されない少なくとも１個の非励振素子と、上記非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とを備えたアレーアンテナ装置であって、上記可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、上記アレーアンテナ装置の指向特性を変化させる。従って、本発明によれば、図１２の従来技術のアレーアンテナ装置に比較して、非常に簡単な構造を有し、例えば可変容量ダイオードなどの可変リアクタンス素子を用いれば、直流電圧で指向特性を電子的に制御可能アレーアンテナ装置を実現できる。当該アレーアンテナ装置は、例えば、移動体通信端末用のアンテナとしてノートパソコンやＰＤＡのような電子機器へ装着が容易であり、また、水平面のどの方向へ主ビームを走査した場合でも、すべての無給電可変リアクタンス素子が導波器又は反射器として有効に機能し、指向特性の制御もきわめて容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第１の実施形態であるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図２】 図１の給電アンテナ素子Ａ０の構成を示す模式図である。
【図３】 図１の無給電可変リアクタンス素子Ａ１乃至Ａ６の構成を示す模式図である。
【図４】 図１のアレーアンテナ装置の詳細な構成を示す断面図である。
【図５】 本発明に係る第２の実施形態であるアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図６】 第２の実施形態のアレーアンテナ装置の解析モデルを示す斜視図である。
【図７】 図６のアレーアンテナ装置の平面配置を示す平面図である。
【図８】 図６及び図７のアレーアンテナ装置におけるケース１の水平面指向特性を示すグラフである。
【図９】 図６及び図７のアレーアンテナ装置におけるケース２の水平面指向特性を示すグラフである。
【図１０】 図６及び図７のアレーアンテナ装置におけるケース３の水平面指向特性を示すグラフである。
【図１１】 図６及び図７のアレーアンテナ装置におけるケース４の水平面指向特性を示すグラフである。
【図１２】 従来技術のアレーアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
Ａ０，ＡＡ０…給電アンテナ素子、
Ａ１乃至Ａ６，ＡＡ１乃至ＡＡ６…無給電可変リアクタンス素子、
Ｃ，Ｃ１…キャパシタ、
Ｄ，Ｄ１…可変容量ダイオード、
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２…抵抗、
Ｔ，Ｔ１，Ｔ２…端子、
６，６ａ，６ｂ…放射素子、
７，７ａ，７ｂ…非励振素子、
１０…誘電体基板、
１１…接地導体、
１２，１３…スルーホール導体、
２０…給電用同軸ケーブル、
２１…中心導体、
２２…外部導体、
２３…可変リアクタンス素子、
３０…可変電圧直流電源。
Claims (3)
- 無線信号が給電される放射素子と、
上記放射素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも１個の非励振素子と、
上記非励振素子に接続された可変リアクタンス素子とを備え、
上記リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置の指向性を変化させるアレーアンテナ装置において、
接地導体が形成された誘電体基板を備え、
上記放射素子は上記接地導体から電気的に絶縁されつつ上記誘電体基板を厚さ方向に貫通して支持されており、
上記非励振素子は上記接地導体から電気的に絶縁されつつ上記誘電体基板を厚さ方向に貫通して支持されており、
上記可変リアクタンス素子は上記誘電体基板の裏面側に配置され、上記非励振素子の一端を上記接地導体に高周波的に接地し、上記誘電体基板の裏面側において当該可変リアクタンス素子に可変電圧直流電源から逆バイアス電圧を印加することを特徴とするアレーアンテナ装置。 - 上記可変リアクタンス素子には、上記可変電圧直流電源から抵抗を介して逆バイアス電圧が印加され、当該抵抗の上記可変電圧直流電源側は、高周波バイパス用キャパシタを介して上記接地導体に高周波的に接地されていることを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
- 上記非励振素子を複数個備え、上記複数個の非励振素子は、上記放射素子を中心とする円形状の位置に配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載のアレーアンテナ装置。
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