JP3917112B2

JP3917112B2 - Multi-beam antenna

Info

Publication number: JP3917112B2
Application number: JP2003182399A
Authority: JP
Inventors: 尚樹本間; 文夫吉良; 智弘関; 敬三長
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2023-06-26
Also published as: JP2005020368A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は平面アレーアンテナにより実現される小型なマルチビームアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
平面アレーアンテナによる小型なマルチビームアンテナの実現方法として、線路による手段または電磁的な手段により隣接素子どうしが結合するリニアアレーアンテナの両端の素子に１つずつ給電点を設け、給電点を切り替えることによってリニアレー方向に２つのビームを形成する手法が挙げられる。一つのリニアアレーアンテナで２つのビームを実現できるため、マルチビームアンテナの小型化が実現できる。
【０００３】
従来技術における、小型なマルチビームアンテナの第一の例としてリニアアレーアンテナを用いたデュアルビームアンテナを図６に示す（非特許文献１）。
グランド２を背面に持つ誘電体基板１の表面にパッチアンテナ素子８によるリニアアレーを構成し、８はそれぞれ、２のグランド背面に構成される４の誘電体イメージ線路により３のスロットを介して励振される。線路４は両端より給電され、一方のみから給電した場合は一つのビーム、両方から給電した場合は二つのビームが同時に形成される。両方から給電することによって、２つの別々のアンテナを用いた場合と比べ、アンテナサイズが半分になるというメリットがある。従来における小型なマルチビームアンテナの第二の例を図７に示す（特許文献１、非特許文献２）。
【０００４】
グランド２を背面に持つ誘電体基板１の上に２つのパッチアンテナ301，302を構成し、パッチアンテナ301，302の間にパッチアンテナ301，302より電気長の小さい無給電のパッチアンテナ素子群320を構成する。パッチアンテナ301は501の給電手段と６の終端手段を持ち、スイッチ711により給電手段501または終端手段301に接続することができる。パッチアンテナ302も同様の構造を持つ。パッチアンテナ301に給電する（給電手段と接続する）と、電磁結合により320の無給電パッチアンテナ素子群が励振される。これによってこのマルチビームアンテナは、パッチアンテナ301を給電素子、無給電パッチアンテナ素子群320を導波器とするパッチ八木・宇田アンテナとして動作する。よって、主ビームがパッチアンテナ301から302の方向へ形成される。一方、パッチアンテナ301からパッチアンテナ素子群320を介して伝わる進行波はアレー末端であるパッチアンテナ302にて反射し、逆向きの進行波が生じ主ビームと反対側に高いバックローブが形成されるため、パッチアンテナ302をスイッチ712を介して６の終端手段と接続することによってこれを抑制し、高いＦ／Ｂ（前後比）を持つ放射特性が得られる。また、パッチアンテナ302に給電した場合も同様に反対方向に主ビームを形成することが可能なため、一つの構成で２つのビームを持つマルチビームアンテナが実現できる。
【０００５】
【非特許文献１】
“Millimeter-Wave Dual-Beam Scanning Microstrip Patch Antenna Arrays Fed by Dielectric Image Lines”, 2002 IEEE Antennas and Propagat. Soc. Int. Symp., vol.2, pp.196-199, June 2002
【非特許文献２】
本間，吉良，堀，丸山、「導波素子共有パッチ八木・宇田アレーによる小型６セクタアンテナ」、信学技報、A・P2001-81
【特許文献１】
特開２００３−１４２９１９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
リニアアレーにより構成され素子が直列的に励振される、２つのビームを持つ給電点切換え型マルチビームアンテナでは、進行波がアレー末端にて反射するため、主ビームと異なる方向に高いレベルの不要放射が発生する。また、不要放射を抑制するために、パッチアンテナの一方を給電する間他方を終端することにより進行波の反射を抑制する方法では、パッチアンテナの給電点を２つの状態（給電・終端）に切り替えることが必要となるため、その機構が複雑になるという問題が生じる。従来技術の第一の例で挙げたマルチビームアンテナは、不要放射を抑えつつ一つのビームのみを得るためには、線路の他方を終端することが必要となり、また二つのビームを切り替えるためには線路の両端に終端・給電の切換機構が必要となる。また、第二の例で挙げたマルチビームアンテナでも同様に、パッチアンテナに終端・給電の切換機構を構成する必要が生じ、構成が複雑化していた。さらに終端・給電の二つの状態を実現するためにはスイッチを多段に構成する必要があるためスイッチによる損失が増大するという問題が生じる。
本発明は、不要放射を抑制することが可能で、かつ終端・給電の切換機構を簡易化しスイッチの多段化による損失増加が避けられる、平面アレーアンテナを用いた小型なマルチビームアンテナを実現するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
リニアアレーにより構成されアンテナ素子が直列的に励振される２ビームマルチビームアンテナにおいて、以下の手段により不要放射を抑制可能で、かつ終端・給電の切換機構を簡易化しスイッチの多段化による損失増加が避けられる、平面アレーアンテナを用いた小型なマルチビームアンテナを実現する。
【０００８】
本発明は、給電手段及び定常的に接続されるまたは接続・開放可能な終端手段の両方を一つの素子の異なる個所に同時に有する２つのパッチアンテナ素子と、該２つのパッチアンテナの間にＮ素子（Ｎ：自然数）の互いに重ならないように一列に配置されるパッチアンテナ素子と、隣接するパッチアンテナ素子全ての間に線路による結合手段または電磁的な結合手段を具備することを最も主要な特徴とする。本構成では、リニアアレー両端にあるパッチアンテナ素子において、同一素子の異なる場所に給電手段と終端手段を構成し、パッチアンテナ素子をそれら何れかに接続することによって、２つの状態（給電・終端）を実現できる。これによって給電・終端の切換機構をスイッチの多段化無しに実現できる。また、終端機構を給電素子ではなく、リニアアレーの他の何れかの素子に構成することにより同様の効果が得られる上、電流が集中する給電手段近傍に構成するスイッチを減らすことができるため損失の低減化が可能である。
【０００９】
また、本発明は、グランド付き平面誘電体基板上またはグランド上に空間を介して構成されるグランドと平行な導体面により構成されるパッチアンテナ素子群を具備し、該パッチアンテナ素子群は少なくとも１素子の給電されるパッチアンテナ素子とＮ素子（Ｎ：自然数）の該給電されるパッチアンテナ素子よりも電気的に小さな無給電のパッチアンテナ素子からなるアンテナ素子列を２つ以上具備する素子群から構成されるマルチビームアンテナにおいて、給電される該パッチアンテナ素子の少なくとも１素子は給電手段と異なる場所に定常的に接続されるまたは接続・開放可能な終端手段を具備し、該パッチアンテナ素子群は給電される該パッチアンテナ素子を始点とした半直線上に全ての無給電の該パッチアンテナ素子を有する素子列であって、該半直線は全て他の何れかの半直線に完全に包含されること無く交差、もしくは重なる半直線であって、全ての該素子列は少なくとも１素子の無給電の該パッチアンテナ素子が他の素子列との間で共用な素子列であることを特徴とする。
【００１０】
導波素子を共有する複数のパッチ八木・宇田アンテナにおいて、給電素子に、給電点と異なる場所に、終端手段を構成し、終端手段を開放・接続することによって、二つの状態（給電・終端）を実現できる。これによって給電・終端の切換機構をスイッチの多段化無しに実現できる。また、終端機構を給電素子ではなく、他の何れかの無給電素子に構成することにより同様の効果が得られる上、電流が集中する給電素子に構成するスイッチを減らすことができるため損失の低減化が可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例１の構成を示し、図１上が上面図、図１下が側面図であり、本実施例は請求項１に係わる。
１の誘電体基板は背面に２のグランドを持ち、上面にパッチアンテナ301，302とパッチアンテナ301，302の間に配置される複数のパッチアンテナ310からなるリニアアレーが構成される。リニアアレーはパッチアンテナをマイクロストリップ線路４により直列に接続して構成する。パッチアンテナ301には給電手段501と終端手段６が別な場所に構成される。パッチアンテナ301は、一方はマイクロストリップとスイッチ701を介して給電手段501に接続され、他方はアンテナ直下のスイッチ703を介して終端手段６に接続される。パッチアンテナ302も同様である。
【００１２】
スイッチ701を接続しスイッチ703を開放した場合、パッチアンテナ301が励振され、線路４を介して無給電パッチアンテナ素子群310が励振される。線路４の長さを適切に設計することにより誘電体基板１の面と直交しリニアアレー方向と平行な面内において、所望の角度の主ビームを得ることができる。またこの時、パッチアンテナ302における進行波の反射を抑制するためにスイッチ702を開放し、スイッチ704を接続することによって、パッチアンテナ302と終端手段６を接続することによって反射するエネルギーを減衰し不要放射を抑制する。パッチアンテナ302を励振した場合も同様であり、この場合は誘電体基板の面の中心の法線を基準として対称な形状の放射パターンが得られる。よって、給電または終端手段を同一のアンテナ素子に構成することによって、接続・開放の二つの状態を持つスイッチのみによって、スイッチを多段化することなく給電・終端の二つの状態を実現することができ、スイッチによる損失を軽減可能なマルチビームアンテナが実現される。
【００１３】
図２は実施例２のマルチビームアンテナの構成を示し、図２上が上面図、図２下が側面図であり、本実施例は請求項２に係わる。図中、同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。
１の誘電体基板上面にパッチアンテナ301，302，311，312，313のパッチアンテナ素子群によるリニアアレーが構成される。パッチアンテナ301と302にはスイッチ701と702を介して給電手段501と502が構成され、パッチアンテナ312と313にはスイッチ703と704を介して終端手段６が構成される。
スイッチ701を接続し、スイッチ703を開放した場合、301のパッチアンテナが励振され、線路４を介してパッチアンテナ311と312が励振される。この時、スイッチ704を接続することによって、パッチアンテナ313と終端手段６を接続することによって反射するエネルギーを減衰する。302のパッチアンテナを励振した場合も同様であり、別なビームが得られる。従って、給電手段と終端手段を別々のアンテナ素子に構成することができ、接続・開放の２つの状態を持つスイッチのみによって、進行波の反射を減衰し不要放射を抑制しながらも２つのビームを実現する上で損失増大を招く多段のスイッチ構成が避けられ、かつ電流の集中する給電素子に構成するスイッチ数を削減することにより損失を軽減可能なマルチビームアンテナが実現される。
【００１４】
図３は実施例３のマルチビームアンテナの構成を示す図であって、図３上が上面図、図３下が側面図であり、請求項３に係わる。図中、同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。
301が給電素子であるパッチアンテナであって、一つの素子上の異なる場所に給電手段501と終端手段６が構成され、それぞれスイッチ701と703を介して接続される。ここで素子の励振方向は図中左右方向である。パッチアンテナ302も同様である。２つのパッチアンテナ301，302の間にあるパッチアンテナ素子群320は等しい形状の無給電パッチアンテナ素子により構成される無給電素子群であり、パッチアンテナ301，302より電気長が小さく、直線状に等間隔で整列している。
【００１５】
スイッチ701を接続しスイッチ703を開放することにより一方のパッチアンテナ301に給電を行った場合、本アンテナはパッチアンテナ301を給電素子、無給電パッチアンテナ素子群320を導波器としたパッチ八木・宇田アンテナとして動作し、パッチアンテナ301から導波器の方向に主ビームを形成する。またこの時、パッチアンテナ302における進行波の反射を抑制するためにスイッチ702を開放し、スイッチ704を接続することによって、パッチアンテナ302と終端手段６を接続することによって反射するエネルギーを減衰し不要放射を抑制する。パッチアンテナ302を励振した場合も同様であり、この場合は基板の面の中心の法線を基準として対称な形状の放射パターンが得られる。従って、給電または終端手段を同一のアンテナ素子に構成することにより、接続・開放の二つの状態を持つスイッチのみによって、スイッチを多段化することなく給電・終端の二つの状態を実現することができ、スイッチによる損失を軽減可能なマルチビームアンテナが実現される。
【００１６】
上記実施例においてはパッチアンテナ素子群は２つの給電されるパッチアンテナ素子を始点とした半直線上に全ての無給電パッチアンテナ素子が配置された２つの素子列を構成する、すなわち、２つの半直線を重ねることにより２つの素子列は無給電パッチアンテナ素子を共用する。また、パッチアンテナ素子を始点とした半直線上に全ての無給電パッチアンテナ素子が配置されたパッチアンテナ素子群２つを直交させる、あるいはパッチアンテナ素子群３つを60°の角度で交差させる等により、すなわち、半直線を全て他の何れかの半直線に完全に包含されること無く交差させることにより、素子列は少なくとも１素子の無給電パッチアンテナ素子を他の素子列との間で共用とする。
【００１７】
図４は実施例４のマルチビームアンテナの構成を示し、図４上が上面図、図４下が側面図であり、本実施例は請求項４に係わる。図中、同一部分は同一符号を付してその説明を省略する。
１の誘電体基板上面にパッチアンテナ301，302，320，321，322のパッチアンテナ素子群によるリニアアレーが構成される。パッチアンテナ301と302にはスイッチ701と702を介して給電手段501と502が構成され、パッチアンテナ321と322にはスイッチ703と704を介して終端手段６が構成される。
スイッチ701を接続しスイッチ703を開放した場合、本アンテナはパッチアンテナ301を給電素子、パッチアンテナ321と無給電パッチアンテナ素子群320を導波器としたパッチ八木・宇田アンテナとして動作し、給電素子から導波器の方向に主ビームを形成する。またこの時、スイッチ704を接続し、パッチアンテナ322と終端手段６を接続することによって進行波のエネルギーを減衰し反射を抑制することにより不要放射を低減する。302のパッチアンテナを励振した場合も同様であり、別なビームが得られる。従って、給電手段と終端手段を別々のアンテナ素子に構成することができ、接続・開放の二つの状態を持つスイッチのみによって、進行波の反射を減衰させ不要放射を抑制しながらも２つのビームを実現する上で損失増大を招く多段のスイッチ構成が避けられ、かつ電流の集中する給電素子に構成するスイッチ数を削減することにより損失を軽減可能なマルチビームアンテナが実現される。
【００１８】
上記実施例においてはパッチアンテナ素子群は２つの給電されるパッチアンテナ素子を始点とした半直線上に全ての無給電パッチアンテナ素子が配置された２つの素子列を構成する、すなわち、２つの半直線を重ねることにより２つの素子列は無給電パッチアンテナ素子を共用する。また、パッチアンテナ素子を始点とした半直線上に全ての無給電パッチアンテナ素子が配置されたパッチアンテナ素子群２つを直交させる、あるいはパッチアンテナ素子群３つを60°の角度で交差させる等により、すなわち、半直線を全て他の何れかの半直線に完全に包含されること無く交差させることにより、素子列は少なくとも１素子の無給電パッチアンテナ素子を他の素子列との間で共用とする。
【００１９】
図５は実施例４のマルチビームアンテナにおけるθ＝60°における円錐面放射パターンを計算したものである。ここで、給電はパッチアンテナ301から行い、終端機構の有無による放射特性の違いを求めた。ここで、素子の励振方向はアレー方向と平行であるとし、放射パターン図の情報がφ＝０°の方向（主ビームの方向）であるとする。計算の結果、パッチアンテナ321を開放（スイッチ703：開放）、パッチアンテナ322を終端とする（スイッチ704：接続）ことによって、主ビームと反対方向における放射が抑制されることが確認できる。ここで、点線で示すグラフは、パッチアンテナ321と322は終端機構が無くパッチアンテナ素子群320と同じ導波素子である場合の放射パターンである。以上の結果から、本構成によって、簡易な機構で不要放射が抑制可能であることが確認できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、リニアアレーにより構成され素子が直列的に励振される２ビームマルチビームアンテナにおいて、少ない不要放射を実現し、かつ終端・給電の切換機構を簡易化しスイッチの多段化による損失増加が避けられる、平面アレーアンテナを用いた小型マルチビームアンテナを提供することができる。
【００２１】
請求項１の発明によれば、給電手段及び定常的に接続されるまたは接続・開放可能な終端手段の両方を一つの素子の異なる個所に同時に有する２つのパッチアンテナ素子と、該２つのパッチアンテナの間にＮ素子（Ｎ：自然数）の互いに重ならないよう一列に配置されるパッチアンテナ素子と、隣接するパッチアンテナ素子全ての間に線路による結合手段または電磁的な結合手段を具備することを特徴とする。リニアアレー両端にあるパッチアンテナ素子において、同一素子の異なる場所に給電手段と終端手段を構成し、パッチアンテナ素子をそれら何れかに接続することによって、２つの状態（給電・終端）を実現できる。これによって、給電・終端の切換機構をスイッチの多段化無しに実現できる。これによって、不要放射抑制、終端機構の簡易化、および終端切換スイッチによる損失の抑制の両立が実現される。
【００２２】
請求項２の発明によれば、給電手段を具備する２つのパッチアンテナ素子と、２つのパッチアンテナ素子の間にＮ素子（Ｎ：自然数）の互いに重ならないように一列に配置されるパッチアンテナ素子と、該Ｎ素子のパッチアンテナ素子のうち少なくとも１つは定常的に接続されるまたは接続・開放可能な終端手段を具備し、隣接するパッチアンテナ素子全ての間に線路による結合手段または電磁的な結合手段を具備することを特徴とする。終端機構を給電素子ではなく、リニアアレーの他の何れかの素子に構成することにより請求項１と同様の効果が得られる上、電流が集中する給電手段近傍に構成するスイッチを減らすことができるため損失の低減化が可能である。これによって、不要放射抑制、終端機構の簡易化、および終端切換スイッチによる損失のさらなる低減が同時に実現される。
【００２３】
請求項３の発明によれば、グランド付き平面誘電体基板上またはグランド上に空間を介して構成されるグランドと平行な導体面により構成されるパッチアンテナ素子群を具備し、該パッチアンテナ素子群は少なくとも１素子の給電されるパッチアンテナ素子と、Ｎ素子（Ｎ：自然数）の該給電素子よりも電気的に小さな無給電のパッチアンテナ素子からなるアンテナ素子列を２つ以上具備する素子群から構成されるマルチビームアンテナにおいて、給電される該パッチアンテナ素子の少なくとも１素子は給電手段と異なる場所に定常的に接続されるまたは接続・開放可能な終端手段を具備し、該パッチアンテナ素子群は給電される該パッチアンテナ素子を始点とした半直線上に全ての無給電の該パッチアンテナ素子を有する素子列であって、該半直線は全て他の何れかの半直線に完全に包含されること無く交差、もしくは重なる半直線であって、全ての該素子列は少なくとも１素子の無給電の該パッチアンテナ素子が他の素子列との間で共用な素子列であることを特徴とする。素子列の端にある給電パッチアンテナ素子において、同一素子の給電手段とは異なる場所に終端手段を構成し、終端手段を開放・接続することによって、２つの状態（給電・終端）を実現できる。これによって給電・終端の切換機構をスイッチの多段化無しに実現できる。これによって、不要放射抑制、終端機構の簡易化、および終端切換スイッチによる損失の抑制の両立が実現される。
【００２４】
請求項４の発明によれば、グランド付き平面誘電体基板上またはグランド上に空間を介して構成されるグランドと平行な導体面に構成されるパッチアンテナ素子群を具備し、該パッチアンテナ素子群は少なくとも１素子の給電されるパッチアンテナ素子と、Ｎ素子（Ｎ：自然数）の該給電されるパッチアンテナ素子よりも電気的に小さな無給電のパッチアンテナ素子からなるアンテナ素子列を２つ以上具備する素子群から構成されるマルチビームアンテナにおいて、無給電の該パッチアンテナ素子の少なくとも１素子は定常的に接続されるまたは接続・開放可能な終端手段を具備し、該パッチアンテナ素子群は給電される該パッチアンテナ素子を始点とした半直線上に全ての無給電の該パッチアンテナ素子を有する素子列であって、該半直線は全て他の何れかの半直線に完全に包含されること無く交差、もしくは重なる半直線であって、全ての該素子列は少なくとも１素子の無給電の該パッチアンテナ素子が他の素子列との間で共用な素子列であることを特徴とする。終端機構を給電素子ではなく、何れかの無給電素子に構成することにより請求項３と同様の効果が得られる上、電流が集中する給電手段近傍に構成するスイッチを減らすことができるため損失の低減化が可能である。これによって、不要放射抑制、終端機構の簡易化、および終端切換スイッチによる損失の更なる低減が同時に実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１のマルチビームアンテナの構成図。
【図２】実施例２のマルチビームアンテナの構成図。
【図３】実施例３のマルチビームアンテナの構成図。
【図４】実施例４のマルチビームアンテナの構成図。
【図５】実施例４のマルチビームアンテナの指向性パターンを示す図。
【図６】従来のマルチビームアンテナの第一の例を示す構成図。
【図７】従来のマルチビームアンテナの第二の例を示す構成図。
【符号の説明】
１誘電体基板
２グランド
301，302，310，311〜313，321，322 パッチアンテナ
320 無給電パッチアンテナ素子群
４線路
501，502 給電手段
６終端手段
701，702，703，704 スイッチ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a small multi-beam antenna realized by a planar array antenna.
[0002]
[Prior art]
As a method for realizing a small multi-beam antenna using a planar array antenna, a feeding point is provided for each element at both ends of a linear array antenna where adjacent elements are coupled by means of a line or electromagnetic means, and the feeding point is switched. Can be used to form two beams in the linear array direction. Since two beams can be realized with one linear array antenna, the multi-beam antenna can be downsized.
[0003]
FIG. 6 shows a dual beam antenna using a linear array antenna as a first example of a small multi-beam antenna in the prior art (Non-Patent Document 1).
A linear array of patch antenna elements 8 is formed on the surface of the dielectric substrate 1 having the ground 2 on the back surface, and each 8 is excited through 3 slots by 4 dielectric image lines formed on the 2 ground back surface. The The line 4 is fed from both ends, and one beam is formed simultaneously when only one is fed, and two beams are formed simultaneously when fed from both. By supplying power from both, there is an advantage that the antenna size is halved compared to the case of using two separate antennas. FIG. 7 shows a second example of a conventional small multi-beam antenna (Patent Document 1, Non-Patent Document 2).
[0004]
Two patch antennas 301 and 302 are formed on a dielectric substrate 1 having a ground 2 on the back surface, and a parasitic antenna antenna group 320 having a smaller electrical length than the patch antennas 301 and 302 is provided between the patch antennas 301 and 302. Configure. The patch antenna 301 has 501 power supply means and 6 termination means, and can be connected to the power supply means 501 or the termination means 301 by a switch 711. The patch antenna 302 has a similar structure. When the patch antenna 301 is fed (connected to the feeding means), 320 parasitic patch antenna element groups are excited by electromagnetic coupling. Accordingly, this multi-beam antenna operates as a patch Yagi / Uda antenna using the patch antenna 301 as a feeding element and the parasitic patch antenna element group 320 as a director. Therefore, the main beam is formed in the direction of the patch antennas 301 to 302. On the other hand, the traveling wave transmitted from the patch antenna 301 through the patch antenna element group 320 is reflected by the patch antenna 302 at the end of the array, and a traveling wave in the opposite direction is generated, and a high back lobe is formed on the side opposite to the main beam. Therefore, this is suppressed by connecting the patch antenna 302 to the 6 termination means via the switch 712, and a radiation characteristic having a high F / B (front-rear ratio) is obtained. Also, when the patch antenna 302 is fed, the main beam can be similarly formed in the opposite direction, so that a multi-beam antenna having two beams can be realized with one configuration.
[0005]
[Non-Patent Document 1]
“Millimeter-Wave Dual-Beam Scanning Microstrip Patch Antenna Arrays Fed by Dielectric Image Lines”, 2002 IEEE Antennas and Propagat. Soc. Int. Symp., Vol.2, pp.196-199, June 2002
[Non-Patent Document 2]
Honma, Kira, Hori, Maruyama, "Small 6-sector antenna with wave-guiding element shared patch Yagi-Uda array", IEICE Technical Report, A / P2001-81
[Patent Document 1]
JP 2003-142919 A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In a feed point switching type multi-beam antenna with two beams, which is composed of a linear array and the elements are excited in series, the traveling wave is reflected at the end of the array, so a high level of unwanted radiation is generated in a different direction from the main beam. appear. In addition, in order to suppress unwanted radiation, in the method of suppressing reflection of traveling waves by terminating one of the patch antennas while feeding the other, the feeding point of the patch antenna is switched between two states (feeding / termination). This causes a problem that the mechanism becomes complicated. The multi-beam antenna mentioned in the first example of the prior art needs to terminate the other of the line in order to obtain only one beam while suppressing unwanted radiation, and to switch between the two beams A termination / feed switching mechanism is required at both ends of the line. Similarly, in the multi-beam antenna mentioned in the second example, it is necessary to configure a termination / feed switching mechanism in the patch antenna, which complicates the configuration. Furthermore, in order to realize the two states of termination and power feeding, it is necessary to configure the switch in multiple stages, which causes a problem that loss due to the switch increases.
The present invention realizes a compact multi-beam antenna using a planar array antenna that can suppress unwanted radiation, simplify the switching mechanism between termination and feeding, and avoid an increase in loss due to multi-stage switches. It is.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In a two-beam multi-beam antenna composed of a linear array and with antenna elements excited in series, unnecessary radiation can be suppressed by the following means, and the termination / feed switching mechanism is simplified to avoid an increase in loss due to multi-stage switches. A small multi-beam antenna using a planar array antenna is realized.
[0008]
The present invention relates to two patch antenna elements having both a feeding means and a termination means that is steadily connected or connectable / openable simultaneously at different locations of one element, and an N element between the two patch antennas. (N: natural number) of patch antenna elements arranged in a row so as not to overlap each other, and a coupling means or an electromagnetic coupling means by a line between all adjacent patch antenna elements. To do. In this configuration, in the patch antenna elements at both ends of the linear array, the feeding means and the termination means are configured at different locations of the same element, and the patch antenna element is connected to either of them, so that two states (feeding / termination) are achieved. realizable. As a result, a power feeding / termination switching mechanism can be realized without multi-stage switches. In addition, the same effect can be obtained by configuring the termination mechanism with any other element of the linear array instead of the power supply element, and the number of switches configured near the power supply means where current concentrates can be reduced, so that the loss can be reduced. Reduction is possible.
[0009]
In addition, the present invention includes a patch antenna element group configured by a conductor plane parallel to a ground formed on a planar dielectric substrate with a ground or a space on the ground, and the patch antenna element group includes at least one patch antenna element group. From an element group comprising two or more antenna element arrays each composed of a patch antenna element fed by an element and an N-element (N: natural number) non-fed patch antenna element that is electrically smaller than the fed patch antenna element. In the multi-beam antenna configured, at least one of the patch antenna elements to be fed is provided with termination means that can be steadily connected to or connected to / open from a place different from the feeding means, and the patch antenna element group includes: An element array having all the non-fed patch antenna elements on a half line starting from the fed patch antenna element The half lines are all half lines that intersect or overlap without being completely included in any other half line, and all the element rows are at least one parasitic element of the patch antenna element. Is an element array shared with other element arrays.
[0010]
In a plurality of patch Yagi / Uda antennas sharing a waveguide element, two states (feed / termination) are established by configuring termination means on the feed element at a location different from the feed point and opening / connecting the termination means. Can be realized. As a result, a power feeding / termination switching mechanism can be realized without multi-stage switches. In addition, the same effect can be obtained by configuring the termination mechanism with any other parasitic element instead of the feeding element, and loss can be reduced because the number of switches configured in the feeding element where current is concentrated can be reduced. Is possible.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a configuration of a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a top view and FIG. 1 is a side view, and this embodiment relates to claim 1.
One dielectric substrate has two grounds on the back surface, and a linear array including a plurality of patch antennas 310 arranged between the patch antennas 301 and 302 and the patch antennas 301 and 302 is formed on the top surface. The linear array is configured by connecting patch antennas in series by a microstrip line 4. The patch antenna 301 includes a power feeding unit 501 and a termination unit 6 at different locations. One of the patch antennas 301 is connected to the power supply means 501 via the microstrip and the switch 701, and the other is connected to the termination means 6 via the switch 703 directly below the antenna. The same applies to the patch antenna 302.
[0012]
When the switch 701 is connected and the switch 703 is opened, the patch antenna 301 is excited and the parasitic patch antenna element group 310 is excited via the line 4. By designing the length of the line 4 appropriately, a main beam having a desired angle can be obtained in a plane orthogonal to the plane of the dielectric substrate 1 and parallel to the linear array direction. At this time, the switch 702 is opened to suppress the reflection of the traveling wave at the patch antenna 302, and the switch 704 is connected to attenuate the energy reflected by connecting the patch antenna 302 and the termination means 6. Suppresses radiation. The same applies to the case where the patch antenna 302 is excited. In this case, a radiation pattern having a symmetrical shape with respect to the normal line at the center of the surface of the dielectric substrate is obtained. Therefore, by configuring the power feeding or termination means to be the same antenna element, it is possible to realize the two states of power feeding and termination without using multiple stages of switches by using only a switch having two states of connection and release. Thus, a multi-beam antenna capable of reducing loss due to the switch is realized.
[0013]
FIG. 2 shows the configuration of the multi-beam antenna according to the second embodiment, in which FIG. 2 is a top view and FIG. 2 is a side view. In the figure, the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
A linear array of patch antenna elements 301, 302, 311, 312 and 313 is formed on the top surface of one dielectric substrate. The patch antennas 301 and 302 are provided with power supply means 501 and 502 via switches 701 and 702, and the patch antennas 312 and 313 are provided with termination means 6 via switches 703 and 704.
When the switch 701 is connected and the switch 703 is opened, the patch antenna 301 is excited, and the patch antennas 311 and 312 are excited via the line 4. At this time, by connecting the switch 704, the reflected energy is attenuated by connecting the patch antenna 313 and the termination means 6. The same applies when the 302 patch antenna is excited, and another beam is obtained. Therefore, the feeding means and the terminating means can be configured as separate antenna elements, and only the switch having the two states of connection / opening is used to attenuate the reflection of the traveling wave and suppress the unnecessary radiation while suppressing the two beams. In realization, a multi-beam antenna that avoids a multi-stage switch configuration that causes an increase in loss and that can reduce loss by reducing the number of switches configured in a current-concentrating feeding element is realized.
[0014]
FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the multi-beam antenna according to the third embodiment. FIG. 3 is a top view and FIG. 3 is a side view. In the figure, the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
Reference numeral 301 denotes a patch antenna which is a power feeding element. Power feeding means 501 and termination means 6 are configured at different locations on one element, and are connected via switches 701 and 703, respectively. Here, the excitation direction of the element is the horizontal direction in the figure. The same applies to the patch antenna 302. The patch antenna element group 320 between the two patch antennas 301 and 302 is a parasitic element group composed of parasitic patch antenna elements having the same shape, and has an electric length smaller than that of the patch antennas 301 and 302 and is linear. They are aligned at regular intervals.
[0015]
When power is supplied to one patch antenna 301 by connecting the switch 701 and opening the switch 703, this antenna uses the patch antenna 301 as a feeding element and the parasitic patch antenna element group 320 as a director. It operates as a Uda antenna and forms a main beam from the patch antenna 301 toward the director. At this time, the switch 702 is opened to suppress the reflection of the traveling wave at the patch antenna 302, and the switch 704 is connected to attenuate the energy reflected by connecting the patch antenna 302 and the termination means 6. Suppresses radiation. The same applies to the case where the patch antenna 302 is excited. In this case, a radiation pattern having a symmetrical shape with respect to the normal line at the center of the surface of the substrate is obtained. Therefore, by configuring the power feeding or termination means to be the same antenna element, it is possible to realize the two states of power feeding and termination only by a switch having two states of connection and release, without using multiple stages of switches. Thus, a multi-beam antenna capable of reducing loss due to the switch is realized.
[0016]
In the above embodiment, the patch antenna element group constitutes two element rows in which all parasitic patch antenna elements are arranged on a half line starting from two fed patch antenna elements, that is, two half antennas. By superimposing the straight lines, the two element arrays share the parasitic patch antenna elements. Further, two patch antenna element groups in which all parasitic patch antenna elements are arranged on a half line starting from the patch antenna element are orthogonal to each other, or three patch antenna element groups are crossed at an angle of 60 °. In other words, by crossing a half line without being completely included in any other half line, the element array shares at least one parasitic patch antenna element with another element array. And
[0017]
FIG. 4 shows a configuration of a multi-beam antenna according to the fourth embodiment. FIG. 4 is a top view and FIG. 4 is a side view. The present embodiment relates to claim 4. In the figure, the same parts are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
A linear array of patch antenna elements 301, 302, 320, 321, and 322 is formed on the top surface of one dielectric substrate. The patch antennas 301 and 302 are provided with power supply means 501 and 502 via switches 701 and 702, and the patch antennas 321 and 322 are provided with termination means 6 via switches 703 and 704.
When switch 701 is connected and switch 703 is opened, this antenna operates as a patch Yagi / Uda antenna using patch antenna 301 as a feed element and patch antenna 321 and parasitic patch antenna element group 320 as a director. To form a main beam in the direction of the director. At this time, the switch 704 is connected, and the patch antenna 322 and the termination means 6 are connected to attenuate the energy of the traveling wave and suppress the reflection, thereby reducing unnecessary radiation. The same applies when the 302 patch antenna is excited, and another beam is obtained. Therefore, the feeding means and the terminating means can be configured as separate antenna elements, and only the switch having the two states of connection / opening attenuates the reflection of the traveling wave and suppresses the unnecessary radiation while suppressing the two beams. In realization, a multi-beam antenna that avoids a multi-stage switch configuration that causes an increase in loss and that can reduce loss by reducing the number of switches configured in a current-concentrating feeding element is realized.
[0018]
In the above embodiment, the patch antenna element group constitutes two element rows in which all parasitic patch antenna elements are arranged on a half line starting from two fed patch antenna elements, that is, two half antennas. By superimposing the straight lines, the two element arrays share the parasitic patch antenna elements. Further, two patch antenna element groups in which all parasitic patch antenna elements are arranged on a half line starting from the patch antenna element are orthogonal to each other, or three patch antenna element groups are crossed at an angle of 60 °. In other words, by crossing a half line without being completely included in any other half line, the element array shares at least one parasitic patch antenna element with another element array. And
[0019]
FIG. 5 shows the calculation of the conical radiation pattern at θ = 60 ° in the multi-beam antenna of the fourth embodiment. Here, feeding was performed from the patch antenna 301, and the difference in radiation characteristics depending on the presence or absence of a termination mechanism was obtained. Here, it is assumed that the excitation direction of the element is parallel to the array direction, and the information of the radiation pattern diagram is the direction of φ = 0 ° (the direction of the main beam). As a result of the calculation, it can be confirmed that the radiation in the direction opposite to the main beam is suppressed by opening the patch antenna 321 (switch 703: open) and terminating the patch antenna 322 (switch 704: connection). Here, the graph indicated by the dotted line is a radiation pattern in the case where the patch antennas 321 and 322 have no termination mechanism and are the same waveguide elements as the patch antenna element group 320. From the above results, it can be confirmed that unnecessary radiation can be suppressed by this configuration with a simple mechanism.
[0020]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in a two-beam multi-beam antenna constituted by a linear array and in which elements are excited in series, less unnecessary radiation is realized, and a switching mechanism for termination / feeding is simplified, and a multistage switch is provided. Therefore, it is possible to provide a small multi-beam antenna using a planar array antenna that can avoid an increase in loss due to the implementation.
[0021]
According to the first aspect of the present invention, two patch antenna elements having both the feeding means and the termination means that are steadily connected or connectable / openable simultaneously at different locations of one element, and the two patch antennas A patch antenna element arranged in a row so that N elements (N: natural number) do not overlap each other, and a line coupling means or an electromagnetic coupling means between all adjacent patch antenna elements. And In the patch antenna elements at both ends of the linear array, two states (feeding / termination) can be realized by configuring feeding means and termination means at different locations of the same element and connecting the patch antenna element to either of them. As a result, the power feeding / termination switching mechanism can be realized without multi-stage switches. This realizes both unnecessary radiation suppression, simplification of the termination mechanism, and suppression of loss by the termination switching switch.
[0022]
According to the invention of claim 2, two patch antenna elements provided with feeding means and patch antenna elements arranged in a line so that N elements (N: natural number) do not overlap each other between the two patch antenna elements. And at least one of the N patch antenna elements is provided with a termination means that can be connected or opened in a stationary manner, and a coupling means by a line or electromagnetic between all adjacent patch antenna elements. A coupling means is provided. By configuring the termination mechanism in any other element of the linear array instead of the power feeding element, the same effect as in the first aspect can be obtained, and the number of switches configured in the vicinity of the power feeding means where current is concentrated can be reduced. Loss can be reduced. Thereby, unnecessary radiation suppression, simplification of the termination mechanism, and further reduction of the loss due to the termination changeover switch are realized at the same time.
[0023]
According to a third aspect of the present invention, the patch antenna element group includes a patch antenna element group including a conductor plane parallel to the ground formed on a planar dielectric substrate with a ground or on the ground via a space. Is an element group including at least one antenna element array including a patch antenna element to which power is supplied and an N element (N: natural number) non-powered patch antenna element that is electrically smaller than the power supply element. In the multi-beam antenna configured, at least one of the patch antenna elements to be fed is provided with termination means that can be steadily connected to or connected to / open from a place different from the feeding means, and the patch antenna element group includes: An element row having all the non-feeding patch antenna elements on a half line starting from the fed patch antenna element, A half line is a half line that intersects or overlaps without being completely included in any other half line, and all the element rows are at least one parasitic element of the patch antenna element. It is an element row shared with the row. In the feeding patch antenna element at the end of the element array, two states (feeding / termination) can be realized by configuring termination means at a location different from the feeding means of the same element and opening and connecting the termination means. As a result, a power feeding / termination switching mechanism can be realized without multi-stage switches. This realizes both unnecessary radiation suppression, simplification of the termination mechanism, and suppression of loss by the termination switching switch.
[0024]
According to invention of Claim 4, it comprises the patch antenna element group comprised on the conductor surface parallel to the ground comprised via the space on the planar dielectric substrate with a ground or on the ground, and this patch antenna element group Includes at least one antenna element array composed of at least one fed patch antenna element and N element (N: natural number) parasitic patch antenna elements that are electrically smaller than the fed patch antenna elements. In the multi-beam antenna composed of element groups, at least one of the non-fed patch antenna elements is provided with termination means that can be connected or opened constantly, and the patch antenna element group is fed An element array having all the parasitic patch antenna elements on a half line starting from the patch antenna element, the half line All of the element rows intersect or overlap without being completely included in any other half line, and all the element rows are at least one parasitic parasitic patch antenna element with the other element rows. It is an element row shared between the two. By configuring the termination mechanism with any parasitic element instead of the feeding element, the same effect as in the third aspect can be obtained, and the number of switches configured in the vicinity of the feeding means where current is concentrated can be reduced. Reduction is possible. Thereby, unnecessary radiation suppression, simplification of the termination mechanism, and further reduction of the loss due to the termination switching switch are realized at the same time.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a multi-beam antenna according to a first embodiment.
FIG. 2 is a configuration diagram of a multi-beam antenna according to a second embodiment.
FIG. 3 is a configuration diagram of a multi-beam antenna according to a third embodiment.
4 is a configuration diagram of a multi-beam antenna according to Embodiment 4. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a directivity pattern of a multi-beam antenna according to a fourth embodiment.
FIG. 6 is a configuration diagram showing a first example of a conventional multi-beam antenna.
FIG. 7 is a configuration diagram showing a second example of a conventional multi-beam antenna.
[Explanation of symbols]
1 Dielectric substrate 2 Ground
301, 302, 310, 311-313, 321, 322 patch antenna
320 Parasitic patch antenna element group 4 Line
501,502 Power supply means 6 Termination means
701, 702, 703, 704 switch

Claims

Two patch antenna elements having both a feeding means and a termination means that can be connected or opened in a steady manner simultaneously at different locations of one element, and an N element (N: natural number) between the two patch antennas A multi-beam antenna comprising: patch antenna elements arranged in a row so as not to overlap each other; and line coupling means or electromagnetic coupling means between all adjacent patch antenna elements.

Two patch antenna elements provided with feeding means, patch antenna elements arranged in a row so that N elements (N: natural number) do not overlap each other between the two patch antenna elements, and patch antennas of the N elements At least one of the elements is provided with a terminal means that can be connected or opened in a stationary manner, and has a line coupling means or an electromagnetic coupling means between all adjacent patch antenna elements. Multi-beam antenna.

A patch antenna element group configured by a conductor plane parallel to the ground formed on a planar dielectric substrate with a ground or a space on the ground, and the patch antenna element group is a patch to which at least one element is fed In a multi-beam antenna including an element group including two or more element arrays each including an antenna element and an N element (N: natural number) that are electrically non-fed patch antenna elements smaller than the fed patch antenna element ,
At least one of the patch antenna elements to be fed is provided with terminating means that can be steadily connected to or connected to / open from a place different from the feeding means, and the patch antenna element group includes the patch antenna elements to be fed. A row of elements having all parasitic patch antenna elements on a half line as a starting point, and the half lines intersect or overlap without being completely included in any other half line The multi-beam antenna is characterized in that all the element arrays are at least one parasitic element of the patch antenna element shared with other element arrays.

A patch antenna element group configured by a conductor plane parallel to the ground formed on a planar dielectric substrate with a ground or a space on the ground, and the patch antenna element group is a patch to which at least one element is fed In a multi-beam antenna including an element group including two or more element arrays each including an antenna element and an N element (N: natural number) that are electrically non-fed patch antenna elements smaller than the fed patch antenna element ,
At least one of the N-element non-feeding patch antenna elements is provided with a terminal means that can be connected or opened constantly, and the patch antenna element group starts from the fed patch antenna elements. An element array having all the parasitic patch antenna elements on a half line, and the half lines are all half lines that intersect or overlap without being completely included in any other half line. The multi-beam antenna is characterized in that all the element rows are at least one parasitic element of the patch antenna element shared with other element rows.