JP4479519B2 - アレーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、裏面に接地板を有する誘電体基板の表側に導体から成る所定の単位パターンを一軸方向に周期的に繰り返し配置することによって形成されたストリップ線路を有するアレーアンテナ（漏れ波アンテナ）に関し、特に、アンテナの指向性を制御可能としたものに関する。
この発明は、ミリ波帯域又はマイクロ波帯域の電磁波を送信または受信するレーダや通信機器などに有益であり、アンテナの小型化または配設空間の省スペース化に大いに有用なものである。

誘電体基板上にCRLH（Composite Right and Left Handed ）伝送線路を備えた従来のストリップアレーアンテナ（漏れ波アンテナ）の構成例を図９に例示する。このCRLH線路には、伝送線路（Ｘ軸方向の主線路）を周期的に分断するギャップや、その伝送線路から枝分かれしたスタブなどが具備されている。このアンテナでは、ギャップが供するキャパシタンスや、スタブが供するインダクタンスの作用により、ある周波数帯において、伝送される電磁波の群速度の向きと位相速度の向きを相互に反対の向きとすることができる。これにより、伝送される電磁波の周波数を変化させることができるので、主線路上で電磁波が伝播する向きとは反対向きの図中のｚ軸の正の向きからｘ軸の負の向きの方に傾斜したθ＜０なる角度領域に対しても電磁波を放射することができる。その結果、放射ビームの方向を変化させる場合には、その放射ビームの走査範囲を広くとることができる。この様な、位相速度と群速度の向きが反対となる原理については、例えば下記の非特許文献１などに詳しい開示がある。しかしながら、その従来技術においては、周波数を大きく変化させないと、上記の様なθ＜０なる角度領域に傾斜した向きに放射ビームの指向性を持たせることは困難である。

また、下記の非特許文献２には、給電点から入力する電磁波の周波数を一定値に固定したまま、所定の電子制御に基づいて放射ビームの放射角を可変制御する制御方式が開示されている。この放射角の制御方式では、例えば図９の配線パターンの個々のギャップやスタブに対して、それぞれバラクタダイオードを接近させて配置し、各バラクタダイオードの容量を可変制御することによって放射ビームの放射角を可変制御している。

また、下記の特許文献１には、中央にビアのある金属パッチ１を誘電体基板上に周期的に配置したＥＢＧ構造（Electrical Band Gap 構造）の反射体を利用したビーム走査アンテナ（図１０−Ａ，−Ｂ）が提案されている。このビーム走査アンテナは、反射体が有する各金属パッチ（１，２）間のキャパシタンスを変化させることによって、所定の方向からその反射体に入射した電磁波の反射波の進行方向、すなわち、反射の指向性を可変制御するもので、各金属パッチ（１，２）間のキャパシタンスは、金属パッチ２が貼り付けられた可動板３を水平方向に動かすことによって可変制御される。

また、その他の制御方式としては、例えば、電磁波が伝播する材料の透磁率をフェライトなどを利用して電気的に可変制御することによってその材料の伝搬定数を可変制御するのと同様に、誘電率を可変制御する方式がある。即ち、その様な制御方式としては、例えば、目的のアンテナを構成する誘電体基板の誘電率を電圧によって可変制御して、これによってアレーアンテナの放射ビームの放射角を所望の角度に可変制御する制御方式などを考えることができる。誘電率が可変制御されるその様な誘電体基板の材料としては、例えば液晶や強誘電体などがある。

なお、電磁波センシングや無線通信などの分野では、放射電磁波の周波数を変化させることなく、アンテナの放射ビームの指向性が制御されることが望ましい。
伊藤龍男、他２名、’CHARACTERISTICS AND APPLICATIONS OF PLANAR NEGATIVE REFRACTIVE INDEX MEDIA’，ＭＷＥ２００３，ＷＳ０２−０３ 伊藤龍男、他２名、’Electronically-Controlled Metamaterial-Based Transmission Line as a Continuous-Scanning Leaky-Wave Antenna’，2004 IEEE MTT-S Digest TU1D-4. 米国特許：ＵＳ６，５５２，６９６Ｂ１

しかしながら、非特許文献１に記載されている従来のアレーアンテナでは、給電点から入力する電磁波の周波数を一定にしたまま、アンテナの放射ビームの放射角を可変制御することはできない。このため、この方式を採用したアンテナは、ミリ波レーダなど、一定の周波数の電磁波を放射したり、或いは受信したりするアンテナには不向きである。

また、非特許文献２に記載されている従来のアレーアンテナには、可変容量としてバラクタダイオードが用いられているが、一般にバラクタダイオードは伝送損失が大きいため、数ＧＨｚ以上の周波数帯域においては、バラクタダイオードを所望の可変容量として動作させることは難しい。このため、数ＧＨｚ以上の周波数帯域の電磁波を取り扱うアレーアンテナにこの従来技術を用いることはできない。
また、放射角が可変制御可能な１ＧＨｚ以下の周波数帯域などにおいても、一般にバラクタダイオードでは標準容量（所定の基準容量）に対する容量変位の比率（変化率）を十分大きく確保することは必ずしも容易ではないので、放射角の変動範囲を大きく確保することも必ずしも容易とは言えない。

また、特許文献１に記載されている従来のビーム走査アンテナ（図１０−Ａ，−Ｂ）には、以下の様な生産性や制御性や、或いは小型化や薄板化など係わる問題がある。
（１）図１０−Ａ，−Ｂに示す様に、ＥＢＧ構造の反射体を用いてビーム走査アンテナを構成するので、この反射体に対して電磁波を照射するための別の給電用アンテナを別途用意する必要がある。
（２）可動板３を水平方向に動かすことによって、アンテナの放射ビームの指向性を可変制御することはできるが、各金属パッチには周期的な位置関係に関する理論的及び物理的な強い制約があるので、各金属パッチをそれぞれ独立に位置制御することはできない。このため、この従来のビーム走査アンテナに対して、ビーム幅やビームパターンを可変制御するなどのビーム成形技法を導入することは不可能である。

また、前述の様に、目的のアンテナを構成する誘電体基板の誘電率または透磁率を、能動的に制御された電界または磁界によって可変制御して、これによってアレーアンテナの放射ビームの放射角を所望の角度に可変制御する制御方式を考えることもできるが、誘電率が変化する例えば強誘電体やフェライトなどの材料を用いた場合には、アンテナ中を伝播する電磁波の電力損失が非常に大きくなるので、アンテナの利得を大きく確保することは困難になる。

本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、周波数を変化させることなく１ＧＨｚ以上の高い周波数帯域においても使用することができる、ビーム指向性の走査範囲の広い小形のアレーアンテナを実現することである。

上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、誘電体基板と、伝送線路とその伝送線路を途中で分断するギャップと、伝送線路から枝分かれするスタブとを１組とする単位パターンを誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、誘電体基板の表面または内部に設けられ、ギャップまたはスタブに対して接近して配置され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、位置または向きの変動により、ギャップが供するキャパシタンス成分を変動可能とする第１可動部材およびスタブが供するインダクタンス成分を変動可能とする第２可動部材と、誘電体基板の表面または内部であって第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、第１可動部材および第２可動部材の位置または向きを変化させる圧電素子と、誘電体基板の表面または内部であって第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、一端が第１可動部材および第２可動部材とに接続され、他端が圧電素子に接続された二股構造から成り、圧電素子の変位を第１可動部材および第２可動部材とに同時に伝達して、第１可動部材および第２可動部材の位置または向きを、同時に、変動させる応変追従機構と、を有し、 周波数１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの電磁波に対して、単位パターンの所定の配列の向きに対して、負の向きの成分から正の向きの成分まで、指向性の方位角を走査可能としたことを特徴とする。

このアンテナは、ストリップ線路が１本のラインアンテナであっても、複数本のストリップ線路から成る平面アンテナであっても良い。電磁波の進行方向とライン方向との成す角度を可変制御できる。誘電体基板面上であってストリップ線路に垂直な方向への指向性の制御は、各ストリップ線路に供給する電力の位相を制御することで行うことができる。スタブは、ストリップ線路の片側だけにあっても、同位置で両側にあっても良く、或いは、進行方向に沿って設ける側を交互に反転しても良い。スタブは、通常、ストリップ線路に対して直角に設けられるが、角度は任意である。ギャップを構成するストリップ線路の対向する部分は、キャパシタンスを大きくするためにその幅を広く構成しても良い。

また、誘電体と金属導体との複合体、若しくは磁性体と金属導体との複合体で、上記の可動部材を構成した場合には、その誘電体や磁性体の表面に金属導体を設けても良く、或いはその誘電体や磁性体の内部に金属導体を設けても良い。また、可動部材やアクチュエータは、誘電体基板の内部に設けても、誘電体基板の上部、すなわち、ストリップ線路の上部に設けても良い。また、可動部材とストリップ線路や誘電体基板を構成する材料との間には薄いフィルムを設けて可動を容易にするようにしても良い。
要するに、本発明は、ストリップ線路に分布するキャパシタンス成分及びインダクタンス成分を可動部材の位置または姿勢によって可変制御することで、ビームの指向性を制御するようにしたことが特徴である。

また、本発明の第２の手段は、誘電体基板と、伝送線路とその伝送線路を途中で分断するギャップと、伝送線路から枝分かれするスタブとを１組とする単位パターンを誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、誘電体基板の表面または内部に設けられ、ギャップまたはスタブに対して接近して配置され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、位置または向きの変動により、ギャップが供するキャパシタンス成分を変動可能とする第１可動部材およびスタブが供するインダクタンス成分を変動可能とする第２可動部材と、誘電体基板の表面または内部であって第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、第１可動部材および第２可動部材の位置または向きを変化させる圧電素子と、誘電体基板の表面または内部であって第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、一端が第１可動部材に接続されその接続点を作用点とし、他端を不動点であって回動可能な軸を形成する支点とする第１連結部と、一端が第２可動部材に接続されその接続点を作用点とし、他端を不動点であって回動可能な軸を形成する支点とする第２連結部と、一端が第１連結部および第２連結部に接続されその接続点を力点とし、他端が圧電素子に接続された二股構造をした第３連結部とを有し、作用点と力点との距離を、力点と支点との距離よりも長くし、圧電素子の変位を第１可動部材および第２可動部材とに同時に伝達して、第１可動部材および第２可動部材の位置または向きを、同時に、変動させる応変追従機構と、を有し、周波数１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの電磁波に対して、単位パターンの所定の配列の向きに対して、負の向きの成分から正の向きの成分まで、指向性の方位角を走査可能としたことを特徴とする。

また、本発明の第３の手段は、誘電体基板と、伝送線路とその伝送線路を途中で分断するギャップと、伝送線路から枝分かれするスタブとを１組とする単位パターンを誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、誘電体基板の表面または内部に設けられ、ギャップまたはスタブに対して接近して配置され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、位置または向きの変動により、ギャップが供するキャパシタンス成分を変動可能とする第１可動部材およびスタブが供するインダクタンス成分を変動可能とする第２可動部材と、誘電体基板の表面または内部であって第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、第１可動部材の位置または向きを変化させる第１圧電素子と、誘電体基板の表面または内部であって第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、第２可動部材の位置または向きを変化させる第２圧電素子と、誘電体基板の表面または内部であって第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、一端が第１可動部材に接続されその接続点を作用点とし、他端が第１圧電素子に接続されその接続点を力点とし、折り曲げ点における折り曲げ角が変化できるＺ字形状に屈曲形成され、作用点と力点との間に不動点であって回動可能な軸を形成する支点を有し、支点と作用点の間の距離を、支点と力点との距離よりも長くし、圧電素子の変位により折り曲げ角が変化することにより、第１可動部材を変位させる第１応変追従機構と、誘電体基板の表面または内部であって第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、一端が第２可動部材に接続されその接続点を作用点とし、他端が第２圧電素子に接続されその接続点を力点とし、折り曲げ点における折り曲げ角が変化できるＺ字形状に屈曲形成され、作用点と力点との間に不動点であって回動可能な軸を形成する支点を有し、支点と作用点の間の距離を、支点と力点との距離よりも長くし、圧電素子の変位により折り曲げ角が変化することにより、第２可動部材を変位させる第２応変追従機構と、を有し、周波数１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの電磁波に対して、単位パターンの所定の配列の向きに対して、負の向きの成分から正の向きの成分まで、指向性の方位角を走査可能としたことを特徴とする。

また、本発明の第４の手段は、上記の第１−第３の手段において、上記のアクチュエータを各単位パターン毎にそれぞれ個別に設け、上記の可変制御を各単位パターン毎にそれぞれ互いに独立に実行することである。

また、本発明の第５の手段は、誘電体基板と、伝送線路とその伝送線路を途中で分断するギャップと、伝送線路から枝分かれするスタブとを１組とする単位パターンを誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、誘電体基板の表面または内部に設けられ、ギャップまたはスタブに対して接近して配置され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、位置または向きの変動により、ギャップが供するキャパシタンス成分を変動可能とする第１可動部材およびスタブが供するインダクタンス成分を変動可能とする第２可動部材と、単位パターン毎の第１可動部材を全単位パターンに対して連結し、単位パターンの配列方向に伸びた第１連結部材と、単位パターン毎の第２可動部材を全単位パターンに対して連結し、単位パターンの配列方向に伸びた第２連結部材と、誘電体基板の表面または内部であって第１可動部材と同一面上に設けられ、第１連結部材に接続され、第１可動部材の位置または向きを変化させる第１圧電素子と、誘電体基板の表面または内部であって第２可動部材と同一面上に設けられ、第２連結部材に接続され、第２可動部材の位置または向きを変化させる第２圧電素子と、誘電体基板の表面または内部であって第１可動部材と同一面上に設けられ、一端が第１連結部材に接続され、他端が第１圧電素子に接続され、第１圧電素子の変位または変形に応じて変位または変形する第１応変追従機構と、誘電体基板の表面または内部であって第２可動部材と同一面上に設けられ、一端が第２連結部材に接続され、他端が第２圧電素子に接続され、第２圧電素子の変位または変形に応じて変位または変形する第２応変追従機構と、を有し、周波数１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの電磁波に対して、単位パターンの所定の配列の向きに対して、負の向きの成分から正の向きの成分まで、指向性の方位角を走査可能としたことを特徴とする。
また、本発明において、上記の可動部材を単位パターンと接地板との間に配置しても良い。

また、本発明において、可動部材の比誘電率から誘電体基板の比誘電率を差し引いた差値を１以上にしても良い。ただし、この差値は、３以上に設定することが更により望ましい。

また、本発明において、上記の可動部材を誘電体基板の上に配置しても良い。

以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。

以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の手段によれば、上記の可動部材を機械的に動かすことにより、ギャップやスタブの近傍の等価誘電率を変化させたり、ギャップが供するキャパシタやスタブが供するインダクタの電気長を変化させることができる。即ち、上記の可動部材を機械的に動かすことにより、ギャップのキャパシタンスやスタブのインダクタンスを変化させることができる。このため、アレーアンテナの主線路上を通過する電磁波の位相分布や、放射される電磁波の位相分布を所望の分布に制御することができる。したがって、この可動部材の位置や姿勢の制御に基づいて、アレーアンテナのビームの放射方向を可変制御したり、放射ビームの幅やパターンを可変制御したりすることができる。

また、本発明の手段によれば、個々の可動部材の微小変位に基づいて、放射ビームの指向性が可変制御できるので、アレーアンテナ全体の方位を機械的に変化させて指向性を可変制御する場合に比べ、所望のアレーアンテナをよりコンパクトに形成することができる。また、勿論、給電用のアンテナを別途用意する必要もない。

また、本発明の第４の手段によれば、各単位パターン毎に、ギャップのキャパシタンスやスタブのインダクタンスを独立に可変制御することができるので、アレーアンテナから放射される放射ビームの幅やパターンの制御も可能となる。

また、本発明の手段によれば、上記の応変追従機構（コンプライアンス機構）によって、圧電素子（アクチュエータ）の変位の向きを所望の向きに変更したり、アクチュエータの変位の大きさを拡大したり、縮小したり、或いは、アクチュエータと可動部材との対応関係を１対多対応に設定したりすることができる。

例えば、アクチュエータの変位の大きさを拡大する構成は、アクチュエータの変位量が大きく得られ難い場合などに有効である。また、アクチュエータの変位量が十分に大きく得られるものの、アクチュエータの変位精度が高く得られ難い場合などには、アクチュエータの変位の大きさを縮小する構成の採用が有効である。
また、この様な拡大作用や縮小作用などを得るためには、例えば上記の本発明の第２、第３の手段などを採用すると良い。即ち、本発明の第２、第３の手段は、アクチュエータの変位の大きさを定数倍に変化させる作用をもたらす。また、本発明の第２、第３の手段は、アクチュエータの変位の方向や向きや作用点の位置などを任意に変える作用をももたらし得る。

また、アクチュエータが誘電体基板の中に埋め込まれる場合には、本発明のアレーアンテナのサイズをより効果的に薄板化若しくは小型化することができる。

また、可動部材の比誘電率から誘電体基板の比誘電率を差し引いた差値を１以上にした場合には、可動部材の一定の移動量に対する上記のキャパシタンスまたはインダクタンスの変化量を大きく設定することができるので、ビームの走査範囲を効果的に拡大することができる。或いは、アクチュエータの最大変位量を効果的に抑制することができるため、アクチュエータまたはアレーアンテナ全体の小型化に効果的に寄与することができる。

また、可動部材を誘電体基板の上に配置した場合には、誘電体基板の中にアクチュエータを埋め込む必要がなくなるので、本発明のアレーアンテナを比較的容易に製造することができる。
また、本発明の第５の手段によれば、一つのアクチュエータで、全単位パターンにおける各キャパシタンス成分を全パターンにわたって同時に変化させることができ、一つのアクチュエータで、全単位パターンにおける各インダクタンス成分を全パターンにわたって同時に変化させることができる。

ストリップ線路の構成要素となる上記の単位パターンは、同一のパターンを用いてそれらを周期的に配列することが、例えば設計の容易性などの面でより望ましいが、必ずしも同一のパターンだけを用いる必要はなく、また、必ずしも周期的に配列する必要もない。したがって、例えば、ストリップ線路の構成要素となる上記の単位パターンは、伝送線路やスタブなどの各部の太さや長さなどの寸法が、揃っていなくとも良く、また、ギャップなどの間隔なども不揃いでも良い。

また、上記の可動部材の材料としては、比誘電率の大きな材料が望ましく、例えばアルミナなどのセラミックスが有用である。また、誘電体基板としては、例えばフッ素樹脂などの比誘電率の小さな材料が望ましい。この双方の誘電体の各比誘電率の差が大きな場合ほど、ギャップが供するキャパシタンスやスタブが供するインダクタンスが変化し易くなり、その結果として、可動部材の一定の移動量に対してより大きなビーム方向の振り幅を得ることができる。

また、アクチュエータの材料としては、直接的に電子制御可能なものが望ましく例えば圧電素子などを用いることができる。また、応変追従機構（コンプライアンス機構）を構成する材料は任意で良いが、例えばポリエチレンなどの樹脂を用いると、所望の動作を容易或いは効果的に具現できる場合が多い。

また、以下に例示する各実施例のアレーアンテナが放射または受信する電磁波の周波数は、概ね１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの範囲において任意に固定された周波数を想定したものであり、単位パターンをｘ軸方向に繰り返し形成する際のそのパターン形成周期は、勿論従来と同様にしてその周波数に合わせて決定すれば良い。ただし、本発明によって得ることができる作用・効果は、必ずしも上記の周波数帯域内の電磁波を取り扱うアレーアンテナだけに限定されるものではない。
また、以下に例示する各実施例のアレーアンテナは、全走査範囲（全スキャン角度θ）に対して１秒間当たり概ね数回程度の走査頻度を想定して設計したものであるが、これらの走査頻度は、勿論必要に応じて任意に設定すれば良い。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。

図１は、本実施例１のストリップアレーアンテナ１００の斜視図である。このストリップアレーアンテナ１００は、フッ素樹脂からなる誘電体基板１５の表側に、導体の配線パターンに係わる同一の単位パターン（１周期構造）を２０回程、供給された電磁波の進行方向であるｘ軸方向に周期的に並べて得られるものであり、その単位パターン上の配線パターンは、主線路１１（伝送線路）とこの主線路１１から枝分かれしたスタブ１２からなる。特に、このストリップアレーアンテナ１００においては、スタブ１２の長手方向は主線路１１の長手方向に対して直交している。ｘ軸方向に伸びる主線路１１の途中は、１周期構造（単位パターン）当たり１カ所ずつ分断されており、これによってギャップＧ１が形成されている。このギャップＧ１はキャパシタの機能を奏し、また、上記のスタブ１２はインダクタの機能を奏する。誘電体基板１５の裏面全体には、導体から成る接地板１６が設けられている。スタブ１２と主線路１１との成す角度は、９０度でなくとも良い。スタブ１２は主線路１１の両側に設けられていても、両側に交互に設けられていても良い。

図２に、上記のストリップアレーアンテナ１００を構成する単位パターン１０の平面図及び断面図を示す。この単位パターン１０は上記の１周期構造を形成するものであり、この単位パターン１０においては、ギャップＧ１によって上記の主線路１１が、左側の伝送線路（主線路１１ａ）と右側の伝送線路（主線路１１ｂ）に分断されている。誘電体１３（可動部材）及び誘電体１４（可動部材）は何れも、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）から形成されており、図２のＡＡ′断面の断面図に図示される様に誘電体基板１５に設けられた内部領域（厚みの中）に配設されている。例えば、誘電体１３は、誘電体基板１５に設けられた案内溝１５１（図３）においてギャップＧ１の真下に配置されており、誘電体１４は誘電体基板１５に設けられた案内溝１５２（図３）において、スタブ１２の真下に配置されている。

誘電体基板１５の内部領域であって、各誘電体（１３、１４）と略同じ高さの位置に配設された圧電素子から形成されたアクチュエータ１７は、図略の電極から印加される電圧に基づいて、直線ｙ＝ｘと略同じ方向に伸び縮みする。樹脂（例：ポリエチレン）から形成された応変追従機構１８（コンプライアンス機構）は、二股構造を成しており、上記の誘電体１３、１４とアクチュエータ１７とをそれぞれ連結して、アクチュエータ１７の伸縮動作を各誘電体（１３、１４）に伝達する。

図３に、図２の状態を初期状態とする各誘電体（１３、１４）の移動後の状態を示す。本図３に図示する様に、アクチュエータ１７の伸縮動作に伴って、誘電体１３は案内溝１５１においてｙ軸方向に、誘電体１４は案内溝１５２においてｘ軸方向にそれぞれ並進することができる。
これらの各誘電体（１３、１４）の機械的な動きにより、上記のギャップＧ１におけるキャパシタンスや上記のスタブ１２のインダクタンスを効果的に変化させることができる。

即ち、アルミナから形成される各誘電体（１３、１４）の比誘電率は約１０であり、比誘電率２のフッ素樹脂（誘電体基板１５）と大きな差をつける材料設定によって、ビームの指向性の制御範囲を大きくすることができる。したがって、アクチュエータ１７に印加する上記の電圧を適当に制御することによって、図１のストリップアレーアンテナ１００のビーム方向θを正負両方に渡って幅広く、所望の角度に変化させることができる。

また、電子制御可能な駆動素子として圧電素子を使用することによって、所望のアクチュエータを非常に小さく構成することができるので、この様な圧電素子を用いた方式は、本発明のアレーアンテナの小型化や、制御性の向上に寄与する。

なお、上記のストリップアレーアンテナの配線パターンを複数パターン平行に並列に配置して平面アンテナを構成する場合には、必要に応じて誘電体基板にビアホールを形成したり、誘電体基板中に多層構造の回路を形成したり、或いはワイヤーボンディングを行ったりして、上記の電気回路などの様な必要な制御用回路を立体的に形成する必要が生じるが、その様な立体的な回路形成によって、上記のストリップアレーアンテナの配線パターンを複数パターン平行に並列に配置して平面アンテナを構成することも、十分に可能となる。

ただし、上記のストリップアレーアンテナの配線パターンを１列だけ配列したアレーアンテナを構成する場合には、必要とされる制御用回路に関する電気配線を、ストリップアレーアンテナの配線パターンと同一の平面上に引き回しても良い。即ち、この様な場合には、必ずしも上記の様な立体的な回路形成を実施する必要はない。

図４−Ａ，−Ｂは、本実施例２の単位パターン２０の平面図（誘電体の移動前／移動後）である。この様な単位パターン２０を採用しても、図１のストリップアレーアンテナ１００と略同等のストリップアレーアンテナを構成することが可能である。この単位パターン２０の誘電体基板２５の表側における配線パターンは、主線路２１ａ，２１ｂ及びスタブ２２から形成されている。ギャップＧ２を挟んで相対峙する主線路２１ａ，２１ｂの各対峙部は、それぞれ横向きに倒れたＴ字形に拡張された幅広部２１１ａと２１１ｂとを有している。これによって当該キャパシタのｙ軸方向の対峙幅が広く設定されることで、キャパシタンスを大きくすることができる。また、スタブ２２は、その先端部付近においてｘ軸方向に拡張された幅広部２１１を有している。これらの幅の拡張により、ギャップＧ２によって供されるキャパシタンスやスタブ２２によって供されるインダクタンスや、或いはそれらの変動幅が効果的に拡大される。

本実施例２においても、アクチュエータ（２７，２７′）や応変追従機構（２８，２８′）や上記の誘電体２３、２４などは、先の実施例１と同様に、誘電体基板２５の内部領域（厚みの中）に配置されている。応変追従機構２８（コンプライアンス機構）は、横向きに倒れたＺ字状に形成されており、ｘ軸方向の長さの中点に対して所定距離だけアクチュエータ（２７，２７′）側に変位した位置において、不動点である支点２９において接地導体に固定されている。この応変追従機構２８は、樹脂（例：ポリエチレン）から形成されているため、Ｚ字状の各折り曲げ点において柔軟にその折り曲げ角を変化させることができる。圧電素子から形成されたアクチュエータ２７は、図略の電極から印加される電圧に基づいて、ｙ軸方向に伸び縮みする。以下、アクチュエータ２７と応変追従機構２８との接合点を力点と言い、誘電体２３と応変追従機構２８との接合点を作用点と言う。

図４−Ｂの状態図は、図４−Ａの状態に対して、アクチュエータ２７が上記の力点において応変追従機構２８を下方（ｙ軸の負の向き）に押した状態を示している。この動作の結果、応変追従機構２８は支点２９の周りで回動するので、上記の作用点は上方（ｙ軸の正の向き）に移動し、これに伴って誘電体２３も上方に並進する。この単位パターン２０においては、作用点と支点との間の距離は、力点と支点との間の距離よりも長いので、この回動動作において、アクチュエータ２７が上記の力点を押し下げる距離よりも、誘電体２３の移動量は長くなっている。即ち、力点、支点、作用点の３点の間の関係を上記の様に設定することにより、上記の応変追従機構２８には、アクチュエータ２７の動作を増幅する増幅機能が与えられている。
また、これらの動作や増幅機能に付いては、応変追従機構２８′についても同様に実現される。

図５に、単位パターン２０採用時の効果（シミュレーション結果）を示す。このシミュレーションは、周知の伝送線路の理論に基づいて実施したものであり、本シミュレーションでは、上記の単位パターン２０を使ったメタマテリアル構造について、即ち、上記の単位パターン２０を図１と同じ要領でｘ軸方向に１列×１６回繰り返して周期的に作成したアレーアンテナについて検証した。また、図４−Ｂの変位Ｄを変動パラメータとし、本図中の定数ｋは１とした。

このシミュレーション結果（図５）から、アクチュエータ２７、２７′に印加する電圧の制御に基づいてアクチュエータ２７、２７′を駆動することにより、各可動部材（誘電体２３、２４）を０μｍ〜４５μｍの範囲で動かせば、上記の単位パターン２０を１列×１６回繰り返し形成した、図１に酷似のストリップアレーアンテナにおいて、ビームをｘ軸の負の側から正の側へ約６０°の振り幅で走査できることが判る。

上記の各実施例では、キャパシタンスまたはインダクタンスの変動要因となる可動部材（誘電体）を並進運動させることによって、アンテナのビーム方向に関する走査角度（スキャン角度θ）を可変制御したが、本実施例３では可動部材（誘電体）を回動させることによって、各キャパシタやインダクタの各成分を可変制御する例を例示する。図６−Ａ，−Ｂに、本実施例３の単位パターン３０の平面図（誘電体の移動前／移動後）を示す。

この単位パターン３０の誘電体基板３５の表側における配線パターンは、先の実施例２における配線パターンと同じであり、その配線パターンは、主線路３１ａ，３１ｂ及びスタブ３２から形成されている。したがって、ギャップＧ３を挟んで相対峙する主線路３１ａ，３１ｂの各対峙部は、それぞれ横向きに倒れたＴ字形に拡張された幅広部３１１ａ、３１１ｂを有している。また、スタブ３２も、その先端部付近において幅がｘ軸方向に拡張された幅広部３２１が設けられている。
また、各誘電体３３、３４（可動部材）の材料や大きさや形も、それぞれ先の実施例２の各誘電体２３、２４と同様に構成されている。

この単位パターン３０では、応変追従機構がポリエチレンからなる３つの連結部材３８ａ，３８ｂ，３８ｃから形成されている。連結部材３８ａは、誘電体３３の図面下方側の側壁面と、不動の支点を構成する軸３９とを連結している。また、連結部材３８ｂは、誘電体３４の図面下方側の側壁面と、不動の支点を構成する軸３９′とを連結している。
そして、連結部材３８ｃの根幹部は圧電素子から成るアクチュエータ３７に接合されており、連結部材３８ｃのアクチュエータ３７側とは反対側に位置する２つの先端部はそれぞれ、他の各連結部材３８ａ，３８ｂの各中点よりも若干各支点側に近い点（点Ｐ、点Ｐ′）に略垂直に接合されている。

この様な構成に従えば、アクチュエータ３７がｘ軸方向に伸縮した際に、各誘電体３３、３４は各軸３９，３９′周りで回動するので、この回動運動に伴ってギャップＧ３のキャパシタンスやスタブ３２のインダクタンスが変化する。また、上記の各点Ｐ、点Ｐ′は、連結部材３８ｃの他の各連結部材３８ａ，３８ｂに対する各力点となっており、この力点を各作用点（応変追従機構と可動部材との各接合点）よりも各支点寄りにそれぞれ配置することによって、アクチュエータ３７の微小な変位が増幅されて各誘電体３３、３４（可動部材）に効果的に伝達される。

この単位パターンを３０では、可動部材（誘電体）を円滑に並進させるための案内溝などから成るスライド機構を誘電体基板中に作り込む必要がないので、この単位パターンを３０は、構造が比較的簡単で製作し易いと言う利点を有する。また、アクチュエーの変位に対する各誘電体の変位の増幅効果が大きいことや、アクチュエータが１つで済む点などにも特徴を有する。なお、可動部材の可動領域、アクチュエータの配置領域、応変追従機構の変位範囲には誘電体基板３５の誘電体は存在しない。しかし、それらの厚さを誘電体基板３５の厚さより薄くする場合には、そられの上部またた下部に誘電体基板３５の誘電体が存在していても良い。

上記の各実施例では、各単位パターン毎にそれぞれ同数のアクチュエータを設けたが、可動部材を移動させるアクチュエータは、必ずしも各単位パターン毎に設ける必要はなく、また、各単位パターン毎に同数である必要もない。本実施例４では、周期的に繰り返し形成される単位パターンの繰り返し回数よりも可動部材を駆動するアクチュエータの個数の方が小さい場合について例示する。

図７に、実施例４のストリップアレーアンテナ４００の斜視図を示す。給電点４９、終端点４９′の間には、誘電体基板４５の上にストリップ線路である配線パターン４１，４２がｘ軸方向に周期的に形成されており、その誘電体基板４５と配線パターン４１，４２の上から誘電体フィルム４５１が貼り合わせてある。可動部材である誘電体板４３は、その誘電体フィルム４５１の上に配設されており、この誘電体板４３は、ｘ軸方向に走る１本の幹部４３ｂとその幹部４３ｂから垂直にそれぞれ等間隔にｙ軸方向の負の向きに伸びる計１３本の支部４３ａから形成されている。同様に、可動部材である誘電体板４４は、誘電体フィルム４５１の上に配設されており、ｘ軸方向に走る１本の幹部４４ｂとその幹部４４ｂから垂直にそれぞれ等間隔にｙ軸方向の正の向きに伸びる計１２本の支部４４ａから形成されている。

誘電体基板４５上に形成された導体から成る配線パターン４１は、図８−Ａ，−Ｂに図示する通り、先の実施例２における配線パターンと同じであり、主線路４１ａ，４１ｂ及びスタブ４２から形成されている。
図８−Ａ，−Ｂに、本実施例４の単位パターン４０の平面図（誘電体の移動前／移動後）を示す。上記のストリップアレーアンテナ４００は、この単位パターン４０をｘ軸方向に１２回周期的に繰り返して配置したものであり、各単位パターン４０においては、ギャップＧ４が形成されている。また、誘電体板４３の幹部４３ｂは、誘電体基板４５の上に配設された応変追従機構４８を介して、誘電体基板４５の上に配設されたｙ軸方向に伸縮するアクチュエータ４７によってｙ軸方向に並進駆動されて位置制御される。したがって、ギャップＧ４が供するキャパシタンス成分は、ギャップＧ４の直下で並進運動する誘電体板４３の支部４３ａの位置によって変化する。

一方、誘電体板４４の幹部４４ｂは、図７の応変追従機構４８′を介して、ｘ軸方向に伸縮するアクチュエータ４７′によってｘ軸方向に並進駆動されて位置制御される。したがって、スタブ４２が供するインダクタンス成分は、スタブ４２の直下で並進運動する誘電体板４４の支部４４ａの位置によって変化する。
したがって、図１のストリップアレーアンテナ４００のビーム方向は、上記のアクチュエータ４７，４７′の各伸縮状態に基づいて制御することができる。

この様に、各単位パターン４０毎に用意されるべき各可動部材（支部４３ａ、支部４４ａ）をそれぞれ、連結部材（幹部４３ｂ（第１連結部材）、幹部４４ｂ（第２連結部材））で連結することによって、アクチュエータの数を大幅に削減することが可能となる。また、この削減効果に伴って、応変追従機構４８、４８′もアクチュエータと同数に削減することができる。
この様な構成に従えば、ストリップアレーアンテナの構造を極めて簡潔に具現することができる。

なお、この様な連結部材（幹部４３ｂ、幹部４４ｂ）は、支部４３ａや支部４４ａなどとは必ずしも同じ材料から形成しなくとも良い。したがって、例えば、連結部材（幹部４３ｂ、幹部４４ｂ）の部分を誘電体基板４５と同じ材料から形成しても良い。
また、誘電体基板４５上にアクチュエータや可動部材や応変追従機構を設けたが、これらは、実施例１と同様に誘電体基板４５の内部に設けても良い。

上記の全ての実施例において、各アクチュエータの電極に対する給電は、これらの電極と誘電体基板の端部に設けた複数のリードピンとを接続する配線を誘電体基板上に形成し、このリードピンを介して行えば良い。
〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
（変形例１）
例えば、上記の各実施例では、可動部材として誘電体を移動しているが、これらの誘電体の内部に金属片を入れても良い。その場合は単に誘電率を制御するだけでなく、同時にギャップやスタブの電気長を制御することも可能となるので、誘電体の移動に対するビーム角θの変化が敏感となる。したがって、この様な改造を行えば、ビーム方向の変化範囲をより幅広く確保したり、或いは、アクチュエータをより小型化したりすることも可能となる。

（変形例２）
また、上記の実施例４のアレーアンテナ４００では、誘電体を板状の櫛状に成形することによって、上記の各誘電体板４３，４４（可動部材）を形成したが、位置（ｘｙ座標）によって比誘電率が異なる板状の複合材を上記の可動部材（各誘電体板４３，４４）の代わりに用いることも可能である。

（変形例３）
また、上記の各実施例では、ビーム幅を大幅に可変制御するなどのビーム成形技術に付いては特に言及しなかったが、本発明に基づく上記の各実施例のアレーアンテナにおいては何れも、例えば前記の非特許文献２などに記載されている様な周知のビーム成形技術を、各アクチュエータに対する電気的な制御に基づいて容易に適用することができる。

（変形例４）
また、上記の各実施例では、圧電素子を用いてアクチュエータを構成しているが、本発明で用いられる可動部材は、例えば超音波などを用いて振動させることによって、周期的に運動させる様にしても良い。この場合、超音波を与える手段が別途必要となるが、その代わりに、アレーアンテナの大きさが効果的に抑制できるか、或いは、アクチュエータを作り込む必要がなくなるのでアレーアンテナの構造をより簡単にすることができる。
また、可動部材の運動は、往復運動でも回動運動でも回転運動でも良い。

本発明は、無線通信や電磁波センシングに有用であり、例えば、無線通信装置や、車両の事故防止システムやオートクルーズ制御システムなどに用いられる障害物センサや、或いはその他の車両周辺の物体に対する物体探索手段などとして利用することができる。

実施例１のストリップアレーアンテナ１００の斜視図 ストリップアレーアンテナ１００を構成する単位パターン１０の平面図及び断面図。 単位パターン１０の動作を示す他の平面図（誘電体の移動後） 実施例２の単位パターン２０の平面図（誘電体の移動前） 実施例２の単位パターン２０の平面図（誘電体の移動後） 単位パターン２０採用時の効果（シミュレーション結果）を示すグラフ 実施例３の単位パターン３０の平面図（誘電体の移動前） 実施例３の単位パターン３０の平面図（誘電体の移動後） 実施例４のストリップアレーアンテナ４００の斜視図 実施例４の単位パターン４０の平面図（誘電体の移動前） 実施例４の単位パターン４０の平面図（誘電体の移動後） 従来のストリップアレーアンテナの特性を説明する説明図 その他の従来のビーム走査アンテナの平面図。 その他の従来のビーム走査アンテナの断面図。

１００ ： ストリップアレーアンテナ（実施例１）
１０ ，２０ ： 単位パターン（１周期構造）
１１ａ，２１ａ： 伝送線路（主線路）
１１ｂ，２１ｂ： 伝送線路（主線路）
１２ ，２２ ： スタブ
１３ ，２３ ： 誘電体（可動部材）
１４ ，２４ ： 誘電体（可動部材）
１５ ，２５ ： 誘電体基板
１６ ，２６ ： 接地板
１７ ，２７ ： アクチュエータ（圧電素子）
１８ ，２８ ： 応変追従機構（コンプライアンス機構）
２９ ： 支点
Ｇｎ ： ギャップ（ｎは自然数）

Claims (5)

1. 誘電体基板と、伝送線路とその伝送線路を途中で分断するギャップと、伝送線路から枝分かれするスタブとを１組とする単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、
   前記誘電体基板の表面または内部に設けられ、前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、位置または向きの変動により、前記ギャップが供するキャパシタンス成分を変動可能とする第１可動部材および前記スタブが供するインダクタンス成分を変動可能とする第２可動部材と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、前記第１可動部材および第２可動部材の位置または向きを変化させる圧電素子と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、一端が前記第１可動部材および前記第２可動部材とに接続され、他端が前記圧電素子に接続された二股構造から成り、前記圧電素子の変位を前記第１可動部材および前記第２可動部材とに同時に伝達して、前記第１可動部材および前記第２可動部材の位置または向きを、同時に、変動させる応変追従機構と、
   を有し、
   周波数１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの電磁波に対して、前記単位パターンの所定の配列の向きに対して、負の向きの成分から正の向きの成分まで、指向性の方位角を走査可能とした ことを特徴とするアレーアンテナ。
2. 誘電体基板と、伝送線路とその伝送線路を途中で分断するギャップと、伝送線路から枝分かれするスタブとを１組とする単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、
   前記誘電体基板の表面または内部に設けられ、前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、位置または向きの変動により、前記ギャップが供するキャパシタンス成分を変動可能とする第１可動部材および前記スタブが供するインダクタンス成分を変動可能とする第２可動部材と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、前記第１可動部材および第２可動部材の位置または向きを変化させる圧電素子と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、一端が前記第１可動部材に接続されその接続点を作用点とし、他端を不動点であって回動可能な軸を形成する支点とする第１連結部と、一端が前記第２可動部材に接続されその接続点を作用点とし、他端を不動点であって回動可能な軸を形成する支点とする第２連結部と、一端が前記第１連結部および第２連結部に接続されその接続点を力点とし、他端が前記圧電素子に接続された二股構造をした第３連結部とを有し、前記作用点と前記力点との距離を、前記力点と前記支点との距離よりも長くし、前記圧電素子の変位を前記第１可動部材および前記第２可動部材とに同時に伝達して、前記第１可動部材および前記第２可動部材の位置または向きを、同時に、変動させる応変追従機構と、
   を有し、
   周波数１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの電磁波に対して、前記単位パターンの所定の配列の向きに対して、負の向きの成分から正の向きの成分まで、指向性の方位角を走査可能とした ことを特徴とするアレーアンテナ。
3. 誘電体基板と、伝送線路とその伝送線路を途中で分断するギャップと、伝送線路から枝分かれするスタブとを１組とする単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、
   前記誘電体基板の表面または内部に設けられ、前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、位置または向きの変動により、前記ギャップが供するキャパシタンス成分を変動可能とする第１可動部材および前記スタブが供するインダクタンス成分を変動可能とする第２可動部材と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、前記第１可動部材の位置または向きを変化させる第１圧電素子と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、前記第２可動部材の位置または向きを変化させる第２圧電素子と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、一端が前記第１可動部材に接続されその接続点を作用点とし、他端が前記第１圧電素子に接続されその接続点を力点とし、折り曲げ点における折り曲げ角が変化できるＺ字形状に屈曲形成され、前記作用点と前記力点との間に不動点であって回動可能な軸を形成する支点を有し、前記支点と前記作用点の間の距離を、前記支点と前記力点との距離よりも長くし、前記圧電素子の変位により前記折り曲げ角が変化することにより、前記第１可動部材を変位させる第１応変追従機構と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第１可動部材および第２可動部材と同一面上に設けられ、一端が前記第２可動部材に接続されその接続点を作用点とし、他端が前記第２圧電素子に接続されその接続点を力点とし、折り曲げ点における折り曲げ角が変化できるＺ字形状に屈曲形成され、前記作用点と前記力点との間に不動点であって回動可能な軸を形成する支点を有し、前記支点と前記作用点の間の距離を、前記支点と前記力点との距離よりも長くし、前記圧電素子の変位により前記折り曲げ角が変化することにより、前記第２可動部材を変位させる第２応変追従機構と、
   を有し、
   周波数１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの電磁波に対して、前記単位パターンの所定の配列の向きに対して、負の向きの成分から正の向きの成分まで、指向性の方位角を走査可能とした ことを特徴とするアレーアンテナ。
4. 前記圧電素子は、前記単位パターン毎にそれぞれ個別に設けられ、
   前記可変制御は、前記単位パターン毎にそれぞれ互いに独立して実行される
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のアレーアンテナ。
5. 誘電体基板と、伝送線路とその伝送線路を途中で分断するギャップと、伝送線路から枝分かれするスタブとを１組とする単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、
   前記誘電体基板の表面または内部に設けられ、前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、位置または向きの変動により、前記ギャップが供するキャパシタンス成分を変動可能とする第１可動部材および前記スタブが供するインダクタンス成分を変動可能とする第２可動部材と、
   前記単位パターン毎の前記第１可動部材を全単位パターンに対して連結し、前記単位パターンの配列方向に伸びた第１連結部材と、
   前記単位パターン毎の前記第２可動部材を全単位パターンに対して連結し、前記単位パターンの配列方向に伸びた第２連結部材と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第１可動部材と同一面上に設けられ、前記第１連結部材に接続され、前記第１可動部材の位置または向きを変化させる第１圧電素子と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第２可動部材と同一面上に設けられ、前記第２連結部材に接続され、前記第２可動部材の位置または向きを変化させる第２圧電素子と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第１可動部材と同一面上に設けられ、一端が前記第１連結部材に接続され、他端が前記第１圧電素子に接続され、前記第１圧電素子の変位または変形に応じて変位または変形する第１応変追従機構と、
   前記誘電体基板の表面または内部であって前記第２可動部材と同一面上に設けられ、一端が前記第２連結部材に接続され、他端が前記第２圧電素子に接続され、前記第２圧電素子の変位または変形に応じて変位または変形する第２応変追従機構と、
   を有し、
   周波数１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの電磁波に対して、前記単位パターンの所定の配列の向きに対して、負の向きの成分から正の向きの成分まで、指向性の方位角を走査可能とした ことを特徴とするアレーアンテナ。