JP4938764B2

JP4938764B2 - 指向性制御可能な小型化アレイアンテナ

Info

Publication number: JP4938764B2
Application number: JP2008508612A
Authority: JP
Inventors: 智之藤枝
Original assignee: Pioneer Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: WO2007114255A1; JPWO2007114255A1

Description

技術分野
［０００１］
本発明は、給電素子と非励振素子とを含むアレイアンテナに関する。
背景技術
［０００２］
スーパーゲインアンテナは、モノポールアンテナもしくはダイポールアンテナに反射板を近接させることで本来アンテナ単体が出せる以上のゲインを出せるアンテナである。スーパーゲインアンテナは、反射板の配置により単一指向性を備えるが、該反射板の大きさが所望の共振周波数に依存するためアンテナサイズが通常大きくなる。また、スーパーゲインアンテナは、給電素子から単に長さ１／１０λ以下の間隔を置いた非励振素子を備えることで多共振特性を有することもできるが、スーパーゲインアンテナの指向性制御を可能とする技術は明らかではない。
［０００３］
一方、エスパー（ＥＳＰＡＲ）アンテナは、モノポールもしくはダイポールを給電素子とし、その周囲に非励振素子が配置されるアンテナであり、該非励振素子に装荷されるリアクタンス素子の値を変化せしめることで、制御可能な指向性を備えることができる（非特許文献１参照）。この場合、非励振素子の配置が八木宇田アンテナの原理に基づき素子間隔を１／４波長とすることから、その小型化においては限界がある。
非特許文献１：Ｔ．ＯｈｉｒａａｎｄＫ．Ｇｙｏｄａ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙｓｔｅｅｒａｂｌｅｐａｓｓｉｖｅａｒｒａｙｒａｄｉａｔｏｒａｎｔｅｎｎａｓｆｏｒｌｏｗ−ｃｏｓｔａｎａｌｏｇａｄａｐｔｉｖｅｂｅａｍｆｏｒｍｉｎｇ”，ＩＥＥＥＩｎｔ．Ｃｏｎｆ．ＰｈａｓｅｄＡｒｒａｙＳｙｓｔ．Ｔｅｃｈ．，ｐｐ．１０１−１０４，Ｍａｙ２０００
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００４］
本発明が解決しようとする課題には上記の問題点が一例として挙げられ、指向性制御と共に小型化が可能なアレイアンテナを提供することが本発明の目的である。
課題を解決するための手段
［０００５］
本発明によるアレイアンテナは、１つの給電素子と、該給電素子の周辺に配置された少なくとも１つの非励振素子を含むアレイアンテナであって、該非励振素子は、当該非励振素子の中心軸と該給電素子の中心軸とが非平行となるように該給電素子に対して傾斜しており、該給電素子と該非励振素子との間の最大素子間隔が、該給電素子に供給される無線信号の波長の１０分の１未満であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
［０００６］
［図１］本発明によるアレイアンテナを斜め上方から見た斜視図である。
［図２］図１で示した誘電体１２を上方から見た平面図である。
［図３］本発明の実施例における電気的接続状態を示すブロック図である。
［図４］本実施例におけるアレイアンテナのＶＳＷＲについて計算シミュレーションを行った結果を示すグラフである。
［図５］図３に示したＶＳＷＲの結果の一部を拡大して示すグラフである。
［図６］本実施例におけるアレイアンテナの指向性について計算シミュレーションを行った結果を示すアンテナパターンである。
［図７］目標方向にある非励振素子以外の非励振素子が反射板として機能する様子を説明する説明図である。
［図８］本発明の変形例を示し、本発明によるアレイアンテナを側面から見た断面図である。
符号の説明
［０００７］
１０アレイアンテナ
１１給電素子
１２誘電体
１３ａ〜１３ｄ非励振素子
１４ａ〜１４ｄリアクタンス素子
１７ＲＦ回路
１８制御回路
１９グランド基板
発明を実施するための最良の形態
［０００８］
本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。
［０００９］
図１は、本発明によるアレイアンテナを斜め上方から見た全体を示している。アレイアンテナ１０はグランド基板１９上に配置される四角柱形状の誘電体１２を含み、誘電体１２の柱方向に伸長する中心軸、すなわち、長軸はグランド基板１９の平面に対して略垂直である。グランド基板１９は、例えば、３０ｍｍ四方の誘電体基板であり、その表面は導体に覆われて理想的なアンテナ接地面をなしている。
【００１０】
誘電体１２は、その長軸（Ｚ軸）に沿って内部に埋設されている円柱状の給電素子１１を含む。給電素子１１は、電気的導体であって、波長モノポールアンテナを構成する。給電素子１１の上端は誘電体１２の上端近傍に迄で伸長し、その下端はグランド基板１９の接地面から電気的に絶縁しつつグランド基板１９の背面からマイクロストラップ構造により外部のＲＦ回路（図示せず）に電気的に接続されている。
【００１１】
誘電体１２は、例えばアルミナ等の材料から成形され、その波長収縮効果により、アレイアンテナ１０全体の寸法を小さくしている。所望共振周波数の自由空間における波長をλとし誘電体１２の比誘電率をεｒとすると、その共振波長は波長短縮効果により約λ／√εｒとなる。誘電体１２をアルミナ材料から製造した場合、その比誘電率は約９であり、所望電波信号の波長をその自由空間における波長から約３分の１に短縮する波長短縮効果が得られる。
【００１２】
図２は、図１で示した誘電体１２を上方から見た図を示している。前述のように誘電体１２は給電素子１１を含み、さらに、給電素子１１を囲むようにして４つの非励振素子１３ａ〜１３ｄを含む。４つの非励振素子１３ａ〜１３ｄは、誘電体１２の長軸（Ｚ軸）に略平行に伸びる帯状の電気的導体からなる。これにより、４つの非励振素子１３ａ〜１３ｄの各々の１面は給電素子１１に対向し、その反対面は誘電体１２の長軸（Ｚ軸）から半径方向に向いている。非励振素子１３ａ〜１３ｄの各々の下端は、リアクタンス素子１４ａ〜１４ｄの各々を介してグランド基板１９に接地されている。リアクタンス素子１４ａ〜１４ｄの各々は、容量性のリアクタンス素子からなる。
【００１３】
尚、本図の例では、非励振素子１３ａ〜１３ｄが誘電体１２の側面に形成され、その１面の全部が外部に露出しているように示されているが、本発明にかかる限定はない。非励振素子１３ａ〜１３ｄは、少なくともその一部が誘電体１２の側面に形成されていてもよく、例えば、四角柱である誘電体１２の角に接するように非励振素子が配置されていてもよい。さらには、非励振素子１３ａ〜１３ｄは誘電体１２内部にその一部又は全部が完全に埋設されていてもよい。
【００１４】
また、本図の例では、給電素子１１の長軸と誘電体１２の長軸とが一致しているように示されているが、誘電体１２の長軸と給電素子の長軸とが完全に一致していない形態も有り得る。
【００１５】
給電素子１１と非励振素子１３ａ〜１３ｄの各々との素子間隔は、誘電体１２内で定まる波長の略１／１０波長以下としている。その設計原理は、標準的な八木宇田アンテナにおける設計原理とは異なり、近接無給電素子の設計原理に基づいている。これにより、給電素子１１と非励振素子１３ａ〜１３ｄの各々との間隔を１／４波長よりも小さくすることが可能となっている。
【００１６】
アンテナ設計におけるアンテナ構成パラメータとして、給電素子１１と非励振素子１３ａ〜１３ｄとの間の素子間隔、誘電体１２の誘電体高さ及び誘電体幅、給電素子１１の給電素子長及び給電素子径、非励振素子１３ａ〜１３ｄの非励振素子長及び非励振素子幅、並びにリアクタンス素子１４ａ〜１４ｄの各々の各リアクタンス値がある。これらアンテナ構成パラメータは、例えば、有限要素法等の電磁界解析を用いて所望の周波数で動作するように最適化される。また、給電素子１１は、モノポール素子であり、その給電素子長は、ＲＦ回路１７等の給電部のインピーダンスに合わせて調整される必要がある。
【００１７】
最適化を試みたアンテナ構成パラメータ例としては、所望周波数を２４７３ＭＨｚとし誘電体１２の誘電率を９とした場合に、素子間隔：０．０７５λ、誘電体高さ：２５ｍｍ、誘電体幅：６ｍｍ、給電素子長：２２ｍｍ、給電素子径：２．６ｍｍ、非励振素子長：１０ｍｍ、非励振素子幅：２ｍｍが得られる。さらに、リアクタンス素子１４ａ〜１４ｄの各々の各リアクタンス値として、２ｐＦ、２ｐＦ、４ｐＦ及び２ｐＦが各々得られる。
【００１８】
図３は、本発明の実施例における電気的接続状態を示している。図示されるように、誘電体１２内の給電素子１１は部のＲＦ回路１７に接続され、ＲＦ（無線）信号が給電または受電される。ＲＦ回路１７は、例えば、２．４ＧＨｚ帯の如きＲＦ信号を給電又は受電する回路である。誘電体１２側面の非励振素子１３ａ及び１３ｃは、リアクタンス素子１４ａ及び１４ｃの各々に接続され、容量性のリアクタンスが装荷される。図示されないリアクタンス素子１４ｂ及び１４ｄも同様である。
【００１９】
本実施例では、リアクタンス素子１４ａ〜１４ｄとして可変容量素子であるバラクタダイオードが用いられる。バラクタダイオードの容量は、印加される直流電圧に依存して任意に制御され得る。該直流電圧は、外部の制御回路１８から制御信号として印加される。このようにして、リアクタンス素子１４ａ〜１４ｄの各々に印加する電圧を適切な値とすることにより、各リアクタンスの値が選択され、結果としてアレイアンテナ１０の指向性が任意に制御される。
【００２０】
尚、リアクタンス素子１４ａ〜１４ｄは、チップコンデンサ等のリアクタンス値が一定である固定リアクタンス素子であっても良い。リアクタンス素子１４ａ〜１４ｄの各容量値を所望の指向性に応じて予めから選択することで、固定的な指向性を得ることができる。
【００２１】
図４及び図５は、本実施例におけるアレイアンテナのＶＳＷＲについて計算シミュレーションを行った結果を示している。ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）、すなわち定在波比は、給電線からアンテナへの伝送路における進行波と反射波の電圧比を示す数値であり、ＶＳＷＲが１の場合に給電線からアンテナに供給された電力が全て放射され、それ以外の場合には電力の一部が給電線に反射波として分布して有効に放射されないことを意味する。
【００２２】
図４を参照すると、所望周波数数２．４７３ＧＨｚ付近において反射波が急峻に低減し、ＶＳＷＲの値として約１．０６を示現している。すなわち、アレイアンテナからの反射波が最小化され適切に信号電力の供給が達成され、所望周波数数２．４７３ＧＨｚにおいて適切な共振状態にあることが分かる。次に、図５を参照すると、所望周波数数２．４７３ＧＨｚ付近が拡大されて示されている。ここでは、Ａ点（所望周波数２．４７３ＧＨｚ）においてＶＳＷＲの値として約１．０６を示現していると共に、Ｂ点（所望外周波数２．４６３ＧＨｚ）においてＶＳＷＲの値として約２．７４を示現している。
【００２３】
図６は、本実施例におけるアレイアンテナの指向性について計算シミュレーションを行った結果を示している。アンテナパターン（ａ）は、図５に示されたA点（所望周波数２．４７３ＧＨｚ）における指向性を示し、アンテナパターン（ｂ）は、図５に示されたＢ点（所望外周波数２．４６３ＧＨｚ）における指向性を示している。２つのアンテナパターンの各々において、半径方向は放射電圧の相対値を示し、方位角はアレイアンテナの長軸周りの角度を示している。方位角１３５度を指向性の目標方向としている。
【００２４】
２つのアンテナパターンを比較すると、所望周波数のアンテナパターン（ａ）においてヌル点（放射電圧が略零の点）への深度がより浅く且つ所望方向角（１３５度）方向により偏ったパターンが形成され、より指向性が高いことが認められる。
【００２５】
以上の計算シミュレーション結果を考察するに、各可変リアクタンス素子の値の組み合わせを変えることより、所望の指向性を得る最適な組み合わせが存在することが推察される。かかる最適な組み合わせにおいては、給電素子と放射方向の非励振素子との電磁界結合が非常に強くなり、目標方向にある非励振素子以外の非励振素子が給電素子に対して反射板のように振る舞い、指向性において所望の目標方向への電波の放射が実現できるものと考えられる（図７参照）。
【００２６】
本実施例のアレイアンテナについては、さらなる適切な実験や電磁界解析を行うことで、利得の向上やヌル点を深くする等の最適化がなされ得る。
【００２７】
以上の実施例において、本発明によるアレイアンテナによれば、給電素子と非励振素子との間隔がスーパーゲインアンテナと同様の近接した構成をとりながら、反射板を必要としない形態が実現される。すなわち、リアクタンス素子値を最適な値にすることで放射方向にある非励振素子と給電素子の電磁界結合を強くし、それ以外の非励振素子があたかも反射板を設置したかのような電磁界の振る舞いを与えている。これにより、給電素子の背後に面積の大きい反射板を設置しなくても同等の効果が実現される。
【００２８】
また、本発明によるアレイアンテナによれば、エスパーアンテナのように非励振素子に可変リアクタンス素子を装荷しながらも、八木宇田アンテナのような大きい素子間隔を必要としない形態が実現される。可変リアクタンス素子は、例えばバラクダダイオードとすることで、外部の制御回路によって容易にそのリアクタンス値を変更できることから、指向性の最適化を容易に行うことができる。
【００２９】
さらに、本発明によるアレイアンテナによれば、給電素子と非励振素子との間に誘電体が充填され、該誘電体による波長短縮効果によりさらなる小型化された形態が実現される。すなわち、誘電体を使用することで高さ方向の小型化を可能とし、グランドレスなアンテナが実現される。また、非励振素子は、誘電体の側面に導電部分を形成した後にエッチング処理を施すことで形成することができ、アンテナアレイ全体の容易な製造を可能としている。
【００３０】
尚、以上の実施例において、アレイアンテナに配置される誘電体の形状は四角柱であるとして説明したが、本発明にはかかる限定はなく、誘電体の形状を円柱や他の角柱、もしくは円錐、角錐などを含む多面体としても良い。また、誘電体の形状に応じて非励振素子の数を増やしても良い。かかる変形により、指向性分解能や利得のさらなる向上が可能となる。
＜変形例＞
図８は、本発明によるアレイアンテナの変形例を示している。本発明によるアレイアンテナは、非励振素子が給電素子の周辺に配置され且つ該給電素子に対して傾斜して形成されてもよい。本図を参照すると、図８の（ａ）は、誘電体１２を円錐または角錐とし、その側面に非励振素子１３が給電素子１１に対して傾斜して形成されている形態を示している。また、図８の（ｂ）は、誘電体１２を接地面側に対して倒立した円錐または角錐とし、その側面に非励振素子１３が給電素子１１に対して傾斜して形成されている形態を示している。
【００３１】
図８の（ａ）において、非励振素子１３の給電側である下端１３１と給電素子１１との間隔Ｄ１が定まり、下端１３１の反対端である上端１３２と給電素子１１との間隔Ｄ２が定まる。この場合、非励振素子１３と給電素子１１との素子間隔は、間隔Ｄ２を超える間隔Ｄ１であり、１／１０λ以下であることが要求される。
【００３２】
図８の（ｂ）において、同様にして、間隔Ｄ１及び間隔Ｄ２が定まる。この場合、非励振素子１３と給電素子１１との素子間隔は、間隔Ｄ１を超える間隔Ｄ２であり、１／１０λ以下であることが要求される。
【００３３】
尚、本変形例は非励振素子が給電素子に対して傾斜して形成されている形態であるが、非励振素子が誘電体内部に埋設されている場合も有り得ることから、誘電体の形状は円錐または角錐に限られず、円柱や他の角柱等の多面体であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明によるアレイアンテナは、移動体通信及び無線ＬＡＮ通信の分野に適用し得る。

Claims

１つの給電素子と、前記給電素子の周辺に配置された少なくとも１つの非励振素子を含むアレイアンテナであって、
前記非励振素子は、当該非励振素子の中心軸と前記給電素子の中心軸とが非平行とるように前記給電素子に対して傾斜しており、
前記給電素子と前記非励振素子との間の最大素子間隔が、前記給電素子に供給される無線信号の波長の１０分の１未満であることを特徴とするアレイアンテナ。
前記給電素子と前記非励振素子との間に誘電体が充填されていて、前記波長は前記誘電体内において定まる波長であることを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ。
前記給電素子の全部または一部は、前記誘電体に覆われていること特徴とする請求項５記載のアレイアンテナ。
前記非励振素子の少なくとも一部は、前記誘電体の表面に形成されていることを特徴とする請求項５記載のアレイアンテナ。