JP4990310B2

JP4990310B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP4990310B2
Application number: JP2009045870A
Authority: JP
Inventors: 浩和鴨田; 徹岩崎; 純津持; 孝夫九鬼
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010200263A

Description

本発明は、ミリ波帯通信やレーダー等に用いるアンテナ装置に関し、特に、電子的にビームを形成するリフレクトアレーアンテナに関する。

従来、ミリ波帯通信やレーダー等に用いる送受信用のアンテナ装置として、送受信ビームを電子的に走査可能な電子走査型リフレクトアレーアンテナ（以下、リフレクトアレーアンテナという。）が知られている。

図１は、リフレクトアレーアンテナの概略構成を示す側面図であり、図２は、図１に示すリフレクトアレーアンテナにおける反射素子の配列を示す図である。このリフレクトアレーアンテナ１は、複数の反射素子３がアレー状に配置された反射素子アレー２と、一次放射器４とを備えて構成される。一次放射器４から放射された電磁波の球面波は、各反射素子３にて反射するときに、所定の反射位相に調節されることによって、所望の波面に変換される。この反射位相が電子的に調節されることにより、送受信ビームの電子走査が可能となる。

反射位相を電子的に調節する手法として、スイッチングデバイスを用いて反射位相を量子化し離散的に制御するものがある。例えば、非特許文献１の手法では、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）を利用することにより、反射位相の変化量（位相変化量）を５ビットで量子化している。すなわち、２^５個の離散的な位相変化量を得ている。また、非特許文献２の手法では、スイッチングデバイスとして４個のＰＩＮダイオードを用いることにより、位相変化量を２ビットで量子化している。すなわち、２^２個の離散的な位相変化量を得ている。

このような離散的な位相変化量を実現する反射素子を制御するため、それに必要な配線数は、位相変化量をｎビットで量子化する場合、１個の反射素子に対してｎ本となる。すなわち、量子化ビット数が大きいほど緻密な制御が可能になるが、制御のために必要な配線数は多くなる。一般に、図１に示した反射素子３の間隔は、送受信信号の半波長から１波長程度であり、反射素子３自体のサイズも半波長から１波長程度である。このため、反射素子３の間隔及びサイズの条件を満たすミリ波帯のリフレクトアレーアンテナ１を実現するとすると、各反射素子３の制御に必要な配線は密になり、引き回しが難しくなる。さらに、反射素子３の数が多い場合、例えば、反射素子３の数が１０，０００（ｍ＝１０，０００）の場合、量子化ビット数を５（ｎ＝５）とすると、ｍ×ｎ＝５０，０００本という多大な数の配線が必要となる。

このように、間隔及びサイズの条件を満たす多数の反射素子３を配置してリフレクトアレーアンテナ１を構成し、量子化ビット数を大きくして緻密な制御を行う場合には、反射素子３において配線を行うためのスペースを確保することが難しくなり、配線を行うためのコストも高くなる。したがって、ハードウェアの複雑さ（製作コスト）の観点からは、量子化ビット数は小さい方がよい。

ところで、ハードウェアを簡易な構成にすると共に、量子化ビット数を小さくした例として、特許文献１のリフレクトアレーアンテナが知られている。このリフレクトアレーアンテナの反射素子は、スイッチングデバイスとして３端子素子を用いており、１ビットの量子化を行うことにより、２^１個の離散的な位相変化量を得ている。

一般に、リフレクトアレーアンテナでは、スイッチングデバイスのＯＮ時のインピーダンスＺonと、ＯＦＦ時のインピーダンスＺoffとは、それぞれＺon＝０，Ｚoff＝∞であることが理想的である。このようなインピーダンスのスイッチングデバイスによって、ＯＮとＯＦＦを切り換えた時に１８０°の位相変化（１ビット量子化）を得ることができる。しかしながら、スイッチングデバイスは、特に高周波になると、このような理想的なインピーダンスの値になることはなく、インピーダンスＺon，Ｚoffは、共に０と∞との間の値になる。したがって、無条件に１８０°の位相変化を得ることはできない。

そこで、特許文献１では、理想的な特性のインピーダンスをもたないスイッチングデバイスを用いた場合であっても１８０°の位相変化を得るために、アンテナ素子のインピーダンスが実際のインピーダンスＺon及びＺoffに基づいて所定の値に設定されるように、反射素子を構成している。すなわち、アンテナ素子のインピーダンスＺantennaが以下の式を満足するように、アンテナ素子が設計される。
Ｚantenna^＊＝√（ＺonＺoff）・・・（１）
ここで、＊は複素共役を示す。この式は、信号源インピーダンスと負荷インピーダンスとの間の複素反射係数に関する式から導かれたものである。すなわち、アンテナを信号源、スイッチングデバイスを負荷とした場合に、スイッチングデバイスがＯＮのときの複素反射係数とＯＦＦのときの複素反射係数とが、符号が反対で絶対値が等しいときに、式（１）が得られる。具体的に説明すると以下のようになる。スイッチングデバイスがＯＮのときの複素反射係数Γonは、以下の式で表される。
Γon＝（Ｚon−Ｚantenna^＊）／（Ｚon＋Ｚantenna^＊）・・・（２）
同様に、スイッチングデバイスがＯＦＦのときの複素反射係数Γoffは、以下の式で表される。
Γoff＝（Ｚoff−Ｚantenna^＊）／（Ｚoff＋Ｚantenna^＊）・・・（３）
ここで、複素反射係数の関係が以下の式を満たす場合は、反射位相が１８０°異なることになる。
Γon＝−Γoff ・・・（４）
これを整理すると、式（１）が得られる。

これにより、スイッチングデバイスがＯＮ及びＯＦＦすることによって、反射位相が１８０°変化し、１８０°の位相変化を得ることができる。つまり、特許文献１によれば、１ビットで反射位相を量子化可能な反射素子を構成することができる。ここでは、スイッチングデバイスとして３端子素子であるＦＥＴスイッチを用いており、アンテナ素子としてマイクロストリップパッチ素子を用いている。

米国特許出願公開２００６／０１０９１７６号明細書

J. Perruisseau-Carrier and A. K. Skrivervik, "Monolithic MEMS-based reflectarray cell digitally reconfigurable over a 360° phase range," IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, vol. 7, pp. 138-141, 2008. M. Barba, E. Carrasco, J. E. Page, and J. A Encinar, "Electronic controllable reflectarray elements in X band," Frequenz, vol.61, pp. 203-206, 2007.

このように、特許文献１では、リフレクトアレーアンテナの反射素子によって、１ビットで反射位相を量子化することができる。しかしながら、ミリ波帯（例えば、６０ＧＨｚ以上）の通信やレーダーに用いるリフレクトアレーアンテナに、特許文献１の反射素子を適用した場合には、以下に示す２つの課題が想定される。

第１の課題は、スイッチングデバイスのインピーダンスＺon及びＺoffのみを用いてアンテナ素子を設計すると、所望の動作を期待できないということである。これは、アンテナ素子のインピーダンスＺantennaは、スイッチングデバイス周辺の配線パターン（アンテナ素子以外の伝送線路）の影響を受けてしまい、アンテナ素子の設計条件である前述の式（１）では不十分だからである。

第２の課題は、スイッチングデバイスとして２端子素子を用いた場合に、チョーク回路を設ける必要があり、その設置スペースが必要になるということである。チョーク回路は、スイッチングデバイスをＯＮ／ＯＦＦする制御回路へ、ミリ波帯信号が侵入することを避ける目的で設置される。前述のとおり、反射素子の間隔は、半波長から１波長程度であり、１個の反射素子あたりの面積は、半波長から１波長四方程度である。例えば、ミリ波帯の通信が６０ＧＨｚで行われるとすると、反射素子の間隔は、２．５〜５ｍｍ程度であり、反射素子の面積は、２．５〜５ｍｍ四方程度である。つまり、半波長から１波長四方の面積内に、アンテナ素子、スイッチングデバイス及び制御のために必要な配線を収める必要がある。このような実装面積の観点からすると、スイッチングデバイスは、３端子素子よりもサイズの小さい２端子素子の方が好ましい。しかしながら、スイッチングデバイスとして２端子素子を用いる場合には、制御回路にミリ波帯信号が侵入しないようにするためのチョーク回路が必要となる。そこで、チョーク回路の設置に伴って、反射素子に新たな面積を確保しなくても済む工夫が必要となる。

そこで、本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、２端子素子のスイッチングデバイスを含む反射素子を備えたアンテナ装置において、所定の位相変化を得ることができ、チョーク回路の設置に伴う反射素子の大型化を防ぐと共に、反射素子の設計自由度を高めることが可能なアンテナ装置を提供することにある。

本発明者らは、前記第１の課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、アンテナ素子の入力インピーダンスを、スイッチングデバイスの入力インピーダンスのみに基づいて決定するのではなく、これに加えて、スイッチングデバイスの周辺の配線パターンの分布定数回路を考慮した、総合的な入力インピーダンスに基づいて決定する必要があることを見出した。具体的な式を以下に示す。
Ｚantenna^＊＝√（Ｚon_totalＺoff_total）・・・（５）
ここで、Ｚon_total，Ｚoff_totalは、スイッチングデバイスがＯＮ，ＯＦＦしたときのスイッチングデバイス及びその周辺の配線パターンを考慮した総合的な入力インピーダンスである。このようにして決定された入力インピーダンスをもつアンテナ素子を用いることにより、スイッチングデバイスのＯＮ及びＯＦＦ時に、所定の位相変化を精度高く得ることができる。

また、本発明者らは、前記第２の課題を解決するため、アンテナ素子を形成した基板の層の下に、さらに基板によって複数の層を積層して反射素子を形成する。これらの複数の層を利用して、アンテナ素子の直下にチョーク回路を形成することを見出した。これにより、チョーク回路の設置に伴い、反射素子の反射面に新たな面積を確保しなくても済み、反射素子の大型化を防ぐことができる。

すなわち、本発明によるアンテナ装置は、複数の反射素子が電磁波を所定の位相で反射するアンテナ装置において、前記反射素子が、複数の誘電体基板を積層して構成され、第１の層に、アンテナ素子と、前記アンテナ素子に接続された第１のスタブと、第２のスタブと、前記第１のスタブと第２のスタブとの間に実装された２端子素子のスイッチングデバイスとが形成され、他の層に、前記アンテナ素子にヴィアを介して接続された金属体、および前記金属体から所定長離して接地された他の金属体を含むチョーク回路が形成され、前記アンテナ素子の入力インピーダンスを、前記スイッチングデバイスが実装された第１のスタブ及び第２のスタブにおける、前記スイッチングデバイスがＯＮのときの入力インピーダンスと、前記スイッチングデバイスがＯＦＦのときの入力インピーダンスとに基づいて設定されたインピーダンスとする、ことを特徴とする。

また、本発明によるアンテナ装置は、前記チョーク回路が、前記第１の層に形成されたアンテナ素子に接続され、前記他の層を貫通するヴィアと、前記ヴィアに接続され、前記他の層に形成された金属体とを有し、前記金属体が形成された他の層には、前記金属体との間を所定のギャップによって隔離し、かつ接地された他の金属体が形成されている、ことを特徴とする。

また、本発明によるアンテナ装置は、前記ヴィアが、前記アンテナ素子の略中心に接続され、前記第１の層に対して前記他の層を垂直に貫通しており、前記他の層に形成された金属体が、前記ヴィアを中心にして対称性のある円盤状をなし、前記ギャップが、前記ヴィアを中心にして対称性のあるリング状をなしている、ことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、所定の位相変化を得ることができ、反射素子の大型化を防ぐことができる。また、アンテナ素子のインピーダンスに合わせて、アンテナ素子周辺に存在する部材のインピーダンスを決定することができるから、反射素子の設計自由度を高めることが可能となる。

リフレクトアレーアンテナの概略構成を示す側面図である。反射素子の配列を示す図である。本発明の実施形態によるリフレクトアレーアンテナに用いる反射素子の層構成を示す横立面図である。（１）レイヤ１のパターン形状を示す図である。（２）レイヤ２のパターン形状を示す図である。（３）レイヤ３のパターン形状を示す図である。ＰＩＮダイオード、スタブ及びヴィアの等価回路を説明する図である。反射素子のチョーク回路を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて詳細に説明する。
図３は、本発明の実施形態によるリフレクトアレーアンテナ１に用いる反射素子３の層構成を示す横立面図である。この反射素子３は、ＰＩＮダイオード３０、パッチ３１、スタブ（短絡スタブ）３２−１，３２−２、誘電体基板３３−１〜３３−３、ヴィア３４−１，３４−２、金属体３５−１，３５−２，３６，３７−１，３７−２を備えて構成される。また、反射素子３は、金属体３７−１，３７−２を介して制御回路３８に接続されている。ＰＩＮダイオード３０は、２端子素子のスイッチングデバイスであり、アノードがスタブ３２−１に接続され、カソードがスタブ３２−２に接続されている。パッチ３１はアンテナ素子であり、マイクロストリップパッチ素子が用いられる。制御回路３８は、ＰＩＮダイオード３０をＯＮ／ＯＦＦ制御するためのバイアス回路であり、制御電圧を印加する。

誘電体基板３３−１〜３３−３は３層の誘電体層を形成する。これらの材質は、例えばテフロン（登録商標）であり、３層とも同じであってもよいし、異なってもよい。また、パッチ３１及びスタブ３２−１，３２−２は金属体からなり、エッチングまたは蒸着によって誘電体基板３３−１上に、レイヤ１としてパターン形成されている。また、金属体３５−１，３５−２もエッチング等によって誘電体基板３３−１，３３−２の間に、レイヤ２としてパターン形成されている。また、金属体３６もエッチング等によって誘電体基板３３−２，３３−３の間に、レイヤ３としてパターン形成されている。また、金属体３７−１，３７−２もエッチング等によって誘電体基板３３−３下に、レイヤ４としてパターン形成されている。レイヤ１は誘電体基板３３−１の上部（一次放射器４方向）に存在し、レイヤ２は誘電体基板３３−１，３３−２の間に存在し、レイヤ３は誘電体基板３３−２，３３−３の間に存在し、レイヤ４は誘電体基板３３−３の下部（制御回路３８方向）に存在する。つまり、反射素子３は、複数の層が積層された多層構造になっている。

反射素子３において、レイヤ１が存在する面が、一次放射器４からの電磁波を反射する反射面である。

ヴィア３４−１，３４−２において、中央部は空洞であり、周辺部は金属体からなる円筒状に形成されている。中央部の空洞には、樹脂または金属が充填されていてもよい。ヴィア３４−１，３４−２は、誘電体基板３３−１〜３３−３及びレイヤ１〜レイヤ４を垂直に貫通している。ヴィア３４−１の金属体は、レイヤ１のパッチ３１、レイヤ２の金属体３５−２、レイヤ３の金属体３６、及びレイヤ４の金属体３７−２に接続されている。また、ヴィア３４−２の金属体は、レイヤ１のスタブ３２−２、レイヤ２の金属体３５−１、及びレイヤ４の金属体３７−１に接続されている。前述した金属体は、例えば銅である。

反射素子３を上から（一次放射器４側から）見たときの四方サイズは、２．５〜５ｍｍである。誘電体基板３３−１の層厚サイズｈ１は約０．２５４ｍｍであり、誘電体基板３３−２の層厚サイズｈ２は約０．０６〜０．０７ｍｍであり、誘電体基板３３−３の層厚サイズｈ３は約０．８７６ｍｍである。反射素子３における誘電体基板３３−１〜３３−３を含むレイヤ１からレイヤ４までの高さは約１．２ｍｍである。

図４（１）〜（３）は、それぞれレイヤ１〜レイヤ３のパターン形状を示す図である。図４（１）〜（３）に示すように、レイヤ１を形成するパッチ３１及びスタブ３２、レイヤ２を形成する金属体３５−１，３５−２、及び、レイヤ３を形成する金属体３６は、エッチングまたは蒸着によって、それぞれのパターンが形成される。

図４（１）に示すように、レイヤ１において、パッチ３１は、四角形盤状をなしており、その中央にはヴィア３４−１による空洞が存在する。パッチ３１の一辺の中央部は、長方形盤状のスタブ３２−１の一端に接続されている。スタブ３２−１の他端は、ＰＩＮダイオード３０を介して長方形盤状のスタブ３２−２の一端に接続されており、スタブ３２−２の他端は、ヴィア３４−２の金属体に接続されている。このように、ＰＩＮダイオード３０は、スタブ３２の途中が分割されたスタブ３２−１とスタブ３２−２との間に接続され、間隙を設けた箇所に実装されている。スタブ３２−１，３２−２は、スイッチングデバイスであるＰＩＮダイオード３０周辺の配線パターンとなる。

パッチ３１のサイズａは約１．９ｍｍ、ｂは約１．５ｍｍであり、スタブ３２−１，３２−２及びＰＩＮダイオード３０のサイズｃは約０．９ｍｍである。

図４（２）に示すように、レイヤ２において、金属体３５−１は、四角形盤状をなしており、ヴィア３４−２による空洞が存在し、金属体３５−２との間でリング状のギャップが設けられている。また、この金属体３５−１は接地されている（図示なし）。金属体３５−２は、円盤状をなしており、その中央にはヴィア３４−１による空洞が存在する。

図４（３）に示すように、レイヤ３において、金属体３６は、円盤状をなしており、その中央にはヴィア３４−１による空洞が存在する。また、レイヤ３には、ヴィア３４−２による金属体及び空洞が存在する。

〔アンテナ素子の入力インピーダンス〕
図３に示した反射素子３のパッチ３１は、アンテナ素子として、その入力インピーダンスＺantenna（図４（１）を参照）が以下の式を満たすように設計される。
Ｚantenna^＊＝√（Ｚon_stubＺoff_stub）・・・（６）
ここで、Ｚon_stub，Ｚoff_stubは、スタブ３２−１がパッチ３１に接続されているところからみた、ＰＩＮダイオード３０がＯＮ，ＯＦＦしたときのＰＩＮダイオード３０を含むスタブ３２（３２−１，３２−２）の入力インピーダンスである。この式（６）は、前述した式（１）と同様に、信号源インピーダンスと負荷インピーダンスとの間の複素反射係数に関する式から導かれたものである。この式を満たすパッチ３１を用いることにより、ＰＩＮダイオード３０がＯＮ及びＯＦＦすることによって、反射素子３は、反射位相が１８０°変化し、１８０°の位相変化を得ることができる。つまり、１ビットで反射位相を量子化可能な反射素子３を構成することができる。

図５は、ＰＩＮダイオード３０、スタブ３２−１，３２−２及びヴィア３４−２の等価回路を説明する図である。入力インピーダンスＺon_stub，Ｚoff_stubについて、図５に示す等価回路を用いて説明する。Ｚs1，Ｚs2は、それぞれスタブ３２−１，３２−２線路の特性インピーダンスであり、βs1，βs2は、それぞれスタブ３２−１，３２−２線路の位相定数であり、ｌ１，ｌ２は、それぞれスタブ３２−１，３２−２線路の長さである。Ｌviaは、ヴィア３４−２のインダクタンスである。ヴィア３４−２の一端は、レイヤ２の金属体３５−１を介して接地されている。ＰＩＮダイオード３０は、ＯＮ時には、抵抗成分ＲとインダクタンスＬとが直列接続された回路と等価になり、ＯＦＦ時には、キャパシタンスＣとインダクタンスＬとが直列接続された回路と等価になる。

これにより、ＰＩＮダイオード３０がＯＮしたときの入力インピーダンスＺon_stubは、スタブ３２−１の長さｌ１、特性インピーダンスＺs1及び位相定数βs1、ＰＩＮダイオード３０の抵抗成分Ｒ及びインダクタンスＬ、スタブ３２−２の長さｌ２、特性インピーダンスＺs2及び位相定数βs2、並びに、ヴィア３４−２のインダクタンスＬviaにより決定される。また、ＰＩＮダイオード３０がＯＦＦしたときの入力インピーダンスＺoff_stubは、スタブ３２−１の長さｌ１、特性インピーダンスＺs1及び位相定数βs1、ＰＩＮダイオード３０のキャパシタンスＣ及びインダクタンスＬ、スタブ３２−２の長さｌ２、特性インピーダンスＺs2及び位相定数βs2、並びに、ヴィア３４−２のインダクタンスＬviaにより決定される。

ここで、特性インピーダンスＺs1，Ｚs2及び位相定数βs1，βs2は、スタブ３２−１，３２−２の幅によっても決定されるから、その幅を変更することによって、入力インピーダンスＺon_stub，Ｚoff_stubの値を変更することができる。つまり、反射素子３を実装する際に１個の反射素子３に許容される面積の範囲内で、スタブ３２−１，３２−２の幅を変更することにより、入力インピーダンスＺon_stub，Ｚoff_stubの値を自由に設定することができる。同様に、１個の反射素子３に許容される面積の範囲内で、スタブ３２−１，３２−２の長さｌ１，ｌ２を変更することによっても、入力インピーダンスＺon_stub，Ｚoff_stubの値を自由に設定することができる。

このように、本発明の実施形態による反射素子３によれば、アンテナ素子であるパッチ３１の入力インピーダンスＺantennaを所定の値にするために、ＰＩＮダイオード３０が実装されるスタブ３２−１，３２−２の幅、長さｌ１，ｌ２を設定して、入力インピーダンスＺon_stub，Ｚoff_stubを調整することができる。すなわち、パッチ３１の入力インピーダンスＺantennaに適合したスタブ３２−１，３２−２を、その幅及び長さを選定することによって設計することができるから、反射素子３の設計自由度を高めることができる。また、ヴィア３４−２の太さを変更することによっても、入力インピーダンスＺon_stub，Ｚoff_stubの値が影響を受けて変動する。したがって、これらも考慮して、反射素子３を設計することができるから、その設計自由度を高めることができる。つまり、本発明の実施形態では、アンテナ素子であるパッチ３１の入力インピーダンスＺantennaに合わせて、入力インピーダンスＺon_stub，Ｚoff_stubを調整し、スタブ３２−１，３２−２及びヴィア３４−２も含めて総合的に設計することができるから、反射素子３の設計自由度を一層高めることができる。尚、以下に説明するチョーク回路の存在によっても、パッチ３１の素子の入力インピーダンスＺantennaの値が影響を受けて変動する。したがって、これも考慮してパッチ３１を設計し、反射素子３を設計することができるから、その設計自由度を一層高めることができる。

また、本発明の実施形態では、スイッチングデバイスであるＰＩＮダイオード３０だけでなく、その周辺の配線パターン（スタブ３２−１，３２−２及びヴィア３４−２）も考慮した式（６）を満たすように反射素子３を設計することができる。これにより、スイッチングデバイスのインピーダンスのみを考慮して設計していた従来に比べ、所定の位相変化を精度高く得ることが可能となる。

〔チョーク回路〕
ところで、図３〜図５に示した反射素子３においては、ＰＩＮダイオード３０をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御回路３８へミリ波帯信号が侵入しないようにするためのチョーク回路が必要である。一次放射器４からのミリ波帯信号がパッチ３１で受信され、パッチ３１、スタブ３２、ＰＩＮダイオード３０、レイヤ２の金属体３５にミリ波帯信号が流れている。チョーク回路は、このミリ波帯信号が制御回路３８へ侵入しないようにするため、ＰＩＮダイオード３０のアノード側に設けられている。

図３において、チョーク回路は、レイヤ１におけるパッチ３１のほぼ中央に設けられたヴィア３４−１の一端から、レイヤ２，３を介してレイヤ４における金属体３７−２のほぼ中央に設けられたヴィア３４−１の他端までの間の部材により構成される。すなわち、チョーク回路は、パッチ３１の直下（誘電体基板３３−１におけるパッチ３１の位置から垂直な下方向に、そのパッチ３１の位置に対応した付近）に設けられている。つまり、パッチ３１と制御回路３８との間に設けられ、パッチ３１及び制御回路３８に接続されている。チョーク回路を構成するヴィア３４−１は、レイヤ２において円盤状の金属体３５−２のほぼ中央を貫通し、レイヤ３において金属体３５−２の直径よりも大きい円盤状の金属体３６のほぼ中央を貫通している。

図６は、反射素子３のチョーク回路を説明する図である。チョーク回路３９は、インダクタンス及びキャパシタンスを有した回路である。前述のとおり、その一端は、ＰＩＮダイオード３０のアノード側にスタブ３２−１及びパッチ３１を介して接続され、他端が制御回路３８に接続されている。チョーク回路３９のインダクタンス及びキャパシンタンスは、レイヤ１〜４におけるヴィア３４−１、レイヤ２における金属体３５−１，３５−２、レイヤ３における金属体３６、及びレイヤ４における金属体３７−２によって決定されるものである。

このように、本発明の実施形態による反射素子３によれば、アンテナ素子であるパッチ３１の直下に、チョーク回路３９を構成する部材を、積層を利用して配置するようにした。これにより、チョーク回路３９を配置するために別途のスペースを必要とせず、反射素子３に新たな面積が必要になることはない。

また、本発明の実施形態による反射素子３によれば、チョーク回路３９を構成するレイヤ２の金属体３５−２の周りに、接地された金属体３５−１との間を絶縁するためのギャップを設けるようにした。これにより、接地部材である金属体３５−１との短絡を防ぐことができる。金属体３５−２と金属体３５−１との間のギャップを小さくすることにより、キャパシタンスが大きくなり、ミリ波帯信号を金属体３５−１の接地部材に逃がすことができる。これにより、制御回路３８へのミリ波帯信号の侵入を最小限に止めることができる。

また、本発明の実施形態による反射素子３によれば、ヴィア３４−１、及びレイヤ３の金属体３６における円盤状の構造によって、ミリ波領域では誘導性を持つことになる。これにより、ミリ波帯信号が金属体３６を通過しにくくなり、制御回路３８への侵入を最小限に止めることができる。

また、本発明の実施形態による反射素子３によれば、パッチ３１と制御回路３８との間の部材（ヴィア３４−１、誘電体基板３３−１〜３３−３、金属体３５−２，３６，３７−２）による制御電圧用の配線構造が、パッチ３１のほぼ中央に存在するヴィア３４−１を中心にして、対称になっている。これにより、交差偏波特性を良好に保つことができる。例えば、制御電圧用の配線が、パッチ３１と同一面上でその１辺に接続されている場合には、パターンの対称性が崩れるので、電流分布の対称性がなくなり、交差偏波特性が劣化してしまう。これに対し、本発明の実施形態では、ヴィア３４−１、レイヤ２における金属体３５−２のパターン及びギャップ、レイヤ３における金属体３６のパターンが、パッチ３１のほぼ中央を中心として対称になるように形成されているから、電流分布の対象性を確保でき、交差偏波特性の劣化を抑えることができる。つまり、反射素子３において、チョーク回路３９は、パッチ３１のほぼ中央を中心として対称になるように形成されているから、チョーク回路３９の存在によって交差偏波特性が劣化することはない。

以上のように、本発明の実施形態によるリフレクトアレーアンテナ１によれば、ＰＩＮダイオード３０のインピーダンスだけでなく、ＰＩＮダイオード３０の周辺に設置されたスタブ３２−１，３２−２等の配線パターンを考慮して、パッチ３１の入力インピーダンスＺantennaを決定し、これによって設計したパッチ３１をアンテナ素子として用いるようにした。これにより、ＰＩＮダイオード３０のＯＮ及びＯＦＦ時に、１８０°の位相変化を精度高く得ることができる。つまり、反射素子３は、一次放射器４からの電磁波の球面波を、所望の波面に、精度高く変換することができる。また、アンテナ素子であるパッチ３１は、スタブ３２−１，３２−２、ヴィア３４−１，３４−２、金属体３５−２、金属体３６等の各部材の配線パターンを考慮して設計されるから、反射素子３の設計自由度を高めることができる。

また、本発明の実施形態によるリフレクトアレーアンテナ１によれば、スイッチングデバイスとして２端子素子であるＰＩＮダイオード３０を用いるようにし、ミリ波帯信号が制御回路３８へ侵入することを防ぐためのチョーク回路３９を、パッチ３１の直下に設置するようにした。これにより、チョーク回路３９のための余分なスペースが必要なくなり、１個の反射素子３あたりに必要な面積を狭くすることができる。つまり、ミリ波帯のリフレクトアレーアンテナであっても、反射素子３の間隔を、半波長から１波長程度とすることができる。また、チョーク回路３９は、アンテナ素子であるパッチ３１のほぼ中央を中心として対称のパターンで形成されているから、交差偏波特性が劣化することはない。

１リフレクトアレーアンテナ
２反射素子アレー
３反射素子
４一次放射器
３０ＰＩＮダイオード
３１パッチ
３２スタブ
３３誘電体基板
３４ヴィア
３５，３６，３７金属体
３８制御回路
３９チョーク回路

Claims

複数の反射素子が電磁波を所定の位相で反射するアンテナ装置において、
前記反射素子は、複数の誘電体基板を積層して構成され、
第１の層に、アンテナ素子と、前記アンテナ素子に接続された第１のスタブと、第２のスタブと、前記第１のスタブと第２のスタブとの間に実装された２端子素子のスイッチングデバイスとが形成され、他の層に、前記アンテナ素子にヴィアを介して接続された金属体、および前記金属体から所定長離して接地された他の金属体を含むチョーク回路が形成され、
前記アンテナ素子の入力インピーダンスを、前記スイッチングデバイスが実装された第１のスタブ及び第２のスタブにおける、前記スイッチングデバイスがＯＮのときの入力インピーダンスと、前記スイッチングデバイスがＯＦＦのときの入力インピーダンスとに基づいて設定されたインピーダンスとする、ことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記チョーク回路は、前記第１の層に形成されたアンテナ素子に接続され、前記他の層を貫通するヴィアと、前記ヴィアに接続され、前記他の層に形成された金属体とを有し、
前記金属体が形成された他の層には、前記金属体との間を所定のギャップによって隔離し、かつ接地された他の金属体が形成されている、ことを特徴とするアンテナ装置。
請求項２に記載のアンテナ装置において、
前記ヴィアは、前記アンテナ素子の略中心に接続され、前記第１の層に対して前記他の層を垂直に貫通しており、
前記他の層に形成された金属体は、前記ヴィアを中心にして対称性のある円盤状をなし、
前記ギャップは、前記ヴィアを中心にして対称性のあるリング状をなしている、ことを特徴とするアンテナ装置。