JP5054174B2

JP5054174B2 - アンテナ

Info

Publication number: JP5054174B2
Application number: JP2010189369A
Authority: JP
Inventors: 英伸平松; 久松中野
Original assignee: Nihon Dengyo Kosaku Co Ltd
Current assignee: Nihon Dengyo Kosaku Co Ltd
Priority date: 2010-08-26
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2030-08-26
Also published as: JP2012049779A

Description

本発明は、アンテナに係わり、特に、周期ループ構造体と１個の励振素子で、簡単に励振素子から放射される電波の垂直面内あるいは水平面内のビーム方向を変更する方法に関する。

例えば、図１０に示す従来の６素子コーナフレクタンテナに示すように、アンテナにおいて、利得を増大させるには、ダイポールアンテナを増やし、開口面で等位相となる面積を増大させる必要がある。なお、図１０において、１０はコーナフレクタ、１２_１〜１２_６はダイポールアンテナである。なお、コーナフレクタンテナは、例えば、下記特許文献１に記載されている。

特開平８−３７４１９号公報

図１０に示す従来の６素子コーナフレクタンテナにおいて、サイドローブの顕著な劣化を招くことなしにビームチルトを実現するには、各ダイポールアンテナ（１２_１〜１２_６）の励振位相を順番に変えてやる必要があるため、電気長の異なる給電線路をダイポールアンテナ（１２_１〜１２_６）の数だけ用意し、さらにそれらを分岐させるための分岐端子も用意したり、チルト角可変の場合は、最低３個の差動型移相器とそれに付随する給電線路や分岐端子を用意したりする必要がある。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、周期ループ構造体と１個の励振素子で、簡単に励振素子から放射される電波の電界面内あるいは磁界面内のビーム方向を変更することが可能となる指向特性変更方法を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）反射板と、前記反射板上に配置され、複数のループ素子がマトリクス状に配置された周期ループ構造体と、前記反射板と前記周期ループ構造体との間に配置される励振素子とを有するアンテナであって、前記周期ループ構造体の各ループ素子の外縁長は同じであり、前記周期ループ構造体における、第１方向に沿って配置される１行ないしｍ行毎のループ素子の内縁長は、第１行目から第ｍ行目に向かって順次大きくなっている。
（２）（１）において、前記励振素子は、パッチアンテナ、あるいは、ダイポールアンテナである。
（３）（２）において、前記第１方向は、電界方向、あるいは、磁界方向である。

本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
本発明によれば、周期ループ構造体と１個の励振素子で、簡単に励振素子から放射される電波の電界面内あるいは磁界面内のビーム方向を変更することが可能となる。

本発明の実施例のアンテナの概略構成を示す斜視図である。図１に示す周期ループ構造体の平面図である。図２Ａに示す周期ループ構造体の一部を拡大して示す図である。本発明の実施例のアンテナの断面図である。図１に示す励振素子の平面図である。本発明の他の実施例の励振素子の平面図である。本発明の実施例のアンテナの電界面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。図４Ａに示すパッチアンテナの電界面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。本発明の前提となるアンテナの周期ループ構造体の平面図である。本発明の前提となるアンテナの電界面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。本発明の実施例のアンテナの利得特性を示すグラフである。従来の６素子コーナフレクタンテナを示す斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施例は、本発明の特許請求の範囲の解釈を限定するためのものではない。
図１ないし図４は、本発明の実施例のアンテナの一例を説明するための図である。
図１は、本発明の実施例のアンテナの一例の概略構成を示す斜視図、
図２Ａは、図１に示す周期ループ構造体の平面図、
図２Ｂは、図２Ａに示す周期ループ構造体の一部を拡大して示す図、
図３は、本発明の実施例のアンテナの断面図、
図４Ａは、図１に示す励振素子の平面図である。
本実施例のアンテナは、金属板から成る反射板１と、反射板１上に配置される誘電体基板４と、誘電体基板４上に配置される励振素子（本実施例のアンテナでは、パッチアンテナ）２と、励振素子２上に配置される周期ループ構造体３とを有する。
ここで、誘電体基板４の厚さ（換言すれば、反射板１と励振素子２の間隔；図３のＬ１５）は、０．０３λｏ（λｏは、使用中心周波数ｆｏの自由空間波長）であるが、誘電体基板４の厚さは、励振素子２の種類（ダイポールアンテナ素子、あるいはパッチアンテナなど）において、入力インピーダンスが適切な値になるように設定すればよい。
また、図２Ａに示すように、周期ループ構造体３は、マトリクス状に配置された複数のループ素子５で構成される。
また、反射板１と周期ループ構造体３との間隔（図３のＬ１４＋Ｌ１５）は、０．５３λｏである。反射板１と、周期ループ構造体３との間の空間に誘電体層を設けた場合は、反射板１と周期ループ構造体３との間隔（図３のＬ１４＋Ｌ１５）は、誘電体の比誘電率εrの平方根√（εr）で除した値とされる。

なお、マトリクス状に配置された複数のループ素子５の数は、要求される指向特性によって増減することができる。
後述する図７に示す周期ループ構造体３を備える本実施例の前提となるアンテナにおいて、励振素子２で励振・放射された電波は、反射板１と周期ループ構造体３との間で反射を繰り返すが、反射板１と周期ループ構造体３との間隔が、約（ｎ／２）λｏ（ｎは整数）の場合、間隙から放射された電波は同相で放射される。
周期ループ構造体３は、核となるループ素子５のインダクタンスと、隣接するループ素子５との間でキャパシタンスを形成するため、固有のインピーダンス面を作り出す。そして、周期ループ構造体３のループ素子５の大きさと間隔を適切に選ぶことにより適切なインピーダンス面を実現し、大きな利得を得ることができる。
なお、核となるループ素子５のループ長は、１．０４λｏ（即ち、ループ素子５の一辺の長さは、０．２６λｏ）が望ましく、核となるループ素子５のループ長が１．０４λｏより短い場合には、隣接するループ素子５との間隔を狭め、核となるループ素子５のループ長が１．０４λｏより長い場合には、隣接するループ素子５との間隔を広げる必要がある。
また、図４に示すように、励振素子２は、正方形形状のパッチアンテナで構成される。なお、図４において、２０は給電点である。

［本実施例のアンテナの特徴］
図２Ａに示すように、本実施例では、周期ループ構造体３の各ループ素子５の外縁長（図２Ｂの長破線（−−−−−−）で示す長さ）が同じであり、周期ループ構造体３における、第１方向（図１の矢印Ａ；所謂、電界方向）に沿って配置される１行ないしｍ行毎のループ素子５の内縁長（図２Ｂの破線（---------）で示す長さ）が、第１行目から第ｍ行目に向かって順次大きくなっていることを特徴とする。なお、図２Ｂにおいて、Ｋは区間を示す。
本実施例のアンテナのパラメータの一例を以下に示す。
（１）励振素子２を構成するパッチアンテナの寸法（図４ＡのＬ１５、Ｌ１６）が、０．２６λｏ（Ｌ１５＝Ｌ１６＝０．２６λｏ）
（２）各ループ素子５の間隔（図３のＬ１２）が、０．０４λｏ（Ｌ１２＝０．０４λｏ）
（３）各ループ素子５の外縁長（図２の４×Ｌ１０）が、１．４４λｏ（４×Ｌ１０＝１．４４λｏ）
（４）第１行目のループ素子５の内縁長（図２の４×（Ｌ１０−２×Ｌ１））が、０．７２λｏ（４×（Ｌ１０−２×Ｌ１）＝０．７２λｏ）
（５）第２行目のループ素子５の内縁長（図２の４×（Ｌ１０−２×Ｌ２））が、０．８λｏ（４×（Ｌ１０−２×Ｌ２）＝０．８λｏ）
（６）第３行目のループ素子５の内縁長（図２の４×（Ｌ１０−２×Ｌ３））が、０．８８λｏ（４×（Ｌ１０−２×Ｌ３）＝０．８８λｏ）
（７）第４行目のループ素子５の内縁長（図２の４×（Ｌ１０−２×Ｌ４））が、０．９６λｏ（４×（Ｌ１０−２×Ｌ４）＝０．９６λｏ）
（８）第５行目のループ素子５の内縁長（図２の４×（Ｌ１０−２×Ｌ５））が、１．０４λｏ（４×（Ｌ１０−２×Ｌ５）＝１．０４λｏ）
（９）第６行目のループ素子５の内縁長（図２の４×（Ｌ１０−２×Ｌ６））が、１．１２λｏ（４×（Ｌ１０−２×Ｌ６）＝１．１２λｏ）
（１０）第７行目のループ素子５の内縁長（図２の４×（Ｌ１０−２×Ｌ７））が、１．２λｏ（４×（Ｌ１０−２×Ｌ７）＝１．２λｏ）
（１１）第８行目のループ素子５の内縁長（図２の４×（Ｌ１０−２×Ｌ８））が、１．２８λｏ（４×（Ｌ１０−２×Ｌ８）＝１．２８λｏ）
（１２）第９行目のループ素子５の内縁長（図２の４×（Ｌ１０−２×Ｌ９））が、１．３６λｏ（４×（Ｌ１０−２×Ｌ９）＝１．３６λｏ）
（１３）周期ループ構造体３の第１方向の寸法（図２のＬ１１）が、３．５６λｏ、第１方向に直交する方向の寸法（図２のＬ１２）が、３．５６λｏ
（１４）使用中心周波数ｆｏが、８ＧＨｚ（ｆｏ＝８ＧＨｚ；従って、λｏ＝３７．５ｍｍ）

図５は、本実施例のアンテナの電界面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフであり、上記パラメータ条件下の電界面内の指向特性を示すグラフである。なお、図５、および後述する図６、図８のグラフは、中心が−３０ｄＢ、最も外側の円が０ｄＢに正規化されている。
以下、本実施例のアンテナと比較する目的で、パッチアンテナの電界面内の指向特性と、本発明の前提となるアンテナの電界面内の指向特性について説明する。
図６は、図４Ａに示すパッチアンテナの電界面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。即ち、図６は、図１に示す本実施例のアンテナにおいて、周期ループ構造体３を取り除いた状態のときの電界面内の指向特性を示す図である。
図７は、本発明の前提となるアンテナの周期ループ構造体３の平面図であり、図８は、本発明の前提となるアンテナの電界面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。
本発明の前提となるアンテナは、図７に示すように、周期ループ構造体３を構成する各ループ素子５が同じ寸法となっている点で、本実施例のアンテナと相異するが、それ以外の構成は、本実施例のアンテナと同じである。
図７に示す本発明の前提となるアンテナのパラメータの一例を以下に示す。
（１）励振素子２を構成するパッチアンテナの寸法（図４ＡのＬ１５、Ｌ１６）が、０．２６λｏ（Ｌ１５＝Ｌ１６＝０．２６λｏ）
（２）各ループ素子５の間隔（図７のＬ１３）が、０．０４λｏ（Ｌ１２＝０．０４λｏ）
（３）各ループ素子５のループ長（図７の４×Ｌ）が、１．０４λｏ（４×Ｌ＝１．０４λｏ）
（４）周期ループ構造体３の第１方向の寸法（図７のＬ１１）が、２．２６λｏ、第１方向に直交する方向の寸法（図７のＬ１２）が、２．２６λｏ
（５）使用中心周波数ｆｏが、８ＧＨｚ（ｆｏ＝８ＧＨｚ；従って、λｏ＝３７．５ｍｍ）

図６に示す指向特性と、図８に示す指向特性とを比較すると、本発明の前提となるアンテナは、パッチアンテナよりも狭ビーム化されていることが分かる。
また、図５に示す指向特性と、図８に示す指向特性とを比較すると、本実施例のアンテナでは、ビームが上側に（図２において、第９行目のループ素子側に約４０°）チルトされていることが分かる。
この理由は、本実施例のアンテナにおいて、周期ループ構造体３の上面の電界の位相が一様でなくなり、周期ループ構造体３の中で内縁長が長いループ素子の周期ループ構造体３の上面の電界の位相が、周期ループ構造体３の中で内縁長が短いループ素子の周期ループ構造体３の上面の電界の位相よりも相対的に遅れるので、電界の位相が相対的に遅れた方向にビームが傾く（所謂、チルトされる）ものと想定される。
例えば、図１０に示す従来の６素子コーナフレクタンテナにおいて、サイドローブの顕著な劣化を招くことなしにビームチルトを実現するには、各放射素子（１２_１〜１２_６）の励振位相を順番に変えてやる必要があるため、電気長の異なる給電線路を放射素子（１２_１〜１２_６）の数だけ用意し、さらにそれらを分岐させるための分岐端子も用意したり、チルト角可変の場合は、最低３個の差動型移相器とそれに付随する給電線路や分岐端子を用意したりする必要がある。
それに対し、本実施例では、周期ループ構造体３における、第１方向（図１の矢印Ａ）に沿って配置される１行ないし９行毎のループ素子５の内縁長を、第１行目から第９行目に向かって順次大きくするだけでよいので、簡単にビームをチルトすることが可能である。
なお、本実施例では、７．８ＧＨｚないし８．１ＧＨｚの周波数帯域において、ビームがチルトされることを確認したが、他の周波数帯域でも、周期ループ構造体３の寸法を最適化することにより、同様な作用・効果を得ることが可能である。
また、本実施例のアンテナにおいて、周期ループ構造体３を構成するループ素子５の形状は正方形に限らず、円形でも、三角形でも、長方形でも、多角形でもよい。

図９は、本実施例のアンテナの利得特性を示すグラフである。図９において、Ａが本実施例のアンテナの利得特性を、Ｂが図４Ａに示すパッチアンテナの利得特性を示す。
図９のＢに示すように、図４Ａに示すパッチアンテナでは、７ＧＨｚ乃至９ＧＨｚの周波数範囲で、最大利得は約７ｄＢｉであるのに対して、図９のＡに示すように、本実施例のアンテナでは、７ＧＨｚ乃至９ＧＨｚの周波数範囲で、最大利得は約１７ｄＢｉとなっている。
このように、本実施例のアンテナは、図４Ａに示すパッチアンテナよりも、利得が大幅に向上していることが分かる。さらに、前述したように、本実施例のアンテナは、図４Ａに示すパッチアンテナよりも、狭ビーム化されていることが分かる。
なお、前述の説明では、周期ループ構造体３における、第１方向（図１の矢印Ａ；所謂、電界方向）に沿って配置される１行ないし９行毎のループ素子５の内縁長を、第１行目から第９行目に向かって順次大きくする場合について説明したが、図４Ｂに示すように、本実施例のアンテナにおいて、周期ループ構造体３における、第１方向と直交する第２方向（図４Ｂの矢印Ｂ；所謂、磁界方向）に沿って配置される１行ないし９行毎のループ素子５の内縁長を、第１行目から第９行目に向かって順次大きくするようにしてもよい。
この場合は、励振素子２から放射される電波のビーム方向（図１に示すＹ−Ｚ面の磁界面内のビーム方向）を変更することも可能である。
また、本実施例１のアンテナにおいて、励振素子２は、パッチアンテナに限定されるものではなく、ダイポールアンテナ等も使用可能である。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

１反射板
２励振素子
３周期ループ構造体
４誘電体基板
５ループ素子
１０コーナレフレクタ
１２_１〜１２_６ダイポールアンテナ（放射素子）
２０給電点

Claims

反射板と、
前記反射板上に配置され、複数のループ素子がマトリクス状に配置された周期ループ構造体と、
前記反射板と前記周期ループ構造体との間に配置される励振素子とを有するアンテナであって、
前記周期ループ構造体の各ループ素子の外縁長は同じであり、
前記周期ループ構造体における、第１方向に沿って配置される１行ないしｍ行毎のループ素子の内縁長は、第１行目から第ｍ行目に向かって順次大きくなっていることを特徴とするアンテナ。
前記励振素子は、パッチアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記励振素子は、ダイポールアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記第１方向は、電界方向であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のアンテナ。
前記第１方向は、磁界方向であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のアンテナ。