JP5518540B2 - アレイアンテナ、レーダ装置、および無線装置 - Google Patents

Description

この発明は、高周波信号を分配する分配器を備えたアンテナ装置に関する。

一般的な分配器としては、Ｔ分岐回路や方向性結合器（例えば特許文献１の背景技術を参照）が知られている。

図１（Ａ）は、Ｔ分岐回路を示す図であり、同図（Ｂ）は、方向性結合器を示す図である。同図（Ａ）に示すＴ分岐回路は、ポート５１から供給された電力をポート５５Ａとポート５５Ｂに分配する回路である。ポート５１は、主線路（５０Ωライン）５２に接続されており、主線路５２は、特性インピーダンスＺａである副線路５３Ａと特性インピーダンスＺｂである副線路５３Ｂに接続されている。副線路５３Ａは、１／４波長（０．２５λｇ：λｇは基板上の波長）の線路長で主線路５４Ａに接続される。同様に、副線路５３Ｂは、０．２５λｇの線路長で主線路５４Ｂに接続される。特性インピーダンスＺａとＺｂの値によって、それぞれの副線路５３Ａおよび副線路５３Ｂにおける伝搬特性が変化するため、特性インピーダンスＺａとＺｂの比率により、ポート５５Ａとポート５５Ｂへの分配率が変化する。

同図（Ｂ）に示す方向性結合器は、主線路７２に接続されるポート７１およびポート７３を有し、主線路７２と電界結合（または磁界結合）する副線路７４と、副線路７４に接続されるポート７５およびポート７６を有する。

副線路７４の結合箇所（主線路７２と平行な箇所）の線路長は、０．２５λｇとなっており、ポート７１から給電された電力は、ポート７３とポート７５に伝送され、ポート７６には伝送されないようになっている。同様に、ポート７３から給電された電力は、ポート７１とポート７６に伝送されるようになっており、ポート７５には伝送されないようになっている。このような方向性結合器は、主線路７２と副線路７４の間隔ｓを変化させると結合度が変化するため、間隔ｓの長さを調整することで、分配率を変化させることができる。

特開２００８−２１９１７５号公報

Ｔ分岐回路では、分配比率は特性インピーダンスの比率に依存する。特性インピーダンスは、線路幅に依存する。取り得る線路幅には物理的に限界があるため、Ｔ分岐回路では、各ポートに１／２ずつの電力供給（１：１の分配比率）から１：４程度の分配比率しか実現することができなかった。

逆に、方向性結合器では、一方のポートは主線路上の伝送であるのに対し、他方のポートは電磁界結合を経て伝送されるため、最低でも１：１０程度の分配比率となり、小さい分配比率を実現することはできなかった。

そこで、この発明は、従来よりも分配比率設定の自由度が大きいアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、入力された信号に応じて電磁波を放射する信号放射手段と、 前記電磁波と電磁界結合して分配電磁波を出力する信号受信手段と、前記分配電磁波を放射するアンテナと、を備えていることを特徴とする。

信号放射手段は、供給された電力に応じた電磁波を放射する。信号放射手段の近傍には、電界結合または磁界結合するプローブ（信号受信手段）を設ける。プローブは、信号放射手段から放射された電磁波から電力を取り出し、アンテナに電力を供給する。信号放射手段とプローブの間隔（またはプローブの長さ）を変化させると結合度が変化し、アンテナに供給される電力が変化する。したがって、信号放射手段とアンテナの電力分配比率を自由に設定することができる。

また、信号受信手段は、前記電磁波をそれぞれ受信する複数の電磁波受信体と、前記電磁波受信体でそれぞれ受信された分配電磁波のうち、アンテナに出力する分配電磁波を選択する電磁波選択手段と、を備えている態様としてもよい。

この場合、接続する信号受信手段を変更すると、アンテナに供給される電力が変化するため、分配比率を動的に変化させることができる。

なお、信号放射手段は、円偏波のアンテナ（例えばヘリカルアンテナ）であっても、直線偏波のアンテナ（例えばダイポールアンテナ等）であってもよい。

また、信号放射手段およびアンテナを用いてアレイアンテナを構成することで、各アンテナ素子への供給電力を変化させることができるため、アレイアンテナの指向性を動的に（電気的に）制御することができる。

この発明によれば、従来よりも分配比率設定の自由度が大きいアンテナ装置を実現することができる。

従来の分配器の構成を示す図である。 本実施形態の分配器の構成を示す図である。 Ｓ２１特性を示す図である。 位相特性を示す図である。 応用例１に係る分配器の構成を示す図である。 応用例２に係る分配器の構成を示す図である。 １つのアンテナ素子から複数のアンテナ素子へ分配を行う例を示す図である。 アレイアンテナの利用例に係る路側無線装置の概要を示した図である。

図２（Ａ）は、本発明の実施形態に係る分配器１の斜視図であり、同図（Ｂ）は分配器１の平面図である。同図（Ｃ）は同分配器１を備えたアンテナ装置１０の概略図である。

分配器１は、給電ポート１１、アンテナ１２、プローブ１３、および出力ポート１４を備えており、アンテナ装置１０全体としては、さらに入力ポート１５およびアンテナ１６を備えている。アンテナ装置は、例えば、マグネトロン等の発振器や受信側の信号処理部を備えたレーダ装置として用いられる。

給電ポート１１は、マグネトロンや信号処理部に接続され、入力された電力をアンテナ１２に供給する。給電ポート１１からアンテナ１２に伝送される電力は、マイクロストリップライン等で構成された伝送線路を介して伝送される。アンテナ１２は、例えば同図に示すようなヘリカルアンテナからなり、供給された電力に応じた電磁波を放射する。給電ポート１１およびアンテナ１２により本発明の信号放射手段を構成する。

プローブ１３は、本発明の信号受信手段に相当し、アンテナ１２の近傍（距離Ｄだけ離れた位置）に配置され、アンテナ１２から放射された電磁波と空間結合し、電力を取り出す。プローブ１３の形状は、環状や渦巻状等、どの様な態様であってもよい。結合態様は、電界結合であっても磁界結合であってもよい。プローブ１３が取り出した電力は、出力ポート１４から出力される。プローブ１３から出力ポート１４に伝送される電力もマイクロストリップライン等で構成された伝送線路を介して伝送される。

同図（Ｃ）に示すアンテナ装置１０において、出力ポート１４から出力された電力は、入力ポート１５に入力される。入力ポート１５に入力された電力（プローブ１３が取り出した電力）は、アンテナ１６に供給される。なお、出力ポート１４から入力ポート１５およびアンテナ１６までの電力もマイクロストリップライン等の線路で伝送される。アンテナ１６は、アンテナ１２と同様にヘリカルアンテナ等からなり、供給された電力に応じた電磁波を放射する（本発明のアンテナに相当する）。

以上のようにして、給電ポート１１から入力された電力は、給電ポート１１およびアンテナ１２に供給されるとともに、一部の電力は空間結合を経て入力ポート１５およびアンテナ１６にも供給される。このようにして、分配器１は、給電ポート１１に供給された電力を分配する。

本実施形態の分配器１では、アンテナ１２とプローブ１３の間隔Ｄを変更することで、所望の分配比率を得ることができるものである。図３を参照して、上記分配器１におけるアンテナ１２とプローブ１３の間隔Ｄを変更したときの結合特性について説明する。

同図（Ａ）は、アンテナ１２からプローブ１３への伝送特性（Ｓ２１特性）を示している。同図（Ａ）に示すグラフの横軸は、周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸は、レベル（ｄＢ）を表す。同図（Ｂ）の表は、Ｃバンド（５．８ＧＨｚ）の信号を伝送する場合において、間隔Ｄを５．５ｍｍから１７ｍｍまで変更したときの結合度の変化を示している。

同図（Ａ）および同図（Ｂ）に示すように、５．８ＧＨｚの信号を伝送する場合、間隔Ｄ＝５．５ｍｍで結合度は−７．０７ｄＢ程度となり、電力比にして１：５程度の分配比率となっていることがわかる。また、間隔Ｄ＝８．５ｍｍで結合度は−９．２３ｄＢ程度となり、間隔Ｄ＝１１．７ｍｍで結合度は−１１．５５ｄＢ程度となり、間隔Ｄ＝１７ｍｍで結合度は−１４．０５ｄＢ程度となる。つまり、間隔Ｄを大きくすると結合度が弱まる。間隔Ｄ＝５．５ｍｍと間隔Ｄ＝１７ｍｍでは、電力比にして５倍程度の差がある。無論、間隔Ｄをさらに小さくすれば結合度がさらに大きくなり、間隔Ｄをさらに大きくすれば結合度がさらに小さくなる。本発明においては、最大で−５ｄＢ程度の結合度（電力比で１：３程度）を得られることを確認している。なお、結合度は、プローブの形状（結合箇所の大きさ）によっても変わる。また、アンテナの形態（形成される電磁界の違い）によっても変化する。

以上のことから、本実施形態の分配器１では、小さい分配比率（例えば１：３程度）から非常に大きな（例えば１：５０程度の）分配比率まで、自由に設定することができる。従来のＴ分岐回路では、最大で１：４程度の分配比率しか得られず、方向性結合器では、逆に最小で１：１０程度の分配比率しか得ることができなかったが、本実施形態の分配器１では、その間の分配比率を実現することも可能である。

なお、従来のＴ分岐回路で減衰器等の損失素子を挿入すれば分配比率を大きくすることも物理的には可能であったが、この場合、損失の分だけ効率が低下する。しかし、本実施形態の分配器１では、損失素子がなくとも大きな分配比率を得ることができ、効率が低下することもない。

さらに、本実施形態の分配器１では、間隔Ｄを変更することで位相を変化させることができる。図４に示す位相特性を参照して、間隔Ｄと位相の関係について説明する。同図に示すグラフの横軸は、周波数（ＧＨｚ）を表し、縦軸は位相（ｄｅｇ）を表す。同図においては、５．８ＧＨｚの信号を伝送する場合において、間隔Ｄを５．５ｍｍから１７ｍｍまで変更したときの位相特性を示している。

同図に示すように、５．８ＧＨｚの信号を伝送する場合、間隔Ｄ＝５．５ｍｍでの位相は−１７３．８度、間隔Ｄ＝８．５ｍｍでの位相は−１５１．６度、間隔Ｄ＝１１．７ｍｍでの位相は−１２６．５度、間隔Ｄ＝１７ｍｍでの位相は−８６．８度となっており、間隔Ｄを変更すれば、位相を変化させることが可能であることがわかる。同図の例では、最大で９０度程度の位相変化量が得られることがわかる。

なお、位相は、プローブ１３から出力ポート１４への伝送線路の長さによっても変化するため、このプローブ１３から出力ポート１４への伝送線路の長さを調整すれば間隔Ｄを変更しても分配比率だけを変更する（等位相とする）ことができる。

次に、図５を参照して、本発明の分配器の応用例１について説明する。なお、図２に示したアンテナ装置１０と共通する構成については、共通の符号を付し、その説明を省略する。

図５（Ａ）に示す分配器２は、給電ポート１１、アンテナ１２、プローブ１３１Ａ、プローブ１３１Ｂ、プローブ１３１Ｃ、プローブ１３１Ｄ、出力ポート１４、およびスイッチ（ＳＷ）１８を備えており、アンテナ装置２０全体としては、さらに入力ポート１５およびアンテナ１６を備えている。

この例では、スイッチ１８に、アンテナ１２との距離が異なる箇所に配置された複数のプローブ（プローブ１３１Ａ、プローブ１３１Ｂ、プローブ１３１Ｃ、およびプローブ１３１Ｄ）が接続されている。すなわち、アンテナ１２との間隔Ｄ＝Ｄ１であるプローブ１３１Ａ、アンテナ１２との間隔Ｄ＝Ｄ２であるプローブ１３１Ｂ、アンテナ１２との間隔Ｄ＝Ｄ３であるプローブ１３１Ｃ、およびアンテナ１２との間隔Ｄ＝Ｄ４であるプローブ１３１Ｄがスイッチ１８に接続されている。それぞれの間隔Ｄは、例えば、図３および図４で示したように、Ｄ１＝５．５ｍｍ、Ｄ２＝８．５ｍｍ、Ｄ３＝１１．７ｍｍ、Ｄ４＝１７ｍｍとなっている。

スイッチ１８は、単極複投のスイッチであり、いずれかのプローブを出力ポート１４に接続する。同図においては、４つのプローブが接続されるため、単極４投のスイッチを用いる。スイッチ１８は、接続するプローブを選択的に切り替えることで、プローブとアンテナの間隔Ｄを切り替えることができる。

上述したように、間隔Ｄを変化させると、結合度が変化するため、スイッチ１８を用い、接続するプローブの間隔Ｄを切り替えることで、結合度を４段階に切り替えることができ、分配比率を４段階に切り換えることができる。すなわち、動的に分配比率を変化させることができる。従来の様なＴ分岐回路や方向性結合器では、動的に分配比率を変化させることはできなかったが、同図（Ａ）に示した応用例に係る構成であれば、減衰器等を用いずに動的に分配比率を変化させることができる。

一方、同図（Ｂ）に示す分配器３は、スイッチ１８に、アンテナ１２との間隔Ｄは等しいが長さが異なる複数のプローブ（プローブ１３２Ａ、プローブ１３２Ｂ、プローブ１３２Ｃ、およびプローブ１３２Ｄ）が接続されているものである。アンテナ装置２０全体としては、さらに入力ポート１５およびアンテナ１６を備えている。

プローブの長さを変化させると、結合度が変化するため、この例においても、スイッチ１８は、接続するプローブを選択的に切り替えることで、プローブの長さを切り替えることができ、結合度を多段階（同図の例では４段階）に切り換えることができる。無論、間隔Ｄも長さも異なる複数のプローブをスイッチに接続することも可能である。

次に、図６（Ａ）は、本発明の分配器のさらなる応用例２を示す図である。なお、この例においても、図５（Ａ）に示したアンテナ装置２０と共通する構成については、共通の符号を付し、その説明を省略する。図６（Ａ）に示すアンテナ装置は、図５（Ａ）に示したアンテナ装置２０を２つ配置し、給電ポート１１から２つのアンテナ素子（アンテナ１２）に電力を供給するものである。この場合、２つのアンテナ１２に供給された電力が、それぞれ空間結合を経て２つのアンテナ１６に分配され、一次元４素子アレイアンテナを構成する。

ここで、スイッチ１８を用い、接続するプローブの間隔Ｄを切り替え、分配比率を変化させると、各アンテナ素子の放射電磁波のレベル比が変化する。そのため、放射される電磁波の指向性（ビーム幅）が変化する。例えば、間隔Ｄを大きくし、分配比率を大きくすると、両端のアンテナ素子のレベルが下がるため、ビーム幅が広がる（サイドローブが小さくなる）。逆に、間隔Ｄを小さくし、分配比率を小さくすると、アンテナ素子間のレベル差が小さくなるため、ビーム幅が狭くなる（サイドローブが大きくなる）。

よって、アンテナの物理的な構造を変化させずに、かつ効率を低下させずに、電気的にアンテナの指向性を制御することができる。特に、本実施形態の分配器では、上述したように、小さい分配比率（例えば１：３程度）から非常に大きな（例えば１：５０程度の）分配比率まで、自由に設定することができるため、アレイアンテナの要求仕様（指向性）どの様に設定したとしても、プローブの間隔Ｄを変更するだけで（電気的に分配比率を設定するだけで）、従来よりも広範囲の要求仕様を満たすことができる。

なお、アンテナ１２およびアンテナ１６は、ヘリカルアンテナに限らず、他の形式のアンテナであってもよい。例えば、図６（Ｂ）に示すような直線偏波のパッチアンテナ２１を用いてもよい。アンテナ１２は、円偏波のヘリカルアンテナであるため、アンテナの周囲にプローブを配置すればよいが、直線偏波のパッチアンテナ２１の場合、例えば最も結合が強くなる位置であるパッチアンテナ２１の長辺近傍（同図（Ｂ）の紙面上側）にプローブ１３３Ａを配置し、プローブ１３３Ｂから、プローブ１３３Ｃ、プローブ１３３Ｃと順に上記長辺に平行に離れていくように配置する。なお、同図（Ｂ）の例では、プローブ１３３Ａが最も長く、プローブ１３３Ｂ、プローブ１３３Ｃ、プローブ１３３Ｃと順に短くなる例を示しているが、無論全て同じ長さであってもよい。

図６（Ａ）および同図（Ｂ）においては、４つのアンテナ素子を配列した一次元４素子アレイアンテナを例示したが、さらに多数のアンテナ素子を配置し、２次元多素子のアレイアンテナを構成することも可能である。

また、上述の例では、いずれも１つのアンテナ素子から１つのアンテナ素子へ電力を分配する例を示したが、図７に示すような、１つのアンテナ素子から複数（同図の例では４つ）のアンテナ素子へ分配を行うことも可能である。この場合も、各アンテナ素子にスイッチを介して複数のプローブを接続すると、分配率を切り換えることができ、指向性を制御することができる。

次に、図８（Ａ）および同図（Ｂ）は、図６（Ａ）で示したアレイアンテナの利用例を示す概要図である。この例では、ＤＳＲＣ（Dedicated Short Range Communication）を用いた無線装置について説明する。

アレイアンテナを内蔵した無線装置３１は、路側の電柱等に取り付けられており、当該アレイアンテナから電磁波を送受信して、自動車に取り付けられる車両用端末３２と通信を行う。

無線装置３１の制御部（不図示）は、車高センサと接続されており、通行する車両の車高を検知し、検知した車高に応じてビーム幅を変化させる。すなわち、図８（Ａ）に示すような車高の低い小型車が通行する場合、上述の分配器の分配率を小さくしてビーム幅を狭くして通信エリアを狭くし、同図（Ｂ）に示すような大型車が通行する場合、通信対象である車両用端末３２の位置が高くなるため、上述の分配器の分配率を大きくしてビーム幅を狭くしてビーム幅を広くし、通信エリアを広げる。

このように、無線装置３１は、通信対象の位置（高さ）に応じてアレイアンテナのビーム幅を変更することで、動的に最適な通信エリアを形成することが可能となる。

また、無線装置３１を電柱等に取り付ける場合、立体交差等の様に高さ制限があり、取付位置に制限がある場合があるが、本実施形態で示したアレイアンテナはビーム幅が電気的に可変であり、通信エリアを柔軟に変更することができるため、物理的な構造を変更する必要なく、かつ効率を低下させずに対応することが可能である。

なお、本実施形態に示したアレイアンテナでは、位相を変化させることもできるため、ビーム方向を電気的に変化させることもできる。分配比率に加え、位相を変化させることで、設置位置や通信対象の位置変化にさらに柔軟に対応することができる。

１…分配器
１１…給電ポート
１２…アンテナ
１３…プローブ
１４…出力ポート
１５…入力ポート
１６…アンテナ
１８…スイッチ

Claims (10)

1. 入力された信号に応じて電磁波を放射する信号放射手段と、
   前記信号放射手段と同一の基板に配置され、前記電磁波と電磁界結合して分配電磁波を出力する信号受信手段と、
   前記分配電磁波を放射するアンテナと、
   を備え、
   前記信号放射手段および前記アンテナをアンテナ素子として複数配列したアレイアンテナであって、
   前記信号受信手段は、
   前記電磁波をそれぞれ受信する複数の電磁波受信体と、
   前記電磁波受信体でそれぞれ受信された分配電磁波のうち、アンテナに出力する分配電磁波を選択する電磁波選択手段と、
   を備え、
   前記複数の電磁波受信体は、それぞれ前記信号放射手段との結合度が異なることを特徴とするアレイアンテナ。
2. 請求項１に記載のアレイアンテナであって、
   前記信号受信手段は、前記信号放射手段と同一の基板に配置されたことを特徴とするアレイアンテナ。
3. 請求項１または請求項２に記載のアレイアンテナにおいて、
   前記複数の電磁波受信体は、それぞれ前記信号放射手段からの距離が異なることを特徴とするアレイアンテナ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアレイアンテナであって、
   前記電磁波受信体は、環状または渦巻状の形状を有するプローブを含むことを特徴とするアレイアンテナ。
5. 前記プローブは、前記環状または渦巻状の形状の大きさが互いに異なることを特徴とする請求項４に記載のアレイアンテナ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のアレイアンテナであって、
   前記信号放射手段および前記アンテナは、円偏波のアンテナ素子を含むことを特徴とするアレイアンテナ。
7. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のアレイアンテナであって、
   前記信号放射手段および前記アンテナは、直線偏波のアンテナ素子を含むことを特徴とするアレイアンテナ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイアンテナと、
   前記アンテナ素子から放射された電磁波に基づくエコー信号を処理する信号処理部と、を備えたレーダ装置。
9. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のアレイアンテナを備えた無線装置であって、
   前記アレイアンテナは、通信対象である端末に電磁波を送受信することを特徴とする無線装置。
10. 請求項９に記載の無線装置において、
    前記端末との相対的な高さを検知する高さ検知手段と、
    前記高さに応じて前記電磁波の指向性を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする無線装置。

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