JP5566864B2 - 指向特性変更方法 - Google Patents

Description

本発明は、指向特性変更方法に係わり、特に、周期構造体と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１３に示す従来の６素子コーナーレフレクタア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１３において、１０はコーナレフレクタ、１２_１〜１２_６はダイポールアンテナである。なお、コーナレフレクタアンテナは、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１３に示す従来の６素子コーナーレフレクタアンテナにおいて、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）金属板で構成された反射板と、前記反射板上に配置され、複数の導電体パターンがマトリクス状に配置された周期構造体と、前記反射板と前記周期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装置の指向特性変更方法であって、前記励振素子の位置を前記周期構造体の中心位置から第１方向（例えば、垂直方向、あるいは水平方向）に移動させて、前記励振素子から放射される電波の前記第１方向面内（例えば、垂直面内、あるいは水平面内）のビーム方向を変更する。
（２）励振素子と、前記励振素子の周囲を取り囲む周期構造体とを備え、前記周期構造体は、展開した状態において、複数の導電体パターンがマトリクス状に配置されているアンテナ装置の指向特性変更方法であって、前記励振素子の位置を前記周期構造体の中心位置から第１方向（例えば、垂直方向）に移動させて、前記励振素子から放射される電波の前記第１方向面内（例えば、垂直面内）のビーム方向を変更する。
（３）（２）において、前記周期構造体は、前記周期構造体の延長方向と直交する方向で切断した断面形状が円形であり、前記周期構造体の導電体パターンは、矩形形状である。
（４）（１）または（２）において、前記励振素子は、ダイポールアンテナ、あるいは、パッチアンテナである。

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ことが可能となる。

本発明が適用されるアンテナの一例を説明するための図であり、図１（ａ）は励振素子の配置を示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に周期構造体を配置した本発明が適用されるアンテナの一例の概略構成を示す斜視図である。 図１（ｂ）に示すアンテナの断面図である。 図１（ｂ）、図２に示すアンテナの垂直面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。 図１（ａ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子の垂直面内の指向特性（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１の指向特性変更方法を説明するための図であり、図１（ｂ）、図２に示すアンテナにおいて、励振素子を、周期構造体の中心位置から上側に２．５λｏ移動させた状態のアンテナを示す斜視図である。 図５に示すアンテナの垂直面内の指向特性（図５に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。 本発明が適用されるアンテナの他の例を説明するための図であり、図７（ａ）は励振素子の配置を示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に周期構造体を配置した本発明が適用される無指向性アンテナの一例の概略構成を示す斜視図である。 展開した状態の、図７（ｂ）に示す周期構造体を示す図である。 図７（ｂ）に示す無指向性アンテナの垂直面内の指向特性（図７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２の指向特性変更方法を説明するための図であり、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナにおいて、励振素子を、周期構造体の中心位置から上側に２．５λｏ移動させた状態のアンテナを示す斜視図である。 図１０に示す無指向性アンテナの垂直面内の指向特性（図１０に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。 図７（ｂ）に示す無指向性アンテナにおいて、励振素子を、周期構造体の中心位置から下側に２．５λｏ移動させた状態の無指向性アンテナにおける、垂直面内の指向特性（図１０に示すＸ−Ｚ面）を示すグラフである。 従来の６素子コーナーレフレクタア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。
［本発明が適用されるアンテナの一例］
図１は、本発明が適用されるアンテナの一例を説明するための図であり、図１（ａ）は励振素子２の配置を示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に周期構造体３を配置した本発明が適用されるアンテナの一例の概略構成を示す斜視図である。また、図２は、図１（ｂ）に示すアンテナの断面図である。
図１（ｂ）、図２に示すアンテナは、反射板１と、反射板１上に配置される励振素子（本発明が適用されるアンテナでは、ダイポールアンテナ素子）２と、励振素子２上に配置される周期構造体３とを有する。反射板１は、金属板からなり、両側に形成された側面と、底面とで構成される。
ここで、反射板１の底面と、励振素子２との間隔（図２のＨｄ）は、励振素子２の種類（ダイポールアンテナ素子、あるいはパッチ素子など）において、入力インピーダンスが適切な値になる位置に設定すればよい。
また、周期構造体３は、反射板１の側面に直交するように配置され、１３×２のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５で構成される。ここで、１３×２のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５は、例えば、合成樹脂基板上に印刷された複数の導電体パターンで構成される。
また、反射板１の底面の中心部と、周期構造体３との間隔（Ｈｅ）は、０．４５λｏ（λｏは、使用中心周波数ｆｏの自由空間波長）以上とされる。反射板１の底面と、周期構造体３との間の空間に誘電体層を設けた場合は、Ｈｅは誘電体の比誘電率εrの平方根√（εr）で除した値、０．４５λｏ／√（εr）以上とされる。

前述の説明では、周期構造体３は、１３×２のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５で構成されているが、この数値に限定されるものではなく、要求される指向特性によってマトリックスの数値を増減することができる。
本実施例において、励振素子２で励振・放射された電波は、反射板１の反射面と、周期構造体３との間で反射を繰り返すが、反射板１の反射面と、周期構造体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。
周期構造体３は、核となる導電体パターン５のインダクタンスと、隣接する導電体パターン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、周期構造体３の導電体パターン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。
従って、核となる導電体パターン５のパターンが小さい場合には、隣接する導電体パターン５との間隔を狭め、核となる導電体パターン５のパターンが大きさい場合には、隣接する導電体パターン５との間隔を広げる必要がある。

図１（ｂ）、図２に示すアンテナのパラメータの一例を以下に示す。
（１）反射板１の幅（図２のＷ）が、０．８７λｏ（λｏは、使用中心周波数の自由空間波長）
（２）反射板１の側面の高さ（即ち、反射板１の底面と周期構造体３との間隔）（図２のＨｅ）が、０．５７λｏ
（３）周期構造体３の導電体パターン５の大きさが、０．２９λｏ×０．２９λｏ
（４）反射板１の底面と励振素子２との間隔（図２のＨｄ）が、０．２７λｏ
（５）反射板１の全長は、５．２λｏ
（６）中心周波数は５．７ＧＨｚ
図３は、図１（ｂ）、図２に示すアンテナにおいて、上記パラメータの条件下の垂直面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。図４は、図１（ａ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子の垂直面内の指向特性（図１に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。
図３に示すグラフにおいて、中心は、−１０ｄＢ、外側の円は、２０ｄＢであり、図４に示すグラフにおいて、中心は、−２５ｄＢ、外側の円は、５ｄＢである。
図４に示すグラフにおいて、最大利得は約２．５３ｄＢであるのに対して、図３に示すグラフでは、最大利得は約１６．２８ｄＢである。このように、本発明が適用されるアンテナは、図１（ａ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子よりも、利得が大幅に向上していることが分かる。
さらに、図３と、図４のグラフを比較することにより、図１（ｂ）、図２に示すアンテナは、図１（ａ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子よりも、狭ビーム化されていることが分かる。
なお、図１（ｂ）、図２に示すアンテナにおいて、周期構造体３を構成する導電体パターン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。

また、図３に示すグラフは、前述の（１）〜（５）のパラメータのときの指向特性を示しているが、前述の（１）〜（５）のパラメータは一例であって、これらのパラメータは、励振素子の種類、数に応じて適宜変更する必要がある。
例えば、図１（ｂ）において、導電体パターン５を、Ｙ方向に２個配置しているが、導電体パターン５を、Ｙ方向に３個以上配置する場合には、反射板１の幅（図２のＷ）を、０．８７λｏ以上にする必要があることはいうまでもない。同様に、反射板１の全長も、Ｘ方向に配置する導電体パターン５の数により、変化させる必要がある。
また、周期構造体３の導電体パターン５の大きさも、合成樹脂基板の誘電率により、適宜変化させる必要がある。
さらに、前述の説明では、周期構造体３の導電体パターン５を、合成樹脂基板上に印刷された複数の導電体パターンで構成する場合について説明したが、周期構造体３の導電体パターン５を、合成樹脂基板を用いずに導体だけで構成することも可能である。この場合にも、周期構造体３の導電体パターン５の大きさも適宜変化させる必要がある。

［実施例１］
図５は、本発明の実施例１の指向特性変更方法を説明するための斜視図であり、図１（ｂ）、図２に示すアンテナにおいて、励振素子２を、周期構造体３の中心位置から上側に、約２．５λｏ（λｏは、使用中心周波数の自由空間波長）移動させた状態のアンテナを示す斜視図である。
図５に示すように、本実施例の指向特性変更方法は、図１（ｂ）、図２に示すアンテナにおいて、励振素子２の位置を、周期構造体３の中心位置から反射板１の長手方向（換言すれば、励振素子２であるダイポールアンテナから放射される電波の偏波方向）に移動させて、励振素子２から放射される電波のチルト角（図１に示すＸ−Ｚ面の垂直面内のビーム方向）を変更することを特徴とする。
図６は、図５に示すアンテナの垂直面内の指向特性（図５に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。図６に示すグラフにおいて、中心は、−１０ｄＢ、外側の円は、２０ｄＢである。
図３に示す指向特性と、図６に示す指向特性とを比較すると、図５に示すアンテナでは、ビームが下側にチルトされていることが分かる。この理由は、図５に示すアンテナのように、励振素子２がアンテナの上方向に来ると、励振素子２が中心にあるときより、上側の周期構造体３の間隙から放射される電波の位相が早くなり、逆に、下側の周期構造体３の間隙から放射される電波の位相が遅くなるので、合成するとビームがチルトされるものと想定される。

例えば、図１３に示す従来の６素子コーナーレフレクタアンテナにおいて、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、図１（ｂ）、図２に示すアンテナにおいて、励振素子２の位置を、周期構造体３の中心位置から反射板１の長手方向に移動させるだけでよいので、簡単にビームをチルトすることが可能とである。
なお、前述の説明では、図１（ｂ）、図２に示すアンテナにおいて、励振素子２の位置を、周期構造体３の中心位置から反射板１の長手方向（換言すれば、励振素子２であるダイポールアンテナから放射される電波の偏波方向）に移動させて、励振素子２から放射される電波のチルト角（図１に示すＸ−Ｚ面の垂直面内のビーム方向）を変更するようにしたが、図１（ｂ）、図２に示すアンテナにおいて、励振素子２の位置を、周期構造体３の中心位置から反射板１の短手方向（換言すれば、励振素子２であるダイポールアンテナから放射される電波の偏波方向と直交する方向）に移動させることにより、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面の水平面内のビーム方向）を変更することも可能である。

［本発明が適用されるアンテナの他の例］
図７は、本発明が適用されるアンテナの他の例を説明するための図であり、図７（ａ）は励振素子２の配置を示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に周期構造体３を配置した本発明が適用される無指向性アンテナの一例の概略構成を示す斜視図である。
図７（ｂ）に示すように、本発明が適用される無指向性アンテナは、励振素子２（本発明が適用される無指向性アンテナでは、半波長ダイポールアンテナ素子）と、励振素子２の周囲を覆う円筒状の周期構造体３とを有する。
図８は、展開した状態の、図７（ｂ）に示す周期構造体３を示す図である。図８に示すように、周期構造体３は、１９×８のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５で構成され、励振素子２は、円筒状の周期構造体３の中心に配置される。ここで、１９×８のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５は、例えば、合成樹脂基板上に印刷された複数の導電体パターンで構成される。
また、円筒状の周期構造体３の直径（図１のＬＴ）は、０．７５λｏ〜１．０λｏ（λｏは、使用周波数ｆｏの自由空間波長）とされる。即ち、励振素子２と周期構造体３との間隔は、０．３７５λｏ〜０．５λｏとされる。
さらに、図８に示すように、導電体パターン５は、一辺（図２のＬＨ）が、０．２λｏ〜０．３λｏの矩形形状とされる。

なお、前述の説明では、周期構造体３は、１９×８のマトリクス状に配置された複数の導電体パターン５で構成されているが、この数値に限定されるものではなく、要求される指向特性によってマトリックスの数値を増減することができる。
図７（ｂ）に示す無指向性アンテナにおいて、励振素子２で励振・放射された電波は、周期構造体３の間で反射を繰り返すが、周期構造体３の直径が、約４×ｎλｏ／５（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。
周期構造体３は、核となる導電体パターン５のインダクタンスと、隣接する導電体パターン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、周期構造体３の導電体パターン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。
従って、核となる導電体パターン５のパターンが小さい場合には、隣接する導電体パターン５との間隔を狭め、核となる導電体パターン５のパターンが大きさい場合には、隣接する導電体パターン５との間隔を広げる必要がある。

図７（ｂ）に示す無指向性アンテナのパラメータの一例を以下に示す。
（１）周期構造体３の直径が、約０．８３λｏ
（２）導電体パターン５の一辺（図２のＬＨ）が、０．２６λｏ
（３）中心周波数は５．７ＧＨｚ
図９は、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナの垂直面内の指向特性（図７に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。
図９に示すグラフにおいて、中心は、−３０ｄＢ、外側の円は、０ｄＢである。
図４に示すグラフにおいて、最大利得は約２．５３ｄＢであるのに対して、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナの最大利得は１０．２７９ｄＢである。このように、本実施例の無指向性アンテナは、図１（ｂ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子よりも、利得が大幅に向上している。
さらに、図９と、図４のグラフを比較することにより、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナは、図１（ｂ）に示す半波長ダイポールアンテナ素子よりも、狭ビーム化されていることが分かる。
なお、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナにおいて、周期構造体３を構成する導電体パターン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。
また、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナにおいて、周期構造体３は、円筒状に限らず、励振素子２の延長方向で切断した断面形状が、６角形、８角形などの多角形形状であってもよい。

［実施例２］
図１０は、本発明の実施例２の指向特性変更方法を説明するための斜視図であり、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナにおいて、励振素子２を、周期構造体３の中心位置から上側に２．５λｏ（λｏは、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナにおける使用中心周波数の自由空間波長）移動させた状態の無指向性アンテナを示す斜視図である。
図１０に示すように、本実施例の指向特性変更方法は、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナにおいて、励振素子２の位置を、周期構造体３の中心位置から周期構造体３の長手方向（換言すれば、励振素子２であるダイポールアンテナから放射される電波の偏波方向）に移動させて、励振素子２から放射される電波のチルト角（図７に示すＸ−Ｚ面の垂直面内のビーム方向）を変更することを特徴とする。
図１１は、本発明の実施例２の無指向性アンテナの垂直面内の指向特性（図１０に示すＸ−Ｚ面）の一例を示すグラフである。図１１に示すグラフにおいて、中心は、−３０．０ｄＢ、外側の円は、０ｄＢである。
また、図１２は、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナにおいて、励振素子を、周期構造体の中心位置から下側（図１０における励振素子２の配置を上側とする）に２．５λｏ移動させた状態の無指向性アンテナにおける、垂直面内の指向特性（図１０に示すＸ−Ｚ面）の他の例を示すグラフである。図１２に示すグラフにおいて、中心は、−３０．０ｄＢ、外側の円は、０ｄＢである。

図９に示す指向特性と、図１１、図１２に示す指向特性とを比較すると、図１０に示す無指向性アンテナでは、ビームがチルトされていることが分かる。そして、図１１と図１２のグラフより、励振素子２の位置を上方に移動させることにより、ビームを下側にチルトさせ、また、励振素子２の位置を下方に移動させることにより、ビームを上側にチルトさせることができることが分かる。
このように、本実施例では、図７（ｂ）に示す無指向性アンテナにおいて、励振素子２の位置を、周期構造体３の中心位置から上側、あるいは、下側に移動させるだけでよいので、簡単にビームをチルトすることが可能とである。
なお、図５に示す本実施例１のアンテナ、および図１０に示す無指向性アンテナにおいて、励振素子２は、ダイポールアンテナ素子に限定されるものではなく、パッチ素子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 周期構造体
５ 導電体パターン
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）

Claims (7)

1. 金属板で構成された反射板と、
   前記反射板上に配置され、複数の導電体パターンがマトリクス状に配置された周期構造体と、
   前記反射板と前記周期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装置の指向特性変更方法であって、
   前記励振素子の位置を前記周期構造体の中心位置から第１方向に移動させて、前記励振素子から放射される電波の前記第１方向面内のビーム方向を変更することを特徴とする指向特性変更方法。
2. 励振素子と、
   前記励振素子の周囲を取り囲む周期構造体とを備え、
   前記周期構造体は、展開した状態において、複数の導電体パターンがマトリクス状に配置されているアンテナ装置の指向特性変更方法であって、
   前記励振素子の位置を前記周期構造体の中心位置から第１方向に移動させて、前記励振素子から放射される電波の前記第１方向面内のビーム方向を変更することを特徴とする指向特性変更方法。
3. 前記第１方向は、垂直方向であり、
   前記第１方向面内は、垂直面内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の指向特性変更方法。
4. 前記第１方向は、水平方向であり、
   前記第１方向面内は、水平面内であることを特徴とする請求項１に記載の指向特性変更方法。
5. 前記周期構造体は、前記周期構造体の延長方向と直交する方向で切断した断面形状が円形であり、
   前記周期構造体の導電体パターンは、矩形形状であることを特徴とする請求項２に記載の指向特性変更方法。
6. 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または請求項２に記載の指向特性変更方法。
7. 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または請求項２に記載の指向特性変更方法。

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