JP6012416B2

JP6012416B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP6012416B2
Application number: JP2012247564A
Authority: JP
Inventors: 田中　泰; 泰田中; 西岡　泰弘; 泰弘西岡; 勝博端山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2016-10-25
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: JP2014096726A

Description

この発明は、マイクロ波帯において、通信やレーダに用いられるアンテナ装置に関するものである。

マイクロ波帯の送受信に用いられる通信装置として、Micro Strip Antenna（以下、ＭＳＡと称する）やリフレクトアレーアンテナなど、Micro Strip共振器の原理を利用した様々なアンテナが用いられている。

図７は、従来のＭＳＡの構成を示す図である。図７に示したＭＳＡは、誘電体基板９１と、当該誘電体基板９１上に貼り付けた放射素子となる放射導体９２と、放射導体９２に給電を行う給電ピン９３と、誘電体基板９１の底面側に当接した導体地板９４で構成されている。なお、給電ピン９３と導体地板９４は導通していない。
図７に示すようなＭＳＡの動作周波数帯域は、誘電体基板９１を構成する誘電体の誘電率、層数および大きさと、放射導体９２の大きさおよび形状と、放射導体９２への給電位置などによって決まる。放射導体９２に切欠き形状やスロットに設けることにより、複数の周波数帯での動作や円偏波の発生が可能である。また、ＭＳＡはプリント基板のエッチング加工により比較的安価で容易に製作可能であるという利点を持つ。

図８は、従来のリフレクトアレーアンテナの構成を示す図である。図８に示したリフレクトアレーアンテナは、誘電体基板９１と、当該誘電体基板９１´上に貼り付けた複数の放射導体９２´と、導体基板９４´と、ホーンアンテナなどの一次放射器１００で構成されている。リフレクトアレーアンテナを構成する複数の放射導体９２´の反射位相を調整することにより、近傍に設置された一次放射器１００から照射された位相分布を持つ電波１０１を平面波１０２に変換する。このように、リフレクトアレーアンテナの反射面はパラボラアンテナなどの反射鏡アンテナの主反射鏡と同様の働きをする。リフレクトアレーアンテナは鏡面の平面化が可能であるため、曲面を持つ反射鏡アンテナ程の幅を取らず、衛星搭載用アンテナなど搭載スペースに制限のある場所に配置しやすいという特徴を持つ。

このようなＭＳＡやリフレクトアレーアンテナは電波の送信方向、使用周波数帯域が一定であるパッシブ型の研究開発に始まり、近年ではその応用範囲拡大、および、機能性向上を目的として、動作周波数や電磁波の反射方向を切り替えることが可能なアクティブ型の研究開発も盛んになりつつある。以下にアクティブ型のＭＳＡおよびリフレクトアレーアンテナの構成を示す。

動作周波数を切り替えることが可能なＭＳＡの１つとして、能動素子を利用したものが存在する。非特許文献１には、能動素子としてダイオードを用いたＭＳＡが開示されている。非特許文献１に開示されたＭＳＡでは、ＭＳＡの放射導体にスロットを設け、さらにスロットをまたぐようにＰＩＮダイオードを配置し、配置したＰＩＮダイオードに、電圧を与えることによりＰＩＮダイオードがＯＮ状態となり、スロットの一部に導通経路が形成される。これにより、放射導体の表面電流の経路を変わり、共振周波数が変化する。

ＭＳＡと同様に能動素子を用いたアンテナ素子を使って構成されたリフレクトアレーアンテナも存在する。上述のように、リフレクトアレーアンテナの電波放射方向は当該アンテナを構成するアンテナ素子の反射位相に依存する。したがって、反射位相を変えれば、放射方向は変わる。このような目的のために能動素子を用いたアンテナ素子が使われている。非特許文献２に記載されたリフレクトアレーアンテナのアンテナ素子は、ＰＩＮダイオードを用いてアンテナ素子の放射導体の電気長を変えることで反射位相を変更するものである。また、目的を同じくして、能動素子にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）を用いたリフレクトアレーアンテナが非特許文献３には記載されている。

アンテナ以外では、電磁波の伝送状態を周波数可変とするために、プラズマを用いた装置が存在する。プラズマの複素比誘電率には周波数依存性があり、内部のガス密度や電界によって変化する。また、外部磁場が与えられている場合、当該比誘電率は異方性を持つ。従って、プラズマ中に入射した電磁波の方向はプラズマの状態を可変とすることで制御することができる。
特許文献１には、ある空間に密封したガスを多数の電極を使用することで任意のプラズマ状態にして屈折率を調整することで、当該空間に入射する電磁波の方向を制御する電磁波制御装置が開示されている。

国際公開２００７／０００９８９号

M. S. Nishamol, V. P. Sarin, D. Tony, C. K. Aananda, P. Mohanan, and K. Vasudevan, "An Electronically Reconfigurable Microstrip Antenna With Switchable Slots for Polarization Diversity", IEEE Trans. Antennas Propag., Vol. 59, No. 9, 2011 X. Delestre, T. Dousset, M. Labeyrie, and C. Renard, "New Challenges for Active Reflect Arrays", Radar Conference - Surveillance for a Safer World, 2009. RADAR. International, 2009 J. Perruisseau-Carrier, and A. K. Skrivervik, "Monolithic MEMS-Based Reflectarray Cell Digitally Reconfigurable Over a 360゜Phase Range"Ｓ, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, Vol. 7, 2008

しかしながら、上述したアクティブ型アンテナの技術では、ＭＳＡやリフレクトアレーアンテナのアンテナ素子に能動素子を多く用いた場合、アンテナの構造が非常に複雑になるという課題があった。所望の共振周波数を得るための電流分布を放射導体表面上に作成する必要があり、多くの周波数帯域への切り替えを行う場合には１つの放射導体に対して複数個のダイオードを搭載する必要がある。また、能動素子を複数搭載した場合には、各能動素子を制御するために接続される導線の数も増加する。膨大な数の配線が放射面上に存在した状態で電磁波が入射した場合、配線上に大きな電流が励起されて不要散乱波が発生するという課題もあった。また、能動による損失を考慮し、ダイオードのバイアス回路に電流が流れないようにするためには、アイソレーションを考慮して設計しなければならないという課題があった。

また、特許文献１に開示された技術では、プラズマを生成する電力を供給するための電極を多数配置する必要があるため、アンテナ装置の構造が複雑化するという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、能動素子を用いることなく動作周波数を可変とし、さらに不要散乱波の発生を抑制し、アイソレーションを考慮した設計を必要としないアンテナ装置を提供することを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、導体からなる接地板と、接地板上に積層され、内部に気体を封入可能な中空構造を有する誘電体板と、誘電体板の接地板との積層面と対抗する面の内壁に、接地板と平行に配置された放射導体と、一端が装置外部に露出し、他端が接続された放射導体に給電を行う給電ピンと、誘導体板の接地板および放射導体と導通しない位置に配置した電極板とを備え、電極板に所定の電圧を印加し、誘電体板内部に封入した気体を励起させてプラズマを生成すると共に、電極板への印加電圧および誘電体板内部に封入した気体の密度のうちの少なくともいずれか一方を調整し、プラズマの電気特性を変化させるものである。

この発明によれば、能動素子を用いることなく動作周波数を可変とするＭＳＡを実現することができる。また、放射素子の放射面上に不要散乱波が発生するのを抑制し、バイアス回路のアイソレーションを考慮した設計を必要としないアンテナ装置を提供することができる。

実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示す図である。実施の形態１によるアンテナ素子の構成を示す三面図である。実施の形態２によるアンテナ装置の構成を示す図である。実施の形態２によるアンテナ素子の構成を示す三面図である。実施の形態３によるアンテナ装置の構成を示す図である。実施の形態４によるアレーアンテナを示す説明図である。従来のＭＳＡの構成を示す図である。従来のリフレクトアレーアンテナの構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示す図である。図１において、アンテナ素子１０は透過斜視図で示している。図２はこの発明の実施の形態１によるアンテナ素子の構成を示す三面図であり、図２（ａ）はアンテナ素子の透過上面図、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ´線断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ´線断面図である。
アンテナ装置は、アンテナ素子１０、電源装置２０、導線２１、ガス密度調整装置３０、ガスボンベ４０、制御装置５０で構成されている。また、アンテナ素子１０は、中空誘電体板１、放射導体２、接地板３、給電ピン４および一対の電極板５ａ，５ｂで構成されている。

中空誘電体板１は、中空の薄型立方体で構成され、ガスボンベ４０から充填される気体を封入可能な構造を有しており放電管として機能する。中空誘電体板１に用いられる誘電体材料はどのようなものでも構成可能であるが、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリカーボネートおよびポリテトラフルオロチレンなどのように、低誘電損失且つ低誘電率の材料が望ましい。また、中空誘電体板１は、底面に給電ピン４が挿入される孔部（給電孔部）１ａ、３つの側面にはそれぞれ電極板５ａが挿入される孔部１ｂ、電極板５ｂが挿入される孔部１ｃ、およびガス密度調整装置３０と接続するための管が挿入される孔部（気体導入孔部）１ｄが形成されている。

放射導体２は、中空誘電体板１の中空部内の天面の中央に配置されている。接地板３は、導体で形成され、放射導体２の法線方向と、当該接地板３の法線方向が略同一となるように中空誘電体板１の外側底面に当接させて配置している。また接地板３は、中空誘電体板１の底面に設けた孔部１ａと一致する箇所に、同様の孔部３ａが形成されている。給電ピン４は、一端部が放射導体２に接続され、当該放射導体２に給電する。一方、給電ピン４の他端部は中空誘電体板１の孔部１ａおよび接地板３の孔部３ａを貫通して、中空誘電体板１の外部に露出している。なお、給電ピン４は、接地板３に接触しないように配置される。

一対の電極板５ａ，５ｂは、中空誘電体板１の対抗する側面にそれぞれ設けた孔部１ｂｂおよび孔部１ｃに挿入され、中空誘電体板１の中空部内および外部に電極板５ａ，５ｂが露出するように配置される。さらに一対の電極板５ａ，５ｂは、それぞれ導線２１ａ，２１ｂを介して電源装置２０に接続されている。なお、一対の電極板５ａ，５ｂはそれぞれ、放射導体２および接地板３には接触しないように配置される。

電源装置２０は、導線２１ａ，２１ｂを介して接続された導電板５ａ，５ｂに所定の電圧を印加する。ガス密度調整装置３０は、ガスボンベ４０と接続され、ガスボンベ４０内の気体を中空誘電体板１の中空部内に充填する際のガス密度を調整する装置である。中空誘電体板１の１つの側面に形成された孔部１ｄに接続された管３１の他端がガス密度調整装置３０に接続されている。当該管１８を介してガスボンベ４０内の気体を中空誘電体板１の中空部内に充填する。

ガスボンベ４０は、第１８族元素（希ガス）や窒素、酸素、フッ素などが充填されている。また、希ガスと窒素の混合気体、もしくはこれらを含む比率の高い気体（空気など）を充填してもよい。
中空誘電体板１に設けた４つの孔部１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄは、それぞれ給電ピン４、１対の導線２１ａ，２１ｂおよび管３１によって完全に塞がれているため、中空誘電体板１の中空部内に封入された気体が外部に漏れ出すことはない。

中空誘電体板１の中空部内および外部に露出した一対の電極板５ａ，５ｂに対して電源装置２０が電圧を印加することにより、中空誘電体板１の中空部内に封入された例えば希ガスが励起されてプラズマ状態となる。プラズマの複素比誘電率には周波数依存性があり、中空誘電体板１の中空部内のガス密度や電界によって変化する。そのため、電源装置２０の印加電圧およびガス密度調整装置３０のガス密度の設定を調整することにより、中空誘電体板１の中空部内に発生するプラズマの電気的な性質を変化させることができる。

制御装置５０は、入力部（不図示）を介して指定された周波数となるような印加電圧およびガス密度を算出し、電源装置２０の印加電圧およびガス密度調整装置３０のガス密度を調整する制御を行う。なお、制御装置５０に対して直接印加電圧およびガス密度を指定する入力を行い、指定された印加電圧およびガス密度となるように電源装置２０およびガス密度調整装置３０を制御するように構成してもよい。

次に、放電管として機能する中空誘電体板１を用いたアンテナ素子１０において、発生したプラズマを用いた共振周波数の制御について以下に説明する。
まず、ＭＳＡの共振周波数の算出について説明する。なお、説明の簡略化のため、図７において従来のアンテナ装置として示した、誘電体基板９１、正方形を有する放射導体９２、給電ピン９３および導体接地板９４からなる単純な構造のＭＳＡを例に説明を行う。
参考文献１に記載された矩形のＭＳＡに関する以下の式（１）から式（３）を用いて、当該ＭＳＡの共振周波数が求められる。

・参考文献１
C. A. Balanies, Antenna Theory: Analysis & Design, 2^nd edition, John Wiley & Sons, Inc., 1997

例えば、放射導体９２の一辺の長さａを１５．１７２ｍｍ、誘電体基板９１の厚さｔを１ｍｍ、比誘電率ε_ｒを０．８、誘電正接を０．０１とした場合、ＭＳＡの共振周波数は約１０ＧＨｚと求められる。

次に、上述のように算出された誘電率を、図１で示した本発明のアンテナ装置がプラズマを用いて実現する構成について説明する。
中空誘電体板１内で発生したプラズマの外部に磁界が存在せず、且つ電子温度が低温であった場合に、プラズマの複素比誘電率ε_ｒは、参考文献２に記載されたＤｒｕｄｅ分散式である以下の式（４）によって表される。

式（４）において、ωは電磁波の角周波数［ｒａｄ／ｓ］、νは電子が原子と単位時間あたりに衝突する頻度（衝突周波数［Ｈｚ］）を表している。
・参考文献２
R. J. Vidmar、”On the use of Atmospheric Pressure Plasmas as Electromagnetic Reflections and Absorbers”、IEEE Trans. Plasma Sci.、Vol. 18、No. 4、1990

また、ω_ｐはプラズマが電気的に中性になろうとする際のゆらぎの周波数であり、プラズマ角周波数［ｒａｄ／ｓ］と呼ばれ、上述した参考文献２に記載された以下の式（５）で示される。

式（５）において、ｅは電子の電荷［ｑ］、ｍｅは電子質量、ε_０は真空の比誘電率［Ｆ／ｍ］、そして、ｎ_ｅは電子の密度［ｍ^−３］を表している。

上述した式（４）および式（５）により、ある周波数の電磁波に対するプラズマの電気的性質は電子密度と衝突周波数によって決まることが分かる。式（４）をさらに展開すると、上述した参考文献２に記載された以下の式（６）が示される。

式（６）において、実部がプラズマの比誘電率、実部と虚部の比が誘電正接となる。式（６）により、誘電率は最大でも１未満となり、１以上の値は取りえないことが分かる。

上述した式（４）から式（６）により、角周波数ωが１０×２π ｒａｄ／ｓ（電磁波の周波数：１０ＧＨｚ）の時に、比誘電率が０．８、誘電正接が０．０１の誘電体として振る舞うようにプラズマを制御するためには、電子密度は２．５×１０１７ｍ^−３、衝突周波数は２．５ＧＨｚとすれば良い。これらの値は共に実現可能な値である。

制御装置５０は、上述のように算出された電子密度および衝突周波数となるように、図１で示したアンテナ装置の電源装置２０の印加電圧、およびガス密度調整装置３０のガス密度を制御する。これにより、中空誘電体板１の中空部内における電子密度および衝突周波数を所望の値に制御し、所定のプラズマ状態とすることができる。
なお、上述した電子密度および衝突周波数の算出は、制御装置５０が行うように構成してもよいし、図示しない計算処理装置が行い、算出結果を制御装置５０に設定するように構成してもよい。

以上のように、放電管として機能する中空誘電体板１を備え、当該中空誘電体板１の中空部内に封入した気体をプラズマ状態とし、当該プラズマの電気的な性質を変化させ、アンテナ素子１０の共振周波数を可変可能に構成したので、従来のアクティブ型アンテナ装置に用いられているダイオードやＭＥＭＳなどの能動素子を使わずに共振周波数を可変可能なＭＳＡを実現することができる。
また能動素子を用いる必要がないため、送受信波が損失する要素を低減させることができ、さらにバイアス回路のアイソレーションを考慮した設計を行う必要がない。また、複数の能動素子を配置する必要がないため、膨大な数の配線が放射素子２の放射面上に存在する状態を回避することができ、不要散乱波の発生を低減することができる。

また、この実施の形態１によれば、中空誘電体板１内への印加電圧を調整する電源装置２０、中空誘電体板１内のガス密度を調整するガス密度調整装置３０と、プラズマを用いて所望の誘電率を実現するために算出された電子密度および衝突周波数に基づいて、電源装置２０およびガス密度調整装置３０を制御する制御装置５０とを備えるように構成したので、誘電体基板に換えて、プラズマを用いて共振周波数を可変とするアンテナ装置を構成することができる。

実施の形態２．
この実施の形態２では、電極板の配置位置およびガス密度調整装置の接続位置を変更した構成を示す。
図３は、この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示す図である。図３において、アンテナ素子１０´は透過斜視図で示している。図４はこの発明の実施の形態１によるアンテナ素子の構成を示す三面図であり、図４（ａ）はアンテナ素子１０´の透過上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＡ−Ａ´線断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるＢ−Ｂ´線断面図である。

図４（ｂ）および図４（ｃ）に示すように、導線２１ａ，２１ｂの先端に設けられた一対の電極板５ａ´，５ｂ´は、中空誘電体板１の中空部内の天面、底面および側面のいずれにも接触しないように配置される。さらに導線２１ａ，２１ｂは、中空誘電体板１の底面から中空部内に挿入される。また、中空誘電体板１とガス密度調整装置３０とを接続する管３１も同様に中空誘電体板１の底面から中空部内に挿入される。

導線２１ａ，２１ｂおよび管１８の挿入位置の変更に伴って、実施の形態１の図１および図２で示した孔部１ｂ，１ｃ，１ｄの形成位置を変更している。図３および図４に示すように、中空誘電体板１は、底面に給電ピン４が挿入される孔部１ａ、電極板５ａ，５ｂに接続された導線２１ａ，２１ｂが挿入される孔部（配線孔部）１ｂ´，孔部１ｃ´およびガス密度調整装置３０と接続するための管３１が挿入される孔部１ｄ´が形成されている。

また接地板３は、中空誘電体板１の底面に設けた孔部１ａ，１ｂ´，１ｃ´，１ｄ´と一致する箇所に、同様の孔部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが形成されている。給電ピン４は、中空誘電体板１の孔部１ａおよび接地板３の孔部３ａを貫通して、中空誘電体板１の外部に露出している。なお、給電ピン４は、接地板３に接触しないように配置される。電極板５ａ´，５ｂ´に接続された導線２１ａ，２１ｂは孔部１ｂ´，１ｃ´および孔部３ｂ，３ｃを貫通して電源装置２０に接続される。なお、導線２１ａ，２１ｂは、接地板３に接触しないように配置される。管３１は、孔部１ｄ´に接続され、孔部３ｄを経由してガス密度調整装置３０に接続される。

また、中空誘電体板１に設けた４つの孔部１ａ，１ｂ´，１ｃ´，１ｄ´は、それぞれ給電ピン４、導線２１ａ，２１ｂおよび管３１によって完全に塞がれているため、中空誘電体板１の中空部内に封入された気体が外部に漏れ出すことはない。

導線２１ａ，２１ｂが挿入される孔部１ｂ´，１ｃ´、および管３１が接続される孔部１ｄ´全てを、中空誘電体板１の底面側に形成することにより、電極板５ａ´，５ｂ´に接続される導線２１ａ，２１ｂおよび管３１を、接地板３の底面側、すなわちアンテナ素子１０´の底部側から中空誘電体板１内に挿入することができる。通常、導線２１ａ，２１ｂの配線によって不要散乱波が発生するという問題があるが、導線２１ａ，２１ｂを接地板３の底面側から中空誘電体板１内に挿入することにより放射導体２の表面における不要散乱波の発生を低減することができる。また、導線２１ａ，２１ｂおよび管３１を接地板３の底部側から中空誘電体板１内に挿入することにより、複数のアンテナ素子１０を近接させて配置するのが容易となる。

以上のように、この実施の形態２によれば、電極板５ａ´，５ｂ´を中空誘電体板１の中空部に配置し、当該電極板５ａ´，５ｂ´に接続された導線２１ａ，２１ｂを挿入する孔部１ｂ´，１ｃ´，３ｂ，３ｃをアンテナ素子１０´の底部側に形成するように構成したので、導線２１ａ，２１ｂを放射導体２の設置平面から見て接地板３の背面に配線することができ、放射導体２の表面に不要散乱波が発生するのを低減することができる。

また、この実施の形態２によれば、導線２１ａ，２１ｂに加えて、ガス密度調整装置３０に繋がれた管３１を接続する孔部１ｃ´，３ｃをアンテナ素子１０´の底部側に形成するように構成したので、複数のアンテナ素子１０を近接させて配置することができる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３によるアンテナ装置の構成を示す図である。
図５の例では、実施の形態２で示したアンテナ素子１０´を用いて構成したアンテナ装置を示しているが、実施の形態１で示したアンテナ素子１０を適用することも可能である。
この実施の形態３のアンテナ装置は、アンテナ素子１０´、電源装置２０、分配器６０、複数のガス密度調整装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ、複数のガスボンベ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ、および制御装置５０で構成されている。

ガスボンベ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄのうち、１つのガスボンベ（例えば、ガスボンベ４０ｄ）は中空誘電体板１の中空部内に封入された気体を排気する際に用いる排気用ガスボンベであり、残る３つのガスボンベ４０ａ，４０ｂ，４０ｃはそれぞれ異なる種類の気体が充填された通常のガスボンベである。なお、いずれのガスボンベ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを排気用とするかは適宜設定可能である。ガス密度調整装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄは、各々接続されたガスボンベ４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄから出力する気体のガス密度の調整を行う。なお、例えば図５において、ガスボンベ４０ｄを常に排気用のみと使用する場合には、ガス密度調整装置３０ｄの配置を省略してもよい。

分配器６０は、ガス密度調整装置３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄでガス密度が調整された各気体を所定の混合比率に基づいて、各ボンベ４０ａ，４０ｂ，４０ｃから出力された気体を分配して混合気体を生成する。生成された混合気体は、中空誘電体板１の中空部内に送り込まれる。制御装置５０は、電源装置２０の印加電圧、ガス密度調整装置３０のガス密度、および分配器６０の分配比率を調整する制御を行う。

プラズマの密度と衝突周波数は印加電圧と気体の種類に依存する。電圧を印加することで発生した電界による加速度を受けて電子は運動する。この運動する電子が他の粒子と衝突して消滅する１秒当たりの平均回数が衝突周波数である。衝突周波数νは以下の式（７）で定義される。

式（７）において、運動する電子が衝突する他の粒子の大きさが大きくなると、衝突断面積が大きくなることから、衝突周波数は高くなることが分かる。
制御装置５０は、上述のように算出された衝突周波数および電子密度となるように、図５で示したアンテナ装置の電源装置２０の印加電圧、ガス密度調整装置３０のガス密度、および分配器６０の各気体の混合比率を制御する。これにより、中空誘電体板１の中空部内における電子密度および衝突周波数を所望の値に制御し、所定のプラズマ状態とすることができる。
なお、上述した電子密度および衝突周波数の算出は、制御装置５０が行うように構成してもよいし、図示しない計算処理装置が行い、算出結果を制御装置５０に設定するように構成してもよい。

また、排気用ガスボンベ４０ｄを設けているため、中空誘電体板１の中空部内に充填した混合気体を完全に排気用ボンベ内に抜き出すことができる。そのため、プラズマ状態を容易に可変させることができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、それぞれ異なる気体を充填した複数のガスボンベ４０と、各ガスボンベ４０から中空誘電体板１の中空部内に充填する気体の圧力調整を行う複数のガス密度調整装置３０と、複数のガス密度調整装置３０でガス密度が調整された各気体を指定された混合比率に基づいて分配して混合気体を生成する分配器６０と、電源装置２０、ガス密度調整装置３０および分配器６０を制御する制御装置５０とを備えるように構成したので、中空誘電体板１の中空部内のプラズマ状態において所定の衝突周波数となるように様々な気体の粒子を混合することが可能となり、衝突周波数の調整の自由度をより高めることができる。

また、この実施の形態３によれば、それぞれ異なる複数種類の気体を充填したガスボンベ４０ａ，４０ｂ，４０ｃに加えて、排気用ガスボンベ４０ｄを設けるように構成したので、中空誘電体板１の中空部に封入された混合ガスを完全に抜き出し、新たな混合比率で混合された混合気体を中空誘電体板１の中空部に充填することができ、衝突周波数の調整を容易に行うことができる。

実施の形態４．
この実施の形態４では、上述したアンテナ素子を用いて構成したリフレクトアレーアンテナの構成について説明する。
図６は、この発明の実施の形態４によるリフレクトアレーアンテナを示す説明図である。なお、上述した実施の形態１から実施の形態３で示したアンテナ素子１０，１０´を用いてリフレクトアレーアンテナを構成することができる。しかし、図６の例のように複数のアンテナ素子を整列して配置する場合には、導線２１ａ，２１ｂおよび管３１を挿入する孔部をアンテナ素子の底部に形成する必要があることから、実施の形態２および実施の形態３のアンテナ素子１０´を適用した場合を例に説明を行う。

また、リフレクトアレーアンテナを形成する各アンテナ素子１０´は、図３および図４で示した給電ピン２を備えず、中空誘電体板１に孔部１ａを、接地板３に孔部３ａを備えていない。また、複数のアンテナ素子１０´の接地板３は互いに導通している。

リフレクトアレーアンテナ７０は、複数のアンテナ素子１０´を、アンテナ素子１０´の平面方向に並列させて配置して構成する。リフレクトアレーアンテナ７０は、各アンテナ素子１０´の放射導体２の反射位相を調整することにより、近傍に設置されたホーンアンテナなどの一次放射器１００から照射された位相分布を持つ電波１０１を平面波１０２に変換する。一次放射器１００は、各アンテナ素子１０´の放射導体２が全て視認可能な位置に配置されている。

一般的に、リフレクトアレーアンテナにおいて光線方向を制御するためには、各アンテナ素子に設けられた放射導体の反射位相をそれぞれ調整する必要がある。使用する一次放射器１００や、一次放射器１００から放射された電波１０１を反射して所望の平面波１０２を得るためには、毎回異なるアンテナ素子が複数必要となる。
一方、実施の形態２で示したプラズマを用いたアンテナ素子１０´を用いることにより、製作するアンテナ素子１０´は１種類でよく、各アンテナ素子１０´の印加電圧およびガス密度の調整によってプラズマの比誘電率を変化させることにより放射導体２の反射位相をそれぞれ調整することができる。

以上のように、この実施の形態４によれば、アンテナ素子１０´を複数配置して構成したリフレクトアレーアンテナ７０において各アンテナ素子のプラズマの比誘電率を変化させて各アンテナ素子の反射位相を調整するように構成したので、アンテナ素子の構造を変化させることなく、プラズマの複素比誘電率を変化させるのみで、異なるリフレクトアレーアンテナとして動作させることができる。これにより、所望の光線方向や、使用する一次放射器１００に応じた放射導体を有するアンテナ素子を数種類製作することなく、反射位相が異なるリフレクトアレーアンテナを形成することができる。

なお、上述した実施の形態１から実施の形態４では、電源装置２０の印加電圧とガス密度調整装置３０のガス密度とを共に調整する構成を示したが、印加電圧またはガス密度の一方を調整することにより所望のプラズマ状態が得られる場合には、印加電圧またはガス密度のいずれか一方を調整すればよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１中空誘電体板、１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｂ´，１ｃ´，１ｄ´，３ａ、３ｂ，３ｃ，３ｄ孔部、２放射導体、３接地板、４給電ピン、５ａ，５ｂ，５ａ´，５ｂ´ 電極板、１０，１０´ アンテナ素子、２０電源装置、２１ａ，２１ｂ導線、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄガス密度調整装置、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄガスボンベ、５０制御装置、６０分配器、７０リフレクトアレーアンテナ、１００一次放射器、１０１電波、１０２平面波。

Claims

導体からなる接地板と、
前記接地板上に積層され、内部に気体を封入可能な中空構造を有する誘電体板と、
前記誘電体板の前記接地板との積層面と対抗する面の内壁に、前記接地板と平行に配置された放射導体と、
一端が装置外部に露出し、他端が接続された前記放射導体に給電を行う給電ピンと、
前記誘導体板の前記接地板および前記放射導体と導通しない位置に配置した電極板とを備え、
前記電極板に所定の電圧を印加し、前記誘電体板内部に封入した前記気体を励起させてプラズマを生成すると共に、前記電極板への印加電圧および前記誘電体板内部に封入した前記気体の密度のうち少なくともいずれか一方を調整し、前記プラズマの電気特性を変化させるアンテナ装置。
前記接地板および前記誘電体板の前記接地板との積層面に、前記給電ピンの一端が挿入される給電孔部、前記電極板に接続される導線が挿入される配線孔部、および前記誘電体板内部に前記気体を導入する気体導入孔部を備えることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
電波送信機から送信された電波を反射する複数のアンテナ素子を備えたアンテナ装置であって、
前記各アンテナ素子は、導体からなる接地板と、前記接地板上に積層され、内部に気体を封入可能な中空構造を有する誘電体板と、前記誘電体板の前記接地板との積層面と対抗する面の内壁に、前記接地板と平行に配置された放射導体と、前記誘導体板の前記接地板および前記放射導体と導通しない位置に配置した電極板と、前記接地板および前記誘電体板の前記接地板との積層面に、前記電極板に接続される導線が挿入される配線孔部、および前記誘電体板内部に前記気体を導入する気体導入孔部とを備え、
前記各アンテナ素子の前記接地板は互いに導通し、
前記電極板に所定の電圧を印加し、前記誘電体板内部に封入した前記気体を励起させてプラズマを生成すると共に、前記電極板への印加電圧および前記誘電体板内部に封入した前記気体の密度のうち少なくともいずれか一方を調整し、前記プラズマの電気特性を変化させて前記放射導体の反射位相を制御することを特徴とするアンテナ装置。
前記誘電体板内部に封入される前記気体は、希ガス、窒素、酸素、フッ素のいずれか、または希ガス、窒素、酸素、フッ素のいずれかを含む混合気体であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。
前記電極板に電圧を印加する電源装置と、
前記誘電体板内部に封入する前記気体の密度を調整する気体密度調整装置と、
前記誘電体板内部に生成させる前記プラズマの電気特性に応じて、前記電源装置の印加電圧および前記気体密度調整装置の気体密度の調整値のうちの少なくともいずれか一方を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。
前記電極板に電圧を印加する電源装置と、
前記誘電体板内部に封入する複数種類の前記気体の各密度を調整する複数の気体密度調整装置と、
前記複数の気体密度調整装置により密度が調整された前記各気体を分配して所定の混合比率を有する混合気体を生成し、前記誘電体内部に導入する分配器と、
前記誘電体板内部に生成させる前記プラズマの電気特性に応じて、前記電源装置の印加電圧および前記気体密度調整装置の気体密度の調整値のうちの少なくともいずれか一方および前記分配器の前記各気体の分配率を制御する制御装置とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。