JP6198216B1

JP6198216B1 - リフレクトアレーアンテナ

Info

Publication number: JP6198216B1
Application number: JP2017501426A
Authority: JP
Inventors: 剛士塩出; 牧野　滋; 滋牧野; 良夫稲沢; 道生瀧川; 崇戸村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2017-09-20
Anticipated expiration: 2036-07-25
Also published as: WO2018020550A1; JPWO2018020550A1

Abstract

誘電体基板（１）の基板厚ｔ及び複数の共振素子（２）の素子間隔ｄが、電磁波が誘電体基板（１）に入射される際に、共振素子（２）で発生する高次モードが誘電体基板（１）の伝搬中に減衰する減衰量Ｌに対する設計値Ｌｄｅｓに従って決定されているように構成する。これにより、入射される電磁波の基本モードが有する伝搬定数とは異なる伝搬定数を有する基本モードの発生を抑えることができる。その結果、共振素子（２）の形状を工夫するだけの場合よりも、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域を広げることができる。

Description

この発明は、無線通信に用いられるリフレクトアレーアンテナに関するものである。

人工衛星搭載用のアンテナとして、一次放射器として用いられるホーンアンテナと、放物曲面状の反射板とが対向しているパラボラアンテナが知られている。
人工衛星に搭載されるパラボラアンテナの反射板は、折り畳まれた状態で宇宙空間に打ち上げられ、宇宙空間で展開されることが一般的である。したがって、一般的な人工衛星搭載用のパラボラアンテナは、反射板を展開するための機構を含む複雑な構造を必要とするため、無線通信時の動作信頼性が低い。

そこで、放物曲面状の反射板に代えて、平板状の反射板を用いるリフレクトアレーアンテナが開発されている。
リフレクトアレーアンテナでは、平板状の反射板が用いられているため、その構造が簡単である。したがって、リフレクトアレーアンテナを用いる場合、放物曲面状の反射板を備えたパラボラアンテナを用いた場合と比べて、コストが削減され、かつ、信頼性が向上する。

リフレクトアレーアンテナの反射板は、以下の（１）〜（３）を備えている。
（１）平板状の誘電体基板
（２）誘電体基板の表面に配列されている複数の共振素子
（３）誘電体基板の裏面に設けられている金属板

リフレクトアレーアンテナに入射される電磁波は、所定の方向に反射される。リフレクトアレーアンテナにより反射された後の電磁波（以下、「反射波」と称する）には、共振素子によって反射された電磁波（以下、「反射成分」と称する）と、共振素子を透過して誘電体基板内に進入し、その後、金属板によって反射されて、誘電体基板の外部に出射された電磁波（以下、「透過成分」と称する）とが含まれている。
反射成分と透過成分とを含む反射波の位相を調整することで、反射波を所望の方向に向けることができる。この場合の反射波の位相は、共振素子の形状によって決定される。
以下の非特許文献１には、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域を広げることが可能な共振素子の形状に関する技術が開示されている。

M. R. Chaharmir, J. Shaker,M. Cuhaci, and A. Ittipiboon,"Broadband reflectarray antenna with double cross loops," Electron. Lett., vol. 42,no. 2, pp. 65−66, Jan. 2006.

共振素子の形状を工夫することで、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域を広げることができる。しかし、電磁波が共振素子に入射される際には、共振素子において高次モードが発生する。その高次モードは、誘電体基板の内部を伝搬して金属板によって反射され、再度、共振素子に入射される。
このとき、入射される電磁波の基本モード（以下、「第１の基本モード」と称する）が有する伝搬定数とは異なる伝搬定数を有する基本モード（以下、「第２の基本モード」と称する）が発生し、第１の基本モードと第２の基本モードとが互いに干渉する。この干渉の際、第１の基本モードと第２の基本モードとは、それぞれが異なる伝搬定数を有するため、第１の基本モードと第２の基本モードとの位相関係が周波数特性を有することになり、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域が狭帯域な特性となる。
したがって、共振素子の形状を工夫するだけでは、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域が狭帯域な特性になってしまうことがあ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、入射される電磁波の基本モードが有する伝搬定数とは異なる伝搬定数を有する基本モードの発生を抑えることができるリフレクトアレーアンテナを得ることを目的とする。

この発明に係るリフレクトアレーアンテナは、平板状の誘電体基板と、誘電体基板における第１及び第２の表面のうち、電磁波が入射される側の表面である第１の表面に設けられている複数の共振素子と、誘電体基板における第２の表面に設けられている金属板とを備え、誘電体基板の基板厚であるｔは、使用周波数帯域における自由空間波長がλ、誘電体基板に対する電磁波の入射角がθ _ｉ、誘電体基板の比誘電率がε _ｒ、複数の共振素子の素子間隔がｄであるとして、以下の条件式（１）を満たす値に決定されているようにしたものである。
条件式（１）

この発明によれば、誘電体基板の基板厚であるｔは、使用周波数帯域における自由空間波長がλ、誘電体基板に対する電磁波の入射角がθ _ｉ、誘電体基板の比誘電率がε _ｒ、複数の共振素子の素子間隔がｄであるとして、条件式（１）を満たす値に決定されているように構成したので、入射される電磁波の基本モードが有する伝搬定数とは異なる伝搬定数を有する基本モードの発生を抑えることができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。図１のリフレクトアレーアンテナの原理を示す説明図である。図１のリフレクトアレーアンテナで発生する高次モードを示す説明図である。一次放射器４から出射された電磁波を反射するリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。高次モードの減衰量がＬ＝５，Ｌ＝７．５，Ｌ＝１０，Ｌ＝１２．５である場合の周波数［ＧＨｚ］と、設計周波数で規格化されている利得低下量［ｄＢ］との関係を示す説明図である。誘電体基板１の基板厚ｔと周波数帯域ＢＷとの関係を示す説明図である。到来してきた電磁波を反射するリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。

以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面にしたがって説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。
図２は図１のリフレクトアレーアンテナの原理を示す説明図であり、図３は図１のリフレクトアレーアンテナで発生する高次モードを示す説明図である。
図１、図２及び図３において、誘電体基板１は誘電体で形成されている平板状の基板である。
表面１ａは誘電体基板１における第１の表面であり、電磁波が入射される側の面である。
裏面１ｂは誘電体基板１における第２の表面であり、電磁波が入射されない側の面である。

共振素子２は誘電体基板１の表面１ａに設けられている。
図１の例では、共振素子２として、輪形状の銅箔が、誘電体基板１の表面１ａに設けられている。
実際のリフレクトアレーアンテナでは、数百〜数千個の共振素子２が誘電体基板１の表面１ａに配列されるが、図１では、図面の簡単化のために、ｄの素子間隔で、１２個（＝４×３個）の共振素子２が誘電体基板１の表面１ａに配列されている例を示している。
金属板３は誘電体基板１の裏面１ｂに設けられている。
この実施の形態１では、図４に示すように、一次放射器４から出射された電磁波が誘電体基板１の表面１ａに入射される場合を想定する。
図４は一次放射器４から出射された電磁波を反射するリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。
図４において、５は一次放射器４の位相中心である。

次に動作について説明する。
一次放射器４から出射された電磁波は、入射角θ_ｉの入射波として、リフレクトアレーアンテナに入射され、リフレクトアレーアンテナによって所定の方向に反射される。
リフレクトアレーアンテナにより反射された後の電磁波（以下、「反射波」と称する）には、図２に示すように、共振素子２によって、θ_ｒの反射角で反射された電磁波（以下、「反射成分」と称する）と、共振素子２を透過して誘電体基板１内に進入し、その後、金属板３によって反射されて、誘電体基板１の外部に出射された電磁波（以下、「透過成分」と称する）とが含まれている。

入射角θ_ｉの入射波が共振素子２に入射される際、図３に示すように、共振素子２において高次モードが発生する。
共振素子２において発生する高次モードは、素子間隔ｄを適正な値に設定すれば、誘電体基板１の内部の伝搬距離に対して指数関数で減衰するモードであるエバネッセントモードのみとなる。このエバネッセントモードは、いずれ消滅するため、リフレクトアレーアンテナの特性に影響を与えない。
しかし、共振素子２において発生した高次モードが金属板３によって反射された後、十分に減衰しないまま、再び共振素子２に再入射されると、入射波の基本モード（以下、「第１の基本モード」と称する）が有する伝搬定数とは異なる伝搬定数を有する基本モード（以下、「第２の基本モード」と称する）が発生し、第１の基本モードと第２の基本モードとが互いに干渉する。
第１の基本モードと第２の基本モードは、それぞれ異なる伝搬定数を有するため、第１の基本モードと第２の基本モードとの位相関係が周波数特性を有することになる。したがって、第２の基本モードの発生量が多い場合、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域が狭帯域な特性となる。
この実施の形態１では、第２の基本モードの発生量を抑える工夫を施している。
具体的には、以下の通りである。

共振素子２において発生する高次モードは、誘電体基板１の内部を伝搬する際に減衰する。
共振素子２において発生する複数の高次モードのうち、最も減衰定数が小さい最低次の高次モードの減衰定数αは、以下の式（１）のように表される。
式（１）は、２次元のフロケ（Ｆｌｏｑｕｅｔ）モードから導出されており、フロケモードでは、最低次の高次モードは、例えば、ｍ＝−１，ｎ＝０のモードが該当する。

式（１）において、λは使用周波数帯域における自由空間波長である。この実施の形態１では、使用周波数帯域の中で、最も高い周波数の自由空間波長を想定している。
ε_ｒは誘電体基板１の比誘電率、λ_ｇは自由空間波長λの誘電体基板内波長、ｋは誘電体基板１を伝搬する電磁波の波数である。

このとき、共振素子２で発生した高次モードが、再度、共振素子２に入射されるまでに減衰される量がＬ［ｄＢ］であるとすると、その高次モードの減衰量Ｌは、以下の式（３）のように表される。

したがって、高次モードの減衰量Ｌは、誘電体基板１の基板厚ｔと、複数の共振素子２の素子間隔ｄとの関数として表される。
高次モードの減衰量Ｌが十分に大きい場合、高次モードが、再度、共振素子２に入射されることで発生する第２の基本モードの発生量が抑えられる。その結果、第１の基本モードと第２の基本モードとの干渉が少なくなり、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域を広げることができる。

式（３）より、誘電体基板１の基板厚ｔや、複数の共振素子２の素子間隔ｄが変わると、高次モードの減衰量Ｌが変化する。例えば、複数の共振素子２の素子間隔ｄ、誘電体基板１の比誘電率ε_ｒ及び入射角θ_ｉが事前に設定されている場合、誘電体基板１の基板厚ｔが、以下の式（４）に示す条件式を満たす値であれば、高次モードの減衰量Ｌに対する設計値Ｌ_ｄｅｓを実現できる。式（４）は、式（３）をｔについて解くことで導出することができる。
高次モードの減衰量Ｌに対する設計値Ｌ_ｄｅｓとしては、例えば、６［ｄＢ］や１０［ｄＢ］などが考えられる。

例えば、設計周波数が１２．２［ＧＨｚ］、誘電体基板１の比誘電率ε_ｒが２．６５、複数の共振素子２の素子間隔ｄが９．５０［ｍｍ］、入射角θ_ｉが５０°、高次モードの減衰量Ｌに対する設計値Ｌ_ｄｅｓが６［ｄＢ］である場合、式（４）より、誘電体基板１の基板厚ｔに対する条件が、ｔ≧１．６４［ｍｍ］となる。
ここで、設計周波数は、自由空間波長λに対応する周波数である。このため、この実施の形態１では、設計周波数は、使用周波数帯域の中で、最も高い周波数であるとしている。
入射角θ_ｉは、電磁波が入射される誘電体基板１の位置によって異なるが、ｔ≧１．６４［ｍｍ］の導出に用いているθ_ｉ＝５０°は、図４に示すように、最も角度が大きくなる位置での入射角θ_ｉである。

また、誘電体基板１の基板厚ｔが事前に設定されている場合、複数の共振素子２の素子間隔ｄが、以下の式（５）に示す条件式を満たす値であれば、高次モードの減衰量Ｌに対する設計値Ｌ_ｄｅｓを実現できる。式（５）は、式（３）をｄについて解くことで導出することができる。

例えば、設計周波数が１２．２［ＧＨｚ］、誘電体基板１の比誘電率ε_ｒが２．６５、誘電体基板１の基板厚ｔが１．６［ｍｍ］、入射角θ_ｉが５０°、高次モードの減衰量Ｌに対する設計値Ｌ_ｄｅｓが６［ｄＢ］である場合、式（５）より、複数の共振素子２の素子間隔ｄに対する条件が、ｄ≦９．６０［ｍｍ］となる。

ここで、高次モードの減衰量Ｌに対する設計値Ｌ_ｄｅｓは、所望の周波数帯域幅によって決定される。
図５は高次モードの減衰量ＬがＬ＝５，Ｌ＝７．５，Ｌ＝１０，Ｌ＝１２．５である場合の周波数［ＧＨｚ］と、設計周波数で規格化されている利得低下量［ｄＢ］との関係を示す説明図である。
図５の横軸は周波数、図５の縦軸は利得低下量を示している。図５における周波数［ＧＨｚ］と利得低下量［ｄＢ］との関係は数値シミュレーションによって求めている。
図５の例では、設計周波数を１２．０［ＧＨｚ］、誘電体基板１の比誘電率ε_ｒを２．６５、複数の共振素子２の素子間隔ｄを９．１５［ｍｍ］、入射角θ_ｉを５０°として計算している。
なお、高次モードの減衰量ＬがＬ＝５のときは、誘電体基板１の基板厚ｔがｔ＝１．６、高次モードの減衰量ＬがＬ＝７．５のときは、誘電体基板１の基板厚ｔがｔ＝２．４、高次モードの減衰量ＬがＬ＝１０のときは、誘電体基板１の基板厚ｔがｔ＝３．２、高次モードの減衰量ＬがＬ＝１２．５のときは、誘電体基板１の基板厚ｔがｔ＝４．０としている。
図５から明らかなように、高次モードの減衰量Ｌが大きいほど、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域が広がることが分かる。

図６は誘電体基板１の基板厚ｔと周波数帯域ＢＷとの関係を示す説明図である。
図６では、誘電体基板１の基板厚ｔがｔ＝１．６［ｍｍ］，ｔ＝３．２［ｍｍ］である場合のリフレクトアレーアンテナの特性を示している。
図６の横軸は周波数、図６の縦軸は指向性利得であり、図６には、アンテナ効率が５０［％］、６０［％］、７０［％］になる周波数帯域を明示している。
図６では、複数の共振素子２の素子配列が公知の正三角配列であるとして、周波数と指向性利得との関係を数値シミュレーションによって求めている。
誘電体基板１の基板厚ｔがｔ＝１．６［ｍｍ］である場合、以下の式（６）に示すように、アンテナ効率が５０［％］以上を満たす周波数帯域ＢＷ_１は、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域における中心周波数ｆｃの大きさの１１．５［％］となる。図６では、ｆｃ＝１２．２［ＧＨｚ］としている。
誘電体基板１の基板厚ｔをｔ＝１．６［ｍｍ］からｔ＝３．２［ｍｍ］に変更すると、以下の式（７）に示すように、アンテナ効率が５０［％］以上を満たす周波数帯域ＢＷ_２は、中心周波数ｆｃの大きさの１８［％］になり、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域が広がることが分かる。
ＢＷ_１＝（（ｆａ_２−ｆａ_１）／ｆｃ）×１００
＝（（１２．９−１１．５）／１２．２）×１００
＝１１．５［％］（６）
ＢＷ_２＝（（ｆｂ_２−ｆａ_１）／ｆｃ）×１００
＝（（１３．３−１１．１）／１２．２）×１００
＝１８．０［％］（７）

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、誘電体基板１の基板厚ｔ及び複数の共振素子２の素子間隔ｄが、電磁波が誘電体基板１に入射される際に、共振素子２で発生する高次モードが誘電体基板１の伝搬中に減衰する減衰量Ｌに対する設計値Ｌ_ｄｅｓに従って決定されているように構成したので、入射される電磁波の基本モードが有する伝搬定数とは異なる伝搬定数を有する基本モードの発生を抑えることができる効果を奏する。その結果、共振素子２の形状を工夫するだけの場合よりも、リフレクトアレーアンテナの周波数帯域を広げることができる。

この実施の形態１では、一次放射器４から出射された電磁波が誘電体基板１の表面１ａに入射される場合が想定されていたが、図７に示すように、一次放射器４から出射された電磁波ではなく、到来してきた電磁波が誘電体基板１の表面１ａに入射される場合であってもよい。
図７は到来してきた電磁波を反射するリフレクトアレーアンテナを示す構成図である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

この発明は、無線通信に用いられるリフレクトアレーアンテナに適している。

１誘電体基板、１ａ誘電体基板１の表面（第１の表面）、１ｂ誘電体基板１の裏面（第２の表面）、２共振素子、３金属板、４一次放射器、５一次放射器４の位相中心。

Claims

平板状の誘電体基板と、
前記誘電体基板における第１及び第２の表面のうち、電磁波が入射される側の表面である前記第１の表面に設けられている複数の共振素子と、
前記誘電体基板における前記第２の表面に設けられている金属板とを備え、
前記誘電体基板の基板厚であるｔは、
使用周波数帯域における自由空間波長がλ、前記誘電体基板に対する前記電磁波の入射角がθ _ｉ、前記誘電体基板の比誘電率がε _ｒ、前記複数の共振素子の素子間隔がｄであるとして、以下の条件式（１）を満たす値に決定されていることを特徴とするリフレクトアレーアンテナ。
条件式（１）