JP6250252B1 - アンテナ装置及びアレーアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

密封容器（６）は、第一の電極（４）と第二の電極（５）を有し、これら電極の最大寸法と電極間の距離とが、対象とする信号の波長の十分の一以下に設定され、内部がプラズマ状態となるよう構成されている。第二の電極（５）は第一の導体（１）に接続され、第一の電極（４）は、第一の導体（１）に対して垂直に配置された第二の導体（２）に接続されている。

Description

この発明は、プラズマを用いた可変容量素子を装荷した放射パターンが可変のアンテナ装置及び動作周波数が可変なアンテナ装置並びにこれらのアンテナ装置を用いたアレーアンテナ装置に関するものである。

アンテナの放射パターン（放射指向性または単に指向性）や動作周波数（アンテナとして機能する周波数）を切り替える手段として、可変容量ダイオード（バラクタ（Variable Reactor）ダイオード、バリキャップ（Variable Capacitor）などとも呼ばれる）がしばしば使用される。例えば、このようなアンテナとして、励振素子（給電線路が直接接続される素子）の近くに非励振素子（無給電素子、寄生素子などとも呼ばれる）を配置し、非励振素子に装荷した可変容量ダイオードに印加する逆バイアスの値を切り替えることによって指向性を制御できることが知られている。

また、地板上のモノポールアンテナの整合回路に可変容量ダイオードを用い、可変容量ダイオードに印加する逆バイアスの値を切り替えることによってアンテナと給電線路との整合周波数を切替える、即ち、アンテナの動作周波数を切り替える技術があった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２３２３１３号公報

上記特許文献１に記載されたアンテナ装置では、レーダや通信に使用する高周波（ＲＦ）電波の電力が小さい場合には、ＤＣ逆バイアスに重畳するＲＦ電圧が小さいため、問題なく所望の動作をする。このため、特に受信アンテナに多用されている。しかしながら、取り扱うＲＦ電力が大きくなる場合、ＤＣ逆バイアスに重畳するＲＦ電圧が大きくなり、可変容量素子として動作する範囲を逸脱してしまう。その結果、所望の可変容量素子として動作しなくなるという問題があり、可変容量ダイオードを用いてアンテナの指向性や整合回路の切替えを確実に行うのは困難であった。

この発明は、かかる問題を解決するためになされたもので、指向性または動作周波数の切り替えを確実に行うことのできる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、第一の導体と、第一の導体に対して垂直に配置された第二の導体と、第一の電極と第二の電極を有し、第一の電極と第二の電極の最大寸法と、第一の電極と第二の電極間の距離とが、対象とする信号の波長の十分の一以下に設定され、内部に希ガスを封入した密封容器と、第一の電極と第二の電極とに電圧を印加して密封容器内をプラズマ状態とし、かつ、印加電圧が可変である電源とを備え、第一の電極が第二の導体に接続され、第二の電極が第一の導体に接続されたものである。

この発明に係るアンテナ装置は、プラズマを用いた可変容量素子を可変整合回路の素子として用いたものである。これにより、動作周波数の切替えを確実に行うことができる。

プラズマの比誘電率周波数特性を示す説明図である。 この発明の実施の形態１のアンテナ装置の構成図である。 この発明の実施の形態２のアンテナ装置の構成図である。 この発明の実施の形態３のアンテナ装置の構成図である。 この発明の実施の形態４のアンテナ装置の構成図である。 図６Ａはこの発明の実施の形態４のアンテナ装置の概略斜視図、図６ＢはＣ＝８０ｐＦの放射パターンの説明図、図６ＣはＣ＝２０ｐＦの放射パターンの説明図である。 この発明の実施の形態５のアンテナ装置の構成図である。

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、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
先ず、プラズマを用いた可変容量素子を装荷したアンテナ構造について説明する。非衝突性・低温プラズマの比誘電率ε_rは下記の式（１）で与えられる。

式（１）において、ｎ_ｅは電子密度、ｍ_ｅは電子の質量、ｅは電子の電荷、ε_０は真空の誘電率、ωは電磁波の角周波数である。電子密度ｎ_ｅ以外は定数である。横軸を電波の周波数、縦軸をプラズマの比誘電率として（１）式をグラフにしたものが図１である。電極に印加する電圧や電流を変化させることで、プラズマ周波数ｆ_ｐ＝ω_ｐ／２πを変化させることができ、その結果、プラズマの比誘電率ε_rを動的に制御することが可能となる。一方、コンデンサの静電容量Ｃは、電極として用いる面積Ｓの２枚の導体板及び両導体板の距離（電極間の距離）をｄとして

で与えられる。

従って、２枚の導体板（電極）の間にプラズマ媒質を挿入し、電極間に印加する電圧や電流を変化させることで、電極間の静電容量を変化させることが可能となる。ただし、導体板（電極）の大きさが通信やレーダに使用する電波の波長に比べて十分には小さくない場合、例えば半波長程度などの場合には、電波の周波数において共振現象が生じ、コンデンサとして動作しなくなる。なお、ここで、電極の大きさとは、電極板の形状によらず、その形状における最長の部分の寸法を指すものとし、以下、これを電極の最大寸法という。

図２は実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。
実施の形態１のアンテナ装置は、第一の導体１、第二の導体２、入出力端子３、第一の電極４、第二の電極５、密封容器６、高圧電源７、送受信部８を備える。第一の導体１はアンテナ装置としての地板であり、第二の導体２は、第一の導体１に対して垂直に配置されたアンテナ放射導体であり、励振素子である。入出力端子３は、送信時では、第一の導体１と第二の導体２にレーダや通信に使用する電波を供給する端子であり、受信時では、第一の導体１及び第二の導体２で受信した信号を外部へ出力するための端子である。第一の電極４及び第二の電極５は、密封容器６内で対向して設けられた電極であり、その間隔及び大きさの最大寸法が対象となる電波の波長の十分の一以下となるよう形成されている。密封容器６内には、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの電離しやすい希ガスが封入されている。高圧電源７は、第一の電極４と第二の電極５とに高電圧を印加し、密封容器６内に封入された気体を電離させプラズマ状態にするための電源である。なお、図面では交流電源として示しているが、直流電源であってもよい。送受信部８は、入出力端子３と第二の電極５との間に接続され、アンテナ装置の送信時では送信信号を送出し、受信時では入出力端子３を介して受信信号を取り込むための装置である。

次に、実施の形態１のアンテナ装置の動作を説明する。
送信時では、入出力端子３を介して送受信部８から供給された電波は第二の導体２より空間に放射される。第二の電極５は適当な導体を介して地板である第一の導体１へ接続されているため、第一の電極４と第二の電極５とは入出力端子３に対して並列に接続されたコンデンサとして動作する。コンデンサとして動作させるには、第一の電極４と第二の電極５の最大寸法がレーダや通信に使用する電波の波長に比べて十分に小さくなければならない。第一の電極４と第二の電極５の間隔（距離）もまた、電波の波長に比べて十分に小さくなければならない。これらの大きさと間隔は十分の一波長程度以下であることが望ましい。密封容器６の内部には電離しやすい希ガスが封入されており、高圧電源７を用いて第一の電極４と第二の電極５との間に数ｋＶ以上の高電圧を印加する。これにより密封容器６の内部に封入された気体を電離させプラズマ状態にすることができる。先に述べたように、コンデンサの静電容量は電極間の媒質の誘電率に比例し、プラズマの誘電率は電極間の印加電圧で制御できるから、以上の構成とすることにより、動作周波数可変アンテナを得ることができる。
なお、受信時では、高圧電源７から第一の電極４及び第二の電極５間に印加された電圧で決定される動作周波数の信号を第二の導体２から受信し、この信号が入出力端子３を介して送受信部８に取り込まれる。

このように、実施の形態１では、プラズマを用いた可変容量素子としたので、動作周波数可変アンテナとして所望の動作を実現することができる。すなわち、可変容量素子にかかる合計電圧Ｖは、通信やレーダに使うＲＦ電圧（Ｖｒｆ）とそれ以外の外部印加電圧（Ｖ０）との和：Ｖ＝Ｖ０＋Ｖｒｆとなる。従って、Ｖ０＞＞ＶｒｆであればＶの変動は非常に小さくなり、周波数可変アンテナとして所望の動作を実現することができる。一方、従来のような可変容量ダイオードを用いた場合は、Ｖ０＜＜Ｖｒｆとなるため、Ｖの変動が大きく所望動作を実現することができない。従って、本実施の形態のアンテナ装置ではこのような問題を解決することができる。

以上説明したように、実施の形態１のアンテナ装置によれば、第一の導体と、第一の導体に対して垂直に配置された第二の導体と、第一の電極と第二の電極を有し、第一の電極と第二の電極の最大寸法と、第一の電極と第二の電極間の距離とが、対象とする信号の波長の十分の一以下に設定され、内部に希ガスを封入した密封容器と、第一の電極と第二の電極とに電圧を印加して密封容器内をプラズマ状態とし、かつ、印加電圧が可変である電源とを備え、第一の電極が第二の導体に接続され、第二の電極が第一の導体に接続されるようにしたので、動作周波数の切替えを確実に行うことができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、第二の導体２と第一の電極４との間に高圧電源７の印加周波数では電気的に開放となる高電圧遮断部を設けたものである。
図３は、実施の形態２のアンテナ装置を示す構成図であり、図２に示した実施の形態１の構成に加えて高電圧遮断部９が追加されている。これ以外の構成は図２と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。高電圧遮断部９は、第一の電極４と第二の導体２との間に設けられており、高圧電源７が直流の場合にはコンデンサを用いることができる。コンデンサのインピーダンスは１／（ｊωＣ）であるため、レーダや通信で使用する電波の周波数においてほぼ短絡とみなせる程度の静電容量Ｃを選定すればよい。あるいは、高電圧遮断部９もアンテナの整合回路として使用するようにコンデンサの値を選定してもよい。

高圧電源７が交流の場合にはいくつかの方法が考えられる。まず、高圧電源７の周波数に対する送信周波数の比が数十倍以上の場合には、高電圧遮断部９を適当な容量値のコンデンサとすれば、高圧電源７の周波数では電気的にほぼ開放、送信周波数では電気的にほぼ短絡とすることが可能となる。一方、高圧電源７の周波数と送信周波数の比が数十倍より小さい場合には、高圧電源７の周波数を共振周波数とするＬＣ並列共振回路を高電圧遮断部９とすればよい。

このように構成された実施の形態２のアンテナ装置では、高圧電源７から印加される電圧が第二の導体２に印加されるのを阻止することができる。すなわち、第一の電極４と第二の導体２間に高電圧遮断部９が存在しない場合は、高圧電源７から印加される高電圧が第二の導体２へ印加されることになるため、この高電圧が入出力端子３を介して送受信部８に印加される恐れがある。このような場合、送受信部８の動作を阻害したり、送受信部８の破損につながったり、といった問題があるが、実施の形態２では高電圧遮断部９によって高圧電源７からの電圧は阻止されるため、このような問題を解決することができる。

以上説明したように、実施の形態２のアンテナ装置では、第二の導体と第一の電極との間に、電源の印加周波数では電気的に開放となる高電圧遮断部を備えたので、実施の形態１の効果に加えてアンテナ装置としての性能低下を防止することができる。

また、実施の形態２のアンテナ装置によれば、高電圧遮断部をコンデンサとしたので、高電圧遮断部を安価に構成することができる。

また、実施の形態２のアンテナ装置によれば、高電圧遮断部をＬＣ並列共振回路としたので、電源の周波数と送信周波数の比が小さい場合でも高電圧遮断部を実現することができる。

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態２の構成に加えて、高圧電源７と第一の電極４との間に入出力端子３を介して入力される送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部１０を設けたものである。
図４は、実施の形態３のアンテナ装置を示す構成図であり、図３に示した実施の形態２の構成に加えて高周波遮断部１０が追加されている。高周波遮断部１０は、高圧電源７と、第一の電極４と高電圧遮断部９との接続点との間に設けられている。高周波遮断部１０としては、例えば、入出力端子３を介して入力される送受信部８からの信号の送信周波数を共振周波数とするＬＣ並列共振回路から構成されている。その他の構成は図３に示した実施の形態２と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

このように構成された実施の形態３のアンテナ装置では、入出力端子３を介して入力され、高圧電源７に印加される送信周波数の信号を遮断することができる。すなわち、送受信部８から供給される電波の電流が入出力端子３を介して高圧電源７の方へも流れ込む場合があり、アンテナとしての性能を低下させる懸念がある。しかしながら実施の形態３では、このような流れ込む電流が高周波遮断部１０によって阻止されるため、高圧電源７から第一の電極４と第二の電極５に印加される電圧への影響を排除することができる。

なお、上記実施の形態３では、実施の形態２の構成に高周波遮断部１０を付加したが、実施の形態１の構成に高周波遮断部１０を付加するようにしてもよい。すなわち、実施の形態１の構成に高周波遮断部１０のみを備えた構成であってもよい。

以上説明したように、実施の形態３のアンテナ装置によれば、電源と第一の電極との間に、第一の導体と第二の導体とに与えられる送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部を備えたので、実施の形態１の効果に加えてアンテナ装置としての性能低下を防止することができる。

また、実施の形態３のアンテナ装置によれば、第二の導体と第一の電極との間に設けられ、電源の印加周波数では電気的に開放となる高電圧遮断部と、電源と第一の電極との間に設けられ、第一の導体と第二の導体とに与えられる送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部とを備えたので、実施の形態１の効果に加えてアンテナ装置としての性能低下を防止することができる。

また、実施の形態３のアンテナ装置によれば、高周波遮断部をＬＣ並列共振回路としたので、高電圧遮断部を安価に構成することができる。

実施の形態４．
これまでの実施の形態では、プラズマ可変容量素子を可変整合回路の素子として使用し、アンテナの動作周波数（アンテナと給電線路とのインピーダンス整合周波数）を可変にする形態を示した。本実施の形態では、プラズマ可変容量素子をアンテナの放射指向性の切替え手段として使用する形態を説明する。

図５は実施の形態４のアンテナ装置を示す構成図である。これまでの実施の形態との構造的な差異は、第一の電極４と第二の導体２との接続導体が無く、第一の電極４に第三の導体１１が接続されていることである。第三の導体１１は、非励振素子である。これ以外の構成は図２に示した実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

実施の形態４のアンテナ装置では、励振素子である第二の導体２と非励振素子である第三の導体１１との間隔を適切に選定し、高圧電源７による第一の電極４と第二の電極５への印加電圧を適切に切り替えることにより、入出力端子３から供給された送信信号の電波の空間への放射方向を制御することが可能となる。例えば、図６は、送信周波数を１００ＭＨｚ、第一の電極４及び第二の電極５と密封容器６内のプラズマで形成される静電容量の値が８０ｐＦ相当あるいは２０ｐＦ相当で切り替えた場合の放射指向性の変化をＦＤＴＤ法による数値電磁界解析法で計算した結果を示している。図６において、図６Ａはアンテナ装置の概略斜視図、図６Ｂは、Ｃ＝８０ｐＦ（Ｚ＝−ｊ２０Ω）の放射パターン、図６Ｃは、Ｃ＝２０ｐＦ（Ｚ＝−ｊ８０Ω）の放射パターンを示している。図６Ｂと図６Ｃのそれぞれの放射パターンから明らかなように、静電容量の変化率が１対４程度でも大きく指向性を変化できることがわかる。

上述したように、静電容量値は密封容器６内のプラズマの比誘電率に比例するため、高圧電源７による印加電圧を変化させることにより、図５に示すアンテナの放射指向性を変化させることが可能となる。なお、第二の導体２と第三の導体１１との間隔（距離）は両導体が電磁的に結合して放射指向性を変えられる範囲であればいくらでもよい。図示例ではλ／４の場合を示しており、通常は、空間に放射する電波の波長の二分の一以下である。

このように、実施の形態４では、プラズマを用いた可変容量素子としたので、放射指向性の切替えアンテナとして所望の動作を実現することができる。すなわち、整合回路として動作させる場合と同様に、入出力端子３から入力される送信電波の電流が高圧電源７側に漏えいすることがあっても、実施の形態４においてもＶ０＞＞Ｖｒｆであるため、Ｖの変動は非常に小さくなり、ＲＦ電圧による可変容量素子への印加電圧の影響を少なくすることができる。

以上説明したように、実施の形態４のアンテナ装置によれば、第一の導体と、第一の導体に対して垂直に配置された第二の導体と、第二の導体と平行に配置された第三の導体と、第一の電極と第二の電極を有し、第一の電極と第二の電極の最大寸法と、第一の電極と第二の電極間の距離とが、対象とする信号の波長の十分の一以下に設定され、内部に希ガスを封入した密封容器と、第一の電極と第二の電極とに電圧を印加して密封容器内をプラズマ状態とし、かつ、印加電圧が可変である電源とを備え、第三の導体が第一の電極に接続され、第二の電極が第一の導体に接続されるようにしたので、指向性の切替えを確実に行うことができる。

実施の形態５．
実施の形態５は、高圧電源７と第一の電極４との間に入出力端子３を介して入力される送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部１０を設けたものである。
図７は、実施の形態５のアンテナ装置を示す構成図であり、図５に示した実施の形態４の構成に加えて高周波遮断部１０が追加されている。高周波遮断部１０は、高圧電源７と、第一の電極４との間に設けられており、高周波遮断部１０の構成は実施の形態３と同様であり、その共振周波数が送受信部８からの送信電波の周波数となるＬＣ並列共振回路で構成されている。これ以外の構成は図５に示した実施の形態４と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

このように構成されたアンテナ装置では、高圧電源７と第一の電極４との間に高周波遮断部１０を備えているので、入出力端子３を介して送受信部８の送信電波の電流が高圧電源７側に漏えいした場合でもこの電流を遮蔽することができる。

以上説明したように、実施の形態５のアンテナ装置によれば、電源と第一の電極との間に、第一の導体と第二の導体とに与えられる送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部とを備えたので、アンテナ装置としての性能低下を防止することができる。

実施の形態６．
上記実施の形態１〜５で説明したアンテナ装置を、複数個、所定の間隔で並べてアレー化することにより、大きな電力を使用するアレーアンテナ装置として構成することも可能である。また、各実施の形態では、第一の導体１を地板とするモノポールアンテナでの例を説明したが、地板である第一の導体１に関してイメージ定理（鏡像の理）を適用することにより、ダイポールアンテナへも本発明は容易に適用できる。また、励振素子である第二の導体２と非励振素子である第三の導体１１は直線状の導体として説明したが、アンテナの全高を低くする（低背化）ために素子が途中で屈曲する構成や、素子上端に第一の導体１に平行な線状導体や面状導体が付く構成（トップローディング）であっても同様の効果が得られる。また、プラズマ可変容量素子を装荷した非励振素子を複数個配置しても同様の効果が得られる。

以上説明したように、実施の形態６のアレーアンテナ装置によれば、実施の形態１〜５のうちいずれかの実施の形態のアンテナ装置を複数並べて構成したので、指向性または動作周波数の切り替えを確実に行うことのできるアレーアンテナ装置を実現することができる。

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。

以上のように、この発明に係るアンテナ装置及びアレーアンテナ装置は、プラズマを用いた可変容量素子を可変整合回路の素子またはアンテナの放射指向性の切替え手段として用いたものであり、放射パターンを可変とするアンテナ装置または動作周波数を可変とするアンテナ装置に用いるのに適している。

１ 第一の導体、２ 第二の導体、３ 入出力端子、４ 第一の電極、５ 第二の電極、６ 密封容器、７ 高圧電源、８ 送受信部９ 高電圧遮断部、１０ 高周波遮断部、１１ 第三の導体。

Claims (10)

1. 第一の導体と、
   前記第一の導体に対して垂直に配置された第二の導体と、
   第一の電極と第二の電極を有し、前記第一の電極と前記第二の電極の最大寸法と、当該第一の電極と前記第二の電極間の距離とが、対象とする信号の波長の十分の一以下に設定され、内部に希ガスを封入した密封容器と、
   前記第一の電極と前記第二の電極とに電圧を印加して前記密封容器内をプラズマ状態とし、かつ、当該印加電圧が可変である電源とを備え、
   前記第一の電極が前記第二の導体に接続され、前記第二の電極が前記第一の導体に接続されたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第二の導体と前記第一の電極との間に、前記電源の印加周波数では電気的に開放となる高電圧遮断部を備えたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記電源と前記第一の電極との間に、前記第一の導体と前記第二の導体とに与えられる送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部を備えたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記第二の導体と前記第一の電極との間に設けられ、前記電源の印加周波数では電気的に開放となる高電圧遮断部と、
   前記電源と前記第一の電極との間に設けられ、前記第一の導体と前記第二の導体とに与えられる送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部とを備えたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
5. 第一の導体と、
   前記第一の導体に対して垂直に配置された第二の導体と、
   前記第二の導体と平行に配置された第三の導体と、
   第一の電極と第二の電極を有し、前記第一の電極と前記第二の電極の最大寸法と、当該第一の電極と前記第二の電極間の距離とが、対象とする信号の波長の十分の一以下に設定され、内部に希ガスを封入した密封容器と、
   前記第一の電極と前記第二の電極とに電圧を印加して前記密封容器内をプラズマ状態とし、かつ、当該印加電圧が可変である電源とを備え、
   前記第三の導体が前記第一の電極に接続され、前記第二の電極が前記第一の導体に接続されたことを特徴とするアンテナ装置。
6. 前記電源と前記第一の電極との間に、前記第一の導体と前記第二の導体とに与えられる送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部とを備えたことを特徴とする請求項５記載のアンテナ装置。
7. 前記高電圧遮断部はコンデンサであることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
8. 前記高電圧遮断部はＬＣ並列共振回路であることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
9. 前記高周波遮断部はＬＣ並列共振回路であることを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
10. 請求項１に記載のアンテナ装置を複数並べたことを特徴とするアレーアンテナ装置。

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