JP6490319B1 - アレーアンテナ装置及び通信機器 - Google Patents
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Abstract
Description
パッチアンテナがアレー化されているアレーアンテナでは、パッチアンテナの電界面であるE面のアレー素子パターンのビーム幅が、磁界面であるH面のアレー素子パターンのビーム幅よりも狭い。
したがって、主ビーム方向がE面方向であるアレーアンテナでは、広角にビーム走査を行うと、ビーム走査損失が大きくなってしまうことがある。
ビーム走査損失が大きくなる1つの要因として、アレーアンテナのE面方向では、表面波の影響が大きいために、複数のパッチアンテナ間の相互結合が増大してしまう要因が考えられる。
従来のアレーアンテナは、所望の帯域を確保するために、基板の厚さhとして、式(1)を満足する厚さを確保することができないことがある。
従来のアレーアンテナは、基板の厚さhとして、式(1)を満足する厚さを確保することができない場合、表面波を抑圧することができないという課題があった。
図1は、実施の形態1によるアレーアンテナ装置を示す平面図である。
図2は、図1に示すアレーアンテナ装置におけるB−B’の断面図である。
図1及び図2において、誘電体基板1は、誘電体によって形成されている基板である。
放射導体2は、誘電体基板1の第1の平面1aに形成されている四角形のパッチ素子である。
図1に示すアレーアンテナ装置では、9個(X方向に3個、Y方向に3個)の放射導体2が誘電体基板1の第1の平面1aに形成されている。しかし、第1の平面1aには、複数の放射導体2が形成されていればよく、2〜8個又は10個以上の放射導体2が形成されていてもよい。
図1に示すアレーアンテナ装置では、放射導体2の形状が四角形である。しかし、放射導体2の形状は、どのような形状でもよく、三角形、五角形又は円形などであってもよい。
図1に示すアレーアンテナ装置では、9個の放射導体2の形状が四角形であるため、第1の地導体3は、9個の四角形がくりぬかれた形状になっている。
第2の地導体5は、誘電体基板1の第2の平面1bのうち、第1の地導体3と対向している位置の平面に形成されている導体グリッドである。
第1の地導体3の形状と、第2の地導体5の形状とは、同じ形状である。
接続導体6における第1の地導体3に対する一端の接続位置は、複数の放射導体2のいずれかを取り囲む位置である。
図1に示すアレーアンテナ装置では、1個の放射導体2につき、24本の接続導体6の一端が、放射導体2を取り囲むように、第1の地導体3と接続されている。
誘電体層7は、誘電体基板1を形成している誘電体の比誘電率と同じ比誘電率を有する誘電体によって形成されている層である。
誘電体層7は、誘電体によって形成されている層に限るものではなく、例えば、誘電体基板1を形成している誘電体の比誘電率と同じ比誘電率を有する誘電接着剤で形成されている層であってもよい。
給電基板8は、複数の放射導体2のそれぞれに電波を電磁気的に結合させるための線路として、トリプレート線路を備えている。
素子占有面積9は、放射導体2の1個当たりの占有面積であり、X方向の放射導体2の間隔と、Y方向の放射導体2の間隔とから決定される。
複数の接続導体6の一端が、放射導体2を取り囲んでいる位置は、素子占有面積9の内側である。
図3において、地導体11は、給電基板8の一方の面8aに形成されている。
地導体12は、給電基板8の他方の面8bに形成されている。
中心導体13は、地導体11と地導体12との間に形成されている導体である。
接続導体14は、一端が地導体11と接続され、他端が地導体12と接続されるように、給電基板8の内部に設けられている。
接続導体15は、一端が中心導体13と接続され、他端が給電基板8の外部に出ている。
結合スロット16は、複数の放射導体2のそれぞれと電波を電磁気的に結合させるために、地導体11に施されている穴である。
地導体11、地導体12、中心導体13、接続導体14、接続導体15及び結合スロット16のそれぞれは、給電基板8が備えるトリプレート線路の要素である。
給電基板8は、地導体11に結合スロット16が施されているため、外部から接続導体15に電気信号が給電されると、誘電体層7及び誘電体基板1を介して、複数の放射導体2に電波を電磁気的に結合させる。
複数の放射導体2に結合された電波は、空間に放射される。
ただし、複数の放射導体2に結合された電波の一部は、誘電体基板1の内部を伝搬される表面波成分となる。
表面波成分が他の放射導体2に伝搬されることで、複数の放射導体2間の相互結合が増大し、アレーアンテナ装置のビーム走査損失が大きくなる。
図1に示すアレーアンテナ装置では、複数の接続導体6が、放射導体2を取り囲むように配置されているため、複数の接続導体6に取り囲まれている放射導体2からの表面波成分は、複数の接続導体6、第1の地導体3及び第2の地導体5によって、遮蔽される。
したがって、図1に示すアレーアンテナ装置は、複数の放射導体2間の相互結合の増大が抑制されるため、アレー素子パターンの広角方向での利得低下を抑えることができる。
よって、図1に示すアレーアンテナ装置では、誘電体基板1の厚さhを(0.3λ0)/(2π√εr)よりも厚くすることができるため、アンテナの帯域を広げることが可能である。
図1に示すアレーアンテナ装置では、複数の接続導体6、第1の地導体3及び第2の地導体5を備えているため、1個の放射導体2につき、主放射成分の放射領域は、複数の接続導体6に囲まれている領域のうち、放射導体2を除く領域に対応する。
したがって、図1に示すアレーアンテナ装置は、複数の接続導体6、第1の地導体3及び第2の地導体5を備えていないアレーアンテナ装置よりも、主放射成分の放射領域が小さくなるため、アレー素子パターンのビーム幅を広くすることができる。
キャビティ構造のアレーアンテナ装置では、誘電体基板と給電基板を多層化する際、誘電体基板と給電基板をネジ止めによって固定されることが多い。誘電体基板と給電基板がネジ止めによって固定される場合、誘電体基板と給電基板の間に、位置づれ等が生じて、アンテナの電気特性が設計値から変動してしまうことがある。
図1に示すアレーアンテナ装置では、給電基板8が、誘電体層7を介して誘電体基板1と接着されている構造であり、給電基板8を第2の地導体5に接地する必要がない。
したがって、図1に示すアレーアンテナ装置の構造では、誘電体層7を介して、誘電体基板1と給電基板8を多層化すればよく、キャビティ構造と比べて、誘電体基板1と給電基板8の多層化が容易である。よって、誘電体基板1と給電基板8の間に、位置づれ等が生じ難く、アンテナの電気特性が設計値から変動してしまう可能性が低下する。
図4は、シミュレーション対象のアレーアンテナ装置を示す平面図であり、図4において、図1と同一符号は同一又は相当部分を示している。
図4に示すアレーアンテナ装置は、32個(X方向に8個、Y方向に4個)の放射導体2が誘電体基板1の第1の平面1aに形成されている。
図5は、図4に示すアレーアンテナ装置のE面方向の放射パターン(アレー素子パターン)のシミュレーション結果を示す説明図である。
図5には、実施の形態1のアレーアンテナ装置として、図4に示すアレーアンテナ装置のほか、比較対象のアレーアンテナ装置のアレー素子パターンのシミュレーション結果も示している。
比較対象のアレーアンテナ装置についても、32個(X方向に8個、Y方向に4個)の放射導体2が誘電体基板1の第1の平面1aに形成されているが、比較対象のアレーアンテナ装置は、接続導体6、第1の地導体3及び第2の地導体5を備えていない。
シミュレーションでは、いずれか1個の放射導体2を励振する際、残りの31個の放射導体2は、整合終端されているものとしている。
また、シミュレーションでは、32個の放射導体2の間隔が、0.54自由空間波長であるとしている。
図5において、横軸は、角度を表し、縦軸は、正面0度方向の利得で規格化されている利得を表している。
21は、図4に示すアレーアンテナ装置のアレー素子パターンのシミュレーション結果を示し、22は、比較対象のアレーアンテナ装置のアレー素子パターンのシミュレーション結果を示している。
また、アレー素子パターンの利得が概ね−3dBよりも大きければ、一般的に、利得が大きいと言われる。
シミュレーション結果21とシミュレーション結果22を比較すると、−60〜+60度のビーム幅では、シミュレーション結果21が示すアレー素子パターンの利得が、シミュレーション結果22が示すアレー素子パターンの利得よりも方が大きくなっている。
また、シミュレーション結果21は、−60〜+60度のビーム幅において、アレー素子パターンの利得が概ね−3dBよりも大きくなっている。
したがって、図4に示すアレーアンテナ装置は、比較対象のアレーアンテナ装置と比べて、アレー素子パターンのビーム幅が拡大されて、広覆域化が図られることが分かる。
したがって、給電基板8は、複数の放射導体2のそれぞれに電波を電磁気的に結合させるための線路として、例えば、他方の面8bに地導体が形成され、一方の面8aにマイクロストリップ線路が形成されているものであってもよい。
実施の形態1のアレーアンテナ装置では、誘電体基板1が単層基板であるものを示している。
実施の形態2では、誘電体基板1が、複数の誘電体基板が積層されている多層基板であるアレーアンテナ装置について説明する。
実施の形態2によるアレーアンテナ装置の平面図は、図1と同様であり、図6は、図1に示すアレーアンテナ装置におけるB−B’の断面を示している。
図6において、図1から図3と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
誘電体基板1は、誘電体基板31と、誘電体層32と、誘電体基板33とを備えている多層基板である。
誘電体基板31、誘電体層32及び誘電体基板33におけるそれぞれの比誘電率は、同じである。
誘電体層32は、誘電体基板31と誘電体基板33との間に挿入される層であり、誘電体によって形成されている。
ただし、誘電体層32は、誘電体によって形成されている層に限るものではなく、例えば、誘電接着剤で形成されている層であってもよい。
図6に示すアレーアンテナ装置では、誘電体基板1が、3層の多層基板であるものを示している。しかし、誘電体基板1は、3層の多層基板に限るものではなく、2層又は4層以上の多層基板であってもよい。
図6に示すアレーアンテナ装置では、誘電体基板1が多層基板であるため、多層基板の積層数を増やすことで、誘電体基板1の厚さを単層基板の厚さよりも厚くすることが可能である。
したがって、図6に示すアレーアンテナ装置では、誘電体基板1の厚さを厚くすることで、実施の形態1のアレーアンテナ装置よりも帯域を広くすることが可能である。
図7には、誘電体基板1が単層基板である場合のアレー素子パターンのシミュレーション結果と、誘電体基板1が多層基板である場合のアレー素子パターンのシミュレーション結果とを示している。
誘電体基板1が単層基板である場合のアレーアンテナ装置は、実施の形態1のアレーアンテナ装置であり、誘電体基板1が多層基板である場合のアレーアンテナ装置は、実施の形態2のアレーアンテナ装置である。
いずれのアレーアンテナ装置も、図4に示すように、32個の放射導体2が形成されているものとする。
シミュレーションでは、いずれか1個の放射導体2を励振する際、残りの31個の放射導体2は、整合終端されているものとしている。
また、シミュレーションでは、32個の放射導体2の間隔が、0.54自由空間波長であるとしている。
図7において、横軸は、角度を表し、縦軸は、正面0度方向の利得で規格化されている利得を表している。
23は、誘電体基板1が単層基板である場合のアレー素子パターンのシミュレーション結果を示し、24は、誘電体基板1が多層基板である場合のアレー素子パターンのシミュレーション結果を示している。
シミュレーション結果23とシミュレーション結果24は、ほぼ同じである。
したがって、誘電体基板1が多層基板であるアレーアンテナ装置についても、実施の形態1に示した比較対象のアレーアンテナ装置よりも、アレー素子パターンのビーム幅が拡大されて、広覆域化が図られることが分かる。
図8において、横軸は、帯域の中心周波数f0で規格化されている周波数を表し、縦軸は、アンテナの反射係数を表している。図8に示す反射係数についても、シミュレーションによって求めている。
25は、誘電体基板1が単層基板である場合のアンテナの反射係数を示し、26は、誘電体基板1が多層基板である場合のアンテナの反射係数を示している。
反射係数25と反射係数26を比較すると明らかなように、誘電体基板1が多層基板であるアレーアンテナ装置は、誘電体基板1が単層基板であるアレーアンテナ装置よりも、帯域の低域側から高域側に亘って低反射な特性が得られていることが分かる。
実施の形態1のアレーアンテナ装置では、放射導体2が、誘電体基板1の第1の平面1aに形成されている。
実施の形態3では、誘電体基板1の第1の平面1aに形成されている放射導体2のほかに、多層基板である誘電体基板1の間にも、第2の放射導体30が形成されているアレーアンテナ装置について説明する。
実施の形態3によるアレーアンテナ装置の平面図は、図1と同様であり、図9は、図1に示すアレーアンテナ装置におけるB−B’の断面を示している。
図9において、図1から図3及び図6と同一符号は同一又は相当部分を示すので説明を省略する。
図9に示す放射導体2は、第1の放射導体であるとする。
複数の第2の放射導体30は、誘電体基板1に含まれている誘電体基板33のうち、複数の第1の放射導体2のそれぞれと対向する位置に形成されている。
図9に示すアレーアンテナ装置では、第2の放射導体30が、誘電体基板33に形成されている。しかし、第2の放射導体30は、誘電体基板33に形成されるものに限るものではない。したがって、第2の放射導体30は、例えば、誘電体基板31における誘電体層32側の平面に形成されているものであってもよい。
例えば、第1の放射導体2の厚さと厚さが異なる第2の放射導体30が誘電体基板33に形成された場合、図9に示すアレーアンテナ装置は、第1の放射導体2の共振周波数と第2の放射導体30の共振周波数とが異なる複共振を生じるようになる。
複共振を生じるアレーアンテナ装置は、第2の放射導体30が形成されていないために、複共振を生じないアレーアンテナ装置と比べて、広帯域化を図ることができる。
ここでは、第1の放射導体2の厚さと厚さが異なる第2の放射導体30が誘電体基板33に形成されている。第1の放射導体2の形状と形状が異なる第2の放射導体30が誘電体基板33に形成されるアレーアンテナ装置についても、複共振を生じる。
実施の形態4では、誘電体層7の厚さh7が、以下の式(2)を満足する厚さであるアレーアンテナ装置について説明する。
式(2)において、λ0は、自由空間波長、εrは、誘電体層7の比誘電率である。
実施の形態4のアレーアンテナ装置では、複数の接続導体6、第1の地導体3及び第2の地導体5によって、放射導体2からの表面波成分が遮蔽されている。
実施の形態4のアレーアンテナ装置では、誘電体層7の厚さh7を、式(2)を満足する厚さとすることで、さらに、放射導体2からの表面波成分を抑圧している。
誘電体層7の厚さh7が式(2)を満足する厚さである場合、誘電体層7の厚さh7は、十分に薄いため、隣接している放射導体2間の表面波成分の伝搬路は、電気的にほぼ遮蔽されているとみなすことができる。
したがって、隣接している放射導体2間の相互結合の影響をさらに低減することができる。
実施の形態1のアレーアンテナ装置では、誘電体基板1の第1の平面1aにおける複数の放射導体2の配列が四角配列である。
しかし、これは一例に過ぎず、アレーアンテナ装置は、図10に示すように、誘電体基板1の第1の平面1aにおける複数の放射導体2の配列が直線配列であってもよく、実施の形態1のアレーアンテナ装置と同様の効果が得られる。
また、アレーアンテナ装置は、図11に示すように、誘電体基板1の第1の平面1aにおける複数の放射導体2の配列が三角配列であってもよく、実施の形態1のアレーアンテナ装置と同様の効果が得られる。
また、アレーアンテナ装置は、図12に示すように、誘電体基板1の第1の平面1aにおける複数の放射導体2の配列が非周期配列であってもよく、実施の形態1のアレーアンテナ装置と同様の効果が得られる。
図10から図12は、誘電体基板1の第1の平面1aにおける複数の放射導体2の配列を示す説明図である。
実施の形態6では、実施の形態1〜5のうちのいずれかのアレーアンテナ装置を実装している通信機器について説明する。
図13は、実施の形態6による通信機器を示す構成図である。
図13において、アレーアンテナ装置41は、電波を送受信するアレーアンテナ装置であり、アレーアンテナ装置41は、実施の形態1〜5のうちのいずれかのアレーアンテナ装置である。
通信部42は、アレーアンテナ装置41の接続導体15と接続されている。
通信部42は、送信対象の電波に対応する電気信号として、例えば、内部に実装している変調器によって変調された電気信号をアレーアンテナ装置41の接続導体15に出力する。
また、通信部42は、アレーアンテナ装置41の接続導体15から、アレーアンテナ装置41により受信された電波に対応する電気信号を収集する。
通信機器は、アレーアンテナ装置41と通信部42を実装することで、他の通信機器と無線通信を実施することができる。
実施の形態6では、アレーアンテナ装置41を備える通信機器について示している。しかし、これに限るものではなく、アレーアンテナ装置41を備えるレーダ装置であってもよい。
この発明は、アレーアンテナ装置を備える通信機器に適している。
Claims (9)
- 誘電体基板と、
前記誘電体基板の第1の平面に形成されている複数の放射導体と、
前記誘電体基板の第1の平面のうち、前記複数の放射導体を取り囲む位置であり、かつ、前記複数の放射導体との間に隙間が生じる位置の平面に形成されている第1の地導体と、
前記誘電体基板の第2の平面のうち、前記第1の地導体と対向している位置の平面に形成されている第2の地導体と、
一端が前記第1の地導体と接続されて、他端が前記第2の地導体と接続されるように、前記誘電体基板の内部に設けられており、前記第1の地導体に対する前記一端の接続位置が、前記複数の放射導体のいずれかを取り囲む位置である複数の接続導体と、
前記誘電体基板の第2の平面及び前記第2の地導体のそれぞれと一方の面が接着されている誘電体層と、
一方の面が前記誘電体層の他方の面と接着されており、前記誘電体層及び前記誘電体基板を介して、前記複数の放射導体に電波を電磁気的に結合させる給電基板とを備え、
前記接続導体の前記他端は、前記誘電体層に及んでおらず、
前記誘電体層は、誘電接着剤で形成されている層であることを特徴とする、アレーアンテナ装置。 - 前記誘電体基板は、複数の誘電体基板が積層されている多層基板であることを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ装置。
- 第1の平面に形成されている複数の放射導体のそれぞれが第1の放射導体であり、
前記多層基板に含まれている複数の誘電体基板の間のうち、前記複数の第1の放射導体のそれぞれと対向する位置に、第2の放射導体がそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項2記載のアレーアンテナ装置。 - 前記誘電体基板の第1の平面における前記複数の放射導体の配列が、四角配列であることを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ装置。
- 前記誘電体基板の第1の平面における前記複数の放射導体の配列が、三角配列であることを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ装置。
- 前記誘電体基板の第1の平面における前記複数の放射導体の配列が、非周期配列であることを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ装置。
- 前記給電基板は、
前記複数の放射導体のそれぞれに電波を電磁気的に結合させるための線路を備えていることを特徴とする請求項1記載のアレーアンテナ装置。 - 電波を送受信するアレーアンテナ装置と、
送信対象の電波に対応する電気信号を前記アレーアンテナ装置に出力し、前記アレーアンテナ装置により受信された電波に対応する電気信号を収集する通信部とを備えており、
前記アレーアンテナ装置は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第1の平面に形成されている複数の放射導体と、
前記誘電体基板の第1の平面のうち、前記複数の放射導体を取り囲む位置であり、かつ、前記複数の放射導体との間に隙間が生じる位置の平面に形成されている第1の地導体と、
前記誘電体基板の第2の平面のうち、前記第1の地導体と対向している位置の平面に形成されている第2の地導体と、
一端が前記第1の地導体と接続されて、他端が前記第2の地導体と接続されるように、前記誘電体基板の内部に設けられており、前記第1の地導体に対する前記一端の接続位置が、前記複数の放射導体のいずれかを取り囲む位置である複数の接続導体と、
前記誘電体基板の第2の平面及び前記第2の地導体のそれぞれと一方の面が接着されている誘電体層と、
一方の面が前記誘電体層の他方の面と接着されており、前記誘電体層及び前記誘電体基板を介して、前記複数の放射導体に電波を電磁気的に結合させる給電基板とを備え、
前記接続導体の前記他端は、前記誘電体層に及んでおらず、
前記誘電体層は、誘電接着剤で形成されている層であることを特徴とする、通信機器。
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