JP6517099B2 - 無線アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波帯または準ミリ波帯の信号の送受信に用いることのできる無線アンテナに関する。

近時、広い帯域幅のチャネルを得るため、ミリ波（30GHz〜300GHz）や準ミリ波（明確な定義はないがおよそ20GHz〜30GHz）と呼ばれる高周波領域の移動体通信への適用が検討されている（非特許文献１）。

ところで、フリスの伝達公式（１）によれば、送信アンテナから距離Ｄだけ離れた地点に設けられた受信アンテナにおける電磁波の受信電力Ｐは周波数ｆの二乗に反比例する。ｃは光速、Ｇ_Sは送信側アンテナゲイン、Ｇ_Rは受信側アンテナゲイン、Ｐ_Sは送信電力である。

このため、高周波領域において、できるだけ大きな信号を送受信するためには、アンテナゲインを大きくする必要がある。一般的に用いられるダイポールアンテナによると、最大利得は2.15dBi程度である。ミリ波帯で高利得を有するアンテナとして、テーパースロットアンテナ（TSA）が挙げられる（非特許文献２）。TSAは、スロットモードの伝送路において、地導体間隔を徐々に広がるような形状を有している。TSAが例えば図１（ａ）に示す形状を有する場合、図１（ｂ）に示すように約10dBiの最大利得を得ることができ、XY平面上の利得半値幅は70°程度である。また、より広い利得半値幅を持つアンテナも提案されている（非特許文献３）。非特許文献３のアンテナによると利得半値幅は約120°であるが、最大利得が4〜7dBi程度である。

「ドコモ５Ｇホワイトペーパー ２０２０年以降の５Ｇ無線アクセスにおける要求条件と技術コンセプト」、株式会社ＮＴＴドコモ、2014年9月 K.S. Yngvesson, T.L. Korzeniowski，Y-S. Kim，E.L．Kollberg, et al., "The tapered slot antenna -a new integrated element for millimeter wave applications," IEEE Trans. MTT, vol. 37, no. 2, pp. 365-374, Feb 1989 A. Kedar and K.S. Beenamole, "Wide beam tapered slot antenna for wide angle scanning phased array antenna", Progress in electromagnetic research B, Vol. 27, pp.235-251, 2011

本発明は、スロットアンテナ以外のアンテナであって、10dBi以上の最大利得と50°以上の利得半値幅を得ることができる無線アンテナを提供することを目的とする。

本発明の無線アンテナは、ミリ波帯または準ミリ波帯の信号を送受信可能な無線アンテナであって、ケーブル状の導波路を含み、導波路は、誘電体で形成された芯部と、当該芯部を取り囲むように誘電体で形成された被覆部とで構成されており、芯部の誘電率は、被覆部の誘電率よりも大きく、導波路の一部が、９０度以上の曲げ角度を有する。

本発明によると、10dBi以上の最大利得と50°以上の利得半値幅を得ることができる。

テーパースロットアンテナとその特性。（ａ）テーパースロットアンテナの平面図とその諸元。（ｃ）テーパースロットアンテナのアンテナ特性。 第１実施形態の無線アンテナの構成例。 実施形態の無線アンテナの断面図。 曲げ角度を説明する図。 導波路が所定の曲げ角度（135°）の方向転換部を有する場合における、電磁界シミュレーションによるYZ平面上での曲率半径（45mm，55mm，75mm）と放射パターンとの関係を示したグラフ。 導波路が所定の曲げ角度（90°）と所定の曲率半径（45mm）の方向転換部を有する場合における、電磁界シミュレーションによるYZ平面上での放射パターンを示したグラフ。 導波路が所定の曲げ角度（105°）と所定の曲率半径（45mm）の方向転換部を有する場合における、電磁界シミュレーションによるYZ平面上での放射パターンを示したグラフ。 導波路が所定の曲げ角度（120°）と所定の曲率半径（45mm）の方向転換部を有する場合における、電磁界シミュレーションによるYZ平面上での放射パターンを示したグラフ。 導波路が所定の曲げ角度（135°）と所定の曲率半径（45mm）の方向転換部を有する場合における、電磁界シミュレーションによるYZ平面上での放射パターンを示したグラフ。 導波路が所定の曲げ角度（150°）と所定の曲率半径（45mm）の方向転換部を有する場合における、電磁界シミュレーションによるYZ平面上での放射パターンを示したグラフ。 導波路が所定の曲げ角度（165°）と所定の曲率半径（45mm）の方向転換部を有する場合における、電磁界シミュレーションによるYZ平面上での放射パターンを示したグラフ。 導波路が所定の曲げ角度（180°）と所定の曲率半径（45mm）の方向転換部を有する場合における、電磁界シミュレーションによるYZ平面上での放射パターンを示したグラフ。 曲率半径が45mm，55mm，75mmのそれぞれの場合における、方向転換部の曲げ角度と10dBi角度幅との関係を示したグラフ。 導波路が135°の曲げ角度と45mmの曲率半径の方向転換部を有する場合の無線アンテナの３次元放射パターン。 第２実施形態の無線アンテナの構成例。 第２実施形態における放射パターンの例。（ａ）導波路が135°の曲げ角度と45mmの曲率半径の方向転換部を有する場合の無線アンテナの構成例。（ｂ）放射パターン。 第２実施形態の無線アンテナの変形例。 第３実施形態における放射パターンの例。（ａ）導波路が180°の曲げ角度と35mmの曲率半径の方向転換部を有する場合の無線アンテナの構成例。（ｂ）放射パターン。 第４実施形態の無線アンテナの構成例（其の壱）。 第４実施形態の無線アンテナの構成例（其の弐）。

＜第１実施形態＞
第１実施形態の無線アンテナ１００は、図２に示すように、細長いケーブル状の導波路１１０を含む構成を持つ。第１実施形態では、導波路１１０の一端は、ミリ波（30GHz〜300GHz）あるいは準ミリ波（明確な定義はないがおよそ20GHz〜30GHz）の周波数を持つ信号を生成する信号生成装置８００に接続されている。第１実施形態では、導波路１１０の他端は、ターミネーター８７０に接続されているが、導波路１１０の他端に何も接続されていない構成も許容される。この信号の種類に限定はなく、アナログ信号でも、デジタル信号でも、離散時間信号でも、連続時間信号でもよい。

導波路１１０は、導波路１１０の長手方向の任意の位置における当該長手方向に垂直な断面図である図３に示すように、導波路１１０の長手方向に延びる、誘電体で形成された芯部１１０ａと、芯部１１０ａの外周に芯部１１０ａを取り囲むように誘電体で形成された被覆部１１０ｂとで構成されている。芯部１１０ａの断面形状は円であり、被覆部１１０ｂの断面形状は肉厚一定の中空円である。芯部１１０ａの直径と被覆部１１０ｂの内円の直径は等しい。このように、実施形態の導波路１１０は、一様な構造、つまり、任意の位置での断面形状が一定であり、芯部１１０ａと被覆部１１０ｂのそれぞれの材質が任意の位置で一定である構造を持っている。なお、図３では、導波路１１０の断面形状は同心円状であるが、このような構造に限定されず、例えば、同心矩形状であってもよい。

芯部１１０ａの誘電率は、被覆部１１０ｂの誘電率よりも大きい。このため、導波路１１０の上記一端に入力された信号生成装置８００からの入力信号の電磁界は、後述する方向転換部１１０ｃが存在しない場合、誘電率の大きい芯部１１０ａに集中して、導波路１１０の上記他端に向かって低損失に伝搬し、導波路１１０の上記他端に接続されているターミネーター８７０によって吸収される。

導波路１１０の一部１１０ｃは、９０度以上の曲げ角度を有する。以下、このような曲げ角度を有する導波路の一部（曲率が非ゼロの部分）を方向転換部１１０ｃと呼称する。この明細書では、図４に示すように、曲げ角度を、方向転換部１１０ｃに進入する信号の進入の向き（図４中、導波路の横の矢印で示す）と当該方向転換部１１０ｃを通過する信号の脱出の向き（図４中、導波路の横の矢印で示す）とがなす角度とする（図４にて、角度αを曲げ角度とする）。図４では、α=135[°]の例を示している。

方向転換部１１０ｃは、電磁波（帯域としては電波である）を放射する放射部として機能することができる。つまり、方向転換部１１０ｃが存在する場合、信号生成装置８００からの入力信号は、この方向転換部１１０ｃで電磁波として放射される。なお、「放射」とは、方向転換部１１０ｃに到達した入力信号の電力のうち一部が方向転換部より誘電体の外部へと放出されることを言い、この外部へと放出された信号の電力の分だけ、当該方向転換部１１０ｃが放射部として機能しない場合（つまり、導波路として機能する場合）に実際には発生する伝送損失を超える損失が生ずる。方向転換部１１０ｃで電磁波の放射によって失われる電力は、通常、方向転換部１１０ｃに到達した入力信号の電力の一部であり、方向転換部１１０ｃは導波路としての機能を喪失していないので、残余の電力を持った入力信号は方向転換部１１０ｃを通過する。方向転換部１１０ｃを通過した入力信号は、放射部として機能しない部分、つまり、導波路として機能する部分の導波路１１０を伝搬し、導波路１１０の上記他端に向かって、低損失に伝搬する。方向転換部１１０ｃで放射された電磁波は、例えば、携帯電話などの通信端末（図示せず）が持つ無線アンテナによって受信される。

方向転換部１１０ｃは、導波路１１０において一箇所だけしか存在しなくてもよいし二箇所以上存在してもよい。さらには、方向転換部１１０ｃは、導波路１１０の両端を除く導波路１１０の任意の部位であることが好ましい。導波路１１０は、単一の製品としての構成を持っていてもよいし、例えば同一の構造を持つ複数の導波路（以下、サブ導波路と呼称する）が一列に接続された構成を持っていてもよい。後者の場合、サブ導波路とサブ導波路との接続として、光ファイバーを参考に、融着による接続またはコネクタを用いる接続を採用できる。なお、当該後者の場合、サブ導波路とサブ導波路との接続部位は、通常、方向転換部１１０ｃとして機能できる部位にならない。

方向転換部１１０ｃで電磁波の放射によって失われる電力は、導波路１１０の径、芯部１１０ａと被覆部１１０ｂのそれぞれの材質、方向転換部１１０ｃの湾曲の程度などに依存する。湾曲の程度を表す指標は、例えば、曲率、曲率半径、曲げ角度、曲率と曲げ角度との組み合わせ、曲率半径と曲げ角度との組み合わせ、である。例示した指標を用いる場合には、例えば、導波路１１０の長手方向に延びる芯部１１０ａの中心線（つまり、導波路１１０の任意の断面での芯部１１０ａの円の中心を結んだ線）を曲線と看做せばよい。図４では、曲率半径が45[mm]の例を示している。

図５は、芯部１１０ａ（誘電率：2.2、直径：4mm）と被覆部１１０ｂ（誘電率：1.5、直径：20mm）とで構成された導波路１１０が所定の曲げ角度（135°）の方向転換部１１０ｃ（図４参照）を有する場合における、電磁界シミュレーションによるYZ平面上での曲率半径（45mm，55mm，75mm）と放射パターンとの関係を示したグラフである。入力信号の周波数は40GHzである。ただし、誘電体によって発生する損失は無いものとした。XYZ軸は図４に示すとおり、芯部１１０ａの中心線がYZ平面上に在るように設定した。図５から、曲率半径が小さいほど大きいゲインを得られることが分かる。さらに、図５から、方向転換部１１０ｃでは電磁波が均等に放射されるのではなく、方向転換部１１０ｃの頂点よりも入力信号の伝搬方向（図４にて、進入の向きと脱出の向きを参照のこと）に関して後方に位置する方向転換部１１０ｃの部位から電磁波が強く放射されることがわかる。なお、「頂点」とは、方向転換部１１０ｃにて曲率が一定でなければ曲率が最も大きくなる位置であり、曲率が非ゼロで一定であれば曲率一定の区間の中間の位置である。

図６〜図１２は、芯部１１０ａ（誘電率：2.2、直径：4mm）と被覆部１１０ｂ（誘電率：1.5、直径：20mm）とで構成された導波路１１０が所定の曲率半径（45mm）の方向転換部１１０ｃを有する場合における、電磁界シミュレーションによるYZ平面上での曲げ角度（90°，105°，120°，135°，150°，165°，180°）と放射パターンとの関係を示したグラフである。入力信号の周波数は40GHzである。ただし、誘電体によって発生する損失は無いものとした。XYZ軸は図４に示すとおりに設定した。図６〜図１２から、放射パターンにおいて10dBi以上のゲインが得られている角度幅（以下、「10dBi角度幅」と呼称する）は、曲げ角度が90°では60°幅、曲げ角度が105°では85°幅、曲げ角度が120°では95°幅、曲げ角度が135°では110°幅であり、曲げ角度がこの角度範囲では、10dBi角度幅が曲げ角度の増大に応じて広くなっていくことがわかる。しかし、曲げ角度が150°では10dBi角度幅は110°幅であるが当該角度幅の一部にて放射パターンはリップル状の変化を示し、曲げ角度が165°ではリップル状の変化が大きくなり10dBi角度幅は65°幅に減少し、曲げ角度が180°では10dBi角度幅と理解できる範囲の全域にて放射パターンはリップル状の変化を示し10dBi角度幅は凡そ45°幅に減少している。このように、曲げ角度が150°以上では10dBi角度幅が曲げ角度の増大に応じて狭くなることがわかる。この例では、曲げ角度が概ね135°以上150°以下の場合に、良好な10dBi角度幅と、当該角度幅の範囲でリップル状の変化が少ない良好な放射パターンとが得られる。

図１３は、曲率半径が45mm，55mm，75mmのそれぞれの場合における、方向転換部１１０ｃの曲げ角度と10dBi角度幅との関係を示したグラフである。ただし、芯部１１０ａの誘電率は2.2、直径は4mmであり、被覆部１１０ｂの誘電率は1.5、直径は20mmである。図１３から、曲げ角度が少なくとも90°以上であれば10dBi角度幅がほぼ50°以上であることがわかる。

また、図１４は、芯部１１０ａ（誘電率：2.2、直径：4mm）と被覆部１１０ｂ（誘電率：1.5、直径：20mm）とで構成された導波路１１０が135°の曲げ角度と45mmの曲率半径の方向転換部１１０ｃ（図４参照）を有する場合の無線アンテナ１００の３次元放射パターンを示している。図１４から、ｘ軸方向のゲインが抑制されていることがわかる。

第１実施形態の無線アンテナ１００は、送信用のアンテナとしてではなく、受信用のアンテナとしても使用できる。この場合、例えば、導波路１１０の上記一端には、信号生成装置８００に替えて受信装置が接続される。例えば携帯電話から発せられた電磁波は方向転換部１１０ｃで吸収され、少なくとも３ｄＢの損失を伴って、導波路１１０によって受信装置に伝達される。３ｄＢの損失は、方向転換部１１０ｃで吸収された電磁波が導波路１１０の上記一端と上記他端とに向かって分配されることによって発生する。

導波路１１０の上記一端には、信号生成装置８００に替えて送信機能と受信機能の両方を持つ送受信装置が接続されてもよい。

この他、（１）上記一端に信号生成装置８００が接続されている導波路１１０の上記他端にターミネーター８７０に替えて受信装置を接続する構成も採用できるし、（２）上記一端に送受信装置が接続されている導波路１１０の上記他端にターミネーター８７０に替えて受信装置を接続する構成も採用できるし、（３）無線アンテナ１００の上記一端と上記他端のそれぞれに受信装置を接続する構成も採用できるし、（４）無線アンテナ１００の上記一端と上記他端のそれぞれに送受信装置を接続する構成も採用できる。特に、（２），（３），（４）の構成によると、図示しない合成装置が導波路１１０の両端に接続された装置の受信機能で受信した電磁波を合成することによって、上述の３ｄＢの損失を解消することができる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、図１５に示すように、アイソレータ９００ａの第１端子にミリ波あるいは準ミリ波の周波数を持つ信号Ｓ_１を生成する信号生成装置８００ａが接続されており、アイソレータ９００ａの第２端子に第１実施形態の無線アンテナ１００を構成する導波路１１０の一端が接続されており、アイソレータ９００ｂの第１端子にミリ波あるいは準ミリ波の周波数を持つ信号Ｓ_２を生成する信号生成装置８００ｂが接続されており、アイソレータ９００ｂの第２端子に当該導波路１１０の他端が接続されている。アイソレータを用いているのは、定在波を作らないようにするためである。両信号Ｓ_１，Ｓ_２の種類に限定はなく、アナログ信号でも、デジタル信号でも、離散時間信号でも、連続時間信号でもよい。また、信号Ｓ_１の信号特性（例えば、周波数、位相、変調方式など）は信号Ｓ_２の信号特性と同じでも異なってもよい。

第２実施形態では、同時に、導波路１１０の一端に信号Ｓ_１が入力され、導波路１１０の他端に信号Ｓ_２が入力される。図１６（ｂ）に、芯部１１０ａ（誘電率：2.2、直径：4mm）と被覆部１１０ｂ（誘電率：1.5、直径：20mm）とで構成された導波路１１０が135°の曲げ角度と45mmの曲率半径の方向転換部１１０ｃを有する場合の無線アンテナ１００（図１６（ａ）参照）の放射パターンを示す。図１６から、信号Ｓ_１による放射パターンと信号Ｓ_２による放射パターンがそれぞれ得られており、信号Ｓ_１の信号特性が信号Ｓ_２の信号特性と同じ場合、極めて広い10dBi角度幅（約220°）が得られることがわかる。

信号Ｓ_１の信号特性が信号Ｓ_２の信号特性と同じ場合、図１７に示すように、アイソレータ９００ａの第１端子に分配器９５０の第１端子が接続されており、アイソレータ９００ａの第２端子に第１実施形態の無線アンテナ１００を構成する導波路１１０の一端が接続されており、アイソレータ９００ｂの第１端子に分配器９５０の第２端子が接続されており、アイソレータ９００ｂの第２端子に当該導波路１１０の他端が接続されており、分配器９５０の第３端子がミリ波あるいは準ミリ波の周波数を持つ信号を生成する信号生成装置８００に接続されている構成を採用することもできる。

図１５や図１７に示す構成において、アイソレータをサーキュレータで実現する場合、サーキュレータの第３端子に受信装置を接続する構成も許容される。

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、図１８（ａ）に示すように、第１実施形態の無線アンテナ１００を構成する導波路１１０の一端が、ミリ波あるいは準ミリ波の周波数を持つ信号を生成する信号生成装置８００に接続されており、導波路１１０の他端が反射部９７０に接続されている。反射部９７０として例えば反射率の高い金属を用いることができる。導波路１１０を伝播した信号は反射部９７０で全反射する。なお、多重反射を抑制するため、信号生成装置８００と導波路１１０の上記一端との間にアイソレータを設けてもよい。

図１８（ｂ）は、芯部１１０ａ（誘電率：2.2、直径：4mm）と被覆部１１０ｂ（誘電率：1.5、直径：20mm）とで構成された導波路１１０が180°の曲げ角度と35mmの曲率半径の方向転換部１１０ｃを有する場合の無線アンテナ１００（図１８（ａ）参照）の放射パターン（図１８（ｂ）中の破線）を示している。反射部９７０で全反射した反射信号によって、方向転換部１１０ｃの頂点よりも反射信号の伝搬方向に関して後方に位置する方向転換部１１０ｃの部位から電磁波が強く放射される。したがって、反射部９７０で入力信号を反射させない場合（図１８（ｂ）中の実線）と比較して、広い角度幅と高いゲインで信号を放射することができる。なお、方向転換部１１０ｃの頂点よりも反射信号の伝搬方向に関して後方に位置する方向転換部１１０ｃの部位から放射される電磁波のゲインが、方向転換部１１０ｃの頂点よりも入力信号の伝搬方向に関して後方に位置する方向転換部１１０ｃの部位から放射される電磁波のゲインよりも小さい理由は、誘電損失や反射部９７０による減衰などによって反射信号の電力が入力信号の電力よりも小さくなるからである。

第３実施形態の無線アンテナ１００は、送信用のアンテナとしてではなく、受信用のアンテナとしても使用できる。この場合、例えば、導波路１１０の上記一端には、信号生成装置８００に替えて受信装置が接続される。例えば携帯電話から発せられた電磁波は方向転換部１１０ｃで吸収され、導波路１１０によって受信装置に伝達される。このとき、方向転換部１１０ｃで吸収された電磁波は導波路１１０の上記一端と上記他端とに向かって分配される。したがって、受信装置には、方向転換部１１０ｃで吸収された電磁波の直接伝搬と、方向転換部１１０ｃで吸収された電磁波が反射部９７０で反射した間接伝搬とが届く。

導波路１１０の上記一端には、信号生成装置８００に替えて送信機能と受信機能の両方を持つ送受信装置が接続されてもよい。

＜第４実施形態＞
第４実施形態では、導波路１１０が、方向転換部１１０ｃの湾曲の程度に依るが、柔軟性、あるいは可撓性、あるいは弾性という性質を持つ。この性質と上述の誘電率の特徴を満たし、さらに好ましくは低誘電損失も満たす材料が芯部１１０ａと被覆部１１０ｂのそれぞれの誘電体として選定される。

第４実施形態では、第１〜第３のいずれかの実施形態に記載の無線アンテナ１００が、方向転換部１１０ｃの少なくとも曲げ角度を９０度以上の範囲で変更する曲げ角度変更機構を備えている。この曲げ角度変更機構は曲率半径も変更するものであってもよい。

このような曲げ角度変更機構は入力されたエネルギーを物理的運動に変換するものであれば何ら限定は無く、例えば、アクチュエータ、人工筋肉、圧電素子、形状記憶合金が挙げられる。

曲げ角度変更機構としてアクチュエータ５００を用いる場合、図１９に示すように、導波路１１０の一端の近傍部から方向転換部１１０ｃの近傍部に至るまでの導波路１１０の部分はアンテナ支持体６００によって固定されており、導波路１１０の他端はアクチュエータ５００に接続されている。アクチュエータ５００の器械運動にしたがって導波路１１０の他端の位置が変わり、これに応じて方向転換部１１０ｃの曲げ角度や曲率半径が変更される。

曲げ角度変更機構として人工筋肉５５０を用いる場合、図２０に示すように、人工筋肉５５０は、方向転換部１１０ｃの全部または一部の側面に貼付されている。人工筋肉５５０は、入力された電圧に応じて変形し、これに応じて方向転換部１１０ｃの曲げ角度や曲率半径が変更される。曲げ角度変更機構として圧電素子または形状記憶合金を用いる場合も同様である。

なお、無線アンテナ１００によると、放射パターンのメインビームは方向転換部１１０ｃの曲げの外側を向くので、無線アンテナ１００の放射特性に影響を与えないためには、アクチュエータ５００や人工筋肉５５０は曲げの内側に在ることが望ましい。特に金属製のアクチュエータを用いる場合はアクチュエータが無線アンテナ１００の放射特性に与える影響が大であるため曲げの内側に配置することが求められる。

＜第５実施形態＞
第５実施形態では、第１〜第４のいずれかの実施形態に記載の無線アンテナがアレーアンテナのアンテナ素子として使用される。この場合、隣り合う無線アンテナ間の距離は、各無線アンテナに入力される信号の周波数で定まる波長の１倍以内とすることが好ましい。また、各無線アンテナと信号生成装置８００との間に可変移相器を設けることによって当該アレーアンテナを所謂アダプティブアレーアンテナとして構成することができる。このようなアダプティブアレーアンテナは、個々の無線アンテナは広い10dBi角度幅を持っているので、指向性をスキャンする角度が広いという特徴を持つ。

この他、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。

Claims (3)

1. ミリ波帯または準ミリ波帯の信号を送受信可能な無線アンテナであって、
   ケーブル状の導波路を含み、
   上記導波路は、誘電体で形成された芯部と、当該芯部を取り囲むように誘電体で形成された被覆部とで構成されており、
   上記芯部の誘電率は、上記被覆部の誘電率よりも大きく、
   上記導波路の一部が、９０度以上の曲げ角度を有し、
   上記導波路の一方の端部に上記信号が入力され、
   上記導波路の他方の端部に反射部が設けられている
   ことを特徴とする無線アンテナ。
2. 請求項１に記載の無線アンテナにおいて、
   上記反射部は上記導波路を伝播した上記信号を全反射し、上記信号の当該全反射による反射信号は上記導波路に入力される
   ことを特徴とする無線アンテナ。
3. 請求項１または請求項２に記載の無線アンテナにおいて、
   上記曲げ角度を９０度以上の範囲で変更する曲げ角度変更機構を有する
   ことを特徴とする無線アンテナ。