JP6536376B2

JP6536376B2 - ルネベルグレンズアンテナ装置

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Publication number: JP6536376B2
Application number: JP2015228640A
Authority: JP
Inventors: 川端　一也; 一也川端
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-11-24
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-11-24
Also published as: JP2017098743A

Description

本発明は、ルネベルグレンズを備えたルネベルグレンズアンテナ装置に関する。

ルネベルグレンズを用いて、複数の衛星からの電波を受信可能なアンテナ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたアンテナ装置では、ルネベルグレンズの焦点位置にマイクロ波の送受信機が設けられている。このアンテナ装置では、送受信機の位置を移動させることによって、電波の受信方向を変化させて、標的とする衛星からの電波を受信している。

特開２００１−３５２２１１号公報

ところで、特許文献１に記載されたアンテナ装置では、複数の焦点に配置されたアンテナ素子のブロッキングが生じるＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）への適用を考慮していない。このため、広角な走査とマルチビームの形成するために、複数のＭＩＭＯ用アンテナ素子と送受信回路を増加させたときの条件については検討されていない。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、広角な走査とマルチビームの形成が可能なルネベルグレンズアンテナ装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明によるルネベルグレンズアンテナ装置は、異なる誘電率の分布を有するルネベルグレンズと、前記ルネベルグレンズの異なる焦点位置に配置された複数のアンテナ素子とを備え、前記ルネベルグレンズの直径は、前記アンテナ素子が放射する高周波信号の波長の３倍以上で１０倍以下の値に設定され、前記ルネベルグレンズの焦点と、前記ルネベルグレンズの中心を挟んで該焦点の反対側に位置する前記ルネベルグレンズの表面上の点との間の距離は、開口径の１倍以上で１．２倍以下の値に設定され、隣合う２つの前記アンテナ素子は、これらの中心間の距離が前記高周波信号の波長の１倍以上で１．５倍以下となる位置に配置される構成としている。

請求項２の発明では、複数の前記アンテナ素子は、送受信回路に接続され、ＭＩＭＯ用アンテナ素子として使用されている。

請求項３の発明では、前記ルネベルグレンズは、導体板上に半球形状に形成され、前記アンテナ素子は、前記導体板に形成されたホーン形状アンテナによって構成されている。

請求項１の発明によれば、複数のアンテナ素子は、ルネベルグレンズの外周面側であって周方向の異なる焦点位置に配置されたから、複数のアンテナ素子の送受信信号を互いに合成することができる。このため、周方向の異なる位置に設けられた複数のアンテナ素子によって、互いに異なる方向に向けて低サイドローブのビームを形成することができると共に、マルチビームの形成が容易に可能になる。

また、ルネベルグレンズの直径を、高周波信号の波長の１０倍以下の値に設定した場合、１つのアンテナ素子による半値角を６°以上に広げることができ、広角なビームの形成が可能になる。また、ルネベルグレンズの直径を、高周波信号の波長の３倍以上の値に設定したから、隣合う２つのアンテナ素子間の距離を広げることができる。これに加え、隣合う２つのアンテナ素子は、これらの中心間の距離が高周波信号の波長の１倍以上で１．５倍以下となる位置に配置した。このため、隣合う２つのアンテナ素子の送受信信号を合成することによって、これらの中間の方向からの電磁波の特性を推定することができ、アンテナ素子の数を減少させることができる。さらに、ルネベルグレンズの焦点までの距離を開口径の１倍以上で１．２倍以下に設定したから、アンテナ素子のルネベルグレンズへのエッジ照射強度を下げることで、低サイドローブの特性を得ることができる。

この結果、例えば複数のアンテナから放射される信号の位相を調整することによってビームを形成した場合に比べて、広角なビーム走査を、少数のアンテナ素子を用いて実現することができる。また、送受信回路の構成を簡略化しつつ、高利得化することができる。

請求項２の発明によれば、複数のアンテナ素子は送受信回路に接続され、前記複数のアンテナ素子をＭＩＭＯ用アンテナ素子として使用することができる。

請求項３の発明によれば、ルネベルグレンズは導体板上に半球形状に形成されるから、導体板を例えばグランド等に接続することによって、球形状のルネベルグレンズと同様の特性を得ることができる。また、アンテナ素子は導体板に形成されたホーン形状アンテナによって構成したから、導体板を用いてホーン形状アンテナをルネベルグレンズに取り付けることができる。これに加え、ホーン形状アンテナと外部とを接続する接続線路を導体板に取り付けることができ、球形状のルネベルグレンズを用いた場合に比べて容易に信号を取り出すことができる。

第１の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す斜視図である。図１中のルネベルグレンズアンテナ装置を示す断面図である。ルネベルグレンズアンテナ装置を図２中の矢示III−III方向からみた正面図である。水平方向一方側のパッチアンテナによってビームを放射した状態を示す説明図である。水平方向中央側のパッチアンテナによってビームを放射した状態を示す説明図である。水平方向他方側のパッチアンテナによってビームを放射した状態を示す説明図である。ルネベルグレンズとアンテナ素子との配置関係を示す説明図である。アンテナサイズとアンテナ素子のビーム角度との関係を示す特性線図である。開口面アンテナの開口径に対する半値角およびアンテナ素子間の距離の関係を示す特性線図である。複数のアンテナ素子をルネベルグレンズの異なる焦点位置に配置した状態を示す説明図である。角度とアンテナ利得との関係を示す特性線図である。焦点までの距離が異なる開口面アンテナにおいて、開口径に対する半値角およびアンテナ素子間の距離の関係を示す特性線図である。第２の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す斜視図である。図１３中のルネベルグレンズアンテナ装置を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１ないし図６に、第１の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置１（以下、アンテナ装置１という）を示す。アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２と、複数（例えば３個）のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃとを備えている。

ルネベルグレンズ２は、径方向に対して異なる誘電率の分布を有する球形状に形成されている。具体的には、ルネベルグレンズ２は、中心点Ｃから径方向外側に向けて複数（例えば３層）の誘電体層３〜５が積層されている。誘電体層３〜５は、互いに誘電率ε1〜ε3が異なり、中心点Ｃから外側に近付くに従って、徐々に誘電率が小さくなっている。このため、径方向の中心に位置する球形状の誘電体層３が最も誘電率が大きく、誘電体層３の外周面を覆う球形状の誘電体層４が２番目に誘電率が大きく、誘電体層４の外周面を覆う球形状の誘電体層５は誘電率が最も小さくなっている（ε1＞ε2＞ε3）。これにより、ルネベルグレンズ２は、電波レンズを構成し、その外周面側で周方向の異なる位置に複数の焦点を有する。

ここで、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃが波長λの高周波信号（電磁波）を放射するときに、ルネベルグレンズ２の直径Ｄは、例えば３λ以上で１０λ以下の値に設定されている。また、ルネベルグレンズ２の表面上の点と焦点との間の距離Ｆは、誘電体層３〜５の誘電率を調整することによって、アンテナ装置１の開口径（直径Ｄ）の１倍以上で１．２倍以下の値に設定されている（Ｄ≦Ｆ≦１．２Ｄ）。このとき、距離Ｆは、ルネベルグレンズ２の焦点Ｐfと、ルネベルグレンズ２の中心Ｃを挟んで焦点Ｐfの反対側に位置するルネベルグレンズの表面Ｅ上の点Ｐeとの間の距離である（図７参照）。即ち、距離Ｆは、電波の軸線が焦点Ｐfから中心Ｃを通って表面Ｅに到達するときに、焦点Ｐfと点Ｐeとの間の長さ寸法を示している。

なお、図１には、ルネベルグレンズ２が３層の誘電体層３〜５を備えた場合を例示したが、本発明はこれに限らない。ルネベルグレンズは、２層の誘電体層を備えてもよく、４層以上の誘電体層を備えてもよい。また、誘電率の異なる材料を積み重ねる場合、通常は熱圧着等の手法を用いて積み重ねる。このとき、２つの材料の界面では、相互拡散等の影響により、誘電率が２つの材料のいずれとも異なる層が形成されてもよい。さらに、図２には、誘電率がルネベルグレンズの径方向にステップ状（段階的に）に変化する場合を例示したが、誘電率はルネベルグレンズの径方向にグラデーション状（連続的に）に変化してもよい。

３個のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａ、即ち最外径側の誘電体層５の外周面に設けられている。これらのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、周方向の異なる位置に配置されている。パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、例えば水平方向（横方向）と垂直方向（縦方向）に半波長（０．５λ）や１波長（１λ）の長さ寸法をもって広がった長方形状の導体膜（金属膜）によって形成され、給電線路９Ａ〜９Ｃに接続されている。パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、給電線路９Ａ〜９Ｃからの電流や電圧の供給によって、アンテナ素子（放射素子）として機能する。即ち、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、例えば垂直偏波または水平偏波からなる予め決められた波長λの高周波信号（電磁波）を放射することができる。これにより、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、例えばその長さ寸法等に応じて、例えばサブミリ波やミリ波等の高周波信号を送信または受信することができる。なお、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、垂直偏波や水平偏波に限らず、円偏波等を放射してもよい。

パッチアンテナ６Ａは、水平方向の一方側（図２中の左側）に位置している。パッチアンテナ６Ｂは、水平方向の中央に位置している。このため、パッチアンテナ６Ｂは、パッチアンテナ６Ａとパッチアンテナ６Ｃとに挟まれた位置に配置されている。パッチアンテナ６Ｃは、水平方向の他方側（図２中の右側）に位置している。

パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、互いに独立して高周波信号の送信または受信が可能である。このため、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、例えば水平方向（周方向）に複数の入出力端子をもつＭＩＭＯに適用されるものである。また、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、例えば周方向に沿って等間隔に並んで配置されている。このとき、隣合う２つのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、これらの中心間の距離Ｌが高周波信号の波長λの１倍以上で１．５倍以下となる位置に配置されている。なお、距離Ｌは、中心点Ｃを中心とした同心円の円周上の距離、即ち円弧の距離を示している。図２に示す場合、距離Ｌは、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａに沿った円弧の距離を示している。

ここで、図４に示すように、パッチアンテナ６Ａは、ルネベルグレンズ２の中心点Ｃを挟んで反対側に向けて指向性をもったビームを形成する。

図５に示すように、パッチアンテナ６Ｂも、パッチアンテナ６Ａと同様に、ルネベルグレンズ２の中心点Ｃを挟んで反対側に向けて指向性をもったビームを形成する。このとき、パッチアンテナ６Ｂは、ルネベルグレンズ２の周方向でパッチアンテナ６Ａとは異なる位置に配置されている。このため、パッチアンテナ６Ｂによるビームの放射方向（方向Ｄb）は、パッチアンテナ６Ａによるビームの放射方向（方向Ｄa）とは異なっている。

図６に示すように、パッチアンテナ６Ｃも、パッチアンテナ６Ａ，６Ｂと同様に、ルネベルグレンズ２の中心点Ｃを挟んで反対側に向けて指向性をもったビームを形成する。このとき、パッチアンテナ６Ｃは、ルネベルグレンズ２の周方向でパッチアンテナ６Ａ，６Ｂとは異なる位置に配置されている。このため、パッチアンテナ６Ｃによるビームの放射方向（方向Ｄc）は、パッチアンテナ６Ａ，６Ｂによるビームの放射方向（方向Ｄa，Ｄb）とは異なっている。

ルネベルグレンズ２の外周面２Ａには、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを覆った状態で導体膜からなるグランド電極７が設けられている。グランド電極７とパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃとの間には、例えば絶縁樹脂材料等からなる絶縁膜８が設けられている。この絶縁膜８は、例えばルネベルグレンズ２の誘電体層５とパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを密着形成する接着層を含んでいる。このとき、絶縁膜８は、誘電体層５よりも小さい誘電率を有することが好ましい。また、グランド電極７は、外部のグランドに接続され、グランド電位に保持されている。これにより、グランド電極７は、反射器として機能する。

なお、図１ないし図３には、単一のグランド電極７によって全てのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを覆う場合を例示した。しかしながら、本発明はこれに限らず、複数のグランド電極によってパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを個別に覆ってもよい。

給電線路９Ａ〜９Ｃは、例えば導体芯線を備えたケーブルによって形成されている。給電線路９Ａ〜９Ｃの先端は、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃに接続されている。給電線路９Ａ〜９Ｃの基端は、送受信回路１０に接続されている。給電線路９Ａ〜９Ｃは、ＭＩＭＯの入出力端子を構成している。

送受信回路１０は、給電線路９Ａ〜９Ｃを介してパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃに接続されている。送受信回路１０は、周方向の位置が互いに異なるパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃに対して、互いに独立した信号を入出力することができる。これにより、送受信回路１０は、予め決められた角度範囲に亘ってビームを走査することができる。また、送受信回路１０は、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃのうち少なくとも２つに一緒に給電することによって、複数のビーム（マルチビーム）を形成することができる。即ち、送受信回路１０は、複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃによって受信した信号を合成する機能を有している。

次に、本実施の形態によるアンテナ装置１の作動について、図４ないし図６を参照しつつ説明する。

給電線路９Ａからパッチアンテナ６Ａに向けて給電を行うと、パッチアンテナ６Ａは、高周波信号をルネベルグレンズ２に向けて放射する。この結果、図４に示すように、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の中心点Ｃを挟んでパッチアンテナ６Ａの反対側の方向Ｄaに向けて、高周波信号（ビーム）を放射することができる。また、アンテナ装置１は、パッチアンテナ６Ａを用いることによって、方向Ｄaから到来する高周波信号を受信することもできる。

同様に、図５に示すように、給電線路９Ｂからパッチアンテナ６Ｂに向けて給電したときには、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の中心点Ｃを挟んでパッチアンテナ６Ｂの反対側の方向Ｄbに向けて高周波信号の送信することができると共に、方向Ｄbからの高周波信号を受信することができる。

図６に示すように、給電線路９Ｃからパッチアンテナ６Ｃに向けて給電したときには、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の中心点Ｃを挟んでパッチアンテナ６Ｃの反対側の方向Ｄcに向けて高周波信号の送信することができると共に、方向Ｄcからの高周波信号を受信することができる。

次に、図７ないし図１２に基づいて、ルネベルグレンズ２およびパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃについて、これらの詳細な設計内容を示す。

ルネベルグレンズＬＬの誘電率分布を調整することによって、ルネベルグレンズＬＬの表面Ｅ上の点Ｐeと焦点Ｐfとの間の距離Ｆを調整することができる。このとき、ルネベルグレンズＬＬの距離Ｆと開口径Ｄとの比率（Ｆ／Ｄ）に応じて、１次放射器としてのアンテナ素子ＡＮＴに必要な特性が決まる。

図７に示すように、ルネベルグレンズＬＬの設計パラメータとしての比率（Ｆ／Ｄ）が決まると、この比率（Ｆ／Ｄ）に基づいて、アンテナ素子ＡＮＴに必要な指向性が決まる。即ち、アンテナ素子ＡＮＴのビーム角度θaは、以下の数１に示すように、アンテナ素子ＡＮＴとルネベルグレンズＬＬとの幾何学的な関係から決定される。

例えば比率（Ｆ／Ｄ）が１になるときには、アンテナ素子ＡＮＴのビーム角度θaは９０°程度になる。これに対し、比率（Ｆ／Ｄ）が１．２になるときには、比率（Ｆ／Ｄ）が１になるときに比べて、アンテナ素子ＡＮＴに要求される指向性は高くなり、ビーム角度θaは小さくなる（例えば、θa＝７０°程度）。このように、比率（Ｆ／Ｄ）が１よりも大きくなるに従って、アンテナ素子ＡＮＴに要求される指向性は高くなる。

また、図８に示すように、アンテナ素子ＡＮＴに必要な指向性に応じて、アンテナサイズＡＳ（アンテナ素子ＡＮＴの大きさ）は概略決定される。一般的に、アンテナ素子ＡＮＴの指向性を高めるに従って、アンテナサイズＡＳは大きくなる。

例えば、ビーム角度θaの両端側が中心に比べて１０ｄＢ減衰するようなアンテナ素子ＡＮＴを用いる場合、即ち１０ｄＢビーム幅の特性を実現する場合を考える。この場合には、図８の例に示すように、比率（Ｆ／Ｄ）を１以上で１．２以下の範囲で設計するときには、アンテナ素子ＡＮＴは、最低でも１．１λ以上で１．５λ以下程度の物理的なアンテナサイズＡＳが必要になる。

これに加えて、アンテナ装置１を設計するときには、以下に示す２つの制約条件を考えていく必要がある。１点目は、アンテナサイズＡＳに基づいて、複数のアンテナ素子ＡＮＴの間隔をどこまで近付けられるか、という点である。２点目は、どの方向からの電波も複数のアンテナ素子で受信できるか、という点である。

１点目は、ルネベルグレンズＬＬおよびアンテナ素子ＡＮＴの物理的な限界に基づくものである。２点目は、アンテナ装置１のマルチビーム化の限界に基づくものである。

そこで、図９ないし図１２に基づいて、以上の制約条件を検討する。図９および図１２は、ルネベルグレンズＬＬとアンテナ素子ＡＮＴを組み合わせたアンテナ装置１全体の指向性（半値角）を設計指標としたときに、理想的な設計値の一例を示している。

一般に、アンテナ装置１のような開口面アンテナの指向性は、電波の波長λおよび開口径Ｄ（ルネベルグレンズ２の直径）に基づいて、以下の数２に示すような近似式で指向性の半値角θ［°］が決定される。

アンテナ装置１全体のビームの特性の一例を、図１１に示す。図１１は、図１０に示すように、互いに異なる焦点位置にアンテナ素子を配置した場合に、各アンテナ素子に応じたアンテナ利得を示している。

例えば図１０に示すように、アンテナ素子ＡＮＴ0を正面方向に配置すると、アンテナ素子ＡＮＴ0とルネベルグレンズＬＬによるアンテナ利得は、正面方向である中心（０°）から角度がずれるに従って低下する。このため、アンテナ素子ＡＮＴ0は、正面方向からのビームＫ0を高利得で受信できる。しかしながら、アンテナ素子ＡＮＴ0を用いたときには、角度θ1ずれた方向からのビームＫ1については、アンテナ利得が概略１０ｄＢ低下してしまう。

そこで、アンテナ素子ＡＮＴ0による利得の低下を補うために、アンテナ素子ＡＮＴ0による利得が１０ｄＢ低下する位置にアンテナ素子ＡＮＴ1を配置する構成が考えられる。この場合、アンテナ素子ＡＮＴ1による利得は、図１１中に二点鎖線で示したものとなり、ビームＫ1についても高利得での受信が可能になる。

しかしながら、この場合には、アンテナサイズＡＳの制限によって、２つのアンテナ素子ＡＮＴ0，ＡＮＴ1を配置することができない。即ち、アンテナ素子ＡＮＴ0とアンテナ素子ＡＮＴ1との間の角度θ1は、アンテナ利得が３ｄＢ低下する角度範囲である半値角θと概ね同程度の値になっている。

ここで、図９中に示す三角形の印は、隣合う２つのアンテナ素子ＡＮＴ0，ＡＮＴ1の角度間隔がθ1となった前提で、アンテナ素子間の距離Ｌをプロットしたものである。このように、隣合う２つのアンテナ素子ＡＮＴ0，ＡＮＴ1を、アンテナ利得が３ｄＢ減衰する間隔（半値角θの間隔）で配置すると、アンテナ素子間の距離Ｌが約０．６λ以下に近付くため、物理的にアンテナ素子をレイアウトすることができない。仮に、２つのアンテナ素子ＡＮＴ0，ＡＮＴ1を３ｄＢ減衰する間隔で配置すると、アンテナサイズＡＳが図８に示す範囲から逸脱した値となるため、ルネベルグレンズＬＬで焦点位置に集めた電力を効率よくピックアップすることができなくなる。

次に、図１０中で、隣合う２つのアンテナ素子ＡＮＴ0，ＡＮＴ2を、アンテナ利得が１０ｄＢ減衰する角度θ2の間隔で配置した場合について、検討する。このとき、角度θ2は、角度θ1の２倍程度の値になっている。この場合には、アンテナ素子ＡＮＴ0は、正面方向からのビームＫ0を高利得で受信でき、アンテナ素子ＡＮＴ2は、角度θ2ずれた方向からのビームＫ2を高利得で受信できる。これに対し、角度θ1ずれた方向からのビームＫ1については、アンテナ素子ＡＮＴ0，ＡＮＴ2の利得は、いずれも１０ｄＢ程度低下してしまう。しかしながら、モノパルスレーダと同じ原理から、これら２つのアンテナ素子ＡＮＴ0，ＡＮＴ2が受信した電波に基づいて、ビームＫ1の特性については推測が可能である。

図９中に示す黒色の四角形の印は、隣合う２つのアンテナ素子ＡＮＴ0，ＡＮＴ2の角度間隔がθ2となった前提で、アンテナ素子間の距離Ｌをプロットしたものである。このように、隣合う２つのアンテナ素子ＡＮＴ0，ＡＮＴ2を、アンテナ利得が１０ｄＢ減衰する間隔で配置すると、３ｄＢ減衰する間隔で配置したときに比べて、アンテナ素子間の距離Ｌを遠ざけることができる。このため、アンテナ素子のレイアウトが可能になる。

つまり、アンテナ素子間の距離ＬとアンテナサイズＡＳを考慮すると、比率（Ｆ／Ｄ）が１の場合（（Ｆ／Ｄ）＝１）では、アンテナ素子間の距離Ｌは１．１λ程度で設計する必要がある。このときのルネベルグレンズＬＬの開口径Ｄは、３λ以上にする必要がある。

また、比率（Ｆ／Ｄ）を大きくすると、隣合う２つのアンテナ素子間の距離Ｌは大きくすることができるが、アンテナサイズＡＳもこれに伴い大きくなる（図７および図８参照）。このため、これらの距離Ｌおよび開口径Ｄの制約条件は、比率（Ｆ／Ｄ）に応じて異なる。比率（Ｆ／Ｄ）に応じた距離Ｌおよび開口径Ｄを例示すると、以下のようになる。

例えば比率（Ｆ／Ｄ）が１の場合（（Ｆ／Ｄ）＝１）には、１０ｄＢのビーム幅をもったアンテナ素子ＡＮＴのアンテナサイズＡＳは、１．１λ程度であり、ルネベルグレンズＬＬの開口径Ｄは、３λ以上にする必要がある。

比率（Ｆ／Ｄ）が１．１の場合（（Ｆ／Ｄ）＝１．１）には、１０ｄＢのビーム幅をもったアンテナ素子ＡＮＴのアンテナサイズＡＳは、１．３λ程度であり、ルネベルグレンズＬＬの開口径Ｄは、５λ以上にする必要がある。

比率（Ｆ／Ｄ）が１．２の場合（（Ｆ／Ｄ）＝１．２）には、１０ｄＢのビーム幅をもったアンテナ素子ＡＮＴのアンテナサイズＡＳは、１．５λ程度であり、ルネベルグレンズＬＬの開口径Ｄは、１０λ以上にする必要がある。

以上のような関係から、以下の数３に示すように、ルネベルグレンズＬＬの焦点Ｐfまでの距離Ｆは、開口径Ｄの１倍以上で１．２倍以下の値に設定するのが好ましい。

また、上述したアンテナサイズＡＳの数値範囲を考慮すると、以下の数４に示すように、アンテナ素子間の距離Ｌは、λ以上で１．５λ以下の値に設定するのが好ましい。なお、実際のアンテナサイズＡＳは、アンテナ素子ＡＮＴのビーム幅が３ｄＢ以上で１０ｄＢ以下となる範囲で、かつ、隣合う２つのアンテナ素子ＡＮＴのアイソレーションが確保できる範囲で、適宜設定される。

さらに、広角なビームを形成するためには、ルネベルグレンズＬＬの直径Ｄ（開口径）を高周波信号の波長λの１０倍以下の値に設定し、半値角θを６°以上に確保するのが好ましい。このことから、以下の数５に示すように、ルネベルグレンズＬＬの直径Ｄは、３λ以上で１０λ以下の値に設定するのが好ましい。

なお、図８、図９、図１１および図１２は、理想的な条件等に基づく数値の一例を示したものである。このため、実施のアンテナ装置１で得られる数値とは若干異なることがあるが、特性の傾向は概ね同じである。

かくして、第１の実施の形態では、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａ側であって周方向の異なる焦点位置に配置された複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを備える構成した。このため、周方向の異なる位置に設けられた複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを用いることによって、互いに異なる方向に向けて低サイドローブのビームを形成することができる。また、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを独立して一緒に動作させることによって、マルチビームの形成が可能になる。

さらに、ルネベルグレンズ２の直径Ｄを、高周波信号の波長λの１０倍以下の値に設定したから、各パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃによるアンテナ装置１の半値角θを６°以上に広げることができ、広角なビームの形成が可能になる。また、ルネベルグレンズ２の直径Ｄを、高周波信号の波長λの３倍以上の値に設定したから、隣合う２つのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃ間の距離Ｌを広げることができる。

これに加え、隣合う２つのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、これらの間の距離Ｌが高周波信号の波長λの１倍以上で１．５倍以下となる位置に配置した。このため、例えば２つのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃの中間の方向から電磁波が入射されたときには、これら２つのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、最悪でもアンテナ利得のピーク値から１０ｄＢ減衰した信号を受信することができる。このため、隣合う２つのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを用いることによって、これらの中間の方向からの電磁波の特性を推定することができ、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃの数を減少させることができる。さらに、ルネベルグレンズ２の焦点Ｐfまでの距離Ｆを開口径Ｄの１倍以上で１．２倍以下に設定したから、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃのルネベルグレンズ２へのエッジ照射強度を下げることができ、低サイドローブの特性を得ることができる。

この結果、例えば複数のアンテナから放射される信号の位相を調整することによってビームを形成した場合に比べて、広角なビーム走査を、少数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを用いて実現することができる。また、送受信回路１０の構成を簡略化しつつ、高利得化することができる。

さらに、複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃには送受信回路１０を接続したから、送受信回路１０は、複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃの送受信信号を合成することができる。このため、複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを、ＭＩＭＯ用アンテナ素子として使用することができる。

次に、図１３および図１４に、本発明の第２の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置２１（以下、アンテナ装置２１という）を示す。第２の実施の形態の特徴は、導体板２２上に半球形状のルネベルグレンズ２３を形成すると共に、導体板２２にアンテナ素子としてのホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃを形成したことにある。なお、アンテナ装置２１の説明に際し、第１の実施の形態によるアンテナ装置１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２の実施の形態によるアンテナ装置２１は、第１の実施の形態によるアンテナ装置１と同様に、ルネベルグレンズ２３と、複数（例えば３個）のホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃとを備える。

導体板２２は、例えば導電性金属を用いた円形状の板体によって形成され、外部のグランドに接続されている。このため、導体板２２は、グランド電位に保持されている。

ルネベルグレンズ２３は、導体板２２の表面上に半球形状に形成されている。このルネベルグレンズ２３は、第１の実施の形態によるルネベルグレンズ２と同様に、中心点Ｃから径方向外側に向けて複数（例えば３層）の誘電体層２４〜２６が積層されている。誘電体層２４〜２６は、第１の実施の形態による誘電体層３〜５と同様に形成され、中心点Ｃから外側に近付くに従って、徐々に誘電率が小さくなっている。これにより、ルネベルグレンズ２３は、電波レンズを構成し、その外周面側で周方向の異なる位置に複数の焦点を有する。

ここで、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃが波長λの高周波信号（電磁波）を放射するときに、ルネベルグレンズ２３の直径Ｄは、例えば３λ以上で１０λ以下の値に設定されている（３λ≦Ｄ≦１０λ）。また、ルネベルグレンズ２３の焦点までの距離Ｆは、誘電体層２４〜２６の誘電率を調整することによって、アンテナ装置２１の開口径（直径Ｄ）の１倍以上で１．２倍以下の値に設定されている（Ｄ≦Ｆ≦１．２Ｄ）。

なお、図１３および図１４には、ルネベルグレンズ２３が３層の誘電体層２４〜２６を備えた場合を例示したが、本発明はこれに限らない。ルネベルグレンズは、２層の誘電体層を備えてもよく、４層以上の誘電体層を備えてもよい。また、誘電率はルネベルグレンズの径方向にグラデーション状（連続的に）に変化してもよい。

３個のホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、ルネベルグレンズ２３の外周面２３Ａ側に位置して、導体板２２に設けられている。これらのホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、周方向の異なる位置に配置されている。ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、例えば導体板によって形成され、給電線路９Ａ〜９Ｃに接続されている。ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、電磁波を放射する開口部分がルネベルグレンズ２３と対面している。このとき、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、導体板２２を挟んで反対側に形成されるイメージ部分を含めて、一般的なホーンアンテナと同じ機能を有する。このため、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、給電線路９Ａ〜９Ｃからの電流や電圧の供給によって、アンテナ素子（放射素子）として機能する。即ち、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、例えば垂直偏波等からなる予め決められた波長λの高周波信号（電磁波）を放射することができる。これにより、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、その先端の長さ寸法等に応じて、例えばサブミリ波やミリ波等の高周波信号を送信または受信することができる。

ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、第１の実施の形態によるパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃと対応した位置に配置されている。また、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、互いに独立して高周波信号の送信または受信が可能である。このため、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、例えば周方向に複数の入出力端子をもつＭＩＭＯに適用されるものである。このとき、隣合う２つのホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃは、これらの開口部のセンター間の距離Ｌが高周波信号の波長λの１倍以上で１．５倍以下となる位置に配置されている（λ≦Ｌ≦１．５λ）。なお、距離Ｌは、中心点Ｃを中心とした同心円の円周上の距離、即ち円弧の距離を示している。

なお、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃの位置は、ルネベルグレンズ２３の焦点距離に応じて設定される。従って、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃの開口面は、ルネベルグレンズ２３の外周面２３Ａに接触していてもよく、外周面２３Ａから離れていてもよい。即ち、ルネベルグレンズ２３の焦点までの距離Ｆが短いときには、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃはルネベルグレンズ２３に近い位置に配置され、ルネベルグレンズ２３の焦点までの距離Ｆが長いときには、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃはルネベルグレンズ２３から離れた位置に配置される。

かくして、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第２の実施の形態では、ルネベルグレンズ２３は導体板２２上に半球形状に形成されるから、例えば導体板２２をグランド等に接続することによって、球形状のルネベルグレンズと同様の特性を得ることができる。また、アンテナ素子は導体板２２に形成されたホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃによって構成したから、導体板２２を用いてホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃをルネベルグレンズ２３に取り付けることができる。これに加え、ホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃと外部とを接続する給電線路９Ａ〜９Ｃを導体板２２に取り付けることができ、球形状のルネベルグレンズを用いた場合に比べて容易に信号を取り出すことができる。

なお、前記第１の実施の形態では、３個のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、水平方向（横方向）に一列に並べるものとした。本発明はこれに限らず、複数のパッチアンテナは、垂直方向（縦方向）に一列に並べてもよく、水平方向および垂直方向に行列状に並べてもよい。また、パッチアンテナの個数や配置は、例えばＭＩＭＯの仕様等に応じて適宜設定することができる。

前記各実施の形態では、アンテナ素子をパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃまたはホーン形状アンテナ２７Ａ〜２７Ｃによって構成した場合を例に挙げて説明したが、アンテナ素子は、例えばダイポールアンテナ、スロットアンテナ等のような他のアンテナによって構成してもよい。また、アンテナ素子はアレーアンテナによって構成してもよい。この場合には、隣合う２つのアレーアンテナは、それぞれのアレーアンテナが占める領域の中心間の距離が高周波信号の波長の１倍以上で１．５倍以下となる位置に配置される。

前記各実施の形態では、ルネベルグレンズ２，２３を球形状または半球形状に形成した場合を例に挙げて説明したが、ルネベルグレンズは、他の形状に形成してもよい。

前記各実施の形態では、アンテナ装置１，２１をＭＩＭＯに適用した場合を例に挙げて説明した。本発明はこれに限らず、アンテナ装置をレーダ装置に適用してもよい。レーダ装置に適用した場合には、例えば複数のアンテナ素子のうちいずれか１つのアンテナ素子が探査波を出力してもよい。このとき、探査波を出力するアンテナ素子を逐次切換えることによって、探査波の方向を変更することができる。一方、対象物からの反射波は、複数のアンテナ素子によって受信する。このため、送受信回路は、複数のアンテナ素子によって受信した信号を合成する。これにより、送受信回路は、例えば対象物の方角や対象物までの距離を特定することができる。

前記各実施の形態は例示であり、異なる実施の形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。

１，２１ルネベルグレンズアンテナ装置（アンテナ装置）
２，２３ルネベルグレンズ
３〜５，２４〜２６誘電体層
６Ａ〜６Ｃパッチアンテナ（アンテナ素子）
２７Ａ〜２７Ｃホーン形状アンテナ（アンテナ素子）
９Ａ〜９Ｃ給電線路
１０送受信回路
２２導体板

Claims

異なる誘電率の分布を有するルネベルグレンズと、
前記ルネベルグレンズの異なる焦点位置に配置された複数のアンテナ素子とを備え、
前記ルネベルグレンズの直径は、前記アンテナ素子が放射する高周波信号の波長の３倍以上で１０倍以下の値に設定され、
前記ルネベルグレンズの焦点と、前記ルネベルグレンズの中心を挟んで該焦点の反対側に位置する前記ルネベルグレンズの表面上の点との間の距離は、開口径の１倍以上で１．２倍以下の値に設定され、
隣合う２つの前記アンテナ素子は、これらの中心間の距離が前記高周波信号の波長の１倍以上で１．５倍以下となる位置に配置されてなるルネベグルレンズアンテナ装置。
複数の前記アンテナ素子は、送受信回路に接続され、ＭＩＭＯ用アンテナ素子として使用されてなる請求項１に記載のルネベルグレンズアンテナ装置。
前記ルネベルグレンズは、導体板上に半球形状に形成され、
前記アンテナ素子は、前記導体板に形成されたホーン形状アンテナである請求項１または２に記載のルネベルグレンズアンテナ装置。