JP6739678B2 - アレーアンテナ装置 - Google Patents
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- H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
Description
図1はこの発明の実施の形態1に係るアンテナ装置を示す構成図である。図1において、1は地導体(地導体板)、2は円偏波素子アンテナ(アンテナ素子)、3は水平導体(第2の導体)、4は垂直導体(第1の導体)、5は円板(導体板)、6は地導体1に設けられた第1の穴、7は円板5に設けられた第2の穴である。
また、図2は垂直導体4を含み地導体1に垂直な面における断面図である。
なお、地導体1の円偏波素子アンテナ(アンテナ素子)2が設けられる面と反対側の面には給電線路(図示しない)が設けられる。
円偏波素子アンテナ2は、所望の周波数において良好な円偏波が放射されるように、直径、ピッチおよび巻数が設計されている。
なお、円板5と地導体1との間隔は、伝送経路とみなされる限界であるλ/4以内であればよく、λ/10(動作波長の10分の1)とするのが望ましい。
図3、図4において、図1と同一符号は同一または相当部分を示している。
図3、図4において、20は垂直導体4から水平導体3を流れる電流を示し、21と22は、電流20によって誘起された電流である。
図3において、垂直導体4を流れる電流からの放射は、円偏波素子アンテナ2の円偏波特性を劣化させるため、垂直導体4が地導体1から突出する長さは極力短くすることが望ましい。しかし、垂直導体4が地導体1から突出する長さを短くした場合、水平導体3と地導体1が近接するため、水平導体3を流れる電流20に誘起された電流21が地導体1上に流れる。
これは言い換えると水平導体3と地導体1の間に強い電界が生じることとなり、円偏波素子アンテナ2の円偏波特性に影響を与える。このため、地導体1の形状および地導体1と円偏波素子アンテナ2との相対位置は、使用したい状況に応じた調整が必要となる。
したがって、アンテナを設置する際、地導体1の形状が変わったり、地導体1と円偏波素子アンテナ2の相対位置が異なったりすると、あらかじめ設計された円偏波特性が得られなくなる。
円板5と地導体1との間隔はλ/4以下であり動作周波数に対する波長λに対して十分小さいので、円板5と地導体1の間をラジアルライン導波路と見なすことができる。
さらに、円板5の半径をλ/4としているので、円板5から地導体1を見たときのインピーダンスが非常に高くなり、円板5から地導体1への電流が遮断される。
このように、円板5が設けられた条件下において、円偏波素子アンテナ2を設計することにより、アンテナの設置条件の変化や製造誤差に対して円偏波特性の劣化が小さいアンテナ装置を得ることができる。
図5は、地導体1と水平導体3の間の距離の変動量、つまりアンテナ設置高さの誤差ΔHに対する円偏波素子アンテナ2の軸方向の軸比の変化を示したグラフである。計算した周波数は12GHzである。
円板5を設けない場合、ΔH=0(設計寸法通り)のとき軸比は2.0dBであるのに対し、ΔH=−0.5mmでは軸比が4.2dBにまで劣化しており、わずかな誤差で円偏波特性が大きく劣化することがわかる。
一方、円板5を設けた場合、ΔH=±1mmでも軸比の変化量は±0.5dBにとどまり、円偏波特性の変動を緩和できることが確認できる。
実施の形態1では、地導体1と円偏波素子アンテナ2との間に円板5を設けた場合について説明を行った。本実施の形態では、地導体1と円板5との間に、短絡導体(第3の導体)8を新たに設けた場合について説明する。
図6は、本実施の形態に係るアンテナ装置を示す構成図である。図6において、実施の形態1と同一の構成には同一符号を付し、説明を省略する。また、図7は垂直導体4を含み地導体1に垂直な面における断面図である。
短絡導体8は、円板5に設けられた第2の穴7の縁に沿うように配置された円筒状の導体である。短絡導体8の上端は円板5に、短絡導体8の下端は地導体1に、それぞれ電気的に接続される。
図8は、地導体1と水平導体3の間の距離の変動量、つまりアンテナ設置高さの誤差ΔHに対する円偏波素子アンテナ2の軸方向の軸比の変化を示したグラフである。
実施の形態1で説明したように、円板5を設けることで、ΔH=±1mmでも軸比の劣化量は±0.5dB以下となり円偏波特性の変動を緩和できる。一方、円板5に短絡導体8を追加した場合、軸比の絶対値は短絡導体8がない場合よりも小さくなり円偏波特性が良好となることがわかる。また、ΔHに対する軸比の変化量は±0.7dBであり、短絡導体8がない場合とほぼ同等である。
実施の形態2では、地導体1と円板5との間に、短絡導体8を新たに備えることにより、アンテナの設置条件の変化や製造誤差に対し、円偏波特性の劣化を小さくする場合について説明した。
本実施の形態では、支持部材を備えた場合について説明する。
図9は本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の断面図である。図9において、9aは円偏波素子アンテナ2を固定する支持部材(第1の誘電体)、9bは垂直導体4を固定する支持部材(第2の誘電体)、9cは円板5を固定する支持部材(第3の誘電体)である。
図9において、実施の形態1、2と同一の構成には同一符号を付し、説明を省略する。なお、図9は垂直導体4を含み地導体1に垂直な面における断面図を表している。
支持部材9a〜9cの材質は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの誘電体が望ましい。なお、使用する材質に合わせてアンテナが設計されていれば、支持部材として利用される材質を適宜選択してもよい。
支持部材9aは、望ましくは円柱形状であり、支持部材9aの側面に円偏波素子アンテナ2を固定できるようにしている。
支持部材9aの底面には、図10に示すように水平導体3が固定できるようにしている。その他については、実施の形態1の場合と同様、水平導体3の一端は円偏波素子アンテナ2の下端に接続され、もう一方の端が垂直導体4に接続される。
支持部材9bと垂直導体4は、その一部が地導体1の第1の穴6を貫通するように配置される。当然、第1の穴6は、支持部材9bが回転する際、地導体1と接触しない大きさとする。また、支持部材9bは、支持部材9bの中心軸が支持部材9aの中心軸に一致するように、支持部材9aの底面に固定される。支持部材9bは支持部材9aと一体形成してもよい。
なお、第3の穴の大きさを、支持部材9bがちょうど通る大きさとし、これにより、支持部材9bと支持部材9cとを固定してもよい。更に、支持部材9cは支持部材9bと一体形成しても良い。
例えば、円偏波素子アンテナ2と水平導体3の導体パターンを形成したフィルム基板を支持部材9aに巻きつけ、垂直導体4の導体パターンを形成したフィルムを支持部材9bに張り付け、支持部材9cには、円板5の導体パターンを形成するようめっきを行ってもよい。
実施の形態1〜3では、アンテナ装置を単体として扱った場合について説明した。本実施の形態では、アンテナ装置を複数構成(複数配置)したアレーアンテナが形成された場合について説明する。
本実施の形態に係るアレーアンテナ装置の構成の一例を図12に示す。
図12の例では、アレーアンテナの素子アンテナが直線状に配列されたリニアアレーアンテナを示している。
また、図13において、垂直導体4は、導波路10の第1の面10aに設けた穴6を通り、導波路10の内部まで延伸される。
導波路10に高周波電圧が印加されると、導波路10の内部電界が垂直導体4に結合し、垂直導体4に電流が生じる。これにより円偏波素子アンテナ2に電力が供給され円偏波が放射される。
このとき、各々の円偏波素子アンテナ2から放射される円偏波の素子間位相差は、各々の垂直導体4に流れる電流の位相差と、各々の円偏波素子アンテナ2の基準角度に対する物理的な回転角の差とによって定められる。
実施の形態4では、実施の形態1〜3で説明したアンテナ装置のいずれかの構成をアレーアンテナの素子アンテナの構成とし、その複数個を導波路の1つの面上に適宜配列して給電した場合について説明した。本実施の形態では、円偏波素子アンテナ2を個別に制御できるようにした場合について説明する。
図15はこの発明の実施の形態5に係るアンテナ装置を示す構成図である。図16は図15のアンテナ装置におけるA−A断面図である。図15および図16において図1〜14と同一の構成には同一符号を付し、説明を省略する。
図15および図16において、11は接続軸、12は接続軸挿入孔(第4の穴)、13は回転軸、14は回転装置、15は制御装置である。10bは、導波路10の第1の面10aと平行に向かい合う第2の面である。また、16は制御装置15に備えられた回転駆動装置であり、17は制御装置15に備えられた回転制御装置である。
接続軸11と垂直導体4との接続方法としては、例えば、接続軸11にネジ穴を設けて、垂直導体に雄ネジを設けることで接続軸11と垂直導体4とをネジ止めする方法が考えられる。また、接続軸11に嵌め合い穴を設けて、垂直導体4を嵌め合い穴に圧入する方法が考えられる。また、接続軸11に垂直導体4を構成する導体パターンを形成する方法が考えられる。
回転駆動装置16は、例えば、半導体集積回路、通信機器などのネットワークインタフェース、電源回路、駆動電流発生回路などで実現されるモータドライバである。
回転駆動装置16は、回転制御装置17から出力された指令値に対応する駆動電流を回転装置14に出力することで、回転軸13が所定の角度まで回転するように回転装置14を駆動する。
回転制御装置17は、例えば、RAM(Random Access Memory)又はハードディスクなどの記憶装置、CPU(Central Processing Unit)を実装している半導体集積回路又はワンチップマイコン、キーボード又はマウスなどのユーザインタフェース及び通信機器などのネットワークインタフェースを備えている。
回転制御装置17は、例えば、ユーザインタフェースによって入力された情報、あるいは、記憶装置に記憶された情報に基づいて、回転軸13の回転角度などを算出し、ネットワークインタフェースを通じて、算出した回転角度などを示す指令値を回転駆動装置16に出力する。
回転制御装置17から出力された指令値を受け取った回転駆動装置16は、回転制御装置17から出力された指令値に対応する駆動電流を回転装置14に出力することで、回転軸13が所定の角度まで回転するように回転装置14を駆動する。
なお、本実施の形態では、制御装置15を回転駆動装置16と回転制御装置17に分けて説明したが、双方の機能を併せ持つ制御装置15だけでもよい。
また、本実施の形態では、接続軸11と回転装置14との間に回転軸13を介して接続する場合について説明したが、接続軸11と回転装置14を直接接続してもよい。
更に、アンテナ装置の設計上、問題が無ければ、回転軸13を使わないだけではなく、接続軸も使わず、垂直導体4と回転装置14を直接接続しても良い。
以上のように、各々の円偏波素子アンテナ2に接続されている垂直導体4に対し、接続軸11および回転軸13を介して回転装置14をそれぞれに接続し、それぞれの回転装置14を制御装置15で一度に制御することによりアクティブフェーズドアレーアンテナを構成することができ、所望の指向性制御を行うことが可能となる。
一般に、電動機の回転軸の位置には若干のばらつきが生じる。しかし、前述した円板5を構成することによって、アンテナの設置条件の変化や製造誤差に対して円偏波特性の劣化を小さくできる。したがって、円偏波特性の良いアクティブフェーズドアレーアンテナを得ることができる。
Claims (1)
- 第1の面に複数の円状の第1の穴が施され、前記第1の面と対向している第2の面に複数の接続軸挿入孔が施されている導波管と、
第1の端が前記導波管の内側に、第2の端が前記導波管の外側に配置されるよう、前記複数の第1の穴にそれぞれ挿入されている複数の線状の第1の導体と、
円状の第2の穴を有し、前記複数の線状の第1の導体にそれぞれ前記第2の穴が挿入されるよう、前記導波管の外側に前記第1の面と略平行に配置されている複数の円板状の導体板と、
第1の端が、前記複数の線状の第1の導体の第2の端とそれぞれ接続し、前記第1の面と略平行に配置されている複数の線状の第2の導体と、
前記複数の線状の第2の導体の第2の端にそれぞれ接続されている複数のアンテナ素子と、
前記複数の接続軸挿入孔のそれぞれに挿入されており、第1の端が前記複数の線状の第1の導体の第1の端とそれぞれ接続されている複数の接続軸と、
前記複数の接続軸のそれぞれを回転させる複数の回転装置と、
前記複数の回転装置の回転を個別に制御する制御装置と、
を備えたアレーアンテナ装置。
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