JP6788685B2 - アンテナ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、高速伝送無線通信技術に関する。
近年通信容量拡大のため、より多くの情報を伝達できる広い帯域を持ったミリ波無線通信が注目を浴びている。しかしミリ波は損失が大きいため放射方向を絞り対象に向けて追従させるビームフォーミング技術が必要になる。通常ビームフォーミングを行う際、アンテナ素子毎にビーム数だけの位相素子が必要になる。しかし位相素子のコストが高いため、非特許文献１のように位相素子を使わずにビーム方向を制御するロットマンレンズを用いたものも研究されている。ロットマンレンズは非特許文献１にあるように平面パターンに、曲面と、給電するビームポート、放射素子につながるアレイポートからなる。ロットマンレンズは、給電するビームポートを変えることで各アレイポート間での時間遅延量が変化するため、広帯域にビームの放射方向を変化させることができる。
日本国公開特許公報「特開２００１−４４７５２号公報（２００１年２月１６日公開）」 日本国公開特許公報「特開２０１４−１９５３２７号公報（２０１４年１０月９日公開）」 日本国公開特許公報「特開２００５−３４０９３９号公報（２００５年１２月８日公開）」
R. C. Hansen,' Design Tradesfor Rotman Lenses', IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 39, NO.4, APRIL 1991 Woosung Lee, et al, ' CompactTwo-Layer Rotman Lens-Fed Microstrip Antenna Array at 24 GHz', IEEETRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 59, NO. 2, FEBRUARY 2011
非特許文献２のように給電線路の一方の端部に給電点が位置する直列給電アレイアンテナをロットマンレンズに対して接続する場合、直列給電アレイアンテナから放射する電磁波の周波数に依存して、放射される放射パターンのピーク方向が変化してしまうという問題があった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ロットマンレンズを備えたアンテナ装置であって、放射パターンのピーク方向が放射する電磁波の周波数に依存しないアンテナ装置を実現することを目的とする。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るアンテナ装置は、導電体からなるグランド層と、当該グランド層の上層に当該グランド層と離間して設けられた複数のアレイアンテナと、当該グランド層の下層に当該グランド層と離間して設けられたロットマンレンズとを備えたアンテナ装置であって、前記複数のアレイアンテナの各々は、その中央に給電点が位置する給電線路と、当該給電線路に接続された複数の放射素子とを含み、且つ、前記給電点を対称の中心として点対称な形状であり、前記複数のアレイアンテナの給電点の各々は、前記グランド層に形成されたスロットを介して前記ロットマンレンズの何れかの出力ポートの端部と結合している、ことを特徴とする。
本発明の一態様に係るアンテナ装置は、ロットマンレンズを備えたアンテナ装置であって、放射パターンのピーク方向が放射する電磁波の周波数に依存しないアンテナ装置を実現することができる。
本発明の一実施形態に係るビームフォーミングアンテナの分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るビームフォーミングアンテナの分解斜視図である。 （ａ）は、図２に示したビームフォーミングアンテナが備えているアレイアンテナの平面図である。（ｂ）は、（ａ）に示したアレイアンテナの拡大平面図である。 図３に示したアレイアンテナの分岐区間の平面図である。 図２に示したビームフォーミングアンテナが備えているロットマンレンズの平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るビームフォーミングアンテナの分解斜視図である。 （ａ）は、図６に示したビームフォーミングアンテナが備えているアレイアンテナの平面図である。（ｂ）は、図６に示したビームフォーミングアンテナが備えているロットマンレンズの平面図である。（ｃ）は、（ｂ）に示したロットマンレンズが備えている出力ポートの１つを拡大した拡大図である。 （ａ）は、本発明の実施例であるビームフォーミングアンテナにより得られた利得の方位依存性である。（ｂ）は、別の実施例であるビームフォーミングアンテナにより得られた利得の方位依存性である。 従来のビームフォーミングアンテナの分解斜視図である。
〔ビームフォーミングアンテナの概要〕
本発明の一実施形態に係るビームフォーミングアンテナ（請求の範囲に記載のアンテナ装置に対応）の概要について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、本発明の一実施形態に係るビームフォーミングアンテナは、グランド層と複数のアレイアンテナと、ロットマンレンズとを備えている。
グランド層は、導電体からなる膜又は板により構成されている。複数のアレイアンテナは、グランド層の上層にグランド層と離間して設けられている。ロットマンレンズは、グランド層の下層にグランド層と離間して設けられている。図１においては、斜視図を見やすくするためにグランド層を仮想線（二点鎖線）にて示している。また、同様の理由から、グランド層の設けられた複数のスロットの図示を省略している。なお、複数のスロットの詳細については、図２及び図３の（ａ）、並びに、図６及び図７の（ａ）を参照して後述する。各スロットは、ビームフォーミングアンテナを平面視した場合に、ロットマンレンズの出力ポートの端部とアレイアンテナの給電点とが重畳する領域に設けられている。
複数のアレイアンテナの各々は、その中央に給電点が位置する給電線路と、当該給電線路に接続された複数の放射素子とを含み、且つ、給電点を対称の中心として点対称な形状である（図３の（ａ）及び図７の（ａ）参照）。
複数のアレイアンテナの給電点の各々は、グランド層に形成されたスロットを介してロットマンレンズの何れかの出力ポートの端部と結合している（図２、図３の（ａ）、図６、及び図７の（ａ）参照）。
なお、このようなビームフォーミングアンテナは、例えば、グランド層と、グランド層を挟持する２つの誘電体層（第１の誘電体層及び第２の誘電体層）とにより構成された誘電体基板を用いて実現することができる。この場合、複数のアレイアンテナを誘電体基板のおもて面に形成し、ロットマンレンズを誘電体基板のうら面に形成すればよい。
この構成によれば、複数のアレイアンテナとロットマンレンズとを同一基板上に形成することができるため、ビームフォーミングアンテナの製造コストを抑制することができる。
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態に係るビームフォーミングアンテナについて、図２〜図５を参照して説明する。図２は、本実施形態に係るビームフォーミングアンテナ１の分解斜視図である。図３の（ａ）は、ビームフォーミングアンテナ１が備えている複数のアレイアンテナ２２の１つであるアレイアンテナ２２ｉの平面図である。図３の（ｂ）は、図３の（ａ）に示したアレイアンテナ２２ｉの拡大平面図であり、図３の（ａ）に示した領域Ｒ１の拡大平面図である。図４は、図３に示したアレイアンテナ２２ｉの分岐部分の平面図である。図５は、ビームフォーミングアンテナ１が備えているロットマンレンズ３２の平面図である。また、非特許文献２に記載の直列給電アレイアンテナ（以下、従来のビームフォーミングアンテナ１０１）の分解斜視図を図９に示す。
従来のビームフォーミングアンテナ１０１は、図９に示すように、グランド層１４１と、誘電体層１２１と、複数のアレイアンテナ１２２と、誘電体層１３１と、ロットマンレンズ１３２とを備えている。ロットマンレンズ１３２は、複数の給電ポート１３２１と、複数の出力ポート１３２２と、本体１３２３とを備えている。グランド層１４１には、複数のスロット１１４１が設けられている。ロットマンレンズ１３２の複数の出力ポート１３２２の各々の一方の端部（本体１３２３と逆側の端部）と、複数のアレイアンテナ１２２の一方の端部である給電点とは、複数のスロット１１４１を介して結合している。なお、図９の二点鎖線は、複数のアレイアンテナ１２２が形成されている面と、ロットマンレンズ１３２が形成されている面を仮想的に示している。図９において、複数のアレイアンテナ１２２と誘電体層１２１の一方の主面とは、互いに離間しているように描かれている。しかし、実際には、複数のアレイアンテナ１２２は、誘電体層１２１の一方の主面に積層されている。ロットマンレンズ１３２についても同様である。
一方、請求の範囲に記載のアンテナ装置の一態様であるビームフォーミングアンテナ１は、図２に示すように、グランド層１１と、誘電体層２１と、複数のアレイアンテナ２２と、誘電体層３１と、ロットマンレンズ３２とを備えている。
図２に図示した座標系は、誘電体層２１の主面２１１の法線に沿う方向をｚ軸方向と定め、後述する各アレイアンテナ２２ｉの給電線路２３Ｌｉ（図３参照）が延伸されている方向をｘ軸方向と定め、ｘ軸方向及びｚ軸方向とともに右手系の直交座標系を構成するようにｙ軸方向を定めている。また、ｚ軸方向において主面２１２から主面２１１へ向かう方向をｚ軸正方向と定め、後述するロットマンレンズ３２の複数の出力ポート３２２から複数の給電ポート３２１へ向かう方向をｘ軸正方向と定め、ｘ軸正方向及びｚ軸正方向とともに右手系の直交座標系を構成するようにｙ軸正方向を定めている。
グランド層１１と、グランド層１１を挟持する一対の誘電体層である誘電体層２１，３１とは、誘電体基板を構成する。誘電体層２１の一方の主面（ｚ軸正方向側の主面）である主面２１１は、誘電体基板のおもて面を構成し、誘電体層２１の他方の主面（ｚ軸負方向側の主面）である主面２１２は、グランド層１１と接触している。誘電体層３１の一方の主面（ｚ軸正方向側の主面）である主面３１１は、グランド層１１と接触しており、誘電体層３１の他方の主面（ｚ軸負方向側の主面）である主面３１２は、誘電体基板のうら面を構成する。
（複数のアレイアンテナ２２）
複数のアレイアンテナ２２は、主面２１１に積層された導体膜（本実施形態では銅製の薄膜）をパターニングすることによって得られる導体パターンである。本実施形態において、１０個のアレイアンテナ２２ｉにより構成されており、各アレイアンテナ２２ｉの形状は、図３の（ａ）及び（ｂ）に示す通りである。
各アレイアンテナ２２ｉは、給電線路２３Ｌｉと、給電線路２３Ｌｉに接続された１６個の放射素子２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉと、給電線路２３Ｌｉと放射素子２４１ｉ〜２４８ｉの各々とを接続するサブ給電線路２６１ｉ〜２６８ｉと、給電線路２３Ｌｉと放射素子２５１ｉ〜２５８ｉの各々とを接続するサブ給電線路線とを備えている。給電線路２３Ｌｉは、ｘ軸方向に沿って延伸された帯状の導体パターンである。給電線路２３Ｌｉの中央には、給電点２３Ｐｉが位置する。
本実施形態では、図３の（ｂ）に示すように、給電線路２３Ｌｉのうち給電点２３Ｐｉからｘ軸正方向側に延伸された部分と、当該部分に接続されたサブ給電線路２６１ｉ〜２６８ｉと、放射素子２４１ｉ〜２４８ｉとを用いて各アレイアンテナ２２ｉの構成を説明する。各アレイアンテナ２２ｉは、図３の（ａ）に示すように、給電点２３Ｐｉを対称の中心として点対称な形状を有する。したがって、本実施形態では、給電線路２３Ｌｉのうち給電点２３Ｐｉからｘ軸負方向側に延伸された部分と、当該部分に接続された８本のサブ給電線路と、放射素子２５１ｉ〜２５８ｉとに関する説明を省略する。
給電線路２３Ｌｉのうち給電点２３Ｐｉからｘ軸正方向側に延伸された部分は、サブ給電線路２６１ｉ〜２６７ｉの各々が接続される分岐区間２７１ｉ〜２７７ｉを含んでいる。分岐区間２７１ｉは、給電点２３Ｐｉに最も近い分岐区間、すなわち、最前段の分岐区間であり、分岐区間２７７ｉは、給電点２３Ｐｉから最も遠い分岐区間、すなわち、最後段の分岐区間であり、分岐区間２７１ｉと分岐区間２７７ｉとの間には、給電点２３Ｐｉに近い側から遠い側に向かって、すなわち、前段から後段に向かって分岐区間２７２ｉ〜２７６ｉが等間隔で配置されている。また、給電線路２３Ｌｉのうち給電点２３Ｐｉからｘ軸正方向側に延伸された部分の末端である末端部２７８ｉには、サブ給電線路２６８ｉが接続される。なお、分岐区間２７１ｉ〜２７７ｉのことを分岐区間２７ｊｉ（ｊは、１≦ｊ≦７の整数）と一般化して表す。
ビームフォーミングアンテナ１において、動作帯域の中心周波数の前記給電線路における実効波長を中心波長λとして、分岐区間２７ｊｉの各々は、ｘ軸方向に沿った長さがλ／４である単位区間２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉを連ねることにより構成されている。単位区間２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉの各々は、給電線路２３Ｌｉの前段から後段に向かって連なる単位区間であり、それぞれ、請求の範囲に記載の第１の区間、第２の区間、及び第３の区間に対応する。以下において、単位区間２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉの各々のことを第１の区間２７１ｊｉ、第２の区間２７２ｊｉ、及び第３の区間２７３ｊｉとも呼ぶ。第１〜第３の区間２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉの各々の幅Ｗ２７１ｊｉ，Ｗ２７２ｊｉ，Ｗ２７３ｊｉは、それぞれ、隣接する第１〜第３の区間２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉの特性インピーダンスＺ１，Ｚｂ，Ｚｃが整合するように定められている。
この構成によれば、給電線路２３Ｌｉに対して各放射素子２４１ｉ〜２４７ｉが接続されることにより生じ得る反射損失を抑制することができる。したがって、ビームフォーミングアンテナ１の利得を高めることができる。
また、各放射素子２４１ｉ〜２４７ｉの各々は、第１の区間２７１ｊｉと第２の区間２７２ｊｉとの境界近傍に、サブ給電線路２６１ｉ〜２６７ｉの各々を介して接続されている。サブ給電線路２６１ｉ〜２６７ｉの各々は、第１の区間２７１ｊｉと第２の区間２７２ｊｉとの境界近傍からｙ軸正方向に向かって延伸されている。なお、サブ給電線路２６８ｉは、サブ給電線路２６１ｉ〜２６７ｉの各々と同一に構成されている。
給電線路２３Ｌｉにおいて、給電点２３Ｐｉに供給された電流は、給電点２３Ｐｉから末端部２７８ｉに向かう過程において、分岐区間２７１ｉ〜２７７ｉの各々を順番に通過する。上記電流が分岐区間２７１ｉ〜２７７ｉの各々、例えば分岐区間２７１ｉを通過するとき、給電線路２３Ｌｉを流れる電流は、そのまま給電線路２３Ｌｉを次の分岐区間である分岐区間２７２ｉに向かって流れる電流と、サブ給電線路２６１ｉを放射素子２４１ｉに向かって流れる電流とに分けられる。給電線路２３Ｌｉを分岐区間２７２ｉに向かって流れる電流を第１の電流とし、サブ給電線路２６１ｉを放射素子２４１ｉに向かって流れる電流を第２の電流とする。分岐区間２７１ｉにおける分岐比、すなわち、分岐区間２７２ｉに給電される電力に対する放射素子２４１ｉに給電される電力の比は、第１の電流に対する第２の電流の比により与えられる。他の分岐区間２７２ｉ〜２７７ｉにおける分岐比も同様である。
ここで、幅Ｗ２７２ｊｉは、分岐区間２７ｊｉにおける分岐比が所定の値になる幅であり、幅Ｗ２７１ｊｉは、第２の区間２７２ｊｉと分岐区間２７ｊｉから分岐される放射素子との合成インピーダンスと、分岐区間２７ｊｉの前段の特性インピーダンスとを整合させる幅であり、第３の区間２７３ｊｉの幅Ｗ２７３ｊｉは、第２の区間２７２ｊｉの特性インピーダンスと、分岐区間２７ｊｉの後段の特性インピーダンスとを整合させる幅である。
この構成によれば、給電線路に対して各放射素子が接続されることにより生じ得る反射損失を確実に抑制することができる。したがって、アンテナ装置の利得を確実に高めることができる。
また、分岐区間２７ｊｉの各々の分岐比は、給電線路２３Ｌｉの前段に設けられた分岐区間２７ｊｉほど小さく、給電線路２３Ｌｉの後段に設けられた分岐区間２７ｊｉほど大きくなるように定められている。すなわち、分岐区間２７１ｉの分岐比が最も小さく、分岐区間２７２ｉ〜２７６ｉの分岐比がこの順番で大きくなり、分岐区間２７７ｉの分岐比が最も大きくなるように定められている。
この構成によれば、各放射素子２４１ｉ〜２４８ｉから放射される各ビームのパワーを容易に制御することができるため、ビームフォーミングアンテナ１の放射効率やサイドローブ比を容易に制御することができる。換言すれば、所望の放射効率やサイドローブ比を有するビームフォーミングアンテナ１の設計が容易になる。
また、アレイアンテナ２２ｉにおいて、放射素子２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉの各々は、何れも合同である。この構成によれば、複数の放射素子が何れも合同であることによって、ビームフォーミングアンテナ１の設計が容易になる。
（ロットマンレンズ３２）
ロットマンレンズ３２は、主面３１２に積層された導体膜（本実施形態では銅製の薄膜）をパターニングすることによって得られる導体パターンである。図５に示すように、ロットマンレンズ３２は、複数の給電ポート３２１と、複数の出力ポート３２２と、本体３２３とを備えている。本実施形態において、複数の給電ポート３２１は、９個の給電ポート３２１ｉにより構成されており、複数の出力ポート３２２２は、１０個の出力ポート３２２ｉにより構成されている。
各出力ポート３２２ｉの端部のうち本体３２３と逆側の端部（各出力ポート３２２ｉの末端部）を含む端部区間は、何れもｘ軸に沿って延伸されている。
図５に示すようにロットマンレンズ３２を平面視した場合に、グランド層１１のうち、各出力ポート３２２ｉの末端部近傍に対応する位置には、それぞれ、スロット１１１ｉが設けられている。すなわち、グランド層１１には、複数のスロット１１１が設けられている。
（複数のアレイアンテナ２２及びロットマンレンズ３２の結合）
図３の（ａ）に示すように、アレイアンテナ２２ｉを平面視した場合に、給電点２３Ｐｉがロットマンレンズ３２の出力ポート３２２ｉの末端部及びグランド層１１のスロット１１１ｉに重畳するように、複数のアレイアンテナ２２は、主面２１１に配置されている。したがって、複数のアレイアンテナ２２の給電点２３Ｐｉの各々は、スロット１１１ｉを介して、ロットマンレンズ３２の何れかの出力ポート３２２ｉの末端部と結合している。したがって、ロットマンレンズ３２の何れかの給電ポート３２１ｉに供給され、本体３２３を経て、各出力ポート３２２ｉの末端部に至った電力は、スロット１１１ｉを介して各アレイアンテナ２２ｉの給電点２３Ｐｉと結合し、各アレイアンテナ２２ｉの放射素子２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉから放射される。
（ビームフォーミングアンテナ１の機能）
従来のビームフォーミングアンテナにおいて放射パターンのピーク方向と、天頂方向とのなす角をθとした場合、
と表すことができる。ただし天頂方向を０°とし、天頂方向を向くときの周波数をf0、そこからの周波数のずれをΔfとする。
しかし、図３の（ａ）のように給電線路２３Ｌｉの中央（本実施形態においては中点）に給電点２３Ｐｉを配置することでピークがずれる向きが反対のビームが重ねあわされるため、ピークが変化しにくくなる。本発明の一態様であるビームフォーミングアンテナ１は、それを利用したものである。
また、アレイアンテナの放射効率やサイドローブ比は、放射素子の給電強度比に依存する。そのため特許文献１のように給電比を調整するために放射素子自体の大きさを変えることがある。しかし、そうすると各放射素子の整合、給電比の調整が難しくなる。本発明の一実施形態に係るビームフォーミングアンテナ１は、図３の（ｂ）のように給電線路２３Ｌｉから放射素子２４１ｉ〜２４７ｉへ電力を分岐する分岐区間２７ｊｉの構成と、放射素子２４１ｉ〜２４７ｉの大きさとをすべての放射素子２４１ｉ〜２４７ｉで一定にし、且つ、給電線路２３Ｌｉの幅を単位区間（第１〜第３の区間２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉ）毎に変えることで各放射素子２４１ｉ〜２４８ｉへの分配比を調整している。これらの構成を用いて放射パターンを制御することで、ビームフォーミングアンテナ１は、その設計を簡単にしている。
図４にあるように、給電線２３Ｌｉから各放射素子２４１ｉ〜２４７ｉへの各分岐比は、特性インピーダンスＺaとＺbの比で決まる。合成インピーダンスZab=Za・Zb/ ( Za+Zb )であらわされ、整合をとるために
で表される。同様に
と求めることができ、給電線路２３Ｌｉの特性インピーダンスであるZ0と分岐比、Zaを初期値として決めることで、図４に示す給電線路２３Ｌｉに含まれる分岐区間２７ｊｉを構成する第１〜第３の区間２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉの幅Ｗ２７１ｊｉ，Ｗ２７２ｊｉ，Ｗ２７３ｊｉをそれぞれ求めることができ、所望の分岐比を簡単に得ることができる。したがって、ビームフォーミングアンテナ１は、インピーダンス整合を取りつつ設計することができる。その結果、ビームフォーミングアンテナ１は、インピーダンス整合をとることができるため、分岐区間２７ｊｉにおいて生じ得る反射損失を抑制することができる。
〔第２の実施形態〕
以下、本発明の第２の実施形態に係るビームフォーミングアンテナについて、図６〜図７を参照して説明する。図６は、本実施形態に係るビームフォーミングアンテナ１Ａの分解斜視図である。図７の（ａ）は、ビームフォーミングアンテナ１Ａが備えている複数のアレイアンテナ２２Ａの１つであるアレイアンテナ２２Ａｉの平面図である。図７の（ｂ）は、ビームフォーミングアンテナ１Ａが備えているロットマンレンズ３２Ａの平面図である。図７の（ｃ）は、ロットマンレンズ３２Ａが備えている出力ポート３２２Ａの１つである出力ポート３２２Ａｉを拡大した拡大図である。なお、説明の便宜上、第１の実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
ロットマンレンズ３２を使い、複数のアレイアンテナ２２の放射方向を振る場合、各放射素子２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉは、振る方向に対して角度依存性が低いほうが望ましい。そのため、本発明の一実施形態において、放射素子は、特許文献２及び特許文献３に記載されているようになるべく一直線上にあることが望ましい。ビームフォーミングアンテナ１Ａは、第１の実施形態に係るビームフォーミングアンテナ１の構成をベースにし、放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉと放射素子２５１Ａｉ〜２５８Ａｉとがｘ軸に沿って一直線状に配置されるように、放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉの配置を変更することによって得られる。すなわち、ビームフォーミングアンテナ１Ａが備えているアレイアンテナ２２Ａｉ（図７の（ａ）参照）において、複数の放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉは、一直線上に配置されている。
なお、ビームフォーミングアンテナ１Ａの複数のアレイアンテナ２２Ａ及びロットマンレンズ３２Ａの各々は、それぞれ、ビームフォーミングアンテナ１の複数のアレイアンテナ２２及びロットマンレンズ３２にとって代わる部材である。
グランド層１１に設けられた複数のスロット１１１のうちの１つであるスロット１１１ｉを介して給電線路２３ＡＬｉの中央に位置する給電点２３ＡＰｉへ中央給電する場合、給電点２３ＡＰｉから放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉへ向かうかう方向、及び、給電点２３ＡＰｉから放射素子２５１Ａｉ〜２５８Ａｉへ向かうかう方向の各方向へは、電流が逆位相で給電される。そのためパッチアンテナ（放射素子）への給電は、放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ及び放射素子２５１Ａｉ〜２５８Ａｉの各々に対して逆方向から行う必要がある。
逆方向から給電しつつ同一直線状に放射素子を配置するため、ビームフォーミングアンテナ１Ａにおいては、放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉを図７の（ａ）に示すように構成し、ロットマンレンズ３２Ａを図７の（ｂ）に示すように構成する。すなわち、（１）給電点２３ＡＰｉ付近をクランク状に折り曲げて放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉと、放射素子２５１Ａｉ〜２５８Ａｉとが同一直線状になるようにアレイアンテナ２２Ａｉを設計し、（２）ロットマンレンズ３２Ａの出力ポート３２２Ａの先端部を含む端部区間がアレイアンテナ２２Ａｉの給電点２３ＡＰｉ付近における給電線路２３ＡＬｉが延伸されている方向（ｙ軸方向）に沿うように、ロットマンレンズ３２Ａの複数の出力ポート３２２Ａの各々である出力ポート３２２Ａｉを設計する。
より具体的には、図７の（ａ）に示すように、給電線路２３ＡＬｉは、給電区間２３１ＡＬｉと、第１の放射区間２３２ＡＬｉと、第２の放射区間２３３ＡＬｉとにより構成されている。給電区間２３１ＡＬｉは、給電線路２３ＡＬｉの中央部分に位置し、給電部２３ＡＰｉを含む。給電区間２３１ＡＬｉは、請求の範囲に記載の第１の方向であるｙ軸方向に沿って（本実施形態では平行に）延伸されている。第１の放射区間２３２ＡＬｉは、給電区間２３１ＡＬｉの一方の端部（ｙ軸負方向側の端部）からｘ軸正方向に沿って（本実施形態では平行に）延伸されている。ｘ軸正方向は、請求の範囲に記載の第２の方向のうち一方の方向に対応する。当然のことながら、第１の方向であるｙ軸方向と第２の方向であるｘ軸方向とは、交わっている（本実施形態では直交している）。第２の放射区間２３３ＡＬｉは、給電区間２３１ＡＬｉの他方の端部（ｙ軸正方向側の端部）からｘ軸負方向に沿って（本実施形態では平行に）延伸されている。ｘ軸負方向は、請求の範囲に記載の第２の方向のうち他方の方向に対応する。
放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉの各々は、図７の（ａ）に示すように、第１の放射区間２３２ＡＬｉのｙ軸正方向側に配置されている。第１の放射区間２３２ＡＬｉに対して放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉの各々を接続する部分の構成は、第１の実施形態に係るビームフォーミングアンテナ１が備えている給電線路２３Ｌｉに対して放射素子２４１ｉ〜２４８ｉの各々を接続する部分（領域Ｒ１）の構成と同じである（図３の（ｂ）参照）。また、放射素子２５１Ａｉ〜２５８Ａｉの各々は、図７の（ａ）に示すように、第２の放射区間２３３ＡＬｉのｙ軸負方向側に配置されている。第２の放射区間２３３ＡＬｉに対して放射素子２５１Ａｉ〜２５８Ａｉの各々を接続する部分の構成は、第１の実施形態に係るビームフォーミングアンテナ１が備えている給電線路２３Ｌｉに対して放射素子２５１ｉ〜２５８ｉの各々を接続する部分の構成と同じである。（１）第１の放射区間２３２ＡＬｉの中心軸と放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉの各々の中心との長さと、（２）第２の放射区間２３３ＡＬｉの中心軸と放射素子２５１Ａｉ〜２５８Ａｉの各々の中心との長さは、何れも等しい。また、給電区間２３１ＡＬｉにおいて、給電部２３ＡＰｉから給電区間２３１ＡＬｉの一方の端部（ｙ軸負方向側の端部）までの長さと、給電部２３ＡＰｉから給電区間２３１ＡＬｉの他方の端部（ｙ軸正方向側の端部）までの長さは等しい。したがって、放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉの各々は、ｘ軸に沿い（本実施形態では平行であり）、且つ、給電部２３ＡＰｉを通る直線上に配置されている。
また、図７の（ｃ）に示すように、ロットマンレンズ３２Ａが備えている複数の出力ポート３２２Ａの各々である出力ポート３２２Ａｉは、端部区間３２２１Ａｉと、端部区間３２２１Ａｉに連なる区間である中央区間３２２２Ａｉとを含んでいる。端部区間３２２１Ａｉは、各出力ポート３２２Ａｉの端部を含み、且つ、ｙ軸方向に沿って延伸されている。中央区間３２２２Ａｉは、ｘ軸方向に延伸されている。すなわち、本実施形態において、端部区間３２２１Ａｉと中央区間３２２２Ａｉとは、直交している。
この構成によれば、複数の放射素子２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉが同一直線上に配置されていることによって、広帯域かつ広角のビーム走査を可能にする。なお、各出力ポート３２２Ａｉの中央区間３２２２Ａｉは、第２の方向であるｘ軸方向に沿って延伸されていればよく、その形状は限定されるものではない。例えば、その形状は、直線であってもよいし、蛇行した曲線であってもよい。
なお、各出力ポート３２２Ａｉの端部（端部区間３２２１Ａｉの中央区間３２２２Ａｉに連なる側の端部と逆側の端部）は、スロット１１１を構成するスロットのうちの何れか１つのスロットであるスロット１１１ｉを介して、複数のアンテナアレイ２２Ａを構成するアンテナアレイのうち何れか１つのアンテナアレイであるアンテナアレイ２２Ａｉの給電点２３ＡＰｉと結合している。
〔実施例〕
本発明の第１の実施例であるビームフォーミングアンテナ１は、図３に示したアレイアンテナ２２ｉを備えている。本発明の第２の実施例であるビームフォーミングアンテナ１Ａは、図７の（ａ）に示したアレイアンテナ２２Ａｉを備えている。なお、第１の実施例及び第２の実施例では、ビームフォーミングアンテナ１，１Ａが備えているアレイアンテナ２２ｉ，２２Ａｉの数を６個とし、ロットマンレンズ３２，３２Ａの各々における給電ポート３２１ｉの数は５個とし、ロットマンレンズ３２，３２Ａの出力ポート３２２ｉ，３２２Ａｉの数、及び、スロット１１１ｉの数は、何れも６個とした。
第１の実施例により得られた利得の方位依存性（放射パターン）を図８の（ａ）に示し、第２の実施例により得られた利得の方位依存性（放射パターン）を図８の（ｂ）に示す。図８の（ａ）及び（ｂ）を参照して第１の実施例と第２の実施例とを比較すると、第２の実施例の方が放射方向を変化させた時、放射強度が落ちにくくなっていることが確認できる。なお、図８の（ａ）に示した５つのプロットは、それぞれ、ロットマンレンズ３２，３２Ａの各々における給電ポート３２１ｉを変更することにより得た。図５の（ｂ）に示した５つのプロットについても同様である。
（まとめ）
本発明の一態様に係るアンテナ装置（１，１Ａ）は、導電体からなるグランド層（１１）と、当該グランド層（１１）の上層に当該グランド層（１１）と離間して設けられた複数のアレイアンテナ（２２，２２Ａ）と、当該グランド層（１１）の下層に当該グランド層（１１）と離間して設けられたロットマンレンズ（３２，３２Ａ）とを備えたアンテナ装置（１，１Ａ）であって、前記複数のアレイアンテナ（２２，２２Ａ）の各々（２２ｉ，２２Ａｉ）は、その中央に給電点（２３Ｐｉ，２３ＡＰｉ）が位置する給電線路（２３Ｌｉ，２３ＡＬｉ）と、当該給電線路（２３Ｌｉ，２３ＡＬｉ）に接続された複数の放射素子（２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉ，２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉ）とを含み、且つ、前記給電点（２３Ｐｉ，２３ＡＰｉ）を対称の中心として点対称な形状であり、前記複数のアレイアンテナ（２２，２２Ａ）の給電点（２３Ｐｉ，２３ＡＰｉ）の各々は、前記グランド層（１１）に形成されたスロット（１１１）を介して前記ロットマンレンズ（３２，３２Ａ）の何れかの出力ポート（３２２ｉ，３２２Ａｉ）の端部と結合している、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、アレイアンテナに対する給電を給電線路の中央から行うため、給電する電磁波の周波数を変化させた場合であっても、この周波数の変化にともなうビーム方向の変化を抑制することができる。したがって、本アンテナ装置は、放射パターンのピーク方向が放射する電磁波の周波数に依存しないアンテナ装置を実現することができる。
本発明の一態様に係るアンテナ装置（１，１Ａ）において、当該アンテナ装置（１，１Ａ）の動作帯域の中心周波数の前記給電線路における実効波長を中心波長λとして、前記給電線路（２３Ｌｉ，２３ＡＬｉ）に対して前記複数の放射素子（２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉ，２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉ）の各々が接続される区間である分岐区間（２７ｊｉ）は、前記給電線路（２３Ｌｉ，２３ＡＬｉ）が延伸されている方向（ｘ軸方向）に沿った長さがλ／４である単位区間（２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉ）を複数個連ねることにより構成され、前記単位区間（２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉ）の各々の幅（Ｗ２７１ｊｉ，Ｗ２７２ｊｉ，Ｗ２７３ｊｉ）は、隣接する単位区間（２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉ）の特性インピーダンスＺ１，Ｚｂ，Ｚｃが整合するように定められている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、給電線路に対して各放射素子が接続されることにより生じ得る反射損失を抑制することができる。したがって、アンテナ装置の利得を高めることができる。
本発明の一態様に係るアンテナ装置（１，１Ａ）において、前記分岐区間（２７ｊｉ）は、前記給電線路（２３Ｌｉ，２３ＡＬｉ）の前段から後段に向かって連なる第１の区間（２７１ｊｉ）、第２の区間（２７２ｊｉ）、及び第３の区間（２７３ｊｉ）を含み、各放射素子（２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉ，２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉ）は、前記第１の区間（２７１ｊｉ）と前記第２の区間（２７２ｊｉ）との境界近傍に接続されており、前記第２の区間の幅（Ｗ２７２ｊｉ）は、当該分岐区間（２７ｊｉ）における分岐比が所定の値になる幅であり、前記第１の区間の幅（Ｗ２７１ｊｉ）は、前記第２の区間（２７２ｊｉ）と前記分岐区間（２７ｊｉ）から分岐される放射素子との合成インピーダンスと、前記分岐区間の前段の特性インピーダンスとを整合させる幅であり、前記第３の区間（２７３ｊｉ）の幅（Ｗ２７３ｊｉ）は、前記第２の区間（２７２ｊｉ）の特性インピーダンスと、前記分岐区間（２７ｊｉ）の後段の特性インピーダンスとを整合させる幅である、ことが好ましい。
上記の構成によれば、給電線路に対して各放射素子が接続されることにより生じ得る反射損失を確実に抑制することができる。したがって、アンテナ装置の利得を確実に高めることができる。
本発明の一態様に係るアンテナ装置（１，１Ａ）において、前記複数の放射素子（２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉ，２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉ）の数は、４つ以上であり、前記複数の放射素子（２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉ，２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉ）の各々が接続される分岐区間（２７ｊｉ）の分岐比は、前記給電線路（２３Ｌｉ，２３ＡＬｉ）の前段に設けられた分岐区間（２７ｊｉ）ほど小さく、前記給電線路（２３Ｌｉ，２３ＡＬｉ）の後段に設けられた分岐区間（２７ｊｉ）ほど大きい、ことが好ましい。
上記の構成によれば、各放射素子から放射される各ビームのパワーを容易に制御することができるため、アンテナ装置の放射効率やサイドローブ比を容易に制御することができる。換言すれば、所望の放射効率やサイドローブ比を有するアンテナ装置の設計が容易になる。
本発明の一態様に係るアンテナ装置（１Ａ）において、前記給電線路（２３ＡＬｉ）は、（１）前記給電部（２３ＡＰｉ）を含み第１の方向（ｙ軸方向）に沿って延伸された給電区間（２３１ＡＬｉ）と、（２）当該給電区間（２３１ＡＬｉ）の一方の端部（ｙ軸負方向側の端部）から前記第１の方向（ｙ軸方向）に交わる第２の方向（ｘ軸方向）のうち一方の方向（ｘ軸正方向）に沿って延伸された第１の放射区間（２３２ＡＬｉ）と、（３）当該給電区間（２３１ＡＬｉ）の他方の端部（ｙ軸正方向側の端部）から前記第２の方向（ｘ軸方向）のうち他方の方向（ｘ軸負方向）に沿って延伸された第２の放射区間（２３３ＡＬｉ）とを含み、前記第１の放射区間（２３２ＡＬｉ）に接続された１又は複数の放射素子（２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ）、及び、前記第２の放射区間（２３３ＡＬｉ）に接続された１又は複数の放射素子（２５１Ａｉ〜２５８Ａｉ）は、同一直線（ｘ軸に沿った直線であって給電部２３ＡＰｉを通る直線）上に配置されており、前記給電部（２３ＡＰｉ）に対して結合する前記ロットマンレンズ（３２Ａ）の前記いずれかの出力ポート（３２２Ａｉ）の前記端部を含む端部区間（３２２１Ａｉ）は、前記第１の方向（ｙ軸方向）に沿って延伸されており、当該出力ポート（３２２Ａｉ）の前記端部区間に連なる区間（３２２２Ａｉ）は、前記第２の方向（ｘ軸方向）に沿って延伸されている、ことが好ましい。
上記の構成によれば、複数の放射素子が同一直線上に配置されていることによって、広帯域かつ広角のビーム走査を可能にする。なお、出力ポートの前記端部区間に連なる区間は、第２の方向に沿って延伸されていればよく、その形状は限定されるものではない。例えば、その形状は、直線であってもよいし、蛇行した曲線であってもよい。
本発明の一態様に係るアンテナ装置（１，１Ａ）において、前記複数の放射素子（２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉ，２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉ）は、何れも合同である、ことが好ましい。
上記の構成によれば、複数の放射素子が何れも合同であることによって、アンテナ装置の設計が容易になる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
１，１Ａ ビームフォーミングアンテナ（アンテナ装置）
１１ グランド層
１１１ 複数のスロット
１１１ｉ スロット
２１ 誘電体層
２２，２２Ａ 複数のアンテナアレイ
２２ｉ，２２Ａｉ アンテナアレイ
２３Ｌｉ，２３ＡＬｉ 給電線路
２３Ｐｉ，２３ＡＰｉ 給電点
２３１ＡＬｉ 給電区間
２３２ＡＬｉ 第１の放射区間
２３３ＡＬｉ 第２の放射区間
２４１ｉ〜２４８ｉ，２５１ｉ〜２５８ｉ，２４１Ａｉ〜２４８Ａｉ，２５１Ａｉ〜２５８Ａｉ 放射素子
２６１ｉ〜２６８ｉ サブ給電線路
２７ｊｉ 分岐区間
２７１ｊｉ，２７２ｊｉ，２７３ｊｉ 第１〜第３の区間（単位区間）
Ｗ２７１ｊｉ，Ｗ２７２ｊｉ，Ｗ２７３ｊｉ 第１〜第３の区間の幅
３１ 誘電体層
３２，３２Ａ ロットマンレンズ
３２１ 複数の給電ポート
３２１ｉ 給電ポート
３２２，３２２Ａ 複数の出力ポート
３２２ｉ，３２２Ａｉ 出力ポート
３２２１Ａｉ 端部区間
３２２２Ａｉ 中央区間（端部区間に連なる区間）
３２３ 本体

Claims (8)

  1. 導電体からなるグランド層と、当該グランド層の上層に当該グランド層と離間して設けられた複数のアレイアンテナと、当該グランド層の下層に当該グランド層と離間して設けられたロットマンレンズとを備えたアンテナ装置であって、
    前記複数のアレイアンテナの各々は、その中央に給電点が位置する給電線路と、当該給電線路に接続された複数の放射素子とを含み、且つ、前記給電点を対称の中心として点対称な形状であり、
    前記複数のアレイアンテナの給電点の各々は、前記グランド層に形成されたスロットを介して前記ロットマンレンズの何れかの出力ポートの端部と結合し、
    当該アンテナ装置の動作帯域の中心周波数の前記給電線路における実効波長を中心波長 λとして、
    前記給電線路に対して前記複数の放射素子の各々が接続される区間である分岐区間は、 前記給電線路が延伸されている方向に沿った長さがλ／４である単位区間を複数個連ねる ことにより構成され、
    前記単位区間の各々の幅は、隣接する単位区間の特性インピーダンスが整合するように 定められている、
    ことを特徴とするアンテナ装置。
  2. 前記分岐区間は、前記給電線路の前段から後段に向かって連なる第１の区間、第２の区間、及び第３の区間を含み、
    各放射素子は、前記第１の区間と前記第２の区間との境界近傍に接続されており、
    前記第２の区間の幅は、当該分岐区間における分岐比が所定の値になる幅であり、
    前記第１の区間の幅は、前記第２の区間と前記分岐区間から分岐される放射素子との合成インピーダンスと、前記分岐区間の前段の特性インピーダンスとを整合させる幅であり、 前記第３の区間の幅は、前記第２の区間の特性インピーダンスと、前記分岐区間の後段の特性インピーダンスとを整合させる幅である、
    ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記複数の放射素子の数は、４つ以上であり、
    前記複数の放射素子の各々が接続される分岐区間の分岐比は、前記給電線路の前段に設けられた分岐区間ほど小さく、前記給電線路の後段に設けられた分岐区間ほど大きい、
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
  4. 前記給電線路は、（１）前記給電点を含み第１の方向に沿って延伸された給電区間と、（２）当該給電区間の一方の端部から前記第１の方向に交わる第２の方向のうち一方の方向に沿って延伸された第１の放射区間と、（３）当該給電区間の他方の端部から前記第２の方向のうち他方の方向に沿って延伸された第２の放射区間とを含み、
    前記第１の放射区間に接続された１又は複数の放射素子、及び、前記第２の放射区間に接続された１又は複数の放射素子は、同一直線上に配置されており、
    前記給電点に対して結合する前記ロットマンレンズの前記何れかの出力ポートの前記端部を含む端部区間は、前記第１の方向に沿って延伸されており、
    当該出力ポートの前記端部区間に連なる区間は、前記第２の方向に沿って延伸されている、
    ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のアンテナ装置。
  5. 前記複数の放射素子は、何れも合同である、
    ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のアンテナ装置。
  6. 導電体からなるグランド層と、当該グランド層の上層に当該グランド層と離間して設けられた複数のアレイアンテナと、当該グランド層の下層に当該グランド層と離間して設けられたロットマンレンズとを備えたアンテナ装置であって、
    前記複数のアレイアンテナの各々は、その中央に給電点が位置する給電線路と、当該給電線路に接続された複数の放射素子とを含み、且つ、前記給電点を対称の中心として点対称な形状であり、
    前記複数のアレイアンテナの給電点の各々は、前記グランド層に形成されたスロットを介して前記ロットマンレンズの何れかの出力ポートの端部と結合し、
    前記給電線路は、（１）前記給電点を含み第１の方向に沿って延伸された給電区間と、 （２）当該給電区間の一方の端部から前記第１の方向に交わる第２の方向のうち一方の方 向に沿って延伸された第１の放射区間と、（３）当該給電区間の他方の端部から前記第２ の方向のうち他方の方向に沿って延伸された第２の放射区間とを含み、
    前記第１の放射区間に接続された１又は複数の放射素子、及び、前記第２の放射区間に 接続された１又は複数の放射素子は、同一直線上に配置されており、
    前記給電点に対して結合する前記ロットマンレンズの前記何れかの出力ポートの前記端 部を含む端部区間は、前記第１の方向に沿って延伸されており、
    当該出力ポートの前記端部区間に連なる区間は、前記第２の方向に沿って延伸されてい る、
    ことを特徴とするアンテナ装置。
  7. 前記複数の放射素子の数は、４つ以上であり、
    前記複数の放射素子の各々が接続される分岐区間の分岐比は、前記給電線路の前段に設けられた分岐区間ほど小さく、前記給電線路の後段に設けられた分岐区間ほど大きい、
    ことを特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。
  8. 前記複数の放射素子は、何れも合同である、
    ことを特徴とする請求項６又は７に記載のアンテナ装置。
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