JP7109704B2 - アレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

本開示は、アレーアンテナ装置に関する。

アレーアンテナ装置は、限られたスペースに配置するために低姿勢な形状が求められている。例えば、特許文献１には、誘電性コーティングによってパッチアンテナを被覆したアレーアンテナ装置が記載されている。このアレーアンテナ装置は、誘電性コーティングがレドームとして機能するので、低姿勢、かつ環境および物理衝撃に耐えることが可能である。

特表２０１３－５１１９１７号公報

特許文献１に記載されたアレーアンテナ装置は、パッチアンテナが誘電体で被覆されているので、誘電体中を伝搬する表面波が発生する。アレーアンテナを構成する各素子アンテナによって発生する各々の表面波の位相が揃った場合、両者が強め合って励振されることにより、空間に放射される電力が減少してアンテナ利得が低下するという課題があった。

本開示は、上記課題を解決するものであり、低姿勢かつアンテナ利得の低下を抑制したアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

本開示に係るアレーアンテナ装置は、地導体板と、地導体板上に設けられた第１の誘電体層と、第１の誘電体層上に設けられた複数の素子アンテナと、素子アンテナ上に設けられた第２の誘電体層と、複数の素子アンテナに高周波信号を給電する複数の給電部材と、第１の誘電体層と第２の誘電体層に跨がって厚さ方向に延びた金属柱と、金属柱の位置に対応した第２の誘電体層上に設けられた導体パターンを備え、金属柱は、地導体板と導体パターンとに接触していない。

本開示によれば、金属柱の端部と導体パターンとが容量結合することにより、金属柱の長さが動作周波数に対応する波長の４分の１以下であったとしても動作周波数帯域に共振周波数を有して表面波が抑制されるので、アンテナ利得の低下を抑制することができる。

実施の形態１に係るアレーアンテナ装置を示す斜視図である。 実施の形態１に係るアレーアンテナ装置を図１のＡ－Ａ線で切断した断面を示す断面矢示図である。 実施の形態２に係るアレーアンテナ装置を図１のＡ－Ａ線と同じ位置の線で切断した断面を示す断面矢示図である。 実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を図１のＡ－Ａ線と同じ位置の線で切断した断面を示す断面矢示図である。 実施の形態４に係るアレーアンテナ装置を図１のＡ－Ａ線と同じ位置の線で切断した断面を示す断面矢示図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置１を示す斜視図である。図２は、アレーアンテナ装置１を、図１のＡ－Ａ線で切断した断面を示す断面矢示図である。図１および図２において、アレーアンテナ装置１は、誘電体層２ａ、誘電体層２ｂおよび誘電体層２ｃを備える。誘電体層２ａ、誘電体層２ｂおよび誘電体層２ｃは、図２に示すように、地導体板１０ａの＋ｚ方向に向かって順に配置される。誘電体層２ａが地導体板１０ａ上に設けられた第１の誘電体層である。

誘電体層２ａと誘電体層２ｂとの間には、素子アンテナである、複数のパッチ素子５が配置される。すなわち、パッチ素子５は誘電体層２ａ上に設けられる。誘電体層２ｂは、パッチ素子５上に設けられた第２の誘電体層である。また、地導体板１０ａには、図１に示すように、パッチ素子５の数に等しい数のスロット８が形成される。複数のスロット８は、複数のパッチ素子５に高周波信号を給電する複数の給電部材である。

金属柱６は、図２に示すように、誘電体層２ａと誘電体層２ｂとに跨がって厚さ方向に延びた金属部材である。導体パターン７は、金属柱６の位置に対応した誘電体層２ｂ上に設けられた導体のパターンである。金属柱６と導体パターン７は、互いに接触しない位置に配置され、金属柱６と地導体板１０ａは、互いに接触しない位置に配置されている。

金属柱６の高さ寸法（ｚ方向に沿った寸法）と、導体パターン７の誘電体層２ｂ上での大きさは、アレーアンテナ装置１の動作周波数が、金属柱６と導体パターン７を合わせた構造の共振周波数となるように設定される。誘電体層２ｃは、導体パターン７上に設けられた第３の誘電体層である。アレーアンテナ装置１は、誘電体層２ｃが省略された構成であってもよい。

また、アレーアンテナ装置１は、さらに誘電体層３ａ、誘電体層３ｂ、地導体板１０ｂおよびアルミニウム板４を備えた構成であってもよい。誘電体層３ａ、誘電体層３ｂ、地導体板１０ｂおよびアルミニウム板４は、図２に示すように、地導体板１０ａの－ｚ方向に向かって順に配置されている。伝送線路９は、地導体板１０ａにおける誘電体層２ａとは反対側に設けられた信号の伝送線路であり、誘電体層３ａと誘電体層３ｂとの間に配置される。

誘電体層３ａは、誘電体層２ａ側の面に地導体板１０ａが設けられ、誘電体層２ａとは反対側の面に伝送線路９が設けられる。誘電体層３ｂには、誘電体層３ｂとは反対側の面に地導体板１０ｂが設けられる。給電回路３は、地導体板１０ａ、地導体板１０ｂ、誘電体層３ａ、誘電体層３ｂおよび伝送線路９によって構成され、スロット８を用いてパッチ素子５に給電する。地導体板１０ａと地導体板１０ｂの間は、スルーホール１２によって電気的に接続されている。

伝送線路９は、－ｚ方向から挿入されたコネクタ１１と接続されている。コネクタ１１は、高周波信号が給電されるコネクタである。スルーホール１２は、スロット８の周りを囲むように設けられている。

実施の形態１に係るアレーアンテナ装置１の動作は、以下の通りである。
コネクタ１１に給電された高周波信号が伝送線路９を伝搬することにより、スロット８において、ｘ方向に平行な電界が励振される。スロット８に発生した電界によってパッチ素子５が励振されることで、ｘ方向に平行な偏波を主偏波とする電波が、空間に放射される。パッチ素子５は、空間に放射される電波以外に、誘電体層２ａ、誘電体層２ｂおよび誘電体層２ｃを伝搬する表面波を発生させる。この表面波は、ｘ方向およびｚ方向の電界成分を有する。

例えば、アレーアンテナ装置１が、金属柱６および導体パターン７を有していなかった場合、各パッチ素子５によって励振される表面波の位相が揃うと、表面波同士が強め合って空間に放射される電波の電力量が小さくなる。このため、アンテナ利得が著しく低下する。この現象は、誘電体層２ａ、誘電体層２ｂおよび誘電体層２ｃが厚い場合、これらの誘電体層が有する誘電率が高い場合、または、パッチ素子５同士の間隔が広い場合に発生し得る。

これに対して、アレーアンテナ装置１は、動作周波数で共振周波数となるように設定された金属柱６および導体パターン７を備えるので、金属柱６付近では、金属柱６に垂直なｘ方向の電界成分およびｙ方向の電界成分が励振される。その結果、ｚ方向の電界成分の発生が抑えられて、パッチ素子５によって励振される表面波は弱くなり、アンテナ利得の低下を防ぐことができる。

金属柱６と導体パターン７が容量結合するため、金属柱６の高さ寸法は、動作周波数に対応する波長の４分の１以下であっても、アレーアンテナ装置１の動作周波数で共振周波数をもつことができる。このため、アレーアンテナ装置１が低姿勢化されても、表面波に起因したアンテナ利得の低下を抑圧することができる。

誘電体層２ｃは、パッチ素子５および導体パターン７を、風雨から守るレドームとして機能する。さらに、金属柱６と導体パターン７との間が非接触であり、金属柱６と地導体板１０ａとの間が非接触であるため、これらの導通をとるための導電性接着材または誘電体層間の導通構造が不要である。これにより、アレーアンテナ装置１は、簡易に製造することができる。

以上のように、実施の形態１に係るアレーアンテナ装置１は、地導体板１０ａ上に設けられた誘電体層２ａと、誘電体層２ａ上に設けられた複数のパッチ素子５と、パッチ素子５上に設けられた誘電体層２ｂと、複数のパッチ素子５に高周波信号を給電する複数のスロット８と、誘電体層２ａと誘電体層２ｂに跨がって厚さ方向に延びた金属柱６と、金属柱６の位置に対応した誘電体層２ｂ上に設けられた導体パターン７を備え、金属柱６は、地導体板１０ａと導体パターン７とに接触していない。金属柱６の端部と導体パターン７が容量結合することにより、金属柱６の長さが動作周波数に対応する波長の４分の１以下であったとしても、アレーアンテナ装置１は、動作周波数帯域に共振周波数を有して表面波が抑制されるので、アンテナ利得の低下を抑制することができる。

実施の形態１に係るアレーアンテナ装置１は、導体パターン７上に設けられた誘電体層２ｃを備える。誘電体層２ｃがレドームとして機能することにより、パッチ素子５および導体パターン７を、風雨から守ることができる。

実施の形態１に係るアレーアンテナ装置１は、地導体板１０ａが設けられた誘電体層３ａと、誘電体層３ａにおける地導体板１０ａとは反対側の面に設けられた伝送線路９とを備え、地導体板１０ａには、複数のスロット８が設けられている。伝送線路９を伝搬する高周波信号によって、スロット８においてｘ方向に平行な電界が励振される。スロット８に発生した電界によってパッチ素子５が励振され、電波を空間に放射することができる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置１Ａを、図１のＡ－Ａ線と同じ位置の線で切断した断面を示す断面矢示図である。アレーアンテナ装置１Ａは、金属柱６の代わりに、ネジ穴を有する金属柱１３を備える。金属柱１３は、誘電体層２ａと誘電体層２ｂに跨がって厚さ方向に延びて設けられ、非導電性接着剤１４によって誘電体層２ａと誘電体層２ｂの内部に固定される。ネジ１５は、－ｚ方向からアルミニウム板４に設けられた貫通穴に挿入されて金属柱１３のネジ穴にネジ締めされる。金属柱１３と地導体板１０ａは、ネジ１５によって導通される。

実施の形態２に係るアレーアンテナ装置１Ａの動作は、以下の通りである。
コネクタ１１に給電された高周波信号が伝送線路９を伝搬することで、実施の形態１と同様に、スロット８において、ｘ方向に平行な電界が励振される。スロット８に発生した電界によってパッチ素子５が励振されることにより、ｘ方向に平行な偏波を主偏波とする電波が空間に放射される。

高周波信号が金属柱１３の外側を伝搬することにより、金属柱６と同様に、金属柱１３付近には、金属柱１３に垂直なｘ方向の電界成分およびｙ方向の電界成分が励振される。その結果、ｚ方向の電界成分の発生が抑えられ、パッチ素子５によって励振される表面波は弱くなり、アンテナ利得の低下を抑制することができる。

また、ネジ１５が金属柱１３にネジ締めされることにより、誘電体層２ａと給電回路３との間を密着および固定させることができる。誘電体層２ａと給電回路３との隙間が低減されるので、アンテナ特性の劣化を防ぐことができる。

以上のように、実施の形態２に係るアレーアンテナ装置１Ａにおいて、金属柱１３の内部にネジ穴が設けられ、金属柱１３は、ネジ穴にネジ締めされたネジ１５によって地導体板１０ａと電気的に接続されている。ネジ１５が金属柱１３にネジ締めされるので、金属柱１３付近にｘ方向の電界成分およびｙ方向の電界成分が励振され、ｚ方向の電界成分の発生が抑えられる。これにより、パッチ素子５によって励振される表面波は弱くなって、アンテナ利得の低下を抑制することができる。

実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置１Ｂを、図１のＡ－Ａ線と同じ位置の線で切断した断面を示す断面矢示図である。アレーアンテナ装置１Ｂは、金属柱６の代わりに、外周に溝が設けられた金属柱１６を備えている。金属柱１６は、導体パターン７と地導体板１０ａとの間で誘電体層２ａと誘電体層２ｂに跨がって厚さ方向に延びて設けられる。

実施の形態３に係るアレーアンテナ装置１Ｂの動作は、以下の通りである。
コネクタ１１に給電された高周波信号が伝送線路９を伝搬することで、実施の形態１と同様に、スロット８において、ｘ方向に平行な電界が励振される。スロット８に発生した電界によってパッチ素子５が励振されることにより、ｘ方向に平行な偏波を主偏波とする電波が空間に放射される。

溝が形成された金属柱１６の外側を高周波信号が伝搬することで、金属柱６と同様に、金属柱１３付近には、金属柱１６に垂直なｘ方向の電界成分およびｙ方向の電界成分が励振される。その結果、ｚ方向の電界成分の発生が抑えられて、パッチ素子５によって励振される表面波は弱くなりアンテナ利得の低下を抑制することができる。金属柱１６が金属柱６よりも高さ寸法が低い場合であっても、アレーアンテナ装置１Ｂの動作周波数で共振周波数を有するので、表面波によってアンテナ利得が低下されることを抑圧できる。

以上のように、実施の形態３に係るアレーアンテナ装置１において、金属柱１６の外周部には、溝が設けられている。金属柱１６が金属柱６よりも高さ寸法が低い場合であっても、表面波によってアンテナ利得が低下されることを抑圧できるので、アレーアンテナ装置１Ｂの低姿勢化が可能である。

実施の形態４．
図５は、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置１Ｃを、図１のＡ－Ａ線と同じ位置の線で切断した断面を示す断面矢示図である。アレーアンテナ装置１Ｃは、金属柱６の代わりに、フランジ状の金属板を端部に有する金属柱１７を備える。金属柱１７は、導体パターン７と地導体板１０ａとの間で誘電体層２ａと誘電体層２ｂに跨がって厚さ方向に延びて設けられる。

実施の形態４に係るアレーアンテナ装置１Ｃの動作は、以下の通りである。
コネクタ１１に給電された高周波信号が伝送線路９を伝搬することで、実施の形態１と同様に、スロット８において、ｘ方向に平行な電界が励振される。スロット８に発生した電界によってパッチ素子５が励振されることにより、ｘ方向に平行な偏波を主偏波とする電波が空間に放射される。

金属柱１７の端部に金属板を有することによって、金属柱１７のｘｙ面における面積が大きくなり、金属柱１７と導体パターン７との間の静電容量が大きくなる。従って、金属柱６よりも高さ寸法が低い場合であっても、アレーアンテナ装置１Ｃの動作周波数で共振周波数を有するので、表面波によるアンテナ利得の低下を抑制することができる。

以上のように、実施の形態４に係るアレーアンテナ装置１Ｃにおいて、金属柱１７は、フランジ状の金属板を端部に有する。金属柱１７が金属柱６よりも高さ寸法が低い場合であっても、表面波によってアンテナ利得が低下されることを抑圧できるので、アレーアンテナ装置１Ｃの低姿勢化が可能である。

実施の形態１～４において、パッチ素子５が９個の場合を示したが、８個以下であってもよいし、１０個以上であってもよい。また、誘電体層の層数が５層である場合を示したが、５層未満であってもよいし、６層以上であってもよい。例えば、アレーアンテナ装置１，１Ａ～１Ｃは、誘電体層２ａおよび誘電体層２ｂに設けられた構成によってアンテナ利得の低下を抑制することができる。

これまでの説明では、素子アンテナがパッチ素子である場合を示したが、ダイポールアンテナあるいはスロットアンテナであってもよい。

また、これまでの説明では、金属柱６、１３、１６または１７が円筒形状である場合を示したが、角柱形状あるいは平板形状であってもよい。さらに、導体パターン７が円形状である場合を示したが、多角形状であってもよい。

実施の形態１～４において、金属柱６、１３、１６または１７と導体パターン７との組み合わせは、１つのパッチ素子５に対して複数の組み合わせが配置されてもよいし、複数のパッチ素子５に対して１組配置されてもよい。

これまでの説明では、金属柱６、１３、１６または１７の一部が、パッチ素子５よりも高い位置（上層）に延びた高さ寸法であり、導体パターン７が、パッチ素子５よりも高い位置に配置された場合を示した。ただし、金属柱６、１３、１６または１７は、パッチ素子５を含む平面までの高さ寸法であってもよい。また、導体パターン７は、パッチ素子５よりも低い位置に配置されてもよい。

これまでの説明では、パッチ素子５の給電がスロット８を介した電磁結合である場合を示したが、パッチ素子５に給電することが可能であれば、スロット８を介した電磁結合に限定されるものではない。

なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係るアレーアンテナ装置は、例えば、情報通信機器またはレーダに利用可能である。

１，１Ａ～１Ｃ アレーアンテナ装置、２ａ～２ｃ 誘電体層、３ 給電回路、３ａ，３ｂ 誘電体層、４ アルミニウム板、５ パッチ素子、６，１６，１７ 金属柱、７ 導体パターン、８ スロット、９ 伝送線路、１０ａ，１０ｂ 地導体板、１１ コネクタ、１２ スルーホール、１３ 金属柱、１４ 非導電性接着剤、１５ ネジ。

Claims (6)

1. 地導体板と、
   前記地導体板上に設けられた第１の誘電体層と、
   前記第１の誘電体層上に設けられた複数の素子アンテナと、
   前記素子アンテナ上に設けられた第２の誘電体層と、
   複数の前記素子アンテナに高周波信号を給電する複数の給電部材と、
   前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層に跨がって厚さ方向に延びた金属柱と、
   前記金属柱の位置に対応した前記第２の誘電体層上に設けられた導体パターンと、
   を備え、
   前記金属柱は、前記地導体板と前記導体パターンとに接触していないこと
   を特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 前記導体パターン上に設けられた第３の誘電体層を備えたこと
   を特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
3. 前記地導体板が設けられた誘電体層と、
   前記地導体板における前記誘電体層とは反対側の面に設けられた伝送線路と、
   を備え、
   複数の前記給電部材は、前記地導体板に設けられた複数のスロットであること
   を特徴とする請求項１または請求項２記載のアレーアンテナ装置。
4. 前記金属柱の内部には、ネジ穴が設けられ、
   前記金属柱は、前記ネジ穴にネジ締めされたネジによって前記地導体板と電気的に接続されていること
   を特徴とする請求項１または請求項２記載のアレーアンテナ装置。
5. 前記金属柱の外周部には、溝が設けられていること
   を特徴とする請求項１または請求項２記載のアレーアンテナ装置。
6. 前記金属柱は、フランジ状の金属板を端部に有すること
   を特徴とする請求項１または請求項２記載のアレーアンテナ装置。

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