JP7283197B2 - アレイアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、複数の放射素子を有するアレイアンテナに関する。

近年、アレイアンテナは、誘電体等のプリント基板上に導体パッチで放射素子を形成したマイクロストリップアンテナ（ＭＳＡ：ＭｉｃｒｏＳｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ）を用いるようになっている。ＭＳＡは、厚さが薄く（低背）、高性能のアンテナ特性を有し、低コスト化が可能である。

ＭＳＡの従来技術として、誘電体基板上にパッチ素子を配列し、パッチ素子を誘電体板で被覆する技術が開示されている（例えば、下記特許文献１参照。）。また、基板上に給電パッチ素子と無給電パッチ素子を配列し、高誘電率の誘電体で被覆する技術が開示されている（例えば、下記特許文献２参照。）。

実開昭６３－５９４１３号公報 特開２００７－３７０７７号公報

アレイアンテナの放射素子間の中心距離（放射素子中心距離）ｄは、一般的にｄ＝λ／２が選定される。λは空気中の波長である。ここで、ｄ＞λ／２の場合、グレーティングローブ（不要方向へのエネルギー放射）が発生するため好ましくない。また、ｄ＜λ／２の場合、素子間相互結合が起こり、アンテナ特性が変わるため好ましくない。

ここで、ＭＳＡを使用した実際のアレイアンテナでは、放射素子間の中心距離（放射素子中心距離）ｄがλ／２であっても、隣接する放射素子の端面同士の間隔（実質的な素子間隔）ｄ’が放射素子中心距離ｄよりも大幅に小さくなる（ｄ’≪λ／２）。これにより、放射素子間に非常に大きな素子間相互結合（結合率の増大）が発生する問題がある。これは、アンテナベーシックでは、放射素子を点と仮定しているが、実際には放射素子が有限の大きさを持つため、放射素子中心距離ｄに対し実質的な素子間隔ｄ’が大幅に小さくなるためである。

また、放射素子の素子面積を大きくして単独利得を大きくし、伝送損失（フィーダーロス）を低減するために、低比誘電率および低誘電正接のプリント基板が選定される場合がある。このような構造の場合には、アレイアンテナの放射素子中心距離がさらに狭くなり、素子間相互結合がさらに増大してしまう悪循環が生じる。素子間相互結合の増大は、アンテナ放射効率の極端な低下をもたらす。この際、アレイアンテナ全体（アレイファクター）ではなく、放射素子単体の放射効率が低下することになり、放射効率が半減する場合もある。

一つの側面では、本発明は、素子間相互結合を低減し放射効率を改善できることを目的とする。

一つの案では、アレイアンテナは、誘電体基板上に複数の放射素子を設けたマイクロストリップ構造のアレイアンテナにおいて、所定の比誘電率を有し、前記誘電体基板上に密着され複数の前記放射素子を気密する薄膜状の誘電体オーバレイ膜を有し、複数の前記放射素子の中心は、互いにλ／２（λ：空気中の波長）の放射素子中心距離を有し、かつ、前記誘電体オーバレイ膜により複数の前記放射素子の間隔を大きくした、ことを要件とする。

一つの実施形態によれば、素子間相互結合を低減し放射効率を改善できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかるアレイアンテナを示す図である。 図２は、実施の形態にかかるアレイアンテナのアンテナ制御部の構成例を示す図である。 図３は、実施の形態のアレイアンテナが設けられる無線通信装置のハードウェア構成例を示す図である。 図４は、既存のアレイアンテナを示す図である。 図５は、実施の形態のアレイアンテナの特性を示す図表である。

（実施の形態）
図１は、実施の形態にかかるアレイアンテナを示す図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は側面図である。アレイアンテナ１００は、複数の放射素子を所定配列、例えば、マトリクス状に配置してなるＭＳＡである。

アレイアンテナ１００は、誘電体基板１０１と、放射素子１０２と、フィード１０３と、誘電体オーバレイ膜１０４と、を含む。

実施の形態のアレイアンテナ１００は、隣接する放射素子１０２，１０２同士は、従来同様、規定した（ベーシックな）放射素子中心距離ｄ（ｄ＝λ／２）を保持しつつ、実質的な放射素子間隔ｄ’をできるだけλ／２に近づけている。実質的な放射素子間隔ｄ’をできるだけλ／２に近づける程、放射素子１０２の大きさは小さくなる。このために、実施の形態では、アレイアンテナ１００の表面上に薄膜状の誘電体を密着させたオーバレイ構造のアンテナとする。このオーバレイ構造により、放射素子１０２の大きさを小さくし、素子間相互結合を低減させ、放射効率の改善を図る。

誘電体基板１０１は、所定の比誘電率を有する誘電体からなり、縦横に所定の大きさ（長さＬ，幅Ｗ）、および所定の厚さＨを有する。図１の例では、誘電体基板１０１は、平面でみて正方形状に形成されている。厚さＨはλ／４以下である。

放射素子１０２は、誘電体基板１０１上に導電体を印刷配線等により形成したものである。この放射素子１０２は、所定の大きさ（長さＬ１，幅Ｗ１）、および所定の厚さＨ１を有する。例えば、厚さＨ１は、１０μｍである。

図１の例では、放射素子１０２は、マトリクス状に配置され、正方形状の誘電体基板１０１を４等分した各領域Ａ１～Ａ４に設けられる。ここで、誘電体基板１０１を４等分した各領域Ａ１～Ａ４は、大きさ（長さＬ２，幅Ｗ２）を有している。そして、複数の放射素子１０２は、各領域Ａ１～Ａ４の中心位置Ｏを中心とした位置にそれぞれ形成されている。

ここで、従来のＭＳＡのアレイアンテナが実施の形態と同じ大きさ（長さＬ，幅Ｗ）の誘電体基板を有し、同様に４つの放射素子を有するとする。この場合、実施の形態の放射素子１０２は、大きさ（長さＬ１，幅Ｗ１）が長さおよび幅のいずれにおいても従来よりも小さく形成できる。すなわち、実質的な放射素子間隔ｄ’をできるだけλ／２に近づける程、放射素子１０２の大きさを小さくする。この点は、実施の形態において、誘電体オーバレイ膜１０４を設けることに起因する（詳細は後述する）。

フィード１０３は、複数の放射素子１０２に対応して設けられる複数の導電体であり、誘電体基板１０１の内部を貫通し、一端が誘電体基板１０１の表面の放射素子１０２に接続され、他端が誘電体基板１０１の裏面の給電点Ｐに接続される。フィード１０３は、例えば、スルーホールである。

誘電体オーバレイ膜１０４は、所定の比誘電率を有する誘電体膜であり、アレイアンテナ１００の表面側において、誘電体基板１０１および複数の放射素子１０２上を覆いこれらの面に密着される。誘電体オーバレイ膜１０４は所定の膜厚Ｈ２を有する。膜厚Ｈ２は、例えば、５０μｍと薄膜であり、波長に対して非常に小さい（波長の１／１００～１／２００）。

誘電体オーバレイ膜１０４は、誘電体基板１０１と同じ材質および同じ比誘電率でもよいし、異なる材質や比誘電率でもよい。好ましくは、誘電体オーバレイ膜１０４の比誘電率は、誘電体基板１０１の比誘電率より高い方がよい。例えば、誘電体基板１０１の比誘電率が２～１０のとき、誘電体オーバレイ膜１０４の比誘電率は３～２０とする。

実施の形態のアレイアンテナ１００は、例えば、誘電体基板１０１上に導電性の電極材料（導電体）を、エッチングを含む印刷配線により、放射素子１０２を形成する。この後、誘電体基板１０１の表面全体を誘電体オーバレイ膜１０４の誘電体膜を圧着等により設ける。これにより、誘電体オーバレイ膜１０４は、放射素子１０２を覆う。

実施の形態では、放射素子１０２は、誘電体基板１０１と誘電体オーバレイ膜１０４とに挟まれる形で気密され、誘電体オーバレイ膜１０４は、放射素子１０２を覆って外部（空気）との接触を遮断する。

これにより、実施の形態のアレイアンテナ１００は、実効比誘電率が下がることがなく波長短縮が大きいものとなる。したがって、実施の形態では、放射素子１０２の大きさを従来に比して小さくできる。なお、従来技術の構成、および実効比誘電率と波長短縮の作用については後述する。

したがって、実施の形態によれば放射素子１０２は大きさ（長さＬ１，幅Ｗ１）が長さおよび幅のいずれにおいても、従来のものより小さく形成できるようになる。すなわち、隣接する放射素子１０２，１０２間は、従来同様の放射素子中心距離ｄ（ｄ＝λ／２）を有するが、放射素子１０２自体の大きさ（長さＬ１，幅Ｗ１）を長さおよび幅のいずれにおいても従来よりも小さく形成できる。

これにより、アレイアンテナ１００の放射素子１０２の実質的な放射素子間隔ｄ’について、従来技術の放射素子よりも大きい間隔を取ることができるようになり、できるだけλ／２に近づけることができる。ここで、実施の形態の放射素子１０２は、放射素子中心距離ｄが従来と同じであるため、アレイアンテナ１００の開口面（誘電体基板１０１の大きさＷとＬに相当）は小さくならない。これにより、放射素子１０２の素子間相互結合を低減でき、放射効率を改善でき、アンテナ利得を向上できるようになる。

上記構成のアレイアンテナ１００として、放射素子１０２の下部の誘電体基板１０１に低比誘電率および低誘電正接の材料を用い、放射素子１０２の表面上の誘電体オーバレイ膜１０４を誘電体基板１０１よりも高比誘電率および高誘電正接の材料を用いてもよい。この構成によれば、誘電体基板１０１に比較的高コストな低比誘電率および低誘電正接の材料を用いるが、誘電体オーバレイ膜１０４として比較的低コストである高比誘電率および高誘電正接の材料を用いることができる。

このような誘電体（誘電体基板１０１と誘電体オーバレイ膜１０４）の材料選定により、アレイアンテナ１００の伝送損失（フィーダーロス）を低減できる。加えて、放射素子１０２の実質的な放射素子間隔ｄ’を拡げることで、素子間相互結合を小さくでき放射効率を改善することができる。

図２は、実施の形態にかかるアレイアンテナのアンテナ制御部の構成例を示す図である。アンテナ制御部２００は、図１に示したアレイアンテナ１００が送受信する無線電波（ビーム）の送受信を制御する。アンテナ制御部２００は、例えば、アレイアンテナ１００とともに装置側、例えば、無線通信装置や、無線通信機能を有する端末装置、さらには、ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）のセンサ機器の筐体に収容される。

アンテナ制御部２００は、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）部２０１と、電力分配器２０２と、受信機２０３と、送信機２０４と、送受信切替スイッチ（ＳＷ）２０５と、制御部２０６と、を含む。

図２には、図１に示したアレイアンテナ１００が有する複数の放射素子１０２を記載してある。放射素子１０２の数に対応する数のＲＦ部２０１が設けられている。放射素子１０２に接続されたフィード１０３の給電点Ｐは、複数のうち一つのＲＦ部２０１に接続される。

複数のＲＦ部２０１は、所定周波数の無線電波（電磁波）に対する信号処理を行う。受信機２０３および送信機２０４は、ベースバンド帯域における信号処理を行う。複数のＲＦ部２０１は、電力分配器２０２に接続される。電力分配器２０２は、信号の送受信において、複数のＲＦ部２０１に対する電力分配を行う。

電力分配器２０２と、受信機２０３および送信機２０４との間には、送受信切替スイッチ（ＳＷ）２０５が設けられる。送受信切替スイッチ（ＳＷ）２０５は、信号の受信時には、受信機２０３側に切り替え、また、信号の送信時には、送信機２０４側に切り替える。

ＲＦ部２０１は、サーキュレータ２１１と、受信側可変増幅器２１２と、送信側可変増幅器２１３と、送受信切替スイッチ（ＳＷ）２１４と、移相器２１５と、を含む。

サーキュレータ２１１は、放射素子１０２が受信した受信信号を受信側可変増幅器２１２に出力し、送信側可変増幅器２１３が出力する送信信号を放射素子１０２に出力する。受信側可変増幅器２１２は、受信信号の振幅（利得）を可変自在に増幅する。送信側可変増幅器２１３は、送信信号の振幅（利得）を可変自在に増幅する。

送受信切替スイッチ（ＳＷ）２１４は、受信側可変増幅器２１２および送信側可変増幅器２１３と、移相器２１５との間に設けられ、装置の信号の送受信タイミングに対応して信号の流れを切り替える。送受信切替スイッチ（ＳＷ）２１４は、信号の受信時には、受信側可変増幅器２１２側に切り替え、信号の送信時には、送信側可変増幅器２１３側に切り替える。移相器２１５は、送受信する信号の位相を変化させる。

制御部２０６は、ビーム走査制御器２２１と、送受信切替部２２２と、を含む。ビーム走査制御器２２１は、複数のＲＦ部２０１を介して複数の放射素子１０２に対する送受信時のビーム走査を制御する。このビーム走査時、複数のＲＦ部２０１の受信側可変増幅器２１２および送信側可変増幅器２１３に対する振幅制御を行い、移相器２１５に対する位相制御を行う。このように、制御部２０６は、アレイアンテナ１００の複数の放射素子１０２に対応するＲＦ部２０１のそれぞれに対応する振幅および位相を独立した制御を行う。

送受信切替部２２２は、信号の送受信タイミングに対応して送受信切替スイッチ２０５，２１４を送信側あるいは受信側に切り替える制御を行う。

アンテナ制御部２００は、アレイアンテナ１００が送受信する無線電波（ビーム）に対する各種制御を行う。例えば、アレイアンテナ１００の複数の放射素子１０２を組み合わせて指向性の適応制御や、受信波の到来方向推定のためのアンテナ制御を行う。

図２に示すアンテナ制御部２００を用いたアレイアンテナ１００は、アクティブフェーズドアレイアンテナ装置であり、制御部２０６が複数のＲＦ部２０１を上記振幅および位相制御することにより、複数の放射素子１０２に対するビームの電子走査を行う。

図３は、実施の形態のアレイアンテナが設けられる無線通信装置のハードウェア構成例を示す図である。無線通信装置３００は、制御部として機能するＣＰＵ等のプロセッサ３０１、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリ３０２、ＨＤＤ、ＳＳＤ、フラッシュメモリ等の記憶部３０３、入出力インタフェース（ＩＦ）３０４、無線通信部３０５、を含む。３０６は、ＣＰＵ３０１と、周辺装置（メモリ３０２、記憶部３０３、入出力ＩＦ３０４）、および無線通信部３０５との間でデータ転送を行うためのバスである。

上記のＣＰＵはＣｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、ＲＯＭはＲｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ、ＲＡＭはＲａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙの略である。ＨＤＤはＨａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ、ＳＳＤはＳｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅの略である。

ＣＰＵ３０１は、ＲＯＭ等のメモリ３０２に格納されたプログラムを実行し、この際、ＲＡＭ等のメモリ３０２の一部を作業領域に使用することで無線通信装置の各機能、例えば、無線通信により送受信するデータ処理を行う。この際、ＣＰＵ３０１は、記憶部３０３をメモリ３０２の拡張領域やバックアップ領域として使用してもよい。

ＣＰＵ３０１は、主に無線通信装置の各種機能のアプリケーションを実行し、ユーザデータのユーザ側での入出力およびデータ処理を行う。これに限らずＣＰＵ３０１は、アンテナ制御部２００の制御を実行し、外部の無線通信装置との間の無線通信を制御してもよい。

例えば、外部の無線通信装置との無線通信において、ＣＰＵ３０１は、多数の放射素子１０２のアレイアンテナ１００のアンテナ指向性を適応的に制御することで伝送損失を補償する。また、ＣＰＵ３０１は、上記のアンテナ制御により、特定のエリアの無線通信装置との接続の優先制御や、エリアに限らず多数の携帯端末のうち特定の携帯端末との間で優先して送受信を行うトラヒック制御等を行うことができる。

入出力インタフェース（ＩＦ）３０４は、無線通信装置３００に対するデータの入出力を行う。例えば、入出力ＩＦ３０４には、タッチパネルやキーボード、マイク等が接続され、ユーザ操作によるデータ入力が行える。また、入出力ＩＦ３０４には、ＬＣＤ等の表示部が接続され、表示データを画面出力できる。ＬＣＤはＬｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙの略である。

無線通信部３０５は、無線通信装置３００を他の無線通信装置との間でそれぞれ無線通信によりデータを送受信する通信部である。無線通信部３０５には、上述したアレイアンテナ１００が接続され、アレイアンテナ１００を介して他の無線通信装置と無線電波によりデータを送受信する。

無線通信部３０５は、図２に記載したアンテナ制御部２００に相当する。また、図２の制御部２０６のアンテナ制御にかかる機能は、図３に記載したＣＰＵ３０１が実行する構成としてもよい。

（実施の形態と従来例との対比）
次に、上述した実施の形態のアレイアンテナ１００と、既存のアレイアンテナとを対比説明する。

図４は、既存のアレイアンテナを示す図である。図４（ａ）は平面図、図４（ｂ）は側面図である。実施の形態（図１）同様のマイクロストリップ構造のアレイアンテナ４００の例であり、複数の放射素子をマトリクス状に配置してなるＭＳＡを示す。

アレイアンテナ４００は、誘電体基板４０１と、複数の放射素子４０２と、フィード４０３と、を有する。隣接する放射素子４０２，４０２同士は、実施の形態と同様に、規定した（ベーシックな）放射素子中心距離ｄ（ｄ＝λ／２）を有する。

誘電体基板４０１は、実施の形態と同様に、所定の比誘電率を有する誘電体からなり、縦横に所定の大きさ（長さＬ，幅Ｗ，厚さＨ）、および所定の厚さＨを有し、平面でみて正方形状に形成されている。

また、誘電体基板４０１の各領域Ａ１～Ａ４は、実施の形態同様の大きさ（長さＬ２，幅Ｗ２）を有している。そして、複数の放射素子４０２は、各領域Ａ１～Ａ４の中心位置Ｏを中心とした位置にそれぞれ形成されている。

このように、従来のアレイアンテナ４００が実施の形態と同じ大きさ（長さＬ，幅Ｗ）の誘電体基板を有し、同様に４つの放射素子を有する場合、放射素子４０２は、大きさ（長さＬ１，幅Ｗ１）が長さおよび幅のいずれにおいても実施の形態よりも大きくなる。

すなわち、従来例では、誘電体基板４０１上の放射素子４０２が直接空気に触れる状態である。この場合、例えば、誘電体基板４０１の比誘電率が３、空気中の比誘電率１のとき実効比誘電率ε_effは２．４程度に下がる。

そのため、波長短縮が小さく、相対的に放射素子４０２の大きさ（Ｌ１，Ｗ１）が実施の形態よりも大きくなる。これにより、放射素子４０２の実質的な放射素子間隔ｄ’が実施の形態よりも大幅に小さくなる（ｄ’≪λ／２）。この際、放射素子４０２の実質的な放射素子間隔ｄ’は、λ／２に近づけることができず、逆に離れていく。これにより、従来例のアレイアンテナ４００では、実施の形態のアレイアンテナ１００に比べて放射素子４０２間の素子間相互結合（結合率）が大きくなる。

ここで、放射素子４０２単独利得（開口面に相当）を大きくしつつ、伝送損失（フィーダーロス）を低減するために低比誘電率および低誘電正接の誘電体基板４０１を選定したとする。この場合、放射素子４０２の実質的な放射素子間隔ｄ’がさらに狭くなるという悪循環が生じる。

素子間相互結合が増大すると、アンテナ放射効率が極端に低下してしまう。この際、アレイアンテナ４００全体（アレイファクター）ではなく、放射素子４０２単体の放射効率が低下することになり、放射効率が半減する場合もある。

このように、従来例のアレイアンテナ４００では、実施の形態のアレイアンテナ１００に対し、フィーダーロスおよび素子間相互結合が大きく、放射効率が低い。

これに対し、上述した実施の形態では、図１に示したように、放射素子１０２が誘電体基板１０１と誘電体オーバレイ膜１０４とに挟まれる形となり、誘電体オーバレイ膜１０４は、放射素子１０２を覆って空気との接触を遮断する。これにより、実施の形態のアレイアンテナ１００は、実効比誘電率が下がることがなく波長短縮が大きいものとなる。したがって、実施の形態では、放射素子１０２の大きさを従来に比して小さくできる。

そして、実施の形態によれば放射素子１０２は大きさ（長さＬ１，幅Ｗ１）が長さおよび幅のいずれにおいても従来に比べて小さく形成できる。すなわち、隣接する放射素子１０２，１０２間は、従来同様の放射素子中心距離ｄ（ｄ＝λ／２）を有するが、放射素子１０２自体の大きさ（長さＬ１，幅Ｗ１）を長さおよび幅のいずれにおいても従来よりも小さくできる。

これにより、アレイアンテナ１００の放射素子１０２の実質的な放射素子間隔ｄ’について、従来技術の放射素子よりも大きい間隔を取ることができるようになり、できるだけλ／２に近づけることができる。ここで、実施の形態の放射素子１０２は、放射素子中心距離ｄが従来と同じであるため、アレイアンテナ１００の開口面（大きさＷとＬに相当）は小さくならない。放射素子１０２の実質的な放射素子間隔ｄ’を拡げることで、素子間相互結合を小さくでき、放射効率を改善することができる。

例えば、従来の特許文献１の技術では、ＭＳＡに対し、保護用レドーム誘電体板を装荷した構造であるが、レドームは一般的に厚みのある誘電体が用いられている。このような厚いレドームでは、電気的特性が劣化する問題を有する。一般的には、レドームの厚さは１／２波長の整数倍または１／２０波長以下が望まれる。

これに対し、実施の形態の誘電体オーバレイ膜１０４は、アンテナ保護（レドーム）を主目的としておらず、誘電体オーバレイ膜１０４の厚みは波長に対して非常に小さく（波長の１／１００～１／２００）である。この誘電体オーバレイ膜１０４は、板を装荷する構造ではなく薄膜であり、誘電体による電気的性能劣化を最小限に抑えることができ、また、誘電体基板１０１との一体形成によりアレイアンテナ１００全体を薄型にでき、軽量化できる。

また、従来の特許文献２の技術では、アレイアンテナ上に厚さ０．１～０．２ｍｍ程度の高誘電率（比誘電率１００～２００程度）の誘電体を被せている。これにより、波長短縮を図り、アンテナ素子を小さくし、アンテナ素子の中心間隔（上記放射素子中心距離ｄ）を狭くしている。この特許文献２のＭＳＡは、無給電素子を利用したアレイアンテナであり、素子間隔を近づけることで、一つの給電素子に近接した他の無給電素子との間の素子間相互結合を利用した放射を行っている。

これに対し、実施の形態のアレイアンテナ１００は、放射素子１０２を小さくする点では特許文献２と共通する構成である。しかし、特許文献２に対し、素子間相互結合の抑制を目的とする点で相違する。また、アンテナ素子の放射素子中心距離ｄは、規定のλ／２のまま変更せず、狭くしない点でも相違する。仮に、実施の形態を特許文献２同様に、アンテナ素子の放射素子中心距離ｄを狭くすると、素子間相互結合が増大し、アンテナ利得が低下する問題を生じる。また、アレイアンテナの開口面積も小さくなり、この点でもアンテナ利得が低下してしまう。

図５は、実施の形態のアレイアンテナの特性を示す図表である。アンテナ特性のシミュレーション結果を示す。この図５には、対比用に従来の一般的なＭＳＡ（例えば、図４のアレイアンテナ４００相当）の特性も示している。

実施の形態のアレイアンテナ１００によれば、周波数帯域のＬｃｈ～Ｈｃｈの全体において、従来のアレイアンテナに対し、約０．７ｄＢ（１．１８倍）のアンテナ利得の向上を図ることができた。これは、実施の形態の構成によれば、放射素子１０２間の素子間相互結合（結合率）の低下によって得られた。

上記の実施形態では、アレイアンテナ１００として２×２のアレイ配列を例に説明した。これに限らず、アレイアンテナ１００は、４×４、８×８、１６×１６等、ｎ×ｍのアレイ配列としてもよい。

以上説明した実施の形態のアレイアンテナは、誘電体基板上に複数の放射素子を設けたマイクロストリップ構造であり、所定の比誘電率を有し、誘電体基板上に密着され複数の放射素子を気密する薄膜状の誘電体オーバレイ膜を有する。また、複数の放射素子の中心は、互いにλ／２の放射素子中心距離ｄを有する。これにより、複数の放射素子間の間隔ｄ’をλ／２に近づけることができる。

上記構成によれば、放射素子は誘電体基板と誘電体オーバレイ膜とに挟まれる形で気密され、誘電体オーバレイ膜は、放射素子を覆って外部（空気）との接触を遮断する。これにより、実効比誘電率が下がることがなく波長短縮が大きいものとなる。そして、放射素子の素子間相互結合を低減でき、放射効率を改善でき、アンテナ利得を向上できるようになる。

また、複数の放射素子は、それぞれ放射素子間の間隔（実質的な放射素子間隔）ｄ’に対応する大きさを有する。この場合、複数の放射素子間の間隔ｄ’をλ／２に近づけることで、複数の放射素子の大きさをいずれも小さくすることができる。

このような構成においても、放射素子の放射素子中心距離ｄが規定のλ／２のまま変わらないため、アレイアンテナの開口面（大きさＷとＬに相当）は小さくならない。これにより、放射素子の素子間相互結合を低減でき、放射効率を改善し、アンテナ利得を向上できるようになる。

また、誘電体オーバレイ膜は、波長λに対し１／１００～１／２００の膜厚としてもよい。このように、誘電体オーバレイ膜の膜厚を波長λに対し非常に小さいものとすることで、誘電体による電気的性能劣化を最小限に抑えることができ、アレイアンテナ全体を薄型および軽量化できる。

また、誘電体オーバレイ膜の比誘電率は、誘電体基板の比誘電率と同じあるいは高いものを用いてもよい。例えば、誘電体オーバレイ膜の比誘電率を３～２０とし、誘電体基板の比誘電率は２～１０としてもよい。これにより、放射素子の素子間相互結合を低減でき、放射効率を改善でき、アンテナ利得を向上できるようになる。

また、誘電体基板に低比誘電率および低誘電正接の材料を用い、誘電体オーバレイ膜に誘電体基板よりも高比誘電率および高誘電正接の材料を用いてもよい。この場合、高比誘電率および高誘電正接の材料により、安価な誘電体オーバレイ膜を用いることができる。また、フィーダーロスを低減したまま、素子間相互結合を小さくして放射効率を改善し、アンテナ利得を向上できるようになる。

また、複数の放射素子のフィードがそれぞれ接続され、複数の放射素子が送受信する信号に対する振幅および位相制御を行うアンテナ制御部を備えてもよい。これにより、アレイアンテナが有する複数の放射素子を用いた指向性の適応制御や、受信波の到来方向推定のためのアンテナ制御を行うことができる。

これらのことから、実施の形態にかかるアレイアンテナによれば、放射素子が形成された誘電体基板上を薄膜の誘電体オーバレイで気密密着させた簡単な構成で、フィーダーロスおよび素子間相互結合を低減でき、放射効率を改善できるようになる。また、アレイアンテナの製造も簡単に行える。

上述した実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。

（付記１）誘電体基板上に複数の放射素子を設けたマイクロストリップ構造のアレイアンテナにおいて、
所定の比誘電率を有し、前記誘電体基板上に密着され複数の前記放射素子を気密する薄膜状の誘電体オーバレイ膜を有し、
複数の前記放射素子の中心は、互いにλ／２（λ：空気中の波長）の放射素子中心距離を有することを特徴とするアレイアンテナ。

（付記２）複数の前記放射素子は、それぞれ前記放射素子間の間隔で所定の大きさを有することを特徴とする付記１に記載のアレイアンテナ。

（付記３）前記誘電体オーバレイ膜は、前記波長λに対し１／１００～１／２００の膜厚であることを特徴とする付記１または２に記載のアレイアンテナ。

（付記４）前記誘電体オーバレイ膜の比誘電率は、前記誘電体基板の比誘電率と同じことを特徴とする付記１～３のいずれか一つに記載のアレイアンテナ。

（付記５）前記誘電体オーバレイ膜の比誘電率は、前記誘電体基板の比誘電率より高いことを特徴とする付記１～３のいずれか一つに記載のアレイアンテナ。

（付記６）前記誘電体オーバレイ膜の比誘電率は３～２０であり、前記誘電体基板の比誘電率は２～１０であることを特徴とする付記５に記載のアレイアンテナ。

（付記７）前記誘電体基板に低比誘電率および低誘電正接の材料を用い、前記誘電体オーバレイ膜に前記誘電体基板よりも高比誘電率および高誘電正接の材料を用いることを特徴とする付記１～６のいずれか一つに記載のアレイアンテナ。

（付記８）複数の前記放射素子のフィードがそれぞれ接続され、複数の前記放射素子が送受信する信号に対する振幅および位相制御を行うアンテナ制御部を備えたことを特徴とする付記１～７のいずれか一つに記載のアレイアンテナ。

１００ アレイアンテナ
１０１ 誘電体基板
１０２ 放射素子
１０３ フィード
１０４ 誘電体オーバレイ膜
２００ アンテナ制御部
２０１ ＲＦ部
２０２ 電力分配器
２０３ 受信機
２０４ 送信機
２０５，２１４ 送受信切替スイッチ
２０６ 制御部
２１１ サーキュレータ
２１２ 受信側可変増幅器
２１３ 送信側可変増幅器
２１５ 移相器
２２１ ビーム走査制御器
２２２ 送受信切替部
３００ 無線通信装置
ｄ 放射素子中心距離
ｄ’実質的な放射素子間隔

Claims (6)

1. 誘電体基板上に複数の放射素子を設けたマイクロストリップ構造のアレイアンテナにおいて、
   所定の比誘電率を有し、前記誘電体基板上に密着され複数の前記放射素子を気密する薄膜状の誘電体オーバレイ膜を有し、
   複数の前記放射素子の中心は、互いにλ／２（λ：空気中の波長）の放射素子中心距離を有し、かつ、前記誘電体オーバレイ膜により複数の前記放射素子の間隔を大きくした、
   ことを特徴とするアレイアンテナ。
2. 前記誘電体オーバレイ膜は、前記波長λに対し１／１００～１／２００の膜厚であることを特徴とする請求項１に記載のアレイアンテナ。
3. 前記誘電体オーバレイ膜の比誘電率は、前記誘電体基板の比誘電率と同じことを特徴とする請求項１または２に記載のアレイアンテナ。
4. 前記誘電体オーバレイ膜の比誘電率は、前記誘電体基板の比誘電率より高いことを特徴とする請求項１または２に記載のアレイアンテナ。
5. 前記誘電体オーバレイ膜の比誘電率は３～２０であり、前記誘電体基板の比誘電率は２～１０であることを特徴とする請求項４に記載のアレイアンテナ。
6. 前記誘電体基板に低比誘電率および低誘電正接の材料を用い、前記誘電体オーバレイ膜に前記誘電体基板よりも高比誘電率および高誘電正接の材料を用いることを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載のアレイアンテナ。

Images