JP7312091B2

JP7312091B2 - マルチビームアンテナ

Info

Publication number: JP7312091B2
Application number: JP2019207871A
Authority: JP
Inventors: 敦史福田; 浩司岡崎; 恭宜鈴木
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2019-11-18
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2039-11-18
Also published as: JP2021082908A

Description

本発明は、ミリ波帯または準ミリ波帯の信号の送受信に用いることのできるマルチビームアンテナに関する。

ミリ波帯または準ミリ波帯で使用するアンテナとして、９０度以上の曲げ角度を有する導波路を持つ誘電体導波路アンテナがある（特許文献１）。９０度以上の曲げ角度を有する導波路は、誘電体導波路アンテナにおいて電磁波を放射する放射部として機能する。

特開2017-22429号公報

特許文献１の図１４に示されているとおり、放射部として機能する導波路の指向性は当該導波路が曲げられている平面（以下、基準面と呼称する）内において比較的広く、つまり、９０度以上の曲げ角度を有する導波路は曲げ方向（ただし、曲げ方向は、導波路の中心線に沿った方向である）の広い角度範囲で良好な利得特性を持つ。しかし、この導波路は、曲げ方向と直交する曲げ軸方向（つまり、基準面の法線と平行な方向）の狭い角度範囲で良好な利得特性を持つ。

本発明は、誘電体導波路アンテナのこのような特徴に基づくマルチビームアンテナを提供することを目的とする。

ここで述べる技術事項は、特許請求の範囲に記載された発明を明示的にまたは黙示的に限定するためではなく、さらに、本発明によって利益を受ける者（例えば出願人と権利者である）以外の者によるそのような限定を容認する可能性の表明でもなく、単に、本発明の要点を容易に理解するために記載される。他の観点からの本発明の概要は、例えば、この特許出願の出願時の特許請求の範囲から理解できる。
本発明のマルチビームアンテナは、複数の誘電体導波路を含み、各誘電体導波路の基準面は互いに平行である。

本発明のマルチビームアンテナは、誘電体導波路の曲げ軸方向において幅広い良好な利得特性を持つ。

誘電体導波路アンテナの構成例。誘電体導波路の断面図。曲り部の曲げ角度を説明する図。誘電体導波路の曲り部の指向性を示す図。（ａ）実施形態のマルチビームアンテナのX-Y平面図。（ｂ）実施形態のマルチビームアンテナのY-Z平面図。マルチビームアンテナからの距離とカバレッジとの関係を示すグラフ。マルチビームアンテナのX-Y平面内における指向性を示す図。（ａ）実施形態のマルチビームアンテナのX-Y平面図。（ｂ）実施形態のマルチビームアンテナのY-Z平面図。

実施形態のマルチビームアンテナ１は、ミリ波帯（30GHz～300GHz）または準ミリ波帯（明確な定義はないがおよそ20GHz～30GHz）の信号を送受信可能なアンテナであり、２個以上のアンテナ素子１１０を含む。個々のアンテナ素子１１０は、ミリ波帯または準ミリ波帯の信号を送受信可能な、ケーブル状の導波路である。以下、マルチビームアンテナ１の説明に先立ち、アンテナ素子１１０である導波路１１０について説明する。

図１に示す導波路１１０の一端は、ミリ波あるいは準ミリ波の周波数を持つ信号を生成する信号生成装置８００に接続されている。この例では、導波路１１０の他端は、ターミネーター８７０に接続されているが、導波路１１０の他端に何も接続されていない構成も許容される。この信号の種類に限定はなく、アナログ信号でも、デジタル信号でも、離散時間信号でも、連続時間信号でもよい。

導波路１１０の長手方向の任意の位置における当該長手方向に垂直な断面図である図２に示すように、導波路１１０は、導波路１１０の長手方向に延びる、誘電体で形成された芯部１１０ａと、誘電体で形成された被覆部１１０ｂとで構成されている。被覆部１１０ｂは芯部１１０ａの外周に位置しており、芯部１１０ａを取り囲んでいる。芯部１１０ａの断面形状は円であり、被覆部１１０ｂの断面形状は肉厚一定の中空円である。芯部１１０ａの直径と被覆部１１０ｂの内円の直径は等しい。このように、実施形態の導波路１１０は、一様な構造、つまり、任意の位置での断面形状が一定であり、芯部１１０ａと被覆部１１０ｂのそれぞれの材質が任意の位置で一定である構造を持っている。なお、図２では、導波路１１０の断面形状は同心円状であるが、このような構造に限定されず、例えば、同心矩形状であってもよい。

芯部１１０ａの誘電率は、被覆部１１０ｂの誘電率よりも大きい。このため、導波路１１０の上記一端に入力された信号生成装置８００からの入力信号の電磁界は、後述する曲り部１１０ｃが存在しない場合、誘電率の大きい芯部１１０ａに集中して、導波路１１０の上記他端に向かって低損失に伝搬し、導波路１１０の上記他端に接続されているターミネーター８７０によって吸収される。

導波路１１０の一部１１０ｃは、平面（つまり、基準面）内で曲げられており、好ましくは９０度以上の曲げ角度を有する。以下、このような曲げ角度を有する導波路の一部（曲率が非ゼロの部分）を曲り部１１０ｃと呼称する。この明細書では、図３に示すように、曲げ角度を、曲り部１１０ｃに進入する信号の進入の向き（図３中、導波路の横の矢印で示す）と当該曲り部１１０ｃを通過する信号の脱出の向き（図３中、導波路の横の矢印で示す）とがなす角度とする（図４にて、角度αを曲げ角度とする）。図３では、α=135[°]の例を示している。

曲り部１１０ｃは、電磁波（帯域としては電波である）を放射する放射部として機能できる。つまり、曲り部１１０ｃが存在する場合、信号生成装置８００からの入力信号は、この曲り部１１０ｃで電磁波として放射される。なお、「放射」とは、曲り部１１０ｃに到達した入力信号の電力のうち一部が曲り部から誘電体の外部へと放出されることを言い、この外部へと放出された信号の電力の分だけ、当該曲り部１１０ｃが放射部として機能しない場合（つまり、導波路として機能する場合）に実際には発生する伝送損失を超える損失が生ずる。曲り部１１０ｃで電磁波の放射によって失われる電力は、通常、曲り部１１０ｃに到達した入力信号の電力の一部であり、曲り部１１０ｃは導波路としての機能を喪失していないので、残余の電力を持った入力信号は曲り部１１０ｃを通過する。曲り部１１０ｃを通過した入力信号は、放射部として機能しない部分、つまり、導波路として機能する部分の導波路１１０を伝搬し、導波路１１０の上記他端に向かって、低損失に伝搬する。曲り部１１０ｃで放射された電磁波は、例えば、携帯電話などの通信端末（図示せず）が持つ無線アンテナによって受信される。

曲り部１１０ｃは、導波路１１０において一箇所だけしか存在しなくてもよいし二箇所以上存在してもよい。さらには、曲り部１１０ｃは、導波路１１０の両端を除く導波路１１０の任意の部位であることが好ましい。導波路１１０は、単一の製品としての構成を持っていてもよいし、例えば同一の構造を持つ複数の導波路（以下、サブ導波路と呼称する）が一列に接続された構成を持っていてもよい。後者の場合、サブ導波路とサブ導波路との接続として、光ファイバーを参考に、融着による接続またはコネクタを用いる接続を採用できる。なお、当該後者の場合、サブ導波路とサブ導波路との接続部位は、通常、方向転換部１１０ｃとして機能できる部位にならない。

曲り部１１０ｃで電磁波の放射によって失われる電力は、導波路１１０の径、芯部１１０ａと被覆部１１０ｂのそれぞれの材質、曲り部１１０ｃの湾曲の程度などに依存する。湾曲の程度を表す指標は、例えば、曲率、曲率半径、曲げ角度、曲げ半径（つまり、曲り部の内側の曲率半径）、曲率と曲げ角度との組み合わせ、曲率半径と曲げ角度との組み合わせ、である。例示した指標を用いる場合には、例えば、導波路１１０の長手方向に延びる芯部１１０ａの中心線（つまり、導波路１１０の任意の断面での芯部１１０ａの円の中心を結んだ線）を曲線と看做せばよい。図３では、曲率半径が１５cmの例を示している。

図４は、曲り部１１０ｃ（図３参照）が１３５°の曲げ角度を持つ場合の導波路１１０の放射パターンの測定結果を示している。入力信号の周波数は２８GHzである。直交３軸つまりX軸、Y軸、Z軸は、図３に示すとおり設定されており、芯部１１０ａの中心線がY-Z平面上に在る。なお、Y-Z平面が基準面に相当する。図４から、Y-Z平面において１０dB以上の利得が得られる角度範囲は約６０度であり、X-Y平面において１０dB以上の利得が得られる角度範囲は約１０度であることがわかる。このように、曲り部の指向特性は、曲げ軸方向に鋭い利得特性を持つ。

したがって、それぞれ曲り部を持つ２個以上の誘電体導波路を曲げ軸方向に、各誘電体導波路の基準面が互いに平行な状態で配置することによって、曲げ軸方向に幅広い良好な利得特性を持つマルチビームアンテナを実現できる。つまり、このマルチビームアンテナは、曲り部を持つ誘電体導波路をアンテナ素子として含むアレイアンテナである。

図５に、実施形態のマルチビームアンテナ１を示す。マルチビームアンテナ１は、２個のアンテナ素子１１０－１，１１０－２を含む（図５（ｂ）において、アンテナ素子１１０－１はアンテナ素子１１０－２の背後に隠れているので見えていない）。アンテナ素子１１０－１，１１０－２のそれぞれは、曲り部を持つ誘電体導波路１１０である。アンテナ素子１１０－１の基準面とアンテナ素子１１０－２の基準面は互いに平行である。アンテナ素子１１０－１の曲り部の頂部とアンテナ素子１１０－２の曲り部の頂部がおおむね同一直線上に並ぶ状態でアンテナ素子１１０－１とアンテナ素子１１０－２が配置されることが好ましい。曲り部の頂部は、通常、曲げ角度の半分の角度の位置にある部位である。この例では、アンテナ素子１１０－１の曲げ方向とアンテナ素子１１０－２の曲げ方向は同じであるが、アンテナ素子１１０－１の曲げ方向がアンテナ素子１１０－２の曲げ方向と反対であってもよい。アンテナ素子１１０－１の曲げ方向がアンテナ素子１１０－２の曲げ方向と反対である場合においても、アンテナ素子１１０－１の曲り部の頂部とアンテナ素子１１０－２の曲り部の頂部がおおむね同一直線上に並ぶ状態でアンテナ素子１１０－１とアンテナ素子１１０－２が配置されることが好ましい。アンテナ素子１１０－１，１１０－２のそれぞれの一端は信号生成装置８００に接続されており、アンテナ素子１１０－１，１１０－２のそれぞれの他端は開放端である。信号生成装置８００は、アンテナ素子１１０－１，１１０－２のそれぞれに信号を送る。アンテナ素子１１０－２に送られる信号の信号特性（例えば、周波数、位相、変調方式など）はアンテナ素子１１０－１に送られる信号の信号特性と同じでも異なってもよい。

図６に、１個の導波路１１０（より具体的には、導波路１１０の曲り部）からの距離と、１０dB以上の利得を持つ電波が放射されている曲げ軸方向の角度範囲に含まれるX軸方向のカバレッジとの関係を示す。図４に示す放射パターンによると１０dB以上の利得が得られる角度範囲は約１０度であることから、例えば曲り部１１０ｃからの距離が５mである地点では、X軸方向のカバレッジはおよそ９０cmとなる。したがって、図５に示すように、X軸上で互いに９０cm離れた位置（Y軸上の位置とZ軸上の位置はそれぞれ同じ）に２個のアンテナ素子１１０－１，１１０－２を配置することによって、マルチビームアンテナ１（より具体的には、アンテナ素子の曲り部）から５m離れた位置で、アンテナ素子１１０－１に対応するX軸方向のカバレッジＷ₁とアンテナ素子１１０－２に対応するX軸方向のカバレッジＷ₂が隣接することになる。

一般化すると、ｎ番目のアンテナ素子１１０－ｎ（より具体的には、アンテナ素子の曲り部）からの距離をＤ[m]とし、所望の利得を満たす角度範囲をα度とすると、ｎ番目のアンテナ素子１１０－ｎに対応するX軸方向のカバレッジＣ[m]は式（１）で表される。距離Ｄは、通常、マルチビームアンテナ１が設置される場所と所望のサービスエリアとの間の距離として定められる。

したがって、ｎ番目のアンテナ素子１１０－ｎと、ｎ番目のアンテナ素子１１０－ｎの隣に位置するｎ＋１番目のアンテナ素子１１０－（ｎ＋１）を、アンテナ素子１１０－ｎとアンテナ素子１１０－（ｎ＋１）との間のX軸方向の距離Ｌが式（２）を満たすようにX軸上に配置することによって、マルチビームアンテナ１のX軸方向のカバレッジＣ[m]がX軸方向つまり曲げ軸方向に拡張される。

図５に示すマルチビームアンテナ１の指向性を図７に示す。図７において０度方向は、アンテナ素子１１０－１からの放射によって形成されるカバレッジＷ₁の中心方向を指している。アンテナ素子１１０－２によってアンテナ素子１１０－１とは別の指向性を持つビームが形成されており、アンテナ素子１１０－１およびアンテナ素子１１０－２によってマルチビームが形成されている。なお、アンテナ素子１１０－１からの放射によって形成されるカバレッジＷ₁の中心方向におけるアンテナ素子１１０－２からの放射電力は、アンテナ素子１１０－１から放射された電力よりも７dB程度小さい。したがって、アンテナ素子１１０－２からの放射電力がアンテナ素子１１０－１からの放射電力に与える干渉は小さいので、マルチビームアンテナ１によって同一周波数帯で同時に複数のカバレッジを形成できる。

マルチビームアンテナ１は、曲り部１１０ｃの曲げ角度を変更する曲げ角度変更機構を含んでもよい。この曲げ角度変更機構は曲率半径も変更するものであってもよい。曲り部の曲げ角度は好ましくは９０°以上であるが、一部あるいは全部のアンテナ素子１１０の曲り部の曲げ角度が９０°より小さくてもよい。このような曲げ角度変更機構は入力されたエネルギーを物理的運動に変換するものであれば何ら限定は無く、例えば、アクチュエータ、人工筋肉、圧電素子、形状記憶合金が挙げられる。曲げ角度変更機構は、全てのアンテナ素子に取り付けられてもよいし、一部のアンテナ素子に取り付けられてもよい。また、１個の曲げ角度変更機構が、１個の曲り部１１０ｃの曲げ角度を変更してもよいし、あるいは、２個以上の曲り部１１０ｃの曲げ角度を同時に変更してもよい。

また、マルチビームアンテナ１は、隣り合うアンテナ素子１１０の間隔を変更する間隔変更機構を含んでもよい。このような間隔変更機構は入力されたエネルギーを物理的運動に変換するものであれば何ら限定は無く、例えば、一方向ネジ送りステージが挙げられる。間隔変更機構は、全てのアンテナ素子に取り付けられてもよいし、一部のアンテナ素子に取り付けられてもよい。また、１個の間隔変更機構が、１個のアンテナ素子１１０の位置を変更してもよいし、あるいは、２個以上のアンテナ素子１１０の位置を同時に変更してもよい。

さらに、マルチビームアンテナ１は、ヨーイング機構とピッチング機構とローリング機構から選択される一つ以上の機構を含んでもよい。ヨーイング機構は、アンテナ素子１１０の基準面の法線方向を変更する回転機構であり、具体的には、アンテナ素子１１０の一端を回転中心としてアンテナ素子１１０の向きをZ軸周りで変更する。ローリング機構は、アンテナ素子１１０の基準面の法線方向を変更する回転機構であり、具体的には、アンテナ素子１１０の一端を回転中心としてアンテナ素子１１０の向きをY軸周りで変更する。ピッチング機構は、各アンテナ素子１１０の基準面の法線方向を変更することなくアンテナ素子１１０を回転させる回転機構であり、具体的には、アンテナ素子１１０の一端を回転中心としてアンテナ素子１１０の向きをX軸周りで変更する。ヨーイング機構とピッチング機構においてそれぞれの回転可能な角度はある程度大きく設定できるが（例えば－４５°～＋４５°）、ローリング機構において回転可能な角度は小さく設定される（例えば－１０°～＋１０°）。このような回転機構は入力されたエネルギーを物理的運動に変換するものであれば何ら限定は無く、例えば、回転ステージが挙げられる。回転機構は、全てのアンテナ素子に取り付けられてもよいし、一部のアンテナ素子に取り付けられてもよい。また、１個の回転機構が、１個のアンテナ素子１１０の向きを変更してもよいし、あるいは、２個以上のアンテナ素子１１０の向きを同時に変更してもよい。

マルチビームアンテナ１は、曲げ角度変更機構と間隔変更機構と回転機構（ヨーイング機構とピッチング機構とローリング機構）から選択される一つ以上の機構を含んでもよい。

例えば、曲げ角度変更機構とヨーイング機構を持つマルチビームアンテナ１（図８参照）のように、アンテナ素子１１０－１とアンテナ素子１１０－２が基準位置から角度βだけチルトした状態で電波を放射している場合、アンテナ素子１１０－１の曲率半径をアンテナ素子１１０－１の曲率半径よりも小さくすることによってアンテナ素子１１０－１からより多くの電波が放射されるので、アンテナ素子１１０－２によって距離Ｄ₁の位置に形成されるカバレッジＷ₂よりも遠い距離Ｄ₂の位置に、アンテナ素子１１０－１によってより広いカバレッジＷ₁を形成できる。もちろん、距離Ｄ₁の位置において、アンテナ素子１１０－２による曲げ軸方向のカバレッジの隣（具体的には、アンテナ素子１１０－１に近い側）に、利得がより大きいカバレッジがアンテナ素子１１０－１によって形成されている。放射電力はアンテナ素子１１０ごとに制御できるので、曲げ軸方向の各アンテナ素子１１０の利得は自由に設定されえる。

マルチビームアンテナ１は、送信アンテナとしてではなく受信アンテナとしても使用できる。この場合、例えば、アンテナ素子１１０のそれぞれの一端は信号生成装置８００に替えて受信装置に接続される。例えば携帯電話から発せられた電磁波は曲り部１１０ｃで吸収され、少なくとも３dBの損失を伴って、アンテナ素子１１０によって受信装置に伝達される。３dBの損失は、曲り部１１０ｃで吸収された電磁波がアンテナ素子１１０の一端と他端とに向かって分配されることによって発生する。アンテナ素子１１０－１の指向性パターンの中心方向からアンテナ素子１１０－２が受信する電波の電力は、アンテナ素子１１０－２の指向性パターンの中心方向からアンテナ素子１１０－２が受信する電波の電力よりも７dB程度小さい。したがって、アンテナ素子１１０－１が形成するカバレッジＷ₁からの電波の電力がアンテナ素子１１０－２が形成するカバレッジＷ₂からの電波の電力に与える干渉は小さいので、マルチビームアンテナ１によって同一周波数帯で同時に複数のカバレッジを実現できる。

アンテナ素子１１０のそれぞれの一端は、信号生成装置８００に替えて送信機能と受信機能の両方を持つ送受信装置に接続されてもよい。

この他、（１）一端に信号生成装置８００が接続されているアンテナ素子１１０の他端に受信装置を接続する構成も採用できるし、（２）一端に送受信装置が接続されているアンテナ素子１１０の他端に受信装置を接続する構成も採用できるし、（３）アンテナ素子１１０の一端と他端のそれぞれに受信装置を接続する構成も採用できるし、（４）アンテナ素子１１０の一端と他端のそれぞれに送受信装置を接続する構成も採用できる。特に、（２），（３），（４）の構成によると、図示しない合成装置がアンテナ素子１１０の両端に接続された装置の受信機能で受信した電磁波を合成することによって、上述の３dBの損失を解消できる。

＜補遺＞
明細書と特許請求の範囲では、「接続された」という用語とこのあらゆる語形変形は、２又はそれ以上の要素間の直接的又は間接的な接続を意味し、互いに「接続」された２つの要素の間に１つ以上の中間要素が存在することを含むことができる。

明細書と特許請求の範囲では、用語「含む」とその語形変化は非排他的表現として使用されている。例えば、「ＸはＡとＢを含む」という文は、ＸがＡとＢ以外の構成要素（例えばＣ≠Ａ且つＣ≠ＢであるＣ）を含むことを否定しない。また、明細書と特許請求の範囲において或る文が用語「含む」またはその語形変化が否定辞と結合した語句を含む場合、当該文は用語「含む」またはその語形変化の目的語について言及するだけである。したがって、例えば「ＸはＡとＢを含まない」という文は、ＸがＡとＢ以外の構成要素を含む可能性を認めている。さらに、明細書あるいは特許請求の範囲において使用されている用語「または」は排他的論理和ではないことが意図される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更と変形が許される。選択され且つ説明された実施形態は、本発明の原理およびその実際的応用を解説するためのものである。本発明は様々な変更あるいは変形を伴って様々な実施形態として使用され、様々な変更あるいは変形は期待される用途に応じて決定される。そのような変更および変形のすべては、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲に含まれることが意図されており、公平、適法および公正に与えられる広さに従って解釈される場合、同じ保護が与えられることが意図されている。

Claims

ミリ波帯または準ミリ波帯の信号を送受信可能であり、複数のアンテナ素子を含むマルチビームアンテナであって、
上記複数のアンテナ素子のそれぞれは、ケーブル状の導波路であり、
上記導波路は、誘電体で形成された芯部と、誘電体で形成された被覆部とを含み、
上記被覆部は、上記芯部を取り囲んでおり、
上記芯部の誘電率は、上記被覆部の誘電率よりも大きく、
上記導波路は、平面内で上記導波路が曲げられた曲り部を含み、
上記複数のアンテナ素子のそれぞれの上記平面は互いに平行である
ことを特徴とするマルチビームアンテナ。
請求項１に記載のマルチビームアンテナにおいて、
上記複数のアンテナ素子のうち１個以上のアンテナ素子が、９０度以上の曲げ角度を有する上記曲り部を持つ
ことを特徴とするマルチビームアンテナ。
請求項１または請求項２に記載のマルチビームアンテナにおいて、
上記複数のアンテナ素子のうちの１個以上のアンテナ素子の向きを変更する回転機構を有する
ことを特徴とするマルチビームアンテナ。
請求項１から請求項３のいずれかに記載のマルチビームアンテナにおいて、
上記複数のアンテナ素子の間隔を変更する間隔変更機構を有する
ことを特徴とするマルチビームアンテナ。
請求項１から請求項４のいずれかに記載のマルチビームアンテナにおいて、
上記曲り部の曲げ角度を変更する曲げ角度変更機構を有する
ことを特徴とするマルチビームアンテナ。
請求項１から請求項５のいずれかに記載のマルチビームアンテナにおいて、
上記複数のアンテナ素子のそれぞれの上記曲り部の頂部は同一直線上に位置する
ことを特徴とするマルチビームアンテナ。