JP7371538B2 - スロットアンテナ装置、通信システム、及びスロットアンテナ装置における放射角度の調整方法 - Google Patents

スロットアンテナ装置、通信システム、及びスロットアンテナ装置における放射角度の調整方法 Download PDF

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Description

本発明は、スロットアンテナ装置、通信システム、及びスロットアンテナ装置における放射角度の調整方法に関する。
従来より、同一表面に所定の間隔で電磁波を放射する複数のスロットを具えた誘電体導波管、それらのスロットに対向する位置にそれぞれスルーホールを具えたプリント基板、およびそれらのスロットに対向する位置にそれぞれ貫通孔を具えた金属板からなる誘電体導波管スロットアレイアンテナがある。上記複数のそれぞれのスロットに近接してスロットが形成され、当該スロットに対向する位置のプリント基板にそれぞれスルーホールが、金属板にそれぞれ貫通孔が形成されたことを特徴とする（例えば、特許文献１参照）。
また、中空導体に電波を漏洩させるための貫通孔を長手方向に間隔を置いて形成すると共に前記中空導体の表面には長手方向に交互に凹凸を形成した波付漏洩導波管において、前記貫通孔の間隔及び前記凹凸のピッチのいずれか一方又は両方を変化させたことを特徴とする波付漏洩導波管がある（例えば、特許文献２参照）。
また、スロット板と誘電体板が一体化され、誘電体板に傾斜角を持たせることによって、放射指向性主ビームのチルト角θを補正するスロットアレーアンテナがある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５－２１７８６４号公報 特開２０００－０６８７３３号公報 特開２００４－１４７１６９号公報
ところで、いずれの文献も複数のスロットが設けられる導波管を用いたスロットアンテナ装置において、スロットが電波を放射する角度を可変的に設定することは開示していない。
開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであって、電波の放射角度を可変的に設定可能なスロットアンテナ装置、通信システム、及びスロットアンテナ装置における放射角度の調整方法を提供することを目的とする。
本願が開示するスロットアンテナ装置は、導波路と、前記導波路の側壁に設けられるスロットと、前記スロットに対して前記導波路の延在方向にスライド可能に前記導波路に装着されており、第１スライド位置で前記スロットを覆う第１区間と、前記第１スライド位置の隣の第２スライド位置で前記スロットを覆う第２区間とを有する誘電部材であって、前記第１区間と前記第２区間では、比誘電率又は厚さが異なる誘電部材とを含む。
本願が開示する電波の放射角度を可変的に設定可能なスロットアンテナ装置、通信システム、及びスロットアンテナ装置における放射角度の調整方法の１つの態様によれば、スロットが電波を放射する角度を可変的に設定することができるので、という効果を奏する。
通信システム３００の構成の一例を示すブロック図である。 通信システム３００を配備したオフィスルーム５００を示す図である。 導波管１１０の構成を示す図である。 実施の形態のスロットアンテナ装置４００を示す図である。 スロットアンテナ装置４００の分解図である。 スロットアンテナ装置４００を２方向から示す図である。 スロットアレーアンテナ４１１を示す図である。 スロットアンテナ装置４００の動作を説明する図である。 スロットアンテナ装置４００の動作を説明する図である。 ４つのスロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄがある場合の動作を示す図である。 実施の形態の変形例のスロットアンテナ装置４００Ｓを示す図である。 実施の形態の変形例のスロットアンテナ装置４００Ｍを示す図である。 スロットアンテナ装置４００Ｍの動作を説明する図である。 スロットアンテナ装置４００Ｍの動作を説明する図である。 実施の形態の変形例のスロットアンテナ装置４００Ｍ２を示す図である。
以下、本発明のスロットアンテナ装置、通信システム、及びスロットアンテナ装置における放射角度の調整方法を適用した実施の形態について説明する。
＜実施の形態＞
図１は、通信システム３００の構成の一例を示すブロック図である。通信システム３００は、スロットアンテナ装置１００及びｅＮｏｄｅＢ(evolved Node B)２００を含む。通信システム３００は、例えば、セルラー方式を採用し、無線通信を行うシステムである。
ｅＮｏｄｅＢ２００は、基地局の一例であり、ＢＢＵ(Base Band Unit)２１０、ＲＲＨ(Remote Radio Head)２２０Ａ、２２０Ｂ、及び同軸導波管変換器２３０を有する。ｅＮｏｄｅＢ２００は、光ファイバを介してコアネットワーク５００に接続されている。コアネットワーク５００は、大容量の通信回線であり、基幹回線網又はバックボーンの一例である。
ＢＢＵ２１０は、ベースバンド処理を行う装置である。ＢＢＵ２１０は、ｅＮｏｄｅＢ２００内に設けられており、光ファイバを介してＲＲＨ２２０Ａ、２２０Ｂに接続されている。
ＲＲＨ２２０Ａ、２２０Ｂは、無線装置である。ＲＲＨ２２０Ａ、２２０Ｂは、１つのｅＮｏｄｅＢ２００内に複数設けられており、図１には２つのＲＲＨ２２０Ａ、２２０Ｂを示す。ＲＲＨ２２０Ａ、２２０Ｂは、同軸導波管変換器２３０を介してスロットアンテナ装置１００の導波管１１０Ａ、１１０Ｂにそれぞれ接続されている。導波管１１０Ａ、１１０Ｂは、導波路の一例であり、金属製である。
なお、ＲＲＨ２２０Ａ、２２０Ｂを特に区別しない場合には、単にＲＲＨ２２０と称す。また、導波管１１０Ａ、１１０Ｂを特に区別しない場合には、単に導波管１１０と称す。
同軸導波管変換器２３０は、ＲＲＨ２２０Ａ、２２０Ｂ側の同軸ケーブルと、スロットアンテナ装置１００の導波管１１０Ａ、１１０Ｂとをそれぞれ接続しており、同軸ケーブルと導波管１１０Ａ、１１０Ｂとの間で電力の変換を双方向に行うことが可能な変換器である。
スロットアンテナ装置１００は、導波管１１０Ａ、１１０Ｂを含む。導波管１１０Ａにはスロット１１１（１１１Ａ～１１１Ｃ）が設けられている。また、ここでは導波管１１０Ｂのスロットを省略するが、導波管１１０Ｂも同様のスロットを有する。また、一例として、導波管１１０Ａが３つのスロット１１１（１１１Ａ～１１１Ｃ）を有する形態を示すが、スロット１１１の数はこれに限定されるものではない。
スロット１１１Ａは、ＲＲＨ２２０Ａに最も近く、スロット１１１Ｃは、ＲＲＨ２２０Ａから最も離れている。以下ではスロット１１１Ａ～１１１Ｃを特に区別しない場合には、単にスロット１１１と称す。
導波管１１０は、同軸導波管変換器２３０を介してＲＲＨ２２０と接続されており、スロット１１１Ａ～１１１Ｃは、導波管１１０の内部を伝搬する電波を導波管１１０の外部に放射し、セルラー方式で無線通信が可能な通信エリアを提供する。
ＵＥ(User Equipment)１０は、通信エリア内でスロット１１１Ａ～１１１Ｃから放射される電波を受信し、導波管１１０及びｅＮｏｄｅＢ２００を介してコアネットワーク５００との間で双方向にデータ通信が可能である。
スロットアンテナ装置１００は、スロット１１１Ａ～１１１Ｃの各々の電波の放射量を可変的に設定可能な構成とすることができる。このようなスロットアンテナ装置１００の一例については、図３を用いて後述する。電波の放射量は、電波の強度であり、通信エリアの大きさを規定する。
なお、ＵＥ１０は、例えば、ＰＣ(Personal Computer)、タブレットコンピュータ、スマートフォン端末機、及び、その他のセルラー方式に対応して無線通信を行える装置である。
また、ここでは通信システム３００がセルラー方式である形態について説明するが、例えば無線ＬＡＮ(Local Area Network)方式であってもよい。無線ＬＡＮ方式の場合は、ｅＮｏｄｅＢ２００の代わりに、ＡＰ(Access Point)を含み、コアネットワーク５００の代わりにインターネットに接続し、ＵＥ１０と同様の端末がデータ通信を行えばよい。このような無線ＬＡＮ方式における端末をステーションと称してもよい。
図２は、通信システム３００を配備したオフィスルーム５００の一例を示す図である。図２には、オフィスルーム５００のフロア（床）５００Ａに、棚５、デスク（机）６、チェア（椅子）７、パーティション８、大型モニタ９等が配置されるとともに、デスク６の上にＰＣ１０Ａが配置されており、従業員が働いている様子を示す。
ＢＢＵ２１０は、一例として棚５の内部に収納されており、ＲＲＨ２２０Ａは、デスク６の内部に収納されており、ＲＲＨ２２０Ｂは、天井５００Ｂの裏に配置されている。図２では、ＢＢＵ２１０とＲＲＨ２２０Ａ、２２０Ｂを接続する光ファイバと、同軸導波管変換器２３０（図１参照）を省略する。なお、ＲＲＨ２２０Ａは、フロア５００Ａの下に設けられていてもよい。
ＲＲＨ２２０Ａに接続される導波管１１０Ａは、向かい合うデスク６同士の間に設けられるパーティション８の縁に沿ってコの字型に設けられており、スロット１１１Ａ～１１１Ｃを有する。スロット１１１Ａ～１１１Ｃは、デスク６に向けて電波を放射し、通信エリア５０（５０Ａ～５０Ｃ）をそれぞれ提供する。デスク６の上にはＰＣ１０Ａが配置され、スロット１１１Ａ～１１１Ｃから放射される電波を通じて無線通信を行えるようになっている。なお、導波管１１０Ａは、デスク６の上面に埋め込まれる形で設けられていてもよく、この場合にはスロット１１１Ａ～１１１Ｃは、デスク６の上面から表出するように設ければよい。
スロット１１１Ａ～１１１Ｃは、例えば、デスク６で作業を行う従業員のひとりひとりに対して１つずつ割り当てられる。このため、スロット１１１Ａ～１１１Ｃが配置される間隔は、デスク６における従業員の作業スペース同士の間隔に相当する。
このような間隔でのスロット１１１Ａ～１１１Ｃの配置は、一般的なスロットアンテナにおける複数のスロット同士の間隔（典型的には通信周波数における波長の半波長から１波長程度）とは大きく異なり、１０波長以上離れていることが望ましい。１０波長以上離れていると、隣り合うスロット１１１Ａ～１１１Ｃから放射される電波同士は、互いに殆ど影響を及ぼさなくなり、互いに独立した通信エリア５０Ａ～５０Ｃを得ることが可能になる。
また、ＲＲＨ２２０Ｂに接続される導波管１１０Ｂは、天井５００Ｂの裏に配置されており、導波管１１０Ｂのスロット１１１Ａは、天井５００Ｂに表出している。導波管１１０Ｂのスロット１１１Ａは、大型モニタ９に向けて電波を放射氏、通信エリア５０を提供する。大型モニタ９は、導波管１１０Ｂのスロット１１１Ａから放射される電波による通信エリア５０内に配置されており、無線通信を行えるようになっている。大型モニタ９は、導波管１１０Ｂのスロット１１１Ａによる通信エリア５０内において無線通信で受信したデータを表示する。
このように、通信システム３００は導波管１１０を含む。導波管１１０は、伝送損失が低いという利点があり、特に高い周波数帯域（例えば、ミリ波帯）で伝送を行う場合に非常に有利である。これは、ミリ波帯のように高い周波数帯域で伝送損失が非常に大きくなる同軸ケーブルに比べて導波管１１０が有利な点である。ここで、ミリ波帯とは、例えば、約３０ＧＨｚから約３００ＧＨｚの周波数帯域である。このような帯域を使うセルラー通信としては、例えば５Ｇ(Fifth Generation)がある。５Ｇでは、２８ＧＨｚ帯、３９ＧＨｚ帯等が用いられる。また、ＷｉＦｉ方式では、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄ（ＷｉＧｉｇ）による６０ＧＨｚ帯がある。なお、通信システム３００は、ミリ波帯での通信用途に限られるものではなく、ミリ波帯以外の帯域での通信用途に用いることができる。
図３は、導波管１１０の構成を示す図である。ここでは、ＸＹＺ直交座標系を用いて説明する。導波管１１０は、方形導波管であり、延在方向（Ｘ方向）に沿ってスロット１１１Ａ～１１１Ｃが設けられている。導波管１１０の延在方向（Ｘ方向）に垂直なＹＺ平面に平行な断面形状は、Ｙ方向の短辺とＺ方向の長辺とを有する矩形である。すなわち、図３には、導波管１１０の長辺側の側面（側壁）を示す。
スロット１１１Ａ～１１１Ｃは、導波管１１０の長辺側の側面（側壁）に設けられ、導波管１１０の延在方向（Ｘ方向）に長手方向を有する矩形状の開口部である。ただし、スロット１１１Ａ～１１１Ｃの開口形状は、矩形状に限られず、長辺又は短辺が少し湾曲した形状であってもよい。また、一例として、導波管１１０Ａが３つのスロット１１１（１１１Ａ～１１１Ｃ）を有する形態を示すが、スロット１１１の数はこれに限定されるものではない。
スロット１１１Ａ～１１１Ｃの長辺方向の長さは、スロットアンテナ装置１００の通信周波数における波長の約１／２（約半波長）であり、短辺方向の幅は、放射特性等を考慮して適切な幅に設定すればよい。
スロット１１１Ａは、導波管１１０のＺ方向の幅の中央から少し－Ｚ方向にオフセットした位置に設けられ、スロット１１１Ｂ、１１１Ｃの順に、導波管１１０のＺ方向の幅の端側（－Ｚ方向の端側）にオフセットする位置に設けられている。
図４は、実施の形態のスロットアンテナ装置４００を示す図である。図５は、スロットアンテナ装置４００の分解図である。図６は、スロットアンテナ装置４００を２方向から示す図である。ここでは、ＸＹＺ直交座標系を用いて説明する。
スロットアンテナ装置４００は、導波管４１０及び誘電部材４２０を含む。スロットアンテナ装置４００は、スロットアンテナ装置１００（図１参照）の代わりに、通信システム３００（図１参照）に利用可能である。
導波管４１０は、導波管１１０と同様に、伝送損失が低いという利点があり、特に高い周波数帯域（例えば、ミリ波帯）で伝送を行う場合に非常に有利である。これは、ミリ波帯のように高い周波数帯域で伝送損失が非常に大きくなる同軸ケーブルに比べて導波管４１０が有利な点である。
導波管４１０は、方形導波管であり、延在方向（Ｘ方向）に沿ってスロット１～４が設けられている。スロット１～４は、スロットアレーアンテナ４１１を構築する。導波管４１０の延在方向（Ｘ方向）に垂直なＹＺ平面に平行な断面形状は、Ｙ方向の短辺とＺ方向の長辺とを有する矩形である。
ここで、スロットアレーアンテナ４１１について、図７を用いて説明する。図７は、スロットアレーアンテナ４１１の一例を示す図である。
スロットアレーアンテナ４１１は、スロット１～４を有する。スロット１～４の各々は、のスロット１１１（図３参照）と同じでもよく、長辺方向（Ｘ方向）の長さは、スロットアンテナ装置４００の通信周波数における管内波長λｇの約１／２（約λｇ／２）であり、短辺方向（Ｚ方向）の幅は、放射特性等を考慮して適切な幅に設定すればよい。なお、管内波長λｇは、導波管４１０の内部を伝搬する電波の波長である。
また、スロット１及びスロット３のＸ方向における中心同士の間隔Ｌ１３と、スロット２及びスロット４のＸ方向における中心同士の間隔Ｌ２４とは、スロットアンテナ装置４００の通信周波数における自由空間の波長λの１／２（λ／２）以上であればよい。また、図７に小文字のｌで示す長さｌは、１つのスロットアレーアンテナ４１１のＸ方向の長さであり、スロットアレーアンテナ４１１を複数設ける場合には、図７に示すスロットアレーアンテナ４１１の隣に位置する同様のスロットアレーアンテナ４１１は、長さｌの区間の隣に位置する長さｌの区間に設けられる。長さｌ＝２λである。
ここで、導波管４１０に電波が矢印Ａで示すように－Ｘ方向側から＋Ｘ方向側に伝搬することとする。スロット１～４の放射強度を等しくするには、最も上流側にあるスロット１の導波管４１０との結合を最も小さくし、最も下流側にあるスロット１の導波管４１０との結合を最も大きくすればよい。
導波管４１０のＺ方向の幅の中心を通る中心軸Ｃに対して、スロット１及び３は＋Ｚ方向側に位置し、スロット２及び４は－Ｚ方向側に位置する。スロット１～４について、Ｚ方向において近い方の導波管４１０の端から、スロット１～４の各々のＺ方向の中心までの距離をそれぞれｄ１～ｄ４とする。
距離ｄ１及びｄ３は、導波管４１０の＋Ｚ方向側の端部からの距離であり、距離ｄ２及びｄ４は、導波管４１０の－Ｚ方向側の端部からの距離である。導波管４１０では、Ｚ方向の幅の中心からオフセットするほどスロット１～４の各々の結合が強くなる。このため、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３＞ｄ４が成り立つ。
また、スロット１～４から放射される電波の位相は、λ／２ずつずれる。このような４つのスロット１～４から放射される電波は、１つのビーム状の電波となって放射される。なお、ここでは、スロットアレーアンテナ４１１が４つのスロット１～４を有する形態について説明するが、スロットアレーアンテナ４１１が有するスロットの数は、２つ以上あれば幾つであってもよい。
次に、図４乃至図６を用いて、導波管４１０及び誘電部材４２０について説明する。
導波管４１０は、ＸＹ平面に平行な側面に、ガイドレール４１５を有する。ガイドレール４１５は、＋Ｚ方向側と－Ｚ方向側の両方の側面に設けられている。ガイドレール４１５は、ＹＺ平面に平行な断面が矩形状でＸ方向に延在するレールであり、一例として、導波管４１０のＸ方向における中心から長さ５ｌの区間にわたって延在している（図６参照）。ガイドレール４１５は、一例として金属製又は絶縁体製である。
導波管４１０の側面のＹ方向におけるガイドレール４１５の位置は、どのような位置であってもよいが、図４乃至図６では、導波管４１０の側面のＹ方向の幅の中心よりも＋Ｙ方向側に位置している。導波管４１０の側面のＹ方向の幅の中心よりも＋Ｙ方向側に位置している方が、誘電部材４２０がより安定的にＸ方向にスライド可能になるからである。ガイドレール４１５のＹ方向における位置は、－Ｘ方向側の端部から＋Ｘ方向側の端部まで一定である。
誘電部材４２０は、基部４２１、傾斜部４２２、凹部４２３、及び溝部４２４を有する。誘電部材４２０は、全体が一定の（均等な）比誘電率を有する誘電体製の部材である。誘電部材４２０の比誘電率は、１よりも大きく、より具体的には空気の比誘電率よりも大きい。
基部４２１は、誘電部材４２０の第１区間の一例である。基部４２１は、Ｙ方向の厚さが最も薄い部分であり、厚さは一定である。基部４２１の±Ｘ方向側には傾斜部４２２が設けられており、傾斜部４２２の－Ｙ方向側の面は、傾斜している。
傾斜部４２２は、誘電部材４２０の第２区間の一例である。傾斜部４２２のＹ方向の厚さは、一例として、基部４２１からＸ方向に離れるに従って線形的に増大している。基部４２１と、２つの傾斜部４２２とのＸ方向の長さは、スロットアレーアンテナ４１１のＸ方向の長さｌに等しい。
凹部４２３は、誘電部材４２０の＋Ｙ方向側から－Ｙ方向側に凹むように形成されており、誘電部材４２０の－Ｘ方向側の端部から＋Ｘ方向側の端部まで延在している。凹部４２３の内寸は、導波管４１０の外寸に合わせられている。
凹部４２３の±Ｚ方向側の内壁には、溝部４２４が設けられている。溝部４２４は、ガイドレール４１５に合わせた形状を有し、誘電部材４２０の－Ｘ方向側の端部から＋Ｘ方向側の端部まで延在している。
溝部４２４にガイドレール４１５を嵌め込んだ状態で導波管４１０を跨ぐように誘電部材４２０を取り付ければ、誘電部材４２０は、導波管４１０に対してＸ方向にスライド可能である。
ここで、図６に加えて図８及び図９を用いて、スロットアンテナ装置４００におけるビームの放射方向を可変的に設定する方法について説明する。図８及び図９は、スロットアンテナ装置４００の動作を説明する図である。
図６に示すように基部４２１がスロットアレーアンテナ４１１を覆っているときは、誘電部材４２０がスロット１～４を覆う部分の厚さはすべて等しいため、図６の上側の図に矢印で示すように、ビームは－Ｙ方向に放射される。
また、図６に示す状態から誘電部材４２０を－Ｘ方向側に長さｌだけスライドさせると、図８に示すように＋Ｘ方向側の傾斜部４２２がスロットアレーアンテナ４１１を覆う状態になる。
この状態では、誘電部材４２０がスロット１～４を覆う部分の厚さは、スロット１が最も薄くなり、スロット４が最も厚くなる。これは、スロット１～４から放射される電波が誘電部材４２０の内部を通過する距離が異なることを意味する。誘電体の内部では、波長の短縮効果が生じ、誘電部材４２０が厚い部分ほど波長が短縮されるため、スロット１から放射される電波が最も速くなり、スロット４から放射される電波が最も遅くなる。このため、スロット１～４から放射される電波が合成されて生じるビームは、図８の上側の図に示すように、＋Ｘ方向に偏向する。
すなわち、図８に示すように＋Ｘ方向側の傾斜部４２２がスロットアレーアンテナ４１１を覆う状態にすると、スロットアレーアンテナ４１１から出力されるビームの放射角度を＋Ｘ方向側に調整することができる。
また、図６に示す状態から誘電部材４２０を＋Ｘ方向側に長さｌだけスライドさせると、図９に示すように－Ｘ方向側の傾斜部４２２がスロットアレーアンテナ４１１を覆う状態になる。
この状態では、誘電部材４２０がスロット１～４を覆う部分の厚さは、スロット１が最も厚くなり、スロット４が最も薄くなる。波長の短縮効果によって、スロット１から放射される電波が最も遅くなり、スロット４から放射される電波が最も速くなる。このため、スロット１～４から放射される電波が合成されて生じるビームは、図９の上側の図に示すように、－Ｘ方向に偏向する。
すなわち、図９に示すように－Ｘ方向側の傾斜部４２２がスロットアレーアンテナ４１１を覆う状態にすると、スロットアレーアンテナ４１１から出力されるビームの放射角度を－Ｘ方向側に調整することができる。
図１０は、４つのスロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄがある場合の動作を示す図である。図１０では、導波管４１０に４つのスロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄが設けられており、４つのスロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄには、誘電部材４２０Ａ～４２０ＤがそれぞれＸ方向可能に設けられていることとする。また、以下では誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄを特に区別しない場合には単に誘電部材４２０と称す。
ここでは、スロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１ＤでそれぞれＰＣ１０Ａ～１０Ｄに電力を供給する場合について説明する。
スロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄは、Ｘ方向に沿って配列されており、スロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄの各々は、図４乃至図６と図８及び図９とに示すスロットアレーアンテナ４１１と同様である。図１０では、スロットアレーアンテナ４１１を簡略化して示す。
また、誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄは、図４乃至図６と図８及び図９に示す誘電部材４２０と同様であり、それぞれ、スロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄの放射角度を調整するために設けられている。
また、図１０には、スロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄが放射するビーム４１１Ａ１～４１１Ｄ１を実線の楕円で示す。ビーム４１１Ａ１～４１１Ｄ１は、スロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄがそれぞれ誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄを介して放射するビームの放射範囲を示したものである。
また、比較用に、スロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄではなく、スロット１～４の各々と同様の１つのスロットで放射した場合のビーム１Ａ～１Ｄを破線で示す。ビーム１Ａ～１Ｄは、１つのスロットが誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄを介さずに放射するビームの放射範囲を示したものである。
スロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄと１つのスロットとで同一出力で放射した場合には、ビーム４１１Ａ１～４１１Ｄ１とビーム１Ａ～１Ｄの放射範囲を表す面積は等しくなる。また、ビーム４１１Ａ１～４１１Ｄ１は、ビーム１Ａ～１Ｄに比べて放射範囲が遠くまで及び、Ｘ方向及びＺ方向のビーム幅は狭くなる。
スロットアレーアンテナ４１１Ａの代わりに１つのスロットで放射した場合には、ＰＣ１０Ａはビーム１Ａの放射範囲内にあるため受電可能である。ＰＣ１０Ａは、スロットアレーアンテナ４１１Ａの正面にあるため、スロットアレーアンテナ４１１Ａで誘電部材４２０Ａの基部４２１（図６参照）を介して放射した場合には、ＰＣ１０Ａは受電可能である。ＰＣ１０Ａはビーム４１１Ａ１の放射範囲の中心（中央）にあるため、誘電部材４２０Ａの基部４２１を用いればよい。なお、スロットアレーアンテナ４１１Ａの正面とは、スロットアレーアンテナ４１１Ａに対してＸ方向の位置ずれが殆どないことをいう。
スロットアレーアンテナ４１１Ａで電力を供給すると、ビーム４１１Ａ１はビーム１Ａよりも放射距離が長くなり、細く収束する。ＰＣ１０Ａは、ビーム１Ａの放射距離ではぎりぎり届く位置であるが、ビーム４１１Ａ１では放射距離の略中央に位置する。このため、スロットアレーアンテナ４１１Ａで電力を供給すると、ＰＣ１０Ａの位置では、１つのスロットで電力を供給する場合よりもゲインが上がり、この結果ＳＮＲ(Signal to Noise Ratio)が上がって伝送レートが上昇する。
また、ＰＣ１０Ｂについては、スロットアレーアンテナ４１１Ｂの代わりに１つのスロットで放射した場合には、ＰＣ１０Ｂはビーム１Ｂの放射範囲外にあるため受電不可能である。また、スロットアレーアンテナ４１１Ｂで放射した場合には、ＰＣ１０Ｂはビーム４１１Ｂ１の正面にあり、放射範囲内に入るため、誘電部材４２０Ｂの基部４２１（図６参照）を介して放射すればＰＣ１０Ｂは受電可能である。
スロットアレーアンテナ４１１Ｂで電力を供給すると、ビーム４１１Ｂ１はビーム１Ｂよりも放射距離が長くなるため、ＰＣ１０Ｂのようにスロットアレーアンテナ４１１Ｂから比較的離れた位置にあっても電力を供給することができる。
また、ＰＣ１０Ｃについては、スロットアレーアンテナ４１１Ｃの代わりに１つのスロットで放射した場合には、ＰＣ１０Ｃはビーム１Ｃの放射範囲内にあるため受電可能である。ＰＣ１０Ｃは、スロットアレーアンテナ４１１Ｃの正面よりも＋Ｘ方向側にオフセットしているため、誘電部材４２０Ｃを－Ｘ方向側にスライドさせれば、ビーム４１１Ｃ１の放射角度を＋Ｘ方向側に調整できるため、ＰＣ１０Ｃは受電可能になる。
また、ＰＣ１０Ｄについては、スロットアレーアンテナ４１１Ｄの代わりに１つのスロットで放射した場合には、ＰＣ１０Ｄは導波管４１０から比較的離れており、ビーム１Ｄの放射範囲外にあるため受電不可能である。ＰＣ１０Ｄは、スロットアレーアンテナ４１１Ｄの正面よりも－Ｘ方向側にオフセットしているため、誘電部材４２０Ｄを＋Ｘ方向側にスライドさせれば、ビーム４１１Ｄ１の放射角度を－Ｘ方向側に調整できるため、ＰＣ１０Ｄは受電可能になる。
このように、誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄを用いることで、スロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄの放射角度を調整して、ＰＣ１０Ａ～１０Ｄに電力を供給することができる。また、１つのスロットで放射した場合に比べて、スロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄを用いることで、放射距離を稼ぐことができる。
なお、誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄの比誘電率を４に設定した場合には、ビーム４１１Ｃ１及び４１１Ｄ１のように得られる放射角度は、－Ｙ方向に対して±１０．１度であった。ここで、－Ｙ方向に対してＸＹ面視で時計回りの角度が＋の角度、反時計回りの角度が－の角度である。また、誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄの比誘電率を６に設定した場合には、ビーム４１１Ｃ１及び４１１Ｄ１のように得られる放射角度は、－Ｙ方向に対して±２３．３度であった。また、誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄの比誘電率を１０に設定した場合には、ビーム４１１Ｃ１及び４１１Ｄ１のように得られる放射角度は、－Ｙ方向に対して±３７．２度であった。このため、誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄの比誘電率を適切な値に設定すれば、誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄをスライドさせることで、１つのスロットで放射した場合のビーム１Ａ～１Ｄの全範囲をカバーすることが可能であることが確認できた。
以上のように、誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄを用いて、誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄのスロットアレーアンテナ４１１Ａ～４１１Ｄに対する位置をＸ方向に調整することによって、放射角度を調整することができる。誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄは、導波管４１０に対してＸ方向にスライド可能であるため、ＰＣ１０Ａ～１０Ｄの位置に応じて誘電部材４２０Ａ～４２０Ｄをスライドさせることで、容易に放射角度を変更することができる。また、ＰＣ１０Ａ～１０Ｄの位置が変化した場合にも容易に放射角度を変更することができる。
したがって、本実施の形態によれば、スロットが電波を放射する角度を可変的に設定することができる。
なお、以上では、スロットアレーアンテナ４１１を用いる形態について説明したが、スロットアレーアンテナ４１１の代わりに１つのスロットを用いてもよい。特に、１つのスロットでもビーム幅が比較的狭い場合には、放射角度を調整できることは非常に有意義である。また、１つのスロットでもビーム幅が比較的狭く、放射距離が比較的長い場合にも、放射角度を調整できることは非常に有意義である。
また、以上では、誘電部材４２０が２つ傾斜部４２２を有する形態について説明したが、傾斜部４２２は１つであってもよい。また、傾斜部４２２の代わりに、スロット１～４を覆う部分が階段状に厚さが異なる構成であってもよい。また、傾斜部４２２のように線形的に厚さが増大するのではなく、非線形的に厚さが増大する構成であってもよい。例えば、ＸＹ面視で湾曲したような構成であることによって、非線形的に厚さが増大する構成であってもよい。
また、図１１に示すような構成であってもよい。図１１は、実施の形態の変形例のスロットアンテナ装置４００Ｓを示す図である。スロットアンテナ装置４００Ｓは、導波管４１０と誘電部材４２０Ｓとを含む。誘電部材４２０Ｓは、基部４２１、２つの傾斜部４２２、及び２つの傾斜部４２５を有する。誘電部材４２０Ｓは、図４乃至図６と図７及び図８に示す誘電部材４２０に、傾斜部４２５を追加した構成を有する。傾斜部４２５は、第３区間の一例であり、傾斜部４２２よりもさらに厚さが厚く、－Ｙ方向側の表面のＸ方向に対する傾斜角度が大きく設定されている。
このような傾斜部４２５がスロットアレーアンテナ４１１を覆うように誘電部材４２０Ｓをスライドさせれば、ビームのＹ方向に対する放射角度をさらに大きくすることができる。
また、以上では、Ｘ方向において厚さが異なる誘電部材４２０を用いる形態について説明したが、図１２に示すような誘電部材４２０Ｍを用いてもよい。図１２は、実施の形態の変形例のスロットアンテナ装置４００Ｍを示す図である。
スロットアンテナ装置４００Ｍは、導波管４１０と誘電部材４２０Ｍとを含む。図１２では、導波管４１０を簡略化して示し、ガイドレール４１５（図６参照）を省略する。また、誘電部材４２０Ｍについても構造を簡略化し、誘電部材４２０（図６参照）との相違について説明する。
誘電部材４２０Ｍは、基部４２１Ｍと２つの傾斜部４２２Ｍとを有する。基部４２１Ｍは、誘電部材４２０Ｍの第１区間の一例であり、傾斜部４２２Ｍは、誘電部材４２０Ｍの第２区間の一例である。基部４２１Ｍと２つの傾斜部４２２ＭのＹ方向の厚さは一定である。
基部４２１Ｍは、比誘電率がε０の部分である。また、２つの傾斜部４２２Ｍは、基部４２１Ｍから離れるに従って、一定間隔で比誘電率が増大する構成を有する。より具体的には、傾斜部４２２Ｍは、Ｘ方向に配列される４つの区間（部分）を有し、４つの区間の比誘電率は、基部４２１Ｍから離れるに従って、ε１、ε２、ε３、ε４（ε０＜ε１＜ε２＜ε３＜ε４）に設定されている。傾斜部４２２Ｍは、比誘電率に傾斜が設けられた部分である。４つの区間のＸ方向の長さは、長さｌの１／４である。
次に、図１２に加えて図１３及び図１４を用いてスロットアンテナ装置４００Ｍにおける放射角度の調整について説明する。図１３及び図１４は、スロットアンテナ装置４００Ｍの動作を説明する図である。
図１２に示すように基部４２１Ｍがスロットアレーアンテナ４１１を覆っているときは、誘電部材４２０Ｍがスロット１～４を覆う部分の厚さはすべて等しく、比誘電率ε０は一定であるため、図１２の上側の図に矢印で示すように、ビームは－Ｙ方向に放射される。
また、図１２に示す状態から誘電部材４２０Ｍを－Ｘ方向側に長さｌだけスライドさせると、図１３に示すように＋Ｘ方向側の傾斜部４２２Ｍがスロットアレーアンテナ４１１を覆う状態になる。
この状態では、誘電部材４２０Ｍがスロット１～４を覆う部分の比誘電率は、スロット１が比誘電率ε１で最も小さくなり、スロット４が比誘電率ε４で最も大きくなる。誘電体の内部では、波長の短縮効果が生じ、比誘電率が大きいほど波長が短くなるため、スロット１から放射される電波が最も速くなり、スロット４から放射される電波が最も遅くなる。このため、スロット１～４から放射される電波が合成されて生じるビームは、図１３の上側の図に示すように、＋Ｘ方向に偏向する。
すなわち、図１３に示すように＋Ｘ方向側の傾斜部４２２Ｍがスロットアレーアンテナ４１１を覆う状態にすると、スロットアレーアンテナ４１１から出力されるビームの放射角度を＋Ｘ方向側に調整することができる。
また、図１２に示す状態から誘電部材４２０Ｍを＋Ｘ方向側に長さｌだけスライドさせると、図１４に示すように－Ｘ方向側の傾斜部４２２Ｍがスロットアレーアンテナ４１１を覆う状態になる。
この状態では、誘電部材４２０Ｍがスロット１～４を覆う部分の比誘電率は、スロット１がε４で最も大きくなり、スロット４がε１で最も小さくなる。波長の短縮効果によって、スロット１から放射される電波が最も遅くなり、スロット４から放射される電波が最も速くなる。このため、スロット１～４から放射される電波が合成されて生じるビームは、図１４の上側の図に示すように、－Ｘ方向に偏向する。
すなわち、図１４に示すように－Ｘ方向側の傾斜部４２２Ｍがスロットアレーアンテナ４１１を覆う状態にすると、スロットアレーアンテナ４１１から出力されるビームの放射角度を－Ｘ方向側に調整することができる。
以上のように、比誘電率に傾斜を持たせた傾斜部４２２Ｍを有する誘電部材４２０Ｍを用いても、厚さが異なる誘電部材４２０を用いた場合と同様の波長の短縮効果を利用することで、ビームの放射角度を調整することができる。
したがって、実施の形態の変形例においても、電波の放射角度を可変的に設定可能なスロットアンテナ装置４００Ｍ、通信システム、及びスロットアンテナ装置４００Ｍにおける放射角度の調整方法を提供することができる。
なお、以上では、誘電部材４２０Ｍが２つの傾斜部４２２Ｍを有する形態について説明したが、傾斜部４２２Ｍはどちらか１つであってもよい。また、傾斜部４２２Ｍの比誘電率は、ε１からε４まで段階的に変化するのではなく、連続的に変化する構成であってもよい。
また、図１５に示すような構成であってもよい。図１５は、実施の形態の変形例のスロットアンテナ装置４００Ｍ２を示す図である。スロットアンテナ装置４００Ｍ２は、導波管４１０と誘電部材４２０Ｍ２とを含む。誘電部材４２０Ｍ２は、基部４２１Ｍ、２つの傾斜部４２２Ｍ、及び２つの傾斜部４２５Ｍを有する。誘電部材４２０Ｍ２は、図１２乃至図１４に示す誘電部材４２０Ｍに、傾斜部４２５Ｍを追加した構成を有する。傾斜部４２５Ｍは、誘電部材４２０Ｍ２の第３区間の一例であり、傾斜部４２２Ｍよりもさらに比誘電率が高く設定されている。なお、傾斜部４２５ＭのＹ方向の厚さは、基部４２１Ｍ及び傾斜部４２２Ｍと等しい。
傾斜部４２５Ｍの比誘電率は、傾斜部４２２Ｍに近い方から、ε５、ε６、ε７、ε８に設定されている。比誘電率がε５、ε６、ε７、ε８に設定される区間のＸ方向の長さは、傾斜部４２２Ｍの比誘電率がε１、ε２、ε３、ε４に設定される区間のＸ方向の長さと同様に、長さｌの１／４である。また、比誘電率ε５、ε６、ε７、ε８は、ε４＜ε５＜ε６＜ε７＜ε８の関係を満たすように設定されている。
このため、傾斜部４２２Ｍは、傾斜部４２２Ｍ及び４２５Ｍの比誘電率が基部４２１Ｍから離れるに従って段階的に増大する構成である。
このような傾斜部４２５Ｍがスロットアレーアンテナ４１１を覆うように誘電部材４２０Ｍ２をスライドさせれば、ビームのＹ方向に対する放射角度をさらに大きくすることができる。
以上、本発明の例示的な実施の形態のスロットアンテナ装置、通信システム、及びスロットアンテナ装置における放射角度の調整方法について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
導波路と、
前記導波路の側壁に設けられるスロットと、
前記スロットに対して前記導波路の延在方向にスライド可能に前記導波路に装着されており、第１スライド位置で前記スロットを覆う第１区間と、前記第１スライド位置の隣の第２スライド位置で前記スロットを覆う第２区間とを有する誘電部材であって、前記第１区間と前記第２区間では、比誘電率又は厚さが異なる誘電部材と
を含む、スロットアンテナ装置。
（付記２）
前記誘電部材は、前記第１区間と前記第２区間とでは、比誘電率が同一で厚さが異なる、付記１記載のスロットアンテナ装置。
（付記３）
前記誘電部材の前記第２区間における厚さは、前記第１区間における厚さよりも厚い、付記２記載のスロットアンテナ装置。
（付記４）
前記誘電部材は、前記第２区間を２つ有し、当該２つの第２区間は前記第１区間の両側に位置し、前記第２区間における前記誘電部材の厚さは、前記第１区間における前記誘電部材の厚さよりも厚い、付記２記載のスロットアンテナ装置。
（付記５）
前記第２区間における前記誘電部材の厚さは、前記第１区間から離れるに従って厚くなる、付記３又は４記載のスロットアンテナ装置。
（付記６）
前記スロットは、前記導波路の延在方向に沿って設けられた複数のスロットを含むスロットアレイアンテナであり、前記第２区間における前記誘電部材の厚さは、前記スロットアレイアンテナに含まれる前記複数のスロットの各々で異なる、付記５記載のスロットアンテナ装置。
（付記７）
前記誘電部材の前記第２区間は、前記第１区間から離れるに従って厚くなるように傾斜した傾斜部である、付記６記載のスロットアンテナ装置。
（付記８）
前記誘電部材は、前記第２区間に対して前記第１区間とは反対側に設けられ、前記第１区間及び前記第２区間と同一の比誘電率を有し、前記第２区間よりも厚さが厚い第３区間をさらに有する、付記３乃至７のいずれか一項記載のスロットアンテナ装置。
（付記９）
前記誘電部材は、前記第１区間と前記第２区間では、厚さが同一で比誘電率が異なる、付記１記載のスロットアンテナ装置。
（付記１０）
前記誘電部材の前記第２区間における比誘電率は、前記第１区間における比誘電率よりも大きい、付記９記載のスロットアンテナ装置。
（付記１１）
前記誘電部材は、前記第２区間を２つ有し、当該２つの第２区間は前記第１区間の両側に位置し、前記第２区間における前記誘電部材の比誘電率は、前記第１区間における前記誘電部材の比誘電率よりも大きい、付記９記載のスロットアンテナ装置。
（付記１２）
前記第２区間における前記誘電部材の比誘電率は、前記第１区間から離れるに従って大きくなる、付記１０又は１１記載のスロットアンテナ装置。
（付記１３）
前記スロットは、前記導波路の延在方向に沿って設けられた複数のスロットを含むスロットアレイアンテナであり、前記第２区間における前記誘電部材の比誘電率は、前記スロットアレイアンテナに含まれる前記複数のスロットの各々で異なる、付記１２記載のスロットアンテナ装置。
（付記１４）
前記誘電部材は、前記第２区間に対して前記第１区間とは反対側に設けられ、前記第１区間及び前記第２区間と同一の厚さを有し、前記第２区間よりも比誘電率が大きい第３区間をさらに有する、付記１０乃至１３のいずれか一項記載のスロットアンテナ装置。
（付記１５）
前記誘電部材の前記第２区間は、前記第１区間から離れるに従って、比誘電率が大きくなる、又は、厚さが厚くなる、付記１記載のスロットアンテナ装置。
（付記１６）
基地局と、
前記基地局の信号入出力端子に接続される導波路と
を含む、通信システムであって、
前記導波路は、
前記導波路の側壁に設けられるスロットと、
前記スロットに対して前記導波路の延在方向にスライド可能に前記導波路に装着されており、第１スライド位置で前記スロットを覆う第１区間と、前記第１スライド位置の隣の第２スライド位置で前記スロットを覆う第２区間とを有する誘電部材であって、前記第１区間と前記第２区間では、比誘電率又は厚さが異なる誘電部材と
を有する、通信システム。
（付記１７）
導波路と、
前記導波路の側壁に設けられるスロットと、
前記スロットに対して前記導波路の延在方向にスライド可能に前記導波路に装着されており、第１スライド位置で前記スロットを覆う第１区間と、前記第１スライド位置の隣の第２スライド位置で前記スロットを覆う第２区間とを有する誘電部材であって、前記第１区間と前記第２区間では、比誘電率又は厚さが異なる誘電部材と
を含む、スロットアンテナ装置における放射角度の調整方法であって、
前記誘電部材をスライドさせて前記第１スライド位置及び前記第２スライド位置のいずれか一方に位置させる、スロットアンテナ装置における放射角度の調整方法。
１００、１００Ｍ１、１００Ｍ２、１００Ｍ３ スロットアンテナ装置
１１０、１１０Ｍ１、１１０Ｍ２、１１０Ｍ３ 導波管
１１１、１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ スロット
２００ ｅＮｏｄｅＢ
３００ 通信システム
４００、４００Ｍ スロットアンテナ装置
４１０ 導波管
４２０、４２０Ｍ 誘電部材
４２１、４２１Ｍ 基部
４２２、４２２Ｍ傾斜部

Claims (17)

  1. 導波路と、
    前記導波路の側壁に設けられるスロットと、
    前記スロットに対して前記導波路の延在方向にスライド可能に前記導波路に装着されており、第１スライド位置で前記スロットを覆う第１区間と、前記第１スライド位置の隣の第２スライド位置で前記スロットを覆う第２区間とを有する誘電部材であって、前記第１区間と前記第２区間では、比誘電率又は厚さが異なる誘電部材と
    を含む、スロットアンテナ装置。
  2. 前記誘電部材は、前記第１区間と前記第２区間とでは、比誘電率が同一で厚さが異なる、請求項１記載のスロットアンテナ装置。
  3. 前記誘電部材の前記第２区間における厚さは、前記第１区間における厚さよりも厚い、請求項２記載のスロットアンテナ装置。
  4. 前記誘電部材は、前記第２区間を２つ有し、当該２つの第２区間は前記第１区間の両側に位置し、前記第２区間における前記誘電部材の厚さは、前記第１区間における前記誘電部材の厚さよりも厚い、請求項２記載のスロットアンテナ装置。
  5. 前記第２区間における前記誘電部材の厚さは、前記第１区間から離れるに従って厚くなる、請求項３又は４記載のスロットアンテナ装置。
  6. 前記スロットは、前記導波路の延在方向に沿って設けられた複数のスロットを含むスロットアレイアンテナであり、前記第２区間における前記誘電部材の厚さは、前記スロットアレイアンテナに含まれる前記複数のスロットの各々で異なる、請求項５記載のスロットアンテナ装置。
  7. 前記誘電部材の前記第２区間は、前記第１区間から離れるに従って厚くなるように傾斜した傾斜部である、請求項６記載のスロットアンテナ装置。
  8. 前記誘電部材は、前記第２区間に対して前記第１区間とは反対側に設けられ、前記第１区間及び前記第２区間と同一の比誘電率を有し、前記第２区間よりも厚さが厚い第３区間をさらに有する、請求項３乃至７のいずれか一項記載のスロットアンテナ装置。
  9. 前記誘電部材は、前記第１区間と前記第２区間では、厚さが同一で比誘電率が異なる、請求項１記載のスロットアンテナ装置。
  10. 前記誘電部材の前記第２区間における比誘電率は、前記第１区間における比誘電率よりも大きい、請求項９記載のスロットアンテナ装置。
  11. 前記誘電部材は、前記第２区間を２つ有し、当該２つの第２区間は前記第１区間の両側に位置し、前記第２区間における前記誘電部材の比誘電率は、前記第１区間における前記誘電部材の比誘電率よりも大きい、請求項９記載のスロットアンテナ装置。
  12. 前記第２区間における前記誘電部材の比誘電率は、前記第１区間から離れるに従って大きくなる、請求項１０又は１１記載のスロットアンテナ装置。
  13. 前記スロットは、前記導波路の延在方向に沿って設けられた複数のスロットを含むスロットアレイアンテナであり、前記第２区間における前記誘電部材の比誘電率は、前記スロットアレイアンテナに含まれる前記複数のスロットの各々で異なる、請求項１２記載のスロットアンテナ装置。
  14. 前記誘電部材は、前記第２区間に対して前記第１区間とは反対側に設けられ、前記第１区間及び前記第２区間と同一の厚さを有し、前記第２区間よりも比誘電率が大きい第３区間をさらに有する、請求項１０乃至１３のいずれか一項記載のスロットアンテナ装置。
  15. 前記誘電部材の前記第２区間は、前記第１区間から離れるに従って、比誘電率が大きくなる、又は、厚さが厚くなる、請求項１記載のスロットアンテナ装置。
  16. 基地局と、
    前記基地局の信号入出力端子に接続される導波路と
    を含む、通信システムであって、
    前記導波路は、
    前記導波路の側壁に設けられるスロットと、
    前記スロットに対して前記導波路の延在方向にスライド可能に前記導波路に装着されており、第１スライド位置で前記スロットを覆う第１区間と、前記第１スライド位置の隣の第２スライド位置で前記スロットを覆う第２区間とを有する誘電部材であって、前記第１区間と前記第２区間では、比誘電率又は厚さが異なる誘電部材と
    を有する、通信システム。
  17. 導波路と、
    前記導波路の側壁に設けられるスロットと、
    前記スロットに対して前記導波路の延在方向にスライド可能に前記導波路に装着されており、第１スライド位置で前記スロットを覆う第１区間と、前記第１スライド位置の隣の第２スライド位置で前記スロットを覆う第２区間とを有する誘電部材であって、前記第１区間と前記第２区間では、比誘電率又は厚さが異なる誘電部材と
    を含む、スロットアンテナ装置における放射角度の調整方法であって、
    前記誘電部材をスライドさせて前記第１スライド位置及び前記第２スライド位置のいずれか一方に位置させる、スロットアンテナ装置における放射角度の調整方法。
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