JP7486735B2 - マルチビームアンテナ及びマルチビームアンテナの形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の方向にアンテナ放射ビームを指向するマルチビームアンテナ及びマルチビームアンテナの形成方法に関する。

複数の方向に、アンテナの放射ビームを有するマルチビームは、独立した複数の放射素子を用いて実現される。
このようなマルチビームアンテナでは、利得が高く、かつ方位識別性の高い先鋭なアンテナ放射ビームを形成するために、パラボラ反射鏡や誘電体を用いた電波レンズが用いられる。

例えば、特許文献１に示されるマルチビームレンズアンテナでは、球状の誘電体レンズの周囲に、複数のアンテナ素子を取付けたサポ－ト構造体が、誘電体レンズの表面に対して平行かつ同心円状に配置されている。
しかしながら、特許文献１のアンテナでは、誘電体レンズの周囲に位置するアンテナ素子において、アンテナ素子間の相互結合の影響により、アンテナ放射パタ－ンの劣化が生じるという問題がある。

そして、このような問題を解決するために特許文献２に示される関連技術が提供されている。
特許文献２に示されるアンテナでは、上部金属板に対し、給電部を中心とする同心円状４段からなる曲線それぞれに沿って、順次等比級数にて増加する多数のヘリカルアンテナを配置する際に、半径方向に隣接する同心円上のヘリカルアンテナを半径方向直線上より左右に位置ずれさせて配置構成する。
これにより、特許文献２のアンテナでは、給電部と同心円外周の放射素子との間に内周の放射素子による影ができることを防止し、等分岐給電を可能とする。
しかしながら、特許文献２のアンテナは平面アンテナに関する技術であり、特許文献１に示される三次元構造のマルチビームレンズアンテナにそのまま適用することができないという問題がある。

なお、誘電体を用いた電波レンズの代表的な事例としては、非特許文献１に示されるルーネベルグレンズがある。
この電波レンズは、球形の誘電体から構成され、かつその半径に従って連続的に誘電率を変化させた構造とすることで電波の収束効果を有するものであるが、誘電体の誘電率を変化させるための特別な調整が必要となるという問題がある。

米国特許第１０２５６５５１号明細書 特開平０５－０１４０５１号公報

アンテナ工学ハンドブック、１８１頁（社団法人 電子情報通信学会）１９８９年１２月３０日発行

一般に、複数の放射素子を用いたマルチビームアンテナでは、複数の放射素子を隣接して配置する場合に、隣接する放射素子同士が相互結合し、アンテナの放射パタ－ンが劣化するという問題がある。この問題は、特に、電波収束効果のある誘電体を用いたアンテナにおいて顕著である。
例えば、上記マルチビームアンテナでは、任意の放射素子から放射された電波のみが誘電体に照射される場合に、誘電体により電波が収束され、先鋭なアンテナ放射ビームが形成される。
しかしながら、上記マルチビームアンテナでは、隣接する放射素子が存在する場合に、隣接する放射素子の相互結合の影響を受ける、すなわち、隣接する放射素子に電波が入り込み、隣接する放射素子から電波が再放射される。

この再放射された電波は、誘電体に照射され、別の先鋭なビームを形成する。
従って、任意の放射素子によって放射されるアンテナ放射ビームは、任意の放射素子と相互結合した隣接の放射素子の両方によって形成されるアンテナ放射ビームの合成となる。
このため、上記マルチビームアンテナでは、本来意図していた任意の放射素子のみから形成されるアンテナ放射ビームと異なる形状となり、その結果、放射素子が多い場合に、両側の隣接の放射素子、及び両側のさらに隣の放射素子の影響を受けることになる。

従って、このような複数の放射素子を有するマルチビームアンテナでは、相互結合による影響を必ず受けるため、これら影響を緩和する施策が必要になる。
しかしながら、前述した特許文献１及び２には、三次元構造のマルチビームアンテナにおいて、放射素子同士の相互結合により生じるアンテナ放射パタ－ンの劣化を緩和するための有効な構造が提供されていない。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、複数の放射素子と誘電体を用いたマルチビームアンテナにおいて、隣接する放射素子同士の相互結合により生じるアンテナ放射パタ－ンの劣化を緩和することができる、マルチビームアンテナ及びマルチビームアンテナの形成方法を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の第１態様に示されるマルチビームアンテナでは、円板状の誘電体と、前記誘電体の円形外周に沿うように配置されて給電部が独立して設けられた複数の放射素子と、前記複数の放射素子を一括して取付ける一定半径を有する円弧状の取付具と、前記誘電体の上面及び下面にそれぞれ配置される導体反射板と、を有し、前記誘電体の中心と前記放射素子の取付具の円弧中心とは、前記誘電体の半径方向に沿う異なる点に配置されることを特徴とする。

本発明の第２態様に示されるマルチビームアンテナの形成方法では、円板状の誘電体の上面及び下面のそれぞれに導体反射板を設けるとともに、該円板状の誘電体の円形外周に沿う円弧状の取付具に、給電部を独立させて複数の放射素子を設置した上で、前記誘電体の中心と前記放射素子の取付具の円弧中心とを、前記誘電体の半径方向に沿う異なる点に配置することを特徴とする。

本発明によれば、隣接する放射素子同士の相互結合により生じるアンテナ放射パタ－ンの劣化を確実に緩和することができる。

本発明の最小構成に係るマルチビームアンテナであって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は図（Ａ）の平面図である。 本発明の実施形態に係るマルチビームアンテナの斜視図である。 図２の平面図である。 誘電体及び放射素子の位置関係を示す図であって、（Ａ）は比較例として示したマルチビームアンテナ、（Ｂ）は本実施形態に係るマルチビームアンテナの平面図である。 計算例に使用したマルチビームアンテナを示す図である。 図５の具体的な数値を示す表である。

本発明の最小構成に係るマルチビームアンテナ１００について図１（Ａ）及び（Ｂ）を参照して説明する。
なお、これら図において、図１（Ａ）は正面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の平面図を示している。

本発明のマルチビームアンテナ１００は、誘電体１、放射素子２、取付具３及び導体反射板４，５を主な構成要素とする。
誘電体１は、例えば円板状又は円筒状に形成された均一の誘電率を有する誘電体から成る。
放射素子２は誘電体１の円形外周に沿うように複数配置されかつその給電部２Ａが独立して設けられたものである。
取付具３は誘電体１の外方に位置し、かつ一定半径を有する円弧状の部材により構成されるものであって、複数の放射素子２を一括して保持する。
導体反射板４，５は誘電体１の上面及び下面にそれぞれ配置されている。

また、誘電体１及び放射素子２において、誘電体１の中心ａ１と放射素子２の取付具３の円弧中心ａ２とは、図１（Ｂ）に示されるように、誘電体１の半径方向（矢印Ｂ方向）に沿う異なる点に配置されている。
これにより、上記マルチビームアンテナ１００では、少なくとも互いに隣接する２つの放射素子２からの放射電波が同相とならず、これら放射素子２の相互結合による影響を緩和することができる。

そして、以上のような本発明では、放射素子２を周囲に有する円板状の誘電体１と、該誘電体１の上下面に配置される一対の導体反射板４，５とを有する三次元構造のマルチビームアンテナ１００において、誘電体１の中心ａ１と、放射素子２を保持する取付具３の円弧中心ａ２とを異ならせるという簡易な構成を採用することで、隣接する放射素子２同士の相互結合により生じるアンテナ放射パタ－ンの劣化を確実に緩和することができる。
その結果、本発明に係るマルチビームアンテナ１００の信頼性を向上させることが可能となる。

（実施形態）
本発明の実施形態について、図２～図６を参照して説明する。
図２は本発明の実施形態に係るマルチビームアンテナ１０１の斜視図であり、図３は図２の平面図であり、水平面を示している。

このマルチビームアンテナ１０１は、円板状の誘電体１１と、誘電体１１の上面及び下面に配置される導体反射板１２，１３と、誘電体１の円形外周に配置されて給電部１５が独立に設けられた複数の放射素子１４と、複数の放射素子１４を一括して取付ける一定半径の円弧状の取付具１６とから構成されている。

誘電体１１は、その外形が、円板状又は円筒状で、均一の誘電率を有する誘電体から成るものであって、図３に示すように、その中心が符号Ａ１でかつ半径が符号Ｒ１で示されている。
導体反射板１２及び１３は、例えば金属等の導体から成り、誘電体１１の端面より外側に、曲面状又は直線状に開放した構造となっている。

放射素子１４は、ホーンアンテナが用いられている。なお、放射素子１４としては、方形ホーン、円形ホーン、リッジ導波管により構成されるリッジホーン、パッチアンテナ、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、テーパスロットアンテナなど、電波を放射する小型アンテナが使用可能である。
取付具１６は、一定の曲率半径を有する円弧状に形成されて、複数の放射素子１４を所定の間隔を固定するための部材である。

また、この取付具１６は図示しない連結部材を介して誘電体１１に接合されている。その際、誘電体１１の中心に基準穴を設け、この基準穴を介して取付具１６を位置合わせ及び設置しても良い。
また、誘電体１１には、基準穴とともに、誘電率を局所的に制御するために複数の調整穴を設けても良い。また、誘電体１１の外周に偏波変換板を設けるようにしても良い。

また、これら誘電体１１及び放射素子１４において、誘電体１１の中心ａ１と放射素子１４の取付具１６の円弧中心ａ２とは、誘電体１の半径方向（矢印Ｂ方向）に沿う異なる点に配置されている。
ここで、放射素子１４の取付具１６では、円弧中心ａ２からの半径Ｒ２が、誘電体１１の半径Ｒ１に対して以下の数１のような関係にあり、その円弧中心ａ２を誘電体１１の中心ａ１と同一とせず、誘電体１１の中心ａ１に対して距離ｄだけシフトさせている。
［数１］
Ｒ１＜Ｒ２

次に、誘電体１１及び放射素子１４の位置関係について、図４（Ａ）及び（Ｂ）を参照してさらに詳細に説明する。
図４（Ａ）は比較例として示したマルチビームアンテナ２００であり、図４（Ｂ）は本実施形態に係るマルチビームアンテナ１０１である。
なお、これら図４（Ａ）及び（Ｂ）の例では、隣接する３つの放射素子１４（符号１４Ａ～１４Ｃで示す）について誘電体１１との位置関係を示している。また、比較例となるマルチビームアンテナ２００において、マルチビームアンテナ１０１の構成と対応する箇所に同一符号を付している。
なお、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す平面図では、マルチビームアンテナ１０１の水平面（ｘ-ｙ平面）における誘電体１１と放射素子１４との位置関係を示している。

まず、図４（Ａ）に示すマルチビームアンテナ２００では、誘電体１１の中心と、放射素子１４の取付具１６の円弧中心とが符号ａで示す同一位置に配置されており、半径Ｒ１を有する誘電体１１と、半径Ｒ２´を有する放射素子１４の取付具１６とが同心円状（中心位置を符号ａで示す）に位置している。
その結果、取付具１６上に保持された複数の放射素子１４Ａ～１４Ｃは、誘電体１１の中心ａまでの各通路長Ｌ１～Ｌ３が以下の数２のような関係になる。
［数２］
Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３

そして、図４（Ａ）に示す比較例となるマルチビームアンテナ２００では、放射素子１４Ｂのみに給電する場合に、放射素子１４Ａと放射素子１４Ｃの相互結合による影響を受けるが、各通路長が「Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３」の関係にあるため、放射素子１４Ａと放射素子１４Ｂの相互結合による影響は同相となり、強調した影響を受けることになる。

これに対して、図４（Ｂ）に示される実施形態に係るマルチビームアンテナ１０１では、図４（Ａ）の誘電体１１の中心ａ１とは異なる、放射素子１４の取付具１６の円弧中心ａ２を中心点とした円周上に放射素子１４Ａ～１４Ｃが配置されている。
このとき、放射素子１４（放射素子１４Ａ～１４Ｃ）は、それら半径Ｒ２の円弧中心ａ２が誘電体１の中心ａ１から、半径方向（矢印Ｂ方向）に沿い距離ｄだけ図中左にずれているため、誘電体１１の中心ａ１までの各通路長Ｌ１～Ｌ３が以下の数３のような関係になる。
［数３］
Ｌ１≠Ｌ２≠Ｌ３

ここで、図４（Ｂ）のマルチビームアンテナ１０１では、放射素子１４Ｂのみに給電する場合に、放射素子１４Ａと１４Ｃの相互結合による影響を受けるが、各通路長が「Ｌ１≠Ｌ２≠Ｌ３」の関係にあるため、放射素子１４Ａと放射素子１４Ｂの相互結合による影響は同相とならず、強調した影響を受けることはなく、相互結合の影響は図４（Ａ）の場合より緩和される。

（実験例）
本発明の実施形態に係る計算例について図５及び図６を参照して説明する。
図５は計算例に使用したマルチビームアンテナ１０１の寸法例を示す図であって、前述したように、「Ｒ１」は誘電体１１の半径、「Ｒ２」は放射素子１４（実験例では放射素子Ａ～Ｉ）の設置列で描かれる半径をそれぞれ示している。

また、図５において、「Ｌ」は誘電体１１の中心ａ１から放射素子１４（実験例では放射素子Ａ～Ｉ）までの距離を示し、「ｈ」は半径Ｒ２上に位置する放射素子１４において、誘電体１１の中心ａ１を通過するｘ軸からの高さを示している。
また、「θ´」は半径Ｒ２上でかつ高さｈに位置する放射素子１４において、誘電体１１の中心ａ１を中心点としたｘ軸とのなす角度を示している。
また、「θ」は、高さｈに位置する放射素子１４が、誘電体１１の中心ａ１と同心円をなす半径Ｒ２上に位置したと仮定した場合における、誘電体１１の中心ａ１を中心点としたｘ軸とのなす角度を示している。
また、「ｄ」は誘電体１１の半径Ｒ１と、放射素子１４の半径Ｒ２とのｘ軸方向に沿う径方向のずれ量を示している。

そして、図５においては、誘電体１１の半径を「Ｒ１=２８０ｍｍ」、放射素子１４を配列する円周半径を「Ｒ２=３００ｍｍ」、中心位置のシフト量を「ｄ＝２０ｍｍ」、放射素子１４（放射素子Ａ～Ｉ）を２０度ピッチで配列した場合の例を示している。
この例で互いに隣接する３つの放射素子１４（放射素子Ａ～Ｃ：１４Ａ～１４Ｃ）について、中間の放射素子１４Ｂに給電した場合における、隣接する放射素子１４Ａと放射素子１４Ｃの相互結合による影響を考える。
これら放射素子１４Ａと放射素子１４Ｂから放射される電波のａ１での通路長差は、図６の表のLの値の差をみればよいから、３１５．５８ｍｍ－３１０．４８ｍｍ＝５．１ｍｍであり、放射素子１４Ｂと放射素子１４Ｃとの通路長差は、３１０．４８ｍｍ－３０４．１１ｍｍ=６．３７ｍｍである。これらを、例えば２５ＧＨｚの周波数で使用する場合には、波長は「１２ｍｍ」となり、波長から換算される位相関係は、５．１ｍｍ／１２ｍｍ×３６０度＝１５３度、６．３７ｍｍ／１２ｍｍ×３６０度＝１９１度となり、それぞれの位相関係は概ね１８０度の逆相と考えることができる。
よって、本例のマルチビームアンテナ１０１では、相互結合による放射パターンへの劣化の影響は大きく緩和されることがわかる。

そして、以上のような実施形態では、放射素子１４を周囲に有する円板状の誘電体１１と、該誘電体１１の上下面に配置される一対の導体反射板１２,１３とを有する三次元構造のマルチビームアンテナ１０１において、誘電体１１の中心ａ１と、放射素子１４を保持する取付具１６の円弧中心ａ２とを異ならせるという簡易な構成を採用することで、隣接する放射素子１４同士の相互結合により生じるアンテナ放射パタ－ンの劣化を確実に緩和することができる。
その結果、本実施形態に係るマルチビームアンテナ１０１の信頼性を向上させることが可能となる。

なお、上記実施形態に示すマルチビームアンテナ１０１では、水平面方向に複数の素子を配列したが、垂直方向にも配列することにより３次元方向の到来電波受信に関しても空中線素子間の相互結合を軽減することが可能である。
また、上記マルチビームアンテナ１０１の活用例として、第５世代移動通信における無線通信電波の到来方向の推定にも使用可能である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、複数の方向にアンテナ放射ビームを指向するマルチビームアンテナ及びマルチビームアンテナの形成方法に関する。

１ 誘電体
２ 放射素子
２Ａ 給電部
３ 取付具
４ 導体反射板
５ 導体反射板
１１ 誘電体
１２ 導体反射板
１３ 導体反射板
１４（１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ） 放射素子
１５ 給電部
１６ 取付具
１００ マルチビームアンテナ
１０１ マルチビームアンテナ
ａ１ 誘電体の中心
ａ２ 放射素子の円弧中心

Claims (8)

1. 円板状の誘電体と、
   前記誘電体の円形外周に沿うように配置されて給電部が独立して設けられた複数の放射素子と、
   前記複数の放射素子を一括して取り付ける一定半径を有する円弧状の取付部と、
   前記誘電体の上面及び下面にそれぞれ配置される導体反射板と、を有し、
   前記誘電体の中心と前記放射素子の取付具の円弧中心とは、前記誘電体の半径方向に沿う異なる点に配置され、
   前記放射素子が前記誘電体へ電波を照射する、
   ことを特徴とするマルチビームアンテナ。
2. 前記放射素子のそれぞれと前記誘電体の中心点とを結ぶ長さが、前記放射素子毎に異なることを特徴とする請求項１に記載のマルチビームアンテナ。
3. 前記円板状の誘電体は均一の誘電率を有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナ。
4. 前記円板状の誘電体の中心には、製造を容易にするための位置合わせ用の基準穴を有することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナ。
5. 前記円板状の誘電体には、誘電率を制御するために複数の調整穴を有することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナ。
6. 前記放射素子としてホーンアンテナが用いられることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナ。
7. 円板状の誘電体の上面及び下面のそれぞれに導体反射板を設けるとともに、該円板状の誘電体の円形外周に沿う円弧状の取付具に、給電部を独立させて、前記誘電体へ電波を照射する複数の放射素子を設置した上で、
   前記誘電体の中心と前記放射素子の取付具の円弧中心とを、前記誘電体の半径方向に沿う異なる点に配置することを特徴とするマルチビームアンテナの形成方法。
8. 前記誘電体と前記放射素子との中心とのシフト距離の値を最低使用波長の概ね０．３波長としたことを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナ。

Images