JPWO2005043676A1 - アンテナ装置 - Google Patents

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JPWO2005043676A1
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山本　　温
岩井　浩
岩井　　浩
小川　晃一
晃一 小川
章太郎 西村
章太郎 西村
石原　広隆
広隆 石原
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Abstract

並置された４個のアンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄはそれぞれスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄに接続され、スイッチ７０２ａ乃至７０２ｄを介して負荷インピーダンス素子７０３ａ乃至７０３ｄに接続され、もしくはスイッチ７０４を介して出力端子７０５及び比較器７０７に接続される。負荷インピーダンス素子７０３ａ乃至７０３ｄの他端は接地される。比較器７０４はアンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄのうち最大の信号レベルの無線信号を受信したアンテナ部を判断し、コントローラ７０５は最大の信号レベルの無線通信信号を受信したアンテナ部を出力端子７０５に接続する一方、他のアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するようにスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄ及びスイッチ７０４を制御する。

Description

本発明は、並置された複数のアンテナ部を備え、セクタパターンの主ビームを放射できるアンテナ装置と、それを用いた無線通信装置に関する。
従来技術に係るセクタパターンアンテナ装置の一例が、例えば特許文献１において開示されている。当該従来技術に係るセクタパターンアンテナ装置では、セクタ化三次元コーナリフレクタアンテナ装置において、当該装置を小型化するとともに、セクタ間のアンテナ特性を均一化したアンテナ装置を提供するために、セクタのそれぞれが、地板と、放射素子と、該放射素子の両側及び背面に設けられる反射板とから構成され、放射素子の両側の反射板は少なくともの１つのフィンを有することを特徴としている。ここで、好ましくは、地板と反射板とフィンは同一の金属で一体化して構成され、各セクタは円形に放射状に配置され、スイッチにより１つのセクタが選択される。フィンの数及び大きさは要求されるアンテナ特性に従って設計される。
従来技術に係るセクタパターンアンテナ装置において、側面導体の長さを２λ（λは、送受信する電波の基準周波数ｆ０の波長）、側面導体間のコーナ角を３０°、側面導体と反射導体の高さを０．６λとしたときの試作アンテナの放射指向性が特許文献１の図２において開示されている。なお、この試作アンテナにおいて、導体フィンは２枚で、導体フィンの幅は０．２λでその長さは１λに設定され、放射素子の後ろの反射導体とアンテナ素子の間隔を０．４λとしている。このとき、水平面内放射指向性は、特許文献１の図２（ａ）から、３ｄＢビーム幅３６°のセクタパターンビームとなっている。一方、垂直面内放射指向性はその図２（ｂ）からチルト角２６°、３ｄＢビーム幅３４°となる。導体フィンがない場合、３ｄＢビーム幅４２°のセクタパターンビームとなり、導体フィンにより６°狭くなっていることがわかる。また、導体フィンがない場合の垂直面内放射指向性はチルト角２６°、３ｄＢビーム幅３２°となる、導体フィンがある場合と同じである。
従って、特許文献１において開示された導体フィン付き三次元コーナリフレクタアンテナであるセクタパターンアンテナ装置では、導体フィンによる電磁界分布制御の効果により、垂直面内放射指向性の形状やチルト角をほとんど変えることなく、水平面内放射指向性のみビーム幅を鋭くすることができることが開示されている。以上説明したように、特許文献１記載のセクタパターンアンテナ装置によれば、簡単な構造で、所望の水平面指向性を持つ小型で優れたアンテナ装置を実現できる。
日本国特許出願公開平成９年１３５１１５号公報。
しかしながら、従来技術に係るセクタパターンアンテナ装置においては、次のような問題点があった。上述のように、従来技術に係るセクタパターンアンテナ装置は、アンテナ高（反射導体高）が０．６波長あり、薄型アンテナとは言えない。室内の天井等にアンテナを配置する場合は人目に付かないように小型で薄型の形状が望まれる。例えば、無線の周波数が９００ＭＨｚである場合、０．６波長は１９８ｍｍであり、アンテナ装置のカバーを考えると、少なくとも２００ｍｍ以上の高さになる。従って、薄型の形状にすることのできないために、人目に付きやすいという問題点があった。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して低いアンテナ高を有し、小型・軽量であって、所望の一方向に非常に強い指向性のセクタパターンの主ビームを放射することができ、しかもその指向性を切り替えることができるアンテナ装置とそれを用いた無線通信装置を提供することにある。
本発明に係るアンテナ装置は、それぞれセクタパターンの主ビームを用いて無線信号を送受信する複数のアンテナ部と、
少なくとも１つの負荷インピーダンス素子と、
上記複数のアンテナ部のうち無線信号の送受信を行うアンテナ部を無線通信機回路に接続する一方、他のアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、各アンテナ部の主ビーム方向が互いに異なるように配置されたことを特徴とする。
また、上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、各アンテナ部の主ビーム方向が互いに直交するように配置されたことを特徴とする。
さらに、上記アンテナ装置において、上記制御手段は、上記各アンテナ部で受信された無線信号のうち最大の信号レベルを有する無線信号を受信したアンテナ部を上記無線通信機回路に接続するように制御することを特徴とする。
上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの側面導体とからそれぞれ構成され、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、
上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする。
ここで、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする。
上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの側面導体とからそれぞれ構成され、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、少なくとも１つの上記方形導波管は、上記天井導体において、上記方形導波管の幅方向にわたって形成された少なくとも１つのスロットとを備え、
上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする。
ここで、上記導波管アレーアンテナ装置は上記給電部の個数の整数倍の個数のスロットを備え、上記スロットが同じ個数ずつ上記給電部と同じ個数の上記導波管アンテナ部を構成する上記天井導体に設けられ、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする。
また、上記各スロットは、上記各天井導体におけるアンテナ素子との接続点と、上記各終端導体との間の位置に形成されたことを特徴とする。
さらに、上記方形導波管の内部空間の少なくとも一部の空間を誘電体で充填したことを特徴とする。
またさらに、上記接地導体は互いに対向する第１と第２の面を有する誘電体基板の第１の面上に形成された導体パターンにより形成され、
上記各天井導体は上記誘電体基板の第２の面上に形成された導体パターンにより形成され、
上記側面導体と上記終端導体は上記誘電体基板をその厚さ方向に形成されたスルーホールに導体を充填してなる複数のスルーホール導体により形成されたことを特徴とする。
上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの仕切壁導体とからそれぞれ構成され、互いに隣接する２つの方形導波管の間で上記仕切壁導体を共有するように隣接して並置され、上記各方形導波管は、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、
上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする。
ここで、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする。
上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの仕切壁導体とからそれぞれ構成され、互いに隣接する２つの方形導波管の間で上記仕切壁導体を共有するように隣接して並置され、上記各方形導波管は、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、少なくとも１つの上記方形導波管は、上記天井導体において、上記方形導波管の幅方向にわたって形成された少なくとも１つのスロットとを備え、
上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする。
ここで、上記導波管アレーアンテナ装置は上記給電部の個数の整数倍の個数のスロットを備え、上記スロットが同じ個数ずつ上記給電部と同じ個数の上記導波管アンテナ部を構成する上記天井導体に設けられ、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする。
また、上記各スロットは、上記各天井導体におけるアンテナ素子との接続点と、上記各終端導体との間の位置に形成されたことを特徴とする。
さらに、上記方形導波管の内部空間の少なくとも一部の空間を誘電体で充填したことを特徴とする。
またさらに、上記接地導体は互いに対向する第１と第２の面を有する誘電体基板の第１の面上に形成された導体パターンにより形成され、
上記各天井導体は上記誘電体基板の第２の面上に形成された導体パターンにより形成され、
上記仕切壁導体と上記終端導体は上記誘電体基板をその厚さ方向に形成されたスルーホールに導体を充填してなる複数のスルーホール導体により形成されたことを特徴とする。
従って、第１の発明に係るアンテナ装置によれば、それぞれセクタパターンの主ビームを用いて無線信号を送受信する複数のアンテナ部と、少なくとも１つの負荷インピーダンス素子と、上記複数のアンテナ部のうち無線信号の送受信を行うアンテナ部を無線通信機回路に接続する一方、他のアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するように制御する制御手段とを備える。従って、小形で薄型形状を維持するとともに簡単な構造で、電波を放射したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現でき、送受信したい所望方向に最大の放射利得を有する主ビームを設定するように制御できるアンテナ装置を実現できる。
また、第２の発明に係るアンテナ装置によれば、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置であって、上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信する。従って、小形軽量であってかつ薄型形状を有し、しかも、しかも簡単な構造であって、上記各導波管アンテナ部のアンテナ素子を切り替え、又は上記各アンテナ素子からの出力信号を制御して合成することにより、従来技術に比較してより強い主ビームを所望の無線信号方向に向けることができる。
さらに、上記各方形導波管にスロットを形成することにより、より大きな利得を有する主ビームを有する指向特性を実現できる。またさらに、上記各方形導波管を例えば直方体形状の筐体内に配置することができ、より小型で実現できる。
本発明の第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図１のアンテナ素子１３ａを含む導波管アンテナ部６０１ａの詳細構成を示す斜視図である。 図２の導波管アンテナ部６０１ａの電界分布を示す斜視図である。 図２の導波管アンテナ部６０１ａの磁流分布を示す斜視図である。 図１の導波管アレーアンテナ装置の指向特性を選択的に切り替えるためのスイッチの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図６の導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。 図６の導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図６の導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図６のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えて動作させたときの導波管アレーアンテナ装置のＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態の第２の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図１１の導波管アレーアンテナ装置の放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図１１の導波管アレーアンテナ装置の放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図１１のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えて動作させたときの導波管アレーアンテナ装置のＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第４の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第５の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第５の変形例の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図２０の導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図２０の導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態の第６の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図１の導波管アレーアンテナ装置の指向特性を変化させるための合成回路の一例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図２５のアンテナ素子１３ａを含むスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの詳細構成を示す斜視図である。 図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａのＸＺ平面によって切断された断面図である。 図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの電界分布を示す斜視図である。 図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの磁流分布を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の実施例に係るスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図３０のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。 図２６のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図２６のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第３の実施形態に係る筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の実施例に係る筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図３５の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の２．６ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図３５の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の２．６ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第４の実施形態に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の第１の実施例に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図３９の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。 図３２の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の２．３ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図３２の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の２．３ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第４の実施形態の第２の実施例に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図３５の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第５の実施形態であって、第１の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態であって、第２の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填されたスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第７の実施形態であって、第３の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第８の実施形態であって、第４の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第９の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第１０の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す上面図である。 本発明の第１１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す上面図である。 本発明の第１２の実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 図５２のセクタパターンアンテナ装置の具体的構成例の外観を示す斜視図である。 図５３のセクタパターンアンテナ装置の一部の外観を示す斜視図である。 図５３のセクタパターンアンテナ装置の試作機の設計例を示す斜視図である。 図５５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その入力端反射係数の周波数特性を示すグラフである。 図５５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、そのアイソレーションの周波数特性を示すグラフである。 図５５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その水平面放射特性を示すグラフである。 図５５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その垂直面放射特性を示すグラフである。 本発明の第１２の実施形態の第１の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 図６０のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｃに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。 図６０のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その水平面放射特性を示すグラフである。 図６０のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その垂直面放射特性を示すグラフである。 本発明の第１２の実施形態の第１の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第２の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。 図６５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｃ＝Ｘｄに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。 図６５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その水平面放射特性を示すグラフである。 図６５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その垂直面放射特性を示すグラフである。 本発明の第１２の実施形態の第３の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。 図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。 図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その水平面放射特性を示すグラフである。 図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その垂直面放射特性を示すグラフである。 図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄに対するセクタパターンの半値幅を示すグラフである。 本発明の第１２の実施形態の第１の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第２の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第３の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第４の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第５の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第６の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
９…給電端子、
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，８１ａ…接続点、
１１…接地導体、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…給電点、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…アンテナ素子、
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…終端導体、
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ…天井導体、
１６ａ１，１６ａ２，１６ｂ１，１６ｂ２，１６ｃ１，１６ｃ２，１６ｄ１，１６ｄ２…側面導体、
１７…切り替えスイッチ、
１８…受信信号電力判定部、
１９ａ，１９ａ−１，１９ｂ−１，１９ｃ−１，１９ｄ−１，１９ａ−２…整合導体、
２０ａ，２０ａ−１，９１，９２…指向特性制御導体。
２１…レドーム、
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…振幅調整回路、
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ…移相器、
２４…合成器、
２５…アンテナコントローラ、
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ…スロット、
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ…仕切壁導体、
４０…誘電体、
４２…スルーホール、
４２ｃ…スルーホール導体、
９０…無線通信機回路、
９１…コントローラ、
９２…無線送信回路、
９３…無線受信回路、
９４…サーキュレータ、
５０１ａ乃至５０１ｆ，５０２ａ乃至５０２ｄ，５０３ａ乃至５０３ｄ，５０４ａ乃至５０４ｄ…方形導波管、
６０１ａ乃至６０１ｆ，６０２ａ乃至６０２ｄ，６０３ａ乃至６０３ｄ，６０４ａ乃至６０４ｄ…導波管アンテナ部、
７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄ…アンテナ部、
７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄ，７０４…スイッチ、
７０２Ａ…スイッチ装置、
７０３ａ，７０３ｂ，７０３ｃ，７０３ｄ，７０３ａ１，７０３ａ２…負荷インピーダンス素子、
７０５…コントローラ、
７０６…出力端子、
７０７，７０７Ａ，７０７Ｂ…比較器、
７０８…信号分配合成器、
７１１…接地導体、
７１２ａ，７１２ｂ，７１２ｃ，７１２ｄ…給電点、
７１３ａ，７１３ｂ，７１３ｃ，７１３ｄ…アンテナ素子、
７１４ａ，７１４ｂ，７１４ｃ，７１４ｄ…整合導体、
７１５ａ，７１５ｂ，７１５ｃ，７１５ｄ…天井導体、
７１６ａ，７１６ｂ，７１６ｃ，７１６ｄ…スロット、
７１７ａ，７１７ｂ，７１７ｃ，７１７ｄ…終端導体、
７１８ａ，７１８ｂ，７１８ｃ，７１８ｄ…仕切壁導体、
８０１ａ，８０１ｂ，８０１ｃ，８０１ｄ…方形導波管、
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４…スイッチ、
Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ２３，Ｔ２４…端子。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。また、説明のために、各図に示す三次元のＸＹＺ座標系を参照する。
第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
この導波管アレーアンテナ装置は、単一の接地導体１１上に設けられ、４つの方形導波管５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄとアンテナ素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにてそれぞれ構成される４つの導波管アンテナ部６０１ａ，６０１ｂ，６０１ｃ，６０１ｄを備える。これら４つの導波管アンテナ部６０１ａ乃至６０１ｄは、その放射指向特性の主ビームがそれぞれ異なる方向であって互いに直交する方向を向くように設けられているので、無線信号を送受信するアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えることによって、導波管アレーアンテナ装置の指向特性を変化できる。ここで、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄは、接地導体１１と、この接地導体１１に対向する天井導体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄと、接地導体１１と天井導体１５ａ乃至１５ｄとを連結する側面導体（１６ａ１，１６ａ２），（１６ｂ１，１６ｂ２），（１６ｃ１，１６ｃ２），（１６ｄ１，１６ｄ２）とから構成され、終端導体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄにより短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの開放された端部は、接地導体１１上の正方形（図示せず。）の辺上に位置するように設けられ、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄは接地導体１１上のこの正方形の辺から外側に向かって延在する。
また、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄは、一端が天井導体１５ａ乃至１５ｄであって各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が接地導体１１上に位置する給電部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに電気的に接続されている。さらに、各導波管アンテナ部６０１ａ乃至６０１ｄは、当該各導波管アンテナ部６０１ａ乃至６０１ｄを構成する各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの開放された端部において所定の放射指向特性で無線信号を送受信する。各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄは接地導体１１上に異なる向きであって互いに直交するように設けられているので、これら４つの導波管アンテナ部６０１ａ乃至６０１ｄの放射指向特性の主ビームはそれぞれ異なる方向であって互いに直交するように向き、ゆえに、無線信号を送受信する各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えることで導波管アレーアンテナ装置の指向特性を変化できる。
図２は、図１の導波管アレーアンテナ装置の一部であって、アンテナ素子１３ａを含む導波管アンテナ部６０１ａの詳細構成を示す斜視図である。
図２において、導波管アンテナ部６０１ａは、ＸＹ平面上に位置する底面の接地導体１１と、当該導波管アレーアンテナ装置の上面にこの接地導体１１に対向して配置された矩形形状の天井導体１５ａと、上記接地導体１１及び上記天井導体１５ａをそれぞれ連結しかつ互いに対向する矩形形状の側面導体１６ａ１及び１６ｂ２とにより形成された方形導波管５０１ａを備える。上記方形導波管５０１ａの一方の端部は、矩形形状の終端導体１４ａによって終端密閉されて短絡される一方、上記方形導波管５０１ａの他方の端部は、終端導体で終端されていないので開放状態となっている（以下、当該端部を開放端という。）。ここで、これら接地導体１１と側面導体１６ａ１及び１６ｂ２と天井導体１５ａと終端導体１４ａとは、互いに機械的かつ電気的に接続されるように連結されて、Ｘ方向に平行な方向に無線信号を伝搬しかつ左端（すなわち−Ｘ方向の端部）が閉じられた略直方体形状の方形導波管５０１ａを構成している。
次いで、天井導体１５ａの下面の右端近傍（すなわち＋Ｘ方向の端部近傍）でありかつＹ方向の中心における接続点１０ａ（この接続点１３ａから終端導体１４ｃまでの長さは、終端導体１４ｃから管内波長の１／４波長又はその奇数倍の長さに設定される。）に、導体線からなるアンテナ素子１３ａの一端が半田付けにより機械的及び電気的に接続される。一方、アンテナ素子１３ａは接続点１０ａから下方に向かって垂直に延在し、さらに、アンテナ素子１３ａの他端は、接地導体１１上のＸ軸上に形成された円形孔において、接地導体１１とは電気的に絶縁された給電点１２ａに接続される。当該給電点１２ａはさらに、例えば同軸ケーブルの中心導体に電気的に接続され、また、同軸ケーブルの接地導体は接地導体１１に電気的に接続される。これにより、無線通信機回路９０から無線信号が同軸ケーブルを介して給電点１２ａに給電される。
この方形導波管５０１ａのサイズは、放射しようとする無線信号の最低周波数に依存し、すなわち、当該最低周波数の無線信号を伝搬できるような方形導波管５０１ａのサイズを有することが必要とされる。
さらに、アンテナ素子１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄを含む導波管アンテナ部６０１ｂ，６０１ｃ，６０１ｄも同様に構成される。図１の導波管アレーアンテナ装置において、アンテナ素子１３ａ及び１３ｃをそれぞれ含む各導波管アンテナ部６０１ａ，６０１ｃは、開放端を互いに対向させてＸ軸上に配置され、アンテナ素子１３ｂ及び１３ｄをそれぞれ含む各導波管アンテナ部６０１ｂ，６０１ｄは、開放端を互いに対向させてＹ軸上に配置される。このとき、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの開放端は、接地導体１１上の正方形の対応する辺上に位置するように設けられる。従って、側面導体１６ａ１及び１６ｄ２が方形導波管５０１ａ，５０１ｄの開放端において互いに電気的かつ機械的に接続される。同様に、側面導体１６ａ２及び１６ｂ１が方形導波管５０１ａ，５０１ｂの開放端において互いに電気的かつ機械的に接続される。また、側面導体１６ｂ２及び１６ｃ１が方形導波管５０１ｂ，５０１ｃの開放端において互いに電気的かつ機械的に接続される。さらに、側面導体１６ｃ２及び１６ｄ１が方形導波管５０１ｃ，５０１ｄの開放端において互いに電気的かつ機械的に接続される。
ここで、天井導体１５ａ乃至１５ｄと終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２と接地導体１１にてなる筐体部で囲まれた空間をアンテナ内部と呼び、天井導体１５ａ乃至１５ｄ、終端導体１４ａ乃至１４ｄ、側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２、又は接地導体１１に対してアンテナ内部と反対側の空間をアンテナ外部という。
本実施形態では、一例として、接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２と天井導体１５ａ乃至１５ｄが電気的に接続され、各給電部１２ａ乃至１２ｄがＸ軸又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成されている場合を示している。
次に、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の動作を図１乃至図５を参照して説明する。
まず、アンテナ素子１３ａのみに給電されたときの本実施形態における導波管アレーアンテナ装置の動作原理を示す。図３は図２の導波管アンテナ部６０１ａの電界分布を示す斜視図であり、図４は図２の導波管アンテナ部６０１ａの磁流分布を示す斜視図である。
この導波管アンテナ部６０１ａにおいて、電波の放射はアンテナ素子１３ａを励振することによって行われ、天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界１０１により電波は放射される。天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界１０１の向きは図３のようになる。この電界１０１を磁流に置き換えて説明すると、図４のようにＹ軸と平行な線状磁流１０２に置き換えることができる。すなわち、電波の放射は、この磁流１０２による放射とも見ることができる。この磁流１０２の振幅はＹ方向の両端で零であってその中央部で最大値となるように正弦関数的に変化する。すなわち、この導波管アンテナ部６０１ａは、Ｙ軸と平行な線状磁流１０２のダイポールの指向特性を示す。このダイポールにより、ＸＹ平面とＹＺ平面で垂直偏波の双指向性を得て、ＺＸ平面において無指向性を得る。
図２の導波管アンテナ部６０１ａには磁流１０２のダイポールに対して−Ｚ方向に接地導体１１があり、これが反射板となる。このために電波は＋Ｚ方向に強く放射される。さらに、当該導波管アンテナ部６０１ａには−Ｘ方向に終端導体１４ａがあり、これが反射板となるために、＋Ｘ方向により強い指向性を示す。すなわち、当該導波管アンテナ部６０１ａの構成により、ＸＹＺ座標系の＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向により強い指向性が得られる。
従って、図１の導波管アレーアンテナ装置においてアンテナ素子１３ｂに給電すると＋Ｙ方向により強い電波が放射され、アンテナ素子１３ｃに給電すると−Ｘ方向により強い電波が放射される。また、アンテナ素子１３ｄに給電すると−Ｙ方向により強い電波が放射される。本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄに接続され、給電するアンテナ素子を切り換えるためのスイッチ（図示せず。）を用いて、所望方向により強い指向性を有するアンテナ素子を動作させることによって、電波の放射される方向を切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
また、上記の実施形態においては、当該導波管アレーアンテナ装置から電波を放射する場合を一例として説明したが、電波（無線信号）を受信する場合も同様である。図５は、図１の導波管アレーアンテナ装置の指向特性を選択的に切り替えるためのスイッチの構成の一例を示すブロック図である。この場合、電波が到来してくる方向により強い指向性を持つアンテナ素子（１３ａ乃至１３ｄのうちの１つ）に、給電端子９及び給電ケーブルを介して無線通信機回路９０を接続することにより、より大きな受信電力が得られる。
図５において、無線通信機回路９０は、無線送信回路９２と、無線受信回路９３と、これらの回路９２，９３の各動作を制御するコントローラ９１と、サーキュレータ９４とを備えて構成される。無線送信回路９２は無線搬送波を入力されるディジタルデータ信号（例えば、音声、画像、各種データなどを含む）に従ってディジタル変調した後、電力増幅することにより無線信号を発生し、当該無線信号はサーキュレータ９４を介して、上述のように選択された１つのアンテナ素子（１３ａ乃至１３ｄのうちの１つ）から放射される一方、選択された１つのアンテナ素子（１３ａ乃至１３ｄのうちの１つ）により受信された無線信号は、無線通信機回路９０内のサーキュレータ９４を介して無線受信回路９３に入力され、無線受信回路９３は受信された無線信号に対して、高周波増幅、周波数変換、中間周波増幅、復調などの処理を実行して、当該受信された無線信号に含まれるディジタルデータ信号を抽出する。ここで、図５の装置全体を無線通信装置として構成される。なお、詳細後述される装置においても、複数のアンテナ素子を含むアンテナ装置と、無線通信機回路９０とを含み、無線通信装置として構成してもよい。
図５において、例えば、＋Ｘ方向から電波が到来する場合は、切り替えスイッチ１７によりアンテナ素子１３ａに給電ケーブルを接続すればよい。すなわち、図５に示すように、受信信号電力判定部１８が各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信される電波の電力の強さ（なお、電波の信号レベルでもよい。）を判定して、受信される電波の電力が最大であるアンテナ素子を動作させるように切り替えスイッチ１７を制御することにより、主ビームを電波の到来する方向に選択的に切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
第１の実施形態の第１の実施例．
次に、実際に試作した導波管アレーアンテナ装置を図６に示す。図６は、本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
図６において、一例として、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの幅に対応する終端導体１４ａ乃至１４ｄのＸＹ平面内の長さが１２０ｍｍであり、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの高さに対応する終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２のＺ軸方向の長さが１２ｍｍである。また、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの奥行きに対応する側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２のＸＹ平面内の長さと天井導体１５ａ乃至１５ｄの幅が４０ｍｍである。各給電部１２ａ乃至１２ｄはそれぞれＸ軸上又はＹ軸上に配置されている。
以下、図７乃至図１０の各特性図において、導波管アレーアンテナ装置が図５のような寸法を有するときの特性を示す。図７は、図６の導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。図７に示したように、本実施形態の試作器である図６の導波管アレーアンテナ装置は周波数２．５ＧＨｚで共振し、良好な反射特性を示していることがわかる。当該導波管アレーアンテナ装置は対称な形状をしているので、各アンテナ素子１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに給電した場合も同じ特性が得られる。
図８及び図９は、図６の導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａに周波数２．５ＧＨｚの無線信号を給電した場合の放射指向特性を示す特性図であり、図８はＸＹ平面（水平面）の放射指向特性を示す特性図であり、図９はＺＸ平面（垂直面）の放射指向特性を示す特性図である。図８及び図９において、放射指向特性に関する特性図の目盛りは１間隔が１０ｄＢであり、単位は理想的な点波源の放射電力を基準にしたｄＢｉである。図９より、電波の放射は＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向により強い指向性を示し、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、しかも簡単な構造であって、一方向により強い指向性を実現していることがわかる。最大放射方向は垂直面においてＺ軸から＋Ｘの方向に向かって３５度の角度にあって、この角度では９．５ｄＢｉの比較的大きな利得が得られ、水平面においてもＸ軸上で正の方向に１．０ｄＢｉの利得が得られた。
図１０は、図６のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えて動作させたときの導波管アレーアンテナ装置のＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。この特性図では、放射指向特性の主ビームのみを図示し、サイドローブは省略している。このように、給電するアンテナ素子を変えることにより、電波の放射方向を変えることができる。また、上記実施形態においては、当該導波管アレーアンテナ装置から電波を放射する場合を一例として説明したが、電波を受信する場合も同様である。この場合、電波が到来してくる方向により強い指向性を持つアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続することにより、より大きな受信電力が得られる。例えば、＋Ｘ方向から電波が到来する場合は、図５のような切り替えスイッチ１７によりアンテナ素子１３ａを給電ケーブルに接続すればよい。
以上のように構成された本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置により、無線信号を送信したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現できる。さらに、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、２．５ＧＨｚの動作周波数においてＺ軸方向の高さが０．１波長となるアンテナ装置を実現しており、これは非常に薄い厚さを有するアンテナ装置である。
以上の実施形態や実施例においては、当該導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造である場合を示した。この場合、導波管アレーアンテナ装置からの放射電波の指向特性がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称になるという効果がある。
以上説明したように、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置によれば、小形軽量であって薄型形状を有するとともに、しかも簡単な構造であって、より強い指向性を有する主ビームを異なる方向に向けて選択的に切り替えることが可能なアンテナ装置を実現できる。
第１の実施形態の第２の実施例．
図１１は、本発明の第１の実施形態の第２の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
本実施形態の第１の実施例においては、導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称で、ＺＸ面での断面形状とＺＹ面での断面形状が同じであるアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、放射対象空間が±Ｘ方向に長い場合、図１１に示すようにＹ方向に長いアンテナ装置に形成してもよい。図１１では、アンテナ素子１２ａ及び１２ｃを含む導波管アンテナ部６０１ａ，６０１ｃの幅（すなわち、終端導体１４ａ及び１４ｃと、天井導体１５ａ及び１５ｃのＹ軸方向の長さ）が伸長されて１６０ｍｍになっていて、それに応じて接地導体１１もＹ軸方向に拡張されている。一方、アンテナ素子１２ｂ及び１２ｄを含む導波管アンテナ部６０１ｂ，６０２ｄの幅は図６の実施例と同じであり、その他の寸法も図６の寸法と同様である。
図１２及び図１３は、図１１の導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａに給電したときの放射指向特性を示す特性図であり、図１２はＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図であり、図１３はＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。このとき、最大放射方向は垂直面においてＺ軸から＋Ｘの方向に向かって３５度の角度にあって、１０．５ｄＢｉの比較的大きな利得が得られ、水平面においてもＸ軸上で正の方向に３．０ｄＢｉの利得が得られた。図１１の構造により、±Ｘ方向に指向性が強くなる。図１２と図８を比べると、導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａ及び１３ｃを含む方形導波管５０１ａ及び５０１ｃの部分の幅を４０ｍｍだけＹ軸方向に長くすることにより、水平面において２ｄＢの利得が増加していることがわかる。
図１４は、図１１のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えて動作させたときの導波管アレーアンテナ装置のＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。この特性図では、放射指向特性の主ビームのみを図示し、サイドローブは省略している。図１４から明らかなように、本実施例の導波管アレーアンテナ装置は、Ｘ方向により強い指向性が得られ、±Ｘ方向に長い放射対象空間に適したアンテナとなる。このように、導波管アレーアンテナ装置のＸ方向とＹ方向の長さを変えることにより、放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
なお、本実施形態においては、当該導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造であるアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は入力インピーダンス特性を得るために、ＺＸ面のみに対して対称な構造又はＺＹ面のみに対して対称な構造を有してもよい。このような構造により放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
また、本実施形態においては、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが導体線で構成された導波管アレーアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを板状の導体で形成してもよい。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。
第１の実施形態の変形例．
図１５は、本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。
所望の入力インピーダンス特性を得るために、図１５に示すように、図２の導波管アンテナ部６０１ａの構成に加えて整合導体１９ａを備えてもよい。図１５の導波管アンテナ部６０１ａでは、線状の導体である整合導体１９ａは、アンテナ素子１３ａと平行でかつアンテナ素子１３ａから−Ｘ方向に若干ずれた接地導体１１のＸ軸上の位置（すなわち、アンテナ素子１３ａから終端導体１４ａに向う方向に若干ずれた位置であって給電点１２ａの近傍）において接地導体１１に電気的に接続され、その接地導体１１上の接続点から上方に向かって延在し、方形導波管５０１ａの高さ（すなわち終端導体１４ａと側面導体１６ａ１及び１６ａ２の高さ）よりも短い長さを有する。この整合導体１９ａを備えたことにより、アンテナ素子１３ａ近傍の電界を変化させ、アンテナ素子１３ａに流れる電流を変化させ、それによって、例えば導波管アレーアンテナ装置の入力インピーダンスを同軸ケーブルの特性インピーダンスに実質的に一致するように、導波管アレーアンテナ装置の入力インピーダンスを変化できる。従って、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという特有の効果がある。
図１６は本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。所望のインピーダンス特性を得るために、図１６に示すように、図２の導波管アンテナ部６０１ａの構成に加えて、アンテナ素子１３ａと同じ長さの整合導体１９ａ−１を、アンテナ素子１３ａと平行になるように接続してもよい。この場合、整合導体１９ａ−１の一端は接地導体１１に接続される一方、整合導体１９ａ−１の他端は天井導体１５ａに接続される。
図１７は本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。
所望のインピーダンス特性を得るために、図１７に示すように、図２の導波管アンテナ部６０１ａの構成に加えて整合導体１９ａ−２を備えてもよい。図１７において、線状の導体である整合導体１９ａ−２は、接地導体１１上に電気的に接続され、その接地導体１１上の接続点から上方に向かって延在した後、実質的に直角で折り曲げられ、アンテナ素子１３ａの略中央部の接続点８１ａに電気的に接続される。これにより、アンテナ素子１３ａに流れる電流を整合導体１９ａ−２を用いて直接的に変化できるために、インピーダンス特性を大幅に変化できるという特有の効果がある。従って、例えば導波管アレーアンテナ装置の入力インピーダンスを同軸ケーブルの特性インピーダンスに実質的に一致するように、導波管アレーアンテナ装置の入力インピーダンスを変化でき、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できる。なお、図１５乃至図１７を参照して、アンテナ素子１３ａのインピーダンス調整法を一例として説明したが、それぞれの変形例は、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果をもたらす。
図１８は、本発明の第１の実施形態の第４の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の放射指向特性を変化させるために、図１８に示すように、図２の導波管アンテナ部６０１ａの構成に加えて、指向特性制御導体２０ａを備えたことを特徴としている。
図１８において、線状導体の指向特性制御導体２０ａは、接地導体１１の上面のＸ軸上において、アンテナ素子１３ａに対してＸ軸上で正の方向に位置するように設けられ、指向特性制御導体２０ａの一端は接地導体１１と接続点１７ａにおいて接続され、指向特性制御導体２０ａはその一端から上方に向かって延在し、方形導波管５０１ａの高さ又はそれよりも若干短い長さを有する。当該導波管アンテナ部６０１ａから放射される電波は、指向特性制御導体２０ａが導波器として動作する結果、指向特性制御導体２０ａを備えないときよりも、＋Ｘ方向に指向性がより鋭くなるという特有の効果が得られる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性調整法を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果が得られる。
図１８の第４の変形例においては、指向特性制御導体２０ａを直線状の導体で構成したが、これを他の形状の導体で構成してもよい。例えば、指向特性制御導体２０ａを、螺旋状の導体線で構成されたヘリカル型整合導体で構成してもよいし、Ｌ字型に折れ曲がった導体線で構成してもよい。これにより、上述の鋭い指向性を有する効果を損なうことなく導波管アレーアンテナ装置を薄型化できる。
図１９は、本発明の第１の実施形態の第５の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。
図１９においては、図２の導波管アンテナ部６０１ａの構成において、アンテナ素子１３ａから＋Ｘ方向にずれたＸ軸上の接地導体１１の位置の接続点に、指向特性制御導体２０ａ−１を設けたことを特徴としている。ここで、指向特性制御導体２０ａ−１は、Ｚ軸に平行な線状導体９１と、Ｙ軸に平行な線状導体９２とから構成され、線状導体９１の一端は接地導体１１に電気的に接続され、線状導体９１はさらに上方に向かって延在し、方形導波管５０１ａの高さ又はその高さよりも若干短い長さを有し、線状導体９１の他端は線状導体９２の中間部に接続される。このとき、最も望ましいのは、Ｚ軸に平行な線状導体９１がＹ軸に平行な線状導体９２の中央部で接続され、Ｚ軸に平行な線状導体９１の長さと、Ｙ軸に平行な線状導体９２の半分の長さとの和が約１／４波長となる場合である。線状導体９１及び９２の長さをこのように構成することにより、当該導波管アレーアンテナ装置への給電時において、指向特性制御導体２０ａ−１において共振が起こり、他の長さの設定のときよりも鋭い指向性について大きな効果を得る。図１８の指向特性制御導体２０ａを備えた導波管アンテナ部６０１ａの構成は、主として、導波管アレーアンテナ装置のＺＸ平面内の指向特性を改善する技術であるが、図１９の構成にすることにより、導波管アレーアンテナ装置のＸＹ平面での指向特性も変化できる。
図２０は、本発明の第１の実施形態の第５の変形例の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であって、本発明者らにより実際に試作された導波管アレーアンテナ装置を示している。図２０は、図６の構成の導波管アレーアンテナ装置に２．５ＧＨｚの動作周波数を有する指向特性制御導体２０ａ−１を備えた場合を示している。図２１及び図２２は、図２０の導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であり、図２１はＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図であり、図２２はＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。図２１及び図２２の放射指向特性を参照すると、指向特性制御導体２０ａ−１を備えたことによって、図８及び図９に示された図６の導波管アレーアンテナ装置の放射指向特性に比べて、水平面（ＸＹ面）においてはＹ軸方向への放射が増えていることがわかる。これにより、水平面においても、指向特性を大きく変化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性調整法を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果が得られる。
なお、第１の実施形態の第５の変形例や実施例では、アンテナ素子１３ａに対して指向特性制御導体２０ａ−１が１個だけ存在する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、複数のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄに対して少なくとも１つ、又は２個以上の指向特性制御導体を設けてもよい。この場合において、導波管アレーアンテナ装置の構造の自由度が増え放射指向特性をさらに大きく変化させて制御できる。なお、指向特性制御導体２０ａ−１を、図１５乃至図１７に示された整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２とともに備えてもよい。
また、本実施形態においては、接地導体１１が多角形（すなわち正方形）で構成された構造のアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、接地導体１１は、長方形又はその他の多角形、半円の組み合わせ、もしくはその他の形状を有してもよい。
さらに、当該導波管アレーアンテナ装置を天井等に設置する場合、当該アンテナ装置が目立たないように、アンテナ装置の形状と、天井面の升目又は部屋の形状とを揃えてほしいという要望がある。しかしながら、導波管アレーアンテナ装置の形状が長方形やその他の多角形の場合、天井面の升目又は部屋の形状は固定のため、当該導波管アレーアンテナ装置を設置する方向には制限が生じてしまう。この問題点を解決するために、以下の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置を提案する。
図２３は、本発明の第１の実施形態の第６の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図２３に示した変形例の導波管アレーアンテナ装置は、図１の導波管アレーアンテナ装置をレドーム２１により被覆したことを特徴としている。接地導体１１が接する底面が概略円形状（それ以外の楕円形状など他の形状であってもよい。）であるレドーム２１を用いることにより、アンテナ特性を劣化させる湿気や埃等の進入を防ぎ導波管アレーアンテナ装置の特性を安定化させるとともに、当該導波管アレーアンテナ装置を天井に設置する際に、天井面の升目又は部屋の形状に気を使うことなく導波管アレーアンテナ装置を設置できるという特有の利点がある。さらに、導波管アレーアンテナ装置の底面が円形状の場合、導波管アレーアンテナ装置を回転させ取り付け方向を変化できる。この場合において、電波の放射方向を調整することが可能になり、導波管アレーアンテナ装置の設置位置に最適な放射指向特性を得ることができる。
図２４は、図１の導波管アレーアンテナ装置の指向特性を変化させるための合成回路の一例を示すブロック図である。
以上の実施形態においては、図５の切り替えスイッチ１７により受信電力のより強いアンテナ素子に給電ケーブルを接続する構成を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図２４に示すように、本実施形態の合成回路は、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄにそれぞれ振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄを接続し、振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄにそれぞれ移相器２３ａ乃至２３ｄを接続し、各移相器２３ａ乃至２３ｄを合成器２４に接続するように構成されてもよい。振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄは、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信された無線信号の振幅（又は信号レベル）を調整し、移相器２３ａ乃至２３ｄは、振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄで振幅調整されて出力された無線信号の位相（又は位相量、もしくは移相量）を調整し、合成器２４は、移相器２３ａ乃至２３ｄ及び振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄで振幅と位相が調整されて出力された無線信号の電力を合成し、給電端子９及び給電ケーブルを介して無線通信機回路９０に出力する。
またさらに、アンテナコントローラ２５を備えてもよい。この場合において、アンテナコントローラ２５は、合成器２４からの出力信号の電力（又は信号レベル）が最大となるような、振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄにおける振幅調整量と、移相器２３ａ乃至２３ｄにおける位相調整量（位相量又は移相量）を算出し、この算出された振幅及び位相の調整量に基づいて振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄと移相器２３ａ乃至２３ｄを制御する。このように構成することにより、さらに受信電力の増加を実現できる。
以上の実施形態や変形例においては、１個の導波管アレーアンテナ装置について説明しているが、本発明はこれに限らず、複数の当該導波管アレーアンテナ装置をアレー状に配置し、フェーズドアレーアンテナ及びアダプティブアンテナアレーを構成してもよい。これにより、さらなる放射電波の指向特性を制御できる。
第２の実施形態．
図２１は、本発明の第２の実施形態に係るスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図２１のスロット付き導波管アレーアンテナ装置は、図１の導波管アレーアンテナ装置に比較すると、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置に含まれる４つの方形導波管５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄを構成する各天井導体１５ａ乃至１５ｄにおいて、各方形導波管５０２ａ乃至５０２ｄ内の無線信号の伝搬方向に垂直な長手方向（すなわち、各方形導波管５０２ａ乃至５０２ｄの幅方向と同じ方向）を有し、管内波長の１／４波長に対して十分に小さい幅を有する１つのスロット３０ａ乃至３０ｄをそれぞれ備えている点が異なっている。ここで、スロット３０ａ乃至３０ｄは、各天井導体１５ａ乃至１５ｄにおいて、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄの接続部１０ａ乃至１０ｄと、終端導体１４ａ乃至１４ｄとの間に設けられている。ここで、アンテナ素子１３ａを有する方形導波管５０２ａは導波管アンテナ部６０２ａを構成し、アンテナ素子１３ｂを有する方形導波管５０２ｂは導波管アンテナ部６０２ｂを構成し、アンテナ素子１３ｃを有する方形導波管５０２ｃは導波管アンテナ部６０２ｃを構成し、アンテナ素子１３ｄを有する方形導波管５０２ｄは導波管アンテナ部６０２ｄを構成する。
本実施形態では、一例として、接地導体１１がＸＹ平面上にあり、接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２と天井導体１５ａ乃至１５ｄとが電気的に接続され、各給電部１２ａ乃至１２ｄがＸ軸上又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成され、スロット３０ａ乃至３０ｄが各天井導体１５ａ乃至１５ｄ上に１つずつ存在する場合を示している。
次に、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａのみに給電されたときの動作原理を図２６乃至図２９を用いて説明する。図２６は、図２５のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の一部であって、アンテナ素子１３ａを含むスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの詳細構成を示す斜視図であり、図２７は、図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａのＸＺ平面によって切断された断面図である。図２８は図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの電界分布を示す斜視図であり、図２９は図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの磁流分布を示す斜視図である。
本実施形態においては、電波の放射はアンテナ素子１３ａを励振させることによって行われ、天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界と、スロット３０ａに発生する電界とにより電波は放射される。従って、図２８に示すように、アンテナ素子１３ａによって天井導体１５ａと接地導体１１との間に発生される電界１０１は、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の場合の図３と同様になる。スロット３０ａに発生する電界１０１ａは、その振幅がスロット３０ａの長手方向の端部で０であり、スロット３０ａの長手方向の中央で最大となる正弦関数的な分布になる。すなわち、当該スロット付き導波管アンテナ部６０２ａのスロット３０ａは、Ｙ方向と平行な線状磁流のダイポールの指向特性を示す。このダイポールにより、ＸＹ平面とＹＺ平面で垂直偏波の双指向性を得て、ＸＺ平面において無指向性を得る。一方、図２７に本実施形態のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａに流れる電流分布を示す。電流１１０は、給電部１２ａからアンテナ素子１３ａに沿って流れ、スロット３０ａと天井導体１５ａを介して終端導体１４ａへ流れ、終端導体１４ａから接地導体１１に流れ給電部１２ａに戻る。従って、このスロット付き導波管アンテナ部６０２ａに発生する電界分布は図２８のようになり、天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界１０１の向きと、スロット３０ａに発生する電界１０１ａの向きとが一致する。すなわち、スロット３０ａは放射される電波の位相を揃える作用効果を有する。
この電界１０１及び１０１ａを磁流に置き換えて説明すると、図２９に示すように、Ｙ軸と平行な線状磁流源１０２及び１０２ａに置き換えることができる。つまり、電波の放射は、これらの磁流源１０２及び１０２ａによる放射と見ることができる。従って、このスロット付き導波管アレーアンテナ装置の指向特性は、この２つの磁流１０２及び１０２ａによる同相励振のアレーとして得られる。天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界１０１による指向特性としては、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様で、ＸＹＺ座標系の＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向の向きにより強い指向性が得られる。スロット３０ａに発生する電界１０１ａによる指向特性としても、ＸＹＺ座標系の＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向の向きにより強い指向性が得られる。従って、本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置では、この２つの指向特性の同相のアレーとなるので、ＸＹＺ座標系の＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向の向きにさらにより強い指向性が得られる。
従って、図２５においてアンテナ素子１３ｂに給電すると＋Ｙ方向により強い電波が放射され、アンテナ素子１３ｃに給電すると−Ｘ方向により強い電波が放射される。また、アンテナ素子１３ｄに給電すると−Ｙ方向により強い電波が放射される。
また、上記実施形態においては、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置から電波を放射する場合を一例として説明したが、電波を受信する場合も同様である。この場合、電波が到来してくる方向により強い指向性を持つアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続することにより、より大きな受信電力が得られる。例えば、＋Ｘ方向から電波が到来する場合は、図５のような切り替えスイッチ１７によりアンテナ素子１３ａを給電ケーブルに接続すればよい。本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図５に示すような受信電力判定装置１８により各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信される電波の電力の強さを判定して、受信される電波の電力が最大のアンテナ素子を動作させるように切り替えスイッチ１７を制御することにより、主ビーム方向を電波の到来する方向に選択的に切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、受信時にも、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
図３０は、本発明の第２の実施形態の実施例に係るスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であって、本発明者らにより実際に試作されたスロット付き導波管アレーアンテナ装置を示している。一例として、以下の場合の特性を示す。図３０に示されたように、終端導体１４ａ乃至１４ｄ天井導体１５ａ乃至１５ｄの、ＸＹ平面に平行な長手方向の長さが１２０ｍｍであり、終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２のＺ軸方向の高さが１２ｍｍであり、側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２のＸＹ平面に平行な方向の長さと天井導体１５ａ乃至１５ｄの幅とが４０ｍｍである。また、スロット３０ａ乃至３０ｄの長手方向の長さが１２０ｍｍであって幅が６ｍｍであり、スロット３０ａ乃至３０ｄの幅方向の中心が各方形導波管５０２ａ乃至５０２ｄの開放端から５ｍｍだけ離れた位置にある（従って、各方形導波管５０２ａ乃至５０２ｄの開放端側における天井導体１５ａ乃至１５ｄの端部から、スロット３０ａ乃至３０ｄの端部までの幅が２ｍｍである）。ここで、各給電部１２ａ乃至１２ｄはそれぞれＸ軸上又はＹ軸上に配置されている。従って、図３０のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成は、スロット３０ａ乃至３０ｄをさらに備えたことのほかは、図６の導波管アレーアンテナ装置の構成と同様である。
図３１は、図３０のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。図３１に示したように、本実施例のスロット付き導波管アレーアンテナ装置は周波数２．５ＧＨｚで共振し、良好な反射特性を示していることがわかる。当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置は対称な形状をしているので、各アンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに給電した場合も同様の周波数特性が得られる。
図３２及び図３３は、図２６のスロット付き導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａに周波数２．５ＧＨｚの無線信号を給電した場合の放射指向特性を示す特性図であり、図３２はＸＹ平面（水平面）の放射指向特性を示す特性図であり、図３３はＺＸ平面（垂直面）の放射指向特性を示す特性図である。ここで、スロット付き導波管アレーアンテナ装置の利得を表す半径方向の目盛りは１間隔が１０ｄＢであり、単位は理想的な点波源の放射電力を基準にした相対利得の単位ｄＢｉである。図３３から明らかなように、電波の放射は、ＸＹＺ座標系の＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向により強い指向性を示し、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、しかも簡単な構造であって、一方向により強い指向性を実現していることがわかる。最大放射方向（すなわち、ビーム方向）では、垂直面においてＺ軸から＋Ｘ方向に向かって４０度だけ回転した方向において１０．６ｄＢｉの比較的大きな利得が得られ、水平面においてもＸ軸上の正の方向に２．６ｄＢｉの利得が得られた。
本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄに接続された、給電するアンテナ素子を切り替えるためのスイッチを用いて、所望方向により強い指向性を有するアンテナ素子を選択的に選択して動作させることによって、電波の放射される方向を選択的に切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
以上のように構成された本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置により、無線信号を送信したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現できる。さらに当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置によれば、２．５ＧＨｚの動作周波数のときにＺ軸方向の高さが０．１波長となるアンテナ装置を実現しており、これは非常に薄い厚さを有するアンテナ装置である。
以上の実施形態や実施例においては、スロット付き導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造である場合を示した。この場合、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置からの放射電波の指向特性がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称になるという効果がある。
本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置は、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置に比べて広帯域なインピーダンス特性が得られるという効果がある。これは、本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置には、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構造に特有の共振周波数に加えて、スロット３０ａ乃至３０ｄに起因する共振周波数が存在するためである。この２つの共振周波数に若干の周波数差を与えることにより広帯域な特性が得られる。
また、本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置は、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同じサイズであるにもかかわらず、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置に比べて最大放射方向において１．１ｄＢの利得を有し、水平面内の最大放射方向でも１．６ｄＢの利得を有する、高利得な特性が得られた。これは、上述したように、各方形導波管５０２ａ乃至５０２ｄの開放端からの放射とスロット３０ａ乃至３０ｄからの放射の重ね合わせによるものである。
以上説明したように、本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置によれば、小形で薄型形状を有するとともに、しかも簡単な構造であって、従来技術に比較してより強い指向性を有して、その主ビーム方向を選択的に切り替えることが可能なアンテナ装置を実現できる。
以上の本実施形態においては、スロット付き導波管アレーアンテナ装置について、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称で、ＺＸ面での断面形状とＺＹ面での断面形状が同じであるアンテナ装置として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、放射対象空間が±Ｘ方向に長い場合、Ｙ方向に長いアンテナ装置に形成してもよい。この装置構造により、±Ｘ方向に指向性が強くなり、±Ｘ方向に長い放射対象空間に適したアンテナとなる。このように、アンテナ装置のＸ方向とＹ方向の長さを変えることにより、放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
なお、本実施形態においては、スロット付き導波管アレーアンテナ装置を、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造であるアンテナ装置として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、ＺＸ面のみに対して対称な構造又はＺＹ面のみに対して対称な構造で形成してもよい。このような装置構造により放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
また、本実施形態においては、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが導体線で構成されたアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが板状の導体で形成してもよい。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。
さらに、所望の入力インピーダンス特性を得る方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の場合と同様に整合導体を備えてもよい。例えば、図２５のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１５に示すような整合導体１９ａを備えてもよい。図１５においては、整合導体１９ａが線状の導体であり、接地導体１１と接続された例を示している。これにより、アンテナ素子１３ａ近傍の電界を変化させ、アンテナ素子１３ａに流れる電流を変化させることにより、アンテナ素子１３ａのインピーダンスを変化できる。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。なお、所望のインピーダンス特性を得るために、図２５のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１６に示すような整合導体１９ａが接地導体１１及び天井導体１５ａと接続された構成、図１７に示すように整合導体１９ａが接地導体１１及びアンテナ素子１３ａと接続された構成で形成してもよい。これにより、アンテナ素子１３ａに流れる電流を直接的に変化できるために、スロット付き導波管アレーアンテナ装置のインピーダンス特性を大幅に変えることができるという効果がある。なお、アンテナ素子１３ａのインピーダンス調整法を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果が得られる。
本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の放射特性を変化させる方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図１８に示すような指向特性制御導体２０ａを備えてもよい。
図１８においては、指向特性制御導体２０ａは、Ｘ軸上の正の位置において接地導体１１と接続されて設けられた例を示している。放射される電波は、指向特性制御導体２０ａが導波器として動作する結果、指向特性制御導体２０ａを設けないときに比較して、＋Ｘ方向に指向性がより鋭くなる効果が得られる。なお、図１８では指向特性制御導体２０ａを直線状の導体で構成したが、これを他の形状の導体で構成してもよい。例えば、指向特性制御導体２０ａが螺旋状の導体線で構成されたヘリカル型整合導体で形成してもよく、Ｌ字型に折れ曲がった導体線で形成してもよい。これにより、指向特性制御導体２０ａを設けたことによる効果を損なうことなくアンテナ装置を薄型化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａを一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
さらに、スロット付き導波管アレーアンテナ装置には、図１９に示すように、Ｚ軸に平行な線状導体９１とＹ軸に平行な線状導体９２により構成される指向特性制御導体２０ａ−１が設けられてもよい。このとき、最も望ましいのは、Ｚ軸に平行な線状導体９１がＹ軸に平行な線状導体９２の中央で接続され、Ｚ軸に平行な線状導体９１の長さとＹ軸に平行な線状導体９２の半分の長さとの和が約１／４波長となる場合である。この長さにすることにより、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、指向特性制御導体２０ａ−１において共振が起こり、指向特性を制御することに関して、より大きな効果を得る。図１８のような指向特性制御導体２０ａを設ける場合は主に、アンテナ装置の垂直面（ＺＸ面）の指向特性を改善する技術であるが、図１９のような指向特性制御導体２０ａ−１を備えた構成にすることにより、アンテナ装置のＸＹ面での指向特性も変化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａ−１を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
以上の実施形態においては、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄのそれぞれに対して指向特性制御導体が１個だけ存在する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、２個以上の指向特性制御導体を設けてもよい。これにより、スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構造の自由度が増え放射指向特性をさらに大きく変化させて制御できる。なお、指向特性制御導体２０ａ又は２０ａ−１を、図１５乃至図１７に示された整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２とともに備えてもよい。
本実施形態においては、接地導体１１が多角形（すなわち正方形）で構成された構造のスロット付き導波管アレーアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、接地導体１１は長方形又はその他の多角形、半円の組み合わせもしくはその他の形状を有してもよい。また、スロット付き導波管アレーアンテナ装置を天井等に設置する場合、アンテナ装置が目立たないように、アンテナ装置の形状と、天井面の升目又は部屋の形状とを揃えてほしいという要望がある。しかしながら、スロット付き導波管アレーアンテナ装置の形状が長方形やその他の多角形の場合、天井面の升目又は部屋の形状は固定のため、スロット付き導波管アレーアンテナ装置を設置する方向には制限が生じてしまう。そこで、図２３に示された第１の実施形態の第６の変形例のように、接地導体１１が接する底面が概略円形（又は楕円などその他の形状でもよい。）であるレドーム２１を用いることによりアンテナ特性を劣化させる湿気や埃等の進入を防ぎアンテナ装置の特性を安定化させる事とともに、スロット付き導波管アレーアンテナ装置を天井に設置する際に、天井面の升目又は部屋の形状に気を使うことなくスロット付き導波管アレーアンテナ装置を設置できるという特有の利点がある。さらに、スロット付き導波管アレーアンテナ装置の底面が円形状の場合、スロット付き導波管アレーアンテナ装置を回転させ取り付け方向を変化させてもよい。これにより、電波の放射方向を調整することが可能になり、スロット付き導波管アレーアンテナ装置の設置位置に最適な放射特性を得ることができる。
また、本実施形態においては、図５のような切り替えスイッチを用いて選択的に切り替えることにより、所定の方位角から到来する無線信号に対する受信電力がより強いアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続する構成を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図２４に示すような合成回路を備えて、上述のごとく、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信される４つの無線信号を制御して合成してもよい。
さらに、複数個の本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置をアレー状に配置し、フェーズドアレーアンテナ及びアダプティブアンテナアレーを構成してもよい。これにより、さらなる放射電波の指向特性を制御できる。
またさらに、本実施形態においては、１つの天井導体１５ａ乃至１５ｄにつきスロット３０ａ乃至３０ｄが１つだけ存在する場合を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、天井導体１５ａ乃至１５ｄのうちの１つに２つ以上のスロットを備えてもよい。これにより、各スロットで送受信される電波の位相が揃い、より強い指向性を実現できる。また、各天井導体１５ａ乃至１５ｄに対して、異なる個数のスロットを設けてもよい。
第３の実施形態．
図３４は、本発明の第３の実施形態に係る筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。この筐体一体型導波管アレーアンテナ装置は、図１の導波管アレーアンテナ装置と比較すると、図１の側面導体１６ｄ２及び１６ａ１と、１６ａ２及び１６ｂ１と、１６ｂ２及び１６ｃ１と、１６ｃ２及び１６ｄ１とが、本実施形態ではそれぞれ単一の仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄとして一体化され、それによって４つの方形導波管５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄを含むアンテナ装置の筐体部の構造が簡単化されていることを特徴とする。
図３４において、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置は、ＸＹ平面上に位置した正方形形状の接地導体１１上に設けられ、方形導波管５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄとアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄにてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部６０３ａ，６０３ｂ，６０３ｃ，６０３ｄを備える。ここで、各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄは、接地導体１１と、この接地導体１１に対向する天井導体１５ａ乃至１５ｄと、接地導体１１と天井導体１５ａ乃至１５ｄとを連結する仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄとから構成され、互いに隣接する２つの方形導波管（５０３ａ，５０３ｂ），（５０３ｂ，５０３ｃ），（５０３ｃ，５０３ｄ），（５０３ｄ，５０３ａ）の間で仕切壁導体を共有するように隣接して並置される（例えば、天井導体１５ａを含む方形導波管５０３ａと、天井導体１５ｄを含む方形導波管５０３ｄとの間で、仕切壁導体３１ａを共有している）。
各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄは、終端導体１４ａ乃至１４ｄにより短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、終端導体１４ａ乃至１４ｄにより短絡された端部は、正方形の接地導体１１の辺上に位置するように設けられ、開放された端部は、正方形の接地導体１１の対角線上の、より小さい正方形（図示せず。）の辺上に位置するように設けられ、各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄは接地導体１１上の小さい正方形の辺から外側に向かって延在する。また、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄは、一端が天井導体１５ａ乃至１５ｄであって各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄの開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が接地導体１１上に位置する給電部１２ａ乃至１２ｄに電気的に接続されている。各導波管アンテナ部６０３ａ乃至６０３ｄは、当該導波管アンテナ部６０３ａ乃至６０３ｄを構成する各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄの開放された端部において所定の放射指向特性で無線信号を送受信する。各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄは接地導体１１上に異なる向きで設けられているので、これら４つの導波管アンテナ部６０３ａ乃至６０３ｄの放射指向特性の主ビームはそれぞれ異なる方向を向き、ゆえに、無線信号を送受信するアンテナ素子を選択的に切り替えることによって筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の指向特性を変化できる。
図３４において、正方形形状の接地導体１１の四辺上に、接地導体１１と同じ長さの辺と所定長さ（すなわち高さ）の垂直方向の辺とを有する矩形形状の終端導体１４ａ乃至１４ｄがＸＹ平面に垂直にそれぞれ設けられ、接地導体１１の対角線上に、終端導体１４ａ乃至１４ｄの高さと同じ長さの辺と所定長さの辺とを有する矩形形状の仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄが、ＸＹ平面に垂直に、かつ頂点を接地導体１１の頂点に合わせて設けられる。さらに、終端導体１４ａ乃至１４ｄ及び仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄ上に、接地導体１１に対向して台形形状の天井導体１５ａ乃至１５ｄが設けられる。従って、仕切壁導体３１ａは、その上端において台形形状の天井導体１５ａ及び１５ｄの斜辺と接続され、その下端において接地導体１１と接続され、その左右端部において終端導体１４ａ及び１４ｄと接続されている。
ここで、天井導体１５ａは終端導体１４ａと仕切壁導体３１ａ及び３１ｂの上に設けられ、詳しくは、底面の接地導体１１と、当該導波管アレーアンテナ装置の上面にこの接地導体１１に対向して配置された台形形状の天井導体１５ａと、天井導体１５ａの台形の２つの斜辺において上記接地導体１１及び上記天井導体１５ａをそれぞれ連結する仕切壁導体３１ａ及び３１ｂとにより矩形断面が小さくなるテーパー形状の方形導波管５０３ａが形成され、この方形導波管５０３ａの、より広い断面を有する側の端部は、矩形形状の終端導体１４ａによって終端密閉されて短絡される一方、上記方形導波管５０３ａの、より狭い断面を有する側の端部は開放状態となっている（以下、こちらの端部を開放端という。）。ここで、これら接地導体１１と仕切壁導体３１ａ及び３１ｂと天井導体１５ａと終端導体１４ａとは、互いに機械的かつ電気的に接続されるように連結されて、Ｘ軸方向に平行な方向に無線信号を伝搬しかつ−Ｘ方向の端部が閉じられた方形導波管５０３ａを構成している。
次いで、天井導体１５ａの下面の、＋Ｘ方向の端部近傍でありかつＹ方向の中心における接続点１０ａに、導体線からなるアンテナ素子１３ａの一端が半田付けにより機械的及び電気的に接続される。一方、アンテナ素子１３ａは接続点１０ａから下方に向かって垂直に延在し、さらに、アンテナ素子１３ａの他端は、接地導体１１上のＸ軸上に形成された円形孔において、接地導体１１とは電気的に絶縁された給電点１２ａに接続される。当該給電点１２ａはさらに、例えば同軸ケーブルの中心導体に電気的に接続され、また、同軸ケーブルの接地導体は接地導体１１に電気的に接続される。これにより、無線通信機回路９０から無線信号が同軸ケーブルを介して給電点１２ａに給電される。上述された方形導波管５０３ａとアンテナ素子１３ａとにより、図２に示された第１の実施形態と同様に動作する導波管アンテナ部６０３ａが構成される。
また、天井導体１５ｂは終端導体１４ｂと仕切壁導体３１ｂ及び３１ｃの上に設けられ、天井導体１５ｃは終端導体１４ｃと仕切壁導体３１ｃ及び３１ｄの上に設けられ、天井導体１５ｄは終端導体１４ｄと仕切壁導体３１ｄ及び３１ａの上に設けられ、アンテナ素子１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄを含む導波管アンテナ部６０３ｂ乃至６０３ｄも、同様に構成される。
本実施形態では、第１の実施形態における側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２に相当する構成要素が仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄとして一体化されているので、第１の実施形態よりも構造が簡単化されたアンテナ装置を提供できる。アンテナ装置の構造をさらに簡単化するために、天井導体１５ａ乃至１５ｄは、一体化された単一の導体板にて構成されてもよい。
ここで、天井導体１５ａ乃至１５ｄと終端導体１４ａ乃至１４ｄと接地導体１１にてなる筐体部で囲まれた空間をアンテナ内部と呼び、天井導体１５ａ乃至１５ｄ、終端導体１４ａ乃至１４ｄ、又は接地導体１１に対してアンテナ内部と反対側の空間をアンテナ外部という。
本実施形態では、一例として、接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと天井導体１５ａ乃至１５ｄが電気的に接続され、各給電部１２ａ乃至１２ｄがＸ軸又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子１２ａ乃至１２ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成されている場合を示している。
本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の動作は第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様である。すなわち、本実施形態に係る構成の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置においてアンテナ素子１３ａに給電すると、＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向の方向により強い指向性が得られる。従って、図３４においてアンテナ素子１３ｂに給電すると＋Ｙ方向により強い電波が放射され、アンテナ素子１３ｃに給電すると−Ｘ方向により強い電波が放射される。また、アンテナ素子１３ｄに給電すると−Ｙ方向により強い電波が放射される。
本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄに接続された、給電するアンテナ素子を選択的に切り替えるためのスイッチを用いて、所望方向により強い指向性を有するアンテナ素子を選択して動作させることによって、電波の放射される方向を選択的に切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
また、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置から電波を放射する場合について説明してきたが、電波を受信する場合も同様である。この場合、電波が到来してくる方向により強い指向性を持つアンテナ素子を給電ケーブル（図示せず。）に接続することにより、より大きな受信電力が得られる。例えば、＋Ｘ方向から電波が到来する場合は、図５のような切り替えスイッチ１７によりアンテナ素子１３ａを給電ケーブルに接続すればよい。すなわち、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図５に示すような受信電力判定装置１８により各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信される電波の電力の強さを判定して、受信される電波の電力が強いアンテナ素子を動作させるように切り替えスイッチ１７を制御することにより、指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、受信時にも、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
図３５は、本発明の第３の実施形態の実施例に係る筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であって、本発明者らにより実際に試作された筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を示している。一例として、接地導体１１のＸ方向の長さが１２０ｍｍでありＹ方向の幅が１２０ｍｍであって、終端導体１４ａ乃至１４ｄの、ＸＹ平面に平行な方向の長さが１２０ｍｍである。また、終端導体１４ａ乃至１４ｄと仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄのＺ方向の高さが１２ｍｍであり、台形形状の天井導体１５ａ乃至１５ｄの上底から下底までの距離が２０ｍｍである。アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄの上端の各接続点１０ａ乃至１０ｄは、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを含む各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄの開放端から２ｍｍの位置に設けられ、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄは接続点１０ａ乃至１０ｄから下方に延在して、Ｘ軸上又はＹ軸上にそれぞれ配置された各給電部１２ａ乃至１２ｄに接続される。筐体一体型導波管アレーアンテナ装置が以上のように構成されたときの特性を図３６に示す。
図３６及び図３７は、図３５の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａに２．６ＧＨｚの無線信号を給電したときの放射指向特性を示す特性図であり、図３６はＸＹ平面（水平面）の放射指向特性を示す特性図であり、図３７はＺＸ平面（垂直面）の放射指向特性を示す特性図である。放射指向特性の目盛りは１間隔が１０ｄＢであり、単位は理想的な点波源の放射電力を基準にしたｄＢｉである。図３７より、電波の放射は＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向により強い指向性を示し、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置は、しかも簡単な構造であって、一方向へ強い指向性を実現していることがわかる。水平面においてＸ軸上の負の方向に１．０ｄＢｉの利得が得られた。
以上のように構成された、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置により、無線信号を送信したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現できる。さらに本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置は、２．６ＧＨｚの動作周波数のときにＺ軸方向の高さが０．１波長であるアンテナ装置を実現しており、これは非常に薄型なアンテナである。また、図２６の実施例に示されたように、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置によれば、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置に比較して、さらに小型のアンテナ装置を実現できる。
以上の実施形態や実施例においては、当該筐体一体型導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造である場合を示した。この場合、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置からの放射電波の指向特性がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称になるという効果がある。
以上説明したように、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置によれば、小形で薄型形状を有するとともに、しかも簡単な構造であって、従来技術に比較してより強い指向性を有し、その主ビーム方向を選択的に切り替えることが可能なアンテナ装置を実現できる。
なお、本実施形態においては、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置について、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称で、ＺＸ面での断面形状とＺＹ面での断面形状が同じであるアンテナ装置として例示したが、本発明はこれに限らず、例えば、放射対象空間が±Ｘ方向に長い場合、Ｙ方向に長いアンテナ装置に形成してもよい。動作原理は第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様であり、この構造により、±Ｘ方向に指向性が強くなり、±Ｘ方向に長い放射対象空間に適したアンテナ装置となる。このように、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置のＸ方向とＹ方向の長さを変えることにより、放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
また、本実施形態においては、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置について、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造であるアンテナ装置として一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、ＺＸ面のみに対して対称な構造又はＺＹ面のみに対して対称な構造で形成してもよい。このような構造により放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
さらに、本実施形態においては、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが導体線で構成された筐体一体型導波管アレーアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが板状の導体で形成してもよい。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。
またさらに、所望の入力インピーダンス特性を得る方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の場合と同様に整合導体を備えてもよい。例えば、図３４の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１５に示すような整合導体１９ａを備えてもよい。図１５においては、整合導体１９ａが線状の導体であり、接地導体１１と接続された例を示している。これにより、アンテナ素子１３ａ近傍の電界を変化させ、アンテナ素子１３ａに流れる電流を変化させることにより、アンテナ素子１３ａのインピーダンスを変化できる。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。なお、所望のインピーダンス特性を得るために、図２５のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１６に示すような整合導体１９ａが接地導体１１及び天井導体１５ａと接続された構成、図１７に示すように整合導体１９ａが接地導体１１及びアンテナ素子１３ａと接続された構成で形成してもよい。これにより、アンテナ素子１３ａに流れる電流を直接的に変化できるために、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置のインピーダンス特性を大幅に変えることができるという効果がある。なお、アンテナ素子１３ａのインピーダンス調整法を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果が得られる。
本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の放射特性を変化させる方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図１８に示すような指向特性制御導体２０ａを備えてもよい。図１８においては、指向特性制御導体２０ａが、Ｘ軸上の正の位置において接地導体１１と接続されて設けられた例を示している。放射される電波は、指向特性制御導体２０ａが導波器として動作する結果、指向特性制御導体２０ａを設けないときに比較して、＋Ｘ方向に指向性がより鋭くなる効果が得られる。なお、図１８では指向特性制御導体２０ａを直線状の導体で構成したが、これを他の形状の導体で構成してもよい。例えば、指向特性制御導体２０ａが螺旋状の導体線で構成されたヘリカル型整合導体で形成してもよく、Ｌ字型に折れ曲がった導体線で形成してもよい。これにより、指向特性制御導体２０ａを設けたことによる効果を損なうことなくアンテナ装置を薄型化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａを一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
さらに、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置には、図１９に示すように、Ｚ軸に平行な線状導体９１とＹ軸に平行な線状導体９２により構成される指向特性制御導体２０ａ−１が設けられてもよい。このとき、最も望ましいのは、Ｚ軸に平行な線状導体９１がＹ軸に平行な線状導体９２の中央で接続され、Ｚ軸に平行な線状導体９１の長さとＹ軸に平行な線状導体９２の半分の長さとの和が約１／４波長となる場合である。この長さにすることにより、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、指向特性制御導体２０ａ−１において共振が起こり、指向特性を制御することに関して、より大きな効果を得る。図１８のような指向特性制御導体２０ａを設ける場合は主に、アンテナ装置の垂直面（ＺＸ面）の指向特性を改善する技術であるが、図１９のような指向特性制御導体２０ａ−１を備えた構成にすることにより、アンテナ装置のＸＹ面での指向特性も変化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａ−１を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
以上において、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄのそれぞれに対して指向特性制御導体が１個だけ存在する場合について説明したが、２個以上の指向特性制御導体を設けてもよい。これにより、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構造の自由度が増え放射指向特性をさらに大きく制御できる。なお、指向特性制御導体２０ａ又は２０ａ−１を、図１５乃至図１７に示された整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２とともに備えてもよい。
本実施形態においては、接地導体１１が多角形（すなわち正方形）で構成された構造の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、接地導体１１は長方形又はその他の多角形、半円の組み合わせ又はその他の形状を有してもよい。また、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を天井等に設置する場合、アンテナ装置が目立たないように、アンテナ装置の形状と、天井面の升目又は部屋の形状とを揃えてほしいという要望がある。しかしながら、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の形状が長方形やその他の多角形の場合、天井面の升目又は部屋の形状は固定のため、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を設置する方向には制限が生じてしまう。そこで、図２３に示された第１の実施形態の第６の変形例のように、接地導体１１が接する底面が概略円形（又は楕円などその他の形状でもよい。）であるレドーム２１を用いることによりアンテナ特性を劣化させる湿気や埃等の進入を防ぎアンテナ装置の特性を安定化させる事とともに、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を天井に設置する際に、天井面の升目又は部屋の形状に気を使うことなく筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を設置できるという利点がある。さらに、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の底面が円形状の場合、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を回転させ取り付け方向を変化させてもよい。これにより、電波の放射方向を調整でき、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の設置位置に最適な放射特性を得ることができる。
また、本実施形態においては、図５のような切り替えスイッチを用いて選択的に切り替えることにより、所定の方位角から到来する無線信号に対する受信電力がより強いアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続する構成について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図２４に示すような合成回路を備え、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄにそれぞれ振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄを接続し、振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄにそれぞれ移相器２３ａ乃至２３ｄを接続し、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信された電波の振幅と位相を変化させて合成器２４において電力を合成する構成としても良い。さらに、アンテナコントローラ２５を備えてもよい。アンテナコントローラ２５は合成回路からの出力信号の電力が最大となるように振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄによる振幅調整量と移相器２３ａ乃至２３ｄによる位相調整量を算出し、これを基に振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄと上記移相器２３ａ乃至２３ｄを制御する。このように構成することにより、さらに受信電力の増大を実現できる。
さらに、複数個の本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置をアレー状に配置し、フェーズドアレーアンテナ及びアダプティブアンテナアレーを構成してもよい。これにより、さらなる放射電波の指向特性を制御できる。
第４の実施形態．
図３８は、本発明の第４の実施形態に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図３８において、当該筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、図３４の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置に比較すると、当該筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置に含まれる４つの方形導波管５０４ａ，５０４ｂ，５０４ｃ，５０４ｄを構成する各天井導体１５ａ乃至１５ｄにおいて、各方形導波管５０４ａ乃至５０４ｄ内の無線信号の伝搬方向に垂直な長手方向（すなわち、各方形導波管５０４ａ乃至５０４ｄの幅方向と同じ方向）を有し、管内波長の１／４波長に対して十分に小さい幅を有する１つのスロット３０ａ乃至３０ｄがそれぞれ設けられている点が異なっている。ここで、スロット３０ａ乃至３０ｄは、各天井導体１５ａ乃至１５ｄにおいて、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄの接続部１０ａ乃至１０ｄと、終端導体１４ａ乃至１４ｄとの間に設けられている。ここで、アンテナ素子１３ａを有する方形導波管５０４ａにより導波管アンテナ部６０４ａを構成し、アンテナ素子１３ｂを有する方形導波管５０４ｂにより導波管アンテナ部６０４ｂを構成する。また、アンテナ素子１３ｃを有する方形導波管５０４ｃにより導波管アンテナ部６０４ｃを構成し、アンテナ素子１３ｄを有する方形導波管５０４ｄにより導波管アンテナ部６０４ｄを構成する。
本実施形態においては、一例として、接地導体１１がＸＹ平面上にあり、接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄと天井導体１５ａ乃至１５ｄとが電気的に接続され、各給電部１２ａ乃至１２ｄがＸ軸上又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成され、スロット３０ａ乃至３０ｄが各天井導体１５ａ乃至１５ｄ上に１つずつ存在する場合を示している。
本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の動作は、第２の実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置と同様である。すなわち、本実施形態に係る構成を備えた筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置においてアンテナ素子１３ａに給電すると、天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界と、スロット３０ａに発生する電界により電波は放射され、＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向の方向により強い指向性が得られる。同様に、図３８においてアンテナ素子１３ｂに給電すると＋Ｙ方向により強い電波が放射され、アンテナ素子１３ｃに給電すると−Ｘ方向により強い電波が放射される。また、アンテナ素子１３ｄに給電すると−Ｙ方向により強い電波が放射される。
本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄに接続された、給電するアンテナ素子を選択的に切り替えるためのスイッチを用いて、所望方向により強い指向性を有するアンテナ素子を選択して動作させることによって、電波の放射される方向を選択的に切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
また、上記実施形態においては、当該筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置から電波を放射する場合について説明したが、電波を受信する場合も同様である。この場合、電波が到来してくる方向により強い指向性を持つアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続することにより、より大きな受信電力が得られる。例えば、＋Ｘ方向から電波が到来する場合は、図５のような切り替えスイッチ１７によりアンテナ素子１３ａを給電ケーブルに接続すればよい。本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図５に示すような受信電力判定装置１８により各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信される電波の電力の強さを判定して、受信される電波の電力が強いアンテナ素子を動作させるように切り替えスイッチ１７を制御することにより、指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、受信時にも、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
図３９は、本発明の第４の実施形態の第１の実施例に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であって、本発明者らにより実際に試作された筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を示している。接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄと天井導体１５ａ乃至１５ｄにてなる筐体部の寸法及びアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄの位置は、図３８の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の実施例と同じである。本実施例では、天井導体１５ａ乃至１５ｄ上にそれぞれスロット３０ａ乃至３０ｄがさらに設けられ、スロット３０ａ乃至３０ｄは２ｍｍの幅を有して各方形導波管５０４ａ乃至５０４ｂ内の無線信号の伝搬方向に垂直な方向に延在し、スロット３０ａ乃至３０ｄの幅方向の中心は、各方形導波管５０４ａ乃至５０４ｄの開放端から５ｍｍだけ離れた位置にある。筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置がこのように構成されたときの特性を以下に示す。
図４０は、図３９の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａにおける反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。図４０に示したように、本実施例の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は２．３ＧＨｚで共振していることがわかる。本実施例の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は対称な形状をしているので、各アンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに給電した場合も同じ特性が得られる。
図４１及び図４２は、図３９の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａに２．３ＧＨｚの無線信号を給電した場合の放射指向特性を示す特性図であり、図４１はＸＹ平面（水平面）の放射指向特性を示す特性図であり、図４２はＺＸ平面（垂直面）の放射指向特性を示す特性図である。放射指向特性の目盛りは１間隔が１０ｄＢであり、単位は理想的な点波源の放射電力を基準にしたｄＢｉである。図４２から明らかなように、電波の放射は＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向により強い指向性を示し、しかも簡単な構造であって、一方向へ強い指向性を実現していることがわかる。最大放射方向は垂直面においてＺ軸から−Ｘ方向に４５度だけ回転した方向に、８．７ｄＢｉの比較的大きな利得が得られ、水平面においてもＸ軸上の負の方向に３．４ｄＢｉの利得が得られた。
以上説明したように、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置によれば、無線信号を送信したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現できる。さらに本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、２．３ＧＨｚの動作周波数においてＺ軸方向の高さが０．１波長となるアンテナ装置を実現しており、これは非常に薄い厚さを有するアンテナ装置である。
また、実施形態や実施例においては、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造である場合を示した。この場合、当該筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置からの放射電波の指向特性がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称になるという効果がある。
さらに、本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置によれば、小形で薄型形状を有するとともに、しかも簡単な構造であって、従来技術に比較してより強い指向性を有して、その主ビーム方向を選択的に切り替えることが可能なアンテナ装置を実現できる。
以上の実施形態においては、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置について、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称で、ＺＸ面での断面形状とＺＹ面での断面形状が同じであるアンテナ装置として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、放射対象空間が±Ｘ方向に長い場合、Ｙ方向に長いアンテナ装置に形成してもよい。その動作原理は第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様であり、この構造により、±Ｘ方向に指向性が強くなり、±Ｘ方向に長い放射対象空間に適したアンテナとなる。このように、アンテナ装置のＸ方向とＹ方向の長さを変えることにより、放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
本実施形態においては、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置について、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造であるアンテナ装置として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、ＺＸ面のみに対して対称な構造又はＺＹ面のみに対して対称な構造で形成してもよい。このような構造により放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
また、本実施形態においては、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが導体線で構成されたアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが板状の導体で形成してもよい。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。
さらに、所望の入力インピーダンス特性を得る方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の場合と同様に整合導体を備えてもよい。例えば、図３８の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１５に示すような整合導体１９ａを備えてもよい。図１５においては、整合導体１９ａが線状の導体であり、接地導体１１と接続された例を示している。これにより、アンテナ素子１３ａ近傍の電界を変化させ、アンテナ素子１３ａに流れる電流を変化させることにより、アンテナ素子１３ａのインピーダンスを変化できる。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。なお、所望のインピーダンス特性を得るために、図３８の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１６に示すような整合導体１９ａが接地導体１１及び天井導体１５ａと接続された構成、図１７に示すように整合導体１９ａが接地導体１１及びアンテナ素子１３ａと接続された構成で形成してもよい。これにより、アンテナ素子１３ａに流れる電流を直接的に変化できるために、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置のインピーダンス特性を大幅に変えることができるという効果がある。なお、アンテナ素子１３ａのインピーダンス調整法について説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果が得られる。
図４３は、本発明の第４の実施形態の第２の実施例に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であって、本発明者らによって試作された筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を示す。この筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、図３９のアンテナ装置の構成に加えて、図１６と同様の整合導体１９ａ−１乃至１９ｄ−１をさらに備えている。整合導体１９ａ−１乃至１９ｄ−１は、各方形導波管５０４ａ乃至５０４ｄの開放端から当該方形導波管５０４ａ乃至５０４ｄの内部に２ｍｍだけ挿入されて設けられ、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄから３ｍｍだけ離れた位置に、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄと平行に設けられる。図３９に示す第１の実施例に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成では、図４０に示したように反射損失が−３．７ｄＢ程度であり、アンテナ装置に効率よく電力を供給できない。そこで、図４３に示すように整合導体１９ａ−１乃至１９ｄ−１を備え、給電ケーブル（図示せず。）とのインピーダンスを整合し、高効率なアンテナ装置を実現する。図４４は、図４３の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。図４４から明らかなように、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の共振周波数である２．４ＧＨｚでは、反射損失は−１３．５ｄＢであり、反射損失の少ない良好な特性が得られていることがわかる。
本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の放射特性を変化させる方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図１８に示すような指向特性制御導体２０ａを備えてもよい。図１８においては、指向特性制御導体２０ａが、Ｘ軸上の正の位置において接地導体１１と接続されて設けられた例を示している。放射される電波は、指向特性制御導体２０ａが導波器として動作する結果、指向特性制御導体２０ａを設けないときに比較して、＋Ｘ方向に指向性がより鋭くなる効果が得られる。なお、図１８では指向特性制御導体２０ａを直線状の導体で構成したが、これを他の形状の導体で構成してもよい。例えば、指向特性制御導体２０ａが螺旋状の導体線で構成されたヘリカル型整合導体で形成してもよく、Ｌ字型に折れ曲がった導体線で形成してもよい。これにより、指向特性制御導体２０ａを設けたことによる効果を損なうことなくアンテナ装置を薄型化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａを一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
さらに、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置には、図１９に示すように、Ｚ軸に平行な線状導体９１とＹ軸に平行な線状導体９２により構成される指向特性制御導体２０ａ−１が設けられてもよい。このとき、最も望ましいのは、Ｚ軸に平行な線状導体９１がＹ軸に平行な線状導体９２の中央で接続され、Ｚ軸に平行な線状導体９１の長さとＹ軸に平行な線状導体９２の半分の長さとの和が約１／４波長となる場合である。この長さにすることにより、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、指向特性制御導体２０ａ−１において共振が起こり、指向特性を制御することに関して、より大きな効果を得る。図１８のような指向特性制御導体２０ａを設ける場合は主に、アンテナ装置の垂直面（ＺＸ面）の指向特性を改善する技術であるが、図１９のような指向特性制御導体２０ａ−１を備えた構成にすることにより、アンテナ装置のＸＹ面での指向特性も変化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａ−１を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
以上において、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄのそれぞれに対して指向特性制御導体が１個だけ存在する場合について説明したが、２個以上の指向特性制御導体を設けてもよい。これにより、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構造の自由度が増え放射指向特性をさらに大きく変化させて制御できる。なお、指向特性制御導体２０ａ又は２０ａ−１を、図１５乃至図１７に示された整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２とともに備えてもよい。
また、本実施形態においては、接地導体１１が多角形（すなわち正方形）で構成された構造の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、接地導体１１は長方形又はその他の多角形、半円の組み合わせ、もしくはその他の形状を有してもよい。また、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を天井等に設置する場合、アンテナ装置が目立たないように、アンテナ装置の形状と、天井面の升目又は部屋の形状とを揃えてほしいという要望がある。しかしながら、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の形状が長方形やその他の多角形の場合、天井面の升目又は部屋の形状は固定のため、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を設置する方向には制限が生じてしまう。
そこで、図２３に示された第１の実施形態の第６の変形例のように、接地導体１１が接する底面が概略円形（楕円形状など他の形状であってもよい。）であるレドーム２１を用いることによりアンテナ特性を劣化させる湿気や埃等の進入を防ぎアンテナ装置の特性を安定化させる事とともに、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を天井に設置する際に、天井面の升目又は部屋の形状に気を使うことなく筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を設置できるという利点がある。さらに、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の底面が円形状の場合、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を回転させ取り付け方向を変化させてもよい。これにより、電波の放射方向を調整することが可能になり、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の設置位置に最適な放射特性を得ることができる。
本実施形態においては、図５のような切り替えスイッチを用いて選択的に切り替えることにより、所定の方位角から到来する無線信号に対する受信電力がより強いアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続する構成を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図２４に示すような合成回路を備えて、上述のごとく、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信された４つの無線信号を制御して合成してもよい。
また、複数個の本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置をアレー状に配置し、フェーズドアレーアンテナ及びアダプティブアンテナアレーを構成してもよい。これにより、さらなる放射電波の指向特性を制御できる。
なお、本実施形態においては、１つの天井導体１５ａ乃至１５ｄにつきスロット３０ａ乃至３０ｄが１つだけ存在する場合を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、天井導体１５ａ乃至１５ｄのうちの１つに２つ以上のスロットを備えてもよい。これにより、各スロットで送受信される電波の位相が揃い、より強い指向性を実現できる。また、各天井導体１５ａ乃至１５ｄに対して、異なる個数のスロットを設けてもよい。
本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、第２の実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置と同様に、第３の実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構造に特有の共振周波数と、スロット３０ａ乃至３０ｄに起因する共振周波数との間に、若干の周波数差を与えることにより、第３の実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置に比べて広帯域なインピーダンス特性が得られるという効果もある。
第５の実施形態．
図４５は、本発明の第５の実施形態であって、第１の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図４５において、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、図１に示された第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置において、そのアンテナ内部を誘電体４０によって充填したことを特徴としている。このように構成することにより、第１の実施形態に係る作用効果に加えて、誘電体４０内を伝搬する電磁波の実効波長を短くすることができるので、当該導波管アレーアンテナ装置を小型化かつ軽量化して形成できるとともに、誘電体基板上に金属導体を公知の導体パターン形成方法を用いて高精度で当該導波管アレーアンテナ装置を製造できる、また、アンテナ内部に誘電体４０が充填されているので、ごみが入らず清掃が不要であるという利点がある。
一例として、接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２と天井導体１５ａ乃至１５ｄが電気的に接続され、各給電部１２ａ乃至１２ｄがＸ軸又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成され、誘電体４０がアンテナ内部の全てに充填されている場合を示している。
本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の動作は、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の動作と同様である。
本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、アンテナ内部に誘電体４０を挿入している。真空での誘電率ε０に対する誘電体４０の誘電率の比（比誘電率）をεｒとすると、誘電体４０内での波長は、真空中の波長に比べて
Figure 2005043676
倍となる。εｒは１以上であるから誘電体４０内では、波長は短くなる。このため、誘電体４０をアンテナ内部に挿入することにより、導波管アレーアンテナ装置をより小形で薄型である構造に形成できる。
第６の実施形態．
図４６は、本発明の第６の実施形態であって、第２の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填されたスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図４６の導波管アレーアンテナ装置は、図４５の導波管アレーアンテナ装置に比較して、天井導体１５ａ乃至１５ｄにスロット３０ａ乃至３０ｄを備えたことを特徴としている。
図４６において、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、図２５に示された第２の実施形態に係るスロット付き導波管アレーアンテナ装置において、そのアンテナ内部を誘電体４０によって充填したことを特徴としている。このように構成することにより、第２の実施形態に係る作用効果に加えて、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置を小型化かつ軽量化して形成できるとともに、誘電体基板上に金属導体を公知の導体パターン形成方法を用いて高精度で当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置を製造できる、また、アンテナ内部に誘電体４０が充填されているので、ごみが入らず清掃が不要であるという利点がある。本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の動作は、第２の実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の動作と同様である。
第７の実施形態．
図４７は、本発明の第７の実施形態であって、第３の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図４７において、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置は、図３４に示された第３の実施形態に係る筐体一体型導波管アレーアンテナ装置において、そのアンテナ内部を誘電体４０によって充填したことを特徴としている。このように構成することにより、第３の実施形態に係る作用効果に加えて、当該筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を小型化かつ軽量化して形成できるとともに、アンテナ内部に誘電体４０が充填されているので、ごみが入らず清掃が不要であるという利点がある。本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の動作は、第３の実施形態の筐体一体型アレーアンテナ装置の動作と同様である。
第８の実施形態．
図４８は、本発明の第８の実施形態であって、第４の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図４８において、本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、図３８に示された第４の実施形態に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置において、そのアンテナ内部を誘電体４０によって充填したことを特徴としている。このように構成することにより、第４の実施形態に係る作用効果に加えて、当該筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を小型化かつ軽量化して形成できるとともに、アンテナ内部に誘電体４０が充填されているので、ごみが入らず清掃が不要であるという利点がある。本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の動作は、第４の実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の動作と同様である。
以上の第５乃至第８の実施形態においてそれぞれ、第１乃至第４の実施形態において、アンテナ内部に誘電体４０を充填しているが、第１乃至第４の実施形態の各変形例や各実施例においても、アンテナ内部に誘電体４０を充填してもよい。
第９の実施形態．
図４９は、本発明の第９の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。第５乃至第８の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置はまた、誘電体４０をアンテナ内部に挿入した構造になっているので、両面にそれぞれパターン導体である接地導体１１及び天井導体１５（導体箔にてなる）が形成されている誘電体基板４１を用いて作成してもよい。図４９の実施形態においては、図４５の側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２と終端導体１４ａ乃至１４ｄの代わりに、互いに所定間隔だけ離れてかつ互いに平行に（垂直方向に、すなわち厚さ方向に）形成された複数のスルーホール導体４２ｃを形成したことを特徴としており、図４５の導波管アレーアンテナ装置と同様の作用効果を有する。なお、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄもまたスルーホール導体で形成している。ここで、スルーホール導体４２ｃは、下面に接地導体１１が形成され、かつ上面に天井導体１５ａ乃至１５ｄが形成された誘電体に厚さ方向に貫通するスルーホール４２を形成し、そのスルーホール４２に金属導体を充填することにより形成される。本実施形態に係る製造方法においては、エッチング加工等のような公知の導体パターン形成方法を用いることができるので、高精度で天井導体１５ａ乃至１５ｄやスルーホール導体４２ｃを形成することができ、これにより、誘電体４０が充填された導波管アレーアンテナ装置の製作精度が向上し、さらに量産によるコストを削減できる。
次いで、図４９の導波管アレーアンテナ装置の製作手順の一例を示す。上面と下面にそれぞれ導体パターンの層が形成された誘電体基板を接地導体１１の大きさに切断し、上面の導体パターンを例えばエッチング又は機械加工で削ることにより導体パターンの天井導体１５ａ乃至１５ｄを形成する。次いで、誘電体基板において厚さ方向に貫通するようにスルーホールを形成した後、各スルーホールに金属導体を充填することにより、複数のスルーホール導体３２にてなる側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２及び終端導体１４ａ乃至１４ｄと、アンテナ素子１３とを形成する。ここでは、天井導体１５ａ乃至１５ｄが形成された面を誘電体基板の上面とする。誘電体基板のもう一方の導体パターンが接地導体１１となる。さらに、この接地導体１１において、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを構成するスルーホールのある位置に適当な円形孔を形成して給電点１２ａ乃至１２ｄを形成することにより、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置を作成できる。図４７の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の場合も、仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄ等の構成要素を同様に作製できる。また、図４６及び図４８の場合も、表面に導体パターンが形成された誘電体基板に対して、スロット３０ａ乃至３０ｄをエッチング又は機械加工で導体パターンを削ることにより、同様に作成可能である。
以上の第５乃至第９の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置によれば、しかも簡単な構造であって、小形で薄型な形状で、かつ工作精度が良く、アンテナ特性の劣化の少ない、一方向により強い指向性を備えたアンテナ装置を実現できる。
また、第５乃至第９の実施形態やその実施例においては、当該導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面に対して対称な構造である場合を示した。この場合、導波管アレーアンテナ装置から放射される電波の指向特性がＺＸ面に対して対称になるという効果がある。
さらに、第５乃至第９の実施形態においては、ＺＸ面に対して対称な構造である導波管アレーアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、ＺＹ面にのみ対称な構造、又は、ＺＹ面、ＺＸ面に対して非対称な構造で形成してもよい。このような構造により放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
第５乃至第９の実施形態においては、導体で囲まれたアンテナ内部が誘電体４０ですべて満たされている構造の導波管アレーアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、アンテナ内部の少なくとも一部に誘電体４０が存在する場合も可能である。例えば、天井導体１５ａ乃至１５ｄと終端導体１４ａ乃至１４ｄと接地導体１１で囲まれた空間のみを誘電体基板を用いて形成してもよい。
第１０の実施形態．
図５０は、本発明の第１０の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す上面図である。本発明の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、以上の実施形態のように、接地導体１１が正方形又は長方形の底面形状、又はそれらの形状を組み合わせた底面形状を有するアンテナ装置のみに限定されるのではない。例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、接地導体１１はその他の多角形、又は半円の組み合わせ、その他の形状で形成してもよい。本実施形態においては、そのような変形例として、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｃをそれぞれ含む３つの方形導波管５０１ａ乃至５０１ｃの開放端が、上から見たときに正三角形の形状になるように配置された導波管アレーアンテナ装置が提供される。ここで、アンテナ素子１３ａを有する方形導波管５０１ａが導波管アンテナ部６０１ａを構成し、アンテナ素子１３ｂを有する方形導波管５０１ｂが導波管アンテナ部６０１ｂを構成し、アンテナ素子１３ｃを有する方形導波管５０１ｃが導波管アンテナ部６０１ｃを構成する。
図５０では、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｃ（図示せず。）は接続点１０ａ乃至１０ｃから下方に垂直に延在して設けられ、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｃをそれぞれ含む３つの方形導波管５０１ａ乃至５０１ｃは、図２に示された導波管アンテナ部５０１ａ乃至５０１ｄと同様に構成される。また、アンテナ素子１３ａ及び１３ｂを含む各方形導波管５０１ａ及び５０１ｂはそれぞれの開放端において、当該方形導波管５０１ａ及び５０１ｂを構成する側面導体のうちの互いに隣接する２つの側面導体の端部が互いに接続される。また、アンテナ素子１３ｂ及び１３ｃを含む各方形導波管５０１ｂ及び５０１ｃはそれぞれの開放端において、当該方形導波管５０１ｂ及び５０１ｃを構成する側面導体のうちの互いに隣接する２つの側面導体の端部が互いに接続される。さらに、アンテナ素子１３ｃ及び１３ａを含む各方形導波管５０１ｃ及び５０１ａはそれぞれの開放端において、当該方形導波管５０１ｃ及び５０１ａを構成する側面導体のうちの互いに隣接する２つの側面導体の端部が互いに接続される。従って、３つの方形導波管５０１ａ乃至５０１ｃは、それぞれの開放端が正三角形の対応する辺上に位置するように、その開放端を内側に向け、終端導体を外側に向けて設けられる。このように導波管アレーアンテナ装置を製作することによって、所望の放射指向特性を有し、また第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置よりも簡単な構成のアンテナ装置を提供できる。
第１１の実施形態．
図５１は、本発明の第１１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す上面図である。本実施形態では、第１０の実施形態と同様の変形例として、アンテナ素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆをそれぞれ含む６つの導波管アンテナ部６０１ａ，６０１ｂ，６０１ｃ，６０１ｄ，６０１ｅ，６０１ｆの開放端が、上から見たときに正六角形の形状になるように配置された導波管アレーアンテナ装置を構成している。このように導波管アレーアンテナ装置を製作することによって、所望の放射指向特性を有するアンテナ装置を提供できる。
第１０及び第１１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置において、第５乃至第９の実施形態と同様にアンテナ内部に誘電体４０を埋め込んでもよい。
第５乃至第１１の実施形態において、さらに、第１乃至第４の実施形態と同様に、図１５乃至図１７で図示した整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２を備えてもよい。また、第１乃至第４の実施形態と同様に、図１８及び図１９で図示した指向特性制御導体２０ａ，２０ａ−１を備えてもよい。この場合、整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２又は指向特性制御導体２０ａ，２０ａ−１は、誘電体基板のスルーホール導体や導体パターンのパターンにより形成してもよい。
なお、第１乃至第４の実施形態で説明した変形例は、第５乃至第１１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置においてすべて適用可能である。
また、第５乃至第１１の実施形態に係る複数の当該導波管アレーアンテナ装置をアレー状に配置し、フェーズドアレーアンテナ及びアダプティブアンテナアレーを構成してもよく、さらなる放射電波の指向特性を制御できる。
以上の各実施形態や変形例において、１個の整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２を備えているが、本発明の実施形態はこれに限らず、複数の整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２を備えてもよい。また、以上の各実施形態や変形例において、１個の指向特性制御導体２０ａ，２０ａ−１を備えているが、本発明はこれに限らず、複数の指向特性制御導体２０ａ，２０ａ−１を備えてもよい。
以上説明したように、本発明に係る実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置によれば、薄型である構造のアンテナ装置であって、かつ一方向により強い指向性を有する複数の導波管アンテナ部６０１ａ乃至６０１ｆを選択的に切り替えて動作させることにより、所望方向に対してより強い指向性を有するアンテナ装置を実現できる。また、上記選択的な切り替えに代えて、複数の無線信号を制御して合成することにより所望方向に対してより強い指向性を有するアンテナ装置を実現できる。
第１２の実施形態．
図５２は本発明の第１２の実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
図５２において、セクタパターンアンテナ装置は、例えば互いに異なる（好ましくは、互いに直交する）主ビーム方向のセクタパターンをそれぞれ有する４個のアンテナ部（本実施形態において、１つのアンテナ部によりアンテナ素子装置を構成する。）７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄを並置して構成される。ここで、アンテナ部７０１ａはスイッチ７０２ａの接点ａ、スイッチ７０４の接点ａ及び出力端子７０６を介して、無線受信回路及び無線送信回路を含む無線通信機回路９０に接続されるとともに、比較器７０７に接続される。また、スイッチ７０２ａの接点ｂは負荷インピーダンス素子７０３ａを介して接地される。アンテナ部７０１ｂはスイッチ７０２ｂの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｂ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に接続されるとともに、比較器７０７に接続される。また、スイッチ７０２ｂの接点ｂは負荷インピーダンス素子７０３ｂを介して接地される。アンテナ部７０１ｃはスイッチ７０２ｃの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｃ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に接続されるとともに、比較器７０７に接続される。また、スイッチ７０２ｃの接点ｂは負荷インピーダンス素子７０３ｃを介して接地される。アンテナ部７０１ｄはスイッチ７０２ｄの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｄ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に接続されるとともに、比較器７０７に接続される。また、スイッチ７０２ｄの接点ｂは負荷インピーダンス素子７０３ｄを介して接地される。
コントローラ７０５は、スイッチ７０４を順次、接点ａから接点ｂ、接点ｃ、接点ｄの順序で切り換えるが、これらの場合において、スイッチ７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄを以下のように切り換えるように制御する。
（１）スイッチ７０４が接点ａ側に切り替えられているとき、スイッチ７０２ａを接点ａ側に切り替える一方、他のスイッチ７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄをそれぞれ接点ｂ側に切り換える。これにより、アンテナ部７０１ａにより受信された無線信号はスイッチ７０２ａの接点ａ、スイッチ７０４の接点ａ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に出力されるとともに、比較器７０７に出力される。一方、他のアンテナ部７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄはそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ｂ，７０３ｃ，７０３ｄを介して接地される。
（２）スイッチ７０４が接点ｂ側に切り替えられているとき、スイッチ７０２ｂを接点ａ側に切り替える一方、他のスイッチ７０２ａ，７０２ｃ，７０２ｄをそれぞれ接点ｂ側に切り換える。これにより、アンテナ部７０１ｂにより受信された無線信号はスイッチ７０２ｂの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｂ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に出力されるとともに、比較器７０７に出力される。一方、他のアンテナ部７０１ａ，７０１ｃ，７０１ｄはそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ａ，７０３ｃ，７０３ｄを介して接地される。
（３）スイッチ７０４が接点ｃ側に切り替えられているとき、スイッチ７０２ｃを接点ａ側に切り替える一方、他のスイッチ７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｄをそれぞれ接点ｂ側に切り換える。これにより、アンテナ部７０１ｃにより受信された無線信号はスイッチ７０２ｃの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｃ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に出力されるとともに、比較器７０７に出力される。一方、他のアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｄはそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ａ，７０３ｂ，７０３ｄを介して接地される。
（４）スイッチ７０４が接点ｄ側に切り替えられているとき、スイッチ７０２ｄを接点ａ側に切り替える一方、他のスイッチ７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃをそれぞれ接点ｂ側に切り換える。これにより、アンテナ部７０１ｄにより受信された無線信号はスイッチ７０２ｄの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｄ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に出力されるとともに、比較器７０７に出力される。一方、他のアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃはそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ａ，７０３ｂ，７０３ｃを介して接地される。
以上のようにスイッチ７０４が順次切り替えられるときに、比較器７０７は、各アンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄにより受信される各無線信号の信号レベル（又は電力レベル）を比較器７０７内のメモリに一時的に格納して、各無線信号の信号レベルを比較し、最大の信号レベルを有する無線信号を受信したアンテナ部に関する情報をコントローラ７０５に出力する。これに応答して、コントローラ７０５は、最大の信号レベルを有する無線信号を受信したアンテナ部を出力端子７０６に接続するように、スイッチ７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄ及びスイッチ７０４を制御する。このとき、スイッチ７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄにおいては、上述のように、１つのスイッチ（７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄのうちの１つ）が接点ａ側に接続されているとき、他のスイッチは接点ｂ側に接続される。なお、上記のコントローラ７０５の処理は、本来の通信に先立って実行してもよいし、通信の実行中においてその中で実行してもよい。
本実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置においては、水平面又は垂直面において空間を分割し、それぞれの空間をカバーするアンテナ部の組により構成される。空間を分割することにより電波の放射方向を絞ることが可能になり、強い指向性を実現し高感度化が図れる。従って、セクタパターンアンテナ装置では、セクタパターンの数だけのアンテナ部が必要で、このうち最も強く受信したアンテナ部のみを出力端子７０６に接続して動作させることが好ましい。また、出力端子７０６に接続していないアンテナ部については負荷インピーダンス素子を接続しているので、アンテナ部間におけるアイソレーションによる放射特性の劣化を防止し、負荷インピーダンス素子の素子値を適当に選ぶことにより当該アンテナ装置の感度又は放射利得を向上できる。
なお、図５２の実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置においては、４つのアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄを備えた場合について説明しているが、本発明はこれに限らず、２つ以上の複数個のアンテナ部を並置して備えてもよい。ここで、複数個のアンテナ部はそれぞれ互いに異なる主ビーム方向のセクタパターンを有し、より好ましくは、複数個のアンテナ部はそれぞれ互いに直交する主ビーム方向のセクタパターンを有する。
図５３は図５２のセクタパターンアンテナ装置の具体的構成例の外観を示す斜視図であり、図５４は図５３のセクタパターンアンテナ装置の一部の外観を示す斜視図である。また、図５５は図５３のセクタパターンアンテナ装置の試作機の設計例を示す斜視図である。
図５３乃至図５５において図示された構成例において、４つのアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄにより水平面を４つのセクタパターンに分割して送受信可能なセクタパターンアンテナ装置を構成している。すなわち、このセクタパターンアンテナ装置では、１つのアンテナ部が水平面において９０度のエリアをカバーしている。すなわち、アンテナ部７０１ａは−Ｘ軸方向に主ビーム方向を有するセクタパターンを有し、アンテナ部７０１ｂは−Ｙ軸方向に主ビーム方向を有するセクタパターンを有し、アンテナ部７０１ｃはＸ軸方向に主ビーム方向を有するセクタパターンを有し、アンテナ部７０１ｄはＹ軸方向に主ビーム方向を有するセクタパターンを有する。従って、４つのアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄは互いに直交する主ビーム方向を有するセクタパターンを有する。
図５３のセクタパターンアンテナ装置は以下に示すような、いわゆる「筐体一体型導波管アレーアンテナ装置」を構成している。図５３において、４つのアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄはそれぞれ、ＸＹ平面上に位置した正方形形状（最も好ましくは、正方形形状であるが、矩形形状であってもよい。）の接地導体７１１上に設けられ、方形導波管８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃ，８０３ｄとアンテナ素子７１３ａ乃至７１３ｄを備えて、いわゆる「導波管アンテナ部」を構成する。ここで、各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄは、接地導体７１１と、この接地導体７１１に対向する天井導体７１５ａ乃至７１５ｄと、接地導体７１１と天井導体７１５ａ乃至７１５ｄとを連結する仕切壁導体７１８ａ乃至７１８ｄとから構成され、互いに隣接する２つの方形導波管（８０３ａ，８０３ｂ），（８０３ｂ，８０３ｃ），（８０３ｃ，８０３ｄ），（８０３ｄ，８０３ａ）の間で仕切壁導体を共有するように隣接して並置される（例えば、天井導体７１５ａを含む方形導波管８０３ａと、天井導体７１５ｄを含む方形導波管８０３ｄとの間で、仕切壁導体７１８ａを共有している）。
各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄは、終端導体７１７ａ乃至７１７ｄにより短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、終端導体７１７ａ乃至７１７ｄにより短絡された端部は、正方形の接地導体７１１の辺上に位置するように設けられ、開放された端部は、正方形の接地導体７１１の対角線上の、より小さい正方形（図示せず。）の辺上に位置するように設けられ、各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄは接地導体７１１上の小さい正方形の辺から外側に向かって延在する。また、アンテナ素子７１３ａ乃至７１３ｄは、一端が天井導体７１５ａ乃至７１５ｄであって各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄの開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が接地導体７１１上に位置する給電点７１２ａ乃至７１２ｄに電気的に接続されている。各アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄは、当該アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄを構成する各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄの開放された端部において所定の放射指向特性で無線信号を送受信する。各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄは接地導体７１１上に異なる向きで設けられているので、これら４つのアンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄの放射指向特性の主ビームはそれぞれ異なる方向を向き、ゆえに、無線信号を送受信するアンテナ素子を選択的に切り替えることによって当該アンテナ装置の指向特性を変化できる。
また、図５３において、正方形形状の接地導体７１１の四辺上に、接地導体７１１と同じ長さの辺と所定長さ（すなわち高さ）の垂直方向の辺とを有する矩形形状の終端導体７１７ａ乃至７１７ｄがＸＹ平面に垂直にそれぞれ設けられ、接地導体７１１の対角線上に、終端導体７１７ａ乃至７１７ｄの高さと同じ長さの辺と所定長さの辺とを有する矩形形状の仕切壁導体７１８ａ乃至７１８ｄが、ＸＹ平面に垂直に、かつ頂点を接地導体７１１の頂点に合わせて設けられる。さらに、終端導体７１７ａ乃至７１７ｄ及び仕切壁導体７１８ａ乃至７１８ｄ上に、接地導体７１１に対向して台形形状の天井導体７１５ａ乃至７１５ｄが設けられる。従って、仕切壁導体７１８ａは、その上端において台形形状の天井導体７１５ａ及び７１５ｄの斜辺と接続され、その下端において接地導体７１１と接続され、その左右端部において終端導体７１７ａ及び７１７ｄと接続されている。
ここで、天井導体７１５ａは終端導体７１７ａと仕切壁導体７１８ａ及び７１８ｂの上に設けられ、詳しくは、底面の接地導体７１１と、当該導波管アレーアンテナ装置の上面にこの接地導体７１１に対向して配置された台形形状の天井導体７１５ａと、天井導体７１５ａの台形の２つの斜辺において上記接地導体７１１及び上記天井導体７１５ａをそれぞれ連結する仕切壁導体７１８ａ及び７１８ｂとにより矩形断面が小さくなるテーパー形状の方形導波管８０３ａが形成され、この方形導波管８０３ａの、より広い断面を有する側の端部は、矩形形状の終端導体７１７ａによって終端密閉されて短絡される一方、上記方形導波管８０３ａの、より狭い断面を有する側の端部は開放状態となっている（以下、こちらの端部を開放端という。）。ここで、これら接地導体７１１と仕切壁導体７１８ａ及び７１８ｂと天井導体７１５ａと終端導体７１７ａとは、互いに機械的かつ電気的に接続されるように連結されて、Ｘ軸方向に平行な方向に無線信号を伝搬しかつ−Ｘ軸方向の端部が閉じられた方形導波管８０３ａを構成している。また、天井導体７１５ａであって、方形導波管８０３ａの開放端及びアンテナ素子７１３ｃの近傍であって、方形導波管８０３ａの長手の伝搬方向に対して垂直な方向に長手方向を有するスロット７１６ｃが形成されている。
次いで、天井導体７１５ａの下面の、＋Ｘ軸方向の端部近傍でありかつＹ軸方向の中心における接続点７１０ａに、導体線からなるアンテナ素子７１３ａの一端が半田付けにより機械的及び電気的に接続される。一方、アンテナ素子７１３ａは接続点７１０ａから下方に向かって垂直に延在し、さらに、アンテナ素子７１３ａの他端は、接地導体７１１上のＸ軸上に形成された円形孔において、接地導体７１１とは電気的に絶縁された給電点７１２ａに接続される。当該給電点７１２ａはさらに、例えば同軸ケーブルの中心導体に電気的に接続され、また、同軸ケーブルの接地導体は接地導体７１１に電気的に接続される。これにより、無線通信機回路９０から無線信号が同軸ケーブルを介して給電点７１２ａに給電される。また、方形導波管８０３ａとアンテナ素子８１３ａとにより導波管アンテナ部９０３ａが構成される。
また、天井導体７１５ｂはスロット７１６ｂを有して終端導体７１７ｂと仕切壁導体７１８ｂ及び７１８ｃの上に設けられ、天井導体７１５ｃはスロット７１６ｃを有して終端導体７１７ｃと仕切壁導体７１８ｃ及び７１８ｄの上に設けられ、天井導体７１５ｄはスロット７１６ｃを有して終端導体７１７ｄと仕切壁導体７１８ｄ及び７１８ａの上に設けられ、アンテナ素子７１３ｂ，７１３ｃ及び７１３ｄを含む導波管アンテナ部９０３ｂ乃至９０３ｄも、同様に構成される。
さらに、アンテナ素子７１３ａの近傍であってそれに対して平行となるように、天井導体７１５ｃと接地導体７１１との間に、アンテナ素子７１３ａの入力インピーダンスを調整するための整合導体７１４ａが接続されている。また、アンテナ素子７１３ｂの近傍であってそれに対して平行となるように、天井導体７１５ｂと接地導体７１１との間に、アンテナ素子７１３ｂの入力インピーダンスを調整するための整合導体７１４ｂが接続されている。さらに、アンテナ素子７１３ｃの近傍であってそれに対して平行となるように、天井導体７１５ｃと接地導体７１１との間に、アンテナ素子７１３ｃの入力インピーダンスを調整するための整合導体７１４ｃが接続されている。またさらに、アンテナ素子７１３ｄの近傍であってそれに対して平行となるように、天井導体７１５ｄと接地導体７１１との間に、アンテナ素子７１３ｄの入力インピーダンスを調整するための整合導体７１４ｄが接続されている。なお、１つのアンテナ部に対して１本の整合導体を設けているが、複数本の整合導体を設けてもよい。
図５３の構成例では、互いに隣接する２つの方形導波管の側面導体をそれぞれ仕切壁導体７３１ａ乃至７３１ｄとして一体化されているので、その構造が簡単化されたアンテナ装置を提供できる。アンテナ装置の構造をさらに簡単化するために、天井導体７１５ａ乃至７１５ｄは、一体化された単一の導体板にて構成されてもよい。
図５３の構成例において、各アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄから放射される電波の位相を揃えるためにスロット７１６ａ乃至７１６ｄを形成しているが、本発明はこれに限らず、スロット７１６ａ乃至７１６ｄを形成しなくともよい。
ここで、天井導体７１５ａ乃至７１５ｄと終端導体７１７ａ乃至７１７ｄと接地導体７１１にてなる筐体部で囲まれた空間をアンテナ内部と呼び、天井導体７１５ａ乃至７１５ｄ、終端導体７１７ａ乃至７１７ｄ、又は接地導体７１１に対してアンテナ内部と反対側の空間をアンテナ外部という。なお、アンテナ内部の少なくとも一部を所定の誘電体を充填してもよく、この場合、アンテナ装置のサイズを小型化できる。
図５３の構成例では、一例として、接地導体７１１と終端導体７１７ａ乃至７１７ｄと天井導体７１５ａ乃至７１５ｄが電気的に接続され、各給電点７１２ａ乃至７１２ｄがＸ軸又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子７１２ａ乃至７１２ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成されている場合を示している。
以上のように構成されたアンテナ装置では、例えば、図５４に示すように、アンテナ素子７１３ａに給電すると、＋Ｚ軸方向でかつ＋Ｘ軸方向の方向により強い指向性が得られる。従って、図５３においてアンテナ素子７１３ｂに給電すると＋Ｙ軸方向により強い電波が放射され、アンテナ素子７１３ｃに給電すると−Ｘ軸方向により強い電波が放射される。また、アンテナ素子７１３ｄに給電すると−Ｙ軸方向により強い電波が放射される。なお、短絡導体７１７ａ乃至７１７ｄはそれぞれアンテナ素子７１３ａ乃至７１３ｄと給電点７１２ａ乃至７１２ｄとのインピーダンス整合をとり、高効率のエネルギー伝達を行うためのものであり、アンテナ装置の寸法、形状により不要の場合がある。
図５６及び図５７は図５５の試作例のセクタパターンアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける測定結果であって、図５６は図５５のセクタパターンアンテナ装置の入力端反射係数の周波数特性を示すグラフであり、図５７は図５５のセクタパターンアンテナ装置のアイソレーションの周波数特性を示すグラフである。ここで、図５６は一例としてアンテナ素子７１３ａの場合を示している。他のアンテナ素子７１３ｂ乃至７１３ｄにおいてはそれぞれ、その給電点７１２ｂ乃至７１２ｄは負荷インピーダンス素子７０３ｂ乃至７０３ｄによりインピーダンス整合されている。図５６から明らかなように、本試作アンテナ装置では周波数２．５ＧＨｚにおいて−２４ｄＢのきわめて小さい入力端反射係数が得られ、効率よく放射できることがわかる。
また、図５７はアンテナ素子７１３ａと他のアンテナ素子７１３ｂ乃至７１３ｄ間におけるアイソレーションの周波数特性を示している。図５７から明らかなように、アンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｂ間のアイソレーション、及びアンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｄ間のアイソレーションは同じであることがわかる。これは、セクタパターンアンテナ装置の対称性によるものである。また、周波数２．５ＧＨｚにおいて、アンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｃ間のアイソレーションは８ｄＢであり、アンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｂ間のアイソレーション、及びアンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｄ間のアイソレーションは１２ｄＢである。これにより、１対のアンテナ素子７１３ａ，７１３ｃが対向する、アンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｃ間のアイソレーションが最も悪いことがわかる。すなわち、アンテナ素子７１３ａが動作する場合、アンテナ素子７１３ｃの影響を最も受ける。
図５８及び図５９は図５５のセクタパターンアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける測定結果であって、図５８は図５５のセクタパターンアンテナ装置の水平面放射特性を示すグラフであり、図５９は図５５のセクタパターンアンテナ装置の垂直面放射特性を示すグラフである。なお、図５８及び図５９では、一例としてアンテナ素子７１３ａの場合を示している。また、他のアンテナ素子７１３ｂ乃至７１３ｄの給電点７１２ｂ乃至７１２ｄは負荷インピーダンス素子７０３ｂ乃至７０３ｄによりインピーダンス整合されている。
図５８に示すように、−Ｘ軸方向に強い指向性が確認できる。最大放射利得は７．１ｄＢｉで、水平面における利得として、−Ｘ軸方向に４．１ｄＢｉ、＋Ｘ軸方向に２．７ｄＢｉが得られている。通信を行っている無線通信装置間では、通常は無線通信装置の置かれている高さの差よりも無線通信装置間の距離の方がきわめて大きい。従って、このような場合、水平面及び低仰角方向における利得の大きいアンテナ部を用いることで、カバーエリアを広げることができる。当該アンテナ装置では、−Ｘ軸方向に４．１ｄＢｉの比較的大きな利得を得ており、水平面に強く放射する基本アンテナの１つであるダイポールアンテナの利得２．２ｄＢｉよりも１．９ｄＢ強く放射が得られている。しかしながら、逆方向にも２．７ｄＢｉの比較的大きな利得がある。従って、受信の場合には、背後からの不要な妨害波を受ける可能性があり、送信の場合には背後への不要放射が問題になる。そこで、水平面における利得の向上のみならず、アンテナのカバー方向以外における利得との差も大きいことが重要である。なお、当該アンテナ装置の場合には水平面での利得差は１．４ｄＢである。
図５３のアンテナ装置を用いて図５２に示すセクタパターンアンテナ装置を構成した場合において、図５２における負荷インピーダンス素子７０３ａ乃至７０３ｄを変化させたときの、セクタパターンを構成するアンテナ装置の放射特性の変化を調べる。ここでは、図５３におけるアンテナ素子７１３ａに給電したときの放射利得を調べる。このとき、図５３におけるアンテナ素子７１３ｂ乃至７１３ｄにはそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ｂ乃至７０３ｄが接続される。負荷インピーダンス素子７０３ａ乃至７０３ｄのインピーダンス値はそれぞれＺａ乃至Ｚｄで表され、次式で表される。
Figure 2005043676
ここで、ｊは虚数単位である。
第１２の実施形態の第１の実施例．
図６０は本発明の第１２の実施形態の第１の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
図６０に示すように、アンテナ素子７１３ａに最も影響が大きいアンテナ素子７１３ｃの負荷インピーダンス素子７０３ｃ（インピーダンス値Ｚｃ）のみを変化させた場合の検討を行う。ここで、負荷インピーダンス素子７０３ｃには、損失がないように抵抗成分Ｒｃは０とし、リアクタンス値成分Ｘｃのみを持たせた。すなわち、アンテナ部７０１ｂ及び７０１ｄはその入力インピーダンスに等しい抵抗値（例えば、５０Ω）を有する負荷インピーダンス素子７０３ｂ，７０３ｄを用いて整合終端されている。
図６１は図６０のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、負荷インピーダンス素子７０３ｃのリアクタンス値Ｘｃに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。また、他の負荷インピーダンス素子７０３ｂ及び７０３ｄのインピーダンス値Ｚｂ，Ｚｄを５０Ωとし、無反射となるようにした。アンテナ素子７１３ａに給電した場合における放射利得の変化を図６１に示している。図６１において、Ｇ１８０は−Ｘ軸方向（１８０度方向）の放射利得［ｄＢｉ］（なお、ｄＢｉで示す放射利得は、アイソトロピックアンテナを基準とする絶対利得である。）で所望方向の利得である。また、Ｇ０は＋Ｘ軸方向（０度方向）の利得［ｄＢｉ］であり、主ビーム方向のセクタパターン外における最大の放射利得となる。Ｇｍａｘは最大放射利得［ｄＢｉ］であり、（Ｇ１８０−Ｇ０）［ｄＢ］は所望方向の利得と、不要方向の利得との利得差である相対利得である。
図６１から明らかなように、負荷インピーダンス素子７０３ｃのリアクタンス値Ｘｃを変化させることにより、放射利得（Ｇ１８０−Ｇ０）、Ｇｍａｘともに変化することがわかる。特に、放射利得Ｇ１８０とＧ０にはそれぞれ最大値を与えるリアクタンス値Ｘｃが存在することがわかる。所望波方向（０度方向）に最大利得の主ビームを有する放射利得Ｇ１８０に関しては、リアクタンス値Ｘｃが−２０≦Ｘｃ≦０［Ω」において、最大値５．４ｄＢｉを得る。また、リアクタンス値Ｘｃが−５０≦Ｘｃ≦３０［Ω」において４．５ｄＢｉ以上の高利得な指向特性を得ることができる。一方、放射利得Ｇ０は小さいことが望まれる。例えば２ｄＢｉ以下となるリアクタンス値Ｘｃの範囲はＸｃ≦−３０［Ω」である。また、所望方向と不要方向の利得差である相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は大きいことが望まれるが、リアクタンス値Ｘｃが大きくなるに伴い小さくなることがわかる。一方、最大放射利得Ｇｍａｘは、リアクタンス値Ｘｃ≧０において７ｄＢｉの高利得特性を得ている。なお、図６１には示していないが、この範囲内における最大放射利得はアンテナ部７０１ａの主ビームのセクタパターン内にある。
本実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置においては、所望方向への比較的大きな利得と不要方向への低利得の放射特性が望まれている。そこで、ここでは、放射利得Ｇ１８０が４ｄＢｉ以上、最大放射利得Ｇｍａｘが７ｄＢｉ以上で、放射利得Ｇ０が２ｄＢｉ以下となることを目安にする。この範囲に含まれるのは、リアクタンス値が−５０≦Ｘｃ≦−３０［Ω」であるときである。このとき、放射利得Ｇ１８０は４．６〜５．２ｄＢｉ、放射利得Ｇ０は０．３〜１．９ｄＢｉであり、最大放射利得Ｇｍａｘは７．８〜７．９ｄＢｉである。
図６２及び図６３は図６０のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、図６２は図６０のセクタパターンアンテナ装置の水平面放射特性を示すグラフであり、図６３は図６０のセクタパターンアンテナ装置の垂直面放射特性を示すグラフである。本発明の第１２の実施形態の第１の実施例における最適値としてリアクタンス値Ｘｃ＝−４０［Ω」とする。このときの放射パターンを図６２及び図６３に示しており、放射利得Ｇ１８０は４．９ｄＢｉで、放射利得Ｇ０は１．１ｄＢｉで、相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は３．８ｄＢとなり、最大放射利得Ｇｍａｘは７．９ｄＢｉであった。
図６４は、本発明の第１２の実施形態の第１の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。図６０の装置構成では、１つのアンテナ部に対して２つの負荷インピーダンス素子値を選択的に切り換えて設定する必要があるために、図６４に示すように、例えばアンテナ部７０１ａに接続される負荷インピーダンス素子を２つ用意する必要がある。図６４の構成例では、図５２のスイッチ７０２ａに代えて１対３のスイッチ７０２ａ−１を設ける必要があり、スイッチ７０２ａ−１の接点ａはスイッチ７０４の接点ａを介して出力端子７０６に接続され、スイッチ７０２ａ−１の接点ｂは負荷インピーダンス素子７０３ａ１を介して接地され、スイッチ７０２ａ−１の接点ｃは負荷インピーダンス素子７０３ａ２を介して接地される。ここで、例えば、負荷インピーダンス素子７０３ａ１のインピーダンス値を−ｊ４０Ωとし、負荷インピーダンス素子７０３ａ２のインピーダンス値を５０Ωにすれば、図６０の装置構成を実現できる。なお、図６４の構成例では、アンテナ素子７１３ａに給電する場合、すなわちアンテナ部７０１ａを動作させる場合について説明したが、他のアンテナ部７０１ｂ乃至７０１ｄにおいても、図６４の装置構成を用いる。
負荷インピーダンス素子７０３ｂのインピーダンス値Ｚｃは５０［Ω］である、図５３のアンテナ装置では、図５８及び図５９に示すように、最大放射利得Ｇｍａｘは７．１ｄＢｉで、放射利得Ｇ１８０は４．１ｄＢｉ、放射利得Ｇ０は２．７ｄＢｉ、相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は１．４ｄＢが得られていた。従って、図６４の装置によれば、最大放射利得Ｇｍａｘは０．８ｄＢの向上、放射利得Ｇ１８０は０．７ｄＢの向上、放射利得Ｇ０は−１．６ｄＢの減少、相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は２．４ｄＢが向上し、いずれの特性も良好な特性が得られていた。このように、対向する各対のアンテナ部に適切な負荷インピーダンス素子を備えることによりセクタパターンアンテナ装置としての放射特性を向上できる。
図６５は本発明の第１２の実施形態の第２の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第２の実施例では、図６５に示すように、リアクタンス値Ｘｃ＝Ｘｂ＝Ｘｄ≡Ｘとした場合の特性を調べる。このとき、すべての負荷インピーダンス素子７０３ａ乃至７０３ｄは同じであるため、図６４のように負荷インピーダンス素子をそれぞれ２つ用意する必要はなく、図５２に示すように１つの負荷インピーダンス素子でよい。
図６６は図６５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｃ＝Ｘｄに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。図６６から明らかなように、図６１の場合と若干異なるが、負荷インピーダンス素子７０３ｂ乃至７０３ｄのリアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｃ＝Ｘｄを変化させることにより、図６１の場合とほぼ同様の結果が得られていることがわかる。放射利得Ｇ１８０と放射利得Ｇ０が図６１の場合に比較して若干小さくなっているが、全体的に放射利得Ｇ１８０よりも放射利得Ｇ０の減少幅は大きく、相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は図６１の場合に比較して大きくなった。また、最大放射利得Ｇｍａｘも図６１の場合に比較して大きくなっている。
図６１の場合と同様に、放射利得Ｇ１８０が４ｄＢｉ以上、最大放射利得Ｇｍａｘが７ｄＢｉ以上で、放射利得Ｇ０が２ｄＢｉ以下となることを目安にすると、この範囲に含まれるのは、リアクタンス値Ｘが−５０≦Ｘ≦−２０［Ω］であるときである。このとき、放射利得Ｇ１８０は４．２〜４．８ｄＢｉで、放射利得Ｇ０は０．４〜１．６ｄＢｉであり、最大放射利得Ｇｍａｘは７．８〜８．１ｄＢｉである。そこで、ここでは最適値としてＸ＝−４０［Ω」とする。
図６７及び図６８は図６５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、図６７は図６５のセクタパターンアンテナ装置の水平面放射特性を示すグラフであり、図６８は図６５のセクタパターンアンテナ装置の垂直面放射特性を示すグラフである。
図６７及び図６８から明らかなように、放射利得Ｇ１８０は４．４ｄＢｉで、放射利得Ｇ０は０．６ｄＢｉであり、これより相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は３．８ｄＢとなり、最大放射利得Ｇｍａｘは８．０ｄＢｉであった。このように、図６０に示す構成とほぼ同様の結果が得られた。放射利得Ｇ１８０は、第１２の実施形態の第１の実施例に比較して若干低くなったが、第１２の実施形態の第２の実施例では負荷インピーダンス素子を１つにできるために１対２のスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄを使用できるという利点がある。また、第１２の実施形態の第１の実施例に比べて負荷インピーダンス素子のインピーダンス値Ｘに対して利得の変化量が少ないために、素子ばらつきの影響を受けにくいという利点もある。
以上においては、アンテナ素子７１３ａに給電する場合、すなわちアンテナ部７０１ａを動作させる場合について説明したが、他のアンテナ部７０１ｂ乃至７０１ｄについても同様に構成すれば、同様の効果が得られる。
第１２の実施形態の第３の実施例．
図６９は本発明の第１２の実施形態の第３の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第３の実施例においては、図６９に示すように、負荷インピーダンス素子７０３ｃのリアクタンス値Ｘｃを一定にし、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄ≡Ｘとしてリアクタンス値Ｘを変化させた場合の特性を調べる。ここで、リアクタンス値Ｘｃ＝−４０［Ω］とした。このとき、図６４の構成例のように負荷インピーダンス素子をそれぞれ２つ用意する必要がある。
図７０は図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。図７０から明らかなように、負荷インピーダンス素子７０３ｂ，７０３ｄのリアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄ＝Ｘを変化させても、放射利得Ｇ１８０はほとんど変化しないことが分かった。しかしながら、放射利得Ｇ０はリアクタンス値Ｘ＝２０〜３０［Ω］で極小となることがわかる。すなわち、相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）はこのとき極大値を得る。最大放射利得Ｇｍａｘも緩やかに減少することがわかる。
第１２の実施形態の第１及び第２の実施例と同様に、放射利得Ｇ１８０が４ｄＢｉ以上、最大放射利得Ｇｍａｘが７ｄＢｉ以上で、放射利得Ｇ０が２ｄＢｉ以下となることを目安にすると、この範囲に含まれるのは、負荷インピーダンス素子７０３ｂ，７０３ｄのリアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄ＝Ｘが５０≦Ｘ≦３０［Ω］である。このとき、放射利得Ｇ１８０は４．０〜４．５ｄＢｉで、放射利得Ｇ０は−１．４〜１．０ｄＢｉであり、最大放射利得Ｇｍａｘは７．０〜８．１ｄＢｉである。そこで、ここでは最適値としてＸ＝２０［Ω］とする。
図７１及び図７２は、図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、図７１は図６９のセクタパターンアンテナ装置の水平面放射特性を示すグラフであり、図７２は図６９のセクタパターンアンテナ装置の垂直面放射特性を示すグラフである。図７１及び図７２から明らかなように、放射利得Ｇ１８０は４．０ｄＢｉで、放射利得Ｇ０は−１．４ｄＢｉとなり、これにより相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は５．４ｄＢとなり、最大放射利得Ｇｍａｘは７．２ｄＢｉであった。このように、上述の第１２の実施形態の第１及び第２の実施例に比べて放射利得Ｇ１８０はより小さい結果となった。
本実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置では、水平面を４つのセクタパターンに分割しているために、１つのアンテナ部がカバーする水平面の角度は９０度である。従って、本来この半値幅が９０度であることが最も望ましい。従って、セクタパターンを有するアンテナ部において、放射利得の他に水平面における半値幅をカバーエリアの角度（本実施形態のとき、９０度）に近づけることが望まれる。しかしながら、図６２と図６７の水平面放射パターンでは、利得の最大値よりも半分になる角度幅である半値幅がいずれも６５度と若干狭い値であった。この値が９０度に近い方が望まれるが、図７１の放射パターンは図６２と図６７に比べて広く、半値幅は７５度であった。
図７３は図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄに対するセクタパターンの半値幅を示すグラフである。図７３では、負荷インピーダンス素子７０３ｃのリアクタンス値ＸｃをＸｃ＝−４０［Ω］とした場合における他の負荷インピーダンス素子７０３ｂ，７０３ｄの各リアクタンス値Ｘ（≡Ｘｂ＝Ｘｄ）を変化させたときの半値幅の変化を示す。図７３から明らかなように、リアクタンス値Ｘ＝３０［Ω］のときに、半値幅は７６度と最大値を取ることがわかる。また、第１２の実施形態の第３の実施例において放射特性を示したＸ＝２０［Ω］のときも半値幅は７５度とほぼ最大値に近い値が得られていることがわかる。このように構成することにより半値幅も可変なセクタパターンアンテナ装置を構成できる。
以上の第１２の実施形態の各実施例では、アンテナ素子７１３ａに給電する場合、すなわちアンテナ部７０１ａを動作させる場合について説明したが、他のアンテナ部７０１ｂ乃至７０１ｄに給電する場合であっても同様に構成して同様の効果を得ることができる。
上述の第１２の実施形態の第１乃至第３の実施例において、負荷インピーダンス素子７０３ａ乃至７０３ｄとして、可変容量コンデンサ又は可変容量ダイオードを用いることで、２つの静電容量を１つの素子で実現できる。この場合、負荷インピーダンス素子を１つにできるために素子数の低減のみならず、１対２のスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄを使用できるという利点がある。
第１２の実施形態の第１の変形例．
図７４は本発明の第１２の実施形態の第１の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第１の変形例では、スイッチ７０４の各接点ａ乃至ｄに入力される無線信号を比較し、その比較結果に基づき、コントローラ７０５はスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄとスイッチ７０４を制御する。この場合、まず、スイッチ７０２ａ乃至７０２ｄをすべて接点ａ側に切り替えてアンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄをそれぞれスイッチ７０４の接点ａ乃至ｄと接続し、比較器７０７は、各アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄで受信された４つの無線信号の信号レベル（又は電力レベル）を比較し、最大の信号レベルを有するアンテナ部の情報をコントローラ７０５に出力する。これに応答して、コントローラ７０５は、最大の信号レベルを有するアンテナ部を出力端子７０６に接続するようにスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄ及びスイッチ７０４を制御し、他の信号レベルを有するアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するようにスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄを制御する。これにより、使用するアンテナ部の判定の高速化が図れる。また、図７４の装置によれば、図６０の装置構成と、図６５の装置構成と、図６９の装置構成とを組み合わせた装置構成を実現できる。
第１２の実施形態の第２の変形例．
図７５は本発明の第１２の実施形態の第２の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第２の変形例では、図７４のスイッチ７０３に代えて信号分配合成器７０８を用いたことを特徴としている。各アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄからの無線信号は、信号分配合成器７０８により合成され、合成後の無線信号は出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に出力される。また、無線通信機回路９０から出力端子７０６を介して入力される送信すべき無線信号は、信号分配合成器７０８により４分配され、分配後の４つの無線信号はそれぞれスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄの各接点ａを介して各アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄに出力される。そして、比較器７０７Ａは、一度に検出可能な４つの無線信号の信号レベルを検出してかつ互いに比較して最大の信号レベルを有するアンテナ部を判断でき、その情報をコントローラ７０５に出力する。
以上のように構成されたセクタパターンアンテナ装置では、コントローラ７０５からのスイッチ７０４への制御信号線を減らすことができ、当該制御回路の小型化を実現できる。また、コントローラ７０５の制御処理も軽減できる。
第１２の実施形態の第３の変形例．
図７６は本発明の第１２の実施形態の第３の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第３の変形例では、図７５に図示された第１２の実施形態の第２の変形例に比較して、アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄでそれぞれ受信された各無線信号の信号レベルを直接に比較器７０７Ｂにより比較し、比較器７０７Ｂは最大の信号レベルを有するアンテナ部の情報をコントローラ７０５に出力することを特徴としている。その他の構成は、第１２の実施形態の第２の変形例と同様である。第１２の実施形態の第３の変形例によれば、使用するアンテナ部の判定の高速化が図れるとともに、図６０の装置構成と、図６５の装置構成と、図６９の装置構成とを組み合わせた装置構成を実現できる。
第１２の実施形態の第４の変形例．
図７７は本発明の第１２の実施形態の第４の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第４の変形例は、第１２の実施形態の第２の変形例と第３の変形例とを組み合わせたものであり、図７６のスイッチ７０４に代えて、信号合成分配器７０８を備えて構成したことを特徴としている。当該第１２の実施形態の第４の変形例によれば、コントローラ７０５からのスイッチ７０４への制御信号線を減らすことができ、当該制御回路の小型化を実現できる。また、コントローラ７０５の制御処理も軽減できる。
第１２の実施形態の第５の変形例．
図７８は本発明の第１２の実施形態の第５の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。当該第１２の実施形態の第５の変形例では、スイッチ７０２ａ乃至７０２ｄ及びスイッチ７０４に代えて、４対４のスイッチ装置７０２Ａを設けたことを特徴としている。
図７８において、スイッチ７０２Ａは４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を備えて構成される。ここで、アンテナ部７０１ａは、端子Ｔ１１を介して４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の各接点ａに接続され、アンテナ部７０１ｂは、端子Ｔ１２を介して４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の各接点ｂに接続され、アンテナ部７０１ｃは、端子Ｔ１３を介して４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の各接点ｃに接続され、アンテナ部７０１ｄは、端子Ｔ１４を介して４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の各接点ｄに接続される。スイッチＳＷ１の共通端子Ｔ２１は出力端子７０６及び比較器７０７に接続される。また、スイッチＳＷ２の共通端子Ｔ２２は負荷インピーダンス素子７０３ａを介して接地され、スイッチＳＷ３の共通端子Ｔ２３は負荷インピーダンス素子７０３ｂを介して接地され、スイッチＳＷ４の共通端子Ｔ２４は負荷インピーダンス素子７０３ｃを介して接地される。
コントローラ７０５は、比較器７０５からの最大の信号レベルの無線信号を受信したアンテナ部（７０１ａ乃至７０１ｄのうちの１つ）の情報に基づいて、そのアンテナ部を出力端子７０６に接続する一方、他のアンテナ部をそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ａ，７０３ｂ，７０３ｄに選択的に接続するようにスイッチ装置７０２ＡのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を制御する。
以上のように構成された第１２の実施形態の第５の変形例では、４対４のスイッチ装置７０２Ａを用いることにより、部品点数の大幅削減と回路の簡単化が図れる。また、図７８の装置によれば、図６０の装置構成と、図６５の装置構成と、図６９の装置構成とを組み合わせた装置構成を実現できる。
第１２の実施形態の第６の変形例．
図７９は本発明の第１２の実施形態の第６の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第６の比較例では、図７８の比較器７０７に代えて、図７６の比較器７０７Ｂを備えたことを特徴としている。すなわち、アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄでそれぞれ受信された各無線信号の信号レベルを直接に比較器７０７Ｂにより比較し、比較器７０７Ｂは最大の信号レベルを有するアンテナ部の情報をコントローラ７０５に出力し、コントローラ７０５は、比較器７０５からの最大の信号レベルの無線信号を受信したアンテナ部の情報に基づいて、そのアンテナ部を出力端子７０６に接続する一方、他のアンテナ部をそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ａ，７０３ｂ，７０３ｄに選択的に接続するようにスイッチ装置７０２ＡのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を制御する。以上のように構成された第１２の実施形態の第６の変形例によれば、使用するアンテナ部の判定の高速化が図れるとともに、図６０の装置構成と、図６５の装置構成と、図６９の装置構成とを組み合わせた装置構成を実現できる。
以上説明したように、本発明に係る実施形態や変形例によれば、複数の導波管アンテナ部とスイッチ又はスイッチ装置とを備えることにより、小形で薄型形状を維持するとともに簡単な構造で、電波を放射したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現でき、送受信したい所望方向に最大の放射利得を有する主ビームを設定するように制御できるアンテナ装置を実現できる。
第１２の実施形態の他の変形例．
以上の第１２の実施形態の実施例及び変形例においては、互いに主ビーム方向が異なりかつ互いに直交するセクタパターンを有する４つのアンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄを備えたセクタパターンアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、以下のように、互いに主ビーム方向が異なる複数のセクタパターンを有する複数のアンテナ部を備えて構成してもよい。例えば、細長い空間をカバーするためには２方向に強く放射するアンテナが必要になるので、２つのセクタパターンのアンテナ部を備えたセクタパターンアンテナ装置を構成してもよい。この場合、送信又は受信で使用されていない方のアンテナ部に負荷インピーダンス素子を接続する。また、例えば、２つ又は５つ以上のセクタパターンのアンテナ部を備えたセクタパターンアンテナ装置を構成してもよい。セクタパターン数を増やすことにより、１つのセクタパターンの主ビームを鋭くし、エネルギーを集中させより大きな利得のセクタパターンを有するアンテナ装置を実現できる。
また、負荷インピーダンス素子は、チップの抵抗やコイルやコンデンサを用いて一端を接地することにより構成してもよい。このように構成することにより、回路の小型化が図れる。また、負荷インピーダンス素子がリアクタンス値成分のみである場合は、マイクロストリップラインや同軸線路等の高周波伝送線路の一端を短絡又は開放することにより、構成してもよい。これにより、損失の少ない、理想的な負荷インピーダンス素子を実現できる。
なお、上述の第１２の実施形態とその実施例又は変形例に係る装置構成を、第１乃至第１１の実施形態とその実施例又は変形例に係る装置構成に適用してもよい。
以上詳述したように、本発明に係るアンテナ装置によれば、それぞれセクタパターンの主ビームを用いて無線信号を送受信する複数のアンテナ部と、少なくとも１つの負荷インピーダンス素子と、上記複数のアンテナ部のうち無線信号の送受信を行うアンテナ部を無線通信機回路に接続する一方、他のアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するように制御する制御手段とを備える。従って、小形で薄型形状を維持するとともに簡単な構造で、電波を放射したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現でき、送受信したい所望方向に最大の放射利得を有する主ビームを設定するように制御できるアンテナ装置を実現できる。
本発明は、並置された複数のアンテナ部を備え、セクタパターンの主ビームを放射できるアンテナ装置と、それを用いた無線通信装置に関する。
従来技術に係るセクタパターンアンテナ装置の一例が、例えば特許文献１において開示されている。当該従来技術に係るセクタパターンアンテナ装置では、セクタ化三次元コーナリフレクタアンテナ装置において、当該装置を小型化するとともに、セクタ間のアンテナ特性を均一化したアンテナ装置を提供するために、セクタのそれぞれが、地板と、放射素子と、該放射素子の両側及び背面に設けられる反射板とから構成され、放射素子の両側の反射板は少なくともの１つのフィンを有することを特徴としている。ここで、好ましくは、地板と反射板とフィンは同一の金属で一体化して構成され、各セクタは円形に放射状に配置され、スイッチにより１つのセクタが選択される。フィンの数及び大きさは要求されるアンテナ特性に従って設計される。
従来技術に係るセクタパターンアンテナ装置において、側面導体の長さを２λ（λは、送受信する電波の基準周波数ｆ０の波長）、側面導体間のコーナ角を３０°、側面導体と反射導体の高さを０．６λとしたときの試作アンテナの放射指向性が特許文献１の図２において開示されている。なお、この試作アンテナにおいて、導体フィンは２枚で、導体フィンの幅は０．２λでその長さは１λに設定され、放射素子の後ろの反射導体とアンテナ素子の間隔を０．４λとしている。このとき、水平面内放射指向性は、特許文献１の図２（ａ）から、３ｄＢビーム幅３６°のセクタパターンビームとなっている。一方、垂直面内放射指向性はその図２（ｂ）からチルト角２６°、３ｄＢビーム幅３４°となる。導体フィンがない場合、３ｄＢビーム幅４２°のセクタパターンビームとなり、導体フィンにより６°狭くなっていることがわかる。また、導体フィンがない場合の垂直面内放射指向性はチルト角２６°、３ｄＢビーム幅３２°となる、導体フィンがある場合と同じである。
従って、特許文献１において開示された導体フィン付き三次元コーナリフレクタアンテナであるセクタパターンアンテナ装置では、導体フィンによる電磁界分布制御の効果により、垂直面内放射指向性の形状やチルト角をほとんど変えることなく、水平面内放射指向性のみビーム幅を鋭くすることができることが開示されている。以上説明したように、特許文献１記載のセクタパターンアンテナ装置によれば、簡単な構造で、所望の水平面指向性を持つ小型で優れたアンテナ装置を実現できる。
日本国特許出願公開平成９年１３５１１５号公報。
しかしながら、従来技術に係るセクタパターンアンテナ装置においては、次のような問題点があった。上述のように、従来技術に係るセクタパターンアンテナ装置は、アンテナ高（反射導体高）が０．６波長あり、薄型アンテナとは言えない。室内の天井等にアンテナを配置する場合は人目に付かないように小型で薄型の形状が望まれる。例えば、無線の周波数が９００ＭＨｚである場合、０．６波長は１９８ｍｍであり、アンテナ装置のカバーを考えると、少なくとも２００ｍｍ以上の高さになる。従って、薄型の形状にすることのできないために、人目に付きやすいという問題点があった。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して低いアンテナ高を有し、小型・軽量であって、所望の一方向に非常に強い指向性のセクタパターンの主ビームを放射することができ、しかもその指向性を切り替えることができるアンテナ装置とそれを用いた無線通信装置を提供することにある。
本発明に係るアンテナ装置は、それぞれセクタパターンの主ビームを用いて無線信号を送受信する複数のアンテナ部と、
少なくとも１つの負荷インピーダンス素子と、
上記複数のアンテナ部のうち無線信号の送受信を行うアンテナ部を無線通信機回路に接続する一方、他のアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、各アンテナ部の主ビーム方向が互いに異なるように配置されたことを特徴とする。
また、上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、各アンテナ部の主ビーム方向が互いに直交するように配置されたことを特徴とする。
さらに、上記アンテナ装置において、上記制御手段は、上記各アンテナ部で受信された無線信号のうち最大の信号レベルを有する無線信号を受信したアンテナ部を上記無線通信機回路に接続するように制御することを特徴とする。
上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの側面導体とからそれぞれ構成され、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、
上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする。
ここで、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする。
上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの側面導体とからそれぞれ構成され、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、少なくとも１つの上記方形導波管は、上記天井導体において、上記方形導波管の幅方向にわたって形成された少なくとも１つのスロットとを備え、
上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする。
ここで、上記導波管アレーアンテナ装置は上記給電部の個数の整数倍の個数のスロットを備え、上記スロットが同じ個数ずつ上記給電部と同じ個数の上記導波管アンテナ部を構成する上記天井導体に設けられ、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする。
また、上記各スロットは、上記各天井導体におけるアンテナ素子との接続点と、上記各終端導体との間の位置に形成されたことを特徴とする。
さらに、上記方形導波管の内部空間の少なくとも一部の空間を誘電体で充填したことを特徴とする。
またさらに、上記接地導体は互いに対向する第１と第２の面を有する誘電体基板の第１の面上に形成された導体パターンにより形成され、
上記各天井導体は上記誘電体基板の第２の面上に形成された導体パターンにより形成され、
上記側面導体と上記終端導体は上記誘電体基板をその厚さ方向に形成されたスルーホールに導体を充填してなる複数のスルーホール導体により形成されたことを特徴とする。
上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの仕切壁導体とからそれぞれ構成され、互いに隣接する２つの方形導波管の間で上記仕切壁導体を共有するように隣接して並置され、上記各方形導波管は、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、
上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする。
ここで、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする。
上記アンテナ装置において、上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの仕切壁導体とからそれぞれ構成され、互いに隣接する２つの方形導波管の間で上記仕切壁導体を共有するように隣接して並置され、上記各方形導波管は、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、少なくとも１つの上記方形導波管は、上記天井導体において、上記方形導波管の幅方向にわたって形成された少なくとも１つのスロットとを備え、
上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする。
ここで、上記導波管アレーアンテナ装置は上記給電部の個数の整数倍の個数のスロットを備え、上記スロットが同じ個数ずつ上記給電部と同じ個数の上記導波管アンテナ部を構成する上記天井導体に設けられ、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする。
また、上記各スロットは、上記各天井導体におけるアンテナ素子との接続点と、上記各終端導体との間の位置に形成されたことを特徴とする。
さらに、上記方形導波管の内部空間の少なくとも一部の空間を誘電体で充填したことを特徴とする。
またさらに、上記接地導体は互いに対向する第１と第２の面を有する誘電体基板の第１の面上に形成された導体パターンにより形成され、
上記各天井導体は上記誘電体基板の第２の面上に形成された導体パターンにより形成され、
上記仕切壁導体と上記終端導体は上記誘電体基板をその厚さ方向に形成されたスルーホールに導体を充填してなる複数のスルーホール導体により形成されたことを特徴とする。
従って、第１の発明に係るアンテナ装置によれば、それぞれセクタパターンの主ビームを用いて無線信号を送受信する複数のアンテナ部と、少なくとも１つの負荷インピーダンス素子と、上記複数のアンテナ部のうち無線信号の送受信を行うアンテナ部を無線通信機回路に接続する一方、他のアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するように制御する制御手段とを備える。従って、小形で薄型形状を維持するとともに簡単な構造で、電波を放射したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現でき、送受信したい所望方向に最大の放射利得を有する主ビームを設定するように制御できるアンテナ装置を実現できる。
また、第２の発明に係るアンテナ装置によれば、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置であって、上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信する。従って、小形軽量であってかつ薄型形状を有し、しかも、しかも簡単な構造であって、上記各導波管アンテナ部のアンテナ素子を切り替え、又は上記各アンテナ素子からの出力信号を制御して合成することにより、従来技術に比較してより強い主ビームを所望の無線信号方向に向けることができる。
さらに、上記各方形導波管にスロットを形成することにより、より大きな利得を有する主ビームを有する指向特性を実現できる。またさらに、上記各方形導波管を例えば直方体形状の筐体内に配置することができ、より小型で実現できる。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。また、説明のために、各図に示す三次元のＸＹＺ座標系を参照する。
第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
この導波管アレーアンテナ装置は、単一の接地導体１１上に設けられ、４つの方形導波管５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄとアンテナ素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにてそれぞれ構成される４つの導波管アンテナ部６０１ａ，６０１ｂ，６０１ｃ，６０１ｄを備える。これら４つの導波管アンテナ部６０１ａ乃至６０１ｄは、その放射指向特性の主ビームがそれぞれ異なる方向であって互いに直交する方向を向くように設けられているので、無線信号を送受信するアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えることによって、導波管アレーアンテナ装置の指向特性を変化できる。ここで、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄは、接地導体１１と、この接地導体１１に対向する天井導体１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄと、接地導体１１と天井導体１５ａ乃至１５ｄとを連結する側面導体（１６ａ１，１６ａ２），（１６ｂ１，１６ｂ２），（１６ｃ１，１６ｃ２），（１６ｄ１，１６ｄ２）とから構成され、終端導体１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄにより短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの開放された端部は、接地導体１１上の正方形（図示せず。）の辺上に位置するように設けられ、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄは接地導体１１上のこの正方形の辺から外側に向かって延在する。
また、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄは、一端が天井導体１５ａ乃至１５ｄであって各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が接地導体１１上に位置する給電部１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄに電気的に接続されている。さらに、各導波管アンテナ部６０１ａ乃至６０１ｄは、当該各導波管アンテナ部６０１ａ乃至６０１ｄを構成する各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの開放された端部において所定の放射指向特性で無線信号を送受信する。各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄは接地導体１１上に異なる向きであって互いに直交するように設けられているので、これら４つの導波管アンテナ部６０１ａ乃至６０１ｄの放射指向特性の主ビームはそれぞれ異なる方向であって互いに直交するように向き、ゆえに、無線信号を送受信する各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えることで導波管アレーアンテナ装置の指向特性を変化できる。
図２は、図１の導波管アレーアンテナ装置の一部であって、アンテナ素子１３ａを含む導波管アンテナ部６０１ａの詳細構成を示す斜視図である。
図２において、導波管アンテナ部６０１ａは、ＸＹ平面上に位置する底面の接地導体１１と、当該導波管アレーアンテナ装置の上面にこの接地導体１１に対向して配置された矩形形状の天井導体１５ａと、上記接地導体１１及び上記天井導体１５ａをそれぞれ連結しかつ互いに対向する矩形形状の側面導体１６ａ１及び１６ｂ２とにより形成された方形導波管５０１ａを備える。上記方形導波管５０１ａの一方の端部は、矩形形状の終端導体１４ａによって終端密閉されて短絡される一方、上記方形導波管５０１ａの他方の端部は、終端導体で終端されていないので開放状態となっている（以下、当該端部を開放端という。）。ここで、これら接地導体１１と側面導体１６ａ１及び１６ｂ２と天井導体１５ａと終端導体１４ａとは、互いに機械的かつ電気的に接続されるように連結されて、Ｘ方向に平行な方向に無線信号を伝搬しかつ左端（すなわち−Ｘ方向の端部）が閉じられた略直方体形状の方形導波管５０１ａを構成している。
次いで、天井導体１５ａの下面の右端近傍（すなわち＋Ｘ方向の端部近傍）でありかつＹ方向の中心における接続点１０ａ（この接続点１０ａから終端導体１４ｃまでの長さは、終端導体１４ｃから管内波長の１／４波長又はその奇数倍の長さに設定される。）に、導体線からなるアンテナ素子１３ａの一端が半田付けにより機械的及び電気的に接続される。一方、アンテナ素子１３ａは接続点１０ａから下方に向かって垂直に延在し、さらに、アンテナ素子１３ａの他端は、接地導体１１上のＸ軸上に形成された円形孔において、接地導体１１とは電気的に絶縁された給電点１２ａに接続される。当該給電点１２ａはさらに、例えば同軸ケーブルの中心導体に電気的に接続され、また、同軸ケーブルの接地導体は接地導体１１に電気的に接続される。これにより、無線通信機回路９０から無線信号が同軸ケーブルを介して給電点１２ａに給電される。
この方形導波管５０１ａのサイズは、放射しようとする無線信号の最低周波数に依存し、すなわち、当該最低周波数の無線信号を伝搬できるような方形導波管５０１ａのサイズを有することが必要とされる。
さらに、アンテナ素子１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄを含む導波管アンテナ部６０１ｂ，６０１ｃ，６０１ｄも同様に構成される。図１の導波管アレーアンテナ装置において、アンテナ素子１３ａ及び１３ｃをそれぞれ含む各導波管アンテナ部６０１ａ，６０１ｃは、開放端を互いに対向させてＸ軸上に配置され、アンテナ素子１３ｂ及び１３ｄをそれぞれ含む各導波管アンテナ部６０１ｂ，６０１ｄは、開放端を互いに対向させてＹ軸上に配置される。このとき、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの開放端は、接地導体１１上の正方形の対応する辺上に位置するように設けられる。従って、側面導体１６ａ１及び１６ｄ２が方形導波管５０１ａ，５０１ｄの開放端において互いに電気的かつ機械的に接続される。同様に、側面導体１６ａ２及び１６ｂ１が方形導波管５０１ａ，５０１ｂの開放端において互いに電気的かつ機械的に接続される。また、側面導体１６ｂ２及び１６ｃ１が方形導波管５０１ｂ，５０１ｃの開放端において互いに電気的かつ機械的に接続される。さらに、側面導体１６ｃ２及び１６ｄ１が方形導波管５０１ｃ，５０１ｄの開放端において互いに電気的かつ機械的に接続される。
ここで、天井導体１５ａ乃至１５ｄと終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２と接地導体１１にてなる筐体部で囲まれた空間をアンテナ内部と呼び、天井導体１５ａ乃至１５ｄ、終端導体１４ａ乃至１４ｄ、側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２、又は接地導体１１に対してアンテナ内部と反対側の空間をアンテナ外部という。
本実施形態では、一例として、接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２と天井導体１５ａ乃至１５ｄが電気的に接続され、各給電部１２ａ乃至１２ｄがＸ軸又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成されている場合を示している。
次に、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の動作を図１乃至図５を参照して説明する。
まず、アンテナ素子１３ａのみに給電されたときの本実施形態における導波管アレーアンテナ装置の動作原理を示す。図３は図２の導波管アンテナ部６０１ａの電界分布を示す斜視図であり、図４は図２の導波管アンテナ部６０１ａの磁流分布を示す斜視図である。
この導波管アンテナ部６０１ａにおいて、電波の放射はアンテナ素子１３ａを励振することによって行われ、天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界１０１により電波は放射される。天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界１０１の向きは図３のようになる。この電界１０１を磁流に置き換えて説明すると、図４のようにＹ軸と平行な線状磁流１０２に置き換えることができる。すなわち、電波の放射は、この磁流１０２による放射とも見ることができる。この磁流１０２の振幅はＹ方向の両端で零であってその中央部で最大値となるように正弦関数的に変化する。すなわち、この導波管アンテナ部６０１ａは、Ｙ軸と平行な線状磁流１０２のダイポールの指向特性を示す。このダイポールにより、ＸＹ平面とＹＺ平面で垂直偏波の双指向性を得て、ＺＸ平面において無指向性を得る。
図２の導波管アンテナ部６０１ａには磁流１０２のダイポールに対して−Ｚ方向に接地導体１１があり、これが反射板となる。このために電波は＋Ｚ方向に強く放射される。さらに、当該導波管アンテナ部６０１ａには−Ｘ方向に終端導体１４ａがあり、これが反射板となるために、＋Ｘ方向により強い指向性を示す。すなわち、当該導波管アンテナ部６０１ａの構成により、ＸＹＺ座標系の＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向により強い指向性が得られる。
従って、図１の導波管アレーアンテナ装置においてアンテナ素子１３ｂに給電すると＋Ｙ方向により強い電波が放射され、アンテナ素子１３ｃに給電すると−Ｘ方向により強い電波が放射される。また、アンテナ素子１３ｄに給電すると−Ｙ方向により強い電波が放射される。本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄに接続され、給電するアンテナ素子を切り換えるためのスイッチ（図示せず。）を用いて、所望方向により強い指向性を有するアンテナ素子を動作させることによって、電波の放射される方向を切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
また、上記の実施形態においては、当該導波管アレーアンテナ装置から電波を放射する場合を一例として説明したが、電波（無線信号）を受信する場合も同様である。図５は、図１の導波管アレーアンテナ装置の指向特性を選択的に切り替えるためのスイッチの構成の一例を示すブロック図である。この場合、電波が到来してくる方向により強い指向性を持つアンテナ素子（１３ａ乃至１３ｄのうちの１つ）に、給電端子９及び給電ケーブルを介して無線通信機回路９０を接続することにより、より大きな受信電力が得られる。
図５において、無線通信機回路９０は、無線送信回路９２と、無線受信回路９３と、これらの回路９２，９３の各動作を制御するコントローラ９１と、サーキュレータ９４とを備えて構成される。無線送信回路９２は無線搬送波を入力されるディジタルデータ信号（例えば、音声、画像、各種データなどを含む）に従ってディジタル変調した後、電力増幅することにより無線信号を発生し、当該無線信号はサーキュレータ９４を介して、上述のように選択された１つのアンテナ素子（１３ａ乃至１３ｄのうちの１つ）から放射される一方、選択された１つのアンテナ素子（１３ａ乃至１３ｄのうちの１つ）により受信された無線信号は、無線通信機回路９０内のサーキュレータ９４を介して無線受信回路９３に入力され、無線受信回路９３は受信された無線信号に対して、高周波増幅、周波数変換、中間周波増幅、復調などの処理を実行して、当該受信された無線信号に含まれるディジタルデータ信号を抽出する。ここで、図５の装置全体を無線通信装置として構成される。なお、詳細後述される装置においても、複数のアンテナ素子を含むアンテナ装置と、無線通信機回路９０とを含み、無線通信装置として構成してもよい。
図５において、例えば、＋Ｘ方向から電波が到来する場合は、切り替えスイッチ１７によりアンテナ素子１３ａに給電ケーブルを接続すればよい。すなわち、図５に示すように、受信信号電力判定部１８が各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信される電波の電力の強さ（なお、電波の信号レベルでもよい。）を判定して、受信される電波の電力が最大であるアンテナ素子を動作させるように切り替えスイッチ１７を制御することにより、主ビームを電波の到来する方向に選択的に切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
第１の実施形態の第１の実施例．
次に、実際に試作した導波管アレーアンテナ装置を図６に示す。図６は、本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
図６において、一例として、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの幅に対応する終端導体１４ａ乃至１４ｄのＸＹ平面内の長さが１２０ｍｍであり、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの高さに対応する終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２のＺ軸方向の長さが１２ｍｍである。また、各方形導波管５０１ａ乃至５０１ｄの奥行きに対応する側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２のＸＹ平面内の長さと天井導体１５ａ乃至１５ｄの幅が４０ｍｍである。各給電部１２ａ乃至１２ｄはそれぞれＸ軸上又はＹ軸上に配置されている。
以下、図７乃至図１０の各特性図において、導波管アレーアンテナ装置が図６のような寸法を有するときの特性を示す。図７は、図６の導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。図７に示したように、本実施形態の試作器である図６の導波管アレーアンテナ装置は周波数２．５ＧＨｚで共振し、良好な反射特性を示していることがわかる。当該導波管アレーアンテナ装置は対称な形状をしているので、各アンテナ素子１３ｂ，１３ｃ，１３ｄに給電した場合も同じ特性が得られる。
図８及び図９は、図６の導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａに周波数２．５ＧＨｚの無線信号を給電した場合の放射指向特性を示す特性図であり、図８はＸＹ平面（水平面）の放射指向特性を示す特性図であり、図９はＺＸ平面（垂直面）の放射指向特性を示す特性図である。図８及び図９において、放射指向特性に関する特性図の目盛りは１間隔が１０ｄＢであり、単位は理想的な点波源の放射電力を基準にしたｄＢｉである。図９より、電波の放射は＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向により強い指向性を示し、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、しかも簡単な構造であって、一方向により強い指向性を実現していることがわかる。最大放射方向は垂直面においてＺ軸から＋Ｘの方向に向かって３５度の角度にあって、この角度では９．５ｄＢｉの比較的大きな利得が得られ、水平面においてもＸ軸上で正の方向に１．０ｄＢｉの利得が得られた。
図１０は、図６のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えて動作させたときの導波管アレーアンテナ装置のＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。この特性図では、放射指向特性の主ビームのみを図示し、サイドローブは省略している。このように、給電するアンテナ素子を変えることにより、電波の放射方向を変えることができる。また、上記実施形態においては、当該導波管アレーアンテナ装置から電波を放射する場合を一例として説明したが、電波を受信する場合も同様である。この場合、電波が到来してくる方向により強い指向性を持つアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続することにより、より大きな受信電力が得られる。例えば、＋Ｘ方向から電波が到来する場合は、図５のような切り替えスイッチ１７によりアンテナ素子１３ａを給電ケーブルに接続すればよい。
以上のように構成された本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置により、無線信号を送信したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現できる。さらに、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、２．５ＧＨｚの動作周波数においてＺ軸方向の高さが０．１波長となるアンテナ装置を実現しており、これは非常に薄い厚さを有するアンテナ装置である。
以上の実施形態や実施例においては、当該導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造である場合を示した。この場合、導波管アレーアンテナ装置からの放射電波の指向特性がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称になるという効果がある。
以上説明したように、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置によれば、小形軽量であって薄型形状を有するとともに、しかも簡単な構造であって、より強い指向性を有する主ビームを異なる方向に向けて選択的に切り替えることが可能なアンテナ装置を実現できる。
第１の実施形態の第２の実施例．
図１１は、本発明の第１の実施形態の第２の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
本実施形態の第１の実施例においては、導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称で、ＺＸ面での断面形状とＺＹ面での断面形状が同じであるアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、放射対象空間が±Ｘ方向に長い場合、図１１に示すようにＹ方向に長いアンテナ装置に形成してもよい。図１１では、アンテナ素子１２ａ及び１２ｃを含む導波管アンテナ部６０１ａ，６０１ｃの幅（すなわち、終端導体１４ａ及び１４ｃと、天井導体１５ａ及び１５ｃのＹ軸方向の長さ）が伸長されて１６０ｍｍになっていて、それに応じて接地導体１１もＹ軸方向に拡張されている。一方、アンテナ素子１２ｂ及び１２ｄを含む導波管アンテナ部６０１ｂ，６０２ｄの幅は図６の実施例と同じであり、その他の寸法も図６の寸法と同様である。
図１２及び図１３は、図１１の導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａに給電したときの放射指向特性を示す特性図であり、図１２はＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図であり、図１３はＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。このとき、最大放射方向は垂直面においてＺ軸から＋Ｘの方向に向かって３５度の角度にあって、１０．５ｄＢｉの比較的大きな利得が得られ、水平面においてもＸ軸上で正の方向に３．０ｄＢｉの利得が得られた。図１１の構造により、±Ｘ方向に指向性が強くなる。図１２と図８を比べると、導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａ及び１３ｃを含む方形導波管５０１ａ及び５０１ｃの部分の幅を４０ｍｍだけＹ軸方向に長くすることにより、水平面において２ｄＢの利得が増加していることがわかる。
図１４は、図１１のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えて動作させたときの導波管アレーアンテナ装置のＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。この特性図では、放射指向特性の主ビームのみを図示し、サイドローブは省略している。図１４から明らかなように、本実施例の導波管アレーアンテナ装置は、Ｘ方向により強い指向性が得られ、±Ｘ方向に長い放射対象空間に適したアンテナとなる。このように、導波管アレーアンテナ装置のＸ方向とＹ方向の長さを変えることにより、放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
なお、本実施形態においては、当該導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造であるアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は入力インピーダンス特性を得るために、ＺＸ面のみに対して対称な構造又はＺＹ面のみに対して対称な構造を有してもよい。このような構造により放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
また、本実施形態においては、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが導体線で構成された導波管アレーアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを板状の導体で形成してもよい。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。
第１の実施形態の変形例．
図１５は、本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。
所望の入力インピーダンス特性を得るために、図１５に示すように、図２の導波管アンテナ部６０１ａの構成に加えて整合導体１９ａを備えてもよい。図１５の導波管アンテナ部６０１ａでは、線状の導体である整合導体１９ａは、アンテナ素子１３ａと平行でかつアンテナ素子１３ａから−Ｘ方向に若干ずれた接地導体１１のＸ軸上の位置（すなわち、アンテナ素子１３ａから終端導体１４ａに向う方向に若干ずれた位置であって給電点１２ａの近傍）において接地導体１１に電気的に接続され、その接地導体１１上の接続点から上方に向かって延在し、方形導波管５０１ａの高さ（すなわち終端導体１４ａと側面導体１６ａ１及び１６ａ２の高さ）よりも短い長さを有する。この整合導体１９ａを備えたことにより、アンテナ素子１３ａ近傍の電界を変化させ、アンテナ素子１３ａに流れる電流を変化させ、それによって、例えば導波管アレーアンテナ装置の入力インピーダンスを同軸ケーブルの特性インピーダンスに実質的に一致するように、導波管アレーアンテナ装置の入力インピーダンスを変化できる。従って、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという特有の効果がある。
図１６は本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。所望のインピーダンス特性を得るために、図１６に示すように、図２の導波管アンテナ部６０１ａの構成に加えて、アンテナ素子１３ａと同じ長さの整合導体１９ａ−１を、アンテナ素子１３ａと平行になるように接続してもよい。この場合、整合導体１９ａ−１の一端は接地導体１１に接続される一方、整合導体１９ａ−１の他端は天井導体１５ａに接続される。
図１７は本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。
所望のインピーダンス特性を得るために、図１７に示すように、図２の導波管アンテナ部６０１ａの構成に加えて整合導体１９ａ−２を備えてもよい。図１７において、線状の導体である整合導体１９ａ−２は、接地導体１１上に電気的に接続され、その接地導体１１上の接続点から上方に向かって延在した後、実質的に直角で折り曲げられ、アンテナ素子１３ａの略中央部の接続点８１ａに電気的に接続される。これにより、アンテナ素子１３ａに流れる電流を整合導体１９ａ−２を用いて直接的に変化できるために、インピーダンス特性を大幅に変化できるという特有の効果がある。従って、例えば導波管アレーアンテナ装置の入力インピーダンスを同軸ケーブルの特性インピーダンスに実質的に一致するように、導波管アレーアンテナ装置の入力インピーダンスを変化でき、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できる。なお、図１５乃至図１７を参照して、アンテナ素子１３ａのインピーダンス調整法を一例として説明したが、それぞれの変形例は、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果をもたらす。
図１８は、本発明の第１の実施形態の第４の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の放射指向特性を変化させるために、図１８に示すように、図２の導波管アンテナ部６０１ａの構成に加えて、指向特性制御導体２０ａを備えたことを特徴としている。
図１８において、線状導体の指向特性制御導体２０ａは、接地導体１１の上面のＸ軸上において、アンテナ素子１３ａに対してＸ軸上で正の方向に位置するように設けられ、指向特性制御導体２０ａの一端は接地導体１１と接続点１０ａにおいて接続され、指向特性制御導体２０ａはその一端から上方に向かって延在し、方形導波管５０１ａの高さ又はそれよりも若干短い長さを有する。当該導波管アンテナ部６０１ａから放射される電波は、指向特性制御導体２０ａが導波器として動作する結果、指向特性制御導体２０ａを備えないときよりも、＋Ｘ方向に指向性がより鋭くなるという特有の効果が得られる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性調整法を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果が得られる。
図１８の第４の変形例においては、指向特性制御導体２０ａを直線状の導体で構成したが、これを他の形状の導体で構成してもよい。例えば、指向特性制御導体２０ａを、螺旋状の導体線で構成されたヘリカル型整合導体で構成してもよいし、Ｌ字型に折れ曲がった導体線で構成してもよい。これにより、上述の鋭い指向性を有する効果を損なうことなく導波管アレーアンテナ装置を薄型化できる。
図１９は、本発明の第１の実施形態の第５の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。
図１９においては、図２の導波管アンテナ部６０１ａの構成において、アンテナ素子１３ａから＋Ｘ方向にずれたＸ軸上の接地導体１１の位置の接続点に、指向特性制御導体２０ａ−１を設けたことを特徴としている。ここで、指向特性制御導体２０ａ−１は、Ｚ軸に平行な線状導体９１と、Ｙ軸に平行な線状導体９２とから構成され、線状導体９１の一端は接地導体１１に電気的に接続され、線状導体９１はさらに上方に向かって延在し、方形導波管５０１ａの高さ又はその高さよりも若干短い長さを有し、線状導体９１の他端は線状導体９２の中間部に接続される。このとき、最も望ましいのは、Ｚ軸に平行な線状導体９１がＹ軸に平行な線状導体９２の中央部で接続され、Ｚ軸に平行な線状導体９１の長さと、Ｙ軸に平行な線状導体９２の半分の長さとの和が約１／４波長となる場合である。線状導体９１及び９２の長さをこのように構成することにより、当該導波管アレーアンテナ装置への給電時において、指向特性制御導体２０ａ−１において共振が起こり、他の長さの設定のときよりも鋭い指向性について大きな効果を得る。図１８の指向特性制御導体２０ａを備えた導波管アンテナ部６０１ａの構成は、主として、導波管アレーアンテナ装置のＺＸ平面内の指向特性を改善する技術であるが、図１９の構成にすることにより、導波管アレーアンテナ装置のＸＹ平面での指向特性も変化できる。
図２０は、本発明の第１の実施形態の第５の変形例の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であって、本発明者らにより実際に試作された導波管アレーアンテナ装置を示している。図２０は、図６の構成の導波管アレーアンテナ装置に２．５ＧＨｚの動作周波数を有する指向特性制御導体２０ａ−１を備えた場合を示している。図２１及び図２２は、図２０の導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であり、図２１はＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図であり、図２２はＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。図２１及び図２２の放射指向特性を参照すると、指向特性制御導体２０ａ−１を備えたことによって、図８及び図９に示された図６の導波管アレーアンテナ装置の放射指向特性に比べて、水平面（ＸＹ面）においてはＹ軸方向への放射が増えていることがわかる。これにより、水平面においても、指向特性を大きく変化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性調整法を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果が得られる。
なお、第１の実施形態の第５の変形例や実施例では、アンテナ素子１３ａに対して指向特性制御導体２０ａ−１が１個だけ存在する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、複数のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄに対して少なくとも１つ、又は２個以上の指向特性制御導体を設けてもよい。この場合において、導波管アレーアンテナ装置の構造の自由度が増え放射指向特性をさらに大きく変化させて制御できる。なお、指向特性制御導体２０ａ−１を、図１５乃至図１７に示された整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２とともに備えてもよい。
また、本実施形態においては、接地導体１１が多角形（すなわち正方形）で構成された構造のアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、接地導体１１は、長方形又はその他の多角形、半円の組み合わせ、もしくはその他の形状を有してもよい。
さらに、当該導波管アレーアンテナ装置を天井等に設置する場合、当該アンテナ装置が目立たないように、アンテナ装置の形状と、天井面の升目又は部屋の形状とを揃えてほしいという要望がある。しかしながら、導波管アレーアンテナ装置の形状が長方形やその他の多角形の場合、天井面の升目又は部屋の形状は固定のため、当該導波管アレーアンテナ装置を設置する方向には制限が生じてしまう。この問題点を解決するために、以下の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置を提案する。
図２３は、本発明の第１の実施形態の第６の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図２３に示した変形例の導波管アレーアンテナ装置は、図１の導波管アレーアンテナ装置をレドーム２１により被覆したことを特徴としている。接地導体１１が接する底面が概略円形状（それ以外の楕円形状など他の形状であってもよい。）であるレドーム２１を用いることにより、アンテナ特性を劣化させる湿気や埃等の進入を防ぎ導波管アレーアンテナ装置の特性を安定化させるとともに、当該導波管アレーアンテナ装置を天井に設置する際に、天井面の升目又は部屋の形状に気を使うことなく導波管アレーアンテナ装置を設置できるという特有の利点がある。さらに、導波管アレーアンテナ装置の底面が円形状の場合、導波管アレーアンテナ装置を回転させ取り付け方向を変化できる。この場合において、電波の放射方向を調整することが可能になり、導波管アレーアンテナ装置の設置位置に最適な放射指向特性を得ることができる。
図２４は、図１の導波管アレーアンテナ装置の指向特性を変化させるための合成回路の一例を示すブロック図である。
以上の実施形態においては、図５の切り替えスイッチ１７により受信電力のより強いアンテナ素子に給電ケーブルを接続する構成を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図２４に示すように、本実施形態の合成回路は、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄにそれぞれ振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄを接続し、振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄにそれぞれ移相器２３ａ乃至２３ｄを接続し、各移相器２３ａ乃至２３ｄを合成器２４に接続するように構成されてもよい。振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄは、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信された無線信号の振幅（又は信号レベル）を調整し、移相器２３ａ乃至２３ｄは、振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄで振幅調整されて出力された無線信号の位相（又は位相量、もしくは移相量）を調整し、合成器２４は、移相器２３ａ乃至２３ｄ及び振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄで振幅と位相が調整されて出力された無線信号の電力を合成し、給電端子９及び給電ケーブルを介して無線通信機回路９０に出力する。
またさらに、アンテナコントローラ２５を備えてもよい。この場合において、アンテナコントローラ２５は、合成器２４からの出力信号の電力（又は信号レベル）が最大となるような、振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄにおける振幅調整量と、移相器２３ａ乃至２３ｄにおける位相調整量（位相量又は移相量）を算出し、この算出された振幅及び位相の調整量に基づいて振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄと移相器２３ａ乃至２３ｄを制御する。このように構成することにより、さらに受信電力の増加を実現できる。
以上の実施形態や変形例においては、１個の導波管アレーアンテナ装置について説明しているが、本発明はこれに限らず、複数の当該導波管アレーアンテナ装置をアレー状に配置し、フェーズドアレーアンテナ及びアダプティブアンテナアレーを構成してもよい。これにより、さらなる放射電波の指向特性を制御できる。
第２の実施形態．
図２５は、本発明の第２の実施形態に係るスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図２５のスロット付き導波管アレーアンテナ装置は、図１の導波管アレーアンテナ装置に比較すると、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置に含まれる４つの方形導波管５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄを構成する各天井導体１５ａ乃至１５ｄにおいて、各方形導波管５０２ａ乃至５０２ｄ内の無線信号の伝搬方向に垂直な長手方向（すなわち、各方形導波管５０２ａ乃至５０２ｄの幅方向と同じ方向）を有し、管内波長の１／４波長に対して十分に小さい幅を有する１つのスロット３０ａ乃至３０ｄをそれぞれ備えている点が異なっている。ここで、スロット３０ａ乃至３０ｄは、各天井導体１５ａ乃至１５ｄにおいて、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄの接続部１０ａ乃至１０ｄと、終端導体１４ａ乃至１４ｄとの間に設けられている。ここで、アンテナ素子１３ａを有する方形導波管５０２ａは導波管アンテナ部６０２ａを構成し、アンテナ素子１３ｂを有する方形導波管５０２ｂは導波管アンテナ部６０２ｂを構成し、アンテナ素子１３ｃを有する方形導波管５０２ｃは導波管アンテナ部６０２ｃを構成し、アンテナ素子１３ｄを有する方形導波管５０２ｄは導波管アンテナ部６０２ｄを構成する。
本実施形態では、一例として、接地導体１１がＸＹ平面上にあり、接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２と天井導体１５ａ乃至１５ｄとが電気的に接続され、各給電部１２ａ乃至１２ｄがＸ軸上又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成され、スロット３０ａ乃至３０ｄが各天井導体１５ａ乃至１５ｄ上に１つずつ存在する場合を示している。
次に、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａのみに給電されたときの動作原理を図２６乃至図２９を用いて説明する。図２６は、図２５のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の一部であって、アンテナ素子１３ａを含むスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの詳細構成を示す斜視図であり、図２７は、図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａのＸＺ平面によって切断された断面図である。図２８は図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの電界分布を示す斜視図であり、図２９は図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの磁流分布を示す斜視図である。
本実施形態においては、電波の放射はアンテナ素子１３ａを励振させることによって行われ、天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界と、スロット３０ａに発生する電界とにより電波は放射される。従って、図２８に示すように、アンテナ素子１３ａによって天井導体１５ａと接地導体１１との間に発生される電界１０１は、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の場合の図３と同様になる。スロット３０ａに発生する電界１０１ａは、その振幅がスロット３０ａの長手方向の端部で０であり、スロット３０ａの長手方向の中央で最大となる正弦関数的な分布になる。すなわち、当該スロット付き導波管アンテナ部６０２ａのスロット３０ａは、Ｙ方向と平行な線状磁流のダイポールの指向特性を示す。このダイポールにより、ＸＹ平面とＹＺ平面で垂直偏波の双指向性を得て、ＸＺ平面において無指向性を得る。一方、図２７に本実施形態のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａに流れる電流分布を示す。電流１１０は、給電部１２ａからアンテナ素子１３ａに沿って流れ、スロット３０ａと天井導体１５ａを介して終端導体１４ａへ流れ、終端導体１４ａから接地導体１１に流れ給電部１２ａに戻る。従って、このスロット付き導波管アンテナ部６０２ａに発生する電界分布は図２８のようになり、天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界１０１の向きと、スロット３０ａに発生する電界１０１ａの向きとが一致する。すなわち、スロット３０ａは放射される電波の位相を揃える作用効果を有する。
この電界１０１及び１０１ａを磁流に置き換えて説明すると、図２９に示すように、Ｙ軸と平行な線状磁流源１０２及び１０２ａに置き換えることができる。つまり、電波の放射は、これらの磁流源１０２及び１０２ａによる放射と見ることができる。従って、このスロット付き導波管アレーアンテナ装置の指向特性は、この２つの磁流１０２及び１０２ａによる同相励振のアレーとして得られる。天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界１０１による指向特性としては、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様で、ＸＹＺ座標系の＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向の向きにより強い指向性が得られる。スロット３０ａに発生する電界１０１ａによる指向特性としても、ＸＹＺ座標系の＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向の向きにより強い指向性が得られる。従って、本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置では、この２つの指向特性の同相のアレーとなるので、ＸＹＺ座標系の＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向の向きにさらにより強い指向性が得られる。
従って、図２５においてアンテナ素子１３ｂに給電すると＋Ｙ方向により強い電波が放射され、アンテナ素子１３ｃに給電すると−Ｘ方向により強い電波が放射される。また、アンテナ素子１３ｄに給電すると−Ｙ方向により強い電波が放射される。
また、上記実施形態においては、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置から電波を放射する場合を一例として説明したが、電波を受信する場合も同様である。この場合、電波が到来してくる方向により強い指向性を持つアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続することにより、より大きな受信電力が得られる。例えば、＋Ｘ方向から電波が到来する場合は、図５のような切り替えスイッチ１７によりアンテナ素子１３ａを給電ケーブルに接続すればよい。本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図５に示すような受信電力判定装置１８により各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信される電波の電力の強さを判定して、受信される電波の電力が最大のアンテナ素子を動作させるように切り替えスイッチ１７を制御することにより、主ビーム方向を電波の到来する方向に選択的に切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、受信時にも、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
図３０は、本発明の第２の実施形態の実施例に係るスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であって、本発明者らにより実際に試作されたスロット付き導波管アレーアンテナ装置を示している。一例として、以下の場合の特性を示す。図３０に示されたように、終端導体１４ａ乃至１４ｄ天井導体１５ａ乃至１５ｄの、ＸＹ平面に平行な長手方向の長さが１２０ｍｍであり、終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２のＺ軸方向の高さが１２ｍｍであり、側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２のＸＹ平面に平行な方向の長さと天井導体１５ａ乃至１５ｄの幅とが４０ｍｍである。また、スロット３０ａ乃至３０ｄの長手方向の長さが１２０ｍｍであって幅が６ｍｍであり、スロット３０ａ乃至３０ｄの幅方向の中心が各方形導波管５０２ａ乃至５０２ｄの開放端から５ｍｍだけ離れた位置にある（従って、各方形導波管５０２ａ乃至５０２ｄの開放端側における天井導体１５ａ乃至１５ｄの端部から、スロット３０ａ乃至３０ｄの端部までの幅が２ｍｍである）。ここで、各給電部１２ａ乃至１２ｄはそれぞれＸ軸上又はＹ軸上に配置されている。従って、図３０のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成は、スロット３０ａ乃至３０ｄをさらに備えたことのほかは、図６の導波管アレーアンテナ装置の構成と同様である。
図３１は、図３０のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。図３１に示したように、本実施例のスロット付き導波管アレーアンテナ装置は周波数２．５ＧＨｚで共振し、良好な反射特性を示していることがわかる。当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置は対称な形状をしているので、各アンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに給電した場合も同様の周波数特性が得られる。
図３２及び図３３は、図２６のスロット付き導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａに周波数２．５ＧＨｚの無線信号を給電した場合の放射指向特性を示す特性図であり、図３２はＸＹ平面（水平面）の放射指向特性を示す特性図であり、図３３はＺＸ平面（垂直面）の放射指向特性を示す特性図である。ここで、スロット付き導波管アレーアンテナ装置の利得を表す半径方向の目盛りは１間隔が１０ｄＢであり、単位は理想的な点波源の放射電力を基準にした相対利得の単位ｄＢｉである。図３３から明らかなように、電波の放射は、ＸＹＺ座標系の＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向により強い指向性を示し、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、しかも簡単な構造であって、一方向により強い指向性を実現していることがわかる。最大放射方向（すなわち、ビーム方向）では、垂直面においてＺ軸から＋Ｘ方向に向かって４０度だけ回転した方向において１０．６ｄＢｉの比較的大きな利得が得られ、水平面においてもＸ軸上の正の方向に２．６ｄＢｉの利得が得られた。
本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄに接続された、給電するアンテナ素子を切り替えるためのスイッチを用いて、所望方向により強い指向性を有するアンテナ素子を選択的に選択して動作させることによって、電波の放射される方向を選択的に切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
以上のように構成された本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置により、無線信号を送信したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現できる。さらに当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置によれば、２．５ＧＨｚの動作周波数のときにＺ軸方向の高さが０．１波長となるアンテナ装置を実現しており、これは非常に薄い厚さを有するアンテナ装置である。
以上の実施形態や実施例においては、スロット付き導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造である場合を示した。この場合、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置からの放射電波の指向特性がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称になるという効果がある。
本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置は、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置に比べて広帯域なインピーダンス特性が得られるという効果がある。これは、本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置には、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構造に特有の共振周波数に加えて、スロット３０ａ乃至３０ｄに起因する共振周波数が存在するためである。この２つの共振周波数に若干の周波数差を与えることにより広帯域な特性が得られる。
また、本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置は、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同じサイズであるにもかかわらず、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置に比べて最大放射方向において１．１ｄＢの利得を有し、水平面内の最大放射方向でも１．６ｄＢの利得を有する、高利得な特性が得られた。これは、上述したように、各方形導波管５０２ａ乃至５０２ｄの開放端からの放射とスロット３０ａ乃至３０ｄからの放射の重ね合わせによるものである。
以上説明したように、本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置によれば、小形で薄型形状を有するとともに、しかも簡単な構造であって、従来技術に比較してより強い指向性を有して、その主ビーム方向を選択的に切り替えることが可能なアンテナ装置を実現できる。
以上の本実施形態においては、スロット付き導波管アレーアンテナ装置について、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称で、ＺＸ面での断面形状とＺＹ面での断面形状が同じであるアンテナ装置として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、放射対象空間が±Ｘ方向に長い場合、Ｙ方向に長いアンテナ装置に形成してもよい。この装置構造により、±Ｘ方向に指向性が強くなり、±Ｘ方向に長い放射対象空間に適したアンテナとなる。このように、アンテナ装置のＸ方向とＹ方向の長さを変えることにより、放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
なお、本実施形態においては、スロット付き導波管アレーアンテナ装置を、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造であるアンテナ装置として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、ＺＸ面のみに対して対称な構造又はＺＹ面のみに対して対称な構造で形成してもよい。このような装置構造により放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
また、本実施形態においては、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが導体線で構成されたアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが板状の導体で形成してもよい。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。
さらに、所望の入力インピーダンス特性を得る方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の場合と同様に整合導体を備えてもよい。例えば、図２５のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１５に示すような整合導体１９ａを備えてもよい。図１５においては、整合導体１９ａが線状の導体であり、接地導体１１と接続された例を示している。これにより、アンテナ素子１３ａ近傍の電界を変化させ、アンテナ素子１３ａに流れる電流を変化させることにより、アンテナ素子１３ａのインピーダンスを変化できる。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。なお、所望のインピーダンス特性を得るために、図２５のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１６に示すような整合導体１９ａが接地導体１１及び天井導体１５ａと接続された構成、図１７に示すように整合導体１９ａが接地導体１１及びアンテナ素子１３ａと接続された構成で形成してもよい。これにより、アンテナ素子１３ａに流れる電流を直接的に変化できるために、スロット付き導波管アレーアンテナ装置のインピーダンス特性を大幅に変えることができるという効果がある。なお、アンテナ素子１３ａのインピーダンス調整法を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果が得られる。
本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の放射特性を変化させる方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図１８に示すような指向特性制御導体２０ａを備えてもよい。
図１８においては、指向特性制御導体２０ａは、Ｘ軸上の正の位置において接地導体１１と接続されて設けられた例を示している。放射される電波は、指向特性制御導体２０ａが導波器として動作する結果、指向特性制御導体２０ａを設けないときに比較して、＋Ｘ方向に指向性がより鋭くなる効果が得られる。なお、図１８では指向特性制御導体２０ａを直線状の導体で構成したが、これを他の形状の導体で構成してもよい。例えば、指向特性制御導体２０ａが螺旋状の導体線で構成されたヘリカル型整合導体で形成してもよく、Ｌ字型に折れ曲がった導体線で形成してもよい。これにより、指向特性制御導体２０ａを設けたことによる効果を損なうことなくアンテナ装置を薄型化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａを一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
さらに、スロット付き導波管アレーアンテナ装置には、図１９に示すように、Ｚ軸に平行な線状導体９１とＹ軸に平行な線状導体９２により構成される指向特性制御導体２０ａ−１が設けられてもよい。このとき、最も望ましいのは、Ｚ軸に平行な線状導体９１がＹ軸に平行な線状導体９２の中央で接続され、Ｚ軸に平行な線状導体９１の長さとＹ軸に平行な線状導体９２の半分の長さとの和が約１／４波長となる場合である。この長さにすることにより、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、指向特性制御導体２０ａ−１において共振が起こり、指向特性を制御することに関して、より大きな効果を得る。図１８のような指向特性制御導体２０ａを設ける場合は主に、アンテナ装置の垂直面（ＺＸ面）の指向特性を改善する技術であるが、図１９のような指向特性制御導体２０ａ−１を備えた構成にすることにより、アンテナ装置のＸＹ面での指向特性も変化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａ−１を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
以上の実施形態においては、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄのそれぞれに対して指向特性制御導体が１個だけ存在する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、２個以上の指向特性制御導体を設けてもよい。これにより、スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構造の自由度が増え放射指向特性をさらに大きく変化させて制御できる。なお、指向特性制御導体２０ａ又は２０ａ−１を、図１５乃至図１７に示された整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２とともに備えてもよい。
本実施形態においては、接地導体１１が多角形（すなわち正方形）で構成された構造のスロット付き導波管アレーアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、接地導体１１は長方形又はその他の多角形、半円の組み合わせもしくはその他の形状を有してもよい。また、スロット付き導波管アレーアンテナ装置を天井等に設置する場合、アンテナ装置が目立たないように、アンテナ装置の形状と、天井面の升目又は部屋の形状とを揃えてほしいという要望がある。しかしながら、スロット付き導波管アレーアンテナ装置の形状が長方形やその他の多角形の場合、天井面の升目又は部屋の形状は固定のため、スロット付き導波管アレーアンテナ装置を設置する方向には制限が生じてしまう。そこで、図２３に示された第１の実施形態の第６の変形例のように、接地導体１１が接する底面が概略円形（又は楕円などその他の形状でもよい。）であるレドーム２１を用いることによりアンテナ特性を劣化させる湿気や埃等の進入を防ぎアンテナ装置の特性を安定化させる事とともに、スロット付き導波管アレーアンテナ装置を天井に設置する際に、天井面の升目又は部屋の形状に気を使うことなくスロット付き導波管アレーアンテナ装置を設置できるという特有の利点がある。さらに、スロット付き導波管アレーアンテナ装置の底面が円形状の場合、スロット付き導波管アレーアンテナ装置を回転させ取り付け方向を変化させてもよい。これにより、電波の放射方向を調整することが可能になり、スロット付き導波管アレーアンテナ装置の設置位置に最適な放射特性を得ることができる。
また、本実施形態においては、図５のような切り替えスイッチを用いて選択的に切り替えることにより、所定の方位角から到来する無線信号に対する受信電力がより強いアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続する構成を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図２４に示すような合成回路を備えて、上述のごとく、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信される４つの無線信号を制御して合成してもよい。
さらに、複数個の本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置をアレー状に配置し、フェーズドアレーアンテナ及びアダプティブアンテナアレーを構成してもよい。これにより、さらなる放射電波の指向特性を制御できる。
またさらに、本実施形態においては、１つの天井導体１５ａ乃至１５ｄにつきスロット３０ａ乃至３０ｄが１つだけ存在する場合を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、天井導体１５ａ乃至１５ｄのうちの１つに２つ以上のスロットを備えてもよい。これにより、各スロットで送受信される電波の位相が揃い、より強い指向性を実現できる。また、各天井導体１５ａ乃至１５ｄに対して、異なる個数のスロットを設けてもよい。
第３の実施形態．
図３４は、本発明の第３の実施形態に係る筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。この筐体一体型導波管アレーアンテナ装置は、図１の導波管アレーアンテナ装置と比較すると、図１の側面導体１６ｄ２及び１６ａ１と、１６ａ２及び１６ｂ１と、１６ｂ２及び１６ｃ１と、１６ｃ２及び１６ｄ１とが、本実施形態ではそれぞれ単一の仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄとして一体化され、それによって４つの方形導波管５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄを含むアンテナ装置の筐体部の構造が簡単化されていることを特徴とする。
図３４において、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置は、ＸＹ平面上に位置した正方形形状の接地導体１１上に設けられ、方形導波管５０３ａ，５０３ｂ，５０３ｃ，５０３ｄとアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄにてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部６０３ａ，６０３ｂ，６０３ｃ，６０３ｄを備える。ここで、各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄは、接地導体１１と、この接地導体１１に対向する天井導体１５ａ乃至１５ｄと、接地導体１１と天井導体１５ａ乃至１５ｄとを連結する仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄとから構成され、互いに隣接する２つの方形導波管（５０３ａ，５０３ｂ），（５０３ｂ，５０３ｃ），（５０３ｃ，５０３ｄ），（５０３ｄ，５０３ａ）の間で仕切壁導体を共有するように隣接して並置される（例えば、天井導体１５ａを含む方形導波管５０３ａと、天井導体１５ｄを含む方形導波管５０３ｄとの間で、仕切壁導体３１ａを共有している）。
各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄは、終端導体１４ａ乃至１４ｄにより短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、終端導体１４ａ乃至１４ｄにより短絡された端部は、正方形の接地導体１１の辺上に位置するように設けられ、開放された端部は、正方形の接地導体１１の対角線上の、より小さい正方形（図示せず。）の辺上に位置するように設けられ、各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄは接地導体１１上の小さい正方形の辺から外側に向かって延在する。また、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄは、一端が天井導体１５ａ乃至１５ｄであって各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄの開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が接地導体１１上に位置する給電部１２ａ乃至１２ｄに電気的に接続されている。各導波管アンテナ部６０３ａ乃至６０３ｄは、当該導波管アンテナ部６０３ａ乃至６０３ｄを構成する各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄの開放された端部において所定の放射指向特性で無線信号を送受信する。各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄは接地導体１１上に異なる向きで設けられているので、これら４つの導波管アンテナ部６０３ａ乃至６０３ｄの放射指向特性の主ビームはそれぞれ異なる方向を向き、ゆえに、無線信号を送受信するアンテナ素子を選択的に切り替えることによって筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の指向特性を変化できる。
図３４において、正方形形状の接地導体１１の四辺上に、接地導体１１と同じ長さの辺と所定長さ（すなわち高さ）の垂直方向の辺とを有する矩形形状の終端導体１４ａ乃至１４ｄがＸＹ平面に垂直にそれぞれ設けられ、接地導体１１の対角線上に、終端導体１４ａ乃至１４ｄの高さと同じ長さの辺と所定長さの辺とを有する矩形形状の仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄが、ＸＹ平面に垂直に、かつ頂点を接地導体１１の頂点に合わせて設けられる。さらに、終端導体１４ａ乃至１４ｄ及び仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄ上に、接地導体１１に対向して台形形状の天井導体１５ａ乃至１５ｄが設けられる。従って、仕切壁導体３１ａは、その上端において台形形状の天井導体１５ａ及び１５ｄの斜辺と接続され、その下端において接地導体１１と接続され、その左右端部において終端導体１４ａ及び１４ｄと接続されている。
ここで、天井導体１５ａは終端導体１４ａと仕切壁導体３１ａ及び３１ｂの上に設けられ、詳しくは、底面の接地導体１１と、当該導波管アレーアンテナ装置の上面にこの接地導体１１に対向して配置された台形形状の天井導体１５ａと、天井導体１５ａの台形の２つの斜辺において上記接地導体１１及び上記天井導体１５ａをそれぞれ連結する仕切壁導体３１ａ及び３１ｂとにより矩形断面が小さくなるテーパー形状の方形導波管５０３ａが形成され、この方形導波管５０３ａの、より広い断面を有する側の端部は、矩形形状の終端導体１４ａによって終端密閉されて短絡される一方、上記方形導波管５０３ａの、より狭い断面を有する側の端部は開放状態となっている（以下、こちらの端部を開放端という。）。ここで、これら接地導体１１と仕切壁導体３１ａ及び３１ｂと天井導体１５ａと終端導体１４ａとは、互いに機械的かつ電気的に接続されるように連結されて、Ｘ軸方向に平行な方向に無線信号を伝搬しかつ−Ｘ方向の端部が閉じられた方形導波管５０３ａを構成している。
次いで、天井導体１５ａの下面の、＋Ｘ方向の端部近傍でありかつＹ方向の中心における接続点１０ａに、導体線からなるアンテナ素子１３ａの一端が半田付けにより機械的及び電気的に接続される。一方、アンテナ素子１３ａは接続点１０ａから下方に向かって垂直に延在し、さらに、アンテナ素子１３ａの他端は、接地導体１１上のＸ軸上に形成された円形孔において、接地導体１１とは電気的に絶縁された給電点１２ａに接続される。当該給電点１２ａはさらに、例えば同軸ケーブルの中心導体に電気的に接続され、また、同軸ケーブルの接地導体は接地導体１１に電気的に接続される。これにより、無線通信機回路９０から無線信号が同軸ケーブルを介して給電点１２ａに給電される。上述された方形導波管５０３ａとアンテナ素子１３ａとにより、図２に示された第１の実施形態と同様に動作する導波管アンテナ部６０３ａが構成される。
また、天井導体１５ｂは終端導体１４ｂと仕切壁導体３１ｂ及び３１ｃの上に設けられ、天井導体１５ｃは終端導体１４ｃと仕切壁導体３１ｃ及び３１ｄの上に設けられ、天井導体１５ｄは終端導体１４ｄと仕切壁導体３１ｄ及び３１ａの上に設けられ、アンテナ素子１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄを含む導波管アンテナ部６０３ｂ乃至６０３ｄも、同様に構成される。
本実施形態では、第１の実施形態における側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２に相当する構成要素が仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄとして一体化されているので、第１の実施形態よりも構造が簡単化されたアンテナ装置を提供できる。アンテナ装置の構造をさらに簡単化するために、天井導体１５ａ乃至１５ｄは、一体化された単一の導体板にて構成されてもよい。
ここで、天井導体１５ａ乃至１５ｄと終端導体１４ａ乃至１４ｄと接地導体１１にてなる筐体部で囲まれた空間をアンテナ内部と呼び、天井導体１５ａ乃至１５ｄ、終端導体１４ａ乃至１４ｄ、又は接地導体１１に対してアンテナ内部と反対側の空間をアンテナ外部という。
本実施形態では、一例として、接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと天井導体１５ａ乃至１５ｄが電気的に接続され、各給電部１２ａ乃至１２ｄがＸ軸又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子１２ａ乃至１２ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成されている場合を示している。
本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の動作は第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様である。すなわち、本実施形態に係る構成の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置においてアンテナ素子１３ａに給電すると、＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向の方向により強い指向性が得られる。従って、図３４においてアンテナ素子１３ｂに給電すると＋Ｙ方向により強い電波が放射され、アンテナ素子１３ｃに給電すると−Ｘ方向により強い電波が放射される。また、アンテナ素子１３ｄに給電すると−Ｙ方向により強い電波が放射される。
本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄに接続された、給電するアンテナ素子を選択的に切り替えるためのスイッチを用いて、所望方向により強い指向性を有するアンテナ素子を選択して動作させることによって、電波の放射される方向を選択的に切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
また、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置から電波を放射する場合について説明してきたが、電波を受信する場合も同様である。この場合、電波が到来してくる方向により強い指向性を持つアンテナ素子を給電ケーブル（図示せず。）に接続することにより、より大きな受信電力が得られる。例えば、＋Ｘ方向から電波が到来する場合は、図５のような切り替えスイッチ１７によりアンテナ素子１３ａを給電ケーブルに接続すればよい。すなわち、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図５に示すような受信電力判定装置１８により各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信される電波の電力の強さを判定して、受信される電波の電力が強いアンテナ素子を動作させるように切り替えスイッチ１７を制御することにより、指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、受信時にも、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
図３５は、本発明の第３の実施形態の実施例に係る筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であって、本発明者らにより実際に試作された筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を示している。一例として、接地導体１１のＸ方向の長さが１２０ｍｍでありＹ方向の幅が１２０ｍｍであって、終端導体１４ａ乃至１４ｄの、ＸＹ平面に平行な方向の長さが１２０ｍｍである。また、終端導体１４ａ乃至１４ｄと仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄのＺ方向の高さが１２ｍｍであり、台形形状の天井導体１５ａ乃至１５ｄの上底から下底までの距離が２０ｍｍである。アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄの上端の各接続点１０ａ乃至１０ｄは、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを含む各方形導波管５０３ａ乃至５０３ｄの開放端から２ｍｍの位置に設けられ、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄは接続点１０ａ乃至１０ｄから下方に延在して、Ｘ軸上又はＹ軸上にそれぞれ配置された各給電部１２ａ乃至１２ｄに接続される。筐体一体型導波管アレーアンテナ装置が以上のように構成されたときの特性を図３６に示す。
図３６及び図３７は、図３５の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａに２．６ＧＨｚの無線信号を給電したときの放射指向特性を示す特性図であり、図３６はＸＹ平面（水平面）の放射指向特性を示す特性図であり、図３７はＺＸ平面（垂直面）の放射指向特性を示す特性図である。放射指向特性の目盛りは１間隔が１０ｄＢであり、単位は理想的な点波源の放射電力を基準にしたｄＢｉである。図３７より、電波の放射は＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向により強い指向性を示し、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置は、しかも簡単な構造であって、一方向へ強い指向性を実現していることがわかる。水平面においてＸ軸上の負の方向に１．０ｄＢｉの利得が得られた。
以上のように構成された、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置により、無線信号を送信したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現できる。さらに本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置は、２．６ＧＨｚの動作周波数のときにＺ軸方向の高さが０．１波長であるアンテナ装置を実現しており、これは非常に薄型なアンテナである。また、図２６の実施例に示されたように、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置によれば、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置に比較して、さらに小型のアンテナ装置を実現できる。
以上の実施形態や実施例においては、当該筐体一体型導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造である場合を示した。この場合、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置からの放射電波の指向特性がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称になるという効果がある。
以上説明したように、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置によれば、小形で薄型形状を有するとともに、しかも簡単な構造であって、従来技術に比較してより強い指向性を有し、その主ビーム方向を選択的に切り替えることが可能なアンテナ装置を実現できる。
なお、本実施形態においては、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置について、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称で、ＺＸ面での断面形状とＺＹ面での断面形状が同じであるアンテナ装置として例示したが、本発明はこれに限らず、例えば、放射対象空間が±Ｘ方向に長い場合、Ｙ方向に長いアンテナ装置に形成してもよい。動作原理は第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様であり、この構造により、±Ｘ方向に指向性が強くなり、±Ｘ方向に長い放射対象空間に適したアンテナ装置となる。このように、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置のＸ方向とＹ方向の長さを変えることにより、放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
また、本実施形態においては、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置について、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造であるアンテナ装置として一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、ＺＸ面のみに対して対称な構造又はＺＹ面のみに対して対称な構造で形成してもよい。このような構造により放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
さらに、本実施形態においては、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが導体線で構成された筐体一体型導波管アレーアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが板状の導体で形成してもよい。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。
またさらに、所望の入力インピーダンス特性を得る方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の場合と同様に整合導体を備えてもよい。例えば、図３４の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１５に示すような整合導体１９ａを備えてもよい。図１５においては、整合導体１９ａが線状の導体であり、接地導体１１と接続された例を示している。これにより、アンテナ素子１３ａ近傍の電界を変化させ、アンテナ素子１３ａに流れる電流を変化させることにより、アンテナ素子１３ａのインピーダンスを変化できる。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。なお、所望のインピーダンス特性を得るために、図２５のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１６に示すような整合導体１９ａが接地導体１１及び天井導体１５ａと接続された構成、図１７に示すように整合導体１９ａが接地導体１１及びアンテナ素子１３ａと接続された構成で形成してもよい。これにより、アンテナ素子１３ａに流れる電流を直接的に変化できるために、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置のインピーダンス特性を大幅に変えることができるという効果がある。なお、アンテナ素子１３ａのインピーダンス調整法を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果が得られる。
本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の放射特性を変化させる方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図１８に示すような指向特性制御導体２０ａを備えてもよい。図１８においては、指向特性制御導体２０ａが、Ｘ軸上の正の位置において接地導体１１と接続されて設けられた例を示している。放射される電波は、指向特性制御導体２０ａが導波器として動作する結果、指向特性制御導体２０ａを設けないときに比較して、＋Ｘ方向に指向性がより鋭くなる効果が得られる。なお、図１８では指向特性制御導体２０ａを直線状の導体で構成したが、これを他の形状の導体で構成してもよい。例えば、指向特性制御導体２０ａが螺旋状の導体線で構成されたヘリカル型整合導体で形成してもよく、Ｌ字型に折れ曲がった導体線で形成してもよい。これにより、指向特性制御導体２０ａを設けたことによる効果を損なうことなくアンテナ装置を薄型化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａを一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
さらに、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置には、図１９に示すように、Ｚ軸に平行な線状導体９１とＹ軸に平行な線状導体９２により構成される指向特性制御導体２０ａ−１が設けられてもよい。このとき、最も望ましいのは、Ｚ軸に平行な線状導体９１がＹ軸に平行な線状導体９２の中央で接続され、Ｚ軸に平行な線状導体９１の長さとＹ軸に平行な線状導体９２の半分の長さとの和が約１／４波長となる場合である。この長さにすることにより、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、指向特性制御導体２０ａ−１において共振が起こり、指向特性を制御することに関して、より大きな効果を得る。図１８のような指向特性制御導体２０ａを設ける場合は主に、アンテナ装置の垂直面（ＺＸ面）の指向特性を改善する技術であるが、図１９のような指向特性制御導体２０ａ−１を備えた構成にすることにより、アンテナ装置のＸＹ面での指向特性も変化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａ−１を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
以上において、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄのそれぞれに対して指向特性制御導体が１個だけ存在する場合について説明したが、２個以上の指向特性制御導体を設けてもよい。これにより、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構造の自由度が増え放射指向特性をさらに大きく制御できる。なお、指向特性制御導体２０ａ又は２０ａ−１を、図１５乃至図１７に示された整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２とともに備えてもよい。
本実施形態においては、接地導体１１が多角形（すなわち正方形）で構成された構造の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、接地導体１１は長方形又はその他の多角形、半円の組み合わせ又はその他の形状を有してもよい。また、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を天井等に設置する場合、アンテナ装置が目立たないように、アンテナ装置の形状と、天井面の升目又は部屋の形状とを揃えてほしいという要望がある。しかしながら、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の形状が長方形やその他の多角形の場合、天井面の升目又は部屋の形状は固定のため、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を設置する方向には制限が生じてしまう。そこで、図２３に示された第１の実施形態の第６の変形例のように、接地導体１１が接する底面が概略円形（又は楕円などその他の形状でもよい。）であるレドーム２１を用いることによりアンテナ特性を劣化させる湿気や埃等の進入を防ぎアンテナ装置の特性を安定化させる事とともに、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を天井に設置する際に、天井面の升目又は部屋の形状に気を使うことなく筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を設置できるという利点がある。さらに、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の底面が円形状の場合、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を回転させ取り付け方向を変化させてもよい。これにより、電波の放射方向を調整でき、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の設置位置に最適な放射特性を得ることができる。
また、本実施形態においては、図５のような切り替えスイッチを用いて選択的に切り替えることにより、所定の方位角から到来する無線信号に対する受信電力がより強いアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続する構成について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図２４に示すような合成回路を備え、筐体一体型導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄにそれぞれ振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄを接続し、振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄにそれぞれ移相器２３ａ乃至２３ｄを接続し、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信された電波の振幅と位相を変化させて合成器２４において電力を合成する構成としても良い。さらに、アンテナコントローラ２５を備えてもよい。アンテナコントローラ２５は合成回路からの出力信号の電力が最大となるように振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄによる振幅調整量と移相器２３ａ乃至２３ｄによる位相調整量を算出し、これを基に振幅調整回路２２ａ乃至２２ｄと上記移相器２３ａ乃至２３ｄを制御する。このように構成することにより、さらに受信電力の増大を実現できる。
さらに、複数個の本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置をアレー状に配置し、フェーズドアレーアンテナ及びアダプティブアンテナアレーを構成してもよい。これにより、さらなる放射電波の指向特性を制御できる。
第４の実施形態．
図３８は、本発明の第４の実施形態に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図３８において、当該筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、図３４の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置に比較すると、当該筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置に含まれる４つの方形導波管５０４ａ，５０４ｂ，５０４ｃ，５０４ｄを構成する各天井導体１５ａ乃至１５ｄにおいて、各方形導波管５０４ａ乃至５０４ｄ内の無線信号の伝搬方向に垂直な長手方向（すなわち、各方形導波管５０４ａ乃至５０４ｄの幅方向と同じ方向）を有し、管内波長の１／４波長に対して十分に小さい幅を有する１つのスロット３０ａ乃至３０ｄがそれぞれ設けられている点が異なっている。ここで、スロット３０ａ乃至３０ｄは、各天井導体１５ａ乃至１５ｄにおいて、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄの接続部１０ａ乃至１０ｄと、終端導体１４ａ乃至１４ｄとの間に設けられている。ここで、アンテナ素子１３ａを有する方形導波管５０４ａにより導波管アンテナ部６０４ａを構成し、アンテナ素子１３ｂを有する方形導波管５０４ｂにより導波管アンテナ部６０４ｂを構成する。また、アンテナ素子１３ｃを有する方形導波管５０４ｃにより導波管アンテナ部６０４ｃを構成し、アンテナ素子１３ｄを有する方形導波管５０４ｄにより導波管アンテナ部６０４ｄを構成する。
本実施形態においては、一例として、接地導体１１がＸＹ平面上にあり、接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄと天井導体１５ａ乃至１５ｄとが電気的に接続され、各給電部１２ａ乃至１２ｄがＸ軸上又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成され、スロット３０ａ乃至３０ｄが各天井導体１５ａ乃至１５ｄ上に１つずつ存在する場合を示している。
本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の動作は、第２の実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置と同様である。すなわち、本実施形態に係る構成を備えた筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置においてアンテナ素子１３ａに給電すると、天井導体１５ａと接地導体１１の間に発生する電界と、スロット３０ａに発生する電界により電波は放射され、＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向の方向により強い指向性が得られる。同様に、図３８においてアンテナ素子１３ｂに給電すると＋Ｙ方向により強い電波が放射され、アンテナ素子１３ｃに給電すると−Ｘ方向により強い電波が放射される。また、アンテナ素子１３ｄに給電すると−Ｙ方向により強い電波が放射される。
本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄに接続された、給電するアンテナ素子を選択的に切り替えるためのスイッチを用いて、所望方向により強い指向性を有するアンテナ素子を選択して動作させることによって、電波の放射される方向を選択的に切り替えることが可能な指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
また、上記実施形態においては、当該筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置から電波を放射する場合について説明したが、電波を受信する場合も同様である。この場合、電波が到来してくる方向により強い指向性を持つアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続することにより、より大きな受信電力が得られる。例えば、＋Ｘ方向から電波が到来する場合は、図５のような切り替えスイッチ１７によりアンテナ素子１３ａを給電ケーブルに接続すればよい。本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置においても、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図５に示すような受信電力判定装置１８により各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信される電波の電力の強さを判定して、受信される電波の電力が強いアンテナ素子を動作させるように切り替えスイッチ１７を制御することにより、指向性切り替えアンテナ装置を実現できる。これにより、受信時にも、水平面内で３６０度の範囲をカバーできる。
図３９は、本発明の第４の実施形態の第１の実施例に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であって、本発明者らにより実際に試作された筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を示している。接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄと天井導体１５ａ乃至１５ｄにてなる筐体部の寸法及びアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄの位置は、図３８の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の実施例と同じである。本実施例では、天井導体１５ａ乃至１５ｄ上にそれぞれスロット３０ａ乃至３０ｄがさらに設けられ、スロット３０ａ乃至３０ｄは２ｍｍの幅を有して各方形導波管５０４ａ乃至５０４ｂ内の無線信号の伝搬方向に垂直な方向に延在し、スロット３０ａ乃至３０ｄの幅方向の中心は、各方形導波管５０４ａ乃至５０４ｄの開放端から５ｍｍだけ離れた位置にある。筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置がこのように構成されたときの特性を以下に示す。
図４０は、図３９の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａにおける反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。図４０に示したように、本実施例の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は２．３ＧＨｚで共振していることがわかる。本実施例の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は対称な形状をしているので、各アンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに給電した場合も同じ特性が得られる。
図４１及び図４２は、図３９の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置のアンテナ素子１３ａに２．３ＧＨｚの無線信号を給電した場合の放射指向特性を示す特性図であり、図４１はＸＹ平面（水平面）の放射指向特性を示す特性図であり、図４２はＺＸ平面（垂直面）の放射指向特性を示す特性図である。放射指向特性の目盛りは１間隔が１０ｄＢであり、単位は理想的な点波源の放射電力を基準にしたｄＢｉである。図４２から明らかなように、電波の放射は＋Ｚ方向でかつ＋Ｘ方向により強い指向性を示し、しかも簡単な構造であって、一方向へ強い指向性を実現していることがわかる。最大放射方向は垂直面においてＺ軸から−Ｘ方向に４５度だけ回転した方向に、８．７ｄＢｉの比較的大きな利得が得られ、水平面においてもＸ軸上の負の方向に３．４ｄＢｉの利得が得られた。
以上説明したように、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置によれば、無線信号を送信したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現できる。さらに本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、２．３ＧＨｚの動作周波数においてＺ軸方向の高さが０．１波長となるアンテナ装置を実現しており、これは非常に薄い厚さを有するアンテナ装置である。
また、実施形態や実施例においては、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造である場合を示した。この場合、当該筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置からの放射電波の指向特性がＺＸ面及びＺＹ面に対して対称になるという効果がある。
さらに、本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置によれば、小形で薄型形状を有するとともに、しかも簡単な構造であって、従来技術に比較してより強い指向性を有して、その主ビーム方向を選択的に切り替えることが可能なアンテナ装置を実現できる。
以上の実施形態においては、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置について、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称で、ＺＸ面での断面形状とＺＹ面での断面形状が同じであるアンテナ装置として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、放射対象空間が±Ｘ方向に長い場合、Ｙ方向に長いアンテナ装置に形成してもよい。その動作原理は第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様であり、この構造により、±Ｘ方向に指向性が強くなり、±Ｘ方向に長い放射対象空間に適したアンテナとなる。このように、アンテナ装置のＸ方向とＹ方向の長さを変えることにより、放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
本実施形態においては、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置について、ＺＸ面及びＺＹ面に対して対称な構造であるアンテナ装置として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、ＺＸ面のみに対して対称な構造又はＺＹ面のみに対して対称な構造で形成してもよい。このような構造により放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
また、本実施形態においては、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが導体線で構成されたアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄが板状の導体で形成してもよい。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。
さらに、所望の入力インピーダンス特性を得る方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の場合と同様に整合導体を備えてもよい。例えば、図３８の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１５に示すような整合導体１９ａを備えてもよい。図１５においては、整合導体１９ａが線状の導体であり、接地導体１１と接続された例を示している。これにより、アンテナ素子１３ａ近傍の電界を変化させ、アンテナ素子１３ａに流れる電流を変化させることにより、アンテナ素子１３ａのインピーダンスを変化できる。これにより、所望の入力インピーダンス特性が得られ、反射損失の少ない高効率なアンテナ装置を実現できるという効果がある。なお、所望のインピーダンス特性を得るために、図３８の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成に加えて、図１６に示すような整合導体１９ａが接地導体１１及び天井導体１５ａと接続された構成、図１７に示すように整合導体１９ａが接地導体１１及びアンテナ素子１３ａと接続された構成で形成してもよい。これにより、アンテナ素子１３ａに流れる電流を直接的に変化できるために、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置のインピーダンス特性を大幅に変えることができるという効果がある。なお、アンテナ素子１３ａのインピーダンス調整法について説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄについても同様の効果が得られる。
図４３は、本発明の第４の実施形態の第２の実施例に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図であって、本発明者らによって試作された筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を示す。この筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、図３９のアンテナ装置の構成に加えて、図１６と同様の整合導体１９ａ−１乃至１９ｄ−１をさらに備えている。整合導体１９ａ−１乃至１９ｄ−１は、各方形導波管５０４ａ乃至５０４ｄの開放端から当該方形導波管５０４ａ乃至５０４ｄの内部に２ｍｍだけ挿入されて設けられ、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄから３ｍｍだけ離れた位置に、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄと平行に設けられる。図３９に示す第１の実施例に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成では、図４０に示したように反射損失が−３．７ｄＢ程度であり、アンテナ装置に効率よく電力を供給できない。そこで、図４３に示すように整合導体１９ａ−１乃至１９ｄ−１を備え、給電ケーブル（図示せず。）とのインピーダンスを整合し、高効率なアンテナ装置を実現する。図４４は、図４３の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。図４４から明らかなように、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の共振周波数である２．４ＧＨｚでは、反射損失は−１３．５ｄＢであり、反射損失の少ない良好な特性が得られていることがわかる。
本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の放射特性を変化させる方法として、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、図１８に示すような指向特性制御導体２０ａを備えてもよい。図１８においては、指向特性制御導体２０ａが、Ｘ軸上の正の位置において接地導体１１と接続されて設けられた例を示している。放射される電波は、指向特性制御導体２０ａが導波器として動作する結果、指向特性制御導体２０ａを設けないときに比較して、＋Ｘ方向に指向性がより鋭くなる効果が得られる。なお、図１８では指向特性制御導体２０ａを直線状の導体で構成したが、これを他の形状の導体で構成してもよい。例えば、指向特性制御導体２０ａが螺旋状の導体線で構成されたヘリカル型整合導体で形成してもよく、Ｌ字型に折れ曲がった導体線で形成してもよい。これにより、指向特性制御導体２０ａを設けたことによる効果を損なうことなくアンテナ装置を薄型化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａを一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
さらに、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置には、図１９に示すように、Ｚ軸に平行な線状導体９１とＹ軸に平行な線状導体９２により構成される指向特性制御導体２０ａ−１が設けられてもよい。このとき、最も望ましいのは、Ｚ軸に平行な線状導体９１がＹ軸に平行な線状導体９２の中央で接続され、Ｚ軸に平行な線状導体９１の長さとＹ軸に平行な線状導体９２の半分の長さとの和が約１／４波長となる場合である。この長さにすることにより、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置と同様に、指向特性制御導体２０ａ−１において共振が起こり、指向特性を制御することに関して、より大きな効果を得る。図１８のような指向特性制御導体２０ａを設ける場合は主に、アンテナ装置の垂直面（ＺＸ面）の指向特性を改善する技術であるが、図１９のような指向特性制御導体２０ａ−１を備えた構成にすることにより、アンテナ装置のＸＹ面での指向特性も変化できる。なお、アンテナ素子１３ａの指向特性を調整するための指向特性制御導体２０ａ−１を一例として説明したが、他のアンテナ素子１３ｂ乃至１３ｄに対して指向特性制御導体を設けても同様の効果が得られる。
以上において、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄのそれぞれに対して指向特性制御導体が１個だけ存在する場合について説明したが、２個以上の指向特性制御導体を設けてもよい。これにより、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構造の自由度が増え放射指向特性をさらに大きく変化させて制御できる。なお、指向特性制御導体２０ａ又は２０ａ−１を、図１５乃至図１７に示された整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２とともに備えてもよい。
また、本実施形態においては、接地導体１１が多角形（すなわち正方形）で構成された構造の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、接地導体１１は長方形又はその他の多角形、半円の組み合わせ、もしくはその他の形状を有してもよい。また、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を天井等に設置する場合、アンテナ装置が目立たないように、アンテナ装置の形状と、天井面の升目又は部屋の形状とを揃えてほしいという要望がある。しかしながら、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の形状が長方形やその他の多角形の場合、天井面の升目又は部屋の形状は固定のため、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を設置する方向には制限が生じてしまう。
そこで、図２３に示された第１の実施形態の第６の変形例のように、接地導体１１が接する底面が概略円形（楕円形状など他の形状であってもよい。）であるレドーム２１を用いることによりアンテナ特性を劣化させる湿気や埃等の進入を防ぎアンテナ装置の特性を安定化させる事とともに、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を天井に設置する際に、天井面の升目又は部屋の形状に気を使うことなく筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を設置できるという利点がある。さらに、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の底面が円形状の場合、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を回転させ取り付け方向を変化させてもよい。これにより、電波の放射方向を調整することが可能になり、筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の設置位置に最適な放射特性を得ることができる。
本実施形態においては、図５のような切り替えスイッチを用いて選択的に切り替えることにより、所定の方位角から到来する無線信号に対する受信電力がより強いアンテナ素子に給電ケーブル（図示せず。）を接続する構成を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図２４に示すような合成回路を備えて、上述のごとく、各アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄで受信された４つの無線信号を制御して合成してもよい。
また、複数個の本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置をアレー状に配置し、フェーズドアレーアンテナ及びアダプティブアンテナアレーを構成してもよい。これにより、さらなる放射電波の指向特性を制御できる。
なお、本実施形態においては、１つの天井導体１５ａ乃至１５ｄにつきスロット３０ａ乃至３０ｄが１つだけ存在する場合を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、天井導体１５ａ乃至１５ｄのうちの１つに２つ以上のスロットを備えてもよい。これにより、各スロットで送受信される電波の位相が揃い、より強い指向性を実現できる。また、各天井導体１５ａ乃至１５ｄに対して、異なる個数のスロットを設けてもよい。
本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、第２の実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置と同様に、第３の実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構造に特有の共振周波数と、スロット３０ａ乃至３０ｄに起因する共振周波数との間に、若干の周波数差を与えることにより、第３の実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置に比べて広帯域なインピーダンス特性が得られるという効果もある。
第５の実施形態．
図４５は、本発明の第５の実施形態であって、第１の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図４５において、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、図１に示された第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置において、そのアンテナ内部を誘電体４０によって充填したことを特徴としている。このように構成することにより、第１の実施形態に係る作用効果に加えて、誘電体４０内を伝搬する電磁波の実効波長を短くすることができるので、当該導波管アレーアンテナ装置を小型化かつ軽量化して形成できるとともに、誘電体基板上に金属導体を公知の導体パターン形成方法を用いて高精度で当該導波管アレーアンテナ装置を製造できる、また、アンテナ内部に誘電体４０が充填されているので、ごみが入らず清掃が不要であるという利点がある。
一例として、接地導体１１と終端導体１４ａ乃至１４ｄと側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２と天井導体１５ａ乃至１５ｄが電気的に接続され、各給電部１２ａ乃至１２ｄがＸ軸又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成され、誘電体４０がアンテナ内部の全てに充填されている場合を示している。
本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の動作は、第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の動作と同様である。
本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、アンテナ内部に誘電体４０を挿入している。真空での誘電率ε０に対する誘電体４０の誘電率の比（比誘電率）をεｒとすると、誘電体４０内での波長は、真空中の波長に比べて
Figure 2005043676
 倍となる。εｒは１以上であるから誘電体４０内では、波長は短くなる。このため、誘電体４０をアンテナ内部に挿入することにより、導波管アレーアンテナ装置をより小形で薄型である構造に形成できる。
第６の実施形態．
図４６は、本発明の第６の実施形態であって、第２の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填されたスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図４６の導波管アレーアンテナ装置は、図４５の導波管アレーアンテナ装置に比較して、天井導体１５ａ乃至１５ｄにスロット３０ａ乃至３０ｄを備えたことを特徴としている。
図４６において、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、図２５に示された第２の実施形態に係るスロット付き導波管アレーアンテナ装置において、そのアンテナ内部を誘電体４０によって充填したことを特徴としている。このように構成することにより、第２の実施形態に係る作用効果に加えて、当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置を小型化かつ軽量化して形成できるとともに、誘電体基板上に金属導体を公知の導体パターン形成方法を用いて高精度で当該スロット付き導波管アレーアンテナ装置を製造できる、また、アンテナ内部に誘電体４０が充填されているので、ごみが入らず清掃が不要であるという利点がある。本実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の動作は、第２の実施形態のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の動作と同様である。
第７の実施形態．
図４７は、本発明の第７の実施形態であって、第３の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図４７において、本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置は、図３４に示された第３の実施形態に係る筐体一体型導波管アレーアンテナ装置において、そのアンテナ内部を誘電体４０によって充填したことを特徴としている。このように構成することにより、第３の実施形態に係る作用効果に加えて、当該筐体一体型導波管アレーアンテナ装置を小型化かつ軽量化して形成できるとともに、アンテナ内部に誘電体４０が充填されているので、ごみが入らず清掃が不要であるという利点がある。本実施形態の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の動作は、第３の実施形態の筐体一体型アレーアンテナ装置の動作と同様である。
第８の実施形態．
図４８は、本発明の第８の実施形態であって、第４の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。図４８において、本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置は、図３８に示された第４の実施形態に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置において、そのアンテナ内部を誘電体４０によって充填したことを特徴としている。このように構成することにより、第４の実施形態に係る作用効果に加えて、当該筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置を小型化かつ軽量化して形成できるとともに、アンテナ内部に誘電体４０が充填されているので、ごみが入らず清掃が不要であるという利点がある。本実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の動作は、第４の実施形態の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の動作と同様である。
以上の第５乃至第８の実施形態においてそれぞれ、第１乃至第４の実施形態において、アンテナ内部に誘電体４０を充填しているが、第１乃至第４の実施形態の各変形例や各実施例においても、アンテナ内部に誘電体４０を充填してもよい。
第９の実施形態．
図４９は、本発明の第９の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。第５乃至第８の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置はまた、誘電体４０をアンテナ内部に挿入した構造になっているので、両面にそれぞれパターン導体である接地導体１１及び天井導体１５（導体箔にてなる）が形成されている誘電体基板４１を用いて作成してもよい。図４９の実施形態においては、図４５の側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２と終端導体１４ａ乃至１４ｄの代わりに、互いに所定間隔だけ離れてかつ互いに平行に（垂直方向に、すなわち厚さ方向に）形成された複数のスルーホール導体４２ｃを形成したことを特徴としており、図４５の導波管アレーアンテナ装置と同様の作用効果を有する。なお、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄもまたスルーホール導体で形成している。ここで、スルーホール導体４２ｃは、下面に接地導体１１が形成され、かつ上面に天井導体１５ａ乃至１５ｄが形成された誘電体に厚さ方向に貫通するスルーホール４２を形成し、そのスルーホール４２に金属導体を充填することにより形成される。本実施形態に係る製造方法においては、エッチング加工等のような公知の導体パターン形成方法を用いることができるので、高精度で天井導体１５ａ乃至１５ｄやスルーホール導体４２ｃを形成することができ、これにより、誘電体４０が充填された導波管アレーアンテナ装置の製作精度が向上し、さらに量産によるコストを削減できる。
次いで、図４９の導波管アレーアンテナ装置の製作手順の一例を示す。上面と下面にそれぞれ導体パターンの層が形成された誘電体基板を接地導体１１の大きさに切断し、上面の導体パターンを例えばエッチング又は機械加工で削ることにより導体パターンの天井導体１５ａ乃至１５ｄを形成する。次いで、誘電体基板において厚さ方向に貫通するようにスルーホールを形成した後、各スルーホールに金属導体を充填することにより、複数のスルーホール導体３２にてなる側面導体１６ａ１，１６ａ２乃至１６ｄ１，１６ｄ２及び終端導体１４ａ乃至１４ｄと、アンテナ素子１３とを形成する。ここでは、天井導体１５ａ乃至１５ｄが形成された面を誘電体基板の上面とする。誘電体基板のもう一方の導体パターンが接地導体１１となる。さらに、この接地導体１１において、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを構成するスルーホールのある位置に適当な円形孔を形成して給電点１２ａ乃至１２ｄを形成することにより、本実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置を作成できる。図４７の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の場合も、仕切壁導体３１ａ乃至３１ｄ等の構成要素を同様に作製できる。また、図４６及び図４８の場合も、表面に導体パターンが形成された誘電体基板に対して、スロット３０ａ乃至３０ｄをエッチング又は機械加工で導体パターンを削ることにより、同様に作成可能である。
以上の第５乃至第９の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置によれば、しかも簡単な構造であって、小形で薄型な形状で、かつ工作精度が良く、アンテナ特性の劣化の少ない、一方向により強い指向性を備えたアンテナ装置を実現できる。
また、第５乃至第９の実施形態やその実施例においては、当該導波管アレーアンテナ装置がＺＸ面に対して対称な構造である場合を示した。この場合、導波管アレーアンテナ装置から放射される電波の指向特性がＺＸ面に対して対称になるという効果がある。
さらに、第５乃至第９の実施形態においては、ＺＸ面に対して対称な構造である導波管アレーアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、ＺＹ面にのみ対称な構造、又は、ＺＹ面、ＺＸ面に対して非対称な構造で形成してもよい。このような構造により放射対象空間に最適な放射指向特性を持つアンテナ装置を実現できる。
第５乃至第９の実施形態においては、導体で囲まれたアンテナ内部が誘電体４０ですべて満たされている構造の導波管アレーアンテナ装置について説明したが、本発明はこれに限らず、アンテナ内部の少なくとも一部に誘電体４０が存在する場合も可能である。例えば、天井導体１５ａ乃至１５ｄと終端導体１４ａ乃至１４ｄと接地導体１１で囲まれた空間のみを誘電体基板を用いて形成してもよい。
第１０の実施形態．
図５０は、本発明の第１０の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す上面図である。本発明の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置は、以上の実施形態のように、接地導体１１が正方形又は長方形の底面形状、又はそれらの形状を組み合わせた底面形状を有するアンテナ装置のみに限定されるのではない。例えば、所望の放射指向特性又は所望の入力インピーダンス特性を得るために、接地導体１１はその他の多角形、又は半円の組み合わせ、その他の形状で形成してもよい。本実施形態においては、そのような変形例として、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｃをそれぞれ含む３つの方形導波管５０１ａ乃至５０１ｃの開放端が、上から見たときに正三角形の形状になるように配置された導波管アレーアンテナ装置が提供される。ここで、アンテナ素子１３ａを有する方形導波管５０１ａが導波管アンテナ部６０１ａを構成し、アンテナ素子１３ｂを有する方形導波管５０１ｂが導波管アンテナ部６０１ｂを構成し、アンテナ素子１３ｃを有する方形導波管５０１ｃが導波管アンテナ部６０１ｃを構成する。
図５０では、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｃ（図示せず。）は接続点１０ａ乃至１０ｃから下方に垂直に延在して設けられ、アンテナ素子１３ａ乃至１３ｃをそれぞれ含む３つの方形導波管５０１ａ乃至５０１ｃは、図２に示された導波管アンテナ部５０１ａ乃至５０１ｄと同様に構成される。また、アンテナ素子１３ａ及び１３ｂを含む各方形導波管５０１ａ及び５０１ｂはそれぞれの開放端において、当該方形導波管５０１ａ及び５０１ｂを構成する側面導体のうちの互いに隣接する２つの側面導体の端部が互いに接続される。また、アンテナ素子１３ｂ及び１３ｃを含む各方形導波管５０１ｂ及び５０１ｃはそれぞれの開放端において、当該方形導波管５０１ｂ及び５０１ｃを構成する側面導体のうちの互いに隣接する２つの側面導体の端部が互いに接続される。さらに、アンテナ素子１３ｃ及び１３ａを含む各方形導波管５０１ｃ及び５０１ａはそれぞれの開放端において、当該方形導波管５０１ｃ及び５０１ａを構成する側面導体のうちの互いに隣接する２つの側面導体の端部が互いに接続される。従って、３つの方形導波管５０１ａ乃至５０１ｃは、それぞれの開放端が正三角形の対応する辺上に位置するように、その開放端を内側に向け、終端導体を外側に向けて設けられる。このように導波管アレーアンテナ装置を製作することによって、所望の放射指向特性を有し、また第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置よりも簡単な構成のアンテナ装置を提供できる。
第１１の実施形態．
図５１は、本発明の第１１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す上面図である。本実施形態では、第１０の実施形態と同様の変形例として、アンテナ素子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆをそれぞれ含む６つの導波管アンテナ部６０１ａ，６０１ｂ，６０１ｃ，６０１ｄ，６０１ｅ，６０１ｆの開放端が、上から見たときに正六角形の形状になるように配置された導波管アレーアンテナ装置を構成している。このように導波管アレーアンテナ装置を製作することによって、所望の放射指向特性を有するアンテナ装置を提供できる。
第１０及び第１１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置において、第５乃至第９の実施形態と同様にアンテナ内部に誘電体４０を埋め込んでもよい。
第５乃至第１１の実施形態において、さらに、第１乃至第４の実施形態と同様に、図１５乃至図１７で図示した整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２を備えてもよい。また、第１乃至第４の実施形態と同様に、図１８及び図１９で図示した指向特性制御導体２０ａ，２０ａ−１を備えてもよい。この場合、整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２又は指向特性制御導体２０ａ，２０ａ−１は、誘電体基板のスルーホール導体や導体パターンのパターンにより形成してもよい。
なお、第１乃至第４の実施形態で説明した変形例は、第５乃至第１１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置においてすべて適用可能である。
また、第５乃至第１１の実施形態に係る複数の当該導波管アレーアンテナ装置をアレー状に配置し、フェーズドアレーアンテナ及びアダプティブアンテナアレーを構成してもよく、さらなる放射電波の指向特性を制御できる。
以上の各実施形態や変形例において、１個の整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２を備えているが、本発明の実施形態はこれに限らず、複数の整合導体１９ａ，１９ａ−１，１９ａ−２を備えてもよい。また、以上の各実施形態や変形例において、１個の指向特性制御導体２０ａ，２０ａ−１を備えているが、本発明はこれに限らず、複数の指向特性制御導体２０ａ，２０ａ−１を備えてもよい。
以上説明したように、本発明に係る実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置によれば、薄型である構造のアンテナ装置であって、かつ一方向により強い指向性を有する複数の導波管アンテナ部６０１ａ乃至６０１ｆを選択的に切り替えて動作させることにより、所望方向に対してより強い指向性を有するアンテナ装置を実現できる。また、上記選択的な切り替えに代えて、複数の無線信号を制御して合成することにより所望方向に対してより強い指向性を有するアンテナ装置を実現できる。
第１２の実施形態．
図５２は本発明の第１２の実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
図５２において、セクタパターンアンテナ装置は、例えば互いに異なる（好ましくは、互いに直交する）主ビーム方向のセクタパターンをそれぞれ有する４個のアンテナ部（本実施形態において、１つのアンテナ部によりアンテナ素子装置を構成する。）７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄを並置して構成される。ここで、アンテナ部７０１ａはスイッチ７０２ａの接点ａ、スイッチ７０４の接点ａ及び出力端子７０６を介して、無線受信回路及び無線送信回路を含む無線通信機回路９０に接続されるとともに、比較器７０７に接続される。また、スイッチ７０２ａの接点ｂは負荷インピーダンス素子７０３ａを介して接地される。アンテナ部７０１ｂはスイッチ７０２ｂの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｂ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に接続されるとともに、比較器７０７に接続される。また、スイッチ７０２ｂの接点ｂは負荷インピーダンス素子７０３ｂを介して接地される。アンテナ部７０１ｃはスイッチ７０２ｃの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｃ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に接続されるとともに、比較器７０７に接続される。また、スイッチ７０２ｃの接点ｂは負荷インピーダンス素子７０３ｃを介して接地される。アンテナ部７０１ｄはスイッチ７０２ｄの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｄ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に接続されるとともに、比較器７０７に接続される。また、スイッチ７０２ｄの接点ｂは負荷インピーダンス素子７０３ｄを介して接地される。
コントローラ７０５は、スイッチ７０４を順次、接点ａから接点ｂ、接点ｃ、接点ｄの順序で切り換えるが、これらの場合において、スイッチ７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄを以下のように切り換えるように制御する。
（１）スイッチ７０４が接点ａ側に切り替えられているとき、スイッチ７０２ａを接点ａ側に切り替える一方、他のスイッチ７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄをそれぞれ接点ｂ側に切り換える。これにより、アンテナ部７０１ａにより受信された無線信号はスイッチ７０２ａの接点ａ、スイッチ７０４の接点ａ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に出力されるとともに、比較器７０７に出力される。一方、他のアンテナ部７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄはそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ｂ，７０３ｃ，７０３ｄを介して接地される。
（２）スイッチ７０４が接点ｂ側に切り替えられているとき、スイッチ７０２ｂを接点ａ側に切り替える一方、他のスイッチ７０２ａ，７０２ｃ，７０２ｄをそれぞれ接点ｂ側に切り換える。これにより、アンテナ部７０１ｂにより受信された無線信号はスイッチ７０２ｂの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｂ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に出力されるとともに、比較器７０７に出力される。一方、他のアンテナ部７０１ａ，７０１ｃ，７０１ｄはそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ａ，７０３ｃ，７０３ｄを介して接地される。
（３）スイッチ７０４が接点ｃ側に切り替えられているとき、スイッチ７０２ｃを接点ａ側に切り替える一方、他のスイッチ７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｄをそれぞれ接点ｂ側に切り換える。これにより、アンテナ部７０１ｃにより受信された無線信号はスイッチ７０２ｃの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｃ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に出力されるとともに、比較器７０７に出力される。一方、他のアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｄはそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ａ，７０３ｂ，７０３ｄを介して接地される。
（４）スイッチ７０４が接点ｄ側に切り替えられているとき、スイッチ７０２ｄを接点ａ側に切り替える一方、他のスイッチ７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃをそれぞれ接点ｂ側に切り換える。これにより、アンテナ部７０１ｄにより受信された無線信号はスイッチ７０２ｄの接点ａ、スイッチ７０４の接点ｄ及び出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に出力されるとともに、比較器７０７に出力される。一方、他のアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃはそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ａ，７０３ｂ，７０３ｃを介して接地される。
以上のようにスイッチ７０４が順次切り替えられるときに、比較器７０７は、各アンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄにより受信される各無線信号の信号レベル（又は電力レベル）を比較器７０７内のメモリに一時的に格納して、各無線信号の信号レベルを比較し、最大の信号レベルを有する無線信号を受信したアンテナ部に関する情報をコントローラ７０５に出力する。これに応答して、コントローラ７０５は、最大の信号レベルを有する無線信号を受信したアンテナ部を出力端子７０６に接続するように、スイッチ７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄ及びスイッチ７０４を制御する。このとき、スイッチ７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄにおいては、上述のように、１つのスイッチ（７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄのうちの１つ）が接点ａ側に接続されているとき、他のスイッチは接点ｂ側に接続される。なお、上記のコントローラ７０５の処理は、本来の通信に先立って実行してもよいし、通信の実行中においてその中で実行してもよい。
本実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置においては、水平面又は垂直面において空間を分割し、それぞれの空間をカバーするアンテナ部の組により構成される。空間を分割することにより電波の放射方向を絞ることが可能になり、強い指向性を実現し高感度化が図れる。従って、セクタパターンアンテナ装置では、セクタパターンの数だけのアンテナ部が必要で、このうち最も強く受信したアンテナ部のみを出力端子７０６に接続して動作させることが好ましい。また、出力端子７０６に接続していないアンテナ部については負荷インピーダンス素子を接続しているので、アンテナ部間におけるアイソレーションによる放射特性の劣化を防止し、負荷インピーダンス素子の素子値を適当に選ぶことにより当該アンテナ装置の感度又は放射利得を向上できる。
なお、図５２の実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置においては、４つのアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄを備えた場合について説明しているが、本発明はこれに限らず、２つ以上の複数個のアンテナ部を並置して備えてもよい。ここで、複数個のアンテナ部はそれぞれ互いに異なる主ビーム方向のセクタパターンを有し、より好ましくは、複数個のアンテナ部はそれぞれ互いに直交する主ビーム方向のセクタパターンを有する。
図５３は図５２のセクタパターンアンテナ装置の具体的構成例の外観を示す斜視図であり、図５４は図５３のセクタパターンアンテナ装置の一部の外観を示す斜視図である。また、図５５は図５３のセクタパターンアンテナ装置の試作機の設計例を示す斜視図である。
図５３乃至図５５において図示された構成例において、４つのアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄにより水平面を４つのセクタパターンに分割して送受信可能なセクタパターンアンテナ装置を構成している。すなわち、このセクタパターンアンテナ装置では、１つのアンテナ部が水平面において９０度のエリアをカバーしている。すなわち、アンテナ部７０１ａは−Ｘ軸方向に主ビーム方向を有するセクタパターンを有し、アンテナ部７０１ｂは−Ｙ軸方向に主ビーム方向を有するセクタパターンを有し、アンテナ部７０１ｃはＸ軸方向に主ビーム方向を有するセクタパターンを有し、アンテナ部７０１ｄはＹ軸方向に主ビーム方向を有するセクタパターンを有する。従って、４つのアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄは互いに直交する主ビーム方向を有するセクタパターンを有する。
図５３のセクタパターンアンテナ装置は以下に示すような、いわゆる「筐体一体型導波管アレーアンテナ装置」を構成している。図５３において、４つのアンテナ部７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄはそれぞれ、ＸＹ平面上に位置した正方形形状（最も好ましくは、正方形形状であるが、矩形形状であってもよい。）の接地導体７１１上に設けられ、方形導波管８０３ａ，８０３ｂ，８０３ｃ，８０３ｄとアンテナ素子７１３ａ乃至７１３ｄを備えて、いわゆる「導波管アンテナ部」を構成する。ここで、各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄは、接地導体７１１と、この接地導体７１１に対向する天井導体７１５ａ乃至７１５ｄと、接地導体７１１と天井導体７１５ａ乃至７１５ｄとを連結する仕切壁導体７１８ａ乃至７１８ｄとから構成され、互いに隣接する２つの方形導波管（８０３ａ，８０３ｂ），（８０３ｂ，８０３ｃ），（８０３ｃ，８０３ｄ），（８０３ｄ，８０３ａ）の間で仕切壁導体を共有するように隣接して並置される（例えば、天井導体７１５ａを含む方形導波管８０３ａと、天井導体７１５ｄを含む方形導波管８０３ｄとの間で、仕切壁導体７１８ａを共有している）。
各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄは、終端導体７１７ａ乃至７１７ｄにより短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、終端導体７１７ａ乃至７１７ｄにより短絡された端部は、正方形の接地導体７１１の辺上に位置するように設けられ、開放された端部は、正方形の接地導体７１１の対角線上の、より小さい正方形（図示せず。）の辺上に位置するように設けられ、各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄは接地導体７１１上の小さい正方形の辺から外側に向かって延在する。また、アンテナ素子７１３ａ乃至７１３ｄは、一端が天井導体７１５ａ乃至７１５ｄであって各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄの開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が接地導体７１１上に位置する給電点７１２ａ乃至７１２ｄに電気的に接続されている。各アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄは、当該アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄを構成する各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄの開放された端部において所定の放射指向特性で無線信号を送受信する。各方形導波管８０３ａ乃至８０３ｄは接地導体７１１上に異なる向きで設けられているので、これら４つのアンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄの放射指向特性の主ビームはそれぞれ異なる方向を向き、ゆえに、無線信号を送受信するアンテナ素子を選択的に切り替えることによって当該アンテナ装置の指向特性を変化できる。
また、図５３において、正方形形状の接地導体７１１の四辺上に、接地導体７１１と同じ長さの辺と所定長さ（すなわち高さ）の垂直方向の辺とを有する矩形形状の終端導体７１７ａ乃至７１７ｄがＸＹ平面に垂直にそれぞれ設けられ、接地導体７１１の対角線上に、終端導体７１７ａ乃至７１７ｄの高さと同じ長さの辺と所定長さの辺とを有する矩形形状の仕切壁導体７１８ａ乃至７１８ｄが、ＸＹ平面に垂直に、かつ頂点を接地導体７１１の頂点に合わせて設けられる。さらに、終端導体７１７ａ乃至７１７ｄ及び仕切壁導体７１８ａ乃至７１８ｄ上に、接地導体７１１に対向して台形形状の天井導体７１５ａ乃至７１５ｄが設けられる。従って、仕切壁導体７１８ａは、その上端において台形形状の天井導体７１５ａ及び７１５ｄの斜辺と接続され、その下端において接地導体７１１と接続され、その左右端部において終端導体７１７ａ及び７１７ｄと接続されている。
ここで、天井導体７１５ａは終端導体７１７ａと仕切壁導体７１８ａ及び７１８ｂの上に設けられ、詳しくは、底面の接地導体７１１と、当該導波管アレーアンテナ装置の上面にこの接地導体７１１に対向して配置された台形形状の天井導体７１５ａと、天井導体７１５ａの台形の２つの斜辺において上記接地導体７１１及び上記天井導体７１５ａをそれぞれ連結する仕切壁導体７１８ａ及び７１８ｂとにより矩形断面が小さくなるテーパー形状の方形導波管８０３ａが形成され、この方形導波管８０３ａの、より広い断面を有する側の端部は、矩形形状の終端導体７１７ａによって終端密閉されて短絡される一方、上記方形導波管８０３ａの、より狭い断面を有する側の端部は開放状態となっている（以下、こちらの端部を開放端という。）。ここで、これら接地導体７１１と仕切壁導体７１８ａ及び７１８ｂと天井導体７１５ａと終端導体７１７ａとは、互いに機械的かつ電気的に接続されるように連結されて、Ｘ軸方向に平行な方向に無線信号を伝搬しかつ−Ｘ軸方向の端部が閉じられた方形導波管８０３ａを構成している。また、天井導体７１５ａであって、方形導波管８０３ａの開放端及びアンテナ素子７１３ｃの近傍であって、方形導波管８０３ａの長手の伝搬方向に対して垂直な方向に長手方向を有するスロット７１６ｃが形成されている。
次いで、天井導体７１５ａの下面の、＋Ｘ軸方向の端部近傍でありかつＹ軸方向の中心における接続点７１０ａに、導体線からなるアンテナ素子７１３ａの一端が半田付けにより機械的及び電気的に接続される。一方、アンテナ素子７１３ａは接続点７１０ａから下方に向かって垂直に延在し、さらに、アンテナ素子７１３ａの他端は、接地導体７１１上のＸ軸上に形成された円形孔において、接地導体７１１とは電気的に絶縁された給電点７１２ａに接続される。当該給電点７１２ａはさらに、例えば同軸ケーブルの中心導体に電気的に接続され、また、同軸ケーブルの接地導体は接地導体７１１に電気的に接続される。これにより、無線通信機回路９０から無線信号が同軸ケーブルを介して給電点７１２ａに給電される。また、方形導波管８０３ａとアンテナ素子８１３ａとにより導波管アンテナ部９０３ａが構成される。
また、天井導体７１５ｂはスロット７１６ｂを有して終端導体７１７ｂと仕切壁導体７１８ｂ及び７１８ｃの上に設けられ、天井導体７１５ｃはスロット７１６ｃを有して終端導体７１７ｃと仕切壁導体７１８ｃ及び７１８ｄの上に設けられ、天井導体７１５ｄはスロット７１６ｃを有して終端導体７１７ｄと仕切壁導体７１８ｄ及び７１８ａの上に設けられ、アンテナ素子７１３ｂ，７１３ｃ及び７１３ｄを含む導波管アンテナ部９０３ｂ乃至９０３ｄも、同様に構成される。
さらに、アンテナ素子７１３ａの近傍であってそれに対して平行となるように、天井導体７１５ｃと接地導体７１１との間に、アンテナ素子７１３ａの入力インピーダンスを調整するための整合導体７１４ａが接続されている。また、アンテナ素子７１３ｂの近傍であってそれに対して平行となるように、天井導体７１５ｂと接地導体７１１との間に、アンテナ素子７１３ｂの入力インピーダンスを調整するための整合導体７１４ｂが接続されている。さらに、アンテナ素子７１３ｃの近傍であってそれに対して平行となるように、天井導体７１５ｃと接地導体７１１との間に、アンテナ素子７１３ｃの入力インピーダンスを調整するための整合導体７１４ｃが接続されている。またさらに、アンテナ素子７１３ｄの近傍であってそれに対して平行となるように、天井導体７１５ｄと接地導体７１１との間に、アンテナ素子７１３ｄの入力インピーダンスを調整するための整合導体７１４ｄが接続されている。なお、１つのアンテナ部に対して１本の整合導体を設けているが、複数本の整合導体を設けてもよい。
図５３の構成例では、互いに隣接する２つの方形導波管の側面導体をそれぞれ仕切壁導体７３１ａ乃至７３１ｄとして一体化されているので、その構造が簡単化されたアンテナ装置を提供できる。アンテナ装置の構造をさらに簡単化するために、天井導体７１５ａ乃至７１５ｄは、一体化された単一の導体板にて構成されてもよい。
図５３の構成例において、各アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄから放射される電波の位相を揃えるためにスロット７１６ａ乃至７１６ｄを形成しているが、本発明はこれに限らず、スロット７１６ａ乃至７１６ｄを形成しなくともよい。
ここで、天井導体７１５ａ乃至７１５ｄと終端導体７１７ａ乃至７１７ｄと接地導体７１１にてなる筐体部で囲まれた空間をアンテナ内部と呼び、天井導体７１５ａ乃至７１５ｄ、終端導体７１７ａ乃至７１７ｄ、又は接地導体７１１に対してアンテナ内部と反対側の空間をアンテナ外部という。なお、アンテナ内部の少なくとも一部を所定の誘電体を充填してもよく、この場合、アンテナ装置のサイズを小型化できる。
図５３の構成例では、一例として、接地導体７１１と終端導体７１７ａ乃至７１７ｄと天井導体７１５ａ乃至７１５ｄが電気的に接続され、各給電点７１２ａ乃至７１２ｄがＸ軸又はＹ軸上に配置され、アンテナ素子７１２ａ乃至７１２ｄがＸＹ面に垂直な導体線で構成されている場合を示している。
以上のように構成されたアンテナ装置では、例えば、図５４に示すように、アンテナ素子７１３ａに給電すると、＋Ｚ軸方向でかつ＋Ｘ軸方向の方向により強い指向性が得られる。従って、図５３においてアンテナ素子７１３ｂに給電すると＋Ｙ軸方向により強い電波が放射され、アンテナ素子７１３ｃに給電すると−Ｘ軸方向により強い電波が放射される。また、アンテナ素子７１３ｄに給電すると−Ｙ軸方向により強い電波が放射される。なお、短絡導体７１７ａ乃至７１７ｄはそれぞれアンテナ素子７１３ａ乃至７１３ｄと給電点７１２ａ乃至７１２ｄとのインピーダンス整合をとり、高効率のエネルギー伝達を行うためのものであり、アンテナ装置の寸法、形状により不要の場合がある。
図５６及び図５７は図５５の試作例のセクタパターンアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける測定結果であって、図５６は図５５のセクタパターンアンテナ装置の入力端反射係数の周波数特性を示すグラフであり、図５７は図５５のセクタパターンアンテナ装置のアイソレーションの周波数特性を示すグラフである。ここで、図５６は一例としてアンテナ素子７１３ａの場合を示している。他のアンテナ素子７１３ｂ乃至７１３ｄにおいてはそれぞれ、その給電点７１２ｂ乃至７１２ｄは負荷インピーダンス素子７０３ｂ乃至７０３ｄによりインピーダンス整合されている。図５６から明らかなように、本試作アンテナ装置では周波数２．５ＧＨｚにおいて−２４ｄＢのきわめて小さい入力端反射係数が得られ、効率よく放射できることがわかる。
また、図５７はアンテナ素子７１３ａと他のアンテナ素子７１３ｂ乃至７１３ｄ間におけるアイソレーションの周波数特性を示している。図５７から明らかなように、アンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｂ間のアイソレーション、及びアンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｄ間のアイソレーションは同じであることがわかる。これは、セクタパターンアンテナ装置の対称性によるものである。また、周波数２．５ＧＨｚにおいて、アンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｃ間のアイソレーションは８ｄＢであり、アンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｂ間のアイソレーション、及びアンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｄ間のアイソレーションは１２ｄＢである。これにより、１対のアンテナ素子７１３ａ，７１３ｃが対向する、アンテナ素子７１３ａとアンテナ素子７１３ｃ間のアイソレーションが最も悪いことがわかる。すなわち、アンテナ素子７１３ａが動作する場合、アンテナ素子７１３ｃの影響を最も受ける。
図５８及び図５９は図５５のセクタパターンアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける測定結果であって、図５８は図５５のセクタパターンアンテナ装置の水平面放射特性を示すグラフであり、図５９は図５５のセクタパターンアンテナ装置の垂直面放射特性を示すグラフである。なお、図５８及び図５９では、一例としてアンテナ素子７１３ａの場合を示している。また、他のアンテナ素子７１３ｂ乃至７１３ｄの給電点７１２ｂ乃至７１２ｄは負荷インピーダンス素子７０３ｂ乃至７０３ｄによりインピーダンス整合されている。
図５８に示すように、−Ｘ軸方向に強い指向性が確認できる。最大放射利得は７．１ｄＢｉで、水平面における利得として、−Ｘ軸方向に４．１ｄＢｉ、＋Ｘ軸方向に２．７ｄＢｉが得られている。通信を行っている無線通信装置間では、通常は無線通信装置の置かれている高さの差よりも無線通信装置間の距離の方がきわめて大きい。従って、このような場合、水平面及び低仰角方向における利得の大きいアンテナ部を用いることで、カバーエリアを広げることができる。当該アンテナ装置では、−Ｘ軸方向に４．１ｄＢｉの比較的大きな利得を得ており、水平面に強く放射する基本アンテナの１つであるダイポールアンテナの利得２．２ｄＢｉよりも１．９ｄＢ強く放射が得られている。しかしながら、逆方向にも２．７ｄＢｉの比較的大きな利得がある。従って、受信の場合には、背後からの不要な妨害波を受ける可能性があり、送信の場合には背後への不要放射が問題になる。そこで、水平面における利得の向上のみならず、アンテナのカバー方向以外における利得との差も大きいことが重要である。なお、当該アンテナ装置の場合には水平面での利得差は１．４ｄＢである。
図５３のアンテナ装置を用いて図５２に示すセクタパターンアンテナ装置を構成した場合において、図５２における負荷インピーダンス素子７０３ａ乃至７０３ｄを変化させたときの、セクタパターンを構成するアンテナ装置の放射特性の変化を調べる。ここでは、図５３におけるアンテナ素子７１３ａに給電したときの放射利得を調べる。このとき、図５３におけるアンテナ素子７１３ｂ乃至７１３ｄにはそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ｂ乃至７０３ｄが接続される。負荷インピーダンス素子７０３ａ乃至７０３ｄのインピーダンス値はそれぞれＺａ乃至Ｚｄで表され、次式で表される。
Figure 2005043676
ここで、ｊは虚数単位である。
第１２の実施形態の第１の実施例．
図６０は本発明の第１２の実施形態の第１の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
図６０に示すように、アンテナ素子７１３ａに最も影響が大きいアンテナ素子７１３ｃの負荷インピーダンス素子７０３ｃ（インピーダンス値Ｚｃ）のみを変化させた場合の検討を行う。ここで、負荷インピーダンス素子７０３ｃには、損失がないように抵抗成分Ｒｃは０とし、リアクタンス値成分Ｘｃのみを持たせた。すなわち、アンテナ部７０１ｂ及び７０１ｄはその入力インピーダンスに等しい抵抗値（例えば、５０Ω）を有する負荷インピーダンス素子７０３ｂ，７０３ｄを用いて整合終端されている。
図６１は図６０のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、負荷インピーダンス素子７０３ｃのリアクタンス値Ｘｃに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。また、他の負荷インピーダンス素子７０３ｂ及び７０３ｄのインピーダンス値Ｚｂ，Ｚｄを５０Ωとし、無反射となるようにした。アンテナ素子７１３ａに給電した場合における放射利得の変化を図６１に示している。図６１において、Ｇ１８０は−Ｘ軸方向（１８０度方向）の放射利得［ｄＢｉ］（なお、ｄＢｉで示す放射利得は、アイソトロピックアンテナを基準とする絶対利得である。）で所望方向の利得である。また、Ｇ０は＋Ｘ軸方向（０度方向）の利得［ｄＢｉ］であり、主ビーム方向のセクタパターン外における最大の放射利得となる。Ｇｍａｘは最大放射利得［ｄＢｉ］であり、（Ｇ１８０−Ｇ０）［ｄＢ］は所望方向の利得と、不要方向の利得との利得差である相対利得である。
図６１から明らかなように、負荷インピーダンス素子７０３ｃのリアクタンス値Ｘｃを変化させることにより、放射利得（Ｇ１８０−Ｇ０）、Ｇｍａｘともに変化することがわかる。特に、放射利得Ｇ１８０とＧ０にはそれぞれ最大値を与えるリアクタンス値Ｘｃが存在することがわかる。所望波方向（０度方向）に最大利得の主ビームを有する放射利得Ｇ１８０に関しては、リアクタンス値Ｘｃが−２０≦Ｘｃ≦０［Ω」において、最大値５．４ｄＢｉを得る。また、リアクタンス値Ｘｃが−５０≦Ｘｃ≦３０［Ω」において４．５ｄＢｉ以上の高利得な指向特性を得ることができる。一方、放射利得Ｇ０は小さいことが望まれる。例えば２ｄＢｉ以下となるリアクタンス値Ｘｃの範囲はＸｃ≦−３０［Ω」である。また、所望方向と不要方向の利得差である相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は大きいことが望まれるが、リアクタンス値Ｘｃが大きくなるに伴い小さくなることがわかる。一方、最大放射利得Ｇｍａｘは、リアクタンス値Ｘｃ≧０において７ｄＢｉの高利得特性を得ている。なお、図６１には示していないが、この範囲内における最大放射利得はアンテナ部７０１ａの主ビームのセクタパターン内にある。
本実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置においては、所望方向への比較的大きな利得と不要方向への低利得の放射特性が望まれている。そこで、ここでは、放射利得Ｇ１８０が４ｄＢｉ以上、最大放射利得Ｇｍａｘが７ｄＢｉ以上で、放射利得Ｇ０が２ｄＢｉ以下となることを目安にする。この範囲に含まれるのは、リアクタンス値が−５０≦Ｘｃ≦−３０［Ω」であるときである。このとき、放射利得Ｇ１８０は４．６〜５．２ｄＢｉ、放射利得Ｇ０は０．３〜１．９ｄＢｉであり、最大放射利得Ｇｍａｘは７．８〜７．９ｄＢｉである。
図６２及び図６３は図６０のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、図６２は図６０のセクタパターンアンテナ装置の水平面放射特性を示すグラフであり、図６３は図６０のセクタパターンアンテナ装置の垂直面放射特性を示すグラフである。本発明の第１２の実施形態の第１の実施例における最適値としてリアクタンス値Ｘｃ＝−４０［Ω」とする。このときの放射パターンを図６２及び図６３に示しており、放射利得Ｇ１８０は４．９ｄＢｉで、放射利得Ｇ０は１．１ｄＢｉで、相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は３．８ｄＢとなり、最大放射利得Ｇｍａｘは７．９ｄＢｉであった。
図６４は、本発明の第１２の実施形態の第１の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。図６０の装置構成では、１つのアンテナ部に対して２つの負荷インピーダンス素子値を選択的に切り換えて設定する必要があるために、図６４に示すように、例えばアンテナ部７０１ａに接続される負荷インピーダンス素子を２つ用意する必要がある。図６４の構成例では、図５２のスイッチ７０２ａに代えて１対３のスイッチ７０２ａ−１を設ける必要があり、スイッチ７０２ａ−１の接点ａはスイッチ７０４の接点ａを介して出力端子７０６に接続され、スイッチ７０２ａ−１の接点ｂは負荷インピーダンス素子７０３ａ１を介して接地され、スイッチ７０２ａ−１の接点ｃは負荷インピーダンス素子７０３ａ２を介して接地される。ここで、例えば、負荷インピーダンス素子７０３ａ１のインピーダンス値を−ｊ４０Ωとし、負荷インピーダンス素子７０３ａ２のインピーダンス値を５０Ωにすれば、図６０の装置構成を実現できる。なお、図６４の構成例では、アンテナ素子７１３ａに給電する場合、すなわちアンテナ部７０１ａを動作させる場合について説明したが、他のアンテナ部７０１ｂ乃至７０１ｄにおいても、図６４の装置構成を用いる。
負荷インピーダンス素子７０３ｂのインピーダンス値Ｚｃは５０［Ω］である、図５３のアンテナ装置では、図５８及び図５９に示すように、最大放射利得Ｇｍａｘは７．１ｄＢｉで、放射利得Ｇ１８０は４．１ｄＢｉ、放射利得Ｇ０は２．７ｄＢｉ、相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は１．４ｄＢが得られていた。従って、図６４の装置によれば、最大放射利得Ｇｍａｘは０．８ｄＢの向上、放射利得Ｇ１８０は０．７ｄＢの向上、放射利得Ｇ０は−１．６ｄＢの減少、相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は２．４ｄＢが向上し、いずれの特性も良好な特性が得られていた。このように、対向する各対のアンテナ部に適切な負荷インピーダンス素子を備えることによりセクタパターンアンテナ装置としての放射特性を向上できる。
第１２の実施形態の第２の実施例．
図６５は本発明の第１２の実施形態の第２の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第２の実施例では、図６５に示すように、リアクタンス値Ｘｃ＝Ｘｂ＝Ｘｄ≡Ｘとした場合の特性を調べる。このとき、すべての負荷インピーダンス素子７０３ａ乃至７０３ｄは同じであるため、図６４のように負荷インピーダンス素子をそれぞれ２つ用意する必要はなく、図５２に示すように１つの負荷インピーダンス素子でよい。
図６６は図６５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｃ＝Ｘｄに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。図６６から明らかなように、図６１の場合と若干異なるが、負荷インピーダンス素子７０３ｂ乃至７０３ｄのリアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｃ＝Ｘｄを変化させることにより、図６１の場合とほぼ同様の結果が得られていることがわかる。放射利得Ｇ１８０と放射利得Ｇ０が図６１の場合に比較して若干小さくなっているが、全体的に放射利得Ｇ１８０よりも放射利得Ｇ０の減少幅は大きく、相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は図６１の場合に比較して大きくなった。また、最大放射利得Ｇｍａｘも図６１の場合に比較して大きくなっている。
図６１の場合と同様に、放射利得Ｇ１８０が４ｄＢｉ以上、最大放射利得Ｇｍａｘが７ｄＢｉ以上で、放射利得Ｇ０が２ｄＢｉ以下となることを目安にすると、この範囲に含まれるのは、リアクタンス値Ｘが−５０≦Ｘ≦−２０［Ω］であるときである。このとき、放射利得Ｇ１８０は４．２〜４．８ｄＢｉで、放射利得Ｇ０は０．４〜１．６ｄＢｉであり、最大放射利得Ｇｍａｘは７．８〜８．１ｄＢｉである。そこで、ここでは最適値としてＸ＝−４０［Ω］とする。
図６７及び図６８は図６５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、図６７は図６５のセクタパターンアンテナ装置の水平面放射特性を示すグラフであり、図６８は図６５のセクタパターンアンテナ装置の垂直面放射特性を示すグラフである。
図６７及び図６８から明らかなように、放射利得Ｇ１８０は４．４ｄＢｉで、放射利得Ｇ０は０．６ｄＢｉであり、これより相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は３．８ｄＢとなり、最大放射利得Ｇｍａｘは８．０ｄＢｉであった。このように、図６０に示す構成とほぼ同様の結果が得られた。放射利得Ｇ１８０は、第１２の実施形態の第１の実施例に比較して若干低くなったが、第１２の実施形態の第２の実施例では負荷インピーダンス素子を１つにできるために１対２のスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄを使用できるという利点がある。また、第１２の実施形態の第１の実施例に比べて負荷インピーダンス素子のインピーダンス値Ｘに対して利得の変化量が少ないために、素子ばらつきの影響を受けにくいという利点もある。
以上においては、アンテナ素子７１３ａに給電する場合、すなわちアンテナ部７０１ａを動作させる場合について説明したが、他のアンテナ部７０１ｂ乃至７０１ｄについても同様に構成すれば、同様の効果が得られる。
第１２の実施形態の第３の実施例．
図６９は本発明の第１２の実施形態の第３の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第３の実施例においては、図６９に示すように、負荷インピーダンス素子７０３ｃのリアクタンス値Ｘｃを一定にし、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄ≡Ｘとしてリアクタンス値Ｘを変化させた場合の特性を調べる。ここで、リアクタンス値Ｘｃ＝−４０［Ω］とした。このとき、図６４の構成例のように負荷インピーダンス素子をそれぞれ２つ用意する必要がある。
図７０は図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。図７０から明らかなように、負荷インピーダンス素子７０３ｂ，７０３ｄのリアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄ＝Ｘを変化させても、放射利得Ｇ１８０はほとんど変化しないことが分かった。しかしながら、放射利得Ｇ０はリアクタンス値Ｘ＝２０〜３０［Ω］で極小となることがわかる。すなわち、相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）はこのとき極大値を得る。最大放射利得Ｇｍａｘも緩やかに減少することがわかる。
第１２の実施形態の第１及び第２の実施例と同様に、放射利得Ｇ１８０が４ｄＢｉ以上、最大放射利得Ｇｍａｘが７ｄＢｉ以上で、放射利得Ｇ０が２ｄＢｉ以下となることを目安にすると、この範囲に含まれるのは、負荷インピーダンス素子７０３ｂ，７０３ｄのリアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄ＝Ｘが５０≦Ｘ≦３０［Ω］である。このとき、放射利得Ｇ１８０は４．０〜４．５ｄＢｉで、放射利得Ｇ０は−１．４〜１．０ｄＢｉであり、最大放射利得Ｇｍａｘは７．０〜８．１ｄＢｉである。そこで、ここでは最適値としてＸ＝２０［Ω］とする。
図７１及び図７２は、図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、図７１は図６９のセクタパターンアンテナ装置の水平面放射特性を示すグラフであり、図７２は図６９のセクタパターンアンテナ装置の垂直面放射特性を示すグラフである。図７１及び図７２から明らかなように、放射利得Ｇ１８０は４．０ｄＢｉで、放射利得Ｇ０は−１．４ｄＢｉとなり、これにより相対利得（Ｇ１８０−Ｇ０）は５．４ｄＢとなり、最大放射利得Ｇｍａｘは７．２ｄＢｉであった。このように、上述の第１２の実施形態の第１及び第２の実施例に比べて放射利得Ｇ１８０はより小さい結果となった。
本実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置では、水平面を４つのセクタパターンに分割しているために、１つのアンテナ部がカバーする水平面の角度は９０度である。従って、本来この半値幅が９０度であることが最も望ましい。従って、セクタパターンを有するアンテナ部において、放射利得の他に水平面における半値幅をカバーエリアの角度（本実施形態のとき、９０度）に近づけることが望まれる。しかしながら、図６２と図６７の水平面放射パターンでは、利得の最大値よりも半分になる角度幅である半値幅がいずれも６５度と若干狭い値であった。この値が９０度に近い方が望まれるが、図７１の放射パターンは図６２と図６７に比べて広く、半値幅は７５度であった。
図７３は図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄに対するセクタパターンの半値幅を示すグラフである。図７３では、負荷インピーダンス素子７０３ｃのリアクタンス値ＸｃをＸｃ＝−４０［Ω］とした場合における他の負荷インピーダンス素子７０３ｂ，７０３ｄの各リアクタンス値Ｘ（≡Ｘｂ＝Ｘｄ）を変化させたときの半値幅の変化を示す。図７３から明らかなように、リアクタンス値Ｘ＝３０［Ω］のときに、半値幅は７６度と最大値を取ることがわかる。また、第１２の実施形態の第３の実施例において放射特性を示したＸ＝２０［Ω］のときも半値幅は７５度とほぼ最大値に近い値が得られていることがわかる。このように構成することにより半値幅も可変なセクタパターンアンテナ装置を構成できる。
以上の第１２の実施形態の各実施例では、アンテナ素子７１３ａに給電する場合、すなわちアンテナ部７０１ａを動作させる場合について説明したが、他のアンテナ部７０１ｂ乃至７０１ｄに給電する場合であっても同様に構成して同様の効果を得ることができる。
上述の第１２の実施形態の第１乃至第３の実施例において、負荷インピーダンス素子７０３ａ乃至７０３ｄとして、可変容量コンデンサ又は可変容量ダイオードを用いることで、２つの静電容量を１つの素子で実現できる。この場合、負荷インピーダンス素子を１つにできるために素子数の低減のみならず、１対２のスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄを使用できるという利点がある。
第１２の実施形態の第１の変形例．
図７４は本発明の第１２の実施形態の第１の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第１の変形例では、スイッチ７０４の各接点ａ乃至ｄに入力される無線信号を比較し、その比較結果に基づき、コントローラ７０５はスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄとスイッチ７０４を制御する。この場合、まず、スイッチ７０２ａ乃至７０２ｄをすべて接点ａ側に切り替えてアンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄをそれぞれスイッチ７０４の接点ａ乃至ｄと接続し、比較器７０７は、各アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄで受信された４つの無線信号の信号レベル（又は電力レベル）を比較し、最大の信号レベルを有するアンテナ部の情報をコントローラ７０５に出力する。これに応答して、コントローラ７０５は、最大の信号レベルを有するアンテナ部を出力端子７０６に接続するようにスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄ及びスイッチ７０４を制御し、他の信号レベルを有するアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するようにスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄを制御する。これにより、使用するアンテナ部の判定の高速化が図れる。また、図７４の装置によれば、図６０の装置構成と、図６５の装置構成と、図６９の装置構成とを組み合わせた装置構成を実現できる。
第１２の実施形態の第２の変形例．
図７５は本発明の第１２の実施形態の第２の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第２の変形例では、図７４のスイッチ７０３に代えて信号分配合成器７０８を用いたことを特徴としている。各アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄからの無線信号は、信号分配合成器７０８により合成され、合成後の無線信号は出力端子７０６を介して無線通信機回路９０に出力される。また、無線通信機回路９０から出力端子７０６を介して入力される送信すべき無線信号は、信号分配合成器７０８により４分配され、分配後の４つの無線信号はそれぞれスイッチ７０２ａ乃至７０２ｄの各接点ａを介して各アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄに出力される。そして、比較器７０７Ａは、一度に検出可能な４つの無線信号の信号レベルを検出してかつ互いに比較して最大の信号レベルを有するアンテナ部を判断でき、その情報をコントローラ７０５に出力する。
以上のように構成されたセクタパターンアンテナ装置では、コントローラ７０５からのスイッチ７０４への制御信号線を減らすことができ、当該制御回路の小型化を実現できる。また、コントローラ７０５の制御処理も軽減できる。
第１２の実施形態の第３の変形例．
図７６は本発明の第１２の実施形態の第３の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第３の変形例では、図７５に図示された第１２の実施形態の第２の変形例に比較して、アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄでそれぞれ受信された各無線信号の信号レベルを直接に比較器７０７Ｂにより比較し、比較器７０７Ｂは最大の信号レベルを有するアンテナ部の情報をコントローラ７０５に出力することを特徴としている。その他の構成は、第１２の実施形態の第２の変形例と同様である。第１２の実施形態の第３の変形例によれば、使用するアンテナ部の判定の高速化が図れるとともに、図６０の装置構成と、図６５の装置構成と、図６９の装置構成とを組み合わせた装置構成を実現できる。
第１２の実施形態の第４の変形例．
図７７は本発明の第１２の実施形態の第４の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第４の変形例は、第１２の実施形態の第２の変形例と第３の変形例とを組み合わせたものであり、図７６のスイッチ７０４に代えて、信号合成分配器７０８を備えて構成したことを特徴としている。当該第１２の実施形態の第４の変形例によれば、コントローラ７０５からのスイッチ７０４への制御信号線を減らすことができ、当該制御回路の小型化を実現できる。また、コントローラ７０５の制御処理も軽減できる。
第１２の実施形態の第５の変形例．
図７８は本発明の第１２の実施形態の第５の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。当該第１２の実施形態の第５の変形例では、スイッチ７０２ａ乃至７０２ｄ及びスイッチ７０４に代えて、４対４のスイッチ装置７０２Ａを設けたことを特徴としている。
図７８において、スイッチ７０２Ａは４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を備えて構成される。ここで、アンテナ部７０１ａは、端子Ｔ１１を介して４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の各接点ａに接続され、アンテナ部７０１ｂは、端子Ｔ１２を介して４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の各接点ｂに接続され、アンテナ部７０１ｃは、端子Ｔ１３を介して４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の各接点ｃに接続され、アンテナ部７０１ｄは、端子Ｔ１４を介して４つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の各接点ｄに接続される。スイッチＳＷ１の共通端子Ｔ２１は出力端子７０６及び比較器７０７に接続される。また、スイッチＳＷ２の共通端子Ｔ２２は負荷インピーダンス素子７０３ａを介して接地され、スイッチＳＷ３の共通端子Ｔ２３は負荷インピーダンス素子７０３ｂを介して接地され、スイッチＳＷ４の共通端子Ｔ２４は負荷インピーダンス素子７０３ｃを介して接地される。
コントローラ７０５は、比較器７０５からの最大の信号レベルの無線信号を受信したアンテナ部（７０１ａ乃至７０１ｄのうちの１つ）の情報に基づいて、そのアンテナ部を出力端子７０６に接続する一方、他のアンテナ部をそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ａ，７０３ｂ，７０３ｄに選択的に接続するようにスイッチ装置７０２ＡのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を制御する。
以上のように構成された第１２の実施形態の第５の変形例では、４対４のスイッチ装置７０２Ａを用いることにより、部品点数の大幅削減と回路の簡単化が図れる。また、図７８の装置によれば、図６０の装置構成と、図６５の装置構成と、図６９の装置構成とを組み合わせた装置構成を実現できる。
第１２の実施形態の第６の変形例．
図７９は本発明の第１２の実施形態の第６の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
当該第１２の実施形態の第６の比較例では、図７８の比較器７０７に代えて、図７６の比較器７０７Ｂを備えたことを特徴としている。すなわち、アンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄでそれぞれ受信された各無線信号の信号レベルを直接に比較器７０７Ｂにより比較し、比較器７０７Ｂは最大の信号レベルを有するアンテナ部の情報をコントローラ７０５に出力し、コントローラ７０５は、比較器７０５からの最大の信号レベルの無線信号を受信したアンテナ部の情報に基づいて、そのアンテナ部を出力端子７０６に接続する一方、他のアンテナ部をそれぞれ負荷インピーダンス素子７０３ａ，７０３ｂ，７０３ｄに選択的に接続するようにスイッチ装置７０２ＡのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を制御する。以上のように構成された第１２の実施形態の第６の変形例によれば、使用するアンテナ部の判定の高速化が図れるとともに、図６０の装置構成と、図６５の装置構成と、図６９の装置構成とを組み合わせた装置構成を実現できる。
以上説明したように、本発明に係る実施形態や変形例によれば、複数の導波管アンテナ部とスイッチ又はスイッチ装置とを備えることにより、小形で薄型形状を維持するとともに簡単な構造で、電波を放射したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現でき、送受信したい所望方向に最大の放射利得を有する主ビームを設定するように制御できるアンテナ装置を実現できる。
第１２の実施形態の他の変形例．
以上の第１２の実施形態の実施例及び変形例においては、互いに主ビーム方向が異なりかつ互いに直交するセクタパターンを有する４つのアンテナ部７０１ａ乃至７０１ｄを備えたセクタパターンアンテナ装置を一例として説明したが、本発明はこれに限らず、以下のように、互いに主ビーム方向が異なる複数のセクタパターンを有する複数のアンテナ部を備えて構成してもよい。例えば、細長い空間をカバーするためには２方向に強く放射するアンテナが必要になるので、２つのセクタパターンのアンテナ部を備えたセクタパターンアンテナ装置を構成してもよい。この場合、送信又は受信で使用されていない方のアンテナ部に負荷インピーダンス素子を接続する。また、例えば、２つ又は５つ以上のセクタパターンのアンテナ部を備えたセクタパターンアンテナ装置を構成してもよい。セクタパターン数を増やすことにより、１つのセクタパターンの主ビームを鋭くし、エネルギーを集中させより大きな利得のセクタパターンを有するアンテナ装置を実現できる。
また、負荷インピーダンス素子は、チップの抵抗やコイルやコンデンサを用いて一端を接地することにより構成してもよい。このように構成することにより、回路の小型化が図れる。また、負荷インピーダンス素子がリアクタンス値成分のみである場合は、マイクロストリップラインや同軸線路等の高周波伝送線路の一端を短絡又は開放することにより、構成してもよい。これにより、損失の少ない、理想的な負荷インピーダンス素子を実現できる。
なお、上述の第１２の実施形態とその実施例又は変形例に係る装置構成を、第１乃至第１１の実施形態とその実施例又は変形例に係る装置構成に適用してもよい。
以上詳述したように、本発明に係るアンテナ装置によれば、それぞれセクタパターンの主ビームを用いて無線信号を送受信する複数のアンテナ部と、少なくとも１つの負荷インピーダンス素子と、上記複数のアンテナ部のうち無線信号の送受信を行うアンテナ部を無線通信機回路に接続する一方、他のアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するように制御する制御手段とを備える。従って、小形で薄型形状を維持するとともに簡単な構造で、電波を放射したい方向に電波の電力を集中して放射することが可能なアンテナ装置を実現でき、送受信したい所望方向に最大の放射利得を有する主ビームを設定するように制御できるアンテナ装置を実現できる。
本発明の第１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図１のアンテナ素子１３ａを含む導波管アンテナ部６０１ａの詳細構成を示す斜視図である。 図２の導波管アンテナ部６０１ａの電界分布を示す斜視図である。 図２の導波管アンテナ部６０１ａの磁流分布を示す斜視図である。 図１の導波管アレーアンテナ装置の指向特性を選択的に切り替えるためのスイッチの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図６の導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。 図６の導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図６の導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図６のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えて動作させたときの導波管アレーアンテナ装置のＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態の第２の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図１１の導波管アレーアンテナ装置の放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図１１の導波管アレーアンテナ装置の放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図１１のアンテナ素子１３ａ乃至１３ｄを選択的に切り替えて動作させたときの導波管アレーアンテナ装置のＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第４の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第５の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置における１つの導波管アンテナ部６０１ａの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の第５の変形例の実施例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図２０の導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図２０の導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第１の実施形態の第６の変形例に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図１の導波管アレーアンテナ装置の指向特性を変化させるための合成回路の一例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図２５のアンテナ素子１３ａを含むスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの詳細構成を示す斜視図である。 図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａのＸＺ平面によって切断された断面図である。 図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの電界分布を示す斜視図である。 図２６のスロット付き導波管アンテナ部６０２ａの磁流分布を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の実施例に係るスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図３０のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。 図２６のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図２６のスロット付き導波管アレーアンテナ装置の周波数２．５ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第３の実施形態に係る筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の実施例に係る筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図３５の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の２．６ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図３５の筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の２．６ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第４の実施形態に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の第１の実施例に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図３９の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。 図３２の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の２．３ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＸＹ平面の放射指向特性を示す特性図である。 図３２の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の２．３ＧＨｚにおける放射指向特性を示す特性図であって、ＺＸ平面の放射指向特性を示す特性図である。 本発明の第４の実施形態の第２の実施例に係る筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 図３５の筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の反射係数Ｓ１１の周波数特性を示す特性図である。 本発明の第５の実施形態であって、第１の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態であって、第２の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填されたスロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第７の実施形態であって、第３の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された筐体一体型導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第８の実施形態であって、第４の実施形態のアンテナ内部に誘電体が充填された筐体一体型スロット付き導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第９の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第１０の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す上面図である。 本発明の第１１の実施形態に係る導波管アレーアンテナ装置の構成を示す上面図である。 本発明の第１２の実施形態に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 図５２のセクタパターンアンテナ装置の具体的構成例の外観を示す斜視図である。 図５３のセクタパターンアンテナ装置の一部の外観を示す斜視図である。 図５３のセクタパターンアンテナ装置の試作機の設計例を示す斜視図である。 図５５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その入力端反射係数の周波数特性を示すグラフである。 図５５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、そのアイソレーションの周波数特性を示すグラフである。 図５５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その水平面放射特性を示すグラフである。 図５５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その垂直面放射特性を示すグラフである。 本発明の第１２の実施形態の第１の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 図６０のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｃに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。 図６０のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その水平面放射特性を示すグラフである。 図６０のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その垂直面放射特性を示すグラフである。 本発明の第１２の実施形態の第１の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第２の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。 図６５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｃ＝Ｘｄに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。 図６５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その水平面放射特性を示すグラフである。 図６５のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その垂直面放射特性を示すグラフである。 本発明の第１２の実施形態の第３の実施例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成例を示すブロック図である。 図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄに対する放射利得及び相対利得を示すグラフである。 図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その水平面放射特性を示すグラフである。 図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、その垂直面放射特性を示すグラフである。 図６９のセクタパターンアンテナ装置の測定結果であって、リアクタンス値Ｘｂ＝Ｘｄに対するセクタパターンの半値幅を示すグラフである。 本発明の第１２の実施形態の第１の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第２の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第３の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第４の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第５の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１２の実施形態の第６の変形例に係るセクタパターンアンテナ装置の構成を示すブロック図である。
符号の説明
９…給電端子、
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ，８１ａ…接続点、
１１…接地導体、
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…給電点、
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ…アンテナ素子、
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…終端導体、
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ…天井導体、
１６ａ１，１６ａ２，１６ｂ１，１６ｂ２，１６ｃ１，１６ｃ２，１６ｄ１，１６ｄ２…側面導体、
１７…切り替えスイッチ、
１８…受信信号電力判定部、
１９ａ，１９ａ−１，１９ｂ−１，１９ｃ−１，１９ｄ−１，１９ａ−２…整合導体、
２０ａ，２０ａ−１，９１，９２…指向特性制御導体。
２１…レドーム、
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ…振幅調整回路、
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ…移相器、
２４…合成器、
２５…アンテナコントローラ、
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ…スロット、
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ…仕切壁導体、
４０…誘電体、
４２…スルーホール、
４２ｃ…スルーホール導体、
９０…無線通信機回路、
９１…コントローラ、
９２…無線送信回路、
９３…無線受信回路、
９４…サーキュレータ、
５０１ａ乃至５０１ｆ，５０２ａ乃至５０２ｄ，５０３ａ乃至５０３ｄ，５０４ａ乃至５０４ｄ…方形導波管、
６０１ａ乃至６０１ｆ，６０２ａ乃至６０２ｄ，６０３ａ乃至６０３ｄ，６０４ａ乃至６０４ｄ…導波管アンテナ部、
７０１ａ，７０１ｂ，７０１ｃ，７０１ｄ…アンテナ部、
７０２ａ，７０２ｂ，７０２ｃ，７０２ｄ，７０４…スイッチ、
７０２Ａ…スイッチ装置、
７０３ａ，７０３ｂ，７０３ｃ，７０３ｄ，７０３ａ１，７０３ａ２…負荷インピーダンス素子、
７０５…コントローラ、
７０６…出力端子、
７０７，７０７Ａ，７０７Ｂ…比較器、
７０８…信号分配合成器、
７１１…接地導体、
７１２ａ，７１２ｂ，７１２ｃ，７１２ｄ…給電点、
７１３ａ，７１３ｂ，７１３ｃ，７１３ｄ…アンテナ素子、
７１４ａ，７１４ｂ，７１４ｃ，７１４ｄ…整合導体、
７１５ａ，７１５ｂ，７１５ｃ，７１５ｄ…天井導体、
７１６ａ，７１６ｂ，７１６ｃ，７１６ｄ…スロット、
７１７ａ，７１７ｂ，７１７ｃ，７１７ｄ…終端導体、
７１８ａ，７１８ｂ，７１８ｃ，７１８ｄ…仕切壁導体、
８０１ａ，８０１ｂ，８０１ｃ，８０１ｄ…方形導波管、
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４…スイッチ、
Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ２３，Ｔ２４…端子。

Claims (54)

  1. それぞれセクタパターンの主ビームを用いて無線信号を送受信する複数のアンテナ部と、
    少なくとも１つの負荷インピーダンス素子と、
    上記複数のアンテナ部のうち無線信号の送受信を行うアンテナ部を無線通信機回路に接続する一方、他のアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するように制御する制御手段とを備えたことを特徴とするアンテナ装置。
  2. 上記複数のアンテナ部は、各アンテナ部の主ビーム方向が互いに異なるように配置されたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
  3. 上記複数のアンテナ部は、各アンテナ部の主ビーム方向が互いに直交するように配置されたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
  4. 上記制御手段は、上記各アンテナ部で受信された無線信号のうち最大の信号レベルを有する無線信号を受信したアンテナ部を上記無線通信機回路に接続するように制御することを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  5. 上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
    上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの側面導体とからそれぞれ構成され、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、
    上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
    上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  6. 上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする請求項５記載のアンテナ装置。
  7. 上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
    上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの側面導体とからそれぞれ構成され、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、少なくとも１つの上記方形導波管は、上記天井導体において、上記方形導波管の幅方向にわたって形成された少なくとも１つのスロットとを備え、
    上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
    上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする請求項１乃至４のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  8. 上記導波管アレーアンテナ装置は上記給電部の個数の整数倍の個数のスロットを備え、上記スロットが同じ個数ずつ上記給電部と同じ個数の上記導波管アンテナ部を構成する上記天井導体に設けられ、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする請求項７記載のアンテナ装置。
  9. 上記各スロットは、上記各天井導体におけるアンテナ素子との接続点と、上記各終端導体との間の位置に形成されたことを特徴とする請求項７又は８記載のアンテナ装置。
  10. 上記方形導波管の内部空間の少なくとも一部の空間を誘電体で充填したことを特徴とする請求項５乃至９のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  11. 上記接地導体は互いに対向する第１と第２の面を有する誘電体基板の第１の面上に形成された導体パターンにより形成され、
    上記各天井導体は上記誘電体基板の第２の面上に形成された導体パターンにより形成され、
    上記側面導体と上記終端導体は上記誘電体基板をその厚さ方向に形成されたスルーホールに導体を充填してなる複数のスルーホール導体により形成されたことを特徴とする請求項１０記載のアンテナ装置。
  12. 上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
    上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの仕切壁導体とからそれぞれ構成され、互いに隣接する２つの方形導波管の間で上記仕切壁導体を共有するように隣接して並置され、上記各方形導波管は、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、
    上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
    上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  13. 上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする請求項１２記載のアンテナ装置。
  14. 上記複数のアンテナ部は、接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置により形成され、
    上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの仕切壁導体とからそれぞれ構成され、互いに隣接する２つの方形導波管の間で上記仕切壁導体を共有するように隣接して並置され、上記各方形導波管は、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、少なくとも１つの上記方形導波管は、上記天井導体において、上記方形導波管の幅方向にわたって形成された少なくとも１つのスロットとを備え、
    上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
    上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  15. 上記導波管アレーアンテナ装置は上記給電部の個数の整数倍の個数のスロットを備え、上記スロットが同じ個数ずつ上記給電部と同じ個数の上記導波管アンテナ部を構成する上記天井導体に設けられ、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする請求項１４記載のアンテナ装置。
  16. 上記各スロットは、上記各天井導体におけるアンテナ素子との接続点と、上記各終端導体との間の位置に形成されたことを特徴とする請求項１４又は１５記載のアンテナ装置。
  17. 上記方形導波管の内部空間の少なくとも一部の空間を誘電体で充填したことを特徴とする請求項１２乃至１６のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  18. 上記接地導体は互いに対向する第１と第２の面を有する誘電体基板の第１の面上に形成された導体パターンにより形成され、
    上記各天井導体は上記誘電体基板の第２の面上に形成された導体パターンにより形成され、
    上記仕切壁導体と上記終端導体は上記誘電体基板をその厚さ方向に形成されたスルーホールに導体を充填してなる複数のスルーホール導体により形成されたことを特徴とする請求項１７記載のアンテナ装置。
  19. 上記各アンテナ部において、上記各アンテナ素子の近傍であって、上記各天井導体と上記接地導体との間に接続され、当該各アンテナ素子の入力インピーダンスを調整するための整合導体をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至１８のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  20. 上記各アンテナ部において、上記接地導体と電気的に接続され、上記アンテナ装置の入力インピーダンスを調整するための少なくとも１つの整合導体をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至１８のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  21. 上記アンテナ素子のうちの少なくとも１つは、上記整合導体のうちの少なくとも１つと電気的に接続されたことを特徴とする請求項２０記載のアンテナ装置。
  22. 上記天井導体のうちの少なくとも１つは、上記整合導体のうちの少なくとも１つと電気的に接続されたことを特徴とする請求項２０記載のアンテナ装置。
  23. 上記各アンテナ部において、上記接地導体と電気的に接続され、上記アンテナ装置の指向特性を変化させるための少なくとも１つの指向特性制御導体をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至２２のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  24. 上記指向特性制御導体は、
    上記接地導体に電気的に接続され、上記接地導体に対して実質的に垂直となるように設けられ、上記接地導体に対して実質的に垂直な平面の指向特性を制御するための第１の導体部分と、
    上記第１の導体部分に接続され、上記接地導体に対して実質的に平行となるように設けられ、上記接地導体に対して実質的に平行な平面の指向特性を制御するための第２の導体部分とを備えたことを特徴とする請求項２３記載のアンテナ装置。
  25. 上記指向特性制御導体の上記第２の導体部分は、当該第２の導体部分の長手方向の中央において上記指向特性制御導体の上記第１の導体部分と接続され、
    上記第１の導体部分の長さと上記第２の導体部分の半分の長さとの和は、上記指向特性制御導体によって指向特性が制御される導波管アンテナ部の共振周波数に対応する波長の概略４分の１の長さであることを特徴とする請求項２４記載のアンテナ装置。
  26. 上記制御手段は、
    上記各アンテナ部に対応して設けられた複数の第１のスイッチ手段と、
    上記第１のスイッチ手段に接続された第２のスイッチ手段とを備え、
    上記各第１のスイッチ手段は、上記各アンテナ部を、上記第２のスイッチ手段と、上記負荷インピーダンス素子のうちのいずれか１つに選択的に接続し、
    上記第２のスイッチ手段は、上記複数の第１のスイッチ手段のうちのいずれか１つを選択的に上記無線通信機回路に接続し、
    上記制御手段は、上記複数のアンテナ部のうち無線信号の送受信を行うアンテナ部を無線通信機回路に接続する一方、他のアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するように上記複数の第１のスイッチ手段と上記第２のスイッチ手段とを制御することを特徴とする請求項１乃至２５のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  27. 上記制御手段は、
    上記各アンテナ部に対応して設けられた複数の第１のスイッチ手段と、
    上記第１のスイッチ手段に接続された信号合成分配手段とを備え、
    上記各第１のスイッチ手段は、上記各アンテナ部を、上記信号合成分配手段と、上記負荷インピーダンス素子のうちのいずれか１つに選択的に接続し、
    上記信号合成分配手段は、上記複数の第１のスイッチ手段から出力される各無線信号を合成して上記無線通信機回路に出力し、
    上記制御手段は、上記複数のアンテナ部のうち無線信号の送受信を行うアンテナ部を無線通信機回路に接続する一方、他のアンテナ部を負荷インピーダンス素子に接続するように上記複数の第１のスイッチ手段を制御することを備えたことを特徴とする請求項１乃至２５のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  28. 上記複数のアンテナ素子を選択的に切り替えることにより、当該アンテナ装置の指向特性を変化させるスイッチ手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至２５のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  29. 上記制御手段は、上記複数のアンテナ素子で受信される各無線信号の信号レベルを検出し、最大の信号レベルを有する無線信号を受信したアンテナ素子を選択するように上記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項２８記載のアンテナ装置。
  30. 上記複数のアンテナ素子で受信された各無線信号の信号レベルを調整する複数の調整回路と、
    上記各調整回路からの出力信号の位相量を調整する複数の移相器と、
    上記各移相器からの出力信号を合成して、合成後の信号を出力する信号合成器とをさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至２５のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  31. 上記制御手段は、上記信号合成器からの出力信号の信号レベルが最大となるような、上記各調整回路における信号レベルの調整量と、上記各移相器における位相量とを計算し、上記計算した調整量と位相量とに基づいて上記複数の調整回路と上記複数の移相器とを制御することを特徴とする請求項３０記載のアンテナ装置。
  32. 接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置であって、
    上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの側面導体とからそれぞれ構成され、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、
    上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
    上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とするアンテナ装置。
  33. 上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする請求項３２記載のアンテナ装置。
  34. 接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置であって、
    上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの側面導体とからそれぞれ構成され、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、少なくとも１つの上記方形導波管は、上記天井導体において、上記方形導波管の幅方向にわたって形成された少なくとも１つのスロットとを備え、
    上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
    上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とするアンテナ装置。
  35. 上記導波管アレーアンテナ装置は上記給電部の個数の整数倍の個数のスロットを備え、上記スロットが同じ個数ずつ上記給電部と同じ個数の上記導波管アンテナ部を構成する上記天井導体に設けられ、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする請求項３４記載のアンテナ装置。
  36. 上記各スロットは、上記各天井導体におけるアンテナ素子との接続点と、上記各終端導体との間の位置に形成されたことを特徴とする請求項３４又は３５記載のアンテナ装置。
  37. 上記方形導波管の内部空間の少なくとも一部の空間を誘電体で充填したことを特徴とする請求項３２乃至３６のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  38. 上記接地導体は互いに対向する第１と第２の面を有する誘電体基板の第１の面上に形成された導体パターンにより形成され、
    上記各天井導体は上記誘電体基板の第２の面上に形成された導体パターンにより形成され、
    上記側面導体と上記終端導体は上記誘電体基板をその厚さ方向に形成されたスルーホールに導体を充填してなる複数のスルーホール導体により形成されたことを特徴とする請求項３７記載のアンテナ装置。
  39. 接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置であって、
    上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの仕切壁導体とからそれぞれ構成され、互いに隣接する２つの方形導波管の間で上記仕切壁導体を共有するように隣接して並置され、上記各方形導波管は、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、
    上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
    上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とするアンテナ装置。
  40. 上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする請求項３９記載のアンテナ装置。
  41. 接地導体上に設けられ、方形導波管とアンテナ素子にてそれぞれ構成される複数の導波管アンテナ部を備えた導波管アレーアンテナ装置であって、
    上記各方形導波管は、上記接地導体と、上記接地導体に対向する天井導体と、上記接地導体と上記天井導体とを連結しかつ互いに対向する２つの仕切壁導体とからそれぞれ構成され、互いに隣接する２つの方形導波管の間で上記仕切壁導体を共有するように隣接して並置され、上記各方形導波管は、終端導体により短絡された端部と開放された端部とをそれぞれ有し、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の多角形の対応する辺から外側に向かって延在し、少なくとも１つの上記方形導波管は、上記天井導体において、上記方形導波管の幅方向にわたって形成された少なくとも１つのスロットとを備え、
    上記各アンテナ素子は、一端が上記各天井導体であって上記各方形導波管の開放された端部の近傍に電気的に接続されかつ他端が上記接地導体に位置する複数の給電部のうちの１つにそれぞれ電気的に接続され、
    上記各導波管アンテナ部は、当該導波管アンテナ部を構成する上記方形導波管の開放された端部において所定の指向特性で無線信号を送受信することを特徴とするアンテナ装置。
  42. 上記導波管アレーアンテナ装置は上記給電部の個数の整数倍の個数のスロットを備え、上記スロットが同じ個数ずつ上記給電部と同じ個数の上記導波管アンテナ部を構成する上記天井導体に設けられ、上記複数の導波管アンテナ部の構造が互いに等しく、上記各方形導波管の開放された端部は、上記方形導波管の個数と同じ個数の辺を有する上記接地導体上の正多角形の対応する辺上に配置され、上記各方形導波管は上記接地導体上の正多角形の対応する辺から外側に向かって延在していることを特徴とする請求項４１記載のアンテナ装置。
  43. 上記各スロットは、上記各天井導体におけるアンテナ素子との接続点と、上記各終端導体との間の位置に形成されたことを特徴とする請求項４１又は４２記載のアンテナ装置。
  44. 上記方形導波管の内部空間の少なくとも一部の空間を誘電体で充填したことを特徴とする請求項３９乃至４３のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  45. 上記接地導体は互いに対向する第１と第２の面を有する誘電体基板の第１の面上に形成された導体パターンにより形成され、
    上記各天井導体は上記誘電体基板の第２の面上に形成された導体パターンにより形成され、
    上記仕切壁導体と上記終端導体は上記誘電体基板をその厚さ方向に形成されたスルーホールに導体を充填してなる複数のスルーホール導体により形成されたことを特徴とする請求項４４記載のアンテナ装置。
  46. 上記各アンテナ部において、上記各アンテナ素子の近傍であって、上記各天井導体と上記接地導体との間に接続され、当該各アンテナ素子の入力インピーダンスを調整するための整合導体をさらに備えたことを特徴とする請求項３２乃至４５のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  47. 上記接地導体と電気的に接続され、上記アンテナ装置の入力インピーダンスを調整するための少なくとも１つの整合導体をさらに備えたことを特徴とする請求項３２乃至４５のうちの１つに記載のアンテナ装置。
  48. 上記アンテナ素子のうちの少なくとも１つは、上記整合導体のうちの少なくとも１つと電気的に接続されたことを特徴とする請求項４７記載のアンテナ装置。
  49. 上記天井導体のうちの少なくとも１つは、上記整合導体のうちの少なくとも１つと電気的に接続されたことを特徴とする請求項４７記載のアンテナ装置。
  50. 上記接地導体と電気的に接続され、上記アンテナ装置の指向特性を変化させるための少なくとも１つの指向特性制御導体をさらに備えたことを特徴とする請求項３２乃至４９のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置。
  51. 上記指向特性制御導体は、
    上記接地導体に電気的に接続され、上記接地導体に対して実質的に垂直となるように設けられ、上記接地導体に対して実質的に垂直な平面の指向特性を制御するための第１の導体部分と、
    上記第１の導体部分に接続され、上記接地導体に対して実質的に平行となるように設けられ、上記接地導体に対して実質的に平行な平面の指向特性を制御するための第２の導体部分とを備えたことを特徴とする請求項５０記載のアンテナ装置。
  52. 上記指向特性制御導体の上記第２の導体部分は、当該第２の導体部分の長手方向の中央において上記指向特性制御導体の上記第１の導体部分と接続され、
    上記第１の導体部分の長さと上記第２の導体部分の半分の長さとの和は、上記指向特性制御導体によって指向特性が制御される導波管アンテナ部の共振周波数に対応する波長の概略４分の１の長さであることを特徴とする請求項５１記載のアンテナ装置。
  53. 請求項１乃至３１のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置と、
    上記アンテナ装置に接続され、無線信号を発生して上記アンテナ装置を介して送信する無線送信回路と、上記アンテナ装置に接続され、無線信号を上記アンテナ装置を介して受信する無線受信回路とを含む無線通信機回路とを備えたことを特徴とする無線通信装置。
  54. 請求項３２乃至５２のうちのいずれか１つに記載のアンテナ装置と、
    上記アンテナ装置に接続され、無線信号を発生して上記アンテナ装置を介して送信する無線送信回路と、上記アンテナ装置に接続され、無線信号を上記アンテナ装置を介して受信する無線受信回路とを含む無線通信機回路とを備えたことを特徴とする無線通信装置。
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