JPWO2017150054A1

JPWO2017150054A1 - アレーアンテナ

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Publication number: JPWO2017150054A1
Application number: JP2018502957A
Authority: JP
Inventors: 英樹上田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2037-02-01
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Abstract

基板の面内の第１の方向に並ぶ複数の給電素子が配置されている。複数の給電素子の各々を第１の方向に挟むように複数の無給電素子が配置され、複数の給電素子に装荷されている。第１の方向に並ぶ給電素子の間には、１つの無給電素子が配置されており、無給電素子の各々は第１の方向に隣り合う２つの給電素子で共用されている。このようにすることで、小型化に適し、かつビーム走査角を大きくすることが可能なアレーアンテナが提供される。

Description

本発明は、複数の給電素子と、給電素子に装荷された複数の無給電素子とを有するアレーアンテナに関する。

一般的なパッチアンテナは、基板に構成するのに便利であり、かつ高利得が得られるというメリットを有する。ところが、パッチアンテナの帯域幅は狭く、広帯域化に適していない。パッチアンテナの給電素子に無給電素子（寄生素子）を装荷して複共振を生じさせることにより、広帯域化を図ることが可能である。

下記の特許文献１にスロットアンテナが開示されている。両面プリント基板の一方の面に設けられたグランド板に複数のスリットが設けられている。他方の面に、マイクロストリップラインが配置されている。複数のスリットのうち所望のスリットが給電スリットとなり、残余のスリットが無給電スリットとなる。この両面プリント基板からある間隔を隔てて導体板が配置されている。給電スリットから放射された放射電波と、導体板で反射された反射波とが、給電スリットの位置で増強される。さらに、反射波は、無給電スリットの位置で共振し、再放射される。無給電スリットは、アンテナの高利得化に寄与している。

下記の特許文献２に、給電素子と、その両側に配置された２つの無給電素子とを含むパッチアンテナが開示されている。この無給電素子に伝送線路が接続されている。伝送線路の途中に高周波スイッチが設けられており、高周波スイッチのオン状態及びオフ状態の一方の状態において、無給電素子が導波器として作用する。これにより、放射パターンを容易に制御することができる。

下記の特許文献３に、広角アンテナを一列に並べたアレーアンテナが開示されている。広角アンテナの各々は、給電素子と、給電素子の励振方向と直交する方向に配置された無給電素子とを有する。広角アンテナの配列方向は、給電素子の励振方向と平行である。すなわち、給電素子が並んでいる列の両側に、無給電素子が配置されている。

特開２００２−３３００２４号公報特開２００８−４８１０９号公報特開２０１３−１６８８７５号公報

基板面内において給電素子の両側に無給電素子を配置したパッチアンテナをアレー状に配置することによりアレーアンテナが実現される。給電素子と無給電素子とが並ぶ方向にパッチアンテナを配列する場合、隣り合うパッチアンテナの給電素子の間に２つのパッチアンテナの各々の無給電素子が配置される。このため、給電素子同士を近づけることが困難であり、アレーサイズが大きくなってしまう。さらに、パッチアンテナの配列の周期が長くなってしまうため、位相制御によるビーム走査角が小さくなってしまう。

特許文献１に開示されたスロットアンテナでは、反射板として動作する導体板を、スロットが配置されるグランド板から間隔を隔てて配置しなければならない。このため、このスロットアンテナはアンテナの薄型化には適さない。また、無給電スリットがアンテナの高利得化に寄与しているが、アンテナの動作帯域幅を広くしているわけではないため、十分な広帯域化が図れているとはいえない。

特許文献２に開示されたパッチアンテナでは、高周波スイッチのオンオフにより放射パターンを制御することができる。ところが、このパッチアンテナでは、フェーズドアレーアンテナとは異なり、複数の給電素子に与える信号に位相差を設けることによるビームフォーミングを行うことができない。

特許文献３に開示されたアレーアンテナでは、１つの給電素子に対して２つの無給電素子が装荷される。このため、アレーアンテナを構成する単位素子の個数の３倍の導体パターンを配置しなければならない。このため、アレーアンテナの面積の小型化を図ることが困難である。

本発明の目的は、小型化に適し、かつビーム走査角を大きくすることが可能なアレーアンテナを提供することである。

本発明の第１の観点によるアレーアンテナは、
基板に配置され、前記基板の面内の第１の方向に並ぶ複数の給電素子と、
前記複数の給電素子の各々を前記第１の方向に挟むように配置され、前記複数の給電素子に装荷された複数の無給電素子と
を有し、
前記第１の方向に並ぶ前記給電素子の間には、１つの前記無給電素子が配置されており、前記無給電素子の各々は前記第１の方向に隣り合う２つの前記給電素子で共用されている。

１つの無給電素子が２つの給電素子で共用されるため、給電素子及び無給電素子の合計の個数を少なくすることができる。これにより、アレーアンテナの小型化を図ることができる。給電素子の間に１つの無給電素子を配置すればよいため、２つの給電素子の間に、給電素子にそれぞれ装荷された２つの無給電素子を配置する構成と比べて、給電素子の間隔を狭めることができる。その結果、フェーズドアレーアンテナとして動作させる場合に、ビーム走査角を大きくすることができる。

本発明の第２の観点によるアレーアンテナは、第１の観点によるアレーアンテナの構成に加えて、前記複数の給電素子の各々に対応して配置され、対応する前記給電素子に給電する複数の給電線を、さらに有し、
前記給電線が前記給電素子に給電する給電点は、前記第１の方向と直交する方向に前記給電素子を励振する位置に配置されている。

給電素子に高周波信号を与えると、給電素子が並ぶ第１の方向と直交する方向に、各給電素子が励振される。

本発明の第３の観点によるアレーアンテナにおいては、第１または第２の観点によるアレーアンテナの構成に加えて、
前記複数の給電素子の各々と、その両側の前記無給電素子とが複共振することによって、動作帯域幅が、前記給電素子単体の動作帯域幅よりも広帯域化されるように、前記給電素子及び前記無給電素子の寸法及び相対位置が設計されている。

この構成を採用することにより、アレーアンテナの広帯域化が実現される。

本発明の第４の観点によるアレーアンテナにおいては、第１乃至第３の観点によるアレーアンテナの構成に加えて、
前記複数の給電素子が、前記第１の方向と直交する第２の方向にも並んでおり、全体として行列状に配置されており、
前記第２の方向に並ぶ前記給電素子の間には、１つの前記無給電素子が配置されており、前記無給電素子の各々は前記第２の方向に隣り合う２つの前記給電素子で共用されている。

二次元的に、アレーアンテナの寸法を小さくすることができる。さらに、メインビームの放射方向を二次元方向に振ることができる。

図１は、実施例によるアレーアンテナの平面図である。図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ図１の一点鎖線２Ａ−２Ａ、及び一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図である。図３は、シミュレーション対象の参考例１によるパッチアンテナの平面図である。図４Ａは、シミュレーションで用いられる極角の符号の定義を説明するための座標系を示す斜視図であり、図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれ参考例１によるパッチアンテナのリターンロス及び放射パターンのシミュレーション結果を示すグラフである。図５は、シミュレーション対象の参考例２によるパッチアンテナの平面図である。図６Ａは、シミュレーションで用いられる極角の符号の定義を説明するための座標系を示す斜視図であり、図６Ｂ及び図６Ｃは、それぞれ参考例２によるパッチアンテナのリターンロス及び放射パターンのシミュレーション結果を示すグラフである。図７は、シミュレーション対象の参考例３によるパッチアンテナの平面図である。図８Ａは、シミュレーションで用いられる極角の符号の定義を説明するための座標系を示す斜視図であり、図８Ｂ及び図８Ｃは、それぞれ参考例３によるパッチアンテナのリターンロス及び放射パターンのシミュレーション結果を示すグラフである。図９は、シミュレーション対象の実施例によるパッチアンテナの平面図である。図１０Ａは、シミュレーションで用いられる極角の符号の定義を説明するための座標系を示す斜視図であり、図１０Ｂ及び図１０Ｃは、それぞれ実施例によるパッチアンテナのリターンロス及び放射パターンのシミュレーション結果を示すグラフである。図１１Ａから図１１Ｄは、給電素子及び無給電素子に発生する電流の分布のシミュレーション結果を示す図である。図１２は、他の実施例によるアレーアンテナの平面図である。

図１、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、実施例によるアレーアンテナの構造について説明する。
図１に、実施例によるアレーアンテナの平面図を示す。基板１０に、複数の給電素子１１が配置されている。図１では、給電素子１１の個数を４個の例を示しているが、給電素子１１の個数は、２個または３個でもよいし、５個以上でもよい。複数の給電素子１１は、基板１０の面内の第１の方向に並んでいる。第１の方向をｘ方向、基板１０の法線方向をｚ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。

複数の給電素子１１の各々に対して２つの無給電素子１２が装荷されている。この２つの無給電素子１２は、装荷対象の給電素子１１をｘ方向に挟むように配置されている。給電素子１１及び無給電素子１２の各々は、１つの導体パターンで構成される。ｘ方向に並ぶ複数の給電素子１１の間には、１つの無給電素子１２が配置されている。この無給電素子１２は、ｘ方向に隣り合う２つの給電素子１１で共用されている。言い換えると、無給電素子１２の各々は、ｘ方向の正の側の給電素子１１と、ｘ方向の負の側の給電素子１１との双方に装荷される。

１つの給電素子１１と、そのｘ方向の正の側及び負の側に配置された２つの無給電素子１２とを、単体のパッチアンテナと考えることができる。複数のパッチアンテナがｘ方向に並び、無給電素子１２が２つのパッチアンテナで共用されていると考えられる。

複数の給電素子１１の各々に対応して給電線１３が配置されている。給電線１３は、給電点１４において、対応する給電素子１１に接続されている。給電線１３は、給電点１４からｙ軸の負の方向に延びている。給電線１３を通して給電素子１１に給電が行われる。図１に示した例では、給電点１４は、給電素子１１の中心からｙ方向にずれた位置に配置されている。この構成においては、給電素子１１はｙ方向に励振される。

図２Ａ及び図２Ｂに、それぞれ図１の一点鎖線２Ａ−２Ａ、及び一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図を示す。誘電体からなる基板１０の表面及び内部に、４層の導体層が配置されている。最も下の導体層Ｌ１は、基板１０の底面に配置され、最も上の導体層Ｌ４は、基板１０の上面に配置され、下から２層目の導体層Ｌ２及び３層目の導体層Ｌ３は、基板１０の内部に配置されている。

最も下の導体層Ｌ１に、グランド導体２１が配置されている。２層目の導体層Ｌ２に給電線１３が配置されている。ｙ方向に延びる給電線１３の両側（ｘ方向の正の側及び負の側）に、グランド導体２２が配置されている。

３層目の導体層Ｌ３に、グランド導体２３が配置されている。給電線１３の先端と給電素子１１の給電点１４とが、層間接続導体２４で接続されている。層間接続導体２４は、グランド導体２３に設けられた開口２５を通過することにより、グランド導体２３から絶縁されている。導体層Ｌ２とＬ３との間に配置された導体ポスト、導体層Ｌ３に配置されたランド、及び導体層Ｌ３とＬ４との間に配置された導体ポストによって、層間接続導体２４が構成される。

平面視において、給電線１３が導体壁２６で囲まれている。導体壁２６は、導体層Ｌ１とＬ２との間に配置された複数の導体ポスト、及び導体層Ｌ２とＬ３との間に配置された複数の導体ポストにより構成される。導体壁２６は、複数の給電線１３の相互干渉を防止する。最も下のグランド導体２１と給電線１３とにより、特性インピーダンス５０Ωのマイクロストリップラインが形成される。３層目のグランド導体２３は、給電線１３と給電素子１１との間の電磁気的結合を低減させる。

次に、実施例によるアレーアンテナを６０ＧＨｚ帯で動作させる場合の各部の寸法及び材料の一例について説明する。各導体層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４に配置される導体部分には銅が用いられる。基板１０には、例えば比誘電率が３．５程度のセラミックが用いられる。

各導体層Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４に配置される導体部分の厚さは、約０．０１５ｍｍである。最も下の導体層Ｌ１と２層目の導体層Ｌ２との間の誘電体層の厚さは０．０６ｍｍである。２層目の導体層Ｌ２と３層目の導体層Ｌ３との間の誘電体層の厚さは０．１２ｍｍである。３層目の導体層Ｌ３と最も上の導体層Ｌ４との間の誘電体層の厚さは０．１５ｍｍである。給電線１３とグランド導体２２との間隔、及び給電線１３の幅は、共に０．０５ｍｍである。

給電素子１１及び無給電素子１２の平面的な寸法及び相対位置は、複数の給電素子１１の各々と、当該給電素子１１の両側の無給電素子１２とが複共振することによって、動作帯域幅が、給電素子１１単体の動作帯域幅よりも広帯域化されるように設計されている。

次に、上記実施例によるアレーアンテナの優れた効果について説明する。実施例においては、各給電素子１１に無給電素子１２が装荷されており、給電素子１１と無給電素子１２とで複共振を生じさせることにより、広帯域化を図ることができる。１つの無給電素子１２が２つの給電素子１１で共用されているため、無給電素子１２の個数を削減することができる。その結果、アレーアンテナの小型化を図ることが可能になる。

無給電素子１２を２つの給電素子１１で共用しない場合には、２つの給電素子１１の間に、一方の給電素子１１に装荷する無給電素子１２と、他方の給電素子１１に装荷する無給電素子１２とを別々に配置しなければならない。給電素子１１の間に２つの無給電素子１２が配置されるため、アレーアンテナの端から端までの長さが長くなってしまう。これに対し、実施例の構成を採用すると、アレーアンテナの長さを短くすることが可能である。

さらに、実施例においては、複数の給電素子１１の間隔を狭くすることができる。素子間隔が狭くなると、アレーアンテナをフェーズドアレーアンテナとして動作させる場合、ビーム走査角を大きくすることができる。

上記実施例によるアレーアンテナの優れた特性を確認するために、種々の参考例によるアンテナ、及び実施例によるアレーアンテナについてアンテナ特性のシミュレーションを行った。図３から図１０Ｃまでの図面を参照して、このシミュレーション結果について説明する。シミュレーション対象となる参考例及び実施例によるアンテナの層構造は、図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例によるアレーアンテナの層構造と同一である。

図３に、参考例１によるパッチアンテナの平面図を示す。基板１０の表面に１つの給電素子１１が配置されている。給電素子１１に無給電素子は装荷されていない。図３では、最も上の導体層Ｌ４（図２Ａ、図２Ｂ）と、給電線１３のみを示しているが、基板１０内にグランド導体２１、２２、２３、導体壁２６（図２Ａ、図２Ｂ）が配置されている。

給電素子１１及び基板１０の平面形状は正方形であり、正方形の１つの辺がｘ方向と平行である。給電素子１１のｘ方向の寸法Ｐｘ及びｙ方向の寸法Ｐｙはともに１．２１ｍｍである。基板１０の平面形状も正方形であり、給電素子１１の縁から基板１０の縁までの距離ｇは０．４６ｍｍである。給電点１４が、給電素子１１の中心からｙ軸の負の方向にずれた位置に配置されている。給電線１３が、給電点１４からｙ軸の負の方向に引き出されている。給電素子１１のｙ軸の負側の縁から給電点１４までの距離ｑは０．４６ｍｍである。これらの寸法は、共振周波数が６０ＧＨｚになるように決められている。

図４Ａに、シミュレーションで用いられる座標系を示す。基板１０の法線方向がｚ方向に対応し、法線方向からｘ軸の正の向き及びｙ軸の正の向きに倒れた方向の極角Φを正と定義し、ｘ軸の負の向き及びｙ軸の負の向きに倒れた方向の極角Φを負と定義する。

図４Ｂに、参考例１によるパッチアンテナのリターンロスのシミュレーション結果を示す。横軸は周波数を単位「ＧＨｚ」で表し、縦軸はリターンロスＳ１１を単位「ｄＢ」で表す。リターンロスＳ１１が−１０ｄＢ以下となる帯域幅は約２．２２ＧＨｚである。中心周波数が６０ＧＨｚであるため、比帯域幅は３．７％である。

図４Ｃに、放射パターンのシミュレーション結果を示す。横軸は極角Φを単位「度」で表し、縦軸はゲインを単位「ｄＢｉ」で表す。図４Ｃの実線は、法線方向からｙ軸の正及び負の向きに倒れた方向のゲインを示し、破線は、法線方向からｘ軸の正及び負の向きに倒れた方向のゲインを示す。パッチアンテナの正面方向（基板１０の法線方向）に対して５ｄＢｉ以上のゲインが得られている。

図５に、参考例２によるパッチアンテナの平面図を示す。以下、図３に示した参考例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。給電素子１１のｘ方向の正の側及び負の側に、それぞれ無給電素子１２が配置されている。給電素子１１、無給電素子１２、及び基板１０の平面形状は、１つの辺がｘ方向と平行な長方形である。

給電素子１１のｘ方向の寸法Ｐｘは１．０５ｍｍであり、ｙ方向の寸法Ｐｙは１．２５ｍｍである。無給電素子１２の各々のｘ方向の寸法ＰＷは０．８ｍｍであり、ｙ方向の寸法ＰＬは１．２ｍｍである。給電素子１１と無給電素子１２との間隔Ｓは０．２ｍｍである。給電素子１１のｙ軸の負側の縁から給電点１４までの距離ｑは０．３７ｍｍである。給電素子１１のｘ方向に平行な縁から基板１０の縁までの距離ｇ、及び無給電素子１２のｙ方向に平行な縁から基板１０の縁までの距離ｇは２．０ｍｍである。これらの寸法は、共振周波数が６０ＧＨｚになるように決められている。

図６Ａに、シミュレーションで用いられる座標系を示す。極角Φの符号の定義は、図４Ａに示した参考例１の場合と同様である。

図６Ｂに、参考例２によるパッチアンテナのリターンロスのシミュレーション結果を示す。横軸は周波数を単位「ＧＨｚ」で表し、縦軸はリターンロスＳ１１を単位「ｄＢ」で表す。リターンロスＳ１１が−１０ｄＢ以下となる帯域幅は約６．４８ＧＨｚである。中心周波数が６０ＧＨｚであるため、比帯域幅は１０．８％である。図４Ｂに示した参考例１のパッチアンテナと比べて、広帯域化が実現されていることが分かる。広帯域化は、給電素子１１と無給電素子１２との複共振現象によって実現されている。

図６Ｃに、放射パターンのシミュレーション結果を示す。横軸は極角Φを単位「度」で表し、縦軸はゲインを単位「ｄＢｉ」で表す。図６Ｃの実線は、法線方向からｙ軸の正及び負の向きに倒れた方向のゲインを示し、破線は、法線方向からｘ軸の正及び負の向きに倒れた方向のゲインを示す。パッチアンテナの正面方向（基板１０の法線方向）に対して５ｄＢｉ以上のゲインが得られている。

図７に、参考例３によるパッチアンテナアレーの平面図を示す。以下、図５に示した参考例２との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。参考例３では、単体のパッチアンテナ３０がｘ方向に３個並んでいる。各パッチアンテナ３０は、図５に示した参考例２によるパッチアンテナと同一の構成を有し、一部の寸法のみが異なる。

給電素子１１のｘ方向の寸法Ｐｘ、ｙ方向の寸法Ｐｙ、給電素子１１と無給電素子１２との間隔Ｓは、図５に示した参考例２のパッチアンテナと同一である。給電素子１１のｙ軸の負側の縁から給電点１４までの距離ｑは０．４ｍｍである。無給電素子１２の各々のｘ方向の寸法ＰＷは０．７０ｍｍであり、ｙ方向の寸法ＰＬは１．１８ｍｍである。隣り合う２つの無給電素子１２の間隔Ｓ２は０．４５ｍｍである。

図８Ａに、シミュレーションで用いられる座標系を示す。基板の法線方向からｘ軸の正の向きに倒れた方向の極角Φの符号を正と定義し、負の向きに倒れた方向の極角Φを負と定義する。

図８Ｂに、参考例３によるパッチアンテナアレーのリターンロスのシミュレーション結果を示す。横軸は周波数を単位「ＧＨｚ」で表し、縦軸はリターンロスＳ１１を単位「ｄＢ」で表す。リターンロスＳ１１が−１０ｄＢ以下となる帯域幅は約６．４２ＧＨｚである。中心周波数が６０ＧＨｚであるため、比帯域幅は１０．７％である。図６Ｂに示した参考例２のパッチアンテナと同等の広帯域化が実現されていることが分かる。

図８Ｃに、放射パターンのシミュレーション結果を示す。横軸は極角Φを単位「度」で表し、縦軸はゲインを単位「ｄＢｉ」で表す。シミュレーションにおいては、中心の給電素子１１に与える高周波信号の位相θを基準として、ｘ軸の正の側に配置された給電素子１１に与える高周波信号の位相をΔθだけ早め、ｘ軸の負の側に配置された給電素子１１に与える高周波信号の位相をΔθだけ遅らせた。図８Ｃに示した複数の曲線は、それぞれ位相差Δθが０°、３０°、６０°、９０°、及び１２０°の場合のゲインを示す。高周波信号の位相差を１２０°にしたときのメインビームの振れ角が約２６°である。

図９に、実施例によるパッチアンテナアレーの平面図を示す。以下、図７に示した参考例３との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。実施例においても、単体のパッチアンテナ３０がｘ方向に３個並んでいる。実施例においては、無給電素子１２が２つのパッチアンテナ３０で共有されている。

給電素子１１のｘ方向の寸法Ｐｘは０．９ｍｍであり、ｙ方向の寸法Ｐｙは１．２６ｍｍである。無給電素子１２の各々のｘ方向の寸法ＰＷは０．８７ｍｍであり、ｙ方向の寸法ＰＬは１．２１ｍｍである。給電素子１１と無給電素子１２との間隔Ｓは０．２７ｍｍである。給電素子１１のｙ軸の負側の縁から給電点１４までの距離ｑは０．４４ｍｍである。これらの寸法は、共振周波数が６０ＧＨｚになるように決められている。

図１０Ａに、シミュレーションで用いられる座標系を示す。極角Φの符号の定義は、図８Ａに示した参考例３の場合と同一である。

図１０Ｂに、実施例によるパッチアンテナアレーのリターンロスのシミュレーション結果を示す。横軸は周波数を単位「ＧＨｚ」で表し、縦軸はリターンロスＳ１１を単位「ｄＢ」で表す。リターンロスＳ１１が−１０ｄＢ以下となる帯域幅は約６．７２ＧＨｚである。中心周波数が６０ＧＨｚであるため、比帯域幅は１１．２％である。図８Ｂに示した参考例３のパッチアンテナと同等の広帯域化が実現されていることが分かる。

図１０Ｃに、放射パターンのシミュレーション結果を示す。横軸は極角Φを単位「度」で表し、縦軸はゲインを単位「ｄＢｉ」で表す。３つの給電素子１１に与える高周波信号の位相関係は、図８Ｃに示したシミュレーション結果と同一である。図１０Ｃに示した各曲線は、それぞれ位相差Δθが０°、３０°、６０°、９０°、及び１２０°の場合のゲインを示す。高周波信号の位相差を１２０°にしたときのメインビームの振れ角が約３２°である。

図８Ｃと図１０Ｃとを比較すると、実施例によるアレーアンテナにおけるメインビームの振れ角の方が、参考例３によるアレーアンテナにおけるメインビームの振れ角より大きいことがわかる。これは、給電素子１１の間隔を狭めたことにより得られる効果である。

さらに、参考例３によるアレーアンテナ（図７）のｘ方向の端から端までの寸法は９．４５ｍｍである。これに対し、実施例によるアレーアンテナ（図９）のｘ方向の端から端までの寸法は７．８ｍｍである。このように、実施例の構成を採用することにより、アレーアンテナの小型化が実現されている。

次に、図１１Ａから図１１Ｄまでの図面を参照して、実施例によるアレーアンテナの無給電素子１２（図１）が、隣り合う２つの給電素子１１によって共有されていると考えられる根拠について説明する。

図１１Ａから図１１Ｄまでの図面は、給電素子１１及び無給電素子１２に発生する電流の分布のシミュレーション結果を示す。シミュレーション対象としたアレーアンテナは、図９に示したアレーアンテナと同一の構成を有する。図の濃淡は電流の大きさを表し、色の淡い領域ほど、より大きな電流が流れていることを示している。

図１１Ａは、中央の給電素子１１のみに高周波信号を与えた場合の電流分布を示す。図１１Ｂは、左側の給電素子１１のみに高周波信号を与えた場合の電流分布を示す。図１１Ｃは、左側及び中央の給電素子１１に同位相の高周波信号を与えた場合の電流分布を示す。図１１Ｄは、左側及び中央の給電素子１１に９０°の位相差で高周波信号を与えた場合の電流分布を示す。より具体的には、左側の給電素子１１に与える高周波信号の位相が、中央の給電素子１１に与える高周波信号の位相より９０°遅れている。

中央の給電素子１１に高周波信号を与えた場合（図１１Ａ）には、左側の給電素子１１と中央の給電素子１１との間の無給電素子１２（以下、「着目する無給電素子１２」という。）に発生する電流の強度が、中央の給電素子１１に発生する電流の強度の約９０％である。左側の給電素子１１に高周波信号を与えた場合（図１１Ｂ）には、着目する無給電素子１２に発生する電流の強度が、左側の給電素子１１に発生する電流の強度の約７０％である。

中央の給電素子１１に高周波信号を与えた場合と、左側の給電素子１１に高周波信号を与えた場合とのいずれにおいても、着目する無給電素子１２が励振されていることが確認された。すなわち、着目する無給電素子１２は、中央の給電素子１１に装荷されているとともに、左側の給電素子１１にも装荷されているということができる。

中央の給電素子１１と左側の給電素子１１との両方に同位相の高周波信号を与えた場合（図１１Ｃ）には、１つの給電素子１１のみに高周波信号を与えた場合（図１１Ａ、図１１Ｂ）よりも、着目する無給電素子１２に、より大きな電流が発生する。これらのシミュレーション結果から、着目する無給電素子１２は、中央の給電素子１１と左側の給電素子１１とで共用されていることが確認された。

中央の給電素子１１と左側の給電素子１１との両方に与える高周波信号に位相差をつけた場合（図１１Ｄ）には、同位相の高周波信号を与えた場合（図１１Ｃ）と比べて、着目する無給電素子１２に発生する電流強度が低下することがわかる。これは、中央の給電素子１１により無給電素子１２に発生する電流と、左側の給電素子１１により無給電素子１２に発生する電流とが打ち消し合うためである。このように、２つの給電素子１１で共用される無給電素子１２は、２つの給電素子１１に位相差を持つ高周波信号を与えた場合にも、それぞれの給電素子１１に装荷された無給電素子１２として動作することがわかる。

次に、図１２を参照して、他の実施例によるアレーアンテナについて説明する。以下、図１、図２Ａ、及び図２Ｂに示した実施例との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図１２に、本実施例によるアレーアンテナの平面図を示す。複数の給電素子１１が、ｘ方向のみならずｙ方向にも並んでおり、全体として行列状に配置されている。ｘ方向に並ぶ給電素子１１の間のみならず、ｙ方向に並ぶ給電素子１１の間にも、１つの無給電素子１２が配置されている。無給電素子１２の各々は、ｙ方向に隣り合う２つの給電素子１１で共用されている。

給電素子１１の各々に、２つの給電点１４Ａ及び１４Ｂが設けられている。一方の給電点１４Ａは、給電素子１１の中心からｙ方向にずれた位置に配置され、他方の給電点１４Ｂは、給電素子１１の中心からｘ方向にずれた位置に配置されている。２つの給電点１４Ａ、１４Ｂに与える高周波信号の位相を調整することにより、放射される電波の偏波状態を変えることができる。

図１２に示した実施例においても、図１、図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例と同様に、アレーアンテナの小型化を図ることが可能である。小型化の効果は、ｘ方向及びｙ方向の２方向で現れる。さらに、フェーズドアレーアンテナとして動作させることにより、メインビームをｘ方向及びｙ方向に振り、かつ振り角を大きくすることができる。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０基板
１１給電素子
１２無給電素子
１３給電線
１４、１４Ａ、１４Ｂ給電点
２１、２２、２３グランド導体
２４層間接続導体
２５開口
２６導体壁
３０パッチアンテナ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４導体層

Claims

基板に配置され、前記基板の面内の第１の方向に並ぶ複数の給電素子と、
前記複数の給電素子の各々を前記第１の方向に挟むように配置され、前記複数の給電素子に装荷された複数の無給電素子と
を有し、
前記第１の方向に並ぶ前記給電素子の間には、１つの前記無給電素子が配置されており、前記無給電素子の各々は前記第１の方向に隣り合う２つの前記給電素子で共用されているアレーアンテナ。
前記複数の給電素子の各々に対応して配置され、対応する前記給電素子に給電する複数の給電線を、さらに有し、
前記給電線が前記給電素子に給電する給電点は、前記第１の方向と直交する方向に前記給電素子を励振する位置に配置されている請求項１に記載のアレーアンテナ。
前記複数の給電素子の各々と、その両側の前記無給電素子とが複共振することによって、動作帯域幅が、前記給電素子単体の動作帯域幅よりも広帯域化されるように、前記給電素子及び前記無給電素子の寸法及び相対位置が設計されている請求項１または２に記載のアレーアンテナ。
前記複数の給電素子は、前記第１の方向と直交する第２の方向にも並んでおり、全体として行列状に配置されており、
前記第２の方向に並ぶ前記給電素子の間には、１つの前記無給電素子が配置されており、前記無給電素子の各々は前記第２の方向に隣り合う２つの前記給電素子で共用されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアレーアンテナ。