WO2017119222A1 - ルネベルグレンズアンテナ装置 - Google Patents

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WO2017119222A1
WO2017119222A1 PCT/JP2016/085912 JP2016085912W WO2017119222A1 WO 2017119222 A1 WO2017119222 A1 WO 2017119222A1 JP 2016085912 W JP2016085912 W JP 2016085912W WO 2017119222 A1 WO2017119222 A1 WO 2017119222A1
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luneberg lens
antenna
antennas
patch
patch antennas
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PCT/JP2016/085912
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English (en)
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Inventor
川端　一也
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/44—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the electric or magnetic characteristics of reflecting, refracting, or diffracting devices associated with the radiating element
    • H01Q3/46—Active lenses or reflecting arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/20—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path

Definitions

  • the present invention relates to a Luneberg lens antenna device including a Luneberg lens.
  • An antenna device that can receive radio waves from a plurality of satellites using a Luneberg lens is known (for example, see Patent Document 1).
  • a microwave transceiver primary radiator
  • the radio wave reception direction is changed by moving the position of the transceiver, and radio waves from the target satellite are received.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an omnidirectional Luneberg lens antenna device capable of emitting radio waves from a direction not passing through a Luneberg lens. It is in.
  • a Luneberg lens antenna device includes a Luneberg lens having different permittivity distributions and a plurality of patch antennas arranged at different focal positions of the Luneberg lens.
  • the patch antenna includes a radiating element provided on an outer peripheral surface side of the Luneberg lens, and a ground electrode provided on the opposite side of the Luneberg lens from the radiating element and covering the radiating element. And an outer radiation antenna capable of radiating radio waves toward the opposite side of the Luneberg lens as viewed from the ground electrode.
  • the patch antenna is provided on the outer peripheral surface side of the Luneberg lens and on the opposite side of the Luneberg lens from the radiating element so as to cover the radiating element. And a ground electrode. For this reason, by exciting the radiating element, radio waves can be emitted toward the Luneberg lens, and a beam with high directivity can be emitted.
  • a plurality of patch antennas are provided on the outer peripheral surface side of the Luneberg lens and arranged at different focal positions in the circumferential direction of the Luneberg lens. For this reason, by using a plurality of patch antennas provided at different positions in the circumferential direction, a high-gain beam can be formed in different directions, and a multi-beam can be formed.
  • the outer radiation antenna can be used to radiate radio waves toward the opposite side of the Luneberg lens from the ground electrode. For this reason, since the outer radiation antenna can radiate radio waves without passing through the Luneberg lens, it can radiate radio waves in a direction different from that of the plurality of patch antennas. As a result, by arranging a plurality of patch antennas and outer radiation antennas at appropriate positions on the outer peripheral surface side of the Luneberg lens, for example, radio waves can be radiated in all directions.
  • the outer radiating antenna is constituted by another patch antenna provided on the opposite side of the Luneberg lens with the ground electrode interposed therebetween.
  • the outer radiating antenna is constituted by another patch antenna provided on the opposite side of the Luneberg lens with the ground electrode interposed therebetween. Therefore, the Luneberg is seen from the ground electrode using the other patch antenna. Radio waves can be emitted toward the opposite side of the lens. For this reason, other patch antennas can radiate radio waves without passing through the Luneberg lens, and therefore can radiate radio waves in directions different from those of the plurality of patch antennas.
  • the outer radiation antenna is configured to radiate radio waves having a frequency lower than that of the patch antenna.
  • the patch antenna radiates radio waves through the Luneberg lens, it emits a beam with high directivity.
  • the outer radiation antenna radiates radio waves without passing through the Luneberg lens, and radiates lower frequency radio waves than the patch antenna. Can emit radio waves.
  • the plurality of patch antennas are provided in a circumferential direction range of 1 ⁇ 2 or less of the entire circumference of the Luneberg lens. Thereby, a beam can be scanned according to the circumferential direction range of a plurality of patch antennas.
  • FIG. 3 is a front view of the Luneberg lens antenna device as seen from the direction of arrows III-III in FIG. 2.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a main part when the patch antenna and the peripheral antenna are viewed from the direction of arrows IV-IV in FIG. 3.
  • It is explanatory drawing which shows the state which radiated
  • the antenna device 1 includes a Luneberg lens 2, patch antennas 6A to 6C, and peripheral antennas 12A to 12C.
  • the Luneberg lens 2 is formed in a cylindrical shape having a different dielectric constant distribution with respect to the radial direction.
  • the Luneberg lens 2 has a plurality (for example, three layers) of dielectric layers 3 to 5 laminated from the center in the radial direction to the outside.
  • the dielectric layers 3 to 5 have different dielectric constants ⁇ 1 to ⁇ 3, and the dielectric constant gradually decreases from the radial center (center axis C) toward the outside. For this reason, the cylindrical dielectric layer 3 located at the center in the radial direction has the largest dielectric constant, and the cylindrical dielectric layer 4 covering the outer peripheral surface of the dielectric layer 3 has the second largest dielectric constant.
  • the cylindrical dielectric layer 5 covering the outer peripheral surface of the body layer 4 has the smallest dielectric constant ( ⁇ 1> ⁇ 2> ⁇ 3).
  • the Luneberg lens 2 constitutes a radio wave lens, and has a plurality of focal points at different positions in the circumferential direction on the outer peripheral surface side with respect to radio waves of a predetermined frequency.
  • FIG. 1 illustrates the case where the Luneberg lens 2 includes three dielectric layers 3 to 5, the present invention is not limited to this.
  • the Luneberg lens may include two dielectric layers or four or more dielectric layers. When materials having different dielectric constants are stacked, they are usually stacked using a technique such as thermocompression bonding. At this time, a layer having a dielectric constant different from that of the two materials may be formed at the interface between the two materials due to the influence of mutual diffusion or the like.
  • FIG. 1 illustrates a case where the dielectric constant changes stepwise (stepwise) in the radial direction of the Luneberg lens, but the dielectric constant is gradation (continuously) in the radial direction of the Luneberg lens. It may change to.
  • patch antennas 6A to 6C that radiate radio waves through the Luneberg lens 2 will be described.
  • the plurality of (for example, twelve) patch antennas 6A to 6C include radiating elements 7A to 7C, first feeding electrodes 9A to 9C, and a ground electrode 11. These patch antennas 6A to 6C radiate high-frequency signals (radio waves) through the Luneberg lens 2. For this reason, the beam from the Luneberg lens 2 has high directivity and can reach far. Therefore, these patch antennas 6A to 6C constitute a far antenna that allows radio waves to reach far away.
  • the twelve patch antennas 6A to 6C are provided on the outer peripheral surface 2A of the Luneberg lens 2, that is, the outer peripheral surface of the dielectric layer 5 on the outermost diameter side. These patch antennas 6A to 6C are arranged in a matrix (4 rows and 3 columns) at different positions in the circumferential direction and the axial direction. That is, the twelve patch antennas 6A to 6C constitute an array antenna.
  • the patch antennas 6A to 6C include, for example, radiating elements 7A to 7C made of a rectangular conductor film (metal film) extending in the circumferential direction and the axial direction of the Luneberg lens 2. These radiating elements 7A to 7C are connected to the first feeding electrodes 9A to 9C. The radiating elements 7A to 7C are excited by the supply of the high frequency signal S1 from the first feeding electrodes 9A to 9C. Accordingly, the patch antennas 6A to 6C can transmit or receive a high-frequency signal such as a submillimeter wave or a millimeter wave, for example, according to the length dimension thereof.
  • a high-frequency signal such as a submillimeter wave or a millimeter wave
  • An insulating layer 8 is provided on the outer peripheral surface 2A of the Luneberg lens 2 so as to cover all the radiation elements 7A to 7C.
  • the insulating layer 8 is formed of a cylindrical covering member and includes, for example, an adhesive layer that closely forms the dielectric layer 5 of the Luneberg lens 2 and the radiating elements 7A to 7C. At this time, the insulating layer 8 preferably has a dielectric constant smaller than that of the dielectric layer 5.
  • the insulating layer 8 covers the outer peripheral surface 2A of the Luneberg lens 2 over the entire circumference.
  • the first power supply electrodes 9A to 9C are formed of an elongated conductor film, and are provided on the outer peripheral surface of the insulating layer 8 (see FIG. 4).
  • the first feeding electrode 9A extends in the axial direction along the four patch antennas 6A, and the tips thereof are connected to the four radiating elements 7A, respectively.
  • the first feeding electrode 9B extends in the axial direction along the four radiating elements 7B, and the tips thereof are connected to the four radiating elements 7B, respectively.
  • the first feeding electrode 9C extends in the axial direction along the four radiating elements 7C, and the tips thereof are connected to the four radiating elements 7C, respectively.
  • the base ends of the first power supply electrodes 9A to 9C are connected to the transmission / reception circuit 16.
  • the first power supply electrodes 9A to 9C constitute input / output terminals of MIMO (multiple-input and multiple-output).
  • An insulating layer 10 is provided on the outer peripheral surface of the insulating layer 8 so as to cover the first feeding electrodes 9A to 9C.
  • the insulating layer 10 is made of various resin materials having insulating properties.
  • the insulating layer 10 covers the outer peripheral surface 2A of the Luneberg lens 2 over the entire circumference.
  • the ground electrode 11 is provided on the outer peripheral surface of the insulating layer 10. As shown in FIGS. 1 to 3, the ground electrode 11 is formed of a rectangular conductor film (metal film) extending in the circumferential direction and the axial direction of the Luneberg lens 2, and covers all the radiation elements 7A to 7C. ing. The ground electrode 11 is electrically connected to an external ground and is held at the ground potential. Thereby, the ground electrode 11 functions as a reflector.
  • the ground electrode 11 is formed with an angle range ⁇ of 180 degrees or less with respect to the central axis C of the Luneberg lens 2.
  • the plurality of patch antennas 6A to 6C are formed in a circumferential direction range of 1/2 or less with respect to the entire circumference of the Luneberg lens 2. If the angle range ⁇ of the patch antennas 6A to 6C is large, the radiating elements 7A to 7C and a part of the ground electrode 11 may block radio waves.
  • the array antenna composed of a plurality of patch antennas 6A to 6C is formed with an angle range ⁇ of 90 degrees or less and formed in a circumferential direction range of 1/4 or less with respect to the entire circumference of the Luneberg lens 2. Preferably it is done.
  • the four patch antennas 6A are arranged at the same position in the circumferential direction, and are arranged on one side in the circumferential direction (the counterclockwise base end side in FIG. 2). positioned. These four patch antennas 6A are arranged, for example, at equal intervals in the axial direction.
  • the four patch antennas 6B are arranged at the same position in the circumferential direction and are located in the center in the circumferential direction. Therefore, the four patch antennas 6B are arranged at positions sandwiched between the patch antenna 6A and the patch antenna 6C. These four patch antennas 6B are arranged, for example, at equal intervals in the axial direction.
  • the four patch antennas 6C are arranged at the same position in the circumferential direction, and are located on the other side in the circumferential direction (counterclockwise terminal side in FIG. 2). These four patch antennas 6C are arranged, for example, at equal intervals in the axial direction.
  • the patch antenna 6A, the patch antenna 6B, and the patch antenna 6C have different columns and can transmit or receive high-frequency signals independently of each other. For this reason, the patch antennas 6A to 6C are applied to, for example, MIMO having a plurality of input / output terminals in the circumferential direction. Further, the patch antennas 6A to 6C are arranged, for example, at equal intervals in the circumferential direction.
  • the operation of the individual patch antennas 6A to 6C will be described using individual array antennas that are not MIMO-synthesized.
  • the four patch antennas 6 ⁇ / b> A form beams having directivity toward the opposite side across the central axis C of the Luneberg lens 2. That is, the four patch antennas 6A form beams having the same directivity in the circumferential direction.
  • signals having a predetermined mutual relationship are supplied from the first feeding electrode 9A to the four patch antennas 6A.
  • the beam formed by the four patch antennas 6A is fixed with respect to the axial direction of the Luneberg lens 2.
  • the four patch antennas 6B also form beams having directivity toward the opposite side across the central axis C of the Luneberg lens 2 in the same manner as the patch antenna 6A.
  • the patch antenna 6B is arranged at a position different from the patch antenna 6A in the circumferential direction of the Luneberg lens 2. For this reason, the radiation direction (direction Db) of the beam by the patch antenna 6B is different from the radiation direction (direction Da) of the beam by the patch antenna 6A.
  • the four patch antennas 6B are supplied with signals whose mutual relationship is determined in advance from the first feeding electrode 9B.
  • the beam formed by the four patch antennas 6B is fixed with respect to the axial direction of the Luneberg lens 2.
  • the four patch antennas 6C also form a beam having directivity toward the opposite side across the central axis C of the Luneberg lens 2 similarly to the patch antennas 6A and 6B.
  • the patch antenna 6C is disposed at a position different from the patch antennas 6A and 6B in the circumferential direction of the Luneberg lens 2.
  • the radiation direction (direction Dc) of the beam by the patch antenna 6C is different from the radiation directions (directions Da and Db) of the beam by the patch antennas 6A and 6B.
  • the four patch antennas 6C are supplied with signals whose mutual relationship is determined in advance from the first feeding electrode 9C.
  • the beam formed by the four patch antennas 6C is fixed with respect to the axial direction of the Luneberg lens 2.
  • peripheral antennas 12A to 12C as outer radiation antennas that radiate radio waves without passing through the Luneberg lens 2 will be described.
  • the plurality of (for example, three) peripheral antennas 12A to 12C are all configured by patch antennas that are separate from the patch antennas 6A to 6C.
  • These peripheral antennas 12A to 12C include radiating elements 14A to 14C, second feeding electrodes 15A to 15C, and a ground electrode 11.
  • the peripheral antennas 12A to 12C are located around the ground electrode 11.
  • the peripheral antennas 12A to 12C are configured by patch antennas provided on the side opposite to the Luneberg lens 2 with the ground electrode 11 interposed therebetween.
  • the patch antennas 6A to 6C are arranged on the radially inner side of the Luneberg lens 2 with respect to the ground electrode 11, whereas the peripheral antennas 12A to 12C are provided with the Luneberg lens 2 more than the ground electrode 11. It is arranged outside in the radial direction.
  • the peripheral antennas 12A to 12C constitute outer radiation antennas that can radiate radio waves toward the side opposite to the Luneberg lens 2 when viewed from the ground electrode 11.
  • peripheral antennas 12A to 12C radiate radio waves without passing through the Luneberg lens 2. For this reason, the radio waves radiated from the peripheral antennas 12A to 12C have low directivity, so that the radio waves reach the vicinity (periphery) of the antenna device 1 as compared with the patch antennas 6A to 6C. .
  • An insulating layer 13 is provided on the outer peripheral surface side of the Luneberg lens 2 so as to cover the ground electrode 11.
  • the insulating layer 13 is formed of various resin materials having insulating properties, and is fixed to the outer peripheral surface side of the Luneberg lens 2 with an adhesive or the like, for example.
  • the thickness dimension and dielectric constant of the insulating layer 13 are set in consideration of the antenna loss of the peripheral antennas 12A to 12C. Further, in order to press and fix the patch antennas 6A to 6C to the Luneberg lens 2 from the outside in the radial direction, the mechanical strength (rigidity) of the insulating layer 13 is larger than that of the insulating layer 10 or the like, for example. preferable.
  • the peripheral antennas 12A to 12C are provided with radiating elements 14A to 14C made of, for example, a rectangular conductor film (metal film) extending in the circumferential direction and the axial direction of the Luneberg lens 2. These radiating elements 14A to 14C are provided on the outer peripheral surface of the insulating layer 13, and are connected to the second feeding electrodes 15A to 15C. Specifically, the second power supply electrodes 15A to 15C are disposed between the insulating layers 8 and 10 together with the first power supply electrodes 9A to 9C, for example (see FIG. 4). The tips of the second power supply electrodes 15A to 15C are electrically connected to the radiating elements 14A to 14C through the through holes 11A provided in the ground electrode 11.
  • radiating elements 14A to 14C made of, for example, a rectangular conductor film (metal film) extending in the circumferential direction and the axial direction of the Luneberg lens 2.
  • These radiating elements 14A to 14C are provided on the outer peripheral surface of the insulating layer
  • the radiating elements 14A to 14C are formed with substantially the same length as the radiating elements 7A to 7C, for example.
  • the radiating elements 14A to 14C are excited by the supply of the high frequency signal S2 from the second feeding electrodes 15A to 15C.
  • the peripheral antennas 12A to 12C can transmit or receive a high-frequency signal such as a submillimeter wave or a millimeter wave according to, for example, the length dimension thereof.
  • the peripheral antennas 12A to 12C radiate high-frequency signals in the same frequency band as the patch antennas 6A to 6C, for example.
  • the peripheral antenna 12A is located on one side in the circumferential direction (the counterclockwise base end side in FIG. 2).
  • the peripheral antenna 12B is located at the center in the circumferential direction. Therefore, the peripheral antenna 12B is disposed at a position sandwiched between the peripheral antenna 12A and the peripheral antenna 12C.
  • the peripheral antenna 12C is located on the other circumferential side (counterclockwise end side in FIG. 2).
  • the peripheral antenna 12A, the peripheral antenna 12B, and the peripheral antenna 12C have different positions in the circumferential direction and can transmit or receive high-frequency signals independently of each other. For this reason, the peripheral antennas 12A to 12C are applied to MIMO having a plurality of input / output terminals in the circumferential direction, for example. Further, the peripheral antennas 12A to 12C are arranged at the same position in the axial direction, for example, and are arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • the transmission / reception circuit 16 is connected to the radiating elements 7A to 7C of the patch antennas 6A to 6C via the first feeding electrodes 9A to 9C.
  • the transmission / reception circuit 16 supplies the first high-frequency signal S1 to the first power supply electrodes 9A to 9C to excite the radiation elements 7A to 7C.
  • the transmission / reception circuit 16 can input / output the first high-frequency signals S1 independent of each other to the patch antennas 6A to 6C having different circumferential positions. As a result, the transmission / reception circuit 16 can scan the beam over a predetermined angle range ⁇ .
  • the transmission / reception circuit 16 can form a plurality of beams (multi-beams) by feeding power to at least two of the patch antennas 6A to 6C together.
  • the transmission / reception circuit 16 is connected to the radiating elements 14A to 14C of the peripheral antennas 12A to 12C via the second feeding electrodes 15A to 15C.
  • the transmission / reception circuit 16 supplies the second high-frequency signal S2 to the second power supply electrodes 15A to 15C and excites the radiating elements 14A to 14C.
  • the transmission / reception circuit 16 can input / output second high-frequency signals S2 independent of each other to the peripheral antennas 12A to 12C having different circumferential positions. As a result, the transmission / reception circuit 16 can radiate radio waves in a direction away from the center C of the Luneberg lens 2 and in different directions for each of the peripheral antennas 12A to 12C.
  • the patch antenna 6A radiates a high-frequency signal corresponding to the axial dimension toward the Luneberg lens 2.
  • the antenna device 1 can radiate a high-frequency signal (beam) in the direction Da on the opposite side of the patch antenna 6 ⁇ / b> A across the central axis C of the Luneberg lens 2. .
  • the antenna device 1 can also receive a high-frequency signal coming from the direction Da by using the patch antenna 6A.
  • the antenna device 1 sandwiches the central axis C of the Luneberg lens 2 across the center axis C.
  • a high frequency signal can be transmitted in the direction Db opposite to the patch antenna 6B, and a high frequency signal from the direction Db can be received.
  • the antenna device 1 holds the patch antenna 6C across the central axis C of the Luneberg lens 2.
  • a high-frequency signal can be transmitted in the direction Dc opposite to the direction Dc, and a high-frequency signal from the direction Dc can be received.
  • the beam radiation direction may be adjusted between the direction Da and the direction Db by using both the patch antenna 6A and the patch antenna 6B.
  • the beam radiation direction may be adjusted between the direction Db and the direction Dc by using both the patch antenna 6B and the patch antenna 6C.
  • the antenna device 1 can radiate a beam in any direction between the direction Da and the direction Dc.
  • the antenna device 1 can radiate a high-frequency signal (beam) from the peripheral antenna 12 ⁇ / b> A in the direction Dd opposite to the Luneberg lens 2.
  • the peripheral antenna 12A radiates a high-frequency signal without passing through the Luneberg lens 2, and therefore radiates a wide-angle beam as compared with the case where the patch antennas 6A to 6C are used. For this reason, the antenna apparatus 1 can transmit a high frequency signal with respect to the wide angle range centering on the direction Dd by using the surrounding antenna 12A. In addition to this, the antenna device 1 can receive a high-frequency signal arriving from a wide angular range centering on the direction Dd by using the peripheral antenna 12A.
  • the antenna device 1 when the second high-frequency signal S2 is fed from the second feeding electrode 15B to the radiating element 14B, the antenna device 1 is connected to the Luneberg lens 2 from the peripheral antenna 12B. A high-frequency signal can be radiated in the opposite direction De. For this reason, the antenna apparatus 1 can transmit a high frequency signal with respect to the wide angle range centering on the direction De by using the peripheral antenna 12B. In addition to this, the antenna device 1 can receive a high-frequency signal arriving from a wide angle range centering on the direction De by using the peripheral antenna 12A.
  • the antenna device 1 when the second high-frequency signal S2 is fed from the second feeding electrode 15C toward the radiating element 14C, the antenna device 1 is on the side opposite to the Luneberg lens 2 from the peripheral antenna 12C. A high-frequency signal can be radiated in the direction Df. For this reason, the antenna apparatus 1 can transmit a high frequency signal with respect to the wide angle range centering on the direction Df by using the peripheral antenna 12C. In addition to this, the antenna device 1 can receive a high-frequency signal arriving from a wide angle range around the direction Df by using the peripheral antenna 12C.
  • the patch antennas 6A to 6C and the peripheral antennas 12A to 12C may pass a current in the circumferential direction to radiate horizontally polarized electromagnetic waves, or may be circularly polarized waves.
  • the antenna device 1 includes a plurality of patch antennas 6A to 6C arranged at different focal positions in the circumferential direction of the Luneberg lens 2 on the outer peripheral surface 2A side of the Luneberg lens 2. Prepared to comprise. Therefore, by using a plurality of patch antennas 6A to 6C provided at different positions in the circumferential direction, it is possible to form low sidelobe beams in different directions. In addition, by operating the patch antennas 6A to 6C together independently, a multi-beam can be formed. Furthermore, since the plurality of patch antennas 6A to 6C are provided at different positions in the axial direction, for example, the beam can be focused in the axial direction, and the antenna gain can be increased.
  • the peripheral antennas 12A to 12C are provided around the ground electrode 11 of the patch antennas 6A to 6C.
  • the peripheral antennas 12A to 12C are configured by patch antennas provided on the side opposite to the Luneberg lens 2 with the ground electrode 11 interposed therebetween. For this reason, it is possible to radiate a high frequency signal toward the side opposite to the Luneberg lens 2 when viewed from the ground electrode 11 using the peripheral antennas 12A to 12C. Therefore, the peripheral antennas 12A to 12C can radiate high-frequency signals without passing through the Luneberg lens 2, and therefore can radiate high-frequency signals in directions different from those of the plurality of patch antennas 6A to 6C. .
  • the patch antennas 6A to 6C and the peripheral antennas 12A to 12C can be arranged on both sides (the radially inner side and the radially outer side of the Luneberg lens 2) with the ground electrode 11 interposed therebetween. For this reason, the patch antennas 6A to 6C and the peripheral antennas 12A to 12C can be arranged to overlap each other at the same position in the axial direction. 1 can be reduced in size.
  • the plurality of patch antennas 6A to 6C are provided in a circumferential direction range of 1 ⁇ 2 or less of the entire circumference of the Luneberg lens 2, it corresponds to the circumferential direction range of the plurality of patch antennas 6A to 6C.
  • the beam can be scanned in the circumferential direction.
  • the first feeding electrodes 9A to 9C serving as connection lines for signals can be formed on the outer peripheral surface 2A side of the Luneberg lens 2. For this reason, the antenna device 1 can easily extract a signal as compared with the case where a spherical Luneberg lens is used.
  • the plurality of patch antennas 6A to 6C arranged at different positions in the axial direction of the Luneberg lens 2 are configured to operate depending on each other.
  • the plurality of patch antennas (for example, four patch antennas 6A) arranged at different positions in the axial direction of the Luneberg lens 2 are arranged at different positions in the circumferential direction of the Luneberg lens 2 instead of the MIMO configuration.
  • the plurality of patch antennas 6A to 6C thus configured can have a MIMO configuration.
  • the four patch antennas 6A arranged in the axial direction are supplied with signals having a predetermined relationship determined, for example, as signals having a fixed phase difference, thereby forming a fixed beam in the axial direction. can do.
  • the plurality of patch antennas 6A to 6C arranged in the axial direction can be connected to each other by a passive circuit such as a fixed phase shifter. Therefore, independent signals need only be supplied to the three rows of patch antennas 6A to 6C provided at different positions in the circumferential direction, and the input / output circuits of the transmission / reception circuit 16 can be reduced to simplify the configuration. .
  • FIGS. 11 and 12 show a Luneberg lens antenna apparatus 21 (hereinafter referred to as the antenna apparatus 21) according to a second embodiment of the present invention.
  • the feature of the second embodiment is that the patch antenna that radiates a high-frequency signal through the Luneberg lens 2 and the peripheral antenna that radiates a high-frequency signal without passing through the Luneberg lens 2 are radiated. This is because the frequency of the signal is varied.
  • the same components as those of the antenna device 1 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the antenna device 21 according to the second embodiment is configured in substantially the same manner as the antenna device 1 according to the first embodiment. Therefore, the antenna device 21 includes a Luneberg lens 2, patch antennas 6A to 6C, and peripheral antennas 22A to 22C.
  • the peripheral antennas 22A to 22C are configured in substantially the same manner as the peripheral antennas 12A to 12C according to the first embodiment. Therefore, the peripheral antennas 22A to 22C include, for example, radiating elements 23A to 23C made of rectangular conductor films (metal films) extending in the circumferential direction and the axial direction of the Luneberg lens 2, and the patch antennas 6A to 6C. Is constituted by a separate patch antenna. These radiating elements 23A to 23C are provided on the outer peripheral surface of the insulating layer 13, and are connected to the second feeding electrodes 15A to 15C.
  • the peripheral antennas 22A to 22C constitute outer radiation antennas that can radiate radio waves toward the side opposite to the Luneberg lens 2 when viewed from the ground electrode 11.
  • the radiating elements 23A to 23C are excited by the supply of the high frequency signal S2 from the second feeding electrodes 15A to 15C.
  • the radiating elements 23A to 23C of the peripheral antennas 22A to 22C are formed, for example, larger in length than the radiating elements 7A to 7C of the patch antennas 6A to 6C. Therefore, the peripheral antennas 22A to 22C radiate high-frequency signals in a lower frequency band than the patch antennas 6A to 6C. As an example, when the patch antennas 6A to 6C radiate a 77 GHz band high frequency signal, the peripheral antennas 22A to 22C radiate a 24 GHz band high frequency signal.
  • the peripheral antennas 22A to 22C radiate high-frequency signals in a lower frequency band than the patch antennas 6A to 6C.
  • the patch antennas 6A to 6C pass the Luneberg lens 2 and radiate a high-frequency signal
  • the patch antennas 6A to 6C radiate a beam having high directivity.
  • the peripheral antennas 22A to 22C radiate high-frequency signals in a frequency band lower than that of the patch antennas 6A to 6C in addition to radiating high-frequency signals without passing through the Luneberg lens 2. Therefore, the peripheral antennas 22A to 22C can radiate radio waves toward a wide angle range with low directivity.
  • the patch antenna includes the radiating elements 14A to 14C of the peripheral antennas 12A to 12C and the ground electrode 11.
  • the peripheral antennas 32A to 32C serving as the outer radiation antennas receive high-frequency signals from slits 33A to 33C provided in the ground electrode 11. You may comprise by the slot antenna to radiate
  • the peripheral antennas 42 ⁇ / b> A and 42 ⁇ / b> B serving as the outer radiation antennas are linear conductor films 43 ⁇ / b> A provided on both ends in the circumferential direction of the ground electrode 11. , 43B, or a monopole antenna. This configuration can also be applied to the second embodiment.
  • the configuration includes a plurality of peripheral antennas 12A to 12C.
  • the configuration may include a single peripheral antenna. This configuration can also be applied to the second embodiment.
  • the feeding electrodes 9A to 9C and 15A to 15C are provided between the radiating elements 7A to 7C of the patch antennas 6A to 6C and the ground electrode 11.
  • the present invention is not limited to this, and a feeding electrode may be provided between the radiating elements 14A to 14C of the peripheral antennas 12A to 12C and the ground electrode 11. This configuration can also be applied to the second embodiment.
  • the patch antennas 6A to 6C are arranged in a matrix of 4 rows and 3 columns.
  • the present invention is not limited to this, and the number and arrangement of patch antennas can be appropriately set according to the specifications of the array antenna.
  • the plurality of patch antennas may be arranged in a line in the circumferential direction of the Luneberg lens, for example, as long as they are arranged at different focal positions of the Luneberg lens. This configuration can also be applied to the second embodiment.
  • a plurality of patch antennas (for example, four patch antennas 6A) arranged at different positions in the axial direction of the Luneberg lens 2 are configured to operate subordinate to each other.
  • the present invention is not limited to this, and the array antenna may operate independently by supplying independent signals to a plurality of patch antennas provided at different positions in the axial direction. In this case, for example, the radiation direction and shape of the beam in the axial direction can be adjusted. This configuration can also be applied to the second embodiment.
  • the Luneberg lens 2 is formed in a cylindrical shape
  • the Luneberg lens may be formed in a spherical shape or a hemispherical shape, and may be formed in another shape. May be.
  • Luneberg lens antenna device (antenna device) 2 Luneberg lens 6A to 6C Patch antenna 7A to 7C, 14A to 14C, 23A to 23C Radiating element 9A to 9C First feeding electrode 11 Ground electrode 12A to 12C, 22A to 22C, 32A to 32C, 42A, 42B Antenna (outside radiation antenna) 15A to 15C Second power supply electrode 16 Transmission / reception circuit

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Abstract

ルネベルグレンズアンテナ装置（１）は、ルネベルグレンズ（２）と、複数のパッチアンテナ（６Ａ）～（６Ｃ）と、複数の周辺用アンテナ（１２Ａ）～（１２Ｃ）とを備えている。ルネベルグレンズ（２）は、円柱形状に形成され、誘電率の異なる３層の誘電体層（３）～（５）が径方向に積層されている。複数のパッチアンテナ（６Ａ）～（６Ｃ）は、放射素子（７Ａ）～（７Ｃ）の外周面側を覆うグランド電極（１１）を備えている。複数の周辺用アンテナ（１２Ａ）～（１２Ｃ）は、グランド電極（１１）の外周面側に設けられた放射素子（１４Ａ）～（１４Ｃ）を備えている。

Description

ルネベルグレンズアンテナ装置
　本発明は、ルネベルグレンズを備えたルネベルグレンズアンテナ装置に関する。
　ルネベルグレンズを用いて、複数の衛星からの電波を受信可能なアンテナ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたアンテナ装置では、ルネベルグレンズの焦点位置にマイクロ波の送受信機（一次放射器）が設けられている。このアンテナ装置では、送受信機の位置を移動させることによって、電波の受信方向を変化させて、標的とする衛星からの電波を受信している。
特開２００１－３５２２１１号公報
　ところで、特許文献１に記載されたアンテナ装置では、一次放射器の位置を移動させれば、全方位に対して高利得のアンテナ特性を得ることができる。しかしながら、複数の位置に一次放射器を配置して全方位に電波の放射を可能にした場合には、複数の一次放射器によって相互に電波のブロッキングが生じるという問題がある。
　本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、ルネベルグレンズを通過しない方向からの電波も放射が可能な全方位対応のルネベルグレンズアンテナ装置を提供することにある。
（１）．上述した課題を解決するために、本発明によるルネベルグレンズアンテナ装置は、異なる誘電率の分布を有するルネベルグレンズと、前記ルネベルグレンズの異なる焦点位置に配置された複数のパッチアンテナとを備え、前記パッチアンテナは、前記ルネベルグレンズの外周面側に設けられた放射素子と、前記放射素子からみて前記ルネベルグレンズとは反対側に位置して前記放射素子を覆って設けられたグランド電極とを有し、前記グランド電極の周囲に位置して前記グランド電極からみて前記ルネベルグレンズとは反対側に向けて電波の放射が可能な外側放射アンテナをさらに備えている。
　本発明によれば、パッチアンテナは、ルネベルグレンズの外周面側に設けられた放射素子と、前記放射素子からみて前記ルネベルグレンズとは反対側に位置して前記放射素子を覆って設けられたグランド電極とを有している。このため、放射素子を励振することによって、ルネベルグレンズに向けて電波を放射することができ、指向性の高いビームを放射することができる。また、ルネベルグレンズの外周面側であってルネベルグレンズの周方向の異なる焦点位置に配置された複数のパッチアンテナを備えている。このため、周方向の異なる位置に設けられた複数のパッチアンテナを用いることによって、互いに異なる方向に向けて高利得のビームを形成することができると共に、マルチビームの形成が可能になる。
　さらに、グランド電極の周囲には外側放射アンテナを設けたから、外側放射アンテナを用いて、グランド電極からみてルネベルグレンズとは反対側に向けて電波を放射することができる。このため、外側放射アンテナは、ルネベルグレンズを通過させずに電波を放射することができるから、複数のパッチアンテナとは異なる方向に電波を放射することができる。この結果、複数のパッチアンテナと外側放射アンテナを、ルネベルグレンズの外周面側であって適切な位置に配置することによって、例えば全方位に対しても電波の放射が可能になる。
（２）．本発明では、前記外側放射アンテナは、前記グランド電極を挟んで前記ルネベルグレンズとは反対側に設けられた他のパッチアンテナによって構成している。
　本発明によれば、外側放射アンテナは、グランド電極を挟んでルネベルグレンズとは反対側に設けられた他のパッチアンテナによって構成したから、他のパッチアンテナを用いて、グランド電極からみてルネベルグレンズとは反対側に向けて電波を放射することができる。このため、他のパッチアンテナは、ルネベルグレンズを通過させずに電波を放射することができるから、複数のパッチアンテナとは異なる方向に電波を放射することができる。
（３）．本発明では、前記外側放射アンテナは、前記パッチアンテナよりも低周波の電波を放射する構成としている。
　このとき、パッチアンテナはルネベルグレンズを通過して電波を放射するから、高い指向性をもったビームを放射する。これに対し、外側放射アンテナは、ルネベルグレンズを通過させずに電波を放射するのに加え、パッチアンテナよりも低周波の電波を放射するから、指向性を低くして広角な範囲に向けて電波を放射することができる。
（４）．本発明では、複数の前記パッチアンテナは、前記ルネベルグレンズのうち全周の１／２以下の周方向範囲に設けられている。これにより、複数のパッチアンテナの周方向範囲に応じてビームを走査することができる。
第１の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す斜視図である。 図１中のルネベルグレンズアンテナ装置を示す平面図である。 ルネベルグレンズアンテナ装置を図２中の矢示III－III方向からみた正面図である。 パッチアンテナおよび周辺用アンテナを図３中の矢示IV－IV方向からみた要部拡大断面図である。 周方向一方側のパッチアンテナによってビームを放射した状態を示す説明図である。 周方向中央側のパッチアンテナによってビームを放射した状態を示す説明図である。 周方向他方側のパッチアンテナによってビームを放射した状態を示す説明図である。 周方向一方側の周辺用アンテナによってビームを放射した状態を示す説明図である。 周方向中央側の周辺用アンテナによってビームを放射した状態を示す説明図である。 周方向他方側の周辺用アンテナによってビームを放射した状態を示す説明図である。 第２の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す斜視図である。 第２の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す図３と同様な正面図である。 第１の変形例によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す図３と同様な正面図である。 第２の変形例によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す図３と同様な正面図である。
　以下、本発明の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
　図１ないし図１０に、第１の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置１（以下、アンテナ装置１という）を示す。アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２と、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃと、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃとを備えている。
　ルネベルグレンズ２は、径方向に対して異なる誘電率の分布を有する円柱状に形成されている。具体的には、ルネベルグレンズ２は、径方向の中心から外側に向けて複数（例えば３層）の誘電体層３～５が積層されている。誘電体層３～５は、互いに誘電率ε1～ε3が異なり、径方向中心（中心軸Ｃ）から外側に近付くに従って、徐々に誘電率が小さくなっている。このため、径方向の中心に位置する円柱状の誘電体層３が最も誘電率が大きく、誘電体層３の外周面を覆う円筒状の誘電体層４が２番目に誘電率が大きく、誘電体層４の外周面を覆う円筒状の誘電体層５は誘電率が最も小さくなっている（ε1＞ε2＞ε3）。これにより、ルネベルグレンズ２は、電波レンズを構成し、所定の周波数の電波に対して、その外周面側で周方向の異なる位置に複数の焦点を有する。
　なお、図１には、ルネベルグレンズ２が３層の誘電体層３～５を備えた場合を例示したが、本発明はこれに限らない。ルネベルグレンズは、２層の誘電体層を備えてもよく、４層以上の誘電体層を備えてもよい。また、誘電率の異なる材料を積み重ねる場合、通常は熱圧着等の手法を用いて積み重ねる。このとき、２つの材料の界面では、相互拡散等の影響により、誘電率が２つの材料のいずれとも異なる層が形成されてもよい。さらに、図１には、誘電率がルネベルグレンズの径方向にステップ状（段階的に）に変化する場合を例示したが、誘電率はルネベルグレンズの径方向にグラデーション状（連続的に）に変化してもよい。
　次に、ルネベルグレンズ２を通過させて電波を放射するパッチアンテナ６Ａ～６Ｃについて説明する。
　複数（例えば１２個）のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、放射素子７Ａ～７Ｃと、第１の給電電極９Ａ～９Ｃと、グランド電極１１とを備えている。これらのパッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、ルネベルグレンズ２を通過させて高周波信号（電波）を放射する。このため、ルネベルグレンズ２からのビームは、指向性が高くなり、遠方まで到達可能である。従って、これらのパッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、遠方に向けて電波を到達させる遠方用アンテナを構成している。
　１２個のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａ、即ち最外径側の誘電体層５の外周面に設けられている。これらのパッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、周方向と軸方向の異なる位置に行列状（４行３列）に配置されている。即ち、１２個のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、アレーアンテナを構成している。
　パッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、例えばルネベルグレンズ２の周方向および軸方向に広がった長方形状の導体膜（金属膜）からなる放射素子７Ａ～７Ｃを備えている。これらの放射素子７Ａ～７Ｃは、第１の給電電極９Ａ～９Ｃに接続されている。放射素子７Ａ～７Ｃは、第１の給電電極９Ａ～９Ｃからの高周波信号Ｓ1の供給によって、励振される。これにより、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、例えばその長さ寸法等に応じて、例えばサブミリ波やミリ波等の高周波信号を送信または受信することができる。
　ルネベルグレンズ２の外周面２Ａには、全ての放射素子７Ａ～７Ｃを覆って絶縁層８が設けられている。この絶縁層８は、円筒状の被覆部材によって形成され、例えばルネベルグレンズ２の誘電体層５と放射素子７Ａ～７Ｃを密着形成する接着層を含んでいる。このとき、絶縁層８は、誘電体層５よりも小さい誘電率を有することが好ましい。絶縁層８は、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａを全周に亘って覆っている。
　第１の給電電極９Ａ～９Ｃは、細長い導体膜によって形成され、絶縁層８の外周面に設けられている（図４参照）。第１の給電電極９Ａは、４個のパッチアンテナ６Ａに沿って軸方向に延び、その先端が４個の放射素子７Ａにそれぞれ接続されている。第１の給電電極９Ｂは、４個の放射素子７Ｂに沿って軸方向に延び、その先端が４個の放射素子７Ｂにそれぞれ接続されている。第１の給電電極９Ｃは、４個の放射素子７Ｃに沿って軸方向に延び、その先端が４個の放射素子７Ｃにそれぞれ接続されている。第１の給電電極９Ａ～９Ｃの基端は、送受信回路１６に接続されている。第１の給電電極９Ａ～９Ｃは、ＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）の入出力端子を構成している。
　絶縁層８の外周面には、第１の給電電極９Ａ～９Ｃを覆って絶縁層１０が設けられている。この絶縁層１０は、絶縁性をもった各種の樹脂材料によって形成されている。絶縁層１０は、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａを全周に亘って覆っている。
　グランド電極１１は、絶縁層１０の外周面に設けられている。図１ないし図３に示すように、グランド電極１１は、ルネベルグレンズ２の周方向および軸方向に広がった長方形状の導体膜（金属膜）によって形成され、全ての放射素子７Ａ～７Ｃを覆っている。グランド電極１１は、外部のグランドに電気的に接続され、グランド電位に保持されている。これにより、グランド電極１１は、反射器として機能する。
　このとき、グランド電極１１は、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃに対して１８０度以下の角度範囲θをもって形成されている。これにより、複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、ルネベルグレンズ２の全周に対して１／２以下の周方向範囲に形成されている。なお、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃの角度範囲θが大きいと、放射素子７Ａ～７Ｃやグランド電極１１の一部が電波を遮る可能性がある。この点を考慮すると、複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃからなるアレーアンテナは、９０度以下の角度範囲θをもって形成され、ルネベルグレンズ２の全周に対して１／４以下の周方向範囲に形成されるのが好ましい。
　図１ないし図３に示すように、４個のパッチアンテナ６Ａは、周方向に対して同じ位置に配置されると共に、周方向の一方側（図２中の反時計回りの基端側）に位置している。これら４個のパッチアンテナ６Ａは、例えば軸方向に等間隔に並んで配置されている。
　４個のパッチアンテナ６Ｂは、周方向に対して同じ位置に配置されると共に、周方向の中央に位置している。このため、４個のパッチアンテナ６Ｂは、パッチアンテナ６Ａとパッチアンテナ６Ｃとに挟まれた位置に配置されている。これら４個のパッチアンテナ６Ｂは、例えば軸方向に等間隔に並んで配置されている。
　４個のパッチアンテナ６Ｃは、周方向に対して同じ位置に配置されると共に、周方向の他方側（図２中の反時計回りの終端側）に位置している。これら４個のパッチアンテナ６Ｃは、例えば軸方向に等間隔に並んで配置されている。パッチアンテナ６Ａと、パッチアンテナ６Ｂと、パッチアンテナ６Ｃとは、互いに列が異なると共に、互いに独立して高周波信号の送信または受信が可能である。このため、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、例えば周方向に複数の入出力端子をもつＭＩＭＯに適用されるものである。また、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、例えば周方向に等間隔に並んで配置されている。
　ここで、個々のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃの動作をＭＩＭＯ合成しない個々のアレーアンテナで説明する。図５に示すように、４個のパッチアンテナ６Ａは、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んで反対側に向けて指向性をもったビームを形成する。即ち、４個のパッチアンテナ６Ａは、周方向に対して同じ指向性をもったビームを形成する。
　また、４個のパッチアンテナ６Ａには、第１の給電電極９Ａから相互の関係（例えば、位相関係）が予め決められた信号が供給される。これにより、４個のパッチアンテナ６Ａによって形成されるビームは、ルネベルグレンズ２の軸方向に対して固定されている。
　図６に示すように、４個のパッチアンテナ６Ｂも、パッチアンテナ６Ａと同様に、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んで反対側に向けて指向性をもったビームを形成する。このとき、パッチアンテナ６Ｂは、ルネベルグレンズ２の周方向でパッチアンテナ６Ａとは異なる位置に配置されている。このため、パッチアンテナ６Ｂによるビームの放射方向（方向Ｄb）は、パッチアンテナ６Ａによるビームの放射方向（方向Ｄa）とは異なっている。
　一方、４個のパッチアンテナ６Ｂには、第１の給電電極９Ｂから相互の関係が予め決められた信号が供給される。これにより、４個のパッチアンテナ６Ｂによって形成されるビームは、ルネベルグレンズ２の軸方向に対して固定されている。
　図７に示すように、４個のパッチアンテナ６Ｃも、パッチアンテナ６Ａ，６Ｂと同様に、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んで反対側に向けて指向性をもったビームを形成する。このとき、パッチアンテナ６Ｃは、ルネベルグレンズ２の周方向でパッチアンテナ６Ａ，６Ｂとは異なる位置に配置されている。このため、パッチアンテナ６Ｃによるビームの放射方向（方向Ｄc）は、パッチアンテナ６Ａ，６Ｂによるビームの放射方向（方向Ｄa，Ｄb）とは異なっている。
　一方、４個のパッチアンテナ６Ｃには、第１の給電電極９Ｃから相互の関係が予め決められた信号が供給される。これにより、４個のパッチアンテナ６Ｃによって形成されるビームは、ルネベルグレンズ２の軸方向に対して固定されている。
　次に、ルネベルグレンズ２を通過させずに電波を放射する外側放射アンテナとしての周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃについて説明する。
　複数（例えば３個）の周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、いずれもパッチアンテナ６Ａ～６Ｃとは別個のパッチアンテナによって構成されている。これらの周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、放射素子１４Ａ～１４Ｃと、第２の給電電極１５Ａ～１５Ｃと、グランド電極１１とを備えている。周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、グランド電極１１の周囲に位置している。具体的には、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、グランド電極１１を挟んでルネベルグレンズ２とは反対側に設けられたパッチアンテナによって構成されている。このため、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃがグランド電極１１よりもルネベルグレンズ２の径方向の内側に配置されているのに対し、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、グランド電極１１よりもルネベルグレンズ２の径方向の外側に配置されている。周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、グランド電極１１からみてルネベルグレンズ２とは反対側に向けて電波の放射が可能な外側放射アンテナを構成している。
　これらの周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、ルネベルグレンズ２を通過させずに電波を放射する。このため、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃから放射される電波は、指向性が低くなるから、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃに比べて、アンテナ装置１の近傍（周辺）に対して電波を到達させるものである。
　ルネベルグレンズ２の外周面側には、グランド電極１１を覆って絶縁層１３が設けられている。この絶縁層１３は、絶縁性をもった各種の樹脂材料によって形成され、例えば接着剤等によってルネベルグレンズ２の外周面側に固定されている。絶縁層１３の厚さ寸法や誘電率は、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃのアンテナ損失等を考慮して設定されている。また、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃを径方向外側からルネベルグレンズ２に押付けて固定するためには、絶縁層１３の機械的な強度（剛性）は、例えば絶縁層１０等と比べて、大きいものが好ましい。
　周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、例えばルネベルグレンズ２の周方向および軸方向に広がった長方形状の導体膜（金属膜）からなる放射素子１４Ａ～１４Ｃを備えている。これらの放射素子１４Ａ～１４Ｃは、絶縁層１３の外周面に設けられ、第２の給電電極１５Ａ～１５Ｃに接続されている。具体的には、第２の給電電極１５Ａ～１５Ｃは、例えば第１の給電電極９Ａ～９Ｃと一緒に絶縁層８，１０の間に配置されている（図４参照）。第２の給電電極１５Ａ～１５Ｃの先端は、グランド電極１１に設けられた貫通孔１１Ａを通じて、放射素子１４Ａ～１４Ｃに電気的に接続されている。
　放射素子１４Ａ～１４Ｃは、例えば放射素子７Ａ～７Ｃとほぼ同じ長さ寸法をもって形成されている。そして、放射素子１４Ａ～１４Ｃは、第２の給電電極１５Ａ～１５Ｃからの高周波信号Ｓ2の供給によって、励振される。これにより、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、例えばその長さ寸法等に応じて、サブミリ波やミリ波等の高周波信号を送信または受信することができる。このとき、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、例えばパッチアンテナ６Ａ～６Ｃと同じ周波数帯の高周波信号を放射する。
　図１ないし図３に示すように、周辺用アンテナ１２Ａは、周方向の一方側（図２中の反時計回りの基端側）に位置している。周辺用アンテナ１２Ｂは、周方向の中央に位置している。このため、周辺用アンテナ１２Ｂは、周辺用アンテナ１２Ａと周辺用アンテナ１２Ｃとに挟まれた位置に配置されている。周辺用アンテナ１２Ｃは、周方向の他方側（図２中の反時計回りの終端側）に位置している。
　周辺用アンテナ１２Ａと、周辺用アンテナ１２Ｂと、周辺用アンテナ１２Ｃとは、互いに周方向の位置が異なると共に、互いに独立して高周波信号の送信または受信が可能である。このため、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、例えば周方向に複数の入出力端子をもつＭＩＭＯに適用されるものである。また、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、例えば軸方向に同じ位置に配置されると共に、周方向に等間隔に並んで配置されている。
　送受信回路１６は、第１の給電電極９Ａ～９Ｃを介してパッチアンテナ６Ａ～６Ｃの放射素子７Ａ～７Ｃに接続されている。送受信回路１６は、第１の給電電極９Ａ～９Ｃに第１の高周波信号Ｓ1を供給し、放射素子７Ａ～７Ｃを励振させる。送受信回路１６は、周方向の位置が互いに異なるパッチアンテナ６Ａ～６Ｃに対して、互いに独立した第１の高周波信号Ｓ1を入出力することができる。これにより、送受信回路１６は、予め決められた角度範囲θに亘ってビームを走査することができる。また、送受信回路１６は、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃのうち少なくとも２つに一緒に給電を行うことによって、複数のビーム（マルチビーム）を形成することができる。
　また、送受信回路１６は、第２の給電電極１５Ａ～１５Ｃを介して周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃの放射素子１４Ａ～１４Ｃに接続されている。送受信回路１６は、第２の給電電極１５Ａ～１５Ｃに第２の高周波信号Ｓ2を供給し、放射素子１４Ａ～１４Ｃを励振させる。送受信回路１６は、周方向の位置が互いに異なる周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃに対して、互いに独立した第２の高周波信号Ｓ2を入出力することができる。これにより、送受信回路１６は、ルネベルグレンズ２の中心Ｃから離れる方向であって、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃ毎に互いに異なる方向に向けて電波を放射することができる。
　次に、本実施の形態によるアンテナ装置１の作動について、図５ないし図１０を参照しつつ説明する。
　第１の給電電極９Ａから放射素子７Ａに向けて第１の高周波信号Ｓ1による給電を行うと、放射素子７Ａには、例えば軸方向に向けて電流が流れる。これにより、パッチアンテナ６Ａは、軸方向の寸法に応じた高周波信号を、ルネベルグレンズ２に向けて放射する。この結果、図５に示すように、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んでパッチアンテナ６Ａの反対側の方向Ｄaに向けて、高周波信号（ビーム）を放射することができる。また、アンテナ装置１は、パッチアンテナ６Ａを用いることによって、方向Ｄaから到来する高周波信号を受信することもできる。
　同様に、図６に示すように、第１の給電電極９Ｂから放射素子７Ｂに向けて第１の高周波信号Ｓ1を給電したときには、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んでパッチアンテナ６Ｂの反対側の方向Ｄbに向けて高周波信号を送信することができると共に、方向Ｄbからの高周波信号を受信することができる。
　図７に示すように、第１の給電電極９Ｃから放射素子７Ｃに向けて第１の高周波信号Ｓ1を給電したときには、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んでパッチアンテナ６Ｃの反対側の方向Ｄcに向けて高周波信号を送信することができると共に、方向Ｄcからの高周波信号を受信することができる。
　また、パッチアンテナ６Ａとパッチアンテナ６Ｂとの両方を用いることによって、ビームの放射方向を方向Ｄaと方向Ｄbとの間でビーム調整してもよい。同様に、パッチアンテナ６Ｂとパッチアンテナ６Ｃとの両方を用いることによって、ビームの放射方向を方向Ｄbと方向Ｄcとの間でビーム調整してもよい。これにより、アンテナ装置１は、方向Ｄaから方向Ｄcの間で、任意の方向に向けてビームを放射することができる。
　一方、第２の給電電極１５Ａから放射素子１４Ａに向けて第２の高周波信号Ｓ2による給電を行うと、放射素子１４Ａには、例えば軸方向に向けて電流が流れる。これにより、周辺用アンテナ１２Ａは、軸方向の寸法に応じた高周波信号を、ルネベルグレンズ２の径方向外側に向けて放射する。この結果、図８に示すように、アンテナ装置１は、周辺用アンテナ１２Ａからルネベルグレンズ２とは反対側の方向Ｄdに向けて、高周波信号（ビーム）を放射することができる。このとき、周辺用アンテナ１２Ａは、ルネベルグレンズ２を通過せずに、高周波信号を放射するから、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃを用いたときに比べて、広角なビームを放射する。このため、アンテナ装置１は、周辺用アンテナ１２Ａを用いることによって、方向Ｄdを中心とした広い角度範囲に対して高周波信号を送信することができる。これに加えて、アンテナ装置１は、周辺用アンテナ１２Ａを用いることによって、方向Ｄdを中心とした広い角度範囲から到来する高周波信号を受信することができる。
　同様に、図９に示すように、第２の給電電極１５Ｂから放射素子１４Ｂに向けて第２の高周波信号Ｓ2を給電したときには、アンテナ装置１は、周辺用アンテナ１２Ｂからルネベルグレンズ２とは反対側の方向Ｄeに向けて、高周波信号を放射することができる。このため、アンテナ装置１は、周辺用アンテナ１２Ｂを用いることによって、方向Ｄeを中心とした広い角度範囲に対して高周波信号を送信することができる。これに加えて、アンテナ装置１は、周辺用アンテナ１２Ａを用いることによって、方向Ｄeを中心とした広い角度範囲から到来する高周波信号を受信することができる。
　図１０に示すように、第２の給電電極１５Ｃから放射素子１４Ｃに向けて第２の高周波信号Ｓ2を給電したときには、アンテナ装置１は、周辺用アンテナ１２Ｃからルネベルグレンズ２とは反対側の方向Ｄfに向けて、高周波信号を放射することができる。このため、アンテナ装置１は、周辺用アンテナ１２Ｃを用いることによって、方向Ｄfを中心とした広い角度範囲に対して高周波信号を送信することができる。これに加えて、アンテナ装置１は、周辺用アンテナ１２Ｃを用いることによって、方向Ｄfを中心とした広い角度範囲から到来する高周波信号を受信することができる。
　なお、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃおよび周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃには、軸方向の電流を流し、垂直偏波の電磁波を放射した場合について説明した。本発明はこれに限らず、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃおよび周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃには、周方向の電流を流し、水平偏波の電磁波を放射してもよいし、円偏波等でもよい。
　かくして、第１の実施の形態では、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａ側であってルネベルグレンズ２の周方向の異なる焦点位置に配置された複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃを備える構成した。このため、周方向の異なる位置に設けられた複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃを用いることによって、互いに異なる方向に向けて低サイドローブのビームを形成することができる。また、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃを独立して一緒に動作させることによって、マルチビームの形成が可能になる。さらに、軸方向の異なる位置に複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃを設けたから、例えば軸方向に対してビームを絞ることができ、アンテナ利得を高めることができる。
　さらに、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃのグランド電極１１の周囲に設けられている。このとき、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、グランド電極１１を挟んでルネベルグレンズ２とは反対側に設けられたパッチアンテナによって構成している。このため、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃを用いて、グランド電極１１からみてルネベルグレンズ２とは反対側に向けて高周波信号を放射することができる。このため、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、ルネベルグレンズ２を通過せずに高周波信号を放射することができるから、複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃとは異なる方向に高周波信号を放射することができる。この結果、複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃと周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃを、ルネベルグレンズ２の外周面側であって適切な位置に配置することによって、例えば全方位に対しても高周波信号の放射が可能になる。
　また、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃと周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、グランド電極１１を挟んで両面側（ルネベルグレンズ２の径方向内側と径方向外側）に配置することができる。このため、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃと周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃは、互いに軸方向の同じ位置に重ね合わせて配置することができるから、互いに軸方向の異なる位置に配置したときに比べて、アンテナ装置１を小型化することができる。
　これに加え、複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、ルネベルグレンズ２のうち全周の１／２以下の周方向範囲に設けられているから、複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃの周方向範囲に応じて周方向にビームを走査することができる。
　また、円柱状のルネベルグレンズ２を用いるから、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａ側に信号用の接続線路となる第１の給電電極９Ａ～９Ｃを形成することができる。このため、アンテナ装置１は、球形状のルネベルグレンズを用いた場合に比べて容易に信号を取り出すことができる。
　さらに、ルネベルグレンズ２の軸方向の異なる位置に配置された複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、相互に従属して動作する構成とした。このとき、ルネベルグレンズ２の軸方向の異なる位置に配置された複数のパッチアンテナ（例えば、４個のパッチアンテナ６Ａ）は、ＭＩＭＯ構成ではなく、ルネベルグレンズ２の周方向の異なる位置に配置された複数のパッチアンテナ６Ａ～６ＣがＭＩＭＯ構成とすることができる。このため、軸方向に並ぶ４個のパッチアンテナ６Ａには、例えば位相差が固定された信号のように、互いに決められた所定関係の信号を供給して、軸方向には固定のビームを形成することができる。この点は、パッチアンテナ６Ｂ，６Ｃも同様である。このため、軸方向に並ぶ複数のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、例えば固定的な移相器等のような受動回路によって互いに接続することができる。従って、周方向の異なる位置に設けた３列のパッチアンテナ６Ａ～６Ｃについて、独立した信号を供給すればよく、送受信回路１６の入出力回路を低減して、その構成を簡略化することができる。
　次に、図１１および図１２に、本発明の第２の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置２１（以下、アンテナ装置２１という）を示す。第２の実施の形態の特徴は、ルネベルグレンズ２を通過させて高周波信号を放射するパッチアンテナと、ルネベルグレンズ２を通過させずに高周波信号を放射する周辺用アンテナとでは、放射する高周波信号の周波数を異ならせたことにある。なお、アンテナ装置２１の説明に際し、第１の実施の形態によるアンテナ装置１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
　第２の実施の形態によるアンテナ装置２１は、第１の実施の形態によるアンテナ装置１とほぼ同様に構成されている。このため、アンテナ装置２１は、ルネベルグレンズ２と、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃと、周辺用アンテナ２２Ａ～２２Ｃとを備えている。
　周辺用アンテナ２２Ａ～２２Ｃは、第１の実施の形態による周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃとほぼ同様に構成されている。このため、周辺用アンテナ２２Ａ～２２Ｃは、例えばルネベルグレンズ２の周方向および軸方向に広がった長方形状の導体膜（金属膜）からなる放射素子２３Ａ～２３Ｃを備え、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃとは別個のパッチアンテナによって構成されている。これらの放射素子２３Ａ～２３Ｃは、絶縁層１３の外周面に設けられ、第２の給電電極１５Ａ～１５Ｃに接続されている。周辺用アンテナ２２Ａ～２２Ｃは、グランド電極１１からみてルネベルグレンズ２とは反対側に向けて電波の放射が可能な外側放射アンテナを構成している。放射素子２３Ａ～２３Ｃは、第２の給電電極１５Ａ～１５Ｃからの高周波信号Ｓ2の供給によって、励振される。
　但し、第２の実施の形態では、周辺用アンテナ２２Ａ～２２Ｃの放射素子２３Ａ～２３Ｃは、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃの放射素子７Ａ～７Ｃに比べて、例えば長さ寸法が大きく形成されている。このため、周辺用アンテナ２２Ａ～２２Ｃは、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃに比べて、低い周波数帯の高周波信号を放射する。一例を挙げると、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃが７７ＧＨｚ帯の高周波信号を放射するときに、周辺用アンテナ２２Ａ～２２Ｃは２４ＧＨｚ帯の高周波信号を放射する。
　かくして、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第２の実施の形態では、周辺用アンテナ２２Ａ～２２Ｃは、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃよりも低い周波数帯の高周波信号を放射している。このとき、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃはルネベルグレンズ２を通過させて高周波信号を放射するから、高い指向性をもったビームを放射する。これに対し、周辺用アンテナ２２Ａ～２２Ｃは、ルネベルグレンズ２を通過させずに高周波信号を放射するのに加え、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃよりも低い周波数帯の高周波信号を放射する。このため、周辺用アンテナ２２Ａ～２２Ｃは、指向性を低くして広角な範囲に向けて電波を放射することができる。
　なお、前記第１の実施の形態では、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃの放射素子１４Ａ～１４Ｃとグランド電極１１とからなるパッチアンテナによって構成したが、本発明はこれに限らない。例えば、図１３に示す第１の変形例によるアンテナ装置３１のように、外側放射アンテナとなる周辺用アンテナ３２Ａ～３２Ｃは、グランド電極１１に開口して設けられたスリット３３Ａ～３３Ｃから高周波信号を放射させるスロットアンテナによって構成してもよい。また、図１４に示す第２の変形例によるアンテナ装置４１のように、外側放射アンテナとなる周辺用アンテナ４２Ａ，４２Ｂは、グランド電極１１の周方向の両端側に設けた線状の導体膜４３Ａ，４３Ｂからなるダイポールアンテナによって構成してもよく、モノポールアンテナによって構成してもよい。この構成は、第２の実施の形態にも適用することができる。
　前記第１の実施の形態では、複数の周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃを備える構成としたが、単一の周辺用アンテナを備える構成としてもよい。この構成は、第２の実施の形態にも適用することができる。
　前記第１の実施の形態では、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃの放射素子７Ａ～７Ｃとグランド電極１１との間に給電電極９Ａ～９Ｃ，１５Ａ～１５Ｃを設ける構成とした。本発明はこれに限らず、周辺用アンテナ１２Ａ～１２Ｃの放射素子１４Ａ～１４Ｃとグランド電極１１との間に給電電極を設けてもよい。この構成は、第２の実施の形態にも適用することができる。
　前記第１の実施の形態では、パッチアンテナ６Ａ～６Ｃは、４行３列のマトリクス状に配置する構成とした。本発明はこれに限らず、パッチアンテナの個数や配置は、アレーアンテナの仕様等に応じて適宜設定することができる。このため、複数のパッチアンテナは、ルネベルグレンズの異なる焦点位置に配置されたものであれば、例えばルネベルグレンズの周方向に一列に並んだ構成としてもよい。この構成は、第２の実施の形態にも適用することができる。
　前記第１の実施の形態では、ルネベルグレンズ２の軸方向の異なる位置に配置された複数のパッチアンテナ（例えば、４個のパッチアンテナ６Ａ）が相互に従属して動作する構成とした。本発明はこれに限らず、アレーアンテナは、軸方向に異なる位置に設けられた複数のパッチアンテナに独立した信号を供給して、相互に独立して動作してもよい。この場合には、例えば軸方向のビームの放射方向や形状を調整することができる。この構成は、第２の実施の形態にも適用することができる。
　前記各実施の形態では、ルネベルグレンズ２を円柱状に形成した場合を例に挙げて説明したが、ルネベルグレンズは、球形状または半球形状に形成してもよく、他の形状に形成してもよい。
　前記各実施の形態は例示であり、異なる実施の形態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。
　１，２１，３１，４１　ルネベルグレンズアンテナ装置（アンテナ装置）
　２　ルネベルグレンズ
　６Ａ～６Ｃ　パッチアンテナ
　７Ａ～７Ｃ，１４Ａ～１４Ｃ，２３Ａ～２３Ｃ　放射素子
　９Ａ～９Ｃ　第１の給電電極
　１１　グランド電極
　１２Ａ～１２Ｃ，２２Ａ～２２Ｃ，３２Ａ～３２Ｃ，４２Ａ，４２Ｂ　周辺用アンテナ（外側放射アンテナ）
　１５Ａ～１５Ｃ　第２の給電電極
　１６　送受信回路

Claims (4)

  1. 　異なる誘電率の分布を有するルネベルグレンズと、
    　前記ルネベルグレンズの異なる焦点位置に配置された複数のパッチアンテナとを備え、
    　前記パッチアンテナは、前記ルネベルグレンズの外周面側に設けられた放射素子と、前記放射素子からみて前記ルネベルグレンズとは反対側に位置して前記放射素子を覆って設けられたグランド電極とを有し、
    　前記グランド電極の周囲に位置して前記グランド電極からみて前記ルネベルグレンズとは反対側に向けて電波の放射が可能な外側放射アンテナをさらに備えてなるルネベルグレンズアンテナ装置。
  2. 　前記外側放射アンテナは、前記グランド電極を挟んで前記ルネベルグレンズとは反対側に設けられた他のパッチアンテナによって構成してなる請求項１に記載のルネベルグレンズアンテナ装置。
  3. 　前記外側放射アンテナは、前記パッチアンテナよりも低周波の電波を放射してなる請求項１に記載のルネベルグレンズアンテナ装置。
  4. 　複数の前記パッチアンテナは、前記ルネベルグレンズのうち全周の１／２以下の周方向範囲に設けられてなる請求項１に記載のルネベルグレンズアンテナ装置。
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