WO2017216871A1

WO2017216871A1 - アレーアンテナ装置

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Publication number: WO2017216871A1
Application number: PCT/JP2016/067668
Authority: WO
Inventors: 渡辺　光; 山口　聡; 大塚　昌孝; 秀樹森重
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2017-12-21
Also published as: JPWO2017216871A1; EP3460907A1; EP3460907B1; US20190131701A1; EP3460907A4; JP6395984B2; CN109314313B; CN109314313A

Abstract

大幅なコストの増加を招くことなく、素子アンテナ間の相互結合を十分に低減することができるアレーアンテナ装置を得る。パッチ素子と同一平面上で、パッチ素子に近接して、パッチアンテナの磁界方向、かつパッチアンテナの偏波方向と平行に設けられた平行線路と、隣接するパッチ素子間で折り曲げられた形状を有し、平行線路を互いに接続する折り曲げ線路とは、パッチ素子に励振された電磁波の一部を、隣接するパッチアンテナに結合する結合線路を構成し、結合線路は、空間を介して１つのパッチアンテナから隣接するパッチアンテナに結合する電磁波と、結合線路を介して１つのパッチアンテナから隣接するパッチアンテナに結合する電磁波とが、互いに打ち消し合うように、平行線路とパッチ素子との間隔、および折り曲げ線路の長さが設定されている。

Description

アレーアンテナ装置

　この発明は、パッチアンテナ等の平面アンテナを素子アンテナとし、この素子アンテナを複数個配列したアレーアンテナ装置に関する。

　従来から、レーダや移動体通信機器においては、変化する到来方向からの電磁波を高いレベルで送受信することが求められており、複数の素子アンテナを配列したアレーアンテナ装置を用いて主ビーム方向を制御する方法が用いられている。

　ここで、アレーアンテナ装置では、ビーム走査を行う場合において、可視領域にグレーティングローブと呼ばれる不要放射を生じないように、隣接する素子アンテナ同士の間隔を密に配列する必要がある。

　しかしながら、隣接する素子アンテナ同士の間隔を密に配列すると、素子アンテナ間にレベルの高い相互結合が生じ、アンテナ利得が低下したり、指向性の乱れが生じたりするという問題があった。

　そこで、このような課題を解決することを目的として、素子アンテナ間に生じる相互結合を低減するための種々の方法が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。

　例えば、特許文献１には、素子アンテナの近傍に金属体および誘電体の少なくとも一方を設ける方法が開示されている。また、特許文献２には、個々の素子アンテナを金属壁で覆う方法や、素子アンテナ間にＥＢＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｂａｎｄ　Ｇａｐ）素子を等間隔に配置する方法が開示されている。

特開昭５９－１９４５１７号公報特開２０１０－２８１８２号公報

　しかしながら、特許文献１には、ダイポールアンテナや円形ホーンアンテナの近傍に金属体や誘電体を設けることは記載されているものの、この方法をパッチアンテナ等の平面アンテナに適用した場合において、相互結合を低減するための金属体や誘電体の配置、具体的構造等については、開示も示唆もされていないという問題がある。

　また、特許文献２によれば、金属壁のような新たな部材が必要になることや、ＥＢＧを配置するためのスルーホールを形成する必要があることから、相互結合を低減するための構造に要する材料コストや、スルーホールを形成する製造工程が増えることによる製造コストが新たにかかり、コストが大幅に増加するという問題がある。

　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、大幅なコストの増加を招くことなく、素子アンテナ間の相互結合を十分に低減することができるアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

　この発明に係るアレーアンテナ装置は、複数個のパッチアンテナが、少なくともパッチアンテナの偏波方向に配列されたアレーアンテナ装置であって、パッチアンテナのそれぞれについて、パッチアンテナの偏波方向と平行に設けられた線路であり、パッチアンテナのパッチ素子と同一平面上で、パッチ素子に近接して、パッチアンテナの磁界方向に設けられた平行線路と、パッチ素子に近接して設けられた平行線路同士を互いに接続する線路であり、隣接するパッチ素子間で折り曲げられた形状を有する折り曲げ線路と、を備え、平行線路と折り曲げ線路とは、パッチ素子に励振された電磁波の一部を、隣接するパッチアンテナに結合する結合線路を構成し、結合線路は、空間を介して１つのパッチアンテナから隣接するパッチアンテナに結合する電磁波と、結合線路を介して１つのパッチアンテナから隣接するパッチアンテナに結合する電磁波とが、互いに打ち消し合うように、平行線路とパッチ素子との間隔、および折り曲げ線路の長さが設定されているものである。

　この発明に係るアレーアンテナ装置によれば、パッチ素子と同一平面上で、パッチ素子に近接して、パッチアンテナの磁界方向、かつパッチアンテナの偏波方向と平行に設けられた平行線路と、隣接するパッチ素子間で折り曲げられた形状を有し、平行線路を互いに接続する折り曲げ線路とは、パッチ素子に励振された電磁波の一部を、隣接するパッチアンテナに結合する結合線路を構成し、結合線路は、空間を介して１つのパッチアンテナから隣接するパッチアンテナに結合する電磁波と、結合線路を介して１つのパッチアンテナから隣接するパッチアンテナに結合する電磁波とが、互いに打ち消し合うように、平行線路とパッチ素子との間隔、および折り曲げ線路の長さが設定されている。
　そのため、大幅なコストの増加を招くことなく、素子アンテナ間の相互結合を十分に低減することができる。

この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。図１に示したアレーアンテナ装置を、Ｉ－Ｉ線で切断した断面図である。この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置における相互結合量を、結合線路がある場合とない場合とで比較して示す説明図である。この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置における放射パターンを、パッチアンテナ単体の場合と、結合線路がある場合と、結合線路がない場合とで比較して示す説明図である。この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置における放射パターンを、パッチアンテナ単体の場合と、結合線路がある場合と、結合線路がない場合とで比較して示す説明図である。この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置における相互結合量を、結合線路がある場合とない場合とで比較して示す説明図である。この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置における放射パターンを、パッチアンテナ単体の場合と、結合線路がある場合と、結合線路がない場合とで比較して示す説明図である。この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置における放射パターンを、パッチアンテナ単体の場合と、結合線路がある場合と、結合線路がない場合とで比較して示す説明図である。この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。

　以下、この発明に係るアレーアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

　実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。また、図２は、図１に示したアレーアンテナ装置を、Ｉ－Ｉ線で切断した断面図である。図１、２において、アレーアンテナ装置１００は、誘電体基板１に形成された第１パッチアンテナ１０、第２パッチアンテナ２０、および２つの結合線路３０を備えている。

　第１パッチアンテナ１０は、誘電体基板１上に形成されたパッチ素子１１と、パッチ素子１１を励振する給電プローブ１２および同軸線路１３と、誘電体基板１のパッチ素子１１とは反対側の平面に設けられた地板２とから構成されている。

　また、第２パッチアンテナ２０は、誘電体基板１上に形成されたパッチ素子２１と、パッチ素子２１を励振する給電プローブ２２および同軸線路２３と、地板２とから構成されている。

　ここで、第１パッチアンテナ１０と第２パッチアンテナ２０とは、隣接して配列されており、その配列方向は、第１パッチアンテナ１０および第２パッチアンテナ２０の偏波方向、すなわちＥ面アレーである。

　結合線路３０は、パッチ素子１１、２１の中心を通る図１中のＩ－Ｉ線を挟んで、対称に２つ設けられている。また、結合線路３０は、第１平行線路３１、第２平行線路３２および折り曲げ線路３３から構成されている。

　第１平行線路３１は、誘電体基板１上で、パッチ素子１１に近接して、第１パッチアンテナ１０および第２パッチアンテナ２０の磁界方向に設けられている。また、第１平行線路３１は、第１パッチアンテナ１０および第２パッチアンテナ２０の偏波方向と平行に設けられた線路である。

　また、第２平行線路３２は、誘電体基板１上で、パッチ素子２１に近接して、第１パッチアンテナ１０および第２パッチアンテナ２０の磁界方向に設けられている。また、第２平行線路３２は、第１パッチアンテナ１０および第２パッチアンテナ２０の偏波方向と平行に設けられた線路である。

　折り曲げ線路３３は、第１平行線路３１と第２平行線路３２とを互いに接続する線路であり、パッチ素子１１とパッチ素子２１との間でクランク状に折り曲げられた形状を有する線路である。

　以下、上記構成のアレーアンテナ装置１００の動作について説明する。まず、給電プローブ１２および同軸線路１３を介してパッチ素子１１に励振される電磁波、すなわち第１パッチアンテナ１０を励振した際の電磁波の多くは、自由空間中に放射される。

　また、上記構成のアレーアンテナ装置１００では、パッチ素子１１と同一平面上で、パッチ素子１１に近接して、第１パッチアンテナ１０の磁界方向、かつ第１パッチアンテナ１０の偏波方向と平行に、第１平行線路３１が設けられているので、パッチ素子１１に励振された電磁波の一部が、結合線路３０に結合する。

　また、自由空間中に放射された電磁波の一部は、自由空間を介して、隣接する第２パッチアンテナ２０に結合し、結合線路３０に結合した電磁波の一部も、結合線路３０を介して隣接する第２パッチアンテナ２０に結合する。

　ここで、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置では、自由空間を介して第１パッチアンテナ１０から第２パッチアンテナ２０に結合する電磁波と、結合線路３０を介して第１パッチアンテナ１０から第２パッチアンテナ２０に結合する電磁波とが、互いに打ち消し合うように結合線路３０の長さを設定することが望ましい。

　具体的には、自由空間を介して第１パッチアンテナ１０から第２パッチアンテナ２０に結合する電磁波と、結合線路３０を介して第１パッチアンテナ１０から第２パッチアンテナ２０に結合する電磁波とが、概ね等振幅かつ互いに逆相になるように、第１平行線路３１、第２平行線路３２とパッチ素子１１、パッチ素子２１との間隔、および折り曲げ線路３３の長さを設定する。

　このとき、第２パッチアンテナ２０から第１パッチアンテナ１０に結合する電磁波についても、可逆性により、第１パッチアンテナ１０から第２パッチアンテナ２０に結合する電磁波と同様になる。そのため、第１パッチアンテナ１０と第２パッチアンテナ２０との間に生じる相互結合を低減することができる。

　以下、計算例を示しながら、結合線路３０がある場合とない場合とにおける相互結合量を比較することで、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置１００の効果について説明する。

　なお、計算時における第１パッチアンテナ１０と第２パッチアンテナ２０との間隔は、１／２自由空間波長とし、パッチ素子１１、２１の一辺の長さおよび給電位置は、設計中心周波数（ｆ／ｆ０＝１）にて整合が取れるように、すなわち反射係数≦－２０ｄＢとなるように各寸法が調整されている。

　図３は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置における相互結合量を、結合線路がある場合とない場合とで比較して示す説明図である。図３において、横軸は、設計中心周波数で規格化した周波数を示し、縦軸は、第１パッチアンテナ１０と第２パッチアンテナ２０との間の相互結合量を示している。

　図３から、結合線路３０の有無における相互結合量を比較すると、破線で示した結合線路３０がない場合の相互結合量は、－１８．１ｄＢであるのに対して、実線で示した結合線路３０がある場合の相互結合量は、－２６．１ｄＢとなり、従来の結合線路３０がない場合よりも、相互結合を８．０ｄＢ低減できていることが分かる。

　図４は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置における放射パターンを、パッチアンテナ単体の場合と、結合線路がある場合と、結合線路がない場合とで比較して示す説明図である。図４において、横軸は角度を示し、縦軸は、第１パッチアンテナ１０を励振した際の放射パターンを示している。

　図４では、第１パッチアンテナ１０単体の放射パターン（実線）と、第１パッチアンテナ１０を励振し、第２パッチアンテナ２０の同軸線路２３を整合終端した場合で結合線路３０がないときの放射パターン（破線）と、第１パッチアンテナ１０を励振し、第２パッチアンテナ２０の同軸線路２３を整合終端した場合で結合線路３０があるときの放射パターン（点線）とを示している。

　図５は、この発明の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置における放射パターンを、パッチアンテナ単体の場合と、結合線路がある場合と、結合線路がない場合とで比較して示す説明図である。図５において、横軸は角度を示し、縦軸は、第２パッチアンテナ２０を励振した際の放射パターンを示している。

　図５では、第２パッチアンテナ２０単体の放射パターン（実線）と、第２パッチアンテナ２０を励振し、第１パッチアンテナ１０の同軸線路１３を整合終端した場合で結合線路３０がないときの放射パターン（破線）と、第２パッチアンテナ２０を励振し、第１パッチアンテナ１０の同軸線路１３を整合終端した場合で結合線路３０があるときの放射パターン（点線）とを示している。

　図４から、第１パッチアンテナ１０を励振した際の放射パターンにおいて、結合線路３０がない場合に対して、結合線路３０がある場合には、ボアサイト付近の放射パターンのリップルが小さくなっており、第１パッチアンテナ１０単体の放射パターンに類似した放射パターンとなっていることが分かる。

　また、図５から、第２パッチアンテナ２０を励振した際の放射パターンも、第１パッチアンテナ１０を励振した際の放射パターンと同様に、結合線路３０がない場合に対して、結合線路３０がある場合には、ボアサイト付近の放射パターンのリップルが小さくなっており、第２パッチアンテナ２０単体の放射パターンに類似した放射パターンとなっていることが分かる。

　したがって、第１パッチアンテナ１０と第２パッチアンテナ２０との間に生じる相互結合の影響を小さくすることで、パッチアンテナ間に生じる相互結合による放射特性の乱れを改善することができる。

　以上のように、実施の形態１によれば、パッチ素子と同一平面上で、パッチ素子に近接して、パッチアンテナの磁界方向、かつパッチアンテナの偏波方向と平行に設けられた平行線路と、隣接するパッチ素子間で折り曲げられた形状を有し、平行線路を互いに接続する折り曲げ線路とは、パッチ素子に励振された電磁波の一部を、隣接するパッチアンテナに結合する結合線路を構成し、結合線路は、空間を介して１つのパッチアンテナから隣接するパッチアンテナに結合する電磁波と、結合線路を介して１つのパッチアンテナから隣接するパッチアンテナに結合する電磁波とが、互いに打ち消し合うように、平行線路とパッチ素子との間隔、および折り曲げ線路の長さが設定されている。
　したがって、各パッチアンテナに互いに結合する電磁波の位相を、結合線路の折り曲げ量、すなわち線路長により制御し、パッチ素子間で空間を介して結合する電磁波と、結合線路を介して結合する電磁波とを、互いに打ち消すことで、相互結合を低減している。
　また、結合線路は、パッチアンテナのパッチ素子を形成するための工程と同一の製造工程において、エッチングにより形成することができるので、結合線路を形成するためのコストがかからない。
　そのため、大幅なコストの増加を招くことなく、素子アンテナ間の相互結合を十分に低減することができる。

　実施の形態２．
　図６は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。図６において、アレーアンテナ装置１００Ａは、図１に示した結合線路３０に代えて、結合線路３０Ａを備えている。

　結合線路３０Ａは、第１平行線路３１、第２平行線路３２および折り曲げ線路３３Ａから構成されている。折り曲げ線路３３Ａは、第１平行線路３１と第２平行線路３２とを互いに接続する線路であり、パッチ素子１１とパッチ素子２１との間でメアンダ状に折り曲げられた形状を有する線路である。

　なお、その他の構成は、上記実施の形態１で示した図１と同様なので、説明を省略する。また、上記構成のアレーアンテナ装置１００Ａの動作についても、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。

　以下、計算例を示しながら、結合線路３０Ａがある場合とない場合とにおける相互結合量を比較することで、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置１００Ａの効果について説明する。なお、計算条件は、上述した実施の形態１と同様である。

　図７は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置における相互結合量を、結合線路がある場合とない場合とで比較して示す説明図である。図７において、横軸は、設計中心周波数で規格化した周波数を示し、縦軸は、第１パッチアンテナ１０と第２パッチアンテナ２０との間の相互結合量を示している。

　図７から、結合線路３０Ａの有無における相互結合量を比較すると、実線で示した結合線路３０Ａがある場合の相互結合量は、破線で示した結合線路３０Ａがない場合の相互結合量よりも、１０ｄＢ低減できていることが分かる。

　図８は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置における放射パターンを、パッチアンテナ単体の場合と、結合線路がある場合と、結合線路がない場合とで比較して示す説明図である。図８において、横軸は角度を示し、縦軸は、第１パッチアンテナ１０を励振した際の放射パターンを示している。

　図８では、第１パッチアンテナ１０単体の放射パターン（実線）と、第１パッチアンテナ１０を励振し、第２パッチアンテナ２０の同軸線路２３を整合終端した場合で結合線路３０Ａがないときの放射パターン（破線）と、第１パッチアンテナ１０を励振し、第２パッチアンテナ２０の同軸線路２３を整合終端した場合で結合線路３０Ａがあるときの放射パターン（点線）とを示している。

　図９は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置における放射パターンを、パッチアンテナ単体の場合と、結合線路がある場合と、結合線路がない場合とで比較して示す説明図である。図９において、横軸は角度を示し、縦軸は、第２パッチアンテナ２０を励振した際の放射パターンを示している。

　図９では、第２パッチアンテナ２０単体の放射パターン（実線）と、第２パッチアンテナ２０を励振し、第１パッチアンテナ１０の同軸線路１３を整合終端した場合で結合線路３０Ａがないときの放射パターン（破線）と、第２パッチアンテナ２０を励振し、第１パッチアンテナ１０の同軸線路１３を整合終端した場合で結合線路３０Ａがあるときの放射パターン（点線）とを示している。

　図８から、第１パッチアンテナ１０を励振した際の放射パターンにおいて、結合線路３０Ａがない場合に対して、結合線路３０Ａがある場合には、ボアサイト付近の放射パターンのリップルが小さくなっており、第１パッチアンテナ１０単体の放射パターンに類似した放射パターンとなっていることが分かる。

　また、図９から、第２パッチアンテナ２０を励振した際の放射パターンも、第１パッチアンテナ１０を励振した際の放射パターンと同様に、結合線路３０Ａがない場合に対して、結合線路３０Ａがある場合には、ボアサイト付近の放射パターンのリップルが小さくなっており、第２パッチアンテナ２０単体の放射パターンに類似した放射パターンとなっていることが分かる。

　以上のように、実施の形態２によれば、上述した実施の形態１と同様に、大幅なコストの増加を招くことなく、素子アンテナ間の相互結合を十分に低減することができる。

　なお、図１０は、この発明の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置を示す平面図であり、パッチアンテナ４０を４×４の２次元に配列したものである。上記実施の形態２では、隣接するパッチアンテナ４０との間に挿入するように折り曲げ線路３３Ａを形成した結合線路３０Ａを有している。

　したがって、例えば図１０に示したように、アレーアンテナ装置１００を構成する各パッチアンテナ４０を狭い間隔で２次元に配列した場合であっても、結合線路３０Ａを物理的に配列することができ、隣接するパッチアンテナ４０との間に生じる相互結合を低減することができる。

　実施の形態３．
　図１１～１７は、この発明の実施の形態３に係るアレーアンテナ装置を示す平面図である。上記実施の形態１、２では、結合線路の数や形状を限定したが、これに限定されない。

　例えば、隣接するパッチアンテナ４０との間に、図１１に示されるように、１つの結合線路３０Ａが設けられてもよいし、図１２に示されるように、３つ以上の結合線路３０Ａ、５０が設けられてもよい。

　また、図１３に示されるように、結合線路６０は、直線を直角に折り曲げた形状を有している必要はなく、図１４に示されるように、結合線路７０は、折れ曲がり部が曲線で構成される形状であってもよい。

　また、上記実施の形態１、２では、パッチアンテナ４０の配列を２素子アレーや四角配列の２次元アレーにした場合について説明したが、これに限定されない。例えば、図１５に示されるように、パッチアンテナ４０を３素子以上のリニアアレーとしてもよいし、図１６に示されるように、三角配列としてもよいし、図１７に示されるように、非周期配列としてもよい。

　これらの場合であっても、隣接するパッチアンテナ４０との間に結合線路を形成し、自由空間を介して結合した電磁波と、結合線路を介して結合した電磁波とを互いに打ち消すことにより、上述した実施の形態１、２と同様の効果を得ることができる。また、パッチアンテナ４０の配列や結合線路の構成に幅を持たせることにより、アレーアンテナ装置の設計に自由度を持たせることができる。

Claims

　複数個のパッチアンテナが、少なくとも前記パッチアンテナの偏波方向に配列されたアレーアンテナ装置であって、
　前記パッチアンテナのそれぞれについて、前記パッチアンテナの偏波方向と平行に設けられた線路であり、前記パッチアンテナのパッチ素子と同一平面上で、前記パッチ素子に近接して、前記パッチアンテナの磁界方向に設けられた平行線路と、
　前記パッチ素子に近接して設けられた平行線路同士を互いに接続する線路であり、隣接するパッチ素子間で折り曲げられた形状を有する折り曲げ線路と、を備え、
　前記平行線路と前記折り曲げ線路とは、前記パッチ素子に励振された電磁波の一部を、隣接するパッチアンテナに結合する結合線路を構成し、
　前記結合線路は、空間を介して１つのパッチアンテナから隣接するパッチアンテナに結合する電磁波と、前記結合線路を介して１つのパッチアンテナから隣接するパッチアンテナに結合する電磁波とが、互いに打ち消し合うように、前記平行線路と前記パッチ素子との間隔、および前記折り曲げ線路の長さが設定されている
　アレーアンテナ装置。
　前記折り曲げ線路は、クランク状に折り曲げられている
　請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
　前記折り曲げ線路は、メアンダ状に折り曲げられている
　請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
　前記折り曲げ線路は、曲線状に折り曲げられている
　請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
　前記結合線路は、前記パッチアンテナの磁界方向に、少なくとも２つ形成されている
　請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のアレーアンテナ装置。
　前記パッチアンテナを、四角配列とした
　請求項１から請求項５までの何れか１項に記載のアレーアンテナ装置。
　前記パッチアンテナを、三角配列とした
　請求項１から請求項５までの何れか１項に記載のアレーアンテナ装置。
　前記パッチアンテナを、非周期配列とした
　請求項１から請求項５までの何れか１項に記載のアレーアンテナ装置。