JP2012054815A - 指向性アレイアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短波長に適用可能であって、指向性を所望の方向に調整可能であり、損失の少ない指向性アレイアンテナ装置を提供する。
【解決手段】少なくとも一列に配列された複数個のラジアルラインスロットアンテナ（ＲＬＳＡ）モジュール２と、複数個のＲＬＳＡモジュールの各々に対して給電する給電回路４とを備える。各列間で並置されたＲＬＳＡモジュール間が同相となり、列方向に整列したＲＬＳＡモジュール間の各々の位相差が一定となるように給電される。列方向に整列したＲＬＳＡモジュール間の各々の位相差が一定であるため、各ＲＬＳＡモジュールからの放射の干渉により、所望の指向性を持つように制御することが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の平面アンテナモジュールがアレイ状に配列され、ビームの放射指向性を調整可能な指向性アレイアンテナ装置に関する。

近年、高度情報化社会を背景に、無線を利用した通信システムが汎用されており、とりわけ、情報量の多いマイクロ波やミリ波領域を使用した通信システムの発展が著しい。このような通信システムにおいて、平面アンテナは短波長無線システムの入出力装置として好適であり、位相マトリクスやフィルタとともに、例えば、無線ＬＡＮや自動車における衝突防止用レーダのような複数の分野での応用が期待されている。

ところで平面アンテナは、小さなアンテナ素子の集合体であるアレイとして構成され、一般に円錐状の鋭い指向性を有することも多い。最も廉価で採用例の多いものは、パッチアンテナアレイである。パッチアンテナ素子の配置は比較的自由で、様々な指向特性が得られる。また、個々のパッチアンテナ素子または複数のパッチアンテナ素子からなるパッチアンテナ素子群を個別に給電駆動して、指向性を走査することも可能である。

しかし、パッチアンテナ素子に対する給電はマイクロストリップラインによっており、その給電配線部における導体損失が大きく、免許出力に対する実際の放射出力が満足とはなり難い。

一方、導波管に複数のスロットアンテナ素子が形成された導波管スロットアンテナアレイは、導体損失が小さい事を特徴とする。一般には、この縦に細長い導波管スロットアンテナアレイを、横に複数並べたアレイアンテナ装置が知られている。しかし、このアレイアンテナ装置は、各導波管の給電部を、分岐回路を組み込んだ給電用導波管で駆動するといった複雑な構造を持ち、作成も困難が伴うものである。

この難点を解決するために、ラジアルラインスロットアンテナ（Radial Line Slot Antenna、以下ＲＬＳＡ）が提案された。このＲＬＳＡの特徴は、円盤状の導波管を用いてその内部に円筒状の電磁場を発生伝搬させるところにあり、その平面部にスロットアンテナ素子が配列されたものである。このようなＲＬＳＡの構造では、上述の導波管スロットアンテナアレイの隣接する導波管間にある隔壁は、実在する必要がなく、給電部から放射状に伸びる仮想的なものであればよい。また、円筒状の電磁場はそのまま、周上に存在するアンテナ素子を駆動可能なため、実質的に分岐回路と等価である。すなわち、分岐回路も特別な機構として存在する必要がない。以上のように、ＲＬＳＡは、導波管アンテナアレイの特長はそのままに、簡便で生産性が高い。但し、損失の低いＲＬＳＡでは、形状上の特徴から、円錐状以外の指向特性を得ることは困難である。

一方、従来の平面アンテナ装置においては、指向性を所望の方向に設定するためには、例えば特許文献１に開示されているアレーアンテナのように、各放射素子毎に可変移相器を取り付け、各移相器のシフト量を適度に調整する構成とすることが一般的である。

特開２００５−２３６３８９号公報

しかし、特許文献１に記載された構成の平面アンテナ装置は、各放射素子毎に位相シフトの量を個別に調整するため、複雑な制御を必要とする。すなわち、ビームの角度を調整するために、可変移相器を備えた複雑な平面回路を必要とする。

例えば、直線配置の導波管スロットアンテナでは、素子の配置や給電法を工夫することで種々の指向性を得ることは可能であるが、分岐回路の作製には高い精度と技術が要求される。従って、多並列化は商業上望まれず、そのため、仕様要求利得の実現には長い導波管アンテナアレイとなってしまう。その結果、給電部に近いスロットアンテナ素子と給電部から遠いスロットアンテナとの放射の時間差が、一般に設計上ＲＬＳＡより大きくなるため、狭帯域となる等の課題が発生する。従って、損失の大きいパッチアンテナを採用するほか手段がなかった。

そこで本発明は、上記課題を解決し、短波長に適用可能であって、指向性を所望の方向に調整可能であり、損失の少ない指向性アレイアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明の指向性アレイアンテナ装置は、少なくとも一列に配列された複数個のＲＬＳＡモジュールと、前記複数個のＲＬＳＡモジュールの各々に対して給電する給電回路とを備え、各列または各行間で並置された前記ＲＬＳＡモジュール間が同相となり、列方向または行方向に整列した前記ＲＬＳＡモジュール間の各々の位相差が一定となるように給電されることを特徴とする。

上記構成によれば、ＲＬＳＡモジュールの列方向に整列したＲＬＳＡモジュール間の各々の位相差が一定であるため、各ＲＬＳＡモジュールからの放射の干渉に基づき、指向性を所望の方向に制御することが可能である。それにより、必要利得と比べ小口径のＲＬＳＡモジュールを用いて、大口径ＲＬＳＡでは実現できない指向性の制御を同等のゲインを保ったまま行うことが可能であり、低損失なＲＬＳＡで、様々な指向性を得ることが可能になる。

実施の形態１における指向性アレイアンテナ装置の構成を示す概略平面図 同指向性アレイアンテナ装置の本体であるアレイアンテナを構成するＲＬＳＡモジュールを示す斜視図 同ＲＬＳＡモジュールの概略断面図 同ＲＬＳＡモジュールの一つに対応する領域についてアレイアンテナの構造を示す平面図 図４に示した領域のアレイアンテナの断面図 実施の形態１における指向性アレイアンテナ装置の動作を説明するための斜視図 実施の形態１における指向性アレイアンテナ装置の他の構成を示す概略平面図 実施の形態２における指向性アレイアンテナ装置の構成を示す概略平面図 同指向性アレイアンテナ装置の断面構成図 同指向性アレイアンテナの動作を説明するための斜視図

本発明の指向性アレイアンテナ装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

例えば、列方向に並んだ前記ＲＬＳＡモジュールの各々への給電が同相である構成とすることができる。

この場合、前記給電回路は、給電入力部から前記ＲＬＳＡモジュールの各々の給電部までを接続する給電路と、分岐回路モジュールの組合せにより構成され、前記給電入力部から前記ＲＬＳＡモジュールの各々の給電部までの行路長の差が無いか、または仕様周波数帯域における中心周波数での波長の整数倍である構成とすることができる。

いずれにせよ前記給電入力部から前記ＲＬＳＡモジュールの各々の給電部までの行路長が同一に設定されることが必要である。

また、列方向において隣接する前記ＲＬＳＡモジュールへの給電に所定の位相差が設けられ、その位相差により指向性の方向が設定された構成とすることができる。

この場合、前記位相差の大きさが時間とともに変化するように前記ＲＬＳＡモジュールの各々への給電が制御される構成とすることができる。

また前記給電回路における給電入力部にバトラーマトリクスが接続され、前記バトラーマトリクスから前記ＲＬＳＡモジュールの各々の給電部までを接続する給電路が設けられ、前記バトラーマトリクスにより前記位相差の変化が制御される構成とすることができる。

また、前記バトラーマトリクスから前記ＲＬＳＡモジュールの各々の給電部までを接続する前記給電路は、行路長が互いに同等である構成とすることができる。

以下、本発明の実施形態における指向性アレイアンテナ装置について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における指向性アレイアンテナ装置の構成を示す概略平面図である。この指向性アレイアンテナ装置の主要部であるアレイアンテナ１は、複数のＲＬＳＡモジュール２を、担体３上に一列に配列して構成されている。複数のＲＬＳＡモジュール２の各々に対して給電回路４が接続され、アンテナ駆動のための給電が行われる。給電回路４は、給電入力部５から各ＲＬＳＡモジュール２に至る給電路を、導波管６と分岐回路モジュール７の組み合わせによる分岐伝送路として構成したものである。

ＲＬＳＡモジュール２の一例を図２に示す。図２は、ＲＬＳＡモジュール２を電磁波の放射面側から見た外観を概略的に示す斜視図である。このＲＬＳＡモジュール２の断面構造を図３に示す。なお、図２、図３においては、ＲＬＳＡモジュール２の構造を判り易く示すために、各部の形状はその大きさが誇張され、かつ一部省略して描かれている。図２に示すように、ＲＬＳＡモジュール２は円盤形状であり、図３に示すように、その内部は誘電体基板８からなりラジアル導波路を構成している。誘電体基板８の表、裏、側面は、表皮効果を考慮した（たとえば６０ＧＨｚのミリ波においては約２マイクロメートル程度の銅から成る薄膜で）導電層９で被覆されている。

導電層９で覆われた上面には、導電層９を欠如させて誘電体基板８を露出させた放射スロツト２ａのパターンが設けられ、電磁波を放射するための放射面を形成する。放射面の裏面には、アンテナ給電口２ｂが、誘電体基板８を露出させたパターンにより形成されている。

図２に示すように放射スロツト２ａは、ハの字型に配置された一対をスロットペアとして、複数組のスロットペアが、円盤の中心部から同心円状または螺旋状に配列されている。そして、アンテナ中心のアンテナ給電口２ｂから円偏波を給電する構造である。この構造においては、アンテナを駆動するために、裏面中心部から導波管モードで放射状に電磁波が伝播する。その伝播途中の放射スロット２ａから、電磁波を放射させるように構成されている。放射スロット２ａは伝播波長間隔で設けられており、位相合成により放射面内で同一位相が保たれるように設計される。受信に際しては、放射スロット２ａから電磁波が入射しアンテナ給電口２ｂに伝播する。

図４は、ＲＬＳＡモジュール２を給電するための給電構造を、アレイアンテナ１の一部のアンテナ領域について示す平面図である。図５は、図４に示した領域におけるアンテナ駆動部の断面図である。図５において、ＲＬＳＡモジュール２は、中央部のみが断面で示されている。ＲＬＳＡモジュール２は、担体３に形成された円盤状凹部であるアンテナを駆動するための装着部３ａ内に装着されている。

アンテナ装着部３ａの底面部には、底面を更に窪ませた溝状の導波管溝部１０ａが形成されている。担体３は、例えば金属基板により形成されて、その金属基板を切削してＲＬＳＡモジュールを駆動するための導波管溝部１０ａを設けた構造とすることができる。あるいは、アンテナ装着部３ａ及び導波管溝部１０ａを設けた構造を樹脂で成形した後に、導体メッキ等により樹脂表面を導電体で覆った構造としてもよい。

導波管溝部１０ａは、導波管の一面が除去されて開放面となった形状を有し、ＲＬＳＡモジュール２の円盤形状の中心から周縁に向かって径方向に延在している。導波管溝部１０ａの開放された上部は、導電性を有する給電プレート１１により封鎖されている。従って、密閉された導波管構造が、導波管溝部１０ａと給電プレート１１の組合せにより形成される。この導波管構造は、アンテナ給電口２ｂまでの給電のためのＥベンドに相当するので、以下、Ｅベンド１０と称して記述する。

ＲＬＳＡモジュール２の円盤形状の周縁側における、Ｅベンド１０の端部から少し離れた位置に、Ｅベンド給電口１２が配置されている。Ｅベンド給電口１２は、Ｅベンド１０の底面から担体３の下面へ貫通するように形成されている。また給電プレート１１には、ＲＬＳＡモジュール２の円盤形状の中央側おける端部から一定距離を置いて、給電ポート１１ａが配置されている。給電ポート１１ａは、ＲＬＳＡモジュール２を駆動するための所定のパターンを有し、アンテナ給電部を構成する。Ｅベンド給電口１２には、図１に示した給電回路４の導波管６が接続されているが、その接続部分には周知の構造を用いることができるので、図示を省略する。

図５に示したように、本実施の形態におけるアンテナ給電部は、給電プレート１１の給電ポート１１ａと、ＲＬＳＡモジュール２のアンテナ給電口２ｂにより構成される。給電ポート１１ａは、給電に必要な機能的な構造、すなわち、給電部において共振するスロツトを設けた構造、あるいはインピーダンス整合するための構造を有する。なおアンテナ給電口２ｂは、単なる給電窓口として設けられ、共振や整合部を持たない、例えば円形窓として形成することも可能である。

給電ポート１１ａは、放射スロット２ａの同心円状の配列中心に対応させて配置される。給電プレート１１の給電ポート１１ａの位置を、アンテナ中心に位置させた場合は、中心ビームが放射面に対して垂直方向に形成される。

本実施の形態の指向性アレイアンテナ装置は、上記構成のＲＬＳＡモジュール２が図１に示したように配列されるとともに、給電回路４を介したＲＬＳＡモジュール２の駆動が、以下に述べる条件を満足するように制御される。

すなわち、図１において一列に並んだＲＬＳＡモジュール２に対する給電は、ＲＬＳＡモジュール２間の各々の位相差が一定となるように調整される。位相差が一定とは、全てのＲＬＳＡモジュール２に対する給電が同相であるか、あるいは、隣接するＲＬＳＡモジュール２間で給電に位相差があるが、各々の位相差が一定であるように設定されていることを意味する。一定の位相差がある場合は、ＲＬＳＡモジュール２の配列の一方向に向かって、位相が遅れるか進むか一様でなければならない。

このようにアレイアンテナ１を駆動した場合の作用について、図６を参照して説明する。この例は、全てのＲＬＳＡモジュール２が同相で駆動される場合を示す。アレイアンテナ１からの電磁波により実用的に有効な電界強度が得られる範囲が、細線で描かれた放射指向性領域１３により示される。

横方向角度αの領域は、ＲＬＳＡモジュール２の配列方向に直交する方向における放射の指向性（利得の半値幅となる角度）を示す。縦方向角度βの領域は、ＲＬＳＡモジュール２の配列方向における放射の指向性を示す。横方向角度αは、ＲＬＳＡモジュール２単体での指向性に対応する。縦方向角度βは、アレイアンテナ１を上述のように駆動することにより、各ＲＬＳＡモジュール２からの放射の干渉の結果、指向性の範囲が狭められたものである。

例えば、半径２５ｍｍのＲＬＳＡモジュール２を６２．７ＧＨｚ中心で駆動した場合、ＲＬＳＡモジュール２単体での指向性は２５度になる。これに対して、アレイアンテナ１の指向性は、横方向角度αが２５度、縦方向角度βが８度となる。

このように、ＲＬＳＡモジュール２をアレイ状に配列し、所定の条件を満足するように駆動することにより、配列方向の指向性を制御することができる。すなわち、ＲＬＳＡモジュール２に対する給電に、同相ではなく、一定の位相差を設けることにより、指向性の方向、すなわち、図６に示す縦方向角度βで表わされる指向性領域の中心方向を、一定範囲で任意に制御することができる。

これにより、小口径のＲＬＳＡモジュール２のアレイを用いて、大口径ＲＬＳＡでは実現できない指向性の制御を同等のゲインを保ったまま行うことが可能である。従って、低損失なＲＬＳＡで、様々な指向性を得ることが可能になる。なお、各ＲＬＳＡモジュール２間の間隔は位相条件を満たしつつ十分に小さいことが、良好な特性を得るために望ましい。

図７において給電回路４は、給電入力部５からＲＬＳＡモジュール２の各々の給電部までを接続するために、給電路として導波管６が用いられ、分岐回路モジュール７により分岐される。従って、分岐した導波管６の合計の長さが、給電入力部５からＲＬＳＡモジュール２の各々の給電部までの行路長となるが、ＲＬＳＡモジュール２内部の最内周放射スロット２ａと最外周放射スロット２ａの行路長も併せて勘案する必要がある。

各ＲＬＳＡモジュール２を同相で駆動するためには、仕様周波数帯域、すなわち必要とする帯域幅を実現可能な範囲における中心周波数での波長の整数倍であれば、行路長に差を設けても良い。同相に制御する場合には限られないが、ＲＬＳＡモジュール２の行路長を同一に設定すると、最も帯域幅を広くすることができる。

給電回路４の給電路としては、導波管、ポスト壁導波路、マイクロストリップライン、同軸ケーブル、ＮＲＤガイド、スロットライン、コプレーナ導波路ならびにトリプレート線など種々の形式を利用できる。但し、分岐回路７を給電回路と同一プロセスで一体化する場合には、ポスト壁導波路またはＮＲＤガイドが好適である。

図１に示したアレイアンテナ１はＲＬＳＡモジュール２を一列に配列したものであるが、本実施の形態の指向性アレイアンテナ装置は、図７に示すように、複数のＲＬＳＡモジュール２が２列に配列されたアレイアンテナ１４を用いて構成することもできる。更に多数列の２次元状のアレイとすることもできる。この場合、異なる列のＲＬＳＡモジュール２については、各列間または各行間で並置されたＲＬＳＡモジュール２の各々に対する給電が同相となるように制御される。列方向に整列したＲＬＳＡモジュール２間については、上述のとおり、各々の位相差が一定となるように給電される。

（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における指向性アレイアンテナ装置の構成を示す概略平面図である。図９に、断面構造を概念的に示す。本実施の形態の装置は、基本的には実施の形態１と同様であるが、列方向において隣接するＲＬＳＡモジュールへの給電に所定の位相差が設けられ、その位相差の大きさが時間とともに変化するように制御されることを特徴とする。それにより、指向性の方向が時間とともに走査される。

この指向性アレイアンテナ装置では、アレイアンテナ２０を構成するＲＬＳＡモジュール２が、担体２１上に２列に配置されている。各列には、８個のＲＬＳＡモジュール２が配列されている。給電回路は、給電路２２、バトラーマトリクス２３、例えばフィンライン回路のような同軸−導波路変換回路２４、及び半導体スイッチ２５からなる。半導体スイッチ２５に同軸ケーブル２６が接続され、外部からアレイアンテナ２０を駆動する信号が供給される。これらの要素は、樹脂基板にプリント基板技術で一体化されている。給電路２２は例えばポスト壁導波路により形成され、図示とは異なるが、行路長を等しくするため滑らかに折り曲げられている。

バトラーマトリクス２３は８入力８分岐であり、バトラーマトリクス２３の８つの入力ポートの各々に対して、同軸−導波路変換回路２４が接続されている。同軸ケーブル２６から供給される信号は、半導体スイッチ２５の切替により、同軸−導波路変換回路２４のいずれかに対して選択的に供給される。バトラーマトリクス２３の８つの出力ポートとＲＬＳＡモジュール２との間は、それぞれ給電路２２により接続されている。なお、図８における左右の列に並置された２つのＲＬＳＡモジュール２は、同一の給電路２２により給電される。なお、ＲＬＳＡモジュール２は２列に限られるものではなく、一列、あるいはより多数列であってもよい。

半導体スイッチ２５により選択された同軸−導波路変換回路２４が駆動されると、変換された導波路信号がバトラーマトリクス２３の一つのポートに入力される。バトラーマトリクス２３の各出力ポートからは、入力ポートに応じた位相差をもった信号が出力され、給電路２２を経由してＲＬＳＡモジュール２に給電される。その結果、列方向に配列された８個のＲＬＳＡモジュール２への給電に所定の位相差が設けられ、その位相差によりアレイアンテナ２０の指向性の方向が設定される。

バトラーマトリックス２３では、どの入力ポートに電力を入力しても出力ポートには均等に電力が分配される。また、どの入力ポートから入力しても出力ポートに現れる位相差は線形に傾く。但し、出力ポートの位相は使用する入力ポートによって異なり、出力ポートに現れる位相差の傾き度合いは異なる。従って、入力ポートの切替えによって出力ポートに現れる位相差を変化させることができる。

上記構成によれば、バトラーマトリックス２３の入力ポートを順次切換えることにより、出力ポートに現れる位相差を時間とともに変化させることができる。すなわち、列方向に配列されたＲＬＳＡモジュール２への給電の位相差の大きさを、時間とともに変化させることができる。給電の位相差の大きさにより指向性の方向が決まるので、位相差の大きさを時間とともに変化させることにより、指向性の方向を時間とともに走査することができる。

以上のようにアレイアンテナ２０を駆動した場合の作用について、図１０を参照して説明する。ＲＬＳＡモジュール２のアレイからの電磁波により実用的に有効な電界強度が得られる範囲が、細線で描かれた放射指向性領域２７により示される。

図６に示した装置の場合と同様、横方向角度αの領域は、ＲＬＳＡモジュール２の配列に直交する方向における放射の指向性、縦方向角度βの領域は、ＲＬＳＡモジュール２の配列方向における放射の指向性を示す。走査角度γは、アレイアンテナ２０を上述のように駆動することにより、バトラーマトリクスによる位相制御効果で縦方向のビーム中心の方向が時間とともに変化して走査される範囲を示す。

例えば、半径２５ｍｍのＲＬＳＡモジュール２を６２．７ＧＨｚ中心で駆動した場合、ＲＬＳＡモジュール２単体での指向性は２５度になる。これに対して、アレイアンテナ２０の指向性は、横方向角度αが１５度、縦方向角度βが８度となる。走査角度γは、１１度になる。

本発明の指向性アレイアンテナ装置は、低損失なＲＬＳＡで、様々な指向性を得ることが可能にであり、無線ＬＡＮや自動車における衝突防止用レーダのような複数の分野で有用である。

１、１４、２０ アレイアンテナ
２ ＲＬＳＡモジュール
２ａ 放射スロツト
２ｂ アンテナ給電口
３、２１ 担体
３ａ アンテナ装着部
４ 給電回路
５ 給電入力部
６ 導波管
７ 分岐回路モジュール
８ 誘電体基板
９ 導電層
１０ Ｅベンド
１０ａ 導波管溝部
１１ 給電プレート
１１ａ 給電ポート
１２ Ｅベンド給電口
１３、２７ 放射指向性領域
２２ 給電路
２３ バトラーマトリクス
２４ 同軸−導波路変換回路
２５ 半導体スイッチ
２６ 同軸ケーブル

Claims (8)

1. 少なくとも一列に配列された複数個のラジアルラインスロットアンテナ（以下、ＲＬＳＡと略記する）モジュールと、
   前記複数個のＲＬＳＡモジュールの各々に対して給電する給電回路とを備え、
   各列または各行間で並置された前記ＲＬＳＡモジュール間が同相となり、
   列方向または行方向に整列した前記ＲＬＳＡモジュール間の各々の位相差が一定となるように給電されることを特徴とする指向性アレイアンテナ装置。
2. 列方向に並んだ前記ＲＬＳＡモジュールの各々への給電が同相である請求項１に記載の指向性アレイアンテナ装置。
3. 前記給電回路は、給電入力部から前記ＲＬＳＡモジュールの各々の給電部までを接続する給電路と、分岐回路モジュールの組合せにより構成され、
   前記給電入力部から前記ＲＬＳＡモジュールの各々の給電部までの行路長の差が無いか、または仕様周波数帯域における中心周波数での波長の整数倍である請求項２に記載の指向性アレイアンテナ装置。
4. 前記給電入力部から前記ＲＬＳＡモジュールの各々の給電部までの行路長が同一に設定された請求項３に記載の指向性アレイアンテナ装置。
5. 列方向において隣接する前記ＲＬＳＡモジュールへの給電に所定の位相差が設けられ、その位相差により指向性の方向が設定された請求項１記載の指向性アレイアンテ装置ナ。
6. 前記位相差の大きさが時間とともに変化するように前記ＲＬＳＡモジュールの各々への給電が制御される請求項５記載の指向性アレイアンテナ装置。
7. 前記給電回路における給電入力部にバトラーマトリクスが接続され、
   前記バトラーマトリクスから前記ＲＬＳＡモジュールの各々の給電部までを接続する給電路が設けられ、
   前記バトラーマトリクスにより前記位相差の変化が制御される請求項６記載の指向性アレイアンテナ装置。
8. 前記バトラーマトリクスから前記ＲＬＳＡモジュールの各々の給電部までを接続する前記給電路は、行路長が互いに同等である請求項７に記載の指向性アレイアンテナ装置。

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