JP4747854B2 - アレーアンテナ - Google Patents
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Description
この発明は、ミリ波帯域又はマイクロ波帯域の電磁波を送信または受信するレーダや通信機器などに有益であり、アンテナの小型化または配設空間の省スペース化に大いに有用なものである。
伊藤龍男、他2名、’CHARACTERISTICS AND APPLICATIONS OF PLANAR NEGATIVE REFRACTIVE INDEX MEDIA’,MWE2003,WS02−03 伊藤龍男、他2名、’Electronically-Controlled Metamaterial-Based Transmission Line as a Continuous-Scanning Leaky-Wave Antenna’,2004 IEEE MTT-S Digest TU1D-4.
また、放射角が可変制御可能な1GHz以下の周波数帯域などにおいても、一般にバラクタダイオードでは標準容量(所定の基準容量)に対する容量変位の比率(変化率)を十分大きく確保することは必ずしも容易ではないので、放射角の変動範囲を大きく確保することも必ずしも容易とは言えない。
(1)図7−A,−Bに示す様に、EBG構造の反射体を用いてビーム走査アンテナを構成するので、この反射体に対して電磁波を照射するための別の給電用アンテナを別途用意する必要がある。
(2)可動板を水平方向に動かすことによって、アンテナの放射ビームの指向性を可変制御することはできるが、各金属パッチには周期的な位置関係に関する理論的及び物理的な強い制約があるので、各金属パッチをそれぞれ独立に位置制御することはできない。このため、この従来のビーム走査アンテナに対して、ビーム幅やビームパターンを可変制御するなどのビーム成形技法を導入することは不可能である。
即ち、本発明の第1の手段は、誘電体基板と、導体から成る同一または類似の単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、各単位パターンは、伝送線路と、伝送線路を途中で分断するギャップと、伝送線路から枝分かれするスタブとを有した、使用周波数において左手系となるパターンであり、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、ストリップ線路または単位パターンに対して接近して、ストリップ線路または単位パターンを覆う様に配設され、ストリップ線路からの高さhが変動可能な可動部材と、可動部材に対して機械的に作用して可動部材の前記高さhを変化させるアクチュエータとを有し、アクチュエータは、可動部材のストリップ線路からの高さhを、アレーアンテナが、使用周波数において、左手系動作状態から、右手系動作状態まで、変化させる範囲で、変化可能であることを特徴とする。
また、上記の高さhは、上記の単位パターンが配列される上記の誘電体基板の表面から垂直に計った距離である。また、上記の単位パターンは、少なくとも設計や製造の容易性の観点からすれば、同一パターンのものを周期的に配列することが望ましいが、必ずしも同一パターンのものを周期的に配列する必要はない。
また、上記のアクチュエータは、例えば圧電素子(ピエゾ素子)などを用いて構成することが可能であり、この場合には、電気的に上記の高さhを制御することができる。しかしながら、上記の高さhは、機械的な駆動制御機構を用いて可変制御しても良い。
ただし、ストリップ線路全体または単位パターン全体を覆う様な広範に渡って連なる金属導体を配置すると、当該アレーアンテナからの電磁波の放射が阻止されてしまうので、板状または網状に広く連なった金属導体を上記の可動部材の構成に使用することはない。これらの金属導体を用いる場合には、それらの金属導体は、例えば誘電体基板の中に局所的に含めるなどして、上記の可動部材の少なくとも一部として局所的に分散配置する。
ただし、ここで、上記の可動部材は、必ずしも各単位パターン毎にそれぞれ同一形状である必要はない。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
例えば、上記のキャパシタンスやインダクタンスを各単位パターン毎に制御することによって、アンテナの有効長を可変制御することができるので、これによって、アンテナのビーム幅を可変制御することができる。この時、アンテナの有効長は、所定の周波数帯に対して動作しにくい単位パターンの並びをアンテナの終端側に設けてそこにバンドギャップを形成することによって可変制御される。即ち、所定の周波数帯に対して動作しにくい上記の単位パターンの並びの長さ(単位パターンの長さ×単位パターンの個数)が長い場合ほど、アンテナの有効長を短く設定することができる。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
図1の正面図に示すように、アレー基板10は、誘電体基板15をベースに形成されており、この誘電体基板15の上面にはストリップ線路14が形成されている。また、この誘電体基板15の裏面には金属層から形成された接地導体16が積層されている。
また、ギャップG1は、伝送線路11が有するy軸方向に幅広の対峙部11aと対峙部11bとの隙間から形成されている。
この様に、ストリップ線路14は、単位パターンUのx軸方向における周期的な配列によって形成されており、図中の右端部分(P1 )が給電点、図中の左端部分(P2 )が終端点となっている。
例えば、この様に、このアレーアンテナ100では、上記のアクチュエータによって、上記の高さhを可変制御することによって、放射ビームの方向を自在に可変制御することができる。
各誘電体基板1a〜1kの高さhは、2a〜2kの各圧電素子に印加する電圧をそれぞれ可変制御することによって、それぞれ可変制御することができる。そして、この高さhの可変制御を各単位パターン毎にそれぞれ独立に実行することによって、以下の作用・効果を得ることができる。
例えば、上記のアクチュエータを用いて、ギャップのキャパシタンス成分やスタブのインダクタンス成分を可変制御することができるので、これにより、一部の単位パターンを所定の周波数に対して非動作状態に制御することができる。そして、この場合、それらの非動作状態の単位パターンによって、当該アレーアンテナの終端側に、即ち、給電点の反対側にバンドギャップを形成することができるので、この作用により、当該アレーアンテナの実効長を可変制御することができる。その際、アレーアンテナの実効長が短い場合ほど、当該アレーアンテナのビーム幅が広くなるので、アンテナのビーム幅を自在に可変制御することが可能となる。ただし、上記の実効長とは、当該アンテナを構成する単位パターンの配列の全長の内、実際にアンテナとして実質的に有効に作用する部分の長さのことであり、この長さは各単位パターンの各放射量に基づいて判定することができる。
また、高さhの可変制御を各単位パターン毎にそれぞれ独立に実行すれば、サイドローブレベルを抑制することも可能となる。即ち、上記のアクチュエータを用いて、上記の単位パターンの各放射量の分布を、例えば周知のテイラー分布などの様なサイドローブ抑制作用を奏する適当な分布に制御することができ、これによって、当該アレーアンテナのサイドローブの放射量を小さく抑制することができる。
また、高さhの可変制御を各単位パターン毎にそれぞれ独立に実行すれば、単位パターンの各指向性を相異なる複数の向きに制御することによって、それらの向きから外れた向きにヌルを形成することができ、これによって、任意の方向からの信号の受信を低減させることができる。例えば、アンテナの正面方向にヌルを形成したい場合には、半数の単位パターンのビームの向きを後方波(Backward波)の側(即ち、左手系のビームの向き)に向け、残りの半数の単位パターンのビームの向きを前方波(Forward 波)の側(即ち、右手系のビームの向き)に向ければ良い。これにより、正面方向からの信号の受信を低減させることができる。
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
(変形例1)
例えば、上記の各実施例では、可動部材として誘電体を移動しているが、これらの誘電体の内部に金属片を入れても良い。その場合は単に誘電率を制御するだけでなく、同時にギャップやスタブの電気長を制御することもでき、よって、誘電体の移動に対するビーム角θの変化をより敏感に設定することが可能となる。したがって、この様な改造を施せば、ビーム方向の変化範囲をより幅広く確保したり、或いは、アクチュエータを更に小型化したりすることも可能又は更に容易となる。
また、上記の実施例では、可動部材を上下方向(z軸方向)に並進移動させているが、可動部材の運動は、並進往復運動でも回動運動でも良い。任意の形態の運動によって、上記の高さhを可変制御することができる。
1 : 誘電体基板(可動部材)
2 : ピエゾ素子(アクチュエータ)
10 : アレー基板
12 : スタブ
14 : ストリップ線路
15 : 誘電体基板
U : 単位パターン
G1 : ギャップ
Claims (2)
- 誘電体基板と、導体から成る同一または類似の単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、
前記各単位パターンは、伝送線路と、前記伝送線路を途中で分断するギャップと、前記伝送線路から枝分かれするスタブとを有した、使用周波数において左手系となるパターンであり、
誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体のうち少なくとも一つから構成され、前記ストリップ線路または前記単位パターンに対して接近して、前記ストリップ線路または前記単位パターンを覆う様に配設され、前記ストリップ線路からの高さhが変動可能な可動部材と、
前記可動部材に対して機械的に作用して前記可動部材の前記高さhを変化させるアクチュエータと
を有し、
前記アクチュエータは、前記可動部材の前記ストリップ線路からの前記高さhを、前記アレーアンテナが、使用周波数において、左手系動作状態から、右手系動作状態まで、変化させる範囲で、変化可能である
ことを特徴とするアレーアンテナ。 - 前記アクチュエータと前記可動部材は、前記単位パターン毎にそれぞれ個別に設けられ、前記可変制御は、前記単位パターン毎にそれぞれ独立に実行される
ことを特徴とする請求項1に記載のアレーアンテナ。
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