JP4771090B2 - Functional antenna device and radio system using the same - Google Patents
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Description
本発明は、高い指向特性を持つアンテナを小さな給電損失で実現し、アンテナを無線システムの周囲方向に回転し、無線リンク形成に最適な方向に電磁波の指向制御が可能な、小型で低コスト化に適した機能アンテナ装置およびこれを用いた無線システムに関する。なお、電磁波放射構造とアンテナとは同義語である。 The present invention realizes an antenna with high directivity characteristics with a small feeding loss, rotates the antenna in the peripheral direction of the wireless system, and can control the direction of electromagnetic waves in the optimum direction for forming a wireless link. The present invention relates to a functional antenna device suitable for use in a radio system and a radio system using the same. The electromagnetic wave radiation structure and the antenna are synonymous.
準ミリ波・ミリ波帯を用いたブロードバンド通信システムでは、マルチパスによる無線伝送条件の悪化を防ぎ、高速無線伝送に必要な十分なC/Nを確保するために、高い指向性アンテナを有した無線機器同士による無線リンクを、機能的に形成できる機能アンテナ技術の実現が求められている。
従来のアンテナのビームを指向制御する方法として、例えば、マイクロ波帯のフェーズドアレー方式は、位相制御回路を含めた給電系損失の急増により、性能上の問題、コスト上の問題、および寸法的な問題がある。また、例えば、旋回型アンテナとして実用されているマイクロ波レーダーや、衛星追尾用アンテナは、極めて高価な同軸型や導波管型ロータリージョイントを用いる必要があるという問題とともに、給電系損失の急増による性能劣化、コスト、寸法的な問題もあり、一般向け無線システム技術として利用できないものであった。
The broadband communication system using the quasi-millimeter wave / millimeter wave band has a high directional antenna to prevent deterioration of wireless transmission conditions due to multipath and to secure sufficient C / N necessary for high-speed wireless transmission. Realization of a functional antenna technology capable of functionally forming a wireless link between wireless devices is required.
As a conventional method for directing and controlling the beam of an antenna, for example, a phased array system in the microwave band has a performance problem, a cost problem, and a dimensional problem due to a rapid increase in power supply system loss including a phase control circuit. There's a problem. In addition, for example, microwave radars and satellite tracking antennas that are practically used as swivel antennas require the use of extremely expensive coaxial and waveguide rotary joints, as well as the rapid increase in power supply system loss. Due to performance degradation, cost, and dimensional problems, it could not be used as a general radio system technology.
上記した問題を解決するためには、給電線の損失が最も少ない、固定された単一の電磁波放射構造で電磁波放射の指向制御を行う技術が必要となっている。 In order to solve the above-described problems, a technique for performing directivity control of electromagnetic wave radiation with a fixed single electromagnetic wave radiation structure with the least loss of the feeder line is required.
特に、ミリ波帯技術の一般への普及を実現するために、小型軽量で量産による低コスト化が可能な新しい電磁波放射の指向制御を行う技術が必要となっていた。 In particular, in order to realize the widespread use of millimeter wave band technology, a technology for directing electromagnetic wave radiation that is small and lightweight and can be reduced in cost by mass production is required.
したがって、本発明は、上記実情に鑑み提案されたもので、高い指向特性を持つアンテナを小さな給電損失で実現し、かつ、アンテナを無線システムの周囲方向に回転し、無線リンク形成に最適な方向に電磁波の指向制御が可能な、小型で低コスト化に適した機能アンテナ装置およびこれを用いた無線システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been proposed in view of the above circumstances, and realizes an antenna having high directivity with a small feeding loss, and rotates the antenna in the peripheral direction of the wireless system, and is the optimum direction for forming a wireless link. It is another object of the present invention to provide a functional antenna device that can control the directivity of electromagnetic waves and is suitable for cost reduction and a wireless system using the functional antenna device.
上記目的を達成するために、本発明は、準ミリ波帯あるいはミリ波帯の機能アンテナ装置において、前記機能アンテナ装置は、単一の電磁波放射構造と、この電磁波放射構造の上に配置された回転する機械的構造物と、前記電磁波放射構造と前記機械的構造物との間に配置された電磁波遮断構造と、前記機械的構造物に付加された誘電体と、前記機械的構造物を回転させる駆動部と、からなり、前記電磁波遮断構造は、前記電磁波放射構造の接地面と前記機械的構造物との間を非接触させるものであって、この非接触面の間隔が空間波長の1/10から1/100までの範囲であり、この非接触面が空気または誘電体フィルムであり、前記機械的構造物は、所望電磁波の空間波長の1倍から4倍までの電磁波開口部を有し、かつ前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸に対して非対称な構造であるとともに、前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面を有する、電磁波を効率良く空間へ放射するための導体壁面部を持つものであり、この導体壁面部の一つの対称面内における一方をα側とした場合、このα側の導体壁面部は、前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸と0度±20度の角度をなし、長さが、所望電磁波の空間波長の0.5倍から3倍の範囲であって、前記導体壁面部の一つの対称面内における他方をβ側とした場合、このβ側の導体壁面部は、前記電磁波放射構造中心からの垂直軸と70度±20度の角度をなし、長さが、所望電磁波の空間波長の1倍から6倍までの範囲であり、前記機械的構造物に付加された前記誘電体は、前記電磁波放射構造から見て、厚さが、β側において空間波長の1倍から6倍までの範囲であってα側と比較して厚く、α側において空間波長の0倍を含む0.5倍以下であってβ側と比較して薄く、この厚さの変化が緩やかな放物線構造を有することで、電磁波放射方向がβ側に傾くものであり、前記機械的構造物が、前記電磁波遮断構造との間の非接触面にて、前記垂直軸を中心軸として前記駆動部によって回転することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a functional antenna device of a quasi-millimeter wave band or a millimeter wave band, wherein the functional antenna device is disposed on a single electromagnetic wave radiation structure and the electromagnetic wave radiation structure. A rotating mechanical structure; an electromagnetic wave shielding structure disposed between the electromagnetic radiation structure and the mechanical structure; a dielectric added to the mechanical structure; and rotating the mechanical structure. The electromagnetic wave blocking structure is configured to make non-contact between the ground surface of the electromagnetic wave radiation structure and the mechanical structure, and the interval between the non-contact surfaces is 1 of the spatial wavelength. The non-contact surface is air or a dielectric film, and the mechanical structure has an electromagnetic wave opening of 1 to 4 times the spatial wavelength of the desired electromagnetic wave. And the electromagnetic wave emission A conductor wall surface for efficiently radiating electromagnetic waves to space, having a structure that is asymmetric with respect to a vertical axis from the center of the structure and having one symmetry plane that includes the vertical axis from the center of the electromagnetic wave radiation structure; When one of the conductor wall surfaces in one plane of symmetry is α side, the conductor wall surface portion on the α side is 0 ° ± 20 ° from the vertical axis from the center of the electromagnetic wave radiation structure. When the angle is formed and the length is in the range of 0.5 to 3 times the spatial wavelength of the desired electromagnetic wave and the other in one plane of symmetry of the conductor wall surface is the β side, the β side The conductor wall surface portion forms an angle of 70 ° ± 20 ° with the vertical axis from the center of the electromagnetic wave radiation structure, and the length ranges from 1 to 6 times the spatial wavelength of the desired electromagnetic wave. The dielectric added to the object is from the electromagnetic radiation structure. The thickness is in the range from 1 to 6 times the spatial wavelength on the β side and is thicker than the α side, and is 0.5 times or less including 0 times the spatial wavelength on the α side. The parabolic structure is thin compared to the side, and the change in thickness is gradual, so that the electromagnetic wave radiation direction is inclined toward the β side, and the mechanical structure is not connected to the electromagnetic wave blocking structure. The contact surface is rotated by the driving unit with the vertical axis as a central axis.
また、上記した機能アンテナ装置における誘電体の厚さは、上記α側の厚さが薄く、β側の厚さが厚いが、この変化の度合いが直線的に変化、または2次曲線的に変化、または階段状に変化するうちのいずれかとなっていることが好ましい。 In addition, the thickness of the dielectric in the functional antenna device described above is thin on the α side and thick on the β side, but the degree of this change changes linearly or changes in a quadratic curve. Or a step-like change.
また、上記した誘電体は上記α側の誘電率が小さく、β側の誘電率が大きい平行平板状の収束媒質となっていることが好ましい。 In addition, the above-described dielectric is preferably a parallel plate-shaped converging medium having a small dielectric constant on the α side and a large dielectric constant on the β side.
また、上記した機能アンテナ装置における電磁波放射構造は、スロットアンテナ構造、導体パッチ構造、平面スパイラルアンテナ構造、ボータイアンテナ構造のうちのいずれかとなっていることが好ましい。 Further, the electromagnetic wave radiation structure in the functional antenna device described above is preferably any one of a slot antenna structure, a conductor patch structure, a planar spiral antenna structure, and a bowtie antenna structure.
そして、上記した機能アンテナ装置を用いた無線システムは、機能アンテナ装置のアンテナからの受信信号を受信機に入力し、受信機からの受信信号を適切に信号処理することで、信号処理部に接続された駆動部でアンテナの回転を行い、所望な方向にアンテナの指向制御を行うことを特徴とする。 The wireless system using the functional antenna device described above is connected to the signal processing unit by inputting the received signal from the antenna of the functional antenna device to the receiver and appropriately processing the received signal from the receiver. The antenna is rotated by the driven unit, and the antenna directivity is controlled in a desired direction.
また、上記した機能アンテナ装置における駆動部の回転構造は、静電気モータ、磁気的モータ、超音波モータ含むすべてのモータのいずれかとなっていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the rotation structure of the drive part in the functional antenna device described above is any one of all motors including an electrostatic motor, a magnetic motor, and an ultrasonic motor.
また、上記した機能アンテナ装置における回転する機械的構造物の導体壁面部は、非対称方形ホーン型、非対称円形ホーン型、非対称方形ホーン型の簡易型、非対称円形ホーン型の簡易型として、電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面に沿う左右対称な導体壁面部の一部が省略されている形状のうちのいずれかとなっていることが好ましい。 In addition, the conductor wall surface portion of the rotating mechanical structure in the functional antenna device described above has an electromagnetic radiation structure as an asymmetric square horn type, an asymmetric circular horn type, a simple asymmetric square horn type, or a simple asymmetric circular horn type. It is preferable that a part of the left and right symmetric conductor wall surfaces along one symmetry plane including the vertical axis from the center of the shape is omitted.
また、上記した無線システムは、アンテナの指向制御が受信信号、ビーコン、指向性をもった光学系のうちのいずれかとなっていることが好ましい。 In the above wireless system, the antenna directivity control is preferably any one of a received signal, a beacon, and an optical system having directivity.
本発明に係る機能アンテナ装置では、まず、電磁波遮断構造を、電磁波放射構造の周囲に回転する機能を持つ機械的構造物と電磁波放射構造との間に設けたので、電磁波の漏れを防止することができ、電磁波を効率よく機械的構造物を経て空間に放射することができる。
また、機械的構造物に付加されている誘電体は、電磁波放射構造から見て、α側の厚さを薄くし、β側の厚さを厚くした非対称な充填密度となるように形成されているので、誘電体中の電磁波の伝搬速度が分極の効果により空気中より遅くなるため、電磁波の波長に比べ小さな領域から波長の数倍の領域において、電磁波の分布を広げることができて、高い指向性を得ることができるとともに、付加的な機械的構造物の開口を経て空間へ放射される電磁波波面を、通過してきた領域に応じて相対的な位相の進みと遅れを生じた波束の合成として得えることができて、アンテナ指向性の向上と、電磁波波面の方向を偏向させることができる。
さらに、誘電体の厚さの変化が電磁波の波長に比べ緩やかに変化する場合、電磁波は、緩やかな屈折率分布のある領域を伝搬することとなり、誘電体が薄い領域では電磁波の位相が相対的に早く進み、誘電体が厚い領域では電磁波の位相が遅くなるので、誘電体が滑らかな曲線形状で変化するか、波長に比べ小さな階段状に変化する方法などにより非対称な充填構造を持つようにすることにより、電磁波放射方向が誘電体に関しての厚い方向のβ側に傾く効果を引き出すことができる。そうすると、機械的構造物が電磁波遮断構造との非接触面にて、電磁波放射構造の中心からの垂直軸を中心軸として駆動部により回転することで、無線リンク形成に最適な方向へ電磁波の指向制御をすることができる。
In the functional antenna device according to the present invention, first, the electromagnetic wave shielding structure is provided between the electromagnetic structure and the mechanical structure having a function of rotating around the electromagnetic radiation structure, so that leakage of electromagnetic waves is prevented. And electromagnetic waves can be efficiently radiated to the space through the mechanical structure.
In addition, the dielectric added to the mechanical structure is formed so as to have an asymmetric packing density in which the thickness on the α side is reduced and the thickness on the β side is increased as viewed from the electromagnetic radiation structure. Therefore, the propagation speed of the electromagnetic wave in the dielectric is slower than in the air due to the effect of polarization, so that the distribution of the electromagnetic wave can be widened from a small region to several times the wavelength compared to the wavelength of the electromagnetic wave. The synthesis of wave packets that can obtain directivity and that have a relative phase advance and delay depending on the region that has passed through the electromagnetic wavefront radiated to the space through the opening of an additional mechanical structure. As a result, the antenna directivity can be improved and the direction of the electromagnetic wave front can be deflected.
Furthermore, when the change in the thickness of the dielectric changes more slowly than the wavelength of the electromagnetic wave, the electromagnetic wave propagates through a region having a gentle refractive index distribution, and the phase of the electromagnetic wave is relatively relative in a region where the dielectric is thin. Since the phase of the electromagnetic wave is delayed in areas where the dielectric is thick, the dielectric should change in a smooth curved shape, or have an asymmetric filling structure such as a method that changes in a step shape smaller than the wavelength. By doing so, the effect that the electromagnetic wave radiation direction is inclined to the β side in the thick direction with respect to the dielectric can be extracted. Then, the mechanical structure is rotated by the drive unit around the vertical axis from the center of the electromagnetic wave radiation structure on the non-contact surface with the electromagnetic wave shielding structure, so that the electromagnetic wave is directed in the optimum direction for forming the wireless link. You can control.
また、回転する機械的構造物に付加された誘電体を、α側の厚さを薄くし、β側の厚さを厚くしたが、この変化の度合いが直線的に変化、または2次曲線的に変化、または階段状に変化するうちのいずれかとしたので、所望の電磁波放射方向を得るために最適な誘電体の厚さの変化を選択することができる。また、誘電体を、α側の誘電率が小さく、β側の誘電率が大きい平行平板状の収束媒質としたので、誘電体の厚さを可変することと同様な効果が得られるので、実装しやすくて、所望な電磁波放射方向をより効率よく得ることができる。 In addition, the dielectric added to the rotating mechanical structure is made thinner on the α side and thicker on the β side, but the degree of this change varies linearly or as a quadratic curve. Therefore, it is possible to select an optimal change in the thickness of the dielectric material in order to obtain a desired electromagnetic wave radiation direction. In addition, since the dielectric is a parallel plate-shaped converging medium with a small dielectric constant on the α side and a large dielectric constant on the β side, the same effect as changing the thickness of the dielectric can be obtained. This makes it possible to obtain a desired electromagnetic radiation direction more efficiently.
また、電磁波放射構造は、スロットアンテナ構造、導体パッチ構造、平面スパイラルアンテナ構造、ボータイアンテナ構造のうちのいずれかとしたので、所望な電磁波放射方向を得るために最適な電磁波放射構造および最適な実装手段を選択することができる。 Further, since the electromagnetic wave radiation structure is any one of a slot antenna structure, a conductor patch structure, a planar spiral antenna structure, and a bowtie antenna structure, the optimum electromagnetic wave radiation structure and optimum mounting means for obtaining a desired electromagnetic wave radiation direction Can be selected.
そして、本発明に係る無線システムは、上記機能アンテナ装置のアンテナからの受信信号を受信機に入力し、受信機からの受信信号を適切に信号処理することで、信号処理部に接続された駆動部でアンテナの回転を行い、所望な方向にアンテナの指向制御を行うので、マルチパスによる無線伝送条件の悪化を防ぎ、高速無線伝送に必要な十分なC/Nを確保することができる。 The wireless system according to the present invention inputs a received signal from the antenna of the functional antenna device to the receiver, and appropriately processes the received signal from the receiver, thereby driving the signal processing unit. Since the antenna is rotated by the unit and the antenna directivity is controlled in a desired direction, it is possible to prevent deterioration of radio transmission conditions due to multipath and to secure sufficient C / N necessary for high-speed radio transmission.
また、上記した機能アンテナ装置における駆動部の回転構造は、静電気モータ、磁気的モータ、超音波モータ含むすべてのモータのいずれかとしたので、すでに実用化された低価格で微小軽量なものを適用することができ、すなわち低コスト化、および小型化することができる。 In addition, since the rotation structure of the drive unit in the above-described functional antenna device is one of all motors including an electrostatic motor, a magnetic motor, and an ultrasonic motor, a low-priced and light-weight one that has already been put into practical use is applied. That is, the cost can be reduced and the size can be reduced.
また、上記した機能アンテナ装置における回転する機械的構造物の導体壁面部は、非対称方形ホーン型、非対称円形ホーン型、または非対称方形ホーン型の簡易型、非対称円形ホーン型の簡易型として電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面に沿う左右対称な導体壁面部の一部が省略されている形状のうちのいずれかとしたので、所望の電磁波放射方向を得るための最適な電磁波放射構造を選択することができる。 In addition, the conductor wall surface of the rotating mechanical structure in the functional antenna device described above has an electromagnetic radiation structure as an asymmetric square horn type, an asymmetric circular horn type, a simple asymmetric square horn type, or a simple asymmetric circular horn type. The shape of the left and right symmetrical conductor wall surfaces along one symmetry plane including the vertical axis from the center of one of the shapes is omitted, so that the optimum electromagnetic wave emission to obtain the desired electromagnetic wave emission direction A structure can be selected.
また、上記した無線システムは、アンテナの指向制御が受信信号、ビーコン、指向性をもった光学系のうちのいずれかとしたので、受信RF信号を用いた指向制御でなくても、別の指向性をもった信号を受信し、その後信号処理することで、電磁波の指向制御を行うことができる。 In the above wireless system, the antenna directivity control is any one of a received signal, a beacon, and a directivity optical system. It is possible to control the directivity of an electromagnetic wave by receiving a signal having a signal and processing the signal thereafter.
すなわち、本発明により初めて、アンテナを無線システムの周囲方向に回転し、無線リンク形成に最適な方向に電磁波の指向制御が可能な、小型で低コスト化に適した機能アンテナ装置、および、この機能アンテナ装置を用いた無線システムを提供することができる。 That is, for the first time according to the present invention, a small-sized functional antenna device suitable for cost reduction, which is capable of controlling the direction of electromagnetic waves in the direction optimal for forming a wireless link, by rotating the antenna in the peripheral direction of the wireless system, and this function A wireless system using an antenna device can be provided.
(第一参考例)
図1(A)は本発明に係る機能アンテナ装置の第一参考例の断面図であり、図1(B)は本発明に係る機能アンテナ装置の第一参考例の平面図である。
(First reference example)
1A is a cross-sectional view of a first reference example of the functional antenna device according to the present invention, and FIG. 1B is a plan view of the first reference example of the functional antenna device according to the present invention.
本発明に係る機能アンテナ装置は、図1(A)および図1(B)に示すように、基板101に電磁波放射構造としてのパッチアンテナ102がパターン形成され、このパッチアンテナ102から見て非対称な機械的構造物103が付加され、さらに、この機械的構造物103とパッチアンテナ102との間には、電磁波遮断構造104が設けられているものである。また、機械的構造物103には、誘電体105が取り付けられている。そして、本発明に係る機能アンテナ装置には、パッチアンテナ102の中心からの垂直軸106を回転軸として、機械的構造物103を回転させる駆動部107が設けられている。
なお、この機械的構造物103は、パッチアンテナ102の中心からの垂直軸106を含む一つの対称面を持ち、当該一つの対称面内において、一方をα側(右辺側)103aと仮定した場合、このα側103aがパッチアンテナ102の中心からの垂直軸106と平行して0度±20度の角度範囲θ1で傾けられ、他方をβ側(左辺側)103bと仮定した場合、このβ側103bが電磁波放射構造の中心からの垂直軸と平行して70度±20度の角度範囲θ2で傾けられている。
また、機械的構造物103に取り付けられた誘電体105は、厚さに関し、パッチアンテナ102から見て、β側103bの方がα側103aと比較して厚い構造をもっている。
In the functional antenna device according to the present invention, as shown in FIGS. 1 (A) and 1 (B), a
The
The dielectric 105 attached to the
次に、この構造の動作原理を示す。
基板101にパターン形成されたパッチアンテナ102から放射された電磁波は、まず、パッチアンテナ102から見て非対称な機械的構造物103内に設けられた誘電体105を通過する。パッチアンテナ102から放射された電磁波は、機械的構造物103に付加されている誘電体105の厚さが薄いα側103aと厚さが厚いβ側103bとを通過する際、誘電体105を通過する電磁波の遅延量が異なるため、β側103bの電磁波がα側103aの電磁波と比較して遅れることで、電磁波がβ側103bに屈折し、β側103bに電磁波が放射される。
そうすると、機械的構造物103は、駆動部107によってパッチアンテナ102の中心からの垂直軸106を中心軸として回転することで、無線リンク形成に最適な方向へ電磁波の指向制御ができる。
なお、電磁波遮断構造104は、パッチアンテナ102の接地面と機械的構造物103とを非接触させ、および放射された電磁波の漏れを防止する目的で設けられている。これにより、パッチアンテナ102から放射された電磁波が効率よく機械的構造物103に放射されることとなり、アンテナ利得が向上できる。
Next, the operation principle of this structure is shown.
The electromagnetic wave radiated from the
Then, the
The electromagnetic
なお、この指向制御は、受信に関しても、アンテナの可逆作用によって同じであるため、受信信号の指向制御に関しても有効である。 Note that this directivity control is also effective for reception signal directivity control because it is the same due to the reversible action of the antenna.
ここで、機械的構造物103は、所望電磁波の空間波長の1倍から4倍までの範囲である間隙L1を持った電磁波開口部を有するもので、電磁波を遮断する特性を持った、導体あるいは導体と非導体とが組み合わされ、機械的な削りだし、あるいは射出整形、接着などを行い製作される。
Here, the
機械的構造物103のα側103aは、パッチアンテナ102の中心からの垂直軸106と平行して0度±20度の角度範囲θ1で傾けられ、このα側の機械的構造物103の垂直軸106側の長さL2が、所望電磁波の空間波長の0.5倍から3倍までの範囲となっている。一方、機械的構造物103のβ側103bは70度±20度の角度範囲θ2で傾けられ、このβ側103bの機械的構造物103の垂直軸106側の長さL3が、所望電磁波の空間波長の1倍から6倍までの範囲となっている。
The α side 103a of the
また、電磁波遮断構造104は、パッチアンテナ102の接地面と機械的構造物103とを非接触させているが、この非接触面の間隔が、空間波長の1/10から1/100までの範囲であり、この非接触面が空気または誘電体フィルムである。また、この非接触面は、一方の非接触面がフラットな導体面であり、他方の非接触面は、フラットな誘電体上に、所望電磁波の空間波長の1/4倍の導体パターンを1個から10個までの範囲で形成した構造である。
Further, the electromagnetic
誘電体105は、石英、ガラスの他、ポリメチルメタクリレート、スチレンアクリロニトリル、ポリカーボネイト、ポリスチレン、エポキシ、ポリメチルペンテン、ポリテトラフロロエチレン、ポリエチレン、テフロン(登録商標)等の材料を機械的な削りだし、あるいは金型で整形して製作する。誘電体105は、機械的構造物103のβ側103bの厚さがα側103aと比較して厚くなっているが、機械的構造物103のα側103aの高さを越えない範囲で、かつ最適な厚みを選択することで、所望な電磁波放射方向を得ることができる。
The dielectric 105 mechanically scrapes materials such as quartz, glass, polymethyl methacrylate, styrene acrylonitrile, polycarbonate, polystyrene, epoxy, polymethylpentene, polytetrafluoroethylene, polyethylene, Teflon (registered trademark), Or shape it with a mold and make it. The dielectric 105 has a thickness on the
そして、第一参考例では、機械的構造物103を傾けた方形小型ホーンのような形状としているが、傾けた円形小型ホーン、折れ曲げた平板等でも同じ効果が得られ、最適な構造を選択することで、所望の電磁波放射方向を得ることができる。
In the first reference example, the
また、パッチアンテナ102を用いているが、スロットアンテナ構造、導体パッチ構造、平面スパイラルアンテナ構造、ボータイアンテナ構造のうちのいずれかとしてもよい。
Further, although the
また、駆動部107は、低価格で微小軽量なものが実用化されており、静電気モータ、磁気モータ、超音波モータを含むすべてのモータのいずれかが選択可能である。
The
(第一実施例)
図2は、本発明に係る機能アンテナ装置を構成品とした、無線システムに係る第一実施例の断面図である。この第一実施例は、基板1と、電磁波放射構造2と、機械的構造物3と、電磁波遮断構造4と、誘電体5と、駆動部7と、受信機8と、信号処理部9と、無線対象機器10と、で構成されている。
(First Example)
FIG. 2 is a cross-sectional view of the first embodiment of the wireless system using the functional antenna device according to the present invention as a component. This first embodiment includes a
ここで、基板1にパターン形成された電磁波放射構造2は、図3(A)に示されるパッチアンテナ31に限定されるものではなく、図3(B)に示すように、スロット32aを有するスロットアンテナ構造32としてもよく、図3(C)に示すように、開口部33a内に複数のストリップ片33bが設けられたマルチスロットアンテナ構造33としてもよい。さらに、図3(D)に示すように、ボータイアンテナ構造34としてもよく、平面スパイラル、フランジ構造を有する導波管スロット等を用いてもよい。
Here, the electromagnetic
機械的構造物3の電磁波が放射される電磁波開口部の間隙L1は、電磁波を最適に放射させるため、および小型化のため、所望電磁波の空間波長の1倍から3倍までの範囲となっている。
The gap L1 of the electromagnetic wave opening from which the electromagnetic wave of the
また、機械的構造物3は、電磁波を最適に傾けるため、電磁波放射構造2の中心からの垂直軸6を含む一つの対称面を持ち、当該一つの対称面内において、一方をα側3aと仮定した場合、この機械的構造物3のα側3aは、電磁波放射構造2の中心からの垂直軸6と平行して0度±20度の角度範囲θ1で傾けられ、他方をβ側3bと仮定した場合、この機械的構造物3のβ側3bは、電磁波放射構造2の中心からの垂直軸6と平行して70度±20度の角度範囲θ2で傾けられている。
Further, the
さらに、機械的構造物3は、小型化のため、α側3aの長さL2が所望電磁波の空間波長の0.5倍から3倍までの範囲となっており、β側3bの長さL3が所望電磁波の空間波長の1倍から6倍までの範囲となっている。
Furthermore, the
また、機械的構造物3は、図4(A)の41のような傾けた方形小型ホーン(図4(B)は斜め上方から見た斜視図)の形状をしており、導体壁面部41a、41b、41c、41dを有している。この場合、電磁波放射構造2から見た、導体壁面部41c、および41dは、電磁波放射構造2の中心からの垂直軸6に対して20度から90度までの範囲の角度をなしている。また、図4(C)の42のような傾けた円形小型ホーン(図4(D)は斜め上方から見た斜視図)の形状の場合、対称面44から見て最も導体壁面部の開口が広がる点42aが、電磁波放射面の中心からの垂直軸6に対して20度から90度までの範囲の角度をなしている。
なお、機械的構造物3は、図4(E)の43のような折れ曲げた平板(図4(F)は斜め上方から見た斜視図)等の形状でもよく、最適な構造を選択することで、所望の電磁波放射方向を得ることができる。
Further, the
The
電磁波遮断構造4は、図5(A)の断面図で示されるように、基板1上に形成された電磁波放射構造2の近傍に形成されるもので、基板1と機械的構造物3との間に設けられている。そして、電磁波遮断構造4は、導体パターン部と、全面導体部と、機械的構造物3を回転させるために必須な空隙と、からなる。
The electromagnetic
図5(A)を51の一の切片で切り取った断面図において、機械的構造物3の電磁波開口部が方形の場合の導体パターン部は、図5(B)のような形状となる。図5(B)で示される53は誘電体であり、54は誘電体面に設けられた導体パターンである。この導体パターン幅は、所望電磁波の実行波長の1/4倍であり、導体パターンの数は1個から10個までの範囲で設けられている。一方、図5(A)を51の一の切片で切り取った断面図において、機械的構造物3の電磁波開口部が円形の場合の導体パターン部は、図5(C)のような形状となる。図5(C)で示される53は誘電体であり、54は誘電体面に設けられた導体パターンである。この導体パターン幅は、所望電磁波の実行波長の1/4倍であり、導体パターンの数は1個から10個までの範囲で設けられている。
In the cross-sectional view of FIG. 5A cut by one
また、図5(A)を52の他の切片で切り取った断面図は、図5(D)または図5(E)に示す形状となる。
図5(D)の場合、機械的構造物3に全面導体部55が形成され、基板1に導体パターン部56が形成され、この全面導体部55と導体パターン部56との間の空隙により、電磁波遮断構造4が構成される。図5Eの場合、基板1上に全面導体部55が形成され、機械的構造物3に導体パターン部56が形成され、この全面導体部55と導体パターン部56との間の空隙により、電磁波遮断構造4が構成される。
5A is a shape shown in FIG. 5D or FIG. 5E. The cross-sectional view of FIG.
In the case of FIG. 5D, the
そして、この基板1と機械的構造物3とが非接触し、この非接触面は、空気または誘電体フィルムである。また、この機械的構造物3を回転させるために必須な空隙である非接触面は、空間波長の1/10から1/100までの範囲である。
なお、電磁波遮断構造4は、電磁波放射構造2の周囲に回転する機能を持つ機械的構造物3と、基板1上に固定して設けられる電磁波放射構造2との間に形成される空隙を介しての電磁波の漏れを防止する目的で設けられている構造であり、電磁波が効率よく機械的構造物103に放射されることで、無線リンク形成に最適な方向へ電磁波の指向制御が可能な機能アンテナ装置が構成できる。
The
The electromagnetic
誘電体5は、特に定まった形状に限定されるものではなく、図6(A)の61のような三角形型構造であってもよく、図6(B)の62のようなずらした積層型構造であってもよく、図6(C)の63のような電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側が2次曲線的な構造であってもよく、図6(D)の64のような、電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な構造であってもよく、図6(E)の65のような、電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側までがずらした積層型構造であってもよく、図6(F)の66のような、電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が2次曲線的な構造であってもよく、図6(G)の67のような、電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な構造であってもよく、図6(H)の68のような、電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な積層型誘電体を重ねた構造であってもよく、図6(I)のような右辺側の誘電率が小さく、左辺側の誘電率が大きい平行平板状の収束媒質であってもよい。すなわち、誘電体5は、右辺側の誘電率が小さく、左辺側の誘電率大きく、この変化の度合いが直線的に変化、または2次曲線的に変化、若しくは階段状に変化するうちのいずれかであれば、限定されない。 The dielectric 5 is not particularly limited to a fixed shape, and may have a triangular structure such as 61 in FIG. 6 (A), or a laminated type shifted as shown in 62 in FIG. 6 (B). The electromagnetic wave opening surface side as shown by 63 in FIG. 6 (C) may be a horizontal and flat surface, and the electromagnetic wave radiation structure side may be a quadratic curve structure as shown in FIG. 6 (D). The electromagnetic wave opening surface side may be a horizontal and flat surface such as 64, and the electromagnetic wave radiation structure side may be a linear structure, and the electromagnetic wave opening surface side is horizontal and flat as 65 in FIG. 6 may be a laminated structure in which the electromagnetic wave radiation structure side is shifted, and the electromagnetic wave opening surface side is a flat surface that is highly inclined and flat on the right side as indicated by 66 in FIG. The radiation structure side may be a quadratic curve structure, as shown in FIG. The electromagnetic wave opening surface side may be a flat surface inclined to the right side, such as 67, and the electromagnetic wave radiation structure side may be a linear structure. The electromagnetic wave opening surface side, such as 68 in FIG. It may be a structure in which the right side is highly inclined and flat, and the electromagnetic radiation structure side has a linear laminated dielectric, and the right side has a small dielectric constant as shown in FIG. It may be a parallel plate converging medium having a large dielectric constant on the side. That is, the dielectric 5 has a small dielectric constant on the right side and a large dielectric constant on the left side, and the degree of this change is either linearly changed, quadratic, or stepped. If it is, it will not be limited.
駆動部7は、静電気モータ、磁気モータ、超音波モータなどに限られず、機械的構造物3を電磁波放射構造2の中心を回転軸として回転させることができるものであればよい。
The
したがって、本発明に係る機能アンテナ装置を用いた無線システムは、図2に示すように、無線対象機器10からのRF信号S1が、機械的構造物3に付加された誘電体5、電磁波放射構造2を経由して受信機8に入力され、受信機8からの受信信号を信号処理部9で信号処理し、信号処理部9に制御される駆動部7によって、機械的構造物3を電磁波放射構造2の中心からの垂直軸を中心として回転させる。これによって、無線リンク形成に最適な、マルチパスによる無線伝送条件の悪化が少なく、また同時に高いC/Nを確保できる方向へ、電磁波の指向制御を行うことができる。
しかし、この方式に限定されるものではなく、図7(A)のように、無線対象機器10に付属されたLED又はレーザー等の光学素子71から無線対象機器10のRF信号S2と同じ方向へ出力されている光信号S2を、機械的構造物3と同じ方向で回転する受光素子72により光信号S2を受信することで、この光受信信号レベルが最も高くなる方向を信号処理部9で検出し、信号処理部9に制御される駆動部7によって、この光信号S2が最も高くなる方向に機械的構造物3を電磁波放射構造2の中心を軸として回転させてもよい。これによっても、無線リンク形成に最適な、マルチパスによる無線伝送条件の悪化が少なく、また同時に高いC/Nを確保できる方向へ、電磁波の指向制御を行うことができる。
また、図7(B)のように、低レートであるビーコン信号発生部73を無線対象機器10に設け、無線対象機器10のRF信号S1と同じ方向にビーコン信号S3を出力し、機械的構造物3と同じ方向で回転するビーコン受信部74によりビーコン信号S3を受信することで、ビーコン信号レベルが最も高くなる方向を信号処理部9で検出し、信号処理部9に制御される駆動部7によって、このビーコン受信信号レベルが最も高くなる方向に、機械的構造物3を電磁波放射構造2の中心を回転軸として回転させ、電磁波の指向制御を行ってもよい。すなわち、受信RF信号S1を用いた指向制御でなくても、別の指向性をもった光信号S2、ビーコン信号S3などの信号を受信および信号処理することで、電磁波の指向制御を行うことが可能である。
Therefore, as shown in FIG. 2, the radio system using the functional antenna device according to the present invention has the dielectric 5 and the electromagnetic wave radiation structure in which the RF signal S1 from the
However, the present invention is not limited to this method, and as shown in FIG. 7A, from the optical element 71 such as an LED or a laser attached to the
Further, as shown in FIG. 7B, a beacon
(第二実施例)
図8は、本発明に係る機能アンテナ装置を構成品とした、無線システムにおける第二実施例の断面図である。
(Second embodiment)
FIG. 8 is a cross-sectional view of a second embodiment of the wireless system using the functional antenna device according to the present invention as a component.
第二実施例は、図2の受信機8を図8で示される送信機または送受信機に変更することだけが異なる。第二実施例では、無線対象機器10からのRF信号S1が、機械的構造物3に付加された誘電体5、電磁波放射構造2を経由して受信機8に入力され、受信機8からの受信信号を信号処理部9で信号処理し、信号処理部9に制御される駆動部7によって、機械的構造物3を電磁波放射構造2の中心を回転軸として回転させる。これによって、無線リンク形成に最適な、マルチパスによる無線伝送条件の悪化が少なく、また同時に高いC/Nを確保できる方向へ、電磁波の指向制御を行うことができる。そして、この指向制御は、送信に関しても、アンテナの可逆作用によって同じであるため、送信信号の指向制御に関しても有効である。したがって、図2の受信機8を図8の送信機または送受信機としてもよい。
The second embodiment differs only in that the
本発明は、準ミリ波・ミリ波帯を用いた通信装置に適用でき、マルチパスによる無線伝送条件の悪化を防ぎ、高速無線伝送に必要な十分なC/Nを確保するために、高い指向性アンテナを有した無線機器同士による無線リンクを実現するのに有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a communication device using a quasi-millimeter wave / millimeter wave band, and prevents high deterioration of wireless transmission conditions due to multipath, and ensures high C / N in order to secure sufficient C / N necessary for high-speed wireless transmission This is useful for realizing a wireless link between wireless devices having a conductive antenna.
1 基板
2 電磁波放射構造
3 機械的構造物
3a 機械的構造物のα側(右辺側)
3b 機械的構造物のβ側(左辺側)
4 電磁波遮断構造
5 誘電体
6 垂直軸
7 駆動部
8 受信機
9 信号処理部
10 無線対象機器
31 パッチアンテナ31
32 スロットアンテナ構造
32a スロット
33 マルチスロットアンテナ構造
33a 開口部
33b ストリップ片
34 ボータイアンテナ
41 方形小型ホーンの形状
41a〜d 導体壁面部
42 円形小型ホーン
42a 最も導体壁面部の開口が広がる点
43 折れ曲げた平板
44 対称面
51 一の切片
52 他の切片
53 誘電体
54 誘電体面に設けられた導体パターン
55 全面導体部
56 導体パターン部
61 三角形型構造
62 積層型構造
63 電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側が2次曲線的な構造
64 電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な構造
65 電磁波開口面側が水平かつフラットな面であり、電磁波放射構造側までがずらした積層型構造
66 電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が2次曲線的な構造
67 電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な構造
68 電磁波開口面側が右辺側に高く傾きかつフラットな面であり、電磁波放射構造側が直線的な積層型誘電体を重ねた構造
71 光学素子
72 受光素子
73 ビーコン信号発生部
74 ビーコン信号受信部
101 基板
102 パッチアンテナ
103 機械的構造物
103a 機械的構造物のα側(右辺側)
103b 機械的構造物のβ側(左辺側)
104 電磁波遮断構造
105 誘電体
106 垂直軸
107 駆動部
L1 間隙(電磁波開口部)
L2 α側の機械的構造物の垂直軸側の長さ
L3 β側の機械的構造物の垂直軸側の長さ
S1 RF信号
S2 光信号
S3 ビーコン信号
θ1 α側(右辺側)の角度範囲
θ2 β側(左辺側)の角度範囲
DESCRIPTION OF
3b β side (left side) of mechanical structure
4 Electromagnetic wave blocking structure 5 Dielectric 6
32
101
103b β side (left side) of mechanical structure
104 Electromagnetic
L1 gap (electromagnetic wave opening)
L2 α side mechanical structure length on the vertical axis side L3 β side mechanical structure length on the vertical axis side S1 RF signal S2 optical signal S3 beacon signal θ1 α side (right side) angle range θ2 Angle range on the β side (left side)
Claims (9)
前記機能アンテナ装置は、単一の電磁波放射構造と、この電磁波放射構造の上に配置された回転する機械的構造物と、前記電磁波放射構造と前記機械的構造物との間に配置された電磁波遮断構造と、前記機械的構造物に付加された誘電体と、前記機械的構造物を回転させる駆動部と、からなり、
前記電磁波遮断構造は、前記電磁波放射構造の接地面と前記機械的構造物との間を非接触させるものであって、この非接触面の間隔が空間波長の1/10から1/100までの範囲であり、この非接触面が空気または誘電体フィルムであり、
前記機械的構造物は、所望電磁波の空間波長の1倍から4倍までの電磁波開口部を有し、かつ前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸に対して非対称な構造であるとともに、前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面を有する、電磁波を効率良く空間へ放射するための導体壁面部を持つものであり、
この導体壁面部の一つの対称面内における一方をα側とした場合、
このα側の導体壁面部は、前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸と0度±20度の角度をなし、長さが、所望電磁波の空間波長の0.5倍から3倍の範囲であって、
前記導体壁面部の一つの対称面内における他方をβ側とした場合、
このβ側の導体壁面部は、前記電磁波放射構造中心からの垂直軸と70度±20度の角度をなし、長さが、所望電磁波の空間波長の1倍から6倍までの範囲であり、
前記機械的構造物に付加された前記誘電体は、前記電磁波放射構造から見て、厚さが、β側において空間波長の1倍から6倍までの範囲であってα側と比較して厚く、α側において空間波長の0倍を含む0.5倍以下であってβ側と比較して薄く、この厚さの変化が緩やかな放物線構造を有することで、電磁波放射方向がβ側に傾くものであり、
前記機械的構造物が、前記電磁波遮断構造との間の非接触面にて、前記垂直軸を中心軸として前記駆動部によって回転することを特徴とする機能アンテナ装置。 In quasi-millimeter wave band or millimeter-wave band functional antenna devices,
The functional antenna device includes a single electromagnetic radiation structure, a rotating mechanical structure disposed on the electromagnetic radiation structure, and an electromagnetic wave disposed between the electromagnetic radiation structure and the mechanical structure. A blocking structure; a dielectric added to the mechanical structure; and a drive unit that rotates the mechanical structure.
The electromagnetic wave shielding structure is configured to make non-contact between the ground surface of the electromagnetic wave radiation structure and the mechanical structure, and the interval between the non-contact surfaces is 1/10 to 1/100 of a spatial wavelength. Range, this non-contact surface is air or dielectric film,
The mechanical structure has an electromagnetic wave opening of 1 to 4 times the spatial wavelength of the desired electromagnetic wave and is asymmetric with respect to a vertical axis from the center of the electromagnetic wave radiation structure. It has a conductor wall surface for efficiently radiating electromagnetic waves into space, having a single plane of symmetry including the vertical axis from the center of the radiating structure,
When one side in one symmetry plane of this conductor wall surface part is α side,
The α side conductor wall surface portion forms an angle of 0 ° ± 20 ° with the vertical axis from the center of the electromagnetic wave radiation structure, and the length is in the range of 0.5 to 3 times the spatial wavelength of the desired electromagnetic wave. There,
When the other side in one symmetry plane of the conductor wall surface portion is the β side,
The β-side conductor wall surface portion forms an angle of 70 ° ± 20 ° with the vertical axis from the center of the electromagnetic wave radiation structure, and the length ranges from 1 to 6 times the spatial wavelength of the desired electromagnetic wave,
The dielectric added to the mechanical structure has a thickness in the range of 1 to 6 times the spatial wavelength on the β side and thicker than that on the α side when viewed from the electromagnetic radiation structure. The α side has a parabolic structure that is 0.5 times or less including 0 times the spatial wavelength and thinner than the β side, and the change in thickness is gentle, so that the electromagnetic wave radiation direction is inclined toward the β side. Is,
The functional antenna device, wherein the mechanical structure is rotated by the driving unit about the vertical axis as a central axis on a non-contact surface between the mechanical structure and the electromagnetic wave shielding structure.
前記誘電体の厚さは、前記α側の厚さが薄く、前記β側の厚さが厚いが、この変化の度合いが直線的に変化、または2次曲線的に変化、若しくは階段状に変化するうちのいずれかであることを特徴とする機能アンテナ装置。 The functional antenna device according to claim 1,
The thickness of the dielectric is thin on the α side and thick on the β side, but the degree of this change changes linearly, changes in a quadratic curve, or changes stepwise. A functional antenna device, wherein
前記誘電体は、前記α側の誘電率が小さく、前記β側の誘電率が大きい平行平板状の収束媒質であることを特徴とする機能アンテナ装置。 The functional antenna device according to claim 2,
The functional antenna device, wherein the dielectric is a parallel plate-shaped converging medium having a small dielectric constant on the α side and a large dielectric constant on the β side.
前記電磁波放射構造は、スロットアンテナ構造、導体パッチ構造、平面スパイラルアンテナ構造、ボータイアンテナ構造のうちのいずれかであることを特徴とする機能アンテナ装置。 The functional antenna device according to claim 1,
The electromagnetic wave radiation structure is any one of a slot antenna structure, a conductor patch structure, a planar spiral antenna structure, and a bowtie antenna structure.
前記駆動部の回転構造は、静電気モータ、磁気的モータ、超音波モータのいずれかであることを特徴とする機能アンテナ装置。 The functional antenna device according to claim 1,
The functional antenna device according to claim 1, wherein the rotation structure of the driving unit is any one of an electrostatic motor, a magnetic motor, and an ultrasonic motor.
前記導体壁面部は、非対称方形ホーン型、非対称円形ホーン型、または非対称方形ホーン型の簡易型、非対称円形ホーン型の簡易型として前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面に沿う左右対称な前記導体壁面部の一部が省略されている形状のうちいずれかであることを特徴とする機能アンテナ装置。 The functional antenna device according to claim 1,
The conductor wall surface portion is an asymmetric square horn type, asymmetric circular horn type, a simple asymmetric square horn type, or a simple asymmetric circular horn type on a single symmetry plane including a vertical axis from the center of the electromagnetic wave radiation structure. The functional antenna device according to any one of the shapes in which a part of the symmetrical wall surfaces along the left and right sides is omitted.
前記導体壁面部は、前記電磁波放射構造の中心からの垂直軸を含む一つの対称面を持ち、この対称面に並行する前記導体壁面部が、前記電磁波放射構造中心からの垂直軸と20度から90度までの範囲をもった広がり角度をなすことを特徴とする機能アンテナ装置。 The functional antenna device according to claim 7,
The conductor wall surface portion has one symmetry plane including a vertical axis from the center of the electromagnetic wave radiation structure, and the conductor wall surface portion parallel to the symmetry plane is 20 degrees from the vertical axis from the center of the electromagnetic wave radiation structure. A functional antenna device characterized by having a spread angle with a range up to 90 degrees.
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