JP4863397B2

JP4863397B2 - Antenna device

Info

Publication number: JP4863397B2
Application number: JP2007222575A
Authority: JP
Inventors: 恭一飯草; 博司原田; 修三加藤
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2027-08-29
Also published as: JP2009055543A

Description

本発明は、平行平板状導体を用いたスロットアンテナにおいて、平行平板の間を伝わるＴＥＭ波により励振されるようなスロット形状を用いて、水平偏波の電磁波の送受ができるようにするのに好適なアンテナ装置に関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for enabling transmission / reception of horizontally polarized electromagnetic waves by using a slot shape that is excited by a TEM wave transmitted between parallel plates in a slot antenna using parallel plate conductors. The present invention relates to an antenna device.

従来から、コンピュータの拡張スロットとして、ＰＣ（Personal Computer）カード（以前は、ＰＣＭＣＩＡカードという名称で利用されていた。）が広く利用されている。このカードは、薄板形状を有し、ノート型コンピュータのほとんどでは、机や膝の上に設置されるキーボードと平行に、すなわち、ＰＣカードの上面と下面が略水平になるように、挿入される。 Conventionally, a PC (Personal Computer) card (previously used as a PCMCIA card) has been widely used as an expansion slot for computers. This card has a thin plate shape, and in most notebook computers, it is inserted in parallel with a keyboard installed on a desk or knee, that is, the upper and lower surfaces of the PC card are substantially horizontal. .

発明者らは、ＰＣカードのような薄板形状に適用できるアンテナ装置の提案を、以下の文献に開示している。
飯草恭一・原田博司、可変リアクタ装荷スロットアレーアンテナの提案とビーム走査能力の基礎検討、信学技法、ＡＰ２００６−９４、１０１頁−１０６頁、２００６年１０月、電子情報通信学会 The inventors have disclosed a proposal of an antenna device applicable to a thin plate shape such as a PC card in the following document.
Junichi Iigusa and Hiroshi Harada, Proposal of Variable Reactor-Loaded Slot Array Antenna and Basic Examination of Beam Scanning Capabilities, Communication Technology, AP2006-94, pp.101-106, October 2006, IEICE

上記文献に開示される技術では、薄板状態の形状を有する直方体の表面に導体を貼付しつつ、その直方体上面（面積が最も広い二面のうちの一方）から３つの平行な帯状の部分の導体を除去し、上面に３つの隙間（スロット）ができるようにしている。 In the technique disclosed in the above document, a conductor is applied to the surface of a rectangular parallelepiped having a thin plate shape, and three parallel strip-shaped conductors from the upper surface of the rectangular parallelepiped (one of the two surfaces having the largest area). And three gaps (slots) are formed on the upper surface.

そして、スロットの１つの対向する長辺にまたがって給電部を設けるとともに、残りの２つのスロットの対向する長辺にまたがって可変リアクタを装荷し、可変リアクタに印加するＤＣ（Direct Current）電圧を変化させることで、指向性を変化させている。 A power supply unit is provided across one opposing long side of the slot, a variable reactor is loaded across the opposing long sides of the remaining two slots, and a DC (Direct Current) voltage applied to the variable reactor is set. By changing it, the directivity is changed.

一方で、無線アドホック通信等の分野では、端末同士の間で通信を行う場合、無線同士の地面に対する高さは略等しいと考えられることから、ビームを水平面に走査できる機能が必要となる。 On the other hand, in the field of wireless ad hoc communication or the like, when communicating between terminals, the height of the wireless with respect to the ground is considered to be substantially equal, so a function capable of scanning the beam on a horizontal plane is required.

したがって、ノート型コンピュータとＰＣカードの組み合わせを上記の無線アドホック通信の端末として利用したい場合等には、薄板形状を有し、その広がり方向へのビーム走査が効率良くできる小型のアンテナ装置が強く望まれている。 Therefore, when using a combination of a notebook computer and a PC card as a terminal for the above wireless ad hoc communication, a small antenna device having a thin plate shape and capable of efficiently scanning a beam in the spreading direction is strongly desired. It is rare.

一方で、上面と下面の間を伝搬するＴＥＭ波（Transverse Electro Magnetic Wave）を用いることで、スロットを励振することで、伝送効率を高めたい、との要望もある。 On the other hand, there is also a demand for increasing transmission efficiency by exciting a slot by using a TEM wave (Transverse Electro Magnetic Wave) propagating between the upper surface and the lower surface.

本発明は、上記のような課題を解決するためのものであり、平行平板状導体を用いたスロットアンテナにおいて、平行平板の間を伝わるＴＥＭ波により励振されるようなスロット形状を用いて、水平方向に水平偏波の電磁波の送受ができるようにするのに好適なアンテナ装置を提供することを目的とする。 The present invention is to solve the above-described problems, and in a slot antenna using a parallel plate conductor, a horizontal shape is obtained by using a slot shape which is excited by a TEM wave transmitted between parallel plates. An object of the present invention is to provide an antenna device suitable for enabling transmission and reception of electromagnetic waves horizontally polarized in the direction.

以上の目的を達成するため、本発明の原理にしたがって、下記の発明を開示する。 In order to achieve the above object, the following invention is disclosed in accordance with the principle of the present invention.

本発明の第１の観点に係るアンテナ装置は、上面導体部、下面導体部、側面導体部、給電部を備え、以下のように構成する。 An antenna device according to a first aspect of the present invention includes an upper conductor portion, a lower conductor portion, a side conductor portion, and a power feeding portion, and is configured as follows.

すなわち、上面導体部は、平板状の導体からなる。 That is, the upper conductor portion is made of a flat conductor.

一方、下面導体部は、上面導体部と略同形で、上面導体部と略平行に配置される平板状の導体からなる。 On the other hand, the lower surface conductor is substantially the same shape as the upper surface conductor and is made of a flat conductor disposed substantially parallel to the upper surface conductor.

さらに、側面導体部は、上面導体部の周縁と下面導体部の周縁とに垂直に接続される帯状の導体からなる。 Further, the side conductor portion is composed of a strip-shaped conductor connected perpendicularly to the periphery of the upper surface conductor portion and the periphery of the lower surface conductor portion.

そして、給電部は、上面導体部と、下面導体部との間を進行するＴＥＭ波（Transverse Electro Magnetic Wave）を生じさせ、もしくは、これを検出する。 The power feeding unit generates or detects a TEM wave (Transverse Electro Magnetic Wave) that travels between the upper surface conductor and the lower surface conductor.

ここで、上面導体部から側面導体部を経て下面導体部に至る帯状の通信スロットが、少なくとも１つ設けられ、当該通信スロットの長手方向の経路の一部は、当該ＴＥＭ波の進行方向に交差する。 Here, at least one band-shaped communication slot extending from the upper surface conductor portion through the side surface conductor portion to the lower surface conductor portion is provided, and a part of the longitudinal path of the communication slot intersects the traveling direction of the TEM wave. To do.

また、本発明のアンテナ装置において、当該通信スロットの長手方向の経路は、上面導体部と、下面導体部と、において、当該ＴＥＭ波の進行方向に対して互いに逆向きに折れ曲がりもしくは傾斜しているように構成することができる。 Further, in the antenna device of the present invention, the longitudinal path of the communication slot is bent or inclined in directions opposite to each other with respect to the traveling direction of the TEM wave in the upper conductor portion and the lower conductor portion. It can be constituted as follows.

また、本発明のアンテナ装置において、当該通信スロットの長手方向の経路は、前記上面導体部と、前記下面導体部と、において、当該ＴＥＭ波の進行方向に対して対称な形状を有するように構成することができる。 Further, in the antenna device of the present invention, the longitudinal path of the communication slot is configured to have a symmetrical shape with respect to the traveling direction of the TEM wave in the upper surface conductor portion and the lower surface conductor portion. can do.

また、本発明のアンテナ装置において、給電部は、上面導体部もしくは下面導体部のいずれか一方に同軸ケーブルの被覆線を接続し、他方に当該同軸ケーブルの中心線を接続して、当該ＴＥＭ波を生じさせ、もしくは、これを検出するように構成することができる。 Further, in the antenna device of the present invention, the power feeding unit is configured such that either the upper surface conductor portion or the lower surface conductor portion is connected to the coated wire of the coaxial cable, and the other is connected to the center line of the coaxial cable. Or can be configured to detect this.

また、本発明のアンテナ装置において、給電部は、上面導体部もしくは下面導体部のいずれか一方に設けられた開口に導波管を接続して、当該ＴＥＭ波を生じさせ、もしくは、これを検出するように構成することができる。 Further, in the antenna device of the present invention, the power feeding unit connects the waveguide to the opening provided in either the upper surface conductor portion or the lower surface conductor portion to generate or detect the TEM wave. Can be configured to.

また、本発明のアンテナ装置において、給電部は、上面導体部もしくは下面導体部のいずれか一方に給電スロットを設け、当該給電スロットの近傍にマイクロストリップラインを配置して、当該ＴＥＭ波を生じさせ、もしくは、これを検出するように構成することができる。 Further, in the antenna device of the present invention, the power feeding portion is provided with a power feeding slot in either the upper surface conductor portion or the lower surface conductor portion, and a microstrip line is disposed in the vicinity of the power feeding slot to generate the TEM wave. Alternatively, it can be configured to detect this.

また、本発明のアンテナ装置において、給電部は、上面導体部もしくは下面導体部のいずれか一方にＣＰＷ（Couplanar Waveguide）を設けて、当該ＴＥＭ波を生じさせ、もしくは、これを検出するように構成することができる。 In the antenna device of the present invention, the power feeding unit is configured to provide a CPW (Couplanar Waveguide) on either the upper surface conductor portion or the lower surface conductor portion to generate or detect the TEM wave. can do.

また、本発明のアンテナ装置は、可変リアクタ、制御部をさらに備え、以下のように構成することができる。 The antenna device of the present invention further includes a variable reactor and a control unit, and can be configured as follows.

すなわち、当該通信スロットは複数であり、可変リアクタは、当該複数の通信スロットのいずれか少なくとも一つにおいて、当該通信スロットの長手方向の２辺において対抗する点のそれぞれの近傍に接続される。 That is, there are a plurality of communication slots, and the variable reactor is connected in the vicinity of each of opposing points on two sides in the longitudinal direction of the communication slot in at least one of the plurality of communication slots.

一方、制御部は、可変リアクタのリアクタンス値を変化させて指向性を制御する。 On the other hand, the control unit controls the directivity by changing the reactance value of the variable reactor.

また、本発明のアンテナ装置において、可変リアクタは、当該通信スロットの長手方向の経路と、当該ＴＥＭ波の進行方向と、が交差する角が直角である場所の近傍に接続されるように構成することができる。 Further, in the antenna device of the present invention, the variable reactor is configured to be connected in the vicinity of a location where the angle at which the path in the longitudinal direction of the communication slot intersects the traveling direction of the TEM wave is a right angle. be able to.

本発明によれば、平行平板状導体を用いたスロットアンテナにおいて、平行平板の間を伝わるＴＥＭ波により励振されるようなスロット形状を用いて、水平偏波の電磁波の送受ができるようにするのに好適なアンテナ装置を提供することができる。 According to the present invention, in a slot antenna using a parallel plate conductor, a horizontally polarized electromagnetic wave can be transmitted and received by using a slot shape excited by a TEM wave transmitted between parallel plates. It is possible to provide a suitable antenna device.

以下に本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する実施形態は説明のためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。したがって、当業者であればこれらの各要素もしくは全要素をこれと均等なものに置換した実施形態を採用することが可能であるが、これらの実施形態も本発明の範囲に含まれる。 An embodiment of the present invention will be described below. In addition, embodiment described below is for description and does not limit the scope of the present invention. Therefore, those skilled in the art can employ embodiments in which each or all of these elements are replaced with equivalent ones, and these embodiments are also included in the scope of the present invention.

また、以下の説明では、電磁波を放射（送信）する場合をとりあげて説明することとする。電磁波の伝搬の対称性から、電磁波を検出（受信）する場合についても、同様の議論が成立するからである。 In the following description, the case of radiating (transmitting) electromagnetic waves will be described. This is because the same argument holds when detecting (receiving) an electromagnetic wave from the symmetry of propagation of the electromagnetic wave.

図１は、本発明のアンテナ装置の動作原理を説明する説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining the operating principle of the antenna device of the present invention. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図に示すように、アンテナ装置１０１の上面導体部１０２と下面導体部１０３とは平行平板の導体であり、その側面には側面導体部１０４が配置され、これらの導体により、全体として、中空箱状導体からなる「平板状」形状をなしており、上面と下面の形状が長方形の場合には「高さが極めて低い四角柱」、上面と下面の形状が円の場合には「高さが極めて低い円柱」の形状となる。以下、上面導体部１０２と下面導体部１０３の広がり方向を「水平」とし、これに直角な方向を「垂直」と呼ぶことにする。 As shown in the figure, the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103 of the antenna device 101 are parallel plate conductors, and a side surface conductor portion 104 is disposed on the side surface thereof, and these conductors make a hollow as a whole. It has a “flat” shape made up of box-shaped conductors. When the shape of the top and bottom surfaces is rectangular, it is “a square column with a very low height.” When the shape of the top and bottom surfaces is a circle, it is “height.” The shape of the cylinder is extremely low. Hereinafter, the spreading direction of the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103 is referred to as “horizontal”, and the direction perpendicular thereto is referred to as “vertical”.

本図における中空箱状導体は直方体形状であるが、上面および下面の形状は任意であり、円形、扇型（ホーン型）など各種の形状を採用することができる。また、内部には、絶縁体等を充填しても良い。 Although the hollow box-shaped conductor in this figure has a rectangular parallelepiped shape, the shape of the upper surface and the lower surface is arbitrary, and various shapes such as a circular shape and a fan shape (horn shape) can be adopted. Further, the inside may be filled with an insulator or the like.

スロット１０５は、上面導体部１０２から側面導体部１０４を経由して下面導体部１０３に至り、中空箱状導体の開口（開孔）となっている。また、本図では、スロット１０５は１つであるが、複数とするのが典型的である。 The slot 105 extends from the upper surface conductor portion 102 to the lower surface conductor portion 103 via the side surface conductor portion 104 and is an opening (opening) of a hollow box-shaped conductor. In this figure, there is one slot 105, but a plurality of slots are typical.

このような構造は、導体板や導体箔を折り曲げたり、プレス一体整形したりこれらを組み合わせた後に、適宜不要な領域（スロット１０５に相当する領域）を除去することにより構成することもできるし、プリント配線板におけるエッチング等の技術を応用して構成することも可能である。 Such a structure can be configured by appropriately removing unnecessary regions (regions corresponding to the slots 105) after bending the conductor plate or the conductor foil, or by pressing and shaping or combining them, It is also possible to configure by applying a technique such as etching on a printed wiring board.

同軸ケーブル４０１は給電部１０６に接続され、被覆線は上面導体部１０２に、芯線は下面導体部１０３に、それぞれ接続されている。給電部１０６を源に、上面導体部１０２と下面導体部１０３との間を、ＴＥＭ波が進行する。すなわち、ＴＥＭ波の進行方向１１３は、上面導体部１０２および下面導体部１０３に平行と考えることができる。 The coaxial cable 401 is connected to the power feeding unit 106, the covered wire is connected to the upper surface conductor portion 102, and the core wire is connected to the lower surface conductor portion 103. A TEM wave travels between the upper surface conductor 102 and the lower surface conductor 103 using the power supply unit 106 as a source. That is, the traveling direction 113 of the TEM wave can be considered to be parallel to the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103.

したがって、ＴＥＭ波の電界１１１は、上面導体部１０２と下面導体部１０３との間で垂直方向になる。 Therefore, the electric field 111 of the TEM wave is in the vertical direction between the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103.

アンテナ装置１０１の周縁部、すなわち、スロット１０５の近傍では、スロット１０５の長手方向の経路に沿って励振される磁流１１２が生じる。スロット１０５の経路の全長は、小型化を考慮して、ＴＥＭ波の半波長程度からそれ以下に設計しておくのが典型的である。 In the peripheral portion of the antenna device 101, that is, in the vicinity of the slot 105, a magnetic current 112 excited along the longitudinal path of the slot 105 is generated. The total length of the path of the slot 105 is typically designed to be about half a wavelength of the TEM wave or less in consideration of miniaturization.

励起される磁流１１２の総和を考えたときに、スロット１０５の上面導体部１０２における経路と下面導体部１０３における経路がＴＥＭ波の進行方向１１３と完全に平行であると、側面導体部１０４における経路の成分のみが残ることとなるが、上面導体部１０２と下面導体部１０３の間は極めて近いため、スロット１０５のＴＥＭ波による励振はほとんど生じない。 When considering the sum of the excited magnetic currents 112, if the path in the upper surface conductor portion 102 and the path in the lower surface conductor portion 103 of the slot 105 are completely parallel to the traveling direction 113 of the TEM wave, the side conductor portion 104 Only the path component remains, but the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103 are very close to each other, so that excitation of the slot 105 by the TEM wave hardly occurs.

しかしながら、スロット１０５の上面導体部１０２における経路と下面導体部１０３における経路にＴＥＭ波の進行方向１１３と交叉する部分がある場合には、側面導体部１０４における経路の成分に加えて、当該交叉する部分の成分が残るため、スロット１０５のＴＥＭ波による励振を生じさせることができる。特に、交叉する方向が上下の面で逆になっている場合、すなわち、スロット１０５の形状がＴＥＭ波の進行方向１１３に対して上下の面で対称になっている場合には、励振される磁流の向きが強め合うことになる。 However, when there is a portion that intersects the traveling direction 113 of the TEM wave in the path in the upper surface conductor portion 102 and the path in the lower surface conductor portion 103 of the slot 105, in addition to the component of the path in the side surface conductor portion 104, the intersection is performed. Since the component of the portion remains, excitation by the TEM wave in the slot 105 can be generated. In particular, when the crossing direction is reversed on the upper and lower surfaces, that is, when the shape of the slot 105 is symmetric on the upper and lower surfaces with respect to the traveling direction 113 of the TEM wave, the excited magnetism The direction of the flow will strengthen each other.

このため、アンテナ装置１０１の外部にも電界１１４が発生して、水平偏波の放射が水平方向に発せられる。ここで、アンテナ装置１０１内部のＴＥＭ波による電界１１１は垂直方向であるが、外部の電界１１４との方向は、水平方向である。 For this reason, an electric field 114 is also generated outside the antenna device 101, and horizontally polarized radiation is emitted in the horizontal direction. Here, the electric field 111 by the TEM wave inside the antenna device 101 is in the vertical direction, but the direction with the external electric field 114 is in the horizontal direction.

本図に示す例では、スロット１０５の数は１個となっているが、スロット１０５の数は任意であり、複数にしてスロット１０５に可変リアクタを装荷し、指向性を制御できるようにすることも可能である。 In the example shown in this figure, the number of slots 105 is one, but the number of slots 105 is arbitrary, and a plurality of slots 105 are loaded with variable reactors so that directivity can be controlled. Is also possible.

以下では、各種のスロット形状について、各スロット１０５の近傍を拡大して示す図を参照しながら説明する。 Hereinafter, various slot shapes will be described with reference to the enlarged view of the vicinity of each slot 105.

図２は、側面導体部１０４に対してＴＥＭ波が垂直に進行する場合のＶ字型のスロット１０５の形状を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing the shape of the V-shaped slot 105 when the TEM wave travels perpendicular to the side conductor portion 104. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

スロット１０５は、上面導体部１０２から側面導体部１０４に対してある角度をもって交わり、側面導体部１０４を垂直に通過した後、下面導体部１０３に対してそのままその角度をもって交わる。したがって、上からスロット１０５を透かして見ると、Ｖ字形となっている。 The slot 105 intersects with a certain angle from the upper surface conductor portion 102 to the side surface conductor portion 104, and after passing through the side surface conductor portion 104 vertically, intersects with the lower surface conductor portion 103 as it is. Therefore, when viewed through the slot 105 from above, it is V-shaped.

一方、ＴＥＭ波の進行方向１１３は、側面導体部１０４に対して垂直である。したがって、スロット１０５は、上面導体部１０２と下面導体部１０３において、ＴＥＭ波の進行方向１１３と交叉する（平行でない）ことになる。また、スロット１０５が折れ曲がる方向は、上面導体部１０２と下面導体部１０３において、ＴＥＭ波の進行方向１１３を挟むように、対称に逆向きになっている。 On the other hand, the traveling direction 113 of the TEM wave is perpendicular to the side conductor portion 104. Therefore, the slot 105 intersects (not parallel to) the TEM wave traveling direction 113 in the upper conductor portion 102 and the lower conductor portion 103. Further, the direction in which the slot 105 bends is symmetrically reversed so that the TEM wave traveling direction 113 is sandwiched between the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103.

図３は、側面導体部１０４に対してＴＥＭ波が垂直に進行する場合の折り曲げ型のスロット１０５の形状を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing the shape of the folding-type slot 105 when the TEM wave travels perpendicular to the side conductor portion 104. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

スロット１０５の端部は、上面導体部１０２と、下面導体部１０３において、直角に逆向きに折れ曲がっている。したがって、スロット１０５を透かして見ると、Ｔ字形となっている。 The end portion of the slot 105 is bent at a right angle in the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103 in the opposite direction. Therefore, when the slot 105 is seen through, it is T-shaped.

一方、ＴＥＭ波の進行方向１１３は、側面導体部１０４に対して垂直である。したがって、スロット１０５は、上面導体部１０２の下面導体部１０３において、その端部がＴＥＭ波の進行方向１１３と交叉する（ほぼ直角である）ことになる。また、スロット１０５が折れ曲がる方向は、上面導体部１０２と下面導体部１０３において、ＴＥＭ波の進行方向１１３を挟むように、対称に逆向きになっている。 On the other hand, the traveling direction 113 of the TEM wave is perpendicular to the side conductor portion 104. Therefore, the end portion of the slot 105 intersects the TEM wave traveling direction 113 (substantially at a right angle) in the lower surface conductor portion 103 of the upper surface conductor portion 102. Further, the direction in which the slot 105 bends is symmetrically reversed so that the TEM wave traveling direction 113 is sandwiched between the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103.

図４は、側面導体部１０４に対してＴＥＭ波が垂直に進行する場合のγ字型のスロット１０５の形状を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing the shape of the γ-shaped slot 105 when the TEM wave travels perpendicular to the side conductor portion 104. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

スロット１０５の端部は、上面導体部１０２と、下面導体部１０３において、直角に逆向きに滑らかに曲がっている。したがって、スロット１０５を透かして見ると、γ字形となっている。 The end portion of the slot 105 is smoothly bent in a reverse direction at a right angle in the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103. Therefore, when the slot 105 is seen through, it is a γ-shape.

一方、ＴＥＭ波の進行方向１１３は、側面導体部１０４に対して垂直である。したがって、スロット１０５は、上面導体部１０２の下面導体部１０３において、ＴＥＭ波の進行方向１１３と交叉する（平行でない）ことになる。また、スロット１０５が折れ曲がる方向は、上面導体部１０２と下面導体部１０３において、ＴＥＭ波の進行方向１１３を挟むように、対称に逆向きになっている。 On the other hand, the traveling direction 113 of the TEM wave is perpendicular to the side conductor portion 104. Therefore, the slot 105 crosses the TEM wave traveling direction 113 (not parallel) in the lower surface conductor portion 103 of the upper surface conductor portion 102. Further, the direction in which the slot 105 bends is symmetrically reversed so that the TEM wave traveling direction 113 is sandwiched between the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103.

上記の例は、いずれも上面と下面とで、スロット１０５の形状が、側面導体部１０４におけるスロット１０５を通過するＴＥＭ波の進行方向１１３に対して対称な形状となっていたが、対称とする必要はない。たとえば上面と下面とで、スロットの長さや曲り具合等を変更したり、形状そのものを互いに異なるものとしても良い。たとえば、上面導体部１０２と下面導体部１０３とで、一方のスロット１０５の形状が図２〜図４のいずれかであり、他方のスロット１０５の形状がそれ以外のものである等のように、上面と下面とで形状が異なる組み合わせである。 In the above examples, the upper surface and the lower surface are both the shape of the slot 105 symmetric with respect to the traveling direction 113 of the TEM wave passing through the slot 105 in the side surface conductor portion 104. There is no need. For example, the length and bending of the slot may be changed between the upper surface and the lower surface, or the shapes themselves may be different from each other. For example, in the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103, the shape of one slot 105 is any of FIGS. 2 to 4, the shape of the other slot 105 is other than that, etc. This is a combination of different shapes on the upper and lower surfaces.

また、図２、図４の例では、スロット１０５は、側面導体部１０４に対して垂直な部分を有していたが、必ずしもこの必要はなく、ＴＥＭ波の進行方向１１３に対して交叉するような部分が存在すれば良い。 In the example of FIGS. 2 and 4, the slot 105 has a portion perpendicular to the side conductor 104, but this is not always necessary, and the slot 105 crosses the traveling direction 113 of the TEM wave. It is sufficient if there are any parts.

図５は、上面と下面とで同じ形状を有するスロット１０５を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 5 is an explanatory view showing the slot 105 having the same shape on the upper surface and the lower surface. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図（ａ）は、ＴＥＭ波の進行方向１１３が側面導体部１０４に対して垂直でない場合のスロット１０５の形状を表すものであり、スロット１０５は、側面導体部１０４に対して垂直に伸びている。したがって、ＴＥＭ波の進行方向１１３とスロット１０５とは、上面導体部１０２および下面導体部１０３において、交叉する（平行でない）ことになる。 This figure (a) shows the shape of the slot 105 when the traveling direction 113 of the TEM wave is not perpendicular to the side conductor 104, and the slot 105 extends perpendicularly to the side conductor 104. Yes. Therefore, the traveling direction 113 of the TEM wave and the slot 105 intersect (not parallel) in the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103.

本図（ｂ）は、ＴＥＭ波の進行方向１１３が側面導体部１０４に対して垂直である場合のスロット１０５の形状を表すものであり、スロット１０５は、側面導体部１０４に対して斜めに伸びている。したがって、ＴＥＭ波の進行方向１１３とスロット１０５とは、上面導体部１０２および下面導体部１０３において、交叉する（平行でない）ことになる。 This figure (b) shows the shape of the slot 105 when the traveling direction 113 of the TEM wave is perpendicular to the side conductor part 104, and the slot 105 extends obliquely with respect to the side conductor part 104. ing. Therefore, the traveling direction 113 of the TEM wave and the slot 105 intersect (not parallel) in the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103.

図６は、スロット形状の端部を曲げた方向と、放射電力パターンとの関係を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。なお、本図では、理解を容易にするため、符号を省略している。 FIG. 6 is an explanatory diagram showing the relationship between the direction in which the end portion of the slot shape is bent and the radiation power pattern. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG. In this figure, the reference numerals are omitted for easy understanding.

本図に示す放射電力パターンは、アンテナ放射指向性をモーメント法（ＩＥ３Ｄ）により計算したものであり、本図（ａ）〜（ｃ）の上段はスロット形状を表し、下段は形成される放射電力パターンを示す。各図に示されるアンテナ装置は、薄い正方形形状であり、その各辺の中点から中央に向けてスロットが４つ設けられている。 The radiated power pattern shown in this figure is obtained by calculating the antenna radiation directivity by the method of moments (IE3D), and the upper part of the figures (a) to (c) represents the slot shape, and the lower part is the radiated power formed. Indicates a pattern. The antenna device shown in each figure has a thin square shape, and four slots are provided from the midpoint of each side toward the center.

本図（ａ）は、スロットに折り曲げがない場合、本図（ｂ）は、スロット端部の折り曲げが上面と下面で同じ方向の場合、本図（ｃ）は、スロット端部の折り曲げが上面と下面で反対方向の場合を示すものである。 This figure (a) is when the slot is not bent, this figure (b) is when the slot end is bent in the same direction on the upper surface and the lower surface, this figure (c) is when the slot end is bent on the upper surface It shows the case of the opposite direction on the bottom surface.

本図（ａ）のように端部の折り曲げがない場合は、中心から外側に広がる進行波電力に対する放射電力の比τは３.４×１０^-6％であり、ほとんど放射されない。一方、本図（ｂ）のように上下で同じ向きに折り曲げると、水平方向への放射はほとんどないが、垂直方向へ放射されることが分かり、τは４.９×１０^-4％である。このほか、本図（ｃ）のように上下で逆に折り曲げると、水平方向へ電波が放射され、τも２.２％に増加する。 When the end portion is not bent as shown in the figure (a), the ratio τ of the radiated power to the traveling wave power spreading outward from the center is 3.4 × 10 ⁻⁶ %, which is hardly radiated. On the other hand, when bent up and down in the same direction as shown in this figure (b), it can be seen that there is almost no radiation in the horizontal direction but radiation in the vertical direction, and τ is 4.9 × 10 ⁻⁴ %. . In addition, if it is bent upside down as shown in the figure (c), radio waves are radiated in the horizontal direction, and τ increases to 2.2%.

本図（ｂ）（ｃ）の形状は、本願において提案されるスロット形状に相当するものであり、上記のような放射電力パターンと用途とが適合するように、適宜形状を選択することができる。 The shapes of (b) and (c) in this figure correspond to the slot shape proposed in the present application, and the shape can be appropriately selected so that the radiated power pattern as described above matches the application. .

（可変指向性アンテナ）
以下では、スロットに可変リアクタを装荷することによってアンテナ装置を指向性にする際のシミュレーション例（設計例）について、詳細に説明する。 (Variable directivity antenna)
Hereinafter, a simulation example (design example) when the antenna device is made directional by loading the variable reactor in the slot will be described in detail.

図７は、本実施形態で用いる可変リアクタの例を示す回路図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 7 is a circuit diagram showing an example of a variable reactor used in the present embodiment. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図（ａ）に示す可変リアクタ２０１は、２つのバラクタ（可変容量ダイオードあるいはバリキャップと呼ばれることもある。）３０１を逆直列に接続したものであり、制御部（図示せず）によるＤＣ電圧は、高い抵抗３０２を介して、バラクタ３０１が逆直列に接続された点に印加される。抵抗３０２は、ＤＣ電圧の制御線にＲＦ電流が流れるのを防止するためのものである。 The variable reactor 201 shown in FIG. 6A is obtained by connecting two varactors (also called variable capacitance diodes or varicaps) 301 in reverse series, and a DC voltage generated by a control unit (not shown). Is applied to the point where the varactor 301 is connected in anti-series through a high resistance 302. The resistor 302 is for preventing the RF current from flowing through the DC voltage control line.

ここで、スロット１０５の長手方向の対向する辺の導体は、ＤＣ電圧的に同じ電位であるので、バラクタ３０１を一つだけ装荷してもＤＣ電圧を印加することはできない。本図に示すように逆直列対にすることによってはじめて、ＤＣ電圧を印加することが可能となる。 Here, since the conductors on opposite sides in the longitudinal direction of the slot 105 have the same potential in terms of DC voltage, even if only one varactor 301 is loaded, the DC voltage cannot be applied. A DC voltage can be applied only when an anti-series pair is used as shown in the figure.

また、このような逆接続を利用することにより、高調波歪みを低減することができるほか、印加するＤＣ電圧に対するリアクタンス値可変幅が、単一バラクタ３０１のときの可変幅の２倍になる、という利点がある。 Further, by utilizing such reverse connection, harmonic distortion can be reduced, and the reactance value variable width with respect to the applied DC voltage is twice the variable width when the single varactor 301 is used. There is an advantage.

このほか、本図（ｂ）に示す可変リアクタ２０１のように、コンデンサ３０３とバラクタ３０１を直列接続し、抵抗３０２を介してＤＣ電圧の制御線に接続することで、形成することも可能である。また、インダクタとバラクタの組み合わせにより構成することも可能である。 In addition, as in the variable reactor 201 shown in FIG. 5B, the capacitor 303 and the varactor 301 can be connected in series and connected to the DC voltage control line via the resistor 302. . It can also be configured by a combination of an inductor and a varactor.

図８は、設計対象となるアンテナ装置の構成を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 8 is an explanatory diagram showing the configuration of the antenna device to be designed. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図に示すアンテナ装置１０１の上面導体部１０２、下面導体部１０３、側面導体部１０４は、プリント配線板をエッチング等して構成することが可能である。 The upper surface conductor portion 102, the lower surface conductor portion 103, and the side surface conductor portion 104 of the antenna device 101 shown in this figure can be configured by etching a printed wiring board.

アンテナ装置１０１の外形は、上面導体部１０２と下面導体部１０３が中心から頂点までの距離Aの正方形形状で、厚さhの薄い直方体形状をしている。各頂点を通過するようにスロット１０５が設けられている。幅Ｗのスロット１０５は、頂点から正方形の中心に向かうように長さLだけ伸びた後、直角に折れ曲がって長さsだけ伸びる。上面導体部１０２と下面導体部１０３とでは、スロット１０５の端部の折れ曲り方向は逆になっている。 The outer shape of the antenna device 101 is a square shape with a distance A from the center to the apex, with the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103 being a thin rectangular parallelepiped shape. A slot 105 is provided so as to pass through each vertex. The slot 105 having a width W extends from the apex by a length L toward the center of the square, then bends at a right angle and extends by a length s. In the upper surface conductor portion 102 and the lower surface conductor portion 103, the bending direction of the end portion of the slot 105 is reversed.

また、スロット１０５に沿って正方形の頂点から距離dだけ離れた場所で、スロット１０５を跨ぐように、可変リアクタ２０１が接続されている。 In addition, the variable reactor 201 is connected so as to straddle the slot 105 at a distance d from the square apex along the slot 105.

同軸ケーブル４０１が下面導体部１０３側から伸びていて、下面導体部１０３には被覆線が、上面導体部１０２には芯線が、それぞれ接続されている。また、整合を改善するため、半径b、幅b-aの円環スロット４０２が設けられている。 A coaxial cable 401 extends from the lower surface conductor portion 103 side, and a covered wire is connected to the lower surface conductor portion 103, and a core wire is connected to the upper surface conductor portion 102. In order to improve alignment, an annular slot 402 having a radius b and a width b-a is provided.

また、以下の設計では、動作周波数を５００ＭＨｚとする。４つの可変リアクタ２０１に印加するＤＣ電圧を変化させることで、可変リアクタ２０１のリアクタンスを変化させれば、アンテナ装置１０１の放射電力パターンが変化し、指向性等を制御することが可能である。 In the following design, the operating frequency is 500 MHz. If the reactance of the variable reactor 201 is changed by changing the DC voltages applied to the four variable reactors 201, the radiation power pattern of the antenna device 101 is changed, and the directivity and the like can be controlled.

後述するように等価ステアリングベクトルモデルを使えば、構造に依存する部分については、ＩＥ３Ｄ等によるシミュレーション計算を一度だけ計算しておけば良いが、所望の指向性等を実現する制御状態を求めるためには、さまざまなリアクタンス値の組み合わせでアンテナ特性を繰り返し計算する必要がある。 If an equivalent steering vector model is used as will be described later, a simulation calculation by IE3D or the like need only be calculated once for the part depending on the structure, but in order to obtain a control state that realizes a desired directivity or the like. Requires repeated calculation of antenna characteristics with various reactance values.

さて、X_m (m=1,…,M)に対するアンテナ特性の依存性は、等価ステアリングベクトルモデルを用いて計算することが可能である。 The dependence of antenna characteristics on X _m (m = 1,..., M) can be calculated using an equivalent steering vector model.

電界E(θ,φ)、絶対利得Ga(θ,φ)、動作利得Gw(θ,φ)、電圧定在波比vswrは次式により計算する。 The electric field E (θ, φ), absolute gain Ga (θ, φ), operating gain Gw (θ, φ), and voltage standing wave ratio vswr are calculated by the following equations.

ここで、
vsは、送信で考えた場合の給電開放電圧を、
Zsは、給電線路の特性インピーダンス（実数）を、
v_mは、m番目のポートの電圧（m=0は給電ポートを表す）を、
Mは、可変リアクタの数（ここではM=4）を、
Γは、反射係数を、
それぞれ表す。 here,
vs is the power supply opening voltage when considering transmission,
Zs is the characteristic impedance (real number) of the feed line,
v _m is the voltage of the mth port (m = 0 represents the power supply port),
M is the number of variable reactors (here M = 4),
Γ is the reflection coefficient,
Represent each.

また、特性インピーダンス５０Ωの同軸ケーブル４０１による給電線を想定し、
Zs = 50
とする。 Also, assuming a feeder line with a coaxial cable 401 having a characteristic impedance of 50Ω,
Zs = 50
And

ポート間インピーダンスZ_m,nと、等価ステアリングベクトルu^(v) _m(θ,φ)は構造パラメータであり、リアクタンス値X_mには依存しないので、一度だけ計算しておけば良い。 The inter-port impedance Z _{m, n} and the equivalent steering vector u ^(v) _m (θ, φ) are structural parameters and do not depend on the reactance value X _m , and therefore need only be calculated once.

上記のように、これらの構造パラメータはモーメント法（ＩＥ３Ｄ）を用いて解析し、５００ＭＨｚ周波数帯を想定する。ただし、構造パラメータは、波長に対するアンテナ寸法の比が同じなら、基本的に変わらない。 As described above, these structural parameters are analyzed using the method of moments (IE3D) and a 500 MHz frequency band is assumed. However, structural parameters are basically unchanged if the ratio of antenna dimensions to wavelength is the same.

一方、リアクタンス値については、
X_m = -1/ωC_m
の関係が成立するから、同じ電気容量可変幅で実現できるリアクタンス可変幅は、高周波になるほど狭くなる。すなわち、周波数の影響はリアクタンスの制御特性に表れる。 On the other hand, for the reactance value,
X _m = -1 / ωC _m
Therefore, the reactance variable width that can be realized with the same variable capacitance width becomes narrower as the frequency becomes higher. That is, the influence of frequency appears in the control characteristic of reactance.

さて、リアクタンス値とアンテナ特性との関係は、上記のようにに非線形であり、リアクタンス値制御で制限される実現可能な励振状態が限られているため、最急勾配法を用いて最適制御状態を求めることとする。なお、収束状態は初期値に依存し、局所解に落ち込む可能性があるため、アンテナ特性のリアクタンス値依存性を２次元平面の等高線グラフに表して、グローバルな最適状態であるかを確かめる。 As described above, the relationship between the reactance value and the antenna characteristic is non-linear as described above, and the feasible excitation state limited by the reactance value control is limited. Is determined. Since the convergence state depends on the initial value and may fall into a local solution, the reactance value dependence of the antenna characteristics is represented on a contour graph of a two-dimensional plane to confirm whether it is a global optimum state.

ただし、２次元平面の等高線グラフで確認できるのは、２つの座標値なので、依存性を調べたいリアクタンス値を２つ選択し、それ以外は適当な値に設定する。 However, since two coordinate values can be confirmed on the contour graph of the two-dimensional plane, two reactance values whose dependency is to be examined are selected, and other values are set to appropriate values.

具体的には、
（１）まず、最急勾配法でリアクタンス値の収束値を求め、
（２）この収束値に「それ以外」のリアクタンス値を設定し、
（３）調べたい「２つ」のリアクタンス値を座標値として、アンテナ特性の等高線表示をして、
（４）最適領域が別にある場合は、その領域内の点を初期値として最急勾配法を再度行う
という手順を繰り返すのである。 In particular,
(1) First, find the convergence value of the reactance value by the steepest gradient method,
(2) Set a reactance value of “other than that” to this convergence value,
(3) Using the two reactance values to be investigated as coordinate values, display the contour lines of the antenna characteristics,
(4) When there is another optimum region, the procedure of performing the steepest gradient method again with a point in the region as an initial value is repeated.

図９は、アンテナ装置１０１の波長λに対する寸法諸元を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 9 is an explanatory diagram showing dimensions of the antenna device 101 with respect to the wavelength λ. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

Type 1からType 5までの５種類のアンテナ寸法を考慮するが中央の同軸ケーブル４０１の芯線の太さ（２ｒ）は0.00667λである。 Although the five types of antenna dimensions from Type 1 to Type 5 are considered, the thickness (2r) of the core wire of the central coaxial cable 401 is 0.00667λ.

さて、Type 1では、可変リアクタ２０１は、正方形の頂点からスロット１０５に沿って距離d = 0.17333λだけ離れた場所に装荷されるが、これはLよりも大きいから、実際には、スロット１０５の端部の折り曲げられた部分（ＴＥＭ波の進行方向に垂直な部分）に装荷されることになる。 Now, in Type 1, the variable reactor 201 is loaded at a distance d = 0.17333λ along the slot 105 from the apex of the square, which is larger than L. It is loaded into the bent part (the part perpendicular to the traveling direction of the TEM wave) at the end.

以下では、まず、ビーム形成能力について検討する。図１０は、Type 1のアンテナ装置１０１において、スロット方向（０度）の動作利得Gwが最大になるように最急勾配法を適用した結果の、ほぼ収束状態のアンテナ特性を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 In the following, first, the beam forming ability will be examined. FIG. 10 is an explanatory diagram showing antenna characteristics in a substantially converged state as a result of applying the steepest gradient method so that the operating gain Gw in the slot direction (0 degree) is maximized in the Type 1 antenna device 101. . Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図からわかるように、整合については、vswrが１.２以下であり、動作利得が約6.5dBiであることがわかる。アンテナ直径（2A）が半波長以下であることを考えると、6.5dBiの利得は十分な値と考えられる。 As can be seen from this figure, for matching, vswr is 1.2 or less and the operating gain is about 6.5 dBi. Given that the antenna diameter (2A) is less than half a wavelength, the 6.5dBi gain is considered sufficient.

図１１は、Type 1のアンテナ装置１０１において、スロットの間方向（４５度）の絶対利得Gaが最大になるように最急勾配法を適用した結果の、ほぼ収束状態のアンテナ特性を示す説明図であり、図１２は、この場合の絶対利得パターンを示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 11 is an explanatory diagram showing antenna characteristics in a substantially converged state as a result of applying the steepest gradient method so that the absolute gain Ga in the inter-slot direction (45 degrees) is maximized in the Type 1 antenna device 101. FIG. 12 is an explanatory diagram showing an absolute gain pattern in this case. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図からわかるように、絶対利得は約3.5dBiにとどまっていることから、スロット間方向にビームは形成しにくいことが分かる。 As can be seen from this figure, since the absolute gain is only about 3.5 dBi, it can be seen that it is difficult to form a beam in the inter-slot direction.

一方、各スロット方向にビームを形成すれば、整合回路がなくても、約6.5dBiのビームを走査できることが分かる。 On the other hand, if a beam is formed in each slot direction, it can be seen that a beam of about 6.5 dBi can be scanned without a matching circuit.

また、スロット数を増やせば、より細かいステップでビームを走査できると考えられる。 Further, if the number of slots is increased, the beam can be scanned in finer steps.

利得6.5dBiは、既存の７素子エスパアンテナの利得にほぼ等しいが、その体積は約9.4％に小型化することができ、地板を必要としないので、既存の小径エスパアンテナに比べても、小型化が可能である。 The gain of 6.5dBi is almost equal to the gain of the existing 7-element ESPAR antenna, but its volume can be reduced to about 9.4% and no ground plane is required, so it is smaller than the existing small-diameter ESPAR antenna. Is possible.

次に、周波数特性について検討を加える。周波数特性は可変リアクタ２０１の回路構成に依存する。以下では、インダクタとバラクタの直列接続性で構成する場合を考える。 Next, frequency characteristics are examined. The frequency characteristic depends on the circuit configuration of the variable reactor 201. Below, the case where it comprises with the serial connection property of an inductor and a varactor is considered.

可変リアクタ２０１は、500MHzでの固定インダクタンス値を113nHとし、４つの可変リアクタ２０１の可変電気容量の値を、順に0.748pF，0.9pF，0.828pF，9pFとする。図１３は、この場合のアンテナ装置１０１の周波数特性を示す説明図であり、図１４は、この場合のアンテナ装置１０１の動作利得の変化を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 In the variable reactor 201, the fixed inductance value at 500 MHz is 113 nH, and the variable electric capacitance values of the four variable reactors 201 are 0.748 pF, 0.9 pF, 0.828 pF, and 9 pF in this order. FIG. 13 is an explanatory diagram showing the frequency characteristics of the antenna device 101 in this case, and FIG. 14 is an explanatory diagram showing changes in the operating gain of the antenna device 101 in this case. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図からわかるように、２％の比帯域で、vswrの整合は、ほぼ２以下、動作利得は、5dBi以上の性能が確保されている。 As can be seen from the figure, the performance of vswr is almost 2 or less and the operation gain is 5 dBi or more in a 2% ratio band.

比帯域の特性に関しては、たとえば5GHzで固定インダクタンス値11.3nHとし、可変電気容量の値を順に0.0748pF，0.9pF，0.0828pF，0.9pFと（周波数がa倍になると、固定インダクタンス値および可変電気容量が1/a倍になるように）設計すれば、周波数によらず、上記と同じ特性が得られる。 As for the characteristics of the ratio band, for example, the fixed inductance value is 11.3 nH at 5 GHz, and the variable capacitance values are 0.0748pF, 0.9pF, 0.0828pF, 0.9pF in this order (when the frequency is multiplied by a, the fixed inductance value and the variable electrical value) If designed so that the capacitance is 1 / a times, the same characteristics as above can be obtained regardless of the frequency.

ついで、アンテナ装置の基本的な構造依存性を調べる。まず、スロット１０５の太さに対する依存性について検討するため、電圧定在波比vswrと、水平面内における最大絶対利得Ga(θ,φ)の、リアクタンス値X₁とX₃依存性を示す等高線図を考える。 Next, the basic structural dependence of the antenna device is examined. First, to examine the dependency on the thickness of the slot 105, contour plots showing the voltage standing wave ratio vswr, maximum absolute gain Ga in the horizontal plane of the (theta, phi), the reactance X ₁ and X ₃ dependent think of.

X₂、X₄は、最急勾配法で0度方向の動作利得を最大化した収束リアクタンス値により決めるが、実際の収束リアクタンス値のX₂とX₄は等しくないため、両者の平均をとって、X₂ = X₄として、固定している。 X ₂ and X ₄ are determined by the convergent reactance value that maximizes the operating gain in the 0 degree direction by the steepest gradient method, but the actual convergent reactance values X ₂ and X ₄ are not equal. X ₂ = X ₄ is fixed.

図１５は、Type 1で、X₂ = X₄ = 320Ωとした場合のアンテナ特性を示す等高線図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 15 is a contour map showing antenna characteristics when Type 1 and X ₂ = X ₄ = 320Ω. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図を見ると、整合の良いリアクタンス領域と、高い指向性利得のとれるリアクタンス領域と、が一致していることが分かる。これにより、整合回路を用いなくても、良い動作利得を得ることができる。 As can be seen from the figure, the well-matched reactance region and the reactance region having high directivity gain coincide. As a result, a good operating gain can be obtained without using a matching circuit.

図１６は、スロット１０５の太さを２倍にしたType 2で、X₂ = X₄ = 140Ωとした場合のアンテナ特性を示す等高線図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 16 is a contour diagram showing antenna characteristics when Type 2 is obtained by doubling the thickness of the slot 105 and X ₂ = X ₄ = 140Ω. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

Type 1とType 2を比較すると、スロット１０５の太さ、すなわち、ストット開口が２倍に変化しても、整合や指向性に大きな変化はないことが分かる。 Comparing Type 1 and Type 2, it can be seen that there is no significant change in alignment and directivity even when the thickness of the slot 105, that is, the stot opening changes twice.

また、スロット１０５を太くすると、一般に、等高線で囲まれるリアクタンス領域が、狭くなる傾向があることが分かる。 Further, it can be seen that when the slot 105 is thickened, the reactance region surrounded by the contour lines generally tends to be narrowed.

次に、可変リアクタ２０１の装荷位置に対する依存性について検討する。図１７は、正方形の頂点からスロット１０５に沿って可変リアクタ２０１の装荷場所に至るまでの距離dを、0.08333λと小さくしたType 3のアンテナ特性を示す等高線図である。なお、X₂ = X₄ = 2230Ωとしている。以下、本図を参照して説明する。 Next, the dependency of the variable reactor 201 on the loading position will be examined. FIG. 17 is a contour diagram showing Type 3 antenna characteristics in which the distance d from the apex of the square to the loading location of the variable reactor 201 along the slot 105 is reduced to 0.08333λ. Note that X ₂ = X ₄ = 2230Ω. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

Type 1は、スロット１０５の端部の折り曲げた先（ＴＥＭ波の進行方向１１３と交叉する部分）に可変リアクタ２０１が装荷されているのに対し、Type 3は、スロット１０５のＴＥＭ波の進行方向１１３と平行な部分に可変リアクタ２０１を装荷したものである。 In Type 1, the variable reactor 201 is loaded at the end of the slot 105 where it is bent (the portion intersecting the TEM wave traveling direction 113), whereas in Type 3, the TEM wave traveling direction in the slot 105 is loaded. The variable reactor 201 is loaded in a portion parallel to 113.

本図を見ると、Type 1に比べて、同じ等高線を示すリアクタンス値の範囲が約２倍に広くなっていることがわかる。 From this figure, it can be seen that the range of reactance values showing the same contour line is about twice as wide as Type 1.

したがって、可変リアクタの装荷点のオフセットを適切に設定すれば、制御に必要なリアクタンス可変範囲を小さくすることができるのである。 Therefore, if the offset of the loading point of the variable reactor is appropriately set, the reactance variable range necessary for control can be reduced.

さらに、スロット１０５の長さに対する依存性を検討する。図１８は、Type 3のスロット１０５に対して、0.01667λだけ短いスロット１０５を有するType 4のアンテナ特性を示す等高線図である。なお、X₂ = X₄ = 1920Ωとしている。以下、本図を参照して説明する。 Further, the dependency on the length of the slot 105 is examined. FIG. 18 is a contour map showing Type 4 antenna characteristics having a slot 105 shorter by 0.01667λ than a Type 3 slot 105. Note that X ₂ = X ₄ = 1920Ω. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図を見ると、リアクタンス範囲は、Type 3に比べてさらに２倍に広くなっている一方で、最大絶対利得が約5dBiに低下し、整合もｖｓｗｒが２以下の領域がなくなっている。整合の良い領域と、指向性の良い領域がずれるため、動作利得も最適な約2.4dBiにとどまる。 As can be seen from the figure, the reactance range is further doubled compared to Type 3, while the maximum absolute gain is reduced to about 5 dBi, and the matching has no region where vswr is 2 or less. Since the region with good matching and the region with good directivity are deviated, the operation gain remains at about 2.4 dBi which is optimum.

したがって、スロット１０５の長さの調整が設計の上で重要であることが分かる。 Therefore, it can be seen that the adjustment of the length of the slot 105 is important in the design.

次に、円環スロットの有無による影響について知らべる。図１９は、Type 1が有する円環スロット４０２を削除したType 5のアンテナ特性を示す等高線図である。なお、X₂ = X₄ = 1290Ωとした。以下、本図を参照して説明する。 Next, we can learn about the effect of the presence or absence of an annular slot. FIG. 19 is a contour diagram showing the antenna characteristics of Type 5 from which the circular slot 402 of Type 1 is deleted. Note that X ₂ = X ₄ = 1290Ω. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図を見ながらType 1と比べると、指向性の影響はほとんどないが、整合のとれる領域が狭くなっていることが分かる。また、別のアンテナ寸法では、円環スロットの有無による整合特性の変化がより顕著であることがわかっている。 Compared with Type 1 while looking at this figure, there is almost no influence of directivity, but it can be seen that the matching area is narrow. Further, it has been found that, with other antenna dimensions, the change in matching characteristics due to the presence or absence of an annular slot is more remarkable.

また、円環スロットの内径aと外径bの調整により整合を改善することができる。 Further, the alignment can be improved by adjusting the inner diameter a and the outer diameter b of the annular slot.

（給電部の構成）
上記実施形態では、下面導体部１０３に同軸ケーブル４０１の太さと同じ太さの開口を設け、その開口の縁に同軸ケーブル４０１の被覆線を接続するとともに、開口を通過して同軸ケーブル４０１の芯線を上面導体部１０２に接続することとしていたが、このほかにも、種々の接続手法が考えられる。以下では、種々の手法を図とともに説明するが、理解を容易にするため、各図では、大きさを誇張して表現している。 (Configuration of the power feeding unit)
In the above embodiment, an opening having the same thickness as that of the coaxial cable 401 is provided in the lower conductor portion 103, and the coated wire of the coaxial cable 401 is connected to the edge of the opening, and the core wire of the coaxial cable 401 passes through the opening. However, in addition to this, various connection methods are conceivable. In the following, various methods will be described with reference to the drawings. In order to facilitate understanding, the sizes are exaggerated in the respective drawings.

第１の手法は、導波管を用いる手法である。図２０は、導波管を用いて給電を行う様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 The first method is a method using a waveguide. FIG. 20 is an explanatory diagram illustrating a state where power is supplied using a waveguide. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図の例では、上面導体部１０２の中央に四角の開口を設け、ここに、四角の断面を持つ導波管４５１を接続して、導波管４５１を介して、電磁波を送受する。 In the example of this figure, a square opening is provided in the center of the upper conductor portion 102, and a waveguide 451 having a square cross section is connected to this, and electromagnetic waves are transmitted and received through the waveguide 451.

第２の手法は、スロット給電を用いる手法である。図２１は、スロット給電を用いて給電を行う様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 The second method is a method using slot feeding. FIG. 21 is an explanatory diagram showing a state in which power feeding is performed using slot power feeding. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図の例では、上面導体部１０２の中央に細長いスロット４５２が設けられている。電磁波の送受に用いるスロット１０５が「通信スロット」であるのに対して、スロット４５２は「給電スロット」である。 In the example of this figure, an elongated slot 452 is provided at the center of the upper conductor portion 102. The slot 105 used for transmission / reception of electromagnetic waves is a “communication slot”, whereas the slot 452 is a “feed slot”.

そして、スロット４５２から微小に離間した位置に、細長いＵ字型のマイクロストリップライン４５３が配置されている。両者の間には、絶縁体薄膜などが配置されるのが典型的である。 An elongated U-shaped microstrip line 453 is disposed at a position slightly separated from the slot 452. An insulator thin film or the like is typically disposed between the two.

マイクロストリップライン４５３は、一つの回路をなしているため、これを用いて給電スロット４５２からＴＥＭ波を引き出したり、給電スロット４５２内へＴＥＭ波を送り込んだりすることができる。 Since the microstrip line 453 forms a single circuit, it can be used to draw a TEM wave from the feed slot 452 or send a TEM wave into the feed slot 452.

このほか、マイクロストリップライン４５３として、上記のようなＵ字形の線を引き回すのではなく、たとえばベロ状の形状の導体を配置することとしても良い。これは、ＣＰＷ（CoPlanar Waveguide）を用いる手法と類似している。 In addition, as the microstrip line 453, for example, a bell-shaped conductor may be arranged instead of drawing the U-shaped line as described above. This is similar to the method using CPW (CoPlanar Waveguide).

図２２は、ＣＰＷを設けて給電を行う様子を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。 FIG. 22 is an explanatory diagram showing a state where power is supplied by providing a CPW. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

本図の例では、上面導体部１０２の一部を、幅あるＴ字型の周囲を辿るように帯状に除去して、ＣＰＷ４５４を形成している。そして、ＣＰＷ４５４の経路方向に沿って電磁波を送受することによって、ＴＥＭ波の引き出し、送り込みができるようにするのである。なお、ＣＰＷ４５４の形状は、この例に限られない。 In the example of this figure, a part of the upper surface conductor portion 102 is removed in a strip shape so as to follow the periphery of the wide T-shape to form the CPW 454. Then, by transmitting and receiving electromagnetic waves along the path direction of CPW 454, TEM waves can be drawn out and sent. Note that the shape of the CPW 454 is not limited to this example.

このように、種々の給電手法を採用することができる。 As described above, various power feeding methods can be employed.

以上説明したように、本発明によれば、平行平板状導体を用いたスロットアンテナにおいて、平行平板の間を伝わるＴＥＭ波により励振されるようなスロット形状を用いて、水平偏波の電磁波の送受ができるようにするのに好適なアンテナ装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, in a slot antenna using a parallel plate conductor, a horizontally polarized electromagnetic wave is transmitted and received using a slot shape excited by a TEM wave transmitted between parallel plates. It is possible to provide an antenna device suitable for making it possible.

本発明のアンテナ装置の動作原理を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the operating principle of the antenna apparatus of this invention. 側面導体部に対してＴＥＭ波が垂直に進行する場合のＶ字型のスロットの形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the shape of a V-shaped slot when a TEM wave advances perpendicularly | vertically with respect to a side conductor part. 側面導体部に対してＴＥＭ波が垂直に進行する場合の折り曲げ型のスロットの形状を示す説明図である。以下、本図を参照して説明する。It is explanatory drawing which shows the shape of a bending type slot when a TEM wave advances perpendicularly | vertically with respect to a side conductor part. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG. 側面導体部に対してＴＥＭ波が垂直に進行する場合のγ字型のスロットの形状を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the shape of a gamma-shaped slot when a TEM wave advances perpendicularly | vertically with respect to a side conductor part. 上面と下面とで同じ形状を有するスロットを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the slot which has the same shape by the upper surface and a lower surface. スロット形状の端部を曲げた方向と、放射電力パターンとの関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the direction which bent the edge part of the slot shape, and a radiation power pattern. 本実施形態で用いる可変リアクタの例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example of the variable reactor used by this embodiment. 設計対象となるアンテナ装置の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the antenna apparatus used as design object. アンテナ装置の波長λに対する寸法諸元を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the dimension specification with respect to wavelength (lambda) of an antenna apparatus. Type 1のアンテナ装置において、スロット方向（０度）の動作利得Gwが最大になるように最急勾配法を適用した結果の、ほぼ収束状態のアンテナ特性を示す説明図である。In the Type 1 antenna apparatus, it is explanatory drawing which shows the antenna characteristic of a substantially convergence state as a result of applying the steepest gradient method so that the operation gain Gw of a slot direction (0 degree) may become the maximum. Type 1のアンテナ装置において、スロットの間方向（４５度）の絶対利得Gaが最大になるように最急勾配法を適用した結果の、ほぼ収束状態のアンテナ特性を示す説明図である。In the Type 1 antenna device, it is an explanatory diagram showing antenna characteristics in a substantially converged state as a result of applying the steepest gradient method so that the absolute gain Ga in the slot direction (45 degrees) is maximized. 絶対利得パターンを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an absolute gain pattern. アンテナ装置の周波数特性を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the frequency characteristic of an antenna apparatus. アンテナ装置の動作利得の変化を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the change of the operational gain of an antenna apparatus. Type 1のアンテナ特性を示す等高線図である。It is a contour map showing the antenna characteristics of Type 1. Type 2のアンテナ特性を示す等高線図である。FIG. 4 is a contour map showing Type 2 antenna characteristics. Type 3のアンテナ特性を示す等高線図である。It is a contour map which shows the antenna characteristic of Type 3. Type 4のアンテナ特性を示す等高線図である。It is a contour map which shows the antenna characteristic of Type 4. Type 5のアンテナ特性を示す等高線図である。FIG. 5 is a contour map showing Type 5 antenna characteristics. 導波管を用いて給電を行う様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that electric power feeding is performed using a waveguide. スロット給電を用いて給電を行う様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that electric power feeding is performed using slot electric power feeding. ＣＰＷを用いて給電を行う様子を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a mode that electric power feeding is performed using CPW.

Explanation of symbols

１０１アンテナ装置
１０２上面導体部
１０３下面導体部
１０４側面導体部
１０５スロット（通信スロット）
１０６給電部
１１１ＴＥＭ波の電界
１１２励振される磁流
１１３ＴＥＭ波の進行方向
１１４外部の電界
２０１可変リアクタ
３０１バラクタ
３０２抵抗
３０３コンデンサ
４０１同軸ケーブル
４０２円環スロット
４５２スロット（給電スロット）
４５３マイクロストリップライン
４５４ＣＰＷ 101 Antenna Device 102 Upper Conductor 103 Lower Conductor 104 Side Conductor 105 Slot (Communication Slot)
106 Feeding Unit 111 Electric Field of TEM Wave 112 Excited Magnetic Current 113 Direction of Travel of TEM Wave 114 External Electric Field 201 Variable Reactor 301 Varactor 302 Resistance 303 Capacitor 401 Coaxial Cable 402 Circular Slot 452 Slot (Feeding Slot)
453 Microstrip line 454 CPW

Claims

An upper surface conductor made of a flat conductor,
The lower surface conductor portion, which is substantially the same shape as the upper surface conductor portion, is composed of a flat plate-like conductor disposed substantially parallel to the upper surface conductor portion
A side conductor portion comprising a strip-like conductor connected perpendicularly to the periphery of the upper surface conductor portion and the periphery of the lower surface conductor portion;
A TEM wave (Transverse Electro Magnetic Wave) that travels between the upper surface conductor portion and the lower surface conductor portion is generated or provided with a power feeding unit that detects this,
At least one band-shaped communication slot extending from the upper surface conductor portion through the side surface conductor portion to the lower surface conductor portion is provided,
A part of the longitudinal path of the communication slot intersects the traveling direction of the TEM wave.

The antenna device according to claim 1,
The longitudinal path of the communication slot is bent or inclined in opposite directions with respect to the traveling direction of the TEM wave in the upper surface conductor portion and the lower surface conductor portion. .

The antenna device according to claim 2, wherein
A path in the longitudinal direction of the communication slot has a symmetrical shape with respect to the traveling direction of the TEM wave in the upper surface conductor portion and the lower surface conductor portion.

The antenna device according to any one of claims 1 to 3,
The power feeding part connects a coated wire of a coaxial cable to either the upper surface conductor part or the lower surface conductor part, and connects the center line of the coaxial cable to the other to generate the TEM wave, or An antenna device characterized by detecting this.

The antenna device according to any one of claims 1 to 3,
The power feeding section connects a waveguide to an opening provided in either the upper surface conductor section or the lower surface conductor section, and generates or detects the TEM wave. Antenna device.

The antenna device according to any one of claims 1 to 3,
The power supply section is provided with a power supply slot in either the upper surface conductor section or the lower surface conductor section, and a microstrip line is disposed in the vicinity of the power supply slot to generate the TEM wave or detect this An antenna device characterized by:

The antenna device according to any one of claims 1 to 3,
The antenna device is characterized in that a CPW (CoPlanar Waveguide) is provided on either the upper surface conductor portion or the lower surface conductor portion to generate or detect the TEM wave.

The antenna device according to any one of claims 1 to 7,
There are a plurality of the communication slots, and in at least one of the plurality of communication slots, a variable reactor connected in the vicinity of each of opposing points on two sides in the longitudinal direction of the communication slot,
An antenna device, further comprising: a control unit that controls directivity by changing a reactance value of the variable reactor.

The antenna device according to claim 8, wherein
The variable reactor is connected in the vicinity of a place where an angle at which the path in the longitudinal direction of the communication slot intersects the traveling direction of the TEM wave is a right angle.