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技術 アンテナ素子、アレーアンテナ及び平面アンテナ

出願人 日本無線株式会社
発明者 菅野真行
出願日 2016年2月12日 (4年9ヶ月経過) 出願番号 2016-024881
公開日 2017年8月17日 (3年3ヶ月経過) 公開番号 2017-143474
状態 特許登録済
技術分野 可変指向性アンテナ、アンテナ配列 アンテナの細部 導波管型アンテナ
主要キーワード 任意角 共振波 電磁結合度 電力反射 パッチアレーアンテナ 広帯域用 ダイポールアレー 地板導体
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年8月17日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (9)

課題

本発明は、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することを目的とする。

解決手段

本発明は、誘電体基板11に形成されるアンテナ素子1であって、誘電体基板11の一方の表面に形成される地板導体12と、誘電体基板11の他方の表面に形成される給電線路13と、給電線路13の給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する反射抑圧部14と、給電線路13及び反射抑圧部14の表面に形成される電磁結合層15と、アンテナ素子1の積層方向から見て給電線路13及び反射抑圧部14と一部が重なり合い、電磁結合層15を介して給電線路13及び反射抑圧部14と電磁結合するアンテナ素子導体16と、を備えることを特徴とするアンテナ素子1である。

概要

背景

以下に掲げる特許文献1及び非特許文献1は、それぞれ、ダイポールアレーアンテナ及びパッチアレーアンテナについて開示している。各ダイポール素子又は各パッチ素子は、給電線路に対して直接結合又は電磁結合によって結合されている。

概要

本発明は、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することを目的とする。本発明は、誘電体基板11に形成されるアンテナ素子1であって、誘電体基板11の一方の表面に形成される地板導体12と、誘電体基板11の他方の表面に形成される給電線路13と、給電線路13の給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する反射抑圧部14と、給電線路13及び反射抑圧部14の表面に形成される電磁結合層15と、アンテナ素子1の積層方向から見て給電線路13及び反射抑圧部14と一部が重なり合い、電磁結合層15を介して給電線路13及び反射抑圧部14と電磁結合するアンテナ素子導体16と、を備えることを特徴とするアンテナ素子1である。

目的

本発明は、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

誘電体基板に形成されるアンテナ素子であって、前記誘電体基板の一方の表面に形成される地板導体と、前記誘電体基板の他方の表面に形成される給電線路と、前記給電線路の給電方向と反対方向の電力反射抑圧する反射抑圧部と、前記給電線路及び前記反射抑圧部の表面に形成される電磁結合層と、前記アンテナ素子の積層方向から見て前記給電線路と一部が重なり合い、前記電磁結合層を介して前記給電線路と電磁結合するアンテナ素子導体と、を備えることを特徴とするアンテナ素子。

請求項2

前記アンテナ素子導体は、前記アンテナ素子の積層方向から見て前記反射抑圧部と一部が重なり合い、前記電磁結合層を介して前記反射抑圧部と電磁結合し、前記反射抑圧部は、前記アンテナ素子導体との電磁結合度を調整する、ことを特徴とする、請求項1に記載のアンテナ素子。

請求項3

前記アンテナ素子導体の表面に形成される誘電体層、をさらに備えることを特徴とする、請求項1又は2に記載のアンテナ素子。

請求項4

請求項1から3のいずれかに記載のアンテナ素子が直線状に配置され、単一の前記誘電体基板、前記地板導体及び前記電磁結合層が、複数の前記反射抑圧部及び前記アンテナ素子導体により共有されることを特徴とするアレーアンテナ

請求項5

請求項1から3のいずれかに記載のアンテナ素子が格子状に配置され、単一の前記誘電体基板、前記地板導体及び前記電磁結合層が、複数の前記反射抑圧部及び前記アンテナ素子導体により共有されることを特徴とする平面アンテナ

技術分野

0001

本発明は、高放射効率及び広角指向性を有するアンテナ素子、並びに、グレーティングローブ抑圧するアレーアンテナ及び平面アンテナに関する。

背景技術

0002

以下に掲げる特許文献1及び非特許文献1は、それぞれ、ダイポールアレーアンテナ及びパッチアレーアンテナについて開示している。各ダイポール素子又は各パッチ素子は、給電線路に対して直接結合又は電磁結合によって結合されている。

0003

特許第3306592号明細書

先行技術

0004

羽石 操著、「最新平面アンテナ技術」、総合技術センター、1993年1月、pp.353〜354.

発明が解決しようとする課題

0005

以上に掲げた特許文献1及び非特許文献1は、それぞれ、ダイポールアレーアンテナ及びパッチアレーアンテナについて、以下に示す課題を追及する余地を残していると考えられる:(1)アンテナ素子の放射効率の設計自由度の向上、(2)アンテナ素子の広角指向性の向上、(3)アレーアンテナのグレーティングローブの抑圧。

0006

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上記目的を達成するために、アンテナ素子導体が、アンテナ素子の積層方向から見て給電線路と一部が重なり合い、電磁結合層を介して給電線路と電磁結合するようにした。そして、反射抑圧部が、給電線路の給電方向と反対方向の電力反射を抑圧するようにした。

0008

具体的には、本発明は、誘電体基板に形成されるアンテナ素子であって、前記誘電体基板の一方の表面に形成される地板導体と、前記誘電体基板の他方の表面に形成される給電線路と、前記給電線路の給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する反射抑圧部と、前記給電線路及び前記反射抑圧部の表面に形成される電磁結合層と、前記アンテナ素子の積層方向から見て前記給電線路と一部が重なり合い、前記電磁結合層を介して前記給電線路と電磁結合するアンテナ素子導体と、を備えることを特徴とするアンテナ素子である。

0009

この構成によれば、給電方向と垂直方向にアンテナ素子の大きさを小さくすることができ、給電方向と垂直方向にアレーアンテナ及び平面アンテナの素子間隔を小さくすることができる。よって、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。そして、アレーアンテナの全アンテナ素子が同相励振されるときでも、アレーアンテナの全アンテナ素子からの同相での反射が起きにくいため、この周波数において、反射ロスを小さくすることができ、正面方向に放射を起こすことができる。

0010

また、本発明は、前記アンテナ素子導体は、前記アンテナ素子の積層方向から見て前記反射抑圧部と一部が重なり合い、前記電磁結合層を介して前記反射抑圧部と電磁結合し、前記反射抑圧部は、前記アンテナ素子導体との電磁結合度を調整する、ことを特徴とするアンテナ素子である。

0011

この構成によれば、アンテナ素子からの反射量を調整するのみならず、アンテナ素子からの放射量を調整するにあたり、給電線路及びアンテナ素子導体のサイズ及び位置を調整パラメータとするのみならず、反射抑圧部のサイズ及び位置を調整パラメータとすることができる。よって、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上を実現することができる。

0012

また、本発明は、前記アンテナ素子導体の表面に形成される誘電体層、をさらに備えることを特徴とするアンテナ素子である。

0013

この構成によれば、誘電体層をアンテナ素子導体の表面に形成する場合では、誘電体層をアンテナ素子導体の表面に形成しない場合より、アンテナ素子導体の周囲の環境での実効誘電率が高くなる。よって、アンテナ素子導体の大きさを小さくすることができ、アンテナ素子における広角指向性の更なる向上を実現することができる。そして、給電方向と垂直方向にアレーアンテナ及び平面アンテナの素子間隔を小さくすることができ、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。

0014

また、本発明は、上記のアンテナ素子が直線状に配置され、単一の前記誘電体基板、前記地板導体及び前記電磁結合層が、複数の前記反射抑圧部及び前記アンテナ素子導体により共有されることを特徴とするアレーアンテナである。

0015

この構成によれば、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、アレーアンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。特に、後述する中央給電進行波型アレーアンテナにおいて、有利な効果を奏する。

0016

また、本発明は、上記のアンテナ素子が格子状に配置され、単一の前記誘電体基板、前記地板導体及び前記電磁結合層が、複数の前記反射抑圧部及び前記アンテナ素子導体により共有されることを特徴とする平面アンテナである。

0017

この構成によれば、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。特に、後述する中央給電進行波型平面アンテナにおいて、有利な効果を奏する。

発明の効果

0018

このように、本発明は、アンテナ素子における放射効率の設計自由度の更なる向上及び広角指向性の更なる向上を実現したうえで、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。

図面の簡単な説明

0019

第1実施形態のアンテナ素子の構成を示す図である。
第2実施形態のアンテナ素子の構成を示す図である。
第2実施形態のアンテナ素子の寸法を示す図である。
第2実施形態のアンテナ素子の放射効率を示す図である。
第3実施形態のアンテナ素子の構成を示す図である。
第4実施形態のアレーアンテナの構成を示す図である。
第4実施形態の平面アンテナの構成を示す図である。
第4実施形態の平面アンテナの構成を示す図である。

実施例

0020

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。

0021

(第1実施形態)
第1実施形態のアンテナ素子の構成を図1に示す。図1上段及び下段は、それぞれ、平面図(アンテナ素子1の積層方向から見た図)及び側面図(給電線路13の給電方向から見た図)を示す。アンテナ素子1は、誘電体基板11、地板導体12、給電線路13、反射抑圧部14、電磁結合層15及びアンテナ素子導体16から構成される。

0022

誘電体基板11は、アンテナ素子1を形成される。地板導体12は、誘電体基板11の一方の表面に形成される。給電線路13は、誘電体基板11の他方の表面に形成される。

0023

反射抑圧部14は、給電線路13の給電方向と反対方向の電力反射を抑圧する。第1実施形態では、反射抑圧部14は、給電線路13に形成されたスタブである。変形例として、反射抑圧部14は、給電線路13に形成された切欠きでもよい。

0024

電磁結合層15は、給電線路13及び反射抑圧部14の表面に形成される。アンテナ素子導体16は、アンテナ素子1の積層方向から見て給電線路13と一部が重なり合い、電磁結合層15を介して給電線路13と電磁結合する。第1実施形態では、アンテナ素子導体16は、給電線路13の給電方向に対して45度だけ傾いたダイポール素子導体である。変形例として、アンテナ素子導体16は、給電線路13の給電方向に対して任意角だけ傾いたダイポール素子導体でもよく、パッチ素子導体でもよい。

0025

このように、給電方向と垂直方向にアンテナ素子1の大きさを小さくすることができ、給電方向と垂直方向にアレーアンテナ(図6)及び平面アンテナ(図7、8)の素子間隔を小さくすることができる。よって、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。

0026

そして、アレーアンテナ(図6)の全アンテナ素子1が同相で励振されるときでも、アレーアンテナの全アンテナ素子1からの同相での反射が起きにくいため、この周波数において、反射ロスを小さくすることができ、正面方向に放射を起こすことができる。

0027

(第2実施形態)
第2実施形態のアンテナ素子の構成を図2に示す。第2実施形態では、第1実施形態に加えて、アンテナ素子導体16は、アンテナ素子1の積層方向から見て反射抑圧部14と一部が重なり合い、電磁結合層15を介して反射抑圧部14と電磁結合し、反射抑圧部14は、アンテナ素子導体16との電磁結合度を調整する。

0028

第2実施形態のアンテナ素子の寸法を図3に示す。自由空間での電磁波の波長をλとする。アンテナ素子導体16の長さ方向の寸法は、0.217λである。アンテナ素子導体16の幅方向の寸法は、0.077λである。アンテナ素子導体16の給電線路13に対する平面図内での傾斜角度は、45度である。アンテナ素子導体16の中心部と給電線路13の給電方向に延びる中心線との平面図内での隔たりは、0.128λである。反射抑圧部14の給電線路13からの延伸長さは、iであり可変である。反射抑圧部14の延伸方向に延びる中心線とアンテナ素子導体16の中心部との平面図内での隔たりは、xであり可変である。ここで、x=0のときには、反射抑圧部14は、アンテナ素子導体16と給電線路13とがなす鋭角内にある。そして、xが正の方向に増加するにつれて、反射抑圧部14とアンテナ素子導体16との重なり合いの程度は、徐々に増加し、極大を経て、徐々に減少する。

0029

第2実施形態のアンテナ素子の放射効率を図4に示す。図4縦軸は、入力電力に対する放射電力比率を表す。図4横軸は、反射抑圧部14におけるxを表す。図4は、反射抑圧部14におけるx及びiを可変にして、入力電力に対する放射電力の比率をシミュレーションしている。xが増加するにつれて、入力電力に対する放射電力の比率は、反射抑圧部14とアンテナ素子導体16との重なり合いの程度に呼応して、0.025λ<x<0.075λにおいて徐々に増加し、x〜0.075λにおいて極大を経て、0.075λ<x<0.100λにおいて徐々に減少する。iが増加するにつれて、入力電力に対する放射電力の比率は、反射抑圧部14とアンテナ素子導体16との重なり合いの程度に呼応して、0.013λ<i<0.051λにおいて増加し(増加率は、徐々に緩やかになる。)、0.051λ<i<0.077λにおいてほぼ飽和する。

0030

このように、アンテナ素子1からの反射量を調整するのみならず、アンテナ素子1からの放射量を調整するにあたり、給電線路13及びアンテナ素子導体16のサイズ及び位置を調整パラメータとするのみならず、反射抑圧部14のサイズ及び位置を調整パラメータとすることができる。よって、第1実施形態と比べて、第2実施形態では、アンテナ素子1における放射効率の設計自由度の更なる向上を実現することができる。

0031

(第3実施形態)
第3実施形態のアンテナ素子の構成を図5に示す。第3実施形態では、第1、2実施形態に加えて、アンテナ素子1は、アンテナ素子導体16の表面に形成される誘電体層17をさらに備える。ここで、誘電体層17の厚さは、アンテナ素子1の指向性が、広角指向性を有するように、そして、正面方向にヌルを生じないように、調整することができる。

0032

ここで、誘電体層17をアンテナ素子導体16の表面に形成する場合では、誘電体層17をアンテナ素子導体16の表面に形成しない場合より、アンテナ素子導体16の周囲の環境での実効誘電率が高くなる。よって、第1、2実施形態と比べて、第3実施形態では、アンテナ素子導体16の大きさを小さくすることができ、アンテナ素子1における広角指向性の更なる向上を実現することができる。そして、第1、2実施形態と比べて、第3実施形態では、給電方向と垂直方向にアレーアンテナ(図6)及び平面アンテナ(図7、8)の素子間隔を小さくすることができ、アレーアンテナ及び平面アンテナにおけるグレーティングローブの更なる抑圧を実現することができる。

0033

(第4実施形態)
第4実施形態のアレーアンテナの構成を図6に示す。第4実施形態のアレーアンテナ2では、第1〜3実施形態のアンテナ素子1が直線状に配置され、単一の誘電体基板11、地板導体12及び電磁結合層15が、複数の反射抑圧部14(図6に不図示)及びアンテナ素子導体16により共有される。第4実施形態では、アレーアンテナ2は、中央給電進行波型アレーアンテナであり、図6の上下方向にそれぞれ延びる複数のアンテナアレーは、1個の給電回路21(例えば、伝送線路導波管変換回路)により給電される。

0034

第4実施形態の平面アンテナの構成を図7、8に示す。第4実施形態の平面アンテナ3では、第1〜3実施形態のアンテナ素子1が格子状に配置され、単一の誘電体基板11、地板導体12及び電磁結合層15が、複数の反射抑圧部14(図7、8に不図示)及びアンテナ素子導体16により共有される。第4実施形態では、図7に示したように、複数の給電回路21が給電方向と垂直方向に直線状に配置されるように、複数のアレーアンテナ2が配置されるか、図8に示したように、複数の給電回路21が給電方向と垂直方向に千鳥状に配置されるように、複数のアレーアンテナ2が配置される。

0035

共振波型アレーアンテナは、狭帯域特性を有する一方で、進行波型アレーアンテナは、広帯域特性を有するため、広帯域用途では、進行波型アレーアンテナが利用されている。本出願の発明者は、進行波型アレーアンテナについて、以下に示す課題を突き止めた。

0036

つまり、進行波型アレーアンテナの全アンテナ素子が同相で励振されるときには、全アンテナ素子から同相で反射が起きるため、この周波数において反射ロスが大きくなり放射効率が低くなる。一方で、進行波型アレーアンテナの各アンテナ素子が異相で励振されるときには、各アンテナ素子から異相で反射が起きるため、正面方向からチルトした方向に放射が起きるものの、広帯域において反射ロスが小さくなり放射効率が高くなる。

0037

そして、進行波型アレーアンテナが一端において給電されるときには、動作周波数が変化すると、正面方向に対する放射方向の角度が変化する。一方で、進行波型アレーアンテナが中央において給電されるときには、動作周波数が変化しても、正面方向に対する放射方向の角度が変化しない。そこで、進行波型アレーアンテナを広帯域において利用する際に、図6〜8に示したように、アレーの中央において給電することとした。

0038

本発明のアンテナ素子、アレーアンテナ及び平面アンテナは、監視領域方位方向に広げたいレーダ等の用途において、適用することができる。

0039

1:アンテナ素子
2:アレーアンテナ
3:平面アンテナ
11:誘電体基板
12:地板導体
13:給電線路
14:反射抑圧部
15:電磁結合層
16:アンテナ素子導体
17:誘電体層
21:給電回路
22:終端アンテナ

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