(57)【要約】  ルネベルグレンズアンテナ装置（１）は、ルネベルグレンズ（２）と、複数のパッチアンテナ（６Ａ）〜（６Ｃ）と、複数の低周波アンテナ（１２Ａ）〜（１２Ｃ）とを備えている。ルネベルグレンズ（２）は、円柱形状に形成され、誘電率の異なる３層の誘電体層（３）〜（５）が径方向に積層されている。複数のパッチアンテナ（６Ａ）〜（６Ｃ）は、放射素子（７Ａ）〜（７Ｃ）の外周面側を覆うグランド電極（１１Ａ）〜（１１Ｃ）を備え、高周波数帯のＭＩＭＯアンテナを構成している。複数の低周波アンテナ（１２Ａ）〜（１２Ｃ）は、グランド電極（１１Ａ）〜（１１Ｃ）を用いたモノポールアンテナであり、低周波数帯のＭＩＭＯアンテナを構成している。
2017119223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
径方向に対して異なる誘電率の分布を有する円柱状のルネベルグレンズと、
前記ルネベルグレンズの外周面側であって前記ルネベルグレンズの周方向の異なる焦点位置に配置された複数のパッチアンテナとを備え、
複数の前記パッチアンテナは、前記ルネベルグレンズの外周面側に設けられた放射素子と、前記放射素子からみて前記ルネベルグレンズとは反対側に位置して前記放射素子を覆い前記パッチアンテナ毎に分離して設けられたグランド電極とを有し、
複数の前記グランド電極は、前記ルネベルグレンズの軸方向に線状に延び、前記パッチアンテナよりも低周波の電波が放射可能な低周波アンテナを構成してなるルネベルグレンズアンテナ装置。
【請求項２】
複数の前記低周波アンテナは、モノポールアンテナまたはダイポールアンテナによってそれぞれ構成され、全体としてＭＩＭＯアンテナを構成してなる請求項１に記載のルネベルグレンズアンテナ装置。
【請求項３】
複数の前記低周波アンテナは、互いに異なる周波数の電波を放射してなる請求項１に記載のルネベルグレンズアンテナ装置。
【請求項４】
複数の前記パッチアンテナは、前記ルネベルグレンズの周方向に全方位の１／２以下の範囲で形成されてなる請求項１に記載のルネベルグレンズアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ルネベルグレンズを備えたルネベルグレンズアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ルネベルグレンズを用いて、複数の衛星からの電波を受信可能なアンテナ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたアンテナ装置では、ルネベルグレンズの焦点位置にマイクロ波の送受信機（一次放射器）が設けられている。このアンテナ装置では、送受信機の位置を移動させることによって、電波の受信方向を変化させて、標的とする衛星からの電波を受信している。【０００３】
また、特許文献２には、高い周波数で動作する放射素子のグランド電極を低い周波数の放射素子として使用するマルチバンドのアンテナ装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３５２２１１号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／１４０４２７号
【発明の概要】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載されたアンテナ装置では、複数の焦点に配置されたアンテナ素子のブロッキングが生じるため、ＭＩＭＯ（multiple-input and multiple-output）等へのアンテナの適用を考慮していない。また、特許文献２に記載されたアンテナ装置では、低周波数用のアンテナと高周波数用のアンテナがいずれも単機能であるため、低周波数帯のＭＩＭＯアンテナや高周波数帯のＭＩＭＯアンテナを一体化したものではない。
【０００６】
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、低周波数帯のＭＩＭＯアンテナおよび高周波数帯の一部セクタビーム構成のＭＩＭＯアンテナを備えたルネベルグレンズアンテナ装置を提供することにある。
【０００７】
（１）．上述した課題を解決するために、本発明によるルネベルグレンズアンテナ装置は、径方向に対して異なる誘電率の分布を有する円柱状のルネベルグレンズと、前記ルネベルグレンズの外周面側であって前記ルネベルグレンズの周方向の異なる焦点位置に配置された複数のパッチアンテナとを備え、複数の前記パッチアンテナは、前記ルネベルグレンズの外周面側に設けられた放射素子と、前記放射素子からみて前記ルネベルグレンズとは反対側に位置して前記放射素子を覆い前記パッチアンテナ毎に分離して設けられたグランド電極とを有し、複数の前記グランド電極は、前記ルネベルグレンズの軸方向に線状に延び、前記パッチアンテナよりも低周波の電波が放射可能な低周波アンテナを構成している。
【０００８】
本発明によれば、パッチアンテナは、ルネベルグレンズの外周面側に設けられた放射素子と、前記放射素子からみて前記ルネベルグレンズとは反対側に位置して前記放射素子を覆って設けられたグランド電極とを有している。このため、放射素子を励振することによって、ルネベルグレンズに向けて電波を放射することができ、指向性の高いビームを複数の方向へ放射することができる。このとき、ルネベルグレンズの外周面側であってルネベルグレンズの周方向の異なる焦点位置に配置された複数のパッチアンテナは、例えば軸方向にアレー化されて、それぞれの送受信器に接続される構成としてもよい。周方向の異なる位置に設けられた複数のパッチアンテナを励振することによって、互いに異なる方向に向けて高利得のビームを形成することができると共に、マルチビームの形成が可能になる。また、複数のパッチアンテナを軸方向にアレー化することにより、仰角方向にも指向性制御されたビームの放射が可能な高周波数帯のＭＩＭＯアンテナを得ることができる。
【０００９】
また、複数のグランド電極は、パッチアンテナ毎に分離して設けられ、パッチアンテナよりも低周波の電波が放射可能な低周波アンテナを構成している。このため、複数の低周波アンテナによって低周波数帯のＭＩＭＯアンテナを構成することができる。このため、高周波数帯のＭＩＭＯアンテナと低周波数帯のＭＩＭＯアンテナを一体化することができ、これらを別個に構成した場合に比べて、装置全体を小型化することができる。
【００１０】
（２）．本発明では、複数の前記低周波アンテナは、モノポールアンテナまたはダイポールアンテナによってそれぞれ構成され、全体としてＭＩＭＯアンテナを構成している。これにより、無指向性のＭＩＭＯアンテナを構成することができる。
【００１１】
（３）．本発明では、複数の前記低周波アンテナは、互いに異なる周波数の電波を放射する構成としている。これにより、帯域の異なる複数の低周波数帯でＭＩＭＯアンテナを構成することができる。
【００１２】
（４）．本発明では、複数の前記パッチアンテナは、前記ルネベルグレンズの周方向に全方位の１／２以下の範囲で形成される構成としている。これにより、高周波用の複数のパッチアンテナは、それぞれのパッチアンテナのブロッキングがない低サイドローブのＭＩＭＯアンテナを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す斜視図である。
【図２】図１中のルネベルグレンズアンテナ装置を示す平面図である。
【図３】ルネベルグレンズアンテナ装置を図２中の矢示III−III方向からみた正面図である。
【図４】パッチアンテナおよび低周波アンテナを図３中の矢示IV−IV方向からみた要部拡大断面図である。
【図５】パッチアンテナが高周波信号を放射している状態を示す模式図である。
【図６】低周波アンテナが低周波信号を放射している状態を示す模式図である。
【図７】周方向一方側のパッチアンテナによって高周波信号を放射した状態を示す説明図である。
【図８】周方向中央側のパッチアンテナによって高周波信号を放射した状態を示す説明図である。
【図９】周方向他方側のパッチアンテナによって高周波信号を放射した状態を示す説明図である。
【図１０】周方向一方側の低周波アンテナによって低周波信号を放射した状態を示す説明図である。
【図１１】周方向中央側の低周波アンテナによって低周波信号を放射した状態を示す説明図である。
【図１２】周方向他方側の低周波アンテナによって低周波信号を放射した状態を示す説明図である。
【図１３】第２の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す斜視図である。
【図１４】第２の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す図３と同様な正面図である。
【図１５】パッチアンテナが高周波信号を放射している状態を示す模式図である。
【図１６】低周波アンテナが低周波信号を放射している状態を示す模式図である。
【図１７】第３の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す斜視図である。
【図１８】第３の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を示す図３と同様な正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置を、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１５】
図１ないし図１２に、第１の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置１（以下、アンテナ装置１という）を示す。アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２と、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃと、低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃとを備えている。
【００１６】
まず、高周波数帯のＭＩＭＯアンテナを構成するルネベルグレンズ２およびパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃについて説明する。
【００１７】
ルネベルグレンズ２は、径方向に対して異なる誘電率の分布を有する円柱状に形成されている。具体的には、ルネベルグレンズ２は、径方向の中心から外側に向けて複数（例えば３層）の誘電体層３〜５が積層されている。誘電体層３〜５は、互いに誘電率ε1〜ε3が異なり、径方向中心（中心軸Ｃ）から外側に近付くに従って、徐々に誘電率が小さくなっている。このため、径方向の中心に位置する円柱状の誘電体層３が最も誘電率が大きく、誘電体層３の外周面を覆う円筒状の誘電体層４が２番目に誘電率が大きく、誘電体層４の外周面を覆う円筒状の誘電体層５は誘電率が最も小さくなっている（ε1＞ε2＞ε3）。これにより、ルネベルグレンズ２は、電波レンズを構成し、所定の周波数の電磁波に対して、その外周面側で周方向の異なる位置に複数の焦点を有する。
【００１８】
なお、図１には、ルネベルグレンズ２が３層の誘電体層３〜５を備えた場合を例示したが、本発明はこれに限らない。ルネベルグレンズは、２層の誘電体層を備えてもよく、４層以上の誘電体層を備えてもよい。また、誘電率の異なる材料を積み重ねる場合、通常は熱圧着等の手法を用いて積み重ねる。このとき、２つの材料の界面では、相互拡散等の影響により、誘電率が２つの材料のいずれとも異なる層が形成されてもよい。さらに、図１には、誘電率がルネベルグレンズの径方向にステップ状（段階的に）に変化する場合を例示したが、誘電率はルネベルグレンズの径方向にグラデーション状（連続的に）に変化してもよい。
【００１９】
複数（例えば１２個）のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、放射素子７Ａ〜７Ｃと、第１の給電電極９Ａ〜９Ｃと、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃとを備えている。これらのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、ルネベルグレンズ２を通過させて電波を放射する。このため、ルネベルグレンズ２からのビームは、指向性が高くなり、遠方まで到達可能である。また、これらのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、後述の低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃよりも高周波数帯の電波を放射する高周波アンテナを構成している。
【００２０】
１２個のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａ、即ち最外径側の誘電体層５の外周面に設けられている。これらのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、周方向と軸方向の異なる位置に行列状（４行３列）に配置されている。即ち、１２個のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、それぞれ一次元のアレーアンテナを構成している。
【００２１】
パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、例えばルネベルグレンズ２の周方向および軸方向に広がった長方形状の導体膜（金属膜）からなる放射素子７Ａ〜７Ｃを備えている。これらの放射素子７Ａ〜７Ｃは、第１の給電電極９Ａ〜９Ｃに接続されている。放射素子７Ａ〜７Ｃは、第１の給電電極９Ａ〜９Ｃからの高周波信号ＳHの供給によって、励振される。これにより、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、例えばその長さ寸法等に応じて、例えばサブミリ波やミリ波等の高周波信号を送信または受信することができる。
【００２２】
ルネベルグレンズ２の外周面２Ａには、全ての放射素子７Ａ〜７Ｃを覆って絶縁層８が設けられている。この絶縁層８は、円筒状の被覆部材によって形成され、例えばルネベルグレンズ２の誘電体層５と放射素子７Ａ〜７Ｃを密着形成する接着層を含んでいる。このとき、絶縁層８は、誘電体層５よりも小さい誘電率を有することが好ましい。絶縁層８は、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａを全周に亘って覆っている。
【００２３】
第１の給電電極９Ａ〜９Ｃは、細長い導体膜によって形成され、絶縁層８の外周面に設けられている（図４参照）。第１の給電電極９Ａは、４個のパッチアンテナ６Ａに沿って軸方向に延び、その先端が４個の放射素子７Ａにそれぞれ接続されている。第１の給電電極９Ｂは、４個の放射素子７Ｂに沿って軸方向に延び、その先端が４個の放射素子７Ｂにそれぞれ接続されている。第１の給電電極９Ｃは、４個の放射素子７Ｃに沿って軸方向に延び、その先端が４個の放射素子７Ｃにそれぞれ接続されている。第１の給電電極９Ａ〜９Ｃの基端は、送受信回路１６に接続されている。第１の給電電極９Ａ〜９Ｃは、ＭＩＭＯの入出力端子を構成している。
【００２４】
絶縁層８の外周面には、第１の給電電極９Ａ〜９Ｃを覆って絶縁層１０が設けられている。この絶縁層１０は、絶縁性をもった各種の樹脂材料によって形成されている。絶縁層１０は、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａを少なくとも一部に亘って覆っている。
【００２５】
グランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、絶縁層１０の外周面に設けられている。図１ないし図３に示すように、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、周方向の異なる位置に設けられた３列のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃに応じて、周方向に分離して設けられている。このため、グランド電極１１Ａは、軸方向に並んで配置された４個のパッチアンテナ６Ａを覆っている。同様に、グランド電極１１Ｂは、４個のパッチアンテナ６Ｂを覆っており、グランド電極１１Ｃは、４個のパッチアンテナ６Ｃを覆っている。
【００２６】
グランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、ルネベルグレンズ２の軸方向に延びた帯状の導体膜（金属膜）によって形成されている。グランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、後述の接続用電極１４Ａ〜１４Ｃとの間の容量Ｃg（図示せず）を介して、高周波的に高周波帯のパッチアンテナのグランド電極をグランドに落とすために、外部のグランドに電気的に接続されている。この容量Ｃgは、コンデンサ等の別部品でもよい。このため、高周波信号ＳHの帯域では、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、グランド電位に保持されている。これにより、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃが動作するときに、高周波的にはグランドとして機能する。
【００２７】
なお、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃの角度範囲θが大きいと、放射素子７Ａ〜７Ｃやグランド電極１１の一部が電波を遮る可能性がある。このようなブロッキングを考慮すると、複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃからなるアレーアンテナは、１８０度以下の角度範囲θをもって形成され、ルネベルグレンズ２の全周に対して１／２以下の周方向範囲に形成されるのが好ましい。このとき、複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、ルネベルグレンズ２の全周に対して１／２以下の周方向範囲に形成される。
【００２８】
図１ないし図３に示すように、４個のパッチアンテナ６Ａは、周方向に対して同じ位置に配置されると共に、周方向の一方側（図２中の反時計回りの基端側）に位置している。これら４個のパッチアンテナ６Ａは、例えば軸方向に等間隔に並んで配置されている。
【００２９】
４個のパッチアンテナ６Ｂは、周方向に対して同じ位置に配置されると共に、周方向の中央に位置している。このため、４個のパッチアンテナ６Ｂは、パッチアンテナ６Ａとパッチアンテナ６Ｃとに挟まれた位置に配置されている。これら４個のパッチアンテナ６Ｂは、例えば軸方向に等間隔に並んで配置されている。
【００３０】
４個のパッチアンテナ６Ｃは、周方向に対して同じ位置に配置されると共に、周方向の他方側（図２中の反時計回りの終端側）に位置している。これら４個のパッチアンテナ６Ｃは、例えば軸方向に等間隔に並んで配置されている。パッチアンテナ６Ａと、パッチアンテナ６Ｂと、パッチアンテナ６Ｃとは、互いに列が異なると共に、互いに独立して高周波信号の送信または受信が可能である。このため、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、例えば周方向に複数の入出力端子をもつＭＩＭＯに適用されるものである。また、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、例えば周方向に等間隔に並んで配置されている。
【００３１】
ここで、個々のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃの動作をＭＩＭＯ合成しない個々のアレーアンテナで説明する。図７に示すように、４個のパッチアンテナ６Ａは、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んで反対側に向けて指向性をもったビームを形成する。即ち、４個のパッチアンテナ６Ａは、周方向に対して同じ指向性をもったビームを形成する。
【００３２】
また、４個のパッチアンテナ６Ａには、第１の給電電極９Ａから相互の関係（例えば、位相関係）が予め決められた信号が供給される。これにより、４個のパッチアンテナ６Ａによって形成されるビームは、ルネベルグレンズ２の軸方向に対して固定されている。
【００３３】
図８に示すように、４個のパッチアンテナ６Ｂも、パッチアンテナ６Ａと同様に、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んで反対側に向けて指向性をもったビームを形成する。このとき、パッチアンテナ６Ｂは、ルネベルグレンズ２の周方向でパッチアンテナ６Ａとは異なる位置に配置されている。このため、パッチアンテナ６Ｂによるビームの放射方向（方向Ｄb）は、パッチアンテナ６Ａによるビームの放射方向（方向Ｄa）とは異なっている。
【００３４】
一方、４個のパッチアンテナ６Ｂには、第１の給電電極９Ｂから相互の関係が予め決められた信号が供給される。これにより、４個のパッチアンテナ６Ｂによって形成されるビームは、ルネベルグレンズ２の軸方向に対して固定されている。
【００３５】
図９に示すように、４個のパッチアンテナ６Ｃも、パッチアンテナ６Ａ，６Ｂと同様に、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んで反対側に向けて指向性をもったビームを形成する。このとき、パッチアンテナ６Ｃは、ルネベルグレンズ２の周方向でパッチアンテナ６Ａ，６Ｂとは異なる位置に配置されている。このため、パッチアンテナ６Ｃによるビームの放射方向（方向Ｄc）は、パッチアンテナ６Ａ，６Ｂによるビームの放射方向（方向Ｄa，Ｄb）とは異なっている。
【００３６】
一方、４個のパッチアンテナ６Ｃには、第１の給電電極９Ｃから相互の関係が予め決められた信号が供給される。これにより、４個のパッチアンテナ６Ｃによって形成されるビームは、ルネベルグレンズ２の軸方向に対して固定されている。
【００３７】
次に、低周波数帯のＭＩＭＯアンテナを構成する低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃについて説明する。
【００３８】
複数（例えば３個）の低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃは、高周波アンテナのグランド電極と兼用し低周波用の放射アンテナとして動作するグランド電極１１Ａ〜１１Ｃと、第２の給電電極１５Ａ〜１５Ｃ、低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃ用のグランド電極となる底面グランド１３とによって構成されている。
【００３９】
ルネベルグレンズ２の底面には、外部のグランドに電気的に接続された底面グランド１３が設けられている。底面グランド１３は、例えば板状または膜状の導体によって形成され、ルネベルグレンズ２の底面全体を覆っている。
【００４０】
接続用電極１４Ａ〜１４Ｃは、底面グランド１３に電気的に接続されている。接続用電極１４Ａ〜１４Ｃは、例えば絶縁層１０の外周面に設けられ、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃのうちルネベルグレンズ２の底面側に位置する下端部の近傍に配置されている。このとき、接続用電極１４Ａ〜１４Ｃとグランド電極１１Ａ〜１１Ｃとの間には、所定寸法をもった軸方向の隙間Ｇが形成されている。このため、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、隙間Ｇによる容量Ｃgを介して、底面グランド１３に電気的に接続されている。
【００４１】
このとき、図５に示すように、高周波信号ＳHの帯域では、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、容量Ｃgによって、底面グランド１３と短絡された状態になる。一方、図６に示すように、低周波信号ＳLの帯域では、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、低周波帯で容量Ｃgのインピーダンスが高いため、底面グランド１３と絶縁された状態になる。
【００４２】
第２の給電電極１５Ａ〜１５Ｃは、例えば第１の給電電極９Ａ〜９Ｃと一緒に絶縁層８，１０の間に配置されている（図４参照）。第２の給電電極１５Ａ〜１５Ｃの先端は、低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃの給電部として、例えば底面グランド１３に近いグランド電極１１Ａ〜１１Ｃの下端部に電気的に接続されている。
【００４３】
低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃは、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃを放射素子として使用するモノポールアンテナによって構成されている。このため、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、第２の給電電極１５Ａ〜１５Ｃからの低周波信号ＳLの供給によって、励振される。これにより、低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃは、例えば軸方向の長さ寸法等に応じて、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃよりも周波数の低い例えばマイクロ波等の低周波信号を送信または受信することができる。また、低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃは、無指向性のモノポールアンテナによって構成されるから、グランド電極１１Ａ〜１１Ｃを中心として、全方位に対してＭＩＭＯアンテナとして動作する。
【００４４】
低周波アンテナ１２Ａと、低周波アンテナ１２Ｂと、低周波アンテナ１２Ｃとは、互いに周方向の位置が異なると共に、互いに独立して低周波信号の送信または受信が可能である。このため、低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃは、例えば周方向に間隔０．５波長以上の位置に配置され、複数の入出力端子をもつ低周波数帯のＭＩＭＯに適用されるものである。また、低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃは、例えば軸方向の同じ位置に配置されると共に、周方向に等間隔に並んで配置されている。
【００４５】
送受信回路１６は、第１の給電電極９Ａ〜９Ｃを介してパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃの放射素子７Ａ〜７Ｃに接続されている。送受信回路１６は、周方向の位置が互いに異なるパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃに対して、互いに独立した高周波信号ＳHを入出力することができる。これにより、送受信回路１６は、予め決められた角度範囲θに亘ってビームを走査することができる。また、送受信回路１６は、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃのうち少なくとも２つに一緒に給電を行うことによって、複数のビーム（セクタビーム）を形成することができる。
【００４６】
また、送受信回路１６は、第２の給電電極１５Ａ〜１５Ｃを介して低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃの放射素子となるグランド電極１１Ａ〜１１Ｃに接続されている。送受信回路１６は、周方向の位置が互いに異なる低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃに対して、互いに独立した低周波信号ＳLを入出力することができる。
【００４７】
次に、本実施の形態によるアンテナ装置１の作動について、図７ないし図１２を参照しつつ説明する。
【００４８】
第１の給電電極９Ａから放射素子７Ａに向けて高周波信号ＳHによる給電を行うと、放射素子７Ａには、例えば軸方向に向けて電流が流れる。これにより、パッチアンテナ６Ａは、軸方向の寸法に応じた高周波信号を、ルネベルグレンズ２に向けて放射する。この結果、図７に示すように、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んでパッチアンテナ６Ａの反対側の方向Ｄaに向けて、高周波信号（ビーム）を放射することができる。また、アンテナ装置１は、パッチアンテナ６Ａを用いることによって、方向Ｄaから到来する高周波信号を受信することもできる。
【００４９】
同様に、図８に示すように、第１の給電電極９Ｂから放射素子７Ｂに向けて高周波信号ＳHを給電したときには、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んでパッチアンテナ６Ｂの反対側の方向Ｄbに向けて高周波信号を送信することができると共に、方向Ｄbからの高周波信号を受信することができる。
【００５０】
図９に示すように、第１の給電電極９Ｃから放射素子７Ｃに向けて高周波信号ＳHを給電したときには、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の中心軸Ｃを挟んでパッチアンテナ６Ｃの反対側の方向Ｄcに向けて高周波信号を送信することができると共に、方向Ｄcからの高周波信号を受信することができる。
【００５１】
また、パッチアンテナ６Ａとパッチアンテナ６Ｂとの両方を用いることによって、ビームの放射方向を方向Ｄaと方向Ｄbとの間でビーム調整してもよい。同様に、パッチアンテナ６Ｂとパッチアンテナ６Ｃとの両方を用いることによって、ビームの放射方向を方向Ｄbと方向Ｄcとの間でビーム調整してもよい。これにより、アンテナ装置１は、方向Ｄaから方向Ｄcの間で、任意の方向に向けてビームを放射することができる。
【００５２】
なお、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃには、軸方向の電流を流し、垂直偏波の電磁波を放射した場合について説明した。本発明はこれに限らず、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃには、周方向の電流を流し、水平偏波の電磁波を放射してもよいし、円偏波等でもよい。
【００５３】
一方、第２の給電電極１５Ａからグランド電極１１Ａに向けて低周波信号ＳLによる給電を行うと、グランド電極１１Ａには、例えば軸方向に向けて電流が流れる。これにより、低周波アンテナ１２Ａは、軸方向の寸法に応じた低周波信号を放射する。この結果、図１０に示すように、アンテナ装置１は、低周波アンテナ１２Ａを用いることによって、グランド電極１１Ａを中心として全方位に向けて低周波信号を放射することができる。これに加えて、アンテナ装置１は、低周波アンテナ１２Ａを用いることによって、全方位から到来する低周波信号を受信することができる。
【００５４】
同様に、図１１に示すように、第２の給電電極１５Ｂからグランド電極１１Ｂに向けて低周波信号ＳLを給電したときには、アンテナ装置１は、低周波アンテナ１２Ｂを用いることによって、グランド電極１１Ｂを中心として全方位に向けて低周波信号を放射することができる。これに加えて、アンテナ装置１は、低周波アンテナ１２Ｂを用いることによって、全方位から到来する低周波信号を受信することができる。
【００５５】
図１２に示すように、第２の給電電極１５Ｃからグランド電極１１Ｃに向けて低周波信号ＳLを給電したときには、アンテナ装置１は、低周波アンテナ１２Ｃを用いることによって、グランド電極１１Ｃを中心として全方位に向けて低周波信号を放射することができる。これに加えて、アンテナ装置１は、低周波アンテナ１２Ｃを用いることによって、全方位から到来する低周波信号を受信することができる。
【００５６】
かくして、第１の実施の形態では、アンテナ装置１は、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａ側であってルネベルグレンズ２の周方向の異なる焦点位置に配置された複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを備える構成とした。このため、周方向の異なる位置に設けられた複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを用いることによって、互いに異なる方向に向けて低サイドローブのビームを形成することができる。また、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを独立して一緒に動作させることによって、マルチビームの形成が可能になる。この結果、複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを用いて、指向性の鋭いマルチビームの放射が可能な高周波数帯の一部セクタビーム構成のＭＩＭＯアンテナを得ることができる。さらに、軸方向の異なる位置に複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃを設けたから、例えば軸方向に対してビームを絞ることができ、アンテナ利得を高めることができる。
【００５７】
また、複数のグランド電極１１Ａ〜１１Ｃは、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃ毎に分離して設けられ、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃよりも低周波数の電波が放射可能な低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃを構成している。このため、複数の低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃによって低周波数帯のＭＩＭＯアンテナを構成することができる。このため、高周波数帯のＭＩＭＯアンテナと低周波数帯のＭＩＭＯアンテナを一体化することができ、これらを別個に構成した場合に比べて、装置全体を小型化することができる。さらに、低周波アンテナ１２Ａ〜１２Ｃは、モノポールアンテナによって構成したから、無指向性のＭＩＭＯアンテナを構成することができる。
【００５８】
これに加え、複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、ルネベルグレンズ２のうち全周の１／２以下の周方向範囲に設けられているから、複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃの周方向範囲に応じて周方向にビームを走査することができる。このとき、高周波用の複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、それぞれのパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃのブロッキングがない低サイドローブのＭＩＭＯアンテナを構成することができる。
【００５９】
また、円柱状のルネベルグレンズ２を用いるから、ルネベルグレンズ２の外周面２Ａ側に信号用の接続線路となる第１の給電電極９Ａ〜９Ｃを形成することができる。このため、アンテナ装置１は、球形状のルネベルグレンズを用いた場合に比べて容易に信号を取り出すことができる。
【００６０】
さらに、ルネベルグレンズ２の軸方向の異なる位置に配置された複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、相互に従属して動作する構成とした。このとき、ルネベルグレンズ２の軸方向の異なる位置に配置された複数のパッチアンテナ（例えば、４個のパッチアンテナ６Ａ）は、ＭＩＭＯ構成ではなく、ルネベルグレンズ２の周方向の異なる位置に配置された複数のパッチアンテナ６Ａ〜６ＣがＭＩＭＯ構成とすることができる。このため、軸方向に並ぶ４個のパッチアンテナ６Ａには、例えば位相差が固定された信号のように、互いに決められた所定関係の信号を供給して、軸方向には固定のビームを形成することができる。この点は、パッチアンテナ６Ｂ，６Ｃも同様である。このため、軸方向に並ぶ複数のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、例えば固定的な移相器等のような受動回路によって互いに接続することができる。従って、周方向の異なる位置に設けた３列のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃについて、独立した信号を供給すればよく、送受信回路１６の入出力回路を低減して、その構成を簡略化することができる。
【００６１】
次に、図１３ないし図１６に、本発明の第２の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置２１（以下、アンテナ装置２１という）を示す。第２の実施の形態の特徴は、低周波アンテナをダイポールアンテナによって構成したことにある。なお、アンテナ装置２１の説明に際し、第１の実施の形態によるアンテナ装置１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００６２】
第２の実施の形態によるアンテナ装置２１は、第１の実施の形態によるアンテナ装置１とほぼ同様に構成されている。このため、アンテナ装置２１は、ルネベルグレンズ２と、パッチアンテナ２２Ａ〜２２Ｃと、低周波アンテナ２４Ａ〜２４Ｃとを備えている。
【００６３】
複数（例えば１２個）のパッチアンテナ２２Ａ〜２２Ｃは、第１の実施の形態によるパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃとほぼ同様に構成されている。このため、パッチアンテナ２２Ａ〜２２Ｃは、放射素子７Ａ〜７Ｃと、第１の給電電極９Ａ〜９Ｃと、グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2とを備えている。
【００６４】
グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2は、絶縁層１０の外周面に設けられている。グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2は、周方向の異なる位置に設けられた３列のパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃに応じて、周方向に分離して設けられている。グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2は、第１の実施の形態によるグランド電極１１Ａ〜１１Ｃと同様に、ルネベルグレンズ２の軸方向に延びた帯状の導体膜（金属膜）によって形成され、放射素子７Ａ〜７Ｃをそれぞれ覆っている。
【００６５】
但し、周方向の同じ位置に配置されたグランド電極２３Ａ1とグランド電極２３Ａ2は、軸方向の中間位置で互いに分離されている。同様に、グランド電極２３Ｂ1とグランド電極２３Ｂ2は、軸方向の中間位置で互いに分離され、グランド電極２３Ｃ1とグランド電極２３Ｃ2は、軸方向の中間位置で互いに分離されている。グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1とグランド電極２３Ａ2〜２３Ｃ2との間には、所定寸法をもった軸方向の隙間Ｇが形成されている。
【００６６】
また、グランド電極２３Ａ2〜２３Ｃ2は、後述する第２の給電電極２５Ａ2〜２５Ｃ2によって外部のグランドに接続されている。ここで、高周波信号ＳHの帯域では、グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2は、容量Ｃgによって、互いに接続された状態になる。このため、図１５に示すように、高周波信号ＳHの帯域では、グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2は、全体としてグランドと短絡された状態になる。これにより、グランド電極２３Ａ2〜２３Ｃ2は、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃが動作するときに、反射器として機能する。一方、図１６に示すように、低周波信号ＳLの帯域では、グランド電極グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2は、容量Ｃgによって、互いに絶縁された状態になる。
【００６７】
複数（例えば３個）の低周波アンテナ２４Ａ〜２４Ｃは、グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2と、第２の給電電極２５Ａ1〜２５Ｃ1，２５Ａ2〜２５Ｃ2とによって構成されている。
【００６８】
第２の給電電極２５Ａ1〜２５Ｃ1，２５Ａ2〜２５Ｃ2は、例えば第１の給電電極９Ａ〜９Ｃと一緒に絶縁層８，１０の間に配置されている。第２の給電電極２５Ａ1〜２５Ｃ1の先端は、低周波アンテナ２４Ａ〜２４Ｃの給電部として、隙間Ｇに近いグランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1の下端部に接続されている。また、第２の給電電極２５Ａ2〜２５Ｃ2の先端は、低周波アンテナ２４Ａ〜２４Ｃの給電部として、隙間Ｇに近いグランド電極２３Ａ2〜２３Ｃ2の上端部に接続されている。
【００６９】
低周波アンテナ２４Ａ〜２４Ｃは、グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2を放射素子として使用するダイポールアンテナによって構成されている。このため、グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2は、第２の給電電極２５Ａ1〜２５Ｃ1，２５Ａ2〜２５Ｃ2からの低周波信号ＳLの供給によって、励振される。これにより、低周波アンテナ２４Ａ〜２４Ｃは、例えば軸方向の長さ寸法等に応じて、パッチアンテナ２２Ａ〜２２Ｃよりも周波数の低い例えばマイクロ波等の低周波信号を送信または受信することができる。また、低周波アンテナ２４Ａ〜２４Ｃは、無指向性のダイポールアンテナによって構成されるから、グランド電極２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2を中心として、全方位に対して低周波信号を放射する。
【００７０】
かくして、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第２の実施の形態では、低周波アンテナ２４Ａ〜２４Ｃは、ダイポールアンテナによって構成したから、第１の実施の形態による底面グランド１３を省くことができる。
【００７１】
次に、図１７および図１８に、本発明の第３の実施の形態によるルネベルグレンズアンテナ装置３１（以下、アンテナ装置３１という）を示す。第３の実施の形態の特徴は、周波数の異なる電波を放射する２種類の低周波アンテナを備えたことにある。なお、アンテナ装置３１の説明に際し、第１の実施の形態によるアンテナ装置１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７２】
第３の実施の形態によるアンテナ装置３１は、第１の実施の形態によるアンテナ装置１とほぼ同様に構成されている。このため、アンテナ装置３１は、ルネベルグレンズ２と、パッチアンテナ３２Ａ〜３２Ｄと、低周波アンテナ３４Ａ〜３４Ｄとを備えている。
【００７３】
複数（例えば１２個）のパッチアンテナ３２Ａ〜３２Ｄは、第１の実施の形態によるパッチアンテナ６Ａ〜６Ｃとほぼ同様に構成されている。このため、パッチアンテナ３２Ａ〜３２Ｄは、放射素子７Ａ〜７Ｄと、第１の給電電極９Ａ〜９Ｄと、グランド電極３３Ａ〜３３Ｄとを備えている。
【００７４】
なお、パッチアンテナ３２Ａ〜３２Ｄは、ルネベルグレンズ２の周方向の４箇所に互いに分離して設けられている。これらのパッチアンテナ３２Ａ〜３２Ｄは、周方向と軸方向の異なる位置に３行４列の行列状に配置されている。このとき、放射素子７Ｄは、第１の実施の形態による放射素子７Ａ〜７Ｃとほぼ同様に構成されている。また、第１の給電電極９Ｄは、第１の実施の形態による第１の給電電極９Ａ〜９Ｃとほぼ同様に構成されている。
【００７５】
グランド電極３３Ａ〜３３Ｄは、第１の実施の形態によるグランド電極１１Ａ〜１１Ｃとほぼ同様に構成され、絶縁層１０の外周面に設けられている。グランド電極３３Ａ〜３３Ｄは、周方向の異なる位置に設けられた４列のパッチアンテナ３２Ａ〜３２Ｄに応じて、周方向に分離して設けられている。グランド電極３３Ａ〜３３Ｄは、ルネベルグレンズ２の軸方向に延びた帯状の導体膜（金属膜）によって形成され、放射素子７Ａ〜７Ｄをそれぞれ覆っている。
【００７６】
グランド電極３３Ａ〜３３Ｄの下端部と接続用電極１４Ａ〜１４Ｄとの間には、所定寸法の軸方向の隙間Ｇが形成されている。このため、グランド電極３３Ａ〜３３Ｄは、隙間Ｇによる容量Ｃgを介して、底面グランド１３に接続されている。このため、高周波信号ＳHの帯域では、グランド電極３３Ａ〜３３Ｄは、グランド電位に保持されている。これにより、グランド電極３３Ａ〜３３Ｄは、パッチアンテナ３２Ａ〜３２Ｄが動作するときに、反射器として機能する。
【００７７】
即ち、高周波信号ＳHの帯域では、グランド電極３３Ａ〜３３Ｄは、容量Ｃgによって、底面グランド１３と短絡された状態になる。一方、低周波信号ＳL1，ＳL2の帯域では、グランド電極３３Ａ〜３３Ｄは、容量Ｃgによって、底面グランド１３と絶縁された状態になる。
【００７８】
また、グランド電極３３Ａ，３３Ｃは、グランド電極３３Ｂ，３３Ｄよりも軸方向の長さ寸法が大きく形成されている。このため、長さ寸法の大きいグランド電極３３Ａ，３３Ｃと、長さ寸法の小さいグランド電極３３Ｂ，３３Ｄとは、ルネベルグレンズ２の周方向に向けて交互に配置されている。
【００７９】
複数（例えば４個）の低周波アンテナ３４Ａ〜３４Ｄは、グランド電極３３Ａ〜３３Ｄと、第２の給電電極３５Ａ〜３５Ｄとによって構成されている。
【００８０】
第２の給電電極３５Ａ〜３５Ｄは、第１の実施の形態による第２の給電電極１５Ａ〜１５Ｄとほぼ同様に構成されている。このため、第２の給電電極３５Ａ〜３５Ｄは、例えば第１の給電電極９Ａ〜９Ｄと一緒に絶縁層８，１０の間に配置されている。第２の給電電極３５Ａ〜３５Ｄの先端は、低周波アンテナ３４Ａ〜３４Ｄの給電部として、例えば底面グランド１３に近いグランド電極３３Ａ〜３３Ｄの下端部に電気的に接続されている。
【００８１】
低周波アンテナ３４Ａ〜３４Ｃは、グランド電極３３Ａ〜３３Ｄを放射素子として使用するモノポールアンテナによって構成されている。このため、グランド電極３３Ａ〜３３Ｄは、第２の給電電極３５Ａ〜３５Ｄからの低周波信号ＳL1，ＳL2の供給によって、励振される。
【００８２】
このとき、グランド電極３３Ａ，３３Ｃは、グランド電極３３Ｂ，３３Ｄよりも軸方向の長さ寸法が大きく形成されている。このため、グランド電極３３Ａ，３３Ｃからなる低周波アンテナ３４Ａ，３４Ｃは、グランド電極３３Ｂ，３３Ｄからなる低周波アンテナ３４Ｂ，３４Ｄよりも周波数の低い低周波信号を送信または受信することができる。従って、送受信回路３６は、第１の実施の形態による送受信回路１６とほぼ同様に構成されるものの、低周波アンテナ３４Ａ，３４Ｃには、例えば８００ＭＨｚ帯域の低周波信号ＳL1を供給し、低周波アンテナ３４Ｂ，３４Ｄには、例えば２ＧＨｚ帯域の低周波信号ＳL2を供給する。
【００８３】
かくして、第３の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。また、第３の実施の形態では、低周波アンテナ３４Ａ，３４Ｃと低周波アンテナ３４Ｂ，３４Ｄとは、互いに周波数の異なる電波を放射する。このため、２種類の低周波信号ＳL1，ＳL2に対して、ＭＩＭＯアンテナを構成することができる。
【００８４】
また、長さ寸法の大きいグランド電極３３Ａ，３３Ｃと、長さ寸法の小さいグランド電極３３Ｂ，３３Ｄとは、ルネベルグレンズ２の周方向に交互に配置される構成とした。このため、同じ周波数帯で用いる低周波アンテナ３４Ａ，３４Ｃの周方向の間隔を広げることができ、低周波アンテナ３４Ａ，３４Ｃ毎の独立性を高めることができる。この点は、低周波アンテナ３４Ｂ，３４Ｄでも同様である。
【００８５】
なお、前記第３の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、低周波アンテナ３４Ａ〜３４Ｄをモノポールアンテナによって構成した場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限らず、第２の実施の形態と同様に、低周波アンテナをダイポールアンテナによって構成してもよい。
【００８６】
前記第１の実施の形態では、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃとグランド電極１１Ａ〜１１Ｃとの間に給電電極９Ａ〜９Ｃ，１５Ａ〜１５Ｃを設ける構成とした。本発明はこれに限らず、グランド電極の径方向外側に給電電極を設けてもよい。この場合、低周波信号用の給電電極はグランド電極に直接的に接続されると共に、高周波信号用の給電電極は、グランド電極に設けたスルーホール等を通じて、パッチアンテナの放電素子に接続される構成としてもよい。この構成は、第２および第３の実施の形態にも適用することができる。
【００８７】
前記第１の実施の形態では、パッチアンテナ６Ａ〜６Ｃは、４行３列のマトリクス状に配置する構成とした。また、前記第３の実施の形態では、パッチアンテナ３２Ａ〜３２Ｄは、３行４列のマトリクス状に配置する構成とした。本発明はこれらに限らず、パッチアンテナの個数や配置は、アンテナ装置の仕様等に応じて適宜設定することができる。このため、複数のパッチアンテナは、ルネベルグレンズの異なる焦点位置に配置されたものであれば、例えばルネベルグレンズの周方向に一列に並んだ構成としてもよい。この構成は、第２の実施の形態にも適用することができる。
【００８８】
前記第１の実施の形態では、ルネベルグレンズ２の軸方向の異なる位置に配置された複数のパッチアンテナ（例えば、４個のパッチアンテナ６Ａ）が相互に従属して動作する構成とした。本発明はこれに限らず、軸方向に異なる位置に設けられた複数のパッチアンテナに独立した信号を供給して、相互に独立して動作してもよい。この場合には、例えば軸方向のビームの放射方向や形状を調整することができる。この構成は、第２，第３の実施の形態にも適用することができる。
【００８９】
前記各実施の形態は例示であり、異なる実施の形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００９０】
１，２１，３１  ルネベルグレンズアンテナ装置（アンテナ装置）
２  ルネベルグレンズ
６Ａ〜６Ｃ，２２Ａ〜２２Ｃ，３２Ａ〜３２Ｄ  パッチアンテナ
７Ａ〜７Ｄ  放射素子
９Ａ〜９Ｄ  第１の給電電極
１１Ａ〜１１Ｃ，２３Ａ1〜２３Ｃ1，２３Ａ2〜２３Ｃ2，３３Ａ〜３３Ｄ  グランド電極
１２Ａ〜１２Ｃ，２４Ａ〜２４Ｃ，３４Ａ〜３４Ｄ  低周波アンテナ
１５Ａ〜１５Ｃ，２５Ａ1〜２５Ｃ1，２５Ａ2〜２５Ｃ2，３５Ａ〜３５Ｄ  第２の給電電極
１６，３６  送受信回路
【図１】
2017119223.tif 000003
【図２】
2017119223.tif 000004
【図３】
2017119223.tif 000005
【図４】
2017119223.tif 000006
【図５】
2017119223.tif 000007
【図６】
2017119223.tif 000008
【図７】
2017119223.tif 000009
【図８】
2017119223.tif 000010
【図９】
2017119223.tif 000011
【図１０】
2017119223.tif 000012
【図１１】
2017119223.tif 000013
【図１２】
2017119223.tif 000014
【図１３】
2017119223.tif 000015
【図１４】
2017119223.tif 000016
【図１５】
2017119223.tif 000017
【図１６】
2017119223.tif 000018
【図１７】
2017119223.tif 000019
【図１８】
2017119223.tif 000020
【国際調査報告】
2017119223.tif 000021
2017119223.tif 000022