(57)【要約】【課題】１ＧＨｚ以上の高い周波数帯域においても使用することができ、走査範囲が広く、かつ、走査速度が従来よりも高い小形のアレーアンテナを実現すること。【解決手段】液晶２３は、直方体形状に充填されており、その直方体のｚｘ平面に平行な２つの側面上には、電極２７ａ，２７ｂが配設されている。この２つの電極２７ａ，２７ｂにはそれぞれ線路が接続されており、この両電極間には可変制御可能な電圧Ｖ２が印加できる様に電気回路が形成されている。一方、接地板２６は接地電位（０ｖ）に維持されている。また、幅広部２１１ａや幅広部２１１ｂにも略同様の線路が接続されており、これらの各電位は、所望の電位Ｖ１に可変設定可能になっている。なお、主線路２１ａの幅広部２１１ａや主線路２１ｂの幅広部２１１ｂの電位は、上記の電気回路と同等の回路を用いて何れの単位パターン２０においても同じ値（Ｖ１）に設定する。【選択図】図３
2006211328.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、導体から成る同一または類似の単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、
与えられた電界又は磁界によって誘電率又は透磁率が変化する特性可変部材と、
前記特性可変部材に対して複数の方向から電界又は磁界を与える電磁界設定手段と
を有し、
前記単位パターンは、
所定の方向に走る伝送線路と、
前記伝送線路を途中で分断するギャップと、
前記伝送線路から枝分かれするスタブと
を有し、
前記特性可変部材は、
前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置され、
前記ギャップが供するキャパシタンス成分、または、前記スタブが供するインダクタンス成分は、
前記電磁界設定手段によって可変制御される前記特性可変部材の誘電率又は透磁率に応じて変化する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項２】
前記電磁界設定手段は、
前記特性可変部材を挟んで前記誘電体基板に平行に相対峙して対を成す電極と、
前記特性可変部材を挟んで前記誘電体基板に垂直に相対峙して対を成す電極と
を有することを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。
【請求項３】
前記電磁界設定手段は、
形成する磁界の主軸方向が相異なる複数のインダクタを前記特性可変部材の近傍に有する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアレーアンテナ。
【請求項４】
前記特性可変部材は、
液晶、強誘電体、または強磁性体から構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のアレーアンテナ。
【請求項５】
前記特性可変部材は、
前記単位パターンと前記接地板との間に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のアレーアンテナ。
【請求項６】
前記特性可変部材は、
前記誘電体基板の表面上に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、裏面に接地板を有する誘電体基板の表側に導体から成る所定の単位パターンを一軸方向に周期的に繰り返し配置することによって形成されたストリップ線路を有するアレーアンテナ（漏れ波アンテナ）に関し、特に、アンテナの指向性を制御可能としたものに関する。
この発明は、ミリ波帯域又はマイクロ波帯域の電磁波を送信または受信するレーダや通信機器などに有益であり、アンテナの小型化または配設空間の省スペース化に大いに有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
誘電体基板上にCRLH（Composite Right and Left Handed ）伝送線路を備えた従来のストリップアレーアンテナ（漏れ波アンテナ）の構成例を図６に例示する。このCRLH線路には、伝送線路（Ｘ軸方向の主線路）を周期的に分断するギャップや、その伝送線路から枝分かれしたスタブなどが具備されている。このアンテナでは、ギャップが供するキャパシタンスや、スタブが供するインダクタンスの作用により、ある周波数帯において、伝送される電磁波の群速度の向きと位相速度の向きを相互に反対の向きとすることができる。これにより、伝送される電磁波の周波数を変化させることによって、主線路上で電磁波が伝播する向きとは反対向きの図中のｚ軸方向から−ｘ軸方向に傾斜したθ＜０なる角度領域に対しても電磁波を放射することができる。その結果、放射ビームの方向を変化させる場合には、その放射ビームの走査範囲を広くとることができるという利点がある。この様なに、位相速度と群速度の向きが反対となる原理については、例えば下記の非特許文献１などに詳しい開示がある。しかしながら、周波数を大きく変化させないと、−ｘ軸方向に傾斜した方向に指向性を持たせることは困難である。
【０００３】
また、下記の非特許文献２には、給電点から入力する電磁波の周波数を一定値に固定したまま、所定の電子制御に基づいて放射ビームの放射角を可変制御する制御方式が開示されている。この放射角の制御方式では、例えば図６の配線パターンの個々のギャップやスタブに対して、それぞれバラクタダイオードを接近させて配置し、各バラクタダイオードの容量を可変制御することによって放射ビームの放射角を可変制御している。
【０００４】
また、下記の特許文献１には、中央にビアのある金属パッチ１を誘電体基板上に周期的に配置したＥＢＧ構造（Electrical Band Gap 構造）の反射体を利用したビーム走査アンテナ（図７−Ａ，−Ｂ）が提案されている。このビーム走査アンテナは、その反射体が有する各金属パッチ（１，２）間のキャパシタンスを変化させることによって、所定の方向からその反射体に入射した電磁波の反射波の進行方向、すなわち、反射の指向性を可変制御するものである。そして、各金属パッチ（１，２）間のキャパシタンスは、ビア１とビア２の間に印加される直流電圧により金属パッチ１と金属パッチ２の間に電界を生成して、この電界により金属パッチ間に配置された液晶の比誘電率を変化させることで、可変制御される。
【０００５】
また、その他の制御方式としては、例えば、電磁波が伝播する材料の透磁率をフェライトなどを利用して電気的に可変制御することによってその材料の伝搬定数を可変制御するのと同様に、誘電率を可変制御する方式がある。即ち、その様な制御方式としては、例えば、目的のアンテナを構成する誘電体基板の誘電率を電圧によって可変制御して、これによってアレーアンテナの放射ビームの放射角を所望の角度に可変制御する制御方式などを考えることができる。誘電率が可変制御されるその様な誘電体基板の材料としては、例えば液晶や強誘電体などがある。
【０００６】
なお、電磁波センシングや無線通信などの分野では、放射電磁波の周波数を変化させることなく、アンテナの放射ビームの指向性が制御されることが望ましい。
【非特許文献１】伊藤龍男、他２名、’CHARACTERISTICS AND APPLICATIONS OF PLANAR NEGATIVE REFRACTIVE INDEX MEDIA’，ＭＷＥ２００３，ＷＳ０２−０３
【非特許文献２】伊藤龍男、他２名、’Electronically-Controlled Metamaterial-Based Transmission Line as a Continuous-Scanning Leaky-Wave Antenna’，2004 IEEE MTT-S Digest TU1D-4.
【特許文献１】米国特許：ＵＳ６，５５２，６９６Ｂ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、非特許文献１に記載されている従来のアレーアンテナでは、給電点から入力する電磁波の周波数を一定にしたまま、アンテナの放射ビームの放射角を可変制御することはできない。このため、この方式を採用したアンテナは、ミリ波レーダなど、一定の周波数の電磁波を放射または受信するアンテナには不向きである。
【０００８】
また、非特許文献２に記載されている従来のアレーアンテナには、可変容量としてバラクタダイオードが用いられているが、一般にバラクタダイオードは伝送損失が大きいため、数ＧＨｚ以上の周波数帯域においては、バラクタダイオードを所望の可変容量として動作させることは難しい。このため、数ＧＨｚ以上の周波数帯域の電磁波を取り扱うアレーアンテナにこの従来技術を用いることはできない。
また、放射角が可変制御可能な１ＧＨｚ以下の周波数帯域などにおいても、一般にバラクタダイオードでは標準容量（所定の基準容量）に対する容量変位の比率（変化率）を十分大きく確保することは必ずしも容易ではないので、放射角の変動範囲を大きく確保することも必ずしも容易とは言えない。
【０００９】
また、特許文献１に記載されている従来のビーム走査アンテナ（図７−Ａ，−Ｂ）は、液晶分子の向きを変えることによって、その液晶部分の誘電率を変化させて反射ビームの指向性を可変制御するものであるが、これらの従来のビーム走査アンテナには、生産性や制御性や、或いは薄板化や小型化など係わる、例えば以下の（１）〜（４）の様な問題がある。
【００１０】
（１）ミリ波又はマイクロ波を取り扱うデバイスでは、キャパシタンス又はインダクタンスを可変制御するために用いる液晶部分の厚みは、通常、１００μｍ程度が必要とされる。しかしながら、そこまでの厚みを設けてしまうと、例えば上記の金属パッチ１と金属パッチ２との間に電圧をかけた時などには、液晶分子の向きを数ミリ秒で所望の向きに変更することができるが、その電圧の印加を中断した時には、各液晶分子の向きが元の向きに戻るまでに数秒かかってしまう。これは、液晶分子の熱運動によって液晶分子が元の向きに戻るためであり、この時に必要とされる液晶分子の向きに関する復元時間は、液晶部分の厚みの二乗に比例する。したがって、この様な従来方式を採用する限り、ビームの指向性を高速に可変制御することは難しい。即ち、高速にビームを走査する必要があるシステムには、この様な従来方式を採用することはできない。
【００１１】
（２）図７−Ａ，−Ｂに示す様に、ＥＢＧ構造の反射体を用いてビーム走査アンテナを構成するので、この反射体に対して電磁波を照射するための給電用アンテナを別途用意する必要がある。
（３）反射板で反射される反射波の位相を変化させるだけなので、反射強度がピークとなる角度を制御することはできるが、それぞれのパッチからの反射量を変えることはできないため、ビーム幅やビームパターンを可変制御することはできない。
（４）また液晶の誘電率を変えるための電圧は接地板から浮かしたビア部分にかける構造であるが、この部分の構造が複雑にならざるを得ない。
【００１２】
また、前述の様に、目的のアンテナを構成する誘電体基板の誘電率や透磁率を可変制御する様な制御方式に適したその他の材料として、例えば、強誘電体やフェライトなどの材料を考えることもできるが、しかしながら、それらの材料を誘電体基板などに用いた場合には、アンテナ中を伝播する電磁波の電力損失が非常に大きくなるので、アンテナの利得を大きく確保することは困難になる。
【００１３】
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、周波数を変化させることなく１ＧＨｚ以上の高い周波数帯域においても使用することができる、ビーム指向性の走査範囲の広い小形のアレーアンテナを実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するためには、以下の手段が有効である。
即ち、本発明の第１の手段は、誘電体基板と、導体から成る同一または類似の単位パターンを誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有するアレーアンテナにおいて、与えられた電界又は磁界によって誘電率又は透磁率が変化する特性可変部材と、特性可変部材に対して複数の方向から電界又は磁界を与える電磁界設定手段とを備え、その単位パターンに、所定の方向に走る伝送線路と、この伝送線路を途中で分断するギャップと、この伝送線路から枝分かれするスタブとを備え、上記の特性可変部材を上記のギャップまたはスタブに対して接近して配置し、これらのギャップが供するキャパシタンス成分またはスタブが供するインダクタンス成分を、上記の電磁界設定手段によって可変制御される特性可変部材の誘電率又は透磁率に応じて変化させることである。
【００１５】
このアンテナは、ストリップ線路が１本のラインアンテナであっても、複数本のストリップ線路から成る平面アンテナであっても良い。電磁波の進行方向とライン方向との成す角度を可変制御できる。誘電体基板面上であってストリップ線路に垂直な方向への指向性の制御は、各ストリップ線路に供給する電力の位相を制御することで行うことができる。スタブは、ストリップ線路の片側だけにあっても、同位置で両側にあっても良く、或いは、進行方向に沿って設ける側を交互に反転しても良い。スタブは、通常、ストリップ線路に対して直角に設けられるが、角度は任意である。ギャップを構成するストリップ線路の対向する部分は、キャパシタンスを大きくするためにその幅を広く構成しても良い。
【００１６】
また、特性可変部材は、誘電体基板の内部に設けても、誘電体基板の上部、すなわち、ストリップ線路の上部に設けても良い。
要するに、本発明は、特性可変部材の誘電率又は透磁率を電気的或いは磁気的に可変制御することにより、ストリップ線路に分布するキャパシタンス成分又は／及びインダクタンス成分を可変制御することで、ビームの指向性を制御するようにしたことが特徴である。
【００１７】
また、本発明の第２の手段は、上記の第１の手段の電磁界設定手段に、上記の特性可変部材を挟んで誘電体基板に平行に相対峙して対を成す電極と、上記の特性可変部材を挟んで誘電体基板に垂直に相対峙して対を成す電極とを備えることである。
【００１８】
また、本発明の第３の手段は、上記の第１又は第２の手段の電磁界設定手段の構成要素として、形成する磁界の主軸方向が相異なる複数のインダクタを特性可変部材の近傍に備えることである。
【００１９】
また、本発明の第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、上記の特性可変部材を液晶、強誘電体、または強磁性体から構成することである。
【００２０】
また、本発明の第５の手段は、上記の第１乃至第４の何れか１つの手段において、上記の特性可変部材を上記の単位パターンと接地板との間に配置することである。
【００２１】
また、本発明の第６の手段は、上記の第１乃至第５の何れか１つの手段において、上記の特性可変部材を誘電体基板の表面上に配置することである。
【００２２】
また、特に、特性可変部材を液晶で構成する場合には、液晶に電界を与えるための１対の電極間の距離を何れも、０．２ｍｍ以下にすることが望ましい。したがって、特性可変部材を液晶で構成する場合には、少なくとも電界が形成される２方向においてその長さを０．２ｍｍ以下にすることが望ましい。
特性可変部材を液晶で構成する場合には、この様な設定によって、１００ｖ以下の電圧によっても、数ミリ秒程度で液晶分子の向きを所望の向きに変更することができる。
以上の本発明の手段により、前記の課題を効果的、或いは合理的に解決することができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上の本発明の手段によって得られる効果は以下の通りである。
即ち、本発明の第１の手段によれば、上記の電磁界設定手段を用いて、特性可変部材に対して複数の方向から電界又は磁界を与えることができるので、特性可変部材に与える電界又は磁界の向きを随時所望の向きに高速に変更することができる。したがって、本発明の第１の手段によれば、上記の特性可変部材の誘電率又は透磁率を電界又は磁界の向きに応じて可変制御することができ、これによって、ギャップが供するキャパシタンスやスタブが供するインダクタンスを変化させることができる。このため、ストリップ線路を通過する電磁波の位相や電力、放射する電磁波の位相や放射量を制御することができ、したがって、アレーアンテナのビームの放射方向を変化させたり、アレーアンテナのビーム幅やパターンを変化させることができる。
【００２４】
また、本発明の第２の手段によれば、各電極対が形成する電界の向きは直交するので、各電極対を用いて上記の特性可変部材に与える電界の向きを、各方向の電界成分の合成によって、容易かつ自在に制御することができる。
【００２５】
また、本発明の第３の手段によれば、各インダクタを用いて上記の特性可変部材に与える各方向の磁界の大きさや向きをそれぞれ独立に制御することができるので、特性可変部材に与える磁界の向きを、各方向の磁界成分の合成によって、容易かつ自在に制御することができる。
【００２６】
また、本発明の第４の手段によれば、特性可変部材の誘電率又は透磁率を大幅に変化させることができるので、ビームの走査範囲を大きく確保することができる。
【００２７】
また、本発明の第５の手段によれば、特性可変部材が上記の単位パターンの上方に突き出すことがないので、効果的にアレーアンテナの薄板化若しくは小型化を図ることができる。
【００２８】
また、本発明の第６の手段によれば、上記の単位パターンの上方に特性可変部材が配置される構造となるので、特性可変部材の配置が容易になる。
【００２９】
また、特性可変部材を小さく形成すれば、比較的低い電圧で高速に特性可変部材の誘電率を変化させることができる。例えば、特性可変部材を液晶で構成する場合には、少なくとも電界が形成される２方向においてその長さを０．２ｍｍ以下にすることが望ましく、これによって、１００ｖ以下の電圧によっても、数ミリ秒程度で液晶分子の向きを所望の向きに変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
上記の誘電体基板としては、例えばフッ素樹脂などの比誘電率の小さな材料が望ましい。また、特性可変部材としては、液晶や強誘電体や強磁性体などを挙げることができる。より望ましい材料としては、例えば、ネマティック液晶にポリマーを混合した材料などが有用である。
【００３１】
また、以下に例示する各実施例のアレーアンテナが放射または受信する電磁波の周波数は、概ね１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの範囲において任意に固定された周波数を想定したものであり、単位パターンをｘ軸方向に繰り返し形成する際のそのパターン形成周期は、勿論従来と同様にしてその周波数に合わせて決定すれば良い。しかしながら、本発明によって得ることができる作用・効果は、必ずしも上記の周波数帯域内の電磁波を取り扱うアレーアンテナだけに限定されるものではない。
【００３２】
また、以下に例示する各実施例のアレーアンテナは、全走査範囲（全スキャン角度θ）に対して１秒間当たり概ね数回程度の走査頻度を想定して設計したものであるが、これらの走査頻度は、勿論必要に応じて任意に設定することができる。
また、ストリップ線路の構成要素となる上記の単位パターンは、同一のパターンを用いてそれらを周期的に配列することが望ましいが、必ずしも同一のパターンだけを用いる必要はなく、また、必ずしも周期的に配列する必要もない。したがって、例えば、ストリップ線路の構成要素となる上記の単位パターンは、伝送線路やスタブなどの各部の太さや長さなどの寸法が、揃っていなくとも良く、また、ギャップなどの間隔なども不揃いでも良い。
【００３３】
なお、特性可変部材の誘電率を変化させるために、誘電体基板の全幅または全長に渡って横方向（ｘ軸方向またはｙ軸方向）に電圧をかける方式を採用すると、特性可変部材の誘電率を十分に変化させるために必要となる電圧が高くなり過ぎるので、特性可変部材は各ギャップの近傍の、或いは各スタブの近傍の個々の小さな空間にそれぞれ局所的に配置することが望ましい。
【００３４】
例えば、特性可変部材に対して１００ｖ以下の電圧をかけて誘電率を変化させることによって、数ｍｓｅｃ程度でビームの照射角を最大値から元の最小値に切り替えるためには、液晶を用いる場合、その充填空間の一辺の長さを０．２ｍｍ程度以下にする必要があることが判っている。
【００３５】
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。
ただし、本発明の実施形態は、以下に示す個々の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３６】
図１は、給電点Ｐから入力する電磁波の周波数を７７ＧＨｚとして設計した本実施例１のアレーアンテナ１００の斜視図である。このアレーアンテナ１００は、周期的な配線パターンからなるストリップ線路を、その主線路がｘ軸方向になる様に、比誘電率が２．２のフッ素樹脂からなる厚さ約０．１３ｍｍの誘電体基板２５上に、銅を主成分とする金属導体を用いて形成したものである。その周期的な配線パターンは、伝送線路２１（主線路）とスタブ２２を有しており図中左端の給電点Ｐから給電される。このアレーアンテナ１００の誘電体基板２５上の周期的な配線パターンは、以下の単位パターンをｘ軸方向に周期的に１６回繰り返し配置することによって実現されている。
【００３７】
図２に、このアレーアンテナ１００の単位パターン２０（周期構造）の平面図と断面図を示す。この単位パターン２０は、上記の周期的な配線パターンを備えたものであり、この単位パターン２０上では、上記の伝送線路２１は、ｘ軸方向に延びる主線路を途中で分断するギャップＧ２の左側に位置する伝送線路２１ａと、そのギャップＧ２の右側に位置する伝送線路２１ｂとから構成されている。このギャップＧ２のｘ軸方向における間隔は、約０．１ｍｍである。
ただし、伝送線路２１ａの途中には制御電圧に係わる直流カット用のスリットＳ１が具備されており、伝送線路２１ｂの途中にも同様の直流カット用のスリットＳ２が具備されている。これらの直流カット用の細いスリットＳ１，Ｓ２は、スタブ２２、２２′の近傍に配置される液晶２４及び液晶２４′の各比誘電率に対して、ギャップＧ２の近傍に配置される液晶２３の比誘電率を独立に制御可能とするためのものである。
【００３８】
この単位パターン２０は、ｘ軸方向に延びる伝送線路２１（主線路）の中心軸を通る、ｘｙ平面に垂直な図中のＡ−Ａ′断面に対して対称に形成されている。スタブ２２は、伝送線路２１ｂからこの伝送線路２１ｂに対して垂直にｙ軸方向の正の向きに延びている。また、スタブ２２′は、スタブ２２に対してＡ−Ａ′断面に対して対称に形成されている。
【００３９】
キャパシタンスを供するギャップＧ２を挟んで相対峙する主線路２１ａ，２１ｂの各対峙部は、それぞれ横向きに倒れたＴ字形に拡張された幅広部２１１ａと２１１ｂとを有している。また、インダクタンスを供するスタブ２２、２２′についても、その先端部付近において、ｘ軸方向に拡張された幅広部２２１と２２１′とが形成されている。これらの幅の拡張により、ギャップＧ２によって供されるキャパシタンスやスタブ２２、２２′によって供されるインダクタンスの印加電圧に対する変動率を大きくすることができる。
【００４０】
キャパシタンスを供するギャップＧ２の下方においては、誘電体基板２５に特性可変部材を配置するｚ軸方向の高さが約０．１３ｍｍ、ｘ軸方向及びｙ軸方向の長さがそれぞれ何れも約０．３ｍｍの空間が形成されており、この空間の中には液晶２３が充填されている。また、インダクタンスを供するスタブ２２、２２′の下方においても、誘電体基板２５に特性可変部材を配置する空間が形成されており、この空間の中には液晶２４、液晶２４′が充填されている。これらの液晶２３、液晶２４、液晶２４′は何れも、ネマティック液晶にポリマーを混合した材料から構成されている。また、誘電体基板２５の裏面には、導体から成る接地板２６が形成されている。
【００４１】
図３に、上記の単位パターン２０のギャップＧ２の周辺の斜視図を示す。上記の液晶２３は、直方体形状に充填されており、その直方体のｚｘ平面に平行な２つの側面上には、電極２７ａ，２７ｂ（電磁界設定手段）が配設されている。この２つの電極２７ａ，２７ｂにはそれぞれ線路が接続されており、この両電極間には可変制御可能な電圧Ｖ２が印加できる様に電気回路が形成されている。例えば図中のスイッチなどは、トランジスタ等を用いて実現することができる。また、これらの制御回路は、適当なトランジスタ回路等を用いて電圧制御が可能な構成にしても良い。
【００４２】
一方、接地板２６は接地電位（０ｖ）に維持されている。また、主線路２１ａの幅広部２１１ａや主線路２１ｂの幅広部２１１ｂにも略同様の線路が接続されており、図中の電気回路によってこの幅広部２１１ａや幅広部２１１ｂの電位は、所望の電位Ｖ１に可変設定可能になっている。なお、主線路２１ａの幅広部２１１ａや主線路２１ｂの幅広部２１１ｂの電位は、上記の電気回路と同等の回路を用いて何れの単位パターン２０においても同じ値（Ｖ１）に設定する。
【００４３】
なお、図２の液晶２４や液晶２４′に対しても、略同様の電磁界設定手段を設けるものとする。ただし、液晶２４と液晶２４′の形状を考慮して、液晶２４と液晶２４′に対しては、それぞれｚ軸方向とｘ軸方向の２方向から電界を与える構成にすると良い。各電位の制御は上記の電気回路と同様の回路を用いて行うことができる。
【００４４】
図４は、アレーアンテナ１００の放射特性（シミュレーション結果）を例示するグラフである。このシミュレーションは、周知の伝送線路の理論に基づいて実施したものであり、本シミュレーションでは、上記の単位パターン２０を使ったメタマテリアル構造について、即ち、上記の単位パターン２０を図１と同じ要領でｘ軸方向に１列×１６回繰り返して周期的に作成したアレーアンテナについて検証した。放射角θは、図１に図示する様にｚｘ面上の角度として定義されており、ｚ軸の正の向きをθ＝０°とした。この時のシミュレーション条件は、以下の通りである。
【００４５】
（シミュレーション条件）
ａ．Ｖ１＝    ０ｖ，Ｖ２＝０ｖ
ｂ．Ｖ１＝  ５０ｖ，Ｖ２＝０ｖ
ｃ．Ｖ１＝１００ｖ，Ｖ２＝０ｖ
これらの液晶は、１００ｖの電圧をかけることで比誘電率が２．５から２．７まで変化する。なお、図２の液晶２４や液晶２４′に対しても、随時それらの各液晶分子の向きが必要とされる比誘電率を供する所望の向きになる様に同様に制御する。
【００４６】
これらの条件に基づいて検証された図４のシミュレーションの結果より、アレーアンテナ１００のビームの放射角θは、上記の電位Ｖ１の制御によって、約−２２°〜＋１３°の範囲において、所望の角度に制御できることが判った。
また、図４の条件ｃ．の様に放射角θが最大値となった直後に、上記の電気回路を用いて各電圧をＶ１＝０ｖ，Ｖ２＝１００ｖと再設定するその他の実験によって、液晶２３を構成する各液晶分子の方向を、元の方向、即ち、上記のａ．の状態（Ｖ１＝０ｖ，Ｖ２＝０ｖ）に高速に戻すことができることが判った。この復元に掛かる所要時間は、水平方向（ｙ軸方向）の電界を利用しているため約１０ｍｓｅｃと非常に短い。
【００４７】
したがって、本実施例１のアレーアンテナ１００を用いれば、約３５°の広範囲に渡ってアンテナのビームの放射角を電気的に制御できると共に、非常に高速な走査動作を実現することも同時に可能となる。
【００４８】
なお、上記のストリップアレーアンテナの配線パターンを複数パターン平行に並列に配置して平面アンテナを構成する場合には、必要に応じて誘電体基板にビアホールを形成したり、誘電体基板中に多層構造の回路を形成したり、或いはワイヤーボンディングを行ったりして、上記の電気回路などの様な必要な制御用回路を立体的に形成する必要が生じるが、その様な立体的な回路形成によって、上記のストリップアレーアンテナの配線パターンを複数パターン平行に並列に配置して平面アンテナを構成することも、十分に可能となる。
【００４９】
ただし、上記のストリップアレーアンテナの配線パターンを１列だけ配列したアレーアンテナを構成する場合には、必要とされる制御用回路に関する電気配線を、ストリップアレーアンテナの配線パターンと同一の平面上に引き回しても良い。即ち、この様な場合には、必ずしも上記の様な立体的な回路形成を実施する必要はない。
【実施例２】
【００５０】
図５−Ａ，−Ｂに、上記の単位パターン２０に関する１つの変形例を例示する。上記の単位パターン２０に対するこの変形例の主な相違点（特徴）は以下の通りである。
（１）液晶２３′（特性可変部材）は、誘電体基板２５の中には配置されず、ギャップＧ２の上（ｚ座標が大きくなる方）に配置されている。
（２）誘電体材料から成る液晶保持部材２９が、誘電体基板２５上の配線パターン（主線路２１ａ，２１ｂ）の上や誘電体基板２５の上に、液晶２３′を側方から囲む様にして配置されている。
（３）電極２８ａ，２８ｂ（電磁界設定手段）が、特性可変部材（液晶２３′）の上面に、配線パターン（主線路２１ａ，２１ｂ）と平行に対峙する様に形成されている。また、この電極２８ａ，２８ｂの間には、ビーム放射用の隙間が形成されている。
（４）特性可変部材（液晶２３′）のｚｘ平面に平行な２つの側面上には、電極２７ａ′，２７ｂ′（電磁界設定手段）が配設されている。
【００５１】
例えばこの様に、特性可変部材や電磁界設定手段を配置しても、上記の実施例１と略同様にして特性可変部材（液晶２３′）に所望の電界を与えることができる。
本実施例２の場合、電極２８ａ，２８ｂなどの影響を考慮するためにビームの放射特性の設計が難しくなったりすることがあるが、その代わりに、上記の誘電体基板２５には穴をあけたり、その穴に特性可変部材を埋め込んだりする必要がなくなるので、本実施例２の様な実施形態に従えば、周期構造を供する所望の単位パターンが実施例１の単位パターン２０よりも製造し易くなると言う利点を得ることができる。
【００５２】
〔その他の変形例〕
本発明の実施形態は、上記の形態に限定されるものではなく、その他にも以下に例示される様な変形を行っても良い。この様な変形や応用によっても、本発明の作用に基づいて本発明の効果を得ることができる。
【００５３】
例えば、上記の実施例１では、周期的な配線パターンを主線路の中心線に対して対称形としたが、配線パターンは主線路の中心線に対して対称形でなくても良い。
また、キャパシタの対峙部やスタブの端部などは、必ずしも拡張しなくても良い。
また、上記の実施例１では、この２つの電極２７ａ，２７ｂにそれぞれ線路を接続して、電極２７ａ，２７ｂの電極対を液晶分子の方向の復元手段として用いたが、この両電極間の電圧Ｖ２は、前述の電圧Ｖ１と同様に利用して、放射ビームの角度調整などに使っても良い。
また、電圧Ｖ２で形成される電界の方向と、電圧Ｖ１で形成される電界の方向とは、必ずしも直交させなくても良い。更に、電極の数も任意で良い。
【００５４】
また、３方向以上の複数の方向から電界を与えても良い。例えば、直交する２方向の電界の各方向の間の略中間の角度（方向）においても、対応する電極を設けて電界を生成する様にしても良い。即ち、例えば電界の向きをθ＝０°の向きからθ＝９０°の向きへと変える際に、例えばその変化を２段階に分けて、中間の角度（方向）に対応する電極をも用いて、０°→４５°→９０°と電界の向きを変える様にすると、更に高速に液晶分子の向きを変化させることができる。また、２対の電極によって形成される各電極の方向を互いに直交させれば、それらの電界の各成分の合成によって、電界の向きは任意に設定することができるので、その様な各成分の合成によって、特性可変部材に与える電界の向きを自在に制御するようにしても良い。
【００５５】
また、特性可変部材の立体形状は任意で良く、また、特性可変部材や液晶を充填する空間の形状などは、必ずしも直方体でなくても良い。
また、特性可変部材は、強誘電体や強磁性体などから構成しても良い。
また、上記の各実施例では、ビーム幅を大幅に可変制御するなどのビーム成形技術に付いては特に言及しなかったが、本発明に基づく上記の各実施例のアレーアンテナにおいては何れも、例えば、前記の非特許文献２などに記載されている様な周知のビーム成形技術を、各特性可変部材に対する電気的な制御に基づいて容易に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、無線通信や電磁波センシングに有用であり、例えば、無線通信装置や、車両の事故防止システムやオートクルーズ制御システムなどに用いられる障害物センサや、或いはその他の車両周辺の物体に対する物体探索手段などとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】実施例１のアレーアンテナ１００の斜視図
【図２】アレーアンテナ１００の単位パターン２０（周期構造）の平面図と断面図
【図３】単位パターン２０のギャップＧ２の周辺の斜視図
【図４】アレーアンテナ１００の放射特性を例示するグラフ
【図５−Ａ】単位パターン２０に関する変形例を例示する斜視図
【図５−Ｂ】同変形例に係わるギャップＧ２の周辺の断面図
【図６】従来のアレーアンテナの特性を説明する説明図
【図７−Ａ】その他の従来のビーム走査アンテナの平面図。
【図７−Ｂ】その他の従来のビーム走査アンテナの断面図。
【符号の説明】
【００５８】
１００  ：  アレーアンテナ（実施例１）
２０  ：  単位パターン（１周期構造）
２１ａ：  伝送線路（主線路）
２１ｂ：  伝送線路（主線路）
２２  ：  スタブ
２３  ：  液晶（特性可変部材）
２４  ：  液晶（特性可変部材）
２５  ：  誘電体基板
２６  ：  接地板
２７ａ：  電極（電磁界設定手段）
２７ｂ：  電極（電磁界設定手段）
２８ａ：  電極（電磁界設定手段）
２８ｂ：  電極（電磁界設定手段）
２９  ：  液晶保持部材
Ｇ２  ：  ギャップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５−Ａ】
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【図５−Ｂ】
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【図６】
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【図７−Ａ】
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【図７−Ｂ】
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