(57)【要約】【課題】ビーム走査性能を維持しつつ、アンテナの高さ方向のサイズの小型化を可能にする。【解決手段】リコンフィギュラブルアンテナにおいて、裏面に接地パターンを形成した誘電体基板１の表面上に、４個の放射素子２ａ〜２ｄを互いに９０度の角度を隔てて誘電体基板１の中心から放射状に配置し、かつ放射素子２ａ〜２ｄをＬ字型をなすＣＲＬＨ線路により構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面に接地パターンを形成した誘電体基板と、
それぞれが曲げ形成された右手／左手系複合伝送線路からなり、前記誘電体基板の表面に、互いに等角度を隔てて前記誘電体基板の中心から放射状に配置された複数の放射素子と
を具備し、
前記右手／左手系複合伝送線路を構成する複数のユニットの各々は、
第１の導電部と、
前記第１の導電部の両端部に所定の間隔を隔てて配置される２個の第２の導電部と、
前記第１の導電部と前記２個の第２の導電部との間にそれぞれ装荷され、左手系キャパシタンスとして動作するキャパシタンス素子と、
前記第１の導電部から側方に延伸形成されて、先端部がスルーホールを介して前記誘電体基板の前記接地パターンに接続され、左手系インダクタンスおよびスタブとして動作するインダクタンス素子と
を備えることを特徴とするリコンフィギュラブルアンテナ。
【請求項２】
前記複数の放射素子は、それぞれ前記右手／左手系複合伝送線路をＬ字または円弧状に曲げ形成して構成したことを特徴とする請求項１に記載のリコンフィギュラブルアンテナ。
【請求項３】
前記複数の放射素子は、前記誘電体基板の中心から遠い側の端部にそれぞれ給電点を設けてなることを特徴とする請求項１または２に記載のリコンフィギュラブルアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーダ装置等に使用される、広範囲のビーム走査が可能なリコンフィギュラブルアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーダ装置で使用されるアンテナとして、例えばフェーズドアレーアンテナのように、複数のアンテナ素子に対する給電位相を、素子数もしくはサブアレー数に応じた数の移相器を用いて制御することにより、ビーム走査を可能にしたアンテナが知られている（例えば非特許文献１を参照）。しかし、フェーズドアレーアンテナでは、一般にアレー利得がアンテナ素子単体の指向性特性に依存する。このため、素子単体の最大放射方向に対するビーム放射方向のずれが大きくなればなるほどアレー利得が減少する現象が起こり、広範囲にビーム走査することは困難である。
【０００３】
一方、広範囲のビーム走査が可能なアンテナとして、リコンフィギュラブルアンテナが注目されている。リコンフィギュラブルアンテナは、例えば一つの放射素子の近傍に複数の導反射素子を配置して、スイッチングにより導波・反射の作用を変化させて素子自体の指向性を変化させたり、複数の異なる指向性を持つ素子を配置して、所望の指向性を持つ素子のみに給電することにより指向性を制御するものである（例えば非特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】電子情報通信学会編、「アンテナ工学ハンドブック(第2版)」 オーム社出版、平成20年7月25日発行、ｐ．418〜
【非特許文献２】A. Pal, A. Mehta, D. Mirshekar-Syahkal, P. Deo, and H. Nakano,  “Dual-band Low-profile capacitively coupled beam-steerable square -loop antenna,”IEEE Transactions on Antenna and Propagation, vol. 62, no.3, pp. 1204-1211, 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来のリコンフィギュラブルアンテナには、以下のような解決すべき課題がある。すなわち、一般に地板付きのリコンフィギュラブルアンテナではモノポール素子が使用される。この種のアンテナでは、モノポール素子のアンテナ高が共振長である１／４波長程度必要となることから、アンテナ装置の高さ方向のサイズを小さくすることが困難である。
【０００６】
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、ビーム走査性能を維持しつつアンテナの高さ方向のサイズの小型化を可能にしたリコンフィギュラブルアンテナを提供することにある。
【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この発明の第１の態様は、裏面に接地パターンを形成した誘電体基板と、それぞれが曲げ形成された右手／左手系複合伝送線路からなり、前記誘電体基板の表面に、互いに等角度を隔てて前記誘電体基板の中心から放射状に配置された複数の放射素子とを具備する。そして、前記右手／左手系複合伝送線路を構成する複数のユニットの各々を、第１の導電部と、前記第１の導電部の両端部に所定の間隔を隔てて配置される２個の第２の導電部と、前記第１の導電部と前記２個の第２の導電部との間にそれぞれ装荷され、左手系キャパシタンスとして動作するキャパシタンス素子と、前記第１の導電部から側方に延伸形成されて、先端部がスルーホールを介して前記誘電体基板の前記接地パターンに接続され、左手系インダクタンスおよびスタブとして動作するインダクタンス素子とを備える構成としたものである。
【０００８】
この発明の第２の態様は、前記複数の放射素子を、それぞれ前記右手／左手系複合伝送線路をＬ字または円弧状に曲げ形成して構成したものである。
【０００９】
この発明の第３の態様は、前記複数の放射素子の、前記誘電体基板の中心から遠い側の端部にそれぞれ給電点を設けたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の第１の態様によれば、右手／左手系複合伝送線路からなる複数の放射素子を等角度間隔で放射状に配置したことにより、全方位に対しビーム走査が可能で、かつアンテナ高を低くして低姿勢のリコンフィギュラブルアンテナを提供することができる。
【００１１】
この発明の第２の実施形態によれば、右手／左手系複合伝送線路をＬ字または円弧状に曲げ形成したので、各放射素子から指向性特性が良好な円偏波を放射することができる。
【００１２】
この発明の第３の態様によれば、複数の放射素子の誘電体基板の中心から遠い側の端部にそれぞれ給電点を設けたことによって、放射素子間で良好なアイソレーション特性を確保することができる。
【００１３】
すなわち、この発明によれば、ビーム走査性能を維持しつつアンテナの高さ方向のサイズの小型化を可能にしたリコンフィギュラブルアンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の一実施形態に係るリコンフィギュラブルアンテナの外観を示す斜視図。
【図２】図１に示したリコンフィギュラブルアンテナで使用されるメタラインアンテナ素子を拡大して示した図。
【図３】図２に示したメタラインアンテナ素子の構成を示す図。
【図４】図１に示したリコンフィギュラブルアンテナによる波長短縮率の周波数特性を示す図。
【図５】図１に示したリコンフィギュラブルアンテナで使用される複数のメタラインアンテナ素子に単独で給電したときの指向性特性を示す図。
【図６】図１に示したリコンフィギュラブルアンテナで使用される複数のメタラインアンテナ素子のうち隣り合う２つの素子に同時に給電したときの指向性特性を示す図。
【図７】図１に示したリコンフィギュラブルアンテナによるＶＳＷＲ特性を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。  
［一実施形態］
（構成）
図１は、この発明の一実施形態に係るリコンフィギュラブルアンテナの外観を示す斜視図である。  
図１において、１は誘電体基板であり、この誘電体基板１は例えば円板状に形成された印刷配線基板により構成される。誘電体基板１の裏面全面には接地パターン（図示せず）が形成されている。一方、誘電体基板１の表面には、Ｌ字型をなす４個の放射素子２ａ〜２ｄが、互いに等角度を隔てて誘電体基板１の中心から放射状に配置されている。つまり４個の放射素子２ａ〜２ｄは、誘電体基板１の中心に対し回転対称に、あたかも卍型をなすように配置されている。
【００１６】
放射素子２ａ〜２ｄは、いずれもメタライン（右手／左手系複合伝送線路（ＣＲＬＨ線路））により構成される。ＣＲＬＨ線路は、１単位であるユニットを複数直列に接続したもので、放射素子２ａ〜２ｄはこのようなＣＲＬＨ線路をＬ字型に構成したものである。
【００１７】
具体的には、上記Ｌ字型をなす２つの線路はいずれも５個のユニットを直列に接続している。図２は放射素子２ａ〜２ｄの構成を拡大したもので、ここでは代表して放射素子２ｂを示している。各ユニットは、１個の導電部２２と、その両端に所定の間隔を隔てて配置される導電部２１と、導電部２２と導電部２１との間にそれぞれ装荷されるチップタイプのキャパシタンス素子２３と、上記導電部２２に接続されるインダクタンス素子２４とから構成される。
【００１８】
なお、１つのユニットは、図３に例示するように長さＰで示される区間であり、正確には、導電部２２の両側にある１／２個分の導電部２１を合わせたものが、１ユニット当たりの導電部２１に相当する。Ｌ字型の角部では、隣り合うユニットの導電部２１を一部重ね合わせた接続部を設けることで、隣り合うユニットを直角に接続している。
【００１９】
キャパシタンス素子２３は、左手系キャパシタンスとしての機能を有する。一方インダクタンス素子２４は、図３に示すように線路の外側方向に延伸形成され、一端が上記導電部２２に、他端が接地用端子２６にそれぞれ接続される。接地用端子２６は、誘電体基板１の裏面に形成された接地パターンに対し、スルーホール２５を介して接続される。すなわち、インダクタンス素子２４は、左手系インダクタンスとしての機能を有すると共に、比較的高い周波数においてショートスタブとして動作するように構成される。
【００２０】
また、放射素子（ＣＲＬＨ線路）２ａ〜２ｄの、誘電体基板１の外縁側に位置する端部には、給電点として機能する給電用導電部２７が設けられている。この給電用導電部（給電点）２７は、図示しない給電線路を介して無線回路に接続される。さらに、放射素子２ａ〜２ｄの、上記誘電体基板１の中心側に位置する端部には、終端部として機能する終端用導電部２８が設けられている。この終端用導電部２８には図示しない終端抵抗が接続される。終端抵抗は放射素子２ａ〜２ｄの終端を整合終端するもので、入射インピーダンスおよび放射インピーダンスの広帯域特性の劣化を防ぐ機能を持ち、給電インピーダンスと同じ値、例えばＺB ＝６０Ωに設定される。
【００２１】
放射素子２ａ〜２ｄの各ユニットのサイズは、例えば図３に示すように、１ユニットの長さＰが０．１λB ＝１０mm、導電部２１，２２の幅Ｗが０．０６６λB ＝６．６mmにそれぞれ設定され、また導電部２１，２２間の間隔ｋが０．００５λB ＝０．５mmに設定される。
【００２２】
一方、インダクタンス素子２４のサイズは、長さＬstb が０．０３５λB ＝３．５mm、幅Ｌwが０．０１λB ＝１．０mmにそれぞれ設定される。さらに接地用端子２６のサイズは、縦および横ともにＬsq＝０．０１５λB ＝１．５mmに、またスルーホール２５の直径ｄviaは０．０１λB ＝１．０mmに設定される。なお、上記誘電体基板１には誘電率εrが εr＝２．６で厚さ３．２mmのものが用いられ、またキャパシタンス素子２３の容量２Ｃz は１．２pFに設定される。
【００２３】
（動作および作用）
このような構成であるから、一実施形態に係るリコンフィギュラブルアンテナは以下のように動作する。  
すなわち、放射素子２ａ〜２ｄはＣＲＬＨ線路により構成されている。ＣＲＬＨ線路は、キャパシタンス素子２３の容量と、スタブとして機能するインダクタンス素子２４の長さを調整することで、特定の周波数ｆzeroを境界としてｆzeroより低い周波数帯において負の位相特性を持つことが可能となる。
【００２４】
図４はその一例を示す位相定数−周波数特性図であり、ｆzeroを３GHz に設定したときのＣＲＬＨ線路のモデルをシミュレーションしたものである。同図に示すように、ＣＲＬＨ線路上の信号の波長短縮率β／ｋ0 は、ｆzero＝３GHzより低い周波数帯域において“−”となる。この例では、例えばβ／ｋ0 ＝−１となる周波数ｆL ＝２．４GHzを動作周波数としている。
【００２５】
このような特性を持つＣＲＬＨ線路を左手系伝送線路として動作させ、かつＬ字型に構成することで、放射素子２ａ〜２ｄによりそれぞれ円偏波を送受信することが可能となる。この結果、モノポールアンテナでは困難だった、垂直／水平の直交偏波に対して走査が可能となる。
【００２６】
本実施形態では、４個の放射素子２ａ〜２ｄが互いに９０度の間隔を有して誘電体基板１の中心から放射状に配置されている。このため、各放射素子２ａ〜２ｄに対し択一的に給電することで、それぞれの放射素子２ａ〜２ｄから互いに９０°異なる方向へ円偏波を放射することが可能となる。すなわち、全方位に対しビーム走査が可能な円偏波アンテナとして動作させることができる。図５にその指向性特性の一例を示す。
【００２７】
また、放射素子２ａ〜２ｄのうち隣り合う２つの放射素子２ａ〜２ｄに同時に給電すると、例えば図６の実線に示すように、放射素子２ａ〜２ｄに対し単独で給電した場合の指向性特性に対しそれぞれ５０°の位相差を持つ指向性特性を形成することができる。すなわち、放射素子２ａ〜２ｄに単独給電する動作と、隣り合う２つの放射素子２ａ〜２ｄに同時に給電する動作とを組み合わせることで、全方位に対しさらに高解像度のビーム走査を行うことが可能となる。
【００２８】
さらに本実施形態では、放射素子２ａ〜２ｄとしてＣＲＬＨ線路からなる漏れ波アンテナを使用しているので、アンテナ高をｆzeroに対して０．０３波長程度まで低くすることができ、放射素子としてモノポール素子等を使用する倍に比べてきわめて低姿勢のアンテナを構成することができる。
【００２９】
さらに本実施形態では、各放射素子２ａ〜２ｄの給電用導電部（給電点）２７を誘電体基板１の中心から最も離れた側の端部に配置している。このため、放射素子２ａ〜２ｄ間で良好なアイソレーション特性を確保することができる。
【００３０】
図７に各放射素子２ａ〜２ｄによる電圧定在波比（Voltage Standing Wave Ratio：ＶＳＷＲ）特性を示す。同図から明らかなように、ｆzeroでも低いＶＳＷＲを示し、２GHz〜３GHzの範囲で広帯域にわたりＶＳＷＲが「３」以下となることがわかる。
【００３１】
（効果）
以上述べたように本実施形態では、裏面に接地パターンを形成した誘電体基板１上に、４個の放射素子２ａ〜２ｄを互いに９０度の角度を隔てて誘電体基板１の中心から放射状に配置し、かつ放射素子２ａ〜２ｄをＬ字型をなすＣＲＬＨ線路により構成している。従って、全方位に対し円偏波によるビーム走査が可能で、かつアンテナ高を０．０３波長程度まで低くして低姿勢のリコンフィギュラブルアンテナを提供することができる。
【００３２】
また本実施形態であれば、キャパシタンス素子２３の電気容量とインダクタンス素子２４のスタブ長を調整することにより、アンテナ高を低く保ったまま動作周波数を変化させることが可能となり、さらに放射素子２ａ〜２ｄに単独給電する動作と、隣り合う２つの放射素子２ａ〜２ｄに同時に給電する動作とを組み合わせることで、全方位に対しさらに高解像度のビーム走査を行うことが可能となる。
【００３３】
［他の実施形態］
前記一実施形態では、４個の放射素子２ａ〜２ｄを配置した場合を例に取ったが、放射素子は２個、３個或いは５個以上でもよい。放射素子の数を増やすほど、分解能を高めることができる。また、放射素子はＬ字型に限らず、円弧型またはく字型に形成してもよい。さらに、誘電体基板１は円板型に限るものではなく、正方形や長方形、五角形以上の多角形であってもよい。さらに、接地パターンは必ずしも誘電体基板１の裏面全面に形成する必要はなく、少なくとも放射素子の形成位置に対応する位置に形成すればよい。
【００３４】
その他、誘電体基板およびＣＲＬＨ線路各部の寸法、リアクタンス素子の電気容量およびインダクタンス素子の長さ等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。
【００３５】
要するにこの発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１…誘電体基板、２ａ〜２ｄ…放射素子、２１，２２…導電部、２３…キャパシタンス素子、２４…インダクタンス素子、２５…スルーホール、２６…接地用端子、２７…給電用導電部、２８…終端用導電部、２９…接続部。
【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】
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【図６】
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【図７】
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