(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波信号が給電される棒状の給電アンテナ素子と、
この給電アンテナ素子と所定の間隔をおいて配置される、棒状の複数の無給電アンテナ素子と、
前記給電アンテナ素子及び前記無給電アンテナ素子の基端側に配置される接地導体と、
前記複数の無給電アンテナ素子の基端と前記接地導体との間にそれぞれ接続される可変リアクタンス素子とで構成されるアレイアンテナ装置において、
前記電波信号の波長をλとすると、前記給電アンテナ素子の先端から、距離５λ／８を超えて且つ距離７λ／８未満の位置に、少なくとも、前記アンテナ素子の先端面を全て覆う面積を有する金属板を配置したことを特徴とするアレイアンテナ装置。
【請求項２】
前記金属板を配置する距離を、３λ／４に設定したことを特徴とする請求項１記載のアレイアンテナ装置。
【請求項３】
前記金属板の最小長さ寸法を、λ／２に設定したことを特徴とする請求項１又は２記載のアレイアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給電アンテナ素子と、複数の無給電アンテナ素子と、これらの無給電アンテナ素子にそれぞれ接続される可変リアクタンス素子と、接地導体とで構成されるアレイアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１つの給電アンテナ素子に対して、所定の間隔を置いて複数の無給電アンテナ素子を配置し、これらの無給電アンテナ素子にそれぞれ接続される可変リアクタンス素子を備えるアレイアンテナ装置として、例えばエスパ（ESPAR）アンテナがある。エスパアンテナは、可変リアクタンス素子のリアクタンス値を変化させることで指向性が変化するアンテナである（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２４４３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、エスパアンテナのようなアレイアンテナ装置をフィールドに設置した際、その周辺に金属体が位置すると、それがアンテナの指向性に影響を及ぼすことがある。これは、アンテナの主方向放射（メインローブ）の利得と不要方向放射（サイドローブ）の利得とのバランスが変化するためである。したがって、例えばアレイアンテナ装置をレーダとして利用し、物体の方位検出を行う際に、その周辺に金属体が位置していれば方位検出の誤差が大きくなり、検出精度を低下させることになる。
【０００４】
このような金属体の影響を排除するには、例えばアレイアンテナ装置に予めガード部材を設けておくことで、周辺（一般には、電波の波長λ以内）に金属体が位置しない状態でアレイアンテナ装置を設置することも考えられる。しかしこの場合、アレイアンテナ装置が大型化して設置環境が限定されるので、当該装置の取扱が困難になることが想定される。上記の影響は、特に電波信号の周波数が比較的低い場合に顕著となる。例えばミリ波レーダなどは波長が短いため影響は小さいが、ＵＨＦ帯の電波信号では数ｃｍ単位で干渉状態が変化するので、アレイアンテナ装置の小型化が困難になる。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、装置の取り扱いを容易にしつつ、周辺に位置する金属体が指向性に与える影響を回避できるアレイアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載のアレイアンテナ装置によれば、給電アンテナ素子に給電される電波信号の波長をλとすると、給電アンテナ素子の先端から、距離５λ／８を超えて且つ距離７λ／８未満の位置に、少なくともアンテナ素子の先端面を全て覆う面積を有する金属板を配置する。本願発明者は、アレイアンテナ装置の周辺に金属体が位置することで指向性に及ぼす影響を解析したところ、サイドローブの放射レベルが上昇するケースがあることを突き止めた。そして、この影響は、アンテナの極方向に金属体が位置することでより大きくなることが判明した。
【０００７】
そこで、上記の指向性に影響を及ぼすメカニズムを検討した。給電アンテナ素子の先端からは電波信号が放射されるが、その先に金属体が位置すると電波信号が反射するため、放射波と反射波とが干渉する。そして、反射波の位相は金属体の位置に応じて変化するので、干渉が生じた結果、電波信号の振幅は金属体の位置に応じて変化する。この現象が、サイドローブの放射レベルに影響を与えて指向性を変化させていると推察される。
【０００８】
以上の検討結果より、アレイアンテナ装置に予め金属板を備えることとして、金属板を給電アンテナ素子の先端から配置する距離を変化させて、サイドローブの放射レベルに影響を与える状態を解析した。金属板が、給電アンテナ素子の先端から電波信号の１波長に等しい距離λ，若しくは距離λ／２だけ離れた位置にあると、放射波と反射波とが干渉した結果、電波信号の振幅を強め合うようになり、これがサイドローブの放射レベルを増幅させている。
【０００９】
したがって、理論的には、金属板を給電アンテナ素子の先端から、λ／８より長く且つ７λ／８より短い距離に配置すれば、サイドローブの放射レベルを増幅する作用を弱めることができると考えられる。そこで、金属板を、距離５λ／８を超えて且つ距離７λ／８未満となる位置に配置することで、放射波と反射波とが干渉した結果による電波信号の振幅を弱めてサイドローブの放射レベルを抑える一定の効果を得ることができる。このように金属板を配置すれば、アレイアンテナ装置の周辺，すなわち金属板の外側にその他の金属体が位置している場合でもその影響を排除できるので、アンテナの指向性を良好に維持することができる。
【００１０】
請求項２記載のアレイアンテナ装置によれば、金属板を配置する距離を３λ／４に設定する。このように設定すれば、放射波と反射波との位相差が１８０°になるので、両者が干渉した結果による電波信号の振幅は理論上ゼロになる。したがって、サイドローブの放射レベルを最小にして、金属板を配置することによる効果を最大化できる。
【００１１】
請求項３記載のアレイアンテナ装置によれば、金属板の最小長さ寸法を、λ／２に設定する。このように構成すれば、金属板は、給電アンテナ素子からの放射波に対して半波長ダイポールアンテナのようにふるまうので、電波信号の反射効果をより高めることができる。したがって、サイドローブの放射レベルをより抑圧して金属板を配置する効果を一層高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施例であり、アレイアンテナ装置の外観を示す斜視図
【図２】アレイアンテナ装置に金属板を配置する効果を原理的に説明する図
【図３】金属板を配置した場合のメインローブレベル，サイドローブレベル比の変化についてシミュレーションした結果を示す図
【図４】図３において、（ａ）シールド板を配置していない場合と、（ｂ）アンテナ下面側にシールド板を配置した場合との上記レベル比を示す図
【図５】第２実施例を示す図２相当図
【図６】第３実施例を示す図１相当図
【図７】第４実施例を示す図１相当図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施例）
以下、第１実施例について図１ないし図４を参照して説明する。図１は、アレイアンテナ装置の外観を示す斜視図である。アレイアンテナ装置１は、接地導体２上に、モノポールアンテナとして形成された給電アンテナ素子３と、無給電アンテナ素子４〜９とを備えている。導体板である接地導体２は、各アンテナ素子３〜９の長さλ／２（λは、アレイアンテナ装置１により送信される電波信号の波長）に対して十分に大きい広さを有している。
【００１４】
無給電アンテナ素子４〜９は、給電アンテナ素子３を中心として、例えば半径ｄ＝λ／４の円周上に、互いに中心角６０度の間隔で配置されている。尚、接地導体２については、特許文献１と同様に誘電体基板上に配置されている（図３参照）。給電アンテナ素子３は、図示しない基板上の送信機よりマイクロストリップラインを介して電波信号が給電され、マイクロストリップラインは給電アンテナ素子３の一端に接続されている。一方、無給電アンテナ素子４〜９には、高周波的に接地される接地導体２との間に図示しない可変リアクタンス素子が接続されている。
【００１５】
そして、アンテナ素子３〜９の先端から距離３λ／４離れた位置には金属板１０が配置され、前記先端から接地導体２を跨いで３λ／４よりも短く、且つ５λ／８よりも長い距離だけ離れた位置には金属板１１が配置されている。金属板１０，１１の形状は、少なくとも、アンテナ素子３〜９の先端面をすべてカバーできる面積を有する矩形状である。
【００１６】
次に、本実施例の作用について図２ないし図４を参照して説明する。図２は、金属板１０，１１が配置されることによる効果を原理的に説明する図である。図２（ａ）に示すように、給電アンテナ素子３の先端から放射される電波信号は、金属板１０で反射されるため逆相の反射波が発生し、放射波と干渉する。
【００１７】
金属板１０が、給電アンテナ素子３の先端から１波長に等しい距離λだけ離れた位置にあると、反射波は放射波と同相になるため、両者が干渉した結果、電波信号の振幅は強め合うことになる。これが、アレイアンテナ装置１のサイドローブの放射レベルをより大きくするように作用すると考えられる。また、図２（ｂ）に示すように、金属板１０が、給電アンテナ素子３の先端から距離λ／２だけ離れた位置にある場合も、半波長についてであるが図２（ａ）に示す結果と同様になる。
【００１８】
これに対して、図２（ｃ）に示すように、金属板１０が、給電アンテナ素子３の先端から距離３λ／４だけ離れた位置にあると、反射波は放射波と逆相になるため、両者が干渉した結果、電波信号の振幅は弱め合うことになり、サイドローブの放射レベルをより小さくする方向に作用すると考えられる。
【００１９】
図３は、アレイアンテナ装置の極方向に金属体を配置した状態について、２枚のシールド板金（金属板１０，１１に相当）を配置しない場合と、それぞれを所定の距離に配置した場合とで、アレイアンテナ装置のメインローブの最大放射レベルに対するサイドローブの最大放射レベルの比がどのように変化するのかをシミュレーションした結果である。上記金属体の形状は、図示はしないが金属板１０，１１のようなシールド板金と同じである。また、図中に示す接地導体は、誘電体基板上に配置されていることを示している。電波信号の周波数は２．４５ＧＨｚであり波長λは約１２０ｍｍである。
【００２０】
図中に矩形のドットで示しているのが２枚のシールド板金を配置しない場合であり、図中に円形のドットで示している（破線で囲んでいる）のが２枚のシールド板金を配置した場合である。金属板１０に相当し、アンテナの上面側に配置されるシールド板は、アンテナ素子の先端より約３λ／４に相当する距離９０ｍｍに位置し、金属板１１に相当し、アンテナの下面側（接地導体２を挟んだ逆側）に配置されるシールド板は、上記先端より３λ／４よりも短い距離である８０ｍｍの付近に位置している。シールド板金を配置した方が、サイドローブの放射レベルが大きく低下していることが分かる。すなわち、アンテナの上面側ではメインローブとのレベル比で約−７ｄＢ，アンテナの下面側では約−６．５ｄＢ程度に減少している。
【００２１】
尚、アンテナの下面側に配置されるシールド板については、サイドローブの放射レベルを低下させる効果が最大となる位置を探索した結果として、３λ／４よりも短い８０ｍｍとなったものである。これは、図３中の基板下側８０ｍｍの位置でサイドローブが低くなっていることと、１００ｍｍの位置でサイドローブが高くなっていることから、接地導体２の影響によって誘電体基板を通過する電波信号の波長が１５％程度短縮されるためと考えられる。この解析結果から、シールド板の最適設置位置は誘電体等の影響による波長λの変化に依存すると言える。
【００２２】
図４は、図３において、（ａ）シールド板を配置していない場合と、（ｂ）アンテナの下面側にシールド板を配置した場合とについて、距離約１００ｍｍの位置に金属体が配置された状態でのメインローブ及びサイドローブの放射状態を示したものである（図３において丸で囲んだポイントに対応する）。また、図中にサイドローブの最大レベルを円で示している。（ａ）のレベル比−４．５ｄＢから、（ｂ）のレベル比は−７ｄＢに大きく低下している。
【００２３】
ここで、図２に示したように、論理的には、金属板１０を、給電アンテナ素子３の先端から５λ／８より長く且つ７λ／８より短い距離に配置すれば効果が得られることになる。したがって、実効的な効果が得られるのは、距離５λ／８（約７５ｍｍ）を超えて、且つ距離７λ／８（約１０５ｍｍ）未満の位置に配置した場合であると考えられる。
【００２４】
以上のように本実施例によれば、アレイアンテナ装置１において、給電アンテナ素子３に給電される電波信号の波長λに対し、給電アンテナ素子３の先端から、距離５λ／８を超えて且つ距離７λ／８未満の位置に、少なくともアンテナ素子３〜９の先端面を全て覆う面積を有する金属板１０，１１を配置した。したがって、放射波と反射波とが干渉した結果による電波信号の振幅を弱めてサイドローブの放射レベルを抑えることができる。そして、金属板１０，１１を設けることで、それらの外側に金属体が位置する場合でもその影響を排除できるので、アレイアンテナ装置１の指向性を良好に維持することができる。
【００２５】
この場合、より具体的には、金属板１０を配置する距離を上記先端から３λ／４に設定したことで、放射波と反射波との位相差が１８０°になり、両者が干渉した結果による電波信号の振幅は理論的にはゼロになる。したがって、サイドローブの放射レベルを最小にして、金属板１０を配置することによる効果を最大化できる。また、金属板１１については、配置する距離を上記先端から３λ／４よりも短く設定したので、接地導体２（誘電体）の影響を受けた結果として、金属板１０よりも短い距離に配置することでサイドローブの放射レベルを最小にできる。
【００２６】
（第２実施例）
図５は第２実施例であり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施例では、金属板２１の最小長さ寸法を、λ／２に設定する。例えば、第１実施例の図１に示す形状であれば、１辺がλ／２の正方形状にすると良い。このように構成すれば、金属板２１は、給電アンテナ素子３からの放射波に対して先端からの距離３λ／４の位置で半波長ダイポールアンテナのようにふるまうことになり、電波信号の反射効果をより高めることができる。
【００２７】
（第３，第４実施例）
図６，図７は第３，第４実施例を示す図１相当図である。第１実施例では金属板１０，１１を、接地導体２を間に挟む両側に配置したが、図６に示す第３実施例のように金属板１１のみを配置したり、図７に示す第４実施例のように金属板１０のみを配置しても良い。要は、金属板は、少なくともアンテナ装置がその他の金属体の影響を受ける可能性がある側に配置すれば良い。
【００２８】
本発明は上記した、又は図面に記載した実施例に限定されるものではなく、以下のような変形又は拡張が可能である。
給電アンテナ素子３と、無給電アンテナ素子４〜９との長さ寸法は、同じでなくても良い。
金属板の形状は、円形であっても良い。例えば第２実施例の場合であれば、直径がλ／２の円形とすれば良い。
電波信号の周波数は２．４５ＧＨｚに限ることはない。
【符号の説明】
【００２９】
１はアレイアンテナ装置、２は接地導体、３は給電アンテナ素子、４〜９は無給電アンテナ素子、１０，１１，２１は金属板を示す。
【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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