(57)【要約】【課題】従来に比べてさらに小型化できるアレーアンテナ装置を提供する。【解決手段】アレーアンテナ装置は、無線信号を送受信するための給電素子Ａ０と、給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた少なくとも１つの無給電素子Ａ１−Ａ６と、無給電素子に接続された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６とを備え、それらのリアクタンス値を変化させることにより、無給電素子Ａ１−Ａ６をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナ装置の指向特性を変化させる。ここで、上端面を少なくとも有する略円筒形状又は略円柱形状を有する接地導体１１Ｃの上端面上に、接地導体１１Ｃの略円筒又は略円柱の半径と実質的に同一の半径を有する略円柱形状を有する誘電体１３Ｃをそれらの中心軸が一致するように配置し、誘電体１３Ｃ内に給電素子Ａ０を配置し、誘電体１１Ｃの外周面上に無給電素子Ａ１−Ａ６を配置した。【選択図】図１
2005160011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた少なくとも１つの無給電素子と、上記無給電素子に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記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により、上記無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナ装置の指向特性を変化させるアレーアンテナ装置において、
上端面を少なくとも有する筒形状を有する接地導体の上端面上に、上記接地導体の筒の径と実質的に同一の径を有する柱形状を有する誘電体をそれらの中心軸が一致するように配置し、上記誘電体内に上記給電素子を配置し、上記誘電体の外周面上に上記無給電素子を配置したことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項２】
上記誘電体は略円柱形状を有することを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
【請求項３】
上記誘電体は略楕円柱形状を有することを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
【請求項４】
上記誘電体は多角柱形状を有することを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子からなるアレーアンテナ装置の指向特性を変化させることができるアレーアンテナ装置に関し、特に、電子制御導波器アレーアンテナ装置（Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna）の指向特性を適応的に変化させることができるアレーアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の電子制御導波器アレーアンテナ装置は、例えば、非特許文献１や特許文献１において提案されている。この電子制御導波器アレーアンテナ装置は、無線信号が給電される給電素子と、この給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられ、無線信号が給電されない少なくとも１個の無給電素子と、この無給電素子に接続された可変リアクタンス素子とから成るアレーアンテナを備え、上記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により、上記アレーアンテナ装置の指向特性を変化させることができる。
【０００３】
この電子制御導波器アレーアンテナ装置において、このアンテナ装置の多面的なビーム形成能力はマルチパスフェーディング及び同一チャネル干渉の低減を可能にし、かつ入射信号の正確な到来方向（ＤＯＡ）推定を可能にする。また、このアンテナ装置は、無線コンピュータネットワーク及び方向探知の能力を最大化するアプリケーションを有している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−０２４４３１号公報。
【特許文献２】特開２００３−１１４２６８号公報。
【非特許文献１】T. Ohira et al., "Electronically steerable passive array radiators for low low-cost analog adaptive beamforming", IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology, pp.101-106, Dana Point, U.S.A., May 2000.
【非特許文献２】Y. Ojiro, et al., "Improvement of elevation directivity for ESPAR antennas with finite ground plane", IEEE AP-S Internal Symposium, Boston, U.S.A., July 2001.
【非特許文献３】J.W. Lu, et al., "A performance comparison of smart antenna technology for wireless mobile computing terminals", Proceeding of Asia Pacific Microwave Conference, pp.581-584, Taipei, Taiwan, 3rd-6th December 2001.
【非特許文献４】D.V. Thiel et al., "Switched parasitic antennas for cellular communications", Published by Artech House, pp.170-180, 2002.
【非特許文献５】M. Kominami, et al., "Dipole and slot elements and arrays on semi-infinite substrates", IEEE Transactions on Antennas Propagation, Vol.33, No.6, pp.600-607, June 1994.
【非特許文献６】N. Kishioka et al., "FDTD analysis of strip dipole antenna covered by dielectric material", Proceedings of Asia Pacific Microwave Conference, pp.1352-1355, Sydney, Australia, 3rd-6th December 2000.
【非特許文献７】J.D. Krauss, "Antennas", Published by McGraw-Hill, pp.725-726, 1988.
【非特許文献８】T. Ohira et al., "Handheld microwave direction-of-arrival finder based on varactor tuned aerial beamforming", Proc. Asia Pacific Microwave Conference, pp.585-588, Taipei, Taiwan, 3rd-6th December 2001.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、移動体アプリケーションにおいて実用的であり、またはその動作環境において邪魔にならないようなものであるためには、このアンテナ装置の小型化が命題である。
【０００６】
図１２は、例えば非特許文献２において開示されている、第１の従来例に係る電子制御導波器アレーアンテナ装置１００Ａの構成を示す斜視図である。図１２において、自由空間における従来のアンテナ設計における寸法も示している。
【０００７】
図１２において、上端面を有するが下面の端面を有しない、いわゆるスカート部を備えた円筒形状の接地導体１１Ａの上端面上に、１本の給電素子Ａ０と、当該給電素子Ａ０を中心として所定の距離だけ離間した円周上に６本の無給電素子Ａ１乃至Ａ６が、当該接地導体１１Ａの上面端面に対して垂直かつ互いに平行となるように植立されている。ここで、給電素子Ａ０は下端部が接地導体１１Ａとは電気的に絶縁されるように支持され、その下端部は給電ケーブルを介して無線機に接続されている。また、各無給電素子Ａ１乃至Ａ６は、その下端部が接地導体１１Ａとは電気的に絶縁されるように支持され、各無給電素子Ａ１乃至Ａ６の下端部は可変リアクタンス素子を介して接地されている。
【０００８】
以上のように構成された電子制御導波器アレーアンテナ装置１００Ａにおいて、各素子Ａ０乃至Ａ６の長さは所望の周波数（当該周波数の波長をλ０とする。）で共振するように０．２５λ０よりわずかに短い。接地導体１１Ａには、主ローブの放射パターンの仰角を低減すると同時に接地導体１１Ａの円筒半径を縮小できるように導電スカート（円筒周囲部）が使用されている（非特許文献２参照。）。
【０００９】
ところで、モノポールの電子制御導波器アレーアンテナ装置を中実の円柱誘電体に埋め込むことにより、当該アレーアンテナ装置の小型化方法は既に、例えば非特許文献３において開示されている。例えば、当該アレーアンテナ装置を、自由空間の場合より高い誘電率の誘電体内に完全に埋め込む場合、アレーアンテナ装置の寸法を次の式（１）に従って縮小することができる。
【００１０】
【数１】
2005160011.tif 000003
【００１１】
ここで、λｒは無損失物質内を無限に伝搬する電磁波エネルギーの波長であり、λ０は自由空間の波長であり、μｒ及びεｒはそれぞれ物質の比透磁率及び比誘電率である。
【００１２】
図１３は、例えば非特許文献４−６において開示された、第２の従来例に係る電子制御導波器アレーアンテナ装置１００Ｂの構成を示す斜視図である。図１３では、上述のサイズ縮小方法を使用したアレーアンテナ装置の寸法も示している。
【００１３】
図１３において、円板形状の接地導体１１Ｂ上に、給電素子Ａ０及び無給電素子Ａ１乃至Ａ６が配置されている。ここで、アレーアンテナ装置１００Ｂのサイズは、円柱誘電体１３Ｂの内側半径を０．２５λｒにし、無給電素子Ａ１乃至Ａ６をその内側半径の円周上の位置に取り付けることで縮小することができる。無給電素子Ａ１乃至Ａ６の新たな長さは、式（１）のεｒ項を誘電体１３Ｂの誘電率と自由空間媒体の誘電率との平均である有効誘電率項
［数１］
εｅ＝（ε０＋εｒ）／２
で置換することにより概算が可能である（非特許文献４−６参照。）。
【００１４】
以上説明したように、従来例では、いまだアレーアンテナ装置では、そのスカートのつば部分が大きく、さらに小型化が望まれている。
【００１５】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較してさらに小型化できるアレー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】
【００１６】
本発明に係るアレーアンテナ装置は、無線信号を送受信するための給電素子と、上記給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた少なくとも１つの無給電素子と、上記無給電素子に接続された可変リアクタンス素子とを備え、上記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により、上記無給電素子をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナ装置の指向特性を変化させるアレーアンテナ装置において、
上端面を少なくとも有する筒形状を有する接地導体の上端面上に、上記接地導体の筒の径と実質的に同一の径を有する柱形状を有する誘電体をそれらの中心軸が一致するように配置し、上記誘電体内に上記給電素子を配置し、上記誘電体の外周面上に上記無給電素子を配置したことを特徴とする。
【００１７】
上記アレーアンテナ装置において、好ましくは、上記誘電体は略円柱形状、略楕円形状又は多角柱形状を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るアレーアンテナ装置によれば、従来技術のアレーアンテナ装置に比較して、その半径を実質的に接地導体の半径と等しくすることができ、これにより、当該アレーアンテナ装置全体のサイズを大幅に小さくし、小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２０】
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｃの構成を示す斜視図であり、図２は図１のアレーアンテナ装置１００Ｃを用いるアレーアンテナの制御装置の構成を示すブロック図である。
【００２１】
第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｃは、無線信号を送受信するための給電素子Ａ０と、給電素子から所定の間隔だけ離れて設けられた６本の無給電素子Ａ１−Ａ６と、各無給電素子Ａ１−Ａ６にそれぞれ接続された６個の可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６とを備え、それらのリアクタンス値を変化させることにより、無給電素子Ａ１−Ａ６をそれぞれ導波器又は反射器として動作させ、アレーアンテナ装置の指向特性を変化させる電子制御導波器アレーアンテナ装置である。ここで、上端面を少なくとも有する中空の円筒形状の接地導体１１Ｃの上端面上に、接地導体１１Ｃの円筒の半径と実質的に同一の半径を有する円柱形状を有する誘電体１３Ｃをそれらの中心軸が一致するように配置し、誘電体１３Ｃ内に給電素子Ａ０を配置し、誘電体１３Ｃの外周面上に無給電素子Ａ１−Ａ６を配置したことを特徴としている。
【００２２】
図１及び図２において、長さｈｓで半径ｒｄｇの円筒形状の接地導体１１Ｃの上端面上に、例えばアルミナ（比誘電率εｒ＝９．６）にてなる長さｈｄｐで半径ｒｄｇの円柱形状の誘電体１３Ｃがそれらの中心軸が一致するように配置されて、例えば、所定の接着剤を用いて固定される。誘電体１３Ｃの中心軸において長さｈａのモノポールの給電素子Ａ０が中心軸に沿って配置されるように、誘電体１３Ｃ内に埋め込まれて設けられる。給電素子Ａ０の下端部は給電点となり、給電用同軸ケーブル５などを介して無線送信機７などを含む無線機に接続される。また、各無給電素子Ａ１乃至Ａ６は誘電体と同じ長さｈｄｐを有し、誘電体１３Ｃの外周面上に等間隔となるように配置されている。
【００２３】
図２において、給電素子Ａ０の給電点は、給電用同軸ケーブル５及びサーキュレータ６を介して低雑音増幅器（ＬＮＡ）１に接続され、また、無給電素子Ａ１乃至Ａ６はそれぞれ可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に接続され、これら可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６は、適応制御型コントローラ２０からの制御電圧信号に応答してそのリアクタンス値を変化させる。
【００２４】
図１及び図２において、給電素子Ａ０の下端部は接地導体１１と電気的に絶縁され、各無給電素子Ａ１乃至Ａ６はそれぞれ、可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６を介して、接地導体１１に対して高周波的に接地される。可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６の動作を説明すると、例えば給電素子Ａ０と無給電素子Ａ１乃至Ａ６の長手方向の長さが実質的に同一であるとき、例えば、可変リアクタンス素子１２−１がインダクタンス性（Ｌ性）を有するときは、可変リアクタンス素子１２−１は延長コイルとなり、無給電素子Ａ１の電気長が給電素子Ａ０に比較して長くなり、反射器として働く。一方、例えば、可変リアクタンス素子１２−１がキャパシタンス性（Ｃ性）を有するときは、可変リアクタンス素子１２−１は短縮コンデンサとなり、無給電素子Ａ１の電気長が給電素子Ａ０に比較して短くなり、導波器として働く。また、他の可変リアクタンス素子１２−２乃至１２−６に接続された無給電素子Ａ２乃至Ａ６についても同様に動作する。
【００２５】
従って、図２のアレーアンテナ装置１００Ｃにおいて、各無給電素子Ａ１乃至Ａ６に接続された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６に印加する制御電圧値を変化させて、その接合容量値であるリアクタンス値を変化させることにより、アレーアンテナ装置１００Ｃの平面指向特性を変化させることができる。
【００２６】
図２のアレーアンテナの制御装置において、アレーアンテナ１００Ｃで受信される無線信号を送信する送信局は、学習シーケンス信号発生器２１で発生される所定の学習シーケンス信号と同一の信号パターンを有する学習シーケンス信号を含む所定のシンボルレートのディジタルデータ信号に従って、無線周波数の搬送波信号を、例えばＢＰＳＫ、ＱＰＳＫなどのディジタル変調法を用いて変調し、当該変調信号を電力増幅して受信局のアレーアンテナ装置１００Ｃに向けて送信する。本実施形態においては、データ通信を行う前に、送信局から受信局に向けて学習シーケンス信号を含む無線信号が送信され、受信局では、適応制御型コントローラ２０による適応制御処理が実行される。
【００２７】
アレーアンテナ装置１００Ｃは送信局からの無線信号を受信し、上記受信された信号は、給電用同軸ケーブル５及びサーキュレータ６を介して低雑音増幅器（ＬＮＡ）１に入力されて増幅され、次いで、ダウンコンバータ（Ｄ／Ｃ）２は増幅された信号を所定の中間周波数の信号（ＩＦ信号）に低域変換する。さらに、Ａ／Ｄ変換器３は低域変換されたアナログ信号をディジタル信号にＡ／Ｄ変換し、そのディジタル信号を適応制御型コントローラ２０及び復調器４に出力する。次いで、適応制御型コントローラ２０は、入力される受信信号と学習シーケンス信号とに基づいて、各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を、順次所定の差分幅だけ摂動させ、各リアクタンス値に対して所定の評価関数値（例えば、受信信号の電力）を計算し、上記計算された評価関数値に基づいて、最急勾配法を用いて、当該評価関数値が最大となるように、各リアクタンス値を反復して計算することにより、当該アレーアンテナ装置１００Ｃの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のリアクタンス値を計算して設定するように制御する。これにより、当該評価関数値が最大となるように、上記アレーアンテナ装置１００Ｃの主ビームを所望波の方向に向けかつ干渉波の方向にヌルを向けるための各可変リアクタンス素子のバイアス電圧値を探索し、探索された各バイアス電圧値を有する制御電圧信号を各可変リアクタンス素子に出力して設定する。
【００２８】
以上説明したように、本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｃにおいては、接地導体１１Ｃもまた、円柱形状の誘電体１３Ｃ及び無給電素子Ａ１−Ａ６の配置半径と一致する半径を有するように縮小され、従来例に比較して小型化できる。誘電体１３Ｃは円柱形状に限らず、略円柱形状、略楕円柱形状、略多角形柱形状などの柱形状であってもよい。
【００２９】
以上の実施形態においては、中空の円筒形状の接地導体１１Ｃを用いているが、本発明はこれに限らず、中空の概略円筒形状又は略楕円筒形状などの筒形状の接地導体、もしくは、中実の円柱形状、概略円柱形状又は略楕円柱形状などの柱形状の接地導体であってもよい。
【００３０】
＜第２の実施形態＞
図３は本発明の第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｄの構成を示す斜視図であり、図４は図３のアレーアンテナ装置１００Ｄの上面を示す上面図である。また、図５は図３のアレーアンテナ装置１００Ｄの無給電素子Ａ１の下部付近の構成を示す詳細正面図である。本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｄは、円柱形状の誘電体１３Ｃを備えた図１のアレーアンテナ装置１００Ｃに比較して、１２角柱形状の誘電体１３Ｄを備え、誘電体１３Ｄの１２個の外周矩形面のうち１つおきの外周矩形面にそれぞれストリップ形状の無給電素子Ａ１−Ａ６を形成したことを特徴としている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に詳細説明する。
【００３１】
図３において、長さｈｓで半径ｒｄｇの円筒形状の接地導体１１Ｄの上端面上に、例えばポリカカーボネート（比誘電率εｒ＝２．９）にてなる長さｈｄで半径ｒｄｇの１２角柱形状の誘電体１３Ｄがそれらの中心軸が一致するように配置されて、例えば、所定の接着剤を用いて固定される。誘電体１３Ｄの中心軸において長さｈａのモノポールの給電素子Ａ０が中心軸に沿って配置されるように、誘電体１３Ｄ内に埋め込まれて設けられる。給電素子Ａ０の下端部は給電点となり、給電用同軸ケーブル５などを介して無線送信機７などを含む無線機に接続される。また、各無給電素子Ａ１乃至Ａ６は長さｈｐを有し、誘電体１３Ｄの誘電体１３Ｄの１２個の外周矩形面のうち１つおきの外周矩形面にそれぞれ、所定の等しい間隔となるように、その長手方向が中心軸と平行となるようにストリップ形状の無給電素子Ａ１−Ａ６を形成した。なお、図４の上面図に示すように、各無給電素子Ａ１乃至Ａ６はそれぞれ、テフロン基板５０上に導体パターン５１を形成してなり、ここで、誘電体１３Ｄの１２角柱形状の内面に接する内周円の半径はｒｄｇである。
【００３２】
図５の無給電素子Ａ１の導体パターン５１の下端部の下側であってテフロン基板５０上において、端子導体６１，６２が形成され、ここで、端子導体６２は接地導体１１Ｄにねじ６３止めされる。導体パターン５１は抵抗Ｒ１を介して端子導体６１に接続されるとともに、例えば可変容量ダイオードである可変リアクタンス素子１２−１を介して端子導体６２に接続される。端子導体６１は抵抗Ｒ２，Ｒ３を介して端子導体６２に接続されている。さらに、端子導体６１は、テフロン基板５０を厚さ方向で貫通するスルーホールに充填されたスルーホール導体４１を介して接地導体１１Ｄに接続されている。また、端子導体６２は、テフロン基板５０を厚さ方向で貫通するスルーホールに充填された複数のスルーホール導体４２を介して接地導体１１Ｄに接続されている。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｄにおいては、接地導体１１Ｄもまた、１２角柱形状の誘電体１３Ｄの内周半径及び無給電素子Ａ１−Ａ６の配置半径と一致する半径を有するように縮小され、従来例に比較して小型化できる。
【００３４】
以上の実施形態においては、中空の円筒形状の接地導体１１Ｄを用いているが、本発明はこれに限らず、中空の概略円筒形状又は略楕円筒形状などの筒形状の接地導体、もしくは、中実の円柱形状、概略円柱形状又は略楕円柱形状などの柱形状の接地導体であってもよい。
【００３５】
以上の実施形態においては、１２角柱形状の誘電体１３Ｄを用いているが、本発明はこれに限らず、無給電素子の数に応じた多角柱形状の誘電体を用いてもよい。
【００３６】
＜変形例＞
以上の実施形態においては、６本の無給電素子Ａ１乃至Ａ６を備えているが、本発明はこれに限らず、少なくとも１本の無給電素子を備えることにより、アレーアンテナ装置の指向特性を変化させてもよい。
【００３７】
次いで、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｃ及び第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｄのシミュレーション結果について以下に説明する。
【００３８】
第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｃでは、アレーアンテナ装置１００Ｃの構造について、アンソフト社製高周波電磁界構造シミュレータ（ＨＦＳＳ：High Frequency Structure Simulator）を用いてシミュレーションし、マルチニッチクラウディングを採用する所定の遺伝的アルゴリズムを使用して構造パラメータ及びリアクタンス値セット（ｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４，ｘ５，ｘ６）に対して最適化した。ここで、当該アレーアンテナ装置１００Ｃの構造について、一定のリアクタンス値が使用され得ないように適応ビーム形成を使用しない到来方位角探索アプリケーションに関して最適化した。例えば、３０゜以内までの到来方位角の計算は、３０゜で離隔された方位角での離散ビーム位置において受信される信号強度を測定することにより、電子制御導波器アレーアンテナ装置であるアレーアンテナ装置１００Ｃを使用して達成することができる。ビームステアリングは、リアクタンス値セットを適応的に装荷された無給電素子Ａ１−Ａ６を用いて変化させることにより達成される。離隔３０゜の到来角仕様は、主ローブの電力半値ビーム幅が９０゜以下であるときに達成されている。
【００３９】
本実施形態において、円柱形状の誘電体１３Ｃに使用する材料は、比誘電率εｒが９．５で損失正接が０．０１５であるアルミナである。最適化コスト関数は、９０゜の半値電力幅（方位角）に関して無給電素子Ａ１の方向の主ビームの指向性利得が最大となるように設定した。給電素子Ａ０はインピーダンス整合回路を介して無線機に接続するために、反射減衰量は考慮しなかった。なお、シミュレーション周波数は２．４８４ＧＨｚに設定した。
【００４０】
本発明者らのシミュレーション結果においては、誘電体１３Ｃ及び無給電素子Ａ１−Ａ６の高さｈｄｐの最適化範囲は、０．２５λｒ乃至０．２５λ０であった。円柱誘電体１３Ｃ及び接地導体１１Ｃの円筒半径ｒｄｇは、０．２３λｒ乃至０．３３λｒの間で変化させた。最適化には無給電素子Ａ１−Ａ６のベースのリアクタンス値セットを含み、リアクタンス値ｘ１、ｘ２、ｘ３及びｘ４の最適化範囲は−９０Ω乃至−５Ωであり、第１の実施形態に係る電子制御導波器アレーアンテナ装置の対称性を使用して最適化変数の数を減らしてｘ５＝ｘ３及びｘ６＝ｘ２とした。給電素子Ａ０の高さｈａ及び接地導体１１Ｃの長さｈｓはそれぞれ、９．８ｍｍ及び３０．２ｍｍで一定に保った。無給電素子Ａ１−Ａ６の幅は、１．８ｍｍであり、給電素子の半径は、０．５ｍｍであった。
【００４１】
次の表１は、シミュレーションした当該アレーアンテナ装置１００Ｃの最適設計パラメータを示したものである。
【００４２】
【表１】
2005160011.tif 000004
【００４３】
第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｃは、自由空間に配置された第１の従来例の電子制御導波器アレーアンテナ装置１００Ａに比べて半径は７９％、高さは１８％低減し、同じ周波数でサイズ（容積比）は事実上１／３３になった。
【００４４】
図６は図１のアレーアンテナ装置１００Ｃのシミュレーション結果であって、Ｈ面の指向特性を示す図であり、図７は図１のアレーアンテナ装置１００Ｃのシミュレーション結果であって、Ｅ面の指向特性を示す図である。図６及び図７から明らかなように、９０゜の半値電力幅で４．８３ｄＢの指向性利得を得ることができた。
【００４５】
第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｄにおいても、アレーアンテナ装置１００Ｄの構造について、第１の実施形態と同様に、アンソフト社製高周波電磁界構造シミュレータ（ＨＦＳＳ）を用いてシミュレーションし、マルチニッチクラウディングを採用する所定の遺伝的アルゴリズムを使用して構造パラメータ及びリアクタンス値セットに対して最適化した。
【００４６】
第２の実施形態で用いる誘電体１３Ｄはポリカーボネートにてなり、その電気特性は、比誘電率εｒが２．９で損失正接が０．００６であった。第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｄを用いることにより、プリント基板であるテフロン基板５０を用いて構成される無給電素子Ａ１−Ａ６を誘電体１３Ｄに対して平らに形成できる。ここで、本発明者らは、当該アレーアンテナ装置１００Ｄについて、無給電素子Ａ１の方向の利得が最大となるように、かつ周波数２．４８４ＧＨｚで９０゜未満の半値電力幅について最適化した。
【００４７】
本発明者らのシミュレーションにおいては、無給電素子Ａ１−Ａ６の高さｈｐの最適化範囲は、０．２８２λｒ乃至０．３８１λｒであった。無給電素子Ａ１−Ａ６の幅は、６ｍｍで一定であり、誘電体１３Ｄの高さｈｄは常に、無給電素子Ａ１−Ａ６の長さｈｐより７ｍｍだけ長い。給電素子Ａ０は１ｍｍの半径を有し、その高さｈａを０．２２６λｒ乃至０．２４７λｒ間で最適化した。接地導体１１Ｄの半径及び誘電体１３Ｄの内周半径ｒｄｇは、０．２１１λｒ乃至０．３１λｒ間で最適化した。接地導体１１Ｄの長さｈｓは最適化変数ではなく、０．２５λ０に設定した。無給電素子Ａ１−Ａ６に装荷された可変リアクタンス素子１２−１乃至１２−６のリアクタンス値ｘ１−ｘ６は、−７３Ωから１４Ωまで変化させた。この場合も、上述と同じく対称性を利用して、リアクタンス最適化変数の数を減らした。
【００４８】
次の表２は、シミュレーションした当該アレーアンテナ装置１００Ｄの最適設計パラメータを示したものである。
【００４９】
【表２】
2005160011.tif 000005
【００５０】
当該最適設計パラメータによれば、２．８ｄＢｉの絶対利得及び周波数２．４８４ＧＨｚで７６゜の半値電力幅が得られた。第２の実施形態においては、自由空間に配置された第１の従来例の電子制御導波器アレーアンテナ装置に比べて半径は６９％、高さは６％低減し、同じ周波数でサイズ（容積比）はほぼ１／１１になった。
【００５１】
図８は図３のアレーアンテナ装置１００Ｄのシミュレーション結果であって、Ｈ面の指向特性を示す図であり、図９は図３のアレーアンテナ装置１００Ｄのシミュレーション結果であって、Ｅ面の指向特性を示す図である。図８及び９はＨ面及びＥ面の正規化された放射パターンであり、レムコム社製電磁界シミュレーションソフトウエア「ＸＦＤＴＤ」（現在電磁界解析法の標準的な手法のひとつであるFDTD（Finite Difference Time Domain、時間領域差分法）を使った３次元電磁界シミュレーションソフトウエアである。）を使用して、第２の実施形態のシミュレーション結果を検証した。ＸＦＤＴＤによるシミュレーションは、利得及び半値電力幅をそれぞれ３．９１ｄＢｉ及び６８゜と計算した。これは、ＨＦＳＳを使用して計算された結果よりも優れていた。
【００５２】
図１０は図３のアレーアンテナ装置１００Ｄの実験結果であって、Ｈ面の指向特性（主ビームの方位角が０，６０，１２０，１８０，２４０，３００度のとき）を示す図である。また、図１１は図３のアレーアンテナ装置１００Ｄの実験結果であって、Ｈ面の指向特性（主ビームの方位角が３０，９０，１５０，２１０，２７０，３３０度のとき）を示す図である。図１０及び図１１から明らかなように、図８のシミュレーション結果と実質的に一致していることがわかる。なお、図１０及び図１１において、主ビームの方位角における最大利得を付記している。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
以上説明したように、本発明に係る実施形態によれば、給電素子Ａ０を中実の誘電体１３Ｃ又は１３Ｄ内に埋め込み、かつ無給電素子Ａ１−Ａ６をその外周面上に形成することにより、電子制御導波器アレーアンテナ装置を大幅に小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｃの構成を示す斜視図である。
【図２】図１のアレーアンテナ装置１００Ｃを用いるアレーアンテナの制御装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置１００Ｄの構成を示す斜視図である。
【図４】図３のアレーアンテナ装置１００Ｄの上面を示す上面図である。
【図５】図３のアレーアンテナ装置１００Ｄの無給電素子Ａ１の下部付近の構成を示す詳細正面図である。
【図６】図１のアレーアンテナ装置１００Ｃのシミュレーション結果であって、Ｈ面の指向特性を示す図である。
【図７】図１のアレーアンテナ装置１００Ｃのシミュレーション結果であって、Ｅ面の指向特性を示す図である。
【図８】図３のアレーアンテナ装置１００Ｄのシミュレーション結果であって、Ｈ面の指向特性を示す図である。
【図９】図３のアレーアンテナ装置１００Ｄのシミュレーション結果であって、Ｅ面の指向特性を示す図である。
【図１０】図３のアレーアンテナ装置１００Ｄの実験結果であって、Ｈ面の指向特性（主ビームの方位角が０，６０，１２０，１８０，２４０，３００度のとき）を示す図である。
【図１１】図３のアレーアンテナ装置１００Ｄの実験結果であって、Ｈ面の指向特性（主ビームの方位角が３０，９０，１５０，２１０，２７０，３３０度のとき）を示す図である。
【図１２】第１の従来例に係る電子制御導波器アレーアンテナ装置１００Ａの構成を示す斜視図である。
【図１３】第２の従来例に係る電子制御導波器アレーアンテナ装置１００Ｂの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５５】
Ａ０…給電素子、
Ａ１乃至Ａ６…無給電素子、
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…抵抗、
１…低雑音増幅器（ＬＮＡ）、
２…ダウンコンバータ、
３…Ａ／Ｄ変換器、
５…給電用同軸ケーブル、
６…サーキュレータ、
７…無線受信機、
１１Ｃ，１１Ｄ…接地導体、
１２−１乃至１２−６…可変リアクタンス素子、
１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ…誘電体、
２０…コントローラ、
２１…ＣＲＴディスプレイ、
４１，４２…スルーホール導体、
５０…テフロン基板、
５１…導体パターン、
６１，６２…端子導体、
６３…ねじ、
１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ…アレーアンテナ装置。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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