(57)【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、
前記各単位パターンは、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た、使用周波数において左手系となるパターンであり、
前記各単位パターンの前記各ギャップに近接して配設され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体から構成された、位置、向き、大きさ、または形状を可変制御でき、前記各ギャップのキャパシタンスを、各単位パターンがアンテナとして非動作状態となるまで、それぞれ、独立して、変化させることができるそれぞれの第１可変制御部材と、
前記各単位パターンの前記各スタブに近接して配設され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体から構成された、位置、向き、大きさ、または形状を可変制御でき、前記各スタブのインダクタンスを、各単位パターンがアンテナとして非動作状態となるまで、それぞれ、独立して変化させることができるそれぞれの第２可変制御部材と、
前記各第１可変制御部材に対して機械的に作用して前記各可変制御部材の位置、向き、大きさ、または形状を、それぞれ、独立して変化させるそれぞれの第１アクチュエータと、
前記各第２可変制御部材に対して機械的に作用して前記各可変制御部材の位置、向き、大きさ、または形状を、それぞれ、独立して変化させるそれぞれの第２アクチュエータと、
前記各第１アクチュエータ及び前記各第２アクチュエータに、それぞれ独立して、電圧を印加する制御手段と
を有することを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項２】
前記制御手段は、前記アレーアンテナの端部から連続して、所定数の前記単位パターンをアンテナとして非動作状態となるまで、それぞれの前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータを制御することにより、前記アレーアンテナの実効長を可変制御する手段であ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】
前記制御手段は、複数の前記単位パターンを第１群と第２群との２群に分割した場合に、第１群に属する単位パターンは、左手系で動作させ、第２群に属する単位パターンは右手系で動作させるように、前記各第１アクチュエータと前記各第２アクチュエータに電圧を印加して、前記アレーアンテナにおけるサイドローブのレベルを抑制する手段である
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４】
前記制御手段は、複数の前記単位パターンを第１群と第２群との２群に分割した場合に、第１群に属する単位パターンは、左手系で動作させ、第２群に属する単位パターンは右手系で動作させるように、前記各第１アクチュエータと前記各第２アクチュエータに電圧を印加して、前記アレーアンテナにおける指向性のヌルの方位を可変制御する手段である 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５】
前記各第１アクチュエータの変位または変形に応じて変位または変形するそれぞれの第１応変追従機構を、前記各第１可変制御部材と前記各第１アクチュエータとの間に有し、
前記各第２アクチュエータの変位または変形に応じて変位または変形するそれぞれの第２応変追従機構を、前記各第２可変制御部材と前記各第２アクチュエータとの間に有し、
前記各第１可変制御部材は、前記各第１アクチュエータにより前記各第１応変追従機構を介して間接的に位置制御され、
前記各第２可変制御部材は、前記各第２アクチュエータにより前記各第２応変追従機構を介して間接的に位置制御される
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】
前記各第１応変追従機構は、不動点であるそれぞれの支点と、前記各第１アクチュエータから駆動力を受けるそれぞれの力点と、前記各第１可変制御部材に対して作用するそれぞれの作用点とを有し、
前記各第２応変追従機構は、不動点であるそれぞれの支点と、前記各第２アクチュエータから駆動力を受けるそれぞれの力点と、前記各第２可変制御部材に対して作用するそれぞれの作用点とを有する
ことを特徴とする請求項５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１１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ができるので、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軸の正の向きからｘ軸の負の向きの方に傾斜した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。この様な、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、その従来技術においては、周波数を大きく変化させないと、上記の様なθ＜０なる角度領域に傾斜した向きに放射ビームの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１１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１２−Ａ，−Ｂ）が提案されている。このビーム走査アンテナは、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、各金属パッチ（１，２）間のキャパシタンスは、金属パッチ２が貼り付けられた可動板３を水平方向に動かすことによって可変制御される。
【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したり、或いは受信したり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１２−Ａ，−Ｂ）には、以下の様な生産性や制御性や、或いは小型化や薄板化など係わる問題がある。
（１）図１２−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別の給電用アンテナを別途用意する必要がある。
（２）可動板３を水平方向に動かすことによって、アンテナの放射ビームの指向性を可変制御することはできるが、各金属パッチには周期的な位置関係に関する理論的及び物理的な強い制約があるので、各金属パッチをそれぞれ独立に位置制御することはできない。このため、この従来のビーム走査アンテナに対して、ビーム幅やビームパターンを可変制御するなどのビーム成形技法を導入することは不可能である。
【００１０】
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または透磁率を、能動的に制御された電界または磁界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を考えることもできるが、誘電率が変化する例えば強誘電体やフェライトなどの材料を用いた場合には、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。
【００１１】
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。また、本発明の更なる目的は、以下の少なくとも何れか１つの機能をそれらの小形のアレーアンテナに与えることである。
（機能１）アンテナのビーム幅を自在に変更する機能
（機能２）不要なサイドローブの放射量を抑制する機能
（機能３）所望の向きにヌルを形成する機能
【００１２】
ただし、上記の個々の目的は、本発明の個々の手段の内の少なくとも何れか１つによって、個々に達成されればよく、よって、本願の個々の発明（下記の個々の手段）は、必ずしも上記の全ての課題を同時に解決できるものでなくても良い。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、各単位パターンは、伝送線路と、伝送線路を途中で分断するギャップと、伝送線路から枝分かれするスタブとを有した、使用周波数において左手系となるパターンであり、各単位パターンの各ギャップに近接して配設され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体から構成された、位置、向き、大きさ、または形状を可変制御でき、各ギャップのキャパシタンスを、各単位パターンがアンテナとして非動作状態となるまで、それぞれ、独立して、変化させることができるそれぞれの第１可変制御部材と、各単位パターンの各スタブに近接して配設され、誘電体、磁性体、金属導体、またはそれらの複合体から構成された、位置、向き、大きさ、または形状を可変制御でき、各スタブのインダクタンスを、各単位パターンがアンテナとして非動作状態となるまで、それぞれ、独立して変化させることができるそれぞれの第２可変制御部材と、各第１可変制御部材に対して機械的に作用して各可変制御部材の位置、向き、大きさ、または形状を、それぞれ、独立して変化させるそれぞれの第１アクチュエータと、各第２可変制御部材に対して機械的に作用して各可変制御部材の位置、向き、大きさ、または形状を、それぞれ、独立して変化させるそれぞれの第２アクチュエータと、各第１アクチュエータ及び各第２アクチュエータに、それぞれ独立して、電圧を印加する制御手段とを有することを特徴とするアレーアンテナである。
【００１４】
【００１５】
本発明のアレーアンテナは、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。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、誘電体と金属導体との複合体、若しくは磁性体と金属導体との複合体で、上記の可変制御部材を構成した場合には、その誘電体や磁性体の表面に金属導体を設けても良く、或いはその誘電体や磁性体の内部に金属導体を設けても良い。また、可変制御部材やアクチュエータは、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。また、可変制御部材とストリップ線路や誘電体基板を構成する材料との間には薄いフィルムを設けて可動を容易にするようにしても良い。
【００１７】
本発明は、上記の可変制御部材の位置または姿勢を可変制御することによって、前述の所望の機能１〜３を実現するものである。
【００１８】
本発明の第２の手段は、第１の手段において、制御手段は、アレーアンテナの端部から連続して、所定数の単位パターンをアンテナとして非動作状態となるまで、それぞれの第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを制御することにより、アレーアンテナの実効長を可変制御する手段としたことを特徴とする。
ただし、上記の実効長とは、当該アンテナを構成する単位パターンの配列の全長の内、実際にアンテナとして実質的に有効に作用する部分の長さのことであり、この長さは各単位パターンの各放射量に基づいて判定することができる。
また、本発明の第３の手段は、第１の手段において、  制御手段は、複数の単位パターンを第１群と第２群との２群に分割した場合に、第１群に属する単位パターンは、左手系で動作させ、第２群に属する単位パターンは右手系で動作させるように、各第１アクチュエータと各第２アクチュエータに電圧を印加して、アレーアンテナにおけるサイドローブのレベルを抑制する手段としたことを特徴とする。
即ち、その分布を、例えば周知のテイラー分布などの様な、サイドローブ抑制作用を奏する適当な分布に制御することにより、アンテナのサイドローブレベルを抑制することができる。
【００１９】
また、本発明の第４の手段は、第１の手段において、制御手段は、複数の単位パターンを第１群と第２群との２群に分割した場合に、第１群に属する単位パターンは、左手系で動作させ、第２群に属する単位パターンは右手系で動作させるように、各第１アクチュエータと各第２アクチュエータに電圧を印加して、アレーアンテナにおける指向性のヌルの方位を可変制御する手段としたことを特徴とする。
【００２０】
ただし、例えば、単位パターンの各指向性を相異なる２つの向きに組分けして制御する場合、一方の向きに放射させる単位パターンの組に属する各単位パターンは、必ずしも単位パターンの配列上に連続に一纏まりに配置する必要はない。即ち、相異なる指向性を与える単位パターンを交互に配置しても良いし、一方の向きに放射させる単位パターンの組を配列上の連続的な１組にまとめても良い。また、上記の複数の向きは、３方向でも４方向以上でも良い。
【００２１】
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、アクチュエータの変位または変形に応じて変位または変形する応変追従機構を、上記の可変制御部材とアクチュエータとの間に設け、アクチュエータにより可変制御部材を応変追従機構を介して間接的に位置制御することである。
【００２２】
また、本発明の第６の手段は、上記の第５の手段において、上記の応変追従機構に、不動点である支点と、アクチュエータから駆動力を受ける力点と、可変制御部材に対して作用する作用点とを設けることである。
【００２３】
また、上記の可変制御部材は誘電体基板の上に配置することができる。
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】
【００２４】
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。
【００２５】
本発明の第１乃至第４の何れか１つの手段によれば、上記の可変制御部材を機械的に動かすことにより、ギャップやスタブの近傍の等価誘電率を変化させたり、ギャップが供するキャパシタやスタブが供するインダクタの電気長を変化させることができる。即ち、上記の可変制御部材を機械的に動かすことにより、ギャップのキャパシタンスやスタブのインダクタンスを変化させることができる。このため、アレーアンテナから放射される電磁波の強度や位相分布などを自在に制御することができる。したがって、この可変制御部材の位置や姿勢の制御に基づいて、前述の機能１〜３の少なくとも何れか１つの機能を実現することができる。
【００２６】
また、本発明の第１乃至第４の何れか１つの手段によれば、個々の可変制御部材の微小変位に基づいて、放射ビームの指向性が可変制御できるので、アレーアンテナ全体の方位を機械的に変化させて指向性を可変制御する場合に比べ、所望のアレーアンテナをよりコンパクトに形成することができる。
【００２７】
特に、本発明の第２の手段によれば、上記のアクチュエータを用いて、ギャップのキャパシタンス成分やスタブのインダクタンス成分を可変制御することができるので、これにより、一部の単位パターンを所定の周波数に対して非動作状態に制御することができる。そして、この場合、それらの非動作状態の単位パターンによって、バンドギャップを形成することができるので、この作用により、当該アレーアンテナの実効長を可変制御することができる。その際、アレーアンテナの実効長が短い場合ほど、当該アレーアンテナのビーム幅が広くなるので、本発明の第２の手段によれば、アンテナのビーム幅を自在に可変制御することが可能となる。
【００２８】
また、本発明の第３の手段によれば、上記のアクチュエータを用いて、上記の単位パターンの各放射量の分布を、例えば周知のテイラー分布などの様な、サイドローブ抑制作用を奏する適当な分布に制御することができるので、これによって、当該アレーアンテナのサイドローブの放射量を小さく抑制することができる。
【００２９】
また、本発明の第４の手段によれば、上記のアクチュエータを用いて、単位パターンの各指向性を相異なる複数の向きに制御することによって、それらの向きから外れた向きにヌルを形成することができる。したがって、本発明の第４の手段によれば、所望の向きにヌルを形成することができ、これによって、任意の方向からの信号の受信を低減させることができる。
例えば、アンテナの正面方向にヌルを形成したい場合には、半数の単位パターンのビームの向きを後方波（Backward波）の側（即ち、左手系のビームの向き）に向け、残りの半数の単位パターンのビームの向きを前方波（Forward 波）の側（即ち、右手系のビームの向き）に向ければ良い。これにより、正面方向からの信号の受信を低減させることができる。
【００３０】
また、本発明の第５の手段によれば、上記の応変追従機構（コンプライアンス機構）によって、アクチュエータの変位の向きを所望の向きに変更したり、アクチュエータの変位の大きさを拡大したり、縮小したり、或いは、アクチュエータと可変制御部材との対応関係を１対多対応に設定したりすることができる。
【００３１】
例えば、アクチュエータの変位の大きさを拡大する構成は、アクチュエータの変位量が大きく得られ難い場合などに有効である。また、アクチュエータの変位量が十分に大きく得られるものの、アクチュエータの変位精度が高く得られ難い場合などには、アクチュエータの変位の大きさを縮小する構成の採用が有効である。
また、この様な拡大作用や縮小作用などを得るためには、例えば上記の本発明の第６の手段などを採用すると良い。即ち、本発明の第６の手段は、アクチュエータの変位の大きさを定数倍に変化させる作用をもたらす。また、本発明の第６の手段は、アクチュエータの変位の方向や向きや作用点の位置などを任意に変える作用をももたらし得る。
【００３２】
また、本発明の第７の手段によれば、誘電体基板の中にアクチュエータを埋め込む必要がなく、このため、本発明のアレーアンテナを比較的容易に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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、例えば設計の容易性などの面でより望ましいが、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。
【００３４】
また、上記の可変制御部材の材料としては、比誘電率の大きな材料が望ましく、例えばアルミナなどのセラミックスが有用である。また、誘電体基板としては、例えば４フッ化エチレン樹脂などの比誘電率の小さな材料が望ましい。この双方の誘電体の各比誘電率の差が大きな場合ほど、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が変化し易くなり、その結果として、可変制御部材の一定の移動量に対してより大きなビーム方向の振り幅を得ることができる。
【００３５】
また、アクチュエータの材料としては、直接的に電子制御可能なものが望ましく例えば圧電素子などを用いることができる。また、応変追従機構（コンプライアンス機構）を構成する材料は任意で良いが、例えばポリエチレンなどの樹脂を用いると、所望の動作を容易或いは効果的に具現できる場合が多い。
【００３６】
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１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲（ミリ波帯及び準ミリ波帯）において概ね略一定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。ただし、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。
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れば良い。
【００３７】
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】
【００３８】
図１は、本実施例１のアレーアンテナ１０の平面図である。４フッ化エチレン樹脂からなる誘電体基板１５の表側には、導体の配線パターンを構成する所定の単位パターンを１６周期、ｘ軸方向に周期的に並べられており、それらの各単位パターンは、ｘ軸方向に走る主線路１１（伝送線路）と、この主線路１１からｙ軸方向へ枝分かれしたスタブ１２からなる。この配線パターンを有する誘電体基板１５の上には、それぞれ比誘電率１０のセラミックス（アルミナ）から形成された可変制御部材１３及び可変制御部材１４が、上記の各単位パターン対応に周期的に配設されており、これらは、それぞれ、ｙ軸方向に動作する樹脂（例：ポリエチレン）から形成された各コンプライアンス機構１８′，１８（応変追従機構）を介して、各アクチュエータ１７′，１７に連結されている。各アクチュエータ１７′，１７は、例えば圧電セラミックスなどの周知の圧電材料から構成することができる。
【００３９】
図２は、このアレーアンテナ１０のストリップ線路を構成する上記の配線パターンの平面図である。符号ｐ1 ，ｐ2 はそれぞれ、アンテナの給電点と終端点を示している。各単位パターンＵは、長手方向がｙ軸方向に一致する対峙部１１ａと対峙部１１ｂとが成す狭い隙間から構成されたギャップＧ１を有しており、このギャップＧ１によって、主線路１１は周期的に分断されている。また、スタブ１２の端部は、主線路１１からｙ軸方向へ枝分かれした途中の枝部よりも若干太く形成されている。
上記のギャップＧ１はキャパシタの機能を奏し、また、上記のスタブ１２はインダクタの機能を奏する。
【００４０】
図３は、上記のアレーアンテナ１０のＡ−Ａ′断面における断面図である。ただし、本断面図においては、電圧可変制御回路Ｃとリード電極Ｌなどが追記されている。誘電体基板１５の裏面全体には、導体から成る接地板１６（図３）が設けられている。アクチュエータ１７の本体部分を構成する圧電材料１７ｃの表裏両面には、金属膜から成る電極１７ａ，１７ｂが成膜されており、電極１７ａは誘電体基板１５の表側に成膜されたリード電極Ｌを介して、電池Ｅの陽極側に接続されている。また、電極１７ｂは可変抵抗器Ｒv を介して電池Ｅの陰極側に接続されている。即ち、上記の電圧可変制御回路Ｃは、この電池Ｅと可変抵抗器Ｒv の直列接続によって構成されている。
【００４１】
また、可変抵抗器Ｒv は、ＩＣチップを用いて、コンピュータ（ＣＰＵ）によるデジタル電子制御が容易な構造に構成することができる。そして、本実施例１においては、上記の電圧可変制御回路Ｃが、本発明の第１の手段における実効長可変制御手段に相当しており、この様な可変抵抗器Ｒv が各アクチュエータ１７′，１７毎にそれぞれ１つずつ設けられている。ただし、各可変抵抗器Ｒv によって１つの電池Ｅを互いに共有させることができることは言うまでもない。
そして、可変抵抗器Ｒv による電圧可変作用とアクチュエータ１７の圧電作用に基づいて、各可変制御部材（１３，１４）の位置（ｙ軸座標）が適正に可変制御される。
【００４２】
図４に上記のアレーアンテナ１０の動作を例示する。電圧可変制御回路Ｃの可変制御によって、図４の左側半分の各単位パターンＵにおいては、可変制御部材１４の位置がそれぞれ何れもＤ（＝０．８ｍｍ）だけｙ軸の正の向きに移動している。これによって、スタブ１２は途中の枝部の部位をも含め完全に可変制御部材１４に覆い隠されている。また、同様に図４の左側半分の各単位パターンＵにおいては、各アクチュエータ１７′によって各可変制御部材１３も同様に駆動されて、ｙ軸の負の向きにそれぞれ何れもｋＤだけ移動している。ただし、ここで、ｋは適当な比例定数である。そして、これらの各単位パターンＵのギャップＧ１は、完全に可変制御部材１３に覆い隠されている。これらの制御は各可変制御部材（１３，１４）についてそれぞれ個別に実施することができる。
【００４３】
この様な操作を行うことにより、スタブ１２やギャップＧ１が誘電体（可変制御部材１３，１４）によって覆い隠された各単位パターンＵは、それぞれ何れも微小アンテナとして動作しなくなる。このため、アンテナの左側半分にはバンドギャップが形成される。その結果、アレーアンテナ１０の実効長は略半分になる。
【００４４】
図５にアレーアンテナ１０のビーム形状（方位−利得特性）を例示する。このビーム形状の各グラフは、以下の各場合ａ〜ｃについて、動作周波数ｆを７６ＧＨｚとしてシミュレーションによって検証した結果を模式的に示したものである。
（ａ）上記の様な操作によって動作しなくする微小アンテナ（単位パターンＵ）の数を、０個とした図１の状態の場合
（ｂ）上記の様な操作によって動作しなくする微小アンテナ（単位パターンＵ）を終端点ｐ2 の側から８個だけ設けた図４の状態の場合
（ｃ）上記の様な操作によって動作しなくする微小アンテナ（単位パターンＵ）を終端点ｐ2 の側から１２個だけ設けた状態の場合
【００４５】
この図５の結果から、Ｄ＝０．０ｍｍとした、即ち、スタブ１２やギャップＧ１を誘電体（可変制御部材１３，１４）によって覆い隠す上記の操作を行わなかった、給電点ｐ1 寄りの単位パターンＵの個数に、アレーアンテナ１０の実効長が略比例し、かつ、アレーアンテナ１０のビーム幅が、それら給電点寄りの単位パターンＵの個数（アレーアンテナ１０の実効長）に対して単調に減少することが分かる。例えば、上記の（ｂ）の場合には、上記の（ａ）の場合に対して、ビーム幅（半値角）が約１．４倍に拡大している。
この様に、Ｄ＝０．０ｍｍとする単位パターンＵの個数を可変制御することによって、アンテナのビーム幅を自在に可変制御することができる。
【００４６】
図６−Ａは、上記の（ａ）の場合について、アレーアンテナ１０のビーム形状を例示するグラフである。また、図６−Ｂは、上記の（ｂ）の場合について、アレーアンテナ１０のビーム形状を例示するグラフである。ただし、これらのグラフの横軸の角度θ（Theta ；度）は、図１１と同様にして、ｚ軸の正の向きからｘ軸の正の向きに向う向きを正の向きとしている。
これらの各グラフでは、ｆ０＝７６ＧＨｚとし、ｆ＝ｆ０とｆ＝１．０４×ｆ０の２ケースについてシミュレーションを実施した。この結果から、上記の（ａ）と（ｂ）の何れの場合においても、動作周波数ｆを約４％程度と非常に小さく変化させるだけで、アンテナの放射ビームの最も高い感度ピークの方位角を左右に大きく可変制御できることが分かった。
【００４７】
なお、図６−Ａ，−Ｂの例では、本発明の実効長可変制御手段に基づいてビーム幅を任意の幅に自在に可変制御しつつ、アンテナの動作周波数ｆを４％程度可変制御することによってアレーアンテナ全体の指向性を制御したが、励振状態の弱い略非動作状態の単位パターンを任意数、例えば終端点側に纏めて配置することによって、即ち、例えば終端点から測った略非動作の部分の長さを任意に設定することによって、本発明の実効長可変制御手段を実現することができるので、アレーアンテナの動作周波数ｆを一定に維持する場合においても、この実効長可変制御手段と並行に同時に有効に動作し得る指向性可変制御手段を、例えば上記の電圧可変制御回路Ｃなどが有する電圧可変作用（即ち、アクチュエータに基づく誘電率可変制御手段）に基づいて構成することができる。
なお、アレーアンテナの動作周波数ｆを一定に維持したままそのアレーアンテナ全体の指向性を可変制御する手段については、後述の実施例３に例示する。
【実施例２】
【００４８】
本実施例２のアレーアンテナにおいては、上記のアレーアンテナ１０の各可変制御部材１３，１４の比誘電率をそれぞれ１０から４．５に変更し、かつ、その他の装置構成は、実施例１の上記のアレーアンテナ１０（図１〜図４）と同じにした。図７は、上記のアレーアンテナ１０を改良した本実施例２のアレーアンテナのビーム形状を例示するグラフである。ここでは、ｆ＝ｆ０（＝７６ＧＨｚ）に固定して、上記の（ａ）の場合と（ｂ）の場合とを比較するシミュレーションを実施した。比誘電率が４．５の誘電体（可変制御部材）は、例えば、４フッ化エチレン樹脂とセラミックスとの合成材料などを用いて構成することができる。
【００４９】
給電側の８つの単位パターンＵについては、Backward側にビームが向き、終端側の８つの単位パターンＵについては、Forward 側にビームが向くため、これによって、その間の−１３°の方向にヌルを形成することができた。また、ピーク利得は、上記の（ａ）の場合と（ｂ）の場合とでほとんど変化しなかった。
なお、この様にして形成されるヌルの方位は、上記の変位Ｄを変化させることにより、自在に可変制御することができる。したがって、この場合には、上記の電圧可変制御回路Ｃを、前述の本発明の第３の手段におけるヌル形成手段に相当するものと考えることができる。
【００５０】
また、先の実施例１の図６−Ｂのｆ＝ｆ０に関するグラフについては、前述の様にビーム幅が拡大されているが、それと同時に、−５°付近に若干弱いヌルが形成されていると見做すこともできる。したがって、本発明の実効長可変制御手段とヌル形成手段とは、例えば上記の電圧可変制御回路Ｃなどによって同時に実現可能な手段であると考えることができる。
【実施例３】
【００５１】
図８−Ａ，−Ｂは、本実施例３の単位パターン２０の平面図（誘電体の移動前／移動後）である。この様な構造の単位パターン２０を採用しても、上記の実施例と同様に、本発明の可変制御部材を有するストリップアレーアンテナを構成することが可能である。この単位パターン２０の誘電体基板２５の表側における配線パターンは、主線路２１ａ，２１ｂ及びスタブ２２から形成されている。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。これによって当該キャパシタのｙ軸方向の対峙幅が広く設定されることで、キャパシタンスを大きくすることができる。また、スタブ２２は、その先端部付近においてｘ軸方向に拡張された幅広部２１１を有している。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によって供されるインダクタンスや、或いはそれらの変動幅が効果的に拡大される。
【００５２】
本実施例３においても、アクチュエータ（２７，２７′）や応変追従機構（２８，２８′）や上記の誘電体２３、２４などは、誘電体基板２５の内部領域（厚みの中）に配置されている。応変追従機構２８（コンプライアンス機構）は、横向きに倒れたＺ字状に形成されており、ｘ軸方向の長さの中点に対して所定距離だけアクチュエータ（２７，２７′）側に変位した位置において、不動点である支点２９において接地導体に固定されている。この応変追従機構２８は、樹脂（例：ポリエチレン）から形成されているため、Ｚ字状の各折り曲げ点において柔軟にその折り曲げ角を変化させることができる。圧電素子から形成されたアクチュエータ２７は、図略の電極から印加される電圧に基づいて、ｙ軸方向に伸び縮みする。以下、アクチュエータ２７と応変追従機構２８との接合点を力点と言い、誘電体２３と応変追従機構２８との接合点を作用点と言う。
【００５３】
図８−Ｂの状態図は、図８−Ａの状態に対して、アクチュエータ２７が上記の力点において応変追従機構２８を下方（ｙ軸の負の向き）に押した状態を示している。この動作の結果、応変追従機構２８は支点２９の周りで回動するので、上記の作用点は上方（ｙ軸の正の向き）に移動し、これに伴って誘電体２３も上方に並進する。この単位パターン２０においては、作用点と支点との間の距離は、力点と支点との間の距離よりも長いので、この回動動作において、アクチュエータ２７が上記の力点を押し下げる距離よりも、誘電体２３の移動量は長くなっている。即ち、力点、支点、作用点の３点の間の関係を上記の様に設定することにより、上記の応変追従機構２８には、アクチュエータ２７の動作を増幅する増幅機能が与えられている。
また、これらの動作や増幅機能に付いては、応変追従機構２８′についても同様に実現される。
【００５４】
図９に、単位パターン２０採用時の効果（シミュレーション結果）を示す。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。また、本図中の定数ｋは１とした。
【００５５】
このシミュレーション結果（図９）から、アクチュエータ２７、２７′に印加する電圧の制御に基づいてアクチュエータ２７、２７′を駆動することにより、各可変制御部材（誘電体２３、２４）を０μｍ〜４５μｍの範囲で動かせば、上記の単位パターン２０を１列×１６回繰り返し形成したストリップアレーアンテナにおいて、ビームをｘ軸の負の側から正の側へ約６０°の振り幅で走査できることが判る。
【００５６】
また、これらの結果より、この様なビームの指向性制御を各単位パターン毎に独立に適用すれば、上記の実施例２と略同様に各単位パターンのビームの方向を複数組にグループ分けすることによっても、前述の本発明の第３の手段におけるヌル形成手段が構成可能なことが分かる。
即ち、例えば単位パターン２０が１６周期具備された上記の構成を有するアレーアンテナにおいては、その右側（給電点側）の８つの単位パターンにおける変位Ｄの値を０μｍとし、残り半分の８つの単位パターンにおける変位Ｄの値を４５μｍとすれば、このような指向性制御によっても、正面方向（ｚ軸方向）にヌルを形成することができる。即ち、このような指向性制御も、本発明のヌル形成手段として用いることができる。
【００５７】
また、以上の各実施例より、動作周波数ｆを固定して行う指向性可変制御手段と、本発明の実効長可変制御手段と、本発明のヌル形成手段とは、例えば前述の電圧可変制御回路Ｃなどを用いて、同時に同様に構成できることが分かる。また、これらの各手段（指向性可変制御手段、実効長可変制御手段、ヌル形成手段）は、本発明に基づく１台のアレーアンテナ上においてそれぞれ同時に有効に作用させることができる。
【実施例４】
【００５８】
図１０−Ａ，−Ｂに本実施例４のアレーアンテナの単位パターンＵ′の平面図を示す。この単位パターンＵ′は、前述の単位パターンＵと同様にｘ軸方向に周期的に配列されることによって、アレーアンテナを構成するものである。
この単位パターンＵ′においては、可変制御部材２３，２４は、誘電体の内部に金属粒子を混入させて形成した人工誘電体から成り、可変制御部材２３は主線路を分断するギャップの下に、可変制御部材２４は主線路から直角に枝分かれしたスタブの下に、それぞれ配設されている。可変制御部材２３は、ｙ軸方向にピエゾ素子２７′、２７′で挟まれている。また、可変制御部材２４は、ｘ軸方向にピエゾ素子２７、２７で挟まれている。更に、各ピエゾ素子は、それぞれに２つずつ配設されている各電極２９で挟まれており、これらの各電極の電位制御によって、ピエゾ素子２７′、２７′はｙ軸方向に、ピエゾ素子２７、２７はｘ軸方向に、それぞれ自在に伸縮させることができる。
【００５９】
上記の人工誘電体は、その体積が変化すると混入されている金属粒子の存在密度などが変化するので、それによって上記の可変制御部材の誘電率が大きく変化する。このため、上記の電位制御によってピエゾ素子２７′、２７′、２７、２７を変形させて、図１０−Ｂに示す様に可変制御部材２３、２４を各方向に押し縮めると、それによって各可変制御部材の誘電率を大きく可変制御することができる。
そして、この様な可変制御機構を構成することによっても、上記の各実施例と略同様の作用・効果をもたらす本発明の実効長可変制御手段やサイドローブレベル抑制手段やヌル形成手段などを構成することができる。
【００６０】
〔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。
【００６１】
（変形例１）
例えば、上記の電圧可変制御回路Ｃ（図３）は、前述の本発明の第２の手段におけるサイドローブレベル抑制手段として動作させることもできる。そのためには、上記のアクチュエータ（１７、１７′または２７、２７′）を用いて、当該アンテナにおける上記の単位パターンの各放射量の分布をテイラー分布に制御すれば良い。この様な制御手段を用いて、上記の単位パターンの各放射量の分布を、例えば周知のテイラー分布などに制御すれば、これによって更にそのアレーアンテナのサイドローブの放射量を小さく抑制することもできる。
【００６２】
（変形例２）
また、上記の各実施例では、可変制御部材として誘電体を移動しているが、これらの誘電体の内部に金属片を入れても良い。その場合は単に誘電率を制御するだけでなく、同時にギャップやスタブの電気長を制御することも可能となるので、誘電体の移動に対するビーム角θの変化が敏感となる。したがって、この様な改造を行えば、ビーム方向の変化範囲をより幅広く確保したり、或いは、アクチュエータをより小型化したりすることも可能となる。
【００６３】
（変形例３）
また、上記の実施例では、可変制御部材を並進移動させているが、可変制御部材の運動は、並進往復運動でも回動運動でも回転運動でも良い。任意の形態の運動によって、ギャップのキャパシタンスやスタブのインダクタンスを可変制御することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
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】
【００６５】
【図１】実施例１のアレーアンテナ１０の平面図
【図２】アレーアンテナ１０のストリップ線路を構成する配線パターンの平面図
【図３】アレーアンテナ１０のＡ−Ａ′断面における断面図
【図４】アレーアンテナ１０の動作を例示する平面図
【図５】アレーアンテナ１０のビーム形状（方位−利得特性）を例示するグラフ
【図６−Ａ】アレーアンテナ１０のビーム形状を例示するグラフ
【図６−Ｂ】アレーアンテナ１０のビーム形状を例示するグラフ
【図７】実施例２のアレーアンテナのビーム形状を例示するグラフ
【図８−Ａ】実施例３のアレーアンテナ２０の平面図
【図８−Ｂ】アレーアンテナ２０の動作を例示する平面図
【図９】アレーアンテナ２０のビーム形状（方位−利得特性）を例示するグラフ
【図１０−Ａ】実施例４のアレーアンテナの単位パターンＵ′の平面図
【図１０−Ｂ】実施例４の単位パターンＵ′の動作を例示する平面図
【図１１】従来のストリップアレーアンテナの特性を説明する説明図
【図１２−Ａ】その他の従来のビーム走査アンテナの平面図。
【図１２−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】
【００６６】
１０  ：  ストリップアレーアンテナ
１１  ：  伝送線路（主線路）
１２  ：  スタブ
１３  ：  可変制御部材
１４  ：  可変制御部材
１５  ：  誘電体基板
１６  ：  接地板
１７  ：  アクチュエータ
１８  ：  コンプライアンス機構（応変追従機構）
Ｕ  ：  単位パターン
Ｇ１  ：  ギャップ
Ｃ  ：  電圧可変制御回路
【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−Ａ】
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【図６−Ｂ】
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【図７】
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【図８−Ａ】
0004534948.tif 000010
【図８−Ｂ】
0004534948.tif 000011
【図９】
0004534948.tif 000012
【図１０−Ａ】
0004534948.tif 000013
【図１０−Ｂ】
0004534948.tif 000014
【図１１】
0004534948.tif 000015
【図１２−Ａ】
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【図１２−Ｂ】
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