特許 5673472 アレーアンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5673472

(24)【登録日】2015年1月9日

(45)【発行日】2015年2月18日

(54)【発明の名称】アレーアンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 3/44 20060101AFI20150129BHJP

   H01Q 19/32 20060101ALI20150129BHJP

   H01Q 15/10 20060101ALI20150129BHJP

【ＦＩ】

   H01Q3/44

   H01Q19/32

   H01Q15/10

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-208293(P2011-208293)

(22)【出願日】2011年9月24日

(65)【公開番号】特開2013-70292(P2013-70292A)

(43)【公開日】2013年4月18日

【審査請求日】2014年1月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】501428545

【氏名又は名称】株式会社デンソーウェーブ

(74)【代理人】

【識別番号】100106149

【弁理士】

【氏名又は名称】矢作 和行

(74)【代理人】

【識別番号】100121991

【弁理士】

【氏名又は名称】野々部 泰平

(74)【代理人】

【識別番号】100145595

【弁理士】

【氏名又は名称】久保 貴則

(72)【発明者】

【氏名】平岩 洋介

【審査官】 佐藤 当秀

(56)【参考文献】

【文献】 電子通信学会編，アンテナ工学ハンドブック，日本，オーム社，１９８０年１０月，第１版第１刷，p.11 (2.2.1 均質等方性媒質内の平面波)

【文献】 電子通信学会ハンドブック委員会編，電子通信ハンドブック，電子通信学会，１９７３年，増補改訂版，ｐ．８７２（５．５．２ 偏波面の測定）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｒ ２９／０８

Ｈ０１Ｑ ３／４４

Ｈ０１Ｑ １５／１０

Ｈ０１Ｑ １９／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

無線信号を受信するための励振素子と、その励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子とが、円形の接地導体上に、その接地導体から絶縁された状態で設けられ、各非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子のリアクタンス値が変化することにより指向性が変化するアレーアンテナ装置であって、
前記接地導体に対して前記励振素子および非励振素子側に導体円板が配置されており、
且つ、その導体円板は、前記接地導体と平行であり、その軸心が前記接地導体を通り、前記励振素子および非励振素子の上端と導体円板の下面との間の距離ｄ、導体円板の半径ｒが下記（１）〜（８）のいずれかの条件を満たしていることを特徴とするアレーアンテナ装置。
（１） ０．００８λ＜ｄ≦０．０７４λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．５９λ
（２） ０．０７４λ＜ｄ≦０．０８２λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．６０λ
（３） ０．０８２λ＜ｄ≦０．２７０λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．６５λ
（４） ０．２７０λ＜ｄ≦０．２７８λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．６１λ
（５） ０．２７８λ＜ｄ≦０．２８６λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．５９λ
（６） ０．２８６λ＜ｄ≦０．２９４λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．４９λ
（７） ０．２９４λ＜ｄ≦０．３０２λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．４５λ
（８） ０．３０２λ＜ｄ≦０．３１０λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．４１λ
なお、λはアレーアンテナ装置が受信する電波の波長である。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アレーアンテナ装置に関し、特に、アレーアンテナ装置において、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比を大きくする技術に関する。

【背景技術】

【0002】

アレーアンテナ装置として、無線信号を受信するための励振素子と、その励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子とを備え、各非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子のリアクタンス値が変化することにより、指向性が変化するアレーアンテナ装置が知られている（たとえば、特許文献１）。なお、この形式のアレーアンテナ装置は、電子走査導波器アレーアンテナ装置と呼ばれことも多いが、以下では、単にアレーアンテナ装置という。

【0003】

アレーアンテナ装置では、励振素子および非励振素子は、円盤形状の接地導体上に、その接地導体から絶縁された状態で設けられる。また、一般的に、接地導体は、半径が受信電波の波長λの１／２に設定され、非励振素子は、接地導体の中心からの距離が波長λの１／４となるように配置される。

【0004】

このアレーアンテナ装置は、指向性が可変であることを利用して、無線端末（たとえば、無線タグ）の方向探知に用いられることがある。アレーアンテナ装置は、通常、水平面走査となるように設置され、この場合、垂直偏波に対して良好な指向性を有する。したがって、方向探知の対象となる無線タグが垂直偏波を送信すれば、精度のよい方向探知が可能になる。

【0005】

しかし、無線タグが人に携帯される場合は、無線タグが様々な向きとなる。従って、無線タグが送信する電波は、水平偏波が主放射偏波となることもある。アレーアンテナ装置は水平偏波に対する指向性は鋭くないことから、水平偏波によって無線タグの方向を推定すると、その精度が十分に得られない。そこで、無線タグが送信する電波は水平偏波成分が強く、垂直偏波成分が弱い場合であっても、アレーアンテナ装置は、垂直偏波成分に基づいた方向推定を行なうことが望まれる。そのためには、アレーアンテナ装置は、垂直偏波の利得が水平偏波の利得よりもできるだけ高いことが望まれる。

【0006】

アレーアンテナ装置では、垂直偏波が受信する主放射成分となることが要求されるから、垂直偏波を主放射成分としてみた場合、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比が大きいほど、水平偏波の利得と比較して垂直偏波の利得が高いことを意味する。よって、アレーアンテナ装置では、受信時におけるこの垂直偏波を主放射成分としてみた場合の主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比を大きくすることが望まれることになる。特許文献１には、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比を大きくするとの明確な記載はないものの、接地導体（特許文献１では有限反射板１）の半径を大きくすることによって水平面の主放射成分利得を高くし、受信時の、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比を大きくできることが推測できる。（段落００１７など）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００２−１６４２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、接地導体半径を大きくしてしまうと、アレーアンテナ装置が大型化してしまうので好ましくない。

【0009】

本発明は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、装置の大型化を抑制しつつ、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比を大きくすることが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】

【0010】

その目的を達成するための請求項１記載の発明は、
無線信号を受信するための励振素子と、その励振素子から所定の間隔だけ離れて設けられた複数の非励振素子とが、円形の接地導体上に、その接地導体から絶縁された状態で設けられ、各非励振素子にそれぞれ接続された複数の可変リアクタンス素子のリアクタンス値が変化することにより指向性が変化するアレーアンテナ装置であって、
前記接地導体に対して前記励振素子および非励振素子側に導体円板が配置されており、
且つ、その導体円板は、前記接地導体と平行であり、その軸心が前記接地導体を通り、前記励振素子および非励振素子の上端と導体円板の下面との間の距離ｄ、導体円板の半径ｒが下記（１）〜（８）のいずれかの条件を満たしていることを特徴とする。
（１） ０．００８λ＜ｄ≦０．０７４λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．５９λ
（２） ０．０７４λ＜ｄ≦０．０８２λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．６０λ
（３） ０．０８２λ＜ｄ≦０．２７０λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．６５λ
（４） ０．２７０λ＜ｄ≦０．２７８λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．６１λ
（５） ０．２７８λ＜ｄ≦０．２８６λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．５９λ
（６） ０．２８６λ＜ｄ≦０．２９４λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．４９λ
（７） ０．２９４λ＜ｄ≦０．３０２λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．４５λ
（８） ０．３０２λ＜ｄ≦０．３１０λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．４１λ
なお、λはアレーアンテナ装置が受信する電波の波長である。

【0011】

上記条件を満たす導体円板が配置されることにより、受信された時の主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比は、導体円板がない以外は同じ構成のアレーアンテナ装置（以下、従来アレーアンテナ装置）に比較して、有意に大きくなることをシミュレーションにより確認できた。たとえば、上記従来アレーアンテナ装置では、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比が１５．６ｄＢである場合において、本発明のアレーアンテナ装置では、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比が最低でも１６．８ｄＢとなる。しかも、導体円板の半径ｒは最大でも０．６５λであることから、導体円板の大きさを最大としても、接地導体の一般的な半径が０．５λであることを考慮すると、それほどアレーアンテナ装置は大型化しない。また、導体円板の半径は０．５λ以下とすることもでき、この場合には、アレーアンテナ装置の径方向寸法を全く大きくしない。よって、装置の大型化を抑制しつつ、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比を大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明が適用されたアレーアンテナ装置であるアンテナ部１を備えた無線端末方向探知装置の構成図である。

【図2】アンテナ部１を拡大して示す図である。

【図3】本実施形態のアレーアンテナ装置と、従来アレーアンテナ装置指向性利得を比較して示す図である。

【図4】導体円板１９の半径ｒ、導体円板１９と素子１０、１１との間の距離ｄを変化させつつシミュレーションにより算出した垂直偏波利得（ｄＢ）を示す図である。

【図5】導体円板１９の半径ｒ、導体円板１９と素子１０、１１との間の距離ｄを変化させつつシミュレーションにより算出した水平偏波利得（ｄＢ）を示す図である。

【図6】図４，図５のシミュレーション結果から算出できる、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用されたアレーアンテナ装置であるアンテナ部１を備えた無線端末方向探知装置の構成図である。

【0014】

この無線端末方向探知装置は、アンテナ部１、電力検出回路５、方向探知コンピュータ６を備えている。アンテナ部１は、電子制御導波器アレーアンテナ装置であり、詳しくは図２を用いて後述するが、１本の励振素子１０と６本の非励振素子１１Ａ〜１１Ｆとを備えている。これら励振素子１０、非励振素子１１Ａ〜１１Ｆは、接地導体１７の上に、その接地導体１７から絶縁された状態に設けられている。また、励振素子１０、非励振素子１１Ａ〜１１Ｆの上方には導体円板１９が配置されている。

【0015】

励振素子１０の給電点は、同軸ケーブル２０を介して電力検出回路５に接続されており、外部の無線端末から送信され励振素子１０によって受信された電波を示す受信信号は電力検出回路５に供給される。

【0016】

非励振素子１１Ａ〜１１Ｆには、可変リアクタンス回路１８Ａ〜１８Ｆがそれぞれ接続されている。この可変リアクタンス回路１８は、電子制御導波器アレーアンテナ装置において一般的に用いられるものと同一の回路であり、たとえば、バイアス電圧が印加されることによってリアクタンス値が変化する可変リアクタンス素子（例えば可変容量ダイオード）を含む回路として構成される。この回路は、高周波的に接地導体１７に接続され、方向探知コンピュータ６の後述する可変リアクタンス制御部６１によってリアクタンス値が電子的に変化させられる。このリアクタンス値が変化させられることにより、アンテナ部１は方位角φが変化する。

【0017】

電力検出回路５は、励振素子１０から供給された受信信号の電力の大きさ（電力値）を検出する回路である。この電力検出回路５は、無線信号の電力を検出する種々の公知の回路を用いることができ、たとえばダイオード検波器を含む回路構成のものである。この電力検出回路５で検出された電力値を示す電力値信号は図示しないＡＤ変換回路を介して方向探知コンピュータ６の方向探知部６２に供給される。

【0018】

方向探知コンピュータ６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等（いずれも図示せず）を備えており、ＣＰＵがＲＡＭの一時記憶機能を利用しつつＲＯＭに記憶されているプログラムを実行することにより、可変リアクタンス制御部６１および方向探知部６２として機能する。

【0019】

可変リアクタンス制御部６１は、図示しないメモリに記憶されたデジタル電圧値を参照して、内蔵した６個のＤＡ変換器（図示せず）を用いてそのデジタル電圧値をアナログのバイアス電圧値に変換し、このバイアス電圧値をリアクタンス値信号Ｃ１１（θ）〜Ｃ１６（θ）として各可変リアクタンス回路１８Ａ〜１８Ｆに出力する。上記デジタル電圧値は、予め設定された複数の方位角（たとえば、０°から３３０°まで３０°毎）にビームを形成する複数の指向性ビームパターンに対して記憶されている。可変リアクタンス制御部６１は、リアクタンス値信号Ｃ１１（θ）〜Ｃ１６（θ）を切り替えることにより、指向性ビームパターンを複数の方位角に順次変化させる。なお、メモリに記憶されたデジタル電圧値は、実験に基づいて予め求められた値である。

【0020】

方向探知部６２は、電力検出回路５から供給される電力値と、その電力値の受信信号を受信したときの方位角とに基づいて無線端末の方向探知を行なう。たとえば、方位角に対する電力値の変化を示す電力値パターンを作成し、そのパターンにおいてピーク値を示す方位角を無線端末の方向に決定する。

【0021】

図２は、アンテナ部１を拡大して示す図である。励振素子１０および６本の非励振素子１１Ａ〜１１Ｆはいずれも直棒形状であって接地導体１７から垂直に突き出している。これらの素子１０、１１は、接地導体１７の上面から素子上端までの長さがいずれも同一の長さであり、ここでは約λ／４となっている。また、励振素子１０は接地導体１７の中心に配置される一方、非励振素子１１Ａ〜１１Ｆは、励振素子１０を中心とする円周上に等間隔に設けられており、励振素子１０と非励振素子１１との間もλ／４に設定されている。なお、λは、アンテナ部１が受信する電波の波長である。

【0022】

接地導体１７は、励振素子１０や非励振素子１１Ａ〜１１Ｆに対して十分に大きい広さの円板形状部材であり、ここでは半径λ／２とする。

【0023】

導体円板１９も接地導体１７と同様に円板形状部材である。この導体円板１９は、励振素子１０や非励振素子１１の上方、すなわち、接地導体１７に対して、励振素子１０や非励振素子１１の側に設けられており、且つ、それら励振素子１０や非励振素子１１から離隔して設けられている。また、この導体円板１９は、接地導体１７と平行となっている。また、この図２の例では、導体円板１９は、その軸心が、接地導体１７の軸心と一致する位置に配置されている。なお、この導体円板１９は、接地導体１７、励振素子１０、非励振素子１１とともにこの導体円板１９を収容する図示しないアンテナ筐体に固定されている。

【0024】

ここで、図２に示すように、励振素子１０あるいは非励振素子１１の上端と導体円板１９の下面との間の距離をｄ、導体円板１９の半径をｒとする。この距離ｄおよび半径ｒが以下に示す（１）〜（８）のいずれかの条件を満たす場合、この導体円板１９があることにより、導体円板１９がない場合に比べて、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比が向上する。
（１） ０．００８λ＜ｄ≦０．０７４λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．５９λ
（２） ０．０７４λ＜ｄ≦０．０８２λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．６０λ
（３） ０．０８２λ＜ｄ≦０．２７０λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．６５λ
（４） ０．２７０λ＜ｄ≦０．２７８λ、 ０．３７λ≦ｒ≦０．６１λ
（５） ０．２７８λ＜ｄ≦０．２８６λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．５９λ
（６） ０．２８６λ＜ｄ≦０．２９４λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．４９λ
（７） ０．２９４λ＜ｄ≦０．３０２λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．４５λ
（８） ０．３０２λ＜ｄ≦０．３１０λ、 ０．３８λ≦ｒ≦０．４１λ
なお、アレーアンテナ装置では、垂直偏波が、受信の主放射成分となることが要求され、垂直偏波を受信の主放射成分としてみたとき、水平偏波が、主放射成分と直交する偏波である。

【0025】

図３は、本実施形態のアレーアンテナ装置と、従来アレーアンテナ装置（導体円板１９がない以外は本実施形態のアレーアンテナ装置と同じ構成）の仰角＝０における指向性利得を比較して示す図である。図３（Ａ）は垂直偏波の指向性利得を比較して示す図であり、図３（Ｂ）は水平偏波の指向性利得を比較して示す図である。なお、図３においては、本実施形態のアレーアンテナ装置は、図２において距離ｄが３０ｍｍ、半径ｒが６０ｍｍ、波長λが１２２．４ｍｍ（２．４５ＧＨｚ）の場合である。

【0026】

また、図３の利得は、コンピュータを用いたシミュレーションにより算出したものであり、シミュレーションにおいては、接地導体１７、導体円板１９は、いずれも完全導体としており、厚さは、いずれも０．０２ｍｍとしている。ただし、接地導体１７については表皮効果により、電流は表面にしか流れないため、２０μｍ以上では特性に差は生じないことが知られている。同様に、導体円板１９についても、厚さはアンテナ特性に影響しないと考察している。また、材質についても、通常、アンテナの接地導体として用いられるものを導体円板１９についても用いれば、このシミュレーションとほぼ同一の結果になると考えられる。

【0027】

図３（Ｂ）から分かるように、水平偏波指向性利得は、導体円板１９があることにより、従来装置に比較して全体的に低下している。これに対し、図３（Ａ）から分かるように、垂直偏波指向性利得は、導体円板１９の有無による利得の変化はほとんどない。よって、導体円板１９を備える本実施形態の装置の受信時の、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比は、従来装置よりも高くなる。

【0028】

次に、距離ｄおよび半径ｒが上記（１）〜（８）の範囲であれば、従来装置よりも受信時の、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比が大きくなることをシミュレーション結果を用いて説明する。図４は、導体円板１９の半径ｒおよび導体円板１９と素子１０、１１との間の距離ｄを変化させつつシミュレーションにより算出した垂直偏波利得（ｄＢ）であり、リアクタンス値を所望の方位角φとしたときのその方位角φにおける垂直偏波利得である。なお、このシミュレーションにおいて、周波数は２．４５ＧＨｚ、すなわち、波長λは約１２２．４ｍｍである。

【0029】

これに対して、図５は、導体円板１９の半径ｒおよび導体円板１９と素子１０、１１との間の距離ｄを変化させつつシミュレーションにより算出した水平偏波利得（ｄＢ）であり、リアクタンス値を所望の方位角φとしたときの３６０°方位内の最大の水平偏波利得である。

【0030】

そして、図４に示した垂直偏波利得から、図５に示す水平偏波利得のうち、垂直偏波利得に対応する条件での水平偏波利得を引くことで、種々の距離ｄと半径ｒにおける主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比を算出できる。図６には、種々の距離ｄ、半径ｒにおける主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比を示す。

【0031】

この図６において、太線で囲んでいる範囲は、特許請求の範囲に記載した距離ｄ、半径ｒにより規定される範囲であり、この範囲内では、従来アレーアンテナ装置と比較して主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比が有意に大きくなっている。具体的には、従来アレーアンテナ装置の主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比は１５．６ｄＢであるのに対して、図６に太線で示す範囲内では、主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比は、最低でも１６．８ｄＢとなっている。なお、図４、図５にも、図６と対応する範囲を太線で囲っている。

【0032】

このように、導体円板１９を、接地導体１７に対して素子１０、１１側に、接地導体１７と平行且つ軸心が一致するように配置し、この導体円板１９を、素子１０、１１との間の距離ｄ、半径ｒが、前述の（１）〜（８）のいずれかの条件を満たすようにすると、従来アレーアンテナ装置に比較して受信時の主放射成分と直交する偏波の利得に対する主放射成分の利得の比を有意に大きくすることができる。

【0033】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

【0034】

たとえば、前述の実施形態では、導体円板１９は、その軸心が接地導体１７の軸心と一致する位置に配置されていた。しかし、これに限られず、導体円板１９の軸心は、接地導体１７を通っていればよい。

【符号の説明】

【0035】

１ アンテナ部、 ５ 電力検出回路、 ６ 方向探知コンピュータ、 １０ 励振素子、 １１ 非励振素子、 １７ 接地導体、 １８ 可変リアクタンス回路、 １９ 導体円板、 ２０ 同軸ケーブル、 ６１ 可変リアクタンス制御部、 ６２ 方向探知部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】