JP4243208B2 - Array antenna device - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to an array antenna device that can change the directivity of an array antenna device composed of a plurality of antenna elements, and in particular, adapts the directivity of an electronically controlled waveguide array antenna device (Electronically Steerable Passive Array Radiator Antenna). The present invention relates to an array antenna device that can be changed dynamically.
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。 Prior art electronically controlled waveguide array antenna devices have been proposed in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, for example. The electronically controlled waveguide array antenna device includes a feeding element to which a radio signal is fed, at least one parasitic element that is provided at a predetermined interval from the feeding element and is not fed with a radio signal, and the parasitic element. A directivity characteristic of the array antenna device can be changed by providing an array antenna including a variable reactance element connected to a feed element and changing a reactance value of the variable reactance element.
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。 In this electronically controlled waveguide array antenna device, the multi-faceted beam forming capability of this antenna device enables multipath fading and co-channel interference reduction, and enables accurate direction-of-arrival (DOA) estimation of incident signals. To. The antenna device also has applications that maximize wireless computer network and direction finding capabilities.
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。 However, in order to be practical in mobile applications or not to get in the way of its operating environment, miniaturization of this antenna device is a proposition.
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。
FIG. 12 is a perspective view showing a configuration of an electronically controlled waveguide
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。
In FIG. 12, on the upper end surface of a
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。)。
0.25λ as in ESPAR
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。 By the way, a method for miniaturizing an array antenna device by embedding a monopole electronically controlled waveguide array antenna device in a solid cylindrical dielectric has already been disclosed in Non-Patent Document 3, for example. For example, when the array antenna device is completely embedded in a dielectric having a higher dielectric constant than that in free space, the size of the array antenna device can be reduced according to the following equation (1).
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。 Here, λ r is the wavelength of electromagnetic energy propagating infinitely in the lossless material, λ 0 is the wavelength of free space, and μ r and ε r are the relative permeability and relative permittivity of the material, respectively. .
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。
FIG. 13 is a perspective view showing a configuration of an electronically controlled waveguide
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。)。
In FIG. 13, a feeding element A0 and parasitic elements A1 to A6 are arranged on a disk-shaped ground conductor 11B. Here, the size of the
ε e = (ε 0 + ε r ) / 2
Can be approximated by substituting with (see Non-Patent Documents 4-6).
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。 As described above, in the conventional example, in the array antenna apparatus, the collar portion of the skirt is still large, and further downsizing is desired.
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。 An object of the present invention is to solve the above problems and provide an array antenna apparatus that can be further reduced in size as compared with the prior art.
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。
An array antenna apparatus according to the present invention includes a feed element for transmitting and receiving a radio signal, at least one parasitic element provided at a predetermined distance from the feed element, and a variable connected to the parasitic element. In an array antenna apparatus, comprising a reactance element, and changing the reactance value of the variable reactance element to operate the parasitic element as a director or a reflector, respectively, and changing a directivity characteristic of the array antenna apparatus.
A columnar dielectric having a diameter substantially the same as the diameter of the cylinder of the ground conductor is arranged on the upper end face of the grounded conductor having a cylindrical shape having at least an upper end surface so that their central axes coincide with each other. The feeding element is arranged in the dielectric, and the parasitic element is arranged on the outer peripheral surface of the dielectric.
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。 In the array antenna device, preferably, the dielectric has a substantially cylindrical shape, a substantially elliptical shape, or a polygonal columnar shape.
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。 According to the array antenna apparatus of the present invention, the radius can be made substantially equal to the radius of the ground conductor as compared with the array antenna apparatus of the prior art, thereby reducing the size of the entire array antenna apparatus. Significantly smaller and smaller.
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。 Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same component.
<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。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an
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。
The
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。
1 and 2, on the upper end surface of a
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。
In FIG. 2, the feeding point of the feeding element A0 is connected to the low noise amplifier (LNA) 1 through the feeding
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。 1 and 2, the lower end portion of the feeding element A0 is electrically insulated from the ground conductor 11, and the parasitic elements A1 to A6 are respectively connected to the ground conductor via the variable reactance elements 12-1 to 12-6. 11 is grounded at high frequency. The operation of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 will be described. For example, when the longitudinal lengths of the feed element A0 and the parasitic elements A1 to A6 are substantially the same, for example, the variable reactance element 12-1 Is inductive (L property), the variable reactance element 12-1 becomes an extension coil, and the electric length of the parasitic element A1 is longer than that of the feeder element A0, and functions as a reflector. On the other hand, for example, when the variable reactance element 12-1 has capacitance (C-type), the variable reactance element 12-1 becomes a shortening capacitor, and the electrical length of the parasitic element A1 is shorter than that of the feeder element A0. Acts as a director. The parasitic elements A2 to A6 connected to the other variable reactance elements 12-2 to 12-6 operate in the same manner.
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。
Therefore, in the
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。
In the array antenna control apparatus of FIG. 2, a transmitting station that transmits a radio signal received by the array antenna 100 </ b> C has a learning sequence having the same signal pattern as a predetermined learning sequence signal generated by the learning
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。
The
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。
As described above, in the
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。
In the above embodiment, the hollow
<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。
<Second Embodiment>
FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of an
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。
3, the length h on the upper end surface of the ground conductor 11D of cylindrical radius r dg in s, for example, polycarbonate carbonate (dielectric constant epsilon r = 2.9) radius length h d comprising at r dg These dodecagonal prism-shaped
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。
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。
As described above, in the
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。 In the above embodiment, the hollow cylindrical grounding conductor 11D is used. However, the present invention is not limited to this, and a cylindrical grounding conductor such as a hollow general cylindrical shape or a substantially elliptical cylindrical shape, or a medium It may be a ground conductor having a columnar shape such as a real cylindrical shape, a substantially cylindrical shape, or a substantially elliptical columnar shape.
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。
In the above embodiment, the 12-prism-shaped
<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。
<Modification>
In the above embodiment, the six parasitic elements A1 to A6 are provided. However, the present invention is not limited to this, and the directivity characteristics of the array antenna apparatus can be changed by including at least one parasitic element. You may let them.
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。
Next, simulation results of the
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。
In
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。
In the present embodiment, the material used for the
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。
In the simulation result of the present inventors, the optimized range of the height h dp dielectric 13C and the parasitic element A1-A6 was 0.25 [lambda r to 0.25 [lambda 0. The cylindrical radius r dg of the
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。
Table 1 below shows the optimum design parameters of the simulated
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。
The
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。
6 is a simulation result of the
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。
Also in the
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。
The dielectric 13D used in the second embodiment is made of polycarbonate, and as for its electrical characteristics, the relative dielectric constant ε r is 2.9 and the loss tangent is 0.006. By using the
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。 In the simulation of the present inventors, the optimized range of the height h p of the parasitic element A1-A6 was 0.282Ramuda r to 0.381λ r. The width of the parasitic element A1-A6 is constant at 6 mm, the height h d of the dielectric 13D is always longer by 7mm than the length h p of the parasitic element A1-A6. Feed element A0 has a radius of 1 mm, and optimize the height h a between 0.226Ramuda r to 0.247λ r. Inner radius r dg radius and dielectric 13D of the ground conductor 11D was optimized between 0.211Ramuda r to 0.31λ r. The length h s of the ground conductor 11D is not optimized variable was set to 0.25 [lambda 0. The reactance values x 1 -x 6 of the variable reactance elements 12-1 to 12-6 loaded on the parasitic elements A1-A6 were changed from -73Ω to 14Ω. In this case as well, the number of reactance optimization variables was reduced using symmetry as described above.
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。
Table 2 below shows the optimum design parameters of the simulated
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。 According to the optimum design parameters, an absolute gain of 2.8 dBi and a half-value power width of 76 ° at a frequency of 2.484 GHz were obtained. In the second embodiment, the radius is reduced by 69% and the height is reduced by 6% as compared with the first conventional electronically controlled waveguide array antenna apparatus arranged in free space. Ratio) was almost 1/11.
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。
FIG. 8 is a simulation result of the
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。
FIG. 10 shows the experimental results of the
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。
As described above, according to the embodiment of the present invention, the feed element A0 is embedded in the
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。
A0: Feeding element,
A1 to A6 ... parasitic element,
R1, R2, R3 ... resistance,
1 ... Low noise amplifier (LNA),
2 ... down converter,
3 ... A / D converter,
5 ... Coaxial cable for feeding,
6 ... circulator,
7 ... Wireless receiver,
11C, 11D ... grounding conductor,
12-1 to 12-6 ... variable reactance element,
13A, 13B, 13C, 13D ... dielectric,
20 ... Controller,
21 ... CRT display
41, 42 ... through-hole conductors,
50 ... Teflon substrate,
51 ... Conductor pattern,
61, 62 ... terminal conductors,
63 ... screw,
100A, 100B, 100C, 100D ... array antenna device.
Claims (2)
上端面を少なくとも有する円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円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、
上記無線信号の周波数の自由空間波長をλoとし、上記誘電体中を伝搬する無線信号の波長をλrとしたとき、
(1)上記接地導体の円筒形状の高さ(h s )を0.25λoに設定し、
(2)上記誘電体の円柱形状の高さ(h dp )を0.25λr以上で0.25λo以下の範囲で設定し、
(3)上記誘電体の円柱形状の半径(r dg )を0.23λr以上で0.33λr以下の範囲で設定することによりアンテナ装置の容積比を低減したことを特徴とするアレーアンテナ装置。 A feed element for transmitting and receiving a radio signal; at least one parasitic element provided at a predetermined distance from the feed element; and a variable reactance element connected to the parasitic element, the variable reactance By changing the reactance value of the element, the parasitic element is operated as a director or a reflector, respectively, and in the array antenna apparatus that changes the directivity characteristics of the array antenna apparatus,
On the upper end surface of the ground conductor having a circular cylindrical shape having an upper surface at least, so that the dielectric having a circular column shape having a diameter size substantially the same in the cylinder of the ground conductor their center axes coincide Arranged in the dielectric body, the parasitic element is disposed on the outer peripheral surface of the dielectric ,
When the free space wavelength of the frequency of the radio signal is λo and the wavelength of the radio signal propagating in the dielectric is λr,
(1) Set the cylindrical height (h s ) of the ground conductor to 0.25λo,
(2) The columnar height (h dp ) of the dielectric is set in the range of 0.25λr to 0.25λo,
(3) An array antenna device characterized in that the volume ratio of the antenna device is reduced by setting the columnar radius (r dg ) of the dielectric within a range of 0.23λr to 0.33λr .
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