アレーアンテナ
【課題】ビーム指向性の走査範囲が広い小形のアレーアンテナを実現し、更に、ビーム幅を自在に変更したり、所望の向きにヌルを形成する制御手段を実現すること。
【解決手段】電界設定手段Ｃにおける電界制御手段αは、例えばＭＯＳＦＥＴ等から成るスイッチＳＷを用いて構成されており、直流電源Ｅは全単位パターンの間で共有されている。スイッチＳＷをＯＮ状態にした単位パターンＵを終端点ｐ2 の側から複数並べると、その単位パターンにはほとんど電流が流れなくなり、そこにはバンドギャップが形成される。即ち、スイッチＳＷがＯＦＦ状態である単位パターンの部分のみがアンテナとして動作する。この作用は、液晶１３に電圧をかけることにより、生じるものであり、これによって、例えば、バンドギャップの動作に変化した終端点ｐ2 寄りの単位パターンの数が増えれば、その分アンテナ長が短くなってアレーアンテナ全体のビーム幅は広くなる。
【解決手段】電界設定手段Ｃにおける電界制御手段αは、例えばＭＯＳＦＥＴ等から成るスイッチＳＷを用いて構成されており、直流電源Ｅは全単位パターンの間で共有されている。スイッチＳＷをＯＮ状態にした単位パターンＵを終端点ｐ2 の側から複数並べると、その単位パターンにはほとんど電流が流れなくなり、そこにはバンドギャップが形成される。即ち、スイッチＳＷがＯＦＦ状態である単位パターンの部分のみがアンテナとして動作する。この作用は、液晶１３に電圧をかけることにより、生じるものであり、これによって、例えば、バンドギャップの動作に変化した終端点ｐ2 寄りの単位パターンの数が増えれば、その分アンテナ長が短くなってアレーアンテナ全体のビーム幅は広くなる。
【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、アンテナの指向性やビーム形状など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８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によって、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軸方向から−ｘ軸方向に傾斜した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という利点がある。この様なに、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、周波数を大きく変化させないと、−ｘ軸方向に傾斜した方向に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８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９−Ａ，−Ｂ）が提案されている。このビーム走査アンテナは、その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ある。そして、各金属パッチ（１，２）間のキャパシタンスは、ビア１とビア２の間に印加される直流電圧により金属パッチ１と金属パッチ２の間に電界を生成して、この電界により金属パッチ間に配置された液晶の比誘電率を変化させることで、可変制御される。
【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】
【０００５】
しかしながら、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、非特許文献２の上記の従来技術を用いることはできない。
また、放射ビームの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。
【０００６】
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９−Ａ，−Ｂ）は、液晶分子の向きを変えることによって、その液晶部分の誘電率を変化させて反射ビームの指向性を可変制御するものであるが、これらの従来のビーム走査アンテナには、生産性や制御性や、或いは薄板化や小型化など係わる、例えば以下の（１）〜（３）の様な問題がある。
【０００７】
（１）図９−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給電用アンテナを別途用意する必要がある。
（２）反射板で反射される反射波の位相を変化させるだけなので、反射強度がピークとなる角度を制御することはできるが、それぞれのパッチからの反射量を変えることはできないため、ビーム幅やビームパターンを可変制御することはできない。
（３）また液晶の誘電率を変えるための電圧は接地板から浮かしたビア部分にかける構造であるが、この部分の構造が複雑にならざるを得ない。
【０００８】
また、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が、しかし、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。
【０００９】
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、１ＧＨｚ以上の高い周波数帯域においてもビーム指向性の可変制御が容易な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
【００１０】
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】
【００１１】
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、与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、その誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、当該アレーアンテナの実効長を可変制御する実効長可変制御手段とを設け、上記の単位パターンに、所定の方向に走る伝送線路と、その伝送線路を途中で分断するギャップと、その伝送線路から枝分かれするスタブとを設け、上記の誘電率可変部材を上記のギャップまたはスタブに対して接近して配置し、上記の実効長可変制御手段において、上記の電界設定手段を用いて、各単位パターンの各放射量を制御することによって当該アレーアンテナの実効長を可変制御することである。
【００１２】
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。
【００１３】
本発明のアレーアンテナ（本発明の第１乃至第３の手段）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。
【００１４】
また、本発明の第２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、与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、その誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、当該アレーアンテナにおけるサイドローブの発生を抑制するサイドローブレベル抑制手段とを設け、上記の単位パターンに、所定の方向に走る伝送線路と、その伝送線路を途中で分断するギャップと、その伝送線路から枝分かれするスタブとを設け、上記の誘電率可変部材を上記のギャップまたはスタブに対して接近して配置し、上記のサイドローブレベル抑制手段において、上記の電界設定手段を用いて、上記の単位パターンの各放射量の分布を制御することである。
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。
【００１５】
また、本発明の第３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その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、その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、与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、その誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、当該アレーアンテナの放射パターン上にヌルを形成するヌル形成手段とを設け、上記の単位パターンに、所定の方向に走る伝送線路と、その伝送線路を途中で分断するギャップと、その伝送線路から枝分かれするスタブとを設け、上記の誘電率可変部材を上記のギャップまたはスタブに対して接近して配置し、上記のヌル形成手段において、上記の電界設定手段を用いて、上記の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所望の方向にヌルを形成することである。
【００１６】
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。
【００１７】
また、本発明の第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、上記の誘電率可変部材を液晶または強誘電体から構成することである。
【００１８】
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、上記の誘電率可変部材を上記の単位パターンと接地板との間に配置することである。
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】
【００１９】
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。
上記の本発明の電界設定手段を使って、上記の誘電率可変部材が置かれる空間領域の電界を可変制御すれば、それらの誘電率可変部材を構成する分子レベルの電気双極子のモーメントベクトルの方向を所望の方向に可変制御することができる。したがって、これにより、上記の誘電率可変部材の各方向の誘電率が制御可能となる。そして、この誘電率可変部材の誘電率の変化により、ストリップ線路を構成する上記の各ギャブが持つキャパシタンスや、上記の各スタブが持つインダクタンスや、或いは各単位パターンと接地板との間の各キャパシタンスまたはアドミタンスなどが変化する。
また、上記の電界設定手段で与える電界の強さの加減によって、上記の誘電率可変部材の各方向の誘電率は、単調かつ連続的に自在に可変制御することもできる。
【００２０】
したがって、本発明の第１の手段によれば、この電界設定手段を用いて構成される本発明の実効長可変制御手段によって、各単位パターンの各放射量を任意に制御することができ、またこれによって、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。
更に、当該アレーアンテナのビーム幅は、当該アレーアンテナの実効長の増大に対して、単調に減少するので、よって本発明の第１の手段によれば、当該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。
【００２１】
また、本発明の第２の手段によれば、上記の電界設定手段を用いて構成される本発明のサイドローブレベル抑制手段によって、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。
【００２２】
また、本発明の第３の手段によれば、上記の電界設定手段を用いて構成される本発明の上記のヌル形成手段によって、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ができ、これによって、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３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、任意の方向からの雑音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、正面方向からの雑音の受信を低減させることができる。
【００２３】
また、本発明の第４の手段によれば、上記の誘電率可変部材が示す誘電率の可変範囲を広く確保することができるので、上記の各手段（実効長可変制御手段、サイドローブレベル抑制手段、またはヌル形成手段）の制御性をより高く確保することができる。
【００２４】
また、本発明の第５の手段によれば、必要となる誘電率可変部材の少なくとも一部を基板の中に配置することができるので、所望のアレーアンテナを更に小形化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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】
【００２８】
図１に本実施例１のアレーアンテナ１００の平面図を示す。比誘電率が２．２の４フッ化エチレン樹脂から成る誘電体基板１５の中央には、矩形のプール領域１５ａが形成されており、このプール領域１５ａの中には、ネマティック液晶に光重合成ポリマーを混合して成る液晶１３（誘電率可変部材）が充鎮されている。給電点ｐ1 から終端点ｐ2 へ展開されているストリップ線路１４の殆どの部位は、この液晶１３の上にパターン形成されている。このストリップ線路１４は例えば銅などの導体から形成することができ、その殆どの部位は、単位パターンＵの周期的な繰り返しによって形成されている。単位パターンＵは、ｘ軸方向に延びる主線路１１と、この主線路１１を幹としてｙ軸方向に延びるスタブ１２と、主線路１１を途中で分断するギャップＧ１から構成されている。
【００２９】
このアレーアンテナ１００は、上記の単位パターンＵをｘ軸方向に１６周期配列して構成されている。分断された主線路１１の対峙面から形成されるこのギャップＧ１はキャパシタを構成するものであり、その対峙部１１ａ，１１ｂはそれぞれ、ギャップＧ１のキャパシタンスを増大させるために、ｙ軸方向に拡張して形成されている。また、ｙ軸方向に突き出したスタブ１２の端部は、スタブ１２が供するインダクタンス成分を増大させるために、その途中の枝部よりも若干ｘ軸方向に幅広に形成されている。
【００３０】
図２に上記のアレーアンテナ１００のＡ−Ａ′断面における断面図を示す。ただし、本図２の電界設定手段Ｃや配線１、配線２は、図１ではその図示が省略されていたものである。誘電体基板１５の裏面には、一面に略一様に接地板１６が積層されており、この接地板１６は、配線２を介して電界設定手段Ｃの直流電源Ｅに接続されている。また、各単位パターンＵのスタブ１２は、配線１を介して電界設定手段Ｃの電界制御手段αに接続されている。電界制御手段αは、スイッチまたは可変抵抗器から構成することができ、各単位パターンＵ毎に具備されている。電界設定手段Ｃは、この電界制御手段αと直流電源Ｅとの直列接続によって構成される。
【００３１】
この様な電界設定手段Ｃに基づいて、ストリップ線路１４の下に配置された液晶１３（誘電率可変部材）に対してｚ軸方向に電界を掛けると、液晶１３を構成する液晶分子が回転して向きを変えるので、そのｚ軸方向の誘電率は高くなる。
例えば、上記の液晶１３のｚ軸方向の厚みを約０．１３ｍｍに設定した場合、上記の電界設定手段Ｃでストリップ線路１４と接地板１６との間に１００ｖの電圧をかけると、液晶１３のｚ軸方向の比誘電率は、約２．２から約２．８まで変化させることができる。
【００３２】
図３−Ａ，−Ｂに、電界設定手段Ｃの具体的な構成例と操作形態を例示する。この構成例では、上記の電界設定手段Ｃにおける電界制御手段αが、例えばＭＯＳＦＥＴ等から成るスイッチＳＷを用いて構成されており、直流電源Ｅは、全単位パターンＵの間で共有されている。したがって、この電界制御手段αは、例えばＭＯＳＦＥＴなどを用いて構成される１つのＩＣチップに形成することも容易である。
【００３３】
図３−Ｂに示すように、スイッチＳＷをＯＮ状態にした単位パターンＵを終端点ｐ2 の側から複数並べると、その単位パターンＵにはほとんど電流が流れなくなり、そこにはバンドギャップが形成される。即ち、図３−Ｂの状態の場合、終端点ｐ2 寄りの８つの単位パターンＵはアンテナとして動作せず、スイッチＳＷがＯＦＦ状態である、給電点ｐ1 よりの８つの単位パターンＵの部分のみがアンテナとして動作する。
この作用は、誘電率可変部材（液晶１３）に電圧をかけることにより、その誘電率が変化してギャップＧ１のキャパシタンスとスタブ１２のインダクタンスが変化するために生じるものであり、これによって、例えば、バンドギャップの動作に変化した終端点ｐ2 寄りの単位パターンＵの数が増えれば、その分アレーアンテナ１００のアンテナ長が短くなって、アンテナのビーム幅は広くなる。
したがって、例えば上記のＩＣチップによって、本発明の実効長可変制御手段を構成することができる。
【００３４】
図４に、本実施例１の実効長可変制御手段の効果を例示する。このグラフは、上記のアレーアンテナ１００のビーム形状（方位−利得特性）を例示するものであり、各グラフは、以下の各場合（１）〜（３）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ている。ただし、本グラフでは、利得のピーク値と半値角をパラメータとしてビーム形状を模式化し、そのビームの中心をグラフの中央に配置した。
【００３５】
（１）上記の様な操作によって動作しなくする微小アンテナの数（即ち、終端点ｐ2 寄りのＯＮ操作されている単位パターンＵの数）を、４個とした場合
（２）上記の様な操作によって動作しなくする微小アンテナを終端点ｐ2 の側から８個だけ設けた場合
（３）上記の様な操作によって動作しなくする微小アンテナを終端点ｐ2 の側から１２個だけ設けた場合
例えばこの様にして、動作しなくする微小アンテナの数を変化させることにより、アレーアンテナ１００のビーム幅を自在に可変制御することができる。
【００３６】
（実効長可変制御手段の効果と利得特性）
上記のアレーアンテナ１００について、以下の２つのケースにわたって、ｘｚ平面上での指向性をシミュレーションによって算出した。
（ａ）図３−Ａの場合（即ち、全てのスイッチＳＷをＯＦＦ状態とした場合）
（ｂ）図３−Ｂの場合（即ち、上記の（２）の場合）
【００３７】
この（ａ）、（ｂ）のシミュレーション結果を図５−Ａ，−Ｂに示す。ただし、ここでは、直流電源Ｅの電圧を１００ｖとしたので、先にも言及した様に、上記の（ｂ）図３−Ｂの場合には、終端点ｐ2 側の８つのスイッチがＯＮになった単位パターンＵの液晶１３の比誘電率は、スイッチがＯＦＦ状態の時の２．２から、２．８に変化する。
【００３８】
図５−Ａ，−Ｂの各グラフより、上記の（ａ）、（ｂ）の何れの場合においても、動作周波数ｆをｆ０（≡７６ＧＨｚ）から、ｆ＝ｆ０×１．０４（＝７９ＧＨｚ）まで振ることによりθ＞０°の角度領域（Backward側）から、θ＜０°の角度領域（Forward 側）まで広角にビーム走査ができていることが分かる。即ち、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。
また、上記の（ａ）と（ｂ）の場合を比較すると、（ｂ）では半値角で測って２倍以上の太いビームが実現できている。
【００３９】
即ち、これらのシミュレーション結果より、上記のアレーアンテナ１００においては、ビーム走査特性は変化させることなく、ビーム幅のみを変化させることができることが分かる。また、アレーアンテナ１００のビーム幅は、図４からも分かる様に、スイッチＳＷをＯＮ状態にする単位パターンＵの数を変化させることで自在に可変制御できる。
【００４０】
なお、図５−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、上記の電界設定手段Ｃを使えば、各単位パターンＵが有するギャップＧ１やスタブ１２のリアクタンス成分を任意に可変制御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ことも勿論可能である。
【００４１】
また、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、上記の様にして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、例えば上記の電界設定手段Ｃなどが有する誘電率可変作用に基づいて構成することができる。
【実施例２】
【００４２】
図６に本実施例２のヌル形成手段の効果と利得特性を例示する。このグラフは、上記のアレーアンテナ１００の電界設定手段Ｃにおいて、直流電源Ｅの電源電圧を５０Ｖに変更し、この制御電圧をかけたときの利得特性に係わるシミュレーション結果を示している。ただし、ここでは、ｆ＝ｆ０における指向性を調べた。また、制御電圧が５０Ｖの時の液晶１３の比誘電率は２．４となる。
【００４３】
この場合（ｂ）においては、前述の図５の結果とは異なり、給電点ｐ1 寄りの８つの単位パターンＵについては、ビームがθ＞０°の角度領域（Backward側）の方を向き、終端点ｐ2 寄りの８つの単位パターンＵについては、ビームがθ＜０°の角度領域（Forward 側）の方を向くため、ピーク利得はほとんど変化せずに、ｚ軸方向であるθ＝０°の方向にヌルが形成される。
また、次の実施例３でも言及する様に、このヌルの方向は液晶１３にかける電圧を連続的に変化させることによっても自在に可変制御することができる。
【実施例３】
【００４４】
本実施例３では、図２の電界設定手段Ｃに係わるその他の具体的な構成例を例示する。図７は、その構成例を示す平面図である。ここでは前述の図２の電界制御手段αが可変抵抗器を用いて構成されている。この様な可変抵抗器は、例えばＭＯＳＦＥＴなどを用いて構成される１つのＩＣチップと多数の抵抗を用いて、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、これによって、液晶１３のｚ軸方向に掛ける電圧は、例えば０ｖ〜２００ｖなどの適当な範囲内で任意に設定することができる。
【００４５】
例えば、この様な構造を有するアレーアンテナにおいて、液晶１３のｚ軸方向に掛ける電圧を比較的狭い範囲内（例：０ｖ〜５０ｖ程度の範囲内）で適当に制御した場合には、実施例１（図５−Ｂ）で見られた様な、略非動作状態の単位パターンＵによって生成されるバンドギャップは発現せず、かつ、各単位パターンＵからの放射量や放射の方向を任意に制御することができる。
なお、電界制御手段αを構成する上記の可変抵抗器の抵抗値の範囲を０〜∞に設定すれば、これによって図３−ＡのスイッチＳＷの機能をも、勿論その電界制御手段αの機能の中に含めることもできる。
そして、図２の電界制御手段αを可変抵抗器を用いて構成するこれらの方式によれば、例えば、以下に示す本発明の各手段を構成することも可能となる。
【００４６】
（１）サイドローブレベル抑制手段
例えば、前述のアレーアンテナ１００において、各単位パターンＵからの放射の分布を例えば周知のテイラー分布などに制御することにより、ｘｚ平面上における指向性に関してそのサイドローブレベルを抑えることができる。
【００４７】
（２）ヌル形成手段
また、例えば、前述のアレーアンテナ１００において、給電点ｐ1 寄りの８つの単位パターンＵのビームの向きをｘ軸の正の向き（放射がBackward波となる向き）に向け、終端点ｐ2 寄りの８つの単位パターンＵのビームをｘ軸の負の向き（放射がForward 波となる向き）に向けることにより、例えば先の実施例２に例示した場合（図３−Ｂ、図６）と同様に、アンテナ正面方向（ｚ軸の正の向き）にヌルを形成することができる。
【００４８】
なお、この様にして形成されるヌルの方位は、各単位パターンの液晶１３に掛ける電圧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、上記の電界設定手段Ｃが、所望の任意の方向にヌルを形成することができる本発明のヌル形成手段に相当するものと考えることができる。
【００４９】
また、先の実施例１の図５−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、正面（θ＝０°）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。即ち、本発明の実効長可変制御手段とヌル形成手段とは、例えば上記の電界設定手段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。
【００５０】
〔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。
【００５１】
（変形例１）
例えば、動作周波数ｆを固定して指向性を可変制御する手段（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、本発明のサイドローブレベル抑制手段とは、例えば前述の電界設定手段Ｃなどを用いて、同時に同様に構成することもできる。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、サイドローブレベル抑制手段）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もできる。
【００５２】
（変形例２）
また、上記の実施例１（図１）では、周期的な配線パターンを主線路の中心線に対して対称形としたが、配線パターンは主線路の中心線に対して対称形でなくても良い。
また、ギャップＧ１の対峙部やスタブ１２の端部などは、必ずしも幅広に拡張しなくても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
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】
【００５４】
【図１】実施例１のアレーアンテナ１００の平面図
【図２】実施例１のアレーアンテナ１００の断面図
【図３−Ａ】電界設定手段Ｃの具体的な構成例と操作形態を例示する図
【図３−Ｂ】電界設定手段Ｃの具体的な構成例と操作形態を例示する図
【図４】実効長可変制御手段の効果を例示するグラフ
【図５−Ａ】実効長可変制御手段の効果と利得特性を例示するグラフ
【図５−Ｂ】実効長可変制御手段の効果と利得特性を例示するグラフ
【図６】実施例２のヌル形成手段の効果と利得特性を例示するグラフ
【図７】電界設定手段Ｃのその他の具体的な構成例（実施例３）を例示する図
【図８】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９−Ａ】その他の従来のビーム走査アンテナの平面図
【図９−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】
【００５５】
１００ ： アレーアンテナ
Ｕ ： 単位パターン
１１ ： 主線路
１２ ： スタブ
１３ ： 液晶（誘電率可変部材）
１５ ： 誘電体基板
Ｇ１ ： ギャップ
Ｃ ： 電界設定手段
α ： 電界制御手段
【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、アンテナの指向性やビーム形状など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８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によって、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軸方向から−ｘ軸方向に傾斜した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という利点がある。この様なに、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、周波数を大きく変化させないと、−ｘ軸方向に傾斜した方向に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８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９−Ａ，−Ｂ）が提案されている。このビーム走査アンテナは、その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ある。そして、各金属パッチ（１，２）間のキャパシタンスは、ビア１とビア２の間に印加される直流電圧により金属パッチ１と金属パッチ２の間に電界を生成して、この電界により金属パッチ間に配置された液晶の比誘電率を変化させることで、可変制御される。
【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】
【０００５】
しかしながら、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、非特許文献２の上記の従来技術を用いることはできない。
また、放射ビームの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。
【０００６】
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９−Ａ，−Ｂ）は、液晶分子の向きを変えることによって、その液晶部分の誘電率を変化させて反射ビームの指向性を可変制御するものであるが、これらの従来のビーム走査アンテナには、生産性や制御性や、或いは薄板化や小型化など係わる、例えば以下の（１）〜（３）の様な問題がある。
【０００７】
（１）図９−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給電用アンテナを別途用意する必要がある。
（２）反射板で反射される反射波の位相を変化させるだけなので、反射強度がピークとなる角度を制御することはできるが、それぞれのパッチからの反射量を変えることはできないため、ビーム幅やビームパターンを可変制御することはできない。
（３）また液晶の誘電率を変えるための電圧は接地板から浮かしたビア部分にかける構造であるが、この部分の構造が複雑にならざるを得ない。
【０００８】
また、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が、しかし、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。
【０００９】
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、１ＧＨｚ以上の高い周波数帯域においてもビーム指向性の可変制御が容易な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
【００１０】
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】
【００１１】
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、与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、その誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、当該アレーアンテナの実効長を可変制御する実効長可変制御手段とを設け、上記の単位パターンに、所定の方向に走る伝送線路と、その伝送線路を途中で分断するギャップと、その伝送線路から枝分かれするスタブとを設け、上記の誘電率可変部材を上記のギャップまたはスタブに対して接近して配置し、上記の実効長可変制御手段において、上記の電界設定手段を用いて、各単位パターンの各放射量を制御することによって当該アレーアンテナの実効長を可変制御することである。
【００１２】
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。
【００１３】
本発明のアレーアンテナ（本発明の第１乃至第３の手段）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。
【００１４】
また、本発明の第２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、与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、その誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、当該アレーアンテナにおけるサイドローブの発生を抑制するサイドローブレベル抑制手段とを設け、上記の単位パターンに、所定の方向に走る伝送線路と、その伝送線路を途中で分断するギャップと、その伝送線路から枝分かれするスタブとを設け、上記の誘電率可変部材を上記のギャップまたはスタブに対して接近して配置し、上記のサイドローブレベル抑制手段において、上記の電界設定手段を用いて、上記の単位パターンの各放射量の分布を制御することである。
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。
【００１５】
また、本発明の第３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その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、その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、与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、その誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、当該アレーアンテナの放射パターン上にヌルを形成するヌル形成手段とを設け、上記の単位パターンに、所定の方向に走る伝送線路と、その伝送線路を途中で分断するギャップと、その伝送線路から枝分かれするスタブとを設け、上記の誘電率可変部材を上記のギャップまたはスタブに対して接近して配置し、上記のヌル形成手段において、上記の電界設定手段を用いて、上記の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所望の方向にヌルを形成することである。
【００１６】
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。
【００１７】
また、本発明の第４の手段は、上記の第１乃至第３の何れか１つの手段において、上記の誘電率可変部材を液晶または強誘電体から構成することである。
【００１８】
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、上記の誘電率可変部材を上記の単位パターンと接地板との間に配置することである。
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】
【００１９】
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。
上記の本発明の電界設定手段を使って、上記の誘電率可変部材が置かれる空間領域の電界を可変制御すれば、それらの誘電率可変部材を構成する分子レベルの電気双極子のモーメントベクトルの方向を所望の方向に可変制御することができる。したがって、これにより、上記の誘電率可変部材の各方向の誘電率が制御可能となる。そして、この誘電率可変部材の誘電率の変化により、ストリップ線路を構成する上記の各ギャブが持つキャパシタンスや、上記の各スタブが持つインダクタンスや、或いは各単位パターンと接地板との間の各キャパシタンスまたはアドミタンスなどが変化する。
また、上記の電界設定手段で与える電界の強さの加減によって、上記の誘電率可変部材の各方向の誘電率は、単調かつ連続的に自在に可変制御することもできる。
【００２０】
したがって、本発明の第１の手段によれば、この電界設定手段を用いて構成される本発明の実効長可変制御手段によって、各単位パターンの各放射量を任意に制御することができ、またこれによって、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。
更に、当該アレーアンテナのビーム幅は、当該アレーアンテナの実効長の増大に対して、単調に減少するので、よって本発明の第１の手段によれば、当該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。
【００２１】
また、本発明の第２の手段によれば、上記の電界設定手段を用いて構成される本発明のサイドローブレベル抑制手段によって、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。
【００２２】
また、本発明の第３の手段によれば、上記の電界設定手段を用いて構成される本発明の上記のヌル形成手段によって、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ができ、これによって、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３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、任意の方向からの雑音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、正面方向からの雑音の受信を低減させることができる。
【００２３】
また、本発明の第４の手段によれば、上記の誘電率可変部材が示す誘電率の可変範囲を広く確保することができるので、上記の各手段（実効長可変制御手段、サイドローブレベル抑制手段、またはヌル形成手段）の制御性をより高く確保することができる。
【００２４】
また、本発明の第５の手段によれば、必要となる誘電率可変部材の少なくとも一部を基板の中に配置することができるので、所望のアレーアンテナを更に小形化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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】
【００２８】
図１に本実施例１のアレーアンテナ１００の平面図を示す。比誘電率が２．２の４フッ化エチレン樹脂から成る誘電体基板１５の中央には、矩形のプール領域１５ａが形成されており、このプール領域１５ａの中には、ネマティック液晶に光重合成ポリマーを混合して成る液晶１３（誘電率可変部材）が充鎮されている。給電点ｐ1 から終端点ｐ2 へ展開されているストリップ線路１４の殆どの部位は、この液晶１３の上にパターン形成されている。このストリップ線路１４は例えば銅などの導体から形成することができ、その殆どの部位は、単位パターンＵの周期的な繰り返しによって形成されている。単位パターンＵは、ｘ軸方向に延びる主線路１１と、この主線路１１を幹としてｙ軸方向に延びるスタブ１２と、主線路１１を途中で分断するギャップＧ１から構成されている。
【００２９】
このアレーアンテナ１００は、上記の単位パターンＵをｘ軸方向に１６周期配列して構成されている。分断された主線路１１の対峙面から形成されるこのギャップＧ１はキャパシタを構成するものであり、その対峙部１１ａ，１１ｂはそれぞれ、ギャップＧ１のキャパシタンスを増大させるために、ｙ軸方向に拡張して形成されている。また、ｙ軸方向に突き出したスタブ１２の端部は、スタブ１２が供するインダクタンス成分を増大させるために、その途中の枝部よりも若干ｘ軸方向に幅広に形成されている。
【００３０】
図２に上記のアレーアンテナ１００のＡ−Ａ′断面における断面図を示す。ただし、本図２の電界設定手段Ｃや配線１、配線２は、図１ではその図示が省略されていたものである。誘電体基板１５の裏面には、一面に略一様に接地板１６が積層されており、この接地板１６は、配線２を介して電界設定手段Ｃの直流電源Ｅに接続されている。また、各単位パターンＵのスタブ１２は、配線１を介して電界設定手段Ｃの電界制御手段αに接続されている。電界制御手段αは、スイッチまたは可変抵抗器から構成することができ、各単位パターンＵ毎に具備されている。電界設定手段Ｃは、この電界制御手段αと直流電源Ｅとの直列接続によって構成される。
【００３１】
この様な電界設定手段Ｃに基づいて、ストリップ線路１４の下に配置された液晶１３（誘電率可変部材）に対してｚ軸方向に電界を掛けると、液晶１３を構成する液晶分子が回転して向きを変えるので、そのｚ軸方向の誘電率は高くなる。
例えば、上記の液晶１３のｚ軸方向の厚みを約０．１３ｍｍに設定した場合、上記の電界設定手段Ｃでストリップ線路１４と接地板１６との間に１００ｖの電圧をかけると、液晶１３のｚ軸方向の比誘電率は、約２．２から約２．８まで変化させることができる。
【００３２】
図３−Ａ，−Ｂに、電界設定手段Ｃの具体的な構成例と操作形態を例示する。この構成例では、上記の電界設定手段Ｃにおける電界制御手段αが、例えばＭＯＳＦＥＴ等から成るスイッチＳＷを用いて構成されており、直流電源Ｅは、全単位パターンＵの間で共有されている。したがって、この電界制御手段αは、例えばＭＯＳＦＥＴなどを用いて構成される１つのＩＣチップに形成することも容易である。
【００３３】
図３−Ｂに示すように、スイッチＳＷをＯＮ状態にした単位パターンＵを終端点ｐ2 の側から複数並べると、その単位パターンＵにはほとんど電流が流れなくなり、そこにはバンドギャップが形成される。即ち、図３−Ｂの状態の場合、終端点ｐ2 寄りの８つの単位パターンＵはアンテナとして動作せず、スイッチＳＷがＯＦＦ状態である、給電点ｐ1 よりの８つの単位パターンＵの部分のみがアンテナとして動作する。
この作用は、誘電率可変部材（液晶１３）に電圧をかけることにより、その誘電率が変化してギャップＧ１のキャパシタンスとスタブ１２のインダクタンスが変化するために生じるものであり、これによって、例えば、バンドギャップの動作に変化した終端点ｐ2 寄りの単位パターンＵの数が増えれば、その分アレーアンテナ１００のアンテナ長が短くなって、アンテナのビーム幅は広くなる。
したがって、例えば上記のＩＣチップによって、本発明の実効長可変制御手段を構成することができる。
【００３４】
図４に、本実施例１の実効長可変制御手段の効果を例示する。このグラフは、上記のアレーアンテナ１００のビーム形状（方位−利得特性）を例示するものであり、各グラフは、以下の各場合（１）〜（３）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ている。ただし、本グラフでは、利得のピーク値と半値角をパラメータとしてビーム形状を模式化し、そのビームの中心をグラフの中央に配置した。
【００３５】
（１）上記の様な操作によって動作しなくする微小アンテナの数（即ち、終端点ｐ2 寄りのＯＮ操作されている単位パターンＵの数）を、４個とした場合
（２）上記の様な操作によって動作しなくする微小アンテナを終端点ｐ2 の側から８個だけ設けた場合
（３）上記の様な操作によって動作しなくする微小アンテナを終端点ｐ2 の側から１２個だけ設けた場合
例えばこの様にして、動作しなくする微小アンテナの数を変化させることにより、アレーアンテナ１００のビーム幅を自在に可変制御することができる。
【００３６】
（実効長可変制御手段の効果と利得特性）
上記のアレーアンテナ１００について、以下の２つのケースにわたって、ｘｚ平面上での指向性をシミュレーションによって算出した。
（ａ）図３−Ａの場合（即ち、全てのスイッチＳＷをＯＦＦ状態とした場合）
（ｂ）図３−Ｂの場合（即ち、上記の（２）の場合）
【００３７】
この（ａ）、（ｂ）のシミュレーション結果を図５−Ａ，−Ｂに示す。ただし、ここでは、直流電源Ｅの電圧を１００ｖとしたので、先にも言及した様に、上記の（ｂ）図３−Ｂの場合には、終端点ｐ2 側の８つのスイッチがＯＮになった単位パターンＵの液晶１３の比誘電率は、スイッチがＯＦＦ状態の時の２．２から、２．８に変化する。
【００３８】
図５−Ａ，−Ｂの各グラフより、上記の（ａ）、（ｂ）の何れの場合においても、動作周波数ｆをｆ０（≡７６ＧＨｚ）から、ｆ＝ｆ０×１．０４（＝７９ＧＨｚ）まで振ることによりθ＞０°の角度領域（Backward側）から、θ＜０°の角度領域（Forward 側）まで広角にビーム走査ができていることが分かる。即ち、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。
また、上記の（ａ）と（ｂ）の場合を比較すると、（ｂ）では半値角で測って２倍以上の太いビームが実現できている。
【００３９】
即ち、これらのシミュレーション結果より、上記のアレーアンテナ１００においては、ビーム走査特性は変化させることなく、ビーム幅のみを変化させることができることが分かる。また、アレーアンテナ１００のビーム幅は、図４からも分かる様に、スイッチＳＷをＯＮ状態にする単位パターンＵの数を変化させることで自在に可変制御できる。
【００４０】
なお、図５−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、上記の電界設定手段Ｃを使えば、各単位パターンＵが有するギャップＧ１やスタブ１２のリアクタンス成分を任意に可変制御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ことも勿論可能である。
【００４１】
また、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、上記の様にして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、例えば上記の電界設定手段Ｃなどが有する誘電率可変作用に基づいて構成することができる。
【実施例２】
【００４２】
図６に本実施例２のヌル形成手段の効果と利得特性を例示する。このグラフは、上記のアレーアンテナ１００の電界設定手段Ｃにおいて、直流電源Ｅの電源電圧を５０Ｖに変更し、この制御電圧をかけたときの利得特性に係わるシミュレーション結果を示している。ただし、ここでは、ｆ＝ｆ０における指向性を調べた。また、制御電圧が５０Ｖの時の液晶１３の比誘電率は２．４となる。
【００４３】
この場合（ｂ）においては、前述の図５の結果とは異なり、給電点ｐ1 寄りの８つの単位パターンＵについては、ビームがθ＞０°の角度領域（Backward側）の方を向き、終端点ｐ2 寄りの８つの単位パターンＵについては、ビームがθ＜０°の角度領域（Forward 側）の方を向くため、ピーク利得はほとんど変化せずに、ｚ軸方向であるθ＝０°の方向にヌルが形成される。
また、次の実施例３でも言及する様に、このヌルの方向は液晶１３にかける電圧を連続的に変化させることによっても自在に可変制御することができる。
【実施例３】
【００４４】
本実施例３では、図２の電界設定手段Ｃに係わるその他の具体的な構成例を例示する。図７は、その構成例を示す平面図である。ここでは前述の図２の電界制御手段αが可変抵抗器を用いて構成されている。この様な可変抵抗器は、例えばＭＯＳＦＥＴなどを用いて構成される１つのＩＣチップと多数の抵抗を用いて、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、これによって、液晶１３のｚ軸方向に掛ける電圧は、例えば０ｖ〜２００ｖなどの適当な範囲内で任意に設定することができる。
【００４５】
例えば、この様な構造を有するアレーアンテナにおいて、液晶１３のｚ軸方向に掛ける電圧を比較的狭い範囲内（例：０ｖ〜５０ｖ程度の範囲内）で適当に制御した場合には、実施例１（図５−Ｂ）で見られた様な、略非動作状態の単位パターンＵによって生成されるバンドギャップは発現せず、かつ、各単位パターンＵからの放射量や放射の方向を任意に制御することができる。
なお、電界制御手段αを構成する上記の可変抵抗器の抵抗値の範囲を０〜∞に設定すれば、これによって図３−ＡのスイッチＳＷの機能をも、勿論その電界制御手段αの機能の中に含めることもできる。
そして、図２の電界制御手段αを可変抵抗器を用いて構成するこれらの方式によれば、例えば、以下に示す本発明の各手段を構成することも可能となる。
【００４６】
（１）サイドローブレベル抑制手段
例えば、前述のアレーアンテナ１００において、各単位パターンＵからの放射の分布を例えば周知のテイラー分布などに制御することにより、ｘｚ平面上における指向性に関してそのサイドローブレベルを抑えることができる。
【００４７】
（２）ヌル形成手段
また、例えば、前述のアレーアンテナ１００において、給電点ｐ1 寄りの８つの単位パターンＵのビームの向きをｘ軸の正の向き（放射がBackward波となる向き）に向け、終端点ｐ2 寄りの８つの単位パターンＵのビームをｘ軸の負の向き（放射がForward 波となる向き）に向けることにより、例えば先の実施例２に例示した場合（図３−Ｂ、図６）と同様に、アンテナ正面方向（ｚ軸の正の向き）にヌルを形成することができる。
【００４８】
なお、この様にして形成されるヌルの方位は、各単位パターンの液晶１３に掛ける電圧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、上記の電界設定手段Ｃが、所望の任意の方向にヌルを形成することができる本発明のヌル形成手段に相当するものと考えることができる。
【００４９】
また、先の実施例１の図５−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、正面（θ＝０°）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。即ち、本発明の実効長可変制御手段とヌル形成手段とは、例えば上記の電界設定手段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。
【００５０】
〔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。
【００５１】
（変形例１）
例えば、動作周波数ｆを固定して指向性を可変制御する手段（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、本発明のサイドローブレベル抑制手段とは、例えば前述の電界設定手段Ｃなどを用いて、同時に同様に構成することもできる。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、サイドローブレベル抑制手段）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もできる。
【００５２】
（変形例２）
また、上記の実施例１（図１）では、周期的な配線パターンを主線路の中心線に対して対称形としたが、配線パターンは主線路の中心線に対して対称形でなくても良い。
また、ギャップＧ１の対峙部やスタブ１２の端部などは、必ずしも幅広に拡張しなくても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
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】
【００５４】
【図１】実施例１のアレーアンテナ１００の平面図
【図２】実施例１のアレーアンテナ１００の断面図
【図３−Ａ】電界設定手段Ｃの具体的な構成例と操作形態を例示する図
【図３−Ｂ】電界設定手段Ｃの具体的な構成例と操作形態を例示する図
【図４】実効長可変制御手段の効果を例示するグラフ
【図５−Ａ】実効長可変制御手段の効果と利得特性を例示するグラフ
【図５−Ｂ】実効長可変制御手段の効果と利得特性を例示するグラフ
【図６】実施例２のヌル形成手段の効果と利得特性を例示するグラフ
【図７】電界設定手段Ｃのその他の具体的な構成例（実施例３）を例示する図
【図８】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９−Ａ】その他の従来のビーム走査アンテナの平面図
【図９−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】
【００５５】
１００ ： アレーアンテナ
Ｕ ： 単位パターン
１１ ： 主線路
１２ ： スタブ
１３ ： 液晶（誘電率可変部材）
１５ ： 誘電体基板
Ｇ１ ： ギャップ
Ｃ ： 電界設定手段
α ： 電界制御手段
【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、
与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、
前記誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、
当該アレーアンテナの実効長を可変制御する実効長可変制御手段と
を有し、
前記単位パターンは、
所定の方向に走る伝送線路と、
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、
前記誘電率可変部材は、
前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置されており、
前記実効長可変制御手段は、
前記電界設定手段を用いて、各前記単位パターンの各放射量を制御することによって当該アレーアンテナの実効長を可変制御する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項２】
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、
与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、
前記誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、
当該アレーアンテナにおけるサイドローブの発生を抑制するサイドローブレベル抑制手段と
を有し、
前記単位パターンは、
所定の方向に走る伝送線路と、
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、
前記誘電率可変部材は、
前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置されており、
前記サイドローブレベル抑制手段は、
前記電界設定手段を用いて、前記単位パターンの各放射量の分布を制御する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項３】
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、
与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、
前記誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、
当該アレーアンテナの放射パターン上にヌルを形成するヌル形成手段と
を有し、
前記単位パターンは、
所定の方向に走る伝送線路と、
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、
前記誘電率可変部材は、
前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置されており、
前記ヌル形成手段は、
前記電界設定手段を用いて、前記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所望の方向に前記ヌルを形成する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項４】
前記誘電率可変部材は、
液晶または強誘電体から構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のアレーアンテナ。
【請求項５】
前記誘電率可変部材は、
前記単位パターンと前記接地板との間に配置されている
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、
与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、
前記誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、
当該アレーアンテナの実効長を可変制御する実効長可変制御手段と
を有し、
前記単位パターンは、
所定の方向に走る伝送線路と、
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、
前記誘電率可変部材は、
前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置されており、
前記実効長可変制御手段は、
前記電界設定手段を用いて、各前記単位パターンの各放射量を制御することによって当該アレーアンテナの実効長を可変制御する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項２】
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、
与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、
前記誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、
当該アレーアンテナにおけるサイドローブの発生を抑制するサイドローブレベル抑制手段と
を有し、
前記単位パターンは、
所定の方向に走る伝送線路と、
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、
前記誘電率可変部材は、
前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置されており、
前記サイドローブレベル抑制手段は、
前記電界設定手段を用いて、前記単位パターンの各放射量の分布を制御する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項３】
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、
与えられた電界によって誘電率が変化する誘電率可変部材と、
前記誘電率可変部材に対して電界を与える電界設定手段と、
当該アレーアンテナの放射パターン上にヌルを形成するヌル形成手段と
を有し、
前記単位パターンは、
所定の方向に走る伝送線路と、
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、
前記誘電率可変部材は、
前記ギャップまたは前記スタブに対して接近して配置されており、
前記ヌル形成手段は、
前記電界設定手段を用いて、前記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所望の方向に前記ヌルを形成する
ことを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項４】
前記誘電率可変部材は、
液晶または強誘電体から構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のアレーアンテナ。
【請求項５】
前記誘電率可変部材は、
前記単位パターンと前記接地板との間に配置されている
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。
【図１】
【図２】
【図３−Ａ】
【図３−Ｂ】
【図４】
【図５−Ａ】
【図５−Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９−Ａ】
【図９−Ｂ】
【図２】
【図３−Ａ】
【図３−Ｂ】
【図４】
【図５−Ａ】
【図５−Ｂ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９−Ａ】
【図９−Ｂ】
【公開番号】特開２００７−１１０３３０（Ｐ２００７−１１０３３０Ａ）
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９７８３３（Ｐ２００５−２９７８３３）
【出願日】平成１７年１０月１２日（２００５．１０．１２）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１２日（２００５．１０．１２）
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【Ｆターム（参考）】
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