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公開番号2024148989
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-10-18
出願番号2023062604
出願日2023-04-07
発明の名称誘電体ロッドアンテナおよび誘電体ロッド
出願人電気興業株式会社
代理人個人
主分類H01Q 15/08 20060101AFI20241010BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】ミリ波帯以上でのアレーアンテナにおける伝送線路損失の相対的な低減と高利得化、ならびに、ビーム走査の対応が可能な、誘電体ロッドアンテナ、および、誘電体ロッドを実現することを目的とする。
【解決手段】誘電体ロッドは、外部のアンテナに装着されるものであって、複数の誘電体素子を備える。誘電体素子は、外部のアンテナの有するそれぞれのアンテナ素子に1以上の誘電体素子が対応するよう配置されている。誘電体素子は、基部、先端部、および、基部と先端部を接続する本体部を有する。基部は格子状に配置される。本体部は、基部から先端部に向かって、略直線状に延びる形状を有する。それぞれの本体部は、基部から先端部に向かって、互いに離間するよう配置されている。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
外部のアンテナに装着される誘電体ロッドであって、
複数の誘電体素子を備え、
前記複数の誘電体素子は、前記外部のアンテナの有するそれぞれのアンテナ素子に１以上の前記誘電体素子が対応するよう配置されており、
前記誘電体素子は、基部、先端部、および、前記基部と前記先端部を接続する本体部を有し、
前記基部は格子状に配置され、
前記本体部は、
前記基部から前記先端部に向かって、略直線状に延びる形状を有し、
それぞれの前記本体部は、前記基部から前記先端部に向かって、互いに離間するよう配置されていることを特徴とする、
誘電体ロッド。
続きを表示（約 690 文字）【請求項２】
前記格子が、一列であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ロッド。
【請求項３】
前記格子が、ｍおよびｎを２以上の自然数として、ｍ行ｎ列であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ロッド。
【請求項４】
それぞれの前記本体部は全て、少なくとも一方向において、前記基部から前記先端部に向かって、互いに離間するよう配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の誘電体ロッド。
【請求項５】
それぞれの前記本体部は全て、前記基部から前記先端部に向かって、互いに離間するよう配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の誘電体ロッド。
【請求項６】
誘電率が４以下であり、かつ、
前記誘電体素子の長さが１５波長以上であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ロッド。
【請求項７】
透明であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ロッド。
【請求項８】
前記アンテナとの位置関係を固定する固定部を有することを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ロッド。
【請求項９】
前記本体部が、前記基部から前記先端部に向かって細くなり、かつ、誘電体素子の長さ方向に対する誘電体素子の径の減少率は基部側ほど大きい形状を有することを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の誘電体ロッド。
【請求項１０】
前記本体部が、滑らかな曲線状であることを特徴とする、請求項７に記載の誘電体ロッド。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体ロッドアンテナおよび誘電体ロッドに関するものであり、特に、移動通信システムや基地局アンテナシステムで用いられる誘電体ロッドアンテナおよび誘電体ロッドに関する。
続きを表示（約 5,100 文字）【背景技術】
【０００２】
5Gミリ波帯では、アレーアンテナによる高利得ビームを走査することによりエリアを確保している。Beyond5G/6Gでは300GHzまでの高周波数の利用が検討されており、高利得ビーム走査の必要性が増す。また、アレーアンテナとは異なる利得増強の技術として、誘電体を軸方向に延伸した、誘電体ロッドアンテナがある。
５Gからミリ波帯（28GHz帯）が割り当てられている。ただしデメリットとして、通信距離による損失が大きい。
アレーアンテナによる高利得ビームを走査して、各端末と基地局間のリンクを実現している。この傾向は、周波数が上がるほど、問題が大きくなる。
アレーアンテナは、８×８、つまり８行８列の６４素子以上で構成されることが一般的であり、最大アンテナ利得は２２ｄＢｉ以上であることが多い。
背面の伝送線路は、非常に長いため、4dB以上の損失など、大きな損失が発生する。このため、伝送線路損の低減が課題となっている。３００GHｚまでの利用を想定している６Ｇにおいては、より伝送線路損失が増大することが懸念される。
特許文献１には、ビームフォーミング装置およびビームフォーミング方法が記載されている。アンプ、移相器が、各素子に配置されており、ビーム走査を実現している。
各素子にミキサを接続し、中間周波数、つまり、実際に無線通信する周波数より低い周波数で、長い伝送線路を設計しているため、損失が低減される。
特許文献２には誘電体ロッドアンテナが記載されている。この誘電体ロッドアンテナでは、電波の飛ぶ方向に誘電体を延伸することで、アンテナ利得が増強されている。
非特許文献１には、個々のアンテナ素子に対して誘電体ロッドを設けた、誘電体ロッドアンテナアレーが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開２０２１－１６０７７号公報
特開２００５－３４７９３６号公報
Gabriel L. Saffold et.al, ”Dielectric Rod Antenna Array With Planar Folded Slot Antenna Excitation” IEEE Open Journal of Antennas and Propagation, Volume 2, 2021, page 664-673
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の大規模・複数のミキサ回路は、コスト大・配線設計の複雑さをまねく。特許文献２に記載の構造では、伝送線路損失の増大はないものの、ビーム走査は実現できない。非特許文献１に記載の誘電体ロッドアンテナアレーでは、各ロッドが同一方向を向いており，アンテナ利得の増強は実現できるものの、広角にエリアをつくるためのビーム走査には対応できない。また、個別に誘電体を接地し調整する必要があり、製造や組立のコストが増加するだけでなく、運搬時の影響によるずれから現地でアンテナ素子１つ１つに再調整が必要となるなど、実用化が現実的でない。
そこで、本発明は、ミリ波帯以上でのアレーアンテナにおける伝送線路損失の相対的な低減と高利得化、ならびに、ビーム走査の対応が可能であり、低コストな誘電体ロッドアンテナ、および、誘電体ロッドを実現することを目的とする。
本発明のその他の目的は、発明を実施するための形態においても説明される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の請求項１に係る誘電体ロッドは、
外部のアンテナに装着される誘電体ロッドであって、
複数の誘電体素子を備え、
前記複数の誘電体素子は、外部のアンテナの有するそれぞれのアンテナ素子に１以上の前記誘電体素子が対応するよう配置されており、
誘電体素子は、基部、先端部、および、基部と先端部を接続する本体部を有し、
基部は格子状に配置され、
本体部は、
基部から先端部に向かって、略直線状に延びる形状を有し、
それぞれの本体部は、基部から先端部に向かって、互いに離間するよう配置されていることを特徴とする、誘電体ロッドである。
本発明の請求項２に係る誘電体ロッドは、格子が一列であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ロッドである。
本発明の請求項３に係る誘電体ロッドは、格子が、ｍおよびｎを２以上の自然数として、ｍ行ｎ列であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ロッドである。
本発明の請求項４に係る誘電体ロッドは、それぞれの本体部は全て、少なくとも一方向において、基部から先端部に向かって、互いに離間するよう配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の誘電体ロッドである。
本発明の請求項５に係る誘電体ロッドは、それぞれの本体部は全て、基部から先端部に向かって、互いに離間するよう配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の誘電体ロッドである。
本発明の請求項６に係る誘電体ロッドは、誘電率が４以下であり、かつ、誘電体素子の長さが１５波長以上であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ロッドである。
本発明の請求項７に係る誘電体ロッドは、透明であることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ロッドである。
本発明の請求項８に係る誘電体ロッドは、アンテナとの位置関係を固定する固定部を有することを特徴とする、請求項１に記載の誘電体ロッドである。
本発明の請求項９に係る誘電体ロッドは、本体部が、基部から先端部に向かって細くなり、かつ、誘電体素子の長さ方向に対する誘電体素子の径の減少率は基部側ほど大きい形状を有することを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の誘電体ロッドである。
本発明の請求項１０に係る誘電体ロッドは、本体部が、滑らかな曲線状であることを特徴とする、請求項７に記載の誘電体ロッドである。
本発明の請求項１１に係る誘電体ロッドは、本体部の太さが、段階的に変化し、かつ、段階ごとに先端ほど長くなる形状であることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の誘電体ロッドである。
本発明の請求項１２に係る誘電体ロッドアンテナは、請求項１ないし７のいずれかに記載の誘電体ロッド、および、複数のアンテナ素子を有するアンテナ部、を備えることを特徴とする、誘電体ロッドアンテナである。
本発明の請求項１３に係る誘電体ロッドアンテナは、ミリ波以上の電波を送信する送信部、または、ミリ波以上の電波を受信する受信部を備えることを特徴とする、請求項１２に記載の誘電体ロッドアンテナである。
本発明は、以上の構成により、従来と比較して、第一に、損失を低減しつつ、第二に、少なくとも同等のアンテナ利得、つまり、典型的には最大２２ｄＢｉ以上であり、第三に、少なくとも同等のアンテナと同様のビーム走査を達成できる、新規な誘電体ロッドアンテナ、および、誘電体ロッドを実現する。
本発明のその他の効果は、発明を実施するための形態においても説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの結果を示す。
比較例における結果を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における誘電体ロッドアンテナの構成例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１は、本発明の一実施例における誘電体ロッド１００の一例を示す。
誘電体ロッド１００は図２に示されるような外部のアンテナ４００に装着されるものである。
励振源をアレーアンテナとし、ビームフォーミングやマルチビーム回路で実現する複数のビーム方向に対して高利得化するよう設計された誘電体を設ける。
励振源の素子数と利用ビームの数（ロッドの延伸方向数）を合わせると、各ビームが分離できるように設計できる。励振源のビーム形成法は、アナログ／デジタルビームフォーミング、バトラーマトリクスなどを用いたマルチビームのいずれでも対応可能となる。
【０００８】
本実施例における誘電体ロッド１００は、複数の誘電体素子１１０を備える。誘電体素子１１０は、外部のアンテナ４００の有するそれぞれのアンテナ素子４１０に１以上の誘電体素子１１０が対応するよう配置されている。本実施例では、それぞれのアンテナ素子４１０に１以上の誘電体素子１１０が対向するよう配置されている。
誘電体素子１１０は、基部１１１、先端部１１２、および、基部１１１と先端部１１２を接続する本体部１１３を有する。
基部１１１は格子状に配置されている。「格子状に配置」とは、互いの位置関係が固定され基部が隙間なく配置された構造であることを意味する。格子は縦横２次元状でも、あるいは、横一列でも良い。もちろん、アンテナの設置形態に合わせて、斜めや垂直など、様々な方向に配置することができる。なお、本説明では、誘電体ロッドアンテナを単にアンテナと呼ぶことがある。
【０００９】
本体部１１３は、基部１１１から先端部１１２に向かって、略直線状に延びる形状を有する。
それぞれの本体部１１３は、基部１１１から先端部１１２に向かって、互いに離間するよう配置されている。ここで、「それぞれの本体部１１３は、基部１１１から先端部１１２に向かって、互いに離間するよう配置されている」とは、互いの距離が同じ場合も含まれる。つまり本体部１１３の距離は、同じであるか離れるように構成されている。ただし、全ての距離が同じである場合は含まない。つまり、少なくとも一部の本体部同士は、その距離が離間することにより、全体としては、基部１１１から先端部１１２に向かって、互いに離間するよう配置されている。本構成により、広範囲において効率の良い通信が実現できる。
一実施例において、図１に示されるように、水平方向や垂直方向など、少なくとも一方向において、それぞれの本体部１１３は全て、基部１１１から先端部１１２に向かって、互いに離間するよう配置されている構成とすることもできる。本構成によれば、送受信の対象範囲が広がる方向に合わせて、より広範囲に効率の良い通信が実現できる。
図１に示されるように、使用するビーム方向に誘電体を延伸することができる。このため、高利得化が可能となると同時に、誘電体ロッド１００を低損失な素材で作成することで、伝送線路損を極めて小さくできる。
【００１０】
図２の外部のアンテナ４００に代えて、図６に示されるように、励振源は、水平・垂直方向にビーム走査が可能なアレーアンテナ３００とすることができる。
図１に示されるように、アンテナ素子数と使用するビーム数は同じである。本実施例では、４ビームに絞り込まれている。特に、次のようなビーム走査の実現に寄与できる。つまり、第一に、各ビームの最大方向を分離できる。そして、第二に適切なレベルで、各ビームのオーバーラップを設計可能である。
（【００１１】以降は省略されています）

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