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公開番号2025059844
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-10
出願番号2023170189
出願日2023-09-29
発明の名称直交円偏波共用アンテナ
出願人電気興業株式会社
代理人個人
主分類H01Q 13/28 20060101AFI20250403BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】準ミリ波帯以上での直交円偏波共用アレーアンテナ、ならびに、直交円偏波の合成/分配により実現される直線偏波アレーアンテナによる、高利得・ビーム走査・直線偏波の偏波面制御の実現を目的とする。
【解決手段】直交円偏波共用アンテナは、複数の右手系左手系複合線路、および、右手系左手系複合線路を接続する右手系線路を備える。右手系左手系複合線路は、メタマテリアル漏れ波アンテナであって、互いに直列に接続される複数のユニットセルを備える。ユニットセルは、直列キャパシタンスおよび並列インダクタンスを備える。右手系左手系複合線路のうち、端部にある2つの前記右手系左手系複合線路は、右旋円偏波放射のための電力が入力される右旋円偏波励振部および左旋円偏波放射のための電力が入力される左旋円偏波励振部を有する。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
直交円偏波共用アンテナであって、
複数の右手系左手系複合線路、および、
前記右手系左手系複合線路を接続する右手系線路、を備え、
前記右手系左手系複合線路は、
メタマテリアル漏れ波アンテナであって、
互いに直列に接続される複数のユニットセルを備え、
前記ユニットセルは、
前記右手系左手系複合線路において直列に接続される直列キャパシタンス、および、
前記右手系左手系複合線路に対して並列に接続される並列インダクタンス、を備え
前記右手系左手系複合線路のうち、端部にある２つの前記右手系左手系複合線路は、さらに、
一方の前記右手系左手系複合線路は、前記右手系線路に接続されていない側の端部に右旋円偏波放射のための電力が入力される右旋円偏波励振部を有し、
他方の前記右手系左手系複合線路は、前記右手系線路に接続されていない側の端部に左旋円偏波放射のための電力が入力される左旋円偏波励振部を有することを特徴とする、直交円偏波共用アンテナ。
続きを表示（約 720 文字）【請求項２】
前記右手系左手系複合線路は、直線部および略１８０度曲がる屈折部を有することを特徴とする、請求項１に記載の直交円偏波共用アンテナ。
【請求項３】
前記右手系左手系複合線路は、直線部および１８０度より小さい角度だけ曲がる屈折部を有することを特徴とする、請求項１に記載の直交円偏波共用アンテナ。
【請求項４】
前記直列キャパシタンスに接続された、集中定数素子を備えることを特徴とする、請求項１に記載の直交円偏波共用アンテナ。
【請求項５】
前記直交円偏波共用アンテナの有する、前記右旋円偏波励振部、前記左旋円偏波励振部の、少なくとも一方に接続された移相器、および、
前記移送器に接続された合成分配器を有し、
前記合成分配器において、右旋円偏波および左旋円偏波を合成または分配することで、偏波面を制御することを特徴とする、請求項１に記載の直交円偏波共用アンテナ。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の直交円偏波共用アンテナを、複数備えることを特徴とする、アレーアンテナ。
【請求項７】
前記直交円偏波共用アンテナは四角配列されていることを特徴とする、請求項６に記載のアレーアンテナ。
【請求項８】
前記直交円偏波共用アンテナは三角配列されていることを特徴とする、請求項６に記載のアレーアンテナ。
【請求項９】
前記直交円偏波共用アンテナの少なくとも一部が、互いに異なる角度で略円弧状に配列され、シーケンシャルアレーを構成していることを特徴とする、請求項６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、メタマテリアルアンテナに関するものであり、特に、ワイヤレス電力伝送システム、衛星通信、移動体通信で用いられる直交円偏波アンテナに関する。
続きを表示（約 5,400 文字）【背景技術】
【０００２】
モバイル端末やIoT（Internet of Things）用センサ端末など、有線による常時給電が難しい機器類に対して、高周波数帯を用い、数m以上程度の長距離での、ワイヤレス電力伝送システムへの適用が検討されている。2022年現在、ワイヤレス電力伝送向けに24GHzと非常に高い周波数の割当が検討されている。このような高い周波数では、空間伝搬による損失が高まるため、その補填のため、送電局用のアンテナには、高いアンテナ利得とビームステアリングの機能を有する、フェーズドアレーアンテナシステムの適用が望ましい。
ワイヤレス電力伝送での送電効率を最大限向上させるためには、受電（端末）と送電局のアンテナの偏波面を完全に合わせる必要性がある。このとき、端末の設置状況（送電局側から見た方向や端末の設置角度など）が一定ではないと仮定すると、端末・送電局が円偏波アンテナであれば、端末の設置状況によらず、偏波面を合わせることができる。一方で、端末・送電局側が直線偏波アンテナの場合、直交する偏波面となる場合（たとえば、端末：垂直偏波、送電局：水平偏波）、送電効率は0%となり、システム上大きな損失となる。
非特許文献1に、直線偏波の偏波面を制御し、偏波面を送受信で合わせるアンテナシステムが検討されている。この文献では、右旋円偏波と左旋円偏波を共用するパッチアンテナを用いている。それぞれの円偏波ポートに移相器を接続し、振幅一定・位相差のみを制御し、合成することで、直線偏波の偏波面を変化できる。このような偏波面制御の機能を送電局側に具備することで、ワイヤレス電力伝送の効率を最大に保つことが可能となる。
特許文献１に、円偏波アンテナ技術の前例を示す。特許文献１は、それぞれパッチアンテナに２つの励振点を設け、ハイブリッド回路を用いて円偏波励振する技術である。ハイブリッド回路の抵抗終端されたポートから給電すれば、直交円偏波共用が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
佐野、橋本、和田、“Ｋｕ帯偏波角可変フェーズドアレーの交差偏波低減、”信学技報ＡＰ２０２１－１７５、２０２２年２月
特開２００４－２２１９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１で記載されるとおり、直線偏波の偏波面制御の場合、直交円偏波共用アンテナを用い、位相差のみで制御する方法が、振幅を一定にでき、送電効率が良い。
非特許文献１などで記載される、従来の直交円偏波共用アンテナの実現方法は、90度ハイブリッド回路への接続が必要である。本構成法を、例えば多層誘電体基板などで実現する場合、ハイブリッド回路を含む給電回路用の層が必要となり、複雑化・高コスト化する。多層基板以外の構成でも同じ問題が生じる。また、ハイブリッド回路含む給電部の構造が大きいため、円偏波フェーズドアレーアンテナシステムを構成する際、素子間隔決定の制限になる。
したがって、ハイブリッド回路を含まずに直交円偏波共用でき、かつ小形であるアンテナの実現が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の請求項１に係る直交円偏波共用アンテナは、
複数の右手系左手系複合線路、および、
右手系左手系複合線路を接続する右手系線路、を備え、
右手系左手系複合線路は、
メタマテリアル漏れ波アンテナであって、
互いに直列に接続される複数のユニットセルを備え、
ユニットセルは、
右手系左手系複合線路において直列に接続される直列キャパシタンス、および、
右手系左手系複合線路に対して並列に接続される並列インダクタンス、を備え
右手系左手系複合線路のうち、端部にある２つの右手系左手系複合線路は、さらに、
一方の右手系左手系複合線路は、右手系線路に接続されていない側の端部に右旋円偏波放射のための電力が入力される右旋円偏波励振部を有し、
他方の右手系左手系複合線路は、右手系線路に接続されていない側の端部に左旋円偏波放射のための電力が入力される左旋円偏波励振部を有することを特徴とする、直交円偏波共用アンテナである。
本発明の請求項２に係る直交円偏波共用アンテナは、右手系左手系複合線路は、直線部および略１８０度曲がる屈折部を有することを特徴とする、請求項１に記載の直交円偏波共用アンテナである。
本発明の請求項３に係る直交円偏波共用アンテナは、右手系左手系複合線路は、直線部および１８０度より小さい角度だけ曲がる屈折部を有することを特徴とする、請求項１に記載の直交円偏波共用アンテナである。
本発明の請求項４に係る直交円偏波共用アンテナは、
直列キャパシタンスに接続された、集中定数素子を備えることを特徴とする、請求項１に記載の直交円偏波共用アンテナである。
本発明の請求項５に係る直交円偏波共用アンテナは、
直交円偏波共用アンテナの有する、右旋円偏波励振部、左旋円偏波励振部の、少なくとも一方に接続された移相器、および、
移送器に接続された合成分配器を有し、
合成分配器において、右旋円偏波および左旋円偏波を合成または分配することで、偏波面を制御することを特徴とする、請求項１に記載の直交円偏波共用アンテナである。
本発明の請求項６に係る直交円偏波共用アンテナは、
請求項１ないし５のいずれかに記載の直交円偏波共用アンテナを、複数備えることを特徴とする、アレーアンテナである。
本発明の請求項７に係る直交円偏波共用アンテナは、
直交円偏波共用アンテナは四角配列されていることを特徴とする、請求項６に記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項８に係る直交円偏波共用アンテナは、
直交円偏波共用アンテナは三角配列されていることを特徴とする、請求項６に記載のアレーアンテナである。
本発明の請求項９に係る直交円偏波共用アンテナは、
直交円偏波共用アンテナの少なくとも一部が、互いに異なる角度で略円弧状に配列され、シーケンシャルアレーを構成していることを特徴とする、請求項６に記載のアレーアンテナである。
本発明は、以上の構成により、従来と比較して、第一に、ハイブリッド回路を不要とすることで給電部を簡易化・低コスト化し、第二に、給電部を含め小形構成により、シーケンシャルアレーなどの複雑なアレーアンテナ構成を実現する。
また、本発明は、以上の構成により、少なくとも従来と同等の直線偏波の偏波面制御を達成できる、新規な直交円偏波共用アンテナを実現する。
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直交円偏波共用アンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるSパラメータを示す。
本発明の一実施例における指向性を示す。
本発明の一実施例における指向性を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アレーアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における励振位相差に対する偏波面角度の変化を示す。
本発明の一実施例における励振位相差に対する最大アンテナ利得の変化を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図１、図２および図３は、本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナ１の一例を示す。
直交円偏波共用アンテナ１は、直列キャパシタンスおよび並列インダクタンスを付加した、右手系左手系複合線路１００によるメタマテリアル漏れ波アンテナの技術を利用している。
直交円偏波共用アンテナ１は、複数の右手系左手系複合線路１００、および、右手系左手系複合線路１００を接続する右手系線路１２０、を備える。
右手系左手系複合線路１００は、メタマテリアル漏れ波アンテナであって、互いに直列に接続される複数のユニットセル１０１を備える。
ユニットセル１０１は、右手系左手系複合線路１００において直列に接続される直列キャパシタンス１０２、および、右手系左手系複合線路１００に対して並列に接続される並列インダクタンス１０４、を備える。
右手系左手系複合線路１００のうち、端部にある２つの右手系左手系複合線路１００は、さらに、一方の右手系左手系複合線路１００は、右手系線路１２０に接続されていない側の端部に右旋円偏波放射のための電力が入力される右旋円偏波励振部１５０を有し、他方の右手系左手系複合線路１００は、右手系線路１２０に接続されていない側の端部に左旋円偏波放射のための電力が入力される左旋円偏波励振部１５１を有する。
本アンテナは24GHz帯において、極小の層数の多層誘電体基板のみで実現が可能であり、ハイブリッド回路などを必要とせず、簡易で低コストに直交円偏波共用が可能な構造である。
また、給電部を含めて、小形な構造であるため、ビーム走査の機能を高めることを目的とした、狭い素子間隔のフェーズドアレーアンテナ用の素子にも適している。
【０００８】
本実施例における直交円偏波共用アンテナ１は、複数の右手系左手系複合線路１００部から構成される。右手系左手系複合線路１００部は複数のユニットセル１０１から構成される。ユニットセル１０１は直列キャパシタンスならびに並列インダクタンスを備える。直列キャパシタンス１０２は、２層の導体面１３０および１３１と間に挟まれる誘電体１４０により構成される。並列インダクタンス１２０は、２層の導体面１３０にインダクタンス用線路部を形成し、導体面１３２と導体ビア１２２にて導通させる。なお、このインダクタンスは導体面１３１に形成しても良いし、導体面１３０、１３１の両方に形成しても良い。
【０００９】
本実施例における直交円偏波共用アンテナ１は、右手系左手系複合線路１００が、直線部１１１および略１８０度曲がる屈折部１１２を有する。つまり、右手系左手系複合線路１００は、少なくとも２つの直線部１１１と１つの屈折部１１２を含み、それぞれユニットセル１０１を複数配列させて実現される。本実施例では小形化のため、３つの直線部１１１と２つの屈折部１１２から成り、各屈折部１１２の曲がる角度は１８０度としている。
隣接する右手系左手系複合線路１００部間は、右手系線路１２０で接続され、図１ではマイクロストリップラインで接続される。本実施例では小形化のため、右手系左手系複合線路１００の数を二としている。
直交円偏波共用アンテナ１１００の両端に、右旋円偏波励振部１５０および左旋円偏波励振部１５１として、高周波励振源１５０および１５１を設ける。本実施例では、高周波励振源１５０によって右旋円偏波放射、高周波励振源１５１によって左旋円偏波放射が行われる。
【００１０】
図４および図５は、本発明の一実施例における直交円偏波共用アンテナ１の構成例を示す。本実施例では、直交円偏波共用アンテナ１は、直列キャパシタンス１０２に接続された、集中定数素子としての付加キャパシタンス１０３を備える。
図４および図５に示す直交円偏波共用アンテナ１のように、直列キャパシタンス２１０を同一層内の導体に形成もできる。本実施例では、単一ギャップのみだが、インターデジタルキャパシタンス構造として、容量値を増大しても良い。
本実施例では、導体間の面積を大きくできる図１の実施例と比較して、直列キャパシタンスの容量値が少なくなる。その容量値補填のため、たとえばチップコンデンサなどによる付加キャパシタンス１０３を、集中定数素子として、直列キャパシタンス２１０に付加しても良い。
（【００１１】以降は省略されています）

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