JP2002237715A - 円偏波アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 円偏波の送受信を効率的に行うことが可能な
ＴＥＭモードの給電導波路で構成される進行波形スロッ
トアレーアンテナを提供することである。 【解決手段】 オーバーサイズ同軸導波路の外部導体に
複数の大括弧形スロット６またはΠ形スロット６が設け
られる。大括弧形スロット６においては、垂直スロット
６１の両端部の同じ側に水平スロット６２，６３が直角
に接続される。Π形スロット６においては、水平スロッ
ト６２，６３は、垂直スロット６１の両端部６１の両端
部６１ａ，６１ｂから所定長さだけ中央部に近い同じ側
に直角に接続される。水平スロット６２，６３の間隔Ｄ
は管内波長λｇの１／２よりも短く設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円偏波アンテナに
関し、特に円偏波同軸円筒スロットアレーアンテナに関
する。

【０００２】

【従来の技術】任意のアンテナパターンを成形する（ビ
ーム成形する）方法として、複数の素子アンテナを配列
し、各素子アンテナに給電する電磁波の振幅と位相を制
御するアレーアンテナの技術がある。

【０００３】一つの基地局アンテナで広い部屋を万遍無
く照らすことができるようにしたり、移動局アンテナで
ビーム追尾を必要としないでも通信を確保するために
は、水平面内で無指向性であるアンテナが望まれる。

【０００４】そこで、本発明者らは、水平面内無指向性
を実現する同軸円筒スロットアレーアンテナを提案して
いる。同軸円筒スロットアレーアンテナは、オーバサイ
ズ同軸導波路の外導体に複数のスロットを設けたアンテ
ナである。この同軸円筒スロットアレーアンテナは、マ
イクロストリップ線路に比べて導波路の誘電体を厚くで
きるため低損失である。また、給電波が同軸モードであ
るので、アンテナ軸を垂直に設置することにより、水平
面内無指向性を実現することができる。さらに、スロッ
トの大きさおよび位置を軸方向に制御することにより、
垂直面内にビーム成形可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記の同軸円筒スロッ
トアレーアンテナのアンテナ軸を垂直に設置した場合、
スロットを水平に設けることにより垂直偏波は容易に得
られる。しかし、給電波がＴＥＭモードであるため、垂
直スロットは励振されない。

【０００６】そこで、本発明者らは、垂直スロットの両
端部の同じ側に水平スロットを接続した大括弧形スロッ
トを提案している。この大括弧形スロットを用いること
により水平偏波同軸円筒スロットアレーアンテナが実現
される。このような水平偏波同軸円筒スロットアレーア
ンテナによれば、水平偏波の送受信を効率的に行うこと
ができる。一方、円偏波の送受信を効率的に行うことが
できる円偏波アンテナも望まれている。

【０００７】本発明の目的は、円偏波の送受信を効率的
に行うことが可能な円偏波アンテナを提供することであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段および発明の効果】本発明
に係る円偏波アンテナは、端部および外周面を有する内
部導体と、内部導体の端部上および外周面上に形成され
た誘電体と、誘電体を介して内部導体の端部上に形成さ
れた端部領域および誘電体を介して内部導体の外周面上
に形成された円筒部を有する外部導体と、外部導体の端
部領域および内部導体の端部の各中心から外部導体と内
部導体との間の誘電体に給電する給電部とを備え、内部
導体の端部と外部導体の端部領域との間の誘電体が所定
の管内波長の電磁波を伝搬する半径方向導波路を形成
し、内部導体の外周面と外部導体の円筒部との間の誘電
体が管内波長の電磁波を伝搬する同軸導波路を形成し、
外部導体の円筒部に複数のスロットが設けられ、複数の
スロットの各々は、同軸導波路の軸方向に平行に延びる
第１のスロット部と、互いに間隔を隔てて配置されかつ
第１のスロット部から同じ側にその第１のスロット部に
対して直角に延びる１対の第２のスロット部とを有し、
第１のスロット部の励振により同軸導波路の軸方向と垂
直な第１の偏波が発生しかつ１対の第２のスロット部の
励振により同軸導波路の軸方向と平行な第２の偏波が発
生するように１対の第２のスロット部の間隔が設定され
たものである。

【０００９】本発明に係る円偏波アンテナにおいては、
第１のスロット部の励振により同軸導波路の軸方向に垂
直な第１の偏波が発生し、１対の第２のスロット部の励
振により同軸導波路の軸方向に平行な第２の偏波が発生
する。それにより、円偏波を効率的に発生することがで
きる。このようにして、同軸円筒スロットアレーアンテ
ナが構成されるので、水平面内無指向性の円偏波アンテ
ナが実現する。

【００１０】１対の第２のスロット部の間隔は、管内波
長の２分の１よりも小さいことが好ましい。それによ
り、１対の第２のスロット部の励振により第２の偏波が
容易に発生する。

【００１１】１対の第２のスロット部は、第１のスロッ
ト部の両端からそれぞれ延びてもよい。この場合、大括
弧形スロットが形成される。

【００１２】１対の第２のスロット部は、第１のスロッ
ト部の両端からそれぞれ所定距離内側の位置から延びて
もよい。この場合、Π形スロットが形成される。

【００１３】１対の第２のスロット部は同じ長さを有す
ることが好ましい。また、１対の第２のスロット部の各
々の長さは１対の第２のスロット部の間隔の半分以上で
あってもよい。それにより、円偏波をより容易に発生す
ることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１（ａ），（ｂ）は本発明の一
実施の形態における円偏波アンテナのそれぞれ縦断面図
および外観図である。図１の円偏波アンテナは円偏波同
軸円筒スロットアレーアンテナである。

【００１５】図１において、内部導体１は、円柱状の銅
等により形成され、１対の円形状端面および外周面を有
する。内部導体１の１対の円形状端面および外周面はフ
ッ素樹脂等の誘電体２により被覆されている。この誘電
体２は、内部導体１の円形状端面に接する円盤部と、内
部導体１の外周面に接する円筒部とを有する。

【００１６】誘電体２の外面は外部導体３により被覆さ
れている。この外部導体３は、誘電体２を介して内部導
体１の１対の円形状端面に対向する円盤部と、誘電体２
を介して内部導体１の外周面に対向する円筒部とを有す
る。

【００１７】外部導体３の外周面には、後述する複数の
スロット６が形成されている。内部導体１の円形状端面
および外部導体３の円盤部の各中心には同軸線路７，８
がそれぞれ接続されている。矢印１０で示すように一方
の同軸線路７から給電が行われる。他方の同軸線路８の
端部には終端素子９が取り付けられている。

【００１８】内部導体１および外部導体３の中心軸がア
ンテナ軸となる。以下の説明では、円偏波アンテナのア
ンテナ軸を垂直方向（ｚ軸方向）に配置するものとす
る。

【００１９】図１の円偏波アンテナにおいては、誘電体
２の円盤部の中心から給電された電磁波が誘電体２の円
盤部を半径方向の外側に向かって進行することによりラ
ジアル導波路５が形成される。また、電磁波がこのラジ
アル導波路５を経由して円筒部に到達すると、円筒部を
他方の円盤部に向かって進行することによりオーバサイ
ズ同軸導波路４が形成される。

【００２０】電磁波がオーバサイズ同軸導波路４を伝搬
する過程で外部導体３に形成された複数のスロット６か
ら外部へ電磁波が放射される。複数のスロット６は周方
向に所定間隔で配置されている。そのため、各スロット
６からの放射電波による電界および磁界の強度分布は周
方向にほぼ均一となる。

【００２１】なお、円偏波アンテナの送受信の可逆性に
より、外部導体３のスロット６が電磁波を受けた場合に
は、逆のプロセスで受信が行われる。

【００２２】図１（ａ）において、オーバサイズ同軸導
波路４の長さをＬ０で表し、外径をＲ１で表し、内径を
Ｒ２で表す。また、図１（ｂ）において、垂直方向（ｚ
軸方向）からの仰角をθで表し、方位角をφで表す。

【００２３】図２は図１の円偏波アンテナに形成される
第１の例のスロットの配列パターンを示す展開図であ
る。また、図３は図１の円偏波アンテナに形成される第
２の例のスロットの配列パターンを示す展開図である。

【００２４】図２のスロット６を大括弧形スロットと呼
び、図３のスロット６をΠ形スロットと呼ぶ。図２の例
では、複数の大括弧形スロット６が図１の外部導体３の
円筒部に一定間隔で周期的に配列される。また、図３の
例では、複数のΠ形スロット６が図１の外部導体３の円
筒部に一定間隔で周期的に配列される。

【００２５】図４は本発明の原理を説明するための図で
あり、（ａ）は水平偏波用の大括弧形スロットを示し、
（ｂ）は円偏波用の大括弧形スロットを示し、（ｃ）は
円偏波用のΠ形スロットを示す。

【００２６】図４（ａ）の大括弧形スロット６００は、
本発明者が提案した水平偏波同軸円筒スロットアレーア
ンテナに用いられる。この大括弧形スロット６００は、
垂直スロット６１０および１対の短い水平スロット６２
０，６３０により構成される。垂直スロット６１０は、
垂直方向（図１のｚ軸方向）に配置される。垂直スロッ
ト６１０の両端部の同じ側に水平スロット６２０，６３
０が直角に接続されている。水平スロット６２０，６３
０の間隔Ｄは、管内波長λｇの１／２に設定される。

【００２７】図１のオーバサイズ同軸導波路４の伝搬波
はＴＥＭモードであるため、オーバサイズ同軸導波路４
の外部導体３に設けられた水平スロットは励振される
が、垂直スロットは励振されない。

【００２８】図４（ａ）の大括弧形スロット６００にお
いては、水平スロット６２０，６３０の間隔Ｄがλｇ／
２に設定されているので、水平スロット６２０，６３０
には逆向き（逆相）の磁流Ｍ₊₁，Ｍ_-1が励振される。こ
れらの磁流Ｍ₊₁，Ｍ_-1は、垂直スロット６１０に同じ向
きの磁流を励振しようとする。また、垂直スロット６１
０の長さＤがλｇ／２であるため、共振が起こりやすく
なる。それにより、垂直スロット６１０に磁流Ｍ₀ が励
振される。このような垂直方向の磁流Ｍ₀ により効率的
に水平偏波が送受信される。一方、２つの水平スロット
６２０，６３０に励振される磁流Ｍ₊₁，Ｍ_-1は逆相であ
るため、互いに打ち消し合う。したがって、垂直偏波の
送受信は抑制される。

【００２９】このようにして、図４（ａ）の大括弧形ス
ロット６００を用いると、水平偏波同軸円筒スロットア
レーアンテナを構成することができる。

【００３０】このように、水平スロットの励振により垂
直スロットが励振されるようになるが、水平スロット自
体の励振による垂直偏波の放射も有効に利用できると考
えられる。

【００３１】図４（ｂ）において、大括弧形スロット６
は、垂直スロット６１および１対の水平スロット６２，
６３により構成される。垂直スロット６１は、垂直方向
（図１のｚ軸方向）に平行に配置される。垂直スロット
６１の両端部の同じ側に水平スロット６２，６３が直角
に接続されている。水平スロット６２，６３の間隔Ｄ
は、管内波長λｇの１／２よりも小さく設定される。

【００３２】図４（ｃ）において、Π形スロット６は、
垂直スロット６１および１対の水平スロット６２，６３
により構成される。水平スロット６２，６３は、垂直ス
ロット６１の両端部６１ａ，６２ｂから所定長さだけ中
央部に近い同じ側に直角に接続されている。それによ
り、垂直スロット６１の両端部６１ａ，６１ｂは水平ス
ロット６２，６３に対して垂直方向に突出している。す
なわち、垂直スロット６１の長さＬは水平スロット６
２，６３の間隔Ｄよりも大きい。水平スロット６２，６
３の間隔Ｄは、管内波長λｇの１／２よりも小さく設定
される。

【００３３】図４（ｂ），（ｃ）のスロット６におい
て、水平スロット６２，６３には逆向き（逆相）の磁流
Ｍ₊₁，Ｍ_-1が励振される。これらの磁流Ｍ₊₁，Ｍ_-1は垂
直スロット６１に同じ向きの磁流Ｍ₀ を励振する。それ
により、水平偏波が送受信される。水平スロット６２，
６３の間隔Ｄが管内波長λｇの１／２よりも小さく設定
されているので、水平スロット６２，６３の励振による
垂直偏波も送受信される。

【００３４】ここで、図４（ｂ）の大括弧形スロット６
における水平スロット６２，６３の間隔Ｄが管内波長λ
ｇの１／２以外の場合に水平偏波および垂直偏波を一般
化して定式化を行う。

【００３５】水平偏波Ｅ_H を送受信する垂直磁流は、水
平スロット６２，６３に励振される磁流Ｍ₊₁，Ｍ_-1の逆
相成分により励振されると考えられる。また、垂直偏波
Ｅ_Vは水平スロットに生じる励振の同相成分により送受
信される。水平偏波Ｅ_H および垂直偏波Ｅ_V は次式
（１），（２）によりそれぞれ表される。

【００３６】 Ｅ_H ∝Ｍ_-1ｅｘｐ（−ｊｋ（ｚ−Ｄ／２））−Ｍ₊₁ｅｘｐ（−ｊｋ（ｚ＋Ｄ／ ２）） …（１） Ｅ_V ∝Ｍ_-1ｅｘｐ（−ｊｋ（ｚ−Ｄ／２））ｅｘｐ（−ｊｋ₀ Ｄ／２ｃｏｓθ ）＋Ｍ₊₁ｅｘｐ（−ｊｋ（ｚ＋Ｄ／２））ｅｘｐ（ｊｋ₀ Ｄ／２ｃｏｓθ） … （２） ここで、Ｍ₊₁およびＭ_-1は水平スロット６２，６３に励
振される磁流の大きさを表す。大括弧形スロット６で
は、水平スロット６２，６３の長さが等しくかつ位置も
ほぼ近いことから、Ｍ_-1＝Ｍ₊₁と考えられる。したがっ
て、上式（１），（２）は次式（３），（４）のように
変形することができる。

【００３７】 Ｅ_H ＝ｊＡｅｘｐ（−ｊｋｚ）ｓｉｎ（πＤ／λｇ） …（３） Ｅ_V ＝Ｂｅｘｐ（−ｊｋｚ）ｃｏｓ｛πＤ／（χλｇ）｝ …（４） χ＝１／（１−ｃｏｓθ／√ε_r ） …（５） ここで、ｊは虚数単位を表す。ＡおよびＢは水平スロッ
ト６２，６３にそれぞれ励振される磁流が基となって送
受信される水平偏波および垂直偏波の振幅を表す正数パ
ラメータである。

【００３８】上式（３），（４）から水平スロット６
２，６３の間隔Ｄおよび仰角θによらず、水平偏波Ｅ_H
は垂直偏波Ｅ_V よりも位相が９０［度］進んでいること
がわかる。したがって、水平偏波および垂直偏波の振幅
を等しくすることにより円偏波が得られる。

【００３９】図５は給電方向に対する大括弧形スロット
の向きによる右旋偏波および左旋偏波の発生を示す図で
ある。

【００４０】ここで、給電方向を下方から上方へ向かう
方向とする。図５（ａ）に示すように、大括弧形スロッ
ト６の開口部が右を向いている場合、右旋偏波が得られ
る。また、図５（ｂ）に示すように、大括弧形スロット
６の開口部が左側を向いている場合、左旋偏波が得られ
る。このように、給電方向に対する大括弧形スロット６
の向きにより右旋偏波と左旋偏波とが切り替えられるこ
ととなる。

【００４１】また、上式（４），（５）から垂直偏波の
成分は仰角θに依存することがわかる。これは、垂直偏
波の発生源である水平スロット６２，６３が間隔Ｄを隔
てて存在するために仰角θにより光路差が変化するから
である。仰角θの方向で水平偏波が得られるためには、
その方向で垂直偏波が０となる必要がある。したがっ
て、仰角θの方向で水平偏波となる条件は次式のように
なる。

【００４２】Ｄ＝χλｇ／２ …（６） ブロードサイド方向で水平偏波となる条件は、θ＝９０
［度］として次式のようになる。

【００４３】Ｄ＝λｇ／２ …（７） 上式（７）の条件は図４（ａ）の大括弧形スロット６０
０に相当する。

【００４４】このように、大括弧形スロットは本来楕円
偏波を送受信するが、図４（ａ）の大括弧形スロット６
００は垂直偏波の成分が０となる特別な場合であること
がわかる。

【００４５】図４（ｂ）の大括弧形スロット６において
は、後述するように、垂直偏波のレベルを水平スロット
６２，６３の長さにより制御することができる。しかし
ながら、水平スロット６２，６３の間隔Ｄと独立に垂直
スロット６１の長さを制御することにより水平偏波のレ
ベルを制御することができない。

【００４６】そこで、水平スロット６２，６３の間隔Ｄ
とは独立に垂直スロット６１の長さを制御できるよう
に、図４（ｃ）に示すΠ形スロット６を提案する。図４
（ｃ）のΠ形スロット６においては、水平スロット６
２，６３の間隔Ｄとは独立に垂直スロット６１の長さＬ
を制御することができる。

【００４７】なお、上式（３），（４）のパラメータＡ
およびＢは未知数であるので、以下に示す実施例におい
て上式（３），（４）の確認を行うとともに、図４
（ｂ）の大括弧形スロット６および図４（ｃ）のΠ形ス
ロット６の諸特性について調べる。

【００４８】

【実施例】［実施例１］図１の円偏波同軸円筒スロット
アレーアンテナを試作し、設計周波数１５ＧＨｚで実験
を行った。図１の円偏波アンテナにおいて、オーバサイ
ズ同軸導波路４の外径Ｒ１は２４ｍｍであり、内径Ｒ２
は２０ｍｍであり、長さＬ０は約２８０ｍｍである。外
部導体３に複数の大括弧形スロット６を均一に配列し
た。誘電体２の比誘電率ε_r は約２．２である。周方向
のスロット数ｎ_φは４０または２０とし、軸方向のスロ
ット数ｎ_z は２０とした。

【００４９】ここで、大括弧形スロット６の各部の寸法
を図６に示す。スロット６の中心線で測定される水平ス
ロット６２，６３の間隔（垂直スロット６１の長さ）を
Ｄとし、垂直スロット６１の幅をＷとし、水平スロット
６２，６３の長さをｓとし、水平スロット６２，６３の
幅をＷ’と定義する。

【００５０】実施例１では、同軸円筒スロットアレーア
ンテナに図７（ａ）〜（ｆ）に示す６つのタイプの大括
弧形スロットを設けた。図７（ａ）〜（ｆ）の６つのタ
イプをそれぞれタイプＡ、タイプＢ、タイプＣ、タイプ
Ｄ、タイプＥおよびタイプＦと呼ぶ。

【００５１】図７（ａ）のタイプＡのスロットは、図４
（ａ）に示した水平偏波用のスロットである。寸法の比
較のために、図７（ｂ）〜（ｆ）においては、図７
（ａ）のタイプＡのスロットを破線でタイプＢ〜タイプ
Ｆのスロットに重ねて表している。

【００５２】図７（ａ）に示すタイプＡのスロットの垂
直スロットの長さＤは管内波長λｇの１／２である。図
７（ｂ）に示すタイプＢのスロットでは、タイプＡのス
ロットに比べて垂直スロットの長さＤのみが短い。図７
（ｃ）に示すタイプＣのスロットでは、タイプＢのスロ
ットに比べて水平スロットの長さｓが長い。

【００５３】図７（ｄ）に示すタイプＤのスロットで
は、タイプＣのスロットに比べて垂直スロットの幅Ｗの
みが太い。図７（ｅ）に示すタイプＥのスロットでは、
タイプＣのスロットよりもさらに水平スロットの長さｓ
が長い。図７（ｆ）に示すタイプＦのスロットでは、タ
イプＣのスロットに比べてさらに垂直スロットの長さＤ
が短い。

【００５４】タイプＡ〜Ｆの大括弧形スロットの寸法お
よびアンテナ特性を表１に示す。

【００５５】

【表１】

【００５６】なお、タイプＡおよびタイプＢの大括弧形
スロットを用いたアンテナでは、周方向の素子数ｎ_φを
４０とした。タイプＣ〜Ｆのスロットを用いたアンテナ
では、水平スロットｓの長さが長いため、隣接するスロ
ットと重ならないように周方向の素子数ｎ_φを２０とし
た。

【００５７】図８〜図１３はそれぞれタイプＡ〜Ｆの大
括弧形スロットを用いたアンテナの垂直面内指向性を示
す図である。図８〜図１３において、横軸は仰角θを表
し、縦軸は利得を表す。また、実線は垂直偏波を表し、
破線は水平偏波を表す。

【００５８】タイプＡ、タイプＢおよびタイプＥを比較
すると、垂直スロットの長さＤを短くして水平スロット
の長さｓを長くすることにより、水平偏波に対する垂直
偏波の成分の割合が増加し、タイプＥでは水平偏波およ
び垂直偏波の大きさがほぼ等しくなっていることがわか
る。

【００５９】図１４〜図１９はそれぞれタイプＡ〜Ｆの
大括弧形スロットを用いたアンテナの等価磁流開口面分
布を示す図である。図１４〜図１９の等価磁流開口面分
布は、図８〜図１３の垂直面内指向性のデータから円筒
面走査近傍界測定理論にしたがって計算した。図１４〜
図１９において、給電部は横軸の負の側に位置する。横
軸はｚ軸方向の位置を表し、縦軸は振幅および位相を表
す。実線は水平磁流を表し、破線は垂直磁流を表す。ま
た、太線は振幅を表し、細線は位相を表す。

【００６０】上式（３），（４）により表される垂直ス
ロットおよび水平スロットに励磁される磁流を調べるた
めには、図１４〜図１９の垂直磁流と水平磁流とを比較
するべきであるが、ｚ軸の位置によって値が異なるの
で、指向性パターンの主ビーム方向の値を読んで比較し
た。

【００６１】図２０〜図２５はそれぞれタイプＡ〜Ｆの
大括弧形スロットを用いたアンテナにおけるブロードサ
イド近傍の垂直面内位相パターンを示す図である。ブロ
ードサイド近傍は主ビーム方向である。図２０〜図２５
の横軸は仰角θを表し、縦軸は位相を表す。実線は垂直
偏波を表し、破線は水平偏波を表し、矢印は主ビーム方
向を表す。

【００６２】図２５に示すように、タイプＦの大括弧形
スロットを用いたアンテナのブロードサイド近傍の垂直
面内位相パターンにおいては、主ビーム方向の水平偏波
と垂直偏波との位相差が約１０５度であることがわか
る。このような位相差の絶対値をδφとし、また、主ビ
ーム方向の垂直偏波に対する水平偏波の大きさをＸ（＝
２０ｌｏｇ₁₀｜Ｅ_H ｜−２０ｌｏｇ₁₀｜Ｅ_V ｜）として
上記の表１にまとめる。すなわち、Ｘは水平偏波と垂直
偏波のレベル差である。

【００６３】なお、位相差δφに関しては測定する垂直
偏波の上下方向および水平偏波の左右方向の定義が統一
されていなかった可能性があるため、１８０度の補正を
して０度以上９０度以下となるようにした。例えば、タ
イプＦでは、δφ＝１８０−１０５＝７５［度］とし
た。

【００６４】また、図１３〜図１９の磁流の振幅と位相
の分布の傾きから、１管内波長当たりのスロットの電磁
放射の割合を表す結合率γと、スロットの摂動効果を含
んだ等価的な管内波長λ’ｇを計算し、その結果も上記
の表１に示す。

【００６５】まず、水平偏波と垂直偏波とのレベル差Ｘ
に関して考察する。タイプＢとタイプＣおよびタイプＥ
との比較より、水平スロットの長さｓを長くすることに
より、垂直偏波の成分の割合が増加することがわかる。
これは、水平スロットからの放射が増加するためである
と考えられる。

【００６６】また、タイプＡとタイプＢとの比較および
タイプＣとタイプＦとの比較から、水平スロットの間隔
Ｄを短くすることにより、水平偏波の割合が小さくなる
ことがわかる。これは、垂直スロットの長さが短くな
り、共振長からずれるとともに放射開口が狭くなるため
であると考えられる。また、上式（３），（４）のよう
に、水平偏波を発生する逆相成分が弱まり、逆に垂直偏
波を発生する同相成分が強まるためであると考えられ
る。

【００６７】タイプＣとタイプＤとの比較により、垂直
スロットの幅Ｗを大きくすることにより、水平偏波の割
合が増加することがわかる。これは、垂直スロットの開
口が広くなったためと、垂直スロットの幅Ｗが広くなる
ことにより水平スロットの長さｓが等価的に短くなった
ためであると考えられる。

【００６８】タイプＡおよびタイプＢでは、水平偏波の
成分が垂直偏波の成分に比べて１７ｄＢ以上大きくなっ
ており、ほとんど水平偏波といえる。

【００６９】次に、水平偏波と垂直偏波との位相差δφ
に関して考察する。水平偏波と垂直偏波との成分のレベ
ル差Ｘが６ｄＢ以下であるタイプＣ、タイプＤ、タイプ
ＥおよびタイプＦでは、水平偏波と垂直偏波との位相差
δφは平均して約７３度であり、楕円偏波であることが
わかる。これは、上式（３），（４）の推測値９０度か
らずれているが、垂直偏波と水平偏波とが同相励振でな
いことは明らかであり、定性的には推測どおりであると
いえる。

【００７０】一方、水平偏波と垂直偏波とのレベル差Ｘ
が１７ｄＢ以上のタイプＡとタイプＢとの位相差δφは
２９度であり、ほとんど同相なので直線偏波状態といえ
る。

【００７１】さらに、結合率γに関して考察する。結合
率γに関しては、周方向の素子数が多いほど大きくなる
ため、タイプＡおよびタイプＢとそれ以外とを別に比較
する必要がある。タイプＣとタイプＥとの比較より、水
平スロットの長さｓを長くすることにより、結合率γが
増えることがわかる。これは、水平スロットからの放射
が増加するためであると考えられる。

【００７２】また、タイプＡとタイプＢとの比較および
タイプＣとタイプＦとの比較より、水平スロットの間隔
Ｄを短くすると、スロットの開口面積は減少するが、結
合率γは増加することがわかる。これは、水平スロット
の同相励振の割合が増え、垂直偏波の放射が増加するた
めであると考えられる。

【００７３】さらに、タイプＣとタイプＤとの比較よ
り、水平スロットの幅Ｗを太くすると、結合率γが増加
することがわかる。これは、水平偏波の放射が増えるた
めであると考えられる。

【００７４】［実施例２］次に、実施例２では、同軸円
筒スロットアレーアンテナに図２７（ａ）〜（ｄ）に示
す４つのタイプのΠ形スロットを設けた。図２７（ａ）
〜（ｄ）の４つのタイプをそれぞれタイプＧ、タイプ
Ｈ、タイプＩおよびタイプＪと呼ぶ。

【００７５】同軸円筒スロットアレーアンテナの寸法は
実施例１と同様である。ただし、周方向のスロット数ｎ
_φは全て２０とした。

【００７６】ここで、Π形スロット６の各部の寸法を図
２６に示す。スロット６の中心線で測定される水平スロ
ット６２，６３の間隔をＤとし、垂直スロット６１の長
さをＬとし、垂直スロット６１の幅をＷとし、水平スロ
ット６２，６３の長さをｓとし、水平スロット６２，６
３の幅をＷ’と定義する。

【００７７】試作した全てのΠ形スロット６の垂直スロ
ット６１の長さＬは管内波長の約半分の６．７８８ｍｍ
とした。

【００７８】図２７（ａ）に示すタイプＧのスロットで
は、垂直スロットの長さＬ以外の寸法は図７（ｃ）に示
したタイプＣの大括弧形スロットと同じである。図２７
（ｂ）に示すタイプＨのスロットでは、タイプＧのスロ
ットに比べて水平スロットの長さｓが長い。図２７
（ｃ）に示すタイプＩのスロットでは、タイプＨのスロ
ットに比べて垂直スロットおよび水平スロットの幅Ｗ，
Ｗ’が太い。図２７（ｄ）に示すタイプＪのスロットで
は、タイプＨのスロットに比べて水平スロットの間隔Ｄ
が短い。

【００７９】図２８〜図３１はそれぞれタイプＧ〜Ｊの
Π形スロットを用いたアンテナの垂直面内指向性を示す
図である。図２８〜図３１において、横軸は仰角θを表
し、縦軸は利得を表す。また、実線は垂直偏波を表し、
破線は水平偏波を表す。

【００８０】図３２〜図３５はそれぞれタイプＧ〜Ｊの
Π形スロットを用いたアンテナの等価磁流開口面分布を
示す図である。図３２〜図３５において、横軸はｚ軸方
向の位置を表し、縦軸は振幅を表す。実線は水平磁流を
表し、破線は垂直磁流を表す。また、太線は振幅を表
し、細線は位相を表す。

【００８１】図３６〜図３９はそれぞれタイプＧ〜Ｊの
Π形スロットを用いたアンテナにおけるブロードサイド
近傍の垂直面内位相パターンを示す図である。ブロード
サイド近傍は主ビーム方向である。図３６〜図３９の横
軸は仰角θを表し、縦軸は位相を表す。実線は垂直偏波
を表し、破線は水平偏波を表し、矢印は主ビーム方向を
表す。

【００８２】また、主ビーム方向における水平偏波と垂
直偏波とのレベル差Ｘおよび位相差δφ、ならびに磁流
分布の傾きから計算した結合率γおよび等価的管内波長
λ’ｇをタイプＧ〜タイプＪのΠ形スロットの各寸法と
ともに表２に示す。

【００８３】

【表２】

【００８４】タイプＣの大括弧形スロットとタイプＧの
Π形スロットとの比較により、垂直スロットの長さＬを
長くしてΠ形スロットとすることにより、水平偏波の割
合が増加し、結合率γも増加することがわかる。このこ
とから、垂直スロットの延長により、水平偏波の放射が
増大することがわかる。

【００８５】タイプＧとタイプＨとの比較より、水平ス
ロットの長さｓを長くすることにより、垂直偏波の割合
と結合率γとが増加することがわかる。

【００８６】また、タイプＨとタイプＩとの比較より、
水平スロットおよび垂直スロットの幅を全体に太くする
と、垂直偏波の割合が増加することがわかる。これは、
スロットの幅が太くなった分だけ、垂直スロットの長さ
Ｌが等価的に短くなったためであると考えられる。ま
た、結合率γも増加しており、開口面積が広がったため
であると考えられる。

【００８７】タイプＧ、タイプＨおよびタイプＩのΠ形
スロットでは、水平偏波と垂直偏波との位相差が約７５
度と大括弧形スロットとほぼ同様の結果となっている。
基本的には、水平偏波と垂直偏波とは９０度に近い位相
差を持ち、楕円偏波を送受信することがわかる。

【００８８】なお、タイプＨ、タイプＩおよびタイプＪ
のΠ形スロットでは、水平偏波より垂直偏波のレベルが
大きくなっている。

【００８９】タイプＪのΠ形スロットは、タイプＦの大
括弧形スロットと同じ水平スロットの間隔Ｄを有する
が、垂直偏波の割合が著しく大きくなっている。

【００９０】また、タイプＪとタイプＨとを比較する
と、タイプＪでは、水平スロットの間隔Ｄが短いだけで
あるが、垂直偏波の割合が著しく大きい。水平偏波と垂
直偏波との位相差も約１４度と０度に近い。また、結合
率γが他のΠ形スロットに比べて著しく大きい。

【００９１】なお、タイプＪのΠ形スロットの垂直スロ
ットがないような間隔約３．４ｍｍの水平スロットのペ
アーのアレーアンテナを試作し、測定した結果、結合率
γは０．０１８であり、０．２９に比べて著しく小さい
ことがわかった。このことから、結合率γの増加は、水
平スロットが比較的長くて接近していることが直接の原
因であるとは考えられない。

【００９２】以上のことから、このΠ形スロットでは、
上式（３），（４）の基とした動作原理とは異なったモ
ードの磁流が励振されていると推測されている。この励
振は、タイプＦとタイプＨで生じないことから、水平ス
ロットより上下に突出している垂直スロットが関係して
いると考えられる。

【００９３】図４０はタイプＨのΠ形スロットを用いた
同軸円筒スロットアレーアンテナをスピンリニア測定し
て得られた垂直面内指向性を示す図である。縦方向のラ
インの幅が軸比を表す。

【００９４】表２に示されているように、水平偏波と垂
直偏波とのレベル差Ｘおよび位相差δφが完全な円偏波
条件を満たしていないが、主ビーム方向で約５ｄＢの軸
比が得られていることがわかる。

【００９５】９０度からのずれのみを見るため、位相差
δφと同様に０度以上９０度以下の値に補正してまとめ
た。しかし、ｚ軸に関する分布を見ると、分散が大きく
正確な判断は難しい。ただし、この読みの値の平均は７
２．６度で９０度から１７．４度ずれており、主ビーム
方向のパターンからの読みの値δφの平均に近い。この
ことから、反射波以外にも位相差δφが９０度からずれ
る原因があると考察される。

【００９６】位相差δφが９０度からずれる原因とし
て、両偏波の主軸の測定系の設定が水平方向および垂直
方向から傾いているため、レベルの大きなデータの成分
がレベルの小さい測定データに含まれている可能性があ
る。

【００９７】上記の原因でＸｄＢの交差偏波識別度（レ
ベル差）の円偏波がδφ度の位相傾きの誤差を生じるの
に要する偏波の測定傾き角β［度］は、近似的に次式
（８）で与えられる。

【００９８】 β＝ｔａｎ^-1（１０^-X/20 ×ｃｏｓδφ） …（８） 上式（８）にしたがって計算した各タイプのアンテナの
測定系の傾き角βを表３にまとめる。

【００９９】

【表３】

【０１００】平均して１０度の傾きがあったことになる
が、これだけの傾きは目視で確認できるので、測定系の
傾きが主因とは考えられない。測定系の傾き誤差は大き
くともβ＝２［度］と考えられる。

【０１０１】逆に、２度の傾きから逆算すると、この測
定系の傾き誤差が位相差δφ＝７４［度］という平均位
相差を生じるのは、Ｘ＝１８［ｄＢ］以上の交差偏波識
別度がある場合に限られる。

【０１０２】また、水平偏波のタイプＡは交差偏波識別
度（レベル差）Ｘが２５．６ｄＢと高いため、位相差δ
φ＝３３［度］の原因としてβ＝２．５［度］の測定系
の傾きが原因している可能性があるが、タイプＢに関し
てはβ＝７．１［度］となり、この測定系の傾きだけで
は説明できない。

【０１０３】タイプＪの偏波のレベル差Ｘは７．２ｄＢ
と比較的大きいが、上式（８）によると、β＝２３
［度］の測定系の傾きがあったことになり、これはあり
えない。したがって、タイプＪでほぼ偏波面が垂直方向
から約６６度の傾きを有する水平偏波に近い直線偏波で
あると考えられる。

【０１０４】以上のことから、水平偏波と垂直偏波との
位相差には本質的に９０度からずれる効果がある可能性
がある。すなわち、水平偏波と垂直偏波とで放射に時間
遅れの違いがあることを意味する。しかし、実験結果か
ら、振幅に関しては水平偏波と垂直偏波とを等しくする
ことは可能である。両偏波の振幅が等しく位相差がδφ
度あるとした場合に得られる軸比ｒ［ｄＢ］は次式
（９）で算出される。

【０１０５】 ｒ＝２０ｒｏｇ₁₀｛ｓｉｎ（δφ／２）／ｃｏｓ（δφ／２）｝ …（９） δφ＝７４［度］とすると、ｒ＝２．４６［ｄＢ］の軸
比の円偏波が実現できることがわかる。

【０１０６】以上の動作原理の考察より、大括弧形スロ
ットの垂直スロットの長さを管内波長の半分よりも短く
すると、水平偏波と垂直偏波との位相差が９０度の楕円
偏波が得られると考えられる。

【０１０７】上記の実験結果では、水平偏波と垂直偏波
との位相差は約７３度であったが、約２．４６ｄＢの軸
比の円偏波が得られることがわかった。

【０１０８】水平スロットの長さｓを長くすると、垂直
偏波が増加する。また、水平スロットの間隔Ｄを短くす
ると、垂直偏波が増加し、さらにスロット全体としての
送受信も強くなる。垂直スロットの幅Ｗを太くすると、
送受信が強くなるが、中心線で見た水平スロットの長さ
ｓを一定とした場合には等価的に水平スロットの長さｓ
が短くなるので、垂直偏波の放射の割合が減少すること
がわかった。

【０１０９】垂直スロットの長さによる水平偏波の制御
の自由度を増やすため、垂直スロットの長さＬを水平ス
ロットの間隔Ｄよりも長くしたΠ形スロットを提案し
た。

【０１１０】Π形スロットでも、水平偏波と垂直偏波と
の位相差が平均で約７５度の楕円偏波が得られることが
上記の実験で確認された。この垂直スロットの長さの延
長により、水平偏波が増大し、送受信も強くなることが
わかった。

【０１１１】なお、本発明に係る円偏波アンテナの形状
は図１に示した形状に限定されない。図４１は本発明の
他の実施の形態における円偏波アンテナの縦断面図であ
る。図４１の円偏波アンテナは円偏波同軸円筒スロット
アレーアンテナである。

【０１１２】図４１の例では、内部導体１は、１対の円
錐状端部および外周面を有する。内部導体１の１対の円
錐状端部および外周面は誘電体２により被覆されてい
る。この誘電体２は、内部導体１の円錐状端部に接する
円錐状端部と、内部導体１の外周面に接する円筒部とを
有する。

【０１１３】誘電体２の外面は外部導体３により被覆さ
れている。この外部導体３は、誘電体２を介して内部導
体１の１対の円錐状端部上に位置する円錐状端部と、誘
電体２を介して内部導体１の外周面上に位置する円筒部
とを有する。

【０１１４】外部導体３の外周面には、第１の実施の形
態と同様の複数のスロット６が形成されている。内部導
体１の円錐状端部および外部導体３の円錐状端部の各中
心には同軸線路７，８がそれぞれ接続されている。

【０１１５】図４１の円偏波アンテナにおいても、図１
の円偏波アンテナと同様に、円偏波を効率的に発生する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における円偏波アンテナ
の縦断面図および外観図である。

【図２】図１の円偏波アンテナに形成される第１の例の
スロットの配列パターンを示す展開図である。

【図３】図１の円偏波アンテナに形成される第２の例の
スロットの配列パターンを示す展開図である。

【図４】水平偏波用の大括弧形スロット、円偏波用の大
括弧形スロットおよび円偏波用のΠ形スロットを示す図
である。

【図５】給電方向に対する大括弧形スロットの向きによ
る右旋偏波および左旋偏波の発生を示す図である。

【図６】大括弧形スロットの各部の寸法を示す図であ
る。

【図７】タイプＡ〜Ｆの大括弧形スロットを示す図であ
る。

【図８】タイプＡの大括弧形スロットを用いたアンテナ
の水平面内指向性を示す図である。

【図９】タイプＢの大括弧形スロットを用いたアンテナ
の水平面内指向性を示す図である。

【図１０】タイプＣの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの水平面内指向性を示す図である。

【図１１】タイプＤの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの水平面内指向性を示す図である。

【図１２】タイプＥの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの水平面内指向性を示す図である。

【図１３】タイプＦの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの水平面内指向性を示す図である。

【図１４】タイプＡの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの等価磁流開口面分布を示す図である。

【図１５】タイプＢの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの等価磁流開口面分布を示す図である。

【図１６】タイプＣの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの等価磁流開口面分布を示す図である。

【図１７】タイプＤの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの等価磁流開口面分布を示す図である。

【図１８】タイプＥの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの等価磁流開口面分布を示す図である。

【図１９】タイプＦの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの等価磁流開口面分布を示す図である。

【図２０】タイプＡの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナにおけるブロードサイド近傍の垂直面内位相パターン
を示す図である。

【図２１】タイプＢの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナにおけるブロードサイド近傍の垂直面内位相パターン
を示す図である。

【図２２】タイプＣの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナにおけるブロードサイド近傍の垂直面内位相パターン
を示す図である。

【図２３】タイプＤの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナにおけるブロードサイド近傍の垂直面内位相パターン
を示す図である。

【図２４】タイプＥの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナにおけるブロードサイド近傍の垂直面内位相パターン
を示す図である。

【図２５】タイプＦの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナにおけるブロードサイド近傍の垂直面内位相パターン
を示す図である。

【図２６】Π形スロットの各部の寸法を示す図である。

【図２７】タイプＧ〜ＪのΠ形スロットを示す図であ
る。

【図２８】タイプＧのΠ形スロットを用いたアンテナの
垂直面内指向性を示す図である。

【図２９】タイプＨのΠ形スロットを用いたアンテナの
垂直面内指向性を示す図である。

【図３０】タイプＩのΠ形スロットを用いたアンテナの
垂直面内指向性を示す図である。

【図３１】タイプＪのΠ形スロットを用いたアンテナの
垂直面内指向性を示す図である。

【図３２】タイプＧのΠ形スロットを用いたアンテナの
透過磁流開口面分布を示す図である。

【図３３】タイプＨのΠ形スロットを用いたアンテナの
等価磁流開口面分布を示す図である。

【図３４】タイプＩのΠ形スロットを用いたアンテナの
等価磁流開口面分布を示す図である。

【図３５】タイプＪのΠ形スロットを用いたアンテナの
等価磁流開口面分布を示す図である。

【図３６】タイプＧのΠ形スロットを用いたアンテナに
おけるブロードサイド近傍の垂直面内位相パターンを示
す図である。

【図３７】タイプＨのΠ形スロットを用いたアンテナに
おけるブロードサイド近傍の垂直面内位相パターンを示
す図である。

【図３８】タイプＩのΠ形スロットを用いたアンテナに
おけるブロードサイド近傍の垂直面内位相パターンを示
す図である。

【図３９】タイプＪのΠ形スロットを用いたアンテナに
おけるブロードサイド近傍の垂直面内位相パターンを示
す図である。

【図４０】タイプＨのΠ形スロットを用いたアンテナに
おけるスピンリニア測定パターンを示す図である。

【図４１】本発明の他の実施の形態における円偏波アン
テナの縦断面図である。

【符号の説明】

１ 内部導体 ２ 誘電体 ３ 外部導体 ４ オーバサイズ同軸導波路 ５ ラジアル導波路 ６ スロット ７，８ 同軸線路 ９ 終端素子 ６１ 垂直スロット ６２，６３ 水平スロット

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１３年２月２７日（２００１．２．２
７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円偏波アンテナに
関し、特にＴＥＭモードの給電導波路で構成される進行
波形スロットアレーアンテナに関する。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】本発明の目的は、円偏波の送受信を効率的
に行うことが可能なＴＥＭモードの給電導波路で構成さ
れる進行波形スロットアレーアンテナを提供することで
ある。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１０６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０１０６】以上の動作原理の考察より、大括弧形スロ
ットの垂直スロットの長さを管内波長の半分よりも短く
すると、楕円偏波が得られると考えられる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図８】タイプＡの大括弧形スロットを用いたアンテナ
の垂直面内指向性を示す図である。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図９

【補正方法】変更

【補正内容】

【図９】タイプＢの大括弧形スロットを用いたアンテナ
の垂直面内指向性を示す図である。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】タイプＣの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの垂直面内指向性を示す図である。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１１】タイプＤの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの垂直面内指向性を示す図である。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１２】タイプＥの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの垂直面内指向性を示す図である。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１３】タイプＦの大括弧形スロットを用いたアンテ
ナの垂直面内指向性を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯草 恭一 京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２ 株式会社エイ・ティ・アール環境適応通信 研究所内 (72)発明者 大平 孝 京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２ 株式会社エイ・ティ・アール環境適応通信 研究所内 Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA08 AB05 GA08 HA05 HA10 JA06 5J045 AA05 CA04 DA06 EA07 FA02 NA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 端部および外周面を有する内部導体と、 前記内部導体の前記端部上および前記外周面上に形成さ
   れた誘電体と、 前記誘電体を介して前記内部導体の前記端部上に形成さ
   れた端部領域および前記誘電体を介して前記内部導体の
   前記外周面上に形成された円筒部を有する外部導体と、 前記外部導体の前記端部領域および前記内部導体の前記
   端部の各中心から前記外部導体と前記内部導体との間の
   前記誘電体に給電する給電部とを備え、 前記内部導体の端部と前記外部導体の前記端部領域との
   間の前記誘電体が所定の管内波長の電磁波を伝搬する半
   径方向導波路を形成し、前記内部導体の前記外周面と前
   記外部導体の前記円筒部との間の前記誘電体が前記管内
   波長の電磁波を伝搬する同軸導波路を形成し、 前記外部導体の前記円筒部に複数のスロットが設けら
   れ、 前記複数のスロットの各々は、 前記同軸導波路の軸方向に平行に延びる第１のスロット
   部と、 互いに間隔を隔てて配置されかつ前記第１のスロット部
   から同じ側にその第１のスロット部に対して直角に延び
   る１対の第２のスロット部とを有し、 前記第１のスロット部の励振により前記同軸導波路の軸
   方向と垂直な第１の偏波が発生しかつ前記１対の第２の
   スロット部の励振により前記同軸導波路の軸方向と平行
   な第２の偏波が発生するように前記１対の第２のスロッ
   ト部の間隔が設定されたことを特徴とする円偏波アンテ
   ナ。
2. 【請求項２】 前記１対の第２のスロット部の間隔は、
   前記管内波長の２分の１よりも小さいことを特徴とする
   請求項１記載の円偏波アンテナ。
3. 【請求項３】 前記１対の第２のスロット部は、前記第
   １のスロット部の両端からそれぞれ延びることを特徴と
   する請求項１または２記載の円偏波アンテナ。
4. 【請求項４】 前記１対の第２のスロット部は、前記第
   １のスロット部の両端からそれぞれ所定距離内側の位置
   から延びることを特徴とする請求項１または２記載の円
   偏波アンテナ。
5. 【請求項５】 前記１対の第２のスロット部は同じ長さ
   を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
   載の円偏波アンテナ。
6. 【請求項６】 前記１対の第２のスロット部の各々の長
   さは前記１対の第２のスロット部の間隔の半分以上であ
   ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の円
   偏波アンテナ。