JP2004200833A - 円偏波モードのアンテナ及びそのアレーアンテナ装置 - Google Patents
円偏波モードのアンテナ及びそのアレーアンテナ装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004200833A JP2004200833A JP2002364700A JP2002364700A JP2004200833A JP 2004200833 A JP2004200833 A JP 2004200833A JP 2002364700 A JP2002364700 A JP 2002364700A JP 2002364700 A JP2002364700 A JP 2002364700A JP 2004200833 A JP2004200833 A JP 2004200833A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- circular waveguide
- antenna
- circularly polarized
- circular
- strip line
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
【課題】円形導波管アレーアンテナで、直交する２点よりストリップ線路で給電する場合においても、円偏波を励起することが出来る円偏波モードのアンテナを提供する。
【解決手段】円形導波管の断面の円周上で９０°離れた２点Ｆ１，Ｆ２で、その円形導波管１０１と２本のストリップ線路１０２が前記円形導波管１０１内にストリップ線路１０２が挿入される形状で結合しており、その２本のストリップ線路１０２に伝播する信号が円形導波管１０１の挿入点でお互いに９０°の位相差を持っているストリップ線路１０２と円形導波管１０１の円偏波モードとの変換装置を具備する。
【選択図】 図１
【解決手段】円形導波管の断面の円周上で９０°離れた２点Ｆ１，Ｆ２で、その円形導波管１０１と２本のストリップ線路１０２が前記円形導波管１０１内にストリップ線路１０２が挿入される形状で結合しており、その２本のストリップ線路１０２に伝播する信号が円形導波管１０１の挿入点でお互いに９０°の位相差を持っているストリップ線路１０２と円形導波管１０１の円偏波モードとの変換装置を具備する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円偏波モードのアンテナ及びそのアレーアンテナ装置に係り、特に、ストリップ線路と円形導波管の円偏波モードとの変換装置に関するもので、無線装置における円偏波モードのアンテナとして利用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、以下に開示されるものがあった。
【０００３】
〔文献１〕：Ｓ．Ｎｉｓｈｉ，Ｋ．Ｈａｍａｇｕｃｈｉ，Ｔ．Ｍａｔｕｉ，ａｎｄ Ｈ．Ｏｇａｗａ，“Ａ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｖｉｄｅｏ Ｈｏｍｅ−ｌｉｎｋ Ｕｓｉｎｇ ６０ＧＨｚ Ｂａｎｄ：ａ Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｏｆ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ３０ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．１，ｐｐ．３０５−３０８，Ｏｃｔ．２０００
〔文献２〕：Ｓ．Ｎｉｓｈｉ，Ｋ．Ｈａｍａｇｕｃｈｉ，Ｔ．Ｍａｔｕｉ，ａｎｄ Ｈ．Ｏｇａｗａ，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ ｖｉｄｅｏ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ II Ａｎｔｅｎｎａ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ”，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔｏｆ Ｔｈｉｒｄ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅｓ，ｐｐ．２０７−２１０，Ｍａｒｃｈ，２００１
〔文献３〕：「最新平面アンテナ技術」監修 羽石 操、株式会社総合技術センター発行、平成５年３月２５日初版第１刷発行７５〜７６頁／２４５頁
上記した文献１、文献２では、直線偏波の６０ＧＨｚ平面アンテナについて記載されている。かかるアンテナは、放射部が円形導波管であり、その各円形導波管を基本素子としたアレーアンテナ（文献２の図１参照）で、円形導波管アレーアンテナ（Ｃｉｒｃｕｌａｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ）と呼ばれている。各円形導波管放射部へは、ストリップ線路で給電されている（文献１の図２、文献２の図２参照）。この円形導波管アレーアンテナは、非常に広い周波数帯域（文献２の図７参照）を有している。
【０００４】
また、文献３の２４５頁下から９行目に記されているように、パッチアンテナの比帯域は１〜２％程度であるが、円形導波管アレーアンテナでは１３％の比帯域が得られており（文献２の図７参照）、円形導波管アレーアンテナがミリ波広帯域通信用アンテナとして優れた特性を有している。なお、文献１、文献２のアンテナは直線偏波のアンテナである。
【０００５】
次に、円偏波アンテナの従来技術について述べる。文献３では、基本素子がＭＳＡ（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ）とした平面アレーアンテナの円偏波アンテナ（文献３の７５−７６頁参照）について記載されている。このうち２点給電方式としては、「図のごとく、直行した給電点Ｆ１およびＦ２より方形もしくは円形ＭＳＡを励振すると、お互いに偏波が直交する２つのモード、すなわち♯１および♯２モードが発生する。これらモードのモード間の分離度は良好であり、−３０ｄＢ以下まで抑制可能である。従って、３ｄＢハイブリッドもしくは電気長が８分の１波長だけ異なるオフセット給電線路等を用い空間的に直交する給電点Ｆ１とＦ２を励振すれば、♯１および♯２モードの振幅は等しく、位相差は±（π／２）だけ異なり、これらＭＳＡ素子は、円偏波アンテナとして作動する。」（文献３の７５頁８行目より参照）と記載されている。つまりＭＳＡでは♯１および♯２モードのモード間の分離度が良好であり、−３０ｄＢ以下まで抑制可能であるため、直交する給電点Ｆ１とＦ２より、位相差が±（π／２）だけ異なる励振で円偏波を作ることが出来る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
文献１、及び文献２で示した円形導波管アレーアンテナを円偏波とすることを考えてみる。文献３で示されているように、円形導波管の直交する給電点Ｆ１とＦ２より、位相差が±（π／２）だけ異なる励振が可能であれば、原理的に円偏波アンテナとなる。
【０００７】
円形導波管への給電方法は、文献１の図３に述べられている。文献１の図３を図１３に示す。
【０００８】
図１３では、円筒状のもので円形導波管の壁面が示されている。図１３では、特性インピーダンスが５０Ωのストリップ線路を円形導波管で上下より挟み、円形導波管内のストリップ線路の形状Ｌ，Ｗ，及び下側の円形導波管の長さＳｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈ（ショートレングス）を適当に選択し、ストリップ線路より円形導波管への変換を実現している。図１３のような給電方法により、直交するＦ１、Ｆ２（図１４参照）の給電点より励振した場合、お互いのストリップ線路が相互作用し、モード間の分離度が取れないことが予想される。
【０００９】
そこで、ストリップ線路より円偏波導波管にＦ１より直線偏波を励振する構造で、Ｆ１に直交するＦ２よりストリップ線路の励振プローブを入れたときに、そのプローブとの相互作用がどの程度あるか、電磁界解析で計算してみた。
【００１０】
図１４に解析で用いた構造を示す。図１４では、ｐｏｒｔＡよりストリップ線路に入力された信号が、円形導波管のＦ１より直線偏波を励振する。図１４中では、ストリップ線路の円形導波管内での形状は、ストリップ線路より円形導波管に信号が伝達するよう最適化された値で記載されている。Ｆ１と直交するＦ２より前述のストリップ線路と同じ形状で直交するストリップ線路が円形導波管内に配置されている。このストリップ線路は、ｐｏｒｔＢで５０Ωで終端されている。この形状のアンテナの放射パターンを計算した。
【００１１】
図１５に直交するＦ２からの励振プローブが無い場合（ｐｏｒｔＢ，Ｆ２につながっているストリップ線路が無い場合）の放射パターンを、半径方向をアンテナゲインとした極座標で示す。θは図１４での垂直方向からの角度である。図１５では、右旋成分がＲＨＣＰ、左旋成分がＬＨＣＰとして表示されている。直交するＦ２からの励振プローブが無い場合、直線偏波が放射されるため、右旋成分と左旋成分が等しくなっているのが分かる。
【００１２】
図１６には、図１３に示したように、直交するＦ２からのストリップ線路をいれた場合の計算結果を示す。図１５に比べて左旋成分が右旋成分より３ｄＢ程度大きくなっており、楕円偏波となっていることが分かる。
【００１３】
以上の計算結果より、円形導波管アレーアンテナでは、空間的に直交する給電点Ｆ１とＦ２より励振する場合、励振されたモード間の分離度は悪く、制御が困難であることが分かった。すなわち、円形導波管アレーアンテナで、直交する２点よりストリップ線路で給電する場合、お互いの相互作用が強く、π／２の位相差で給電しても、円偏波を作製するのは困難である。
【００１４】
本発明は、上記状況に鑑みて、円形導波管アレーアンテナで、直交する２点よりストリップ線路で給電する場合においても、円偏波を励起することが出来る円偏波モードのアンテナを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕円偏波モードのアンテナにおいて、円形導波管の断面の円周上で９０°離れた２点で、その円形導波管と２本のストリップ線路が、前記円形導波管内にストリップ線路が挿入される形状で結合しており、その２本のストリップ線路に伝播する信号が前記円形導波管の挿入点でお互いに９０°の位相差を持っているストリップ線路と円形導波管の円偏波モードとの変換装置を具備することを特徴とする。
【００１６】
〔２〕上記〔１〕記載の円偏波モードのアンテナにおいて、変換する周波数が、前記円形導波管の基底モードの遮断周波数をＦTE11、次のモードの遮断周波数をＦTM01とすると、（４ＦTE11＋ＦTM01）／５と（ＦTE11＋３ＦTM01）／４の間の周波数であることを特徴とする。
【００１７】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の円偏波モードのアンテナにおいて、前記円形導波管の放射部にテーパ角度が１０度程度以下のテーパ角を設け、前記放射部の直径を大きくすることを特徴とする。
【００１８】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の円偏波モードのアンテナにおいて、前記ストリップ線路を裏返して配置することにより、偏波の旋回方向を反転させることを特徴とする。
【００１９】
〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の円偏波モードのアンテナにおいて、前記円形導波管より電波が放射される、あるいは電波を前記円形導波管で受けることを特徴とする。
【００２０】
〔６〕アレーアンテナ装置において、上記〔５〕記載の円偏波モードのアンテナを基本素子としてアレー状に配置することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
まず、本発明の第１実施例を示す円偏波モードのアンテナについて説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１実施例を示す円偏波モードのアンテナの解析で用いた構造の透視図である。
【００２４】
この図において、１０１は円形導波管、１０２はストリップ線路、１０３はテフロン(登録商標）基板、１０４はストリップ線路１０２の分岐点、１０５はアンテナの放射方向、１０６は円形導波管１０１の放射部である。
【００２５】
この実施例では、円形導波管１０１の直交する２点Ｆ１，Ｆ２より、ストリップ線路１０２で、放射する電波の周波数をπ／２の位相差で給電し、なおかつストリップ線路１０２の円形導波管１０１内での幅、円形導波管１０１内の長さ、Ｓｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈ、および円形導波管１０１の直径を適当に選び、円偏波を放射させるようにした。
【００２６】
ここで、放射する周波数と円形導波管１０１の直径Ｄは、放射する電波の周波数で円形導波管１０１内を単一モードで伝播することとした。これはストリップ線路１０２より円形導波管１０１に単一のモードを励振したいためである。
【００２７】
すなわち、放射する電波の周波数が、円形導波管１０１の基底モードであるＴＥ１１モードの遮断周波数ＦTE11より高い周波数であり、円形導波管１０１の次のモードであるＴＭ０１モードの遮断周波数ＦTM01より低い周波数である必要がある。
【００２８】
上記パラメータの最適化は電磁界解析により行なった。解析をするのに、周波数を固定し円形導波管１０１の直径Ｄの最適を決めるより、円形導波管１０１の直径Ｄを固定し、その基底モードと次のモードの遮断周波数の間の周波数で最適な周波数を決める方が、解析の計算手順では都合が良い。そこで円形導波管１０１の直径Ｄを５．６ｍｍと固定し、最適な周波数を求めた。例えば、Ｄ＝５．６ｍｍではＦTE11＝３１．４ＧＨｚ、ＦTM01＝４１．０ＧＨｚとなる。
【００２９】
ストリップ線路１０２は、片側に銅箔によるグランド面が付着した、誘電率２．２で厚さ０．１２７ｍｍの２枚のテフロン(登録商標）基板１０３と、それらのグランド面の反対側で挟まれた銅からなる幅０．２ｍｍの線路により構成している。この形状でマイクロストリップライン１０２の特性インピーダンスは５０Ωとなる。図中のポート（ｐｏｒｔ）Ａより入力した信号は、ストリップ線路１０２を伝播して２つに分岐され、直交する２点Ｆ１、Ｆ２より円形導波管１０１を励振する。分岐点１０４からＦ２までの距離は分岐点１０４からＦ１までの距離より位相差９０度分長くなっている。この形状で給電する２本のストリップ線路の相互作用が無い場合には右旋の円偏波となる。
【００３０】
パラメータの最適化で後述するが、ストリップ線路の幅Ｗは重要なパラメータではなく、特性インピーダンス５０Ωの幅０．２ｍｍ程度が良いことが分かった。そこで、ストリップ線路１０２の端と円形導波管１０１中心の距離、およびＳｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈを変えて計算し、アンテナの放射パターンのセンター方向の軸比を求めた。
【００３１】
図１に示した実施例では、円形導波管１０１の直径Ｄをテーパ状に広げ、電波の放射部１０６での直径は６．６ｍｍ、テーパの角度は４．７６°とした。このように、円形導波管をテーパ状に広げた効果は後述する。
【００３２】
図２〜図５に得られた結果を示した。図２〜図５では縦軸を軸比とした周波数依存性を示している。図２は円形導波管の中心からストリップ線路の端までの長さＬ＝１．１２ｍｍの場合、図３はＬ＝１．２２ｍｍの場合、図４はＬ＝１．３２ｍｍの場合、図５はＬ＝１．３７ｍｍの場合をそれぞれ示している。各図では円形導波管の中心からストリップ線路の端までの長さＬが一定で、Ｓｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈの異なる場合が示されている。
【００３３】
円偏波アンテナの軸比は、およそ３ｄＢ以下が通常要求される。これらの図より明らかなように、電磁界解析により、円形導波管の直径Ｄを５．６ｍｍとした場合、円形導波管の中心からストリップ線路の端までの長さＬおよびＳｈｏｒｔＬｅｎｇｔｈをいろいろ変えても、その基底モードの遮断周波数（ＦTE11）３１．４ＧＨｚとその次のモードの遮断周波数（ＦTM01）４１．０ＧＨｚの間の周波数の中で、３３．０ＧＨｚ〜３８．５ＧＨｚの間の周波数でのみ３ｄＢ以下の軸比が得られることが分かる。言い換えると、ＦｍｉｎおよびＦｍａｘを以下のように定義すると、
Ｆｍｉｎ＝（４ＦTE11／５＋ＦTM01／５）
Ｆｍａｘ＝（ＦTE11／４＋３ＦTM01／４）
ＦｍｉｎとＦｍａｘの間の周波数で良好な軸比の円偏波が得られることが明らかになった。
【００３４】
次に、前述したパラメータＷがあまり軸比に影響しないことを説明する。
【００３５】
図６に、Ｌ＝１．１２ｍｍ、Ｓｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈ＝３．３ｍｍと固定して、パラメータＷを変えたときの、軸比の周波数依存性を示した。この図より、パラメータＷを変えても、軸比の顕著な改善が無いことがわかり、前述した良好な軸比が得られる周波数範囲は正しいことが分かる。
【００３６】
次に、円形導波管放射部のテーパについて説明する。
【００３７】
上記した円形導波管にテーパを設けないと、円形導波管より大気に電波を放射する放射部で不整合による反射が生じ、反射Ｓ１１は−１５ｄＢ程度となってしまう。ここでの反射は、円偏波特性を劣化させる。
【００３８】
図１７に１素子円形導波管アンテナにおける放射部での反射（Ｓ１１）およびアンテナゲインの放射部でのテーパ角度依存性を電磁界解析で解析した結果を示した。
【００３９】
この図において、円形導波管の直径は５．６ｍｍ、放射部の直径は６．６ｍｍとし、テーパ角度を変えて電磁界解析をしている。この図より、テーパ角度を１０°程度以下とすると反射（Ｓ１１）は−２０ｄＢ以下となり、また、アンテナゲインもわずかに高くなることが分かる。
【００４０】
次に、円形導波管の直径が５．６ｍｍでテーパを設けない場合と、テーパ角度を４．７６°、放射部の直径を６．６ｍｍとした場合で、軸比の周波数依存性を電磁界解析で解析した。その解析結果を図１８に示す。
【００４１】
この図より、テーパを設けることにより軸比が２ｄＢ程度改善されるのが分かる。ここで、テーパ角度は１０°程度以下とすれば、放射部の直径はいくらでも大きくしてよいことに注意する。
【００４２】
次に、電磁界解析で得られた軸比の放射角度依存性を、マイクロストリップラインアンテナと比較する。
【００４３】
図１９に１素子マイクロストリップラインアンテナの軸比の放射角度依存性を示す。放射角度はアンテナの放射方向からの角度とした（図１４参照）。周波数は５．５５ＧＨｚだが、軸比特性の比較は十分に可能である。
【００４４】
この図より、放射角度が３０°を超えると軸比が急激に悪くなるのが分かる。
【００４５】
１素子円形導波管アンテナの軸比の放射角度依存性を図２０に示す。
【００４６】
この図より、円形導波管アンテナでは、放射角度が９０°になっても３ｄＢ程度にしか劣化していないことが分かる。
【００４７】
以上より、円形導波管による円偏波アンテナの円偏波は、特性が非常に優れていることが分かった。
【００４８】
以上述べたように、円形導波管アレーアンテナにおいて、直交する２点（Ｆ１，Ｆ２）よりストリップ線路で、９０度位相が異なる電波で給電し、円偏波を放射させる場合、円形導波管の直径と円偏波が得られる周波数に関係があることが明らかとなった。このことを考慮し、４素子の円形導波管放射部よりなる、アレーアンテナを試作した。周波数は３７ＧＨｚとした。
【００４９】
図７に本発明の第１実施例のアンテナの構造概念図、図８にそのアンテナの組立図、図９にストリップ線路の給電回路を示した。
【００５０】
これらの図に示すように、４素子の円形導波管アレーアンテナは、アルミニウムを加工して作製した下板２０１と上板２０２と誘電体分配回路（２０３，２０４）からなり、その誘電体分配回路（第１層部材２０３，第２層部材２０４）は、それぞれ銅箔の付いたテフロン(登録商標）基板２０３Ａ，２０４Ａを有するとともに、１層メタル／第１の誘電体からなる第１層部材２０３と２層メタル／第２の誘電体／３層メタルよりなる第２層部材２０４からなる。
【００５１】
図８に示すアンテナの組立図の下側に、ＷＲ１５矩形導波管の入出力ポートが設けられ、入力した信号は、矩形導波管よりストリップ線路に変換され、４個の円形導波管放射部２０２Ａに、同位相、同振幅で分配される。テフロン(登録商標）基板２０３Ａ，２０４Ａは厚さ０．１２７ｍｍの誘電体に、１８μｍの銅箔が付いている。１層メタル／第１の誘電体からなる第１層部材２０３は上部のみ銅箔（１層メタル）が付いており、１層メタルは円形導波管２０５および矩形導波管２０６の場所のみ銅箔が除去されている。
【００５２】
２層メタル／第２の誘電体／３層メタルよりなる第２層部材２０４は、上側の銅箔が２層メタルで、ストリップ線路部分のみ銅箔が残されており、下側の銅箔が３層メタルで、円形導波管２０５および矩形導波管２０６の場所のみ銅箔が除去されている。上板２０２、第１層部材２０３、第２層部材２０４および下板２０１は、図７に示す順番に重ね、第１層部材２０３と第２層部材２０４を上板２０２と下板２０１で挟み込み、図８に示した４隅の固定ネジ穴２０２Ｂを用いてネジ（図示なし）で固定する。
【００５３】
組み上げた状態が図８に示されており、図中に寸法（単位ｍｍ）も示した。円形導波管２０５は、直径を５．６ｍｍとし、７．２ｍｍの間隔で４個配置した。アンテナサイズは３０×４５×１２ｍｍである。ストリップ線路の線路幅を線路の特性インピーダンスが５０Ωとなる０．２ｍｍとした。
【００５４】
ストリップ線路による円形導波管２０５への給電は、円形導波管２０５の円周上で、９０度異なるＦ１とＦ２の２点より行なっており、ストリップ線路（図１のストリップ線路１０２参照）／円形導波管２０５への変換は線路幅０．２ｍｍのストリップ線路１０２を円形導波管２０５に挿入し、円形導波管２０５の放射と反対の方向は、３．３ｍｍで短絡して（Ｓｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈ＝３．３ｍｍ）実現している。円形導波管２０５への給電点Ｆ１，Ｆ２から線路端までの距離は１．２２ｍｍである。Ｆ１およびＦ２には、同振幅で、３７ＧＨｚで位相差が９０度で給電されるように、線路長が変えてある。
【００５５】
以下、本発明の実施例の円偏波モードのアンテナの動作について説明する。
【００５６】
アンテナは受信する動作と、送信する動作は、逆で同じ動作となるので、以下では送信する動作のみ説明する。
【００５７】
試作したアンテナの入出力は、図９に示すように、ＷＲ１５矩形導波管２０６で、図８に示したアンテナの裏面にＷＲ１５矩形導波管２０６の口がある。ＷＲ１５矩形導波管２０６の口より入力した３７ＧＨｚの電波は、矩形導波管２０６より、ストリップ線路／矩形導波管変換器でストリップ線路に変換され、ストリップ線路の分配回路を伝播する。ストリップ線路を伝播する３７ＧＨｚの電波は、その分配回路で、４つの円形導波管２０５に、同振幅同位相で分配される。各円形導波管２０５へのストリップ線路からの給電は以下のように行なわれる。
【００５８】
ストリップ線路は２つに分岐し、円形導波管２０５には直交する２点、Ｆ１，Ｆ２より給電される。分岐点よりＦ１とＦ２までの線路長は、３７ＧＨｚで位相差が９０度となるよう分岐点からＦ１までの長さが、分岐点からＦ２までの長さより長くなっている。Ｆ１およびＦ２でのストリップ線路から円形導波管２０５への変換は、パラメータＷ＝０．２ｍｍ、円形導波管の長さＬ＝１．２２ｍｍ、Ｓｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈ＝３．３ｍｍの形状でそれぞれ行なわれている。
【００５９】
前述したように、このパラメータで円形導波管２０５に変換すると、円形導波管２０５には円偏波が励起される。励起された円偏波は、円形導波管２０５を伝播し、大気中に放射される。４個の円形導波管２０５からは、同振幅同位相で３７ＧＨｚの電波が放射されるので、アンテナ前方ではそれぞれの電波が強め合い放射される。
【００６０】
以上のように、第１実施例によれば、放射する周波数が、前述した円形導波管２０５のＦｍｉｎとＦｍａｘの間の周波数となっているため、ストリップ線路より円形導波管２０５に、円形導波管２０５の直交する２点より９０度位相が異なる３７ＧＨｚの電波で励起すると、円偏波を励起することが出来る。実際に作製した２個のアンテナで測定した軸比を図１０に示した。２個のアンテナはほぼ同様な軸比となっており、また、電磁界解析で計算した結果（図３参照）ともほぼ良い一致をしている。
【００６１】
次に、本発明の第２実施例を示す円偏波モードのアンテナについて説明する。
【００６２】
図１１は本発明の第２実施例の円偏波モードのアンテナの構造を示す概念図である。
【００６３】
この図において、３０１は下板、３０２は上板、３０３，３０４は誘電体分配回路であり、この誘電体分配回路３０３，３０４は、３層メタル／第２の誘電体／２層メタルからなる第３層部材３０３と第１の誘電体／１層メタルからなる第４層部材３０４からなる。また、３０３Ａ，３０４Ａはテフロン(登録商標）基板、３０２Ｂは固定ネジ穴である。
【００６４】
第２実施例は第１実施例と同様、円形導波管を放射の基本素子とした、２×２円形導波管アレーアンテナである。周波数も第１実施例と同様３７ＧＨｚだが、偏波は第１実施例と異なり、左旋の円偏波とした。アンテナを構成する部品は第１実施例と全く同じである。第１実施例との違いは、２層メタル分配回路（第３層部材３０３と第４層部材３０４：１層メタル／第１の誘電体と、２層メタル／第２の誘電体／３層メタル）の左右をひっくり返し、お互いの上下を変えて重ねていることである（図７と、図１１とを参照）。
【００６５】
つまり、上側に、上側に３層メタル、下側に２層メタルの付いた第２誘電体を、下側に、下側に１層メタルの付いた第１の誘電体を置き、重ねてストリップ線路を形成している。図１２にこの第２実施例のストリップ線路を示した。この図１２において、３０５は円形導波管、３０６は矩形導波管である。
【００６６】
以下、この実施例の円偏波モードのアンテナの動作について説明する。
【００６７】
このアンテナ動作は第１実施例と同じであるが、第２実施例では２層メタル分配回路が左右逆となっているため、ストリップ線路より円形導波管に励振するときの位相関係が逆になることが第１実施例と異なる点である。つまり、第１実施例ではストリップ線路により、円形導波管の直交する２点、Ｆ１，Ｆ２より、位相が９０度異なる電波を励振するが、Ｆ２は、Ｆ１に対しアンテナを上から見て反時計周りに９０度異なる位置で、９０度位相が遅れた電波で円形導波管を励振している。
【００６８】
一方、第２実施例では、Ｆ２はＦ１に対し、アンテナを上から見て反時計周りに９０度異なる位置より、９０度位相が進んだ電波で円形導波管を励振している。このことより、第１実施例では右旋の円偏波が放射されるが、第２実施例では左旋の円偏波が放射される。
【００６９】
以上説明したように、第２実施例によれば、第１実施例のストリップ線路を左右が逆になるようにひっくり返して用いている。
【００７０】
図９に第１実施例のストリップ線路を、図１２に第２実施例のストリップ線路を示しているが、ストリップ線路を左右ひっくり返しても、円形導波管および矩形導波管が左右対称に配置されているため、動作することが分かる。
【００７１】
さらに、本発明は以下のような利用形態を有している。
【００７２】
本発明は、ミリ波マイクロ波の円偏波アンテナに適用が可能である。
【００７３】
実施例では、４素子のアレーアンテナで実施したが、この１素子の円偏波平面アンテナとしても良い。またアンテナとしなくても、ストリップ線路と円形導波管の円偏波モードとの変換装置として用いることも可能である。
【００７４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によると、以下のような効果を奏することができる。
【００７６】
（Ａ）放射する周波数が、円形導波管のＦｍｉｎとＦｍａｘの間の周波数となっているため、ストリップ線路より円形導波管に、円形導波管の直交する２点より９０度位相が異なる３７ＧＨｚの電波で励起すると、円偏波を励起することが出来る。
【００７７】
（Ｂ）上記（Ａ）のストリップ線路を、左右が逆になるようにひっくり返して用いていることにより、上記（Ａ）と同様に、円偏波を励起することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す円偏波モードのアンテナの解析で用いた構造の透視図である。
【図２】軸比の周波数依存性（Ｌ＝１．１２ｍｍ）を示す図である。
【図３】軸比の周波数依存性（Ｌ＝１．２２ｍｍ）を示す図である。
【図４】軸比の周波数依存性（Ｌ＝１．３２ｍｍ）を示す図である。
【図５】軸比の周波数依存性（Ｌ＝１．３７ｍｍ）を示す図である。
【図６】パラメータＷを変えたときの軸比の周波数依存性を示す図である。
【図７】本発明の第１実施例の構造を示す概念図である。
【図８】本発明の第１実施例の組立図である。
【図９】本発明の第１実施例のストリップ線路を示す図である。
【図１０】本発明の２個のアンテナで測定した軸比の周波数依存性を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施例の円偏波モードのアンテナの構造を示す概念図である。
【図１２】本発明の第２実施例のストリップ線路を示す図である。
【図１３】従来のストリップ線路／円形導波管変換部の構造を示す図である。
【図１４】従来の直交する２点より励振するプローブの相互作用を電磁界解析で計算した構造図である。
【図１５】直交するＦ２からの励振プローブが無い場合の放射パターンを示す図である。
【図１６】直交するＦ２からの励振プローブがある場合の放射パターンを示す図である。
【図１７】１素子円形導波管アンテナにおける放射部での反射（Ｓ１１）およびアンテナゲインの放射部でのテーパ角度依存性を電磁界解析で解析した結果を示す図である。
【図１８】円形導波管の直径が５．６ｍｍでテーパを設けない場合と、テーパ角度を４．７６°、放射部の直径を６．６ｍｍとした場合で、軸比の周波数依存性を電磁界解析で解析した結果を示す図である。
【図１９】１素子マイクロストリップラインアンテナの軸比の放射角度依存性を示す図である。
【図２０】１素子円形導波管アンテナの軸比の放射角度依存性を示す図である。
【符号の説明】
１０１，２０５，３０５ 円形導波管
１０２ ストリップ線路
１０３，２０３Ａ，２０４Ａ，３０３Ａ，３０４Ａ テフロン(登録商標)基板
１０４ ストリップ線路の分岐点
１０５ アンテナの放射方向
１０６，２０２Ａ 円形導波管放射部
２０１，３０１ 下板
２０２，３０２ 上板
２０２Ｂ，３０２Ｂ 固定ネジ穴
２０３，２０４；３０３，３０４ 誘電体分配回路
２０６，３０６ 矩形導波管
【発明の属する技術分野】
本発明は、円偏波モードのアンテナ及びそのアレーアンテナ装置に係り、特に、ストリップ線路と円形導波管の円偏波モードとの変換装置に関するもので、無線装置における円偏波モードのアンテナとして利用される。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、以下に開示されるものがあった。
【０００３】
〔文献１〕：Ｓ．Ｎｉｓｈｉ，Ｋ．Ｈａｍａｇｕｃｈｉ，Ｔ．Ｍａｔｕｉ，ａｎｄ Ｈ．Ｏｇａｗａ，“Ａ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｖｉｄｅｏ Ｈｏｍｅ−ｌｉｎｋ Ｕｓｉｎｇ ６０ＧＨｚ Ｂａｎｄ：ａ Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｏｆ Ａｎｔｅｎｎａ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ”，Ｐｒｏｃ．ｏｆ ３０ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．１，ｐｐ．３０５−３０８，Ｏｃｔ．２０００
〔文献２〕：Ｓ．Ｎｉｓｈｉ，Ｋ．Ｈａｍａｇｕｃｈｉ，Ｔ．Ｍａｔｕｉ，ａｎｄ Ｈ．Ｏｇａｗａ，“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ ｖｉｄｅｏ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ II Ａｎｔｅｎｎａ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ”，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔｏｆ Ｔｈｉｒｄ Ｔｏｐｉｃａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅｓ，ｐｐ．２０７−２１０，Ｍａｒｃｈ，２００１
〔文献３〕：「最新平面アンテナ技術」監修 羽石 操、株式会社総合技術センター発行、平成５年３月２５日初版第１刷発行７５〜７６頁／２４５頁
上記した文献１、文献２では、直線偏波の６０ＧＨｚ平面アンテナについて記載されている。かかるアンテナは、放射部が円形導波管であり、その各円形導波管を基本素子としたアレーアンテナ（文献２の図１参照）で、円形導波管アレーアンテナ（Ｃｉｒｃｕｌａｒ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ａｒｒａｙ ａｎｔｅｎｎａ）と呼ばれている。各円形導波管放射部へは、ストリップ線路で給電されている（文献１の図２、文献２の図２参照）。この円形導波管アレーアンテナは、非常に広い周波数帯域（文献２の図７参照）を有している。
【０００４】
また、文献３の２４５頁下から９行目に記されているように、パッチアンテナの比帯域は１〜２％程度であるが、円形導波管アレーアンテナでは１３％の比帯域が得られており（文献２の図７参照）、円形導波管アレーアンテナがミリ波広帯域通信用アンテナとして優れた特性を有している。なお、文献１、文献２のアンテナは直線偏波のアンテナである。
【０００５】
次に、円偏波アンテナの従来技術について述べる。文献３では、基本素子がＭＳＡ（Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ａｎｔｅｎｎａ）とした平面アレーアンテナの円偏波アンテナ（文献３の７５−７６頁参照）について記載されている。このうち２点給電方式としては、「図のごとく、直行した給電点Ｆ１およびＦ２より方形もしくは円形ＭＳＡを励振すると、お互いに偏波が直交する２つのモード、すなわち♯１および♯２モードが発生する。これらモードのモード間の分離度は良好であり、−３０ｄＢ以下まで抑制可能である。従って、３ｄＢハイブリッドもしくは電気長が８分の１波長だけ異なるオフセット給電線路等を用い空間的に直交する給電点Ｆ１とＦ２を励振すれば、♯１および♯２モードの振幅は等しく、位相差は±（π／２）だけ異なり、これらＭＳＡ素子は、円偏波アンテナとして作動する。」（文献３の７５頁８行目より参照）と記載されている。つまりＭＳＡでは♯１および♯２モードのモード間の分離度が良好であり、−３０ｄＢ以下まで抑制可能であるため、直交する給電点Ｆ１とＦ２より、位相差が±（π／２）だけ異なる励振で円偏波を作ることが出来る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
文献１、及び文献２で示した円形導波管アレーアンテナを円偏波とすることを考えてみる。文献３で示されているように、円形導波管の直交する給電点Ｆ１とＦ２より、位相差が±（π／２）だけ異なる励振が可能であれば、原理的に円偏波アンテナとなる。
【０００７】
円形導波管への給電方法は、文献１の図３に述べられている。文献１の図３を図１３に示す。
【０００８】
図１３では、円筒状のもので円形導波管の壁面が示されている。図１３では、特性インピーダンスが５０Ωのストリップ線路を円形導波管で上下より挟み、円形導波管内のストリップ線路の形状Ｌ，Ｗ，及び下側の円形導波管の長さＳｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈ（ショートレングス）を適当に選択し、ストリップ線路より円形導波管への変換を実現している。図１３のような給電方法により、直交するＦ１、Ｆ２（図１４参照）の給電点より励振した場合、お互いのストリップ線路が相互作用し、モード間の分離度が取れないことが予想される。
【０００９】
そこで、ストリップ線路より円偏波導波管にＦ１より直線偏波を励振する構造で、Ｆ１に直交するＦ２よりストリップ線路の励振プローブを入れたときに、そのプローブとの相互作用がどの程度あるか、電磁界解析で計算してみた。
【００１０】
図１４に解析で用いた構造を示す。図１４では、ｐｏｒｔＡよりストリップ線路に入力された信号が、円形導波管のＦ１より直線偏波を励振する。図１４中では、ストリップ線路の円形導波管内での形状は、ストリップ線路より円形導波管に信号が伝達するよう最適化された値で記載されている。Ｆ１と直交するＦ２より前述のストリップ線路と同じ形状で直交するストリップ線路が円形導波管内に配置されている。このストリップ線路は、ｐｏｒｔＢで５０Ωで終端されている。この形状のアンテナの放射パターンを計算した。
【００１１】
図１５に直交するＦ２からの励振プローブが無い場合（ｐｏｒｔＢ，Ｆ２につながっているストリップ線路が無い場合）の放射パターンを、半径方向をアンテナゲインとした極座標で示す。θは図１４での垂直方向からの角度である。図１５では、右旋成分がＲＨＣＰ、左旋成分がＬＨＣＰとして表示されている。直交するＦ２からの励振プローブが無い場合、直線偏波が放射されるため、右旋成分と左旋成分が等しくなっているのが分かる。
【００１２】
図１６には、図１３に示したように、直交するＦ２からのストリップ線路をいれた場合の計算結果を示す。図１５に比べて左旋成分が右旋成分より３ｄＢ程度大きくなっており、楕円偏波となっていることが分かる。
【００１３】
以上の計算結果より、円形導波管アレーアンテナでは、空間的に直交する給電点Ｆ１とＦ２より励振する場合、励振されたモード間の分離度は悪く、制御が困難であることが分かった。すなわち、円形導波管アレーアンテナで、直交する２点よりストリップ線路で給電する場合、お互いの相互作用が強く、π／２の位相差で給電しても、円偏波を作製するのは困難である。
【００１４】
本発明は、上記状況に鑑みて、円形導波管アレーアンテナで、直交する２点よりストリップ線路で給電する場合においても、円偏波を励起することが出来る円偏波モードのアンテナを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕円偏波モードのアンテナにおいて、円形導波管の断面の円周上で９０°離れた２点で、その円形導波管と２本のストリップ線路が、前記円形導波管内にストリップ線路が挿入される形状で結合しており、その２本のストリップ線路に伝播する信号が前記円形導波管の挿入点でお互いに９０°の位相差を持っているストリップ線路と円形導波管の円偏波モードとの変換装置を具備することを特徴とする。
【００１６】
〔２〕上記〔１〕記載の円偏波モードのアンテナにおいて、変換する周波数が、前記円形導波管の基底モードの遮断周波数をＦTE11、次のモードの遮断周波数をＦTM01とすると、（４ＦTE11＋ＦTM01）／５と（ＦTE11＋３ＦTM01）／４の間の周波数であることを特徴とする。
【００１７】
〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の円偏波モードのアンテナにおいて、前記円形導波管の放射部にテーパ角度が１０度程度以下のテーパ角を設け、前記放射部の直径を大きくすることを特徴とする。
【００１８】
〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の円偏波モードのアンテナにおいて、前記ストリップ線路を裏返して配置することにより、偏波の旋回方向を反転させることを特徴とする。
【００１９】
〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の円偏波モードのアンテナにおいて、前記円形導波管より電波が放射される、あるいは電波を前記円形導波管で受けることを特徴とする。
【００２０】
〔６〕アレーアンテナ装置において、上記〔５〕記載の円偏波モードのアンテナを基本素子としてアレー状に配置することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
まず、本発明の第１実施例を示す円偏波モードのアンテナについて説明する。
【００２３】
図１は本発明の第１実施例を示す円偏波モードのアンテナの解析で用いた構造の透視図である。
【００２４】
この図において、１０１は円形導波管、１０２はストリップ線路、１０３はテフロン(登録商標）基板、１０４はストリップ線路１０２の分岐点、１０５はアンテナの放射方向、１０６は円形導波管１０１の放射部である。
【００２５】
この実施例では、円形導波管１０１の直交する２点Ｆ１，Ｆ２より、ストリップ線路１０２で、放射する電波の周波数をπ／２の位相差で給電し、なおかつストリップ線路１０２の円形導波管１０１内での幅、円形導波管１０１内の長さ、Ｓｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈ、および円形導波管１０１の直径を適当に選び、円偏波を放射させるようにした。
【００２６】
ここで、放射する周波数と円形導波管１０１の直径Ｄは、放射する電波の周波数で円形導波管１０１内を単一モードで伝播することとした。これはストリップ線路１０２より円形導波管１０１に単一のモードを励振したいためである。
【００２７】
すなわち、放射する電波の周波数が、円形導波管１０１の基底モードであるＴＥ１１モードの遮断周波数ＦTE11より高い周波数であり、円形導波管１０１の次のモードであるＴＭ０１モードの遮断周波数ＦTM01より低い周波数である必要がある。
【００２８】
上記パラメータの最適化は電磁界解析により行なった。解析をするのに、周波数を固定し円形導波管１０１の直径Ｄの最適を決めるより、円形導波管１０１の直径Ｄを固定し、その基底モードと次のモードの遮断周波数の間の周波数で最適な周波数を決める方が、解析の計算手順では都合が良い。そこで円形導波管１０１の直径Ｄを５．６ｍｍと固定し、最適な周波数を求めた。例えば、Ｄ＝５．６ｍｍではＦTE11＝３１．４ＧＨｚ、ＦTM01＝４１．０ＧＨｚとなる。
【００２９】
ストリップ線路１０２は、片側に銅箔によるグランド面が付着した、誘電率２．２で厚さ０．１２７ｍｍの２枚のテフロン(登録商標）基板１０３と、それらのグランド面の反対側で挟まれた銅からなる幅０．２ｍｍの線路により構成している。この形状でマイクロストリップライン１０２の特性インピーダンスは５０Ωとなる。図中のポート（ｐｏｒｔ）Ａより入力した信号は、ストリップ線路１０２を伝播して２つに分岐され、直交する２点Ｆ１、Ｆ２より円形導波管１０１を励振する。分岐点１０４からＦ２までの距離は分岐点１０４からＦ１までの距離より位相差９０度分長くなっている。この形状で給電する２本のストリップ線路の相互作用が無い場合には右旋の円偏波となる。
【００３０】
パラメータの最適化で後述するが、ストリップ線路の幅Ｗは重要なパラメータではなく、特性インピーダンス５０Ωの幅０．２ｍｍ程度が良いことが分かった。そこで、ストリップ線路１０２の端と円形導波管１０１中心の距離、およびＳｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈを変えて計算し、アンテナの放射パターンのセンター方向の軸比を求めた。
【００３１】
図１に示した実施例では、円形導波管１０１の直径Ｄをテーパ状に広げ、電波の放射部１０６での直径は６．６ｍｍ、テーパの角度は４．７６°とした。このように、円形導波管をテーパ状に広げた効果は後述する。
【００３２】
図２〜図５に得られた結果を示した。図２〜図５では縦軸を軸比とした周波数依存性を示している。図２は円形導波管の中心からストリップ線路の端までの長さＬ＝１．１２ｍｍの場合、図３はＬ＝１．２２ｍｍの場合、図４はＬ＝１．３２ｍｍの場合、図５はＬ＝１．３７ｍｍの場合をそれぞれ示している。各図では円形導波管の中心からストリップ線路の端までの長さＬが一定で、Ｓｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈの異なる場合が示されている。
【００３３】
円偏波アンテナの軸比は、およそ３ｄＢ以下が通常要求される。これらの図より明らかなように、電磁界解析により、円形導波管の直径Ｄを５．６ｍｍとした場合、円形導波管の中心からストリップ線路の端までの長さＬおよびＳｈｏｒｔＬｅｎｇｔｈをいろいろ変えても、その基底モードの遮断周波数（ＦTE11）３１．４ＧＨｚとその次のモードの遮断周波数（ＦTM01）４１．０ＧＨｚの間の周波数の中で、３３．０ＧＨｚ〜３８．５ＧＨｚの間の周波数でのみ３ｄＢ以下の軸比が得られることが分かる。言い換えると、ＦｍｉｎおよびＦｍａｘを以下のように定義すると、
Ｆｍｉｎ＝（４ＦTE11／５＋ＦTM01／５）
Ｆｍａｘ＝（ＦTE11／４＋３ＦTM01／４）
ＦｍｉｎとＦｍａｘの間の周波数で良好な軸比の円偏波が得られることが明らかになった。
【００３４】
次に、前述したパラメータＷがあまり軸比に影響しないことを説明する。
【００３５】
図６に、Ｌ＝１．１２ｍｍ、Ｓｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈ＝３．３ｍｍと固定して、パラメータＷを変えたときの、軸比の周波数依存性を示した。この図より、パラメータＷを変えても、軸比の顕著な改善が無いことがわかり、前述した良好な軸比が得られる周波数範囲は正しいことが分かる。
【００３６】
次に、円形導波管放射部のテーパについて説明する。
【００３７】
上記した円形導波管にテーパを設けないと、円形導波管より大気に電波を放射する放射部で不整合による反射が生じ、反射Ｓ１１は−１５ｄＢ程度となってしまう。ここでの反射は、円偏波特性を劣化させる。
【００３８】
図１７に１素子円形導波管アンテナにおける放射部での反射（Ｓ１１）およびアンテナゲインの放射部でのテーパ角度依存性を電磁界解析で解析した結果を示した。
【００３９】
この図において、円形導波管の直径は５．６ｍｍ、放射部の直径は６．６ｍｍとし、テーパ角度を変えて電磁界解析をしている。この図より、テーパ角度を１０°程度以下とすると反射（Ｓ１１）は−２０ｄＢ以下となり、また、アンテナゲインもわずかに高くなることが分かる。
【００４０】
次に、円形導波管の直径が５．６ｍｍでテーパを設けない場合と、テーパ角度を４．７６°、放射部の直径を６．６ｍｍとした場合で、軸比の周波数依存性を電磁界解析で解析した。その解析結果を図１８に示す。
【００４１】
この図より、テーパを設けることにより軸比が２ｄＢ程度改善されるのが分かる。ここで、テーパ角度は１０°程度以下とすれば、放射部の直径はいくらでも大きくしてよいことに注意する。
【００４２】
次に、電磁界解析で得られた軸比の放射角度依存性を、マイクロストリップラインアンテナと比較する。
【００４３】
図１９に１素子マイクロストリップラインアンテナの軸比の放射角度依存性を示す。放射角度はアンテナの放射方向からの角度とした（図１４参照）。周波数は５．５５ＧＨｚだが、軸比特性の比較は十分に可能である。
【００４４】
この図より、放射角度が３０°を超えると軸比が急激に悪くなるのが分かる。
【００４５】
１素子円形導波管アンテナの軸比の放射角度依存性を図２０に示す。
【００４６】
この図より、円形導波管アンテナでは、放射角度が９０°になっても３ｄＢ程度にしか劣化していないことが分かる。
【００４７】
以上より、円形導波管による円偏波アンテナの円偏波は、特性が非常に優れていることが分かった。
【００４８】
以上述べたように、円形導波管アレーアンテナにおいて、直交する２点（Ｆ１，Ｆ２）よりストリップ線路で、９０度位相が異なる電波で給電し、円偏波を放射させる場合、円形導波管の直径と円偏波が得られる周波数に関係があることが明らかとなった。このことを考慮し、４素子の円形導波管放射部よりなる、アレーアンテナを試作した。周波数は３７ＧＨｚとした。
【００４９】
図７に本発明の第１実施例のアンテナの構造概念図、図８にそのアンテナの組立図、図９にストリップ線路の給電回路を示した。
【００５０】
これらの図に示すように、４素子の円形導波管アレーアンテナは、アルミニウムを加工して作製した下板２０１と上板２０２と誘電体分配回路（２０３，２０４）からなり、その誘電体分配回路（第１層部材２０３，第２層部材２０４）は、それぞれ銅箔の付いたテフロン(登録商標）基板２０３Ａ，２０４Ａを有するとともに、１層メタル／第１の誘電体からなる第１層部材２０３と２層メタル／第２の誘電体／３層メタルよりなる第２層部材２０４からなる。
【００５１】
図８に示すアンテナの組立図の下側に、ＷＲ１５矩形導波管の入出力ポートが設けられ、入力した信号は、矩形導波管よりストリップ線路に変換され、４個の円形導波管放射部２０２Ａに、同位相、同振幅で分配される。テフロン(登録商標）基板２０３Ａ，２０４Ａは厚さ０．１２７ｍｍの誘電体に、１８μｍの銅箔が付いている。１層メタル／第１の誘電体からなる第１層部材２０３は上部のみ銅箔（１層メタル）が付いており、１層メタルは円形導波管２０５および矩形導波管２０６の場所のみ銅箔が除去されている。
【００５２】
２層メタル／第２の誘電体／３層メタルよりなる第２層部材２０４は、上側の銅箔が２層メタルで、ストリップ線路部分のみ銅箔が残されており、下側の銅箔が３層メタルで、円形導波管２０５および矩形導波管２０６の場所のみ銅箔が除去されている。上板２０２、第１層部材２０３、第２層部材２０４および下板２０１は、図７に示す順番に重ね、第１層部材２０３と第２層部材２０４を上板２０２と下板２０１で挟み込み、図８に示した４隅の固定ネジ穴２０２Ｂを用いてネジ（図示なし）で固定する。
【００５３】
組み上げた状態が図８に示されており、図中に寸法（単位ｍｍ）も示した。円形導波管２０５は、直径を５．６ｍｍとし、７．２ｍｍの間隔で４個配置した。アンテナサイズは３０×４５×１２ｍｍである。ストリップ線路の線路幅を線路の特性インピーダンスが５０Ωとなる０．２ｍｍとした。
【００５４】
ストリップ線路による円形導波管２０５への給電は、円形導波管２０５の円周上で、９０度異なるＦ１とＦ２の２点より行なっており、ストリップ線路（図１のストリップ線路１０２参照）／円形導波管２０５への変換は線路幅０．２ｍｍのストリップ線路１０２を円形導波管２０５に挿入し、円形導波管２０５の放射と反対の方向は、３．３ｍｍで短絡して（Ｓｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈ＝３．３ｍｍ）実現している。円形導波管２０５への給電点Ｆ１，Ｆ２から線路端までの距離は１．２２ｍｍである。Ｆ１およびＦ２には、同振幅で、３７ＧＨｚで位相差が９０度で給電されるように、線路長が変えてある。
【００５５】
以下、本発明の実施例の円偏波モードのアンテナの動作について説明する。
【００５６】
アンテナは受信する動作と、送信する動作は、逆で同じ動作となるので、以下では送信する動作のみ説明する。
【００５７】
試作したアンテナの入出力は、図９に示すように、ＷＲ１５矩形導波管２０６で、図８に示したアンテナの裏面にＷＲ１５矩形導波管２０６の口がある。ＷＲ１５矩形導波管２０６の口より入力した３７ＧＨｚの電波は、矩形導波管２０６より、ストリップ線路／矩形導波管変換器でストリップ線路に変換され、ストリップ線路の分配回路を伝播する。ストリップ線路を伝播する３７ＧＨｚの電波は、その分配回路で、４つの円形導波管２０５に、同振幅同位相で分配される。各円形導波管２０５へのストリップ線路からの給電は以下のように行なわれる。
【００５８】
ストリップ線路は２つに分岐し、円形導波管２０５には直交する２点、Ｆ１，Ｆ２より給電される。分岐点よりＦ１とＦ２までの線路長は、３７ＧＨｚで位相差が９０度となるよう分岐点からＦ１までの長さが、分岐点からＦ２までの長さより長くなっている。Ｆ１およびＦ２でのストリップ線路から円形導波管２０５への変換は、パラメータＷ＝０．２ｍｍ、円形導波管の長さＬ＝１．２２ｍｍ、Ｓｈｏｒｔ Ｌｅｎｇｔｈ＝３．３ｍｍの形状でそれぞれ行なわれている。
【００５９】
前述したように、このパラメータで円形導波管２０５に変換すると、円形導波管２０５には円偏波が励起される。励起された円偏波は、円形導波管２０５を伝播し、大気中に放射される。４個の円形導波管２０５からは、同振幅同位相で３７ＧＨｚの電波が放射されるので、アンテナ前方ではそれぞれの電波が強め合い放射される。
【００６０】
以上のように、第１実施例によれば、放射する周波数が、前述した円形導波管２０５のＦｍｉｎとＦｍａｘの間の周波数となっているため、ストリップ線路より円形導波管２０５に、円形導波管２０５の直交する２点より９０度位相が異なる３７ＧＨｚの電波で励起すると、円偏波を励起することが出来る。実際に作製した２個のアンテナで測定した軸比を図１０に示した。２個のアンテナはほぼ同様な軸比となっており、また、電磁界解析で計算した結果（図３参照）ともほぼ良い一致をしている。
【００６１】
次に、本発明の第２実施例を示す円偏波モードのアンテナについて説明する。
【００６２】
図１１は本発明の第２実施例の円偏波モードのアンテナの構造を示す概念図である。
【００６３】
この図において、３０１は下板、３０２は上板、３０３，３０４は誘電体分配回路であり、この誘電体分配回路３０３，３０４は、３層メタル／第２の誘電体／２層メタルからなる第３層部材３０３と第１の誘電体／１層メタルからなる第４層部材３０４からなる。また、３０３Ａ，３０４Ａはテフロン(登録商標）基板、３０２Ｂは固定ネジ穴である。
【００６４】
第２実施例は第１実施例と同様、円形導波管を放射の基本素子とした、２×２円形導波管アレーアンテナである。周波数も第１実施例と同様３７ＧＨｚだが、偏波は第１実施例と異なり、左旋の円偏波とした。アンテナを構成する部品は第１実施例と全く同じである。第１実施例との違いは、２層メタル分配回路（第３層部材３０３と第４層部材３０４：１層メタル／第１の誘電体と、２層メタル／第２の誘電体／３層メタル）の左右をひっくり返し、お互いの上下を変えて重ねていることである（図７と、図１１とを参照）。
【００６５】
つまり、上側に、上側に３層メタル、下側に２層メタルの付いた第２誘電体を、下側に、下側に１層メタルの付いた第１の誘電体を置き、重ねてストリップ線路を形成している。図１２にこの第２実施例のストリップ線路を示した。この図１２において、３０５は円形導波管、３０６は矩形導波管である。
【００６６】
以下、この実施例の円偏波モードのアンテナの動作について説明する。
【００６７】
このアンテナ動作は第１実施例と同じであるが、第２実施例では２層メタル分配回路が左右逆となっているため、ストリップ線路より円形導波管に励振するときの位相関係が逆になることが第１実施例と異なる点である。つまり、第１実施例ではストリップ線路により、円形導波管の直交する２点、Ｆ１，Ｆ２より、位相が９０度異なる電波を励振するが、Ｆ２は、Ｆ１に対しアンテナを上から見て反時計周りに９０度異なる位置で、９０度位相が遅れた電波で円形導波管を励振している。
【００６８】
一方、第２実施例では、Ｆ２はＦ１に対し、アンテナを上から見て反時計周りに９０度異なる位置より、９０度位相が進んだ電波で円形導波管を励振している。このことより、第１実施例では右旋の円偏波が放射されるが、第２実施例では左旋の円偏波が放射される。
【００６９】
以上説明したように、第２実施例によれば、第１実施例のストリップ線路を左右が逆になるようにひっくり返して用いている。
【００７０】
図９に第１実施例のストリップ線路を、図１２に第２実施例のストリップ線路を示しているが、ストリップ線路を左右ひっくり返しても、円形導波管および矩形導波管が左右対称に配置されているため、動作することが分かる。
【００７１】
さらに、本発明は以下のような利用形態を有している。
【００７２】
本発明は、ミリ波マイクロ波の円偏波アンテナに適用が可能である。
【００７３】
実施例では、４素子のアレーアンテナで実施したが、この１素子の円偏波平面アンテナとしても良い。またアンテナとしなくても、ストリップ線路と円形導波管の円偏波モードとの変換装置として用いることも可能である。
【００７４】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によると、以下のような効果を奏することができる。
【００７６】
（Ａ）放射する周波数が、円形導波管のＦｍｉｎとＦｍａｘの間の周波数となっているため、ストリップ線路より円形導波管に、円形導波管の直交する２点より９０度位相が異なる３７ＧＨｚの電波で励起すると、円偏波を励起することが出来る。
【００７７】
（Ｂ）上記（Ａ）のストリップ線路を、左右が逆になるようにひっくり返して用いていることにより、上記（Ａ）と同様に、円偏波を励起することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す円偏波モードのアンテナの解析で用いた構造の透視図である。
【図２】軸比の周波数依存性（Ｌ＝１．１２ｍｍ）を示す図である。
【図３】軸比の周波数依存性（Ｌ＝１．２２ｍｍ）を示す図である。
【図４】軸比の周波数依存性（Ｌ＝１．３２ｍｍ）を示す図である。
【図５】軸比の周波数依存性（Ｌ＝１．３７ｍｍ）を示す図である。
【図６】パラメータＷを変えたときの軸比の周波数依存性を示す図である。
【図７】本発明の第１実施例の構造を示す概念図である。
【図８】本発明の第１実施例の組立図である。
【図９】本発明の第１実施例のストリップ線路を示す図である。
【図１０】本発明の２個のアンテナで測定した軸比の周波数依存性を示す図である。
【図１１】本発明の第２実施例の円偏波モードのアンテナの構造を示す概念図である。
【図１２】本発明の第２実施例のストリップ線路を示す図である。
【図１３】従来のストリップ線路／円形導波管変換部の構造を示す図である。
【図１４】従来の直交する２点より励振するプローブの相互作用を電磁界解析で計算した構造図である。
【図１５】直交するＦ２からの励振プローブが無い場合の放射パターンを示す図である。
【図１６】直交するＦ２からの励振プローブがある場合の放射パターンを示す図である。
【図１７】１素子円形導波管アンテナにおける放射部での反射（Ｓ１１）およびアンテナゲインの放射部でのテーパ角度依存性を電磁界解析で解析した結果を示す図である。
【図１８】円形導波管の直径が５．６ｍｍでテーパを設けない場合と、テーパ角度を４．７６°、放射部の直径を６．６ｍｍとした場合で、軸比の周波数依存性を電磁界解析で解析した結果を示す図である。
【図１９】１素子マイクロストリップラインアンテナの軸比の放射角度依存性を示す図である。
【図２０】１素子円形導波管アンテナの軸比の放射角度依存性を示す図である。
【符号の説明】
１０１，２０５，３０５ 円形導波管
１０２ ストリップ線路
１０３，２０３Ａ，２０４Ａ，３０３Ａ，３０４Ａ テフロン(登録商標)基板
１０４ ストリップ線路の分岐点
１０５ アンテナの放射方向
１０６，２０２Ａ 円形導波管放射部
２０１，３０１ 下板
２０２，３０２ 上板
２０２Ｂ，３０２Ｂ 固定ネジ穴
２０３，２０４；３０３，３０４ 誘電体分配回路
２０６，３０６ 矩形導波管
Claims (6)
- 円形導波管の断面の円周上で９０°離れた２点で、該円形導波管と２本のストリップ線路が、前記円形導波管内にストリップ線路が挿入される形状で結合しており、該２本のストリップ線路に伝播する信号が前記円形導波管の挿入点でお互いに９０°の位相差を持っているストリップ線路と円形導波管の円偏波モードとの変換装置を具備することを特徴とする円偏波モードのアンテナ。
- 請求項１記載の円偏波モードのアンテナにおいて、変換する周波数が、前記円形導波管の基底モードの遮断周波数をＦTE11、次のモードの遮断周波数をＦTM01とすると、（４ＦTE11＋ＦTM01）／５と（ＦTE11＋３ＦTM01）／４の間の周波数であることを特徴とする円偏波モードのアンテナ。
- 請求項１又は２記載の円偏波モードのアンテナにおいて、前記円形導波管の放射部にテーパ角度が１０度程度以下のテーパ角を設け、前記放射部の直径を大きくすることを特徴とする円偏波モードのアンテナ。
- 請求項１又は２記載の円偏波モードのアンテナにおいて、前記ストリップ線路を裏返して配置することにより、偏波の旋回方向を反転させることを特徴とする円偏波モードのアンテナ。
- 請求項１、２、３又は４記載の円偏波モードのアンテナにおいて、前記円形導波管より電波が放射される、あるいは電波を前記円形導波管で受けることを特徴とする円偏波モードのアンテナ。
- 請求項５記載の円偏波モードのアンテナを基本素子としてアレー状に配置することを特徴とするアレーアンテナ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002364700A JP2004200833A (ja) | 2002-12-17 | 2002-12-17 | 円偏波モードのアンテナ及びそのアレーアンテナ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002364700A JP2004200833A (ja) | 2002-12-17 | 2002-12-17 | 円偏波モードのアンテナ及びそのアレーアンテナ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004200833A true JP2004200833A (ja) | 2004-07-15 |
Family
ID=32762448
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002364700A Pending JP2004200833A (ja) | 2002-12-17 | 2002-12-17 | 円偏波モードのアンテナ及びそのアレーアンテナ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004200833A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007195104A (ja) * | 2006-01-23 | 2007-08-02 | Oki Electric Ind Co Ltd | 円形導波管アンテナ及び円形導波管アレーアンテナ |
| US7612732B2 (en) | 2007-01-31 | 2009-11-03 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Antenna with stripline splitter circuit |
-
2002
- 2002-12-17 JP JP2002364700A patent/JP2004200833A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007195104A (ja) * | 2006-01-23 | 2007-08-02 | Oki Electric Ind Co Ltd | 円形導波管アンテナ及び円形導波管アレーアンテナ |
| US7612732B2 (en) | 2007-01-31 | 2009-11-03 | Oki Electric Industry Co., Ltd. | Antenna with stripline splitter circuit |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4343982B2 (ja) | 導波管ノッチアンテナ | |
| AU2004302158B2 (en) | Wideband phased array radiator | |
| US7243610B2 (en) | Plasma device and plasma generating method | |
| US5406292A (en) | Crossed-slot antenna having infinite balun feed means | |
| US8081115B2 (en) | Combining multiple-port patch antenna | |
| US20040080455A1 (en) | Microstrip array antenna | |
| CN101009401A (zh) | 圆形波导管天线及圆形波导管阵列天线 | |
| JP2002026638A (ja) | アンテナ装置 | |
| JP2002223115A (ja) | スロットアレーアンテナ | |
| WO2020124251A1 (en) | Dual end-fed broadside leaky-wave antenna | |
| US20140055312A1 (en) | Systems and methods for a dual polarization feed | |
| JP2011024176A (ja) | 誘電体導波路の電磁波伝達部 | |
| US6897824B2 (en) | Planar antenna with wave guide configuration | |
| JP3326160B2 (ja) | ホーンアンテナ | |
| JP2004200833A (ja) | 円偏波モードのアンテナ及びそのアレーアンテナ装置 | |
| Djerafi et al. | Innovative multilayered millimetre-wave antennas for multi-dimensional scanning and very small footprint applications | |
| JPH0522016A (ja) | 低サイドローブ反射鏡アンテナ及びホーンアンテナ | |
| EP2243195A2 (en) | Dual polarized antenna with multilevel hybrid beam forming network for high power | |
| Holzman | Transreflector antenna design for millimeter-wave wireless links | |
| Churkin et al. | SIW-based planar orthomode transducer for 28 GHz applications | |
| JPS6223209A (ja) | 円偏波平面アレイアンテナ | |
| JP2020115619A (ja) | 導波管−伝送線路変換器、導波管スロットアンテナ、および導波管スロットアレーアンテナ | |
| JP2825261B2 (ja) | 同軸ホーンアンテナ | |
| US5216433A (en) | Polarimetric antenna | |
| RU15150U1 (ru) | Плоская антенная решетка из щелевых излучающих элементов на основе копланарного волновода |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Effective date: 20041108 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20041116 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050114 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050301 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050420 |
|
| A521 | Written amendment |
Effective date: 20050420 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 |
|
| A911 | Transfer of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20050527 |
|
| A912 | Removal of reconsideration by examiner before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A912 Effective date: 20050610 |