JP2004343300A - 偏波共用平面アレーアンテナ - Google Patents

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雅彦 太田
Hisayoshi Mizugaki
久良 水柿
Kiichi Kanamaru
喜一 金丸
Kazuo Kaneko
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Abstract

【課題】上層及び下層のアンテナともに良好な特性が得られる偏波共用平面アレーアンテナを提供する。
【解決手段】第1の地導体11と、第1の放射素子18aと第1の給電線路19aが形成された第1のアンテナ回路基板13と、各スロット開口24内に無給電素子21を配置し、無給電素子21の励振偏波方向と直交する方向に無給電素子21を導通して保持する保持部22が形成された第1のスロット板14と、第2の放射素子18bと第2の給電線路19bが形成され、第2の放射素子18bの励振方向は第1の放射素子18aの励振方向と励振方向が直交する第2のアンテナ回路基板15と、各スロット開口26内において第2の給電線路19bの真上に位置する部分に所望の幅と長さを有する伝送突起27が形成された第2のスロット板17と、を有する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波帯の送受信に用いられる広帯域な直交偏波共用平面アレーアンテナの構成に関する。
【0002】
【従来の技術】
マイクロ波帯の広帯域通信に用いられる平面アレーアンテナでは、高利得・広帯域特性が重要であると共に、送信と受信の偏波を直交させてシステムを構成することで、他のシステムとの干渉低減やマルチパスフェージングの影響軽減を図ることが重要とされる。本願発明者らは、これらの通信に適用可能な偏波共用平面アレーアンテナとして図10に示すような構成で、直交する2つの偏波で使用可能なアンテナを提案している(特許文献1参照)。
【0003】
図10に示すアンテナにおいて、給電線路104と放射素子105を有するアンテナ回路基板103は下部を地導体101と誘電体102aに、上部をスロット開口106を有するスロット板107によって挟まれた構成になっている。この場合、放射素子105からはスロット開口106を通して電波が上部に放射される(以下、この部分を下層のアンテナ114と称する。)。
【0004】
さらに、その上方には給電線路109と放射素子110を有するアンテナ回路基板111が、下面を誘電体108aに、上面を誘電体108b並びにスロット開口112を有するスロット板113によって挟まれた構成となっている。放射素子110からはスロット開口112を通して上方に電波が放射される(以下、この部分を上層のアンテナ115と称する。)。
【0005】
この時、放射素子105と放射素子110は励振方向が互いに直交する構成になっているため、下層のアンテナ114と上層のアンテナ115は偏波方向が直交する干渉が少ない偏波共用アンテナとして動作することができる。
【0006】
【特許文献1】
特許第3379969号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図10に示すアンテナの上層のアンテナ115には実質的な地導体がないために良好な放射条件を特定することが難しいという欠点がある。すなわち、下層のアンテナ114の放射素子105の下方には誘電体102aを挟んで地導体101が存在するために良好な放射条件が得られるのに対して、上層のアンテナ115の放射素子110の真下は誘電体108aを介してスロット板107のスロット開口106であり、地導体ではない。さらにその下は誘電体102b、放射素子105、誘電体102aとなってかなりの遠方に地導体101が存在する。
【0008】
周知のごとくパッチアンテナでは放射素子の近傍に地導体が必要であり、放射素子とその下方に存在する地導体との相互作用によって電波は放射素子の上方に放射されることとなる。
【0009】
本発明は以上説明した従来技術の欠点をなくし上層及び下層のアンテナともに良好な特性が得られる偏波共用平面アレーアンテナを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明に係る偏波共用平面アレーアンテナは、第1の地導体と、前記第1の地導体の面上に配置された第1の誘電体と、前記第1の誘電体の面上に配置され、第1の放射素子と第1の給電線路が形成された第1のアンテナ回路基板と、前記第1のアンテナ回路基板の面上に配置された第2の誘電体と、前記第2の誘電体の面上に配置され、前記各第1の放射素子の真上に電波を放射するためのスロット開口を有し、各スロット開口内に無給電素子を配置し、前記無給電素子の励振偏波方向と直交する方向に前記無給電素子を導通して保持する保持部が形成された第1のスロット板と、前記第1のスロット板の面上に配置された第3の誘電体と、前記第3の誘電体の面上に配置され、第2の放射素子と第2の給電線路が形成され、前記第2の放射素子の励振方向は前記第1の放射素子の励振方向と励振方向が直交する第2のアンテナ回路基板と、前記第2のアンテナ回路基板の面上に配置された第4の誘電体と、前記第4の誘電体の面上に配置され、前記各第2の放射素子の真上に電波を放射するためのスロット開口を有し、各スロット開口内において前記第2の給電線路の真上に位置する部分に所望の幅と長さを有する伝送突起が形成された第2のスロット板と、を有する。
【0011】
前記第2のスロット板の各スロット開口は、前記第1のスロット板のスロット開口の真上に位置することが望ましい。
【0012】
前記第4の誘電体及び前記第2のスロット板の間に設置され、前記第2の放射素子の真上に無給電素子を配置する無給電素子基板を有することが望ましい。
【0013】
前記第1のスロット板の無給電素子は、前記第1のアンテナ回路基板を含む下層の第1のアンテナの特性向上(特に広帯域化)に寄与する。
【0014】
前記第1のスロット板の無給電素子および保持部は、前記第2のアンテナ回路基板を含む上層の第2のアンテナの地導体を構成することが望ましい。
【0015】
前記第1のスロット板のスロット開口内に保持部を一体化して前記無給電素子を設けるとともに前記第2のスロット板のスロット開口内に前記伝送突起を設け、前記第2の給電回路を前記第1及び第2のスロット板で挟んでトリプレート線路を構成することが望ましい。
【0016】
前記無給電素子基板の無給電素子は、前記第2のアンテナの特性向上(特に広帯域化)に寄与する。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る偏波共用平面アレーアンテナの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0018】
図1は、本実施の形態の偏波共用平面アレーアンテナの構成を示す斜視図である。
【0019】
本実施の形態の偏波共用平面アレーアンテナは、第1の地導体11と、第1の地導体11の面上に配置された第1の誘電体12aと、第1の誘電体12aの面上に配置され、第1の放射素子18aと第1の給電線路19aが形成された第1のアンテナ回路基板13と、第1のアンテナ回路基板13の面上に配置された第2の誘電体12bと、第2の誘電体12bの面上に配置され、各第1の放射素子18aの真上に電波を放射するためのスロット開口24を有し、各スロット開口24内に無給電素子21を配置し、無給電素子21の励振偏波方向と直交する方向に無給電素子21を導通して保持する保持部22が形成された第1のスロット板14と、第1のスロット板14の面上に配置された第3の誘電体12cと、第3の誘電体12cの面上に配置され、第2の放射素子18bと第2の給電線路19bが形成され、第2の放射素子18bの励振方向は第1の放射素子18aの励振方向と直交する第2のアンテナ回路基板15と、第2のアンテナ回路基板15の面上に配置された第4の誘電体12dと、第4の誘電体12dの面上に配置され、各第2の放射素子18bの真上に電波を放射するためのスロット開口26を有し、各スロット開口26内において第2の給電線路19bの真上に位置する部分に所望の幅と長さを有する伝送突起27が形成された第2のスロット板17と、を有する。
【0020】
また、第2のスロット板17の各スロット開口26は、第1のスロット板14のスロット開口24の真上に位置する。
【0021】
さらに、第4の誘電体12d及び第2のスロット板17の間に設置され、第2の放射素子18bの真上に無給電素子20を配置する無給電素子基板16を有する。
【0022】
本実施の形態の偏波共用平面アレーアンテナでは、地導体11は厚さ1mmのアルミニューム板を用い、第1乃至第4の誘電体12a,12b,12c及び12dとして比誘電率略1で厚さが使用波長の略1/20の発泡ポリエチレンを用いる。
【0023】
また、第1及び第2のアンテナ回路基板13,15及び無給電素子基板16は厚さ25μmのガラスエポキシフィルムに厚さ35μmの銅箔を貼りあわせた基板を用い、エッチングにより不用な銅箔を除去して第1及び第2の放射素子18a,18bと第1及び第2の給電線路19a,19b、並びに無給電素子20を形成する。
【0024】
さらに、第1及び第2のスロット板14,17として厚さ1mmのアルミニューム板にプレス加工による打ち抜きで無給電素子21、その保持部22、スロット開口24,26、及び伝送突起27を形成する。
【0025】
第1の地導体11、第1の誘電体12a、第1のアンテナ回路基板13、第2の誘電体12b、及び第1のスロット板14は、下層の第1のアンテナ28を構成する。
【0026】
第1のスロット板14、第3の誘電体12c、第2のアンテナ回路基板15、第4の誘電体12d、無給電素子基板16、及び第2のスロット板17は、上層の第2のアンテナ29を構成する。
【0027】
なお、無給電素子基板16を設けずに偏波共用平面アレーアンテナを構成することも可能であるが、本実施の形態では広帯域化のためにこの無給電素子基板16を設けている。
【0028】
図2は、本実施の形態の偏波共用平面アレーアンテナの要部を示す一部破断上面図である。なお、図1と共通する部分については、共通の符号を用いることにする。
【0029】
図2(a)は、スロット開口26内に伝送突起27を有する第2のスロット板17の一部を示す図である。
【0030】
図2(b)は、無給電素子20を有する無給電素子基板16を示す図である。
【0031】
図2(c)は、第2の放射素子18b及び第2の給電回路19bを有する第2のアンテナ回路基板15を示す図である。
【0032】
図2(d)は、スロット開口24内に無給電素子21及び保持部22を有する第1のスロット板14を示す図である。
【0033】
図3は、本実施の形態の偏波共用平面アレーアンテナにおける前記図2(a)〜(d)に示した第2のスロット板17、無給電素子基板16、第2のアンテナ回路基板15及び第1のスロット板14の位置関係を示す図である。
【0034】
実際には、図2(b)の無給電素子基板16及び図2(c)の第2のアンテナ回路基板15間、同じく図(c)の第2のアンテナ回路基板15及び第1のスロット板14間は、適当な間隔を保持するためにそれぞれ第4の誘電体12d及び第3の誘電体12cを挟んだ構成になるがここでは省略している。以下このアンテナの動作について説明する。
【0035】
無給電素子21は下層の第1のアンテナ28の特性向上(特に広帯域化)に寄与する。無給電素子21は保持部22によって保持されるために第1のスロット板14に一体成形することができる。第1のアンテナ28から放射される電波はこの保持部22と直交する偏波であるから、保持部22の存在の第1のアンテナ28への影響は問題ない。
【0036】
ここで重要なことは無給電素子21と保持部22が上層の第2のアンテナ29の地導体を形成していることである。従来技術では第2のアンテナ29には地導体が存在しないために良好なアンテナ特性が選られなかったことは先に述べた。
本実施の形態ではその地導体が存在するために良好なアンテナ特性が得られることとなる。
【0037】
さらに、第2の給電線路19bは地導体として保持部22が存在すると同時に上部に伝送突起27が有るため、第2の放射素子18bに到達する直前までトリプレート線路を形成することができる。第2の給電線路19bは第1のアンテナ用スロット板14と第2のスロット板17に挟まれて、いわゆるトリプレート線路を形成しているので上に述べた理由により放射素子直前まで連続性を持たせて電波を伝送することができる。また、無給電素子20は上層アンテナのアンテナ特性、特に広帯域化を向上させるために寄与するものである。
【0038】
図4は、上層の第2のアンテナ29の相対利得の周波数特性を示す図である。
【0039】
図5は、下層の第1のアンテナ28の相対利得の周波数特性を示す図である。
【0040】
第1のアンテナ28は第2のアンテナ29に比して若干利得が低いが、両者とも約±10%の広帯域にわたってほぼ平坦の特性が得らる。
【0041】
図6は、第1及び第2のアンテナ28,29のアイソレーションを示す図である。同じく広帯域にわたって25dB以上の値が得られる。
【0042】
図7は、第2のアンテナ29のE面指向性を示す図である。
【0043】
図8は、第1のアンテナ28のE面指向性を示す図である。
【0044】
第1及び第2のアンテナ28,29の両者ともに低サイドローブの特性が得られる。
【0045】
図9は、本発明に係る偏波共用平面アレーアンテナの他の実施の形態を説明する図である。なお、図1に示した実施の形態と共通する部分については、同一の符号にダッシュ(´)を附して説明を省略することにする。
【0046】
図9(a)は、スロット開口26´内に伝送突起27´を有する第2のスロット板17´の一部を示す図である。
【0047】
図9(b)は、無給電素子20´を有する無給電素子基板16´を示す図である。
【0048】
図9(c)は、第2の放射素子18b´及び第2の給電回路19b´を有する第2のアンテナ回路基板15´を示す図である。
【0049】
図9(d)は、スロット開口24´内に無給電素子21´及び保持部22´を有する第1のスロット板14´を示す図である。
【0050】
図9(e)は、第1の放射素子18a´及び第1の給電回路19a´を有する第1のアンテナ回路基板13´を示す図である。
【0051】
他の実施の形態は、前記実施の形態と同様の構成を有するが、第1及び第2の放射素子18a,18bにおける励振方向が異なっている。このため、第1のアンテナ回路基板13における第1の給電回路19a、第1のスロット板14における保持部22、第2のアンテナ回路基板15における第2の給電回路19b、第2のスロット板17における伝送突起27の位置が図1とは異なっている。
【0052】
図1で示した実施の形態では第1及び第2の放射素子18a,18bはいずれもコーナー部から励振される構成となっているが、他の実施の形態における第1及び第2の放射素子18a´,18b´の第1及び第2の給電線路19a´,19b´に示す如く互いに直交した辺の中央から励振しても上に述べた効果を得ることができる。この場合、無給電素子21´と第1のスロット板14´を結ぶ保持部22´は無給電素子21´の一辺の中央に位置しなければならない。同様に、伝送突起27´も第2のスロット板17´のスロット開口26´の一辺の中央に位置することとなる。
【0053】
なお、前述の実施の形態は、本発明の具体例を示すものであり、本発明がこれに限定されないことはいうまでもない。
【0054】
【発明の効果】
本発明によれば従来技術の欠点をなくし、上層及び下層のアンテナともに良好な特性が得られる偏波共用平面アレーアンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態の偏波共用平面アレーアンテナの構成を示す斜視図である。
【図2】本実施の形態の偏波共用平面アレーアンテナの要部を示す一部破断上面図である。
【図3】図3は、本実施の形態の偏波共用平面アレーアンテナにおける前記図2(a)〜(d)に示した第2のスロット板、無給電素子基板、第2のアンテナ回路基板及び第1のスロット板の位置関係を示す図である。
【図4】上層の第2のアンテナの相対利得の周波数特性を示す図である。
【図5】下層の第1のアンテナの相対利得の周波数特性を示す図である。
【図6】第1及び第2のアンテナのアイソレーションを示す図である。
【図7】第2のアンテナのE面指向性を示す図である。
【図8】第1のアンテナのE面指向性を示す図である。
【図9】偏波共用平面アレーアンテナの他の実施の形態を説明する図である。
【図10】従来の偏波共用平面アレーアンテナを示す図である。
【符号の説明】
11 第1の地導体
12a 第1の誘電体
12b 第2の誘電体
12c 第3の誘電体
12d 第4の誘電体
13 第1のアンテナ回路基板
14 第1のスロット板
15 第2のアンテナ回路基板
16 無給電素子基板
17 第2のスロット板
18a 第1の放射素子
18b 第2の放射素子
19a 第1の給電回路
19b 第2の給電回路
20 無給電素子
21 無給電素子
22 保持部
24 スロット開口
26 スロット開口
27 伝送突起
28 第1のアンテナ
29 第2のアンテナ

Claims (3)

  1. 第1の地導体と、
    前記第1の地導体の面上に配置された第1の誘電体と、
    前記第1の誘電体の面上に配置され、第1の放射素子と第1の給電線路が形成された第1のアンテナ回路基板と、
    前記第1のアンテナ回路基板の面上に配置された第2の誘電体と、
    前記第2の誘電体の面上に配置され、前記各第1の放射素子の真上に電波を放射するためのスロット開口を有し、各スロット開口内に無給電素子を配置し、前記無給電素子の励振偏波方向と直交する方向に前記無給電素子を導通して保持する保持部が形成された第1のスロット板と、
    前記第1のスロット板の面上に配置された第3の誘電体と、
    前記第3の誘電体の面上に配置され、第2の放射素子と第2の給電線路が形成され、前記第2の放射素子の励振方向は前記第1の放射素子の励振方向と直交する第2のアンテナ回路基板と、
    前記第2のアンテナ回路基板の面上に配置された第4の誘電体と、
    前記第4の誘電体の面上に配置され、前記各第2の放射素子の真上に電波を放射するためのスロット開口を有し、各スロット開口内において前記第2の給電線路の真上に位置する部分に所望の幅と長さを有する伝送突起が形成された第2のスロット板と、を有することを特徴とする偏波共用平面アレーアンテナ。
  2. 前記第2のスロット板の各スロット開口は、前記第1のスロット板のスロット開口の真上に位置することを特徴とする請求項1記載の偏波共用平面アレーアンテナ。
  3. 前記第4の誘電体及び前記第2のスロット板の間に設置され、前記第2の放射素子の真上に無給電素子を配置した無給電素子基板を有することを特徴とする請求項1又は2記載の偏波共用平面アレーアンテナ。
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