JP2007165948A - 直交偏波アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】直交偏波アレーアンテナにおける両アンテナ間のアイソレーションを従来よりも向上する。
【解決手段】アンテナ素子（パッチアンテナ７）の平面アレーで構成される第１アンテナ部１と第２アンテナ部６を、同じ方向を向いて主偏波面が直交するようにし且つ２つのアンテナを正面から見た場合、各アンテナのアンテナ素子の配列が両アンテナに共通の中心線Ｃ−Ｃに関して対称になるように配列する。アレーアンテナの交差偏波指向特性は方位中心方向を境として両方向においては等振幅逆極性であるため、送信側アンテナの交差偏波成分を受信側アンテナの主偏波成分で受信する場合、或いは送信側アンテナの主偏波成分を受信側アンテナの交差偏波成分で受信する場合、受信側アンテナの中心線両側のアンテナ素子における受信は等振幅逆極性となり、合成した場合相殺されて交差偏波成分はゼロとなり、両アンテナ間のアイソレーションは非常に高いものとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏波面が直交する２つのアレーアンテナを同一周波数で、一方を送信アンテナ、他方を受信アンテナとして用いた場合における両アンテナ間のアイソレーション（隣接配置アンテナへの電波回り込み量の分離度）を高めるための技術分野に属する。

図４は、従来の直交偏波アレーアンテナの第１の例の構成を示す図である。
（ａ）は送受波方向から見た正面図であり、（ｂ）はその断面図である。この例ではアレーアンテナとして導波管型スロットアレーアンテナを用いた例であり、スロットがアンテナ素子となっている。
導波路８が境界壁１５に仕切られて多数並行に設けられたベース体９にスロット１０やスロット１１が設けられたスロット板１２を取り付けた構造になっている。直線Ｃを境として、第１アンテナ部１３と第２アンテナ部１４が隣り合っている構成となっている。

第１アンテナ部１３のスロット１０と第２アンテナ部１４のスロット１１の長手方向の向きはそれぞれ直線Ｃに対して４５度ずつ対称に傾いているので、両アンテナのスロットの向きのなす角は丁度９０度、即ち直角になっている。
これにより、第１アンテナ部１３による主偏波面と、第２アンテナ部１４による主偏波面は直交（交差）することになる。

従って、今、例えば第１アンテナ部１３を送信アンテナとして用い、第２アンテナ部１４を受信アンテナとして用いた場合、第１のアンテナ部１３から放射された主偏波の電磁波は第２アンテナ部１４の主偏波面では受波されず、いわゆる回わり込み受波がなく、また、相手方無線局から第２アンテナ部１４の主偏波面と同じ偏波面で送られて来た電磁波は第２アンテナ部１４の主偏波面で受波されるが第１アンテナ部１３の主偏波面では受波されない。
それ故、１周波数での双方向同時併行送受信が可能となる（例えば、特許文献１参照）。

図５は、従来の直交偏波アレーアンテナの第２の例の構成を示す図である。
この例は、導波管の上側広壁面にスロットを切ったものを隣接して平行に並べたものであり、スロット１６が管軸方向と直角に切ってある導波管１７と、スロット１８が管軸方向に切ってある導波管１９が１本ずつ交互に並べられている。

この並列導波管の下側広壁面には、並列導波管と直交する方向に２本の給電導波管が設けられており、そのうちの一方の給電導波管２０はスロット１６が管軸方向と直角方向に切ってある１本おきの導波管１７と給電結合しており、他方の給電導波管２１はスロット１８が管軸方向に切ってある１本おきの導波管１９と給電結合している。

従って、１本おきの導波管１７と給電導波管２０とで第１のアンテナ部を形成し、もう１つの１本おきの導波管１９と給電導波管２１とで第２のアンテナ部を形成していることになる。結局、第１のアンテナ部のスロットの向きと第２のアンテナ部のスロットの向きが直交しているため両アンテナの主偏波面は直交することになる。
従って、直交する偏波を送受信できるアンテナを構成することになる（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４−１５４６０号公報（［００１８］、［００１９］、図１） 特開平５−４８３２３号公報（［００１３］〜［００１５］、図１）

しかしながら、アレーアンテナは、その方位方向において偏波（主偏波）がたとえば水平偏波であっても主軸方向から外れた方向においては、振幅は小さいながら垂直偏波（交差偏波）成分を有する。その様相を模式的に示すと図３のようになる。
（ａ）は主偏波の指向性を示す。縦軸は振幅、横軸は方位角を示す。振幅は横軸の上下で極性が反転することを示す。

主軸方向で最大振幅を有し、左右方位で対称に下がって行き、極性が反転して主軸方向の振幅値よりは小さい或る値まで大きくなって行き、そこからまた小さくなって行き、再び極性が反転するということを主軸方向の両サイドで繰り返す。これがいわゆる一般に言うメインローブとサイドローブである。

（ｂ）は交差偏波成分の現れ方を示す。即ち、主軸方向では振幅レベルはゼロである。しかし、主軸方向の両側方向では、主軸方向から離れるに従って徐々に振幅が大きくなって行き、或る所からまた低下するという変化を示す。そして、主軸方向の左右では極性が逆になっている。

このように主軸方向の両側の方向では交差偏波が現れる。
このため、従来の図４の直交偏波アレーアンテナのような、第１アンテナ部と第２アンテナ部の配置では、互いに方位方向では横並びになっているため、第１アンテナ部を送信アンテナとした場合、真正面方向即ち図の紙面から垂直に手前側の方へは、交差偏波は現れないが、第２アンテナ部寄りの方向では交差偏波が現れる。この交差偏波は第２のアンテナ部の主偏波であるから、結局、第１アンテナから送信した場合、第２アンテナへの回り込みが生ずると言う問題が生ずる。

また、図５のような直交偏波アレーアンテナにおいては、第１のアンテナを構成する導波管と、第２のアンテナを構成する導波管が１本ずつ交互に配列されているので、導波管１本の幅だけずれた位置で、やはり第１のアンテナと第２のアンテナが隣り合っているのと等価となり、図４の場合と同様な理由により回り込みの問題が生ずる。

以上要するに、従来の直交偏波アレーアンテナでは、主偏波が直交していることによるアイソレーションは取れるが、交差偏波成分と２つのアンテナの配置に起因する回り込みがあるため、その分だけまだアイソレーションが不充分であると言う問題がある。

アイソレーションが充分取れる程、微弱受信電波でも自局送信電波にマスクされることなく識別受信できるのでアイソレーションを高めることが大きな課題となる。

本発明は、上記の課題を解決するために以下の各構成を有する。
本発明の第１の構成（基本構成）は、複数のアンテナ素子が、１つの面に沿って平面状に且つ該平面に直交する面に関して対称に配列され前記１つの面の法線方向に特定偏波面で指向性を有する第１のアレーアンテナと、同様に複数のアンテナ素子が前記１つの面又は平行な面に沿って平面状に且つ前記直交する面に関して対称に配列され前記１つの面の法線方向に第１のアレーアンテナの特定偏波面と直交する偏波面で指向性を有する第２のアレーアンテナが配置されたことを特徴とする直交偏波アレーアンテナである。

本発明の第２の構成は、前記第１の構成において、アンテナ素子が方形導波路の幅広面に設けられたスロットであることを特徴とする直交偏波アレーアンテナである。

本発明の第３の構成は、前記第１の構成において、アンテナ素子がパッチアンテナであることを特徴とする直交偏波アレーアンテナである。

本発明の第４の構成は、前記第１の構成において、アンテナ素子が円形導波管開口であることを特徴とする直交偏波アレーアンテナである。

本発明の直交偏波アレーアンテナは、課題解決手段に述べたように指向方向正面から見ると１本の中心線を共通にする２位置に２つのアレーアンテナを有し、各アレーアンテナは、複数のアンテナ素子が前記中心線に関して両側対称に平面的に配列され各アンテナの主偏波は互いに直交するというものである。
このようにアンテナ素子が中心線に関して両側対称に配置されていることから、各アレーアンテナの主偏波指向特性は、図３の（ａ）に示すように主軸方向に関して左右対称となり、交差偏波指向特性は、（ｂ）に示すように、主軸方向の左右で振幅絶対値は対称であるが極性は反転している。

今、一方のアンテナを送信アンテナとし、他方のアンテナを受信アンテナとすると、アンテナ素子配列の中心線が一致しているから、受信アンテナの中心線より右側のアンテナ素子は、送信アンテナの交差偏波特性（図３の（ｂ））の右側の特性で受信し、左側のアンテナ素子は図３の（ｂ）の左側の特性で受信する。前述のように図３の（ｂ）の交差偏波特性は、主軸方向の両側で振幅は同じで極性が逆という特性である。

一方、受信アンテナの方もアンテナ素子の配列は、中心線に関して左右対称に配列されており、右側のアンテナ素子は右側の特性で受信し、左側のアンテナ素子は左側の特性で受信するから、右側のアンテナ素子の受信と左側のアンテナ素子の受信とでは振幅が同じで逆極性ということになる。
アンテナは、各アンテナ素子が同相で受信した信号は加算されるように合成されるから、逆相で受信されたもの同士は相殺されてアンテナの出力には現れないということになる。

結局、２つのアンテナそれぞれが主偏波の他に交差偏波成分を有していたとしても、中心線に関して対称なアンテナ素子の配置と、中心線を一致させた両アンテナの配置により、交差偏波の影響をなくし高いアイソレーションが得られるという効果がある。

アンテナ素子として、パッチアンテナ、導波管スロット、円形導波管開口、のいずれを用いる場合でも、同じアレーアンテナを縦と横にして、直交偏波アンテナを構成するのが経済性からみて、最良の実施形態である。
それには縦、横いずれの場合にも、中心線が定まるようにアンテナ素子の配列を定める必要がある。
また、２つのアレーアンテナを開口面の方向を一致させて１つの構造体に固定するのが最良である。据付け工事において方位設定調整が単純化される。

以下、本発明アンテナの実施例を図面を参照して説明する。
図１は、アンテナ素子がパッチアンテナである場合のアンテナを開口正面から見た正面図である。
第１アンテナ部１においては、パッチアンテナ７は中心線Ｃ−Ｃに関して対称になるように、且つ平面的に配列されている。給電路は図示を省略してある。
これにより、第１アンテナ部１は特定の主偏波面（例えば水平偏波）で電磁波の送受波を行うことが可能になる。第２アンテナ部６は、第１アンテナ部１の縦方向にパッチアンテナ２つ分だけ長くしたものを９０度倒してパッチアンテナ７の配列が中心線Ｃ−Ｃに関して対称になるような位置にして、第１アンテナ部の下方へ配置したものである。９０度回転させたことにより、第１アンテナ部１と第２アンテナ部６の偏波面は直交すること（例えば垂直偏波）になる。

即ち、第１アンテナ部１の交差偏波面が、第２アンテナ部６の主偏波面と同じであり、第２アンテナ部６の交差偏波面が第１アンテナ部１の主偏波面と同じということになる。
今、第１アンテナ部１を送信アンテナとし、第２アンテナ部６を受信アンテナとすると、第１アンテナ部１からは主偏波は図３の（ａ）に示す指向特性で放射され、交差偏波成分は図３の（ｂ）に示す指向特性で放射される。方位角は中心線Ｃ−Ｃを中心軸とする左右方向の角度である。

主偏波で放射された電磁波は、第２アンテナ部６の主偏波とは直交しているので第２アンテナ部６の主偏波面には受信されないが、図３の（ｂ）に示す指向特性で放射される電磁波はその偏波面が第２アンテナ部の主偏波面と同じであるので第２アンテナ部６に受信される。しかし、中心線Ｃ−Ｃの左側のパッチアンテナでは図３の（ｂ）の主軸方向より左側の特性で受信され、中心線Ｃ−Ｃの右側のパッチアンテナでは図３の（ｂ）の主軸方向より右側の特性で受信される。即ち、中心線Ｃ−Ｃの左右で等振幅逆極性で受信される。

ところで、第２アンテナ部６のパッチアンテナ７は中心線Ｃ−Ｃに関して対称に配置されているから、全パッチアンテナで受信された信号を合成した場合、第１アンテナ部１の交差偏波を受信した信号は、中心線Ｃ−Ｃの左側で受信されたものと右側で受信されたものが相殺し合い、第２アンテナ部６の出力には現れないことになる。その結果、第１アンテナ部１からの交差偏波成分は受信されなかったと同じことになり、両アンテナ間のアイソレーションは非常に高いものとなる。

以上の説明は、送信の第１アンテナ部１の交差偏波成分を受信の第２アンテナ部６の主偏波特性で受信した場合で説明したが、逆に送信の第１アンテナ部１の主偏波成分を、受信の第２アンテナ部６の交差偏波特性で受信する場合も、やはり、第２アンテナ部６の交差偏波特性が図３の（ｂ）と同じように中心線Ｃ−Ｃを中心に左右方向においては等振幅逆極性で受信するので、全パッチアンテナで受信された信号を合成した場合には相殺されてゼロとなり、交差偏波の受信はないのと同じになる。

なお、図１の例では第１アンテナ部１と第２アンテナ部６が接しているが、接していなくともよい。また、両アンテナのアンテナ素子配列面は面一であっても、前後にずれていてもよい。このことは、以下の実施例においても同様である。

図２の実施例は、アンテナ素子がスロットである場合である。
第１アンテナ部１と第２アンテナ部６は給電路を中央に通した同じアンテナを縦と横にして、両アンテナ間で直交偏波になるようにしたものである。
そして、第１アンテナ部１、第２アンテナ部６ともにそのアンテナ素子であるスロットの配列が中心線Ｃ−Ｃに関して対称になるように両アンテナを位置決めしている。
この実施例においてはスロットは単純な長方形のものを示したが、これに限られるものではなく、以上の図で１本のスロットに相当するものが複数本の組み合せからなっていてもよいし、長短の直列であってもよいし、また単純な長穴でなくともよい。他の諸々の設計条件から単位スロットの形態は様々なものが考えられる。
図２の実施例の配置において実測された両アンテナ間のアイソレーションは約８０ｄＢ以上と極めて良好である。

この他、アンテナ素子として円形導波管開口を用いることもできる。
基本的には、アンテナ素子は素子として用い得るものである限り、どのようなものでもよく、特に限定されるものではない。

アンテナ素子がパッチアンテナである本発明第１の実施例の正面図である。 アンテナ素子が導波路の幅広面に切られたスロットである本発明第２の実施例の正面図である。 アレーアンテナの、主偏波及び交差偏波の方位指向性図である。 従来の直交偏波アレーアンテナの第１の例を示す構成図である。 従来の直交偏波アレーアンテナの第２の例を示す構成図である。

符号の説明

１ 第１アンテナ部
２ 給電路
３ スロット
４ 導波路
５ 導波路境界
６ 第２アンテナ部
７ パッチアンテナ
８ 導波路
９ ベース体
１０ スロット
１１ スロット
１２ スロット板
１３ 第１アンテナ部
１４ 第２アンテナ部
１５ 境界壁
１６ スロット
１７ 導波管
１８ スロット
１９ 導波管
２０ 給電導波管
２１ 給電導波管

Claims (4)

1. 複数のアンテナ素子が、１つの面に沿って平面状に且つ該平面に直交する面に関して対称に配列され前記１つの面の法線方向に特定偏波面で指向性を有する第１のアレーアンテナと、同様に複数のアンテナ素子が前記１つの面又は平行な面に沿って平面状に且つ前記直交する面に関して対称に配列され前記１つの面の法線方向に第１のアレーアンテナの特定偏波面と直交する偏波面で指向性を有する第２のアレーアンテナが配置されたことを特徴とする直交偏波アレーアンテナ。
2. アンテナ素子が方形導波路の幅広面に設けられたスロットであることを特徴とする請求項１記載の直交偏波アレーアンテナ。
3. アンテナ素子がパッチアンテナであることを特徴とする請求項１記載の直交偏波アレーアンテナ。
4. アンテナ素子が円形導波管開口であることを特徴とする請求項１記載の直交偏波アレーアンテナ。
   
   
   
   
   
   
   
   

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