JP2008283493A - 単方向性アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な回路構成で、低背化が可能な単方向牲アンテナを提供する。
【解決手段】導体地板２と、導体地板２上に配置され、折り返し構造の逆Ｌ字型アンテナからなる給電素子３と、給電素子３の主放射方向で第１の給電素子とは所定の距離だけ離間した位置に配置され、逆Ｌ字型アンテナからなる給電素子４と、給電素子３の主放射方向とは逆側で給電素子３、４を結んだ延長線上で、且つ、給電素子３とは略１／４波長離間した位置に配置され、逆Ｌ字型アンテナからなる無給電素子５と、を備え、給電素子３の励振電流に対して給電素子４の励振電流を等振幅で且つ略９０度遅相させるように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、単方向性アンテナに関わり、特に、航空機などの飛翔体に搭載して好適なものである。

レーダシステム等に用いられる送信・受信共用アンテナとしては、メインビームの最大点のレベルと、その後側（メインビームの最大点の最大方向を０°としたときに１８０°±１０°の範囲）における最大点とのレベル比である前後比（以下、Ｆ／Ｂと称する）が大きい単方向性アンテナが求められている。
このような単方向性アンテナは、複数のアンテナ素子をアレイ状に配置することでビームスキャンニングレーダを構成することができる。
ところで、上記した単方向性アンテナを航空機などの飛翔体に搭載する場合は、アンテナが空気力学上において大きな障害とならないように低背化を図ることが好ましい。このため、従来の単方向性アンテナは、Ｔ字型モノポールアンテナを用いてλ／４間隔で３素子を配置することにより、エンドファイアアレイを構成するようにしていた。これにより、アンテナの低背化を図り空気力学上の影響が小さくなるように構成していた。

図８は、従来のエンドファイアアンテナの構造を示した図である。
この図８に示す従来のエンドファイアアンテナは、導体地板１０１上にＴ字型モノポールアンテナから成るアンテナ素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃが４分の１波長（λ／４）の間隔で配置されている。この場合、アンテナ素子１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃの位相は、それぞれ０度、−９０度、−１８０度の位相差となる。
エンドファイアアレイアンテナの先行文献としては、特許文献１などがある。
特開平１１−８８０４６号公報

しかしながら、上記した従来の単方向性アンテナは、給電回路を構成するマイクロストリップ線路の構造が非常に複雑になるという欠点があった。
また例えば、送信・受信周波数（約１ＧＨｚ）の分離率を約６％（（１．０９ＧＨｚ−１．０３ＧＨｚ）／１．０６ＧＨｚ＝０．０６）、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）を１．５以下、アンテナ利得を６ｄＢｉ以上、Ｆ／Ｂを１５ｄＢ以上となるように設計した場合、つまり、λ／４間隔で３つのアンテナ素子を配置して通常のエンドファイアアレイを設計した場合、各素子間の結合が強く、素子の入力インピーダンスが大きく異なるという問題点があった。
また給電系インピーダンスが５０Ωより低下するという問題点があった。特に、０度位相励振のアンテナインピーダンスが大きく低下する。さらに０度位相励振のアンテナ素子と９０度位相励振のアンテナ素子の入力インピーダンスの周波数特性が大きく異なるという問題点があった。
また単方向性アンテナとしては、図示しないが地板上に立てた直角反射板の前方にモノポールアンテナを配置したコーナーレフ構造が考えられる。この場合は、放射素子が単独なため、上記のように給電回路に関する考慮は必要ないという利点がある。しかしながら、モノポールアンテナの後方に設置するコーナー反射板が波長程度の大きさとなるため、アンテナ寸法が大型化し、飛翔体などに搭載する場合には空気力学上の大きな障害になるという問題点があった。
本発明は、上記したような点を鑑みてなされたものであり、簡単な回路構成で低背化が可能な単方向牲アンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の本発明は、導体地板と、該導体地板上に配置された折り返し構造の逆Ｌ字型アンテナからなる第１の励振素子と、該第１の励振素子の主放射方向で前記第１の励振素子とは所定の距離だけ離間した位置に配置された逆Ｌ字型アンテナからなる第２の励振素子と、前記第１の励振素子の主放射方向とは逆側で前記第１及び第２の励振素子を結んだ延長線上で、且つ、前記第１の励振素子とは所定の距離だけ離間した位置に配置された逆Ｌ字型アンテナからなる無給電素子と、を備え、前記第１の励振素子の励振電流に対して前記第２の励振素子の励振電流を等振幅で且つ略９０度遅相させるように構成したことを特徴とする。
また請求項２に記載の本発明は、前記導体地板上にマイクロストリップ線路を形成し、前記マイクロストリップ線路により前記第１及び第２の励振素子を給電する請求項１に記載の単方向性アンテナを特徴とする。
また請求項３に記載の本発明は、前記第１の励振素子の主放射方向で前記第１及び第２の励振素子を結んだ延長線上で、且つ、前記第２の励振素子とは所定の距離だけ離間した位置に配置された逆Ｌ字型アンテナからなる第２の無給電素子を備えた請求項１又は２に記載の単方向性アンテナを特徴とする。

本発明の単方向性アンテナによれば、第１及び第２の励振素子と無給電素子とを逆Ｌ字型モノポールアンテナにより構成したので、低背化を図ることが可能になる。また第１及び第２の励振素子と無給電素子とを導体地板上に直線上に配置するという簡単な構成であるため、従来の３素子を利用したエンドファイアアンテナに比べて給電回路を容易に構成することができる。さらに、第１の励振素子を、逆Ｌ字型モノポールアンテナを折り返し構造としたことで、入力インピーダンスの低下を防止することができる。即ち、本発明によれば航空機などの飛翔体に搭載するのに好適な単方向性アンテナを簡単に実現することができる。

図１は本発明の実施の形態に係る単方向性アンテナの構成を示した図であり、（ａ）は単方向性アンテナの概略斜視図、（ｂ）は単方向性アンテナの側面図である。
なお、本実施形態の単方向性アンテナは、使用周波数が１．０３ＧＨｚと１．０９ＧＨｚという２つの周波数に設定されているものとする。
この図１（ａ）（ｂ）に示す本実施形態の単方向性アンテナ１は、導体地板２、第１の励振素子である給電素子３、第２の励振素子である給電素子４、及び無給電素子５により構成され、これら給電素子３、４と無給電素子５とが導体地板２上において一直線上に配置されている。
給電素子３は導体地板２上の略中央に配置されたモノポール構造の逆Ｌ字型アンテナから成る。また給電素子３は単なる逆Ｌ字型アンテナではなく折り返し構造になっている。給電素子４は、給電素子３の主放射方向で、給電素子３とは所定の距離離れた位置に配置されたモノポール構造の逆Ｌ字型アンテナから成る。無給電素子５は、給電素子３の主放射方向とは逆側の給電素子３、４を結んだ延長線上で、給電素子３とは所定の距離離れた位置に配置されたモノポール構造の逆Ｌ字型アンテナから成る。

本実施形態では、給電素子３と給電素子４との間隔を、使用周波数帯域（１．０３ＧＨｚ〜１．０９ＧＨｚ）の中心周波数（１．０６ＧＨｚ）の約λ／４に設定した。また給電素子３と無給電素子５との間隔を、使用周波数帯域の中心周波数の約０．２１５λに設定した。
このように本実施形態の単方向性アンテナ１を構成すると、給電素子３の励振電流に対して給電素子４の励振電流を等振幅で、且つ、略９０度遅相させることで、上記の特性を実現することができる。即ち、送信・受信周波数の分離率を約６％、ＶＳＷＲを１．５以下、アンテナ利得を６ｄＢｉ以上、Ｆ／Ｂを１５ｄＢ以上というアンテナ特性を実現することができる。
なお、本実施形態では単方向性アンテナ１の具体的な寸法は、図１（ｂ）に示す給電素子３の長さＬ１＝４２．５ｍｍ、線路間隔Ｗ１＝４．０ｍｍ、給電素子４の長さＬ２＝２９．３ｍｍ、無給電素子５の長さＬ１＝４２．０ｍｍ、給電素子３、４及び無給電素子５の夫々の高さｈ＝３２．０ｍｍとした。また、給電素子３と給電素子４との間隔ｄ１＝７０ｍｍ、給電素子３と無給電素子５との間隔ｄ２＝６１．０ｍｍとした。また、給電素子３、４、５の素子半径を１ｍｍとした。

このように本実施形態の単方向性アンテナ１においては、給電素子３、４と無給電素子５のアンテナ構造を逆Ｌ字型にしたことで、アンテナの低背化を実現することが可能になる。但し、給電素子３を逆Ｌ字型に構成した場合は、給電素子３の入力インピーダンスが大きく低下する。さらに、給電素子３と給電素子４との間に９０度位相差を与えると、０度位相の素子である給電素子３のインピーダンスは単体時に比べて一層低下する。
そこで、本実施形態では、給電素子３を単なる逆Ｌ字型のモノポール構造でなく、折り返し逆Ｌ字型構造とした。これより、給電素子３のインピーダンスの低下を防止することができる。

図２は本実施形態の単方向性アンテナに備えられている９０度位相差給電回路の一例を示した図である。
図２に示す９０度位相差給電回路は、導体地板２の背面側に形成したマイクロストリップ線路１２、１３、１４により形成される。マイクロストリップ線路１２は、５０Ωの給電コネクタが配置される給電点１１と、給電素子３の接続点１５との間に形成され、給電素子３の給電を行うようにしている。またマイクロストリップ線路１３及び１４は、給電点１１と給電素子４の接続点１６との間に形成され、給電素子４の給電を行うようにしている。
また、マイクロストリップ線路１２は、給電素子３の入力インピーダンスを１００Ωに変換するインピーダンス変成器として機能する。またマイクロストリップ線路１３、１４は、２段のインピーダンス変成器であり給電素子４の入力インピーダンスを１００Ωに変換する。即ち、９０度位相差給電回路のマイクロストリップ線路１２〜１４は、給電素子３に給電するλｇ／４（線路内波長）変成器及び給電素子４に給電する２段のλｇ／４変成器１３、１４を介して並列接続された構造を採るものである。
よって、給電点１１より見た本実施形態の単方向性アンテナの入力インピーダンスは５０Ωとなる。

このように本実施形態の単方向性アンテナ１においては、マイクロストリップ線路１２を介して給電素子３の給電を行い、マイクロストリップ線路１３及び１４を介して給電素子４の給電を行うことにより、給電素子３と給電素子４との間に９０度の位相差を与えると共に給電線路（５０Ω）の整合性を図ることができる。またこの場合、単方向性アンテナ１は、給電素子３、４と、無給電素子５とを導体地板２上に直線上に配置するという簡単な構成であるため、従来の３素子を利用したエンドファイアアンテナに比べて給電回路を容易に構成できる。
なお、本実施形態の単方向性アンテナ１の９０度位相差給電回路の具体的な寸法は、図２に示すマイクロストリップ線路１２〜１４の全長が、何れも４８ｍｍで線路内波長λの１／４（１．０６ＧＨｚでの１／４波長）に設定されている。ここで、マイクロストリップ線路１２の全長はＬ１１＋Ｌ１２、マイクロストリップ線路１３の全長はＬ１３、マイクロストリップ線路１４の全長はＬ１４＋Ｌ１５＋Ｌ１６となる。

図３は、本実施形態の単方向性アンテナのＶＳＷＲ特性の測定結果を示した図、図４は本実施形態の単方向性アンテナのＶＳＷＲ特性をモーメント法により解析した解析結果を示した図である。
これら図３、図４に示すように本実施形態の単方向性アンテナ１は、使用周波数帯域である１．０３ＧＨｚ、及び１．０９ＧＨｚでは、ともにＶＳＷＲの値が１．５以下であり広帯域特性であることを確認した。つまり、本実施形態の単方向性アンテナ１によれば、従来の従来の３素子エンドファイアアレイでは実現できなかった帯域特性を実現できることが確認された。
図５は、本実施形態の単方向性アンテナの水平面内おける放射指向性の測定結果を示した図であり、（ａ）は１．０３ＧＨｚにおける放射指向性の測定結果、（ｂ）は１．０９ＧＨｚにおける放射指向性の測定結果、（ｃ）は測定条件を示した図である。図５（ａ）（ｂ）に示す放射指向性から、使用周波数１．０３ＧＨｚ、１．０９ＧＨｚにおける利得に関しては、約６．５ｄＢｉ、Ｆ／Ｂは２０ｄＢ以上の特性が得られることを確認した。

また図６は本実施形態の単方向性アンテナの垂直面内おける放射指向性の測定結果を示した図であり、（ａ）は１．０３ＧＨｚにおける放射指向性の測定結果、（ｂ）は１．０９ＧＨｚにおける放射指向性の測定結果、（ｃ）は測定条件を示した図である。
図６（ａ）（ｂ）に示す放射指向性から、使用周波数１．０３ＧＨｚ、１．０９ＧＨｚにおける利得及びＦ／Ｂに関しては、上記した水平面内と同様、約６．５ｄＢｉ、Ｆ／Ｂは２０ｄＢ以上の特性が得られることを確認した。
図７は本実施形態の単方向性アンテナの他の構成を示した側面図である。なお、図１と同一部位には同一符号を付して説明は省略する。
この図７に示す単方向性アンテナ２０は、給電素子３の主放射方向で、給電素子３と給電素子４を結んだ延長線上で、且つ、給電素子４とは距離ｄ３だけ離間した位置に逆Ｌ字型アンテナからなる無給電素子（第２の無給電素子）６を配置するようにしている。このように構成した場合は、さらなる利得の増加を計れるという利点がある。

本発明の実施の形態にかかる単方向性アンテナの構成を示した図であり、（ａ）は概略斜視図、（ｂ）は側面図である。 本実施形態の単方向性アンテナに備えられている９０度位相差給電回路の一例を示した図である。 本実施形態の単方向性アンテナのＶＳＷＲ特性の測定結果を示した図である。 本実施形態の単方向性アンテナのＶＳＷＲ特性をモーメント法により解析した解析結果を示した図である。 本実施形態の単方向性アンテナの水平面内おける放射指向性の測定結果を示した図である。 本実施形態の単方向性アンテナの垂直面内おける放射指向性の測定結果を示した図である。 本実施形態に係る単方向性アンテナの他の構成を示した側面図である。 従来のエンドファイアアンテナの構造を示した図である。

符号の説明

１、２０…単方向性アンテナ、２…導体地板、３、４…給電素子、５、６…無給電素子、１１…給電点、１２、１３、１４…マイクロストリップ線路、１５、１６…接続点

Claims (3)

1. 導体地板と、
   該導体地板上に配置された折り返し構造の逆Ｌ字型アンテナからなる第１の励振素子と、
   該第１の励振素子の主放射方向で前記第１の励振素子とは所定の距離だけ離間した位置に配置された逆Ｌ字型アンテナからなる第２の励振素子と、
   前記第１の励振素子の主放射方向とは逆側で前記第１及び第２の励振素子を結んだ延長線上で、且つ、前記第１の励振素子とは所定の距離だけ離間した位置に配置された逆Ｌ字型アンテナからなる無給電素子と、を備え、
   前記第１の励振素子の励振電流に対して前記第２の励振素子の励振電流を等振幅で且つ略９０度遅相させるように構成したことを特徴とする単方向性アンテナ。
2. 前記導体地板上にマイクロストリップ線路を形成し、前記マイクロストリップ線路により前記第１及び第２の励振素子の給電を行うことを特徴とする請求項１に記載の単方向性アンテナ。
3. 前記第１の励振素子の主放射方向で前記第１及び第２の励振素子を結んだ延長線上で、且つ、前記第２の励振素子とは所定の距離だけ離間した位置に配置された逆Ｌ字型アンテナからなる第２の無給電素子を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の単方向性アンテナ。

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