JP2009060158A - ショートバックファイヤアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】利得を向上させ、ビーム幅を縮小させ、サイドローブを低減させ、更には交差偏波低減を図ることが可能なショートバックファイヤアンテナを提供する。
【解決手段】共振器壁１１を周縁に形成した大反射板１２と、大反射板１２の中心軸上に配置された励振用アンテナ１３と、励振用アンテナ１３の周囲に少なくとも２以上に亘り、中心軸Ｃに対して均一な又は不均一な半径で大反射板１２上に立設されている導体１８とを備え、２以上の導体１８は、大反射板１２の底面において電気的に接続され、また励振用アンテナ１３近傍の電界に変化を与えることによりＥ面放射パターンとＨ面放射パターンとがほぼ同一となるようにＥ面放射パターンが調整されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ショートバックファイヤアンテナに関し、特にアンテナ利得を向上させ、交差偏波を低減する際に好適なショートバックファイヤアンテナに関する。

従来より、アンテナ軸方向の長さをエンドファイヤアレーより短く構成でき、かつ開口効率に優れたアンテナとして、ショートバックファイヤアンテナが提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。このショートバックファイヤアンテナは、例えば図８に示すように、周縁部にリム７２を形成した大反射板７１と、この大反射板７１の中央に立設された給電部７３と、この給電部７３の先端に取り付けられた放射部７７と、給電部７３から延長されている支持部材７４を介して配置された小反射板７５とを備えている。一般にこの給電部７３は図示しないバラン回路と、このバラン回路を包囲する金属円筒によって形成されている。このバラン回路は、給電用の同軸線路と放射部７７との整合器としての役割を果たす。

大反射板７１は、直径が２波長程度であり、リム７２から大反射板７１底面までの深さが０．５波長であり、極めて簡単な構造で１３ｄＢｉｃ程度の利得を得ることが可能となる。

しかし、このショートバックファイヤアンテナでは、１３ｄＢｉ程度以上の利得を得ることが困難であり、ビームの半値幅も４０°以下にすることが困難であった。特に、従来のショートバックファイヤアンテナはサイドローブが比較的大きく、非希望方向への干渉、隣接アンテナとのカップリングなどの問題点があった。
このため、より高い利得を得て、しかもビーム幅を細くしてサイドローブを低減する必要がある場合は、パラボラアンテナ等他のアンテナ方式を選択し、開口面を大きくせざるを得なかった。

一方パラボラアンテナは、放物面状の反射鏡を製造する必要があるとともに、アンテナが非常に大きくなる傾向があった。高い利得が必要とされない場合には、パラボラ反射板は非常に高価となり、重たくてしかも見苦しい。

また、パラボラアンテナは、雪が降った時などにおいて放射器が凍りつく場合もあり正常に動作しなくなる場合もある。

このため、表面が平面である平面アンテナのメリットが再び重要視されるようになってきている。
特開昭５７−２０００２号公報 特開平２−２２３２０６号公報

本発明は、簡易な構造で１０〜２０ｄＢｉｃ程度の中利得アンテナを構成できるショートバックファイヤアンテナにおいて、利得を向上させ、ビーム幅を縮小させ、サイドローブを低減させ、更には交差偏波低減を図ることが可能なショートバックファイヤアンテナを提供することを目的とする。

本発明に係るショートバックファイヤアンテナは、上述した課題を解決するために、共振器壁を周縁に形成した大反射板と、上記大反射板の中心軸上に配置された励振用アンテナ又は電気的に等価な導波管放射器と、上記励振用アンテナ又は電気的に等価な導波管放射器の周囲に少なくとも２以上に亘り、上記中心軸に対して均一な又は不均一な半径で上記大反射板上に立設されている導体とを備え、上記２以上の導体は、上記大反射板の底面において電気的に接続され、また上記励振用アンテナ又は電気的に等価な導波管放射器近傍の電界に変化を与えることによりＥ面放射パターンとＨ面放射パターンとがほぼ同一となるようにＥ面放射パターンが調整されていることを特徴とする。

上述した構成からなるショートバックファイヤアンテナでは、導体を中心軸に対して均一な又は不均一な半径で大反射板上に立設させているため、励振用アンテナ近傍の電界に変化を与えることが可能となる。これにより、Ｅ面放射パターンとＨ面放射パターンとがほぼ同一となるようにＥ面放射パターンを調整することが可能となる。即ち、本発明は、ショットバックファイヤアンテナにおいて交差偏波の低減を実現すること可能となる。また、本発明では、利得を向上させることができ、更にはビーム幅を縮小させ、サイドローブを低減させることも可能となる。

以下、本発明を適用したショートバックファイヤアンテナについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用したショートバックファイヤアンテナ１の構成を開示している。ショートバックファイヤアンテナ１は、共振器壁１１を周縁に形成した大反射板１２と、大反射板１２の中心軸Ｃ上に配置された励振用アンテナ１３と、励振用アンテナ１３の上面において中心軸Ｃに沿って立設されるパイプソケット１４と、パイプソケット１４の最上端に設けられた反射板１５と、この励振用アンテナ１３に対して大反射板１２側から電気的に接続されている給電部１６と、励振用アンテナ１３の周囲に少なくとも２以上に亘り大反射板１２上に立設されている導体１８とを備えている。

共振器壁１１は、大反射面１２に対して垂直方向に向けて立設されてなり、円環状に成形したアルミニウム製の板を小反射板１５に貼り合わせることにより形成されていてもよい。また、この共振器壁１１は、大反射面１２とともに一体化（接着又は溶接）されていてもよく、たらい状の容器をそのまま用いるようにしてもよい。共振器壁１１は、その高さが小反射板１５の高さ以下又は以上で構成されていることが必要になる。

大反射板１２は、共振器壁１１同様にアルミニウム製の板（又はその他高電気伝導性材料）で構成されてなり、円形で構成されている。大反射板１２の底面には、導体１８の立設位置に対応させて図示しない貫通孔が形成されている。

励振用アンテナ１３は、大反射板１２より小径からなる円盤状で構成され、その円心においてパイプソケット１４の底面が取り付けられている。励振用アンテナ１３は、誘電体基板上に形成されていてもよい。この励振用アンテナ１３には給電部１６から供給される電力に基づく電波を放射する。

給電部１６は、励振用アンテナ１３に対して電力を供給する。図２は、本発明を適用したショートバックファイヤアンテナ１の横断面図を示している。給電部１６は、絶縁スリーブ２１と、給電ピン２２とにより構成されている。絶縁スリーブ２１は、給電ピン２２を励振用アンテナ１３へ向けて案内するようにして配設される絶縁体で構成される。給電ピン２２は、図示しない同軸ケーブルに接続される、この図示しない同軸ケーブルは、銅からなる内部導体を絶縁体で包み込み、さらに外側を外部導体で包み込んだ構成からなり、電力を給電部１６へと送る。

パイプソケット１４は、管状の棒で構成され、その材質は導電性材料か、又は誘電性材料により構成されている。また、このパイプソケット１４は、小反射板１５を支持する役割も果たす。

導体１８は、例えば銅等の導電性材料で構成される。導体１８は、いかなる形状で構成されていてもよいが、長手方向に伸張された棒体で構成されていることが望ましい。ちなみに、導体１８を棒体で構成する場合において、以下の実施の形態においてその径は、２ｍｍ程度で構成されている場合を例にとり説明をする。また以下では、導体１８の大反射板１２底面に対する立設角度が９０°とされている場合を例にとり説明をするが、かかる場合に限定されるものではなく、いかなる角度で構成されていてもよい。導体１８の形成位置は、中心軸Ｃからの半径により定義することができる。この導体１８の形成位置を示す半径は、各導体１８間において均一であってもよいし、不均一であってもよい。但し、導体１８の形成位置は、励振用アンテナ１３並びに共振器壁１１に対して接触しない位置で立設されていることが条件となる。

また、この導体１８の下端は、大反射板１２に形成された図示しない貫通孔に挿通されている。その結果、図３に示すように導体１８の下端は、大反射板１２の底面１２ａから突出されることになる。この突出された導体１８の下端は、例えば導電性のエポキシ樹脂等からなるシール材１９が固着される。これにより、この導体１８は、大反射板１２の底面において電気的に接続されることになる。

このような構成からなる本発明を適用したショートバックファイヤアンテナ１は、給電部１６から供給されてくる電力に基づいて、励振用アンテナ１３を給電する。その結果、この励振用アンテナ１３は、励振されて電波を放射することになる。また、この励振用アンテナ１３から放射される電波を小反射板１５と大反射板１２との間に閉じ込めて共振現象を生じさせ、これにより高い開口効率を得ることが可能となる。

また、本発明では、上述したように２以上の導体１８を立設させている。このため、Ｅ面放射パターンとＨ面放射パターンとをほぼ同一とすることが可能となる。ここでＥ面は電界ベクトルの平面であり、Ｈ面はＥ面に垂直な面である。一般的には、ショートバックファイヤアンテナはＨ面において優れた指向性と狭いビーム幅を持っていて、しかも低サイドローブであっても、Ｅ面において放射パターンの指向性は弱くなり、しかもビーム幅が広くなってしまう。それによって開口面効率が落ち、利得も低くなってしまう。しかし、本発明では、Ｅ面の放射パターンとＨ面の放射パターンとをほぼ等しくすることが可能となる。換言すれば、本発明は、Ｅ面指向性とＨ面指向性とがほぼ等しくなるように、導体１８の配置、形状、立設角度等が予め調整されていることが必須となる。

図３は、横軸を放射角（°）、縦軸を利得（ｄＢｉ）としたとき、何ら導体１８を設けていない従来のショートバックファイヤアンテナ（点線）と、導体１８を設けた本発明に係る、導体を持つショートバックファイヤアンテナ１（実線）のＥ面の放射パターンのシミュレーション結果を示している。このシミュレーションでは、放射される電波につき１．４９ＧＨｚとしている。本発明を適用したショートバックファイヤアンテナ１（実線）は、導体１８を立設させているため、その放射パターンが従来のものと比較して大きく異なっていることが分かる。具体的には、ゲインは０°において高くなっている。また０°から離れた角度における放射は、従来技術と比較して１０ｄＢ程度低減できていることが分かる。

図４(a)は、本発明を適用したショートバックファイヤアンテナ１におけるＥ面放射パターンを、また図４(b)は、発明を適用したショートバックファイヤアンテナ１におけるＨ面放射パターンを示している。この図４において実線は、実験の結果を、また点線は、シミュレーションの結果を示しているが、Ｅ面、Ｈ面ともほぼ同一の放射パターンとされているのが分かる。

また、図５は、本発明を適用したショットバックファイヤアンテナ１における帯域を変化させた場合における利得の変化傾向を示している。

導体１８を設けたショートバックファイヤアンテナ１は、導体１８を設けていない従来技術と比較して、１００ＭＨｚ以上の帯域に亘って利得を１〜１．５ｄＢｉ程度増加させることができる。

このように、本発明を適用したショットバックファイヤアンテナ１は、導体１８を立設させているため、励振用アンテナ１３近傍の電界に変化を与えることが可能となる。これにより、Ｅ面放射パターンを調整することが可能となる。即ち、本発明は、ショットバックファイヤアンテナにおいて交差偏波の低減を実現すること可能となる。また、本発明では、利得を向上させることができ、更にはビーム幅を縮小させ、サイドローブを低減させることも可能となる。

なお、導体１８は、放射される電波の空間波長の２５〜５０％の長さからなる棒体で構成されていてもよい。このような長さとすることにより、導体１８が共振し、また電流の誘起を強力にサポートする。また誘起された電流による放射は、利得が極端に低いまま、励振用アンテナ１３の９０度方向（大反射板１２）のＥ面放射パターンの放射に影響を与える。こうして、導体１８は、Ｈ面の放射パターンとほぼ同一となるように
励振用アンテナ１３のＥ面の放射パターンを制御することが可能となる。これは、以前において、Clavin Feedとして当業者間で知られている。

また、導体１８は、棒体で構成され、大反射板１２の底面に対してほぼ９０°で立設され、さらに励振用アンテナ１３から離間する方向へ大反射板１２の底面に対して３０°〜９０°で折り曲げられていてもよい。導体１８が励振用アンテナ１３から離間して折り曲げられることに、作業者が励振用アンテナ１３を容易に視認することができ、手動によりアンテナの孔にこれを挿入する時に刺し傷を防止することができ、アンテナにおける導体１８の安全な使用を実現することができる。

さらに、導体１８は、大反射板１２の底面に対してほぼ９０°で立設されていることを条件として任意の形状で構成されていてもよく、Clavin Feedを形成するために、励振用アンテナ１３からの放射パターンを修正した周波数に導体１８がほぼ共振する環境下において、細線状、薄片状又はＬ字形の何れかの形状からなるようにしてもよい。

図６は、本発明を適用したショートバックファイヤアンテナ１における一実施例を示している。

共振器壁１１は、１０２ｍｍの高さからなる。パイプソケット１４は、高さ１２６ｍｍからなり、管状のロッドで構成されている。そのパイプソケット１４の上端に取り付けられた反射板１５は、半径１００ｍｍで構成されている。また導体１８は、棒体で構成され、その長さは５１ｍｍであり、さらに大反射板１２底面に対する立設角度が７５°で構成されている。また、導体１８の配設位置は、いずれも半径６５ｍｍの箇所とされている。励振用アンテナ１３は、厚さ６ｍｍ程度のアクリル系樹脂板２５の上に形成されている。大反射板１２並びに共振器壁１１は、互いに一体化されてなり、半径は２０２ｍｍである。

ここで、導体１８の長さを２５〜６０ｍｍとし、棒体１８における中心軸Ｃからの半径を３７．５〜１０５ｍｍとしたときにおける利得の変化傾向をシミュレーションにより解析した結果を図７に示す。この図７では、導体１８の長さ、導体の立設位置を底面の２軸にとり、縦軸として図３における０°の位置の利得を示している。０°におけるゲインは、予測／推測されたビーム径やサイドローブレベルのようなアンテナ特性因子を示す一つの指数である。導体の長さが４７．５ｍｍであり、その位置が７５ｍｍであるとき、ショートバックファイヤアンテナ１におけるゲインが１０．３ｄＢｉとなることは明らかであり、それは、従来仕様の約半分であり、従来仕様よりも低い性能であるとして不満足なものである。これに対して、導体の長さが５０ｍｍでありその位置が６２．５ｍｍであるとき、１４．８ｄＢｉのゲインは、従来仕様と比較して１．５ｄＢの増加することになる。

導体１８の長さや中心軸Ｃからの半径を互いにコントロールすることにより、所望の利得となるように制御することができる。

特に、導体１８の長さを４７．５〜６５ｍｍとし、棒体１８における中心軸Ｃからの半径を６０〜９０ｍｍとした場合に、利得が１３．８〜１５．０ｄＢｉとなるため、望ましい。

本発明によるアンテナは10〜20dBic程度の中利得アンテナ素子としての利用に適しており、従来のパラボラアンテナ等に比較して構造が簡単でコンパクト、かつ安価に製造が可能であるという特徴をもち、電波監視のための方位探索用アンテナ、衛星通信のための船舶地球局アンテナ、衛星搭載の直接放射型アレーアンテナのアンテナ素子、あるいは、反射鏡形アンテナの給電用アンテナならびに給電用アレーアンテナのアンテナ素子等としての利用が想定される。

本発明を適用したショートバックファイヤアンテナの構成を示す斜視図である。 本発明を適用したショートバックファイヤアンテナの横断面図である。 放射パターンのシミュレーション結果の比較例を示す図である。 (a)は、本発明を適用したショートバックファイヤアンテナにおけるＥ面放射パターンを、また(b)は、発明を適用したショートバックファイヤアンテナにおけるＨ面放射パターンを示す図である。 本発明を適用したショットバックファイヤアンテナにおける各帯域における利得の増加傾向を示す図である。 本発明を適用したショートバックファイヤアンテナにおける一実施例を示す図である。 導体の位置、長さに対する利得の変化傾向をシミュレーションにより解析した例を示す図である。 従来におけるショートバックファイヤアンテナの構成例を示す図である。

符号の説明

１ ショートバックファイヤアンテナ
１１ 共振器壁
１２ 大反射板
１３ 励振用アンテナ
１４ パイプソケット
１５ 反射板
１６ 給電部
１８ 導体
２１ 絶縁スリーブ
２２ 給電ピン

Claims (5)

1. 共振器壁を周縁に形成した大反射板と、
   上記大反射板の中心軸上に配置された励振用アンテナ又は電気的に等価な導波管放射器と、
   上記励振用アンテナ又は電気的に等価な導波管放射器の周囲に少なくとも２以上に亘り、上記中心軸に対して均一な又は不均一な半径で上記大反射板上に立設されている導体とを備え、
   上記２以上の導体は、上記大反射板の底面において電気的に接続され、また上記励振用アンテナ又は電気的に等価な導波管放射器近傍の電界に変化を与えることによりＥ面放射パターンとＨ面放射パターンとがほぼ同一となるようにＥ面放射パターンが調整されていること
   を特徴とするショートバックファイヤアンテナ。
2. 上記導体は、放射される電波の空間波長の２５〜５０％の長さからなる棒体で構成されていること
   を特徴とする請求項１記載のショートバックファイヤアンテナ。
3. 上記導体は、上記励振用アンテナ又は電気的に等価な導波管放射器並びに上記共振器壁に対して接触しない位置で立設されていること
   を特徴とする請求項１又は２記載のショートバックファイヤアンテナ。
4. 上記導体は、棒体で構成され、上記大反射板の底面に対してほぼ９０°で立設され、さらに上記励振用アンテナ又は電気的に等価な導波管放射器から離間する方向へ上記大反射板の底面に対して３０°〜９０°で折り曲げられていること
   を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のショートバックファイヤアンテナ。
5. 上記導体は、上記大反射板の底面に対してほぼ９０°で立設されていることを条件として任意の形状で構成されてなり、細線状、薄片状又はＬ字形の何れかの形状からなること
   を特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項記載のショートバックファイヤアンテナ。

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