JP2009296301A - ホーンアンテナおよびフレア付きアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ピラミダルまたはセクトラルホーンアンテナ或いはフレア付きアンテナにおいて、Ｈ面指向性における指向軸利得がＥ面指向性における指向軸利得に一致するようにする。
【解決手段】ピラミダルまたはセクトラルホーンアンテナのＨ面セクタ部およびフレア付きアンテナのフレアを人工磁気壁で構成する。人工磁気壁とすることにより、磁力線が電気力線の電気壁に対するように人工磁気壁に当接し、従来、Ｈ面セクタ部が電気壁（金属板）であったため、Ｈ面セクタ部の内側表面および近傍における電磁界が零、或いは弱かった空間領域の電磁界強度が強くなり、結果的にＨ面におけるアンテナ開口が大きくなったようになり、Ｈ面の指向軸利得がＥ面の指向軸利得に近付く。
【選択図】図２

Description

本発明は、ホーンアンテナおよびフレア付きアンテナの利得向上に関する技術分野に属する。

従来、図５に示すホーンアンテナ１４のホーンのＥ面セクタ部１８、Ｈ面セクタ部１９
或いは、図６に示すフレア付きアンテナ２０のフレア２３は金属板で構成されている（例えば、非特許文献１参照）。
金属板は実用上、完全電気壁と見做すことができるので、アンテナの偏波面（電界面）に対して直角面をなすセクタ部、或いはフレアの面に対しては、電気力線は直角に当接するが、偏波面に対して平行な面である場合、その面上の電界は零となり、従ってその面上の磁界も零となる。即ち、その面に当接する磁力線はないことになる。
この関係を図示すると図７および図８のようになる。

図７の（ａ）は図５のホーンアンテナ１４を給電導波管３のＥ面１６（電界面）に平行な面で上下の央部を２分した断面図である。
図５で明らかなように、左右のＥ面セクタ部１８はＥ面１６に対して直角をなす面である。従って、図７の（ａ）に示すように、電気力線２４は両側のＥ面セクタ部１８に直角に当接する。一方、磁界を示す磁力線４は、同方向の２本ずつの電気力線をそれと直角をなす平面で囲むループをなしている（図８の（ａ））。
図７の（ａ）は図５のホーンアンテナ１４を上下２分する真中辺りの断面であるが、この断面が上下のＨ面セクタ１９に近付くにつれて電界は弱くなって行き、上下のＨ面セクタ部１９の内面上で丁度零になる。従って、磁界も零になる。この様子を示すのが、図８の（ａ）である。

図８の（ａ）は、図５の給電導波管３のＨ面１７に平行な面で、図５のホーンアンテナ１４を左右の央部で２分した断面図である。点線は磁力線４を示しているが、上下のＨ面セクタ部１９の内面は前述のように電界が零であるため磁界も存在せず、上下のＨ面セクタ部１９では磁力線４は存在しない。

このような状態におけるホーンアンテナ１４のＥ面（偏波面）における指向性の計算結果は、図７の（ｂ）のようになり、Ｈ面における指向性の計算結果は、図８の（ｂ）のようになる。この両者を比較すると、サイドローブについては、Ｅ面指向性の方がＨ面指向性よりも大きいが、アンテナ指向性利得についてはＨ面指向性の方がＥ面指向性よりも小さい。
（社）電子通信学会、「アンテナ工学ハンドブック」、第１版、オーム社、昭和６１年５月１０日 Ｐ．１５５〜１５６，３４９

このように、アンテナ指向性利得については、アンテナの機械的な構造がＥ面とＨ面で同じであっても、Ｈ面の利得が低いという問題がある。
その理由は、Ｅ面においては、電気力線２４が左右両側のＥ面セクタ部１８に直角に当接する形で左右のＥ面セクタ部１８の広がりを完全に活用しているのに対し、Ｈ面においては、磁力線４が上下のＨ面セクタ部１９に当接せず、Ｈ面セクタ部１９上では磁界は存在せず、また、Ｈ面セクタ部近傍での磁界も弱く、Ｈ面セクタ部１９の広がりが完全に活用できず、Ｈ面セクタ部１９の広がりが狭くなっているような形になり、その結果、Ｈ面開口が機械的寸法の開口より狭まったようになり、利得が低下するものと考えられる。

本発明の課題は、上記のような従来技術の問題点に鑑みて、Ｈ面指向特性における指向方向利得が、機械的寸法の開口に対応する利得が得られるホーンアンテナ、或いはフレア付きアンテナを実現することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の各手段構成を有する。
本発明の第１の構成は、ピラミダルホーン又はセクトラルホーンの磁界面セクタ部が人工磁気壁であることを特徴とするホーンアンテナである。

本発明の第２の構成は、放射素子が複数個直線状に配列され、その直線を含む面を偏波面とするアンテナの開口の上下に人工磁気壁で構成されるフレアを有することを特徴とするフレア付きアンテナである。

本発明の第３の構成は、前記第２の構成において、前記放射素子が導波管スロットであることを特徴とするフレア付きアンテナである。

本発明の第４の構成は、前記第２の構成において、前記放射素子がパッチアンテナであることを特徴とするフレア付きアンテナである。

本発明の第５の構成は、前記第２の構成において、前記放射素子がダイポールアンテナであることを特徴とするフレア付きアンテナである。

本発明の第６の構成は、前記第１の構成又は、前記第２の構成ないし第５の構成のいずれか１つの構成において、人工磁気壁が、誘電体基板の外面側にグランド板を有し、内面側には金属パッチが周期的に配列されたものであることを特徴とするホーンアンテナ、又はフレア付きアンテナである。

本発明の第７の構成は、前記第１の構成又は、前記第２の構成ないし第５の構成のいずれか１つの構成において、人工磁気壁が、誘電体基板の外面側にグランド板を有し、内面側には金属パッチが周期的に配列され、該金属パッチが短絡ピンによりグランド板に短絡されたものであることを特徴とするホーンアンテナ、又はフレア付きアンテナである。

本発明においては、第１の構成のホーンアンテナ、第２の構成のフレア付きアンテナ、いずれにおいても磁界面を扇形に区切るＨ面セクタ部１９やフレア２３を人工磁気壁にしたことによって、理論上の完全磁気壁程ではないにしても、磁力線が図７の（ａ）に示す電気力線２４のようにＨ面セクタ部１９やフレアに当接するので、図８の（ａ）のように磁力線４がＨ面セクタ部１９に当接しないため、Ｈ面開口が機械的寸法の開口よりも狭くなるという程度が小さくなり、従来の金属壁である場合に較べて利得が大きくなるという効果がある。

第３〜第５の構成は、第２の構成のフレア付きアンテナにおける放射素子を具体化したものであり、第２の構成のものと同じ効果が得られる。

第６の構成および第７の構成は、第１の構成ないし第５の構成の各構成における人工磁気壁の構造を具体化したものであり、前述した効果と同じ効果が得られるものである。

人工磁気壁が短絡ピンを有するものである場合には、人工磁気壁をホーンアンテナのＨ面セクタ部やフレア付きアンテナのフレアとして用いる場合には、従来通り金属板のＨ面セクタ部やフレアを設け、その内面側に人工磁気壁を固着させるのが最良である。

人工磁気壁が短絡ピンを有しないものである場合には、従来の金属板Ｈ面セクタ部やフレア部を人工磁気壁のグランド板として用いるべく人工磁気壁の誘電体板面をＨ面セクタ部やフレア部の内側面に貼着するのが最良の実施形態である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１の（ａ）は、図５のホーンアンテナ１４のＨ面セクタ部１９を理論上の完全磁気壁として給電導波管３のＨ面１７に平行な面でホーンアンテナを左右方向の中心で２分した断面における磁力線分布を示す図であり、（ｂ）は、このアンテナのＨ面における指向性を示す図である。
これは磁気壁を用いない場合の図８に対応する図である。

図８と図１を比較すると、図８の（ａ）では、磁力線４がＨ面セクタ部１９に当接していないのに対し、図１の（ａ）では磁力線４が、図７の（ａ）の電気力線２４のように完全磁気壁であるＨ面セクタ部１９に当接している。これは、図８の方では磁力線４がＨ面セクタ部１９に対して当接しないので戻って来てループ状になっているが、図１では磁力線４が完全磁気壁に当接している。このことは、図８の（ａ）ではＨ面セクタ部１９の内面上には電界も磁界もなく、その近傍においても弱いことを示しており、これに対して図１の（ａ）ではＨ面セクタ部１９の完全磁気壁の内面上には電界も磁界も存在しており、その近傍も図８の（ａ）よりは強い。
このことは、ビーム形成に寄与する電磁界の存在する空間で考えると図１の方が図８の（ａ）よりも広いということであり、両者の機械的寸法が同じであっても、図１の方が開口が大きいということになる。

図８の（ｂ）および図１の（ｂ）は、それぞれの（ａ）に対応するＨ面指向性図であるが、両者を比較すると９０度方向における利得において、図１の（ｂ）の方が大きくなっていることが分かる。
以上は、理論上の完全磁気壁を用いた場合の計算結果である。

図２は、Ｈ面セクタ部１９にマッシュルーム型ＥＢＧ基板といわれる人工磁気壁を用いた場合の磁力線分布とＨ面指向性を示す図である。
（ａ）の磁力線分布は、図１の完全磁気壁の場合とほぼ同様であるが、（ｂ）のＨ面指向性図における９０度方向の利得は、図１の場合に較べて若干小さくなっている。
しかし、従来の、図８のようにＨ面セクタ部１９が金属板（電気壁）である場合の（ｂ）よりは向上している。

図３は、放射素子が給電導波管７に設けられたスロット８であり、フレアに人工磁気壁としてマッシュルーム型ＥＢＧ基板フレア６を用いた水平偏波のフレア付きアンテナの斜視図である。
サプレッサ９は交差偏波特性改善の手段であり、本願発明とは関係ない。

図４は、人工磁気壁として用いたマッシュルーム型ＥＢＧ基板の一例の構成図である。
誘電体基板１０の一面側にグランド板１３が設けられ、他面側に金属パッチ１１が格子状に設けられている。金属パッチ１１とグランド板１３の間は、スルーホールの短絡ピン１２で短絡されているが、短絡ピン１２がない場合もある。
寸法は、使用中心周波数が２．０４ＧＨのときに、Ｗ＝１９ｍｍ、ｈ＝１．２７ｍｍというものが２００８年電子情報通信学会総合大会で公表されている。

Ｈ面セクタ部を完全磁気壁としたときのセクトラルホーンアンテナのＨ面内磁力線分布とＨ面指向性を示す図である。 Ｈ面セクタ部に人工磁気壁としてマッシュルーム型ＥＢＧ基板を用いたセクトラルホーンアンテナのＨ面内磁力線分布とＨ面指向性を示す図である。 水平偏波導波管スロットアンテナにマッシュルーム型ＥＢＧ基板をフレアとして用いたフレア付きアンテナの斜視図である。 人工磁気壁として用いたマッシュルーム型ＥＧＢ基板の一例を示す構成図である。 セクトラルホーンアンテナの斜視図である。 フレア付きスロットアレイアンテナの斜視図である。 図５のセクトラルホーンアンテナを給電導波管のＥ面に平行な面で上下方向の中心を２分した断面図およびＥ面指向性を示す図である。 図５のセクトラルホーンアンテナを給電導波管のＨ面に平行な面で左右方向の中心を２分した断面図およびＨ面指向性を示す図である。

符号の説明

３ 給電導波管
４ 磁力線
６ マッシュルーム型ＥＢＧ基板フレア
７ 給電導波管
８ スロット
９ サプレッサ
１０ 誘電体基板
１１ 金属パッチ
１２ 短絡ピン
１３ グランド板
１４ ホーンアンテナ
１６ Ｅ面
１７ Ｈ面
１８ Ｅ面セクタ部
１９ Ｈ面セクタ部
２０ フレア付きアンテナ
２３ フレア
２４ 電気力線

Claims (7)

1. ピラミダルホーン又はセクトラルホーンの磁界面セクタ部が人工磁気壁であることを特徴とするホーンアンテナ。
2. 放射素子が複数個直線状に配列され、その直線を含む面を偏波面とするアンテナの開口の上下に人工磁気壁で構成されるフレアを有することを特徴とするフレア付きアンテナ。
3. 前記放射素子が導波管スロットであることを特徴とする請求項２記載のフレア付きアンテナ。
4. 前記放射素子がパッチアンテナであることを特徴とする請求項２記載のフレア付きアンテナ。
5. 前記放射素子がダイポールアンテナであることを特徴とする請求項２記載のフレア付きアンテナ。
6. 人工磁気壁が、誘電体基板の外面側にグランド板を有し、内面側には金属パッチが周期的に配列されたものであることを特徴とする請求項１記載のホーンアンテナ、又は請求項２〜５のいずれか１項に記載のフレア付きアンテナ。
7. 人工磁気壁が、誘電体基板の外面側にグランド板を有し、内面側には金属パッチが周期的に配列され、該金属パッチが短絡ピンによりグランド板に短絡されたものであることを特徴とする請求項１記載のホーンアンテナ、又は請求項２〜５のいずれか１項に記載のフレア付きアンテナ。

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