JP2010206683A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のものよりも広範な偏波オフセット角の直線偏波信号を送受信することができる平面アンテナを提供すること。
【解決手段】平面アンテナ１０は、下層側から上層側に向かって、地導体１１、誘電体１２、放射素子１３及び給電線路１４が形成された受信側の基板である給電基板１５、誘電体１６、放射素子１３の真上に位置するよう形成されたスロット開口１７を有する地導体１８、誘電体１９、放射素子２０及び給電線路２１が形成された送信側の基板である給電基板２２、誘電体２３、放射素子２０の真上に位置するよう形成されたスロット開口２４を有する地導体２５を備え、水平偏波方向とＸ軸方向とのなす角τが、４０度≦｜τ｜≦５０度である構成を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、赤道上空の静止軌道に配置される静止衛星を利用して、ＶＳＡＴ（Very Small Aperture Terminal）、ＳＮＧ（Satellite News Gathering）、ＥＳＶ（Earth Stations on board Vessels）等の、送受別々の直線偏波信号を用いて通信を行う衛星通信地球局装置用の平面アンテナに関する。

ＶＳＡＴ、ＳＮＧ、ＥＳＶ等の静止衛星を介して通信を行う衛星通信地球局では、送受信で、垂直偏波と水平偏波との切り替えが必要であり、１つのアンテナで、垂直偏波及び水平偏波を共用できる偏波共用の平面アンテナが開発されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に示された偏波共用の平面アンテナを図４及び図５に示す。

図４及び図５に示すように、従来の平面アンテナ３０は、地導体３１と、誘電体３２と、放射素子３３及び給電線路３４が形成された受信側の基板である給電基板３５と、誘電体３６と、放射素子３３の真上に位置するよう形成されたスロット開口３７を有する地導体３８とが順次積層されている。

また、従来の平面アンテナ３０は、地導体３８上に積層される誘電体３９と、放射素子４０及び給電線路４１が形成された送信側の基板である給電基板４２と、誘電体４３と、放射素子４０の真上に位置するようスロット開口４４が形成された地導体４５とが順次積層されている。また、従来の平面アンテナ３０において、送信側の各放射素子４０への励振振幅分布は、励振振幅テーパのない一様な分布になっている。

受信側の構成において、放射素子３３に対する給電線路３４の接続方向が、配列方向Ｙ（図５参照）と平行になるよう放射素子３３が配置されることにより、受信側の励振方向が配列方向Ｙと平行に設定されている。また、送信側の構成において、放射素子４０に対する給電線路４１の接続方向が、配列方向Ｘ（図４参照）と平行になるよう放射素子４０が配置されることにより、送信側の励振方向が配列方向Ｘと平行に設定されている。

この構成により、従来の平面アンテナ３０は、送受信の偏波方向が互いに直交した別々の直線偏波信号を送受信できるようになっている。

ところで、従来の平面アンテナ３０を衛星通信地球局装置用の平面アンテナとして使用する場合、無線設備規則（第５４条の３）やＩＴＵ−Ｒ規格（ＩＴＵ−Ｒ５８０、ＩＴＵ−Ｒ４６５）等によって、サイドローブレベルが規定されており（以下「サイドローブ規格」という。）、衛星軌道面内においてサイドローブレベルがサイドローブ規格内に入っていなければならない。

ところが、図４及び図５に示す従来の平面アンテナ３０では、指向性を観測する観測面の角度φが０度又は９０度に近づくにつれてサイドローブレベルが大きく劣化し、サイドローブ規格を外れる場合があった。

具体的には、図６に示すように、従来の平面アンテナ３０は、２０度≦｜φ｜≦７０度の観測面ではサイドローブ規格を満足しているが、０度≦｜φ｜＜２０度、又は、７０度＜｜φ｜≦９０度の観測面ではサイドローブ規格を満足できない。一般的に、衛星通信用の平面アンテナは矩形形状であるため、配列方向Ｘ、Ｙ近辺に、観測面があると極端にサイドローブレベルが劣化することとなる。なお、図６に示したグラフの横軸である角度θは、図４（ｂ）に示すように、観測方向とＺ軸とのなす角である。

ところで、国内の衛星通信サービスで使用される静止衛星として、ＪＣＳＡＴ（登録商標）−１Ｂ、−２Ａ、−３Ａ、−４Ａ、−５Ａ、−Ｒ、及び、Ｓｕｐｅｒｂｉｒｄ（登録商標）−Ａ、−Ｂ２、−Ｃが知られている。以下の説明では、これら９つの静止衛星を総称して「国内主要通信衛星」という。これらの国内主要通信衛星に備えられたＫｕ帯（１２ＧＨｚ〜１８ＧＨｚ）のアンテナの衛星軌道面に対する偏波オフセット角αは、各衛星により異なり、−３０度≦α≦３０度の範囲内の様々な角度に設定されている。ここで、偏波オフセット角αとは、図７に示すように、衛星軌道面に対する水平偏波方向の傾斜角、又は、衛星軌道面と直交する軌道対角面に対する垂直偏波方向の傾斜角をいい、地球局から静止衛星を見たとき右回りを正とする。

前述のように、従来の平面アンテナ３０においてサイドローブ規格を満足するのは、観測面の角度φが２０度≦｜φ｜≦７０度のときであるので、従来の平面アンテナ３０は、偏波オフセット角αが｜α｜≧２０度の静止衛星に対してのみ使用可能で、それ以外の静止衛星（｜α｜＜２０度）に対しては使用することができないことになる。すなわち、従来の平面アンテナ３０では、国内主要通信衛星のうち、２０度≦｜α｜≦３０度の範囲内にある一部の衛星にのみ対応可能なものであり、より広範な偏波オフセット角の直線偏波信号を送受信することができる平面アンテナが望まれていた。

他方、サイドローブレベルの低減化を図ることを目的として、平面アンテナの偏波方向を所定角度だけ傾斜させたものが提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。

しかしながら、特許文献１〜４に示された平面アンテナは、いずれも偏波オフセット角αを考慮したものではないので、前述の従来の平面アンテナ３０と同様、国内主要通信衛星のうち、ある一部の衛星にのみ対応可能なものであった。

「ブリッジ付き開口を用いた偏波共用平面アンテナ」、２００１年電子情報通信学会総合大会予稿集、Ｂ−１−１７５

特開平０５−２４３８４１号公報 特開平０５−２４３８４２号公報 特開平０５−２７５９２２号公報 特開平０６−１３２７１８号公報

本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたものであり、従来のものよりも広範な偏波オフセット角の直線偏波信号を送受信することができる平面アンテナを提供することを目的とする。

本発明の平面アンテナは、互いに直交する第１及び第２の偏波方向のうちいずれか一方の偏波方向の直線偏波信号を静止衛星に送信し、前記第１及び前記第２の偏波方向のうちいずれか他方の偏波方向の直線偏波信号を前記静止衛星から受信する平面アンテナにおいて、平面上で互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿ってマトリクス状に第１のアンテナ素子が配列され前記いずれか一方の偏波方向の直線偏波信号を前記静止衛星に送信する送信アンテナ部と、前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に沿ってマトリクス状に第２のアンテナ素子が配列され前記いずれか他方の偏波方向の直線偏波信号を前記静止衛星から受信する受信アンテナ部とを備え、前記送信アンテナ部において、前記第１のアンテナ素子の偏波方向と前記Ｘ軸とのなす角の絶対値が、前記いずれか一方の偏波方向と前記静止衛星の衛星軌道面とのなす角を示す偏波オフセット角よりも予め定めた角度だけ大きい角度であり、励振振幅分布が、前記送信アンテナ部の中央部から端部に向かうに従って小さくなる分布となっており、前記受信アンテナ部において、前記第２のアンテナ素子の偏波方向が、前記第１のアンテナ素子の偏波方向と直交するものである構成を有している。

この構成により、本発明の平面アンテナは、第１のアンテナ素子の偏波方向とＸ軸とのなす角の絶対値が、偏波オフセット角よりも所定角度だけ大きい角度となるので、衛星軌道面がサイドローブレベルが最も高くなるφ＝０度面あるいは９０度面に対して所定角度以上のクリアランスが得られ、衛星軌道面におけるサイドローブレベルの低減化を図ることができる。また、本発明の平面アンテナは、励振振幅分布が、送信アンテナ部の中央部から端部に向かうに従って小さくなる分布となっているので、サイドローブレベルをさらに低減化することができる。

したがって、本発明の平面アンテナは、第１のアンテナ素子の偏波方向とＸ軸とのなす角の絶対値と、励振振幅分布との設定によってサイドローブレベルの低減化を図ることにより、従来のものよりも広範な偏波オフセット角の直線偏波信号を送受信することができる。

また、本発明の平面アンテナは、前記偏波オフセット角が、前記送信アンテナ部側から前記静止衛星を見て右回りを正とするとき前記静止衛星の衛星軌道面を基準として±３０度の範囲内である場合、前記第１のアンテナ素子の偏波方向と前記Ｘ軸とのなす角の絶対値が４０度から５０度までの範囲である構成を有している。

この構成により、本発明の平面アンテナは、偏波オフセット角が±３０度の範囲内である場合において、第１のアンテナ素子の偏波方向とＸ軸とのなす角の絶対値が４０度から５０度までの範囲とし、励振振幅分布が、送信アンテナ部の中央部から端部に向かうに従って小さくなる分布とすることにより、全ての国内主要通信衛星と通信することができることとなる。

本発明は、従来のものよりも広範な偏波オフセット角の直線偏波信号を送受信することができるという効果を有する平面アンテナを提供することができるものである。

本発明に係る平面アンテナの一実施形態における構成図 本発明に係る平面アンテナの一実施形態における斜視分解図 本発明に係る平面アンテナの一実施形態におけるサイドローブ特性を示す図 従来の平面アンテナの構成図 従来の平面アンテナの斜視分解図 従来の平面アンテナのサイドローブ特性を示す図 偏波オフセット角の説明図

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、実施形態では、全ての国内主要通信衛星に対して直線偏波信号を送受信可能な平面アンテナを例に挙げて説明する。

まず、本発明に係る平面アンテナの一実施形態における構成について図１及び図２に基づき説明する。図１は、本実施形態における平面アンテナ１０の一部下層が見えるようにした正面図である。図２は、図１に示した平面アンテナ１０のＺ軸方向における積層構造を斜視分解図で示したものである。

図２に示すように、平面アンテナ１０は、下層側から上層側に向かって、地導体１１と、誘電体１２と、放射素子１３及び給電線路１４が形成された給電基板１５と、誘電体１６と、放射素子１３の真上に位置するよう形成されたスロット開口１７を有する地導体１８とを備えている。

また、平面アンテナ１０は、地導体１８上に積層される誘電体１９と、放射素子２０及び給電線路２１が形成された給電基板２２と、誘電体２３と、放射素子２０の真上に位置するよう形成されたスロット開口２４を有する地導体２５とを備えている。

なお、以下の説明において、本実施形態では、下層側の給電基板１５を受信側の基板、上層側の給電基板２２を送信側の基板とする。そして、放射素子１３、給電線路１４及び給電基板１５を含む構成を総称して以下「受信アンテナ部」という。また、放射素子２０、給電線路２１及び給電基板２２を含む構成を総称して以下「送信アンテナ部」という。また、送信アンテナ部は、水平偏波方向の直線偏波信号を国内主要通信衛星に向けて送信し、受信アンテナ部は、水平偏波方向と直交する垂直偏波方向の直線偏波信号を国内主要通信衛星から受信するものとする。ここで、本実施形態では、水平偏波方向及び垂直偏波方向のうち、衛星軌道面とのなす角が小さい方を水平偏波方向とする（図７参照）。

地導体１１、１８及び２５は、それぞれ、導電性を有する薄板、例えばアルミニウム板で構成される。誘電体１２、１６、１９及び２３は、それぞれ、例えば発泡ポリエチレンや発泡ポリプロピレン等の発泡シートで構成される。

給電基板１５及び２２は、それぞれ、フィルム状の絶縁基板、例えばポリイミドフィルム基板や液晶ポリマーフィルム基板等で構成される。

放射素子１３及び給電線路１４は、導電箔、例えば銅、アルミニウム、金等の金属箔により、給電基板１５上に形成される。同様に、放射素子２０及び給電線路２１は、導電箔により、給電基板２２上に形成される。放射素子１３及び２０は、それぞれ、方形に形成されており、Ｘ軸及びＹ軸に沿ってマトリクス状に配列されている。なお、放射素子２０は、本発明に係る第１のアンテナ素子を構成し、放射素子１３は、本発明に係る第２のアンテナ素子を構成する。

スロット開口２４は、地導体２５の、放射素子２０と対応する部分が方形に切除されて形成されている。これに対し、スロット開口１７は、放射素子１３と対応する地導体１８の領域に、図示のように、２つの三角形の開口部とブリッジ部とで構成されている。このブリッジ部は、放射素子２０に対する給電線路２１の接続部分に対応する位置において、その接続部分と平行に形成されている。なお、このブリッジ部の構成については、特開２００２−７６７６７号公報に詳細に述べられているので、詳細な説明は省略する。

受信アンテナ部においては、放射素子１３に対する給電線路１４の接続部分の向きに受信アンテナ部の励振方向が設定される。一方、送信アンテナ部においては、放射素子２０に対する給電線路２１の接続部分の向きに送信アンテナ部の励振方向が設定される。本実施形態における平面アンテナ１０は、図２に示すように、受信側の励振方向は、Ｙ軸に対して上層側（静止衛星側）から見て左回りに角度τだけ傾き、送信側の励振方向は、Ｘ軸に対して上層側から見て左回りに角度τだけ傾いた設定となっており、受信側と送信側とで励振方向が互いに直交する構成となっている。

以下、角度τについて、図１を参照して具体的に説明する。なお、図１（ａ）においては送信アンテナ部の放射素子２０のみの配置を部分断面図で示し、受信アンテナ部の図示は省略している。

前述のように、受信アンテナ部の放射素子１３及び送信アンテナ部の放射素子２０は、それぞれ、Ｘ軸及びＹ軸に沿ってマトリクス状に配列されている。図１（ａ）において、送信アンテナ部が送信する直線偏波信号の偏波方向である水平偏波方向と、Ｘ軸方向とのなす角がτである。

本発明者は、前述の従来の課題を解決するための検討を重ねた結果、衛星軌道面とＸ軸方向とのなす角の絶対値が１０度以上となるよう角度τを設定することと、後述する励振振幅分布を設定することとを適切に組み合わせることに想到し、さらにシミュレーション計算及び試作検討により、実際にサイドローブレベルをサイドローブ規格内に収めることができるという効果を確認するに至った。以下、具体的に説明する。

図１（ａ）において、衛星軌道面とＸ軸方向とのなす角をξで表している。τ及びξの符号を、静止衛星から平面アンテナ１０を見て左回りを正とすると、ξ＝τ−αとなる。すなわち、送信アンテナ部の放射素子２０の偏波方向とＸ軸とのなす角τが、偏波オフセット角αよりも予め定めた角度ξだけ大きい角度となっている。

前述の式より、−３０度≦α≦＋３０度の全範囲において１０度≦｜ξ｜≦８０度とするためには、角度τとしては４０度≦｜τ｜≦５０度が好ましい。さらに、｜τ｜≒４５度とするのが特に好ましい。図１（ａ）ではτ＝＋４５度の状態を示している。

具体的に、Ｘ軸方向と水平偏波方向とのなす角τが、τ＝＋４５度、＋４０度及び＋５０度の場合について説明する。

まず、τ＝＋４５度のとき、国内主要通信衛星の全衛星（−３０度≦α≦＋３０度）に対して、送信アンテナ部の指向性を観測する観測面とＸＺ面とのなす角φは、＋１５度≦φ≦＋７５度になり、サイドローブレベルが最も高くなるφ＝０度面及びφ＝９０度面に対して１５度以上のクリアランスが得られる。

また、τ＝＋４０度のとき、国内主要通信衛星の全衛星に対して、観測面とＸ軸とのなす角φは、＋１０度≦φ≦＋７０度になり、サイドローブレベルが最も高くなるφ＝０度面及びφ＝９０度面に対して１０度以上のクリアランスが得られる。

また、τ＝＋５０度のとき、国内主要通信衛星の全衛星に対して、観測面とＸ軸とのなす角φは、＋２０度≦φ≦＋８０度になり、サイドローブレベルが最も高くなるφ＝０度面及びφ＝９０度面に対して１０度以上のクリアランスが得られる。

以上のように、平面アンテナ１０は、４０度≦｜τ｜≦５０度とすることにより、サイドローブレベルが最も高くなるφ＝０度面及びφ＝９０度面から１０度以上のクリアランスを得ることができ、サイドローブレベルを従来のものよりも低減することができる。

さらにサイドローブレベルを低減するため、平面アンテナ１０は、図示を省略したが、送信アンテナ部において、各放射素子２０への励振振幅分布が、Ｘ軸方向に対してのみ、５ｄＢの励振振幅テーパの分布になっている。ここで、励振振幅テーパを有する分布とは、送信アンテナ部における励振振幅が、送信アンテナ部の給電基板２２上で均一ではなく、給電基板２２の中央部から端部に向かうに従って小さくなる分布をいう。本実施形態では、例えば余弦テーパにより、アンテナ中央部に対して端部の励振振幅が５ｄＢ低下するよう、Ｔ分岐による励振振幅テーパを設ける構成とした。なお、励振振幅テーパの傾きを大きくするに従って利得が低下するので、所望の利得が得られる範囲内で励振振幅分布を定めるのが好ましい。

次に、本実施形態における平面アンテナ１０の特性について図３に基づき説明する。図３は、図１及び図２に示した構成において、送信アンテナ部の放射素子２０を、Ｘ軸方向に３２素子、Ｙ軸方向に２４素子配置し、Ｘ軸方向にのみ５ｄＢの余弦テーパを設けたときの各観測面における指向性計算結果を示したものである。なお、図３に示したグラフの横軸である角度θは、図１（ｂ）に示すように、観測方向とＺ軸とのなす角である。

図３に示すように、本実施形態における平面アンテナ１０は、観測面の角度φが、｜φ｜＝１０度〜８０度の範囲においてサイドローブ規格を満足できるものであり、観測面の範囲を従来のものよりも広範化することができ、国内主要通信衛星の全衛星（−３０度≦α≦＋３０度）に対して送受信が可能となる。

以上のように、本実施形態における平面アンテナ１０によれば、送信アンテナ部が送信する直線偏波信号の方向である水平偏波方向とＸ軸方向とのなす角τを４０度≦｜τ｜≦５０度とし、送信アンテナ部の励振振幅分布が、Ｘ軸方向に対してのみ、５ｄＢの励振振幅テーパの分布としたので、全ての国内主要通信衛星と通信することができる。すなわち、本実施形態における平面アンテナ１０は、従来のものよりも広範な偏波オフセット角の直線偏波信号を送受信することができる。

また、従来の平面アンテナでは、全ての国内主要通信衛星と通信することができないので、全ての国内主要通信衛星と通信するためには別のアンテナ（例えばパラボラアンテナ）を用意する必要があった。これに対して、本実施形態における平面アンテナ１０は、全ての国内主要通信衛星と通信することができるので、別のアンテナを用意する必要がなく、従来のものよりも低コストで衛星通信システムを構築することができる。

なお、前述の実施形態において、送信アンテナ部が水平偏波方向の直線偏波信号を送信し、受信アンテナ部が垂直偏波方向の直線偏波信号を受信する構成を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、送信アンテナ部が垂直偏波方向の直線偏波信号を送信し、受信アンテナ部が水平偏波方向の直線偏波信号を受信する構成としても同様の効果が得られる。

また、前述の実施形態において、水平偏波方向及び垂直偏波方向をそれぞれＸ軸及びＹ軸を基準とした構成を例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、水平偏波方向及び垂直偏波方向をそれぞれＹ軸及びＸ軸を基準とした構成であっても同様の効果が得られる。

以上のように、本発明に係る平面アンテナは、従来のものよりも広範な偏波オフセット角の直線偏波信号を送受信することができるという効果を有し、赤道上空の静止軌道に配置される静止衛星を利用し、送受別々の直線偏波信号を用いて通信を行う衛星通信地球局装置用の平面アンテナ等として有用である。

１０ 平面アンテナ
１１、１８、２５ 地導体
１２、１６、１９、２３ 誘電体
１３ 放射素子（第２のアンテナ素子、受信アンテナ部）
１４ 給電線路（受信アンテナ部）
１５ 給電基板（受信アンテナ部）
１７、２４ スロット開口
２０ 放射素子（第１のアンテナ素子、送信アンテナ部）
２１ 給電線路（送信アンテナ部）
２２ 給電基板（送信アンテナ部）

Claims (2)

1. 互いに直交する第１及び第２の偏波方向のうちいずれか一方の偏波方向の直線偏波信号を静止衛星に送信し、前記第１及び前記第２の偏波方向のうちいずれか他方の偏波方向の直線偏波信号を前記静止衛星から受信する平面アンテナにおいて、
   平面上で互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿ってマトリクス状に第１のアンテナ素子が配列され前記いずれか一方の偏波方向の直線偏波信号を前記静止衛星に送信する送信アンテナ部と、
   前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸に沿ってマトリクス状に第２のアンテナ素子が配列され前記いずれか他方の偏波方向の直線偏波信号を前記静止衛星から受信する受信アンテナ部とを備え、
   前記送信アンテナ部において、前記第１のアンテナ素子の偏波方向と前記Ｘ軸とのなす角の絶対値が、前記いずれか一方の偏波方向と前記静止衛星の衛星軌道面とのなす角を示す偏波オフセット角よりも予め定めた角度だけ大きい角度であり、励振振幅分布が、前記送信アンテナ部の中央部から端部に向かうに従って小さくなる分布となっており、
   前記受信アンテナ部において、前記第２のアンテナ素子の偏波方向が、前記第１のアンテナ素子の偏波方向と直交するものであることを特徴とする平面アンテナ。
2. 前記偏波オフセット角が、前記送信アンテナ部側から前記静止衛星を見て右回りを正とするとき前記静止衛星の衛星軌道面を基準として±３０度の範囲内である場合、前記第１のアンテナ素子の偏波方向と前記Ｘ軸とのなす角の絶対値が４０度から５０度までの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の平面アンテナ。

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