JP2013214862A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主偏波の主ビーム方向近傍における交差偏波の主ビームレベルを低減するアンテナ装置を得る。
【解決手段】一次放射器１_１，１_２を、平面反射鏡上の各反射素子４からの距離が異なる場所に配置し、一次放射器１_１，１_２から反射素子４までの光路長を異ならせ、各偏波において同一の所望方向へ主偏波主ビームを向けるための反射位相となる反射素子４の寸法にする。
したがって、各一次放射器の反射素子４の主偏波方向の寸法が同一とならないため、交差偏波の主ビームを主偏波の主ビーム方向とは幾何光学的に異なる方向へ向け、主偏波の主ビーム方向近傍では交差偏波の主ビームレベルを低減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次放射器と地板・導体パターンの反射素子からなる平面反射鏡で構成され、直交二偏波のそれぞれの主偏波主ビーム方向付近における交差偏波レベルを低減するアンテナ装置に関する。

衛星搭載用アンテナとして、パラボラアンテナやフェーズドアレーアンテナが知られている。
近年では、パラボラアンテナと比較して、製造が容易で、かつ同様に高利得が期待でき、また、フェーズドアレーアンテナのような重いモジュールを用いずに、ビーム走査が可能なアンテナとして、リフレクトアレーアンテナが注目を集めている。
なお、衛星搭載用アンテナでは、交差偏波レベルを下げることで、不要な電波を受信せずに、アンテナ性能や通信品質を向上させることが重要である。

ここで、リフレクトアレーアンテナは、電波を放射する一次放射器と、その一次放射器から放射された電波を反射する平面反射鏡とから構成されているアンテナ装置である。
また、リフレクトアレーアンテナの平面反射鏡は、導体地板の上に誘電体基板が重ねられ、その誘電体基板上に反射素子である導体パターンが複数個配置された構成である。
平面反射鏡に並べられている反射素子には、一次放射器からの光路長が一定となるような反射位相を有する反射素子を複数個配置することで、一次放射器から放射された電波のビームが所望方向に向けられる。

なお、非特許文献１では、リフレクトアレーアンテナの反射素子としてパッチアンテナを用い、反射素子の寸法を変更することで反射位相を調整することが開示されている。

また、特許文献１では、２つの互いに直交する偏波を放射する一次放射器を、それぞれが異なる方向から平面反射鏡に照射できるように配置し、周波数選択板を採用して各偏波の所望周波数の主ビームの方向を独立に異なる方向へ向けることが開示されている。

特開２０１０−２２６６９５号公報

M.E.Bialkowski,K.H.Sayidmarie, "Investigations Into Phase Characteristics of a Single Layer Reflectarray Employing Patch or Ring Elements of Variable Size," IEEE Trans. On Ant. and Propagation, Vol. 56, No. 11, Nov. 2008.

非特許文献１のリフレクトアレーアンテナでは、反射素子の寸法を変更して反射位相を調整する際、主偏波方向と交差偏波方向の反射素子の寸法を同一として変更することが主流である。
そのため、主偏波の主ビームを所望方向へ向ける位相とするために、平面反射鏡の各反射素子の寸法を変更して反射位相を調整すると、各反射素子は主偏波方向と交差偏波方向の寸法が同一であることに起因して、主偏波の主ビーム交差偏波の主ビームが同一の反射位相で平面反射鏡から反射される。
したがって、主偏波の主ビームのみならず、交差偏波の主ビームも同一の反射位相となるため、主偏波の主ビーム方向ではヌル、主ビーム方向近傍では高いレベルの交差偏波の主ビームが現れる課題がある。

また、特許文献１では、２つの一次放射器から放射される主偏波の主ビーム方向を調整することが可能であるが、主偏波の主ビーム方向付近に生じる交差偏波レベルは、各一次放射器が近くに設置されているため、位相差が小さく、高い交差偏波が生じており、その交差偏波の低減に関しては検討されていない。

本発明は、主偏波の主ビーム方向近傍における交差偏波の主ビームレベルを低減するアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、第１及び第２の一次放射器を、平面反射鏡上の各反射素子からの距離が異なる場所に配置し、複数の反射素子における第１の一次放射器の主偏波方向の寸法を、第１の一次放射器から反射素子までの各光路長が一定となり、かつ所望方向で同相となる反射位相に対応する寸法に設定し、複数の反射素子における第１の一次放射器の主偏波方向と直交した偏波を放射する第２の一次放射器の主偏波方向の寸法を、第２の一次放射器から反射素子までの各光路長が一定となり、かつ所望方向で同相となる反射位相に対応する寸法に設定したものである。

本発明によれば、第１及び第２の一次放射器を、平面反射鏡上の各反射素子からの距離が異なる場所に配置し、第１及び第２の一次放射器から反射素子までの光路長を異ならせ、各偏波において同一の所望方向へ主偏波主ビームを向けるための反射位相となる反射素子の寸法とすることで、各一次放射器の反射素子の主偏波方向の寸法が同一とならないため、交差偏波の主ビームを主偏波の主ビーム方向とは幾何光学的に異なる方向へ向け、主偏波の主ビーム方向近傍における交差偏波の主ビームレベルを低減することができる効果がある。

本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 アンテナ装置の基準となる方向を示す模式図である。 反射素子の寸法と反射位相の関係を示す特性図である。 平面反射鏡における位相分布を示す分布図である。 平面反射鏡における位相分布を示す分布図である。 放射特性を示す特性図である。 主偏波主ビーム方向と交差偏波主ビーム方向とを示す模式図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の他の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の他の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の他の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の他の構成を示す斜視図である。 反射素子の他の構成を示す斜視図である。 反射素子の他の構成を示す斜視図である。 反射素子の他の構成を示す斜視図である。 反射素子の他の構成を示す斜視図である。

以下、本発明によるアンテナ装置の構成を好適な実施の形態に基づいて図面を参照しながら説明する。なお、各図において同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成図である。
図１において、アンテナ装置は、離れた位置に配置され、２つの独立な偏波を放射する一次放射器１_１，１_２と、平面反射鏡とから構成され、その平面反射鏡は、地導体板２と、地導体板２に重ね合わせられた誘電体基板３と、誘電体基板３上に形成され、Ｎ（Ｎは任意の自然数）個の矩形導体パターンによる反射素子４とから構成される。

本アンテナ装置は、互いに異なる直交偏波を放射する一次放射器１_１，１_２を有し、それぞれの一次放射器は、平面反射鏡に対して図２に示すｚ軸上で、相互にｘ軸方向に離れた位置に、平面反射鏡の放射方向上に配置される。
それにより、それぞれの一次放射器から平面反射鏡の各反射素子４までの光路長が異なる構成である。

本アンテナ装置における反射素子４の寸法を説明する。
誘電体基板３上に任意の間隔で配置されているＮ個の反射素子４は、一次放射器１_１から放射される主偏波方向の寸法５と、一次放射器１_２から放射される主偏波方向の寸法６が、必ずしも全ての反射素子４において等しくする必要はない。

Ｎ個の反射素子４の一次放射器１_１からの主偏波方向の寸法５は、一次放射器１_１の設置されている位置からの各光路長が一定となり、かつビーム所望方向で同相となる反射位相となるように寸法を決定する。
また、一次放射器１_２からの主偏波方向の寸法６は、一次放射器１_２からの各光路長が一定となり、かつビーム所望方向で同相となる反射位相となるように寸法を決定する。
互いの一次放射器１_１，１_２の交差偏波方向は、他方の主偏波方向となる。
これにより、それぞれの一次放射器１_１，１_２からの交差偏波の主ビーム方向は、一次放射器１_１，１_２の主偏波の主ビーム方向とは幾何光学的に異なる方向へ向けることが可能である。

各反射素子４の寸法は、次式（１）に示すとおりである。
Ｌ^ｘ _ｎ＝Ｌ（ｎ）_１
Ｌ^ｙ _ｎ＝Ｌ（ｎ）_２
・・・（１）

ここで、Ｌ（ｎ）_１は、一次放射器１_１の反射素子４の主偏波方向の寸法、Ｌ（ｎ）_２は、一次放射器１_２の反射素子４の主偏波方向の寸法を示しており、Ｌ（ｎ）_１とＬ（ｎ）_２は、必ずしも等しくない。

Ｌ（ｎ）_１とＬ（ｎ）_２は、次式（２）から決まる反射位相となる寸法である。
φ_１＝ｋ_０ｄ_ｎ１−ｋ_０（ｘ_ｎｓｉｎθ_ｂ１ｃｏｓφ_ｂ１＋ｙ_ｎｓｉｎθ_ｂ１ｓｉｎφ_ｂ１）
φ_２＝ｋ_０ｄ_ｎ２−ｋ_０（ｘ_ｎｓｉｎθ_ｂ２ｃｏｓφ_ｂ２＋ｙ_ｎｓｉｎθ_ｂ２ｓｉｎφ_ｂ２）
・・・（２）

ここで、φ_１は一次放射器１_１からの光路長を考慮した反射位相、φ_２は一次放射器１_２からの光路長を考慮した反射位相である。
ｋ_０は自由空間における波数、ｄ_ｎ１は一次放射器１_１からｎ番目の反射素子４までの距離、ｄ_ｎ２は一次放射器１_２からｎ番目の反射素子４までの距離である。
θ_ｂ１及びφ_ｂ１は図２の座標で示す一次放射器１_１の主偏波の主ビーム方向７、θ_ｂ２及びφ_ｂ２は図２の座標で示す一次放射器１_２の主偏波の主ビーム方向８、ｘ_ｎ及びｙ_ｎはｎ番目の反射素子４の図２で示すｘ座標及びｙ座標を示す。なお、同図では簡略化のため、反射素子４を省略している。

図３に、反射素子４の寸法と反射位相の関係の一例を示す。
反射素子４の寸法を変更することで、反射位相９は徐々に変化する。この反射位相９に対応した寸法を採用することで各反射素子４の反射位相の調整を実施する。

図４及び図５に、一次放射器１_１と一次放射器１_２の距離を、１０ＧＨｚで５波長だけｘ方向に離した場合の平面反射鏡における位相分布の一例を示す。
図４の位相分布１０はｘ方向に２．５波長、図５の位相分布１１はｘ方向に−２．５波長の位置に、一次放射器１_１，１_２を配置した場合のｚ軸方向で同相となる位相分布を示している。
各一次放射器１_１，１_２からの光路長が変化するため、平面反射鏡における位相分布が異なる。

また、図６に上述の平面反射鏡における反射位相とした場合の放射特性を一例として示す。
同図には、一次放射器１_１の偏波をｚ方向に向けるための反射位相となる反射素子４の寸法とした場合における一次放射器１_１による主偏波主ビーム１２と、一次放射器１_２の交差偏波主ビーム１３示す。
一次放射器１_１の交差偏波主ビームは、一次放射器１_１の主ビーム付近でレベルは低い。

さらに、この様子を図７に示す。
一次放射器１_１の主偏波の主ビームは、各反射素子４の一次放射器１_１の主偏波方向寸法５の設定によって、所望方向へ向けることが可能である。
また、一次放射器１_２の主偏波の主ビームは、各反射素子４の一次放射器１_２の主偏波方向寸法６の設定によって、所望方向へ向けることが可能である。
一方、一次放射器１_１，１_２からの交差偏波方向は、各反射素子４の寸法において、もう一方の一次放射器１_１，１_２の主偏波方向となる。

以上のように、本実施の形態１によれば、一次放射器１_１，１_２を、平面反射鏡上の各反射素子４からの距離が異なる場所に配置し、一次放射器１_１，１_２から反射素子４までの光路長を異ならせ、各偏波において同一の所望方向へ主偏波主ビームを向けるための反射位相となる反射素子４の寸法とした。
したがって、各一次放射器の反射素子４の主偏波方向の寸法が同一とならないため、交差偏波の主ビームを主偏波の主ビーム方向とは幾何光学的に異なる方向へ向け、主偏波の主ビーム方向近傍では交差偏波の主ビームレベルを低減することができる。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２によるアンテナ装置の構成図である。
図８において、アンテナ装置は、離れた位置に配置され、２つの独立な偏波を放射する一次放射器１_１，１_２と、平面反射鏡とから構成され、その平面反射鏡は、地導体板２と、地導体板２に重ね合わせられた誘電体基板３と、誘電体基板３上に形成され、Ｎ個の矩形導体パターンによる反射素子４とから構成される。

本アンテナ装置は、互いに異なる直交偏波を放射する一次放射器１_１，１_２を有し、それぞれの一次放射器１_１，１_２は、平面反射鏡の放射を阻害しないよう、図２の座標系の同一のｘ方向に、両一次放射器１_１，１_２を放射方向からオフセットした位置に配置されている。
放射を阻害しないように一次放射器１_１，１_２を配置することで、利得の低下を発生させない特徴を有し、かつ、それぞれの一次放射器１_１，１_２からの主偏波主ビーム方向における交差偏波主ビームのレベルを低減させることが可能である。

また、図８では両一次放射器１_１，１_２を同一のｘ方向にオフセットさせているが、その限りではなく、図９から図１１に示すように構成しても良い。
図８と同様に平面反射鏡の放射を阻害しないように、図９は、一方の一次放射器１_１を図２の座標の−ｘ方向、もう一方の一次放射器１_２を図２の座標の＋ｘ方向へオフセットさせた構成である。
図１０は、一方の一次放射器１_１をｘ方向、もう一方の一次放射器１_２をｙ方向へオフセットさせた構成である。
図１１は、一方の一次放射器１_１を平面反射鏡の放射方向に放射を阻害しないようにオフセットさせ、もう一方の一次放射器１_２を放射を阻害するように配置した構成である。
以上のように、一次放射器１_１，１_２の配置により、利得の低下を低減させ、配置の自由度を持たせることが可能である。

また、反射素子４は、誘電体基板３上に設けられているとして説明したが、その限りではなく、図１２に示すように誘電体基板３の代わりに空気層１４としても良い。
図１２は、図１に示した誘電体基板３の代わりに空気層１４を設け、また、スペーサ（支持体：図示せず）を、反射素子４と地導体板２との間に設けて、各反射素子４を支持する構成である。
以上のように、誘電体基板３の代わりに空気層１４を設けることも可能であり、部材の自由度を持たせることが可能である。

さらに、反射素子４は、単なる矩形パッチとして説明したが、この限りではなく、図１３から図１６に示す形状としてもよい。
これらの形状は、いずれも主偏波方向の寸法５と交差偏波方向の寸法６が独立に調整が可能であり、したがって、主偏波と交差偏波の反射位相を独立に制御することが可能な形状である。
図１３は、矩形で任意の幅１５を有するリング状の反射素子である。
図１４は、矩形で任意の幅１５，１６を有する２重のリング状の反射素子である。
図１５は、２つのダイポールを直交させた任意の幅１７を有するクロスダイポール状の反射素子である。
図１６は、図１５のクロスダイポールが任意の幅１８を有するリング状の反射素子としたものである。
各反射素子の寸法５と寸法６の決定は、上述した通りである。
以上のように、様々な形状の反射素子４を設けることも可能であり、部材の自由度を持たせることが可能である。

さらに、各一次放射器１_１，１_２の主偏波の主ビーム方向を同一の所望方向としたが、各一次放射器１_１，１_２の主偏波の主ビーム方向を同一ではなく、異なる所望方向としてもよい。
以上のように、各一次放射器１_１，１_２の主偏波の主ビーム方向を様々な方向にすることも可能であり、主偏波の主ビーム方向の自由度を持たせることが可能である。

以上のように、本実施の形態２によれば、一次放射器１_１，１_２の配置により、利得の低下を低減させ、配置の自由度を持たせることができる。
また、誘電体基板３の代わりに空気層１４を設けることも可能であり、部材の自由度を持たせることができる。
さらに、様々な形状の反射素子４を設けることも可能であり、部材の自由度を持たせることが可能である。
さらに、各一次放射器１_１，１_２の主偏波の主ビーム方向を様々な方向にすることも可能であり、主偏波の主ビーム方向の自由度を持たせることが可能である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１_１，１_２ 一次放射器、２ 地導体板、３ 誘電体基板、４ 反射素子、５，６ 寸法、７，８ 主ビーム方向、９ 反射位相、１０，１１ 位相分布、１２ 主偏波主ビーム、１３ 交差偏波主ビーム、１４ 空気層、１５〜１８ 幅。

Claims (6)

1. 互いに直交する偏波の電波を放射する第１の一次放射器及び第２の一次放射器と、
   上記第１及び第２の一次放射器から放射された電波を反射する平面反射鏡とを備えたアンテナ装置において、
   上記平面反射鏡は、
   地導体板上に誘電体基板が重ねられ、該誘電体基板上に導体パターンである反射素子が所定の間隔で複数個配置され、
   上記第１及び第２の一次放射器は、
   上記平面反射鏡上の各反射素子からの距離が異なる場所に配置され、
   上記複数の反射素子における上記第１の一次放射器の主偏波方向の寸法は、
   該第１の一次放射器から該反射素子までの各光路長が一定となり、かつ所望方向で同相となる反射位相に対応する寸法に設定され、
   上記複数の反射素子における上記第１の一次放射器の主偏波方向と直交した偏波を放射する上記第２の一次放射器の主偏波方向の寸法は、
   該第２の一次放射器から該反射素子までの各光路長が一定となり、かつ上記所望方向で同相となる反射位相に対応する寸法に設定されたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 第１及び第２の一次放射器は、平面反射鏡の放射軸方向に配置されたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 第１の一次放射器は、平面反射鏡の放射軸方向からオフセットされた離れた位置に配置され、第２の一次放射器は、平面反射鏡の放射軸方向に配置されたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 第１及び第２の一次放射器は、平面反射鏡の放射軸方向からオフセットされた離れた位置に配置されたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
5. 平面反射鏡は、地導体板と反射素子との間を空気層としたことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。
6. 第１及び第２の一次放射器は、主偏波の所望方向が異なるようにしたことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。

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