JP2015002490A - 給電路 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、無線機に結合する導波管−トリプレート線路変換器からすずなり状に複数のパッチアンテナに至るトリプレート線路として形成された給電路に関し、基本的な構成の変更と、物理的なサイズの増加とを伴うことなく、安価に大電力に適応できることを目的とする。
【解決手段】無線機に結合する導波管−トリプレート線路変換器からすずなり状に複数のパッチアンテナに至るトリプレート線路として形成された給電路であって、前記給電路上で、前記導波管−トリプレート線路変換器に最寄りの分岐点と、前記導波管−トリプレート線路変換器とで挟まれた区間の幅および長さは、前記区間のインピーダンスが前記分岐点の先にある支路のインピーダンスの並列値に直接整合し、かつ前記区間の損失が既定の上限値以下に抑えられる値に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線機に結合する導波管−トリプレート線路変換器からすずなり状に複数のパッチアンテナに至るトリプレート線路として形成された給電路に関する。

１０ＧＨｚ帯以上のマイクロ波帯やミリ波帯において無線伝送が行われる衛星通信系およびＦＷＡ(Fixed
Wireless Access System)では、多数のパッチアンテナのアレイからなる平面アンテナが多く採用され、これらのパッチアンテナに対する給電路は、構造が単純であって低コストで精度よく並列給電の実現が可能であり、しかも、利得および効率が高く確保可能なトリプレート線路として形成される。

従来のトリプレート給電型平面アンテナは、例えば、図４に示すように、積層されたグランド板４１、発泡シート４２-1、フレキシブル基板４３、発泡シート４２-2およびスロット板４４から構成される。

また、このようにして積層される要素は、以下の通りに構成される。
(1) グランド板４１には、その上面にプレーンアースに相当するパターンが形成される。
(2) 発泡シート４２-1、４２-2は、フレキシブル基板４３をその両面から挟むクッション材、断熱材および誘電体として構成される。

(3) フレキシブル基板４３には、格子状に配置された矩形のパッチアンテナ４３Ａ_１，１〜４３Ａｍ_，ｎのアレイに併せて、これらのパッチアンテナに対するトーナメント給電を実現する給電路４３Ｆが回路パターンとして形成される。

(4) スロット板４４の頂面の内、上記パッチアンテナに個別に対応する部位には格子状のスロット開口４４Ｓ_１，１〜４４Ｓｍ_，ｎが形成され、これらの部位以外の全面にプレーンアースパターンが形成される。

このようなトリプレート給電型平面アンテナの給電系は、例えば、図５に示すように、以下の通りに構成される。

フレキシブル基板４３上において上記パッチアンテナ４３Ａ_１，１〜４３Ａｍ_，ｎで囲まれた所定の部位に、導波管−トリプレート線路変換器（以下、単に「変換器」という。）４３Ｃが配置される。

さらに、フレキシブル基板４３上には、上記変換器４３Ｃを構成する導波管４３Ｃ_ＷＣの側壁から管内に挿入されたプローブ４３ＣＰに一端が連なり、かつ既述のトーナメント給電を実現する給電路４３Ｆの母線４３ＦＭに他端が連なると共に、幅がその母線４３ＦＭの幅と同じである幹線路４３Ｂが形成される。

また、母線４３ＦＭ上における上記幹線路４３Ｂとの接続点の近傍には、幅が母線４３ＦＭの幅より細く設定されてなるトランスフォーマ４３Ｔが回路パターンとして形成される。

変換器４３Ｃの構成要素の内、既述のプローブ４３ＣＰと対をなす導波管４３Ｃ_ＷＣは、図６に示すように、以下の要素から構成される。

(1) 図示されない無線機に接続された矩形導波管の一端に該当し（連結され）、その矩形導波管の管内に連なる矩形の開口部を有すると共に、この開口部がグランド板４１の該当する部位に接触する状態で配置される導波管フランジ４３ＣＦ

(2) 積層された発泡シート４２-1、フレキシブル基板４３および発泡シート４２-2に形成され、かつ上記開口部の仮想的な延長部に相当する貫通孔に挿嵌され、かつ既述のプローブ４３ＣＰが貫通する貫通孔を有する導電性の筒体として形成された環状部材４３ＣＲ

(3) 上記環状部材４３ＣＲにスロット板４４を介して積み重ねられ、かつ導波管フランジ４３ＣＦの管内を環状部材４３ＣＲと共に、スロット板４４の外部に延長する環状部材４３Ｃｒ

(4) 環状部材４３Ｃｒの開口部を含む頂部に架設され、かつ後述する螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5が貫通する孔が頂部に形成されたショート板４３Ｃｓ

(5) これらの孔に対応して上記導波管フランジ４３ＣＦに形成された螺子孔に螺合することにより、その導波管フランジ４３ＣＦとショート板４３Ｃｓとの間に、グランド板４１、環状部材４３ＣＲ、スロット板４４および環状部材４３Ｃｒを挟持する螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5

なお、グランド板４１、環状部材４３ＣＲ、スロット板４４および環状部材４３Ｃｒには、螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5が挿通し、これらの螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5の側壁に安定に接触する寸法および形状の内壁を有する孔（図示されない。）が予め形成される。

このような構成のトリプレート給電型平面アンテナでは、導波管４３Ｃ_ＷＣは、既述の導波管フランジ４３ＣＦとショート板４３Ｃｓとの間に、螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5によって挟持され、かつこれらの螺子４３Ｓ-1〜４３Ｓ-5によって電気的に接続されたグランド板４１、環状部材４３ＣＲ、スロット板４４および環状部材４３Ｃｒの内壁によって形成される。

さらに、図５において、プローブ４３ＣＰは、図示されない送信機によって出力され、かつ導波管４３Ｃ_ＷＣの管内を伝搬する基本モードの電磁界として引き渡された送信波を「トリプレート線路の電磁界」に変換する。
フレキシブル基板４３上では、この「トリプレート線路の電磁界」は、既述の幹線路４３Ｂおよびトランスフォーマ４３Ｔを介して母線４３ＦＭに引き渡され、さらに、パッチアンテナ４３Ａ_１，１〜４３Ａｍ_，ｎに対してトーナメント給電される。

このような給電の過程では、トランスフォーマ４３Ｔは、幅が母線４３ＦＭより狭く設定されることによって、同じ幅で形成されたその母線４３ＦＭと幹線路４３Ｂとの間におけるインピーダンス整合を図る。

したがって、パッチアンテナ４３Ａ_１，１〜４３Ａｍ_，ｎに対するトーナメント給電が、高い利得や効率の可能性というトリプレート線路の利点が損なわれることなく安価に実現される。

なお、本発明に関連性がある先行技術としては、以下に示す特許文献１がある。

(1) 「基板に形成したストリップラインを両側より約2mmの空隙をおいて接地基板で挾んだトリプレート構成であって、上記接地基板の一方に放射素子を形成し、各放射素子へストリップラインの給電線により給電するようにした平面アンテナにおいて、19.05×9.525mmサイズの導波管の両側面から、幅が約1.7mmの最終の給電点のストリップラインを挿入し、この２つのストリップラインの間隔を0.5〜1.0mm程度とし、且つ両ストリップラインから導波管に入力される電力の位相差を180°としたストリップライン−導波管変換器を形成する」ことによって、「良好な電力合成（分岐）を図ることができる導波管による給電を可能にした」点に特徴がある平面アンテナ…特許文献１

特公平７−５２８０３号公報

ところで、上述したトリプレート給電型平面アンテナでは、送信波の電力が従来の２５ワットより大幅に大きな５０ワット程度となると、幹線路４３Ｂで熱に変換される損失が大きくなる。

しかも、幹線路４３Ｂは、断熱性が高い発泡シート４２-1、４２-2で挟まれ、さらに、グランド板４１とスロット板４４とによっても挟まれているために、１５０°Ｃ程度まで加熱される。

また、トランスフォーマ４３Ｔは、既述の通りに幹線路４３Ｂや母線４３ＦＭに比べて幅が狭いために、例えば、１１５°Ｃ程度まで加熱される。

しかし、発泡シート４２-1、４２-2は、耐熱温度が９０°Ｃないし１３０°Ｃと低いために、幹線路４３Ｂやトランスフォーマ４３Ｔに接触する部位が溶ける。このような状態では、トリプレート線路として好適な特性インピーダンス等の特性が劣化するために、所望の大電力の送信波の送信が阻まれる。

すなわち、従来例では、送信電力が高くなるほど、給電路を構成するトリプレート線路の放熱性が本来的に低いために、特性の確保や安定性が損なわれ、総合的な性能や信頼性が著しく損なわれる可能性があった。

本発明は、基本的な構成の変更と、物理的なサイズの増加とを伴うことなく、安価に大電力に適応できる給電路を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明では、無線機に結合する導波管−トリプレート線路変換器からすずなり状に複数のパッチアンテナに至るトリプレート線路として形成された給電路であって、
前記給電路上で、前記導波管−トリプレート線路変換器に最寄りの分岐点と、前記導波管−トリプレート線路変換器とで挟まれた区間の幅および長さは、前記区間のインピーダンスが前記分岐点の先にある支路のインピーダンスの並列値に直接整合し、かつ前記区間の損失が既定の上限値以下に抑えられる値に設定される。

すなわち、導波管−トリプレート線路変換器から給電路上の分岐点に至る区間の幅および長さは、インピーダンス不整合と、無用に損失が生じることがない値に設定される。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の給電路において、 前記幅および長さは、 前記導波管−トリプレート線路変換器を介して供給される電力の下で、前記給電路が晒される環境における前記給電路の温度と、前記給電路の発熱量との双方または何れか一方が既定の限度内に抑えられる値に設定される。

すなわち、導波管−トリプレート線路変換器から給電路上の分岐点に至る区間の幅および長さは、インピーダンス不整合と、無用な損失とに起因して生じる温度や発熱量が既定の限度内となる値に設定される。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の給電路において、前記導波管−トリプレート線路変換器から前記複数のパッチアンテナに対するトーナメント給電を実現するトリプレート線路として形成される。

すなわち、本発明に係る給電路では、導波管−トリプレート線路変換器から複数のパッチアンテナに個別に至る何れの経路の幅にも大きな格差が伴うことなく、これらのパッチアンテナに対して給電される無線信号のレベルおよび位相が所望の値に精度よく設定される。

本発明に係る給電路は、トリプレート線路として形成されることによって、機構的に放熱効率が低く、かつ無線機から導波管−トリプレート線路変換器を介して供給される電力が大きい場合であっても、加熱と、その加熱に起因する特性の劣化が回避される。

また、本発明に係る給電路では、トリプレート線路として形成されることによって、機構的に放熱効率が低く、かつ無線機から導波管−トリプレート線路変換器を介して供給される電力が大きい場合であっても、加熱に起因する発熱量およびその加熱は、特性が劣化しない限度内に抑えられる。

したがって、本発明が適用された空中線系では、個々のパッチアンテナに対する給電が簡便に精度よく所望の形態で実現され、しかも、特性および信頼性が高く維持される。

本発明の一実施形態を示す図である。 本実施形態における給電系の温度分布を示す図である。 本発明が適用された偏波共用形のトリプレート給電形平面アンテナの外観を示す図である。 トリプレート給電型平面アンテナの構成例を示す図である。 従来のトリプレート給電型平面アンテナの給電系の構成を示す図である。 従来の給電系の断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態を示す図である。
図において、図４および図５に示すものと機能が同じ要素については、同じ符号を付与し、ここでは、その説明を省略する。

本実施形態では、フレキシブル基板４３上の構成は、以下の点で図４および図５に示す従来例と異なる。
(1) 変換器４３Ｃが母線４３ＦＭの至近点に配置される。
(2) これに伴い、幹線路４３Ｂの長さが短く設定される。

(3) さらに、幹線路４３Ｂの幅が従来例に比べて約２．５倍の（インピーダンスが１／２倍となる）値に設定される。
(4) また、幹線路４３Ｂは母線４３ＦＭに直接連なる回路パターンとして形成され、図１に点線枠で示すように、両者の接続点には、トランスフォーマ４３Ｔが形成されない。

以下、図１を参照して、本実施形態の動作を説明する。
プローブ４３ＣＰは、送信機によって出力され、かつ導波管４３Ｃ_ＷＣの管内を伝搬する基本モードの電磁界として引き渡された送信波を従来例と同様に「トリプレート線路の電磁界」に変換する。

フレキシブル基板４３上では、この「トリプレート線路の電磁界」は、既述の幹線路４３Ｂを介して母線４３ＦＭに引き渡される。

このようにして送信機によって出力された送信波は、母線４３ＦＭに引き渡され、かつ従来例と同様にしてパッチアンテナ４３Ａ_１，１〜４３Ａｍ_，ｎにトーナメント給電される。

また、上記電気信号の母線４３ＦＭに対する引き渡しは、幹線路４３Ｂの太さが従来例に比べて約２．５倍の（インピーダンスが１／２倍となる）値に設定されるため、トランスフォーマ４３Ｔが介在しなくても、母線４３ＦＭが幹線路４３Ｂから２方向に分岐することに起因するインピーダンス不整合を伴うことなく行われる。

さらに、幹線路４３Ｂは、変換器４３Ｃが母線４３ＦＭの至近点に配置されるため、従来例より大幅に長さが短く設定される。

すなわち、プローブ４３ＣＰと母線４３ＦＭとの間に介在する幹線路４３Ｂの電気抵抗は、従来例に比べて大幅に低くなる。

このように本実施形態によれば、送信波の電力が従来例より大幅に大きな５０ワット程度となっても、その電力の内、幹線路４３Ｂで熱に変換される割合が従来例より大幅に小さな値となる。

したがって、各部の温度は、例えば、図２に示すように、発泡シート４２-1、４２-2の耐熱温度（９０°Ｃないし１３０°Ｃ）より小さな値に抑えられる。
(1) 幹線路４３Ｂの温度は、約６０°Ｃとなる。

(2) トランスフォーマ４３Ｔのように幅が狭い部位が介在しないため、発泡シート４２-1、４２-2の耐熱温度を超える箇所が無くなる。
(3) 母線４３ＦＭの温度は、８０°Ｃ以下となる。

すなわち、給電路やパッチアンテナ４３Ａ_１，１〜４３Ａｍ_，ｎの形状、寸法、配置の何れもが大幅に変更されることなく、その給電路を構成するトリプレート線路に固有の低い放熱性の下で、大電力の送信電力に対する適応が可能となる。

さらに、パッチアンテナ４３Ａ_１，１〜４３Ａｍ_，ｎの総合的な利得は、例えば、幹線路４３Ｂの長さが７６ミリメートルから１９ミリメートルに短縮されたので、上記熱に変換される損失が軽減されることにより、約０．１デシベル向上する。

したがって、本実施形態によれば、送信電力が大きい場合、あるいは広範に変化し得る場合であっても、空中線系の特性や信頼性が安定に確保される。

なお、本実施形態では、発泡シート４２-1、４２-2は、板状の発泡材に限定されず、所望の周波数において、適切な誘電体として機能するならば、如何なる素材で構成されてもよい。

また、本実施形態では、フレキシブル基板４３の素材は、所望の特性が得られるならば、如何なるものであってもよく、例えば、周波数と物理的なサイズとの兼ね合いのために波長が調整されるべき場合には、実効的なＱおよび比誘電率の値が好適であるセラミック等であってもよい。

さらに、本実施形態では、母線４３ＦＭが幹線路４３Ｂとの接続点で２方向に分岐しているが、これらの幹線路４３Ｂと母線４３ＦＭとの間におけるインピーダンス整合が図られ、かつ両者で発生する熱量が所望の閾値未満に抑えられるならば、上記接続点で母線４３ＦＭが３つ以上の方向に分岐してもよい。

また、本実施形態では、本発明は、上記幹線路４３Ｂと母線４３ＦＭとの接続点のみに適用されている。

しかし、本発明は、このような接続点のみに限定されず、例えば、その母線４３ＦＭに連なり、かつトーナメント給電のために形成される後続の分岐点にも、同様に適用可能である。

さらに、本発明は、ＫＵバンド（１３．７５ギガヘルツ〜１４．５ギガヘルツ）だけではなく、トリプレート給電型平面アンテナが構成できる周波数帯（主に、１０ギガヘルツないし８０ギガヘルツ）であれば、同様に適用可能である。

また、本発明は、回路基板上に母線４３ＦＭを含む給電路、幹線路４３Ｂ、パッチアンテナ４３Ａ_１，１〜４３Ａｍ_，ｎがパターンとして形成されるアンテナであれば、適用可能である。

さらに、本発明は、上りのリンクと下りのリンクとで共通の偏波で無線伝送路を形成する偏波専用型の平面アンテナだけではなく、例えば、図３に示すように、これらのリンクで互いに直交する偏波で無線伝送路を形成する偏波共用形の平面アンテナにも同様に適用可能である。

さらに、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲において多様な実施形態の構成が可能であり、構成要素の全てまたは一部に如何なる改良が施されてもよい。

４１ グランド板
４２ 発泡シート
４３ フレキシブル基板
４３Ａ パッチアンテナ
４３Ｂ 幹線路
４３Ｃ 導波管−トリプレート線路変換器
４３ＣＦ 導波管フランジ
４３ＣＰ プローブ
４３ＣＲ 環状部材
４３Ｃｒ 環状部材
４３Ｃｓ ショート板
４３Ｃ_ＷＣ 導波管
４３Ｆ 給電路
４３ＦＭ 母線
４３Ｔ トランスフォーマ
４４ スロット板
４４Ｓ スロット開口

Claims (3)

1. 無線機に結合する導波管−トリプレート線路変換器からすずなり状に複数のパッチアンテナに至るトリプレート線路として形成された給電路であって、
   前記給電路上で、前記導波管−トリプレート線路変換器に最寄りの分岐点と、前記導波管−トリプレート線路変換器とで挟まれた区間の幅および長さは、
   前記区間のインピーダンスが前記分岐点の先にある支路のインピーダンスの並列値に直接整合し、かつ前記区間の損失が既定の上限値以下に抑えられる値に設定された
   ことを特徴とする給電路。
2. 請求項１に記載の給電路において、
   前記幅および長さは、
   前記導波管−トリプレート線路変換器を介して供給される電力の下で、前記給電路が晒される環境における前記給電路の温度と、前記給電路の発熱量との双方または何れか一方が既定の限度内に抑えられる値に設定された
   ことを特徴とする給電路。
3. 請求項１または請求項２に記載の給電路において、
   前記導波管−トリプレート線路変換器から前記複数のパッチアンテナに対するトーナメント給電を実現するトリプレート線路として形成された
   ことを特徴とする給電路。