JP2015162689A - ホーンアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】設置面積の増大を抑えつつ、複数種の周波数帯域の電磁波を送受信可能なホーンアンテナ装置を提供する。【解決手段】開口を有するホーンと前記ホーンに連通した給電導波管とを有する寸法の異なるホーンアンテナが複数入れ子状に構成され、前記ホーンアンテナの各々が、前記ホーンアンテナ毎に予め決められた周波数帯域の電磁波のみを反射し、それ以外の周波数帯域の電磁波を透過するホーンアンテナ装置である。【選択図】図１

Description

本発明は、ホーンアンテナ装置に関する。

ホーンアンテナ装置は、方形や円形の給電導波管の一端を徐々に広げて所要の開口をもたせたものである。ホーンアンテナ装置は、単体の放射器として用いられるほか、反射鏡アンテナなどの一次放射器として用いられる。また、ホーンアンテナ装置は、インピーダンス特性が広帯域にわたって良いことも特長である（非特許文献１）。近年、ホーンアンテナ装置は、無線通信システムにおいて、複数種の周波数帯域を利用したサービスに用いられている。

田中祥次、６章開口面アンテナ、［online］、電子情報通信学会知識ベース知識の森、[平成２６年２月１７日検索]、インターネット＜URL：http://www.ieice-hbkb.org/files/04/04gun_02hen_06.pdf＞

しかしながら、ホーンアンテナ装置で複数種の周波数帯域を使用する際には、それぞれの周波数帯域に対応したホーンアンテナを用いる必要がある。よって、そのホーンアンテナを用いて、受信する対象となる信号の周波数帯域の種類が増加すると、ホーンアンテナ装置の数が増え、その設置面積が増大することが問題となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、設置面積の増大を抑えつつ、複数種の周波数帯域の電磁波を送受信可能なホーンアンテナ装置を提供することである。

本発明の一態様は、開口を有するホーンと前記ホーンに連通した給電導波管とを有する寸法の異なるホーンアンテナが複数入れ子状に構成され、前記ホーンアンテナの各々が、前記ホーンアンテナ毎に予め決められた周波数帯域の電磁波のみを反射し、それ以外の周波数帯域の電磁波を透過するホーンアンテナ装置である。

本発明の一態様は、上述のホーンアンテナ装置であって、前記ホーンアンテナの各々の壁面が、予め決められた周波数帯域の電磁波のみを反射するメタマテリアルで形成されている。

本発明の一態様は、上述のホーンアンテナ装置であって、前記複数のホーンアンテナのグランド板を共通とする。

本発明の一態様は、上述のホーンアンテナ装置であって、前記ホーンアンテナの各々の周波数帯域毎に設けられた放射素子を有する。

本発明の一態様は、上述のホーンアンテナ装置であって、前記ホーンアンテナの各々の周波数帯域の電磁波を放射する放射素子を有する。

以上説明したように、本発明によれば、複数種の周波数帯域の電磁波を送受信可能なホーンアンテナ装置を提供することで、アンテナ設置面積を削減することができる。

本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置１の側面図を示す図である。 本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置１の給電部３を示す図である。 実施例１に係るアンテナ装置の給電部を示す図である。 実施例１に係るアンテナ装置の給電部における給電導波管３０ａ、３０ｂの各辺の長さを説明する図である。 実施例１に係るアンテナ装置の給電部における給電導波管３０ａのメタマテリアル１００の寸法を説明する図である。 実施例１に係るアンテナ装置の給電部における給電導波管３０ｂのメタマテリアル２００の寸法を説明する図である。 実施例１に係るアンテナ装置の放射する周波数が２．１ＧＨｚ帯と４．１ＧＨｚ帯とのＶＳＷＲ（電圧定在波比：voltage standing wave ratio）特性を示した図である。 実施例１に係るホーンアンテナ装置の２．１ＧＨｚ帯及び４．１ＧＨｚ帯における水平放射パターンを示す図である。 実施例２に係るアンテナ装置の構成例を示す図である。 実施例２に係るアンテナ装置の給電部における給電導波管４０ａ、４０ｂの各辺の長さを説明する図である。 実施例２に係るホーンアンテナ装置の２．０ＧＨｚ帯及び４．０ＧＨｚ帯における水平放射パターンを示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置の側面図を示す図である。この図において、符号１はホーンアンテナ装置を示す。なお以降の説明に用いる各図面においては、それぞれの図に図示した空間において互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向を規定して説明する。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置１は、給電部３とホーン部２とを有する。ホーンアンテナ装置１は、主にマイクロ波以上の周波数帯の電磁波を送信または受信するために用いられる。
ホーン部２は、給電部３の先端側に設けられたホーンであり、入れ子状に構成されたホーン２ａ、２ｂ、２ｃとアンテナ開口部６ａ、６ｂ、６ｃとを有する。具体的には、ホーン２ｃ内にホーン２ｂが、ホーン２ｂ内にホーン２ａが入れ子状に重なるように構成されている。また、ホーン２ｃの上面からホーン２ｂの一部が飛び出た状態に構成されている。また、ホーン２ｂの上面からホーン２ａの一部が飛び出た状態に構成されている。ここで、入れ子状とは、その内部に外径の異なる複数の類似形状の一部又は全体を包含する状態である。ただし、本発明は、複数のホーンが入れ子状に構成されていればよい。つまり、ホーン２ｃの上面からホーン２ｂの一部が飛び出た状態に構成されていなくてもよい。また、ホーン２ｂの上面からホーン２ａの一部が飛び出た状態に構成されていなくてもよい。

ホーン２ａ、２ｂ、２ｃの各々は、横断面形状が長方形であり、Ｘ方向に向かうに従って、Ｘ軸に垂直な面の面積が漸次拡大した四角錐台状に形成されている。そして、ホーン２ａ、２ｂ、２ｃは、壁面がメタマテリアルで形成されている。

メタマテリアルは、誘電体や導体のパターンなどを周期配列する構造体であり、その周期配列構造に応じて、入射される電磁波のうち特定の周波数帯域に属する電磁波のみを反射する特性を有する。

ホーン２ａ、２ｂ、２ｃの各々は、壁面がそれぞれ異なった周期配列構造のメタマテリアルで構成されている。よって、ホーン２ａ、２ｂ、２ｃの各々は、壁面を構成するメタマテリアルによって、それぞれ異なった周波数帯域に属する電磁波を反射する。

ホーン２ａ、２ｂ、２ｃの各々の先端側はアンテナ開口部６ａ、６ｂ、６ｃとなっている。また、ホーン２ａ、２ｂ、２ｃの各々は、ホーン２ａ、２ｂ、２ｃの各々の内部空間と給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃ（後述）の内部空間とを連通させるように、先端側とは反対側の基端側が給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃの各々の先端側に接続されている。

給電部３は、ホーン部２の基端側に設けられている。給電部３は、給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃとケーブル４と励振線５とグランド板７とを有している。給電部３は、入れ子状に給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃを有している。例えば、給電導波管３ｃの中に給電導波管３ｂが配置され、給電導波管３ｂの中に給電導波管３ａが配置されている。また、給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃの各々は、グラウンド板を共通化している。

図２は、本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置１の給電部３を示す図である。図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置１の給電部３の斜視図である。図２（ｂ）は、本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置１の給電部３の正面図である。図２（ｃ）は、本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置１の給電部３の側面図である。

給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃは、基端側が閉塞されると共に先端側が開口し、横断面形状が長方形の角筒体である。
給電導波管３ａは、先端側がホーン２ａの基端側と接続されており、壁面がホーン２ａと同一のメタマテリアルで構成されている。給電導波管３ｂは、先端側がホーン２ｂの基端側と接続されており、壁面がホーン２ｂと同一のメタマテリアルで構成されている。給電導波管３ｃは、先端側がホーン２ｃの基端側と接続されており、壁面がホーン２ｃと同一のメタマテリアルで構成されている。
給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃの各々は、壁面がそれぞれ異なった周期配列構造のメタマテリアルで構成されている。よって、給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃの各々は、壁面を構成するメタマテリアルによって、それぞれ異なった周波数帯域に属する電磁波を反射する。

よって、ホーン２ａと給電導波管３ａ、ホーン２ｂと給電導波管３ｂ、ホーン２ｃと給電導波管３ｃとの各々は、それぞれ異なった周波数帯域の電磁波を送信または受信するホーンアンテナとして構成される。また、ホーンアンテナ装置１は、上述したように、それぞれのホーンアンテナが入れ子状に構成されているような構造である。

ケーブル４は、例えば同軸ケーブルからなる給電線であり、給電部３の上面に固定されている。
励振線５は、例えば細長い円柱状に形成され、ケーブル４の中心導体に電気的に接続されると共に、その先端側が給電導波管３ａの内部空間内に突出している。励振線５は、ケーブル４を介して不図示の送信機から高周波信号が給電されると、励振線５とグランド板７との間に高周波の電圧が印加され、電磁波（例えばマイクロ波）を放射する。また、励振線５は、給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃ内の電磁波をケーブル４に向けて出力する。
励振線５は、複数種の周波数帯域の電磁波を大気中へ放射する周波数共用素子である。
グランド板７は、給電部３の上面に設けられており、給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃの共通のグランド板である。

次に本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置１が電磁波を放射する動作について説明する。
なお、ホーン２ａと給電導波管３ａの壁面を構成するメタマテリアルが反射する電磁波の周波数帯域を帯域Ａ、ホーン２ｂと給電導波管３ｂの壁面を構成するメタマテリアルが反射する電磁波の周波数帯域を帯域Ｂ、ホーン２ｃと給電導波管３ｃの壁面を構成するメタマテリアルが反射する電磁波の周波数帯域を帯域Ｃとする。

励振線５は、送信機（図示せず）からケーブル４を介して高周波信号が給電されると励振し、電磁波を放射する。励振線５から放射した電磁波が帯域Ａの場合、帯域Ａの電磁波は、給電導波管３ａのメタマテリアルに反射されるため、給電導波管３ａを透過しない。よって、帯域Ａの電磁波は、給電導波管３ａ内をＴＥ１０モードで伝搬し、ホーン２ａ内に伝送される。ホーン２ａ内において、帯域Ａの電磁波は、ホーン２ａのメタマテリアルに反射されるため、ホーン２ａを透過しない。よって、帯域Ａの電磁波は、ホーン２ａにおいて、ＴＥ（Transverse Magnetic）１０モードからＴＥＭ（Transverse Electric Magnetic）波に変換され、アンテナ開口部６ａから空中に放射される。

励振線５から放射した電磁波が帯域Ｂの場合、帯域Ｂの電磁波は、給電導波管３ａのメタマテリアルに反射されずに、給電導波管３ａを透過する。しかし、帯域Ｂの電磁波は、給電導波管３ｂのメタマテリアルに反射されるため給電導波管３ｂを透過しない。よって、帯域Ｂの電磁波は、給電導波管３ｂ内をＴＥ１０モードで伝搬し、ホーン２ｂ内に伝送される。ホーン２ｂ内において、帯域Ｂの電磁波は、ホーン２ｂのメタマテリアルに反射されるため、ホーン２ｂを透過しない。よって、帯域Ｂの電磁波は、ホーン２ｂにおいて、ＴＥ１０モードからＴＥＭ波に変換され、アンテナ開口部６ｂから空中に放射される。

励振線５から放射した電磁波が帯域Ｃの場合、帯域Ｃの電磁波は、３ａ、３ｂのそれぞれのメタマテリアルに反射されずに、給電導波管３ａ、３ｃを透過する。しかし、帯域Ｃの電磁波は、給電導波管３ｃのメタマテリアルに反射されるため給電導波管３ｃを透過しない。よって、帯域Ｃの電磁波は、給電導波管３ｃ内をＴＥ１０モードで伝搬し、ホーン２ｃ内に伝送される。ホーン２ｃ内において、帯域Ｃの電磁波は、ホーン２ｃのメタマテリアルに反射されるため、ホーン２ｃを透過しない。よって、帯域Ｃの電磁波は、ホーン２ｃにおいて、ＴＥ１０モードからＴＥＭ波に変換され、アンテナ開口部６ｃから空中に放射される。

上述したように、本発明の実施形態によると、ホーンアンテナ装置１は、それぞれ異なる寸法の複数のホーンアンテナが入れ子状に構成され、各ホーンアンテナの壁面を特定の周波数帯域の電磁波のみを反射し、それ以外の周波数帯域の電磁波を透過するメタマテリアルで形成されている。また、メタマテリアルは、ホーンアンテナ毎に反射する周波数帯域が異なる。これにより、１つの周波数帯域の送受信を行う従来のホーンアンテナ装置と比べて、本発明の実施形態に係るホーンアンテナ装置１は、複数種の周波数帯域を送受信することが可能になるため、ホーンアンテナの設置面積を削減することが可能となる。

＜実施例１＞
次に、本実施形態の実施例１について説明する。
図３は、実施例１に係るアンテナ装置の給電部を示す図である。
図３に示すように、実施例１の給電部は、給電導波管３０ａと給電導波管３０ｂとケーブル４と励振線５とグランド板７とを有する。給電導波管３０ａは、給電導波管３０ｂの中に包含されている。また、給電導波管３０ａと給電導波管３０との各々は、上面が共通のグランド板７である。ケーブル４は、給電部の上面に固定されている。また、励振線５は、ケーブル４の中心導体に電気的に接続されると共に、その先端側が給電導波管３０ａの内部空間内に突出している。

図４は、実施例１に係るアンテナ装置の給電部における給電導波管３０ａ、３０ｂの各辺の長さを説明する図である。
実施例１に係るアンテナ装置の給電部は、給電導波管３０ａ、３０ｂの各辺の長さが図４に示す通りに設定されている。
図４（ａ）は、実施例１に係るアンテナ装置の給電部の側面図である。図４（ｂ）は、実施例１に係るアンテナ装置の給電部の正面図である。図４（ｃ）は、実施例１に係るアンテナ装置の給電部の平面図である。

給電導波管３０ａは、Ｘ方向とＹ方向の辺の長さが４９．４ｍｍであり、Ｚ方向の辺の長さが２４．７ｍｍである。給電導波管３０ｂは、Ｘ方向とＹ方向の辺の長さが９８．８ｍｍであり、Ｚ方向の辺の長さが４９．４ｍｍである。つまり、給電導波管３０ａは、Ｘ方向とＹ方向とＺ方向の辺の長さの各々が給電導波管３０ｂのＸ方向とＹ方向とＺ方向の辺の長さの各々の半分の長さである。また、図４（ａ）、（ｂ）に示す通り、給電導波管３０ａは、上面が給電導波管３０ｂの上面に固定されている。また、図４（ｃ）に示す通り、給電導波管３０ａは、Ｘ方向とＹ方向の辺からなる正方形の中心点が給電導波管３０ｂのＸ方向とＹ方向の辺からなる正方形の中心点と一致するように配置されている。
また、励振線５は、図４（ｃ）に示す通り、辺ＥＦからＸ方向に２４．７ｍｍ、辺ＤＥからＹ方向に４９．４ｍｍの位置に固定されている。

図５は、実施例１に係るアンテナ装置の給電部における給電導波管３０ａのメタマテリアル１００の寸法を説明する図である。
メタマテリアル１００は、誘電体１１０と図５に示す斜線で塗られた導体パターン１２０を有している。誘電体１１０は、例えば、厚さ１．６ｍｍであり、比誘電率２．６である。また、導体パターン１２０は、例えば銅箔のパターンであり、厚さ３５μｍである。

誘電体１１０は、例えば１辺の長さｄ１が２４．７ｍｍに設定される。また、導体パターン１２０は、例えば１辺の長さａ１が２１．７ｍｍで、パターンの太さｗ１が３．０ｍｍに設定される。給電導波管３０ａの壁面は、上述した長さの誘電体１１０と導体パターン１２０とを有するメタマテリアル１００が複数配置されることで形成されている。

図６は、実施例１に係るアンテナ装置の給電部における給電導波管３０ｂのメタマテリアル２００の寸法を説明する図である。
メタマテリアル２００は、誘電体２１０と図６に示す斜線で塗られた導体パターン２２０を有している。誘電体２１０は、例えば、厚さ１．６ｍｍであり、比誘電率２．６である。また、導体パターン２２０は、例えば銅箔のパターンであり、厚さ３５μｍである。

誘電体２１０は、例えば１辺の長さｄ２が４９．４ｍｍに設定される。また、導体パターン２２０は、例えば１辺の長さａ２が４３．４ｍｍで、パターンの太さｗ２が６．０ｍｍに設定される。給電導波管３０ｂの壁面は、上述した長さの誘電体２１０と導体パターン２２０とを有するメタマテリアル２００が複数配置されることで形成されている。
なお、上述したように、給電導波管３０ａ、３０ｂの各々の壁面のメタマテリアル１００、２００は、それぞれ異なる周期配列構造である。

図７は、実施例１に係るアンテナ装置の放射する周波数帯域が２．１ＧＨｚ帯と４．１ＧＨｚ帯とのＶＳＷＲ（電圧定在波比：voltage standing wave ratio）特性を示した図である。図７に示すように、横軸が周波数（ＧＨｚ）、縦軸がＶＳＷＲを示している。

図７に示す結果より、ホーンアンテナ装置の放射する周波数帯域が２．１ＧＨｚ帯と４．１ＧＨｚ帯において、ＶＳＷＲが２．５以下になっていることがわかる。これより、ホーンアンテナ装置は、十分なＶＳＷＲ特性を得ることができ、２．１ＧＨｚ帯及び４．１ＧＨｚ帯の２つの周波数帯域の電磁波を送受信することができる。

図８は、実施例１に係るホーンアンテナ装置の２．１ＧＨｚ帯及び４．１ＧＨｚ帯における水平放射パターンを示す図である。図８の示す実線のパターンは、放射する電磁波の周波数帯域が２．１ＧＨｚ帯である実施例１に係るアンテナ装置の特性を表している。図８の示す破線のパターンは、放射する電磁波の周波数帯域が４．１ＧＨｚ帯である実施例１に係るアンテナ装置の特性を表している。
ここで、図８に示す水平放射パターンの水平面は、ＸＹ平面であり、実施例１に係るアンテナ装置が配された位置を中心として、その水平面（ＸＹ平面）に沿った全方位についての電磁波の放射強度を図示される。
図８に示すように、実施例１に係るアンテナ装置は、周波数帯域が２．１ＧＨｚ帯と４．１ＧＨｚ帯の２つの周波数帯域が同様な強度で放射されていることがわかる。

＜実施例２＞
次に、本実施形態の実施例２について説明する。
図９は、実施例２に係るアンテナ装置の構成例を示す図である。図９（ａ）は、実施例２に係るアンテナ装置の斜視図である。図９（ａ）は、実施例２に係るアンテナ装置の側面図である。
図９に示すように、実施例２に係るアンテナ装置において、給電部は、給電導波管４０ａと給電導波管４０ｂとケーブル４と励振線５とグランド板７とを有する。また、ホーン部は、ホーン２０ａとホーン２０ｂとを有する。なお、実施例２のメタマテリアルの構造と構造パラメータとは、実施例１と同様である。

給電導波管４０ａは、給電導波管４０ｂの中に包含されている。また、給電導波管４０ａの先端側である開口面が、給電導波管４０ｂの先端側である開口面と揃うように配置されている。また、給電導波管４０ａと給電導波管４０との各々は、上面が共通のグランド板７である。
ケーブル４は、給電部の上面に固定されている。また、励振線５は、ケーブル４の中心導体に電気的に接続されると共に、その先端側が給電導波管４０ａの内部空間内に突出している。

ホーン２０ａは、ホーン２０ｂの中に包含されている。つまり、ホーン２ａは、ホーン部２０ｂの内部に配置されている状態、もしくは、ホーン２ａは、上面がホーン２ｂの上面と一致する状態に構成されている。

図１０は、実施例２に係るアンテナ装置の給電部における給電導波管４０ａ、４０ｂの各辺の長さを説明する図である。
図１０（ａ）は、実施例２に係るアンテナ装置の給電部の斜視図である。図１０（ｂ）は、実施例２に係るアンテナ装置の給電部の側面図である。

実施例２は、給電導波管４０ａと給電導波管４０ｂの各辺の長さが以下の通り設定されたものである。
辺Ｌｘ１の長さは１４８．２ｍｍであり、辺Ｌｙ１の長さは４９．４ｍｍであり、辺Ｌｚ１の長さは２４．７ｍｍである。また、辺Ｌｘ２の長さが１６７．０ｍｍであり、辺Ｌｙ２の長さが１１０．０ｍｍであり、辺Ｌｚ２の長さが５５．０ｍｍである。また、辺ｓ１の長さは１８．８ｍｍであり、辺ｓ２の長さは３７．５ｍｍである。

図１１は、実施例２に係るホーンアンテナ装置の２．０ＧＨｚ帯及び４．０ＧＨｚ帯における水平放射パターンを示す図である。図１１（ａ）は、実施例２に係るホーンアンテナ装置の２．０ＧＨｚ帯における水平放射パターンを示す図である。また、図１１（ｂ）は、実施例２に係るホーンアンテナ装置の４．０ＧＨｚ帯における水平放射パターンを示す図である。

ここで、図１１に示す水平放射パターンの水平面は、ＸＹ平面であり、実施例２に係るアンテナ装置が配された位置を中心として、その水平面（ＸＹ平面）に沿った全方位についての電磁波の放射強度を図示される。
図１１に示すように、実施例２に係るアンテナ装置は、周波数帯域が２．０ＧＨｚ帯と４．０ＧＨｚ帯の２つの周波数帯域が同様な強度で放射されていることがわかる。また、実施例２に係るアンテナ装置は、周波数帯域が２．０ＧＨｚ帯と４．０ＧＨｚ帯の２つの周波数帯域の水平放射パターンがほぼ同一の特性となっている。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
上述の実施形態では、励振線５が１つの場合について説明したが、本発明の実施形態は、これに限られるものではなく、例えば、給電導波管３ａ、３ｂ、３ｃの各々に励振線を設けてもよい。その場合は、励振線は、複数種の周波数帯域の電磁波を放射する周波数共用素子ではなく、それぞれ異なる周波数帯域の電磁波を放射する放射素子でもよい。

１ ホーンアンテナ装置
２ ホーン部
３ 給電部
２ａ、２ｂ、２ｃ ホーン
３ａ、３ｂ、３ｃ 給電導波管
６ａ、６ｂ、６ｃ アンテナ開口部
１００、２００ メタマテリアル
１１０、２１０ 誘電体
１２０、２２０ 導体パターン

Claims (5)

1. 開口を有するホーンと前記ホーンに連通した給電導波管とを有する寸法の異なるホーンアンテナが複数入れ子状に構成され、
   前記ホーンアンテナの各々が、前記ホーンアンテナ毎に予め決められた周波数帯域の電磁波のみを反射し、それ以外の周波数帯域の電磁波を透過するホーンアンテナ装置。
2. 前記ホーンアンテナの各々の壁面が、予め決められた周波数帯域の電磁波のみを反射するメタマテリアルで形成されている請求項１に記載のホーンアンテナ装置。
3. 前記複数のホーンアンテナのグランド板を共通とする請求項１又は請求項２に記載のホーンアンテナ装置。
4. 前記ホーンアンテナの各々の周波数帯域毎に設けられた放射素子を有する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のホーンアンテナ装置。
5. 前記ホーンアンテナの各々の周波数帯域の電磁波を放射する放射素子を有する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のホーンアンテナ装置。

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