JP2018032968A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】２種類の円偏波からなる複数の異なるＯＡＭ波を同時に多重化して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】本発明は、円偏波を放射する複数の信号放射口Ｓが配列された第１の導体板２と、第１の導体板２との間に信号を導波する第１導波部Ｘを形成して複数の各信号放射口Ｓから信号を放射させる第２の導体板３とを有する信号放射部１０と、第２の導体板３に設けられ、第１導波部Ｘに電力を供給するための複数の第１給電素子を有する第１給電部Ｐ１−Ｐ４と、複数の第１給電素子Ｐ１−Ｐ４のそれぞれに所定の位相差を与えて給電するための回路部２０と、を有し、回路部２０は、第１給電部Ｐから第１導波部Ｘにおいて外向きの電磁波を導波するよう給電し、信号放射部１０から偏波方向が一定方向に回転する円偏波からなる複数の異なる螺旋ビームを放射させる、平面アンテナ１である。【選択図】図１

Description

本発明は、螺旋ビームを形成して多重送信する平面アンテナに関する。

現在、無線信号に軌道角運動量（ＯＡＭ：Orbital Angular Momentum）を与え、信号を螺旋状ビームに形成して送受信する通信技術が研究されている。螺旋状ビームとして形成されるＯＡＭ波の信号は、等位相面が螺旋状に回転している。ＯＡＭ波は、位相をずらすことによって多数の回転モードの信号を多重化することができる。

ＯＡＭ波については、光通信から無線通信に適用することが研究されている。ＯＡＭ波をミリ波・マイクロ波の無線通信に適用すると、同一の周波数で複数の信号を多重化することができ、通信を高速かつ大容量化することができる。

特開平６−９０１１５号広報

J.Butler and R. Lowe, "Beam-forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas," Electronic Design, vol.9, no.8, pp.170-173, April 1961. K Tekkouk, M Ettorre, R Sauleau and M Casaletti, "Folded Rotman lens multibeam antenna in SIW technology at 24 GHz" 6th European Conference on Antennas and Propagation (EUCAP), pp.2308-2310 March 2012

パラボラアンテナの代替として平面アンテナであるラジアルラインスロットアレイアンテナ（ＲＬＳＡ）が用いられる場合がある。特許文献１には、ラジアル導波路に設けられたスロットを用いた平面アンテナ（ＲＬＳＡ）が記載されている。この平面アンテナは、３枚の導体円板を平行に配置してなる２層構造のラジアル導波路を有し、ラジアル導波路に設けた多数の線状スロットによって送受信する。

この平面アンテナは、２層のラジアル導波路によって外向き及び内向きの電磁波を発生させる。これにより、この平面アンテナは、右旋の偏波と左旋の偏波を同時に放射するよう構成されている。しかし、この平面アンテナでは、回転モードのＯＡＭ波を多重して放射させることができない。

本発明は、複数の異なるＯＡＭ波を同時に多重化して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。

本発明に係る平面アンテナは、円偏波を放射する複数の信号放射口が配列された第１の導体板と、前記第１の導体板との間に信号を導波する第１導波部を形成して複数の各前記信号放射口から信号を放射させる第２の導体板とを有する信号放射部と、
前記第２の導体板に設けられ、前記第１導波部に電力を供給するための複数の第１給電素子を有する第１給電部と、
複数の前記第１給電素子のそれぞれに所定の位相差を与えて給電するための回路部と、を有し、
前記回路部は、前記第１給電部から前記第１導波部において外向きの電磁波を導波するよう給電し、前記信号放射部から偏波方向が一定方向に回転する円偏波からなる複数の異なる螺旋ビームを放射させる。

本発明は、平面アンテナにおいて回路部で位相差が付けられた回転モードの給電をすることにより前記信号放射部から等位相面が傾いた複数の異なる螺旋ビームを出力することができる。

平面アンテナの前記信号放射部は、第１導波部に信号を導波する第２導波部を形成する第３の導体板と、
前記第３の導体板に設けられ、前記第２導波部に電力を供給するための複数の第２給電素子を有する第２給電部と、
を更に有し、
前記回路部は、所定の位相差を付けるよう複数の前記第２給電素子にそれぞれ給電し、前記第２給電部から前記第２導波部を通じて前記第１導波部において内向きの電磁波を導波するよう給電し、
前記信号放射部から偏波方向が前記一定方向と逆方向に回転する円偏波からなる複数の異なる螺旋ビームを放射させる、よう構成されていてもよい。

本発明は、信号放射部に外向きの電磁波を導波させて一定方向に回転する円偏波を放射させることに加え、同時に信号放射部に内向きの電磁波を導波させることにより逆旋の円偏波を放射させることにより、多重度を２倍にすることができる。

平面アンテナの円板状に形成された前記第１の導体板において複数の前記信号放射口が螺旋状又は同心円状に配列され、ラジアルラインスロットアンテナとして構成されていてもよい。

平面アンテナの前記回路部は、４Ｎ個（Ｎは１以上の整数）分岐した複数の導波管からなる１層導波管回路で形成され、０度及び±３６０×Ｎ度以下の位相差の複数の回転モードを給電するよう構成され、
複数の前記導波管の出力側にそれぞれ接続された複数の前記第１給電素子は４Ｎ個設けられ、前記第２の導体板の軸線周りに同心円状に配置されていてもよい。

本発明は、このような構成により、円形の信号放射部から複数の異なる円偏波からなる回転モードの螺旋ビームを出力することができる。

平面アンテナは、複数の前記導波管にそれぞれ接続された複数の前記第２給電素子は４×Ｎ個設けられ、前記軸線周りに同心円状に配置されているよう構成されていてもよい。

本発明は、このような構成により、円形の信号放射部から複数の異なる逆旋の円偏波からなる回転モードの螺旋ビームを多重化して出力することができる。

平面アンテナは、方形に形成された前記第１の導体板を通る軸線を中心に複数の前記信号放射口がマトリクス状に配列されたアレーアンテナとして構成されていてもよい。

平面アンテナは、複数の前記回路部の出力側に接続された方向角制御回路部を更に有し、
前記方向角制御回路部は、前記回路部から給電された信号の回転モードに基づいて方向角が制御された複数のビームを生成すると共に、前記軸線について対称に選択される一対の前記ビームに対して直交する位相差を付けて前記給電部に入力するよう構成されていてもよい。

本発明は、このような構成により、信号放射部の幅方向に対して直交する信号を出力して多重度を増やすと共に、回転モードに基づいて広がる複数のビームの方向角を中心方向に集めることができる。

方形の平面アンテナにおいて、前記回路部は、４Ｎ個（Ｎは１以上の整数）分岐した複数の導波管からなる１層導波管回路で形成され、０度及び±３６０×Ｎ度以下の位相差の複数の回転モードを給電するよう構成され、
複数の前記導波管から出力された電磁波を導波する複数の前記第１給電素子は、前記軸線を通る前記第２の導体板の中心線に沿って給電するよう前記第２の導体板に配置されていてもよい。

本発明は、このような構成により、信号放射部から異なる複数の螺旋ビームを出力することができる。

方形の平面アンテナにおいて、複数の前記導波管から出力された電磁波を導波する複数の前記第２給電素子は、前記軸線を通る前記第３の導体板の中心線に沿って給電するよう配置されている、

本発明は、このような構成により、方形の信号放射部から逆旋の２種類の円偏波からなる複数の異なる回転モードの螺旋ビームを多重化して出力することができる。

方形の平面アンテナにおいて、前記方向角制御回路部は、信号の回転モードに基づいて１次元又は２次元方向に方向角が制御された複数のビームを生成するよう構成されていてもよい。

本発明は、このような構成により、回転モードに基づいて１次元方向又は２次元方向に広がる複数のビームの方向角を中心方向に集めることができる。

本発明にかかる平面アンテナによると、逆旋の２種類の円偏波からなる複数の異なるＯＡＭ波を多重化して同時に送受信することができる。

本発明の第１実施形態に係る平面アンテナの構成を示す平面図及び断面図である。 本発明の給電部の構成を示す平面図である。 本発明の回路部の構成を示すブロック図である。 回路部の構造を示す平面図である。 回路部を構成するショートスロット結合器の斜視図である。 スロットペアの原理を説明する図である。 平面アンテナを用いて送受信する状態を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る平面アンテナの構成を示す平面図及び断面図である。 本発明の第３実施形態に係る平面アンテナの構成を示す平面図及び断面図である。 平面アンテナの給電部の構成を示す平面図である。 平面アンテナの方向角制御回路部の構成を示す図である。 平面アンテナの１８０度ハイブリッド分配器の構成を示すブロック図である。 ロットマンレンズの原理を説明する図である。 方向角制御回路部により方向角が制御される状態を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る平面アンテナの構成を示す平面図及び断面図である。 本発明の第５実施形態に係る平面アンテナの構成を示すブロック図である。 本発明の変形例における回路部の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ本発明にかかる平面アンテナの実施形態について説明する。なお、以下の説明では便宜上、送信用の平面アンテナについて記載するが、相反定理により受信用の平面アンテナについても適用できる。

［第１実施形態］
図１〜図４に示されるように、平面アンテナ１は、信号を放射するための信号放射部１０と、信号放射部１０に電気的に接続され信号電力を供給するための回路部２０とを有する。信号放射部１０は、複数のスロットペアＳが配列された円板状の導体板（第１の導体板）２を有する。導体板２は、金属等で形成された導体円板である。スロットペア（信号放射口）Ｓは、長方形の貫通孔であるスロットＳ１，Ｓ２のペアからなる（図６参照）。

複数のスロットペアＳは、導体板２において中心Ｃ１周りの螺旋に沿って螺旋状に配置され、ラジアル線路を形成している。この螺旋のピッチは、隣接するスロットペアＳ同士の間隔が１／２波長程度となるように設定する。スロットペアＳにおいて、スロットＳ１，Ｓ２は、互いに直角をなすハの字状に配置されている（図６参照）。

スロットＳ２は、導体板２の中心Ｃ１から径方向に向かう線Ｒに対して４５度に配置されている。スロットＳ１，Ｓ２の中心間の距離は、１／４波長である。矢印Ａ方向の電磁波に対してスロットペアＳから偏波方向が右旋の円偏波が出力される。矢印Ｂ方向の電磁波に対してスロットペアＳから偏波方向が左旋の円偏波が導体板２の一面（放射面）２ａ側方向に放射される。即ち平面アンテナ１は、ラジアルラインスロットアレイアンテナ（ＲＬＳＡ）である。

複数のスロットペアＳは、導体板２に同心円状に配置されていてもよい。導体板２の他面２ｂ側には、円板状の導体板（第２の導体板）３が一面３ａ側を対向して配置されている。導体板３は、導体板２と同径である。導体板２と導体板３との側面には、外周に沿って円環状の側壁４が延在している。これにより、導体板２と導体板３との間には信号が導波される第１導波部Ｘが形成される。導体板２と導体板３との間には、誘電体材料などの適当な遅波構造（不図示）が設けられている。

第１導波部Ｘで外向きの電磁波が導波された場合には、スロットペアＳから右旋の円偏波が出力される。また、第１導波部Ｘで内向きの電磁波が導波された場合には、スロットペアＳから左旋の円偏波が導体板２の一面２ａ側方向に放射される。上記のスロットペアＳは、第１導波部Ｘで導波される外向きの電磁波によって円偏波の偏波方向が逆方向に励振されるよう形成されていてもよい。

図２に示されるように、導体板３には、中心点Ｃ周りに給電部（第１給電部）Ｐが設けられている。給電部Ｐは、長方形の貫通孔である複数の給電スロットＰ１〜Ｐ４からなる。それぞれの給電スロット（第１給電素子）Ｐ１〜Ｐ４は、中心Ｃ２を通る軸線Ｗ（図１参照）に対して同心円状に配置されている。給電スロットＰ１〜Ｐ４の代替として、プローブを用いてもよい。

この給電スロットＰ１〜Ｐ４の配置によっては、給電スロットＰ１〜Ｐ４から出力される信号が互いに影響して相互結合が生じる場合がある。この相互結合は、信号放射部１０から出力される信号の所望の回転モード励振を妨げる可能性がある。相互結合を抑圧するために、必要に応じて信号放射部１０のラジアル線路の中心Ｃ１に短絡ピンを設けたり、給電スロットＰ１〜Ｐ４間に短絡壁を設けたりする。

導体板３の他面３ｂ側において、それぞれの給電スロットＰ１〜Ｐ４は、後述する回路部２０の複数の出力ポートＦ１〜Ｆ４（図３参照）がそれぞれ接続される。給電スロットＰ１〜Ｐ４のそれぞれと出力ポートＦ１〜Ｆ４のそれぞれとは位相差が生じないように等長の電気長の導波路（不図示）で接続される。

図３及び図４に示されるように、回路部２０は、非特許文献１のバトラーマトリクス回路の原理が用いられる。回路部２０は、第１導波部Ｘに回転モードで給電する。回路部２０は、４分岐１層構造多重直交回転モード導波管回路として構成される。回路部２０は、平行に配置された４本に分岐している導波路Ｅ１〜Ｅ４によって構成される。それぞれの導波路Ｅ１〜Ｅ４の一端側をそれぞれ入力ポートＤ１〜Ｄ４とし、他端側をそれぞれ出力ポートＦ１〜Ｆ４とする。

入力ポートＤ１〜Ｄ４と出力ポートＦ１〜Ｆ４との間には、信号電力を分配する複数のハイブリッド分配器２１〜２４が配置される。そして、信号電力を隣接する導波路に交差させて導波する複数の交差器２５，２６が配置される。さらに、導波される信号電力に位相を付ける複数の位相器２７〜２９が配置される。

ハイブリッド分配器２１〜２４及び交差器２５，２６は、既知のショートスロット結合器Ｂ（図５参照）によって形成される。ショートスロット結合器Ｂ内のスロットＢ１のスロット長ｌを調整することによりハイブリッド分配器２１〜２４又は交差器２５，２６として形成される。位相器２７〜２９は、導波路Ｅ１，Ｅ２の経路上で突起として形成される。

ハイブリッド分配器２１〜２４は、隣接する導波路に信号電力を分配して導波する。このとき、ハイブリッド分配器２１〜２４によって隣接する導波路に分配された方の信号電力には−９０度の位相差が付けられる。位相器２７〜２９は、導波された信号電力に−９０度の位相差を付ける。回路部２０の上記構成により、入力される信号電力には、以下の散乱行列で与えられる位相差が付けられて出力される。

この散乱行列において、各列が入力ポートＤ１〜Ｄ４のそれぞれの入力に対応し、各行における各行が出力ポートＦ１〜Ｆ４から出力される信号電力に付される位相差を表す。即ち、入力ポートＤ１から入力される信号電力は、出力ポートＦ１〜Ｆ４からそれぞれ−１８０度の位相差が付けられて出力される。

この場合、各出力ポートＦ１〜Ｆ４から出力される信号電力の位相差は０度である。従って入力ポートＤ１からの入力により、出力ポートＦ１〜Ｆ４からexp(0Φ)に対応する回転モードの位相差が付けられて信号電力が出力される（実際には位相差はない）。

入力ポートＤ３から入力される信号電力は、出力ポートＦ１〜Ｆ４からそれぞれ−１８０度、−２７０度、０度、−９０度の位相差が付けられて出力される。この場合各出力ポートＦ１〜Ｆ４から出力される信号電力の位相差は−９０度である。従って入力ポートＤ３からの入力により、出力ポートＦ１〜Ｆ４からexp(-jΦ)に対応する回転モードの位相差が付けられて信号電力が出力される。ここでexp(-jΦ)は、左回りに３６０度位相が遅れることを意味する。

入力ポートＤ４から入力される信号電力は、出力ポートＦ１〜Ｆ４からそれぞれ−２７０度、−１８０度、−９０度、０度の位相差が付けられて出力される。この場合各出力ポートＦ１〜Ｆ４から出力される信号電力の位相差は＋９０度である。

従って入力ポートＤ４からの入力により、出力ポートＦ１〜Ｆ４からexp(+jΦ)に対応する回転モードの位相差が付けられて信号電力が出力される。ここでexp(+jΦ)は、左回りに３６０度位相が進むことを意味する。また、ここでは入力ポートＤ２は用いないものとする。

出力ポートＦ１〜Ｆ４は、上記の通り給電スロットＰ１〜Ｐ４に接続されている。そして、給電スロットＰ１〜Ｐ４のそれぞれから信号電力は出力ポートＦ１〜Ｆ４と同様の位相差が付けられて出力される。このそれぞれの回転モードの給電により、第１導波部Ｘではexp(0Φ)、exp(-jΦ)、exp(+jΦ)に対応するそれぞれの回転モードの外向きの電磁波が導波される。

ここで、信号放射部１０には上記の通り複数のスロットペアＳからなるラジアル導波路が形成されている。これにより、信号放射部１０から放射される信号は、導体板２の周方向及び径方向の全体に渡って励振される。

exp(0Φ)で励振される信号は、導体板２の放射面２aから周方向に一様に放射される。この場合、導体板２の放射面２aからは、右旋の円偏波からなるペンシルビームが回転モードで放射される。exp(-jΦ)、exp(+jΦ)で励振される信号は、導体板２の放射面２aの中心Ｃ１で放射される電界の位相が反対となって打ち消し合い、導体板２の放射面２aから右旋の円偏波からなるコニカルビームがそれぞれの回転モードで放射される。

これにより、exp(0Φ)、exp(-jΦ)、exp(+jΦ)に対応するそれぞれの回転モードの信号は、周方向の電磁界分布が互いに直交性を有しているＯＡＭ波となる。従って、平面アンテナ１によると、これらの信号を同時に放射して通信することができる。

また、上記のように平面アンテナ１において、４分岐１層構造の回路部２０によってexp(0Φ)、exp(-jΦ)、exp(+jΦ)のそれぞれの回転モードの信号を多重する例を記載したが、他の多重度の場合も同様に構成することができる。例えばexp(+2jΦ)、exp(+jΦ)、exp(+Φ)、exp(-jΦ)、exp(-2jΦ)の５つの直交回転モードを励振する場合には、８個の給電ポートと８分岐の導波管回路とを用いればよい。

この場合，ラジアル線路の中心付近の導体板３には８個の給電スロットを同心円状に設ければよい。即ち、ｎを整数として、exp(±jnΦ)のモードで多重する場合には、４×Ｎ個（Ｎは１以上の整数）の分岐の１層導波管回路を用いればよい。そして、複数の給電スロットは、４×Ｎ個設け、導体板２の中心Ｃ２を通る軸線Ｗの近傍に同心円状に配置すればよい。これにより、回路部２０は、０度及び±３６０×Ｎ度以下の位相差の回転モードを給電するよう構成される。

また、上述した平面アンテナ１は受信用のアンテナとしても用いることができる。図７に示されるように、２個の平面アンテナ１を送受間で対向させて配置する。２個の平面アンテナ１により、ペンシルビームあるいはコニカルビームの形状をした主ビームが受信できる距離Ｌで送受信を行う。距離Ｌは信号放射部１０の直径等により定まる。

上述したように平面アンテナ１によると、周方向の電磁界分布の直交性により、同じ周方向位相分布の間で独立した多重度の伝送が実現できる。即ち、平面アンテナ１によると、偏波方向が一定方向に回転する円偏波からなる複数の異なる螺旋ビームを送受信することができる。

［第２実施形態］
平面アンテナ１においては、給電部Ｐから給電して第１導波部Ｘに外向きの電磁波を導波することで一定方向に回転する円偏波からなる複数の異なる螺旋ビームを放射させている。本実施形態では、偏波方向が逆方向に回転する円偏波を放射させる。以下の説明では上記実施形態と同一の構成については同一の名称及び符号を用い、同様の説明については適宜省略する。

図８に示されるように、平面アンテナ３０は、信号放射部３１において、第１導波部Ｘの下層に第２導波部Ｙを有している。信号放射部３１において、導体板３の他面３ｂ側に対向して円板状の導体板（第３の導体板）３５が配置されている。導体板２と導体板３５と側面には、外周に沿って円環状の側壁３４が延在している。側壁３４は外方に向かって断面が湾曲しており、導体板３の外周には接していない。これにより、導体板３の外周には導波路Ｕが形成されている。

導体板２と導体板３とによって第２導波部Ｙが形成されている。第２導波部Ｙは、第１導波部Ｘと同様に構成することができる。導体板３５の中心近傍には給電部Ｐと同様の複数の給電スロット（第２給電素子：不図示）からなる給電部（第２給電部）Ｑが設けられている。複数の第２給電素子は、導体板３を通る軸線Ｗ回りに同心円状に配置されている。これにより、複数の第２給電素子は、軸線Ｗ周りに同心円状に給電することができる。

給電部Ｑには、給電部Ｐと同様に回路部２０の出力ポートＦ１〜Ｆ４から複数の導波管が複数の第２給電素子にそれぞれ接続されている。回路部２０は、別途設けてもよいし、電力分配器を用いて分配して共用してもよい。

これにより、給電部Ｑに回転モードの信号電力を給電すると、第２導波部Ｙで導波された電磁波は、第１導波部Ｘに対して内向きに導波される。そうすると、給電部Ｑから入力されることによって導体板２で放射される信号は、給電部Ｐから入力されて放射される信号とは偏波方向が逆方向の左旋の円偏波からなる信号として放射される（図６参照）。

従って平面アンテナ３０において、exp(0Φ)、exp(-jΦ)、exp(+jΦ)のそれぞれの回転モードの信号を給電部Ｑから入力すると、左旋の円偏波からなる３つの異なる螺旋ビームを放射させることができる。これにより、平面アンテナ３０は、複数のスロットペアＳに対して外向き、内向きに複数の電磁波を同時に入射させることで、２種類の複数の偏波を回転モードで励振することができ、第１実施形態に比して多重度を２倍にすることができる。

［第３実施形態］
上記実施形態では、円形の平面アンテナについて記載しているが、上記の原理は方形の平面アンテナにも適用することができる。

図９に示されるように、平面アンテナ４０は、方形の円偏波スロットペアアレーアンテナとして構成されている。平面アンテナ４０は、信号を放射する信号放射部４１と、信号放射部４１に信号電力を供給する回路部２０と、信号放射部４１と回路部２０の出力側に接続された方向角制御回路部５０とを有する。

信号放射部４１は、方形の導体板（第１の導体板）４２と方形の導体板（第２の導体板）４３を有する。対向して配置された導体板４２と導体板４３との外周には周壁４５が延在している。これにより、導体板４２と導体板４３との間に第１導波部Ｖ１が形成されている。導体板２には、軸線Ｍを中心に複数のスロットペアＳがマトリクス状に配列されている。導体板２の中心線Ｋ上にはスロットペアＳは形成されていない。

図１０に示されるように、導体板３において、中心線Ｋに沿うように給電部Ｊが列状に形成されている。給電部は、４個以上の複数の給電スロットＪ１〜Ｊｍからなる。給電スロットＪｍは矩形の貫通孔である。給電スロットＪ１〜Ｊｍの代わりにプローブを用いてもよい。給電スロットＪ１〜Ｊｍのそれぞれの間の相互結合が所望のモード励振を妨げる可能性がある。相互結合を抑圧するために、必要に応じて給電スロットＪ１〜Ｊｍのそれぞれの間に短絡壁を設けてもよい。

給電部Ｊは回路部に２０によって給電される。給電部Ｊは、方向角制御回路部５０を介して回路部２０に接続されている。

図１１に示されるように、方向角制御回路部５０は、位相調整部５１と、平面レンズ回路部５５とを有する。位相調整部５１は、回路部２０から出力される信号電力の位相を調整する。位相調整部５１は、回路部２０の入力ポートＤ３と入力ポートＤ４に接続された１８０度ハイブリッド分配器５２を有する（図１２参照）。１８０度ハイブリッド分配器５２は、入力された信号電力を分配し、分配された信号電力に対して−１８０度の位相差を与える。

１８０度ハイブリッド分配器５２は、分配された信号電力に対して−９０度の位相差を与えるハイブリッド分配器５３と−９０度の位相差を与える−９０度位相器５４とを有する。―９０度位相器５４は、９０度ハイブリッド分配器５３の出力ポートの１つ（出力ポートＦ４）に接続されている。１８０度ハイブリッド分配器５２が接続された入力をそれぞれ入力ポートＤ３‘，Ｄ４’とする。

方形の平面アンテナ４０の幅をａとすると、入力ポートＤ４’からの入力でcos(2πx/a)、入力ポートＤ１からの入力でcos(0πx/a)、入力ポートＤ３’からの入力でsin(2πx/a)に対応するモードがそれぞれ励振される。入力において多重度を増やす場合も同様に構成することができる。

例えば、cos(4πx/a)、cos(2πx/a)、cos(0πx/a)、sin(2πx/a)、sin(4πx/a)の５つの直交回転モードの励振には、８個の給電点と８分岐の導波管回路を用いればよい。この場合、給電部Ｊには８個あるいはそれ以上の給電スロットを列状に設ければよい。

方形円偏波スロットペアアレーアンテナの幅の両端で２ｎπの位相差を得る一対の角度を±Φ_ｎとし，その２つの角度に入力を設ける。その２つの入力に対し，１８０度ハイブリッド分配器５２を介して接続することで、cos(2nπx/a)、sin(2nπx/a)の直交する２つの分布が実現する。即ち、位相調整部５１は、生成される複数のビームのうち、軸線Ｍについて対称に選択される一対のビームに対して直交する位相差を付ける。位相調整部５１は、回路部２０と一体に設けられていてもよい。

平面レンズ回路部５５は、例えば非特許文献２に記載されたロットマンレンズ回路からなる。ロットマンレンズ回路は、アレー素子に所望の振幅及び位相を与えることにより、放射されるビームの方向角を変えるための給電回路である（図１３参照）。平面レンズ回路部５５の入力部５６には、位相調整部５１で位相調整された信号電力が入力される。

平面レンズ回路部５５の出力部５７からは方向角が変化したビームが出力される。出力部５７には、給電部Ｊの幅ａにビーム幅を広げるホーン等の構造が用いられる。平面レンズ回路部５５から出力されたビームは、第１導波部Ｖ１に導波され、信号放射部４１から円偏波のビームとして出力される。

図１３に示されるように、ロットマンレンズ回路は、１の給電点から給電された信号電力を振幅が拡大され、方向角に変化が与えられたビームとして出力する。ここで、平面レンズ回路部５５が無いとすると、図１４（ａ）に示されるように、ビームは回転モードによって方向角が異なるビームとなる。

cos(2πx/a)及びsin(2πx/a)で励振されるビームの方向角は、cos(πx/a)及びsin(πx/a)で励振されるビームの方向角より広い。従って、図１４（ｂ）に示されるように、平面レンズ回路部５５は、給電された信号の回転モードの周波数に基づいて励振されるビームの方向角を中心方向に向くように制御することができる。

即ち、方向角制御回路部５０は、回路部２０から給電された信号の回転モードに基づいて方向角が制御された複数のビームを生成すると共に、軸線について対称に選択される一対のビームに対して直交する位相差を付けて給電部Jに入力するよう構成されている。

上述した方形の平面アンテナ４０は、受信用のアンテナとしても用いることができる。送受間で同じ平面アンテナ４０を対向させると、ペンシルビームあるいは２つの斜めビーム形状の主ビームが受信できる距離で送受信を行うことができる。方形の平面アンテナ４０によると、幅方向の電磁界分布に直交性があるため、同じ幅方向分布の間で独立した伝送が実現できる。

［第４実施形態］
上記の方形の平面アンテナ４０においても信号放射部４１に内向きの電磁波を導波することにより逆旋の円偏波を出力させることができる。

図１５に示されるように、第２実施形態と同様に導体板４３の下方に導体板４６を対向して配置して第２導波部Ｖ２を設け、導体板４３の両側面に形成された一対の導波路Ｈにより実現できる。即ち、給電部Ｊ２で給電された信号電力を第２導波部Ｖ２で導波し、導波路Ｈから第１導波部Ｖ１の両側から内向きに導波することにより、信号放射部４１から逆旋の円偏波を出力させることができる。

一対の導波路Ｈからの入力は、導体板４６以外に方向角制御回路部５０から導波管やプローブ等を用いて導波してもよい。上記構成により、方形の平面アンテナ４０でも２種類の複数の偏波を回転モードで励振することができ、第３実施形態に比して多重度を２倍にすることができる。

［第５実施形態］
第３及び第４実施形態に係る方形の平面アンテナよりも更に信号の多重度を増やす場合は、２次元に拡張された回路部を用いることができる。

図１６に示されるように、方形の平面アンテナ１００は、方形の信号放射部１０１と、２次元方向に回路が構成された２次元の回路部１１０と、２次元方向にビーム方向を制御するための方向角制御回路部１２０とを有する。信号放射部１０１は、上記と同様に外向き及び内向きに電磁波を導波するよう構成されている。２次元の回路部１１０は、上記の１次元の回路部２０を４×４分岐の２次元多重の導波管回路に拡張したものである。方向角制御回路部１２０は、位相調整部１２５と、２次元レンズ回路部１２１とを有する。

位相調整部１２５は、１次元の位相調整部５１を２次元に拡張したもので、１８０度ハイブリッド分配器５２からなり、２次元の回路部１１０から出力される信号電力の位相を調整する。そして、位相調整部１２５は、１次元の場合と同様に軸線について対称に選択される一対の前記ビームに対して直交する位相差を付けることができる。これにより、方形の信号放射部１０１の全体の大きさをa×ｂとすると、４×４（＝１６分岐）の内、３×３（＝９）の入力により、

に対応する複数の異なるモードが励振される。

２次元レンズ回路部１２１は、例えばルーネベルグレンズ１２２を有する。ルーネベルグレンズ１２２は、２次元的に配置された１の給電点から給電された信号電力を振幅が拡大され、方向角に変化が与えられたビームとして出力する。ここで、２次元レンズ回路部１２１が無いとすると、信号放射部１０１から出力されるビームは回転モードによって２次元的に方向角が異なるペンシルビームあるいはコニカルビームとなる（図１４参照）。

２次元レンズ回路部１２１は、給電された信号の回転モードの周波数に基づいて励振される２次元的なビームの方向角を中心方向に向くように制御することができる（図１４参照）。

信号放射部１０１のスロットペアＳからなる素子数が４×４素子よりも多い場合には、２次元の回路部１１０の各出力ポートの位相差分布を信号放射部１０１全体に広げる構造１２３を間に設ける。

方向角制御回路部１２０は、回路部１１０から給電された信号の回転モードに基づいて２次元的に方向角が制御された複数のビームを生成すると共に、軸線について２次元的に対称に選択される一対のビームに対して直交する位相差を付けて給電部に入力することができる。上記構成により、方形の平面アンテナ１００によると、信号放射部１０１の長さ及び幅方向の電磁界分布に直交性があるため、同じ長さ及び幅方向分布の間で２次元的に独立した伝送が実現できる。

更に方形の平面アンテナ１００は、上記実施形態と同様に信号放射部１０１に対して内向きに電磁波を導波することにより多重度を２倍にすることができる。上述した方形の平面アンテナ１００は、受信用のアンテナとしても用いることができる。送受間で同じ平面アンテナ１００を対向させると、ペンシルビームあるいは２次元的な複数の斜めビーム形状の主ビームが受信できる距離で送受信を行うことができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、第３及び第４実施形態に係る平面レンズ回路部５５は、ロットマンレンズ回路のかわりに図１７に示されるバトラーマトリクス回路で構成してもよい。バトラーマトリクス回路の散乱行列以下の式で表される。

その他、第５実施形態に係る２次元レンズ回路部１２１も２次元のバトラーマトリクス回路として構成されていてもよい。

１ ：平面アンテナ
２ ：導体板
３ ：導体板
４ ：側壁
１０ ：信号放射部
２０ ：回路部
２１−２４：ハイブリッド分配器
２５，２６：交差器
２７−２９：位相器
３０ ：平面アンテナ
３１ ：信号放射部
３４ ：側壁
３５ ：導体板
４０ ：平面アンテナ
４１ ：信号放射部
４２ ：導体板
４３ ：導体板
４５ ：周壁
４６ ：導体板
５０ ：方向角制御回路部
５１ ：位相調整部
５３ ：ハイブリッド分配器
５５ ：平面レンズ回路部
５６ ：入力部
５７ ：出力部
１００ ：平面アンテナ
１０１ ：信号放射部
１１０ ：回路部
１２０ ：方向角制御回路部
１２１ ：２次元レンズ回路部
１２２ ：ルーネベルグレンズ
１２３ ：構造
１２５ ：位相調整部
Ｂ ：ショートスロット結合器
Ｂ１ ：スロット
Ｄ１−Ｄ４：入力ポート
Ｄ３’，Ｄ４’：入力ポート
Ｅ１−Ｅ４：導波路
Ｆ１−Ｆ４：出力ポート
Ｈ ：導波路
Ｊ ：給電部
Ｊ１ ：給電スロット
Ｊ２ ：給電部
Ｊｍ ：給電スロット
Ｐ ：給電部
Ｐ１−Ｐ４：給電スロット
Ｑ ：給電部
Ｓ ：スロットペア
Ｓ１ ：スロット
Ｓ２ ：スロット
Ｕ ：導波路
Ｖ１ ：第１導波部
Ｖ２ ：第２導波部
Ｘ ：第１導波部
Ｙ ：第２導波部

Claims (10)

1. 円偏波を放射する複数の信号放射口が配列された第１の導体板と、前記第１の導体板との間に信号を導波する第１導波部を形成して複数の各前記信号放射口から信号を放射させる第２の導体板とを有する信号放射部と、
   前記第２の導体板に設けられ、前記第１導波部に電力を供給するための複数の第１給電素子を有する第１給電部と、
   複数の前記第１給電素子のそれぞれに所定の位相差を与えて給電するための回路部と、を有し、
   前記回路部は、前記第１給電部から前記第１導波部において外向きの電磁波を導波するよう給電し、前記信号放射部から偏波方向が一定方向に回転する円偏波からなる複数の異なる螺旋ビームを放射させる、平面アンテナ。
2. 前記信号放射部は、第１導波部に信号を導波する第２導波部を形成する第３の導体板と、
   前記第３の導体板に設けられ、前記第２導波部に電力を供給するための複数の第２給電素子を有する第２給電部と、
   を更に有し、
   前記回路部は、所定の位相差を付けるよう複数の前記第２給電素子にそれぞれ給電し、前記第２給電部から前記第２導波部を通じて前記第１導波部において内向きの電磁波を導波するよう給電し、
   前記信号放射部から偏波方向が前記一定方向と逆方向に回転する円偏波からなる複数の異なる螺旋ビームを放射させる、
   請求項１に記載の平面アンテナ。
3. 円板状に形成された前記第１の導体板において複数の前記信号放射口が螺旋状又は同心円状に配列され、ラジアルラインスロットアンテナとして構成される、
   請求項１又は２に記載の平面アンテナ。
4. 前記回路部は、４Ｎ個（Ｎは１以上の整数）分岐した複数の導波管からなる１層導波管回路で形成され、０度及び±３６０×Ｎ度以下の位相差の複数の回転モードを給電するよう構成され、
   複数の前記導波管の出力側にそれぞれ接続された複数の前記第１給電素子は４Ｎ個設けられ、前記第２の導体板の軸線周りに同心円状に配置されている、
   請求項１から３のいずれかに記載の平面アンテナ。
5. 複数の前記導波管にそれぞれ接続された複数の前記第２給電素子は４×Ｎ個設けられ、前記軸線周りに同心円状に配置されている、
   請求項４に記載の平面アンテナ。
6. 方形に形成された前記第１の導体板を通る軸線を中心に複数の前記信号放射口がマトリクス状に配列されたアレーアンテナとして構成される、
   請求項１又は２に記載の平面アンテナ。
7. 複数の前記回路部の出力側に接続された方向角制御回路部を更に有し、
   前記方向角制御回路部は、前記回路部から給電された信号の回転モードに基づいて方向角が制御された複数のビームを生成すると共に、前記軸線について対称に選択される一対の前記ビームに対して直交する位相差を付けて前記給電部に入力するよう構成されている、
   請求項６に記載の平面アンテナ。
8. 前記回路部は、４Ｎ個（Ｎは１以上の整数）分岐した複数の導波管からなる１層導波管回路で形成され、０度及び±３６０×Ｎ度以下の位相差の複数の回転モードを給電するよう構成され、
   複数の前記導波管から出力された電磁波を導波する複数の前記第１給電素子は、前記軸線を通る前記第２の導体板の中心線に沿って給電するよう前記第２の導体板に配置されている、
   請求項６又は７に記載の平面アンテナ。
9. 複数の前記導波管から出力された電磁波を導波する複数の前記第２給電素子は、前記軸線を通る前記第３の導体板の中心線に沿って給電するよう配置されている、
   請求項８に記載の平面アンテナ。
10. 前記方向角制御回路部は、信号の回転モードに基づいて１次元又は２次元方向に方向角が制御された複数のビームを生成する
    請求項６又は７に記載の平面アンテナ。

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