JP2020092359A

JP2020092359A - 偏波共用平面アンテナ

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Publication number: JP2020092359A
Application number: JP2018229388A
Authority: JP
Inventors: 智文須賀; Tomofumi Suga; 啓一夏原; Keiichi Natsuhara; 石田　克義; Katsuyoshi Ishida; 克義石田; 貴容美大川; Kiyomi Okawa
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-06-11
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: JP7173851B2

Abstract

【課題】リターンロス特性を広帯域化することを可能にする偏波共用平面アンテナを提供する。【解決手段】偏波信号を送信するための複数の上層給電パッチ６１ｂがマトリクス状に配列された上層給電素子基板６１と、偏波信号を受信するための複数の下層給電パッチ８１ｂが上層給電パッチ６１ｂと同位置に配列された下層給電素子基板８１と、を備え、上層給電素子基板６１の下側に下層給電素子基板８１が積層され、互いに直交する２つの偏波信号を送受信する偏波共用平面アンテナ１であって、上層給電素子基板６１の上側に、複数の無給電パッチ３１ｂ、４１ｂが上層給電パッチ６１ｂと同位置に配列された無給電素子基板３１、４１が積層され、下層給電素子基板８１の下側に、複数の開口９１ａが上層給電パッチ６１ｂと同位置に配列された下層スロット板９１が積層されている。【選択図】図１

Description

本発明は、互いに直交する２つの偏波信号を送受信可能な偏波共用平面アンテナに関する。

衛星通信では、アップリンクとダウンリンクとで周波数および偏波を変えて、通信を行う方法が一般に採られている。また、地上でのユーザは移動体通信を目的とし、そのアンテナの向きが変化するため、この変化に対応できるように円偏波が用いられている。すなわち、送信と受信とで周波数を変えるとともに、その円偏波も右旋円偏波と左旋円偏波との２つの円偏波を用いている。

そして、円偏波を送受信するためには、例えば、右旋円偏波用アンテナと左旋円偏波用アンテナを横並べに配置することが考えられるが、これでは、放射方向に直角な面における占有面積が大きくなる。このため、小型軽量化が可能な円偏波共用アンテナが知られている（例えば、特許文献１等参照。）。この円偏波共用平面アンテナは、２つのマイクロストリップアレイアンテナをそれぞれの偏波面が直交するように重ねたアンテナであり、図４に示すように、上から順に、第１の積層部１１０、第２の積層部１２０、第３の積層部１３０および第４の積層部１４０が積層されている。

第１の積層部１１０は、上から順に、上層スロット板１１１と発砲シート１１２が積層され、第２の積層部１２０は、上から順に、上層給電素子基板１２１と発泡シート１２２が積層されている。ここで、上層給電素子基板１２１は、偏波信号を送信するための給電素子がマトリクス状に配列されたＦＰＣ（ＦｌｅｘｉｂｌｅＰｒｉｎｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓ、フレキシブルプリント回路基板）である。第３の積層部１３０は、上から順に、中層スロット板１３１と発砲シート１３２が積層され、第４の積層部１４０は、上から順に、下層給電素子基板１４１と発泡シート１４２とグランド板１４３が積層されている。ここで、下層給電素子基板１４１は、偏波信号を受信するための給電素子がマトリクス状に配列されたＦＰＣである。

特開２００４−８８１８５号公報

このような円偏波共用平面アンテナでは、リターンロス帯域が素子の結合に依存し、リターンロス帯域を広くするために無給電素子基板を積層する、という方策が一般的に採られていた。しかしながら、無給電素子基板を積層するだけでは、所望の帯域までリターンロスを広くすることができない場合があった。

そこで本発明は、リターンロス特性を広帯域化することを可能にする偏波共用平面アンテナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、偏波信号を送信するための複数の給電素子がマトリクス状に配列された送信基板と、偏波信号を受信するための複数の給電素子が前記送信基板の給電素子と同位置に配列された受信基板と、を備え、前記送信基板の下側に前記受信基板が積層され、互いに直交する２つの偏波信号を送受信する偏波共用平面アンテナであって、前記送信基板の上側に、複数の無給電素子が前記給電素子と同位置に配列された無給電素子基板が積層され、前記受信基板の下側に、複数の開口が前記給電素子と同位置に配列されたスロット板が積層されている、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の偏波共用平面アンテナであって、前記開口に、リターンロスの周波数帯域を調整するためのブリッジが設けられている、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、複数の開口が配列されたスロット板が受信基板の下側に積層されているため、受信のリターンロス特性を広帯域化する（広帯域にわたってリターンロスを低くする）ことが可能となる。すなわち、受信基板の給電素子の下側に開口（孔）を設けることで、受信基板の厚みが厚くなったのと同等の効果が得られ、受信基板の実質的な比誘電率が下がりＱ値が下がって、リターンロス特性が広帯域化するものである。このため、一般に、受信基板の基板厚さを厚くすると広帯域化を図れるが、基板厚さを厚くすることなく所望の厚みにしたままで、リターンロス特性を広帯域化することが可能となる。

しかも、スロット板を受信基板の下側に設けるだけでよいため、低コストで、かつ、他の特性に影響を与えることなく、リターンロス特性を広帯域化することが可能となる。一方、送信基板の上側に無給電素子基板が積層されているため、指向性において主ビームが絞られ利得が高められる。このように、スロット板と無給電素子基板とを積層することで、リターンロス特性を広帯域化した上で、利得を高めることが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、スロット板の開口にブリッジが設けられているため、リターンロス帯域を所望の帯域に調整することが可能となる。

この発明の実施の形態に係る偏波共用平面アンテナの積層構造を示す分解斜視図である。図１の偏波共用平面アンテナの受信におけるリターンロス特性を示すグラフである。この発明の実施の形態に係る他の偏波共用平面アンテナの積層構造を示す分解斜視図である。従来の偏波共用平面アンテナの積層構造を示す分解斜視図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態に係る偏波共用平面アンテナ１の積層構造を示す分解斜視図である。この偏波共用平面アンテナ１は、マイクロ波帯の衛星通信において、互いに直交する２つの直線偏波信号を送受信する直線偏波共用平面アンテナであり、上層給電素子基板（送信基板）６１の下側に下層給電素子基板（受信基板）８１が積層されている。なお、偏波共用平面アンテナ１に円偏波変換器を積層することで、２つの円偏波信号を送受信可能な円偏波共用平面アンテナが構成される。

偏波共用平面アンテナ１は、上から順に、第１の積層部２、第２の積層部３、第３の積層部４、第４の積層部５、第５の積層部６、第６の積層部７、第７の積層部８および第８の積層部９が積層されている。

第１の積層部２は、上から順に、上カバー２１、発泡シート（誘電体）２２、中カバー２３および発泡シート２４が積層されている。発泡シート２２、２４は、発泡ポリエチレンや発泡ポリプロピレンのシート材で、後述する他の発泡シートについても同様である。

第２の積層部３は、上から順に、上層無給電素子基板（無給電素子基板）３１および発泡シート３２が積層されている。上層無給電素子基板３１は、複数の無給電素子がマトリクス状に配列された基板であり、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い上層絶縁基板３１ａと、後述する下層給電パッチ（給電素子）８１ｂと同位置に配列、配設された略菱形状で導電箔の複数の上層無給電パッチ（無給電素子）３１ｂとを備えている。この上層無給電素子基板３１は、その下層の発泡シート３２によって、受信用の下層給電素子基板８１に影響を及ぼす高さ位置に配置されている。さらに、下層給電素子基板８１の励振方向に沿って延ばされた上層無給電パッチ３１ｂの形状と発泡シート３２とによって、下層給電素子基板８１の指向性に影響を及ぼし、下層給電素子基板８１のビーム幅を狭くして正面利得を向上させる。

第３の積層部４は、上から順に、下層無給電素子基板（無給電素子基板）４１および発泡シート４２が積層されている。下層無給電素子基板４１は、複数の無給電素子がマトリクス状に配列された基板であり、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い下層絶縁基板４１ａと、後述する上層給電パッチ（給電素子）６１ｂと同位置に配列、配設された矩形（略四角形）で導電箔の複数の下層無給電パッチ（無給電素子）４１ｂとを備えている。この下層無給電素子基板４１は、その下層の発泡シート４２によって、送信用の上層給電素子基板６１の指向性に影響を及ぼす高さ位置に配置されており、上層給電素子基板６１のビーム幅を狭くして正面利得を向上させる。

第４の積層部５は、上から順に、上層スロット板５１および発泡シート５２が積層されている。上層スロット板５１は、後述する上層給電パッチ６１ｂに対向する位置（同位置）に、矩形の開口（孔）５１ａが設けられている。この上層スロット板５１は、シールド用の遮蔽板で導電性を有する薄板、例えばアルミニウム板で構成され、後述する中層スロット板７１、下層スロット板９１およびグランド板９２も同様である。

第５の積層部６は、上から順に、上層給電素子基板６１および発泡シート６２が積層されている。上層給電素子基板６１は、偏波信号を送信するための給電素子がマトリクス状に配列された基板であり、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い上層給電基板６１ａと、上層給電基板６１ａ上に所定間隔で配列された複数の矩形の上層給電パッチ（給電素子）６１ｂと、この上層給電パッチ６１ｂに給電を行う上層給電線路６１ｃとを備えている。上層給電パッチ６１ｂおよび上層給電線路６１ｃは、銅、アルミニウム、金などの導電箔によって形成されている。

第６の積層部７は、上から順に、中層スロット板７１および発泡シート７２が積層されている。中層スロット板７１は、後述する下層給電パッチ８１ｂに対向する位置に、矩形の開口７１ａが設けられている。また、この開口７１ａには、対角線方向を横切るブリッジ部７１ｂが設けられている。このブリッジ部７１ｂは、上層給電パッチ６１ｂの送信励振方向と平行に（受信励振方向に対して９０°異なる方向に）設けられており、上層給電パッチ６１ｂの給電時には、励振に対し強い影響を及ぼして、指向性などのアンテナ特性を改善する。また、下層給電パッチ８１ｂの励振方向と直交し、しかも、その幅が下層給電パッチ８１ｂに比べて十分狭いため、その影響は殆どなく、他のアンテナ特性を劣化させることはない。

第７の積層部８は、上から順に、下層給電素子基板８１および発泡シート８２が積層されている。下層給電素子基板８１は、偏波信号を受信するための給電素子がマトリクス状に配列された基板であり、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い下層給電基板８１ａと、下層給電基板８１ａ上に上層給電パッチ６１ｂと同位置に配列、配設された複数の矩形の下層給電パッチ（給電素子）８１ｂと、この下層給電パッチ８１ｂに給電を行う下層給電線路８１ｃとを備えている。下層給電パッチ８１ｂおよび下層給電線路８１ｃは、上層給電パッチ６１ｂなどと同様の導電箔によって形成されている。

ここで、下層給電素子基板８１が上層給電素子基板６１よりも低い周波数帯域の偏波信号を受信する場合、下層給電パッチ８１ｂのサイズは、上層給電パッチ６１ｂよりも大きく設定されている。また、この実施の形態では、下層給電素子基板８１は、受信偏波面と平行で紙面に垂直な面となる偏波信号を受信する。従って、下層給電素子基板８１の励振方向もこの受信偏波面の方向となる。同様に、上層給電素子基板６１は、送信偏波面と平行で紙面に垂直な面となる偏波信号を送信する。従って、上層給電素子基板６１の励振方向もこの送信偏波面の方向となる。

第８の積層部９は、上から順に、下層スロット板（スロット板）９１、グランド板９２、発泡シート９３、ベース板９４および下カバー９５が積層されている。下層スロット板９１は、下層給電パッチ８１ｂに対向する位置（同位置）に、複数の矩形の開口９１ａが設けられている。また、この開口９１ａには、対角線方向を横切るブリッジ部９１ｂが設けられ、これにより、リターンロスの周波数帯域が調整されている。すなわち、所望の周波数帯域で所望のリターンロスが得られるように、ブリッジ部９１ｂが設けられている。また、このブリッジ部９１ｂは、中層スロット板７１のブリッジ部７１ｂと同方向に設けられ、上述したブリッジ部７１ｂの効果と同等の効果が得られるようになっている。

このような構成の偏波共用平面アンテナ１によれば、複数の開口９１ａが配列された下層スロット板９１が下層給電素子基板８１の下側に積層されているため、受信のリターンロス特性を広帯域化することが可能となる。すなわち、下層給電素子基板８１の下層給電パッチ８１ｂの下側に開口（孔）９１ａを設けることで、下層給電素子基板８１の下層給電基板８１ａの厚みが厚くなったのと同等の効果が得られ、下層給電基板８１ａの実質的な比誘電率が下がりＱ値が下がって、リターンロス特性が広帯域化するものである。このため、一般に、下層給電基板８１ａの厚さを厚くすると広帯域化を図れるが、厚さを厚くすることなく所望の厚みにしたままで（反射を抑制した上で）、リターンロス特性を広帯域化することが可能となる。

例えば、図２に示すように、周波数Ｆ１から周波数Ｆ２において所望のリターンロス値Ｃ以下であることを要する場合、リターンロス特性曲線Ｌ１に示すように、全帯域でリターンロスをＣ値よりも低くすることが可能となる。一方、下層スロット板９１が積層されていない従来の偏波共用平面アンテナでは、リターンロス特性曲線Ｌ２に示すように、一部の周波数帯域においてリターンロスがＣ値よりも大きな値となってしまう。ここで、図２は、１素子当たりの特性を示し、図１に示すような複数の素子（図１では１６素子）でも同様の効果が発生する。

しかも、下層スロット板９１を下層給電素子基板８１の下側に設けるだけでよいため、低コストで、かつ、他の特性に影響を与えることなく、リターンロス特性を広帯域化することが可能となる。一方、上層給電素子基板６１の上側に上層無給電素子基板３１と下層無給電素子基板４１が積層されているため、指向性において主ビームが絞られ利得が高められる。このように、下層スロット板９１と無給電素子基板３１、４１とを積層することで、リターンロス特性を広帯域化した上で、利得を高めることが可能となる。

また、下層スロット板９１の開口９１ａにブリッジ部９１ｂが設けられているため、リターンロス帯域を所望の帯域に調整することが可能となる。例えば、図２に示すように、周波数Ｆ１から周波数Ｆ２において、リターンロス値が所望のリターンロス値Ｃ以下になるように調整することが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の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の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、無給電素子基板３１、４１を送信用と受信用で２枚設けたが、１枚の無給電素子基板を送信用および受信用の給電素子基板６１、８１の両方に影響する高さ位置に配置することにより、１枚の無給電素子基板で同様の効果を得ることも可能である。また、無給電素子基板が送信および受信の両給電素子に影響する高さ位置にある場合でも、無給電素子基板のパッチの形状を対象とする給電素子の励振方向に沿って延ばすことにより、対象とする給電素子に対して影響を及ぼすようにすることも可能である。

ところで、上記の実施の形態では、下層スロット板９１の開口９１ａにブリッジ部９１ｂを設けているが、開口９１ａのみで所望の周波数帯域で所望のリターンロス特性が得られる場合には、図３に示すように、ブリッジ部９１ｂを設ける必要はない。また、メアンダーラインポラライザなどで構成された円偏波変換器を積層した円偏波共用平面アンテナに、本発明を適用してもよい。

１偏波共用平面アンテナ
３１上層無給電素子基板（無給電素子基板）
３１ｂ上層無給電パッチ（無給電素子）
４１下層無給電素子基板（無給電素子基板）
４１ｂ下層無給電パッチ（無給電素子）
６１上層給電素子基板（送信基板）
６１ｂ上層給電パッチ（給電素子）
８１下層給電素子基板（受信基板）
８１ｂ下層給電パッチ（給電素子）
９１下層スロット板（スロット板）
９１ａ開口
９１ｂブリッジ部

Claims

偏波信号を送信するための複数の給電素子がマトリクス状に配列された送信基板と、偏波信号を受信するための複数の給電素子が前記送信基板の給電素子と同位置に配列された受信基板と、を備え、前記送信基板の下側に前記受信基板が積層され、互いに直交する２つの偏波信号を送受信する偏波共用平面アンテナであって、
前記送信基板の上側に、複数の無給電素子が前記給電素子と同位置に配列された無給電素子基板が積層され、前記受信基板の下側に、複数の開口が前記給電素子と同位置に配列されたスロット板が積層されている、
ことを特徴とする偏波共用平面アンテナ。
前記開口に、リターンロスの周波数帯域を調整するためのブリッジが設けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載の偏波共用平面アンテナ。