JP2021005816A - Planar array antenna shared between transmission and reception - Google Patents
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Abstract
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送受共用平面アレーアンテナに関する。 The present invention relates to a transmission / reception shared plane array antenna capable of transmitting and receiving two polarization signals orthogonal to each other.
マイクロ波帯の衛星通信では、受信チャンネルごとに垂直偏波、水平偏波の切り替えが必要となるため、1つのアンテナで直交する2つの偏波(垂直偏波、水平偏波)に対応可能な送受共用平面アレーアンテナが用いられている。従来の送受共用平面アレーアンテナは、図7に示すように、下層から順に、グランド板101、誘電体102、下層給電素子基板103、誘電体104、下層スロット板105、誘電体106、上層給電素子基板107、誘電体108および上層スロット板109が積層されている。
In microwave band satellite communication, it is necessary to switch between vertically polarized light and horizontally polarized light for each receiving channel, so one antenna can handle two orthogonally polarized waves (vertically polarized light and horizontally polarized light). A common plane array antenna for transmission and reception is used. As shown in FIG. 7, the conventional transmission / reception shared plane array antenna has a
下層給電素子基板103は、絶縁性を有する下層給電基板103aに、導電箔からなる矩形の下層給電素子103bがマトリクス状に配列されている。同様に、上層給電素子基板107は、絶縁性を有する上層給電基板107aに、導電箔からなる矩形の上層給電素子107bが、下層給電素子103bと同位置に配列されている。
In the lower layer
給電素子のサイズは、送受信する偏波信号の周波数帯域に応じて決まり、周波数帯域が低いほど給電素子のサイズは大きくなる。このため、送信される偏波信号と受信される偏波信号との周波数帯域が大きく離れている場合、例えば、下層給電素子103bと上層給電素子107bのサイズに差が生じてしまい、サイズの大きな給電素子に合わせて配列間隔が決まってしまう。従って、サイズの小さな給電素子では、その励振方向における配列間隔が偏波信号の波長λに対して必要以上に大きくなり、グレーティングローブが発生してしまう。この結果、グレーティングローブにエネルギーが奪われて正面利得が低下する、という問題があった。
The size of the feeding element is determined according to the frequency band of the polarization signal to be transmitted and received, and the lower the frequency band, the larger the size of the feeding element. Therefore, when the frequency bands of the transmitted polarization signal and the received polarization signal are far apart, for example, there is a difference in size between the lower
一方、各送受共用平面アンテナ素子に対して金属製のフレア(ホーン)を設けることにより、グレーティングローブのレベルを軽減させる、という技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, there is known a technique of reducing the level of the grating lobe by providing a metal flare (horn) for each transmission / reception flat antenna element (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1の技術では、送受共用平面アレーアンテナが大幅に厚くなり、重量も増加してしまうという問題があった。
However, the technique of
そこで本発明は、厚みや重量を増加させずにグレーティングローブを軽減して、正面利得を向上可能な送受共用平面アレーアンテナを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a transmission / reception shared plane array antenna capable of improving frontal gain by reducing the grating lobe without increasing the thickness and weight.
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送受共用平面アレーアンテナであって、前記送信基板の給電素子の励振方向に延びる無給電素子である素子間無給電素子が、前記給電素子と前記給電素子との間にそれぞれ配列された素子間無給電素子基板が、前記送信基板の上側に積層され、前記送信基板で発生するグレーティングローブを、前記素子間無給電素子基板で発生するグレーティングローブで打ち消すように、前記素子間無給電素子の寸法および前記送信基板に対する前記素子間無給電素子基板の高さが設定されている、ことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
請求項1に記載の発明によれば、給電素子と給電素子との間にそれぞれ素子間無給電素子が配列され、素子間無給電素子の配列間隔が給電素子の配列間隔と同じなため、送信基板と素子間無給電素子基板で発生するグレーティングローブが同じ角度方向になる。そして、送信基板で発生するグレーティングローブを、素子間無給電素子基板で発生するグレーティングローブで打ち消すように、素子間無給電素子の寸法および送信基板に対する素子間無給電素子基板の高さが設定されているため、グレーティングローブを軽減して正面利得を向上させることが可能となる。また、素子間無給電素子が配列された素子間無給電素子基板が積層されているだけであるため、厚みや重量を大きく増加させることがない。
According to the invention of
以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiment.
図1〜図6は、この発明の実施の形態を示し、図1は、この実施の形態に係る送受共用平面アレーアンテナ(以下、「本アレーアンテナ」という)1の積層構造を示す分解斜視図である。本アレーアンテナ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つの偏波信号(水平偏波および垂直偏波)を送受信するアレーアンテナであり、図2(a)に示すように、矩形板状のアンテナ本体11の平面上に、互いに直交するX軸及びY軸に沿って、マトリクス状に多数のアンテナ素子(後述する受信パッチ26bや送信パッチ42bなど)が配列されている。
1 to 6 show an embodiment of the present invention, and FIG. 1 is an exploded perspective view showing a laminated structure of a transmission / reception shared plane array antenna (hereinafter, referred to as “the present array antenna”) 1 according to the present embodiment. Is. The
本アレーアンテナ1は、偏波信号を送受信する観測面の方向(観測面角度)をX軸に対してφ=0°としたとき、送信偏波面がφ=45°、受信偏波面がφ=135°となっている。図2(b)は、X軸およびY軸と、これらに直交するZ軸(図2(a)の紙面奥行方向)における衛星の観測方向を示しており、この観測方向をXY平面上に投影した投影線とX軸とがなす角度が観測面角度φとなり、観測方向とZ軸とがなす角度が観測角度θとなる。
In this
本アレーアンテナ1は、偏波信号を送信するための複数の送信パッチ(給電素子)42bがマトリクス状に配列された上層給電素子基板(送信基板)42と、偏波信号を受信するための複数の受信パッチ(給電素子)26bが送信パッチ42bと同位置に配列された下層給電素子基板(受信基板)26とを備え、具体的には、下層から順に、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および第7の積層部8が積層されている。
The
第1の積層部2は、下層から順に、下カバー21、ベース板22、発泡シート(誘電体)23、グランド板24、発泡シート25および下層給電素子基板26が積層されている。発泡シート23、25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。また、グランド板24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、後述する下層スロット板32および上層スロット板52も同様である。
In the first laminated
下層給電素子基板26は、偏波信号を受信するための受信パッチ26bがマトリクス状に配列された基板である。すなわち、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26aと、下層給電基板26a上に所定間隔で配列された複数の矩形の受信パッチ26bと、この受信パッチ26bに給電を行う下層給電線路26cとを備える。受信パッチ26bおよび下層給電線路26c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。また、下層給電線路26cは、所定の方向に沿って延び、下層給電基板26a上で共通の給電幹線に接続されている。
The lower layer
第2の積層部3は、下層から順に、発泡シート31および下層スロット板32が積層されている。下層スロット板32は、各受信パッチ26bに対面する位置に、矩形のスロット開口32aが設けられている。また、このスロット開口32aには、対角線方向を横切るブリッジ部32bが設けられている。このブリッジ部32bは、後述する送信パッチ42bの励振方向と平行に設けられており、送信パッチ42b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、受信パッチ26bの励振方向と直交し、しかも、その幅が受信パッチ26b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。
In the second laminated
第3の積層部4は、下層から順に、発泡シート41および上層給電素子基板42が積層されている。上層給電素子基板42は、偏波信号を送信するための送信パッチ42bがマトリクス状に配列された基板である。すなわち、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42aと、受信パッチ26bと同位置に上層給電基板42a上に配列された複数の矩形の送信パッチ42bと、この送信パッチ42bに給電を行う上層給電線路42cとを備える。送信パッチ42bおよび上層給電線路42cは、受信パッチ26bなどと同様の導電箔によって形成されている。また、上層給電線路42cは、所定の方向(下層給電線路26cに直交する方向)に沿って延び、上層給電基板42a上で共通の給電幹線に接続されている。
In the third laminated
ここで、下層給電素子基板26が上層給電素子基板42よりも低い周波数帯域の偏波信号を受信する場合、受信パッチ26bのサイズは、送信パッチ42bよりも大きく設定されている。
Here, when the lower layer
第4の積層部5は、下層から順に、発泡シート51および上層スロット板52が積層されている。上層スロット板52は、送信パッチ42bに対面する位置に、矩形のスロット開口52aが設けられている。
In the fourth
第5の積層部6は、下層から順に、発泡シート61および素子間無給電素子基板62が積層されている。素子間無給電素子基板62は、素子間無給電パッチ(素子間無給電素子)62b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62aに、細長い長方形状で導電箔の複数の素子間無給電パッチ62bが配列されている。
In the fifth
この素子間無給電パッチ62bは、図3に示すように、送信パッチ42bの励振方向つまり給電方向に延びる無給電素子であり、複数の素子間無給電パッチ62bがそれぞれ均等に、送信パッチ42bと送信パッチ42bとの間に配列されている。このため、素子間無給電パッチ62bの配列間隔が、送信パッチ42bおよび受信パッチ26bの配列間隔と同寸法となり、上層給電素子基板42と素子間無給電素子基板62で発生するグレーティングローブが同じ角度方向になる。
As shown in FIG. 3, the inter-element
さらに、上層給電素子基板42で発生するグレーティングローブを、素子間無給電素子基板62で発生するグレーティングローブで打ち消すように、素子間無給電パッチ62bの寸法および上層給電素子基板42に対する素子間無給電素子基板62の高さが設定されている。すなわち、素子間無給電パッチ62bの長手方向(送信パッチ42bの励振方向)の寸法を調整することで、グレーティングローブの振幅が変わる。また、上層スロット板52からの素子間無給電素子基板62の高さ位置を調整することで、グレーティングローブの位相が変わる。このため、送信パッチ42bによるグレーティングローブと同程度の振幅であって、逆位相のグレーティングローブが素子間無給電パッチ62bで発生するように、素子間無給電パッチ62bの長手方向の寸法と、発泡シート61の厚みが調整、設定されている。
Further, the dimensions of the inter-element
第6の積層部7は、下層から順に、発泡シート71および上層無給電素子基板72が積層されている。上層無給電素子基板72は、無給電パッチ(無給電素子)72b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72aに、矩形で導電箔の複数の無給電パッチ72bが送信パッチ42bと同位置に配列されている。この上層無給電素子基板72は、その下層の発泡シート71によって、送信用の上層給電素子基板42の指向性に影響を及ぼす高さ位置に設置されており、上層給電素子基板42のビーム幅を狭くして正面利得を向上させる。
In the sixth
第7の積層部8は、下層から順に、発泡シート81、中カバー82、発泡シート83、および上カバー84が積層されている。このように、受信パッチ26b、スロット開口32a、送信パッチ42b、スロット開口52aおよび無給電パッチ72bが同位置に配列され、これらの間に素子間無給電パッチ62bが配列されている。
In the seventh
このような構成の本アレーアンテナ1によれば、上記のように、送信パッチ42bと送信パッチ42bとの間にそれぞれ素子間無給電パッチ62bが配列され、素子間無給電パッチ62bの配列間隔が送信パッチ42bの配列間隔と同じなため、上層給電素子基板42と素子間無給電素子基板62で発生するグレーティングローブが同じ角度方向になる。そして、上層給電素子基板42で発生するグレーティングローブを、素子間無給電素子基板62で発生するグレーティングローブで打ち消すように、素子間無給電パッチ62bの寸法および上層給電素子基板42に対する素子間無給電素子基板62の高さが設定されているため、グレーティングローブを軽減して正面利得を向上させることが可能となる。また、素子間無給電パッチ62bが配列された素子間無給電素子基板62が積層されているだけであるため、厚みや重量を大きく増加させることがない。
According to the
図4は、第6の積層部7を備えるが第5の積層部6を備えない送受共用平面アレーアンテナ(以下、「対比アレーアンテナ」という)と、本アレーアンテナ1との送信指向性を示す図である。この図は、観測面角度φ=0°とするXZ平面において、Z軸を中心(正面)とする送信指向性を示し、(a)は、Z軸の周辺角域(−10度〜+10度)の送信指向性を示し、(b)は、広角域(−90度〜+90度)の送信指向性を示す。この図から、対比アレーアンテナに比べて本アレーアンテナ1の方が、グレーティングローブが軽減されていることが確認できる。
FIG. 4 shows the transmission directivity between the transmission / reception shared plane array antenna (hereinafter referred to as “contrast array antenna”) including the sixth
また、図5は、対比アレーアンテナと本アレーアンテナ1における、正面利得と開口効率を示す図であり、図6は、対比アレーアンテナと本アレーアンテナ1における、周波数に対する正面利得を示す図である。ここで、図6中符号Fcは、使用する中心周波数を示し、図5は、中心周波数Fcにおける正面利得と開口効率を示す。この図から、対比アレーアンテナに比べて本アレーアンテナ1の方が、中心周波数Fcを中心とする周波数帯域において、正面利得が高いことが確認できる。
Further, FIG. 5 is a diagram showing the frontal gain and the aperture efficiency of the contrasting array antenna and the
ところで、素子間無給電素子基板62を備えずに上層無給電素子基板72を複数枚積層する場合、送信のマッチングが大きくずれてしまい、Sパラメータや指向性が大きく変化してしまう。また、無給電パッチ72bの寸法や高さによっては、他の特性に影響を与えるおそれがある。これに対して、本アレーアンテナ1では、上記のような素子間無給電素子基板62を備えるため、他の特性に影響を与えることなく、グレーティングローブが軽減して正面利得が向上する、という利点を有する。
By the way, when a plurality of upper layer
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、素子間無給電素子基板62を1枚だけ設けているが、複数枚の素子間無給電素子基板62を積層してもよい。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。また、素子間無給電素子基板62における素子間無給電パッチ62bの導電箔の形状は長方形に限らず、菱形等変更してもよい。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the specific configuration is not limited to the above-described embodiment, and even if there is a design change or the like within a range that does not deviate from the gist of the present invention. Included in the invention. For example, in the above-described embodiment, only one inter-element
1 送受共用平面アレーアンテナ
26 下層給電素子基板(受信基板)
26b 受信パッチ(給電素子)
32 下層スロット板
42 上層給電素子基板(送信基板)
42b 送信パッチ(給電素子)
52 上層スロット板
62 素子間無給電素子基板
62b 素子間無給電パッチ(素子間無給電素子)
72 上層無給電素子基板
72b 無給電パッチ(無給電素子)
1 Transmission / reception shared
26b Reception patch (feeding element)
32 Lower
42b transmission patch (feeding element)
52 Upper
72 Upper layer
Claims (1)
前記送信基板の給電素子の励振方向に延びる無給電素子である素子間無給電素子が、前記給電素子と前記給電素子との間にそれぞれ配列された素子間無給電素子基板が、前記送信基板の上側に積層され、
前記送信基板で発生するグレーティングローブを、前記素子間無給電素子基板で発生するグレーティングローブで打ち消すように、前記素子間無給電素子の寸法および前記送信基板に対する前記素子間無給電素子基板の高さが設定されている、
ことを特徴とする送受共用平面アレーアンテナ。
A transmission board in which a plurality of feeding elements for transmitting a polarization signal are arranged in a matrix, and a reception in which a plurality of feeding elements for receiving a polarization signal are arranged at the same positions as the feeding elements of the transmission board. A transmission / reception shared plane array antenna comprising a substrate and having the reception substrate laminated under the transmission board to transmit and receive two polarization signals orthogonal to each other.
The inter-element non-feeding element, which is a non-feeding element extending in the excitation direction of the feeding element of the transmitting board, is arranged between the feeding element and the feeding element, respectively. Laminated on the upper side,
The dimensions of the inter-element non-feeding element and the height of the inter-element non-feeding element substrate with respect to the inter-element feeding substrate so that the grating lobe generated in the transmitting substrate is canceled by the grating lobe generated in the inter-element non-feeding element substrate. Is set,
A flat array antenna for both transmission and reception, which is characterized by this.
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