JP2021524699A - 広角走査用二重偏波ダイポールアンテナ - Google Patents

Abstract

本発明は、広角走査用二重偏波ダイポールアンテナを開示し、アンテナ技術分野に属する。広角走査用二重偏波ダイポールアンテナは、第１金属アーム、アンテナ支柱、第２金属アーム及び給電バランを含み、前記第１金属アームは、アンテナの頂部に位置し、アンテナが大角度で走査するときのインピーダンス変動を改善するためのものであり、前記給電バランは、アンテナの底部に位置し、同軸ケーブルから入力される不平衡給電を平衡給電に変換するためのものである。本発明によれば、アンテナが大角度で走査するときのインピーダンス整合が大幅に改善され、アンテナの広角走査性能が効果的に向上するとともに、アンテナは良好な交差偏波性能を有する。最後に、金属ダイポールアーム及び頂部の金属アームはいずれも断面積が極めて小さい縦ブレード状の屈曲構造を採用することにより、雪や雨がたまりにくく、雪たまり、雨たまりなどのアンテナ性能及び寿命に対する影響が低減され、大雨や大雪などの悪天候条件に良好に適用できる。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ技術分野に関し、具体的には、広角走査用二重偏波（ｄｕａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）ダイポールアンテナに関する。

アンテナは、無線放送、無線通信、無線検出システムで最も重要なコンポーネントの１つであり、その構造と特性がシステム全体のパフォーマンスを大きく左右する。フェーズドアレイアンテナは、その優れたビーム走査及びビームフォーミング能力により、現代アンテナの重要な開発方向となっている。レーダー、通信その他のシステムでは、多くの場合、動作周波数帯域が広く、走査角度が大きく、リターンロスが低いフェーズドアレイアンテナが必要である。いくつかの特殊用途のアンテナは、過酷な作業条件に適応するために、高い環境適応性を備える必要がある。

二重偏波アンテナは、偏波が互いに直交する２つのアンテナからなり、現代のレーダーや通信システムで広く使用されている。一般的に使用されている二重分極アンテナには、マイクロストリップアンテナ、ダイポールアンテナ、及びＶｉｖａｌｄｉアンテナなどが含まれる。互いに直交する２つのダイポールアンテナからなる十字交差型の二重偏波アンテナは、帯域幅が広く、処理の難易度が低く、信頼性が高いなどの利点を有するため、二重偏波フェーズドアレイのアレイユニットとしてよく使用されている。

従来の二重偏波ダイポールアンテナは、大角度で走査するときに、インピーダンスが急激な変化し、インピーダンス不整合を引き起こし、深刻なリターンロスを引き起こす。±６０°まで走査する場合、アンテナユニットのリターンロスは−６ｄＢに達することが多い。一方、いくつかの特殊な応用では、アンテナは例えば、大雨や大雪などの複雑な作業環境及び極端な天候に直面する場合が多い。従来の二重偏波ダイポールアンテナは、広い断面積を有するため、雪がたまりやすく、アンテナの作動時間に大きい影響を与える。

本発明が解決しようとする課題は、低リターンロスの広角走査を実現し、大雨や大降雪などの極端な天候での作業需要を満たすために、広角走査用二重偏波ダイポールアンテナを提供することである。

本発明は、以下の技術的解決策により上記問題を解決する。本発明によれば、第１金属アーム、アンテナ支柱、第２金属アーム、及び給電バランを含む広角走査用二重偏波ダイポールアンテナであって、上記第１金属アームは、アンテナの頂部に位置し、アンテナが大角度で走査するときのインピーダンス変動を改善するためのものであり、上記給電バランは、アンテナの底部に位置し、同軸ケーブルから入力される不平衡給電を平衡給電に変換するためのものであり、上記アンテナ支柱は、給電バランと第１金属アームとの間に位置し、第１金属アームを支持するためのものであり、上記第２金属アームは、給電バラン上に設けられ、給電バランにより給電され、上記第１金属アームは、縦十字ブレード状金属アームであり、上記第２金属アームは、縦ブレード状金属ダイポールアームであり、上記第１金属アーム及び第２金属アームはいずれも水平部及び屈曲部を含み、上記水平部と屈曲部は一体成型構造である広角走査用二重偏波ダイポールアンテナが提供される。
上記形状の金属アームは、断面積が小さく、雨や雪がたまりにくいことから、アンテナ全体の風、雨、雪への抵抗能力が強く、極端な天候及び複雑な作業環境に適応することができる。縦十字ブレード状金属アームを採用することにより、アンテナが大角度で走査するときのインピーダンス変動は改善される。

好ましくは、上記第２金属アームは、２セットで、合計４個あり、２セットの上記第２金属アームは対称的に分布する。

好ましくは、上記アンテナは、構造的には対称構造であり、その２つの偏波方向が互いに直交する。

好ましくは、上記給電バランは、２セットあり、２セットの上記給電バランは互いに直交することにより、偏波方向が互いに直交する２セットのダイポールアームにそれぞれ給電するのが便利である。

好ましくは、各セットの上記給電バランは、同軸ケーブル、接地金属柱、金属ブリッジ及び媒質ベースを含み、上記金属ブリッジは媒質ベース上に設けられ、上記媒質ベースは同軸ケーブル及び接地金属柱の上端に設けられ、上記金属ブリッジは、同軸ケーブルと接地金属柱を接続するためのものである。

好ましくは、各セットの上記給電バランは、複数の媒質支柱をさらに含み、上記同軸ケーブルは、同軸内部導体及び同軸外部導体を含み、上記同軸内部導体は、同軸外部導体の内部に位置し、複数の上記媒質支柱は、それぞれ同軸内部導体の外部に設けられ、上記同軸内部導体は、媒質支柱により固定される。

好ましくは、上記同軸外部導体と接地金属柱は平行二線構造を構成し、２セットの上記第２金属アームは、それぞれ溶接により同軸外部導体及び接地金属柱に固定され、平行二線構造により給電する。

好ましくは、上記屈曲部は、下向きに屈曲し、上記第２金属アームは、屈曲箇所での角度が第１金属アームと一致する。下向きに屈曲することにより、雨や雪をガイドする作用を奏することができる。

本発明は、従来技術に比べ、以下の利点を有する。
この広角走査用二重偏波ダイポールアンテナによれば、アンテナが大角度で走査するときのインピーダンス整合が大幅に改善され、アンテナの広角走査性能が効果的に向上し、２０８ＭＨｚ−２６０ＭＨｚの範囲内で±６０°の広角走査が達成され、操作時の電圧定在波比が１．５未満であり、従来のダイポールアンテナが±６０°広角で走査するときの電圧定在波比に比べて良好に抑制される。また、アンテナは良好な交差偏波（ｃｒｏｓｓ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）性能を有し、交差偏波レベルが−２５ｄＢ未満である。最後に、金属ダイポールアーム及び頂部の金属アームはいずれも断面積が極めて小さい縦ブレード状の屈曲構造を採用することにより、雪や雨がたまりにくく、雪たまり、雨たまりなどのアンテナ性能及び寿命に対する影響が低減され、特に大雨や大雪などの悪天候条件に適用される。

本発明の全体構造の模式図である。 本発明の局所分解図である。 本発明の図１の側面断面図である。 本発明の図１の上面図である。 アンテナが走査するときの電圧定在波比の模式図である。 アンテナの２３０ＭＨｚ周波数点上的交差偏波方向図である。

１：第１金属アーム、２：アンテナ支柱、３：第２金属アーム、４：給電バラン、４１：同軸内部導体、４２：同軸外部導体、４３：接地金属柱、４４：媒質支柱、４５：金属ネジ、４６：金属ブリッジ、４７：媒質ベース。

以下、本発明の実施例を詳しく説明する。本実施例は、本発明の技術的解決策を前提として実施され、詳しい実施形態及び具体的な操作過程を示すが、本発明の保護範囲は、以下の実施例に限定されない。

図１に示すように、本実施例では、第１金属アーム１、アンテナ支柱２、第２金属アーム３及び給電バラン４を含む広角走査用二重偏波ダイポールアンテナであって、
第１金属アーム１はアンテナの頂部に位置し、アンテナが大角度で走査するときのインピーダンス変動を改善するものであり、
給電バラン４はアンテナの底部に位置し、同軸ケーブルから入力される不平衡給電を平衡給電に変換するものであり、
アンテナ支柱２は給電バラン４と第１金属アーム１との間に位置し、第１金属アーム１を支持するものであり、
第２金属アーム３は給電バラン４の外部の上端に位置し、給電バラン４により給電され、
第１金属アーム１は縦十字ブレード状金属アームであり、第１金属アーム１は寄生素子であり、宮殿をせず、第２金属アーム３は縦ブレード状金属ダイポールアームであり、第１金属アーム１及び第２金属アーム３はいずれも水平部及び屈曲部を含み、水平部と屈曲部は一体成型構造であり、屈曲部は下向きに屈曲する広角走査用二重偏波ダイポールアンテナが提供される。
上記第２金属アームは屈曲箇所での角度が第１金属アームと一致し、下向きに屈曲することにより、雨や雪をガイドする作用を奏することができる。上記形状の金属アームは、断面積が小さく、雨や雪がたまりにくいことから、アンテナ全体の風、雨、雪への抵抗能力が強く、極端な天候及び複雑な作業環境に適応することができる。縦十字ブレード状金属アームを採用することにより、アンテナが大角度で走査するときのインピーダンス変動は改善される。

アンテナの動作周波数は２０８ＭＨｚ〜２６０ＭＨｚであり、偏波方式は水平偏波及び垂直偏波である。アンテナユニットは三角グリッド状に配置される。水平偏波方向におけるアンテナユニットの間隔は７４０ｍｍ、垂直偏波方向におけるアンテナユニットの間隔は６４０ｍｍである。アンテナを実際に三角グリッド状に配置する際に、その横方向ユニット及び縦方向ユニットの数は、実際の必要に応じて拡張することができる。同様に、アンテナは、実際の必要に応じて矩形グリッド配置、リング配置又は他の種類の配置により配置することができる。

第１金属アーム１は、互いに直交する２つの縦ブレード状金属アームを含み、縦ブレード状金属アームの水平方向の長さは３７０ｍｍ、垂直方向の高さは１０６ｍｍ、厚さは３ｍｍであり、アンテナ支柱２の上端に設けられる。金属アーム１とアンテナ支柱２はネジなどにより固定される。アンテナ支柱２は、誘電定数Ｄｋ＝２．１のポリテトラフルオロエチレン材質を使用する。アンテナ支柱２の最大直径は９５ｍｍ、高さは４５ｍｍであり、給電バラン４に設けられる。アンテナ支柱２と給電バラン４はネジなどの方式により固定される。

図２−４に示すように、給電バラン４は２セットあり、２セットの給電バラン４は互いに直交する。これによって、偏波方向が互いに直交する２セットのダイポールアームにそれぞれ給電することが便利になる。各セットの給電バラン４は、同軸ケーブル、接地金属柱４３、金属ブリッジ４６及び媒質ベース４７を含む。金属ブリッジ４６は、媒質ベース４７に設けられ、４枚の金属ネジ４５によりそれぞれ固定される。媒質ベース４７は、同軸ケーブル及び接地金属柱４３の上端に設けられる。金属ブリッジ４６は、同軸ケーブルと接地金属柱４３を接続するものである。各セットの給電バラン４は、複数の媒質支柱４４をさらに含む。同軸ケーブルは、同軸内部導体４１及び同軸外部導体４２を含む。同軸内部導体４１は、同軸外部導体４２の内部に位置し、複数の媒質支柱４４はそれぞれ同軸内部導体４１の外部に設けられる。同軸外部導体４２と接地金属柱４３は平行二線構造を構成する。２セットの第２金属アーム３はそれぞれ同軸外部導体４２及び接地金属柱４３に溶接して固定され、平行二線構造により給電される。

なお、同軸外部導体４２と接地金属柱４３は位置が対称的であり、サイズが同じ、直径（同軸外部導体４２の外径）がいずれも２８．０８ｍｍ、高さが４２３．７ｍｍ、両者の間隔が２５．８６ｍｍである。同軸外部導体４２は、中空の金属筒であり、その内径が２４ｍｍである。同軸内部導体４１は、同軸外部導体４２の中心に位置し、高さが同軸外部導体４２と同じであり、ポリテトラフルオロエチレン材質の媒質支柱４４により固定される。同軸内部導体４１の直径は、インピーダンス変換の必要及び内部導体が媒質支柱４４を貫通するか否かによって確定し、最大直径が１０ｍｍ、最小直径が４．７７４ｍｍであり、同軸内部導体４１の底部は、同軸ＲＦコネクタに接続されて給電する。

金属ブリッジ４６の総長さは６４ｍｍ、幅は１０ｍｍである。金属ブリッジ４６、同軸外部導体４２及び接地金属柱４３の間の最小間隔は９ｍｍである。縦ブレード状金属ダイポールアームの両アームはそれぞれ同軸外部導体４２及び接地金属柱４３の外部の頂端に溶接され、順に同軸外部導体４２及び同軸内部導体４１−金属ブリッジ４６−接地金属柱４３構造により給電される。各ダイポールアームの水平方向における長さは１９０ｍｍ、垂直方向における高さは２３８ｍｍ、厚さは３ｍｍである。

アンテナ支柱２、媒質支柱４４及び媒質ベース４７はポリテトラフルオロエチレン材質を採用し、他の構造は金属材質を採用して加工される。縦十字ブレード状金属アームにより、アンテナが走査するときのインピーダンス整合が大幅に改善される。十字ブレード状金属アームの増設は、本質的には、アンテナの等価回路に静電容量及びインダクタンスを導入することで大角度で走査するときの共振点及インピーダンスを変化させ、ブレード状金属アームの構造は、比較的強い風と雪への抵抗能力を提供するため、極端な天候環境に適用される。

図５に示すように、水平偏波と垂直偏波がＥ面／Ｈ面±６０°で操作するときに、２０８ＭＨｚ−２６０ＭＨｚの範囲内の電圧定在波比はいずれも１．５未満であるため、低リターンロスの広角走査過程が実現される。

図６に示すように、アンテナのＥ面／Ｈ面方向図は、帯域幅内において顕著な悪化がなく、交差偏波レベルは−２５ｄＢ未満である。

以上のことから、本実施例の広角走査用二重偏波ダイポールアンテナによれば、アンテナが大角度で走査するときのインピーダンス整合が大幅に改善され、アンテナの広角走査性能が効果的に向上し、２０８ＭＨｚ−２６０ＭＨｚの範囲内で±６０°の広角走査が達成され、操作時の電圧定在波比が１．５未満であり、従来のダイポールアンテナが±６０°広角で走査するときの電圧定在波比に比べて良好に抑制される。また、アンテナは良好な交差偏波性能を有し、交差偏波レベルが−２５ｄＢ未満である。最後に、金属ダイポールアーム及び頂部の金属アームはいずれも断面積が極めて小さい縦ブレード状の屈曲構造を採用することにより、雪や雨がたまりにくく、雪たまり、雨たまりなどのアンテナ性能及び寿命に対する影響が低減され、特に大雨や大雪などの悪天候条件に適用される。

以上の説明は、本発明の好ましい実施例を説明するものに過ぎず、本発明を制限するものではない。本発明の思想及び原則の範囲内において行われるいかなる修正、同等置換及び改良は、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

Claims (8)

1. 第１金属アーム、アンテナ支柱、第２金属アーム、及び給電バランを含む広角走査用二重偏波ダイポールアンテナであって、
   前記第１金属アームは、アンテナの頂部に位置し、アンテナが大角度で走査するときのインピーダンス変動を改善するためのものであり、
   前記給電バランは、アンテナの底部に位置し、同軸ケーブルから入力される不平衡給電を平衡給電に変換するためのものであり、
   前記アンテナ支柱は、給電バランと第１金属アームとの間に位置し、第１金属アームを支持するためのものであり、
   前記第２金属アームは、給電バラン上に設けられ、給電バランにより給電され、
   前記第１金属アームは、縦十字ブレード状金属アームであり、前記第２金属アームは、縦ブレード状金属ダイポールアームであり、前記第１金属アーム及び第２金属アームはいずれも水平部及び屈曲部を含み、前記水平部と屈曲部は一体成型構造であることを特徴とする、広角走査用二重偏波ダイポールアンテナ。
2. 前記第２金属アームは、２セットで、合計４個あり、
   ２セットの前記第２金属アームは、偏波方向が互いに直交し、対称的に分布することを特徴とする、請求項１に記載の広角走査用二重偏波ダイポールアンテナ。
3. 前記アンテナは、構造的には対称構造であり、その２つの偏波方向が互いに直交する相互正交ことを特徴とする、請求項１に記載の広角走査用二重偏波ダイポールアンテナ。
4. 前記給電バランは、２セットあり、
   ２セットの前記給電バランは、互いに直交し、偏波方向が互いに直交する２セットの金属ダイポールアームにそれぞれ給電することを特徴とする、請求項２に記載の広角走査用二重偏波ダイポールアンテナ。
5. 各セットの前記給電バランは、同軸ケーブル、接地金属柱、金属ブリッジ及び媒質ベースを含み、
   前記金属ブリッジは、媒質ベースに設けられ、前記媒質ベースは、同軸ケーブル及び接地金属柱の上端に設けられ、前記同軸ケーブルは、金属ブリッジにより接地金属柱に接続されることを特徴とする、請求項４に記載の広角走査用二重偏波ダイポールアンテナ。
6. 各セットの前記給電バランは、複数の媒質支柱をさらに含み、
   前記同軸ケーブルは、同軸内部導体及び同軸外部導体を含み、
   前記同軸内部導体は、同軸外部導体の内部に位置し、複数の前記媒質支柱は、それぞれ同軸内部導体の外部に設けられ、前記同軸内部導体は、媒質支柱により固定されることを特徴とする、請求項５に記載の広角走査用二重偏波ダイポールアンテナ。
7. 前記同軸外部導体と接地金属柱は、平行二線構造を構成し、
   ２セットの前記第２金属アームは、それぞれ同軸外部導体及び接地金属柱に固定され、平行二線構造により給電されることを特徴とする、請求項６に記載の広角走査用二重偏波ダイポールアンテナ。
8. 前記屈曲部は、下向きに屈曲し、
   前記第２金属アームは、屈曲箇所での角度が第１金属アームと一致することを特徴とする、請求項１に記載の広角走査用二重偏波ダイポールアンテナ。

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