JP2519854B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、漏れ波誘電体線路を給
電線とするアンテナに関するもので、高い周波数におけ
る放送衛星や通信衛星アンテナ及び移動体通信アンテナ
等に使用する開口面のアンテナ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波帯で通信を行なう場合、空間
の伝搬損失が大きいので、開口面積の広い高利得のアン
テナが望まれ、放送衛星や通信衛星アンテナ及び移動体
通信アンテナ等として実用化されている。従来、アンテ
ナの給電線としては、同軸線路、マイクロストリップ線
路、トリプレート線路、金属導波管等が用いられてい
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、さらに
周波数の高いミリ波になると、同軸線路、マイクロスト
リップ線路、トリプレート線路では導体損が大きく、ま
た、表面の粗さも導体損を助長するので、アンテナの高
効率化に支障が生じ、さらに、金属導波管型アンテナで
は、密閉構造のためのアンテナ自体あるいは電力分配回
路等の製作が困難であった。

【０００４】一方、ミリ波帯における伝送線路として誘
電体線路がある。これをアンテナの給電線に用いると伝
送損失が少なくて便利であるが、放射素子の結合部に用
いようとすると結合が小さく、使用できなかった。

【０００５】本発明は上記課題に鑑みなされたもので、
周波数の高いセンチ波，ミリ波帯においても、低損失で
且つ鋭い指向性を得ることが可能になる簡単な構造で高
効率のアンテナ装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明に係わ
るアンテナ装置は、誘電体線路に沿って電波を放射しな
がら伝送する漏れ波誘電体線路を構成し用いたもので、
伝送電力の大部分が誘電体線路の内部及びその近傍空間
を伝搬し、一部漏れ波（Ｌｅａｋｙ Ｗａｖｅ）として
放射素子に給電されるので、ミリ波帯以上の周波数でも
損失が小さく、高効率のアンテナが実現できる。

【０００７】

【作用】つまり、誘電体線路は、方形あるいは円形断面
誘電体ストリップを金属板で挟み、あるいは金属板の上
に配置した構造を云い、ミリ波のような高い周波数に
て、低損失な線路である。

【０００８】この線路に適当な摂動を加えることにより
電波が線路に沿って漏れるようになり、所謂、漏れ波誘
電体線路となる。この漏れ波誘電体線路を給電線として
使用することで、周波数の高いセンチ波，ミリ波帯にお
いても、低損失で且つ鋭い指向性のアンテナ装置が得ら
れるようになる。

【０００９】

【実施例】以下図面により本発明の一実施例について説
明する。図１はアンテナ装置の第１実施例を示すもの
で、図１（ａ）はアンテナ上部図、図１（ｂ）はアンテ
ナ下部図である。

【００１０】上部金属板１と下部金属板２を半波長以下
の間隔で平行に配置し、周囲を金属壁３で支持すると共
に、下部金属板２の片側に置かれた誘電体線路４に直角
にして漏れ波誘電体線路５を４本並べている。誘電体線
路４には、同軸線路６の中心導体７で給電している。漏
れ波誘電体線路５は、例えば誘電体線路の上部に刻みを
いれて上下非対称の構造としたものである。

【００１１】上記誘電体線路４と漏れ波誘電体線路５の
誘電体材料には、ミリ波帯で損失の少ないテフロンを用
いているが、ポリエチレン，ポリスチロール，ポリスチ
レン，ポリエステル，ボリプロピレン，ＰＶＣ等も用い
られる。

【００１２】上記漏れ波誘電体線路５の終端部には、炭
素等で構成された吸収体壁８が置かれている。誘電体線
路４，５の上部は上部金属板１で覆われており、漏れ波
誘電体線路５の領域では、放射素子として平行な１３本
のスロット９が切られている。図１におけるアンテナ装
置の動作を便宜上送信アンテナとして説明する。まず、
同軸線路６の中心導体７で誘電体線路４を励振する。

【００１３】ここで、漏れ波誘電体線路５は、誘電体線
路４を伝送する電波の整数倍の位置に適当な間隔を空け
て直角に配置し、４本共同相、同振幅で励振される。漏
れ波誘電体線路５の結合部には、必要に応じて不要モー
ド抑制のためのモードサプレッサーを挿入する。

【００１４】漏れ波誘電体線路５は、電力を伝送しなが
ら電波を空間に漏らして行き、残った電力は吸収体壁８
に吸収され、反射電力は殆ど存在しない。この場合、空
間への漏れが多く終端部で残留電力が極めて少なくなっ
ている場合には、吸収体壁８を省略してもよい。

【００１５】このようにすると、隣り合う漏れ波誘電体
線路５から発生した電波は合成され、空間の電磁界は安
定に定在波分布となり、上部金属板１のスロット９を励
振し直線偏波の電波を放射する。図２〜図４は上記アン
テナ装置の周波数２２．７５ＧＨｚにおける指向性実験
値及び上部金属板１と下部金属板２の電界分布を示す図
である。

【００１６】図２は上記アンテナ装置のφ＝９０°にお
けるｙ−ｚ面指向性を示すもので、ｚ方向を０°とした
とき指向性の最大値はθ＝７２．５°であり、ビームチ
ルトしたペンシルビームが放射されている。この場合、
６２°方向にサイドローブが出ているが、これは漏れ波
誘電体線路５に反射波が若干発生していることが原因と
思われる。

【００１７】図３は上記アンテナ装置のθ＝７２．５°
におけるｘ−ｙ面指向性を示すもので、φ＝９０°に最
大指向性が形成されており、サイドローブも小さくなっ
ている。

【００１８】図４は上記アンテナ装置の上部金属板１と
下部金属板２間をｚ＝１３０mm，ｚ＝１８０mmとするｘ
軸方向の電界分布特性を示すもので、同図下部には漏れ
波誘電体線路５の位置とその線路幅ｂを示す。

【００１９】この場合、谷と谷との間隔は約１／２波長
の６．５mmである。谷の位置にはスロットアンテナ等の
磁界励振の放射素子を、山の位置にはダイポール，パッ
チアンテナ等の電界励振の放射素子を置けば能率よく結
合できる。

【００２０】図５は上記アンテナ装置に用いた漏れ波誘
電体線路５の構造を示すもので、半波長以下で上部金属
板３１と下部金属板３２を平行に配置し、この間に１本
の漏れ波誘電体線路３４を挿入配置する。この漏れ波誘
電体線路３４は、誘電体ストリップの上側に幅ｗ，深さ
ｄのノッチ列３５を周期ｔで構成している。同軸線路３
６より給電された電力は、漏れ波誘電体線路３４を励振
し、伝送しながら漏れ波を放射し、その残留電力は終端
で吸収壁３８に吸収される。この場合、放射が多く残留
電力が少ない場合には、上記吸収壁３８が無くともよ
い。

【００２１】ここで、上記ノッチ列３５のない誘電体線
路の電界は、金属板３１，３２に平行で非放射性の伝送
波であるが、ノッチ列３５を設けることにより構造が非
対称となり、金属板に垂直な電界を生じ、これが漏れ波
となり上部金属板３１と下部金属板３２の間に一様に放
射される。

【００２２】図６は図５に示した漏れ波誘電体線路３４
の電界分布の実験値を示すもので、この場合、漏れ波誘
電体線路３４の寸法は、高さａ＝５．９mm，幅ｂ＝５．
４mmである。また、測定周波数は２２．７５ＧＨｚであ
る。そして、伝送波である水平電界成分Ｅｘを黒丸印、
漏れ波の垂直電界成分Ｅｙを白丸印で示す。

【００２３】図６（ａ）は上記漏れ波誘電体線路３４の
ノッチ列３５の構造を幅ｗ＝３mm，深さｄ＝３mmとした
ときの断面のｘ−ｙ面電界分布を示すもので、Ｅｘは線
路付近に電界が集中しており線路から離れると急激に減
衰している。また、Ｅｙは線路の中央で弱く、中心から
離れると急激に増加し、最大値を示した以後は緩やかに
減衰する漏れ波となっている。なお、左右の漏れ波の位
相は逆相となっている。

【００２４】図６（ｂ）は上記漏れ波誘電体線路３４の
ｙ−ｚ面の電界分布の測定値を示すもので、ノッチ列３
５の構造は幅ｗ＝１mm，深さｄ＝２．５mm，周期ｔ＝２
mmの構造である。同電界分布特性図の横軸は漏れ波誘電
体線路３４上の位置を示し、０mmはノッチ列３５の始ま
りの位置である。

【００２５】すなわち、伝送波である水平電界成分Ｅｘ
は略３５ｄＢ／ｍで減衰している。漏れ波である垂直電
界成分Ｅｙはノッチ列３５の前端より約２０mmの位置ま
で急激に立ち上がり最大値をとったあとは、Ｅｘ成分と
同様に略３５ｄＢ／ｍの割合で減衰している。このよう
に構造を非対称とすることにより、容易に漏れ波を発生
させることができる。

【００２６】上記漏れ波誘電体線路３４は、上部のノッ
チ列３５の幅ｗ，深さｄ，周期ｔのパラメータを変える
ことにより、簡単にその伝搬速度や減衰定数の制御がで
きるので、実用的に汎用性が大きい。図７はアンテナ装
置の第２実施例を示すもので、図７（ａ）は上面図、図
７（ｂ）はＡ−Ａ´の断面図である。

【００２７】半波長以下の間隔で上部金属板５１と下部
金属板５２を平行に配置し、周囲を金属壁５３で支持す
ると共に、漏れ波誘電体線路５５を中央に設置し、先端
より導波管５６で給電している。

【００２８】上部金属板５１は漏れ波誘電体線路５５を
覆うと共に、その上には放射素子としてスロット５９を
８本切ってある。このスロット５９のスロット幅は、漏
れ波誘電体線路５５より離れるに従い広くし結合を強く
して等電力放射するようにしている。このアンテナは直
線偏波を放射する。図８はアンテナ装置の第３実施例を
示すもので、図８（ａ）は上面図、図８（ｂ）はＢ−Ｂ
´の断面図である。

【００２９】半波長以下の間隔で上部金属板６１と下部
金属板６２を平行に配置し、周囲を金属壁６３で支持す
ると共に、誘電体線路６４と漏れ波誘電体線路６５を直
角に適当な間隔をもって配置し、漏れ波誘電体線路６５
の２本の間隔を、誘電体線路６４を伝送する電波の波長
の整数倍にとる。

【００３０】この場合、漏れ波誘電体線路６５の終端付
近では伝送電力が低くなっているので、ノッチ列の深さ
を深くして漏れを多くし、先端部と終端部の漏れ波によ
る定在波の振幅を等しくすることができる。終端部には
吸収体壁６８が置かれており、反射波を防止している。

【００３１】上部金属板６１は、上記誘電体線路６４を
金属板で覆うと共に、漏れ波誘電体線路６５の領域で
は、十字スロットアレー６９を漏れ波誘電体線路６５と
平行に５列配列し、適当な位置に配置することで円偏波
放射素子として機能する。上記十字スロット６９の直交
している各素子の長さは約半波長であるが、若干長さを
ずらして９０°位相差で励振されるようになっている。
上記図８におけるアンテナ装置の動作を便宜上送信アン
テナとして説明する。

【００３２】同軸線路６６より誘電体線路６４を給電
し、適当な間隔を設けて２本の漏れ波誘電体線路６５を
結合させ、これらを励振する。漏れ波誘電体線路６５と
の結合部には、不要モード抑制のためのモードサプレッ
サー６７が入っている。漏れ波誘電体線路５は電波を漏
らしながら、十字スロットアンテナ６９に結合して円偏
波成分を放射する。そして、残留電力は吸収体壁６８に
吸収され、反射電力は殆ど存在しない。この場合、空間
への電波の漏れが多く終端部で残留電力が極めて少なく
なっている場合には、上記吸収体壁８を省略できる。

【００３３】そして、誘電体線路６４によって２本の漏
れ波誘電体線路６５を同相・同振幅で励振する。メイン
ビームはｘ−ｙ面で９０°方向であり、隣合う漏れ波誘
電体線路６５の励振位相を一定の位相差で行なうと、ｘ
−ｙ面でメインビームをチルトすることができる。な
お、メインビームのｙ−ｚ面内の方向は、漏れ波誘電体
線路６５の伝搬速度とｚ方向スロットの間隔によって決
定される。図９はアンテナ装置の第４実施例を示すもの
で、図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）はＣ−Ｃ´の断面
図である。

【００３４】図９のアンテナ装置において、前記各実施
例のアンテナ装置と同様の構成部分については、下一桁
に同一の符号を付してその説明を省略し、それとは異な
る部分のみについて説明する。

【００３５】漏れ波誘電体線路７５の相互間の空間で電
界の強い位置に穴を開け、その上にプリント基板７０等
に印刷したパッチアンテナ７９（マイクロストリップア
ンテナ）を配置し、これにプローブ８０を接続して金属
板間に挿入し漏れ波の電界と結合する。

【００３６】このアンテナ装置では、パッチアンテナ７
９に摂動をあたえることにより円偏波が発生する。直線
偏波アンテナとしては、ダイポール，モノポール，ルー
プ等の素子が用いられ、また、円偏波アンテナとして
は、パッチ，ヘリカル，スパイラル，カール，共振誘導
体ブロック等の素子が用いられる。

【００３７】もし効率を大きくする場合には、プリント
基板７０を用いず、電界の強い位置に開けた穴に絶縁物
を挿入し、放射素子をプローブ８０で支持する方法をと
ってもよい。前記図１、図７、図８、図９における第１
〜第４実施例のアンテナ装置は平面アンテナと呼ばれて
いる。実用する際は放射面に、耐侯性を増すためカバー
及びその支持物が取付けられる場合もある。また機械的
強度を増すために、上部金属板７１と下部金属板７２と
の間に発泡材からなる絶縁材料を充填することができ
る。図１０はアンテナ装置の第６実施例を示すもので、
図１０（ａ）は斜視図、図１０（ｂ）は同軸線路８６の
箇所から垂直に切ったＤ−Ｄ´の断面図である。

【００３８】外部金属板８１と内部金属板８２とを半波
長以下の間隔で同心円状に並行に配置し、上下端部相互
間を金属壁８３で短絡する。そして、上記金属板８１，
８２間の上部寄りに、同軸線路８６に対して直角方向に
放射する漏れ波誘電体線路８５を設置する。

【００３９】この漏れ波誘電体線路８５には、上端部金
属壁８３より挿入した同軸線路８６の中心導体８７で結
合している。外部金属板８１には、長いスロットアンテ
ナ８９を円周状に３本の絶縁物に支持して配置する。こ
のスロットアンテナ８９のスロット幅は漏れ波誘電体線
路８５より離れるに従い、広くし結合を強くしている。
上記図１０におけるアンテナ装置の動作を便宜上送信ア
ンテナとして説明する。

【００４０】同軸線路８６より漏れ波誘電体線路８５を
励振し、漏れ波を下端部方向に放射する。磁界の強い位
置にスロットアンテナ８９を設けることで高利得の水平
無指向性の直線偏波を放射するアンテナとなる。

【００４１】図１１はアンテナ装置の第６実施例を示す
もので、図１１（ａ）は上面図、図１１（ｂ），図１１
（ｃ）はＥ−Ｅ´の断面図であり、図１１（ｂ）は同軸
線路９６の箇所から垂直に切ったＥ側断面図、図１１
（ｃ）は同軸線路９６の反対側のＥ´側断面図である。

【００４２】間隔が半波長以下の上部金属板９１と下部
金属板９２を円形にして配置し、漏れ波誘電体線路９５
を挟み、内側を金属壁９３で支持し、外側をホーン状部
９９として広げている。線路に対して直角に放射する漏
れ波誘電体線路９５を金属壁９３の近くに円形平行に配
置し、一点より同軸線路９６のプローブ９７で漏れ波誘
電体線路９５を励振し漏れ波でホーンアンテナを励振す
る。このアンテナ装置は水平面無指向性であり、垂直指
向性はホーン状部９９の広がりが大きい程鋭くなる。図
１２はアンテナ装置の第７実施例を示すもので、図１２
（ａ）は上面図、図１２（ｂ）はＦ−Ｆ´の断面図であ
る。

【００４３】半波長以下の間隔で上部金属板１０１と下
部金属板１０２を並行に配置し、その周囲を金属壁１０
３で支持接続し、漏れ波誘電体線路１０５を中央より放
射状に分割し、中央より導波管１０６で励振する。

【００４４】漏れ波誘電体線路１０５の放射状部相互間
の空間で電界の強い位置に穴を開け、その上にプリント
基板１００等に印刷したパッチアンテナ１０９（マイク
ロストリップアンテナ）を配置し、これにプローブ１０
７を接続して金属板１０１，１０２間に挿入し漏れ波電
界と結合する。

【００４５】上部金属板１０１には、漏れ波の磁界最大
の位置に穴を開けスロットアンテナ等の磁界結合アンテ
ナ、電界最大の位置にはダイポールアンテナやプローブ
結合アンテナを設ければよい。

【００４６】すなわち、導波管１０６から給電した電力
は放射状に配置された数本の漏れ波誘電体線路１０５を
励振し漏れ波を発生し、これが上下金属板１０１、１０
２間に挿入したプローブ１０７でパッチアンテナ１０９
を励振し、図面と直角方向に鋭い指向性の放射波を発生
する。

【００４７】以上説明したように、本発明のアンテナ装
置に用いる漏れ波誘電体線路５，３４，５５，６５，７
５，８５，９５，１０５は、ＮＲＤガイド、イメージガ
イド、インシュラーガイド、逆誘導体ストリップ線路等
で構成される。この漏れ波誘電体線路を励振する給電線
としては、ストリップ線路、同軸線路、誘電体線路及び
導波管が用いられる。

【００４８】また、放射素子としては、導体あるいは誘
電体からなるものが用いられ、これらの放射素子も直線
偏波あるいは円編波素子を用い漏れ波と結合することに
より、本発明のアンテナ装置を直線偏波あるいは円偏波
アンテナとして動作させることができる。図１３〜図１
５に上記アンテナ装置に使用される放射素子の代表例を
示す。

【００４９】図１３はヘリカルアンテナを示し、プロー
ブで給電し円偏波を発生するもので、図１３（ｂ）はカ
ールアンテナ、図１３（ｃ）はスパイラルアンテナとも
呼ばれる。

【００５０】図１４はスロットアンテナを示すもので、
図１４（ａ）は矩形、図１４（ｂ）はアニュラー、図１
４（Ｃ）はスパイラル、図１４（ｄ）は十字、図１４
（ｅ）は八の字の各スロットアンテナであり、同図
（ａ），（ｂ）は直線偏波、その他は円偏波を発生す
る。この場合、同図中黒点の位置にプローブを取付ける
と、プローブ付き放射素子となり、この位置を電界の高
い位置に設定すると、空間で結合し電波を放射する。

【００５１】図１５はパッチアンテナを示し、偏波を発
生するもので、図１５（ａ）は四角形の角を欠き、図１
５（ｂ）は円盤に切り欠きを入れ、図１５（ｃ）は円盤
に出っ張りを出し、図１５（ｄ）は四角形のパッチの中
に矩形の穴を開け、図１５（ｅ）は楕円形、図１５
（ｆ）は五角形の各パッチアンテナである。この場合、
同図中黒点の位置にプローブを取付けると、プローブ付
き放射素子となり、この位置を電界の高い位置に置く
と、空間で結合し電波を放射する。なお、上記図１４
（ｂ）で示す、アニューラスロットアンテナの内側の円
盤の代わりに、パッチアンテナを入れると円偏波を発生
する。ここで、上記各実施例におけるアンテナ装置は、
１０ＧＨｚ以上の高い周波数で用いて効果が大きく、衛
星及び地上における放送，通信用として有効である。

【００５２】具体的用途としては、衛星放送用受信アン
テナ、無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏ
ｒｋ）用アンテナ、ロボット等の移動体搭載用アンテナ
としてその用途は広い。

【００５３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、放射素子
が配設される一方の金属板と、この一方の金属板に使用
周波数の半波長以下の間隔で平行配置される他方の金属
板と、上記一方の金属板と他方の金属板間をその周囲に
おいて支持接続する金属壁と、上記他方の金属板の中央
または上記金属壁に配設される給電部と、上記一方の金
属板と他方の金属板間に挟持配設されると共に上記給電
部からの給電電力を伝送しながら残留電力なく漏れ電波
を放射し上記一方の金属板の放射素子を励振する漏れ波
誘電体線路とを備え、上記漏れ波誘電体線路を給電線路
として構成したので、簡単な構造にも拘らず、高い周波
数で低損失且つ鋭い指向性が得られる効率の高いアンテ
ナ装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる角形平面アンテナ装
置の構成を示す図。

【図２】上記角形平面アンテナ装置のｙ−ｚ面指向特性
を示す図。

【図３】上記角形平面アンテナ装置のｘ−ｙ面指向特性
を示す図。

【図４】上記角形平面アンテナ装置の上部金属板と下部
金属板間の電界分布特性を示す図。

【図５】上記角形平面アンテナ装置における漏れ波誘電
体線路の構成を示す斜視図。

【図６】上記漏れ波誘電体線路の電界分布特性を示す
図。

【図７】本発明の第２実施例に係わる角形平面アンテナ
装置の構成を示す図。

【図８】本発明の第３実施例に係わる角形平面アンテナ
装置の構成を示す図。

【図９】本発明の第４実施例に係わる角形平面アンテナ
装置の構成を示す図。

【図１０】本発明の第５実施例に係わる円筒形アンテナ
装置の構成を示す図。

【図１１】本発明の第６実施例に係わる円筒形アンテナ
装置の構成を示す図。

【図１２】本発明の第７実施例に係わる円形平面アンテ
ナ装置の構成を示す図。

【図１３】本発明実施例のアンテナ装置に放射素子とし
て使用されるヘリカルアンテナを示す図。

【図１４】本発明実施例のアンテナ装置に放射素子とし
て使用されるスロットアンテナを示す図。

【図１５】本発明実施例のアンテナ装置に放射素子とし
て使用されるパッチアンテナを示す図。

【符号の説明】

１，３１…上部金属板、２，３２…下部金属板、３…金
属壁、４…誘電体線路、５，３４…漏れ波誘電体線路、
６，３６…同軸線路、７…中心導体、８，３８…吸収体
壁、９…スロットアンテナ、３５…ノッチ列。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 我妻 寿彦 宮城県仙台市泉区鶴が丘４丁目16−20

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 放射素子が配設される一方の金属板と、 この一方の金属板に使用周波数の半波長以下の間隔で平
   行配置される他方の金属板と、 上記一方の金属板と他方の金属板間をその周囲において
   支持接続する金属壁と、 上記他方の金属板の中央または上記金属壁に配設される
   給電部と、 上記一方の金属板と他方の金属板間に挟持配設されると
   共に、上記給電部からの給電電力を伝送しながら残留電
   力なく漏れ電波を放射し上記一方の金属板の放射素子を
   励振する漏れ波誘電体線路とを具備し、 上記漏れ波誘電体線路を給電線路として構成したことを
   特徴とするアンテナ装置。