JP2536996B2 - ノッチを有する空洞体アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に単一指向性アン
テナに関し、特に２重偏波動作が可能な多周波数帯域ア
ンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】コンパクトな単一パルスアンテナは多く
の適用において有用であり、単一パルス動作に有用な２
重偏波アンテナもまた多くの適用において望ましい。９
０°において３デシベルのビーム幅のような比較的広い
角度のカバー範囲を有し、回転的に対称的な放射パター
ンを持つ円偏波の理想的なアンテナは原理的に電流分布
ｅの±ｊｍφ乗を有する円形電流ループから構成されて
いる。ここでφは方位角であり、ｍは整数である。ｍ＝
１モードはループの平面と垂直の最大値を有する円偏波
を放射し、回転対称的な放射パターンを有する。ｍ＝０
およびｍ＝偶数モードはループに垂直の軸においてゼロ
の放射パターンを有する。ｍ＝２モードは単一パルス
「差」パターンを発生するためにしばしば使用される。

【０００３】分離電流ループ型式のアンテナは２方向性
放射を有し、すなわちループの平面に垂直な軸において
両半球に等しく放射する。アンテナ後方の放射パターン
は単一パルスを含む多くの適用において望ましくない。
この後方パターンを消去するために使用される１つの普
通の方法は吸収空洞をアンテナの背面に結合し、後方パ
ターンのエネルギを吸収することである。しかしなが
ら、そのような空洞はコストおよび重量をかなり増加さ
せる。別の技術は後方パターンを消去するためにパワー
吸収接地面を使用することである。これらの技術は後方
パターンの消去を達成するが、アンテナ利得の約３デシ
ベルの損失を生じる。さらに、損失のある空洞は多くの
場合において設計するのが困難であり、アンテナのコス
トに大きな影響を与える。

【０００４】後方パターン消去に使用される別の技術は
金属接地面をアンテナに結合することであり、それはア
ンテナ電流ループの平面から約１／４波長のところに配
置される。この技術は単一指向性の放射パターンを生じ
ることができるが、接地面間隔は典型的に１つの周波数
帯域だけに対して正確であり、他の周波数帯域における
特性を低下させる。

【０００５】円錐螺旋アンテナは単一指向性のパターン
を生じるように構成されているが、放射の位相中心は典
型的に固定されず、周波数と共に変化する。それ故、こ
の設計は反射体またはレンズに有効なフィードではな
く、普通単一指向性の放射に必要な鋭利な円錐体の長さ
によって非常に大きい容積を占有する。

【０００６】「堅密に巻回された」アルキメデスまたは
対数周期（等角）螺旋アンテナは理想的な電流ループに
近似できる。単一および多重アームの螺旋アンテナが存
在する。活性放射領域は周囲の整数波長の電流ループに
等価的である。ここに参照された波長は螺旋導体に沿っ
て進行する波の波長であり、それは普通自由空間波長よ
りもわずかに短い。多重アーム螺旋は「和」および
「差」モードが多重アームに対する給電回路網によって
制御されることができるので単一パルス動作に使用され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】螺旋アンテナの１つの
欠点は３デシベルアンテナ利得を減少させる損失のある
接地面または後部吸収空洞が必要であることである。さ
らに、従来の螺旋アンテナは螺旋巻線の感度によって決
定される１つの円偏波の感度だけを有する。逆感度の円
偏波を得るために外部から螺旋をフィードすることが試
みられた。これらのモードに対する活性領域が螺旋の領
域外にあり、この領域に螺旋をフィードすることによっ
て不所望の高いオーダのモードが生じるため、これは部
分的にしか成功しなかった。

【０００８】２つの円偏波の感度が十分に均等に放射で
きる正弦アンテナがＤｕＨａｍｅｌ氏の米国特許４，６
５８，２６２号明細書に記載されている。このアンテナ
はまた直交直線偏波を放射することができるが、損失の
ある空洞後部を有するので、約３デシベルの利得損失を
生じる。

【０００９】したがって、後方パターンの３デシベルの
アンテナ利得を犠牲にしないで単一パルス動作が可能で
ある単一指向性の２重偏波アンテナの開発および使用の
必要性が認識されている。本発明はこれらの必要性を満
たす。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の原理によると、
アンテナは、一端が円形の導電性平面で閉じられている
短い導電性円形シリンダにより形成されている空洞体か
ら構成されている。複数のノッチが空洞体の開放端に形
成されている。ノッチは別々に励起され、個々のノッチ
アンテナとして機能する。一例として、円筒形空洞体に
は９０°の間隔で配置された４つのノッチが形成され
る。

【００１１】電流が空洞体の開放端の縁に存在するよう
に各ノッチに給電されるので、単一指向性のアンテナが
形成される。１実施例において、別々の同軸給電部が、
同軸給電部の外側の導体がノッチの一方の側部に沿うよ
うにして接続され、中心導体がノッチのもう一方の側部
に接続されるように、それぞれのノッチに対して使用さ
れる。これらの同軸線路は、さまざまなノッチを所望の
振幅および位相で励起するように給電される。空洞体の
周囲の長さおよび空洞体の深さは、ノッチの幅およびノ
ッチの深さと同様に、放射される周波数帯域に基づいて
いる。ノッチの間隔および位置はアンテナの適用に基づ
いて選択される。

【００１２】同様の形態をしているが大きさが徐々に小
さくされているノッチを有する空洞体を同心の入れ子に
することより、この基本的なノッチを有する空洞体アン
テナを拡張して、多周波数帯域の動作を行うアンテナに
することができる。各空洞体は特定の異なる周波数帯域
のエネルギを有効に放射するように選択された大きさを
有している。複数の異なる大きさの空洞体およびノッチ
により、各周波数帯域が同軸給電部の別々のセットによ
って励起される多周波数帯域の動作をするアンテナが形
成される。すべての位相中心が共通の開口平面にあるよ
うにするために、開放端が同一平面となるようにして複
数の空洞体素子が入れ子にされる。この結果、周波数変
化によって変化しない位相中心を有する多周波数２重偏
波アンテナが構成される。隣接する空洞体のノッチの配
置角度が一致しないように、空洞体は隣接する空洞体に
対して回転される。これにより、入れ子にされたノッチ
を有する空洞体アンテナ相互間の絶縁が増加する。別の
実施例において、寄生的に励起したダイポール素子はパ
ターン調節およびインピーダンス整合を助けるためにノ
ッチの前に位置することができる。

【００１３】

【実施例】図１において、円形シリンダの形をした導電
材料から形成され、空洞体１２を形成するためにシリン
ダの一端を閉じる端面板１４を具備するアンテナ素子１
０が示されている。この素子はカップに似ている。この
実施例では、４個のノッチ１６，１８，２０，２２は開
放端側のシリンダ縁部に形成され、４個のノッチアンテ
ナをそれぞれ形成するために使用される。ノッチ１６，
１８，２０，２２はこの実施例において同一であり、全
てカップの開放端で開いており、他端部分において短絡
されている。閉じられたシリンダによって形成された空
洞体１２の深さ２６は典型的に１／４管内波長（λｇ／
４）に等しく、ノッチの深さ２８は典型的にアンテナ素
子１０によって放射される周波数帯域における選択され
た１／４エネルギ波長（λ／４）に等しい。空洞体１２
の管内波長λｇは自由空間波長よりも長いが、ノッチ中
の波長は自由空間波長に非常に接近している。シリンダ
の周囲は典型的にアンテナ素子１０によって放射される
周波数帯域の選択されたエネルギ波長λに等しい。

【００１４】各ノッチ１６，１８，２０，２２は、図１
の実施例において各同軸給電部３０，３２，３４，３６
によって励起される。図１および図２に示すように、同
軸給電部３６は空洞体の外側におけるノッチの一方の側
部に取付けられる。同軸給電部はまた空洞体の内側に取
付けることができ、よりコンパクトのアンテナを生成す
ることができる。しかしながら、同軸給電部を空洞体の
外側に取付けることによって、同軸給電部が空洞体の内
側に取付けられるときに生じる可能性のある空洞共振周
波数の変化を阻止する。ストリップラインまたはマイク
ロストリップ等の他の給電部を同軸給電部の代りに使用
することができる。

【００１５】同軸給電部３６の外部導体３７は、ノッチ
の一方の側部において空洞体１２のシリンダ部に半田付
け３８されるか、そうでなければ機械的および電気的に
接続され、中心導体４０はノッチのもう一方の側部に取
付けられる。図２において、強固な、銅で覆われた同軸
ケーブルが、空洞体１２のシリンダ部に半田付け３８さ
れた外部導体３７と共に示されている。同軸給電部３６
の中心導体４０は，ノッチのもう一方の側部に延在さ
れ，そして半田付け４２されるか、そうでなければ機械
的および電気的に接続される。図２に示される接続点は
シリンダの縁部にあるが、ノッチ長に沿った中間位置に
おける他の接続点をインピーダンス整合のために選択す
ることができる。

【００１６】これらの電気接続によって、縁部電流は電
流ループアンテナを形成するためにシリンダ縁部に設定
される。縁部電流は図２において励起されたノッチ２２
に対して破線で示されている。ノッチアンテナの電流の
ほとんどがちょうどノッチの開放端の各側の平坦な半面
の縁部に沿って流れるので、ノッチからの主電流はシリ
ンダの縁に沿って流れる。シリンダ縁部を流れる電流は
ノッチの給電部によって適切な位相にされるので、前述
のように電流ループを形成する。縁部の電流の設定は、
単一指向性のビームパターンの電流ループアンテナを生
成する。したがって、本発明のアンテナは後方パターン
によって３デシベルを損失しない。

【００１７】エネルギ波長λに等しいアンテナ素子シリ
ンダの周囲を形成し、等しい間隔で配置された４個のノ
ッチを設けることによって、単一指向性のループアンテ
ナが設定される。バトラーまたはジョーンズマトリック
ス等の適切な供給回路網４４は、ノッチを適切に同調し
て単一パルス適用において単一パルス動作の適切なモー
ドを与えるために四分区間に位置されたノッチに、結合
されることができる。さらに信号を処理するための送受
信装置４６が図１に示されている。そのような供給回路
網および信号処理装置は当業者には良く知られているの
で、ここではさらに説明しない。

【００１８】４個より多くの、或いは少ないノッチを、
アンテナ適用に応じて空洞体縁部に設ることができる。
例えば、８個または１６個、或いはそれ以上のノッチを
空洞体縁部に形成することができる。しかしながら、４
個より少ないノッチが使用される場合、高次モードは利
用できない。

【００１９】図３を参照すると、同心の、入れ子にされ
た、ノッチを有する空洞体素子のアレイから構成され
た、本発明の原理にしたがっているアンテナが示されて
いる。異なる大きさの複数の空洞体素子が使用されるこ
とにより、多周波数アンテナが構成される。図３および
図４の両方を参照すると、全シリンダが同心的に入れ子
にされている３個の空洞体素子４８，５０，５２のセッ
トが示されている。各空洞体素子は、４個のノッチおよ
び各ノッチ用の給電部を有する。本発明にしたがったこ
の形態により、全ての空洞体の位相中心が共通の開口平
面上に存在するようになる。これにより、３つの周波数
帯域すべてに対する位相中心が同一点となる。

【００２０】図４にさらに明確に示されている別の特徴
において、各空洞体は隣接する次の空洞体に対して回転
されるので、ノッチは互い違いとなり、ずれて配置され
る。図３および図４に示された実施例においては、隣接
する空洞体のノッチは互いに４５°ずれるように配置さ
れるので、隣接する空洞体のノッチ同士は、直接的に隣
接しない。これにより、それぞれのノッチの給電部間の
絶縁が改善されることが分かった。またこのことによ
り、さまざまな周波数帯域をもたらす給電部間がさらに
よく絶縁される。

【００２１】入れ子にされた空洞体のアレイを形成する
方法が図５に示されている。図５において、空洞体およ
び閉鎖端は、真ちゅうまたはアルミニウム等の材料の固
体部分によって加工される。注入モールドまたはダイキ
ャストのような他の技術も、空洞体を形成するために使
用することができる。約１インチ（２．５４ｃｍ）の直
径を有する比較的小さい空洞体の場合には、機械加工さ
れるのが望ましい。約１フィート（３０．４８ｃｍ）以
上の直径を有する大きい空洞体は、臘付け、半田付け、
またはスポット溶接するのが望ましい。比較的低い周波
数動作に対しては、ワイヤメッシュが空洞体を形成する
ために使用できる。

【００２２】本発明の原理にしたがったアンテナの別の
利点は、アンテナに給電する前に、多種の供給源の出力
を結合するために外部の周波数多重装置を使用する必要
がないとの意味において、本発明のアンテナが自己多重
であることである。これは、各空洞体のそれぞれが、各
空洞体用の特定の供給源により駆動される各空洞体用の
給電部のセットを有しているからである。

【００２３】図６を参照すると、本発明の原理にしたが
った別の実施例のアンテナが示されている。２０ＧＨｚ
動作のノッチアンテナ素子５４が、中心に配置された端
部が開放されている通常の４４ＧＨｚ導波管５６ととも
に示されている。ノッチアンテナ素子５４は２０ＧＨｚ
エネルギに使用され、それに対応してノッチの寸法が定
められている。１実施例において、ノッチの深さ６０は
λ_２０／４に等しい。ダイポールスタブ５８はノッチ内
に配置され、これらのスタブ５８にはノッチ内の電界に
より誘導された電流が流れている。これらのダイポール
スタブ５８の長さおよび配置を適当に選択すると、ダイ
ポールスタブ５８に誘導される電流の振幅および位相の
ために、インピーダンス整合にある程度の影響を与える
とともに、ビームパターンの制御にある程度の影響を与
えることができる。ダイポールスタブはノッチを貫通す
るので、頂上装荷を必要とせずに共振長とすることがで
きる。

【００２４】これらのダイポールスタブ５８が図６の複
合アンテナとともに使用されるとするならば、導波管５
６の開口を横切るように延在され、導波管５６の放射を
遮る。図６において、導波管５６の開口端がどのように
して各ダイポールスタブ５８の一部を形成しているかが
示されている。垂直スタブに対して誘導された電流は、
電流がどのように分割され導波管５６の縁部のまわりを
流れるかを示す矢印線によって示されている。

【００２５】空洞体が円形シリンダの部分から形成され
ているとして説明してきたが、シリンダの断面は、適応
に応じて他の形状でもよい。例えば、空洞体断面は製造
が容易である場合には方形形状であってもよい。

【００２６】したがって、本発明によると、後方パター
ン吸収装置における３デシベル損失のない単一指向性の
多周波数アンテナが提供される。さらに、本発明のアン
テナは、直交する円偏波を放射する動作が可能であり、
単一パルス用に使用できる。多様な周波数帯域に対する
別々の空洞体アンテナのそれぞれについて、別々の伝送
線路給電部のセットが設けられているため、外部の周波
数多重装置の必要性はない。

【００２７】用語「放射」は明細書および特許請求の範
囲において使用されるが、この用語は便査上使用される
にすぎない。ここに説明した構造は反転の理論が適用さ
れることを意味し、用語「放射」はまた受信の機能を含
むことを意味する。

【００２８】本発明の好ましいおよび別の実施例を説明
して例示したが、本発明は当業者の能力内の多くの変更
および適応が可能である。したがって、形態、詳細およ
び用途の種々の変化は本発明の技術的範囲から逸脱する
ことなく為されることを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】４個の給電部および４個のノッチを有する本発
明の１実施例の空洞体アンテナ素子の斜視図。

【図２】図１のアンテナのノッチへの同軸給電部の接続
を示す図。

【図３】多周波数帯域アンテナを形成する異なる大きさ
の図１の同心の入れ子にされたアンテナ素子のアレイの
斜視図。

【図４】１実施例のアンテナ素子の同心特性およびノッ
チのずれた位置を明瞭に示す図３の装置の上面図。

【図５】１つの機械的な接続技術を示す図３に示された
アレイの側断面図。

【図６】パターン調節のために寄生的に励起したダイポ
ールスタブを使用する本発明の別の実施例のアンテナの
概略図。

【符号の説明】

１０…アンテナ素子、１６，１８，２０，２２…ノッ
チ、３０，３２，３４， ３６…同軸給電部。

Claims (10)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端が導電平面で閉じられ他端が開放さ
   れている短いシリンダから形成されている複数のノッチ
   を有する空洞体と、 前記ノッチを励起するために各ノッチに対してそれぞれ
   一つの給電部が接続されている複数の伝送線路給電部と
   を具備し、 前記複数のノッチは、前記空洞体のシリンダ部の開放端
   側に設けられ、前記ノッチの深さは周波数帯域の中心に
   おける自由空間波長のほぼ４分の１であるノッチを有す
   る空洞体アンテナ。
2. 【請求項２】 前記複数のノッチは、前記空洞体の縁部
   周囲に等間隔で設けられた４個のノッチから構成されて
   いる請求項１記載のアンテナ。
3. 【請求項３】 前記複数の伝送線路給電部のそれぞれ
   は、外部導体がノッチの一方の側に沿うようにして電気
   的に接続され、内部導体がノッチの反対の側に接続され
   ている同軸伝送線路から構成されている請求項１記載の
   アンテナ。
4. 【請求項４】 それぞれが異なる周波数帯域に対して共
   振するように選択された空洞体の大きさとノッチ長を有
   する複数の請求項１記載のアンテナから構成され、 前記複数の請求項１記載のアンテナは、それぞれ１セッ
   トづつ伝送線路給電部を具備し、 前記請求項１記載のアンテナの小さいものが、つぎに大
   きいアンテナに連続して入れ子にされているノッチを有
   する空洞体アンテナ。
5. 【請求項５】 空洞体が互いに同心的に入れ子にされて
   いる請求項４記載のアンテナ。
6. 【請求項６】 空洞体は全空洞体の位相中心が共通開口
   平面上に存在するように入れ子にされている請求項４記
   載のアンテナ。
7. 【請求項７】 空洞体が互いに同心的に入れ子にされて
   いる請求項６記載のアンテナ。
8. 【請求項８】 各空洞体が隣接する空洞体に関して回転
   され、隣接する空洞体のノッチがずれて配置されている
   請求項４記載のアンテナ。
9. 【請求項９】 隣接する空洞体のノッチが互いに約４５
   °シフトされるように隣接する空洞体が回転されている
   請求項８記載のアンテナ。
10. 【請求項１０】 各空洞体が各空洞体縁部周囲に等間隔
    で設けられた４個のノッチを具備している請求項４記載
    のアンテナ。