JP2655852B2 - マイクロ波アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マイクロ波中継、衛星放送、レーダー等の
送受信に好適なマイクロ波アンテナに関する。

［従来の技術］ 従来、この種のマイクロ波アンテナとしては、例え
ば、第４図〜第６図に示すようなものがある。これらの
図に示すアンテナは、いずれもダイポール１と、反射板
２とから構成されている。

第４図に示すものは、反射板付ダイポールアンテナで
ある。このアンテナは、反射板の作用により、ダイポー
ルアンテナ１から放射されたマイクロ波が反射板２で反
射され、前面にビームを形成して放射される。

第５図に示すものは、反射板２をコーナーリフレクタ
に置換えて構成したアンテナである。このアンテナは、
第４図に示すアンテナよりも効率がよく、ダイポールア
ンテナ１からの放射を前面に高効率で放射可能とする。

次に、第６図に示すものは、上記第４図および第５図
に示すアンテナに使用される反射板２をショートバック
ファイヤ方式とし、かつ、ダイポールアンテナ１の前面
に副反射板３を設けて構成したアンテナである。このア
ンテナは、第４図または第５図に示すものより、さらに
放射効率を向上したものである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来のアンテナには次のような問
題点があった。

マイクロ波アンテナとしての利得が、効率の改善を行
なっても低いという問題がある。すなわち、第４図に示
すアンテナで6dB程度、第５図に示すアンテナで10dB程
度、第６図に示すアンテナで15DB程度であり、これ以上
の高利得とすることは困難であった。

また、上記従来のマイクロ波アンテナは、いずれもそ
の構造形式が設定されると、ビーム幅および利得が一義
的に決まり、これらを変更することができないという問
題があった。

本発明は、上記問題点を解決すべくなされたもので、
高利得を実現でき、また、ビーム幅および利得につい
て、形式を大幅に変えることなくある程度任意に設計し
得る自由度があるマイクロ波アンテナを提供することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記問題点を解決する手段として、 チャネル状に配設され、電磁波を反射する反射板と、 電磁波を放射する部分が、上記反射板が形成するチャ
ネル内部に配置され、電磁波をチャネル内に放射する放
射器と、 上記チャネル開口部に、電磁波放射開口となる部分を
残して該チャネル開口部を覆う位置に配置され、電磁波
を反射する副反射板とを備えて構成される。

上記反射板は、チャネル状に配置され、後述する副反
射板と共に、後述する放射器から放射される電磁波を共
振させる方形の空間を構成する。この場合、電磁波がチ
ャネル後方に漏れることを防ぐため、一体的にチャネル
状に形成されることが好ましい。もっとも、電磁波が漏
れない状態でチャネルを構成できればよく、別部材を結
合してチャネル形成してもよい。また、この反射板は、
電磁波を反射する面を有する部材であればよく、例え
ば、金属材、表面に導体層を形成した合成樹脂材等を使
用できる。

上記放射器は、好ましくは、1/2波長ダイポール等の
ダイポール放射器とし、チャネルの断面空間のほぼ中央
に配置する。上記放射器は、上記チャネル内に共振可能
にマイクロ波を放射できればよく、上記態様に限らない
こと勿論である。例えば、導波管により励振する構造と
することもできる。また、本発明のマイクロ波アンテナ
は、1GHz〜15GHzの波長の電磁波のアンテナに好適であ
る。もちろん、これ以外の波長にも適用することは可能
である。

上記副反射板は、上記反射板と同様に、電磁波を反射
する面を有する部材であればよく、例えば金属材、表面
に導体層を形成した合成樹脂材等を使用できる。この副
反射板は、上記チャネル開口部、好ましくは開口面に、
該チャネルに沿って配置される。そして、好ましくは、
該チャネル開口部の幅方向ほぼ中央に位置させ、該開口
部の幅方向の両側に電磁波放射開口を残して、該チャネ
ル開口部を覆うように設ける。

この副反射板は、その幅、すなわち、上記チャネル開
口部の面積に対する上記副反射板の面積を適宜選定する
ことにより、ビーム幅および／またはアンテナ利得を設
定する。例えば、上記チャネル開口部の開口幅の1/3〜1
/2の範囲でその幅を選定する。この場合、長手方向は、
チャネルの長さと一致させる。

上記副反射板は、チャネル底面に対向し、その長手方
向がチャネルの延長方向に沿って延びる長方形状の面を
有する構造とすることができる。そして、この上記長方
形状の面は、その長手方向に直交する方向の幅を伸縮可
能に形成するようにしてもよい。例えば、２枚の金属板
をその一辺側を互いに摺動自在に重ね合せて構成するこ
とにより、重ね合された２枚の金属板全体の幅を可変と
することができる。この場合、副反射板の幅は、目的と
するビーム幅および／またはアンテナ利得に合せて、伸
縮して設定する。

上記開口部の幅方向の両側に設けられる電磁波放射開
口は、必ずしも同一開口面積（開口幅）である必要はな
いが、形成されるビームの対称性、サイドローブを考慮
すると、両者は同一面積（開口幅）とすることが好まし
い。

さらに、本発明では、上記チャネル開口部に設けられ
る上記電磁波放射開口に、自由空間に向かって拡開する
フレヤを設けてもよい。

なお、本発明のマイクロ波アンテナは、水平偏波、垂
直偏波、円偏波のいずれにも適用することができる。

［作用］ 上記のように構成される本発明のアンテナにおいて、
放射器から電磁波を放射すると、この電磁波は、反射板
からなるチャネルと副反射板とが構成する方形空間内に
おいて共振し、一部が電磁波放射開口から外部に放射さ
れる。

このとき、電磁波放射開口が大きいと、チャネル開口
面における電磁界分布は、放射器の近傍にのみ集中す
る。そのため、アンテナ軸面内（偏波面内）の指向性が
ブロードとなり、利得もそれほど大きくはならない。

一方、副反射板の幅を大きくして、その面積を広くす
ると、それに伴なって放射開口が狭くなって、電磁界が
チャネル空間内に閉じ込められやすくなり、この電磁界
は、アンテナ軸方向に分散する。すなわち、開口面の横
方向に電磁界分布が拡がることになる。この分布は、ほ
ぼ指数関数状となる。従って、アンテナ軸面内の指向性
が先鋭化され、利得が増大することとなる。

ここで、チャネル開口部の開口幅を一定とした場合に
おける、副反射板の幅に対するビームの半値幅と指向性
利得との関係は、本発明者等の実験によれば、電界面
（以下Ｅ面と称する。）については、副反射板の幅を大
きくするに伴ない、ビームの半値幅が小さくなり、ま
た、指向性利得が大きくなることが確かめられた。一
方、Ｅ面と垂直な磁界面（以下Ｈ面と称する。）につい
ては、副反射板の幅の変化に対してビームの半値幅と指
向性利得とがそれほど変化しないことが確かめられた。

従って、本発明によれば、総合利得は、従来のこの種
のアンテナで得られる利得より、さらに大きな利得とす
ることができる。例えば、従来は最大利得が約15dBであ
ったが、本発明では約20dBの高利得も可能となる。しか
も、副反射板の幅を変えることにより、利得を一定の範
囲で所望値とすることができる。例えば、12dB〜20dBの
範囲で所望値とすることができる。すなわち、本発明
は、形式を大幅に変えることなく、ビーム幅および利得
について、ある程度任意に設計し得る。

この作用によれば、高価なアッテネータ等を使用する
ことなく、アンテナの利得を調整できることを意味す
る。従って、本発明は、例えば、中継用アンテナ等にお
ける利得設定等にも好適である。

なお、本発明において、電磁波放射開口にフレヤを設
けると、放射インピーダンスのマッチングがとれ、同一
の構成のアンテナでフレヤの装着してないものと比較し
て、さらに高利得を実現でき、また、サイドローブを低
減することができる。

［実施例］ 本発明の実施例について図面を参照して説明する。

＜第１実施例の構成＞ 第１図（Ａ）および（Ｂ）に、本発明マイクロ波アン
テナの第１実施例の構成を示す。

これらの図に示す第１実施例のマイクロ波アンテナ
は、1/2波長ダイポールアンテナを放射器11として、断
面「コ」字形状のチャネル10を構成する反射板12の内部
に配置し、かつ、該チャネル開口部10aに副反射板13を
配置して構成される。

上記反射板12は、アルミニウム等の金属材からなり、
垂直片12aと、これを挟む２枚の平行な水平片12bとから
なる。垂直片12aと２枚の平行な水平片12bとは、一体的
に連結成形されてチャネル10を形成する。

チャネル10は、副反射板13と共に、放射器11から放射
される電磁波を共振させる方形の空間を構成する。この
チャネル０は、本実施例では、使用電磁波の波長をλと
して、長さｌが10λ、幅Ｄが1.5λ、深さｒが0.5λとし
て形成されている。もっとも、電磁波が共振する間隔で
あればよいので、具体的な大きさは、これに限らないこ
とはいうまでもない。また、長さｌは、通常は４λあれ
ばよい。

上記放射器11は、チャネル10の長手方向におけるほぼ
中央であって、該チャネル10の断面空間のほぼ中央に配
置する。即ち、放射器11は、チャネル10を構成する反射
板12の垂直片12aの幅方向中央に、そのダイポールをチ
ャネル10と平行にして配置してある。上記放射器11は、
上記チャネル10内に共振可能にマイクロ波を放射できれ
ばよく、上記態様に限らないこと勿論である。

上記副反射板13は、帯状の金属板からなり、上記チャ
ネル開口部10aに、該チャネル10の長手方向に沿い、か
つ、該チャネル開口部10aの幅方向ほぼ中央に配置され
る。この際、副反射板13は、上記チャネル開口部10aの
幅方向の両側に電磁波放射開口14aおよび14bを残して、
該チャネル開口部10aを覆うように配置する。本実施例
では、この電磁波放射開口14aおよび14bは、同一の面積
（開口幅）としてある。

この副反射板13は、上記反射板12の垂直片12aに平行
に配置され、両者の間隔は、チャネル10の深さとほぼ等
しくなるように設定されている。すなわち、使用電磁波
の波長の約1/2に設定される。もっとも、電磁波が共振
する間隔であればよいので、上記チャネル10の大きさと
同様に、これに限らない。

上記副反射板13の幅、すなわち、上記チャネル開口部
10aの面積に対する上記副反射板13の面積は、目的とす
るビーム幅および／またはアンテナ利得に合せて適宜選
定する。例えば、上記チャネル開口部10aの開口幅1/3〜
1/2の範囲でその幅を選定する。この場合、長手方向
は、チャネル10の長さと一致させる。具体的には、0.5
λ〜0.8λの範囲で異なる幅を持つ副反射板13を複数種
用意しておき、必要に応じて適宜選択することとすれば
よい。

＜第１実施例の作用＞ 次に、上記のように構成される本実施例のアンテナの
作用について説明する。

先ず、放射器11から電磁波を放射すると、この電磁波
は、反射板12からなるチャネル10と副反射板13とから構
成する方形空間内において共振し、一部が電磁波放射開
口14a、14bから外部に放射される。このとき、チャネル
10の開口面10aの中央部が副反射板13で覆われているの
で、電磁波の放射開口が狭くなって、電磁界がチャネル
10の空間内に閉じ込められやすくなり、この電磁界は、
アンテナ軸方向に分散し、開口面の横方向に電磁界分布
が拡がることになる。この分布は、ほぼ指数関数状とな
る。従って、アンテナ軸面内の指向性が先鋭化され、利
得が増大することとなる。

本実施例のアンテナは、この電磁波放射開口14aと14b
とから放射された電磁波を合成してビームが形成され
る。このビームは、上記したように、副反射板13の幅に
よって異なる特性となる。

ここで、この電磁波放射開口14a、14bの開口面積と形
成される電磁波ビームの特性との関係について、第２図
（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。なお、本実施例で
は、電磁波放射開口14a、14bの開口面積は、副反射板13
の幅によって決まるので、ここでは、副反射板13の幅に
より示す。また、第２図（Ａ）および（Ｂ）において、
Ｅ面は、第１図に示すように、チャネル開口面とその中
央で直交し、かつ、該チャネル深さ方向に平行な面であ
り、Ｈ面は、チャネル開口面と上記Ｅ面とに直交する面
である。

第２図（Ａ）に、副反射板13として、幅が0.5λ、0.6
λ、0.7λおよび0.8λの４種を選定して装着した本実施
例のマイクロ波アンテナの電界面でな半値幅特性を示
す。同図において、横軸は、選定した副反射板13の幅ｄ
（λ）を、縦軸は、それによって実現される半値幅の実
測値（゜）を各々示す。この図から明らかなように、図
中○点で示すＥ面での半値幅は、副反射板13の幅ｄ
（λ）の増加に伴なって減少している。例えば、副反射
板13の幅ｄ（λ）を0.8λとした場合には、19゜とな
る。これは、副反射板13の幅ｄ（λ）の幅が広いほど、
すなわち、電磁波放射開口14a、14bの開口幅が狭いほ
ど、ビームが絞られて尖鋭化することを示す。

一方、図中×印で示すＨ面については、副反射板13の
幅の変化に対してビームの半値幅は、僅かに変化する。
すなわち、副反射板13の幅ｄ（λ）が広くなるに伴な
い、数度の範囲でビームの半値幅が減少する。

また、第２図（Ｂ）に、上記第２図（Ａ）と同様に、
副反射板13として、幅が0.5λ、0.6λ、0.7λおよび0.8
λの４種を選定して装着した本実施例のマイクロ波アン
テナのＥ面およびＨ面での指向性利得を示す。同図にお
いて、横軸は、選定した副反射板13の幅ｄ（λ）を、縦
軸は、それによって実現される指向性利得（dB）を各々
示す。この図から明らかなように、図中○点で示すＥ面
での指向性利得は、副反射板13の幅ｄ（λ）の増加に伴
なって増大している。例えば、副反射板13の幅ｄ（λ）
を0.8λとした場合には、12dBとなる。これは、副反射
板13の幅ｄ（λ）が広いほど、すなわち、電磁波放射開
口14a、14bの開口幅が狭いほど、指向性利得が増大する
ことを示す。

一方、図中×印で示すＨ面については、副反射板13の
幅の変化に対してビームの指向性利得は、僅かながら減
少する。すなわち、副反射板13の幅ｄ（λ）が広くなる
に伴ない、数dBの範囲で減少する。

なお、第２図（Ｂ）に示したＥ面およびＨ面の指向性
利得から、総合利得を求めることができ、本実施例のア
ンテナでは、20dB程度となる。

第２図（Ｃ）は、副反射板13の幅ｄ（λ）を0.8λと
した場合のＥ面での電磁波放射パターンを示す。この図
から明らかなように、本実施例のアンテナは、サイドロ
ーブが小さく、アンテナとして好ましい放射パターンと
なっている。

このように、本実施例は、副反射板13の幅を選定する
のでのみで、それ以外のものについては何ら変更するこ
となく、半値幅、指向性利得をある程度自由に設定する
ことができる。従って、従来のこの種のアンテナと異な
り、形式を大幅に変えることなく、ビーム幅および利得
について、ある程度任意に設計することができる。

＜第２実施例の構成＞ 第３図（Ａ）、（Ｂ）に、本発明のマイクロ波アンテ
ナの第２実施例の構成を示す。

これらの図に示す第２実施例のマイクロ波アンテナ
は、上記第１実施例と同様に構成されるアンテナの電磁
波放射開口14a、14bに、フレヤ15aおよび16aと16bおよ
び15bとを備えて構成される。本実施例の構成は、フレ
ヤの部分を除いて上記第１実施例のものと同様であるの
で、ここでは相違点を中心として説明する。

上記フレヤ15aおよび15bは、反射板12の平行片12bの
先端に設けられ、チャネル10全体のフレヤとして先端を
外側に向かって拡開する状態で装着されている。また、
フレヤ16aおよび16bは、副反射板13の両辺に連結され、
これらが連結した状態で断面が三角形状となるように構
成されている。もちろん、このフレヤ16aおよび16bと副
反射板13との配置は、必ずしもその断面が三角形状とな
るようにしなくともよい。

本実施例のアンテナも上記第１実施例のアンテナと同
様に、チャネル10と副反射板13とにより、放射器11から
放射される電磁波を共振させる方形の空間を構成する。
このチャネル10は、本実施例では、使用電磁波の波長λ
として、長さｌが10λ、幅Ｄが1.5λ、深さｒが0.5λと
して形成されている。また、副反射板13の幅ｄは、0.5
λ、0.6λ、0.7λおよび0.8λから適宜選定する。さら
に、この副反射板13の位置から、フレヤ16a、16bの先端
までの距離Ｓは、1.0λに設定し、チャネル開口部10aか
らフレヤ15a、15bの先端まで距離Ｆは、1.5λに設定す
る。この状態で、フレヤ15a、15bの開口端幅Ｗは、３λ
となる。もっとも、電磁波が共振する間隔であればよい
ので、具体的な大きさは、これに限らないことはいうま
でもない。

＜第２実施例の作用＞ 本実施例のアンテナの作用は、基本的には、上記第１
実施例のものと同じであるが、フレヤの存在により、サ
イドローブの低減が図れる。すなわち、上記したよう
に、Ｈ面については、副反射板13の幅の変化に対してビ
ームの指向性利得は、副反射板13の幅ｄ（λ）が広くな
るに伴ない、数dBの範囲で減少する。これは、サイドロ
ーブの増加を意味する。このサイドローブについて、本
実施例では、フレヤによって抑圧し、その結果、ビーム
の指向性利得を高めることにより生じるサイドローブの
増加を抑え込んでいる。

また、本実施例では、放射インピーダンスのマッチン
グがとれ、上記第１実施例のものよりもさらに高利得を
実現することができる。

本実施例は、副反射板13の幅を選定し、、フレヤを付
加するのみで、それ以外のものについては何ら変更する
ことなく、サイドローブを抑圧した状態で、半値幅、指
向性利得をある程度自由に設定することができる。

なお、本実施例のアンテナについて実測したところ、
総合利得23dB、Ｈ面ビーム幅20゜、Ｅ面ビーム幅10゜で
あった。また、第３図（Ｃ）に本実施例のマイクロ波ア
ンテナのＥ面での電磁波放射パターン特性を示す。

＜他の実施例＞ 上記各実施例では、放射器として1/2波長ダイポール
を使用した例を示したが、これに限らず、他の放射器を
使用することができる。例えば、導波管により励振する
構造とすることもできる。また、上記各実施例では、ダ
イポールを水平に配置した例を示したが、垂直に配置し
てもよい。

上記各実施例では、反射板を金属に形成した例を示し
たが、本発明は、これに限らず、繊維強化プラスチク等
の合成樹脂材の表面に金属膜等の導電層を被着したもの
等の電磁波を反射する材料であればよい。

また、上記副反射板13は、その軸方向を伸縮可能な構
造としてもよい。例えば、２枚の金属板をその一辺側を
互いに摺動自在に重ね合せて構成することにより、重ね
合された２枚の金属板全体の幅を可変とすることができ
る。このような伸縮可能な構造とすることにより、ビー
ムの半値幅、利得等を、アンテナの設置現場で簡単に調
整することが可能となる。従って、高価なアッテネータ
等を使用することなく、利得を調整できるので、例え
ば、中継用アンテナ等において、最適な利得を設定する
ことに好適である。

さらに、上記実施例では、副反射板13をチャネル開口
部の幅方向中央に設けて、電磁波放射開口14a、14bを等
しい開口幅としているが、形成するビームの向きによっ
ては、必ずしも等しくする必要はなく、両者を目的とす
るビームに合せて異ならせてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、利得を向上でき、ま
た、電界面内のビーム幅および利得について、形式を大
幅に変えることなくある程度任意に設計し得る自由度が
あるマイクロ波アンテナを実現することができる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明マイクロ波アンテナの第１実施例
の構成を示す斜視図、第１図（Ｂ）はその側面図、第２
図（Ａ）は本実施例のマイクロ波アンテナのＥ面および
Ｈ面での半値幅特性を示すグラフ、第２図（Ｂ）は本実
施例のマイクロ波アンテナのＥ面およびＨ面での指向性
利得特性を示すグラフ、第２図（Ｃ）は本実施例のマイ
クロ波アンテナのＥ面での電磁波放射パターン特性を示
すグラフ、第３図（Ａ）は本発明マイクロ波アンテナの
第２実施例の構成を示す斜視図、第３図（Ｂ）はその側
面図、第３図（Ｃ）は本実施例のマイクロ波アンテナＥ
面での電磁波放射パターン特性を示すグラフ、第４図〜
第６図は従来のマイクロ波アンテナを示し、第４図
（Ａ）、第５図（Ａ）および第６図（Ａ）はそれらの正
面図、第４図（Ｂ）、第５図（Ｂ）および第６図（Ｂ）
はそれらの断面図である。 10……チャネル 10a……チャネル開口部 11……放射器 12……反射板 13……副反射板 14a、14b……電磁波放射開口 15a、15b、16a、16b……フレヤ

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】チャネル状であって、かつ、チャネル延長
   方向の両端が開放された形状に形成され、電磁波を反射
   する反射板と、 電磁波を放射する部分が、上記反射板が形成するチャネ
   ル内部に配置され、電磁波をチャネル内に放射する放射
   器と、 上記チャネル開口部に、電磁波放射開口となる部分を残
   して該チャネル開口部を覆う位置に配置され、電磁波を
   反射する副反射板とを備えて構成され、 上記反射板および副反射板は、上記放射器から放射され
   る電磁波を共振させるための方形の空間を構成すること を特徴とするマイクロ波アンテナ。
2. 【請求項２】上記反射板の互いに対向する面の間隔は、
   上記放射器から放射される電磁波の波長の1.5倍の長さ
   に相当する特許請求の範囲第１項記載のマイクロ波アン
   テナ。
3. 【請求項３】上記副反射板は、上記チャネル開口部の幅
   の1/3〜1/2に相当する幅を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のマイクロ波アンテナ。
4. 【請求項４】上記反射板の上記チャネル延長方向に沿う
   長さは、上記放射器から放射される電磁波の波長の４倍
   に相当する長さより長い特許請求の範囲第１項記載のマ
   イクロ波アンテナ。
5. 【請求項５】上記副反射板は、上記反射板の上記チャネ
   ル延長方向に沿う２つの辺のそれぞれとの間に、電磁波
   放射開口となる部分をそれぞれ残して配置され、 上記反射板の上記電磁波放射開口に隣接する２つの端部
   のそれぞれから、自由空間に向かって互いに拡開する２
   つの第１のフレヤ部材と、 上記副反射板の上記電磁波放射開口に沿う２つの辺をそ
   れぞれ基端として自由空間に向かってそれぞれ延び、基
   端から自由空間に向かって互いの間隔を狭める２つの傾
   斜面をそれぞれ形成する２つの第２のフレア部材とを有
   する特許請求の範囲第１項から４項のいずれか一項記載
   のマイクロ波アンテナ。
6. 【請求項６】上記２つの第２のフレア部材のそれぞれの
   先端は、副反射板前方で互いに連結され、 上記２つの第２のフレア部材が連結された稜部と、上記
   副反射板のチャネル底面に対向する面との距離は、上記
   放射器から放射される電磁波の波長に相当する長さであ
   る請求項第５項記載のマイクロ波アンテナ。