JP3677124B2 - 偏波共用アレ−アンテナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、形状が平面的であること、すなわち、姿勢が低いことが要求されるとともに、偏波ダイバ−シティ方式のブランチ構成が可能であることが要求される移動通信用基地局アンテナ、または通信衛星(CS)からの直交直線二偏波を受信する衛星通信用地球局アンテナ等に好適な偏波共用アレ−アンテナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図11は、衛星通信受信用アンテナまたは移動通信用基地局アンテナ等に従来用いられているアンテナの一種、すなわち、マイクロストリップ素子を用いた直交直線二偏波送受信用アンテナの一例を示す図で、111 ないし114 はそれぞれ放射素子で、輪郭形状が円形または正方形等の導体板または導体薄層より成り、図には示していないが、放射素子111 ないし114 の各背面には、放射素子の各面積に較べて十分に大なる面積を有する接地導体を、放射波長に較べて十分に小なる間隔を隔てて各放射素子と平行に設けてマイクロストリップアンテナを形成してある。
1211、1212、1221、1222、1231、1232および1241、1242は給電点で、給電点1211と1212とは、放射素子111 の円周方向に90°の角度差を隔てて、それぞれ放射素子111 の周辺に設けてある。
他の放射素子における給電点も、同様の条件で設けてある。
13H は水平偏波の給電線、13V は垂直偏波の給電線で、それぞれ、例えば、マイクロストリップ線路より成る。141 および142 は位相反転回路、15H は水平偏波の入出力端子、15V は垂直偏波の入出力端子である。
【0003】
入出力端子15H および15V に、それぞれ高周波電力を加えると、入出力端子15H に加えられた電力は、給電線13H を介して放射素子111 ないし114 の各給電点1211、1221、1231および1241に互いに等振幅、同位相で加えられ、入出力端子15V に加えられた電力は、給電線13V を介して放射素子111 および113 の各給電点1212および1232に同位相で加えられるとともに、位相反転回路141 および142 を介して放射素子112 および114 の各給電点1222および1242に同位相で加えられる。
放射素子111 および113 の各給電点1212および1232は、放射素子111 および113 の各下縁に設けてあるが、放射素子112 および114 の各給電点1222および1242は、放射素子112 および114 の各上縁に設けてあるため、給電点1212、1222、1232および1242に加えられる電力の位相が互いに同じである場合には、放射素子111 ないし114 に加えられる垂直偏波の電力位相は、放射素子111 と112 において互いに逆相となり、放射素子113 と114 においても互いに逆相となるが、放射素子112 および114 の各給電点1222および1242に加えられる電力は、位相反転回路141 および142 において位相が反転されるため、放射素子111 ないし114 に加えられる垂直偏波の電力位相はすべて同相となる。
放射素子111 ないし114 に加えられる水平偏波の電力位相はすべて同相で、また、放射素子111 ないし114 に加えられる垂直偏波の電力位相もまたすべて同相であるから、直交する二つの直線偏波が最大利得となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図11に示した従来のアンテナは、放射素子111 ないし114 に比較的低損失で電力を加えるための伝送線路部、すなわち、給電線13H および13V 、位相反転回路141 および142 を、放射素子111 ないし114 と別個に形成し、放射素子111 ないし114 と組み合わせてアンテナを構成しているので、全体の構成が複雑となるのを避けることができない。
また、複数個の放射素子への給電損失を一様に小にするためには、水平偏波の共通の入出力端子と各放射素子の水平偏波の給電点とを結ぶ各給電線の長さを一様な長さに保ち、かつ、各給電線の長さを出来るだけ短く形成するとともに、垂直偏波の共通の入出力端子と各放射素子の垂直偏波の給電点とを結ぶ各給電線の長さもまた一様な長さに保ち、かつ、各給電線の長さを出来るだけ短く形成する必要があるが、このためには、各放射素子が含まれる平面と水平偏波の共通の入出力端子および垂直偏波の共通の入出力端子の含まれる平面とを適宜間隔を隔てた異なる平面で形成し、両平面の間の間隙に給電線を放射状に設ける必要があり、その結果、放射素子、給電線および入出力端子が立体的に配設されることとなり、アンテナ全体の姿勢が高くなるのを免れることができない。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は、板状またはシ−ト状の誘電体の表面に、
第1ないし第4のアンテナ素子を、各長手方向を同一方向に一致させて平行に設け、
第1および第2のアンテナ素子のそれぞれを、
長さが放射波長の1/2 の直線部分と、
折れ線より成るS字形状を有し、5本の折れ線の各長さが放射波長の1/10より成る屈曲部分とを、
交互に配設接続して成るフランクリンアンテナ素子で形成し、
第1および第2のフランクリンアンテナ素子を、その平行間隔の中心線に対してほぼ対称に設け、
第1および第2のフランクリンアンテナ素子の各長手方向の中心部における、放射波長の1/2 の長さを有する直線部分と、折れ線より成るS字形の屈曲部分との接続点を給電点とし、
第3および第4のアンテナ素子のそれぞれを、
長さが放射波長の1/4 で、第3および第4のアンテナ素子の長手方向に平行な直線部分と、
長さが放射波長の1/4 で、第3および第4のアンテナ素子の長手方向に直角な直線部分とを、
交互に配設接続して成るブル−スアンテナ素子で形成し、
第3および第4のブル−スアンテナ素子の各長手方向の中心部における、第3および第4のブル−スアンテナ素子の長手方向に平行な直線部分の中心点を給電点とするとともに、
板状またはシ−ト状の誘電体の裏面に接地導体を設けて成る偏波共用アレ−アンテナを実現することによって、従来の欠点を除こうとするものである。
【0006】
【発明の実施の形態】
図1(a)は、本発明の一実施例の要部を示す斜視図で、1は板状またはシ−ト状の誘電体で、表面に、第1ないし第4のアンテナ素子2F1、2F2、2B1および2B2を設けるが、各アンテナ素子の長手方向がX軸方向に一致し、Y軸方向に適宜間隔を隔てて交互に、例えば、2F1、2B1、2F2および2B2の順序で平行に配設し、裏面に接地導体3を設けてある。
図1(b)は、アンテナ素子2F1(または2F2)の詳細構成を示すための一部拡大図で、直線状導体を折り曲げて、長さがλ/2(λは放射波長)の直線部分と、λ/10の長さ毎に折り曲げて折れ線より成るS字形状に形成した屈曲部分とをX軸方向に交互に配設接続してフランクリンアンテナ素子を形成し、長さがλ/2の直線部分を奇数個設け、中央における長さがλ/2の直線部分の中心から+X軸方向(または−X軸方向)にλ/4離れた点、すなわち、λ/2の直線部分とS字形状に形成した屈曲部分の接続点を給電点2FF1 (2FF2 )とし、例えば、同軸線を介して高周波電力を加えると、長さがλ/2の直線部分からの放射波が、同相で合成される。
なお、特性改善のために、折れ線より成るS字形状の屈曲部分における各折れ線部分の長さを補正するようにしてもよく、補正係数は、例えば、1.11である。
図1(c)は、アンテナ素子2B1(または2B2)の詳細構成を示すための一部拡大図で、直線状導体を折り曲げて、長さがλ/4でX軸に平行な直線部分と、長さがλ/4でY軸に平行な直線部分とをX軸方向に交互に配設接続してブル−スアンテナ素子を形成し、Y軸に平行な直線部分を偶数個設け、X軸方向の中央におけるX軸に平行な直線部分の中心点を給電点2BF1 (2BF2 )とし、例えば、同軸線を介して高周波電力を加えると、Y軸に平行な直線部分からの放射波が、同相で合成される。
Y軸に平行な直線部分を偶数個設ける代わりに奇数個設け、ブル−スアンテナ素子のX軸方向の中心部から+X軸方向(または−X軸方向)に適宜ずらせた位置に、給電点2BF1 (2BF2 )を設けるように形成しても本発明を実施することができる。
なお、特性改善のために、X軸方向に平行な直線部分の長さを補正するようにしてもよく、補正係数は、例えば、1.17である。
【0007】
本発明アンテナを製作するに当たっては、例えば、プリント配線板の表面に、エッチング手法または導電体印刷手法等を用いてアンテナ素子2F1、2B1、2F2および2B2を形成し、同様の手法によってプリント配線板の裏面に接地導体3を設けるか、金属薄板を金型を用いプレス加工によってアンテナ素子を形成し、これを板状またはシ−ト状の誘電体の表面に貼付するとともに、板状またはシ−ト状の誘電体の裏面に金属薄板を貼付して接地導体を形成してもよい。
なお、接地導体は金属のみならず、反射係数の大なる材質、例えば、炭素繊維で形成してもよく、また、接地導体の反射面は、一様に平坦な面のみならず格子状のように、面の一部に間隙を有する、いわゆるパンチングメタルで形成してもよい。
【0008】
図2(a)は、図3に示すように、板状またはシ−ト状誘電体1の表面に、フランクリンアンテナ素子2F1(または2F2)を一列のみ設け、このアンテナ素子2F1(または2F2)を含む面と板状またはシ−ト状誘電体1の裏面に設けた接地導体との間隔を、ほぼλ/16に選んで、アンテナ素子2F1(または2F2)を含む面と接地導体面とが平行となるように形成したアンテナにおけるX−Z平面の指向性の観測結果を示し、図2(b)は、Y−Z平面の指向性の観測結果を示すもので、図2(a)における横軸はX−Z平面におけるZ軸からの角度θ(°)、縦軸は相対電界強度(dB)、図2(b)における横軸はY−Z平面におけるZ軸からの角度θ(°)、縦軸は相対電界強度(dB)、図2(a)および図2(b)において、実線は角θ方向に平行な電界成分の指向性を示し、破線は図1に示した角φ(°)に平行な電界成分の指向性を示すもので、交差偏波成分の大きさを調べるために観測したものである。
なお、図3において、紙面に直角な方向がZ軸方向で、2FF1 (または2FF2 )は給電点である。
図4(a)は、図5に示すように、板状またはシ−ト状誘電体1の表面に、ブル−スアンテナ素子2B1(または2B2)を一列のみ設け、このアンテナ素子2B1(または2B2)を含む面と板状またはシ−ト状誘電体1の裏面に設けた接地導体との間隔を、ほぼλ/16に選ぶとともに、両面が平行となるように形成したアンテナにおけるX−Z平面の指向性の観測結果を示し、図4(b)は、Y−Z平面の指向性の観測結果を示すもので、図4(a)および図4(b)における横軸、縦軸、実線および破線は、それぞれ図2(a)および図2(b)と同様であり、また、図5において、紙面に直角な方向がZ軸方向で、2BF1 (または2BF2 )は給電点である。
図2(a)および図4(a)から明らかなように、角θの大なる領域における交差偏波成分を除くと、図3に示したフランクリンアンテナ素子2F1(または2F2)の指向性と、図5に示したブル−スアンテナ素子2B1(または2B2)の指向性はほぼ一致している。
【0009】
図6は、図3に示したアンテナの角θの大なる領域における交差偏波成分を低減させるために、板状またはシ−ト状の誘電体1の表面に、二列のフランクリンアンテナ素子2F1および2F2を、それぞれの長手方向の中心線と中心線との間隔を0.6λに選ぶとともに、この間隔0.6λの中心線(図6におけるX軸)に対してフランクリンアンテナ素子2F1および2F2の形状がほぼ対称となるように設け、他の構成条件は、図3に示したアンテナと同様の条件で形成したアンテナを示すもので、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2の各給電点2FF1 および2FF2 に互いに等しい振幅と同じ位相を有する電力を加えた場合におけるX−Z平面の指向性を図7(a)に示し、Y−Z平面の指向性を図7(b)に示してある。
図6におけるX、YおよびZ軸方向は、図3と同様で、図7(a)および図7(b)における横軸、縦軸、実線および破線は、図2(a)および図2(b)と同様であるが、図7(a)から明らかなように、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2からの角θの大なる領域における放射成分が互いに打ち消し合う結果、角θの大なる領域における交差偏波成分が低減されている。
また、図7(b)に示したY−Z平面における指向性は、図4(b)に示したY−Z平面における指向性に較べて鋭い指向性となっているが、これは指向性積の原理に基づくもので、アンテナ素子の数およびアンテナ素子の平行間隔に応じて調整可能である。
【0010】
図8(a)は、図6に示したアンテナにおいて、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2を、等振幅、同位相の電力で励振するとともに、アンテナ素子2F1および2F2の平行間隔、すなわち、アンテナ素子2F1および2F2の各長手方向の中心線相互の間隔と最大放射方向における利得との関係(破線)を示す図で、横軸は放射波長で正規化したアンテナ素子間隔(d/λ)、縦軸は利得(dB)である。
なお、図8(a)において、実線は、図1(a)に示すように、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2とブル−スアンテナ素子2B1および2B2を交互に配設し、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2には直接給電することなく、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2にのみ等振幅、同位相の電力を給電した場合における利得の変化を観測したものである。
図8(b)は、図1(a)に示したアンテナにおいてフランクリンアンテナ素子2F1および2F2を除き、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2のみを配設して形成したアンテナにおいて、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2を、等振幅、同位相の電力で励振するとともに、アンテナ素子2B1および2B2の平行間隔、すなわち、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2の各長手方向の中心線相互の間隔と最大放射方向における利得との関係(破線)を示す図で、横軸および縦軸は図8(a)と同様である。
なお、図8(b)において、実線は、図1(a)に示すように、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2とブル−スアンテナ素子2B1および2B2を交互に配設し、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2には直接給電することなく、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2にのみ等振幅、同位相の電力を給電した場合における利得の変化を観測したものである。
図8(a)および図8(b)に示した観測結果から明らかなように、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2の平行間隔またはブル−スアンテナ素子2B1および2B2の平行間隔が0.35λを超える範囲においては、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2のみでアンテナを形成した場合、またはブル−スアンテナ素子2B1および2B2のみでアンテナを形成した場合、または図1(a)に示すように、フランクリンアンテナ素子およびブル−スアンテナ素子2F1、2B1、2F2および2B2を交互に配設し、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2にのみ給電してブル−スアンテナ素子2B1および2B2には直接給電しない場合、あるいはブル−スアンテナ素子2B1および2B2にのみ給電してフランクリンアンテナ素子2F1および2F2には直接給電しない場合の何れの場合においても、アンテナ素子の平行間隔の変化と最大放射方向における利得の変化の関係はほぼ同様である。
【0011】
図9(a)は、本発明の他の実施例を示す平面図、図9(b)は、図9(a)のA−A断面図、図9(c)は、図9(a)のB−B断面図で、本実施例においては、板状またはシ−ト状の誘電体1の表面に設けるフランクリンアンテナ素子2F1および2F2を、その平行間隔の中心線に対して対称に設け、したがって、給電点2FF1 および2FF2 がY軸方向におけるほぼ同一線上に設けられること、図1(a)に示した実施例と同様である。
ブル−スアンテナ素子2B1および2B2は平行に設けてあるから、給電点2BF1 および2BF2 もまた、Y軸方向におけるほぼ同一線上に設けられることとなる。そして、本実施例においては、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2の長手方向の設置位置に対して、ブル−スアンテナ2B1および2B2の長手方向の設置位置を相対的に適宜ずらせることにより、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2の給電点2FF1 および2FF2 のX軸方向の位置に対して、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2の給電点2BF1 および2BF2 のX軸方向の位置を適宜異ならせてある。
図9(b)および図9(c)において、WGF およびWGB は導波管、PF1、PB1、PF2およびPB2(PB2は図には現われていない)はプロ−ブで、プロ−ブPF1およびPF2をフランクリンアンテナ素子2F1および2F2の給電点2FF1 および2FF2 に各別に接続し、プロ−ブPB1およびPB2をブル−スアンテナ素子2B1および2B2の給電点2BF1 および2BF2 に各別に接続してある。CXF およびCXB は同軸接栓である。
本実施例においては、アンテナ素子の直下にほとんど密着して設けた伝送損失の少ない導波管WGF を介して、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2への給電を行うとともに、同じくアンテナ素子の直下にほとんど密着して設けた伝送損失の少ない導波管WGB を介して、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2への給電を行うように構成してあるから、給電回路構成が簡潔で、アンテナ全体の姿勢を低く保つことができ、給電回路における損失が少ないため、利得を高めることができる。
【0012】
図10は、図9に示した本発明アンテナにおけるフランクリンアンテナ素子2F1および2F2の給電点2FF1 および2FF2 のX軸方向の位置と、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2の給電点2BF1 および2BF2 のX軸方向の位置との間隔と、利得との関係を観測した結果を示す図で、横軸はフランクリンアンテナ素子とブル−スアンテナ素子とのX軸方向へのずれ間隔dXを放射波長λで表し、縦軸は利得(dB)、黒丸印はフランクリンアンテナ素子2F1および2F2の合成利得、白丸印はブル−スアンテナ素子2B1および2B2の合成利得で、図に示したように、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2とブル−スアンテナ素子2B1および2B2とのX軸方向へのずれ間隔dXを0.25λに選んだ場合に、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2の合成利得と、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2の合成利得とが等しくなるように、例えば、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2への給電電力と、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2への給電電力とを調整した結果、フランクリンアンテナ素子2F1および2F2とブル−スアンテナ素子2B1および2B2とのX軸方向へのずれ間隔dXを0.50λ、0.75λ、1.00λおよびほぼ1.13λまで変化させた場合においてもフランクリンアンテナ素子2F1および2F2の合成利得と、ブル−スアンテナ素子2B1および2B2の合成利得との間に大きな差を生ずることはなかった。
すなわち、給電回路を構成する導波管WGF およびWGB の平行間隔の影響を受けるおそれがほとんどないから、給電回路の設計の自由度が大で、例えば、1個の本発明アンテナによって、偏波ダイバ−シティ方式のブランチ構成を容易に行うことが可能となる。
【0013】
【発明の効果】
本発明アンテナは、姿勢が低く、構成が簡潔で、利得が高い等の特長を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す図である。
【図2】本発明アンテナの構成素子であるフランクリンアンテナ素子の指向性を示す図である。
【図3】本発明アンテナの構成素子であるフランクリンアンテナ素子を示す図である。
【図4】本発明アンテナの構成素子であるブル−スアンテナ素子の指向性を示す図である。
【図5】本発明アンテナの構成素子であるブル−スアンテナ素子を示す図である。
【図6】本発明アンテナの指向性の改善手段を説明するための図である。
【図7】本発明アンテナの指向性を示す図である。
【図8】本発明アンテナの構成素子である二列のフランクリンアンテナ素子の平行間隔と利得の関係を示す図である。
【図9】本発明の他の実施例を示す図である。
【図10】本発明アンテナにおけるフランクリンアンテナ素子とブル−スアンテナ素子の給電点間隔と利得の関係を示す図である。
【図11】従来のアンテナを示す図である。
【符号の説明】
1 板状またはシ−ト状の誘電体
2F1、2F2 フランクリンアンテナ素子
2B1、2B2 ブル−スアンテナ素子
3 接地導体
2FF1 、2FF2 給電点
2BF1 、2BF2 給電点
WGF 、WGB 導波管
PF1、PF2 プロ−ブ
PB1 プロ−ブ
CXF 、CXB 同軸接栓
111 〜114 放射素子
1211、1212 給電点
1221、1222 給電点
1231、1232 給電点
1241、1242 給電点
13H 、13V 給電線
141 、142 位相反転回路
15H 、15V 入出力端子
Claims (2)
- 板状またはシ−ト状の誘電体の表面に、
第1ないし第4のアンテナ素子を、各長手方向を同一方向に一致させて平行に設け、
前記第1および第2のアンテナ素子のそれぞれを、
長さが放射波長の1/2 の直線部分と、
折れ線より成るS字形状を有し、5本の折れ線の各長さが放射波長の1/10より成る屈曲部分とを、
交互に配設接続して成るフランクリンアンテナ素子で形成し、
前記第1および第2のフランクリンアンテナ素子を、その平行間隔の中心線に対してほぼ対称に設け、
前記第1および第2のフランクリンアンテナ素子の各長手方向の中心部における、放射波長の1/2 の長さを有する直線部分と、折れ線より成るS字形の屈曲部分との接続点を給電点とし、
前記第3および第4のアンテナ素子のそれぞれを、
長さが放射波長の1/4 で、前記第3および第4のアンテナ素子の長手方向に平行な直線部分と、
長さが放射波長の1/4 で、前記第3および第4のアンテナ素子の長手方向に直角な直線部分とを、
交互に配設接続して成るブル−スアンテナ素子で形成し、
前記第3および第4のブル−スアンテナ素子の各長手方向の中心部における、前記第3および第4のブル−スアンテナ素子の長手方向に平行な直線部分の中心点を給電点とするとともに、
前記板状またはシ−ト状の誘電体の裏面に接地導体を設けて成ることを特徴とする偏波共用アレ−アンテナ。 - 第1および第2のフランクリンアンテナ素子より成る一対のアンテナ素子を任意複数対設けるとともに、第3および第4のブル−スアンテナ素子より成る一対のアンテナ素子を任意複数対設けて成る請求項1に記載の偏波共用アレ−アンテナ。
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