JP3880789B2

JP3880789B2 - 偏波共用平面アンテナ

Info

Publication number: JP3880789B2
Application number: JP2000268692A
Authority: JP
Inventors: 康史鹿島; 啓一夏原; 保裕風間; 智弘関; 俊和堀
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-09-05
Filing date: 2000-09-05
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2020-09-05
Also published as: JP2002076767A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏波共用平面アンテナに関し、特にマイクロ波帯、ミリ波帯等の電波の送受信に使用され、直交する２つの偏波を切り換えてまたは同時に送受信することができる偏波共用平面アンテナに属する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波帯の衛星通信では、受信チャンネルごとに垂直偏波、水平偏波の切り換えが必要であり、また無線通信等においても、送受信を偏波の切り換えで対応したりするため、１つのアンテナで垂直偏波、水平偏波に共用できる平面アンテナが開発されている。このような、偏波共用平面アンテナの従来の一例を図５（ａ），（ｂ）に示す（例えば、１９９２年電子情報通信学会春季大会論文集、Ｂ−６２「偏波共用トリプレート給電型平面アンテナの放射特性」、参照）。
【０００３】
この従来の偏波共用平面アンテナは、上層側の給電基板１０ａ及び下層側の給電基板１０ｂと、これら給電基板１０ａ，１０ｂの中間層に配置された中間層の地導体３０ｘと、上層側の給電基板１０ａの上層に配置された地導体３０ａと、下層側の給電基板１０ｂの下層に配置された地導体３０ｃと、これら給電基板及び地導体の間に一定の厚さで配置された誘電体２０ａ〜２０ｄと、を含んで図５（ｂ）に示すように積層されて成り、これら各部の詳細は次のとおりとなっている。
【０００４】
まず、上層側の給電基板１０ａは、予め定められた大きさ及び形状（例えば、正方形で厚さ２５μｍのポリエステルフィルム）のフィルム状絶縁基板１１ａと、このフィルム状絶縁基板１１ａの上面の中央部分に予め定められた大きさ、形状（例えば各辺が１０数ｍｍ及び１０数ｍｍの長方形で厚さ１８μｍ）の導電箔（銅箔）を貼り付けて形成された放射素子１２ａと、この放射素子１２ａを予め定められた方向から給電し励振するように、フィルム状絶縁基板１１ａの上面に導電箔（銅箔）を貼り付けて形成された給電線路１３ａと、を含んで形成されている。
【０００５】
また、下層側の給電基板１０ｂは、前述の上層側の給電基板１０ａと同様に、かつ予め定められた大きさで、フィルム状絶縁基板１１ｂと、放射素子１２ｂと、給電線路１３ｂと、含んで形成され、この上層側の給電基板１０ａに対し、一定の間隔を隔てて配置され、かつその給電線路１３ｂが、上層側の給電基板１０ａの、給電線路１３ａによる放射素子１２ａに対する給電、励振方向とは直交する方向からその放射素子１２ｂに対する給電、励振を行うように、すなわち、給電線路１３ａ，１３ｂが互いに直交する方向となるように配置される。
【０００６】
上層側及び中間層の地導体３０ａ，３０ｘそれぞれは、導電性薄板で形成され、この導電性薄板の、放射素子１２ａ，１２ｂと対応する部分を切除したスロット開口部（３１ａ，３１ｘ）を含む。また、下層側の地導体３０ｃは、１枚の導電性薄板で形成されている。
【０００７】
この偏波共用平面アンテナでは、上層側の放射素子１２ａと下層側の放射素子１２ｂとを電磁結合させ、上層側の放射素子１２ａに給電してこれを励振させた場合には下層側の放射素子１２ｂが反射器として動作し、下層側の放射素子１２ｂに給電してこれを励振させた場合には上層側の放射素子１２ａが導波器として動作するので、共に高い利得を得ることができる。また、これら放射素子１２ａ，１２ｂの給電、励振方向が直交しているので、垂直偏波、水平偏波の切り換えができる。
【０００８】
なお、この偏波共用平面アンテナにおける、上層側の給電線路１３ａと下層側の給電線路１３ｂとの間のアイソレーション特性が図６（ａ）に、上層給電時及び下層給電時の正面利得特性が図６（ｂ）に、また、上層給電時のＨ面指向性、及びＥ面指向性が図７（ａ），（ｂ）に示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の偏波共用平面アンテナでは、フィルム状絶縁基板１１ａの中央部分に配置された放射素子１２ａを給電線路１３ａにより給電、励振する上層側の給電基板１０ａと、フィルム状絶縁基板１１ｂの中央部分に配置された放射素子１２ｂを、給電線路１３ｂにより、上層側の給電基板１０ａとは直交するように給電、励振する下層側の給電基板１０ｂとの間に、一定の厚さの誘電体２０ｂ，２０ｃを介して、放射素子１２ａ，１２ｂと対応する部分にスロット開口部３１ｘが形成された地導体３０ｘを配置、積層した構成、構造となっていて、上層側の放射素子１２ａを給電、励振した場合には下層側の放射素子１２ｂが反射器として動作し、下層側の放射素子１２ｂを給電、励振した場合には上層側の放射素子１２ａが導波器として動作し、共に高い利得を得ることができるものの、上層側の放射素子１２ａを給電、励振した場合、反射器として動作する下層側の放射素子１２ｂとの間の距離が、２層の誘電体２０ｂ，２０ｃと地導体３０ｘとにより比較的大きくなるため、丁度、分厚い基板を用いたマイクロストリップアンテナと同様の動作をし、基本モードのほかに高次モードによる励振が多くなって、図６（ａ）に示すように、給電線路１３ａ，１３ｂ間のアイソレーションは略−２０ｄＢから−３５ｄＢまでの間に分布して比較的高く（悪く）、図７（ａ），（ｂ）に示すように、Ｈ面の交差偏波レベルは最高−５ｄＢｉ程度と高く、主偏波Ｅ面指向性が傾き、図６（ｂ）に示すように、正面利得が低下する、という問題点があった。
【００１０】
尚、分厚い基板を用いたマイクロストリップアンテナの高次モードの影響による諸特性の劣化については、例えば、電子通信学会総合全国大会講演論文集６４９（１９８２）、及び株式会社総合技術センター発行の文献、「最新平面アンテナ技術」に記載されている。
【００１１】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みて、製造コストの上昇や他のアンテナ特性の劣化を招くことなく、アイソレーション特性が向上し、また、上層側給電時の、交差偏波レベルが低くなり、主偏波Ｅ面指向性の傾きが改善され、かつ正面利得を向上させることができる偏波共用平面アンテナを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏波共用平面アンテナは、直交する２つの偏波を、切り換えてまたは同時に送受信することができる偏波共用平面アンテナであって、上記目的を達成するために次の各構成を有することを特徴とする。
（イ）予め定められた大きさ及び形状の上層側のフィルム状絶縁基板と、この上層側のフィルム状絶縁基板の一方の面の予め設定された部位に、導電箔を貼り付け形成された、上層側の放射素子、及びこの上層側の放射素子を予め定められた方向から給電し励振する上層側の給電線路と、を含んで成る上層側の給電基板
（ロ）前記上層側の給電基板に対し一定の間隔を隔てて配置され、予め定められた大きさ及び形状の下層側のフィルム状絶縁基板と、この下層側のフィルム状絶縁基板の一方の面の、前記上層側の放射素子と対応する部位に、導電箔を貼り付け形成された下層側の放射素子と、この下層側の放射素子を、前記上層側の放射素子とは直交する方向から給電し励振するように、前記下層側のフィルム状絶縁基板の一方の面に導電箔を貼り付け形成された下層側の給電線路と、を含んで成る下層側の給電基板
（ハ）前記上層側の給電基板及び下層側の給電基板の中間層に、これら給電基板との間に一定の厚さの誘電体を介して配置されて導電性薄板で形成され、この導電性薄板の、前記上層側の放射素子及び下層側の放射素子と対応する部分を、前記上層側の給電線路及びその延長線に対し平行で前記上層側の放射素子及び下層側の放射素子の幅より十分狭い幅だけブリッジ状に残してその両側を切除した、分割スロット開口部を含んで成る中間層の地導体
（ニ）前記上層側の給電基板の、前記中間層の地導体配置側の面とは逆の面との間に一定の厚さの誘電体を介して配置されて導電性薄板で形成され、この導電性薄板の、前記上層側の放射素子と対応する部分を切除したスロット開口部を含んで成る上層側の地導体
（ホ）前記下層側の給電基板の、前記中間層の地導体配置側の面とは逆の面との間に一定の厚さの誘電体を介して配置された、導電性薄板による下層側の地導体
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態は、従来の偏波共用平面アンテナにおける、上層側の給電基板と下層側の給電基板との間に配置されている中間層の地導体を、次に示すような構造に変更する。
すなわち、この中間層の地導体は、導電性薄板の、上層側及び下層側の給電基板の放射素子と対応する部分が、従来は全て切除された一体化したスロット開口部となっていたが、本発明では、導電性薄板の、放射素子対応部分を、上層側の給電基板の給電線路、及びその延長線に対し平行で、上層側及び下層側の放射素子の幅より十分狭い幅だけ、導電性薄板をブリッジ状に残してその両側を切除した、分割されたスロット開口部としている。
【００１４】
このような構成、構造とすることにより、上層側給電時に、導電性薄板のブリッジ状の部分が、上層側励振方向に平行であるため、この励振に対し強い影響を及ぼして、マイクロストリップアンテナにおける基板厚が薄くなったのと同等の効果が得られ、高次モードの励振量が低減されて、アイソレーション特性は向上し、また、上層側給電時の、交差偏波レベルは低くなり、主偏波Ｅ面指向性の傾きは改善され、正面利得も向上する。一方、下層側給電時には、導電性薄板のブリッジ状の部分は下層側励振方向と直交しており、しかもその幅は放射素子の幅に比べて十分狭いので、その影響は殆どなく、他のアンテナ特性を劣化させることはない。
また、この中間層の地導体は、打ち抜き加工により従来のものと同様に形成することができるので、その製造コストは従来と殆ど変わらない。
【００１５】
【実施例】
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１（ａ），（ｂ）は本発明の一実施例を示す分解斜視図及び側面図、図２はその中間層の地導体と上層側の給電基板との間の関係を示す拡大平面図である。
【００１６】
この実施例が図５（ａ），（ｂ）に示された従来の偏波共用平面アンテナと相違する点は、上層側の給電基板１０ａと下層側の給電基板１０ｂとの間に配置されている中間層の地導体が、従来のもの（３０ｘ）では、導電性薄板の、上層側及び下層側の給電基板１０ａ，１０ｂの放射素子１２ａ，１２ｂと対応する部分が、全部切除された一体化したスロット開口部３１ｘとなっているのに対し、本発明のもの（３０ｂ）ではその部分が、上層側の給電基板１０ａの給電線路１３ａ、及びその延長線に対し平行で、上層側の給電基板１０ａの放射素子１２ａの幅Ｗｕより十分狭い幅Ｗｇ（Ｗｇ≪Ｗｕ）だけ導電性薄板をブリッジ状に残してその両側が切除された、分割されたスロット開口部３１ｂとブリッジ３２ｂとを含む形状となっている点にある。
【００１７】
このような形状、構造、構成とすることにより、上層側の給電基板１０ａに対する給電、励振時に、中間層の地導体３０ｂを形成している導電性薄板のブリッジ３２ｂの部分が、上層側の放射素子１２ａの励振方向に対し平行であるため、この放射素子１２ａの励振に対し強い影響を及ぼして、マイクロストリップアンテナにおける基板厚が薄くなったのと同等の効果が現れ、高次モードの励振量が低減されて（例えば、前述した文献のうちの後者参照）、上層側の給電線路１３ａと下層側の給電線路１３ｂとの間のアイソレーション特性が向上し、また、上層側の放射素子１２ａに給電してこれを励振したときに、交差偏波レベルは低くなり、主偏波のＥ面指向性の傾きは改善されて、正面利得も上昇する。
【００１８】
これら諸特性が従来例に対しどのように改善されたかを、図３（ａ），（ｂ）及び図４（ａ），（ｂ）を参照し説明する。
まず、アイソレーション特性は図３（ａ）に示すように、従来、−２０ｄＢから−３５ｄＢ前後までの間に分布していたものが、本発明では、略、−３０ｄＢから−５０ｄＢまでの間に分布するようになって、略１０ｄＢ程度改善される。
【００１９】
上層側給電時の、Ｈ面の交差偏波レベルは、図４（ａ）に示すように従来、最高で−５ｄＢｉ程度であったものが、本発明では最高−１０ｄＢｉ程度となり、５ｄＢ程低くなる。又、主偏波のＥ面指向性の傾きは、図４（ｂ）に示すようにその傾きが改善され、正面利得が、図３（ｂ）に示すように、従来、最高７．３ｄＢｉ程度であったものが、本発明では最高８．４ｄＢｉ程度となり、１．１ｄＢ程度改善され、また、主偏波のＨ面指向性も、従来に比べて１〜２ｄＢ程度、全体のレベルが向上する。
【００２０】
尚、これらの結果は、給電基板１０ａ，１０ｂを、そのフィルム状絶縁基板１１ａ，１１ｂとして、厚さ２５μｍのポリエステルフィルムを用い、これに放射素子１２ａ，１２ｂ及び給電線路１３ａ，１３ｂとして厚さ１８μｍの銅箔を貼り付けたものとし、上層の放射素子１２ａを励振方向寸法７．２５ｍｍ、非励振方向寸法を８．２５ｍｍの長方形とし、下層の放射素子１２ｂを励振方向寸法１０．２５ｍｍ、非励振方向寸法６．７５ｍｍの長方形とし、中間層の地導体３０ｂのブリッジ３２ｂの幅Ｗｇは１．５ｍｍとし、スロット開口部３１ａ，３１ｂを、１辺が１４ｍｍの正方形とし、また、誘電体２０ａ〜２０ｄとして、厚さ１ｍｍの３０倍発泡の発泡ポリエチレンを用いて図１，図２に示された偏波共用平面アンテナを試作し、Ｋｕ帯（１２．２５〜１２．７５ＧＨｚ，１４〜１４．５ＧＨｚ）にて測定を行い、得られたものである。
【００２１】
また、この実施例において、下層側給電時には、ブリッジ３２ｂが下層側の放射素子１２ｂの励振方向と直交し、かつブリッジ３２ｂの幅Ｗｇは放射素子１２ａの幅Ｗｕより十分狭いので、ブリッジ３２ｂの影響は殆どなく、例えば、図３（ｂ）に示すように、正面利得は従来例とほぼ同一の特性となり、他のアンテナ特性も同様に従来例と同程度となる。更に、この中間層の地導体３０ｂは、そのスロット開口部３１ｂにブリッジ３２ｂがあっても、打ち抜き加工等により、上層側の地導体３０ａと同様に形成することができるので、ブリッジ３２ｂによる製造コストの上昇は殆どなく、従来例と同程度のコストで製造することができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、中間層の地導体を、その導電性薄板の、放射素子と対応する部分に、上層側の給電線路及びその延長線と平行で上層側の放射素子の幅より十分狭い幅だけ導電性薄板をブリッジ状に残してその両側を切除した、分割されたスロット開口部が形成された構造、構成とすることにより、他のアンテナ特性を劣化させるようなことはなく、また、製造コストの上昇を招くことなく、高次モードの励振量が低減されて、アイソレーション特性が向上し、上層側給電時の、交差偏波レベルは低下し、主偏波Ｅ面指向性の傾きは改善されて、正面利得も向上するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す分解斜視図及び側面図である。
【図２】図１に示された実施例の中間層の地導体と上層側の給電基板との間の関係を示す拡大平面図である。
【図３】図１及び図２に示された実施例のアイソレーション特性図及び正面利得特性図である。
【図４】図１及び図２に示された実施例の上層側給電時の、Ｈ面指向性特性図、及び主偏波Ｅ面指向性特性図である。
【図５】従来の偏波共用平面アンテナの一例を示す分解斜視図、及び側面図である。
【図６】図５に示された偏波共用平面アンテナのアイソレーション特性図、及び正面利得特性図である。
【図７】図５に示された偏波共用平面アンテナの上層側給電時の、Ｈ面指向性特性図、及び主偏波Ｅ面指向性特性図である。
【符号の説明】
１０ａ，１０ｂ給電基板
１１ａ，１１ｂフィルム状絶縁基板
１２ａ，１２ｂ放射素子
１３ａ，１３ｂ給電線路
２０ａ〜２０ｄ誘電体
３０ａ〜３０ｃ，３０ｘ地導体
３１ａ，３１ｂ，３１ｘスロット開口部
３２ｂブリッジ

Claims

直交する２つの偏波を、切り換えてまたは同時に送受信することができる偏波共用平面アンテナであって、次の各構成を有することを特徴とする偏波共用平面アンテナ。
（イ）予め定められた大きさ及び形状の上層側のフィルム状絶縁基板と、この上層側のフィルム状絶縁基板の一方の面の予め設定された部位に、導電箔を貼り付け形成された、上層側の放射素子、及びこの上層側の放射素子を予め定められた方向から給電し励振する上層側の給電線路と、を含んで成る上層側の給電基板（ロ）前記上層側の給電基板に対し一定の間隔を隔てて配置され、予め定められた大きさ及び形状の下層側のフィルム状絶縁基板と、この下層側のフィルム状絶縁基板の一方の面の、前記上層側の放射素子と対応する部位に、導電箔を貼り付け形成された下層側の放射素子と、この下層側の放射素子を、前記上層側の放射素子とは直交する方向から給電し励振するように、前記下層側のフィルム状絶縁基板の一方の面に導電箔を貼り付け形成された下層側の給電線路と、を含んで成る下層側の給電基板
（ハ）前記上層側の給電基板及び下層側の給電基板の中間層に、これら給電基板との間に一定の厚さの誘電体を介して配置されて導電性薄板で形成され、この導電性薄板の、前記上層側の放射素子及び下層側の放射素子と対応する部分を、前記上層側の給電線路及びその延長線に対し平行で前記上層側の放射素子及び下層側の放射素子の幅より十分狭い幅だけブリッジ状に残してその両側を切除した、分割スロット開口部を含んで成る中間層の地導体
（ニ）前記上層側の給電基板の、前記中間層の地導体配置側の面とは逆の面との間に一定の厚さの誘電体を介して配置されて導電性薄板で形成され、この導電性薄板の、前記上層側の放射素子と対応する部分を切除したスロット開口部を含んで成る上層側の地導体
（ホ）前記下層側の給電基板の、前記中間層の地導体配置側の面とは逆の面との間に一定の厚さの誘電体を介して配置された、導電性薄板による下層側の地導体