JP4021617B2 - マイクロ波平面アンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明はマイクロ波アンテナであって、所定の長さの線路を介して相互に結合された個別アンテナ素子を有し、前記個別アンテナ素子は、アース面の上方に配されているマイクロ波アンテナに関する。
【０００２】
本発明は、特には、上位概念のマイクロ波に関し、ここで、マイクロ波アンテナであって、所定の長さの線路を介して相互に結合された個別アンテナ素子を有し、前記個別アンテナ素子は、アース面の上方に配されており、ここで、そこにて個別アンテナ素子の配されている平面に隣接して、１つの移動可能な平面（調整平面）が配されており、この移動可能な平面（調整平面）は、線路導体により導かれる個別信号へ位相シフトを生じさせる作用を及ぼすための手段を有している当該の平面アンテナに関する。上位概念のアンテナは、送信及び受信アンテナであり得る。
【０００３】
上位概念のマイクロ波アンテナは、従来技術、技術水準において公知であり、例えば商標ブラウプンクト（Ｂｌａｕｐｕｎｋｔ）の平面アンテナＡ６０−Ｆとして公知である。そのような平面アンテナは、就中最近何年かの中に著しくポピュラーになった所謂"衛星ディッシュアンテナ"にとって代わることが図られているのである。その場合、その外側の外観の出現イメージは屡々、批判の対象となるものである。それというのは、建造物とか風景の外観イメージに対して審美的に差し障りのあるようなものであるからである。公知の平面アンテナは、アンテナ信号の許容可能なＳ／Ｎ比を提供するのは、既述のパラボナアンテナのように、２つの自由度に関してそれぞれの受信すべき衛星に配向整合しなければならない。２つの自由度は、通常"仰角 "及び"方位角"と称され、ここで、"仰角 "は、アンテナ平面の主ローブ方向との間に成す角度θに相応し、方位角φは、垂直軸の周りの配置構成全体の回転を表す。表示座標系の位置に応じて、他の角度表示を選定してもよい。
【０００４】
従来提供されたすべての平面アンテナ（平坦なアンテナ）は、それの規定面に対して垂直の入射方向においてのみ受信し得る。従って、機械的配向整合が同様に必要である。
【０００５】
ＥＰ０４５６７９Ａ１から公知の平面アンテナでは、主平面を旋回させずに、主ローブ方向を調整し得る。本発明が基礎とする当該の従来技術では少なくとも１つの調整平面が設けられ、この調整平面上では、個別アンテナ素子に基づくそれぞれの導体を所定の位相遅れを以て作動するためウエッジ状に形成された手段が設けられている。そのようにして、主ローブ方向と平面アンテナの規定平面との間でなすθが９０°とは異なったものとなり得る。
【０００６】
１つの方向で移動可能なたんに１つの調整平面の存在のもとで、そのようなアンテナではただ主ローブ方向を１つの平面内で旋回することしか可能でなく、ここで旧来の平面アンテナにて主ローブ方向と平面アンテナの規定平面との間９０°になっていろ角度が鋭角又は鈍角に変え得るが、主ローブ方向は、垂直軸と、個別信号の上昇ないし下降する位相ずれの方向とにより張られる平面内に位置する。
【０００７】
アンテナの規定面を張る半球空間におけるアンテナの主ローブ方向の任意の配向整合を可能にするため従来技術ではＥＰ０４５６５７９Ａ１のサブクレーム５項に記載されている手段によれば、相互に直角に設けられる調整平面を設けるものであり、それにより、相互に垂直の２つの方向での個別信号の位相ずれを可能にする。
【０００８】
そのようなアンテナによっては、理論的に、目立たないように、一方の壁又は他方の平坦な面に、例えば、住居等に取付得るアンテナを創出するという課題、問題が解決され、ここで、アンテナの調整可能な指向特性により、受信がアンテナの基底面の任意の位置ないし配向で可能であるようにするものである。
【０００９】
然し乍ら、ヨーロッパ出願公開公報から公知の調整可能な指向特性は、それの実際の適用を制限する幾つかの欠点を有する。一方では個別導体へ位相シフトの作用をする手段が、導体に直角に延びており、ここで当該公開公報内に開示された位相シフト作用をするエレメントのウエッジ状の構成が調整平面の相当の厚さを要し、作製上の問題を惹起する。
【００１０】
更に、相互に垂直に配された調整平面を有する構成は複雑にコスト高であり、アンテナが高価なものとなる。
【００１１】
本発明の第１の課題は、ＥＰ０４５６５７９Ａ１に記載されているように従来技術を基礎とした上位概念の特別なアンテナを次のように改善する、即ち、位相シフト作用をするエレメントが調整平面上で一層簡単に作製され得、機械的に障害の起こり難いように当該の改良を行うことにある。
【００１２】
前記課題は、上位概念による平面アンテナにおいて、次のようにして解決される、即ち、線路導体は、それぞれ中断され、不連続になっており、各中断個所には、移動可能な平面上に配された実質的にＵ字状の１つの導体セクションが配属されており、前記の１つの導体セクションのアクティブ長が調整平面の移動により可変であるのである。
【００１３】
前述のような線路導体の中断個所の構成により、各中断個所に配属された実質的にＵ字状の導体セクションが恰も可変の延伸、引き出し導体のように作用し、それにより、信号の伝搬走行時間、ひいてはそれの位相関係が影響を受ける。本発明により、調整平面上にて設けられる移相器／伝搬遅延エレメントを調整平面上にて種々の作製技術ないし導体技術で配置構成し得る。それに所属するものとしては、マイクロストリップ導体、線路トリプレート線路又はストリップ導体、サスペンデイトサブストレート導体、スロット線路、コプレーナ線路コプレーナストリップ線路がある。
【００１４】
特に有利には、調整平面は、個別アンテナ素子の平面とアース面との間に配されているのである。Ｕ字状の導体セクションは、直流的に又は混合的に誘導的／容量的に結合され得る。
【００１５】
ここにおいて、主ローブ方向とアンテナ平面との間の角度（θ）が調整平面の移動によって調整可能であり、ここで有利には、調整平面は、シートの形態で構成されており、このシートの縁には、引張手段が、係合、リンク結合するのである。前記引張手段は、例えば、相対向するねじであり得、前記の相対向するねじにより、調整平面は、箔シートの形態でそれぞれ１つの方向に動かし得る。
【００１６】
本発明によれば、有利には、アンテナの機械的構成を簡単化するため、まさに１つの調整平面が設けられる。空間内で主ローブ方向とアンテナ平面との間の所定の角度θのもとで主ローブ方向を配向整合し得るため、本発明の平面アンテナの発展形態によれば、アンテナ平面は、回転可能に支承されているのであり、而して、亦垂直軸のまわりの角度φは調整可能である。
【００１７】
前述の上位概念を成すＥＰ０４５６５７９Ａ１の従来技術に比して、更に簡単化された構成が達成される。位相シフト作用をするエレメントの特別な構成の故に一層より安価に、且つノイズの影響を受けない簡単化された構成が達成される。
【００１８】
上位概念を成すＥＰ０４５６５７９Ａ１により特別な平面アンテナの更なる欠点によれば、従来技術による平面アンテナは、左旋円偏波（ＬＨＣＰ）及び右旋円偏波（ＬＨＣＰ）の偏波種類しか適しない。
【００１９】
従って、本発明の更なる課題とするところは、任意の偏波種類に適する平面アンテナを提供することにある。
【００２０】
前記課題は、次のようにして解決される、即ち、２シェル外殻構成を有し、各シェル外殻は、個別アンテナ素子を含む少なくとも１つの平面及び１つの調整平面を有し、第１シェル外殻の個別アンテナ素子の特定方向は第２シェル外殻の個別アンテナ素子の特定方向に対して直角方向に延びているのである。
【００２１】
ここで偏波方向の簡単な選定のため有利には、第１シェル外殻及び第２シェル外殻のそれぞれ加算された信号が２つの出力結合コンタクトのうちの各１つへ導かれ、前記の出力結合コンタクトは、相互にπ／２の角度だけずらして円形の切り欠き部内に配されており、この円形の切り欠き部内に調整可能に支承された円形横断面を有する導波体が、相互にπ／２だけずらされて配された２つの相応する出力結合コンタクトを有するのである。
【００２２】
本発明の解決手段は、殊に有利に調整可能な指向特性を有する本発明のマイクロ波アンテナに対して好適であり、前記マイクロ波アンテナでは、位相シフト作用をするエレメントとして実質的にＵ字状導体セクションを有するまさに１つの移動可能な平面が、１つの回転可能な主平面上に配され、その結果主ローブ方向をわずかなコストで調整できる。２つの手段の組合せにより、例えば衛星受信及び衛生通信に適するアンテナが創出され、ここでアンテナは、目立たないように任意の面に、家の壁、屋根切妻壁等に取り付けられ得、そして、アンテナ信号の良好なＳ／Ｎ比を任意の偏波種類のもとで可能である。本発明の更なる実施形態がサブクレームに詳述されている。
【００２３】
次に図に詳しく示す実施例に即して本発明を説明する。
【００２４】
各図は次のことを示す。
【００２５】
図１は、本発明の平面アンテナにおける主ローブの方向の可能な調整手段の概略図である。
【００２６】
図２は、本発明の平面アンテナの層構成の斜視図である。
【００２７】
図３は、図２の層構成を示す分解鳥瞰図である。
【００２８】
図４は、相互にπ／２ずれて配されたアンテナ素子を有する２つのシェル外殻の斜視図である。
【００２９】
図５は、図４の構成の平面図である。ここで中央導波体の出力結合コンタクトは、第１の位置で示されている。
【００３０】
図６は、他の偏波平面を受信可能にするよう、出力結合個所がずれている様子を示す図５の構成の平面図である。
【００３１】
図７は、個別アンテナ素子及び位相シフト作用をするエレメントの２進トリー構造ないし樹状構造及び配置構成を示す図である。
【００３２】
図８は、個別アンテナ素子の個数を２乗した個数の場合における位相シフト作用をするエレメントの配置構成及び樹状構造を示す図である。
【００３３】
図１は、本発明の平面アンテナ１０の主ローブの配向整合のための本発明によい与えられる自由度を略示する。本発明の平面アンテナは、例えば１０Ｘ１０個別アンテナ素子を有し、これらの１０Ｘ１０個別アンテナ素子は、図１中それぞれ１つの円１０で示してある。アンテナ面の縁は、図１に示すように矩形状、即ち、１０Ｘ１０の個別アンテナ素子のマトリクスに従って構成されており、又は垂直軸‐Ｚ軸‐を中心としての所定の特定回転を可能にするため円形状の縁であってもよい。
【００３４】
各図にてさらに詳述するように、本発明によれば、Ｘ′軸の方向で同じ座標のすべての個別アンテナ素子に所定の位相ずれシフトが、３角形１４でシンボリックに示すように与えられるようにするものである。そのようにして達成され得ることは、垂直軸線から角度θだけ異なる入射角にも拘わらず、個別アンテナ素子のすべての個別信号が加算点にて同位相で到来することである。
【００３５】
本発明によれば位相シフト作用をするエレメントを有する１つの調整平面をたんに設けるだけである。Ｚ軸及びＸ′軸により張られる平面内だけでなく、主ローブの方向を角θだけ旋回させ得るためアンテナ装置全体が、垂直軸を中心として、即ち、Ｚ軸を中心として旋回可能にするものである。それにより、Ｘ′軸を、Ｘ軸に対して角度φだけ旋回せしめられ得る。アンテナ平面の相応の配向整合を行うと、角度φを例えば方位角とし得る。
【００３６】
本発明により設けられる著しく簡単なコンセプトにより、安価なアンテナが可能になり、この安価なアンテナは、建造物外壁に任意の位置に、殊に建造物に並行に配され得、ここでそれでも主ローブの方向を空間中で自由に配向整合し得る。
【００３７】
図２は、本発明より実現される平面アンテナの構成を示す；図３には図２に示す層構成を分解鳥瞰図で示す。
【００３８】
本発明によれば、相互に直交する２つの偏波成分を評価し、任意の偏波形式を調整し得るための２シェル外殻構成を示す。図２の構成では、上方シェル外殻に所属する各層には、２０代の参照番号を付してあり、これに対して、下方シェル外殻に所属する各層には３０代の参照番号を付してある。
【００３９】
図２には先ず、上から下へ見ていくと、" スーパーストレート " （ " Ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔ " ）と称される支持体材料２２上に被着された金属層２０が示されている。図３から明らかなように、金属層２０が示されている。図３から明らかなように金属層２０は、２Ｘ２セクション２１を有する。各円形セクションは、１つの個別アンテナ素子の一部である。個別アンテナ素子の２Ｘ２の図示構成を選定したのは分かり易く示すためであり、実際の本発明の実施形態では、殊に衛星受信の場合、十分強力な総合信号を得るために、個別アンテナ素子のマトリクスは遙かに大きく選定しなければならない場合がある。
【００４０】
スーパーストレート２２の下方にはシート箔２４が配されており、このシート箔は図３の矢印の方向に移動可能である。シート箔２４上には、実質的にＵ字状の導体セクション２５ａ，２５ｂが配されており、それの機能は、次の層のサブストレート２６を考察すれば明らかである。サブストレートは、個別アンテナ素子２７を有するネットワーク構造を有し、個別アンテナ素子２７は、全体的に相互に並行な方向に配向整合されている。個別アンテナ素子２７は、金属層２０にて相応の円切欠部１と共働し、この個別アンテナ素子２７からは、導体が曲がりだしており、この導体は、２つの個所２８ａ，２８ｂにて、中断され、不連続になっている。当該の中断箇所は、Ｕ字状の導体部片５ａ，２５ｂで橋絡されており、ここで、シート箔２４の位置により、Ｕ字状の"延長ひき出し導体"２５ａ，２５ｂの有効長を変化させ得る。図３に示すシート箔２４を例えば、図の上縁の方に向かって移動させると、バイパス導体２５ａの有効長は増大され、これに反し、導体２５ｂの有効長は小さくなる。同様にして、位相差角が調整される、それというのは、図３中左方に位置する個別アンテナ素子に由来する信号が、同図中右方に示す個別アンテナ素子に由来する信号より長い走行距離をたどるべきこととなるからである。
【００４１】
下方の層では、同じ構成が繰返され、ここで、金属層３０は、付加的に中央開口３３を有し、サブストレート２６上に配された出力結合コンタクト２９へのアクセスを可能にするものである。
【００４２】
サブストレート２６上に配置された個別アンテナ素子２７を有するネットワーク構造と異なって、それぞれ金属層３０における切欠部３１と共働する個別アンテナ素子３７は、最初に述べた個別アンテナ素子２７に対して直交方向に延びる方向に配向整合されている。
【００４３】
同様に、出力結合３９は、出力結合コンタクト２９に対してπ／２の角度を成して延びている。
【００４４】
最下層として円形導波体４２を有する基底平面４０が示されており、この円形導波体は、基底平面４０に対して回転、回動可能であり、両シェル外殻の相互にπ／２だけずれて設けられた出力結合コンタクト２９，３９と共働する。
【００４５】
図４には、上方及び下方シェル外殻の４つの個別アンテナ素子が相互に上下に斜視略図で示してある。明らかなように、相対向する個別アンテナ素子が、相互に直角方向に位置する偏波方向に配されている。亦明らかなように、上方及び下方シェル外殻の出力結合コンタクト２９，３９の投影、射影が相互にπ／２の角度を成して配されている；更に、回転可能に配された円形導波体４２が示されており、この円形導波体により、加算された総合信号が出力結合される。
【００４６】
図５は図４の表示状態を射影の形態で示したものであり、射影方向は垂直軸、即ちＺ軸に平行に延びている。従って、第１シェル外殻および第２シェル外殻の空間内で相互に間隔のおかれている平面が図５の平面図では相互に重なり合う。更に、図５には、更なる円形導波体４２上に配された２つの出力結合コンタクトが示されており、それらの２つの出力結合４９は、上方シェル外殻の出力結合コンタクト２９及び下方シェル外殻の出力結合コンタクト３９と同様に相互にπ／２だけ間隔をおかれている。図５に示す位置では、垂直方向に示す出力結合コンタクトにて、（図平面で見て）垂直方向に偏波された波動成分の信号が出力結合される。それに相応して、他方の出力結合コンタクトからは水平方向偏波された波動成分の信号が出力結合される。
【００４７】
図６では、円形導波体４２は、アンテナ面に対して相対的に回転、回動されている。それにより、図平面に対して斜め方向の入射平面に関して、水平及び垂直偏波された波動成分の信号が得られる。
【００４８】
従って、直線偏波に対して、円形導波体４２の回転、回動により任意の偏波平面を調整し得る。
【００４９】
両シェル外殻から送出された信号が９０°移相器を介して相互に結合すると、本発明の平面アンテナにより、円偏波された信号をも処理できる。それというのは、円偏波波動は、任意の直線波動成分から合成され得るからである。出力結合コンタクトが円形導波体に円偏波を生じるように接続すればアンテナの主平面に対する角度ないし回転は大したことはなくなる。
【００５０】
本発明のアンテナは、有利なコストで、殊に衛星受信用のユニバーサルアンテナを創出し得るものであり、当該のアンテナは、任意の位置で、即ち、実質的に満足のゆくように配置され、受信すべき衛星のほうに配向整合し、簡単な手段で種々の偏波形態に切換得るものである。
【００５１】
図７及び図８は、２進ツリー構造および位相シフト作用をするエレメント"引き出し線路"の例を示す。図に示す配置構成では、個別アンテナ素子は、円１２でシンボリックにしめされ、一方、第１シェル外殻の位相シフト作用をするエレメント２５及び位相シフト作用をするエレメント３５は、相応のＵ字状の部片で示されている。更に図７は、アンテナ平面の円形状の画定形態の様子を示し、これは、図７中図平面に対して垂直方向に延びる垂直軸の周りの回転には有利なものである。
【００５２】
図８は、２Ｘ２アンテナ素子、４Ｘ４―、８Ｘ８及び１６Ｘ１６―アンテナ素子に対する可能なマトリクスないし２進ツリー構造ないし樹状構造を類似のようにシンボリックに示す。アンテナマトリクスの大きさは、任意に選定でき、ここで、方形の配置構成が好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の平面アンテナにおける主ローブの方向の可能な調整手段の概略図。
【図２】 図２は、本発明の平面アンテナの層構成の斜視図。
【図３】 図３は、図２の層構成を示す分解見取り図。
【図４】 図４は、相互にπ／２ずれて配されたアンテナ素子を有する２つのシェル外殻の斜視各図。
【図５】 図５は、図４の構成の平面図。
【図６】 図６は、他の偏波平面を受信可能にするよう、出力結合個所がずれている様子を示す図５の構成の平面図。
【図７】 図７は、個別アンテナ素子及び位相シフト作用をするエレメントの２進トリー構造及び配置構成を示す図である。
【図８】 図８は、個別アンテナ素子の個数を２乗した個数の場合における位相シフト作用をするエレメント。
【符号の説明】
１０ 平面アンテナ
１２ 円
１４ ３角形
２０ 金属層
２２ 支持体材料
２４ 箔シート
２５ａ 導体部片
２５ｂ 導体部片
２６ サブストレート
２７ 個別アンテナ素子
２８ａ 中断個所
２８ｂ 中断個所
２９ 出力結合コンタクト
３０ 金属層
３１ 切欠部
３３ 中央開口
３７ 個別アンテナ素子
３９ 出力結合コンタクト
４２ 円形導波体
４９ 出力結合コンタクト

Claims (11)

1. マイクロ波アンテナ（１０）であって、所定の長さの線路を介して相互に結合された個別アンテナ素子（１２）を有し、前記個別アンテナ素子（１２）は、アース平面（４０）の上方に配されており、ここで、そこにて個別アンテナ素子（１２）の配されている平面（２６，３６）に隣接して、１つの移動可能な平面（調整平面）（２４，３４）が配されており、この移動可能な平面（調整平面）（２４，３４）は、該線路により導かれる個別信号へ位相シフトを生じさせる作用を及ぼすための手段を有している当該の平面アンテナにおいて、
   該線路は、それぞれ中断され、不連続になっており（２８ａ，ｂ；３８ａ，ｂ）、
   各中断個所（２８ａ，ｂ；３８ａ，ｂ）には、移動可能な平面（２４，３４）上に配された実質的にＵ字状の１つの導体セクション（２５ａ，ｂ：３５ａ，ｂ）が配属されており、前記の１つの導体セクション（２５ａ，ｂ：３５ａ，ｂ）のアクティブ長が調整平面の移動により可変であることを特徴とするマイクロ波平面アンテナ。
2. 調整平面は、個別アンテナ素子の平面とアース面との間に配されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. 各中断個所（２８ａ，ｂ；３８ａ，ｂ）の端部が、調整平面上のそれぞれ所属のＵ字状の導体セクション（２５ａ，ｂ；３５ａ，ｂ）と導電的に結合されていることを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ。
4. 各中断個所（２８ａ，ｂ；３８ａ，ｂ）の端部が、調整平面上のそれぞれ所属のＵ字状の導体セクション（２５ａ，ｂ；３５ａ，ｂ）と誘導的／容量的に結合されていることを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ。
5. 主ローブ方向とアンテナ平面（１０）との間の角度（θ）が調整平面（２４，３４）の移動によって調整可能であることを特徴とする請求項１から４までのうちいずれか１項記載のアンテナ。
6. 移動可能な調整平面（２４，３４）は、シートの形態で構成されており、このシートは、縁にリンク結合された引張手段によって調整可能であることを特徴とする請求項５記載のアンテナ。
7. アンテナは、空間内で主ローブ方向とアンテナ平面（８）との間の所定の角度（θ）のもとで主ローブ方向を配向整合する（φ）ための機械的手段を有することを特徴とする請求項５記載のアンテナ。
8. アンテナ平面（８）は、回転可能に支承されていることを特徴とする請求項７記載のアンテナ。
9. 円形の縁が設けられていることを特徴とする請求項１から８までのうちいずれか１項記載のアンテナ。
10. ２シェル外殻構成（２０代、３０代参照番号）を有し、各シェル外殻は、個別アンテナ素子を含む少なくとも１つの平面（２６，３６）及び１つの調整平面（２４，３４）を有し、第１シェル外殻の個別アンテナ素子（２７）の偏波方向は第２シェル外殻の個別アンテナ素子（３７）の偏波方向に対して直角方向に延びていることを特徴とする請求項１から９までのうちいずれか１項記載のアンテナ。
11. 第１シェル外殻（２０代参照番号）及び第２（３０代参照番号）シェル外殻のそれぞれ加算された信号が、２つの出力結合コンタクト（２９，３９）のうちの各１つへ導かれ、前記の出力結合コンタクト（２９，３９）は、相互にπ／２の角度だけずらして円形の切り欠き部（３３）内に配されており、この円形の切り欠き部（３３）内に調整可能に支承された円形横断面を有する導波体（４２）が、相互にπ／２の角度だけずらして配された２つの相応する出力結合コンタクト（４９）を有することを特徴とする請求項１０記載のアンテナ。

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