JP4385005B2 - 円偏波アンテナ - Google Patents

Description

本発明は円偏波アンテナに係り、特に、アンテナエレメント（詳しくは、アンテナエレメント用導電性板材）の固定のための技術に関するものである。

従来技術として、地導体と給電回路層と放射回路層（直線偏波アンテナ部、円偏波変換器）とを空間層或いは誘電体層を介して順次積層し、各層に透孔を設けボルトを貫通させナットを用いて固定する方法がある（特許文献１）。
特開平６−１６４２３８号公報

これは、基板間隔が一定に保たれ、アンテナ性能を長期にわたり安定させることができるが、放射回路板（アンテナエレメント）においてスロット（アンテナパターン）を避けて透孔を設けなければならないという問題が生じている。つまり、アンテナの保持を目的としたネジ止め構成において、放射回路板（アンテナエレメント）においてスロット（アンテナパターン）には透孔を設置できないという問題がある。

本発明は、上記問題点に着目してなされたものであり、その目的は、円偏波特性の劣化を防止しつつアンテナエレメント用導電性板材を保持することができる円偏波アンテナを提供することにある。

請求項１に記載の発明は、地板と、前記地板に離間した状態で地板と対向して配置され、装荷した摂動素子により互いに直交しかつ長さが異なる２つの円偏波経路が形成されたアンテナエレメント用導電性板材と、前記アンテナエレメント用導電性板材を貫通する状態で前記地板と当該アンテナエレメント用導電性板材とを連結固定するための締結部材と、を備えた円偏波アンテナであって、前記直交する２つの円偏波経路の交点以外における前記アンテナエレメント用導電性板材での前記締結部材が通る透孔を、それら２つの円偏波経路上から離れた位置であってかつ、同直交する２つの円偏波経路の交点に対し当該円偏波経路を等角度に二分割した２つの線上の位置に前記交点を挟んでそれぞれ少なくとも１つずつ形成した円偏波アンテナをその要旨としている。

請求項１に記載の発明によれば、直交する２つの円偏波経路の交点以外におけるアンテナエレメント用導電性板材での締結部材が通る透孔の位置について、円偏波経路上から離したので、円偏波特性の劣化を防止しつつアンテナエレメント用導電性板材を保持することができる。
加えて、上記発明によるように、前記アンテナエレメント用導電性板材における前記透孔を、前記直交する円偏波経路の交点に対し当該円偏波経路を等角度に二分割した２つの線上の位置に前記交点を挟んでそれぞれ少なくとも１つずつ形成すれば、円偏波特性の劣化防止という観点から好ましい。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の円偏波アンテナにおいて、前記地板とアンテナエレメント用導電性板材との間にスペーサーを介在させて、当該スペーサーに締結部材としてのネジを螺入してなるものであると、地板とアンテナエレメント用導電性板材との間をスペーサーにより一定間隔に保持でき、かつ、スペーサーに締結部材としてのネジを螺入することにより連結固定することができる。

請求項３に記載のように、請求項１に記載の円偏波アンテナにおいて、前記地板とアンテナエレメント用導電性板材との間にスペーサーを介在させて、締結部材としてのボルトを、前記スペーサーを貫通する状態で配置すると、地板とアンテナエレメント用導電性板材との間をスペーサーにより一定間隔に保持でき、かつ、締結部材としてのボルトをスペーサーを貫通する状態で配置することにより連結固定することが可能となる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、本実施形態における円偏波アンテナ１の平面図である。図２は同じく円偏波アンテナ１の正面図である。図３は同じく円偏波アンテナ１の分解斜視図である。

図３に示すように、円偏波アンテナ１は、地板１０と、アンテナエレメント用導電性板材２０と、スペーサー３０と、締結部材としてのネジ４０，４１と、給電線５０と、コネクタ６０から構成されている。

地板１０は正方形の金属板よりなり、具体的には鉄板または銅板よりなる。地板１０は、図１，２に示すように水平方向に延びるようにして、即ち、横にして配置されている。アンテナエレメント用導電性板材２０は金属板よりなり、具体的には鉄板または銅板よりなる。アンテナエレメント用導電性板材２０は全体の形状として正方形をなし、縦横のサイズは地板１０よりも小さい。図１の平面図において、全体の形状として正方形をなすアンテナエレメント用導電性板材２０は、一方の対角での角部が切り欠かれており、これにより摂動素子２１ａ，２１ｂを装荷した構成となっている。

地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間には、スペーサー３０が５つ介在され、スペーサー３０により地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０とが所定の間隔ｔを隔てて離間した状態で対向して配置されている。スペーサー３０は円筒状をなし、スペーサー３０の内面（円筒材の内面）は雌ネジ部となっており、ネジ４０，４１を螺入することができるようになっている。スペーサー３０は絶縁材料よりなり、具体的にはＡＢＳ樹脂製である。

アンテナエレメント用導電性板材２０に関して、図４に示すように、アンテナエレメント用導電性板材２０には、５つの透孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅが形成されている。透孔２２ａは正方形状をなすアンテナエレメント用導電性板材２０における中央部に位置している。他の４つの透孔２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅは、透孔２２ａを中心にして十字の位置に配置されている。つまり、正方形状をなすアンテナエレメント用導電性板材２０における各辺の中央部から僅かに内方の位置に透孔２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅが形成されている。

図３に示すように、地板１０においても、アンテナエレメント用導電性板材２０の透孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅと対応する位置に透孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅが形成されている。

そして、ネジ４０，４１が、アンテナエレメント用導電性板材２０と地板１０を貫通する状態でスペーサー３０に螺入され、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０とが連結固定されている。つまり、地板１０の上にスペーサー３０を載せ、更にその上にアンテナエレメント用導電性板材２０を配置し、アンテナエレメント用導電性板材２０の上側からネジ４０をアンテナエレメント用導電性板材２０に設けた透孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを通してスペーサー３０の雌ネジ部に螺入するとともに、地板１０の下側からネジ４１を地板１０に設けた透孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅを通してスペーサー３０の雌ネジ部に螺入することにより、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０とが連結固定されている。

ここで、図２に示すように、アンテナ高さ（ｔ）は、スペーサー３０の長さで決定される。
地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間において給電線５０が配置されている。詳しくは、アンテナエレメント用導電性板材２０の背面（下面）には、給電点Ｐに給電するための給電線５０が溶接や半田付けなどで接着されている。一方、地板１０の下面にはコネクタ６０が設置され、コネクタ６０は給電線５０と接続されている。なお、給電線５０は線材で構成しても板材で構成してもよい。

図５の円偏波アンテナ１の平面図において、アンテナエレメント用導電性板材２０に装荷した摂動素子２１ａ，２１ｂにより円偏波経路Ｒ１，Ｒ２が形成され、この円偏波経路Ｒ１，Ｒ２は、直交し、かつ長さが異なっている。このアンテナエレメント用導電性板材２０の円偏波経路Ｒ１，Ｒ２の長さ、即ち、正方形状をなす板材２０の対角線の長さの比率により円偏波特性を実現している。これを、図５，６，７を用いて説明する。

図５に示すように、アンテナエレメント用導電性板材２０には２箇所の角を摂動素子２１ａ，２１ｂとして切り取ってあり、第１の経路Ｒ１と第２の経路Ｒ２において経路長差が存在する。そして、図６に示すように、地板１０に対しアンテナエレメント用導電性板材２０を所定間隔ｔだけ離間した状態で対向配置した場合において、第１の経路Ｒ１と第２の経路Ｒ２での経路長が異なるため、図７に示す周波数に対するＶＳＷＲ（電圧定在波比）の関係において、第１の経路Ｒ１の共振周波数ｆ１と第２の経路Ｒ２の共振周波数ｆ２にはずれが生じ、その重なり合った周波数ｆ３で良好な円偏波特性を得ることができる。

図５において、スペーサー３０およびアンテナエレメント用導電性板材２０の透孔２２ａ〜２２ｅの配置位置に関して、直交する円偏波経路Ｒ１，Ｒ２の交点Ｎ以外におけるアンテナエレメント用導電性板材２０でのネジ４０が通る透孔２２ｂ〜２２ｅは、円偏波経路Ｒ１，Ｒ２上から距離ｄだけ離れた位置に形成されている。詳しくは、透孔２２ｂ〜２２ｅは、直交する円偏波経路Ｒ１，Ｒ２の交点Ｎに対し円偏波経路Ｒ１，Ｒ２を等角度に二分割した線Ｌ１，Ｌ２上に形成されている。つまり、交点Ｎに対し円偏波経路Ｒ１，Ｒ２を等角度に二分割した線Ｌ１の上に透孔２２ｂ，２２ｃが、また、交点Ｎに対し円偏波経路Ｒ１，Ｒ２を等角度に二分割した線Ｌ２の上に透孔２２ｄ，２２ｅが形成され、かつ、交点Ｎから等距離に各透孔２２ｂ〜２２ｅが形成されている。

次に、アンテナエレメント用導電性板材２０における透孔２２ａ〜２２ｅについての実験結果を説明する。
図８（ａ）に示すように、アンテナエレメント用導電性板材２０に透孔２２ｂ〜２２ｅを対角線上から離して配置したサンプルを用意した。これを、「十字配置」モデルという。また、図８（ｂ）に示すように、アンテナエレメント用導電性板材２０に透孔２３ｂ〜２３ｅを対角線上に配置したサンプルを用意した。これを「Ｘ字配置」モデルという。

そして、図８（ａ）の「十字配置」モデルにおける指向性についてシミュレーションを行った。その結果を、図９に示す。また、図８（ｂ）の「Ｘ字配置」モデルにおける指向性についてシミュレーションを行った。その結果を、図１０に示す。

図９において、「十字配置」モデルでは右旋偏波利得は８．８ｄＢｉ、交差偏波比は１３．５ｄＢとなった。一方、図１０において、「Ｘ字配置」モデルでは右旋偏波利得は８．５ｄＢｉ、交差偏波比は９．１ｄＢとなった。

これから、「十字配置」モデルと「Ｘ字配置」モデルを比較すると、利得はほぼ等しいが、円偏波アンテナの特性である交差偏波比が異なり、「十字配置」モデルが円偏波アンテナの特性を確保していることが確認できる。

このようにして、アンテナエレメント用導電性板材２０を固定するための透孔２２ｂ〜２２ｅを対角線上から離した「十字配置」することで、第１および第２の経路Ｒ１，Ｒ２への影響を無くすことができることが分かる。つまり、アンテナエレメント用導電性板材２０に透孔２２ａ〜２２ｅが存在しても性能を劣化させずに保持することができる。即ち、円偏波アンテナのアンテナ性能に極力、悪影響を与えないで、初期性能を確保し、かつ、長期的に安定した性能を保つことができる。

以上のように、本実施形態は下記の特徴を有している。
（１）直交する円偏波経路Ｒ１，Ｒ２の交点Ｎ以外におけるアンテナエレメント用導電性板材２０での締結部材としてのネジ４０が通る透孔２２ｂ〜２２ｅを、円偏波経路Ｒ１，Ｒ２上から離れた位置に形成した。これにより、直交する円偏波経路Ｒ１，Ｒ２の交点Ｎ以外におけるアンテナエレメント用導電性板材２０での締結部材としてのネジ４０が通る透孔２２ｂ〜２２ｅの位置について、円偏波経路Ｒ１，Ｒ２上から離したので、長期的に設置される円偏波アンテナにおいて、円偏波特性の劣化を防止しつつアンテナエレメント用導電性板材２０を保持することができる。

（２）地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間にスペーサー３０を介在させて、スペーサー３０に締結部材としてのネジ４０を螺入した構造としたので、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間をスペーサー３０により一定間隔に保持でき、かつ、スペーサー３０に締結部材としてのネジ４０を螺入することにより連結固定することができる。

（３）アンテナエレメント用導電性板材２０における透孔２２ｂ〜２２ｅを、直交する円偏波経路Ｒ１，Ｒ２の交点Ｎに対し当該円偏波経路Ｒ１，Ｒ２を等角度に二分割した線Ｌ１，Ｌ２上に形成したので、円偏波特性の劣化防止という観点から好ましい。

なお、前記実施形態は以下のように変更してもよい。
図１，２においてはスペーサー３０にネジ４０，４１を螺入することにより地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０とを連結固定する場合について述べた。

これに代わり、図１１，１２に示すように、締結のやり方として、ネジ４０，４１の代わりにボルト・ナットを用いてもよい。詳しくは、図１１において、地板１０の上に円筒状のスペーサー３１を介してアンテナエレメント用導電性板材２０を配置し、地板１０の下側から、ボルト７０を、地板１０に設けた透孔１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅと、円筒状のスペーサー３１の内部と、アンテナエレメント用導電性板材２０に設けた透孔２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを通す。さらに、アンテナエレメント用導電性板材２０から上方に突出したボルト７０に対してナット７１を螺入する。これにより、図１２に示すごとく、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０とを連結固定する。スペーサー３１は絶縁材料（ＡＢＳ樹脂）よりなるとともに、ボルト７０およびナット７１も絶縁材料よりなり、具体的には樹脂製である。

このようにして、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間にスペーサー３１を介在させて、締結部材としてのボルト７０を、スペーサー３１を貫通する状態で配置してもよい。このようにしても、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間をスペーサー３１により一定間隔ｔに保持でき、かつ、締結部材としてのボルト７０をスペーサー３１を貫通する状態で配置することにより連結固定することが可能となる。

また、図１１，１２に代わる構成として、図１３，１４に示すように、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０との間に誘電体プレート８０を挟み込んで、地板１０とアンテナエレメント用導電性板材２０を締結部材（図１３，１４ではボルト７０とナット７１）により連結固定してもよい。

また、図５においては円偏波経路Ｒ１，Ｒ２の交点Ｎに対し円偏波経路Ｒ１，Ｒ２を等角度に二分割した線Ｌ１，Ｌ２上において、交点Ｎから離れる方向において一つずつ透孔を形成したが、二つずつ透孔を配置してもよい。あるいは、それ以上の個数の透孔を配置してもよい。

また、図５においては円偏波経路Ｒ１，Ｒ２の交点Ｎに透孔２２ａを配置したが、交点Ｎには透孔を配置しないようにしてもよい。
また、図５では円偏波経路Ｒ１，Ｒ２の交点Ｎに対し円偏波経路Ｒ１，Ｒ２を等角度に二分割した線Ｌ１，Ｌ２上に透孔２２ｂ〜２２ｅを形成したが、これに限ることなく、線Ｌ１，Ｌ２上ではない位置に透孔２２ｂ〜２２ｅを形成してもよく、要は、円偏波経路Ｒ１，Ｒ２上から離れた位置であればよい。

また、図５ではアンテナエレメント用導電性板材２０は正方形をなしていたが、円形であってもよく、円形のアンテナエレメント用導電性板材に摂動素子（切り欠き）を装荷して円偏波アンテナを構成してもよい。

本実施形態における円偏波アンテナの平面図。 円偏波アンテナの正面図。 円偏波アンテナの分解斜視図。 アンテナエレメント用導電性板材の平面図。 円偏波アンテナの平面図。 円偏波アンテナの正面図。 円偏波アンテナの周波数特性を示す図。 （ａ），（ｂ）は実験用のアンテナエレメント用導電性板材の平面図。 指向性についてのシミュレーション結果を示す図。 指向性についてのシミュレーション結果を示す図。 別例の円偏波アンテナの分解斜視図。 別例の円偏波アンテナの正面図。 他の別例の円偏波アンテナの分解斜視図。 他の別例の円偏波アンテナの正面図。

符号の説明

１…円偏波アンテナ、１０…地板、２０…アンテナエレメント用導電性板材、２１ａ，２１ｂ…摂動素子、２２ａ〜２２ｅ…透孔、３０…スペーサー、３１…スペーサー、４０…ネジ、７０…ボルト、Ｒ１，Ｒ２…円偏波経路。

Claims (3)

1. 地板（１０）と、
   前記地板（１０）に離間した状態で地板（１０）と対向して配置され、装荷した摂動素子（２１ａ，２１ｂ）により互いに直交しかつ長さが異なる２つの円偏波経路（Ｒ１，Ｒ２）が形成されたアンテナエレメント用導電性板材（２０）と、
   前記アンテナエレメント用導電性板材（２０）を貫通する状態で前記地板（１０）と当該アンテナエレメント用導電性板材（２０）とを連結固定するための締結部材（４０）と、
   を備えた円偏波アンテナであって、
   前記直交する２つの円偏波経路（Ｒ１，Ｒ２）の交点（Ｎ）以外における前記アンテナエレメント用導電性板材（２０）での前記締結部材（４０）が通る透孔（２２ｂ〜２２ｅ）を、それら２つの円偏波経路（Ｒ１，Ｒ２）上から離れた位置であってかつ、同直交する２つの円偏波経路（Ｒ１，Ｒ２）の交点（Ｎ）に対し当該円偏波経路（Ｒ１，Ｒ２）を等角度に二分割した２つの線（Ｌ１，Ｌ２）上の位置に前記交点（Ｎ）を挟んでそれぞれ少なくとも１つずつ形成したことを特徴とする円偏波アンテナ。
2. 前記地板（１０）とアンテナエレメント用導電性板材（２０）との間にスペーサー（３０）を介在させて、当該スペーサー（３０）に締結部材としてのネジ（４０）を螺入してなることを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。
3. 前記地板（１０）とアンテナエレメント用導電性板材（２０）との間にスペーサー（３１）を介在させて、締結部材としてのボルト（７０）を、前記スペーサー（３１）を貫通する状態で配置したことを特徴とする請求項１に記載の円偏波アンテナ。

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