JP4448475B2 - マイクロストリップ型電波レンズ及びアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、電波レンズを用いたアンテナに関し、特に空間給電方式を用いたマイクロストリップ型電波レンズ及び透過形空間給電アンテナに関する。

近年の高速伝送技術の進歩により、航空機及びヘリコプタ等の飛翔体との通信距離を延ばすための通信手段として、小口径（３０〜６０ｃｍ）の追尾アンテナ装置が用いられている。この追尾アンテナ装置は地上の基地局に設置するだけでなく、設置スペースの制限が多い船舶や車両の移動体に搭載される場合もあるため小型軽量化が求められている。

従来、この種の追尾アンテナ装置には、オフセットパラボラアンテナなどの反射型アンテナ又は、誘電体レンズアンテナを適用したものがある。追尾方式として反射型アンテナでは、ビーム切換方式、円錐走査方式及びモノパルス方式などが使用されている。

追尾アンテナ装置は、複数の放射ビームの時間的な切換え、または同時形成により電波の到来方向を測角して移動体の方向を検出するため、追尾アンテナの一次放射器がビーム切換方式の場合は、追尾用４素子と受信用１素子の合計５素子必要であり、モノパルス方式の場合は４素子または５素子必要である。搭載素子が多くなると一次放射器の機械的寸法が大きくなり、反射器の寸法に対する１次放射器の寸法の比率が大きくなり、影による利得低下というブロッキング現象を回避するため、オフセットパラボラアンテナを使用する必要がある。

しかし、オフセットパラボラアンテナを使用した場合、機械的に重量バランスが不適切となり、所望の水平方向及び垂直方向の追尾運動性能を得るため駆動機構が大型化すると同時に駆動モータの消費電力が増大する。

このような問題に対処するため、適切な重量バランスを確保しようとすると、水平方向及び垂直方向の回転中心が不適切となることや、回転半径が大きくなり、船舶や車両などの限られた空間に設置することができない。

そこで、このような問題を解決する技術が特許文献１に公開されている。特許文献１は、誘電体を使用した電波レンズを用いることなく、コンパクトで安価な構成で入射波と放射波面を変換するマイクロストリップ型電波レンズに関するものである。この技術を用いると、１次放射器によるブロッキングがなく、かつ１次放射器とマイクロストリップ型電波レンズの中心軸が同一であるため最小の回転半径とすることができ、重量増加を招くことなく実現可能である。

特開昭６０−２５１７０６号公報

しかし、追尾アンテナ装置として重要な利得に関して、マイクロストリップ型電波レンズは、反射型アンテナであるオフセットパラボラアンテナと比較すると利得が劣るという問題がある。

電波レンズには、誘電体を用いて電波の通路長による位相差を利用する方式もあるが、位相差を連続的に変化させる必要があるために、光学レンズと同様な曲面体となり、製造コスト増となっていた。また、電波が電波レンズを通過する時には屈折の法則に従うため、電波の一部が不要な交差偏波として損失するという別の問題がある。

以上のような問題を解決するために、本発明に係るマイクロストリップ型電波レンズは、電波を送受信する導電性方形素子と受信した電波を遅延させる移相器を片面に有し、反対面には接地導体を有するプリント誘電体基板と、一対のプリント誘電体基板の片面を表裏対称となるように二つの反対面を向かい合うように支持する接地導体板と、プリント誘電体基板と接地導体板を貫通する孔を通して二つの移相器の終端部を相互に接続する接続線路と、表裏対称の導電性方形素子と移相器が接続線路で接続された少なくとも一つのマイクロストリップ回路と、を備え、いずれか一方のプリント誘電体基板側からの入射電波を他方の側に放射電波として送出するマイクロストリップ型電波レンズに関する。

そして、接地導体板を補強部材として強化し、マイクロストリップ回路は、導電性方形素子と、導電性方形素子と移相器を接続するインピーダンス変成器と、入射電波と放射電波の遅延特性を設定する移相器と、移相器の終端部の先に配置された補助グランド素子と、を一列に配列し、マイクロストリップ回路を一方向に並べて配置し、かつ、マイクロストリップ回路の導電線性方形素子の両隣に別のマイクロストリップ回路の移相器が来るようにずらして三角配置し、移相器の線路長を単位分解能で調整することにより前記入射電波を移相することを特徴とする。

また、本発明に係るマイクロストリップ型電波レンズにおいて、マイクロストリップ回路は、表裏の対称位置に配置され、移相器は、一対のプリント誘電体基板におのおの形成することで遅延線路長を見かけの長さの２分の１とし、フルネルゾーンにて密にゾーンニングしたことを特徴とする。

さらに、本発明に係るマイクロストリップ型電波レンズにおいて、中心線を境にして右側ゾーンと左側ゾーンではマイクロストリップ回路の長手方向の向きを反転させて配置することを特徴とする。これは、アンテナ有効径内に数多くの素子を配置する目的と、マスクパターンの流用を考慮したためである。

さらにまた、本発明に係るマイクロストリップ型電波レンズにおいて、補強部材をマイクロストリップ回路の長手方向に沿って設けたことを特徴とする。これにより、反射を低減すると共に補強部材による素子数の減少を最小限におさえることが可能である。

さらにまた、本発明に係るマイクロストリップ型電波レンズと、マイクロストリップ型電波レンズに給電する一次放射器と、これらを支持するアーム部と、を有するマイクロストリップ型電波アンテナにおいて、前記アーム部は、前記アンテナの重心位置に回転軸を有し、回転軸から伝達される振動によるマイクロストリップ型電波レンズの共振を低減させるために、補強部材をマイクロストリップ型電波レンズに設けたことを特徴とする。

本発明に係るマイクロストリップ型電波レンズを追尾アンテナ装置に用いることにより、空間給電効率を確保し、小型軽量で、振動による指向性精度の低下が少なく、しかも安価に製造可能な電波レンズを実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１０は、本発明の参考となる参考構成に係る透過形空間給電アンテナ６０の説明図である。透過形空間給電アンテナ６０は、電波を放射する一次放射器４０と、電波の給電を受けて放射する二次開口５４を有している。二次開口５４は、移相器５３に給電素子５１と放射素子５２が接続されたマイクロストリップ回路を複数個備えている。

二次開口５４は、空間給電により一次放射器４０から放射された電波を複数の給電素子５１で受け、所定の遅延量が設定されている複数の移相器５３を通過させることで位相差を利用して電波の進行方向を変えて複数の放射素子５２から二次放射する。

すでに述べたように、マイクロストリップ型電波レンズは、反射型アンテナに比べて利得が劣る。マイクロストリップ型電波レンズの利得の低下要因は、次の４つの要素によって決定される。第１の要素は、一次放射器４０の効率。第２の要素は、二次開口５４の給電素子の空間給電効率。第３の要素は、二次開口５４の給電素子５１、移相器５３、放射素子５２の伝送線路による損失。第４の要素は、二次開口５４の放射素子５２の配置利得である。この中で主要因となるのは、第２と第３の要素である。

上述した第２の要素である給電素子側の空間給電効率は、一次放射器４０から二次開口５４の給電素子５１に照射され、給電素子５１が吸収する吸収率に相当する。空間給電損失は、二次開口５４の給電素子の利得と配列された素子間隔に起因する素子の密度により決定される。そこで、この素子の密度を本実施形態の第１の着目点とした。また、第３の要素である伝送線路による損失は、接地導体との間で発生する電力ロスが支配的であることを第２の着目点とした。詳細は後述する。

図１は、本発明の実施形態に係る追尾アンテナ装置１０の構成を示す斜視図である。追尾アンテナ装置１０は、アンテナ６０と追尾装置７０を有している。アンテナ６０は、マイクロストリップ型電波レンズ３０とＲＦユニット１６を支持する支持アーム（１２，１４）及び仰角を可変させるための仰角軸を有する軸取付アーム（１３，１５）とを有している。追尾装置７０は、台座２２と、旋回モータ２５と、仰角軸受２６と仰角モータ２４を含む旋回台２０と、を有している。

図２は、本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズ３０を用いたアンテナ６０の斜視図である。アンテナ６０は、補強リブ１９（例えば、アルミ製角棒）が放射面に固定されたマイクロストリップ型電波レンズ３０と、マイクロストリップ型電波レンズ３０とＲＦユニット１６を支持する支持アーム（１２，１４）及び仰角を可変させるための仰角軸１８を有する軸取付アーム（１３，１５）と、を有している。ＲＦユニット１６は、追尾用の素子と一次放射器４０を有している。

図３は、本発明の実施形態に係るアンテナ６０に取り付けられる５素子を有する一次放射器４０の正面図である。一次放射器４０は、テフロン（登録商標）系グラスファイバ基板上に追尾用の４つの放射素子４３が接続されたマイクロストリップアンテナと、ポリロッド放射素子４２を有している。

図４は、本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズ３０の正面図である。マイクロストリップ型電波レンズ３０は約６０ｃｍ角のテフロン（登録商標）グラスファイバ基板上に数千のマイクロストリップ回路がプリントにより作成され、フルネルレンズによるゾーニングで移相器の遅延設定を行い、指向性の高い電波レンズを実現した。

図４において、中心線５６を境にして左側のゾーンと右側のゾーンでは遅延器の方向が中心線５６から外部方向に向けて形成されている。マイクロストリップ型電波レンズ３０上には２つの補強リブ１９を固定する為に、約２列のマイクロストリップ回路が除かれ、除かれた部分に補強リブ１９がネジ止めで固定されている。

これは、追尾装置７０が作動すると、マイクロストリップ型電波レンズ３０の機械的な振動により指向性に悪影響を及ぼす問題を解決するために設けたものである。剛性を向上させるために、空間給電効率の低下が懸念されたため、低下分を口径のサイズアップで補った。

図５は、本発明の実施形態に係る図４に示すマイクロストリップ型電波レンズ３０のＡ部分を拡大した拡大図である。図中点線で囲んだマイクロストリップ回路３１は、表裏一対の導電性方形素子３２と、導電性方形素子３２の一辺に接続された一対のインピーダンス変成器３３と、インピーダンス変成器３３と接続された一対の移相器３４と、裏面の移相器３４と接続するための導通ピン３６を有している。

マイクロストリップ回路３１は、Ｅ面方向と長手方向を一致するように配置され、さらに、導電性方形素子３２の両隣に移相器３４が来るようにずらして配置されている。移相器３４の終端部の先には補助グランド素子である２つのスルーホール３５が設けられている。ネジ孔３７は、接地導体板にテフロン（登録商標）グラスファイバ基板を固定するためのものである。

本実施形態において、二次開口の給電素子側の空間給電効率を向上するためには、素子利得がなるべく高く、二次開口面上に密に配列することが必要である。以下、第１の着目点について述べる。最初に、使用する電波を直交二偏波ではなく、単一偏波とすることで、素子配列の圧縮配置をめざした。

具体的には、一般的なダイポールアンテナの素子利得は、例えば、２．１４ｄＢｉであるが、本実施形態の素子は、例えば、利得が６ｄＢｉのマイクロストリップアンテナを用いた。利得の高いマイクロストリップアンテナの素子配列を密とするために、導電性方形素子を三角配列とした。そのために、素子と同一プリント板に形成する移相器を縦方向となる遅延線路を４ビット１６ステートに量子化し、遅延線路を表裏対象位置に設け、片面当たりの遅延線路長の見かけの長さを２分の１にして、同一プリント板上に密に配置された各素子間に遅延線路を形成することを可能とした。

図６は、本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズ３０を構成するマイクロストリップ回路の構成を示す斜視図である。２つのマイクロストリップ回路の距離は波長λ／２を元に設定され、Ａ，Ｂの関係は図７に示す比率で設定されている。

第２の着目点は、内部に発生する電力ロスを低減させる目的で、移相器内部を同軸ケーブルで離間させる構造としたことである。マイクロストリップ型電波レンズ３０は、アルミ板４７（例えば３ｍｍ厚）の支持部材の両側に対称に固定された１対のテフロン（登録商標）グラスファイバ基板４６（例えば１ｍｍ厚）のサンドイッチ構造である。テフロン（登録商標）グラスファイバ基板４６の表面にはマイクロストリップ回路を構成する導電性方形素子３２、インピーダンス変成器３３、移相器３４及び２つのスルーホール３５がある。移相器３４の終端部には表裏の移相器３４と接続するための導通ピン３６が通る孔が設けられている。導通ピン３６は、アルミ板４７と絶縁するためのテフロン（登録商標）スリーブ３８の中を通り裏面の移相器３４と接続されている。テフロン（登録商標）グラスファイバ基板４６の裏面には、一面に接地導体が設けられ、補助グランド端子であるスルーホール３５と導通すると共に、アルミ板４７とも導通している。

図７は、本発明の実施形態に係る導電性方形素子間隔と空間給電効率の関係を示した特性図である。図中縦軸は空間給電効率を示し、横軸は、Ｙ軸距離をＤｙ＝０．５λとした時のＸ軸方向素子間隔Ｄｘを示したものである。本実施形態においては、ＳＨＦ帯（極超短波帯）を用いた。本実施形態では図７から、Ｄｘ＝０．２５λのときに空間給電効率０．７となったことからＤｙ＝０．５λ、Ｄｘ＝０．２５λで各マイクロストリップ回路を配置した。なお、これらの値は本実施形態での最良値であるが、マイクロストリップ型電波レンズ３０の口径、使用周波数、その他の実寸法などで適切な値が変化することから、この値に限定するものではない。

図８は、本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズ３０を用いたアンテナのＥ面放射パターンを示す特性図である。Ｅ面とは、遅延線路の長手方向を含む面を示したものである。図８中実線は、一次放射器中央のポリロッド放射素子による特性であり、２つの破線は１次放射器の左右方向のずれを検知するマイクロストリップアンテナによる放射パターンである。これらのビーム幅は約±２度の指向性を示している。

図９は、本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズを用いたアンテナのＨ面放射パターンを示す特性図である。Ｈ面とは、遅延線路の長手方向と直交する方向を含む面を示したものである。図９中実線は、一次放射器中央のポリロッド放射素子による特性であり、２つの破線は１次放射器の上下方向のずれを検知するマイクロストリップアンテナによる放射パターンである。これらのビーム幅は約±２度の指向性を示している。

以上のことから、本実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズを用いることにより、空間給電効率を確保し、小型軽量で、振動による指向性精度の低下が少なく、しかも安価に製造可能な電波レンズを実現することが可能となる。

なお、本実施形態において、補強リブ１９をマイクロストリップ型電波レンズ３０に設けたが、アルミ板４７の内部を補強リブ又は箱形構造などで強化した支持板とすることにより機械振動を抑え、空間給電効率の低下が少なく、口径の小さい電波レンズとすることも好適である。

本発明の実施形態に係る追尾アンテナ装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズを用いたアンテナ装置の斜視図である。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置に取り付けられる５素子を有する一次放射器の正面図である。 本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズの正面図である。 本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズのＡ部分を拡大した拡大図である。 本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズを構成するマイクロストリップ回路の構成を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る導電性方形素子間隔と空間給電効率の関係を示した特性図である。 本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズを用いたアンテナのＥ面放射パターンを示す特性図である。 本発明の実施形態に係るマイクロストリップ型電波レンズを用いたアンテナのＨ面放射パターンを示す特性図である。 本発明の参考となる参考構成に係る透過形空間給電アンテナの説明図である。

符号の説明

１０ 追尾アンテナ装置、１６ ＲＦユニット、１８ 仰角軸、１９ 補強リブ、２０ 旋回台、２２ 台座、２４ 仰角モータ、２５ 旋回モータ、２６ 仰角軸受、３０ マイクロストリップ型電波レンズ、３１ マイクロストリップ回路、３２ 導電性方形素子、３３ インピーダンス変成器、３４ 移相器、３５ スルーホール、３６ 導通ピン、３７ ネジ孔、３８ テフロン（登録商標）スリーブ、４０ 一次放射器、４２ ポリロッド放射素子、４３ 放射素子、４６ テフロン（登録商標）グラスファイバ基板、４７ アルミ板、５１ 給電素子、５２ 放射素子、５３ 移相器、５４ 二次開口、５６ 中心線、６０ アンテナ。

Claims (5)

1. 電波を送受信する導電性方形素子と受信した電波を遅延させる移相器を片面に有し、反対面には接地導体を有するプリント誘電体基板と、
   一対のプリント誘電体基板の片面を表裏対称となるように二つの反対面を向かい合うように支持する接地導体板と、
   プリント誘電体基板と接地導体板を貫通する孔を通して二つの移相器の終端部を相互に接続する接続線路と、
   表裏対称の導電性方形素子と移相器が接続線路で接続された少なくとも一つのマイクロストリップ回路と、
   を備え、いずれか一方のプリント誘電体基板側からの入射電波を他方の側に放射電波として送出するマイクロストリップ型電波レンズにおいて、
   接地導体板を補強部材として強化し、
   マイクロストリップ回路は、
   導電性方形素子と、
   導電性方形素子と移相器を接続するインピーダンス変成器と、
   入射電波と放射電波の遅延特性を設定する移相器と、
   移相器の終端部の先に配置された補助グランド素子と、
   を一列に配列し、
   マイクロストリップ回路を一方向に並べて配置し、かつ、マイクロストリップ回路の導電性方形素子の両隣に別のマイクロストリップ回路の移相器が来るようにずらして三角配置し、
   移相器の線路長を単位分解能で調整することにより前記入射電波を移相することを特徴とするマイクロストリップ型電波レンズ。
2. 請求項１に記載のマイクロストリップ型電波レンズにおいて、
   マイクロストリップ回路は、表裏の対称位置に配置され、移相器は、一対のプリント誘電体基板におのおの形成することで遅延線路の見かけの長を２分の１とし、フルネルゾーンにて密にゾーンニングしたことを特徴とするマイクロストリップ型電波レンズ。
3. 請求項１又は２に記載のマイクロストリップ型電波レンズにおいて、
   中心線を境にして右側ゾーンと左側ゾーンではマイクロストリップ回路の長手方向の向きを反転させて配置することを特徴とするマイクロストリップ型電波レンズ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロストリップ型電波レンズにおいて、
   補強部材をマイクロストリップ回路の長手方向に沿って設けたことを特徴とするマイクロストリップ型電波レンズ。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロストリップ型電波レンズと、マイクロストリップ型電波レンズに給電する一次放射器と、これらを支持するアーム部と、を有するアンテナにおいて、
   前記アーム部は、前記アンテナの重心位置に回転軸を有し、回転軸から伝達される振動によるマイクロストリップ型電波レンズの共振を低減させるために、補強部材をマイクロストリップ型電波レンズに設けたことを特徴とするアンテナ。

Images