JP4524293B2

JP4524293B2 - 円偏波グリッドアレーアンテナ

Info

Publication number: JP4524293B2
Application number: JP2007050681A
Authority: JP
Inventors: 伊市若生; 久松中野
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Yagi Antenna Co Ltd
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc; Yagi Antenna Co Ltd
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2007-02-28
Publication date: 2010-08-11
Anticipated expiration: 2027-02-28
Also published as: JP2008219196A

Description

本発明は、ＶＨＦ帯〜ＥＨＦ帯で使用されるグリッドアレーアンテナに関し、より詳しくは円偏波を発生するグリッドアレーアンテナに関するものである。

従来、ＶＨＦ帯〜ＥＨＦ帯で使用されるアンテナにおいて、線状導体を使用して格子状に形成してなるグリッドアレーアンテナが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

図９（ａ）は従来のグリッドアレーアンテナ１の平面図、同図（ｂ）は同側面図である。上記グリッドアレーアンテナ１は、導体からなる接地板２上に絶縁層３を設け、この絶縁層３上に同一線径の線状導体４により、長さＬの長辺部１０と、長さＳの短辺部１１を持つ複数の格子（グリッド）を構成している。上記長辺部１０の長さＬは約１波長に設定され、短辺部１１の長さＳは約半波長に設定される。そして、上記接地板２の同軸給電点Ｆから給電ピン５を線状導体４の給電点Ｆ’に接続して給電部を構成し、上記同軸給電点Ｆに同軸線６により給電する。

上記のように構成された従来のグリッドアレーアンテナ１は、約半波長の短辺部１１からの電磁波放射により、短辺部１１の位置に半波長ダイポールアンテナを配置したアレーアンテナ指向性に近似したペンシルビームアンテナを実現することができる。

半波長ダイポールアレーアンテナにおいては各半波長ダイポールアンテナへの給電線路が必要となるが、グリッドアレーアンテナにおいては複数の格子（グリッド）を構成する線状導体４を配置する簡易な構成でペンシルビームアンテナを実現することができる。

また、近年においては、短辺部にループ形状の素子を用いた小型化や、４５°直線偏波実現に対して検討が行われている（例えば、非特許文献２、非特許文献３参照。）。

更に、円偏波発生用の素子を前面に配置する構成により円偏波を放射するアンテナとしての検討も行われている（例えば、非特許文献４参照。）。
「グリッドアレイアンテナの数値解析（VIII）」１９９６年電子情報通信学会総合大会，Ｂ−１１０「直線状素子とループ素子から構成される変形グリッドアレーアンテナ」２００４年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会，Ｂ−１−５７「４５度直線偏波用グリッドアレーアンテナ」２００６年電子情報通信学会総合大会，Ｂ−１−１４６「グリッドアレイアンテナの数値解析（XI）−Ｃ型素子装着時の円偏波放射特性」１９９７年電子情報通信学会総合大会，Ｂ−１−１０３

上記のように簡易な構成のグリッドアレーアンテナを用いてペンシルビームアンテナを実現することができるが、その偏波は短辺方向の直線偏波である。従って、送信アンテナと受信アンテナの偏波を一致させる調整が必要であり、また、直接波と反射波の干渉による受信レベル低下を生じ易いという問題もある。更に、ＢＳ放送のように円偏波を使用する無線システムには使用できない。

従来は、円偏波アンテナとして使用するために円偏波発生用の素子をグリッドアレー前面に配置する必要があり、構成が複雑化するという問題がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、簡易な構成で円偏波を発生することができる円偏波グリッドアレーアンテナを提供することを目的とする。

本発明に係る円偏波グリッドアレーアンテナは、導体からなる接地板と、前記接地板上に設けられる絶縁層と、前記絶縁層上において線状導体により構成される長辺部と線状導体により構成されるループ形状素子を有する短辺部からなる複数の格子と、前記格子に設けられる給電点に給電する給電手段とを具備し、
前記格子を構成する短辺部のループ形状素子は、前記短辺部方向に対しては非対称な形状であり、かつ前記短辺部に対して４５°あるいは略４５°傾いた方向に対しては対称あるいは略対称な形状を有することを特徴とする。

本発明によれば、直接波と反射波の干渉による受信レベル低下への影響が少ない円偏波アンテナを簡易な構成で実現でき、送信アンテナと受信アンテナの偏波を一致させる調整を無くすことができる。このため円偏波を使用する無線システムに簡易な構成の円偏波グリッドアレーアンテナを適用することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａの平面図、図２は同側面図である。なお、この実施形態は、受信周波数を２４．２５ＧＨｚ（波長λａ≒１２．４ｍｍ）に設定した場合について示している。

この第１実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａは、図１に示すように導体からなる接地板２上に比誘電率εｒが約２．６、高さＢが約０．０６５λａの絶縁層３を設け、この絶縁層３上に例えば半径ρが約０．００２λａの線状導体４により、長さＬが約０．７３３λａの長辺部１０と、長さＳが約０．３４λａの短辺部１１を持つ複数例えば８個の格子（グリッド）２１ａ〜２１ｈを構成する。この場合、８個の格子（グリッド）２１ａ〜２１ｈを５列に配置し、例えば１列目、３列目、５列目にそれぞれ２つの格子（グリッド）を縦方向（ｘ方向）に隣接して配置し、２列目と４列目の中央にそれぞれ１つの格子（グリッド）を配置している。

そして、本実施形態では、上記線状導体４により構成した各格子（グリッド）２１ａ〜２１ｈの短辺部１１に、一辺Ｗを約０．２λａとした正方形のループ形状素子１２を形成している。なお、中央に位置する３列目の格子（グリッド）２１ｄ、２１ｅは、該格子２１ｄ、２１ｅに共通して使用される中央の短辺部１１にループ形状素子１２を形成せず、その短辺部１１の左端側を給電点Ｆ’としている。更に、上記ループ形状素子１２には、例えば対角の位置に長さΔＬの突起部を摂動素子１３として形成している。この摂動素子１３の長さΔＬは、例えば約０．０６λａに設定される。上記ループ形状素子１２は、短辺部１１方向に対しては非対称な形状であり、かつ短辺部１１に対して４５°傾いた方向に対しては対称な形状を有している。

また、上記接地板２の同軸給電点Ｆから給電ピン５を上記線状導体４の給電点Ｆ’に接続して給電部を構成し、上記同軸給電点Ｆに同軸線６により給電する。上記接地板２の同軸給電点Ｆは、線状導体４の給電点Ｆ’に対向する位置に設けられる。上記同軸線６は、外導体が接地板２に接続され、中心導体が接地板２と絶縁状態を保って給電ピン５に接続される。

図３は、上記第１実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１ＡのＺ軸方向の軸比−周波数特性図である。上記円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａは、軸比３ｄＢ以下の帯域幅が約１．５％であり、２４．２５ＧＨｚの周波数において軸比最良となる円偏波アンテナを実現している。

図４は、上記円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａの周波数２４．２５ＧＨｚにおける放射パターンを示したもので、図４（ａ）がφ＝０°面（Plane）、図４（ｂ）がφ＝９０°面（Plane）を示している。図４に示す実線Ｅ_Ｒが同一円偏波、破線Ｅ_Ｌが逆旋円偏波（交差偏波）である。上記図４は、この第１実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａが円偏波のペンシルビームアンテナとして動作していることを示している。尚、第１実施形態では、図４に示すように右旋円偏波となるが、摂動素子１３を図１において左右反対に設ければ左旋円偏波とすることができる。

上記第１実施形態によれば、直接波と反射波の干渉による受信レベル低下への影響が少ない円偏波アンテナを簡易な構成で実現でき、送信アンテナと受信アンテナの偏波を一致させる調整を無くすことができる。このため円偏波を使用する無線システムに簡易な構成の円偏波グリッドアレーアンテナを適用することが可能となる。

なお、ループ形状素子１２は上記した形状に限定されるものではなく、短辺部１１に対して４５°あるいは略４５°傾いた方向に対して対称あるいは略対称であれば、その他、例えば図５（ａ）〜（ｉ）に示すように任意のループ形状に形成することができる。

図５（ａ）は、円形のループ形状素子１２の内周において対向する位置に線状導体部による摂動素子１３を形成している。

同図（ｂ）は、正方形のループ形状素子１２の対角位置に矩形導体部による摂動素子１３を形成している。

同図（ｃ）は、正六角形のループ形状素子１２の対辺位置に線状導体部による摂動素子１３を形成している。

同図（ｄ）は、円形のループ形状素子１２の内周において対向する位置に矩形導体部による摂動素子１３を形成している。

同図（ｅ）は、正方形のループ形状素子１２の一つの角位置に矩形導体部による摂動素子１３を形成している。

同図（ｆ）は、線幅の大きい正方形のループ形状素子１２の対角位置に矩形切欠き部１４を形成している。この場合、切欠き部１４の形成位置を従前の例に示す摂動素子１３の形成位置と紙面において左右反転させていることで従前の例と同方向の円偏波を得ることができる。

同図（ｇ）は、楕円形のループ形状素子１２の長軸を短辺部に対して４５°傾けて配置したもので、特に摂動素子は設けていない。この場合、ループ形状素子１２として適当な楕円形状に形成することにより、突起導体部や導体切欠き部等の摂動素子を必要としない構成が可能である。

同図（ｈ）は、正方形に形成した導体部の対角位置にスリット１５を設けることで、ループ形状の素子１２を形成したものである。

同図（ｉ）は、正三角形のループ形状素子１２の一辺に矩形導体部による摂動素子１３を形成している。

以上、ループ形状素子１２の代表的な例を示したが、これらを更に変形したループ形状素子においても円偏波アンテナを実現可能である。

例えばループ形状素子１２の内側に形成している導体部による摂動素子１３を外側に形成しても良い。また、ループ形状素子１２は、図５（ｇ）に示した楕円形を菱形や六角形、更に多角形で近似した形状でも良い。

また、上記線状導体４は例えば金属板あるいは金属箔を打ち抜くことによっても形成可能であり、更に、形成した線状導体をＰＥＴ等によりラミネートし、形状保持するための補強をしても良い。

また、上記絶縁層３は、比誘電率２．６のものに限定されるものではない。比誘電率の低い発泡剤（ほぼ比誘電率１）や比誘電率の高いセラミック（ほぼ比誘電率１０）など他の比誘電率値の誘電体でも良い。例えば銅張り両面基板等をエッチングし、マイクロストリップ線路として線状導体及び接地板を形成することもできる。あるいは、プラスチックやセラミックに導電ペースト等を塗布することによっても線状導体及び接地板を形成することができる。この時、格子の長辺及び短辺の長さは絶縁層３の比誘電率に応じた割合で比誘電率２．６の場合より長く、あるいは短くなる。

なお、上記円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａは、上記格子を構成する長辺部１０の線状導体厚と短辺部１１の線状導体厚は特に同じである必要はなく、例えば長辺部１０を薄く、短辺部１１を厚くしても良く、あるいは長辺部１０を厚く、短辺部１１を薄くしても良い。また、絶縁層３は、線状導体４を保持可能な手段があれば絶縁物を配置しなくても良い。

また、給電形態としては同軸給電以外にも、格子（グリッド）中央からスロットにより結合するスロット結合給電型（例えば１９９６年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会，Ｂ−１０５，「グリッドアレイアンテナの数値解析（IX）」、あるいは２００５年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会，Ｂ−１−４７，「ミリ波グリッドアレーアンテナ」）や、給電ピン５の上端を所定長さ折曲げ、この折曲げた部分を格子の短辺（給電点Ｆ’）と近接して平行に配置する電磁結合型（例えば特開２００４−８８２１４号「２共振型ループアンテナ」）としても良い。

また、上記第１実施形態では、中央に位置する格子（グリッド）２１ｄ、２１ｅにおいて、該格子２１ｄ、２１ｅに共通して使用される中央の短辺部１１にループ形状素子１２を形成せず、その短辺部１１の左端側を給電点Ｆ’として１点給電する場合について示したが、その他、例えば上記中央の短辺部１１にループ形状素子１２を形成し、該短辺部１１の両端を給電点Ｆ’として２点給電するようにしても良い。この場合、接地板２には、上記２つの給電点Ｆ’に対応して２つの同軸給電点Ｆを設け、各同軸給電点Ｆと給電点Ｆ’との間をそれぞれ別個に設けた２つの給電ピン５により接続する。また、上記２つの同軸給電点Ｆに対しては、２つの同軸線６を設けて２つの同軸給電点Ｆにそれぞれ接続し、逆位相で給電するように構成する。

また、上記２つの給電点Ｆ’に対してそれぞれ給電ピン５を直接接続するのではなく、各給電ピン５の上端を所定長さ折曲げ、この折曲げた部分を給電点Ｆ’と近接して配置する電磁結合型としても良い。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナについて説明する。
図６は本発明の第２実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナの平面図である。この第２実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ｂは、第１実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａにおいて、格子（グリッド）の数をアンテナ中央部で最多となるように配置すると共に、各格子（グリッド）を４５°回転して配置している。また、摂動素子１３は、ループ形状素子１２の対向する辺、この場合の例ではループ形状素子１２の左上の辺と右下の辺に設けている。すなわち、上記ループ形状素子１２は、短辺部１１方向に対しては非対称な形状であり、かつ短辺部１１に対して４５°傾いた方向に対しては対称な形状に形成される。

この第２実施形態では、例えば４つの格子（グリッド）２１ａ〜２１ｄを用いて構成しており、中央の２列目に２つの格子（グリッド）２１ｂ、２１ｃを縦方向（ｘ方向）に配置し、その左右にそれぞれ１つの格子（グリッド）２１ａと２１ｄを配置している。そして、各格子（グリッド）２１ａ〜２１ｄの短辺部１１にループ形状素子１２を形成すると共に、１列目の格子（グリッド）２１ａの左側の長辺部１０に隣接して１つのループ形状素子１２を形成し、３列目の格子（グリッド）２１ｄの右側の長辺部１０に隣接して１つのループ形状素子１２を形成している。その他の構成は、第１実施形態と同様の構成であるので、詳細な説明は省略する。

上記ように構成した第２実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ｂにおいても、第１実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａと同様の特性を持つ円偏波アンテナを簡易な構成で実現することができる。

また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、長辺部１０と短辺部１１を半田付けやネジ止め等により接続して線状導体４を構成することにより、低い周波数帯でも比較的安価に円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａ、１Ｂを実現することができる。また、線状導体４の全体の支持も、各短辺部１１を短辺程度の大きさの絶縁物により支持することで軽量化を計ることができる。

（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナについて説明する。

図７（ａ）は本発明の第３実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ｃの平面図、同図（ｂ）は同側面図である。

この第３実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ｃは、第１実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａにおいて、線状導体４に代えて導体板３１を使用し、この導体板３１に線状スリット３２を設け、この線状スリット３２により第１実施形態で示した長辺部１０及びループ形状素子１２を備えた短辺部１１からなる格子（グリッド）２１ａ〜２１ｈ等を構成している。また、上記ループ形状素子１２には、線状スリット３２により摂動素子１３を形成する。そして、同軸線６に接続される給電ピン５の上端を導体板３１の下側面に沿って折り曲げ、この折り曲げ部分を中央に位置する短辺部１１と所定の間隔で直交するように配置して、上記中央の短辺部１１を構成する線状スリット３２ａと結合させ、同軸線６より接地板２の同軸給電点Ｆを介して給電する。

上記線状スリット３２により形成したループ形状素子１２は、第１実施形態と同様に短辺部１１方向に対しては非対称な形状であり、かつ短辺部１１に対して４５°傾いた方向に対しては対称な形状を有している。また、上記ループ形状素子１２の形状は、図５に示したように各種の形状に形成し得るものである。

上記第３実施形態に示したように線状スリット３２により長辺部１０及び短辺部１１からなる格子（グリッド）２１ａ〜２１ｈを形成した円偏波グリッドアレーアンテナ１Ｃを構成した場合においても、第１実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ａと同様に直接波と反射波の干渉による受信レベル低下への影響が少ない円偏波アンテナを簡易な構成で実現することができる。

図８は上記円偏波グリッドアレーアンテナ１Ｃにおける他の給電手段を示したもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。この図８に示す給電手段は、導体板３１の中央部において、中央に位置する線状スリット３２ａを挟んで給電点Ｆ’と短絡点Ｓ’を所定の間隔で設け、給電ピン５の先端を上記給電点Ｆ’に接続すると共に、上記導体板３１側の短絡点Ｓ’と接地板２側に設けた短絡点Ｓとを短絡ピン３３により接続して給電するようにしたものである。上記の給電方法では、給電点Ｆ’と短絡点Ｓ’の間隔を調整することにより同軸線６とのインピーダンス整合を図ることも可能である。

また、上記第３実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナ１Ｃでは、他にもスロットアンテナに対する一般的な給電と同様の手段による給電が可能である。

なお、上記図７、図８に示した円偏波グリッドアレーアンテナ１Ｃでは、導体板３１の端部を開放とした場合について示したが、端部で生じる電磁波の放射によりアンテナの指向性や軸比に影響を生じる場合があるが、このような場合には導体板３１の端部と接地板２を短絡することにより、この端部で生じる電磁波の放射を抑止することができる。

また、上記各実施形態では、円偏波グリッドアレーアンテナを２４．２５ＧＨｚの周波数において実施した場合について示したが、その他、ＶＨＦ帯〜ＥＨＦ帯の周波数帯においても同様にして実施し得るものである。

また、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

本発明の第１実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナの平面図である。同実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナの側面図である。同実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナの軸比−周波数特性図である。（ａ）は同実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナのφ＝０°面の放射パターン図、（ｂ）は同φ＝９０°面の放射パターン図である。同実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナにおけるループ形状素子の他の構成例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナの平面図である。（ａ）は本発明の第３実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナの平面図、（ｂ）は同側面図である。（ａ）は同実施形態に係る円偏波グリッドアレーアンテナの他の給電方法を示す平面図、（ｂ）は側面図である。（ａ）は従来のグリッドアレーアンテナの平面図、（ｂ）は同側面図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…グリッドアレーアンテナ、２…接地板、３…絶縁層、４…線状導体、５…給電ピン、６…同軸線、１０…長辺部、１１…短辺部、１２…ループ形状素子、１３…摂動素子、１４…スリット、２１ａ〜２１ｈ…格子（グリッド）、３１…導体板、３２、３２ａ…線状スリット、３３…短絡ピン

Claims

導体からなる接地板と、前記接地板上に設けられる絶縁層と、前記絶縁層上において線状導体により構成される長辺部と線状導体により構成されるループ形状素子を有する短辺部からなる複数の格子と、前記格子に設けられる給電点に給電する給電手段とを具備し、
前記格子を構成する短辺部のループ形状素子は、前記短辺部方向に対しては非対称な形状であり、かつ前記短辺部に対して４５°あるいは略４５°傾いた方向に対しては対称あるいは略対称な形状を有することを特徴とする円偏波グリッドアレーアンテナ。