JP4588258B2 - 電磁波を送受信する装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波を送信及び／又は受信する装置に係り、特に、マイクロストリップ技術で製作されたアレイから給電される「プリントアンテナ」と呼ばれるアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下の説明中、「プリントアンテナ」、又は、「マイクロストリップアンテナ」は、いわゆる「マイクロストリップ」技術で製作され、放射素子、典型的に「パッチ」、スロット、ダイポールなどにより構成されたアンテナ、或いは、希望利得に応じて素子数が決まるこれらの素子のアレイにより構成されたアンテナを意味する。このタイプのアンテナは、レンズの焦点又はパラボラの焦点に一次局として使用され、或いは、平面アレイアンテナとして使用される。
【０００３】
プリントアンテナの場合、放射素子は、一体的であるか、或いは、アレイの形に集められているかとは無関係に、マイクロストリップ線により構成された給電アレイから給電される。一般的に、この給電アレイは、程度に多少の差はあるが、望ましくない放射または寄生放射を放出し、アンテナの主放射を妨害する。この寄生照射から生ずる基本的な影響は、プリントアンテナのクロス偏波の上昇である。その他の望ましくない影響が、重要度に差はあるが、この寄生放射から生ずる。すなわち、寄生放射から、
−副ローブの増加及び／又は主ローブの変形を伴うアンテナの放射パターンの障害
−アンテナの効率の障害、すなわち、放射損失
が生ずる。
【０００４】
寄生放射を制限、若しくは、最小限に抑えるため、従来、提案されている解決法は、
−厚さ、誘電率などの誘電基板のパラメータの賢明な選択
−線幅の最適化
−寄生放射が由来する不連続部の最小化
である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これまでに提案されている解決法は、その解決法の有効性を制限する妥協が求められる。たとえば、高誘電率を示す細長い基板は、給電線の放射を最小限に抑えるが、放射素子の放射の有効性を減少させ、アンテナの効率が低下する。同様に、幅の狭い線を使用することにより寄生放射は減少するが、線の幅が狭くなる共に、抵抗性損失が増大する。
【０００６】
したがって、本発明は、寄生放射の有害な影響を減少させるのではなく、アンテナの主放射に寄与するように寄生放射を利用する解決法の提案を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明は、所定の偏波の信号を送受信する少なくとも一つの放射素子と、マイクロストリップ技術で製作され寄生放射が得られるよう構成された線を含む給電アレイとを有する電磁波送受信装置であって、
上記給電アレイは、寄生放射がアンテナの放射と同じ方向及び同じ偏波を有し、アンテナの放射と同相で合成するように、構成され、寸法が決められることを特徴とする。
【０００８】
よく知られた方法で、寄生放射は、給電アレイの線の不連続部、たとえば、屈曲部、Ｔ形回路、線幅変動部などによって生成される。
【０００９】
本発明の一実施例によれば、寄生放射源の相対位相は、給電アレイの線の長さによって決定される。好ましくは、給電アレイは対称性のあるアレイである。
【００１０】
直線偏波アンテナの場合、屈曲部の両側での線の長さＬｉは、以下の式、
Ｌ１＝λ１／２＋ｋ１・λ１ ｋ１＝０，１，２，．．．．
Ｌ２＝ｋ２・λ２ ｋ２＝０，１，２，．．．．
によって与えられ、式中、λｉは、長さＬｉの給電アレイの線に導かれる波長を表し、
【００１１】
【数２】

であり、ここで、
ｆは、動作周波数［ＧＨｚ単位］を表し、
εｒ ｅｆｆは、長さＬｉの線の部分に対する材料の実効誘電率を表す。
【００１２】
さらに、少なくとも２個の放射素子を有する円偏波アンテナの場合、二つの屈曲部を含むＴ形回路により形成された給電アレイの線の長さＬｉは、次式、
Ｌ’２＝Ｌ２＋ｋ１・λ２／４ ｋ１＝１，２，３
Ｌ’３＝Ｌ２＋ｋ２・λ３／４ ｋ２＝１，２，３
によって与えられ、式中、Ｌ’２及びＬ２はＴ形の二本の分路であり、Ｌ３及びＬ’３は放射素子に連結する線である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のその他の特徴並びに効果は、添付図面を参照する以下の多様な実施例の説明を読むことにより明らかになる。
【００１４】
図面中、説明を簡単にするため、同じ素子には同じ参照番号を付す。
【００１５】
以下では、放射素子がパッチにより構成されたプリントアンテナに関して本発明を説明する。しかし、本発明は、放射素子がマイクロストリップ技術によって製作された給電アレイへ連結された他のタイプのプリントアンテナに適用可能であることは、当業者には自明である。
【００１６】
図１には、マイクロストリップ技術による線によって形成された給電アレイに製作される種々のタイプの不連続部、すなわち、屈曲線（エルボウ）１と、幅方向に線の段差がある横方向線ジャンプ２と、Ｔ形部３とが示されている。
【００１７】
参考文献：J.R. James & P.S. Hall編, "Handbook of Microstrip Antennas", Peter Peregrinus Ltd., London、特に、その中で、第１４章"Microstrip Antenna Feeds", page 815-817に記載されているように、図１に示されるような給電線中の不連続部は、寄生放射を生ずることがよく知られている。特に、参考文献：M. EL. Haj Sleimen, "Studies of Millimetre Printed Antenna Arrays", Laboratoire Antenna et Reseaux de Rennes in 1999によれば、屈曲部１、横方向線ジャンプ２、及び、Ｔ形部３のような不連続部の主放射の向きを推定することが可能である。
【００１８】
図２には、従来型の構造をなすマイクロストリップ線により構成された給電アレイが示されている。より詳細には、給電アレイは、長さＬ１の分路１１と長さＬ２の分路１２とによって拡張されたＴ形部１０を含む。分路１１及び１２は、それぞれ、屈曲部１３及び１４によって拡張される。屈曲部１３は、長さＬ３の線セグメント１５によって拡張され、屈曲部１４は、長さＬ４の線セグメント１６によって拡張される。２本の線セグメント１５及び１６は、それぞれ、屈曲部１７及び１８で終端する。また、Ｔ形部１０は、本例の場合に、λ_ｓ／５に一致する長さＬ５の区間で線幅が拡大している。図２に示されるように、種々の不連続部は、屈曲部１３に対する場Ｅ１、屈曲部１４に対する場Ｅ２、屈曲部１７に対する場Ｅ３、屈曲部１８に対する場Ｅ４、Ｔ形部１０に対する場Ｅ５、及び、拡幅された線に対する場Ｅ６に応じて寄生照射を生じる。図２に示された給電アレイの６個の不連続部Ｅ１〜Ｅ６から、給電アレイによって生成される全体的な場Ｅを計算することができる。正規直交基準フレームＩ、Ｊを利用することにより、場Ｅ１〜Ｅ６の単位ベクトル、すなわち、
【００１９】
【数３】

が得られる。
【００２０】
本例の場合、全体的な場Ｅを計算するため、以下のパラメータ、すなわち、
−不連続部毎の放射の有効性
−線の減衰
−各不連続部のレベルで給電によって送られる電力
が考慮される。
【００２１】
これらの要素を考慮することにより、従来の方法で全体的な場を計算する。次に、全体的な場を計算した後、本願明細書では説明されていない従来の方法にしたがって、寄生放射の楕円率を決定することができる。実際上、公知の方程式に基づいて、給電アレイの寄生放射源の相対位相が長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４及びＬ５によって決定され、寄生放射源の相対振幅は、不連続部の性質に依存し、不連続部を通過する線によって伝搬された相対電力に比例する。放射源は、放射アレイに連結され、アレイの理論は、放射源の位置、相対位相及び相対振幅を知ることによって、アレイの放射パターンを計算し、特に、放射場の偏波を決定することができる。かくして、本発明に従って、寄生放射を主放射と同じ方向に向け、寄生放射に主放射と同じ偏波を与え、寄生放射を主放射と同相で合成するため、給電アレイと等価的な放射源の位相中心をアレイの位相中心と一致させ、最大放射を主放射場が最大となる方向で生じさせ、最大放射と主放射場の偏波を一致させることが必要である。
【００２２】
かくして、直線偏光プリントアンテナと関係した図３に示されるように、屈曲部１、２によって与えられる寄生放射は、主放射と平行した合成結果を生ずる。より詳細には、図３に示されたプリントアンテナは、４個のパッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４からなるＮ個のアレイを含み、より具体的には、４個のパッチからなる８個のアレイを含む。図３に示されるように、第１のアレイ中の４個のパッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３及びＰ４は、寄生放射１、２を生ずる屈曲部１及び２と、寄生放射３、４を生ずるＴ形回路とを有する給電アレイを用いて対称的に連結される。４個のパッチからなる４個のアレイは、図３の右半分に示されるように、矢印５、６、７及び８によって記号表示されているような寄生放射を生じるＴ形マイクロストリップ線を介して、対称的に一体として連結される。本例の場合、主放射は、寄生放射と併せて、図３の下側半分に示されるように記号表示される。矢印Ｆで表される主放射は、主放射と平行した反対向きの放射Ｆ’を生ずる屈曲部１及び２による放射と、相互に打ち消し合うＴ形回路３及び４の放射と、相互に打ち消し合う寄生放射５及び６と、相互に打ち消し合う寄生放射７及び８とが加えられ、これにより、主放射Ｆと平行であり、かつ、振幅が小さくなった合成放射が得られる。したがって、対称的に連結された４個のパッチからなる８個のアレイを含む図３のプリントアンテナの場合、寄生放射の方向に関する条件と、この寄生放射の偏波に関する条件とが満たされた場合、位相に関する条件は満たされない。このため、放射が同相になるよう制御されていない場合、アンテナの主放射に対し、部分的若しくは全体的に対向し、アンテナの効率が低下する。アンテナの最大効率を保証するため、本発明によれば、図４に示されるように、寄生放射が主放射と同相で合成することが必要である。
【００２３】
図４に示されるように、主放射Φ１を生じる４個のパッチＰ’１、Ｐ’２、Ｐ’３及びＰ’４は、屈曲部及びＴ形回路を有する給電アレイを介して接続される。より具体的には、パッチＰ’１及びＰ’２は、Ｔ形給電回路によって一体的に連結され、このＴ形給電回路は、同一の長さＬ_４の線によってパッチＰ’１及びＰ’２へ連結された屈曲部により拡張された同一の長さＬ_３を有する２本の分路を含む。また、パッチＰ’３及びＰ’４も同じ形式で接続され、二つのＴ形給電回路は、同一の長さＬ_２の線素子によって第１のＴ素子の点Ｃへ連結された屈曲部により拡張された同一の長さＬ_１を有する２本の同じ分路を含む別のＴ形給電回路によって一体的に連結される。
【００２４】
図４に示されるように、直線偏波の場合に、主放射と同相で合成する寄生放射を獲得するため、上述の長さＬ_ｉは、以下の規則、すなわち、
Ｌ_１＝λ_１／２＋ｋ_１λ_１ ｋ_１＝０，１，２，．．．．
Ｌ_２＝ｋ_２λ_２ ｋ_２＝０，１，２，．．．．
Ｌ_３＝λ_３／２＝ｋ_３λ_３ ｋ_３＝０，１，２，．．．
Ｌ_４＝ｋ_４λ_４ ｋ_４＝０，１，２，．．．．
に従う必要がある。式中、λ_ｉは、長さＬ_ｉの給電アレイの部分に導かれる波長、すなわち、
【００２５】
【数４】

を表す。ここで、
ｆは、動作周波数［ＧＨｚ単位］を表し、
ε_ｒｅｆｆは、長さＬｉの線部分に対する材料の実効誘電率を表す。
【００２６】
位相基準として、第１のＴ形部の接合点での波の位相を選択したときに、長さＬ_１が、
Ｌ_１＝λ_１／２＋ｋ_１λ_１ ｋ_１＝０，１，２，．．．．
を満たすような長さである場合、第１の屈曲部のレベルでの位相φは１８０°、すなわち、
φ＝２πＬ_１／λ_１＝π＋２ｋ_１π
であり、屈曲部によって放射された場（図４において、点線の矢印で示されている）は、同図に示されるような向きをもつ。したがって、第１のＴ形部の両側の二つの屈曲部の不連続部を加算することにより、二つの不連続部から放出全体的な場は、Ｔ形の不連続部によって放射された場（図４において実線で表現されている）と作図的に加算される。長さＬ_１がｋ_１λ_１と一致する場合、屈曲部によって放射された場は、図４に示された場と反対の向きであり、合成結果は、Ｔ形部によって放射された場と正反対の向きであり、アンテナの利得が低下する。
【００２７】
次に、円偏波の場合に関する本発明の一実施例について図５を参照して説明する。本例の場合、プリントアンテナは、マイクロストリップ技術で製作された給電アレイに接続された４個のパッチＰ”１、Ｐ”２、Ｐ”３及びＰ”４のアレイを含み、給電アレイは、相互に連結された二つのＴ形回路を含む。詳述すると、第１のＴ形回路は、長さＬ_２及びＬ’_２の２本の分路を有し、屈曲部Ｃ１及びＣ２によって拡張され、屈曲部Ｃ１は長さＬ_３の線によってパッチＰ”１へ連結され、屈曲部Ｃ２は長さＬ’_３の線によってパッチＰ”２へ連結される。パッチＰ”３及びＰ”４に関しても同様である。さらに、Ｔ形回路の二つの入力は、長さＬ_１の線及び長さＬ’_１の線を介して、共通点Ａで相互連結される。図５の下側部分に示されているように、パッチＰ”１、Ｐ”２、Ｐ”３及びＰ”４の集合体は、円偏波主放射を生し、この円偏波主放射に、屈曲部Ｃ１及びＣ２と、Ｔ形回路３及び４とによって、同様の円偏波をもち、主放射の偏波と同じ向きを有する寄生放射が加えられる。したがって、寄生放射が加えられた主放射により構成される全体的な放射が獲得される。位相関係を充足させるため、長さは、
Ｌ_１＝Ｌ’_１
Ｌ’_２＝Ｌ_２＋ｋ_１λ_２／４ ｋ_１＝１，２，３，．．．
Ｌ_３＝Ｌ’_３＋ｋ_２λ_３／４ ｋ_２＝１，２，３，．．．
を満たす必要がある。ここで、λ_ｉは長さＬ_ｉの給電アレイの部分に導入された波長を表す。
【００２８】
図６（ａ）及び６（ｂ）には、順序付き循環の原理を使用して給電回路に接続された４個のパッチ１０、１１、１２及び１３のアレイを含むプリントアンテナが示されている。このアンテナは、パラボラアンテナ、又は、ルーネベルグレンズ形のアンテナの照射用に利用され得る。４個のパッチ１０、１１、１２及び１３は、給電アレイから給電される。給電アレイは、図６（ａ）の場合、長さＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３及びＬ_４の４本の線を含み、線Ｌ_１及び線Ｌ_２は、Ｔ形回路の二つの分路を形成し、線Ｌ_１は屈曲部を介して線Ｌ_３に接続され、線Ｌ_２は屈曲部を介して線Ｌ_４に接続され、線Ｌ_３は別の屈曲部を介してパッチ１０及び１１へ接続され、線Ｌ_４は更に別の屈曲部を介してパッチ１２及び１３へ接続される。Ｔ形回路及び４個の屈曲部は、主放射の偏波と逆向きの円偏波をもつ寄生放射を生じる。
【００２９】
図６（ｂ）において、給電アレイは、Ｔ形回路の二本の分路の長さがＬ’_１とＬ’_２になされ、矢印Ｅで記号表示されるような寄生放射を生じ、屈曲部の寄生放射を加えることにより、主放射の偏波とは逆向きの円偏波をもつ寄生放射を生じるように、変更されている。本例の場合、図７に示されるように、周波数の関数としての楕円率（ＴＥ）が二つのアレイに対し獲得され、本発明の一つの効果がわかる。図６（ｂ）の回路の場合、ＴＥは、６３０ＭＨｚを超える周波数帯域で１．７４ｄＢ未満である。図６（ａ）の回路の場合、ＴＥは、中心周波数が１２．１ＧＨｚである３３０ＭＨｚの周波数帯域と、中心周波数が１２．７ＧＨｚである１５０ＭＨｚの別の周波数帯域の二つの周波数帯域で１．７４ｄＢ未満になる。図７のグラフから、等価的なＴＥレベル（３ｄＢ）で、本発明による回路の場合に、ＴＥの帯域幅が４０％増加していることがわかる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は、以下の効果を奏する。
【００３１】
１．アンテナの効率が改良される。
【００３２】
２．基板及びアンテナ設計の両面に関して矛盾した選択を行なう必要が無い。
【００３３】
３．円偏波の場合に、特に、干渉偏波のレベルが非常に低い。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロストリップ線に現れる種々の不連続部を表す平面図である。
【図２】場Ｅの向きと共に給電アレイを示す平面図である。
【図３】プリントアンテナと、プリントアンテナの寄生放射を示す給電アレイとを表す平面図である。
【図４】直線偏波の例における本発明による給電アレイの平面図である。
【図５】円偏波の例おける本発明による給電アレイの平面図である。
【図６】（ａ）は主放射と同じ偏波を有する寄生放射を伴う４個のパッチを有する給電アレイを表し、（ｂ）は主放射と反対の偏波を有する寄生放射を伴う４個のパッチを有する給電アレイを表す平面図である。
【図７】図６（ａ）及び６（ｂ）に示された給電アレイの楕円率を表すグラフである。
【符号の説明】
Ｐ”１，Ｐ”２、Ｐ”３，Ｐ”４ 放射素子
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ’２，Ｌ’３ 給電アレイ
Ｃ１，Ｃ２ 屈曲部
３，４ Ｔ型回路
Ａ 共通点

Claims (5)

1. 電磁波を送受信する装置であって、
   所定の偏波の信号を送受信する少なくとも一つの放射素子と、
   マイクロストリップ技術で製作され寄生放射が得られるよう構成された線を含む給電アレイと
   を有し、寄生放射がアンテナの放射と同じ向き及び同じ偏波を有し、アンテナの放射と同相で合成するように、上記給電アレイの構造と寸法が決められ、寄生放射の放射源の相対位相は、上記給電アレイの線の長さによって決定される、装置。
2. 直線偏波アンテナの場合に、
   屈曲部の両側での線の長さＬｉ（ｉ＝１，２）は、
   Ｌ１＝λ１／２＋ｋ１・λ１ ｋ１＝０，１，２，．．．．
   Ｌ２＝ｋ２・λ２ ｋ２＝０，１，２，．．．．
   によって与えられ、
   波長λｉ（ｉ＝１，２）は、長さＬｉの給電アレイの線に導かれる波長を表し、λｉ＝３０／（ｆ√εｒｅｆｆ）によって表され、
   ｆは、動作周波数を表し、
   εｒｅｆｆは、長さＬｉの線の部分に対する材料の実効誘電率を表す、請求項１記載の装置。
3. 上記給電アレイは対称性のあるアレイである、請求項２記載の装置。
4. 少なくとも２個の放射素子を有する円偏波アンテナの場合に、
   二つの屈曲部を含むＴ形回路により形成された上記給電アレイの線の長さＬｉ（ｉ＝１，２）、Ｌ’ｉ（ｉ＝１，２）は、
   Ｌ’２＝Ｌ２＋ｋ１・λ２／４ ｋ１＝１，２，３
   Ｌ’３＝Ｌ３＋ｋ２・λ３／４ ｋ２＝１，２，３
   によって与えられ、Ｌ’２及びＬ２はＴ形部の二本の分路の長さを表し、Ｌ３及びＬ’３は放射素子に連結する線の長さを表し、
   波長λｉは、長さＬｉの上記給電アレイの線に導かれる波長を表し、λｉ＝３０／（ｆ√εｒｅｆｆ）によって表され、
   ｆは、動作周波数を表し、
   εｒｅｆｆは、長さＬｉの線の部分に対する材料の実効誘電率を表す、請求項１記載の装置。
5. 上記給電アレイは対称性のあるアレイである、請求項４記載の装置。

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