JP4615480B2 - 円偏波アレーアンテナおよびアンテナ基板 - Google Patents

Description

本発明は、複数の放射素子が配列されて構成され、各放射素子から円偏波を放射することができる円偏波アレーアンテナおよびアンテナ基板に関する。

近年、携帯電話に代表される無線通信の研究が盛んに進められている。無線通信には、光通信で代表されるＦＴＴＨ（Fiber To The Home）の１００Ｍｂｐｓ以上の伝送速度を達成しているものもある。

無線通信には、円偏波アンテナが適していると言われている。円偏波は、導体から成る壁などで反射されると、旋回方向が逆になる。円偏波アンテナでは、壁などからの一次反射波の捕捉が防がれ、これによって反射波の影響を抑えることができる。また円偏波アンテナでは、送信アンテナの偏波面と受信アンテナの偏波面とを合わせる必要がないという利点もあり、このような円偏波アンテナは、ＧＰＳ（Global Positioning System）に代表される衛星移動通信にも用いられている。

図１８は、従来の円偏波アレーアンテナ１の分解斜視図である。図１８に示す円偏波アレーアンテナ１は、特許文献１に開示される。この円偏波アレーアンテナ１は、給電線路形成体である誘電体導波管２の上面に、放射素子である誘電体共振器３が複数、設けられて、構成される。誘電体導波管２は、その長手方向中央で給電される。誘電体導波管２は、給電されると、各誘電体共振器３に給電する。各誘電体共振器３は、誘電体導波管２から給電されると、円偏波を放射する。

特開２００２−３５３７２７号公報

図１８に示す円偏波アレーアンテナ１において、誘電体導波管２では、伝送波が、誘電体導波管２の給電点から誘電体導波管２の両端に向かって進む。この伝送波の電力は、各誘電体共振器３に供給され、これによって各誘電体共振器３から円偏波が放射される。伝送波の一部は、誘電体導波管２の両端に到達し、誘電体導波管２の両端で反射される。反射された伝送波は、誘電体導波管２の給電点に向かって進む。この反射された伝送波の電力は、各誘電体共振器３に供給され、これによって各誘電体共振器３から円偏波が放射される。反射された伝送波による円偏波の旋回方向は、誘電体導波管２の給電点から誘電体導波管２の両端に向かって進む伝送波による円偏波の旋回方向とは逆の方向である。このような反射された伝送波による円偏波によって、各誘電体共振器３から放射される円偏波の軸比が上昇してしまうという問題が生じる。

また図１８に示す円偏波アレーアンテナ１では、誘電体導波管２の給電点から一端側に設けられる各誘電体共振器３については直列給電され、また誘電体導波管２の給電点から他端側に設けられる各誘電体共振器３についても直列給電されている。このような直列給電では、放射パターンを制御するためには、各誘電体共振器３と誘電体導波管２との各結合量を調整する必要があり、設計が困難であるという問題がある。

本発明の目的は、円偏波の軸比の上昇を抑えることができ、しかも放射パターンを制御するための設計を容易化することができる円偏波アレーアンテナおよびアンテナ基板を提供することである。

本発明は、仮想一平面に沿って配置され、給電されると同一方向に旋回する円偏波を放射する複数対の放射素子と、
各前記放射素子に接続され、給電されると各前記放射素子に並列給電する給電線路形成体とを含み、
前記給電線路形成体は、
延在して形成され、延在方向に一対の前記放射素子が離間して設けられ、前記延在方向において一対の前記放射素子のそれぞれに等間隔をあけた位置に給電される線路部分を複数有し、
前記線路部分の前記延在方向の一端から該一端側に配置される前記放射素子の配置位置までの距離Ａと、前記線路部分の前記延在方向の他端から該他端側に配置される前記放射素子の配置位置までの距離Ｂとは、前記線路部分における伝送波の波長をλで表し、ｎを０以上の整数とするとき、
｜Ａ−Ｂ｜＝λ／４＋λ・ｎ／２
を満足し、
前記延在方向において隣接する前記線路部分に設けられた各前記放射素子は、一直線上に整列されていることを特徴とする円偏波アレーアンテナである。

また本発明は、仮想一平面に沿って配置され、給電されると同一方向に旋回する円偏波を放射する複数対の放射素子と、
各前記放射素子に接続され、給電されると各前記放射素子に並列給電する給電線路形成体とを含み、
前記給電線路形成体は、
延在して形成され、延在方向に一対の前記放射素子が離間して設けられ、前記延在方向において一対の前記放射素子のそれぞれに等間隔をあけた位置に給電される線路部分を複数有し、
前記線路部分の前記延在方向の一端から該一端側に配置される前記放射素子の配置位置までの距離Ａと、前記線路部分の前記延在方向の他端から該他端側に配置される前記放射素子の配置位置までの距離Ｂとは、前記線路部分における伝送波の波長をλで表し、ｎを０以上の整数とするとき、
｜Ａ−Ｂ｜＝λ／４＋λ・ｎ／２
を満足し、
前記給電線路形成体は導波管によって構成され、
各前記線路部分には、前記延在方向において一対の前記放射素子のそれぞれに等間隔をあけた位置に結合スロットが形成され、
前記結合スロットは、長手方向が前記線路部分の前記延在方向に前記仮想一平面内で直交するように形成されていることを特徴とする円偏波アレーアンテナである。

また本発明は、前記円偏波アレーアンテナが一体に形成されて構成されていることを特徴とするアンテナ基板である。

本発明によれば、複数対の放射素子が、仮想一平面に沿って配置される。各放射素子には、給電線路形成体が接続される。給電線路形成体は、各放射素子に並列給電する。各放射素子は、給電線路形成体から給電されると、同一方向に旋回する円偏波を放射する。

各放射素子に供給される電力は、給電線路形成体で調整された後、並列給電により各放射素子に供給されるので、直列給電のように各放射素子ごとに結合量を調整することなく、放射パターンを制御することができる。このように各結合量の調整が不要であるので、放射パターンを制御するための設計を容易化することができる。

給電線路形成体は、延在して形成される複数の線路部分を有する。線路部分には、その延在方向に一対の放射素子が離間して設けられる。線路部分は、前記延在方向において一対の放射素子のそれぞれに等間隔をあけた位置に給電される。このように線路部分が給電されるので、一対の放射素子は、同位相で給電され、これによって一対の放射素子は、円偏波を同位相で放射することができる。

線路部分では、伝送波が、線路部分の給電点から線路部分の延在方向の両端（以下、「線路部分の両端」という）に向かって進む。この伝送波の電力は、一対の放射素子に供給され、これによって一対の放射素子から円偏波が放射される。伝送波の一部は、線路部分の両端に到達し、線路部分の両端で反射される。反射された伝送波（以下、「反射波」という）は、線路部分の給電点に向かって進む。この反射波の電力は、一対の放射素子に供給され、これによって一対の放射素子から円偏波が放射される。反射波による円偏波の旋回方向は、線路部分の給電点から線路部分の両端に向かって進む伝送波による円偏波の旋回方向とは逆の方向である。このような反射波による円偏波（以下、「逆円偏波」という）によって、一対の放射素子から放射される円偏波の軸比が上昇してしまう。

このような点を考慮して、本発明では、｜Ａ−Ｂ｜＝λ／４＋λ・ｎ／２を満足するように、線路部分の延在方向の一端からこの一端側に配置される放射素子の配置位置までの距離Ａと、線路部分の延在方向の他端からこの他端側に配置される放射素子の配置位置までの距離Ｂとが選ばれる。このように各距離Ａ，Ｂが選ばれるので、一対の放射素子から放射される逆円偏波の位相が１８０°ずれ、これによって一対の放射素子から放射される逆円偏波が互いに打消し合う。したがって一対の放射素子から放射される円偏波の軸比の上昇を好適に抑えることができる。その結果、全体としても、円偏波の軸比の上昇を好適に抑えることができる。

また、前記延在方向において隣接する線路部分に設けられる各放射素子が一直線上に整列されるようにすることにより、放射素子間隔の極端に大きい部分と小さい部分とが形成されることがなくなり、不要な電磁波の放射を抑制することができる。

また、給電線路形成体が導波管によって構成され、給電線路形成体の各線路部分には、延在方向において一対の放射素子のそれぞれに等間隔をあけた位置に結合スロットが形成され、結合スロットの長手方向が線路部分の延在方向に仮想一平面内で直交するように形成されるようにすることによって、結合スロットを介して線路部分に給電するときに結合スロットで反射される電力を小さくすることができる。これにより電力損失を抑えることができるので、線路部分への給電効率を向上させることができる。

また本発明によれば、前述のような円偏波アレーアンテナが一体に形成されて、アンテナ基板が構成される。このようなアンテナ基板は、前述のような効果を達成することができ、しかも持運びおよび取付けなどの取扱いの容易化を図ることができる。

図１は、本発明の実施の一形態である円偏波アレーアンテナ１１の構成を示す斜視図である。図１では、理解を容易にするために、円偏波アレーアンテナ１１を部分的に切欠いて示している。本実施の形態の円偏波アレーアンテナ１１は、無線ＬＡＮ（Local Area
Network）システムおよび映像伝送システムなどの無線システムにおいて、送信アンテナおよび受信アンテナとして用いられる。円偏波アレーアンテナ１１は、電磁波を放射することができ、また電磁波を捕捉することができる。円偏波アレーアンテナ１１によって放射および捕捉される電磁波は、準ミリ波帯およびミリ波帯などの電磁波である。

円偏波アレーアンテナ１１は、仮想一平面に沿って配置され、給電されると同一方向に旋回する円偏波を放射する複数対の放射素子１２と、各放射素子１２に接続され、給電されると各放射素子１２に並列給電する給電線路形成体１３（後述の図２参照）とを含む。

各放射素子１２は、マトリクス状に配置される。ここで、前記仮想一平面内で互いに直交する２方向を想定し、これらの２方向のうち、一方をＸ方向とし、他方をＹ方向とする。Ｘ方向には、２以上の偶数個、本実施の形態では１６個の放射素子１２が間隔をあけて整列され、Ｙ方向には、２以上の偶数または奇数個、本実施の形態では１６個の放射素子１２が間隔をあけて整列される。本実施の形態では、ｉを１以上の奇数とするとき、Ｘ方向に一列に整列される各放射素子１２のうち、Ｘ方向の上流からｉ番目の放射素子１２と（ｉ＋１）番目の放射素子１２とが対を成す。

図２は、一対の放射素子１２の付近を模式的に示す斜視図である。図３は、給電線路形成体１３の一部を模式的に示す斜視図である。図３では、理解を容易にするために、給電線路形成体１３を、部分的に切欠いて示している。

放射素子１２は、誘電体共振器によって実現される。放射素子１２は、円柱状に形成される円柱部１６と、円柱部１６の周面に沿って円筒状に形成される周壁部１７とを有する。円柱部１６は、誘電体から成る。周壁部１７は、導体から成り、このような周壁部１７は、電磁波遮蔽体となる。円柱部１６の軸線方向一端面には、空間に電磁波を放射する開口面１８が形成される。

給電線路形成体１３は、給電線路に沿って形成される導波管である方形導波管によって構成される。給電線路形成体１３は、空洞導波管によって構成されてもよく、あるいは誘電体導波管によって構成されてもよい。本実施の形態では、給電線路形成体１３は、誘電体導波管によって構成される。

給電線路形成体１３は、延在して形成され、その延在方向Ｃに一対の放射素子１２が離間して設けられる線路部分（以下、「第１線路部分」という）２１を複数、有し、また各第１線路部分２１に接続される第２線路部分２２をさらに有する。一対の放射素子１２は、円柱部１６の軸線方向他端面が第１線路部分２１の一方側のＨ面２３に対向するように、第１線路部分２１に設けられる。第２線路部分２２は、第１線路部分２１の他方側のＨ面２４に連なる。Ｈ面とは、第１線路部分２１における伝送波の磁界に平行な面をいう。

第１線路部分２１と第２線路部分２２との間には、結合スロット２５が形成される。この結合スロット２５によって、第１線路部分２１と第２線路部分２２とが結合される。結合スロット２５は、第１線路部分２１の延在方向Ｃにおいて一対の放射素子１２のそれぞれに等間隔をあけた位置に配置される。したがって第１線路部分２１は、その延在方向Ｃにおいて一対の放射素子１２のそれぞれに等間隔をあけた位置に給電される。このように第１線路部分２１が給電されるので、一対の放射素子１２は、同位相で給電され、これによって一対の放射素子１２は、円偏波を同位相で放射することができる。

第２線路部分２２は、外部から給電するためのポート部２６と、ポート部２６に接続され、各第１線路部分２１の個数に応じた回数だけ分岐して、各第１線路部分２１に接続される分岐線路部２７とを有する。本実施の形態では、分岐線路部２７は７回分岐しており、各放射素子に供給される電力は、この分岐線路部２７で調整される。分岐線路部２７は、前記結合スロット２５の位置から距離Ｓだけ延びた位置で終端される。この距離Ｓは、分岐線路部２７における伝送波の波長の２分の１、程度に選ばれる。分岐線路部２７は、一層で形成されてもよく、あるいは複数層で形成されてもよい。分岐線路部２７が複数層で形成される場合、各層は、小孔２８によって結合される。

各放射素子１２に供給される電力は、給電線路形成体１３の前段である分岐線路部２７で調整された後、並列給電により各放射素子１２に供給されるので、直列給電のように各放射素子ごとに結合量を調整することなく、放射パターンを制御することができる。このように各結合量の調整が不要であるので、放射パターンを制御するための設計を容易化することができる。

図４は、放射素子１２の付近を示す正面図である。放射素子１２と第１線路部分２１との間には、放射素子１２と同軸の結合孔３１が形成される。この結合孔３１によって、放射素子１２と第１線路部分２１とが結合される。結合孔３１は、略円形または多角形状に形成される。本実施の形態では、結合孔３１は、長方形状に形成され、その長手方向が第１線路部分２１の延在方向Ｃと平行になるように設けられる。結合孔３１は、正面から見たとき、第１線路部分２１の中心軸線Ｌ１からずれた位置に配置される。このように結合孔３１が配置されることによって、放射素子１２から円偏波を放射することができる。

一対の放射素子１２に対する各結合孔３１は、正面から見たとき、前記中心軸線Ｌ１に関して互いに反対側にずれる。このように各結合孔３１がずれるので、一対の放射素子１２から、同一方向に旋回する円偏波を放射することができる。本実施の形態では、図４に示すように、結合孔３１は、第１線路部分２１の中心軸線Ｌ１から、第１線路部分２１における伝送波の進行方向Ｇに対して、左側にずれた位置に形成される。

図５は、第１線路部分２１における伝送波の磁界分布を示す図であり、図５（１）は基準の状態を示し、図５（２）は基準の状態から９０°位相が進んだ状態を示し、図５（３）は基準の状態から１８０°位相が進んだ状態を示し、図５（４）は基準の状態から２７０°位相が進んだ状態を示す。図５において、破線矢印３２は、第１線路部分２１における伝送波の磁界分布を示し、実線矢印３３ａ〜３３ｄは、結合孔３１と結合する磁界成分を示す。

基準の状態では、図５（１）に示すように、結合孔３１は、第１線路部分２１における伝送波の進行方向Ｇとは反対方向の磁界成分３３ａと結合する。基準の状態から９０°位相が進むと、図５（２）に示すように、結合孔３１は、第１線路部分２１における伝送波の進行方向Ｇに対して右の磁界成分３３ｂと結合する。基準の状態から１８０°位相が進むと、図５（３）に示すように、結合孔３１は、第１線路部分２１における伝送波の進行方向Ｇと同一方向の磁界成分３３ｃと結合する。基準の状態から２７０°位相が進むと、図５（４）に示すように、結合孔３１は、第１線路部分２１における伝送波の進行方向Ｇに対して左の磁界成分３３ｄと結合する。このようにして、放射素子１２から左旋円偏波が放射される。

放射素子１２から右旋円偏波を放射させる場合は、結合孔３１を、第１線路部分２１の中心軸線Ｌ１から、第１線路部分２１における伝送波の進行方向Ｇに対して、右側にずらせばよい。

図６は、第１線路部分２１およびこの第１線路部分２１に設けられる一対の放射素子１２を模式的に示す断面図である。第１線路部分２１では、伝送波が、第１線路部分２１の給電点３６から第１線路部分２１の延在方向Ｃの両端（以下、「第１線路部分２１の両端」という）２１ａ，２１ｂに向かって進む。この伝送波の電力は、一対の放射素子１２に供給され、これによって一対の放射素子１２から円偏波が放射される。伝送波の一部は、第１線路部分２１の両端２１ａ，２１ｂに到達し、第１線路部分２１の両端２１ａ，２１ｂで反射される。反射された伝送波（以下、「反射波」という）は、第１線路部分２１の給電点３６に向かって進む。この反射波の電力は、一対の放射素子１２に供給され、これによって一対の放射素子１２から円偏波が放射される。反射波による円偏波の旋回方向は、第１線路部分２１の給電点３６から第１線路部分２１の両端２１ａ，２１ｂに向かって進む伝送波による円偏波（以下、「正円偏波」という）の旋回方向とは逆の方向である。このような反射波による円偏波（以下、「逆円偏波」という）によって、一対の放射素子１２から放射される円偏波の軸比が上昇してしまう。

このような点を考慮して、本実施の形態では、第１線路部分２１の延在方向Ｃの一端２１ａからこの一端２１ａ側に配置される放射素子１２の配置位置までの第１距離Ａと、第１線路部分２１の延在方向Ｃの他端２１ｂからこの他端２１ｂ側に配置される放射素子１２の配置位置までの第２距離Ｂとは、第１線路部分２１における伝送波の波長をλで表し、ｎを０以上の整数とするとき、以下の式（１）を満足するように選ばれる。
｜Ａ−Ｂ｜＝λ／４＋λ・ｎ／２ …（１）

このように各距離Ａ，Ｂが選ばれるので、一対の放射素子１２から放射される逆円偏波の位相が１８０°ずれ、これによって一対の放射素子１２から放射される逆円偏波が互いに打消し合う。したがって一対の放射素子１２から放射される円偏波の軸比の上昇を好適に抑えることができる。その結果、全体としても、円偏波の軸比の上昇を好適に抑えることができる。

表１は、各放射素子１２から放射される逆円偏波の位相のずれの一例を示す。表１において、横方向はＸ方向に対応し、縦方向はＹ方向に対応する。逆円偏波の位相を表す各数値の配置関係は、各放射素子１２の配置関係と対応する。表１の最上部に記載される１〜１６の数値は、Ｘ方向の上流からの順番を示し、表１の最左部に記載される１〜１６の数値は、Ｙ方向の下流からの順番を示す。逆円偏波の位相の単位は、「°」である。この表１に示す構成は、サイドローブの抑制に適したものとなっている。

図７は、図１〜図６に示す円偏波アレーアンテナ１１を備えるアンテナ基板４０の一部を示す正面図である。図８は、図７の切断面線Ｓ８−Ｓ８から見た断面図である。図７および図８では、便宜上、一部を省略して示している。図７では、理解を容易にするために、一部を透過させて示している。

アンテナ基板４０は、円偏波アレーアンテナ１１が一体に形成されて構成される。このようなアンテナ基板４０は、前述のような効果を達成することができ、しかも持運びおよび取付けなどの取扱いの容易化を図ることができる。

アンテナ基板４０は、共振器部誘電体層４１が積層されて形成される共振器部誘電体基板４２と、共振器部誘電体基板４２の下方に設けられ、給電部誘電体層５１が積層されて形成される給電部誘電体基板５２と、給電部誘電体基板５２の下方に設けられ、給電部誘電体基板５２と同様な構成の他の給電部誘電体基板とを有する。他の給電部誘電体基板については、説明を省略する。

共振器部誘電体基板４２の上面には、共振器部上部主導体層４３が形成され、共振器部誘電体基板４２の下面には、共振器部下部主導体層４４が形成される。共振器部上部主導体層４３には、開口部４５が形成される。この開口部４５の周辺には、所定の間隔をあけて、共振器部上部主導体層４３と共振器部下部主導体層４４との間を電気的に接続する複数の共振器部貫通導体４６が形成される。各共振器部貫通導体４６は、高周波信号の信号波長の２分の１未満の間隔で配置される。各共振器部貫通導体４６の間の間隔は、必ずしも一定の値である必要はなく、信号波長の２分の１未満で、種々の値を組合せて設定してもよい。また各共振器部貫通導体４６は、２重、３重と設けられてもよい。

各共振器部貫通導体４６は、共振器部上部主導体層４３と共振器部下部主導体層４４との間においてこれらの主導体層４３，４４と平行に設けられる共振器部副導体層４７によって電気的に接続される。共振器部副導体層４７には、開口部４５と相似形状の開口部４８が形成される。共振器部副導体層４７は、単層または必要に応じて複数層、形成される。各共振器部貫通導体４６および共振器部副導体層４７によって電磁波遮蔽体が形成され、これが図２に示す放射素子１２の周壁部１７を形成している。

共振器部誘電体基板４２内には、共振器部上部主導体層４３、共振器部下部主導体層４４、各共振器部貫通導体４６および共振器部副導体層４７によって囲まれて、誘電体が満たされた空間が形成される。このように誘電体が満たされた空間が、図２に示す放射素子１２の円柱部１６を形成している。

給電部誘電体基板５２の上面には、給電部上部主導体層５３が形成され、給電部誘電体基板５２の下面には、給電部下部主導体層５４が形成される。給電部上部主導体層５３は、前記共振器部下部主導体層４４と共通に形成される。給電部上部主導体層５３（共振器部下部主導体層４４）には、開口部４５が形成され、これによって前記結合孔３１が形成される。

給電部上部主導体層５３と給電部下部主導体層５４との間には、これらの主導体層５３，５４の間を電気的に接続する複数の給電部貫通導体５６が２列に配列されている。各給電部貫通導体５６は、高周波信号の信号波長の２分の１未満の間隔で配置される。各給電部貫通導体５６の間の間隔は、必ずしも一定の値である必要はなく、信号波長の２分の１未満で、種々の値を組合せて設定してもよい。また各給電部貫通導体５６は、２重、３重と設けられてもよい。

各給電部貫通導体５６は、給電部上部主導体層５３と給電部下部主導体層５４との間においてこれらの主導体層５３，５４と平行に設けられる給電部副導体層５７によって電気的に接続される。給電部副導体層５７は、単層または必要に応じて複数層、形成される。各給電部貫通導体５６および給電部副導体層５７によって電磁波遮蔽体が形成され、これが図２および図３に示す給電線路形成体１３のＥ面導体を形成している。

給電部誘電体基板５２内には、給電部上部主導体層５３、給電部下部主導体層５４、各給電部貫通導体５６および給電部副導体層５７によって囲まれて、誘電体が満たされた空間が形成される。このように誘電体が満たされた空間が、図２および図３に示す給電線路形成体１３の給電線路を形成している。

共振器部誘電体基板４２および給電部誘電体基板５２としては、誘電体として機能し、高周波信号の伝送を妨げることのない特性を有するものであればとりわけ限定するものではないが、給電線路形成体１３を形成する際の精度および製造の容易性の点からは、セラミックスから成ることが望ましい。

共振器部誘電体基板４２および給電部誘電体基板５２としては、比誘電率εｒが４〜１００程度のものが好ましく、たとえばアルミナセラミックス、窒化アルミニウムセラミックスおよびガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックスなどが好ましい。特に、ガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックスが好適に用いられる。共振器部誘電体基板４２および給電部誘電体基板５２は、たとえばセラミックス原料粉末に適当な有機溶剤および溶媒を添加混合して泥漿状になすとともに、これをドクターブレード法およびカレンダーロール法などを採用してシート状となすことによって複数枚のセラミックグリーンシートを得て、これを積層し、焼成することによって製作される。

また各共振器部貫通導体４６および各給電部貫通導体５６は、ビアホール導体およびスルーホール導体によって形成すればよく、たとえばセラミックグリーンシートに打ち抜き加工をして作製した貫通孔に、導体層と同様の導体ペーストを埋め込み、しかる後、セラミックグリーンシートと同時に焼成して形成する。なお、各共振器部貫通導体４６および各給電部貫通導体５６は、直径５０〜３００μｍが適当である。

図９は、本発明の実施の他の形態である円偏波アレーアンテナ６１の構成を示す正面図である。図１０は、円偏波アレーアンテナ６１を備えるアンテナ基板６２を部分的に切欠いて示す正面図である。図１１は、一対の放射素子１２の付近を模式的に示す斜視図である。本実施の形態の円偏波アレーアンテナ６１は、図１〜図８に示す円偏波アレーアンテナ１１に類似するので、対応する部分には同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてだけ説明する。

本実施の形態では、第１線路部分２１の延在方向Ｃにおいて隣接する第１線路部分２１に設けられる各放射素子１２が、一直線上に整列される。前記図１〜図８に示す円偏波アレーアンテナ１１のように、第１線路部分２１の延在方向Ｃにおいて隣接する第１線路部分２１に設けられる各放射素子１２が、いわゆる千鳥状に配置された構成であると、各放射素子１２間の間隔の大きな方向において、不要な電磁波が放射されてしまう。この点を考慮して、本実施の形態では、前記各放射素子１２を一直線上に整列させることで、各放射素子１２間の間隔の差を小さくし、これによって不要な電磁波の放射を抑制することができる。

Ｘ方向には、各放射素子１２が等間隔をあけて整列され、Ｙ方向には、各放射素子１２が等間隔をあけて整列される。Ｘ方向に整列される各放射素子１２の間隔Ｄ１とＹ方向に整列される各放射素子１２の間隔Ｄ２とは、同一であってもよく異なっていてもよいが、不要な電磁波の放射を抑制するという観点からは同一であるのが好ましい。

なお、図９では隣り合う第１線路部分２１が連通しているように見える箇所があるが、実際は図１０に示すようにビアホール導体の壁で遮断されている。

図１２は、本発明の実施のさらに他の形態である円偏波アレーアンテナが備える一対の放射素子１２の付近を模式的に示す正面図である。本実施の形態の円偏波アレーアンテナは、図９〜図１１に示す円偏波アレーアンテナ６１に類似するので、対応する部分には同一の符号を付して説明を省略し、異なる点についてだけ説明する。

本実施の形態では、結合スロット２５は、その長手方向Ｅが第１線路部分２１の延在方向Ｃに前記仮想一平面内で直交するように形成される。このように結合スロット２５が形成されることによって、結合スロット２５を介して第１線路部分２１に給電するときに結合スロット２５で反射される電力を小さくすることができる。したがって電力損失を抑えることができ、これによって第１線路部分２１への給電効率を向上させることができる。

軸比特性を評価するために、ＨＦＳＳ（High Frequency Structure Simulator）法によってシミュレートした。このシミュレーションでは、前記図１〜図８に示される円偏波アレーアンテナ１１と同様な構成で、一対の放射素子１２を想定した。

詳しくは、給電線路形成体１３の誘電体の比誘電率εｒは４．９とした。給電線路形成体１３の寸法は、以下のようにした。
・第１線路部分２１の幅寸法＝１．８９ｍｍ
・第２線路部分２２の幅寸法＝１．６４ｍｍ
・第１および第２線路部分２１，２２の厚み寸法＝０．６ｍｍ
・給電部貫通導体５６のビア径寸法＝０．２ｍｍ
・給電部貫通導体５６のビア間隔＝０．６０ｍｍ

なお、第１および第２線路部分２１，２２の両端面および両側面は、ビア中心で示している。このときの伝送波の波長λは２．６４ｍｍで、中心周波数は６１．５ＧＨｚ程度とした。

放射素子１２の寸法は、以下のようにした。
・結合孔３１の寸法＝１．１２×１．０６ｍｍ
・開口面１８の直径寸法＝１．４７ｍｍ
・放射素子１２の厚み寸法＝０．６ｍｍ
・放射素子１２の直径寸法＝１．６１ｍｍ

第１距離Ａと第２距離Ｂとを種々、変化させた。その結果、第１線路部分２１の両端２１ａ，２１ｂで反射された伝送波によって放射素子１２から正面方向に放射される逆円偏波の位相が０°となるときの第１および第２距離Ａ，Ｂは、１．３２ｍｍであった。説明の便宜上、一対の放射素子１２のうち、第１線路部分２１の一端２１ａ側に配置される放射素子１２を第１放射素子１２ａといい、第１線路部分２１の他端２１ｂ側に配置される放射素子１２を第２放射素子１２ｂということがある。

表２は、第１放射素子１２ａからの逆円偏波の位相と第１距離Ａとの関係および第２放射素子１２ｂからの逆円偏波の位相と第２距離Ｂとの関係を示す。

表３は、第１放射素子１２ａからの逆円偏波の位相と第２放射素子１２ｂからの逆円偏波の位相との間の位相差と、第１距離Ａと第２距離Ｂとの間の差との関係を示す。

表２および表３では、第１放射素子１２ａからの逆円偏波の位相と第２放射素子１２ｂからの逆円偏波の位相との間の位相差は、０°〜１８０°までとした。表３では、第１距離Ａと第２距離Ｂとの間の差｜Ａ−Ｂ｜を、伝送波の波長λを用いて表した。なお、位相差とは、正面方向における位相差である。

ここで中心周波数６１．５ＧＨｚのとき、軸比が４．００ｄＢ以下において、本発明の円偏波アレーアンテナ特性を満足するとし、また、中心周波数６１．５ＧＨｚに対して±２．０ＧＨｚのとき、軸比が１０．００ｄＢ以下において、本発明の円偏波アレーアンテナ特性を満足するとする。

表４は、シミュレーション結果を示す。

この表４の結果から、第１放射素子１２ａからの逆円偏波と第２放射素子１２ｂからの逆円偏波との間の位相差が４５°で、第１距離Ａと第２距離Ｂとの間の差がλ／１６（０．１７ｍｍ）のとき、軸比が４．００ｄＢ以下を満たすことが判る。また、第１放射素子１２ａからの逆円偏波と第２放射素子１２ｂからの逆円偏波との間の位相差が１８０°で、第１距離Ａと第２距離Ｂとの間の差がλ／４（６．６ｍｍ）のとき、最も軸比を低減できることが判る。

この結果を踏まえると、第１距離Ａと第２距離Ｂとの関係は、軸比が４．００ｄＢ以下になる、λ／４≧｜Ａ−Ｂ｜≧λ／１６が望ましい。第１距離Ａと第２距離Ｂとの関係は、軸比を最も低減できる、｜Ａ−Ｂ｜＝λ／４が最も望ましい。

表５は、周波数６１．５ＧＨｚを中心に±２．０ＧＨｚでの軸比に対する周波数特性のシミュレーション結果を示す。

この表５の結果から、第１放射素子１２ａからの逆円偏波と第２放射素子１２ｂからの逆円偏波との間の位相差が１３５°で、第１距離Ａと第２距離Ｂとの間の差がλ／５．３３（０．４９ｍｍ）のとき、中心周波数６１．５ＧＨｚで軸比が４．００ｄＢ以下を満たし、６１．５ＧＨｚを中心に±２．０ＧＨｚの範囲で、軸比が１０．００ｄＢ以下を満たしていることが判る。

また、第１放射素子１２ａからの逆円偏波と第２放射素子１２ｂからの逆円偏波との間の位相差が１７０°で、第１距離Ａと第２距離Ｂとの間の差がλ／４．２４（０．６２ｍｍ）のとき、周波数６１．５ＧＨｚを中心に±２．０ＧＨｚの範囲で、軸比が４．００ｄＢ以下を満たしていることが判る。

さらに、第１放射素子１２ａからの逆円偏波と第２放射素子１２ｂからの逆円偏波との間の位相差が１８０°で、第１距離Ａと第２距離Ｂとの間の差がλ／４（０．６６ｍｍ）のとき、周波数６１．５ＧＨｚを中心に±２．０ＧＨｚの範囲で、軸比が４．００ｄＢ以下を満たし、軸比が最も低減していることが判る。

この結果を踏まえると、第１距離Ａと第２距離Ｂとの関係は、４．０ＧＨｚの帯域で軸比が１０．００ｄＢ以下になる、λ／４＞｜Ａ−Ｂ｜＞λ／５．３３が望ましい。第１距離Ａと第２距離Ｂとの関係は、４．０ＧＨｚの帯域で軸比が４．００ｄＢ以下になる、λ／４＞｜Ａ−Ｂ｜＞λ／４．２４がさらに望ましい。第１距離Ａと第２距離Ｂとの関係は、４．０ＧＨｚの帯域で軸比が４．００ｄＢ以下になり最も低減できる、｜Ａ−Ｂ｜＝λ／４が最も望ましい。

第１距離Ａは１．３２ｍｍとなっているが、第１距離Ａと第２距離Ｂとの差が重要であり、第１距離Ａの値を変えても、同様な傾向が見られた。

図１３は、放射パターンをシミュレートしたときのシミュレーション結果を示す図である。図１４は、図１３の上方から見た図である。図１５は、図１３を説明するための図である。このシミュレーションでは、前記図９〜図１１に示される円偏波アレーアンテナ６１と同様な構成を想定した。

詳しくは、６３ＧＨｚ用の円偏波アレーアンテナ６１を想定した。Ｘ方向に整列される各放射素子１２の間隔Ｄ１は、３．７２ｍｍとし、Ｙ方向に整列される各放射素子１２の間隔Ｄ２は、３．９７ｍｍとした。各放射素子１２からは、逆円偏波は放射されず、正円偏波だけが放射されるとした。

各放射素子１２から放射される電磁波の電界強度は、表６のようにした。表６において、横方向はＸ方向に対応し、縦方向はＹ方向に対応する。電界強度を表す各数値の配置関係は、各放射素子１２の配置関係と対応する。表６の最上部に記載される１〜１６の数値は、Ｘ方向の上流からの順番を示し、表６の最左部に記載される１〜１６の数値は、Ｙ方向の下流からの順番を示す。表６では、各放射素子１２の電界強度が比で表される。

前記図９をも参照して、前記仮想一平面内において円偏波アレーアンテナ６１の中心を原点Ｏとし、原点Ｏから、Ｘ方向に延びる軸をＸ軸とし、Ｙ方向に延びる軸をＹ軸とし、円偏波アレーアンテナ６１の正面方向に延びる軸をＺ軸とした。ここで、原点Ｏを始点とし、極座標（θ，φ）で表される単位ベクトルＶを想定する(図１３参照)。この単位ベクトルＶは、放射方向を表す。図１５では、単位ベクトルＶの終点のＸ座標およびＹ座標と、単位ベクトルＶが表す放射方向の電界強度とを関連付けている。各放射方向の電界強度は、正面方向の電界強度を基準として、デシベル表示している。図１３および図１４に示されるシミュレーション結果から、正面方向以外の放射方向には電磁波の放射が抑制されていることが判る。

図１６および図１７は、結合スロット２５で反射する割合Ｓ１１をシミュレートしたときのシミュレーション結果を示すグラフである。図１６および図１７において、縦軸は、結合スロット２５を介して第２線路部分２２から第１線路部分２１に給電したときに結合スロット２５で反射する割合Ｓ１１を示し、横軸は、伝送波の周波数を示す。一点鎖線１１２，１２２は、図９〜図１１に示す円偏波アレーアンテナ６１、詳しくは結合スロット２５の長手方向Ｅと第１線路部分２１の延在方向Ｃとが前記仮想一平面内で傾斜する第１の場合を想定したときの結果を示す。実線１１３，１２３は、図１２に示す円偏波アレーアンテナ、詳しくは結合スロット２５の長手方向Ｅと第１線路部分２１の延在方向Ｃとが前記仮想一平面内で直交する第２の場合を想定したときの結果を示す。

図１６に示すシミュレーションでは、６１．１５ＧＨｚ用に設計した円偏波アレーアンテナを想定した。図１６に示されるシミュレーション結果から、前記第１の場合では、前記反射する割合Ｓ１１が−２０ｄＢよりも小さくなることはないことが判る。また前記第２の場合では、前記反射する割合Ｓ１１が６０．２５ＧＨｚ±１．５ＧＨｚにおいて−２０ｄＢよりも小さくなることが判る。

図１７に示すシミュレーションでは、６３．９０ＧＨｚ用に設計した円偏波アレーアンテナを想定した。図１７に示されるシミュレーション結果から、前記第１の場合では、前記反射する割合Ｓ１１が−２０ｄＢよりも小さくなることはないことが判る。また前記第２の場合では、前記反射する割合Ｓ１１が６３．００ＧＨｚ±１，５ＧＨｚにおいて−２０ｄＢよりも小さくなることが判る。

本発明の実施の一形態である円偏波アレーアンテナ１１の構成を示す斜視図である。 一対の放射素子１２の付近を模式的に示す斜視図である。 給電線路形成体１３の一部を模式的に示す斜視図である。 放射素子１２の付近を示す正面図である。 第１線路部分２１における伝送波の磁界分布を示す図である。 第１線路部分２１およびこの第１線路部分２１に設けられる一対の放射素子１２を模式的に示す断面図である。 図１〜図６に示す円偏波アレーアンテナ１１を備えるアンテナ基板４０の一部を示す正面図である。 図７の切断面線Ｓ８−Ｓ８から見た断面図である。 本発明の実施の他の形態である円偏波アレーアンテナ６１の構成を示す正面図である。 円偏波アレーアンテナ６１を備えるアンテナ基板６２を部分的に切欠いて示す正面図である。 一対の放射素子１２の付近を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施のさらに他の形態である円偏波アレーアンテナが備える一対の放射素子１２の付近を模式的に示す正面図である。 放射パターンをシミュレートしたときのシミュレーション結果を示す図である。 図１３の上方から見た図である。 図１３を説明するための図である。 結合スロット２５で反射する割合Ｓ１１をシミュレートしたときのシミュレーション結果を示すグラフである。 結合スロット２５で反射する割合Ｓ１１をシミュレートしたときのシミュレーション結果を示すグラフである。 従来の円偏波アレーアンテナ１の分解斜視図である。

符号の説明

１１，６１ 円偏波アレーアンテナ
１２ 放射素子
１３ 給電線路形成体
２１ 第１線路部分
２２ 第２線路部分
２５ 結合スロット
４０，６２ アンテナ基板

Claims (3)

1. 仮想一平面に沿って配置され、給電されると同一方向に旋回する円偏波を放射する複数対の放射素子と、
   各前記放射素子に接続され、給電されると各前記放射素子に並列給電する給電線路形成体とを含み、
   前記給電線路形成体は、
   延在して形成され、延在方向に一対の前記放射素子が離間して設けられ、前記延在方向において一対の前記放射素子のそれぞれに等間隔をあけた位置に給電される線路部分を複数有し、
   前記線路部分の前記延在方向の一端から該一端側に配置される前記放射素子の配置位置までの距離Ａと、前記線路部分の前記延在方向の他端から該他端側に配置される前記放射素子の配置位置までの距離Ｂとは、前記線路部分における伝送波の波長をλで表し、ｎを０以上の整数とするとき、
   ｜Ａ−Ｂ｜＝λ／４＋λ・ｎ／２
   を満足し、
   前記延在方向において隣接する前記線路部分に設けられた各前記放射素子は、一直線上に整列されていることを特徴とする円偏波アレーアンテナ。
2. 仮想一平面に沿って配置され、給電されると同一方向に旋回する円偏波を放射する複数対の放射素子と、
   各前記放射素子に接続され、給電されると各前記放射素子に並列給電する給電線路形成体とを含み、
   前記給電線路形成体は、
   延在して形成され、延在方向に一対の前記放射素子が離間して設けられ、前記延在方向において一対の前記放射素子のそれぞれに等間隔をあけた位置に給電される線路部分を複数有し、
   前記線路部分の前記延在方向の一端から該一端側に配置される前記放射素子の配置位置までの距離Ａと、前記線路部分の前記延在方向の他端から該他端側に配置される前記放射素子の配置位置までの距離Ｂとは、前記線路部分における伝送波の波長をλで表し、ｎを０以上の整数とするとき、
   ｜Ａ−Ｂ｜＝λ／４＋λ・ｎ／２
   を満足し、
   前記給電線路形成体は導波管によって構成され、
   各前記線路部分には、前記延在方向において一対の前記放射素子のそれぞれに等間隔をあけた位置に結合スロットが形成され、
   前記結合スロットは、長手方向が前記線路部分の前記延在方向に前記仮想一平面内で直交するように形成されていることを特徴とする円偏波アレーアンテナ。
3. 請求項１または２に記載の円偏波アレーアンテナが一体に形成されて構成されていることを特徴とするアンテナ基板。

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