JP4638301B2 - 円偏波アレーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、１つの給電回路から複数の円偏波の放射素子に給電される給電構造を具備する円偏波アレーアンテナに関するものである。

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。無線を用いたデータ通信、移動体通信等が注目されているが、その中の一部で、データ通信の伝送速度は、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。

これら無線情報通信に適したアンテナの偏波は円偏波と言われている。なぜなら円偏波は、導体で反射されると逆円偏波になり受信できなくなるからである。つまり、反射波の受信を抑制させ所望な電波だけを受信できる。また、ＧＰＳに代表される衛星移動通信においては、受信アンテナの偏波を一致させるためにアンテナを回転調整させる必要がなくなるという利点がある。

円偏波アンテナの例として、特許文献１に記載される円偏波アレーアンテナが知られている。この特許文献１に記載される円偏波アンテナにおいては、図９の概略断面図に示すように、両端が閉鎖された導波管７を給電回路として用いている。そして、この導波管７の下面の長手方向略中央部には、スロット７１が形成されており、導波管７の下側に配置された上面にスロット８１を有する他の導波管８とスロット７１および８１によって結合されており、導波管７にスロット７１，８１を通じて給電されるようになっている。

一方、この導波管７の上面には、放射素子としての円柱状誘電体共振器９（９ａ〜９ｊ）が等間隔に複数個設けられている。そして、導波管７の上面に設けられたスロット７２（７２ａ〜７２ｊ）を通してこの円柱状誘電体共振器９（９ａ〜９ｊ）に給電される構造になっている。
特開２００２−３５３７２７

このような従来の円偏波アンテナにおける給電構造では、放射素子の共振周波数においては、放射素子でほとんどの信号が放射されて終端面（長手方向両端面）に信号が伝播しないため、反射波は少なかった。

しかしながら、共振周波数に対して信号の周波数がずれるに伴って反射波が多くなり、放射素子において逆円偏波を放射させ、軸比が顕著に悪化し帯域を狭くすることがあった。これは、給電回路の終端面（長手方向両端面）における反射波が再度、放射素子より放射され、その偏波が所望の円偏波に対し逆円偏波になることが一つの要因である。

例えば、図９に示す円偏波アレーアンテナでは、導波管７の終端面７ａ、７ｂにおいて反射波が生じ、それが円柱状誘電体共振器９において放射され逆円偏波を生じさせる。円柱状誘電体共振器９の共振周波数においては、円柱状誘電体共振器９でほとんどの信号が放射され終端部７ａ、７ｂに信号が伝播しないため、反射波は少ないが、共振周波数に対し信号の周波数がずれるに伴い反射波が多くなり円柱状誘電体共振器９において逆円偏波を放射させ、結果的に、共振周波数からずれた時、軸比が顕著に悪化してしまうのである。

本発明は、上記問題点を解決すべく案出されたものであり、給電回路に放射素子が複数設けられた円偏波アレーアンテナにおいて、軸比を低減させ、帯域を広げることを目的とするものである。

本発明者等は、上記目的を達成するために検討を重ねた結果、給電回路の終端面（長手方向両端面）で反射しないようにこの終端面（長手方向両端面）を開放することで、良好な軸比特性が得られることを見出した。

すなわち本発明は、誘電体層の上下に設けられた一対の導体層と、信号の伝送方向に前記信号の波長の２分の１未満の繰り返し間隔で、かつ前記伝送方向と直交する方向に所定の間隔をあけて、前記一対の導体層間を電気的に接続するように形成された複数の貫通導体からなる２列の貫通導体群とで構成される誘電体導波管構造を有する給電回路の対向する一方の面にスロットが形成されるとともに前記給電回路の対向する他方の面に放射素子群が設けられてなる円偏波アレーアンテナであって、前記スロットは前記給電回路の前記伝送方向の略中央部に前記伝送方向に垂直な方向に延びる形状に形成され、前記スロットから前記給電回路の前記伝送方向の一端側に配置された放射素子と他端側に配置された放射素子とが対をなして前記放射素子群が構成され、前記給電回路の前記伝送方向の両端面は、開放されているとともに、前記一方および他方の面に垂直な縦断面において前記誘電体層が外側に凸の半円状であ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、上記の円偏波アレーアンテナにおいて、前記給電回路の前記伝送方向の一端に向かって一列に配置された複数の放射素子と他端に向かって一列に配置された複数の放射素子とが順に対をなして前記放射素子群が構成され、隣り合う放射素子の間隔は等間隔になっていることを特徴とするものである。

本発明の円偏波アレーアンテナによれば、給電回路の終端面（長手方向両端面）が開放されているので、反射波が発生しないため、軸比の劣化を防止でき、これにより、帯域を拡げることができる。そして、かかる円偏波アレーアンテナを無線システムに適用することによって、高速、大容量データ伝送に適した無線ＬＡＮシステムまたは映像伝送システムを提供することができる。

本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、円偏波アレーアンテナの一形態を示す概略斜視図である。この図１において、１は給電回路としての第一の給電回路、２は放射素子としての円柱状誘電体共振器、１１は円柱状誘電体共振器２と第一の給電回路１とを電磁的に結合するための結合孔、３は複数の第一の給電回路１に給電するための第二の給電回路、３１は第一の給電回路１と第二の給電回路３とを結合するために第二の給電回路３の上面に形成されたスロットであり、５は第二の給電回路３の端部に作られたアンテナポートである。

図１に示す給電回路としての第一の給電回路１、および第二の給電回路３はともに導波管型の給電回路である。この構造において、第二の給電回路３は分岐構造を有しており、
アンテナポート５から給電された信号は、分岐部を通過することで分配されるようになっている。そして、分配された信号は、第二の給電回路３で複数回分岐され、６つ設けられたそれぞれの終端に近接して形成されたスロット３１へ到達する。

図２は、図１の円偏波アレーアンテナにおける１つの第一の給電回路１と第二の給電回路３との配置の関係を示す概略斜視図である。この円偏波アレーアンテナにおいては、給電回路としての第一の給電回路１が、第二の給電回路３の上側に、信号の伝送方向が互いに平行になるように、後述の第一の給電回路２におけるスロット１２と第二の給電回路３におけるスロット３１の形成された位置を一致させるように重ね合わせて配置されている。具体的には、図２のＡ−Ａ線断面図である図３に示すように、第二の給電回路３における終端面３ａから距離Ｓの位置の上面（上側導波管壁）にスロット３１が設けられており、また、第一の給電回路１の下面（下側導波管壁）の長手方向の略中央部分にもスロット１２が設けられ、これら２つのスロットの位置を一致させることによって、これらを通じて第二の給電回路３から第一の給電回路１に給電される。なお、第二の給電回路３における距離Ｓは、λ／２（λ：信号波長）程度になっている。

このスロット１２，３１は、長手方向に垂直な方向に延びる形状に形成されたものであって、一般には長辺と短辺からなる略長方形の孔になっている。ここで、長手方向に垂直な方向に延びる形状とは、長辺がこの長手方向に垂直な方向に配置されていることを意味する。そのサイズは、使用周波数や周波数の帯域幅により適宜設定されるが、長辺はλ／２相当長さにするのが好ましく、短辺はλ／５相当長さからλ／５０相当長さに設定するのが好ましい。このような構造により、スロット１２，３１から第一の給電回路１の長手方向両端に向かって給電される。なお、図１では説明の便宜上、手前の３つの第一の給電回路１は省略されている。

６つの第一の給電回路１のうちのそれぞれの第一の給電回路１の上面（スロット１２の形成された面に対向する面）には、放射素子群としての複数の放射素子（円柱状誘電体共振器２）が設けられている。この放射素子群とは、具体的には、第一の給電回路１の一端側に配置された放射素子（円柱状誘電体共振器）と他端側に配置された放射素子（円柱状誘電体共振器）とが対をなして構成されたものである。ここで、スロット１２から一端側に配置された放射素子までの距離と他端側に配置された放射素子までの距離とが等しくなっている。また、さらに多くの放射素子を配置させた場合には、放射素子群とは、長手方向の一端に向かって一列に配置された複数の放射素子と他端に向かって一列に配置された複数の放射素子とが順に対をなして構成されたものである。このとき、隣り合う放射素子の間隔は等間隔になっていて、スロット１２からこれに近接する放射素子までの距離は隣り合う放射素子の間隔の略１／２になっている。

図１〜図３に示す例では、長手方向略中央部から一端にかけて５個の円柱状誘電体共振器２（２ａ〜２ｅ（一部省略））が一列に等間隔に設けられ、長手方向の略中央部から他端にかけて５個の円柱状誘電体共振器２（２ｆ〜２ｊ（一部省略））が一列に等間隔に設けられ、合計１０個の円柱状誘電体共振器２が設けられている。ここで、一端に向かって配置された円柱状誘電体共振器の個数と他端に向かって配置された個数とは同じであり、両者は対になっている。なお、対になっているとは、スロットから一端側に配置される放射素子までの距離とスロットから他端側に配置される放射素子までの距離が等しく、一端に向かって一列に配置された放射素子の間隔と他端に向かって一列に配置された放射素子の間隔とが等しいことを意味する。

また、一端に向かって一列に配置された円柱状誘電体共振器２ａ〜２ｅと他端に向かって一列に配置された円柱状誘電体共振器２ｆ〜２ｊとは、それぞれスロット１２の長軸方向の異なる端部から一列に、換言すれば両者は第一の給電回路１の異なる側面寄りに配置されている。

そして、図２に示すように、第一の給電回路１の上面には円柱状誘電体共振器２（２ａ〜２ｊ）に対応してこれらと第一の給電回路１の内部とを電磁的に結合するための結合孔１１（１１ａ〜１１ｊ）が設けられている。このような構造により、第一の給電回路１より結合孔１１を経て円柱状誘電体共振器２に給電された信号が、この円柱状誘電体共振器２の開口部ｈから円偏波として放射される。

上述の円偏波アレーアンテナによれば、第二の給電回路３からの信号がスロット１２を通して第一の給電回路１に給電され、給電された信号は第一の給電回路１内で異なる方向に電力分配される。逆に、第一の給電回路１内で、円柱状誘電体共振器２ａ〜２ｊ、結合孔１１ａ〜１１ｊを通して導入された信号は、スロット１２へ向かい、スロット１２で電力合成され、第二の給電回路３に伝送される。

そして、図３に示すように、第一の給電回路１の長手方向両端面（終端面１ａと終端面１ｂ）が開放されていることが重要である。これにより、反射波が発生しないため、軸比の劣化を防止でき帯域を拡げることができる。

次に、他の形態について、図面に基づいて説明する。

前述の例では、給電回路として内部が空洞で金属製導波管壁を有する導波管構造の場合について説明したが、給電回路としてはこれに限定されず、上下に設けられた平面導体と、側壁として設けられたビアホール導体群とから構成される誘電体導波管構造のものも採用できる。

図４は、給電回路を誘電体導波管構造とした形態の概略斜視図である。図４において誘電体層４１の上下には、一対の導体層４２１、４２２が設けられている。また、誘電体層４１には、信号伝送方向に信号波長の２分の１（λ／２）未満の繰り返し間隔ｃで、かつ信号伝送方向と直交する方向に所定の幅ｄで上下一対の導体層４２１、４２２間を電気的に接続するように２列の複数の貫通導体からなる貫通導体群４３が形成されている。この上下一対の導体層４２１、４２２と貫通導体群４３で囲まれる領域が第一の給電回路４として機能する。

また、誘電体層４１の内部には、貫通導体群４３の各列を形成する貫通導体同士を電気的に接続し、導体層４２１、４２２と平行に補助導体層４４が必要に応じて形成されている。かかる構成によって、誘電体導波管構造の第一の給電回路４が形成されている。なお、図では補助導体層４４は１層のみ設けられているが、複数層設けられていてもよい。このように、一対の導体層４２１、４２２と貫通導体群４３とで囲まれた領域に対してさらに補助導体層４４を形成することにより、第一の給電回路４の内部から見るとその側壁は貫通導体群４３と補助導体層４４とによって細かな格子状になる。これにより、様々な方向の電磁波が遮蔽され、導波管壁としての機能を高めることができる。

ここで、誘電体層４１の厚みｅ、すなわち一対の導体層４２１、４２２間の間隔に対する制限は特にないが、シングルモードで用いる場合には間隔ｄに対して２分の１程度または２倍程度とすることがよい。図４に示す例では、誘電体層１４の厚みｅは間隔ｄに対して１／２程度になっており、誘電体導波管線路（第一の給電回路４）のＨ面に当たる部分が導体層４２１、４２２で、Ｅ面に当たる部分が貫通導体群４３および補助導体層４４でそれぞれ形成されることになっている。また、間隔ｄに対して厚みｅを２倍程度とすれば、誘電体導波管線路（第一の給電回路４）のＥ面に当たる部分が導体層４２１、４２２で、Ｈ面に当たる部分が貫通導体群４３および補助導体層４４でそれぞれ形成されることとなる。

なお、間隔ｃが信号波長の２分の１（λ／２）未満の間隔に設定されることで、貫通導体群４３により電気的な壁が形成できる。特に、電磁波のもれを防止するうえで、信号波長の４分の１（λ／４）未満であることが望ましい。

図５および図６は、図４に示す誘電体導波管構造の給電回路を用いた円偏波アレーアンテナを示している。このものの基本構造は、図１〜図３に示す導波管構造の円偏波アレーアンテナと同じである。なお、図５においては、誘電体層を省略し、円偏波アレーアンテナの円柱状誘電体共振器５ａ，５ｊと、導体層４２１や貫通導体４３の配置のみを図示したものである。この図５から明らかなように、貫通導体を所定の間隔ｃをもって一列に配置した構造の貫通導体群４３によって、擬似的な導波管壁が形成されている。また、第一の給電回路４と第二の給電回路６とは、第一の給電回路４の下側の導体層４２２と第二の給電回路６の上側の導体層６１とを兼ねる導体層４２２に設けられたスロット４５によって結合されている。また、第一の給電回路４の内部は、上側の導体層４２１に形成されたスロット４６ａ〜４６ｊによって放射素子５ａ〜５ｊと結合され、給電される。

かかる誘電体導波管構造を採用した場合においても、第一の給電回路４の終端面（長手方向両端面）が開放されていることが、反射波を発生させず、軸比の劣化を防止でき帯域を拡げることができるためには必要である。

ここで、第一の給電回路４の開放された端面からは、出力が大きい場合など、場合によっては信号が放射されることがあるが、この放射される信号が円柱状誘電体共振器２から放射される電磁波または隣接する電子部品や線路に悪影響を及ぼすことがないように、放射方向を制御する構造になっているのが好ましい。

例えば、図７に示すように、第一の給電回路４を形成する誘電体層の端面を傾斜させる方法が挙げられる。このものは、図面上、上側の導体層４２１が短くなるように形成されている。ここで、この傾斜角は、図に示すθが０〜９０度の範囲内になっている。この構造により、端面から放射される信号（電磁波）は、誘電体と空気との誘電率差によって下方向に反射され放射される。これは円柱状誘電体共振器から放射される放射方向とは逆の方向なので悪影響はない。一方、図７とは逆の傾斜角に形成した場合は、端面から放射される信号が上方向（円柱状誘電体共振器から放射される放射方向）に反射され放射されるので、好ましくない。

また、図８に示すように、第一の給電回路４を形成する誘電体層の端面を半円状の構造にする方法が挙げられる。図８は本発明の円偏波アレーアンテナの実施形態の例を示す説明図である。この構造によれば、レンズ効果により、給電回路４の長手方向の端面からの信号（電磁波）の放射角度を小さくすることができ、円柱状誘電体共振器２から放射される電磁波または隣接する電子部品や線路に悪影響のないように放射方向を制御することができる。

なお、図４から図６に示した誘電体導波管を構成する誘電体層４１としては、誘電体として機能して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、給電回路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。このような誘電体層４１としては、比誘電率εｒが４〜１００程度であり、例えばアルミナセラミックスや窒化アルミニウムセラミックス、ガラスセラミックスなどの低温焼成セラミックス等が採用できるが、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。そして、この誘電体層４１は、例えばセラミックス原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿状になすとともに、これを周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等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作製される。

また、貫通導体群４３は、通常のビアホール導体により形成すればよく、例えばセラミックグリーンシートに打ち抜き加工を施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、誘電体層と同時に焼成して形成する。なお、貫通導体は直径５０〜３００μｍが適当である。

このような誘電体導波管構造によれば、３０ＧＨｚ以上のミリ波帯域においても伝送損失が小さく、多層基板内に自由に形成することができる点で、導波管構造よりも有利な構造である。

本発明の円偏波アレーアンテナは、広帯域な軸比特性を有する点で優れていることから、とりわけ無線システムに好適に使用することができる。具体的な無線システムとして、例えば、無線ＬＡＮシステムにおいて、１．５Ｍｂｐｓ以上の高速、大容量のデータ伝送が可能になる。

また、映像伝送システムにおいては、ハイビジョン放送などの大容量映像データを、非圧縮で伝送できることから、圧縮に伴う映像データの劣化を防止し、また圧縮するための部品を削減できることから、システムの低コスト化が実現できる。

円偏波アレーアンテナの一形態を示す概略斜視図である。 図１に示す円偏波アレーアンテナにおける１つの第一の給電回路１と第二の給電回路３との配置の関係を示す概略斜視図である。 図２のＡ−Ａ線端面図である。 給電回路を誘電体導波管構造とした形態の概略斜視図である。 円偏波アレーアンテナの他の形態であって、図４に示す給電回路を用いた円偏波アレーアンテナの概略斜視図である。 図５のＢ−Ｂ線端面図である。 図５に示す円偏波アレーアンテナの端面を改良した場合の一例の説明図である。 図５に示す円偏波アレーアンテナの端面を改良した本発明の円偏波アレーア ンテナの実施の形態の例の説明図である。 従来の円偏波アレーアンテナの給電構造を説明するための概略断面図である。

符号の説明

１：第一の給電回路
１１：結合孔
１２：スロット
１ａ，１ｂ：終端面
２，２ａ〜２ｊ：円柱状誘電体共振器
３：第二の給電回路
３１：スロット
３ａ：終端面
４：第一の給電回路
４１：誘電体層
４２１，４２２：導体層
４３：貫通導体群
４４：補助導体層
５：アンテナポート

Claims (2)

1. 誘電体層の上下に設けられた一対の導体層と、信号の伝送方向に前記信号の波長の２分の１未満の繰り返し間隔で、かつ前記伝送方向と直交する方向に所定の間隔をあけて、前記一対の導体層間を電気的に接続するように形成された複数の貫通導体からなる２列の貫通導体群とで構成される誘電体導波管構造を有する給電回路の対向する一方の面にスロットが形成されるとともに前記給電回路の対向する他方の面に放射素子群が設けられてなる円偏波アレーアンテナであって、
   前記スロットは、前記給電回路の前記伝送方向の略中央部に、前記伝送方向に垂直な方向に延びる形状に形成され、
   前記スロットから前記給電回路の前記伝送方向の一端側に配置された放射素子と他端側に配置された放射素子とが対をなして前記放射素子群が構成され、
   前記給電回路の前記伝送方向の両端面は、開放されているとともに、前記一方および他方の面に垂直な縦断面において前記誘電体層が外側に凸の半円状であることを特徴とする円偏波アレーアンテナ。
2. 前記給電回路の前記伝送方向の一端に向かって一列に配置された複数の放射素子と他端に向かって一列に配置された複数の放射素子とが順に対をなして前記放射素子群が構成され、
   隣り合う放射素子の間隔は等間隔になっていることを特徴とする請求項１に記載の円偏波アレーアンテナ。

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