JP4680097B2 - Antenna device - Google Patents
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Description
この発明は、アンテナ装置に関し、特に、通信/レーダ等に好適な、直交する2つの偏波を放射する直交偏波共用アンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device, and more particularly to an orthogonally polarized wave shared antenna device that radiates two orthogonally polarized waves suitable for communication / radar and the like.
従来、直交2偏波共用のパッチアンテナは、誘電体基板の放射導体と地導体としての金属導体膜とで構成され、放射導体の中心から第1の直線偏波を励振し放射するための第1の給電ピンを結ぶ直線と、放射導体の中心と第1の直線偏波に直交する第2の直線偏波を励振し放射するための第2の給電ピンとを結ぶ直線とが直交するように配置させる構造を有し、両給電ピンに別々の給電回路を接続し、切り替えによってそれらに給電することによって、直交2偏波成分の放射を行っている(例えば、特許文献1または特許文献2参照)。
また、2給電点位置をずらすことによって、交差偏波レベルを低減する方法も提案されている(例えば、特許文献3参照)。
2. Description of the Related Art Conventionally, a patch antenna for dual orthogonal polarization is composed of a radiating conductor of a dielectric substrate and a metal conductor film as a ground conductor. The straight line connecting one power supply pin and the straight line connecting the center of the radiation conductor and the second power supply pin for exciting and radiating the second linearly polarized wave orthogonal to the first linearly polarized wave are orthogonal to each other. It has a structure to be arranged, separate power supply circuits are connected to both power supply pins, and power is supplied to them by switching to radiate orthogonal two polarization components (see, for example,
A method of reducing the cross polarization level by shifting the position of the two feeding points has also been proposed (see, for example, Patent Document 3).
しかし、従来の直交2偏波共用パッチアンテナは、誘電体基板上に構成されることが多いので、宇宙で使用する場合には材料選定に制限が生じるという問題がある。
また、キャビティ付きの直交2偏波共用パッチアンテナとした場合、交差偏波レベルが高く、両給電点でのアイソレーション上昇が起こる問題がある。
However, since the conventional orthogonal dual-polarization shared patch antenna is often configured on a dielectric substrate, there is a problem that material selection is limited when used in space.
In addition, in the case of an orthogonal two-polarization patch antenna with a cavity, there is a problem that the cross polarization level is high and the isolation rises at both feeding points.
この発明の目的は、金属だけでキャビティ付き直交2偏波共用パッチアンテナが構成され、放射波の交差偏波成分のレベルが低いアンテナ装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide an antenna device in which an orthogonal dual-polarization shared patch antenna with a cavity is made of only metal and the level of a cross-polarized component of a radiated wave is low.
この発明に係るアンテナ装置は、一面だけ開放され、他を金属壁で囲まれたキャビティと、上記キャビティの開放された面上の所定の位置に配置された放射導体と、上記キャビティの底面から縦立し、上記放電導体の電界がゼロになる点を支持する導体柱からなるショートピンと、を備え、上記放射導体は、第1の直線偏波を励振し放射するための第1の給電点および上記第1の直線偏波に対して直交する第2の直線偏波を励振し放射するための第2の給電点が設けられ、上記放射導体の電界がゼロになる点を、交差偏波成分のレベルが低減するように上記キャビティの開放された面の中心から所定の距離離間するように上記開放された面上に配置された。
An antenna device according to the present invention includes a cavity that is open on one surface and surrounded by a metal wall, a radiation conductor that is disposed at a predetermined position on the open surface of the cavity, and a vertical surface extending from the bottom surface of the cavity. And a short pin made of a conductor column that supports a point where the electric field of the discharge conductor becomes zero, and the radiating conductor has a first feeding point for exciting and radiating the first linearly polarized wave, and A second feeding point for exciting and radiating a second linearly polarized wave orthogonal to the first linearly polarized wave is provided, and a point where the electric field of the radiation conductor becomes zero is defined as a cross polarized wave component. And placed on the open surface at a predetermined distance from the center of the open surface of the cavity so as to reduce the level .
この発明に係わるアンテナ装置の効果は、ショートピンが放射導体をキャビティの開放面部に固定する役割を果たしており、アンテナ装置に誘電体基板を使用せずに、全てを金属導体で構成することができるので、宇宙での使用時にも放射線による経年変化による劣化がない。 The effect of the antenna device according to the present invention is that the short pin plays a role of fixing the radiation conductor to the open surface portion of the cavity, and the antenna device can be composed entirely of metal conductors without using a dielectric substrate. Therefore, there is no deterioration due to aging due to radiation even when used in space.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係わるアンテナ装置の構成図である。図1(a)は、アンテナ装置の平面図である。図1(b)は、図1(a)のA−A断面線でのアンテナ装置の断面図である。
この発明の実施の形態1に係わるアンテナ装置1は、キャビティ3付き直交2偏波共用パッチアンテナを構成している。このアンテナ装置1は、図1に示すように、中央部2aが正方形の枡状に凹んでキャビティ3を構成する皿状の金属導体2、金属導体2の中央部2aの中心点2bから縦立する導体柱であるショートピン4、ショートピン4の先端に中心点5aで固定される正方形の放射導体5、放射導体5に給電する2つの垂直偏波励振用の給電線路としての給電ピン6aおよび水平偏波励振用の給電線路としての給電ピン6bを備える。
FIG. 1 is a configuration diagram of an antenna apparatus according to
An
そして、放射導体5は、キャビティ3の底部の中心点でショートピン4により金属導体2と接続されている。なお、放射導体5の中心点5aは、電界がゼロの点であるので、その位置に導体柱であるショートピン4を設けてもパッチアンテナの特性に影響を与えるものではない。
ここで、放射導体5上にxy座標を設定する。xy座標の中心を放射導体5の中心点5aに一致させ、x軸8aを正方形の一辺に直交するように設定し、その結果y軸8bは正方形の他の辺に直交する。
垂直偏波励振用の給電ピン6aは、放射導体5の中心点5aを通るx軸8a上で中心点5aから所定の距離離れた位置の放射導体5の部分に接続されている。また、水平偏波励振用の給電ピン6bは、放射導体5の中心点5aを通るy軸8b上で中心点5aから所定の距離離れた位置の放射導体5の部分に接続されている。
そして、中心点5aからの所定の距離を調節することにより、各給電ピン6a、6bに接続する垂直偏波励振用給電回路11、水平偏波励振用給電回路12とのインピーダンス整合をとっている。
また、水平偏波、垂直偏波共に同じ特性になるように、キャビティ3の開放面部3aおよび放射導体5の外形形状を正方形にし、給電ピン6a、6bの位置は放射導体5の中心点5aから同じ距離に設定されている。
The
Here, xy coordinates are set on the
The
Then, by adjusting a predetermined distance from the center point 5a, impedance matching with the vertically polarized wave
In addition, the
図2は、放射される電波の偏波方向と励振する給電ピン6a、6bとの関係を描いた放射導体5の平面図である。図2(a)は、垂直偏波の電波が放射されるときの関係である。図2(b)は、水平偏波の電波が放射されるときの関係である。
次に、実施の形態1に係わるアンテナ装置1の動作について説明する。
このアンテナ装置1は、給電ピン6aに接続されている垂直偏波励振用給電回路11と給電ピン6bに接続される水平偏波励振用給電回路12とを切り替えことによりどちらか一方の給電ピン6a、6bが励振される。そして、給電ピン6aが励振されると、図2(a)に示すように、垂直偏波の電磁波が放射され、また、給電ピン6bが励振されると、図2(b)に示すように、水平偏波の電磁波が放射される。
FIG. 2 is a plan view of the
Next, the operation of the
The
このような実施の形態1に係わるアンテナ装置1では、ショートピン4が放射導体5をキャビティ3の開放面部3aに固定する役割を果たしており、アンテナ装置1に誘電体基板を使用せずに、全てを金属導体で構成することができるので、宇宙での使用時にも放射線による経年変化による劣化がない。
また、誘電体基板を使用しないので、コストが安く、重量が軽量化することができる。
また、ショートピン4があることにより、その太さの調節により給電ピン6a、6b間のアイソレーションを低減できる。
In the
In addition, since no dielectric substrate is used, the cost is low and the weight can be reduced.
Further, the presence of the short pin 4 can reduce the isolation between the
また、全て金属導体で構成されているので、加工が容易であり、加工方法としては、例えば、金属板を切削加工によりキャビティ3、ショートピン4および給電ピン6a、6bが通過するための孔を一度に設け、別に加工した放射導体5をはんだ付けや溶接等で接続させ、最後に給電ピン6a、6bを孔に貫通して先端を放射導体5に接続する方法がある。また、金属板の切削加工で放射導体5まで一体化で製作することもできる。
Moreover, since all are comprised with a metal conductor, a process is easy, and as a processing method, the hole for passing the
なお、この実施の形態1では、図1に示すような方形パッチアンテナについて説明したが、これに限ることではなく、円形パッチアンテナやそれらに準じた形状のパッチアンテナに適用できる。そのとき、キャビティの形状もそれに準じるものである。 In the first embodiment, the rectangular patch antenna as shown in FIG. 1 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to a circular patch antenna or a patch antenna having a shape similar thereto. At that time, the shape of the cavity is similar to that.
実施の形態2.
図3は、この発明の実施の形態2に係わるアンテナ装置の構成図である。図3(a)は、アンテナ装置の平面図である。図3(b)は、図3(a)のB−B断面線でのアンテナ装置の断面図である。
この発明の実施の形態2に係わるアンテナ装置1Bは、実施の形態1に係わるアンテナ装置1と放射導体5およびショートピン4のキャビティ3内の位置が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態1に係わる放射導体5は、その中心点5aが開放されている面3aの中心点3bに位置するようにショートピン4でキャビティ3内に支持されているが、実施の形態2に係わる放射導体5は、その中心点5aが開放されている面3aの中心点3bからオフセットされた位置にショートピン4でキャビティ3内に支持されている。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram of an antenna apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 3A is a plan view of the antenna device. FIG. 3B is a cross-sectional view of the antenna device taken along the line BB in FIG.
The antenna device 1B according to the second embodiment of the present invention is different from the
The
すなわち、放射導体5は、キャビティ3の開放されている面3aの中央点3bからx軸8a方向に所定の距離(図3(a)に図示する矢印V)およびy軸8b方向に所定の距離(図3(a)に図示する矢印W)だけ水平移動された位置に配置される。また、ショートピン4も、放射導体5の中心点5aに一端が接続するように放射導体5の水平移動距離と同じ距離だけ水平移動される
実施の形態2に係わるアンテナ装置1Bの動作は、実施の形態1に係わるアンテナ装置1の動作と同様であるので、説明は省略する。
That is, the
図4は、流れる電流が図示された放射導体の平面図である。図4(a)は、実施の形態1に係わる放射導体を流れる電流が図示されている。図4(b)は、実施の形態2に係わる放射導体を流れる電流が図示されている。
実施の形態1に係わる放射導体5を給電ピン6aから給電して垂直偏波励振している場合、図4(a)に示すように、放射導体5を流れる主偏波成分電流15は、x軸8a上を流れる。また、給電ピン間結合により給電ピン6b方向に流れる電流16は、水平偏波用の給電ピン6bが存在することにより、給電ピン6aとの間で結合が生じ、その結合量に起因した大きさでy軸8bに平行に流れる。これは、主偏波成分電流15にとって直交する成分であるので、この電流16に対応する放射波は交差偏波成分となる。
FIG. 4 is a plan view of the radiation conductor in which the flowing current is illustrated. FIG. 4A shows a current flowing through the radiation conductor according to the first embodiment. FIG. 4B illustrates the current flowing through the radiation conductor according to the second embodiment.
When the radiating
一方、実施の形態2に係わる放射導体5を給電ピン6aから給電して垂直偏波励振している場合、放射導体5をキャビティ3の開放される面3a内をx軸およびy軸方向に平行移動しているので、x軸8aに平行な主偏波成分電流15と給電ピン間結合による電流16の他に、キャビティ3での摂動の原理から放射導体5の平行移動量に起因した大きさでy軸8bに平行、且つ電流16とは逆方向の電流17が流れる。
このように電流17が流れることにより、電流17に対応する放射波が電流16に対応する放射波を相殺するので、放射波の交差偏波成分のレベルを低減できる。これは、交差偏波成分のレベルが高いと利得低下の要因となるし、偏波間アイソレーションも取れない。
On the other hand, when the
Since the current 17 flows in this way, the radiated wave corresponding to the current 17 cancels the radiated wave corresponding to the current 16, so that the level of the cross polarization component of the radiated wave can be reduced. This is a cause of gain reduction when the level of the cross polarization component is high, and it is not possible to achieve isolation between polarizations.
図5は、放射導体5をキャビティ3の中央に配置したときとキャビティ3の中央から水平移動したときのE面放射パターンの主偏波成分と交差偏波成分のそれぞれのアングル依存性を示すグラフである。図6は、放射導体5をキャビティ3の中央に配置したときとキャビティ3の中央から水平移動したときのH面放射パターンの主偏波成分と交差偏波成分のそれぞれのアングル依存性を示すグラフである。
実施の形態2のように放射導体5をキャビティ3の中心からずらすことにより、図5、図6に示すように、E面放射パターンとH面放射パターンのいずれも交差偏波成分のレベルが低減されている。
FIG. 5 is a graph showing the angle dependence of the main polarization component and the cross polarization component of the E-plane radiation pattern when the
By shifting the
また、図7は、放射導体5をキャビティ3の中央に配置したときとキャビティ3の中央から水平移動したときの給電ピン6aと給電ピン6b間のアイソレーションを示すグラフである。
実施の形態2のように放射導体5をキャビティ3の中心からずらすことにより、図7に示すように、交差偏波成分のレベルが低減されているので、アイソレーションも低減されている。
FIG. 7 is a graph showing the isolation between the
By shifting the
なお、水平偏波励振をするために給電ピン6bを給電した場合も、垂直偏波を励振した場合と同様である。すなわち、給電ピン6bを給電したことにより、y軸8bに平行な主偏波成分電流が流れると共に、給電ピン6bと給電ピン6a間での相互結合によりx軸8aに平行な電流が流れ、交差偏波成分を放射する。しかし、放射導体5をキャビティ3の中心からずらすことにより、その摂動原理に対応した電流がx軸8aに平行で、かつ、相互結合により生じる電流とは逆相の電流が発生し、それらは相殺の関係にあるので、放射波の交差偏波成分のレベルを低減できる。
Note that the case where the
上述のように放射波の交差偏波成分のレベルの低減は、ショートピン4および給電ピン6a、6bの相対位置関係を変えずに放射導体5をキャビティ3の開放されている面3a上で移動させることで実現できるので、パッチアンテナの設計は放射導体5を移動させる前に行い、それを交差偏波成分のレベルの低減量を鑑みながら、放射導体5の移動量を調整するという容易な手順でできる。
As described above, the level of the cross polarization component of the radiation wave is reduced by moving the
また、この実施の形態2に係わるアンテナ装置1Bも、実施の形態1に係わるアンテナ装置1と同様に、金属導体だけで一体化して構成されるので、加工性に優れている。
また、図8に示すように、ショートピン4と給電ピン6a、6bの長さを調節して放射導体5のキャビティ3の底面からの垂直位置をキャビティ3の開放される面3aからずらすと、パッチアンテナの放射パターン形状(指向性)を変化させることができる。
In addition, the antenna device 1B according to the second embodiment is also excellent in workability because it is formed by integrating only the metal conductor, similarly to the
Further, as shown in FIG. 8, when the length of the short pin 4 and the feed pins 6 a and 6 b is adjusted to shift the vertical position of the
このような実施の形態2に係わるアンテナ装置1Bでは、放射導体5をキャビティ3の中央からずらして配置しているので、放射波の給電ピン相互の結合による交差偏波成分を摂動原理により相殺する交差偏波成分を発生し、全体の交差偏波成分を低減することができる。
In the antenna device 1B according to the second embodiment, since the
なお、この実施の形態2では、図3に示すような方形パッチアンテナについて説明したが、これに限ることではなく、円形パッチアンテナやそれらに準じた形状のパッチアンテナに適用できる。そのとき、キャビティの形状もそれに準じるものである。 In the second embodiment, the rectangular patch antenna as shown in FIG. 3 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the present invention can be applied to a circular patch antenna or a patch antenna having a shape similar thereto. At that time, the shape of the cavity is similar to that.
実施の形態3.
図9は、この発明の実施の形態3に係わるアンテナ装置の構成図である。図9(a)は、実施の形態3に係わるアンテナ装置の平面図である。図9(b)は、図9(a)のC−C断面線でのアンテナ装置の断面図である。
この発明の実施の形態3に係わる目的は、宇宙空間での使用が困難な誘電体基板を用いて構成されたパッチアンテナの場合でも、放射波の交差偏波成分のレベルが低減されたアンテナ装置1Cを提供することである。そのため、実施の形態2に係わるアンテナ装置1Bと同様に、放射導体膜26の中心点26aをキャビティ28の電磁的に開放されている開放面部28aの中心点28bからずらしている。
FIG. 9 is a configuration diagram of an antenna apparatus according to
An object according to the third embodiment of the present invention is an antenna device in which the level of the cross-polarized component of the radiated wave is reduced even in the case of a patch antenna configured using a dielectric substrate that is difficult to use in outer space. Is to provide 1C. Therefore, similarly to the antenna device 1B according to the second embodiment, the
実施の形態3に係わるアンテナ装置1Cは、誘電体基板21の裏面に形成された第1の金属導体膜22、誘電体基板21の表面の正方形の中央部23を除いて形成された第2の金属導体膜24、第2の金属導体膜24の内縁部24aと誘電体基板21の厚み方向で重なる位置で第1の金属導体膜22とを導通するスルーホール25、誘電体基板21の表面の中央部23に第2の金属導体膜24と離間するように形成された正方形の放射導体膜26、第1の金属導体膜22および誘電体基板21を貫通する孔27を貫通し一端が放射導体膜26にそれぞれ接続される垂直偏波励振用と水平偏波励振用との給電ピン28a、28bを備える。
The antenna device 1C according to the third embodiment includes a first
実施の形態3に係わるキャビティ29は、スルーホール25により3面が電磁波的に塞がり、スルーホール25により囲繞された第1の金属導体膜22により底面が塞がり、残った一面が電磁波的に開放された開放面部29aにより形成される。
そして、実施の形態3に係わる放射導体膜26は、スルーホール25により囲繞された誘電体基板21の表面の中央部23に形成されている。この放射導体膜26の中心点26aをxy座標の原点とし、放射導体膜26の一辺と直交するようにx軸8aを設定すると、x軸8aとy軸8bが中央部23のそれぞれ対応する辺に沿って所定の距離移動した位置に放射導体膜26が配置される。
In the
The
誘電体基板21の表面の金属導体膜24から出発し、キャビティ29の開放面部29aとその中心点29bからオフセットされた位置に放射導体膜26を形成するように第2の金属導体膜24の一部をエッチング処理により除去し、除去された部分の外周に沿って、スルーホール25を複数個配置し、第1の金属導体膜22と第2の金属導体膜24とを導通させている。直交2偏波それぞれへの給電は給電ピン28a、28bから行っている。
また、垂直偏波および水平偏波を励振するための垂直偏波励振用給電回路11および水平偏波励振用給電回路12がそれに対応する給電ピン28aおよび28bに接続されている。スルーホール25の配置間隔は、動作周波数における波長に対して十分に短いことが望ましい。
なお、実施の形態3に係わるアンテナ装置1Cの動作は、実施の形態2に係わるアンテナ装置1Bと同様であるので、説明は省略する。
Starting from the
A vertical polarization excitation
Note that the operation of the antenna device 1C according to the third embodiment is the same as that of the antenna device 1B according to the second embodiment, and a description thereof will be omitted.
このような実施の形態3のアンテナ装置1Cは、誘電体基板21上にエッチング処理および給電手段の付加という容易な手法によって製作することができるとともに放射波の交差偏波成分のレベルを低減できる。
Such an antenna device 1C according to the third embodiment can be manufactured on the
図10は、誘電体基板21上に設けられた放射導体膜26に給電する給電線路31、32を誘電体基板21上に設けたアンテナ装置1Dの平面図である。
この給電線路31、32は、マイクロストリップ線路とコプレナー線路とにより構成されている。そして、キャビティ29の開放面部29aと同じ面上にある金属導体膜部分に給電線路が配線されるときはコプレナー線路とし、キャビティ29の開放面部29aではキャビティ29の底部の導体面をグラウンドとするマイクロストリップ線路となる。このため、キャビティ29の開放面端部において、図示しないが、整合用の変換器が設けられることもある。この構造の利点は、エッチング処理のみにより容易に構成できることにある。
FIG. 10 is a plan view of an
The feed lines 31 and 32 are constituted by a microstrip line and a coplanar line. When the feed line is wired to the metal conductor film portion on the same surface as the
また、複数の誘電体基板を積層できるので、例えば、キャビティ付きパッチアンテナの上方に無給電素子を設けて、周波数帯域の広帯域化、あるいは、放射指向性の制御等も容易に可能である。
また、エッチング処理による製作であるために、アンテナのアレー化も容易にできる。
Further, since a plurality of dielectric substrates can be stacked, for example, a parasitic element is provided above the cavity patch antenna, and it is possible to easily widen the frequency band or control the radiation directivity.
In addition, since the fabrication is performed by etching, the antenna can be easily arrayed.
1 アンテナ装置、2 金属導体、3 キャビティ、4 ショートピン、5 放射導体、6a、6b 各給電ピン、8a x軸、8b y軸、11 垂直偏波励振用給電回路、12 水平偏波励振用給電回路、15 主偏波成分電流、16、17 電流、21 誘電体基板、22 金属導体膜、23 中央部、24 金属導体膜、25 スルーホール、26 放射導体膜、27 孔、28 キャビティ、28a、28b 給電ピン、29 キャビティ、31、32 給電線路。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記キャビティの開放された面上の所定の位置に配置された放射導体と、
上記キャビティの底面から縦立し、上記放電導体の電界がゼロになる点を支持する導体柱からなるショートピンと、
を備え、
上記放射導体は、第1の直線偏波を励振し放射するための第1の給電点および上記第1の直線偏波に対して直交する第2の直線偏波を励振し放射するための第2の給電点が設けられ、上記放射導体の電界がゼロになる点を、交差偏波成分のレベルが低減するように上記キャビティの開放された面の中心から所定の距離離間するように上記開放された面上に配置されたことを特徴とするアンテナ装置。 A cavity that is open on one side and surrounded by metal walls on the other,
A radiating conductor disposed at a predetermined position on the open surface of the cavity;
A short pin made of a conductor column that supports the point where the electric field of the discharge conductor is zero, which stands upright from the bottom surface of the cavity;
With
The radiation conductor is configured to excite and radiate a first feed point for exciting and radiating the first linearly polarized wave and a second linearly polarized wave orthogonal to the first linearly polarized wave. 2 feed points are provided, and the point where the electric field of the radiation conductor becomes zero is separated from the center of the open surface of the cavity by a predetermined distance so that the level of the cross polarization component is reduced. An antenna device, characterized in that the antenna device is arranged on a surface that is formed.
上記放射導体は、交差偏波成分のレベルが低減するように上記放射導体の中心点が上記中央部の中心点からずらして上記表面に形成されたことを特徴とするアンテナ装置。 A first metal conductor covering the back surface of the dielectric substrate, a second metal conductor covering the surface except for a central portion of the surface of the dielectric substrate, and the first metal conductor at a position surrounding the central portion; A cavity formed by a through hole connecting the second metal conductor, a radiation conductor formed at a central portion of the surface and spaced apart from the second metal conductor, and a first straight line on the radiation conductor An antenna comprising: a first feed line for exciting and radiating a polarized wave; and a second feed line for exciting and radiating a second linearly polarized wave orthogonal to the first linearly polarized wave. In the device
The antenna device according to claim 1, wherein the radiating conductor is formed on the surface such that a center point of the radiating conductor is shifted from a center point of the central portion so that a level of a cross polarization component is reduced .
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