JP4858566B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、偏波面が直交する直交偏波を送信もしくは受信するアンテナ装置に関する。

相関が低い垂直偏波と水平偏波を入出力するアンテナ装置として、管軸に直交する方向に設けられたスロットと、管軸に平行となる方向に設けられたスロットとからクロススロットを形成し、このクロススロットを複数設けた放射導波管により偏波面が直交する２種の電波を送受信することで、放射導波管の数を減じることのできるアンテナ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。このアンテナ装置は、導波管部分の製造コストを低減することができる。

特開２００３−１３３８５０号公報

しかしながら、従来のアンテナ装置では、電波の送信を例に考えた場合、各クロススロットから放射される放射電力量を適切に制御していないため、アンテナパターンの不均衡やサイドローブレベルが増大するといった問題点があった。

この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、クロススロットを複数設けた放射導波管により偏波面が直交する直交偏波を送受信する際、アンテナパターンの不均衡やサイドローブレベルの増大を抑制することのできる、アンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明によるアンテナ装置は、導波管の管軸方向および管軸の直交方向に各スロットの長手方向が配向されて成る十字型のクロススロットが、管軸に沿って複数個配列された放射導波管と、上記放射導波管のクロススロットを励振する給電導波管とを備え、上記クロスロットを構成する管軸の直交方向に長いスロットは、上記放射導波管の管軸に沿ってスロット長が変化するように構成されたものである。

この発明によれば、各クロススロットのスロット長をその配置位置により変化させ、適切に設定することにより、各クロススロットから放射される放射電力量を所望の値に制御することができる。これにより、アンテナパターンの不均衡やサイドローブレベルの増大を抑制することができる。

実施の形態１．
以下、この発明に係る実施の形態１のアンテナ装置について、図を用いて説明する。
図１は、実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示す斜視図、図２は図１の上面図である。

図において、実施の形態１によるアンテナ装置は、放射導波管１と給電導波管６を備えて構成される。放射導波管１は誘電体の充填された方形導波管により構成される。放射導波管１は、導波管の幅広面（上面）に設けられた第１の放射スロット２a乃至２eおよび第２の放射スロット３a乃至３eと、第１の放射スロット２a乃至２eおよび第２の放射スロット３a乃至３eに対向した導波管の幅広面（下面）に設けられた給電スロット４a乃至４eと、整合素子５a乃至５cと、短絡板７が設けられている。放射導波管１と給電導波管６はロウ付けや接着などにより幅広面の一部が相互に固着されている。

第１の放射スロット２a乃至２eは、放射導波管１の上面に管軸に沿って配列され、放射導波管１の管軸に直交する方向にスロットの長手方向が延び、放射導波管１の管軸と平行な偏波面を有する電波を放射する。第２の放射スロット３aから３eは、放射導波管１の上面に管軸に沿って配列され、放射導波管の管軸方向にスロットの長手方向が延び、放射導波管１の管軸と垂直な偏波面を有する電波を放射する。第１の放射スロット２a乃至２eの各スロットは、第２の放射スロット３a乃至３eの各スロットと同一面で交差し、十字型のスロットを形成する。この十字型のスロットをクロススロットと呼び、第１の放射スロット２a乃至２eおよび第２の放射スロット３a乃至３eから成るクロススロットが複数配列されて全体としてスロットアレイを構成する。

給電スロット４a乃至４eは、放射導波管１の下面に設けられる。給電スロット４a乃至４eの各スロットは、スロットアレイの各クロススロットを構成する第２の放射スロット３a乃至３eを給電するための、給電スロットとして機能する。

整合素子５a乃至５cは、放射導波管１の下面に形成された整合素子である。整合素子５a乃至５cの各整合素子は、放射導波管１の下面で、第１の放射スロット２a乃至２eにおける隣接するスロットの間の対向面（導波管下面の幅広面）に配置され、放射導波管１の管内に突出する突部を成している。この突部は一様な幅を有して放射導波管１の管軸と垂直な方向に延びている。図の例では、整合素子５aは第１の放射スロット２bと２cの間の対向面に配置され、整合素子５bは第１の放射スロット２cと２dの間の対向面に配置され、整合素子５cは第１の放射スロット２dと２eの間の対向面に配置される。また、第１の放射スロット２aと２bの間の対向面には、整合素子が配置されない。

短絡板７は、放射導波管１の管軸に直交した導波管端部（図の右端）に設けられ、導波管端部を電磁的に遮蔽して、放射導波管１の管内を伝搬する電波の電気的な短絡面を構成する。また、放射導波管１における短絡板７と対向する端部は開口面５０を成しており、管内を伝搬する電波（送受信信号）を入出力するための導波管端子を構成する。放射導波管１の第１の放射スロット２a乃至２eは、この開口面５０から短絡板７に向かって（図の左端から右端に向かって）スロット長が長くなるように設定されている。すなわち、対向面に整合素子の配置される第１の放射スロット２eと２dの間のスロット長は、対向面に整合素子の配置されない第１の放射スロット２aと２bの間のスロット長よりも、長さが短くなっている。
なお、図示はしないが、放射導波管１の開口面５０側に閉じた面が形成されていても良く、要するに、放射導波管１における短絡板７の対面方向から電波が伝搬されるような構成になっていれば良い。

給電導波管６は方形導波管から成り、放射導波管１の下面に複数本設けられる。各々の給電導波管６は、放射導波管１に設けられた給電スロット４a乃至４eのそれぞれに対応して設置される。給電導波管６は、放射導波管１の給電スロット４a乃至４eと開口を共有する給電スロットが構成される。ここでは説明を簡単にするため、方形導波管６に設けられる給電スロットについても、給電スロット４a乃至４eと呼ぶ。各給電導波管６は、それぞれ給電スロット４a乃至４eを通じて放射導波管１に連通する。各給電導波管６は給電スロット４a乃至４eをそれぞれ励振する。その結果、給電スロット４a乃至４eにより、第２の放射スロット３a乃至３eがそれぞれ励振される。
また、図２の矢印８は、放射導波管１の開口面５０側の端部から入射された電波の伝搬経路を示す。放射導波管１の開口面５０側の端部（短絡板７の対面端部）から入射された電波は第１の放射スロット２a乃至２eに給電される。

次に本実施の形態１の動作について説明する。
図２の電波の伝搬経路８に示すように、放射導波管１の短絡板７の対面側端部から入射された電波は放射導波管１の中を進行する。この放射導波管１の中を進行した電波は、第１の放射スロット２aから２eを励振し、第１の放射スロット２aから２eより電波を放射する。また、給電導波管６に給電された電波は、放射導波管１の給電スロット４a乃至４eを励振し、これによって第２の放射スロット３a乃至３eがそれぞれ励振され、第２の放射スロット３a乃至３eより電波が放射される。この際、第１の放射スロット２aから２eから放射される電波と、第２の放射スロット３a乃至３eから放射される電波は、互いに偏波面が直交する直交偏波となる。

このときの放射スロット２aから２eの各特性は、そのスロット長に応じた特性インピーダンスＺ２aからＺ２eにより定義される。また、放射スロット２cから２eは整合素子５aから５cを有しており、各整合素子の寸法を調整することでインピーダンス整合を取ることができる。

図１および図２に示すアンテナ装置において、放射スロット２aから２eを等振幅で励振する場合の特性インピーダンスＺ２aからＺ２eの決め方を以下に示す。
特性インピーダンスを決める場合には、短絡板７側の放射スロットから考える。
この際、放射導波管１の開口面５０側の端部から放射スロット２eまでの長さをλ（放射導波管１を伝搬する送受信信号の電波の伝搬波長）、開口面５０側の端部から放射スロット２dまでの長さを２λ、開口面５０側の端部から放射スロット２cまでの長さを３λ、開口面５０側の端部から放射スロット２bまでの長さを４λ、開口面５０側の端部から放射スロット２aまでの長さを５λとする。
今、放射スロット２aの特性インピーダンスＺ２a＝０．５とすると、等分配とするため放射スロット２bの特性インピーダンスはＺ２b＝０．５となる。

次に、放射スロット２cの特性インピーダンスＺ２cについて説明する。
放射スロットＺ２cから放射スロット２b側をみたときの特性インピーダンスをＺ２abとする。
ここで、放射スロット２bには整合素子５aが設けられているため、インピーダンスの整合が取られており、Ｚ２ab＝１とみなすことができる。
また、放射電力量の比＝特性インピーダンスの比と考えることができるため、放射スロット２aから２cを等振幅で励振するためには、Ｚ２c：Ｚ２ab＝１：２とする必要がある。この場合、Ｚ２ab＝１．０であるため、Ｚ２c＝０．５となる。

同様に、放射スロット２d及び２eの特性インピーダンスＺ２dとＺ２eに関して考えると、Ｚ２d＝１／３、Ｚ２e＝０．２とすれば良いことがわかる。

次に、放射スロットがｎ個の場合について、各放射スロット２a乃至２nの特性インピーダンスの決め方を示す。
図１の短絡板７に近い放射スロットを１番目の放射スロットとし、ｎ個の放射スロットが配置され、かつ、１番目と２番目の放射スロット間以外の放射スロット間には図１の整合素子５ａに相当する整合素子が配置されているものとする。この場合、各放射スロット２a乃至２nの特性インピーダンスは、次のように決める。
１番目の放射スロットの特性インピーダンス： Ｚ１＝Ｘ（任意）
２番目の放射スロットの特性インピーダンス： Ｚ２＝Ｚ１
・
・
ｎ番目の放射スロットの特性インピーダンス： Ｚｎ＝１／（ｎ−１）

以上のように、この実施の形態１では、各放射スロットの特性インピーダンスを変える、すなわち、上記特性インピーダンスとなるように各放射スロットのスロット長を変えることにより、各放射スロットを等振幅で励振するアンテナ装置を実現することができる。これにより、アンテナパターンの不均衡やサイドローブレベルの増大を抑制することができる。

なお、この実施の形態１では、各放射スロットを等振幅で励振する場合について示したが、各放射スロットの特性インピーダンスを所望の値とすることで、任意の振幅分布を付けたアンテナ装置を構成することができる。

また、本実施の形態１の放射導波管１を平行に複数配列することにより、アレーアンテナを構成することができる。

また、本実施の形態１では、誘電体の充填された方形導波管に関して述べているが、勿論、空気が充足された中空の方形導波管においても、同様に構成することができる。

さらに、以上の説明では、送信アンテナとして説明をしているが、アンテナの可逆性から受信アンテナとしても同様の効果を得ることができる。

この実施の形態１によるアンテナ装置は、レーダ装置に用いることにより、他のレーダからの干渉波の影響を受け難いアンテナ装置や、通信機能とレーダ機能を共用したアンテナ装置を実現することができる。また、移動体通信用基地局アンテナであって、直交する２つの偏波を送受信することにより高い通信品質を得ることが可能な、偏波ダーバーシチ通信アンテナに適用すると良い。

例えば、図３は移動体通信用基地局アンテナへの適用例を示す図である。同図において、移動体通信用基地局アンテナ９の周囲に移動局１０が存在する。このとき、移動体通信用基地局アンテナ９の周囲に、移動局１０を囲むように電波の散乱体となる構造物１１があり、電波の多重反射や干渉が発生して、通信品質劣化が著しい通信環境下を想定する。
この場合、移動体通信用基地局アンテナ９として、電波間の相関が低い垂直偏波と水平偏波を用いた偏波ダイバーシチを用いると、通信品質の向上に非常に有効となる。この例のように、実施の形態１のアンテナ装置を適用することにより、アンテナパターンの不均衡やサイドローブレベルの増大を抑制して、高い通信品質を得られる移動体通信用基地局アンテナを実現することが可能となる。

この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の構成を示す上面図である。 移動体通信用基地局アンテナへの適用例を示す図である。

１：放射導波管、２ａ〜２ｅ：第１の放射スロット、３ａ〜３ｅ：第２の放射スロット、４ａ〜４ｅ：給電スロット、５ａ〜５ｅ：整合素子、６：給電導波管、７：短絡板、９：移動体通信基地局アンテナ、１０：移動局、１１：電波散乱体。

Claims (2)

1. 導波管の管軸方向および管軸の直交方向に各スロットの長手方向が配向されて成り直交偏波面を形成する十字型のクロススロットが管軸に沿って複数個配列され、管軸上の端部に短絡面を有し、当該短絡面に隣接したクロススロットを除く複数の隣接するクロススロット間の対向面に整合素子が配置された放射導波管と、
   上記放射導波管のクロススロットを励振する給電スロットが、上記放射導波管のそれぞれのクロススロットに対向して設けられた給電導波管と、
   を備え、
   上記整合素子の設けられたクロススロットは、上記放射導波管の管軸に沿って上記短絡面からの位置が離れると当該管軸の直交方向に長いスロットの長さを短くして特性インピーダンスを変化させ、上記整合素子により上記クロススロットのインピーダンスが整合される
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 上記放射導波管は、誘電体が充填されたことを特徴とする上記請求項１記載のアンテナ装置。

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