JP5603397B2 - アンテナおよび無線装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナおよび無線装置に関する。

一般に、アンテナは、特定の方向に受信感度および送信出力が大きい（強い）という指向性を有している。

特許文献１には、第１および第２の端部を有する円形導波管と、第１の端部に配置された入出力ポートと、第２の端部近くに配置された複数のスロットと、第２の端部に配置された開口部と、第１の端部近くの円形導波管内に配置された誘電体偏波器素子と、円形導波管と同軸になるように、スロットに隣接して円形導波管の外側に取り付けられた、スロットから離れる方向に向けて広がる第１および第２の円錐形反射器と、円錐形反射器の周囲に、円形導波管と同軸になるように配置された円筒状屈折線路偏波器と、円形導波管の第２の端部付近に配置され、複数のスロットの中心線の上のほぼ１／４波長上に位置された円形導波管部分的短絡体とを具備する半球状ビームの双円錐アンテナが記載されている。

特許第２５３３９８５号公報

ところで、姿勢が固定されない対象物に搭載されるアンテナには、通信の中断を抑制するために、広い角度範囲の指向性が求められる。
本発明の目的は、広い角度範囲の指向性を有するアンテナなどを提供することにある。

かかる目的のもと、本発明が適用されるアンテナは、電波を伝搬させる導波管と、誘電体で構成されるとともに、導波管の一端部に接して導波管の開口を覆うとともに導波管の中心軸と直交する方向にはみ出して設けられて電波が入射または電波を出射する入出領域と、導波管の一端部から導波管の内側に入り込んで設けられて電波を伝搬する伝搬領域とを備えた電波入出部と、を備え、電波入出部における入出領域と伝搬領域とが連続して設けられ、伝搬領域は、導波管の内側と向かい合う面が、導波管の内側に接するように導波管に詰め込まれているとともに、電波を出射する場合に、電波入出部の伝搬領域を伝搬した電波が、入出領域における導波管の中心軸の方向に沿った部分及び当該導波管の中心軸と直交する方向にはみ出した部分を伝搬して、当該導波管の中心軸の方向から導波管の中心軸と直交する方向に広がって出射される。
このようなアンテナにおいて、導波管は、一端部から導波管の内側に入り込んで設けられた電波入出部の伝搬領域に接する部分の内径が、他の部分の内径に比べ小さく設定されていることを特徴とすることができる。
また、電波入出部は、入出領域の導波管側に電波を反射する反射器を備えることを特徴とすることができる。
さらに、反射器は、電波の強度を設定するチョーク溝を有することを特徴とすることができる。
さらにまた、導波管は断面が円形であって、電波は円偏波であることを特徴とすることができる。
そして、導波管の他端部に設けられ、給電された電気信号を電波に変換し、または入射した電波を電気信号に変換する変換部をさらに備えることを特徴とすることができる。

また、他の観点から捉えると、本発明が適用される無線装置は、電波を伝搬させる導波管と、誘電体で構成されるとともに、導波管の一端部に接して導波管の開口を覆うとともに導波管の中心軸と直交する方向にはみ出して設けられて電波が入射または電波を出射する入出領域と、導波管の一端部から導波管の内側に入り込んで設けられて電波を伝搬する伝搬領域とを備えた電波入出部と、を有するアンテナと、アンテナに、アンテナが出射する電波に変換される電気信号を送信し、または入射した電波から変換された電気信号を受信する送受信部と、を備え、アンテナの電波入出部における入出領域と伝搬領域とが連続して設けられ、伝搬領域は、導波管の内側と向かい合う面が、導波管の内側に接するように導波管に詰め込まれているとともに、電波を出射する場合に、アンテナにおける電波入出部の伝搬領域を伝搬した電波が、入出領域における導波管の中心軸の方向に沿った部分及び当該導波管の中心軸と直交する方向にはみ出した部分を伝搬して、当該導波管の中心軸の方向から導波管の中心軸と直交する方向に広がって出射される。

本発明によれば、広い角度範囲の指向性を有するアンテナなどを提供できる。

第１の実施の形態が適用される飛行体に搭載されるアンテナとその指向性の一例を示す図である。 第１の実施の形態におけるアンテナの断面図および上面図の一例を示す図である。 第１の実施の形態におけるアンテナの動作の概要を説明する図である。 電波入出部の入出領域の表面の他の形状の例を示す図である。 第２の実施の形態におけるアンテナの断面図および上面図の一例を示す図である。 第２の実施の形態におけるアンテナの送信時の周波数特性の一例を示す図である。 第２の実施の形態におけるアンテナの送信時の指向性の一例を示す図である。 第３の実施の形態におけるアンテナの断面図および上面図の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
＜飛行体１００＞
図１は、第１の実施の形態が適用される飛行体１００に搭載されるアンテナ１とその指向性の一例を示す図である。ここでは、飛行体１００として、ヘリコプターを例として示している。図１（ａ）は、飛行体１００であるヘリコプターが水平飛行する状態を示し、図１（ｂ）は、飛行体１００であるヘリコプターの姿勢が空中において斜めに傾いた（前のめり）状態を示している。
なお、図１（ａ）、（ｂ）には、地表２００および地表２００上に設けられた基地局４を併せて示している。

飛行体１００は、アンテナ１とアンテナ１に接続された送受信部の一例としての送受信機２を備えた無線装置を搭載している。そして、第１の実施の形態におけるアンテナ１は、図１（ａ）に示す水平飛行において、電波の送受信に対する指向性３ａが地表２００側に半球状となっている。
ここで、電波の送受信に対する指向性とは、電波を受信するときは、予め定められた受信感度が得られる角度の範囲をいう。また、電波を送信するときは、予め定められた送信出力が得られる角度の範囲をいう。なお、指向性３ａでは、矢印で受信感度の大きさ（強さ）および送信出力の大きさ（強さ）を示している。
そして、角度は、アンテナ１において電波を伝搬する導波管１１（図２参照）の中心軸（以下では、アンテナ１の軸とする。）の方向を０°とし、中心軸の右側を＋とし、左側を−とする。

よって、半球状とは、中心軸に対して少なくとも−９０°から９０°までの角度の範囲において、予め定められた受信感度が得られ、予め定められた送信出力が得られることをいう。すなわち、アンテナ１を半球状にカバーする範囲において、予め定められた受信感度で電波を受信でき、予め定められた送信出力で電波を送信できる。

アンテナ１は、斜め方向からの電波に対しても軸方向と同様の受信感度を有し、斜め方向に対しても軸方向と同様の送信出力を有する。よって、図１（ａ）に示す飛行体１００が水平飛行する状態において、アンテナ１の軸方向に位置する基地局４と通信（送受信）ができるとともに、図１（ｂ）に示す飛行体１００の姿勢が傾いた状態においても、同様に基地局４と通信（送受信）ができる。

なお、図１（ａ）、（ｂ）に破線で示す指向性３ｂでは、アンテナ１の中心軸方向に受信感度および／または送信出力が大きい（強い）。この場合、図１（ａ）に示す飛行体１００が水平飛行する状態においては、アンテナ１の軸方向に位置する基地局４と通信（送受信）できるが、図１（ｂ）に示す飛行体１００の姿勢が傾いた状態においては、基地局４の方向に対して受信感度および／または送信出力が小さい（弱い）ので、基地局４と通信（送受信）ができない。すなわち、飛行体１００の姿勢によって、通信が中断することになる。

以上説明したように、第１の実施の形態におけるアンテナ１は、アンテナ１の中心軸に対して−９０°から９０°までの広い角度の範囲の指向性を有しているので、例え飛行体１００の姿勢が傾いても、通信（送受信）が中断することがない。

＜アンテナ１の構成＞
図２は、第１の実施の形態におけるアンテナ１の断面図および上面図の一例を示す図である。図２（ａ）は断面図、図２（ｂ）は後述する電波入出部１２側から見た上面図である。なお、図２（ａ）に示す断面図は、図２（ｂ）のＩＩａ−ＩＩａ線での断面である。アンテナ１は、電波の送信および受信ができる。

アンテナ１は、電波を伝搬する導波管１１、導波管１１を伝搬した電波を外部（空気中）に送信（出射）または外部から電波を受信（入射）する電波入出部１２、導波管１１を保持する導波管保持体１４、電気信号を入力する同軸型のコネクタ１５、コネクタ１５を保持するコネクタ保持体１６、コネクタ１５の心線に接続され、送受信機２から送信された電気信号を電波に変換または電波を電気信号に変換する変換器１７、円偏波を発生する円偏波発生器１８を備えている。

第１の実施の形態におけるアンテナ１の導波管１１は、断面が円形の円形導波管である。
そして、アンテナ１における、電波入出部１２、導波管保持体１４、コネクタ保持体１６は、導波管１１の中心軸（図２（ａ）のＡ−Ａ線）を軸とする回転体である。なお、前述したように、導波管１１の中心軸をアンテナ１の軸と表記する。よって、アンテナ１の軸もＡ−Ａ線である。

なお、図２（ｂ）では、導波管１１、電波入出部１２、円偏波発生器１８を表記し、他の部材の表記を省略する。
以下順に説明する。

導波管１１は、断面が円形の円形導波管である。導波管１１は銅、アルミニウムなどの電気伝導度の大きい金属で構成されている。そして、導波管１１の内径φｏは、伝搬させる電波の波長で設定されている。
ここでは、例として７ＧＨｚ帯の電波を伝搬するとする。そして、導波管１１の内径φｏは３２ｍｍ、導波管１１の長さは１８０ｍｍに設定されている。なお、７ＧＨｚ帯とは、Ｃバンド（６．４２５〜６．５７ＧＨｚ）およびＤバンド（６．８７〜７．１２５ＧＨｚ）の両バンドをカバーする。
また、導波管１１の一端部は、後述する反射器１９を保持できるように外側が太くなっている。

導波管１１の一端部に、電波入出部１２が設けられている。前述したように、電波入出部１２は、図２（ｂ）に示すように、導波管１１のＡ−Ａ線で示す中心軸を軸とする回転体である。
そして、図２（ａ）に示すように、電波入出部１２は、導波管１１の中心軸に沿って、導波管１１の外部に位置する入出領域１２ａ、導波管１１の内部に設けられた伝搬領域１２ｂ、さらに伝搬領域１２ｂに繋がって、導波管１１の内部に設けられた整合領域１２ｃを備えている。

電波入出部１２は、送受信される電波に対して比誘電率εｒの誘電材料（誘電体）で構成されている。よって、電波入出部１２の内部における電波の波長は、自由空間（空気中）の波長を比誘電率εｒの平方根で除した値となる。
ここでは、電波入出部１２は、例えば、比誘電率εｒが２．１のポリテトラフルオロエチレンで構成されている。

そして、導波管１１の外部に設けられた電波入出部１２の入出領域１２ａは、導波管１１の中心軸（Ａ−Ａ線）を軸とする円盤状であって、その径は、導波管１１の外径より大きく設定されている。すなわち、電波入出部１２の入出領域１２ａは、導波管１１の一端部に接して開口を覆うように設けられるとともに、導波管１１の中心軸（Ａ−Ａ線）に交差する方向にはみ出している。
また、電波入出部１２の表面（導波管１１から遠い側）は、導波管１１の中心軸に垂直な平面で構成されている。一方、電波入出部１２の裏面（導波管１１に近い側）の周辺部は、後述するチョーク溝１９ａ付きの反射器１９と組み合わされるように凹凸が設けられている。

また、導波管１１の内部に設けられた伝搬領域１２ｂは、導波管１１の中心軸（Ａ−Ａ線）を軸とする円柱状である。その外径は、導波管１１の内径φｏと同じである。

さらに、整合領域１２ｃは、導波管１１の中心軸（Ａ−Ａ線）を軸とした回転体であって、伝搬領域１２ｂから離れるにしたがい直径が小さくなるように階段状に設定されている。整合領域１２ｃは、導波管１１を伝搬する電波を効率よく伝搬領域１２ｂに導くためにインピーダンスをマッチング（整合）させる。ここでは、直径を階段状に設定しているが、テーパ状であってもよい。

ここでは、電波入出部１２の入出領域１２ａ、伝搬領域１２ｂ、整合領域１２ｃは、一体で形成されているが、それぞれが別の部材として構成されてもよい。

導波管保持体１４は、導波管１１の中心軸を軸とする円筒状であって、内径は導波管１１の外径である。導波管保持体１４の一端部から導波管１１の他端部が嵌め込まれて、導波管１１を固定する。そして、導波管保持体１４の他端部は、つば状に広がっている。そして、つば状に広がった部分に、飛行体１００などと固定できるように、ボルトが貫通する孔が設けられている。
なお、導波管保持体１４は、導波管１１と同様に、銅、アルミニウムなどの金属で構成されてもよく、他の材料で構成されてもよい。

コネクタ１５は、図１に示した送受信機２と同軸ケーブルにて接続される。コネクタ１５は、送受信機２から電気信号を受信して導波管１１に送信する接続端子、または、アンテナ１が受信した電波を変換して得られた電気信号を送受信機２に送信する接続端子である。コネクタ１５は、例えばＮ型である。他の型式のものであってもよい。

なお、コネクタ１５の代わりに導波管１１とは異なる他の導波管を用いてもよい。コネクタ１５の代わりに他の導波管を用いる場合には、アンテナ１との信号の送受信が電波で行われる。すなわち、コネクタ１５の代わりの他の導波管を伝搬してきた電波が導波管１１に伝搬されて、アンテナ１から送信される。また、アンテナ１が受信した電波が導波管１１を伝搬してコネクタ１５の代わりの他の導波管に送信される。
コネクタ１５の代わりに他の導波管を用いる場合には、コネクタ１５の他に、コネクタ保持体１６、変換器１７、円偏波発生器１８を要せず、導波管１１と他の導波管とがフランジなどで接続される。

コネクタ保持体１６は、外形が導波管１１の中心軸を軸とする円板状である。そして、コネクタ保持体１６の中心から外れた位置に、コネクタ１５の心線が貫通する孔が設けられている。そして、コネクタ保持体１６は、コネクタ１５をネジ（番号なし）により固定している。
コネクタ保持体１６は、導波管１１の他端部を終端する部材であるので、導波管１１と同様に、銅、アルミニウムなどの電気伝導度の大きい金属で構成されている。

変換器１７は、コネクタ１５と接続され、コネクタ１５から入力した電気信号を直線偏波に変換、または、電波を電気信号に変換してコネクタ１５に出力する。
円偏波発生器１８は、板状の部材であって、変換器１７が出力した直線偏波を円偏波に変換する。
なお、変換器１７および円偏波発生器１８も、導波管１１と同様に、銅、アルミニウムなどの電気伝導度の大きい金属で構成されている。そして、変換器１７および円偏波発生器１８は、変換部の一例である。

コネクタ１５、変換器１７、円偏波発生器１８が固定されたコネクタ保持体１６は、導波管１１の他端部の開口にふたをするように、複数のネジ（番号なし）により導波管保持体１４のつば状の部分に固定されている。

反射器１９は、円盤状の電波入出部１２の裏面側に設けられている。そして、反射器１９には、予め定められた周波数の範囲において、アンテナ１の指向性に差が生じることを抑制するため、予め定められた電波の波長λの約１／４（１／４λ）の深さのチョーク溝１９ａが、同心円状に設けられている。
そして、前述したように、反射器１９のチョーク溝１９ａが電波入出部１２の裏面に設けられた凹凸と対向するようになっている。

なお、詳細な説明を省略するが、導波管１１の内部に外気が混入しないように、各部材の間にはＯリングなどのシール材が設けられている。

＜アンテナ１の動作＞
図３は、第１の実施の形態におけるアンテナ１の動作の概要を説明する図である。ここでは、図２（ａ）において導波管１１、電波入出部１２、反射器１９を示している。
円偏波発生器１８により発生された電波は、導波管１１の内壁で反射しつつ、電波入出部１２の整合領域１２ｃに入射する。整合領域１２ｃに入射した電波は、伝搬領域１２ｂに入射し、伝搬領域１２ｂと導波管１１の内面との界面で反射を繰り返しつつ、入出領域１２ａに入射する。

ここで、図３において、例を示しつつ、電波の進行を説明する。まず、紙面右側から整合領域１２ｃに入射した電波αｉは、紙面左側の伝搬領域１２ｂと導波管１１の内面との界面で反射し、入出領域１２ａの表面に向かう。入出領域１２ａと外部（空気）とは、比誘電率εｒが異なるため、入出領域１２ａの表面と外部との界面にて屈折が生じて、電波の進行方向が曲がって、電波αｏとなって出射する。すなわち、電波αｏは、電波入出部１２がない場合（破線で表記）に比べ、アンテナ１の中心軸（Ａ−Ａ線）に対して大きい角度で出射する。

同様に、紙面左側から整合領域１２ｃに入射した電波βｉは、紙面右側の伝搬領域１２ｂと導波管１１の内面との界面で反射し、入出領域１２ａの表面に向かう。そして、入出領域１２ａと外部との界面にて屈折が生じて、電波βｏとなって出射する。すなわち、電波βｏは、電波入出部１２がない場合（破線で表記）に比べ、アンテナ１の軸（Ａ−Ａ線）に対して絶対値が大きい（負側に大きい）角度で出射する。

さらに、図３において、電波αｉ、βｉに比べて、伝搬領域１２ｂと導波管１１の内面との界面に対して、絶対値が小さな角度（入射角）で入射する電波γｉは、伝搬領域１２ｂと導波管１１の内面との界面で反射したのち、入出領域１２ａの表面に向かう。そして、入出領域１２ａの表面と外部との界面で全反射し、円盤状の入出領域１２ａの側面から、電波γｏとなって出射する。なお、電波入出部１２を用いない場合には、全反射することなく、破線で示す方向に出射する。

すなわち、導波管１１を伝搬した電波は、電波入出部１２に様々な角度で入射する。そして、電波入出部１２を経由して、外部に出射する。このとき、電波入出部１２を設けない場合に比べ、電波の出射するそれぞれの角度（アンテナ１の軸に対する角度）が大きくなる。特に、電波入出部１２の入出領域１２ａの表面において全反射する電波は、アンテナ１の軸（Ａ−Ａ線の方向が０°）に垂直な方向（±９０°）または垂直な方向を超えた方向にも出射する。

以上説明したように、第１の実施の形態のアンテナ１では、電波入出部１２を設けているので、電波入出部１２を設けない場合に比べ、電波の出射する角度の範囲すなわち指向性を広げることができる。電波を送信する場合について説明したが、受信する場合も同様である。

また、これまでの説明では、電波入出部１２の入出領域１２ａの表面を、アンテナ１の軸に垂直な平面とした。前述したように、電波を屈折および全反射させるには、入出領域１２ａと外部（空気）との境界において比誘電率εｒ（電波に対する屈折率）に差があればよい。よって、電波入出部１２の入出領域１２ａの表面は平面でなくともよい。

図４は、電波入出部１２の入出領域１２ａの表面の他の形状の例を示す図である。図４（ａ）は、入出領域１２ａの表面を凹状とした場合、図４（ｂ）は、入出領域１２ａの表面に凹凸を設けた場合、図４（ｂ）は、入出領域１２ａの表面を谷型にした場合である。
このようにすることで、入出領域１２ａから電波が出射する角度を調整できる。よって、アンテナ１から電波が出射される角度の範囲、すなわち指向性を制御（調整）することができる。

また、第１の実施の形態では、チョーク溝１９ａを備えた反射器１９を用いた。チョーク溝１９ａを備えない反射器１９を用いてもよい。なお、チョーク溝１９ａにより、広い周波数の範囲において、広い半値幅の指向性が得られるように、アンテナ１を調整することができる。すなわち、広い周波数の範囲において、広い半値幅の指向性のアンテナ１を安定に構成することができる。

なお、上記の説明において、アンテナ１は、円偏波発生器１８を用いて円偏波を発生させるとした。しかし、円偏波発生器１８を用いず、直線偏波としてもよい。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、電波入出部１２の伝搬領域１２ｂの外径を導波管１１の内径φｏとした。この場合、電波入出部１２の伝搬領域１２ｂでは、電波の波長が、自由空間（空気）での波長を比誘電率εｒの平方根で除した値になる。このため、伝搬領域１２ｂでは、導波管１１が伝搬する電波の波長に比べて大きくなって、複モードが発生してしまう。
そこで、第２の実施の形態では、電波入出部１２の伝搬領域１２ｂの外径を、伝搬領域１２ｂの比誘電率εｒ、すなわち伝搬領域１２ｂにおける電波の波長に基づいて、小さくした。
他の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、同じ部分の説明を省略して、異なる部分を説明する。

＜アンテナ１の構成＞
図５は、第２の実施の形態におけるアンテナ１の断面図および上面図の一例を示す図である。図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は後述する電波入出部１２側から見た上面図である。なお、図５（ａ）に示す断面図は、図５（ｂ）のＶａ−Ｖａ線での断面である。アンテナ１は、電波の送信および受信ができる。

アンテナ１は、電波を伝搬する断面が円形の導波管１１、導波管１１を伝搬した電波を外部（空気中）に送信（出射）または外部から電波を受信（入射）する電波入出部１２、導波管１１の内側に入り込んで導波管として機能する補助導波管１３、導波管１１を保持する導波管保持体１４、電気信号を入力する同軸型のコネクタ１５、コネクタ１５を保持するコネクタ保持体１６、コネクタ１５の心線に接続され電気信号を電波に変換または電波を電気信号に変換する変換器１７、円偏波を発生する円偏波発生器１８を備えている。
第２の実施の形態のアンテナ１は、第１の実施の形態におけるアンテナ１と異なって、補助導波管１３を備えている。また、第２の実施の形態のアンテナ１では、補助導波管１３を備えたことにより、第１の実施の形態のアンテナ１と電波入出部１２の形状が異なっている。
なお、図５（ｂ）では、導波管１１、電波入出部１２、円偏波発生器１８を表記し、他の部材の表記を省略する。

補助導波管１３は、導波管１１の中心軸（Ａ−Ａ線）を軸とする円筒であって、内径φｅは、導波管１１の内径φｏを比誘電率εｒの平方根で除した値に近くなるように設定されている。ここでは、補助導波管１３の内径φｅを、一例として２５ｍｍとしている。
そして、図５（ａ）に示すように、補助導波管１３は、導波管１１の一端部から導波管１１の内部に、導波管１１の一端部と補助導波管１３の一端部とが一致するように嵌め込められ、導波管１１に固定される。
なお、導波管１１および補助導波管１３をまとめて、導波管と呼ぶことがある。

第１の実施の形態と同様に、電波入出部１２は、導波管１１の中心軸（Ａ−Ａ線）に沿って、導波管１１の外部に位置する入出領域１２ａ、導波管１１の内部に設けられた伝搬領域１２ｂ、さらに伝搬領域１２ｂに繋がって設けられた導波管１１の内部に設けられた整合領域１２ｃを備えている。しかし、補助導波管１３を設けたことにより、伝搬領域１２ｂの外径が、補助導波管１３の内径φｅになっている。
そして、補助導波管１３の長さは、電波入出部１２の伝搬領域１２ｂの長さとなるように設定されている。

すなわち、電波入出部１２の伝搬領域１２ｂが導波管１１の内部において、補助導波管１３によって取り囲まれ、密着した状態になっている。
なお、補助導波管１３は、導波管として機能するので、導波管１１と同様に、銅、アルミニウムなどの電気伝導度の大きい金属で構成されている。

補助導波管１３は、内部に保持する電波入出部１２の伝搬領域１２ｂの比誘電率εｒに基づいて、導波管の内径を内径φｏから内径φｅに変更する部材である。ここでは、導波管１１と補助導波管１３とを別の部材としているが、一体に構成してもよく、他の複数の部材に分割して構成してもよい。

＜アンテナ１の動作＞
第１の実施の形態で説明したと同様に動作し、電波入出部１２を設けているので、電波入出部１２を設けない場合に比べ、電波の出射する角度の範囲すなわち指向性を広げることができる。電波を送信する場合について説明したが、受信する場合も同様である。
さらに、電波入出部１２の伝搬領域１２ｂにおける導波管１１（具体的には補助導波管１３）の内径φｅを、伝搬領域１２ｂの比誘電率εｒ、すなわち伝搬領域１２ｂにおける電波の波長に基づいて、自由空間（空気）での導波管１１の内径φｏに比べて小さくしているので、複モードなどの発生が抑制される。

また、導波管１１は、内径が小さいほど回折効果が大きく働くため、電波が導波管１１から外部に出射する際、導波管１１の端部から出射する電波の導波管１１の中心軸（Ａ−Ａ線）からの角度が、導波管１１の中央部から出射する電波に比べて大きくなる。すなわち、電波の出射する角度の範囲すなわち指向性が広がる。
第２の実施の形態では、電波入出部１２の伝搬領域１２ｂにおける導波管１１（具体的には補助導波管１３）の内径φｅを、自由空間（空気）での導波管１１の内径φｏに比べて小さく設定しているので、電波が伝搬領域１２ｂから入出領域１２ａに入射する角度の範囲が広くなる。これによっても、アンテナ１から電波の出射する角度の範囲、すなわち指向性が広がっている。

図６は、第２の実施の形態におけるアンテナ１の送信時の周波数特性の一例を示す図である。横軸は周波数ｆ（ＧＨｚ）、縦軸はリターンロス（ｄＢ）である。リターンロスとは、アンテナ１への入射電力と反射電力との比であって、リターンロスの値が小さいほど、アンテナ１がその周波数に整合していることを意味する。
７ＧＨｚ帯（Ｃバンド（６．４２５〜６．５６７ＧＨｚ）およびＤバンド（６．８７〜７．１２５ＧＨｚ））において、リターンロス−１４ｄＢ以下（ＶＳＷＲ１．５）と優れた特性を示した。

図７は、第２の実施の形態におけるアンテナ１の送信時の指向性の一例を示す図である。図７（ａ）は周波数ｆが６．４２５ＧＨｚ、図７（ｂ）は周波数ｆが６．５７ＧＨｚ、図７（ｃ）は周波数ｆが６．８７ＧＨｚ、そして図７（ｄ）は周波数ｆが７．１２５ＧＨｚの場合である。指向性は、極座標で示している。第２の実施の形態におけるアンテナ１は、円形の導波管１１を使用し、円偏波を送信している。よって、指向性はアンテナ１の軸の回りで対称である。

半値幅を、送信出力がピーク値から３ｄＢ低下する角度の範囲とする。すると、半値幅は、図７（ａ）の周波数ｆが６．４２５ＧＨｚにおいて１７５．７°、図７（ｂ）の周波数ｆが６．５７ＧＨｚにおいて１８２．５°、図７（ｃ）の周波数ｆが６．８７ＧＨｚにおいて１８９．２°、そして図７（ｄ）の周波数ｆが７．１２５ＧＨｚにおいて１８６．５°である。
いずれの周波数ｆにおいても、１８０°前後の半値幅が得られている。すなわち、第２の実施の形態におけるアンテナ１は、軸に対して半球状の指向性を有している。

電波の屈折は、電波入出部１２の比誘電率εｒの値によって決まる。以上の説明では、例として、比誘電率εｒが２．１のポリテトラフルオロエチレンで説明した。よって、電波入出部１２に、ポリテトラフルオロエチレンの代わりに、より比誘電率εｒの大きい誘電材料を使用することにより、半値幅を１８０°より大きくすることができる。例えば、比誘電率εｒが３．６であるポリアセタール樹脂を使用することで、半値幅が２５０°の指向性が得られた。また比誘電率εｒがさらに大きい樹脂などを使用することで、さらに半値幅を大きくできる。このとき、電波入出部１２の伝搬領域１２ｂの部分に対応する導波管１１（補助導波管１３）の内径φｅを、自由空間に対する内径φｏを比誘電率εｒの平方根で除して得られる値に基づいて設定することが好ましい。

また、第１の実施の形態において説明したように、電波入出部１２の入出領域１２ａの表面は平面でなくともよく、図４に示した他の形状の表面を適用してもよい。このようにすることで、入出領域１２ａから電波が出射する角度、すなわち指向性を調整できる。

また、第２の実施の形態のアンテナ１に、第１の実施の形態と同様に、チョーク溝１９ａを備えた反射器１９を用いた。しかし、チョーク溝１９ａを備えない反射器１９を用いてもよい。

さらに、上記の説明において、第２の実施の形態においても、アンテナ１は、円偏波発生器１８を用いて円偏波を発生させるとした。しかし、円偏波発生器１８を用いず、直線偏波としてもよい。

また、第１の実施の形態と同様に、コネクタ１５の代わりに導波管１１と異なる他の導波管を用いて、アンテナ１との信号の送受信を行ってもよい。この場合、コネクタ１５の他に、コネクタ保持体１６、変換器１７、円偏波を発生する円偏波発生器１８を要せず、導波管１１と他の導波管とがフランジなどで接続される。

［第３の実施の形態］
第１の実施の形態および第２の実施の形態では、導波管１１は断面が円形の円形導波管であった。第３の実施の形態では、導波管１１を断面が四角形（方形）である方形導波管とした。
他の構成は、第２の実施の形態と同様であるので、同じ部分の説明を省略して、異なる部分を説明する。

＜アンテナ１の構成＞
図８は、第３の実施の形態におけるアンテナ１の断面図および上面図の一例を示す図である。図８（ａ）は断面図、図８（ｂ）は電波入出部１２側から見た上面図である。なお、図８（ａ）に示す断面図は、図８（ｂ）のＶＩＩＩａ−ＶＩＩＩａ線での断面である。アンテナ１は、電波の送信および受信ができる。

アンテナ１は、電波を伝搬する導波管１１、導波管１１を伝搬した電波を外部（空気中）に送信（出射）または外部から電波を受信（入射）する電波入出部１２、導波管１１の内側に設けられて導波管として機能する補助導波管１３、導波管１１を保持する導波管保持体１４、電気信号を入力する同軸型のコネクタ１５、コネクタ１５を保持するコネクタ保持体１６、コネクタ１５の心線に接続され電気信号を電波に変換または電波を電気信号に変換する変換器１７を備えている。第１の実施の形態におけるアンテナ１が備えていた円偏波発生器１８は備えていない。

なお、図８（ｂ）では、導波管１１、電波入出部１２、変換器１７を表記し、他の部材の表記を省略する。
ここでは、変換器１７が変換部の一例である。

第１の実施の形態と同様に、電波入出部１２は、導波管１１のＢ−Ｂ線で示す中心軸に沿って、導波管１１の外部に位置する入出領域１２ａ、導波管１１の内部に設けられた伝搬領域１２ｂ、さらに伝搬領域１２ｂに繋がって設けられた導波管１１の内部に設けられた整合領域１２ｃを備えている。

そして、導波管１１は断面が四角形（方形）である方形導波管である。そして、導波管１１は、内側が幅Ｗｏ、奥行きＤｏである。そして、補助導波管１３の内側は、幅Ｗｅ、奥行きＤｅである。
補助導波管１３の電波入出部１２の伝搬領域１２ｂに接する部分、すなわち補助導波管１３の内側は、導波管１１とつながって、導波管として機能する。

そして、第２の実施の形態におけるアンテナ１と同様に、補助導波管１３の内側の幅Ｗｅおよび奥行きＤｅは、導波管１１の内側の幅Ｗｏおよび奥行きＤｏ、電波入出部１２の比誘電率εｒに基づいて設定される。

補助導波管１３は、内部に保持する電波入出部１２の伝搬領域１２ｂの比誘電率εｒに基づいて、導波管の内径を内径φｏから内径φｅに変更する部材である。ここでは、導波管１１と補助導波管１３とを別の部材としているが、一体に構成してもよく、他の複数の部材に分割して構成してもよい。

＜アンテナ１の動作＞
方形導波管では、磁場（Ｈ）が振動する側の大きさ（幅または奥行き）は、伝搬する電波の波長によって決まる。一方、電場（Ｅ）が振動する側の大きさ（奥行きまたは幅）は、大きくも小さくも設定できる。そこで、方形導波管の電場（Ｅ）が振動する側の大きさを小さくすると、前述した回折効果によって、電波が出射する角度の範囲、すなわち指向性を広げることができる。
しかし、方形導波管の電場（Ｅ）が振動する側の大きさを小さくすると、大きい場合に比べて電波の強度が弱くなってしまう。

第３の実施の形態では、電波入出部１２を用いることにより、電場（Ｅ）が振動する側の大きさ（幅Ｗｏまたは奥行きＤｏ）を小さくすることなく、電波が入射および電波が出射する角度の範囲、すなわち指向性を広げている。

また、第１の実施の形態および第２の実施の形態と同様に、コネクタ１５の代わりに導波管１１と異なる他の導波管を用いて、アンテナ１との信号の送受信を行ってもよい。この場合、コネクタ１５の他に、コネクタ保持体１６、変換器１７を要せず、導波管１１と他の導波管とがフランジなどで接続される。

以上の説明では、アンテナ１を７ＧＨｚ帯に用いるとして説明した。なお、アンテナ１の寸法を使用する周波数帯に応じて変更することにより、他の周波数帯の送受信用のアンテナに適用できる。
また、アンテナ１を飛行体１００に搭載するとして説明したが、広い指向性が求められるアンテナに適用できる。

１…アンテナ、２…送受信機、３ａ、３ｂ…指向性、４…基地局、１１…導波管、１２…電波入出部、１２ａ…入出領域、１２ｂ…伝搬領域、１２ｃ…整合領域、１３…補助導波管、１４…導波管保持体、１５…コネクタ、１６…コネクタ保持体、１７…変換器、１８…円偏波発生器、１９…反射器、１９ａ…チョーク溝、１００…飛行体、２００…地表

Claims (7)

1. 電波を伝搬させる導波管と、
   誘電体で構成されるとともに、前記導波管の一端部に接して当該導波管の開口を覆うとともに当該導波管の中心軸と直交する方向にはみ出して設けられて電波が入射または電波を出射する入出領域と、当該導波管の当該一端部から当該導波管の内側に入り込んで設けられて電波を伝搬する伝搬領域とを備えた電波入出部と、を備え、
   前記電波入出部における前記入出領域と前記伝搬領域とが連続して設けられ、当該伝搬領域は、前記導波管の前記内側と向かい合う面が、当該導波管の当該内側に接するように当該導波管に詰め込まれているとともに、
   電波を出射する場合に、前記電波入出部の前記伝搬領域を伝搬した電波が、前記入出領域における前記導波管の中心軸の方向に沿った部分及び当該導波管の中心軸と直交する方向にはみ出した部分を伝搬して、当該導波管の中心軸の方向から当該導波管の中心軸と直交する方向に広がって出射されることを特徴とするアンテナ。
2. 前記導波管は、前記一端部から当該導波管の内側に入り込んで設けられた前記電波入出部の前記伝搬領域に接する部分の内径が、他の部分の内径に比べ小さく設定されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記電波入出部は、前記入出領域の前記導波管側に電波を反射する反射器を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ。
4. 前記反射器は、電波の強度を設定するチョーク溝を有することを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
5. 前記導波管は断面が円形であって、前記電波は円偏波であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアンテナ。
6. 前記導波管の他端部に設けられ、給電された電気信号を電波に変換し、または入射した電波を電気信号に変換する変換部をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアンテナ。
7. 電波を伝搬させる導波管と、誘電体で構成されるとともに、当該導波管の一端部に接して当該導波管の開口を覆うとともに当該導波管の中心軸と直交する方向にはみ出して設けられて電波が入射または電波を出射する入出領域と、当該導波管の当該一端部から当該導波管の内側に入り込んで設けられて電波を伝搬する伝搬領域とを備えた電波入出部と、を有するアンテナと、
   前記アンテナに、当該アンテナが出射する電波に変換される電気信号を送信し、または入射した電波から変換された電気信号を受信する送受信部と、を備え、
   前記アンテナの前記電波入出部における前記入出領域と前記伝搬領域とが連続して設けられ、当該伝搬領域は、前記導波管の前記内側と向かい合う面が、当該導波管の当該内側に接するように当該導波管に詰め込まれているとともに、
   電波を出射する場合に、前記アンテナにおける前記電波入出部の前記伝搬領域を伝搬した電波が、前記入出領域における前記導波管の中心軸の方向に沿った部分及び当該導波管の中心軸と直交する方向にはみ出した部分を伝搬して、当該導波管の中心軸の方向から当該導波管の中心軸と直交する方向に広がって出射されることを特徴とする無線装置。

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