JP6250252B1 - アンテナ装置及びアレーアンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1.
先ず、プラズマを用いた可変容量素子を装荷したアンテナ構造について説明する。非衝突性・低温プラズマの比誘電率εrは下記の式(1)で与えられる。
式(1)において、neは電子密度、meは電子の質量、eは電子の電荷、ε0は真空の誘電率、ωは電磁波の角周波数である。電子密度ne以外は定数である。横軸を電波の周波数、縦軸をプラズマの比誘電率として(1)式をグラフにしたものが図1である。電極に印加する電圧や電流を変化させることで、プラズマ周波数fp=ωp/2πを変化させることができ、その結果、プラズマの比誘電率εrを動的に制御することが可能となる。一方、コンデンサの静電容量Cは、電極として用いる面積Sの2枚の導体板及び両導体板の距離(電極間の距離)をdとして
で与えられる。
実施の形態1のアンテナ装置は、第一の導体1、第二の導体2、入出力端子3、第一の電極4、第二の電極5、密封容器6、高圧電源7、送受信部8を備える。第一の導体1はアンテナ装置としての地板であり、第二の導体2は、第一の導体1に対して垂直に配置されたアンテナ放射導体であり、励振素子である。入出力端子3は、送信時では、第一の導体1と第二の導体2にレーダや通信に使用する電波を供給する端子であり、受信時では、第一の導体1及び第二の導体2で受信した信号を外部へ出力するための端子である。第一の電極4及び第二の電極5は、密封容器6内で対向して設けられた電極であり、その間隔及び大きさの最大寸法が対象となる電波の波長の十分の一以下となるよう形成されている。密封容器6内には、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどの電離しやすい希ガスが封入されている。高圧電源7は、第一の電極4と第二の電極5とに高電圧を印加し、密封容器6内に封入された気体を電離させプラズマ状態にするための電源である。なお、図面では交流電源として示しているが、直流電源であってもよい。送受信部8は、入出力端子3と第二の電極5との間に接続され、アンテナ装置の送信時では送信信号を送出し、受信時では入出力端子3を介して受信信号を取り込むための装置である。
送信時では、入出力端子3を介して送受信部8から供給された電波は第二の導体2より空間に放射される。第二の電極5は適当な導体を介して地板である第一の導体1へ接続されているため、第一の電極4と第二の電極5とは入出力端子3に対して並列に接続されたコンデンサとして動作する。コンデンサとして動作させるには、第一の電極4と第二の電極5の最大寸法がレーダや通信に使用する電波の波長に比べて十分に小さくなければならない。第一の電極4と第二の電極5の間隔(距離)もまた、電波の波長に比べて十分に小さくなければならない。これらの大きさと間隔は十分の一波長程度以下であることが望ましい。密封容器6の内部には電離しやすい希ガスが封入されており、高圧電源7を用いて第一の電極4と第二の電極5との間に数kV以上の高電圧を印加する。これにより密封容器6の内部に封入された気体を電離させプラズマ状態にすることができる。先に述べたように、コンデンサの静電容量は電極間の媒質の誘電率に比例し、プラズマの誘電率は電極間の印加電圧で制御できるから、以上の構成とすることにより、動作周波数可変アンテナを得ることができる。
なお、受信時では、高圧電源7から第一の電極4及び第二の電極5間に印加された電圧で決定される動作周波数の信号を第二の導体2から受信し、この信号が入出力端子3を介して送受信部8に取り込まれる。
実施の形態2は、第二の導体2と第一の電極4との間に高圧電源7の印加周波数では電気的に開放となる高電圧遮断部を設けたものである。
図3は、実施の形態2のアンテナ装置を示す構成図であり、図2に示した実施の形態1の構成に加えて高電圧遮断部9が追加されている。これ以外の構成は図2と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。高電圧遮断部9は、第一の電極4と第二の導体2との間に設けられており、高圧電源7が直流の場合にはコンデンサを用いることができる。コンデンサのインピーダンスは1/(jωC)であるため、レーダや通信で使用する電波の周波数においてほぼ短絡とみなせる程度の静電容量Cを選定すればよい。あるいは、高電圧遮断部9もアンテナの整合回路として使用するようにコンデンサの値を選定してもよい。
実施の形態3は、実施の形態2の構成に加えて、高圧電源7と第一の電極4との間に入出力端子3を介して入力される送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部10を設けたものである。
図4は、実施の形態3のアンテナ装置を示す構成図であり、図3に示した実施の形態2の構成に加えて高周波遮断部10が追加されている。高周波遮断部10は、高圧電源7と、第一の電極4と高電圧遮断部9との接続点との間に設けられている。高周波遮断部10としては、例えば、入出力端子3を介して入力される送受信部8からの信号の送信周波数を共振周波数とするLC並列共振回路から構成されている。その他の構成は図3に示した実施の形態2と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
これまでの実施の形態では、プラズマ可変容量素子を可変整合回路の素子として使用し、アンテナの動作周波数(アンテナと給電線路とのインピーダンス整合周波数)を可変にする形態を示した。本実施の形態では、プラズマ可変容量素子をアンテナの放射指向性の切替え手段として使用する形態を説明する。
実施の形態5は、高圧電源7と第一の電極4との間に入出力端子3を介して入力される送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部10を設けたものである。
図7は、実施の形態5のアンテナ装置を示す構成図であり、図5に示した実施の形態4の構成に加えて高周波遮断部10が追加されている。高周波遮断部10は、高圧電源7と、第一の電極4との間に設けられており、高周波遮断部10の構成は実施の形態3と同様であり、その共振周波数が送受信部8からの送信電波の周波数となるLC並列共振回路で構成されている。これ以外の構成は図5に示した実施の形態4と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
上記実施の形態1〜5で説明したアンテナ装置を、複数個、所定の間隔で並べてアレー化することにより、大きな電力を使用するアレーアンテナ装置として構成することも可能である。また、各実施の形態では、第一の導体1を地板とするモノポールアンテナでの例を説明したが、地板である第一の導体1に関してイメージ定理(鏡像の理)を適用することにより、ダイポールアンテナへも本発明は容易に適用できる。また、励振素子である第二の導体2と非励振素子である第三の導体11は直線状の導体として説明したが、アンテナの全高を低くする(低背化)ために素子が途中で屈曲する構成や、素子上端に第一の導体1に平行な線状導体や面状導体が付く構成(トップローディング)であっても同様の効果が得られる。また、プラズマ可変容量素子を装荷した非励振素子を複数個配置しても同様の効果が得られる。
Claims (10)
- 第一の導体と、
前記第一の導体に対して垂直に配置された第二の導体と、
第一の電極と第二の電極を有し、前記第一の電極と前記第二の電極の最大寸法と、当該第一の電極と前記第二の電極間の距離とが、対象とする信号の波長の十分の一以下に設定され、内部に希ガスを封入した密封容器と、
前記第一の電極と前記第二の電極とに電圧を印加して前記密封容器内をプラズマ状態とし、かつ、当該印加電圧が可変である電源とを備え、
前記第一の電極が前記第二の導体に接続され、前記第二の電極が前記第一の導体に接続されたことを特徴とするアンテナ装置。 - 前記第二の導体と前記第一の電極との間に、前記電源の印加周波数では電気的に開放となる高電圧遮断部を備えたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
- 前記電源と前記第一の電極との間に、前記第一の導体と前記第二の導体とに与えられる送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部を備えたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。
- 前記第二の導体と前記第一の電極との間に設けられ、前記電源の印加周波数では電気的に開放となる高電圧遮断部と、
前記電源と前記第一の電極との間に設けられ、前記第一の導体と前記第二の導体とに与えられる送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部とを備えたことを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。 - 第一の導体と、
前記第一の導体に対して垂直に配置された第二の導体と、
前記第二の導体と平行に配置された第三の導体と、
第一の電極と第二の電極を有し、前記第一の電極と前記第二の電極の最大寸法と、当該第一の電極と前記第二の電極間の距離とが、対象とする信号の波長の十分の一以下に設定され、内部に希ガスを封入した密封容器と、
前記第一の電極と前記第二の電極とに電圧を印加して前記密封容器内をプラズマ状態とし、かつ、当該印加電圧が可変である電源とを備え、
前記第三の導体が前記第一の電極に接続され、前記第二の電極が前記第一の導体に接続されたことを特徴とするアンテナ装置。 - 前記電源と前記第一の電極との間に、前記第一の導体と前記第二の導体とに与えられる送信周波数の信号を遮断する高周波遮断部とを備えたことを特徴とする請求項5記載のアンテナ装置。
- 前記高電圧遮断部はコンデンサであることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。
- 前記高電圧遮断部はLC並列共振回路であることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。
- 前記高周波遮断部はLC並列共振回路であることを特徴とする請求項3記載のアンテナ装置。
- 請求項1に記載のアンテナ装置を複数並べたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
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