JP6377984B2 - 平面アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、平面アンテナに関し、特に右旋・左旋の両円偏波で共用可能な平面アンテナに関する。

右旋・左旋の両円偏波を同一面で受信可能な平面アンテナとして、例えば特開平４−２０７７０３号公報に示される平面アンテナが存在する。特開平４−２０７７０３号公報に開示されている平面アンテナは、図１２に示すように、上下二枚の円板型導体１１０、１１１を対向配設し、上部側の円板型導体１１０の表面に同心円状のスリット１１６をアンテナ中心から管内波長の数倍ごとに多数配置し、アンテナ中央に設けた空洞部に円形導波管１１５を接続した平面アンテナ１０９である。

特開平４−２０７７０３号公報

特許文献１に記載の平面アンテナは、上述のように、スリット１１６が管内波長の数倍ごとに配置されるので、その必要な利得を得る素子数に比例してアンテナ直径、及び、平面アンテナ面積がその必要な利得を得る素子数に比例して大きくなる。

また、この平面アンテナでは平板間１１０、１１１を誘電体１１３で満たしているため、誘電損失が発生するという問題がある。アンテナが大型化するほど誘電体１１３を通る経路が長くなるため、誘電損失によるアンテナ効率の低下が顕著になる。

一方、平板間１１０、１１１を空気とした場合には、誘電体による波長短縮がないのでアンテナ径がおおきく、質量も重くなるためアンテナ可動時の慣性モーメントが大きくなるという問題がある。

さらに右旋・左旋の両円偏波を用いる衛星通信などの通信系のアンテナにおいては、同軸インタフェースのものは、給電損失が大きい問題がある。一方、導波管インタフェースのものは、アンテナが大型化して動かしにくい、センサへの擾乱が大きい、アンテナで損失が生じるなど、いくつかの問題があった。

本発明は、右旋・左旋の両円偏波で共用可能であって必要となる利得を得る素子数を得ながらアンテナ面積を小さくすることが可能となる平面アンテナを提供することを目的とする。

本発明の平面アンテナは、上面導体と、上面導体上に、径方向に自由空間波長より短い間隔の複数の同心円状に配置された放射素子と、前記放射素子の間から延伸する前記上面導体の中心軸に対して回転対称な導体壁を有し導波管から放射状に前記放射素子に同相で給電する放射状同相給電路と、を有している。

本発明によれば、必要となる利得を得る素子数を得ながら平面アンテナ面積を小さくすることが可能となる。

図１は、第１の実施形態の構成を示す斜視断面図である。 図２は、図１の断面図である。 図３は、第１の実施形態の放射状同相給電路の変形例の構成を示す図である。 図４は、図１の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。 図５は、第２の実施形態の構成を示す断面図である。 図６は、第３の実施形態の構成を示す断面図である。 図７は、第４の実施形態の構成を示す断面図である。 図８は、放射素子の変形例１の形状を示す図である。 図９は、放射素子の変形例２の形状を示す図である。 図１０は、放射素子の変形例３の形状を示す図である。 図１１は、放射素子の変形例４の形状を示す図である。 図１２は、関連する平面アンテナの構成を示す斜視断面図である。

図１は、本発明の平面アンテナの第１の実施形態の構成を示す斜視断面図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る平面アンテナ１は、電波を放射又は受信する放射素子２が複数の同心円を描くよう並べて配置されている上面導体３と、上面導体３と対向して配置され、上面導体３との間に放射状同相給電路４を形成する底面導体５と、上面導体３及び底面導体５の中心に接続した円筒形状の円形導波管６と、を備えている。

上面導体３は、円形導波管６の中心軸に対して回転対称な形状であり、例えば図１に示すように外形が底面導体５とほぼ同じで厚みが一定の円板形状である。また上面導体３には、放射素子２の間から底面導体５に向かって上面導体３の中心軸に対して回転対称な形状の導体壁７が設けられている。導体壁７の形状は、例えば、円形導波管６の中心軸と同じ中心軸をもつ円筒形状である。

底面導体５は、円形導波管１の中心軸に対して回転対称な形状であり、例えば図１に示すように外形が上面導体３とほぼ同じ円板形状である。また上面導体３に設けられた導体壁７の間に、底面導体５から上面導体３に向かって円形導波管６の中心軸に対して回転対称な形状の導体壁７が設けられている。底面導体５の導体壁７は、図１に示されている上面導体３の導体壁７間と同様に、例えば円形導波管６の中心軸と同じ中心軸をもつ円筒形状である。すなわち、放射状同相給電路４は、上面導体３に対して接離を繰り返して蛇行する蛇行給電路となっている。

放射素子２は、蛇行給電路が上面導体３と接する位置に配置された開口である。放射素子２の同心円の間隔は、自由空間波長（ｃ／ｆ、ｆは周波数、ｃは光速である）より短い間隔とされている。放射素子２に同相で給電するように、放射状同相給電路４に沿った放射素子２の間隔は波長の整数倍の間隔となっている。また放射素子２は、例えば図１のように８重の同心円を描くように、複数の同心円状に断続的に並べて配置されている。

なお同心円を多くすると利得が高くでき、サイドローブも抑えることができるが、アンテナ面積が大きくなるため慣性モーメントが大きくなりセンサへの擾乱を招く。できる限り、素子間隔を短くしアンテナ径を小さくし、慣性モーメントを小さくするのが望ましい。

放射素子２である開口の形状は、同心円の径方向の開口の中心線について線対称性を有する形状とする。放射素子２である開口の形状は、例えば、図１に示すように、同心円を一定間隔で区切った円弧形開口を断続的に円周状に並べた形状である。中心軸に対して回転対称かつ線対称であることにより、右旋・左旋の両円偏波に対して同一の構造に見え、右旋・左旋の両円偏波に対して同一の利得・指向性を得ることができ、衛星通信など右旋・左旋の両円偏波を用いる通信において使用できる。

図２は、本発明の平面アンテナの第１の実施形態の構成を示す断面図である。

円形導波管６は、図２に示すように、放射素子２の同心円の中心に中心軸をあわせて底面導体５に垂直に接続されている。円形導波管６と底面導体５との接続する部分に、給電路を円形導波管６から放射状同相給電路４に変換する円形導波管−放射状線路変換部９が形成されている。円形導波管−放射状線路変換部９の外形は、円形導波管６から底面導体２と接続する境界部分に向かって、管径が徐々に拡大された拡大部１０と拡大された径で底面導体２と接続している円柱部１１とからなる。

拡大部１０は、例えば図２のように階段状に拡大された形状としてもよい。拡大部１０の内部には、例えば図２のように円形導波管６側を頂点とし底面導体５に向かって拡大する形状の円錐状導体１２が配置されている。円推状導体１２は、その底面中心部が上面導体３の中心から伸びた円柱状の導体１３に固定され、円錐状導体１２の底面が底面導体５との間に間隔をあけて配置されている。

このように拡大部１０と円錐状導体１２によって、円形導波管６に接続され円環状に拡大する放射状線路が形成され、円錐状導体１２と円柱部１１、底面導体５との間に、放射状同相給電路４に接続する集約線路が形成されている。

拡大部１０、円柱部１１、円錐状導体１２は、円形導波管−放射状線路変換部９として円形導波管６と放射状同相給電路４との整合をとる形状に設計されている。

図３は、放射状同相給電路４の変形例の構成を示す図である。本実施例では図３に示すように、蛇行した放射状同相給電路４は、中心から遠ざかるほど線路幅を広くしてもよい。例えば、各放射素子における給電路と給電開口面の面積比率がテイラー分布に従うようにしてもよい。

この構成により蛇行線路の各所において反射を抑制できるため、アンテナ効率を上げることができる。また、放射素子２による励振強度を概略テイラー分布に従うようにでき、サイドローブを抑えることができる。

図４は、本実施形態のアレーアンテナの性能をシミュレーションした結果を示す図である。算出条件としては、放射素子間隔ｒを設計周波数における自由空間波長の半分（ｃ／２ｆ＿０）とし、最も内側の放射素子の中心からの距離はｒ／２とする。放射素子５は８重の同心円状に形成されているものとする。各放射素子２は放射状同相給電路４により各面内角度で同相給電されている。

各放射素子２の励振強度は概ねテイラー分布に従い、放射素子単体の指向性はθ＜９０°で２ｃｏｓθ、θ＞９０°には放射しないとして与えられるものとする。整合がとれて入力信号が反射なく全て放射される。図４の横軸は、放射面鉛直方向に対する角度であり、縦軸は算出したアレーファクタである。図４に示すように、サイドローブレベルが抑えられ、放射面鉛直方向に１０度以内に強い指向性を得ることができる。また、放射素子２の直径方向の間隔は自由空間波長より短いため、グレーティングローブが発生しない。

以上説明したように本実施形態によれば、必要となる利得を得る素子数を得ながら平面アンテナ面積を小さくすることができ、回転駆動する際のモーメントが小さく、センサの擾乱を抑えることができ、センサ精度を向上させることができる。またサイドローブレベルが抑えられ、放射面鉛直方向に強い指向性と利得を得ることが可能となる。さらに給電路に損失をもつ誘電体を使用しないことも可能であるため、アンテナ利得を上げても誘電損失が増加せずアンテナ効率を高く保つことができる。

次に、本発明の平面アンテナの第２の実施形態について説明する。図５は本発明の第２の実施形態の構成を示す断面図である。

図５に示すように、本発明の第２の実施形態に係る平面アンテナ２１の基本構造は、放射状同相給電路２２を分岐によって実現し、導体壁で分岐を連続して形成することにより、放射素子２に同相給電する給電路としている点で第１の実施形態と異なる。

円形導波管６は、図５に示すように、放射素子２の同心円の中心に中心軸をあわせて底面導体５に垂直に接続されている。円形導波管６と放射状同相給電路２２との接続する部分に、給電路を円形導波管６から円形導波管６の中心軸とその中心軸から最も遠い放射素子２との中間で円環状に分岐する円形導波管−放射状線路変換部２３が形成されている。

放射状同相給電路２２は、導体壁２４で分岐を連続して形成し、放射素子２に同相給電する給電路である。

円形導波管−放射状線路変換部２３の外形は、例えば図５に示すように円形導波管６から最も遠い放射素子２の同心円との中間の位置まで拡大した円柱形状としてもよい。

また円形導波管−放射状線路変換部２３の中央部の内部には、例えば図５のように円形導波管６側を頂点とし底面導体５に向かって拡大する形状の円錐状導体２５が配置されている。円推状導体２５は、その底面が放射状同相給電路２２の外側に固定されている。

本実施形態によれば、各放射素子５に等長の給電路６で給電するため、周波数に依らずに各放射素子５に同相給電が可能であり、ホーンアンテナと同等の周波数特性を得ることができる。第１の実施形態では、設計周波数から周波数がずれると円の中心の給電点の位相と離れた同心円の位相がずれるため、サイドローブがでて、且つ、狭帯域且つ反射も多くなりやすいが、本実施例では各給電点までの距離が等しく、広帯域性に優れ、反射も少なくできる。

次に、本発明の平面アンテナの第３の実施形態について説明する。図６は本発明の第３の実施形態の構成を示す断面図である。

本実施形態に係る平面アンテナ３１の、放射素子２、上面導体３、放射状同相給電路４、底面導体５、円形導波管６、導体壁７は、第１の実施形態とほぼ同じ形態である。円形導波管６と放射状同相給電路４との接続する部分に、給電路を円形導波管６から円形導波管６の中心軸とその中心軸から最も遠い放射素子２との中間で円環状の給電路に変換する円形導波管−放射状線路変換部３２が形成されている。

円形導波管−放射状線路変換部３２の外形は、例えば図６に示すように、円形導波管６から底面導体２と接続する境界部分に向かって、管径が徐々に拡大された形状と、さらに底面導体に接続される径まで急激に拡大された円柱形状とを備えている。

円形導波管−放射状線路変換部３２の中央部の内部には、例えば図６のように円形導波管６側を頂点とし底面導体５に向かって拡大する形状の円錐状導体３３が配置されている。円推状導体３３は、その底面が放射状同相給電路４の外側に固定されている。

本実施形態によれば蛇行と組み合わせることで、第２の実施形態と比較して分岐のみによる給電路より導体壁の部品点数を少なく、また接合を少なくすることができるので、部品点数を抑え、製造しやすい。また、第１の実施形態と比較して、設計周波数から周波数がずれても、放射素子の位置による位相ずれが抑えられるため、サイドローブ、帯域、反射の劣化を抑えられ、広帯域性に優れ、反射も少なくなる。

次に、本発明の平面アンテナの第４の実施形態について説明する。図７は本発明の第４の実施形態の構成を示す斜視断面図である。

図７に示すように、本発明の第４の実施形態に係る平面アンテナ４１の基本構造は、構造保持のため、上面導体３の上に、誘電体板４２を接合し、放射素子４３の形状を、上面導体３において導体が殆どあるいは全くつながらない形状としている点で、第１、第２、第３の実施形態と異なる。

本実施形態によれば、放射素子４３の形状や配置密度によらず、強度を保ちつつ、上面導体３において導体が殆どあるいは全くつながらない形状とすることができる。また、本実施形態では、誘電体による損失はあるが、この誘電体板４２による損失は、誘電体板４２の比誘電率と誘電正接と厚さによって定まり、アンテナの面積や給電路の長さに依らないため、大型のアンテナであれば特許文献１の構造より低損失に抑えることができる。

以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

例えば、放射素子２となる開口の形状は、図１に示した円弧形状以外にも図８から１１に示すような様々な形状をとることができる。放射素子２となる開口の形状は、例えば、図８に示すような直線形状、図９に示すようなくの字形、図１０に示すようなＸ字形、図１１に示すようなボウタイ形などの開口を断続的に円周状に並べる形状の他にも、円周状に連続に開口を設ける形状でもよい。

上記に示した形状は一例であり、本発明における放射素子２の形状や円周上の配置を限定するものではない。

１、２１、３１、４１、１０９ 平面アンテナ
２、４３ 放射素子
３ 上面導体
４、２２ 放射状同相給電路
５ 底面導体
６ 円形導波管
７ 導体壁
９、２３、３２ 円形導波管−放射状線路変換部
１０ 拡大部
１１ 円柱部
１２、２５、３３ 円錐状導体
１３ 円柱状導体
２４ 分岐壁
４２ 誘電体板
１１０、１１１ 円板型導体
１１３ 誘電体
１１５ 円形導波管
１１６ スリット

Claims (6)

1. 上面導体と、前記上面導体上に、径方向に自由空間波長より短い間隔の複数の同心円状に配置された放射素子と、前記放射素子の間から延伸する前記上面導体の中心軸に対して回転対称な導体壁を有し導波管から放射状に前記放射素子に同相で給電する放射状同相給電路と、を有し、
   前記放射状同相給電路は、前記上面導体に対向して配置される底面導体と、前記回転対象な導体壁である、前記底面導体と前記上面導体から交互に延伸した導体壁とを含んで構成されることを特徴とする平面アンテナ。
2. 上面導体と、前記上面導体上に、径方向に自由空間波長より短い間隔の複数の同心円状に配置された放射素子と、前記放射素子の間から延伸する前記上面導体の中心軸に対して回転対称な導体壁を有し導波管から放射状に前記放射素子に同相で給電する放射状同相給電路と、を有し、
   前記放射状同相給電路は、中心から遠ざかるほど給電路幅を広くしたことを特徴とする平面アンテナ。
3. 前記導波管から前記放射状同相給電路の前記上面導体の中心近傍に給電する変換部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の平面アンテナ。
4. 上面導体と、前記上面導体上に、径方向に自由空間波長より短い間隔の複数の同心円状に配置された放射素子と、前記放射素子の間から延伸する前記上面導体の中心軸に対して回転対称な導体壁を有し導波管から放射状に前記放射素子に同相で給電する放射状同相給電路と、前記導波管から前記放射状同相給電路の前記上面導体の中心近傍に給電する変換部と、を有し、
   前記変換部は、前記導波管に接続され円環状に拡大する拡大給電路と、前記拡大給電路と前記放射状同相給電路の前記上面導体の中心近傍とを接続する集約給電路とを有することを特徴とする平面アンテナ。
5. 上面導体と、前記上面導体上に、径方向に自由空間波長より短い間隔の複数の同心円状に配置された放射素子と、前記放射素子の間から延伸する前記上面導体の中心軸に対して回転対称な導体壁を有し導波管から放射状に前記放射素子に同相で給電する放射状同相給電路と、前記導波管から前記上面導体中心から最も外側の放射素子までの中間で円環状に前記放射状同相給電路に給電する変換部と、を有することを特徴とする平面アンテナ。
6. 前記上面導体に重ねて接合される誘電体板を有することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の平面アンテナ。

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