JP7009031B2

JP7009031B2 - 円偏波共用平面アンテナ

Info

Publication number: JP7009031B2
Application number: JP2017233665A
Authority: JP
Inventors: 智文須賀; 裕三澁谷; 啓一夏原; 崇徳野呂; 克義石田; 貴容美大川
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2022-01-25
Anticipated expiration: 2037-12-05
Also published as: JP2019103037A

Description

本発明は、互いに直交する直線偏波の電波を放射する直線偏波共用平面アンテナに、円偏波変換器を積層することで、２つの円偏波信号を送受信可能な円偏波共用平面アンテナに関する。

衛星通信では、アップリンクとダウンリンクとで周波数および偏波を変えて、通信を行う方法が一般に採られている。また、地上でのユーザは移動体通信を目的とし、そのアンテナの向きが変化するため、この変化に対応できるように円偏波が用いられている。すなわち、送信と受信とで周波数を変えるとともに、その円偏波も右旋円偏波と左旋円偏波との２つの円偏波を用いている。

そして、円偏波を送受信するためには、例えば、右旋円偏波用アンテナと左旋円偏波用アンテナを横並べに配置することが考えられるが、これでは、放射方向に直角な面における占有面積が大きくなる。このため、小型軽量化が可能な円偏波共用アンテナが知られている（例えば、特許文献１等参照。）。この円偏波共用アンテナは、２つのマイクロストリップアレイアンテナをそれぞれの偏波面が直交するように重ねた直交２直線偏波アンテナに、偏波変換器を重ねたものである。また、偏波変換器は、導体からなる偏波線と格子を付着させた誘電体の偏波偏向シートの間に、比誘電率と厚さが空間インピーダンスに広帯域整合するように設定された誘電体シートを挿入したものである。

特開２００４－８８１８５号公報

ところで、近年、高周波数化が進んでいるが、特許文献１に記載の技術では、高い周波数に対応することが実質上困難となる場合がある。すなわち、特許文献１に記載の技術では、周波数が高くなるに従って偏波線の幅などを小さくする必要があるが、周波数の高さによっては偏波線などを形成することが困難な場合が生じる。例えば、周波数が３０ＧＨｚの場合、偏波線の最小幅が０．０４５ｍｍ（０．００４５λ）となり、形成、生産することが困難となる。

そこで本発明は、高い周波数に適正に対応可能で、かつ、小型軽量化が可能な円偏波共用平面アンテナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、互いに直交する２つの偏波信号を受信するための下層給電素子がマトリクス状に配列された下層給電素子基板と、互いに直交する２つの偏波信号を送信するための上層給電素子が前記下層給電素子と同一に配列された上層給電素子基板と、が積層された直線偏波平面アンテナと、前記直線偏波平面アンテナの放射面側に積層され、メアンダーラインポラライザで構成されて、前記２つの偏波信号の一方を左旋円偏波に変換し他方を右旋円偏波に変換する偏波変換器と、を備え、前記直線偏波平面アンテナに、無給電素子が前記下層給電素子と同一に配列された上層無給電素子基板および当該上層無給電素子基板の下層の発泡シートと、無給電素子が前記上層給電素子と同一に配列された下層無給電素子基板および当該下層無給電素子基板の下層の発泡シートと、がさらに積層され、前記上層無給電素子基板は、前記下層給電素子基板のビーム幅を狭くして前記下層給電素子の正面利得を向上させるために、当該上層無給電素子基板の下層の前記発泡シートにより、前記偏波信号の波長に応じて高さ位置が調整され、且つ、前記下層無給電素子基板は、前記上層給電素子基板のビーム幅を狭くして前記上層給電素子の正面利得を向上させるために、当該下層無給電素子基板の下層の前記発泡シートにより、前記偏波信号の波長に応じて高さ位置が調整される、ことを特徴とする円偏波共用平面アンテナである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の円偏波共用平面アンテナであって、前記無給電素子は、絶縁性基板に設けられた導電箔の無給電パッチからなり、前記下層給電素子と前記上層給電素子とのうち少なくとも一方の給電素子の励振方向に沿って延びている、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、偏波変換器がメアンダーラインポラライザで構成されているため、高い周波数に適正に対応することが可能で、かつ、小型軽量化が可能となる。すなわち、高い周波数であっても、偏波偏向シートの場合に比べて線幅を大きくすることができ、実質的に製作することが可能となり、また、積層構造のため占有面積が小さくなって小型軽量化が可能となる。一方、偏波信号が直交しているため、アイソレーションが高い円偏波共用平面アンテナが得られる。

請求項１に記載の発明によれば、上層給電素子基板の上側に無給電素子基板が積層されているため、ビームが絞られて正面利得が向上する。また、平面アンテナに用いられる無給電素子は、一般的にフレキシブル基板などの絶縁性基板に導電箔などからなるパッチを設けた薄型、軽量なものであるため、小型軽量化が可能となる。

請求項１に記載の発明によれば、上層給電素子基板と無給電素子基板との間に、無給電素子基板の高さ位置を調整する誘電体（発泡シート）が積層されているため、偏波信号の波長に応じて最適な高さ位置に無給電素子基板を配置することができる。すなわち、２つの給電素子のうち、少なくともいずれか一方の給電素子の正面利得に影響する高さ位置、あるいは両方の正面利得に影響する高さ位置などに、無給電素子基板の高さ位置を調節することで、２つ
の給電素子の正面利得に対して同時にあるいは選択的に改善を施すことが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、下層給電素子と上層給電素子とのうち少なくとも一方の給電素子の励振方向に沿って延びるように無給電パッチが設けられているため、２つの給電素子の正面利得に対して選択的に改善を施すことが可能となる。

この発明の実施の形態に係る円偏波共用平面アンテナの積層構造を示す分解斜視図である。図１の円偏波共用平面アンテナの直線偏波平面アンテナの１素子分を示す分解斜視図である。図１の円偏波共用平面アンテナの単層メアンダーラインの設計パラメータを示す図である。図１の円偏波共用平面アンテナの周波数に対する軸比特性を示すグラフである。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１～図４は、この発明の実施の形態を示し、図１は、この実施の形態に係る円偏波共用平面アンテナ１の積層構造を示す分解斜視図である。この円偏波共用平面アンテナ１は、マイクロ波帯の衛星通信において、互いに直交する２つの円偏波信号（右旋円偏波と左旋円偏波）を送受信するアレイアンテナであり、下層から順に、直線偏波平面アンテナ２、偏波変換器３および上カバー体４が積層されている。

直線偏波平面アンテナ２は、互いに直交する２つの偏波信号を送受信する２つの給電素子がそれぞれマトリクス状に同配列された、上層給電素子基板２３２と下層給電素子基板２１６が積層されたアンテナである。具体的には、下層から順に、第１の積層部２１、第２の積層部２２、第３の積層部２３、第４の積層部２４、第５の積層部２５および第６の積層部２６が積層されている。

第１の積層部２１は、下層から順に、下カバー２１１、ベース板２１２、発泡シート（誘電体）２１３、グランド板２１４、発泡シート２１５および下層給電素子基板２１６が積層されている。発泡シート２１３、２１５は、発泡ポリエチレンや発泡ポリプロピレンのシート材で、後述する他の発泡シートについても同様である。また、グランド板２１４は、シールド用の遮蔽板で導電性を有する薄板、例えばアルミニウム板で構成され、後述する下層スロット板２２２および上層スロット板２４２も同様である。

下層給電素子基板２１６は、偏波信号を受信するための給電素子がマトリクス状に配列された基板であり、図２に示すように、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い下層給電基板２１６ａと、所定間隔で配列された複数の矩形の下層給電パッチ（給電素子）２１６ｂと、この下層給電パッチ２１６ｂに給電を行う下層給電線路２１６ｃとを備えている。下層給電パッチ２１６ｂおよび下層給電線路２１６ｃは、銅、アルミニウム、金などの導電箔によって形成されている。また、下層給電線路２１６ｃは、所定の方向に沿って延び、下層給電基板２１６ａ上で共通の給電幹線に接続されている。

第２の積層部２２は、下層から順に、発泡シート２２１および下層スロット板２２２が積層されている。下層スロット板２２２は、下層給電パッチ２１６ｂに対面する位置に、矩形のスロット開口２２２ａが設けられている。また、このスロット開口２２２ａには、対角線方向を横切るブリッジ部２２２ｂが設けられている。このブリッジ部２２２ｂは、後述する上層給電パッチ２３２ｂの励振方向と平行に設けられており、上層給電パッチ２３２ｂの給電時には、励振に対し強い影響を及ぼして、指向性などのアンテナ特性を改善する。また、下層給電パッチ２１６ｂの励振方向と直交し、しかも、その幅が下層給電パッチ２１６ｂに比べて十分狭いため、その影響は殆どなく、他のアンテナ特性を劣化させることはない。

第３の積層部２３は、下層から順に、発泡シート２３１および上層給電素子基板２３２が積層されている。上層給電素子基板２３２は、偏波信号を送信するための給電素子がマトリクス状に配列された基板であり、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い上層給電基板２３２ａと、下層給電パッチ２１６ｂと同一に配列、配設された複数の矩形の上層給電パッチ（給電素子）２３２ｂと、この上層給電パッチ２３２ｂに給電を行う上層給電線路２３２ｃとを備えている。上層給電パッチ２３２ｂおよび上層給電線路２３２ｃは、下層給電パッチ２１６ｂなどと同様の導電箔によって形成されている。また、上層給電線路２３２ｃは、所定の方向（下層給電線路２１６ｃに直交する方向）に沿って延び、上層給電基板２３２ａ上で共通の給電幹線に接続されている。

ここで、下層給電素子基板２１６が上層給電素子基板２３２よりも低い周波数帯域の偏波信号を受信する場合、下層給電パッチ２１６ｂのサイズは、上層給電パッチ２３２ｂよりも大きく設定されている。また、この実施の形態では、下層給電素子基板２１６は、受信偏波面と平行で紙面に垂直な面となる偏波信号を受信する。従って、下層給電素子基板２１６の励振方向もこの受信偏波面の方向となる。同様に、上層給電素子基板２３２は、送信偏波面と平行で紙面に垂直な面となる偏波信号を送信する。従って、上層給電素子基板２３２の励振方向もこの送信偏波面の方向となる。

第４の積層部２４は、下層から順に、発泡シート２４１および上層スロット板２４２が積層されている。上層スロット板２４２は、上層給電パッチ２３２ｂに対面する位置に、矩形のスロット開口２４２ａが設けられている。

第５の積層部２５は、下層から順に、発泡シート２５１および下層無給電素子基板２５２が積層されている。下層無給電素子基板２５２は、無給電素子がマトリクス状に配列された基板であり、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い下層絶縁基板２５２ａと、上層給電パッチ（給電素子）２３２ｂと同一に配列、配設された矩形で導電箔の複数の下層無給電パッチ（無給電素子）２５２ｂとを備えている。この下層無給電素子基板２５２は、その下層の発泡シート２５１によって、送信用の上層給電素子基板２３２の指向性に影響を及ぼす高さ位置に設置されており、上層給電素子基板２３２のビーム幅を狭くして正面利得を向上させる。

第６の積層部２６は、下層から順に、発泡シート２６１および上層無給電素子基板２６２が積層されている。上層無給電素子基板２６２は、無給電素子がマトリクス状に配列された基板であり、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い上層絶縁基板２６２ａと、下層給電パッチ（給電素子）２１６ｂと同一に配列、配設された略菱形状で導電箔の複数の上層無給電パッチ（無給電素子）２６２ｂとを備えている。この上層無給電素子基板２６２は、その下層の発泡シート２６１によって、受信用の下層給電素子基板２１６に影響を及ぼす高さ位置に設置されている。さらに、下層給電素子基板２１６の励振方向に沿って延ばされた上層無給電パッチ２６２ｂの形状と発泡シート２６１とによって、下層給電素子基板２１６の指向性に影響を及ぼし、下層給電素子基板２１６のビーム幅を狭くして正面利得を向上させる。

偏波変換器３は、図１に示すように、直線偏波平面アンテナ２の放射面側つまり上側に積層され、メアンダーラインポラライザ３１２、３２２、３３２、３４２、３５２で構成されて、２つの偏波信号の一方を左旋円偏波に変換し他方を右旋円偏波に変換するものである。この実施の形態では、所定の帯域を得るために下層から順に、５つのメアンダーラインポラライザ３１２、３２２、３３２、３４２、３５２が積層され、各メアンダーラインポラライザ３１２、３２２、３３２、３４２、３５２の下側には発泡シート３１１、３２１、３３１、３４１、３５１が配設されている。

メアンダーラインポラライザ３１２、３２２、３３２、３４２、３５２は、絶縁性を有するフレキシブル基板などの上に、導線をクランク状に折り曲げた単層メアンダーライン３ａを配置したものであり、メアンダーラインポラライザ３１２、３５２が第１の同一構造、メアンダーラインポラライザ３２２、３４２が第２の同一構造、メアンダーラインポラライザ３３２が第３の構造となっている。

ここで、単層メアンダーライン３ａの性能、特性は、図３に示すように、ピッチＰ、高さＨ、周期Ｄ、幅Ｗの４つの設計パラメータ等に依存し、所望の特性が得られるように設計パラメータが設定されている。この際、所望の軸比特性、円偏波性能が得られるように、メアンダーラインポラライザ３１２、３５２のピッチＰ、高さＨ、周期Ｄ、幅Ｗ、メアンダーラインポラライザ３２２、３４２のピッチＰ、高さＨ、周期Ｄ、幅Ｗ、メアンダーラインポラライザ３３２のピッチＰ、高さＨ、周期Ｄ、幅Ｗが設定されている。

上カバー体４は、偏波変換器３の上側を覆う積層体であり、図１に示すように、下層から順に、発泡シート４１、第１の中カバー４２、発泡シート４３、第２の中カバー４４、発泡シート４５および上カバー４６が積層されている。

このような構成の円偏波共用平面アンテナ１によれば、偏波変換器３がメアンダーラインポラライザ３１２、３２２、３３２、３４２、３５２で構成されているため、高い周波数に適正に対応することが可能で、かつ、小型軽量化が可能となる。すなわち、高い周波数であっても、偏波偏向シートの場合に比べて線幅Ｗを大きくすることができ、実質的に製作することが可能となり、また、積層構造のため占有面積が小さくなって小型軽量化が可能となる。例えば、周波数が３０ＧＨｚの場合であっても、単層メアンダーライン３ａの最小線幅Ｗが約０．１５ｍｍとなり、エッチングによって容易かつ適正に形成、生産することが可能となる。

また、上記のように、単層メアンダーライン３ａの設計パラメータを適正値に設定することで、所望の軸比特性が得られる。例えば、図４に示すように、受信周波数が１７．７～２０．２ＧＨｚで送信周波数が２７．５～３０．０ＧＨｚの場合において、両周波数帯域において良好な（低い）軸比を得ることが可能となる。さらに、偏波信号が直交しているため、アイソレーションが高い円偏波共用平面アンテナ１が得られる。

一方、給電素子基板２１６、２３２の上側に無給電素子基板２５２、２６２が積層されているため、ビームが絞られて正面利得が向上する。また、無給電素子基板２５２、２６２が、フレキシブル基板などの薄い絶縁基板２５２ａ、２６２ａに導電箔などからなる無給電パッチ２５２ｂ、２６２ｂを設けた薄型、軽量なものであるため、小型軽量化が可能となる。

また、給電素子基板２１６、２３２と無給電素子基板２５２、２６２との間に、無給電素子基板２５２、２６２の高さ位置を調整する発泡シート２５１、２６１が積層されているため、偏波信号の波長に応じて最適な高さ位置に無給電素子基板２５２、２６２を配置することができる。すなわち、給電素子基板２１６、２３２の給電素子の正面利得に影響する高さ位置に、無給電素子基板２５２、２６２の高さ位置を調節することで、２つの給電素子の正面利得に対して同時に改善を施すことが可能となる。

さらに、下層給電素子基板２１６（下層給電パッチ２１６ｂ）の励振方向に沿って延びるように上層無給電パッチ２６２ｂが設けられているため、下層給電素子基板２１６の正面利得に対して改善を施すことが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、無給電素子基板２５２、２６２を送信用と受信用で２枚設けたが、１枚の無給電素子基板を送信用および受信用の給電素子基板２１６、２３２の両方に影響する高さ位置に設置することにより、１枚の無給電素子基板で同様の効果を得ることも可能である。また、無給電素子基板が送信および受信の両給電素子に影響する高さ位置にある場合でも、無給電素子基板のパッチの形状を対象とする給電素子の励振方向に沿って延ばすことにより、対象とする給電素子に対して影響を及ぼすようにすることも可能である。

１円偏波共用平面アンテナ
２直線偏波平面アンテナ
２１第１の積層部
２１３、２１５発泡シート（誘電体）
２１６下層給電素子基板
２１６ｂ下層給電パッチ（給電素子）
２１６ｃ下層給電線路
２２第２の積層部
２２１発泡シート（誘電体）
２２２下層スロット板
２２２ａスロット開口
２２２ｂブリッジ部
２３第３の積層部
２３１発泡シート（誘電体）
２３２上層給電素子基板
２３２ｂ上層給電パッチ（給電素子）
２３２ｃ上層給電線路
２４第４の積層部
２４１発泡シート（誘電体）
２４２上層スロット板
２４２ａスロット開口
２５第５の積層部
２５１発泡シート（誘電体）
２５２下層無給電素子基板
２５２ａ下層絶縁基板
２５２ｂ下層無給電パッチ（無給電素子）
２６第６の積層部
２６１発泡シート（誘電体）
２６２上層無給電素子基板
２６２ａ上層絶縁基板
２６２ｂ上層無給電パッチ（無給電素子）
３偏波変換器
３１１、３２１、３３１、３４１、３５１発泡シート
３１２、３２２、３３２、３４２、３５２メアンダーラインポラライザ
３ａ単層メアンダーライン
４上カバー体

Claims

互いに直交する２つの偏波信号を受信するための下層給電素子がマトリクス状に配列された下層給電素子基板と、互いに直交する２つの偏波信号を送信するための上層給電素子が前記下層給電素子と同一に配列された上層給電素子基板と、が積層された直線偏波平面アンテナと、
前記直線偏波平面アンテナの放射面側に積層され、メアンダーラインポラライザで構成されて、前記２つの偏波信号の一方を左旋円偏波に変換し他方を右旋円偏波に変換する偏波変換器と、を備え、
前記直線偏波平面アンテナに、
無給電素子が前記下層給電素子と同一に配列された上層無給電素子基板および当該上層無給電素子基板の下層の発泡シートと、
無給電素子が前記上層給電素子と同一に配列された下層無給電素子基板および当該下層無給電素子基板の下層の発泡シートと、がさらに積層され、
前記上層無給電素子基板は、前記下層給電素子基板のビーム幅を狭くして前記下層給電素子の正面利得を向上させるために、当該上層無給電素子基板の下層の前記発泡シートにより、前記偏波信号の波長に応じて高さ位置が調整され、且つ、
前記下層無給電素子基板は、前記上層給電素子基板のビーム幅を狭くして前記上層給電素子の正面利得を向上させるために、当該下層無給電素子基板の下層の前記発泡シートにより、前記偏波信号の波長に応じて高さ位置が調整される、
ことを特徴とする円偏波共用平面アンテナ。
前記無給電素子は、絶縁性基板に設けられた導電箔の無給電パッチからなり、前記下層給電素子と前記上層給電素子とのうち少なくとも一方の給電素子の励振方向に沿って延びている、
ことを特徴とする請求項１に記載の円偏波共用平面アンテナ。