JP7424672B1 - 放射素子用キャビティ、放射素子ユニット及び電波放射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域で単一指向性が得られ、高い利得と良好な整合性を得られる放射素子用キャビティ、放射素子ユニット及び電波放射方法を提供する。【解決手段】放射素子用キャビティであって、給電されることで電波を放射すると共に平面状に形成された放射素子に対して、電波放射方向と反対側から隙間を空けて配置されると共に導体から成る電波反射面を有し、上記電波反射面は、上記電波放射方向に沿った中心軸の全体を含む断面にて、上記放射素子に向かうに連れて上記中心軸から離間する曲部分を有し、上記曲部分は、上記断面にて、上記中心軸と直交する方向に上記中心軸から離間するに連れて上記中心軸に対する傾斜角度が増加する。【選択図】図１

Description

特許法第３０条第２項適用 １．発行日 ：令和４年０３月０１日 刊行物 ：２０２２年電子情報通信学会総合大会予稿集 ２．開催日 ：令和４年０３月１５日 展示会名、開催場所 ：２０２２年電子情報通信学会総合大会 オンライン開催 ２０２２年３月１５日（火）～１８日（金）

本発明は、放射素子用キャビティ、放射素子ユニット及び電波放射方法に関するものである。

外形が平板状の薄型で、広い周波数帯域で使用可能なアンテナとして、スパイラルアンテナやシニュアスアンテナがある。これらの広帯域アンテナを、通信や電波監視等の目的で用いる場合には、単一指向性であることが求められる。例えば、特許文献１は、スパイラス素子の下側に、導体で形成されたキャビティを備える構成を開示する。特許文献１に開示されたキャビティは、キャビティ底面が放射素子の下方で、使用波長の約１／４波長の距離となるように配置される。そうすることで、キャビティ底面で反射された電波が、スパイラル素子から上方に放射される電波と同位相同方向に放射され、単一指向性を有するアンテナとなる。

特開昭６３－２０８３０９号公報

しかしながら、使用帯域が広く、例えば、最低使用周波数の２倍の周波数を用いる場合には、波長の長さが最低使用周波数の１／２となる。この結果、スパイラル素子とキャビティ底面の距離は１／２波長となる。この場合、キャビティ底面で反射された電波は、スパイラル素子から上方に放射される電波と逆位相となる。このため、上方に放射される電波の指向性は、大きなヌルを持つ。この対策として、キャビティ内部に電波吸収体を配置する方法も提案されているが、アンテナとして大きな利得が得られなくなる。また、キャビティをすり鉢状に形成することで、広帯域での単一指向性を実現する提案もされているが、特定の周波数では大きな利得が得られておらず、入力インピーダンス特性に影響を与える可能性もある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、広帯域で単一指向性が得られ、高い利得と良好な整合性を得られる放射素子用キャビティ、放射素子ユニット及び電波放射方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

本発明の第１の態様は、放射素子用キャビティであって、給電されることで電波を放射すると共に平面状に形成された放射素子に対して、電波放射方向と反対側から隙間を空けて配置されると共に導体から成る電波反射面を有し、上記電波反射面は、上記電波放射方向に沿った中心軸の全体を含む断面にて、上記放射素子に向かうに連れて上記中心軸から離間する曲部分を有し、上記曲部分は、上記断面にて、上記中心軸と直交する方向にて、上記中心軸から離間するに連れて上記中心軸に対する傾斜角度が増加する、という構成を採用する。

本発明の第２の態様は、電波放射方法であって、給電されることで電波を放射すると共に平面状に形成された放射素子に対して、電波放射方向と反対側から隙間を空けて配置されると共に導体から成る電波反射面を用いて上記電波を反射し、上記電波反射面が、上記電波放射方向に沿った中心軸の全体を含む断面にて、上記放射素子に向かうに連れて上記中心軸から離間する曲部分を有し、上記曲部分は、上記断面にて、上記中心軸と直交する方向にて、上記中心軸から離間するに連れて上記中心軸に対する傾斜角度が増加する、という構成を採用する。

本発明によれば、広帯域で単一指向性が得られ、高い利得と良好な整合性を得られる放射素子用キャビティ、放射素子ユニット及び電波放射方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態における放射素子ユニットの模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が断面図である。 放射素子基板の模式的な斜視図である。 給電回路基板の模式図であり、（ａ）が正面図であり、（ｂ）が表面側を手前側に向けた斜視図であり、（ｃ）が裏面側を手前側に向けた斜視図である。 （ａ）が第１比較形態の放射素子ユニットの動作を説明するための説明図であり、（ｂ）が第２比較形態の放射素子ユニットの動作を説明するための説明図であり、（ｃ）が第１実施形態の放射素子ユニットの動作を説明するための説明図である。 （ａ）が本発明の実施例で計算を行ったキャビティの形状を座標上に示す断面図であり、（ｂ）が本発明の実施例の曲部分の形状を示すグラフである。 （ａ）が本発明の実施例のキャビティを放射素子側から見た斜視図であり、（ｂ）が本発明の実施例のキャビティを放射素子と反対側から見た斜視図であり、（ｃ）が底板、周壁部、及び側壁部の寸法を説明するための寸法図である。 本発明の実施例の放射パターンを示す図である。 （ａ）が本発明の実施例の利得特性を示す図であり、（ｂ）が本発明の実施例の入力インピ－ダンス特性を示す図である。 （ａ）が第１比較例のキャビティを放射素子側から見た斜視図であり、（ｂ）が第１比較例のキャビティを放射素子と反対側から見た斜視図であり、（ｃ）が第１比較例のキャビティの寸法を説明するための寸法図である。 第１比較例の放射パターンを示す図である。 （ａ）が第１比較例の利得特性を示す図であり、（ｂ）が第１比較例の入力インピ－ダンス特性を示す図である。 本発明の第２実施形態のキャビティの模式図である。 上記第１実施形態の放射素子ユニットの変形例を示す模式図である。 上記第１実施形態の放射素子ユニットの変形例を示す模式図である。 上記第１実施形態の放射素子ユニットの変形例を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る放射素子用キャビティ、放射素子ユニット及び電波放射方法の一実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の放射素子ユニット１の模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が断面図である。この図に示すように、放射素子ユニット１は、キャビティ２（放射素子用キャビティ）と、放射素子基板３と、給電回路基板４（給電回路）と、コネクタ５と、接続導体６とを備える。

キャビティ２は、導体から成り、図１に示すように、放射素子ユニット１側が開放された容器形状に形成されている。キャビティ２は、中心軸Ｌを中心とする略回転体の形状を有している。このキャビティ２は、底壁部２ａと、周壁部２ｂと、側壁部２ｃとを有する。

底壁部２ａは、キャビティ２において最も放射素子基板３から離れた部位である。底壁部２ａは、中心軸Ｌを中心とする円板形状に形成されており、放射素子基板３側の中心軸Ｌと直交する面がキャビティ２の底面２ｄを形成する。つまり、キャビティ２は、中心軸Ｌと直交（交差）する底面２ｄを有する底壁部２ａを有している。この底面２ｄは、後述する放射素子３ａから放射された電波の反射面（電波反射面７）の一部である。

周壁部２ｂは、底壁部２ａの外周縁に接続された筒状の部位である。周壁部２ｂは、中心軸Ｌを中心とし、底壁部２ａから放射素子基板３に向かうに連れて中心軸Ｌと直交する径方向に広がる筒形状に形成されている。周壁部２ｂの内壁面２ｅは、電波反射面７の一部であり、放射素子３ａに向かうに連れて中心軸Ｌから離間する曲部分である。つまり、本実施形態においては、周壁部２ｂの内壁面２ｅの全体が電波反射面７の一部であり、曲部分８である。

図１（ｂ）は、中心軸Ｌの全体を含む断面にてキャビティ２を切断した断面図である。つまり、本実施形態において電波反射面７は、図１（ｂ）に示す断面にて、放射素子３ａに向かうに連れて中心軸Ｌから離間する曲部分８を有している。この曲部分８は、図１（ｂ）に示す断面にて、中心軸Ｌと直交する方向に中心軸Ｌから離間するに連れて中心軸Ｌに対する傾斜角度が増加する。本実施形態では、図１（ｂ）に示す断面にて、曲部分８は、全体が、屈曲することなく連続的に湾曲された曲線部から成る。

この曲線部は、中心軸Ｌと直交するＸ軸と、中心軸Ｌと重なるＹ軸とを設定した場合に、下式（１）及び下式（２）で定義される形状を有する。なお、式（１）において、ａは比例定数であり、ｃは定数である。ｘ１は任意の値である。
ｙ＝ａ（ｘ－ｘ１）^ｂ＋ｃ （１）
０＜ｂ＜１ （２）

この曲線部は、この曲線部を増加する関数で考えたとき、その微分係数が徐々に減じていく断面曲線である。このような曲線部から成る曲部分８は、図１（ｂ）に示す断面にて、中心軸Ｌと直交する方向に中心軸Ｌから離間するに連れて中心軸Ｌに対する傾斜角度が増加する。

周壁部２ｂの内壁面２ｅは、上述の曲線部が中心軸Ｌを中心として回転されて得られる形状に形成されている。したがって、本実施形態においては、上述のように、周壁部２ｂの内壁面２ｅの全体が式（１）及び式（２）で定義される曲線部に基づいて形成されている。

このような周壁部２ｂは、底壁部２ａよりも放射素子３ａ側に位置する。また、周壁部２ｂの内壁面２ｅ（すなわち、曲部分８）は、図１（ｂ）に示すように、底面２ｄに接続されている。つまり、キャビティ２は、底壁部２ａの放射素子３ａ側に位置し、底面２ｄに接続された曲部分８を有する周壁部２ｂを備える。

側壁部２ｃは、周壁部２ｂの放射素子基板３側の端部に接続された筒状の部位である。本実施形態においては、側壁部２ｃは、中心軸Ｌを中止とする円筒形状に形成されている。側壁部２ｃは、中心軸Ｌに沿った方向から見て、円板状の放射素子基板３よりも大径の円形状の形状を有し、放射素子基板３を径方向外側から囲うように配置されている。中心軸Ｌに沿った方向から見て、放射素子基板３と側壁部２ｃとの間には、隙間が設けられている。

側壁部２ｃの内周面２ｆは、電波反射面７の一部である。図１（ｂ）に示すように、側壁部２ｃの内周面２ｆは、周壁部２ｂの内壁面２ｅの放射素子基板３側の端部と接続されている。この内周面２ｆは、図１（ｂ）に示す断面にて、内壁面２ｅ（曲部分８）の底面２ｄと反対側の端部から中心軸Ｌに沿って直線状に延出する。

このようなキャビティ２は、図１（ｂ）に示すように、放射素子３ａ（放射素子基板３）に対して、放射素子ユニット１の電波放射方向（本実施形態においては、図１（ｂ）の矢印Ａで示す方向）と反対側から隙間を空けて配置される。この結果、キャビティ２の内面（電波反射面７）は、放射素子３ａに対して隙間を空けて配置されている。なお、本実施形態では、キャビティ２の全体が導体から成る例について説明したが、キャビティ２の内面（電波反射面７）が導体であれば、キャビティ２他の部位を他の部材で形成することも可能である。

放射素子基板３は、放射素子３ａが設けられた板状の基板である。図２は、放射素子基板３の模式的な斜視図である。この図に示すように、放射素子基板３は、板状の絶縁基板３ｂと、絶縁基板３ｂに形成された配線層とを備えたプリント基板である。放射素子基板３は、上記配線層の一部として、放射素子３ａを有する。放射素子３ａは、絶縁基板３ｂの片側面（素子形成面３ｂ１）に形成されている。放射素子３ａは、螺旋状に形成された２つの銅箔パターンから形成されている。２つの銅箔パターンは、互いに点対称に配置されている。このような２つの銅箔パターンは、２線式のスパイラルアンテナとして機能する。つまり、本実施形態において放射素子３ａは、２線式のスパイラルアンテナである。

放射素子３ａは、平面状の絶縁基板３ｂの素子形成面３ｂ１に形成されている。このような放射素子３ａは、同一平面に沿って設けられ、平面状に形成されている。つまり、放射素子３ａが平面状に形成されているとは、放射素子３ａが厚みを有していないことを意味するものではなく、単一の平面に沿って広がるように形成されていることを意味する。実際に、放射素子３ａは、上述のように銅箔パターンで形成されており、銅箔パターンの分の厚みを有している。

このような放射素子３ａは、給電回路基板４を介して給電されることで電波を放射する。上述のように、放射素子ユニット１としての電波の放射方向は、図１（ｂ）に示す矢印Ａの方向である。つまり、放射素子ユニット１は、単一指向性を有する。これに対して、放射素子３ａは、図１（ｂ）に示す矢印Ａの方向に加えて、矢印Ａと反対側の方向にも電波を放射する。このように放射素子３ａから矢印Ａと反対側の方向に放射された電波は、キャビティ２の電波反射面７に反射され、例えば矢印Ａの方向に放射される。

給電回路基板４は、放射素子３ａに対して給電するための給電回路である。図３は、給電回路基板４の模式図であり、（ａ）が正面図であり、（ｂ）が表面側を手前側に向けた斜視図であり、（ｃ）が裏面側を手前側に向けた斜視図である。

給電回路基板４は、キャビティ２の内部に配置されており、キャビティ２の底壁部２ａと放射素子基板３とを接続する。図３に示すように、給電回路基板４は、板状の絶縁基板４ａと、絶縁基板４ａに形成された銅箔パターンとを備えたプリント基板である。絶縁基板４ａは、底壁部２ａ側に一端が位置し、放射素子基板３側に他端が位置するように配置されている。

給電回路基板４は、銅箔パターンとして、絶縁基板４ａの一方側の面（便宜上、表面と称する）に設けられた表面銅箔パターン４ｂと、絶縁基板４ａの他方側の面（便宜上、裏面と称する）に設けられた裏面銅箔パターン４ｃとを備える。表面銅箔パターン４ｂは、絶縁基板４ａの底壁部２ａ側の一端から絶縁基板４ａの放射素子基板３の他端まで、線幅が一定である。これに対して、裏面銅箔パターン４ｃは、絶縁基板４ａの底壁部２ａ側にて表面銅箔パターン４ｂと同一の線幅に形成され、絶縁基板４ａの底壁部２ａ側の一端から絶縁基板４ａの放射素子基板３の他端に向かうに連れて、線幅が小さくなるテーパ線路である。つまり、給電回路基板４は、放射素子３ａに向かうに連れて幅寸法が小さくなるテーパ線路を有する。

このような給電回路基板４は、コネクタ５側にて不平衡となるマイクロストリップラインを形成している。また、給電回路基板４は、図１（ｂ）に示すように、底壁部２ａ側の端部が、コネクタ５に対して、接続導体６を用いて接続されている。また、給電回路基板４は、放射素子基板３側の端部が、放射素子３ａに対して、接続導体６を用いて接続されている。

コネクタ５は、本実施形態の放射素子ユニット１を外部機器と接続するための部位である。コネクタ５に電力が給電されることで、放射素子基板３の放射素子３ａから電波が放射される。接続導体６は、給電回路基板４に接続された導体である。本実施形態の放射素子ユニット１は、コネクタ５と給電回路基板４とを接続する接続導体６と、放射素子３ａと給電回路基板４とを接続する接続導体６とを備えている。

続いて、このように構成された本実施形態の放射素子ユニット１の動作（電波放射方法）について、図４を参照して説明する。なお、ここでは、比較のため、第１比較形態と、第２比較形態とについても説明する。第１比較形態は、曲部分８が設けらずに内部が単純な円柱形状のキャビティ２Ａを備える放射素子ユニットである。第２比較形態は、曲部分８に換えて、中心軸と直交する方向に中心軸から離間しても中心軸に対する傾斜角度が変化せずに一定の部位を有するキャビティ２Ｂを備える放射素子ユニットである。なお、図４（ａ）は、第１比較形態の放射素子ユニットの動作を説明するための説明図である。図４（ｂ）は、第２比較形態の放射素子ユニットの動作を説明するための説明図である。図４（ｃ）は、本実施形態の放射素子ユニット１の動作を説明するための説明図である。

図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示すように、放射素子３ａからは電波が放射される。放射素子３ａからは、キャビティと反対側に向けて放射される成分（便宜上、上面放射成分Ｈ１と称する）と、キャビティ側に向けて放射される成分（便宜上、下面放射成分Ｈ２と称する）とが放射される。なお、下面放射成分Ｈ２は、キャビティの内面（電波反射面）に反射される。下面放射成分Ｈ２であってキャビティの内面（電波反射面）に反射された成分のうち上面放射成分Ｈ１と逆位相の成分を反射逆位相成分Ｈ３と称する。

図４（ａ）に示すように、第１比較形態の場合には、上面放射成分Ｈ１と、反射逆位相成分Ｈ３とが、主ビーム方向（放射素子ユニットの主たる電波の放射方向）に集まる。つまり、第１比較形態の場合は、上面放射成分Ｈ１と、この上面放射成分Ｈ１と逆位相の反射逆位相成分Ｈ３とが合成される。このため、第１比較形態は、主ビーム方向にヌルが発生する。

図４（ｂ）に示すように、第２比較形態の場合には、キャビティ２Ｂの内面の大部分が、中心軸（図４では不図示）に対して傾斜した直線部から構成されている。このため、反射逆位相成分Ｈ３の多くは、上面放射成分Ｈ１と平行となる方向に進行しない。このため、主ビーム方向にヌルは形成され難い。一方で、曲部分８が設けられていないことから、キャビティ２Ｂの内面に反射される電波は、本実施形態の放射素子ユニット１と比較して分散されない。このため、上面放射成分Ｈ１と反射逆位相成分Ｈ３とのベクトル合成として考えると、主ビーム方向にヌルが形成される可能性がある。また、反射逆位相成分Ｈ３が本実施形態の放射素子ユニット１と比較して分散されないため、反射逆位相成分Ｈ３が放射素子３ａの一部と強く結合し、入力インピーダンス特性を大きく変動させる可能性がある。

図４（ｃ）に示すように、本実施形態の放射素子ユニット１の場合には、キャビティ２の内面（電波反射面７）に曲部分８が設けられているため、反射逆位相成分Ｈ３のうち、上面放射成分Ｈ１と平行に進行する成分が少なく、図４（ｂ）に示す第２比較形態と同様に、主ビーム方向にヌルは形成され難い。さらに、曲部分８が曲面であるため、反射逆位相成分Ｈ３が広い角度範囲に分散される。したがって、上面放射成分Ｈ１と反射逆位相成分Ｈ３とのベクトル合成として考えると、多彩な方向のベクトルの和となるため、主ビ－ム方向にヌルが形成される可能性はさらに低くなる。また、反射逆位相成分Ｈ３が広い角度範囲で分散されるため、反射逆位相成分Ｈ３が放射素子３ａの一部と強く結合することを抑止し、入力インピーダンス特性を大きく変動させる可能性が小さくなる。したがって、本実施形態の放射素子ユニット１は、広帯域で主ビ－ム方向にヌルのない単一指向性を維持し、かつ、高い利得を維持し、良好な整合特性を有する。

以上のような、本実施形態の放射素子ユニット１のキャビティ２は、電波反射面７を有する。電波反射面７は、放射素子３ａに対して、電波放射方向（主ビーム方向）と反対側から隙間を空けて配置されると共に導体から成る。放射素子３ａは、給電されることで電波を放射すると共に平面状に形成されている。また、電波反射面７は、電波放射方向に沿った中心軸Ｌの全体を含む図１（ｂ）に示す断面にて、放射素子３ａに向かうに連れて中心軸Ｌから離間する曲部分８を有する。さらに、曲部分８は、図１（ｂ）に示す断面にて、中心軸Ｌと直交する方向に中心軸Ｌから離間するに連れて中心軸Ｌに対する傾斜角度が増加する。

このような本実施形態のキャビティ２は、電波反射面７が中心軸Ｌから離間するに連れて中心軸Ｌに対する傾斜角度が増加するため、使用帯域を変更した場合であっても、反射逆位相成分Ｈ３が広い角度範囲に分散される。したがって、本実施形態のキャビティ２を用いることで、広帯域で主ビ－ム方向にヌルのない単一指向性を維持し、かつ、高い利得を維持し、良好な整合特性を有することができる。

また、本実施形態のキャビティ２は、曲部分８が、屈曲することなく連続的に湾曲された曲線部を有する。また、中心軸Ｌと直交するＸ軸と、中心軸Ｌと重なるＹ軸とを設定した場合に、曲線部は、上述の式（１）及び式（２）で定義される形状である。このような本実施形態のキャビティ２を用いることで、広帯域で主ビ－ム方向にヌルのない単一指向性を維持し、かつ、高い利得を維持し、良好な整合特性を有することができる。

また、本実施形態のキャビティ２においては、曲部分８の全体が曲線部から成る。このため、曲部分８の全体にて、上述の反射逆位相成分Ｈ３を広い角度範囲に分散することができる。このため、本実施形態のキャビティ２を用いることで、高い利得を維持し、良好な整合特性を有することができる。

また、本実施形態のキャビティ２は、底壁部２ａと、周壁部２ｂと、側壁部２ｃとを有する。底壁部２ａは、中心軸Ｌと交差する底面２ｄを有する。周壁部２ｂは、底壁部２ａの放射素子３ａ側に位置し、底面２ｄに接続された曲部分８を有する。側壁部２ｃは、曲部分８の底面２ｄと反対側の端部から中心軸Ｌに沿って直線状に延出する内周面２ｆを有する。このような本実施形態のキャビティ２は、周壁部２ｂに曲部分８が形成されており、広い面積の曲部分８を有することができる。

また、本実施形態の放射素子ユニット１は、放射素子３ａと、上述のようなキャビティ２を備える。このため、本実施形態の放射素子ユニット１は、広帯域で主ビ－ム方向にヌルのない単一指向性を維持し、かつ、高い利得を維持し、良好な整合特性を有する。

また、本実施形態の放射素子ユニット１は、放射素子３ａに給電する給電回路基板４を備える。また、給電回路基板４は、放射素子３ａに向かうに連れて幅寸法が小さくなるテーパ線路を有する。このような本実施形態の放射素子ユニット１は、給電回路基板４を不平衡なマイクロストリップラインにできる。

また、本実施形態の電波放射方法は、給電されることで電波を放射すると共に平面状に形成された放射素子３ａに対して、電波放射方向と反対側から隙間を空けて配置されると共に導体から成る電波反射面７を用いて電波を反射する。さらに、上述のように、電波反射面７が、電波放射方向に沿った中心軸Ｌの全体を含む図１（ｂ）に示す断面にて、放射素子３ａに向かうに連れて中心軸Ｌから離間する曲部分８を有する。また、曲部分８は、図１（ｂ）に示す断面にて、中心軸Ｌと直交する方向に中心軸Ｌから離間するに連れて中心軸Ｌに対する傾斜角度が増加する。したがって、本実施形態の電波放射方法は、広帯域で主ビ－ム方向にヌルのない単一指向性を維持し、かつ、高い利得を維持し、良好な整合特性を発揮できる。

ここで、本実施形態のキャビティ２に基づいて計算を行った実施例について、説明する。図５（ａ）は、本実施例で計算を行ったキャビティ２の形状を座標上に示す断面図である。図５（ｂ）は、本実施例の曲部分８の形状を示すグラフである。図６（ａ）は、本実施例のキャビティ２を放射素子３ａ側から見た斜視図である。また、図６（ｂ）は、本実施例のキャビティ２を放射素子３ａと反対側から見た斜視図である。図６（ｃ）は、底壁部２ａ、周壁部２ｂ、及び側壁部２ｃの寸法を説明するための寸法図である。

例えば、図６（ｃ）に示すように、キャビティ２の底壁部２ａは、半径１０ｍｍの円形平板とした。曲部分８（周壁部２ｂ）は、ｘのべき乗で定義される関数曲線（図５（ｂ）に示すグラフ）を回転対称にしたもので、上述の式（１）及び式（２）に基づく形状に形成されている。この曲部分８は、上方に行くほど開口が広がる筒形状である。側壁部２ｃは、図５（ａ）のｙ方向にほぼ平行に伸びている。この側壁部２ｃは、半径１００ｍｍの円筒形状とした。また、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、上述の式（１）におけるａを９０ｍｍ、ｂを０．１、ｃを－１７３ｍｍとして計算を行った。

また、本実施例では、図６（ａ）に示すように、放射素子３ａとして、２つの螺旋状のパターンから成る２線式スパイラルアンテナを配置した。各々のパターンの形状は、下式（３）で定義される。なお、式（３）において、Ｒはパターンの中心線の半径を意味し、Ｒｏはパターンの初期半径を意味し、Ｎはパターンの巻き数を意味し、ｄはスパイラル定数を意味する。
Ｒ＝Ｒｏ＋２πｄＮ （３）

本実施例では、パターンの初期半径：Ｒｏ＝１ｍｍ、巻き数：Ｎ＝８、スパイラル定数：ｄ＝１．７８とした。なお、パターンの中心線の半径Ｒの単位はｍｍである。また、各々のパターンは、直径１ｍｍの導体とした。

図７は、本実施例の放射パターンを示す図である。図７（ａ）は周波数が１ＧＨｚの放射パターンを示し、図７（ｂ）は周波数が２ＧＨｚの放射パターンを示し、図７（ｃ）は周波数が３ＧＨｚの放射パターンを示し、図７（ｄ）は周波数が４ＧＨｚの放射パターンを示し、図７（ｅ）は周波数が５ＧＨｚの放射パターンを示し、図７（ｆ）は周波数が６ＧＨｚの放射パターンを示す。また、これらの放射パターンは、右旋円偏波（ＲＨＣＰ：Right Hand Circular Polarization）の指向性利得で示されている。

図７に示す結果から、放射素子３ａの下側にキャビティ２を配置することで、放射は上側のみとなることがわかる。また、それぞれの周波数で、主ビームにヌルが発生することなく、１から６ＧＨｚの広い帯域で、ブロ－ドな単一指向性が維持されていることがわかる。

図８（ａ）に本実施例の利得特性、図８（ｂ）に本実施例の入力インピ－ダンス特性を示す。利得特性は、主ビ－ム方向のＲＨＣＰの指向性利得で示している。図８に示すように、広い帯域で、２．５ｄＢｃ以上の値が得られていることがわかる。キャビティ２内に、電波吸収体を用いていないが、全体的に大きな利得が得られていることが分かる。入力インピ－ダンス特性では、１．７ＧＨｚ以上でほぼ定インピ－ダンス特性を示しており、大きな振動は少ないことがわかる。

比較として、上記第１比較形態のキャビティ２Ａについて同様の計算を行った（第１比較例と称する）。図９（ａ）は、本第１比較例のキャビティ２Ａを放射素子３ａ側から見た斜視図である。また、図９（ｂ）は、第１比較例のキャビティ２Ａを放射素子３ａと反対側から見た斜視図である。図９（ｃ）は、第１比較例のキャビティ２Ａの寸法を説明するための寸法図である。

図９（ｃ）に示すように、本第１比較例では、キャビティ２Ａの直径を２００ｍｍとした。また、キャビティ２Ａの深さは、最低使用周波数１ＧＨｚの１／４波長の７５ｍｍとしている。使用する放射素子３ａは、上記実施例と同じである。

図１０は、本第１比較例の放射パターンを示す図である。図１０（ａ）は周波数が１ＧＨｚの放射パターンを示し、図１０（ｂ）は周波数が２ＧＨｚの放射パターンを示し、図１０（ｃ）は周波数が３ＧＨｚの放射パターンを示し、図１０（ｄ）は周波数が４ＧＨｚの放射パターンを示し、図１０（ｅ）は周波数が５ＧＨｚの放射パターンを示し、図１０（ｆ）は周波数が６ＧＨｚの放射パターンを示す。

図１０に示す結果から、本第１比較例では、（ｄ）の４ＧＨｚ及び（ｆ）の６ＧＨｚでの放射パタ－ンで、主ビーム方向に大きなヌルが発生していることがわかる。このように、上記第１比較形態のキャビティ２Ａでは、主ビ－ムに大きなヌルが発生し、利得が劣化することが分かる。

図１１（ａ）に本第１比較例の利得特性、図１１（ｂ）に本第１比較例の入力インピ－ダンス特性を示す。利得特性は、主ビ－ム方向のＲＨＣＰの指向性利得で示している。図１１には、図８に示す本実施例の利得特性と入力インピーダンスも合わせて示している。この図からも分かるように、本実施例は、本第１比較例と比較して、広い帯域で、２．５ｄＢｃ以上の値が得られていることがわかる。また、本実施例は、本第１比較例と比較して、入力インピ－ダンス特性では、１．７ＧＨｚ以上でほぼ定インピ－ダンス特性を示しており、大きな振動は少ないことがわかる。

また、本実施例では、ｂを０．１として計算を行ったが、ｂを０．５としても同様に効果が得られた、したがって、ｂは、下式（４）の範囲が、より望ましい。
０＜ｂ≦０．５ （４）

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図１２を参照して説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図１２は、本実施形態のキャビティ１０の模式図である。この図に示すように、本実施形態の放射素子ユニット１のキャビティ１０は、電波反射面１１を有する。電波反射面１１は、放射素子１２に対して、電波放射方向（主ビーム方向）と反対側から隙間を空けて配置されると共に導体から成る。放射素子１２は、給電されることで電波を放射すると共に平面状に形成されている。また、電波反射面１１は、電波放射方向に沿った中心軸Ｌの全体を含む図１２に示す断面にて、放射素子１２に向かうに連れて中心軸Ｌから離間する曲部分１３を有する。さらに、曲部分１３は、図１２に示す断面にて、中心軸Ｌと直交する方向に中心軸Ｌから離間するに連れて中心軸Ｌに対する傾斜角度が増加する。

このような本実施形態のキャビティ１０は、電波反射面７が中心軸Ｌから離間するに連れて中心軸Ｌに対する傾斜角度が増加するため、使用周波数を変化させた場合であっても、反射した逆位相成分（放射素子１２からキャビティ１０と反対方向に射出される電波成分の逆位相の成分）が広い角度範囲に分散される。したがって、本実施形態のキャビティ１０を用いることで、広帯域で主ビ－ム方向にヌルのない単一指向性を維持し、かつ、高い利得を維持し、良好な整合特性を有することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、図１３（ａ）に示すように、正方形の放射素子基板３を備えてもよい。また、このような正方形の放射素子基板３に合わせて、図１３（ｂ）に示すように、正方形状のキャビティ２としてもよい。また、図１３（ｃ）に示すように、正六角形の放射素子基板３を備えてもよい。また、このような正六角形の放射素子基板３に合わせて、図１３（ｄ）に示すように、正六角形のキャビティ２としてもよい。つまり、キャビティ２は、中心軸Ｌに沿った方向から見た外形が、円形、楕円形、正方形、長方形あるいは多角形でよい。このように様々な外径のキャビティ２とすることで、設置場所に合わせた最適な形状のキャビティとすることができる。

また、１４（ａ）に示すように、曲部分８の一部が上述の曲線部から成り、残部が直線状の直線部８１から成る、キャビティ２の形状としてもよい。このような形状とすることで、曲部分８の全体を湾曲させる必要がないため、キャビティ２の作製が容易になる。また、図１４（ｂ）に示すように、側壁部２ｃの内周面２ｆを放射素子３ａに向かうに連れて中心軸から外側に向かうに湾曲させるようにしてもよい。また、図１４（ｃ）に示すように、底面２ｄを湾曲させるようにしてもよい。

また、図１４（ｄ）に示すように、曲部分８を、複数の中心軸Ｌに対して傾斜角度が異なる複数の直線部が接続されて成るようにしてもよい。つまり、短い複数の直線部８２を接続することで、上述の曲線部を疑似的に形成することもできる。このような場合には、湾曲面を形成することなくキャビティ２を製作できるため、キャビティ２の作製が容易になる。

また、図１４（ｅ）に示すように、底壁部２ａが、底面２ｄから放射素子３ａに向けて隆起した隆起部２ｇを備えてもよい。このような隆起部２ｇが設けられることで、放射素子に応じて、キャビティ２における電波の反射状態を変更することが可能となる。

また、上記実施形態においては、螺旋状の放射素子３ａを用いた構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図１５（ａ）に示すように、放射素子としてシニュアスアンテナ３ｃを、設けてもよい。また、図１５（ｂ）に示すように、放射素子としてダイポールアンテナ３ｄを設けてもよい。ダイポールアンテナ３ｄは、広帯域アンテナではないものの、１／２波長の整数倍で使用できることが知られている。このため、ダイポールアンテナ３ｄを備えて、マルチバンドの単一指向性アンテナとして用いる場合に、本発明のキャビティの形状が有効である。

また、図１５（ｃ）に示すように、放射素子として、クロスダイポ－ルアンテナ３ｅを用いてもよい。また、図１５（ｄ）に示すように、放射素子として、ループアンテナ３ｆを用いてもよい。いずれも平面状で、マルチバンドでの使用が可能な放射素子である。上記以外に、使用可能な放射素子としては、ボウタイアンテナ、スロットアンテナ、クロススロットアンテナ、スロットループアンテナ、スパイラルスロットアンテナがある。また、詳細に記すと、スパイラルアンテナは、アルキメデススパイラルアンテナや等角スパイラルアンテナがある。

上記の放射素子は、ほぼ平面状であるが、若干の厚みをもった形状の放射素子でも、本発明の構造は適用可能である。例えば、スパイラルアンテナでは、円錐状に素子を配置したコニカルスパイラルアンテナがあるが、円錐の高さが半径方向の長さより低ければ、本発明のキャビティの形状の効果が期待できる。

上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）
給電されることで電波を放射すると共に平面状に形成された放射素子に対して、電波放射方向と反対側から隙間を空けて配置されると共に導体から成る電波反射面を有し、
上記電波反射面は、上記電波放射方向に沿った中心軸の全体を含む断面にて、上記放射素子に向かうに連れて上記中心軸から離間する曲部分を有し、
上記曲部分は、上記断面にて、上記中心軸と直交する方向に上記中心軸から離間するに連れて上記中心軸に対する傾斜角度が増加する、
放射素子用キャビティ。

（付記２）
上記曲部分が、屈曲することなく連続的に湾曲された曲線部を有し、
上記中心軸と直交するＸ軸と、上記中心軸と重なるＹ軸とを設定した場合に、上記曲線部は、上述の式（１）及び上述の式（２）で定義される形状である、
付記１に記載の放射素子用キャビティ。

（付記３）
上記曲部分の全体が上記曲線部から成る、
付記２に記載の放射素子用キャビティ。
（付記４）
上記曲部分は、一部が上記曲線部から成り、残部が直線状の直線部から成る、
付記２に記載の放射素子用キャビティ。

（付記５）
上記曲部分は、上記中心軸に対して傾斜角度が異なる複数の直線部が接続されて成る、
付記１に記載の放射素子用キャビティ。

（付記６）
上記中心軸に沿った方向から見た外形が、円形、楕円形、正方形、長方形あるいは多角形である、
付記１～５のいずれか一つに記載の放射素子用キャビティ。

（付記７）
上記断面にて、
上記中心軸と交差する底面を有する底壁部と、
上記底壁部の上記放射素子側に位置し、上記底面に接続された上記曲部分を有する周壁部と、
上記曲部分の上記底面と反対側の端部から上記中心軸に沿って直線状に延出する内周面を有する側壁部と
を有する、
付記１～６のいずれか一つに記載の放射素子用キャビティ。

（付記８）
上記底壁部は、上記底面から上記放射素子に向けて隆起した隆起部を有する、
付記７に記載の放射素子用キャビティ。

（付記９）
上記放射素子と、付記１～８のいずれか一つに記載の放射素子用キャビティと、を備える、放射素子ユニット。

（付記１０）
上記放射素子は、ダイポ－ルアンテナ、クロスダイポ－ルアンテナ、ループアンテナ、スロットアンテナ、クロススロットアンテナ、スパイラルアンテナ、スパイラルスロットアンテナまたはシニュアスアンテナである
付記９に記載の放射素子ユニット。

（付記１１）
上記放射素子に給電する給電回路を備え、
上記給電回路は、上記放射素子に向かうに連れて幅寸法が小さくなるテーパ線路を有する、
付記９または１０に記載の放射素子ユニット。

（付記１２）
給電されることで電波を放射すると共に平面状に形成された放射素子に対して、電波放射方向と反対側から隙間を空けて配置されると共に導体から成る電波反射面を用いて上記電波を反射し、
上記電波反射面が、上記電波放射方向に沿った中心軸の全体を含む断面にて、上記放射素子に向かうに連れて上記中心軸から離間する曲部分を有し、
上記曲部分は、上記断面にて、上記中心軸と直交する方向に上記中心軸から離間するに連れて上記中心軸に対する傾斜角度が増加する、
電波放射方法。

１ 放射素子ユニット
２ キャビティ
２ａ 底壁部
２ｂ 周壁部
２ｃ 側壁部
２ｄ 底面
２ｅ 内壁面
２ｆ 内周面
２ｇ 隆起部
３ 放射素子基板
３ａ 放射素子
３ｂ 絶縁基板
３ｂ１ 素子形成面
３ｃ シニュアスアンテナ
３ｄ ダイポールアンテナ
３ｅ クロスダイポ－ルアンテナ
３ｆ ループアンテナ
４ 給電回路基板
４ａ 絶縁基板
４ｂ 表面銅箔パターン
４ｃ 裏面銅箔パターン
５ コネクタ
６ 接続導体
７ 電波反射面
８ 曲部分
１１ 電波反射面
１２ 放射素子
１３ 曲部分
８１ 直線部
８２ 直線部
Ｈ１ 上面放射成分
Ｈ２ 下面放射成分
Ｈ３ 反射逆位相成分
Ｌ 中心軸

Claims (10)

1. 給電されることで電波を放射する放射素子が平面状に形成されており、
   前記放射素子に対して電波放射方向と反対側に配置されると共に導体から成る電波反射面を有し、
   前記電波反射面が前記放射素子との間に隙間を空けて配置され、
   前記電波反射面は、前記電波放射方向に沿った中心軸の全体を含む断面にて、前記放射素子に向かうに連れて前記中心軸から離間する曲部分を有し、
   前記曲部分は、前記断面にて、前記中心軸と直交する方向に前記中心軸から離間するに連れて前記中心軸に対する傾斜角度が増加する、
   放射素子用キャビティ。
2. 前記曲部分が、屈曲することなく連続的に湾曲された曲線部を有し、
   前記中心軸と直交するＸ軸と、前記中心軸と重なるＹ軸とを設定した場合に、前記曲線部は、下式（１）及び下式（２）で定義される形状である、
   請求項１に記載の放射素子用キャビティ。
   ｙ＝ａ（ｘ－ｘ１）ｂ＋ｃ （１）
   ０＜ｂ＜１ （２）
3. 前記曲部分の全体が前記曲線部から成る、
   請求項２に記載の放射素子用キャビティ。
4. 前記曲部分は、一部が前記曲線部から成り、残部が直線状の直線部から成る、
   請求項２に記載の放射素子用キャビティ。
5. 前記曲部分は、前記中心軸に対して傾斜角度が異なる複数の直線部が接続されて成る、 請求項１に記載の放射素子用キャビティ。
6. 前記断面にて、
   前記中心軸と交差する底面を有する底壁部と、
   前記底壁部の前記放射素子側に位置し、前記底面に接続された前記曲部分を有する周壁部と、
   前記曲部分の前記底面と反対側の端部から前記中心軸に沿って直線状に延出する内周面を有する側壁部と
   を有する、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の放射素子用キャビティ。
7. 前記底壁部は、前記底面から前記放射素子に向けて隆起した隆起部を有する、
   請求項６に記載の放射素子用キャビティ。
8. 前記放射素子と、請求項１～５のいずれか一項に記載の放射素子用キャビティと、を備える、放射素子ユニット。
9. 前記放射素子に給電する給電回路を備え、
   前記給電回路は、前記放射素子に向かうに連れて幅寸法が小さくなるテーパ線路を有する、
   請求項８に記載の放射素子ユニット。
10. 給電されることで電波を放射する放射素子が平面状に形成されており、
    前記放射素子に対して電波放射方向と反対側に導体から成る電波反射面を配置し、
    前記放射素子との間に隙間を空けて前記電波反射面を配置して、前記電波反射面を用いて前記電波を反射し、
    前記電波反射面が、前記電波放射方向に沿った中心軸の全体を含む断面にて、前記放射素子に向かうに連れて前記中心軸から離間する曲部分を有し、
    前記曲部分は、前記断面にて、前記中心軸と直交する方向に前記中心軸から離間するに連れて前記中心軸に対する傾斜角度が増加する、
    電波放射方法。

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