JPH01500314A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 アレーアンテナ この発明はダイポール放射素子の配列（アレー）からなるアンテナに関係してい る。都合上、この発明についての記述及びに 説明の多くが送信サー適した用語全使用するけれども、これが単に便宜上の問題 であることは察知されるであろう。アンテナ及び放射素子は相互の装置であって 、所望により送信モードにおいて且つ又受信モート゛において使用されることが できる。

個別的にはあまシ指向性ではない諸素子の配列？使用して高度に指向性のアンテ ナを作ることは周知である。配列が線形である場合には、アンテナビームは扇形 である。配列が二次元である場合には、ビームはインシルビームである。ビーム の狭さ、従ってアンテナ利得は特に配列（アレー）における素子の数によって影 響される。

任意特定の応用に限定されるものではないけれども、この発明は特定の問題、す なわちＤＢＳ（衛星による直接放送）受信機のための受信アンテナの準備に関連 して考えられた。この目的のためには主として被均面皿形（ディッＶ工）アンテ ナに現在注意が集中している。このようなアンテナは三つすべての寸法において 大きく且つ優雅でない外見をしておシ、住宅区域ににおけるこのようなアンテナ の増加は環境を著しく低下させることになる。このような欠陥金持っておらず且 つ又給電ホーンを支持する支柱のあるディツシュアンテナよシも本質的に丈夫な 構造のものであるアンテナに対する必要性が存在する。

アレーアンテナは丈夫な構造という利点を提供するが、ＤＢＳ使用のためには非 常に高い利得を達成し且つアンテナを所望の静止衛星に向けるための適当な準備 をすることが必要である。

これが（ディツシュアンテナについてのように）純粋に物理的配！によって行わ れるとしたならば、平形の、突出のない構造という利点が大いに失われる。必要 とされることはアンテナ平面全適当な壁面またはできる限り屋根の面に取シ付け ることができることである。更に、アンテナの表面の原寸法は、適当な取付は区 域を見付けることができるべきである場合には妥当な範囲内、例えば辺または直 径において約１ｍ以下でなければならない。それにも拘わらず、多数の素子をま とめて十分な利得を得ることができなければならず、これは素子自体が小形であ る゛ことを必要とする。

この発明の目的は上に概説された諸要件を満たすよう々アレーアンテナを提供す ることである。

この発明によれば、基千面ど放射用導電性パターンとの間にはさまれた誘電体層 金偏えたマイクロストリップ構造において形成されたダイポールの配列からなる アレーアンテナであって、各ダイポールがこれに近接した複数の非励振素子を備 えておシ、すべての非励振素子がグイポールと共に基平面江平行な前部面内にあ って、配列の主ビームが斜視方向に向けられるようになっていることによって特 徴付けられている前記のアレーアンテナが提供される。

各ダイポールは、そのインピーダンスの比較的高いことが給電回路網の設計を容 易にするので、折返しダイポールであることが望ましい。非励振素子は反射器で もよいであろうが、以下で説明される理由のために、導波器であることが望まし い。

察知されることであろうが、ダイポール及び近接の非励振素子によって形成され た放射素子は基平面の法線に対して非対称の放射パターンを必然的に有すること になるが、これは非励振素子が、非励振素子を使用した通常のアンテナの場合と 同様に、照準軸の方向にではなくダイポールから側方へ隔置されているためであ る。これはこの発明によるアレーアンテナにおいて欠点ではない。

周知のことであるが、アレーアンテナのビームは、配列の素子が給電される位相 −いわゆるフェーズドアレー−を調整することによって電気的に制御することが できる。二座標制御が理論的には可能であるけれども、−座標だけの制御が実際 には実用向きである。この発明の重要な展開において、アンテナのビームは、ビ ームの斜視角度及び配列の面におけるアンテナの回転調整を変えるために電気的 ビーム制御によって所要の観察方向に向けられる。これは、アンテナ平面を適当 な面に取り付けることを可能にし、これは配列の面を指定するが、それＫも拘わ らず、配列の法線に対して対称的に配置された立体角の円すい体内のどこへでも ビームを向ける。

電気的ビーム制御は、例えば５°の増分による単なる粗い方向制御を与えること ができる。この場合には取付は面の法線に対するビームの正確な角度はこの面に 対するアンテナの僅かな傾斜によって確立される。この傾斜は２．５°を越える 必要がないので、真に平たんな取付けからの離脱は重要ではない。

この発明の特定の実施例は、波長が約２．５０である１　１．９　ＧＨｚの周波 数で動作するＤＢＳアンテナとしての使用のために開発された。研究の結果わか ったことであるが、素子のピッチはダイポールの方向においては１波長に、しか しグイポールに垂直な方向においては僅か０．５５波長にするべきである。これ は、それぞれ列及び行方向になるようにとられた、グイポール方向ゆ　７００ における約−の素子及び直交方向における約料の素子により高度に指向性の配列 （アレー）ｔ−与える。列の素子はすべて同相であるが、列から列への位相遅延 は、配列に対する法線を中心とする球面極座標における角度φである所望の斜視 方向を達成するように調整される。

行に沿ってのピッチが僅か０．５５波長であるので、非励振素子をグイポールに 対して且つ又相互に極めて接近させて隔置することができることが必要である。

僅か０１波長の間隔に五つの導波器素子全準備することが可能であることがわか っている。

そのように接近した間隔では配列はスーパゲインを持った配列である。５素子未 満では素子の入力インピーダンスが周波数と共にあまりにも急速に変化すること がわかった。実のところ、素子は僅か約４％の帯域幅を持っているが、これはそ れの意図された目的のためには十分である。

アンテナは直線偏波している。ＤＢＳ衛星から放送された信号は円偏波している 。効率のために且つ又偏波面がビーム制御の目的のために選択された角度θによ って任意に指定されることを考慮して、放射素子の配列の前面に偏波変換器（円 から直線へ、平行からダイポールへ）を配置することが望ましい。

この発明は、例として、添付の諸図面？参照して更に詳細に説明されるが、この 諸図面中、 第１図はこの発明によるアンテナについてのビーム制御を図解しておシ、 第２図はこの発明を具体化したアンテナの概略的正面図であって、関連の電気的 原理を図解したものであシ、第３図はアンテナの一つの放射素子の正面図であシ 、また第４図は列間位相遅延を決定するために使用されたマイクロ波レンズを（ 非常に線図的に）示した第２図と同様の図である。

第１図において方形１０は概して南向きの壁部を表しており、この面には平板形 アンテナ１１が取シ付けられていて、これは（ダイポールが垂直に延びている） 直立配置において実線で示されており、壁部の平面内における水平及び垂直の座 標軸Ｘ及びＹ並びに壁部の平面に垂直な水平軸２＝１規定している。ベクトルＯ Ａはアンテナの中心から２軸に平行に、水平直径１３を持った円１２の中心へ引 かれている。ベクトルＯＢはこの水平直径１３上の点Ｂへ引かれていて、ベクト ルＯＡと角度φ１金示している。ベクトルＯＢはダイポールの各列が素子の行間 に所与の位相偏移全停って駆動されたときのアンテナの斜視方向の照準軸を表し ている。ダイポールの列から列へと位相を調整することによって、周知の方法で 、アンテナの観察方向全変更することができ、そしてベクトルＯＡとよシ大きい 角度φ２をなしているベクトルＯＣは、アンテナに対する調整された、よシ高度 に斜視の観察方向を表している。アンテナ１１ヲそれ自体の面内で逆時計回りに 角度θだけ、破線で示された位置まで回転させることによって、ベクトル○Ｃは ベクトルＯＤへと回転させられるが、このベクトルＯＤは静止衛星の向いた、ア ンテナのための所望の観察方向を表している。察知されることであろうが、アン テナをそれ自体の面内で回転させることによって、円１２と交わる任意所望の観 察方向を選ぶことができる。これは斜視角度φ２のそれぞれの可能な値ておいて 適用されるので、Ｚ軸について対称である実質上円錐体の立体角の範囲内におけ る任意所望の観察方向全達成することが可能である。

第２図は直立位置におけるアンテナの高度に記号化された表現である。簡単のた めに、ダイポール１４の５×５配列だけが示されている。ダイポールの各列は垂 直フィーダ１５がら給電されておシ、そして各ダイポールは一波長だけ垂直方向 に隔置されているので、各列におけるダイポールはすべて同相である。

垂直フィーダ１５は共通のフィーダ１６から給電されているが、所望の斜視角度 φ２全達成するように列間位相遅延全調整するために位相遅延素子１７がフィー ダ１６に挿入されている。

第２図はフィーダまたはダイポールの物理的形態全表示するように意図されてい ないので、この発明に使用された非励振素子は示されていない。しかしながら、 第３図は配列の一つの放射素子を詳細に示している。この素子は約１１．９０Ｅ ｌｚの周波数に適するように模擬実験的及び経験的方法の混合によって設計され た。この素子は、基平面とこれに平行な前部面にある放射用導電性パターンとの 間にはさまれた誘電体層からなるマイクロストリップ素子である。第３図に示さ れているのが前記の導電性パターンである。特定の構成においては、導電性パタ ーンは００５胡の厚さのカプトン（Ｋａｐｔｏｎ　）基板上に形成されてぃて誘 電体層は７．２　ｗｍの厚さのマイクロ波用気泡性物質であシ、すなわち導電性 パターンは基平面から７．２　ｍ隔置されている。

その他の誘電体物質（例えば、ＰＴＦＥ）ｔ−使用してもよいが、マイクロ波用 気泡性物質は低原価及び比較的低損失の給電構造の利点を持っている。

今度は導電性パターン自体に移ると、２００オームの平衡給電線は約０．４　ｍ ｍの幅の二つのトラック１８からなっている。この給電線は、素子の入力インピ ーダンスの仮想成分を相殺するために使用された、よシ狭い（０，２ｍ））ラッ ク１９によって形成された４００オーム線の短い長さく１．９ｍ）のものによっ てダイポールに結合されている。この技術は狭い帯域幅にわたって機能するだけ であるが、所要の帯域幅が４％であればよいＤＢＳ用に設計されたアンテナにお いては満足なものである。折返しグイボール自体は０．２　ｍの幅の後面素子２ ０及び０４簡の幅の前面素子２１からなっている。ダイポールの全長は１０．４ 　Ｗである。前面素子２１に近接して、互いに隔！され且つ前面素子２１から０ ．３ｍだけ隔置された、０２寵の幅の五つの導波器２２がある。導波器素子２２ は８．８ｍの長さを持っている。

アンテナのための給電回路網は、４：１のインピーダンス変成全導入する平衡不 平衡変成器によって平衡２００オーム線路に結合すれた５０オーム不平衡マイク ロストリツプ線路に接続された５０オーム不平衡同軸線？利用することができる 。そのような平衡不平衡変成器は半波長のマイクロストリップ線路からなること ができる。不平衡マイクロストリップ線路は上方基平面が第２のマイクロ波用気 泡性物質の層によって給電線の上方で１．６ｍｍ隔置されている。この上方基平 面は放射素子自体の近くには延長していない。

第３図の導電性・ξターン全利用した放射素子は広範囲に試験されて、満足な入 力インピーダンス、８　ｄＢｉとｇ　ａＢｌとの間の絶対利得、並びに満足なコ ポーラ及びクロスポーラ指向肴性金呈した。コポーラ指向特性はＨ面において所 要の素子形状を呈し且つＥ面においてダイポールパターンを呈した。Ｅ面におけ るクロスポーラ放射レベルはかなシ高いオフブロードサイｌ−”であったが、こ れは、ブロードサイドがこの面における主ビームの所望の方向であるので、アレ ーアンテナにおいては重要でないであろう。

位相遅延素子は、配列の後面に取シ付けられていて、配列ポート２６経由で異な った列に、所要の斜視角度全確立するように異なった経路長位相遅延を伴ってエ ネルギー全分配するマイクロ波レンズ２５（第４図）からなることができる。こ のレンズには複数のビームポート２７があって、この各ポートは異なった斜視角 度に対応しており、且つ共通のフィーダ１６が所要の斜視角度を与えるポート２ ７に結合されている。この構成は斜視角度の粗い調整全可能にするにすぎないの で、微細調整は取付は面１０に対するアンテナ１１（第１図）の僅かな傾斜によ って完成される。

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Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．基平面と放射用導電性パターンとの間にはさまれた誘電体層を備えたマイク ロストリップ構造において形成されたダイポールの配列からなるアレーアンテナ であって、各ダイポールがこれに近接した複数の非励振素子を備えており、すべ ての非励振素子がダイポールと共に基平面に平行な前部面にあって、配列の主ビ ームが斜視方向に向けられるようになっていることによって特徴付けられている 前記のアレーアンテナ。
2. ２．各ダイポールが折返しダイポールである、請求項１に記載のアレーアンテナ 。
3. ３．非励振素子が導波器素子である、請求項１又は２に記載のアレーアンテナ。
4. ４．電波器素子が接近して隔置されていて配列がスーパゲインで動作するように なっている、請求項３に記載のアレーアンテナ。
5. ５．各ダイポールが、これの動作周波数における波長の１０分の１を越えない間 隔内に五つの近接した導波器素子を備えている、請求項４に記載のアレーアンテ ナ。
6. ６．ダイポール及び非励振素子が、誘電体層上に支持された絶縁薄膜上の導電性 付着物によって形成されている、請求項１ないし５の何れか一つに記載のアレー アンテナ。
7. ７．誘電体層がマイクロ波用気泡性物質の層である、請求項１ないし６の何れか 一つに記載のアレーアンテナ。
8. ８．ダイポールがマイクロストリップ平衡形線路フィーダによって給電される、 請求項１ないし７の何れか一つに記載のアレーアンテナ。
9. ９．マイクロストリップ平衡形線路フィーダが短い長さのより高いインピーダン スの平衡形線路によって各ダイポールに結合されている、請求項８に記載のフレ ーアンテナ。
10. １０．素子が列に並べられており、且つアンテナの斜視角度を調整するために列 から列への遅延を確立する位相遅延装置を備えた給電回路網が含まれている、先 行する何れか一つの請求項に記載のアレーアンテナ。
11. １１．位相遅延装置が、素子のそれぞれの列に結合された配列ポート、アンテナ の異なった斜視角度に対応するビームポート、及びビームポートの選択された一 つに共通のフィーダを結合するための装置を備えている、請求項１０に記載のア レーアンテナ。
12. １２．アンテナが支持面に対して平たんに取り付けられており且つアンテナの斜 視角度及び方位をそれ自体の面内で選択することによって信号源に向けられてい る、請求項１０に記載のアレーアンテナの使用方法。
13. １３．アンテナが、支持面に対してほぼ平たんに取り付けられており、且つビー ムポートの一つを選択して、これにより斜視角度の粗い選択を行うことによって 、支持面に対するアンテナの傾斜を調整して支持面の法線に対する斜視角度の微 細調整を行うことによって、且つアンテナの方位をそれ自体の面内で調整するこ とによって信号源に向けられている、請求項１１に記載のアレーアンテナの使用 方法。
14. １４．近接した線形配列において並べられた複数の放射素子、及びアンテナの斜 視角度を決定するために線形配列から線形配列への調整可能な位相遅延を確立す るための装置を備えた線形配列間の給電回路網、からなるアレーアンテナを空間 における所定の点に向ける方法であって、斜視角度を選択する段階及びアンテナ をそれ自体の面内で回転させる段階を含んでいる前記の方法。
15. １５．調整可能な位相遅延を確立するための装置がマイクロ波レンズである、請 求項１４に記載の方法。
16. １６．調整可能な位相遅延を確立するための装置が斜視角度の粗い選択だけを行 い且つ微細な選択がアンテナの傾斜の調整によって行われる、請求項１４又は１ ５に記載の方法。