JPH02156707A - 平面アンテナ - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、衛星放送受信用の平面アンテナに関する。

［従来の技術］ 一般に衛星放送受信用の平面アンテナは、微弱なマイク
ロ波信号を受信するために高利得が要求され、その構造
は面積を大きくして多数の放射素子を平面上に配置し、
各放射素子と給電線路とを電磁界結合させるもので、受
信合成された衛星からの信号は低雑音コンバータを経て
受信機に導かれる。

従来、衛星放送受信用の平面アンテナの給電線路として
は小型軽量化に適したストリップ線路が一般に使用され
ている。また、ストリップ線路としては、接地導体と帯
状導体とからなるマイクロストリップ線路または上下接
地導体の間に帯状導体を配した３導体層からなるトリプ
レートストリップ線路が使用されている。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これらストリップ線路はマイクロ波信号
に対する線路損失が導波管に比較して数１０倍程度と大
きく、平面アンテナの面積を大きくすると給電線路長が
増大し、線路損失のためにマイクロ波が減衰するので、
面積を大きくした割には利得が向上せず、アンテナの性
能指数の１つである開口効率が低下するという問題があ
った。

一方、導波管を平面アンテナの給電線路として使用した
場合は、線路損失を低減することができる反面、導波管
の断面寸法が約半波長以上と大きいために放射素子を励
振する給電回路方式に制約がある。例えば放射素子毎に
給電線を設ける並列給電方式では一般的に放射素子の間
隔が過大となって特性が劣化してしまうし、これを避け
るために進行波給電により素子毎の結合度を変えて励振
を一様化するなど複雑な構成とすると、設計性が悪くな
ってしまう。

なお、平面上に多数の放射素子を配列したアレーアンテ
ナ、すなわち平面アンテナでは、アンテナ特性を良好に
保つために放射素子の間隔は設計上駒０．９波長以下に
することが必要であり、特に各放射素子の励振位相を変
えて主ビームの方向を放射素子の配列面に垂直な方向か
ら変える、いわゆるビームチルトを掛ける場合、放射素
子間隔はさらに狭＜、０．７波長以下にすることが必要
となる。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、単
純な構成で小型化でき、かつ高性能な平面アンテナを提
供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、給電線路として、導体表面に設けた溝の底の
中央部を突起させ、底部をカットオフ周波数の低い導波
構造、表面開口部をカットオフ周波数の高い遮断構造と
した、表面からの加工性がよく断面寸法が標準導波管よ
り著しく小さくできる一種のリッジ導波管を用い、放射
素子をこのリッジ導波管のリッジ部に接近させることで
、線路と放射素子とを電磁界結合させたものである。

［作用］ 上記のような構成とすれば、線路幅が狭いために、スト
リップ線路の場合には一般的に用いられている２分岐回
路を組合わせた放射素子に給電するところの簡単な並列
給電方式が使用でき、これによって放射素子の配列間隔
を０．９波長以下にすると同時に給電線路の線路損失を
標準導波管曲に小さくでき、結果として小型で高効率の
アンテナとすることができる。

［実施例］ 以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は給電線路として用いられるリッジ導波管の断面
構造を示すもので、図示するようにリッジ導波管１はそ
れぞれ金属導体で形成された導波管本体部２とその上面
を被覆するシールド板３とからなる。導波管本体部２に
は幅Ｗ１深さＨの溝４が形成され、その中央部に幅ｔ、
４分の１波長またはそれ以上の高さｈを有するリッジ部
５が設けられる。ここでは、溝４の断面横幅Ｗは、３／
８波長前後を標準値として設計するものとする。また、
リッジ部５の頂部６からシールド板３までの距離ｒＨ−
ｈＪは、リッジ部５を挟む両側の間隙寸法ｂ′以上とす
る。すなわち、本発明の導波管の断面は、横幅が高さと
同程度、またはそれ以下とする。

第２図は上記第１図で示したリッジ導波管１のの動作原
理を示す図である。

リッジ導波管１にてマイクロ波を伝送する場合、導波管
内のＲＦ（高周波）電界を図中に矢印で示すように、リ
ッジの頂部６付近を除いて、電界は大部分水平方向に発
生する。これは、標準的なリッジ導波管が横幅が比較的
大きく、垂直なＲＦ電界主体となるのと対照的である。

上記のように標準とは異なる寸法構成のリッジ導波管１
とした結果、リッジ頂部６とシールド板３との距離ｒＨ
−ｈＪとの間隔を大きく設定したので、シールド板３に
至る電気力線が少なく、これは距離ｒＨ−ｈＪをより大
きく設定するにつれてさらに顕著となる。一般に電気力
線が導体面上に終端すると電荷を誘起し、電荷を作るた
めの電流がそこに流れる。

上記リッジ導波管１の断面に紙面方向に沿って流れる電
流は、溝４の底部で最大となり、開口部７に近付くにつ
れて減少する。高周波電流の流れる導体表面は極力電気
伝導度をよくするこが必要である。接触接合面は抵抗が
大きいので、電流値の大きいところに設けることを避け
なければならない。上肥リッジ導波管１は、導波管本体
部２とシールド板３との構造上の接合面を電流最小点に
配置した結果、上記接合面をろう付けや強力な締付は等
による手段を省略した製造上簡単な構造としたとしても
、接合面を横切って流れるＲＦ雷電流少なく、接合面で
発生する高周波損失を無視できる程度に充分小さくする
ことができる。その結果、衛星放送の動作周波数１２Ｇ
Ｈｚにおいて、溝４の横幅Ｗを３／８波長に選んだとき
の線路損失は、ストリップ線路の数十分の−である、０
．５ｄＢ／　ｍ程度と、通常の導波管レベルとすること
ができる。

また、上記リッジ導波管１の特性は、高さｂ′横幅ｒ２
ｈ＋ｂ’　＋ｔＪの寸法を有する一般的な構造の導波管
と等価であり、この一般的な導波管に比して線路の断面
横幅寸法を大幅に小さくできるにもかかわらず、従来の
設計手法がほぼそのまま適用できる。

次に第３図を用いて上記第１図とほぼ同様の構造をより
簡単な製造方法により実現した例を示す。

この場合、シールド板３として上記第１図に示したもの
よりも肉厚のものを用い、導波管本体部２に形成する溝
４の深さをリッジ部５の高さｈとする一方で、導波管本
体部２の溝４に当接される位置に深さｊＨ−ｈＪ、幅Ｗ
の溝８を形成し、これら導波管本体部２とシールド板３
とを接合してリッジ導波管１を構成するものである。こ
うして作成されたリッジ導波管１は上記第１・図と同様
の断面形状を有し、導波管本体部２に形成する溝４の深
さが第１図のものに比して浅いものであるために製造上
の加工が容易であり、また、シールド板３の材料の厚さ
が増すためにアンテナとしての機械的な強度が向上する
ものである。この第３図の構成による場合、導波管本体
部２とシールド板３との接触接合面の位置がより低くな
るが、ここを横切って流れる電流の大きさについては上
記第１図での説明で述べたようになお小さく、充分低い
損失であるので、製造時の加工の容易さから、より実用
性が高いものとなる。

続く第４図は他のリッジ導波管の構成を示すものである
。同図で導波管本体部２は上記第３図と同様にリッジ部
５の高さｈ分だけ溝４を形成したものであり、これに対
してシールド板３には溝４の幅Ｗより大きな、上側が大
径となる階段状の開ロスロット９を形成する。そして、
この開口スロット９の左右の小径側の開口側壁上部に、
リアクタンス装荷素子としてそれぞれ長さを異ならせた
フィン１０．１１を取付け、放射素子１２を構成するも
のである。

このような構成においては、リアクタンス装荷素子とな
るフィン１０．１１はそれらの長さによって開口スロッ
ト９の直交する２つの電磁界モードの共振周波数を制御
する作用を有し、２つの共振周波数を動作周波数中心値
の上下に設定し、線路と電磁界結合させる。動作周波数
付近において励振された、上記両型磁界モードは、２つ
の共振周波数により、振幅が等しく位相が９０度異なる
ように設定することが可能で、こうすることにより円偏
波を発生させるようにすることができる。

次いで上記のように構成したリッジ導波管を用いた平面
アンテナの構成について述べる。

第５図はその構成を側面より示すもので、外観上、平面
アンテナ１３は上記第１図乃至第４図で示してきた給電
線路を配設した導体基板Ｉ４、この導体基板１４上に積
層形成された後述する放射電極板等を保護するための絶
縁体カバー１５、受信した信号が集約されるコーナー導
波管１６、コーナー導波管１６を介して送られてきた信
号を増幅し、中間周波数の信号に変換する低雑音コンバ
ータ１７等から構成される。

第６図は上記第５図に■で示した部分の断面構造を示す
ものである。平面アンテナ１３は、給電線路が設けられ
た導体基板１４上に多数の放射素子配列を有する放射電
極板１Ｂ、発泡絶縁体材料１９、上記絶縁体カバー１５
が順次積層され、一体にして構成されるものである。

また、第７図は上記第５図の■で示した部分の主にコー
ナー導波管１６を中心とした断面構造を示すものである
。コーナー導波管１６はＥ面９０６ベンド形の導波管か
らなり、導体基板１４に設けられた導波管開口２０に接
続される。この導波管開口２０とリッジ導波管給電部２
２との間に、モード変換と整合の作用をなす導波管−リ
ッジ導波管変換部２１が配設される。

続いて第８図乃至第１０図によりリッジ導波管による並
列給電方式を用いた４放射素子からなる基本アレーの構
成について説明する。実際の平面アンテナ１３の放射素
子の数は、５１２〜１０２４素子程度が使用されるが、
動作原理は同様であるので、以下本図によってその構造
を示す。なお、アンテナの受動回路部は可逆回路である
ので、説明の便宜上、アンテナの信号端子から信号を入
力し、送信動作をさせた場合の信号の流れに沿って説明
を行なう。

第８図に示すように基本アレー３０は、給電回路部が設
けられた導体基板３９と、導体板で構成され、多数の放
射素子を配列形成した放射素子層４１とからなる。

導体基板３９には、給電線路として、横幅が３／８波長
の満３１の底部に高さが１／４波長よりやや大きいリッ
ジ２９を設け、放射素子ＩＶＩ４１の導体裏面に浅い溝
３３を設けて構成した上記第３図に示したものと同様の
断面構造を有する変形リッジ導波管を配設する。

リッジ部２９は、その延長した先が信号を２分するため
に設けられたＴ分岐回路３４に接続される。

Ｔ分岐回路３４は２本の線路が並列にして１本の線路に
接続されるもので、ストリッ・ブ線路を用いる場合と同
様の手段により、分岐点に特性インピーダンスを適当な
値にした１／４波長線路インピーダンスが挿入される。

変形リッジ導波管の特性インピーダンスは、リッジ２９
の両端の溝の幅を変化させることにより可変可能である
。

Ｔ分岐回路３４によって分岐された信号はさらにＴ分岐
回路３５．４９によりそれぞれ２分され、放射素子４４
．４８、放射素子４６．４７を並列給電方式によって励
振する。

励振用変形リッジ導波管５１は、外状の満４０の中央部
に、第９図に示すように一端が短絡され、他端が開放さ
れたリッジ３８が配置されて構成されるもので、このリ
ッジ３Ｂの側面３７にＴ分岐回路３５から分岐し、結合
度調整用の切込み部５０を有する線路の端部３６が接続
される。リッジ３８の上部に接近した位置には、方形の
開口４３の２つの対角線上に長さの異なる２組のフィン
４２．４５が直交するように構成された放射素子４４が
配設される。

第１０図に示す如く放射索子４４の向きは他の３つの放
射素子４Ｂ、　４７．４８と同様であり、放射素子４４
の励振用リッジ導波管５１の向きも第９図に示す如く３
つの放射素子４ｆｉ、　４７．４８それぞれの励振用リ
ッジ導波管５１と同様に一端が短絡、他端が開放となる
。そして、放射素子４４．４６においては相当する励振
用リッジ部に図の右方向から、放射素子４７、４８にお
いては相当する励振用リッジ部に図の左方向から給電が
なされることとなる。

励振用リッジ導波管５１にお−いては、リッジ３８の頂
部に線路の長さ方向にＲＦ雷電流流れ、同線路開放端の
頂部周辺で大となるような分布の電界が発生する。

各々の励振用リッジ導波管は動作周波数付近に同調され
た共振器として動作し、放射素子と電磁界結合されるた
め、共振器電磁界は給電線路側の電磁界に比して充分に
大きく、上記した如く給電線路の向きが左右異なってい
ても４個の放射素子４４、４Ｂ、　４７．４８をほぼ同
じ向きの電磁界で励振することができる。こうして給電
線路から共振器に給電して励振させることにより、給電
線路のＱ倍の電流が共振器に流れ、給電線電流の流れ方
向の相違による影響を共振器の向きを同じとすることに
よって充分小さくし、また、放射器との結合をより強く
して広帯域な周波数特性とすることができる。

一般に放射素子の開口寸法が小さいとき、放射抵抗は線
路特性インピーダンスよりも高くなりがちであり、整合
の工夫が必要となる。上記線路の端部３Ｇに設けた切込
み部５０は、共振器として動作する励振用リッジ導波管
５１との結合度を適したものとするためのものであって
、切込みの深さを増すと結合面積が減少し、結合点から
見たインピーダンスが低下する。また、リッジ３８との
接合面をリッジ３８の短絡端に近接された場合も低イン
ピーダンスとなり、これらの選択により所望の値にイン
ピーダンスを設定するようになる。

放射素子４４のフィン４２．４５は、放射素子４４の対
角線方向の直交した２つの共振周波数を動作周波数の上
下に設定することにより、励振用変形リッジ導波管５１
からリッジ３８の長さ方向の向きの電磁界を誘起させ、
両者の位相差が９０″のときに放射素子４４を円偏波の
放射素子として動作させる。

なお、本発明の放射素子構成においては、放射素子系の
モードと励振回路系が２個の共振回路を結合したものに
なる結果、励振用リッジと放射素子との間隔を１／８波
長程度かまたはそれ以下に調節して最適な結合状態とす
れば、ラジオの中間周波数トランスの２重同調回路と同
様の広帯域でフラットな伝送特性を実現することができ
る。

また、本実施例において、放射素子は開口素子を使用し
、その開口寸法を小さくするために開口部に容量性リア
クタンス素子としてのフィンを装荷したものを使用した
が、これらの代わりに、任意の形状に変形させた放射素
子を使用することも可能である。

さらに、放射素子としては動作周波数付近で単一モード
のものを用い、直線偏波の平面アンテナとして動作させ
ることを容易である。

上記実施例での放射素子層は、導体板に放射素子の開口
またはスロットを加工して配置したものを示したが、こ
れを絶縁体の両面または片面にプリント基板技術で構成
した導体バッチ素子パターンあるいは開口スロットを設
けたもので代用することもできる。

上記第８図乃至第１０図で放射素子及び励振用リッジ導
波管の向きを同一の方向に揃えたが、円偏波特性を改善
するために、プリント基板によるバッチアレーアンテナ
で一般に行なわれているように、幾何学的に隣接するも
のどうしの方向をそれぞれ９０°ずつ変化させ、励振位
相も適正化する手段を用いてもよい。

さらにまた、上記実施例の形式の平面アンテナを変形し
、単一放射素子の代わりに、ストリップ線路給電線で結
合された複数個の放射素子からなるアレー素子を用い、
放射素子またはストリップ線路の給電部に励振用変形リ
ッジ導波管を電磁界結合させて動作させることも可能で
ある。この場合、平面アンテナの給電線路の大部分に、
損失の少ない本発明の変形リッジ導波管を用い、２個程
度の放射素子の周辺の給電線路にストリップ線路を用い
れば、線路長が短いので損失を無視することができ、自
由度の高い給電線路の配置が可能であり、両線路のメリ
ットを活かした設計とすることができる。

［発明の効果］ 以上詳記した如く本発明によれば、給電線路として、導
体表面に設けた溝の底の中央部を突起させ、底部をカッ
トオフ周波数の低い導波構造、表面開口部をカットオフ
周波数の高い遮断構造とした、表面からの加工性がよく
断面寸法が標準導波管より著しく小さくできる一種のリ
ッジ導波管を用いて、放射素子をこのリッジ導波管のリ
ッジ部に接近させることで線路と放射素子とを電磁界結
合させたので、線路幅が狭いために簡単な並列給電方式
が使用でき、これによって放射素子の配列間隔を０．９
波長以下にすると同時に給電線路の線路損失を標準導波
管曲に小さくでき、結果として小型で高効率のアンテナ
とすることができる衛星放送用の平面アンテナを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の一実施例を示すもので、第１図はリッジ
導波管の一構成例を示す断面図、第２図は第１図の動作
原理を示す断面図、第３図及び第４図はリッジ導波管の
他の構成例を示す断面図、＆ 第５図は平面アンテナの構成を示す側面〆、第６図は第
５図の■部の断面構成を示す図、第７図は第５図の■部
の主にコーナー導波管の断面構成を示す図、第８図は第
５図の平面アンテナに用いられる基本アレーの構成を示
す斜視図、第９図は第８図のＥＸ−ＥＸ線に沿った導体
基板の構成を示す断面図、第１０図は第９図の導体基板
に対応する放射素子層の構成を示す平面図である。 １・・・リッジ導波管、２・・・導波管本体部、３・・
・シールド板、４．８・・・溝、５・・・リッジ部、６
・・・リッジ頂部、７・・・開口部、９・・・開口スロ
ット、１０、１１．４２．４５・・・フィン、１２・・
・放射素子、１３・・・平面アンテナ、１４・・・導体
基板、１５・・・コーナー導波管、１７・・・低雑音コ
ンバータ、１８・・・放射電極板、１９・・・発泡絶縁
体材料、２０・・・導波管開口、２１・・・導波管−リ
ッジ導波管変換部、２２・・・リッジ導波管給電部、２
９．３８・・・リッジ、３ト・・基本アレー３４、３５
．４９・・・Ｔ分岐回路、３９・・・導体基板、４０、
４１・・・放射素子層、４３・・・方形開口、４４．４
６〜４８・・・放射素子、５０・・・切込み部、５１・
・・励振用変形リッジ導波管。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１図 第２図 第 図 第 図 −の −Ｓの 第 図 第 図

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）マイクロ波を給電する給電線路として、幅が高さ
   以下であり、その上面を導体シールド板で構成した方形
   導波管の底部中央に、約４分の１波長以上の高さを有し
   、かつ、その頂部から上記導体シールド板までの間隔を
   方形導波管側壁との間隙以上としたリッジ部を設けたリ
   ッジ導波管からなる給電線路を備えたことを特徴とする
   平面アンテナ。
2. （２）電磁放射素子を配列した放射電極層と、前記電磁
   波放射素子に電磁界結合した給電線路とを備えた平面ア
   ンテナにおいて、 給電線路となる導波管として、放射素子または放射素子
   の給電部との間隔を約８分の１波長以下としたリッジ部
   を有するリッジ導波管を用い、このリッジ導波管と前記
   放射素子または放射素子の給電部とを電磁界結合したこ
   とを特徴とする請求項（１）記載の平面アンテナ。
3. （３）上記リッジ導波管の電磁放射素子に結合する部分
   はリッジ導波管の末端部を短絡端または開放端として線
   路に定在波を立て、リッジ導波管と上記前記放射素子ま
   たは放射素子の給電部とを電磁界結合したことを特徴と
   する請求項（２）記載の平面アンテナ。
4. （４）放射素子直下のリッジ導波管を、両端それぞれを
   短絡または開放した４分の１波長の整数倍の長さを有す
   る共振器とし、かつリッジ導波管からなる給電線路と上
   記共振器との間を結合したことを特徴とする請求項（２
   ）記載の平面アンテナ。
5. （５）リッジ導波管の給電線路の給電端からの信号を２
   分岐回路の組合せにより多数分岐し、放射電極層の複数
   個の放射素子に結合させることを特徴とする請求項（４
   ）記載の平面アンテナ。
6. （６）放射電極層は金属板にスロットを形成したもので
   構成したことを特徴とする請求項（５）記載の平面アン
   テナ。
7. （７）放射電極層は絶縁体板上の金属薄層からなるスト
   リップ線路アンテナで構成したことを特徴とする請求項
   （５）記載の平面アンテナ。
8. （８）リッジ導波管給電線路が複数個の分岐端に分岐さ
   れ、放射電極層上の複数個の放射素子がストリップ線路
   で結合された放射素子対からなり、前記ストリップ線路
   部とリッジ導波管線路とを電磁界結合させたことを特徴
   とする請求項（３）記載の平面アンテナ。
9. （９）ストリップ線路給電部がトリプレート線路からな
   ることを特徴とする請求項（８）記載の平面アンテナ。