JPH0435401A - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、衛星放送などに用いて好適な円偏波用の平面
アンテナに関する。

［従来の技術］ 以下の説明では、すべて送信アンテナとして用いる場合
を例に取って説明するが、相反定理に従い、受信アンテ
ナとしても使用できる。

軸対称モード導波手段は、ラジアル導波路あるいはラジ
アルラインとも呼ばれる。このラジアル導波路を用いた
平面アンテナとしては、これまでラジアル導波路とスロ
ット素子を用いたラジアルラインスロットアンテナが提
案されており、種々の文献（例えば、高橋応明、高田潤
−５安藤真、後藤尚久ｒ−層構造うシアルラインスロッ
トアンテナの基本的検討」電子情報通信学会技術報告、
ＡＰ８９−５４）や、特許出願公開昭和５７−８７６０
３号、６０−１９９２０１号、６０へ１９９２０２号、
　６０−１９９２０３号、　６０−２００６０２号、平
成１−４６３０５号などに記載されている。

このうち、実用性を持つのは、１つの伝搬層を有し電波
が中央から半径方向外側に伝搬する過程で少しずつ電波
を放射する一層構造のものである。

第１図には、−層構造ラジアルラインスロットアンテナ
の平面図、第２図には断面図を示す、ラジアル導波路１
は平行に配置された円形の上部導体板２および下部導体
板３より構成される。下部導体板３の中央には、給電部
４が接続されていてここから電力が供給される。給電さ
れた電力はラジアル導波路ｌの内部を軸対称外向き円筒
波として伝搬する。その際、上部導体板２には空間的及
び電気的に直交するように配置された２つのスロット素
子５Ａ、５Ｂを対として構成されるスロットベア５がス
パイラル状に配置しである。参考のため、このスパイラ
ル線を第１図に破線で示した。

このような−層構造では、導波路内の内部電磁界ｆ（ｒ
）は、スロットの長さがすべて一定である場合、ｆ（ｒ
）＝Ａｅｘｐ（−（ａ　＋ｊｋ）ｒ）／、ｒ丁（１）で
表され、これに対する開口電力分布Ｕ（ｒ）は（１）を
用いて、 Ｕ（ｒ）＝α　ｆ（ｒ）　　２ ＝αｅｘｐ（２αｒ）　／ｒ　　　　　　　　　　　（
２）で表される。Ａは比例係数、ｋは伝搬定数、　ｒは
半径、αは半径方向単位長さあたりに放射される電力の
比例係数（非負）であり、結合係数と呼ぶ。

二の場合、内部電磁界は、仮にスロット素子５による放
射がなくてもＣα＝０）、中心で非常に大きく１周囲に
いくほど弱くなる。これに加えてスロット素子５からの
放射があるとα〉０となるので、外側にいくほどより急
激に電磁界が弱まる。

従って、このような−層構造では、開口分布（２）を−
様とする。すなわち、各素子からの電波の放射強度を一
定とするために、結合係数をを外周で大きく中央ほど小
さくする必要がある。すなわち式（＋＞において、αを
定数とせず、ｒの関数として変化させる。具体的には、
スロットの長さをｒの関数として変化させることにより
開口面電界分布を一様としている。

また、結合係数を場所により変化させる手段の別の例と
しては、導波路の厚さをｒの関数として変化させる、す
なわち第１図の下部導体板３を円錐形等にする方法も提
案されている。この場合。

厚さが薄い方が結合係数αが大きくなるので中心付近を
厚く、外側に向かって薄くする。

一方、ラジアル導波路を用いた他の平面アンテナの例と
して、ラジアル導波路とヘリカル素子を用いた平面アン
テナ（例えば、中野久松、武田陽夫、三巻寒椿、山内潤
治「高能率超低姿勢へリカルアレーアンテナＪ　　１９
８９年電子情報通信学会秋季全国大会、Ｂ−２９）、ラ
ジアル導波路とマイクロストリップ素子を用いた平面ア
ンテナ（例えば、斉藤作義、羽石操、安藤真「ラジアル
導波路を用いるマイクロストリップアレーアンテナ」電
子情報通信学会技術報告、ＡＰ９０−７＞などが提案さ
れている。第３図には、マイクロストリップ素子を用い
たラジアル導波路アンテナの平面図、第４図には断面図
を示す、第１図のラジアルラインスロットアンテナと異
なる点は、放射素子として、スロットベア５の代わりに
誘電体基板６上に構成された円偏波マイクロストリップ
素子７を使用する点である。マイクロストリップ素子７
は給電ピン８によって導波路内の電力と結合する。

また、第５図には、ヘリカル素子を用いたラジアル導波
路アンテナの平面図、第６図には断面図を示す、第３図
の例と異なるのは、放射素子にヘリカル素子９を用いた
点である。いずれの構造でも、放射素子は導波路中に挿
入されたピンによって給電されている。これらのアンテ
ナでも、ラジアルラインスロットアンテナ同様、開口面
電界分布を一様とする必要がある。これまでは、各素子
（ヘリカルまたはマイクロストリップ）の形状を同一と
し、結合ピンの挿入長をｒの関数として変化させること
により実現していた。

一方、方形導波管をもちいた平面アンテナも、ラジアル
導波路を用いた場合と同様に、スロットを放射素子とし
た場合（例えば、後藤尚久「−層構造の導波管型平面ア
ンテナ」昭和６３年電子情報通信学会秋季全国大会、Ｂ
−４７）、ヘリカルを素子とした場合（例えば、Ｈ，Ｎ
ａｋａｎｏ。

Ｎ、Ａｓａｋａ　　ａｎｄ　　Ｊ、Ｙａｍａｕｃｈｉ。

”５ｈｏｒｔ　　ｈｅｌｉｃａｌ　　ａｎｔｅｎｎａａ
ｒｒａｙ　　ｆｅｄ　　ｆｒｏｍ　　ａ　　ｗａｖｅｇ
ｕｉｄｅ　　　ＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉ。

ｎｓ　　ｏｎ　　Ａｎｔｅｎｎａｓ　　ａｎｄ　　Ｐｒ
。

ｐａｇａｔｉｏｎ、ｖｏｌ、３２．ｐｐ、８３６−８４
０）、マイクロストリップを素子とした場合（例えば、
斉藤作義１羽石操、安藤真「ラジアル導波路を用いるマ
イクロストリップアレーアンテナＪ　　１９９０年電子
情報通信学会春期全国大会、Ｂ−１４２）が考えられる
。この場合、ラジアル導波路と同様に、電波が導波管の
長さ方向に伝搬する過程で少しづつ電波を放射する構造
である。

スロットを配置したアンテナは導波管スロットアレーと
呼ばれ、すでに一般に実用化されている。

このような構造では、導波管内の内部電磁界ｆ（ｘ）は
、スロットの長さがすべて一定である場合、ｆ（ｘ）＝
Ａｅｘｐ（−（ａ　＋ｊｋ）ｘｉ　　　　　　　（３）
で表され、これに対する開口電力分布ＩＪ（ｘ）は（３
）を用いて、 Ｕ（ｘ）＝・α　ｆ（λ）１２ ＝αｅｘｐ（２αＸ）　　　　　　　　　　　　　Ｃ４
）で表される。Ａは比例係数、ｋは伝搬定数、Ｘは給電
部からの距離、αは伝搬方向単位長さあたりに放射され
る電力の比例係数（非負）であり、結合係数と呼ぶ、こ
の場合も式（４）を一定とするためには、ラジアル導波
路を用いた場合と同様に。

結合係数αを距１１ｆｔｘの関数とする必要がある。具
体的には、スロットの長さをＸの関数として変化させる
ことにより、−株分布を実現する。

第７図にはマイクロストリップ素子を用いた導波管アン
テナの平面図、第８図には第７図のＡ−Ａ線の断面図を
示す、第３図の例と比較すると、ラジアル導波路の代わ
りに導波管１０を用いる点のみが異なっている。また、
第９図にはヘリカル素子を用いた導波管アンテナの平面
図、第１０図には第９図のＡ−Ａ線の断面図を示す、こ
れも第７図の例とは放射素子がマイクロストリップ素子
の代わりにヘリカル素子９となっている点だけが異なる
。これらの場合についても、ラジアル導波路を用いたア
ンテナの場合と同じように、放射素子は導波管中に挿入
されたピンによって給電されており、開口面分布を一様
とするために、ピンの挿入長をＸの関数として変化させ
ている。

［本発明が解決しようとする課題］ ラジアルラインスロットアンテナあるいは導波管スロッ
トアンテナにおいては、スロットの長さは自由に変えら
れる。ところが、スロットの向きを変えるとスロット結
合量が大きく変わるため、任意の方向にスロットを配置
する事は許されず、結合量と偏波条件の両方により制約
される。さらにスロットからの放射位相は制御できない
ため、スロットの励振位相条件からスロットの位置は決
定されてしまう、したがって、設計に多くの制約が加え
られるために、たとえば正面方向以外の方向の電波を受
けるようなビームチルト構造はスロットの励振位相を制
御しなくてはならないため、その実現が非常に難しい。

一方、放射素子にヘリカルやマイクロストリップ素子を
用いた場合は、素子を回転することにより自由に放射波
の位相を制御する事が可能である。

従って、正面方向に放射する平面アンテナを構成し、素
子を給電ピンを軸として回転するだけでビームチルト型
のアンテナが実現される。ところが、導体板に穴をあけ
るだけのスロットに比べると。

外側から素子を挿久しなくてはならないために製作が非
常に複雑である。ピンの挿入長の制御は、特に難しく大
量生産に全く適さない。

本発明は、大別して２種類に分けられるこれらの平面ア
ンテナの利点を組み合わせ、量産に適し、なおかつビー
ムチルト動作を簡単に実現することができる平面アンテ
ナを提案するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の平面アンテナはラジアル導波路あるいは方形導
波管上に、複数個のマイクロストリップ素子またはヘリ
カル素子を放射素子として配列し、当該導波路もしくは
導波管に挿入された電力結合用ピンにより励振される形
式の平面アンテナであって、各当該放射素子の結合量を
、結合用ピンの長さは一定とし、マイクロストリップ素
子にあってはその太きさもしくは形状を変化させること
により、ヘリカル素子にあってはその巻き径、巻き数あ
るいは巻き間隔を変化させることにより、制御する構造
である。

［作用コ 給電ピンの長さを一様とすることによって、当該ピンの
挿入長の制御が不要となるために大量生産に非常に適し
た構造となる。特に、給電ピンを対向する導体壁に接触
する構造とした場合、素子の位置が固定されるため、機
械的安定度が向上する。さらに、従来のビームチルト特
性はそのまま実現できるために、スロットを用いた場合
に比べ応用範囲が広い、また、マイクロストリップ素子
の場合、全素子を１枚の基板上に構成することが可能で
あるため、素子本体の製作工程は従来の同一素子アレイ
の場合と何ら変わりがない、すなわち、大幅な生産工程
の簡略化が見込まれる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１１図は、本発明の請求範囲（１）に係る一実施例で
ある円偏波用平面アンテナの平面図、第１２図は同断面
図、第１３図は放射素子である円形マイクロストリップ
素子の平面図、第１４図は同断面図である。ラジアル導
波路１の中央には、給電部４が接続されている。また、
ラジアル導波路ｌ上に設けられた誘電体基板６上には多
数の円偏波円形マイクロストリップ素子７が配列されて
いる。この例では破線で示す同心円上に素子が配列され
ているが、これは設計を簡単にする目的だけであり、必
ずしも同心円上に配列されている必要はない、各マイク
ロストリップ素子は給電ピン８によって導波路内の電力
と結合する。この際、給電ピン８はラジアル導波路１の
下部導体板３まで貫通している。このアンテナでは、給
電ピン８の長さを一様とする代わりに、マイクロストリ
ップ素子７の直径ｄを半径ｒの関数として変化させるこ
とにより、電力結合量を制御する構造となフている。一
般にマイクロストリップ素子は大きさ・形状に依存する
特定の周波数において共振現象を起こす、この場合に電
力結合量が最大となり、これより素子の大きさが小さく
なると結合量も小さくなる。この性質を用いれば、適切
な素子の大きさを選択することにより電界の振幅分布を
一様とすることが可能となる。また、位相に関してはス
トリップ素子７を給電ピン８を軸として回転することに
より、任意の円偏波放射位相が得られる。

従って、正面ビーム、ビームチルトのいずれの構造を実
現する位相条件も、素子の向きを設定することにより実
現される。

なお、第１１図では円形マイクロストリップ素子を例に
上げて説明したが、第１５図に示すような円偏波方形マ
イクロストリップ素子１１を用いてもよい、この場合は
、素子の大きさだけでなく素子の縦横比ａ：ｂなどを変
化させることによっても結合量を制御する二とが可能で
ある。また、ここに示した以外にも、マイクロストリッ
プ素子に対する結合ピンの接続位置を変えるなど、一般
的に知られている結合制御の方法は全て適用が可能であ
る。

第１６図は、本発明の請求範囲（２）に係る一実施例で
ある円偏波用平面アンテナの平面図、第１７図は同断面
図、第１８図は放射素子であるヘリカル素子の平面図、
第１９図は同側面図である。第１１図の例と異なるのは
、円偏波放射素子としてマイクロストリップ素子の代わ
りにヘリカル素子９を用いた点である。ヘリカル素子の
場合も、その結合量は第１９図に示す巻き径ｄ、巻き数
Ｎあるいは巻き間隔ｐに変化するため、これらの構造定
数を素子の位１１ｒによって変化させることによって、
開口電界振幅分布を一様とする事が可能である。さらに
、給電ピン８を軸に素子を回転させることにより、任意
の位相が得られる点もマイクロストリップ素子の場合と
同様である。

第２０図は、本発明の請求範囲（３）に係る一実施例で
ある円偏波用平面アンテナの平面図、第２１図は第２０
図のＡ−Ａ線の断面図である。

第１１図の例で給電に用いているラジアル導波路の代わ
りに、方形導波管１０を用いて給電した場合も、同様の
効果が得られる。

第２２図は３本発明の請求範囲（４）に係る一実施例で
ある円偏波用平面アンテナの平面図、第２３図は同断面
図である。これは第１６図の例で、方形導波管１０を用
いて給電した場合である。

なお、以上の具体例では給電ピン８はすべてラジアル導
波路１もしくは方形導波管１０（以下総称して導波路と
呼ぶ）を貫通しているが、必ずしも貫通する必要はない
０例えば第２４図のように、導波路の内部に、下部導体
板３に沿って誘電体板１２を挿入し、上部より挿入され
た素子の給電ピン８がこの誘電体板により止まるような
構造も可能である。

［発明の効果コ 以上の説明から容易に理解できるように、本発明によれ
ば、マイクロストリップまたはヘリカル素子をラジアル
導波路により給電する平面アンテナで、給電ピンの長さ
を一定とし、代わりに素子形状を変化させた構造を用い
ると、特に給電ピンを導波路貫通型にした場合、ピンの
長さ制御が全く不要となるために、従来のピンの長さに
より結合量を制御していた方法と比べ、非常に大量生産
が容易になる。また、ラジアルラインスロットアンテナ
と比べると、簡単にビームチルト構造が実現できるため
、アンテナを壁面にとりつけるような構造も用意に実現
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の平面アンテナの一例であるラジアルライ
ンスロットアンテナの平面図、第２図は同中央縦断面図
、第３図は同じくマイクロストリップ素子を用いたラジ
アル導波路アンテナの平面図、第４図は同中央縦断面図
、第５図は同じくヘリカル素子を用いたラジアル導波路
アンテナの平面図、第６図は同中央縦断面図、第７図は
同じくマイクロストリップ素子を用いた導波管平面アン
テナの平面図、第８図は第７図のＡ−Ａ線の断面図、第
９図は同じくヘリカル素子を用いた導波管平面アンテナ
の平面図、第１０図は第９図のＡ−Ａ線の断面図、第１
１図は本発明の一実施例によるマイクロストリップ素子
を用いたラジアル導波路アンテナの平面図、第１２図は
同中央縦断面図、第１３図は円形マイクロストリップ素
子の平面図、第１４図は同中央縦断面図、第１５図は方
形マイクロストリップ素子の平面図、第１６図は本発明
の一実施例によるヘリカル素子を用いたラジアル導波路
アンテナの平面図、第１７図は同中央縦断面図、第１８
図はヘリカル素子の平面図、第１９図は同側面図、第２
０図は本発明の一実施例によるマイクロストリップ素子
を用いた導波管アンテナの平面図、第２１図は第２０図
のＡ−Ａ線の断面図、第２２図は本発明の一実施例によ
るヘリカル素子を用いた導波管アンテナの平面図、第２
３図は第２２図のＡ−Ａ線の断面図、第２４図はマイク
ロストリップ素子の他の構造例である。１ニラシアル導
波路、２　上部導体板、３：下部導体板４４．給電部、
　　５Ａ、５Ｂ・スロット、５．スロットペア、６　誘
電体基板、７円形マイクロストリップ素子、８．給電ピ
ン、９：ヘリカル素子、　１０　方形導波管、１］・方
形マイクロストリップ素子、　１２・誘電体板。 第５図 第６図 第３図 第１３図 第１４図 第１５図 第１ １図 第１２図 第１６図 第１７図 ｄ 第１８図 第１９図 第２０図 第２１図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）軸対称モード導波手段と、当該軸対称導波手段の
   中央に接続された受信または送信電波の接続手段と、当
   該軸対称導波手段の一面に配列され当該導波手段内に挿
   入された電力結合用ピンにより給電された複数のマイク
   ロストリップ素子から構成され、各素子の結合係数を外
   周で高く中央ほど低くする目的で、当該素子の大きさあ
   るいは形状を変化させることを特徴とする平面アンテナ
   。
2. （２）軸対称モード導波手段と、当該軸対称導波手段の
   中央に接続された受信または送信電波の接続手段と、当
   該軸対称導波手段の一面に配列され当該導波手段内に挿
   入された電力結合用ピンにより給電された複数のヘリカ
   ル素子から構成され、各素子の結合係数を外周で高く中
   央ほど低くする目的で、当該素子の巻き径、巻き数ある
   いは巻き間隔を変化させることを特徴とする平面アンテ
   ナ。
3. （３）方形導波管と、当該導波管の中央または端部に接
   続された受信または送信電波の接続手段と、当該導波管
   の一面に配列され当該導波管内に挿入された電力結合用
   ピンにより給電された複数のマイクロストリップ素子か
   ら構成され、各素子の結合係数を当該接続手段の近傍で
   高く遠方ほど低くする目的で、当該素子の大きさあるい
   は形状を変化させることを特徴とする平面アンテナ。
4. （４）方形導波管と、当該導波管の中央または端部に接
   続された受信または送信電波の接続手段と、当該導波管
   の一面に配列され当該導波管内に挿入された電力結合用
   ピンにより給電された複数のヘリカル素子から構成され
   、各素子の結合係数を外周で高く中央ほど低くする目的
   で、当該素子の巻き径、巻き数あるいは巻き間隔を変化
   させることを特徴とする平面アンテナ。