JPH05121934A - ラジアルラインスロツトアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アンテナ性能を向上させつつ、垂直／水平偏
波共用としたラジアルラインスロットアンテナを実現す
る。 【構成】 水平偏波に共鳴する第１のスロットと垂直偏
波に共鳴する第２のスロットとから構成される十字形ス
ロットが上部導体板の中心から径方向間隔を管内波長λ
ｇとする複数の同心円上に各々等間隔に配置されると共
に、前記径方向間隔を隔てて隣り合う該十字形スロット
同士が互に重なり合わない位置に設けられる。これによ
り、開口面における同位相／同振幅条件を満たすことが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

【０００１】この発明は、平面アンテナに関し、特に、
衛星放送や衛星通信などの準ミリ波帯に用いて好適なラ
ジアルラインスロットアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、衛星通信あるいは衛星放送等にお
いては、パラボラアンテナが用いられてきたが、近年、
このパラボラアンテナと同等の性能を有する平面アンテ
ナが各種実用化されている。この種の平面アンテナであ
るラジアルラインスロットアンテナの一構成例を図８に
示す。

【０００３】この図に示すラジアルラインスロットアン
テナ１（以下、アンテナ１と略す）において、２は該ア
ンテナ１の背面側を構成するフレームである。このフレ
ーム２は、金属導体により形成されたものであって、正
面視円形を呈し、上部が広く開口された偏平容器形状を
成している。３は多数のスロット（図示略）が配設され
るスロット板である。５は発泡プラスチックシートで形
成される低発泡誘電体であり、上記フレーム２とスロッ
ト板３との間に介挿されてなる。このスロット板３の直
径は、フレーム２の開口内径より若干小径に形成されて
おり、また、低発泡誘電体５の直径も同様にこのスロッ
ト板３と略同径に形成されている。

【０００４】このスロット板３とフレーム２とは、低発
泡誘電体５が充填された形のラジアル導波路６を構成し
ている。ここで、この低発泡誘電体５の誘電率をεとす
ると、ラジアル導波路６における伝送波の管内波長は、
空間波長に対して１／√εだけ短縮される。このため、
この低発泡誘電体５は遅波回路と呼ばれる。

【０００５】４は上述したラジアル導波路６の中心に給
電するよう配設された給電部としての同軸線路である。
この同軸線路４の中心導体は、ラジアル導波路６内まで
伸長してプローブ４ａを形成しており、該同軸線路４か
ら供給される電力である伝送波をラジアル導波路６の中
心から周辺に向う放射状に伝搬させる。７はこのアンテ
ナ１の前面を覆いつつ、フレーム２と共に、このアンテ
ナを密閉構造とするレドームである。レドーム７は、フ
レーム２に対し外嵌された状態で設けられており、その
嵌合部におけるレドーム７内面とフレーム２外面との間
には、シール機能および接着作用を有したシーリング剤
９が介在されている。これにより、フレーム２とレドー
ム７とが密閉空間を形成する。すなわち、このレドーム
７は、フレーム２と相まってアンテナ１の内部を密閉構
造としている。

【０００６】このレドーム７とスロット板３との間に
は、誘電率が空気と同等の高発泡材のスペーサ８が充填
されており、これによりスロット板３を低発泡誘電体５
に密着させ、かつ、フレームとの距離を一定に保持して
これらの電気的性能を安定化させている。１０はフレー
ム２とレドーム７との接合部を覆うように設けられた外
周保護用ゴムリングである。この外周保護用ゴムリング
１０は、このアンテナ１の運搬あるいは施工時等におい
て、該アンテナ１を衝撃などから保護すると共に、デザ
イン上から周縁部にアクセントを与えるものとなってい
る。

【０００７】上記構造によるラジアルラインスロットア
ンテナ１によれば、同軸線路４から供給される電力であ
る伝送波（ＴＥＭ波）が、プローブ４ａを介してラジア
ル導波路６へ進行し、当該導波路６の中心から周辺部へ
と放射状に軸対称外向きの円筒波となって伝搬する。そ
して、その大部分はスロット板３に配設されたスロット
アレイを励振して空間へ放射される。このようなラジア
ルラインスロットアンテナ１にあっては、スロット板３
に配設される各スロットの形状およびその配置に応じて
偏波が決まる。例えば、所定のスパイラル線上に互いに
位相が９０度異り、偏波面が直交するように“ハ"の字
状のスロットを順次配設させた場合には、該スロット対
からの放射波の合成が円偏波となって放射される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通信衛星で
は、垂直偏波と水平偏波とを同時に使用する偏波共用方
式が採られている。このため、上述した従来のラジアル
ラインスロットアンテナをこの偏波共用方式に適用させ
るには、このアンテナおよび給電部を垂直／水平偏波共
用のものにする必要がある。

【０００９】しかしながら、上述したラジアルラインス
ロットアンテナにおいては、例えば、垂直または水平偏
波の伝送波を給電しても、同軸線路４を介することによ
り軸対称のＴＥＭ波に変換されてしまう。この結果、単
一の偏波、すなわち、スロット板８のスロット形状に依
存した偏波面だけが放射されるので、偏波共用にするこ
とができないという問題があった。加えて、偏波共用に
する際には、開口能率等のアンテナ性能を低下させない
ようにする必要もある。この発明は上述した事情に鑑み
てなされたもので、アンテナ性能を向上させつつ、垂直
／水平偏波共用としたラジアルラインスロットアンテナ
を提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、等間隔に対
向配置された上部導体板と下部導体板から構成され、そ
の管内波長がλｇとなるラジアル導波路と、このラジア
ル導波路内へ電力を供給する給電部とからなるラジアル
ラインスロットアンテナにおいて、前記上部導体板の中
心から径方向間隔が前記管内波長λｇとなる複数の同心
円上に各々複数配設されるスロットであって、水平偏波
に共鳴する第１のスロットと垂直偏波に共鳴する第２の
スロットとが同一位置に形成されてなる十字形スロット
を具備し、前記十字形スロットは、前記複数の同心円上
に各々等間隔に配置されると共に、前記径方向間隔を隔
てて隣り合う該十字形スロット同士が互に重なり合わな
い位置に設けられたことを特徴としている。

【００１１】

【作用】上記構造によれば、水平偏波に共鳴する第１の
スロットと垂直偏波に共鳴する第２のスロットとから構
成される十字形スロットが上部導体板の中心から径方向
間隔を管内波長λｇとする複数の同心円上に各々等間隔
に配置されると共に、前記径方向間隔を隔てて隣り合う
該十字形スロット同士が互に重なり合わない位置に設け
られる。これにより、開口面における同位相／同振幅条
件が満たされ、アンテナ性能を低下させずに偏波共用に
することが可能になる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。図１はこの発明の一実施例によるラジア
ルラインスロットアンテナの構造を示す断面図である。
この図において、１１は垂直偏波および水平偏波の各偏
波をそれぞれ独立して同時に伝送可能とする円形導波管
である。１２はコニカルホーンであり、この円形導波管
１１の基本姿態であるＴＥ₁₁波を拡散させる。そして、
前記コニカルホーン１２および円形導波管１１とで、給
電部が構成される。１３は円板状の導体で形成される頂
点整合板である。この頂点整合板１３は、円形導波管１
１の管軸を中心として前記コニカルホーン１２の開口面
に対向する位置に配設される。この頂点整合板１３の上
面には、これと同心軸の導体円柱と、該円柱の先端に配
設された導体小円筒とから形成される整合ポスト１４が
設けられている。

【００１３】１５はこのアンテナの背面側を構成するフ
レームである。このフレーム１５は、金属導体により形
成されたものであって、正面視円形を呈し、上部が広く
開口された偏平容器形状を成している。１６はスロット
板であり、金属円板にエッチング加工等によって形成さ
れたスロットアレイ（後述する）が配設される。１７は
上記フレーム１５とスロット板１６との間に充填される
低発泡誘電体である。１８はこのスロット板１６とフレ
ーム１５とから構成されるラジアル導波路である。ここ
で、このラジアル導波路１８に介在する低発泡誘電体１
７の誘電率をεとすると、ラジアル導波路１８における
伝送波の管内波長λgは、空間波長λの1/√εだけ短縮
される。このため、この低発泡誘電体１７は遅波回路と
呼ばれる。

【００１４】１９はアンテナ正面を覆いつつ、フレーム
１５の周縁との接合部をシリコン系樹脂剤でシーリング
し、このアンテナを密閉構造とするレドームである。こ
のレドーム１９とスロット板１６との間には、高発泡材
のスペーサ２０が充填されており、これによりスロット
板１６を低発泡誘電体１７に密着させ、かつ、フレーム
１５との距離を一定に保持して電気的性能を安定化させ
ている。２１はフレーム１５とレドーム１７との接合部
を覆うように設けられた外周保護用ゴムリングである。
この外周保護用ゴムリング２１は、運搬あるいは施工時
等において、このアンテナを衝撃などから保護する。

【００１５】このような構造において、円形導波管１１
に供給される電力である伝送波（ＴＥ₁₁波）は、コニカ
ルホーン１２によって拡散され、この内の大部分がラジ
アル導波路１８へ進行する。そして、一部の伝送波は、
コニカルホーン１２の開口面に正対する領域からのリア
クションによって円形導波管１１へ反射されるが、これ
は頂点整合板１３で打消される。すなわち、コニカルホ
ーン１２が見込む角度範囲内の領域からのリアクション
と、頂点整合板１３からの反射量とが相等しく、かつ、
それら反射波の位相が互いに逆相となるため、このリア
クションが打ち消される。

【００１６】一方、ラジアル導波路１８に進行した伝送
波は、該導波路１８の中心から周辺部へ放射状に伝搬す
る過程で上述したスロット板１６の各スロットアレイを
励振し、前方に放射される。ここで、このスロットアレ
イから放射しきれない残留波は、このアンテナの周縁部
に設けられたギャップＧを介して反射され、前面へ放射
される。また、ラジアル導波路１８の各部で発生する反
射波は、頂点整合板１３の中心に設けられ、先端をロー
ディングした整合ポスト１４によって打される。これに
より、整合ポスト１４および頂点整合板１３は、円形導
波管１１における入力端の反射損失を改善し、円形導波
管１１から供給された伝送波が滑らかにスロット板１６
の前方正面へ放射される。

【００１７】なお、水平／垂直両偏波を独立して同時に
給電できる今一つの給電部として導波路に正方形導波管
を用いることができる。この正方形導波管を用いる場合
には、上述した構成におけるコニカルホーン１２をピラ
ミダルホーンに、円形導波管１１を正方形導波管に、伝
送姿態波を正方形導波管のＴＥ₁₀波とそれぞれ置き換え
ることで、円形導波管給電の場合と全く同等に取扱うこ
とができる。

【００１８】ところで、平面アンテナの効率を最大とす
るには、次の２つの条件を満足させる必要がある。すな
わち、アンテナの開口面から放射される電波の位相を
同じくする（同位相条件）。アンテナの開口面から放
射される電波の振幅をこの開口面全体で均一とする（同
振幅条件）。したがって、開口面を持つラジアルライン
スロットアンテナでは、上記２条件を満たしつつ偏波共
用となるように、スロットアレイを配設しなければなら
ない。

【００１９】次に、図２は、このような条件を満たすよ
うに、スロット板１６に設けられたスロットアレイパタ
ーンを示す平面図である。この図に示すように、基本と
なるスロットは、水平偏波に共鳴する第１のスロットＳ
Ｌ₁と、垂直偏波に共鳴する第２のスロットＳＬ₂とによ
り十字形スロットＳＬを構成している。以下、この十字
形スロットＳＬの配設関係について説明する。まず、こ
の十字形スロットＳＬは、上述したように、各偏波に関
して独立したスロットから構成されているので、図中Ａ
に示す部分拡大図で示すように、ある１本の独立したス
ロットと半径のなす角度を角度Ｋと定義する。

【００２０】ここで、各偏波毎に独立したスロットのス
ロット長を、共振長λ₀／２（空間波長の半波長）より
も短くした時は、該スロットから放射される電波の強さ
がこのスロット長に比例し、前記角度Ｋが９０°の時に
最大となる。図２に示すように、半径Ｒ₃の円周上に配
設されたスロット（Ｌ₁，Ｌ₂，・・・，Ｌ₁₆）では、Ｌ
₁における角度Ｋが９０°であり、順次この角度Ｋが小
さくなり、半径方向が円周上を１／４周した時点で角度
Ｋが０°となる。その後、さらに、半径方向が円周上を
移動すると、角度Ｋが増加し、Ｌ₁₆で再び角度Ｋが９０
°となる。

【００２１】こうした過程において、スロットＬ₁の中
心角度Ｃ₁と、スロットＬ₈の中心角度Ｃ₈を比較する
と、Ｃ₁＞Ｃ₈となり、スロットの中心角度がスロットか
ら放射される電力に比例することが理解できる。この
時、中心角度の変化に起因するスロットの励振係数の増
減を押さえ、しかも開口面の放射電力をできるだけ均等
にするには、水平軸（図２参照）上のスロット長を基準
とした場合、同一円周上に配設されるスロットが１／４
周するにつれてそのスロット長を増加させれば良い。こ
れは、上述した中心角度が減少することに対応させてい
る。すなわち、偏波共用としつつアンテナ効率を最大と
するためには、各偏波について独立したスロットを、図
３に示す特性に対応したスロット長Ｌにすれば良いこと
が分かる。

【００２２】また、前述した構成によるラジアルライン
スロットアンテナ１にあっては、外向き円筒波によって
スロットアレイが励振されるので、給電点から外周へ進
むにつれて電界振幅が小さくなる。さらに、中心から周
辺に向ってスロット数が急激に増加するため、前記電界
振幅は著しく減少することになる。このため、図２に示
したスロットアレイパターンについて、さらに開口分布
を一様とするためには、スロットアレイの配設密度を調
整することが要求される。すなわち、この場合、前述し
た十字形スロットＳＬを次のように形成し、その配設密
度を調整する。

【００２３】まず、スロット板１６に配設される垂直偏
波に共鳴するスロットおよび水平偏波に共鳴するスロッ
トについて中心から周辺へ径方向に進むに従って、電波
が放射されやすいようにスロット長を順次増加させる。
このとき、スロット長を変化させることにより、ラジア
ル導波路１８内の管内波長λｇが減少することになる。
よって、前記十字形スロットＳＬが配設される同心円の
間隔をラジアル導波路１８の管内波長λｇの変化に一致
するように順次狭めれば良い。このような配設条件に基
づくことで、前述の同振幅、同位相条件を満たし、この
アンテナの開口能率をさらに改善することが可能にな
る。

【００２４】ところで、上述の配設条件に応じて中心か
ら周辺へ径方向に進むに連れてスロット長を順次増加さ
せる一方、十字形スロットＳＬが配設される同心円の間
隔を管内波長λｇの変化に一致するように順次狭める場
合、管内波長λｇ＜空間波長λ₀の関係から十字形スロ
ットＳＬ同士が干渉して重なり合うことが起こり得る。
すなわち、同一円周上に配設され、隣り合う十字形スロ
ットＳＬの周方向間隔をＳφ、異なる円周上に配設さ
れ、隣り合う十字形スロットの径方向間隔をＳρとする
と、これら周方向間隔Ｓφおよび径方向間隔Ｓρの関係
は、図４に示すものになる。

【００２５】この図４に示す特性は、スロット板１６の
半径ｒに対するスロット長Ｌ、つまり、中心から周辺へ
径方向に進むに連れて増加するスロット長Ｌの変化を示
している。例えば、この図に示すように、スロット板１
６の半径ｒが１５０ｍｍ程度である時には、スロット長
が１０ｍｍ程度になることが分る。一方、上述した径方
向間隔Ｓρは、図４に示すように半径ｒの増加に伴って
順次減少することになる。したがって、この図から明ら
かなように、スロット板１６の半径ｒが１１０ｍｍ程度
になると、径方向間隔Ｓρがスロット長Ｌより短くな
り、この結果、径方向で隣り合う十字形スロットＳＬ同
士が干渉することになる。

【００２６】すなわち、上述した配設条件に基づき、ア
ンテナ性能を改善しようとすると、十字形スロットＳＬ
同士が干渉し、所望の波長を持つ偏波が放射されず、結
果的にアンテナ性能が低下してしまう。そこで、このよ
うな弊害を回避するためには、図５に示す位置関係で十
字形スロットＳＬをすれば良い。すなわち、十字形スロ
ットＳＬが配設される各円周上においては、周方向に隣
り合うスロットが重なり合わない本数分の十字形スロッ
トＳＬを軸対称に配置する。この時、周方向間隔Ｓφは
等間隔とする。これは、同一円周上から放射される電波
を同位相条件及び同振幅条件に適合させるためである。
しかも、周方向間隔Ｓφを隔てて隣り合うスロットが重
なり合わない位置に十字形スロットＳＬを設ければ良
い。

【００２７】このようにすることで、前述した図３の特
性および配設条件に基づき十字形スロットＳＬが配設さ
れ、かつ、スロット同士の干渉をも回避できるので、偏
波共用としつつアンテナ性能を向上することが可能にな
る。以上説明した各条件に基づくスロットアレイパター
ンの一例を図６に示す。なお、このスロットアレイパタ
ーンは、円形の開口面にのみ適用するのではなく、例え
ば、図７に示す四角形の開口面の平面アンテナにも適用
可能である。

【００２８】なお、以上説明した実施例は、アンテナを
送信側とした場合について説明したが、これは“可逆の
理"で該アンテナを受信側とした場合でも全く同一のこ
とが成立することは言うまでもない。また、水平および
垂直偏波が混在した伝送波から各偏波を分離して受信す
る場合には、前述した円形導波路２０に直交偏波分離用
分波器(ＯＭＴ)を接続し、さらに、このＯＭＴの各偏波
出力端にＬＮＢ(ローノイズブロックコンバータ)を接続
する。このようにすると、ＬＮＢによって中間周波数に
変換された垂直または水平偏波の信号を受信機入力端の
切替スイッチにより選択することで希望偏波の信号を受
信することができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、水平偏波に共鳴する第１のスロットと垂直偏波に共
鳴する第２のスロットとから構成される十字形スロット
が上部導体板の中心から径方向間隔を管内波長λｇとす
る複数の同心円上に各々等間隔に配置されると共に、前
記径方向間隔を隔てて隣り合う該十字形スロット同士が
互に重なり合わない位置に設けられるので、開口面にお
ける同位相／同振幅条件が満たされる。この結果、ラジ
アルラインスロットアンテナの性能を向上させつつ、垂
直／水平偏波共用にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例の構成を示す斜視断面図。

【図２】同実施例におけるスロットアレイパターンを示
す平面図。

【図３】同実施例におけるスロット長の特性を説明する
ための図。

【図４】同実施例における周方向間隔Ｓφおよび径方向
間隔Ｓρの関係を示す図。

【図５】同実施例における十字形スロットＳＬの配設関
係を示す平面図。

【図６】同実施例を円形の開口面に適用した場合のスロ
ットアレイパターンを示す平面図。

【図７】同実施例を四角形の開口面に適用した場合のス
ロットアレイパターンを示す平面図。

【図８】従来例を説明するための斜視断面図。

【符号の説明】

１１…円形導波管、 １２…コニカルホーン、 １６…スロット板、 １８…ラジアル導波路、 ＳＬ…十字形スロット、 ＳＬ₁…第１のスロット、 ＳＬ₂…第２のスロット、 Ｓφ…周方向間隔、 Ｓρ…径方向間隔。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沼野 雄司 東京都台東区台東一丁目５番１号 凸版印 刷株式会社内 (72)発明者 松田 典隆 東京都台東区台東一丁目５番１号 凸版印 刷株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 等間隔に対向配置された上部導体板と下
   部導体板から構成され、その管内波長がλｇとなるラジ
   アル導波路と、このラジアル導波路内へ電力を供給する
   給電部とからなるラジアルラインスロットアンテナにお
   いて、 前記上部導体板の中心から径方向間隔が前記管内波長λ
   ｇとなる複数の同心円上に各々複数配設されるスロット
   であって、水平偏波に共鳴する第１のスロットと垂直偏
   波に共鳴する第２のスロットとが同一位置に形成されて
   なる十字形スロットを具備し、 前記十字形スロットは、前記複数の同心円上に各々等間
   隔に配置されると共に、前記径方向間隔を隔てて隣り合
   う該十字形スロット同士が互に重なり合わない位置に設
   けられたことを特徴とするラジアルラインスロットアン
   テナ。