JPH05152832A - ノツチを有する入れ子カツプ状多重周波数帯域アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、後方パターンをなくして後方パタ
ーンによる３ｄＢのアンテナ利得を犠牲にしない無指向
性２重偏波アンテナを得ることを目的とする。 【構成】 開放端および閉鎖端板14を有し、選択された
周波数帯域を放射するように選択された寸法を有するシ
リンダ12で構成される空洞と、選択された周波数帯域を
放射するように選択された大きさを有する空洞の開放端
の縁部に形成された複数のノッチ16，18，20，22と、選
択された周波数帯域において各ノッチを励起する各ノッ
チにそれぞれ関連する複数の供給部30，32，34，36とを
具備していることを特徴とする。供給部30，32，34，36
には同軸ケーブルが使用され、その外側導体は各ノッチ
の片側で空洞壁に接続され、内部導体はノッチの反対側
の空洞壁に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般にアンテナに関
し、特に２重偏波動作が可能な多周波数帯域アンテナに
関する。

【０００２】

【従来の技術】コンパクトな単一パルスアンテナは多く
の適用において有用であり、単一パルス動作に有用な２
重偏波アンテナもまた多くの適用において望ましい。９
０°において３デシベルのビーム幅のような比較的広い
角度のカバー範囲を有し、回転的に対称的な放射パター
ンを持つ円偏波の理想的なアンテナは原理的に電流分布
ｅの±ｊｍφ乗を有する円形電流ループから構成されて
いる。ここでφは方位角であり、ｍは整数である。ｍ＝
１モードはループの平面と垂直の最大値を有する円偏波
を放射し、回転対称的な放射パターンを有する。ｍ＝０
およびｍ＝偶数モードはループに垂直の軸においてゼロ
の放射パターンを有する。ｍ＝２モードは単一パルス
「差」パターンを発生するためにしばしば使用される。

【０００３】分離電流ループ型式のアンテナは２方向性
放射を有し、すなわちループの平面に垂直な軸において
両半球に等しく放射する。アンテナ後方の放射パターン
は単一パルスを含む多くの適用において望ましくない。
この後方パターンを消去するために使用される１つの普
通の方法は吸収空洞をアンテナの背面に結合し、後方パ
ターンのエネルギを吸収することである。しかしなが
ら、そのような空洞はコストおよび重量をかなり増加さ
せる。別の技術は後方パターンを消去するためにパワー
吸収接地面を使用することである。これらの技術は後方
パターンの消去を達成するが、アンテナ利得の約３デシ
ベルの損失を生じる。さらに、損失のある空洞は多くの
場合において設計するのが困難であり、アンテナのコス
トに大きな影響を与える。

【０００４】後方パターン消去に使用される別の技術は
金属接地面をアンテナに結合することであり、それはア
ンテナ電流ループの平面から約１／４波長のところに配
置される。この技術は無指向性の放射パターンを生じる
ことができるが、接地面間隔は典型的に１つの周波数帯
域だけに対して正確であり、他の周波数帯域における特
性を低下させる。

【０００５】円錐螺旋アンテナは無指向性のパターンを
生じるように構成されているが、放射の位相中心は典型
的に固定されず、周波数と共に変化する。それ故、この
設計は反射体またはレンズに有効なフィードではなく、
普通無指向性の放射に必要な鋭利な円錐体の長さによっ
て非常に大きい容積を占有する。

【０００６】「堅密に巻回された」アルキメデスまたは
対数周期（等角）螺旋アンテナは理想的な電流ループに
近似できる。単一および多重アームの螺旋アンテナが存
在する。活性放射領域は周囲の整数波長の電流ループに
等価的である。ここに参照された波長は螺旋導体に沿っ
て進行する波の波長であり、それは普通自由空間波長よ
りもわずかに少ない。多重アーム螺旋は「和」および
「差」モードが多重アームに対する供給回路網によって
制御されることができるので単一パルス動作に使用され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】螺旋アンテナの１つの
欠点は３デシベルアンテナ利得を減少させる損失のある
接地面または後部吸収空洞が必要であることである。さ
らに、従来の螺旋アンテナは螺旋巻線の感度によって決
定される１つの円偏波の感度だけを有する。逆感度の円
偏波を得るために外部から螺旋をフィードすることが試
みられた。これらのモードに対する活性領域が螺旋の領
域外にあり、この領域に螺旋をフィードすることによっ
て不所望の高いオーダのモードが生じるため、これは部
分的にしか成功しなかった。

【０００８】２つの円偏波の感度が十分に均等に放射で
きる正弦アンテナがDuHamel 氏の米国特許4,658,262 号
明細書に記載されている。このアンテナはまた直交直線
偏波を放射することができるが、損失のある空洞後部を
有するので、約３デシベルの利得損失を生じる。

【０００９】したがって、後方パターンの３デシベルの
アンテナ利得を犠牲にしないで単一パルス動作が可能で
ある無指向性の２重偏波アンテナの開発および使用の必
要性が認識されている。本発明はこれらの必要性を満た
す。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の原理によると、
アンテナは複数のノッチアンテナを設けるために開放端
の縁部分に形成された複数のノッチを有する空洞を具備
する。ノッチは別々に励起され、個々のノッチアンテナ
として機能する。ある場合において、円筒形空洞は９０
°間隔で配置された４つのノッチを形成される。

【００１１】各ノッチは電流が空洞の開放端の縁に存在
するように供給されるので、無指向性のアンテナを形成
する。１実施例において、分離した同軸供給部はノッチ
の１側部に接続された第１の導体およびノッチのもう一
方の側部に接続された第２の導体によって各ノッチに使
用される。供給部は電流ループを形成するためにノッチ
を適切な位相にするために使用される。空洞の周囲の大
きさはノッチの幅および深さと同様に放射される周波数
帯域に基いている。ノッチの間隔および位置はアンテナ
の適用に基づいて選択される。

【００１２】入れ子にされ同心に位置されたノッチを有
する空洞のアレイのアンテナが１実施例において設けら
れる。各空洞は特定の異なる周波数帯域のエネルギを有
効に放射するように選択された大きさを有するので、複
数の異なる大きさの空洞および多周波数帯域アンテナを
形成する。複数の空洞素子は同心に位置されて全位相中
心が共通開口平面にあるように共に入れ子にされる。こ
れは周波数変化によって変化しない位相中心を有する多
周波数２重偏波アンテナを生成する。空洞は隣接する空
洞に関して回転されるので、ノッチはずれて配置され
る。別の実施例において、寄生的に励起したダイポール
素子はパターン調節およびインピーダンス整合を助ける
ためにノッチの前に位置することができる。

【００１３】

【実施例】図１において、空洞を形成するためにシリン
ダ12として構成され、シリンダ12の１端部分を閉じる端
面板14を有する導電材料から形成されたアンテナ素子10
が示されている。この素子はカップに似ている。４個の
ノッチ16,18,20,22 はこの実施例において開放端のシリ
ンダの縁部に形成され、４個のノッチアンテナをそれぞ
れ形成するために使用される。ノッチ16,18,20,22 はこ
の実施例において同一であり、全てカップの開放端で開
いており、他端部分において短絡されている。閉じられ
たシリンダによって形成された空洞の深さ26は典型的に
１／４案内波長（λｇ／４）に等しく、ノッチの深さ28
は典型的にアンテナ素子10によって放射される周波数帯
域における選択された１／４エネルギ波長（λ／４）に
等しい。空洞の案内波長λｇは自由空間波長よりも長い
が、ノッチ中の波長は自由空間波長に非常に接近してい
る。シリンダの周囲は典型的にアンテナ素子10によって
放射される周波数帯域の選択されたエネルギ波長λに等
しい。

【００１４】各ノッチ16,18,20,22 は図１の実施例にお
いて各同軸供給部30,32,34,36 によって励起される。図
１および図２に示すように、同軸供給部36はシリンダの
外側のノッチの１側部に取付けられる。同軸供給部はま
た空洞の内側に取付けられることができ、よりコンパク
トのアンテナを生成することができる。しかしながら、
同軸供給部を空洞の外側に取付けることによって、同軸
供給部が空洞の内側に取付けられるときに生じる可能性
のある空洞共振周波数の変化を阻止する。ストリップラ
インまたはマイクロストリップ等の他の供給部が同軸供
給部の代りに使用されることができる。

【００１５】同軸供給部の外部導体は半田付け38される
か、そうでなければノッチの１側部でシリンダに機械的
および電気的に接続され、中心導体はノッチのもう一方
の側部に取付けられる。図２において、強固な、銅で覆
われた同軸ケーブルがシリンダに半田付け38された外部
導体と共に示されている。同軸供給部36の中心導体40は
ノッチのもう一方の側部に延在されるか、そうでなけれ
ば機械的および電気的に接続される。図２に示される接
続点はシリンダ12の縁部にあるが、他の接続点がインピ
ーダンス整合のために選択されることができる。

【００１６】これらの電気接続によって、縁部電流は電
流ループアンテナを形成するためにシリンダ縁部に設定
される。縁部電流は図２において励起されたノッチ22に
対して破線で示されている。ノッチアンテナの電流のほ
とんどがちょうどノッチの開放端の各側の平坦な半面の
縁部に沿って流れるので、ノッチからの主電流はシリン
ダの縁に沿って流れる。シリンダの縁部を流れる電流は
ノッチの供給部によって適切な位相にされるので、前述
のように電流ループを形成する。縁部の電流の設定は無
指向性のビームパターンの電流ループアンテナを生成す
る。したがって、本発明のアンテナは後方パターンによ
って３デシベルを損失しない。

【００１７】エネルギ波長λに等しいアンテナ素子シリ
ンダの周囲を形成し、等しい間隔で配置された４個のノ
ッチを設けることによって、無指向性のループアンテナ
が設定される。バトラーまたはジョーンズマトリックス
等の適切な供給回路網44はノッチを適切に位相して単一
パルス適用において単一パルス動作の適切なモードを与
えるために四分区間に位置されたノッチに結合されるこ
とができる。さらに信号を処理するための送受信装置46
が図１に示されている。そのような供給回路網および信
号処理装置は当業者には良く知られているので、ここで
はさらに説明しない。

【００１８】４個より多くの、或いは少ないノッチはア
ンテナ適用に応じて空洞縁部に設けられることができ
る。例えば、８個または１６個、或いはそれ以上のノッ
チは空洞縁部に形成されることができる。しかしなが
ら、４個より少ないノッチが使用される場合、高次モー
ドは利用できない。

【００１９】図３を参照すると、同心の、入れ子にされ
た、ノッチされたシリンダ素子のアレイを具備する本発
明のアンテナが示されている。異なる大きさの複数のシ
リンダ素子が使用されることにより、多周波数アンテナ
が生成される。図３および図４の両方を参照すると、全
シリンダが同心的に入れ子にされる３個のシリンダ素子
48,50,52のセットが示されている。各シリンダ素子は４
個のノッチおよび各ノッチ用の供給部を有する。本発明
のこの形態は共通の開口平面上に存在する全ての空洞の
位相中心を生じる。さらに、この位相中心は周波数変化
によって変化しない。

【００２０】図４に明らかに示されるような別の特徴に
おいて、各空洞は次の空洞に関して回転されるので、ノ
ッチはずれて配置される。図３および図４に示された実
施例において、ノッチは４５°ずつずれる。これは周波
数帯域間の良好な分離と優れた多重特性を生じる。

【００２１】入れ子にされた空洞のアレイを形成する方
法は図５に示されている。図５において、空洞および閉
鎖端は真ちゅうまたはアルミニウム等の材料の固体部分
によって加工される。注入モールドまたはダイキャスト
のような他の技術も空洞を形成するために使用されるこ
とができる。約１インチ（２．５４ｃｍ）の直径を有す
る比較的小さい空洞の場合には機械加工されるのが望ま
しい。約１フィート（３０．４８ｃｍ）以上の直径を有
する大きい空洞は臘付け、半田付け、またはスポット溶
接されるのが望ましい。比較的低い周波数動作に対し
て、ワイヤメッシュが空洞を形成するために使用でき
る。

【００２２】本発明のアンテナの別の利点はそのような
アンテナが自己多重であることである。自己周波数多重
は、各空洞素子がそれ自身の供給部を有し、分離した空
洞が異なる周波数帯域のために使用されるために生じ
る。したがって、各周波数帯域は別々の供給部セットを
有し、分離周波数多重化は必要でない。

【００２３】図６を参照すると、本発明の別の実施例の
アンテナが示されている。２０ＧＨｚ動作のノッチアン
テナ素子54が中心に配置された４４ＧＨｚの開放端の導
波管供給部56を有する。ノッチアンテナ素子54は２０Ｇ
Ｈｚエネルギに使用され、それに対応してノッチの寸法
が定められている。１実施例において、ノッチの深さは
λ₂₀／４に等しい。寄生的に励起したダイポールスタブ
58はアンテナ素子54のビームパターンを調節するために
ノッチ内に配置される。これらのダイポールタイプのス
タブ58はインピーダンス整合並びにビームパターンを調
節するために使用されることができる。ダイポールスタ
ブはノッチを貫通するので、上部負荷を必要とせずに共
振長を有することができる。

【００２４】電流は図６において矢印で示され、２０Ｇ
Ｈｚのダイポール電流が４４ＧＨｚの導波管56の縁部分
に沿って流れることが見られる。これはスタブが４４Ｇ
Ｈｚの開放端の導波管56の開口を塞がないことによって
有効である。

【００２５】別の実施例において、ロッド延長部（図示
せず）は４４ＧＨｚの供給導波管56の開口によって使用
され、ダイポールスタブはノッチアンテナ素子の位相中
心を調節するために２０ＧＨｚの同心孔の前から外に延
在できるので、４４ＧＨｚの供給部の誘電ロッドの位相
中心と一致している。空洞は円筒形状で図示されている
が、適用に応じて他の形状でもよい。例えば、空洞は製
造が容易である場合において方形形状であってもよい。

【００２６】したがって、本発明によると、後方パター
ン吸収装置における３デシベル損失のない無指向性の多
周波数アンテナが提供される。さらに、直交円偏波動作
が可能であり、単一パルス用における使用を支持する。
外部周波数多重化は分離素子または分離供給部形態によ
り必要でない。

【００２７】用語「放射」は明細書および特許請求の範
囲において使用されるが、この用語は便査上使用される
にすぎない。ここに説明した構造は反転の理論が適用さ
れることを意味し、用語「放射」はまた受信の機能を含
むことを意味する。

【００２８】本発明の好ましい代りの実施例を説明して
例示したが、本発明は当業者の能力内の多くの変更およ
び適応が可能である。したがって、形態、詳細および用
途の種々の変化は本発明の技術的範囲から逸脱すること
なく為されることを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】４個の供給部および４個のノッチを有する本発
明の１実施例の空洞アンテナ素子の斜視図。

【図２】図１のアンテナのノッチへの同軸供給部の接続
を示す図。

【図３】多周波数帯域アンテナを形成する異なる大きさ
の図１の同心の入れ子にされたアンテナ素子のアレイの
斜視図。

【図４】１実施例のアンテナ素子の同心特性およびノッ
チのずれた位置を明瞭に示す図３の装置の上面図。

【図５】１つの機械的な接続技術を示す図３に示された
アレイの側断面図。

【図６】パターン調節のために寄生的に励起したダイポ
ールスタブを使用する本発明の別の実施例のアンテナの
概略図。

【符号の説明】

10…アンテナ素子、16,18,20,22 …ノッチ、30,32,34,3
6 …同軸供給部。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 開放端および閉鎖端を有し、選択された
   周波数帯域を放射するように選択された寸法を有し、開
   放端の縁部を有する空洞と、 選択された周波数帯域を放射するように選択された大き
   さを有する空洞の開放端の縁部に形成された複数のノッ
   チと、 選択された周波数帯域において各ノッチを励起する各ノ
   ッチにそれぞれ関連する複数の供給部とを具備している
   ことを特徴とするアンテナ。
2. 【請求項２】 複数のノッチは空洞の縁部周囲に等間隔
   で設けられた４個のノッチから構成されている請求項１
   記載のアンテナ。
3. 【請求項３】 各供給部は同軸供給ラインから構成さ
   れ、第１の導体は各ノッチの１側部の空洞に接続され、
   第２の導体は第１の導体と反対側のノッチの側部の空洞
   に接続されている請求項１記載のアンテナ。
4. 【請求項４】 開放端および閉鎖端をそれぞれ有し、選
   択された異なる周波数帯域を放射するように選択された
   大きさを有し、開放端の縁部をそれぞれ有する複数の空
   洞と、 各空洞の選択された周波数帯域を放射するように選択さ
   れた大きさを有する空洞の開放端の縁部に形成された複
   数のノッチと、 選択された周波数帯域において各ノッチをそれぞれ励起
   する各ノッチに関連する複数の供給部とを具備し、 複数の空洞は互いに入れ子にされていることを特徴とす
   る請求項１記載のアンテナ。
5. 【請求項５】 空洞は互いに同心的に入れ子にされてい
   る請求項４記載のアンテナ。
6. 【請求項６】 空洞は全空洞の位相中心が共通開口平面
   上に存在するように入れ子にされている請求項４記載の
   アンテナ。
7. 【請求項７】 空洞は互いに同心的に入れ子にされてい
   る請求項６記載のアンテナ。
8. 【請求項８】 各空洞は隣接の空洞に関して回転され、
   隣接の空洞のノッチはずれて配置されている請求項４記
   載のアンテナ。
9. 【請求項９】 隣接の空洞はそのノッチが互いに約４５
   °シフトされるように隣接の空洞が回転されている請求
   項８記載のアンテナ。
10. 【請求項１０】 各空洞は各空洞縁部周囲に等間隔で設
    けられた４個のノッチを具備している請求項４記載のア
    ンテナ。