JPH0548323A - ２偏波共用アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 直交する偏波を送受信する２種の放射用導波
管１，２を、自由空間波長の半分以下のピッチで交互に
並べた、２偏波共用の導波管アレーアンテナ。 【効果】 １台のアンテナのサイズで、直交する２つの
偏波を独立に送信あるいは受信することのできるアンテ
ナである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、衛星通信用などのマイ
クロ波帯ないし準マイクロ波帯の電波を送受信するのに
好適な２偏波共用アンテナに関するものである。さらに
詳述すれば本発明は、導波管にスロットまたは放射素子
を設け、これを複数本並べてアレーアンテナとした、い
わゆる導波管アレーアンテナの構造を有する２偏波共用
アンテナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、マイクロ波帯あるいは準マイクロ
波帯の電波を利用した通信あるいは放送が急速に伸びて
いる。そして、電波の利用効率を高めるために、直交す
る偏波を使うことによって、同一の周波数で２つの独立
した通信を行うなどの工夫がなされている。

【０００３】このような電波を受信するために、パラボ
ラアンテナでは一次放射器に続く導波管部分で直交する
偏波を分離し、１台のアンテナで２つの偏波に対応でき
るものが実用化されている。

【０００４】一方、マイクロ波帯などの電波を送受信す
るアンテナとして近年平面アンテナが脚光を浴びてお
り、中でも給電損失の小さい導波管を放射部に用いた導
波管スロットアレーアンテナが、高い開口効率を実現で
きる平面アンテナの最右翼として種々実用化され、また
改良研究が進められている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来か
ら知られているこのような導波管スロットアレーアンテ
ナでは、１台のアンテナで直交する２偏波を独立して送
受信できるものは実現しておらず、このような２偏波の
受信のためには２台の別々のアンテナを必要とし、パラ
ボラアンテナに対してコスト面でも、設置スペース面で
も大きな不利を負うことになっている。

【０００６】よって本発明の目的は上述の点に鑑み、導
波管スロットアレーアンテナにおける開口面サイズを大
きくすることなく、直交する２偏波を独立して送受信で
きる新しい構造を有する２偏波共用アンテナを提供する
ことにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、所定の誘電率
を有する誘電体を充填し、幅広面に多数の放射スロット
または放射素子を設けて所定の偏波を放射する第１の放
射用導波管と、所定の誘電率を有する誘電体を充填し、
前記第１の放射用導波管と直交する偏波を放射すべく幅
広面に多数の放射スロットまたは放射素子を設けた第２
の放射用導波管を備え、前記第１および第２の放射用導
波管を空間波長の半分よりも狭いピッチで交互に並べた
ことを特徴とするものである。

【０００８】

【作用】本発明では、幅広面（Ｈ面）に多数の放射スロ
ットまたは放射素子を設けて所定の偏波を放射する第１
の放射用導波管と、この第１の放射用導波管と直交する
偏波を放射するように幅広面に多数の放射スロットまた
は放射素子を設けた第２の放射用導波管を交互に並べて
平面アレー化するものである。

【０００９】しかしこのままでは、矩形導波管の幅（幅
広面の寸法）は空間波長の半分よりも広い（矩形導波管
を通過することのできる電波の波長が、その導波管の幅
の２倍よりも短いことは、原則的な事実である）ため、
先の第１の放射用導波管同士のピッチも、第２の放射用
導波管同士のピッチも空間波長より長くなり、どちらも
主ローブの他にグレーティングローブを生じ、受信効率
が大きく低下してしまうという不都合が生じる。

【００１０】そこで本願発明では、導波管の内部に誘電
体を挿入することによってその導波管の遮断周波数が低
くなる点、すなわち誘電体の充填によって矩形導波管の
幅を空間波長の半分よりも狭くできる点に着目し、先の
それぞれの放射用導波管同士のピッチを空間波長よりも
短くすることが可能となり、従ってグレーティンググロ
ーブを生じない好ましいアレー化が可能となることに基
づいて、上記構成を採るものである。

【００１１】すなわち本願発明は、所定の誘電率を有す
る誘電体を充填し、幅広面に多数の放射スロットまたは
放射素子を設けて所定の偏波を放射する第１の放射用導
波管と、同じく所定の誘電率を有する誘電体を充填し、
第１の放射用導波管と直交する偏波を放射するように幅
広面に多数の放射スロットまたは放射素子を設けた第２
の放射用導波管を、空間波長の半分よりも狭いピッチで
交互に並べることにより、２偏波共用アンテナを実現す
るものである。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１３】実施例１ 本発明の第１の実施例を図１に示す。本図において、第
１放射管１および第２放射管２は同一サイズの矩形導波
管で、相互に幅狭面（Ｅ面）を接して交互に並べられて
いる。第１放射管１の一方の幅広面（Ｈ面）には、管軸
に直角な方向に長手方向を持つ第１放射スロット１Ａが
所定のピッチで設けられ、この管内には所定の実効誘電
率を有する誘電体１Ｂが充填され、さらに管端は短絡板
１Ｃで閉塞されている。同じく第２放射管の、前記第１
放射スロット１Ａを設けた側の幅広面には、管軸と平行
な方向に長手方向を持つ第２放射スロット２Ａが、第１
放射スロットと同じピッチで設けられ、この管内にも先
の誘電体１Ｂと同じ誘電体２Ｂが充填され、さらに管端
は短絡板２Ｃで閉塞されている。

【００１４】さらに、第１放射管１および第２放射管２
を整列した全体を整列体と呼ぶことにすれば、この整列
体の、放射スロットを形成していない幅広面の側に、相
互に管軸が直交する方向に、いずれも矩形の導波管から
なる第１給電管３および第２給電管４をこれらの幅広面
を密着して配置する。

【００１５】そうした第１給電管と各第１放射管１とが
接する部分には、双方の幅広面を貫くように結合スロッ
ト３Ａを設け、同様に第２給電管と各第２放射管２とが
接する部分には、双方の幅広面を貫くように結合スロッ
ト４Ａを設ける。そして第１給電管３および第２給電管
４の内部には、所定の実効誘電率を有する誘電体３Ｂお
よび誘電体４Ｂがそれぞれ充填してある。

【００１６】以上の構成において自由空間波長をλ₀ と
して、第１放射スロット１Ａおよび第２放射スロット２
Ａはそれぞれ略０．９λ₀ 以下のピッチ（Ｘ方向）で配
置し、このピッチと第１放射管１および第２放射管２の
管内波長とを等しくする。

【００１７】また第１放射管１および第２放射管２は交
互に配置されているが、このピッチ（Ｙ方向）は略０．
４５λ₀ 以下とする。さらに結合スロット３Ａは各第１
放射管１に開口し、そのＹ方向のピッチは前述の第１放
射管１と第２放射管２を交互に並べたピッチの２倍であ
るが、このピッチは第１給電管３の管内波長と等しくさ
れている。同様に、第２給電管４の管内波長は結合スロ
ット４ＡのＹ方向のピッチと等しくされている。

【００１８】以上の構造および諸寸法の設定において第
１給電管３の一端から所定の高周波電力を投入すると、
その電力の一部が結合スロット３Ａを介して各第１放射
管１に同位相で供給される。この電力は第１放射管１の
中を進み、第１放射スロット１Ａからその一部が空間に
放射される。そして電力の一部は短絡板１Ｃで反射さ
れ、この反射波も順次第１結合スロット１Ａから放射さ
れ、いわゆる定在波型の導波管アンテナとして作用す
る。

【００１９】このようにして各第１放射スロット１Ａか
ら放射された電波はすべて同位相であり、しかもこの第
１放射スロット１ＡのＸおよびＹ方向の配列ピッチはい
ずれも略０．９λ₀ 以下となっているため、正面（スロ
ットを形成した面に対して直角）方向に主ビームを形成
し、しかもグレーティングローブを生じないＸ方向に偏
波面を持つアレーアンテナとして作用する。

【００２０】第２放射管２と第２給電管４の系列も同様
にして、Ｙ方向に偏波面を有するアレーアンテナとして
作用する。そして、これら両系列は偏波面が直交してい
るために相互の結合は起こらず独立したアンテナとして
作用し、従って双方とも放射スロットが配置されている
領域全体がほぼ有効な開口面となる。すなわち、１台の
アンテナの大きさの中に２台のアンテナを構成できるこ
とになる。

【００２１】さて以上の構成の中で、誘電体１Ｂ，２Ｂ
あるいは３Ｂ，４Ｂについての説明を加える。これらの
誘電体は、第１放射管１および第２放射管２について
は、その管の幅を狭めるためと管内波長を短縮するよう
に機能している。すなわち導波管内の基本モードの波長
は、導波管の幅と、その中に充填する誘電体の誘電率と
により以下の関係式（１）によって決められる。

【００２２】

【数１】

【００２３】上式から明らかな様に、誘電体の比誘電率
を１よりも大きくすることによって、導波管の幅ａを自
由空間波長の１／２よりも小さくすることが可能となる
と同時に、管内波長を自由空間波長よりも短くすること
が可能になる。ただし、スロットを設けることによって
一般に管内波長は実質的に短縮されるため、必要な管内
波長の設定に当たってはそれを考慮しなければならな
い。

【００２４】一方、第１給電管３および第２給電管４に
ついては、通常導波管の幅の制限がないため、誘電体
は、先の結合スロット３Ａおよび４Ａそれぞれのピッチ
（略０．９λ₀ 以下）と管内波長が一致できるよう波長
短縮の効果のために用いる。

【００２５】以上いずれの場合も、所定の管内波長を決
めるに当たって、誘電体の誘電率の設定には少なくとも
若干の自由度（幅）があるが、所望の実質的な誘電率を
得るには、誘電体の種類や形態を適宜選んで用いる。例
えば最も単純には、所望の誘電率を有するプラスチック
を管内に密に充填するが、適当な材料が無い場合には、
２種以上の材料（空気を含む）の混合体を充填したり、
あるいは管内の一部だけに誘電体を挿入するなどによっ
て実質的な誘電率を調節する。

【００２６】実施例２ 次に、図２〜図４を参照して、本発明の第２の実施例を
説明する。以下に詳述する第２の実施例は、いわゆる漏
洩波型の導波管スロットアレーアンテナを円偏波に適用
したもので、給電部にはマイクロストリップ回路を用い
ている。

【００２７】本発明の第２の実施例を示す図のうち、図
２は表面の一部を示した平面図であり、一部切り取って
断面を示している。図３は、図２に対応する部分を裏面
から見た平面図であり、一部切り取って内部断面を示
し、破線で見えない部分の一部を示している。図４は、
図３のＳＳ′面で切断した断面図である。

【００２８】これら図２〜図４において、第１放射管１
１および第２放射管１２は同一サイズの矩形導波管であ
り、相互に幅狭面（Ｅ面）を接して交互に並べられてい
る。第１放射管１１の一方の幅広面（Ｈ面）には、十字
型の第１放射スロット１１Ａが幅広面の中央よりも左に
寄せて（図２）所定のピッチで設けられ、この管内には
所定の実効誘電率を有する誘電体１１Ｂが充填され、さ
らに管端は短絡板１１Ｃで閉塞されている。

【００２９】同じく、第２放射管１２の、前記第１放射
スロット１１Ａを設けた側の幅広面（Ｈ面）には、十字
型の第２放射スロット１２Ａが幅広面の中央よりも右に
寄せて（図２）所定のピッチで設けられ、この管内には
所定の実効誘電率を有する誘電体１２Ｂが充填され、さ
らに管端は短絡板１２Ｃで閉塞されている。

【００３０】そして、第１放射管１１および第２放射管
１２を整列した全体を放射管体と呼ぶことにすれば、こ
の放射管体の、放射スロットを形成していない幅広面の
側に密着して、順次、地導体板２１，誘電体層２２，第
１給電線路１３，誘電体層２２３，地導体板２４，誘電
体層２５および第２給電線路１４が層状に配置されてい
る。

【００３１】第１給電線路１３の端部には給電プローブ
１５が先の層状部分に直角な方向に接続され、この給電
プローブ１５は誘電体層２２を貫き、地導体板２１と第
１放射管１１の幅広面に設けた孔１９を、誘電体スリー
ブ１７を間に挾んで貫通し、短絡板１１Ｃの付近の各第
１放射管１１内に突出している。

【００３２】そして第１給電線路１３は、地導体板２
１，誘電体層２２，誘電体層２３および地導体板２４と
によって、いわゆるトリプレート構造のマイクロストリ
ップ回路を形成し、２本の給電プローブ１５からの電力
を１本に併合し、さらにその電力を併合するという構造
を繰り返して最終的に１つの出力端にまとめられる。こ
の出力端と各給電プローブ１５に至る経路長（電気長）
は等しいものとする。

【００３３】同様に、第２給電線路１４の端部には給電
プローブ１６が先の層状部分に直角な方向に接続され、
この給電プローブ１６は、誘電体層２５を貫き、そして
地導体板２４，誘電体層２３，誘電体層２２，地導体板
２１および第２放射管１２の幅広面を貫いて設けた金属
の管である導体スリーブ２０を、誘電体スリーブを間に
挾んで貫通し、短絡板１２Ｃの付近の各第２放射管１２
内に突出している。

【００３４】そして第２給電線路１４は、誘電体層２５
および地導体板２４とによって単層構造のマイクロスト
リップ回路を形成し、２本の給電プローブ１６からの電
力を１本に併合し、さらにその電力を併合するという構
造を繰り返して最終的に１つの出力端にまとめられる。
この出力端と各給電プローブ１６に至る経路長（電気
長）は等しいものとする。

【００３５】以上の構成において、自由空間波長をλ₀
として、第１放射スロット１１Ａおよび第２放射スロッ
ト１２Ａはそれぞれ略０．５λ₀ 以下のピッチ（Ｘ方
向）で配置し、第１放射管１１および第２放射管１２の
管内波長は、自由空間波長よりも長い所定長さとする。
また第１放射管１１および第２放射管１２は交互に配置
されているが、そのピッチ（Ｙ方向）は略０．４５λ₀
とする。

【００３６】かかる構造および寸法の設定において、第
１放射管１１は右旋偏波を受信し、かつ自由空間波長と
管内波長との比を正弦値（ｓｉｎ）に持つような角度方
向（ＸＺ平面内でＺ方向からの傾き）に主ビームを持
つ、いわゆる漏洩波型導波管スロットアレーアンテナと
して作用する。そして各第１放射管１１で受信した電波
は、各々の給電プローブ１５を経て、第１給電線路１４
で順次併合されながら最終的に前記出力端に集められ、
独立した平面アレーアンテナとして作用する。この場合
も第１の実施例同様、グレーティングローブは生じず、
好ましい放射パターンが得られる。

【００３７】第２放射管１２の系列についても同様に、
左旋偏波用の独立した平面アレーアンテナとして作用
し、これら２つの系列はそれぞれ干渉することなく独立
に機能することは第１の実施例と同様である。また、誘
電体１１Ｂあるいは誘電体１２Ｂの機能も第１の実施例
と同様であり、前述の要領でその材料，充填形態などを
選択すればよい。

【００３８】以上２つの実施例について説明したが、本
発明がこれらの構造にのみ限定されるものでないことは
明らかである。すなわち例えば、給電回路については、
トーナメント型の導波管分岐回路を用いることも可能で
あるし、第２の実施例で示したマイクロストリップ型の
給電回路を第１の実施例の給電回路として用いても良
く、この場合には、回路を２段に重ねずに構成すること
もできる。また放射スロットについても、第２の実施例
で、十字スロットの代わりにＸ字スロットを用いても良
いし、同じく第２の実施例すなわち漏洩波型の導波管ス
ロットアレーアンテナで、直交する直線偏波の組合わせ
とすることもできるなど種々の構成が可能である。

【００３９】さらに、放射スロットの代わりの放射素子
を用いることも可能である。例えば、金属の線材をコイ
ル状に巻いたものは円偏波を受信するヘリカルアンテナ
として知られているが、この素子の一端を、放射管の幅
広面に設けた孔から同放射管の中に突出させることによ
って前記素子と放射管（導波管）を結合させることがで
きることは知られており、この素子を先の（第２の実施
例）十字スロットの代わりに用いることができる。ま
た、実用的な意味はともかく、放射スロットにいくらか
の間隔をあけて、円形パッチや矩形パッチなどの放射素
子を配置する間接的な放射構造や、これらの放射素子を
同軸線構造で放射管と結合させるなどの知られた方法を
適用することもできる。

【００４０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれば
１台のアンテナの大きさの中に、各々直交する偏波を送
受信する２台の独立したアンテナを構成することが可能
となり、導波管スロットアレーアンテナの実用領域を大
きく拡大するという格別な効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を表側から（破線により
見えない部分の一部を示している）示す斜視図である。

【図２】本発明の第２の実施例における表面の一部を示
した平面図（一部切り取って断面を示している）であ
る。

【図３】図２に対応する部分を裏面から見た平面図（一
部切り取って内部断面を示し、破線で見えない部分の一
部を示している）である。

【図４】図３のＳＳ′面で切断した断面図である。

【符号の説明】

１，１１ 第１放射管 １Ａ，１１Ａ 第１放射スロット １Ｂ，２Ｂ，３Ｂ，４Ｂ，１１Ｂ，１２Ｂ 誘電体 １Ｃ，２Ｃ，１１Ｃ，１２Ｃ 短絡板 ２，１２ 第２放射管 ２Ａ，１２Ａ 第２放射スロット ３ 第１給電管 ３Ａ，４Ａ 結合スロット ４ 第２給電管 １３ 第１給電線路 １４ 第２給電線路 １５，１６ 給電プローブ １７，１８ 誘電体スリーブ １９ 孔 ２０ 導体スリーブ ２１，２４ 地導体板 ２２，２３，２５ 誘電体層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の誘電率を有する誘電体を充填し、
   幅広面に多数の放射スロットまたは放射素子を設けて所
   定の偏波を放射する第１の放射用導波管と、 所定の誘電率を有する誘電体を充填し、前記第１の放射
   用導波管と直交する偏波を放射すべく幅広面に多数の放
   射スロットまたは放射素子を設けた第２の放射用導波管
   を備え、 前記第１および第２の放射用導波管を空間波長の半分よ
   りも狭いピッチで交互に並べたことを特徴とする２偏波
   共用アンテナ。