JPH05506759A - 平板アンテナ - 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】 平板アンテナ 技術分野 本発明は、平板送受信アンテナ、電磁エネルギーを受信する装置、電磁エネルギ ーを送信する装置、電磁エネルギーの送受信装置、電磁エネルギーの受信方法、 電磁エネルギーの送信方法ならびに電磁エネルギーの送受信方法に関する。

背景技術 本願発明者は第１の平行板導波管内の円筒形同位相波面を関連する送受信導波管 内の面形同位相波面に変換する２層平行板導波管アンテナに対するニーズが存在 することを認識するに至った。何故ならば、そのようなアンテナは家庭用衛星通 信に特に有益な一連の望ましい特徴を備えているからである。

発明の目的 本発明の目的は、平板送受信アンテナを提供することである。他の目的は電磁エ ネルギーの受信装置、電磁エネルギーの送信装置、電磁エネルギーの受信方法、 電磁エネルギーの送受方法ならびに電磁エネルギーの送受信方法を提供すること である。

発明の開示 本発明の第一の実施例によれば、以下のものからなる平板送受信アンテナが提供 される。

第１の平行板導波管。

第２の平行板導波管。

エネルギーを前記第１の等波管内外へ結合するカプラー。

第１と第２の平行板導波管の間でエネルギーを交信させて第１の導波管の円筒形 同位相波面と第２の導波管の平面形量位相波面間で変換を行う導波管ベンド。

第２の導波管の一枚の板から成り、第２の導波管と自由空間の間で電磁エネルギ ーを結合する口径列を有する送受信板。

前記口径は互いに隔たることによって、第２の導波管と自由空間の間の電磁エネ ルギーが結合されて送受信板により自由空間内へ伝送される電磁エネルギーの選 択位相を提供するようになっている。

一般的にいって、選択される位相は次の何れかである。

（１）略同位相で送受信板に垂直なビームを生成する。

（２）線形の勾配を有することによって垂直方向に対して小さな角形でビームを 生成する。

本発明の第２の実施例によれば、電磁エネルギーの受信装置で以下のものから成 るものが提供される。

自由空間から電磁エネルギーを受取り受信信号を出力する第１実施例による平板 送受信アンテナ。

アンテナのカプラーと動作上関連する受信機。

通常、前記受信機はアンテナに接続され、受信信号を濾波増幅するフィルタとア ンプと、同フィルタとアンプに接続され受信信号を復調して一定の出力情報信号 を提供する復調器を備える。

本発明の第３の実施例によれば、電磁エネルギー送信用装置で以下のものから成 るものが提供される。

電磁エネルギーを自由空間内へ伝送する第１実施例による平板送受信アンテナ。

動作上アンテナのカプラーと関連する送信機。

一般的にいって、第３の実施例の送信機はマイクロ波周波数発生器、マイクロ波 周波数を入力情報と混合して変調信号を生成する変調器と、前記変調信号を増幅 してそれを第１実施例の送受信アンテナへ出力して変調信号を自由空間へ伝送す るパワーアンプとを含んでいる。

本発明の第４の実施例によれば、電磁エネルギーの送受信装置で以下のものから 成るものが提供される。

受信信号を自由空間から受信出力し、電磁エネルギーを自由空間内へ伝送する第 １実施例の平板送受信アンテナ。

動作上アンテナのカプラーと関連する受信機。

動作上アンテナのカプラーと関連する送信機。

一般に、第４実施例の装置ではアンテナはサーキュレータに接続される。同サー キュレータはアンテナが受信したエネルギーをフィルタ、アンプおよび受信機に 伝送して出力情報信号を提供する。同時に、サーキュレータはエネルギーを周波 数発生器、変調器およびパワーアンプからアンテナに伝送し、変調された入力情 報信号を自由空間へ伝送する。

本発明の第５の実施例によれば、電磁エネルギーを受取る方法が提供される。前 記方法は、第２実施例の装置によりエネルギーを受取る段階を備える。

本発明の第６の実施例によれば、電磁エネルギーを伝送する方法で情報入力信号 を第３実施例装置の送信機へ付与する段階を備えるものか提供される。

本発明の第７の実施例によれば、電磁エネルギーを送受する方法で情報入力信号 を第４実施例の装置の送信機へ付与し、第４実施例装置によりエネルギーを受取 る段階を備えるものが提供される。

全体として第１と第２の平行板導波管はサンドイッチ型構成に互いに隣接して配 置される。このことはそれぞれの導波管の間に単一のコモンプレートを使用する ことによって行うことが望ましい。また、アンテナはほぼ５〜６０ＧＨｚの範囲 で動作するようにすることが望ましい。

望ましいカプラーは、例えば同軸状に結合した上部負荷モノボールと誘電的に負 荷したモノポールである。全体として、導波管ベンドは共通壁に隣接する口径を 有する第１と第２の平行板導波管の一端に共通の略Ｕ形壁を形成し導波管のそれ ぞれとの間でエネルギーを交信する金属である。その代わりに、送受信板は印刷 回路技術により製作することによって金属ボンドコーチングを存する誘電板を提 供することもできる。その際、所要スロットは金属層内にエツチングする。

導波管、放物線形ベンド、および送受信板の製作材料は、銅、黄銅又はアルミニ ウムの何れかであることが望ましい。送受信板の口径は第２の平行板導波管にお ける波の伝播方向を償断して構成された矩形スロットであるのが普通である。伝 播方向に対して平行方向以外の方向をもたせることもまた有益である。その他の スロット形を使用して交差スロットの如き円形又は楕円形の分極を形成すること もできる。

スロットの寸法はビームの特性を決定する。またスロット間の間隔は不都合なグ レーティングローブの変位を決定し、そのようなものとしてスロット中心は第２ の導波管内の波の面内の波長（λ）だけ隔てられλより小さいかそれに等しい値 だけ隔てられるようにすることが望ましく、また最も望ましいのは第２の導波管 の波伝播方向にほぼ０．８λだけ隔てられるようにすることが望ましい。

波の伝播方向にλ未満のスロットの間隔がある場合、導波管を誘電体により充填 することが望ましい。導波管はドープされたフオームの如き誘電体により充填す ることが望ましい（かかる誘電体は例えばエマージン＆カミング社より市販され ている）。

下部平行板導波管における円筒波から上部平行板厚波管内の平面波に変換するた めには入カブローブに焦点を有する平行ベンドが必要になる。その形は成形非焦 点ビームを取得するために放物線から変化させることができる。

図面の簡単な説明 さて、本発明の一連の実施例を図面に即して説明する。

図１は、好適例のアンテナの外部構造の等胸回である。

図２は上部導波管のスロットの構成を示す図１のアンテナの上面図である。

図３は図２の断面ｌｌｌ−１［［の垂直断面図である。

図４は好適例のアンテナに接続される送受装置を示す。

図５はグレーティングローブの各種構造を示す。

図６は送受ローブを走査可能にする代替例を示す。

図７は複分極アンテナのもう一つの実施例を示す。

図８と図９は情報信号を送受する装置を示す。

図１０Ａ−Ｃは異なる分極を得るために使用可能な口径の例を示す。

本発明を実施する最適の形態 図１に全体を示したものは、放物線状導波管ベンド４により上部平行板導波管に 接続される下部放物線形平行板導波管２より成る平板アンテナｌである。

図２と図３を参照すると、平板アンテナ１が詳解されている。上部導波管３は送 受板５とコモンプレート４０により形成される。送受板５は導波管３と自由空間 の間でエネルギーを連続するためのスロットアレイ６を備える。上部導波管３は マイクロ波アブソーノく７内で終る。同アブソーバ７はエネルギーが導波管３の 端から反射されるのを防止する。

下部導波管２はコモンプレート４０とベースプレート４１間で形成される。図２ に平面形で示すように、導波管２はベンド４上（こ集束させるようにほぼ円錐状 になっている。エネルギーはプローブ８を介して下部導波管２内外へ連結される 。

放物線形導波管のベンド４はほぼＵ形をしていて、送受板５をペースプレート４ １と接続し導波管２と３の隣接しあう端部の間と連結する口径４２を提供する。

ベント４は位相を３６０°変化させて導波管２と３内の波を物理的１８０°内を 再方向づける働きを行う。

ベンド４はまた波形伝播面を導波管２と３の間で変形させる。

アンテナ１の動作は送信の場合に最もよく説明すること力（できる。

但し、当業者は受信時には逆の動作か起こることが理解されよう。

送信されると、エネルギーはプローブ８へ提供され、同ブローフ゛８は、下部導 波管２内に電磁波をつくりだす。波は導波管２を下ってベンド４方向に走行する 。ベンド４は波を上部導波管３内へ変換する。導波管ベンド４は導波管２と３の 面内に放物線形を有し、集束作用をもち平面波を上部導波管３内に伝播される。

送受板５とその内部に構成されたスロットアレイ６とによって波は送受板５の表 面の面に対してほぼ垂直方向に放射することが可能になる。このことは同相に各 スロットに達し最大指向性利得を与える平面波によって実現することができる。

垂直方向伝播を成功させるためには２つの条件を充たさなければならない。

第一に、上部導波管３は、例えば適当な誘導負荷による緩慢波構成とすることに よって、スロット６の各々が同相又は２πラジアンの倍数に等しい位相差により 供給されるようにする必要がある。導波管２と３の各々の誘電体９をこの動作を 示すために図３に示す。

第２に、各スロット間の間隔は当該分野では周知のグレーティングローブの生成 を避ける程の小ささでなければならない。同様に、個々のスロットの寸法は所望 ビームの種類にふされし０位相（こより効率を最大化するために送受板５の表面 全体にわたって変化することになろう。

例えば、はぼ垂直のビームについては同相とすれば最大の指向性利得が得られる 。

例えば、図２に示すように、垂直ビームの場合に好適な一例ではグレーティング ローブを十分に抑圧する０、８λのスロツト間の間隔ｄを使用する。もしアンテ ナｌの上部導波管３が誘電率１．５６の誘電体９で完全に充たされる場合には、 伝播方向（ｄ）への隣接しあうスロットは２πの位相差を有し、一方、距離Ｓ＝ λだけ隔たった横断方向のスロットは同相となる。

この結果、アンテナ１の面に対して垂直な放射ビームか得られる。

同様に、図３には導波管ベント４の動作を改善する誘電整合ｌＮｌ０か示されて いる。

アンテナ１は１４〜１４．５ＧＨｚを送信し１２〜１２．５ＧＨ２を受信するＡ ＵＳＳＡＴサテライトシステムに特に好適な実施例の場合、はぼ５〜６０ＧＨｚ の範囲の周波数を送受する上で有効である。信号の周波数帯域はアンテナの全体 寸法を決定する。

図４にはサーキュレータＩ２によりアンテナｌに連結されるトランシーバ１１が 示されている。サーキュレータ１２は送信側のアンテナｌとパワーアンプ１３間 でエネルギーを連結し、受信側ではアンテナ１とバンドパスフィルタ１４間でエ ネルギーを結合する。送信時、マイクロ波周波数発生器１５は変調器１６に結合 され変調器１６へ送られる情報入力信号により変調されるマイクロ波周波数をつ くりだす。変調された信号はパワーアンプ１３により増幅され、サーキュレータ １２を介してアンテナｌへ出力される。受信されると、エネルギーはアンテナｌ 内へ結合され、サーキュレータ１２を介してバンドパスフィルタ１４へ向かう。

その後エネルギーは低ノイズアンプ１７内へ結合された後受信回路１８へ向かい 、同回路は復調情報信号を出力し、同信号は適当な出力装置内へ送られる。

受信アンテナに好適な実施例では、バンドパスフィルタ１４と低ノイズアンプ１ ７は図３に示すようにプローブ８にすぐ隣接するアンテナ上に配置される。

図５は平板アンテナｌ内におけるグレーティングローブの伝送と形成を示す。ア ンテナｌはアンテナの面に対してほぼ垂直な主ビーム１９をつくりだす。スロッ ト６か波長の倍数で隔たっているようなアンテナの構成の場合には、主ビームＩ ９に対して垂直なグレーティングローブ２０かアンテナ面内に形成され、アンテ ナの効率が落ち、干渉かひきおこされる。従って、もしグレーティングローブか 抑圧可能であれば有益である。同様に、図５にはスロット６間にｄ＝０８λの間 隔を使用する好適なグレーティングローブ２Ｉが示されている。

本例では、グレーティングローブは当業者に周知の如く抑圧される。間隔が波長 よりも小さな場合には導波管内の波の伝播を誘電体９により緩慢にする必要があ る。好適な誘導体は高誘電材料又は金属によりドープした負荷フオームであり、 間隔ｄ＝０．８λの場合はぼ１．５６の全体誘電率を提供する。誘電率を決定す る等式は以下の通りである。

ｎλ もしｄ＝λであれば、誘電体は不要であることに注意されたい。

図６は下部平行板導波管２３の焦点の周りに構成したプローブ８を有するもう一 つの平板アンテナ２２を示す。

導波管２３は先に述べたように放物線形導波管ベンド２５を介して上部導波管２ ４内へ結合される。図６のプローブ８の構成によれば、多数の主ビームをアンテ ナにより上部導波管２４内の波の伝播方向に対して横断する面内に生成させるこ とができる。かかる構成によれば、１つ以上のサテライトからほぼ同時に送受信 可能なアンテナ２２を提供することができる。

図７は複分極アンテナ２６の実施例を示す。アンテナ２６は導波管ベンド２９と ３０を介して共通の上部平行板導波管３１へ結合する２個の別個の下部平行板導 波管２７．２８を有する。

上部導波管３１は波をそれぞれの下部導波管２７．２８内外へ送受する上で好適 な２つのスロットアレイ３２，３３を有する送受信板を備える。

当業者であれば、図７の構成はアンテナ２６により取扱われる通信量を少なくと も２倍にすることが可能であることが理解されよう。

図８と図９はそれぞれ情報信号を送受する装置を示す。各装置の構成部分は図４ について先に述べたものと同じである。上記矩形スロットは特に線形分極を得る 上で有効である。然しなから、伝播方向に対して平行な方向以外ならば何れの方 向でも十分である。図１０Ａ−Ｃに示す口径は種々の分極を提供し、それぞれ第 ２の導波管内の波の伝播方向に対して４５°の角度で構成することが望ましい。

ｒ：ｊＪ＋　ＯＡは円形分極を提供する交差スロット又は十字形を示す。

図１０Ｂの楕円形と図１０Ｃのハツチ円形もまた有効である。

産業上の利用可能性 本発明による平板アンテナはサテライト通信信号を送受信する装置に特に有効で ある。

上記は本発明の一連の実施例のみを解消したもので、当業者に明らかなように、 他の実施例も本発明の範囲から逸脱せずに構成できるものである。例えば、図２ の下部導波管２はほぼ円錐形のものではなく矩形とすることができる。

Ｆ／Ｇ、５ Ｒθ、ｅ 要　約　書 第１と第２の平行板導波管（２，３）を有する平板送受信アンテナ（１）が開示 される。導波管ベンド（４）は導波管（２，３）の間でエネルギーを交信して内 部に口径（６）のアレイが形成された第２導波管（３）の露出板（５）からの送 受信を可能にする。第１導波管（２）の焦点にカプラー又はプローブ（８）が設 けられ、送信時に円筒形同位相波面を第１の導波管（２）に沿って伝播させる。

前記円筒形同位相波面は導波管ベンド（４）により第２導波管内で平面形量位相 波面へ変換される。走査と複分極による実施例もまた開示される。

国際調査報告 ＋１１ｔｅｒｌＩ＠ｔ＋ａｍＬＡｏｏｌｌｃａ１１６１１１１６．ｐａｒ７−ゴ タ１１（×ｒｕ−５ＧＢ　２２２１８００　ＭＪ３９０Ｂ５７Ｂ９　σ　１０４ ０２ＢＢ　匡３９２６１８８ＦＲ２６３８０２５ＪＰ　２０４６００４謄ＯＣＦ 　ＡＩ豐砒Ｘ

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. １．第１の平行板導波管と、 第２の平行板導波管と、 エネルギーを前記第１の導波管内外へ結合するカプラーと、エネルギーを第１と 第２の平行板導波管の間で交信して第１の導波管内の円筒形の同位相波面と第２ の導波管内の平面形同位相波面の間を変換する導波管ベンドと、 一枚の第２の導波管より成り、第２の導波管と自由空間の間で電磁エネルギーを 結合する口径アレイを有する送受信板と、から成り、 前記口径が互いに隔てられることによって第２の導波管と自由空間の間の電磁エ ネルギーが結合されて送受信板により自由空間内へ送信される電磁エネルギーの 選択位相を提供するようになった平板送受信アンテナ。
2. ２．選択位相がほぼ同相である請求項１記載の平板送受信アンテナ。
3. ３．第１と第２の平行板導波管がサンドイッチ型の構成で互いに隣接して配置さ れる請求項１記載の平板送受信アンテナ。
4. ４．単一のコモンプレートが導波管の間に配置されそれらを分割する請求項３記 載の平板アンテナ。
5. ５．前記アンテナがほぼ５〜６０ＧＨｚの範囲にわたって動作可能な請求項１記 載の平板アンテナ。
6. ６．前記導波管ベンドがエネルギーを各導波管の間で交信させる口径を有する第 １と第２の平行板導波管の一端にほぼＵ形の共通壁を構成する金属である請求項 １記載の平板アンテナ。
7. ７．前記導波管と、放物線形ベンドと送受信板とが銅、黄銅およびアルミニウム より成る群から選択される材料より構成される請求項１記載の平板アンテナ。
8. ８．前記口径が第２の平行板導波管内の波の伝播方向に対して横断して構成され る矩形スロットである請求項１記載の平板アンテナ。
9. ９．前記スロットが第２の導波管内の波の面内で一波長（λ）により隔てられ第 ２の導波管内の波の伝播方向にλより小さいか又は等しい値により隔てられるス ロット中心を有する請求項８記載の平板アンテナ。
10. １０．λよりも小さな前記値がほぼ０．８λである請求項９記載の平板アンテナ 。
11. １１．間隔が波伝播方向にλよりも小さなスロットの場合、導波管内に誘電体が 設けられる請求項９又は１０記載の平板アンテナ。
12. １２．前記誘電体が前記導波管を充填する請求項１１記載の平板アンテナ。
13. １３．前記導波管が前記口径に隣接する単一の共通壁により分割される請求項６ 記載の平板アンテナ。
14. １４．前記導波管ベンドが前記カプラー上に集束する平行ベンドである請求項６ 記載の平板アンテナ。
15. １５．前記カプラーが送受信エネルギーの走査を可能にする複数の結合要素から 成る請求項１記載の平板アンテナ。
16. １６．前記第１の平行板導波管がそれぞれ対応するカプラーを有する２個の隣接 する副導波管に分割され、同副導波管がそれぞれそこから前記第２の平行板導波 管へ対応する導波管ベンドを介してエネルギーを交信し、前記送受信板がそれぞ れ電磁エネルギーを第２の導波管と自由空間の間で結合する２つの口径アレイを 有する請求項１記載の平板アンテナ。
17. １７．前記導波管ベンドと前記アレイが前記アンテナの複分極動作を可能にする ように９０°だけ変位する請求項１６記載の平板アンテナ。
18. １８．前記カプラーが同軸状に結合された上部負荷モノポールと誘電負荷された モノポールより構成される群から選択される請求項１記載の平板アンテナ。
19. １９．自由空間から電磁エネルギーを受取り受信信号を出力する請求項１記載の 平板送受信アンテナと、 アンテナのカプラーと動作上関連する受信機と、から成る電磁エネルギーの受信 装置。
20. ２０．受信機が受信信号を濾波増幅するアンテナに接続されるフイルタとアンプ と、 フイルタとアンプに接線され受信信号を復調して出力情報信号を提供する復調器 と、を含む請求項１９記載の装置。
21. ２１．電磁エネルギーを自由空間に送信する請求項１記載の平板送受信アンテナ と、 アンテナのカプラーと動作上関連する送信機と、から成る電磁エネルギーの送信 装置。
22. ２２．送信機がマイクロ波周波数発生器と、同マイクロ波周波数を入力情報信号 とミックスして変調信号を生成する変調器と、変調信号を増幅してそれを送受信 アンテナへ出力して変調信号を自由空間へ送信するパワーアンプとを含む請求項 ２１記載の装置。
23. ２３．自由空間から受信信号を受取り出力し電磁エネルギーを自由空間内へ伝送 する請求項１の平板送受信アンテナと、アンテナのカプラーと動作上関連する受 信機と、アンテナのカプラーと動作上関連する送信機と、から成る電磁エネルギ ーの送受信装置。
24. ２４．アンテナがサーキュレータに接続され、同サーキュレータがアンテナの受 取ったエネルギーを前記受信機内に含まれるフイルタとアンプへ転換し出力情報 信号を提供し、前記サーキュレータがまたエネルギーを前記送信機の周波数発生 器と、変調器と、パワーアンプからアンテナへ転送して変調入力情報信号を自由 空間へ転送する請求項２３記載の装置。
25. ２５．請求項１９記載の装置によりエネルギーを受信する段階より成る電磁エネ ルギー受信方法。
26. ２６．情報入力信号を請求項２１記載の装置の送信機に付与する段階より成る電 磁エネルギー送信方法。
27. ２７．情報入力信号を請求項２３記載の装置の送信機に付与し、エネルギーを請 求項２３記載の受信装置により受信する電磁エネルギーの送受信方法。
28. ２８．選択位相がほぼ線形の位相勾配を有する請求項１記載の平板アンテナ。
29. ２９．前記送受信板が印刷回路手法を用いて製作される請求項１記載の平板アン テナ。
30. ３０．前記送受信板が金属ボンドコーチングを有する誘電板より成り、前記口径 が前記金属コーチング内へエッチングされる請求項２９記載の平板アンテナ。
31. ３１．前記口径が楕円形をして送信エネルギーの楕円形分極を可能にする請求項 １記載の平板アンテナ。
32. ３２．前記口径が円形で円形分極を可能にする請求項３１記載の平板アンテナ。
33. ３３．前記口径が切欠される請求項３２記載の平板アンテナ。
34. ３４．前記口径が十字形で送信エネルギーの楕円形分極を可能にする請求項１記 載の平板アンテナ。
35. ３５．前記口径が第２導波管内の波の伝播方向からほぼ４５°の角度に構成され る請求項３１又は３４記載の平板アンテナ。