JPH09107233A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンテナ装置効率の改善 【解決手段】 誘電体ロッドアンテナに、ロッドと一体
形成したテ−パ−加工した管状誘電体ガイドによってマ
イクロストリップパッチまたはスロット放射素子１を結
合する。共通な基板２に放射素子のアレ−を形成し、こ
れら素子から放射されるエネルギ−をレンズやディッシ
ュなどの２次アンテナ素子に照射するにように、誘電体
ガイド／ロッドアンテナを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は誘電体ロッドを使用する
アンテナ装置に関する。特に、とは言ってもこれに限ら
ないが、本発明はマイクロストリップ、ストリップ伝送
線路、パッチやスロット放射素子を使用するアンテナ装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】マイクロストリップ、ス
トリップ伝送線路プレ−ナ−パッチやスロット放射素子
等は、伝送線路損失があるため、２０ＧＨｚ程度かそれ
以上の周波数では効率は比較的低い。放射パッチの電力
半値ビ−ム幅（ＨＰＢＷ）は例えば１３０〜１８０度で
あるため、パッチ放射素子を単独で使用した場合、誘電
体レンズ、フレネルレンズやレフレクタ−ディッシュ等
のアンテナ素子に効率よく電力を供給できない。すなわ
ち、効率よく照射できない。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明は、誘電体ロッド
を使用するアンテナ装置において、テ−パ−加工した管
状誘電体ガイドによってパッチ放射素子またはスロット
放射素子を誘電体ロッドに結合したアンテナ装置を提供
するものである。

【０００４】本発明の場合、誘電体ガイドは誘電体ロッ
ドに一体的に形成してもよい。また、パッチ、ガイドや
誘電体ロッドの断面形状は円形、正方形、長方形、楕円
形や多角形であってよい。

【０００５】以下、誘電体ガイドロッド、あるいは単に
ガイドロッドと呼ぶ、一体的に形成した誘電体ガイドお
よび誘電体ロッドは、マイクロ波吸収パネル、半波長レ
−ド−ムパネルやメニスカスレンズ、あるいはこれらを
組合わせたもので構成することができるスクリ−ンパネ
ルによって放射素子上面に支持すればよい。放射素子の
電圧定在波比（ＶＳＷＲ）のスクリ−ンパネルへの影響
を最小限に抑えるために、スクリ−ンパネルは、中心作
動周波数だけ放射素子から離して設けてもよい。あるい
は、メニスカスレンズの場合には、レンズ内径を整数の
半波長にしてもよい。誘電体ガイドロッドを支持する別
な構成では、半波長だけ分離した２枚の誘電体パネルを
使用する。これらパネルは誘電率が同じで、電気的厚み
は半波長以下または半波長以上でもよいが、好ましくは
半波長以下である。

【０００６】また、誘電体ガイドロッドにはその長さ方
向に雄螺子を設けてもよい。この雄螺子によてスクリ−
ンパネルに対してガイドロッドを位置決めできるので、
誘電体ガイド端部とパッチ発振素子との間隙を調節し
て、パッチとガイドロッドの結合を最適化できる。最適
な間隙は波長の３％程度である。

【０００７】パッチ発振素子アレ−は共通な基板に設け
ればよい。また、各素子には、共通のスクリ−ンパネル
によって支持する各誘電体ガイドロッドを設けることも
できる。

【０００８】以下、例示のみを目的として、添付図面に
ついて本発明のアンテナ装置を説明する。

【０００９】まず、図１（ａ）に示した本発明アンテナ
装置の一実施例では、パッチ放射素子小１のアレ−を誘
電体基板２に形成する。各パッチ１には、それぞれ誘電
体ガイドロッド３を支持する。各誘電体ガイドロッド３
は、それぞれのパッチ１に隣接するテ−パ−加工した管
状部か円錐形管状部４、およびテ−パ−加工した誘電体
ロッド部５で構成する。ロッド部５は、材質にもよる
が、ポリロッド（ｐｏｌｙｒｏｄ）あるいはフェロッド
（ｆｅｒｒｏｄ）と呼ばれることもある。各ガイドロッ
ド３に、その位相中心７の下方において長さ方向に雄螺
子６を設けることによって、吸収スクリ−ンパネル８に
対応して設けた螺子孔にこれを調節自在に螺合する。こ
のパネル８は、図１（ａ）に示すように二重マイクロ波
吸収パネルとして、あるいは図１（ｂ）に示すように、
半波長電波透過性レ−ド−ムパネル１２として、あるい
は図１（ｃ）に示すように、メニスカスレンズ１０とし
て構成することができる。また、これらを組合わせて構
成してもよい。

【００１０】パッチ放射素子１の電圧定在波比（ＶＳＷ
Ｒ）を最小限に抑えるために、スクリ−ンパネル８と基
板２との間の間隙９、またはレンズ１０の内径を作動中
心周波数において半波長に実質的に等しくする。なお、
最適寸法は、スクリ−ンパネル８の下面からの内面反射
から生じる隣接パッチ１への相互結合の影響を受けるこ
とがある。このため、パネル８を構成する材質の誘電率
および対応する屈折率を相対的に低く、例えば、１．８
未満にする必要がある。

【００１１】スクリ−ンパネルおよび誘電体ガイドロッ
ド３を同じ材質、例えば、低損失の熱可塑性ポリマ−で
構成する場合、それぞれの螺子部７によって調節して結
合を最適化しておくと、ガイドロッド３の円錐形部４の
下面とそれぞれのパッチ１との間の間隙１１（図１
（ｂ））を周囲の温度変化に対して大きく補償すること
ができる。必要ならば、スクリ−ンパネル８と誘電体ガ
イドロッド３を一体成形してもよい。実際の間隙１１は
波長の３％程度であればよい。ガイドロッド３を所定位
置に支持する場合、伝送損失を招く構造用接着剤の使用
は避ける必要がある。結合を調節すると、パッチ１のア
レ−に関するビ−ムのステアリング損失を均等化でき
る。

【００１２】あるいは、図１（ｄ）に示すように、ガイ
ドロッド３を二重プレ−ナ−誘電体パネル２３によって
支持してもよい。なお、この場合、パネル２３の電気的
厚みは、作動中心波長において半波長未満で、パネル２
３は半波長だけ分離する。この実施例では、放射素子２
４はマイクロストリップ基板２５に形成し、マイクロス
トリップまたはストリップ伝送線路２７によって給電す
る放射マイクロストリップスロットまたは環状領域であ
る。基板２５は４分の１波長に相当する深さだけ空隙２
６中に設けてもよい。

【００１３】円錐形部４の最適な円錐内角については、
実験によって求めればよい。ガイドロッド３および基板
２または２５を構成する材質の誘電率が低い場合、例え
ば、１．８未満の場合、円錐角の一例は１２０゜であ
る。一方、基板の誘電率が高い場合には、大きな円錐角
を使用する。

【００１４】フェライト等の誘電率の高い材質でガイド
ロッド３を構成した場合、パッチの共振周波数またはＶ
ＳＷＲを大きく乱すことなく、パッチ放射素子１に結合
できる。一方、基板２と誘電率が同じ材質のガイドロッ
ドの場合、共振周波数への影響を最小限にできる。

【００１５】次に、図２（ａ）〜図２（ｄ）について説
明する。図２（ａ）に示すように、ストリップ伝送線路
１３およびインピ−ダンス変換部１４によってパッチ放
射素子１に給電する。なお、対応する誘電体ガイド部４
の隣接面、即ち下面は点線の同心円５で示す。伝送線路
に小さな側開口１６を設けておくと、インピ−ダンス変
換部１４は誘電体ガイドロッド３の存在の影響をほとん
ど受けない。あるいは、ロッド３を回転することによっ
て、伝送線路に誘電同調を適用できるので、ＶＳＷＲお
よび／または整相を調節または最適化できる。

【００１６】それぞれ図２（ｂ）および図２（ｃ）に示
すように、二重伝送パッチの場合、あるいは二重偏波や
円形偏波の場合には、誘電体ガイド部４に、伝送線路位
置において２つの開口１６を設けることができる。ある
いは、開口１６と伝送線路間を非対象構成にすると、ロ
ッド３を回転することによって、干渉偏波の誘電同調を
実現できる。ガイドからロッドへの転移およびスクリ−
ンパネル８の両者が、マイクロストリップ伝送線路１３
の放射不連とアンテナ装置の出力との間を分離する。こ
れによって、干渉偏波およびアンテナ装置のサイドロ−
ブおよびバックロ−ブを改善できる。

【００１７】図２（ｄ）に示すように、同軸線路１７か
ら直交プロ−ブによってパッチ放射素子１に逆伝送する
ことができる。しかし、これは低周波数、例えば２０Ｇ
Ｈｚ未満に限られる。というのは、同軸線路径はパッチ
径未満でなければならないからである。

【００１８】図３に示すように、ロッド部５に湾曲部を
設けると、限られた角度範囲で、誘電体ガイドロッド３
の照準方向をかえることができる。湾曲部半径として
は、４波長以上であることが好ましい。

【００１９】図４の偏波構成の場合、磁性ヨ−ク２０の
ガイドロッド３のフェライト素子１９にコイル８を巻付
け、基板２の下に永久磁石２１を固定する。コイル１８
の軸方向長さはガイドロッド３の位相中心位置に依存す
る。ミリメ−トル単位の周波数では大きな印加磁場が必
要なので、バイポ−ラ−バイアス（二極性）方法が好ま
しい。

【００２０】図１（ａ）に示すようなアンテナ装置を、
図３に示す誘電体レンズ２２のような開口付き素子の伝
送装置として使用する場合、マイクロストリップとガイ
ドロッドからなる装置を使用すると、開口エッジの照射
テ−パ−をロッド長さＬ、図１（ａ）、およびガイドロ
ッド３の断面形状を選択することによって制御できる。
従って、アンテナ装置全体のサイドロ−ブ、電力半値ビ
−ム幅、およびゲインを特定な開口焦点対直径比につい
て最適化できる。図示した特定のビ−ムステアリング用
途では、軸外伝送の電力半値ビ−ム幅およびステアリン
グ損失を軸上伝送について独立して最適化できる。例え
ば、軸上伝送のガイドロッド長さを僅かに長くできる
か、あるいはロッド直径を僅かに大きくできるので、軸
上伝送のエッジ照射が強くなり、電力半値ビ−ム幅、お
よび軸上／軸外開口ゲインを均等化できる。

【００２１】ロッド軸がステアリング方向に平行で、し
かも図５に示すような湾曲ガイドロッドがある場合に
は、軸外ガイドロッドから伝送されるステアリングビ−
ムのゲインが必ず均等化される。

【００２２】開口付き素子が楕円形か長方形の場合に
は、断面が楕円形か長方形のガイドロッドを用いて、必
要な照射パタ−ンを発生できる。従って、アンテナゲイ
ンを最適化できる上に、２つの直交ビ−ム幅についてサ
イドロ−ブを最小限に抑えることができる。

【００２３】図１（ａ）に示したアンテナ装置を使用す
ると、パッチ放射素子の必要なアレ−の基板領域を小さ
くでき、しかも必要なハウジングの大きさを小さくで
き、またコスト全体を削減できる。この装置を使用し
て、パラボラディッシュアンテナ等の主鏡焦点レフレク
タ−を照射する場合、ハウジングを小さくできるので、
反射放射が少なくなり、ゲインが向上し、サイドロ−ブ
が減少する。アンテナ装置が小型になると、カゼグレイ
ン多重レフレクタ−アンテナやグレゴリ−多重レフレク
タ−アンテナを使用できることになる。

【００２４】別な素子を付加せずに図１（ａ）のアンテ
ナ装置を使用した場合、上記形式のガイドロッド３を使
用することによって放射パッチの所定アレ−のゲインを
改善でき、また所定のゲインを得るために、アレ−の大
きさを小さくできる。

【００２５】管状部４の下端の内径については、パッチ
１の等価直径にほぼ等しくする必要がある。この内径が
大きすぎると、パッチ１とガイドロッド３の結合率が低
くなりすぎる。等価パッチ直径より内径が小さいと、結
合率が高くなるが、パッチの共振周波数が低くなる。

【００２６】管状部４についも同様であるが、ロッド部
５の外径についても、高次モ−ドを励起するほど大きく
なってはならない。

【００２７】達成される電力半値ビ−ム幅は作動波長と
ガイドロッド３の長さＬの比の平方根に比例する。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（ａ）、１（ｂ）、１（ｃ）および１
（ｄ）は、異なる４種類のアンテナ装置の実施例の一部
断面を示す概略図である。

【図２】図２（ａ）、２（ｂ）、２（ｃ）および２
（ｄ）は、図１（ａ）〜１（ｃ）のアンテナ装置に使用
するパッチ放射素子の異なる４つの実施例を示す概略図
である。

【図３】ビ−ムステアリングアンテナ装置を示す概略図
である。

【図４】偏波アンテナ装置を示す概略図である。

【図５】さらに別なアンテナ装置の実施例を示す概略図
である。

【符号の説明】

１ パッチ放射素子 ２ 誘電体基板 ３ 誘電体ガイドロッド ４ 円錐部 ５ 誘電体ロッド部 ６ 雄螺子 ７ 位相中心 ８ スクリ−ンパネル ９ 間隙 １０ メニスカスレンズ １２ レ−ド−ムパネル

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体ロッドを使用するアンテナ装置に
   おいて、テ−パ−加工した管状誘電体ガイドによって上
   記誘電体ロッドにパッチまたはスロット放射素子を結合
   したアンテナ装置。
2. 【請求項２】 誘電体ガイドを誘電体ロッドと一体的に
   形成した請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 【請求項３】 一体的に形成した誘電体ガイドおよび誘
   電体ロッド、即ち誘電体ガイドロッドをスクリ−ンパネ
   ルによってパッチ放射素子上に支持した請求項２に記載
   のアンテナ装置。
4. 【請求項４】 スクリ−ンパネルをマイクロ波吸収パネ
   ルとして構成した請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 【請求項５】 薄い導電性シ−トによって分離した厚み
   が４分の１波長の２枚の誘電体パネルでスクリ−ンパネ
   ルを構成した請求項３に記載のアンテナ装置。
6. 【請求項６】 スクリ−ンパネルが、誘電体ガイドロッ
   ドを中心にして設けた半波長電波透過性レ−ド−ムパネ
   ルである請求項３に記載のアンテナ装置。
7. 【請求項７】 スクリ−ンパネルをメニスカスレンズと
   して構成した請求項３に記載のアンテナ装置。
8. 【請求項８】 作動中心周波数において波長の半分だけ
   パッチ放射素子からスクリ−ンパネルを分離した請求項
   ３に記載のアンテナ装置。
9. 【請求項９】 誘電体ガイドロッドに、その長さ方向に
   雄螺子を設け、これによってスクリ−ンパネルに対して
   誘電体ガイドロッドを調節自在に位置決めし、誘電体ガ
   イドロッドのガイド端部とパッチ放射素子との間の間隙
   を調節できるようにした請求項３に記載のアンテナ装
   置。
10. 【請求項１０】 上記間隙が、作動中心波長において波
    長の３％程度である請求項９に記載のアンテナ装置。
11. 【請求項１１】 波長の半分だけ分離した二重誘電体パ
    ネルで構成し、各パネルの厚みが波長の半分未満である
    請求項３に記載のアンテナ装置。
12. 【請求項１２】 共通の基板に形成したパッチ放射素子
    のアレ−からなる、誘電体ロッドを使用するアンテナ装
    置において、それぞれテ−パ−加工した管状誘電体ガイ
    ドによってそれぞれの誘電体ロッドに各パッチ放射素子
    を結合したアンテナ装置。
13. 【請求項１３】 各誘電体ガイドをそれぞれの誘電体ロ
    ッドと一体的に形成した請求項１２に記載のアンテナ装
    置。