JPS63224507A - ビ−ム偏位高能率高利得誘電体等装荷アンテナ - 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】 産業上の利用分野 本発明は、たとえばマイクロ波以上の周波数帯域の電波
の送受信に好適に用いられ、利得と放射能率とが格段に
向上されたビーム偏位商能車高利得誘電体等ｌｌ苛アン
テナに関する。

従来技術 第１３図は典型的な従来技術のショートパックファイア
アンテナ　（以下、ＳＢＦアンテナと略称する）１の構
成を示す断面図である。第１３図を参照して、ＳＢＦア
ンテナ１について説明する。

５ＢＦ７ンテナ１は、たとえばダイポールアンテナなど
の電波の波１ｉ２と、これに関して相互に反対側に配置
された平行な金属板から成る一対の反射板３，４とを含
む０反射板４は反射板３側に向かう立上がり高さａｌ（
たとえば０．２５λ）の円筒部４ａを有する１反射板３
．４の外形は、たとえば正方形または円であって、その
外寸Ｄ１は使泪電波の波長λに関して０．４λ　に選ば
れ、また外形が円の場合の外寸ｄ１は２，０λに選ばれ
る。また反封板３，４の間隔ｈ１は、使用波長λｌ：関
１て、λ／２に選ばれている。このＳＢＦアンテナ１は
反射板３，４間の電波の反射と、反射板３，４の各端部
における電波の回折とを利用して、放射を実現している
。

このようなＳＢＦアンテナ１では、開口効率は高々的１
００％で利得１５ｄＢ　程度のものが得られることが知
られでいるが、このような構成の５ＢＦ７ンテナ１では
、これ以上の開口効率および利得を達成することは困難
であることも周知である。

第１４図は第２の従来技術の誘電体ロッドアンテナ（以
下、ロッドアンテナと称する）５の構成を示す斜視図で
ある。第１４図を参照しで、ロッドアンテナ５についで
説明する。ロッドアンテナ５は、導波管６の一端部に長
手方向に沿って固定された誘電体棒７を導波管６によっ
て励振し、発生する表面波を利用して放射を実現する。

このようなロッドアンテナ５において、誘電体棒７の径
Ｄ２は使用彼氏λ以下であり、またロッド艮Ｄ３は５λ
〜１０数λが心変である。したがってこの上うなロッド
アンテナは、構成に関して必然的に小形化が困難であり
、また利得も約１６〜１７ｄＢ程度しか得られないこと
が知られている。

第１５図は第３の従来技術の八木アンテナ８の基本的構
成を示す平面図である。第１５図を参照して、八木アン
テナ８について説明する。八木アンテナ８は、給電素子
８ａと導波器８ｂと反射器８Ｃとを含む。八木アンテナ
８は導体棒からなる共振素子を用いているため、使用周
波数帯域が狭いという問題点があった。

発明が解決しようとする問題点 したがって、とりわけマイクロ波およびミリ波以上の周
波数帯域の電波を送受信するアンテナについて、構成を
小形化できるとともに、利得および放射効率を格段に向
上でき、また利得を低下させずに指向性を偏位できるよ
うなアンテナが所望されていた。

本発明の目的は、上述の間厘点を解決し構成を格段に小
形化できるとともに、利得および放射効率を格段に向上
でき、かつ利得をむやみに低下させることなく任意方向
への指向性の偏位を実現できるビーム偏位高能率高利得
誘電体等装荷アンテナを提供することである。

問題点を解決するための手段 本発明は、有限面積の反射板と、 反射板上に配置された任意の偏波態様の波源と、反射板
の波源側表面の近傍に配置され、波源側表面が有限面積
であって、波源の中心軸と異なった位置に反射板側の表
面の中心が位置する誘電体等価物または磁性体等価物の
いずれが少な（とも一方とを含み、 高能率であって小形化が実現され、かつ高利得を実現で
きることを特徴とするビーム偏位高能率高利得誘電体等
装荷アンテナである。

本発明の好ましい実施態様は、上記ｙｌ電体等価物また
は磁性体等価物のいずれか少なくとも一方（以下、誘導
媒体と称する）の反射板への投影面積は、反射板の面積
以下に選ばれることを特徴とする。

作　　用 本発明に従えば、有限面積の反射板と、反射板上に配置
された任意の偏波態様の波源と、反射板の波源側表面の
近傍に配置され、波源ｌｌ１１表面が有限面積の誘導媒
体とを含んで誘電体等装荷アンテナを構成する。このよ
うなｉｔ体体肢装荷アンテナは、波源からの電波は誘導
媒体内部で各方向に多重反射する。

本発明では、誘導媒体と波源との相対的変位量および誘
導媒体の寸法や電気常数などを適切に選ぶことによって
、誘導媒体内の電波の進行方向の振動成分および進行方
向と垂直な方向の振動成分の重畳が実現され、誘導媒体
内部の電磁界分布く特に位相）を−株化する。これによ
って、アンテナの高利得化および高能率化が実現され、
したがって従来技術の同一能率または同一利得のアンテ
ナと比較すると、構成を格段に小形化できる。

また波源と誘導媒体とを相対的に変位するので、誘導媒
体から放射される電磁波の放射方向を、反射板と垂直な
方向と交差する方向にできる。また上記ビーム偏位は、
誘導媒体の軸線を反射板の誘導媒体側表面の法線方向と
交差する方向に沿うように形成することによっても可能
である。＊た誘電体の変位とｎ７１体の軸線の傾斜とを
併せて実現することによって、本件発明の［目たるビー
ム偏位の程度をさらに向上できる。

実施例 第１図は本発明の一実施例の誘電体等装荷アンテナ（以
下、アンテナと略称する）１１の基本的構成を示す正面
図であり、第２図はアンテナ１１の側面図である。ｆ５
１図および第２図を参照して、本実施例のアンテナ１１
について説明する０本実施例のアンテナ１１は、パッチ
アンテナ１２を含んでおり、パッチアンテナ１２は辺長
Ｄ１の正方商標〕 ロン樹脂などの樹脂層１３ｂとを含んで構成され、樹脂
層１３ｂ上にパッチアンテナ１２が固定される。

この反射板１３と間隔りをあけて、直方体状の誘電体１
４が配置される。この誘電体１４はたとえばテフロン樹
脂、ポリエチレン樹脂またはエポキシ樹脂などから形成
される。誘電体１４は、上記各樹脂の単一種類から成る
に限らず、ｍ電率の異なる複数種類の物質を積層して構
成してもよ（、さらに人工誘電体のような誘電体等価物
であってもよい、また誘電率が想定される誘電体等価物
に限らず、透磁率が想定される磁性体等価物でもよく、
この磁性体等価物は、たとえば７エライトのような磁性
材料でもよい。

誘電体１４は反射板１３の法線方向に沿う厚みｔと、パ
ッチ７ンテナ１２の軸線方向と直交する２方向に沿う縦
方向長さＤ３と、横方自民さＤ２とを有する。

このように−パッチ７ンテナ１２を波源とし反射板１３
を有する構成に関して、上述したような誘電体１４を配
置することによって、パッチアンテナ１２から発生され
る電磁波は、第１図の矢符Ａ１で示すようにパッチアン
テナ１２の法線方向に沿う双方向に沿って反射板１３と
誘電体１４との間で反射する。また誘電体１４内では、
矢１ｉＡ１方向および矢符Ａ１方向と直交する平面を構
成する相互に直交する方向（ＪＪＩ図矢符Ａ　２　、Ａ
　３で示す）に沿う方向に多重反射する。これによって
、反射板１３と誘電体１４との問および誘電体１４内部
で、前記矢符Ａ１〜Ａ３方向に表面波および回折波が励
振され定在波が生じることになる。

本発明の眼目は、＠１図および第２図示のような基本的
構成のアンテナ１１に関して、パッチアンテナ１２の中
心位置と誘電体１４の軸線１１との間に変位δＥ（δＨ
）を設定し、これによって反射板１３の法線方向（第２
図の矢符Ｂ１で示す）と角度θで交差する方向（第２図
矢＄１−８２で示す）へ電磁波を放射しようとするもの
である。

前記変位量δε（δ□）の添字Ｅ、Ｈは、第１図に示す
ように前記変位量＃Ｅ（δＨ）が放射される電磁波の電
界方向（第１、図矢＄１−Ｅで示す）に沿った変位であ
り、変位量＃、は前記電界方向Ｅと垂直な方向に沿う変
位量であることを示している。

また反射板１３と誘電体１４との間で、前述したように
電磁波が矢符Ａ１方向に沿う反射を行なっており、この
ような電磁波について、誘電体１４の各端ｎ１５．１６
における回折によって、利得が増大する。すなわち誘電
体１４の近傍の電磁界分布（とりわけ位相）を−株化で
きる。ここに言う一様化とは、前記端部１５，１６によ
って反射または回折した電磁波と、誘電体１４と反射板
１３との閏で多ｉ度射した電磁波とを重畳させる作用の
意味である。また誘電体１４の面積は有限であり、した
がって前記端部１５．１６で反射または回折を繰り返す
ことによって、放射される電磁波の位相が揃えられる状
態が発生する。これによって利得が向上される。

第３図は下記ＷＳ１表の条件のもとで、第１図および第
２図に示す本件アンテナ１１の変位量＃５を０．２５人
。、０．５人。で変化した場合の指向性を示す図である
。第３図から明らかなように、本件アンテナ１１は、δ
、＝Ｏ，Ｓλ。で最大偏位内約２５度程度を示しており
、＃Ｅ＝０の場合と比較してレベルは低下するものの、
ＦＡ３図ラインｌｐで示されるパッチアンテナ１２のみ
の出力レベルと比較すると格段に出力が増幅されている
。

第　１　表 波源の型式　　　　　　：方型バッチアンテナ誘電体　
　　　　　　　；テフロン 反射板の広さくＤＩ）　　　：　６．５（入ｏ）Ｘ　６
．５（λ０）誘電体板の広さＣＤＩ）　　：　１．５（
λｏ）Ｘ　１，５（λ０）誘電体の厚み（ｔ）　　　　
：２（λ０）反射板３電体間（ｈ）　　　：　０．１２
５（λ０）周波数（ｆ）　　　　　　　：　８．８５（
ＧＨｚ）記録ｉ！Ｉ−（Ｆｕｌｌ　５ｅａｌｅ）　　：
　１０１０２（、ｃｃｌ’ｌ）第４図は下記第２表の条
件下において、本件アンテナ１１でδ、＝Ｏ，０，２５
λ、、０，５λ。の各場合の指向性の変化を示す図であ
る１本実験例では、反射板１３と誘電体１４との間隔り
はほぼＩＩであり、誘電体の厚みｔが上記の各場合と比
較して５ｎｓｉ〜１０−一程度増大されている。

（以下余白） 第２表 波源の型式　　　　　　：刃型パッチアンテナ誘電体　
　　　　　　　：テフロン 反射板の広さく旧）　　　：６．５（λｏ）Ｘ　６．５
（λ０）ｙＩ誘電体板広さくＤｉ）　　：　１．５（λ
ｏ）Ｘｉ、５（λ０）誘電体の厚み（ｔ）　　　　：　
２．１（λ０）反射板誘電体間（ｈ）　　　：　０．０
３（λ０）周波数（ｆ）　　　　　　　：　８．８５（
ＧＨｚ）記録計（Ｆｕｌｌ　５ｃａｌｅ）　　：　１０
１０２（、ｃｘ：Ｗ）このような場合、第４図に見られ
るように、第３図のように間隔ｔが３．５−議程度おい
ている場合と比較して、指向性が変化してもさほど利得
が低下しでいないことが理解される。また第４図のライ
ンＪ？ｐは、第１図および第２図の構成において誘電体
１４を除いて反射板１３上にバッチアンテナ１２のみを
配置した状態の指向性を示している。

本件実験例から得られるデータによれば、相対電力の最
大値は上記ライン！ｐと比較して、約１０倍程度になる
ことが確認された。

第５図は本件アンテナ１１において、誘電体１４を下記
第３表の条件下において第１図の変位量δ８を０．０．
２５＾、、０．５λ０とした場合の指向性の変化を示す
図である。これらのＵｎ　Ｕｎ　ニ示されるように、Ｈ
面の指向性の変化も前述したようなＨ面の指向性の変化
とほぼ同様の変化であることが確認された。

第　３　表 波源の型式　　　　　　：刃型パッチアンテナ誘電体　
　　　　　　：テフロン 反射板の広！　（ＤＩ）　　　：　６．５（λｏ）Ｘ　
６，５（＾０）ｙＩ誘電体板広さくＤＩ）　　：　１，
５（λｏ）Ｘ　１．５（λ０）誘電体の厚み（ｔ）　　
　　：　１．９（λ０）反射板誘電体間（１＋）　　　
：　０，１２５（λ０）周波ＷＬ（ｒ）　　　　　　　
：　８．８５　（９，０４）　（にＨｚ）記録計（Ｆｕ
ｌｌ　５ｃａｌｅ）　　：　１２０（ｍＶ、ｃｘＷ）１
６図は、下記第４表の条件下において使用周波数を８　
、ＯＧ　Ｈｚに設定した場合の指向性を示す図である。

また、ｎ電体１４の変位１はδＨ＝０゜５人。に設定し
た。本件発明者の実験によれば、第４表と同一条件で使
用周波数を９　、ＯＧ　Ｈｚ、９　。

５ＧＨｚに変化しでも、誘電体１４の変位量と８が同一
であれば、その指向性の偏位１はほぼ同一であることが
確認された。

第４表 波源の型式　　　　　二方型バッチアンテナ誘電体　　
　　　　　：テフロン 反射板の広さく１１１）　　　：　６．５（λｏ）Ｘ　
８．５（λ０）：Ｊｉｔ本板の広さくＤｉ）　　：　１
．５（Ａ　ｏ）Ｘ　１．５（Ａ　ｏ）誘電体の厚み（ｔ
）　　　　：　２．２２（λ０）反射板誘電体間（ｈ）
　　　：　０．０３（λ０）周波数（ｆ）　　　　　　
　：　８，８５　８．０（（：ｆｉｚ）記録計（Ｆｕｌ
ｌ　５ｃａｌｅ）　　：　５７．０（ｍＶ、ｃｘＷ）第
７図は、下記ｆ５５表とほぼ同一条件下において使用周
波数帯域を８，０ＧＨ２，８，５ＧＴ（Ｚ、９゜０　Ｇ
　Ｈｚ、　９．５　Ｇ　Ｈｚにそれぞれ設定した場合の
指向性の変化を示す図である。これらの図において記録
計（Ｆ　ｕｌｌ　Ｓ　ｃａｆｅ）は、４４ｍＶ−５８ｍ
Ｖ、５３ｍＶ、３３ｍＶにそれぞれ設定し、また各場合
に共通にδε＝０．５λ。に設定した。

第　　５　　　表 波源の型式　　　　　二方型パッチアンテナ誘電体　　
　　　　　：テフロン 反射板の広さくＤｉ）　　　：　６．５（λｏ）Ｘ　６
，５（λ０）誘電体板の広さくＤｉ）　　：　Ｌ５（入
ｏ）Ｘ　１，５（λ０）誘電体の厚み（ｔ）　　　　：
　７４．５（ａｍ）−（λ０）反射板誘電体間（ｂ）　
　　：　０，０３（λ０）周波数（ｆ）　　　　　　　
：　８．０（ＧＨｚ）記録計（Ｆｕｌｌ　５ｃａｌｅ）
　　：　４４（ｍＶ、ｃｃ、）本実験例では、Ｅ面は上
記Ｐｔ５６図を参照して説明した１１面の指向性の場合
と異なり、使用周波数を増大するに従い偏位量が増大す
ることが確認された。

上述の各実験例では、＠ｉ図お上Ｖ第２図に示す構成の
本件アンテナ１１において、放射される電磁波の指向性
が、角度θ（第２図参照）偏位する現象を前記変位１δ
ε、δＨを設定することによって実現したが、このよう
な放射電磁波の偏位は第８図に示すように第２図の反射
板１３上に配置される誘電体１４の軸線１１を、反射板
１３　（第８図では省略する）の法線Ｂ１と角度αだけ
傾斜させるようにした構成によっても実現されることが
確認された。以下、この現象を確認した実験データを説
明する。なお以下に述べる実験例では、誘電体１４と反
射板１３との間に誘電物質から成るスペーサ１７を配置
するようにした。また誘電体１４の反射板１３ｇｊＡの
表面の図心とパッチアンテナ、１２の図心との変位量δ
を変化して、指向性を測定した。

第９図は下記ｖＪ６表の条件下で、上記変位ｌδの変位
方向を電界Ｅ１方向とし、誘電体１４の傾斜角ａ＝２０
°とした条件下で、変位量δＥ＝０゜λ。／　８、−２
人。／８．−４λ。／８．−６λ。／８゜−８λ、／８
　　のように変化した場合のＥ面の指向性の変化を示す
図である。ここで上記変位１δεの負符号は、δεを矢
符Ｅ１と反対側に変位したことを示す。

ｔｔＳ９図に示されるように、誘電体１４を第８図示の
ように角度ａ傾斜した条件下では、得られるビームの指
向性は前記反射板１３の法線方向臼１からそれで偏位し
ているほうが、その利得が増大していることが確認され
た。＊た、その偏位角度も最大３０°を超えることが確
認された。

第　６　表 波源の型式　　　　　二刃型パッチアンテナツ電体　　
　　　　　：ポリエチレン 反射板の広さくＤｉ）　　　：　６，５（λｏ）Ｘ　６
，５（λ０）誘電体板の広さく０１）　　：　１，５（
λｏ）Ｘ　１．５（λ０）誘電体の厚み（ｔ）　　　　
：　１．８９（λ０）反射板誘電体間（ｈ）　　　：　
０．１２５（λ０）周波数（ｆ）　　　　　　　：　９
，０（にＨｚ）記録計（Ｆｕｌｌ　５ｃａｌｅ）　　：
　１０１０３（、ｃｃ、）Ｐｔ４ｉｏ図は、上記第９図
を説明する際の設定条件（ｆｊ４６表の条件を含む）と
同一条件下における本件アンテナ１１の利得の変化を示
すグラフである。

第１０図に示されるように、本件アンテナ１１は使用周
波数９，０ＧＨｚ付近で最大利得を有することが確認さ
れた。

第１１図は上記第６表と同一条件下において、電界方向
をｆｊｓ８図の矢符Ｅ２方向とし、誘電体１４の傾斜角
度ａ＝２０”の条件下で、誘電体１４の変位量δＨ（＝
δ）について下記のように条件を設定した場合のＨ面の
指向性の変化を示す図である。このＨ面の指向性の変化
は、上記変位量δ。

＝０．λ。／８．−２人。／８．−４λ。／８．−６λ
。

／８．−８λ。の各設定条件において行なった。

このようにＨ面に関しても、誘電体１４の変位量δＨに
従って放射されるビームが変位することが確認された。

第１２図は第１１図の測定条件下における本件アンテナ
１１のＨ面の利得の変化を示すグラフである。このよう
にＩ（面に関しでも、第９図〜第１０図を参照して説明
したＥ面の場合と同様な特性が得られることが確認され
た。

すなわちこれらを総合して、第８図の構成の本Ｐ！−ア
ンテナ１１において変位量δＨまたは変位量δεとして
それぞれの方向に連続的にその大きさを変化すれば、放
射されるビームの指向性も連続的に変化することが確認
された。またその指向性の変位量が大き（なるに従い、
放射されるビームの利得は低下するけれども、従来技術
の誘電体１４を用いないパッチアンテナ１２のみの場合
と比較して格段に大きな出力が得られることが確認され
た。

上述の各実施例では、アンテナ１１をいわゆるアレイと
しない惧−素子として説明したが、これは本件発明の詳
細な説明する便宜のためであり、本件アンテナ１１は当
然にイテ列状、千鳥状、線状などに配列されたアレイア
ンテナとに用いられてもよい、この場合、各素子である
本件アンテナ１１は、その利得を所定の程度抑制しでも
よく、アレイアンテナ全体として、所望の利得を実現し
てもよい。このようにしで、格段に小形化され、かつ高
利得のアレイアンテナを実現でさる。

本発明は、方形の誘電体１４の各端部１５，１Ｇによる
電磁波の反射および回折現象を利用するものであり、ア
ンテナに装荷された誘電体の周知のいわゆるレンズ効果
を利用するものではない。

すなわち誘電体１４内の電磁波の多重反射に基づくいわ
ゆるガイド効果を利用するものである。

またｙ＃電体１４が方形であることに鑑み、反射板１３
の法線方向（ｒ５２図矢符Ｂｌ）に沿う前記ガイド効果
と、法線方向と垂直な方向に沿うガイド効果との相乗効
果に基づいて、上述の各現象を実現するものである。

効　　果 以上のように本発明に従えば、誘電体内の電波の進行方
向の振！Ｉ！ｌＩ成分および進行方向と垂直な方向の振
動成分の重畳を穿易に実現でき、誘電体内部の電磁界分
布（特に位相）を−株化する。これによって本件アンテ
ナの高利得化および高能率化が実現され、したがって従
来技術の同一能率または同一利得のアンテナと比較する
と、構成を格段に小形化できる。また波源の配置位置を
、誘電体等価物または磁性体等価物のいずれか少なくと
も一方（誘導媒体）の中心位置と異なる配置位置とした
ことにより、誘導媒体から放射される電磁波の放射方向
を、反射板と垂直な方向と交差する方向にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のアンテナ１１の正面図、第
２図はアンテナ１１の側面図、第３図〜第７図は指向性
の変化を示す図、第８図は本発明の他の実施例のアンテ
ナ１１ａの基本的構成を示す斜視図、第９図はアンテナ
ｌｌａの指向性を示す図、第１０図はアンテナｌｌａの
利得変化を示すグラフ、第１１図はアンテナｌｌａの指
向性を示す図、第１２図はアンテナｌｌａの利得の変化
を示すグラフ、第１３図は第１の従来技術のＳｖＦアン
テナ１の構成を示す断面図、第１４図はロンドアンテナ
５の斜視図、＄１５図は八木アンテナ８の斜視図である
。 １１、ｌｌａ・・・誘電体装荷アンテナ、１２・・・パ
ッチ７ンテナ、１３・・・反射板、１４・・・誘電体、
１５゜１６・・・端部、Ｂ１・・・反射板１３の法線方
向、ａ・・・誘電体１４の傾斜角度、δＨ１δＥ・・・
誘電体１４の変位量 代理人　　弁理士　四教　圭一部 ０而の浄さく内容に変更なし） 第１８ 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第９図 １８　　図 第１０図 側波数ｆ　（ＧＨｚ） 第１１図 第１２図 用ｉ改ｆ（ＧＨｚ） 第１３図 第１５図 手続補正書（方式） ％式％ ２、発明の名称 ビーム偏位高能率高利得誘電体勢！ｉＷ７ンテナ３、補
正をする者 事件との関係　　出願人 住　所　大阪府高槻市奥天神町３丁目３番９号氏名杉尾
嘉彦（ほか２名） ４、代理人 住　所　大阪市西区西本町１丁目１３番３８号　新興産
ビル国装置ＥＸＯ５２５−５９８５ｒＮＴＡＰＴ　　Ｊ
国際ＦＡＸ　ＧＩＩＩ＆Ｇｕ　（０６）５３８−０２４
７昭和６２年　５月２６日（発送日） ６、補正のＮ象 図　　面 ７、補正の内容 図面の浄書（内容に変更なし）。 以上

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）有限面積の反射板と、 反射板上に配置された任意の偏波態様の波源と、反射板
   の波源側表面の近傍に配置され、波源側表面が有限面積
   であつて、波源の中心軸と異なつた位置に反射板側の表
   面の中心が位置する誘電体等価物または磁性体等価物の
   いずれか少なくとも一方とを含み、 高能率であつて小形化が実現され、かつ高利得を実現で
   きることを特徴とするビーム偏位高能率高利得誘電体等
   装荷アンテナ。
2. （２）上記誘電体等価物または磁性体等価物のいずれか
   少なくとも一方（以下、誘導媒体と称する）の反射板へ
   の投影面積は、反射板の面積以下に選ばれることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載のビーム偏位高能率高
   利得誘電体等装荷アンテナ。