WO2015129089A1 - アレーアンテナ装置 - Google Patents

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feeding
feeding point
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Inventor
誠 桧垣
橋本　紘
向井　学
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株式会社 東芝
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061—Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/065—Patch antenna array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0075—Stripline fed arrays
    • H01Q21/0081—Stripline fed arrays using suspended striplines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/24—Combinations of antenna units polarised in different directions for transmitting or receiving circularly and elliptically polarised waves or waves linearly polarised in any direction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H01Q9/0457—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line

Definitions

  • Embodiments described herein relate generally to an array antenna device.
  • Antennas that transmit and receive radio waves with communication satellites are stipulated so that the side lobe level is suppressed to a certain level by the ITU-R standard and the like.
  • ⁇ To form linearly polarized waves connect the feed point and each of the multiple radiating elements with equal-length pattern wiring.
  • a method of aligning the connection direction of the feed line connected to the radiating element to the direction of the linearly polarized wave to be formed is there.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide an array antenna apparatus capable of forming linearly polarized waves at a predetermined angle while suppressing side lobes without causing the feed line to meander.
  • a first substrate provided with a first feeding point, a second substrate stacked below the first substrate and provided with a second feeding point, the first feeding point,
  • an array antenna apparatus including a 180-degree hybrid circuit that feeds the second feeding point with a phase difference of 0 degree or 180 degrees.
  • the first substrate includes a first dielectric layer, a first radiating element array formed by arranging a plurality of first radiating elements on the first dielectric layer in an array, and the first substrate.
  • the first feeding point and each of the plurality of first radiating elements are provided in one dielectric layer so that the plurality of first radiating elements form a linearly polarized wave in a first polarization direction.
  • a first feeder line connected by an equal-length pattern wiring; a first ground conductor layer laminated below the first dielectric layer; and a first laminate laminated below the first ground conductor layer.
  • the second substrate includes a third dielectric layer positioned below the second dielectric layer, and a plurality of second substrates on the third dielectric layer so as to face the plurality of first radiating elements, respectively.
  • a second radiating element array formed by arranging the second radiating elements in an array and the third dielectric layer, wherein the plurality of second radiating elements are arranged in the first polarization direction.
  • the second feeding point and each of the plurality of second radiating elements are connected by the same length pattern wiring as the first feeding line so as to form a linearly polarized wave in the second polarization direction orthogonal to each other.
  • the first ground conductor layer has an opening at a position facing the plurality of first radiating elements and the plurality of second radiating elements.
  • the pattern wiring at the connection portion with the first radiating element in the first feed line and the pattern wiring at the connection portion with the second radiating element in the second feed line are formed in directions orthogonal to each other.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of the array antenna device according to the first embodiment.
  • the array antenna device is connected to a first substrate 100, a second substrate 200 stacked below the first substrate 100, and 180 connected to the first substrate 100 and the second substrate 200.
  • Degree hybrid circuit 300 is an exploded perspective view of the array antenna device according to the first embodiment.
  • the first substrate 100 includes a first dielectric layer 1, a first ground conductor layer 2 stacked below the first dielectric layer 1, and a lower portion of the first ground conductor layer 2. And a second dielectric layer 3 stacked on each other.
  • a plurality of first radiating elements 101 are arranged in an array along two directions orthogonal to each other to form a first radiating element array. Further, on the surface of the first dielectric layer 1, a first feed line 201 that connects the first feed point F1 provided at one end of the first dielectric layer 1 and each of the plurality of first radiating elements 101 with an equal length is provided. It is formed.
  • the second substrate 200 includes a third dielectric layer 4 and a second ground conductor layer 5 laminated below the third dielectric layer 4.
  • a plurality of second radiating elements 102 are arranged in an array at positions facing each of the first radiating elements 101 to form a second radiating element array.
  • a second feed line 202 is formed on the surface of the second dielectric layer 3 to connect the second feed point F2 provided at one end of the second dielectric layer 3 and each of the second radiating elements 102 with the same length.
  • the first radiating element array is formed by, for example, depositing a metal film on the surface of the first dielectric layer 1, and then patterning the plurality of first radiating elements 101, It is formed by etching.
  • the plurality of first radiating elements 101 are each drawn in a rectangular shape, but are not limited thereto, and may be, for example, a circular shape.
  • the first feed line 201 is provided on the surface of the first dielectric layer 1 so that the first radiating element array forms a linearly polarized wave in the first polarization direction.
  • the first feeding point F1 and each of the plurality of first radiating elements 101 are connected by an equal-length pattern wiring.
  • the equal-length pattern wiring is realized, for example, by forming it in a crank shape with a tournament type layout, and can be formed by etching, for example, like the first radiating element array. In this way, if the feed lines are formed to have the same length in the tournament type layout, the feed lines do not come close to each other because there is no place where the feed lines bend at an acute angle. Therefore, it is possible to prevent deterioration of the antenna quality due to electromagnetic interference between the feeder lines.
  • the first feeder line 201 is formed on the surface of the first dielectric layer 1 together with the plurality of first radiation elements 101.
  • the first dielectric layer 1 is It may be divided into a plurality of layers and formed between the plurality of layers. In this case, for example, a pattern in which the feeding end portion of the first feeding line 201 is extended to the lower central portion of the first radiating element 101 so as to be electromagnetically coupled at the lower portion of the first radiating element 101, respectively.
  • the first ground conductor layer 2 laminated below the first dielectric layer 1 serves as a ground for the first power supply line 201, and the first power supply line 201, the second power supply line 202, Prevent electromagnetic interference with each other.
  • the first ground conductor layer 2 has openings 400 at positions facing the plurality of first radiating elements 101 and the plurality of second radiating elements 102.
  • the opening 400 is provided for synthesizing the linearly polarized wave radiated from the second radiating element array with the linearly polarized wave radiated from the first radiating element array, and is formed by etching, for example. be able to.
  • the second dielectric layer 3 stacked below the first ground conductor layer 2 includes the second radiating element 102 and the second power feeding formed on the first ground conductor layer 2 and the second substrate 200. This is a layer for insulating the line 202.
  • the second radiating element array is formed by depositing a metal film on the surface of the third dielectric layer 4, as in the case of the first radiating element array.
  • the second radiating element is formed by patterning and etching.
  • the plurality of second radiating elements 102 are each drawn in a rectangular shape, but are not limited thereto, and may be, for example, a circular shape.
  • the second feed line 202 is provided on the surface of the third dielectric layer 4, and the second polarization direction in which the second radiating element array is orthogonal to the first polarization direction.
  • the second feed point F2 and each of the plurality of second radiating elements 102 are connected by a pattern wiring having the same length as that of the first feed line 201 so as to form a linearly polarized wave.
  • the first feed line 201 and the second feed line 202 are in the direction of the pattern wiring connected to the first radiating element 101 and the first Wiring is performed so that the direction of the pattern wiring connected to the second radiating element 102 facing the radiating element 101 is orthogonal to each other.
  • the equal-length pattern wiring is realized by, for example, forming a crank shape in a tournament-type layout, and can be formed by etching, for example, like the second radiating element array.
  • the effect when the feed line is formed to have the same length in the tournament type layout is as described above, and it is possible to prevent the quality of the antenna from being deteriorated.
  • the second feeder line 202 is formed on the surface of the third dielectric layer 4 together with the plurality of second radiating elements 102.
  • the third dielectric layer 4 is It may be divided into a plurality of layers and formed between the plurality of layers.
  • the feeding end portion of the second feeding line 202 is, for example, a pattern extended to the lower central portion of the second radiating element 102 so as to be electromagnetically coupled to each other below the second radiating element 102.
  • the second ground conductor layer 5 laminated below the second dielectric layer 3 serves as a ground for the second feed line 202.
  • the pattern wiring of the connection portion with the first radiating element 101 in the first feed line 201 and the pattern wiring of the connection portion with the second radiating element 102 in the second feed line 202 are formed in directions orthogonal to each other.
  • the first feeding point F1 and the second feeding point F2 are each connected to the output terminal of the 180-degree hybrid circuit 300, and are fed with a phase difference of 0 degree or 180 degrees.
  • the 180-degree hybrid circuit 300 has two input ends and two output ends. When a signal is input from one of the input terminals, the 180-degree hybrid circuit 300 outputs a signal having the same phase from two output terminals, and when a signal is input from another input terminal, the 180-degree hybrid circuit 300 receives 180 signals from the two output terminals. A phase difference of degrees, that is, a signal having an opposite phase is output.
  • a transmitter and a receiver are connected to two input terminals, respectively.
  • the signal output from the transmitter passes through the 180-degree hybrid circuit 300, and signals having the same phase and the same amplitude are distributed to the first feeding point F1 and the second feeding point F2.
  • signals having the same phase and the same amplitude are distributed to the first feeding point F1 and the second feeding point F2.
  • a signal having an opposite phase and the same amplitude is distributed to the first feeding point F1 and the second feeding point F2. Due to the reversibility, when signals having the same phase and the same amplitude are input to the hybrid circuit 300 from the first feeding point F1 and the second feeding point F2, a signal is output to the input terminal to which the transmitter is connected.
  • No signal is output to the input terminal to which the receiver is connected.
  • a signal having a phase difference of 180 degrees and the same amplitude is input to the hybrid circuit 300 from the first feeding point F1 and the second feeding point F2
  • a signal is output to the input terminal to which the receiver is connected.
  • no signal is output to the input terminal to which the transmitter is connected. That is, if the connection ends of the transmitter and the receiver with respect to the 180-degree hybrid circuit 300 are exchanged, reverse signal processing can be performed.
  • a magic T phase feeding circuit can be used for the 180-degree hybrid circuit 300.
  • This magic T phase feeding circuit may be either a waveguide type magic T phase feeding circuit 300 'or a magic T phase feeding circuit that can be formed on a substrate using both microstrip lines and slot lines.
  • the magic T phase feeding circuit can be replaced with various known magic T phase feeding circuits as required.
  • FIG. 2 illustrates a case where a magic T phase feeding circuit is used in the array antenna apparatus according to the first embodiment.
  • the waveguide type magic T phase feeding circuit 300 ′ shown in the present embodiment has a transmitter side connected to the wide wall surface of the waveguide connected to the first and second feeding lines 201 and 202.
  • radio signals having opposite phases are output to the two power supply lines.
  • a radio signal input from the first and second feed lines 202 is input to the receiver-side port connected to the narrow wall surface of the waveguide connected to the first and second feed lines 201 and 202.
  • components having the same phase are output.
  • a radio signal input from the transmitter transmits a radio signal having the same phase to the first and second feed lines 202, and the magic T is transmitted from the first and second feed lines 201 and 202.
  • the radio signal component having the opposite phase input to the phase feeding circuit is output to the receiver side.
  • the length of the wiring from the first feeding point F1 to each of the plurality of first radiating elements 101 and the length of the wiring from the second feeding point F2 to each of the plurality of second radiating elements 102 are Both are isometric.
  • the first feed line 201 and the second feed line 202 are connected to the direction of the pattern wiring connected to the first radiating element 101 and the first radiating element 101. Wiring is performed so that the direction of the pattern wiring connected to the opposing second radiating element 102 is orthogonal to each other.
  • a signal having the same phase is input to the first power supply line 201 and the second power supply line 202.
  • the linearly polarized wave in the direction of arrow a shown in FIG. 1 is radiated from the first radiating element array in the direction perpendicular to the substrate, and the second radiating element array is shown by arrow b in FIG. It is assumed that a linearly polarized wave in a direction is emitted in a direction perpendicular to the substrate.
  • the electric field and the magnetic field corresponding to the two polarized waves are combined, and the linearly polarized wave whose vibration surface is directed in the direction of the arrow c shown in FIG. 1 is radiated in the direction perpendicular to the substrate.
  • a signal component input in reverse phase from the first feed line 201 and the second feed line 202 is output to the terminal on the receiver side.
  • the first radiating element array and the second radiating element array receive linearly polarized electromagnetic waves whose vibration planes are directed in the directions of arrows a and b ′ shown in FIG. 1, respectively. .
  • the difference between the case where the first feeding point F1 and the second feeding point F2 are fed with a phase difference of 180 degrees and the case where the feeding is performed in the same phase will be described.
  • the second feeding point F2 is fed with a phase difference of 180 degrees from the first feeding point F1
  • a plurality of feeding points are compared with the case where feeding is performed in the same phase as the first feeding point F1.
  • the direction of the vibration plane of the polarized wave radiated from the second radiating element 102 is reversed. That is, as shown in FIG. 1, the direction of the vibration plane of the polarized light radiated from the plurality of second radiating elements 102 changes to the direction of the arrow b ′ reversed 180 degrees from the direction of the arrow b.
  • the electric field and the magnetic field corresponding to the two polarized waves are combined, and the linearly polarized wave whose vibration surface is directed in the direction of the arrow c ′ shown in FIG. 1 is radiated in the direction perpendicular to the substrate.
  • the receiver receives linearly polarized waves whose vibration surface is directed in the direction of arrow c.
  • the array antenna device can radiate polarized waves whose vibration plane is inclined 45 degrees with the connection direction of the feed line to the radiating element.
  • the wiring space can be increased without shortening the arrangement interval of the radiating elements.
  • the array antenna apparatus switches the direction of the vibration plane of the polarization used for transmission and reception by switching the terminals of the 180-degree hybrid circuit 300 that connects the transmitter and the receiver. be able to. Therefore, the array antenna apparatus according to the first embodiment can easily switch the direction of polarization even when the antenna size is large and it is difficult to rotate the antenna itself.
  • FIG. 3 shows an array antenna apparatus according to the second embodiment.
  • the difference from the first embodiment is that the second substrate 200 does not form the plurality of second radiating elements 102 and is fed by the third feeder line 203.
  • the end portion has a pattern extended to the lower central portion of the first radiating element 101 so as to be electromagnetically coupled below the plurality of first radiating elements 101 formed in the first dielectric layer 1. is there.
  • the feeding end portion of the third feeding line 203 does not have to be the lower central portion of the first radiating element 101.
  • the feed end of the third feed line 203 may be, for example, the lower part of the first radiating element 101.
  • the third feed line 203 has a plurality of first feed points and a plurality of feed points so that the plurality of first radiating elements form a linearly polarized wave in a second polarization direction orthogonal to the first polarization direction.
  • Each of the first radiating elements is connected by a pattern wiring having the same length as that of the first feeding line 201.
  • the “pattern wiring having the same length as the first power supply line 201” does not necessarily mean that the first power supply line 201 and the third power supply line 203 are exactly the same.
  • the third feed line 203 may be a pattern obtained by rotating the pattern of the first feed line 201 by approximately 90 degrees.
  • the feeding end portion of the third feeding line 203 may be a lower portion of the first radiating element 101. According to this configuration, since the plurality of first radiating elements 101 are fed from the directions orthogonal to each other by the first feeding line 201 and the third feeding line 203, It is possible to transmit the polarization in the first direction and the polarization in the second direction orthogonal to the first direction.
  • FIG. 4 illustrates a case where the 180-degree hybrid circuit 300 is a waveguide-type magic T phase feeding circuit 300 ′ in the array antenna apparatus according to the second embodiment.
  • the magic T phase feeding circuit is a magic T phase feeding circuit that can be formed on a substrate using a waveguide type magic T phase feeding circuit 300 ′, a microstrip line and a slot line. Any of the power feeding circuits may be used.
  • the magic T phase feeding circuit can be replaced with various known magic T phase feeding circuits as required.
  • the array antenna device according to the second embodiment that employs the above configuration operates in the same manner as the array antenna device according to the first embodiment.
  • the array antenna device can radiate a polarized wave whose vibration surface is inclined by 45 degrees with respect to the connection direction of the feed line to the radiating element.
  • the wiring space can be increased without shortening the arrangement interval of the radiating elements.
  • the array antenna apparatus according to the second embodiment replaces the terminals of the 180-degree hybrid circuits 300 and 300 ′ that connect the transmitter and the receiver, so that the vibration plane of the polarization used for transmission and reception is changed. The direction can be switched. Therefore, the array antenna apparatus according to the second embodiment can easily switch the direction of polarization even when the antenna has a large size and it is difficult to rotate the antenna itself.
  • the present embodiment is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
  • various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment.
  • constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

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Abstract

　アレーアンテナ装置は、第１の給電点（Ｆ１）を備える第１の基板（１００）と、第２の給電点（Ｆ２）を備える第２の基板（２００）と、を具備する。前記第１の基板（１００）は、複数の第１放射素子（１０１）と、前記複数の第１放射素子（１０１）が第１の偏波方向に直線偏波を形成するように、前記第１の給電点（Ｆ１）と前記複数の第１放射素子（１０１）それぞれとを等長のパターン配線で接続する第１の給電線路（２０１）と、を備える。前記第２の基板（２００）は、前記複数の第１放射素子（１０１）それぞれに対向する複数の第２放射素子（１０２）と、前記複数の第２放射素子（１０２）が前記第１の偏波方向と直交する第２の偏波方向に直線偏波を形成するように、前記第２の給電点（Ｆ２）と前記複数の第２放射素子（１０２）それぞれとを前記第１の給電線路（２０１）と同じ等長のパターン配線で接続する第２の給電線路（２０２）と、を備える。

Description

アレーアンテナ装置
本発明の実施形態は、アレーアンテナ装置に関する。
　通信衛星と電波を送受信するアンテナは、ＩＴＵ－Ｒ規格等によってサイドローブレベルが一定水準まで抑圧されるように規定されている。この規定を満足するために、矩形状の平面基板に複数の放射素子をアレー状に配列したアレーアンテナであって、平面基板の辺方向に対して所定の角度を保って直線偏波を形成するように設計されたものが知られている。
　直線偏波を形成するには、給電点と複数の放射素子のそれぞれとを等長のパターン配線で接続する。特に、平面基板の辺方向に対して所定の角度を保って直線偏波を形成する場合には、放射素子に接続する給電線路の接続方向を、形成する直線偏波の方向に揃えるという方法がある。
特開２０１０－２０６６８３号
　しかしながら、上記のように所定の角度を保って直線偏波を形成する方法の場合、等長のパターン配線を実現するためには、給電線路を蛇行させて長さを調節する必要がある。その場合、給電線路が蛇行する部分の特性が、送信信号の周波数によって変化する。具体的には、給電線路が鋭角に折れ曲がる箇所が存在するため、給電線路同士が近接するか、または、給電線路と放射素子とが近接する箇所が存在する。このような導体同士の近接箇所においては、電磁的な干渉が生じ、アンテナの品質が劣化してしまう。また、上記方法では、給電線路を蛇行させるため、隣接する給電線路同士が結合する、給電線路を密に配線しなくてはならないといった問題が生じる。
　本発明が解決しようとする課題は、給電線路を蛇行させることなく、サイドローブを抑制しつつ、直線偏波を所定の角度で形成することのできるアレーアンテナ装置を提供することである。
　実施形態によれば、第１の給電点を備える第１の基板と、前記第１の基板の下部に積層され、第２の給電点を備える第２の基板と、前記第１の給電点及び前記第２の給電点に互いに０度または１８０度の位相差で給電する１８０度ハイブリッド回路と、を具備するアレーアンテナ装置を提供する。前記第１の基板は、第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層上に複数の第１放射素子をアレー状に配列して形成される第１の放射素子アレーと、前記第１の誘電体層に設けられ、前記複数の第１放射素子が第１の偏波方向に直線偏波を形成するように、前記第１の給電点と前記複数の第１放射素子それぞれとを等長のパターン配線で接続する第１の給電線路と、前記第１の誘電体層の下部に積層される第１の地導体層と、前記第１の地導体層の下部に積層される第２の誘電体層と、を備える。前記第２の基板は、前記第２の誘電体層の下部に位置する第３の誘電体層と、前記第３の誘電体層上に前記複数の第１放射素子それぞれに対向するように複数の第２放射素子をアレー状に配列して形成される第２の放射素子アレーと、前記第３の誘電体層に設けられ、前記複数の第２放射素子が前記第１の偏波方向と直交する第２の偏波方向に直線偏波を形成するように、前記第２の給電点と前記複数の第２放射素子それぞれとを前記第１の給電線路と同じ等長のパターン配線で接続する第２の給電線路と、前記第３の誘電体層の下部に積層する第２の地導体層と、を備える。前記第１の地導体層は、前記複数の第１の放射素子及び前記複数の第２の放射素子に対向する位置に開口部を有する。前記第１の給電線路における第１放射素子との接続部のパターン配線と前記第２の給電線路における前記第２放射素子との接続部のパターン配線とは互いに直交する方向に形成される。
第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置を示す分解斜視図である。 第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置において、導波管型のマジックＴ位相給電回路を用いた様子である。 第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置を示す分解斜視図である。 第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置において、導波管型のマジックＴ位相給電回路を用いた様子である。
　以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
　（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置の分解斜視図である。図１において、アレーアンテナ装置は、第１の基板１００と、第１の基板１００の下部に積層される第２の基板２００と、第１の基板１００及び第２の基板２００に接続される１８０度ハイブリッド回路３００とを具備する。
　上記第１の基板１００は、第１の誘電体層１と、この第１の誘電体層１の下部に積層される第１の地導体層２と、この第１の地導体層２の下部に積層される第２の誘電体層３とを備える。
　上記第１の誘電体層１の表面には、複数の第１放射素子１０１が互いに直交する２方向に沿ってアレー状に配列されて第１の放射素子アレーが形成される。また、第１の誘電体層１の表面には、その一端部に設けられた第１の給電点Ｆ１と複数の第１放射素子１０１それぞれとを等長で接続する第１の給電線路２０１が形成される。
　一方、上記第２の基板２００は、第３の誘電体層４と、この第３の誘電体層４の下部に積層される第２の地導体層５とを備える。第３の誘電体層４の表面には、複数の第２放射素子１０２が、上記第１放射素子１０１それぞれと対向する位置にアレー状に配列されて第２の放射素子アレーが形成される。また、第２の誘電体層３の表面には、その一端部に設けられた第２の給電点Ｆ２と第２放射素子１０２それぞれとを等長で接続する第２の給電線路２０２が形成される。
　さらに第１の基板１００、第２の基板２００それぞれの構成について詳述する。
　まず、第１の基板１００において、上記第１の放射素子アレーは、例えば、第１の誘電体層１の表面上に金属膜を蒸着させた後、複数の第１放射素子１０１をパターニングし、エッチングすることによって形成したものである。なお、図１において、複数の第１放射素子１０１は、各々、矩形状に描かれているが、これに限定されるものではなく、例えば、円形状であってもよい。
　一方、第１の給電線路２０１は、前述したように、第１の誘電体層１の表面に設けられ、第１の放射素子アレーが第１の偏波方向に直線偏波を形成するように、第１の給電点Ｆ１と複数の第１放射素子１０１それぞれとを等長のパターン配線で接続したものである。等長のパターン配線は、例えば、トーナメント型のレイアウトでクランク状に形成することで実現され、第１の放射素子アレーと同様に、例えば、エッチングによって形成することができる。このように、給電線路をトーナメント型のレイアウトで等長となるように形成すれば、給電線路が鋭角で曲がる箇所がないため、給電線路同士が近接しない。それ故、給電線路同士の電磁的な干渉によるアンテナの品質劣化を防ぐことができる。
　なお、上記の構成では、第１の給電線路２０１を、第１の誘電体層１の表面に、上記複数の第１放射素子１０１と共に形成するようにしたが、第１の誘電体層１を複数の層に分割し、その複数の層の間に形成するようにしてもよい。その場合、第１の給電線路２０１の給電端部を、それぞれ第１放射素子１０１の下部で電磁結合されるように、例えば第１放射素子１０１の下部中心部まで延長させたパターンとする。
　上記第１の誘電体層１の下部に積層される第１の地導体層２は、第１の給電線路２０１のグランドの役割を果たし、第１の給電線路２０１と第２の給電線路２０２とが互いに電磁的に干渉することを防ぐ。また、上記第１の地導体層２は、複数の第１放射素子１０１および複数の第２放射素子１０２に対向する位置に開口部４００を有する。この開口部４００は、第１の放射素子アレーから放射される直線偏波に第２の放射素子アレーから放射される直線偏波を合成するために設けられたもので、例えば、エッチングによって形成することができる。
　上記第１の地導体層２の下部に積層される第２の誘電体層３は、第１の地導体層２と第２の基板２００に形成される第２放射素子１０２および第２の給電線路２０２とを絶縁するための層である。
　次に、上記第２の基板２００において、第２の放射素子アレーは、第１の放射素子アレーと同様に、第３の誘電体層４の表面上に金属膜を蒸着させた後、複数の第２放射素子をパターニングし、エッチングすることによって形成したものである。なお、図１において、複数の第２放射素子１０２は、各々、矩形状に描かれているが、これに限定されるものではなく、例えば、円形状であってもよい。
　一方、第２の給電線路２０２は、前述したように、第３の誘電体層４の表面に設けられ、第２の放射素子アレーが第１の偏波方向と直交する第２の偏波方向に直線偏波を形成するように、第２の給電点Ｆ２と複数の第２放射素子１０２それぞれとを、第１の給電線路２０１と同じ等長のパターン配線で接続したものである。具体的には、基板に対して垂直方向から見たときに、第１の給電線路２０１と第２の給電線路２０２とは、第１放射素子１０１に接続されるパターン配線の方向と、第１放射素子１０１に対向する第２放射素子１０２に接続されるパターン配線の方向とが互いに直交するように配線される。等長のパターン配線は、例えば、トーナメント型のレイアウトでクランク状に形成することで実現され、第２の放射素子アレーと同様に、例えばエッチングによって形成することができる。このように、給電線路がトーナメント型のレイアウトで等長となるように形成されている場合の効果は先に述べた通りであり、アンテナの品質低下を防ぐことができる。
　なお、上記の構成では、第２の給電線路２０２を、第３の誘電体層４の表面に、上記複数の第２放射素子１０２と共に形成するようにしたが、第３の誘電体層４を複数の層に分割し、その複数の層の間に形成するようにしてもよい。その場合、第２の給電線路２０２の給電端部を、それぞれ第２放射素子１０２の下部で電磁結合するように、例えば第２放射素子１０２の下部中心部まで延長させたパターンとする。
　上記第２の誘電体層３の下部に積層される第２の地導体層５は、第２の給電線路２０２のグランドの役割を果たす。
　続いて、給電系の構成について説明する。
　上記第１の給電線路２０１における第１放射素子１０１との接続部のパターン配線と、第２の給電線路２０２における第２放射素子１０２との接続部のパターン配線とは互いに直交する方向に形成される。第１の給電点Ｆ１と第２の給電点Ｆ２とは、それぞれ１８０度ハイブリッド回路３００の出力端子と接続されており、互いに０度または１８０度の位相差で給電される。１８０度ハイブリッド回路３００は、入力端２箇所と出力端２箇所を有する。１８０度ハイブリッド回路３００は、入力端の１つから信号を入力すると、２つの出力端から同位相の信号を出力し、別のもう１つの入力端から信号を入力すると、２つの出力端から１８０度の位相差、即ち、逆位相の信号を出力する。
　図１には図示されていないが、第１の実施形態では、２つの入力端に送信機と受信機とがそれぞれ接続される。送信機から出力された信号は１８０度ハイブリッド回路３００を経由し、第１の給電点Ｆ１および第２の給電点Ｆ２に同位相・同振幅の信号が分配される。一方、受信機が接続された入力端に信号を入力すると、第１の給電点Ｆ１および第２の給電点Ｆ２に逆位相・同振幅の信号が分配される。可逆性により、同位相・同振幅の信号が第１の給電点Ｆ１および第２の給電点Ｆ２から１８０度ハイブリッド回路３００に入力されると、送信機が接続された入力端に信号が出力され、受信機が接続された入力端には信号が出力されない。また、１８０度の位相差かつ同振幅の信号が第１の給電点Ｆ１および第２の給電点Ｆ２から１８０度ハイブリッド回路３００に入力されると、受信機が接続された入力端に信号が出力され、送信機が接続された入力端には信号が出力されない。つまり、送信機と受信機の１８０度ハイブリッド回路３００に対する接続端を交換すれば、逆の信号処理が可能となる。
　１８０度ハイブリッド回路３００には、例えば、マジックＴ位相給電回路を用いることができる。このマジックＴ位相給電回路は、導波管型のマジックＴ位相給電回路３００’、マイクロストリップラインとスロットラインを併用した基板上に形成できるマジックＴ位相給電回路のいずれであってもよい。マジックＴ位相給電回路は、必用に応じて様々な公知のマジックＴ位相給電回路で代用することも可能である。
　図２は、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置において、マジックＴ位相給電回路を用いた場合を図示したものである。本実施形態で示している導波管型のマジックＴ位相給電回路３００’は、第１および第２の給電線路２０１，２０２に接続される導波管の広壁面に接続された送信機側のポートから無線信号を入力すると、２つの給電線路に逆位相の無線信号が出力される。一方、第１および第２の給電線路２０１，２０２に接続される導波管の狭壁面に接続された受信機側のポートには、第１および第２の給電線路２０２から入力された無線信号を足し合わせた信号のうち、同位相の成分が出力される。送受信機の接続を入れ替えると、送信機から入力された無線信号は第１および第２の給電線路２０２に同位相の無線信号を送信し、第１および第２の給電線路２０１，２０２からマジックＴ位相給電回路に入力された逆位相の無線信号成分が受信機側に出力される。
　以下に、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置の動作について説明する。
　上記のとおり、第１の給電点Ｆ１から複数の第１放射素子１０１の各々までの配線の長さと第２の給電点Ｆ２から複数の第２放射素子１０２の各々までの配線の長さとは、いずれも等長である。また、基板に対して垂直方向から見たときに、第１の給電線路２０１と第２の給電線路２０２とは、第１放射素子１０１に接続されるパターン配線の方向と第１放射素子１０１に対向する第２放射素子１０２に接続されるパターン配線の方向とが互いに直交するように配線されている。したがって、１８０度ハイブリッド回路３００によって複数の第１放射素子１０１と複数の第２放射素子１０２とが、互いに同相または１８０度の位相差で給電されると、直交する２偏波が合成されて、各偏波に対して４５度傾いた偏波が基板に垂直な方向へ放射される。
　具体的には、例えば、１８０度ハイブリッド回路３００に対して送信機から信号を入力した時、第１の給電線路２０１および第２の給電線路２０２に同相の信号が入力されるとする。このとき、第１の放射素子アレーからは、図１に示す矢印ａの方向の直線偏波が基板に垂直な方向へ放射され、第２の放射素子アレーからは、図１に示す矢印ｂの方向の直線偏波が基板に垂直な方向へ放射されるとする。この場合、２つの偏波に対応する電界および磁界は合成され、振動面が図１に示す矢印ｃの方向に向いた直線偏波が、基板に垂直な方向へ放射される。一方、受信機側の端子には、第１の給電線路２０１および第２の給電線路２０２から逆位相で入力される信号成分が出力される。これは、第１の放射素子アレーおよび第２の放射素子アレーが、それぞれ、振動面が図１に示す矢印ａおよび矢印ｂ’の方向に向いた直線偏波の電磁波を受信することを意味する。
　次に、第１の給電点Ｆ１と第２の給電点Ｆ２とが、１８０度の位相差をつけて給電される場合と同相で給電される場合との違いを説明する。例えば、第２の給電点Ｆ２に、第１の給電点Ｆ１と１８０度の位相差をつけて給電される場合、第１の給電点Ｆ１と同相で給電される場合と比較して、複数の第２放射素子１０２から放射される偏波の振動面の向きが反転する。即ち、図１に示すように、複数の第２放射素子１０２から放射される偏波の振動面の向きが矢印ｂの方向から１８０度反転した矢印ｂ’の方向へ変わる。この場合、２つの偏波に対応する電界および磁界は合成され、振動面が図１に示す矢印ｃ’の方向に向いた直線偏波が基板に垂直な方向へ放射される。この場合、受信機は、振動面が矢印ｃの方向に向いた直線偏波を受信することになる。
　上記の説明からわかるとおり、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、振動面が給電線路の放射素子に対する接続方向と４５度傾いた偏波を放射することができる。換言すると、放射する直線偏波の振動面の方向と４５度傾いた方向から、放射素子に対して給電線路を接続または結合することが可能である。したがって、例えば、放射素子の形状が矩形状である場合、放射素子を誘電層の面内で４５度傾けて形成しなくても、所望の角度傾いた直線偏波を放射することができる。更には、矩形状の放射素子を基板に対して４５°傾けて形成する場合と比較して、放射素子の配列間隔を短くすることが可能である。また、矩形状の放射素子を基板に対して４５°傾けて形成する場合と比較して、放射素子の配列間隔を短くすることなく配線スペースを広くとることができる。
　また、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、送信機と受信機とを繋ぐ１８０度ハイブリッド回路３００の端子を入れ替えることによって、送信と受信とで使用する偏波の振動面の方向を切り替えることができる。したがって、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、アンテナのサイズが大型であり、アンテナ自体を回転させるのが困難な場合であっても、容易に偏波の方向を切り替え可能である。
　（第２の実施形態）
　図３に、第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置を示す。第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置において、第１の実施形態と異なる点は、第２の基板２００において、複数の第２の放射素子１０２を形成せず、第３の給電線路２０３の給電端部を、第１の誘電体層１に形成される複数の第１放射素子１０１の下部で電磁結合するように、例えば第１放射素子１０１の下部中心部まで延長させたパターンとした点にある。なお、第３の給電線路２０３の給電端部は、第１放射素子１０１の下部中心部である必要はない。第３の給電線路２０３の給電端部は、例えば、第１放射素子１０１の下部であればよい。また、第３の給電線路２０３は、複数の第１放射素子が第１の偏波方向と直交する第２の偏波方向に直線偏波を形成するように、第２の給電点と複数の第１放射素子それぞれとを第１の給電線路２０１と同じ等長のパターン配線で接続する。ここで、「第１の給電線路２０１と同じ等長のパターン配線」とは、必ずしも、第１の給電線路２０１と第３の給電線路２０３とが全く同じであることを意味しない。例えば、第３の給電線路２０３は、第１の給電線路２０１のパターンを略９０度回転させたパターンであってもよい。また、上記したように、第３の給電線路２０３の給電端部は、第１放射素子１０１の下部であればよい。この構成によれば、複数の第１放射素子１０１に対して、第１の給電線路２０１と第３の給電線路２０３により、互いに直交する方向から給電されるので、第１の放射素子アレーから第１の方向の偏波を送出すると共に、第１の方向に直交する第２の方向の偏波を送出することが可能となる。
　図４は、第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置において、１８０度ハイブリッド回路３００が、導波管型のマジックＴ位相給電回路３００’である場合を図示したものである。第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置と同様、マジックＴ位相給電回路は、導波管型のマジックＴ位相給電回路３００’、マイクロストリップラインとスロットラインを併用した基板上に形成できるマジックＴ位相給電回路のいずれであってもよい。マジックＴ位相給電回路は、必用に応じて様々な公知のマジックＴ位相給電回路で代用することも可能である。
　上記の構成を採用した、第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置と同様の動作をする。
　即ち、第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、振動面が給電線路の放射素子に対する接続方向と４５度傾いた偏波を放射することができる。換言すると、放射する直線偏波の振動面の方向と４５度傾いた方向から、放射素子に対して給電線路を接続または結合することが可能である。したがって、例えば、放射素子の形状が矩形状である場合、放射素子を誘電層の面内で４５度傾けて形成しなくても、所望の角度傾いた直線偏波を放射することができる。更には、矩形状の放射素子を基板に対して４５°傾けて形成する場合と比較して、放射素子の配列間隔を短くすることが可能である。また、矩形状の放射素子を基板に対して４５°傾けて形成する場合と比較して、放射素子の配列間隔を短くすることなく配線スペースを広くとることができる。
　また、第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、送信機と受信機とを繋ぐ１８０度ハイブリッド回路３００、３００’の端子を入れ替えることによって、送信と受信とで使用する偏波の振動面の方向を切り替えることができる。したがって、第２の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、アンテナのサイズが大型であり、アンテナ自体を回転させるのが困難な場合であっても、容易に偏波の方向を切り替え可能である。
　尚、本実施形態は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
　１…第１の誘電体層、２…第１の地導体層、３…第２の誘電体層、４…第３の誘電体層、５…第２の地導体層、１００…第１の基板、２００…第２の基板、３００…１８０度ハイブリッド回路、３００’…導波管型マジックＴ位相給電回路、４００…開口部、１０１…複数の第１放射素子、１０２…複数の第２放射素子、２０１…第１の給電線路、２０２…第２の給電線路、２０３…第３の給電線路、Ｆ１…第１の給電点、Ｆ２…第２の給電点。

Claims (6)

  1. 　第１の給電点を備える第１の基板と、
    　前記第１の基板の下部に積層され、第２の給電点を備える第２の基板と、
    　前記第１の給電点及び前記第２の給電点に互いに０度または１８０度の位相差で給電する１８０度ハイブリッド回路と、
    を具備するアレーアンテナ装置であって、
    　前記第１の基板は、
    　　第１の誘電体層と、
    　　前記第１の誘電体層上に複数の第１放射素子をアレー状に配列して形成される第１の放射素子アレーと、
    　　前記第１の誘電体層に設けられ、前記複数の第１放射素子が第１の偏波方向に直線偏波を形成するように、前記第１の給電点と前記複数の第１放射素子それぞれとを等長のパターン配線で接続する第１の給電線路と、
    　　前記第１の誘電体層の下部に積層される第１の地導体層と、
    　　前記第１の地導体層の下部に積層される第２の誘電体層と、
    　を備え、
    　前記第２の基板は、
    　　前記第２の誘電体層の下部に位置する第３の誘電体層と、
    　　前記第３の誘電体層上に前記複数の第１放射素子それぞれに対向するように複数の第２放射素子をアレー状に配列して形成される第２の放射素子アレーと、
    　　前記第３の誘電体層に設けられ、前記複数の第２放射素子が前記第１の偏波方向と直交する第２の偏波方向に直線偏波を形成するように、前記第２の給電点と前記複数の第２放射素子それぞれとを前記第１の給電線路と同じ等長のパターン配線で接続する第２の給電線路と、
    　　前記第３の誘電体層の下部に積層する第２の地導体層と、
    　を備え、
    　前記第１の地導体層は、前記複数の第１の放射素子及び前記複数の第２の放射素子に対向する位置に開口部を有し、
    　前記第１の給電線路における第１放射素子との接続部のパターン配線と前記第２の給電線路における前記第２放射素子との接続部のパターン配線とは互いに直交する方向に形成されるアレーアンテナ装置。
  2. 　第１の給電点を備える第１の基板と、
    　前記第１の基板の下部に積層され、第２の給電点を備える第２の基板と、
    　前記第１の給電点及び前記第２の給電点に互いに０度または１８０度の位相差で給電する１８０度ハイブリッド回路と、
    を具備するアレーアンテナ装置であって、
    　前記第１の基板は、
    　　第１の誘電体層と、
    　　前記第１の誘電体層上に複数の第１放射素子をアレー状に配列して形成される第１の放射素子アレーと、
    　　前記第１の誘電体層に設けられ、前記複数の第１放射素子が第１の偏波方向に直線偏波を形成するように、前記第１の給電点と前記複数の第１放射素子それぞれとを等長のパターン配線で接続する第１の給電線路と、
    　　前記第１の誘電体層の下部に積層される第１の地導体層と、
    　　前記第１の地導体層の下部に積層される第２の誘電体層と、
    　を備え、
    　前記第２の基板は、
    　　前記第２の誘電体層の下部に位置する第３の誘電体層と、
    　　前記第３の誘電体層に設けられ、前記複数の第１放射素子が前記第１の偏波方向と直交する第２の偏波方向に直線偏波を形成するように、前記第２の給電点と前記複数の第１放射素子それぞれとを前記第１の給電線路と同じ等長のパターン配線で接続され、給電端部が前記複数の第１放射素子の下部まで延長されている第２の給電線路と、
    　　前記第３の誘電体層の下部に積層する第２の地導体層と、
    　を備え、
    　前記第１の地導体層は、前記複数の第１の放射素子に対向する位置に開口部を有し、
    　前記第１の給電線路における第１放射素子との接続部のパターン配線と前記第２の給電線路における前記第１放射素子との接続部のパターン配線とは互いに直交する方向に形成されるアレーアンテナ装置。
  3. 　前記第１の給電線路および前記第２の給電線路は、トーナメント型のレイアウトで形成される請求項１または２に記載のアレーアンテナ装置。
  4. 　前記１８０度ハイブリッド回路は、マジックＴ回路である請求項１または２に記載のアレーアンテナ装置。
  5. 　前記１８０度ハイブリッド回路は、前記第１の給電点および前記第２の給電点に対して０度の位相差を生じる第１線路と１８０度の位相差を生じる第２線路と、前記第１回路と前記第２回路とを選択的に切り替える切替手段とを備える請求項１または２に記載のアレーアンテナ装置。
  6. 　前記第２の給電線路は、前記給電端部が前記複数の第１放射素子の下部中心部まで延長されている請求項２に記載のアレーアンテナ装置。
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