JP2000353916A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】直交する２つの偏波の信号を送受信し得ると共
に、放射素子の数を減らしてコストを下げながら、放射
特性の優れたアレーアンテナを提供する。 【解決手段】 一端部がラッパ状に開口した開口面を有
する複数個の電磁ホーン素子１が、その開口面１ａが平
面状に並ぶように配列されている。この電磁ホーン素子
１のそれぞれの他端部に、直交する２つの偏波をそれぞ
れ同軸線路と導波管との間で変換する第１および第２の
変換部２ａ、２ｂを有する同軸導波管変換器２が設けら
れている。同軸導波管変換器２の第１および第２の変換
部２ａ、２ｂのそれぞれには、第１および第２の同軸線
路３１ａ、３２ａ、…、３１ｂ、３２ｂ、…の一端部が
接続され、第１の同軸線路３１ａ、３２ａ、…の他端部
同士、および第２の同軸線路３１ｂ、３２ｂ、…の他端
部同士がそれぞれ第１および第２の分配器４ａ、４ｂに
接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は放射素子を直線状ま
たは平面状に配列するアレーアンテナに関する。さらに
詳しくは、左旋偏波と右旋偏波、または水平偏波と垂直
偏波のような直交する２つの偏波を送受信することがで
き、製造が容易で、損失特性や帯域特性などの優れた特
性が得られるアレーアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来考えられている、たとえば水平偏波
と垂直偏波とを送受信するストリップラインアンテナの
構成は、たとえば図２（ａ）〜（ｄ）に平面および断面
の説明図とその給電回路網の結線例がそれぞれ示される
ような構造になっている。すなわち、誘電体基板５２の
表面にパッチアンテナ素子５１がマトリクス状に設けら
れ、誘電体基板５２の裏面に接地導体５３が設けられ、
さらにその裏面に各パッチアンテナ５１に給電するため
の給電回路網が設けられている。各パッチアンテナ素子
５１には、たとえば４角形の直交する２辺に沿って、そ
れぞれ水平偏波用および垂直偏波用の給電点５１ａ、５
１ｂが設けられ、誘電体基板５２および接地導体５３に
設けられるスルーホール５４を介して誘電体基板５２の
裏面側に導出されている。接地導体５３の露出面（パッ
チアンテナ素子５１と反対面）には、さらに誘電体基板
５５が設けられ、その表面（パッチアンテナ素子５１と
反対面）には、水平偏波給電回路網５７が設けられ、さ
らに誘電体基板５８および接地導体５９、誘電体基板６
０を介して、垂直偏波給電回路網６１が設けられ、さら
に誘電体基板６２および接地導体６３が設けられること
により形成されている。

【０００３】水平偏波給電回路網５７は、図２（ｃ）に
示されるように、たとえば隣接する２個のパッチアンテ
ナ素子５１の給電点５１ａが接続され、その２個接続さ
れたもの同士が順次接続され、最終的に全てのパッチア
ンテナ素子５１が中央の一点Ｃ１に接続されて、水平偏
波出力として同軸線により取り出せる構造になってい
る。この各パッチアンテナ素子５１と水平給電回路網５
６との接続は、図２（ｂ）に示されるように、誘電体基
板５２、５５および接地導体５３に設けられるスルーホ
ール５４を介して、接続ピン５６により行われている。

【０００４】垂直偏波給電回路網６１も同様に、誘電体
６０と６２との間に形成され、誘電体基板５２、５５、
５８、６０および接地導体５３、５９に設けられるスル
ーホール６４を介して、同様に接続ピン（図示せず）に
よりパッチアンテナ素子５１の垂直偏波用給電点５１ｂ
に接続されている。この垂直偏波給電回路網６１も前述
の水平偏波給電回路網５７と同様に、図２（ｄ）に示さ
れるように、たとえば隣接する２個のパッチアンテナ素
子５１の垂直偏波用給電点５１ｂが接続され、その２個
接続されたもの同士が順次接続され、最終的に全てのパ
ッチアンテナ素子５１が中央の一点Ｃ２に接続されて、
垂直偏波出力として同軸線により取り出せる構造になっ
ている。なお、この垂直偏波用と水平偏波用の給電回路
網の設ける位置は、前述の例に限らず、上下逆の場合も
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
ストリップラインにより直交する２つの偏波を送受信す
ることができるアレーアンテナを構成しようとすると、
誘電体基板と給電回路網と接地導体の何層もの積層構造
にしなければならず、非常に複雑な構成となる。しか
も、ストリップ線路ではその伝送損失が大きいため、構
造が複雑になるにつれて、一層特性が劣化するという問
題がある。この複雑な構造は、水平偏波と垂直偏波の場
合に限らず、左旋偏波と右旋偏波との場合でも同様であ
る。

【０００６】さらに、放射素子として、前述のパッチア
ンテナ素子や、カール素子、線状素子、スロットなどの
指向性の小さい素子を用いると素子間の間隔を小さくし
なければアンテナ表面での電力や位相の分布が平坦化し
ないため、素子間の間隔を小さくするが、小さくすると
素子数を多くしなければならず、コストアップになる。
さらに、素子の間隔が狭くなると、複雑な給電回路の面
積密度が上昇し、一層損失や分離どなどの困難性が増加
すると共に、たとえば０.５波長程度以下に近づけすぎ
ると素子間の相互結合が増加し、素子の独立した働きを
失って特性が劣化する。そのため、０.５波長から１波
長程度の間隔で配列されるが、充分に放射特性の優れた
アンテナを得にくいという問題がある。

【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、直交する２つの偏波の信号を送受信
し得ると共に、放射素子の数を減らしてコストを下げな
がら、減衰が小さく放射特性の優れたアレーアンテナを
提供することを目的とする。

【０００８】本発明の他の目的は、広帯域特性を有し、
高性能なアレーアンテナを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によるアレーアン
テナは、一端部がラッパ状に開口した開口面を有する複
数個の電磁ホーン素子と、該複数個の電磁ホーン素子の
それぞれの他端部に設けられ、直交する２つの偏波をそ
れぞれ同軸線路と導波管との間で変換する第１および第
２の変換部を有する同軸導波管変換器と、該第１および
第２の変換部のそれぞれに一端部が接続される第１およ
び第２の同軸ケーブルと、前記複数個の電磁ホーン素子
に接続される第１の同軸ケーブルの他端部同士、および
第２の同軸ケーブルの他端部同士がそれぞれ接続される
第１および第２の分配器とからなり、前記複数個の電磁
ホーン素子が前記開口面が平面状に並ぶように配列され
ている。

【００１０】本発明によれば、放射素子として、電磁ホ
ーン素子を使用しているため、アンテナ面に対して大き
な面積に亘って、平行な波面（つまり等位相、等電力な
波面）が得られ、電磁ホーン素子のピッチを大きくする
ことができる。その結果、放射素子の数を減らすことが
できると共に、電磁ホーン素子の端部に設けられる同軸
導波管変換器に直接同軸線路を接続することができ、ス
トリップ線路により配線を引き廻す必要がなくなる。そ
のため、減衰の少ない同軸ケーブルと電磁ホーン素子と
によりアレーアンテナを構成することができ、伝送損失
の少ない高特性のアレーアンテナを得ることができる。

【００１１】前記第１の分配器に接続される第１の同軸
ケーブル同士および前記第２の分配器に接続される第２
の同軸ケーブル同士がそれぞれ同じ長さに形成された
り、前記第１および第２の分配器が等位相で分配するよ
うに形成されることにより、位相差変動が少なくなり、
広帯域特性のアンテナが得られる。

【００１２】前記同軸導波管変換器と前記電磁ホーン素
子の開口面との間、または開口面の前面に直線偏波と円
偏波との偏波変換器が設けられることにより、同じ電磁
ホーン素子を用いながら直線偏波と円偏波とを送受信す
ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明のアレーアンテナについて説明をする。

【００１４】発明のアレーアンテナは、図１にその一実
施形態の概念説明図が示されるように、一端部がラッパ
状に開口した開口面を有する複数個の電磁ホーン素子１
がその開口面１ａを平面状に並べて配列されている。図
１に示される例では、電磁ホーン素子１がマトリクス状
に並べられて平面アンテナを構成する例であるが、直線
状に並べて直線状アンテナとすることもできる。この電
磁ホーン素子１のそれぞれの他端部に、直交する２つの
偏波をそれぞれ同軸線路と導波管との間で変換する第１
および第２の変換部２ａ、２ｂを有する同軸導波管変換
器２が設けられている。同軸導波管変換器２の第１およ
び第２の変換部２ａ、２ｂのそれぞれには、第１および
第２の同軸線路３１ａ、３２ａ、…、３１ｂ、３２ｂ、
…の一端部が接続され、第１の同軸線路３１ａ、３２
ａ、…の他端部同士、および第２の同軸線路３１ｂ、３
２ｂ、…の他端部同士がそれぞれ第１および第２の分配
器４ａ、４ｂに接続されている。

【００１５】電磁ホーン素子１は、たとえば入力側の正
方形または円形の導波管からラッパ状に広げた通常の電
磁ホーンが用いられる。導波管の寸法、ホーンの開き角
や導波管部分の長さは、電磁ホーン素子１の開口面でで
きるだけ等位相、等電力な波面になるように定められ
る。たとえば、ホーン素子の奥行きを長くとると、Ｅ面
については開口面上の位相、振幅分布はかなりの大きさ
まで均一にすることができる。また、奥行きを長くしな
いで、誘電体レンズを設けることによっても位相を平坦
化することができる。電磁ホーン素子１の配列される数
は、ホーン素子１が作り出す位相、振幅の不均一さと、
これを並べたときのアンテナ全体の位相、振幅の凸凹の
程度を見ながら決定されるが、従来のパッチアンテナ素
子などに比べて、１／４程度の個数に減らすことができ
る。

【００１６】同軸導波管変換器２は、通常の導波管内に
同軸線路の内軸を挿入した構造のものであるが、本発明
では、水平偏波用と垂直偏波用の２つの変換部２ａ、２
ｂが形成されている。すなわち、直交する２つの面の中
心部に内軸が挿入されることにより形成されている。円
形導波管の場合には、相互に直行する位置に挿入するこ
とにより直交する偏波に結合させることができる。

【００１７】同軸導波管変換器２に一端部が接続される
同軸ケーブル３（３１ａ、３２ａ、…、３１ｂ、３２
ｂ、…）は、通常の同軸ケーブルが使用されるが、第１
の同軸ケーブル３１ａ、３２ａ、…同士の長さがそれぞ
れ等しく、第２の同軸ケーブル３１ｂ、３２ｂ、…同士
の長さがそれぞれ等しくなるように接続されることが好
ましい。これは、周波数が変化してもアンテナ特性を維
持するためには、各放射素子の間で分配電力と位相が変
化しないことが必要であり、給電回路の電力配分の変動
と相対位相差の変動が問題となる。この相対位相差は、
給電線の入力から出力までの経路長が等しくないと、周
波数に対して本質的に変化するからである。したがっ
て、この同軸ケーブルの長さをそれぞれ等しくしておく
ことにより、周波数が変化しても位相差が生じなくて、
広帯域になる。

【００１８】第１および第２の分配器４ａ、４ｂは、た
とえばラジアル導波管の中心に設けられるピンの周りに
同心円状に分配端子を配置したものなどのように、等位
相分配できる構造のものであればよい。この場合、電力
分布は、分配端子の挿入深さなどにより変化させること
ができ、必要な分配比により分配する。たとえば、アン
テナ仕様により、低サイドローブのアンテナ特性が必要
とされる場合は、アンテナ外周の電力分布が小さくなる
ように分配し、また、最大利得を得るためには、アンテ
ナ面全体に均等位相、均等電力分布にする。均等分布に
することにより、アンテナビーム軸上の遠方で観測した
とき、アンテナ面上から発射される全ての電力ベクトル
の合成が最大となるからである。第１の分配器４ａは、
たとえば水平偏波用の送信信号源または受信信号処理回
路の入力Ｉに、第２の分配器４ｂは、たとえば垂直偏波
用の送信信号源または受信信号処理回路の入力IIにそれ
ぞれ接続される。

【００１９】本発明によれば、電磁ホーン素子を直線状
または平面状に配列してアレーアンテナを構成している
ため、個々の放射素子（電磁ホーン素子）の開口面にお
いて、広い面積で等電力および等位相にしやすく、放射
素子（電磁ホーン素子）を少なくすることができる。し
かも、その給電回路網を同軸ケーブルにより行うことが
できるため、複雑な多層配線構造にすることなく、直交
する２偏波を送受信することができるアレーアンテナと
なる。その結果、誘電体基板上で配線を引き廻す必要が
なく、最短距離により接続することができ、伝送損失を
小さくすることができる。

【００２０】前述の例では、水平偏波と垂直偏波の直交
２偏波の例であったが、円偏波の左旋偏波および右旋偏
波のような直交する偏波についても同様である。この場
合、円形導波管の一端部をホーン状に広げた円錐ホーン
素子を使用することもできるし、前述の正方形（ダイア
ゴナル）電磁ホーン素子を用い、ポラライザー（偏波変
換器）をホーンと同軸導波管変換器との間、または電磁
ホーン素子の前面に設けることにより、左旋偏波から垂
直偏波に、右旋偏波から垂直偏波に、またはそれらの逆
の相互変換をすることができる。ポラライザー（偏波変
換器）は、たとえば入射直線偏波面に対して４５°傾い
た方向に９０°の位相推移を与える方法により得られ
る。位相推移を生じさせる方法としては、テフロン板の
ような誘電体を用いるもの、金属板を使用するものな
ど、種々の方法を採用することができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、放射素子（電磁ホーン
素子）の数量を減らすことができると共に、給電系の線
路を低減することができ、低損失で高利得のアレーアン
テナが得られる。しかも、パッチアンテナ素子のように
積層構造にする必要がなく、製造工数を大幅に減らすこ
とができると共に、放射素子の数を減らすことができる
ため、非常にコストダウンを果たすことができる。その
結果、安価で高特性のアレーアンテナを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアレーアンテナの一実施形態を説明す
る図である。

【図２】従来のパッチアンテナ素子を用いた直交２偏波
用のアンテナの説明図である。

【符号の説明】

１ 電磁ホーン素子 ２ 同軸導波管変換器 ２ａ 第１の変換部 ２ｂ 第２の変換部 ３１ 第１の同軸ケーブル ３２ 第２の同軸ケーブル ４ａ 第１の分配器 ４ｂ 第２の分配器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端部がラッパ状に開口した開口面を有
   する複数個の電磁ホーン素子と、該複数個の電磁ホーン
   素子のそれぞれの他端部に設けられ、直交する２つの偏
   波をそれぞれ同軸線路と導波管との間で変換する第１お
   よび第２の変換部を有する同軸導波管変換器と、該第１
   および第２の変換部のそれぞれに一端部が接続される第
   １および第２の同軸ケーブルと、前記複数個の電磁ホー
   ン素子に接続される第１の同軸ケーブルの他端部同士、
   および第２の同軸ケーブルの他端部同士がそれぞれ接続
   される第１および第２の分配器とからなり、前記複数個
   の電磁ホーン素子が前記開口面が平面状に並ぶように配
   列されてなるアレーアンテナ。
2. 【請求項２】 前記第１の分配器に接続される第１の同
   軸ケーブル同士および前記第２の分配器に接続される第
   ２の同軸ケーブル同士がそれぞれ同じ長さに形成されて
   なる請求項１記載のアレーアンテナ。
3. 【請求項３】 前記第１および第２の分配器が等位相で
   分配するように形成されてなる請求項１または２記載の
   アレーアンテナ。
4. 【請求項４】 前記同軸導波管変換器と前記電磁ホーン
   素子の開口面との間、または開口面の前面に直線偏波と
   円偏波との偏波変換器が設けられてなる請求項１、２ま
   たは３記載のアレーアンテナ。