JP2655853B2 - マイクロ波アンテナ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マイクロ波中継、衛星放送、レーダー等の
送受信に好適なマイクロ波アンテナに関し、特に、放射
器を複数個配置したアレー型のマイクロ波アンテナに関
する。

［従来の技術］ 従来、この種のマイクロ波アンテナとしては、例え
ば、第４図〜第６図に示すようなものがある。これらの
図に示すアンテナは、いずれもダイポール１と、反射板
２とから構成されている。

第４図に示すものは、反射板付ダイポールアンテナで
ある。このアンテナは、反射板の作用により、ダイポー
ルアンテナ１から放射されたマイクロ波が反射板２で反
射され、前面にビームを形成して放射される。

第５図に示すものは、反射板２をコーナーリフレクタ
に置換えて構成したアンテナである。このアンテナは、
第４図に示すアンテナよりも効率がよく、ダイポールア
ンテナ１からの放射を前面に高効率で放射可能とする。

次に、第６図に示すものは、上記第４図および第５図
に示すアンテナに使用される反射板２をショートバック
ファイヤ方式とし、かつ、ダイポールアンテナ１の前面
に副反射板３を設けて構成したアンテナである。このア
ンテナは、第４図または第５図に示すものより、さらに
放射効率を向上したものである。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記従来のアンテナには次のような問
題点があった。

マイクロ波アンテナとしての利得が、効率の改善を行
なっても低いという問題がある。すなわち、第４図に示
すアンテナで6dB程度、第５図に示すアンテナで10dB程
度、第６図に示すアンテナで15dB程度であり、これ以上
の高利得とすることは困難であった。

また、上記従来のマイクロ波アンテナは、いずれもそ
の構造形式が設定されると、ビーム幅および利得が一義
的に決まり、これらを変更することができないという問
題があった。

本発明は、上記問題点を解決すべくなされたもので、
高利得を実現でき、また、ビーム幅および利得につい
て、形式を大幅に変えることなくある程度任意に設計し
得る自由度があるマイクロ波アンテナを提供することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、上記問題点を解決する手段として、 チャネル状に配設された、電磁波を反射する反射板
と、 該反射板が形成するチャネル内部に電磁波を放射する
複数個の放射器と、 上記チャネル開口部に、電磁波放射開口を残して配置
され、電磁波を反射する副反射板とを備えて構成され
る。

上記反射板は、チャネル状に配置され、後述する副反
射板と共に、後述する放射器から放射される電磁波を共
振させる方形の空間を構成する。この場合、電磁波がチ
ャネル後方に漏れることを防ぐため、一体的にチャネル
状に形成されることが好ましい。もっとも、電磁波が漏
れない状態でチャネルを構成できればよく、別部材を結
合してチャネルを形成してもよい。また、この反射板
は、電磁波を反射する面を有する部材であればよく、例
えば、金属材、表面に導体層を形成した合成樹脂材等を
使用できる。

上記放射器は、好ましくは、1/2波長ダイポール等の
ダイポール放射器とし、チャネルの断面空間のほぼ中央
に、該チャネルの沿って複数個を配置する。この配置間
隔は、適宜設定できるが、例えば、３λとする。また、
不等間隔とすることも可能である。放射器の配置個数
は、配置間隔と、アンテナのチャネル長さとにより定め
る。

上記放射器は、上記チャネル内に共振可能にマイクロ
波を放射できればよく、上記態様に限らないこと勿論で
ある。例えば、導波管により励振する構造とすることも
できる。また、本発明のマイクロ波アンテナは、1GHz〜
15GHzの波長の電磁波のアンテナに好適である。もちろ
ん、これ以外の波長にも適用することは可能である。

上記副反射板は、上記反射板と同様に、電磁波を反射
する面を有する部材であればよく、例えば、金属材、表
面に導体層を形成した合成樹脂材等を使用できる。この
副反射板は、上記チャネル開口部、好ましくは開口面
に、該チャネルに沿って配置される。そして、好ましく
は、該チャネル開口部の幅方向ほぼ中央に位置させ、該
開口部の幅方向の両側に電磁波放射開口を残して、該チ
ャネル開口部を覆うように設ける。

この副反射板は、その幅、すなわち、上記チャネル開
口部の面積に対する上記副反射板の面積を適宜選定する
ことにより、ビーム幅および／またはアンテナ利得を設
定する。例えば、上記チャネル開口幅の1/3〜1/2の範囲
でその幅を選定する。この場、長手方向は、チャネルの
長さと一致させる。

また、上記副反射板は、その幅方向を伸縮可能に形成
してもよい。例えば、２枚の金属板をその一辺側を互い
に摺動自在に重ね合せて構成することにより、重ね合さ
れた２枚の金属板全体の幅を可変とすることができる。
この場合、副反射板の幅は、目的とするビーム幅および
／またはアンテナ利得に合せて、伸縮して設定する。

上記開口部の幅方向の両側に設けられる電磁波放射開
口は、必ずしも同一開口面積（開口幅）である必要はな
いが、形成されるビームの対称性、サイドローブを考慮
すると、両者は同一面積（開口幅）とすることが好まし
い。

さらに、本発明では、上記チャネル開口部に設けられ
る上記電磁波放射開口に、自由空間に向かって拡開する
フレヤを設けてもよい。

なお、本発明のマイクロ波アンテナは、水平偏波、垂
直偏波、円偏波のいずれにも適用することができる。

［作用］ 上記のように構成される本発明のアンテナにおいて、
複数個の放射器から電磁波を放射すると、この電磁波
は、反射板からなるチャネルと副反射板とが構成する方
形空間内において共振し、一部が電磁波放射開口から外
部に放射される。なお、複数個の放射器を励振する際、
これらが等間隔配置されているときは、各放射器の励振
振幅を変化させ、一方、不等間隔で配置されているとき
は、等振幅で各放射器を励振することにより、サイドロ
ーブを抑圧することができる。

各放射器からの電磁波が方形空間内において共振する
際、電磁波放射開口が大きいと、チャネル開口面におけ
る電磁界分布は、各々の放射器の近傍にのみ集中する。
そのため、アンテナ軸面内（電界面内）の指向性がブロ
ードとなり、利得もそれほど大きくはならない。

一方、副反射板の幅を大きくして、その面積を広くす
ると、それに伴なって放射開口が狭くなって、電磁界が
チャネル空間内に閉じ込められやすくなり、この電磁界
は、アンテナ軸方向に分散する。すなわち、開口面の横
方向に電磁界分布が拡がることになる。そして、隣接す
る各放射器の電磁界分布が重なりあって、アンテナ軸面
内の指向性が先鋭化され、利得が増大することとなる。

ここで、チャネル開口部の開口幅を一定とした場合に
おける、副反射板の幅に対するビームの半値幅と指向性
利得との関係は、本発明者等の実験によれば、電界面
（以下Ｅ面と称する。）においては、副反射板の幅を大
きくするに伴ない、ビームの半値幅が小さくなり、ま
た、指向性利得が大きくなることが確かめられた。一
方、Ｅ面と垂直な磁界面（以下Ｈ面と称する。）につい
ては、副反射板の幅の変化に対してビームの半値幅と指
向性利得とがそれほど変化しないことが確かめられた。

従って、本発明によれば、総合利得は、従来のこの種
のアンテナで得られる利得より、さらに大きな利得とす
ることができる。例えば、従来は最大利得が約15dBであ
ったが、本発明では約20dB以上の高利得も可能となる。
しかも、副反射板の幅を変えることにより、利得を一定
の範囲で所望値とすることができる。例えば、12dB〜20
dBの範囲で所望値することができる。すなわち、本発明
は、形式を大幅に変えることなく、ビーム幅および利得
について、ある程度任意に設計し得る。

この作用によれば、高価なアッテネータ等を使用する
ことなく、アンテナの利得を調整できることを意味す
る。従って、本発明は、例えば、中継用アンテナ等にお
ける利得設定等にも好適である。

なお、本発明において、電磁波放射開口にフレヤを設
けると、放射インピーダンスのマッチングがとれ、同一
の構成のアンテナでフレヤの装着してないものと比較し
て、さらに高利得を実現でき、また、サイドローブを低
減することができる。

［実施例］ 本発明の実施例について図面を参照して説明する。

＜第１実施例の構成＞ 第１図（Ａ）および（Ｂ）に、本発明のマイクロ波ア
ンテナの第１実施例構成を示す。

これらの図に示す第１実施例のマイクロ波アンテナ
は、1/2波長ダイポールアンテナを放射器11として、断
面「コ」の字形状のチャネル10を構成する反射板12の内
部に複数個配置し、かつ、該チャネル開口部10aに副反
射板13を配置して構成される。

上記反射板12は、アルミニウム等の金属材からなり、
垂直片12aと、これを挟む２枚の平行な平行片12bとから
なる。垂直片12aと２枚の平行な平行片12bとは、一体的
に連結成形されてチャネル10を形成する。

チャネル10は、副反射板13と共に、放射器11から放射
される電磁波を共振させる方形の空間を構成する。この
チャネル10は、本実施例では、使用電磁波の波長をλと
して、幅Ｄが1.5λ、深さｒが0.5λとして形成されてい
る。長さｌは、放射器11の配置個数により定まり、配置
間隔をｋ、配置個数をｎとすると、ほぼ ｌ＝ｋ（2n＋１） となる。もっとも、電磁波が共振する間隔であればよい
ので、具体的な大きさは、これに限らないことはいうま
でもない。

上記放射器11は、チャネル10の断面空間のほぼ中央の
線上に、チャネル10の長手方向に３λの間隔で複数個配
置する。すなわち、放射器11は、チャネル10を構成する
反射板12の垂直片12aの幅方向中央に、そのダイポール
をチャネル10と平行にして複数個が列設してある。上記
放射器11は、上記チャネル10内に共振可能にマイクロ波
を放射できればよく、上記態様に限らないこと勿論であ
る。

上記副反射板13は、帯状の金属板からなり、上記チャ
ネル開口部10aに、該チャネル10の長手方向に沿い、か
つ、該チャネル開口部10aの幅方向ほぼ中央に配置され
る。この際、副反射板13は、上記チャネル開口部10aの
幅方向の両側に電磁波放射開口14aおよび14bを残して、
該チャネル開口部10aを覆うように配置する。本実施例
では、この電磁波放射開口14aおよび14bは、同一の面積
（開口幅）としてある。

この副反射板13は、上記反射板12の垂直片12aと平行
に配置され、両者の間隔は、チャネル10の深さとほぼ等
しくなるように設定される。すなわち、使用電磁波の波
長の約1/2に設定される。もっとも、電磁波が共振する
間隔であればよいので、上記チャネル10の大きさと同様
に、これに限られない。

上記副反射板13の幅、すなわち、上記チャネル開口部
10aの面積に対する上記副反射板13の面積は、目的とす
るビーム幅および／またはアンテナ利得に合せて適宜選
定する。例えば、上記チャネル開口部10aの開口幅の1/3
〜1/2の範囲でその幅を選定する。この場合、長手方向
は、チャネル10の長さと一致させる。具体的には、0.5
λ〜0.8λの範囲で異なる幅を持つ副反射板13を複数種
用意しておき、必要に応じて適宜選定することとすれば
よい。

＜第１実施例の作用＞ 次に、上記のように構成される本実施例のアンテナの
作用について説明する。

先ず、各放射器11から電磁波を放射すると、この電磁
波は反射板12からなるチャネル10と副反射板13とが構成
する方形空間内において共振し、一部が電磁波放射開口
14a、14bから外部に放射される。このとき、チャネル10
の開口面10aの中央部が副反射板13で覆われているの
で、電磁波の放射開口が狭くなって、電磁界がチャネル
10の空間内に閉じ込められやすくなり、この電磁界は、
アンテナ幅方向に分散し、開口面の横方向に電磁界分布
が拡がることになる。そして、隣接する各放射器の電磁
界分布が重なりあって、アンテナ軸面内の指向性が先鋭
化され、利得が増大することとなる。

本実施例のアンテナは、この電磁波放射開口14aと14b
とから放射された電磁波を合成してビームが形成され
る。このビームは、上記したように、副反射板13の幅に
よって異なる特性となる。

ここで、この電磁波放射開口14a、14bの開口面積と形
成される電磁波ビームの特性との関係について、第２図
（Ａ）〜（Ｃ）を参照して説明する。なお、本実施例で
は、電磁波放射開口14a、14bの開口面積は、副反射板13
の幅によって定まるので、ここでは、副反射板13の幅に
より示す。また、第２図（Ａ）および（Ｂ）において、
Ｅ面は、第１図に示すように、チャネル開口面とその中
央で直交し、かつ、該チャネル深さに平行な面であり、
Ｈ面は、チャネル開口面および上記Ｅ面と直交する面で
ある。

第２図（Ａ）に、副反射板13として、幅が0.5λ、0.6
λ、0.7λおよび0.8λの４種を選定して装着した本実施
例のマイクロ波アンテナのＥ面およびＨ面における半値
幅特性を示す。同図において、横軸は、選定した副反射
板13の幅ｄ（λ）を、縦軸は、それによって実現される
半値幅の実測値（゜）を各々示す。この図から明らかな
ように、図中○点で示すＥ面での半値幅は、副反射板13
の幅ｄ（λ）の増加に伴なって減少している。例えば、
副反射板13の幅ｄ（λ）を0.8λとした場合には、19゜
となる。これは、副反射板13の幅ｄ（λ）の幅が広いほ
ど、すなわち、電磁波放射開口14a、14bの開口幅が狭い
ほど、ビームが絞られて尖鋭化することを示す。

一方、図中×印で示すＨ面については、副反射板13の
幅の変化に対してビームの半値幅は、僅かに変化する。
すなわち、副反射板13の幅ｄ（λ）が広くなるに伴な
い、数度の範囲でビームの半値幅が減少する。

また、第２図（Ｂ）に、上記第２図（Ａ）と同様に、
副反射板13として、幅が0.5λ、0.6λ、0.7λおよび0.8
λの４種を選定して装着した本実施例のマイクロ波アン
テナのＥ面およびＨ面における指向性利得を示す。同図
において、横軸は、選定した副反射板13の幅ｄ（λ）
を、縦軸は、それによって実現される指向性利得（dB）
を各々示す。この図から明らかなように、図中○点で示
すＥ面での指向性利得は、副反射板13の幅ｄ（λ）の増
加に伴なって増大している。例えば、副反射板13の幅ｄ
（λ）を0.8λとした場合には、12dBとなる。これは、
副反射板13の幅ｄ（λ）が広いほど、すなわち、電磁波
放射開口14a、14bの開口幅が狭いほど、指向性利得が増
大することを示す。

一方、図中×印で示すＨ面については、副反射板13の
幅の変化に対してビームの指向性利得は、僅かながら減
少する。すなわち、副反射板13の幅ｄ（λ）が広くなる
に伴ない、数dBの範囲で減少する。

なお、第２図（Ｂ）に示したＥ面およびＨ面の指向性
利得から総合利得を求めることができ、本実施例のアン
テナでは、20dB程度となる。

第２図（Ｃ）は、副反射板13の幅ｄ（λ）を0.8λと
した場合のＥ面での電磁波放射パターンを示す。この図
から明らかなように、本実施例のアンテナは、サイドロ
ーブが小さく、アンテナとして好ましい放射パターンと
なっている。

このように、本実施例は、副反射板13の幅を選定する
のみ、それ以外のものについては何ら変更することな
く、半値幅、指向性利得をある程度自由に設定すること
ができる。従って、従来のこの種のアンテナと異なり、
形式を大幅に変えることなく、Ｅ面内のビーム幅および
利得について、ある程度任意に設計することができる。

＜第２実施例の構成＞ 第３図（Ａ）、（Ｂ）に、本発明のマイクロ波アンテ
ナの第２実施例の構成を示す。

これらの図に示す第２実施例のマイクロ波アンテナ
は、上記第１実施例と同様に構成されるアンテナの電磁
波放射開口14a、14bに、フレヤ15aおよび16aと16bおよ
び15bとを備えて構成される。本実施例の構成は、フレ
ヤの部分を除いて上記第１実施例のものと同様であるの
で、ここでは相違点を中心として説明する。

上記フレヤ15aおよび15bは、反射板12の平行片12bの
先端に設けられ、チャネル10全体のフレヤとして先端を
外側に向かって拡開する状態で装着されている。また、
フレヤ16aおよび16bは、副反射板13の両辺に連結され、
これらが連結した状態で断面が三角形状となるように構
成されている。もちろん、フレヤ16aおよび16bと副反射
板13との配置は、必ずしもその断面が三角形状となるよ
うにしなくともよい。

本実施例のアンテナも上記第１実施例のアンテナと同
様に、チャネル10と副反射板13とにより、放射器11から
放射される電磁波を共振させる方形の空間を構成する。
このチャネル10は、本実施例では、使用電磁波の波長を
λとして、幅Ｄが1.5λ、深さｒが0.5λとして形成さ
れ、また、長さｌは、ｋ（2n＋１）として形成されてい
る。副反射板13の幅ｄは、0.5λ、0.6λ、0.7λおよび
0.8λから適宜選定する。また、この副反射板13の位置
から、フレヤ16a、16bの先端までの距離Ｓは、1.0λに
選定し、チャネル開口部10aからフレヤ15a、15bの先端
までの距離Ｆは、1.5λ設定する。この状態で、フレヤ1
5a、15bの開口端幅Ｗは、３λとなる。もっとも、電磁
波が共振する間隔であればよいので、具体的な大きさ
は、これに限らないことはいうまでもない。

＜第２実施例の作用＞ 本実施例のアンテナの作用は、基本的には、上記第１
実施例のものと同じであるが、フレヤの存在により、サ
イドローブの低減が図れる。すなわち、上記したよう
に、Ｈ面については、副反射板13の幅の変化に対してビ
ームの指向性利得は、副反射板13の幅ｄ（λ）が広くな
るに伴ない、数dBの範囲で減少する。これは、サイドロ
ーブの増加を意味する。しかし、このサイドローブにつ
いて、本実施例では、フレヤによって抑圧し、その結
果、ビームの指向性利得を高めることにより生じるサイ
ドローブの増加を抑え込んでいる。

また、本実施例では、放射インピーダンスをマッチン
グがとれ、上記第１実施例のものよりもさらに高利得を
実現することができる。

本実施例は、副反射板13の幅を選定し、フレヤを付加
するのみで、それ以外のものについては何ら変更するこ
となく、サイドローブを抑制した状態で、半値幅、指向
性利得をある程度自由に設定することができる。

なお、本実施例のアンテナについて実測したところ、
総合利得23dB、Ｈビーム幅20゜、Ｅ面ビーム幅10゜であ
った。また、第３図（Ｃ）に、本実施例のマイクロ波ア
ンテナのＥ面での電磁波放射パターン特性を示す。

＜他の実施例＞ 上記各実施例では、放射器として1/2波長ダイポール
を使用した例を示したが、これに限らず、他の放射器を
使用することができる。例えば、導波管により励振する
構造とすることもできる。また、上記各実施例では、ダ
イポールをチャネル延長方向に平行に配置した例を示し
たが、垂直に配置してもよい。

上記各実施例では、反射板を金属にて形成した例を示
したが、本発明において反射板は、これに限らず、繊維
強化プラスチック等の合成樹脂材の表面に金属膜等の導
電層を被着したもの等の電磁波を反射する材料であれば
よい。

また、上記副反射板13は、その幅方向を伸縮可能な構
造としてもよい。例えば、２枚の金属板をその一辺側を
互いに摺動自在に重ね合せて構成することにより、重ね
合された２枚の金属板全体の幅を可変とすることができ
る。このような伸縮可能な構造とすることにより、ビー
ムの半値幅、利得等をアンテナの設置現場で簡単に調整
することが可能となる。従って、高価なアッテネータ等
を使用することなく、利得を調整できるので、例えば、
中継用アンテナ等において、最適な利得を設定すること
に好適である。

さらに、上記実施例では、副反射板13をチャネル開口
部の幅方向中央に設けて、電磁波放射開口14a、14bを等
しい開口幅としているが、形成するビームの向きによっ
ては、必ずしも等しくする必要はなく、両者を目的とす
るビームに合せて異ならせてもよい。また、開口幅も、
上記各実施例において示した値に限られない。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は、利得を向上でき、ま
た、Ｅ面内のビーム幅および利得について形式を大幅に
変えることなくある程度任意に設計し得る自由度がある
マイクロ波アンテナを実現することができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明マイクロ波アンテナの第１実施例
の構成を示す斜視図、第１図（Ｂ）はその側面図、第２
図（Ａ）は本実施例のマイクロ波アンテナのＥ面におけ
る半値幅特性を示すグラフ、第２図（Ｂ）は本実施例の
マイクロ波アンテナのＥ面における指向性利得特性を示
すグラフ、第２図（Ｃ）は本実施例のマイクロ波アンテ
ナのＥ面での放射パターン特性を示すグラフ、第３図
（Ａ）は本発明マイクロ波アンテナの第２実施例の構成
を示す斜視図、第３図（Ｂ）はその側面図、第３図
（Ｃ）は本実施例のマイクロ波アンテナのＥ面での電磁
波放射パターン特性を示すグラフ、第４図〜第６図は従
来のマイクロ波アンテナを示し、第４図（Ａ）、第５図
（Ａ）および第６図（Ａ）はそれらの正面図、第４図
（Ｂ）、第５図（Ｂ）および第６図（Ｂ）はそれらの断
面図である。 10……チャネル 10a……チャネル開口部 11……放射器 22……反射板 13……副反射板 14a、14a……電磁波放射開口 15a、15b、16a、16b……フレヤ

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電磁波を反射する面が、断面凹状のチャネ
   ル形状であって、かつ、チャネル延長方向の両端が開放
   された形状に形成される反射板と、 該反射板が形成するチャネルの凹状に囲まれる空間の内
   部に、該チャネルの延長方向に沿って並べられ、それぞ
   れが放射する電磁波のビーム軸を上記チャネル延長方向
   に直交する面内にそれぞれ有して配置される、複数個の
   放射器と、 上記反射板が形成するチャネルの凹状に囲まれる空間の
   開口部を覆う位置に配置され、電磁波を反射する副反射
   板とを備えて構成され、 上記副反射板は、上記反射板の上記チャネル延長方向に
   沿う二つの平行片のうち少なくとも一方との間に、電磁
   波放射開口を構成する空隙を残して配置され、 上記反射板および副反射板は、上記反射板のチャネル底
   面、および、副反射板の一の面が相対向する相対位置関
   係に配設され、上記放射器から放射される電磁波を共振
   させるための方形の空間を構成することを特徴とするマ
   イクロ波アンテナ。
2. 【請求項２】上記副反射板は、上記複数個の放射器の全
   体を覆う形状に構成される特許請求の範囲第１項記載の
   マイクロ波アンテナ。
3. 【請求項３】上記反射板の互いに対向する面の間隔は、
   上記放射器から放射される電磁波の波長の3/2の長さに
   相当する特許請求の範囲第１項および第２項のいずれか
   一項記載のマイクロ波アンテナ。
4. 【請求項４】上記副反射板は、上記チャネル開口部の幅
   の1/3〜1/2に相当する幅を有することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のマイクロ波アンテナ。
5. 【請求項５】上記各放射器は、上記放射器から放射され
   る電磁波の波長の３倍の長さに相当する間隔で配置され
   る特許請求の範囲第１項記載マイクロ波アンテナ。
6. 【請求項６】上記電磁波放射開口は、上記反射板の上記
   チャネル延長方向に沿う二つの平行片のそれぞれとの間
   に構成され、 上記反射板の上記チャネル延長方向に沿う二つの平行片
   のそれぞれとの間にそれぞれ構成される上記電磁波放射
   開口にそれぞれ隣接して上記チャネル延長方向に延び
   る、二つの端部のそれぞれから、自由空間に向かって互
   いに拡開する二つの第１のフレヤ部材と、 上記副反射板の上記電磁波放射開口に沿う二つの辺をそ
   れぞれ基端として自由空間に向かってそれぞれ延び、基
   端から自由空間に向かって互いの間隔を狭める二つの傾
   斜面をそれぞれ形成する二つの第２のフレア部材とを有
   する特許請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項記
   載のマイクロ波アンテナ。