JP3344802B2

JP3344802B2 - 平面アンテナ

Info

Publication number: JP3344802B2
Application number: JP35258493A
Authority: JP
Inventors: 利夫牧本; 嘉彦杉尾; 哲雄津川; 俊一真角
Original assignee: 利夫牧本; 嘉彦杉尾; 哲雄津川; デイエツクスアンテナ株式会社
Priority date: 1993-12-29
Filing date: 1993-12-29
Publication date: 2002-11-18
Anticipated expiration: 2017-11-18
Also published as: JPH07202558A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、平面アンテナに関し、
特に導波管を利用した平面アンテナに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、導波管を利用したアンテナとして
は、例えば図９に示すようなスロットアレーアンテナが
ある。これは、１本の矩形給電導波管２の横方向に多数
の矩形放射導波管４を並べ、各矩形放射導波管４には、
電波を放射するための多数のスロット６が形成されてい
る。

【０００３】給電導波管２から各放射導波管４に伝送さ
れた電波は、直列に並んだスロット６、６・・・から次
々に放射されるが、各スロット６から放射された電波の
位相関係は、導波管の管内波長とスロット６間の間隔と
によって決定され、この位相関係に従って指向性が決定
される。

【０００４】従って、周波数が変化すれば、指向性が傾
くことになり、これにより定点との通信においては、利
得の低下に繋がり、周波数帯域幅を広くとることができ
ない。利得を高くしようとすると、ビーム幅が狭くなる
ので、その傾向は更に強くなる。このようなアンテナの
利得対周波数特性図を図１０に示す。これでは、３５ｄ
Ｂｉ付近で１ｄＢダウンの周波数帯域幅は、約１９０Ｍ
Ｈｚであり、非常に狭くなっている。

【０００５】この他に図１１に示すようなラジアルライ
ン方式のアンテナもある。これは、２枚の平行な円形導
体板８ａ、８ｂを上下方向に間隔をおいて配置し、下側
の導体板８ｂの中央から同軸ケーブル１０を介して軸対
称に給電したもので、上側導体板８ａには、スロット１
２が形成されている。

【０００６】このラジアルライン方式のアンテナでは、
円周方向のスロット１２については、それぞれ並列に給
電されるが、ラジアル方向には直列に給電されることに
なる。従って、この方式も周波数帯域幅を大きくとれな
い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近い将来、利用周波数
を高くした２１ＧＨｚ帯の衛星放送、衛星通信が計画さ
れている。このような放送や通信を受信するためには、
例えば利得が３７ｄＢｉ、周波数帯域幅が６００ＭＨｚ
のアンテナが必要になる。しかし、上述したようなスロ
ットアレーアンテナやラジアルラインアンテナでは、周
波数帯域幅が狭く、上述したような２１ＧＨｚ帯の衛星
放送、衛星通信には、到底対応することができない。

【０００８】一般に衛星放送や衛星通信受信用の平面ア
ンテナは、マイクロストリップラインアンテナやトリプ
レート型のアンテナから、伝送損失の少ない導波管を給
電回路とするアンテナに移りつつある。このような導波
管を給電回路とするアンテナでは、周波数帯域を広くす
るためには、導波管で複数の放射素子を並列給電するこ
とが望ましい。しかし、その場合、放射素子の間隔を１
波長以下にしなければならないが、これは構造上ほとん
ど不可能である。その結果、指向特性にグレーティング
ローブが発生し、このグレーティングローブで電力が送
信される分だけ、利得が低下し、低効率になり、周波数
帯域幅も狭くなっている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の問題点
を解決するためになされたもので、給電用の導波管部
と、この給電用導波管部の両側にそれぞれ配置され、一
端が放射開口とされた少なくとも１対の放射用導波管部
と、上記給電用の導波管部と上記各放射用導波管部との
間に、これらを電気的に接続する状態にそれぞれ設けら
れ、上記各放射用導波管部側に一端が、上記給電用の導
波管側に他端が位置し、両端がプローブとされた少なく
とも１対のサスペンデッドトリプレート線路と、上記各
放射用導波管部の上記放射開口上に装荷された誘電体と
を、具備するものである。また、このような平面アンテ
ナを、上記の放射用導波管部より放射される電波の管内
波長よりも大きな間隔を隔てて、複数配置することもで
きる。

【００１０】

【作用】一般に導波管回路のみで放射素子を１波長以下
の素子間隔で並列給電することは難しい。これを行うに
は、導波管の分岐が不可欠であり、分岐方向を含む面に
おける専有面積の比較的小さいＥ分岐でＴ形に分岐する
と、２つに分岐された双方向の位相差は逆相となるた
め、この両端に放射素子としての導波管を、この導波管
の側面から接続すると、放射電界の方向は、この接続部
における電界の方向になるので、双方の放射電界は逆相
になる。分岐された２つの導波管を一旦平行になるよう
に並べて等距離で給電すれば簡単であるが、素子を多数
平面状に並べて同相の放射電界を得る導波管回路は得難
い。そこで、本発明では、給電用導波管の端部から１／
４導波管内波長の部分にサスペンデッドトリプレート線
路の端をプローブとして、電界方向に沿ってその側壁の
両側から挿入してＴ形分岐を形成し、少なくとも１対の
放射用導波管に分岐された方向、または反対側からその
側壁に挿入して給電する。このようにすれば、逆相で分
岐されたことになるが、放射用導波管からの放射電界の
方向は、サスペンデッドトリプレート線路の方向となる
ために、双方の放射電界は同相となるので、放射用導波
管部の間隔は小さくできる。しかし、これでも指向特性
にグレーティングローブが発生し、高利得、高効率、広
周波数帯域幅が阻害されていた。そこで、放射開口に誘
電体を設けることによって、グレーティングローブを押
さえて、高利得、高能率、広周波数帯域幅を図ってい
る。

【００１１】

【実施例】第１の実施例を図１乃至図５に示す。この実
施例は、図１に示すように、上下に重ねて配置される導
体板１４、１６を有している。導体板１４には、上部が
開口した矩形の溝１８ａが形成されており、溝１８ａに
対応する導体板１６の位置には、下部が開口した矩形の
溝１８ｂが形成されている。導体板１４、１６を重合わ
せた状態で、溝１８ａ、１８ｂによって矩形の給電導波
管部１８が形成される。

【００１２】導体板１４において溝１８ａの両側には、
間隔をおいて上部が開口した円形の穴２０ａ、２０ａが
形成されている。穴２０ａ、２０ａに対応する導体板１
６の位置には、上下が開口した円形の穴２０ｂ、２０ｂ
が形成されている。導体板１４、１６を重ね合わせた状
態で、穴２０ａ、２０ａ、穴２０ｂ、２０ｂによって放
射用の円形導波管２０、２０が形成される。

【００１３】溝１８ａと穴２０ａとの間には、これらの
間を繋ぐように、溝１８ａよりも浅い溝２２ａ、２２ａ
が形成されている。導体板１６にも、溝２２ａ、２２ａ
に対応する位置に、溝１８ｂと穴２０ｂとを繋ぐよう
に、浅い溝２２ｂが形成されている。導体板１４、１６
が重ね合わされた状態で、これら溝２２ａ、２２ｂによ
ってトリプレート給電回路を形成するための空間２２が
形成される。

【００１４】導体板１４、１６を重ね合わせた状態で、
これらの間に穴２０ａ、２０ｂを跨ぐように薄いフィル
ム基板２４が間挿されている。このフィルム基板２４に
は、一端部が溝１８ａ側に位置し、中途が溝２２ａを通
り、他端部が穴２０ａ側に位置するように導体プレート
２６、２６が形成されている。これら導体プレート２６
と空間２２によってサスペンデッドトリプレート給電回
路が形成されている。なお、上記のそれぞれのサスペン
デッドトリプレート回路の両端部は、給電導波管内、放
射導波管内に約１／４線路波長分が挿入されてプローブ
２８として機能する。このプローブ２８の形状として
は、例えば図３（ａ）乃至（ｄ）に示したような種々の
ものが使用される。このサスペンデッドトリプレート給
電回路によって、放射用導波管２０、２０は、並列同相
給電されている。

【００１５】図４（ａ）は、このような平面アンテナに
おいて、放射用導波管２０の管径を１７ｍｍとし、これ
らをＥ面方向に１．３７５管内波長間隔（１波長は２４
ｍｍ）、即ち放射用導波管２０の中心間の距離を３３ｍ
ｍとした場合のＥ面方向の指向特性図を表しており、約
５０度の方向に大きなグレーティングローブ３０が発生
している。これは、放射用導波管２０の間隔が１管内波
長よりも大きいからである。そのため、この平面アンテ
ナの利得対周波数特性は、図５に符号３２で示すような
ものとなり、最大利得もわずかに１０ｄＢｉ程度であ
り、１ｄＢダウンの周波数帯域幅も狭いものとなってい
る。

【００１６】そこで、この実施例では、放射用導波管２
０の開口面の上方に、損失が少なくて誘電率の低い円柱
状の誘電体３４、３４を装荷している。この誘電体３４
としては例えば直径が２８ｍｍ、高さが２６ｍｍのもの
を使用している。この誘電体３４は、放射用導波管２０
の開口面上に直接に配置することもできるし、空間をあ
けて、或いは発泡材のような低誘電率のスペーサ３６を
介して配置されている。なお、スペーサ３６を設ける代
わりに、誘電体３４の下面の外周囲に脚を設けてもよ
い。

【００１７】このように誘電体３４を相加した平面アン
テナのＥ面方向の指向特性図を図４（ｂ）に示す。これ
から明らかなように約５０度の方向のグレーティングロ
ーブは誘電体３４を装荷したことにより消失しており、
約３０度の方向にグレーティングローブ３７が残ってい
るが、これは素子間隔が小さい場合もできるサイドロー
ブの大きさと変わらず、図４（ａ）、（ｂ）のグレーテ
ィングローブ３０、３７の比較から明らかなように、非
常に小さなものである。従って、誘電体３４を装荷した
場合の利得対周波数特性は、図５に符号３８で示すよう
なものとなり、最大利得が１７．４ｄＢｉとなり。図５
に符号４０で示すのは、誘電体３４を装荷した場合の１
ｄＢダウンのレベルであり、その周波数帯域幅は、約１
１．９ＧＨｚから約１３．０５ＧＨｚまでの約１．１５
ＧＨｚもある。

【００１８】アンテナの面積を２つの放射用導波管の間
隔の自乗の２倍として計算すると、開口効率は最高で１
２０％を超える。同じ利得の電磁ホーンの開口効率は約
８０％であるから、この平面アンテナが非常に高効率で
あることが判る。９ＧＨｚから約１３．０５ＧＨｚまで
の約１．１５ＧＨｚもある。

【００１９】図６（ａ）、（ｂ）に第２の実施例を示
す。この実施例は、４個の放射用導波管２０に同相給電
するためのもので、給電用導波管１８の両側に設けたト
リプレート給電回路の一部をなすトリプレート線路２６
１が給電用導波管１８の近傍で２分岐して、放射用の導
波管２０に給電する。２２１は、サスペンデッドトリプ
レート給電回路を構成するための空間、２８１は、トリ
プレート線路２６１の先端に設けたプローブ、２４１は
トリプレート線路２６１が形成された薄いフィルム基板
で、同図では厚さをかなり誇張して描いてある。他の部
分は、第１の実施例と同一である。なお、図から明らか
なように、給電用導波管１８、放射用導波管２０、サス
ペンデッドトリプレート給電回路構成用の空間２２１
は、上下に分割形成されている。また同図（ａ）に示す
矢印は、電界の方向を示している。

【００２０】図７（ａ）、（ｂ）に第３の実施例を示
す。この実施例も、４個の放射用導波管２０に同相給電
するためのもので、給電用導波管１８の両側に設けたト
リプレート給電回路の一部をなすトリプレート線路２６
２が給電用導波管１８から離れた位置で分岐して、放射
用の導波管２０に、第２の実施例とは丁度反対側から給
電する。２２２は、サスペンデッドトリプレート給電回
路を構成するための空間、２８２は、トリプレート線路
２６２の先端に設けたプローブ、２４２はトリプレート
線路２６２が形成された薄いフィルム基板で、同図では
厚さをかなり誇張して描いてある。他の部分は、第１の
実施例と同一である。なお、図から明らかなように、給
電用導波管１８、放射用導波管２０、サスペンデッドト
リプレート給電回路構成用の空間２２２は、上下に分割
形成されている。また同図（ａ）でも矢印は、電界の方
向を示している。

【００２１】図８に第４の実施例を示す。この実施例
は、放射用導波管２０を４個で１組として、４組、合計
１６個用いたもので、各放射用導波管２０の中心間の距
離は、同一組内においても、隣接する組の放射用導波管
２０間でも、それぞれ１．５管内波長（１管内波長は例
えば２４ｍｍ）とされている。

【００２２】同一組内の４個の導波管２０に給電する給
電用導波管１８は、４個の放射用導波管２０のほぼ中央
で上側の導波管部１８１と下側の導波管部１８２とに２
分岐されており、図における上側の導波管部１８１と下
側の導波管部１８２とでは、その長さが１／２管内波長
だけ異なっている。

【００２３】これは、下側の放射用導波管２０に給電さ
れる電界と、上側の放射用導波管２０に給電される電界
との位相差を１８０度とし、導波管分岐によって逆相に
なるのを同相とし、直線偏波を放射するためである。他
の構成は、第１の実施例と同様であるので、同等部分に
は同一符号を付して、説明を省略する。

【００２４】このような誘電体装荷平面アンテナは、単
体の場合には誘電体３４の大きさによって利得が１７ｄ
Ｂｉ付近で、開口効率を２００％位にできるので、放射
用導波管２０の間隔を、１．５波長以上としても、グレ
ーティングローブを消すことができる。従って、この実
施例のように放射用導波管２０の間隔を１．５管内波長
としても、充分に広周波数帯域幅、高効率、高利得にす
ることができる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、サスペ
ンデッドトリプレート線路を用いて、放射用導波管部の
距離をできるだけ１波長に近くなるように縮めた上に、
誘電体を装荷することによって、グレーティングローブ
を抑圧し、グレーティングローブに消費されていた電力
を主面方向に向けることにより、利得を向上させ、高効
率として、さらに広い周波数帯域幅を実現している。特
に、この効果は、このような平面アンテナを複数組、管
内波長以上の間隔をおいて複数組、配列した場合に顕著
である。従って、将来実現される２１ＧＨｚ帯の衛星放
送や衛星通信の受信等に最適なアンテナを実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による平面アンテナの第１の実施例の分
解斜視図である。

【図２】同第１の実施例の平面図及び部分破断正面図で
ある。

【図３】同第１の実施例において使用する様々な導体プ
レートの平面図である。

【図４】同第１の実施例とこれから誘電体を除去した状
態との指向特性図である。

【図５】同第１の実施例とこれから誘電体を除去した状
態との利得対周波数特性図である。

【図６】同第２の実施例の平面図及び同平面図のＡ−Ａ
線に沿う断面図である。

【図７】同第３の実施例の平面図及び同平面図のＢ−Ｂ
線に沿う断面図である。

【図８】同第４の実施例の平面図である。

【図９】従来のスロットアレーアンテナの斜視図であ
る。

【図１０】図７のスロットアレーアンテナの利得対周波
数特性図である。

【図１１】従来のラジアルラインアンテナの平面図及び
縦断正面図である。

【符号の説明】

１８給電用導波管２０放射用導波管２２トリプレート用空間２６導体プレート（サスペンデッドトリプレート用線
路）３４誘電体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牧本利夫大阪府豊中市新千里西町２丁目15番３号 (72)発明者杉尾嘉彦大阪府高槻市奥天神町３丁目３番９号 (72)発明者津川哲雄京都府八幡市男山指月13番１号 (72)発明者真角俊一兵庫県神戸市兵庫区浜崎通２番15号デイエツクスアンテナ株式会社内 (56)参考文献特開昭62−58706（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−36905（ＪＰ，Ａ) 特表平６−503930（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01Q 13/02 H01Q 21/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】給電用の導波管部と、この給電用導波管部の両側にそれぞれ配置され、一端が
放射開口とされた少なくとも１対の放射用導波管部と、上記給電用の導波管部と上記各放射用導波管部との間
に、これらを電気的に接続する状態にそれぞれ設けら
れ、上記各放射用導波管部側に一端が、上記給電用の導
波管側に他端が位置し、両端がプローブとされた少なく
とも１対のサスペンデッドトリプレート線路と、上記各放射用導波管部の上記放射開口上に装荷された誘
電体とを、具備する平面アンテナ。