(57)【要約】【課題】広範囲に均一に安定したパターン特性を有し、高利得のアンテナを提供すること。【解決手段】アンテナ１０は、電波を放射する一次放射器１１と、一次放射器１１より放射された電波を反射し、電波が反射して放射される半球面内のアンテナパターンにヌル点が発生しない開口径以下に、開口径Ｄを小さくしたパラボラ反射鏡１２とを有する。【選択図】図1
2020120153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波を放射する一次放射器と、
前記一次放射器より放射された電波を反射し、前記電波が反射して放射される半球面内のアンテナパターンにヌル点が発生しない開口径以下となるようにしたパラボラ反射鏡と
を具備するアンテナ。
【請求項２】
前記一次放射器は、前記パラボラ反射鏡の開口面から内側の領域に配置されている
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記開口面より内側の領域に誘電体が充填されている
請求項１〜請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３に記載のアンテナの被搭載側の表面、又は被搭載側の内部に空洞を設け、
前記空洞に請求項１〜請求項３に記載のアンテナを埋め込む構成とするアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロケット、航空機等の飛翔体に搭載するアンテナは、電波を広範囲に均一に放射すること、飛行中に発生する空力荷重、空力加熱に耐えることが要求される。現在、ロケット等に搭載されるアンテナとして、ブレードアンテナ、モノポールアンテナ、パッチアンテナが主に使用されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−６０４２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、これらのアンテナには以下の課題がある。  
・アンテナビーム内にヌル点（落ち込み）が存在する。ブレードアンテナとモノポールアンテナは直線偏波、並びに円偏波にヌル点が存在する。パッチアンテナは円偏波にヌル点が存在する。  
・パッチアンテナの直線偏波は、アンテナの設置面方向への放射はないため、広範囲に電波を放射できない。  
・ブレードアンテナ、モノポールアンテナ、パッチアンテナはいずれも不平衡型アンテナであるため、飛翔体の機体がアンテナ素子として動作する。そのため、アンテナパターンは機体やアンテナ取付部の形状の影響を受け、アンテナ単体のパターンから大きく変化することがある。  
・ブレードアンテナ、モノポールアンテナ、パッチアンテナには機体表面から突き出ている部分があるため、空力荷重・加熱に耐える強固な構造にすること、あるいはアンテナを保護する構造物を付加することが必要となる。この場合、アンテナパターンはこれらの影響により、アンテナ単体のパターンから大きく変化することがある。  
・ロケット等の飛翔体は搭載するアンテナのパターン特性により、飛行中に機体の姿勢の変更、あるいは飛行経路の変更等の運用制約を受ける問題がある。
【０００５】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、広範囲に均一に安定したパターン特性を有し、高利得のアンテナを提供することにある。  
本発明の別の目的は、当該アンテナが飛翔体に搭載される場合には、飛翔体である被搭載側でパターン特性からの運用制約を受けることがないアンテナを提供することにある。
本発明の更なる目的は、当該アンテナを飛翔体に搭載する場合に、当該アンテナに発生する空力荷重・加熱を大幅に軽減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るアンテナは、パラポラアンテナの形態を採用する。パラボラアンテナは衛星放送受信用アンテナ、地上固定通信用アンテナ、宇宙通信用地上局アンテナ、電波天文用アンテナ等の用途で、広く使用されている。これは、パラポラアンテナは、その開口径を波長と比べて大きくすることにより、アンテナ利得が大きく、鋭い指向性を有するアンテナパターンが得られるからである。例えば、衛星放送受信用アンテナで使用されるパラボラ反射鏡の寸法は、波長の１７倍程度以上あるのが一般的である。このように、パラボラアンテナはその開口径を波長と比べて大きくして使用することが一般的である。
【０００７】
本発明に係るアンテナは、パラポラアンテナの形態を採用するが、パラボラアンテナの通常の使用法とは逆に、電波が放射される半球面内のアンテナパターンにヌル点が発生しない開口径以下になるように小さくした状態で使用するものである。  
すなわち、本発明の一形態に係るアンテナは、電波を放射する一次放射器と、前記一次放射器より放射された電波を反射し、前記電波が反射して放射される半球面内のアンテナパターンにヌル点が発生しない開口径以下になるように、開口径を小さくしたパラボラ反射鏡とを具備する。  
前記一次放射器は、いかなる形態のアンテナ素子も採用でき、前記パラボラ反射鏡の開口面から内側の領域、すなわち開口面上乃至それより内側に配置されていることが好ましい。  
前記開口面より内側の領域に誘電体を充填させてもよい。なお、前記誘電体は、空洞部を有してもよい。また、前記一次放射器は、前記誘電体内に配置してもよい。
【０００８】
本発明の一形態に係るアンテナには以下の特徴がある。  
・アンテナビームが広がり、広範囲に電波が放射される。アンテナ設置面より下方への放射もある。  
・アンテナ設置面より上方の半球面内にヌル点や落ち込みが存在しない。  
・アンテナ設置面より上方の半球面内にサイドローブが発生しない。
【０００９】
この他にも本発明の一形態に係るアンテナには以下の特徴がある。  
・反射鏡アンテナであるため、アンテナパターンはアンテナを搭載する被搭載側の形状やアンテナ取付部の影響をほとんど受けない。  
・被搭載側の表面、又は被搭載側の内部にパラポラ反射鏡と等しい形状、寸法の穴を開けることで、アンテナを被搭載側の表面から突き出さずに設置することができる。これにより、例えばロケットや航空機等の飛翔体の場合には、空力荷重・加熱が大幅に軽減される。本発明に係るアンテナは開口径が小さいため、穴を開けることによる飛翔体への影響は無視することが可能なレベルまで小さくなる。また、ＰＣ等の無線通信機能を有する電子機器や建物の内外に本発明の一形態に係るアンテナを搭載する場合には、例えば電子部品等を実装する基板、建物の外壁、室内の壁や天井の表面、又は被搭載側の内部にパラポラ反射鏡と等しい形状、寸法の穴を開けることで、アンテナを表面から突き出さずに設置することができ、また開口径が小さいためにフットプリントも小さくできる。従って、従来の棒状アンテナ等と比べて薄型軽量化が可能であり、パラボラアンテナを基本構成とする故、アンテナ利得も高い。開口面を壁や天井と同一の色や模様とすることで、アンテナを目立たなくすることが可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るアンテナによれば、広範囲に均一に安定したパターン特性を有し、現在飛翔体に搭載されているアンテナと比較すると利得も高くなる。  
また、本発明に係るアンテナは、当該アンテナが飛翔体に搭載される場合に、飛翔体である被搭載側でパターン特性からの運用制約を受けることがなくなる。  
さらに、本発明の一形態に係るアンテナを飛翔体に搭載する場合に、当該アンテナに発生する空力荷重・加熱が大幅に軽減される。  
この他、本発明の一形態に係るアンテナは、従来アンテナと比べて薄型軽量化され、また目立たなくなる。  
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るアンテナの構成を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】一実施形態に係るアンテナを搭載した模擬ロケット機体の概略斜視図である。
【図４】図３に示した本発明に係るアンテナを模擬ロケット機体に搭載した状態のアンテナパターン（右旋偏波）の解析値を全球三次元表示したものである。
【図５】図４、及び図６〜図８の（１）〜（５）で示す視線方向を示した図である。
【図６】比較例としてブレードアンテナを模擬ロケット機体に搭載した状態のアンテナパターン（右旋偏波）の解析値を全球三次元表示したものである。
【図７】比較例としてパッチアンテナを模擬ロケット機体に搭載した状態のアンテナパターン（右旋偏波）の解析値を全球三次元表示したものである。
【図８】比較例としてモノポールアンテナを模擬ロケット機体に搭載した状態のアンテナパターン（右旋偏波）の解析値を全球三次元表示したものである。
【図９】本発明の他の実施形態に係る電子機器に搭載される基板の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係るアンテナの構成を示す斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。  
図１及び図２に示すように、アンテナ１０は、一次放射器１１と、パラボラ反射鏡１２とを有する。パラボラ反射鏡１２内には誘電体１３が充填され、一次放射器１１には給電ケーブル１４が接続されている。
【００１４】
一次放射器１１は、電波を放射するアンテナ素子である。一次放射器１１は、所定のインピーダンスが得られるアンテナ素子であればいかなるアンテナ素子でも使用可能である。本実施形態では、クロスダイポールアンテナを使用した例を示しているが、ダイポールアンテナやホーンアンテナ等を用いることが可能である。
【００１５】
パラボラ反射鏡１２は、開口の直径（開口径）がＤ、焦点距離がｆの導電性材質で作られた回転放物面であり、一次放射器１１はパラボラ反射鏡１２の焦点の位置に配置されている。また、パラボラ反射鏡１２は、一次放射器１１より放射された電波を反射し、電波が反射して放射される半球面内のアンテナパターンにヌル点が発生しない開口径以下に、開口径Ｄを小さくしている。その際、開口径Ｄ、及び一次放射器１１の寸法は、アンテナとして機能する範囲まで小さくことが可能である。アンテナとして機能する範囲とは、一次放射器１１が所定のインピーダンスを得られる範囲であり、別言すると、一次放射器１１のＶＳＷＲ（電圧定在波比）がアンテナを使用するシステムから要求される値以下となる範囲をいう。本実施形態に係るアンテナ１０には、ヌル点は発生しないので、当然サイドローブも生じない。つまり、本実施形態に係るアンテナ１０は、電波が放射される半球面内に均一の電波を放射することができる。
【００１６】
誘電体１３は、パラボラ反射鏡１２の開口面からパラボラ反射鏡１２の内側表面１２３の範囲に充填される。一次放射器１１は、誘電体１３内に配置されている。例えば、一次放射器１１は、開口面の位置乃至その位置より内側の位置に配置される。また、給電ケーブル１４は、一次放射器１１に給電するケーブルであり、図１〜図２では、パラボラ反射鏡１２の最底面より一次放射器１１まで配線されている例を示したが、パラボラ鏡面１２内であれば、どのように配線してもよい。
【００１７】
これにより、誘電体１３は、一次放射器１１と給電ケーブル１４を所定の位置に保持する機能を有する。加えて、誘電体１３は、ロケット等の飛行中に発生する空力荷重、空力加熱からこれらを保護する機能を有すると共に、誘電体の波長短縮効果により、アンテナ１０の更なる小型化を可能にする。なお、誘電体１３は、空洞部（図示せず）を有していてもよい。これにより、アンテナ１０の軽量化が可能である。
【００１８】
図３は、飛翔体に設置した状態の本実施形態に係るアンテナ１０のアンテナパターンを解析するために使用した模擬ロケット機体である。  
模擬ロケット機体は直径ｄ、高さｈの金属製の円柱で、本実施形態に係るアンテナ１０は円柱表面の中央部に設置した。
【００１９】
この場合の解析結果を図４に示す。  
ここでは、アンテナ１０は、周波数が２．３ＧＨｚで、一次放射器１１とパラボラ反射鏡１２を銅で構成し、誘電体１３としてテフロン（登録商標）を充填し、Ｄ＝８８ｍｍ、ｆ＝２１ｍｍとした。また、図３において模擬ロケット機体を銅で構成し、ｄ＝２５００ｍｍ、ｈ＝２０００ｍｍ、p＝１０００ｍｍの位置に、パラボラ反射鏡と等しい形状、寸法の穴１２４を開けてアンテナ１０を機体内部に設置した。図４は右旋偏波のアンテナパターンの解析値である。  
これはアンテナ絶対利得が−３０ｄＢｉ〜１０ｄＢｉの範囲をグレースケールの濃淡と径方向の長さにより全球三次元表示したものである。  
図４において、
(1)は＋Z方向から見た図(下：＋X方向、右：＋Y方向)
(2)は−Y方向から見た図(右：＋X方向、上：＋Z方向)
(3)は＋X方向から見た図(右：＋Y方向、上：＋Z方向)
(4)は＋Y方向から見た図(左：＋X方向、上：＋Z方向)
(5)は−Z方向から見た図(上：＋X方向、右：＋Y方向)
である（図５参照のこと）。  
なお、波長は約１３０ｍｍであるので、Ｄは約０．６７波長、ｆは約０．１６波長である。図４からわかるように、本実施形態に係るアンテナ１０のアンテナを模擬ロケット機体に設置した状態のアンテナパターンは、アンテナ１０を設置した＋Xの半球面内でほぼ等方性となることがわかる。また、アンテナパターンにはヌル点やサイドローブがなく、アンテナ１０設置面よりも下方（−X方向）への放射があることもわかる。
【００２０】
図６〜図８に比較例を示す。  
図６はブレードアンテナを模擬ロケット機体に搭載した状態のアンテナパターン（右旋偏波）の解析値を全球三次元表示したものである。図７はパッチアンテナを模擬ロケット機体に搭載した状態のアンテナパターン（右旋偏波）の解析値を全球三次元表示したものである。図８はモノポールアンテナを模擬ロケット機体に搭載した状態のアンテナパターン（右旋偏波）の解析値を全球三次元表示したものである。図６〜図８の表示方法、並びにアンテナ絶対利得範囲は、図４と同様である。
図６〜図８の比較例のアンテナパターンと図４に示した本実施形態に係るアンテナパターンとを比較すると、比較例のアンテナパターンと比べ、本実施形態に係るアンテナ１０のアンテナパターンは、アンテナ１０を設置した＋Xの半球面内でより等方性である。
【００２１】
以上より、本実施形態に係るアンテナ１０は、飛翔体搭載用アンテナとして理想的なアンテナパターンを有することがわかる。
【００２２】
本実施形態に係るアンテナ１０は、パラボラ反射鏡１２を電波が反射して放射される半球面内のアンテナパターンにヌル点が発生しない開口径以下に、開口径Ｄを小さくしている。本発明者は、開口径Ｄを変化させ、アンテナ単体の解析を行った。アンテナ単体というのは、本実施形態に係るアンテナ１０を自由空間中に配置した場合で、図４に示したようにアンテナ１０を機体に埋め込んだものではない。  
その結果、パラボラ反射鏡１２内に誘電体１３としてテフロン（登録商標）を充填した場合には、開口径Ｄが約１．２３波長以下ではアンテナ１０を設置した半球面内のアンテナパターンに落ち込み(へこみ)は発生しないことを確認した。  
【００２３】
また、パラボラ反射鏡１２内に誘電体を充填しない場合には、開口径Ｄが約１．７波長以下ではアンテナ１０を設置した半球面内のアンテナパターンに落ち込み(へこみ)は発生しないことを確認した。  
この結果より、本発明は、開口径を１．７波長程度以下とすればよいと考えられる。
【００２４】
本発明は、ロケット以外に航空機や列車や自動車、潜水艦などの移動体、更に携帯端末やＰＣ等の電子機器、建物にも適用できる。  
図９は本発明の他の実施形態に係る電子機器に搭載される基板の断面図である。  
図９に示すように、基板９１上には、回転放物面状の穴９２が設けられ、穴９２の表面に導電性薄膜９６が形成されている。これにより、穴９２はパラボラ反射鏡として機能するように設けられた反射鏡部を構成している。  
穴９２の開口面より内側の領域には、誘電体９３が充填されている。  
一次放射器９４は、典型的には、穴９２の開口面上に配置され、誘電体９３により保持されている。  
穴９２の開口径は、一次放射器９４より放射された電波が前記の反射鏡部で反射して放射される半球面内のアンテナパターンにヌル点が発生しない以下に、小さくしている。同軸ケーブル９５は、誘電体９３により保持されて一次放射器９４に接続されている。  
本実施形態では、導電性薄膜９６が形成された穴９２と誘電体９３と一次放射器９４とによってアンテナ９０を構成している。  
このようなアンテナ９０を搭載する電子機器では、アンテナ９０を基板９１面から突き出さずに設置することができ、また開口径が小さいためにフットプリントも小さくできる。従って、従来の棒状アンテナ等と比べて薄型軽量化が可能であり、パラボラアンテナを基本構成とする故、アンテナ利得も高い。
【００２５】
本発明は、上記の実施形態には限定されず、本発明の技術思想の範囲内で様々な変形や応用が可能であり、そのような変形や応用しての実施は本発明の技術的範囲に属する。
例えば、本発明に係るアンテナを建物の外側や内側に設置する場合には、アンテナの開口面を建物の壁や天井と同一の色や模様とすることで、アンテナを目立たなくすることが可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１０、９０  アンテナ
１１、９４  一次放射器
１２  パラボラ反射鏡
１３、９３  誘電体
９２  パラボラ反射鏡として機能するように設けられた反射鏡部
９６  導電性薄膜
【図１】
2020120153.tif 000003
【図２】
2020120153.tif 000004
【図３】
2020120153.tif 000005
【図４】
2020120153.tif 000006
【図５】
2020120153.tif 000007
【図６】
2020120153.tif 000008
【図７】
2020120153.tif 000009
【図８】
2020120153.tif 000010
【図９】
2020120153.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】令和1年11月20日(2019.11.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波を放射する一次放射器と、
前記一次放射器より放射された電波を反射し、前記電波が反射して放射される半球面内のアンテナパターンにヌル点が発生しない開口径以下となるようにしたパラボラ反射鏡と
を具備し、
前記パラボラ反射鏡は、前記電波の波長の１．７倍以下の開口径を有する
アンテナ。
【請求項２】
前記一次放射器は、前記パラボラ反射鏡の開口面から内側の領域に配置されている
請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記開口面より内側の領域に誘電体が充填されている
請求項１または請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のアンテナの被搭載側の表面、又は被搭載側の内部に空洞を設け、
前記空洞に請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のアンテナを埋め込む構成とするアンテナ。