(57)【要約】【課題】広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性を得ることができるアンテナ装置を得ることを目的とする。【解決手段】開口面が平面地板１の開口と一致している凹形状の金属キャビティー５を設け、電波吸収体６を金属キャビティー５内に埋め込むように構成する。これにより、二線式偏心スパイラル素子４が損失性を有するようになり、その結果、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性を得ることができるようになる。【選択図】図１
2015216493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口が施されている平面地板と、
前記平面地板の開口に配置され、前記開口の中心からずれている位置に給電点が設けられている誘電体基板と、
前記給電点を始点にして、同一方向に渦巻状に巻かれている二本の線路導体が前記誘電体基板上に形成されている二線式偏心スパイラル素子と、
開口面が前記平面地板の開口と一致している凹形状の金属キャビティーと、
前記金属キャビティー内に埋め込まれている電波吸収体と
を備えたアンテナ装置。
【請求項２】
前記電波吸収体は、前記金属キャビティー内に隙間なく埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記電波吸収体は、前記給電点を含む前記二線式偏心スパイラル素子の始点側の領域に対応する前記金属キャビティー内の一部の位置に埋め込まれていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記誘電体基板と前記電波吸収体の間に空気層が設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性を有するアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アンテナ平面に対して鉛直方向にビームを形成する平面アンテナが、水平面に対して垂直に配置される場合、水平方向にビームが形成される。
一方、水平面に対して垂直な位置から傾斜を持たせて平面アンテナが配置される場合、水平方向にビームが形成されるようにするには、アンテナ平面に対する鉛直方向からビームをチルトさせる必要がある。
【０００３】
以下の特許文献１には、スパイラル素子を偏心させているアンテナ装置が開示されており、スパイラル素子を偏心させることで、アンテナ平面に対する鉛直方向からの円偏波のビームチルトを可能にしている。
なお、以下の非特許文献１には、広帯域に亘って円偏波ビームがチルトすることに加えて、アンテナ平面に対する鉛直方向を軸として、周波数に依存するビームが回転することが開示されている。
これは、放射に寄与するスパイラル素子上の電流分布が、周波数に依存して渦巻状のスパイラル素子に沿って回転するために、ビームが回転するものと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許 US 6,947,010 B2
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 45, NO. 4, APRIL 1997, “Two-Arm Eccentric Spiral Antenna”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のアンテナ装置は以上のように構成されているので、スパイラル素子を偏心させれば、アンテナ平面に対する鉛直方向からビームをチルトさせることができる。しかし、アンテナ平面に対する鉛直方向を軸として、周波数に依存するビームが回転してしまうため、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性を得ることができなくなるなどの課題があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性を得ることができるアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るアンテナ装置は、開口が施されている平面地板と、平面地板の開口に配置され、その開口の中心からずれている位置に給電点が設けられている誘電体基板と、その給電点を始点にして、同一方向に渦巻状に巻かれている二本の線路導体が誘電体基板上に形成されている二線式偏心スパイラル素子と、開口面が平面地板の開口と一致している凹形状の金属キャビティーとを設け、電波吸収体を金属キャビティー内に埋め込むようにしたものである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、開口面が平面地板の開口と一致している凹形状の金属キャビティーを設け、電波吸収体を金属キャビティー内に埋め込むように構成したので、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性を得ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構造図である。
【図２】非特許文献１に開示されているアンテナ装置の放射パターンを示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１によるアンテナ装置の放射パターンを示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構造図である。
【図５】この発明の実施の形態２によるアンテナ装置の放射パターンを示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す構造図である。
【図７】この発明の実施の形態４によるアンテナ装置を示す構造図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構造図である。特に図１（ａ）はアンテナ装置を示す上面図（紙面の手前方向が＋Ｚ軸）であり、図１（ｂ）はアンテナ装置をＸＺ面でカットしている断面図である。
図１において、平面地板１は中心付近に円筒形の開口が施されている平面状の地板である。
誘電体基板２は平面地板１の開口に配置され、その開口の中心からずれている位置に給電点３が設けられている円筒形の基板である。
【００１２】
二線式偏心スパイラル素子４は誘電体基板２上に形成されており、二線式偏心スパイラル素子４は給電点３を始点にして、同一方向に渦巻状に巻かれている二本の線路導体４ａ，４ｂ（線状の金属素子）から構成されている。
金属キャビティー５は開口面が平面地板１の開口と一致している凹形状の部材であり、二線式偏心スパイラル素子４から放射された電波を反射する。
電波吸収体６は金属キャビティー５内に隙間なく埋め込まれており、二線式偏心スパイラル素子４から放射された電波を吸収する。電波吸収体６は例えば導電性繊維の織物から構成されている。また、カーボン粉などがゴム、発泡ウレタン、発泡ポリスチロールなどの誘電体に混合されている混合物から構成されている。
【００１３】
アンテナ装置の構造について説明する。
二線式偏心スパイラル素子４を構成している二本の線路導体４ａ，４ｂは、給電点３を始点にして、同一方向に渦巻状に巻かれて、外側に広がっている。
二本の線路導体４ａ，４ｂは、下記の式で描くことができる。下記の式において、ｘ，ｙは図１のＸ軸，Ｙ軸に対応しており、原点はｘ＝０，ｙ＝０である。
【００１４】
線路導体４ａ                            線路導体４ｂ
ｘ（φ）＝ａφ（ｃｏｓ（φ）＋ Ｋ ）    ｘ（φ）＝−ａφ（ｃｏｓ（φ）− Ｋ ）
ｙ（φ）＝ａφ（ｓｉｎ（φ））          ｙ（φ）＝−ａφ（ｓｉｎ（φ））
φ：回転角度［ｒａｄ］  φｓｔａｒｔ≦φ≦φｅｎｄ
ａ：スパイラル定数 ［ｍｍ／ｒａｄ］
Ｋ：偏心定数  ０＜Ｋ＜１
【００１５】
回転角度φは、線路導体４ａ，４ｂの巻き数に関係し、φｓｔａｒｔの角度からφｅｎｄの角度まで線路導体４ａ，４ｂが巻かれている。即ち、φｓｔａｒｔの位置が渦巻の始点であり、φｅｎｄの位置が渦巻最外周の終端である。
二線式偏心スパイラル素子４を構成している二本の線路導体４ａ，４ｂのうち、＋Ｘ方向で終端となるのが線路導体４ａであり、−Ｘ方向で終端となるのが線路導体４ｂである。
例えば、φｓｔａｒｔとφｅｎｄの差が６πである場合、一線路当り二線式偏心スパイラル素子４を３周巻くことになる。
【００１６】
スパイラル定数ａは、渦巻状に二線式偏心スパイラル素子４を巻いていくときの線路導体４ａと線路導体４ｂの間隔の広がり度合いを示す指標である。スパイラル定数ａが大きいほど、線路導体４ａと線路導体４ｂの間隔が広がる。
偏心定数Ｋは、図１の原点から−Ｘ方向への給電点３（二線式偏心スパイラル素子４の中心）のオフセット量を示し、Ｋ＝０であれば、二線式偏心スパイラル素子４の偏心がなく、二線式偏心スパイラル素子４の中心が原点になる。
Ｋ＝１であれば、給電点３（二線式偏心スパイラル素子４の中心）が、線路導体４ｂの終端の位置になる。
【００１７】
二線式偏心スパイラル素子４は、半径が二線式偏心スパイラル素子４の最外周の半径よりも０．０１λＬ〜０．０５λＬだけ大きく（λＬは波長）、かつ、中心が図１の原点にある誘電体基板２の上にパターン形成されている。
誘電体基板２の下には、誘電体基板２と同じ半径を持ち、中心が図１の原点にある電波吸収体６が密着して配置されており、電波吸収体６は、開口面が平面地板１の開口と一致している金属キャビティー５内に隙間なく埋め込まれている。
図１のアンテナ装置では、平面地板１の開口が円筒形で、誘電体基板２の形状が円筒形であり、また、電波吸収体６及び金属キャビティー５の開口が円筒形である例を示しているが、円筒形に限るものではなく、例えば、直方体の形状でも、後述する効果と同等の効果を得ることができる。
また、平面地板１の外周形状が直方体である例を示しているが、例えば、円筒形でもよく、後述する効果と同等の効果を得ることができる。
【００１８】
次に動作について説明する。
金属キャビティー５の底面から配線されている平行二線が給電点３に接続されている。
このため、外部から二線式偏心スパイラル素子４に給電する際には、この平行二線に高周波電流が印加される。
このとき、線路導体４ａに印加する高周波電流と、線路導体４ｂに印加する高周波電流との位相差を１８０度にすることで、二線式偏心スパイラル素子４が励振する。
【００１９】
二線式偏心スパイラル素子４の場合、動作帯域の低周波数帯では、最外周に近い素子が放射に寄与し、動作帯域の高周波数帯では、給電点３に近い素子が放射に寄与する。
二線式偏心スパイラル素子４は、＋Ｚ軸方向と−Ｚ軸方向に電波を放射するが、−Ｚ軸方向に放射された電波は、電波吸収体６で吸収される。ただし、電波吸収体６で完全に吸収されずに、金属キャビティー５に到達した電波は、金属キャビティー５で反射される。
一方、＋Ｚ軸方向に放射された電波は、平面地板１があるため、−Ｚ軸方向には伝搬されない。
【００２０】
よって、図１のアンテナ装置は、電波を＋Ｚ軸方向だけに放射するアンテナ装置となっている。
また、図１のアンテナ装置は、給電点３が原点からオフセットされている偏心構造であるため、＋Ｚ軸方向への放射が単一ビームとなっている。
平面地板１は、その背面に電流が流れないようにするために、金属キャビティー５の開口端から平面地板１の端までの長さがλＬ／４以上であることが望ましい。
【００２１】
図１のアンテナ装置では、誘電体基板２の下に配置されている電波吸収体６が、二線式偏心スパイラル素子４から−Ｚ軸方向に放射された電波を吸収しているが、電波吸収体６が電波を吸収することで、二線式偏心スパイラル素子４は損失性を有している。
上記の非特許文献１に開示されているアンテナ装置では、スパイラル素子上の電流分布が、中心から外周方向に向かう一直線上で強め合うことで、この直線方向にビームを形成しているが、一直線上で強め合う方向が周波数に依存し、渦巻状のスパイラル素子に沿って電流分布が回転することで、ビームの回転が発生している。このため、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性を得ることができなくなっている。
この実施の形態１では、上述したように、二線式偏心スパイラル素子４が損失性を有しているので、一直線上で強め合う効果が低下して、動作周波数で放射に寄与する一部分のスパイラル素子のみの放射が支配的になっている。
このため、アンテナ平面に対する鉛直方向を軸とする周波数に依存するビームの回転が緩和され、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性が得られる。
【００２２】
ここで、図２は非特許文献１に開示されているアンテナ装置の放射パターンを示す説明図である。
また、図３はこの発明の実施の形態１によるアンテナ装置の放射パターンを示す説明図である。
図２及び図３に示している放射パターンは解析結果の一例であり、放射パターンの値は規格化した主円偏波の利得値である。
非特許文献１に開示されているアンテナ装置では、図２に示すように、周波数に依存してビームがφ方向に回転しているが、この実施の形態１のアンテナ装置では、図３に示すように、周波数に依存するφ方向へのビームの回転が緩和され、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性が得られている。
【００２３】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、開口面が平面地板１の開口と一致している凹形状の金属キャビティー５を設け、電波吸収体６を金属キャビティー５内に埋め込むように構成したので、二線式偏心スパイラル素子４が損失性を有するようになり、その結果、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性を得ることができる効果を奏する。
【００２４】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構造図であり、アンテナ装置をＸＺ面でカットしている断面を表している。図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
空気層７は誘電体基板２と電波吸収体６の間に配置されており、誘電体基板２と同じ半径を有している。
【００２５】
上記実施の形態１と比べて、空気層７を設けている点で相違している。
図４のアンテナ装置では、誘電体基板２と電波吸収体６の間に、０．０１λＬ程度の高さを有する空気層７を設けているが、このような空気層７を設けることで、二線式偏心スパイラル素子４と電波吸収体６との距離が広がるため、上記実施の形態１よりも、二線式偏心スパイラル素子４の損失性が低下する。これにより、アンテナの放射効率と動作利得が向上する。
ただし、空気層７を設けることで、二線式偏心スパイラル素子４と電波吸収体６との距離が広がり過ぎると、上記の非特許文献１に開示されているアンテナ装置のように、アンテナ平面に対する鉛直方向を軸とする周波数に依存するビームの回転が大きくなってしまうため、空気層７の高さは０．０１λＬ以内であることが望ましい。
【００２６】
ここで、図５はこの発明の実施の形態２によるアンテナ装置の放射パターンを示す説明図である。
図５に示している放射パターンは解析結果の一例であり、放射パターンの値は規格化した主円偏波の利得値である。
非特許文献１に開示されているアンテナ装置では、図２に示すように、周波数に依存してビームがφ方向に回転しているが、この実施の形態２のアンテナ装置では、図５に示すように、周波数に依存するφ方向へのビームの回転が緩和され、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性が得られている。
【００２７】
実施の形態３．
図６この発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す構造図である。特に図６（ａ）はアンテナ装置を示す上面図（紙面の手前方向が＋Ｚ軸）であり、図６（ｂ）はアンテナ装置をＸＺ面でカットしている断面図である。図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
電波吸収体８は図１の電波吸収体６と同様の部材であるが、図１の電波吸収体６より体積が小さくなっており（ＸＹ平面に対して１／３に縮小されている）、給電点３を含む二線式偏心スパイラル素子４の始点側の領域に対応する金属キャビティー５内の一部の位置だけに埋め込まれている。
図中、金属キャビティー５内において、電波吸収体８の周囲に空間９ができている。
【００２８】
上記実施の形態１と比べて、電波吸収体８の体積が電波吸収体６の体積より小さくなっている点で相違している。
このため、電波吸収体８は、給電点３を含む二線式偏心スパイラル素子４の始点側の領域（二線式偏心スパイラル素子４の中心付近の領域）に対応する金属キャビティー５内の一部の位置には埋め込まれているが、二線式偏心スパイラル素子４の終端側の領域（二線式偏心スパイラル素子４の外周付近の領域）に対応する金属キャビティー５内の一部の位置には埋め込まれていない。
【００２９】
二線式偏心スパイラル素子４の始点に給電された高周波電流は、二線式偏心スパイラル素子４の外周に向かって線状に沿って流れる。
二線式偏心スパイラル素子４の場合、動作帯域の高周波数帯では、給電点３に近い素子が放射に寄与するが、給電点３に近い素子には、誘電体基板２を挟んで電波吸収体８が近接しているため、上記実施の形態１と同様に、給電点３に近い素子が損失性を有する。
よって、電波吸収体８の体積が小さくなっていても、上記実施の形態１と同様に、一直線上で強め合う効果が低下して、動作周波数で放射に寄与する一部分のスパイラル素子のみの放射が支配的になっている。
このため、上記実施の形態１と同様に、アンテナ平面に対する鉛直方向を軸とする周波数に依存するビームの回転が緩和され、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性が得られる。
また、この実施の形態３では、電波吸収体８の体積が小さくなっているため、電波吸収体８の材料コストを低減することができる。
【００３０】
実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４によるアンテナ装置を示す構造図であり、アンテナ装置をＸＺ面でカットしている断面を表している。図において、図４及び図６と同一符号は同一または相当部分を示している。
【００３１】
上記実施の形態３と比べて、空気層７を設けている点で相違している。
図７のアンテナ装置では、誘電体基板２と電波吸収体６の間に、０．０１λＬ程度の高さを有する空気層７を設けているが、このような空気層７を設けることで、二線式偏心スパイラル素子４と電波吸収体６との距離が広がるため、上記実施の形態３よりも、二線式偏心スパイラル素子４の損失性が低下する。これにより、アンテナの放射効率と動作利得が向上する。
ただし、空気層７を設けることで、二線式偏心スパイラル素子４と電波吸収体６との距離が広がり過ぎると、上記の非特許文献１に開示されているアンテナ装置のように、アンテナ平面に対する鉛直方向を軸とする周波数に依存するビームの回転が大きくなってしまうため、空気層７の高さは０．０１λＬ以内であることが望ましい。
この実施の形態４でも、上記実施の形態３と同様に、広帯域に亘って一定方向にチルトしている指向性を得ることができるとともに、電波吸収体８の材料コストを低減することができる効果が得られる。また、アンテナの放射効率と動作利得が向上する効果が得られる。
【００３２】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１  平面地板、２  誘電体基板、３  給電点、４  二線式偏心スパイラル素子、４ａ，４ｂ  線路導体、５  金属キャビティー、６  電波吸収体、７  空気層、８  電波吸収体、９  空間。
【図１】
2015216493.tif 000003
【図２】
2015216493.tif 000004
【図３】
2015216493.tif 000005
【図４】
2015216493.tif 000006
【図５】
2015216493.tif 000007
【図６】
2015216493.tif 000008
【図７】
2015216493.tif 000009