(57)【要約】【課題】アンテナ利得の向上が図られるプラズマアンテナ用放電管と、そのようなプラズマアンテナ用放電管を適用したプラズマアンテナ装置を提供する。【解決手段】プラズマアンテナ用放電管１は、電離性ガス３ａが封入された誘電体チューブ２と、一対の第１の電極端子４ａ、４ｂと、第２の電極端子７とを備えている。誘電体チューブ２は、一端部と他端部とが間隔を隔てて隣り合うように屈曲している。第１の電極端子４ａは、誘電体チューブ２の一端部に配置され、第１の電極端子４ｂは、誘電体チューブ２の他端部に配置されている。第２の電極端子７は、一対の第１の電極端子４ａ、４ｂと対向するように、誘電体チューブ２の外側に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端部と他端部とを有し、前記一端部と前記他端部とが間隔を隔てて隣り合うように屈曲した誘電体チューブと、
前記誘電体チューブに封入された電離性ガスと、
前記誘電体チューブにおける前記一端部と前記他端部とのそれぞれに配置された第１の電極端子と、
前記第１の電極端子のそれぞれと対向するように前記誘電体チューブの外側に配置され、高周波電力の接地電位に保持された第２の電極端子と
を備えた、プラズマアンテナ用放電管。
【請求項２】
前記第２の電極端子は、前記第１の電極端子が配置された前記誘電体チューブの前記一端部と前記他端部とを一体的に取り囲むように配置された、請求項１記載のプラズマアンテナ用放電管。
【請求項３】
前記第２の電極端子は、前記第１の電極端子が配置された前記誘電体チューブの前記一端部と前記他端部とを個々に取り囲むように配置された、請求項１記載のプラズマアンテナ用放電管。
【請求項４】
前記第２の電極端子は板状に形成された部分を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマアンテナ用放電管。
【請求項５】
前記第２の電極端子は、前記誘電体チューブの表面に沿った形状に形成された部分を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプラズマアンテナ用放電管。
【請求項６】
前記誘電体チューブにおける前記一端部の内側と前記他端部の内側とのそれぞれに、前記第１の電極端子を取り囲むように配置された誘電体筒と、
前記誘電体筒と前記第１の電極端子との間に、前記第１の電極端子と対向するように配置された第３の電極端子と
を備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載のプラズマアンテナ用放電管。
【請求項７】
前記誘電体筒には底が設けられ、
前記底は前記誘電体チューブの内側に配置された、請求項６記載のプラズマアンテナ用放電管。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のプラズマアンテナ用放電管を有するプラズマアンテナ装置であって、
前記誘電体チューブに封入された前記電離性ガスをプラズマ状態にするためのプラズマ励起用電源と、
前記電離性ガスに高周波電力を供給する高周波電源と、
前記プラズマ励起用電源と前記第１の電極端子とを電気的に接続する導電部材と、
前記高周波電源から供給される前記高周波電力を、前記導電部材に結合させるための高周波電力結合部と
を備えた、プラズマアンテナ装置。
【請求項９】
開口部を有し、前記開口部に前記誘電体チューブが挿通され、前記高周波電力の接地電位に保持された地導体を備えた、請求項８記載のプラズマアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマアンテナ用放電管およびプラズマアンテナ装置に関し、特に、高周波電力を給電することによって放電管を導電性のアンテナとして動作させるプラズマアンテナ用放電管と、それを用いたプラズマアンテナ装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、防衛分野において用いられるアンテナでは、特に、アンテナが使用されていない状態においては、低散乱断面積を実現することが望まれている。すなわち、アンテナとして単体のアンテナが使用されていない状態では、その単体のアンテナが全く別のアンテナから放射された電磁波を散乱させないことが求められる。
【０００３】
また、複数の周波数に対応するために互いに近接するように配置された複数のアンテナを切り替えて使用する場合などにおいて、アンテナ間の相互干渉を抑制することが求められる。すなわち、使用されていないアンテナが、使用されているアンテナから放射される電磁波を散乱させないようにすることが求められる。
【０００４】
従来、アンテナが使用されていない状態において、電気的に透明にすることが可能なアンテナとして、プラズマアンテナ装置がある。プラズマアンテナ装置では、たとえば、内部に電離性ガスが封入されて、両端に一対の電極端子が設置された誘電体チューブが使用される。各電極端子に接続された一対の配線を介してプラズマ励起用電源から電極端子にプラズマ生成用の電力を給電することで、電離性ガスがプラズマ状態にされる。プラズマ状態の電離性ガスは導電性を有するため、高周波電力を給電することで誘電体チューブはアンテナとして動作することになる。
【０００５】
このようなプラズマアンテナ装置に適用される放電管（誘電体チューブ）およびプラズマアンテナ装置を開示した特許文献の一例として、特許文献１がある。このプラズマアンテナ装置では、両端に一対の電極端子を有し、両端が近接するように折り曲げられた放電管を備えており、その放電管の両端が接地導体に近接して配置され、一対の配線の少なくとも一方に高周波電源からの高周波電力が給電される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１４８０２５号公報（４頁４８〜５頁５行、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
プラズマアンテナ装置では、散乱断面積を低くすることに加えて、高周波電力を効率的に放電管へ給電して放射すること、すなわち、アンテナ利得を向上させることが求められている。
【０００８】
本発明は、そのような開発の一環でなされたものであり、一つの目的は、アンテナ利得の向上が図られるプラズマアンテナ用放電管を提供することであり、他の目的は、そのようなプラズマアンテナ用放電管を適用したプラズマアンテナ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るプラズマアンテナ用放電管は、誘電体チューブと電離性ガスと第１の電極端子と第２の電極端子とを備えている。誘電体チューブは、一端部と他端部とを有し、一端部と他端部とが間隔を隔てて隣り合うように屈曲している。電離性ガスは、誘電体チューブに封入されている。第１の電極端子は、誘電体チューブにおける一端部と他端部とのそれぞれに配置されている。第２の電極端子は、第１の電極端子のそれぞれと対向するように誘電体チューブの外側に配置され、高周波電力の接地電位に保持されている。
【００１０】
本発明に係るプラズマアンテナ装置は、上述したプラズマアンテナ用放電管を有するプラズマアンテナ装置であって、プラズマ励起用電源と高周波電源と導電部材と高周波電力結合部とを備えている。プラズマ励起用電源は、誘電体チューブに封入された電離性ガスをプラズマ状態にする。高周波電源は、電離性ガスに高周波電力を供給する。導電部材は、プラズマ励起用電源と第１の電極端子とを電気的に接続する。高周波電力結合部は、高周波電源から供給される高周波電力を、導電部材に結合させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るプラズマアンテナ用放電管によれば、第２の電極端子が配置されていることで、アンテナ利得を向上させることができる。
【００１２】
本発明に係るプラズマアンテナ装置によれば、プラズマアンテナ用放電管に第２の電極端子が配置されていることで、アンテナ利得を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１に係るプラズマアンテナ用放電管を示す、一部断面を含む側面図である。
【図２】同実施の形態において、図１に示す断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。
【図３】同実施の形態において、プラズマアンテナ装置が使用されている状態を示す、一部断面を含む側面図である。
【図４】同実施の形態において、図３に示す断面線ＩＶ−ＩＶにおける断面図である。
【図５】比較例に係るプラズマアンテナ用放電管を示す、一部断面を含む部分側面図である。
【図６】比較例に係るプラズマアンテナ装置が使用されている状態を示す、一部断面を含む部分側面図である。
【図７】同実施の形態において、高周波電力がプラズマアンテナ用放電管を伝搬する様子を模式的に示す、一部断面を含む部分側面図である。
【図８】同実施の形態において、プラズマアンテナ用放電管における第２の電極端子のバリエーションの第１例を示す、一部断面を含む部分側面図である。
【図９】同実施の形態において、プラズマアンテナ用放電管における第２の電極端子のバリエーションの第２例を示す、一部断面を含む部分側面図である。
【図１０】同実施の形態において、プラズマアンテナ用放電管における第２の電極端子のバリエーションの第３例を示す、図１に示される断面線ＩＩ−ＩＩに対応する断面線における断面図である。
【図１１】同実施の形態において、プラズマアンテナ用放電管における第２の電極端子のバリエーションの第４例を示す、一部断面を含む側面図である。
【図１２】同実施の形態において、図１１に示す断面線ＸＩＩ−ＸＩＩにおける断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態２に係るプラズマアンテナ用放電管を示す、一部断面を含む側面図である。
【図１４】同実施の形態において、図１３に示す断面線ＸＩＶ−ＸＩＶにおける断面図である。
【図１５】同実施の形態において、プラズマアンテナ装置が使用されている状態を示す、一部断面を含む側面図である。
【図１６】同実施の形態において、図１５に示す断面線ＸＶＩ−ＸＶＩにおける断面図である。
【図１７】比較例に係るプラズマアンテナ用放電管における高周波電力の伝搬を評価するためのシミュレーションを示す図であり、（ａ）はシミュレーションモデルを説明するための図であり、（ｂ）はシミュレーション結果を示す図である。
【図１８】同実施の形態において、プラズマアンテナ用放電管における高周波電力の伝搬を評価するためのシミュレーションを示す図であり、（ａ）はシミュレーションモデルを説明するための図であり、（ｂ）はシミュレーション結果を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態３に係るプラズマアンテナ用放電管を示す、一部断面を含む側面図である。
【図２０】同実施の形態において、図１９に示す断面線ＸＸ−ＸＸにおける断面図である。
【図２１】同実施の形態において、プラズマアンテナ装置が使用されている状態を示す、一部断面を含む側面図である。
【図２２】同実施の形態において、図２１に示す断面線ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩにおける断面図である。
【図２３】同実施の形態において、高周波電力がプラズマアンテナ用放電管を伝搬する様子を模式的に示す、一部断面を含む部分側面図である。
【図２４】同実施の形態において、プラズマアンテナ用放電管の第１変形例を示す、一部断面を含む側面図である。
【図２５】同実施の形態において、プラズマアンテナ用放電管の第２変形例を示す、一部断面を含む側面図である。
【図２６】本発明の実施の形態４に係る、プラズマアンテナ用放電管を適用したプラズマアンテナ装置を示す斜視図である。
【図２７】同実施の形態において、プラズマアンテナ装置が使用されている状態を示す、一部断面を含む部分側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１
ここでは、プラズマアンテナ用放電管の第１例について説明する。
【００１５】
図１および図２に、使用されていない状態のプラズマアンテナ用放電管１を示し、図３および図４に、使用されている状態のプラズマアンテナ用放電管１を示す。ここで、まず、プラズマアンテナ用放電管１の内部に示された破線をプラズマアンテナ用放電管１または誘電体チューブ２の軸とし、この方向に沿った方向をプラズマアンテナ用放電管１または誘電体チューブ２の軸の方向とする。また、この軸にそれぞれ垂直な紙面内（図２、図４）の方向および紙面（図１、図３）に垂直な方向を、プラズマアンテナ用放電管１または誘電体チューブ２の軸に垂直な方向とする。
【００１６】
図１および図２に示すように、プラズマアンテナ用放電管１は、電離性ガス３ａが封入された誘電体チューブ２と、一対の第１の電極端子４ａ、４ｂと、第２の電極端子７とを備えている。誘電体チューブ２は、一端部と他端部とが間隔を隔てて隣り合うように屈曲している。一対の第１の電極端子４ａ、４ｂのうち、第１の電極端子４ａは、誘電体チューブ２の一端部に配置され、第１の電極端子４ｂは、誘電体チューブ２の他端部に配置されている。第２の電極端子７は、一対の第１の電極端子４ａ、４ｂと対向するように、誘電体チューブ２の外側に配置されている。
【００１７】
各部の構成について詳しく説明する。プラズマアンテナ用放電管１では、電気絶縁性材料で構成された誘電体チューブ２によって放電空間が形成される。誘電体チューブ２の一端部と他端部とは近接するように折り曲げられており、その内部には電離性ガス３ａが封入されている。誘電体チューブ２の部材（材料）として、たとえば、石英、硼珪酸ガラスやアルミナなどのセラミックス、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂などのプラスチック、ガラス繊維強化プラスチックなどの複合材料、または、それらを組合せた材料など、電気絶縁性を有する材料が用いられる。
【００１８】
アンテナが使用されていない状態において、低散乱断面積（低反射断面積）を実現するためには、比誘電率の値が真空の比誘電率の値（＝１）に近い、ガラス繊維強化プラスチックを使用することが好ましい。また、プラズマ状態の電離性ガスから放出される紫外線によって誘電体チューブ２の劣化を抑制するために、誘電体チューブ２の内壁に保護膜（図示せず）を塗布してもよい。
【００１９】
電離性ガス３として、希ガスを主成分とする不活性ガスが封入されている。希ガスとしては、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）およびクリプトン（Ｋｒ）のうち、少なくとも１種類の希ガスが含まれていればよい。また、放電効率を向上するため、希ガスとともに水銀（Ｈｇ）を封入してもよい。電離性ガス３の圧力は、安定的なグロー状の放電を維持できる圧力範囲であればよく、電離性ガス３の圧力は１０Ｐａ〜１５ｋＰａに設定することができる。プラズマアンテナ装置として使用するためには、図３および図４に示されるプラズマ状態の電離性ガス３ｂ中における高周波電力の損失を抑制するため、１０Ｐａ〜１ｋＰａの範囲であることが好ましい。
【００２０】
誘電体チューブ２の一端部と他端部とには、一対の第１の電極端子４ａ、４ｂが設置されている。第１の電極端子４ａ、４ｂは、放電電極５ａ、５ｂとリード線６ａ、６ｂとから構成される。放電電極５ａ、５ｂは、誘電体チューブ２の内部に設置されている。リード線６ａ、６ｂは、一端が放電電極５ａ、５ｂの底部と接続され、他端は誘電体チューブ２の外部に導出されている。
【００２１】
放電電極５ａ、５ｂの部材（材料）として、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などの材料などが用いられる。放電電極５ａ、５ｂの形状として、板材の曲げ加工、射出成形、部材の溶接やカシメなどの公知の方法によって作製した、円柱、円筒、有底開口（カップ）、渦巻き、コイルなどの形状を用いることができる。
【００２２】
照明用の放電管と同様に、放電管の効率および寿命を高めるためには、放電電極全体の表面積が大きくなる構造が好ましい。また、放電電極５ａ、５ｂの表面に電子放出性物質（図示せず）を塗布することで、放電効率を向上させることができる。
【００２３】
また、たとえば、円筒、有底開口（カップ）の形状を有する放電電極の場合では、円筒の内側の空間として１〜５ｍｍ程度の空間に設定したり、また、うず巻きやコイルからなる放電電極の場合では、隣り合う巻き線の間隔を１〜５ｍｍ程度に設定することで、ホローカソード効果を利用することができ、効率的に電子を生成させることができる。
【００２４】
リード線６ａ、６ｂは、誘電体チューブ２の外部において、所定の配線（図示せず）に電気的に接続される。リード線６ａ、６ｂの部材（材料）として、誘電体チューブ２端部の気密性を確保するために、誘電体チューブ２を構成する材料の熱膨張係数の値に近い熱膨張係数を有する導電性の材料により構成されることが望ましい。たとえば、誘電体チューブ２が硬質ガラスからなる場合には、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）などを用いることができる。また、誘電体チューブ２がガラス繊維強化プラスチックなどの複合材料からなる場合は、リード線６ａ、６ｂの熱膨張係数の値に近い熱膨張係数を有する複合材料を選ぶことができる。
【００２５】
第２の電極端子７は平板状に形成されている。第２の電極端子７は、放電電極５ａ、５ｂおよびリード線６ａ、６ｂと対向する範囲において、誘電体チューブ２および第１の電極端子４と略平行になるように、誘電体チューブ２の外部に設置されている。第２の電極端子７は、所定の配線（図示せず）によって高周波電力の接地電位に保持される。第２の電極端子７の部材（材料）として、導電性があればよく、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの材料を適用することができる。第１例に係るプラズマアンテナ用放電管１は、上記のように構成される。
【００２６】
次に、上述したプラズマアンテナ用放電管１が使用されている状態（プラズマアンテナとして動作している状態）について説明する。プラズマ励起用電源（図示せず）をオンすることで、所定の電力が一対の第１の電極端子４ａ、４ｂへ給電される。これにより、図３および図４に示すように、誘電体チューブ２に封入されている電離性ガス３ａがプラズマ化されて、プラズマ状態の電離性ガス３ｂが生成される。プラズマ状態の電離性ガス３ｂは、高周波に対して導電体として作用することになる。
【００２７】
上述したプラズマアンテナ用放電管１では、第２の電極端子７が設置されていることで、アンテナ利得を向上させることができる。このことについて、比較例に係るプラズマアンテナ用放電管との関係で説明する。
【００２８】
まず、比較例に係るプラズマアンテナ用放電管を図５に示す。ここでは、誘電体チューブ２の対称性により、誘電体チューブ２の一方の端部とその近傍を示す。図５に示すように、比較例に係るプラズマアンテナ用放電管では、第２の電極端子が配置されていないことを除いて、第１例に係るプラズマアンテナ用放電管（図１）と同様に、誘電体チューブ２を備え、誘電体チューブ２には電離性ガス３ａが封入されており、誘電体チューブ２の端部には第１の電極端子４が配置されている。
【００２９】
第１の電極端子４では、配線８として同軸ケーブルが用いられている。同軸ケーブルでは、中心導体１１を取り囲むように絶縁体１０が設けられ、その絶縁体１０を覆うように外部導体９が装着されている。
【００３０】
プラズマ励起用電源（図示せず）をオンすることで、所定の電力が第１の電極端子４へ給電されて、誘電体チューブ２内にプラズマ状態の電離性ガス３ｂが生成される。その様子を図６に示す。図６では、プラズマ化した電離性ガス３ｂとともに、第１の電極端子４と配線８との接続部を挟んで、高周波電力が伝搬する様子が模式的に示されている。
【００３１】
比較例に係るプラズマアンテナ用放電管では、第２の電極端子が設置されていない。この場合、誘電体チューブ２の内部では、誘電体チューブ２の軸に沿った電界１２ａ（横磁気モード）による高周波電力の伝搬が行われる。他方、配線８の内部では、中心導体１１の軸に垂直な電界１２ｂ（横電磁気モード）による高周波電力の伝搬が行われる。
【００３２】
このため、第１の電極端子４と配線８との接続部では、電界１２ａと電界１２ｂの向きが９０度異なることになり、電界１２ａと電界１２ｂとが結合することができず、第１の電極端子４と配線８との間で高周波電力の反射が生じてしまうという課題がある。つまり、第１の電極端子４が高周波電力の給電線路として動作する位置にある場合に、アンテナ利得が低下してしまうという課題がある。
【００３３】
比較例に対して、第１例に係るプラズマアンテナ用放電管１では、誘電体チューブ２の外部において、第１の電極端子４と対向するように、接地電位に保持された第２の電極端子７が配置されている。第２の電極端子７が配置されていることで、図７に示すように、プラズマアンテナ用放電管１が使用されている状態では、誘電体チューブ２の内部において、プラズマ状態の電離性ガス４ｂと第２の電極端子７の間で、誘電体チューブ２の軸に垂直な電界１２が維持されることになる。
【００３４】
これにより、誘電体チューブ２内部においても、電界１２（横電磁気モード）による高周波電力の伝搬が行われる。このため、第１の電極端子４と配線８との間で、高周波電力の伝搬モードが同じ伝搬モードとなり、第１の電極端子４と配線８との接続部で電界１２を効率的に結合させることができる。その結果、第１の電極端子４と配線８との接続部において、高周波電力が反射するのを抑制することができ、アンテナ利得を向上させることができる。
【００３５】
高周波電力の周波数帯域としては、電力の伝搬の仕方が電波的に振る舞う周波数帯域を使用することができ、具体的には、ＡＭ放送などで使用される中波（３００−３０００ｋＨｚ）以上の周波数の高周波電力に対して、上述した作用を得ることができる。ただし、それ以下の周波数帯域についても、第２の電極端子を備えたプラズマアンテナ用放電管１を適用することで、上述した作用を限定的に得ることができる。
【００３６】
誘電体チューブ２の寸法は、高周波電力の周波数から決定される。誘電体チューブ２の軸の方向の長さは、たとえば、誘電体チューブ２をモノポールアンテナとして使用する場合、誘電体チューブ２の軸の方向の長さを、高周波電力の波長の２分の１の奇数倍となるように設定することで、アンテナ利得を向上することができる。
【００３７】
第２の電極端子７は、高周波電力に対して十分に導電性があればよく、たとえば、第２の電極端子７が銅（Ｃｕ）から形成されている場合では、第２の電極端子７の厚みが表皮深さ（高周波電力の周波数が１ＭＨｚの場合に、およそ１００μｍ程度）に相当する厚さよりも厚くなるように設定すればよい。
【００３８】
第２の電極端子７と第１の電極端子４との間隔（間隔Ａ）は、第２の電極端子７と第１の電極端子４とが電気的に結合するために、高周波電力の波長よりも短く設定される。また、第２の電極端子７とプラズマ状態の電離性ガス３ｂとの間隔（間隔Ｂ）は、第２の電極端子７とプラズマ状態の電離性ガス３ｂとが電気的に結合するために、高周波電力の波長よりも短く設定される。間隔Ａおよび間隔Ｂが、プラズマ状態の電離性ガス３ｂの半径の３倍以下であると、第２の電極端子７とプラズマ状態と電離性ガス３ｂとの間の電気的な結合を強くすることができるので、特に好ましい。
【００３９】
また、図８または図９に示すように、間隔Ａおよび間隔Ｂを、誘電体チューブ２の軸方向において変化させてもよい。特に、配線８の接地電極と第２の電極端子７を接続する場合において、配線８の接地電極（外部導体）における誘電体チューブ２側の端部の軸からの距離と、第２の電極端子７における配線８側の端部の軸からの距離とを合わせることで、配線８の接地電極と第２の電極端子７の接続を段差なく行うことができ、接続部における高周波電力の損失を抑制することができる。
【００４０】
第２の電極端子７は、高周波電力の伝搬モードを一様に保つため、誘電体チューブ２の軸の方向において、放電電極５およびリード線６の全体と少なくとも対向していることが望ましい。第２の電極端子７が、放電電極５またはリード線６に対して部分的に対向していた場合でも上述した作用は得られるが、第２の電極端子７が位置していない範囲では、高周波電力の伝搬モードが乱れるため、上述した作用は限定的になる。また。第２の電極端子７は、第１の電極端子４の他、誘電体チューブ２のプラズマアンテナの放射体として使用しない部分まで伸長させることができる。第２の電極端子７を伸長することで、プラズマアンテナの放射体までの間の高周波電力の損失を抑制することができる。
【００４１】
なお、図１等において説明したプラズマアンテナ用放電管１では、第２の電極端子として、連続した一枚の平板状の第２の電極端子７を例に挙げて説明した。第２の電極端子としては、第２の電極端子面内が、高周波電力の接地電位に保持されていれば、複数に分割された第２の電極端子であってもよく、また、第２の電極端子面内に開口が形成された第２の電極端子であってもよい。ただし、高周波電力に対して、隙間はコンデンサとして作用するため、第２の電極端子７は開口部のない連続的につながっている構造であることが好ましい。
【００４２】
さらに、第２の電極端子としては、図１０に示すように、誘電体チューブ２の形状（放電空間の形状）に沿った曲面形状を有する第２の電極端子７であってもよい。第２の電極端子７の形状を放電空間に沿った形状とすることにより、プラズマ状態の電離性ガス３ｂと第２の電極端子７との間に形成される電界１２を誘電体チューブ２の断面内に集中させることができ、高周波電力が反射するのをより効果的に抑制することができ、アンテナ利得をさらに向上させることができる。
【００４３】
また、第２の電極端子としては、図１１および図１２に示すように、第１の電極端子４が配置されている誘電体チューブ２の２つの端部を取り囲むように配置された第２の電極端子７であってもよい。すなわち、第１の電極端子４と対向する領域をすべて覆う第２の電極端子７であってもよい。
【００４４】
このような第２の電極端子７によって、誘電体チューブ２の内部を伝搬する高周波電力のすべての電界成分を漏れなく第２の電極端子７と結合させることができ、高周波電力の反射を確実に抑制することができる。また、第１の電極端子４は第２の電極端子７によって周囲から電気的に遮蔽されているため、周囲からのノイズがプラズマアンテナの動作に与える影響を低減する効果がある。
【００４５】
なお、それぞれ説明したプラズマアンテナ用放電管では、誘電体チューブ２および第２の電極端子７の周囲の構造について図示されていないが、誘電体チューブ２および第２の電極端子７の周囲は電気絶縁性材料で包囲されていればよい。
【００４６】
電気絶縁性材料としては、０．１ｍＰａ以下の高真空または１気圧以上の希ガス、空気やＳＦ６などの不活性ガス、石英、硼珪酸ガラスやアルミナなどのセラミックス、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂などのプラスチック、ガラス繊維強化プラスチックなどの複合材料、または、それらを組合せた材料が用いられる。
【００４７】
プラズマアンテナが使用されていない状態において、低反射断面積を実現するためには、比誘電率の値が真空の比誘電率の値（＝１）に近い不活性ガスやガラス繊維強化プラスチックを使用することが好ましい。また、プラスチックや複合材料を使用することで、外部からの衝撃に対する耐性を向上させることができる。
【００４８】
実施の形態２
ここでは、プラズマアンテナ用放電管の第２例について説明する。
【００４９】
図１３および図１４に示すように、プラズマアンテナ用放電管１では、一対の第２の電極端子７ａ、７ｂが配置されている。第２の電極端子７ａは、第１の電極端子４ａと対向するように、誘電体チューブ２における一端部の外側に配置されている。また、第２の電極端子７ａは、誘電体チューブ２および第１の電極端子４ａに対して同軸になるように配置されている。
【００５０】
第２の電極端子７ｂは、第１の電極端子４ｂと対向するように、誘電体チューブ２における他端部の外側に配置されている。また、第２の電極端子７ｂは、誘電体チューブ２および第１の電極端子４ｂに対して同軸になるように配置されている。一対の第２の電極端子７ａ、７ｂは、高周波電力の接地電位に保持されている。
【００５１】
なお、これ以外の構成については、図１および図２に示すプラズマアンテナ用放電管１の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
【００５２】
次に、上述したプラズマアンテナ用放電管１が使用されている状態について説明する。プラズマ励起用電源（図示せず）をオンすることで、所定の電力が一対の第１の電極端子４ａ、４ｂへ給電される。これにより、図１５および図１６に示すように、誘電体チューブ２に封入されている電離性ガス３ａがプラズマ化されて、プラズマ状態の電離性ガス３ｂが生成される。プラズマ状態の電離性ガス３ｂは、高周波に対して導電体として作用する。
【００５３】
上述したプラズマアンテナ用放電管１では、第２の電極端子７ａによって第１の電極端子４ａが電気的に遮蔽され、第２の電極端子７ｂによって第１の電極端子４ｂが電気的に遮蔽されることによって、第１の電極端子４ａと第１の電極端子４ｂとが互いに電気的に遮蔽されることになる。
【００５４】
これにより、第１の電極端子４ａと第１の電極端子４ｂとの間の干渉の影響を受けることなく、誘電体チューブ２内部を伝搬する高周波電力の伝搬モードは、配線８の内部を伝搬する高周波電力の伝搬モードと同じ伝搬モードが維持されることになる。その結果、第１の電極端子４と配線８との接続部における高周波電力の反射を、効果的に抑制することができる。
【００５５】
発明者らは、上述したプラズマアンテナ用放電管について、高周波電力が伝搬する様子を有限差分時間領域法に基づくシミュレーションによって評価を行った。
【００５６】
まず、第２の電極端子を有していない比較例に係るプラズマアンテナ用放電管のシミュレーションモデルを図１７（ａ）に示し、その評価結果を図１７（ｂ）に示す。上述したプラズマアンテナ用放電管１のシミュレーションモデルを図１８（ａ）に示し、その評価結果を図１８（ｂ）に示す。
【００５７】
図１７（ａ）および図１８（ａ）に示すように、シミュレーションモデルとして、縦軸を誘電体チューブの軸方向とし、横軸を、誘電体チューブの軸に直交する方向（径方向）として、第１の電極端子４と配線８（同軸ケーブル）との接続部とその近傍の領域（断面）を解析対象とした。なお、解析結果を見やすくするために、縦軸方向の寸法に対して横軸方向の寸法を拡大させている。
【００５８】
第１の電極端子４に電気的に接続された配線８としての同軸ケーブルの中心導体１１に給電される高周波電力の周波数を５００ＭＨｚとした。プラズマのパラメータとして、電子密度を１×１０12ｃｍ-3、衝突周波数を１ＧＨｚとした。プラズマアンテナ用放電管１および配線８の周囲は空気１４とした。なお、シミュレーションでは計算を簡単にするため、誘電体チューブ２、プラズマ状態の電離性ガス３ｂの形状を直方体として扱ったが、これらの仮定がシミュレーションの結果に大きな影響を与えるものではない。
【００５９】
シミュレーション結果について説明する。図１７（ｂ）に示すように、第２の電極端子が設置されていない比較例に係るプラズマアンテナ用放電管では、第１の電極端子４と配線８との接続部において電界を結合させることができず、第１の電極端子４と配線８の間で高周波電力の反射が生じ、丸印ＣＣに示すように、誘電体チューブ２の径方向（紙面左右方向）の電界Ｅｒの強度が弱められていることがわかる。
【００６０】
なお、図１７（ｂ）では、空気１４の領域に電界が存在していることが認められるが、これは、第１の電極端子４において反射された高周波電力が誘電体チューブ２を通過して空気１４の領域に伝搬したためである。
【００６１】
一方、図１８（ｂ）に示すように、上述したプラズマアンテナ用放電管では、第２の電極端子７を設置することによって、第１の電極端子４と配線８との接続部において電界を結合させることができ、第１の電極端子４と配線８との間で高周波電力の反射が抑制されて、丸印ＣＥに示すように、径方向の電界Ｅｒの強度は弱められていないことがわかる。すなわち、上述したプラズマアンテナ用放電管では、配線に給電された高周波電力を効率よくプラズマアンテナ用放電管へ伝搬させることができることがわかる。
【００６２】
なお、上述したプラズマアンテナ用放電管では、第１の電極端子４は第２の電極端子７によって周囲から電気的に遮蔽されているため、周囲からのノイズの影響を低減する効果がある。これは、図１８（ｂ）に示されているように、同軸ケーブル（配線８）および誘電体チューブ２の内部を伝搬する高周波電力が、同軸ケーブル（配線８）および第２の電極端子７の外部に漏洩していないことと一致する。
【００６３】
実施の形態３
ここでは、プラズマアンテナ用放電管の第３例について説明する。
【００６４】
図１９および図２０に示すように、プラズマアンテナ用放電管１では、誘電体チューブ２の内部に、誘電体筒１５ａ、１５ｂおよび第３の電極端子１６ａ、１６ｂが配置されている。誘電体筒１５ａは、第１の電極端子４ａを取り囲み、第１の電極端子４ａに対して同軸になるように、誘電体チューブ２における一端部の内部に配置されている。第３の電極端子１６ａは、第１の電極端子４ａと対向するように誘電体筒１５ａと第１の電極端子４ａとの間に配置されている。
【００６５】
誘電体筒１５ｂは、第１の電極端子４ｂを取り囲み、第１の電極端子４ｂに対して同軸になるように、誘電体チューブ２における他端部の内部に配置されている。第３の電極端子１６ｂは、第１の電極端子４ｂと対向するように誘電体筒１５ｂと第１の電極端子４ｂとの間に配置されている。
【００６６】
なお、これ以外の構成については、図１および図２に示すプラズマアンテナ用放電管１の構成と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
【００６７】
誘電体筒１５ａ、１５ｂと第３の電極端子１６ａ、１６ｂについて、具体的に説明する。誘電体筒１５ａ、１５ｂの部材（材料）として、誘電体チューブ２の材料と同じ材料を用いることができ、たとえば、石英、硼珪酸ガラスやアルミナなどのセラミックス、アクリル樹脂やポリカーボネート樹脂などのプラスチック、ガラス繊維強化プラスチックなどの複合材料、または、それらを組合せた材料など、電気絶縁性を有する材料が用いられる。誘電体筒１５ａ、１５ｂの材料として、誘電体チューブ２の材料と同じ材料を用いることで、誘電体チューブを接合や一体成型などの公知の方法によって容易に作製することができる。
【００６８】
なお、誘電体筒１５ａ、１５ｂの部材（材料）と誘電体チューブ２の部材（材料）とは異なっていてもよい。誘電体筒１５ａ、１５ｂは放電電極５ａ、５ｂに近接して配置されるため、放電を行っている間に、誘電体筒１５ａ、１５ｂは放電電極５ａ、５ｂによって加熱されることになる。そのため、誘電体筒１５ａ、１５ｂは、石英、硼珪酸ガラスなどの耐熱性を有する材料で構成されることが好ましい。誘電体筒１５ａ、１５ｂの材料として耐熱性を有する材料を適用することで、誘電体チューブ２に伝達される熱を低減させることができ、誘電体チューブ２の部材として、耐熱性を有していない材料を適用することができる。
【００６９】
第３の電極端子１６ａ、１６ｂの部材（材料）としては、放電電極５ａ、５ｂの材料と同じ材料を用いることができ、たとえば、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）などの材料を用いることができる。第３の電極端子１６ａ、１６ｂは、板材の曲げ加工、射出成形、部材の溶接やカシメなど公知の方法によって、円筒電極として作製することができる。また、蒸着、スパッタリング、メッキなどの方法によって、誘電体筒１５ａ、１５ｂにおける第１の電極端子４ａ、４ｂと対向する表面（領域）に、第３の電極端子１６ａ、１６ｂを直接形成するようにしてもよい。
【００７０】
第３の電極端子１６ａ、１６ｂの表面に機械加工などで生じる継ぎ目が存在すると、高周波電力の伝搬モードが乱れてしまうことがある。このため、第３の電極端子１６ａ、１６ｂとしては、蒸着、スパッタリング、メッキなどの方法によって誘電体筒１５ａ、１５ｂ上に直接形成されたものを使用することが好ましい。
【００７１】
第３の電極端子１６ａ、１６ｂは、放電電極５ａ、５ｂに対向するように配置されるため、放電を行っている間に、第３の電極端子１６ａ、１６ｂの表面または放電電極５ａ、５ｂの表面からスパッタされた部材または蒸発した部材が、放電電極５ａ、５ｂの表面または第３の電極端子１６ａ、１６ｂの表面に相互に付着することがある。第３の電極端子１６ａ、１６ｂの部材（材料）として、放電電極５ａ、５ｂの材料と同じ材料を用いることで、放電を長時間行っても、第３の電極端子１６ａ、１６ｂまたは放電電極５ａ、５ｂの表面組成を一定に保持することができる。
【００７２】
次に、上述したプラズマアンテナ用放電管１が使用されている状態について説明する。プラズマ励起用電源（図示せず）をオンすることで、所定の電力が一対の第１の電極端子４ａ、４ｂへ給電される。これにより、図２１および図２２に示すように、誘電体チューブ２に封入されている電離性ガス３ａがプラズマ化されて、プラズマ状態の電離性ガス３ｂが生成される。プラズマ状態の電離性ガス３ｂは、高周波に対して導電体として作用する。
【００７３】
次に、誘電体筒１５ａ、１５ｂおよび第３の電極端子１６ａ、１６ｂの作用について説明する。図２３は、上述したプラズマアンテナ用放電管１における第１の電極端子４と配線８との接続部を挟んで配線８から誘電体チューブ２へ高周波電力が伝搬される様子を模式的に示す図である。なお、図２３では、誘電体チューブ２の対称性により、誘電体チューブ２の一方の端部とその近傍が示されている。また、配線８として同軸ケーブルが示されている。
【００７４】
上述したプラズマアンテナ用放電管１では、プラズマ状態の電離性ガス３ｂが導電性を有するため、第３の電極端子１６と第１の電極端子４はおよそ同電位に保たれる。一方、誘電体筒１５と誘電体チューブ２の内壁との間には、プラズマを維持するために必要となる電子供給源（金属や金属酸化物）が存在しないため、電離性ガス３をプラズマ化することができず、この空間には、非プラズマ状態の電離性ガス３ａのみが存在することになる。このため、第１の電極端子４の周囲に存在するプラズマ状態の電離性ガス３ｂの特性によらず、第２の電極端子７と第３の電極端子１６との間に安定して電界１２を形成することができる。これにより、第１の電極端子４と配線８との接続部における高周波電力の反射を安定的に抑制することができる。
【００７５】
第３の電極端子１６と第１の電極端子４は、アンテナが使用されていない状態で、誘電体チューブ２内へ高周波電力が入力するのを抑制させるために、導電膜などの物理的手段によって電気的に接続されていないことが好ましい。ただし、第３の電極端子１６と第１の電極端子４が物理的手段によって電気的に接続されていても、上述した効果は失われない。
【００７６】
第３の電極端子１６と第１の電極端子４との間隔は、第３の電極端子１６と第１の電極端子４とがプラズマ状態の電離性ガス３ｂを介して電気的に同電位に保たれるために短く設定される。第３の電極端子１６と第１の電極端子４との間隔が、特に、１〜５ｍｍ程度であれば、ホローカソード効果によって放電効率を向上することができるので好ましい。一方、第３の電極端子１６と第１の電極端子４が、外部からの振動や衝撃によって直接接触することを避けるためには、第３の電極端子１６と第１の電極端子４との間隔は、少なくとも１ｍｍ以上に設定されることが好ましい。
【００７７】
第３の電極端子１６は、誘電体チューブ２の軸の方向において、放電電極５ａ、５ｂの全体と少なくとも対向していることが望ましい。第３の電極端子１６は、放電電極５ａ、５ｂに対して部分的に対向していた場合についても上述した作用は得られるが、第３の電極端子１６が存在しない範囲において高周波電力の伝搬モードが乱れるため、その作用は限定的になる。
【００７８】
また、第３の電極端子１６が放電電極５の誘電体チューブ２の両端部よりも誘電体チューブ２の軸の方向に伸長して設けることによって、放電電極５の表面からスパッタされた部材または蒸発した部材が、誘電体チューブ２の内壁に付着するのを抑制することができ、誘電体チューブ２の高周波特性が変化することを防ぐことができる。
【００７９】
誘電体筒１６とは別に、誘電体筒１５と誘電体チューブ２との間に、電気絶縁性材料からなる誘電体筒をさらに配置させてもよい。この空間に別の誘電体筒を配置することで、プラズマ状態の電離性ガス３ｂが誘電体筒１５と誘電体チューブ２との間の空間に拡散して、その空間の電界１２が乱されるのを防止することができる。
【００８０】
また、上述したプラズマアンテナ用放電管の誘電体筒１５として、有底開口（カップ状）の形状とし、その底の部分が誘電体チューブ２の外側に露出した場合（図１９参照）を例に挙げたが、図２４に示すように、底の部分を含め誘電体筒１５の全体が誘電体チューブ２の内側に配置されるようにしても、上述した効果を得ることができる。また、この配置構造では、放電によるリード線６への加熱を抑制することができ、リード線の熱膨張によって誘電体チューブ２の端部が破壊されるのを抑制することができる。
【００８１】
次に、変形例として、複数の誘電体筒と複数の第３の電極端子を備えたプラズマアンテナ用放電管について説明する。図２５に示すように、プラズマアンテナ用放電管１の誘電体チューブ２の内部には、誘電体筒１５ａ、１５ｂに加えて誘電体筒１５ｃ、１５ｄが配置され、第３の電極端子１６ａ、１６ｂに加えて第３の電極端子１６ｃ、１６ｄが配置されている。
【００８２】
誘電体筒１５ｃは、誘電体筒１５ａと誘電体チューブ２との間に配置され、誘電体筒１５ｄは、誘電体筒１５ｂと誘電体チューブ２との間に配置されている。第３の電極端子１６ｃは、誘電体筒１５ｃと誘電体筒１５ａとの間に配置され、第３の電極端子１６ｄは、誘電体筒１５ｄと誘電体筒１５ｂとの間に配置されている。
【００８３】
変形例に係るプラズマアンテナ用放電管１では、第１の電極端子４ａからスパッタされた電極材料または蒸発した電極材料によって、第３の電極端子１６ａ、１６ｂの形状および高周波特性が変化したとしても、第２の電極端子７ａ、７ｂと第３の電極端子１６ｃ、１６ｄとの間に安定して電界１２を形成することができ、第１の電極端子４と配線８との接続部において、高周波電力が反射するのを安定的に抑制することができる。
【００８４】
実施の形態４
ここでは、プラズマアンテナ用放電管を適用したプラズマアンテナ装置の一例について説明する。
【００８５】
図２６および図２７に示すように、プラズマアンテナ装置５０は、プラズマアンテナ用放電管１、地導体１７、高周波電源１８、プラズマ励起用電源１９、高周波フィルタ２０、高周波電力結合部２１を備えている。
【００８６】
プラズマアンテナ用放電管１として、たとえば、図１９に示されるプラズマアンテナ用放電管１が適用される。プラズマアンテナ用放電管１は、地導体１７に設けられた開口部に挿通されて、地導体１７の一方から、誘電体チューブ２が突出するように地導体１７に配置されている。第２の電極端子７は、地導体１７に設けられた開口部の縁に接触している。
【００８７】
第１の電極端子４ａ、４ｂは、一対の配線２２を介して、高周波フィルタ２０に電気的に接続されている。高周波電源１８は、高周波電力結合部２１を介して配線２２に接続されている。高周波電源１８の接地電位が地導体１７の電位と同電位になるように、高周波電源１８は地導体１７に電気的に接続されている。プラズマ励起用電源１９は、一対の配線２３を介して高周波フィルタ２０に電気的に接続されている。
【００８８】
また、一対の配線２２の配線間には、複数のキャパシタンス（図示せず）が高周波の波長λに比べてそれぞれ短い間隔をもって配置されている。なお、すべてのキャパシタンスの静電容量は、高周波においてほぼ短絡状態を示し、かつ、プラズマ励起用電源１９の周波数においてほぼ開放状態を示すように設定されている。
【００８９】
次に、上述したプラズマアンテナ装置５０の動作原理について説明する。まず、プラズマ励起用電源１９をＯＮすると、電離性ガス３をプラズマ状態に励起するための直流または低周波電力が、高周波フィルタ２０を介して第１の電極端子４に給電される。このとき、図２７に示すように、誘電体チューブ２内の電離性ガス３がプラズマ化し、プラズマ状態の電離性ガス３ｂが生成する。プラズマ状態の電離性ガス３ｂが生成されることで、プラズマアンテナ用放電管１が高周波において導体として作用する。
【００９０】
なお、低周波電力の周波数帯域としては、高周波電力の周波数よりも低い周波数帯域を使用することができる。特に、１００ｋＨｚ以下の周波数であれば、低周波電力の電波としての性質がなくなり、低周波電力が高周波電力とともにプラズマアンテナ装置から放射されるのを抑制することができるので好ましい。
【００９１】
高周波電源１８がＯＮの状態では、送受信用の高周波電力が高周波電力結合部２１および配線２２を介して、第１の電極端子４ａ、４ｂに給電される。このとき、一対の配線２２は、配線間に設置されたキャパシタンス（図示せず）によって接続されているため、高周波に対して一本の線として動作する。また、配線２２を伝搬する高周波電力は、高周波フィルタ２０によって遮断されるため、配線２３およびプラズマ励起用電源１９には高周波電力は給電されない。
【００９２】
第１の電極端子４ａ、４ｂに給電された高周波電力は、実施の形態１〜３において説明したように、反射されることなく、プラズマ状態の電離性ガス３ｂに伝搬するため、プラズマアンテナ用放電管は高周波において一本の導体と等価になり、地導体１７上のモノポールアンテナとして動作することになる。
【００９３】
一方、プラズマ励起用電源１９がＯＦＦの状態では、誘電体チューブ２および電離性ガス３ａは高周波に対して誘電体として作用する。また、第１の電極端子４ａ、４ｂ、第２の電極端子７ａ、７ｂ、第３の電極端子１６ａ、１６ｂが、地導体１７の裏側に隠れているため、地導体１７の表側は、ほぼ自由空間として作用する。
【００９４】
これにより、プラズマアンテナ装置が使用されていない状態では、散乱断面積を低くすることができる。また、プラズマアンテナ装置を使用している状態では、第１の電極端子４ａ、４ｂと配線２２との接続部において高周波電力が反射するのを抑制することができ、その結果、高いアンテナ利得を有するプラズマアンテナ装置を得ることができる。
【００９５】
なお、上述したプラズマアンテナ装置５０は、地導体１７を有するモノポールアンテナであるが、地導体１７を備えていなくてもプラズマアンテナ装置として動作させることができる。
【００９６】
また、各実施の形態において説明したプラズマアンテナ用放電管１の誘電体チューブ２は、一端部と他端部とが間隔を隔てて隣り合うように屈曲されていればよく、誘電体チューブ２の形状としては、ループ構造、ヘリカル構造、折り返しダイポール構造など、プラズマアンテナ装置としての動作に適した任意の構造とすることができる。
【００９７】
誘電体チューブの一端部と他端部との間隔は、プラズマアンテナ装置の動作原理と高周波電力の周波数から決定される。一対の第１の電極端子４ａ、４ｂのそれぞれに同じ出力の高周波電力を給電する場合には、その間隔は、高周波電力の波長よりも短くなるように設定する必要があり、好ましくは、波長の１０分の１よりも短い間隔に設定すればよい。
【００９８】
一方、一対の第１の電極端子４ａ、４ｂにそれぞれ異なる出力の高周波電力を給電する場合や、一対の第１の電極端子４ａ、４ｂのうち、一方の第１の電極端子だけに高周波電力を給電する場合には、間隔は、プラズマアンテナ装置の動作原理から決まる間隔に設定する必要があり、たとえば、ループアンテナ装置の場合では、その間隔を、高周波電力の波長の２分の１程度に設定すればよい。
【００９９】
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明は、プラズマアンテナ装置に有効に利用される。
【符号の説明】
【０１０１】
１  プラズマアンテナ用放電管、２  誘電体チューブ、３ａ  電離性ガス、３ｂ  プラズマ状態の電離性ガス、４、４ａ、４ｂ  第１の電極端子、５、５ａ、５ｂ  放電電極、６、６ａ、６ｂ  リード線、７  第２の電極端子、８  配線、９  外部導体、１０  絶縁体、１１  中心導体、１２、１２ａ、１２ｂ  電界、１３  磁界、１４  空気、１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ  誘電体筒、１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ  第３の電極端子、１７  地導体、１８  高周波電源、１９  プラズマ励起用電源、２０  高周波フィルタ、２１  高周波電力結合部、２２、２３  配線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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