(57)【要約】【課題】従来のボウタイアンテナ装置では、広帯域化のため電波吸収体および抵抗素子を設けており、アンテナ効率が低下する問題があった。【解決手段】電波吸収体および抵抗素子を設けずに広帯域に亙り平滑な周波数特性を得るため、ボウタイアンテナ素子に切り込みを入れた。この結果、電波吸収体および抵抗素子を設けずに広帯域に亙り平滑な周波数特性が得られ、また前記電波吸収体および抵抗素子を設けていないことから、高効率なボウタイアンテナ装置が得られる。【選択図】                図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三角形形状を有する第１の導体と前記第１の導体の一個の頂点からある空隙をもって設けられた軸線を仮定し、前記軸線に対して軸対称となるように前記第１の導体を対称に配置した第２の導体を設け、前記第１の導体と前記第２の導体で構成されるアンテナ導体と、一方の底面が開放され且つ他方の底面にコネクタが具備された円筒導体の内部に前記円筒導体に接触しないように前記アンテナ導体を設け、且つ前記コネクタから供給される同軸モードの電磁界を平衡モードに変換する手段を具備したバラン回路を前記円筒導体の内部に設置し、更に前記第１の導体と前記第２の導体の近接対向する２個の頂点に前記バラン回路を接続してなるボウタイアンテナ装置において、
前記バラン回路が接続される前記２個の頂点と前記２個の頂点を個々に形成する前記第１の導体及び前記第２の導体における二辺以外の辺との間の導体を切断してスリット部を構成したことを特徴とするボウタイアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１記載のボウタイアンテナ装置において、円筒導体を矩形管状導体にしたことを特徴とするボウタイアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１記載のボウタイアンテナ装置において、円筒導体の回転中心軸に対して軸対称となるように前記円筒導体の対向する二つの側面の一部を狭めた偏平導体部もしくは凸導体部を有する変形筒導体を設け、且つアンテナ導体の両端が前記偏平導体部もしくは凸導体部の近傍に各々接触しないように前記アンテナ導体を配置したことを特徴とするボウタイアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１から３に記載のいずれかのボウタイアンテナ装置を複数個配列して構成したことを特徴とするボウタイアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、広帯域アンテナ装置において広帯域に亙って高効率で且つ平滑な周波数特性を得るためのアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のボウタイアンテナ装置においては、アンテナ導体に具備された筒導体の内部に電波吸収体としてフェライトを設け、更にアンテナ導体と前記筒導体とを接続した抵抗素子が設けられているため、進行波型のアンテナとして動作し、広帯域に亙り平滑な周波数特性を有する。（例えば、非特許文献１参照。）
【０００３】
【非特許文献１】
Ｙａｓｕｈｉｒｏ  Ｎｉｓｈｉｏｋａ著  「Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｏｆ  Ｒｅｓｉｓｉｔｏｒ−Ｌｏａｄｅｄ  Ｂｏｗ−Ｔｉｅ  Ａｎｔｅｎｎａ  Ｃｏｖｅｒｅｄ  ｗｉｔｈ  Ｆｅｒｒｉｔｅ−Ｃｏａｔｅｄ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｌｏｃａｔｅｄ  ａｂｏｖｅ  Ｇｒｏｕｎｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ」、ＩＥＩＣＥ  ＴＲＡＮＳ、ＣＯＭＭＵＮ、ＶＯＬ．Ｅ８３−Ｂ、ＮＯ．２、ＦＥＢＲＵＡＲＹ  ２０００。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のボウタイアンテナ装置では、筒導体の内部に電波吸収体としてフェライトが設けられていることから、筒導体の寸法で決まる共振現象を抑圧し、さらに、アンテナ導体と前記筒導体と接続した抵抗素子が設けられていることで広帯域特性を有する進行波アンテナとして動作することから、広帯域に亙り平滑な周波数特性を有する構成となっている。しかし、電波吸収体と抵抗素子による熱損失によりアンテナ効率を低下させるという問題点があった。また、抵抗素子を実際に設ける際に製造が困難であるという問題点があった。
【０００５】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、電波吸収体と抵抗素子を用いないことでアンテナ利得を低下させずに広帯域に亙り平滑な周波数特性を有するボウタイアンテナ装置を得ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明のボウタイアンテナ装置は、三角形形状を有する第１の導体と前記第１の導体の一個の頂点からある空隙をもって設けられた軸線を仮定し、前記軸線に対して軸対称となるように前記第１の導体を対称に配置した第２の導体を設け、前記第１の導体と前記第２の導体で構成されるアンテナ導体と、一方の底面が開放され且つ他方の底面にコネクタが具備された円筒導体の内部に前記円筒導体に接触しないように前記アンテナ導体を設け、且つ前記コネクタから供給される同軸モードの電磁界を平衡モードに変換する手段を具備したバラン回路を前記円筒導体の内部に設置し、更に前記第１の導体と前記第２の導体の近接対向する２個の頂点に前記バラン回路を接続してなるボウタイアンテナ装置において、前記バラン回路が接続される前記２個の頂点と前記２個の頂点を個々に形成する前記第１の導体及び前記第２の導体における二辺以外の辺との間の導体を切断してスリット部を構成したものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示すボウタイアンテナ装置を示すものである．  また、図２は図１における実施の形態１の断面図である。図１において、コネクタの内導体１は円筒導体２の内部に突き出し、コネクタの外導体３は円筒導体の底面４に接続されている。円筒導体２の内部に設けられているバラン回路５のシグナル線路６にはコネクタの内導体１を接続し、バラン回路５のグランド線路７には円筒導体の底面４に接続する。また、バラン回路５には切断部を有する第１の導体８および切断部を有する第２の導体９に給電するための平衡二線線路１０が設けられており、切断部を有する第１の導体の頂点１１と切断部を有する第２の導体の頂点１２に接続する。
【０００８】
上記の構成において、送信アンテナとして用いた場合の動作を説明する。なお、アンテナの可逆性を用いて、受信時にも同様な動作が説明できる。コネクタより不平衡信号のマイクロ波を入力する。コネクタに入力された不平衡信号のマイクロ波はバラン回路５に入力され、バラン回路５により平衡信号のマイクロ波に変換され、切断部を有する第１の導体８と切断部を有する第２の導体９に１８０°の位相差を有するマイクロ波信号を出力する。このマイクロ波信号が入力された切断部を有する第１の導体８と切断部を有する第２の導体９は図３に示すような実施の形態１の電界１３を作り、円筒導体２を励振し、電磁波が空間へ放射する。このときの放射パターンは図４となる。
【０００９】
従来のボウタイアンテナ装置における電波吸収体と抵抗素子によるアンテナ効率低下分１４は、非特許文献によれば図５のようになり、広帯域に亙って３５％以上のアンテナ効率低下となる。
【００１０】
次に吸収体と抵抗素子を用いない場合のアンテナ効率低下について説明する。従来のボウタイアンテナ装置において、電波吸収体と抵抗素子を設けない構成にした場合、アンテナの反射特性における反射電力損失、即ちコネクタに戻る反射電力を入力電力で除算した損失電力は図６における電波吸収体と抵抗素子を設けない構成にした場合の実測データ１５となり、反射電力損失は低い周波数で６０％を超えてしまう。これは、非特許文献に記載されている通り、アンテナの共振を減少させる抵抗素子を除去したために進行波アンテナとして動作しなくなり、その結果、第１の導体と第２の導体を足した寸法が概ねλ／２となる周波数付近もしくはその周波数以下の周波数帯域では放射する電気長が足りなくなるため放射抵抗が低下し、空間のインピーダンスである約３７７オームと整合が取れず、入力電力の内、ほとんどのエネルギーがコネクタへ戻り、低域におけるアンテナ効率を低下させ、広帯域に亙る平滑な周波数特性は得られない。したがって、従来のボウタイアンテナ装置における抵抗素子は平滑な周波数特性を得るためには必要不可欠となる。なお、進行波アンテナとは励振部と導波部および終端部より構成されるアンテナで、励振部から終端部へと一方向のみ電磁波のエネルギーが流れる。上記従来のボウタイアンテナ装置においては、励振部がバラン回路５、導波部がアンテナ導体、終端部が抵抗素子に対応する。
【００１１】
一方、アンテナ導体に切断面を設けた実施の形態１のボウタイアンテナ装置においては、図７に示す実施の形態１の実測データ１６となり、反射電力損失が１５％以下となる。このとき、実施の形態１は電波吸収体と抵抗素子を設けていないため、前記電波吸収体と抵抗素子によるアンテナ効率低下がない。したがって、アンテナ導体に切断面を設けた場合、電波吸収体と抵抗素子が無くても高効率で且つ平滑な広帯域周波数特性が得られるボウタイアンテナ装置となる。
【００１２】
なお、実施の形態１の説明図は円筒導体となっているが、任意形状の筒導体においても同等な効果を得る。
【００１３】
実施の形態２
図７はこの発明の実施の形態１を示すボウタイアンテナ装置を示すものである。図７において、コネクタの内導体１は矩形管状導体１７の内部に突き出し、コネクタの外導体３は矩形管状導体の底面１８に接続されている。矩形管状導体１７の内部に設けられているバラン回路５のシグナル線路６にはコネクタの内導体１を接続し、バラン回路５のグランド線路７には矩形管状導体の底面１８に接続する。また、バラン回路５には切断部を有する第１の導体８および切断部を有する第２の導体９に給電するための平衡二線線路１０が設けられており、切断部を有する第１の導体の頂点１１と切断部を有する第２の導体の頂点１２に接続する。
【００１４】
上記の構成において、送信アンテナとして用いた場合の動作を説明する。なお、アンテナの可逆性を用いて、受信時にも同様な動作が説明できる。コネクタより不平衡信号のマイクロ波を入力する。コネクタに入力された不平衡信号のマイクロ波はバラン回路５に入力され、バラン回路５により平衡信号のマイクロ波に変換され、切断部を有する第１の導体８と切断部を有する第２の導体９に１８０°の位相差を有するマイクロ波信号を出力する。このマイクロ波信号が入力された切断部を有する第１の導体８と切断部を有する第２の導体９は図８に示すような実施の形態３の電界２０を作り、矩形管状導体１８を励振し、電磁波を空間へ放射する。このときの放射パターンもまた実施の形態１と同等なパターンとなる。
【００１５】
フェーズドアレーアンテナで電波吸収体と抵抗素子を設けないボウタイアンテナ装置を或る規則性をもって配列した場合、筒導体の寸法は配列する間隔により決定される。前記電波吸収体と抵抗素子を設けないボウタイアンテナ装置において筒導体を励振する際、導波管の基本モードを励振させることから筒導体の形状で決まるカットオフ周波数が影響し、カットオフ以下の周波数帯域では放射抵抗が低くなり放射し辛くなる。
【００１６】
例えば、正三角配列において、円筒導体で構成されたボウタイアンテナ装置は図９に示すように正三角配列の一辺の長さ２０と円筒導体の直径２１が同一の長さになった場合、前記円筒導体の直径２１が最大となるボウタイアンテナ装置が配列できる。よって、正三角形に配列した場合の円筒導体の最大直径における基本モード、即ちＴＥ１１モードのカットオフ周波数を正三角形配列の一辺の長さ２０を用いて表わすと数１となる。ここで、数１のｆ１は円筒導体の基本モードであるＴＥ１１モードのカットオフ周波数、πは円周率、ｄは正三角形配列の一辺の長さ２０、εは円筒導体内の誘電率、μは円筒導体内の透磁率である。
ｆ１＝１．８４１／｛π×ｄ×√（ε×μ）｝      （１）
【００１７】
次に正三角配列において、矩形管状導体で構成されたボウタイアンテナ装置について説明する。正三角配列において、矩形管状導体で構成されたボウタイアンテナ装置は図１０に示すように正三角配列の一辺の長さ２０と矩形管状導体の電界と垂直な方向の寸法２２が同一の長さになった場合、前記矩形管状導体の電界と垂直な方向の寸法２２が最大となるボウタイアンテナ装置が配列できる。よって、正三角形に配列した場合の矩形管状導体における基本モード、即ちＴＥ０１モードのカットオフ周波数を正三角形配列の一辺の長さ２０を用いて表わすを数２となる。ここで、数２のｆ２は矩形管状導体の基本モードであるＴＥ０１モードのカットオフ周波数、πは円周率、ｄは正三角形配列の一辺の長さ２０、εは矩形管状導体内の誘電率、μは矩形管状導体内の透磁率である。
ｆ２＝１／｛２×ｄ×√（ε×μ）｝        （２）
【００１８】
数１の円筒導体の基本モードであるＴＥ１１モードのカットオフ周波数ｆ１と数２の矩形管状導体の基本モードであるＴＥ０１モードのカットオフ周波数ｆ２を比べる。数１のｆ１と数２のｆ２の比を算出すると数３となる。ここで、数３のｆ１は円筒導体の基本モードであるＴＭ１１モードのカットオフ周波数、ｆ２は矩形管状導体の基本モードであるＴＥ０１モードのカットオフ周波数であり、ｆ１：ｆ２はｆ１とｆ２の周波数比を示す。
ｆ１：ｆ２＝３．６８２：π≒３．６８２：３．１４        （３）
【００１９】
上記の結果、ｆ２の方がカットオフ周波数は低くなるため、矩形管状導体の方が放射する周波数帯域が低域の周波数で広がる。上記で説明したのは正三角配列のみであるが、正四角形配列等の規則性をもった配列においても同様に説明できる。規則性を有したアレーアンテナにボウタイアンテナ装置を用いた場合、矩形管状導体を有するボウタイアンテナ装置の筒導体のカットオフ周波数を低域に下げることができ、最も広帯域な周波数特性を有するボウタイアンテナ装置となる。これは、実施の形態１で示したアンテナ導体に切断面を有していないボウタイアンテナ用いても同様の効果があると共に、筒導体を用いた広帯域アンテナであればアレー配列した場合に同様の効果が得られる。
【００２０】
実施の形態３．
図１１はこの発明の実施の形態１を示すボウタイアンテナ装置を示すものである。ここでは、偏平導体部を設けた場合について説明する。図１１において、コネクタの内導体１は偏平導体部を設けた場合の円筒導体２３の内部に突き出し、コネクタの外導体３は偏平導体部を設けた場合の円筒導体の底面２４に接続されている。偏平導体部を設けた場合の円筒導体２３の内部に設けられているバラン回路５のシグナル線路６にはコネクタの内導体１を接続し、バラン回路５のグランド線路７には電界方向を狭くした偏平導体部を設けた場合の円筒導体の底面２４に接続する。また、バラン回路５には切断部を有する第１の導体８および切断部を有する第２の導体９に給電するための平衡二線線路１０が設けられており、切断部を有する第１の導体の頂点１１と切断部を有する第２の導体の頂点１２に接続する。
【００２１】
上記の構成において、送信アンテナとして用いた場合の動作を説明する。なお、アンテナの可逆性を用いて、受信時にも同様な動作が説明できる。コネクタより不平衡信号のマイクロ波を入力する。コネクタに入力された不平衡信号のマイクロ波はバラン回路５に入力され、バラン回路５により平衡信号のマイクロ波に変換され、切断部を有する第１の導体８と切断部を有する第２の導体９に１８０°の位相差を有するマイクロ波信号を出力する。このマイクロ波信号が入力された切断部を有する第１の導体８と切断部を有する第２の導体９は図１２に示すような実施の形態３の電界２５を作り、偏平導体部を設けた場合の円筒導体２３を励振し、電磁波を空間へ放射する。このときの放射パターンもまた実施の形態１と同等の放射パターンとなる。
【００２２】
実施の形態３におけるボウタイアンテナ装置が偏平導体部を設けた場合の円筒導体２３を励振する基本モードは図１３に示す方形導波管の基本モードに似た電界２６となり、電界に概ね垂直となる方向の寸法が電気長において延長されると、カットオフ周波数が低域の周波数にずれる。したがって、実施の形態２で説明した円筒導体と矩形管状導体では、電界に概ね垂直となる方向の寸法２７が円筒導体の中心部では矩形管状導体と同等の電気長を有するが、中心部から離れるに従い短くなり、筒導体全体での電気長は円筒導体の方が短くなる。その結果、円等導体の方がカットオフ周波数が高周波数となる。
【００２３】
さらに、円筒導体部を偏平導体部を設けた形状にすることにより、切断部を有する第１の導体８および切断部を有する第２の導体９と偏平部との間に発生する電界も実施の形態２と同様に前記切断部を有する第１の導体８および切断部を有する第２の導体９と偏平部との間が均一間隔になることから実施の形態２のボウタイアンテナ装置の電界態様により近づく。
【００２４】
この原理より、実施の形態３では円筒導体より筒導体全体では電界に概ね垂直となる方向の寸法２７が長くなりカットオフ周波数が円筒導体より低域となる。その結果、円筒導体で構成されたボウタイアンテナ装置より低域の周波数が拡大され、より広帯域性を得るボウタイアンテナ装置となる。これにより、円筒導体の内部を加工するだけで広帯域性が得られる、また、円筒導体より小さい筒導体を用いても広帯域性を得られる効果があり、アンテナの小型化が可能となる。
【００２５】
なお、円筒導体を偏平導体部を設ける変わりに凸導体部を設けた場合、誘導性を有することから前記電界に概ね垂直となる方向の寸法２７の電気長が延長され、偏平導体部を設けた場合と同様な効果を得る。
【００２６】
実施の形態４．
なお、上記実施の形態１から実施の形態３を複数並べたボウタイアレーアンテナ装置においても、高効率で且つ平滑な周波数特性を有するボウタイアレーアンテナ装置を実現できる。また、抵抗素子を用いていないため、抵抗素子の耐電力を上回るアンテナシステム、例えば、図１４のような各々のアンテナ素子の背面に大電力を供給する増幅器を搭載したモジュール２９を有するアクテイブフェーズドアレーレーダシステム等への適用が可能となる。
【００２７】
【発明の効果】
電波吸収体および抵抗素子を設けずに広帯域に亙り平滑な周波数特性を得るため、ボウタイアンテナ素子に切り込みを入れたことにより、電波吸収体および抵抗素子を設けずに広帯域に亙り平滑な周波数特性のボウタイアンテナ装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１を示すボウタイアンテナ装置の構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１を示すボウタイアンテナ装置の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１のボウタイアンテナ装置が作る筒導体内部の電界態様図である。
【図４】実施の形態１の放射パターン態様図である。
【図５】非特許文献より算出した電波吸収体と抵抗素子のアンテナ効率低下量を示す図である。
【図６】従来のボウタイアンテナ装置において、電波吸収体と抵抗素子を除去した場合の測定データから得られた反射電力損失と実施の形態１のボウタイアンテナ装置の測定データから得られた反射電力損失を比較した図である。
【図７】この発明の実施の形態２を示すボウタイアンテナ装置の構成図である。
【図８】この発明の実施の形態３のボウタイアンテナ装置が作る筒導体内部の電界態様図である。
【図９】この発明の実施の形態２を説明するための、正三角配列に並べた円筒導体を用いたボウタイアンテナ装置の態様図である。
【図１０】この発明の実施の形態２を説明するための、正三角配列に並べた矩形管状導体を用いたボウタイアンテナ装置の態様図である。
【図１１】この発明の実施の形態３を示すボウタイアンテナ装置の構成図である。
【図１２】この発明の実施の形態３のボウタイアンテナ装置が作る筒導体内部の電界態様図である。
【図１３】実施の形態３の筒導体の断面を導波管として考えた場合の基本モードの電界態様図である。
【図１４】この発明の実施の形態４のアクティブフェーズドアレーアンテナシステムに用いた場合の形態図である。
【符号の説明】
１  コネクタの内導体、    ２  筒導体、    ３  コネクタの外導体、    ４  筒導体の底面、  ５  バラン回路、    ６  シグナル線路、    ７  グランド線路、    ８切断部を有する第１の導体、    ９  切断部を有する第２の導体、    １０  平衡二線線路、    １１  切断部を有する第１の導体の頂点、    １２  切断部を有する第２の導体の頂点、    １３  実施の形態１の電界、    １４  電波吸収体と抵抗素子によるアンテナ効率低下分、    １５  電波吸収体と抵抗素子を設けない構成にした場合の実測データ、    １６  実施の形態１の実測データ、    １７  矩形管状導体、    １８  矩形管状導体の底面、    １９  実施の形態２の電界、    ２０  正三角配列の一辺の長さ、    ２１  円筒導体の直径、    ２２  矩形管状導体の電界と垂直な方向の寸法、    ２３  偏平導体部を設けた場合の円筒導体、    ２４  偏平導体部を設けた場合の円筒導体の底面、    ２５    実施の形態３の電界、    ２６  方形導波管の基本モードに似た電界、    ２７  電界に概ね垂直となる方向の寸法、          ２８  増幅器を搭載したモジュール。
【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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