(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面だけ開放され、他を金属壁で囲まれたキャビティと、
上記キャビティの開放された面上の所定の位置に配置された放射導体と、
上記キャビティの底面から縦立し、上記放電導体の電界がゼロになる点を支持する導体柱からなるショートピンと、
を備え、
上記放射導体は、第１の直線偏波を励振し放射するための第１の給電点および上記第１の直線偏波に対して直交する第２の直線偏波を励振し放射するための第２の給電点が設けられ、上記放射導体の電界がゼロになる点を、交差偏波成分のレベルが低減するように上記キャビティの開放された面の中心から所定の距離離間するように上記開放された面上に配置されたことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
上記ショートピンの柱の長さを変化して、上記放射導体の面を上記キャビティの開放された面からずらして放射電力を調整することを特徴とする請求項１に記載するアンテナ装置。
【請求項３】
誘電体基板の裏面を覆う第１の金属導体、上記誘電体基板の表面の中央部を除いて上記表面を覆う第２の金属導体および上記中央部を囲繞する位置で上記第１の金属導体と上記第２の金属導体とを接続するスルーホールにより形成されるキャビティと、上記表面の中央部に上記第２の金属導体と離間して形成される放射導体と、上記放射導体に第１の直線偏波を励振し放射するための第１の給電線路および上記第１の直線偏波に対して直交する第２の直線偏波を励振し放射するための第２の給電線路と、を備えるアンテナ装置において、
上記放射導体は、交差偏波成分のレベルが低減するように上記放射導体の中心点が上記中央部の中心点からずらして上記表面に形成されたことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項４】
上記第１および第２の給電線路は、上記第１の金属導体および上記誘電体基板を貫通する孔を貫通する給電ピン、または上記表面に形成されたストリップ線路であることを特徴とする請求項３に記載するアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アンテナ装置に関し、特に、通信／レーダ等に好適な、直交する２つの偏波を放射する直交偏波共用アンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直交２偏波共用のパッチアンテナは、誘電体基板の放射導体と地導体としての金属導体膜とで構成され、放射導体の中心から第１の直線偏波を励振し放射するための第１の給電ピンを結ぶ直線と、放射導体の中心と第１の直線偏波に直交する第２の直線偏波を励振し放射するための第２の給電ピンとを結ぶ直線とが直交するように配置させる構造を有し、両給電ピンに別々の給電回路を接続し、切り替えによってそれらに給電することによって、直交２偏波成分の放射を行っている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。
また、２給電点位置をずらすことによって、交差偏波レベルを低減する方法も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３１２１１２号公報
【特許文献２】特開２００４−２６６４９９号公報
【特許文献３】特開２００３−２２４４１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の直交２偏波共用パッチアンテナは、誘電体基板上に構成されることが多いので、宇宙で使用する場合には材料選定に制限が生じるという問題がある。
また、キャビティ付きの直交２偏波共用パッチアンテナとした場合、交差偏波レベルが高く、両給電点でのアイソレーション上昇が起こる問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、金属だけでキャビティ付き直交２偏波共用パッチアンテナが構成され、放射波の交差偏波成分のレベルが低い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】
【０００６】
この発明に係るアンテナ装置は、一面だけ開放され、他を金属壁で囲まれたキャビティと、上記キャビティの開放された面上の所定の位置に配置された放射導体と、上記キャビティの底面から縦立し、上記放電導体の電界がゼロになる点を支持する導体柱からなるショートピンと、を備え、上記放射導体は、第１の直線偏波を励振し放射するための第１の給電点および上記第１の直線偏波に対して直交する第２の直線偏波を励振し放射するための第２の給電点が設けられ、上記放射導体の電界がゼロになる点を、交差偏波成分のレベルが低減するように上記キャビティの開放された面の中心から所定の距離離間するように上記開放された面上に配置された。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係わるアンテナ装置の効果は、ショートピンが放射導体をキャビティの開放面部に固定する役割を果たしており、アンテナ装置に誘電体基板を使用せずに、全てを金属導体で構成することができるので、宇宙での使用時にも放射線による経年変化による劣化がない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置の構成図である。図１（ａ）は、アンテナ装置の平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面線でのアンテナ装置の断面図である。
この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置１は、キャビティ３付き直交２偏波共用パッチアンテナを構成している。このアンテナ装置１は、図１に示すように、中央部２ａが正方形の枡状に凹んでキャビティ３を構成する皿状の金属導体２、金属導体２の中央部２ａの中心点２ｂから縦立する導体柱であるショートピン４、ショートピン４の先端に中心点５ａで固定される正方形の放射導体５、放射導体５に給電する２つの垂直偏波励振用の給電線路としての給電ピン６ａおよび水平偏波励振用の給電線路としての給電ピン６ｂを備える。
【０００９】
そして、放射導体５は、キャビティ３の底部の中心点でショートピン４により金属導体２と接続されている。なお、放射導体５の中心点５ａは、電界がゼロの点であるので、その位置に導体柱であるショートピン４を設けてもパッチアンテナの特性に影響を与えるものではない。
ここで、放射導体５上にｘｙ座標を設定する。ｘｙ座標の中心を放射導体５の中心点５ａに一致させ、ｘ軸８ａを正方形の一辺に直交するように設定し、その結果ｙ軸８ｂは正方形の他の辺に直交する。
垂直偏波励振用の給電ピン６ａは、放射導体５の中心点５ａを通るｘ軸８ａ上で中心点５ａから所定の距離離れた位置の放射導体５の部分に接続されている。また、水平偏波励振用の給電ピン６ｂは、放射導体５の中心点５ａを通るｙ軸８ｂ上で中心点５ａから所定の距離離れた位置の放射導体５の部分に接続されている。
そして、中心点５ａからの所定の距離を調節することにより、各給電ピン６ａ、６ｂに接続する垂直偏波励振用給電回路１１、水平偏波励振用給電回路１２とのインピーダンス整合をとっている。
また、水平偏波、垂直偏波共に同じ特性になるように、キャビティ３の開放面部３ａおよび放射導体５の外形形状を正方形にし、給電ピン６ａ、６ｂの位置は放射導体５の中心点５ａから同じ距離に設定されている。
【００１０】
図２は、放射される電波の偏波方向と励振する給電ピン６ａ、６ｂとの関係を描いた放射導体５の平面図である。図２（ａ）は、垂直偏波の電波が放射されるときの関係である。図２（ｂ）は、水平偏波の電波が放射されるときの関係である。
次に、実施の形態１に係わるアンテナ装置１の動作について説明する。
このアンテナ装置１は、給電ピン６ａに接続されている垂直偏波励振用給電回路１１と給電ピン６ｂに接続される水平偏波励振用給電回路１２とを切り替えことによりどちらか一方の給電ピン６ａ、６ｂが励振される。そして、給電ピン６ａが励振されると、図２（ａ）に示すように、垂直偏波の電磁波が放射され、また、給電ピン６ｂが励振されると、図２（ｂ）に示すように、水平偏波の電磁波が放射される。
【００１１】
このような実施の形態１に係わるアンテナ装置１では、ショートピン４が放射導体５をキャビティ３の開放面部３ａに固定する役割を果たしており、アンテナ装置１に誘電体基板を使用せずに、全てを金属導体で構成することができるので、宇宙での使用時にも放射線による経年変化による劣化がない。
また、誘電体基板を使用しないので、コストが安く、重量が軽量化することができる。
また、ショートピン４があることにより、その太さの調節により給電ピン６ａ、６ｂ間のアイソレーションを低減できる。
【００１２】
また、全て金属導体で構成されているので、加工が容易であり、加工方法としては、例えば、金属板を切削加工によりキャビティ３、ショートピン４および給電ピン６ａ、６ｂが通過するための孔を一度に設け、別に加工した放射導体５をはんだ付けや溶接等で接続させ、最後に給電ピン６ａ、６ｂを孔に貫通して先端を放射導体５に接続する方法がある。また、金属板の切削加工で放射導体５まで一体化で製作することもできる。
【００１３】
なお、この実施の形態１では、図１に示すような方形パッチアンテナについて説明したが、これに限ることではなく、円形パッチアンテナやそれらに準じた形状のパッチアンテナに適用できる。そのとき、キャビティの形状もそれに準じるものである。
【００１４】
実施の形態２．
図３は、この発明の実施の形態２に係わるアンテナ装置の構成図である。図３（ａ）は、アンテナ装置の平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ断面線でのアンテナ装置の断面図である。
この発明の実施の形態２に係わるアンテナ装置１Ｂは、実施の形態１に係わるアンテナ装置１と放射導体５およびショートピン４のキャビティ３内の位置が異なっており、それ以外は同様であるので、同様な部分に同じ符号を付記して説明は省略する。
実施の形態１に係わる放射導体５は、その中心点５ａが開放されている面３ａの中心点３ｂに位置するようにショートピン４でキャビティ３内に支持されているが、実施の形態２に係わる放射導体５は、その中心点５ａが開放されている面３ａの中心点３ｂからオフセットされた位置にショートピン４でキャビティ３内に支持されている。
【００１５】
すなわち、放射導体５は、キャビティ３の開放されている面３ａの中央点３ｂからｘ軸８ａ方向に所定の距離（図３（ａ）に図示する矢印Ｖ）およびｙ軸８ｂ方向に所定の距離（図３（ａ）に図示する矢印Ｗ）だけ水平移動された位置に配置される。また、ショートピン４も、放射導体５の中心点５ａに一端が接続するように放射導体５の水平移動距離と同じ距離だけ水平移動される
実施の形態２に係わるアンテナ装置１Ｂの動作は、実施の形態１に係わるアンテナ装置１の動作と同様であるので、説明は省略する。
【００１６】
図４は、流れる電流が図示された放射導体の平面図である。図４（ａ）は、実施の形態１に係わる放射導体を流れる電流が図示されている。図４（ｂ）は、実施の形態２に係わる放射導体を流れる電流が図示されている。
実施の形態１に係わる放射導体５を給電ピン６ａから給電して垂直偏波励振している場合、図４（ａ）に示すように、放射導体５を流れる主偏波成分電流１５は、ｘ軸８ａ上を流れる。また、給電ピン間結合により給電ピン６ｂ方向に流れる電流１６は、水平偏波用の給電ピン６ｂが存在することにより、給電ピン６ａとの間で結合が生じ、その結合量に起因した大きさでｙ軸８ｂに平行に流れる。これは、主偏波成分電流１５にとって直交する成分であるので、この電流１６に対応する放射波は交差偏波成分となる。
【００１７】
一方、実施の形態２に係わる放射導体５を給電ピン６ａから給電して垂直偏波励振している場合、放射導体５をキャビティ３の開放される面３ａ内をｘ軸およびｙ軸方向に平行移動しているので、ｘ軸８ａに平行な主偏波成分電流１５と給電ピン間結合による電流１６の他に、キャビティ３での摂動の原理から放射導体５の平行移動量に起因した大きさでｙ軸８ｂに平行、且つ電流１６とは逆方向の電流１７が流れる。
このように電流１７が流れることにより、電流１７に対応する放射波が電流１６に対応する放射波を相殺するので、放射波の交差偏波成分のレベルを低減できる。これは、交差偏波成分のレベルが高いと利得低下の要因となるし、偏波間アイソレーションも取れない。
【００１８】
図５は、放射導体５をキャビティ３の中央に配置したときとキャビティ３の中央から水平移動したときのＥ面放射パターンの主偏波成分と交差偏波成分のそれぞれのアングル依存性を示すグラフである。図６は、放射導体５をキャビティ３の中央に配置したときとキャビティ３の中央から水平移動したときのＨ面放射パターンの主偏波成分と交差偏波成分のそれぞれのアングル依存性を示すグラフである。
実施の形態２のように放射導体５をキャビティ３の中心からずらすことにより、図５、図６に示すように、Ｅ面放射パターンとＨ面放射パターンのいずれも交差偏波成分のレベルが低減されている。
【００１９】
また、図７は、放射導体５をキャビティ３の中央に配置したときとキャビティ３の中央から水平移動したときの給電ピン６ａと給電ピン６ｂ間のアイソレーションを示すグラフである。
実施の形態２のように放射導体５をキャビティ３の中心からずらすことにより、図７に示すように、交差偏波成分のレベルが低減されているので、アイソレーションも低減されている。
【００２０】
なお、水平偏波励振をするために給電ピン６ｂを給電した場合も、垂直偏波を励振した場合と同様である。すなわち、給電ピン６ｂを給電したことにより、ｙ軸８ｂに平行な主偏波成分電流が流れると共に、給電ピン６ｂと給電ピン６ａ間での相互結合によりｘ軸８ａに平行な電流が流れ、交差偏波成分を放射する。しかし、放射導体５をキャビティ３の中心からずらすことにより、その摂動原理に対応した電流がｘ軸８ａに平行で、かつ、相互結合により生じる電流とは逆相の電流が発生し、それらは相殺の関係にあるので、放射波の交差偏波成分のレベルを低減できる。
【００２１】
上述のように放射波の交差偏波成分のレベルの低減は、ショートピン４および給電ピン６ａ、６ｂの相対位置関係を変えずに放射導体５をキャビティ３の開放されている面３ａ上で移動させることで実現できるので、パッチアンテナの設計は放射導体５を移動させる前に行い、それを交差偏波成分のレベルの低減量を鑑みながら、放射導体５の移動量を調整するという容易な手順でできる。
【００２２】
また、この実施の形態２に係わるアンテナ装置１Ｂも、実施の形態１に係わるアンテナ装置１と同様に、金属導体だけで一体化して構成されるので、加工性に優れている。
また、図８に示すように、ショートピン４と給電ピン６ａ、６ｂの長さを調節して放射導体５のキャビティ３の底面からの垂直位置をキャビティ３の開放される面３ａからずらすと、パッチアンテナの放射パターン形状（指向性）を変化させることができる。
【００２３】
このような実施の形態２に係わるアンテナ装置１Ｂでは、放射導体５をキャビティ３の中央からずらして配置しているので、放射波の給電ピン相互の結合による交差偏波成分を摂動原理により相殺する交差偏波成分を発生し、全体の交差偏波成分を低減することができる。
【００２４】
なお、この実施の形態２では、図３に示すような方形パッチアンテナについて説明したが、これに限ることではなく、円形パッチアンテナやそれらに準じた形状のパッチアンテナに適用できる。そのとき、キャビティの形状もそれに準じるものである。
【００２５】
実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３に係わるアンテナ装置の構成図である。図９（ａ）は、実施の形態３に係わるアンテナ装置の平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ断面線でのアンテナ装置の断面図である。
この発明の実施の形態３に係わる目的は、宇宙空間での使用が困難な誘電体基板を用いて構成されたパッチアンテナの場合でも、放射波の交差偏波成分のレベルが低減されたアンテナ装置１Ｃを提供することである。そのため、実施の形態２に係わるアンテナ装置１Ｂと同様に、放射導体膜２６の中心点２６ａをキャビティ２８の電磁的に開放されている開放面部２８ａの中心点２８ｂからずらしている。
【００２６】
実施の形態３に係わるアンテナ装置１Ｃは、誘電体基板２１の裏面に形成された第１の金属導体膜２２、誘電体基板２１の表面の正方形の中央部２３を除いて形成された第２の金属導体膜２４、第２の金属導体膜２４の内縁部２４ａと誘電体基板２１の厚み方向で重なる位置で第１の金属導体膜２２とを導通するスルーホール２５、誘電体基板２１の表面の中央部２３に第２の金属導体膜２４と離間するように形成された正方形の放射導体膜２６、第１の金属導体膜２２および誘電体基板２１を貫通する孔２７を貫通し一端が放射導体膜２６にそれぞれ接続される垂直偏波励振用と水平偏波励振用との給電ピン２８ａ、２８ｂを備える。
【００２７】
実施の形態３に係わるキャビティ２９は、スルーホール２５により３面が電磁波的に塞がり、スルーホール２５により囲繞された第１の金属導体膜２２により底面が塞がり、残った一面が電磁波的に開放された開放面部２９ａにより形成される。
そして、実施の形態３に係わる放射導体膜２６は、スルーホール２５により囲繞された誘電体基板２１の表面の中央部２３に形成されている。この放射導体膜２６の中心点２６ａをｘｙ座標の原点とし、放射導体膜２６の一辺と直交するようにｘ軸８ａを設定すると、ｘ軸８ａとｙ軸８ｂが中央部２３のそれぞれ対応する辺に沿って所定の距離移動した位置に放射導体膜２６が配置される。
【００２８】
誘電体基板２１の表面の金属導体膜２４から出発し、キャビティ２９の開放面部２９ａとその中心点２９ｂからオフセットされた位置に放射導体膜２６を形成するように第２の金属導体膜２４の一部をエッチング処理により除去し、除去された部分の外周に沿って、スルーホール２５を複数個配置し、第１の金属導体膜２２と第２の金属導体膜２４とを導通させている。直交２偏波それぞれへの給電は給電ピン２８ａ、２８ｂから行っている。
また、垂直偏波および水平偏波を励振するための垂直偏波励振用給電回路１１および水平偏波励振用給電回路１２がそれに対応する給電ピン２８ａおよび２８ｂに接続されている。スルーホール２５の配置間隔は、動作周波数における波長に対して十分に短いことが望ましい。
なお、実施の形態３に係わるアンテナ装置１Ｃの動作は、実施の形態２に係わるアンテナ装置１Ｂと同様であるので、説明は省略する。
【００２９】
このような実施の形態３のアンテナ装置１Ｃは、誘電体基板２１上にエッチング処理および給電手段の付加という容易な手法によって製作することができるとともに放射波の交差偏波成分のレベルを低減できる。
【００３０】
図１０は、誘電体基板２１上に設けられた放射導体膜２６に給電する給電線路３１、３２を誘電体基板２１上に設けたアンテナ装置１Ｄの平面図である。
この給電線路３１、３２は、マイクロストリップ線路とコプレナー線路とにより構成されている。そして、キャビティ２９の開放面部２９ａと同じ面上にある金属導体膜部分に給電線路が配線されるときはコプレナー線路とし、キャビティ２９の開放面部２９ａではキャビティ２９の底部の導体面をグラウンドとするマイクロストリップ線路となる。このため、キャビティ２９の開放面端部において、図示しないが、整合用の変換器が設けられることもある。この構造の利点は、エッチング処理のみにより容易に構成できることにある。
【００３１】
また、複数の誘電体基板を積層できるので、例えば、キャビティ付きパッチアンテナの上方に無給電素子を設けて、周波数帯域の広帯域化、あるいは、放射指向性の制御等も容易に可能である。
また、エッチング処理による製作であるために、アンテナのアレー化も容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置の構成図である。
【図２】放射される電波の偏波方向と励振する給電ピンとの関係を描いた放射導体の平面図である。
【図３】この発明の実施の形態２に係わるアンテナ装置の構成図である。
【図４】流れる電流が図示された放射導体の平面図である。
【図５】放射導体をキャビティの中央に配置したときとキャビティの中央から水平移動したときのＥ面放射パターンの主偏波成分と交差偏波成分のそれぞれのアングル依存性を示すグラフである。
【図６】放射導体をキャビティの中央に配置したときとキャビティの中央から水平移動したときのＨ面放射パターンの主偏波成分と交差偏波成分のそれぞれのアングル依存性を示すグラフである。
【図７】放射導体をキャビティの中央に配置したときとキャビティの中央から水平移動したときの給電ピンと給電ピン間のアイソレーションを示すグラフである。
【図８】実施の形態２に係わるアンテナ装置の他の例の断面図である。
【図９】この発明の実施の形態３に係わるアンテナ装置の構成図である。
【図１０】実施の形態３に係わるアンテナ装置の他の例の平面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  アンテナ装置、２  金属導体、３  キャビティ、４  ショートピン、５  放射導体、６ａ、６ｂ  各給電ピン、８ａ  ｘ軸、８ｂ  ｙ軸、１１  垂直偏波励振用給電回路、１２  水平偏波励振用給電回路、１５  主偏波成分電流、１６、１７  電流、２１  誘電体基板、２２  金属導体膜、２３  中央部、２４  金属導体膜、２５  スルーホール、２６  放射導体膜、２７  孔、２８  キャビティ、２８ａ、２８ｂ  給電ピン、２９  キャビティ、３１、３２  給電線路。
【図１】
0004680097.tif 000002
【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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