(57)【要約】【課題】  平行２本線路のＴＥＭモードを誘電体媒質のハイブリッドダイポールモード（表面波モード）に結合させ、ＴＥＭモードのエネルギーをハイブリッドダイポールモードに効率よく変換でき、かつ製造性および操作性に優れる小型な誘電体アンテナを提供する。【解決手段】  線路径ｄ、線路長Ｌ、線路間隔Ｓの平行２本線路と、この平行２本線路を覆う比誘電率ε1 の第１媒質３ａと、この第１媒質を覆う比誘電率ε2 の第２媒質３ｂとで構成される誘電体線路１からなる誘電体アンテナ７であって、ε1/ε2 ＜1.0 でかつ線路間隔の中心が第１媒質の長手方向の少なくとも一部位で同媒質断面の幾何学的中心から外された誘電体アンテナ、または、前記平行２本線路と、この平行２本線路の外側にある比誘電率ε2 の第２媒質と、あるいはさらにこの第２媒質で覆われた比誘電率ε1 の第１媒質とで構成される誘電体線路からなる誘電体アンテナであって、平行２本線路が第２媒質の外側近傍に設置された誘電体アンテナである。【選択図】  図１
2005151467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線路径がｄ、線路長がＬ、線路間隔がＳとされる平行２本線路と、この平行２本線路を覆う比誘電率がε1 とされる第１媒質と、この第１媒質を覆う比誘電率がε2 とされる第２媒質とで構成される誘電体線路からなる誘電体アンテナであって、
前記第１媒質の比誘電率ε1 と第２媒質の比誘電率ε2 の比ε1/ε2 の大きさは1.0 未満とされ、前記線路間隔の中心が前記第１媒質の長手方向の少なくとも一部位で同媒質断面の幾何学的中心から外されることを特徴とする誘電体アンテナ。
【請求項２】
線路径がｄ、線路長がＬ、線路間隔がＳとされる平行２本線路と、この平行２本線路から距離δを隔てられて比誘電率がε2 とされる第２媒質と、あるいはさらにこの第２媒質で覆われた比誘電率がε1 とされる第１媒質とで構成される誘電体線路からなる誘電体アンテナであって、
前記平行２本線路が前記第２媒質の外側近傍に設置されることを特徴とする誘電体アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、誘電体線路を用いたアンテナ（以下、誘電体アンテナという）は、誘電体線路に表面波モードを励振するために、導波管の開口部や電磁ホーン等の一次アンテナ素子が用いられ、実用化がなされている。
【０００３】
しかしながら、上記のような従来の誘電体アンテナには、以下のような欠点があった。すなわち、誘電体アンテナに表面波モードを励振するためには、上述のように一次アンテナ素子が用いられるため、伝送線路を通して送られてくる伝送エネルギーを放射エネルギーに変換する場合、給電部分からの直接放射が存在して表面波モードへの変換効率が悪く、設計の段階で指向性を予測することが極めて困難であった。
【０００４】
そこで本発明者らは、上記のような従来技術の有する欠点を除去すべく、平行２本線路のＴＥＭモードを多層媒質のハイブリットダイポールモード（表面波モード）に結合させ、ＴＥＭモードのエネルギーをハイブリットダイポールモードに効率よく変換し得るかつ小型な多層媒質アンテナを提供することを目的として、線路径がｄ、線路長がＬ、線路間隔がＳとされる平行２本線路と、この平行２本線路を円形同心状に覆う比誘電率がε1 で外径がｒ1 とされる第１媒質と比誘電率がε2 で外径がｒ2 とされる第２媒質とで構成される誘電体線路からなる多層媒質誘電体アンテナであって、前記平行２本線路の長さＬは0.5 λ0 〜３λ0 （λ0 ；使用周波数の波長）とされ、前記第１媒質の外径ｒ1 と第２媒質の外径ｒ2 の比ｒ1/ｒ2 の大きさは0.1 〜0.9 とされ、前記線路間隔Ｓは0.1 ｒ1 〜0.4 ｒ2 とされることを特徴とする多層媒質誘電体アンテナを提案した（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３２０１７３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で提案した多層媒質誘電体アンテナは、長手方向の全域にわたって平行２本線路の線間距離の中心と第１、第２媒質の円形断面中心とが一致していなければならないという相対配置上の厳しい制約があるため、製造性や操作性に難があるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決し、平行２本線路のＴＥＭモードを誘電体媒質のハイブリッドダイポールモード（表面波モード）に結合させ、ＴＥＭモードのエネルギーをハイブリッドダイポールモードに効率よく変換でき、かつ製造性および操作性に優れる小型な誘電体アンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、特許文献１記載の発明を提案した後、さらに研究を続けた結果、平行２本線路を中空誘電体の中空部内の任意の位置、または中空もしくは中実誘電体の外側近傍に設置することにより、特許文献１記載の発明と同様な性能が得られることを見出して本発明をなした。
【０００８】
すなわち本発明は、線路径がｄ、線路長がＬ、線路間隔がＳとされる平行２本線路と、この平行２本線路を覆う比誘電率がε1 とされる第１媒質と、この第１媒質を覆う比誘電率がε2 とされる第２媒質とで構成される誘電体線路からなる誘電体アンテナであって、前記第１媒質の比誘電率ε1 と第２媒質の比誘電率ε2 の比ε1/ε2 の大きさは1.0 未満とされ、前記線路間隔の中心が前記第１媒質の長手方向の少なくとも一部位で同媒質断面の幾何学的中心から外されることを特徴とする誘電体アンテナである。
【０００９】
また、本発明は、線路径がｄ、線路長がＬ、線路間隔がＳとされる平行２本線路と、この平行２本線路の外側にあって比誘電率がε2 とされる第２媒質と、あるいはさらにこの第２媒質で覆われた比誘電率がε1 とされる第１媒質とで構成される誘電体線路からなる誘電体アンテナであって、前記平行２本線路が前記第２媒質の外側近傍に設置されることを特徴とする誘電体アンテナである。
【発明の効果】
【００１０】
かくして本発明によれば、平行２本線路のＴＥＭモードを誘電体媒質のハイブリッドダイポールモード（表面波モード）に結合させ、ＴＥＭモードのエネルギーをハイブリッドダイポールモードに効率よく変換でき、しかも誘電体媒質と平行２本線路との相対配置上の制約が大幅に緩和されて製造性および操作性に優れる小型な誘電体アンテナが実現するという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１例を示す（ａ) 正面図および（ｂ）そのＡ−Ａ矢視図である。
【００１３】
図１において、１は誘電体線路であり、線路径ｄ、線路長Ｌ、線路間隔Ｓとされ、材質が例えば銅などの表面に銀めっきを施した良導体とされる平行２本線路２と、この平行２本線路２を覆う多層媒質３とで構成される。この多層媒質３は、比誘電率がε1 とされる第１媒質３ａとこれを覆う比誘電率がε2 とされる第２媒質３ｂとの多層媒質とされる。ここで、第１媒質３ａの比誘電率ε1 と第２媒質３ｂの比誘電率ε2 の比ε1/ε2 の大きさは1.0 未満とする必要がある。多層媒質３の断面形状はとくに限定されないが、製造性の面からは同心円形状が好ましい。なお、平行２本線路２の一方の端部２ａ間には負荷抵抗４が接続され、他方の端部２ｂ間には回線６を介してＴＥＭモードを給電する高周波発振装置５が接続される。
【００１４】
また、図２は、本発明の第２例を示す（ａ) 正面図および（ｂ）そのＢ−Ｂ矢視図であり、図３は、本発明の第３例を示す（ａ）正面図および（ｂ）そのＣ−Ｃ矢視図である。
【００１５】
図２、図３において、図１と同一または相当部材には同じ符号を付し説明を省略する。これら第２例、第３例はいずれも、平行２線路２が第２媒質３ｂの外側近傍に設置されるものである。第２媒質３ｂは第２例のように中実の単体であってもよく、また、第３例のように比誘電率がε1 とされる第１媒質３ａを覆う（内側に充満する）管体であってもよい。本発明にいう外側近傍とは、平行２本線路１が第２媒質３ｂの外側でかつ同媒質の外面からの距離δが２mm以内の領域内を意味する。ここで、平行２本線路２の各線の第２媒質３ｂ外面からの最短距離はそれらの算術平均値に対して±10％の誤差範囲内にあることが好ましい。
【００１６】
このように、誘電体アンテナ７を構成することによって、高周波発振装置５から給電されたＴＥＭモードの伝送エネルギーは、平行２本線路２の中心（線路幅の中心）が多層媒質３の断面の幾何学的中心（図１の例では同心円の中心）と一致せず該中心から偏心している場合（図１）でも、また、平行２本線路２が多層媒質３または単体の第２媒質３ｂの外側近傍に配置された場合（図２または図３）でも、ハイブリッドダイポールモードが強く励振され、その結果、ＴＥＭモードの伝送エネルギーの大部分が多層媒質の誘電体線路１のハイブリッドダイポールモードに変換される。そして、このエネルギーが誘電体線路１の矢示Ｒの軸方向に強い指向性を持ったエンドファイヤ型の電磁波として放射される。
【００１７】
本発明に係る誘電体アンテナは、線路の各部から一様に電磁波を放射する連続した波源からなるアレイアンテナの一種と考えられる。アレイの各波源の指向性はＨ面が８の字形、Ｅ面が無指向性でループアンテナと同じ指向性を持っている。したがって、全体の指向性は矢示Ｒの軸方向にエンドファイヤの指向性を持ち、Ｈ面がＥ面よりやや鋭い指向性を持つ。そこで、平行２本線路２のＴＥＭモードと誘電体線路１のハイブリッドダイポールモードとのインピーダンスマッチングがよいため、高い放射効率が得られることになる。
【００１８】
なお、指向性パターンは、第１媒質３ａの比誘電率ε1 （第１例の場合）または第２媒質３ｂの比誘電率ε2 （第２例または第３例の場合）または平行２本線路２の線路間隔Ｓ、あるいは線路長Ｌを変化させることによって制御することができる。また、第２例、第３例のように平行２本線路を誘電体媒質の外側近傍に設置する場合は、誘電体からの距離δを変えることによって容易に放射電力の大きさを制御することができる。
【００１９】
本発明によれば、第１例のように平行２本線路を誘電体管の中心から偏心させても、第２、第３例のように平行２本線路を誘電体媒質の外側近傍に配置しても、電磁的結合の強さはほとんど変わらないため、平行２本線路の配置位置を比較的緩い制限範囲内で自由に選ぶことができる。これにより設計製造の自由度が大きくなり、操作性も格段に向上する。
【００２０】
第１媒質３ａとしては比誘電率ε1 が１である空気が適当であるが、空気以外にその比誘電率ε1 が2.55程度のテフロン（フッ素樹脂の一つで、四フッ化エチレン（ポリテトラフルオロエチレン：ＰＴＦＥ）Ｃ２Ｆ４の重合体。du Pont社の商品名である。）やポリエチレンなどを用いて位相速度を遅らせ、指向性を制御することができる。また、第２媒質３ｂとしては水とかチタン酸バリウム系セラミック誘電体など、比誘電率ε2 が比誘電率ε1 よりも高い範囲内で誘電体損失の小さいものがよい。
【００２１】
平行２本線路２の線路長Ｌは、実用上、0.1 λ0 〜３λ0 （λ0 ；使用周波数に対応する波長）とするのが適当であるが、平行２本線路２のＴＥＭモードによってＨＥ11モードが励振されるまでの過渡的な部分から電磁波が放射され、ＨＥ11モードが確立されてしまうと電磁波が放射されなくなるため、線路が長くなると誘電体損失の影響が大きくなる。したがって、ＨＥ11モードの伝送モードが確立される前に電磁波として放射してしまった方が誘電体損失の影響を受けにくいので、例えば0.5 λ0 〜２λ0 のように比較的短い線路にした方が望ましい。
【００２２】
第２媒質３ｂの外径（最長外径の意。以下同じ。）は、誘電体線路１にＨＥ11モードが生起される大きさとして0.5 λ0 より小さいのが望ましく、その値は第２媒質３ｂの比誘電率ε2 を大きくすることによって小さくすることができる。すなわち、第２媒質３ｂの比誘電率ε2 を例えば90とすれば、第２媒質３ｂの外径を0.11λ0 と小さくできる。
【実施例】
【００２３】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳しく説明する。
〔実施例１〕
実施例１では、線路径ｄ＝２mmφ、線路長Ｌ＝0.5 λ0 、線路間隔Ｓ＝10mmとした平行２本線路（線は銅線表面に銀めっきを施した導線）を、内径＝24.3mmφ、外径＝40.5mmφ、長さ＝線路長L のチタン酸バリウム系セラミック誘電体管（；この誘電体管が比誘電率ε2 ＝90の第２媒質に相当）の管内（；管内の空気が比誘電率ε1 ＝１の第1 媒質に相当）に装入し、あるいは同管の外側に設置し、その際、管内装入位置あるいは外側設置位置を種々変更して構成した誘電体アンテナについて、平行２本線路の一端に200 Ωの負荷抵抗を接続し、もう一端に高周波発振装置から850MHz（λ0 ＝3.53ｍ）のＴＥＭモードを給電し、誘電体アンテナから放射される電磁波の最大電界強度及び指向性利得を測定することによって誘電体アンテナの平均放射電力を求め、同じ電力を給電した比較アンテナ（；アドバンテスト社製ダブルリッジドウェーブガイドアンテナ）の平均放射電力を同様な測定によって求め、これを対照基準として正規化することにより動作利得を測定した。この動作利得は最大放射効率の指標となる。なお、平行２本線路を誘電体に固定する材料には比誘電率が略１になる発泡スチロールを用いた。
【００２４】
その結果を、平行２本線路の中心位置（誘電体管中心からの距離で表した）と動作利得との関係を示すグラフに整理して図４に示す。同図より、平行２本線路が第１媒質内で同媒質の中心から偏心して設置され、あるいは第２媒質の外側近傍（外面から２mm以内）に設置されてなる本発明例は、平行２本線路が第１、第２媒質の中心と同心に設置されてなる特許文献１記載の多層媒質誘電体アンテナと同程度の最大放射効率を示した。
〔実施例２〕
実施例２では、実施例１において線路長Ｌ＝0.5 λ0 に代えて線路長Ｌ＝1.0 λ0 とした以外は実施例１と同様にして、動作利得を測定した。その結果を実施例１と同様に整理して図５に示す。同図より、平行２本線路が第１媒質内で同媒質の中心から偏心して設置され、あるいは第２媒質の外側近傍（外面から２mm以内）に設置されてなる本発明例は、平行２本線路が第１、第２媒質の中心と同心に設置されてなる特許文献１記載の多層媒質誘電体アンテナと同程度の最大放射効率を示した。
【００２５】
なお、平行２本線路を第２媒質の外側近傍に設置する場合は、第２媒質を管状に代えて棒状として第１媒質を省略しても、同様の結果が得られた。
【００２６】
また、第１、第２媒質の断面形状は、上記実施例１，２では円形としたがこれに限らず、不特定の折れ線あるいは曲線で囲まれた断面形状としても同様の結果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第１例を示す（ａ) 正面図および（ｂ）そのＡ−Ａ矢視図である。
【図２】本発明の第２例を示す（ａ) 正面図および（ｂ）そのＢ−Ｂ矢視図である。
【図３】本発明の第３例を示す（ａ）正面図および（ｂ）そのＣ−Ｃ矢視図である。
【図４】実施例１における平行２本線路の中心位置と（誘電体管中心からの距離で表した）と動作利得との関係を示すグラフである。
【図５】実施例２における平行２本線路の中心位置と（誘電体管中心からの距離で表した）と動作利得との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
１  誘電体線路
２  平行２本線路
３  多層媒質
３ａ  第１媒質
３ｂ  第２媒質
４  負荷抵抗
５  高周波発振装置
６  回線
７  誘電体アンテナ
【図１】
2005151467.tif 000003
【図２】
2005151467.tif 000004
【図３】
2005151467.tif 000005
【図４】
2005151467.tif 000006
【図５】
2005151467.tif 000007