(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力信号を受信する入力手段と、前記入力信号を放射する対数周期アンテナを形成すべく配置された複数の双極子アンテナ要素と、前記入力手段から前記複数のアンテナ要素へ前記入力信号を供給する信号供給手段とを有しており、前記信号供給手段は複数の供給ラインを有しており、各前記複数の供給ラインは前記複数のアンテナ要素の各々に接続されており、各前記複数のアンテナ要素と次のアンテナ要素は交互の極性を有しており、各前記複数の供給ラインは所定の遅延量だけ入力信号を遅延させる遅延を含んでおり、前記所定の遅延量が前記複数のアンテナ要素のそれぞれの位置とアンテナの前部の所定の基準点との間の時間遅れを補償することを特徴とする広帯域アンテナ。
【請求項２】
前記所定の遅延量が前記複数の供給ラインのそれぞれの長さにより決定されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記複数の供給ラインが回路基板により与えられることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記複数のアンテナ要素が平行かつ同一平面内に配列されており、前記回路基板が前記アンテナ要素に対して垂直に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
【請求項５】
前記信号供給手段が回路基板上に配置された供給ネットワークを有しており、前記供給ネットワークが各アンテナ要素への入力信号の少なくとも各部分を分割、遅延、および供給することを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記供給ネットワークが各前記複数の供給ラインに接続されて入力信号を受信する共通の送信ラインを有していることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記共通の送信ラインが傾斜していて、非バランスからバランスへの変成器として作動することを特徴とする請求項６に記載のアンテナ。
【請求項８】
前記供給ラインが、前記複数のアンテナ要素の各交互配置のアンテナ要素の極性を反転させるべく、配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
【請求項９】
入力信号を放射する双極子要素の対数周期アレーを与えるべく配列された複数のアンテナ要素と、複数の供給ラインを有した信号供給手段とを有しており、各前記複数の供給ラインは前記複数のアンテナ要素のそれぞれに接続されており、各前記複数の供給ラインは時間遅れを与える所定の長さであり、所定の作動範囲を横切る放射された信号の全ての周波数成分がアンテナの前部の所定の基準点で同じ時間遅れを受けることを特徴とする広帯域アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、電磁波放射用のアンテナに関し、なかでも限定的ではないが、広帯域の信号を放射でき、放射信号スペクトルにおける周波数成分の相対的位相が実質的に変化しないアンテナに関する。
【０００２】
大部分の既知のアンテナは、本来「狭帯域」である。云いかえると、大部分のアンテナは、無線周波数のある狭い波長領域でだけ、効率良く放射できる。一部の際立ったものは、「広帯域」設計であるが、しかし、それらはほとんど依然として、広帯域内の、幾つかの個々の狭い領域の波長信号を受信できるにすぎない。例えば、狭い領域の波長信号は、通常そのような領域に広がる情報チャンネルである。周波数成分の相対的位相は、このように重要性が無く、既知の広帯域アンテナでは、ともすれば、周波数成分の範囲は広いものの、位相変化はコントロールされていないものになりがちであった。
【０００３】
公知技術として広く知られている例に、対数周期アンテナがある。このアンテナは、作動領域の内、個々の波長で共振する一連の要素から成る。そのようなアンテナの供給ポイントは、高周波数側の端に設定されている。電磁波は、大体共振する要素に出会うまで、供給ラインを下がって行き、その要素によって放射される。
【０００４】
共振する要素よりも後方の長い要素は、反射体として働き、前方の短い要素は、誘導体として働く。このようにして、供給ポイント方向へ選択的に戻る電磁波放射が引き起こされる。このような作用の結果として、周波数が小さくなるほど、送信ラインから放射要素へ送られ、前方の放射方向へ戻ってくるまでの所要時間の、時間的遅延が増加することが見出された。この時間的遅延が、周波数に依存する位相変化（分散）に変換される。
【０００５】
第２の既知の設計は、ホーンアンテナである。これは分かりやすいピラミッド型や、尾根ガイド型の広帯域アンテナである。典型的なホーンアンテナは、ゆるやかな先細り傾斜の付いたウエーブガイドから成り、進行形で電波を宇宙へ発射し、本来広帯域的性質である。しかしながら、まだなおウエーブガイド部分に周波数依存性の位相分散があり、ホーンアンテナは作動する周波数レンジの割りに非常に大きい。
【０００６】
第３の既知の設計は、レーダー警戒装置の受信に普通に使われている、平板スパイラルアンテナである。平板スパイラルアンテナは、本来円周方向に分極し、直線方向にも分極した曲がりくねったアンテナである。平板であるために、この設計では対数周期アンテナやホーンタイプに比べて、指向性が貧弱であり、特にそれらは前方にも後方にも同じように放射する。その結果、背面に吸収材を配置しなければならず、必然的に５０％の放射を吸収してしまう。前方においてさえも、ビーム型は非常にワイドである。従って、どの方向に対する放射も相対的に不充分である。
【０００７】
以上で述べた全ての従来技術のアンテナは、対数周期アンテナに比べ、上記の様に同じ位相分散問題にある程度は悩んでいる。
【０００８】
本質的に広帯域で、位相分散が非常に少ないアンテナとして知られているのは、抵抗負荷された双極子アンテナで、これに対する幾つかの設計がある。しかしながら、そのような双極子アンテナは、本質的に非常にロスが大である。さらに、それらは相乗りするような指向性の放射パターンを作り出す。
【０００９】
次ぎのようなアンテナを提案することが望まれている。広帯域の信号を放射し、しかも、信号スペクトルの周波数要素において、有意差のある相対的位相変化を伴わないアンテナ。望ましくは、所望のアンテナは、コンパクトで、安価に製造でき、指向性があり、効率が高いものでありたい。
【００１０】
この発明では、次ぎの構成から成る広帯域アンテナを提案する。入力信号を受信する入力手段と、この入力信号を放射するための複数のアンテナ要素と、前記の入力手段から前記の複数のアンテナ要素へと、前記の入力信号を供給する手段とから成り、しかも、次ぎの特徴を有する。前記の信号供給手段が、複数の独立した供給ラインを有し、そのそれぞれが、前記複数のアンテナ要素の、個々のアンテナ要素と接続されている。
【００１１】
前記複数の供給ラインのそれぞれが、入力信号を所定の遅延量だけ、遅延させるための遅延を含むことが望ましい。
【００１２】
前記所定の遅延量は、前記複数の供給ラインの、個々の供給ラインの長さによって、決められることが望ましい。
【００１３】
前記所定の遅延量が、前記複数のアンテナ要素の内、個々のアンテナ要素の位置と、所定の位相基準点との間の、位相遅延を補償することが望ましい。
【００１４】
前記複数のアンテナ要素が、対数周期アンテナを形成するように配置されており、前記所定の位相基準点が、そのアンテナの前部であることが望ましい。
【００１５】
前記複数の信号供給手段は、回路基板により提供されることが望ましい。
【００１６】
前記複数のアンテナ要素が、全体として平行で同一面上にあり、前記回路基板が、前記アンテナ要素と垂直に配置されていることが望ましい。
【００１７】
前記の信号供給手段が、少なくとも入力信号の個々の部分を、それぞれ個々のアンテナ要素に対し、分割、遅延および供給するための回路基板により提供される、供給ネットワークを含むことが望ましい。
【００１８】
前記供給ネットワークが、前記入力信号を受信するために接続され、前記複数の供給ラインのそれぞれと接続された、共通の送信ラインを含むことが望ましい。
【００１９】
前記共通の送信ラインが、アンバランスからバランスへの変成器として機能するように先細り傾斜付けされていることが望ましい。
【００２０】
前記供給ラインが、前記複数のアンテナ要素の内、アンテナ要素の順次交互に、位相を反転するように仕組まれていることが望ましい。
【００２１】
この発明による第２の形態として、次ぎの構成から成る広帯域アンテナを提案する。複数のアンテナ要素が、双極要素の対数周期アレーを提供し、信号供給手段により供給された入力信号を、放射するように仕組まれており、次ぎの特徴を有する。前記信号供給手段が、複数の供給ラインを備え、そのそれぞれが、前記複数のアンテナ要素の内、それぞれのアンテナ要素に接続されており、各供給ラインが、所定の作動領域を通じて、全放射信号の周波数成分が、所定の位相基準点と同相であるような所定の長さである。
【００２２】
各供給ラインが、入力信号または、それぞれのアンテナ要素に適用された入力信号の一部を、所定の遅延量だけ遅延させるための遅延を含むことが望ましい。
【００２３】
相対的に長い要素では相対的に低周波数を、相対的に短い要素では相対的に高周波数をというように、アンテナの各要素は、選ばれた周波数において、最適条件で放射することが望ましい。個々の供給ラインの長さは、個々のアンテナ要素の位置と、アンテナの前部にある位相基準点との間の、位相遅延を補償するように選ぶことが望ましい。このようにすれば、遅延ラインの物理的長さを調整することで、それぞれの信号の周波数部分を選択的に遅延させることにより、放射される信号の全ての周波数成分が、アンテナの前部にある位相基準点を同相で離れる。
【００２４】
１つの実施例として、独立した供給ライン群が、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に供給ネットワークをエッチングして形成された。このプリント回路基板（ＰＣＢ）は、アンテナの長手方向軸の中央が作る面で、個々のアンテナ要素が作る面と垂直に、望ましく配置された。この供給ネットワークは、アンテナにより放射される電界と垂直だから、歪は最小化された。
【００２５】
この望ましいアンテナは、プリント回路基板（ＰＣＢ）上の供給ネットワーク中にエッチングして形成された供給ライン群を含み、その個々の供給ラインの長さは、原理的に、放射要素の位置とアンテナ前部にある位相基準点との間の、位相遅延を補償するように選ばれている。この手法は、次ぎのように対比できる。アンテナにおける時間遅延を補償する意図で、入力信号を、その信号の様々な周波数成分に対する様々な量の遅延と同相の成分にさらして、入力信号に電気的にあらかじめ歪を与えた入力信号を用いることにより、共通の入力点と個々の放射要素との間の時間遅延を補償しようとする。
【００２６】
ここで述べたアンテナは、高いパワーパルスを効率的に放射する用途に使うことを特に意図する。例えば、電子機器の電磁気的コンパティビリティー試験に用いる。このアンテナはまた、静電気放電、雷、あるいはシミュレートされた原子核の電磁気的パルスのような、干渉源からのパルス化された信号を受信するのに使うことも意図されている。さらなる応用例には次ぎのものを含む。広帯域の地下探査レーダー、および標準的アンテナの分散特性が通用しないような超広帯域の通信。
【００２７】
選ばれた実施例のアンテナは、特に電磁気的コンパティビリティー試験の分野に関し、そこでは、テスト中の機器に供給するのに充分なボリュームの平面波フィールドを、近似的に作り出すことが期待されている。そのアンテナは、比較的コンパクトで指向性があり、効率良く設計されている。
【００２８】
選ばれたアンテナの更なる利点は、広い周波数レンジ内で選ばれた周波数において、既知の安定した相対的位相で、アンテナを交換する必要も無く、使用できることである。さらに望ましいことは、そのアンテナによって作り出される信号が安定しており、特定の場所および各テスト場所間で再現性があることであり、このことは、この選ばれたアンテナにより達成できる。
【００２９】
この発明が一層よく理解され、如何に本発明の実施例が遂行され、効果を発揮するかを示すために、添付の説明図により参考例として、以下に参照する。
【００３０】
図１を参照すると、選ばれた対数周期アンテナが、この場合、８本の双極要素１〜８が、プリント回路基板（ＰＣＢ）９上に設置された送信ラインの中心面に垂直な、１平面上に配置されている。双極要素１〜８のそれぞれは、プリント回路基板（ＰＣＢ）９上の独立した供給ラインにより、独立して供給される。
【００３１】
それぞれの双極要素の長さと厚さは、この技術に詳しい人には良く知られていることであるが、最も長くて厚い要素８は、相対的に低い周波数で作動することが意図され、最も短くて薄い要素１が相対的に高い周波数で作動することが意図されている、その場所に至るまで、順次長さと厚さが選定されている。例えば、最も長い要素８は、半波長が５００ＭＨｚに、そして、最も短い要素１は、半波長が１ＧＨｚになるように選ばれている。見本としての寸法が、表１に示してある。これらはもちろん、アンテナの意図する用途とパワー出力に応じて設定されている。
【００３２】
この双極要素は、交互に逆方向に供給するように仕組まれた供給法で、交互に供給されている。入力信号は分割、遅延、および適宜の仕組みによりそれぞれの双極要素に供給される。この選ばれた実施例では、プリント回路基板（ＰＣＢ）の両面にエッチングされた供給ラインにより供給される。
【００３３】
【表１】
0004124571.tif 000002
【００３４】
図２および図３を参照すると、選ばれたプリント回路基板（ＰＣＢ）の、それぞれの双極要素１〜８に対応するパッド３１ａ〜３８ａに導くレイアウトが示されている。図２は、プリント回路基板（ＰＣＢ）の表側を示し、図３は、その反対側を示す。図２および図３において、同軸ケーブルの一端に付けたＳＭＡコネクターのような入力信号が接続される。例えば、入力端１０および１１に、はんだ付けし、中央のコネクターは、表側入力端１０に、はんだ付けする。送信ライン１４の最初の部分は、一体化する点１２に到達するまでは、全ての要素に共通である。一体化する点１２からは、分割送信ライン２１ａ〜２８ａがそれぞれの双極要素１〜８に対応するパッド３１ａ〜３８ａに到達するまで、送信ラインは順次分割されてゆく。
【００３５】
それぞれの送信ライン２１ａ〜２８ａは、任意の適切な形で良いが、図示の選ばれたパターンは、プリント回路基板（ＰＣＢ）の製作に都合の良いように配置されている。図２における表側のパターン２１ａ〜２８ａは、図３における裏側のパターン２１ｂ〜２８ｂに対応している。
【００３６】
図３を参照すると、プリント回路基板（ＰＣＢ）の裏側における送信ラインの共通部分は、はんだ付け結合１１を経て、同軸入力ラインの外側シェルに、例えば、ＳＭＡコネクターで接続された、先細り傾斜付けされた部分１３を含む。この先細り傾斜付けされた部分１３は、アンバランスからバランスへの変換器として作動する。先細り傾斜部分１３の入力側端では、送信ラインの下側部分は、非常に広く地平面のような印象を与える。長くゆるやかな先細り傾斜を用いることにより、優れた広帯域特性が達成できる。
【００３７】
送信ライントラックの幅は、定義された固有のインピーダンスを維持できるようにすべきである。固有のインピーダンスで都合の良い値は、５０オームである。何故なら、これはベーシックな双極値７３オームよりも少し低く、双極要素を組み合わせてアレーにすると、インピーダンスが低下するからである。
【００３８】
送信ラインに分岐を作ると、固有のインピーダンスを倍増させてしまうが、図２および図３に見られるように、先細り傾斜付けされた遷移部分を導入することにより、５０オームに再変換される。
【００３９】
次ぎに、それぞれの遅延ライン２１〜２８の長さ設定について、以下に詳しく述べる。
【００４０】
第１の近似として、それぞれの遅延ラインの長さを、双極要素の寸法を対数的数列として設定するという、伝統的な寸法値で仮定した。しかし、アンテナの先端からの距離が増えるに従って、供給ラインの長さが順次減るように、次ぎから次ぎへと反転してあるので、その結果として、一体化する供給点１２からそれぞれのパッド３１〜３８に至る遅延時間プラス、それぞれのパッド部にある双極要素からアンテナの先端に至る放射された波の遅延時間とのトータルが、等しくなる。実験的にそのような仕組みは、許容できるが、しかし良好ではない結果となることが分かった。
【００４１】
実験的に比較することにより、望ましい仕組みを確立することができた。その望ましいアンテナは、電子なだれ崩壊パルス発生器からの、４００ｐｓオーダーの励起時間をもつ、２ｎｓガウスの入力で、帯域制限された非拡散放射を可能とするように選ばれた。放射された電場を探査するために、完全に非共振にするために先細り傾斜付けされ抵抗装着した、２個の蝶ネクタイ型の双極アンテナが創作された。これらの蝶ネクタイ型アンテナをテストしたところ、それらは、励起時間が１ナノセカンドよりもはるかに短い、優れたデッドビート（ｄｅａｄ−ｂｅａｔ）反応を示した。
【００４２】
要素間の間隔が比較的小さいアンテナで、非拡散パルスの優れた放射波が得られた。上記の表１に記載の寸法で構成したアンテナに対する、送信ライン２１〜２８についての、遅延ラインの望ましい長さを、表２に示す。
【００４３】
ここで図４を参照すると、要素２，４，６，８に対する供給は、プリント回路基板（ＰＣＢ）内の穴を経由する手段によって反転されており、送信ラインの交差接続を可能にしている。この経由穴は、図２および図３において、説明図的にギャップ４２，４４，４６，４８として示されている。
【００４４】
【表２】
0004124571.tif 000003
【００４５】
それぞれの双極要素１〜８間の間隔は、実験的に決定された。その望ましい間隔を、下記の、表３に示す。
【００４６】
【表３】
0004124571.tif 000004
【００４７】
この分野に詳しい人には分かることであるが、要素間の間隔は、対数周期アンテナにとって妥当と普通に考えられているよりもはるかに接近しており、供給ライン２１〜２８における遅延時間（ひいては位相も）が、直観とは逆にばらついている。にもかかわらず、この望ましいアンテナは、優れた性能をもつ。特に、作動帯域全体において、周波数成分の相対位相の分散が極小の、パルス信号を放射できるという優れた性能をもつ。
【００４８】
ここで述べるアンテナは、従来の非拡散型のアンテナに比べて、数々の利点がある。抵抗的な要素が不要で効率が高く、決められた方向に狭い角度で指向性の強いビームを放射することができる。意図される用途に応じてアンテナの相対寸法を設定でき、その寸法は、±２０％オーダーで、あるいは、±５０％でさえも変更することができ、それでもなお満足に作動するアンテナである。
【００４９】
このアンテナは、メインビームから離れた方向で、実演された、はるかに微弱で拡散された波形においても、効率が高く指向性が強い。このアレー供給ライン用のワンピースの平面的パワー分割器、および超広帯域のプリントされた対数周期アンテナの候補デザインは、シンプルで安価に製作できる。
【００５０】
このアンテナは、パルスアンテナのフルアレーに組み込むことが出きる。例えば、７個のアンテナから成るアレーであって、６角形の６点と７個目は大体中心部に配置する。その他のアレー配列法は、この分野に詳しい人には、よく分かることである。
【００５１】
ここで述べるアンテナは、信号中の周波数成分における位相分散が無い、パルス化された広帯域信号を放射することができる。このアンテナは、抵抗による損失無しに、つまり、１００％近い効率で放射することができる。さらに、このアンテナは、ベーシックな双極値である１．５〜１．７を実質的に上回る指向性で、放射することができる。更なる利点は、ホーンアンテナよりも重量的にも、ボリューム的にも小型である。さらにまた、このアンテナは、周波数成分の関連する位相を独立的に変えられるという利便性を有する。
【００５２】
読者の注意は、この明細書並びにその応用が公知になると、その内容を同時発生的に記載する全ての新聞や文献にも向けられる。それらの新聞や文献の記事も参照として組み込まれる。
【００５３】
この明細書で開示した全ての態様（特許請求の範囲、要約書、図面を含む）および／または、開示したステップ、プロセスなどは、一部の相容れない物を除けば、様々に組み合わせることができる。
【００５４】
この明細書で開示したそれぞれの態様（特許請求の範囲、要約書、図面を含む）は、わざわざ断らない限り、同じ機能の別の態様に置きかえることも出来、同等または類似の目的に置きかえることも出来る。このように、開示したそれぞれの態様は、同等または類似の態様の一例に過ぎない。
【００５５】
この発明は、上記の実施例の詳細により限定されるものではない。この発明は、ここで開示した明細書（特許請求の範囲、要約書、図面を含む）のいかなる新規性のある事項、新規性のある組み合わせにもおよぶものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  望ましい双極要素配置を示す図解平面図である。
【図２】  望ましいプリント回路基板（ＰＣＢ）供給ラインの配置を示す、上側表面の説明図である。
【図３】  図２で示したプリント回路基板（ＰＣＢ）供給ラインの配置を示す、下側表面の説明図である。
【図４】  プリント回路基板（ＰＣＢ）両面の位相相互反転の仕組みを示す拡大断面図である。
【図５】  望ましいアンテナの斜視図である。
【図１】
0004124571.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0004124571.tif 000009