(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ素子を冷却するアンテナ装置であって、
前記アンテナ素子を冷却する冷却手段と、
前記アンテナ素子を収容して外部から断熱する、略真空の熱遮断容器と、
前記熱遮断容器内に電波を透過させる電波透過窓と、
前記電波透過窓及び前記アンテナ素子の一方若しくは双方を移動制御して、前記電波透過窓と前記アンテナ素子との距離を可変とする可動制御部とを備え、
前記熱遮断容器の側面の一部を切り取って蛇腹状の収縮部が設けられ、
前記電波透過窓は、前記熱遮断容器に取り付けられ、前記アンテナ素子の面に対して垂直方向に移動することを特徴とするアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロストリップアンテナを用いたアンテナ装置に係り、特にマイクロストリップアンテナの指向性利得を向上できるアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯電話や衛星通信等、無線を利用した通信システムの需要が高まってきている。このような通信システムで用いられる無線機器は、アンテナ、フィルタ、アンプ等の素子や回路で構成される。特にアンテナはシステムの送受信端に設けられ、その善し悪しにより無線機器全体の受信感度が数〜数十ｄＢ異なってしまう。このため指向性高利得のアンテナを設計することは、無線機器の通信特性を効率的に向上させるための大変重要な事項である。
【０００３】
アンテナ等の高周波デバイスの高性能化を図るには、高周波に対する導体の損失が小さい、低損失材料を導体に利用することが有効である。また、高周波に対する導体の損失は、導体の表面抵抗の大小で決定される。
高周波デバイスの導体としては、従来銅が用いられてきたが、ＹＢａ２Ｃｕ３Ｏｙ（ＹＢＣＯ）等の超伝導体（超伝導材料）は、銅より著しく表面抵抗が低いため、高周波デバイスの導体として用いることで、高周波デバイスの高性能化を容易に実現することができる。
【０００４】
超伝導体は、臨界温度以下まで冷却することにより、表面抵抗を一層低減させ、安定した動作を行わせることができる。高温超伝導体であるＹＢＣＯは臨界温度は約９０Ｋであるが、安定した動作を行わせるには、更に１０〜２０Ｋ以上冷却させる必要がある。よって超伝導体をアンテナの導体として用いる際には、冷却を容易に行うことのできるアンテナに対して用いることが望ましい。
【０００５】
冷却を容易に行うことのできるアンテナとして、平面形状のマイクロストリップアンテナが従来より多用されている。図８は、マイクロストリップアンテナの構造を示した図である。
マイクロストリップアンテナは、アンテナ素子７１と、誘電体基板７４及び地導体７５とから構成されている。アンテナ素子７１では、マイクロストリップライン７３から給電が行われ、給電点７２から電力の供給が行われる。誘電体基板７４はアンテナ素子７１及び地導体７５の二つの導体に挟まれており、これらの導体の間で一定の周波数の電磁波が共振されることで、電磁波の一部が周りから放射される。
【０００６】
平面形状を有するマイクロストリップアンテナは、冷凍機（冷却手段）による伝導冷却を行っても、アンテナ内の電流分布は変化せず、アンテナ特性は劣化しない。この性質を利用して、アンテナ素子に超伝導体を用いることによって、超伝導体の低損失性を充分に生かしたマイクロストリップアンテナを得ることができる。
【０００７】
次に、マイクロストリップアンテナを用いたアンテナ装置について、図９及び図１０を用いて説明する。図９は、マイクロストリップアンテナを用いた従来のアンテナ装置の概観図であり、図１０は、図９のアンテナ装置におけるチャンバーの内部の構成図である。
図９においてアンテナ装置は、マイクロストリップアンテナ３を内部に有するチャンバーと、マイクロストリップアンテナ３の伝導冷却を行う冷凍機７を含む冷凍部とで構成される。
【０００８】
図１０に示すように、チャンバーはジャケット６と底面のフランジとで囲まれ、フランジに対面して、電波を透過させるアンテナ窓（電波透過窓）５が取り付けられている。ジャケット６は耐熱性を有し、外部からチャンバー内への熱の進入を遮断する。またジャケット６は、外部からの電磁波を遮断し、内部では電磁波を反射しない（吸収する）素材を用いるか、又は同様な機能を有する構造にすることが望ましい。ジャケット６、アンテナ窓５及びフランジとによってチャンバーは密閉されており、気密性が保たれた状態にある。またアンテナ窓５には、電波の透過性をもった材質（例えば石英、サファイア等）が用いられる。
【０００９】
チャンバー内においてマイクロストリップアンテナ３は、アンテナ窓５に対面するようにして、コールドステージ４に設置されている。コールドステージ４はコールドヘッドを通じて冷凍機７に直結しており、冷凍機７による伝導冷却によってマイクロストリップアンテナ３を冷却する。
また、マイクロストリップアンテナ３にはケーブル２が接続されており、受信の場合はアンテナ窓５を経由してマイクロストリップアンテナ３で受信した無線電波の信号を、ＲＦコネクタ１を経由して、外部の測定機器（図示せず）に出力し、送信の場合は、外部からＲＦコネクタ１を経由して入力された送信用の信号を、マイクロストリップアンテナ３から発信する。
【００１０】
またチャンバー内部は、真空バルブ（図示せず）を用いて排気を行うことで、真空状態に保持される。チャンバー内を真空状態にすることにより、真空断熱の効果が現れ、マイクロストリップアンテナ３の冷却を充分に行うことができる。このためジャケット６には、真空状態を維持するための強度が要求される。
【００１１】
図９及び図１０に示されるようなアンテナ装置によって、超伝導体を用いたマイクロストリップアンテナを、当該超伝導体の臨界温度以下で冷却して無線電波の送受信を行うことで、アンテナ装置の指向性利得が向上でき、指向性高利得の超伝導マイクロストリップアンテナの設計を容易に行うことができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のアンテナ装置では、マイクロストリップアンテナの指向性利得を向上させることが実際には困難であるという問題点があった。
【００１３】
図１０に示すようなチャンバーを有する従来のアンテナ装置では、アンテナ窓５の材質に求められる仕様として、チャンバー内の真空封止を保つための強度と、可能な限り電磁波を減衰させずにマイクロストリップアンテナ３に到達させる透過性を重視した設計となっていた。そのため、強度と透過性を重視した設計では、実際のマイクロストリップアンテナの指向性利得が、アンテナ窓の材質の誘電率や厚みによって異なるという事態が発生し、指向性高利得のマイクロストリップアンテナを容易に設計できず、マイクロストリップアンテナの指向性利得を向上させることが困難であるという問題点があった。
【００１４】
本発明は上記実情に鑑みて為されたもので、指向性利得を向上できるアンテナ装置を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記従来例の問題点を解決するための本発明は、アンテナ素子を冷却するアンテナ装置において、アンテナ素子を冷却する冷却手段と、アンテナ素子を収容して外部から断熱する、略真空の熱遮断容器と、熱遮断容器内に電波を透過させる電波透過窓と、電波透過窓及びアンテナ素子の一方若しくは双方を移動制御して、電波透過窓とアンテナ素子との距離を可変とする可動制御部とを備え、熱遮断容器の側面の一部を切り取って蛇腹状の収縮部が設けられ、電波透過窓は、熱遮断容器に取り付けられ、アンテナ素子の面に対して垂直方向に移動することを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
本発明の実施の形態に係るアンテナ装置は、電波透過窓の上面部から下面部までの距離をｔ1 とし、電波透過窓の誘電率をε1 とすると、ｔ1 ・（ε1 ）1/2の値を、電波の実効波長の１／４の奇数倍としたものであり、これにより指向性利得を向上できる。
【００２３】
また、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置は、電波透過窓の下面部からアンテナ素子までの距離をｔ2 とし、熱遮断容器内の誘電率をε2 とすると、ｔ2 ・（ε2 ）1/2  の値を、電波の実効波長の１／４の奇数倍としたものであり、これにより指向性利得を向上できる。
【００２４】
また、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置は、電波透過窓の上面部から下面部までの距離をｔ1 とし、電波透過窓の誘電率をε1 とし、電波透過窓の下面部からアンテナ素子までの距離をｔ2 とし、熱遮断容器内の誘電率をε2 とすると、ｔ1 ・（ε1 ）1/2  ＋ｔ2 ・（ε2 ）1/2  の値を、電波の実効波長の１／４の奇数倍としたものであり、これにより指向性利得を向上できる。
【００２５】
また、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置は、電波透過窓がアンテナ素子の面に対して垂直方向に可動し、また、冷却手段が電波透過窓に対して垂直方向に可動すると共に３６０度回転可能としたものであり、電波透過窓とアンテナ素子との距離を調整することで、指向性利得を向上できる。
【００２６】
また、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置は、電波透過窓の上面部又は下面部に電波を収束する収束レンズを設け、または、電波透過窓の上面部又は下面部を収束レンズの機能を備える凸面形状としたものであり、電波透過窓に収束レンズの機能を持たせることにより、指向性利得を向上できる。
【００２７】
また、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置は、上記アンテナ装置におけるアンテナ素子に超伝導材料（超伝導体）を用いたものであり、指向性利得を大幅に向上できる。
尚、請求項における熱遮断容器は図中のジャケット６、アンテナ窓５及びフランジに相当する。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置において採用する基本理論について説明する。
マイクロストリップアンテナ等の反射板を有するアンテナ素子の前面に厚さｔ、誘電率εｒの誘電体を装荷した場合、真空における電磁波の波長をλ０とし、誘電体面の垂直方向から電磁波が放射される角度をθ０とすると、
【００２９】
【数１】
0004246931.tif 000002
【００３０】
なる関係が成り立ち、アンテナ素子の指向性が正面方向のとき、θ０＝０すなわちＳｉｎθ０＝０となり、利得が（εｒ）１／２倍となることが知られている（杉尾嘉彦、牧本利夫、津川哲雄、「誘電体装荷アンテナの利得増加に関する２次元解析」：信学論（Ｂ）−ＩＩ，Ｊ７３−Ｂ−ＩＩ，８，ｐｐ４０５−４１２，１９９０年８月）。
本発明は、上記理論を利用して指向性高利得となるアンテナ装置を得ることを目的とするものである。
【００３１】
本発明の第１の実施の形態のアンテナ装置の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態（以下、実施の形態１）に係るアンテナ装置における、コールドステージ近傍の構成図である。
以下、本発明の実施の形態のアンテナ装置は、基本的な構成及び動作は図９及び図１０に示す従来のアンテナ装置と同一である。尚、従来と同一の構成部分については、同一の番号を付して説明する。
【００３２】
図１において、アンテナ窓５の厚さをｔ１、比誘電率をεｒ、アンテナ窓５とマイクロストリップアンテナ３間との距離をｔ２、アンテナ窓５とマイクロストリップアンテナ３間の空間の比誘電率をε０、真空における電磁波の波長をλ０とすると、
【００３３】
【数２】
0004246931.tif 000003
【００３４】
なる関係が成り立つ。（２）式は、アンテナ窓５とマイクロストリップアンテナ３間の空間を誘電体とみなして、（１）式を適用したものである。
実施の形態１のアンテナ装置において、チャンバー内部は略真空であるため、比誘電率ε０は真空誘電率を用い、（２）式の関係が成り立つようにアンテナ窓５及びマイクロストリップアンテナ３の構造や形状を設計することで、指向性高利得のアンテナ装置を実現することができる。
実施の形態１のアンテナ装置において、
【００３５】
【数３】
0004246931.tif 000004
【００３６】
【数４】
0004246931.tif 000005
【００３７】
なる関係が成り立つようにアンテナ装置を設計してもよい。（３）（４）式の関係が成り立つ場合も、アンテナ装置は指向性高利得となる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置におけるチャンバーの内部の構成図である。
図２のアンテナ装置では、ジャケット６は円筒形であり、アンテナ窓５とマイクロストリップアンテナ３との距離を可変にできるよう、ジャケット６の側面の一部を切り取って、蛇腹状の収縮部１２を設けたことを特徴としている。ジャケット６は収縮部１２を境として、アンテナ窓５を含んだ部分（以下、可動部分）が可動な構成となっている。
【００３９】
また、ジャケット６の周囲には可動棒１１が複数設けられ、さらに各可動棒１１とジャケット６の可動部分の間には指示棒１３が取り付けられている。
可動棒１１は可動制御部（図示せず）によって紙面縦方向に移動し、可動棒１１の移動は指示棒１３を介してジャケット６の可動部分に伝達されることで、ジャケット６の可動部分が可動する。可動制御部を用いて可動棒を移動させることで、アンテナ窓５とマイクロストリップアンテナ３との距離を（２）又は（４）式のいずれかを満たすように調整することで、指向性利得を向上することができる。
【００４０】
次に、本発明の実施の形態３のアンテナ装置について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置におけるチャンバー内部の構成図である。
図３のアンテナ装置では、コールドヘッド下部２３をネジ状にしてコールドヘッドを可動にし、マイクロストリップアンテナ３とアンテナ窓５との距離を可変としたことを特徴としている。
【００４１】
コールドヘッドは可動制御部（図示せず）によって回転しながら紙面縦方向に可動するが、可動に伴いコールドステージ４も共に回転するとケーブル２が絡み付いてしまう恐れがある。このため図３のアンテナ装置では、フランジとコールドステージ４との間に固定棒２２を設け、さらにコールドステージ４とコールドヘッドとの境界面に芯棒２１を設け、コールドステージ４の回転を防いでいる。固定棒２２は、コールドヘッドと同調して紙面縦方向に可動し、また芯棒２１を設けることでコールドステージ４が回転せず、位置ずれを起こさないようにしている。更にケーブル２はコールドヘッドの可動に対応できるように余裕を持たせた長さにする。
【００４２】
コールドヘッド及び固定棒２２を可動させるために、フランジに穴をあける必要があるが、これによる真空度の低下を防ぐために、図３のアンテナ装置では、コールドヘッド及び固定棒２２に、例えばゴム等を素材とするＯリング２４を取り付けて、機密性を確保している。
可動制御部を用いてコールドヘッドを可動させることで、アンテナ窓５とマイクロストリップアンテナ３との距離を（２）又は（４）式のいずれかを満たすように調整することで、指向性利得を向上することができる。
【００４３】
また、本発明の実施の形態において、電波を収束して受信する構成とすることによっても、本発明のアンテナ装置の指向性利得を向上することができる。
次に、本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置について、図４〜図７を用いて説明する。図４は本発明の第４の実施の形態に係る受信用のアンテナ装置における、チャンバー内部の構成図である。
図４のアンテナ装置では、アンテナ窓５において、チャンバー外側の面に凸レンズ３１を設置したことを特徴としており、このような構成により、電波を収束させてマイクロストリップアンテナ３に入射させることができ、アンテナ装置の指向性利得を向上することができる。ただし、アンテナ窓の厚さ又はアンテナ窓からアンテナ素子までの距離に依存しなくとも、凸レンズ３１を付加することで、アンテナ装置の指向性利得を向上できる。
【００４４】
また、図５は、図４のアンテナ装置における、チャンバー内部の構成図の変形例である。図５のアンテナ装置では、アンテナ窓４１において、チャンバー外側の面を凸形状としたことを特徴としており、図４のアンテナ装置と同様、電波を収束させてマイクロストリップアンテナ３に入射させることができ、アンテナ装置の指向性利得を向上することができる。ただし、アンテナ窓の厚さ又はアンテナ窓からアンテナ素子までの距離に依存しなくとも、アンテナ窓４１を凸形状とすることで、アンテナ装置の指向性利得を向上することができる。
【００４５】
図６は、本発明の第４の実施の形態に係る送信用のアンテナ装置における、チャンバー内部の構成図である。図６のアンテナ装置では、アンテナ窓５において、チャンバー内側の面に凸レンズ５１を設置したことを特徴としており、このような構成により、マイクロストリップアンテナ３からの電波を収束させて放射させることができ、アンテナ装置の指向性利得を向上することができる。ただし、アンテナ窓の厚さ又はアンテナ窓からアンテナ素子までの距離に依存しなくとも、凸レンズ５１を付加することで、アンテナ装置の指向性利得を向上することができる。
【００４６】
また、図７は、図６のアンテナ装置における、チャンバー内部の構成図の変形例である。図６のアンテナ装置では、アンテナ窓６１において、チャンバー内側の面を凸形状としたことを特徴としており、図６のアンテナ装置と同様、マイクロストリップアンテナ３からの電波を収束させて放射させることができ、アンテナ装置の指向性利得を向上することができる。ただし、アンテナ窓の厚さ又はアンテナ窓からアンテナ素子までの距離に依存しなくとも、アンテナ窓６１を凸形状とすることで、アンテナ装置の指向性利得を向上することができる。
【００４７】
本発明のアンテナ装置では、超伝導マイクロストリップアンテナを冷却して用いるものとして説明してきたが、一方で銅などの伝導体を冷却しても表面抵抗を低減できる効果があることが知られている。本発明のアンテナ装置では、常伝導体のマイクロストリップアンテナを用いても、超伝導マイクロストリップアンテナの場合と同様に、アンテナ装置の指向性利得を向上できるものである。
【００４８】
また、これまで説明した本発明の実施の形態のアンテナ装置は、任意に組み合わせることが可能であり、その場合には既に説明したそれぞれの効果を組み合わせて奏するものである。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によれば、アンテナ素子を冷却するアンテナ装置において、アンテナ素子を冷却する冷却手段と、アンテナ素子を収容して外部から断熱する、略真空の熱遮断容器と、熱遮断容器内に電波を透過させる電波透過窓と、電波透過窓及びアンテナ素子の一方若しくは双方を移動制御して、電波透過窓とアンテナ素子との距離を可変とする可動制御部とを備え、熱遮断容器の側面の一部を切り取って蛇腹状の収縮部が設けられ、電波透過窓は、熱遮断容器に取り付けられ、アンテナ素子の面に対して垂直方向に移動するアンテナ装置としているので、電波透過窓とアンテナ素子との距離を調整することで、指向性利得を向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態（以下、実施の形態１）に係るアンテナ装置における、コールドステージ近傍の構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置におけるチャンバーの内部の構成図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置におけるチャンバー内部の構成図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る受信用のアンテナ装置における、チャンバー内部の構成図である。
【図５】図４のアンテナ装置における、チャンバー内部の構成図の変形例を示す図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態に係る送信用のアンテナ装置における、チャンバー内部の構成図である。
【図７】図６のアンテナ装置における、チャンバー内部の構成図の変形例を示す図である。
【図８】マイクロストリップアンテナの構造を示した図である。
【図９】マイクロストリップアンテナを用いた従来のアンテナ装置の概観図である。
【図１０】図９のアンテナ装置におけるチャンバーの内部の構成図である。
【符号の説明】
１…ＲＦコネクタ、  ２…ケーブル、  ３…マイクロストリップアンテナ、  ４…コールドステージ、  ５…アンテナ窓、  ６…ジャケット、  ７…冷凍機、１１…可動棒、  １２…収縮部、  １３…指示棒、  ２１…芯棒、  ２２…固定棒、  ２３…コールドヘッド下部、  ２４…Ｏリング、  ３１…凸レンズ、  ４１…アンテナ窓、  ５１…凸レンズ、  ６１…アンテナ窓、  ７１…アンテナ素子、  ７２…給電点、  ７３…マイクロストリップライン、  ７４…誘電体基板、  ７５…地導体
【図１】
0004246931.tif 000006
【図２】
0004246931.tif 000007
【図３】
0004246931.tif 000008
【図４】
0004246931.tif 000009
【図５】
0004246931.tif 000010
【図６】
0004246931.tif 000011
【図７】
0004246931.tif 000012
【図８】
0004246931.tif 000013
【図９】
0004246931.tif 000014
【図１０】
0004246931.tif 000015