(57)【要約】【課題】利得、軸比、ＶＳＷＲが良好な帯域を広く取ることができ、且つ簡素な構造からなる導波管型の円偏波アンテナを実現する。【解決手段】円偏波アンテナ１は、導波管部２３と該導波管部２３内に挿入されたプローブ５Ａ〜５Ｄと、該プローブ５Ａ〜５Ｄを中心導体とする同軸ケーブル４Ａ〜４Ｄと、を備える。導波管部２３は、天頂側に開口した円筒導波管２と、該円筒導波管２の天頂側に対向する側に接続された半球形状のキャビティ３とからなる。プローブ５Ａ〜５Ｄは、天頂側から見て、円筒導波管２の中心Ｏを基準として等角度間隔となるように配置される。これらプローブ５Ａ〜５Ｄには、同軸ケーブル４Ａ〜４Ｄを介して、角度間隔および配置位置に応じて位相調整が行われた送信信号が給電される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数帯域幅内のそれぞれに異なる複数の周波数の円偏波を送信および受信する円偏波アンテナであって、
天頂方向側の面のみを開口する導体からなり、前記導体の開口面から内壁面までの距離が、前記開口面の縁側から中心に向かって順に長くなるように形成された導波管部と、
該導波管部内において、給電時に空間的に直交する電界ベクトルが発生するように配置された複数のプローブと、
該複数のプローブによる送信および受信時に、天頂方向から見た前記複数のプローブの角度間隔に応じて位相処理を行う位相処理手段と、
を備えた円偏波アンテナ。
【請求項２】
前記導波管部は略半球からなり、該略半球の切断面を前記天頂方向側の面とする、請求項１に記載の円偏波アンテナ。
【請求項３】
前記導波管部は、円筒部と略半球部とからなり、
前記円筒部は、対向する円形面の一方面を前記天頂方向側の面とし、
前記略半球部は、略半球の切断面が前記円筒部の前記天頂方向に対向する側の面に一致する形状からなり、
前記複数のプローブは、前記円筒部内に設置されている、請求項１に記載の円偏波アンテナ。
【請求項４】
前記導波管部内には、所定誘電率からなる誘電体が充填されている、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の円偏波アンテナ。
【請求項５】
前記導波管部に接続する平板状の導体板を前記天頂方向側の面に沿って備える、請求項１〜４のいずれかに記載の円偏波アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、円偏波を送受信するための円偏波アンテナ、特に導波管アンテナからなる円偏波アンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＧＰＳを含むＧＮＳＳ等では、衛星からの電波を受信するアプリケーションとして円偏波を用いたものが多い。このため、従来、各種の円偏波アンテナが考案、開示されている。そして、近年、アンテナには広帯域化が要求されており、例えば、ＧＰＳでは、Ｌ１波（周波数：１．５７５４２ＧＨｚ）、Ｌ２波（周波数：１．２２７６ＧＨｚ）、Ｌ５波（周波数：１．１７６４５ＧＨｚ）の三周波数が受信可能なアンテナが要求され、さらには、ガリレオ等、他のＧＮＳＳの電波をも受信可能なアンテナが要求されることがある。
【０００３】
このような広帯域化に対して、それぞれに異なる周波数からなる電波の送受信を行う複数のエレメントを一つの平板上に形成したアンテナや、平板上に形成するエレメントの形状を工夫することで周波数帯域幅を広げたアンテナが開示されている。また、伝搬可能な周波数帯域幅が元々広い導波管を用いたアンテナも各種開示されている。例えば、特許文献１のアンテナは、アレイ化された複数の受信手段と、当該複数の受信手段に対して受信方向側に設置されたアレイ形状の導波管と、当該導波管の外方に設置されたドーム状のレンズ部とを備えたものである。
【特許文献１】特開２００６−２７９７７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように、従来、各種の広帯域アンテナが考案されているが、利得、軸比、ＶＳＷＲが良好な帯域を広く取ることができる、簡素な形状の導波管型円偏波アンテナは存在しなかった。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、円偏波に対する各種特性が良好な帯域幅を広く取ることができ、且つ簡素な構造からなる導波管型の円偏波アンテナを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、所定周波数帯域幅内のそれぞれに異なる複数の周波数の円偏波を送信および受信する円偏波アンテナに関するものである。この円偏波アンテナは、下記の特徴を有する導波管部、複数のプローブ、および位相処理手段を備える。
導波管部は、天頂方向側の面のみを開口する導体からなり、導体の開口面から内壁面までの距離が、開口面の縁側から中心に向かって順に長くなるように形成されている。複数のプローブは、導波管部内において、給電時に空間的に直交する電界ベクトルが発生するように配置されている。そして、位相処理手段は、複数のプローブによる送信および受信時に、天頂方向から見た複数のプローブの角度間隔に応じて位相処理を行う。
【０００７】
この構成では、例えば送信時に、各プローブに対して送信信号が給電されると、各プローブから電波が放射され、導波管部へ導かれる。このプローブから導波管部への電波（信号）の伝搬は、所謂、同軸−導波管変換器における信号伝搬の原理と同じである。
【０００８】
図７は同軸−導波管変換器の基本概念を説明するための概略構成図である。図７に示すように同軸−導波管変換器は、導波管１０１と、プローブ１０３を中心導体とする同軸ケーブル１０２とを有する。プローブ１０３は、該導波管１０１の信号搬送方向に沿った壁面から、導波管１０１の内部へ挿入された形状からなる。この際、プローブ１０３は、導波管１０１の電波送信方向に垂直な面を有する端面１１１に対して、搬送信の約１／４波長（略λ／４）の位置に設置される。このような構成により、同軸ケーブル１０２と導波管１０１との間で信号のモード変換が行われて、信号が伝送される。
【０００９】
このように導波管部へ導かれた電波は、当該導波管部の開口した天頂方向側の面から外部へ放射される。この際、プローブの設置される角度間隔に応じて各プローブに対する送信信号の給電の位相を調整することで、この調整された位相に応じた偏波面の電波が放射される。
【００１０】
そして、導波管部における天頂方向に対向する側の面が天頂方向側の面に対して徐々に異なる距離となる形状で形成されていることで、各プローブと天頂方向に対向する側の面との距離も徐々に変化する。このため、上述の同軸−導波管変換器のλ／４の値が複数となり、天頂方向に対向する側の面の各位置でそれぞれに整合する周波数が変化する。これにより、複数の周波数を含む所定幅の周波数帯域の電波が、プローブから導波管内へ低損失で伝搬され、外部へ放射される。
【００１１】
また、この発明の円偏波アンテナは、導波管部が略半球からなり、該略半球の切断面を天頂方向側の面とする。
【００１２】
この構成では、単純な略半球のみで円偏波アンテナが形成される。
【００１３】
また、この発明の円偏波アンテナは、導波管部が円筒部と略半球部とからなる。円筒部は対向する円形面の一方面を天頂方向側の面とし、略半球部は略半球の切断面が円筒部の天頂方向に対向する側の面に一致する形状からなる。そして、複数のプローブは、円筒部内に設置されている。
【００１４】
この構成では、プローブの設置されている部分が円筒導波管となり、上述の天頂方向に対向する側の面が単純な略半球で形成される。このようにプローブが円筒導波管に設けられることで、円筒導波管の側壁面に垂直にプローブを挿入すれば、プローブの延びる方向を導波管の信号搬送方向に対して直交させることができる。
【００１５】
また、この発明の円偏波アンテナは、導波管部内に、所定誘電率からなる誘電体が充填されている。
【００１６】
この構成では、比誘電率を１よりも大きくして適宜設定することで、所望とする周波数に対して、誘電体を充填しない場合よりもアンテナが小型化される。また、導波管の形状を変化させることなく、充填される誘電体の誘電率を変化させれば、当該誘電率に応じた周波数帯域の電波が送受信される。
【００１７】
また、この発明の円偏波アンテナは、導波管部に接続する平板状の導体板を天頂方向側の面に沿って備える。
【００１８】
この構成では、導体板からも電波の放射が行われることで利得が改善される。
【発明の効果】
【００１９】
この発明によれば、略半球形状や円筒と略半球との組み合わせ形状のような単純且つ簡素な構造で、利得、軸比、ＶＳＷＲ等の電波に関する諸特性に優れる円偏波アンテナを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の実施形態に係る円偏波アンテナについて、図を参照して説明する。
図１は本実施形態の円偏波アンテナ１の主要構成を示す外観斜視図である。図２は本実施形態の円偏波アンテナ１の天面図および側面断面図であり、（Ａ）は天面図を示し、（Ｂ）は側面断面図を示す。
【００２１】
円偏波アンテナ１は、導波管部２３と該導波管部２３内に設置されたプローブ５Ａ〜５Ｄと、該プローブ５Ａ〜５Ｄのそれぞれを中心導体とする同軸ケーブル４Ａ〜４Ｄとを備える。
【００２２】
導波管部２３は、円筒導波管２とキャビティ３とからなる。円筒導波管２は、天頂方向（天面方向）から見て所定径の円形となり、軸方向に垂直な二面が開口する円筒状の導体からなり、天頂方向側の開口面（「天頂面」と称する。）がそのまま外部へ開放され、当該天頂面に対向する側の開口面にキャビティ３が接続している。キャビティ３は、中空状の半球形状で形成された導体からなり、この半球形状の元となる球を、当該球の中心を通る平面で切断した形状からなる。そして、キャビティ３は、この切断面が円筒導波管２の天頂面に対向する側の開口面と一致するように、円筒導波管２に対して一体形成されている。この際、円筒導波管２を天頂側から見た中心Ｏと、キャビティ３を天頂側から見た中心とが、天頂側から見て一致するように、導波管部２３は形成されている。さらに、天頂側から見た状態で、円筒導波管２の内壁面側から当該円筒導波管２の中心Ｏに向かって、円筒導波管２のキャビティ３側開口面からキャビティ３の内壁面（本発明の「天頂方向に対向する面」に相当する。）までの距離が徐々に長くなるように、キャビティ３は設置されている。
【００２３】
円筒導波管２の外壁側には、円筒導波管２を天頂側から見た中心Ｏに対して、π／２の角度間隔で同軸ケーブル４Ａ〜４Ｄが設置されている。同軸ケーブル４Ａ〜４Ｄは、プローブ５Ａ〜５Ｄとして機能する中心導体と、中心導体の軸に垂直な放射方向へ所定距離で離間された形で中心導体を取り巻く形状からなる外導体とを備える。同軸ケーブル４Ａ〜４Ｄの外導体はそれぞれ円筒導波管２へ電気的に接続されている。同軸ケーブル４Ａ〜４Ｄの中心導体は、円筒導波管２の内部に所定の距離だけ突出して形成されており、当該部分がプローブ５Ａ〜５Ｄとして機能する。プローブ５Ａ〜５Ｄは、円筒導波管２の軸方向、すなわち円筒形の軸方向に垂直で且つ前記天頂面から等距離の位置に設置されている。また、プローブ５Ａ〜５Ｄは、前記中心Ｏに対して、点対称となるように配置されている。この際、プローブ５Ａ〜５Ｄは、中心Ｏを基準として、天頂側から見てπ／２［ｒａｄ．］の角度間隔で配置されている。
【００２４】
導波管部２３の内部には、所定の誘電率からなる誘電体６が充填されている。なお、誘電体６を充填することなく空洞（比誘電率εｒ＝１）としても良いが、比誘電率εｒ＞１となる誘電体６を充填することで、円偏波アンテナ１を小型化することができる。また、誘電体６の比誘電率を異ならせることで、ターゲットとする周波数帯域を変えることができる。
【００２５】
このような円偏波アンテナ１における円筒導波管２の径は、当該円偏波アンテナ１により送受信する電波の周波数帯域と誘電体６の誘電率とに応じて適宜設定されており、当該円偏波アンテナ１の他の寸法も、送受信する電波の周波数帯域と誘電率とにより適宜設定される。
【００２６】
このような構造において、例えば電波を送信する場合、同軸ケーブル４Ａ〜４Ｄに図示しない給電部を接続する。給電部は、元の送信信号の位相を同軸ケーブル４Ａ〜４Ｄ毎に調整して、同軸ケーブル４Ａ〜４Ｄへ出力する。図１、図２の例であれば、同軸ケーブル４Ａに与える送信信号を基準として、同軸ケーブル４Ｂに与える送信信号の位相をπ／２遅らせ、同軸ケーブル４Ｃに与える送信信号の位相をπ遅らせ、同軸ケーブル４Ｄに与える送信信号の位相を３π／２遅らせることで、各プローブ５Ａ〜５Ｄには、プローブ５Ａに伝送された送信信号を基準に、プローブ５Ｂでπ／２遅れた送信信号が伝送され、プローブ５Ｃでπ遅れた送信信号が伝送され、プローブ５Ｄで３π／２遅れた送信信号が伝送される。これらの送信信号は、各プローブ５Ａ〜５Ｄから導波管部２３内に伝搬され、導波管部２３内を伝搬して、導波管部２３の開口された天頂面から外部へ放射される。上述の位相関係は、導波管部２３に伝搬されても保存されるので、この場合（図１、図２の場合）、右旋円偏波が天頂方向へ放射される。逆に、同軸ケーブル４Ａ（プローブ５Ａ）に与える送信信号を基準として、同軸ケーブル４Ｂ（プローブ５Ｂ）に与える送信信号の位相をπ／２進ませ、同軸ケーブル４Ｃ（プローブ５Ｃ）に与える送信信号の位相をπ進ませ、同軸ケーブル４Ｄ（プローブ５Ｄ）に与える送信信号の位相を３π／２進ませることで、左旋円偏波が天頂方向へ放射される。
【００２７】
なお、受信の場合は、上述の位相関係に基づいて受信したい信号に応じた位相処理を各プローブ５Ａ〜５Ｄに対して行うことで、右旋円偏波および左旋円偏波を受信することができる。
【００２８】
さらに、上述のような構造とすることで、各プローブ５Ａ〜５Ｄとキャビティ３の内壁面との距離Ｄ（例えば、図２（Ｂ）におけるＤ１〜Ｄ３）は、プローブ５Ａ〜５Ｄの軸方向に沿って徐々に変化する。このように距離Ｄが変化することで、上述の図７の説明を参照して分かるように、距離Ｄの変化幅に応じて、整合される周波数の帯域が広がり、送受信に対して所定の帯域幅を確保することができる。
【００２９】
これにより、円筒導波管と半球状キャビティとからなる単純な構造の導波管部と、複数のプローブとからなる簡素な構造で広い帯域特性を有する円偏波アンテナを実現することができる。
【００３０】
図３は、本実施形態の円偏波アンテナの各周波数特性のシミュレーション結果を示す図であり、（Ａ）が利得周波数特性、（Ｂ）が軸比周波数特性、（Ｃ）がＶＳＷＲ周波数特性を示す。なお、本シミュレーションは、図４に示す寸法の導波管部２３、プローブ５Ａ〜５Ｄ、および、図４に示す比誘電率からなる誘電体を用いて、ターゲット周波数をＬ１波の周波数である１５７５．４２ＭＨｚとして行った。図４は図３のシミュレーションを行った円偏波アンテナの外形寸法および比誘電率の指示図である。
【００３１】
図３に示すように、本実施形態の構成を用いることで、３ｄＢ帯域幅、すなわちターゲット周波数の利得に対して−３ｄＢ内の利得が得られる周波数帯域幅は、比帯域で約５０％となり、広帯域幅を確保することができる。また、軸比が１ｄＢ以下となる帯域幅は、ＧＰＳのＬ１波、Ｌ２波、Ｌ５波の周波数帯域である１．１７６ＧＨｚ〜１．５７５ＧＨｚ帯を含み、ターゲット周波数に対して比帯域６７％以上の帯域幅を得ることができ、円偏波アンテナとしては非常に広帯域幅を確保することができる。さらに、ＶＳＷＲが２以下となる帯域幅も、ターゲット周波数に対して比帯域略４５％となり、広帯域幅を確保することができる。
【００３２】
以上のように、本実施形態の構成を用いることで、広帯域で円偏波アンテナとしての各種特性が優れる、簡素な構造の円偏波アンテナを実現することができる。
【００３３】
なお、上述の実施形態に加え、放射面である円筒導波管の天頂面に平板状の導体板を設置してもよい。
図５は導体板７を有する円偏波アンテナ１’の構成を示す天面図および側面断面図である。また、図６は図５に示す構成の円偏波アンテナ１’の利得周波数特性を示す図である。
図５に示す円偏波アンテナ１’は、図１および図２に示した円偏波アンテナ１の円筒導波管２の天頂側の開口面に沿って所定径からなる導体板７が設置された構造からなる。導体板７は、円筒導波管２と電気的に接続される構成からなり、例えば、円筒導波管２に対して一体成型されている。導体板７は、天頂側から見てドーナツ型となっており、中心側端部が円筒導波管２に接続する。また、導体板７は、天頂側から見た面積は、放射される電波の各特性が最適となるような面積に設定されている。そして、例えば、この面積は、予めシミュレーション等で決定しておけばよい。
【００３４】
このような構成とすることで放射効率が向上して、図６に示すように、所望とする周波数帯域での利得、この場合であれば、上述のＧＰＳの使用帯域での利得が、２ｄＢ〜３ｄＢ程度向上する。このように、図５のような構成を用いることで、図１に示した円偏波アンテナ１に対して単に導体板を付加するという単純な構造で、さらに利得が改善された円偏波アンテナを実現することができる。
【００３５】
なお、上述の説明では、キャビティ３が半球の場合を例に説明したが、楕円半球であっても良く、さらには、天頂側から見た状態で円筒導波管２の内壁面側から中心Ｏへ向かって、各プローブ５Ａ〜５Ｄとキャビティ３の壁面との距離が徐々に長くなる形状であれば、他の形状であってもよい。
【００３６】
また、上述の説明では、プローブ数が４つの場合を例に示したが、各プローブの配置は、それぞれのプローブから発生する電界ベクトルが空間的に直交するように配置されていればよく、プローブ数は２つ以上であればよい。例えば、プローブ数Ｎに応じて、配置角度間隔を２π／Ｎとし、それぞれのプローブに給電する送信信号の位相を２π／Ｎずつずらすようにすればよい。
【００３７】
また、上述の説明では、円筒導波管を用いた例を示したが、円筒導波管を省略し、半球状や楕円半球状のキャビティのみで導波管部を形成しても良い。これにより、導波管部がさらに簡素な構造となる。
【００３８】
また、上述の説明では、円筒導波管を用いた例を示したが、方形導波管等を用いても良く、この場合、キャビティは例えば四角錐とすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態の円偏波アンテナ１の主要構成を示す外観斜視図である。
【図２】本発明の実施形態の円偏波アンテナ１の天面図および側面断面図である。
【図３】本発明の実施形態の円偏波アンテナ１の各周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】図３のシミュレーションを行った円偏波アンテナの外形寸法および比誘電率指示図である。
【図５】導体板を有する円偏波アンテナの構成を示す天面図および側面断面図である。
【図６】図５に示す構成の円偏波アンテナの利得特性を示す図である。
【図７】同軸−導波管変換器の基本概念を説明するための概略構成図である。
【符号の説明】
【００４０】
１−円偏波アンテナ、２−円筒導波管、３−キャビティ、２３−導波管部、４Ａ〜４Ｄ−同軸ケーブル、５Ａ〜５Ｄ−プローブ、６−誘電体、７−導体板、１０１−導波管、１１１−導波管１００の端面、１０２−同軸ケーブル、１０３−プローブ
【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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