(57)【要約】      （修正有）【課題】複数のパラボラを列べる開口面アレーどうしの間隙による悪影響を軽減する。【解決手段】平面上に複数個配列された開口アンテナを備え、複数個の開口面アンテナ全体で電波を放射及び受信する開口面アレーアンテナであって、複数の開口アンテナ間の間隙に設置された金属反射板１０４から所定の距離ｈだけ離間した、金属反射板１０４の上方に設けられ、開口面アンテナの開口面に部分的にオーバーラップするように配置された、隣接する複数の開口アンテナと電磁波的に結合して励振される、誘電体からなる、長さｌの電磁波的結合素子１０６を備えた開口面アレーアンテナ。【選択図】図１
2009065362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上に複数個配列された開口アンテナを備え、当該複数個の開口面アンテナ全体で電波を放射及び受信する開口面アレーアンテナであって、
前記複数の開口アンテナ間の間隙に設置された反射板から所定の距離ｈだけ離間した、当該反射板の上方に設けられ、前記開口面アンテナの開口面に部分的にオーバーラップするように配置された、隣接する複数あるいは単一の開口アンテナと電磁波的に結合して励振される、誘電体からなる、長さｌの電磁波的結合素子を備えた開口面アレーアンテナ。
【請求項２】
前記開口面アンテナがパラボラアンテナである、請求項１に記載の開口面アレーアンテナ。
【請求項３】
開口面アンテナの直接放射波ベクトルをＥ0、電磁波的結合素子による再放射ベクトルをＥSP、ＥSPが反射板で反射された放射ベクトルをＥsi、としたときに、前記電磁波的結合素子の材質特性と直径ｄ、及び長さ１により決まる再放射特性を求め，次に上記距離ｈを調整することによって、ＥSPとＥsiをＥ0とほぼ同位相にした、以上のいずれかの請求項に記載の開口面アレーアンテナ。
【請求項４】
前記電磁的結合素子の比誘電率が約９．８、その太さｄが約０．０９６λ(λは使用波長)、その長さＬが約０．５λの奇数倍、前記ｈが約λ／８である、以上のいずれかの請求項に記載の開口面アレーアンテナ。
【請求項５】
前記電磁的結合素子の比誘電率が約２、その太さｄが約０．０９６λ(λは使用波長)、その長さＬが約０．５λの奇数倍、前記ｈが約λ／４である、以上のいずれかの請求項に記載の開口面アレーアンテナ。
【請求項６】
前記電磁的結合素子が複数平行して、所定の間隔をおいて設置される、以上のいずれかの請求項に記載の開口面アレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、開口面アレーアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
直径数10m以上の巨大アンテナを作る場合、単一のパラボラで構成することは製造と調整の点で、得策ではない。それに対し複数のパラボラを列べる開口面アレーが有効である。この場合アレー素子であるパラボラの開口の和が、全体の開口面積となる。
【０００３】
しかしパラボラ間には、どうしても隙間が生じて、次のようにアンテナ特性を劣化させる。
（１）グレーティングローブが発生あるいは増加する。即ち、
開口面アンテナを放射素子としたアレーアンテナの場合、開口面アンテナ間の間隙は、遠方放射パターンにおいて、望まれない方向への放射であるグレーティングローブを発生させる原因となる。このグレーティングローブは、他通信への妨害、及び他の通信電波を受信することになるため、このグレーティングローブレベルを通信に影響のないレベルまで抑圧する必要がある。
開口面アンテナ間の間隙に放射素子を配して、放射方向からアンテナを見た際に、放射電界に不連続部分がないようにすれば、開口面アレーアンテナのグレーティングローブを抑圧することが可能となる。しかし、給電系から電力を分配して供給する放射素子を開口間隙に配することになれば 給電系が複雑になり、電力損失も増大することになる。
（２）複数パラボラが機械的に占める面積に対し、パラボラ開口の和が小さくなる。すなわち開口能率が小さくなる。
【０００４】
これらの問題の発生を防ぐために、パラボラ間隙に結合素子を装荷することが、提案されている。
【０００５】
例えば、非特許文献１には、アレー素子間の間隙に平面反射板を取り付け、かつ、その前方に結合素子を配して、アンテナ特性の改善を図る技術が開示されている。当該文献記載の技術によれば、上記（１）の問題点、即ち、グレーティングローブの発生は、ある程度緩和可能であるが、当該文献で使用する結合素子は金属であることを前提としており、後述のように、総合利得は、結合素子が無い場合より必ず小さくなってしまう。
【０００６】
非特許文献１では、17素子を並べた場合0.8dBの改善効果を得ている。これはホーンを用いているため、（平面波でなく）球面波が放射され、ホーンからの直接放射波と再放射波の位相関係が単純でないためと思われる。実用的にホーンは用いられず、通常パラボラを使用する。結合素子として、誘導体の使用は開示されていない。
【０００７】
【非特許文献１】菅原章、高野忠、花山英治、上芳夫：「無給電素子を装架することによる開口面間隙の電気的補償法の検討」、電気情報通信学会、Vol.J86-B, pp.519-526, 2003年3月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述の従来技術においては認識されていなかった点として、結合素子として金属を用いた場合には、結合素子からの放射位相が、パラボラアンテナによる放射位相と逆相となってしまい、グレーティングローブ発生の原因となると同時に、全体としてのゲインが下がってしまうという課題が存在する。なお、この問題点自体、本願発明の考案過程ではじめて発見されたことである。
【０００９】
以下、この点について説明する。
図１は、パラボラ間隙に結合素子を装荷した場合の原理を示す。
本図において、２つのパラボラ＃1(101)と＃2(102)の間に隙間が存在する。隙間に金属反射板104を置き、その上に結合素子Ｐ（106）を高さｈで設置する。パラボラから上向きに平面波が放射されるが、その一部はＰ(106)の両端を照射する形となり、その結果Ｐ(106)上に電流が誘起される。Ｐ(106)はほぼ半波長（Δｌだけずれるが）なので共振し、電流分布はcos状となり、電波を正面方向に再放射する。
【００１０】
なお、図１おいて、Δｌ(エル)は、結合素子半波長（λ／２）からの補正分の長さである。再放射特性は長さlにも依存する。（結合素子が金属の場合ではあるが、例えば、長さｌの変化は、後述の図９の特性変化の原因となっている。）
また、Ｉ（108）は、反射板（104）を対称面とする、結合素子Ｐ（106）の鏡像である。
【００１１】
図２にＰ(106)の長さに対するＰ（106）の電流位相の変化のシミュレーション結果を示す。使用波長をλとして、結合素子長が（λ/2）×0.8（0.4λ）から（λ/2）×1.4(0.7λ)まで変化すると、電流位相が30°から約-60°まで、90°変化することが示される。
【００１２】
図２では、lをλ/2からΔｌだけ変える時の、結合素子Ｐ(106)上の電流の位相変化を表している。図１において、結合素子Ｐ(106)上の電流と鏡像Ｉ（108）からの再放射波は同じだけ位相が変化することが分かっているので、Δｌにより再放射波の位相調整が可能である。
【００１３】
図１において、Ｐ(106)から下向きに伝搬する波は、反射板（104）により反射され、同じように上方に伝搬し、アンテナ系全体の放射波に加わる。簡単のため反射板が無限に大きいとすると、その電波はあたかも、Ｐ（106）の鏡像Ｉ（108）からの放射波のように見える。ただし、Ｉ（108）上の電流分布は、反射板での境界条件のため、この電流分布はＰ（106）と反対向きである。
【００１４】
従って、パラボラ(101,102)からの直接放射波Ｅ0とＰ（106）からの再放射波Ｅsp及びＥspが反射板で反射された波Ｅsiは、共に上方に伝搬して、アンテナ系全体の放射波となる。直接放射波Eo、Ｐからの再放射波Ｅsp、Ｉからの放射波Ｅsiを合成した、アレーアンテナ全体の放射波Ｅｔは、次式で表される。
Ｅｔ＝Ｅ0＋Ｅspｅjφs−Ｅsiｅj(φs+k2h)      （式１）
【００１５】
直接放射波Ｅ0と、再放射波Ｅspの位相差φsは、ｈにより大きく変わらず、Ｐ（106）の表面での境界条件で主に決まる。例えばＰ（106）が金属である場合、表面で電界の接線部分がゼロになる必要があり、P（106）がある程度大きいと位相差は180°となる。Ｉ（108）からの放射波とＰ（106）からの再放射波の位相差は、反射板での境界条件のため180°有り、さらにｈにより大きく変化する。
【００１６】
従って、Ｅ0、ＥspとＥsiのベクトル関係は、図３のようになる。従来の結合素子Ｐ（106）は金属製なので、 φs＝180°となり、次のように、Ｅ0、Ｅsi、Ｅspを重畳した、総合利得は、結合素子Ｐ(106)が無い状態(Ｅoのみの場合)より必ず小さくなってしまう。
【００１７】
なお、図３において、破線矢印は高さｈ＝０とした時の鏡像（イメージ）I（108）からの放射波を表す。また、ｋは波数＝２π／λである。
【００１８】
このように、結合素子として金属を用いた場合には、結合素子からの放射位相が、パラボラアンテナによる放射位相と逆相となってしまい、グレーティングローブ発生の原因となると同時に、全体としてのゲインが下がってしまうことが理解できる。
【００１９】
従って、グレーティングローブを低減し、アンテナ利得を増大させるために、結合素子Ｐ（106）からの再放射波とパラボラ(101,102)からの直接放射波の間で、位相差を180°よりも、なるべく小さくすることが、本発明の実施例の解決課題である。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明の実施例においては、誘電体によって構成される結合素子を適切な位置に配することで、開口面アレーアンテナの開口間隙を電気的に埋める。
即ち、開口間隙に平面反射板を設置し、この反射板上に使用周波数の半波長程度の線状の結合素子を配置することで、開口面アンテナからの放射波が結合素子に入射し、この結合素子に電流が流れ再放射波を得る。この結合素子は、電力を供給する必要がないため、給電系が簡単化され、給電損失もない。
なお、グレーティングローブの抑圧、及び、利得の最大化のためには、結合素子からの再放射波の位相を開口面アンテナの放射波の位相に合わせる必要がある。
【００２１】
本発明の実施例では、給電された放射素子から、放射される電波を受けて、結合素子（結合素子）上に電流が誘起される。その電流が再び放射する電波と、結合素子への入射電波との位相関係を、従来の半波長・金属製結合素子の場合の180°とは異なったものとする。具体的には、次の項目により変化・調節する。
・結合素子の材質
・結合素子の長さ
・結合素子の太さ
・結合素子の反射板からの高さ
【００２２】
より具体的には、本出願は、以下の各発明を提供する。
（発明１）
平面上に複数個配列された開口アンテナを備え、当該複数個の開口面アンテナ全体で電波を放射及び受信する開口面アレーアンテナであって、
前記複数の開口アンテナ間の間隙に設置された反射板から所定の距離ｈだけ離間した、当該反射板の上方に設けられ、前記開口面アンテナの開口面に部分的にオーバーラップするように配置された、隣接する複数のあるいは単一の開口アンテナと電磁波的に結合して励振される、誘電体からなる、長さｌの電磁波的結合素子を備えた開口面アレーアンテナ。
このように、電磁的結合素子として誘電体を用いることによって、開口面アンテナから放射される電波によって、当該電磁的結合素子から再放射される電波の位相を、開口面アンテナから放射される電波の位相に近づけることが可能となる。
【００２３】
（発明２）
前記開口面アンテナがパラボラアンテナである、発明１に記載の開口面アレーアンテナ。
開口面アンテナがパラボラアンテナとすることによって、実用的な開口面アレーアンテナとすることができる。
【００２４】
（発明３）
開口面アンテナの直接放射波ベクトルをＥ0、電磁波的結合素子による再放射ベクトルをＥSP、ＥSPが反射板で反射された放射ベクトルをＥsi、としたときに、前記電磁波的結合素子の材質特性と直径ｄ、及び長さ１により決まる再放射特性を求め，次に上記距離ｈを調整することによって、ＥSPとＥsiをＥ0とほぼ同位相にした、以上のいずれかの発明に記載の開口面アレーアンテナ。
このように調整して、ＥSPとＥsiをＥ0とほぼ同位相にすることによって、開口面アレーアンテナのグレーティングローブを抑制しつつ、アンテナ利得を最大化することができる。
【００２５】
（発明４）
前記電磁的結合素子の比誘電率が約９．８、その太さｄが約０．０９６λ(λは使用波長)、その長さＬが約０．５λの奇数倍、前記ｈが約λ／８である、以上のいずれかの発明に記載の開口面アレーアンテナ。
このような構成とすることによって、大略図８のベクトル図で示されるような、各電界成分のベクトル関係が得られる。
【００２６】
（発明５）
前記電磁的結合素子の比誘電率が約２、その太さｄが約０．０９６λ(λは使用波長)、その長さＬが約０．５λの奇数倍、前記ｈが約λ／４である、以上のいずれかの発明に記載の開口面アレーアンテナ。
このような構成とすることによって、大略図７のベクトル図で示されるような、各電界成分のベクトル関係が得られる。
【００２７】
（発明６）
前記電磁的結合素子が複数平行して、所定の間隔をおいて設置される、以上のいずれかの発明に記載の開口面アレーアンテナ。
電磁的結合素子を複数用いることによって、開口面アレーアンテナのグレーティングローブを抑制しつつ、アンテナ利得を最大化するという効果が更に向上できる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の実施例により、結合素子Ｐ（106）からの再放射波とパラボラ(101,102)からの直接放射波の間で、位相差を180°よりも、なるべく小さくすることによって、アンテナ利得の最大化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
グレーティングローブの抑圧、及び、利得の最大化を目的として、結合素子からの再放射波の位相を開口面アンテナの放射波の位相に合わせるために、上記図３においてｋ２ｈの矢印で示されるように、まず、結合素子の鏡像Ｉ(108)から放射される電波の位相Ｅsiを、なるべく、パラボラ(101,102)からの直接波の位相と合わせることを考える。
【００３０】
そのために、図３に示されるように、ｈ＝０からｈを増加させることによって、Ｅsiのベクトルの回転角を変えることが可能である。
【００３１】
代表的な例として、
Ｍax  Ｅｔ＝（Ｅ0）2    （ｈ＝λ／２のとき）         （式２）
Ｍin  Ｅｔ＝（Ｅ0−２Ｅsp）  （ｈ＝λ／４のとき）    （式３）
の２つのベクトル状態が考えられる。
【００３２】
図４は実験により得られた、金属製結合素子の高さｈによるアンテナ系総合利得の変化を示す。図中、ｄは、図１０に示されるように、パラボラ間に電磁波的結合素子（無給電素子）を複数並べる場合の、その間の間隔である。
【００３３】
図４において、本来利得は、h=0で0dB，h=32mm（λ／４）で最小，h=64mm(λ／２)で最大（0dB）に戻るべきであるが、図４の横軸上では若干ずれているため、ｈ＝０ｃｍの規準点に誤差がある。しかし、ほぼｈ＝λ／２＝64mmで、利得最大となり、理論が正しいことが示されている。
【００３４】
次に、図１の従来技術に改良を加えて、図１の結合素子Ｐ(106)を誘電体としたときの、アンテナ全体の特性を考察する。
【００３５】
まず、誘導体と金属の各散乱体の特性(シミュレーション)を、図６に示す。なお、シミュレーションの前提条件は以下のとおりである。
【００３６】
まず、図５に示す散乱位相特性の解析モデルを考える。柱状散乱体として銅及びセラミック(εｒ＝９．８)の２種類を用いる。各々の半径ａ、全長Ｌを変化させたときの散乱特性を解析し、入射波と散乱波の位相差を求める。入射波は、Ｅ偏波(電界が散乱体の長さ方向)、周波数は5.8ＧＨｚ(自由空間波長λ＝52mm)とする。観測点はφ＝90度方向に原点からおよそλ離れた点とする。解析ソフトはAnsoft社のＨＦＳＳ(ｖ10.1)を使用した。
【００３７】
柱状散乱体の長さを変化させることによる散乱波の位相推移特性が図６に示される。実線、破線はそれぞれ誘電体、導体を表す。導体で140度、誘電体で120度変化する。
【００３８】
図６において、例えば太さaが0．096λで、長さが半波長の場合、金属製Ｐでは位相変化130°であるが（線が有限太さのため、180°より小さい）、セラミックでは85°である。また、太さaにより誘電体散乱体の位相は大きく変わることが分る。
【００３９】
図６において、εｒは比誘電率であり、ａは散乱体(結合素子)の半径である。また、Ｌは、図１のｌ(エル)に対応する。
【００４０】
再放射波の位相に影響する以上の要素を考慮して、高さｈを最良の位置にする。以下、典型的２例について、最適化のプロセスと結果を示す。
【００４１】
（1）Φs＝0の場合(Ｅsｐの位相がＥｏの位相と一致)（h＝λ／4のとき）
この時、各電波成分のベクトル関係は、図７で表される。直接波Ｅ0に対し、再放射波Ｅspは同一方向である。Ｅipは、高さｈにより180°位相回転することにより、Ｅ0と同一方向になる。従って 合成電界は次の値となる。
Ｅｔ＝Ｅ0＋２Ｅsp  （式４）
【００４２】
この場合、パラボラ間隙に分布する電力が、パラボラ開口全体の電力の0．5％の場合、電界の増加は14％になり、電力すなわちアンテナ利得の増加は30％（1．1dB）にのぼる。
【００４３】
（2）Φs＝90°の場合(Ｅsｐの位相がＥｏの位相より９０度進んでいる)（h＝λ／8のとき）
この時、各電波成分のベクトル関係は、図８で表される。直接波Ｅ0に対しＥspは90°回転している。Ｅipは、高さhにより90°位相回転することにより、Eoと同一方向になる。従って合成電界は 次の値となる。 
Ｅｔ＝Ｅ0＋Ｅsp    （式５）
【００４４】
上記(1)と同じく、パラボラ開口の0．5％の場合、電界の増加は7.1％となり、電力すなわちアンテナ利得の増加は15％（0.60dＢ）である。 
【００４５】
実際の誘電体散乱体では、誘電体材質によって異なる値となる。
例えば、図６において，比誘電率εr=9.8のセラミックで太さa/λ=0.096なら、位相差φs=85°(φsは照射された電波の位相に対して、再放射波の位相がどれだけ進むかを示す値)で，ほぼ図８の条件を満たす．それに対し同じ寸法でεr=2のテフロン（登録商標）では，φs=30°程度であり、図７に近づく（アンテナ利得が増加する）。また太さa/λが小さくなれば，φsが小さくなることが分る。
【００４６】
結合素子の長さを変化させた場合の効果については、金属製結合素子を用いた実験を行った。この実験結果を図９に示す。
【００４７】
この時、素子高ｈは1.16λであり、図４で言えば、利得最小の状態である。すなわち、散乱体の位相推移が大きく寄与すると予想される。図９において、半波長（6.4ｃｍ）よりも若干短い長さ（5.9cm）において、利得最大になっている。
【００４８】
ここで、上記「発明が解決しようとする課題」の欄では、従来技術の原理図である図１を参照して、「Ｐ(106)はほぼ半波長(Δｌだけずれるが)でかつ両端をパラボラ平面波で照射されるので共振し、電流分布はcos状となり、電波を正面方向に再放射する。」及び「なお、図１において、Δｌ（エル）は、結合素子半波長(λ／２)からの補正分の長さである。」と説明されている。しかしＰ(106)は片端のみをパラボラ平面波で照射されても共振し、またＰ(106)の長さｌ(エル)は、ほぼ半波長(Δｌだけずれるが)の奇数倍［即ち、ｌ＝(λ／２)×（2ｎ＋1）(ｎは１以上の整数)］であっても良い。片端照射のＰを用いる、あるいはｌ(エル)を長くすると、パラボラと結合する範囲が広がり、間隙補償の程度を増すことができる。
上記非特許文献においては、間隙補償のための結合素子Ｐの長さとして(λ／２)でかつ複数の開口アンテナと電磁波的に結合して励振される場合しか開示されていない。それに対し、結合素子Ｐが単一の開口アンテナとのみ電磁波的に結合して励振される、およびｌ＝(λ／２)×（2ｎ＋1）(ｎは１以上の整数)ともできる、とする工夫は本願発明の特徴のの１つである。
【００４９】
図１０は、２つの開口面アンテナ間に、複数の結合素子を平行に並べた状態を示す。図中、各結合素子の間の距離がｄとして示されている。この図１０の実施例について、更に詳説する。
図１及び図１０の双方を参照して、２つのパラボラ＃1(101)と＃2(102)の間の隙間Ｌが小さい場合は、結合素子の長さはほぼ半波長(或いはその奇数倍)で良い。隙間Ｌが半波長より大きい場合は、半波長素子の一方端のみパラボラ平面波で照射するように、各パラボラに一本の結合素子を配置する。あるいは、半波長の奇数倍の結合素子を用いることができる。
図１１、及び、図１２では、２つのパラボラ＃1(101)と＃2(102)の間の隙間Ｌが（λ／２）(λは使用電波の波長)より大きい場合の実施例をそれぞれ示している。
図１１では、２つの半波長結合素子(それぞれの長さ＝ｌ(エル))を用いる。この場合、それぞれの素子は、当該素子がオーバーラップするパラボラのみによって、当該、オーバーラップしている部分のみが照射される。
図１２では、ｌ(エル)＝（λ／２）×（２ｎ＋１）＋Δｌ、(ｎは０以上の整数)の長さの結合素子を用いて、２つの隣接パラボラの間を架橋する。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、例えば、無線通信や宇宙探査機の追跡、マイクロ波電力伝送などに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】パラボラの間隙に結合素子を装架したアンテナの原理図。
【図２】結合素子長に対する電流位相の変化を示すグラフ。
【図３】金属製の結合素子を用いた場合(従来技術)の各電界成分のベクトル関係。
【図４】図１のパラボラ＃１と＃２の間の間隔ｄをパラメータとして、当該結合素子の高さｈを変化させた場合の利得変化の実験結果。
【図５】図６の特性の実験条件を示す図。
【図６】結合素子（散乱体）として、種々の太さの金属及び誘電体を用いた場合の位相変化の実験結果。
【図７】結合素子（散乱体）として誘電体を用いた場合のΦｓ＝０、ｈ＝λ／４の場合(位相変化が無い場合)のベクトル関係。
【図８】結合素子（散乱体）として誘電体を用いた場合のΦｓ＝０、ｈ＝λ／４の場合(位相変化が９０°の場合)のベクトル関係。
【図９】金属製結合素子（散乱体）の長さｌを変化させた場合の、総合利得の変化を示す実験結果(ｆ＝2.33GHz、素子高さ＝ｈ＝105mm＝1.16λ、の条件下)。
【図１０】２つの開口面アンテナへの適用例。
【図１１】２つのパラボラ＃1(101)と＃2(102)の間の隙間Ｌが（λ／２）(λは使用電波の波長)より大きい場合の実施例（その１）
【図１２】２つのパラボラ＃1(101)と＃2(102)の間の隙間Ｌが（λ／２）(λは使用電波の波長)より大きい場合の実施例（その２）
【符号の説明】
【００５２】
１０１  パラボラ＃１
１０２  パラボラ＃２
１０４  金属反射板1
１０６  結合素子Ｐ
１０８  結合素子Ｐ（106）の鏡像
【図１】
2009065362.tif 000003
【図２】
2009065362.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2009065362.tif 000007
【図６】
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【図７】
2009065362.tif 000009
【図８】
2009065362.tif 000010
【図９】
2009065362.tif 000011
【図１０】
2009065362.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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