АНТЕННА
ANTENNA

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к антенне.
Предшествующий уровень техники
Характеристики боковых лепестков, которые требуются для антенн, используемых в системах радиосвязи, например, "двухточечных", специфицированы в международных стандартах, и уровень боковых лепестков необходимо подавлять до более низкого уровня по сравнению с предварительно определенным уровнем. Типичными международными стандартами являются стандарты ETSI (Европейского института телекоммуникационных стандартов).
В качестве антенны для двухточечной связи обычно используется параболическая антенна. Однако в том случае, когда параболическая антенна удовлетворяет стандартам по уровню боковых лепестков, увеличивается толщина антенны, что приводит к увеличению размеров всего устройства. Поэтому желательно использовать плоскую антенну.
В миллиметровом диапазоне используется плоская антенна, включающая в себя волновод с потерями при передаче ниже, чем у микрополосковой линии. В качестве конфигурации такой плоской антенны известна конфигурация, в которой рупорные антенны размещаются в виде решетки (патентная литература 1). В патентной литературе 1 предложена плоская антенна, в которой рупорные антенны размещаются в виде квадратной решетки. Эта антенна характеризуется тем, что она включает в себя коробчатый рупор, в котором каждая рупорная антенна имеет форму, изменяющуюся ступенчатым образом.
Перечень цитируемой литературы
Патентная литература
Патентная литература 1: патент Японии No. 3718527.
Сущность изобретения
Техническая задача
В общем, когда расстояние между элементами антенны больше одной длины волны излучаемой волны, вырабатывается побочный лепесток. Это приводит к значительному ухудшению уровня боковых лепестков. Для того чтобы подавить боковые лепестки, вырабатываемые в характеристиках излучения радиоволн, рупорные антенны необходимо размещать с максимально высокой плотностью. Соответственно, необходимо уменьшать размеры конструкции рупорных антенн и конструкции волноводов для направления радиоволн в рупорные антенны. В результате трудно изготовить плоскую антенну, имеющую конструкцию с миниатюрными размерами. Даже в том случае, если плоскую антенну можно будет изготовить, стоимость ее неизбежно увеличится.
Настоящее изобретение выполнено с учетом вышеупомянутых обстоятельств, и задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить антенну, имеющую отличные характеристики подавления боковых лепестков.
Решение технической задачи
Антенна согласно примерному аспекту настоящего изобретения включает в себя: слой фидерного тракта, в котором образованы вход волновода и первый волновод, через который распространяются радиоволны; слой антенны, в котором образовано множество антенных элементов; и соединительный слой, который образован между слоем фидерного тракта и слоем антенны и соединяет первый волновод с множеством антенных элементов с помощью волновода, множество антенных элементов, включает в себя первый антенный элемент, второй антенный элемент и третий антенный элемент, причем второй и третий антенные элементы примыкают к первому антенному элементу. Первый и второй антенные элементы размещаются таким образом, чтобы центры первого и второго антенных элементов совпадали в первом направлении, параллельном основной поверхности слоя антенны. Третий антенный элемент размещается таким образом, чтобы третий антенный элемент располагался отдельно от первого антенного элемента во втором направлении, и центры первого и третьего антенных элементов не совпадали во втором направлении, причем второе направление параллельно основной поверхности слоя антенны и перпендикулярно к первому направлению.
Полезный эффект изобретения
Согласно настоящему изобретение можно выполнить антенну, имеющую превосходные характеристики подавления боковых лепестков.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - перспективный вид, схематично показывающийконфигурацию антенны 100;
Фиг.2A - вид сверху, схематично показывающий конфигурацию антенны 100;
Фиг.2B - вид сверху, схематично показывающий размещение рупорных антенн 51-53;
Фиг.3A - увеличенный вид в разрезе, схематично показывающий конфигурацию поперечного разреза в антенне 100, взятого вдоль линии IIIA-IIIA, показанной на фиг.2А;
Фиг.3B - увеличенный вид в разрезе, схематично показывающий конфигурацию поперечного разреза антенны 101, взятого вдоль линии IIIB-IIIB, показанной на фиг.2А;
Фиг.4 - схема, схематично показывающая конфигурацию слоя 3 волновода и соединительного слоя 2 при виде со стороны нижнего слоя 4; и
Фиг.5 - график, показывающий характеристики излучения радиоволн антенны 100.
Подробное описание изобретения
Примерные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны ниже со ссылкой на чертежи. На чертежах одинаковые элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями, и, таким образом, их повторное описание, если оно не является необходимым, не приводится.
Первый примерный вариант осуществления
Сначала будет описана антенна 100 согласно примерному варианту осуществления. На фиг.1 представлен перспективный вид, схематично показывающий конфигурацию антенны 100, причем антенна 100 включает в себя слой 1 антенны, соединительный слой 2, слой 3 волновода и нижний слой 4, при этом слой 1 антенны, соединительный слой 2, слой 3 волновода и нижний слой 4 выполнены по отдельности, например, из металла, и слой 3 волновода и нижний слой 4 образуют слой 10 фидерного тракта.
На фиг.2А представлен вид сверху, схематично показывающий конфигурацию антенны 100. Рупорные антенны 5, каждая из которых имеет форму прямоугольной пирамиды, расположены в шахматном порядке в слое 1 антенны. В дальнейшем рупорные антенны также упоминаются просто как антенные элементы, при этом каждая рупорная антенна в соседних рядах расположена со смещением. В этом примерном варианте осуществления рупорные антенны 5, которые размещаются в ряду B, показанном на фиг.2А, смещены в направлении C (которое также упоминается как первое направление) относительно рупорных антенн 5, размещенных в ряду А, показанном на фиг.2А. Кроме того, так как рупорные антенны 5 размещаются в шахматном порядке, центр каждой рупорной антенны 5 в ряду A находится на одинаковом расстоянии от центра между двумя рупорными антеннами 5 в ряду B, который примыкает в направлении D к ряду A.
Следует отметить, что направление C представляет собой направление, параллельное основной поверхности слоя 1 антенны, и направление D (которое также упоминается как второе направление) представляет собой направление, которое параллельно основной поверхности слоя 1 антенны и перпендикулярно к направлению C.
Рассмотрим теперь три соседних рупорных антенны 51-53. На фиг.2B представлен вид сверху, схематично показывающий размещение рупорных антенн 51-53. При упрощенном рассмотрении вышеупомянутого смещения значение смещения можно понять следующим образом. Здесь будет описан случай, когда центры рупорных антенн 51 и 52 выровнены в направлении C. В этом случае рупорная антенна 53 расположена отдельно от рупорной антенны 51 в направлении D. Можно понять, что рупорные антенны 51 и 53 размещаются таким образом, чтобы центры рупорных антенн 51 и 53 не были выровнены в направлении D.
Далее будет описана конфигурация антенны 100 в разрезе. На фиг.3A представлен увеличенный вид в разрезе, схематично показывающий конфигурацию поперечного разреза антенны 100, взятого вдоль линии IIIA-IIIA (фиг.2A). На фиг.3B представлен увеличенный вид в разрезе, схематично показывающий конфигурацию антенны 100 в разрезе, взятом вдоль линии IIIB-IIIB (фиг.2A). Слой 1 антенны расположен на соединительном слое 2, соединительный слой 2 расположен на слое 3 волновода, слой 3 волновода расположен на нижнем слое 4. Слой 1 антенны, соединительный слой 2, слой 3 волновода и нижний слой 4 можно расположить друг над другом с помощью различных способов соединения, таких как привинчивание и приклеивание с использованием клея.
Соединительный слой 2 образован из верхнего слоя 21 соединительного слоя и нижнего слоя 22 соединительного слоя. В верхнем слое 21 соединительного слоя образованы верхние волноводы, которые проникают в верхний слой 21 соединительного слоя. По линии IIIA-IIIA верхний волновод 23А, который продолжается в направлении C, как показано в фиг.3A, сформирован в верхнем слое 21 соединительного слоя. Правый конец верхнего волновода 23А соединен с нижним концом соответствующей рупорной антенны 5 на конце 27А соединения (который также упоминается как третий конец соединения). По линии IIIB-IIIB верхний волновод 23B, который продолжается в направлении C, как показано в фиг.3B, образован в верхнем слое 21 соединительного слоя, левый конец верхнего волновода 23В соединен с нижним концом соответствующей рупорной антенны 5 на конце 27В соединения (который также упоминается как четвертый конец соединения). То есть можно понять, что верхний волновод 23А по линии IIIA-IIIA соединен с соответствующей рупорной антенной 5 в направлении, противоположном верхнему волноводу 23В, по линии IIIB-IIIB.
В нижнем слое 22 соединительного слоя образованы нижние волноводы, которые проникают в нижний слой 22 соединительного слоя. По линии IIIA-IIIA нижний волновод 24А, который продолжается в направлении C, как показано в фиг.3A, образован в нижнем слое 22 соединительного слоя. Правый конец нижнего волновода 24А соединен с левым концом соответствующего верхнего волновода 23А. По линии IIIB-IIIB нижний волновод 24В, который продолжается в направлении C, как показано в фиг.3В, образован в нижнем слое 22 соединительного слоя. Левый конец нижнего волновода 24В соединен с правым концом верхнего волновода 23В.
Каждый из верхнего волновода 23А и нижнего волновода 24А также упоминается как второй волновод. Каждый из верхнего волновода 24В и нижнего волновода 24В также упоминается как третий волновод.
В слое 3 волновода образован волновод 31 (который также упоминается как первый волновод), который проходит в слой 3 волновода. Волновод 31 соединен нижним концом нижнего волновода 24А и нижним концом нижнего волновода 24В.
Следует отметить, что центр 26А конца 25А соединения (который также упоминается как первый конец соединения), который соединяет нижний волновод 24А и волновод 31 друг с другом, и центр 26В конца 25В соединения (который также упоминается как второй конец соединения), который соединяет нижний волновод 24В и волновод 31 друг с другом, образованы в положениях, где отсутствует смещение в отличие от рупорных антенн 5. В частности, можно понять, что на базе центра 26А конца 25А соединения, по линии IIIA-IIIA, радиоволны распространяются в направлении вверх вправо из волновода 31 в нижний конец рупорной антенны 5 через нижний волновод 24А и верхний волновод 23А, можно также понять, что на базе центра 26B конца 25B соединения по линии IIIB-IIIB радиоволны распространяются в направлении вверх влево из волновода 31 в нижнем конце рупорной антенны 5 через нижний волновод 24B и верхний волновод 23В.
С помощью этой конфигурации даже в том случае, если волновод 31 образован без учета смещения, расстояния от волновода 31 до рупорных антенн 5, которые смещены по линии IIIA-IIIA и линии IIIB-IIIB, могут быть равны только за счет смещения направлений волноводов верхнего волновода и нижнего волновода в противоположных направлениях на одинаковое значение ΔD (которое также упоминается как первое значение), тем самым позволяя направлять радиоволны, не приводя к какой-либо разности фаз.
Далее будет описана конфигурация слоя 3 волновода. На фиг.4 представлена схема, схематично показывающая конфигурацию каждого из слоя 3 волновода и соединительного слоя 2 при виде со стороны нижнего слоя 4. В нижнем слое 4 образован вход волновода, который проходит в нижний слой 4 (не показан), вход волновода связан с волноводом 31 в местоположении 32, показанном на фиг.4. Соответственно, радиоволны вводятся в волновод 31 через вход волновода.
В слое 3 волновода образован волновод 31 в качестве волновода, имеющего ответвления, таким образом, чтобы расстояния от участка, связанного с входом волновода (то есть местоположение 32, показанное на фиг.4) с концом 25А соединения и концом 25B соединения, были равны друг другу. Другими словами, радиоволны распространяются извне в конец 25А соединения и конец 25B соединения через вход волновода с одинаковой фазой.
Далее будут описаны характеристики излучения радиоволн антенны 100. На фиг.5 представлен график, показывающий характеристики излучения радиоволн антенны 100. Как показано на фиг.5, характеристики излучения радиоволн антенны 100 показаны сплошной линией L1. В качестве сравнительных примеров, характеристики излучения радиоволн антенны, в которой рупорная антенна расположена в виде квадратной решетки без обеспечения смещения, как раскрыто в патентной литературе 1, показаны пунктирной линией L2, и стандарты КЛАСС 2 ETSI (Европейский институт телекоммуникационных стандартов) показаны жирной линией L3.
По горизонтальной оси отложен азимут поверхности, взятой вдоль линии V-V, показанный на фиг.2А, в качестве поверхности наблюдения. Следует отметить, что передняя сторона антенны 100 обозначена 0. По вертикальной оси отложен коэффициент направленного действия.
Как показано в фиг.5, следует понимать, что в сравнительном примере (L2) имеют место боковые лепестки с большим коэффициентом направленного действия, при этом лепестки выходят за рамки стандарта КЛАССА 2 ETSI (Европейского института телекоммуникационных стандартов) (L3). То есть, как упомянуто выше, боковые лепестки в сравнительном примере (L2) недостаточно подавляются.
С другой стороны, в характеристиках излучения радиоволн (L1) антенны 100 боковые лепестки подавляются достаточным образом, и, таким образом, можно достичь характеристики излучения радиоволн, которые удовлетворяют стандартам (L3) КЛАССА 2 ETSI (Европейского института телекоммуникационных стандартов). То есть можно понять, что рупорные антенны 5 размещаются со смещением, как в конфигурации настоящего изобретения, тем самым получая антенну, имеющую характеристики излучения радиоволн, в которых боковые лепестки подавляются достаточным образом.
В вышеописанном сравнительном примере (L2) для того, чтобы подавить боковые лепестки, необходимо уменьшить размер отверстия каждой рупорной антенны таким образом, чтобы он был меньше длины волны излучаемой волны (например, миллиметровой волны), и увеличить плотность размещения рупорных антенн. Однако в этом случае конструкции рупорных антенн и волноводов, которые ведут в рупорные антенны, становятся меньше, что затрудняет изготовление антенн и волноводов и приводит к увеличению стоимости антенны.
С другой стороны, в конфигурации настоящего изобретения, боковые лепестки можно подавить путем размещения рупорных антенн, которое избавляет от необходимости увеличивать плотность размещения рупорных антенн. Поэтому в этой конфигурации размер отверстия (длина стороны отверстия) каждой из рупорных антенн 5 можно установить равным или более чем длина волны излучаемой радиоволны (например, миллиметровой волны). Однако, принимая во внимание удобство реального использования антенны и легкость изготовления антенны, размер отверстия (длина стороны отверстия) каждой из рупорных антенн 5 желательно устанавливать таким образом, чтобы он был равен или меньше чем четверть длины волны излучаемой волны. Однако это не предполагает исключения случая, когда размер отверстия (длина стороны отверстия) каждой из рупорных антенн 5 устанавливается равным или более чем четверть длины волны излучаемой волны.
Поэтому согласно конфигурации настоящего изобретения конструкции рупорных антенн и волноводов, ведущих к рупорным антеннам, можно легко изготовить и, таким образом, можно производить антенну с низкой ценой.
Настоящее изобретение не ограничивается вышеупомянутыми примерными вариантами осуществления и может быть изменено соответствующим образом без отклонения от объема изобретения. Например, рупорные антенны были описаны выше в виде антенных элементов, но они являются только примером. Например, можно также использовать другие антенные элементы, такие как линзовые антенны и диэлектрические стержневые антенны. Кроме того, выше были описаны рупорные антенны, каждая из которых выполнена в форме прямоугольной пирамиды, но это является только примером. Например, рупорные антенны, выполненные с другими пирамидальными формами, такими как форма конуса, форма эллиптического конуса и форма шестиугольной пирамиды, можно также использовать до тех пор, пока не будет получен желаемый коэффициент направленного действия. Помимо пирамидальной формы можно также использовать и цилиндрическую форму.
Волноводы (верхний волновод 23А, нижний волновод 24А, верхний волновод 230 и нижний волновод 240), которые имеют форму четырехколенного коленчатого вала и соединяют рупорные антенны 5 со слоем 3 волновода, были описаны выше, но они являются только примером. Например, волноводы, которые соединяют рупорные антенны 5 со слоем 3 волновода, могут иметь форму коленчатого вала с произвольным числом колен, отличным от четырех, до тех пор, пока потери на отражение радиоволн не будут находиться в допустимом диапазоне. Альтернативно, волноводы, которые соединяют рупорные антенны 5 со слоем 3 волновода, могут представлять собой гладкие коаксиальные линии, имеющие форму, отличную от формы коленчатого вала до тех пор, пока потери на отражение радиоволн не будут находиться в пределах допустимого диапазона.
Размещение рупорных антенн 5 было описано выше только в качестве примера. Вместо размещения рупорных антенн 5 строго в шахматном порядке рупорные антенны 5 можно разместить, например, с произвольным смещением между размещением в шахматном порядке и размещением в виде квадратной решетки. Рупорные антенны 5 необязательно должны размещаться через одинаковые промежутки по всей поверхности слоя 1 антенны, и может присутствовать множество областей, в которых рупорные антенны смещены различными способами. Другими словами, антенна 100 включает в себя область, в которой рупорные антенны 5 размещаются с искусственным смещением, чтобы предотвратить размещение рупорных антенн в виде квадратной решетки, тем самым позволяя подавить боковые лепестки излучаемой волны.
Слой 1 антенны, верхний слой 21 соединительного слоя, верхний слой 22 соединительного слоя, слой 3 волновода и нижний слой 4 (которые образуют слой 10 фидерного тракта) можно выполнить как единое целое при условии, что их можно изготовить. Например, в случае изготовления слоев с помощью литья, верхний слой 21 соединительного слоя и нижний слой 22 соединительного слоя можно выполнить как единое целое со слоем 1 антенны, или верхний слой 21 соединительного слоя можно выполнить как единое целое со слоем 1 антенны, верхний слой 21 соединительного слоя и нижний слой 22 соединительного слоя можно выполнить как единое целое со слоем 3 волновода, или нижний слой 22 соединительного слоя можно выполнить как единое целое со слоем 3 волновода.
Слой 1 антенны, соединительный слой 2, слой 3 волновода и нижний слой 4 можно выполнить не только из металла, но также и из диэлектрического материала, такого как смола, поверхность которой покрывается проводящим материалом, таким как металл. В случае использования смолы антенну можно легко изготовить путем литья под давлением и т.п.
Случай, где вход волновода образован в нижнем слое 4, был описан выше только в качестве примера, вход волновода можно сформировать, например, в слое 3 волновода.
Хотя настоящее изобретение было описано выше со ссылкой на примерные варианты осуществления, настоящее изобретение не ограничено вышеописанными примерными вариантами осуществления. Конфигурацию и детали настоящего изобретения можно модифицировать различными способами, которые понятны специалистам в данной области техники в пределах объема настоящего изобретения.
Данная заявка основана на и испрашивает приоритет Японской патентной заявки №2013-8172, поданной 21 января 2013 года, раскрытие которой включено сюда во всей своей полноте путем ссылки.
Перечень ссылочных позиций
100 - АНТЕННА
1 - СЛОЙ АНТЕННЫ
2 - СОЕДИНИТЕЛЬНЫЙ СЛОЙ
3 - СЛОЙ ВОЛНОВОДА
4 - НИЖНИЙ СЛОЙ
5, 51-53 - РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ
10 - СЛОЙ ФИДЕРНОГО ТРАКТА
21 - ВЕРХНИЙ СЛОЙ СОЕДИНИТЕЛЬНОГО СЛОЯ
22 - НИЖНИЙ СЛОЙ СОЕДИНИТЕЛЬНОГО СЛОЯ
23А - ВЕРХНИЙ ВОЛНОВОД
238 - ВЕРХНИЙ ВОЛНОВОД
24А - НИЖНИЙ ВОЛНОВОД
248 - НИЖНИЙ ВОЛНОВОД
31 - ВОЛНОВОД
25А - КОНЕЦ СОЕДИНЕНИЯ
25B - КОНЕЦ СОЕДИНЕНИЯ
26А - ЦЕНТР КОНЦА 25А СОЕДИНЕНИЯ
26B - ЦЕНТР КОНЦА 25B СОЕДИНЕНИЯ
27А - КОНЕЦ СОЕДИНЕНИЯ
27B - КОНЕЦ СОЕДИНЕНИЯ