JP2004088185A

JP2004088185A - 円偏波共用アンテナ

Info

Publication number: JP2004088185A
Application number: JP2002242897A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Uemura; 植村　訓; Shigeru Matsumoto; 松本　茂
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2002-08-23
Filing date: 2002-08-23
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】小型軽量で広帯域且つ高アイソレーションの２直交円偏波共用アンテナを提供すること。
【解決手段】直交２直線偏波アンテナ１として、２つのマイクロストリップアレイアンテナをそれぞれの偏波面が直交するように重ねたアンテナを用い、偏波変換器２として、広帯域化を図るため、導体からなる偏波線と格子を付着させた誘電体の偏波偏向シート３枚とその間に比誘電率と厚さが空間インピーダンスに広帯域整合するように選ばれた誘電体シートを挿入した３シート偏波変換器２を直交２直線偏波アンテナ１に重ねる構成とすることにより、占有面積、放射方向の寸法が従来より小さく、また直線偏波が直交しているため高アイソレーションが得られる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、衛星通信用アンテナなどのように直交する２つの円偏波（右旋円偏波と左旋円偏波）の送受を行うアンテナの技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
衛星通信では、アップリンクとダウンリンクとで周波数および偏波を違えて通信を行うのが普通である。そして、地上での利用者は移動体通信を目的としているところから、そのアンテナの向きが変化するのでそれに対応できるように円偏波が用いられている。即ち、送信と受信とで周波数を違えるとともにその円偏波も右旋円偏波と左旋円偏波というように違えている。
図９および図１０に従来の円偏波共用アンテナの例を示す。
【０００３】
図９において、８０が左旋円偏波用アンテナであり、９０が右旋円偏波用アンテナである。そして８１が左旋円偏波発生用素子であり、９１が右旋円偏波発生用素子である。その他８２および９２が結合線、８３および９３が電力分配器、８４および９４が給電コネクタである。
このアンテナの動作は、給電コネクタ８４、９４から給電された電磁波が、電力分配器８３および９３の中心から外側に向かって伝搬する際に、結合線８２、９２に結合し、左旋および右旋の円偏波発生用素子８１および９１へ供給されるようになっている。
【０００４】
図１０の例は、パラボラ反射鏡と１次放射器を用いた例である。１０はパラボラ反射鏡、１１は左旋円偏波および右旋円偏波の発生が可能な１次放射器である。そしてその左旋円偏波用給電コネクタ１２から給電した場合には、マイクロストリップアンテナ素子１４から左旋円偏波の電磁波がパラボラ反射鏡１０に向けて放射され、右旋円偏波用給電コネクタ１３から給電すると右旋円偏波の電磁波が放射される。こうしてマイクロストリップアンテナ素子１４から放射された左旋、右旋の各円偏波の電磁波はパラボラ反射鏡で反射されて空間へ放射される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には以下のような問題がある。
まず、図９の構成のものは、各円偏波を送受信するために結局は２つのアンテナを横並べにして用いているということであり、放射方向に直角な面における占有面積が大きくなるという問題がある。
次に、図１０の構成のものは、パラボラ反射鏡も１次放射器も１個ずつであるから放射方向に直角な面における占有面積は倍にはならないが、パラボラ反射鏡１０と１次放射器１１との間に所定の間隔（４〜５波長）が必要であるため放射方向の寸法が大きくなるという問題があり、その他１次放射器１１の左旋円偏波用給電コネクタ１２と右旋円偏波用給電コネクタ１３間のアイソレーションが小さく送受信電波間の干渉が大きくなること、および、マイクロストリップアンテナ素子の周波数範囲が原理上狭くなるという欠点がある。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑みて、放射方向における寸法および放射方向に直角な面における占有面積が小さく、且つ、周波数帯域が広く、左旋円偏波と右旋円偏波とのアイソレーションの大きい円偏波共用アンテナを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の円偏波共用アンテナの第１の構成は、異なる周波数で、偏波面が直交する２つの直線偏波の電磁波を放射するシート状のマイクロストリップアンテナ導体を有する直交２直線偏波アンテナと、その放射面側に、３枚の偏波偏向シートとその各間の誘電体シートとで構成され、前記２つの直交する直線偏波の一方を左旋円偏波に、他方を右旋円偏波にそれぞれ偏波変換する偏波変換器とを具備することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明の円偏波共用アンテナの第２の構成は、前記第１の構成の円偏波共用アンテナの偏波変換器の前側にレドームを具備したことを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態は、直交する２つの直線偏波の電磁波を発生せしめ、これを一方は左旋円偏波に、他方は右旋円偏波に変換して放射するものであるが、直交する２直線偏波の発生手段として、誘電体シート上に金属箔で形成したマイクロストリップアンテナを用い、一方の直線偏波の電磁波を放射するマイクロストリップアンテナと、これと直交する直線偏波の電磁波を放射するマイクロストリップアンテナを重ね合わせて形成した直交２直線偏波アンテナを用い、偏波変換器としては、前記直交する２つの直線偏波の電界方向に対し４５度の方向に偏波線を有し、偏波線と偏波線の間に格子（グリッド）を有する３枚の偏波偏向シートとその間に置かれる誘電体シートとからなる広帯域の３シート偏波変換器を前記シート状の直交２直線偏波アンテナに重ねるようにして設け、直交する２つの直線偏波の一方を左旋円偏波に変換し、他方を右旋円偏波に偏波変換して放射する。
【００１０】
直線偏波を円偏波に変換する原理は、直線偏波の電界を偏波偏向シートの偏波線の方向成分とこれに直交する方向成分に分解し、両成分間で９０度の位相差を持たせて合成すると合成電界は回転することになるという原理による。
３シート偏波変換器において、偏波線の方向を２つの直線偏波の電界の直交する半角つまり４５度の方向に設定すると、一方の直線偏波の偏波線方向成分はそれと直交する成分より位相が９０度遅れ、他方の直線偏波の偏波線方向成分はそれと直交する成分より位相が９０度進むので、一方が左旋円偏波となり、他方が右旋円偏波となる。
こうして、１つのシート状偏波変換器で２つの直交する直線偏波が、互いに逆旋回の２つの円偏波に変換される。
【００１１】
以上のように、本発明の円偏波共用アンテナは、２つの直交する直線偏波の発生を、２つのシート状のストリップラインアンテナを重ね合わせることにより行わせ、また、この２つの直線偏波の円偏波への変換を、偏波線を４５度の方向にとった３シート偏波変換器を直交２直線偏波アンテナに重ねるようにした構造であるので、放射方向での寸法も、放射方向と直角な面での占有面積も小さくなり、また送受信のアイソレーションは、直線偏波が直交していることにより充分得られる。また３シート偏波変換器は広帯域であるため、２直線偏波の周波数を離すことができその点からもアイソレーションが取り易いものとなる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の円偏波共用アンテナの実施例の斜視図である。
１は直交２直線偏波アンテナであり、２つのマイクロストリップアンテナを重ね、偏波面が直交する２つの直線偏波の電磁波の放射・受波を行う。２は、偏波偏向シートと誘電体シートとの重ね合わせからなる偏波変換器であり、前記直交２直線偏波アンテナから放射される直交する２つの直線偏波を、一方が左旋回、他方が右旋回の円偏波に変換し空間へ放射する。また、逆に空間からの円偏波を受けて直線偏波に変換する。５はレドームである。電波の放射方向は図で上方ということになる。
【００１３】
図２は直交２直線偏波アンテナ１の斜視図であり、（ａ）は全体図であり（ｂ）は部分詳細図である。この直交２直線偏波アンテナは高周波領域のマイクロストリップアレイアンテナ３と、低周波領域のマイクロストリップアレイアンテナ４とから構成されており、高周波領域用のマイクロストリップアレイアンテナ３は、上部開口板３ａ、これを支持する誘電体シート３ｂ、マイクロストリップアレイ３ｃ、これを支持する誘電体シート３ｄ、接地導体３ｅおよびマイクロストリップアレイ３ｃへ電磁波を供給するための給電コネクタ３ｆから構成されている。なお、上部開口板３ａには図の（ｂ）に示すように幅Ｗ１、長さＬ１のスロット３ｇが設けられており、接地導体３ｅには幅Ｗ２、長さＬ２のスロット３ｈが設けられ、図２（ｂ）に示してあるように、スロット３ｈが２つで対になるように配置されている。
【００１４】
低周波領域用のマイクロストリップアレイアンテナ４は、接地導体３ｅを支持する誘電体シート４ｂ、マイクロストリップアレイ４ｃ、これを支持する誘電体シート４ｄ、マイクロストリップアレイ４ｃのための接地導体４ｅおよびマイクロストリップアレイ４ｃへ電磁波を給電する給電コネクタ４ｆから構成されている。
【００１５】
直交する２直線偏波は前記マイクロストリップアレイ３ｃおよび４ｃのそれぞれで発生され、その電界の直交関係は図２の（ｂ）の矢印Ｅ_１およびＥ_２で示すような関係となる。
このとき、接地導体３ｅに設けられたスロット３ｈの幅Ｗ２がマイクロストリップアレイ３ｃの放射する電磁波の波長の２分の１より充分小さい場合、マイクロストリップアレイ３ｃの放射する電磁波はマイクロストリップアレイ４ｃの方（図では下方）へは伝搬しない。一方、スロット３ｈの長さＬ２は、マイクロストリップアレイ４ｃから放射する電磁波の波長の２分の１より充分大きく設定されているから、マイクロストリップアレイ４ｃから放射される電磁波はスロット３ｈを通過して、偏波変換器２に向かって放射される。
【００１６】
また、上部開口板３ａのスロット３ｇの幅Ｗ１と長さＬ１は、マイクロストリップアレイ３ｃおよび４ｃから放射される電磁波の波長の２分の１より大きく設定されているから両電磁波ともスロット３ｇを通過して、偏波変換器２へ入射していく。
【００１７】
マイクロストリップアレイ３ｃと同４ｃとの間の結合は偏波が直交していることや、間に置かれた接地導体３ｅのシールド効果により小となる。
従って、マイクロストリップアレイ３ｃと同４ｃとのアイソレーションが大きく取れ、電磁結合の量が少なくなるため送受信を同時に行う通信システムにおいては通信品質が確保される利点がある。
【００１８】
図３は、偏波変換器２の分解斜視図である。
その構成は、広帯域の偏波変換動作が行われるよう、誘電体シートに導体箔で、複数の偏波線２ｇが所定間隔で設けられ、その間に複数の格子２ｆが設けられた３枚の偏波偏向シート２ａ、２ｃ、２ｅとその間に設けられた２枚の誘電体シート２ｂ、２ｄとから構成されている。誘電体シート２ｂおよび２ｄの比誘電率や厚さは空間インピーダンスに広帯域整合するように選ばれている。偏波偏向シート２ａおよび２ｅの格子２ｆは偏波線方向に約０．１３波長×約０．１３波長の方形をしており、これに対して偏波偏向シート２ｃの格子は偏波線方向に約０．０８波長×０．２０波長の方形となっている。
【００１９】
図４は、図３の偏波変換器に対して、直交する２直線偏波を入射して円偏波に変換される状況を説明する図である。
入射させる２つの直線偏波の電界方向は、偏波偏向シート面に平行で且つ偏波線２ｇに対して右へ４５度のＥ_２、および左へ４５度のＥ_１の向きになるように、直交２直線偏波アンテナを配置する。このような向きで直線偏波の電界Ｅ_１と電界Ｅ_２が偏波変換器へ入射すると、電界Ｅ_１は、偏波線２ｇに平行なＥｙ_１とそれに対して直角方向のＥｘ_１に分解され、且つＥｙ_１の位相がＥｘ_１の位相より９０度遅れたものとなる。その結果、Ｅｙ_１とＥｘ_１を合成した電界は放射方向で見た場合左旋回（図中点線で示す旋回）する電界となり左旋円偏波となる。
【００２０】
電界Ｅ_２は偏波線２ｇに平行なＥｙ_２と、それに対して直角方向のＥｘ_２に分解され且つＥｙ_２の位相がＥｘ_２の位相より９０度進んだものとなるため、Ｅｙ_２とＥｘ_２を合成した電界は放射方向で見た場合右旋回（図中実線で示す旋回）する電界となり、右旋円偏波となる。こうして、図４で偏波変換器の下の直交２直線偏波アンテナから入射された直線偏波Ｅ_１は左旋円偏波となり、直線偏波Ｅ_２は右旋円偏波となって上方へ放射されることになる。
逆に、上方から左旋円偏波が入射されてくると直線偏波Ｅ_２となり、右旋円偏波が入射されて来ると直線偏波Ｅ_１となる。
【００２１】
図５は、偏波変換器２の上に重ねるレドーム５の実施例の分解斜視図である。
この例では３枚の誘電体シート５ａ、５ｂ、５ｃを重ねた構造となっており、誘電体シート５ａと５ｃは同じ比誘電率ε_１、同じ厚さｔ_１となっており、間の誘電体シート５ｂの比誘電率ε_２および厚さｔ_２はインピーダンス整合がとれるように別途の値が選定されている。
【００２２】
図６は、本実施例の直交２円偏波アンテナの指向性特性図である。図中実線の特性曲線は、図２の給電コネクタ３ｆから高い周波数ｆ_２で給電した場合の左旋円偏波の指向特性であり、点線の特性曲線は、図２の給電コネクタ４ｆから低い周波数ｆ_１で給電した場合の右旋円偏波の指向特性である。
【００２３】
図７は、本実施例における直交２円偏波アンテナの給電コネクタ３ｆと給電コネクタ４ｆとの間のアイソレーションの測定例である。中心周波数ｆ_０の０．９〜１．１倍の周波数範囲に渡って−２５ｄＢ以上の高アイソレーションが得られていることを示している。
【００２４】
図８は、本実施例における２つの円偏波の軸比を測定した例で、実線曲線が左旋円偏波の場合であり、点線が右旋円偏波の場合である。
円偏波率を示す軸比は中心周波数ｆ_０の０．９２〜１．０８倍に渡って２ｄＢ以下という満足すべき値になっていることを示している。
【００２５】
本実施例の直交２円偏波アンテナ（円偏波共用アンテナ）は、図９に示す従来の衛星通信アンテナに比較して、放射方向に垂直な面での占有面積で約５８％、放射方向の寸法も、図１０のアンテナが４〜５波長位であるところ１．５波長程度に小型化され、その結果重量も３５％程軽くなり小型軽量化が実現できた。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の円偏波共用アンテナは、直線偏波の電磁波をシート状のマイクロストリップアンテナで放射させるようにし、このマイクロストリップアンテナ２つをそれぞれの偏波が互いに直交するような向きで重ね合わせた直交２直線偏波アンテナと、偏波変換器として広帯域化を図るため偏波偏向シート３枚とその間に挿入する誘電体シートからなる３シート偏波変換器とを重ねるように構成したので、従来の２直交円偏波共用アンテナに較べて、放射方向の寸法も、放射方向に対して直角な面における占有面積も小さくすることができその結果、小型軽量化が図れる一方、両偏波間のアイソレーションは直線偏波の偏波面が直交していることにより充分なアイソレーションが得られるとともに偏波変換器が広帯域であるため用いる２つの周波数の間隔を広く取ることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の円偏波共用アンテナの実施例の斜視図である。
【図２】本発明の円偏波共用アンテナに用いる直交２直線偏波アンテナの斜視図である。
【図３】本発明の円偏波共用アンテナに用いる偏波変換器の分解斜視図である。
【図４】図３の偏波変換器に対して、直交する２直線偏波を入射してそれが円偏波に変換される状況を説明する図である。
【図５】偏波変換器の上に重ねるレドームの実施例の斜視図である。
【図６】本発明実施例の円偏波共用アンテナ（直交２円偏波アンテナ）の指向性特性図である。
【図７】本発明実施例の円偏波共用アンテナの給電コネクタ間でのアイソレーションの測定例を示すグラフである。
【図８】本発明実施例の円偏波共用アンテナの軸比を測定したグラフである。
【図９】従来の円偏波共用アンテナの第１の例を示す図である。
【図１０】従来の円偏波共用アンテナの第２の例を示す図である。
【符号の説明】
１　直交２直線偏波アンテナ
２　偏波変換器
２ａ　偏波偏向シート
２ｂ　誘電体シート
２ｃ　偏波偏向シート
２ｄ　誘電体シート
２ｅ　偏波偏向シート
２ｆ　格子
２ｇ　偏波線
３　マイクロストリップアレイアンテナ
３ａ　上部開口板
３ｂ　誘電体シート
３ｃ　マイクロストリップアレイ
３ｄ　誘電体シート
３ｅ　接地導体
３ｆ　給電コネクタ
３ｇ　スロット
３ｈ　スロット
４　マイクロストリップアレイアンテナ
４ｂ　誘電体シート
４ｃ　マイクロストリップアレイ
４ｄ　誘電体シート
４ｅ　接地導体
４ｆ　給電コネクタ
５　レドーム
５ａ　誘電体シート
５ｂ　誘電体シート
５ｃ　誘電体シート
１０　パラボラ反射鏡
１１　１次放射器
１２　左旋円偏波用給電コネクタ
１３　右旋円偏波用給電コネクタ
１４　マイクロストリップアンテナ素子
８０　左旋円偏波用アンテナ
８１　左旋円偏波発生用素子
８２　結合線
８３　電力分配器
８４　給電コネクタ
９０　右旋円偏波用アンテナ
９１　右旋円偏波発生用素子
９２　結合線
９３　電力分配器
９４　給電コネクタ

Claims

異なる周波数で、偏波面が直交する２つの直線偏波の電磁波を放射するシート状のマイクロストリップアンテナ導体を有する直交２直線偏波アンテナと、その放射面側に、３枚の偏波偏向シートとその各間の誘電体シートとで構成され、前記２つの直交する直線偏波の一方を左旋円偏波に、他方を右旋円偏波にそれぞれ偏波変換する偏波変換器とを具備することを特徴とする円偏波共用アンテナ。
請求項１の円偏波共用アンテナの偏波変換器の前側にレドームを具備したことを特徴とする円偏波共用アンテナ。