JP2013157920A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低周波数帯と高周波数帯との２周波共用を実現することができ、小型化を図ることが可能な給電部が設けられたアンテナ装置を提供する。
【解決手段】実施例１のアンテナ装置を構成する１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部は、４つの同一サイズの円形素子からなる１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４と、４つの同一サイズの円形素子からなる２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４とを、１枚の誘電体基板４上に両素子が重ならないように、かつ、４５度ずらして誘電体基板４上に配置する。１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４は、正方形を形成するように、その４角の位置にそれぞれ配置される。これにより、パラボラアンテナの反射鏡に対向する１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部として小型化を図ることができ、省スペース化及び低コスト化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、アンテナ装置に関し、特に、２周波の衛星放送等を送受信するアンテナ装置に設けられた給電部に関するものである。

従来、衛星放送等を送受信するために用いる２周波共用のアンテナ装置が知られている。例えば、低周波素子と高周波素子とを、３角形を形成するように配列し、多素子アレーを構成するアンテナ装置が提案されている（特許文献１を参照）。図１０は、従来技術による第１のアンテナ装置の概略構成を示す図である。このアンテナ装置１０１は、低周波の周波数帯域で共振する１つの低周波素子１１１ａと、高周波の周波数帯域で共振する２つの高周波素子１１２ａ_１，１１２ｂ_１とを、３角形を形成するように配置し、これをアレー配列したものである。このアンテナ装置１０１によれば、アンテナ素子間の互いの干渉を低く抑え、グレーティングローブが発生しない良好な放射特性を得ることができる。

また、低周波素子と高周波素子とを積層配置して構成したアンテナ装置が提案されている（特許文献２を参照）。図１１は、従来技術による第２のアンテナ装置の概略構成を示す図である。このアンテナ装置１０２は、アース板１２１と、アース板１２１と所定間隔を隔てて平行に配置された低周波素子１２２と、低周波素子１２２と所定間隔を隔てて、アース板１２１及び低周波素子１２２に対して平行に配置された高周波素子１２３と、アース板１２１と低周波素子１２２との間の電気的接続及び機械的結合を行うスペーサ１２４とを備え、スペーサ１２４の内部に、高周波素子１２３の給電部を通過させるように構成したものである。このアンテナ装置１０２によれば、高周波素子１２３への給電と、アース板１２１及び低周波素子１２２との間の電気的接続及び機械的結合とを同一箇所で行っているから、小型化を実現することができる。

また、高周波受信用ホーンアンテナの周囲に低周波素子を配置して構成したアンテナ装置が提案されている（非特許文献１，２を参照）。図１２は、従来技術による第３のアンテナ装置の概略構成を示す図である。このアンテナ装置１０３は、基板上の中央に高周波の周波数帯域で共振するホーン１３１を配置し、ホーン１３１の周囲に低周波の周波数帯域で共振する４つのマイクロストリップ素子１３２を配置して構成したものである。このアンテナ装置１０３によれば、最高周波数と最低周波数との比が５以上の場合に適用する２周波共用のアンテナ装置を実現することができる。

ところで、スーパーハイビジョン放送や立体テレビの伝送メディアとして、２１ＧＨｚ帯を用いた衛星放送が検討されている。２１ＧＨｚ帯は、２１．４ＧＨｚから２２．０ＧＨｚまでの６００ＭＨｚ幅の周波数帯域が割り当てられており、大容量信号の伝送が可能である。現行では、１２ＧＨｚ帯を用いた衛星放送により衛星放送サービスが実現されている。１２ＧＨｚ帯は、１１．７０ＧＨｚから１２．７５ＧＨｚまでの１．０５ＧＨｚ幅の周波数帯域が割り当てられている。

２１ＧＨｚ帯の放送衛星の軌道位置が、現行の１２ＧＨｚ帯の放送衛星と同じ場合には、１２ＧＨｚ帯（低周波数帯）と２１ＧＨｚ帯（高周波数帯）とを受信可能な２周波共用のアンテナ装置を用いることが想定される。このような２周波共用のアンテナ装置として単一の衛星放送受信用パラボラアンテナを用いることにより、両周波数帯で提供される衛星放送サービスを実現することができる。

特開２００３−３７４３５号公報 特許第３９６７２６４号公報

堀他、「ホーンとプリントアンテナを一次放射器とする２周波数帯共用反射鏡アンテナ」、信学技報、AP-85-56、pp.1-6、1985-10 堀他、「ホーンとプリントアレーを用いた２周波数帯共用反射鏡アンテナの設計法」、電子情報通信学会論文誌、B-II、Vol.J76-B-II、No.6、pp.504-511、１９９３年６月

図１３は、反射鏡及び給電部からなるパラボラアンテナの例を示す構成図である。このパラボラアンテナの例では、開口径が４５ｃｍであり、Ｆ／Ｄ比が０．４７である。

図１３に示したパラボラアンテナを、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯との２周波共用のパラボラアンテナとして用い、両周波数帯で提供される衛星放送サービスを実現するためには、パラボラアンテナの反射鏡に対向して配置される給電部を小型化する必要がある。また、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯との双方で十分な利得を得るためには、給電部から放射される電力の反射鏡エッジにおける照射レベル（以下、「エッジレベル」という。）を双方で一致させる必要がある。さらに、現行の１２ＧＨｚ帯の衛星放送では、右旋円偏波が用いられていることから、円偏波を発生させるアンテナ素子を用いる必要がある。

前述の特許文献１のアンテナ装置１０１は、３つのアンテナ素子が三角形を形成するように配列され、多素子アレーにより構成されるから、多素子平面アンテナの設計技術に適用されるものであり、反射鏡を用いたパラボラアンテナの設計技術に適用されるものではない。このため、アンテナ装置のサイズは大きくなり、パラボラアンテナの給電部には適用することができない。例えば、図１０に示したアンテナ装置１０１において、１つの低周波素子１１１ａ及び２つの高周波素子１１２ａ_１，１１２ｂ_１を単位として、アンテナ装置１０１を構成する多素子アレーが３２×１６＝５１２個からなり、その間隔を２ｃｍとした場合、このサイズは６４ｃｍ×３２ｃｍとなる（村田孝雄、「衛星放送および通信用高性能プリントアンテナに関する研究」、博士論文、pp.42-43、東北大学、１９９６年）。したがって、特許文献１のアンテナ装置１０１をパラボラアンテナの給電部に適用することができない。そもそも、このアンテナ装置１０１は小型化を目的としたものではないからである。

また、前述の特許文献２のアンテナ装置１０２は、低周波素子と高周波素子とが積層配置して構成されるから、小型化を実現することができる。しかしながら、このアンテナ装置１０２では、低周波素子１２２が高周波素子１２３の接地板になるから、高周波素子１２３の配置が低周波素子１２２の配置によって制限を受けてしまい、設計の自由度を十分に確保することができない。

また、前述の非特許文献１，２のアンテナ装置１０３は、ホーン１３１の周囲にマイクロストリップ素子１３２を配置したものであり、最高周波数と最低周波数との比が５以上の場合を想定したものである。このため、このアンテナ装置１０３を、１２ＧＨｚ帯及び２１ＧＨｚ帯のような周波数比が５未満のパラボラアンテナの給電部に適用することができない。

ここで、図１３に示したパラボラアンテナにおいて、ホーンアンテナを、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯との２周波共用の給電部として使用する場合について説明する。図１４は、１２ＧＨｚ帯ホーンアンテナ及び２１ＧＨｚ帯ホーンアンテナの例を示す構造図である。１２ＧＨｚ帯ホーンアンテナと２１ＧＨｚ帯ホーンアンテナとが個々に設計された場合、図１４に示すように、波長の違いによってそのサイズに差が生じる。１２ＧＨｚ帯ホーンアンテナと２１ＧＨｚ帯ホーンアンテナとの間でサイズを比較すると、１２ＧＨｚ帯の波長が２１ＧＨｚ帯よりも長いから、１２ＧＨｚ帯ホーンアンテナの方が２１ＧＨｚ帯ホーンアンテナよりも、ホーンの開口径は大きくなる。１２ＧＨｚ帯ホーンアンテナのホーンの開口径は２８．５ｍｍであるのに対し、２１ＧＨｚ帯ホーンアンテナのホーンの開口径は１４．７ｍｍである。

例えば、図１４に示した１２ＧＨｚ帯ホーンアンテナを、図１３に示したパラボラアンテナにおいて、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯との２周波共用の給電部として使用する場合を想定する。図１５は、１２ＧＨｚ帯ホーンアンテナに、１２ＧＨｚ帯及び２１ＧＨｚ帯の信号を励振した場合の利得特性を示す図である。この利得特性の放射パターンは、計算機シミュレーションにより得られた結果である。縦軸が相対利得（ｄＢ）を示し、横軸が反射鏡に対する給電部の離軸角度（度）を示している。図１５に示すように、１２ＧＨｚ帯の利得特性と２１ＧＨｚ帯の利得特性とは、パターンが一致しておらず、パラボラアンテナに使用した場合の反射鏡の開口角を±４６度とした場合、１２ＧＨｚ帯の利得特性では−８．９ｄＢ、２１ＧＨｚ帯の利得特性では−１６．５ｄＢの相対利得となっており、２１ＧＨｚ帯の利得特性は１２ＧＨｚ帯よりも放射パターンの幅が狭くなっている。

前述のとおり、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯との双方で十分な利得を得るためには、利得特性で示されるエッジレベルを双方で一致させる必要がある。しかし、２１ＧＨｚ帯の波長が１２ＧＨｚ帯の波長の約０．６倍であり、図１４に示したように、１２ＧＨｚ帯ホーンアンテナが２１ＧＨｚ帯ホーンアンテナよりも開口が広いため、１２ＧＨｚ帯ホーンアンテナに２１ＧＨｚ帯の信号を励振した場合には、エネルギーが中央（離軸角度０度）に集中し、高い開口効率を得ることが難しい。このため、双方の利得特性の放射パターンが一致せず、両周波数を共用することができない。このように、図１４に示した１２ＧＨｚ帯ホーンアンテナでは、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯との２周波共用の給電部として使用することができない。また、前述のとおり、ホーンアンテナでは小型化を実現することができない。

そこで、本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、低周波数帯と高周波数帯との２周波共用を実現することができ、小型化を図ることが可能な給電部が設けられたアンテナ装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明によるアンテナ装置は、平面基板に、低周波の周波数帯域で共振する低周波アレーアンテナと、高周波の周波数帯域で共振する高周波アレーアンテナとを配置し、前記平面基板と接地導体板とを積層構造にした給電部が設けられた２周波共用アンテナ装置において、前記低周波アレーアンテナが、４つの同一形状の素子からなり、前記４つの素子が、前記平面基板上で正方形を形成するように、前記正方形の頂点の位置にそれぞれ配置され、前記高周波アレーアンテナが、４つの同一形状の素子からなり、前記４つの素子が、前記平面基板上で正方形を形成するように、前記正方形の頂点の位置にそれぞれ配置され、前記それぞれの正方形の中心を平面基板上で同じ位置とし、前記高周波アレーアンテナを、前記低周波アレーアンテナに対し４５度ずらして配置したことを特徴とする。

また、本発明によるアンテナ装置は、第１の平面基板に低周波の周波数帯域で共振する低周波アレーアンテナを配置し、第２の平面基板に高周波の周波数帯域で共振する高周波アレーアンテナを配置し、前記第１の平面基板、第２の平面基板及び接地導体板を積層構造にした給電部が設けられた２周波共用アンテナ装置において、前記低周波アレーアンテナが、４つの同一形状の素子からなり、前記４つの素子が、前記第１の平面基板上で正方形を形成するように、前記正方形の頂点の位置にそれぞれ配置され、前記高周波アレーアンテナが、４つの同一形状の素子からなり、前記４つの素子が、前記第２の平面基板上で正方形を形成するように、前記正方形の頂点の位置にそれぞれ配置され、前記それぞれの正方形の中心を、前記積層構造における垂直線上の位置とし、前記高周波アレーアンテナを、前記低周波アレーアンテナに対し４５度ずらして配置したことを特徴とする。

また、本発明によるアンテナ装置は、前記第１の平面基板、第２の平面基板及び接地導体板の順に積層されていることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、２周波共用のアンテナ装置を実現することができ、その給電部の小型化を図ることが可能となる。

本発明の第１の実施形態（実施例１）による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の概略構成を示す図である。 実施例１による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の一部を示す斜視図である。 実施例１による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の一部を示す断面図である。 実施例１による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の利得特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態（実施例２）による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の概略構成を示す図である。 １２ＧＨｚ帯スロット部及び２１ＧＨｚ帯スロット部のサイズを説明する図である。 （ａ）は、実施例２による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部における１２ＧＨｚ帯素子の周辺を示す断面図である。（ｂ）は、実施例２による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部における２１ＧＨｚ帯素子の周辺を示す断面図である。 （ａ）は、実施例２による１２ＧＨｚ帯のＶＳＷＲ特性を示す図である。（ｂ）は、実施例２による２１ＧＨｚ帯のＶＳＷＲ特性を示す図である。 実施例２による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の利得特性を示す図である。 従来技術による第１のアンテナ装置の概略構成を示す図である。 従来技術による第２のアンテナ装置の概略構成を示す図である。 従来技術による第３のアンテナ装置の概略構成を示す図である。 反射鏡及び給電部からなるパラボラアンテナの例を示す構成図である。 １２ＧＨｚ帯ホーンアンテナ及び２１ＧＨｚ帯ホーンアンテナの例を示す構造図である。 １２ＧＨｚ帯ホーンアンテナに、１２ＧＨｚ帯及び２１ＧＨｚ帯の信号を励振した場合の利得特性を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて詳細に説明する。本発明の第１の実施形態（実施例１）及び第２の実施形態（実施例２）は、図１３に示した反射鏡及び給電部からなるパラボラアンテナのアンテナ装置において、低周波数帯（１２ＧＨｚ帯）と高周波数帯（２１ＧＨｚ帯）との２周波共用のパラボラアンテナを実現する。実施例１は、ピン給電方式の２周波共用アンテナ装置であり、パラボラアンテナの給電部として、所定の放射パターンを形成する４つのマイクロストリップ素子からなる低周波アレーアンテナと、前記所定の放射パターンと同じエッジレベルを有する４つのマイクロストリップ素子からなる高周波アレーアンテナとを、同一基板上に４５度ずらして配置したものを用いる。また、実施例２は、電磁結合方式の２周波共用アンテナ装置であり、パラボラアンテナの給電部として所定の放射パターンを形成する４つのマイクロストリップ素子からなる低周波アレーアンテナと、前記所定の放射パターンと同じエッジレベルを有する４つのマイクロストリップ素子からなる高周波アレーアンテナとを、別々の基板上に４５度ずらして配置したものを用いる。

実施例１，２によれば、低周波アレーアンテナを構成する４つのマイクロストリップ素子を、正方形の４角の位置に配置すると共に、高周波アレーアンテナを構成する４つのマイクロストリップ素子も、正方形の４角の位置に配置して、それぞれ正方形を形成し、低周波アレーアンテナと高周波アレーアンテナとを同一基板上または異なる基板上に４５度ずらし、一方のマイクロストリップ素子が他方のマイクロストリップ素子の放射を遮らないようにした。これにより、給電部のアンテナ利得の向上を図ることができる。

また、低周波アレーアンテナを構成するマイクロストリップ素子の間隔及び高周波アレーアンテナを構成するマイクロストリップ素子の間隔をそれぞれ所定長とするようにした。これにより、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯の双方で所望のビーム幅とし、エッジレベルを一致させることができ、パラボラアンテナにおいて、十分な利得を得ることができる。

また、低周波アレーアンテナを構成するマイクロストリップ素子と接地導体との間の基板の厚み及び高周波アレーアンテナを構成するマイクロストリップ素子と接地導体との間の基板の厚みをそれぞれ所定長とするようにした。これにより、低周波数帯及び高周波数帯において、所望の広帯域化を実現することができる。

さらに、実施例１，２の給電部の構成を用いることにより、円偏波及び直線偏波を発生させることができるから、現行の１２ＧＨｚ帯（低周波数帯）の放送衛星で用いられている円偏波と、将来の２１ＧＨｚ帯（高周波数帯）の放送衛星で用いられる円偏波または直線偏波とに適用することができる。

〔実施例１〕
まず、実施例１について説明する。実施例１のアンテナ装置を構成する２周波共用給電部は、前述のとおり、ピン給電方式を用いるものであり、４つのマイクロストリップ素子からなる低周波アレーアンテナと、４つのマイクロストリップ素子からなる高周波アレーアンテナとを、同一基板上に４５度ずらして配置したものである。

図１は、実施例１による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の概略構成を示す図である。図１に示す１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部は、図１３に示したパラボラアンテナにおいて、反射鏡に対向した面の構成を示している。この１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部は、誘電体からなる平面基板（誘電体基板）４に、１２ＧＨｚ帯の周波数帯域で共振する４つのマイクロストリップ素子である１２ＧＨｚ帯素子（低周波素子）１−１〜１−４、及び２１ＧＨｚ帯の周波数帯域で共振する４つのマイクロストリップ素子である２１ＧＨｚ帯素子（高周波素子）２−１〜２−４が形成されている。４つの１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４により１２ＧＨｚ帯アレーアンテナ（低周波アレーアンテナ）が構成され、４つの２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４により２１ＧＨｚ帯アレーアンテナ（高周波アレーアンテナ）が構成される。

誘電体基板４の形状は正方形であり、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４の形状はいずれも円形である。１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４は、それぞれの素子の円周に接して正方形を形成するように（それぞれの素子の中央点を頂点として正方形を形成するように）、誘電体基板４上に配置されている。２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４も、それぞれの素子の円周に接して正方形を形成するように（それぞれの素子の中央点を頂点として正方形を形成するように）、誘電体基板４上に形成されている。これらの正方形は、誘電体基板４の中央に形成され、隣り合う１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４の間隔は同一であり、隣り合う２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４の間隔も同一である。

１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４により形成される正方形と、２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４により形成される正方形とは、両素子が重ならないように、４５度ずらして配置されている。これにより、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４と２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４との位置関係が対称形になるので、低周波アレーアンテナ及び高周波アレーアンテナ共に対称形の放射パターンを形成することができ、反射鏡と組み合わせたときのパラボラアンテナとしての利得を向上させることができる。また、径及び間隔の長い１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４の内側に、径及び間隔の短い２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４が配置され、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４と２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４とを別々の領域に配置する必要がないから、パラボラアンテナの反射鏡に対向する１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部として小型化を図ることができる。径及び間隔については後述する。また、同一の誘電体基板４上において、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４と２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４との間で、一方の素子が他方の素子の放射を遮ることがないから、所望の利得特性を得ることができ、２周波の放送信号を受信し分離することが可能となる。

１２ＧＨｚ帯素子１−１には、２つの給電点３ａ，３ｂが形成されており、給電点３ａ，３ｂに対する振幅及び位相に従って、１２ＧＨｚ帯素子１−１は、円偏波を発生する。例えば、所定の振幅及び位相の信号が給電点３ｂに給電される場合、振幅が等しくかつ給電点３ｂに比べて位相が９０度遅れた信号が給電点３ａに給電されることにより、右旋円偏波を発生させることができる。また、所定の振幅及び位相の信号が給電点３ａに給電される場合、振幅が等しくかつ給電点３ａに比べて位相が９０度遅れた信号が給電点３ｂに給電されることにより、左旋円偏波を発生させることができる。同様に、１２ＧＨｚ帯素子１−２〜１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４も、２つの給電点が形成されており、これらの素子は、円偏波を発生する。

また、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４（１−ｍ、ｍ＝１〜４）に形成された２つの給電点の回転位置は、ｘｙ平面において、ｍ＝１，３の給電点で０であり、ｍ＝２，４の給電点でπ／２である。同様に、２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４（１−ｍ、ｍ＝１〜４）に形成された２つの給電点の回転位置も、ｘｙ平面において、ｍ＝１，３の給電点で０であり、ｍ＝２，４の給電点でπ／２である。この場合、１２ＧＨｚ帯素子１−１，１−３及び２１ＧＨｚ帯素子２−１，２−３は、位相差０にてそれぞれ給電され、１２ＧＨｚ帯素子１−２，１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−２，２−４は、位相差π／２にてそれぞれ給電される。

誘電体基板４は、例えば比誘電率２．５５、厚さ１．６ｍｍのＰＴＦＥ基板が用いられる。誘電体基板４の１辺のサイズは３０ｍｍであり、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４の半径は３．８６ｍｍであり、２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４の半径は２．３５ｍｍである。１２ＧＨｚ帯素子１−１，１−２間の距離は１５．１ｍｍであり、１２ＧＨｚ帯素子１−２，１−３間の距離、１２ＧＨｚ帯素子１−３，１−４間の距離、及び１２ＧＨｚ帯素子１−４，１−１間の距離も同様である。２１ＧＨｚ帯素子２−１，２−２間の距離は６．９ｍｍであり、２１ＧＨｚ帯素子２−２，２−３間の距離、２１ＧＨｚ帯素子２−３，２−４間の距離、及び２１ＧＨｚ帯素子２−４，２−１間の距離も同様である。

図１に示した１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部では、１２ＧＨｚ帯素子１−１，１−２等の間隔を１５．１ｍｍとし、２１ＧＨｚ帯素子２−１，２−２等の間隔を６．９ｍｍとすることにより、後述する図４に示すように、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯との双方でのエッジレベルを一致させることができ、パラボラアンテナにおいて、双方で十分な利得を得ることができる。

図２は、実施例１による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の一部を示す斜視図であり、図３は、実施例１による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の一部を示す断面図である。これらの斜視図及び断面図は、図１の１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部に形成された１２ＧＨｚ帯素子１−１単体の箇所の構造を示している。尚、他の１２ＧＨｚ帯素子１−２〜１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４についても同様である。

１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部は、１２ＧＨｚ帯素子１−１の周辺箇所において、誘電体基板４の上面に、１２ＧＨｚ帯素子１−１及び給電点３ａ，３ｂが形成され、誘電体基板４の下面に、接地導体（接地導体板）５が形成される構造となっている。１２ＧＨｚ帯素子１−１、誘電体基板４及び接地導体５は、この順で積層構造になっている。

図３を参照して、９０度ハイブリッド回路７は、接続点６ａ，６ｂを介して給電点３ａ，３ｂに接続され、その出力信号が出力端子８ａ，８ｂから出力されるようになっている。接続点６ａ，６ｂから９０度ハイブリッド回路７を介して出力端子８ａ，８ｂまでの間で給電線路が構成される。尚、図２では、給電線路は省略してある。

このように、図２及び図３に示した１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部において、１２ＧＨｚ帯素子１−１に形成された２つの給電点３ａ，３ｂから１２ＧＨｚ帯の信号が９０度ハイブリッド回路７に入力され、９０度ハイブリッド回路７から９０度の位相差を有する信号が出力される。これにより、例えば、出力端子８ａから左旋円偏波の信号が出力され、出力端子８ｂから右旋円偏波の信号が出力される。したがって、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部により、１２ＧＨｚ帯の円偏波の信号を得ることができ、同様にして、２１ＧＨｚ帯の円偏波の信号も得ることができる。

図４は、実施例１による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の利得特性を示す図である。この利得特性の放射パターンは、計算機シミュレーションの結果であり、図１〜図３に示した１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４の配置において、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部に１２ＧＨｚ帯及び２１ＧＨｚ帯の信号を励振した場合を示している。縦軸が相対利得（ｄＢ）を示し、横軸が反射鏡に対する給電部の離軸角度（度）を示している。図４に示すように、ＬＨＣＰ（主偏波）において、１２ＧＨｚ帯の利得特性と２１ＧＨｚ帯の利得特性とは、反射鏡の開口径である離軸角度±４６度の範囲内にて放射パターンが一致しており、離軸角度±４６度にて約−１５ｄＢの相対利得となっていることがわかる。また、ＲＨＣＰ（交差偏波）の利得は、ＬＨＣＰに比べて抑えられていることがわかる。

このように、図１〜図３に示した実施例１による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部では、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯との双方でのエッジレベルを一致させることができ、パラボラアンテナにおいて、双方で十分な利得を得ることができる。これにより、１２ＧＨｚ帯及び２１ＧＨｚ帯の両周波数を共用することができる。

以上のように、実施例１のアンテナ装置を構成する１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部によれば、図１に示したように、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４と２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４とを、１枚の誘電体基板４上に両素子が重ならないように配置し、かつ、４５度ずらして誘電体基板４上に配置するようにした。これにより、パラボラアンテナの反射鏡に対向する１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部として小型化を図ることができ、省スペース化及び低コスト化を図ることができる。また、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４の間隔及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４の間隔を、両素子が重ならないように、容易に調整することができる。

また、実施例１のアンテナ装置を構成する１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部によれば、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４の間隔及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４の間隔を調整することにより、所望の利得特性及びビーム幅を得ることができる。例えば、図１に示した配置とすることにより、図４に示した所望の利得特性を得ることができる。これにより、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯の双方で所望のビーム幅とし、エッジレベルを一致させることができ、パラボラアンテナにおいて、十分な利得を得ることができる。したがって、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部を、パラボラアンテナの給電部として最適化することができる。

また、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部に用いる周波数変換部及び増幅部等を、図１〜図３に示した誘電体基板４の下側に設けることにより、同一基板にて複数の機能を実現するアンテナ装置を提供することができる。

尚、図１〜図３に示した実施例１の１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部では、円偏波を発生させるようにしたが、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４における２つの給電点３の代わりに、１つの給電点３を形成することにより、直線偏波を発生させることができる。この場合、誘電体基板４に形成された１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４は、ｘ，ｙ平面において、円形の形状内で同じ位置に１つの給電点３が形成され、位相差０（つまり同相）にてそれぞれ給電される。２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４についても同様である。このように、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４に２つの給電点３を形成し、９０度ハイブリッド回路７を設けることにより、円偏波を発生させることができ、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４に１つの給電点３を形成することにより、直線偏波を発生させることができる。尚、図１〜図３に示した実施例の１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４における２つの給電点３のうちの１つの給電点３を用いることにより、直線偏波を発生させるようにしてもよい。この場合、誘電体基板４に形成された１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４において、円形の形状内で同じ位置の給電点３が用いられる。２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４についても同様である。

これにより、将来の２１ＧＨｚ帯の放送衛星で円偏波が用いられる場合には、図１〜図３に示したように、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４に２つの給電点３をそれぞれ形成し、９０度ハイブリッド回路７を設けた１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部を用いることにより、現行の１２ＧＨｚ帯の放送衛星で用いられている円偏波に適用することができると共に、２１ＧＨｚ帯の放送衛星で用いられる円偏波にも適用することができる。また、将来の２１ＧＨｚ帯の放送衛星で直線偏波が用いられる場合には、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４に２つの給電点３を形成して９０度ハイブリッド回路７を設け、２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４に１つの給電点３を形成した１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部を用いることにより、現行の１２ＧＨｚ帯の放送衛星で用いられている円偏波に適用することができると共に、２１ＧＨｚ帯の放送衛星で用いられる直線偏波にも適用することができる。つまり、２１ＧＨｚ帯の衛星放送が現行の１２ＧＨｚ帯の衛星放送と同様に東経１１０°から送信される場合には、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部を用いることにより、１つのアンテナ装置で両方の衛星放送を受信することが可能となる。

〔実施例２〕
次に、実施例２について説明する。実施例２のアンテナ装置を構成する２周波共用給電部は、前述のとおり、電磁結合方式を用いるものであり、４つのマイクロストリップ素子からなる低周波アレーアンテナと、４つのマイクロストリップ素子からなる高周波アレーアンテナとを、別々の基板上に４５度ずらして配置したものである。

図５は、実施例２による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の概略構成を示す図である。この１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部は、３層の基板により構成され、１層目の接地導体板２３と、接地導体板２３の上側に配置される２層目の２１ＧＨｚ帯アレーアンテナ２２と、２１ＧＨｚ帯アレーアンテナ２２の上側に配置される１２ＧＨｚ帯アレーアンテナ２１とを積層した構造になっている。３層目の１２ＧＨｚ帯アレーアンテナ２１の上面は、図１３に示したパラボラアンテナにおいて、反射鏡に対向している。

１層目の接地導体板２３は、誘電体からなる平面基板（誘電体基板）１４−３の上面に接地導体１５が形成され、誘電体基板１４−３の下面に給電線路１８が設けられている。接地導体１５には、４つの１２ＧＨｚ帯スロット部（低周波数帯スロット部）１６−１〜１６−４及び４つの２１ＧＨｚ帯スロット部（高周波数帯スロット部）１７−１〜１７−４が形成されている。また、給電線路１８は、１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４のそれぞれに対応して設けられている。

２層目の２１ＧＨｚ帯アレーアンテナ２２は、誘電体からなる平面基板（誘電体基板）１４−２に、２１ＧＨｚ帯の周波数帯域で共振する４つのマイクロストリップ素子である２１ＧＨｚ帯素子（高周波素子）１２−１〜１２−４が形成されている。２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４は、ｚ方向において、接地導体板２３の２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４にそれぞれ対応した位置に形成されている。

３層目の１２ＧＨｚ帯アレーアンテナ２１は、誘電体からなる平面基板（誘電体基板）１４−１に、１２ＧＨｚ帯の周波数帯域で共振する４つのマイクロストリップ素子である１２ＧＨｚ帯素子（低周波素子）１１−１〜１１−４が形成されている。１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４は、ｚ方向において、接地導体板２３の１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４にそれぞれ対応した位置に形成されている。

誘電体基板１４−１〜１４−３の上面及び下面の形状は正方形であり、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４の形状（上面及び下面の形状）はいずれも円形である。１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４は、それぞれの素子の円周に接して正方形を形成するように（それぞれの素子の中央点を頂点として正方形を形成するように）、誘電体基板１４−１上に配置されている。また、２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４は、それぞれの素子の円周に接して正方形を形成するように（それぞれの素子の中央点を頂点として正方形を形成するように）、誘電体基板１４−２上に配置されている。これらの正方形は、それぞれ誘電体基板１４−１，１４−２の中央に形成され、隣り合う１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４の間隔は同一であり、隣り合う２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４の間隔も同一である。

図１に示した実施例１と同様に、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４により形成される正方形と、２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４により形成される正方形とは、両素子が重ならないように、４５度ずらして配置されている。これにより、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４と２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４との位置関係が対称形になるので、低周波アレーアンテナ及び高周波アレーアンテナ共に対称形の放射パターンを形成することができ、反射鏡と組み合わせたときのパラボラアンテナとしての利得を向上させることができる。また、径及び間隔の長い１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４の内側に、径及び間隔の短い２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４が配置され、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４と２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４とを別々の領域に配置する必要がないから、パラボラアンテナの反射鏡に対向する１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部として小型化を図ることができる。径及び間隔については後述する。また、誘電体基板１４−１上に配置された１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４と誘電体基板１４−２上に配置された２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４との間で、一方の素子が他方の素子の放射を遮ることがないから、所望の利得特性を得ることができ、２周波の放送信号を受信し分離することが可能となる。

１層目の接地導体板２３において、１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４は、それぞれ所定幅及び所定長の帯状のスロットが直交するように十字型に形成されている。直交する２つのスロットの幅は同じであるが、長さが異なっている。また、２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４は、１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４のスロットよりも所定長の短いスロットが形成されている。１２ＧＨｚ帯アレーアンテナ２１の１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４は、直交するスロットの長さの比を所定比とすることにより、これらに対応する接地導体板２３の接地導体１５に形成された１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４との間の電磁結合によって給電され、１２ＧＨｚ帯の円偏波をそれぞれ発生させることができる。また、２１ＧＨｚ帯アレーアンテナ２２の２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４は、直交するスロットの長さの比を所定比とすることにより、これらに対応する接地導体板２３の接地導体１５に形成された２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４との間の電磁結合によって給電され、２１ＧＨｚ帯の円偏波をそれぞれ発生させることができる。直交するスロットの長さの比については後述する。

１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４（１６−ｍ、ｍ＝１〜４）におけるスロットの回転位置は、ｍ＝１のスロットの回転位置を０として、π（ｍ−１）／２である。同様に、２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４（１７−ｍ、ｍ＝１〜４）におけるスロットの回転位置も、ｍ＝１のスロットの回転位置を０として、π（ｍ−１）／２である。この場合、１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４は、位相差π（ｍ−１）／２にてそれぞれ給電される。

誘電体基板１４−１〜１４−３は、例えば比誘電率２．５６、誘電正接０．００１６のＰＴＦＥ基板が用いられる。誘電体基板１４−１〜１４−３の１辺のサイズは２７ｍｍであり、その厚さはそれぞれ０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．２ｍｍである（後述する図７を参照）。１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４の半径は３．５６ｍｍであり、２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４の半径は１．９４ｍｍである。１２ＧＨｚ帯素子１１−１，１１−２間の距離は１３．５ｍｍであり、１２ＧＨｚ帯素子１１−２，１１−３間の距離、１２ＧＨｚ帯素子１１−３，１１−４間の距離、及び１２ＧＨｚ帯素子１１−４，１１−１間の距離も同様である。２１ＧＨｚ帯素子１２−１，１２−２間の距離は９．３ｍｍであり、２１ＧＨｚ帯素子１２−２，１２−３間の距離、２１ＧＨｚ帯素子１２−３，１２−４間の距離、及び２１ＧＨｚ帯素子１２−４，１２−１間の距離も同様である。

１２ＧＨｚ帯素子１１−１，１１−２等の間隔を１３．５ｍｍとし、２１ＧＨｚ帯素子１２−１，１２−２等の間隔を９．３ｍｍとすることにより、後述する図９に示すように、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯との双方でのエッジレベルを一致させることができ、パラボラアンテナにおいて、双方で十分な利得を得ることができる。

図６は、１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４のサイズを説明する図である。図６において、ｒは１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４の半径、ｗは給電線路１８の幅を示す。また、ｌ_slotAは１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４の長い方のスロットの長さ、ｗ_slotAは１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４の長い方のスロットの幅、ｌ_slotBは１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４の短い方のスロットの長さ、ｗ_slotBは１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４の短い方のスロットの幅を示す。また、ｌ₁は１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４の中心に対応する位置から終端までの給電線路１８の長さ、ｌ₂は１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４の中心に対応する位置から開放スタブまでの給電線路１８の長さ、ｌ_stubは開放スタブの長さを示す。

開放スタブは、１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４における給電線路１８のインピーダンス整合を図るために、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４のみに対して設けられる。インピーダンス整合は、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４の中心に対応する位置から終端までの給電線路１８の長さを示すｌ₁を調整することによって実現されるが、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４においては、この長さｌ₁のみの調整では実現困難だからである。この開放スタブは、給電線路１８をＴ字に枝分かれさせた構造になっている。ここで、インピーダンスは、一般的な高周波測定器に合わせるために、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４共に５０Ωである。

図７（ａ）は、実施例２による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部における１２ＧＨｚ帯素子１１−１の周辺を示す断面図であり、図７（ｂ）は、２１ＧＨｚ帯素子１２−１の周辺を示す断面図である。尚、図７（ａ）に示す構造は、他の１２ＧＨｚ帯素子１１−２〜１１−４についても同様であり、図７（ｂ）に示す構造は、他の２１ＧＨｚ帯素子１２−２〜１２−４についても同様である。

図７（ａ）を参照して、１２ＧＨｚ帯素子１１−１、誘電体基板１４−１、誘電体基板１４−２、接地導体１５及び誘電体基板１４−３は、図１３に示した反射鏡に対向する上（給電部からみて反射鏡側）から下（給電部からみて反射鏡の反対側）へ向けて積層構造になっている。１２ＧＨｚ帯素子１１−１は誘電体基板１４−１の上面に、接地導体１５は誘電体基板１４−３の上面に、給電線路１８は誘電体基板１４−３の下面にそれぞれ形成されている。この給電線路１８は、１２ＧＨｚ帯素子１１−１に対応する線路であり、１２ＧＨｚ帯素子１１−１の下方に、誘電体基板１４−１，１４−２、接地導体１５及び誘電体基板１４−３を介して設けられている。

図７（ｂ）を参照して、誘電体基板１４−１、２１ＧＨｚ帯素子１２−１、誘電体基板１４−２、接地導体１５及び誘電体基板１４−３は、図１３に示した反射鏡に対向する上（給電部からみて反射鏡側）から下（給電部からみて反射鏡の反対側）へ向けて積層構造になっている。２１ＧＨｚ帯素子１２−１は誘電体基板１４−２の上面に、接地導体１５は誘電体基板１４−３の上面に、給電線路１８は誘電体基板１４−３の下面にそれぞれ形成されている。この給電線路１８は、２１ＧＨｚ帯素子１２−１に対応する線路であり、２１ＧＨｚ帯素子１２−１の下方に、誘電体基板１４−２、接地導体１５及び誘電体基板１４−３を介して設けられている。

誘電体基板１４−１，１４−２，１４−３の厚さはそれぞれ０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．２ｍｍである。また、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４、２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４、接地導体１５及び給電線路１８の厚さはそれぞれ０．０３５ｍｍである。

前述のとおり、衛星放送サービスを実現するために、１２ＧＨｚ帯は、１１．７０ＧＨｚから１２．７５ＧＨｚまでの１．０５ＧＨｚ幅の周波数帯が割り当てられ、２１ＧＨｚ帯は、２１．４ＧＨｚから２２．０ＧＨｚまでの６００ＭＨｚ幅の周波数帯が割り当てられている。一般に、誘電体基板１４−１，１４−２の基板厚を大きくすれば帯域幅を広げることができるが、厚み方向に高次モードが発生するため、基板厚の上限値はλ_ε／１６である（堀俊和、“広帯域・マルチバンドプリントアンテナ”、 信学論Ｂ、Vol.J87-B、No.9、pp.1130-1139(Sep.2004）。したがって、２１ＧＨｚ帯の基板厚の上限値は１２ＧＨｚ帯よりも小さい。ここで、λ_εは、誘電体内部の波長である。一方、１２ＧＨｚ帯の比帯域は８．６％であり、２１ＧＨｚ帯の比帯域は２．８％であるため、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４の広帯域化が必要になり、１２ＧＨｚ帯の基板厚を１２ＧＨｚ帯よりも厚くする必要がある。しかし、同一の誘電体基板上に１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４と２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４とを配置すると、前述のとおり、２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４によって基板厚の上限値が決まるため、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４の基板厚を最大化することができない。そこで、それぞれの周波数帯で１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４の広帯域化を図るため、図７に示したように、接地導体１５上に、０．４ｍｍ厚の誘電体基板１４−１と０．５ｍｍ厚の誘電体基板１４−２とを積層配置することにより、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４について合計の基板厚を０．９ｍｍとし、２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４について基板厚を０．５ｍｍとした。これらのサイズは、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４共に、上限値（１２ＧＨｚ帯の場合λ_ε／１６＝０．９２ｍｍ、２１ＧＨｚ帯の場合λ_ε／１６＝０．５３ｍｍ）を超えるものではない。

このように、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部において、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４、誘電体基板１４−１、２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４、誘電体基板１４−２、接地導体１５及び誘電体基板１４−３を積層構造とし、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４について、接地導体１５との間の基板厚を０．９ｍｍとし、２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４について、接地導体１５との間の基板厚を０．５ｍｍとした。これにより、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４のそれぞれの周波数帯で、所望の広帯域化を図ることができる。

図８（ａ）は、実施例２による１２ＧＨｚ帯のＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ：電圧定在波比）特性を示す図であり、図８（ｂ）は、実施例２による２１ＧＨｚ帯のＶＳＷＲ特性を示す図である。縦軸がＶＳＷＲを示し、横軸が周波数（ＧＨｚ）を示している。これらのＶＳＷＲ特性は、計算機シミュレーションの結果である。図８（ａ）（ｂ）に示すように、１２ＧＨｚ帯の所望の帯域（１１．７０ＧＨｚ〜１２．７５ＧＨｚ）及び２１ＧＨｚ帯の所望の帯域（２１．４ＧＨｚ〜２２．０ＧＨｚ）において、ＶＳＷＲが１．５以下になっていることがわかる。

このように、図５〜図７に示した実施例２による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部では、十分なＶＳＷＲ特性を得ることができる。これにより、１２ＧＨｚ帯及び２１ＧＨｚ帯の両周波数を共用することができる。

図９は、実施例２による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の利得特性を示す図である。この利得特性の放射パターンは、計算機シミュレーションの結果であり、図５〜図７に示した１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４の配置において、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部に１２ＧＨｚ帯及び２１ＧＨｚ帯の信号を励振した場合を示している。縦軸がアンテナ利得（ｄＢｉ）を示し、横軸が反射鏡に対する給電部の離軸角度（度）を示している。図９に示すように、ＬＨＣＰ（主偏波）において、１２ＧＨｚ帯のアンテナ利得特性と２１ＧＨｚ帯のアンテナ利得特性とは、反射鏡の開口角である離軸角度±４６度の範囲内にて放射パターンがほぼ一致していることがわかる。また、ＲＨＣＰ（交差偏波）のアンテナ利得は、ＬＨＣＰに比べて抑えられていることがわかる。アンテナ利得は、離軸角度０度において、１２ＧＨｚ帯で１１．１ｄＢｉ、２１ＧＨｚ帯で１１．５ｄＢｉである。この場合のエッジレベルは、離軸角度４６度において−１１ｄＢであり、開口効率が最大となるエッジレベル（−１０〜−１４ｄＢ）の範囲内となる。また、交差偏波識別度は、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４をシーケンシャルな配列としたことから、０度方向で５０ｄＢ以上である。

このように、図５〜図７に示した実施例２による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部では、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯との双方でのエッジレベルを一致させることができ、パラボラアンテナにおいて、双方で十分な利得を得ることができる。これにより、１２ＧＨｚ帯及び２１ＧＨｚ帯の両周波数を共用することができる。

以上のように、実施例２のアンテナ装置を構成する１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部によれば、図５〜図７に示したように、接地導体１５からパラボラアンテナの反射鏡へ向けて見たときに、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４と２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４とを、誘電体基板１４−１，１４−２上に両素子が重ならないように配置し、かつ、４５度ずらして１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４を誘電体基板１４−１上に形成し、２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４を誘電体基板１４−２上に形成して配置するようにした。また、１２ＧＨｚ帯及び２１ＧＨｚ帯の帯域幅と、厚み方向に高次モードが発生する基板厚の上限（λ_ε／１６）とを考慮して、積層構造を構成し、誘電体基板１４−１，１４−２の厚みを所定長とするようにした。これにより、パラボラアンテナの反射鏡に対向する１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部として小型化を図ることができ、省スペース化及び低コスト化を図ることができる。

また、実施例２のアンテナ装置を構成する１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部によれば、１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４の間隔及び２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４の間隔を調整することにより、所望の利得特性及びビーム幅を得ることができる。例えば、図５に示した配置とすることにより、図９に示した所望の利得特性を得ることができる。これにより、１２ＧＨｚ帯と２１ＧＨｚ帯の双方で所望のビーム幅とし、エッジレベルを一致させることができ、パラボラアンテナにおいて、十分な利得を得ることができる。したがって、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部を、パラボラアンテナの給電部として最適化することができる。

尚、図５〜図７に示した実施例２による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部では、円偏波を発生させるようにしたが、スロット長が異なる直交した２つのスロットを有する１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４の代わりに、スロット長が同一の直交した２つのスロットを有する、または１つスロットのみを有する１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４を形成することにより、直線偏波を発生させることができる。この場合、２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４は、１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４よりも短いスロットが形成され、スロットが全て同じ向きになるように配置される。また、１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４は、位相差０（つまり同相）にてそれぞれ給電される。このように、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の接地導体板２３に、スロット長が異なる直交した２つのスロットを有する１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４を形成することにより、円偏波を発生させることができる。一方、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部の接地導体板２３に、スロット長が同一の直交した２つのスロットを有する、または１つのスロットのみを有する１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４を形成することにより、直線偏波を発生させることができる。

これにより、将来の２１ＧＨｚ帯の放送衛星で円偏波が用いられる場合には、図５〜図７に示したように、接地導体板２３に、スロット長が異なる直交した２つのスロットを有する１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４及び２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４を形成することにより、現行の１２ＧＨｚ帯の放送衛星で用いられている円偏波に適用することができると共に、２１ＧＨｚ帯の放送衛星で用いられる円偏波にも適用することができる。また、将来の２１ＧＨｚ帯の放送衛星で直線偏波が用いられる場合には、接地導体板２３に、スロット長が異なる直交した２つのスロットを有する１２ＧＨｚ帯スロット部１６−１〜１６−４を形成し、スロット長が同一の直交した２つのスロットを有する、または１つのスロットのみを有する２１ＧＨｚ帯スロット部１７−１〜１７−４を形成することにより、現行の１２ＧＨｚ帯の放送衛星で用いられている円偏波に適用することができると共に、２１ＧＨｚ帯の放送衛星で用いられる直線偏波にも適用することができる。つまり、２１ＧＨｚ帯の衛星放送が現行の１２ＧＨｚ帯の衛星放送と同様に東経１１０°から送信される場合には、１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部を用いることにより、１つのアンテナ装置で両方の衛星放送を受信することが可能となる。

以上、実施例１，２を挙げて本発明を説明したが、本発明は前記実施例１，２に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。実施例１，２では、低周波数帯を１２ＧＨｚ帯とし、高周波数帯を２１ＧＨｚ帯とした場合について説明したが、他の低周波数帯、及び当該他の低周波数帯よりも高い高周波数帯にも適用することができる。この場合、それぞれの素子のサイズ及び素子の間隔等は、周波数帯に合わせて最適化する必要がある。また、実施例１，２による１２ＧＨｚ／２１ＧＨｚ帯共用給電部は、受信アンテナだけでなく送信アンテナにも適用がある。

また、実施例１，２では、１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４，１１−１〜１１−４及び２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４，１２−１〜１２−４の形状を円形としたが、本発明は、これらの形状を円形に限定するものではなく、例えば方形であってもよい。要するに、円偏波及び直線偏波を発生させることが可能な形状であればよい。また、実施例１の給電方式をピン給電方式とし、実施例２の給電方式を電磁結合方式としたが、本発明は、給電方式をこれらの方式に限定するものではなく、他の給電方式であってもよい。

また、実施例１は、ピン給電方式を用いるものであり、４つの１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４からなる低周波アレーアンテナと、４つの２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４からなる高周波アレーアンテナとを、同一の誘電体基板４上に４５度ずらして配置するようにした。これに対し、ピン給電方式を用いる他の例として、実施例２のように、積層構造にした２つの誘電体基板を用いるようにしてもよい。すなわち、４つの１２ＧＨｚ帯素子１−１〜１−４からなる低周波アレーアンテナと、４つの２１ＧＨｚ帯素子２−１〜２−４からなる高周波アレーアンテナとを、異なる誘電体基板上に４５度ずらしてそれぞれ配置するようにしてもよい。

また、実施例２は、電磁結合方式を用いるものであり、４つの１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４からなる低周波アレーアンテナと、４つの２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４からなる高周波アレーアンテナとを、異なる誘電体基板１４−１，１４−２上に４５度ずらしてそれぞれ配置したものである。これに対し、電磁結合方式を用いる他の例として、実施例１のように、１つの誘電体基板を用いるようにしてもよい。すなわち、４つの１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４からなる低周波アレーアンテナと、４つの２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４からなる高周波アレーアンテナとを、同一の誘電体基板上に４５度ずらして配置するようにしてもよい。

また、実施例２では、１層目に接地導体１５が設けられ、２層目に２１ＧＨｚ帯素子１２−１〜１２−４からなる高周波アレーアンテナが設けられ、３層目に１２ＧＨｚ帯素子１１−１〜１１−４からなる低周波アレーアンテナが設けられて積層構造を構成するようにしたが、高周波アレーアンテナと低周波アレーアンテナとが設けられる層を逆にしてもよい。実施例２では、低周波数帯に、１１．７０ＧＨｚから１２．７５ＧＨｚまでの１．０５ＧＨｚ幅の周波数帯域が割り当てられ、高周波数帯に、２１．４ＧＨｚから２２．０ＧＨｚまでの６００ＭＨｚ幅の周波数帯域が割り当てられており、２１ＧＨｚ帯（高周波数帯）よりも１２ＧＨｚ帯（低周波数帯）の方が広帯域である。このため、接地導体１５から高周波アレーアンテナまでの距離よりも低周波アレーアンテナまでの距離を長くする必要があった。これに対し、低周波数帯よりも高周波数帯の方が広帯域である場合には、接地導体１５から低周波アレーアンテナまでの距離よりも高周波アレーアンテナまでの距離を長くする必要があり、１層目に接地導体１５を設け、２層目に低周波アレーアンテナを設け、３層目に高周波アレーアンテナを設ける。

１，１１ １２ＧＨｚ帯素子（低周波素子）
２，１２ ２１ＧＨｚ帯素子（高周波素子）
３ 給電点
４，１４ 誘電体基板
５，１５ 接地導体
６ 接続点
７ ９０度ハイブリッド回路
８ 出力端子
１６ １２ＧＨｚ帯スロット部（低周波帯スロット部）
１７ ２１ＧＨｚ帯スロット部（高周波帯スロット部）
１８ 給電線路
２１ １２ＧＨｚ帯アレーアンテナ（低周波アレーアンテナ）
２２ ２１ＧＨｚ帯アレーアンテナ（高周波アレーアンテナ）
２３ 接地導体板
１０１，１０２，１０３ アンテナ装置
１１１，１２２ 低周波素子
１１２，１２３ 高周波素子
１２１ アース板
１２４ スペーサ
１３１ ホーン
１３２ マイクロストリップ素子

Claims (3)

1. 平面基板に、低周波の周波数帯域で共振する低周波アレーアンテナと、高周波の周波数帯域で共振する高周波アレーアンテナとを配置し、前記平面基板と接地導体板とを積層構造にした給電部が設けられた２周波共用アンテナ装置において、
   前記低周波アレーアンテナは、４つの同一形状の素子からなり、前記４つの素子が、前記平面基板上で正方形を形成するように、前記正方形の頂点の位置にそれぞれ配置され、
   前記高周波アレーアンテナは、４つの同一形状の素子からなり、前記４つの素子が、前記平面基板上で正方形を形成するように、前記正方形の頂点の位置にそれぞれ配置され、
   前記それぞれの正方形の中心を平面基板上で同じ位置とし、前記高周波アレーアンテナを、前記低周波アレーアンテナに対し４５度ずらして配置したことを特徴とするアンテナ装置。
2. 第１の平面基板に低周波の周波数帯域で共振する低周波アレーアンテナを配置し、第２の平面基板に高周波の周波数帯域で共振する高周波アレーアンテナを配置し、前記第１の平面基板、第２の平面基板及び接地導体板を積層構造にした給電部が設けられた２周波共用アンテナ装置において、
   前記低周波アレーアンテナは、４つの同一形状の素子からなり、前記４つの素子が、前記第１の平面基板上で正方形を形成するように、前記正方形の頂点の位置にそれぞれ配置され、
   前記高周波アレーアンテナは、４つの同一形状の素子からなり、前記４つの素子が、前記第２の平面基板上で正方形を形成するように、前記正方形の頂点の位置にそれぞれ配置され、
   前記それぞれの正方形の中心を、前記積層構造における垂直線上の位置とし、前記高周波アレーアンテナを、前記低周波アレーアンテナに対し４５度ずらして配置したことを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項２に記載のアンテナ装置において、
   前記第１の平面基板、第２の平面基板及び接地導体板の順に積層されていることを特徴とするアンテナ装置。

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