JP2017191961A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域化及びＥ面パターン非対称化の双方を実現するアンテナ装置を得ること。
【解決手段】第１の誘電体基板と、この裏面の地導体３２と、この表面のパッチ放射導体３３とを備え、パッチ放射導体３３に接続し、且つ地導体３２上の地導体上パッドまで第１の誘電体基板を貫通したスルーホールにて給電されるパッチアンテナを有するアンテナ装置が、パッチ放射導体３３上に設けられ、スルーホールをパッチ放射導体３３の中心に配しつつスルーホールの周囲を囲むコの字スロット３６と、第１の誘電体基板の表面側に積層された第２の誘電体基板３７と、第２の誘電体基板３７の表面且つパッチ放射導体３３の上方に設けられたスタック型無給電素子３８と、第２の誘電体基板３７の表面に設けられ、且つスタック型無給電素子３８と導通せずに、Ｅ面パターン内でパッチ放射導体３３からシフトした位置の導波器用無給電素子３９とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面アンテナを有するアンテナ装置に関する。

従来、可搬型を含む地上レーダ、戦闘機若しくは艦船への搭載用レーダ又は航空機搭載ＳＡＲ（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｒａｄａｒ）システムのアンテナとして、低姿勢の平面アンテナが広く適用されている。このような平面アンテナには、誘電体基板上に形成されるパッチアンテナが適している。パッチアンテナは、誘電体基板上にパターンエッチング加工を施し、ＲＦコネクタを接続することで簡易に製造することができる。そのため、低姿勢で小型であり、低コストで製造可能である。また、パッチアンテナは単素子としての使用に限定されず、誘電体基板上に複数個のアンテナを一度に形成できて小型であるため、複数個のアンテナを備えるアレーアンテナにも適用可能である。

このようなパッチアンテナは広範な用途に用いられているが、狭帯域特性である。そのため、従来技術である特許文献１に記載されているように、無給電素子を設けて、無給電素子との共振現象を利用して帯域の拡大がなされる。また、パッチアンテナのうち、特に、給電ピンによって励振するパッチアンテナでは、給電ピンからの不要放射が放射特性に影響を及ぼす。交差偏波である給電ピンからの不要放射は、パッチ放射導体からの直接波と重畳してＥ面パターンに非対称パターンを形成する。パッチアンテナをＰＡＡ（Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ）の素子として用いる場合には、この非対称パターンによって、Ｅ面内のビーム指向特性もアンバランスとなる。

一方で、レーダシステムに求められる覆域は、レーダ用アンテナの設置場所によっても異なる。地上レーダは、仰角方向で地面及び海面の影響を受ける。つまり、仰角マイナス側へのビーム指向は通常は設定されることがない。また、艦船搭載用レーダの場合にも仰角方向のマイナス側に海面が入るので、その範囲へのビーム指向はない。さらに、航空機搭載ＳＡＲシステムにおいても、地面及び海面への照射は斜向している。そのため、レーダシステムのＥ面パターンは、非対称パターンとすることが好ましい。

特開平７−１６２２２６号公報

しかしながら、上記の従来技術によれば、無給電素子を装荷するのみでは、ＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ）２以下の比帯域幅は１０％前後である。そのため、適用するレーダシステムによっては、比帯域幅が不足する、という問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広帯域化及びＥ面パターン非対称化の双方を実現するアンテナ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板の裏面に設けられた地導体と、前記第１の誘電体基板の表面に設けられた放射導体とを備え、前記放射導体に接続し、且つ前記地導体上に設けられた地導体上パッドまで前記第１の誘電体基板を貫通したスルーホールにて給電されるパッチアンテナを有するアンテナ装置であって、前記放射導体上に設けられ、前記スルーホールを前記放射導体の中心に配しつつ、前記スルーホールの周囲を囲んで配置されたスロット線路と、前記第１の誘電体基板の表面側に積層された第２の誘電体基板と、前記第２の誘電体基板の表面に設けられ、且つ前記放射導体の上方に設けられた第１の無給電放射導体と、前記第２の誘電体基板の表面に設けられ、且つ前記第１の無給電放射導体と導通することなく、前記パッチアンテナのＥ面パターン内で前記放射導体から設定した距離だけシフトした位置に設けられた第２の無給電放射導体とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、広帯域化及びＥ面パターン非対称化の双方を実現するアンテナ装置を得ることができるという効果を奏する。

実施の形態にかかるアンテナ装置の概略構成であるパッチアンテナの上面を示す図 図１に示すＩＩ−ＩＩにおける断面を示す図 実施の形態にかかるアンテナ装置のＥ面パターンを示す図 実施の形態にかかるアンテナ装置での給電回路を一体で設けられたパッチアンテナの断面を示す図 実施の形態にかかるアンテナ装置のスタック型無給電素子を分割して適用したパッチアンテナの上面を示す図 図５に示すＶＩ−ＶＩにおける断面を示す図 実施の形態にかかるアンテナ装置での反射特性解析の一例を示す図 実施の形態にかかるアンテナ装置でのＥ面パターン解析の一例を示す図 実施の形態にかかるアンテナ装置で導波器用無給電素子を第１の誘電体基板と第２の誘電体基板との境界に設けた場合のパッチアンテナの断面を示す図 実施の形態にかかるアンテナ装置でスタック型無給電素子をパッチ放射導体の上方から設定した距離だけシフトさせた場合のパッチアンテナの断面を示す図 実施の形態にかかるアンテナ装置でのレドーム用誘電体基板までを積層して一体で設けられた場合の断面を示す図 一般的なパッチアンテナの上面を示す図 図１２に示すＸＩＩＩ−ＸＩＩＩにおける断面を示す図 一般的なパッチアンテナを素子アンテナとした適用例のＰＡＡ開口を示す図 一般的なパッチアンテナを素子アンテナとした適用例の素子アンテナの断面を示す図 航空機搭載ＳＡＲシステムでのアンテナ装置による放射パターンの一例を示す模式図

以下に、本発明の実施の形態にかかるアンテナ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかるアンテナ装置の概略構成であるパッチアンテナの上面を示す図である。図１には、パッチ放射導体３３と、給電点３４と、コの字スロット３６と、第２の誘電体基板３７と、スタック型無給電素子３８と、導波器用無給電素子３９とが示されている。

図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩにおける断面を示す図である。図２には、第１の誘電体基板３１と、第１の誘電体基板３１の裏面に設けられた地導体３２と、第１の誘電体基板３１の表面に設けられたパッチ放射導体３３と、パッチアンテナの給電点３４と、地導体３２上に設けられたコネクタ接続用の地導体上パッド３５と、パッチ放射導体３３上に設けられたスロット線路であるコの字スロット３６と、第２の誘電体基板３７と、第２の誘電体基板３７の表面に設けられた第１の無給電放射導体であるスタック型無給電素子３８と、第２の誘電体基板３７上で、且つパッチ放射導体３３から設定した距離だけシフトさせて設けられた第２の無給電放射導体である導波器用無給電素子３９とが示されている。なお、以下の説明において、給電点は給電ピンと記載することもある。また、図１ではスルーホールにて給電ピンが設けられている。

ここで、実際にＲＦ信号を通す場合には、図示しないコネクタが、コネクタ接続用の地導体上パッド３５にはんだ付けされる。又は、接続されるコネクタのタイプによっては、給電点３４のスルーホール内に芯線を通し、パッチ放射導体３３上の給電点３４にはんだ付けされていてもよい。

図１，２に示す構成では、コの字スロット３６により、給電点３４をパッチ放射導体３３の中央に配することが可能であり、センター給電のパッチアンテナとすることができる。ここで、コの字スロット３６の寸法調整によって整合がとられる。

スタック型無給電素子３８は、広帯域化を図る手法の一つである。また、ここでは、導波器用無給電素子３９は第２の誘電体基板３７の表面に設けられているが、パッチ放射導体３３に干渉しないようにずらした位置に設けられていてもよい。

次に、このパッチアンテナの動作を説明する。まず、地導体上パッド３５の位置に図示しないコネクタを接続すると、このコネクタから励振し、給電点３４を介してパッチ放射導体３３上に電流が流れる。そして、図２におけるパッチ放射導体３３の長さは管内波長の半波長であり、共振して放射が起こる。この放射によって、スタック型無給電素子３８上にも電流が誘起され、パッチ放射導体３３とはわずかに異なる管内波長にて半波長となる。そのため、このパッチアンテナは、両者を合わせて２共振特性となるため広帯域化する。スタック型無給電素子３８は、パッチ放射導体３３に近接した上方に位置していることから、指向方向はアンテナの上方で変わらないが、ビーム幅をわずかに絞ることができる。また、パッチ放射導体３３からの放射によって、導波器用無給電素子３９にも電流が誘起される。この誘起電流によって、導波器用無給電素子３９の共振長に起因した、広帯域化に寄与する共振現象が起こり、再放射する。

この導波器用無給電素子３９は、パッチ放射導体３３から離れた位置に配されているので、誘起される電流は位相遅れを伴うものである。従って、パッチ放射導体３３からの直接放射波と導波器用無給電素子３９からの再放射波との重畳により、指向方向は導波器用無給電素子３９が配された方向にシフトする。このようにして、導波器用無給電素子３９は導波器として機能する。そして、本実施の形態にかかるアンテナ装置は広帯域特性を有し、設定した方向に指向性を持つセンター給電のパッチアンテナとなる。なお、偏波は図１に示すＩＩ−ＩＩに平行な方向となる。

ところで、このパッチアンテナでは、第１の誘電体基板３１を厚くすれば、より広帯域化が可能である。また、第１の誘電体基板３１を厚くすると給電点３４である給電ピンが長くなることから、不要放射も大きくなる。本実施の形態にかかるアンテナ装置は、この不要放射を積極的に利用している。導波器用無給電素子３９からの再放射と給電点３４である給電ピンからの不要放射との重畳が同相となるように導波器用無給電素子３９の位置を設定すると、更に指向方向のシフトを顕著にすることができる。

図３は、本実施の形態にかかるアンテナ装置のＥ面パターンを示す図である。図３には、直接波による放射パターン４１と、給電点３４である給電ピンからの不要放射による放射パターン４２と、放射パターン４１と放射パターン４２とを重畳させた重畳パターン４３とが示されている。ここで、直接波は、給電点３４である給電ピンからの不要放射以外の放射によるものを指す。

図３に示すように、放射パターン４１は、導波器用無給電素子３９により指向方向がシフトするため非対称である。一方、給電点３４である給電ピンからの不要放射はモノポールモードであるため、放射パターン４２では左右の位相が反転する。図３に示すように、導波器用無給電素子３９の位置及び大きさの調整を行い、放射パターン４１と放射パターン４２の右側の位相とを合わせることにより、放射パターン４２の左側は逆相による利得低下が生じ、放射パターン４２の右側は同相による重畳が生じ、指向方向のシフトが顕著な非対称パターンである重畳パターン４３が得られる。

各種レーダシステムのうち、特に、艦船搭載用レーダの覆域は特殊であり、仰角面内は海面側である下方側を除いた上方側となる。従って、海面側への放射を抑えるような非対称パターンを図３にて説明したように実現することで、海面クラッタの影響を抑えることができ、レーダ性能を向上させることができる。

本実施の形態にかかるアンテナ装置は、第２の誘電体基板３７の厚さ及びスタック型無給電素子３８のサイズの調整により、比帯域幅を調整することができる。また、導波器用無給電素子３９の位置及びサイズを調整することにより、パターン形状の非対称性及び比帯域幅を調整することができる。また、第２の誘電体基板３７を厚くする以外に、給電ピン自体にインダクタンス回路を付加することによっても不要放射量を調整することができる。

次に、センター給電のパッチアンテナとする利点について説明する。ここでは、パッチアンテナをＰＡＡのアンテナ素子として適用するシステムについて図１４，１５を参照して説明する。

図１４は、一般的なパッチアンテナを素子アンテナとした適用例のＰＡＡ開口を示す図である。図１５は、一般的なパッチアンテナを素子アンテナとした適用例の素子アンテナの断面を示す図である。図１４において、ＰＡＡ開口１０は、第１象限開口１１、第２象限開口１２、第３象限開口１３及び第４象限開口１４を有し、各象限開口はＰＡＡ開口１０の１／４の面積である。図１４，１５に示すＰＡＡにて、差パターン形成を必要とする場合には、ＰＡＡ開口１０を４つの象限に区切り、各象限内の素子数を同数とする。素子アンテナを三角配列格子に従って並べる場合には、第１象限開口１１と第３象限開口１３とを点対称の関係とし、第２象限開口１２と第４象限開口１４とを点対称の関係とする。

図１５には、給電回路が形成される給電回路用誘電体基板１５と、給電回路用誘電体基板１５のアンテナとは逆側の面上に形成された給電回路用地導体１６と、給電点４のスルーホールが地導体２に短絡しないように地導体２上に設けられた地導体上パッド１７と、このスルーホールが給電回路用地導体１６と短絡しないように設けられた給電回路用地導体１６上の地導体上パッド１８と、給電回路の給電線路１９とが示され、給電線路１９は、地導体２及び給電回路用地導体１６と共にトリプレート線路を形成している。給電点４のスルーホールは誘電体基板１と給電回路用誘電体基板１５とを貫通している。

本実施の形態においては、パッチアンテナには給電回路も積層にて一体で設けられている。この給電回路は、モジュールとの位置ずれを補償する。図４は、本実施の形態にかかるアンテナ装置での給電回路を一体で設けられたパッチアンテナの断面を示す図である。図４には、給電回路が形成された給電回路用誘電体基板４５と、給電回路用誘電体基板４５のアンテナとは逆側の面上に形成された給電回路用地導体４６と、給電点３４のスルーホールが地導体３２に短絡しないように地導体３２上に設けられた地導体上パッド４７と、このスルーホールが給電回路用地導体４６と短絡しないように給電回路用地導体４６上に設けられた地導体上パッド４８と、給電線路４９とが示されている。

ここで、給電線路４９はトリプレート線路である。そして、地導体３２は、パッチアンテナ用の他に給電線路用も兼ねている。従って、給電線路４９は地導体３２と給電回路用地導体４６との間に配される。また、給電点３４のスルーホールは、第１の誘電体基板３１と給電回路用誘電体基板４５とを貫通している。給電線路４９は、地導体３２及び給電回路用地導体４６と共にトリプレート線路を形成している。

ところで、図１４に示すＰＡＡ開口１０の製造コストを低減する策の一つとして、部品を共通化し、設計時間及び部品点数を削減することが挙げられる。象限間の点対称の関係を考慮すると、ＰＡＡ開口１０では、第１象限開口１１及び第３象限開口１３の２種を設計すればよい。従って、４種を設計する場合と比較すると、設計時間を半減させることができる。

本実施の形態にかかるアンテナ装置では、図４に示すように、給電点３４がパッチ放射導体３３の中央に位置しているため、パッチ放射導体３３を素子配列格子に合わせることで、点対称に配置することができる。ただし、素子アンテナの偏波及び指向性シフト方向を揃えるためには、導波器用無給電素子３９の配置は、ＰＡＡ開口１０上で全て同じ方向にずらしておくことを要する。このようにして、設計時間の削減及び部品点数の削減を行うことができる。

アンテナ装置の製造において、コネクタの芯線を給電点３４のスルーホールを通してパッチ放射導体３３上にはんだ付けする場合には、スタック型無給電素子３８を含む第２の誘電体基板３７にコンタクトホールを設けてもアンテナ特性への影響を抑えることができる。又は、スタック型無給電素子３８に切欠きを設けてもよい。

図５は、本実施の形態にかかるアンテナ装置のスタック型無給電素子を分割して適用したパッチアンテナの上面を示す図である。図６は、図５に示すＶＩ−ＶＩにおける断面を示す図である。図５には、スタック型無給電素子を、第１の分割スタック型無給電素子５１と第２の分割スタック型無給電素子５２とに分割したパッチアンテナが示されている。第２の分割スタック型無給電素子５２は、放射特性の対称性を得ることを考慮して、線分ＶＩ−ＶＩを対称軸として線対称に配置される。このアンテナは無給電素子の寸法調整により更に広帯域化が可能である。これは、共振長の若干異なるスタック型無給電素子を複数設けることによる多周波共用の働きによるものである。なお、Ｅ面パターンの非対称性を必要としない場合には、導波器用無給電素子３９を設けることなく第１の分割スタック型無給電素子５１及び第２の分割スタック型無給電素子５２を配置して、非対称性を有さずに広帯域性を有する素子アンテナとすることも可能である。

図７は、本実施の形態にかかるアンテナ装置での反射特性解析の一例を示す図である。図７に示すように、パッチアンテナとしては導波器用無給電素子３９が設けられていなくても広帯域特性を有しているが、導波器用無給電素子３９によって更に広帯域化している。ＶＳＷＲ＜２で２０％を超える比帯域幅を実現することができる。

図８は、本実施の形態にかかるアンテナ装置でのＥ面パターン解析の一例を示す図である。導波器用無給電素子３９が設けられることで、図８中の矢印方向への放射レベルの抑圧が可能であり、非対称性を有するＥ面パターンとなっている。この方向、すなわちマイナス側を海面側にすることで、海面クラッタの影響を抑えることができる。また、導波器用無給電素子３９の長さ及び位置を調整すると、放射レベル抑圧量を調整することができる。従って、適用するレーダシステムによって、導波器用無給電素子を異ならせるとよい。

導波器用無給電素子３９は、誘起電流の位相がパッチ放射導体３３上の電流に対して遅れ位相であり、求める共振長を有するのであれば、図１に示すように短冊形に限定されるものではない。なお、Ｅ面パターンの非対称性及び広帯域特性を共に実現する必要がなく、Ｅ面パターンの非対称性及び広帯域特性のいずれかの特性のみを求める場合にも、導波器用無給電素子３９の形状は限定されるものではない。

図９は、本実施の形態にかかるアンテナ装置で導波器用無給電素子６１を第１の誘電体基板３１と第２の誘電体基板３７との境界に設けた場合のパッチアンテナの断面を示す図である。図９には、第１の誘電体基板３１上にパターン形成された導波器用無給電素子６１が示されている。図９に示す構成によってもＥ面パターンの非対称性及び広帯域特性を実現することができる。ただし、導波器用無給電素子６１は、第２の誘電体基板３７に覆われるので、第２の誘電体基板３７の比誘電率の影響を受けるため、寸法の調整を要する。

図１０は、本実施の形態にかかるアンテナ装置でスタック型無給電素子をパッチ放射導体３３の上方から設定した距離だけシフトさせた場合のパッチアンテナの断面を示す図である。図１０に示す構成によれば、導波器用無給電素子を設けずとも、Ｅ面パターンの非対称性を実現することができる。

図１１は、本実施の形態にかかるアンテナ装置でのレドーム用誘電体基板までを積層して一体で設けられた場合の断面を示す図である。図１１では、無給電素子が設けられている第２の誘電体基板３７の表面側であって最表面にレドームとして機能するレドーム用誘電体基板７１が積層されている。すなわち、図１１に示す構成は、レドーム一体化アンテナ基板とすることが可能である。図１１に示す構成によれば、レドームを固定するスペーサが不要となるため、コストを低減することができる。

本実施の形態にて説明したようなセンター給電タイプのパッチアンテナとすることにより、給電回路をアンテナ装置の裏面に誘電体基板の積層により一体で設けられてアレーアンテナの素子アンテナに適用する場合に、点対称配置への適用が可能となり部品点数を削減し、組み立ての煩雑さを抑えてコストを低減することができる。

また、給電ピン長の伸長及び導波器用無給電素子の配置により放射パターンの非対称性を実現することができ、これを艦船搭載用レーダ及び航空機搭載用ＳＡＲシステムでのアレーアンテナにおける素子として適用する場合には、覆域の特殊性に合わせることで、クラッタ抑圧によるレーダの性能向上が可能である。さらに、スタック型無給電素子と導波器用無給電素子との併用により、ＶＳＷＲ＜２で２０％を超える比帯域幅を実現することができる。

また、本実施の形態にかかるアンテナ装置では、給電回路及びレドームを基板積層によって一体で設けることが可能である。そのため、製造しやすく、且つ上記のような性能の向上を低コストで実現することができる。

ここで、上記説明した実施の形態の構成と一般的な構成との差異について説明する。まず、一般的なパッチアンテナについて、図１２，１３を参照して説明する。図１２は、一般的なパッチアンテナの上面を示す図である。図１３は、図１２に示すＸＩＩＩ−ＸＩＩＩにおける断面を示す図である。図１２には、パッチ放射導体３と、コネクタ接続用の地導体上パッド５とが示されている。図１３には、誘電体基板１と、誘電体基板１の裏面に設けられた地導体２と、誘電体基板１の表面に設けられたパッチ放射導体３と、パッチアンテナの給電点４とが示されている。

図１３においては、スルーホールにて給電ピンを設けている。また、図１３には、地導体２上に設けられたコネクタ接続用の地導体上パッド５が示されている。そして、図示しないコネクタが、コネクタ接続用の地導体上パッド５に、はんだ付けされている。接続されるコネクタのタイプによっては、給電点４のスルーホール内に芯線を通し、パッチ放射導体３上の給電点４にはんだ付けされていてもよい。

次に、図１２，１３に示す一般的なパッチアンテナの動作について説明する。まず、地導体上パッド５の位置に図示しないコネクタを接続すると、このコネクタから励振し、給電点４を介してパッチ放射導体３上に電流が流れる。断面ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ内のパッチ放射導体３の長さは管内波長の半波長であり、共振して放射が起こる。偏波はＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに平行な方向である。

上述したように、図１４に示すＰＡＡ開口１０の製造コストを低減する策の一つとして、部品を共通化し、設計時間及び部品点数を削減することが挙げられる。これは、象限間の点対称関係を考慮すると、ＰＡＡ開口１０は、第１象限開口１１及び第３象限開口１３の２種を設計することになる。しかしながら、図１４に示す給電回路を一体化した素子アンテナのように給電点４がパッチ放射導体３の中央からオフセットしていると、そのまま点対称に配置することは困難である。これは、素子アンテナの偏波を揃えるには、給電点４が点対称の関係とならないためである。従って、一般的な構成のパッチアンテナでは、設計時間及び部品点数を削減することが困難である。

ところで、上記説明したシステムの一例である艦船搭載レーダでは、覆域が海面より上方、すなわち仰角方向プラス側に設定される。この場合に、素子アンテナとしては、海面方向、すなわち仰角方向マイナス側への放射がない非対称パターンを有する平面アンテナを実現することができればよい。そこで、艦船搭載の垂直偏波レーダにＡＰＡＡ（Ａｃｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ）を適用する場合には、その素子アンテナとして図１４に示す給電ピンによって励振するパッチアンテナを検討する。図１４において、垂直偏波は、Ｘ軸方向に平行であるものとする。図１４では、素子アンテナの断面を示すＸＶ−ＸＶ線が偏波に平行であるため、ＸＶ−ＸＶ線がＸ軸に平行となるように、ＰＡＡ開口１０に素子アンテナを配置する。この場合には、ＺＸ面内における素子アンテナのＥ面パターンは、給電ピンからの不要放射が直接波に重畳されて非対称性を若干伴いつつ、無指向性に近いブロードなパターンとなる。従って、海面方向への放射を無視することができない。ＡＰＡＡでのＰＡＡ開口１０上の設定素子間隔にて制限される仰角上方覆域端近くまでビーム走査する際には、海面方向にグレーティングローブの裾野が現れることがある。そのときにも、素子アンテナの海面方向への放射に起因して高レベルの放射が発生して海面クラッタとしてシステムに影響を与えるおそれがある。これは、艦船搭載用レーダシステムのみならず、航空機搭載用ＳＡＲシステムにおいても同様である。なお、可能な限りモジュール数を削減するために設定素子間隔は可能な限り拡大する。

図１６は、航空機搭載ＳＡＲシステムでのアンテナ装置による放射パターンの一例を示す模式図である。図１６には、航空機２０と、地面２１と、航空機２０に搭載されたＳＡＲ用アンテナ２２と、ＳＡＲ用アンテナ２２の形成する放射パターン２３とが示されている。なお、地面２１には、河川の水面、湖沼面及び海面も含まれる。このようなシステムでは、上空の航空機２０に搭載されたＳＡＲ用アンテナ２２から地面２１に向けて放射パターン２３が照射され、ＳＡＲ用アンテナ２２は散乱波を受信し、信号処理解析によって地面２１の形状の情報を得る。ＳＡＲ用アンテナ２２は、航空機２０の胴体下部に設置されるポッドレドーム内に設置され、図示しない駆動装置にて回転する。このため、ＳＡＲ用アンテナ２２には、小型化及び薄型化が望まれており、平面アンテナが有望である。また、システム利得の確保のためにもアンテナの高利得化が望まれており、パッチアンテナを素子アンテナとしたアレーアンテナを用いることが検討される。この場合には、図１６に示すように、ＳＡＲ用アンテナ２２の開口面と地面２１とが平行でない場合があり、ＳＡＲ用アンテナ２２の開口面と地面２１とが平行でない場合には、ＳＡＲ用アンテナ２２の直下方向に形成されるサイドローブにてメインビームの照射方向２３ａとは異なる方向２３ｂの地面２１からの散乱波も受信され、精度が低下する。そのため、直下方向への放射量が少ない放射パターン形状であれば、精度の良いＳＡＲ情報を取得することが可能であるので、アンテナの非対称パターン化が望まれている。なお、Ｅ面パターンに若干の非対称性を伴うとしたが、これは、一般的なレーダシステムでは瞬時帯域が狭帯域であるため、素子アンテナに求められる比帯域幅性能も数％と狭帯域であることから、誘電体基板も薄くてよく、給電ピンからの不要放射も相対的に小さく、直接波に及ぼす影響も小さいからである。

次に、パッチアンテナの狭帯域特性について説明する。一般的なレーダシステムで求められるアンテナの比帯域幅では一般的なパッチアンテナでも適応可能であるが、高性能化を目指すレーダシステム及びＳＡＲシステムにおいては、一般的なパッチアンテナでは要求する比帯域幅を得られないおそれがある。この対処として、無給電素子のスタック化、誘電体基板厚の増加又は整合回路の設置を例示することができる。

無給電素子のスタック化に関しては、上述の通りＶＳＷＲ２以下の比帯域幅は１０％前後であるため、更に広帯域を必要とする場合には、比帯域幅が不足する。従来技術である特許文献１には、無給電素子そのものの適用ではないが、パッチ放射導体形状を複雑に構成した平面アンテナが開示されている。しかしながら、このような複雑な構成の平面アンテナは製造コストが嵩み、上記システムへの適用は困難である。

また、誘電体基板厚の増加については、誘電体基板を厚くしても、無給電素子のスタック化と同様の比帯域幅であるため、更に広帯域を必要とする場合には、比帯域幅が不足する。また、誘電体基板厚の増加によって誘電体基板自体の重量が嵩むため、誘電体基板厚の増加のみでは上記システムへの適用は困難である。さらに、給電ピンによって励振するパッチアンテナでは、誘電体基板厚が増加すると給電ピンが長くなるので、給電ピンからの不要放射量が増加し、放射パターン特性に大きな影響を及ぼす。

整合回路の設置に関しては、まず、図１４，１５に示す給電線路上に組み込まれる場合にも、パッチ放射導体上に設けられる場合にも適用可能である。しかしながら、整合回路の設置のみでは周波数特性を調整することは困難である。

本実施の形態によれば、パッチアンテナにて広帯域化及びＥ面パターン非対称化の双方を同時に実現することができる。加えて、ＡＰＡＡ及びアレーアンテナを製造するに際し、設計時間及び部品点数を共に削減できる素子アンテナ形態も取り入れた、高性能及び高機能のパッチアンテナを得ることができる。

本実施の形態によれば、パッチ放射導体の中央に給電ピンが設けられ、パッチ放射導体上の給電点を囲む周囲にコの字スロットが配されたピン給電方式のパッチアンテナにおいて、比帯域幅拡大用のスタック型無給電素子と、比帯域幅拡大及び放射指向方向オフセット用の無給電導波路とを装荷することで、広帯域幅を有し、Ｅ面パターンの非対称性を実現することができる。更には、設計時間及び部品点数の削減を同時に可能とするセンター給電パッチアンテナを実現することができる。このアンテナは、レーダ及びＳＡＲシステムにて用いられるＡＰＡＡ及びアレーアンテナでの素子アンテナに適用することができる高機能及び高性能なパッチアンテナである。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 誘電体基板、２，３２ 地導体、３，３３ パッチ放射導体、４，３４ 給電点、５，１７，１８，３５，４７，４８ 地導体上パッド、１０ ＰＡＡ開口、１１ 第１象限開口、１２ 第２象限開口、１３ 第３象限開口、１４ 第４象限開口、１５，４５ 給電回路用誘電体基板、１６，４６ 給電回路用地導体、１９，４９ 給電線路、２０ 航空機、２１ 地面、２２ ＳＡＲ用アンテナ、２３ 放射パターン、２３ａ 照射方向、２３ｂ 方向、３１ 第１の誘電体基板、３６ コの字スロット、３７ 第２の誘電体基板、３８ スタック型無給電素子、３９，６１ 導波器用無給電素子、４１，４２ 放射パターン、４３ 重畳パターン、５１ 第１の分割スタック型無給電素子、５２ 第２の分割スタック型無給電素子、７１ レドーム用誘電体基板。

Claims (7)

1. 第１の誘電体基板と、前記第１の誘電体基板の裏面に設けられた地導体と、前記第１の誘電体基板の表面に設けられた放射導体とを備え、前記放射導体に接続し、且つ前記地導体上に設けられた地導体上パッドまで前記第１の誘電体基板を貫通したスルーホールにて給電されるパッチアンテナを有するアンテナ装置であって、
   前記放射導体上に設けられ、前記スルーホールを前記放射導体の中心に配しつつ、前記スルーホールの周囲を囲んで配置されたスロット線路と、
   前記第１の誘電体基板の表面側に積層された第２の誘電体基板と、
   前記第２の誘電体基板の表面に設けられ、且つ前記放射導体の上方に設けられた第１の無給電放射導体と、
   前記第２の誘電体基板の表面に設けられ、且つ前記第１の無給電放射導体と導通することなく、前記パッチアンテナのＥ面パターン内で前記放射導体から設定した距離だけシフトした位置に設けられた第２の無給電放射導体とを備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１の誘電体基板の裏面側に給電回路が積層にて一体で設けられていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１の無給電放射導体が複数に分割して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１の無給電放射導体が、前記放射導体の上方から前記パッチアンテナのＥ面パターン内で前記放射導体から設定した距離だけシフトした位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 前記第２の無給電放射導体が前記第１の誘電体基板の表面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
6. 前記第２の誘電体基板の表面側に更に誘電体基板が積層されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
7. 前記スルーホールの長さが前記第１の誘電体基板の厚さによって調節されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。

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