JP4249378B2 - アンテナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波を放射又は受信するアンテナに関し、特に中心導体と接地導体を有する導波路を給電線路として利用したアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、マイクロ波やミリ波を放射又は受信するアンテナとして、図７に示すホーンアンテナ２０、図８に示すスロットアンテナ３０、図９に示すパッチアンテナ４０等が知られている。ホーンアンテナ２０は導波管２１の先端にホーン２２を取り付けたもの、スロットアンテナ３０は導波管３１の側面に複数のスロット３２を設けたもの、パッチアンテナ４０は誘電体基板４１上のマイクロストリップ線路４２の先端に金属パッチ４３を設けたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらのアンテナでは理想的な点波源を得ることができない。たとえば、ホーンアンテナ２０では指向性を上げアンテナゲインを上げることを目的とするもので点波源は得られない。スロットアンテナ３０はスロット３２の長さで共振させてアンテナとして動作させているので、この長さだけ波源が拡がってしまう。パッチアンテナ４０も金属パッチ４３の長さで共振させているので、その長さだけ波源が拡がってしまう。
【０００４】
本発明の目的は、放射部から１８０度の全方位に等振幅で電磁波を放射できるアンテナを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための第１の発明は、導電性の２枚の平行板と、該２枚の平行板の間の略中央に位置した中心導体とからなる導波路を給電線路としたアンテナであって、前記２枚の平行板の間隔を前記中心導体の存在しない部分において前記平行板に平行な高周波電界成分が励振されない距離に設定すると共に、前記中心導体の先端部を前記２枚の平行板に直交する方向に対し非対称に曲折して、前記中心導体の先端部から前記２枚の平行板に直交する高周波電界成分をもつ電磁波を放射するように構成した。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記２枚の平行板の間に挟持される誘電体と、該誘電体の前記２枚の平行板に直交する片面に形成した前記中心導体と、前記中心導体の両側で且つ前記２枚の平行板に導通するよう前記片面に設けた対の接地導体とを有する放射素子を具備するよう構成した。
【０００７】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記中心導体の前記曲折した先端部の先端を前記２枚の平行板のいずれか一方に近接させ、又は導通させて構成した。
【０００８】
第４の発明は、第２の発明において、前記２枚の平行板の間に、前記放射素子から放射された電磁波が反射される導電性の反射板を設けて構成した。
【０００９】
第５の発明は、第２の発明において、前記２枚の平行板の間に、前記放射素子から放射された電磁波が入射する誘電体レンズ又はメタルレンズを設けて構成した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図１(a)は本発明の第１の実施の形態のアンテナ１０Ａの説明図である。同図において、１１，１２は金属等の導電性の平行板、１３はその平行板１１，１２に挟持された放射素子である。
【００１１】
放射素子１３は、図１(b)に示すように、誘電体基板１３１の片面に接地導体１３２，１３３、中心導体１３４からなる共平面線路を形成し、これにより電磁波（マイクロ波、ミリ波等）の導波路を構成したものである。接地導体１３２，１３３は放射先端側がテーパ形状に狭まっており、中心導体１３４は一方の接地導体１３３のテーパ形状に沿って曲折部１３４ａで曲折し、他方の接地導体１３２との間隔がテーパ状に徐々に開いている。接地導体１３２，１３３は平行板１１，１２と導通し、中心導体１３４の先端１３４ｂは平行板１２に近接し、又は導通している。
【００１２】
以上のように、放射素子１３の共平面線路は上下非対称形状となっているので、接地導体１３２，１３３に直交する高周波電界成分も上下非対称（ａ部分とｂ部分の電界）に形成され、この上下非対称の高周波電界の差分が放射電界（平行板１１，１２に直交する高周波電界成分）となり、アンテナとして動作する。
【００１３】
ここで、平行板１１，１２の間隔、つまり放射素子１３の高さは、中心導体１３４のない部分において平行板１１，１２に平行な高周波電界成分が励振されないように、動作周波数の波長の1/2以下、好ましくは1/2×0.9となるように設定する。たとえば、３５ＧＨｚで動作するアンテナの場合、平行板１１，１２の間隔は、その波長の1/2である4.3ｍｍより小さい3.8ｍｍに設定する。なお、この平行板１１，１２の間隔の下限は中心導体１３４と平行板１１，１２との間に垂直方向の高周波電界を発生できる空間が確保できる最低距離である。
【００１４】
以上により、電磁波を放射する部分（中心導体１３４の先端部１３４ｂ）は平行板１１，１２の面方向において波長に対し充分小さくほとんど点に近い形状となるので、電磁波源は同心円状に拡がる略理想的な点波源となる。
【００１５】
［第２の実施の形態］
図２(a)は本発明の第２の実施の形態のアンテナ１０Ｂの説明図である。図１と同じものには同じ符号を付けた。１４は平行板１１，１２の略中央に絶縁支持された中心導体である。すなわち、本実施形態では、導波路としてストリップ線路を用い、その中心導体１４の先端部に曲折部１４ａを形成してその先端１４ｂを平行板１２に接続し、又は近接させている。
【００１６】
この場合のストリップ線路を伝播する高周波電界は、図２(b)に示すようになり、中心導体１４の曲折部１４ａから先端１４ｂにかけての電界が上下非対称となって、この差分が放射電界となりアンテナとして動作する。中心導体１４の曲折部１４ａから平行板１２に接近又は接続される先端１４ｂまでのテーパ部分の長さを動作周波数の波長の1/2の正の整数倍とすることで、インピーダンスのマッチングが良好となる。平行板１１，１２の間隔は図１に示したアンテナ１０Ａの場合と同様に設定する。
【００１７】
［第３の実施の形態］
図３は本発明の第３の実施の形態のアンテナ１０Ｃの説明図である。図１と同じものには同じ符号を付けた。１５は図１で説明した放射素子１３と同様な構成の放射素子であり、その放射素子１５の中心導体への給電は平行板１１又は１２に設けた開口（図示せず）を介してプローブ等により行う。１６は平行板１１，１２の間に挟持される導電性の反射板であり、その放物面形状の反射面１６ａの焦点位置に放射素子１５を配置させている。
【００１８】
この実施形態では、放射素子１５から同心円状に放射された電磁波が反射板１６の反射面１６ａで反射されて平面波に変換され、放射素子１５の方向に放射される。放射素子１５が理想的な点波源であるので、反射面１６ａで反射された電磁波は位相・振幅の揃った平面波に略乱れなく変換される。
【００１９】
なお、図３の構造では放射素子１５が反射面１６ａで反射された電磁波の進行方向にあるため、その電磁波に若干ながら乱れが生じる恐れがあるが、図４に示すアンテナ１０Ｄのように、放射素子１５を反射板１６の反射面１６ａの焦点から外れたオフセット位置に配置すれば、反射面１６ａで反射された電磁波の進行に乱れが生じることを防止することができる。この場合は、放射素子１５がアンテナ１０Ｄの周辺部に近い場所に配置されるので、その中心導体への給電をアンテナ１０Ｄの側面や背面から行うことができる。
【００２０】
［第４の実施の形態］
図５は本発明の第４の実施の形態のアンテナ１０Ｅの説明図である。図３と同じものには同じ符号を付けた。ここでは、反射板１６の略中央部分に切欠部１６ｂを形成してそこに放射素子１５を配置し、その正面に平行板１１，１２の間に挟持される導電性の副反射板１７を配置し、カセグレンアンテナに類似の構造としている。副反射板１７の反射面１７ａは双曲面形状である。
【００２１】
本実施形態では、放射素子１５から放射された電磁波が副反射板１７の反射面１７ａによって反射板１６方向に反射され、その反射板１６の反射面１６ａで再度反射されて略平面波となって外部に放射される。
【００２２】
［第５の実施の形態］
図６は本発明の第５の実施の形態のアンテナ１０Ｆの説明図である。図３と同じものには同じ符号を付けた。１８は誘電体損失の少ないテフロン（商標名）等からなる誘電体レンズであり、放射素子１５の正面の平行板１１，１２の間に挟持されている。この誘電体レンズ１８は電磁波に対してレンズとして作用するので、そのレンズの焦点位置に放射素子１５を配置する。
【００２３】
放射素子１５から放射された点波源の電磁波は誘電体レンズ１８で平面波に変換されてその誘電体レンズ１８の背面方向の空間に放射される。なお、この電磁波の進行方向を変化させるレンズとしては、誘電体以外にメタルレンズも使用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、理想的な点波源となるアンテナを実現できる。また、この点波源から放射される電磁波を反射板や誘電体レンズあるいはメタルレンズによって反射や進行方向を変化させ、輻射パターンに乱れの少ないアンテナを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a)は本発明の第１の実施の形態のアンテナの一部切り欠きの斜視図、(b)は放射素子の斜視図である。
【図２】 (a)は本発明の第２の実施の形態のアンテナの一部切り欠きの斜視図図、(b)は側面図である。
【図３】 本発明の第３の実施の形態のアンテナの一部切り欠きの斜視図である。
【図４】 図３のアンテナの変形例の一部切り欠きの斜視図である。
【図５】 本発明の第４の実施の形態のアンテナの一部切り欠きの斜視図である。
【図６】 本発明の第５の実施の形態のアンテナの一部切り欠きの斜視図である。
【図７】 従来のホーンアンテナの斜視図である。
【図８】 従来のスロットアンテナの斜視図である。
【図９】 従来のパッチアンテナの斜視図である。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ：アンテナ
１１，１２：導電性の平行板
１３：放射素子、１３１：誘電体基板、１３２，１３３：接地導体、１３４：中心導体、１３４ａ：曲折部、１３４ｂ：先端
１４：中心導体、１４ａ：曲折部、１４ｂ：先端
１５：放射素子
１６：導電性の反射板、１６ａ：反射面、１６ｂ：切り欠き
１７：導電性の副反射板、１７ａ：反射面
１８：誘電体レンズ
２０：ホーンアンテナ、２１：導波管、２２：ホーン
３０：スロットアンテナ、３１：導波管、３２：スロット
４０：パッチアンテナ、４１：誘電体基板、４２：マイクロストリップ線路、４３：金属パッチ
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波を放射又は受信するアンテナに関し、特に中心導体と接地導体を有する導波路を給電線路として利用したアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、マイクロ波やミリ波を放射又は受信するアンテナとして、図７に示すホーンアンテナ２０、図８に示すスロットアンテナ３０、図９に示すパッチアンテナ４０等が知られている。ホーンアンテナ２０は導波管２１の先端にホーン２２を取り付けたもの、スロットアンテナ３０は導波管３１の側面に複数のスロット３２を設けたもの、パッチアンテナ４０は誘電体基板４１上のマイクロストリップ線路４２の先端に金属パッチ４３を設けたものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらのアンテナでは理想的な点波源を得ることができない。たとえば、ホーンアンテナ２０では指向性を上げアンテナゲインを上げることを目的とするもので点波源は得られない。スロットアンテナ３０はスロット３２の長さで共振させてアンテナとして動作させているので、この長さだけ波源が拡がってしまう。パッチアンテナ４０も金属パッチ４３の長さで共振させているので、その長さだけ波源が拡がってしまう。
【０００４】
本発明の目的は、放射部から１８０度の全方位に等振幅で電磁波を放射できるアンテナを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための第１の発明は、導電性の２枚の平行板と、該２枚の平行板の間の略中央に位置した中心導体とからなる導波路を給電線路としたアンテナであって、前記２枚の平行板の間隔を前記中心導体の存在しない部分において前記平行板に平行な高周波電界成分が励振されない距離に設定すると共に、前記中心導体の先端部を前記２枚の平行板に直交する方向に対し非対称に曲折して、前記中心導体の先端部から前記２枚の平行板に直交する高周波電界成分をもつ電磁波を放射するように構成した。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記２枚の平行板の間に挟持される誘電体と、該誘電体の前記２枚の平行板に直交する片面に形成した前記中心導体と、前記中心導体の両側で且つ前記２枚の平行板に導通するよう前記片面に設けた対の接地導体とを有する放射素子を具備するよう構成した。
【０００７】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記中心導体の前記曲折した先端部の先端を前記２枚の平行板のいずれか一方に近接させ、又は導通させて構成した。
【０００８】
第４の発明は、第２の発明において、前記２枚の平行板の間に、前記放射素子から放射された電磁波が反射される導電性の反射板を設けて構成した。
【０００９】
第５の発明は、第２の発明において、前記２枚の平行板の間に、前記放射素子から放射された電磁波が入射する誘電体レンズ又はメタルレンズを設けて構成した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
図１(a)は本発明の第１の実施の形態のアンテナ１０Ａの説明図である。同図において、１１，１２は金属等の導電性の平行板、１３はその平行板１１，１２に挟持された放射素子である。
【００１１】
放射素子１３は、図１(b)に示すように、誘電体基板１３１の片面に接地導体１３２，１３３、中心導体１３４からなる共平面線路を形成し、これにより電磁波（マイクロ波、ミリ波等）の導波路を構成したものである。接地導体１３２，１３３は放射先端側がテーパ形状に狭まっており、中心導体１３４は一方の接地導体１３３のテーパ形状に沿って曲折部１３４ａで曲折し、他方の接地導体１３２との間隔がテーパ状に徐々に開いている。接地導体１３２，１３３は平行板１１，１２と導通し、中心導体１３４の先端１３４ｂは平行板１２に近接し、又は導通している。
【００１２】
以上のように、放射素子１３の共平面線路は上下非対称形状となっているので、接地導体１３２，１３３に直交する高周波電界成分も上下非対称（ａ部分とｂ部分の電界）に形成され、この上下非対称の高周波電界の差分が放射電界（平行板１１，１２に直交する高周波電界成分）となり、アンテナとして動作する。
【００１３】
ここで、平行板１１，１２の間隔、つまり放射素子１３の高さは、中心導体１３４のない部分において平行板１１，１２に平行な高周波電界成分が励振されないように、動作周波数の波長の1/2以下、好ましくは1/2×0.9となるように設定する。たとえば、３５ＧＨｚで動作するアンテナの場合、平行板１１，１２の間隔は、その波長の1/2である4.3ｍｍより小さい3.8ｍｍに設定する。なお、この平行板１１，１２の間隔の下限は中心導体１３４と平行板１１，１２との間に垂直方向の高周波電界を発生できる空間が確保できる最低距離である。
【００１４】
以上により、電磁波を放射する部分（中心導体１３４の先端部１３４ｂ）は平行板１１，１２の面方向において波長に対し充分小さくほとんど点に近い形状となるので、電磁波源は同心円状に拡がる略理想的な点波源となる。
【００１５】
［第２の実施の形態］
図２(a)は本発明の第２の実施の形態のアンテナ１０Ｂの説明図である。図１と同じものには同じ符号を付けた。１４は平行板１１，１２の略中央に絶縁支持された中心導体である。すなわち、本実施形態では、導波路としてストリップ線路を用い、その中心導体１４の先端部に曲折部１４ａを形成してその先端１４ｂを平行板１２に接続し、又は近接させている。
【００１６】
この場合のストリップ線路を伝播する高周波電界は、図２(b)に示すようになり、中心導体１４の曲折部１４ａから先端１４ｂにかけての電界が上下非対称となって、この差分が放射電界となりアンテナとして動作する。中心導体１４の曲折部１４ａから平行板１２に接近又は接続される先端１４ｂまでのテーパ部分の長さを動作周波数の波長の1/2の正の整数倍とすることで、インピーダンスのマッチングが良好となる。平行板１１，１２の間隔は図１に示したアンテナ１０Ａの場合と同様に設定する。
【００１７】
［第３の実施の形態］
図３は本発明の第３の実施の形態のアンテナ１０Ｃの説明図である。図１と同じものには同じ符号を付けた。１５は図１で説明した放射素子１３と同様な構成の放射素子であり、その放射素子１５の中心導体への給電は平行板１１又は１２に設けた開口（図示せず）を介してプローブ等により行う。１６は平行板１１，１２の間に挟持される導電性の反射板であり、その放物面形状の反射面１６ａの焦点位置に放射素子１５を配置させている。
【００１８】
この実施形態では、放射素子１５から同心円状に放射された電磁波が反射板１６の反射面１６ａで反射されて平面波に変換され、放射素子１５の方向に放射される。放射素子１５が理想的な点波源であるので、反射面１６ａで反射された電磁波は位相・振幅の揃った平面波に略乱れなく変換される。
【００１９】
なお、図３の構造では放射素子１５が反射面１６ａで反射された電磁波の進行方向にあるため、その電磁波に若干ながら乱れが生じる恐れがあるが、図４に示すアンテナ１０Ｄのように、放射素子１５を反射板１６の反射面１６ａの焦点から外れたオフセット位置に配置すれば、反射面１６ａで反射された電磁波の進行に乱れが生じることを防止することができる。この場合は、放射素子１５がアンテナ１０Ｄの周辺部に近い場所に配置されるので、その中心導体への給電をアンテナ１０Ｄの側面や背面から行うことができる。
【００２０】
［第４の実施の形態］
図５は本発明の第４の実施の形態のアンテナ１０Ｅの説明図である。図３と同じものには同じ符号を付けた。ここでは、反射板１６の略中央部分に切欠部１６ｂを形成してそこに放射素子１５を配置し、その正面に平行板１１，１２の間に挟持される導電性の副反射板１７を配置し、カセグレンアンテナに類似の構造としている。副反射板１７の反射面１７ａは双曲面形状である。
【００２１】
本実施形態では、放射素子１５から放射された電磁波が副反射板１７の反射面１７ａによって反射板１６方向に反射され、その反射板１６の反射面１６ａで再度反射されて略平面波となって外部に放射される。
【００２２】
［第５の実施の形態］
図６は本発明の第５の実施の形態のアンテナ１０Ｆの説明図である。図３と同じものには同じ符号を付けた。１８は誘電体損失の少ないテフロン（商標名）等からなる誘電体レンズであり、放射素子１５の正面の平行板１１，１２の間に挟持されている。この誘電体レンズ１８は電磁波に対してレンズとして作用するので、そのレンズの焦点位置に放射素子１５を配置する。
【００２３】
放射素子１５から放射された点波源の電磁波は誘電体レンズ１８で平面波に変換されてその誘電体レンズ１８の背面方向の空間に放射される。なお、この電磁波の進行方向を変化させるレンズとしては、誘電体以外にメタルレンズも使用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上から本発明によれば、理想的な点波源となるアンテナを実現できる。また、この点波源から放射される電磁波を反射板や誘電体レンズあるいはメタルレンズによって反射や進行方向を変化させ、輻射パターンに乱れの少ないアンテナを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (a)は本発明の第１の実施の形態のアンテナの一部切り欠きの斜視図、(b)は放射素子の斜視図である。
【図２】 (a)は本発明の第２の実施の形態のアンテナの一部切り欠きの斜視図図、(b)は側面図である。
【図３】 本発明の第３の実施の形態のアンテナの一部切り欠きの斜視図である。
【図４】 図３のアンテナの変形例の一部切り欠きの斜視図である。
【図５】 本発明の第４の実施の形態のアンテナの一部切り欠きの斜視図である。
【図６】 本発明の第５の実施の形態のアンテナの一部切り欠きの斜視図である。
【図７】 従来のホーンアンテナの斜視図である。
【図８】 従来のスロットアンテナの斜視図である。
【図９】 従来のパッチアンテナの斜視図である。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ：アンテナ
１１，１２：導電性の平行板
１３：放射素子、１３１：誘電体基板、１３２，１３３：接地導体、１３４：中心導体、１３４ａ：曲折部、１３４ｂ：先端
１４：中心導体、１４ａ：曲折部、１４ｂ：先端
１５：放射素子
１６：導電性の反射板、１６ａ：反射面、１６ｂ：切り欠き
１７：導電性の副反射板、１７ａ：反射面
１８：誘電体レンズ
２０：ホーンアンテナ、２１：導波管、２２：ホーン
３０：スロットアンテナ、３１：導波管、３２：スロット
４０：パッチアンテナ、４１：誘電体基板、４２：マイクロストリップ線路、４３：金属パッチ
Claims (5)
- 導電性の２枚の平行板と、該２枚の平行板の間の略中央に位置した中心導体とからなる導波路を給電線路としたアンテナであって、
前記２枚の平行板の間隔を前記中心導体の存在しない部分において前記平行板に平行な高周波電界成分が励振されない距離に設定すると共に、前記中心導体の先端部を前記２枚の平行板に直交する方向に対し非対称に曲折して、前記中心導体の先端部から前記２枚の平行板に直交する高周波電界成分をもつ電磁波を放射するようにしたことを特徴とするアンテナ。 - 請求項１において、
前記２枚の平行板の間に挟持される誘電体と、該誘電体の前記２枚の平行板に直交する片面に形成した前記中心導体と、前記中心導体の両側で且つ前記２枚の平行板に導通するよう前記片面に設けた対の接地導体とを有する放射素子を具備することを特徴とするアンテナ。 - 請求項１又は２において、
前記中心導体の前記曲折した先端部の先端を前記２枚の平行板のいずれか一方に近接させ、又は導通させたことを特徴とするアンテナ。 - 請求項２において、
前記２枚の平行板の間に、前記放射素子から放射された電磁波が反射される導電性の反射板を設けたことを特徴とするアンテナ。 - 請求項２において、
前記２枚の平行板の間に、前記放射素子から放射された電磁波が入射する誘電体レンズ又はメタルレンズを設けたことを特徴とするアンテナ。
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|---|---|---|---|---|
| JP5300571B2 (ja) * | 2009-04-14 | 2013-09-25 | 三菱電機株式会社 | アンテナ装置 |
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2000
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