アンテナ装置及びアレーアンテナ装置
【課題】アンテナサイズを小形化、薄型化することができ、かつ軽量化を図ることができるアンテナ装置を得る。また、複数のアンテナ素子を配列する際に、円偏波励振回路のレイアウトスペースを確保することができるアレーアンテナ装置を得る。
【解決手段】正方形の底面及び開口面を有するキャビティ２と、４個の逆Ｌ字型励振プローブ３とを設け、４個の励振プローブ３をキャビティの中心に対して周方向に９０度毎の回転対称となる位置で、先端をキャビティの中心方向に向け、他端がキャビティ側壁に近づけて配置し、隣接プローブ間で９０度位相差をつけて励振する。
【解決手段】正方形の底面及び開口面を有するキャビティ２と、４個の逆Ｌ字型励振プローブ３とを設け、４個の励振プローブ３をキャビティの中心に対して周方向に９０度毎の回転対称となる位置で、先端をキャビティの中心方向に向け、他端がキャビティ側壁に近づけて配置し、隣接プローブ間で９０度位相差をつけて励振する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば人工衛星に搭載され、衛星通信等に用いられるキャビティアンテナを構成するアンテナ装置及びアレーアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、アンテナを人工衛星に搭載する場合、ロケット打ち上げ時におけるロケットの積載スペース及び積載重量が制限されるため、アンテナは構造的に小形で、かつ軽量であることが求められる。
【０００３】
従来の衛星搭載用アンテナの例として、例えば、ホーンアンテナがある（例えば、特許文献１参照）。従来の円偏波を放射するホーンアンテナについて図１０を参照しながら説明する。図１０は、従来の円偏波を放射するホーンアンテナの構成を示す図である。図１０（ａ）は上からみた平面図、同図（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ'線からみた断面図である。
【０００４】
図１０において、ホーンアンテナ３０には、導波管（円形キャビティ）３１と、４個の励振プローブ３２と、テーパ状ホーンアンテナ開口部３３とが設けられている。４個の励振プローブ３２は、円偏波を励振するために周方向に９０度毎ずれて配置されている。
【０００５】
次に、従来の円偏波を放射するホーンアンテナの動作について図面を参照しながら説明する。導波管３１の外側に設けられている図示しない円偏波励振回路から導波管３１の側壁を介してプローブ３２が接続されている。このプローブ３２は、短絡された導波管３１の底面から略λｇ／４（λｇ：管内波長）離れた箇所に位置することで、効率よく導波管３１への励振がなされる。４個ある励振プローブ３２は、隣同士で９０度ずつ励振位相が異なり、良好な円偏波励振が実現される。励振された導波管３１の短絡面と反対側の面にはテーパ状のホーンアンテナ開口部３３が接続されており、空間中への整合を図りながら、徐々に円偏波放射がなされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−３５５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような従来のホーンアンテナは以下のような課題がある。従来のホーンアンテナにおいて、励振プローブ３２が導波管３１の短絡面から略λｇ／４離れた位置に配置され、その先に導波管モードの励振となるように導波管３１が伸長され、さらにその先にテーパ状のホーンアンテナ開口部３３が接続されている。このため、アンテナサイズ（全長及び開口径）や重量の面で課題がある。また、励振プローブ３２が導波管３１の側壁を介して円偏波励振回路と接続されるため、複数のアンテナ素子を配列してなるアレーアンテナ装置を構成する際に円偏波励振回路を配置するレイアウトスペースを確保することが困難である。
【０００８】
この発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、アンテナサイズを小形化、薄型化することができ、かつ、軽量化を図ることができるアンテナ装置を得ることを目的とする。また、複数のアンテナ素子を配列する際に、円偏波励振回路のレイアウトスペースを確保することができるアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係るアンテナ装置は、所定形状の底面を有すると共に上面が空間に開放された所定形状の開口面を有し、かつ前記底面から前記開口面までの側壁が所定の高さを有する、金属導体により構成された筒状のキャビティと、前記キャビティの側壁から所望間隔離れた近傍で、前記キャビティの底面から前記キャビティの開口面方向に鉛直に伸長し、前記キャビティの底面から使用周波数の略１／４波長の箇所で前記キャビティの開口面中央方向に略９０度折れ曲がり、折れ曲がり部から先端部までの長さが使用周波数の略１／４波長であり、他端部が前記キャビティの底面を介して円偏波励振回路に接続され、前記キャビティの底面の中心を基準点とし、前記キャビティの周方向に隣接プローブ間で９０度回転対称となる位置に配置され、かつ隣接プローブ間で９０度位相差をつけて励振する、逆Ｌ字型でなる４つの励振プローブとを備えたものである。
【００１０】
また、この発明に係るアレーアンテナ装置は、上記構成を備えるアンテナ装置が複数配列されて構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、部品点数が少なくアンテナ構造を簡易化することができ、かつ、軽量化を図ることができるアンテナ装置及びアレーアンテナ装置を得る。また、アンテナ裏面に形成した給電回路と励振プローブとを一体成形できるので、ＰＩＭ抑圧にも効果的であり、アレー化にも適する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る別形状のアンテナ装置の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の電気的特性を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係る別構造のアンテナ装置の構成を示す上視図である。
【図７】この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態６に係るアレーアンテナ装置の構成を示す上視図である。
【図１０】従来の円偏波を放射するホーンアンテナの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明のアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、各実施の形態では、アンテナ装置の理想的な構成として、各導体、線路間の誘電体基板を省略した構成について説明する。
【００１４】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置について図１を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。図１（ａ）は上からみた平面図、同図（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ'線からみた断面図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１５】
図１において、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置１には、正方形の底面及び上面開口面を有する金属導体により構成された筒状のキャビティ２と、４個の逆Ｌ字型励振プローブ３と、当該逆Ｌ字型励振プローブ３がキャビティ２と導通しないようにキャビティ２の底面に構成された穴（同軸線路内部構造４）とが備えられている。
【００１６】
ここで、キャビティ２は、開口面形状にはとらわれないとする。逆Ｌ字型励振プローブ３は、キャビティ２の側壁から所望間隔離れた近傍に合計４個あり、キャビティ２の底面の中心を基準点とし、キャビティ２の周方向に隣接プローブ間で９０度回転対称となる位置に配置されている。
【００１７】
逆Ｌ字型励振プローブ３の先端部は、キャビティ２の底面と略平行に配置されている。プローブ先端から１／４波長程度伸長した（図１の「長さＬ」に相当）のち、キャビティ２の側壁近傍で９０度折れ曲がり、それ以後プローブ３はキャビティ２の側壁に沿って、キャビティ２の底面方向に伸長していく（図１の「高さＨ」に相当）。この伸長したプローブ３の他端部は、キャビティ２の底面を介して円偏波励振回路に電気的に接続されている。その際、プローブ３がキャビティ２と導通しないように、キャビティ２の底面には穴が開いていて、その穴の中心をプローブ３が貫通して同軸線路内部構造４を形成している。逆Ｌ字型励振プローブ３におけるキャビティ２の側壁に沿った伸長部分の長さ（高さＨ）は、略１／４波長である。
【００１８】
図１に記載されているキャビティ２の深さＤは、通常、キャビティ２の側壁に沿った逆Ｌ字型励振プローブ３の長さと同等の１／４波長程度とするのが妥当である。１／４波長よりも極端に短い場合は、本アンテナ装置１の本来の動作ができない。これに関しては、以後の動作説明の箇所で詳細を記す。一方、深さＤが１／４波長よりも長い場合は、導波管開口型のアンテナとなり、前述した従来のアンテナ形状に近づき、アンテナの小形化という効果に反する。
【００１９】
キャビティ２の開口面の大きさは、放射特性の利得、ビーム幅等に影響を及ぼす。一般に、波長に対して相対的に開口面が大きいと利得は高く、ビーム幅は狭くなる。逆に、波長に対して相対的に開口面が小さいと、利得は低く、ビーム幅が広がる。開口面の大きさは、本アンテナ装置１を複数配列しアレーアンテナを構成する場合にサイズ制限を受ける。この場合、通常は１波長未満とする。
【００２０】
次に、この実施の形態１に係るアンテナ装置の動作について図面を参照しながら説明する。ここでは、本実施の形態１のアンテナ装置１を送信用とした場合について説明するが、可逆性の原理から受信用とすることも可能である。キャビティ２の底面裏側に設けられた円偏波励振回路（図示せず）からの使用周波数の入力信号は、キャビティ２の底面に設けられた穴（同軸線路内部構造４）を介して逆Ｌ字型励振プローブ３に伝わる。この励振プローブ３におけるキャビティ２の底面から高さＨまでの箇所は、キャビティ２の側壁に近接し、且つ、側壁に沿ってキャビティ２の開口面方向に伸長している。このため、その箇所は伝送線路として動作し、そこからの放射はない。
【００２１】
入力信号は、不要放射による損失を伴わずに励振プローブ３の９０度折れ曲がり部分にまで到達する。９０度折れ曲がり部分に到達した入力信号は、キャビティ２の中心方向に伸長した励振プローブ３の先端部に伝わる際に放射する。この放射原理はモノポールアンテナと同様である。すなわち、キャビティ２の側壁を地導体、励振プローブ３の先端部（長さＬの部分）をモノポール放射導体とするものである。励振プローブ３先端部の長さＬが使用周波数にて１／４波長であるので、共振現象を伴って励振プローブ３（の長さＬの部分）から放射する。励振プローブ３は、キャビティ２の中心に対して、９０度回転対称に配置されている。また、各励振プローブ３には、円偏波励振回路により、それぞれ９０度の位相差をもった励振信号が入力される。これによって、アンテナ装置１のキャビティ２開口面から天頂方向に円偏波が放射される。
【００２２】
本実施の形態１のアンテナ装置１は、励振プローブ３による４点励振でキャビティ２の開口面から円偏波が放射されるので、軸比を低くすることができる。
【００２３】
ところで、本実施の形態１のアンテナ装置１は、断面矩形状の金属導体であるキャビティ２を有している。前述したとおりキャビティ２の深さＤの違いによりアンテナ装置１の動作が異なる。
【００２４】
具体的に、キャビティ２の深さを１／４波長よりも極端に浅く設定した場合には、励振プローブ３において伝送線路として動作する部分が短く、キャビティ２の開口面より上方に伸長した励振プローブ３から放射されることになる。このキャビティ２の開口面より伸長した部分の長さは１／４波長よりも長くなるので、使用周波数からずれた周波数にて放射量が最大となってしまう。また、キャビティ２底面から鉛直方向に伸長した部分からも放射することが考えられ、放射パターン形状をコントロールできない。
【００２５】
上記の場合、励振プローブ３の高さＨをキャビティ２の深さＤ程度に極端に低くすることも考えられるが、この場合、励振プローブ３の長さＬに相当する放射部がキャビティ２の底面に極端に近づいてしまう。金属導体であるキャビティ２に近づくと放射効率が低下するので、このような構造は避ける必要がある。
【００２６】
これに対して、キャビティ２を深く設定した場合には、導波管開口型の従来からのアンテナとなり、小形化という効果が期待できない。ただし、キャビティ深さＤを使用周波数での略３／８波長に設定した場合、天頂方向の利得を最大にすることができる特長がある。
【００２７】
これらのことを鑑みると、キャビティ２の深さＤは励振プローブ３の高さＨと同等に設定することが妥当である。
【００２８】
また、キャビティ２の開口面の大きさは、放射特性の利得、ビーム幅等に影響を及ぼす。素子（アンテナ装置１）単体で用いるのではなく、アレー状態とする場合には、キャビティ２の開口面の大きさは１波長未満の中で所望の特性を得るようにある程度任意に設定可能である。
【００２９】
ところで、本実施の形態１のアンテナ装置１は、逆Ｌ字型励振プローブ３をキャビティ２の底面より伸長した構造であるため、円偏波励振回路をキャビティ２の底面裏側に構成できる。これは、本アンテナ装置１をアレー化した際に、給電構造を簡略化できる利点を持つ。
【００３０】
逆Ｌ字型励振プローブ３は、キャビティ２の底面裏側に構成された円偏波励振回路のポート端より先で異種金属による接続箇所が存在しない。このため、パッシブインターモジュレーション（ＰＩＭ：Passive Intermodulation）の発生を抑圧できる特長がある。なお、ＰＩＭとは、異種金属で接続されている箇所に大電力が入力された際に、放射電波の歪や混変調が生じる現象である。
【００３１】
逆Ｌ字型励振プローブ３は、図１のように導線のように細くなくてはならないというものではなく、板状としても差し支えない。板状とすることで、広帯域性が図れたり、励振プローブ長を短く設定でき、アンテナの小形化にも繋がる。
【００３２】
図１において、キャビティ２は側壁全体が金属導体で囲まれているが、側壁の少なくとも一部が導体で囲まれている場合でも、アンテナ特性に影響を与えるものではない可能性がある。従って、これを満足するようにキャビティ２の側壁にスリットを設けてもよいし、側壁自体を金網等で構成しても問題ない。すなわち、キャビティ２の側壁の一部が不連続金属導体であってもよい。
【００３３】
なお、キャビティ構造については、正方形だけに限定するものではなく、例えば、図２に示すような円形や任意形状としても問題ない。なお、図２（ａ）は上からみた平面図、同図（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ'線からみた断面図である。
【００３４】
この実施の形態１に係るアンテナ装置１によれば、逆Ｌ字型励振プローブ３の一部をキャビティ２の側壁に近接配置させて伝送線路動作部分を設け、それより先の部分でモノポールアンテナのように放射させる構造としている。このため、アンテナ構造が簡略化され、サイズ低減が図れる。また、逆Ｌ字型励振プローブ３の後段に繋がる励振回路をキャビティ２の底面裏側に配置できるので、本アンテナ装置１を複数個配列したアレー構造としても複雑にならない特長がある。さらに、４個の励振プローブ３をキャビティ２の開口面の中心に対して周方向に９０度毎に回転対称となるように配置し、かつ、９０度毎励振位相差を設けているので、低軸比特性を有する。加えて、モノポールアンテナと同等、あるいは４点円偏波励振としていることで、それ以上の比帯域特性を望める。
【００３５】
ここで、実施の形態１のアンテナ装置１の電気的特性について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置１の電気的特性を示す図である。図３（ａ）はアンテナ装置１の各Ｌ字型励振プローブ３の入力端における反射特性、同図（ｂ）は使用周波数での放射パターン、同図（ｃ）は軸比特性をそれぞれ示すグラフである。図３（ａ）の横軸は使用周波数ｆ０で規格化されている。図３（ａ）に示すように、ポート（Ｐｏｒｔ）Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２における反射特性は略重なっており、全ポートで同様の特性を得ている。また、放射パターンの図３（ｂ）において、正偏波成分（ＲＨＣＰ：right-handed circularly polarized wave）を実線で示し、交差偏波成分（ＬＨＣＰ：left-handed circularly polarized wave)）を破線で示している。図３（ｂ）の縦軸は最大利得で規格化した相対値である。図３（ｂ）、（ｃ）から使用周波数において良好な放射パターン形状と低軸比特性が得られていることがわかる。
【００３６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示すものである。図４（ａ）は、図１の下図と同様の断面図である。一方、図４（ｂ）はキャビティの中心から励振プローブをみた図である。
【００３７】
図４において、上記の実施の形態１と重複するものについては説明を省略する。新たな符号として、５はキャビティ２の側壁までの間隔が徐々に変化している逆Ｌ字型励振プローブである。６はキャビティ２の側壁に沿って伸長している部分の導体線路幅が徐々に変化している板状の逆Ｌ字型励振プローブである。
【００３８】
本アンテナ装置の動作については、上記の実施の形態１と同様であるので、ここでは省略する。実施の形態１と異なる点は、キャビティ２の側壁と近接配置され、側壁に沿って伸長している逆Ｌ字型励振プローブの伝送線路として働く部分である。図４（ａ）ではキャビティ２の側壁と逆Ｌ字型励振プローブ５との間隔が、図４（ｂ）では板状の逆Ｌ字型励振プローブ６の導体線路幅がそれぞれ徐々に変化している。両者とも、この伝送線路として働く部分において、線路の特性インピーダンスを徐々に変化させてインピーダンス整合を取っている。この図ではキャビティ２の底面から徐々に低インピーダンスに変化させる構造を示している。これらの構造とすることで、実施の形態１のアンテナ装置よりも高効率化が図れる。
【００３９】
なお、図４では逆Ｌ字型励振プローブ５と板状の逆Ｌ字型励振プローブ６とがテーパ状に変化しているが、階段状に変化させても差し支えない。
【００４０】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置について図５および図６を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、図１の下図と同様の断面図である。一方、図６は、この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置のキャビティの開口面上方からみた上視図である。
【００４１】
図５において、上記の実施の形態１と重複するものについては説明を省略する。新たな符号として、７はキャビティ２の側壁内側を囲み、逆Ｌ字型励振プローブ３のキャビティ２の側壁に沿った伸長部分を含んだ、薄い層状で、かつキャビティ２の側壁に密着して配置される矩形環状の絶縁体である。
【００４２】
図５に示す本実施の形態３のアンテナ装置は、実施の形態１のアンテナ装置に対して絶縁体７を装荷した点が異なる。本アンテナ装置の動作は、実施の形態１と同様であるので、ここでは省略する。絶縁体７は、励振プローブ３をその内部に含み、キャビティ２の側壁に密着しているので、励振プローブ３は強固に固定される。このため、振動を伴うような劣悪環境下においても、アンテナ構造の変形あるいは破損が生じる恐れがないという特長を有する。
【００４３】
なお、絶縁体７は矩形環状としているが、キャビティ２の断面形状に合った環状であれば良いことは言うまでもない。
【００４４】
図６において、上記の実施の形態１と重複するものについては説明を省略する。新たな符号として、８は各逆Ｌ字型励振プローブ３の周囲のみに装荷した角柱状の絶縁体である。
【００４５】
図６に示す本実施の形態３のアンテナ装置は、実施の形態１のアンテナ装置に対して絶縁体８を装荷した点が異なる。本アンテナ装置の動作は、実施の形態１と同様であるので、ここでは省略する。絶縁体８は、励振プローブ３をその内部に含み、キャビティ２の側壁に密着しているので、励振プローブ３は強固に固定される。加えて、図５のように環状とはしていないので、使用する絶縁体材料の削減を図れる。このため、アンテナ装置の重量を極力抑えつつ、振動を伴うような劣悪環境下においても、アンテナ構造の変形あるいは破損が生じる恐れがないという特長を有する。
【００４６】
損失による放射効率低下を抑えるために、絶縁体８は強固でありつつ、低損失なものが望まれる。
【００４７】
図６には、絶縁体８として角柱状の絶縁体を示しているが、その形状に制限はない。励振プローブ３が固定されれば良く、キャビティ２の側壁の形状に合わせて選定すれば良い。
【００４８】
なお、キャビティ２の底面から鉛直上方に向かって、上記絶縁体の比誘電率が徐々に変化させることでも、伝送線路の特性インピーダンスを変化させることができる。この方法でも、インピーダンス整合を実現でき、アンテナの放射効率向上を図れる。
【００４９】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置について図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示すものである。
【００５０】
図７において、上記の実施の形態１と重複するものについては説明を省略する。新たな符号として、９はキャビティ２の底面に設けられた穴（同軸線路内部構造４）の一部がキャビティ２の側壁下部に隠れた様子を示している。
【００５１】
本実施の形態４のアンテナ装置は、実施の形態１のアンテナ装置に対してキャビティ２の底面に設けた穴（同軸線路内部構造４）の一部が側壁下部に隠れた様子９が異なる。すなわち、キャビティ２の底面に設けられた励振プローブ３と励振回路との接続部分の同軸構造が、励振プローブ３とキャビティ２の側壁との間隔が狭くなった際に、同軸構造の一部がキャビティ２の側壁下部に隠れるようになっている。
【００５２】
本アンテナ装置の動作は、実施の形態１と同様であるので、ここでは省略する。穴（同軸線路内部構造４）の一部が側壁下部に隠れても、アンテナ装置の特性に大きな影響を及ぼさないことを確認している。この結果は、キャビティ２の底面に設ける同軸構造の大きさにとらわれずに、励振プローブ３をキャビティ２の側壁に近接配置することが可能であることを示すものであり、円偏波励振回路との整合を取りやすい利点がある。
【００５３】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置について図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成を示す断面図である。
【００５４】
図８において、この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置１０には、正方形の底面及び開口面を有する金属のキャビティ２と、４個の逆Ｌ字型励振プローブ３と、誘電体基板１５と、誘電体基板１５上に構成した地導体１６と、地導体１６上に設けられた穴１７とマイクロストリップ線路１８とが設けられている。
【００５５】
上記実施の形態１のアンテナ装置１の説明では、キャビティ２の底面の裏面側に円偏波励振回路が構成されることのみを言及していたが、本実施の形態５においては、円偏波励振回路を、誘電体基板１５上に、マイクロストリップ線路１８にて構成し、それをキャビティ２の底面の裏面に貼り付けている。
【００５６】
図８において、誘電体基板１５のキャビティ２側の表面上は大半が銅箔で覆われており（グラウンド面として機能する）、誘電体基板１５の裏面上に円偏波励振回路が構成されている。
【００５７】
逆Ｌ字型励振プローブ３とマイクロストリップ線路１８とが接続する近傍の構造をさらに詳しく説明する。キャビティ２の底面の裏面と誘電体基板１５の表面（大半が銅箔で覆われている、これが誘電体基板上に構成した地導体１６）とが電気的に接続するように貼り合わされる。キャビティ２の底面には、逆Ｌ字型励振プローブ３との接触を避けるように穴４が開いており、これと同じ位置の誘電体基板１５の表面（地導体１６）の銅箔にも接触を避ける穴１７がエッチング加工などで開いている。また、同じ位置の誘電体基板１５に、逆Ｌ字型励振プローブ３が貫通する穴も開いている。
【００５８】
すなわち、逆Ｌ字型励振プローブ３はキャビティ２と誘電体基板１５の表面上の地導体１６との接触がなく誘電体基板１５の裏面まで伸長できる。誘電体基板１５の裏面には逆Ｌ字型励振プローブ３が貫通する穴を持つマイクロストリップ線路１８がエッチング加工などで構成されており、逆Ｌ字型励振プローブ３が貫通したあとに、はんだ付けなどにより両者が接続される。これにより、逆Ｌ字型励振プローブ３と円偏波励振回路とが接続される。
【００５９】
従って、誘電体基板１５上に構成された円偏波励振回路は、キャビティ２の底面の裏面側に設置されるので、嵩張らず、軽量化が可能である。また、アレー化の際にも、素子間隔に左右されず、後段の回路との接続も容易になる利点がある。
【００６０】
上記のようなアンテナ装置１０では、円偏波励振回路が誘電体基板１５上に構成されているので、さらに後段に接続されるフィルタや増幅器等も誘電体基板１５上に一体構成できる。あるいは、フィルタや増幅器等を別の誘電体基板上に構成し、誘電体基板１５と積層化して接続することも可能である。いずれにしても、アンテナ素子部分と後段の給電回路部分とを省スペースのもとで接続させることができる利点がある。
【００６１】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係るアレーアンテナ装置について図９を参照しながら説明する。図９は、この発明の実施の形態６に係るアレーアンテナ装置の構成を示す平面図である。
【００６２】
実施の形態１から実施の形態５までのアンテナ装置のいずれかをアンテナ素子とし、図９に示すように、そのアンテナ素子１あるいは１０を複数個適宜配列して給電することにより、アレーアンテナ装置を構成することができる。このように、アレー化した場合にも、実施の形態１から実施の形態５までのアンテナ装置の特性が基本的には反映され、良好なアンテナ特性とすることができるとともに、給電回路まで含めて簡略構造、小形、薄型化にすることができる。
【００６３】
ここで、キャビティ２の側壁高さを比較的高く設定した場合には、ビーム幅を絞ることが可能となり、隣接アンテナ素子間の相互結合量の低減化を図ることができる。また、互いに隣接するアンテナ素子間の相互結合量がキャビティ２によって低減されるため、損失を軽減させることができる。
【００６４】
なお、図９に示した実施の形態６に係るアレーアンテナ装置は、三角配列された１３個のアンテナ素子によって構成されている。しかしながら、この例に限定するものではなく、アレーアンテナ装置を構成するアンテナ素子の個数や配列方法は、所望の特性が得られるよう適宜決定することができる。
【００６５】
さらに、実施の形態１〜５では、送信系のアンテナ装置及びアレーアンテナ装置について説明したが、この発明は、受信系のアンテナ装置及びアレーアンテナ装置にも適用することができる。
【００６６】
また、実施の形態１〜６では、円偏波を放射するために４個の逆Ｌ字型励振プローブを用いたが、軸比特性の劣化を許容できる場合には９０度回転対称配置された２個の逆Ｌ字型励振プローブにそれぞれ９０度の位相差を持った信号を入力すれば十分である。このような構成とすることで、逆Ｌ字型励振プローブの数を４個から２個へ低減し、低コスト化を図ることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ アンテナ装置、２ キャビティ、３ 逆Ｌ字型励振プローブ、４ 同軸線路内部構造、５ 逆Ｌ字型励振プローブ、６ 板状逆Ｌ字型励振プローブ、７ 矩形環状絶縁体、８ 励振プローブ周囲の絶縁体、９ キャビティ壁下部に同軸外導体が隠れた様子、１０ アンテナ装置、１５ 誘電体基板、１６ 誘電体基板上に構成した地導体、１７ 地導体１６上の穴、１８ マイクロストリップ線路。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば人工衛星に搭載され、衛星通信等に用いられるキャビティアンテナを構成するアンテナ装置及びアレーアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、アンテナを人工衛星に搭載する場合、ロケット打ち上げ時におけるロケットの積載スペース及び積載重量が制限されるため、アンテナは構造的に小形で、かつ軽量であることが求められる。
【０００３】
従来の衛星搭載用アンテナの例として、例えば、ホーンアンテナがある（例えば、特許文献１参照）。従来の円偏波を放射するホーンアンテナについて図１０を参照しながら説明する。図１０は、従来の円偏波を放射するホーンアンテナの構成を示す図である。図１０（ａ）は上からみた平面図、同図（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ'線からみた断面図である。
【０００４】
図１０において、ホーンアンテナ３０には、導波管（円形キャビティ）３１と、４個の励振プローブ３２と、テーパ状ホーンアンテナ開口部３３とが設けられている。４個の励振プローブ３２は、円偏波を励振するために周方向に９０度毎ずれて配置されている。
【０００５】
次に、従来の円偏波を放射するホーンアンテナの動作について図面を参照しながら説明する。導波管３１の外側に設けられている図示しない円偏波励振回路から導波管３１の側壁を介してプローブ３２が接続されている。このプローブ３２は、短絡された導波管３１の底面から略λｇ／４（λｇ：管内波長）離れた箇所に位置することで、効率よく導波管３１への励振がなされる。４個ある励振プローブ３２は、隣同士で９０度ずつ励振位相が異なり、良好な円偏波励振が実現される。励振された導波管３１の短絡面と反対側の面にはテーパ状のホーンアンテナ開口部３３が接続されており、空間中への整合を図りながら、徐々に円偏波放射がなされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−３５５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような従来のホーンアンテナは以下のような課題がある。従来のホーンアンテナにおいて、励振プローブ３２が導波管３１の短絡面から略λｇ／４離れた位置に配置され、その先に導波管モードの励振となるように導波管３１が伸長され、さらにその先にテーパ状のホーンアンテナ開口部３３が接続されている。このため、アンテナサイズ（全長及び開口径）や重量の面で課題がある。また、励振プローブ３２が導波管３１の側壁を介して円偏波励振回路と接続されるため、複数のアンテナ素子を配列してなるアレーアンテナ装置を構成する際に円偏波励振回路を配置するレイアウトスペースを確保することが困難である。
【０００８】
この発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、アンテナサイズを小形化、薄型化することができ、かつ、軽量化を図ることができるアンテナ装置を得ることを目的とする。また、複数のアンテナ素子を配列する際に、円偏波励振回路のレイアウトスペースを確保することができるアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係るアンテナ装置は、所定形状の底面を有すると共に上面が空間に開放された所定形状の開口面を有し、かつ前記底面から前記開口面までの側壁が所定の高さを有する、金属導体により構成された筒状のキャビティと、前記キャビティの側壁から所望間隔離れた近傍で、前記キャビティの底面から前記キャビティの開口面方向に鉛直に伸長し、前記キャビティの底面から使用周波数の略１／４波長の箇所で前記キャビティの開口面中央方向に略９０度折れ曲がり、折れ曲がり部から先端部までの長さが使用周波数の略１／４波長であり、他端部が前記キャビティの底面を介して円偏波励振回路に接続され、前記キャビティの底面の中心を基準点とし、前記キャビティの周方向に隣接プローブ間で９０度回転対称となる位置に配置され、かつ隣接プローブ間で９０度位相差をつけて励振する、逆Ｌ字型でなる４つの励振プローブとを備えたものである。
【００１０】
また、この発明に係るアレーアンテナ装置は、上記構成を備えるアンテナ装置が複数配列されて構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、部品点数が少なくアンテナ構造を簡易化することができ、かつ、軽量化を図ることができるアンテナ装置及びアレーアンテナ装置を得る。また、アンテナ裏面に形成した給電回路と励振プローブとを一体成形できるので、ＰＩＭ抑圧にも効果的であり、アレー化にも適する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る別形状のアンテナ装置の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の電気的特性を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示す断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係る別構造のアンテナ装置の構成を示す上視図である。
【図７】この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態６に係るアレーアンテナ装置の構成を示す上視図である。
【図１０】従来の円偏波を放射するホーンアンテナの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明のアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、各実施の形態では、アンテナ装置の理想的な構成として、各導体、線路間の誘電体基板を省略した構成について説明する。
【００１４】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置について図１を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す図である。図１（ａ）は上からみた平面図、同図（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ'線からみた断面図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１５】
図１において、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置１には、正方形の底面及び上面開口面を有する金属導体により構成された筒状のキャビティ２と、４個の逆Ｌ字型励振プローブ３と、当該逆Ｌ字型励振プローブ３がキャビティ２と導通しないようにキャビティ２の底面に構成された穴（同軸線路内部構造４）とが備えられている。
【００１６】
ここで、キャビティ２は、開口面形状にはとらわれないとする。逆Ｌ字型励振プローブ３は、キャビティ２の側壁から所望間隔離れた近傍に合計４個あり、キャビティ２の底面の中心を基準点とし、キャビティ２の周方向に隣接プローブ間で９０度回転対称となる位置に配置されている。
【００１７】
逆Ｌ字型励振プローブ３の先端部は、キャビティ２の底面と略平行に配置されている。プローブ先端から１／４波長程度伸長した（図１の「長さＬ」に相当）のち、キャビティ２の側壁近傍で９０度折れ曲がり、それ以後プローブ３はキャビティ２の側壁に沿って、キャビティ２の底面方向に伸長していく（図１の「高さＨ」に相当）。この伸長したプローブ３の他端部は、キャビティ２の底面を介して円偏波励振回路に電気的に接続されている。その際、プローブ３がキャビティ２と導通しないように、キャビティ２の底面には穴が開いていて、その穴の中心をプローブ３が貫通して同軸線路内部構造４を形成している。逆Ｌ字型励振プローブ３におけるキャビティ２の側壁に沿った伸長部分の長さ（高さＨ）は、略１／４波長である。
【００１８】
図１に記載されているキャビティ２の深さＤは、通常、キャビティ２の側壁に沿った逆Ｌ字型励振プローブ３の長さと同等の１／４波長程度とするのが妥当である。１／４波長よりも極端に短い場合は、本アンテナ装置１の本来の動作ができない。これに関しては、以後の動作説明の箇所で詳細を記す。一方、深さＤが１／４波長よりも長い場合は、導波管開口型のアンテナとなり、前述した従来のアンテナ形状に近づき、アンテナの小形化という効果に反する。
【００１９】
キャビティ２の開口面の大きさは、放射特性の利得、ビーム幅等に影響を及ぼす。一般に、波長に対して相対的に開口面が大きいと利得は高く、ビーム幅は狭くなる。逆に、波長に対して相対的に開口面が小さいと、利得は低く、ビーム幅が広がる。開口面の大きさは、本アンテナ装置１を複数配列しアレーアンテナを構成する場合にサイズ制限を受ける。この場合、通常は１波長未満とする。
【００２０】
次に、この実施の形態１に係るアンテナ装置の動作について図面を参照しながら説明する。ここでは、本実施の形態１のアンテナ装置１を送信用とした場合について説明するが、可逆性の原理から受信用とすることも可能である。キャビティ２の底面裏側に設けられた円偏波励振回路（図示せず）からの使用周波数の入力信号は、キャビティ２の底面に設けられた穴（同軸線路内部構造４）を介して逆Ｌ字型励振プローブ３に伝わる。この励振プローブ３におけるキャビティ２の底面から高さＨまでの箇所は、キャビティ２の側壁に近接し、且つ、側壁に沿ってキャビティ２の開口面方向に伸長している。このため、その箇所は伝送線路として動作し、そこからの放射はない。
【００２１】
入力信号は、不要放射による損失を伴わずに励振プローブ３の９０度折れ曲がり部分にまで到達する。９０度折れ曲がり部分に到達した入力信号は、キャビティ２の中心方向に伸長した励振プローブ３の先端部に伝わる際に放射する。この放射原理はモノポールアンテナと同様である。すなわち、キャビティ２の側壁を地導体、励振プローブ３の先端部（長さＬの部分）をモノポール放射導体とするものである。励振プローブ３先端部の長さＬが使用周波数にて１／４波長であるので、共振現象を伴って励振プローブ３（の長さＬの部分）から放射する。励振プローブ３は、キャビティ２の中心に対して、９０度回転対称に配置されている。また、各励振プローブ３には、円偏波励振回路により、それぞれ９０度の位相差をもった励振信号が入力される。これによって、アンテナ装置１のキャビティ２開口面から天頂方向に円偏波が放射される。
【００２２】
本実施の形態１のアンテナ装置１は、励振プローブ３による４点励振でキャビティ２の開口面から円偏波が放射されるので、軸比を低くすることができる。
【００２３】
ところで、本実施の形態１のアンテナ装置１は、断面矩形状の金属導体であるキャビティ２を有している。前述したとおりキャビティ２の深さＤの違いによりアンテナ装置１の動作が異なる。
【００２４】
具体的に、キャビティ２の深さを１／４波長よりも極端に浅く設定した場合には、励振プローブ３において伝送線路として動作する部分が短く、キャビティ２の開口面より上方に伸長した励振プローブ３から放射されることになる。このキャビティ２の開口面より伸長した部分の長さは１／４波長よりも長くなるので、使用周波数からずれた周波数にて放射量が最大となってしまう。また、キャビティ２底面から鉛直方向に伸長した部分からも放射することが考えられ、放射パターン形状をコントロールできない。
【００２５】
上記の場合、励振プローブ３の高さＨをキャビティ２の深さＤ程度に極端に低くすることも考えられるが、この場合、励振プローブ３の長さＬに相当する放射部がキャビティ２の底面に極端に近づいてしまう。金属導体であるキャビティ２に近づくと放射効率が低下するので、このような構造は避ける必要がある。
【００２６】
これに対して、キャビティ２を深く設定した場合には、導波管開口型の従来からのアンテナとなり、小形化という効果が期待できない。ただし、キャビティ深さＤを使用周波数での略３／８波長に設定した場合、天頂方向の利得を最大にすることができる特長がある。
【００２７】
これらのことを鑑みると、キャビティ２の深さＤは励振プローブ３の高さＨと同等に設定することが妥当である。
【００２８】
また、キャビティ２の開口面の大きさは、放射特性の利得、ビーム幅等に影響を及ぼす。素子（アンテナ装置１）単体で用いるのではなく、アレー状態とする場合には、キャビティ２の開口面の大きさは１波長未満の中で所望の特性を得るようにある程度任意に設定可能である。
【００２９】
ところで、本実施の形態１のアンテナ装置１は、逆Ｌ字型励振プローブ３をキャビティ２の底面より伸長した構造であるため、円偏波励振回路をキャビティ２の底面裏側に構成できる。これは、本アンテナ装置１をアレー化した際に、給電構造を簡略化できる利点を持つ。
【００３０】
逆Ｌ字型励振プローブ３は、キャビティ２の底面裏側に構成された円偏波励振回路のポート端より先で異種金属による接続箇所が存在しない。このため、パッシブインターモジュレーション（ＰＩＭ：Passive Intermodulation）の発生を抑圧できる特長がある。なお、ＰＩＭとは、異種金属で接続されている箇所に大電力が入力された際に、放射電波の歪や混変調が生じる現象である。
【００３１】
逆Ｌ字型励振プローブ３は、図１のように導線のように細くなくてはならないというものではなく、板状としても差し支えない。板状とすることで、広帯域性が図れたり、励振プローブ長を短く設定でき、アンテナの小形化にも繋がる。
【００３２】
図１において、キャビティ２は側壁全体が金属導体で囲まれているが、側壁の少なくとも一部が導体で囲まれている場合でも、アンテナ特性に影響を与えるものではない可能性がある。従って、これを満足するようにキャビティ２の側壁にスリットを設けてもよいし、側壁自体を金網等で構成しても問題ない。すなわち、キャビティ２の側壁の一部が不連続金属導体であってもよい。
【００３３】
なお、キャビティ構造については、正方形だけに限定するものではなく、例えば、図２に示すような円形や任意形状としても問題ない。なお、図２（ａ）は上からみた平面図、同図（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ'線からみた断面図である。
【００３４】
この実施の形態１に係るアンテナ装置１によれば、逆Ｌ字型励振プローブ３の一部をキャビティ２の側壁に近接配置させて伝送線路動作部分を設け、それより先の部分でモノポールアンテナのように放射させる構造としている。このため、アンテナ構造が簡略化され、サイズ低減が図れる。また、逆Ｌ字型励振プローブ３の後段に繋がる励振回路をキャビティ２の底面裏側に配置できるので、本アンテナ装置１を複数個配列したアレー構造としても複雑にならない特長がある。さらに、４個の励振プローブ３をキャビティ２の開口面の中心に対して周方向に９０度毎に回転対称となるように配置し、かつ、９０度毎励振位相差を設けているので、低軸比特性を有する。加えて、モノポールアンテナと同等、あるいは４点円偏波励振としていることで、それ以上の比帯域特性を望める。
【００３５】
ここで、実施の形態１のアンテナ装置１の電気的特性について図３を参照しながら説明する。図３は、この発明の実施の形態１に係るアンテナ装置１の電気的特性を示す図である。図３（ａ）はアンテナ装置１の各Ｌ字型励振プローブ３の入力端における反射特性、同図（ｂ）は使用周波数での放射パターン、同図（ｃ）は軸比特性をそれぞれ示すグラフである。図３（ａ）の横軸は使用周波数ｆ０で規格化されている。図３（ａ）に示すように、ポート（Ｐｏｒｔ）Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２における反射特性は略重なっており、全ポートで同様の特性を得ている。また、放射パターンの図３（ｂ）において、正偏波成分（ＲＨＣＰ：right-handed circularly polarized wave）を実線で示し、交差偏波成分（ＬＨＣＰ：left-handed circularly polarized wave)）を破線で示している。図３（ｂ）の縦軸は最大利得で規格化した相対値である。図３（ｂ）、（ｃ）から使用周波数において良好な放射パターン形状と低軸比特性が得られていることがわかる。
【００３６】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置について図４を参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示すものである。図４（ａ）は、図１の下図と同様の断面図である。一方、図４（ｂ）はキャビティの中心から励振プローブをみた図である。
【００３７】
図４において、上記の実施の形態１と重複するものについては説明を省略する。新たな符号として、５はキャビティ２の側壁までの間隔が徐々に変化している逆Ｌ字型励振プローブである。６はキャビティ２の側壁に沿って伸長している部分の導体線路幅が徐々に変化している板状の逆Ｌ字型励振プローブである。
【００３８】
本アンテナ装置の動作については、上記の実施の形態１と同様であるので、ここでは省略する。実施の形態１と異なる点は、キャビティ２の側壁と近接配置され、側壁に沿って伸長している逆Ｌ字型励振プローブの伝送線路として働く部分である。図４（ａ）ではキャビティ２の側壁と逆Ｌ字型励振プローブ５との間隔が、図４（ｂ）では板状の逆Ｌ字型励振プローブ６の導体線路幅がそれぞれ徐々に変化している。両者とも、この伝送線路として働く部分において、線路の特性インピーダンスを徐々に変化させてインピーダンス整合を取っている。この図ではキャビティ２の底面から徐々に低インピーダンスに変化させる構造を示している。これらの構造とすることで、実施の形態１のアンテナ装置よりも高効率化が図れる。
【００３９】
なお、図４では逆Ｌ字型励振プローブ５と板状の逆Ｌ字型励振プローブ６とがテーパ状に変化しているが、階段状に変化させても差し支えない。
【００４０】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置について図５および図６を参照しながら説明する。図５は、この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の構成を示すものであり、図１の下図と同様の断面図である。一方、図６は、この発明の実施の形態３に係るアンテナ装置のキャビティの開口面上方からみた上視図である。
【００４１】
図５において、上記の実施の形態１と重複するものについては説明を省略する。新たな符号として、７はキャビティ２の側壁内側を囲み、逆Ｌ字型励振プローブ３のキャビティ２の側壁に沿った伸長部分を含んだ、薄い層状で、かつキャビティ２の側壁に密着して配置される矩形環状の絶縁体である。
【００４２】
図５に示す本実施の形態３のアンテナ装置は、実施の形態１のアンテナ装置に対して絶縁体７を装荷した点が異なる。本アンテナ装置の動作は、実施の形態１と同様であるので、ここでは省略する。絶縁体７は、励振プローブ３をその内部に含み、キャビティ２の側壁に密着しているので、励振プローブ３は強固に固定される。このため、振動を伴うような劣悪環境下においても、アンテナ構造の変形あるいは破損が生じる恐れがないという特長を有する。
【００４３】
なお、絶縁体７は矩形環状としているが、キャビティ２の断面形状に合った環状であれば良いことは言うまでもない。
【００４４】
図６において、上記の実施の形態１と重複するものについては説明を省略する。新たな符号として、８は各逆Ｌ字型励振プローブ３の周囲のみに装荷した角柱状の絶縁体である。
【００４５】
図６に示す本実施の形態３のアンテナ装置は、実施の形態１のアンテナ装置に対して絶縁体８を装荷した点が異なる。本アンテナ装置の動作は、実施の形態１と同様であるので、ここでは省略する。絶縁体８は、励振プローブ３をその内部に含み、キャビティ２の側壁に密着しているので、励振プローブ３は強固に固定される。加えて、図５のように環状とはしていないので、使用する絶縁体材料の削減を図れる。このため、アンテナ装置の重量を極力抑えつつ、振動を伴うような劣悪環境下においても、アンテナ構造の変形あるいは破損が生じる恐れがないという特長を有する。
【００４６】
損失による放射効率低下を抑えるために、絶縁体８は強固でありつつ、低損失なものが望まれる。
【００４７】
図６には、絶縁体８として角柱状の絶縁体を示しているが、その形状に制限はない。励振プローブ３が固定されれば良く、キャビティ２の側壁の形状に合わせて選定すれば良い。
【００４８】
なお、キャビティ２の底面から鉛直上方に向かって、上記絶縁体の比誘電率が徐々に変化させることでも、伝送線路の特性インピーダンスを変化させることができる。この方法でも、インピーダンス整合を実現でき、アンテナの放射効率向上を図れる。
【００４９】
実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置について図７を参照しながら説明する。図７は、この発明の実施の形態４に係るアンテナ装置の構成を示すものである。
【００５０】
図７において、上記の実施の形態１と重複するものについては説明を省略する。新たな符号として、９はキャビティ２の底面に設けられた穴（同軸線路内部構造４）の一部がキャビティ２の側壁下部に隠れた様子を示している。
【００５１】
本実施の形態４のアンテナ装置は、実施の形態１のアンテナ装置に対してキャビティ２の底面に設けた穴（同軸線路内部構造４）の一部が側壁下部に隠れた様子９が異なる。すなわち、キャビティ２の底面に設けられた励振プローブ３と励振回路との接続部分の同軸構造が、励振プローブ３とキャビティ２の側壁との間隔が狭くなった際に、同軸構造の一部がキャビティ２の側壁下部に隠れるようになっている。
【００５２】
本アンテナ装置の動作は、実施の形態１と同様であるので、ここでは省略する。穴（同軸線路内部構造４）の一部が側壁下部に隠れても、アンテナ装置の特性に大きな影響を及ぼさないことを確認している。この結果は、キャビティ２の底面に設ける同軸構造の大きさにとらわれずに、励振プローブ３をキャビティ２の側壁に近接配置することが可能であることを示すものであり、円偏波励振回路との整合を取りやすい利点がある。
【００５３】
実施の形態５．
この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置について図８を参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置の構成を示す断面図である。
【００５４】
図８において、この発明の実施の形態５に係るアンテナ装置１０には、正方形の底面及び開口面を有する金属のキャビティ２と、４個の逆Ｌ字型励振プローブ３と、誘電体基板１５と、誘電体基板１５上に構成した地導体１６と、地導体１６上に設けられた穴１７とマイクロストリップ線路１８とが設けられている。
【００５５】
上記実施の形態１のアンテナ装置１の説明では、キャビティ２の底面の裏面側に円偏波励振回路が構成されることのみを言及していたが、本実施の形態５においては、円偏波励振回路を、誘電体基板１５上に、マイクロストリップ線路１８にて構成し、それをキャビティ２の底面の裏面に貼り付けている。
【００５６】
図８において、誘電体基板１５のキャビティ２側の表面上は大半が銅箔で覆われており（グラウンド面として機能する）、誘電体基板１５の裏面上に円偏波励振回路が構成されている。
【００５７】
逆Ｌ字型励振プローブ３とマイクロストリップ線路１８とが接続する近傍の構造をさらに詳しく説明する。キャビティ２の底面の裏面と誘電体基板１５の表面（大半が銅箔で覆われている、これが誘電体基板上に構成した地導体１６）とが電気的に接続するように貼り合わされる。キャビティ２の底面には、逆Ｌ字型励振プローブ３との接触を避けるように穴４が開いており、これと同じ位置の誘電体基板１５の表面（地導体１６）の銅箔にも接触を避ける穴１７がエッチング加工などで開いている。また、同じ位置の誘電体基板１５に、逆Ｌ字型励振プローブ３が貫通する穴も開いている。
【００５８】
すなわち、逆Ｌ字型励振プローブ３はキャビティ２と誘電体基板１５の表面上の地導体１６との接触がなく誘電体基板１５の裏面まで伸長できる。誘電体基板１５の裏面には逆Ｌ字型励振プローブ３が貫通する穴を持つマイクロストリップ線路１８がエッチング加工などで構成されており、逆Ｌ字型励振プローブ３が貫通したあとに、はんだ付けなどにより両者が接続される。これにより、逆Ｌ字型励振プローブ３と円偏波励振回路とが接続される。
【００５９】
従って、誘電体基板１５上に構成された円偏波励振回路は、キャビティ２の底面の裏面側に設置されるので、嵩張らず、軽量化が可能である。また、アレー化の際にも、素子間隔に左右されず、後段の回路との接続も容易になる利点がある。
【００６０】
上記のようなアンテナ装置１０では、円偏波励振回路が誘電体基板１５上に構成されているので、さらに後段に接続されるフィルタや増幅器等も誘電体基板１５上に一体構成できる。あるいは、フィルタや増幅器等を別の誘電体基板上に構成し、誘電体基板１５と積層化して接続することも可能である。いずれにしても、アンテナ素子部分と後段の給電回路部分とを省スペースのもとで接続させることができる利点がある。
【００６１】
実施の形態６．
この発明の実施の形態６に係るアレーアンテナ装置について図９を参照しながら説明する。図９は、この発明の実施の形態６に係るアレーアンテナ装置の構成を示す平面図である。
【００６２】
実施の形態１から実施の形態５までのアンテナ装置のいずれかをアンテナ素子とし、図９に示すように、そのアンテナ素子１あるいは１０を複数個適宜配列して給電することにより、アレーアンテナ装置を構成することができる。このように、アレー化した場合にも、実施の形態１から実施の形態５までのアンテナ装置の特性が基本的には反映され、良好なアンテナ特性とすることができるとともに、給電回路まで含めて簡略構造、小形、薄型化にすることができる。
【００６３】
ここで、キャビティ２の側壁高さを比較的高く設定した場合には、ビーム幅を絞ることが可能となり、隣接アンテナ素子間の相互結合量の低減化を図ることができる。また、互いに隣接するアンテナ素子間の相互結合量がキャビティ２によって低減されるため、損失を軽減させることができる。
【００６４】
なお、図９に示した実施の形態６に係るアレーアンテナ装置は、三角配列された１３個のアンテナ素子によって構成されている。しかしながら、この例に限定するものではなく、アレーアンテナ装置を構成するアンテナ素子の個数や配列方法は、所望の特性が得られるよう適宜決定することができる。
【００６５】
さらに、実施の形態１〜５では、送信系のアンテナ装置及びアレーアンテナ装置について説明したが、この発明は、受信系のアンテナ装置及びアレーアンテナ装置にも適用することができる。
【００６６】
また、実施の形態１〜６では、円偏波を放射するために４個の逆Ｌ字型励振プローブを用いたが、軸比特性の劣化を許容できる場合には９０度回転対称配置された２個の逆Ｌ字型励振プローブにそれぞれ９０度の位相差を持った信号を入力すれば十分である。このような構成とすることで、逆Ｌ字型励振プローブの数を４個から２個へ低減し、低コスト化を図ることができる。
【符号の説明】
【００６７】
１ アンテナ装置、２ キャビティ、３ 逆Ｌ字型励振プローブ、４ 同軸線路内部構造、５ 逆Ｌ字型励振プローブ、６ 板状逆Ｌ字型励振プローブ、７ 矩形環状絶縁体、８ 励振プローブ周囲の絶縁体、９ キャビティ壁下部に同軸外導体が隠れた様子、１０ アンテナ装置、１５ 誘電体基板、１６ 誘電体基板上に構成した地導体、１７ 地導体１６上の穴、１８ マイクロストリップ線路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定形状の底面を有すると共に上面が空間に開放された所定形状の開口面を有し、かつ前記底面から前記開口面までの側壁が所定の高さを有する、金属導体により構成された筒状のキャビティと、
前記キャビティの側壁から所望間隔離れた近傍で、前記キャビティの底面から前記キャビティの開口面方向に鉛直に伸長し、前記キャビティの底面から使用周波数の略１／４波長の箇所で前記キャビティの開口面中央方向に略９０度折れ曲がり、折れ曲がり部から先端部までの長さが使用周波数の略１／４波長であり、他端部が前記キャビティの底面を介して円偏波励振回路に接続され、前記キャビティの底面の中心を基準点とし、前記キャビティの周方向に隣接プローブ間で９０度回転対称となる位置に配置され、かつ隣接プローブ間で９０度位相差をつけて励振する、逆Ｌ字型でなる４つの励振プローブと
を備えたアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記キャビティは、前記側壁の一部が不連続金属導体である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
前記キャビティの底面から開口面までの距離である、側壁の高さを使用周波数の略３／８波長に設定した
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記励振プローブは、前記キャビティの底面側から開口面までの間に、前記キャビティの側壁に沿って前記キャビティの側壁との間隔または導体線路幅が徐々に変化している
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記キャビティの側壁内側を囲み、前記励振プローブの前記キャビティの側壁に沿った伸長部分を含んだ、薄い層状で、かつ前記キャビティの側壁に密着して配置される絶縁体をさらに備える
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のアンテナ装置において、
前記絶縁体は、前記励振プローブの周囲のみに配置されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項７】
請求項５に記載のアンテナ装置において、
前記絶縁体は、前記キャビティの底面側から開口面までの間に、比誘電率が徐々に変化している
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記キャビティの底面に設けられた前記励振プローブと前記励振回路との接続部分の同軸構造は、前記励振プローブと前記キャビティの側壁との間隔が狭くなった際は、前記同軸構造の一部が前記キャビティの側壁下部に隠れる
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記キャビティの底面の裏面に設けられた誘電体基板と、
前記キャビティの底面の裏面と接しない前記誘電体基板の裏面上に円偏波励振回路として設けられたマイクロストリップ線路と
をさらに備え、
前記キャビティの底面の裏面と接する前記誘電体基板の表面上は、銅箔で覆われ、前記第１ないし第４のＬ字型励振プローブの他端部が位置する銅箔及び誘電体基板の箇所のみ所定の大きさの穴が設けられており、
前記第１ないし第４のＬ字型励振プローブの先端部が、前記穴を非接触で貫通して、前記誘電体基板の裏面上に設けられた円偏波励振回路と接続している
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載のアンテナ装置が複数配列されて構成されている
ことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項１】
所定形状の底面を有すると共に上面が空間に開放された所定形状の開口面を有し、かつ前記底面から前記開口面までの側壁が所定の高さを有する、金属導体により構成された筒状のキャビティと、
前記キャビティの側壁から所望間隔離れた近傍で、前記キャビティの底面から前記キャビティの開口面方向に鉛直に伸長し、前記キャビティの底面から使用周波数の略１／４波長の箇所で前記キャビティの開口面中央方向に略９０度折れ曲がり、折れ曲がり部から先端部までの長さが使用周波数の略１／４波長であり、他端部が前記キャビティの底面を介して円偏波励振回路に接続され、前記キャビティの底面の中心を基準点とし、前記キャビティの周方向に隣接プローブ間で９０度回転対称となる位置に配置され、かつ隣接プローブ間で９０度位相差をつけて励振する、逆Ｌ字型でなる４つの励振プローブと
を備えたアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ装置において、
前記キャビティは、前記側壁の一部が不連続金属導体である
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアンテナ装置において、
前記キャビティの底面から開口面までの距離である、側壁の高さを使用周波数の略３／８波長に設定した
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記励振プローブは、前記キャビティの底面側から開口面までの間に、前記キャビティの側壁に沿って前記キャビティの側壁との間隔または導体線路幅が徐々に変化している
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項５】
請求項１から４までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記キャビティの側壁内側を囲み、前記励振プローブの前記キャビティの側壁に沿った伸長部分を含んだ、薄い層状で、かつ前記キャビティの側壁に密着して配置される絶縁体をさらに備える
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項６】
請求項５に記載のアンテナ装置において、
前記絶縁体は、前記励振プローブの周囲のみに配置されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項７】
請求項５に記載のアンテナ装置において、
前記絶縁体は、前記キャビティの底面側から開口面までの間に、比誘電率が徐々に変化している
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記キャビティの底面に設けられた前記励振プローブと前記励振回路との接続部分の同軸構造は、前記励振プローブと前記キャビティの側壁との間隔が狭くなった際は、前記同軸構造の一部が前記キャビティの側壁下部に隠れる
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
前記キャビティの底面の裏面に設けられた誘電体基板と、
前記キャビティの底面の裏面と接しない前記誘電体基板の裏面上に円偏波励振回路として設けられたマイクロストリップ線路と
をさらに備え、
前記キャビティの底面の裏面と接する前記誘電体基板の表面上は、銅箔で覆われ、前記第１ないし第４のＬ字型励振プローブの他端部が位置する銅箔及び誘電体基板の箇所のみ所定の大きさの穴が設けられており、
前記第１ないし第４のＬ字型励振プローブの先端部が、前記穴を非接触で貫通して、前記誘電体基板の裏面上に設けられた円偏波励振回路と接続している
ことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項１０】
請求項１から９までのいずれか１項に記載のアンテナ装置が複数配列されて構成されている
ことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−３９８４（Ｐ２０１１−３９８４Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４３４１９（Ｐ２００９−１４３４１９）
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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