JPH0583029A - ラジアルラインスロツトアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 使用周波数帯域が広帯域であっても、その使
用周波数帯域の上下限での利得低下が極めて少ないラジ
アルラインスロットアンテナを実現する。 【構成】 アンテナの使用周波数帯域を所定帯域幅でｎ
分割し、この分割された各帯域毎の中心周波数ｆ₁〜ｆn
に応じた前記ラジアル導波路内の管内波長をそれぞれλ
g₁〜λgnとした場合、上部円形導体板に配設される十字
形状スロットアレイ４１，４２，…は、前記上部円形導
体板の中心から径方向間隔が前記各帯域毎の管内波長λ
₁〜λnの各々に対応する複数の同心円上に配設され、前
記各中心周波数ｆg₁〜ｆgnの各々に共鳴するので、この
アンテナの利得特性は、各帯域毎の利得特性を合成した
ものとなり、この結果、使用周波数帯域が広帯域であっ
ても、その周波数帯域の上下限での利得低下を防ぐこと
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

【０００１】この発明は、平面アンテナに関し、特に、
衛星放送や衛星通信などの準ミリ波帯に用いて好適なラ
ジアルラインスロットアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、近年では衛星放送の開始
に伴って各種の平面アンテナが実用化されている。特
に、衛星放送においては送信電力の向上と、受信側アン
テナに接続されるＢＳコンバータの雑音指数（ＮＦ）の
改善に伴い、この平面アンテナの小型化および高性能化
が進んでいる。この種の小型平面アンテナの内には、伝
送損失の少ないラジアル導波路を利用したラジアルライ
ンスロットアンテナがある。このラジアルラインスロッ
トアンテナの構造について図５を参照し、説明する。

【０００３】この図において、１は垂直偏波および水平
偏波の各偏波をそれぞれ独立して同時に伝送可能とする
円形導波管である。２はコニカルホーンであり、この円
形導波管１の基本姿態であるＴＥ₁₁波を拡散させる。３
は円板状の導体で形成される頂点整合板である。この頂
点整合板３は、円形導波管１の管軸を中心として前記コ
ニカルホーン２の開口面に対向する位置に配設される。
この頂点整合板３の上面には、これと同軸をなす導体円
柱と、該円柱の先端に配設された導体小円筒とから構成
される整合ポスト４が設けられている。

【０００４】５はこのアンテナの背面側を構成するフレ
ームである。このフレーム５は、金属導体により形成さ
れたものであって、正面視円形を呈し、上部が広く開口
された偏平容器形状を成している。６はスロット板であ
り、金属円板にエッチング加工等によって形成されたス
ロットアレイ（後述する）が配設される。７は上記フレ
ーム５とスロット板６との間に充填される低発泡誘電体
である。８はこのスロット板６とフレーム５とから構成
されるラジアル導波路である。ここで、このラジアル導
波路８に介在する低発泡誘電体７の誘電率をεとする
と、ラジアル導波路８における伝送波の管内波長λg
は、空間波長λを1/√εだけ短縮したものになる。この
ため、この低発泡誘電体７は遅波回路と呼ばれる。

【０００５】９はアンテナ正面を覆いつつ、フレーム５
の周縁との接合部をシリコン系接着剤でシーリングし、
このアンテナを密閉構造とするレドームである。このレ
ドーム９とスロット板６との間には、高発泡材のスペー
サ１０が充填されており、これによりスロット板６を低
発泡誘電体５に密着させ、かつ、フレームとの距離を一
定に保持して電気的性能を安定化させている。１１はフ
レーム５とレドーム７との接合部を覆うように設けられ
た外周保護用ゴムリングである。この外周保護用ゴムリ
ング１０は、運搬あるいは施工時等において、このアン
テナを衝撃などから保護する。

【０００６】このような構造において、円形導波管１に
供給される伝送波（ＴＥ₁₁波）は、コニカルホーン２に
よって拡散され、この内の大部分がラジアル導波路８へ
進行する。そして、一部の伝送波は、コニカルホーン２
の開口面に正対する領域からのリアクションによって円
形導波管２０へ反射されるが、これは頂点整合板３で打
消される。すなわち、コニカルホーン２が見込む角度範
囲内の領域からのリアクションと、頂点整合板３からの
反射量とが相等しくなる大きさとし、かつ、それら反射
波の位相が互いに逆相となる高さを決めるため、このリ
アクションが打ち消される。

【０００７】一方、ラジアル導波路８に進行した伝送波
は、該導波路８の中心から周辺部へ放射状に伝搬する過
程で上述したスロット板６の各スロットアレイを励振
し、前方に放射される。ここで、スロットアレイから放
射しきれない残留波は、このアンテナの周縁部に設けら
れたギャップ１２によって、前面へ放射される。また、
ラジアル導波路８の各部で発生する反射波は、頂点整合
板３の中心に設けられ、先端をローディングした整合ポ
スト４によって打消すように諸元が決められる。これに
より、整合ポスト４および頂点整合板３は、円形導波管
１における入力端の反射損失を改善し、円形導波管１か
ら供給された伝送波が滑らかにスロット板６の前方に放
射される。

【０００８】次に、図６は前述したスロット板６に設け
られるスロットアレイパターンを示す平面図である。こ
の図において、３０，…，３０はそれぞれ垂直偏波に共
鳴するよう図中のｘ軸方向に配設される垂直偏波スロッ
ト、３１，…，３１はそれぞれ水平偏波に共鳴するよう
ｙ軸方向に配設される水平偏波スロットである。これら
スロットは同一位置上に形成され、全体として十字形状
の基本スロット４０，４０，…を構成する。これら基本
スロット４０は、前述したラジアル導波路８に存在する
伝送波の電界方向と一致させるため、当該スロット板６
上において軸対称形となるように複数の同心円、すなわ
ち、ラジアル導波路８の管内波長をλg₀とすれば、中心
から半径方向の間隔がλg₀となる複数の同心円上に配設
される。

【０００９】この基本スロット４０が配設される各同心
円上の円周方向間隔は、ラジアル導波路８の管内波長が
λg₀の場合、略λg₀／２になる。このように、スロット
板６において軸対称形に基本スロット４０を配設する
と、このラジアル導波路８内に進行してきた垂直および
水平の両偏波が開口面内の全ての基本スロット４０に共
鳴し、等振幅、同位相で放射される。この結果、垂直、
水平偏波共用の平面アンテナとなる。なお、このように
穿設されるスロットアレイは、エッチング加工等により
容易に形成することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したラ
ジアルラインスロットアンテナが適用される衛星放送に
おいては、その割当て周波数が１１．７ＧＨｚ〜１２．
０ＧＨｚ、使用周波数帯域幅が３００ＭＨｚの右旋円偏
波である。この衛星放送では、使用周波数帯域幅をその
中心周波数で割った比帯域が２．５３％になる。さら
に、このアンテナを衛星通信に適用する場合、通信衛星
（ＣＳ）の割当て周波数は、１０．９５ＧＨｚ〜１１．
７ＧＨｚ、使用周波数帯域幅が７５０ＭＨｚとなり、そ
の比帯域は６．６２％と広帯域となっている。なお、こ
の衛星通信では、垂直／水平偏波共用とされている。

【００１１】一方、上述したラジアルラインスロットア
ンテナの設計に当っては、使用周波数帯域内の中心周波
数に対応してその設計値が設定される。したがって、ス
ロットのように共鳴素子で構成されるアレイアンテナ利
得は、共振点となる中心周波数で最大となり、使用周波
数帯域の上下限において低下する周波数特性となる。こ
うした利得低下は、例えば、上述した衛星放送のように
狭帯域である場合には、高々０．５ｄＢ程度であり、受
信画像の品質に与える影響は無視することができる。

【００１２】しかしながら、比帯域が６．６２％と広帯
域の衛星通信においては、使用周波数帯域の上下限にお
ける利得低下量が２ｄＢ以上となる。このため、このよ
うな利得低下が存在すると、例えば、国際規格で規定さ
れている受信画像の５段階評価基準において、中心チャ
ンネルと端のチャンネルとの間に２段階の評価差が生じ
てしまい、こうした利得低下は無視できず、かかるアン
テナを実用に供することができなくなるという問題があ
る。この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、
使用周波数帯域が広帯域であっても、その使用周波数帯
域の上下限での利得低下が極めて少ないラジアルライン
スロットアンテナを提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、等間隔に対
向配置された上部円形導体板と下部円形導体板とで構成
されたラジアル導波路を具備してなるラジアルラインス
ロットアンテナにおいて、前記上部円形導体板に配設さ
れるスロットアレイであって、垂直偏波に共鳴する第１
のスロットと、この第１のスロットと直交するよう同一
中心位置に形成され、水平偏波に共鳴する第２のスロッ
トとから構成される十字形状スロットアレイと、前記ラ
ジアル導波路に偏波共用が可能なＴＥ₁₁波の基本姿態波
を供給する給電部とを有し、該アンテナの使用周波数帯
域を所定帯域幅でｎ分割し、この分割された各帯域毎の
中心周波数ｆ₁〜ｆnに応じた前記ラジアル導波路内の管
内波長をそれぞれλg₁〜λgnとした場合、前記十字形状
スロットアレイは、前記上部円形導体板の中心から径方
向間隔が前記各帯域毎の管内波長λg₁〜λgnの各々に対
応する複数の同心円上に配設され、前記各中心周波数ｆ
₁〜ｆnの各々に共鳴することを特徴としている。

【００１４】

【作用】上記構成によれば、このアンテナの使用周波数
帯域を所定帯域幅でｎ分割し、この分割された各帯域毎
の中心周波数ｆ₁〜ｆnに応じた前記ラジアル導波路内の
管内波長をそれぞれλg₁〜λgnとした場合、上部円形導
体板に配設される十字形状スロットアレイは、前記上部
円形導体板の中心から径方向間隔が前記各帯域毎の管内
波長λg₁〜λgnの各々に対応する複数の同心円上に配設
され、前記各中心周波数ｆ₁〜ｆnの各々に共鳴し、放射
される電波は全て同位相・等振幅する。この結果、この
アンテナの利得特性は、各帯域毎の利得特性を合成した
ものとなるので、使用周波数帯域が広帯域であっても、
その周波数帯域の上下限での利得低下を起こすことがな
い。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。 Ａ．第１実施例 図１はこの発明の第１実施例によるスロット板６の構造
を示す部分拡大図である。この図に示すスロット板６が
図６に示した従来例と異なる点は、使用周波数帯域内に
おける第１の管内波長λg₁に対応する第１スロット（後
述する）と、第２の管内波長λg₂に対応する第２スロッ
ト（後述する）とを設けたことにある。なお、他の構造
については図６に示す従来例と同等となっている。

【００１６】ここで、第１の管内波長λg₁および第２の
管内波長λg₂は、次のように定義されている。すなわ
ち、アンテナが供される使用周波数帯域を低域側と高域
側とに２分割し、この低域側の帯域における中心周波数
ｆ₁に対応するラジアル導波路８の管内波長を上記第１
の管内波長λg₁と定義する。さらに、高域側の帯域にお
ける中心周波数ｆ₂に対応するラジアル導波路８の管内
波長を上記第２の管内波長λg₂と定義している。以下で
は、この第１および第２の管内波長λg₁，λg₂に基づい
て配設される第１および第２のスロットの構造について
説明する。

【００１７】第１スロットの構造 図１において、３２は垂直偏波に共鳴するようスロット
板６のｘ軸方向に配設される垂直偏波スロット、３３は
水平偏波に共鳴するようスロット板６のｙ軸方向に配設
される水平偏波スロットである。これらスロットは、同
一位置に形成され、全体として十字形の第１スロット４
１，…，４１を構成している。なお、垂直偏波スロット
３２および水平偏波スロット３３の各スロット長は、上
述した第１の中心周波数ｆ₁に対応する波長λ₁の半波長
λ₁／２を基準とした長さである。

【００１８】このような構造による第１スロット４１
は、前述したラジアル導波路８に進行する伝送姿態波の
電界方向と一致させるため、当該スロット板６上におい
て軸対称形となるように複数の同心円上に形成される。
すなわち、この第１スロット４１が配設される各同心円
（図１において点線で示される円１３，１４）上の円周
方向間隔は、前述した第１の波長λ₁に対して略λ₁／２
となり、また、各第１スロット４０が常に同位相として
作用するには、第１スロットが配設される各同心円の半
径方向間隔が、第１の管内波長λg₁に等しく設定され
る。

【００１９】第２スロットの構造 第２スロット４２は、上述した第１スロット４１と同様
に、水平偏波に共鳴するようスロット板６のｘ軸方向に
配設される水平偏波スロット３４と、垂直偏波に共鳴す
るようスロット板６のｙ軸方向に配設される垂直偏波ス
ロット３５とから構成される。なお、垂直偏波スロット
３４および水平偏波スロット３５の各スロット長さは、
前述した中心周波数λ₂の半波長λ₂／２を基準とした長
さである。そして、この第２スロット４２が配設される
各同心円（図１において破線で示される円１５，１６）
上の円周方向間隔は、前述した第２の波長λ₂に対して
略λ₂／２となり、また、各第２スロット４２が常に同
位相として作用するには、第２スロット４２が配設され
る各同心円の半径方向間隔が、第２の管内波長λg₂に等
しく設定される。

【００２０】このような第１スロット４１と第２スロッ
ト４２とが形成されたスロット板６を具備するラジアル
ラインスロットアンテナを、前述した衛星通信バンド
（１１．９５ＧＨｚ〜１１．７ＧＨｚ）に適用すると、
図２に示すような利得特性になる。すなわち、この衛星
通信バンドにおける低域側の中心周波数ｆ₁に対応して
設けられた第１スロットが点線１９で示される利得特性
を形成し、一方、高域側の中心周波数ｆ₂に対応して設
けられた第２スロットが破線２０で示される利得特性を
形成する。これにより、当該アンテナの利得特性として
は、実線２１（図２参照）で示すように、これら両者が
合成されたものになるので、広帯域の衛星通信バンドに
適用しても、利得低下が少ないラジアルラインスロット
アンテナとなる。

【００２１】ところで、ラジアル導波路８内に形成され
た遅波回路の誘電率εrを１．５５とすると、上記衛星
通信バンドにおける第１の管内波長λg₁は２１．６３５
３ｍｍ、第２の管内波長λg₂は２０．９３０６ｍｍとな
る。これら両管内波長の差は、０．７ｍｍであり、これ
は第１スロット４１および第２スロット４２がそれぞれ
配設される同心円の離間率に相当する。また、これらス
ロット４１，４２の内の最大スロット長は、λ₁／２よ
り１３．４６８ｍｍとなる。したがって、隣接するスロ
ットの配設間隔マージンは、７．５ｍｍ以上（２０．９
３０６−１３．４６８）存在することになる。この結
果、スロット板６の中心に存在するブロッキング部の半
径を３０ｍｍとした場合、１０ターン分の同心円がスロ
ット板６上に存在可能となり、第１スロット４１と第２
スロット４２とが機械的に干渉することなく配設するこ
とが可能になる訳である。また、これは最内周を出発点
としているが、１０ターン目を出発点とすれば直径約１
０００ｍｍまで適用可能となる。

【００２２】Ｂ．第２実施例 図３は、この発明の第２実施例によるスロット板６の構
造を示す部分拡大図である。この図に示すスロット板６
が図１に示したものと異なる点は、前述した第１スロッ
ト４１および第２スロット４２に加え、第３の管内波長
λg₃に対応する第３スロット（後述する）を設けたこと
にある。これら第１〜第３の管内波長λg₁，λg₂，λg₃
は、各々次のように定義されている。すなわち、このア
ンテナが供される使用周波数帯域を低域、中域および高
域に３分割し、この内の低域側の帯域における中心周波
数ｆ₁に対応する管内波長を第１の管内波長λg₁、中域
側の帯域における中心周波数ｆ₂に対応する管内波長を
第２の管内波長λg₂、高域側の帯域における中心周波数
ｆ₃に対応する管内波長を第３の管内波長λg₃とそれぞ
れ定義している。

【００２３】図３において、第３スロット４３は、垂直
偏波に共鳴するようスロット板６のｘ軸方向に配設され
る垂直偏波スロット３６と、水平偏波に共鳴するようス
ロット板６のｙ軸方向に配設される水平偏波スロット３
７とから構成されている。この垂直偏波スロット３６お
よび水平偏波スロット３７の各スロット長は、第３の中
心周波数ｆ₃に対応する波長λ₃の半波長λ₃／２を基準
とした長さである。こうした第３スロット４３が配設さ
れる各同心円（図３において破線で示される円１７，１
８）上の円周方向間隔は、第３の波長λ₃に対して略λ₃
／２となり、また、各第３スロット４３が常に同位相と
して作用するには、第３スロット４３が配設される各同
心円の半径方向間隔が、第３の管内波長λg₃に等しく設
定される。なお、この図において、第２スロット４２
は、使用周波数帯域の中心周波数に対応して設けられて
いるので、前述した従来例の基本スロット４０と同等の
ものである。

【００２４】このような第１〜第３スロット４１，４
２，４３が形成されたスロット板６を具備するラジアル
ラインスロットアンテナを、前述した衛星通信バンド
（１１．９５ＧＨｚ〜１１．７ＧＨｚ）に適用した場合
には、図４に示す利得特性を得ることができる。すなわ
ち、まず、この衛星通信バンドにおける低域側の中心周
波数ｆ₁に対応して設けられた第１スロットが点線２２
で表される利得特性を形成する。次に、中域側の中心周
波数ｆ₂に対応して設けられた第２スロットが一点鎖線
２３で示される利得特性を形成し、さらに、高域側の中
心周波数ｆ₃に対応して設けられた第３スロットが破線
２４で示される利得特性を形成する。

【００２５】これにより、当該アンテナの利得特性とし
ては、実線２５（図４参照）で示すように、これら３つ
の利得特性が合成されたものになるので、広帯域の衛星
通信バンドにあっても利得低下が少なく、上記第１実施
例に比べ、よりフラットな利得特性を有するラジアルラ
インスロットアンテナが実現される。

【００２６】なお、ラジアル導波路８に進行する伝送波
の電力は、スロット板６の半径をρとした場合、１／√
ρで減衰する。したがって、スロット板６の各位置に配
設されるスロットの長さを√ρで微調整し、かつ、各同
心円の径方向間隔もρに応じて微調整し、開口面全面に
ついて振幅および位相の分布を一様にすれば、広帯域
で、しかも高開口能率のアンテナとなる。また、上述し
た第１、第２実施例のいずれの場合も、各スロットの円
周方向の間隔は、各スロットが機械的に干渉しない程度
に密に配設しても差し支えない。こうすれば、スロット
板に配設されるスロットの総数を増加されることがで
き、高性能とすることが可能になる。また、実用におい
ては、前述した第１〜第３スロット４１，４２，４３の
スロット長さとスロット幅とは、使用周波数に応じて最
適な値がとられ、これらスロットの配設間隔は、互に機
械的に干渉しないよう最適な配置がなされることは言う
までもない。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、このアンテナの使用周波数帯域を所定帯域幅でｎ分
割し、この分割された各帯域毎の中心周波数ｆ₁〜ｆnに
応じた前記ラジアル導波路内の管内波長をそれぞれλg₁
〜λgnとした場合、上部円形導体板に配設される十字形
状スロットアレイは、前記上部円形導体板の中心から径
方向間隔が前記各帯域毎の管内波長λg₁〜λgnの各々に
対応する複数の同心円上に配設され、前記各中心周波数
ｆ₁〜ｆnの各々に共鳴する。この結果、このアンテナの
利得特性は、各帯域毎の利得特性を合成したものとなる
ので、使用周波数帯域が広帯域であっても、その周波数
帯域の上下限での利得低下を起こすことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例によるラジアルラインス
ロットアンテナのスロット板６構造を示す部分拡大図。

【図２】同実施例におけるラジアルラインスロットアン
テナの利得特性を示す図。

【図３】この発明の第２実施例によるラジアルラインス
ロットアンテナのスロット板６の構造を示す部分拡大
図。

【図４】同実施例におけるラジアルラインスロットアン
テナの利得特性を示す図。

【図５】従来のラジアルラインスロットアンテナの構造
を示す斜視断面図。

【図６】従来のラジアルラインスロットアンテナにおけ
るスロット板６の構造を示す平面図。

【符号の説明】

１…円形導波管、 ２…コニカルホーン、 ５…フレーム（下部円形導体板）、 ６…スロット板（上部円形導体板）、 ８…ラジアル導波路、 ４１…第１スロット、 ４２…第２スロット、 ４３…第３スロット。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 等間隔に対向配置された上部円形導体板
   と下部円形導体板とで構成されたラジアル導波路を具備
   してなるラジアルラインスロットアンテナにおいて、 前記上部円形導体板に配設されるスロットアレイであっ
   て、垂直偏波に共鳴する第１のスロットと、この第１の
   スロットと直交するよう同一中心位置に形成され、水平
   偏波に共鳴する第２のスロットとから構成される十字形
   状スロットアレイと、 前記ラジアル導波路に偏波共用が可能なＴＥ₁₁波の基本
   姿態波を供給する給電部とを有し、 該アンテナの使用周波数帯域を所定帯域幅でｎ分割し、
   この分割された各帯域毎の中心周波数ｆ₁〜ｆnに応じた
   前記ラジアル導波路内の管内波長をそれぞれgλ₁〜λgn
   とした場合、前記十字形状スロットアレイは、前記上部
   円形導体板の中心から径方向間隔が前記各帯域毎の管内
   波長λg₁〜λgnの各々に対応する複数の同心円上に配設
   され、前記各中心周波数ｆ₁〜ｆnの各々に共鳴するよう
   に設定されたことを特徴とするラジアルラインスロット
   アンテナ。
2. 【請求項２】 前記十字形状スロットアレイは、前記各
   中心周波数ｆ₁〜ｆnに対応する波長をλ₁〜λnとした場
   合、スロット長がλ₁／２〜λn／２を基準として設定さ
   れていることを特徴とする請求項１記載のラジアルライ
   ンスロットアンテナ。