JPH0680975B2 - 誘電体装荷アレイアンテナ - Google Patents

誘電体装荷アレイアンテナ

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JPH0680975B2
JPH0680975B2 JP1279406A JP27940689A JPH0680975B2 JP H0680975 B2 JPH0680975 B2 JP H0680975B2 JP 1279406 A JP1279406 A JP 1279406A JP 27940689 A JP27940689 A JP 27940689A JP H0680975 B2 JPH0680975 B2 JP H0680975B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、波源と反射板と誘電体とを有する誘電体装荷
アンテナに関し、特にこのような誘電体装荷アンテナを
アレイ配置したものに関する。
〔従来の技術〕
従来、上記のような誘電体装荷アンテナには、例えば特
開昭64−19802号公報に開示されているようなものがあ
る。その一例を第11図及び第12図に示す。この例では、
波源に開放導波管1を用い、その開口の周囲に反射板2
を設け、この反射板2と対向するように誘電体3を設け
たものである。上記公報には、他の例として第13図及び
第14図に示すものも開示されている。この例は、波源と
して誘電体板4上に設けたパッチアンテナ1aを用い、反
射板2aを誘電体板4のパッチアンテナ1aとは反対側の面
に設け、パッチアンテナ1aを挟んで反射板2aと対向する
ように誘電体3aを設けたものである。
このような誘電体装荷アンテナでは、反射板2、2aと誘
電体3、3aとの間で多重反射を行ない、また誘電体3、
3a内で反射波及び回折波が生じる。ここで誘電体3、3a
の各部の寸法t、D及び反射板2、2aとの距離hを適当
に選択することによって高利得、高効率の誘電体装荷ア
ンテナを得られる。例えばD=1.5λ(λは自由空
間波長)、t=1.874λ、h=λ0/8のとき、最大効率
225%を得たと上記公報には記載されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
ところで、このような誘電体装荷アンテナでは、より高
利得のアンテナとするために、このような誘電体装荷ア
ンテナを2n(nは正の整数)個配列して、アレイアンテ
ナとすることがある。このようなアレイアンテナの例を
第15図及び第16図に示す。この例では、各誘電体装荷ア
ンテナには、第13図及び第14図に示した波源にパッチア
ンテナ1aを用い、これら誘電体装荷アンテナを方形行列
状に配列ピッチL1で配列してある。なお、両図におい
て、5は、各パッチアンテナに給電するための給電線で
ある。また、この例では誘電体に円柱状のもの3bを用い
ている。
第17図は、上記のような誘電体装荷アレイアンテナにお
いて、誘電体装荷アンテナの素子数と利得との関係を実
線で、上記のような誘電体装荷アレイアンテナにおい
て、誘電体を装荷していないものの素子数と利得との関
係を二点鎖線で示したものである。また、第18図は上記
のような誘電体装荷アレイアンテナにおいて、誘電体装
荷アンテナの素子数の開口効率との関係を実線で、上記
のような誘電体装荷アレイアンテナにおいて、誘電体を
装荷していないものの素子数と開口効率との関係を二点
鎖線で示したものである。第18図において、二点鎖線の
傾斜がX軸と平行であることにより、素子数を増加させ
たことに伴なう給電線5による損失はほとんど無視する
ことができることが分かる。しかし実線で示す誘電体装
荷アレイアンテナにおいては、2素子から4素子に素子
数を増加させると、急激に開口効率が低下していること
が分かる。これは隣接する素子間の相互結合が強すぎ、
第19図(a)に示すように、素子数4で各素子によって
形成される開口範囲aが、ハッチングを付して示すよう
に重なりあい、互いに影響し合って、開口効率の低下が
生じているものと考えられる。この開口範囲aの重なり
を生じさせないため、同図(b)に示すように各パッチ
アンテナ1aの間隔及び誘電体3bの間隔をL1′と広げた場
合には、ハッチングを付して示したように、各開口範囲
aによってカバーされない範囲が、同図(a)の場合よ
りも広くなり、やはり開口効率の低下を招く。なお、第
17図及び第18図は、第15図及び第16図のL1を約1.3λ
として測定したものである。
本発明は、利得を高めるために誘電体装荷アンテナ素子
によって誘電体装荷アンテナを構成しても、開口効率の
低下が急激でないようにすることを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するために、本発明は、反射板と、こ
の反射板の近傍におけるこの反射板と平行な面内に描け
る平行四辺形の各頂点に、ほぼ位置させた状態に配置さ
れた波源と、これら波源に対して上記反射板と反対側に
上記反射板から所定の距離を隔てた位置に上記各波源と
対応させて設けられた立体の誘電体とを、具備してい
る。上記平行四辺形は、各辺と一方の対角線との長さ
が、それぞれ等しく、その長さが約1.5λ(λは受
信または送信しようとする電波の自由空間波長)とされ
ている。
また、上記立体の誘電体は、約λの間隔を隔てて平行
に位置する2つの面を有し、その一方の面を上記反射板
に近い位置に、他方の面を上記反射板から遠い位置に位
置させ、かつ上記両面が上記反射板とほぼ平行となるよ
うに配置し、上記反射板と上記一方の面までの距離を約
2/5λとし、上記両面の面積を約λ0 2とし、比誘電率
が2乃至2.5、誘電体損失係数が1乃至5×10-4である
ものとすることもできる。
〔作用〕
本発明によれば、波源と立体の誘電体とを、各辺と一方
の対角線の長さが等しい平行四辺形の各頂点に位置する
状態に配置し、平行四辺形の各辺の長さを約1.5λ
しているので、開口範囲の重なりをなくし、かつ各開口
範囲でカバーできない範囲を最小にでき、波源及び立体
の誘電体が、それぞれ少なくとも4個で構成されている
誘電体装荷アレイアンテナの開口効率の大幅な低下を阻
止することができる。
また、立体の誘電体の形状、各部の寸法、立体の誘電体
と反射板との間隔、立体の誘電体の材質を、上述したよ
うに設定すると、後述する実施例から明らかなように開
口効率及び利得を向上させることができる。
〔実施例4〕 この実施例は、第2図に示すように、誘電体板10の一方
の面に波源となるパッチアンテナ12を有している。これ
らパッチアンテナ12は、第1図に示すように4つを1組
として合計16個が設けられている。各組におけるパッチ
アンテナ12は、2つの正三角形を併せて形成した平行四
辺形(各辺の長さ及び1つの対角線の長さが等しい平行
四辺形)の各頂点に位置するように誘電体板10上に形成
されている。従って、第1図に示すように1組における
各パッチアンテナ12間の距離L2は等しく、この実施例で
は約1.5λ(λは受信または送信しようとする電波
の自由空間波長)に選択されている。そして、これら各
組のパッチアンテナ12は各組ごとに給電線14によって結
合され、最終的にはやはり給電線14によって給電点16に
結合されている。
誘電体板10におけるパッチアンテナ12を設けた面とは反
対側の面の全域に亙って反射板18が形成されている。従
って、各パッチアンテナ12は、反射板18の近傍に、反射
板18と平行に位置している。
また、各パッチアンテナ12とそれぞれ対向するように、
各パッチアンテナ12が設けられている面側に、立体、例
えば円柱状の誘電体20が、反射板18から間隔を隔てて設
けられている。これら円柱状の誘電体20は、間隔を隔て
て位置する2つの面、即ち円形面を有し、その一方の面
が反射板18に近い側に、他方の面が反射板18から遠い側
に、それぞれ位置するように、かつこれらの面が反射板
18と平行になるように配置されている。2つの円形面の
距離、即ち円柱状の誘電体20の厚さtは、約λに選択
されており、上記一方の円形面から反射案18までの間隔
hが、約2/5λに選択され、両円形面の面積Sは、約
λ0 2に選択されている。なお、誘電体20には、比誘電率
εrが2乃至2.1、誘電体損失係数tan δ=2×10-4
ポリプロピレンを用いた。誘電体20としては、この他に
同等の電気特性を有するポリエチレン、ポリスチレン、
ポリ四フッ化エチレン樹脂等を用いることもできる。こ
の場合、比誘電率εrは2乃至2.5、誘電体損失係数tan
δは1乃至5×10-4となる。
結局、この実施例は、パッチアンテナ12と、誘電体20と
によって、合計16個の誘電体装荷アンテナ素子が形成さ
れ、これらが4個ずつ上述した平行四辺形の各頂点にそ
れぞれ位置するように配置されたものとなる。
第3図に、この実施例において誘電体装荷アンテナ素子
の数を1、2、4、8、16と増加させていった場合の利
得の変化を実線で示し、誘電体装荷アンテナ素子におい
て誘電体20を装荷していないものの数を同じく1、2、
4、8、16と増加させていった場合の利得の変化を二点
鎖線で示す。第4図はこの実施例において誘電体装荷ア
ンテナ素子の数を1、2、4、8、16と増加させていっ
た場合の開口効率の変化を実線で示し、誘電体装荷アン
テナ素子において誘電体20を装荷していないものの数を
同じく1、2、4、8、16と増加させていった場合の開
口効率の変化を二点鎖線で示したものである。第4図と
第18図との比較から明らなように、この実施例によれ
ば、誘電体装荷アンテナ素子の数を2素子から4素子に
増加させても、大きな開口効率の低下が生じない。これ
は、各誘電体装荷アンテナ素子を正三角形の各頂点に位
置し、併せて平行四辺形を形成する形状に配置したこと
により、素子相互間の相互結合を大幅に低減することが
できたからである。即ち、第20図に示すように各辺及び
一方の対角線の長さが等しい平行四辺形の各頂点に、誘
電体装荷アンテナ素子を配置した場合、各開口範囲aが
重なり合わず、しかも各開口範囲aでカバーされない範
囲がハッチングを付して示すように、最も小さくなるか
らである。なお、第4図によれば、誘電体装荷アンテナ
素子の数を増加させていくと、その増加につれて開口効
率は徐々に低下しているが、これは給電線14による損失
によるものと思われる。
第5図は、この実施例において、誘電体20の厚さtを変
化させたときの利得の変化を示したもので、これから誘
電体20の厚さtを約λとした場合に、利得が最大にな
ることが分かる。
また、第6図は、この実施例において、誘電体20と反射
板18との距離hを変化させたときの利得の変化を示した
もので、これによりhを約2/5λとしたときに利得が
最大なることが分かる。
第7図は、この実施例においてL2を変化させたときの利
得の変化を示し、第8図は同じくL2を変化させたときの
開口効率の変化を示す。これらよりL2を約1.5λとし
た場合に、開口効率が最大となることが分かり、利得も
最大値に近い値となる。
第9図は、この実施例において誘電体20の面積Sを変化
させたときの利得の変化を示し、第10図は誘電体20の面
積Sを変化させたときの開口効率の変化を示す。これら
より面積Sをλ0 2とした場合に、利得及び開口効率が最
大となることが分かる。
上述の実施例では、立体の誘電体20に円柱状のものを使
用したが、第11図や第13図に示したような直方体状のも
の等を使用することもできる。また、上記の実施例で
は、誘電体装荷アンテナを合計16個設けたものを示した
が、その数は4の倍数であれば任意に変化させることが
できる。
〔発明の効果〕
以上のように、本発明によれば、波源とこれに対応する
立体の誘電体とを、各辺と一方の対角線の長さが等しい
平行四辺形の各頂点に位置する状態に配置し、上記各平
行四辺形の各辺の長さを約1.5λとしているので、開
口範囲の重なりを無くした上で、各開口範囲でカバーさ
れない範囲を最小にでき、波源及び立体の誘電体をそれ
ぞれ4個用いて、誘電体装荷アレイアンテナを構成して
も、開口効率の大幅な低下を阻止することができる。
また、立体の誘電体の形状、各部の寸法、立体の誘電体
と反射板との間隔を請求項2記載のように設定した場合
には、第5図、第6図、第9図及び第10図から明らかな
ように、誘電体装荷アレイアンテナの開口効率及び利得
を向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による誘電体装荷アレイアンテナの一実
施例の平面図、第2図は同実施例の部分省略斜視図、第
3図は同実施例における誘電体装荷アンテナ素子の数と
利得との関係を示す図、第4図は同実施例における誘電
体装荷アンテナ素子数と開口効率との関係を示す図、第
5図は同実施例における誘電体厚さと利得との関係を示
す図、第6図は同実施例における誘電体板と反射板との
距離と利得との関係を示す図、第7図は同実施例におけ
る各パッチアンテナの間隔と利得との関係を示す図、第
8図は同実施例におけるパッチアンテナの間隔と開口効
率との関係を示す図、第9図は同実施例における誘電体
の断面積と利得との関係を示す図、第10図は同実施例に
おける誘電体の断面積と開口効率との関係を示す図、第
11図は従来の誘電体装荷アンテナの一例の斜視図、第12
図は従来の誘電体装荷アンテナの横断面図、第13図は従
来の誘電体装荷アンテナの他の例の斜視図、第14図は従
来の誘電体装荷アンテナの他の例の横断面図、第15図は
第13図及び第14図に示した誘電体装荷アンテナを用いた
誘電体装荷アレイアンテナの平面図、第16図は第13図及
び第14図に示した誘電体装荷アンテナを用いた誘電体装
荷アレイアンテナの部分省略斜視図、第17図は第15図及
び第16図に示した誘電体装荷アレイアンテナにおける素
子数と利得との関係を示す図、第18図は第15図及び第16
図に示した誘電体装荷アレイアンテナの素子数と開口効
率との関係を示す図、第19図(a)は、第15図及び第16
図に示した誘電体装荷アレイアンテナにおける開口範囲
を示す図、第19図(b)は第15図及び第16図に示した誘
電体装荷アレイアンテナの誘電体間の距離及びパッチア
ンテナの距離間の距離を広げた場合の開口範囲を示す
図、第20図は本実施例における開口範囲を示す図であ
る。 12……パッチアンテナ(波源)、18……反射板、20……
誘電体。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】反射板と、 この反射板の近傍におけるこの反射板と平行な面内に描
    ける平行四辺形の各頂点に、ほぼ位置させた状態に配置
    された波源と、 これら波源に対して上記反射板と反対側に上記反射板か
    ら所定の距離を隔てた位置に上記各波源と対応させて設
    けられた立体の誘電体とを、 具備し、上記平行四辺形は、各辺と一方の対角線との長
    さが、それぞれ等しく、その長さが約1.5λ(λ
    受信または送信しようとする電波の自由空間波長)であ
    ることを特徴とする誘電体装荷アレイアンテナ。
  2. 【請求項2】請求項1記載の誘電体装荷アレイアンテナ
    において、上記立体の誘電体は、約λの間隔を隔てて
    平行に位置する2つの面を有し、その一方の面を上記反
    射板に近い位置に、他方の面を上記反射板から遠い位置
    に位置させ、かつ上記両面が上記反射板とほぼ平行に配
    置し、上記反射板と上記一方の面までの距離を約2/5λ
    とし、上記両面の面積を約λ0 2とし、比誘電率が2乃
    至2.5、誘電体損失係数が1乃至5×10-4であることを
    特徴とする誘電体装荷アレイアンテナ。
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