特許 6973911 送受共用平面アンテナ素子および送受共用平面アレーアンテナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6973911

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】送受共用平面アンテナ素子および送受共用平面アレーアンテナ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 13/08 20060101AFI20211118BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20211118BHJP

   H01Q 21/24 20060101ALI20211118BHJP

   H01Q 3/44 20060101ALI20211118BHJP

【ＦＩ】

   H01Q13/08

   H01Q21/06

   H01Q21/24

   H01Q3/44

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2017-129614(P2017-129614)

(22)【出願日】2017年6月30日

(65)【公開番号】特開2019-12970(P2019-12970A)

(43)【公開日】2019年1月24日

【審査請求日】2020年6月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004330

【氏名又は名称】日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126561

【弁理士】

【氏名又は名称】原嶋 成時郎

(72)【発明者】

【氏名】須賀 智文

(72)【発明者】

【氏名】渋谷 裕三

(72)【発明者】

【氏名】夏原 啓一

(72)【発明者】

【氏名】野呂 崇徳

(72)【発明者】

【氏名】石田 克義

(72)【発明者】

【氏名】大川 貴容美

【審査官】 赤穂 美香

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−３４３３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１６２６３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２０６６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１７２９２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０２３９５６７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｑ １３／０８

Ｈ０１Ｑ ２１／０６

Ｈ０１Ｑ ２１／２４

Ｈ０１Ｑ ３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに直交する２つの偏波信号を送受信する２つの給電素子および前記２つの給電素子それぞれの上にスロット板が積層された送受共用平面アンテナ素子であって、
前記スロット板のうち上層にあるスロット板の上に、少なくとも１枚の無給電素子を積層した、
ことを特徴とする送受共用平面アンテナ素子。

【請求項2】

前記上層のスロット板と前記無給電素子との間に、前記無給電素子の高さ位置を調整する誘電体を積層した、
ことを特徴とする請求項１に記載の送受共用平面アンテナ素子。

【請求項3】

前記無給電素子は、絶縁性基板に設けられた導電箔の無給電パッチからなり、前記２つの給電素子のうち少なくとも一方の給電素子の励振方向に沿って延びている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の送受共用平面アンテナ素子。

【請求項4】

互いに直交する２つの偏波信号を送受信する２つの給電素子と、前記２つの給電素子それぞれの上に積層されたスロット板と、前記スロット板のうち上層にあるスロット板の上に積層された少なくとも１枚の無給電素子と、を備える送受共用平面アンテナ素子を、互いに直交するＸ軸およびＹ軸に沿ってマトリクス状に配設し、
前記２つの偏波信号のうちいずれか一方の偏波信号の波長をλ、前記送受共用平面アンテナ素子の素子指向性においてヌルが発生する観測角度であって前記Ｘ軸および前記Ｙ軸に直交するＺ軸に対する観測角度をθ、前記送受共用平面アンテナ素子の前記Ｘ軸および前記Ｙ軸における配設間隔をｄとしたとき、ｄ＝λ／ｓｉｎθ に基づいて前記配設間隔ｄを求める、
ことを特徴とする送受共用平面アレーアンテナ。

【請求項5】

前記偏波信号を送受信する観測面の方向である観測面角度をＸ軸に対するφとしたとき、φ=４５°および１３５°である、
ことを特徴とする請求項４に記載の送受共用平面アレーアンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、互いに直交する２つの偏波信号を送受信可能な送受共用平面アンテナ素子および送受共用平面アレーアンテナに関する。

【背景技術】

【0002】

マイクロ波帯の衛星通信では、受信チャンネルごとに垂直偏波、水平偏波の切り替えが必要となるため、１つのアンテナで直交する２つの偏波（垂直偏波、水平偏波）に対応可能な送受共用平面アレーアンテナが用いられている。図８に平面図を示すように、従来の送受共用平面アレーアンテナ１０は、矩形板状のアンテナ本体１０１の平面上に、互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿って、マトリクス状に多数の送受共用平面アンテナ素子１０２が配列されている。

【0003】

図９は、１つの送受共用平面アンテナ素子１０２について、Ｘ軸およびＹ軸に直交するＺ軸（図８の紙面奥行方向）における積層構造を示す分解斜視図である。送受共用平面アンテナ素子１０２は、下層から順に、グランド板１０３、誘電体１０４、下層給電素子１０５、誘電体１０６、下層スロット板１０７、誘電体１０８、上層給電素子１０９、誘電体１１０および上層スロット板１１１が積層されている。

【0004】

下層給電素子１０５は、絶縁性を有する下層給電基板１０５ａの略中央に、導電箔からなる矩形の下層給電パッチ１０５ｂが配設され、この下層給電パッチ１０５ｂに給電を行う下層給電線路１０５ｃがＹ軸と平行に配設されている。各下層給電線路１０５ｃは、下層給電基板１０５ａ上で共通の給電幹線（図示せず）に接続されている。また、上層給電素子１０９は、絶縁性を有する下層給電基板１０９ａの略中央に、導電箔からなる矩形の上層給電パッチ１０９ｂが配設され、この上層給電パッチ１０９ｂに給電を行う上層給電線路１０９ｃがＸ軸と平行に配設されている。各上層給電線路１０９ｃは、上層給電基板１０９ａ上で共通の給電幹線（図示せず）に接続されている。

【0005】

この送受共用平面アレーアンテナ１０では、下層給電素子１０５は、下層給電パッチ１０５ｂにＹ軸に沿った下層給電線路１０５ｃが接続されているので、偏波面がＹ軸と平行で紙面に垂直な面となる偏波信号を送信または受信する。したがって、下層給電素子１０５の励振方向は、Ｙ軸方向となる。同様に、上層給電素子１０９は、上層給電パッチ１０９ｂにＸ軸に沿った上層給電線路１０９ｃが接続されているので、偏波面がＸ軸と平行で紙面に垂直な面となる電波を送信または受信する。したがって、上層給電素子１０９の励振方向は、Ｘ軸方向となる。

【0006】

給電パッチのサイズは、送受信する偏波信号の周波数帯域に応じて決まり、周波数帯域が低いほど給電パッチのサイズは大きくなる。そのため、送信される偏波信号と受信される偏波信号との周波数帯域が大きく離れている場合、例えば上述した送受共用平面アレーアンテナ１０では、下層給電パッチ１０５ｂと上層給電パッチ１０９ｂのサイズに差が生じてしまい、サイズの大きな給電パッチに合わせて送受共用平面アンテナ素子１０２の配置間隔ｄ１が決まってしまう。したがって、サイズの小さな給電パッチでは、その励振方向における配置間隔ｄ１が偏波信号の波長（λ）に対して必要以上に大きくなってしまい、以下のような問題（１）、（２）が発生する。

【0007】

問題（１）は、グレーティングローブにエネルギーが奪われて正面利得が低下する、というものである。また、問題（２）は、励振方向における給電パッチの配置間隔が１λ以上となった場合にグレーティングローブが発生し、サイドローブレベルの悪化により平面アレーアンテナとしての指向性規格を満たさなくなってしまう、というものである。

【0008】

例えば、送受共用平面アレーアンテナ１０において、上層給電素子１０９が３０ＧＨｚの偏波信号を送信する送信アンテナで、下層給電素子１０５が２０ＧＨｚの偏波信号を受信する受信アンテナである場合、送信される偏波信号と受信される偏波信号との周波数帯域が大きく離れているため、上層給電素子１０９の配置間隔は、サイズの大きな下層給電素子１０５の配置間隔に影響されてしまい、その励振方向であるＸ軸方向において１λを超えてしまうことがある。この場合、送信電波にグレーティングローブが発生し、正面利得が低下してしまう。

【0009】

従来、問題（１）に対しては、各送受共用平面アンテナ素子に対して金属製のフレア（ホーン）を設けることにより、グレーティングローブのレベルを低減する手法が取られていた（例えば、特許文献１参照）。また、各送受共用平面アンテナ素子の上に、円柱状の誘電体を装荷することにより、素子のビーム幅を狭くしてグレーティングローブを低減する手法も従来知られている（例えば、非特許文献２参照）。また、問題（２）に対しては、図１０に示すように、マトリクス状に配設した複数の送受共用平面アンテナ素子１０２の各行を水平方向にずらして千鳥状に配設し、隣接する３つの送受共用平面アンテナ素子１０２の間隔ｄ３を同一距離にすることにより、観測面確度φが変化した場合でもグレーティングローブが発生しないようにしていた（例えば、非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】「ブリッジ付き開口を用いた偏波共用平面アンテナ」、２００１年電子情報通信学会総合大会予稿集、Ｂ−１−１７５

【非特許文献2】「２１ＧＨｚ帯における導波管並列給電方式誘電体装荷円偏波平面アンテナ」、１９９８年、電子情報通信学会通信ソサイエティ大会予稿集、Ｂ１−１−４６

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開２０１２−１７５６８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかしながら、非特許文献１の技術では、給電パッチと給電線路とが同じ給電基板上に設けられている場合（共平面給電ともいう）、給電パッチ間の隙間が狭くなり、給電線路の引き回しが困難になるという問題があった。また、特許文献１および非特許文献２の技術では、どちらも送受共用平面アレーアンテナが大幅に厚くなり、重量も増加してしまうという問題があった。

【0013】

そこで本発明は、給電線路の引き回しに影響がなく、かつ、厚みや重量を増加させずに正面利得が向上し、かつグレーティングローブの低減が可能な送受共用平面アンテナ素子および送受共用平面アレーアンテナを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0014】

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、互いに直交する２つの偏波信号を送受信する２つの給電素子および前記２つの給電素子それぞれの上にスロット板が積層された送受共用平面アンテナ素子であって、前記スロット板のうち上層にあるスロット板の上に、少なくとも１枚の無給電素子を積層した、ことを特徴とする。

【0015】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の送受共用平面アンテナ素子であって、前記上層のスロット板と前記無給電素子との間に、前記無給電素子の高さ位置を調整する誘電体を積層した、ことを特徴とする。

【0016】

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の送受共用平面アンテナ素子であって、前記無給電素子は、絶縁性基板に設けられた導電箔の無給電パッチからなり、前記２つの給電素子のうち少なくとも一方の給電素子の励振方向に沿って延びている、ことを特徴とする。

【0017】

請求項４に記載の発明は、互いに直交する２つの偏波信号を送受信する２つの給電素子と、前記２つの給電素子それぞれの上に積層されたスロット板と、前記スロット板のうち上層にあるスロット板の上に積層された少なくとも１枚の無給電素子と、を備える送受共用平面アンテナ素子を、互いに直交するＸ軸およびＹ軸に沿ってマトリクス状に配設し、前記２つの偏波信号のうちいずれか一方の偏波信号の波長をλ、前記送受共用平面アンテナ素子の素子指向性においてヌルが発生する観測角度であって前記Ｘ軸および前記Ｙ軸に直交するＺ軸に対する観測角度をθ、前記送受共用平面アンテナ素子の前記Ｘ軸および前記Ｙ軸における配設間隔をｄとしたとき、ｄ＝λ／ｓｉｎθに基づいて前記配設間隔ｄを求める、ことを特徴とする送受共用平面アレーアンテナである。

【0019】

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の送受共用平面アレーアンテナであって、前記偏波信号を送受信する観測面の方向である観測面角度をＸ軸に対するφとしたとき、φ=４５°および１３５°である、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

請求項１に記載の送受共用平面アンテナ素子によれば、互いに直交する２つの偏波信号を送受信する２つの給電素子それぞれの上に積層されたスロット板のうち上層にあるスロット板の上に、少なくとも１枚の無給電素子を積層したので、ビームが絞られて送受共用平面アンテナ素子の正面利得が向上し、上述した問題（１）が解消可能となる。また、平面アンテナ素子に用いられる無給電素子は、一般的にフレキシブル基板などの絶縁性基板に導電箔などからなるパッチを設けた薄型、軽量なものであるため、特許文献１および非特許文献２に記載の技術のように、厚みおよび重量が増加することがない。

【0021】

請求項２に記載の送受共用平面アンテナ素子によれば、上層のスロット板と無給電素子との間に、無給電素子の高さ位置を調節する誘電体を積層したので、偏波信号の波長に応じて最適な高さ位置に無給電素子を配置することができる。すなわち、２つの給電素子のうち、少なくともいずれか一方の給電素子の正面利得に影響する高さ位置、あるいは両方の正面利得に影響する高さ位置など、無給電素子の高さ位置を調節することによって、２つの給電素子の正面利得に対して同時にあるいは選択的に改善を施すことが可能となる。

【0022】

請求項３に記載の送受共用平面アンテナ素子によれば、無給電素子が絶縁性基板に設けられた導電箔の無給電パッチによって構成されている場合に、２つの給電素子のうち少なくとも一方の給電素子の励振方向に沿って延びるように無給電パッチを設けたので、２つの給電素子の正面利得に対して選択的に改善を施すことが可能となる。

【0023】

請求項４に記載の送受共用平面アレーアンテナによれば、互いに直交する２つの偏波信号を送受信する２つの給電素子と、２つの給電素子それぞれの上に積層されたスロット板と、スロット板のうち上層にあるスロット板の上に積層された少なくとも１枚の無給電素子とを備える送受共用平面アンテナ素子を、互いに直交するＸ軸およびＹ軸に沿ってマトリクス状に配設し、２つの偏波信号のうちいずれか一方の偏波信号の波長をλ、送受共用平面アンテナ素子の素子指向性においてヌルが発生する観測角度であってＸ軸およびＹ軸に直交するＺ軸に対する観測角度をθ、送受共用平面アンテナ素子のＸ軸およびＹ軸における配設間隔をｄとしたとき、ｄ＝λ／ｓｉｎθ に基づいて配設間隔ｄを求めるので、グレーティングローブの発生を低減することが可能となる。したがって、上述した問題（１）を解消することが可能である。本発明におけるヌルとは、送受共用平面アンテナ素子の素子指向性において発生するグレーティングローブの近傍で、グレーティングローブよりも利得の低下が生じている部分を指す。したがって、このヌルが発生している観測角度にアレーアンテナのグレーティングローブが発生するようにアンテナ素子を配設することにより、グレーティングローブが発生したとしても、その発生レベルを下げることが可能となる。そして、このような手法を利用して送受共用平面アンテナ素子の配設間隔を設定することにより、配設間隔が極端に狭くなることがないので、給電線路の引き回しが困難になることもない。

【0025】

請求項５に記載の送受共用平面アレーアンテナによれば、偏波信号を送受信する観測面の方向である観測面角度をＸ軸に対するφとしたとき、φ=４５°および１３５°であるので、指向性規格を満足することが可能となる。したがって、上述した問題（２）を解消することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】この発明の実施の形態に係る（Ａ）送受共用平面アレーアンテナの概略構成図、および（Ｂ）観測方向の角度を示す説明図である。

【図2】図１の送受共用平面アンテナ素子の積層構造を示す分解斜視図である。

【図3】図２の送受共用平面アンテナ素子の（Ａ）φ＝１３５°面、（Ｂ）φ＝４５°面、（Ｃ）φ＝０°面の素子指向特性を示すグラフである。

【図4】図３の素子指向特性に基づいて素子間隔を求める手順を示す説明図である。

【図5】図１の送受共用平面アレーアンテナの（Ａ）φ＝０°面、（Ｂ）φ＝４５°面、（Ｃ）φ＝９０°面のアレー指向性を示すグラフである。

【図6】無給電素子を有しない送受共用平面アレーアンテナのφ＝０°面のアレー指向性を示すグラフである。

【図7】無給電素子の有無による送受共用平面アレーアンテナの特性差を現す表である。

【図8】従来の送受共用平面アレーアンテナの概略構成図である。

【図9】図８の送受共用平面アンテナ素子の積層構造を示す分解斜視図である。

【図10】従来の送受共用平面アンテナ素子を三角配列した例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

【0028】

図１〜図７は、この発明の実施の形態を示し、図１（Ａ）は、この実施の形態に係る送受共用平面アレーアンテナ（以下、アレーアンテナという）１を示す平面図である。アレーアンテナ１は、マイクロ波帯の衛星通信において、互いに直交する２つの偏波信号（水平偏波および垂直偏波）を送受信するアレーアンテナであり、矩形板状のアンテナ本体１１の平面上に、互いに直交するＸ軸及びＹ軸に沿って、マトリクス状に多数の送受共用平面アンテナ素子（以下、アンテナ素子という）２が配列されている。各アンテナ素子２は、Ｘ軸およびＹ軸において間隔ｄで配設されている。

【0029】

このアレーアンテナ１は、偏波信号を送受信する観測面の方向（観測面角度）をＸ軸に対するφとしたとき、３０ＧＨｚの偏波信号を送信する送信偏波面がφ＝４５°、２０ＧＨｚの偏波信号を受信する受信偏波面がφ＝１３５°となっている。したがって、送信偏波面におけるアンテナ素子２の実質的な配設間隔は、ｄ／√２となり、Ｘ軸およびＹ軸方向の配設間隔ｄよりも短くなる。

【0030】

図１（Ｂ）は、上述したＸ軸およびＹ軸と、これらに直交するＺ軸（図１（Ａ）の紙面奥行方向）における衛星の観測方向を示しており、この観測方向をＸ軸およびＹ軸からなる平面上に投影した投影線ＶとＸ軸とがなす角度が観測面角度φとなり、観測方向とＺ軸とがなす角度が観測角度θとなる。

【0031】

図２は、１つのアンテナ素子２について、Ｚ軸における積層構造を示す分解斜視図である。アンテナ素子２は、下層から順に、グランド板２１、誘電体２２、下層給電素子２３、誘電体２４、下層スロット板２５、誘電体２６、上層給電素子２７、誘電体２８および上層スロット板２９、誘電体３０、下層無給電素子３１、誘電体３２、上層無給電素子３３が積層されている。

【0032】

グランド板２１、下層スロット板２５および上層スロット板２９は、シールド用の遮蔽板であり、それぞれ導電性を有する薄板、例えばアルミニウム板で構成されている。誘電体２２、２４、２６、２８、３０および３２は、それぞれ、例えば発泡ポリエチレンや発泡ポリプロピレン等の発泡シートで構成されている。

【0033】

下層給電素子２３および上層給電素子２７は、本発明における２つの給電素子である。下層給電素子２３は、偏波信号を受信するための素子であり、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い下層給電基板２３ａと、その略中央に設けられた矩形の下層給電パッチ２３ｂと、この下層給電パッチ２３ｂに給電を行う下層給電線路２３ｃとを備えている。下層給電パッチ２３ｂおよび下層給電線路２３ｃは、例えば銅、アルミニウム、金等の導電箔によって形成されている。また、下層給電線路２３ｃは、φ＝１３５°の受信偏波面に沿って配設されており、詳しくは図示しないが、下層給電基板２３ａ上で共通の給電幹線に接続されている。

【0034】

上層給電素子２７は、偏波信号を送信するための素子であり、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い上層給電基板２７ａと、その略中央に設けられた矩形の上層給電パッチ２７ｂと、この上層給電パッチ２７ｂに給電を行う上層給電線路２７ｃとを備えている。上層給電パッチ２７ｂおよび上層給電線路２７ｃは、下層給電パッチ２３ｂなどと同様の導電箔によって形成されている。また、上層給電線路２７ｃは、φ＝４５°の送信偏波面に沿って配設されており、詳しくは図示しないが、上層給電基板２７ａ上で共通の給電幹線に接続されている。

【0035】

下層給電素子２３は、上層給電素子２７よりも低い周波数帯域の偏波信号を受信することから、下層給電パッチ２３ｂのサイズは、上層給電パッチ２７ｂよりも大きくされている。また、このアレーアンテナ１では、下層給電素子２３は、受信偏波面と平行で紙面に垂直な面となる偏波信号を受信する。したがって、下層給電素子２３の励振方向もこの受信偏波面の方向となる。同様に、上層給電素子２７は、送信偏波面と平行で紙面に垂直な面となる偏波信号を送信する。したがって、上層給電素子２７の励振方向もこの送信偏波面の方向となる。

【0036】

下層スロット板２５および上層スロット板２９には、下層給電パッチ２３ｂおよび上層給電パッチ２７ｂに対応する位置（対面する位置）に、矩形のスロット開口２５ａおよび２９ａが設けられている。また、下層スロット板２５のスロット開口２５には、対角線方向を横切るブリッジ部２５ｂが設けられている。ブリッジ部２５ｂは、上層給電パッチ２７ｂの励振方向と平行に設けられているので、上層給電パッチ２７ｂの給電時には、励振に対し強い影響を及ぼして、指向性などのアンテナ特性を改善する。また、下層給電パッチ２３ｂの励振方向と直交し、しかもその幅は下層給電パッチ２３ｂに比べて十分狭いので、その影響は殆どなく、他のアンテナ特性を劣化させることはない。

【0037】

下層無給電素子３１は、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い下層絶縁基板３１ａと、その略中央に設けられた矩形の下層無給電パッチ３１ｂとを備えている。この下層無給電素子３１は、その下層に積層された誘電体３０によって、送信用の上層給電素子２７の指向性に影響を及ぼす高さ位置に設置されており、上層給電素子２７のビーム幅を狭くして正面利得を向上させる。

【0038】

上層無給電素子３３は、フレキシブル基板などの絶縁性を有する薄い上層絶縁基板３３ａと、その略中央に設けられた略菱形形状の上層無給電パッチ３３ｂとを備えている。この上層無給電素子３３は、その下層に積層された誘電体３２と、によって、受信用の下層給電素子２３に影響を及ぼす高さ位置に設置されており、下層給電素子２３の励振方向に沿って延ばされた形状とによって、下層給電素子２３の指向性に影響を及ぼし、下層給電素子２３のビーム幅を狭くして正面利得を向上させる。

【0039】

図３は、上述したアンテナ素子２から３０ＧＨｚの偏波信号を送信する際の素子指向性を示すグラフであり、同図（Ａ）は、φ＝１３５°面の指向性、同図（Ｂ）は、φ＝４５°面の指向性、同図（Ｃ）は、φ＝０°面の指向性を示す。これらのグラフの横軸は信号レベル（ｄＢ）を示し、周方向は上述した観測角度θを示している。これらのグラフにおいて、下層無給電パッチ３１ｂがない状態（破線）と、下層無給電パッチ３１ｂがある状態（実線）とを比較すると、下層無給電パッチ３１ｂによる指向性の向上により、正面方向におけるビーム幅が絞られて、サイドのグレーティングローブが低下することが分かる。これにより、サイドのグレーティングローブが低減した分だけ正面利得が向上する。

【0040】

また、下層無給電素子３１を設けることにより、サイドのグレーティングローブの近傍にヌルＮが発生している。具体的には図３（Ａ）〜（Ｃ）のグラフにおいて、θ＝６０°の付近にヌルＮが発生している。本実施の形態では、このヌルＮが発生している観測角度θに基づいて、アンテナ素子２の配設間隔ｄを設定している。なお、本実施の形態におけるヌルとは、グレーティングローブの近傍で、グレーティングローブよりも利得の低下が生じている部分を指す。

【0041】

本実施の形態では、アンテナ素子２の素子指向性においてヌルＮが発生している観測角度θにアレーアンテナ１のグレーティングローブが発生するようにアンテナ素子２を配設することにより、グレーティングローブが発生したとしても、その発生レベルを下げることが可能、という考えの下、アンテナ素子２の配設間隔ｄを設定している。具体的には、図１（Ｂ）で示した衛星の観測方向をＸ−Ｙ軸平面に対して水平な方向から見た図４に示すように、観測角度θと、観測方向の波長λとに基づき、数式ｄ＝λ／ｓｉｎθを利用して配設間隔ｄを設定している。例えば、図３に示す素子指向性を有するアンテナ素子２から３０ＧＨｚの偏波信号を送信する場合には、「１（λ）／ｓｉｎ６０」により、配設間隔ｄは約１２ｍｍとなる。

【0042】

図５は、上述した配設間隔ｄでアンテナ素子２を配設したアレーアンテナ１のアレー指向性を示すグラフであり、同図（Ａ）は、φ＝０°面の指向性、同図（Ｂ）は、φ＝４５°面の指向性、同図（Ｃ）は、φ＝９０°面の指向性を示す。これらのグラフの横軸は観測角度θを示し、縦軸は信号利得（ｄＢｉ）を示している。

【0043】

アンテナ素子２の配設間隔ｄを１２ｍｍとした場合、２０ＧＨｚの受信偏波信号ではｄ＝０．８λとなり、３０ＧＨｚの送信偏波信号ではｄ＝１．２λとなり、送信側の配設間隔は１λを超えてしまう。しかしながら、送信側の観測面方向（励振方向）をφ＝４５°にしているため、送信側の実質的な配設間隔ｄはｄ／√２となり、約０．８５λとなる。したがって、図５に示すように、観測面φ＝０°およびφ＝９０°では指向性規格を満たさないが、衛星軌道面に沿うφ＝４５°の観測面では、良好な指向性規格を得ることができる。したがって、従来技術の欄で説明した問題（２）を解消することが可能である。

【0044】

また、図６は、下層無給電素子３１および上層無給電素子３３が設けられていないアンテナ素子を、図５（Ａ）のグラフと同じ配設間隔ｄで配設したアレーアンテナのφ＝０°面の指向性を示すグラフである。この図５（Ａ）のグラフと図６のグラフの比較から明らかなように、図５（Ａ）に示す無給電素子を備えるアンテナ素子は、図６の無給電素子を備えないアンテナ素子に比べて、送信偏波信号（実線）におけるグレーティングローブ（図中、丸で囲んだ部分）のレベルが約１０〜１５ｄＢ低下し、その効果として、中央の正面利得が向上していることが分かる。さらに、図７は、無給電素子を設けたアレーアンテナと、無給電素子を設けていないアレーアンテナとの正面利得および開口効率を比較した表であるが、この表からも明らかなように、送受共用平面アレーアンテナに無給電素子を設けることによって、正面利得および開口効率ともに改善することが可能である。

【0045】

以上で説明したように、本実施の形態のアンテナ素子２によれば、互いに直交する２つの偏波信号を送受信する２つの給電素子２３、２７のうち上層給電素子２７の上に、少なくとも１枚の下層無給電素子３１を積層したので、送信偏波信号のビームが絞られてアンテナ素子２の正面利得が向上し、従来技術の欄で説明した問題（１）が解消可能となる。また、平面アンテナ素子に用いられる無給電素子３１は、一般的にフレキシブル基板などの下層絶縁基板３１ａに導電箔などからなるパッチ３１ｂを設けた薄型、軽量なものであるため、特許文献１および非特許文献２に記載の技術のように、厚みおよび重量が増加することがない。

【0046】

また、アンテナ素子２によれば、上層給電素子２７と下層無給電素子３１との間に、下層無給電素子３１の高さ位置を調節する誘電体３０を積層したので、偏波信号の波長に応じて最適な高さ位置に下層無給電素子３１を配置することができる。すなわち、２つの給電素子２３、２７のうち、少なくともいずれか一方の給電素子の正面利得に影響する高さ位置、あるいは両方の正面利得に影響する高さ位置に、下層無給電素子３１または上層無給電素子３３の高さ位置を調節することによって、２つの給電素子２３、２７の正面利得に対して同時にあるいは選択的に改善を施すことが可能となる。

【0047】

さらに、上層無給電素子３３が上層絶縁基板３３ａに設けられた導電箔の無給電パッチ３３ｂによって構成されている場合に、下層給電素子２３の励振方向に沿って延びるように無給電パッチ３３ｂを設けたので、２つの給電素子の正面利得に対して選択的に改善を施すことが可能となる。

【0048】

また、本実施の形態のアレーアンテナ１によれば、互いに直交する２つの偏波信号を送受信する２つの給電素子２３、２７と、２つの給電素子２３、２７のうち上層にある給電素子２７の上に積層された少なくとも１枚の無給電素子３１とを備えるアンテナ素子２をマトリクス状に配設し、アンテナ素子２の素子指向性においてヌルＮが発生する観測角度θに基づいて、アンテナ素子２の配設間隔ｄを設定したので、グレーティングローブの発生を低減することが可能となる。したがって、従来技術の欄で説明した問題（１）を解消することが可能である。また、本実施の形態におけるヌルとは、アンテナ素子２の素子指向性において発生するグレーティングローブの近傍で、グレーティングローブよりも利得の低下が生じている部分を指す。したがって、このヌルＮが発生している観測角度θにアレーアンテナ１のグレーティングローブが発生するようにアンテナ素子２を配設することにより、グレーティングローブが発生したとしても、その発生レベルを下げることが可能となる。そして、このような手法を利用して送受共用平面アンテナ素子の配設間隔を設定することにより、配設間隔が極端に狭くなることがないので、給電線路の引き回しが困難になることもない。

【0049】

また、２つの偏波信号のうちいずれか一方の偏波信号の波長をλ、観測角度をθ、配設間隔をｄとしたとき、数式ｄ＝λ／ｓｉｎθに基づき、観測角度θにグレーティングローブが発生するように配設間隔ｄを求めるようにしたので、グレーティングローブが発生したとしても、そのレベルを下げることが可能である。

【0050】

さらに、送受共用平面アンテナ素子の指向性において、観測面角度φ=４５°、１３５°を使用することにより、送受共用平面アンテナ素子の素子間隔ｄを、ｄ／√２として、グレーティングローブが発生しない観測角度を使用するので、指向性規格を満足することが可能となる。したがって、上述した問題（２）を解消することが可能である。

【0051】

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記実施の形態では、無給電素子を送信用と受信用で２枚設けたが、１枚の無給電素子を送信用および受信用の給電素子の両方に影響する高さ位置に設置することにより、１枚の無給電素子で同様の効果を得ることも可能である。また、無給電素子が送信および受信の両給電素子に影響する高さ位置にある場合でも、無給電素子のパッチの形状を対象とする給電素子の励振方向に沿って延ばすことにより、対象とする給電素子に対して影響をおよぼすとうにすることも可能である。さらに、アレーアンテナ１の観測面をφ＝４５°、φ＝１３５°とする例について説明したが、これに限定されるものではなく、本発明のアンテナ素子２およびアンテナ素子２の配列手法を用いれば、指向性を改善して正面利得を向上させ、グレーティングローブの低減を図ることが可能である。

【0052】

１ 送受共用平面アレーアンテナ
１１ アンテナ本体
２ 送受共用平面アンテナ素子
２１ グランド板
２２、２４、２６、２８、３０、３２ 誘電体
２３ 下層給電素子
２３ａ 下層給電基板
２３ｂ 下層給電パッチ
２５ 下層スロット板
２５ａ スロット開口部
２５ｂ ブリッジ部
２７ 上層給電素子
２７ａ 上層給電基板
２７ｂ 上層給電パッチ
２９ 上層スロット板
２９ａ スロット開口部
３１ 下層無給電素子
３１ａ 下層絶縁基板
３１ｂ 下層無給電パッチ
３３ 上層無給電素子
３３ａ 上層絶縁基板
３３ｂ 上層無給電パッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】