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公開番号2025108332
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-23
出願番号2024002205
出願日2024-01-10
発明の名称アンテナ、オムニアンテナおよびオムニアンテナの設計方法
出願人電気興業株式会社
代理人個人
主分類H01Q 19/08 20060101AFI20250715BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】簡易な構成でオムニ指向性のアンテナを提供する。
【解決手段】アンテナは本体部を備える。本体部は、受信部、第一変換部、第二変換部、および、放射部を備える。受信部は、TE10の電磁波を受け入れる。第一変換部は、受信部に接続され、導波管内においてTE10モードをTE20モードに変換する。第二変換部は、第一変換部に接続され、導波管内においてTE20モードをTE01モードに変換する。放射部は、第二変換部に接続される。受信部、第一変換部、第二変換部、および、放射部は、所定の放射軸に沿って配置されている。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
アンテナであって、本体部を備え、
前記本体部は、
ＴＥ１０モードの電磁波を受け入れる受信部、
前記受信部に接続され、導波管内においてＴＥ１０モードをＴＥ２０モードに変換する第一変換部、
前記第一変換部に接続され、前記導波管内においてＴＥ２０モードをＴＥ０１モードに変換する第二変換部、および、
前記第二変換部に接続された放射部、を備え、
前記第一変換部、前記第二変換部、および、前記放射部は、所定の放射軸に沿って配置されている、アンテナ。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記第二変換部は、
ＴＥ２０矩形の縦横比を変換するＴＥ２０テーパー変換部、および、
前記ＴＥ２０テーパー変換部に接続され、前記導波管の断面がＴＥ２０矩形からＴＥ０１円形に変化するＴＥ２０ＴＥ０１変換部を有する、請求項１に記載のアンテナ。
【請求項３】
前記ＴＥ２０テーパー変換部は、前記放射軸に対して所定のＴＥ２０テーパー変換角度で、ＴＥ２０矩形の縦横比を変換する構造であり、
前記ＴＥ２０ＴＥ０１変換部は、放射軸に対して所定のＴＥ２０ＴＥ０１変換角度で、前記導波管の断面がＴＥ２０矩形からＴＥ０１円形に変化する構造であり、
前記第二変換部の長さが所定の第二変換長である、請求項２に記載のアンテナ。
【請求項４】
前記第一変換部は、
前記導波管の断面がＴＥ１０矩形からＴ字に変化する矩形Ｔ字変換部、および、
前記矩形Ｔ字変換部に接続され、前記導波管の断面がＴ字からＴＥ２０矩形に変化するT字矩形変換部を有する、請求項２に記載のアンテナ。
【請求項５】
アンテナから放射される電磁波の周波数が１１０ＧＨｚ以上である、請求項２に記載のアンテナ。
【請求項６】
前記放射部は、電磁波が放射される方向に向かって開口が広がる構成である、請求項２に記載のアンテナ。
【請求項７】
前記本体部は、電磁波が放射される先端に向かって細くなる略コーン形状である、請求項６に記載のアンテナ。
【請求項８】
オムニアンテナであって、請求項１に記載のアンテナ、および、反射鏡部を備え、
前記反射鏡部は前記放射部からの電磁波を反射し３６０度に放射する、請求項１ないし７のいずれかに記載のオムニアンテナ。
【請求項９】
前記反射鏡部は、前記放射軸をｙ軸、前記放射軸に垂直な方向をｘ軸として、アンテナに最も近い反射鏡先端部からｘｙ平面における直線を、ｙ軸を中心に回転させた円錐型である、請求項８に記載のオムニアンテナ。
【請求項１０】
前記反射鏡部は、前記放射軸をｙ軸、前記放射軸に垂直な方向をｘ軸とし、ｐおよびｑはいずれも０より大きいとして、アンテナに最も近い反射鏡先端部から、ｘｙ平面における曲線ｙ＝ｐ＊ｓｑｒｔ（ｘ＋ｑ）を、ｙ軸を中心に回転させた形状である、請求項８に記載のオムニアンテナ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ、オムニ指向性を有するオムニアンテナ、および、オムニアンテナの設計方法に関する。特に、ミリ波帯、サブテラヘルツ帯、さらには、テラヘルツ帯で用いられるアンテナ、オムニアンテナ、オムニアンテナの設計方法に関する。
続きを表示（約 4,700 文字）【背景技術】
【０００２】
５G、６Gに向けてミリ波帯、サブテラヘルツ帯の活用の検討が広く行われ、テラヘルツ帯も注目されている。ミリ波帯以上の周波数では同軸系線路の損失が大きく、対応の一つとして導波管系線路を用いたアンテナ技術が重要になってきている。現在は、電波伝搬実験が盛んに行われており、オムニアンテナの需要が高く重要な技術である。
導波管系のアンテナにはホーンアンテナをはじめとする開口アンテナ、導波管スロットアンテナ等があるが、いずれも単一指向性のアンテナである。
オムニ指向性を持つアンテナとしてホーンアンテナから、高次モードのＴＭ０１モードにより励振した電波を円錐状の反射鏡で反射させることで垂直偏波、いわゆるＶ偏波のオムニ指向性を得るアンテナが検討されており（非特許文献１）、サブテラヘルツ帯において導波管を用いた垂直偏波オムニアンテナとして利用できる。
また、各種のモード変換器として、非特許文献２には、基本モードのＴＥ１０を高次モードのＴＥ２０モードへ変換するモード変換機について構成が示されている。
非特許文献３には、ＴＥ２０モードから円矩形変換でモード変換させる場合において、ＴＥ２１に変換される場合、ＴＥ０１に変換される場合の矩形導波管の縦横比について記載されている。
また、特許文献１（段落００１５、図２、図１９）には、マイクロ波のプラズマ処理装置において、ＴＥ２０モードから扇形を経由してＴＥ０１モードを形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特開平５－７４５９２号公報
【非特許文献】
【０００４】
「キャビティ付きTM01モード変換器を用いた300 GHz帯反射鏡無指向性アンテナ」佐藤啓介、佐々木隆吉、市川舜太、大島一郎著、電子情報通信学会論文誌Ｂ、ＶｏｌＪ１０５－Ｂ、Ｎｏ．４、第４０５－４１３頁、２０２２年４月１日発行
アンテナ工学ハンドブック第一版、第２６３頁
Yan Wang, et al, “Wideband Circular TE21 and TE01 Mode Converters With Same Exciting Topologies,” IEEE Transactions on Electron Devices, Volume:63, Issue:10, p. 4088-4095. October 2016.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１では、V偏波、つまり、垂直偏波が用いられているが、サブテラヘルツ帯のアンテナでＨ偏波、つまり、水平偏波のオムニアンテナは開示されていない。
また、非特許文献１のオムニアンテナは比帯域が５％程度である。
特許文献１に記載の技術はマイクロ波によるプラズマ処理装置であって、通信に用いられるオムニ指向性アンテナとは異なる。また、ＴＥ２０モードからＴＥ０１モードに変換しているが、扇形を経由した変換であり、設計のためのパラメータが多くなり、結果として設計が複雑になる。
そこで、本発明は、導波管系アンテナにおいて、水平偏波のオムニ指向性アンテナを提供することを目的とする。
また、本発明は、導波管系アンテナにおいて、ミリ波帯、サブテラヘルツ帯用のアンテナとして、H偏波のオムニアンテナを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、導波管系アンテナにおいて、広帯域性、良好なオムニ特性（低偏差特性）を有する
本発明のその他の目的は、発明を実施するための形態においても説明される。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の請求項１に係るアンテナは、本体部を備え、
本体部は、
ＴＥ１０の電磁波を受け入れる受信部、
受信部に接続され、導波管内においてＴＥ１０モードをＴＥ２０モードに変換する第一変換部、
第一変換部に接続され、導波管内においてＴＥ２０モードをＴＥ０１モードに変換する第二変換部、および、
第二変換部に接続された放射部、を備え、
受信部、第一変換部、第二変換部、および、放射部は、所定の放射軸に沿って配置されている、アンテナである。
本発明の請求項２に係るアンテナは、
第二変換部は、
ＴＥ２０矩形の縦横比を変換するＴＥ２０テーパー変換部、および、
ＴＥ２０テーパー変換部に接続され、導波管の断面がＴＥ２０矩形からＴＥ０１円形に変化するＴＥ２０ＴＥ０１変換部を有する、請求項１に記載のアンテナである。
本発明の請求項３に係るアンテナは、
ＴＥ２０テーパー変換部は、放射軸に対して所定のＴＥ２０テーパー変換角度で、ＴＥ２０矩形の縦横比を変換する構造であり、
ＴＥ２０ＴＥ０１変換部は、放射軸に対して所定のＴＥ２０ＴＥ０１変換角度で、導波管の断面がＴＥ２０矩形からＴＥ０１円形に変化する構造であり、
第二変換部の長さが所定の第二変換長である、請求項２に記載のアンテナである。
本発明の請求項４に係るアンテナは、
第一変換部は、
導波管の断面がＴＥ１０矩形からＴ字に変化する矩形Ｔ字変換部、および、
矩形Ｔ字変換部に接続され、導波管の断面がＴ字からＴＥ２０矩形に変化するT字矩形変換部を有する、請求項２に記載のアンテナである。
本発明の請求項５に係るアンテナは、アンテナから放射される電磁波の周波数が１１０ＧＨｚ以上である、請求項２に記載のアンテナである。
本発明の請求項６に係るアンテナは、放射部は、電磁波が放射される方向に向かって開口が広がる構成である、請求項２に記載のアンテナである。
本発明の請求項７に係るアンテナは、本体部は、電磁波が放射される先端に向かって細くなる略コーン形状である、請求項６に記載のアンテナである。
本発明の請求項８に係るオムニアンテナは、
オムニアンテナであって、請求項１に記載のアンテナ、および、反射鏡部を備え、
反射鏡部は放射部からの電磁波を反射し３６０度に放射する、請求項１ないし７のいずれかに記載のオムニアンテナである。
本発明の請求項９に係るオムニアンテナは、反射鏡部は、放射軸をｙ軸、放射軸に垂直な方向をｘ軸として、アンテナに最も近い反射鏡先端部からｘｙ平面における直線を、ｙ軸を中心に回転させた円錐型である、請求項８に記載のオムニアンテナである。
本発明の請求項１０に係るアンテナは、反射鏡部は、放射軸をｙ軸、放射軸に垂直な方向をｘ軸とし、ｐおよびｑはいずれも０より大きいとして、アンテナに最も近い反射鏡先端部から、ｘｙ平面における曲線ｙ＝ｐ＊ｓｑｒｔ（ｘ＋ｑ）を、ｙ軸を中心に回転させた形状である、請求項８に記載のオムニアンテナである。
本発明の請求項１１に係るオムニアンテナは、３以上の請求項３に記載のアンテナ、および、反射鏡部を備え、
３以上のアンテナは、ＴＥ２０テーパー変換角度、ＴＥ２０ＴＥ０１変換角度、第二変換長のうち少なくとも１つが互いに異なり、互いに異なる周波数帯域の電磁波を放射する、オムニアンテナである。
本発明の請求項１２に係るオムニアンテナの設計方法は、
請求項３に記載のアンテナ、および、反射鏡部を備え、反射鏡は放射部からの電磁波を反射し３６０度に放射する、オムニアンテナの設計方法であって、
所定のアンテナ性能値を設定する設定ステップ、
ＴＥ２０テーパー変換部において、ＴＥ２０矩形の縦横比を変換する、放射軸に対するＴＥ２０テーパー変換角度を定めるＴＥ２０テーパー設計ステップ、
ＴＥ２０ＴＥ０１変換部において、導波管の断面がＴＥ２０矩形からＴＥ０１円形に変化する、放射軸に対するＴＥ２０ＴＥ０１変換角度を定めるＴＥ２０ＴＥ０１設計ステップ、および、
第二変換部の長さである第二変換長を定める変換長設計ステップ、を含む、オムニアンテナの設計方法である。
本発明のその他の効果は、発明を実施するための形態においても説明される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明の一実施例におけるアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例における導波管内部の断面を示す。
本発明の一実施例における導波管内部の断面を示す。
本発明の一実施例における導波管内部の断面を示す。
本発明の一実施例における導波管内部の断面を示す。
本発明の一実施例における導波管内部の断面を示す。
本発明の一実施例における導波管内部の断面を示す。
本発明の一実施例における導波管内部の断面を示す。
本発明の一実施例における導波管内部の断面を示す。
本発明の一実施例における導波管内部の断面を示す。
本発明の一実施例におけるアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるオムニアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるオムニアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるオムニアンテナの構成例を示す。
本発明の一実施例におけるオムニアンテナの設計方法を示す。
本発明の一実施例における電圧定在波比を示す。
比較例における電圧定在波比を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１および図２は、本発明の一実施例におけるアンテナ１の構成例を示す。
アンテナ１は本体部１００を備える。
【０００９】
本体部１００は、受信部１１０、第一変換部１２０、第二変換部１３０、および、放射部１４０を備える。受信部１１０は、ＴＥ１０の電磁波を受け入れる。
第一変換部１２０は、受信部１１０に接続され、導波管内においてＴＥ１０モードをＴＥ２０モードに変換する。第二変換部１３０は、第一変換部１２０に接続され、導波管内においてＴＥ２０モードをＴＥ０１モードに変換する。
【００１０】
放射部１４０は、第二変換部１３０に接続される。第一変換部１２０、第二変換部１３０、および、放射部１４０は、所定の放射軸ＲＡに沿って配置されている。本実施例では、第一変換部１２０の構造上、受信部１１０の中心は放射軸ＲＡから少しずれて配置されている。なお、図１における放射軸ＲＡの実線は、実際に線状の構造物があることを示すものではなく、理解を容易とするための図示である。
本構成により、水平偏波で、広帯域に動作する偏差の小さなオムニアンテナ２用のアンテナ１を得ることができる。
（【００１１】以降は省略されています）

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