CN112242609A

CN112242609A - 波导管天线及天线装置

Info

Publication number: CN112242609A
Application number: CN202010636964.0A
Authority: CN
Inventors: 石野祥太郎; 箟耕治
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2021-01-19
Also published as: JP7240277B2; JP2021019207A

Abstract

本发明提供波导管天线及天线装置。课题在于，即使将圆形波导管用于高频信号的传播路径，也实现天线特性好的波导管天线。解决手段在于，波导管天线(20)具备导体的壳体及缝槽开口部(31‑34)。壳体是筒状，其截面是圆形或者边数为偶数的正多边形，且其具有由TM01模式或者TM11模式的高频信号的管内波长决定的直径。缝槽开口部(31‑34)形成于壳体，具有与高频信号的波长相应的长度，长度的方向与高频信号的行进方向所成的角是锐角。

Description

波导管天线及天线装置

技术领域

本发明涉及对高频信号进行收发波的波导管天线。

背景技术

在专利文献1中记载了使用圆形波导管的波导管天线。

在先技术文献

专利文献

[专利文献1]美国专利4799031号

发明内容

发明所要解决的课题

专利文献1所述的波导管天线被形成以传播、辐射TE模式的高频信号(电磁波)。

但是，在圆形波导管中传播并辐射TE模式时，由于端面处的反射、信号传播方向上的电场分布等，有时产生天线特性的劣化。因此，本发明的目的在于，即使将圆形波导管用于高频信号的传播路径，也提供天线特性好的波导管天线。

用于解决课题的手段

本发明的波导管天线具备导体的壳体、以及缝槽开口部。壳体是筒状，其截面是圆形或者边数为偶数的正多边形，且其具有由TM01模式或者TM11模式的高频信号的管内波长决定的直径。缝槽开口部被形成于壳体，具有与高频信号的波长相应的长度，长度的方向与高频信号的行进方向所成的角是锐角。

在该构成中，TM模式的高频信号在壳体内传播，从缝槽开口部向外部辐射。TM01模式及TM11模式是从中空部的中心朝向形成中空部的壳体的内壁产生电场分布、且具有在高频信号的行进方向上均一的电场的模式。因此，不产生在波导管天线的端部处的反射等，与缝槽开口部的位置无关地辐射高频信号。

发明效果

根据本发明，即使将圆形波导管用于高频信号的传播路径，也能够实现天线特性好的波导管天线。

附图说明

图1(A)是第1实施方式所涉及的波导管天线的端面图，图1(B)是第1实施方式所涉及的波导管天线的第1平面图，图1(C)是第1实施方式所涉及的波导管天线的侧面，图1(D)是第1实施方式所涉及的波导管天线的第2平面图。

图2(A)是第1实施方式所涉及的波导管天线的外观斜视图，图2(B)是第1实施方式所涉及的波导管天线的分解斜视图。

图3(A)是表示第1实施方式所涉及的波导管天线的尺寸的图，图3(B)是表示第1实施方式所涉及的波导管天线的TM模式的电场分布的示意图，图3(C)是表示第1实施方式所涉及的圆形波导管的尺寸的图，图3(D)是表示第1实施方式所涉及的圆形波导管的TM模式的电场分布的示意图。

图4是第1实施方式所涉及的波导管天线的缝槽开口部的扩大图。

图5(A)是第1实施方式所涉及的天线装置的平面图，图5(B)是第1实施方式所涉及的天线装置的侧面图。

图6(A)是圆形波导管的端面图，图6(B)是圆形波导管的侧面图。

图7(A)阻抗变换器的第1端面图，图7(B)是阻抗变换器的侧面图，图7(C)是阻抗变换器的第2端面图。

图8(A)是模式变换器的第1端面图，图8(B)是模式变换器的侧面图，图8(C)是模式变换器的第2端面图，图8(D)是模式变换器的侧面截面图。

图9(A)是第2实施方式所涉及的波导管天线的端面图，图9(B)是第2实施方式所涉及的波导管天线的第2平面图，图9(C)是第2实施方式所涉及的波导管天线的侧面。

附图标记说明：

10:天线装置

20、20A:波导管天线

21:第1部件

22:第2部件

31-34:缝槽开口部

40:圆形波导管

50:阻抗变换器

60:模式变换器

61:外装体

62:辐射导体

63:绝缘体

90:同轴线缆

200:中空部

210、220:凹部

211、221、2121、2122、2131、2132、2221、2222、2231、2232:平板

290:狭缝开口部

400:中空部

501:主体部

502、503:连接部

511、513:中空部

611、612:开口。

具体实施方式

(第1实施方式)

关于第1实施方式所涉及的波导管天线及天线装置，参照附图进行说明。图1(A)是第1实施方式所涉及的波导管天线的端面图，图1(B)是第1实施方式所涉及的波导管天线的第1平面图，图1(C)是第1实施方式所涉及的波导管天线的侧面，图1(D)是第1实施方式所涉及的波导管天线的第2平面图。图2(A)是第1实施方式所涉及的波导管天线的外观斜视图，图2(B)是第1实施方式所涉及的波导管天线的分解斜视图。图3(A)是表示第1实施方式所涉及的波导管天线的尺寸的图，图3(B)是表示第1实施方式所涉及的波导管天线的TM模式的电场分布的示意图，图3(C)是表示第1实施方式所涉及的圆形波导管的尺寸的图，图3(D)是表示第1实施方式所涉及的圆形波导管的TM模式的电场分布的示意图。图4是第1实施方式所涉及的波导管天线的缝槽开口部的扩大图。图5(A)是第1实施方式所涉及的天线装置的平面图，图5(B)是第1实施方式所涉及的天线装置的侧面图。

(波导管天线20的构成)

如图1(A)、图1(B)、图1(C)、图1(D)、图2(A)及图2(B)所示，波导管天线20具备第1部件21、第2部件22及多个缝槽开口部31-34。

第1部件21及第2部件22具有导电性，为板状。

第1部件21具备以同一方向(图的x方向)作为长度方向的平板211、平板2121、平板2122、平板2131及平板2132。平板211、平板2121、平板2122、平板2131及平板2132以沿着各自的短边方向排列的方式被连接。平板211连接于平板2121和平板2122，平板2121连接于平板211和平板2131。平板2122连接于平板211和平板2132。

平板211与平板2121以平板面所成的角为大致120°的方式连接。平板211与平板2122以平板面所成的角为大致120°的方式连接。平板2121与平板2122相对于平板211的平板面在相同侧延伸。进而，平板2121中的与平板2131连接的端部距平板2122中的与平板2132连接的端部的距离，比平板211的短边方向的长度长。

根据该构成，第1部件21具备开口面的面积比底面的面积大的凹部210。凹部210是沿长度方向延伸的沟槽状。凹部210的截面形状是将正六边形通过连接1组对角的面分割而成的单侧的部分的形状。

平板2131的平板面和平板2132的平板面相对于平板211的平板面大致平行。

第2部件22具备以同一方向(图的x方向)作为长度方向的平板221、平板2221、平板2222、平板2231及平板2232。平板221、平板2221、平板2222、平板2231及平板2232以沿着各自的短边方向排列的方式被连接。平板221连接于平板2221和平板2222，平板2221连接于平板221和平板2231。平板2222连接于平板221和平板2232。

平板221与平板2221以平板面所成的角为大致120°的方式连接。平板221与平板2222以平板面所成的角为大致120°的方式连接。平板2221和平板2222相对于平板221的平板面在相同侧延伸。进而，平板2221中的与平板2231连接的端部距平板2222中的与平板2232连接的端部的距离，比平板221的短边方向的长度长。

通过该构成，第2部件22具备开口面的面积比底面的面积大的凹部220。凹部220是沿长度方向延伸的沟槽状。凹部220的截面形状是将正六边形通过连接1组对角的面分割而成的单侧的部分的形状。

平板2231的平板面和平板2232的平板面相对于平板221的平板面大致平行。

第1部件21和第2部件22以凹部210与凹部220连通的方式配置。此时，第1部件21的平板2131与第2部件22的平板2231对置，相接近或者抵接。进而，第1部件21的平板2132与第2部件22的平板2232对置，相接近或者抵接。

通过这样的构成，由第1部件21和第2部件22形成波导管天线20的壳体，形成被第1部件21与第2部件22夹着的中空部200。中空部200的与长度方向正交的截面是大致正六边形。即，中空部200是大致六棱柱。此外，在此所谓的大致正六边形，不仅包含准确的正六边形，而且也包含以对TM11模式的电场分布不造成影响的程度而各边的长度不同或角部成为曲面的情况。

中空部200的尺寸是能够传播TM11模式以下的低次模式的高频信号、而不传播比其高次的高次模式的尺寸。例如，相当于中空部200的对边间的距离的短径rD21(参照图3(A))比波导管天线20所连接的圆形波导管40的直径小。另外，相当于中空部200的对角线的长度的长径rD22(参照图3(A))比圆形波导管40的直径大。短径rD21例如是43.25[mm]。此外，该数值是后述的圆形波导管40的直径为44.00[mm]时的一例。因此，与圆形波导管40的直径相应地，适宜设定短径rD21。长径rD22与短径rD21相应地被适宜设定。

通过这样的构成，在波导管天线20中，能够激励由TM11模式以下的低次模式的电磁波构成的高频信号，能够使高频信号沿着长度方向传播。例如，如图3(B)所示，在波导管天线20中，形成从中空部200的中心朝向构成壳体的各平板的平板面的电场E_TM11，激励TM11模式。

多个缝槽开口部31-34被形成于第1部件21的平板211。多个缝槽开口部31―34由在厚度方向上贯通平板211的孔构成。多个缝槽开口部31-34中的与贯通平板211的方向正交的面的形状是具有长度(长边)方向的矩形。

多个缝槽开口部31-34中，缝槽开口部31-34的长度方向与第1部件21的长度方向(波导管天线20的壳体的长度方向)所成的角是锐角。换言之，多个缝槽开口部31-34的长度方向相对于第1部件21的长度方向不正交，而例如大致平行。

多个缝槽开口部31-34的长度方向的长度是中空部200中激励、传播的高频信号在自由空间中的波长λ₀的1/2。由此，高频信号从波导管天线20的壳体内(中空部200)经由多个缝槽开口部31-34向外部辐射。另外，反之，高频信号从外部经由多个缝槽开口部31-34在波导管天线20的壳体内(中空部200)被接收。

多个缝槽开口部31-34沿着壳体的长度方向以特定的间隔形成。该间隔是高频信号的波导管天线20的管内波长λ_TM11的1/2。由此，从多个缝槽开口部31-34辐射的高频信号的相位一致。因此，波导管天线20的辐射效率提高。

像这样，通过使用本实施方式的构成，波导管天线20能够辐射TM11模式的高频信号，而且能够高效地辐射。另外，波导管天线20通过利用TM11模式，不产生像TE模式的情况那样在端部处的反射。由此，能够抑制传播延迟。结果，波导管天线20能够实现好的天线特性。

此外，波导管天线20中激励的高频信号是TM11模式，由此能够适宜地设定多个缝槽开口部31-34的配置位置。由此，波导管天线20能够实现具有高设计自由度的波导管天线。

另外，波导管天线20中激励的高频信号是TM11模式，由此能够以多个缝槽开口部31-34的长度方向与壳体的各平板的长度方向大致平行的方式，在壳体形成多个缝槽开口部31-34。由此，能够在平板的平面配置多个缝槽开口部31-34。因此，易于向壳体形成多个缝槽开口部31-34。

另外，第1部件21和第2部件22是上述的构成，由此能够通过对平板进行冲压加工来实现第1部件21和第2部件22。即，能够容易地形成第1部件21和第2部件22。由此，能够容易地形成具有正六边形的截面的壳体。由此，能够容易地形成辐射TM11模式的高频信号的波导管天线20。

此外，在上述的说明中，关于第1部件21与第2部件22的接合构成没有特别记载，例如能够使用如下构成。夹着第1部件21的平板2131和第2部件22的平板2231进行螺纹紧固，并夹着第1部件21的平板2132和第2部件22的平板2232进行螺纹紧固。或者，将第1部件21的平板2131和第2部件22的平板2231通过导电性的粘合材料接合，将第1部件21的平板2132与第2部件22的平板2232通过导电性的粘合材料接合。此外，第1部件21与第2部件22的接合也可以组合这些接合构成，还可以使用其他接合构成。但是，通过上述的这些接合构成，能够容易地将第1部件21与第2部件22接合。

另外，在上述的说明中，示出了形成4个缝槽开口部的构成，但缝槽开口部的个数不限于此，能够与波导管天线20的天线特性相应地适宜设定。

另外，在上述的说明中，以具有正六边形的截面的波导管天线20为例进行了说明，但只要是能够激励TM11模式的尺寸，则波导管天线也可以具有正八边形以上的截面等、即正六边形以上的偶数的正多边形的截面的形状。

另外，在上述的说明中，示出了仅在平板211形成缝槽开口部的方式，但也可以在构成第1部件21及第2部件22的其他平板形成缝槽开口。例如，通过在全部平板形成缝槽开口，波导管天线能够相对于与传播方向正交的全方位辐射高频信号。另外，此时，通过使用TM11模式，波导管天线能够辐射几乎不依赖于方位的大致无指向性的高频信号。

(天线装置10的构成)

如图5(A)、图5(B)所示，天线装置10具备波导管天线20、圆形波导管40、阻抗变换器50及模式变换器60。天线装置10具备至少1个的波导管天线20、圆形波导管40、阻抗变换器50及模式变换器60即可。阻抗变换器50对应于本发明的“变换器”，模式变换器60对应于本发明的“TM模式发生器”。

模式变换器60的一端与同轴线缆90连接。模式变换器60的另一端与第1圆形波导管40的一端连接。第1圆形波导管40的另一端经由阻抗变换器50与波导管天线20的一端连接。波导管天线20的另一端经由阻抗变换器50与第2圆形波导管40的一端连接。以下，波导管天线20与圆形波导管40交替地分别经由阻抗变换器50连接。其连接数量能够与天线装置10的规格相应地适宜设定。

模式变换器60将在同轴线缆90中传送的TEM模式的高频信号变换为具有如图3(D)所示的电场E_TM01的TM01模式，并向圆形波导管40的一端输入。圆形波导管40传播TM01模式的高频信号。圆形波导管40从另一端向波导管天线20的一端输出高频信号。此时，通过波导管天线20是上述的构成，TM01模式被变换为TM11模式。

在此，在圆形波导管40与波导管天线20的连接部具备阻抗变换器50，由此圆形波导管40与波导管天线20之间的阻抗被匹配。由此，高频信号从圆形波导管40向波导管天线20以低损失传播。结果，能够实现低损失且具有优异的天线特性的天线装置10。

为了实现上述的构成，圆形波导管40、阻抗变换器50及模式变换器60例如具备如下所示的构成。

图6(A)是圆形波导管的端面图，图6(B)是圆形波导管的侧面图。如图6(A)、图6(B)所示，圆形波导管40具备圆筒形且具有导电性的壁。通过该构成，圆形波导管40具有沿长度方向延伸的圆柱形的中空部400。圆形波导管40是能够传播TM11模式以下的低次模式的高频信号、而不传播比其高次的高次模式的尺寸。例如，圆形波导管40的中空部400的直径r40(参照图3(C))是44.00[mm]。该直径是一例，圆形波导管40只要是满足上述传播的条件的尺寸，也可以是其他尺寸。

图7(A)是阻抗变换器的第1端面图，图7(B)是阻抗变换器的侧面图，图7(C)是阻抗变换器的第2端面图。如图7(A)、图7(B)、图7(C)所示，阻抗变换器50是圆筒形，具备主体部501、连接部502及连接部503。连接部502被配置在主体部501的一端，连接部503被配置在主体部501的另一端。

阻抗变换器50具备中空部511和中空部513。中空部511与中空部513连通。中空部511在连接部502侧开口。中空部513在连接部503侧开口。中空部511的直径比中空部513的直径小。中空部511的直径与圆形波导管40的直径相同。中空部513的直径比波导管天线20的短径rD21大，且比长径rD22小。

阻抗变换器50的连接部502与圆形波导管40连接，连接部503与波导管天线20连接。

通过这样的构成，从圆形波导管40到波导管天线20，针对高频信号的阻抗以阶段性变化。由此，能够匹配圆形波导管40与波导管天线20之间的阻抗。

图8(A)是模式变换器的第1端面图，图8(B)是模式变换器的侧面图，图8(C)是模式变换器的第2端面图，图8(D)是模式变换器的侧面截面图。如图8(A)、图8(B)、图8(C)、图8(D)所示，模式变换器60具备外装体61、辐射导体62及绝缘体63。外装体61及辐射导体62由导电体构成。

外装体61是圆筒形。外装体61的一端的开口611的面积比另一端的开口612的面积大。外装体61的截面积从开口611侧向开口612侧沿着圆筒形的轴向逐渐变小。

辐射导体62具备圆锥部、以及与圆锥部的顶点连接的圆柱部。辐射导体62以圆锥部成为开口611侧且圆柱部成为开口612侧的方式配置。另外，辐射导体62的中心轴与外装体61的中心轴一致。

绝缘体63是圆环形。绝缘体63被配置在外装体61的开口612侧的内壁与辐射导体62的圆柱部的外壁之间。

在模式变换器60中，开口611侧的端部与圆形波导管40连接。另外，开口612侧的端部与同轴线缆90连接。此时，同轴线缆90的中心导体与辐射导体62连接，外部导体与外装体61连接。

通过该构成，模式变换器60能够将来自同轴线缆90的TEM模式的高频信号变换为TM01模式的高频信号。另外，通过该构成，模式变换器60能够抑制从TEM模式变换为TE模式的高频信号。

通过如上的构成，天线装置10能够将经由同轴线缆90以TEM模式供给的高频信号低损失地变换为TM模式，并高效地辐射。

另外，通过该构成，天线装置10通过调整圆形波导管40的长度，能够将从高频信号的供给位置到辐射位置的距离调整为期望的距离。进而，通过设定所连接的波导管天线20的个数、圆形波导管40的个数及长度，能够实现更加多种多样的高频信号的辐射环境。

另外，通过该构成，能够将圆形波导管用于高频信号向天线的传播。因此，波导管的形状的选择自由度提高。即，即使在不得不使用圆形波导管的情况下，也能够实现好的天线特性的天线。

此外，在上述的说明中，示出了使用具备正多边形的截面的波导管天线的方式，但也能够使用圆形波导管的波导管天线。在使用圆形波导管的波导管天线的情况下，能够省略阻抗变换器50。

(第2实施方式)

关于第2实施方式所涉及的波导管天线，参照附图进行说明。图9(A)是第2实施方式所涉及的波导管天线的端面图，图9(B)是第2实施方式所涉及的波导管天线的第2平面图，图9(C)是第2实施方式所涉及的波导管天线的侧面。此外，天线装置是仅将第1实施方式所涉及的波导管天线置换为第2实施方式所涉及的波导管天线的构成，省略说明。

如图9(A)、图9(B)、图9(C)所示，第2实施方式所涉及的波导管天线20A相对于第1实施方式所涉及的波导管天线20，不同点在于具备狭缝开口部290。波导管天线20A的其他构成与波导管天线20同样，省略同样之处的说明。

波导管天线20A具备狭缝开口部290。狭缝开口部290被配置在第1部件21与第2部件22之间。更具体而言，狭缝开口部290由平板2131与平板2231隔着距离而接近的部分、以及平板2132与平板2232隔着距离而接近的部分实现。

通过该构成，狭缝开口部290成为沿着波导管天线20A中的高频信号的传播方向延伸的形状。由此，狭缝开口部290能够抑制沿着波导管天线20A的壳体的壁面流动的电流。因此，波导管天线20A能够抑制TE01模式的激励。由此，波导管天线20A能够抑制除了通信中使用的TM模式以外的模式的高频信号的发生，进一步提高天线特性。

另外，通过将第1部件21与第2部件22重叠地形成壳体，能够容易地形成狭缝开口部290。

此外，在上述的各实施方式中，示出了使第1部件21与第2部件22成为相同的形状的方式。但是，只要能够形成正六边形以上的正多边形，第1部件与第2部件的形状也可以不是相同的。另外，波导管天线的壳体也可以通过3个以上的部件形成。

另外，在上述的各实施方式中，示出了使多个缝槽开口部的长度方向的长度相同的方式。但是，也可以使多个缝槽开口部的长度方向的长度不同。由此，能够扩大从波导管天线辐射的高频信号的频带。

Claims

1.一种波导管天线，具备：

壳体，是筒状的导体，该筒状的截面是圆形或者边数为偶数的正多边形，且该筒状具有由TM01模式或者TM11模式的高频信号的管内波长决定的直径；以及

缝槽开口部，形成于所述壳体，具有与所述高频信号的波长相应的长度，所述长度的方向与所述高频信号的行进方向所成的角是锐角。

2.如权利要求1所述的波导管天线，

所述壳体具备：

板状的第1部件，具有沿着所述高频信号的行进方向延伸的第1凹部；以及

板状的第2部件，具有沿着所述高频信号的行进方向延伸的第2凹部，

所述第1部件与所述第2部件为：所述第1凹部与所述第2凹部相对配置而形成中空部。

3.如权利要求2所述的波导管天线，

所述第1部件与所述第2部件是相同形状。

4.如权利要求2或者权利要求3所述的波导管天线，

在所述第1部件与所述第2部件之间具备沿着所述行进方向延伸的狭缝开口部。

5.一种天线装置，具备：

如权利要求1至权利要求4中任一项所述的波导管天线；

圆形波导管，连接至所述波导管天线的沿所述行进方向的一端；以及

TM模式发生器，连接至所述圆形波导管中的与连接至所述波导管天线的连接端相反侧的端部。

6.如权利要求5所述的天线装置，还具备：

变换器，被连接在所述波导管天线与所述圆形波导管之间，具有匹配用中空部，该匹配用中空部的直径比所述波导管天线在所述壳体的截面是圆形的情况下的直径小，或者比所述波导管天线在所述壳体的截面是正多边形的情况下的长径小，而且比所述圆形波导管的直径大。

7.如权利要求5或权利要求6所述的天线装置，

所述波导管天线及所述圆形波导管分别配置多个，

所述多个圆形波导管与所述多个波导管天线以所述TM模式发生器作为起点而交替地被连接。