JP2000028712A - マイクロ波を用いた二次元映像装置用アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンテナ素子の切替えを容易に行なえるよう
にする。 【解決手段】 アレイアンテナ１０は、Ｎ個の受信用進
行波アンテナ１２ａ〜１２ｎとＮ個の受信用進行波アン
テナ１４ａ〜１４ｎとが直交して配設してある。各進行
波アンテナ１２、１４は、ＳＰＮＴ切替え器１６、２０
に接続してあり、送信用と受信用との任意の進行波アン
テナを選択することができる。各進行波アンテナ１２、
１４には、アンテナ素子となるＮ個の平面パッチアンテ
ナ２８ａ〜２８ｎ、３２ａ〜３２ｎが設けてあり、これ
らのパッチアンテナが導波路３０、３４によって接続し
てある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アレイアンテナに
係り、特に二次元映像を得るのに好適なマイクロ波を用
いた二次元映像装置用アレイアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロ波（例えば２ＧＨｚ〜１００Ｇ
Ｈｚ）を用いて二次元的な映像を求める場合、およそ次
の２通りの方法がある。１つはアンテナ素子を一次元等
の次元の低い配置にし、アンテナ素子を機械的に移動さ
せてマイクロ波の送信と受信とを行なって二次元の映像
を合成する方法（合成開口法）であり、他の１つは複数
の送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とを二次元的に
配置し、各送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とを順
次切替えて送信と受信とを行ない、各受信アンテナ素子
の受信信号に基づいて二次元映像を得る方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前者のアンテナ素子を
移動させる方法は、アンテナ素子を機械的に移動させる
ためにリアルタイム性が問題となるばかりでなく、駆動
装置などを必要とするために装置が物理的に大きく、重
量化する。

【０００４】一方、後者は、二次元的に配置したアンテ
ナ素子を電子スイッチなどで切替えてスキャンするよう
にしているが、各アンテナ素子への給電方法が問題とな
る。すなわち、アンテナ素子を二次元的に密に配列した
アレイアンテナでは、給電ケーブルを交差させることが
できないために三次元的な配線パターン技術が必要とな
り、大きな配線スペースを必要とする。また、Ｎ×Ｎ個
の送信用アンテナ素子とＮ×Ｎ個の受信用アンテナ素子
とを有するアレイアンテナでは、アンテナ素子から特定
のアンテナ素子を選択して送信、受信を行なうため、送
信用と受信用とのそれぞれにＮ² 個の電子的なスイッチ
を必要とし、高周波の切替えが技術的に困難であり、ま
たスイッチ回路が高価で製造の歩留りが悪い。本発明
は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもの
で、アンテナ素子の切替えを容易に行なえるようにする
ことを目的としている。

【０００５】

【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、本発明に係るアレイアンテナは、複数の送信用ス
ロットが設けられた複数の送信用進行波アンテナと、こ
れら各進行波アンテナに交差して配置され、複数の受信
用スロットが設けられた複数の受信用進行波アンテナと
を有する構成となっている。送信用進行波アンテナに設
けた送信用スロットは送信用進行波アンテナに接続され
た送信機に近い方から遠い方に向けて漸次長くし、受信
用進行波アンテナに設けた受信用スロットは受信用進行
波アンテナに接続した受信機に近い方から遠い方に向け
て漸次長くすることが望ましい。

【０００６】

【作用】上記のごとく構成した本発明は、送信用と受信
用とのアンテナ素子が例えばそれぞれＮ×Ｎ個からなる
場合、Ｎ個の送信用スロットを有する送信用進行波アン
テナと、Ｎ個の受信用スロットを有する受信用進行波ア
ンテナとを交差させて配置する。そして、Ｎ個の送信用
進行波アンテナの中の任意の１つに給電してＮ個の送信
用スロットを介してマイクロ波を放射するとともに、Ｎ
個の受信用進行波アンテナを順次切替えてＮ² 個の受信
用スロットを介して反射波を受信する。２Ｎ個の切替え
スイッチによってＮ² 個の送信用アンテナ素子とＮ² 個
の受信用アンテナ素子とを切替えて走査することによ
り、Ｎ個の送信用進行波アンテナのうち任意の１つと、
Ｎ個の受信用進行波アンテナのうちの任意の１つとが交
差する点（全部でＮ² 組）でのデータが得られる。従っ
て、配線が容易となるばかりでなく、技術的に製作が難
しく、高価で歩留りの悪い高集積度のスイッチ回路を必
要とせず、また周辺回路の数を削減できて大幅なコスト
の低減を図ることができる。しかも、完全に電子的な切
替えを行なうことができ、二次元映像装置に用いた場
合、極めて短時間に二次元映像を得ることができる。

【０００７】そして、送信用スロットを送信機に近い方
から遠い方に向けて漸次長くし、受信用スロットを受信
機の近い方から遠い方に向けて漸次長くすると、送信機
から出力された電磁波の送信用進行波アンテナ内での減
衰が補われて各スロットから一様な強さの電磁波（送信
信号）を放射することができる。また、受信用スロット
の長さを受信機に近い方から遠い方に向けて漸次長くす
ることにより、各受信用スロットから入射した反射波
（受信信号）の受信用進行波アンテナ内における減衰が
補われて、各受信用スロットの感度を同じにすることが
できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態に係るマイク
ロ波を用いた二次元映像装置用アレイアンテナの好まし
い実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。図
１は、本発明の実施の形態に係るアレイアンテナの模式
図である。図１において、アレイアンテナ１０は、詳細
を後述するＮ個の送信用進行波アンテナ１２（１２ａ、
１２ｂ、１２ｃ、……１２ｎ）と、Ｎ個の受信用進行波
アンテナ１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、……１４ｎ）
とが直交して配設してある。そして、各送信用進行波ア
ンテナ１２は、一端がＳＰＮＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｒ
ｔ ＮＴｒａｎｓｆｅｒ）切替え器１６に接続してあっ
て、ＳＰＮＴ切替え器１６を介して図示しない送信機に
接続され、送信機が出力した送信信号（マイクロ波）１
８が入力するようになっている。また、受信用進行波ア
ンテナ１４もＳＰＮＴ切替え器２０に接続してあって、
一端がＳＰＮＴ切替え器２０を介して受信機に接続さ
れ、受信信号２２を受信機に入力できるようにしてあ
る。そして、各進行波アンテナ１２、１４の他端は、終
端抵抗２４を介してアース２６に接続してある。

【０００９】各送信用進行波アンテナ１２は、送信用ア
ンテナ素子となるＮ個の平面パッチアンテナ２８（２８
ａ、２８ｂ、……２８ｎ）を有し、これらのパッチアン
テナ２８が導波路３０によって接続された構造となって
いる。また、受信用進行波アンテナ１４も送信用進行波
アンテナ１２と同様に構成してあって、Ｎ個の平面パッ
チアンテナ３２（３２ａ、３２ｂ、……３２ｎ）と、こ
れらを接続する導波路３４とを有している。従って、ア
レイアンテナ１０は、Ｎ² 個の送信用アンテナ素子とＮ
² 個の受信用アンテナ素子とを有している。

【００１０】送信用進行波アンテナ１２は、図２に示し
たように形成してあって、３枚の細長い誘電体板３８、
４０、４２を積層して一体化した構造となっている。誘
電体板３８は、両側の側面４４に金属メッキが施してあ
るとともに、下面に接地用の金属メッキが設けてある。
そして、誘電体板３８の上面幅方向の中央部には、マイ
クロ波からなる送信信号１８を伝播させる金属パターン
４６が長手方向に沿って設けてある。この金属パターン
４６は、送信信号１８の進行方向先端側が終端抵抗２４
を介してアース２６に接続される。

【００１１】一方、誘電体板４０は、両側の側面５０と
上面５２とに金属メッキが設けてあって、金属パターン
４６とともに導波路３０を形成する。そして、誘電体板
４０には、上面５２の金属メッキの一部を除去して形成
したＮ個の送信用スロット５４（５４ａ〜５４ｎ）が設
けてあり、導波路３０を伝播する送信信号１８の一部を
誘電体板４０の上方に導くことができるようにしてあ
る。これらのスロット５４のピッチＬは、導波路３０内
での送信信号１８の１波長の長さ、

【数１】 に設定してあって、送信信号１８の同じ位相のところが
各スロット５４ａ〜５４ｎを通過するようにしてある。
なお、数式１において、ｃは真空中における送信信号
（マイクロ波）１８の伝播速度であり、ｆは送信信号１
８の周波数、ε'は誘電体板の比誘電率である。

【００１２】誘電体板４２は、両側面５６に金属メッキ
が施してあるとともに、上面の送信用スロット５４ａ〜
５４ｎと対応した位置に、金属メッキからなる平面パッ
チアンテナ２８ａ〜２８ｎが設けてある。そして、各ス
ロット５４から漏れた送信信号１８は、平面パッチアン
テナ２８において共振し、共振波６０として空中に放射
され、合成された波面６２を形成する。

【００１３】誘電体板４０に形成したスロット５４ａ〜
５４ｎは、図３に示したように、長さｓが送信機に近い
方から遠い方に向けて、すなわち送信信号１８の進行方
向に沿って漸次大きくしてあり、各スロット５４から漏
れる送信信号１８の強さが等しくなるようにしてある。
すなわち、各スロット５４ａ〜５４ｎは、長さｓが送信
機に最も近い最初のスロット５４ａの長さをｓ₀ とした
とき、

【数２】 となるように形成してある。ここに、ｍは受信機側から
ｍ番目のスロットであることを表しており、αは定数で
あって、実施の形態の場合、実験によって求めている。

【００１４】なお、アレイアンレナ１０の行に対応する
受信用進行波アンテナ素子１４も同様に構成してあっ
て、受信用スロットの長さが受信機に近い方から遠い方
に向けて漸次長くしてある。このように構成したアレイ
アンテナ１０は、例えば図４に示したような二次元映像
装置に用いられる。すなわち、アレイアンテナ１０は、
送信用進行波アンテナ１２がＳＰＮＴ切替え器１６を含
む給電回路６４を介してマイクロ波回路６６の図示しな
い送信機に接続され、受信用進行波アンテナ１４がＳＰ
ＮＴ切替え器２０を含む給電回路６８を介してマイクロ
波回路６６の図示しない受信機に接続される。また、給
電回路６４、６８には、制御回路７０が接続してあっ
て、制御回路７０から切替え制御信号が入力するように
なっている。

【００１５】制御回路７０には、キーボードなどの操作
装置７２が接続してあって、操作装置７２を介して制御
装置７０に各種の制御命令やデータなどを入力すること
ができるようにしてある。また、制御回路７０は、マイ
クロ波回路６６に送信信号１８を出力させるためのトリ
ガ信号を入力するとともに、マイクロ波回路６６からの
受信信号が入力するようになっている。そして、制御回
路７０は、マイクロ波回路６６から受けた受信信号を信
号／画像処理器７４に与える。信号／画像処理器７４
は、制御回路７０からの信号をフーリエ変換するなどの
信号処理、画像処理を行ない、２次元映像のデータを表
示装置７６に出力して表示させるする。

【００１６】このように構成された二次元映像装置は、
制御回路７０が送信側の給電回路６４に切替え信号を出
力して送信信号１８を入力する送信用進行波アンテナ１
２（例えば、進行波アンテナ１２ａ）を選択するととも
に、マイクロ波回路６６の送信機にトリガ信号を入力す
る。送信機は、制御回路７０からのトリガ信号に同期し
てマイクロ波からなる送信信号１８を給電回路６４に出
力する。送信信号１８は、選択された送信用進行波アン
テナ１２ａの導波路３０を伝播し、一部が各スロット５
４から漏れてパッチアンテナ２８で共振し、共振波６０
となって空中に放射されて合成された波面６２を形成す
る。この波面６２は、物標から反射されてアレイアンテ
ナ１０に戻ってくる。そして、物標からの反射信号は、
受信用進行波アンテナ１４ａ〜１４ｎの各パッチアンテ
ナ３２ａ〜３２ｎに入る。

【００１７】制御回路７０は、マイクロ波回路６６にト
リガ信号を与えると受信側の給電回路６８に切替え制御
信号を入力し、受信用進行波アンテナ１４ａ〜１４ｎを
順次切替えてマイクロ波回路６６の受信機に接続する。
これにより、各受信用進行波アンテナ１４ａ〜１４ｎか
らの受信信号２２がマイクロ波回路６６の受信機を介し
て制御回路７０に入力し、制御回路７０から信号／画像
処理器７４に送出される。そして、制御装置７０は、受
信用進行波アンテナ１４ａ〜１４ｎのすべての選択を終
了すると、送信側の給電回路６４に切替え制御信号を入
力して次の送信用進行波アンテナ１２ｂを選択するとと
もに、マイクロ波回路６６にトリガ信号を入力して送信
信号１８を出力させる。その後、制御回路７０は、再び
受信側の給電回路６８に切替え制御信号を入力して受信
用進行波アンテナ１４ａ〜１４ｎを順次切替えて反射信
号の受信を行なわせる。以下、送信用進行波アンテナ１
２ｎによる送信信号１８の放射まで同様のことが繰り返
される。そして、信号／映像処理器７４は、これらの受
信信号から二次元映像を求めて表示装置７６に表示す
る。

【００１８】このような二次元映像装置においては、至
近距離の標的点は２個の進行波アンテナ１２、１４の交
点とし捕らえられるので、至近距離の物標（物体）は、
Ｎ²個の交点として映像化できる。しかし、遠くの標的
点は、図５のＰ₁ 、Ｐ₂ 、Ｐ ₃ 、Ｐ₄ のような四角形に
ぼやけるため、別途収束させる手段が必要となる。これ
には、疑似波動方程式の解を用いた方法があり、信号／
映像処理器７４によって疑似波動方程式の解が求められ
る。

【００１９】このように、実施の形態においては、Ｎ個
の送信用スロット５４とパッチアンテナ２８とを有する
Ｎ個の送信用進行波アンテナと、Ｎ個の受信用スロット
とパットアンテナ３２とを有するＮ個の受信用進行波ア
ンテナ１４とを直交させて配置したことにより、１対Ｎ
のスイッチを２組設けるだけでＮ² 個の二次元データを
得ることができる。すなわち、Ｎ² 個のアンテナ素子の
組合わせを２Ｎ個のスイッチ回路で制御できる。このた
め、アンテナ素子の切替えを容易にでき、スイッチ回路
の製作が容易となってマイクロ波、特にミリ波領域の二
次元リアルタイム映像装置を実現することができる。さ
らに、マイクロ波、ミリ波の透過能力を利用した不可視
情報の可視化が可能となり、霧、雲、プラスチック、布
などを透過してこれらの隠れたものを映像化する映像化
レーダに利用することができる。そして、船舶用レー
ダ、航空機用レーダ、その他、通常遮蔽されて見えない
ところを映像化する装置への応用が可能となる。

【００２０】また、製造原価の大半を占めるスイッチ回
路を従来のＮ² から２Ｎに激減することができ、アンテ
ナ素子ごとに高価な部品を必要とした従来の装置に比較
して二次元映像装置の製作コストを大幅に低下させるこ
とができる。そして、実施の形態に係るアレイアンテナ
１０を用いたとしても、反射信号を収束させて映像をフ
ォーカスさせるための信号処理、画像処理方法が存在し
ているため、シャープな映像を得ることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、複数の送信用スロットを有する送信用進行波アンテ
ナと、複数の受信用スロットを有する受信用進行波アン
テナとを交差させて配置し、複数の送信用進行波アンテ
ナの中の任意の１つに給電して複数の送信用スロットを
介して電磁波を放射するとともに、複数の受信用進行波
アンテナを順次切替えて受信用スロットを介して反射波
を受信するようにしているため、アンテナを切替えるス
イッチ回路を大幅に削減することができ、配線が容易と
なるばかりでなく、技術的に製作が難しく高価で歩留り
の悪い高集積度のスイッチ回路を必要とせず、また周辺
回路の数を削減できて大幅なコストの低減を図ることが
できる。しかも、完全に電子的な切替えを行なうことが
できることにより、二次元映像装置に用いた場合に、リ
アルタイムで極めて短時間に２次元映像を得ることがで
きる。そして、送信用スロットを送信機に近い方から遠
い方に向けて漸次長くし、受信用スロットを受信機の近
い方から遠い方に向けて漸次長くすると、送信機から出
力された電磁波の送信用進行波アンテナ内での減衰が補
われて各スロットから一様な強さの電磁波（送信信号）
を放射することができ、また各受信用スロットから入射
した反射波の受信用進行波アンテナ内における減衰が補
われて、各受信用スロットの感度を同じにすることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るアレイアンテナの模
式図である。

【図２】実施の形態に係る送信用進行波アンテナの分解
斜視図である。

【図３】実施の形態に係る送信用進行波アンテナの送信
用スロットの形成状態を示す平面図である。

【図４】実施の形態に係るアレイアンテナを用いた二次
元映像装置の説明図である。

【図５】実施の形態に係るアレイアンテナに遠くの標的
点からの反射されたマイクロ波の到達状態を示す模式図
である。

【符号の説明】

１０ アレイアンテナ １２ａ〜１２ｎ 送信用進行波アンテナ １４ａ〜１４ｎ 受信用進行波アンテナ １６、２０ ＳＰＮＴ切替え器 １８ 送信信号 ２２ 受信信号 ２８ａ〜２８ｎ 平面パッチアンテナ ３２ａ〜３２ｎ 平面パッチアンテナ ５４ａ〜５４ｎ 送信用スロット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 弓井 孝佳 岡山県玉野市玉３丁目１番１号 三井造船 株式会社玉野事業所内 Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA09 AB05 AB06 CA01 FA31 GA01 HA00 JA07 5J045 AA05 AB05 AB06 DA06 DA10 DA11 EA07 FA02 HA02 MA07 5J070 AB24 AD08 AD13 AE02 AE04 AE12 AH35 AK21 AK40 BE02 BG01 BG05

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の送信用スロットが設けられた複数
   の送信用進行波アンテナと、これら各進行波アンテナに
   交差して配置され、複数の受信用スロットが設けられた
   複数の受信用進行波アンテナとを有することを特徴とす
   るアレイアンテナ。
2. 【請求項２】 前記送信用スロットは前記送信用進行波
   アンテナに接続された送信機に近い方から遠い方に向け
   て漸次長くしてあり、前記受信用スロットは前記受信用
   進行波アンテナに接続した受信機に近い方から遠い方に
   向けて漸次長くしてあることを特徴とする請求項１に記
   載のアレイアンテナ。