JP2000349516A - 電界モード変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 導波管内のＴＥモードと、ＮＲＤガイド内の
ＬＳＭモードの相互間での電界モードの変換を可能と
し、装置の薄形化、小型化、広帯域化を実現する。 【解決手段】 レーダ装置１のスロット形平面アンテナ
２を構成する矩形導波管２５と、ＮＲＤガイド形フロン
トエンド３からの出力信号を伝送するＮＲＤガイド３２
との両者の信号の電界モードが直交するように結合す
る。また、結合部には、電界モード変換装置４が設けら
れ、ＮＲＤガイド３２の信号のＬＳＭモードを、矩形導
波管２５のＴＥモードに変換する。ＮＲＤガイド３２の
信号の電界方向と、矩形導波管２５の信号の電界方向が
直交するように、両者を結合した場合でも、モード変換
装置３での電界モードの変換作用によってＮＲＤガイド
３２と矩形導波管２５との間の信号の伝送が可能とな
る。ＮＲＤガイド３２と、導波管２５の上下の導体板を
それぞれ一体化して、小型化が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＮＲＤガイド（Non
Radiative Dielectric Wave guide)を伝送される信号の
電界モードであるＬＳＭモードと、導波管を伝送される
信号の電界モードであるＴＥモード間での相互変換を可
能にし、ＮＲＤガイドと導波管を接続するための電界モ
ード変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の交通施策における構成安全性の向
上、輸送効率の向上、快適性の向上等を目的とした知能
化交通システム（ＩＴＳ）を構築するための一つとし
て、自動車にレーダ装置を搭載し、先行車や障害物の探
知、車々間あるいは路車間通信、無人料金徴収ゲートへ
の適用を実現することが検討されており、その一つとし
て悪天候でも確実に動作するミリ波を利用したレーダ装
置を搭載することが検討されている。また、このような
レーダ装置では、受信した電波が、自車から放射した電
波が固定物や他車で反射した電波であるか、他車から放
射した電波であるかを区別する必要がある。従来、電波
の偏波面としては水平偏波、あるいは垂直偏波に統一さ
れているため、偏波面の違いのみでは前記した区別を行
うことができない。したがって、この場合には電波の周
波数を相違させ、あるいは電波にユニークな信号を含ま
せて自車と他車を区別する方式が考えられるが、前者で
は全ての周波数を満たすことは困難であり、また後者で
はユニーク信号を解析するための回路手段が必要にな
り、結果としてレーダ装置が複雑化し、レーダ装置のコ
スト高をまねくことになる。

【０００３】そこで、近年では垂直方向に対して特定の
方向に傾斜した偏波面を有する電波を使用することが提
案されている。このような傾斜偏波面の電波を用いるこ
とにより、自車の放射した電波は放射した電波と同じ偏
波面であり、対向車からの電波はこれとは逆方向に傾斜
した偏波面の電波であり、両者を区別することが可能と
なり、前記したレーダ装置によるＩＴＳの実現が可能と
なる。また、前記したような偏波面が傾斜した直線偏波
を使用する代わりに円偏波を利用することも可能であ
り、自社からの電波が反射したときにその偏波面の旋回
方向が変化する性質を使用することで、円偏波の旋回方
向を検出して自車からの電波と対向車からの電波を区別
することが可能となり、ＩＴＳの実現が可能となる。

【０００４】このようなレーダ装置を実現するためのア
ンテナとして、直線偏波の電波を放射することが可能で
かつ構成が簡易なスロットアンテナを用いることが考え
られる。このスロットアンテナとしては、例えば、上側
及び下側の平行配置した一対の導体板と、これら導体板
の両側に沿って延設される導体板からなる側板とで偏平
な矩形筒状に形成された矩形導波管の一端開口から信号
（ＴＥ波）を導入し、当該矩形導波管の対向する金属面
の一方に設けられた管軸方向と直交しかつ管軸方向に配
列された複数本のスロットを通して前記信号を外部に放
射する構成がある。このスロットアンテナでは、伝送さ
れる信号によって発生する導体板表面に流れる電流をス
ロットにより遮断することで、当該スロットから信号を
外部に放射させるものであり、構造が簡易なスロット形
平面アンテナを構成できる利点を有する。また、この場
合、使用する信号波長に対して十分に長いスロットを長
尺スロットと呼び、周波数特性を持たないことが特徴と
される。さらに、配列されている複数のスロットの配列
間隔、すなわちスロット間隔を信号の１波長の長さに設
定すると、信号の放射方向は、スロットの長さ方向に対
し垂直な面（Ｅ面）内においてアンテナ放射面に対して
垂直な方向に指向性を有する特性となる。なお、６０Ｇ
Ｈｚの信号を伝送する場合、図１２に示すように、上下
の各導体板１０１，１０２と左右の導体板１０３，１４
０で構成される矩形導波管はｖバンド導波管で幅（Ｗ）
が３．８ｍｍ、高さ（Ｈ）が１．９ｍｍである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前記のミリ波レーダ装
置を安価にそして簡便に実現する方法として、前記のス
ロット形平面アンテナとＮＲＤガイド形フロントエンド
（送受信器）を組み合わせることが本願発明者の米山と
我妻により提案されている。スロット形平面アンテナを
伝送するＴＥモードは図１２に示したように矩形導波管
の上下導体板に垂直であり、フロントエンドを構成する
ＮＲＤガイドを伝送するＬＳＭモードは図１３に示すよ
うに上下導体板に平行である。

【０００６】したがって、スロット形平面アンテナとフ
ロントエンドを構成するＮＲＤガイドの両者をそのまま
接続した場合には、ＮＲＤガイドとスロット形平面アン
テナの各導体板の方向が９０度の角度で交差してしまう
ことになり、レーダ装置全体の幅方向及び高さ方向の寸
法が大きくなり、実際に自動車に搭載する上で好ましい
ものではなくなる。したがって、スロット形平面アンテ
ナとＮＲＤガイド形フロントエンドを接続するには特別
な工夫が必要となる。この為に、従来は漏れ波ＮＲＤガ
イドを用いたものが提案されている。しかしながら、こ
の漏れ波ＮＲＤガイドを用いる技術は小型化が難しいと
ともに、設計及び製作が困難で、動作周波数帯域が狭い
ものであった。

【０００７】本発明の目的は、矩形導波管のＴＥモード
とＮＲＤガイドのＬＳＭモードの相互間での電界モード
の変換を容易に可能とし、これにより、例えば前記した
ようなスロット形平面アンテナとＮＲＤガイド形フロン
トエンドの接続を行い、ミリ波レーダを小形化する電界
モード変換装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＮＲＤガイド
と矩形導波管との結合部に配設され、前記ＮＲＤガイド
を伝送される信号の電界モードと前記矩形導波管を伝送
される信号の電界モードとを一致させるモード変換素子
とを備える電界モード変換装置であって、前記ＮＲＤガ
イドを伝送される信号の電界方向と前記矩形導波管を伝
送される信号の電界方向とが直交するように前記ＮＲＤ
ガイドと前記矩形導波管とが結合され、前記モード変換
素子は、前記ＮＲＤガイドと矩形導波管との結合部に配
設される誘電板と、前記誘電体板の表面に形成された導
体パターンとを備え、前記導体パターンは、前記ＮＲＤ
ガイドでの前記信号の電界方向に沿って延設された導体
パターンと、前記矩形導波管での前記信号の電界方向に
沿って延設された導体パターンとがその一部において連
結されたパターン形状であることを特徴とする。また、
本発明では、前記ＮＲＤガイドと前記矩形導波管の結合
部には、前記ＮＲＤガイドを伝送される信号の電界方向
に沿って格子間隔が設定された複数の導体薄膜で構成さ
れる格子パターンを備えるＴＥモードサプレッサが設け
られる。

【０００９】本発明においては、ＮＲＤガイドを伝送さ
れる信号の電界方向と、矩形導波管を伝送される信号の
電界方向が直交するように、ＮＲＤガイドと矩形導波管
とを結合した場合でも、モード変換素子での電界モード
の変換作用によってＮＲＤガイドと矩形導波管との間に
わたる信号の伝送が実現可能となる。そのため、ＮＲＤ
ガイドを構成する上下の導体板と、矩形導波管の上下の
導体板を一体化することが可能となり、レーダ装置の薄
型化、小型化が実現できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明を自動車のミリ波レー
ダ装置に適用した実施形態の一部を破断した斜視図であ
る。スロット形平面アンテナ２と、ＮＲＤガイド形フロ
ントエンド３とその間に配設される電界モード変換装置
４から構成される。前記スロット形平面アンテナ２は、
互いに所要の間隔をおいて平行に配置された上側及び下
側の各導体板２１，２２と、前記導体板２１，２２間内
に延設された一対の平行な隔壁２３，２４とを備えてお
り、前記上下の導体板２１，２２と両隔壁２３，２４と
で偏平な矩形導波管２５を構成している。また、前記上
側の導体板２１には、前記導波路の延長方向と垂直な方
向に向けて複数本のスロット２６が開口されており、前
記矩形導波管２５内を伝送される信号（電波）をスロッ
ト２６から放射することが可能に構成されている。さら
に、前記矩形導波管２５の一端部には前記電界モード変
換装置４が結合され、他端部には無反射終端壁２７が設
けられ、矩形導波管２５内を伝送する信号を終端してい
る。前記構成のスロット形平面アンテナ２では、上側導
体板２１に平行な電界の電波が外部に放射される。

【００１１】前記ＮＲＤ形フロントエンド３とスロット
形平面アンテナ２との接続はＮＲＤガイド３２を介して
電界モード変換装置４で行われる。電界モード変換装置
４はモード変換素子４１とＴＥモードサプレッサ４２と
その間に配設するテフロンブロック４３からなる。

【００１２】前記モード変換素子４１とＴＥモードサプ
レッサ４２のみを取り出した構成を図２に示す。同図は
図１とは反対側から見た図である。前記モード変換素子
４１は、テフロンで構成されて電波の伝送方向に所要の
長さに形成されたテフロンブロック４３の端面に一体的
に設けられており、図３に示すように、テフロン等の誘
電体板４６の表面に銅箔等の導電薄膜によってモード変
換パターン４７が形成されたものである。前記モード変
換パターン４７は、ＬＳＭモードの電界方向とＴＥモー
ドの電界方向のそれぞれに沿って延長されたパターン形
状のストリップ片４４，４５が、それぞれの一端部にお
いて連結されたパターン形状、換言すれば“Ｌ”字状の
パターンに形成されている。なお、この実施形態では、
モード変換素子４１での変換効率を高めるために、モー
ド変換パターン４７は前記“Ｌ”字状のパターンを背中
合わせに２つ配置した構成としている。したがって、Ｎ
ＲＤガイド３２内を伝送され、さらにテフロンブロック
４３内を伝送されたＬＳＭモードの信号は、モード変換
素子４１においてＴＥモードに変換され、矩形導波管２
５内を伝送されることになる。

【００１３】また、前記ＴＥモードサプレッサ４２は、
図２及び図４に示すように、テフロン製の誘電体板５１
の表面に、ＬＳＭモードの電界方向に沿って所定の格子
間隔で配置される複数のストリップ状の導電薄膜によっ
て構成される格子パターン５２が形成されており、その
格子パターン５２はＬＳＭモードの電界とは９０°で交
差するので、ＬＳＭモードに対する影響は殆どなく、こ
れによりＬＳＭモードは透過するがＴＥモードを阻止す
る機能を有する。したがって、前記モード変換素子４に
おいてＴＥモードに変換された信号が矩形導波管２５内
ないしテフロンブロック４１を逆方向に進行してＮＲＤ
ガイド形フロントエンド３側に漏れ込むことを防止す
る。

【００１４】このように構成されたレーダ装置では、再
度図１を参照すると、ＮＲＤガイド形フロントエンド３
で発生されたＬＳＥモードの信号は、ＮＲＤガイド３２
に伝送される。そして、ＮＲＤガイド３２を伝送される
ＬＳＭモードの信号は、ＮＲＤガイド３２と矩形導波管
２５との結合部に設けられているＴＥモードサプレッサ
４２を透過し、次いでテフロンブロック４３を透過した
後、モード変換素子４１においてＴＥモードに変換され
る。このとき、変換されたＴＥモードの信号はＴＥモー
ドサプレッサ４２によりＮＲＤガイド３２方向への漏れ
込みが防止されるため、ＮＲＤガイド３２の伝送効率の
低下が防止される。ついで、ＴＥモードに変換された信
号は、矩形導波管２５内に伝送され、当該矩形導波管２
５を構成する上下の導体板２１，２２のうち、上側の導
体板２１に設けられたスロット２６から外部に向けて放
射され、スロット２６の延長方向に直交する方向に電界
を有する電波として出射される。

【００１５】このように、前記ミリ波レーダ装置１で
は、ＮＲＤガイド３２と矩形導波管２５との結合部にＬ
ＳＭモードとＴＥモードを相互に変換する電界モード変
換装置４を備えることにより、ＮＲＤガイド３２を伝送
されるＬＳＭモードの信号の電界方向と、矩形導波管２
５内を伝送されるＴＥモードの信号の電界方向が直交方
向に向けられている場合でも、各モードの電界を変換さ
せることが可能となる。このため、前記実施形態では、
ＮＲＤガイド３２の上下の導体板と、スロット形平面ア
ンテナ２を構成する矩形導波管２５の上下の導体板とを
同じ方向に向けて、しかもそれぞれの導体板を前記導体
板２１，２２として一体化することにより、ミリ波レー
ダ装置１の薄型化、小型化が実現できることになる。

【００１６】ここで、前記モード変換素子４１及びＴＥ
モードサプレッサ４２について、具体例に基づいて説明
する。前記モード変換素子４１はテフロンブロック４３
の先端面に一体的に設けられていることは前記したとお
りであり、ここで、前記テフロンブロック４３の長さを
調整することでモード変換の効率を上げることができ
る。前記テフロンブロック４３の幅（Ｗ）を２．５ｍ
ｍ、高さ（Ｈ）を２．２５ｍｍとしたとき、長さ（Ｌ）
を０．５〜１．５ｍｍの範囲で変化させたときの変換損
を図５に示す。これはテフロンブロック４３では、スラ
ブモードの１／４波長の長さのときにモード変換損が最
小となる。すなわち変換効率が最大となる。同図から、
テフロンブロック長が１．１ｍｍ前後のときに最大効率
となる。また、前記モード変換素子４１は、幅及び高さ
が前記テフロンブロックと同一寸法で、厚さが０．５ｍ
ｍのテフロン板４６に銅箔からなるモード変換パターン
４７が形成されているが、このモード変換パターン４７
の“Ｌ”字の各辺の長さに応じた周波数特性を有する。
ここで、各辺の長さを変化させたときのＶＳＷＲ（定在
波比）を図６に示す。同図から、モード変換パターン４
７を構成する各ストリップ片４４，４５の各辺の長さが
１．８ｍｍのとき、ＶＳＷＲが１．１と極めて小さくな
り、モード変換が良好に行われる。

【００１７】一方、ＴＥモードサプレッサ４２は、テフ
ロンの誘電体板５１に設けた銅箔からなる格子パターン
５２の各ストリップ片の幅寸法を細くするほど透過損が
小さくなる。また、ＴＥモードに対する反射損（リター
ンロス）を図７に示す。同図から、広い周波数帯域で良
好に反射していることが判る。因みに、格子パターンの
幅寸法が０．０５ｍｍのとき、５９．５ＧＨｚの電波に
対し反射係数は０．８９である。また、上下の各導体板
との接触状態を安定化させるため、格子パターン５２は
誘電板板５１の上縁、下縁にまで設けていない。図８及
び図９は格子パターン５２が上下縁まで設けた場合と設
けていない場合のデータ変動を示す。格子パターン５２
が上下縁まで設けた場合には、図８のようにセットし直
すとデータが変動するが、格子パターン５２が上下縁ま
で設けていない場合には、図９のようにセットし直して
もデータが安定していることが判る。

【００１８】以上の仕様でモード変換損を測定した。そ
のときの周波数特性を図１０に示す。測定系の損失１．
８ｄＢを差し引いた結果、電界モード変換装置の変換損
は、０．６ｄＢとなる。このように、ＮＲＤガイド３２
と矩形導波管２５との間における変換損を０．６ｄＢと
極めて小さくできた。これをスロット形平面アンテナと
ＮＲＤガイド形フロントエンドから構成されるミリ波レ
ーダ装置を用いることにより、レーダ装置の小形化と広
帯域化が可能となる。

【００１９】ここで、前記実施形態では本発明をスロッ
ト形平面アンテナに適用したが、図１１に示すように、
上下の各導体板間に設けて導波路を構成するための隔壁
２３Ａ，２４Ａを、ホーン型に形成し、かつその先端を
開放することで、ホーンアンテナを実現することも可能
である。この実施形態の場合でも、ＮＲＤガイド３２
と、導波管構造のホーンアンテナ２Ａとの結合部に電界
モード変換装置４を配設することにより、ＮＲＤガイド
３２とホーン型の導波管を構成する上下の各導体板をそ
れぞれ平行方向に向けることができ、各導体板を一体化
してホーンアンテナ構造のミリ波レーダ装置の薄型化、
小型化が実現できる。

【００２０】また、本発明は、前記したようなアンテナ
に適用することに限られるものではなく、ＮＲＤガイド
を伝送される信号の電界モードと、導波管を伝送される
信号の電界モードとの間で電界モードを変換することが
要求される装置であれば、本発明を適用することが可能
であり、いずれの装置に適用する場合でも、ＮＲＤガイ
ドの上下の導体板と、導波管の上下の導体板を平行に配
置し、さらには両導体板を一体化して装置の薄型化、小
型化が実現できることは言うまでもない。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ＮＲＤガ
イドと矩形導波管との結合部に配設される誘電体板と、
この誘電体板の表面に形成された導体パターンとからな
るモード変換素子を備えており、前記導体パターンは、
前記ＮＲＤガイドでの前記信号の電界方向に沿って延設
された導体パターンと、前記矩形導波管での前記信号の
電界方向に沿って延設された導体パターンとがその一部
において連結されたパターン形状であるので、ＮＲＤガ
イドを伝送される信号の電界方向と、矩形導波管を伝送
される信号の電界方向が直交するようにＮＲＤガイドと
矩形導波管とを結合した場合でも、モード変換素子での
電界モードの変換作用によってＮＲＤガイドと矩形導波
管との間にわたる信号の伝送が実現可能となる。そのた
め、ＮＲＤガイドと矩形導波管とを結合して装置を構成
する場合において、ＮＲＤガイドを構成する上下の導体
板と、矩形導波管の上下の導体板を一体化することが可
能となり、装置の薄型化、小型化、広帯域化が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明をスロット形平面アンテナを用いたミリ
波レーダ装置に適用した実施形態の一部を破断した斜視
図である。

【図２】モード変換素子とＴＥモードサプレッサの構成
を示す斜視図である。

【図３】モード変換素子のモード変換パターンの正面図
である。

【図４】ＴＥモードサプレッサの格子パターンの正面図
である。

【図５】テフロンブロックの長さと透過損の相関を示す
特性図である。

【図６】格子パターン長とＶＳＷＲの相関を示す特性図
である。

【図７】ＴＥモードサプレッサにおけるリターンロスの
特性図である。

【図８】格子パターンが上下縁まである場合のデータの
安定度を示す図である。

【図９】格子パターンが上下縁までない場合のデータの
安定度を示す図である。

【図１０】本実施形態のスロットアンテナにおけるＮＲ
Ｄガイドと導波管の透過損の周波数特性図である。

【図１１】本発明をホーンアンテナに適用した実施形態
の一部の斜視図である。

【図１２】導波管とその電界方向を説明するための図で
ある。

【図１３】ＮＲＤガイドとその電界方向を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１ スロットアンテナ ２ スロット形平面アンテナ ２Ａ ホーンアンテナ ３ ＮＲＤガイド形フロントエンド ４ 電界モード変換装置 ２１，２２ 上下の導体板 ２３，２４ 隔壁 ２５ 矩形導波管 ２６ スロット ３１ ガン発振器 ３２ ＮＲＤガイド ３３ 発振出力部 ３４ ＬＳＭモードサプレッサ ４１ モード変換素子 ４２ ＴＥモードサプレッサ ４３ テフロンブロック ４６ 誘電体板 ４７ モード変換パターン ５１ 誘電体板 ５２ 格子パターン

フロントページの続き (72)発明者 我妻 寿彦 宮城県仙台市泉区鶴が丘４丁目16−20 (72)発明者 大長 敬直 静岡県清水市北脇500番地 株式会社小糸 製作所静岡工場内 Ｆターム(参考） 5J012 CA11

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上下に配置した導体板間に挟まれた誘電
   体ストリップで構成されるＮＲＤガイドと、矩形導波管
   との結合部に配設され、前記ＮＲＤガイドを伝送される
   信号の電界モードと前記矩形導波管を伝送される信号の
   電界モードとを一致させるモード変換素子とを備える電
   界モード変換装置であって、前記ＮＲＤガイドを伝送さ
   れる信号の電界方向と前記矩形導波管を伝送される信号
   の電界方向とが直交するように前記ＮＲＤガイドと矩形
   導波管とが結合され、前記モード変換素子は、前記ＮＲ
   Ｄガイドと矩形導波管との結合部に配設される誘電板
   と、前記誘電体板の表面に形成された導体パターンとを
   備え、前記導体パターンは、前記ＮＲＤガイドでの前記
   信号の電界方向に沿って延設された導体パターンと、前
   記矩形導波管での前記信号の電界方向に沿って延設され
   た導体パターンとがその一部において連結されたパター
   ン形状であることを特徴とする電界モード変換装置。
2. 【請求項２】 前記ＮＲＤガイドと前記矩形導波管の結
   合部には、前記ＮＲＤガイドを伝送される信号の電界方
   向に沿って格子間隔が設定された複数の導体薄膜で構成
   される格子パターンを備えるＴＥモードサプレッサが設
   けられることを特徴とする請求項１に記載の電界モード
   変換装置。
3. 【請求項３】 前記ＴＥモードサプレッサは前記ＮＲＤ
   ガイドと前記矩形導波管の結合部に設けられ、前記モー
   ド変換素子は前記モードサプレッサから所定距離離れた
   前記矩形導波管の内部位置に設けられることを特徴とす
   る請求項２に記載の電界モード変換装置。
4. 【請求項４】 前記ＮＲＤガイドの上下の導体板と、前
   記矩形導波管を構成する上下の各導体板とを一体に形成
   したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記
   載の電界モード変換装置。