JP2002290149A - 水平偏波アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 導波路がＴＭモードあるいはＴＥＭモードで
ある場合にも電磁波の送受信を効率的に行うことができ
るとともに小型化および高密度化が可能なスリットアン
テナを提供することである。 【解決手段】 オーバーサイズ同軸導波路の外部導体３
に複数の矩形波状のミアンダ形スリット６が設けられ
る。ミアンダ形スリット６は、複数の垂直スリット部６
１および複数の水平スリット部６２，６３により構成さ
れる。隣接する垂直スリット部６１の端部を接続するよ
うに水平スリット部６２，６３が垂直スリット部６１に
直角に配置される。垂直スリット部６１の長さは管内波
長のほぼ１／２に設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直線偏波アンテナ
に関し、特にスリットアンテナおよびＴＭモードまたは
ＴＥＭモードの給電導波路で構成される進行波形スリッ
トアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、導波路に沿って直線状のスリ
ットを設けることにより導波路から電磁波を徐々に放射
する漏れ波アンテナと呼ばれる技術がある。この漏れ波
アンテナでは、導波路がＴＥモードの場合に直線状のス
リットから直線偏波が放射される。

【０００３】一方、任意のアンテナパターンを成形する
（ビーム成形する）方法として、複数の素子アンテナを
配列し、各素子アンテナに給電する電磁波の振幅と位相
を制御するアレーアンテナの技術がある。

【０００４】一つの基地局アンテナで広い部屋を万遍無
く照らすことができるようにしたり、移動局アンテナで
ビーム追尾を必要としないでも通信を確保するために
は、水平面内で無指向性であるアンテナが望まれる。

【０００５】そこで、本発明者らは、水平面内無指向性
を実現する同軸円筒スロットアレーアンテナを提案して
いる。同軸円筒スロットアレーアンテナは、オーバーサ
イズ同軸導波路の外導体に複数のスロットを設けたアン
テナである。この同軸円筒スロットアレーアンテナは、
マイクロストリップ線路に比べて導波路の誘電体を厚く
できるため低損失である。また、給電波が同軸モードで
あるので、アンテナ軸を垂直に設置することにより、水
平面内無指向性を実現することができる。さらに、スロ
ットの大きさおよび位置を軸方向に制御することによ
り、垂直面内にビーム成形可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の漏れ波アンテナ
では、導波路がＴＥモードの場合に直線状のスリットか
ら直線偏波が放射される。しかしながら、導波路がＴＭ
モードあるいはＴＥＭモードの場合には、導波路に沿っ
た直線状のスリットからは電磁波が放射されない。その
ため、ＴＭモードまたはＴＥＭモードの導波路に直線状
のスリットを設けてもアンテナとして機能しない。

【０００７】また、ＴＥモードの導波路を用いた漏れ波
アンテナでは、電磁波の放射源である磁流の位相が管内
波長にほぼ等しい間隔で揃う。そのため、放射源の高密
度化が図れない。

【０００８】一方、上記の同軸円筒スロットアレーアン
テナのアンテナ軸を垂直に設置した場合、スロットを水
平に設けることにより垂直偏波は容易に得られる。しか
し、給電波がＴＥＭモードであるため、垂直スロットは
励振されない。

【０００９】そこで、本発明者らは、１対のスロットを
ハの字状に配置した斜めスロットペアを提案している。
図１３は斜めスロットペアを示す図である。図１３の斜
めスロットペア７００は、１対の斜めスロット７１０，
７２０により構成される。斜めスロット７１０，７２０
はＴＥＭモード波の給電方向に対してそれぞれ角度αお
よび−α傾斜している。これにより、水平磁流成分に誘
発されて垂直磁流成分も励振される。この場合、垂直偏
波の成分のみが打ち消されるように斜めスロット７１
０，７２０が逆方向に傾けられ、かつ次式のようなスロ
ット間隔Ｄで配置される。

【００１０】 Ｄ／λｇ＝Ｄｃｏｓθ／λ₀ ＋１／２ …（１） ここで、λｇは管内波長、λ₀ は自由空間波長である。
また、ここでは、ＴＥＭモード波の給電方向を垂直方向
（ｚ軸方向）とする。また、垂直方向（ｚ軸方向）から
の仰角をθで表す。このような斜めスロットペア７００
によれば、水平偏波を実現することができる。しかしな
がら、図１３の斜めスロットペア７００においては、全
ての仰角θに関して上記の条件を満たすことはできない
という限界がある。

【００１１】そこで、本発明者らは、垂直スロットの両
端部の同じ側に水平スロットを接続した大括弧形スロッ
トを提案している。図１４は大括弧形スロットを示す図
である。

【００１２】図１４の大括弧型スロット６００は、垂直
スロット６１０および１対の短い水平スロット６２０，
６３０により構成される。垂直スロット６１０は、垂直
方向（ｚ軸方向）に配置される。垂直スロット６１０の
両端部の同じ側に水平スロット６２０，６３０が直角に
接続されている。水平スロット６２０，６３０の間隔
（垂直スロット６１０の長さ）Ｌは、管内波長λｇのほ
ぼ１／２に設定される。ＴＥＭモード波が垂直方向（ｚ
軸方向）に給電されると、水平スロット６２０，６３０
は励振されるが、垂直スロット６１０は励振されない。

【００１３】図１４の大括弧形スロット６００において
は、水平スロット６２０，６３０の間隔Ｌがほぼλｇ／
２に設定されているので、水平スロット６２０，６３０
には逆向き（逆相）の磁流Ｍ₊₁，Ｍ_-1が励振される。こ
れらの磁流Ｍ₊₁，Ｍ_-1は、垂直スロット６１０に同じ向
きの磁流を励振しようとする。また、垂直スロット６１
０の長さＬがほぼλｇ／２であるため、共振が起こりや
すくなる。それにより、垂直スロット６１０に磁流Ｍ₀
が励振される。このような垂直方向の磁流Ｍ₀により効
率的に水平偏波が送受信される。一方、２つの水平スロ
ット６２０，６３０に励振される磁流Ｍ₊₁，Ｍ_-1は逆相
であるため、互いに打ち消し合う。したがって、垂直偏
波の送受信は抑制される。

【００１４】このようにして、図１４の大括弧形スロッ
ト６００を用いると、水平偏波同軸円筒スロットアレー
アンテナを構成することができる。

【００１５】図１４の大括弧形スロット６００において
は、垂直磁流は同軸導波路のＴＭモードあるいはＴＥＭ
モード波により直接励振されないが、逆に垂直磁流が励
振されても給電波への影響が生じにくく、同軸導波路内
での反射が小さいという特徴を有する。

【００１６】ただし、大括弧形スロット６００を用いて
アレーアンテナを構成した場合には、図１３の斜めスロ
ットペア７００を用いた場合と比較して、全てのスロッ
ト６００が同じ方向に揃うため、スロット６００間の相
互結合が大きく、また、その配列分布に影響を受けやす
い。このため、励磁分布の制御においては、この影響を
考慮する必要がある。

【００１７】図１３の斜めスロットペア７００および図
１４の大括弧形スロット６００を比較すると、大括弧形
スロット６００の方が垂直方向および水平方向の占有面
積が小さいことがわかる。そのため、水平偏波アンテナ
の小型化および高密度化が可能となる。

【００１８】しかしながら、水平偏波の送受信を効率的
に行うことができ、さらに小型化および高密度化が可能
な水平偏波アンテナが望まれている。

【００１９】本発明の目的は、導波路がＴＭモードある
いはＴＥＭモードの場合にも電磁波の送受信を効率的に
行うことができるとともに小型化および高密度化が可能
なスリットアンテナを提供することである。

【００２０】本発明の他の目的は、水平偏波の送受信を
効率的に行うことができるとともに小型化および高密度
化が可能なＴＭモードあるいはＴＥＭモードの給電導波
路で構成される進行波形スリットアンテナを提供するこ
とである。

【００２１】

【課題を解決するための手段および発明の効果】第１の
発明に係るアンテナは、電磁波を伝搬する導波路に矩形
波状に蛇行するように延びるスリットが設けられたもの
である。

【００２２】本発明に係るアンテナにおいては、矩形波
状のスリットにおいて導波路中の電磁波の進行方向に垂
直な部分の励振により導波路中の電磁波の進行方向に平
行な部分の励振を誘発し電磁波の進行方向に垂直な偏波
が発生する。

【００２３】したがって、導波路がＴＭモードあるいは
ＴＥＭモードである場合にも、電磁波の送受信を効率的
に行うことができる。

【００２４】この場合、電磁波の進行方向に垂直な部分
による偏波が互いに打ち消されるように各部分の長さを
設定することにより、直線偏波を効率的に発生すること
ができる。

【００２５】スリットは、導波路中の電磁波の進行方向
に垂直な方向および平行な方向に間隔を隔てて配置され
かつ電磁波の進行方向に平行に延びる複数の第１のスリ
ット部と、導波路中の電磁波の進行方向に間隔を隔てて
配置されかつ各第１のスリット部の端部と他の第１のス
リット部の端部とに接続されるように第１のスリット部
に対して直角に延びる複数の第２のスリット部とを有
し、複数の第２のスリット部の励振により複数の第１の
スリット部の励振を誘発し電磁波の進行方向と垂直な第
１の偏波が発生するとともに複数の第２のスリット部に
よる第２の偏波が打ち消されるように複数の第１のスリ
ット部の長さが設定されてもよい。

【００２６】この場合、スリットの第２のスリット部の
励振により第１のスリット部の励振を誘発し電磁波の進
行方向に垂直な第１の偏波が発生するとともに、複数の
第２のスリット部による第２の偏波が互いに打ち消され
る。それにより、第１の偏波のみの直線偏波を効率的に
発生することができる。

【００２７】複数の第１のスリット部の長さは、管内波
長のほぼ２分の１であることが好ましい。それにより、
複数の第２のスリット部の励振により発生する第２の偏
波が十分に打ち消されるとともに、第１のスリット部が
共振しやすくなる。したがって、直線偏波を効率的に発
生することができる。また、管内波長のほぼ２分の１間
隔の各第１のスリット部には同相の磁流が励振されるた
め、放射源が高密度に分布する。それにより、グレーテ
ィングローブが抑制される。また、小型化および高密度
化が図られる。

【００２８】第２の発明に係るアンテナは、端部および
外周面を有する内部導体と、内部導体の端部上および外
周面上に形成された誘電体と、誘電体を介して内部導体
の端部上に形成された端部領域および誘電体を介して内
部導体の外周面上に形成された外周部領域を有する外部
導体と、外部導体の端部領域および内部導体の端部の各
中心から外部導体と内部導体との間の誘電体に給電する
給電部とを備え、内部導体の端部と外部導体の端部領域
との間の誘電体が所定の管内波長の電磁波を伝搬する半
径方向導波路を形成し、内部導体の外周面と外部導体の
外周部領域との間の誘電体が管内波長の電磁波を伝搬す
る同軸導波路を形成し、外部導体の外周部領域に一端部
から他端部に延びる複数の矩形波状のスリットが設けら
れたものである。

【００２９】本発明に係るアンテナにおいては、矩形波
状の各スリットにおいて、同軸導波路の軸方向に垂直な
部分の励振により同軸導波路の軸方向に平行な部分の励
振を誘発し同軸導波路の軸方向に垂直な偏波が発生す
る。この場合、同軸導波路の軸方向に垂直な部分による
偏波が互いに打ち消されるように各スリットの各部分の
長さを設定することにより、水平偏波を効率的に発生す
ることができる。このようにして、ＴＥＭモードの給電
導波路で構成される進行波形スリットアレーアンテナが
構成されるので、水平面内無指向性の水平偏波アンテナ
が実現する。

【００３０】また、各スリットが矩形波状に形成されて
いるので、同軸導波路の周方向において、各スリットの
占有面積が小さくなる。それにより、水平偏波アンテナ
の周方向の小型化および高密度化が図られる。

【００３１】複数のスリットの各々は、同軸導波路の周
方向および軸方向に間隔を隔てて配置されかつ同軸導波
路の軸方向に平行に延びる複数の第１のスリット部と、
同軸導波路の軸方向に間隔を隔てて配置されかつ各第１
のスリット部の端部と他の第１のスリット部の端部とに
接続されるように第１のスリット部に対して直角に延び
る複数の第２のスリット部とを有し、複数の第２のスリ
ット部の励振により複数の第１のスリット部の励振を誘
発し同軸導波路の軸方向と垂直な第１の偏波が発生する
とともに複数の第２のスリット部による第２の偏波が打
ち消されるように複数の第１のスリット部の長さが設定
されてもよい。

【００３２】この場合、各スリットの第２のスリット部
の励振により第１のスリット部の励振を誘発し同軸導波
路の軸方向に垂直な第１の偏波が発生するとともに、複
数の第２のスリット部による第２の偏波が互いに打ち消
される。それにより、水平偏波を効率的に発生すること
ができる。

【００３３】複数の第１のスリット部の長さは、管内波
長のほぼ２分の１であることが好ましい。それにより、
複数の第２のスリット部の励振により発生する第２の偏
波が十分に打ち消される。したがって、水平偏波を効率
的に発生することができる。

【００３４】隣接するスリットにおける第２のスリット
部が、同軸導波路の軸方向における同じ位置に配置され
ることが好ましい。それにより、各スリットの第１のス
リット部の励振により発生される第１の偏波が同相で励
振される。したがって、水平偏波を効率的に発生するこ
とができる。

【００３５】

【発明の実施の形態】図１（ａ），（ｂ）は本発明の一
実施の形態における水平偏波アンテナのそれぞれ縦断面
図および外観図である。図１の水平偏波アンテナは水平
偏波同軸円筒スリットアレーアンテナである。

【００３６】図１において、内部導体１は、円柱状の銅
等により形成され、１対の円形状端面および外周面を有
する。内部導体１の１対の円形状端面および外周面はフ
ッ素樹脂等の誘電体２により被覆されている。この誘電
体２は、内部導体１の円形状端面に接する円盤部と、内
部導体１の外周面に接する円筒部とを有する。

【００３７】誘電体２の外面は外部導体３により被覆さ
れている。この外部導体３は、誘電体２を介して内部導
体１の１対の円形状端面に対向する円盤部と、誘電体２
を介して内部導体１の外周面に対向する円筒部とを有す
る。

【００３８】外部導体３の外周面には、後述する複数の
スリット６が形成されている。内部導体１の円形状端面
および外部導体３の円盤部の各中心には同軸線路７，８
がそれぞれ接続されている。矢印１０で示すように一方
の同軸線路７から給電が行われる。他方の同軸線路８の
端部には終端素子９が取り付けられている。

【００３９】内部導体１および外部導体３の中心軸がア
ンテナ軸となる。以下の説明では、水平偏波アンテナの
アンテナ軸を垂直方向（ｚ軸方向）に配置するものとす
る。

【００４０】図１の水平偏波アンテナにおいては、誘電
体２の円盤部の中心から給電された電磁波が誘電体２の
円盤部を半径方向の外側に向かって進行することにより
ラジアル導波路５が形成される。また、電磁波がこのラ
ジアル導波路５を経由して円筒部に到達すると、円筒部
を他方の円盤部に向かって進行することによりオーバー
サイズ同軸導波路４が形成される。

【００４１】電磁波がオーバーサイズ同軸導波路４を伝
搬する過程で外部導体３に形成された複数のスリット６
から外部へ電磁波が放射される。複数のスリット６は周
方向に所定間隔で配置されている。そのため、各スリッ
ト６からの放射電波による電界および磁界の強度分布は
周方向にほぼ均一となる。

【００４２】なお、水平偏波アンテナの送受信の可逆性
により、外部導体３のスリット６が電磁波を受けた場合
には、逆のプロセスで受信が行われる。

【００４３】図１（ａ）において、オーバーサイズ同軸
導波路４の長さをＬ０で表し、外径をＲ１で表し、内径
をＲ２で表す。また、図１（ｂ）において、垂直方向
（ｚ軸方向）からの仰角をθで表し、方位角をφで表
す。

【００４４】図２は図１の水平偏波アンテナに形成され
るスリットの配列パターンを示す展開図である。

【００４５】図２のスリット６をミアンダ形（蛇行状）
スリットと呼ぶ。各ミアンダ形スリット６は矩形波状に
形成されている。図２の例では、複数のミアンダ形スリ
ット６が図１の外部導体３の円筒部の一端部から他端部
に延びかつ周方向に一定間隔で配列される。

【００４６】図３は本発明の原理を説明するための図で
あり、（ａ）は大括弧形スロットの向きと垂直磁流の向
きとの関係を示し、（ｂ）は複数の大括弧形スロットの
組み合わせと垂直磁流との関係を示し、（ｃ）はミアン
ダ形スリットを示す。

【００４７】図３（ａ）において、左側の大括弧形スロ
ット６００を大括弧開く形スロットと呼び、右側の大括
弧形スロット６００を大括弧閉じる形スロットと呼ぶ。
図３（ａ）に示すように、大括弧形スロット６００にお
いては、大括弧の向きによって励振される垂直磁流の向
きが異なる。左側の大括弧開く形スロットでは、垂直ス
ロット６１０に下向きの磁流Ｍ₀ が励振される。一方、
右側の大括弧閉じる形スロットでは、垂直スロット６１
０に上向きの磁流Ｍ₀ が励振される。

【００４８】そこで、図３（ｂ）に示すように、大括弧
開く形スロットと大括弧閉じるスロットとをｚ軸方向に
管内波長λｇのほぼ１／２ずらして配置する。これによ
り、各大括弧形スロットの６００の垂直スロット６１０
を同じ向きに励振することが可能となる。

【００４９】このような配置方法においては、同じ向き
の大括弧形スロットのみを配置した場合に比べ、ｚ軸方
向における大括弧形スロット６００の間隔（素子間隔）
が半分になる。その結果、素子間隔が大きくなることに
より発生するグレーティングローブを抑制することがで
きる。

【００５０】このように、複数の大括弧形スロット６０
０を交互に逆向きに配置することにより、水平偏波を実
現することができる。しかしながら、図３（ｂ）の配置
によれば、大括弧形スロット６００が本来有しているか
横方向（ｚ軸方法に垂直な方向）の占有面積が小さくな
るという長所を生かせなくなる。図３（ｃ）に示すミア
ンダ形スリット６では、横方向の占有面積を小さくする
ことができる。

【００５１】この場合、垂直スリット部６１の長さが管
内波長λｇのほぼ２分の１となるので、後述するよう
に、通常の直線状のスリットに比べ放射源が高密度に分
布する。それにより、直線偏波を効率的に発生すること
ができるとともに、グレーティングローブが抑制され
る。

【００５２】ここで、大括弧形スロット６００の中心線
で測定される水平スロット６２０，６３０の間隔（垂直
スロット６１０の長さ）をＬとし、垂直スロット６１０
の幅をｗとし、水平スロット６２０，６３０の長さをｓ
とし、水平スロット６２０，６３０の幅をｗ’と定義す
る。

【００５３】図３（ｃ）において、ミアンダ形スリット
６は、複数の垂直スリット部６１および複数の短い水平
スリット部６２，６３により構成される。複数の垂直ス
リット部６１は、垂直方向（ｚ軸方向）に延びるように
配置され、かつ交互に水平方向に間隔を隔てて配置され
る。隣接する垂直スリット部６１の端部を接続するよう
に水平スリット部６２，６３が垂直スリット部６１に対
して直角に配置されている。

【００５４】垂直スリット部６１の長さはＬであり、垂
直スリット部６１の幅はｗであり、水平スリット部６
２，６３の長さはｓであり、水平スリット部６２，６３
の幅はｗ’である。垂直スリット部６１の長さＬは、管
内波長λｇのほぼ１／２に設定される。

【００５５】図１５は本発明のアンテナによるグレーテ
ィングローブの抑制効果を説明するための図であり、
（ａ）はＴＥモードの導波路に沿った直線状のスリット
における磁流を示し、（ｂ）はＴＭモードまたはＴＥＭ
モードの導波路に沿ったミアンダ形スリットにおける磁
流を示す。

【００５６】図１５（ａ）に示すように、直線状のスリ
ット８００においては、管内波長λｇの間隔で同相の磁
流が励振される。図１５（ｂ）に示すように、ミアンダ
形スリット６においては、管内波長λｇの２分の１の間
隔で垂直スリット部６１に同相の磁流が励振される。そ
のため、ミアンダ形スリット６においては、直線状のス
リット８００に比べて、放射源が高密度に分布する。そ
れにより、グレーティングローブが抑制される。

【００５７】（Ａ）定式化 ここで、図３（ｃ）のミアンダ形スリット６を図３
（ｂ）の大括弧形スロット６００の重ね合わせと考え、
水平偏波および垂直偏波を一般化して定式化を行う。

【００５８】図３（ｂ）の大括弧形スロット６００にお
いて、水平偏波Ｅ_H を送受信する垂直磁流は、水平スロ
ット６２０，６３０に励振される磁流Ｍ₊₁，Ｍ_-1の逆相
成分により励振されると考えられる。また、垂直偏波Ｅ
_V は水平スロット６２０，６３０に生じる励振の同相成
分により送受信される。水平偏波Ｅ_H および垂直偏波Ｅ
_V は次式（２），（３）によりそれぞれ表される。

【００５９】 Ｅ_H ∝Ｍ_-1ｅｘｐ（−ｊｋ（ｚ−Ｌ／２））−Ｍ₊₁ｅｘｐ（−ｊｋ（ｚ＋Ｌ／ ２）） …（２） Ｅ_V ∝Ｍ_-1ｅｘｐ（−ｊｋ（ｚ−Ｌ／２））ｅｘｐ（−ｊｋ₀ Ｌ／２ｃｏｓθ ）＋Ｍ₊₁ｅｘｐ（−ｊｋ（ｚ＋Ｌ／２））ｅｘｐ（ｊｋ₀ Ｌ／２ｃｏｓθ） … （３） ここで、Ｍ₊₁およびＭ_-1は水平スロット６２０，６３０
に励振される磁流の大きさを表す。大括弧形スロット６
００では、水平スロット６２０，６３０の長さが等しく
かつ位置もほぼ近いことから、Ｍ_-1＝Ｍ₊₁と考えられ
る。

【００６０】したがって、上式（２），（３）は次式
（４），（５）のように変形することができる。

【００６１】 Ｅ_H ＝ｊＡｅｘｐ（−ｊｋｚ）ｓｉｎ（πＬ／λｇ） …（４） Ｅ_V ＝Ｂｅｘｐ（−ｊｋｚ）ｃｏｓ｛πＬ／（χλｇ）｝ …（５） χ＝１／（−１＋ｃｏｓθ₀ ／√ε_r ） …（６） ここで、ｊは虚数単位を表す。また、θ₀ は主ビーム方
向の仰角である。また、ＡおよびＢは水平スロット６２
０，６３０にそれぞれ励振される磁流によって送受信さ
れる水平偏波および垂直偏波の振幅を表す実数パラメー
タである。

【００６２】上式（４），（５）から水平スロット６２
０，６３０の間隔Ｌおよび仰角θによらず、水平偏波Ｅ
_H は垂直偏波Ｅ_V よりも位相が９０［度］進んでいるこ
とがわかる。

【００６３】一方、図３（ｃ）のミアンダ形スリット６
においては、水平スリット部６２，６３が単独で存在し
ない。ここでは、水平スリット部６２，６３の長さが等
しいと仮定し、Ｍ_-1＝Ｍ₊₁とする。したがって、ミアン
ダ形スリット６においても、上式（２），（３）は上式
（４），（５）のように変形することができる。

【００６４】したがって、図３（ｃ）のミアンダ形スリ
ット６においても、上式（４），（５）から水平スリッ
ト部６２，６３の間隔（垂直スリット部６１の長さ）Ｌ
および仰角θによらず、水平偏波Ｅ_H は垂直偏波Ｅ_V よ
りも位相が９０［度］進んでいることがわかる。

【００６５】（Ｂ）水平偏波条件上式（４），（５）か
ら水平偏波と垂直偏波との位相差は垂直スリット部６１
の長さＬによらず９０［度］であることがわかる。この
ことから、水平偏波および垂直偏波の振幅を等しくする
ことにより円偏波を送受信することがわかる。また、上
式（５），（６）に示すように、垂直偏波は、光路差が
あるため、主ビーム方向の仰角θ₀ の依存性を有する。
主ビーム方向の仰角θ₀ の方向で垂直偏波が０すなわち
水平偏波となる条件は、次式（７）で与えられる。

【００６６】Ｌ＝χλｇ／２ …（７） ブロードサイド方向において水平偏波となる条件は、θ
₀＝９０［度］として次式のようになる。

【００６７】Ｌ＝λｇ／２ …（８） これは、図３（ｂ）の大括弧形スロット６００で用いた
条件と同じである。上式（７）はＬ＝Ｄとすれば、図１
３の斜めスロットペア７００における水平偏波条件の式
（１）と等価になる。

【００６８】（Ｃ）位相制御 図１０はミアンダ形スリット６における磁流および垂直
スリット部６１の座標系を示す図である。図１０（ａ）
において、ミアンダ形スリット６における磁流を矢印で
示す。

【００６９】また、図１０（ａ），（ｂ）に示すよう
に、任意のｉ番目の垂直スリット部６１の長さをＬ_i と
し、ｉ番目の垂直スリット部６１の中心位置の座標をｚ
_i とする。ここで、ｉは１〜ｎの任意の整数である。こ
の場合、水平スリット部６２の座標はｚ_i −Ｌｉ／２と
なり、水平スリット部６３の座標はｚ_i ＋Ｌ_i ／２とな
る。

【００７０】上式（４），（５）から、磁流の励振位相
は垂直スリット部６１の中心位置ｚ _i で決まることがわ
かる。したがって、ｉ番目の素子における磁流の励振位
相は垂直スリット部６１の中心位置ｚ_i により制御す
る。等間隔アレーの場合、ｉ番目の素子における磁流の
励振位相をψ_i とすると、垂直スリット部６１の中心位
置ｚ_i は、励振位相ψ_i と、等間隔アレーでなくなるた
めに生じる光路長の変化とを考慮して、次式（９）によ
り与えられる。

【００７１】 ｚ_i −ｚ_i-1 ＝χλｇ（１＋（ψ_i −ψ_i-1 ）／２π−χ） …（９） （Ｄ）振幅制御 垂直偏波の送受信の割合（振幅）を表す実数パラメータ
Ｂは、水平スリット部６２，６３の長さｓおよび幅ｗ’
に依存すると考えられる。また、水平偏波の送受信の割
合（振幅）を表す実数パラメータＡは、垂直スロット部
６１の長さＬおよび幅ｗに依存するとともに、垂直スロ
ット部６１を起動する水平磁流（垂直偏波）の実数パラ
メータＢすなわち水平スリット部６２，６３の長さｓお
よび幅ｗ’にも依存すると考えられる。このように、水
平偏波は、垂直スリット部６１の長さＬおよび幅ｗなら
びに水平スリット部６２，６３の長さｓおよび幅ｗ’に
より変化する。

【００７２】（Ｅ）スリットの拘束条件 ミアンダ形スリット６の場合には、大括弧形スロット６
００の場合と異なり、垂直スロット部６１の中心位置ｚ
_i と垂直スリット部６１の長さＬ_i とが次式（１０）の
関係を有する。

【００７３】 （Ｌ_i-1 ＋Ｌ_i ）／２＝ｚ_i −ｚ_i-1 …（１０） したがって、位相制御のために素子位置（垂直スロット
部６１の中心位置）ｚ _i が決まると、垂直スロット部６
１の長さＬを自由に選ぶことができない。ゆえに、水平
偏波の条件式（７）を満足するためにや、振幅制御のた
めに、垂直スロット部６１の長さＬを自由に選択するこ
とができない。また、水平スリット部６２，６３は、そ
の両側の垂直スロット部６１の励振振幅に影響を与える
ため、水平スリット部６２，６３の長さｓおよび幅ｗ’
により独立に水平偏波を制御することは難しい。そのた
め、振幅制御は、垂直スロット部６１の幅ｗにより行う
ことが望ましい。

【００７４】なお、上式（１０）により、垂直スロット
部６１の長さＬ_i は一義的に決定されない。垂直スリッ
ト部６１の長さＬ_i をほぼ均一にするためには、垂直ス
リット部６１の長さＬ_i を次式（１１）により与えられ
る垂直スリット部６１の長さの平均値Ｌ_avに近い値に選
ぶことが望ましい。

【００７５】 Ｌ_av＝（ｚ_n −ｚ₁ ）／（ｎ−１） …（１１） （Ｆ）ビーム成形 以上をまとめると、ミアンダ形スリット６を用いた垂直
面内ビームの成形は、図１１に示す手順で行われる。ま
ず、垂直面内成形ビームＥ（θ）の主ビーム方向の仰角
θ₀ から上式（６）に従ってχの値を計算する。

【００７６】次に、垂直面内成形ビームＥ（θ）から計
算される磁流の励振位相ψ_i の分布から上記のχの値を
上式（９）に代入することにより、垂直スリット部６１
の中心位置ｚ_i の分布を決定する。

【００７７】さらに、上式（１１）を考慮しながら上式
（１０）を用いて垂直スリット部６１の長さＬ_i の分布
を求める。

【００７８】一方、垂直面内成形ビームＥ（θ）におけ
る励振振幅Ｐ_i の分布からスリット６の結合率γ_i の分
布を求める。なお、結合率γ_i は、１管内波長当たりの
スリットの電磁放射の割合を表す。

【００７９】そして、結合率γ_i の最小値γ_min および
最大値γ_max を実現できるように、Ｂ（ｓ，ｗ’）の関
係から、水平スリット部６２，６３の長さｓおよび幅
ｗ’を定める。さらに、Ａ（Ｌ，ｗ，ｓ，ｗ’）の関係
から、垂直スリット部６１の長さＬ_i および結合率γ_i
の分布を用いて必要な垂直スリット部６１の幅ｗ_i を求
める。

【００８０】ここで、Ａ（Ｌ，ｗ，ｓ，ｗ’）は、実数
パラメータＡが垂直スロット部６１の長さＬおよび幅ｗ
ならびに水平スリット部６２，６３の長さｓおよび幅
ｗ’に依存することを意味する。また、Ｂ（ｓ，ｗ’）
は、実数パラメータＢが水平スリット部６２，６３の長
さｓおよび幅ｗ’に依存することを意味する。

【００８１】

【実施例】実施例として、図１の外部導体３に図３
（ｃ）に示した複数のミアンダ形スリット６を軸の周り
に２０本等間隔に配列した水平偏波同軸円筒アレーアン
テナを試作し、設計周波数１５ＧＨｚで指向性を測定し
た。図１の水平偏波アンテナにおいて、オーバーサイズ
同軸導波路４の外径Ｒ１は２４ｍｍであり、内径Ｒ２は
２０ｍｍであり、長さＬ０は約２８０ｍｍである。誘電
体２の比誘電率ε_r は約２．２である。

【００８２】比較例１として、外部導体３に図１３に示
した複数の斜めスロットペア７００の並びを軸の周りに
２０本等間隔に配列した同軸円筒アレーアンテナを試作
した。また、比較例２として、外部導体３に図３（ｂ）
に示した大括弧開く形スロットおよび大括弧閉じる形ス
ロットの並びを軸の周りに等間隔に２０本配列した同軸
円筒アレーアンテナを試作した。さらに、比較例３とし
て、外部導体３に複数の直線状のスリットを軸の周りに
等間隔に２０本配列した同軸円筒アレーアンテナを試作
した。

【００８３】ミアンダ形スリット６における垂直スリッ
ト部６１の長さＬは管内波長の１／２である６．７９ｍ
ｍ、幅ｗは０．６ｍｍであり、水平スリット部６２，６
３の長さｓは２．０ｍｍ、幅ｗ’は０．６ｍｍである。
斜めスロットペア７００における斜めスロット７１０，
７２０の長さＬは６．０ｍｍ、幅ｗは０．６ｍｍであ
り、角度αは４５［度］である。大括弧形スロット６０
０における垂直スロット６１０の長さＬは６．７９ｍ
ｍ、幅ｗは０．６ｍｍであり、水平スロット６２０，６
３０の長さｓは２．０ｍｍ、幅ｗ’は０．６ｍｍであ
る。直線状スリットの幅は０．６ｍｍである。

【００８４】図４は斜めスロットペアを用いたアレーア
ンテナの垂直面内指向性を示す図である。図５は大括弧
開く形スロットおよび大括弧閉じる形スロットを用いた
アレーアンテナの垂直面内指向性を示す図である。図６
は直線状のスリットを用いたアレーアンテナの垂直面内
指向性を示す図である。図７はミアンダ形スリットを用
いたアレーアンテナの垂直面内指向性を示す図である。
図４〜図７において、横軸は仰角θを表し、縦軸は利得
を表す。また、実線は水平偏波を表し、破線は垂直偏波
を表す。

【００８５】図５に示すように、大括弧形スロット６０
０を交互に逆向きに配列したアレーアンテナにより水平
偏波を得ることができる。また、図４および図５の比較
から、大括弧形スロット６００を用いたアレーアンテナ
では、斜めスロットペア７００を用いたアレーアンテナ
に比べて交差偏波識別度（水平偏波と垂直偏波とのレベ
ル差）が良好になることがわかる。

【００８６】図６に示すように、直線状のスリットを用
いたアレーアンテナでは、水平偏波のレベルが垂直偏波
のレベルと等しくなっている。このことより、直線状の
垂直なスリットは効率的に励振されないことが確認でき
る。

【００８７】図７に示すように、ミアンダ形スリット６
を用いたアレーアンテナでは、水平偏波が実現され、主
ビームがブロードサイド方向に向いていることがわか
る。このミアンダ形スリット６は、図３（ｂ）の大括弧
形スロット６００の水平スロット６２０，６３０を重ね
て接続した形状となっているので、大括弧形スロット６
００と同様に、水平スリット部６２，６３が垂直スリッ
ト部６１の励振を起動していると考えられる。

【００８８】図４および図７を比較すると、ミアンダ形
スリット６を用いた場合には、斜めスロットペア７００
を用いた場合に比べて、良好な交差偏波識別度が確保さ
れていることがわかる。

【００８９】次に、円筒面走査近傍界測定法の理論に従
って、完全な水平面内無指向性の仮定のもと、遠方界指
向性より円筒面近傍の等価磁流開口面分布を計算した結
果を図８および図９に示す。図８は大括弧開く形スロッ
トおよび大括弧閉じる形スロットを用いたアレーアンテ
ナの円筒面近傍の等価磁流開口面分布を示す図である。
図９はミアンダ形スリットを用いたアレーアンテナの円
筒面近傍の等価磁流開口面分布を示す図である。

【００９０】図８および図９において、給電部は横軸の
負の側に位置する。横軸はｚ軸方向の位置を表し、縦軸
は振幅および位相を表す。実線は垂直磁流Ｍ_V を表し、
破線は水平磁流Ｍ_H を表す。また、太線は振幅を表し、
細線は位相を表す。

【００９１】図８および図９から、大括弧形スロット６
００を用いたアレーアンテナの場合にも、ミアンダ形ス
リット６を用いたアレーアンテナの場合にも、ほぼ均一
な開口面分布が実現されていることがわかる。

【００９２】また、ミアンダ形スリット６を用いたアレ
ーアンテナでは、交差偏波を送受信する等価的水平磁流
の振幅が大括弧形スロット６００を用いたアレーアンテ
ナよりも約１５ｄＢ大きいことがわかる。

【００９３】振幅と位相分布の傾きから、単位構造当た
りの結合率γと等価的な管内波長λｇ’を計算した結果
をリターンロスの測定値とともに表１に示す。

【００９４】

【表１】

【００９５】表１の結果から、水平スリット部６２，６
３（水平スロット６２０，６３０）の長さｓおよび幅ｗ
が等しい場合、ミアンダ形スリット６の方が大括弧形ス
ロット６００に比べて結合率γが小さくなることがわか
る。

【００９６】以上のように、ミアンダ形スリット６を用
いることにより、同軸円筒アレーアンテナが水平偏波を
送受信できることを実験により確認した。この構造によ
り、周方向のスリットの占有面積を減少させることがで
き、スリットの配列の高密度化およびスロットとの同時
配列などの応用が可能となる。

【００９７】垂直面内ビーム成形においては、垂直スリ
ット部６１の中心位置よりその励振位相が制御される。
また、励振振幅は、垂直スリット部６１の幅ｗにより制
御することが適当であると考えられる。

【００９８】なお、本発明に係る円偏波アンテナの形状
は図１に示した形状に限定されない。図１２は本発明の
他の実施の形態における水平偏波アンテナの縦断面図で
ある。図１２の水平偏波アンテナは水平偏波同軸円筒ス
リットアレーアンテナである。

【００９９】図１２の例では、内部導体１は、１対の円
錐状端部および外周面を有する。内部導体１の１対の円
錐状端部および外周面は誘電体２により被覆されてい
る。この誘電体２は、内部導体１の円錐状端部に接する
円錐状端部と、内部導体１の外周面に接する円筒部とを
有する。

【０１００】誘電体２の外面は外部導体３により被覆さ
れている。この外部導体３は、誘電体２を介して内部導
体１の１対の円錐状端部上に位置する円錐状端部と、誘
電体２を介して内部導体１の外周面上に位置する円筒部
とを有する。

【０１０１】外部導体３の外周面には、図１の水平偏波
アンテナと同様の複数のスリット６が形成されている。
内部導体１の円錐状端部および外部導体３の円錐状端部
の各中心には同軸線路７，８がそれぞれ接続されてい
る。

【０１０２】図１２の水平偏波アンテナにおいても、図
１の水平偏波アンテナと同様に、水平偏波を効率的に発
生することができるとともに、周方向に小型化および高
密度化を図ることができる。

【０１０３】なお、上記実施の形態の水平偏波アンテナ
では、内部導体１、誘電体２および外部導体３の断面を
円形としているが、内部導体１、誘電体２および外部導
体３の断面を楕円形としてもよい。この場合にも、水平
偏波を効率的に発生することができるとともに、周方向
に小型化および高密度化を図ることができる。

【０１０４】また、上記実施の形態では、同軸導波路で
構成される進行波形スリットアレーアンテナについて説
明しているが、導波路は同軸導波路に限定されず、ミア
ンダ形スリットの数は複数に限定されない。例えば、同
軸導波路以外の導波路に１つのミアンダ形スリット６を
設けてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態における水平偏波アンテ
ナの縦断面図および外観図である。

【図２】図１の水平偏波アンテナに形成されるスリット
の配列パターンを示す展開図である。

【図３】大括弧形スロットの向きと垂直磁流の向きとの
関係、大括弧開く形スロットおよび大括弧閉じる形スロ
ットの組み合わせと垂直磁流との関係およびミアンダ形
スリットを示す図である。

【図４】斜めスロットペアを用いたアレーアンテナの垂
直面内指向性を示す図である。

【図５】大括弧開く形スロットおよび大括弧閉じる形ス
ロットを用いたアレーアンテナの垂直面内指向性を示す
図である。

【図６】直線状のスリットを用いたアレーアンテナの垂
直面内指向性を示す図である。

【図７】ミアンダ形スリットを用いたアレーアンテナの
垂直面内指向性を示す図である。

【図８】大括弧開く形スロットおよび大括弧閉じる形ス
ロットを用いたアレーアンテナの円筒面近傍の等価磁流
開口面分布を示す図である。

【図９】ミアンダ形スリットを用いたアレーアンテナの
円筒面近傍の等価磁流開口面分布を示す図である。

【図１０】ミアンダ形スリットにおける磁流および垂直
スリット部の座標系を示す図である。

【図１１】垂直面内ビーム成形の制御手順を示す図であ
る。

【図１２】本発明の他の実施の形態における水平偏波ア
ンテナの縦断面図である。

【図１３】斜めスロットペアを示す図である。

【図１４】大括弧形スロットを示す図である。

【図１５】本発明のアンテナによるグレーティングロー
ブの抑制効果を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 内部導体 ２ 誘電体 ３ 外部導体 ４ オーバーサイズ同軸導波路 ５ ラジアル導波路 ６ ミアンダ形スリット ７，８ 同軸線路 ９ 終端素子 ６１ 垂直スリット部 ６２，６３ 水平スリット部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 飯草 恭一 京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２ 株式会社エイ・ティ・アール環境適応通信 研究所内 (72)発明者 大平 孝 京都府相楽郡精華町光台二丁目２番地２ 株式会社エイ・ティ・アール環境適応通信 研究所内 Ｆターム(参考） 5J021 AA05 AA10 AA11 AB05 CA01 GA05 GA07 GA08 HA10 JA07 5J045 AA14 AA22 AB05 BA01 CA02 DA11 FA05 GA03 HA06 NA01

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電磁波を伝搬する導波路に矩形波状に蛇
   行するように延びるスリットが設けられたことを特徴と
   するアンテナ。
2. 【請求項２】 前記スリットは、 前記導波路中の電磁波の進行方向に垂直な方向および平
   行な方向に間隔を隔てて配置されかつ前記電磁波の進行
   方向に平行に延びる複数の第１のスリット部と、 前記導波路中の電磁波の進行方向に間隔を隔てて配置さ
   れかつ各第１のスリット部の端部と他の第１のスリット
   部の端部とに接続されるように第１のスリット部に対し
   て直角に延びる複数の第２のスリット部とを有し、 前記複数の第２のスリット部の励振により前記複数の第
   １のスリット部の励振を誘発し前記電磁波の進行方向と
   垂直な第１の偏波が発生するとともに前記複数の第２の
   スリット部による第２の偏波が打ち消されるように前記
   複数の第１のスリット部の長さが設定されたことを特徴
   とする請求項１記載のアンテナ。
3. 【請求項３】 前記複数の第１のスリット部の長さは、
   管内波長のほぼ２分の１であることを特徴とする請求項
   ２記載のアンテナ。
4. 【請求項４】 端部および外周面を有する内部導体と、 前記内部導体の前記端部上および前記外周面上に形成さ
   れた誘電体と、 前記誘電体を介して前記内部導体の前記端部上に形成さ
   れた端部領域および前記誘電体を介して前記内部導体の
   外周面上に形成された外周部領域を有する外部導体と、 前記外部導体の前記端部領域および前記内部導体の前記
   端部の各中心から前記外部導体と前記内部導体との間の
   前記誘電体に給電する給電部とを備え、 前記内部導体の端部と前記外部導体の前記端部領域との
   間の前記誘電体が所定の管内波長の電磁波を伝搬する半
   径方向導波路を形成し、前記内部導体の前記外周面と前
   記外部導体の前記外周部領域との間の前記誘電体が前記
   管内波長の電磁波を伝搬する同軸導波路を形成し、 前記外部導体の前記外周部領域に一端部から他端部に延
   びる複数の矩形波状のスリットが設けられたことを特徴
   とするアンテナ。
5. 【請求項５】 前記複数のスリットの各々は、 前記同軸導波路の周方向および軸方向に間隔を隔てて配
   置されかつ前記同軸導波路の軸方向に平行に延びる複数
   の第１のスリット部と、 前記同軸導波路の軸方向に間隔を隔てて配置されかつ各
   第１のスリット部の端部と他の第１のスリット部の端部
   とに接続されるように第１のスリット部に対して直角に
   延びる複数の第２のスリット部とを有し、 前記複数の第２のスリット部の励振により前記複数の第
   １のスリット部の励振を誘発し前記同軸導波路の軸方向
   と垂直な第１の偏波が発生するとともに前記複数の第２
   のスリット部による第２の偏波が打ち消されるように前
   記複数の第１のスリット部の長さが設定されたことを特
   徴とする請求項４記載のアンテナ。
6. 【請求項６】 前記複数の第１のスリット部の長さは、
   前記管内波長のほぼ２分の１であることを特徴とする請
   求項５記載のアンテナ。
7. 【請求項７】 互いに隣接するスリットにおける前記複
   数の第２のスリット部は、前記同軸導波路の軸方向にお
   いて同じ位置に配置されたことを特徴とする請求項５ま
   たは６記載のアンテナ。