JP2002299951A - 漏れ波アンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電磁波を伝送する偏平な伝送路の表面から電
磁波を漏出させる漏れ波アンテナを広帯域化する。 【解決手段】 地板導体２１の一面側に配置された誘電
体基板２２によって一端側から他端側へ電磁波を伝送す
る略偏平な伝送路が形成され、その伝送路を形成する誘
電体基板２２の表面２２ａに電磁波を漏出させるための
装荷体としての複数の金属ストリップ２３が伝送路の電
磁波伝送方向に間隔をあけて平行に装荷され、給電部２
４によって伝送路の一端側から電磁波を給電するように
構成された誘電体漏れ波アンテナ２０において、漏出波
のビーム特性を決定する金属ストリップ２３の間隔ｄ、
幅ｓ、伝送路の厚さｔを、所定公比の等比数列にしたが
って伝送路の一端側から他端側へ順次増加するように設
定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁波を伝送する
偏平な伝送路の表面から電磁波を漏出させる漏れ波アン
テナを広帯域化するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】漏れ波アンテナは、一般的に、電磁波を
一端側から他端側へ伝送する伝送路の表面に所定の間隔
で金属ストリップやスロットを平行に装荷して、伝送路
内の電磁波を表面から漏出させている。

【０００３】このような漏れ波アンテナとしては、平行
平板伝送路を用いたもの、導波管を伝送路として用いた
もの等の他に、誘電体基板を伝送路として用いたものが
ある。

【０００４】図１０は、この誘電体を伝送路として用い
た従来の誘電体漏れ波アンテナ１０の構造を示してい
る。

【０００５】この誘電体漏れ波アンテナ１０は、金属の
地板導体１１と、この地板導体１１上に重ね合わせるよ
うに配置され、電磁波を一端側から他端側へ伝送する誘
電体伝送路を形成する一定厚さの誘電体基板１２と、誘
電体基板１２の表面に誘電体伝送路の電磁波の伝送方向
に一定間隔ｄをあけて平行に装荷され、誘電体基板１２
の表面から電磁波を漏出させる所定幅ｓの複数の金属ス
トリップ１３とを有しており、図示しない給電部から誘
電体基板１２の一端側に電磁波を給電して、その表面か
ら放射する。

【０００６】このような構造の誘電体漏れ波アンテナ１
０は、ミリ波帯あるいは準ミリ波帯で他の構造のアンテ
ナに比べて損失が非常に少なく、ミリ波帯や準ミリ波帯
を用いた車載レーダ、車車間通信、高速無線アクセス等
に有効である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記誘
電体漏れ波アンテナや他の漏れ波アンテナでは、一般的
な進行波アンテナと同様に、周波数の変化に対して指向
性が変化するビームシフト現象が発生する。

【０００８】即ち、前記した誘電体漏れ波アンテナ１０
の主ビームの方向は、 φ＝ｓｉｎ^−１［（λ_０／λ_ｇ）−（λ_０／ｄ）］ ……（１） で表され、その漏出量は金属ストリップ１３の幅ｓが大
きい程大となることが知られている。また、この種のア
ンテナでは、線路内の電磁波は放射しながら伝送するた
め、漏出量は、金属ストリップ１３の給電端から距離が
大きいほど小さくなる。

【０００９】ここで、λ_０は自由空間波長で、光速ｃを
周波数ｆで除算した値である。また、λ_ｇは伝送路内波
長で自由空間波長λ_０と誘電体基板１２によって決ま
り、誘電体基板１２が形成する伝送路がその伝送方向に
ついて均一であれば、自由空間波長λ_０の変化に応じて
変化するので、式（１）のλ_０／λ_ｇの値は、周波数ｆ
の変化に対して緩やかに変化する。

【００１０】これに対し、式（１）のλ_０／ｄの値は、
金属ストリップ１３の間隔ｄが一定であれば、周波数ｆ
に反比例（波長に比例）して変化する。

【００１１】したがって、この誘電体漏れ波アンテナ１
０で周波数をｆａからｆｂに変化させると、図１１に示
しているように、その主ビーム方向はφａからφｂに変
化してしまい、前記した車載レーダのように単一周波数
の場合には問題ないが、送受信で異なる周波数を使う通
信や広帯域の通信を行う場合には、周波数によって利得
が大きく変化するという問題があった。

【００１２】このビームシフトの問題は、上記誘電体漏
れ波アンテナだけでなく、他の漏れ波アンテナでも同様
に発生する。

【００１３】本発明は、この問題を解決して広帯域な漏
れ波アンテナを提供することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の漏れ波アンテナは、一端側から
他端側へ電磁波を伝送する略偏平な伝送路と、前記伝送
路の一端側に電磁波を給電する給電部と、前記伝送路の
表面に該伝送路の電磁波伝送方向に間隔をあけて平行に
装荷され、前記伝送路内の電磁波を前記表面から漏出さ
せる複数の装荷体とを有する漏れ波アンテナにおいて、
前記漏出波のビーム特性を決定する前記装荷体の間隔、
前記装荷体の幅、前記伝送路の厚さのうち、少なくとも
前記装荷体の間隔が、所定公比の等比数列にしたがって
前記伝送路の一端側から他端側へ順次変化するように設
定されていることを特徴としている。

【００１５】また、本発明の請求項２の漏れ波アンテナ
は、請求項１の漏れ波アンテナにおいて、前記伝送路
は、地板導体と、該地板導体の一面側に重なるように配
置された誘電体基板とによって構成され、前記装荷体
は、前記誘電体基板の一面側にパターン形成された金属
ストリップによって構成されている。

【００１６】また、本発明の請求項３の漏れ波アンテナ
は、請求項１の漏れ波アンテナにおいて、前記伝送路
は、２枚の対向する金属板によって構成され、前記装荷
体は、前記金属板の一方に設けられたスロットによって
構成されている。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明を適用した誘電体
漏れ波アンテナ２０の構造を示している。

【００１８】この誘電体漏れ波アンテナ２０は、金属の
地板導体２１と、地板導体２１の一面側に図示しないス
ペーサを介して所定の隙間をあけて重なり合うように支
持され、その一端側から他端側へ電磁波を伝送するほぼ
偏平な伝送路を形成する誘電体基板２２と、誘電体基板
２２の表面２２ａに電磁波の伝送方向に間隔をあけて平
行に装荷された複数組（図面では６組で示している）の
金属ストリップ２３_１〜２３_ｎと、誘電体基板２２の一
端側から伝送路の幅方向に位相が揃った電磁波を給電す
る給電部２４とによって構成されている。

【００１９】この誘電体漏れ波アンテナ２０では、前記
したビームシフトによる利得のばらつきを防止するため
に、誘電体漏れ波アンテナ２０のビーム特性を決める３
種類のパラメータ、即ち、装荷体としての金属ストリッ
プ２３_１〜２３_ｎの間隔ｄ_１〜ｄ_ｎ、金属ストリップ２
３_１〜２３_ｎの幅ｓ_１〜ｓ_ｎ、および金属ストリップ２
３_１〜２３_ｎの装荷位置における誘電体基板２２の厚さ
ｔ_１〜ｔ_ｎが、ともに１より僅かに大きい同一の公比を
もつ等比数列にしたがって、誘電体基板２２の一端側か
ら他端側へ向かって順次増加させている。

【００２０】次に、この３種類のパラメータと、誘電体
漏れ波アンテナ２０のビーム特性との関係について説明
する。

【００２１】図２に示すように、誘電体基板２２の一面
２２ａと反対面２２ｄとを一端側へ延長して交わる位置
を原点Ｏとし、この原点Ｏから距離ｚ_１の位置にある金
属ストリップ２３_１ａとこれと組をなす次の金属ストリ
ップ２３_１ｂの間隔をｄ_１、金属ストリップ２３_１ａ、
２３_１ｂの幅をともにｓ_１、距離ｚ_１の位置の誘電体基
板２２の厚さをｔ_１として、１より僅かに大きい定数α
に対して、次の組の金属ストリップ２３_２ａ、２３_２ｂ
の位置ｚ_２、間隔ｄ_２、幅ｓ_２を、それぞれ次のように
選ぶ。

【００２２】ｚ_２＝αｚ_１ ……（２ａ） ｄ_２＝αｄ_１ ……（２ｂ） ｓ_２＝αｓ_１ ……（２ｃ）

【００２３】このように選ぶと、相似形の原理から、位
置ｚ_２＝αｚ_１における誘電体基板２２の厚さｔ_２は、 ｔ_２＝αｔ_１ ……（３） となる。

【００２４】ここで、 ｚ_２−ｚ_１＝（α−１）ｚ_１＝２ｄ_１ ……（４） と定めると、 α＝（２ｄ_１／ｚ_１）＋１ ……（５） となるから、始めに、距離ｚ_１と間隔ｄ_１を決めておけ
ば、αは一義的に定まる。

【００２５】同様に、次の組の金属ストリップ２
３_３ａ、２３_３ｂの位置ｚ_３、間隔ｄ_３、幅ｓ_３、およ
び誘電体基板の厚さｔ_３を、それぞれ ｚ_３＝αｚ_２＝α^２ｚ_１ ……（６ａ） ｄ_３＝αｄ_２＝α^２ｄ_１ ……（６ｂ） ｓ_３＝αｓ_２＝α^２ｓ_１ ……（６ｃ） ｔ_３＝αｔ_２＝α^２ｔ_１ ……（６ｄ） と決定する。

【００２６】以下同様にして、ｉ番目の各パラメータ
を、初期値がそれぞれｚ_１、ｄ_１、ｓ _１、ｔ_１、公比が
ともにαの等比数列をなす値、即ち、 ｚ_ｉ＝α^ｉ−１ｚ_１ ……（７ａ） ｄ_ｉ＝α^ｉ−１ｄ_１ ……（７ｂ） ｓ_ｉ＝α^ｉ−１ｓ_１ ……（７ｃ） ｔ_ｉ＝α^ｉ−１ｔ_１ ……（７ｄ） のように決定する（ｉ＝１〜ｎ）。

【００２７】このように、装荷体としての金属ストリッ
プ２３_１〜２３_ｎの間隔ｄ_１〜ｄ_ｎ、金属ストリップ２
３_１〜２３_ｎの幅ｓ_１〜ｓ_ｎ、および金属ストリップ２
３_１〜２３_ｎの装荷位置における誘電体基板２２の厚さ
ｔ_１〜ｔ_ｎを、ともに１より僅かに大きい同一の公比を
もつ等比数列をなすように、誘電体基板２２の一端側か
ら他端側へ向かって増大させた誘電体漏れ波アンテナ２
０において、周波数が次の関係にある２つの波を考え
る。 ｆａ＝α^ｉ−１ｆｂ ……（８）

【００２８】これを波長で表せは゛、 λｂ＝α^ｉ−１λａ ……（９） となる。

【００２９】前記式（７）、（８）から、位置ｚ_１付近
のｄ、ｓ、ｔ等の寸法パラメータの波長λａに対する比
と、位置ｚ_ｉ付近の寸法パラメータの波長λｂに対する
比は同じになる。このため、周波数ｆａにおける位置ｚ
_１付近の局部的漏れ波アンテナと周波数ｆｂにおける位
置ｚ_ｉ付近の局部的漏れ波アンテナの電波の振る舞いは
同じになる。

【００３０】したがって、自由空間波長λａに対応する
線路内波長λａ_ｇと自由空間波長λｂに対応する線路内
波長λｂ_ｇの間には、式（９）に対応して次の関係が成
立する。 λｂ_ｇ＝α^ｉ−１λａ_ｇ ……（１０）

【００３１】ここで、周波数ｆａで位置ｚ_１付近の金属
ストリップ２３_１ａ、２３_１ｂによって局部的に漏出さ
れるビームの方向φａは、 φａ＝ｓｉｎ^−１［（λａ／λａ_ｇ）−（λａ／ｄ_１）］ ……（１１） となる。

【００３２】また、この漏出量Ｐａは金属ストリップ２
３_１ａ、２３_１ｂの位置ｚ_１と幅ｓ _１によって決まる。

【００３３】また、周波数ｆｂで位置ｚ_ｉ付近の金属ス
トリップ２３_ｉａ、２３_ｉｂから局部的に漏出されるビ
ームの方向φｂは、アンテナのパラメータが前記式
（７）を満たしているから、 φｂ＝ｓｉｎ^−１［（λｂ／λｂ_ｇ）−（λｂ／ｄ_ｉ）］ ＝ｓｉｎ^−１［（α^ｉ−１λａ／α^ｉ−１λａ_ｇ） −（α^ｉ−１λａ／α^ｉ−１ｄ_１）］ ＝ｓｉｎ^−１［（λａ／λａ_ｇ）−（λａ／ｄ_１）］ ……（１２） となり、周波数ｆａのときに位置ｚ_１付近から漏出され
るビームの方向φａと等しくなる。

【００３４】また、前記したように、漏出量は、金属ス
トリップ２３_ｉａ、２３_ｉｂの位置ｚ_ｉが給電端から遠
い程小となり、その幅ｓ_ｉが大きい程大となるが、位置
ｚ_ｉは位置ｚ_１のα^ｉ−１倍なので、位置に関して漏出
量は１／α^ｉ−１倍となり、幅ｓ_ｉは幅ｓ_１のα^ｉ−１
倍なので、幅に関して漏出量はα^ｉ−１倍となり、両者
がほぼ相殺されてこの位置ｚ_ｉにおける漏出量Ｐｂは、
位置ｚ_１における漏出量Ｐａとほぼ等しくなる。

【００３５】よって、図３に示すように、周波数ｆ_１の
ときに位置ｚ_１付近から漏出されるビームの方向φａと
漏出量Ｐａとで決まるビーム特性Ａと、周波数ｆｂのと
きに位置ｚ_ｉ付近から漏出されるビームの方向φｂと漏
出量Ｐｂとで決まるビーム特性Ｂと等しくなる。

【００３６】これは特定の周波数だけに当てはまること
ではなく、式（８）が任意のｉに対して成立することか
ら、各位置ｚ_１〜ｚ_ｎでそれぞれ式（８）を満たす離散
的な周波数ｆ_１、ｆ_２、……、ｆ_ｎについての局部的な
ビーム特性も、図３の特性Ａ、Ｂと同一となり、アンテ
ナ全体としては、図４に示すように、周波数ｆ_１〜ｆ _ｎ
での範囲でビーム方向と漏出量がほぼ等しい広帯域な特
性Ｃとすることができる。

【００３７】ただし、上記したパラメータの条件は、無
限に長いアンテナを想定した場合であり、有限長の実際
のアンテナでは打ち切り誤差を低減したり、誘電体基板
２２の厚みの増大による高次モードの発生を防止するた
めに、前記パラメータの僅かな調整が必要となり、この
ような条件を考慮して、各金属ストリップ２３の間隔や
幅、および誘電体基板２２の厚さを選ぶことにより、広
い周波数範囲で特性がほとんど変化しない広帯域な誘電
体漏れ波アンテナを得ることができる。

【００３８】前記した誘電体漏れ波アンテナ２０の各パ
ラメータは、この条件を満たすように設定されていて、
図４に示したように、広い周波数範囲でビームの方向と
放射量が等しい広帯域な特性を持っており、送受信で異
なる周波数を用いる通信や広帯域通信を行う際でも、周
波数による利得のバラツキがない、能率的な通信が行え
る。

【００３９】なお、上記説明では、幅ｓが等しい隣合う
２つの金属ストリップ２３を一組の装荷体としていた
が、連続して並ぶ幅が等しい３つ以上の金属ストリップ
を１組の装荷体としてもよい。

【００４０】また、上記誘電体漏れ波アンテナ２０で
は、誘電体基板２２の厚さｔを一端側から他端側に向か
って増大するようにしていたが、一般的に前記したビー
ムシフトに対する金属ストリップ２３の間隔ｄの依存性
は、厚さｔの依存性より大きいので、図５に示す誘電体
漏れ波アンテナ３０のように、厚さ一定の誘電体基板２
２′を用い、その表面の金属ストリップ２３の間隔と幅
を前記同様に等比数列をなすように設定してもよい。こ
のようにすれば、誘電体基板の加工上の煩雑さをなくす
ことができる。

【００４１】また、漏出量のバラツキが無視できる場合
には、図６に示す誘電体漏れ波アンテナ４０のように、
誘電体基板２２′（または誘電体基板２２）の表面に設
ける金属ストリップ２３の幅を全て同一にしてもよい。

【００４２】なお、ここでは漏れ波アンテナとして誘電
体基板を伝送路とする誘電体漏れ波アンテナについて説
明したが、２枚の金属板を対向させてその間に伝送路を
形成し、一方の金属板にスロットを伝送方向に沿って間
隔をあけるようにして装荷して、伝送路内の電磁波を漏
出させる漏れ波アンテナについても本発明を適用でき
る。

【００４３】例えば、図７に示す漏れ波アンテナ５０の
ように、第１の金属板５１と第２の金属板５２とを対向
するように配置して、その間に電磁波を一端側から他端
側へ伝送する伝送路を形成し、一方の金属板５１に伝送
路の電磁波伝送方向に間隔をあけて複数のスロット５３
を平行に設けて、伝送路の一端側の給電部５４から伝送
路内に給電された電磁波を漏出させる。なお、符号５５
は、伝送路の側方を塞ぐ側板である。

【００４４】ここで、各スロット５３の位置ｚ、幅ｓ、
間隔ｄおよびその位置の第１の金属板５１からの高さｔ
を、前記誘電体漏れ波アンテナ２０の場合と同様に、同
一の公比αの等比数列をなすように、一端側から他端側
に向かって増大させることで、広い周波数範囲でビーム
特性がほとんど変化しない広帯域なアンテナとすること
ができる。

【００４５】また、図８に示す漏れ波アンテナ６０のよ
うに、金属板５１、５２を平行に対向させて、各スロッ
ト５３の位置ｚ、幅ｓ、間隔ｄを、前記誘電体漏れ波ア
ンテナ３０の場合と同様に、同一の公比αの等比数列を
なすように、一端側から他端側に向かって増大させるよ
うに設定してもよい。

【００４６】また、図９に示す漏れ波アンテナ７０のよ
うに、金属板５１、５２を平行に対向させて、前記誘電
体漏れ波アンテナ４０の場合と同様に、各スロット５３
の幅を同一にし、その位置ｚ、間隔ｄのみを、同一の公
比αの等比数列をなすように、一端側から他端側に向か
って増大させるように設定してもよい。

【００４７】また、前記した漏れ波アンテナ３０〜７０
では、装荷体の間隔ｄ、幅ｓおよび伝送路の厚さｔのう
ち、少なくとも装荷体の間隔ｄを、給電部側から１より
僅かに大きい公比αの等比数列にしたがって順次増加さ
せていたが、逆に、給電部側から１より僅かに小さい公
比（１／α）の等比数列にしたがって、少なくとも装荷
体の間隔ｄを順次減少させてもよい。

【００４８】また、上記した漏れ波アンテナ５０、６
０、７０では、２枚の金属板５１、５２によって、波長
に比べて十分広い伝送路を形成していたが、狭い幅の伝
送路を形成する導波管の表面にスロットを設けて、電磁
波を漏出させる導波管スロットアンテナにも本発明を同
様に適用できる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の漏れ波ア
ンテナでは、一端側から他端側へ電磁波を伝送する略偏
平な伝送路と、前記伝送路の一端側に電磁波を給電する
給電部と、前記伝送路の表面に該伝送路の電磁波伝送方
向に間隔をあけて平行に装荷され、前記伝送路内の電磁
波を前記表面から漏出させる複数の装荷体とを有する漏
れ波アンテナにおいて、前記漏出波のビーム特性を決定
する前記装荷体の間隔、前記装荷体の幅、前記伝送路の
厚さのうち、少なくとも前記装荷体の間隔が、所定公比
の等比数列にしたがって前記伝送路の一端側から他端側
へ順次変化するように設定されていることを特徴として
いる。

【００５０】このため、広い周波数範囲でビーム特性が
変化しない広帯域なアンテナを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の誘電体漏れ波アンテナを示
す斜視図

【図２】実施形態の要部の構造を示す図

【図３】実施形態の特性例を示す図

【図４】実施形態の特性例を示す図

【図５】実施形態の変形例を示す斜視図

【図６】実施形態の変形例を示す斜視図

【図７】他の実施形態の斜視図

【図８】他の実施形態の斜視図

【図９】他の実施形態の斜視図

【図１０】従来の漏れ波アンテナを示す斜視図

【図１１】従来の漏れ波アンテナの特性を示す図

【符号の説明】

２０、３０、４０ 誘電体漏れ波アンテナ ２１ 地板導体 ２２、２２′ 誘電体基板 ２３ 金属ストリップ ２４ 給電部 ５０、６０、７０ 漏れ波アンテナ ５１ 第１の金属板 ５２ 第２の金属板 ５３ スロット ５４ 給電部 ５５ 側板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端側から他端側へ電磁波を伝送する略偏
   平な伝送路と、 前記伝送路の一端側に電磁波を給電する給電部と、 前記伝送路の表面に該伝送路の電磁波伝送方向に間隔を
   あけて平行に装荷され、前記伝送路内の電磁波を前記表
   面から漏出させる複数の装荷体とを有する漏れ波アンテ
   ナにおいて、 前記漏出波のビーム特性を決定する前記装荷体の間隔、
   前記装荷体の幅、前記伝送路の厚さのうち、少なくとも
   前記装荷体の間隔が、所定公比の等比数列にしたがって
   前記伝送路の一端側から他端側へ順次変化するように設
   定されていることを特徴とする漏れ波アンテナ。
2. 【請求項２】前記伝送路は、地板導体と、該地板導体の
   一面側に重なるように配置された誘電体基板とによって
   構成され、 前記装荷体は、前記誘電体基板の一面側にパターン形成
   された金属ストリップによって構成されていることを特
   徴とする請求項１記載の漏れ波アンテナ。
3. 【請求項３】前記伝送路は、２枚の対向する金属板によ
   って構成され、 前記装荷体は、前記金属板の一方に設けられたスロット
   によって構成されていることを特徴とする請求項１記載
   の漏れ波アンテナ。