JP2004015408A - スロットアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】スロットアレーアンテナに必要な周波数の帯域幅をもたせると、放射指向性の主ビームがアンテナの放射面に垂直になるようなスロットアレーアンテナ
【解決手段】スロットアレーアンテナを、スロットアレーアンテナ本体１１１と誘電体カバー１１６とから構成する。スロットアレーアンテナ本体１１１は、スロット板１１３を有し、このスロット板１１３の面Ｐ１に対して垂直方向１１４からチルト角θだけ傾いた方向の放射指向性の主ビーム１１５が設定される。誘電体カバー１１６は、外側の平面Ｐ３と内側の平面Ｐ４が傾斜角αをなし、屈折率ｎの誘電体材料で構成される。これにより、放射指向性の主ビーム１１５が誘電体カバー１１６を通過して屈折し、チルト角θが修正されて誘電体カバー１１６の外側の平面Ｐ３に対して垂直な方向になる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は複数の素子アンテナから構成され、複数のスロットを有するスロット板を有するスロットアレーアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アレーアンテナは複数の素子アンテナを所定のパターンに配置し、単一のアンテナでは得られない特性を有するアンテナである。アレーアンテナを構成する各素子アンテナの位相を制御することによって、アレーアンテナ全体の指向性を制御することが可能である。したがって、アレーアンテナ本体を機械的に動かすことなく、アレーアンテナをビーム走査アンテナとしても利用することができる。
近年、無線通信技術の目覚ましい発展に伴って各種通信機器に割り当てられた周波数帯域が不足しがちである。これを補うために、周波数の有効利用とさらなる高域への移動に必要な技術開発が緊急課題になってきた。例えば、従来ほとんど基礎研究にしか用いられていないミリ波は、高度道路交通システム（ＩＴＳ　：　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍ）に用いられるようになっている。近い将来、日本や欧米のような車社会において、ミリ波関連通信機器は家電並みに爆発的に利用されると予測されている。
【０００３】
このようなミリ波通信の分野において、各種部品と装置がミリ波を用いる事が必要不可欠になると考えられる。ミリ波通信を担う最重要装置のひとつはアンテナである。ミリ波信号を送受信するためにはアンテナが必要であり、ミリ波通信には不可欠である。現在、ミリ波通信の研究開発に参加している世界中の研究機関、メーカは競って高性能なミリ波アンテナを開発している。今まで開発されたミリ波アンテナの構成はさまざまあるが、この中で特性的にかなり優れているミリ波アンテナのひとつはスロットアレーアンテナである。
スロットアレーアンテナはその名の通り、複数のスロットアンテナを素子アンテナとして、所定のパターンに配置したアレーアンテナである。各素子スロットアンテナの寸法と配置を決める事によって、所定の領域内に所望の電界分布を得ることができる。例えば、複数のスロットアンテナを二次元的に正方形領域内に配置し、一様な方向、位相と振幅の電界分布を得ることができる。このようなアンテナの放射特性は、一様な電界分布を有した開口面アンテナの放射特性と理論的にほぼ同じであるが、構成の自由度や電界分布の均一性が開口面アンテナより優れている点がある。
スロットアレーアンテナを複数並列に配置すると、広範囲で二次元的なスロットアレーアンテナを得ることができる。このような二次元的スロットアレーアンテナ（以下単にスロットアレーアンテナと称する）は各所で研究開発されており、高利得なアンテナのひとつとして下記文献にもあるように理論的にも実験的にも確認されている。
「７６．５　ＧＨｚ低サイドローブ一層構造導波管スロットアレーの試作特性」（２０００年３月、電子情報通信学会総合大会、Ｂ−１−１３０）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スロットアレーアンテナを設計するときは、通常、中心周波数にある程度の帯域幅をもたせるのが一般的である。すなわち、設定した中心周波数に対して実際に使用する周波数が中心周波数からずれても、所定の範囲内であればアンテナの放射指向性や、インピーダンス特性および反射特性等は劣化しない。中心周波数に対して所定の周波数の範囲内であれば、その周波数が使用できる。この周波数の範囲（幅）を帯域幅という。一般的に、この周波数の帯域幅は広ければ広いほどアンテナの評価が高くなるが、帯域幅は簡単に広げることはできない。
一方、スロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームに所定の角度を持たせることによって帯域幅をある程度広げることができる。本来、スロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームは、スロットアレーアンテナのスロット板に垂直になる。しかし、この放射指向性の主ビームをスロットの長さ方向にスロット板垂直方向から数度傾ける（この角度をチルト角という）ようにアンテナを設計すれば、帯域幅をある程度広げることができる。
【０００５】
しかし、放射指向性の主ビームがチルト角を有していると、スロットアレーアンテナを送信または受信に使うときに不都合が生じる。すなわち、放射指向性の主ビームをターゲットに向けて電磁波の送受信を行うが、スロット板が送受信方向と垂直に向いていないため、送受信装置にアンテナを実装するときかなりの無駄なスペースが生じてしまう。また、アンテナの主ビームの方向を調整しなければならず、この調整に手間がかかる。
本願発明はこのような問題点を鑑み、スロットアレーアンテナに必要な周波数の帯域幅をもたせながら放射指向性の主ビームをみかけ上、アンテナの放射面に垂直になるようなスロットアレーアンテナを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、この発明のスロットアレーアンテナは、スロットアレーアンテナ本体と誘電体カバーとから構成される。
スロットアレーアンテナ本体は、スロット板を有し、このスロット板の面に対して垂直方向からチルト角θだけ傾いた方向の放射指向性の主ビームが設定されている。誘電体カバーは、外側の平面が、スロット判の面とほぼ平行に配置され、この外側の平面と内側の平面が傾斜角αをなし、屈折率ｎの誘電体材料で構成されている。この誘電体カバーの内側の平面が、スロットアレーアンテナ本体のスロット板と対向するように装着される。これにより、電磁波が誘電体カバーを通過して屈折し、チルト角θが修正されて誘電体カバーの外側の平面に対して垂直な方向になる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明のスロットアレーアンテナを説明するにあたり、まずアンテナ本体の構造について説明する。
図２はスロットアレーアンテナの本体を示す斜視図である。スロットアレーアンテナ本体は、スロット板２０１と導波管の働きをするプレート２０２から構成されている。図２ではこのスロット板２０１とプレート２０２を分離した状態を示してある。一般的に、スロット板２０１は薄い導体板で構成されており、この導体上にスロット（切り口）２０３が複数設けられている。プレート２０２はやや厚目の導体板の上にあるひとつの給電口２０４からスロット板２０１上にあるすべてのスロット２０３に入力電磁波を給電できるように方形の溝２０５が設けられている。スロット板２０１とプレート２０２を重ねて接着すると、一列に並べられている導波管の管壁上にスロット２０３の列ができ、全体がスロットアレーアンテナ２００となる。
スロット板２０１とプレート２０２に使われる導体の伝導率が高いほどオーミック損失が少なく、アンテナの低損失化に貢献する。また、スロット板２０１とプレート２０２の加工精度および接着精度もアンテナの放射特性に強い影響を及ぼす。
図３はスロット板２０１の平面図である。スロット２０３の形状は基本的に長方形であるが、加工の都合から両端にまるみをもたせてもよい。スロット２０３の長さは、導波管に入力される放射電磁波の波長λの約半分程度で、幅はその約２０分の１程度である。また、同じ列の隣接しているスロットの中心間隔は導波管の管内波長λｇと同じ程度である。
【０００８】
図４はプレート２０２の平面図である。給電口２０４からプレート２０２に溝が設けられており、この溝は破線の円で囲まれている分岐４３２に導かれる。この分岐４３２は、スロット板２０１とプレート２０２を接着させた状態では、マイクロ波回路素子でいうＨ面分岐になる。給電口２０４から入力された電磁波はＨ面分岐４３２において左右に電力的に同相の電磁波に二等分される。ここでは、Ｈ面分岐４３２の給電口２０４から突き当たるところには突起４３３が設けられており、Ｈ面分岐４３２の整合棒の役割を果たしている。Ｈ面分岐４３２の左右につながっている溝４３４は、スロット板２０１とプレート２０２とを接着させた状態では導波管になる。この導波管をここでは給電導波管と呼ぶことにする。給電導波管４３４は給電口２０４の軸線に対して対称であるので、プレート２０２の構造の説明は片側だけで行う。
給電導波管４３４は、放射導波管４３７への給電口として機能するもので、断面寸法はほぼ給電導波管４３４の断面と同じ程度である。給電導波管４３４における放射導波管４３７への給電口に対応する部分４３８の反対側の壁面には、突起４３５が設けられている。この突起４３５は突起４３３と同様に、整合棒の役割を果たしている。また、給電導波管４３４の先端４３９と最終の給電口に対応する部分４３８までの距離は、反射波を抑制するために管内波長λｇの約４分の１程度に設定されている。各給電口に対応する部分４３８から入力する電磁波は、中央の壁４３６に二等分され、２本の放射導波管４３７に給電される。スロット板２０１とプレート２０２を接着させた状態では、各放射導波管４３７に対応する管壁上に複数のスロットが配置され、アレーアンテナが得られる。このような構造のため、スロットアレーアンテナを構成する放射導波管４３７の数は、必ず４の倍数になる。所望の放射特性と使用周波数が決定されれば、放射導波管の数と各放射導波管管壁上のスロットの数も決まるので、アンテナ全体の寸法もほぼ決定される。
【０００９】
図５は、スロット板２０１とプレート２０２を接着させた後のスロットアレーアンテナ２００の斜視図である。放射導波管内の電磁波のモードは、ＴＥ_１０モードなので、スロットアレーアンテナ２００の磁界方向５１はスロットの長さ方向になり、またその電界方向５２はスロットの幅方向になる。すべてのスロット２０３は同じ方向に配置されるので、スロットアレーアンテナ２００の表面付近の電界方向は、スロットアレーアンテナ２００の縁を除いてほぼ電界方向５２と同じ方向になる。したがって、スロットアレーアンテナ２００の電界方向５２はその偏波方向とも言えるわけである。
一方、一般的にすべてのアンテナには可逆定理が成立しているため、送信特性と受信特性はまったく同じになる。したがって、以下に述べる説明は断りがない限りすべて送信の場合の説明であるが、受信の場合は同様であるためその説明は省略する。
【００１０】
次に、スロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームについて説明する。
図６は、スロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームを説明するための図である。ここでは、一本の放射導波管６０の一部分を用いて示しているが、放射指向性とは実際にはアンテナ全体の放射指向性である。図６ではチルト角をもたない、すなわちチルト角「ゼロ」の放射指向性を示している。ここで、隣接しているスロット６０１同士の中心間隔は放射導波管の管内波長λｇの半波長に等しくなっている。図６のスロットアレーアンテナ６０では、スロット板の垂直方向軸６１に沿って放射指向性６２が形成されている。すなわち、放射指向性の主ビームのチルト角が「ゼロ」なので、放射指向性６２はスロット板に垂直になっているのである。なお、放射導波管６０の給電口６３は、スロット板と平行に設けられているため、入力電磁波６４もスロット板と平行に入力される。
図７は、スロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームを説明するための図で、チルト角θ_１だけ放射導波管の給電口側に傾く場合を示している。図７の放射導波管７０では、隣接しているスロット７０１同士の中心間隔Ｌ_１が、管内波長λｇの半波長である０．５λｇより小さくなっている。なお、図示していないが入力電磁波等の条件は図６と同様である。このようにスロット７０１の中心間隔Ｌ_１を０．５λｇより小さくする事により、放射指向性７２がスロット板の垂直方向６１に対してθ_１だけ給電口７３側に傾く。
【００１１】
図８は、スロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームを説明するための図で、チルト角θ_２だけ放射導波管の給電口の反対側に傾く場合を示している。図８の放射導波管８０では、隣接しているスロット８０１同士の中心間隔Ｌ_２が管内波長λｇの半波長である０．５λｇより大きくなっている。なお、図示していないが入力電磁波等の条件は図６と同様である。このようにスロット８０１の中心間隔Ｌ_２を０．５λｇより大きくする事により、放射指向性８２がスロット板の垂直方向６１に対してθ_２だけ給電口８３の反対側に傾く。
以上の説明において、スロット同士の間隔調整は、チルト角が生じることによって発生した各放射導波管内のインピーダンス不整合を抑制するために行われる。チルト角は所定の法則に従って決められるため、このチルト角の値で隣接しているスロット同士の中心間隔が計算できる。
【００１２】
上述の説明を前提にした上で、この発明の実施例について説明する。
図１は、この発明の第１の実施例を説明する図である。なお、図１においては、説明を容易にするため、誘電体カバーを外した状態を示している。また、図９及び図１０は、誘電体カバーを装着した状態での第１の実施例のスロットアレーアンテナを説明する図である。説明を容易にするため、放射導波管の軸に沿った断面図である図９と放射導波管の断面を含む断面図である図１０を用いて説明する。
図１に示したこの発明の第１の実施例のスロットアレーアンテナは、放射指向性の主ビーム１１５が放射導波管の給電口１１２側に傾いている。図１においては、主ビーム１１５がスロットアレーアンテナ１１１のスロット板１１３の垂直方向１１４に対してチルト角θ_１を有するスロットアレーアンテナ１１１と、この主ビーム１１５のチルト角θ_１を補正する誘電体カバー（以下単に誘電体カバーと称する）１１６が示されている。
【００１３】
第１の実施例の誘電体カバー１１６は、スロットアレーアンテナ１１１の周波数帯域において、低損失な誘電体材料でできており、電磁波をほとんど吸収せずに通過させる。言い換えれば、電磁波に対してほぼ影響を与えない材料である。また、この誘電体材料は、誘電率εを有するが、電磁波が入射されるとき、電磁波を反射させたり、屈折させたりするので、光線と透明なガラスの関係と同様である。したがって、光学で扱われている多くの法則は、そのまま電磁波と誘電体にも適用できることがよく知られている。例えば、誘電体カバーの誘電率がεで、比誘電率がε_ｒとすれば、屈折率ｎはほぼε_ｒの平方根に等しい。すなわち、〔数１３〕のような関係式になる。
【数１３】

一方、この発明では放射指向性の主ビームのチルト角を補正するために、誘電体材料による電磁波の屈折現象を利用することが重要なポイントである。第１の実施例の誘電体カバー１１６は、基本的にスロットアレーアンテナのスロット板１１３の表面、すなわちアンテナの送受信面Ｐ１と平行な外側の平面Ｐ３および、平面Ｐ１と平行でない内側の平面Ｐ４を有する板状の誘電体で構成されている。この誘電体カバー１１６の内側の平面Ｐ４は、外側の平面Ｐ３に対して傾斜角α_１を有している。この傾斜角α_１は次式〔数１４〕のようにして導かれる：
【数１４】

【００１４】
図９は、主ビームがチルト角θ_１を有するスロットアレーアンテナ１１１のスロット板側に誘電体カバー１１６を装着した状態を示している。この誘電体カバーの内側の表面Ｐ４で屈折して通過したスロットアレーアンテナ１１１の放射指向性１１７は、スロットアレーアンテナ１１１のスロット板に対して垂直方向１１４になっている。すなわち、主ビーム１１７が誘電体カバー１１６の外側の表面Ｐ３に垂直方向に向いているのである。したがって、スロットアレーアンテナ１１１が有する主ビームのチルト角は見かけ上略零度になり、前主ビームのチルト角が除去または抑制されたようになる。
図１０は、放射導波管の断面を含むこの発明の第１の実施例のスロットアレーアンテナ１１１と誘電体カバー１１６の断面図を示している。放射導波管の断面１１８を通して給電された電磁波は、スロット板１１３の上に設けた図示しないスロットから放射される。また、誘電体カバー１１６の外側表面Ｐ３と内側表面Ｐ４は、図１０においては平行のようにみえるが、実際には図９が示すように放射導波管軸に沿って、内側表面Ｐ４は外側表面Ｐ３に対して傾斜角α_１をなしている。
上述した第１の実施例は、放射指向性の主ビームが放射導波管の給電口側に傾いているときの実施例で、図７に示したケースに対する改善策である。
【００１５】
図１１はこの発明の第２の実施例のスロットアレーアンテナ１２１と誘電体カバー１２６を示す断面図である。図１１に示した第２の実施例のスロットアレーアンテナ１２１は、放射指向性の主ビーム１２５が放射導波管の給電口１２２の反対側に傾いている。図１１においては、主ビーム１２５がスロットアレーアンテナ１２１のスロット板１２３の垂直方向１１４に対してチルト角θ_２を有するスロットアレーアンテナ１２１と、この主ビーム１２５のチルト角θ_２を補正する誘電体カバー１２６が示されている。
第２の実施例の場合も、原理的には第１の実施例と同じである。すなわち、第２の実施例においても、使用周波数帯域において誘電体材料の比誘電率をε_ｒとした場合、屈折率ｎは〔数１３〕で示されるように、ほぼ比誘電率ε_ｒの平方根に等しい。
一方第２の実施例の誘電体カバー１２６も、外側の平面Ｐ５と内側の平面Ｐ６を有し、平面Ｐ６は平面Ｐ５に対して傾斜角α_２を有し、α_２は次式〔数１５〕のように導かれる：
【数１５】

【００１６】
図１２は、主ビームがチルト角θ_２を有するスロットアレーアンテナ１２１のスロット板１２３側に誘電体カバー１２６を装着した状態を示している。誘電体カバー１２６の内側の表面Ｐ６で屈折して通過したスロットアレーアンテナ１２１の放射指向性１２７は、誘電体カバー１２６の外側の表面Ｐ５に垂直な方向１２４に向いている。すなわち、主ビーム１２７は、スロットアレーアンテナ１２１のスロット板１２３に垂直な方向に向いているのである。したがって、スロットアレーアンテナ１２１が有している主ビームのチルト角が、見かけ上略零度になり、前記主ビームのチルト角が除去または抑制されたようになる。
図１３は、放射導波管の断面を含む第２の実施例のスロットアレーアンテナ１２１と誘電体カバー１２６の断面図を示している。図１３は図１０と同様に示されている。この場合も図１０と同様に、実際には図１２が示すように放射導波管軸に沿って、誘電体カバー１２６の内側の平面Ｐ６は、外側の平面Ｐ５に対して傾斜角α_２をなしている。
第２の実施例は、放射指向性の主ビームが放射導波管の給電口の反対側に傾いているときの実施例で、図８に示したケースに対する改善策である。
【００１７】
上述した式〔数１４〕と式〔数１５〕は同様な形をしているので、以下の式〔数１６〕としてまとめることができる。
【数１６】

ここで、θはスロットアレーアンテナの主ビームのチルト角、αは誘電体カバーの外側の表面と内側の表面の形成する角度である。第１及び第２の実施例では、スロットアレーアンテナの主ビームのチルト角θ（＝θ_１＝θ_２）が２．８°で、誘電体カバーの材料としてはテフロン（登録商標）が用いられ、その比誘電率ε_ｒは２．７である。式〔数１３〕とによると屈折率ｎが比誘電率ε_ｒの平方根に等しいため、ｎ＝１．６４となる。したがって、式〔数１６〕とを用いて計算すると、誘電体カバーの外側の表面と内側の表面のなす角度αは４．３６°となる。
図１４は、スロットアレーアンテナの主ビームのチルト角θと誘電体カバーの外側の表面と内側の表面の形成する角度αの関係を示した図である。図１４においては、屈折率がそれぞれｎ＝１．４、ｎ＝１．６、ｎ＝１．６４、ｎ＝１．８及びｎ＝２．０の特性が示されている。なお、ｎ＝１．６４の場合における点１３１は第１および第２の実施例のθとαの関係を示す位置である。図１４から明らかなように、屈折率ｎの値が大きくなるにつれて傾斜角αのちょっとした変動がチルト角に大きな影響を与えることがわかる。したがって、誘電体カバーを加工するとき、誘電体材料の比誘電率ε_ｒまたは電磁波屈折率ｎが大きければ大きいほど傾斜角αの高い加工精度が要求されるわけである。実用的には屈折率ｎの値は略２以下になることが望ましい。
【００１８】
第１及び第２の実施例のスロットアレーアンテナにおいては、通常のスロットアレーアンテナのスロット板から放射された電磁波が、誘電体カバーによって屈折されている。この動作を詳細に説明するため、スロットアレーアンテナ本体の動作と誘電体カバーにおける電磁波の屈折に分けて、第１及び第２の実施例のスロットアレーアンテナの動作説明を行う。
まず、スロットアレーアンテナ本体の動作を図５を用いて説明する。
スロットアレーアンテナ本体２００の外観は図５に示される通りである。このスロットアレーアンテナ本体２００の給電口２０４から電磁波を給電すると、電磁波は給電導波管を通過してそれぞれの放射導波管に給電される。さらに、放射導波管に給電された電磁波は、スロット板のスロット素子２０３から放射される。スロットアレーアンテナ本体２００の内部の給電導波管および放射導波管を通過した過程で、各々のスロット素子に給電される電磁波の電力は、所定の分布（例えばテイラー分布や一様分布）に従うように調整されている。したがって、放射指向性の主ビームに放射電力が集中し、高い放射効率が得られる。放射効率が高ければ高いほど、放射電磁波がより遠方に届く。
【００１９】
次に、誘電体カバーにおける放射電磁波の屈折について説明する。
図１５は、誘電体カバーの内側の表面と外側の表面における放射電磁波の伝搬経路を示した図である。図１５においては、スロットアレーアンテナの放射指向性主ビームが放射導波管給電口側（図においては左側）に傾く場合を示しており、図１の一部を拡大した図とみなすことが出来る。したがって、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
図１５において、点Ａはスロット板１１３の表面の一点で、この点Ａから放射指向性主ビームが放射されるものとして、その方向が図示されている。十分遠方からみれば一般的にアンテナを一点とみなすことができるので、放射指向性主ビームの出発点は点Ａと考えられ、主ビーム１５０ａ、１５０ｂは一本の光線として考えることができる。主ビーム１５０ａのチルト角はθ_１なので、主ビーム１５０ａとスロット板１１３の平面Ｐ１の垂線とがなす角度はθ_１になる。主ビーム１５０ａは誘電体カバー１１６の内側の平面Ｐ４と点Ｂにおいて交わる。誘電体カバー１１６の誘電体材料は比誘電率ε_ｒを有するため、式〔数１３〕とが示すように屈折率ｎも有する。光の場合と同じように、点Ｂにおいて主ビーム１５０ａはスネルの法則に従って屈折し、方向が変わる。屈折した後の主ビーム１５０ｂは、一本の光線のように考えられるため、誘電体カバー１１６の外側の表面Ｐ３と点Ｃにおいて直交する。
主ビーム１５０ｂは誘電体カバー１１６の外側の表面Ｐ３の垂線方向（すなわちスロット板１１３の平面Ｐ１の垂直方向）になるので、誘電体カバー１１６を通過して外側に出ても方向を変えることなく、このまま遠方に伝搬する。このような条件の下で、誘電体カバー１１６の外側の表面Ｐ３に対する内側の平面Ｐ４の傾斜角α_１は決定される。図１５が示すように、誘電体カバー１１６の内側の平面Ｐ４の垂線は、主ビーム１５０ｂとなす角度がθ_１＋α_１で、屈折後の主ビーム１５０となす角度がα_１である。スネルの法則によれば、〔数１７〕となり、
【数１７】

この式〔数１７〕を解くと式〔数１４〕が得られる。
【００２０】
このように、誘電体カバー１１６の内側の表面Ｐ４による屈折で主ビーム１５０ｂの方向が誘電体カバー１１６の外側の表面Ｐ３およびスロット板１１３の平面Ｐ１に対して垂直になる。したがって、誘電体カバー１１６を装着したスロットアレーアンテナとしてみると、チルト角θ_１が実質的に零度になる。しかし、スロットアレーアンテナ本体としては主ビームチルト角θ_１が存在し、アンテナの周波数帯域が変わることなく、広帯域を維持できる。
図１６は、誘電体カバーの内側の表面と外側の表面における放射電磁波の伝搬経路を示した図である。図１６においては、スロットアレーアンテナの放射指向性主ビームが放射導波管給電口と反対側（図においては右側）に傾く場合を示しており、図１１の一部を拡大した図とみなすことが出来る。したがって、図１１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
図１６において、点Ｄはスロット板１２３の表面の一点で、この点Ｄから放射指向性主ビームが放射されるものとして、その方向が図示されている。図１５の場合と同様に、主ビーム１６０ａ、１６０ｂは一本の光線として考えることができる。主ビーム１６０ａのチルト角はθ_２なので、主ビーム１６０ａとスロット板１２３の平面Ｐ１の垂線とがなす角度はθ_２になる。主ビーム１６０ａは誘電体カバー１２６の内側の平面Ｐ６と点Ｅにおいて交わる。誘電体カバー１２６の誘電体材料は比誘電率ε_ｒを有するため、〔数１３〕が示すように屈折率ｎも有する。図１５の場合と同様に、点Ｅにおいて主ビーム１６０ａはスネルの法則に従って屈折し、方向が変わる。屈折した後の主ビーム１６０ｂは、誘電体カバー１２６の外側の表面Ｐ５と点Ｆにおいて直交する。
主ビーム１６０ｂは誘電体カバー１２６の外側の表面Ｐ５の垂線方向（すなわちスロット板１２３の平面Ｐ１の垂直方向）になるので、誘電体カバー１２６を通過して外側に出ても方向を変えることはない。このような条件の下で、誘電体カバー１２６の外側の表面Ｐ５に対する内側の平面Ｐ６の傾斜角α_２は決定される。
【００２１】
上述のように、スロットアレーアンテナの主ビームをアンテナの真正面（平面Ｐ１の垂直方向）に補正するため、この発明の誘電体カバーの外側表面と内側表面のなす角度αの加工精度を０．１°以下にする必要がある。しかしながら、スロットアレーアンテナを量産するときにこのような高い精度を維持することは困難である。仮に、高い加工精度を実現できたとしても低価格化は実現できない。しかし、この誘電体カバーの加工精度が劣化することにより角度αが変動したとしても、この発明の誘電体カバーを通過したスロットアレーアンテナの主ビームの角度変動をアンテナ真正面から許される角度の範囲内に抑える事が出来れば、スロットアレーアンテナとしては許容範囲であり、低価格なスロットアレーアンテナの量産も可能である。そのために、誘電体カバーの加工精度による角度αの変動とスロットアレーアンテナの主ビームのチルト角θの関係を明らかにする必要がある。
図１７は、誘電体カバーの内側の表面と外側の表面の角度がα_３の場合における放射電磁波の伝搬経路を示した図である。図１７においては、スロットアレーアンテナの放射指向性主ビームが放射導波管給電口側（図においては左側）に傾く場合を示しており、図１５に示した角度α_１が誘電体カバーの加工精度のばらつきにより角度α_３になった図とみなすことが出来る。したがって、図１７では、図１５と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００２２】
上述したように、図１７における誘電体カバー１３６の外側の表面Ｐ８に対する内側平面Ｐ７の傾斜角はα_３である。この傾斜角α_３が前述の〔数１４〕に示したようなα_１と等しければ、図１５に示したように誘電体カバー１１６を通過したスロットアレーアンテナの主ビーム１５０ｂが、誘電体カバー１１６の外側の表面Ｐ３と垂直をなし、スロットアレーアンテナの真正面からスロットアレーアンテナの主ビーム１５０ｂが放射するように見える。しかしながら、図１７における誘電体カバー１３６の傾斜角はα_１でなくα_３であるため、誘電体カバー１３６の外側の表面Ｐ８から放射する主ビームは、表面Ｐ８に垂直ではなく、この垂直方向からチルト角θ_３を有する。
スロットアレーアンテナ１１１のスロット板１１３の点Ａから、放射指向性の主ビーム１７０ａが図１５と同様に垂直方向から角度θ_１傾いて放射される。この放射指向性の主ビーム１７０ａは、誘電体カバー１３６の内側平面Ｐ７の点Ｇにおいて入射する。この平面Ｐ７の点Ｇにおける垂線は、放射指向性の主ビーム１７０ａとなす角度がθ_１＋α_３で、屈折後の主ビーム１７０ｂとなす角度はα_４となる。スネルの法則によれば、これらの角度θ_１、α_３、α_４の関係は、〔数１８〕となる。
【数１８】

また、誘電体カバー１３６の内側平面Ｐ７の点Ｇを通って、屈折後の主ビーム１７０ｂは、誘電体カバー１３６の外側表面Ｐ８の点Ｈに到達する。この外側表面Ｐ８に垂直な線（垂線）と屈折後の主ビーム１７０ｂは角度（傾斜角）α_５をなし、この角度α_５はα_４‐α_３に等しい。すなわち、下記〔数１９〕のような関係になる。
【数１９】

さらに、屈折後の主ビーム１７０ｂが、誘電体カバー１３６の外側表面Ｐ８と点Ｈにおいて交わり、点Ｈを通った、誘電体カバー１３６の外側表面Ｐ８の垂線となす角度はα_５になる。さらに、屈折後の主ビーム１７０ｂが点Ｈを通過して屈折し、誘電体カバー１３６の外側に出ると主ビーム１７０ｃとなる。この主ビーム１７０ｃと点Ｈにおける垂線とがなす角度（チルト角）はθ_３になる。スネルの法則によれば、〔数２０〕となる。
【数２０】

式〔数１８〕、式〔数１９〕と式〔数２０〕を用いてチルト角θ_３を導出すると、次式〔数２１〕が得られる。
【数２１】

【００２３】
図１８は式〔数２１〕をグラフ化した特性図である。図１４と同様に、誘電体カバー１３６の屈折率ｎをパラメータとして用いている。チルト角θ_３が０になるときは、主ビーム１７０ｃが誘電体カバー１３６の外側表面Ｐ８と垂直になり、アンテナの真正面から放射することになる。また、傾斜角α_３が０のときはθ_３＝θ_１になり、アンテナの主ビームのチルト角の補正が行われない。
図１８において、例えば屈折率ｎが　１．６４のときに、傾斜角α_３が　４．３６°になると、チルト角θ_３は０になる。点２０１の座標は、上述の場合の位置を示している。もし点２０１におけるＸ座標である傾斜角α_３が約２０％の範囲内で変動すれば、そのＹ座標であるチルト角θ_３の値が約　０．５°の範囲内で変動する。チルト角θ_３の変動は、屈折率ｎによって多少異なるが、実用的な屈折率ｎの値である、例えば２以下の範囲内であれば、傾斜角α_３は、チルト角θ_３が０になる値から約２０％の範囲内で変動すると、チルト角θ_３は約　０．５°の範囲内に変動する。チルト角θ_３の変動範囲は、実際のチルト角θ_１の値からみれば約　２０％以内で、アンテナを設置するときの誤差と同じ程度である。したがって、通常の使用目的においては許容範囲内である。
【００２４】
図１９においては、スロットアレーアンテナの主ビームが給電口側（図において左側）に傾く場合における主ビームの屈折過程およびその変動の説明を行った。しかしながら、主ビームが給電口と反対側に傾く場合においても、主ビームの屈折過程およびその変動は類似しており、図１６を使った説明を用いれば同様に説明できるため、それらの説明は省略する。いずれの場合においても、誘電体カバー１３６の外側の表面Ｐ８に対する内側平面Ｐ７の傾斜角α_３の加工精度が２０％の範囲内であれば、誘電体カバー１３６を通過後のスロットアレーアンテナの主ビーム１７０ｃがアンテナの真正面方向から略　０．５°以内の範囲で変動する。このような範囲内で収めるためには、実際のチルト角の値においては約　２０％の範囲内で変動を抑える必要がある。
したがって、このような主ビームのチルト角θ_３の変動を考慮して、誘電体カバー１３６を量産するときに、その外側の表面Ｐ８に対する内側平面Ｐ７の傾斜角はα_３の加工精度は、２０％の範囲内に設定すればよい。すなわち、上述の〔数１６〕から計算した値を中心にして、傾斜角α_３の変動範囲をその値の０．８倍から１．２倍の間にすればよい。
【００２５】
図１９は、この発明の第３の実施例を示す図である。図１９においては、スロットアレーアンテナ１１１のスロット板側に誘電体カバー１４６を装着した状態を示している。この誘電体カバー１４６は、その内側の角に設けられた柱状または壁状の突起１５１を有している。誘電体カバー１４６をスロットアレーアンテナ１１１の上に実装するときに、この突起１５１がスロットアレーアンテナ１１１のスロット板１１３と直接接触するので、常に誘電体カバー１４６の外側の表面Ｐ９に対する内側の平面Ｐ１０の傾斜角の値を安定させることができる。
図２０は、放射導波管の断面を含むこの発明の第３の実施例のスロットアレーアンテナ１１１と誘電体カバー１５６の断面図である。誘電体カバー１５６の外側表面Ｐ１１と内側表面Ｐ１２は、図２０においては平行のようにみえるが、実際には図１６が示すように放射導波管軸に沿って、内側表面Ｐ１２は外側表面Ｐ１１に対して所定の傾斜角をなしている。なお、傾斜角の決定方法は、第１及び第２の実施例と同様であるため、その説明は省略する。
以上第１〜第３の実施例においては、誘電体カバーが放射指向性主ビームのチルト角を抑制するような傾斜角を有するものとしていた。しかしながら、誘電体カバーは、その傾斜角をスロットアレーアンテナ本体の放射指向性主ビームのチルト角や誘電体カバーの材料の屈折率等から計算せず、あらかじめ０．５度刻みぐらいで０度から２０度ぐらいまでの傾斜角を有するものを作成しておくことも考えられる。このようにする事で、スロットアレーアンテナ本体を設置後に、誘電体カバーを選択する事によって、放射指向性主ビームの角度調整を行うことも可能である。
【００２６】
この発明のスロットアレーアンテナは、ミリ波通信用に適したもので、ＥＴＣやＩＴＳのアンテナとして使われる。また、スロットアレーアンテナのスロット素子の数を増やせば放射利得がさらに高くなり、主ビーム幅も鋭くなる。したがって、パラボラアンテナのような高利得アンテナを必要とするシステムにも利用できる。応用例としては、例えば、電話通信基地局中継用アンテナ、テレビ基地局中継用アンテナ、衛星通信用アンテナ、電波天文学の電波望遠鏡用アンテナ等が挙げられる。
特に、パッチアレーアンテナ（Ｐａｔｃｈ　Ａｒｒａｙ　Ａｎｔｅｎｎａ）やラジアルラインスロットアンテナ（Ｒａｄｉａｌ　Ｌｉｎｅ　Ｓｌｏｔ　Ａｎｔｅｎｎａ）等のような平面アンテナ、またはパラボラアンテナ（Ｐａｒａｂｏｌａ　Ａｎｔｅｎｎａ）やホーンアンテナ（Ｈｏｒｎ　Ａｎｔｅｎｎａ）等のような開口面アンテナは他のアンテナと比べて比較的に高放射利得で、数百メガヘルツ帯から数十ギガヘルツ帯までの周波数帯域の使用に適している。これらのアンテナは鋭い放射指向性の主ローブまたは主ビームを有するので、実際に送受信アンテナとして使用するときに、主ビームの方向を所望の方向に合わせることはなかなか困難である。主ビームがアンテナの放射面の平面または開口面に完全に垂直であるならばアンテナの送受信方向を合わせることは幾分か簡単になるが、アンテナの設計の都合、およびアンテナの固定および設置の都合によって、主ビームが必ずしもアンテナの放射面の平面または開口面に垂直になるとは限らない。すなわち、上述の都合によって必然的に主ビームのチルト角が生じてしまう場合がある。
この発明に用いた誘電体カバーは、スロットアレーアンテナの主ビームのチルト角を補正するために説明してきたが、主ビームにチルト角を有する平面アンテナおよび開口面アンテナにも適用でき、同様な効果を発揮できることは言うまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のスロットアレーアンテナにおいては、スロット板の上に放射指向性主ビームのチルト角補正のために誘電体カバーを設けた。周波数バンド幅を広げるためには、スロットアレーアンテナの放射指向性主ビームにチルト角を持たせなければならない。しかしながら、この発明によれば、スロットアレーアンテナの放射指向性主ビームにチルト角を持たせたままで、アンテナの送受信方向がスロット板に垂直となるように補正できる。したがって、この発明のスロットアレーアンテナは、送受信装置に実装するとき、無駄なスペースがなくなるばかりでなく、アンテナの主ビーム方向の調整も不要で、通信装置の大きさと低コスト化に大きく貢献できる。
また、誘電体カバーの材料として、テフロン（登録商標）のような低損失で化学的に安定な材料を使用すれば、アンテナのスロット板はほこり、汚れ、衝撃、化学物質からの汚染が保護される。したがって、アンテナのスロット板を保護するために設けるレドームは不要になるため、さらに低コスト化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施例を説明する図である。
【図２】スロットアレーアンテナの本体を示す斜視図である。
【図３】スロット板の平面図である。
【図４】プレートの平面図である。
【図５】スロット板とプレートを接着させた後のスロットアレーアンテナの斜視図である。
【図６】スロットアレーアンテナの放射指向性の主ビーム（チルト角０°）を説明するための図である。
【図７】スロットアレーアンテナの放射指向性の主ビーム（チルト角が給電口側に傾いた場合）を説明するための図である。
【図８】スロットアレーアンテナの放射指向性の主ビーム（チルト角が給電口と反対側に傾いた場合）を説明するための図である。
【図９】主ビームがチルト角を有するスロットアレーアンテナのスロット板側に誘電体カバーを装着した状態を示す図である。
【図１０】放射導波管の断面を含むこの発明の第１の実施例のスロットアレーアンテナと誘電体カバーの断面図である。
【図１１】この発明の第２の実施例のスロットアレーアンテナと誘電体カバーを示す断面図である。
【図１２】この発明の第２の実施例のスロットアレーアンテナのスロット板側に誘電体カバーを装着した状態を示した図である。
【図１３】放射導波管の断面を含む第２の実施例のスロットアレーアンテナと誘電体カバーの断面図である。
【図１４】スロットアレーアンテナの主ビームのチルト角と誘電体カバーの外側の表面と内側の表面の形成する角度の関係を示した図である。
【図１５】誘電体カバーの内側の表面と外側の表面における放射電磁波の伝搬経路（スロットアレーアンテナの放射指向性主ビームが放射導波管給電口側に傾く場合）を示した図である。
【図１６】誘電体カバーの内側の表面と外側の表面における放射電磁波の伝搬経路（スロットアレーアンテナの放射指向性主ビームが放射導波管給電口と反対側に傾く場合）を示した図である。
【図１７】誘電体カバーの内側の表面と外側の表面における放射電磁波の伝搬経路（スロットアレーアンテナの放射指向性主ビームが誘電体カバーの外側の表面から傾いて放射される場合）を示した図である。
【図１８】スロットアレーアンテナの主ビームのチルト角と誘電体カバーの外側の表面と内側の表面の形成する角度の関係を示した図である。
【図１９】この発明の第３の実施例を示す図である。
【図２０】放射導波管の断面を含むこの発明の第３の実施例のスロットアレーアンテナと誘電体カバーの断面図である。
【符号の説明】
１１１　　スロットアレーアンテナ
１１２　　給電口
１１３　　スロット板
１１４　　スロット板に対して垂直な方向
１１５　　放射指向性の主ビーム
１１６　　誘電体カバー

Claims (21)

1. スロット板の面に対して垂直方向からチルト角θだけ傾いた方向の放射指向性の主ビームが設定されているスロットアレーアンテナ本体と、
   外側の平面が、前記スロット板の面とほぼ平行に配置され、この外側の平面と内側の平面が傾斜角αをなし、屈折率ｎの誘電体材料で構成された誘電体カバーとを有し、
   この誘電体カバーの内側の平面が前記スロットアレーアンテナ本体のスロット板と対向するように装着することにより、前記放射指向性の主ビームが前記誘電体カバーを通過して屈折し、前記チルト角θが修正されて前記誘電体カバーの外側の平面に対して垂直な方向になることを特徴とするスロットアレーアンテナ。
2. 前記傾斜角αは下記計算式〔数１〕で計算される値にほぼ等しい請求項１記載のスロットアレーアンテナ。
   

   
3. 前記傾斜角αは、〔数２〕から〔数３〕の範囲内で計算される値にほぼ等しい請求項１記載のスロットアレーアンテナ。
   

   

   
4. 前記誘電体カバーは、前記スロット板と接触し、前記誘電体カバーを安定に固定させる突起を有する請求項１記載のスロットアレーアンテナ。
5. 前記スロットアレーアンテナ本体は、前記スロット板と垂直な面に入出力電磁波の給電口を有し、前記放射指向性の主ビームは前記給電口側に前記チルト角θだけ傾いている請求項１記載のスロットアレーアンテナ。
6. 前記スロットアレーアンテナ本体は、前記スロット板と垂直な面に入出力電磁波の給電口を有し、前記放射指向性の主ビームは前記給電口と反対側に前記チルト角θだけ傾いている請求項１記載のスロットアレーアンテナ。
7. 前記スロットアレーアンテナ本体は、前記給電口から入力された電磁波が導かれる放射導波管を有し、前記誘電体カバーの内側の平面は前記放射導波管の長手方向に沿って傾斜している請求項１記載のスロットアレーアンテナ。
8. スロット板の面に対して垂直方向からチルト角θだけ傾いたと、方向の放射指向性の主ビームが設定されているスロットアレーアンテナ本体を準備する工程
   屈折率ｎの誘電体材料で構成され、外側の平面が、前記スロット板の面とほぼ平行に配置され、この外側の平面と内側の平面がなす傾斜角を所定の角度だけ異ならせた複数の誘電体カバーを準備する工程と、
   前記スロットアレー本体を固定設置する工程と、
   前記複数の誘電体カバーのうち選択した一つの誘電体カバーの内側の平面が前記スロットアレーアンテナ本体のスロット板と対向するように装着することにより、前記放射指向性の主ビームが前記誘電体カバーを通過して屈折し、前記チルト角θが修正されて前記誘電体カバーの外側の平面に対して任意の方向に調整する工程とを有するスロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームの方向調整方法。
9. 記傾斜角をαとすると、この傾斜角αは下記計算式〔数４〕で計算される値にほぼ等しい請求項８記載のスロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームの方向調整方法。
   

   
10. 前記傾斜角をαとすると、この傾斜角αは〔数５〕から〔数６〕の範囲内で計算される値にほぼ等しい請求項８記載のスロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームの方向調整方法。
    

    

    
11. 前記誘電体カバーは、前記スロット板と接触し、前記誘電体カバーを安定に固定させる突起を有する請求項８記載のスロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームの方向調整方法。
12. 前記スロットアレーアンテナ本体は、前記スロット板と垂直な面に入出力電磁波の給電口を有し、前記放射指向性の主ビームは前記給電口側に前記チルト角θだけ傾いている請求項８記載のスロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームの方向調整方法。
13. 前記スロットアレーアンテナ本体は、前記スロット板と垂直な面に入出力電磁波の給電口を有し、前記放射指向性の主ビームは前記給電口と反対側に前記チルト角θだけ傾いている請求項８記載のスロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームの方向調整方法。
14. 前記スロットアレーアンテナ本体は、前記給電口から入力された電磁波が導かれる放射導波管を有し、前記誘電体カバーの内側の平面は前記放射導波管の長手方向に沿って傾斜している請求項１２または１３記載のスロットアレーアンテナの放射指向性の主ビームの方向調整方法。
15. アンテナ面に対して垂直方向からチルト角θだけ傾いた方向の放射指向性の主ビームが設定されている平面アンテナ本体と、
    外側の平面が、前記アンテナ面とほぼ平行に配置され、この外側の平面と内側の平面が傾斜角αをなし、屈折率ｎの誘電体材料で構成された誘電体カバーとを有し、
    この誘電体カバーの内側の平面が前記平面アンテナのアンテナ面と対向するように装着することにより、前記放射指向性の主ビームが前記誘電体カバーを通過して屈折し、前記チルト角θが修正されて前記誘電体カバーの外側の平面に対して垂直な方向になることを特徴とする平面アンテナ。
16. 前記傾斜角αは下記計算式〔数７〕で計算される値にほぼ等しい請求項１５記載の平面アンテナ。
    

    
17. 前記傾斜角αは、〔数８〕から〔数９〕の範囲内で計算される値にほぼ等しい請求項１５記載の平面アンテナ。
    

    

    
18. 前記誘電体カバーは、前記アンテナ面と接触し、前記誘電体カバーを安定に固定させる突起を有する請求項１５記載の平面アンテナ。
19. 開口面または開口面に相当する表面を有し、この開口面または表面に対して垂直方向からチルト角θだけ傾いた方向の放射指向性の主ビームが設定されている開口面アンテナ本体と、
    外側の平面が、前記開口面または表面とほぼ平行に配置され、この外側の平面と内側の平面が傾斜角αをなし、屈折率ｎの誘電体材料で構成された誘電体カバーとを有し、
    この誘電体カバーの内側の平面が前記開口面アンテナ本体の開口面または表面と対向するように装着することにより、前記放射指向性の主ビームが前記誘電体カバーを通過して屈折し、前記チルト角θが修正されて前記誘電体カバーの外側の平面に対して垂直な方向になることを特徴とする開口面アンテナ。
20. 前記傾斜角αは下記計算式〔数１０〕で計算される値にほぼ等しい請求項１９記載の開口面アンテナ。
    

    
21. 前記傾斜角αは、〔数１１〕から〔数１２〕の範囲内で計算される値にほぼ等しい請求項１９記載の開口面アンテナ。
    

    

    

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