JP2004266426A

JP2004266426A - 導波管アレーアンテナ

Info

Publication number: JP2004266426A
Application number: JP2003052795A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tsunekawa; 光一常川; Yoshio Ebine; 佳雄恵比根; Naohisa Goto; 尚久後藤
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2004-09-24
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: JP3895285B2

Abstract

【課題】小形でアンテナ放射パターンを制御できる導波管アレーアンテナを提供する。
【解決手段】導波管の長手方向と平行する２辺に対して所定の角度で逆向きに傾斜した一対のスロットと、この一対のスロットの形成位置から所定距離離れた位置で上記２辺と直交する向きに横断する横断線を線対称とする位置に形成した一対のスロットと、これらスロットと連通して広壁面に接する狭壁面に上記平行する２辺から直角方向に切込んだスロットとによって一組のアンテナを構成し、この一組のアンテナが導波管の長手方向に一組以上存在する導波管アレーアンテナ。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は１本の導波管の広壁面に左右２本のスロットを切ることで、容易にアンテナ放射パターンを制御でき、また、この応用として各導波管アレーアンテナをバトラーマトリックス給電回路で給電することで、マルチビームアンテナでありながら十分低いサイドロープレベルを実現することができる導波管アレーアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は従来の導波管アンテナである。水平面のアンテナパターンを成形するために２つのアンテナ素子ＥＬ_１−１とＥＬ_１−２を水平に並べ、各アンテナの位相及び振幅特性をアンテナ間隔ｄで調整している。これらのアンテナを構成しかつ制御するには、本図のように２本の導波管１０を並列に並べ、各導波管１０にスロットＳＬを切る必要があった。なお、各スロットＳＬは狭壁面１１に切るので、長さが十分取れないことから、斜めになり、かつ側面まで切り込む形となる。この状態で垂直偏波を発生させるために、スロットの斜めに切る向きを縦方向で交互させている。こうすることで、水平偏波成分が打ち消されて垂直偏波成分のみが放射される。因みに、各アンテナ素子ＥＬ_１−１，ＥＬ_１−２，ＥＬ_２−１，ＥＬ_２−２で発生する電界Ｅは、垂直成分Ｖと水平成分Ｈとに分けられる。スロットＳＬの向が交互に異なっていることにより、電界Ｅも縦方向に逆向きの傾斜を持つ。このために、垂直成分Ｖは互いに強調されるが、水平成分Ｈは相殺され、ほぼゼロとなり、垂直成分のみが放射されることになる。
【０００３】
また、一つの給電点で２つのアレイに給電するため本アンテナの下部には２分配器１３が必要である。このアンテナの応用としては、バトラーマトリックス給電回路で給電してマルチビームを構成する場合、素子パターンをコントロールしてサイドロープを抑えることが出来る。このアンテナの構成は非特許文献１に記載されている。
【０００４】
【非特許文献１】
ハーロンシャムスールアムリ、後藤尚久、常川光一 “バトラーマトリックスを用いたマルチビームアンテナの指向性”２００２信学総大Ｂ−１−２３１
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本アンテナにより、水平面が２素子アレイアンテナとなるため水平面放射パターンの制御が可能である。しかし、２本の導波管１０を用いること、および２分配器１３を必要とすることから、構造が複雑である。さらに狭壁面１１にスロットＳＬを切ることから、広壁面１２がアンテナの厚み方向となり、アンテナが厚くなること、またアンテナ間隔を調整してパターン成形を行うので、２つの導波管１０の間隔を広くとる場合があることからアンテナが大きくなる。
【０００６】
このように、従来の水平面パターン成形を行える導波管アンテナは、構造が複雑であり、かつ形状が大きくなるという欠点があった。
本発明の目的は水平面パターン成形を行える導波管アンテナにおいて、簡易な構造でかつ小さな容積で容易にアンテナ放射パターンを制御できる導波管アンテナを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１では導波管の面に複数のスロットを切ることでアンテナとして動作させる導波管アレーアンテナにおいて、
導波管の広壁面に形成され導波管の長手方向と平行する２辺に対して所定の角度で逆向に傾斜した一対のスロットと、この一対のスロットの形成位置から所定距離離れた位置で上記２辺と直交する向きに横断する横断線を線対称とする位置に形成した一対のスロットと、これらスロットと連通して上記広壁面に接する狭壁面に上記平行する２辺から直角方向に切込んだスロットとによって一組のアンテナを構成し、この一組のアンテナが上記導波管の長手方向に一組以上存在する導波管アレーアンテナを提案する。
【０００８】
この発明の請求項２では請求項１記載の導波管アレーアンテナにおいて、個々のスロットが互いに平行する２本の長さの異なるスロットの組で構成され、これら２本のスロットが１組として動作する導波管アレーアンテナを提案する。
この発明の請求項３では請求項１又は２記載の導波管アレーアンテナの何れかにおいて、任意の組数でブロック化し、各ブロックを構成する導波管の長手方向のほぼ中央から給電する導波管アレーアンテナを提案する。
この発明の請求項４では請求項３記載の導波管アレーアンテナを１ブロックとし、各ブロックを導波管の長手方向又は導波管の長手方向と平行して配列し、各ブロックを給電回路を経由して給電して任意の位相振幅で給電する構成とした導波管アレーアンテナを提案する。
【０００９】
この発明の請求項５では請求項１乃至４記載の導波管アレーアンテナの何れかにおいて、各アンテナをバトラーマトリックス給電回路で給電する構成とした導波管アレーアンテナを提案する。
作用
この発明による導波管アレーアンテナによれば、導波管の広壁面に互いに逆向きに傾斜した４個のスロットを形成し、これら４個のスロットで一組のアンテナとして動作させる構成としたから、１本の導波管の広壁面上で一組のアンテナを構成することができる。この結果、小さな容積で導波管アレーアンテナを構成することができる。また、アンテナ放射パターンを制御することができ、かつアレー化することで垂直面でのビームチルトやパターン成形が可能で、かつバトラーマトリックスによりマルチビームとした場合もグレーティングローブの発生を抑圧できる利点が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１乃至図４にこの発明による導波管アレーアンテナの一実施例を示す。
図１３と対応する部分には同一符号を付して示す。この発明では導波管１０の広壁面１２に導波管１０の長手方向と平行する２辺１０Ａと１０Ｂに対して所定の角度θで互いに逆向きに傾斜した一対のスロットＳＬ_１−１とＳＬ_２−１を形成する。これらのスロットＳＬ_１−１とＳＬ_２−１は導波管１０の広壁面１２を幅方向に２分する中心線１４Ａを線対称として配置される。更にこの発明ではスロットＳＬ_１−１及びＳＬ_２−１と所定の距離離れた位置を導波管１０の長手方向に直交する向きに横断する横断線１４Ｂ（図２参照）を線対称としてスロットＳＬ_１−２及びＳＬ_２−２とを設け、更に、狭壁面１１にはこれらスロットＳＬ_１−１，ＳＬ_１−２及びＳＬ_２−１，ＳＬ_２−２のそれぞれに連通し、２辺１０Ａと１０Ｂのそれぞれから直角方向にスロットを延長して形成する。これらの各スロットＳＬ_１−１，ＳＬ_１−２とＳＬ_２−１，ＳＬ_２−２とによって一組のアンテナを構成する。スロットＳＬ_１−１とＳＬ_１−２及びＳＬ_２−１とＳＬ_２−２の平均間隔はこの例では０．５λとした例を示す。尚、導波管１０の端末部分は金属壁１０Ｃで塞がれる。
【００１１】
この発明ではこれらの４個のスロットＳＬ_１−１，ＳＬ_１−２及びＳＬ_２−１，ＳＬ_２−２を一組としてアンテナを構成する。図３に各スロットの電流の方向を示す。スロットＳＬ_１−１とＳＬ_１−２の組について見ると、スロットＳＬ_１−１とＳＬ_１−２はその間隔が図２に示したように０．５波長であるため、スロット上は逆方向に電流が流れる。このために広壁面１２ではＹ軸方向の電流Ｈが逆向となり互に打消されるのに対して、Ｘ軸方向に関しては足し合わされる。これによりスロットＳＬ_１−１とＳＬ_１−２で電界Ｅ１が生成される。同様にしてスロットＳＬ_２−１とＳＬ_２−２についても同じ動作となり電界Ｅ２が生成される。この電界Ｅ１とＥ２は導波管１０に対して長手方向で同一方向に向くため、導波管１０を立てた場合、垂直偏波が放射される。すなわち、ＹＺ面に電界Ｅ１，Ｅ２が発生し、Ｚ軸方向に電波が放射される。
【００１２】
スロットＳＬ_１−１，ＳＬ_１−２及びＳＬ_２−１，ＳＬ_２−２の角度（例えばθ＝６０°）θや広壁面１２の幅ａ（図３参照）を調整することで電界Ｅ１とＥ２の間隔を調整できるので、水平面の放射パターンを成形することができる。なお、狭壁面１１に生成される電流は各スロットで逆位相となるため、ＺＹ平面の放射には殆んど寄与しない。
上述したように、図１及び図２に示したアンテナの構成により４本のスロットＳＬ_１−１，ＳＬ_１−２及びＳＬ_２−１，ＳＬ_２−２の組で導波管を立てた場合に垂直偏波が発生し、その水平面パターンを成形することができる。このアンテナは図４に４本のスロットを単位としてひとつの導波管１０の長手方向に単位アンテナをＡＮ１〜ＡＮ６のように並設することができる。このように縦方向に単位アンテナをＡＮ１〜ＡＮ６を並設することによりアレーアンテナとして動作し、垂直偏波の高利得アンテナとして使用することができる。なお図４Ａでは単位アンテナを６個並設し、Ｂでは２個並設した場合を示したが、その数に特別な意味はなく、任意の個数に選定することができる。但し、複数設置した場合は対称性などを良くするために図４及び図１１に示すように中央給電（給電点Ｃ）がよい。
【００１３】
上述したように、この発明によれば１本の導波管１０の広壁面１２上で一組のアンテナを構成することができるから簡易な構造でかつ小さな容積でアンテナ放射パターンを制御できる導波管アンテナを実現することができる。
図５及び図６にこの発明の第２の実施例を示す。この実施例では実施例１で示したスロットＳＬ_１−１〜ＳＬ_２−２を長さが異なる複数本のスロットで構成した場合を示す。こうすることで実施例１と同様の効果を得ながら、かつ、２つの周波数に共振させることができる。この場合の具体的なアンテナの構造とその特性を図７、図８及び図９に示す。図７に示すアンテナの寸法構造で実験を行なった。まず入力リターンロス特性を図８に示す。図８から明らかなように、３．９ＧＨｚと４．６５ＧＨｚの２つの周波数で共振し、２共振特性が得られた。尚、図５，図６及び図７に見られる２本のスロットの中でどちらを長くするかは特性を見極めて決定する。
【００１４】
一方放射パターンを図９に示す。図９に示すＹＺ面、すなわち導波管１０を立てた姿勢にした場合、水平面でグレーティングローブを抑圧することができた。図１０にこの発明の第３の実施例を示す。この実施例では任意の組のアンテナを使用し、平面アレーアンテナを構成する場合の実施例を示す。図１０に示す例では縦方向に２組（スロット８本）で１ブロックＢＵを形成し、各ブロックＢＵを中央で給電した場合を示す。各ブロックＢＵは図１１ＡとＢに示すように単一共振形のブロックと、図１１ＣとＤに示す２共振形の何れでもよい。各ブロックＢＵを４個縦に並べ、位相器１５（図１０Ｂ参照）を介して給電することで、垂直面のビームチルト、成形などを行うことができる。更に、この縦の列を横方向及び縦方向に並べることで横方向及び縦方向にもアレー化することができる。この場合は各縦方向のアレーを独立に給電する方法もあるが、図１２に示すようにバトラーマトリックス１６を介して給電することでマルチビームが得られる。特にこの場合はこの発明によるアンテナが水平面でパターン成形ができる特徴が活きる。すなわち、バトラーマトリックス１６では位相角が全て固定であるため、任意の角度にビームを生成する場合、グレーティングローブが発生することがある。然し乍ら、この発明によればグレーティングローブを素子パターンの成形で抑圧することが可能となる。尚、図１０に示したブロックＢＵと、図１１に示したブロックＢＵとでスリットＳＬの向きが異なるが、スロットの向きの違いによりアンテナの特性に違いが発生することはない。
【００１５】
つまり、この第３の実施例のように、アレー化することにより、簡易な構造でかつ小さな容積で容易に垂直面でのビームチルトやパターン成形が可能で、かつバトラーマトリックス１６によりマルチビームとした場合もグレーティングローブの発生を抑圧できることがわかる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、簡易な構造でかつ小さな容積で容易にアンテナ放射パターンを制御することができ、かつ、アレー化することで垂直面でのビームチルトやパターン成形が可能で、かつバトラーマトリックスによりマチルビームとした場合も、グレーティングローブの発生を抑圧できる導波管アンテナを提供することができる。
【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ための斜視図。
【図２】図１の正面図。
【図３】図１に示した実施例の動作を説明するための斜視図。
【図４】図１に示した実施例の実用例を示す正面図。
【図５】この発明の第２の実施例を説明するための斜視図。
【図６】図５の正面図。
【図７】図５及び図６に示した導波管アレーアンテナの具体的な構造の一例を示すＡは正面図、Ｂは側面図である。
【図８】図７に示した導波管アレーアンテナのリターンロス特性の実測例を示す特性曲線図。
【図９】図７に示した導波管アレーアンテナの放射パターン特性の実測例を示す特性曲線図。
【図１０】この発明の第３の実施例を説明するためのＡは正面図、Ｂは側面図である。
【図１１】図１０に示す導波管アレーアンテナに用いることができるアンテナブロックの形状を説明するためのＡ及びＣは正面図、Ｂ及びＤは側面図である。
【図１２】図１０に示した給電方法と異なる給電方法で給電する例を説明するための正面図。
【図１３】従来の導波管アレーアンテナの構造を説明するための斜視図。
【符号の説明】
１０導波管
１０Ａ，１０Ｂ導波管の長手方向に平行する２辺
１１狭壁面
１２広壁面
１４Ａ中心線
１４Ｂ横断線
１５位相器
１６バトラーマトリックス回路
ＳＬ_１−１〜ＳＬ_２−２スロット
ＢＵブロック

Claims

導波管の面に複数のスロットを切ることでアンテナとして動作させる導波管アレーアンテナにおいて、
導波管の広壁面に形成され導波管の長手方向と平行する２辺に対して所定の角度で逆向きに傾斜した一対のスロットと、この一対のスロットの形成位置から所定距離離れた位置で上記２辺と直交する向きに横断する横断線を線対称とする位置に形成した一対のスロットと、これらスロットと連通して上記広壁面に接する狭壁面に上記平行する２辺から直角方向に切込んだスロットとによって一組のアンテナを構成し、この一組のアンテナが上記導波管の長手方向に一組以上存在することを特徴とする導波管アレーアンテナ。
請求項１記載の導波管アレーアンテナにおいて、個々のスロットが互いに平行する２本の長さの異なるスロットの組で構成され、これら２本のスロットが１組として動作することを特徴とする導波管アレーアンテナ。
請求項１又は２記載の導波管アレーアンテナの何れかにおいて、任意の組数でブロック化し、各ブロックを構成する導波管の長手方向のほぼ中央から給電することを特徴とする導波管アレーアンテナ。
請求項３記載の導波管アレーアンテナを１ブロックとし、各ブロックを上記導波管の長手方向又は上記導波管の長手方向と平行して配列し、各ブロックを給電回路を経由して給電して任意の位相振幅で給電する構成としたことを特徴とする導波管アレーアンテナ。
請求項１乃至４記載の導波管アレーアンテナの何れかにおいて、各アンテナをバトラーマトリックス給電回路で給電する構成としたことを特徴とする導波管アレーアンテナ。