JP2006237920A - 導波管スロットアレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 垂直偏波で水平面指向性が可能な限り無指向性に近い垂直導波管スロットアレイアンテナを実現すること。
【解決手段】 矩形導波管の両側狭壁面に、いわゆるハの字形スロットを、管軸方向上の位置を同じくして、管軸方向に対する傾きを両側同じにして設けるか、又は両側互いに逆の傾きで設ける。両側スロットの傾きを同じくして設けた場合、更に導波管内を誘電体で充填し管内波長が短くなるのに応じて導波管の広壁面幅を短くすることにより、中間角度方向の利得落ち込みを小さくしたり、導波管の広壁面に垂直の遮蔽板を立て中間角度方向の利得落ち込みを小さくしたり、更には両者を併用して水平面指向性を無指向性に近付ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、マイクロ波帯、ミリ波帯で用いられる導波管スロットアレイアンテナの技術分野に属する。

ＦＷＡ（Fixed Wireless Access System）などの基地局に用いられるアンテナとして、小型であることを特徴とする導波管スロットアレイアンテナがある。このアンテナは、管壁に管軸方向に複数のスロットを切った導波管を垂直に立てた状態で垂直面内指向性を形成している。
スロットの長手方向を管軸方向に沿うようにスロットを切ると水平偏波が得られる。また、スロットの長手方向が管軸方向に対して一方側に傾斜したスロットと、反対側に傾斜したスロットが管軸方向に沿って交互に配列（いわゆるハの字形スロット）することにより、水平偏波成分が打ち消し合って垂直偏波成分のみの放射となる。

水平偏波の場合には、スロットの長手方向が垂直に立った配置となるため、スロット単体の水平指向性は広角なビームとなる。このため導波管広壁面の両側にスロットを切ることで水平面内無指向性が容易に得られる。

これに対して、垂直偏波の場合は、スロット単体の水平面内指向性は絞られたビームとなる。
ただ、ハの字形スロットを導波管の狭壁面に設けた方が、広壁面に設けた場合よりも広い水平面内指向性が得られる。
電子通信学会、アンテナ工学ハンドブック、第１版、オーム社、平成３年９月３０日、Ｐ．３７５ 電子情報通信学会、高速ワイヤレスアクセス技術、初版、電子情報通信学会、平成１６年３月５日、Ｐ．１６４ 守屋理、石上治、後藤尚久、垂直偏波導波管スロットアンテナの指向性、「電子情報通信学会２００４年ソサイエティ大会講演論文集」、電子情報通信学会、平成１６年９月８日、Ｐ．１６９

以上のように、水平偏波については管壁面にスロットを切った導波管を垂直に立てたスロットアレイアンテナで水平面無指向性のものが得られているが、垂直偏波についてはそのようなスロットアレイアンテナは得られていなかった。

本発明は垂直偏波での水平面指向性において、利得落ち込み角度範囲の狭い８字特性や、落ち込みの少ない近十字特性や無指向性に近い特性の導波管スロットアレイアンテナを実現することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、次の手段構成を有する。
本発明の第１の構成は、矩形導波管の両側狭壁面上の、管軸方向上同じ位置に、長手方向が管軸方向に対して一方側に傾斜したスロットと反対側に傾斜したスロット（いわゆるハの字形スロット）が管軸方向に沿って交互に配列され、両狭壁面間で向き合うスロット同士の傾きは交差していることを特徴とする導波管スロットアレイアンテナである。

本発明の第２の構成は、矩形導波管の両側狭壁面上の、管軸方向上同じ位置に、長手方向が管軸方向に対して一方側に傾斜したスロットと反対側に傾斜したスロットが管軸方向に沿って交互に配列され、両狭壁面間で向き合うスロット同士の傾きは同じであることを特徴とする導波管スロットアレイアンテナである。

本発明の第３の構成は、前記第２の構成において、導波管内に誘電体が充填されていることを特徴とする導波管スロットアレイアンテナである。

本発明の第４の構成は、前記第２の構成又は第３の構成において、導波管の広壁面中央に遮蔽板が立設されていることを特徴とする導波管スロットアレイアンテナである。

導波管の片側狭壁面に設けられたスロットによる水平面内指向性は図５の（ａ）のようになる（図の中心の矩形は、導波管断面の向きを示す）。即ち、上側狭壁面に設けられたスロットのみによる指向性は実線のようになり、下側狭壁面に設けられたスロットのみによる指向性は点線のようになる。

本発明の第１の構成おいては、導波管の両側の狭壁面にいわゆるハの字形スロットが切られており、これら両狭壁面のスロット間同士では、管軸方向で同じ位置にあり且つスロットの傾きは管軸方向に対して逆傾斜になっている。従って、この導波管を垂直に立てた場合、スロットがハの字形であるところから垂直偏波となる。しかし、スロットの傾斜が両狭壁面間では管軸方向に対して互いに逆傾斜となっているため、導波管の一方端から励振した場合、一方側狭壁面のスロットから放射される電磁波と他方側狭壁面のスロットから放射される電磁波の位相は逆相になっている。

即ち、図５の（ａ）の実線で示される指向性と点線で示される指向性は位相が１８０°異なっているということになる。図５の（ａ）の指向性は前述のように、それぞれ片側のみのスロットによる指向性であるが、導波管を励振した場合には、同時に両狭壁面から電磁波が放射されるから、両狭壁面の指向性を合成したものとなる。

その結果、０°、１８０°方向においては、互いに他方の指向性の影響は殆ど受けないから、ほぼ、図の（ａ）の通りの利得レベルとなるが、９０°、２７０°の方向においては、強さが同じで逆相であるから、互いに相殺し合ってゼロに近くなる。
４５°、１３５°、２２５°、３１５°付近の方向（中間角度方向）では、位相、振幅の異なる両側面からの放射が干渉し合って合成される。

導波管の場合、広壁面幅は伝送波長の２分の１以上必要とされているから、２分の１波長より狭くはできないが、２分の１波長をやや越えた寸法の場合での合成結果は、片側スロット単独の場合の振幅よりも大きくなる。
その結果、図５の（ｂ）に示すような９０°方向、２７０°方向を中心とする落ち込みの角度幅の小さい８字形の指向性が得られるという効果がある。

本発明の第２の構成では、両側狭壁面のスロットの傾きが同じであるため、導波管の一方端から励振した場合、両側狭壁面スロットからの放射は同相である。即ち、図５の（ａ）の実線の指向性と点線の指向性は同相である。
その結果、０°方向、１８０°方向ではそれぞれ（ａ）の場合と同じ利得となるが、９０°方向、２７０°方向では両側スロットからの放射が同相で合成されるので、単独指向性の場合よりも振幅（利得）が大きくなる。

中間角度方向では、両側スロット間の間隔に起因する距離差による位相差が逆相に近くなり、相殺し合うようになり振幅（利得）の落ち込みが生ずることになる。従って、両側スロット間の距離すなわち広壁面幅が小さい程この落ち込みは少なくなるが、広壁面幅は、導波管内を電磁波が伝搬するためには管内波長の２分の１以上の幅が必要であるという制約がある。
以上の結果、図５の（ｃ）の実線に示すような近十字型の水平面指向性が得られるという効果がある。

本発明の第３の構成では、第２の構成の導波管内に誘電体が充填されているというものであるが、導波管内に誘電率ｅ_ｒ（〉１）の誘電体を充填するとそこを伝搬する電磁波の管内波長はｅ_ｒの平方根分の１に短くなる。従って、導波管の広壁面幅もそれに応じて短くすることができ、それにより中間角度方向における両側スロットからの距離差を小さくすることができ相殺し合う程度を小さくすることができるので近十字特性における中間角度方向における振幅（利得）の落ち込みを小さくでき、結果として図５の（ｃ）中、点線で示すように無指向性に近付けることができるという効果がある。

本発明の第４の構成では、第２の構成又は第３の構成の導波管の広壁面に遮蔽板を設けているので、スロット後方の中間角度方向へ向かう電磁波が遮蔽されて、その方向における両側スロットからの放射の減殺が軽減される結果となり、落ち込みがより一層軽減されて無指向性に一層近付くという効果がある。

本発明のスロットアレイアンテナはいずれも、導波管の両側狭壁面にスロットを切っているが、電磁波の送受信利得を上げるため狭壁面幅一杯、やや広壁面に切り込みが入る位のスロットを切るのが最良の形態である。

また、スロット数及び管軸方向に対するスロットの傾斜は垂直面内指向性に合わせて設定するのが最良である。第４の構成における遮蔽板は、両側広壁面の中央に壁面に対して垂直に立設するのが最良である。

図１は、本発明第１の構成の実施例を示す図で、（ａ）は導波管斜視図であり、（ｂ）はその水平面指向性図である。
（ａ）に示すように、ハの字形スロット２が導波管１の左右の狭壁面に切られている。そして左右間ではスロットの傾斜が交差するように逆になっている。このようなスロットが、必要に応じて各狭壁面上下方向に複数設けられる。
片側の管壁だけを見た場合、上下方向に、傾斜が逆のスロットを交互に配置しているために水平偏波成分は打ち消し合って垂直偏波成分のみが放射されることになる。従って、左右の狭壁面のスロットから垂直偏波が放射されることになるが、左右でスロットの傾斜が逆であるため、導波管１を励振した場合、左右で位相が機械的に反転するため左右逆相で放射される。

その結果、広壁面に対して垂直な方向（図の（ｂ）で９０°、２７０°の方向）においては、左右の両狭壁面から放射された電磁波は相殺し合ってゼロ（ｎｕｌｌ）となる。狭壁面に対して垂直な方向（図の（ｂ）で０°、１８０°の方向）には、狭壁面それぞれのスロット単独の場合の指向性に近い特性となり、いわゆる８の字指向性が得られる。

図１の（ｂ）は、（ａ）のような導波管について広壁面幅がおよそ半波長（周波数２５ＧＨｚ）で狭壁面幅が１ｍｍのときの水平面内指向性を算出して得た結果を図示したものである。図の中央の矩形は導波管断面の向きを示すものである。９０°方向および２７０°方向で鋭いｎｕｌｌが現れる一方、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の各方向付近（中間角度方向）では、両側スロットからの放射が強め合い０°方向や１８０°方向よりも振幅（利得）がやや大きくなっている。

図２は、本発明の第２の構成の実施例を示す図である。（ａ）は導波管１の斜視図であり、（ｂ）は計算された水平面指向性図の例である。
（ａ）に示すように導波管狭壁面のハの字形スロット２が切られているので、垂直偏波が放射されることは図１の場合と同じであるが、左右のスロットの傾きは同じになっているので、導波管１を励振した場合、電磁波は、左右同相で放射される。

その結果、広壁面に対して垂直な方向（図の（ｂ）で、９０°、２７０°の方向）においては、左右の両狭壁面から放射された電磁波は同相であるから加算されることになる。
狭壁面に対して垂直な方向（図の（ｂ）で０°、１８０°の方向）では、それぞれの面のスロット単独の場合の指向性に近い特性となる一方、４５°、１３５°、２２５°、３１５°の各方向付近（中間角度方向）では、両側スロットから放射される電磁波に位相差を生ずるからその分減殺し合って振幅（利得）に落ち込みを生ずる。その結果、水平面指向性は十字形に近い特性を示すことになる。

図２の（ｂ）は、（ａ）の導波管１において、スロットの周囲長を一定に保ちながら導波管１の狭壁面幅ａを３ｍｍ、２ｍｍ、１ｍｍと薄くしていったときの水平面指向性を示している。この狭壁面幅ａによる変化は、狭壁面幅を薄くして行くにつれてスロット端部が広壁面にはみ出す長さが増し、広壁面方向への放射が大きくなるからである。このように、狭壁面方向（０°、１８０°方向）ではそれぞれの面のスロットのみによる振幅（利得）が得られ、広壁面方向（９０°、２７０°方向）では、同相加算により、０°、１８０°方向に匹敵する強度が得られ、中間角度方向では、両側スロットからの放射の減殺による落ち込みが生じて十字型に近い全方位特性が得られることになる。

図３は、図２の（ａ）の導波管１内に誘電体を充填した、本発明の第３の構成の実施例の水平面指向性計算結果の一例を示す図である。
図２の（ｂ）の水平面指向性図と比べて中間角度方向での落ち込みが少なくなっている。
これは、導波管１内に誘電体を充填することにより管内波長が短くなり、その分だけ導波管１の広壁面幅を小さくすることができるため、両側狭壁面に設けられたスロット間隔を小さくすることができるからである。中間角度方向における、両側狭壁面スロットからの電磁波間の減殺は、両電磁波間の位相差が０°から１８０°までの間で大きくなるほど大きくなる。

従って、この位相差が少ない程減殺が小さくなるところ、この位相差は、両側狭壁面スロット間の距離が短い程少なくなるので、誘電体を充填したことにより、導波管１の広壁面幅を狭くできることは、水平面指向性における中間角度方向の落ち込みを小さくすることができるということになる。

図４は、本発明の第４の構成の実施例を示す図である。図４の（ａ）は、図２の（ａ）の導波管１の両広壁面に垂直に遮蔽板３を設けたものである。
この遮蔽板３により、一方狭壁面のスロットから斜め後方へ放射される電磁波を遮ることにより、中間角度方向における両狭壁面スロットからの放射の干渉による減殺を低減することができる。

なお、広壁面方向に対する放射に対しては、遮蔽板３と平行になるため遮られず、両側狭壁面スロットから放射は同相であるため加算されること、図２の場合と同様である。
また、狭壁面の前方および斜め前方への放射に対しては、遮蔽板３の存在は影響しないのでやはり図２の場合と同様になる。

従って、図４の（ｂ）に示すように、図２の（ｂ）の水平面指向性に比べて中間角度方向における落ち込みの少ない、より無指向性に近付いた水平面指向性を得ることができる。

更に、誘電体を充填した導波管１に遮蔽板３を設けることにより、中間角度方向における落ち込みを一層小さくして、より無指向性に近付けた水平面指向性を得ることができることは、以上述べて来た理由から明らかである。

本発明導波管スロットアレイアンテナの第１の実施例の構造斜視図とその８字形水平面指向性を示す図である。 本発明導波管スロットアレイアンテナの第２の実施例の構造斜視図とその近十字形水平面指向性を示す図である。 本発明の第３の実施例で、図２の（ａ）の導波管内に誘電体を充填して管内波長を短くし導波管の広壁面幅を小さくしたため中間角度方向の落ち込みが小さくなったことを示す水平面指向性図である。 本発明導波管スロットアレイアンテナの第４の実施例の構造斜視図その水平面指向性を示す図である。 本発明導波管スロットアレイアンテナの原理的説明図である。

符号の説明

１ 導波管
２ ハの字形スロット
３ 遮蔽板

Claims (4)

1. 矩形導波管の両側狭壁面上の、管軸方向上同じ位置に、長手方向が管軸方向に対して一方側に傾斜したスロットと反対側に傾斜したスロットが管軸方向に沿って交互に配列され、両狭壁面間で向き合うスロット同士の傾きは交差していることを特徴とする導波管スロットアレイアンテナ。
2. 矩形導波管の両側狭壁面上の、管軸方向上同じ位置に、長手方向が管軸方向に対して一方側に傾斜したスロットと反対側に傾斜したスロットが管軸方向に沿って交互に配列され、両狭壁面間で向き合うスロット同士の傾きは同じであることを特徴とする導波管スロットアレイアンテナ。
3. 導波管内に誘電体が充填されていることを特徴とする請求項２記載の導波管スロットアレイアンテナ。
4. 導波管の広壁面中央に遮蔽板が立設されていることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の導波管スロットアレイアンテナ。
   
   
   
   
   
   
   
   

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