JP2007228313A - 導波管スロットアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】スロットのオフセット量およびスロット間隔が給電端から終端に進むにつれて大きくならない導波管スロットアレーアンテナを実現すること。
【解決手段】放射導波管１のスロットが設けられている広壁面とは反対側の広壁面内側を給電端側７から終端側８へ進むにつれてスロット面側へ階段状に近付いて行く階段構造とし、その段差位置を１つのスロットの管軸方向中央の位置から終端側への次のスロットの中央位置までの間に１箇所設ける。これにより１つの段差面で反射された反射波が、中央位置がその段差位置よりも給電端側にある直近のスロットの反射を相殺する。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にマイクロ波、ミリ波帯において用いられる導波管スロットアレーアンテナの技術分野に属する。

従来、Ｈ面管壁に、長手方向に沿って多数のスロットを設けた矩形導波管を同一平面上で平行に多数並べて各導波管へ給電するようにした導波管スロットアレーアンテナ、或いは板状導電性部材の１面に断面矩形状の溝を平行に多数設けたベース体に、溝に対応するように多数のスロットが設けられたスロット板を被せて各溝へ給電するようにした構造の導波管スロットアレーアンテナにおいては、給電した際の各スロットから給電側への反射を少なくするために、矩形導波管のＨ面管壁に、管軸方向に沿って、スロットを配列した放射用導波管のＥ面片側管壁に、スロット毎に対応させて管軸方向に対して垂直な面を有する壁板（誘導性壁）を設け、以て、スロット部分からの反射波を壁板面からの反射波によって相殺・低減するようにしている。

図８はその構造を示す図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は管軸方向図、（ｃ）は（ａ）の図を上から見た平面図である。
スロット９に対応させて、管軸中心を挟んで反対側の狭壁面に壁板（誘導性壁）２０を設けて、ここでも反射させ、その反射波Ｗ_Ｐで、スロット９での反射波Ｗ_Ｓをできるだけ相殺させ、全体としての反射波を低減させるようにしている。
一方、導波管スロットアレーアンテナの各放射導波管では、スロットは管軸方向に管内波長の２分の１の間隔で配列されており、且つ管幅中心から管幅方向に左右交互にオフセットしている。いわゆる千鳥状配置となっている。

従って、スロット９に対応する壁板（誘導性壁）２０も管軸方向では両側の狭壁面に交互に設けられるので、片側だけで見ると管内波長の１波長間隔で配列されていることになる。
交互オフセットの理由は、２分の１波長間隔の各スロットから放射される電磁波が同相になるようにするためである。そして、このオフセット量は、各スロットからの放射電力ができるだけ均一になるように、給電端側から終端側へ行くにつれて段々大きくなっている。

その理由は、給電端から入力した電磁波は順次スロットから放射されて行くため、導波管内を伝搬していく電磁波のレベルは終端へ近付くにつれて低下して行く。
しかし、各スロットからの放射強度はできるだけ均一にすることが望ましいから、低下した管内電磁波レベルから、給電端側のスロット同一レベルの放射を行うため管幅中心からのオフセット量を段々と大きくして行っている。
オフセット量が大きくなると、スロット９での反射波Ｗ_Ｓも大きくなるので、これを相殺するための反射波Ｗ_Ｐを大きくするために終端側へ行くにつれ壁板（誘導性壁）２０の反射面積も大きくしている。

ところが、板壁（誘導性壁）２０が大きくなると管内波長が長くなる。
従って、管内波長の２分の１の間隔で配列されているスロットは、終端側に行くにつれ間隔が大きくなっている。
その結果、放射導波管のスロット配列は終端側に進むにつれてオフセット量が大きくなるとともにスロット間隔が大きくなっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１６７７５５号公報（［０００７］〜［０００９］、［００１８］、［００１９］、図１、図３）

以上のように、従来の導波管スロットアレーアンテナでは放射導波管の終端側に進むにつれてスロットのオフセット量が大きくなるとともにスロット間隔が大きくなって行くため次のような問題を生ずる。
第１に、スロット間隔が大きくなって行くことは、誘導性壁を設けない場合に較べて放射導波管の長さが長くなりその結果アンテナの開口面積が大きくなり、開口効率が低下するという問題がある。

第２に、スロットのオフセットが大きくなって行くことにより、不要な方向への放射が大きくなるという問題がある。
第３に、スロットの間隔が均一でなく段々広がって行くことによる放射指向性への悪影響という問題がある。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて、放射導波管の終端側へ進んでもスロットの間隔が広がらず、且つスロットオフセット量が大きくならない放射導波管による導波管スロットアレーアンテナを実現することを課題とする。

本発明は、上記の課題を達成するために次の各構成を有する。
本発明の第１の構成は、広壁面に管軸方向に複数のスロットを配列した放射導波管をスロット面を揃えて複数平行に配列した導波管スロットアレーアンテナにおいて、
放射導波管内のスロット面とは反対側の広壁面内側が、給電端側から終端側へ進むにつれて、スロット面側へ階段状に近付いていく構造となっており、
階段構造の段差が任意のスロットの管軸方向中央の位置から、終端側への次のスロットの中央位置までの間に１つあることを特徴とする導波管スロットアレーアンテナである。

本発明の第２の構成は、前記第１の構成において、放射用導波管が、板状導電性部材の１面に断面矩形状の溝を設けたベース体と、この溝の上に被せるように配置され溝に沿ってスロットが配列されているスロット板とから成るものであることを特徴とする導波管スロットアレーアンテナである。

本発明の導波管スロットアレーアンテナの放射導波管は、スロットからの反射を相殺して減少させる手段として、スロット面と反対側の広壁面内側が、給電端側から終端へ進むにつれて、スロット面側へスロット１個当り１段ずつの上り階段状の構造となっているため、次の段への立ち上り段差面での反射が対応するスロットの反射を相殺するようになる。このような導波管内広壁面での階段構造では、従来の狭壁面に誘導性壁を設けた場合のように管内波長が長くなるということは生じない。

その理由は、管内波長は広壁面の幅が小さくなると長くなるところ、従来は狭壁面に誘導性壁が設けられ終端の方へ行くにつれ等価的に広壁面幅を狭める方向であったため管内波長が長くなっていったのに対し、本発明においては、広壁面に階段構造が設けられているのであって広壁面の幅はなんら変化していないため、管内波長に影響を与えないからである。

その結果、従来のような、放射導波管の終端に近付くにつれて誘導性壁が大きくなるため管内波長が長くなりその結果、２分の１管内波長間隔で設けているスロットの間隔が長くなり、アンテナサイズが大きくなって開口効率が低下したり、放射指向性に悪影響を与えるというようなことがなくなるという利点がある。

また、階段状の構造となっているため、放射導波管の終端側へ行く程、スロット面と反対側の面との距離が近くなり、スロットへの結合量が大きくなる。その結果、導波管内の電磁波伝搬量が終端へ近付くにつれ低下して来ても、結合量の大きさが低下分を補ってスロットからの放射量を、給電端に近い方のスロットと均一にすることができる。
このため、従来のような、スロットからの放射量を均一にするために、終端側に行くにつれオフセット量を大きくするということが必要なくなり、スロットオフセットに起因していた不要な方向への放射を低減することができるという利点がある。

本発明においては、階段構造の段差部分をスロットに対してどの位置に置くのがよいかという点であるが、最終的には放射導波管の入力端側から見たときの反射が最も小さくなる位置にするのが最良の実施形態である。
２つの反射波が相殺し合うということは、両者の位相が１８０度異なるときである。反射波同士が同振幅で１８０度異なるときは完全にゼロになる。
しかしながら、スロットからの反射波はある１つの位置からのみ反射されるわけではなく、反射強度とその位相の分布はある拡がりをもっている。

一方、段差面からの反射波も、段差面自体が有限寸法であるところから理想的な反射とは言えずその振幅および位相の分布は、スロットの場合程ではないにしても、拡がりを有する。
従って、およその見当としては、スロットからの反射波Ｗ_Ｓの振幅が大きい成分の位相と、段差面からの反射波の振幅の大きい成分の位相が１８０度異なるように段差面の位置決めをすることにより、相殺の効果を高めることができる。

また振幅については、段差面の大小によって異なるので、スロットからの反射波の振幅に近づけるような幅にすることにより相殺効果を高めることができる。最終的には導波管入射口での反射波の強度を測定あるいはシミュレーションしつつ、段差の位置や高さを定めることになるが、段差の位置は、スロットの中央位置からほぼ管内波長の４分の１の距離だけ終端側にあるのが最良の実施形態である。スロットからの反射の反射源が等価的にスロットの中央にあるとすれば、その位置より管内波長の４分の１だけ終端側寄りの位置からの反射の距離は往復で２分の１波長だけ長くなり、丁度逆相となって位相的に最も相殺し易い位置となるからである。

また本発明アンテナ基本構成としては、一方の広壁面にスロット列が設けられ他方の広壁面内側に階段構造を有する導波管を同一平面に平行に並べた構成のものであるが１本１本の導波管が独立したものである必要はなく、隣り同士の導波管の狭壁面側壁は、境界壁として共通のものであってもよい。
また、階段構造も、導波管内に設けられるものであるから管として出来上がったものに後から設けるのは困難なことである。

従って、本アンテナの製造という観点からすれば金属導体板に、底面が階段状になっている溝（導波路）を複数平行に形成し、その上から各導波路に対応させてあらかじめスロットが切ってあるスロット板を被せるという構成が望ましい構成である。

更に、好ましい実施の形態としては、上記構成のうちスロット板以外の部分をダイキャストで製造することである。
ダイキャストによれば導波路溝、階段構造を１工程で精度よく形成できるからである。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、板状金属体に設けられた放射導波路１５に、スロットが設けられたスロット板１４を被せて形成した放射導波管１の一部斜視図である。
底面側には階段構造２が形成されており、第１段差面３は第１スロット５に対応しており、第２段差面４は第２スロット６に対応している。
階段構造２は終端側８行く程、スロット板１４に近付くようになっている。
給電端側７から給電した場合の第１スロット５からの反射波は、第１段差面３からの反射波によって相殺され、第２スロット６からの反射は第２段差面４からの反射波によって相殺されるようになっている。
なお、第１スロット５は管幅中心より右側へオフセットしており、第２スロット６は左側へオフセットしている。

図２は、本発明アンテナの放射導波管１の内部を側面方向から見た図である。
左側の給電端１１から右側の終端１２へ向けて階段構造２が形成されている。
スロット板１４には、階段構造２の段差面１０と対応するように管軸方向に沿ってスロット９が配列されている。

図３は、スロット板１４を上方から見た平面図である。
スロット９は管幅中心から交互に左右にオフセットしている。
誘導性壁を用いた従来の放射導波管では、終端の方へ行くにつれて、スロットの管軸方向間隔およびオフセット量が大きくなって行くが、本発明における放射導波管ではスロット９のオフセット量も管軸方向もあまり変化しない。
その結果、本発明の導波管スロットアレーアンテナでは、スロットオフセットに起因する不要方向への放射やスロット間隔が広がることによる放射指向性への悪影響が従来の導波管スロットアレーアンテナより少なくなる。

図４は、ダイキャストにより底面が階段構造２の溝状の放射導波路１５を、横方向に延びる給電路１７の上下に各１６本ずつ形成したベース体１３の平面図である。
給電路１７側から終端１２へ進むにつれて段差１６の位置で底面が段々浅くなって行く階段構造となっている。

図５は、金属板に図４のベース体１３の放射導波路１５に対応させてスロット９を設けたスロット板１４である。
このスロット板１４を図４のベース体１３の上に被せて固定すると、各放射導波路１５は放射導波管を形成することになる。

図６は、スロット板１４をベース体１３に被せた場合におけるスロット９の位置関係を示す図である。

図７は、図４のベース体１３に図５のスロット板１４を被せて構成した導波管スロットアレーアンテナの中心軸（紙面に垂直）を含む左上から右下への４５度垂直面内における、中心垂直軸（Ｚ軸）を基準した角度方向における相対振幅（ｄＢ）を実線グラフで表した指向特性である。
点線グラフは、従来の誘導性壁によって反射を軽減する方式の導波管スロットアレーアンテナの指向特性である。

両者を比較すると、中心軸方向（０度）の主ビーム以外の角度範囲では、実線のレベルが点線のレベルより下がっており、不要方向への放射が少ないことを現している。
特に、マイナス６０度および６０度付近では１０ｄＢ以上の改善が認められる。

本発明導波管スロットアレーアンテナの放射導波管のスロットおよび内部構造を説明する斜視図である。 本発明導波管スロットアレーアンテナの放射導波管の狭壁面側から見た構造説明図である。 本発明導波管スロットアレーアンテナの放射導波管のスロット面の平面図である。 本発明導波管スロットアレーアンテナの、ダイキャストによって製造された、底面階段状の放射導波路が多数平行に設けられたベース体の平面図である。 本発明導波管スロットアレーアンテナを構成するスロット板の平面図である。 本発明実施例のスロット板をベース体に被せた場合におけるスロットと放射導波路の位置関係を示す図である。 本発明導波管スロットアレーアンテナと従来の同アンテナの指向特性比較図である。 従来の導波管スロットアレーアンテナにおける放射導波管の狭壁面に設けた壁板からの反射によってスロットの反射を相殺することを説明する構造図である。

符号の説明

１ 放射導波管
２ 階段構造
３ 第１段差面
４ 第２段差面
５ 第１スロット
６ 第２スロット
７ 給電端側
８ 終端側
９ スロット
１０ 段差面
１１ 給電端
１２ 終端
１３ ベース体
１４ スロット板
１５ 放射導波路
１６ 段差
１７ 給電路
１８ 管壁
１９ 矩形導波管
２０ 壁板（誘導性壁）

Claims (2)

1. 広壁面に管軸方向に複数のスロットを配列した放射導波管をスロット面を揃えて複数平行に配列した導波管スロットアレーアンテナにおいて、
   放射導波管内のスロット面とは反対側の広壁面内側が、給電端側から終端側へ進むにつれて、スロット面側へ階段状に近付いていく構造となっており、
   階段構造の段差が任意のスロットの管軸方向中央の位置から、終端側への次のスロットの中央位置までの間に１つあることを特徴とする導波管スロットアレーアンテナ。
2. 放射用導波管が、板状導電性部材の１面に断面矩形状の溝を設けたベース体と、この溝の上に被せるように配置され溝に沿ってスロットが配列されているスロット板とから成るものであることを特徴とする請求項１記載の導波管スロットアレーアンテナ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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