JP2007288283A

JP2007288283A - スロットアンテナ

Info

Publication number: JP2007288283A
Application number: JP2006110265A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Shibuya; 裕三渋谷; Masayuki Sugano; 真行菅野
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2007-11-01
Anticipated expiration: 2026-04-12
Also published as: WO2007122782A1; US20090121952A1; JP4869766B2

Abstract

【課題】スロットアンテナにおける導波管内部のインピーダンスを整合すること。
【解決手段】スロットアンテナ１００は、入力導波管１０を有する。入力導波管１０は、開口面より給電される。入力導波管１０の内部には、階段状の構造物が設けられる。構造物により、スロットが設けられた面に向けて近づきながら、昇階段が形成される。昇階段の段差と長さは、昇階段の面におけるインピーダンスと、開口面におけるインピーダンスとを整合するように調節される。
【選択図】図３

Description

本発明は、アンテナ技術に関し、特にスロットが設けられた導波管を備えるスロットアンテナに関する。

従来、船舶レーダ、その他特殊レーダ等に用いられるアンテナとして、電波を放射するスロットが設けられた導波管を有するスロットアンテナが知られている。スロットアンテナは、開口面に入射された電波を導波管に分配することによって、そのスロットから電波を放射している。ここで、開口面においては、入射される電波をすべて吸収して反射波を発生させない特性、いわゆる無反射終端特性を有するように、インピーダンス整合されることが望ましい。しかしながら、電波の周波数や、導波管の形状、材質などにより、無反射終端特性を実現することが困難であった。従来、スロットアンテナのインピーダンス整合を得るため、導波管の内部に導波管窓やポストなどを設置していた（たとえば、非特許文献１参照）。
中島将光、マイクロ波工学、森北出版、ｐ．１１５−１１６

本発明者はこうした状況下、以下の課題を認識するに至った。すなわち、導波管窓やポストは、アンテナの製造時に微細な部品加工組み立てが必要となり、それに伴って製造コストや歩留まりに影響を与えるといった課題である。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成によりインピーダンス整合が可能なスロットアンテナを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様のスロットアンテナは、広壁面に配列されたスロットから電波を放射する放射導波管と、広壁面の対向面に接続側が接続され、接続側とは別の開口側から電波が入射される入力導波管とを備える。入力導波管では、開口側から接続側に向けて、導波路の高さが階段状に狭くなっており、階段の段差は、開口側におけるインピーダンスと、接続側におけるインピーダンスとを整合するように調節される。

ここで、「開口側におけるインピーダンスと、接続側におけるインピーダンスとを整合する」とは、段差の高さを調節し段差上の導波路の断面におけるインピーダンスを調整することによって、開口側におけるインピーダンスと、接続側におけるインピーダンスとを整合することを含む。また、「導波路の高さ」とは、入力導波管を構成する面のうち、スロットが配列された広壁面と平行する２つの面の幅をいう。この態様によると、開口側から接続側に向けて、入力導波管の内部の形状を導波路の広さが階段状に狭くなるように段差を設け、その高さを調節することによって、開口側におけるインピーダンスと、接続側におけるインピーダンスとを整合できる。

階段は複数の段より形成されており、複数の段のそれぞれの開口側から接続側へ向けての長さは、開口側におけるインピーダンスと、接続側におけるインピーダンスとを整合するように調節されてもよい。この態様によると、複数の段のそれぞれの開口側から接続側へ向けての長さを調節することにより、導波路における位相変化量を調整できる。これにより、開口側におけるインピーダンスと、接続側におけるインピーダンスとを整合できる。

放射導波管と入力導波管の間に重ねられながら、入力導波管に入射された電波を放射導波管に分配する分配導波管をさらに備えてもよい。入力導波管の内部における階段の段差は、分配導波管の高さによって形成されてもよい。この態様によると、分配導波管の高さ方向を入力導波管の内部における階段の段差として利用することによって、開口側におけるインピーダンスと、接続側におけるインピーダンスとを効率的に整合できる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、簡易な構成によりインピーダンス整合が可能なスロットアンテナを実現できる。

本発明の実施形態を具体的に説明する前に、まず概要を述べる。本発明の実施形態は、スロットアンテナに関する。本実施形態に係るスロットアンテナは、電波を放射すべきスロットが設けられた導波管を備える。電波は、導波管の開口面に入射され、導波管の内部を伝わり、スロットから放射される。ここで、開口面におけるインピーダンス整合がとれていない場合、入射される電波の一部が反射されることとなる。したがって、導波管の内部がインピーダンス整合されていることが望ましい。そこで、本実施形態においては、導波管の内部に階段状の構造物を設けることによって、開口面との間においてインピーダンス整合をとることにより、反射波を低減することとした。これにより、入射波のエネルギーを効率的に放射波のエネルギーに変えることができる。詳細は後述する。

図１は、本発明の実施形態にかかるスロットアンテナ１００の構成例を示す第１の斜視図である。スロットアンテナ１００は、入力導波管１０と、分配導波管２０と、放射導波管３０とを有する。入力導波管１０と分配導波管２０と放射導波管３０とはそれぞれ接続される。入力導波管１０は、電波が入射される入出力ポート１２を有する。入出力ポート１２に入射された電波は、入力導波管１０の内部を伝わり、図示しない第１分配スロットを介して、分配導波管２０に伝わる。分配導波管２０において、第１分配スロットを介して伝わった電波は、分配導波管２０の内部を伝わり、図示しない第２分配スロットを介して、放射導波管３０に伝わる。なお、第１分配スロット、第２分配スロットは、１つでもよく、また、複数備えられていてもよい。

放射導波管３０は、直方体状の形状を有し、直方体を構成する一面であるスロット面３２に複数の放射スロット３４を有する。第２分配スロットを介して伝わった電波は、放射導波管３０の内部を伝わり、放射スロット３４から放射される。以下、スロット面３２に対向した面を対向面という。なお、説明の便宜上、スロット面３２を長方形として図示したが、円形、楕円形、あるいは、多角形などであってもよい。また、スロット面３２に配置される放射スロット３４を３２個の場合を図示したが、３２個でなくてもよい。

図２は、図１のスロットアンテナ１００の構成例を示す第２の斜視図である。図２は、図１に示したスロットアンテナ１００におけるスロット面３２の裏側の構成を示す。入力導波管１０と分配導波管２０と放射導波管３０とは、互いに接するように設置される。ここで、入力導波管１０と分配導波管２０とは、十字の形状となるように、互いに折り重なって放射導波管３０の対向面３６に設置される。また、図示するごとく、入力導波管１０の高さは、分配導波管２０より高いため、分配導波管２０の一部は、入力導波管１０に埋設されることとなる。なお、入力導波管１０と分配導波管２０とは、十字でなく、Ｔ字となるように重なってもよい。

図３は、図２のスロットアンテナ１００を模式的に示す第３の斜視図である。図３は、図２に示したスロットアンテナ１００の入力導波管１０の内部を示す。入力導波管１０は、放射導波管３０の対向面３６に接続される。ここで、入出力ポート１２から入射された電波は、分配導波管２０に設けられた第１分配スロット２２を介して、分配導波管２０に伝わる。分配導波管２０の内部には、破線で示す第２分配スロット２４が配置される。この第２分配スロット２４を介して、電波が放射導波管３０に伝えられる。以下、斜線で示す入出力ポート１２の面を入射開口面１４と表記する。

また、前述したように、分配導波管２０の一部は、入力導波管１０に埋設されている。いいかえると、入力導波管１０の内部に分配導波管２０の一部が存在する。分配導波管２０の一部は、図示するごとく、入力導波管１０の内部に、階段を形成する１つの段として利用されることとなる。いいかえると、入力導波管１０では、入射開口面１４から接続面に向けて、導波路の広さが階段状に狭くなる。以下、説明の便宜上、階段を形成する面のうち、入射開口面１４と平行する面を階段面１８という。また、階段面の上部における斜線で示された開口面を段差開口面１６という。

ここで、入力導波管１０の設計を容易にするために、入射開口面１４における面積は固定とする。したがって、インピーダンスの整合は、段差開口面１６のインピーダンスを調整することによって、達成される。段差開口面１６におけるインピーダンスの振幅成分は、段差開口面１６の面積により変化する。また、インピーダンスの位相成分は、入射開口面１４から段差開口面１６までの距離により変化する。したがって、段差開口面１６の面積と、入射開口面１４から段差開口面１６までの距離を調整することによって、入射開口面１４におけるインピーダンスと、接続面におけるインピーダンスとを整合できることとなり、入射開口面１４に入射される電波の反射波を低減できることとなる。

インピーダンスの整合は、次の手順によって実施される。まず、入射開口面１４のインピーダンスを計測し、さらに、段差開口面１６のインピーダンスを計測する。計測でなく、シミュレーションによってインピーダンスを計算してもよい。ここで、求められた開口側におけるインピーダンスと、接続側におけるインピーダンスとの整合がとれていない場合、段差開口面１６の面積を変えることによって、入射開口面１４、もしくは、段差開口面１６のインピーダンスを調整する。

具体的には、分配導波管２０の高さを調節して、段差開口面１６のインピーダンスの振幅成分を調整する。分配導波管２０の高さを高くすることにより、段差開口面１６の面積を狭くできるため、インピーダンスの振幅成分が高くなる。逆に、分配導波管２０の高さを低くすることにより、段差開口面１６の面積を広くできるため、インピーダンスの振幅成分が低くなる。さらに、入射開口面１４と段差開口面１６の距離を調整することにより、導波路における電波の位相変化量、すなわち、段差開口面１６のインピーダンスの位相成分を調整する。以上により、効率的にインピーダンス整合を実現できることとなる。なお、分配導波管２０の高さを調整する代わりに、入力導波管１０の高さを調節してもよい。

次に、本発明の実施形態の変形例を示す。まず、本変形例にかかるスロットアンテナ１００の概要について説明する。スロットアンテナ１００は、スロットアンテナ１００と異なり、入力導波管１０の内部に段５０を備える。段５０は、階段を形成するように設置される。ここで、段５０のサイズを調整することによって、段差開口面におけるインピーダンスを調整し、インピーダンス整合を実現している。また、段５０の高さｈと長さＬとを調整することによって、段５０における段差開口面のインピーダンスを調整できる。段５０の材質は鉄、アルミニウムなどであってもよいため、コストに影響を与えずに柔軟にインピーダンス整合できる。

以下、本変形例の構成例について説明する。なお、前述した実施形態と共通する部分については同一の符号を付して説明を簡略化する。図４（ａ）は、本発明の変形例にかかるスロットアンテナ１００の内部の構成を模式的に示した第１の斜視図である。

また、入力導波管１０の内部には、段５０が設置される。段５０は、入力導波管１０の内部において分配導波管２０に接しながら、分配導波管２０と段５０とで入射開口面１４から終端面に向けて昇り階段を形成するように設置される。また、段５０の高さは、分配導波管２０よりも低いものとする。以下、説明の便宜上、入射開口面１４と平行し、階段を形成する面のうち、最上段の面を第１階段面７０と、２段目の面を第２階段面７２という。また、入射開口面１４に平行する開口面であって、それぞれの階段面上のうち入射開口面１４に最も近い開口面をそれぞれ第１段差開口面、第２段差開口面という。また、また、入射開口面１４に平行する開口面であって、分配導波管２０と第１段５２とが接する位置における開口面を第０段差開口面という。

具体的には、本実施形態と同様に、段５０の高さｈ及び長さＬを調節して、第１段差開口面６０のインピーダンスを調整する。本変形例においては、分配導波管２０の高さの調整によらず、段５０の高さｈ及び長さＬを調整することによってインピーダンス整合を実現できるため、入力導波管１０、分配導波管２０の設計が容易となり、コストを低減できる。また、段５０の材質は鉄、アルミニウムなどによって形成されてもよいため、段５０の高さｈの調整は容易であり、コストに影響を与えないことは当業者に理解されるところである。

図４（ｂ）は、本発明の変形例にかかるスロットアンテナ１００の内部の構成を模式的に示した第２の斜視図である。図４（ｂ）に示すスロットアンテナ１００は、図４（ａ）に示すスロットアンテナ１００の入力導波管１０の内部に、第１段５２と第２段５４の２つの段を有する。第１段５２は、入力導波管１０の内部において分配導波管２０に接するように設置される。また、第２段５４は、第１段５２に接するように設置される。また、第１段５２の高さは、分配導波管２０よりも低く、第２段５４の高さは、第１段５２よりも低いものとする。なお、第１段５２、第２段５４の材質は鉄、アルミニウムなどであってもよい。

このように複数の段を設けることによって、段上の開口面におけるインピーダンスの振幅成分をより柔軟に調整できる。また、第１段５２と第２段５４の距離Ｌ１とＬ２のそれぞれを調整することによって、より柔軟にインピーダンスの位相成分を調整できる。また、第１段５２、第２段５４の高さｈ１、ｈ２を調節することによって、それぞれの段差開口面のインピーダンスの振幅成分を調整できる。以上により、図４（ｂ）に示すスロットアンテナ１００においては、ｈ１、ｈ２、Ｌ１、Ｌ２の４つのパラメータを調整することによって、より柔軟なインピーダンス調整が可能となり、特に、電波の周波数が高い場合にさらに好適となる。

図４（ｃ）は、本発明の変形例にかかるスロットアンテナ１００の内部の構成を模式的に示した第３の斜視図である。図４（ｃ）に示すスロットアンテナ１００は、図４（ｂ）に示すスロットアンテナ１００の入力導波管１０の内部に有する第１段５２と第２段５４の２つの段のうち、第１段５２の高さが分配導波管２０の高さと同じ場合を示す。すなわち、スロットアンテナ１００の入力導波管１０の内部において、分配導波管２０と第１段５２との間には段差が生じず、両者が一体となった平面を形成している。

ここで、第０段差開口面のインピーダンスをＺ＝Ｒ_０＋ｊＸ_Ａで表した場合、インピーダンスのリアクタンス成分Ｘ_Ａが０となるように、第１段５２の奥行きの長さをＬ_０に伸延する。これにより、また、第１段差開口面のインピーダンスをＺ＝Ｒ_ｃ＋ｊ０と表せる。さらに、インピーダンスを変成するための第２段５４を設け、その高さｈ、長さＬを調整することによって、入射開口面１４からみたインピーダンスマッチングが得られることとなる。

なお、入射開口面１４におけるインピーダンスをＲ_ｂとすれば、第２段差開口面のインピーダンスＲ_ｔｒは、
Ｒ_ｔｒ＝√（Ｒ_ｂ／Ｒ_ｃ）
の関係となる。このとき、長さＬは、λｇ／４となる。なお、λｇは、導波管管内波長である。これらの寸法は、厳密には、計算機シミュレーション、実測により、最適値を求めることとなり、理論とは多少異なる場合もある。

図４（ｄ）は、本発明の変形例にかかるスロットアンテナ１００の内部の構成を模式的に示した第４の斜視図である。図４（ｄ）では、図４（ｃ）に示す入力導波管１０内に高さｈ０、長さＬ０の第２段５４を設けるかわりに、第１分配スロット２２の傾斜角度θ_ｓＬを調整すること及び入力導波管１０の内部に設けられた第１段５２の高さｈ１１、長さＬ１１を調整することによって、インピーダンスマッチングを得ることが可能となることを示している。いいかえると、スロットの配置を変えることによって、入力導波管１０内に設ける段の個数を減少できる。また、図４（ｃ）に示す入力導波管１０と比べ、内部に設けられる第１段５２の寸法を短縮でき、設計の自由度も向上する。これら傾斜角度、寸法は計算機シミュレーション、実験による実測値から最適値を算出すればよい。

以上、本実施形態によれば、導波管の内部をインピーダンス整合がとれるような階段状とすることによって、開口面との間においてインピーダンス整合をとることにより、反射波を低減できる。また、これにより、入射波のエネルギーを効率的に放射波のエネルギーに変えることができる。また、分配導波管２０の高さ、または、入力導波管１０の高さを調節することによっても、段差開口面１６のインピーダンスを調整できる。また、１つ、もしくは、複数の段を用いることによって、柔軟にインピーダンス整合ができる。また、共振型リニアスロットアレイアンテナ、共振型矩形、円形スロットアレイアンテナを用いるレーダシステム、電波式センサに好適に用いることができる。

また、入力導波管１０および分配導波管２０を入力導波管１０の裏側に立体的に配置することにより、アンテナ面積の小型化が図れ、単位面積当たりの利得の増加が可能となる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

本実施形態においては、入力導波管１０と分配導波管２０と放射導波管３０とを含むスロットアンテナについて説明した。しかしながらこれにかぎらず、分配導波管がなくてもよい。また、入力導波管１０に放射スロットを設けることによって、入力導波管１０から電波を放射してもよい。また、入力導波管１０、分配導波管２０、放射導波管３０は、共振型のリニアスロットアレイであってもよい。また、段は、３個以上設けてもよい。段を設ける個数は、所望周波数帯域特性およびスロットアレイアンテナのサイズにより、決定すればよい。このような態様であっても、上述と同様の効果が得られることは言うまでもない。

本発明の実施形態にかかるスロットアンテナの構成例を示す第１の斜視図である。図１のスロットアンテナの構成例を示す第２の斜視図である。図２の第１スロットアンテナを模式的に示す第３の斜視図である。本発明の変形例にかかる第２スロットアンテナの内部の構成を模式的に示した第１の斜視図である。本発明の変形例にかかる第２スロットアンテナの内部の構成を模式的に示した第２の斜視図である。本発明の変形例にかかる第２スロットアンテナの内部の構成を模式的に示した第３の斜視図である。本発明の変形例にかかる第２スロットアンテナの内部の構成を模式的に示した第４の斜視図である。

符号の説明

１０入力導波管、１２入出力ポート、１４入射開口面、１６段差開口面、１８階段面、２０分配導波管、２２第１分配スロット、２４第２分配スロット、３０放射導波管、３２スロット面、３４放射スロット、３６対向面、５０段、５２第１段、５４第２段、７０第１階段面、７２第２階段面、１００スロットアンテナ。

Claims

広壁面に配列されたスロットから電波を放射する放射導波管と、
前記広壁面の対向面に接続側が接続され、接続側とは別の開口側から電波が入射される入力導波管とを備え、
前記入力導波管では、開口側から接続側に向けて、導波路の高さが階段状に狭くなっており、階段の段差は、開口側におけるインピーダンスと、接続側におけるインピーダンスとを整合するように調節されることを特徴とするスロットアンテナ。
前記階段は複数の段より形成されており、前記複数の段のそれぞれの開口側から接続側へ向けての長さは、開口側におけるインピーダンスと、接続側におけるインピーダンスとを整合するように調節されることを特徴とする請求項１に記載のスロットアンテナ。
前記放射導波管と前記入力導波管の間に重ねられながら、前記入力導波管に入射された電波を前記放射導波管に分配する分配導波管をさらに備え、
前記入力導波管の内部における階段の段差は、前記分配導波管の高さによって形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のスロットアンテナ。