JP2008113306A - スロットアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】スロットアンテナから放射される電波の位相分布を所望の分布に近づけること。
【解決手段】スロットアンテナ１００において、入射開口面２４は、放射すべき電波が入射される。導波体は、入射開口面２４から入射された電波を伝える。複数のスロット孔１８は、導波体のＨ面の一部を切り込みながら、導波体のＥ面の一方の面を導波体の短手方向に向けて横切るように形成され、導波体を伝わった電波が放射される。複数のスロット孔のそれぞれを形成するＥ面上の４辺のうちの導波体の長手方向に沿った１辺の幅は、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布となるように、調整されている。複数のスロット孔のＨ面２２上の切り込みの深さが調整されていてもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ技術に関し、特に導波管のＥ面の一方に電波を放射するスロットが設けられたスロットアンテナおよびスロットアンテナの位相分布調整方法に関する。

従来、レーダ機器に使用される導波管アンテナとして、電波の放射面にスロットを設けたスロットアンテナが知られている。スロットアンテナの指向性は、スロットを設けた導体板の正面方向に電波が放射され、側面方向には放射されない性質を持つ。ここで、スロットは、導波管上に複数形成される。そうすると、それぞれのスロットから放射される電波は、スロットごとにその位相特性が異なる場合があり、アンテナ全体として、所望の特性を得ることが難しかった。従来、スロットアンテナから放射される電波の位相制御として、スロット角度を調整していた（たとえば、特許文献１参照）。また、スロットを配置する位置を調整していた（たとえば、特許文献２参照）。
特開２００４−１４７１６９号公報 特開２００１−３４５６３０号公報

一般的に、導波管のそれぞれのスロットから放射される電波の位相特性を調整し、所望のアンテナ特性を得ることが望ましい。

放射する電波の位相分布が所望の分布に近づくように調整された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、放射すべき電波が入射される入射開口面と、入射開口面から入射された電波を伝える導波体と、導波体のＨ面の一部を切り込みながら、導波体のＥ面の一方の面を導波体の短手方向に向けて横切るように形成され、導波体を伝わった電波が放射されるべき複数のスロット孔と、を含む。複数のスロット孔のそれぞれを形成するＥ面上の幅であって、導波体の長手方向に沿った幅は、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれの幅の長さが調整されている。

ここで、「所望の分布」とは、一様な分布を含み、たとえば、それぞれの電波の位相が同一となるような分布ことを含み、また、それぞれの電波の位相がほぼ同一間隔の等差数列となるような分布も含む。この態様によると、スロット孔の幅をそれぞれ調整することによって、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布を所望の分布に近づけることができる。

本発明のさらに別の態様もまた、スロットアンテナである。このスロットアンテナは、放射すべき電波が入射される入射開口面と、入射開口面から入射された電波を伝える導波体と、導波体のＨ面の一部を切り込みながら、導波体のＥ面の一方の面を導波体の短手方向に向けて横切るように形成され、導波体を伝わった電波が放射されるべき複数のスロット孔と、を含み、複数のスロット孔のそれぞれを形成するＥ面上の幅であって、導波体の長手方向に沿った幅は、複数のスロット孔のうちの少なくとも２以上のスロット孔において、同一の長さを有し、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれの幅の長さが調整されている。

ここで、「複数のスロット孔のうちの少なくとも２以上のスロット孔において、同一の長さを有し」とは、複数のスロット孔は、１以上のスロット孔を含む複数のグループから構成され、それぞれのグループごとに、同一の長さの幅を有することを含む。この態様によると、複数のスロット孔のうちの少なくとも２以上のスロット孔において、幅の長さを同一としつつ、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれの幅の長さを調整することによって、設計を容易にしつつ柔軟に幅の長さを設定でき、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布を所望の分布に近づけることができる。

本発明のさらに別の態様もまた、スロットアンテナである。このスロットアンテナは、放射すべき電波が入射される入射開口面と、入射開口面から入射された電波を伝える導波体と、導波体のＨ面の一部を切り込みながら、導波体のＥ面の一方の面を導波体の短手方向に向けて横切るように形成され、導波体を伝わった電波が放射されるべき複数のスロット孔と、を含み、複数のスロット孔のそれぞれを形成するＥ面上の幅であって、導波体の長手方向に沿った幅は、それぞれ異なる長さを有し、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれの幅の長さが調整されている。

この態様によると、複数のスロット孔のうちの少なくとも２以上のスロット孔において、幅の長さをそれぞれ異なるようにしつつ、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれの幅の長さを調整することによって、幅の長さをより柔軟に設定でき、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布を所望の分布により近づけることができる。

複数のスロット孔のＨ面上の切り込みの深さは、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれ調整されていてもよい。この場合、複数のスロット孔のＨ面上の切り込みの深さがそれぞれ調整されることによって、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布を柔軟に調整でき、位相分布を所望の分布に近づけることができる。

複数のスロット孔の深さは、同一の深さを有してもよい。また、複数のスロット孔のうちの少なくとも２以上のスロット孔は、同一の深さを有してもよい。この場合、複数のスロット孔から放射されるそれぞれの電波の位相分布を簡易に調整できる。

深さは、スロット孔ごとにそれぞれ異なってもよい。この場合、複数のスロットからそれぞれ放射される電波の位相分布を柔軟に調整でき、位相分布を所望の分布に近づけることができる。

本発明のさらに別の態様は、スロットアンテナである。このスロットアンテナは、放射すべき電波が入射される入射開口面と、入射開口面から入射された電波を伝える導波体と、導波体のＨ面の一部を切り込みながら、導波体のＥ面の一方の面を導波体の短手方向に向けて横切るように形成され、導波体を伝わった電波が放射されるべき複数のスロット孔と、を含む。複数のスロット孔のＨ面上の切り込みの深さは、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれ調整されている。

この態様によると、複数のスロット孔のＨ面上の切り込みの深さをそれぞれ調整することによって、複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように調整できる。

深さは、スロット孔ごとにそれぞれ異なるように調整されてもよい。この場合、深さをそれぞれ異なるように調整することによって、位相分布を所望の分布に近づけることができる。

複数のスロット孔のうちの少なくとも２以上のスロット孔は、同一の深さとなるように調整されることを有してもよい。この場合、複数のスロット孔のうちの少なくとも２以上のスロット孔については、同一の深さに調整することによって、位相分布を簡易に調整でき、位相分布を所望の分布に近づけることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、製造方法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、スロットアンテナから放射される電波の位相分布を均一に近づけることができる。

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、電波を放射すべきスロット孔が設けられた導波管を備えたスロットアンテナに関する。スロットアンテナは、港湾監視レーダ等に用いられ、目的物に対して電波を放射し、反射された電波を受信することによって、目的物までの距離などを測定する。測定には、目的物から反射された電波のうち、水平偏波成分についての電波が用いられる。

スロットアンテナは、複数のスロットからそれぞれ電波を放射する。それぞれの電波の位相はそれぞれ異なる場合が多い。前述したように、放射電波の位相の分布が均一でないほど、特性が劣化する。したがって、電波の位相分布は、できるだけ、所望の分布、たとえば、一様もしくは均一な分布に近づくことが望ましい。本実施形態においては、スロット孔のサイズを調整することによって、電波の位相分布を均一に近づくようにする。詳細は後述する。

ここで、スロットが設けられた導波管について説明する。図１は、本発明の実施形態にかかるスロットアンテナ１００の構成例を示す斜視図である。スロットアンテナ１００は、アンテナ外板１０と、導波管１２と、フレア板１４と、レドーム板１６と、を含み、図示するように構成される。導波管１２は、入射開口面２４から電波される。入射された電波は、導波管１２の内部を伝わり、スロット孔１８から放射される。

また、導波管１２は、導波路の周囲のいずれかの面に、電波を放射すべき孔として、スロット孔１８が設けられる。一般的に、スロット孔１８が設けられた面とその面に対向する面とをＥ面という。また、Ｅ面の側面であって、導波管１２を構成する面のうち、導波路が横切る面以外の面をＨ面２２という。以下においては、Ｅ面のうち、スロット孔１８の大部分が設けられた面を「スロット面２０」と表記し、スロット面２０でないＥ面を「対向面」と表記する。なお、スロット孔１８は、導波管１２の導波路を横切るようにスロット面２０に設けられる。また、Ｅ面上のスロット孔１８は、導波管１２から方形状に切り取られることによって形成されるため、図示するごとく、Ｈ面２２にも切り込みの一部が存在することとなる。

図２は、図１の導波管１２のＨ面２２を示す断面図である。ここで、スロット孔１８は、Ｈ面２２にＮ個設けられたものと仮定している。図示するごとく、スロット面２０に設けられたスロット孔１８は、第１スロット孔１８ａ〜第Ｎスロット孔１８ｎを含む。入射開口面２４から入射された電波は、導波管１２の内部を伝わって、第１スロット孔１８ａ〜第Ｎスロット孔１８ｎのそれぞれから放射される。

図３は、図２の導波管１２のそれぞれのスロット孔１８から放射される電波の位相分布の例を示す図である。縦軸は、所定の位相０degreeを基準としたときの位相誤差量を示す。横軸は、スロット孔１８を示す番号であり、第１スロット孔１８ａ〜第Ｎスロット孔１８ｎのそれぞれに対応する。

一般的に、導波管１２に複数のスロット孔１８からそれぞれ放射される電波の位相は、導波管１２の長さなどに影響される。したがって、図示するごとく、位相分布は所望の分布、たとえば、一様な分布とはならず、スロット孔１８ごとに放射される電波の位相特性はそれぞれ異なる。そうすると、位相特性がそれぞれ異なることにより、特性が劣化することとなる。

そこで、本実施形態においては、スロット孔１８のサイズを調整することによって、位相分布を調節することした。スロット孔１８のサイズを調節することにより、導波管１２のアドミッタンスＹが変化する。アドミッタンスＹが変化することにより、それぞれのスロット孔１８の孔上において発生する電界Ｅが影響される。それにより、スロット孔１８から放射される電波も影響され、その位相特性が変化する。すなわち、スロット孔１８のサイズを調整することによって、放射電波の位相特性を調節することができる。したがって、スロット孔１８のサイズを調整することによって、所望の位相分布に近づけることができることとなる。

図４は、図１の導波管１２のスロット面２０とＨ面２２とを模式的に示す斜視図である。図示するごとく、それぞれのスロット孔１８は、Ｈ面２２を切り込みながら、スロット面２０を横切るように、孔として成型される。ここで、スロット孔１８のサイズを示すパラメータとして、幅２６と深さ２８を用いる。幅２６とは、図示するごとく、スロット面２０上のスロット孔１８における導波管１２の長手方向に沿った長さを示す。また、深さ２８とは、図示するごとく、Ｈ面２２上の切り込みの深さを示す。

本実施形態においては、複数のスロットからそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布、たとえば、一様な分布となるように、たとえば、以下のように、スロット孔１８のサイズを調整する。
（１）全てのスロット孔１８の幅２６を統一する。
（２）スロット孔１８ごとに幅２６の値を変更する。
（３）全てのスロット孔１８の深さ２８を統一する。
（４）スロット孔１８ごとに深さ２８の値を変更する。
（５）（１）と、（３）または（４）とを組み合わせる。
（６）（２）と、（３）または（４）とを組み合わせる。
（７）第１段階として（１）および（３）を実施する。第１段階の結果を用いて、第２段階として、（２）または（４）を実施して、微調整する。

（１）全てのスロット孔１８の幅２６を統一する。シミュレーション等により、所望の位相分布を目的関数に設定し、最適な幅２６を導出する。多くのスロット孔１８において、それぞれの幅２６がなるべく同じ値となるようにシミュレーション条件を設定してもよい。たとえば、２０個のスロット孔１８からなる導波管１２を設計する場合、１０個のスロット孔１８の深さ２８をＡとし、残りのスロット孔１８の深さ２８をＢとする。導出された幅２６は、略均一であるため、製造工程が簡便化され、コストが低減できる。
（２）スロット孔１８ごとに幅２６の値を変更する。シミュレーション等により、所望の位相分布を目的関数に設定するとともに、それぞれのスロット孔１８の幅２６を変数に設定することによって、最適な幅２６の組み合わせを導出する。（１）と同様に、多くのスロット孔１８でなるべく同じ値となるようにシミュレーション条件を設定してもよい。パラメータが多くなるため、より好ましい幅２６の組み合わせが得られるため、位相分布を所望の位相分布に近づけることができる。

（３）（１）と同様に、シミュレーション等により、最適な深さ２８を導出する。導出された深さ２８は、略均一であるため、製造工程が簡便化され、コストが低減できる。
（４）（２）と同様に、シミュレーション等により、最適な深さ２８の組み合わせを導出することによって、位相分布を所望の位相分布に近づけることができる。

（５）全てのスロット孔１８の幅２６を統一する。深さ２８は、統一でもよいし、可変でもよい。好ましくは、多くのスロット孔１８でなるべく同じ値となるようにシミュレーション条件を設定する。このような態様をとることによって、柔軟にスロット孔１８を設計することが可能となり、位相分布を所望の位相分布に近づけつつ、製造コストを低減できる。

（６）（５）と異なり、スロット孔１８の幅２６も可変にする。幅２６は、統一でもよいし、可変でもよい。好ましくは、（５）と同様に、多くのスロット孔１８でなるべく同じ値となるようにシミュレーション条件を設定する。このような態様をとることによって、柔軟にスロット孔１８を設計することが可能となり、位相分布を所望の位相分布に近づけることができ、さらに、製造コストもより低減できる。

（７）第１段階として（１）および（３）を実施する。（１）および（３）は、シミュレーションにおけるパラメータを少なくできるため、最適値を求めるための所要時間が低減される。第１段階で得られた結果と、所望の位相分布とを比較する。比較した結果、所望の位相分布との誤差が大きい箇所に対応するスロット孔１８を導出し、そのスロット孔１８について、幅２６または深さ２８を可変として、再度、シミュレーションを実施する。ここで得られた結果において、まだ所望の位相分布との誤差が大きい箇所がある場合、他のスロット孔１８について、幅２６または深さ２８を可変とし、所望の位相分布が得られるようになるまで、シミュレーションの実施を繰り返せばよい。シミュレーションに要する時間はかかるものの、所望の位相分布に限りなく近い特性を得ることができることとなる。

図５は、図２の導波管１２における位相分布のシミュレーション結果２００を示す図である。縦軸は、所定の位相を基準とした位相誤差の量を示す。横軸は、スロット孔１８を示す番号であり、第１スロット孔１８ａ〜第Ｎスロット孔１８ｎのそれぞれに対応する。ここでは、Ｎ＝７５と設定した。また、すべてのスロット孔１８の幅２６を同じ値とした。シミュレーション結果２００は、幅２６＝Ａｍｍと、幅２６＝Ｂｍｍの２通りについてのシミュレーション結果である。ここで、Ｂ＞Ａと設定した。また、目標とすべき位相量を０degreeとしている。図示するごとく、幅２６＝Ｂとした場合のほうが０degreeに近い位相分布となった。いいかえると、シミュレーション結果２００により、幅２６を調節することによって、位相分布を調整し、所望の位相分布に近づけることができることが実証された。

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。

なお、実施形態において示した（１）〜（７）の方法は、スロットアンテナ１００を製造する際のコストや設計条件によって、適宜組み合わされ、あるいは、繰り返されて実施されても、前述と同様の効果を得られること言うまでもない。

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斜視図である。 図１の導波管のＨ面を示す断面図である。 図２の導波管のそれぞれのスロットから放射される電波の位相分布の例を示す図である。 図１の導波管のスロット面とＨ面とを模式的に示す斜視図である。 図２の導波管における位相分布のシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

１０ アンテナ外板、 １２ 導波管、 １４ フレア板、 １６ レドーム板、 １８ スロット孔、 ２０ スロット面、 ２２ Ｈ面、 ２４ 入射開口面、 ２６ 幅、 ２８ 深さ、 １００ スロットアンテナ、 ２００ シミュレーション結果。

Claims (7)

1. 放射すべき電波が入射される入射開口面と、
   前記入射開口面から入射された電波を伝える導波体と、
   前記導波体のＨ面の一部を切り込みながら、前記導波体のＥ面の一方の面を前記導波体の短手方向に向けて横切るように形成され、前記導波体を伝わった電波が放射されるべき複数のスロット孔と、
   を含み、前記複数のスロット孔のそれぞれを形成するＥ面上の幅であって、前記導波体の長手方向に沿った幅は、前記複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれの幅の長さが調整されていることを特徴とするスロットアンテナ。
2. 放射すべき電波が入射される入射開口面と、
   前記入射開口面から入射された電波を伝える導波体と、
   前記導波体のＨ面の一部を切り込みながら、前記導波体のＥ面の一方の面を前記導波体の短手方向に向けて横切るように形成され、前記導波体を伝わった電波が放射されるべき複数のスロット孔と、
   を含み、前記複数のスロット孔のそれぞれを形成するＥ面上の幅であって、前記導波体の長手方向に沿った幅は、前記複数のスロット孔のうちの少なくとも２以上のスロット孔において、同一の長さを有し、前記複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれの幅の長さが調整されていることを特徴とするスロットアンテナ。
3. 放射すべき電波が入射される入射開口面と、
   前記入射開口面から入射された電波を伝える導波体と、
   前記導波体のＨ面の一部を切り込みながら、前記導波体のＥ面の一方の面を前記導波体の短手方向に向けて横切るように形成され、前記導波体を伝わった電波が放射されるべき複数のスロット孔と、
   を含み、前記複数のスロット孔のそれぞれを形成するＥ面上の幅であって、前記導波体の長手方向に沿った幅は、それぞれ異なる長さを有し、前記複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれの幅の長さが調整されていることを特徴とするスロットアンテナ。
4. 前記複数のスロット孔のＨ面上の切り込みの深さは、前記複数のスロット孔からそれぞれ放射される電波の位相分布が所望の分布に近づくように、それぞれ調整されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスロットアンテナ。
5. 前記複数のスロット孔の深さは、同一の深さを有することを特徴とする請求項４に記載のスロットアンテナ。
6. 前記複数のスロット孔のうちの少なくとも２以上のスロット孔は、同一の深さを有することを特徴とする請求項４に記載のスロットアンテナ。
7. 前記深さは、スロット孔ごとにそれぞれ異なることを特徴とする請求項４に記載のスロットアンテナ。

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