JP2008205588A - Array antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、導波管の管壁に複数のスロットを配列した導波管スロットアレーアンテナにおいて、ビーム指向方向を制御するアレーアンテナに関するものである。 The present invention relates to an array antenna for controlling a beam directing direction in a waveguide slot array antenna in which a plurality of slots are arranged on a tube wall of a waveguide.
複数の素子アンテナを配列して所望の方向にビームを形成するアレーアンテナは、レーダ装置、電波監視装置や通信装置の空中線として用いられるが、各素子アンテナに効率よく電力を供給するため、マイクロ波伝送路の一つである導波管の管壁に複数の切欠きを設けてスロットとし、スロットを通じて電波を放射する導波管スロットアレーアンテナがある。
そして、主線路である導波管からの電力結合部であるスロットがそのまま素子アンテナを形成するので簡単な構造で電波放射が可能である。導波管スロットアレーアンテナは、導波管を伝搬するマイクロ波を、スロットを介して電波放射するため、スロットを励振する導波管内の各部の位相関係でビーム指向方向が決まる。そこで、スロットの間隔を導波管内の管内波長の1/2に設定し、同相励振してスロットの配列方向に直交方向にビーム形成を行う(例えば、非特許文献1参照)。
An array antenna that forms a beam in a desired direction by arranging a plurality of element antennas is used as an antenna of a radar device, a radio wave monitoring device, or a communication device. In order to efficiently supply power to each element antenna, a microwave is used. There is a waveguide slot array antenna in which a plurality of notches are provided in a tube wall of a waveguide that is one of transmission lines to form a slot, and radio waves are radiated through the slot.
And since the slot which is a power coupling part from the waveguide which is the main line forms the element antenna as it is, radio wave radiation is possible with a simple structure. Since the waveguide slot array antenna radiates microwaves propagating through the waveguide through the slots, the beam directing direction is determined by the phase relationship of the respective parts in the waveguide exciting the slots. Therefore, the slot interval is set to ½ of the guide wavelength in the waveguide, and in-phase excitation is performed to form a beam orthogonal to the slot arrangement direction (see, for example, Non-Patent Document 1).
また、導波管スロットアレーアンテナのスロットの励振条件が、管内波長に依存することを利用して、周波数変化に応じてビーム指向方向を変化させるFrequency−Scan Antenna(周波数走査アンテナ)が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。 Further, a frequency-scan antenna (frequency scanning antenna) that changes the beam directing direction according to the frequency change is proposed by utilizing the fact that the slot excitation condition of the waveguide slot array antenna depends on the guide wavelength. (For example, refer nonpatent literature 2).
また、ビームを走査する他の方法として、導波管スロットアレーアンテナのスロット配列が固定であるため、アンテナに駆動部を設け、アンテナ自体を動かして所望の方向にビームを指向させることも提案されている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
As another method of scanning the beam, since the slot arrangement of the waveguide slot array antenna is fixed, it is also proposed to provide a drive unit for the antenna and move the antenna itself to direct the beam in a desired direction. (For example, refer to
また、周波数帯域幅の広い信号が導波管スロットアレーアンテナに入力された場合、上限と下限の周波数でのビーム指向方向が異なってしまう問題に対して、アンテナ開口に平行に配置され、外側の平面と内側の平面が傾斜角をなした誘電体カバーを設けることで、通過した主ビームが屈折して帯域内で正面方向を向くアンテナがある(例えば、特許文献3参照)。 Also, when a signal with a wide frequency bandwidth is input to the waveguide slot array antenna, the problem is that the beam directing directions at the upper and lower frequencies are different. By providing a dielectric cover in which the plane and the inner plane have an inclination angle, there is an antenna in which the main beam that has passed through is refracted and faces in the front direction within the band (see, for example, Patent Document 3).
しかし、導波管スロットアレーアンテナにおいて、ビーム指向を制御するために周波数変化を利用すると、狭帯域で運用するレーダではビーム指向させることは困難である。
また、アンテナの外側に機械駆動部を設けて回転させてビーム指向を制御する方法では、アンテナ全体が大型になるという問題がある。
また、導波管スロットアレーアンテナの開口部に設けた誘電体カバーの屈折率を利用してビーム制御をする場合は、帯域が広くなるのに対応するため、誘電体カバーの内側と外側の面の傾斜角が大きくなり、カバーの透過損失が増加し、アンテナ効率が低下するという問題がある。
However, in a waveguide slot array antenna, if a frequency change is used to control beam pointing, it is difficult for the radar operating in a narrow band to perform beam pointing.
Further, the method of providing a mechanical drive unit outside the antenna and rotating it to control the beam directivity has a problem that the entire antenna becomes large.
In addition, when beam control is performed using the refractive index of the dielectric cover provided at the opening of the waveguide slot array antenna, the inner and outer surfaces of the dielectric cover are used to cope with the wide band. There is a problem that the tilt angle of the cover increases, the transmission loss of the cover increases, and the antenna efficiency decreases.
この発明の目的は、狭帯域のマイクロ波であってもビームの指向方向を走査できるとともに、アンテナ全体が大型にならずにアンテナ効率が低下しないアレーアンテナを提供することである。 An object of the present invention is to provide an array antenna that can scan the beam directing direction even with a narrow-band microwave and that does not reduce the antenna efficiency without increasing the overall size of the antenna.
この発明に係るアレーアンテナは、管壁にスロットが複数配列された導波管を備えるアレーアンテナにおいて、上記スロットが配列された管壁に対向する管壁に近接し、上記スロットが配列された管壁との間の隙間が狭まったり拡がったりするように上記スロットが配列された管壁の法線方向に移動可能な可動構造物を管軸方向に複数配置した。 An array antenna according to the present invention is an array antenna including a waveguide having a plurality of slots arranged on a tube wall, and is adjacent to a tube wall facing the tube wall on which the slot is arranged, and the tube on which the slot is arranged A plurality of movable structures that are movable in the normal direction of the tube wall in which the slots are arranged are arranged in the tube axis direction so that the gap between the walls is narrowed or expanded.
この発明に係るアレーアンテナの効果は、導波管内の断面の短辺を短くすることにより容量性が強くなり、進み位相でスロットが励振されビームが入力側に対して反対側にチルトされ、逆に短辺を長くすることにより容量性が弱くなり、遅れ位相でスロットが励振されビームが入力側にチルトされるよう導波管内に配置された可動構造物を移動するだけなので、入力するマイクロ波を広帯域にしなくてもすむし、アンテナ全体が大型にならないし、アンテナ効率も低下しないことである。 The effect of the array antenna according to the present invention is that, by shortening the short side of the cross section in the waveguide, the capacitance becomes stronger, the slot is excited in the leading phase, and the beam is tilted to the opposite side with respect to the input side. By making the short side longer, the capacitance becomes weaker, the slot is excited with a lag phase, and the beam is tilted to the input side, so that only the movable structure arranged in the waveguide is moved. Therefore, it is not necessary to increase the bandwidth of the antenna, the entire antenna does not become large, and the antenna efficiency does not decrease.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1によるアレーアンテナの斜視図である。図2は、この発明の実施の形態1によるアレーアンテナの管軸方向に垂直な断面図である。
この発明の実施の形態1によるアレーアンテナ1は、導波管スロットアレーアンテナであり、長辺がam、短辺がbmからなる長方形の断面を有する筒状の導波管2を備える。そして、断面の長辺側の一方の管壁3に複数のスロット4が設けられている。
また、導波管2の管壁3に対向する管壁5に近接し、管軸に垂直な平面内の短辺方向(以下、「短辺方向」と称す)に移動可能な可動構造物6が管軸方向に複数備えられている。この可動構造物6は、導波管2の外部に備えた制御回路7から制御され、管壁3と可動構造物6の間の隙間dmは可変される。マイクロ波は導波管2の入力側8から入力される。
FIG. 1 is a perspective view of an array antenna according to
The
Further, the
一般に導波管2の断面の短辺方向を短くする可動構造物6を配置すると、式(1)で表される等価サセプタンスから分かるように、容量性を示す。なお、λgは管内波長である。また、式(1)は中島将光、「マイクロ波工学」、森北出版、1975年、4月(以下、「参考文献1」と称す)に記載されている。
そして、断面の短辺が短くなるほど、すなわち隙間dmが狭くなるほど、容量性が大きくなる。
In general, when a
Then, the shorter the short side of the cross section, that is, the narrower the gap dm, the greater the capacitance.
図3は、この発明の実施の形態1によるアレーアンテナの等価回路と導波管の管軸方向の断面図である。
図3(b)に示すように、導波管2の断面の短辺を短くする可動構造物6を管軸方向に複数配置しているので、導波管2の等価回路は図3(a)に示す回路となる。管軸方向に垂直な方向にビーム形成するように可動構造物6が配置されているアレーアンテナ1において、制御回路7により可動構造物6を移動して、隙間dmが狭くなるようにすると、等価回路において可動構造物6に相当する部位の容量が大きくなり、導波管2内を伝搬するマイクロ波の位相は進む。その結果、図4に示すように、各スロット4は進み位相で励振され、可動構造物6の移動前に破線で示す方向に向いていたビームが実線で示す方向、すなわち入力側8に対して反対側にビームがチルトする。
FIG. 3 is a sectional view in the tube axis direction of the equivalent circuit of the array antenna and the waveguide according to the first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 3B, since the
また、管軸方向に垂直な方向にビーム形成するように可動構造物6が配置されているアレーアンテナ1において、図5に示すように、制御回路7により可動構造物6を移動して、隙間dmが広くなるようにすると、等価回路において可動構造物6に相当する部位の容量が小さくなり、各スロット4は遅れ位相で励振され、可動構造物6の移動前に破線で示す方向に向いていたビームが実線で示す方向、すなわち入力側8にビームがチルトする。
Further, in the
この発明の実施の形態1によるアレーアンテナ1は、導波管2内の断面の短辺を短くすることにより容量性が強くなり、進み位相でスロット4が励振されビームが入力側8に対して反対側にチルトされ、逆に短辺を長くすることにより容量性が弱くなり、遅れ位相でスロット4が励振されビームが入力側8にチルトされるよう導波管2内に配置された可動構造物6を移動するだけなので、入力するマイクロ波を広帯域にしなくてもすむし、アンテナ全体が大型にならないし、アンテナ効率も低下しない。
The
実施の形態2.
図6は、この発明の実施の形態2によるアレーアンテナの斜視図である。図7は、この発明の実施の形態2によるアレーアンテナの管軸方向に垂直の断面図である。
この発明の実施の形態2によるアレーアンテナ11は、導波管スロットアレーアンテナであり、長辺がam、短辺がbmの長方形の断面を有する筒状の導波管12を備える。そして、断面の長辺側の一方の管壁13に複数のスロット14が設けられている。
また、導波管12の断面の短辺側の一方の管壁15に近接し、管軸方向に対して垂直な平面上を長辺方向(以下、長辺方向と称す)に移動可能な可動構造物16が管軸方向に複数備えられている。この可動構造物16は、導波管12の外部に備えた制御回路18から制御され、断面の短辺側の他方の管壁17と可動構造物16の間の隙間fmは可変される。マイクロ波は導波管12の入力側19から入力される。
FIG. 6 is a perspective view of an array antenna according to
The
Further, it is movable close to one
一般に導波管12の断面の長辺方向を短くする可動構造物16を配置すると、式(2)で表される等価サセプタンスから分かるように、誘導性を示す。なお、式(2)は参考文献1に記載されている。
そして、断面の長辺が短くなるほど、すなわち隙間fmが狭くなるほど、誘導性が大きくなる。
Generally, when a
And the inductivity increases as the long side of the cross section becomes shorter, that is, as the gap fm becomes narrower.
図8は、この発明の実施の形態2によるアレーアンテナの等価回路と導波管の管軸方向の断面図である。
図8(b)に示すように、導波管12の断面の長辺を短くする可動構造物16を管軸方向に複数配置しているので、導波管12の等価回路は図8(a)に示す回路となる。管軸方向に垂直な方向にビーム形成するように可動構造物16が配置されているアレーアンテナ11において、制御回路18により可動構造物16を移動して、隙間fmが狭くなるようにすると、等価回路において可動構造物16に相当する部位のリアクタンスが大きくなり、導波管12内を伝搬するマイクロ波の位相は遅れる。その結果、図9に示すように、各スロット14は遅れ位相で励振され、可動構造物16の移動前に破線で示す方向に向いていたビームが実線で示す方向、すなわち入力側19にビームがチルトする。
FIG. 8 is a sectional view in the tube axis direction of an equivalent circuit of the array antenna and the waveguide according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 8B, since a plurality of
また、管軸方向に垂直な方向にビーム形成するように可動構造物16が配置されているアレーアンテナ11において、図10に示すように、制御回路18により可動構造物16を移動して隙間fmが広くなるようにすると、等価回路において可動構造物16に相当する部位のリアクタンスが小さくなり、導波管12内を伝搬するマイクロ波の位相は進む。その結果、各スロット14は進み位相で励振され、可動構造物16の移動前に破線で示す方向に向いていたビームが実線で示す方向、すなわち入力側19と反対側にビームがチルトする。
Further, in the
この発明の実施の形態2によるアレーアンテナ11は、導波管12内の断面の長辺を短くすることにより誘導性が強くなり、遅れ位相でスロット14が励振されビームが入力側19にチルトされ、逆に長辺を長くすることにより誘導性が弱くなり、進み位相でスロット14が励振されビームが入力側19に対して反対側にチルトされるよう導波管12内に配置された可動構造物16を移動するだけなので、入力するマイクロ波を広帯域にしなくてもすむし、アンテナ全体が大型にならないし、アンテナ効率も低下しない。
In the
実施の形態3.
図11は、この発明の実施の形態3によるアレーアンテナの斜視図である。図12は、この発明の実施の形態3による導波管の管軸方向の断面図である。
この発明の実施の形態3によるアレーアンテナ31は、導波管スロットアレーアンテナであり、長辺がam、短辺がbmの長方形の断面を有する筒状の導波管32を備える。そして、断面の長辺側の一方の管壁33に複数のスロット34が設けられている。
また、導波管32の終端部35に、管軸方向に移動可能な可動構造物36が備えられている。この可動構造物36は、導波管32の外部に備えた制御回路37から制御され、マイクロ波が終端される位置が可変される。
FIG. 11 is a perspective view of an array antenna according to
The
In addition, a
管軸方向に垂直な方向にビーム形成するように可動構造物36が配置されているアレーアンテナ31では、導波管32内に形成される定在波の腹の部分がスロット34の位置にほぼ一致し、入力側38から入力された電力が効率良くスロット34に供給されるように、マイクロ波が終端される位置が設定されている。このとき、定在波の腹の部分は、管軸方向に対して前進波41と後進波42が同相になっている。詳しくは参考文献1に記載されている。
In the
そこで、管軸方向に垂直な方向にビーム形成するように可動構造物36が配置されているアレーアンテナ31において、図13に示すように、制御回路37により可動構造物36を管軸方向に対して、前または後に移動すると、前進波41の反射点となっていた終端の位置が移動するので、これまで生じていた定在波の腹の部分がスロット34の位置から移動する。そのため、スロット34での前進波41と後進波42の位相が、一方は進み、一方が遅れるので、それぞれの波によって形成されるビームは入力側38の方向にチルトするビームと入力側38と反対方向にチルトするビームとなり双方向ビーム43を形成する。
Therefore, in the
実施の形態4.
図14は、この発明の実施の形態4によるアレーアンテナの斜視図である。図15は、この発明の実施の形態4による平行平板形導波管内部のマイクロ波の等位相面の伝搬を説明するための上面図である。
この発明の実施の形態4によるアレーアンテナ51は、平行に配置された2枚の平板53、54を有する平行平板形導波管52を備える平行平板形導波管スロットアレーアンテナである。そして、一方の平板53に複数のスロット55が配列されている。
また、アレーアンテナ51は、他方の平板54に近接し、平板54の法線方向に移動可能な可動構造物56と平行平板形導波管52の外部に可動構造物56を制御する制御回路57を備える。可動構造物56が移動されることにより、平板53と可動構造物56との間の隙間が狭まったり拡がったりする。
FIG. 14 is a perspective view of an array antenna according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 15 is a top view for explaining propagation of the microwave equiphase surface inside the parallel plate waveguide according to the fourth embodiment of the present invention.
The array antenna 51 according to the fourth embodiment of the present invention is a parallel plate waveguide slot array antenna including a
The array antenna 51 is close to the other
入力側58から入力されたマイクロ波は反対側で無反射終端されているため、入力側58から一方向に進行する。ここでマイクロ波の進行方向を管軸61と呼ぶ。入力されたマイクロ波の電力は管軸61方向で順番にスロット55に供給され空間に放射される。平行平板形導波管52内を伝搬するマイクロ波の等位相面62に従ってスロット55に電力が管軸61方向に直交する方向に同相で供給され、管軸61に対称、すなわち管軸61を含む面内でビームを形成する。
The microwave input from the
図16は、この発明の実施の形態4による平行平板形導波管の管軸に直交する面での断面図を示す。
図16に示すように、制御回路57により平板53と可動構造物56の隙間が管軸61に直交する面内で傾斜がつくように変化させると隙間が広い方に対して狭い方に入力されたマイクロ波は位相が進む。このときの等位相面62を図17に示す。
図17に示すように、平行平板形導波管52内の等位相面62が管軸61に対して垂直であったものが傾き、進行するマイクロ波により電力が供給されるスロット55には断面方向で位相傾斜がつく。結果として、管軸方向に対して直交する方向にチルトするビームが形成出来る。
FIG. 16 shows a cross-sectional view of a plane parallel to the tube axis of a parallel plate waveguide according to
As shown in FIG. 16, when the
As shown in FIG. 17, the
1、11、31、51 アレーアンテナ、2、12、32 導波管、3、5、13、15、17、33 管壁、4、14、34、55 スロット、6、16、36、56 可動構造物、7、18、37、57 制御回路、8、19、38、58 入力側、35 終端部、41 前進波、42 後進波、43 双方向ビーム、52 平行平板形導波管、53、54 平板、61 管軸、62 等位相面。
1, 11, 31, 51
Claims (4)
上記スロットが配列された管壁に対向する管壁に近接し、上記スロットが配列された管壁との間の隙間が狭まったり拡がったりするように上記スロットが配列された管壁の法線方向に移動可能な可動構造物を管軸方向に複数配置したことを特徴とするアレーアンテナ。 In an array antenna including a waveguide having a plurality of slots arranged on a tube wall,
A normal direction of the tube wall in which the slots are arranged so that a gap between the slot and the tube wall in which the slots are arranged is narrowed or widened in the vicinity of the tube wall facing the tube wall in which the slots are arranged. An array antenna comprising a plurality of movable structures movable in the tube axis direction.
上記スロットが配列された管壁に隣接した管壁の一方に近接し、隣接した管壁の他方との間の隙間が狭まったり拡がったりするように上記隣接する管壁の法線方向に移動可能な可動構造物を管軸方向に複数配置したことを特徴とするアレーアンテナ。 In an array antenna including a waveguide having a plurality of slots arranged on a tube wall,
Moves in the normal direction of the adjacent tube wall so that the slot between the adjacent one of the tube walls adjacent to the arranged tube wall is narrowed or widened. An array antenna comprising a plurality of movable structures arranged in the tube axis direction.
上記導波管の終端部に上記導波管の管軸方向に移動可能な可動構造物を配置したことを特徴とするアレーアンテナ。 In an array antenna including a waveguide having a plurality of slots arranged on a tube wall,
An array antenna, characterized in that a movable structure movable in the tube axis direction of the waveguide is disposed at a terminal portion of the waveguide.
上記第2の平板に近接し、上記第1の平板との間の隙間が狭まったり拡がったりするように上記第1の平板の法線方向に移動可能な可動構造物を上記第2の平板上に複数配列したことを特徴とするアレーアンテナ。 In an array antenna comprising a first flat plate in which a plurality of slots are arranged and a second flat plate arranged in parallel with the first flat plate,
A movable structure that is movable in the normal direction of the first flat plate so that the gap between the first flat plate and the gap between the first flat plate and the first flat plate is narrowed or widened on the second flat plate. An array antenna characterized in that a plurality of array antennas are arranged.
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