JP2010056985A - 導波管スロットアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】スロット板を付け替えることにより帯域中心周波数をシフトすることができその中心周波数での周波数帯域幅が広い導波管スロットアレーアンテナの実現。
【解決手段】放射導波路への給電方式は中央給電方式とし、スロット２からの反射の抑圧手法はスロット２の間隔を使用中心周波数における放射導波路内波長の２分の１よりも小さくすることにより行い、それによる、給電導波路４の両側それぞれにおける放射ビームの給電導波路４側への傾きを修正するためおよび中央給電方式にすることによりオフセット量の大きいスロットが増加しても不要方向への放射が増加しないようにするために隔壁８の高さを結合部１０から終端部９へ向けて下り傾斜にするようにしてスロット板１を傾斜させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電導波路溝および放射導波路溝の設けられたベース体と、前記放射導波路溝に対応する位置にアンテナ素子としてのスロットが列状に穿たれたスロット板とがねじ止め或いは接着等の手段により密着され、主としてミリ波帯或いはマイクロ波帯で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。

このような導波管スロットアレーアンテナは、周波数帯域幅が比較的狭い。
従って、使用中心周波数が１つに限定されてしまう。しかし、それでは使用中心周波数が異なる毎にアンテナを用意せざるを得ず経済的に問題がある。そこで、製造コストの高価なベース体は変えずに、スロット板だけを付け替えることによって使用中心周波数をシフトさせることができる導波管スロットアレーアンテナが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図２は、そのような導波管スロットアレーアンテナの、スロット板装着前の斜視図であり、図３は中心周波数の異なる３枚のスロット板（図の（ａ）、（ｂ）、（ｃ））とベース体（図の（ｄ））の平面図である。
所望の中心周波数のスロット板をベース体に取り付けることにより、その周波数帯の導波管スロットアレーアンテナが得られることになる。

（ｄ）のベース体は下辺横方向に給電導波路４が設けられその中央に給電口７を有している。
この給電導波路４から直角方向（上方）に向かって放射導波路５が隔壁８に隔されて複数列設けられている。給電導波路溝がベース体の片側に設けられているところから片側給電と呼ばれる。

このようなアンテナにおいて、給電口７から給電すると各スロットから空間へ電磁波が放射される。
このとき電磁波の一部がスロットから空間へ放射されないで給電導波路の方へ反射する。この反射は損失となるのでできるだけ小さくなるような方策が講じられる。

その方策としては、スロット板１のスロットの長手方向間隔を使用中心周波数の管内波長λ_ｇの２分の１より大きくしたり小さくしたりする方策と、スロットの間隔は使用中心周波数における管内波長λ_ｇの２分の１とし、その替わり各スロットに対応させて当該スロットのオフセットと反対側の隔壁面に誘導性壁を設け、これによる反射でスロットからの反射を相殺するという方策である。
この場合、誘導性壁の導波路軸方向の間隔もスロットと同様に使用周波数における管内波長λ_ｇによって定まる。

前記図２、図３のアンテナでは、スロット間隔の異なるスロット板を取り替えることによって使用中心周波数が変化するから当然管内波長λ_ｇも異なる。
しかし、誘導性壁は隔壁に成形されたものであり、λ_ｇに合わせて変えるということはできないから、誘導性壁による反射相殺策は採用し得ず、スロットの間隔を使用中心周波数における管内波長λ_ｇの２分の１よりも小さくすることによって、スロットにおける反射を抑制している。その結果、スロット板からの放射ビームが、図５に示すように、スロット板１の面の法線方向から給電導波路側へ傾くことになる。

しかし、放射ビームが所望の方向を向くように設定しさえすれば、図２、図３のアンテナの使用上は特に問題ない。
この他、スロットの配置に関しては、給電導波路の幅の中心線を境にして、幅方向に左右交互にオフセットしたいわゆる千鳥配置となっている。

その理由は、隣り合うスロットの放射位相が、放射導波路の長さ方向の２分の１波長弱の距離でπラジアン弱異なり、中心線の反対側に位置することでπラジアン異なり、合わせて２πラジアン近く即ち同相近くで放射するようにするためである。

そして、このオフセット量は、放射導波路の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と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。
しかし、オフセット量の大きいスロットが多くなると、不要方向への放射が大きくなるという問題を孕んでいる。

一方、このような導波管スロットアレーアンテナの周波数帯域幅を広くする技術として、図２、図３のような片側給電ではなく、給電導波路を図４のようにベース体の中央に置き、その両側に放射導波路を設けるといういわゆる中央給電方式が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
但し、図４のものは、スロット板の付け替えによる中心周波数のシフトは考えていないので、スロットからの反射の抑圧は融壁に誘導性壁を設けることによって行いスロット間隔は管内波長の２分の１としている。従ってビームが傾くという問題はない。

そこで、発明者らは、図２、図３のアンテナのような、スロット間隔の異なるスロット板を付け替えることによって、使用中心周波数をシフトできる導波管スロットアレーアンテナの選択された各中心周波数での周波数帯域幅を広くした中央給電型の導波管スロットアレーアンテナの実現を目指した。
特開２００７−３３６４５９号公報（段落［００３６］〜［００４３］、図１、図３〜図５） 世鉉 朴、広川 二郎、安藤 真、「一層構造導波管アンテナ給電用十字分岐の設計」、電子情報通信学会２００１年通信ソサイエティ大会講演論文集１、（社）電子情報通信学会、２００１年８月２９日、Ｐ．１７３

しかしながら、スロット板を付け替えることによって使用中心周波数をシフトさせるということであるから、スロットでの反射を抑制する手段としては、図２、図３のアンテナと同様、各スロット板のスロット間隔を使用中心周波数における管内波長λ_ｇの２分の１よりも小さくするという手法を採用せざるを得ない。
その結果、中央給電型における、給電導波路の両側のスロット板それぞれで形成される放射ビームの向きは背景技術で述べたところから図６に示すように、スロット板の法線の向きよりも給電導波路側へ寄り合うように傾くことになる。しかしながらこのようなビームの傾きはアンテナ全体としての放射指向性に悪影響を及ぼすという問題がある。

もう１つの問題は、スロットのオフセット量の問題である。
図２、図３のように片側給電の場合には、１本の放射導波路の終端は１つであるが、この１本の導波路が中央給電方式の採用により２分されて終端が２箇所になると、オフセット量の大きいスロット数が２倍となり、不要方向への放射が増大するためサイドローブが増大し開口効率が低下するという問題がある。

本発明の解決課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、ビームの傾きや、不要放射の増大という問題のない、中央給電型でスロット板の付け替えにより使用中心周波数をシフトさせることができ、且つそれぞれの周波数を中心にして帯域幅の広い導波管スロットアレーアンテナを実現することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段構成を有する。
本発明の構成は、直線状に延びる給電導波路溝と、該給電導波路溝の両側に該給電導波路溝の長手方向に対して直角方向に延びるように結合窓で結合した放射導波路溝が複数本形成され、隣り合う放射導波路溝を隔する隔壁の高さが、前記結合部で最も高く放射導波路溝の終端部で最も低く隔壁頂部が終端部へ向かって下り傾斜となっているベース体と、各放射導波路溝に対応する位置に予め定めた間隔およびオフセット量で終端位置までスロットが設けられ、前記給電導波路溝および放射導波路溝全体を覆うように密着固定されたスロット板とからな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。

本発明導波管スロットアレーアンテナは課題解決手段で述べたように、スロット板が、中央の給電導波路部分から放射導波路の終端に向かって下り傾斜となっているので、図６のように給電導波路側へ傾いている放射ビームの向きを正面向きに近付けることができ、スロット板の傾斜角を図６における放射ビームの傾き角に一致させることにより、放射ビームを正面方向（ボアサイト）に向けることができ、傾いていることにより放射指向性への悪影響を大幅に改善することができるという効果がある。

また、スロット板が放射導波路の終端に向かって下り傾斜になっているので、スロット板と放射導波路溝の底面との間隔が終端に近づくにつれて小さくなりその結果、導波路とスロットとの結合度が強くなり、スロットからの放射電力が大きくなる。スロットアレーアンテナにおいてスロットのオフセット量が終端へ進むにつれて大きくなっている理由は、放射導波路内の電磁波は、並んでいるスロットから放射しながら進んでいるのでその強度は終端に近付くにつれ低下していく。この低下した電磁波レベルから、給電端側のスロットと同一レベルの放射を行うためである。

ところが、本発明では、前述のように、スロット板が傾斜していることにより、終端に近付くにつれてスロットの結合度が大きくなるので、その分だけ、オフセット量を少なくすることができ、その結果、オフセット量が大きいことによって生ずる不要方向への電磁波放射が少なくなり、アンテナの低サイドローブ化・高効率化が可能になるという効果がある。

本発明の導波管スロットアレーアンテナにおいては、放射ビームの傾きは、送信時における、スロットでの反射による損失をどの程度に抑えるかによって定まる。一方、スロット板の傾斜角は、スロットのオフセット量を終端の方に行くにつれどの程度の増加傾向にするかによって定まる。従って、放射ビームの傾き角とスロット板の傾斜角とをどの程度一致させるかという点と、許容し得る反射損とオフセット量によって定まる不要方向への放射がどの程度許容し得るかという点のかね合いで定めたものが最良の実施形態となる。

また、スロット板のベース体への取り付けは、スロット板の交換によって、使用周波数帯域をシフトさせる場合のあることから、交換可能なねじ止めが最良の実施形態である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明実施例の導波管スロットアレーアンテナの、給電導波路の管軸方向から見た側断面図である。
板状のベース体の中央には直線状に延びる給電導波路４が形成されており、その両側に該給電導波路の長手方向に対して直交する方向に放射導波路５が複数本平行して設けられ給電導波路４と結合している。紙面垂直方向に隣り合う放射導波路５は隔壁８によって隔されている。

本発明では、この隔壁８の高さが、結合部１０から終端部９にかけて下り傾斜となっている。この傾斜により、図６のように給電導波路４側に傾斜しているビーム方向を図１のビームのようにボアサイトの方向へ向けることができることになる。

次に、スロット板１が傾斜していることによって、スロット板１と放射導波路の底面との距離ｈは、結合部１０から終端部９へ進むにつれて小さくなる。距離が小さくなるということは、スロット２の結合度が大きくなり、放射導波路内の電磁界強度に対するスロットからの放射強度の割合が大きくなることである。

従って、従来ｈが一定であったときに、終端に近付くにつれ放射導波路内の電磁波強度が低下していくにもかかわらず、なおスロットからは同じ強度の放射電磁界強度を得ようとして、終端に近付くにつれスロットのオフセット量を大きくしていたのが、距離ｈが小さくなって行くことに肩替わりされ、オフセット量を従来程大きくして行く必要がなくなる。
その結果、オフセット量が大きいことに起因する不要方向への電磁波放射を抑制できることになり、低サイドローブ化・高効率化を実現できることになる。

以上のように、本発明の導波管スロットアレーアンテナは、図１のようにスロット板１を傾斜させることによって、周波数帯域幅の広い中央給電型で且つ、スロット配列の異なるスロット板を付け替えることによって、中心周波数をシフトさせることのできる導波管スロットアレーアンテナが得られる。

ベース体３は、鋳型へ溶融合金を圧入するダイキャストで製造されたものであり、スロット板１は金属板にスロット２が打ち抜きで設けられており、打ち抜きの後ベース体３の傾斜に合うように折り曲げ加工したものである。

本発明の導波管スロットアレーアンテナのスロット板が傾斜していることを示す給電導波路の軸方向で見た断面図である。 従来の片側給電型で、スロット板を付け替えることにより使用中心周波数をシフトさせることのできる導波管スロットアレーアンテナの斜視図である。 図２の導波管スロットアレーアンテナのスロット板とベース体の平面図であり、中心周波数の異なる３枚のスロット板が用意されている例である。 従来の中央給電型の導波管スロットアレーアンテナのスロット板とベース体の平面図である。 図２、図３のアンテナにおける放射ビームの傾きを示す側断面図である。 図２、図３のアンテナを中央給電型で構成した場合のビームの傾きを示す側断面図である。

符号の説明

１ スロット板
２ スロット
３ ベース体
４ 給電導波路
５ 放射導波路
６ 誘導性壁
７ 給電口
８ 隔壁
９ 終端部
１０ 結合部

Claims (1)

1. 直線状に延びる給電導波路溝と、該給電導波路溝の両側に該給電導波路溝の長手方向に対して直角方向に延びるように結合窓で結合した放射導波路溝が複数本形成され、隣り合う放射導波路溝を隔する隔壁の高さが、前記結合部で最も高く放射導波路溝の終端部で最も低く隔壁頂部が終端部へ向かって下り傾斜となっているベース体と、
   各放射導波路溝に対応する位置に予め定めた間隔およびオフセット量で終端位置までスロットが設けられ、前記給電導波路溝および放射導波路溝全体を覆うように密着固定されたスロット板と、
   からなることを特徴とする導波管スロットアレーアンテナ。

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