JP2010081075A - 開口面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】フレアー部を設けずに小口経化を図る。
【解決手段】開口面アンテナは、内径が略一定である外導体と、電磁波の放射方向に対して、端部が前記外導体の開口部より後退した内導体とを有する。内導体の端部を外導体の開口部より後退させることにより、フレアー部を設けずにインピーダンスを整合させることができる。上記の開口面アンテナにおいて、前記外導体は導波管とみなしたときの遮断波長が前記電磁波の波長より短くてもよい。
【選択図】図３

Description

本発明は開口面アンテナに関する。

ホーンアンテナに代表される従来の開口面アンテナは、遮断波長が放射する電磁波の波長より長い導波管部分と、空間とのインピーダンス整合のために開口部をラッパのように広げたフレアー部分とを有している。

図１は従来のホーンアンテナを示す図である。図１に示したコニカル型フィードホーンアンテナ１１は、円形導波管１２と、その円形導波管１２に接続されたフレアー部１３と、給電のための励振源１５とを有している。円形導波管１２は、その内径をＡとすると、例えば、ＴＥ１１モードにおける遮断波長は３．４１Ａ／２となり、これより波長が短い電磁波しか通過させることができない。つまり、放射する電磁波の波長をλとすると、円形導波管の内径Ａは、Ａ≧２λ／３．４１でなければならない。この円形導波管１２に接続されたフレアー部１３は、内径が開口部１４に向かって徐々に大きくなり、開口部１４ではλ程度まで大きくなる。これにより、放射インピーダンスを空間のインピーダンスと整合させている。

図２は従来の他のホーンアンテナを示す図である。図２に示したコニカル型フィードホーンアンテナ２１は、図１のホーンアンテナ１１と同様に、円形導波管２２と、フレアー部２３と、金属同軸棒２６とを有している。金属同軸棒２６の先端部においてＴＭ１１モードを発生させるため、円形導波管２２は、内径Ａが遮断波長より長くなっている。また、フレアー部２３は、内径が開口部２４に向かって徐々に大きくなっている。金属同軸棒２６は、円形導波管２２とフレアー部２３の境界より長さＣだけ突出している。

また、プラズマ発生装置の分野において、中心導体が突出した同軸構造やスロットアンテナによりマイクロ波を放射する構成が知られている。
特開平１１−２８４４２８号公報 特開２００４−２６６２６８号公報

従来のホーンアンテナは、フレアー部を有するため小口径化が困難であった。

かかる課題を解決するため、一実施形態による開口面アンテナは、内径が略一定である外導体と、電磁波の放射方向に対して、端部が前記外導体の開口部より後退した内導体とを有する。

内導体の端部を外導体の開口部より後退させることにより、フレアー部を設けずにインピーダンスを整合させることができる。

上記の開口面アンテナにおいて、前記外導体は導波管とみなしたときの遮断波長が前記電磁波の波長より短くてもよい。

小口径化可能な開口面アンテナを実現することができる。

図面を参照して様々な実施形態を詳細に説明する。図面を通して同一または対応する構成要素には同一または対応する参照番号を付した。

図３は、一実施形態による開口面アンテナを示す図である。図３に示した開口面アンテナ３０は外導体３１と内導体３３とを有する。

外導体３１は金属（銅、アルミニウム、真鍮等）等の導体で形成され、形状は実質的に円筒形である。外導体３１は開口部３２を有している。外導体３１の内径は長さ方向（電磁波の放射方向）にわたり略一定である。すなわち、外導体３１にはホーンアンテナにおけるフレアー部はない。また、外導体３１の外径も長さ方向（電磁波の放射方向）にわたり略一定であってもよい。外導体３１の内径は、外導体３１を導波管とみなしたときの遮断波長が放射する電磁波の波長より短くてもよい。これは、外導体３１と内導体３３とが同軸構造を形成しているからである。

一方、内導体３３は金属（銅、アルミニウム、真鍮等）等の導体で形成され、形状は外導体３１の内径と比較して細い実質的に円柱形である。内導体３３は外導体３１の略中心にあり、内導体３３の外径は長さ方向（電磁波の放射方向）にわたり略一定である。内導体３３の端部３４は、外導体３１の開口部３２と比較して、電磁波の放射方向に対して後退している。

内導体３３の端部３４が外導体３１の開口部３２より後退していることにより、内導体３３の端部３４から外導体３１の開口部３２まで、インピーダンス整合領域３５が形成される。電磁波の放射方向におけるインピーダンス整合領域３５の長さは、図７と図８を参照して後で詳細に説明する。

励振源３６が開口面アンテナ３０の外導体３１と内導体３３に接続され、放射する電磁波を供給する。

開口面アンテナ３０には、外導体３１と内導体３３との間にポリエチレン、ふっ素樹脂
等の誘電体を充填して誘電体部３７とし、外導体３１に対して内導体３３を支持してもよい。誘電体部３７については、図１５を参照して後でさらに説明する。

次に、かかる開口面アンテナの性能について説明する。

図４は、図３の開口面アンテナ３０の遠方放射指向性を示す図である。開口面アンテナ３０の外導体の内径を３０ｍｍ、内導体の直径を１．５ｍｍ、電磁波の放射方向におけるインピーダンス整合領域の長さを３０ｍｍ、放射する電磁波の周波数を９５０ＭＨｚとして計算している（以下、特に断らない限り、具体的な計算やシミュレーションはこれと同じ条件に基づいている）。図４のグラフ４０は計算の結果得られた遠方放射指向性を示し、開口面積が小さいにも関わらず最大利得は５．８ｄＢｉであり、良好な特性が得られることが分かった。

図５は、図３の開口面アンテナ３０の近傍電界分布を示す図である。図５は、入力信号として１Vの正弦波を入力した場合であり、その他の条件は図４と同じとした電磁界シミュレーションの結果であり、図４との比較を容易にするため、左右を反転している。アンテナ３０から出る近傍電界の中心５１が凸状になっている。このため開口面アンテナ３０を電界プローブとして使用すれば、外導体の内径の細さと相まって高い分解能が得られることを示している。

次に、図６乃至図８を参照してインピーダンス整合領域の長さについてさらに詳しく検討する。まず、図６を参照する。図６は、図３の開口面アンテナを示す斜視断面図である。開口面アンテナ３０の外導体３１の内径をｂ、内導体３３の外径をａ、内導体３３の端部３４が外導体３１の開口部３２より後退している長さ（すなわち、インピーダンス整合領域の長さ）をｃとする。

また、ｂ／ａをパラメータとして、インピーダンス整合領域の長さｃを変化させたときの放射電界強度の変化を図７に示した。図７のグラフ７０において、横軸のインピーダンス整合領域の長さｃは波長λで規格化されている。また、縦軸の放射電界強度はその最大値を１として規格化されている。曲線７１はｂ／ａ＝２０の場合の放射電界強度を示し、曲線７２はｂ／ａ＝４０の場合の放射電界強度を示す。曲線７１と曲線７２との関係から、ｂ／ａが大きいほど、つまり内導体３３の外径ａとの比較において外導体３１の内径ｂが大きいほど、最大放射電界強度を与えるインピーダンス整合領域の長さｃは短くてよいことが分かる。曲線７１は約ｃ＝０．１８λで最大となり、曲線７２は約ｃ＝０．１２λで最大となる。

このようにして得られた最大放射電界強度を与えるインピーダンス整合領域の長さｃ（以下、最適なインピーダンス整合領域の長さｃと呼ぶ）をパラメータｂ／ａの関数と考えると、図８が得られる。図８のグラフ８０において、横軸はｂ／ａの自然対数log_e（ｂ／ａ）を示し、縦軸は最適なインピーダンス整合領域の長さｃを波長λで規格化したものである。曲線８１は、log_e（ｂ／ａ）が０に近づくと、すなわち外導体３１の内径が内導体３３の外径との比較において大きくなると、最適なインピーダンス整合領域の長さｃが約０．２５に漸近することを示している。また、log_e（ｂ／ａ）が大きくなると、すなわち外導体３１の内径が内導体３３の外径との比較において小さくなると、最適なインピーダンス整合領域の長さｃが０に近づくことを示している。なお、グラフ８０の曲線８１を２次多項式で近似すると、以下の式（１）が得られる：
ｃ＝−７．５×１０^−３ｘ^２−６．２５×１０^−３ｘ＋０．２５ （１）
ただしｘ＝log_e（ｂ／ａ）である。

図９は、一実施形態による開口面アンテナを利用する電界プローブの実施例を示す図である。図９に示した電界測定システム９０は、電界プローブとしての開口面アンテナ３０とスペクトルアナライザ９３とを含み、両者がケーブル９２で接続されている。開口面アンテナ３０を測定対象であるプリント基板９１に向けて接近させることにより、プリント基板９１上の配線等からもれる電界を捕捉してスペクトルアナライザ９３で測定することができる。この実施例による、従来のアンテナを電界プローブとして用いる場合に位置分解能が十分にとれないとの問題を解決し、一分解能が高い電界測定システムを提供することができる。

図１０は、一実施形態による開口面アンテナを利用するアレイアンテナの実施例を示す図である。図１０に示したアレイアンテナ１００は複数（この場合、２本）の開口面アンテナ３０を含む。２本の開口面アンテナ３０は、約１５ｍｍの距離を隔てて配置されている。開口面アンテナの利得は開口面積に比例するので、このアレイアンテナ１００は、同じ開口面積の１本のホーンアンテナと同等の利得を有する。その上、各開口面アンテナ３０に供給する電磁波の振幅、位相を調整することにより、アレイアンテナ１００では様々な放射パターンを実現することができ、アンテナ設計の自由度が大きくなる。図１０に示した遠方放射指向性は、２本の開口面アンテナ３０に同振幅で位相が９０°ずれた給電を行った場合を示している。位相を逆に９０°ずらせば、図１０とは上下逆の遠方放射指向性が得られる。このように、本実施例により、単体のアンテナでは放射パターンが決まってしまうためアンテナ放射パターンの設計自由度が乏しいという問題点を解決し、高い設計自由度を有するアレイアンテナを提供することができる。

次に、上記実施形態の開口面アンテナ３０の一応用例として、金属パイプにＲＦタグを設ける事例を説明する。金属パイプにＲＦタグを設ける場合、金属パイプを積み重ねることや金属パイプによる電磁波の反射を考慮すると、金属パイプ内部にタグ回路を設けなければならない場合がある。しかし、ＲＦタグのリーダライタからの電磁波は、その波長が金属パイプの遮断波長より長いと金属パイプの内部に届かないおそれがある。この時、上記実施形態の開口面アンテナ３０を応用することができる。図１１は一実施形態による開口面アンテナを利用する金属パイプタグの実施例を示す図である。図１１に示した金属パイプ１１１には、その内部にタグ回路１１７が設けられている。このタグ回路１１７には金属パイプ１１１の開口部に向けて導電性細線１１３が取り付けられている。この導電性細線１１３は、リーダライタからの電磁波の放射方向に対して、金属パイプ１１１の開口部より後退して、インピーダンス整合領域１１５を形成している。

図１２は図１１のタグ回路部分を詳細に示す図である。図１２に示したタグ回路部分１２０は、タグ基板１２１を含み、このタグ基板１２１にはタグ回路１１７が実装されている。また、タグ基板１２１の略中心には、導電性細線１１３（例えば、Φ＝１．５ｍｍ）が略垂直に設けられている。このタグ基板１２１には金属パイプ１１１の長さ方向の厚みを増すために厚み部材１２２が取り付けられ、さらに複数（この場合、４個）の保持部材１２３が取り付けられている。タグ回路部分１２０は、金属パイプ１１１に挿入され、保持部材１２３により金属パイプ１１１内に保持される。導電性細線１１３のタグ基板１２１と反対側の端部１２４は、金属パイプ１１１の開口部１２５より後退しており、インピーダンス整合領域１１５が形成されている。

図１３（ａ）〜（ｂ）は、一実施形態による開口面アンテナの励振源側の整合方法を説明するための図である。図１３（ｂ）に示す整合方法１は、開口面アンテナ１３０Ａにおいて、外導体３１と内導体３３との間に、励振源３６と並列にキャパシタＣを設け、並列に接続された励振源３６とキャパシタＣに直列にインダクタＬを設けることにより励振源側のインピーダンスを整合させるものである。この場合の整合は、図１３（ａ）スミスチャートに示したように、まずインダクタＬにより点１から点２に調整し、さらにキャパシタＣにより点２から点３に調整すればよい。図１３（ｃ）に示す整合方法２は、図１３（ｂ）に示した整合方法１の変形例である。この方法では、開口面アンテナ１３０Ｂにおいて、インダクタＬの替わりに、外導体１３１にその長さ方向にスライド可能な可動部１３２を設け、外導体（外導体１３１と可動部１３２を含む）の長さを調節することにより、励振源側のインピーダンスを整合させるものである。いずれの整合方法を用いても、開口面アンテナ１３０Ａ、１３０Ｂの励振側のインピーダンスを整合することができる。

図１４は、一実施形態による開口面アンテナの空間側の整合方法を説明するための図である。図１４に示した開口面アンテナ１４０は、外導体１４１にその長さ方向にスライド可能な可動部１４２を設け、外導体（外導体１４１と可動部１４２を含む）の長さ（すなわち、インピーダンス整合部３５の長さ）を調節することにより、開口面アンテナ１４０の空間側のインピーダンスを整合するものである。この整合方法を用いて、開口面アンテナ１４０の空間側のインピーダンスを整合することが出来る。

図１５は、一実施形態による開口面アンテナの誘電体部の変形例を示す図である。図１５（ａ）に示した開口面アンテナ１５０Ａは、外導体３１の内側に誘電体（誘電体部３７Ａ）が充填され、内導体３３を支持（サポート）している。この誘電体部３７Ａは内導体３３の端部３４までであり、内導体３３の端部から外導体３１の開口部３２まで（すなわちインピーダンス整合領域）には誘電体は充填されていない。一方、図１５（ｂ）に示した開口面アンテナ１５０Ｂは、外導体３１の内側に誘電体（誘電体部３７Ｂ）が充填され、内導体３３をサポートしている。この誘電体部３７Ｂは外導体３１の開口部３２までであり、内導体３３の端部から外導体３１の開口部３２まで（すなわちインピーダンス整合領域）も誘電体が充填されている。なお、当業者には言うまでもなく、開口面アンテナ１５０Ａと１５０Ｂでは、インピーダンス整合領域の誘電体の存否により、インピーダンス整合領域の誘電率が異なるため、最適なインピーダンス整合領域の長さはこの誘電率の違いも考慮して決定する必要がある。

なお、上記の実施形態では、外導体の断面は円形としたが、他の実施形態では、外導体の断面は方形でもよく、その他の形状であってもよい。

また、上記の実施形態では、内導体の断面は円形としたが、他の実施形態では、内導体の断面は方形でもよく、その他の形状であってもよい。

また、上記の実施形態では、外導体に誘電体を充填して内導体を支持する誘電体部を設けたが、他の実施形態では、必ずしも誘電体部を設けなくてもよい。

以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
内径が略一定である外導体と、
電磁波の放射方向に対して、端部が前記外導体の開口部より後退した内導体とを有する開口面アンテナ。
（付記２）
前記外導体は導波管とみなしたときの遮断波長が前記電磁波の波長より短い、付記１に記載の開口面アンテナ。
（付記３）
前記外導体は前記電磁波の放射方向にスライド可能な可動部により長さが可変である、付記１または２に記載の開口面アンテナ。
（付記４）
前記内導体の外径をａ、前記外導体の内径をｂ、前記電磁波の波長をλとして、２０≦ｂ／ａ≦４０であるとき、前記内導体の端部は前記外導体の開口部より後退した長さｃは０．１２λ≦ｃ≦０．１８λを満たす、付記１乃至３いずれか一項に記載の開口面アンテナ。
（付記５）
前記内導体の外径をａ、前記外導体の内径をｂ、前記内導体の端部が前記外導体の開口部より後退した長さをｃ、前記電磁波の波長をλとして、
ｃ／λ＝−７．５×１０^−３ｘ^２−６．２５×１０^−３ｘ＋０．２５、
ただしｘ＝log_e（ｂ／ａ）である、付記１乃至４いずれか一項に記載の開口面アンテナ。
（付記６）
前記外導体の前記電磁波の放射方向に垂直な断面は略円形である、付記１乃至５いずれか一項に記載の開口面アンテナ。
（付記７）
前記内導体の前記電磁波の放射方向に垂直な断面は略円形である、付記１乃至６いずれか一項に記載の開口面アンテナ。
（付記８）
前記内導体の外径は略一定である、付記１乃至７に記載の開口面アンテナ。
（付記９）
前記内導体は前記外導体の略中心にある、付記１乃至８いずれか一項に記載の開口面アンテナ。
（付記１０）
前記外導体と前記内導体との間に誘電体部を有する、付記１乃至９いずれか一項に記載の開口面アンテナ。
（付記１１）
複数の開口面アンテナを有するアレイアンテナであって、
前記複数の開口面アンテナの少なくとも１つは、
内径が略一定である外導体と、
電磁波の放射方向に対して、端部が前記外導体の開口部より後退した内導体とを有するアレイアンテナ。
（付記１２）
内径が略一定である外導体と、
電磁波の放射方向に対して、端部が前記外導体の開口部より後退した内導体とを有する電界プローブ。
（付記１３）
外導体と、電磁波の放射方向に対して、端部が前記外導体の開口部より後退した内導体とを有する開口面アンテナの調整方法であって、
前記外導体に前記電磁波の放射方向にスライド可能な可動部を設け、前記外導体の長さを可変する段階を有する調整方法。
（付記１４）
前記外導体の長さを可変する段階は、前記可動部をスライドして、前記内導体の端部が前記外導体の開口部から後退する長さを調節して、前記開口面アンテナと空間とのインピーダンスを整合する段階を有する、付記１３に記載の調整方法。
（付記１５）
前記外導体の長さを可変する段階は、前記可動部をスライドして、前記電磁波の放射方向と逆向きの前記外導体の長さを調節して、前記開口面アンテナと励振源とのインピーダンスを整合する段階を有する、付記１３または１４に記載の調整方法。

従来のホーンアンテナを示す図である。 従来の他のホーンアンテナを示す図である。 一実施形態による開口面アンテナを示す図である。 図３の開口面アンテナの遠方放射指向性を示す図である。 図３の開口面アンテナの近傍電界分布を示す図である。 図３の開口面アンテナを示す斜視断面図である。 放射電界強度とインピーダンス整合領域の長さとの関係を示すグラフである。 最適なインピーダンス整合領域の長さを示すグラフである。 一実施形態による開口面アンテナを利用する電界プローブの実施例を示す図である。 一実施形態による開口面アンテナを利用するアレイアンテナの実施例を示す図である。 一実施形態による開口面アンテナを利用する金属パイプタグの実施例を示す図である。 図１１のタグ回路部分を詳細に示す図である。 一実施形態による開口面アンテナの励振源側の整合方法を説明するための図である。 一実施形態による開口面アンテナの空間側の整合方法を説明するための図である。 一実施形態による開口面アンテナの誘電体部の変形例を示す図である。

符号の説明

３０、１３０Ａ、１３０Ｂ、１４０、１５０Ａ、１５０Ｂ 開口面アンテナ
３１、１３１、１４１ 外導体
３２ 開口部
３３ 内導体
３４ 端部
３５ インピーダンス整合領域
３６ 励振源
３７、３７Ａ、３７Ｂ 誘電体部
９０ 電界測定システム
９１ プリント基板
９２ ケーブル
９３ スペクトルアナライザ
１００ アレイアンテナ
１３２、１４２ 可動部

Claims (5)

1. 内径が略一定である外導体と、
   電磁波の放射方向に対して、端部が前記外導体の開口部より後退した内導体とを有する開口面アンテナ。
2. 前記外導体は導波管とみなしたときの遮断波長が前記電磁波の波長より短い、請求項１に記載の開口面アンテナ。
3. 前記外導体は前記電磁波の放射方向にスライド可能な可動部により長さが可変である、請求項１または２に記載の開口面アンテナ。
4. 複数の開口面アンテナを有するアレイアンテナであって、
   前記複数の開口面アンテナの少なくとも１つは、
   内径が略一定である外導体と、
   電磁波の放射方向に対して、端部が前記外導体の開口部より後退した内導体とを有するアレイアンテナ。
5. 内径が略一定である外導体と、
   電磁波の放射方向に対して、端部が前記外導体の開口部より後退した内導体とを有する電界プローブ。