JP2011250094A - アンテナ装置およびアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域に渡って安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現するためのアンテナ装置を得る。
【解決手段】一対の導体平板で構成される平行平板（１０）と、平行平板に直交するとともに、平行平板の間の面上にテーパー状導体（２０ａ、２０ｂ）を有して構成されるテーパースロット線路（２０）とを備え、平行平板装荷テーパースロットアンテナ構造を有するアンテナ装置において、平行平板（１０）の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して、テーパースロット線路の伸長方向において相対的にずれるように距離差を持たせている。
【選択図】図１

Description

本発明は、広帯域レーダーなどに用いられるアンテナ装置であり、特に、平行平板の構造を備えるアレーアンテナ用の素子アンテナに適用され得るアンテナ装置に関するものである。

超広帯域アンテナの一種に、テーパースロットアンテナ（Ｔａｐｅｒｅｄ Ｓｌｏｔ Ａｎｔｅｎｎａ：以下、「ＴＳＡ」と略記する）が挙げられる。そして、このＴＳＡのアンテナ開口を、送受信に使用される周波数帯域の上限周波数の半波長以下まで小型化した場合にも、給電系との整合を容易にできるアンテナ装置がある（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１における従来のアンテナ装置の構成を示した模式図である。図６に示した従来のアンテナ装置は、平行平板１００、テーパースロット線路２０、誘電体基板３０、および同軸ケーブル４０を備えて構成されている。ここで、平行平板１００は、一対の導体平板１００ａ、１００ｂで構成されている。また、テーパースロット線路２０は、一対のテーパー状導体２０ａ、２０ｂで構成され、同軸ケーブル４０を用いて給電されている。

また、図６における座標系は、導体平板１０ａおよび１０ｂに直交する方向をｘ軸、テーパースロット線路２０が構成されている面に垂直な方向をｙ軸、テーパースロット線路２０の伸長方向をｚ軸と定める。なお、この座標系は、後述する他の図面でも同じである。

さらに、装置を小型化し、かつアンテナ開口での反射を抑制することで、より容易に給電系との整合が可能になる従来のアンテナ装置がある（例えば、特許文献２参照）。図７は、特許文献２における従来のアンテナ装置の構成を示した模式図である。図７に示した従来のアンテナ装置は、平行平板１００、テーパースロット線路２０、誘電体基板３０、および同軸ケーブル４０を備えて構成されている。

先の図６の構成では、テーパースロット線路２０が一対のテーパー状導体２０ａ、２０ｂで構成されているのに対して、図７の構成では、テーパースロット線路２０が１つのテーパー状導体２０ｃで構成されている点が異なっており、他の構成は共通である。

特許第３８１３４９５号公報 特開２００８−２２７７２３号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１あるいは特許文献２に示されたような従来のアンテナ装置を用いてアレーアンテナを構成する場合には、個々のアンテナ装置が、先の図６、図７に示したような平行平板１００を備えた構造となっている。このため、同一の平行平板内にあるアンテナ素子同士は、電磁的に強く結合する。この結果、ｙ軸方向のアンテナ素子間隔に応じた周波数において、電界の共振が起こる。

ｙ軸方向に配列するアンテナ素子数を増やすに従い、この電界の共振が、アンテナの特性に強く影響を及ぼすようになる。具体的には、アンテナ開口から共振周波数の電界が、ほとんど放射されなくなる。この点は、特に、広帯域アレーアンテナとしては問題である。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、広帯域に渡って安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現するためのアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明に係るアンテナ装置は、一対の導体平板で構成される平行平板と、平行平板に直交するとともに、平行平板の間の面上にテーパー状導体を有して構成されるテーパースロット線路とを備え、平行平板装荷テーパースロットアンテナ構造を有するアンテナ装置において、平行平板の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して、テーパースロット線路の伸長方向において相対的にずれるように距離差を持たせたものである。

本発明に係るアンテナ装置およびアレーアンテナによれば、平行平板の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して、テーパースロット線路の伸長方向において相対的にずれるように距離差を持たせることにより、広帯域に渡って安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現するためのアンテナ装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるアンテナ素子の構造を示した模式図である。 本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナの構成を示した模式図である。 本発明の実施の形態２におけるアンテナ素子の構造を示した模式図である。 本発明の実施の形態３におけるアンテナ素子の構造を示した模式図である。 本発明の実施の形態４におけるアンテナ素子の構造を示した模式図である。 特許文献１における従来のアンテナ装置の構成を示した模式図である。 特許文献２における従来のアンテナ装置の構成を示した模式図である。

以下、本発明のアンテナ装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるアンテナ素子の構造を示した模式図である。図１に示した本実施の形態１のアンテナ装置は、平行平板１０、テーパースロット線路２０、誘電体基板３０、および同軸ケーブル４０を備えて構成されている。ここで、平行平板１０は、一対の導体平板１０ａ、１０ｂで構成されている。また、テーパースロット線路２０は、一対のテーパー状導体２０ａ、２０ｂで構成され、同軸ケーブル４０を用いて給電されている。

本実施の形態１におけるアンテナ装置は、先の図６における従来のアンテナ装置と比較すると、誘電体基板３０に対する平行平板１０の形状が異なっている。より具体的には、図１における一対の導体平板１０ａ、１０ｂは、図６における一対の導体平板１００ａ、１００ｂを−ｚ軸方向に切り欠いた形状となっている。このような形状とすることで、平行平板１０の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して相対的にｚ軸方向でずれる（距離差を持たせる）ようになる。

図２は、本発明の実施の形態１におけるアレーアンテナの構成を示した模式図であり、図１に示したアンテナ素子を用いてアレーアンテナを構成した場合の、素子配列の例を示した図である。ただし、給電用の機構については、図示を省略している。

一般的に、アレーアンテナは、図２に示すように、アンテナ素子を複数並べることで、アレーアンテナの利得を上げることができる。さらに、配置した各素子から放射される電界の位相を調節することにより、電界を放射する方向を電気的に制御することができる。

しかしながら、前述したように、先の図６または図７の従来のＴＳＡ素子を多数並べてアレーアンテナを構成した場合には、平行平板間でｙ軸方向の素子間隔に応じた周波数での電界の共振が起こる。この結果、共振周波数の電界がアンテナからほとんど放射されなくなる。

そこで、本実施の形態１におけるアレーアンテナは、先の図１に示したように、平行平板１０を−ｚ軸方向に切り欠くことで、平行平板１０の電気的開放端の位置がアンテナの電気的開口面の位置に対して相対的に−ｚ軸方向に後退する構成のアンテナ装置を用いている。

このような構成を備えたアンテナ装置を用いることで、ｘ軸方向に並んでいる他の平行平板との間で相互に電界が漏れ込み易くなり、平行平板１０内の電界の共振条件が乱される。その結果、電界の共振は弱まり、共振周波数の電界がアンテナ開口から放射されるようになる。よって、広帯域で安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、平行平板の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して相対的にｚ軸方向でずれるように、一対の導体平板を構成している。これにより、平行平板内の電界の共振条件を乱すことができ、アンテナ開口から共振周波数の電界がほとんど放射されなくなるという従来の問題を解消し、広帯域に渡って安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現することができる。

なお、平行平板を切り欠く部分を拡大するに従い、平行平板の電気的開放端とアンテナの電気的開口面のｚ軸上の距離差は、大きくなる。このようにして距離差が大きくなると、ｘ軸方向に並んでいる複数の平行平板間での電界の漏れ出し、および漏れ込みが起こり易くなり、共振周波数でのアンテナ特性は、より大きく改善されることとなる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、先の実施の形態１とは異なる構成で、平行平板の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して相対的にｚ軸方向でずれるようにするための、一対の導体平板の構成について説明する。

図３は、本発明の実施の形態２におけるアンテナ素子の構造を示した模式図である。図３に示した本実施の形態２のアンテナ装置は、平行平板１１、テーパースロット線路２０、誘電体基板３０、および同軸ケーブル４０を備えて構成されている。ここで、平行平板１１は、一対の導体平板１１ａ、１１ｂで構成されている。また、テーパースロット線路２０は、一対のテーパー状導体２０ａ、２０ｂで構成され、同軸ケーブル４０を用いて給電されている。

本実施の形態２におけるアンテナ装置は、先の図１における先の実施の形態１のアンテナ装置と比較すると、誘電体基板３０に対する平行平板１１の形状が異なっている。より具体的には、先の図１における一対の導体平板１０ａ、１０ｂは、−ｚ軸方向に切り欠かれた形状となっていた。

これに対して、本実施の形態２の図３における一対の導体平板１１ａ、１１ｂは、導体平板１１ａ、１１ｂの＋ｚ軸方向から見た端面に対し、導体平板１１ａ、１１ｂとテーパースロット線路２０の構成面との接線の延長線上で、＋ｚ軸方向に伸長する突起状構造物を付加した形状となっている。

このような形状とすることでも、先の実施の形態１と同様に、平行平板１１の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して相対的にｚ軸方向でずれる（距離差を持たせる）ようにすることができる。すなわち、図３においては、アンテナの電気的開口面の位置が、平行平板の電気的開放端の位置に対して、相対的に＋ｚ軸方向に前進することとなる。

このような構成を備えたアンテナ装置を用いることで、ｘ軸方向に並んでいる他の平行平板との間で相互に電界が漏れ込み易くなり、先の実施の形態１の場合と同様に、平行平板１１内の電界の共振条件が乱される。その結果、電界の共振は弱まり、共振周波数の電界がアンテナ開口から放射されるようになる。よって、広帯域で安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、平行平板の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して相対的にｚ軸方向でずれるように、一対の導体平板を構成している。これにより、平行平板内の電界の共振条件を乱すことができ、アンテナ開口から共振周波数の電界がほとんど放射されなくなるという従来の問題を解消し、広帯域に渡って安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現することができる。

なお、平行平板に付加する突起状構造物が＋ｚ軸方向に長くなるに従い、平行平板の電気的開放端とアンテナの電気的開口面のｚ軸上の距離差は、大きくなる。このようにして距離差が大きくなると、ｘ軸方向に並んでいる複数の平行平板間での電界の漏れ出し、および漏れ込みが起こり易くなり、共振周波数でのアンテナ特性は、より大きく改善されることとなる。

実施の形態３．
先の実施の形態１では、テーパースロット線路２０が一対のテーパー状導体２０ａ、２０ｂで構成されている場合について説明した。これに対して、本実施の形態３では、先の実施の形態１の構成において、テーパースロット線路２０が１つのテーパー状導体２０ｃで構成されている場合について説明する。

図４は、本発明の実施の形態３におけるアンテナ素子の構造を示した模式図である。図４に示した本実施の形態３のアンテナ装置は、平行平板１０、テーパースロット線路２０、誘電体基板３０、および同軸ケーブル４０を備えて構成されている。ここで、平行平板１０は、一対の導体平板１０ａ、１０ｂで構成されている。また、テーパースロット線路２０は、同軸ケーブル４０を用いて給電されている。

図４に示すように、テーパースロット線路２０が１つのテーパー状導体２０ｃで構成されている場合にも、先の実施の形態１における図１と同様に、平行平板１０を−ｚ軸方向に切り欠くことで、平行平板１０の電気的開放端の位置がアンテナの電気的開口面の位置に対して相対的に−ｚ軸方向に後退する構成のアンテナ装置を構成することができる。

従って、このような構成を備えたアンテナ装置を用いてアレーアンテナを構成することで、ｘ軸方向に並んでいる他の平行平板との間で相互に電界が漏れ込み易くなり、平行平板１０内の電界の共振条件が乱される。その結果、電界の共振は弱まり、共振周波数の電界がアンテナ開口から放射されるようになる。よって、広帯域で安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現することができる。

なお、１つのテーパー状導体２０ｃと接していない側の導体平板１０ｂは、図４に示すように、切り欠きを有する導体平板１０ａと同じか、それに近い形状とすることができるが、切り欠きを有さない形状としてもよい。

以上のように、実施の形態３によれば、平行平板の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して相対的にｚ軸方向でずれるように、一対の導体平板を構成している。これにより、平行平板内の電界の共振条件を乱すことができ、アンテナ開口から共振周波数の電界がほとんど放射されなくなるという従来の問題を解消し、広帯域に渡って安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現することができる。

なお、平行平板を切り欠く部分を拡大するに従い、平行平板の電気的開放端とアンテナの電気的開口面のｚ軸上の距離差は、大きくなる。このようにして距離差が大きくなると、ｘ軸方向に並んでいる複数の平行平板間での電界の漏れ出し、および漏れ込みが起こり易くなり、共振周波数でのアンテナ特性は、より大きく改善されることとなる。

実施の形態４．
先の実施の形態２では、テーパースロット線路２０が一対のテーパー状導体２０ａ、２０ｂで構成されている場合について説明した。これに対して、本実施の形態４では、先の実施の形態２の構成において、テーパースロット線路２０が１つのテーパー状導体２０ｃで構成されている場合について説明する。

図５は、本発明の実施の形態４におけるアンテナ素子の構造を示した模式図である。図５に示した本実施の形態４のアンテナ装置は、平行平板１１、テーパースロット線路２０、誘電体基板３０、および同軸ケーブル４０を備えて構成されている。ここで、平行平板１０は、一対の導体平板１１ａ、１１ｂで構成されている。また、テーパースロット線路２０は、同軸ケーブル４０を用いて給電されている。

図５に示すように、テーパースロット線路２０が１つのテーパー状導体２０ｃで構成されている場合にも、先の実施の形態２における図３と同様に、一対の導体平板１１ａ、１１ｂを＋ｚ軸方向に伸長する突起状構造物を付加することで、アンテナの電気的開口面の位置が平行平板１１の電気的開放端の位置に対して相対的に＋ｚ軸方向に前進する構成のアンテナ装置を構成することができる。

従って、このような構成を備えたアンテナ装置を用いてアレーアンテナを構成することで、ｘ軸方向に並んでいる他の平行平板との間で相互に電界が漏れ込み易くなり、平行平板１１内の電界の共振条件が乱される。その結果、電界の共振は弱まり、共振周波数の電界がアンテナ開口から放射されるようになる。よって、広帯域で安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現することができる。

なお、１つのテーパー状導体２０ｃと接していない側の導体平板１１ｂは、図５に示すように、突起状構造物を付加していない構造とすることができるが、導体平板１１ａと同じか、それに近い形状としてもよい。

以上のように、実施の形態４によれば、平行平板の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して相対的にｚ軸方向でずれるように、一対の導体平板の少なくとも一方を構成している。これにより、平行平板内の電界の共振条件を乱すことができ、アンテナ開口から共振周波数の電界がほとんど放射されなくなるという従来の問題を解消し、広帯域に渡って安定した高い利得をもつアレーアンテナを実現することができる。

なお、平行平板に付加する突起状構造物が＋ｚ軸方向に長くなるに従い、平行平板の電気的開放端とアンテナの電気的開口面のｚ軸上の距離差は、大きくなる。このようにして距離差が大きくなると、ｘ軸方向に並んでいる複数の平行平板間での電界の漏れ出し、および漏れ込みが起こり易くなり、共振周波数でのアンテナ特性は、より大きく改善されることとなる。

１０、１１ 平行平板、１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ 一対の導体平板、２０ テーパースロット線路、２０ａ、２０ｂ 一対のテーパー状導体、２０ｃ １つのテーパー状導体、３０ 誘電体基板、４０ 同軸ケーブル。

Claims (6)

1. 一対の導体平板で構成される平行平板と、
   前記平行平板に直交するとともに、前記平行平板の間の面上にテーパー状導体を有して構成されるテーパースロット線路と
   を備え、平行平板装荷テーパースロットアンテナ構造を有するアンテナ装置において、
   前記平行平板の電気的開放端の位置が、アンテナの電気的開口面の位置に対して、前記テーパースロット線路の伸長方向において相対的にずれるように距離差を持たせたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記テーパースロット線路は、一対のテーパー状導体で構成され、
   前記平行平板を構成する前記一対の導体平板は、前記テーパースロット線路の幅が広い側から狭くなる側に向かって切り欠かれ、
   前記一対のテーパー状導体の先端部を前記平行平板の端面より突出させたことを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記テーパースロット線路は、一対のテーパー状導体で構成され、
   前記平行平板を構成する前記一対の導体平板は、前記テーパースロット線路が構成される面との交線の延長線上で、前記テーパースロット線路の幅が狭い側から広くなる側に向かって伸長する突起状構造物を有し、
   前記一対のテーパー状導体の先端部を前記平行平板の端面より突出させたことを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記テーパースロット線路は、前記一対の導体平板の片側のみと接する１つのテーパー状導体で構成され、
   前記平行平板を構成する前記一対の導体平板のうち、前記１つのテーパー状導体と接する導体平板は、前記テーパースロット線路の幅が広い側から狭くなる側に向かって切り欠かれ、
   前記１つのテーパー状導体の先端部を前記１つのテーパー状導体と接する導体平板の端面より突出させた
   ことを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記テーパースロット線路は、前記一対の導体平板の片側のみと接する１つのテーパー状導体で構成され、
   前記平行平板を構成する前記一対の導体平板のうち、前記１つのテーパー状導体と接する導体平板は、前記テーパースロット線路の幅が狭い側から広くなる側に向かって伸長する突起状構造物を有し、
   前記１つのテーパー状導体の先端部を前記１つのテーパー状導体と接する導体平板の端面より突出させた
   ことを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のアンテナ装置を複数個配列して構成したことを特徴とするアレーアンテナ。

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