JP2014170989A - スロットアレイアンテナ、設計方法、及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナ特性が劣化することがない、高利得、高効率、広帯域のスロットアレイアンテナを提供する。
【解決手段】スロットアレイアンテナ１は、電磁波を放射する複数の放射素子2aを備える放射素子部と、給電された電磁波を複数に分岐させて各前記放射素子に導く導波回路部と、を備え、前記導波回路部は、分岐する複数の導波路から構成される導波回路を有し、複数の前記放射素子に電磁波を導波する第１導波回路5aと、給電された電磁波を分岐して導波すると共に各分岐路が前記第１導波回路5aに結合した導波路を有する第２導波回路7aと、を有し、前記第１導波回路5aと前記第２導波回路7aとは互いに異なる平面にそれぞれ形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、導波回路を備えるスロットアレイアンテナ、設計方法、及び製造方法に関する。

近年、ミリ波帯の電波を利用した超高速無線通信技術の研究開発が進められている。一方で、ミリ波帯無線は指向性が高い、自由空間伝搬損失が大きい、等の理由から、高速通信を行うには指向性の高いアンテナが求められている。アレイアンテナはアンテナ素子を平面状に多数配列した構造を備え、放射するビームの幅が狭く、指向性の高いアンテナとして用いられる。

アレイアンテナの中で、中空導波管にスロットを一次元アレイ状に設けて形成した一次元スロットアレイアンテナは給電線路が低損失であるため、高効率、高利得のアンテナの形成が可能である。一次元スロットアレイアンテナに用いられる中空導波管は、使用する無線の帯域が高周波になればなるほど導波管の幅がより狭くなる。また、アンテナ利得を高くしようとすればそれに比例してアンテナ素子の数が増加し、アンテナ素子に電磁波を導波する導波管の回路がより複雑化する。

非特許文献１に、中空導波管を利用した１次元スロットアレイアンテナの製造方法の１例が示されている。非特許文献１は、１２０ＧＨｚ帯無線において３０ｄＢｉ以上のアンテナ製造に成功している事例を示している。また、非特許文献２は、同じ構造で６０ＧＨｚ帯無線において３０ｄＢｉ以上のアンテナ製造に成功している事例を示している。

J. Hirokawa, J. D. Kim, K. SAKURAI, M. ANDO, T. TAKADA, and T. NAGATSUMA, "Designs and measurements of plate-laminated waveguide slot array antennas for 120GHz band and 350GHz band", 2011 Asia Pacific Microwave Conference, pp. 445-448, 2011. Y.Miura, J.Hirokawa, M.Ando, Y.Shibuya, G.Yoshida,"Double-layer Full-corporate-feed Hollow-waveguide Slot Array Antenna in the60GHz-Band,"IEEE Trans. Antennas Propagat., vol.59, no.8, pp.2844-2851, Aug.2011.

しかし、上記のスロットアレイアンテナに電磁波を給電する導波回路を用いると、アンテナアレイ数が大きくなるに従い、分岐用給電ネットワークの長さが長くなり、また、ネットワークが多岐化する。そして、その先に複数のキャビティ接続用給電ネットワークが接続される構造となるため、図１７、図１８の○で囲んだ部分等は非常に脆弱な構造である脆弱部が生じる。その結果、図１９の○で囲んだ部分に示すように、上記スロットアレイアンテナの製造時に導波回路の上記脆弱部でゆがみやひずみなどが発生して点線の○部分の様に導波路が変形し、アンテナとして所望の特性が得られなくなる。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、アンテナ特性が劣化することがない、高利得、高効率、広帯域のスロットアレイアンテナを提供することを目的とする。

本発明にかかるスロットアレイアンテナは、電磁波を放射する複数の放射素子を備える放射素子部と、給電された電磁波を複数に分岐させて各前記放射素子に導く導波回路部と、
を備え、前記導波回路部は、分岐する複数の導波路から構成される導波回路を有し、複数の前記放射素子に電磁波を導波する第１導波回路と、給電された電磁波を分岐して導波すると共に各分岐路が前記第１導波回路に結合した導波路を有する第２導波回路と、を有し、前記第１導波回路と前記第２導波回路とは互いに異なる平面にそれぞれ形成されている。

また、本発明では、前記導波回路部は、導体板に第１導波回路が穿設された第１導波回路板と、導体板に第２導波回路が穿設された第２導波回路板とが積層されているよう構成してもよい。

さらに、本発明では、前記導波回路部は、導体板の一端面に第１導波回路を形成し、他端面に第２導波回路を形成した一体成型であるよう構成してもよい。

本発明にかかるスロットアレイアンテナを設計する方法は、電磁波を放射する複数の放射素子を備える放射素子部を設計する工程と、導波回路の脆弱部を抽出し、分岐する複数の導波路から構成される導波回路を有し、複数の前記放射素子に電磁波を導波する第１導波回路と、給電された電磁波を分岐して導波すると共に各分岐路が前記第１導波回路に結合した導波路を有する第２導波回路と、を有し、前記第１導波回路と前記第２導波回路とは互いに異なる平面にそれぞれ形成されている導波回路部を設計する工程と、を備える。

また、本発明では、前記導波回路部を設計する工程は、導体板に第１導波回路が穿設された第１導波回路板と、導体板に第２導波回路が穿設された第２導波回路板とを積層した補強構造を備える導波回路部を設計するよう構成してもよい。

さらに、本発明では、前記導波回路部を設計する工程は、導体板に第１導波回路が穿設された第１導波回路板と、導体板に第２導波回路が穿設された第２導波回路板とが積層されている導波回路部を設計するよう構成してもよい。

本発明にかかるスロットアレイアンテナの製造方法は、前記導波回路部は、分岐する複数の導波路から構成される導波回路を有し、複数の前記放射素子に電磁波を導波する第１導波回路と、給電された電磁波を分岐して導波すると共に各分岐路が前記第１導波回路に結合した導波路を有する第２導波回路と、を有し、前記第１導波回路と前記第２導波回路とは互いに異なる平面にそれぞれ導体板に形成されている。

また、前記導波回路部は、導体板に第１導波回路が穿設された第１導波回路板と、導体板に第２導波回路が穿設された第２導波回路板とを積層して生成するようにしてもよい。

さらに、前記導波回路部は、一端面に第１導波回路を形成し、他端面に第２導波回路を形成した一体成型の導体板で生成するようにしてもよい。

アンテナ特性が劣化することがない、高利得、高効率、広帯域のスロットアレイアンテナを提供することができる。

本発明の実施の形態１のスロットアレイアンテナ１のカットモデル図である。 本発明の実施の形態１のスロットアレイアンテナ１の分解図である。 本発明の実施の形態１の第１導波回路板５を示した図である。 本発明の実施の形態１の第２導波回路板７を示した図である。 本発明の実施の形態１の電力分配の構造を示した図である。 電力分配のＥベンドを示した図である。 電力分配のＴ分岐を示した図である。 本発明の実施の形態１のアンテナの放射特性を示したグラフである。 本発明の実施の形態２のスロットアレイアンテナ２の分解図である。 導波回路板１０の一端面側の図である。 導波回路板１０の他端面側の図である。 導波回路板１０のＥベンド、Ｔ分岐部分の立体透視図である。 本発明の実施の形態にかかるスロットアレイアンテナの設計の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態にかかるスロットアレイアンテナの製造工程を示すフローチャートである。 関連する技術のアンテナ１００のカットモデル図である。 関連する技術のアンテナ１００の分解図である。 関連する技術のアンテナ１００の導波回路１０４を示した図である。 関連する技術の導波回路１０４の脆弱部の拡大図である。 関連する技術の導波回路１０４の脆弱部で導波回路が変形する様子を示した図である。

最初に本発明を想到するまでに行った検討の経緯について説明する。
スロットアレイアンテナには、電磁波を給電する導波回路が用いられる。この導波回路は、アンテナアレイ数が大きくなるに従い、分岐用給電ネットワークの長さが長くなり、また、ネットワークが多岐化する。そして、その先に複数のキャビティ接続用給電ネットワークが接続される。このスロットアレイアンテナを作成する方法として、エッチング加工した複数枚の金属板に導波回路やスロット等を穿設し、それらを積層し、拡散接合により接合することによりスロットアレイアンテナを形成する手法がある。

ここで、エッチング加工とは、化学薬品などの腐食作用や、反応性の気体（エッチングガス）やイオン、ラジカル等の反応を利用した加工の技術である。エッチング加工は、プレス等の方法に比べて生成物に残留応力が残らないという利点がある。例えば、使用する金属板表面の導波回路以外の部分に防食処理を施した後、腐食剤に浸し、導波回路部分を溶解、侵食させたり、反応ガス中に材料を曝す方法(反応性ガスエッチング)や、プラズマによりガスをイオン化・ラジカル化して導波回路部分の原子を化学的または物理的に取り去ったりするエッチング処理により、導波回路が穿設された金属板が生成される。

また、拡散接合とは、母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で，塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。拡散接合を用いると、エッチング処理で加工された導体板を隙間なく接合できる。仮に接合された導体板と導体板との間に隙間があると、この隙間がスロットアンテナの役目をし、意図しない電磁ノイズを放射する一方、特定の周波数帯域の電磁ノイズを受信する場合がある。従って導体板と導体板との間に隙間ができない拡散接合がスロットアレイアンテナの製造に用いられる。

エッチング加工と、拡散接合により製造したアンテナ１００の構造の例を図１５に示す。図１５は３２×３２素子の放射スロットを備えるスロットアレイアンテナの放射スロットの１６×１６素子の部分を切り出したカットモデルである。図１６も同様に放射スロットの１６×１６素子の部分を切り出したアンテナ１００の分解図である。

このアンテナは５層構造であり、上から放射スロット板１０１（第１層）と、キャビティ板１０２（第２層）と、結合スロット板１０３（第３層）と、導波回路板１０４（第４層）を備える。導波回路板１０４に図では示されていない第５層の導波管入力部から給電された信号を第４層に形成された複数のキャビティに分配するための導波回路１０４ａが形成されている（図１５、図１６、図１７）。

この給電ネットワーク部は１６個のキャビティを一つの単位として接続する複数のキャビティ接続用給電ネットワークと、この複数のキャビティ接続用給電ネットワークと導波管入力部を分岐接続するための分岐用給電ネットワークが同一平面内（同一の導体板）に形成されている。即ち銅板等の導体薄板にトーナメント状に分岐した導波回路１０４ａが穿設されている。

図１７はアンテナ１００の導波回路板１０４を示している。例えば、図１７に示す様に、１２０ＧＨｚ帯の隣接するアンテナ素子に給電する導波路と導波路との間隔は、放射スロット間隔０．８６λの２倍の１．７２λ（λ：管内波長）と非常に小さい。そして、導波回路を形成する導体板は厚さが約１／４λ（約０．６ｍｍ）と、非常に薄い。

そして、該導体板は更に０．２ｍｍ厚の導体板を３枚積層して作製するため、製造過程では更に薄い導体板となる。その結果、図１７のように給電ネットワークが複雑化すると図１７の○で囲んだ部分に示すように導波回路の製作過程で脆弱部ができる。図１８は該部分の拡大図である。この導波路の間隔、導体板の厚さは導波する電磁波の周波数帯域が高周波になればさらに小さくなる。

そして、アンテナの出力を強くする場合、スロットアレイアンテナはアンテナ素子を増加させるので、さらに導波回路に接続する給電ネットワークを増やす必要がある。そのため、スロットアレイアンテナを高利得化、高周波化するためにはそれに対応する複雑で高密度な導波回路がさらに必要となる。その結果、導波回路と導波回路との間が狭小な脆弱部がさらに増加する。

導波回路を備えるアレイアンテナを例えば、エッチング処理と拡散接合で製造する場合、化学処理工程、加熱処理工程や加圧処理工程がある。その結果、エッチング処理や、拡散接合を用いた製造時に導波回路の上記脆弱部でゆがみやひずみなどが発生し、アンテナとしての特性が劣化する。図１９の○で囲んだ部分は上記の脆弱部である。図１９は、該部分でゆがみが生じ、点線の○で囲んだ部分の様に導波回路が変形した様子を示している。また、エッチング処理以外の方法、例えば、切削やプレス等を用いても同様の問題を生ずる。

一方、導波回路に脆弱な構造部分が生じることを回避するため、隣接する導波路の間隔を広げようとすると、アンテナ素子の間隔も広がる。アンテナ素子の間隔を１波長分以上に広げると、放射する電磁波にグレーティングローブ現象（広角方向に正面方向と同じ強度の電磁波が出る現象）が発生し、アンテナ特性が劣化する。そのため、隣接する導波路の間隔を広げる構造を採用することは制約がある。

実施の形態１
図１を用いて本実施の形態にかかるスロットアレイアンテナ１の構成を説明する。本実施の形態は、３２×３２素子のアレイアンテナの例を示す。図１は拡散接合により製造されたスロットアレイアンテナの模式図である。また、図１は、図の簡略化のため３２×３２素子のアレイアンテナの１６×１６素子の部分を拡大したカットモデルである。即ち、スロットアレイアンテナ１は、このモデルと同じ物が４つ配列され、それらが第２導波回路７ａで接続されている。

図２は、スロットアレイアンテナ１の分解図である。本実施の形態は、１例として7層構造のアンテナを提示している。図１、図２には明示されていないが、外部機器とのインターフェースとなる導波管入力部が第２導波回路板７に接続される。

本実施の形態にかかるスロットアレイアンテナ１は、電磁波を放射する放射素子部と、放射素子部が有する複数の放射素子に電磁波を導波する導波回路部とを備える。放射素子部は、電磁波を放射する放射スロット２ａがアレイ状に配列されている放射スロット板２と、４個の放射スロット２ａを同時に励起するキャビティ３ａが形成されているキャビティ板３と、給電ネットワーク（第１導波回路５ａ）と各キャビティを結合する結合スロットが形成されている第１結合スロット板４とを備える。

導波回路部は、４×４の計１６個のキャビティを接続する第１導波回路５ａ（キャビティ接続用回路）が形成されている第１導波回路板５と、第１導波回路板５と第２導波回路板７を結合する第２結合スロット６ａが形成されている第２結合スロット板６と、第１導波回路板５に導波管入力部を接続する第２導波回路７ａ（分岐用給電ネットワーク）が形成されている第２導波回路板７とを備える。

次に、各部の説明をする。
放射スロット板２は、一端面側から空間に電波を放射する放射スロット２ａが例えば、エッチング処理により導体板に穿設されている。放射スロット板２には、計３２×３２個の放射スロット２ａが穿設される。そして、放射スロット２ａは、図１のＸ軸方向、Ｙ軸方向にそれぞれ２×２個を１つの単位としてアレイ状に３２×３２個配列されている。即ち、１つのキャビティ３ａに対して２×２個の放射スロット２ａがある。

本実施の形態では、放射スロット２ａの形状は例えば矩形で、１つのキャビティ３ａのＸＹ平面の略中心に対して４つ、対称的に配置される。放射スロット板２は例えば、０．２ｍｍ厚の導体板が用いられる。

放射スロット２ａの形状、配置、数は放射する電磁波の特性に合わせて適宜変更される。放射スロット板２の他端面側は、キャビティ板３の一端面側と接合される。この時、放射スロット板２とキャビティ板３との間に隙間が生じないよう接合される。接合には例えば、拡散接合が用いられる。以下の説明で用いられる各導体板は上記と同様にエッチング処理と拡散接合を用いて作成されるものとする。

キャビティ板３には、４個の放射スロット２ａを同時に励起するキャビティが、４個の放射スロット２ａに対して１つ、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に計１６×１６個、導体板に穿設されている。キャビティ３ａは、キャビティ内で電磁波が励振されるよう形成される。キャビティの形状、キャビティ板３の厚さは放射する電磁波の帯域などに合わせて適宜変更される。

キャビティの所望の性能を得るため、キャビティ板３は、導体板の１枚板にキャビティ３ａを穿設しても良いが、導体の薄板を多層に積層して作成してもよい。本実施の形態では、エッチング処理でキャビティを生成する。そのため、より正確にキャビティ３ａを生成するためにキャビティ板３は例えば、０．２ｍｍ厚の導体板を３枚積層し、０．６ｍｍ厚としている。

キャビティ板３の他端面側には第１結合スロット板４の一端面側が接合される。キャビティ板３と第１結合スロット板４とは第１結合スロット上のスロットの各中心とキャビティの各中心がＺ軸方向に一致するよう接合される。この時、キャビティ板３と第１結合スロット板４との間に隙間が生じないよう接合される。

第１結合スロット板４は、一端面側から各キャビティに電磁波を放射する第１結合スロット４ａが導体板に穿設されている。上記の様に第１結合スロット板４の一端面側はキャビティ板３の他端面側が接合される。第１結合スロット４ａは矩形であり、第１導波回路５ａの終端部５ｃに導波された電磁波をキャビティ３ａ内に放射させる。第１結合スロット４ａはキャビティ３ａの数と同一であり、計１６×１６個穿設されている。第１結合スロット板４は、例えば、０．２ｍｍ厚の導体板が用いられる。

第１結合スロット板４の他端面側には第１導波回路板５の一端面側が接合される。第１結合スロット板４と第１導波回路板５とは第１導波回路５ａの終端部５ｃに導波された電磁波が第１結合スロットの一端面側から放射されるよう接合される。この時、第１結合スロット板４と第１導波回路板５との間に隙間が生じないよう接合される。
上記放射スロット板２と、キャビティ板３と、第１結合スロット板とを接合した部材を放射素子部とする。

図３は、３２×３２個の放射スロットを備えるスロットアレイアンテナ１の第１導波回路板５である。第１導波回路５ａは、キャビティ接続用回路であり、第１導波回路５ａの略中心から給電され各終端に導波された電磁波を、第１結合スロット４ａを介して各キャビティ３ａに給電させる。第１導波回路板５は、図３に示すように導体板に第１導波回路５ａが１６個穿設されている。

第１導波回路５ａは、中心から各終端まで導波路がトーナメント状に分岐している。図３の５ｂは第１導波回路５ａの略中心で第２結合スロット６ａの位置である。図３の５ｃは第１導波回路５ａの終端部である。該終端部５ｃが第１結合スロット４ａの位置である。

図３の他の第１導波回路も同様に略中心に第２結合スロット４ａの位置と、終端部に第１結合スロットの位置とがある。第１導波回路５ａの各略終端に第１結合スロットを介して４×４の計１６個のキャビティを接続するため、各終端は１６個である。第１導波回路５ａの中心から各終端までは等距離となるよう回路が構成される。

図１７は関連する技術の導波回路１０４である。四角い点線で囲んだ部分はキャビティ接続用回路１０４ｂであり、これが第１導波回路５ａに相当する。ハッチングを施した部分は給電された電磁波をキャビティ接続用回路１０４ｂに導波する分岐用給電ネットワークである。即ち、第１導波回路板５は、関連する技術の導波回路１０４ａから分岐用給電ネットワークを分割して取り除いた回路構成を備える。上記の導波回路の分割形状は１例であり、上記と異なる導波回路の分割形状を用いてもよい。

関連する技術の導波回路１０４ａは、図１７に示す様に各キャビティ接続用回路同士を接続する給電用回路を備え、隣接する導波路の間隔が狭い部分が存在した。図３の破線部は、第２導波回路７ａの一部を転写したものである。例えば○で囲んだ部分５ｄの隣接する第１導波回路５ａの導波管と導波管との間の導波壁の幅は、分岐用給電ネットワークが分割された分、関連する技術に対して間隔が広くなっている。

そのため、製造過程における薬品処理、加熱処理、及び加圧処理に対して変形しにくくなっている。ここで、第１導波回路板５の導波回路にまだ脆弱部が認められた場合は、回路をさらに分割してもよい。この場合、分割した回路の分、スロットアレイアンテナ１を構成する導体板の層が増加する。第１導波回路板５は、例えば、０．２ｍｍ厚の導体板を３枚積層して０．６ｍｍ厚で作製される。

本実施の形態では、エッチング処理で第１導波回路５ａを生成する。そのため、より正確に第１導波回路５ａを生成するために第１導波回路板５は例えば、０．２ｍｍ厚の導体板を３枚積層し、０．６ｍｍ厚としている。これは、導波路の矩形断面の短手方向の長さに相当し、１２０ＧＨｚ帯の電磁波の（自由空間）波長の０．５λ以下である。導波路の矩形断面の長手方向の長さは電磁波の波長の０．５〜１λである。第１導波回路板５は、１枚板の導体板で作成してもよい。

第１導波回路板５の他端面側は、第２結合スロット板６の一端面側が接合される。第１導波回路板５と第２結合スロット板６とは、第２結合スロット６ａから導波された電磁波が第１導波回路５ａの略中心５ｂに導波されるよう接合される。この時、第１導波回路板５と第２結合スロット板６との間に隙間が生じないよう接合される。上記の様に第１結合スロット板と第２結合スロット板とに第１導波回路板５が挟まれて接合されることで、内部空間に導体の矩形断面を有する導波管を備える導波回路（第１導波回路５ａ）が形成される。

第２結合スロット板６は、導体板に第１導波回路板５の第１導波回路５ａと第２導波回路板７の第２導波回路７ａを結合する第２結合スロット６ａが１６個穿設されている。第２結合スロット６ａは、第２導波回路７ａの終端部に導波された電磁波を第１導波回路５ａの略中心に導波するよう配置されている。第２結合スロット板６は、例えば、０．２ｍｍ厚の導体板が用いられる。

第２結合スロット板６の他端面側と第２導波回路板７の一端面側とは、第２導波回路の終端部に導波された電磁波が第２結合スロット６ａから導波されるよう接合される。この時、第２結合スロット板６と第２導波回路板７との間に隙間が生じないよう接合される。

図４は第２導波回路板７を示した図である。第２導波回路板７は、給電口７ｂから給電された電磁波を第１導波回路５ａに給電する分岐用給電ネットワークである。第２導波回路板７は、導体板に第２導波回路７ａが穿設されている。第２導波回路７ａは、第２結合スロット６ａを介して各第１導波回路５ａに接続するため１６個の各終端にトーナメント状に分岐される。図３の７ｃは、各終端の１つである。

第２導波回路７ａの給電口７ｂから各終端までは等距離となるよう回路が構成される。図１７のハッチングを施した部分は分岐用給電ネットワークを示している。即ち、第２導波回路板７は、関連する技術の導波回路１０４ａから分岐用給電ネットワークが分割され、導体板に分岐用給電ネットワークを穿設してできた回路構成を備える。

第２導波回路板７は、第１導波回路板５と同様に例えば、０．２ｍｍ厚の導体板を３枚積層して０．６ｍｍ厚で作製される。その理由はキャビティ板３及び第１導波回路板５の説明と同様である。導波路の矩形断面の長手方向の長さは第１導波回路板５と同様に電磁波の波長の０．５〜１λである。第２導波回路板７は、１枚板の導体板で作成してもよい。
以上、第１導波回路板５と、第２結合スロット板６と、第２導波回路板７とを導波回路部とする。

第２導波回路７ａの給電口７ｂに導波管入力部の導波路が接続される。第２導波回路板７の他端面側と導波管入力部の一端面側が給電用導波路の導波路から電磁波が給電されるよう接合される。この時、第２導波回路板７と導波管入力部との間に隙間が生じないよう接合される。上記の様に第２結合スロット板と導波管入力部とに第２導波回路板７が挟まれて接合されることで、内部空間に導体の矩形断面を有する導波管を備える導波回路（第２導波回路７ａ）が生成される。

以上の様に各形状が穿設された導体板を積層することにより、内部壁が導体である内部空間を備えるスロットアレイアンテナ１が構成される。

次に、スロットアレイアンテナ１の給電口７ｂから給電され、導波され、放射スロット２ａから放射される電磁波の流れを説明する。
給電口７ｂから入射された電磁波は、導波され第２導波回路７ａの略中心で分岐される。その後、導波、分岐を繰り返し、第２導波回路７ａの各終端まで電磁波が導波される。各終端まで導波された電磁波は、各第２結合スロット６ａを介して各第１導波回路５ａの略中心に給電される。各第１導波回路５ａの略中心に給電された電磁波は、第１導波回路５ａに導波され、分岐を繰り返し、各終端まで導波される。

各終端まで導波された電磁波は、各第１結合スロット４ａを介して各キャビティ３ａに放射される。各キャビティ３ａ内に放射された電磁波は各キャビティ３ａ内で励振され、各放射スロット２ａより放射される。このようにして、スロットアレイアンテナ１から電磁波が放射される。

ここで、第２導波回路７ａの終端部に導波された電磁波が第２結合スロット６ａを介して第１導波回路５ａの略中心に導波され、電磁波が分岐される仕組みを説明する。図５（ｃ）は、関連する技術の導波回路１０４ａの分岐部分（電力分配器）である（図１７の点線の○で囲んだ部分）。導波された電磁波は、図７（ｂ）の様に電力分配器でＨ面Ｔ分岐をする。図５（ａ）に示す様に、本実施の形態では、該電力分配器は３層に分割され、第１導波回路板５と第２導波回路７との間に第２結合スロット板６を挟んでいる。

即ち、第１導波回路５ａと、第２結合スロット６ａと、第２導波回路７ａと、の接合部から構成される。図５（ｂ）は、図５（ａ）の分解図である。図６は図５（ａ）に示す電力分配器のＹＺ面の断面図である。図６に示すように、第２導波回路７ａに導波された電磁波は（図５ａのＩＮ）は第２結合スロット６ａ部分のＥベンド（導波回路のＥ面を９０度曲げる構造）で第２結合スロット６ａを介して第１導波回路５ａ内に導波される。導波された電磁波のＥ面は、再び第２結合スロットと第１導波回路５ａとで構成されたＥベンドで９０度曲がる。

次に、第１導波回路５ａ部分がＴ分岐となり、２方向に分岐される（図５（ａ）のＯＵＴ）。図７（ａ）は、Ｈ面Ｔ分岐の様子を示した図である。電磁波の分岐は、図５（ｃ）、図７（ｂ）の導波回路の分割前のＨ面Ｔ分岐と同様の結果となる。上記の様に、導波回路を分割しても電磁波が導波される様子は、分割前の導波回路と比べてほぼ同様の結果となる。

図８は、本実施の形態のスロットアレイアンテナ１の特性と、関連する技術（導波回路分割前）のスロットアレイアンテナの特性との比較図である。実線部分が本実施の形態にかかるスロットアレイアンテナ１、点線部分が関連する技術のスロットアレイアンテナの特性を示している。左側の縦軸はアンテナの利得［ｄＢｉ］、右側の縦軸はアンテナの反射特性［ｄＢ］、横軸は周波数［ＧＨｚ］である。利得の最大値は３９．４ｄＢｉで、１２０ＧＨｚ帯の８４％のアンテナ効率である。

図８に示すように、スロットアレイアンテナ１の特性は、関連する技術のアンテナの特性とほぼ一致する。即ち、導波回路を分割してもアンテナ特性が劣化していないことを示している。

効果
本実施の形態の、導波回路を分割して多層とする補強構造を備えるスロットアレイアンテナ１は、図１９に示すような脆弱な構造の部分がない。そのため、製造工程における、エッチング加工等の化学処理、拡散接合等の加熱処理や加圧処理等に対して歪みや変形が生じにくくなっている。従って、本構造のアンテナを用いれば、アンテナの反射特性に影響を与えること無く、安定したアンテナの製造が可能とする。本実施の形態を用いると、特に、量産時の不良品率を低減することが可能となる。

実施の形態２
実施の形態１は、１枚の導体板に回路やスロット等を穿設し、それを多層に積層したスロットアレイアンテナ１を提示した。本実施の形態は、実施の形態１の導波回路部分を一体成型するスロットアレイアンテナ２の例を示す。

本実施の形態にかかるスロットアレイアンテナ２の、完成形は図１に示す実施の形態１のスロットアレイアンテナ１と同様である。本実施の形態も、３２×３２素子のアレイアンテナの例であり、図１と同様に以下３２×３２素子のアレイアンテナの１６×１６素子の部分を拡大した図を用いて説明する。本実施の形態と実施の形態１の同一の部分の説明は省略する。図９は、スロットアレイアンテナ２の分解図である。本実施の形態は、１例として５層構造のアンテナを提示している。実施の形態１に比べて２層少ない構造となっている。図１、図９には明示されていないが、外部機器とのインターフェースとなる導波管入力部が導波回路板１０に接続される。

本実施の形態にかかるスロットアレイアンテナ２は、放射スロット板２と、キャビティ板３と、第１結合スロット板４と、一体成型の導体板である導波回路板１０とを備える。導波回路板１０は、第１導波回路層１１と、第２結合スロット層１２と、第２導波回路層１３とを備える。第１導波回路層１１は第１導波回路板５に、第２結合スロット層１２は第２結合スロット板６に、第２導波回路層１３は第２導波回路板７にそれぞれ相当する。即ち、導波回路板１０は、実施の形態１の第１導波回路板５と、第２結合スロット板６と、第２導波回路板７とが一体となった構造を備える。

第１導波回路層１１は、導体板の一端面側に第１導波回路１１ａの溝が形成されている。この場合、第１導波回路１１ａは穿設ではなく、Ｚ軸の＋方向側を開放し、Ｚ軸の−方向側を閉じるよう導波回路の溝が形成される。第１導波回路１１ａの溝の深さは実施の形態１と同様に例えば、０．６ｍｍである。第１導波回路１１ａの略中心に第２結合スロット１２ａが穿設される。第１導波回路１１ａの導波路は矩形断面である。矩形断面の短手方向の長さが溝の深さとなる。

第２導波回路層１３は、導体板の他端面側に第２導波回路１３ａの溝が形成されている。この場合、第２導波回路１３ａは穿設ではなく、Ｚ軸の−方向側を開放し、Ｚ軸の＋方向側を閉じるよう導波回路の溝が形成される。第２導波回路１３ａの略終端は、穿設された第２結合スロット１２ａに接続する。第２導波回路１３ａの溝の厚さは実施の形態１と同様に例えば、０．６ｍｍである。第２導波回路１３ａの導波路は矩形断面である。第１導波回路層１１と第２導波回路層１３とが形成され、第２結合スロット層１２がこれらに挟まれる形で生成される。第２結合スロット層１２の厚さは、例えば０．２ｍｍである。

効果
本実施の形態の、導波回路を分割して一体成型とする補強構造を備えるスロットアレイアンテナ２は、図１９に示すような脆弱な構造の部分がない。また、導波回路を導体板に一体成型することにより、導波回路の剛性を高め、構造を補強すると共に導体板を接合する工程を一部省略することができる。そのため、製造工程における、エッチング加工等の化学処理、拡散接合等の加熱処理や加圧処理等に対して歪みや変形が生じにくくなっている。

また、上記の様に接合する工程の一部省略により、導波回路が変形する確率を低減することができる。従って、本構造のアンテナを用いれば、アンテナの反射特性に影響を与えること無く、安定したアンテナの製造が可能とする。本実施の形態を用いると、特に、量産時の不良品率を低減することが可能となる。

次に、このようなスロットアレイアンテナ１の設計方法について説明する。
図１３は、本発明の実施の形態にかかるスロットアレイアンテナ１、２の設計の手順を示すフローチャートである。スロットアレイアンテナ１を製造するために、まず、放射する電磁波に合わせて放射素子部を設計する（Ｓ１００）。放射素子部は放射スロット２ａ、キャビティ３ａを含む部材で構成される。キャビティ３ａの厚さ、形状は放射する電磁波の帯域などに合わせて設計する。

キャビティ３ａ内で電磁波を励振させることにより、キャビティ３ａ内に電磁波の強度が強い部分ができる。放射スロット２ａはこの電磁波の強い部分から電磁波が放射されるよう位置、形状、数等を設計する。以上の工程により放射素子部を得る。

次に、分岐した給電ネットワーク構造を備える導波回路部を設計する（Ｓ１０１）。導波回路の設計において、所望の電磁波の帯域、放射強度に合わせて放射素子数を決定する。該放射素子数に合わせて導波路の分岐数を決定する。分岐数に合わせてトーナメント状に導波路を分岐する。トーナメント状のネットワーク構造は、給電口から各導波路の終端まで同位相となるよう設計する。

次に、導波回路に変形が予測される脆弱部が存在するか抽出する（Ｓ１０２）。脆弱部として、製造工程、例えば、エッチング処理や拡散接合処理時に導波回路の変形が予測される部分を抽出する。

次に、脆弱部がある場合、導波回路の補強対策をする（Ｓ１０３）。ここで、補強対策は実施の形態１の様に導波回路を分割し、積層する構成とすることができる。また、実施の形態２の様に、導波回路を分割し、導体板の両面に導波回路を生成した一体構造とすることもできる。そして、導波回路にさらに変形が予測される脆弱部が存在するか抽出し、脆弱部がある場合はステップＳ１０２に戻る。以上の工程により導波回路部を得る。
以上の工程により、補強構造を備えるスロットアレイアンテナ１、２の設計が終了する。

上記方法により、スロットアレイアンテナ１、２の設計が終了する。このように、スロットアレイアンテナ１、２の設計が終了した後、具体的な製造工程に移行する。

図１４は、本発明の実施の形態にかかるスロットアレイアンテナ１、２の製造工程を示すフローチャートである。
まず、Ｓ１００で設計した放射素子部を作成する（Ｓ２００）。放射素子部は、キャビティ３ａで励振された電磁波の電磁界が強い部分に放射スロット２ａを配置し、効率良く電磁界が放射されるよう作成する。そして、キャビティ３ａ内に電磁波が導波されるよう第1結合スロット４ａを配置する。

次に、Ｓ１０１からＳ１０３で設計した導波回路を備える導波回路部を作成する（Ｓ２０１）。分岐用給電ネットワークの略終端に第２結合スロットを合わせ、第１導波回路の略中心と第２結合スロットを合わせるよう導波回路を作成する。

次に、導波回路部と放射素子部を接合する（Ｓ２０２）。この場合、第1結合スロット４ａと第１導波回路の略終端との位置を合わせるよう接合する。そして、導波回路と外部機器とのインターフェースとなる導波管入力部とを接合する。ここで、各部を接合する順序は各導体板の接合の都合上、上記ステップ通りでなくてもよい。
このようにして、スロットアレイアンテナ１、２を得る。

上記製造方法は以下に示す方法によっても実現できる。
（１）所望の放射スロット２ａが３２×３２個穿設された導体板。
（２）キャビティ３ａが１６×１６個穿設された導体板。
（３）第1結合スロット４ａが１６×１６個穿設された導体板。
（４）第１導波回路５ａが４×４個穿設された導体板。
（５）第２結合スロットが４×４個穿設された導体板。
（６）第２導波回路７ａが穿設された導体板。
（７）導波管入力部を備える導体板。

上記（１）から（７）の導体板を、場所によっては複数枚複製し、（１）から又は（７）から順に積層し、接合していく事によってスロットアンテナ１を製造する。上記の各導体板は例えば、銅板のエッチング処理により製造することができる。各導体板の接合には拡散接合を用いることができる。

上記製造方法はさらに以下に示す方法によっても実現できる。
（１）所望の放射スロット２ａが３２×３２個穿設された導体板。
（２）キャビティ３ａが１６×１６個穿設された導体板。
（３）第1結合スロット４ａが１６×１６個穿設された導体板。
（４）一端面に第１導波回路１１ａが４×４個穿設され、他端面に分岐用給電ネットワーク１３ａが４×４個穿設され、分岐用給電ネットワーク１３ａの略終端と第１導波回路１１ａの略中心に第２結合スロット１２ａが４×４個穿設された導体板。
（５）導波管入力部を備える導体板。

上記（１）から（５）の導体板を、場所によっては複数枚複製し、接合し（１）から又は（５）から順に積層し、接合していく事によってスロットアンテナ２を製造する。上記の各導体板は例えば、銅板のエッチング処理により製造ことができる。各導体板の接合には拡散接合を用いることができる。

上記のエッチング処理と拡散接合を用いたスロットアレイアンテナ１の製造方法は１例である。他の製造方法として、切削、打ち抜き、プレス、キャスト、樹脂等の成形品の表面にメッキ加工等をして導体の層を生成したもの、及び３Ｄプリント等を用いてスロットアレイアンテナ１を製造しても良い。上記導体板の材料は、例えば銅等の金属導体を用いることできる。

銅の他に例えば、アルミニウム、合金、及び樹脂等の成形品の表面にメッキ加工等をして導体の層を生成したものを用いてもよい。即ち、導波回路や他のアンテナ素子が形成されればどのような方法、材料を用いてもよい。また、上記実施の形態では、導体板と導体板との接合に拡散接合を用いた。該方法は１例であり、導体板が隙間なく接合可能で、かつ電磁波を導波可能な方法であればどのようなものを用いてもよい。

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

１ スロットアレイアンテナ
２ 放射スロット板
２ａ 放射スロット
３ キャビティ板
３ａ キャビティ
４ 第１結合スロット板
４ａ 第１結合スロット
５ 第１導波回路板
５ａ 第１導波回路
５ｂ 第２結合スロット位置
５ｃ 終端部
５ｄ 導波壁
６ 第２結合スロット板
６ａ 第２結合スロット
７ 第２導波回路板
７ａ 第２導波回路
７ｂ 給電口
７ｃ 終端部（第１結合スロット位置）
１０ 導波回路板
１１ 第１導波回路層
１１ａ 第１導波回路
１２ 第２結合スロット層
１２ａ 第２結合スロット
１３ 第２導波回路層
１３ａ 第２導波回路
１０１ 放射スロット板
１０２ キャビティ板
１０３ 結合スロット板
１０４ 導波回路板
１０４ａ 導波回路
１０４ｂ キャビティ接続用回路

Claims (9)

1. 電磁波を放射する複数の放射素子を備える放射素子部と、
   給電された電磁波を複数に分岐させて各前記放射素子に導く導波回路部と、
   を備え、
   前記導波回路部は、分岐する複数の導波路から構成される導波回路を有し、複数の前記放射素子に電磁波を導波する第１導波回路と、給電された電磁波を分岐して導波すると共に各分岐路が前記第１導波回路に結合した導波路を有する第２導波回路と、を有し、前記第１導波回路と前記第２導波回路とは互いに異なる平面にそれぞれ形成されている、
   スロットアレイアンテナ。
2. 前記導波回路部は、導体板に第１導波回路が穿設された第１導波回路板と、導体板に第２導波回路が穿設された第２導波回路板とが積層されている、
   請求項１に記載のスロットアレイアンテナ。
3. 前記導波回路部は、導体板の一端面に第１導波回路を形成し、他端面に第２導波回路を形成した一体成型である、
   請求項１に記載のスロットアレイアンテナ。
4. 電磁波を放射する複数の放射素子を備える放射素子部を設計する工程と、
   導波回路の脆弱部を抽出し、分岐する複数の導波路から構成される導波回路を有し、複数の前記放射素子に電磁波を導波する第１導波回路と、給電された電磁波を分岐して導波すると共に各分岐路が前記第１導波回路に結合した導波路を有する第２導波回路と、を有し、前記第１導波回路と前記第２導波回路とは互いに異なる平面にそれぞれ形成されている導波回路部を設計する工程と、
   を備える、スロットアレイアンテナの設計方法。
5. 前記導波回路部を設計する工程は、導体板に第１導波回路が穿設された第１導波回路板と、導体板に第２導波回路が穿設された第２導波回路板とが積層されている導波回路部を設計する、
   請求項４に記載のスロットアレイアンテナの設計方法。
6. 前記導波回路部を設計する工程は、導体板の一端面に第１導波回路を形成し、他端面に第２導波回路を形成した一体成型である導波回路部を設計する、
   請求項４に記載のスロットアレイアンテナの設計方法。
7. 請求項４の各工程を用いて製造されるスロットアレイアンテナの製造方法であって、
   前記導波回路部は、分岐する複数の導波路から構成される導波回路を有し、複数の前記放射素子に電磁波を導波する第１導波回路と、給電された電磁波を分岐して導波すると共に各分岐路が前記第１導波回路に結合した導波路を有する第２導波回路と、を有し、前記第１導波回路と前記第２導波回路とは互いに異なる平面にそれぞれ導体板に形成されている、
   スロットアレイアンテナの製造方法。
8. 請求項４又は５の各工程を用いて製造されるスロットアレイアンテナの製造方法であって、
   前記導波回路部は、導体板に第１導波回路が穿設された第１導波回路板と、導体板に第２導波回路が穿設された第２導波回路板とを積層して生成する、
   スロットアレイアンテナの製造方法。
9. 請求項４又は６の各工程を用いて製造されるスロットアレイアンテナの製造方法であって、
   前記導波回路部は、一端面に第１導波回路を形成し、他端面に第２導波回路を形成した一体成型の導体板で生成する、
   スロットアレイアンテナの製造方法。