JP2016092714A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】更なる性能の向上を図る。
【解決手段】アンテナは、給電導波管の開口端に機械的に接続されるアンテナ本体１と、アンテナ本体１内に設けられる内部導波管２とを備える。アンテナ本体１は、ホーン部１０と突部１１とを有する。ホーン部１０は、両端が開口した筒状であり且つ給電側である後端から放射側である前端に向かって内径が徐々に増大するように構成される。突部１１は、内径ｒ２が均一な筒状であり且つホーン部１０の前端から前方へ突出するように構成される。内部導波管２は、内径ｒ４が均一な筒状であり且つ軸方向の長さｄが突部１１の軸方向の長さよりも短く構成される。また、内部導波管２は、自らの中心軸を突部１１の中心軸Ｏと重ねるとともに、突部１１の前端よりも前方へ突出しないように突部１１の内側に配置される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アンテナに関し、特に、同軸導波管モードを励振・制御して広角指向性を改善した同軸グルーブホーンアンテナに関する。

従来例として、特許文献１記載の誘電体装荷アンテナを例示する。この従来例は、円形導波管の前面側の開口の周りに同軸構造の溝が形成されてなる一次放射器と、一次放射器の前面側に装荷される誘電体レンズとを備える。一次放射器は、金属材料からなり、中央の導波路と円環状の溝とが同軸に形成されている。導波路は、給電面側から放射面側に向かって電波を伝搬する部材である。導波路は、放射面と給電面とを結ぶ誘電体装荷アンテナの長軸（中心軸）に沿って均一な円を描く円柱状であって、給電面側から放射面側に向かって開いた開口を備える。誘電体レンズは、円錐台形状の主部と、主部の後面から突出する円筒形状の挿入部とが誘電体である材料（例えば、ポリエチレンなどの合成樹脂材料）から一体に形成されてなる。主部は、誘電体レンズにおいて導波路を伝搬する電波を自由空間側に放射するための部材であり、本部材の形状が電波の放射角を決定する。

特許文献１記載の従来例は、円錐台形状の主部と、一次放射器の溝に挿入される挿入部とが誘電体である材料で一体に形成された誘電体レンズを一次放射器に装荷することにより、従来よりも小型化と広角な放射特性を得ることができる。

特開２０１４−２０７４９５号公報

ところで、上記従来例のようなアンテナは、例えば、ミリ波帯の電波を利用して移動体（車両や人など）を検出するミリ波レーダ装置に搭載される可能性がある。このようなミリ波レーダ装置に搭載されるアンテナは、相対的に広い範囲を高利得・低損失でカバーし得る特性が必要になるので、更なる小型化、広角な放射特性、広帯域の周波数特性が望まれている。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、更なる性能の向上を図ることを目的とする。

本発明のアンテナは、給電導波管の開口端に機械的に接続されるアンテナ本体と、前記アンテナ本体内に設けられる内部導波管とを備え、前記アンテナ本体は、両端が開口した筒状であり且つ給電側である後端から放射側である前端に向かって内径が徐々に増大するように構成されるホーン部と、内径が均一な筒状であり且つ前記ホーン部の前記前端から前方へ突出する突部とを有し、前記内部導波管は、内径が均一な筒状であり且つ軸方向の長さが前記突部の軸方向の長さよりも短く構成され、前記内部導波管は、自らの中心軸を前記突部の中心軸と重ねるとともに、前記突部の前端よりも前方へ突出しないように前記突部の内側に配置されることを特徴とする。

本発明のアンテナは、更なる性能の向上を図ることができるという効果がある。

本発明に係るアンテナの実施形態１を示す断面図である。 図２Ａは同上の２４ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフ、図２Ｂは同上の電圧定在波比の計算値を示すグラフである。 図３Ａは同上の２２ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフ、図３Ｂは同上の２３ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 図４Ａは同上の２５ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフ、図４Ｂは同上の２６ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 図５Ａは本発明に係るアンテナの実施形態２を示す断面図、図５Ｂは同上の２４ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 図６Ａは本発明に係るアンテナの実施形態３を示す断面図、図６Ｂは同上の２４ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 図７Ａは同上の２２ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフ、図７Ｂは同上の２３ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 図８Ａは同上の２５ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフ、図８Ｂは同上の２６ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 図９Ａは従来例の断面図、図９Ｂは従来例と実施形態３の電圧定在波比の計算値を示すグラフである。 図１０Ａは同上及び従来例の２４ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフ、図１０Ｂは同上及び従来例の２２ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 図１１Ａは同上及び従来例の２３ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフ、図１１Ｂは同上及び従来例の２５ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 同上及び従来例の２６ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 図１３Ａは本発明に係るアンテナの別の実施形態を示す断面図、図１３Ｂは同上の２４ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 図１４Ａは本発明に係るアンテナのさらに別の実施形態を示す断面図、図１４Ｂは同上の２４ＧＨｚにおける放射パターンの計算値を示すグラフである。 本発明に係るアンテナのさらにまた別の実施形態を示す断面図である。

以下、本発明に係るアンテナの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態のアンテナは、給電導波管の開口端に機械的に接続されるアンテナ本体１と、アンテナ本体１内に設けられる内部導波管２とを備える。アンテナ本体１は、ホーン部１０と突部１１とを有する。ホーン部１０は、両端が開口した筒状であり且つ給電側である後端から放射側である前端に向かって内径が徐々に増大するように構成される。突部１１は、内径が均一な筒状であり且つホーン部１０の前端から前方へ突出するように構成される。内部導波管２は、内径が均一な筒状であり且つ軸方向の長さｄが突部１１の軸方向の長さよりも短く構成される。また、内部導波管２は、自らの中心軸を突部１１の中心軸Ｏと重ねるとともに、突部１１の前端よりも前方へ突出しないように突部１１の内側に配置される。

本実施形態のアンテナは上述のように構成されるので、従来例と比較して、高次モードの電磁波を広角に放射することができ、更なる性能の向上を図ることができる。

また、本実施形態のアンテナにおいて、アンテナ本体１の前記前端側に装荷される誘電体レンズ３を備えることが好ましい。誘電体レンズ３は、アンテナ本体１と内部導波管２との間に形成される溝１３を埋めるように構成されることが好ましい。

本実施形態のアンテナが上述のように構成されれば、誘電体レンズ３の作用により、更なる性能の向上を図ることができる。

さらに、本実施形態のアンテナにおいて、誘電体レンズ３は、溝１３に挿入される挿入部３１と、挿入部３１の前面から前方へ突出してアンテナ本体１の前端を覆う主部３０とを有することが好ましい。また、主部３０および挿入部３１は、誘電体である材料から一体に形成されることが好ましい。

なお、本実施形態のアンテナにおいて、アンテナ本体１は、ホーン部１０の外径を均一とするように構成されることが好ましい。

（実施形態１）
本実施形態のアンテナは、図１に示すように、アンテナ本体１と内部導波管２を備える。また、アンテナ本体１は、ホーン部１０と突部１１を有する。ホーン部１０は、両端が開口した筒状であり且つ給電側である後端（図１においては下端）から放射側である前端（図１においては上端）に向かって内径が徐々に増大するように構成される。例えば、本実施形態におけるホーン部１０は、前端及び後端が開放された円錐台形状に形成されることが好ましい。突部１１は、内径が均一な筒状であり且つホーン部１０の前端から前方（図１においては上方）へ突出するように構成される。すなわち、本実施形態における突部１１は、ホーン部１０の最大内径（前端の内径）と内径の等しい円筒形状に形成されることが好ましい。なお、本実施形態におけるアンテナ本体１において、ホーン部１０の後端には、内径がホーン部１０の最小内径（後端の内径）に等しい円筒形状の首部１２が形成されることが好ましい。

内部導波管２は、内径が均一な筒状であり且つ軸方向（図１においては上下方向）の長さｄが突部１１の軸方向（図１においては上下方向）の長さよりも短く構成される。例えば、本実施形態における内部導波管２は、短小な円筒形状に形成されることが好ましい。さらに、内部導波管２は、自らの中心軸を突部１１の中心軸Ｏと重ねるとともに、突部１１の前端よりも前方へ突出しないように突部１１の内側に配置される。なお、アンテナ本体１及び内部導波管２は、何れも金属材料で形成されることが好ましい。また、内部導波管２は、例えば、比誘電率εｒが１．０５以下である発泡ポリエチレンフォームなどの固形物によってアンテナ本体１に支持されることが好ましい。このように比誘電率εｒが１に近い材料からなる固形物で内部導波管２が支持されれば、電磁波に対する固形物（誘電体）の影響を抑えることができる。

本実施形態のアンテナは、アンテナ本体１の首部１２の後端に給電導波管が機械的に接続され、給電導波管内を伝搬してくる電磁波を、円形導波管並びに同軸導波管の基本モード・高次モードに変換するように構成される。さらに、本実施形態のアンテナは、変換した高次モードのうちで不要な高次モードを減衰させた電磁波を開口面から自由空間に放射するように構成される。本実施形態のアンテナの放射パターンの計算値（コンピュータシステムによる数値シミュレーション結果）を図２Ａ、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ及び図４Ｂに示す。ただし、首部１２の内周円半径r0=4.4mm、首部１２の外周円半径r1=6.4mm、突部１１の内周円半径r2=12mm、突部１１の外周円半径r3=14mm、内部導波管２の内周円半径r4=5.1mm、内部導波管２の外周円半径r5=6.1mmとする。さらに、内部導波管２の高さ（軸方向の長さ） d=4mm、首部１２の高さ（軸方向の長さ）a=1mm、ホーン部１０の高さ（軸方向の長さ）k1=1.3mm、内部導波管２の前端から突部１１の前端までの高さ（軸方向の長さ）k2=1.5mmとする。なお、各図において、実線αは、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときのＥ面の主偏波成分を示し、破線βは、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときのＨ面の主偏波成分を示す。また、各図において、一点破線γは、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときの４５°面の交差偏波成分を示している。また、図２Ａは、24GHzにおける放射パターンの計算値を示し、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａ、図４Ｂは、それぞれ22GHz、23GHz、25GHz、26GHzにおける放射パターンの計算値を示している。さらに、図２Ｂは本実施形態のアンテナの電圧定在波比（VSWR:Voltage Standing Wave Ratio）を示しており、24GHzのときのVSWRはおおよそ1.052となる。

ここで、本実施形態のアンテナは、ホーン部１０が中心軸Ｏに対して７０°〜８０°の角度で傾斜しているため、複数の高次モードの電磁波を発生し易くなっている。一方、本実施形態のアンテナは、アンテナ本体１内に内部導波管２を配置しているので、複数の高次モードの電磁波のうちで不要な高次モードの電磁波を選択的に減衰させることができる。さらに、本実施形態のアンテナにおいて、ホーン部１０の高さk1を電磁波の２分の１波長以下とすることにより、定在波の発生を抑制することができる。これらの計算値から明らかなように、本実施形態のアンテナは、広角方向の利得を向上し且つ広帯域の周波数特性を実現することができる。

なお、ホーン部１０の開口径（直径）は使用用途などで決定されるが、当該開口径を大きくする場合、内部導波管２の個数を増やすことで不要な高次モードの電磁波を減衰させることが好ましい。

（実施形態２）
本実施形態のアンテナは、図５Ａに示すように、アンテナ本体１の前端側に装荷される誘電体レンズ３を備えることが好ましい。この誘電体レンズ３は、アンテナ本体１と内部導波管２との間に形成される溝１３を埋めるように構成されることが好ましい。また、誘電体レンズ３は、溝１３に挿入される挿入部３１と、挿入部３１の前面から前方へ突出してアンテナ本体１の前端を覆う主部３０とを有することが好ましい。さらに、主部３０および挿入部３１が誘電体である材料（例えば、ポリエチレンなどの合成樹脂材料）から一体に形成されることが好ましい。

主部３０は、後端面の円の半径がアンテナ本体１の突部１１の外周円半径r3と等しい円錐台形状に形成されることが好ましい。また、挿入部３１は、外周円半径が突部１１の内周円半径r2と等しい円筒形状に形成されることが好ましい。ただし、主部３０の後端面における挿入部３１の内側は、前方に凹んだ円錐面状に形成されることが好ましい。なお、誘電体レンズ３は、回転対称な形状に形成され、回転軸（中心軸）をアンテナ本体１の中心軸Ｏに一致させるように、アンテナ本体１に装荷されることが好ましい。

本実施形態のアンテナの放射パターンの計算値を図５Ｂに示す。なお、図５Ｂにおいて、実線αは、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときのＥ面の主偏波成分を示し、破線βは、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときのＨ面の主偏波成分を示す。また、図５Ｂにおいて、一点破線γは、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときの４５°面の交差偏波成分を示している。

図５Ｂと図２Ａを比較すれば、本実施形態のアンテナは、実施形態１のアンテナに対して、広角方向の利得が向上していることが判る。

（実施形態３）
本実施形態のアンテナは、図６Ａに示すように、アンテナ本体１の外周円半径が均一とされることが好ましい。なお、本実施形態のアンテナにおいて、アンテナ本体１の外形以外の構成は実施形態２のアンテナと共通である。

本実施形態のアンテナの放射パターンの計算値を図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂに示す。なお、各図において、実線αは、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときのＥ面の主偏波成分を示し、破線βは、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときのＨ面の主偏波成分を示す。また、各図において、一点破線γは、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときの４５°面の交差偏波成分を示している。また、図６Ｂは、24GHzにおける放射パターンの計算値を示し、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂは、それぞれ22GHz、23GHz、25GHz、26GHzにおける放射パターンの計算値を示している。

図６Ｂと図５Ｂを比較すれば、本実施形態のアンテナは、実施形態２のアンテナに対して、Ｅ面及びＨ面ともに広角方向の利得が向上し、且つ４５°面の交差偏波成分も改善されていることが判る。

ここで、特許文献１記載の従来例の放射パターンの計算値及び電圧定在波比の計算値と、本実施形態のアンテナの放射パターンの計算値及び電圧定在波比の計算値とを比較した結果を図９Ｂ、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２に示す。

比較対象とする従来例は、図９Ａに示すように、円形導波管の前面側の開口の周りに同軸構造の溝４１が形成されてなる一次放射器４と、一次放射器４の前面側に装荷される誘電体レンズ５とを備える。

一次放射器４は、金属材料からなり、中央の導波路４０と円環状の溝４１とが同軸に形成されている。導波路４０は、給電面側から放射面側（前側）に向かって電波を伝搬する部材である。導波路４０は、放射面と給電面とを結ぶ誘電体装荷アンテナの長軸（中心軸）に沿って均一な円を描く円柱状であって、給電面側から放射面側に向かって開いた開口を備える。ここで、導波路４０と溝４１を隔てる壁を内周壁４２と呼び、溝４１の外周側の壁を外周壁４３と呼ぶことにする。なお、溝４１の内底面から内周壁４２及び外周壁４３の前端までの高さ寸法は、外周壁４３の前端までの高さ寸法の方が僅かに大きくなっている。

誘電体レンズ５は、円錐台形状の主部５０と、主部５０の後面から突出する円筒形状の挿入部５１とが誘電体である材料（例えば、ポリエチレンなどの合成樹脂材料）から一体に形成されてなる。挿入部５１は、径方向の幅寸法が溝４１の幅寸法よりも僅かに小さくなっており、前方から溝４１に挿入される。また、挿入部５１は、前後方向の高さ寸法が溝４１の深さ寸法より小さくなっている。そのため、主部５０の後面が一次放射器４の外周壁４３の前端に当たった状態において、挿入部５１の先端（後端）と溝４１の内底面との間に空隙が生じている。さらに、誘電体レンズ５は、主部５０の後面における開口（導波路４０）と対向する面が円錐面５２に形成されている。

図９Ｂは、本実施形態のアンテナの電圧定在波比の計算値（図９Ｂにおける実線参照）と、従来例の電圧定在波比の計算値（図９Ｂにおける破線参照）とを比較した結果を示している。図９Ｂから明らかなように、周波数が２２〜２５ＧＨｚの広い範囲で、本実施形態のアンテナの電圧定在波比が従来例の電圧定在波比を下回っている。

本実施形態のアンテナの放射パターンの計算値と、従来例の放射パターンの計算値とを図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａ、図１１Ｂ及び図１２に示す。なお、各図において、実線α１は、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときのＥ面の主偏波成分を示し、破線β１は、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときのＨ面の主偏波成分を示す。また、各図において、一点破線γ１は、本実施形態のアンテナを直線偏波で励振したときの４５°面の交差偏波成分を示している。同様に、各図において、実線α２は、従来例を直線偏波で励振したときのＥ面の主偏波成分を示し、破線β２は、従来例を直線偏波で励振したときのＨ面の主偏波成分を示す。また、各図において、一点破線γ２は、従来例を直線偏波で励振したときの４５°面の交差偏波成分を示している。また、図１０Ａは、24GHzにおける放射パターンの計算値を示し、図１０Ｂ、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２は、それぞれ22GHz、23GHz、25GHz、26GHzにおける放射パターンの計算値を示している。

また、本実施形態のアンテナと従来例のそれぞれにおいて、22GHz、23GHz、24GHz、25GHz、26GHzの各周波数毎の、±６０°におけるＥ面及びＨ面の利得の計算値を、表１に示す。

上記放射パターンの計算値の比較結果から明らかなように、本実施形態のアンテナは、従来例と比較して、22〜26[GHz]の広い周波数帯域において、広い角度（−６０°から＋６０°の角度）で利得の向上を図ることができる。

ところで、誘電体レンズ３は、図１３Ａに示すように、内部導波管２の外側の溝１３に挿入される挿入部３１のみで構成されても構わない。このアンテナの放射パターンの計算値を図１３Ｂに示す。なお、図１３Ｂにおいて、実線αは、当該アンテナを24GHzの直線偏波で励振したときのＥ面の主偏波成分を示し、破線βは、当該アンテナを24GHzの直線偏波で励振したときのＨ面の主偏波成分を示す。また、図１３Ｂにおいて、一点破線γは、当該アンテナを24GHzの直線偏波で励振したときの４５°面の交差偏波成分を示している。

あるいは、誘電体レンズ３は、図１４Ａに示すように、挿入部３１と、ホーン部１０内に挿入される第２挿入部３２とで構成されても構わない。このアンテナの放射パターンの計算値を図１４Ｂに示す。なお、図１４Ｂにおいて、実線αは、当該アンテナを24GHzの直線偏波で励振したときのＥ面の主偏波成分を示し、破線βは、当該アンテナを24GHzの直線偏波で励振したときのＨ面の主偏波成分を示す。また、図１４Ｂにおいて、一点破線γは、当該アンテナを24GHzの直線偏波で励振したときの４５°面の交差偏波成分を示している。なお、誘電体レンズ３は、図１５に示すように、主部３０のみで構成されても構わない。

図１３Ａ及び図１４Ａの何れの構成のアンテナにおいても、高次モードの電磁波を広角に放射することができるが、正面方向の利得が相対的に低下している。故に、正面方向の利得の低下を考慮すれば、図５Ａ及び図６Ａに示した実施形態のアンテナの構成が望ましい。

１ アンテナ本体
２ 内部導波管
３ 誘電体レンズ
１０ ホーン部
１１ 突部
１３ 溝
３０ 主部
３１ 挿入部

Claims (4)

1. 給電導波管の開口端に機械的に接続されるアンテナ本体と、前記アンテナ本体内に設けられる内部導波管とを備え、
   前記アンテナ本体は、両端が開口した筒状であり且つ給電側である後端から放射側である前端に向かって内径が徐々に増大するように構成されるホーン部と、内径が均一な筒状であり且つ前記ホーン部の前記前端から前方へ突出する突部とを有し、
   前記内部導波管は、内径が均一な筒状であり且つ軸方向の長さが前記突部の軸方向の長さよりも短く構成され、
   前記内部導波管は、自らの中心軸を前記突部の中心軸と重ねるとともに、前記突部の前端よりも前方へ突出しないように前記突部の内側に配置されることを特徴とするアンテナ。
2. 前記アンテナ本体の前記前端側に装荷される誘電体レンズを備え、
   前記誘電体レンズは、前記アンテナ本体と前記内部導波管との間に形成される溝を埋めるように構成されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
3. 前記誘電体レンズは、前記溝に挿入される挿入部と、前記挿入部の前面から前方へ突出して前記アンテナ本体の前端を覆う主部とを有し、前記主部および前記挿入部が誘電体である材料から一体に形成されることを特徴とする請求項２記載のアンテナ。
4. 前記アンテナ本体は、前記ホーン部の外径を均一とするように構成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載のアンテナ。