JP2017195576A - スロットアンテナ装置及びアレイアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術に比較して広帯域特性を有するスロットアンテナ装置を提供する。
【解決手段】入力端面とインピーダンス不連続面とを、矩形導波管の長手方向の両端で有する矩形導波管と、上記矩形導波管のＨ面に形成されたスロットとを備えたスロットアンテナ装置であって、上記スロットは、非連結部を介して互いに対向する２つの端部を有するように屈曲された形状で構成され、上記非連結部は、上記スロットの重心から見て上記長手方向とは平行とならない方向の位置に設けられる。ここで、上記非連結部は、例えば、上記スロットの重心から上記非連結部を見たときの方向の角度が、上記長手方向から４５°，１３５°，２２５°又は３１５°となる位置に設けられる。
【選択図】図１

Description

本開示は、例えばミリ波等の高周波数帯の電波を用いたレーダー装置のアンテナに適したスロットアンテナ装置、及びそれを用いたアレイアンテナ装置に関する。

近年の半導体技術の進展により、高い動作周波数を持つ半導体デバイスの低価格化、及び、システム・オン・チップ化が進み、ミリ波車載レーダー装置を筆頭として、リモートセンシングデバイスとしてのミリ波レーダー装置の実用化が昨今急速に進んできている。レーダー装置は、プローブとしての電波を空間に向けて発射し、空間に存在する対象からの散乱波を捉えることによって、対象の補足を行う。

従って、半導体技術が大幅に進展した今日でも、電波の送受を担うアンテナはレーダー装置にとってセンシング品質に直接関わる重要なデバイスである。周波数資源の枯渇、及び、高精度センシングに対する社会的要求の高まりにより、レーダー装置を用いたセンシング用途に割り振られる周波数帯は高周波・広帯域化している。そのため、レーダー装置の用途として求められるアンテナは、ミリ波帯以上の高周波数帯においても、高い放射効率と広帯域性を併せ持つ必要がある。

ミリ波帯以上の高周波数帯においても高い放射効率を実現することができる従来技術に係るアンテナとしては、導波管を用いたスロットアンテナが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

コナー，Ｆ．Ｒ．／原著，関口利男，辻井重男／監訳，安藤真／訳，電子通信工学シリーズ「アンテナ入門」，森北出版，１９９０，８１ページ． J. Hirokawa, and M. Ando, "Single-Layer Feed Waveguide Consisting of Posts for Plane TEM Wave Excitation in Parallel Plates," IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.46, No.5, pp.625-630, May 1998.

しかしながら、前記従来技術に係るスロットアンテナの構成は、高い放射効率を実現するものの、広帯域性を付与することが難しく、補足特性の向上に向けて高速な変調信号を用いたレーダー装置用アンテナとして適用することが困難であった。

本開示の目的は以上の課題を解決するものであって、従来技術に比較して広い動作帯域幅有するスロットアンテナ装置を提供することにある。

本開示の一態様に係るスロットアンテナ装置は、
入力端面とインピーダンス不連続面とを、矩形導波管の長手方向の両端で有する矩形導波管と、
上記矩形導波管のＨ面に形成されたスロットと
を備えたスロットアンテナ装置であって、
上記スロットは、非連結部を介して互いに対向する２つの端部を有するように屈曲された形状で構成され、
上記非連結部は、上記スロットの重心から見て上記長手方向とは平行とならない方向の位置に設けられる。

本開示に係るスロットアンテナ装置によれば、従来技術に比較して広い動作帯域幅を有する。

実施形態１に係るスロットアンテナ装置１０の構成例を示す斜視図である。 図１のスロット３付近の構成を示す平面図である。 変形例１に係るスロット３Ａの構成を示す平面図である。 変形例２に係るスロット３Ｂの構成を示す平面図である。 変形例３に係るスロット３Ｃの構成を示す平面図である。 変形例４に係るスロット３Ｄの構成を示す平面図である。 変形例５に係るスロット３Ｅの構成を示す平面図である。 実施例１に係るスロットアンテナ装置２０の構成を示す平面図である。 図４ＡのＡ−Ａ’線についての縦断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂのスロットアンテナ装置２０の反射特性を示すグラフである。 実施例２に係るアンテナ装置３０の構成を示す平面図である。 図６のスロットアンテナ装置３１の構成を示す平面図である。 図６のスロットアンテナ装置３２の構成を示す平面図である。 比較例に係るスロットアンテナ装置４０の構成を示す斜視図である。

以下、本開示に係る比較例及び実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。

比較例に基づく発明者の知見．
図８は比較例に係るスロットアンテナ装置４０の構成を示す斜視図である。図８において、比較例に係るスロットアンテナ装置４０は、矩形導波管１６にスロット１５を設けることにより、高い放射効率を実現している。

図８において、矩形導波管１６は、断面が矩形開口を有する良導性金属よりなる矩形パイプ形状の構造体で構成される。矩形開口の寸法を最適化することにより、矩形導波管１６はスロットアンテナ装置４０の動作周波数帯の動作帯域幅においてＴＥ_１０モードのみの高周波信号の電磁波を伝送する単一モード伝送線路として動作する。また、矩形導波管１６は、銅などの良導性材料でパイプ内壁を被覆することにより低伝送損失の伝送線路として動作するため、例えばミリ波帯などの高周波数帯でアンテナの放射効率を減じる主要因である伝送損失を低減できる。従って、比較例に係るスロットアンテナ装置４０は高い放射効率をもつアンテナ装置として動作する。

図８において、スロット１５は、矩形導波管１６の内部と外部を連結するために、矩形導波管１６の壁面に矩形スリットを設けることにより実現される。当該矩形スリットは単体で高周波信号を伝送するスロット線路として動作する。そのため、スロットアンテナ装置４０の動作帯域幅の中心周波数における前記スロット線路の伝搬波長の１／２の長さにスロット１５の長さを選択すると、スロット１５は１／２波長共振器として動作する。そこで、スロット１５に対し、上記の中心周波数の高周波信号を矩形導波管１６から給電すれば、スロット１５を介して電磁波が放射されて、アンテナ装置として動作する。

矩形導波管１６からスロット１５への給電方法は、ＴＥ_１０モードの伝播により矩形導波管１６の内壁面に生じる管内電流１７をスロット１５で遮断することによりなされる。その際、スロット１５の位置を調整すれば遮断される電流量を調節することが可能である。従って、スロット１５の位置を最適化することによって、矩形導波管１６からスロット１５への効果的な給電を行なうことができる。

図８の正面に向かって最も右上にあるスロット１５を例にとり、比較例に係るスロットアンテナ装置４０から放射される電波について説明する。スロット１５は、矩形導波管１６の長手方向（電磁波の伝播方向）に直交した方向にＥ面（放射電波の電界の振動面）を持つ直線偏光電波を放射する。矩形導波管１６の長手方向に対して直交しない方向にＥ面を持ったスロットアンテナ装置を構成するためには、矩形導波管１６上の異なる位置に互いに異なる向きのＥ面を持った２個のスロットを配置し、両スロットの位置の最適化により各々のスロットの共振位相を調整したり、あるいは、矩形導波管１６の中心線に対してスロットの長手方向を傾けた配置を採ることによりなされる。

しかしながら、以上の比較例に係るスロットアンテナ装置の構成は、比較的高い放射効率を実現するものの、広帯域性を付与することが難しく、補足特性の向上に向けて高速な変調信号を用いたレーダー装置用アンテナとして適用することが困難であった。また、電波の送信受信を異なるアンテナで行うレーダー装置の場合、共平面状に送受両アンテナを配置しようとすると、矩形導波管１６の配管構造による物理的制約により、互いに異なる構造のアンテナを送信及び受信アンテナとして用いなければならずレーダー装置の捕捉性能の劣化を招く、という課題を有していた。

本発明者らはこれらの課題等の知見に鑑みて、以下の実施形態を発明したので以下に説明する。

実施形態１．
図１は実施形態１に係るスロットアンテナ装置１０の構成例を示す斜視図である。また、図２Ａは図１のスロット３付近の構成を示す平面図である。図１において、スロットアンテナ装置１０は、矩形パイプ形状の矩形導波管１と、インピーダンス不連続面２と、スロット３とより構成される。矩形導波管１は、その断面が矩形開口を有し、内部が誘電体（もしくは真空、空気であってもよい）で満たされた管状の構造体であって、互いに対向する広い面の１対のＨ面管壁１Ａ，１Ｂと、互いに対向する狭い面の１対のＥ面管壁１Ｃ，１Ｄで構成される。なお、入力端面４を構成する矩形開口は正方開口であってもよく、誘電体は誘電率分布を持っていてもよい。矩形導波管１の内壁面は、４面全面、あるいは、内面の１対のＨ面管壁１Ａ，１Ｂの全面と、１対のＥ面管壁１Ｃ，１Ｄの一部が良導性導体で被覆される。また、スロットアンテナ装置１０の動作帯域幅の全帯域にわたって、矩形導波管１が矩形開口導波管の基本伝送モードであるＴＥ_１０モードのみを伝送するように前記矩形開口の大きさ及び形状、並びに、誘電体の誘電率及び／又は誘電率分布は選択される。

なお、「Ｈ面管壁１Ａ，１Ｂの内壁面」とは、矩形導波管１の４つの内壁面のうち、ＴＥ_１０モードの電界ベクトルが垂直に入射する面として定義される。さらに、上記の「アンテナの動作周波数帯」又は「動作帯域幅」とは、入力端面４における定在波比が２以下を満足する「周波数帯」又は「帯域幅」として定義される。図１では、矩形導波管１は直線状で同一断面構造を持つように表現されているが、本実施形態に係るスロットアンテナ装置１０の動作帯域幅においてＴＥ_１０モードのみを伝送すれば、矩形導波管１は屈曲していても、さらには、ＴＥ_１０モードの伝搬方向に沿って異なる矩形断面を持っていてもよい。

矩形導波管１は、インピーダンス不連続面２を有する。インピーダンス不連続面２は例えば反射面であって、矩形導波管１の特性インピーダンスを急激に変化させることによって実現される。インピーダンス不連続面２は、例えば、矩形導波管１の開放端、あるいは、矩形導波管１の対向するＨ面管壁１Ａ，１Ｂを良導性導体で導通させることによって実現される。インピーダンス不連続面２は、矩形導波管１内にＴＥ_１０モードの定在波を生成するよう作用する。なお、矩形導波管１の進行波とインピーダンス不連続面（反射面）２からの反射波が干渉し、矩形導波管１内に定在波を生じさせる構成であれば、インピーダンス不連続面２の構成は上記の例示の構成にかぎらない。

従って、矩形導波管１は入力端面４とインピーダンス不連続面２を、矩形導波管１の延伸方向（長手方向であって、電磁波の伝播方向）の両端に有する。

矩形導波管１のＨ面管壁１Ａ，１Ｂのうちのどちらか一方の広い面にスロット３を形成する。本実施形態等では、Ｈ面管壁１Ａにスロット３を形成している。スロット３は、矩形導波管１の内部と外部を隔てる良導性導体の一部を、スリット状に除去することによって形成される。このようなスリット状の構造はスロット線路と呼ばれる高周波線路として動作する。スロット線路は、線路の長手方向に沿って高周波信号を伝送することができる。スロット３の全長は、スロットアンテナ装置１０の動作帯域幅はその中心周波数において、上述のスロット線路の伝搬波長に換算して概ね１波長に等しい。スロット３は、１波長スロット線路のスロット３の両端部３ａ，３ｂが非連結部３ｃを介して、互いに対向するように、１波長スロット線路のスロット３を環状に屈曲させて構成される。スロット３の屈曲の可能な構成の実施形態及び変形例について図２Ａ〜図２Ｃを参照して説明する。

スロット３の可能な形状の代表的なものとして以下のものがある。
（１）実施形態に係る図２Ａにおいて、スロット３はスロット線路の直線部分がＴＥ_１０モードの電磁波の伝播方向（矩形導波管１の長手方向又は延伸方向）に対して角度θ（０＜θ＜９０゜）だけ傾いた（上記伝播方向とは平行にならないように）矩形形状を有する。
（２）変形例１に係る図２Ｂにおいて、スロット３Ａは円環形状を有する。
（３）変形例２に係る図２Ｃにおいて、スロット３Ｂはスロット線路の直線部分がＴＥ_１０モードの電磁波の伝播方向に対して平行な矩形形状を有する。

上記のスロット３，３Ａ，３Ｂの３つの例とも、スロット３，３Ａ．３Ｂの重心Ｏは、概ね矩形導波管１の中心線上で、かつ、インピーダンス不連続面２によるＴＥ_１０モードの定在波に付随して発生する矩形導波管１の内壁面に現れる電流分布の定在波の腹に位置する。なお、スロットアンテナ装置１０の動作帯域幅を広くするためには、インピーダンス不連続面２に最も近い位置に出現する電流分布の定在波の腹近傍にスロット３の重心Ｏを位置させるとよい。また、ＴＥ_１０モードの電磁波の伝播方向と、スロット３の重心Ｏからみた１波長スロット線路の両端の対向部分である非連結部３ｃに向かう方向との成す角度をθとするとき、本開示のスロットアンテナ装置の構成例の角度θは４５°，１３５°，２２５°，３１５°である。

また、スロット３，３Ａ，３Ｂの重心Ｏは、好ましくは、図２Ａ〜図２Ｃに示すように、矩形導波管１の鏡像対称面５０（図２Ａ〜図２Ｃにおいて、矩形導波管１の長手方向に平行な一点鎖線；幅方向の中央部に位置する）に含まれるように位置する。これについては、以下の変形例でも同様である。

次いで、実施形態１に係るスロットアンテナ装置１０の動作について説明する。

図１において、入力端面４から入力された高周波信号は、ＴＥ_１０モードとして矩形導波管１をその長手方向でインピーダンス不連続面２に向う方向に進行した後、インピーダンス不連続面２で反射される。その結果、矩形導波管１内は、前記進行波と反射波の重畳波で満たされる。重畳波が準定常状態に達すると、矩形導波管１内部の電磁界分布はＴＥ_１０モードの定在波となる。定在波は矩形導波管１のＨ面管壁１Ａ，１Ｂの内壁面上に電流の定在波を生成する。ここで、電流の定在波の腹近傍に最も強い電流が生成される。スロット３は電流の定在波の腹に位置するので、強い電流を遮断しスロット３には強い振動電界が生じる。入力端面４から入力された高周波信号の周波数がスロットアンテナ装置１０の動作帯域幅内にある場合、スロット３は１波長共振器として動作するために、スロット３にはさらに強い振動電界が生じる。その電界の一部が矩形導波管１の外部に漏れ、無限遠方まで到達することにより、実施形態１に係るスロットアンテナ装置はアンテナ装置として動作する。

図２Ｂに示すように、１波長の長さのスロット線路のスロット３Ａを円環形状に接続した場合、共振時にスロット線路上に現れる電界は必ず２つの節を持つ。図２Ｂに示したスロット３Ａには、角度θの位置に１波長スロット線路の両端部３ａ，３ｂの対向部分、すなわち、スロット線路の短絡があるので、スロット線路上に現れる電界は必ずその短絡部で節を持たなければならない。そのために、スロット３Ａに発生する電界は、角度θ以外に角度θ＋１８０°の位置に電界がゼロの部分、すなわち節が生じる。従って、スロット３の形成された矩形導波管１のＨ面管壁１Ａの外壁面（図２Ａの紙面に平行）の法線方向に放射される電界は、角度θ＋９０°と角度θ＋２７０°に電界振動面（Ｅ面）を持った直線偏波電波となる。以上のように、本実施形態に係るスロットアンテナ装置１０は、θ＝４５°，１３５°，２２５°，３１５°のとき、ＴＥ_１０モードの電磁波の伝播方向に対して４５°傾いたＥ面を有する直線偏波を放射するアンテナ装置として動作する。

上述のように、スロット３の重心位置と、矩形導波管１の内壁面に現れる電流分布の定在波の腹の位置と概ね一致させるよう説明した。スロット３の幅、及び、スロット３の重心位置と矩形導波管１の内壁面に現れる電流分布の定在波の腹の位置との相対位置の最適化によって、スロットアンテナ装置１０の動作帯域幅を広くすることが可能である。さらに、図２Ａに図示したスロット３の構成を適用すると、比較例に比較して広い動作帯域幅を実現することができる。これは、図２Ａに図示したスロット３の構成が、最も効率よく矩形導波管１の内壁面に現れる電流を遮断するためである。

本実施形態のアンテナは以下の３つの特長を有する。
（１）矩形導波管１が低伝送損失な線路として動作するために高い放射効率を実現できる。ここで、「放射効率」とは、入力端面４から入力した高周波信号のエネルギーに対する、スロット３から外界に放射される電磁界エネルギーの比で定義される。
（２）矩形導波管１とスロット３間の電磁界結合を強くできることから、比較例に係るスロットアンテナ装置４０よりも極めて広いスロットアンテナ装置の動作帯域幅を実現することができる。
（３）比較例に係るスロットアンテナ装置４０では実現困難な、矩形導波管１内に励起されるＴＥ_１０モードの電磁波の伝播方向に対して、Ｅ面を４５°ないしは１３５°傾けることが可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る構成によれば、スロットアンテナ装置１０の動作帯域幅の中心周波数で１波長共振器として動作するスロット線路を、線路端を対向させて環状に屈曲させ、ＴＥ_１０モード定在波を生成する矩形導波管１内部の電流の強い位置に配置し、スロット線路のスロット３の重心Ｏからみた端部３ａ，３ｂ間の非連結部３ｃの位置を、ＴＥ_１０モードの電磁波の伝播方向に対して４５°，１３５°，２２５°，３１５°のいずれかに設定することにより、高い放射効率と広いアンテナの動作帯域幅を持ち、ＴＥ_１０モードの電磁波の伝播方向に対して４５°ないしは１３５°にＥ面を持つアンテナ装置を提供できる。

なお、本開示に係るスロットアンテナ装置は、これらの傾斜角度に限らず、スロット３の重心Ｏからみた端部３ａ，３ｂ間の非連結部３ｃの位置を、ＴＥ_１０モードの電磁波の伝播方向に対して平行とならないように配置してもよい。

図３Ａは変形例３に係るスロット３Ｃの構成を示す平面図である。また、図３Ｂは変形例４に係るスロット３Ｄの構成を示す平面図である。さらに、図３Ｃは変形例５に係るスロット３Ｅの構成を示す平面図である。

上記の実施形態においては、スロット３，３Ａ，３Ｂとして１波長スロット線路を、線路端を対向させかつ環形状に屈曲させて構成したが、図３Ａ〜図３Ｃに示すように、図２Ａ〜図２Ｃに図示した１波長スロット線路のスロット３，３Ａ，３Ｂの両端部の非連結部３ｃと同様の非連結部３ｆが、スロット３Ｃ〜３Ｅの重心Ｏに対して点対称の位置に追加されている。すなわち、図３Ａ〜図３Ｃにおいて以下の通りである。

（１）図３Ａにおいて、スロット３Ｃは、端部３ａ，３ｄを有するスロット部３Ｃ１と、端部３ｂ，３ｅを有するスロット部３Ｃ２とを備えて構成される。ここで、端部３ａ，３ｂが非連結部３ｃを介して互いに対向し、端部３ｄ，３ｅが非連結部３ｆを介して互いに対向するようにスロット部３Ｃ１，３Ｃ２が形成される。
（２）図３Ｂにおいて、スロット３Ｄは、端部３ａ，３ｄを有するスロット部３Ｄ１と、端部３ｂ，３ｅを有するスロット部３Ｄ２とを備えて構成される。ここで、端部３ａ，３ｂが非連結部３ｃを介して互いに対向し、端部３ｄ，３ｅが非連結部３ｆを介して互いに対向するようにスロット部３Ｄ１，３Ｄ２が形成される。
（３）図３Ｃにおいて、スロット３Ｅは、端部３ａ，３ｄを有するスロット部３Ｅ１と、端部３ｂ，３ｅを有するスロット部３Ｅ２とを備えて構成される。ここで、端部３ａ，３ｂが非連結部３ｃを介して互いに対向し、端部３ｄ，３ｅが非連結部３ｆを介して互いに対向するようにスロット部３Ｅ１，３Ｅ２が形成される。

図３Ａ〜図３Ｃの変形例３〜５では、１波長スロット線路が、互いの線路の端部が対向した２本の１／２波長スロット線路のスロット部として構成されている。スロット３の動作説明で、スロット３で発生する電界は、角度θと角度θ＋１８０°の２つの位置に電界がゼロの領域が出現することを述べた。このことより、角度θ＋１８０°の位置に新たに角度θの非連結部３ｃと同じ線路構造の非連結部３ｆを付加しても、概ね同じ電磁界分布が生じる。すなわち、図３Ａ〜図３Ｃに図示したスロット３Ｃ〜３Ｅを持ったスロットアンテナ装置１０は、図２Ａ〜図２Ｃに図示したスロットアンテナ装置１０と概ね同一特性をもったアンテナ装置として動作する。

図３Ａ〜図３Ｃのスロット３Ｃ〜３Ｅの構成は、図２Ａ〜図２Ｃのスロット３，３Ａ，３Ｂよりもスロットアンテナ装置１０の動作帯域幅が狭い傾向にあるが、矩形導波管１内部の誘電体が空気の場合、スロット３の環部の内導体を２つの梁で支持できるので、図２Ａ〜図２Ｃのスロット３，３Ａ，３Ｂの構成よりも機械的安定性に富むアンテナ装置が提供できる。

なお、本実施形態の矩形導波管１は例えば四角柱形状の誘電体ロッドの対向する２つの端面を除く４つの面に導体を形成して構成されてもよい。

図４Ａは実施例１に係るスロットアンテナ装置２１の構成を示す平面図である。また、図４Ｂは図４ＡのＡ−Ａ’線についての縦断面図である。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、本実施例では矩形導波管１の代わりに、導波管としてポスト壁導波路５（ポスト壁導波路の詳細な動作原理については非特許文献２を参照）を適用した。ポスト壁導波路５は、誘電体基板６に、そのＥ面管壁として複数のビア導体８を配置することに構成される。ここで、誘電体基板６は、図４Ｂに示すように、例えば誘電率２．３５をもつ等方的な誘電体よりなる厚さ１ｍｍの平行平板の両面にそれぞれ、例えば厚さ１８μｍの銅箔にてなる導体層７Ａ，７Ｂを積層して構成した。ビア導体８は導電性をもった直径０．４ｍｍの柱状の貫通ビア導体であって、平行平板の幅方向の縁端部においてその長手方向に沿って、誘電体基板６を厚さ方向で貫通して二枚の導体層７Ａ，７Ｂを互いに導通させている。隣り合うビア導体８の間隔は例えば１ｍｍとし、例えば幅３ｍｍの間隔で２列平行にビア導体８を配置することにより、６０ＧＨｚにおいてＴＥ_１０モードのみを伝送する幅３ｍｍのポスト壁導波路５を構成した。

図４Ａに示したように、本実施例では、複数のビア導体８で導体層７Ａ，７Ｂの端面を短絡させることによってインピーダンス不連続面２を実現することができる。この短絡部分は、ポスト壁導波路５の短絡面９となる。そのため、ポスト壁導波路５を伝播するＴＥ_１０モードは短絡面９で反射され、準定常状態に達した時点でポスト壁導波路５内は定在波で満たされる。なお、本実施例では、できるだけ広いスロットアンテナ装置２０の動作帯域幅を目標としているので、短絡面９に最も近い位置に発生するＴＥ_０１モードの節、すなわち、ポスト壁導波路５の内面を流れる振動電流の腹（短絡面９から例えば１．９１５ｍｍ離れた位置）に、後述のスロット３の重心Ｏはほぼ一致している。さらに、スロット３の重心Ｏはポスト壁導波路５の中心線上に一致させた。

スロット３は、例えば幅０．１９ｍｍのスロット線路で構成した。スロット線路のスロットの端部３ａ，３ｂを０．２ｍｍの間隔で非連結部３ｃとして互いに対向させ、内導体が一辺１ｍｍの正矩形となるようスロット線路を屈曲させた。本実施例では、スロットアンテナ装置２０の動作帯域幅ができるだけ広くなるよう、図２Ａに示したスロット３の配置を適用した。導体層７Ａ，７Ｂへのスロット３の形成は、例えば写真製版による従来技術に係るプリント基板の製法を用いた。

図５は図４Ａ及び図４Ｂのスロットアンテナ装置２１の反射特性を示すグラフである。すなわち、図５は、入力端面４に高周波信号を入力したときに、当該入力された高周波信号に対して、反射されて入力端面４に戻ってくる高周波信号の割合を示す、本実施例のスロットアンテナ装置２０のＳパラメータの絶対値（｜Ｓ_１１｜）の周波数依存性を示している。実施形態１の項で定義したアンテナの動作帯域幅は、｜Ｓ_１１｜＜−９．５ｄＢを満足する動作帯域幅で定義される。従って、図５よりスロットアンテナ装置２０の動作帯域幅は３．９ＧＨｚとなる。これは、比帯域（中心周波数６０ＧＨｚに対するアンテナの動作帯域幅の比率で定義）で６．５％に相当し、本実施例のスロットアンテナ装置２０は比較例に比較して高い放射効率と、広い帯域幅の広帯域性を兼ね備えたアンテナ装置として有用である。

図６は実施例２に係るアレイアンテナ装置３０の構成を示す平面図である。また、図７Ａは図６のスロットアンテナ装置３１の構成を示す平面図である。さらに、図７Ｂは図６のスロットアンテナ装置３２の構成を示す平面図である。

図６において、実施例２のアレイアンテナ装置３０は、送信アレイアンテナ装置３０Ｔと受信アレイアンテナ装置３０Ｒとを備えて構成される。ここで、送信アレイアンテナ装置３０Ｔ及び受信アレイアンテナ装置３０Ｒはそれぞれ、
（１）実施例１に係るスロットアンテナ装置２０と同様の構造を有するスロットアンテナ装置３１と、
（２）スロットアンテナ装置３１とは複数のビア導体８を、Ｘ軸方向及びＹ軸方向で元のビア導体８の間隔の１／２だけシフトさせて配置してなるスロットアンテナ装置３２とを、
それぞれ２個ずつを交互に配置し、全部で４個のスロット３が等間隔でかつ直線状に並ぶように構成される。また、複数のスロット３の配列方向は、ポスト壁導波路５の中心線と直交している。ここで、各スロットアンテナ装置３１，３２はそれぞれ実施例１と同様にポスト壁導波路５で構成される。

なお、図６、図７Ａ及び図７Ｂにおいて、送信アレイアンテナ装置３０Ｔの各スロットアンテナ装置３１，３２はそのスロット３及び短絡面９はＹ軸方向と平行となるように配置される一方、受信アレイアンテナ装置３０Ｒの各スロットアンテナ装置３１，３２はそのスロット３及び短絡面９はＸ軸方向と平行となるように配置される。

本実施例では、隣接するポスト壁導波路５間の誘電体基板６を介しての電磁界結合を抑圧するため、隣接するポスト壁導波路５間のポスト壁を２重にしている。そのため、実施例１と同様にポスト壁導波路５で構成された図７Ａ及び図７Ｂのスロットアンテナ装置３１，３２を、送信アレイアンテナ装置３０ＴではＹ軸方向で交互に並列させて、また、受信アレイアンテナ装置３０ＲではＸ軸方向で交互に並列させて配置することで、それぞれ送信アレイアンテナ装置３０Ｔ及び受信アレイアンテナ装置３０Ｒを構成している。

ここで、図７Ａ及び図７Ｂに示したように、図７Ａ及び図７Ｂのスロットアンテナ装置３１，３２は、スロット３の重心Ｏは、短絡面９及びポスト壁導波路５の中心線に対し、同じ位置に設置されている。これに対して、図７Ｂのスロットアンテナ装置３２の各ビア導体８はそれぞれ、隣接する図７Ａのスロットアンテナ装置３１の各ビア導体８に対して、ポスト壁面に沿って短絡面９に向う方向（３０ＴではＸ軸方向、３０ＲではＹ軸方向）で０．５ｍｍシフトして配置され、また、短絡面９に沿った方向（３０ＴではＹ軸方向、３０ＲではＸ軸方向）で０．５ｍｍシフトした位置に配置される。

以上のように構成された実施例２に係るアレイアンテナ装置３０は、２次元ビームスキャニングが可能なアンテナ装置として動作する。図６において、送信アレイアンテナ装置３０ＴはＹ軸方向の１次元ビームスキャニングを行い、受信アレイアンテナ装置３０ＲはＸ軸方向の１次元ビームスキャニングを行うので、全体として実施例２のアレイアンテナ装置３０は２次元ビームスキャニングアンテナとして動作することができる。

送信アレイアンテナ装置３０Ｔの各スロット３と受信アレイアンテナ装置３０Ｒの各スロット３が図６のごとく配置されているので、図６に示すように、送信アレイアンテナ装置３０Ｔと受信アレイアンテナ装置３０Ｒからの放射波の各Ｅ面は互いに平行である。そのため、金属面からの反射波のように、偏波面が反射により９０°回転する捕捉対象に対する感度をおさえる一方で、偏波面の回転の少ない反射波を生じる誘電率分布のある物体に対して感度を持つビームスキャニングアンテナとして、実施例２のアレイアンテナ装置１１は好適である。

本実施例では、スロットアンテナ装置３１，３２のＥ面がポスト壁導波路５の中心線に対して４５°の傾きをもっているために、送信アレイアンテナ装置３０Ｔと受信アレイアンテナ装置３０Ｒを直交配置しても、両アレイアンテナ装置３０Ｔ，３０Ｒは互いに同一構造でありながら、両者ともに平行な放射波のＥ面を持たせることが可能となる。この特長により、送信アレイアンテナ装置３０Ｔと受信アレイアンテナ装置３０Ｒの電波放射特性と高周波特性を一致させることが容易となり、実施例１に係るスロットアンテナ装置２０の高放射効率と広帯域性を、実施例２に係るアレイアンテナ装置３０全体として担保するとともに、Ｘ軸，Ｙ軸方向のビームスキャニング特性の一致を広い動作帯域幅で実現できる。

実施形態のまとめ．
第１の態様に係るスロットアンテナ装置は、
入力端面とインピーダンス不連続面とを、矩形導波管の長手方向の両端で有する矩形導波管と、
上記矩形導波管のＨ面に形成されたスロットと
を備えたスロットアンテナ装置であって、
上記スロットは、非連結部を介して互いに対向する２つの端部を有するように屈曲された形状で構成され、
上記非連結部は、上記スロットの重心から見て上記長手方向とは平行とならない方向の位置に設けられた。

第２の態様に係るスロットアンテナ装置は、第１の態様に係るスロットアンテナ装置において、
上記非連結部は、上記スロットの重心から上記非連結部を見たときの方向の角度が、上記長手方向から４５°，１３５°，２２５°又は３１５°となる位置に設けられた。

第３の態様に係るスロットアンテナ装置は、第１又は第２の態様に係るスロットアンテナ装置において、
上記スロットの屈曲された形状は矩形形状である。

第４の態様に係るスロットアンテナ装置は、第３の態様に係るスロットアンテナ装置において、
上記スロットは、上記スロットの屈曲された矩形形状の１辺は上記矩形導波管の長手方向と平行とならないように構成された。

第５の態様に係るスロットアンテナ装置は、第１又は第２の態様に係るスロットアンテナ装置において、
上記スロットの屈曲された形状は円形状である。

第６の態様に係るスロットアンテナ装置は、第１〜第５の態様のうちのいずれか１つに係るスロットアンテナ装置において、
上記スロットは、上記スロットアンテナ装置の動作周波数の１波長で共振する共振器として動作するように構成された。

第７の態様に係るスロットアンテナ装置は、第１〜第６の態様のうちのいずれか１つに係るスロットアンテナ装置において、
上記スロットは、その重心が上記矩形導波管の幅方向の中央部の鏡像対称面に含まれるように設けられた。

第８の態様に係るスロットアンテナ装置は、第１〜第７の態様のうちのいずれか１つに係るスロットアンテナ装置において、
上記矩形導波管は、ＴＥ１０モードの電磁波を伝送するように構成された。

第９の態様に係るスロットアンテナ装置は、第１〜第８の態様のうちのいずれか１つに係るスロットアンテナ装置において、
上記矩形導波管は、金属パイプ形状を有する。

第１０の態様に係るスロットアンテナ装置は、第１〜第８の態様のうちのいずれか１つに係るスロットアンテナ装置において、
上記矩形導波管は、四角柱形状の誘電体ロッドの２つの端面を除く４つの面に導体を形成して構成される。

第１１の態様に係るスロットアンテナ装置は、第１〜第８の態様のうちのいずれか１つに係るスロットアンテナ装置において、
上記矩形導波管は、平行平板の誘電体基板の２つの平行平板面にそれぞれ導体を形成し、上記誘電体基板の幅方向の縁端部において長手方向で、上記誘電体基板の厚さ方向に貫通する複数のビア導体を形成することで構成される。

第１２の態様に係るアレイアンテナ装置は、
第１１の態様に係る複数のスロットアンテナ装置をそれぞれ互いに直交する第１及び第２の方向で並置されて構成された第１及び第２のアレイアンテナ装置を備えたアレイアンテナ装置であって、
上記第１のアレイアンテナ装置の複数のスロットアンテナ装置と、上記第２のアレイアンテナ装置の複数のスロットアンテナ装置とは、上記第１のアレイアンテナ装置の複数のスロットアンテナ装置の各スロットから放射される電磁波のＥ面と、上記第２のアレイアンテナ装置の複数のスロットアンテナ装置の各スロットから放射される電磁波のＥ面とが互いに平行となるように配置された。

第１３の態様に係るアレイアンテナ装置は、第１２の態様に係るアレイアンテナ装置において、
上記第１のスロットアンテナ装置は送信アンテナ装置として用いられ、
上記第２のスロットアンテナ装置は受信アンテナ装置として用いられる。

本開示に係るアンテナ装置は、例えば６０ＧＨｚ以上のミリ波帯などの高周波数帯においても高放射効率と広帯域性が容易に実現でき、加えてアレイアンテナ化が容易であるので、例えば、ミリ波帯レーダー装置用ビームスキャニングアンテナ等として有用である。また、ミリ波を用いた、非接触生態センシング用のセンサーや害獣検知センサー等に適用されるアレイアンテナにも応用できる。

１…矩形導波管、
１Ａ，１Ｂ…Ｈ面管壁、
１Ｃ，１Ｄ…Ｅ面管壁、
２…インピーダンス不連続面、
３，３Ａ〜３Ｅ…スロット、
３ａ，３ｂ，３ｄ，３ｅ…スロットの端部、
３ｃ，３ｆ…非連結部、
３Ｃ１，３Ｃ２，３Ｄ１，３Ｄ２，３Ｅ１，３Ｅ２…スロット部、
４…入力端面、
５…ポスト壁導波路、
６…誘電体基板、
７Ａ，７Ｂ…導体層、
８…ビア導体、
９…短絡面、
１１…アレイアンテナ装置、
１４…ポスト壁、
２０…スロットアンテナ装置、
３０…アレイアンテナ装置、
３０Ｔ…送信アレイアンテナ装置、
３０Ｒ…受信アレイアンテナ装置、
３１，３２…スロットアンテナ装置、
５０…鏡像対称面、
Ｏ…スロットの重心。

Claims (13)

1. 入力端面とインピーダンス不連続面とを、矩形導波管の長手方向の両端で有する矩形導波管と、
   上記矩形導波管のＨ面に形成されたスロットと
   を備えたスロットアンテナ装置であって、
   上記スロットは、非連結部を介して互いに対向する２つの端部を有するように屈曲された形状で構成され、
   上記非連結部は、上記スロットの重心から見て上記長手方向とは平行とならない方向の位置に設けられた、スロットアンテナ装置。
2. 上記非連結部は、上記スロットの重心から上記非連結部を見たときの方向の角度が、上記長手方向から４５°，１３５°，２２５°又は３１５°となる位置に設けられた、請求項１記載のスロットアンテナ装置。
3. 上記スロットの屈曲された形状は矩形形状である、請求項１又は２記載のスロットアンテナ装置。
4. 上記スロットは、上記スロットの屈曲された矩形形状の１辺は上記矩形導波管の長手方向と平行とならないように構成された、請求項３記載のスロットアンテナ装置。
5. 上記スロットの屈曲された形状は円形状である、請求項１又は２記載のスロットアンテナ装置。
6. 上記スロットは、上記スロットアンテナ装置の動作周波数の１波長で共振する共振器として動作するように構成された、請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載のスロットアンテナ装置。
7. 上記スロットは、その重心が上記矩形導波管の幅方向の中央部の鏡像対称面に含まれるように設けられた、請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載のスロットアンテナ装置。
8. 上記矩形導波管は、ＴＥ１０モードの電磁波を伝送するように構成された、請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載のスロットアンテナ装置。
9. 上記矩形導波管は、金属パイプ形状を有する、請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載のスロットアンテナ装置。
10. 上記矩形導波管は、四角柱形状の誘電体ロッドの２つの端面を除く４つの面に導体を形成して構成される、請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載のスロットアンテナ装置。
11. 上記矩形導波管は、平行平板の誘電体基板の２つの平行平板面にそれぞれ導体を形成し、上記誘電体基板の幅方向の縁端部において長手方向で、上記誘電体基板の厚さ方向に貫通する複数のビア導体を形成することで構成される、請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載のスロットアンテナ装置。
12. 請求項１１記載の複数のスロットアンテナ装置をそれぞれ互いに直交する第１及び第２の方向で並置されて構成された第１及び第２のアレイアンテナ装置を備えたアレイアンテナ装置であって、
    上記第１のアレイアンテナ装置の複数のスロットアンテナ装置と、上記第２のアレイアンテナ装置の複数のスロットアンテナ装置とは、上記第１のアレイアンテナ装置の複数のスロットアンテナ装置の各スロットから放射される電磁波のＥ面と、上記第２のアレイアンテナ装置の複数のスロットアンテナ装置の各スロットから放射される電磁波のＥ面とが互いに平行となるように配置された、アレイアンテナ装置。
13. 上記第１のスロットアンテナ装置は送信アンテナ装置として用いられ、
    上記第２のスロットアンテナ装置は受信アンテナ装置として用いられる、請求項１２記載のアレイアンテナ装置。

Images