JP2019106664A

JP2019106664A - プローブアンテナ及び測定装置

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Publication number: JP2019106664A
Application number: JP2017239474A
Authority: JP
Inventors: 孝郎藤井; Takaro Fujii; 高橋　聡; Satoshi Takahashi; 聡高橋
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-06-27
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: JP6962173B2

Abstract

【課題】被測定物から発し、あるいは被測定物により散乱された電磁場を測定する際の空間分解能を向上可能なプローブアンテナを提供する。【解決手段】プローブアンテナは、導体により中空の筒状に形成され、かつ、所定の動作周波数を持つ電磁波が伝搬可能なサイズを持つ導波管（２）を有し、導波管（２）の一方の端面（１１）に開口（１２）が形成され、かつ、開口（１２）の長辺方向における一部での短辺方向の長さが、開口（１２）の開口端における短辺方向の長さより短い。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、プローブアンテナ及びプローブアンテナを有する測定装置に関する。

従来より、導体により形成された方形導波管を給電線とし、開口が設けられた方形導波管の端面にてマイクロストリップアンテナと結合されるプローブアンテナが提案されている（例えば、非特許文献１を参照）。また、方形導波管の一端が開放端として形成されたプローブアンテナが知られている（例えば、非特許文献２を参照）。このようなプローブアンテナは、例えば、アンテナの近傍界における電磁場の測定に用いられる。

さらに、方形導波管の端面に小さな穴が設けられたプローブが知られている（例えば、非特許文献３及び４を参照）。このようなプローブは、例えば、被測定物の誘電率を測定するために用いられる。

D.M.Pozar、「Aperture Coupled Waveguide Feeds for Microstrip Antennas and Microstrip Couplers」、Antennas and Propagation Society International Symposium, 1996. AP-S. Digest、pp.700-703、1996年 G.E.Evans、「Antenna Measurement Techniques」、pp.142-143、Artech House、1990年鈴木他、「導波管型微小開口プローブを用いた誘電率計測」、電子情報通信学会技術研究報告 SANE2005-10(2006-02)、pp.25-28、2006年根岸他、「V band導波管型微小開口プローブを用いた画像化」、電子情報通信学会技術研究報告 SANE2006-143(2007-02)、pp.55-60、2007年

しかしながら、非特許文献１に開示されたアンテナは、方形導波管と結合されるマイクロストリップアンテナを有するため、方形導波管の端面と平行な面におけるサイズが大きくなってしまう。また、非特許文献２に開示されたプローブアンテナでは、方形導波管の開放端における開口の長辺方向の長さが、単一モード伝搬の観点から方形導波管を伝搬する電磁波のうちの最も高い周波数に相当する自由空間波長よりも若干小さい長さとなる。一方、開口の短辺方向の長さは、開口の長辺方向の長さの略半分となる。そのため、このプローブアンテナを用いて電磁場を測定する場合、測定された電磁場の空間分解能はプローブアンテナの開口のサイズ以上とならざるを得ない。

また、非特許文献３または非特許文献４に開示されたプローブは、エバネッセント波を測定に利用するものであり、被測定物の近傍に開口が位置するようにプローブが配置されることが求められる。そのため、このようなプローブを、アンテナといった被測定物から発する電磁場の測定に利用しようとすると、被測定物とプローブとの間で電磁結合が生じてしまい、被測定物が発する電磁場を正確に測定することが困難となる。

一つの側面では、本発明は、被測定物から発し、あるいは被測定物により散乱された電磁場を測定する際の空間分解能を向上可能なプローブアンテナを提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、プローブアンテナが提供される。このプローブアンテナは、導体により中空の筒状に形成され、かつ、所定の動作周波数を持つ電磁波が伝搬可能なサイズを持つ導波管を有し、導波管の一方の端面に開口が形成され、かつ、開口の長辺方向における一部での短辺方向の長さが、開口の開口端における短辺方向の長さより短い。

また他の実施形態によれば、導体により中空の筒状に形成され、かつ、所定の動作周波数を持つ電磁波が伝搬可能なサイズを持つ導波管を有し、導波管の一方の端面に開口が形成されたプローブアンテナが提供される。このプローブアンテナにおいて、開口の長辺方向の長さが、プローブアンテナと対向するアレイアンテナに含まれる複数の素子アンテナの配置間隔の長さよりも短い。

さらに他の実施形態によれば、プローブアンテナが提供される。このプローブアンテナは、導体により中空の筒状に形成され、かつ、所定の動作周波数を持つ電磁波が伝搬可能なサイズを持つ導波管を有し、導波管の一方の端面に開口が形成され、開口の長辺方向における長さが、発射する電波の対象物からの反射波を受信可能な長さであり、かつ動作周波数に相当する自由空間波長の0.5倍以下である。

さらに他の実施形態によれば、測定装置が提供される。この測定装置は、被測定物から放射され、あるいは、被測定物により散乱された所定の動作周波数を持つ電磁波を受信するプローブアンテナと、プローブアンテナにより受信された電磁波に基づいて電磁場を測定する測定器とを有し、プローブアンテナは、導体により中空の筒状に形成され、かつ、所定の動作周波数を持つ電磁波を伝搬可能なサイズを持つ導波管を有し、導波管の被測定物と対向する端面に開口が形成され、かつ、開口の長辺方向における開口端に沿った長さが所定の動作周波数に相当する自由空間波長の0.47倍以上、かつ、0.5倍以下となる。

一つの側面では、被測定物から発し、あるいは被測定物により散乱された電磁場を測定する際の空間分解能を向上できる。

（ａ）は、一つの実施形態によるプローブアンテナの斜視図である。（ｂ）は、（ａ）に示されるプローブアンテナを端面側から見た正面図である。（ａ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、開口の長辺方向の長さを一定とし、開口の短辺方向の長さを変えたときのプローブアンテナのリターンロスの周波数特性を示す図である。（ｂ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、プローブアンテナの利得の周波数特性を示す図である。電磁界シミュレーションにより求めた、10GHzにおける、開口の短辺方向の長さを一定とし、開口の長辺方向の長さを変えたときのプローブアンテナのリターンロスを示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、変形例による、プローブアンテナを端面側から見たプローブアンテナの正面図である。（ａ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、図４（ａ）に示される、開口がボウタイ状または砂時計状に形成されたときのプローブアンテナのリターンロスの周波数特性を示す図である。（ｂ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、図４（ａ）に示される、開口がボウタイ状または砂時計状に形成されたときのプローブアンテナの利得の周波数特性を示す図である。（ａ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、図４（ｂ）に示される、開口がH字状に形成されたときのプローブアンテナのリターンロスの周波数特性を示す図である。（ｂ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、図４（ｂ）に示される、開口がH字状に形成されたときのプローブアンテナの利得の周波数特性を示す図である。（ａ）〜（ｆ）は、開口の形状の他の一例を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、開口の形状のさらに他の一例を示す図である。（ａ）〜（ｆ）は、それぞれ、複数の開口が形成された変形例による、プローブアンテナを端面側から見たプローブアンテナの正面図である。上記の実施形態または変形例によるプローブアンテナを用いた測定装置の一例の概略構成図である。上記の実施形態または変形例によるプローブアンテナを用いた測定装置の他の一例の概略構成図である。

以下、図を参照しつつ、プローブアンテナについて説明する。このプローブアンテナは、導波管の端面を導体で形成し、その端面に開口を形成することで、アンテナとして機能するようにしたものである。そしてこのプローブアンテナでは、導波管の端面に設けられる開口の長辺方向における開口端に沿った長さが、所定の動作周波数に対応する自由空間波長の0.47倍以上、かつ、0.5倍以下となるように、開口が形成される。これにより、このプローブアンテナは、被測定物から離して配置されても、被測定物から発し、あるいは、被測定物により散乱される電磁場を測定可能とし、かつ、測定される電磁場の空間分解能を向上できる。なお、以下の説明において、開口の長辺方向とは、開口の外接矩形における長辺の延伸方向を表し、開口の短辺方向とは、開口の長辺方向と直交する方向を表す。

図１（ａ）は、一つの実施形態によるプローブアンテナの斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）に示されるプローブアンテナを端面側から見た正面図である。

プローブアンテナ１は、導波管２を有する。

導波管２は、例えば、アルミニウム、あるいは黄銅などの導体により、中空の方形の筒状に形成される。また、電気的損失及び耐環境の面から、導波管２が黄銅で形成される場合、導波管２の内部が金メッキされてもよい。さらに、導波管２は、樹脂を中空の方形の筒状に形成し、形成された樹脂の内部を導体、例えば金でメッキすることで形成されてもよい。そして導波管２の一方の端面１１には、方形状の開口１２が形成される。プローブアンテナ１は、開口１２を介して、受信した電磁波を導波管２内に導き、あるいは、導波管２内を伝搬する電磁波を開口１２を介して導波管２外へ放射する。

導波管２の各部の寸法は、プローブアンテナ１の動作周波数を持つ電磁波が導波管２内を伝搬可能なように設定される。例えば、導波管２の延伸方向と直交する平面における、導波管２の内側の長辺方向（以下、単に導波管２の長辺方向と呼ぶ）の長さは、プローブアンテナ１の動作周波数に相当する自由空間波長λの1/2よりも大きく、かつ、自由空間波長λ未満に設定される。これにより、自由空間波長λを持つ電磁波が、各伝送モードのうちのTE₁₀モードのみで導波管２内を伝搬可能となるので、伝送効率の低下が抑制される。また、導波管２の延伸方向と直交する平面における、導波管２の内側の短辺方向（以下、単に導波管２の短辺方向と呼ぶ）の長さは、導波管２の長辺方向の長さ未満、例えば、長辺方向の長さの略半分に設定される。例えば、動作周波数がX帯(8.20GHz〜12.5GHz)に含まれる場合、方形導波管のEIA規格(WR-90)において定められるように、導波管２の長辺方向の長さは、例えば、22.86mmに設定され、導波管２の短辺方向の長さは、例えば、10.16mmに設定される。また、動作周波数がKu帯(11.9GHz〜18GHz)に含まれる場合、方形導波管のEIA規格(WR-62)において定められるように、導波管２の長辺方向の長さは、例えば、15.799mmに設定され、導波管２の短辺方向の長さは、例えば、7.899mmに設定される。

導波管２の端面１１も、例えば、アルミニウム、あるいは黄銅などの導体により形成される。また、電気的損失及び、耐環境の面から、端面１１が黄銅で形成される場合、端面１１は金メッキされてもよい。さらに、端面１１は、樹脂で形成され、その樹脂を、導体、例えば金メッキすることで形成されてもよい。そして端面１１に形成される方形状の開口１２は、開口１２の長辺方向と導波管２の長辺方向とが略平行となり、かつ、開口１２の短辺方向と導波管２の端辺方向とが略平行となるように形成される。さらに、開口１２は、例えば、端面１１の中心と開口１２の中心とが一致するように形成される。なお、端面１１内の開口１２の位置は上記に限られない。例えば、開口１２の中心と端面１１の中心とが一致しない位置に開口１２は形成されてもよい。例えば、開口１２の中心が、端面１１の中心に対して導波管２の長辺方向または短辺方向の何れかあるいは両方に沿って数mmずれるように、開口１２は形成されてもよい。

開口１２を介して放射または受信可能な電磁波の動作周波数は、開口１２の長辺方向の開口端に沿った長さに依存する。これは、プローブアンテナ１が電磁波を放射または受信する際、開口端に沿って電磁場が強くなるためである。本実施形態では、開口１２の長辺方向の開口端に沿った長さは、プローブアンテナ１の動作周波数に相当する自由空間波長λの0.47倍以上、かつ、0.5倍以下に設定される。開口１２の長辺方向の開口端に沿った長さが自由空間波長λの0.5倍以下に設定されることにより、導波管２の長辺方向における、電磁波を受信する部分（本実施形態では、開口１２）のサイズが、導波管２のサイズよりも小さくて済む。そのため、測定される電磁場の導波管２の長辺方向における空間分解能が向上する。特に、被測定物がアレイアンテナである場合、複数のアンテナ素子が自由空間波長λの1/2の間隔を空けて配置されることがある。このような場合でも、本実施形態によるプローブアンテナ１による空間分解能は、アンテナ素子間の間隔以下となる。そのため、プローブアンテナ１は、個々のアンテナ素子から放射された電磁波による電磁場を測定する際に、隣接する他のアンテナ素子から放射された電磁波による影響を軽減できる。

一方、開口１２の長辺方向の開口端に沿った長さが自由空間波長λの0.47倍以上に設定されることにより、プローブアンテナ１は、動作周波数を持つ電磁波を受信するのに十分なアンテナ性能を維持できる。

また、開口１２の短辺方向の長さは、開口１２の長辺方向の開口端に沿った長さ未満であることが好ましい。これにより、プローブアンテナ１は、開口１２の短辺方向についても、開口１２の長辺方向と同程度の空間分解能を達成できる。

なお、プローブアンテナ１が使用される場合、例えば、端面１１が設けられた側と反対側の導波管２の端部近傍に同軸導波管変換器が取り付けられる。そして、導波管２内を伝搬する電磁波は、同軸導波管変換器を介し、同軸導波管変換器に接続される同軸ケーブルを介して信号処理回路（例えば、ベクトルネットワークアナライザといった測定器）へ伝送される。

以下、電磁界シミュレーションにより求めた、プローブアンテナ１のアンテナ特性について説明する。

図２（ａ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、開口１２の長辺方向の長さを一定とし、開口１２の短辺方向の長さを変えたときのプローブアンテナ１のリターンロスの周波数特性を示す図である。図２（ｂ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、プローブアンテナ１の利得の周波数特性を示す図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は周波数を表す。図２（ａ）において、縦軸はリターンロスを表し、図２（ｂ）において、縦軸は利得を表す。

このシミュレーションにおいて、プローブアンテナ１の動作周波数は10GHz(すなわち、自由空間波長3cm)である。また、導波管２の長辺方向及び短辺方向のそれぞれの長さを、X帯(8.20GHz〜12.5GHz)で用いられる導波管のEIA規格(WR-90)に合わせて、22.86mm、10.16mmとした。そして開口１２の長辺方向の長さを14.6mmとした。

図２（ａ）において、グラフ２０１〜２０７は、それぞれ、開口１２の短辺方向の長さを0.5mm、1.0mm、2.0mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mmとしたときのプローブアンテナ１のリターンロスの周波数特性を表す。グラフ２０１〜２０７に示されるように、動作周波数10GHzにおいて、開口１２の短辺方向の長さにかかわらず、プローブアンテナ１のリターンロスが、一般的にアンテナが電磁波を受信可能とされるリターンロスの許容限界値である-6dB以下となる。したがって、プローブアンテナ１では、開口１２の短辺方向の長さが開口１２の長辺方向の長さよりも短い場合に、開口１２の短辺方向の長さによらずに、リターンロスが電磁波を受信するのに十分な程度に抑制されていることが分かる。

図２（ｂ）において、グラフ２１１〜２１７は、それぞれ、開口１２の短辺方向の長さを0.5mm、1.0mm、2.0mm、3.0mm、4.0mm、5.0mm、6.0mmとしたときのプローブアンテナ１の利得の周波数特性を表す。グラフ２１１〜２１７に示されるように、動作周波数10GHzにおいて、開口１２の短辺方向の長さにかかわらず、プローブアンテナ１の利得は5dBi以上となっている。したがって、プローブアンテナ１では、開口１２の短辺方向の長さが開口１２の長辺方向の長さよりも短い場合に、開口１２の短辺方向の長さによらずに、十分な利得が得られていることが分かる。

図３は、電磁界シミュレーションにより求めた、開口１２の短辺方向の長さを一定とし、開口１２の長辺方向の長さを変えたときのプローブアンテナ１のリターンロスを示す図である。なお、このシミュレーションにおいても、動作周波数及び導波管２の長辺方向の長さ及び短辺方向の長さは、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示される電磁界シミュレーションで用いた動作周波数及び導波管２の各辺の長さと同じとした。また、開口１２の短辺方向の長さを0.5mmとした。図３において、横軸は開口１２の長辺方向の長さを表し、縦軸はリターンロスを表す。グラフ３００は、動作周波数10GHzにおける、開口１２の長辺方向の長さとプローブアンテナ１のリターンロスの関係を表す。

グラフ３００に示されるように、動作周波数に相当する自由空間波長λの半分に近い長さでは、開口１２の長辺方向の長さが短くなるほど、リターンロスが増加することが分かる。そして、開口１２の長辺方向の長さが自由空間波長λの略0.47倍となるときに、プローブアンテナ１のリターンロスが、一般的にアンテナが電磁波を受信可能とされるリターンロスの許容限界値である-6dBとなる。そのため、開口１２の長辺方向の長さは、自由空間波長λの0.47倍以上となることが好ましいことが分かる。

以上に説明してきたように、このプローブアンテナは、導波管の端面に設けられた開口を介して電磁波を受信または放射する。そして導波管の長辺方向と略平行となる、開口の長辺方向における開口端に沿った長さが、動作周波数に相当する自由空間波長の0.47倍以上、かつ、0.5倍以下となるように、開口が形成される。そのため、このプローブアンテナは、被測定物から離して配置されても、被測定物から発し、あるいは、被測定物により散乱された電磁波を受信できるとともに、受信した電磁波に基づいて電磁場を測定する際の空間分解能を向上できる。

変形例によれば、開口１２の長辺方向における開口１２の両端での開口１２の短辺方向の長さよりも、開口１２の長辺方向における中心での短辺方向の長さの方が短くなるように、開口１２は形成されてもよい。

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、それぞれ、この変形例による、プローブアンテナ１を端面１１側から見たプローブアンテナ１の正面図である。図４（ａ）に示される変形例では、開口１２は、ボウタイ状あるいは砂時計状に形成されている。一方、図４（ｂ）に示される変形例では、開口１２は、H字状に形成されている。

図５（ａ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、図４（ａ）に示される、開口１２がボウタイ状または砂時計状に形成されたときのプローブアンテナ１のリターンロスの周波数特性を示す図である。図５（ｂ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、図４（ａ）に示される、開口１２がボウタイ状または砂時計状に形成されたときのプローブアンテナ１の利得の周波数特性を示す図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は周波数を表す。図５（ａ）において、縦軸はリターンロスを表し、図５（ｂ）において、縦軸は利得を表す。

このシミュレーションにおいて、プローブアンテナ１の動作周波数は10GHz(すなわち、自由空間波長3cm)である。また、導波管２の長辺方向及び短辺方向のそれぞれの長さを、X帯(8.20GHz〜12.5GHz)で用いられる導波管のEIA規格(WR-90)に合わせて、22.86mm、10.16mmとした。そして開口１２の長辺方向の長さを12mmとした。また、開口１２の長辺方向における中心での開口１２の短辺方向の長さを2mmとし、開口１２の長辺方向における両端での開口１２の短辺方向の長さを変更して、プローブアンテナ１のリターンロスの周波数特性を調べた。

図５（ａ）において、グラフ５０１〜５０５は、それぞれ、開口１２の長辺方向の両端における、開口１２の短辺方向の長さを、4.0mm、5.0mm、6.0mm、7.0mm、8.0mmとしたときのプローブアンテナ１のリターンロスの周波数特性を表す。グラフ５０１〜５０５に示されるように、開口１２の長辺方向の両端における、開口１２の短辺方向の長さが長くなるほど、リターンロスが極値となる、すなわち、プローブアンテナ１が共振する周波数は低くなる。しかし、開口１２の長辺方向の両端における、開口１２の短辺方向の長さが4.0mm〜8.0mmの範囲内では、動作周波数10GHzにおいて、プローブアンテナ１のリターンロスが、-6dB以下となる。したがって、この変形例でも、プローブアンテナ１では、リターンロスが電磁波を受信するのに十分な程度に抑制されていることが分かる。

図５（ｂ）において、グラフ５１１〜５１５は、それぞれ、開口１２の長辺方向の両端における、開口１２の短辺方向の長さを4.0mm、5.0mm、6.0mm、7.0mm、8.0mmとしたときのプローブアンテナ１の利得の周波数特性を表す。グラフ５１１〜５１５に示されるように、この変形例でも、動作周波数10GHzにおいて、プローブアンテナ１の利得は5dBi以上得られていることが分かる。

図６（ａ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、図４（ｂ）に示される、開口１２がH字状に形成されたときのプローブアンテナ１のリターンロスの周波数特性を示す図である。図６（ｂ）は、電磁界シミュレーションにより求めた、図４（ｂ）に示される、開口１２がH字状に形成されたときのプローブアンテナの利得の周波数特性を示す図である。図６（ａ）及び図６（ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は周波数を表す。図６（ａ）において、縦軸はリターンロスを表し、図６（ｂ）において、縦軸は利得を表す。

このシミュレーションにおいても、プローブアンテナ１の動作周波数は10GHz(すなわち、自由空間波長3cm)である。また、導波管２の長辺方向及び短辺方向のそれぞれの長さを、X帯(8.20GHz〜12.5GHz)で用いられる導波管のEIA規格(WR-90)に合わせて、22.86mm、10.16mmとした。そして開口１２の長辺方向の長さを8.7mmとした。また、開口１２の長辺方向における、それぞれの端部から3mmまでの区間における、開口１２の短辺方向の長さを8mmとし、開口１２の長辺方向における、中心部の2.7mmの区間における、開口１２の短辺方向の長さを2mmとした。

図６（ａ）において、グラフ６００は、プローブアンテナ１のリターンロスの周波数特性を表す。グラフ６００に示されるように、動作周波数10GHzにおいて、プローブアンテナ１のリターンロスが、-6dB以下となる。したがって、この変形例でも、プローブアンテナ１では、リターンロスが電磁波を受信するのに十分な程度に抑制されていることが分かる。

図６（ｂ）において、グラフ６１０は、プローブアンテナ１の利得の周波数特性を表す。グラフ６１０に示されるように、この変形例でも、動作周波数10GHzにおいて、プローブアンテナ１の利得として5dBi以上得られていることが分かる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示される変形例では、開口の長辺方向に沿った開口端が湾曲又は屈曲されるので、開口端に沿った長さよりも開口の長辺方向の長さを短縮できる。そのため、これらの変形例によるプローブアンテナは、測定される電磁場の空間分解能をより向上できる。

なお、開口の形状は、上記の実施形態または変形例に限られない。例えば、図４（ａ）に示されるように、開口がボウタイ状または砂時計状に形成される場合において、長辺が折れ線状に形成されてもよい。また、上記の実施形態または変形例において、開口の各コーナーが円弧状に形成されてもよい。

図７（ａ）〜図７（ｆ）は、開口の形状の他の一例を示す図である。図７（ａ）に示される例では、開口１２は、長手方向における両端部分が略円形に形成され、その両端部分が矩形状の部分で接続された形状となる。また、図７（ｂ）に示される例では、開口１２は、同形状の二つの三角形が頂点側にて互いに対向し、かつ、その二つの三角形が互いに部分的に重なる形状となるように形成される。さらに、図７（ｃ）に示される例では、開口１２は、同形状の二つの三角形が頂点側にて互いに対向し、かつ、その二つの三角形が矩形状の部分で接続された形状となる。

図７（ｄ）に示される例では、開口１２は、同形状の二つの扇形が中心角側にて互いに対向し、かつ、その二つの扇形が互いに部分的に重なる形状となるように形成される。さらに、図７（ｅ）に示される例では、開口１２は、同形状の二つの扇形が中心角側にて互いに対向し、かつ、その二つの扇形が矩形状の部分で接続された形状となる。さらにまた、図７（ｆ）に示される例では、開口１２は、図７（ｄ）に示された開口のすべてのコーナーが丸められるとともに、扇形の辺が開口１２の長手方向に沿って凹状の曲線となるように形成される。これらの何れの変形例についても、開口の長辺方向に沿った開口端が湾曲又は屈曲されるので、開口端に沿った長さよりも開口の長辺方向の長さが短縮される。

図８（ａ）〜図８（ｃ）は、開口の形状のさらに他の一例を示す図である。図８（ａ）に示される例では、開口１２は、図１（ｂ）に示される開口と同様に、矩形状に形成されるが、この例では、開口１２の各コーナーが曲面状に形成される。また、図８（ｂ）に示される例では、開口１２は矩形状に形成されるが、開口１２の各コーナーが線状に面取りされる。さらに、図８（ｃ）に示される例では、開口１２は、楕円状に形成され、その楕円の長軸方向が端面の長手方向と略平行となる。図８（ａ）〜図８（ｃ）に示される変形例の開口を持つプローブアンテナも、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示されるプローブアンテナと同様の効果を得ることができる。

なお、図７（ａ）〜図（ｆ）または図８（ａ）〜図８（ｃ）に示される変形例についても、上記の実施形態と同様に、開口１２の中心と導波管の端面の中心とが一致しない位置に開口１２は形成されてもよい。例えば、開口１２の中心が、端面１１の中心に対して導波管２の長辺方向または短辺方向の何れかあるいは両方に沿って数mmずれるように、開口１２は形成されてもよい。

さらに他の変形例によれば、導波管の端面に、複数の開口が形成されてもよい。図９（ａ）〜図９（ｆ）は、それぞれ、複数の開口が形成された変形例による、プローブアンテナを端面側から見たプローブアンテナの正面図である。

図９（ａ）に示された変形例では、導波管の端面１１において、図７（ａ）に示された形状を持つ二つの開口１２−１、１２−２が、端面１１の短辺方向に沿って並べて配置される。同様に、図９（ｂ）〜図９（ｆ）のそれぞれに示される変形例についても、導波管の端面１１において、図７（ｂ）〜図７（ｆ）に示された形状を持つ二つの開口１２−１、１２−２が端面の短辺方向に沿って並べて配置される。さらに、図１（ｂ）、図４（ａ）または図４（ｂ）に示される形状を持つ開口が、導波管の端面１１の短辺方向に沿って並べて配置されてもよい。さらにまた、３個以上の開口が、導波管の端面１１の短辺方向に沿って並べて配置されてもよい。このように、端面の短辺方向に沿って複数の開口が形成されることで、プローブアンテナは、端面の長辺方向における空間分解能が低下することを抑制しつつ、利得を向上できる。

また他の変形例によれば、プローブアンテナが有する導波管の断面形状は、矩形でなくてもよく、例えば、楕円形であってもよい。ただしこの場合も、導波管の長辺方向と端面に形成される開口の長辺方向とが略平行となるように、開口が形成されることが好ましい。また導波管の長辺方向のサイズは、プローブアンテナの動作周波数を持つ電磁波が導波管内を単一の伝送モード（すなわち、TE₁₀モード）で伝搬できるサイズとなるように設定されることが好ましい。

上記の実施形態または変形例によるプローブアンテナは、例えば、被測定物から放射される電磁波または被測定物により散乱される電磁波による電磁場を測定するための測定装置に利用することができる。

図１０は、上記の実施形態または変形例によるプローブアンテナを用いた測定装置の一例の概略構成図である。測定装置１００は、プローブアンテナ１０１と、同軸導波管変換器１０２と、可動台１０３と、測定器１０４と、制御装置１０５とを有する。測定装置１００は、さらに、測定結果を表示するための表示装置（図示せず）、または、測定結果を他の機器へ出力するための通信インターフェース（図示せず）を有していてもよい。本実施形態では、測定装置１００による被測定物は、所定の動作周波数に相当する自由空間波長λの1/2の間隔を空けて２次元的に複数の矩形のアンテナ素子が配置されるアレイアンテナ１１０である。測定装置１００は、アレイアンテナ１１０から発した、所定の動作周波数を持つ電磁波を受信してアレイアンテナ１１０の近傍界における、電磁場の振幅及び位相を測定する。そして測定装置１００は、測定した振幅及び位相に基づいて、アレイアンテナ１１０の遠方界におけるアレイアンテナ１１０から放射される電磁波の放射パターンを推定する。

プローブアンテナ１０１は、上記の実施形態または変形例の何れかによるプローブアンテナとすることができる。なお、プローブアンテナ１０１が有する導波管及び開口の各部の寸法は、アレイアンテナ１１０から発する電磁波の動作周波数に応じて、上記の実施形態または変形例のように設定される。そしてプローブアンテナ１０１は、開口が形成される端面が被測定物であるアレイアンテナ１１０と対向するように可動台１０３に取り付けられる。またプローブアンテナ１０１は、例えば、アレイアンテナ１１０の法線方向に沿って、アレイアンテナ１１０とプローブアンテナ１０１とが電磁結合しないような距離、すなわち、プローブアンテナ１０１がアレイアンテナ１１０に近づきすぎてアレイアンテナ１１０の特性に影響を及ぼさない距離、一般的には3波長から10波長程度の距離だけ離して配置される。

プローブアンテナ１０１は、測定装置１００が測定動作を実行している間、プローブアンテナ１０１が有する導波管の端面に形成される開口を介してアレイアンテナ１１０から放射される、所定の動作周波数を持つ電磁波を受信する。受信した電磁波は、導波管内を伝搬して同軸導波管変換器１０２に達する。

同軸導波管変換器１０２は、例えば、プローブアンテナ１０１が有する導波管の開口が形成される端面とは反対側の端部近傍に取り付けられる。そして同軸導波管変換器１０２は、導波管内を伝搬した電磁波を、同軸導波管変換器１０２と測定器１０４間を接続する同軸ケーブルを介して測定器１０４へ出力する。
なお、プローブアンテナ１０１と同軸導波管変換器１０２の間に、テーパ導波管あるいはステップ導波管などが設けられてもよい。

可動台１０３は、例えば、互いに直交する２方向のそれぞれにおいて移動可能なXYステージとすることができる。可動台１０３は、制御装置１０５からの制御信号に従って、可動台１０３に取り付けられるプローブアンテナ１０１を個々の測定位置に移動させる。個々の測定位置は、例えば、アレイアンテナ１１０が有する各アンテナ素子の正面位置とすることができる。これにより、測定装置１００は、アレイアンテナ１１０から放射される電磁波を平面に沿ってスキャンできる。なお、可動台１０３は、XYZステージといった互いに直交する３軸のそれぞれに沿って移動可能な可動ステージを有していてもよい。この場合には、測定装置１００は、アレイアンテナ１１０から放射される電磁波を、円筒面、球面あるいは他の形状の面に沿ってスキャンしてもよい。

測定器１０４は、例えば、ベクトルネットワークアナライザとすることができる。測定器１０４は、同軸ケーブルを介してアレイアンテナ１１０の入力端子と接続される。また測定器１０４は、同軸ケーブルを介して同軸導波管変換器１０２と接続される。そして測定器１０４は、アレイアンテナ１１０へ同軸ケーブルを介して測定用の信号を出力する。さらに、測定器１０４は、可動台１０３により調節される、プローブアンテナ１０１の測定位置ごとに、プローブアンテナ１０１が受信した電磁波を変換して得られる電気信号を同軸導波管変換器１０２から同軸ケーブルを介して受信する。そして測定器１０４は、アレイアンテナ１１０へ出力した測定用の信号と、同軸導波管変換器１０２から受信した電気信号とに基づいて、測定位置ごとの電磁場の振幅及び位相を測定する。

測定器１０４は、測定位置ごとの電磁場の振幅及び位相の測定値を制御装置１０５へ出力する。

制御装置１０５は、測定装置１００全体を制御する。また制御装置１０５は、プローブアンテナ１０１の測定位置に関する情報と、測定器１０４から受信した、測定位置ごとの電磁波の振幅及び位相とに基づいて、遠方界におけるアレイアンテナ１１０の放射パターンを推定する。そのために、制御装置１０５は、例えば、一つまたは複数のプロセッサと、メモリと、制御装置１０５を可動台１０３及び測定器１０４と接続する通信インターフェースを有する。

制御装置１０５は、測定動作を開始すると、可動台１０３に対してプローブアンテナ１０１を着目する測定位置へ移動させる制御信号を出力する。プローブアンテナ１０１が着目する測定位置へ移動した後に、制御装置１０５は、測定器１０４から、その着目する測定位置における電磁場の振幅及び位相の測定値を受信する。そして制御装置１０５は、受信した測定値を測定位置の座標と対応付けて、制御装置１０５が有するメモリに保存する。

制御装置１０５は、着目する測定位置を変更しながら上記の処理を繰り返すことで、各測定位置における電磁場の振幅及び位相の測定値を得る。そして制御装置１０５のプロセッサは、各測定位置における電磁場の振幅及び位相の測定値に対してフーリエ変換を実行することで、アレイアンテナ１１０の遠方における、アレイアンテナ１１０の放射パターンを推定できる。なお、アレイアンテナ１１０の放射パターンを求める方法の詳細については、例えば、A.D.YAGHJIAN、「An Overview of Near-Field Antenna Measurement」、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION、Vol. AP-34、pp.30-45、No.1、1986年を参照されたい。

制御装置１０５は、推定した放射パターンを表す情報を、例えば、制御装置１０５と接続される表示装置へ出力する。あるいは、制御装置１０５は、推定した放射パターンを表す情報を、他の機器へ出力してもよい。

この測定装置によれば、プローブアンテナ１０１の開口の長辺方向の長さ及び短辺方向の長さがアレイアンテナの互いに隣接するアンテナ素子間の間隔以下となる。そのため、この測定装置は、各測定位置において、着目するアンテナ素子から放射された電磁波による電磁場を測定する際に、隣接するアンテナ素子により放射された電磁波による、電磁場への影響を軽減できる。そのため、この測定装置は、被測定物となるアレイアンテナの放射特性をより正確に評価できる。

図１１は、上記の実施形態または変形例によるプローブアンテナを用いた測定装置の他の一例の概略構成図である。測定装置２００は、二つのプローブアンテナ１０１−１、１０１−２と、同軸導波管変換器１０２−１、１０２−２と、測定器１０４と、制御装置１０５とを有する。測定装置２００は、さらに、測定結果を表示するための表示装置（図示せず）、または、測定結果を他の機器へ出力するための通信インターフェース（図示せず）を有していてもよい。本実施形態による測定装置２００は、図１０に示される測定装置１００と比較して、プローブアンテナ及び同軸導波管変換器を二つ有する点と、可動台を有さない点で相違する。また測定装置２００は、被測定物による電磁波の散乱特性、例えば、レーダ反射断面積を測定する。

以下では、測定装置２００の各構成要素のうち、測定装置１００と相違する構成要素及びその関連部分について説明する。

被測定物２１０は、例えば、金属といった電磁波を散乱する材料により形成され、かつ、回転可能な台座２１１−１上に、例えば、円筒形状で発泡スチロールといった、電磁波の反射率が低い材料により形成された支持台２１１−２を介して載置される。そして、測定装置２００の測定動作中、制御装置１０５からの制御信号に従って台座２１１が１周回転することで、被測定物２１０も１周回転する。そのため、測定装置２００は、モノスタティック散乱計測の手法に従って、被測定物２１０の散乱特性を測定できる。なお、測定装置２００は、遠方界での散乱パターンを求める数学的手法に応じて、バイスタテック測定、平面スキャナ、球面スキャナあるいは円筒スキャナ等の種々の近傍界測定手法に従って、被測定物２１０により散乱された電磁場を測定してもよい。

プローブアンテナ１０１−１、１０１−２は、それぞれ、上記の実施形態または変形例の何れかによるプローブアンテナとすることができる。そしてプローブアンテナ１０１−１、１０１−２は、それぞれ、開口が形成される端面が被測定物２１０と対向するように固定台２１２に取り付けられる。またプローブアンテナ１０１−１、１０１−２は、例えば、被測定物２１０から2D²/λ以下の距離だけ離して配置される。なお、Dは、被測定物２１０の長手方向の一辺の長さを表す。

プローブアンテナ１０１−１は、測定装置２００が測定動作を実行している間、送信アンテナとして動作する。プローブアンテナ１０１−１は、測定器１０４から同軸導波管変換器１０２−１を通り、かつ、プローブアンテナ１０１−１が有する導波管の端面の開口を介して、所定の動作周波数を持つ電磁波を被測定物２１０へ向けて放射する。プローブアンテナ１０１−１の開口のサイズが小さいため、プローブアンテナ１０１−１は、被測定物２１０に対して一様に電磁波を照射できる。なお、プローブアンテナ１０１−１の代わりに、ホーンアンテナなど、他の送信用のアンテナが用いられてもよい。

一方、プローブアンテナ１０１−２は、測定装置２００が測定動作を実行している間、受信アンテナとして動作する。そしてプローブアンテナ１０１−２は、プローブアンテナ１０１−２が有する導波管の端面に形成される開口を介して、プローブアンテナ１０１−１から放射され、かつ、被測定物２１０により散乱された電磁波を受信する。受信した電磁波は、矩形導波管内を伝搬して同軸導波管変換器１０２−２に達する。なお、プローブアンテナ１０１−１、１０１−２が有する導波管及び開口の各部の寸法は、プローブアンテナ１０１−１から発する電磁波の動作周波数に応じて、上記の実施形態または変形例のように設定される。

同軸導波管変換器１０２−１は、例えば、プローブアンテナ１０１−１が有する導波管の開口が形成される端面とは反対側の端部近傍に取り付けられる。そして同軸導波管変換器１０２−１は、同軸導波管変換器１０２−１と測定器１０４間を接続する同軸ケーブルを介して測定器１０４に接続される。そして同軸導波管変換器１０２−１は、測定器１０４から同軸ケーブルを伝搬する測定用の電磁波を、プローブアンテナ１０１−１の導波管内を伝搬する電磁波に変換する。

同軸導波管変換器１０２−２は、例えば、プローブアンテナ１０１−２が有する導波管の開口が形成される端面とは反対側の端部近傍に取り付けられる。そして同軸導波管変換器１０２−２は、プローブアンテナ１０１−２の導波管内を伝搬した電磁波を、同軸導波管変換器１０２−２と測定器１０４間を接続する同軸ケーブルを介して測定器１０４へ出力する。

測定器１０４は、同軸ケーブルを介して同軸導波管変換器１０２−１、１０２−２と接続される。そして測定器１０４は、プローブアンテナ１０１−１から電磁波として放射される測定用の電磁波を、同軸導波管変換器１０２−１へ同軸ケーブルを介して出力する。さらに、測定器１０４は、プローブアンテナ１０１−２が受信した電磁波を同軸導波管変換器１０２−２から同軸ケーブルを介して受信する。そして測定器１０４は、同軸導波管変換器１０２−１へ出力した測定用の電磁波と同軸導波管変換器１０２−２から受信した電磁波とに基づいて、被測定物２１０により散乱された電磁波による被測定物２１０の近傍界における電磁場の振幅及び位相を測定する。

測定器１０４は、被測定物２１０の近傍界における電磁場の振幅及び位相の測定値を制御装置１０５へ出力する。

制御装置１０５は、測定装置２００全体を制御する。また制御装置１０５は、測定器１０４から受信した、被測定物２１０の近傍界における電磁波の振幅及び位相とに基づいて、被測定物２１０のレーダ反射断面積を推定する。

制御装置１０５のプロセッサは、測定器１０４から受信した、被測定物２１０の近傍界における電磁波の振幅及び位相に基づいて、被測定物２１０のレーダ反射断面積を推定する。なお、レーダ反射断面積を求める方法の詳細については、例えば、D. G. Falconer、「Extrapolation of Near-Field RCS Measurements to the Far Zone」、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION、Vol. 36、pp.822-829 、NO. 6、 1988年を参照されたい。

制御装置１０５は、求めた被測定物２１０のレーダ反射断面積を表す情報を、例えば、制御装置１０５と接続される表示装置へ出力する。あるいは、制御装置１０５は、被測定物２１０のレーダ反射断面積を表す情報を、他の機器へ出力してもよい。

この測定装置によれば、プローブアンテナ１０１−１、１０１−２の開口の長辺方向及び短辺方向のそれぞれのサイズが動作周波数に相当する自由空間波長の1/2以下となる。そのため、この測定装置は、被測定物の近傍界における電磁場の振幅及び位相の測定値の空間解像度を向上できる。そのため、この測定装置は、被測定物による電磁波の散乱特性をより高精度で評価できる。

ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。

１プローブアンテナ
２導波管
１１端面
１２、１２−１、１２−２開口
１００、２００測定装置
１０１、１０１−１、１０１−２プローブアンテナ
１０２、１０２−１、１０２−２同軸導波管変換器
１０３可動台
１０４測定器
１０５制御装置
１１０アレイアンテナ
２１０被測定物

Claims

導体により中空の筒状に形成され、かつ、所定の動作周波数を持つ電磁波が伝搬可能なサイズを持つ導波管を有し、
前記導波管の一方の端面に開口が形成され、かつ、前記開口の長辺方向における一部での短辺方向の長さが、前記開口の開口端における短辺方向の長さより短い、
プローブアンテナ。
導体により中空の筒状に形成され、かつ、所定の動作周波数を持つ電磁波が伝搬可能なサイズを持つ導波管を有し、前記導波管の一方の端面に開口が形成されたプローブアンテナであって、
前記開口の長辺方向の長さが、前記プローブアンテナと対向するアレイアンテナに含まれる複数の素子アンテナの配置間隔の長さよりも短い、
プローブアンテナ。
導体により中空の筒状に形成され、かつ、所定の動作周波数を持つ電磁波が伝搬可能なサイズを持つ導波管を有し、
前記導波管の一方の端面に開口が形成され、前記開口の長辺方向における長さが、発射する電波の対象物からの反射波を受信可能な長さであり、かつ前記動作周波数に相当する自由空間波長の0.5倍以下である、
プローブアンテナ。
前記開口の長辺方向における前記開口の両端のそれぞれにおける、前記開口の短辺方向の長さよりも、前記開口の長辺方向における前記開口の中心における、前記開口の短辺方向の長さが短い、請求項１〜３の何れか一項に記載のプローブアンテナ。
被測定物から放射され、あるいは、前記被測定物により散乱された所定の動作周波数を持つ電磁波を受信するプローブアンテナと、
前記プローブアンテナにより受信された前記電磁波に基づいて電磁場を測定する測定器とを有し、
前記プローブアンテナは、
導体により中空の筒状に形成され、かつ、前記動作周波数を持つ電磁波を伝搬可能なサイズを持つ導波管を有し、
前記導波管の前記被測定物と対向する端面に開口が形成され、かつ、前記開口の長辺方向における開口端に沿った長さが前記動作周波数に相当する自由空間波長の0.47倍以上、かつ、0.5倍以下となる、
測定装置。