JP3089447B2 - マイクロ波用アレイアンテナ装置 - Google Patents

マイクロ波用アレイアンテナ装置

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JP3089447B2
JP3089447B2 JP28140093A JP28140093A JP3089447B2 JP 3089447 B2 JP3089447 B2 JP 3089447B2 JP 28140093 A JP28140093 A JP 28140093A JP 28140093 A JP28140093 A JP 28140093A JP 3089447 B2 JP3089447 B2 JP 3089447B2
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憲明 木村
富士男 岡
悟士 椎葉
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Mitsui E&S Holdings Co Ltd
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Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はスロットアンテナから成
るアレイアンテナに関し、更に詳細には、マイクロ波を
使用して物体の形状を検知する際に使用するアレイアン
テナ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】隠蔽された物体を透視する手段として、
医療上の診断や金属探知などを目的としてX線を使用す
るもの、暗視用として赤外線を使用するもの、地中レー
ダーや金属探知器など電波を使用するもの、その他水中
透視用などを目的として超音波を使用するものなどが実
用されていることは周知である。
【0003】ところで、前記X線は透視力が高いため、
例えば医療的目的のほか、鉄橋などの構造物検査や、航
空機に搭乗する際の荷物検査など多くの分野で威力を発
揮しているが、検査対象を挟んでX線放射部と感光部と
を配置する必要があるため、適用範囲に制約があり、し
かも装置が大掛かりになるなどの問題がある。地中レー
ダーや金属探知器は、目標物の存在と位置とを検出でき
るが、目標物の形状検出ができないという問題がある。
赤外線検出器は物体の表面温度を検出できるので暗視用
として有効であるが、隠蔽された物体を検出することは
できない。また超音波は、空気中での透視手段としては
適用が困難である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、マイクロ波
は、多くの非金属物体に対して透過能力を有し、しかも
誘電率が異なる部分で反射する。したがって、原理的に
はマイクロ波の反射波を用いれば透視力を有する映像装
置を得ることが可能であるが、マイクロ波を用いた映像
装置は開発されていない。そこで反射マイクロ波を用い
た物体の映像装置を開発するには、反射マイクロ波によ
る画像形成手段の開発、アンテナの開発、その他個々の
技術を開発する必要が認められた。
【0005】本発明は、以上の問題に着目して成された
ものであり、マイクロ波を使用して映像を得るイメージ
ング装置に好適なマイクロ波用アレイアンテナ装置を提
供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めの本発明のマイクロ波用アレイアンテナ装置の構成
は、隣合わせに配置した2個のスロットアンテナの一方
を送信用アンテナとし、他方を受信用アンテナとした単
位アレイアンテナを形成し、この単位アレイアンテナを
複数個線状に配置し、各送信用スロットアンテナに給電
する送信用給電回路と、各受信用スロットアンテナに給
電する受信用給電回路とをスロットアレイアンテナに対
して反対側に配置したものからなり、前記送信用スロッ
トアンテナは、アンテナ表面側に、前記各スロットアン
テナ部分を開口した金属箔と、アンテナ裏面側に連続す
る金属箔とを配置し、前記2枚の金属箔の間の前記各ス
ロットアンテナ部分の周囲3辺をコ状に囲み、残りの1
辺を、前記送信用用給電回路及び受信用給電回路側に互
い違いに開放するシールド壁で囲み、該シールド壁の中
央部から前記シールド壁の開放側に互い違いに延びる給
電ラインを前記送信用又は受信用の給電回路に接続し、
隣接する送信用スロットアンテナ及び受信用スロットア
ンテナを順次組み合わせて単位スロットアンテナを形成
させ送受信を順送りに行わせるようにしたものである。
前記スロットアンテナの前記線状に配置した方向の幅
は、設計マイクロ波の波長の1/2とすることが好まし
い。
【0007】前記マイクロ波は、マイクロ波として定義
される1〜30GHzのいずれの周波数のものも使用す
ることができる。前記スロットアンテナは、従来から使
用されるものを適宜使用することができる。また単位ア
レイアンテナの数には特に限定はないが、例えば16チ
ャンネル、即ち32個のスロットアンテナを使用して、
精度の高い画像を得ることができる。当然個数を増やせ
ば画質を更に向上させることができる。
【0008】前記構成のマイクロ波用アレイアンテナで
画像信号を得るには二次元的に走査する必要がある。一
般的には単位アレイアンテナ素子を線状に配置し、この
配列方向と交差する方向にアンテナを移動させながら走
査する。但し本発明はこれに限定されず、単位スロット
アンテナ素子の配列方向を半径にして回転させたり、前
記アレイアンテナを複数個平行して配置すればアレイア
ンテナを移動させることなく二次元的に走査させること
もできる。
【0009】前記スロットアンテナ装置を使用した画像
処理装置は、金属の他、プラスチック、木材、磁器類、
人体など多数の物体の形状を、壁などに隠蔽された場合
でも映像として映し出すことができる。
【0010】
【作用】高分解能の映像を得るためには各アンテナ素子
を小さくし、それらを密に配置する必要がある。その実
現方法として送受信を一つのアンテナで行わせると、送
受信マイクロ波が同じ伝送線上を通るため、アンテナか
ら放射せずに、その手前で反射したマイクロ波が受信器
に入って、空中に放射して返ってきた信号と重なり、ノ
イズに対するシグナル比(S/N比)が低くなる。
【0011】そこで、送信用のスロットアンテナ素子と
受信用のスロットアンテナ素子と隣合わせに配置し、こ
の対のアンテナを直列的に配置してスロットアレイアン
テナを形成し、このスロットアレイアンテナの一方の側
に送信給電回路を配置し、他方の側に受信給電回路を配
置する前記手段は次の作用を得ることができる。 (1)送受一対のスロットが一つの信号を得るのである
が、隣へシフトするとき1個のスロット分だけの距離
(Δx)を移動するので、送受一体型スロットアレイア
ンテナと同じ空間的分解能(Δxのこと)とすることが
できる。
【0012】(2)遮蔽用のシールド壁(図3の6)を
入れることにより、送信アンテナから受信アンテナへの
電磁結合がなくなり、しかも受信側の伝送線上の反射波
(アンテナの手前で反射する)成分がなくなるので、ノ
イズに対するシグナルの比(S/N比)を大きくするこ
とができる。 (3)送信用アンテナ素子が左右の受信用アンテナ素子
と、逐次一つのチャンネルを形成していくために、1チ
ャンネルの送信・受信アンテナ素子が占める面積の1/
2づづ送受信波がシフトするので分解能が向上する
【0013】
【実施例】以下添付の図面を参照して一実施例により本
発明を具体的に説明する。本実施例のマイクロ波用スロ
ットアレイアンテナ1は、図1に示すように、PTFE
(ポリテトラフルオロエチレン)繊維を厚さ0.8mm の板
状に編成したプリプレグ{ゴアテックス社製、低誘電率
(ε=1.6)}の両面に銅箔2を張った両面銅張基板
3及び片面銅張基板4を積層し、ストリップライン構造
としたものである。即ち、両面銅張基板3の表面の銅箔
2(厚さ35μm)をエッチングにより矩形に除去して
マイクロ波の送受信を行うスロット穴5aを空け、裏側
の銅箔2上に、引出し方向を互い違いに配置した給電ラ
イン5bを形成したスロットアンテナ素子5を、32個
(図1には4個のみ図示)直列に並べて形成し、図1に
示すように、交互に送信用と受信用とに割り当てた。
【0014】前記スロットアレイアンテナ1は設計周波
数を15GHzとして設計したものであり、アンテナピ
ッチを6mm、矩形スロット穴の寸法を縦4.28mm、横10mm
としたものである。なお前記10mmは、15GHzの波長
の1/2に一致する。給電ライン5bは、先端先細り状
に形成し、その先端を図3に示すようにスロット穴5a
の中央に配置し、スロット穴5aの外まで直線状に延長
し、マイクロストリップライン5cに接続した。また、
給電ライン5bを形成した面には、スロット穴5aの外
側に位置するように、給電ライン5b側を開放し、残り
の3辺をコ状に囲む穴を開け、その内面を金属メッキ
したシールド壁6を形成した。
【0015】スロットアレイアンテナ1の表面には、
1及び4に示すように厚さ2mmのPTFEシート8aを
取り付け、各スロット穴5aごとにPTFEシート8a
に貫通穴8bを空け、ここにセラミック材料で形成した
誘電体共振器8を嵌合した。この誘電体共振器8は、マ
イクロ波ビームの放射強度を向上させる目的で使用した
ものであり、必要に応じて取り付ければよい。
【0016】前記のように形成したスロットアレイアン
テナ1は、図5,6に示すように、横200mm、縦30
mmの大きさを有し、横206mm、縦150mm、厚さ10
mmの箱状に形成したアンテナ装置9に取り付けた。この
アンテナ装置9は、スロットアレイアンテナ1に平行し
て信号源回路10と受信回路11とを配置して補強板12に取
り付け、前記回路10,11 の表側を遮蔽用電波吸収材13で
覆ったものである。そして、スロットアレイアンテナ1
と信号源回路10及び受信回路11との電気的接続は、導電
性リボン14によって行った。このようにスロットアレイ
アンテナ1、信号源回路10及び受信回路11をアンテナ装
置9として一体的に形成したので、取扱が極めて容易で
ある。
【0017】次に図7によってスロットアレイアンテナ
1の給電手段について説明する。なお図7において、ス
ロットアンテナ素子5に記入したNo.1〜No.32の番
号は、説明の便宜上記入したものであり、奇数番号を付
した16個の送信用スロットアンテナと、偶数番号を付し
た16個の受信用スロットアンテナとで合計31個のチャン
ネルを形成した。
【0018】そして、送信用に割当てた奇数番号のスロ
ットアンテナ素子5は、それぞれ信号源側のスイッチ10
aに接続し、また受信用に割り当てた偶数番号のスロッ
トアンテナ素子5は、それぞれ受信回路側のスイッチ11
aに接続した。各スイッチ10a,11aは、図7に示すよ
うに4チャンネルづつのグループ1g〜4gに分け、ス
イッチ10b,11bを介して信号源回路10図及び受信回路
11に接続した。前記スイッチ10a,10b,11a,11b
は、いずれもピンダイオードスイッチを使用し、+電圧
の順バイアスで導通し、−電圧の逆バイアスでオフする
構成とした。
【0019】マイクロ波の送受信は、各チャンネルごと
に順次行うようにし、その制御を前記スイッチ10a,10
b,11a,11bによって行うようにしている。例えばN
o.1のスロットアンテナ素子5からマイクロ波を放射
し、物体(図示せず)からの反射波をNo.2のスロット
アンテナ素子5で受信した信号を、受信信号処理回路に
与え、その間他のチャンネル2ch〜16chを作動させない
ようにした。
【0020】前記のスイッチング操作を、本実施例では
(1ch, 5ch, 9ch, 13ch)、(2ch, 6ch, 10ch, 14
ch)、(3ch, 7ch, 11ch, 15ch)、(4ch, 8ch, 12
ch,16ch)のグループに分け、グループ内のスイッチ10
a,11aを同時にオンオフさせ、スイッチ10b,11bに
よってグループ1g〜4gを選択することによって各チ
ャンネルを択一的に選択作動させた。このようにスイッ
チ制御系を形成することにより、より単純な制御回路に
より16チャンネルのスロットアンテナ素子5を制御
し、31チャンネルの送受信チャンネルを形成した。
【0021】以上説明したように形成したスロットアレ
イアンテナ1は、各スロットアンテナ素子5を送受信ア
ンテナとして使用した従来のものよりS/N比及び分解
能が向上し、本発明のスロットアレイアンテナの優位性
を確認することができた。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明のマイクロ波
用アレイアンテナ装置は、送受信用スロットアンテナを
隣り合わせに配置したものを線上に配置してスロットア
レイアンテナを形成し、信号源回路と受信回路とを、そ
れぞれスロットアレイアンテナの反対側に配置するよう
にしたので、次の効果が得られる。
【0023】(1)送信スロットアンテナ素子と受信ス
ロットアンテナ素子とを別々にしたにも関わらず、一つ
のスロットアンテナ素子で送受信を行う場合と同じアン
テナ素子間隔とすることができる。 (2)アンテナの送受信が、対向する別のスロットアン
テナ素子によって行われるため、送信アンテナから受信
アンテナへの電磁結合がなく、更には受信側の伝送線上
の定在波成分がなく、S/N比を非常に大きくすること
ができる。 (3)各送信用アンテナ素子が隣接する受信用アンテナ
素子とが対になって動作するために、送信・受信アンテ
ナ素子対が占める面積の1/2づつシフトし、分解能を
向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるマイクロ波用アレイアン
テナの送受信動作を説明する部分断面図である。
【図2】図1のII−II線部分矢視図である。
【図3】図1のIII-III 線部分矢視図である。
【図4】図1のIV−IV線部分矢視図である。
【図5】図1のスロットアレイアンテナ装置の外観図で
ある。
【図6】図5のVI−VI線断面図である。
【図7】図1に示すアレイアンテナ及び給電回路の概要
を説明する回路図である。
【符号の説明】
1 スロットアレイアンテナ 5 スロットア
ンテナ素子 5a スロット穴 5b 給電ライン
5b 5c リード線 6 シールド壁 10 信号源回路 10a スイッチ 10b スイッチ 11 受信回路 11a スイッチ 11b スイッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−211804(JP,A) 特開 平2−171004(JP,A) 特開 平2−73703(JP,A) 実開 昭62−203509(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01Q 21/00 - 21/30 H01Q 13/10

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 隣合わせに配置した2個のスロットアン
    テナの一方を送信用アンテナとし、他方を受信用アンテ
    ナとした単位アレイアンテナを形成し、この単位アレイ
    アンテナを複数個線状に配置し、各送信用スロットアン
    テナに給電する送信用給電回路と、各受信用スロットア
    ンテナに給電する受信用給電回路とをスロットアレイア
    ンテナに対して反対側に配置したものからなり、前記送
    信用スロットアンテナは、アンテナ表面側に、前記各ス
    ロットアンテナ部分を開口した金属箔と、アンテナ裏面
    側に連続する金属箔とを配置し、前記2枚の金属箔の間
    の前記各スロットアンテナ部分の周囲3辺をコ状に囲
    み、残りの1辺を、前記送信用用給電回路及び受信用給
    電回路側に互い違いに開放するシールド壁で囲み、該シ
    ールド壁の中央部から前記シールド壁の開放側に互い違
    いに延びる給電ラインを前記送信用又は受信用の給電回
    路に接続し、隣接する送信用スロットアンテナ及び受信
    用スロットアンテナを順次組み合わせて単位スロットア
    ンテナを形成させて送受信を順送りに行わせるようにし
    マイクロ波用アレイアンテナ装置。
  2. 【請求項2】 前記スロットアンテナの前記線状に配置
    した方向の幅をマイクロ波の設計波長の1/2とする請
    求項1記載のマイクロ波用アレイアンテナ装置。
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