JP3566662B2 - 平面アレーアンテナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波〜ミリ波帯において使用される折返し導波管を用いた平面アレーアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にマイクロ波〜ミリ波帯においては、低損失伝送路である導波管が多用されており、複数の導波管を並列に並べて平面アレーアンテナを構成している。
【０００３】
図１３（ａ），（ｂ）は、従来の平面アレーアンテナの構成例を示したものである。
【０００４】
図１３（ａ）に示す平面アレーアンテナは、Ｈ面電磁ホーン１にオーバーサイズ導波管２を結合したものである。Ｈ面電磁ホーン１は、一端に給電部３を有すると共に、中央部に整合板４を備え、オーバーサイズ導波管２は、上面に複数の放射スロット５を形成している。そして、上記給電部３より供給される電磁波は、Ｈ面電磁ホーン１を介してオーバーサイズ導波管２に伝送され、複数の放射スロット５より外部に放射される。
【０００５】
また、図１３（ｂ）に示す平面アレーアンテナは、上記Ｈ面電磁ホーン１に代えて導波管分岐回路６を使用したものである。この導波管分岐回路６は、給電部３より供給される電磁波を複数に分岐してオーバーサイズ導波管２に伝送する。
【０００６】
上記図１３（ａ）に示す平面アレーアンテナに使用されるＨ面電磁ホーン１は、所定の特性を得るために緩やかなテーパ状とする必要があり、このため全長が長くなり、製造コスト高はもとより、取扱いにおいても大形になるので非常に不便であった。
【０００７】
また、上記Ｈ面電磁ホーン１に代えて導波管分岐回路６を使用した図１３（ｂ）に示す平面アレーアンテナは、導波管分岐回路６の構造が非常に複雑になり、その製造に多大な時間がかかり、きわめてコスト高となる問題があった。
【０００８】
このような問題を解決するため、最近では図１４に示すような折返し導波管１０を使用して平面アレーアンテナを小形化したものが考えられている。
この折返し導波管１０は、方形の下側導波管１１ａ及び上側導波管１１ｂを積層配置し、その一方の端部を１８０°の折返し部１２により結合している。この折返し部１２は、上側端及び下側端に４５°カットの反射面１３を形成し、この反射面１３に反射波打消し用の調整ネジ１４を装着している。そして、下側導波管１１ａと上側導波管１１ｂとの間に位置している導体板１５の先端と折返し部１２の端面との間隔ｈを各導波管１１ａ，１１ｂの狭壁面幅（高さ）ｂに一致させている。
【０００９】
上記折返し導波管１０によれば、入力側の下側導波管１１ａにより伝送されてきた電磁波を折返し部１２で１８０°反射させて出力側の上側導波管１１ｂに導くことができる。
【００１０】
上記のように折返し導波管１０を使用し、方形導波管を１８０°折返して平面アレーアンテナを構成することにより、アンテナを小型化することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の折返し導波管１０は、折返し端１２の上部及び下部に４５°カットの反射面１３を形成しなければならず、しかも、この反射面１３に反射波打消し用の調整ネジ１４を装着する必要があるので、構成が複雑であると共に、高い寸法精度が要求され、高コストで量産に適さないという問題があった。また、導波管１１ａ，１１ｂと折返し部１２との整合は、調整ネジ１４からの反射波と折返し部からの反射波を打ち消すことにより行なっているので、周波数特性が狭帯域であり、かつ１台１台毎に調整作業を必要としている。
【００１２】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、構成が簡単で、特別な寸法精度を要求せず、無調整で安定した性能を得ることができ、しかも、低コストの折返し導波管を使用した平面アレーアンテナを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、方形導波管（広壁面幅：ａ、狭い壁面幅：ｂ）の広壁面をほぼ１８０°折返して構成した折返し導波管において、
この折返し導波管を複数個用いてｎ重に広壁面が密接するよう、方形導波管を折返して積み重ね、該折返し導波管の片側一方の狭壁面に複数の電波放射用スロットを設けて構成したことを特徴とする平面アレーアンテナである。
なお、上記折返し部の開口窓の寸法をａ×ｈとし、該ｈの値を
「（π／２）／（β１ −β２ ）」
但し、β１ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＥ１０モードにおける伝搬定数
β２ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＭ１１モードにおける伝搬定数
２ｂ＞λ０ ／２，λ０ ：自由空間波長
の値にほぼ等しくなるように設定する。
【００１４】
第２の発明は、方形導波管（広壁面幅：ａ、狭い壁面幅：ｂ）の広壁面をほぼ１８０°折返して構成した折返し導波管において、
この折返し導波管を複数個用いてｎ重に広壁面が密接するよう、方形導波管を折返して積み重ね、該折返し導波管の片側一方の狭壁面に複数の電波放射用スロットを設けて構成し、少なくとも前記折返し部に比誘電率εｒ の誘電体を充填することを特徴とする平面アレーアンテナである。
なお、上記折返し部の開口窓の寸法をａ×ｈとし、該ｈの値を
「（π／２）／（β１ −β２ ）」
但し、β１ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＥ１０モードにおける伝搬定数
β２ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＭ１１モードにおける伝搬定数
２ｂ＞λｇ／２，λｇ＝λ０ ／√（εｒ ）
λ０ ：自由空間波長、λｇ：誘電体内伝搬波長
の値にほぼ等しくなるように設定する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る折返し導波管２０の概略構成を示すもので、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は側断面図である。
【００１７】
この折返し導波管２０は、広壁面幅（横幅）がａ，狭壁面幅（高さ）がｂの方形導波管を広壁面にてほぼ１８０°折返して構成したもので、積層状態にある下側導波管２１ａ及び上側導波管２１ｂと、この両者を結合する折返し部２２からなっている。この折返し部２２は、方形状に形成され、導波管２１ａ，２１ｂに対向する面に反射板２３が形成されている。また、折返し部２２は、導波管２１ａ，２１ｂの積層高さと同じ高さ、つまり、「２×ｂ」の高さとし、導波管２１ａ，２１ｂを分離する導体板２４の先端と反射板２３との間隔をｈに設定する。従って、折返し部２２における導波管２１ａ，２１ｂに対する開口窓の寸法は、ａ×ｈとなる。このｈの値は、
ｈ＝（π／２）／（β１ −β２ ）
β１ ＝｛（２π／λ）２ −（π／ａ）２ ｝１／２
β２ ＝｛（２π／λ）２ −（π／ａ）２ −（π／２ｂ）２ ｝１／２
但し、β１ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＥ１０モードにおける伝搬定数
β２ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＭ１１モードにおける伝搬定数
２ｂ＞λ０ ／２，λ０ ：自由空間波長
なる関係式から求める。
【００１８】
次に上記のように構成された折返し導波管２０の動作原理を図２を参照して説明する。
【００１９】
図２（ａ）は折返し導波管２０の寸法関係を示し、図２（ｂ）は折返し導波管２０の反射面（反射板２３）に対して対称な位置に鏡像の原理に基づいた影像を示し、結合伝送線路による高周波電力の入力端子Ａから出力端子Ｂ′への移行の様子を示している。
【００２０】
図２（ｂ）において、入力Ａからの基本伝搬モードＴＥ１０の電界ｅ，ｅは、幅２ｈの結合部では、ＴＥ１０モードの電界「ｅ＋ｅ＝２ｅ」と高次伝搬モードＴＭ１１の電界「−ｅｍ ＋ｅｍ ＝０」が存在している。この電界ｅとｅｍ は、その絶対値が等しいので、出力端子Ｂへは、図示したように「ｅ−ｅｍ ＝０」となる。
【００２１】
一方、出力端子Ａ′及びＢ′へは、結合部の寸法２ｈを適度に定めることにより、出力端子Ａ′において「ｅ−ｅｍ ＝０」、出力端子Ｂ′において「ｅ＋ｅｍ 」となり、入力端子Ａからの入力電力は、全部出力端子Ｂ′に結合させることができる。
【００２２】
すなわち、図２（ｂ）で、入力端子Ａへの反射を零にすることは、影像による端子Ａ′への透過を零にすることであり、これは端子Ａ，Ｂ，Ａ′，Ｂ′なる４端子の結合部の導波管サイズ「ａ×２ｂ」における基本伝搬モードＴＥ１０と高次伝搬モードＴＭ１１の各位相定数をそれぞれβ１ ，β２ とした場合、「β１ ・２ｈ−β２ ・２ｈ＝π」となる条件を満たすように寸法ｈを定めると、両モードの高周波電力が互いに打ち消して、端子Ａ′への出力は原理上零となる。
【００２３】
一方、端子Ｂ′への透過電力は、ＴＭ１１モードの極性が端子Ａと１８０°重なっているため、端子Ａ→端子Ｂ′へは「β１ ・２ｈ−β２ ・２ｈ＝２π」となり、両モードの位相が同相となり、全電力は端子Ｂへ伝搬する。
【００２４】
従って、図２（ａ）において、端子Ａから入力した電力は、反射することなく端子Ｂに伝送される。
【００２５】
上記のことを確認するため、周波数ｆ＝２４ＧＨｚにおけるａ＝１７０ｍｍ、ｂ＝５．５ｍｍなるオーバーサイズ導波管について確認した。前式の関係より、ｈ＝１８ｍｍを求め、実測した結果、図３に示すように、ｈ＝１８ｍｍ近傍において、ＶＳＷＲがほぼ１．１程度の良好な結果が得られた。図３は、導体板２４の先端と反射板２３との間隔ｈを０ｍｍから６０ｍｍまで変化させたときのＶＳＷＲの値を測定して示したものである。
【００２６】
また、図４は、上記実験結果のｈ＝１８ｍｍとした時の周波数（２２〜２６ＧＨｚ）に対するＶＳＷＲの値を測定して示したものである。この図より、広帯域に亘って反射波の少ないことが判る。
【００２７】
上記のように本発明の折返し導波管によれば、通常の公差で加工するのみで、調整することなく、図３及び図４の実測結果に示す特性を得ることができる。
【００２８】
（第２実施形態）
図５は、上記折返し導波管２０に誘電体を充填した場合の実施形態例を示したものである。
【００２９】
図５（ａ）は、折返し導波管２０に対して全体に比誘電率εｒ の誘電体２５を充填した場合の例を示したものである。
【００３０】
上記のように誘電体２５を充填した場合、折返し部２２におけるｈの値を
「（π／２）／（β１ −β２ ）」
但し、β１ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＥ１０モードにおける伝搬定数
β２ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＭ１１モードにおける伝搬定数
２ｂ＞λｇ／２，λｇ＝λ０ ／√（εｒ ）
λ０ ：自由空間波長、λｇ：誘電体内伝搬波長
の値にほぼ等しくなるように設定する。
【００３１】
このように誘電体２５を充填することにより、導波管の寸法を１／√（εｒ ）に縮小することができ、全体を小型化することができる。
【００３２】
図５（ｂ）は、折返し部２２にのみ誘電体２５を充填したもので、誘電体２５の先端にテーパ部２６を形成している。この場合、誘電体２５のテーパ部２６は、下側導波管２１ａ及び上側導波管２１ｂの端部に位置するようにしている。上記のように誘電体２５の先端をテーパ状に形成したのは、インピーダンスを整合するためである。
このような構成とすることにより、導波管２１ａ，２１ｂの寸法ｂ（高さ）を小さく（薄く）して小形化しても、折返し部２２の透過寸法は√（εｒ ）倍されるため、インピーダンス整合を無理なく行なうことができる。
【００３３】
図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示したように誘電体２５の先端にテーパ部２６を形成する代わりに、誘電体２５とは異なる比誘電率εｒ ′の誘電体２７をインピーダンス整合用として設けたものである。この場合、誘電体２７は、その厚さをλｇ／４とし、比誘電率εｒ ′が例えば誘電体２５の比誘電率εｒ より大きいものを使用する。なお、λｇは、誘電体２７内の伝搬波長である。
【００３４】
上記のように誘電体２５の端部に、この誘電体２５とは異なる比誘電率εｒ ′の誘電体２７を設けることにより、図５（ｂ）のように誘電体２５の先端にテーパ部２６を形成した場合と同様にインピーダンス整合を行なわせることができる。
【００３５】
（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。
【００３６】
この第３実施形態は、図６に示す扇形ホーン３０に対して上記第１実施形態と同様にして折返しを行なった場合の例を示したものである。図７の（ａ）はこの第２実施形態における折返し扇形ホーン３１の斜視図、（ｂ）は（ａ）の中心線上の断面図である。
【００３７】
一般にこの種の扇形ホーン３０は、性能向上のため、緩やかなテーパ状として長く形成し、始端より給電して終端の開口部より出力している。
図７は、上記扇形ホーン３０に対し、２つの折返し部３２を設けて折返し扇形ホーン３１を構成し、その全長を１／３にしている。この折返し扇形ホーン３１においても、折返し部３２は前記第１実施形態と同様に構成されるものであり、その詳細については省略する。
【００３８】
（第４実施形態）
上記図７に示したような折返し扇形ホーン３１は、各種の形態のホーンにも適用することができる。
【００３９】
すなわち、折返し導波管の出力波は、その原理から入射波の位相に等しく、進行方向が反対である。この動作は、反射板の入射波と反射波の関係と同じである。従って、折返し扇形ホーン３１における折返し部３２の形状を変えることにより、種々の波面の出力波を得ることができる。
【００４０】
図８は、１つの折返し部３２を有する折返し扇形ホーン３１に対する実施形態例を示したものである。図８（ａ）は、（ｂ）〜（ｄ）に示した折返し扇形ホーン３１の中心線上の断面図であり、各折返し部３２の状態を示している。
図８（ｂ）は、折返し部（反射板部）３２を直線状としたもので、折返し部３２からの放射は発散円筒波となる。これは給電電磁波が円筒波であるので、円筒波−発散円筒波変換器を形成する。
【００４１】
図８（ｃ）は、折返し部３２を円形状に形成したものである。これは折返し部３２からの電磁波の放射は、同図に示すように一点に収束するので、円筒波−収束円筒波変換器を形成する。このように折返し部３２を円形状に形成した折返し扇形ホーン３１は、電波レンズとして応用することができる。
【００４２】
図８（ｄ）は、折返し部３２を放物面状に形成したもので、折返し部３２からの電磁波の放射は平行となり、平行円筒波、すなわち平面波となる。従って、この場合には、円筒波−平面波変換器を形成する。このように折返し部３２を放物面状に形成した折返し扇形ホーン３１は、平面アレーアンテナの給電に給電に用いられる。
【００４３】
更に、その他の応用として折返し部３２を楕円形状に形成したものも考えられる。
【００４４】
（第５実施形態）
次に本発明に係る折返し導波管を平面アレーアンテナに応用した実施形態について説明する。
【００４５】
図９は、前記第１実施形態に示した折返し導波管２０を平面アレーアンテナ４０に応用した場合の例を示したものである。この図９に示す平面アレーアンテナ４０は、折返し導波管２０を複数個連結して構成したものである。すなわち、８個の方形導波管４１を広壁面が密接するように平行配置すると共に、その各端部を上記折返し部２２により連結し、始端側の方形導波管４１に給電部４２を設け、上記連結した方形導波管４１の一方のＨ面（狭い面）に複数の放射用スロット４３を形成して平面アレーアンテナ４０を構成している。上記放射用スロット４３は、例えば始端側では小さく、終端側に行くに従って段々大きくなるように形成され、各放射用スロット４３から平均した電波が放射されるようにしている。
【００４６】
上記のように構成された平面アレーアンテナ４０は、給電部４２より方形導波管４１に供給された電磁波は、各折返し部２２を介して各方形導波管４１内を伝送され、放射用スロット４３から外部に放射される。
【００４７】
（第６実施形態）
図１０（ａ），（ｂ）は、扇形ホーンを用いて平面アレーアンテナ５０を形成した場合の実施形態を示したものである。同図（ａ）は平面アレーアンテナ５０の上面側の斜視図、同図（ｂ）は裏面側の斜視図である。この平面アレーアンテナ５０は、扇形ホーンからなるＨ面電磁ホーン５１を折返し、その折返し部５２から先を単にオーバーサイズ（幅広）の導波管５３とし、このオーバーサイズ導波管５３の上面に複数の放射スロット（非共振スロット）５４を設け、また、上記Ｈ面電磁ホーン５１の始端部に給電コネクタ５５を設けたものである。上記折返し部５２は、前記第１実施形態と同様に構成される。
【００４８】
上記放射スロット５４としては、図示した直線状のものの他に、例えば円形孔、十字状スロット等、種々の形状のものが考えられる。また、その他、放射スロット５４に代えて円形の結合用孔を設け、この孔にコイルとプローブで形成されたヘリカル放射素子や、パッチ状放射素子をプローブで結合するもの等、種々の放射素子を使用することができる。
【００４９】
（第７実施形態）
図１１（ａ），（ｂ）は、図１０の場合と同様に折返し扇形ホーンを用いて構成した平面アレーアンテナ５０において、Ｈ面電磁ホーン５１の折返し直前に電波レンズ、例えば半円状の誘電体レンズ５６を装荷したものである。図１１（ａ）は平面アレーアンテナ５０の斜視図、同図（ｂ）は（ａ）の中心線断面図である。
【００５０】
上記のように誘電体レンズ５６を装荷することにより、折返し後の電磁波を平面波としてオーバーサイズ導波管５３に導かれ、このオーバーサイズ導波管５３の上面に形成された放射スロット５４から外部に放射される。
【００５１】
（第８実施形態）
図１２は、折返しラジアル導波路（円形導波路）を用いて平面アレーアンテナ６０を構成した場合の実施形態を示したものである。
同図において、折返しラジアル導波路６１は、３枚の円形導体板６２ａ〜６２ｃと最外郭の側面金属板６３により、下側及び上側の上下２層のラジアル導波路６１ａ，６１ｂを形成し、中間に位置する円形導体板６２ｂの半径を外側の円形導体板６２ａ，６２ｃより小さくし、ラジアル導波路６１ａ，６１ｂ間の周縁に開放部を形成して折返し導波管６４としている。そして、下側ラジアル導波路６１ａに対して給電用の同軸線路６５を結合し、上側ラジアル導波路６１ｂの上面に放射スロット（または放射素子）６６を形成している。
【００５２】
上記折返しラジアル導波路６１において、側面金属板６３から中間の円形導体板６２ｂの縁端部までの寸法ｈ、及びラジアル導波路６１ａ，６１ｂの全体の高さ２ｂは、前記第１実施形態で説明した通りであるが、広壁面幅ａに相当するものとして２πｒを使用する。このｒの値は、ラジアル導波路６１の中心から折返し導波管６４の開口部の中心位置までの距離である。
【００５３】
そして、上記円形導体板６２ｂの半径が波長に比して大きい場合は、上記ｈの値を
「（π／２）／（β１ −β２ ）」
但し、β１ ：間隔２ｂの平行平板導波路におけるＴＭ０ モード（基本伝搬モード）の伝搬定数
β２ ：間隔２ｂの平行平板導波路におけるＴＭ１ モード（高次伝搬モードの伝搬定数
２ｂ＞λ０ ／２，λ０ ：自由空間波長
の値にほぼ等しくなるように設定する。
【００５４】
上記折返しラジアル導波路６１を用いた平面アレーアンテナ６０の動作は、前記図８（ｃ）に示した円形折返し導波管の場合に相当し、下側ラジアル導波路６１ａを伝送する発散円筒波が上側ラジアル導波路６１ｂを伝送する収束円筒波に変換される。
【００５５】
上記折返しラジアル導波路６１は、構造が簡単で、低損失かつ広帯域で動作するので、実用的で高能率な平面アレーアンテナ６０を実現することができる。
【００５６】
なお、前記図５に示した実施形態では、折返し導波管２０に対して誘電体を設けた場合について説明したが、その他、図７、図８に示した折返し扇形ホーンに対しても誘電体を充填して小形化を図ることができる。
更に、図９ないし図１２に示した平面アレーアンテナにおいても、図５と同様にして誘電体を充填して小形化を図ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、方形導波管の広壁面をほぼ１８０°折曲げて構成した折返し導波管において、上記折返し部の開口窓の寸法をａ×ｈとし、ｈの寸法をほぼ「（π／２）／（β１ −β２ ）」の値となるように設定することにより、構成が簡単で、特別な寸法精度を要求せず、無調整で安定した性能を得ることができ、しかも、コストの低下を図ることができる。
また、上記折返し導波管を利用することにより、小形で安定した性能の平面アレーアンテナを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る折返し導波管の概略構成図。
【図２】同実施形態における折返し導波管の動作原理を説明するための図。
【図３】同実施形態における折返し導波管の定在波比特性を示す図。
【図４】同実施形態における折返し導波管の周波数特性を示す図。
【図５】本発明に第２実施形態に係る折返し導波管の概略構成図。
【図６】本発明の対象とする扇形ホーンの構成を示す斜視図。
【図７】本発明の第３実施形態に係る折返し扇形ホーンの構成図。
【図８】本発明の第４実施形態に係る折返し扇形ホーンの構成図。
【図９】本発明の第５実施形態に係る折返し導波管を用いた平面アレーアンテナの構成図。
【図１０】本発明の第６実施形態に係る折返し扇形ホーンを用いた平面アレーアンテナの構成図。
【図１１】本発明の第７実施形態に係る折返し扇形ホーンを用いた平面アレーアンテナの構成図。
【図１２】本発明の第８実施形態に係るラジアル導波路を用いた平面アレーアンテナの構成図。
【図１３】従来の平面アレーアンテナの構成図。
【図１４】従来の折返し導波管の概略構成図。
【符号の説明】
２０ 折返し導波管
２１ａ 下側導波管
２１ｂ 上側導波管
２２ 折返し部
２３ 反射板
２４ 導体板
２５，２７ 誘電体
３０ 扇形ホーン
３１ 折返し扇形ホーン
３２ 折返し部
４０ 平面アレーアンテナ
４１ 方形導波管
４２ 給電部
４３ 放射用スロット
５０ 平面アレーアンテナ
５１ Ｈ面電磁ホーン
５２ 折返し部
５３ オーバーサイズ導波管
５４ 放射スロット
５５ 給電コネクタ
５６ 誘電体レンズ
６０ 平面アレーアンテナ
６１ 折返しラジアル導波路
６２ａ〜６２ｃ 円形導体板
６３ 側面金属板
６４ 折返し導波管
６５ 同軸線路
６６ 放射スロット
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波〜ミリ波帯において使用される折返し導波管を用いた平面アレーアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にマイクロ波〜ミリ波帯においては、低損失伝送路である導波管が多用されており、複数の導波管を並列に並べて平面アレーアンテナを構成している。
【０００３】
図１３（ａ），（ｂ）は、従来の平面アレーアンテナの構成例を示したものである。
【０００４】
図１３（ａ）に示す平面アレーアンテナは、Ｈ面電磁ホーン１にオーバーサイズ導波管２を結合したものである。Ｈ面電磁ホーン１は、一端に給電部３を有すると共に、中央部に整合板４を備え、オーバーサイズ導波管２は、上面に複数の放射スロット５を形成している。そして、上記給電部３より供給される電磁波は、Ｈ面電磁ホーン１を介してオーバーサイズ導波管２に伝送され、複数の放射スロット５より外部に放射される。
【０００５】
また、図１３（ｂ）に示す平面アレーアンテナは、上記Ｈ面電磁ホーン１に代えて導波管分岐回路６を使用したものである。この導波管分岐回路６は、給電部３より供給される電磁波を複数に分岐してオーバーサイズ導波管２に伝送する。
【０００６】
上記図１３（ａ）に示す平面アレーアンテナに使用されるＨ面電磁ホーン１は、所定の特性を得るために緩やかなテーパ状とする必要があり、このため全長が長くなり、製造コスト高はもとより、取扱いにおいても大形になるので非常に不便であった。
【０００７】
また、上記Ｈ面電磁ホーン１に代えて導波管分岐回路６を使用した図１３（ｂ）に示す平面アレーアンテナは、導波管分岐回路６の構造が非常に複雑になり、その製造に多大な時間がかかり、きわめてコスト高となる問題があった。
【０００８】
このような問題を解決するため、最近では図１４に示すような折返し導波管１０を使用して平面アレーアンテナを小形化したものが考えられている。
この折返し導波管１０は、方形の下側導波管１１ａ及び上側導波管１１ｂを積層配置し、その一方の端部を１８０°の折返し部１２により結合している。この折返し部１２は、上側端及び下側端に４５°カットの反射面１３を形成し、この反射面１３に反射波打消し用の調整ネジ１４を装着している。そして、下側導波管１１ａと上側導波管１１ｂとの間に位置している導体板１５の先端と折返し部１２の端面との間隔ｈを各導波管１１ａ，１１ｂの狭壁面幅（高さ）ｂに一致させている。
【０００９】
上記折返し導波管１０によれば、入力側の下側導波管１１ａにより伝送されてきた電磁波を折返し部１２で１８０°反射させて出力側の上側導波管１１ｂに導くことができる。
【００１０】
上記のように折返し導波管１０を使用し、方形導波管を１８０°折返して平面アレーアンテナを構成することにより、アンテナを小型化することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の折返し導波管１０は、折返し端１２の上部及び下部に４５°カットの反射面１３を形成しなければならず、しかも、この反射面１３に反射波打消し用の調整ネジ１４を装着する必要があるので、構成が複雑であると共に、高い寸法精度が要求され、高コストで量産に適さないという問題があった。また、導波管１１ａ，１１ｂと折返し部１２との整合は、調整ネジ１４からの反射波と折返し部からの反射波を打ち消すことにより行なっているので、周波数特性が狭帯域であり、かつ１台１台毎に調整作業を必要としている。
【００１２】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、構成が簡単で、特別な寸法精度を要求せず、無調整で安定した性能を得ることができ、しかも、低コストの折返し導波管を使用した平面アレーアンテナを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、方形導波管（広壁面幅：ａ、狭い壁面幅：ｂ）の広壁面をほぼ１８０°折返して構成した折返し導波管において、
この折返し導波管を複数個用いてｎ重に広壁面が密接するよう、方形導波管を折返して積み重ね、該折返し導波管の片側一方の狭壁面に複数の電波放射用スロットを設けて構成したことを特徴とする平面アレーアンテナである。
なお、上記折返し部の開口窓の寸法をａ×ｈとし、該ｈの値を
「（π／２）／（β１ −β２ ）」
但し、β１ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＥ１０モードにおける伝搬定数
β２ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＭ１１モードにおける伝搬定数
２ｂ＞λ０ ／２，λ０ ：自由空間波長
の値にほぼ等しくなるように設定する。
【００１４】
第２の発明は、方形導波管（広壁面幅：ａ、狭い壁面幅：ｂ）の広壁面をほぼ１８０°折返して構成した折返し導波管において、
この折返し導波管を複数個用いてｎ重に広壁面が密接するよう、方形導波管を折返して積み重ね、該折返し導波管の片側一方の狭壁面に複数の電波放射用スロットを設けて構成し、少なくとも前記折返し部に比誘電率εｒ の誘電体を充填することを特徴とする平面アレーアンテナである。
なお、上記折返し部の開口窓の寸法をａ×ｈとし、該ｈの値を
「（π／２）／（β１ −β２ ）」
但し、β１ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＥ１０モードにおける伝搬定数
β２ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＭ１１モードにおける伝搬定数
２ｂ＞λｇ／２，λｇ＝λ０ ／√（εｒ ）
λ０ ：自由空間波長、λｇ：誘電体内伝搬波長
の値にほぼ等しくなるように設定する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る折返し導波管２０の概略構成を示すもので、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は側断面図である。
【００１７】
この折返し導波管２０は、広壁面幅（横幅）がａ，狭壁面幅（高さ）がｂの方形導波管を広壁面にてほぼ１８０°折返して構成したもので、積層状態にある下側導波管２１ａ及び上側導波管２１ｂと、この両者を結合する折返し部２２からなっている。この折返し部２２は、方形状に形成され、導波管２１ａ，２１ｂに対向する面に反射板２３が形成されている。また、折返し部２２は、導波管２１ａ，２１ｂの積層高さと同じ高さ、つまり、「２×ｂ」の高さとし、導波管２１ａ，２１ｂを分離する導体板２４の先端と反射板２３との間隔をｈに設定する。従って、折返し部２２における導波管２１ａ，２１ｂに対する開口窓の寸法は、ａ×ｈとなる。このｈの値は、
ｈ＝（π／２）／（β１ −β２ ）
β１ ＝｛（２π／λ）２ −（π／ａ）２ ｝１／２
β２ ＝｛（２π／λ）２ −（π／ａ）２ −（π／２ｂ）２ ｝１／２
但し、β１ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＥ１０モードにおける伝搬定数
β２ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＭ１１モードにおける伝搬定数
２ｂ＞λ０ ／２，λ０ ：自由空間波長
なる関係式から求める。
【００１８】
次に上記のように構成された折返し導波管２０の動作原理を図２を参照して説明する。
【００１９】
図２（ａ）は折返し導波管２０の寸法関係を示し、図２（ｂ）は折返し導波管２０の反射面（反射板２３）に対して対称な位置に鏡像の原理に基づいた影像を示し、結合伝送線路による高周波電力の入力端子Ａから出力端子Ｂ′への移行の様子を示している。
【００２０】
図２（ｂ）において、入力Ａからの基本伝搬モードＴＥ１０の電界ｅ，ｅは、幅２ｈの結合部では、ＴＥ１０モードの電界「ｅ＋ｅ＝２ｅ」と高次伝搬モードＴＭ１１の電界「−ｅｍ ＋ｅｍ ＝０」が存在している。この電界ｅとｅｍ は、その絶対値が等しいので、出力端子Ｂへは、図示したように「ｅ−ｅｍ ＝０」となる。
【００２１】
一方、出力端子Ａ′及びＢ′へは、結合部の寸法２ｈを適度に定めることにより、出力端子Ａ′において「ｅ−ｅｍ ＝０」、出力端子Ｂ′において「ｅ＋ｅｍ 」となり、入力端子Ａからの入力電力は、全部出力端子Ｂ′に結合させることができる。
【００２２】
すなわち、図２（ｂ）で、入力端子Ａへの反射を零にすることは、影像による端子Ａ′への透過を零にすることであり、これは端子Ａ，Ｂ，Ａ′，Ｂ′なる４端子の結合部の導波管サイズ「ａ×２ｂ」における基本伝搬モードＴＥ１０と高次伝搬モードＴＭ１１の各位相定数をそれぞれβ１ ，β２ とした場合、「β１ ・２ｈ−β２ ・２ｈ＝π」となる条件を満たすように寸法ｈを定めると、両モードの高周波電力が互いに打ち消して、端子Ａ′への出力は原理上零となる。
【００２３】
一方、端子Ｂ′への透過電力は、ＴＭ１１モードの極性が端子Ａと１８０°重なっているため、端子Ａ→端子Ｂ′へは「β１ ・２ｈ−β２ ・２ｈ＝２π」となり、両モードの位相が同相となり、全電力は端子Ｂへ伝搬する。
【００２４】
従って、図２（ａ）において、端子Ａから入力した電力は、反射することなく端子Ｂに伝送される。
【００２５】
上記のことを確認するため、周波数ｆ＝２４ＧＨｚにおけるａ＝１７０ｍｍ、ｂ＝５．５ｍｍなるオーバーサイズ導波管について確認した。前式の関係より、ｈ＝１８ｍｍを求め、実測した結果、図３に示すように、ｈ＝１８ｍｍ近傍において、ＶＳＷＲがほぼ１．１程度の良好な結果が得られた。図３は、導体板２４の先端と反射板２３との間隔ｈを０ｍｍから６０ｍｍまで変化させたときのＶＳＷＲの値を測定して示したものである。
【００２６】
また、図４は、上記実験結果のｈ＝１８ｍｍとした時の周波数（２２〜２６ＧＨｚ）に対するＶＳＷＲの値を測定して示したものである。この図より、広帯域に亘って反射波の少ないことが判る。
【００２７】
上記のように本発明の折返し導波管によれば、通常の公差で加工するのみで、調整することなく、図３及び図４の実測結果に示す特性を得ることができる。
【００２８】
（第２実施形態）
図５は、上記折返し導波管２０に誘電体を充填した場合の実施形態例を示したものである。
【００２９】
図５（ａ）は、折返し導波管２０に対して全体に比誘電率εｒ の誘電体２５を充填した場合の例を示したものである。
【００３０】
上記のように誘電体２５を充填した場合、折返し部２２におけるｈの値を
「（π／２）／（β１ −β２ ）」
但し、β１ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＥ１０モードにおける伝搬定数
β２ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＭ１１モードにおける伝搬定数
２ｂ＞λｇ／２，λｇ＝λ０ ／√（εｒ ）
λ０ ：自由空間波長、λｇ：誘電体内伝搬波長
の値にほぼ等しくなるように設定する。
【００３１】
このように誘電体２５を充填することにより、導波管の寸法を１／√（εｒ ）に縮小することができ、全体を小型化することができる。
【００３２】
図５（ｂ）は、折返し部２２にのみ誘電体２５を充填したもので、誘電体２５の先端にテーパ部２６を形成している。この場合、誘電体２５のテーパ部２６は、下側導波管２１ａ及び上側導波管２１ｂの端部に位置するようにしている。上記のように誘電体２５の先端をテーパ状に形成したのは、インピーダンスを整合するためである。
このような構成とすることにより、導波管２１ａ，２１ｂの寸法ｂ（高さ）を小さく（薄く）して小形化しても、折返し部２２の透過寸法は√（εｒ ）倍されるため、インピーダンス整合を無理なく行なうことができる。
【００３３】
図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示したように誘電体２５の先端にテーパ部２６を形成する代わりに、誘電体２５とは異なる比誘電率εｒ ′の誘電体２７をインピーダンス整合用として設けたものである。この場合、誘電体２７は、その厚さをλｇ／４とし、比誘電率εｒ ′が例えば誘電体２５の比誘電率εｒ より大きいものを使用する。なお、λｇは、誘電体２７内の伝搬波長である。
【００３４】
上記のように誘電体２５の端部に、この誘電体２５とは異なる比誘電率εｒ ′の誘電体２７を設けることにより、図５（ｂ）のように誘電体２５の先端にテーパ部２６を形成した場合と同様にインピーダンス整合を行なわせることができる。
【００３５】
（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態について、図６及び図７を参照して説明する。
【００３６】
この第３実施形態は、図６に示す扇形ホーン３０に対して上記第１実施形態と同様にして折返しを行なった場合の例を示したものである。図７の（ａ）はこの第２実施形態における折返し扇形ホーン３１の斜視図、（ｂ）は（ａ）の中心線上の断面図である。
【００３７】
一般にこの種の扇形ホーン３０は、性能向上のため、緩やかなテーパ状として長く形成し、始端より給電して終端の開口部より出力している。
図７は、上記扇形ホーン３０に対し、２つの折返し部３２を設けて折返し扇形ホーン３１を構成し、その全長を１／３にしている。この折返し扇形ホーン３１においても、折返し部３２は前記第１実施形態と同様に構成されるものであり、その詳細については省略する。
【００３８】
（第４実施形態）
上記図７に示したような折返し扇形ホーン３１は、各種の形態のホーンにも適用することができる。
【００３９】
すなわち、折返し導波管の出力波は、その原理から入射波の位相に等しく、進行方向が反対である。この動作は、反射板の入射波と反射波の関係と同じである。従って、折返し扇形ホーン３１における折返し部３２の形状を変えることにより、種々の波面の出力波を得ることができる。
【００４０】
図８は、１つの折返し部３２を有する折返し扇形ホーン３１に対する実施形態例を示したものである。図８（ａ）は、（ｂ）〜（ｄ）に示した折返し扇形ホーン３１の中心線上の断面図であり、各折返し部３２の状態を示している。
図８（ｂ）は、折返し部（反射板部）３２を直線状としたもので、折返し部３２からの放射は発散円筒波となる。これは給電電磁波が円筒波であるので、円筒波−発散円筒波変換器を形成する。
【００４１】
図８（ｃ）は、折返し部３２を円形状に形成したものである。これは折返し部３２からの電磁波の放射は、同図に示すように一点に収束するので、円筒波−収束円筒波変換器を形成する。このように折返し部３２を円形状に形成した折返し扇形ホーン３１は、電波レンズとして応用することができる。
【００４２】
図８（ｄ）は、折返し部３２を放物面状に形成したもので、折返し部３２からの電磁波の放射は平行となり、平行円筒波、すなわち平面波となる。従って、この場合には、円筒波−平面波変換器を形成する。このように折返し部３２を放物面状に形成した折返し扇形ホーン３１は、平面アレーアンテナの給電に給電に用いられる。
【００４３】
更に、その他の応用として折返し部３２を楕円形状に形成したものも考えられる。
【００４４】
（第５実施形態）
次に本発明に係る折返し導波管を平面アレーアンテナに応用した実施形態について説明する。
【００４５】
図９は、前記第１実施形態に示した折返し導波管２０を平面アレーアンテナ４０に応用した場合の例を示したものである。この図９に示す平面アレーアンテナ４０は、折返し導波管２０を複数個連結して構成したものである。すなわち、８個の方形導波管４１を広壁面が密接するように平行配置すると共に、その各端部を上記折返し部２２により連結し、始端側の方形導波管４１に給電部４２を設け、上記連結した方形導波管４１の一方のＨ面（狭い面）に複数の放射用スロット４３を形成して平面アレーアンテナ４０を構成している。上記放射用スロット４３は、例えば始端側では小さく、終端側に行くに従って段々大きくなるように形成され、各放射用スロット４３から平均した電波が放射されるようにしている。
【００４６】
上記のように構成された平面アレーアンテナ４０は、給電部４２より方形導波管４１に供給された電磁波は、各折返し部２２を介して各方形導波管４１内を伝送され、放射用スロット４３から外部に放射される。
【００４７】
（第６実施形態）
図１０（ａ），（ｂ）は、扇形ホーンを用いて平面アレーアンテナ５０を形成した場合の実施形態を示したものである。同図（ａ）は平面アレーアンテナ５０の上面側の斜視図、同図（ｂ）は裏面側の斜視図である。この平面アレーアンテナ５０は、扇形ホーンからなるＨ面電磁ホーン５１を折返し、その折返し部５２から先を単にオーバーサイズ（幅広）の導波管５３とし、このオーバーサイズ導波管５３の上面に複数の放射スロット（非共振スロット）５４を設け、また、上記Ｈ面電磁ホーン５１の始端部に給電コネクタ５５を設けたものである。上記折返し部５２は、前記第１実施形態と同様に構成される。
【００４８】
上記放射スロット５４としては、図示した直線状のものの他に、例えば円形孔、十字状スロット等、種々の形状のものが考えられる。また、その他、放射スロット５４に代えて円形の結合用孔を設け、この孔にコイルとプローブで形成されたヘリカル放射素子や、パッチ状放射素子をプローブで結合するもの等、種々の放射素子を使用することができる。
【００４９】
（第７実施形態）
図１１（ａ），（ｂ）は、図１０の場合と同様に折返し扇形ホーンを用いて構成した平面アレーアンテナ５０において、Ｈ面電磁ホーン５１の折返し直前に電波レンズ、例えば半円状の誘電体レンズ５６を装荷したものである。図１１（ａ）は平面アレーアンテナ５０の斜視図、同図（ｂ）は（ａ）の中心線断面図である。
【００５０】
上記のように誘電体レンズ５６を装荷することにより、折返し後の電磁波を平面波としてオーバーサイズ導波管５３に導かれ、このオーバーサイズ導波管５３の上面に形成された放射スロット５４から外部に放射される。
【００５１】
（第８実施形態）
図１２は、折返しラジアル導波路（円形導波路）を用いて平面アレーアンテナ６０を構成した場合の実施形態を示したものである。
同図において、折返しラジアル導波路６１は、３枚の円形導体板６２ａ〜６２ｃと最外郭の側面金属板６３により、下側及び上側の上下２層のラジアル導波路６１ａ，６１ｂを形成し、中間に位置する円形導体板６２ｂの半径を外側の円形導体板６２ａ，６２ｃより小さくし、ラジアル導波路６１ａ，６１ｂ間の周縁に開放部を形成して折返し導波管６４としている。そして、下側ラジアル導波路６１ａに対して給電用の同軸線路６５を結合し、上側ラジアル導波路６１ｂの上面に放射スロット（または放射素子）６６を形成している。
【００５２】
上記折返しラジアル導波路６１において、側面金属板６３から中間の円形導体板６２ｂの縁端部までの寸法ｈ、及びラジアル導波路６１ａ，６１ｂの全体の高さ２ｂは、前記第１実施形態で説明した通りであるが、広壁面幅ａに相当するものとして２πｒを使用する。このｒの値は、ラジアル導波路６１の中心から折返し導波管６４の開口部の中心位置までの距離である。
【００５３】
そして、上記円形導体板６２ｂの半径が波長に比して大きい場合は、上記ｈの値を
「（π／２）／（β１ −β２ ）」
但し、β１ ：間隔２ｂの平行平板導波路におけるＴＭ０ モード（基本伝搬モード）の伝搬定数
β２ ：間隔２ｂの平行平板導波路におけるＴＭ１ モード（高次伝搬モードの伝搬定数
２ｂ＞λ０ ／２，λ０ ：自由空間波長
の値にほぼ等しくなるように設定する。
【００５４】
上記折返しラジアル導波路６１を用いた平面アレーアンテナ６０の動作は、前記図８（ｃ）に示した円形折返し導波管の場合に相当し、下側ラジアル導波路６１ａを伝送する発散円筒波が上側ラジアル導波路６１ｂを伝送する収束円筒波に変換される。
【００５５】
上記折返しラジアル導波路６１は、構造が簡単で、低損失かつ広帯域で動作するので、実用的で高能率な平面アレーアンテナ６０を実現することができる。
【００５６】
なお、前記図５に示した実施形態では、折返し導波管２０に対して誘電体を設けた場合について説明したが、その他、図７、図８に示した折返し扇形ホーンに対しても誘電体を充填して小形化を図ることができる。
更に、図９ないし図１２に示した平面アレーアンテナにおいても、図５と同様にして誘電体を充填して小形化を図ることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、方形導波管の広壁面をほぼ１８０°折曲げて構成した折返し導波管において、上記折返し部の開口窓の寸法をａ×ｈとし、ｈの寸法をほぼ「（π／２）／（β１ −β２ ）」の値となるように設定することにより、構成が簡単で、特別な寸法精度を要求せず、無調整で安定した性能を得ることができ、しかも、コストの低下を図ることができる。
また、上記折返し導波管を利用することにより、小形で安定した性能の平面アレーアンテナを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る折返し導波管の概略構成図。
【図２】同実施形態における折返し導波管の動作原理を説明するための図。
【図３】同実施形態における折返し導波管の定在波比特性を示す図。
【図４】同実施形態における折返し導波管の周波数特性を示す図。
【図５】本発明に第２実施形態に係る折返し導波管の概略構成図。
【図６】本発明の対象とする扇形ホーンの構成を示す斜視図。
【図７】本発明の第３実施形態に係る折返し扇形ホーンの構成図。
【図８】本発明の第４実施形態に係る折返し扇形ホーンの構成図。
【図９】本発明の第５実施形態に係る折返し導波管を用いた平面アレーアンテナの構成図。
【図１０】本発明の第６実施形態に係る折返し扇形ホーンを用いた平面アレーアンテナの構成図。
【図１１】本発明の第７実施形態に係る折返し扇形ホーンを用いた平面アレーアンテナの構成図。
【図１２】本発明の第８実施形態に係るラジアル導波路を用いた平面アレーアンテナの構成図。
【図１３】従来の平面アレーアンテナの構成図。
【図１４】従来の折返し導波管の概略構成図。
【符号の説明】
２０ 折返し導波管
２１ａ 下側導波管
２１ｂ 上側導波管
２２ 折返し部
２３ 反射板
２４ 導体板
２５，２７ 誘電体
３０ 扇形ホーン
３１ 折返し扇形ホーン
３２ 折返し部
４０ 平面アレーアンテナ
４１ 方形導波管
４２ 給電部
４３ 放射用スロット
５０ 平面アレーアンテナ
５１ Ｈ面電磁ホーン
５２ 折返し部
５３ オーバーサイズ導波管
５４ 放射スロット
５５ 給電コネクタ
５６ 誘電体レンズ
６０ 平面アレーアンテナ
６１ 折返しラジアル導波路
６２ａ〜６２ｃ 円形導体板
６３ 側面金属板
６４ 折返し導波管
６５ 同軸線路
６６ 放射スロット
Claims (2)
- 方形導波管（広壁面幅：ａ、狭い壁面幅：ｂ）の広壁面をほぼ１８０°折返して構成した折返し導波管において、
この折返し導波管を複数個用いてｎ重に広壁面が密接するよう、方形導波管を折返して積み重ね、該折返し導波管の片側一方の狭壁面に複数の電波放射用スロットを設けて構成したことを特徴とする平面アレーアンテナ。
なお、上記折返し部の開口窓の寸法をａ×ｈとし、該ｈの値を
「（π／２）／（β１ −β２ ）」
但し、β１ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＥ１０モードにおける伝搬定数
β２ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＭ１１モードにおける伝搬定数
２ｂ＞λ０ ／２，λ０ ：自由空間波長
の値にほぼ等しくなるように設定する。 - 方形導波管（広壁面幅：ａ、狭い壁面幅：ｂ）の広壁面をほぼ１８０°折返して構成した折返し導波管において、
この折返し導波管を複数個用いてｎ重に広壁面が密接するよう、方形導波管を折返して積み重ね、該折返し導波管の片側一方の狭壁面に複数の電波放射用スロットを設けて構成し、少なくとも前記折返し部に比誘電率εｒ の誘電体を充填することを特徴とする平面アレーアンテナ。
なお、上記折返し部の開口窓の寸法をａ×ｈとし、該ｈの値を
「（π／２）／（β１ −β２ ）」
但し、β１ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＥ１０モードにおける伝搬定数
β２ ：ａ×２ｂ方形導波管のＴＭ１１モードにおける伝搬定数
２ｂ＞λｇ／２，λｇ＝λ０ ／√（εｒ ）
λ０ ：自由空間波長、λｇ：誘電体内伝搬波長
の値にほぼ等しくなるように設定する。
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