JP3725766B2

JP3725766B2 - キャビティ付きスロットアレーアンテナ

Info

Publication number: JP3725766B2
Application number: JP2000216136A
Authority: JP
Inventors: 充村本; 金見佐々木; 精彦伊藤; 学山本
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 1999-07-19
Filing date: 2000-07-17
Publication date: 2005-12-14
Anticipated expiration: 2020-07-17
Also published as: US6342864B1; JP2001094340A; KR20010021105A; KR100601768B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、誘電体基板の一方の面の直線帯状の給電線路と、誘電体基板の他方の面の導体層に備えられた複数のスロットとを有するスロットアンテナ部を使用するスロットアレーアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の指向性を有するスロットアレーアンテナは、所望の方向から到来する電波を受信し、あるいは、所望の方向に電波を送信するために広く利用されている。これらのスロットアレーアンテナのうち、誘電体基板の上に構成する平面アンテナは、小型化や軽量化を行う場合に有利である。誘電体基板の上に形成する複数のスロットにより構成するスロットアレーアンテナにおいては、唯一の素子にのみ給電を行う場合と、複数の素子に給電を行う場合とがある。前者の場合、給電スロット以外の素子を反射器あるいは導波器として機能させる。これに対して後者は、複数の素子を励振するが、各素子に与える振幅や位相を調節することによって所望の特性を得ようとするものである。複数の素子を同時に給電するための給電線路として、マイクロストリップ線路が用いられる。また、誘電体基板を用いずに給電線路である導波管に直接にスロットを設けたスロットアレーアンテナもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来のスロットアレーアンテナは、導波管などを使用する場合、精度を上げて加工あるいは組み立てることが容易でなく、誘電体基板の上にスロットを形成するものにあっては、スロット間の結合が無視できず、その結合を考慮に入れた設計は簡単ではなかった。
【０００４】
この発明は、上記問題を解決すべくなされたものであって、誘電体基板の上にスロットを形成するにも拘わらず、スロット間の結合が無視でき、放射指向特性が良好で簡単な構造のキャビティ付きスロットアレーアンテナを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、この発明は、複数のスロットをアレー状に備え、直列給電法により電力が供給されるスロットアンテナ部と、前記複数のスロットの存在する平面に対向する開口をもち、且つ使用周波数に対してカットオフとなっているキャビティを備えたキャビティ付き反射板とを有する。
【０００６】
また、この発明において、前記スロットアンテナ部は、誘電体基板と、該誘電体基板の一方の面に配置された給電線路と、他方の面に形成された複数のスロットを含む導体層とを有する。
【０００７】
また、この発明は、複数のスロットをアレー状に備え、直列給電法により電力が供給されるスロットアンテナ部と、前記複数のスロットの存在する平面に対向する開口をもつキャビティであって、該キャビティの幅がλ／２以下であるキャビティを備えたキャビティ付き反射板とを有する。
【０００８】
また、この発明において、前記スロットアンテナ部は、誘電体基板と、誘電体基板の一方の面に直線帯状に密着して延びるように配置された給電線路と、前記給電線路に対して誘電体基板を挟んで直交するように形成された複数のスロットを含むように前記誘電体基板の他方の面に形成された導体層とを有する。
【０００９】
また、この発明において、前記給電線路は、マイクロストリップ線路である。
【００１０】
また、この発明においては、上述したキャビティ付きスロットアレーアンテナを複数のセクタ毎に配置しているセクタアンテナ型のキャビティ付きスロットアレーアンテナを提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。図１（ａ）は、この発明のキャビティ付きスロットアレーアンテナの実施の形態に使用されるスロットアンテナ部の上面を示す斜視図、図１（ｂ）は、図１（ａ）の下面を示す斜視図、図２（ａ）は、図１のスロットアンテナ部の断面図、図２（ｂ）は、図１のスロットアンテナ部のスロットとマイクロストリップラインとの関係を示す拡大配置図、図３は、図１のスロットアンテナ部の指向特性を示す図、図４は、図１のスロットアンテナ部のスロットに平らな反射板を対向させたところを示す図、図５は、図４の放射指向特性を示す図、図６は、この発明の実施の形態の一例であって、図１のスロットアンテナ部のスロットに幅の広いキャビティ付き反射板を対向させたキャビティ付きスロットアレーアンテナを示す図、図７（ａ）は、図６のキャビティ付き反射板の正面図、図７（ｂ）は、図６のキャビティ付き反射板の側面図、図８は、図６のキャビティ付きスロットアレーアンテナの放射指向特性を示す図、図９は、この発明の最良の実施の形態であって、図１のスロットアンテナ部のスロットに幅の狭いキャビティ付き反射板を対向させたキャビティ付きスロットアレーアンテナを示す図、図１０（ａ）は、図９のキャビティ付き反射板の正面図、図１０（ｂ）は、図９のキャビティ付き反射板の側面図、図１１は、図９のキャビティ付きスロットアレーアンテナの放射指向特性を示す図である。
【００１５】
図１によって示されるスロットアンテナ部１０は、誘電体基板１１の上面に直線的に延びるように配置され、信号が入出力されるマイクロストリップ線路１２と、誘電体基板１１の下面に形成されたグランドとなる導体層１３と、マイクロストリップ線路１２の延びる方向に直角に延びるように導体層１３に形成された複数のスロット１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとから構成されている。この例において、複数のスロット１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは、それらの中心が中心線ＣＬ（図２（ｂ））の上にくるように配置されている。また、スロット１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの長さは、それぞれ１１．５ｍｍ，１２．０ｍｍ，１２．５ｍｍ，１３．０ｍｍであり、スロット幅は、共通的に１．０ｍｍであり、スロット間隔は、１３．０ｍｍである。本例では、スロットのアレー数を４素子で上記寸法としているが、素子数が４素子でなくとも、また、寸法が異なっている場合においても、キャビティを付加することによるアンテナの放射指向特性の改善効果が得られることは言うまでもない。
【００１６】
スロットアンテナ部１０は、上述したように構成されていることにより、その放射指向特性を計算すれば図３に示されるようになる。この場合、導体層１３は、充分に広いので無限に広がっているものと見なして計算している。また、０度，１８０度方向（＋Ｚ，−Ｚ方向）および９０度，２７０度方向（＋Ｙ，−Ｙ方向）で表示が不連続となるのは、導体層１３をグランドとすることにより、導体層１３を無限地板と見なしているからである。ところで、図３によって示される放射指向特性のうち＋Ｚ方向の成分のみ有効にさせたいので、一般的に図４に示されるように、スロット１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに対向して反射板２０を配置する。各部材１１，１２，１３からなるスロットアンテナ部１０の厚みは、０．７６ｍｍであって、反射板２０は、導体層１３から２．０ｍｍのところに配置されている。この場合、導体層１３と反射板２０とが無限に広がっているものと仮定して、その放射指向特性を計算すれば図５に示されるようになる。反射板２０の材質としては、アルミニウム、真鍮、銅、鉄等の金属が使用される。
【００１７】
図５を参照すれば明らかなように、−Ｙ方向のレベルに対し＋Ｙ方向のレベルが大きくなり、いわゆるＦＢ比（Front to Back Ratio）が極端に劣化している。そこで、これを改良するために行われたのが図６に示される構造である。この場合、図４において示された反射板２０のスロット１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと対向する部分を直方体状に下方にしぼり加工して（もちろん、箱形部材を溶接する等の他の方法でも良いことはいうまでもない）しぼり加工部３１を形成することによってキャビティ付き反射板３０を形成している。反射板３０のしぼり加工部３１の内側は、図７のキャビティ３２として作用している。該キャビティ３２は、図７に示されるように長さがＹ方向に４７ｍｍ、幅がＸ方向に１８ｍｍとなるように加工されている。又、キャビティ３２の深さは２ｍｍとしている。この場合、図６のキャビティ付きスロットアレーアンテナ９の放射指向特性は、図８に示されるようにビームが鋭くなる等の改良点は見られるが、ＦＢ比に関してはそれほどの改良点は見受けられない。これは、使用信号の波長をλとした場合、キャビティの幅がλ／２よりも大きく、キャビティがカットオフになっていないことに原因があることが理解できた。なお、本実施の形態において、λ＝３０．８ｍｍ（９．７５ＧＨｚ）を用いている。
【００１８】
そこで、更に改良したのが図９によって示されるキャビティ付きスロットアレーアンテナ１であり、キャビティの寸法は図１０に示してある。このキャビティ付きスロットアレーアンテナ１は、図６のキャビティ付き反射板３０の代わりにキャビティ付き反射板４０を使用している。キャビティ付き反射板４０のしぼり加工部４１は、長さが４７ｍｍ、幅が１５ｍｍのキャビティ４２を有する。又、キャビティ３２の深さは２ｍｍとしている。したがって、スロットアレーアンテナ１は、キャビティ４２の幅が１８ｍｍでなく１５ｍｍである点を除けば、スロットアレーアンテナ９と同じ構造に形成されている。このキャビティ付きスロットアレーアンテナ１は、キャビティ４２の幅が１５ｍｍであって、λ／２よりも小さく設定されているので、導波モードが発生せず、それにより、キャビティ４２内におけるスロットの相互結合を極めて小さくすることができる。また、キャビティを付加したことによる放射指向特性の劣化はほとんどない。すなわち、ここで用いているキャビティ４２は、当該周波数においてカットオフとなっているために、電波が伝達することができないことを利用したものであって、電波を伝達する目的で使用される導波管とは使用方法が全く異なっている。このようなキャビティ付きスロットアレーアンテナ１の放射指向特性が図１１に示されている。図１１から明らかなように、ビームを１方向に絞ることができ、ＦＢ比も大幅に改良されていることが分かる。尚、前記キャビティ内に前記すべてのスロットが入っていなくてもよく、図１３のように一部のスロットのみにキャビティを被わせてもよい。
【００１９】
上述したように、この発明のキャビティ付きスロットアレーアンテナ１に使用されるスロットアレーアンテナ部１０は、誘電体基板の上に形成される指向性アンテナであるから、１枚の誘電体基板の上に複数のスロットアレーアンテナ部を配置することによりセクタ化することができる。このように４つ（これに限定されるわけではない）のスロットアレーアンテナ部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄを配置して４つにセクタ化したキャビティ付きスロットアレーアンテナ２を示しているのが図１２である。図１２のキャビティ付きスロットアレーアンテナ２においては、スロットアレーアンテナ部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄに対面するように、充分な厚みを持った導体板５０にキャビティ５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄが穿設されている。
【００２０】
図１２のスロットアレーアンテナ部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄとキャビティ５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄとのそれぞれの関係は、図９および図１０に示された関係と同等の関係を有し、図１１に示されたと同様の特性を有するように設定されている。また、図１２では、キャビティ５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄは、一体化されているものとして表示されているが、場合によっては個別にされていてもよい。上述のスロットアレーアンテナ部１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄは、例えば、誘電体基板１１の下面に形成された導体層１３の該当部分をエッチングで除去し、マイクロストリップ線路１２は、誘電体基板１１の上面に形成された導体層の該当部分を残して、他の不要な部分をエッチングで除去することによって容易に形成できる。図９ないし図１２に示されたキャビティ付きスロットアレーアンテナ１，２は、特に、周波数の高いミリ波等による高速無線伝送システムに対して、安価で、ビームが鋭く、ＦＢ比等の特性のよいアンテナを提供することができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上に詳述したように、この発明のキャビティ付きスロットアレーアンテナは、複数のスロットをアレー状に備えたスロットアンテナ部と、前記複数のスロットの存在する平面に対向する開口をもつキャビティを備えたキャビティ付き反射板とを有することにより、スロット間の結合が少なく、安価で、ビームが鋭いという特性を実現できる。この場合、前記キャビティが使用周波数に対してカットオフとなっていると、これらの特性は、ＦＢ比が改良される等さらに特性のよいものとなる。
【００２２】
また、この発明は、前記スロットアレーアンテナ部が誘電体基板の一方の面に直線帯状に密着して延びるように配置された給電線路と、誘電体基板の他方の面の導体層に互いに平行に形成され、前記給電線路に対しては誘電体基板を挟んで直交するように形成された複数のスロットとを有することにより、誘電体基板の両面に形成された導体層にエッチング処理を加えて前記スロットアレーアンテナ部を容易に生成することができる。さらに、この発明は、上記のキャビティ付きスロットアレーアンテナを複数のセクタ毎に配置することにより、小形で高性能のセクタアンテナ型のキャビティ付きスロットアレーアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、この発明のキャビティ付きスロットアレーアンテナの実施の形態に使用されるスロットアンテナ部の上面を示す斜視図である。
（ｂ）は、（ａ）の下面を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１のスロットアンテナ部の断面図である。
（ｂ）は、図１のスロットアンテナ部のスロットとマイクロストリップラインとの関係を示す拡大配置図である。
【図３】図１のスロットアンテナ部の指向特性を示す図である。
【図４】図１のスロットアンテナ部のスロットに平らな反射板を対向させたところを示す図である。
【図５】図４のアンテナの放射指向特性を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態の一例であって、図１のスロットアンテナ部のスロットに幅の広いキャビティ付き反射板を対向させたキャビティ付きスロットアレーアンテナを示す図である。
【図７】（ａ）は、図６のキャビティ付き反射板の正面図である。
（ｂ）は、図６のキャビティ付き反射板の側面図である。
【図８】
図６のキャビティ付きスロットアレーアンテナの放射指向特性を示す図である。
【図９】この発明の最良の実施の形態であって、図１のスロットアンテナ部のスロットに幅の狭いキャビティ付き反射板を対向させたキャビティ付きスロットアレーアンテナを示す図である。
【図１０】（ａ）は、図９のキャビティ付きスロットアレーアンテナに用いられているキャビティ付き反射板の正面図である。
（ｂ）は、図９のキャビティ付き反射板の側面図である。
【図１１】図９のキャビティ付きスロットアレーアンテナの放射指向特性を示す図である。
【図１２】この発明の他の実施の形態であって、セクタアンテナ型のキャビティ付きスロットアレーアンテナを示す図である。
【図１３】この発明の他の実施の形態であって、図１のスロットアンテナ部のスロットに長さの狭いキャビティ付き反射板を対向させたキャビティ付きスロットアレーアンテナを示す図である。
【符号の説明】
１，２，９，１５キャビティ付きスロットアレーアンテナ
１０スロットアンテナ部
１１誘電体基板
１２マイクロストリップ線路
１３導体層
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄスロット
３０，４０，６０キャビティ付き反射板
３１，４１，６１しぼり加工部
３２，４２，５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄキャビティ
５０導体板

Claims

複数のスロットをアレー状に備え、直列給電法により電力が供給されるスロットアンテナ部と、前記複数のスロットの存在する平面に対向する開口をもち、且つ使用周波数に対してカットオフとなっているキャビティを備えたキャビティ付き反射板とを有するキャビティ付きスロットアレーアンテナ。
前記スロットアンテナ部は、誘電体基板と、該誘電体基板の一方の面に配置された給電線路と、他方の面に形成された複数のスロットを含む導体層とを有する請求項１記載のキャビティ付きスロットアレーアンテナ。
複数のスロットをアレー状に備え、直列給電法により電力が供給されるスロットアンテナ部と、前記複数のスロットの存在する平面に対向する開口をもつキャビティであって、該キャビティの幅がλ／２以下であるキャビティを備えたキャビティ付き反射板とを有するキャビティ付きスロットアレーアンテナ。
前記スロットアンテナ部は、誘電体基板と、誘電体基板の一方の面に直線帯状に密着して延びるように配置された給電線路と、前記給電線路に対して誘電体基板を挟んで直交するように形成された複数のスロットを含むように前記誘電体基板の他方の面に形成された導体層とを有する請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のキャビティ付きスロットアレーアンテナ。
前記給電線路は、マイクロストリップ線路である請求項４に記載のキャビティ付きスロットアレーアンテナ。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のキャビティ付きスロットアレーアンテナを複数のセクタ毎に配置しているセクタアンテナ型のキャビティ付きスロットアレーアンテナ。