JP3823293B2 - 複合テーパードスロットアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、地上レーダや精査レーダ等の各種レーダ装置、車両等の衝突防止用等のセンサ、高速無線ＬＡＮ等の通信装置、ＥＳＭ装置等の各種の装置に使用可能で、広帯域特性を有すると共に、アレイ化が容易な複合テーパードスロットアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
アレイアンテナを構成する為のアンテナ素子として、電磁ホーンアンテナ、渦巻アンテナ、対数周期アンテナ、テーパードスロットアンテナ等の各種のアンテナ素子が知られている。例えば、電磁ホーンや対数周期アンテナは、広帯域で整合させる為に、構成が比較的大型となる傾向を有するものであり、グレーティングローブを抑圧する為の配列の工夫が必要となる。又渦巻アンテナやテーパードスロットアンテナは、小型で広帯域の整合が可能であり、平面アレイには有用なものである。又渦巻アンテナは円偏波を発生し、テーパードスロットアンテナは直線偏波を発生する。
【０００３】
図８は従来のテーパードスロットアンテナを示し、（Ａ）はアレイ化したときのアンテナ面の配列を示し、（Ｂ）は単一のテーパードスロットアンテナの給電面を示す。誘電体基板８１の一方の面に、銅（Ｃｕ）等による導体層８２を形成し、その導体層８２にテーパー部８３とスロットライン部とからなるテーパードスロットアンテナ８３を形成し、誘電体基板８１の他方の面にマイクロストリップライン８４を形成し、スロットラインとマイクロストリップライン８４とを直交配置して、マイクロストリップライン−スロットライン変換部による給電部を構成する。図８の（Ｂ）は、マイクロストリップライン８４側から見た構成、即ち、給電面を示す。
【０００４】
マイクロストリップライン８４から給電すると、スロットラインとマイクロストリップラインとを直交するように配置したマイクロストリップラインースロットライン変換部による給電部を介して、テーパードスロットアンテナ８３に給電され、矢印で示す直線偏波でテーパー部８３の開口側から電波を放射する。即ち、アレイアンテナとした時のエンドファイア方向に電波を放射する。この従来のテーパードスロットアンテナは、テーパー部８３の開口側のエンドファイア方向に放射される電波の電力が最も大きいが、ホーンアンテナとは異なり、誘電体基板８１に対して垂直方向にも放射する特性となる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来のテーパードスロットアンテナは、テーパー部８３と給電の為のマイクロストリップライン８４とが直線状に配置された構成となるから、奥行きが大きくなり、アレイ化したときに大型化する問題がある。又テーパードスロットアンテナは、前述のように、誘電体基板８１に対して垂直方向にも電波が放射される特性を有するのであるから、図８の（Ａ）に示すようにアレイ化したときに、隣接アンテナ素子間の相互カップリングが大きい問題があり、近接して配置することができないものである。
【０００６】
又テーパードスロットアンテナは、テーパー部の開口側に沿った直線偏波のみの放射となり、垂直偏波と水平偏波とに対応するには、物理的に全体を９０度回転しなければならない問題がある。
【０００７】
本発明は、アレイ化も容易で、且つ偏波面の切替え又は円偏波の発生も可能な広帯域のアンテナを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の複合テーパードスロットアンテナは、図１を参照して説明すると、複数のテーパードスロットアンテナ３ａ，３ｂを、各テーパードスロットアンテナ３ａ，３ｂの開口側端部を相互に接触させた状態となるように誘電体基板１上に形成し、複数のテーパードスロットアンテナ３ａ，３ｂの中の少なくとも１個のテーパードスロットアンテナ３ａの開口側と反対側に、マイクロストリップラインから給電する給電部を形成した構成を有する。
【０００９】
又電波を放射するアンテナ面の反対側に電波吸収体と、この電波吸収体を収納したキャビティとを設けることができる。又誘電体基板１上に、４個のテーパードスロットアンテナの開口側を対向させて形成し、直交する位置のテーパードスロットアンテナに選択的に又は９０度の位相差で給電する給電部を形成することができる。
【００１０】
又電波を放射するアンテナ面上に順次誘電率が大きくなる複数の誘電体層を設けることができる。又給電部は、誘電体基板の一方の面に形成したテーパー部とスロットスタブとの間のスロットラインと直交するように、誘電体基板の他方の面にマイクロストリップラインを形成した構成とすることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施の形態の説明図であり、（Ａ）はアレイ化したアンテナ面を示し、（Ｂ）は単一のアンテナの側面を示し、（Ｃ）は給電面を示す。誘電体基板１の一方の面に、銅等の導体層２を斜線で示すように形成し、それをパターンニングして、テーパー部６とスロットスタブ７とを含むテーパードスロットアンテナ３ａ，３ｂの開口側を対向させて形成する。この実施の形態は、２個のテーパードスロットアンテナのテーパー部６側を対向させて形成した場合を示す。
【００１２】
又誘電体基板１のテーパードスロットアンテナ３ａ，３ｂを形成した面と反対側の給電面に、マイクロストリップライン４とマイクロストリップスタブ８とを形成し、テーパードスロットアンテナ３ａのテーパー部６とスロットスタブ７との間のスロットラインと、マイクロストリップライン４とを直交するように配置して、マイクロストリップライン−スロットライン変換部５による給電部を形成する。この場合、スロットスタブ７とマイクロストリップスタブ８とは、広帯域にわたり、マイクロストリップラインとスロットラインとの変換を可能とするように構成される。即ち、図１の（Ｃ）に於いては、テーパードスロットアンテナ３ａ，３ｂは点線で示すように誘電体基板１の裏面側に形成し、マイクロストリップライン４とマイクロストリップスタブ８とを実線で示すように、誘電体基板１の表面側に形成した状態を示す。
【００１３】
従って、それぞれ同一のパターンで、一方の給電を行うテーパードスロットアンテナと、他方の無給電のテーパードスロットアンテナとを、テーパー部６が対向するように配置した構成となり、マイクロストリップライン４から給電すると、図８に示す従来例とは相違して、図１の（Ｂ）に示すように、誘電体基板１に対して垂直方向、即ち、アレイ化した時のブロードサイド方向に電波を放射する特性とすることができる。又図１の（Ａ）の矢印で示す偏波方向となる。即ち、直線偏波として誘電体基板１に対して垂直方向に放射することになる。従って、アレイ化方向として示すように、誘電体基板１を相互に平面上に配列して、直線状のアレイアンテナを構成することができる。又は二次元面に配列したアレイアンテナを構成することができる。その場合に、誘電体基板１に対して垂直方向、即ち、ブロードサイド方向に電波を放射することができるから、隣接したアンテナ素子間の相互カップリングは少なく、従って、相互に近接して配置することが可能となり、アレイアンテナの小型化を図ることも可能となる。
【００１４】
図２は本発明の第２の実施の形態の要部断面図を示し、図１と同一符号は同一部分を示し、１０はキャビティ、１１は電波吸収体、１２は空間を示す。誘電体基板１のアンテナ面に形成した導体層２に、前述のテーパードスロットアンテナを形成し、前述の給電面に相当する側に、キャビティ１０を設け、その内部に、カーボン，フェライト，ゴム等の誘電体又はそれらを混合して、電波吸収材料として既に知られている各種の材料の中から選択した電波吸収体１１を収納する。その場合に、誘電体基板１と空間１２を介して電波吸収体１１を収納した場合を示す。
【００１５】
又キャビティ１０は、金属により構成し、テーパードスロットアンテナの給電面側に放射される電波を、アンテナ面側に反射させる為のものであり、又電波吸収体１１は、キャビティ１０による電波の反射特性を広帯域にわたり整合させる為のものである。このような構成により、放射方向は、誘電体基板１のアンテナ面側からの一方向となり、アンテナゲインの向上を図ることができる。なお、キャビティ１０と電波吸収体１１とを、テーパードスロットアンテナを形成した誘電体基板１のアンテナ面側に設けて、マイクロストリップラインを設けた給電面側を電波の放射面とすることも可能である。
【００１６】
図３は本発明の第３の実施の形態の説明図であり、（Ａ）はアンテナ面、（Ｂ）は側面、（Ｃ）は給電面を示す。誘電体基板１上に形成した導体層２に、テーパー部とスロットスタブとスロットラインとを含む４個のテーパードスロットアンテナ３ａ〜３ｄのそれぞれ開口側を対向させて形成し、図３の（Ａ）のアンテナ面として示す構成とする。
【００１７】
又直交した位置のテーパードスロットアンテナ、例えば、テーパードスロットアンテナ３ａ，３ｃのテーパー部とスロットスタブとの間のスロットラインにそれぞれ直交するように、誘電体基板１のテーパードスロットアンテナを形成した面と反対側の給電面にマイクロストリップライン４ａ，４ｃを、図３の（Ｃ）に示すように形成し、マイクロストリップライン−スロットライン変換部による給電部を形成する。この場合のマイクロストリップライン４ａ，４ｃにもストリップスタブを形成する。
【００１８】
例えば、給電１として示すように、マイクロストリップライン４ａからテーパードスロットアンテナ３ａに給電し、他のテーパードスロットアンテナ３ｂ，３ｃ，３ｄは無給電とすると、図１に於いて説明した偏波方向の直線偏波として放射することができる。又給電２として示すように、マイクロストリップライン４ｃからテーパードスロットアンテナ３ｃに給電し、他のテーパードスロットアンテナ３ａ，３ｂ，３ｄは無給電とすると、図１に於いて説明した偏波方向と直交する偏波方向となる。即ち、給電１，給電２の切替えにより、垂直偏波と水平偏波との切替えが簡単にできることになる。又給電１，給電２を同時に行うと共に、それぞれの給電位相を９０度とすると、円偏波を放射することができる。その場合の円偏波の回転方向も位相制御により容易に切替えることができる。
【００１９】
又図３の（Ｂ）に示すように、誘電体基板１の両面から矢印で示すように、電波が放射されるものであるが、図３に示す実施の形態に於いても、図２に示すキャビティ１０を設けた実施の形態と組合せて、誘電体基板１の何れか一つの面側から電波を放射する構成とすることも可能である。
【００２０】
図４は本発明の第４の実施の形態の要部断面図であり、図２と同一符号は同一部分を示し、２０は誘電体層を示す。誘電体基板１の給電面側にキャビティ１０とその中に収容した電波吸収体１１とを設け、誘電体基板１上に形成した導体層２の上、即ち、複数のテーパードスロットアンテナを、導体層２のスロットパターンによって形成したアンテナ面上に、誘電体層２０を設ける。この誘電体層２０の誘電率と厚さとの選定により、ブロードサイド方向の空間との整合性をとって、アンテナのゲインを向上させると共に広帯域化することができる。この実施の形態に於いても、誘電体基板１上に形成したテーパードスロットアンテナ側に前述の電波吸収体１１を収容したキャビティ１０を設け、マイクロストリップラインを形成した給電面側を電波の放射面とした時に、その電波の放射面側に、前述の誘電体層２０を設けることができる。
【００２１】
図５は本発明の第５の実施の形態の分解斜視図を示し、誘電体基板１に、テーパー部６とスロットスタブ７とを有し、テーパー部６の開口側を対向して配置した２個のテーパードスロットアンテナと、その反対側の面にマイクロストリップスタブ８とマイクロストリップライン４とを形成し、テーパードスロットアンテナを形成した面側に、電波吸収体１１を収容したキャビティ１０を設けて、マイクロストリップライン４を形成した給電面側から電波を放射する構成とした場合を示す。又誘電体基板１をキャビティ１０に固定した時に、マイクロストリップライン４の給電側の孔に給電用同軸ライン３３を挿入して半田付け等により接続する。
【００２２】
又電波を放射する面上に複数種類の誘電体層３１，３２を設ける。この実施の形態に於いては２種類の誘電体層３１，３２を設けた場合を示すが、更に多種類の誘電体層を設けることも可能である。この実施の形態に於ける誘電体層３１，３２の比誘電率は、誘電体基板１側を小さく、順次大きくなるように構成する。例えば、８ＧＨｚ〜１８ＧＨｚ帯等に於いて使用する広帯域アンテナを構成する場合、誘電体基板１上の誘電体層３１とその上の誘電体層３２との比誘電率ε１，ε２と、厚さｔ１，ｔ２とは、例えば、ε１＝２．１、ｔ１＝１〔ｍｍ〕、ε２＝９．７、ｔ２＝１．２〔ｍｍ〕とすることができる。又この場合の誘電体層３１として、４フッ化エチレンを用いることができ、又誘電体層３２としてアルミナ等のセラミックを用いることができる。
【００２３】
又誘電体基板１の厚さを０．５〔ｍｍ〕、比誘電率を３とした構成が一般には使用されている。又誘電体基板１の寸法ａ，ｂと、スロットスタブ７間の寸法ｄと、テーパー部６の曲率半径ｒと、キャビティ１０の高さｃとの一例を示す。即ち、ａ＝ｂ＝１２〔ｍｍ〕、ｃ＝５〔ｍｍ〕、ｄ＝７．６〔ｍｍ〕、ｒ＝１．６〔ｍｍ〕とすることができる。又スロットスタブ７は、扇形の場合を示し、通常は、内部波長をλ_g とすると、その長さをλ_g ／４とし、スロットラインから見て７０度程度の開き角度のパターンとすることができる。なお、前述の各部の寸法や誘電率等は、周波数帯等に応じて種々変更することができるものである。
【００２４】
図６は本発明の実施の形態の広帯域アンテナの反射減衰量及びアンテナゲインの特性説明図であり、図５に示す実施の形態の構成について、（Ａ）は反射減衰量特性、（Ｂ）はアンテナゲイン特性を８ＧＨｚ〜１８ＧＨｚ帯にわたって示すものである。従って、マイクロ波帯の広帯域にわたり送受信アンテナとして用いることが可能であり、且つアレイ化することにより、アンテナゲインの向上及び指向性の制御等が可能となる。
【００２５】
図７は本発明の実施の形態のアンテナ放射パターンの測定曲線図を示す。同図に於いて、（Ａ）は８ＧＨｚ、（Ｂ）は１２ＧＨｚ、（Ｃ）は１８ＧＨｚの電界面アンテナ放射パターンを示し、前述の誘電体基板１に垂直な方向を０度とし、且つその方向の放射レベルを０ｄＢに正規化し、＋９０度〜−９０度の範囲についての放射パターンを示す。各周波数帯に於ける放射パターンは類似しており、広帯域アンテナとして使用することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、複数のテーパードスロットアンテナ、例えば、図１に示すように２個のテーパードスロットアンテナ３ａ，３ｂの開口側を対向させて誘電体基板１上に形成し、複数のテーパードスロットアンテナ３ａ，３ｂの中の少なくとも１個のテーパードスロットアンテナ３ａの開口側と反対側に給電部を形成したもので、アレイ化した時のブロードサイド方向に電波を放射することができることにより、アンテナ素子間の相互カップリングを低減し、近接配置を可能とすることができるから、小型化を図ることができる利点がある。
【００２７】
又複数のテーパードスロットアンテナ、例えば、図３に示すように、４個のテーパードスロットアンテナ３ａ〜３ｄを、それぞれのテーパー部６の開口側を対向させるように配置した構成とし、直交する位置のテーパードスロットアンテナに対して、選択的に給電することにより、垂直偏波又は水平偏波の切替えを容易に行うことができる利点がある。又９０度位相で同時に給電することにより、円偏波とすることができる利点がある。
【００２８】
又電波吸収体１１を収容したキャビティ１０を設けることにより、誘電体基板１の一方の面からのみ電波を放射する構成として、アンテナゲインを向上することができ、且つ広帯域化も可能となる利点がある。又電波の放射面側に誘電体層を設けて、空間との整合をとることにより、アンテナゲインの向上及び広帯域化を図ることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の説明図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の要部断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態の説明図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態の要部断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態の分解斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態の広帯域アンテナの反射減衰量及びアンテナゲインの特性説明図である。
【図７】本発明の実施の形態のアンテナ放射パターンの測定曲線図である。
【図８】従来例の説明図である。
【符号の説明】
１ 誘電体基板
２ 導体層
３ａ，３ｂ テーパードスロットアンテナ
４ マイクロストリップライン
５ 給電部
６ テーパー部
７ スロットスタブ
８ マイクロストリップスタブ

Claims (5)

1. 複数のテーパードスロットアンテナを該テーパードスロットアンテナの開口側端部を相互に接触させた状態となるように誘電体基板上に形成し、前記複数のテーパードスロットアンテナの中の少なくとも１個のテーパードスロットアンテナの前記開口側と反対側に、マイクロストリップラインから給電する給電部を形成したことを特徴とする複合テーパードスロットアンテナ。
2. 前記複数のテーパードスロットアンテナの開口側端部を相互に接触させた状態となるように誘電体基板上に形成して、電波を放射するアンテナ面の反対側に、電波吸収体と、該電波吸収体を収納したキャビティとを設けたことを特徴とする請求項１記載の複合テーパードスロットアンテナ。
3. 前記誘電体基板上に、４個の前記テーパードスロットアンテナの開口側端部を相互に接触させた状態となるように形成し、直交する配置位置の前記テーパードスロットアンテナに選択的に又は位相差をもって給電する給電部を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の複合テーパードスロットアンテナ。
4. 前記複数のテーパードスロットアンテナの開口側端部を相互に接触させた状態となるように誘電体基板上に形成して、電波を放射するアンテナ面上に、順次誘電率が大きくなる複数の誘電体層を設けたことを特徴とする請求項１又は２又は３記載の複合テーパードスロットアンテナ。
5. 前記複数のテーパードスロットアンテナの開口側端部を相互に接触させた状態となるように誘電体基板上に形成して、前記テーパードスロットアンテナの前記開口側と反対側に形成した給電部は、前記誘電体基板の一方の面に形成したテーパー部とスロットスタブとの間のマイクロストリップラインと直交するように、前記誘電体基板の他方の面にマイクロストリップラインを形成した構成を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の複合テーパードスロットアンテナ。

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