JP3848944B2 - 導波管スロットアレーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、特にマイクロ波帯、ミリ波帯において用いられる導波管スロットアレーアンテナの技術分野に属する。

Ｈ面管壁に、長手方向に沿って多数のスロットを設けた矩形導波管を同一平面上で平行に多数並べて各導波管へ給電するようにした導波管スロットアレーアンテナ、或いは板状導電性部材の１面に断面矩形状の溝を平行に多数設けたベース体に、溝に対応するように多数のスロットが設けられたスロット板を被せて各溝へ給電するようにした構造の導波管スロットアレーアンテナにおいては、給電した際の各スロットから給電側への反射を少なくするために、スロットの、管軸方向或いは溝の長手方向における間隔を、管内波長の２分の１よりも短くしたり、長くしたりしている。

その結果、導波管スロットアレーアンテナの指向特性において、主ビームが、スロットアレー平面に対して垂直方向を向かず傾きを生ずる（これをビームチルトと言う）と言う問題がある（例えば非特許文献１および２参照）。
そのためアンテナを設置する際に、アンテナ開口面を、主ビームを向けたい方向からビームチルト分だけ傾けて設置しなければならないという問題が生じる。
リチャード・シー・ジョンソン（Richard C.Johnson)、「アンテナ工学ハンドブック」（「Antenna Engineering Handbook」）、３版（THIRDEDITION)、米国、マグローヒル（McGraw-Hill Inc)、1993年、ｐ．９−27 木村雄一、平野拓一、廣川二郎、安藤真、「Alternating-phase fed single-layer slotted waveguide arrays with chokes dispensing with narrow wall contacts」、アイイーイー プロシーデングス マイクロウェーブ アンテナ プロパゲーション（IEE Proc.-Microw.Antennas Propag.,）、英国、ＩＥＥ、2001年10月、Vol.148,No.5、p.297

本発明の解決課題は、導波管スロットアレーアンテナにおいて、ビームチルトの原因となっているスロット間隔を従来のように管内波長の１／２よりも大きくしたり短くしたりせずに、給電に対する反射波の少ない導波管スロットアレーアンテナを実現することである。

本発明は、上記の課題を解決するために以下の構成を有する。
第１の構成（基本構成）は、矩形導波管のＨ面管壁に、長手方向が管軸方向のスロットを、管軸方向に沿って配列した放射用導波管のスロットから遠い側のＥ面管壁に、スロット毎に対応させて管軸方向に対して垂直な面を有する壁板を設け、以て、スロット部分からの反射波を壁板面からの反射波によって相殺・低減することを特徴とする導波管スロットアレーアンテナである。

第２の構成は、第１の構成において、放射用導波管が、板状導電性部材の１面に断面矩形状の溝を設けたベース体と、この溝の上に被せるように配置され溝に沿ってスロットが配列されているスロット板とから成るものであることを特徴とする導波管スロットアレーアンテナである。

図３（ａ）は斜視図、（ｂ）は管軸方向図、（ｃ）は平面図に示すように、管壁１０にスロット２を設けた矩形導波管９に入射波Ｗｉを入力するとスロット２の部分で入射波はＷｉの一部が反射され反射波Ｗｓを生ずる。導波系においてこのような反射波を生ずることは伝送効率を招き好ましいことではないので反射波をできるだけ少なくする工夫が行われている。

導波管スロットアレーアンテナにおいては、導波管の長手方向に沿ってスロットが配列されているが、このスロットの間隔を管内波長の２分の１より長くしたり、短くしたりして、反射波同士を少しずつ相殺させるようにして全体としての反射が少なくなるようにしていた。しかし、その結果、前述のように、アンテナビーム方向がスロットアレー面の法線から傾く（ビームチルト）という問題があった。

そこで、本発明のスロットアレーアンテナでは、スロット２に対応させて、図３に示すように壁板３を設けて、ここでも反射させ、その反射波Ｗｐで、スロット２での反射波Ｗｓをできるだけ相殺させ、全体としての反射波を低減させるようにし、スロットの間隔を管内波長の２分の１から増減しなくともよいようにして、以て、問題のビームチルトをなくするようにするということである。

２つの反射波が相殺し合うということは、両者の位相が１８０度異なるときである。反射波同士が同振幅で１８０度異なるときは完全にゼロになる。
しかしながらスロットからの反射波Ｗｓはある１つの位置からのみ反射されるわけではなく、反射強度とその位相の分布はある拡がりをもっている。

一方、壁板３からの反射波Ｗｐも、壁板自体が有限寸法であるところから理想的な反射とは言えずその振幅および位相の分布は、スロット２の場合程ではないにしても、拡がりを有する。
従って、およその見当としては、スロットからの反射波Ｗｓの振幅が大きい成分の位相と、壁板３からの反射波Ｗｐの振幅の大きい成分の位相が１８０度異なるように壁板の位置決めをすることにより、相殺の効果を高めることができる。

また振幅については、壁板３の幅の大小によって異なるので、スロットからの反射波Ｗｓの振幅に近づけるような幅にすることにより相殺効果を高めることができる。最終的には導波管入射口での反射波の強度を測定あるいはシミュレーションしつつ、壁板の位置や幅を定めることになる。

導波管スロットアレーアンテナでは、管軸に沿って、所定間隔で多数のスロットが配列されているが、前述のように各スロット毎に対応させて壁板を設けて反射波を抑制することにより全体としても反射波が低減され、ビームチルトも生じないということになる。

以上説明したように、本発明の導波管スロットアレーアンテナは、導波管の管壁に多数設けられるスロットの各スロット毎に対応させて、管内側壁に、管軸方向に対して垂直な面を有する壁板を設け、スロットで生じる反射波を壁板での反射波で相殺低減するようにしたので、スロットでの反射を低減するために従来のように、スロット間隔を管内波長の２分の１より長くしたり、短くしたりする必要がなく、長くしたり短くしたりすることによって生じていたビームチルトを解消できるという利点がある。

本発明アンテナの基本構成としては、Ｈ面管壁にスロット列が設けられＥ面側壁に壁板が設けられた導波管を同一平面に並べた構成であるが、１本１本の導波管が独立したものである必要はなく、隣り同士の導波管のＥ面側壁は、境界壁として共通のものであってもよい。

また、Ｅ面側壁に設けられる壁板は、導波管内に設けられるものであるから管として出来上がったものに後から設けるのは困難なことである。
従って、本発明アンテナの製造という観点からすれば、金属導体板上に、導波管のＥ面側壁に相当する衝立状の境界壁を導波管Ｈ面幅に相当する間隔で平行に立てて導波路溝を複数平行に形成するようにし、この境界壁にはあらかじめスロット間隔に対応させて壁板を設けておき、その上から各導波路に対応させてあらかじめスロットが切ってあるスロット板を被せるという構成が製造上好ましい構成である。

更に、最も好ましい実施の形態としては、上記構成のうちスロット板以外の部分をダイキャストで製造したものである。ダイキャストによれば導波路溝、境界壁、反射用の壁板が１工程で精度よく形成できるからである。

以下、本発明の導波管スロットアレーアンテナの実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明スロットアレーアンテナを構成するスロット板１とベース体７の重ね合わせる前の斜視図である。図２は、図１のスロット板１とベース体７の平面図である。ベース体７はダイキャストで製造されたものであり、放射用導波路５、境界壁４、壁板３その他の形状は、鋳型へ溶融合金を圧入することにより１度に形成される。中央に給電孔８が設けられ、その両側に延びる給電導波路６が設けられている。この給電導波路６の両側直角方向に多数の放射用導波路５が等間で平行に設けられている。境界壁４はその両側の放射用導波路５に対してＥ面管壁となっている。境界壁４の側面には、壁板３が管内１波長の間隔で設けられているが、放射用導波路５の両側間では２分の１波長分だけずれており、１の放射用導波路５について見れば、長手方向間隔の２分の１毎に左右に千鳥の配置となっている。

その理由は、スロット２が、放射用導波路５の中心に対して左右に千鳥に配置されており、壁板３は、中心に対してスロット２とは反対側境界壁に設けられているので結果的に壁板３の配置も管内２分の１波長進むごとに千鳥配置となっている。１つの放射用導波路５について見た場合、壁板３の幅が異なっているが、これは放射用導波路５の中心に対するスロット２の位置が異なることにより、スロット２での反射量が異なり、これを相殺するのに必要な壁板３による反射量か異なるためである。
こうして１つのスロット２毎に反射波が少なくなるようにしている。

スロット板１は金属板に、スロット２が打ち抜きで設けられているものである。スロット２の位置は、スロット板１をベース体７に被せて固定したときに、各放射用導波路５毎に、壁板３との相対位置が予め定められた位置に来るように設けられている。

ベース体７にスロット板１を固定したスロットアレーアンテナは、給電孔８の下の図示されていない給電回路から給電されたときには、給電導波路６、各放射用導波路５を経て、スロットアレーから空間へ電磁波を放射し、逆に、空間から電磁波が到来した場合には、スロットアレーがこれを受波し、各放射用導波路５、給電導波路６および給電孔８を経て受信回路へ送られる。

以上のように、スロットアレーから電磁波を放射し或いは到来した電磁波の受波する際の指向特性のうち主ビームの方向は、スロット間隔が管内波長の２分の１になっているため、ビームチルトを生ぜずスロットアレー面に対して垂直方向（法線方向）となる。

本発明の導波管スロットアレーアンテナを構成するスロット板１とベース体７の重ね合わせる前の斜視図である。 図１のスロット板１とベース体７の平面図である。 矩形導波管に設けられたスロットからの反射を低減するために壁板を設け、この壁板からの反射によってスロットからの反射を相殺させる説明図である。

符号の説明

１ スロット板
２ スロット
３ 壁板
４ 境界壁
５ 放射用導波路
６ 給電導波路
７ ベース体
８ 給電孔
９ 矩形導波管
１０ 管壁

Claims (2)

1. 矩形導波管のＨ面管壁に、長手方向が管軸方向のスロットを、管軸方向に沿って配列した放射用導波管のスロットから遠い側のＥ面管壁に、スロット毎に対応させて管軸方向に対して垂直な面を有する壁板を設け、以て、スロット部分からの反射波を壁板面からの反射波によって相殺・低減することを特徴とする導波管スロットアレーアンテナ。
2. 放射用導波管が、板状導電性部材の１面に断面矩形状の溝を設けたベース体と、この溝の上に被せるように配置され溝に沿ってスロットが配列されているスロット板とから成るものであることを特徴とする請求項１記載の導波管スロットアレーアンテナ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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