JP4373616B2 - 一次放射器および移相器ならびにビーム走査アンテナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロ波帯やミリ波帯等のビーム走査アンテナに使用される一次放射器に関し、特に高周波信号の不要な漏洩を生ずることなく電磁波の出力部を2次元平面内で移動させることが可能な一次放射器およびそれを用いた移相器ならびにビーム走査アンテナに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
マイクロ波帯やミリ波帯の電磁波ビームを用いるビーム走査アンテナとして従来より多くのものが提案されている。このビーム走査の方式は機械式ビーム走査と電子式ビーム走査とに大別される。
【0003】
機械式ビーム走査は任意の指向性を持つアンテナの一部もしくは全体を動かすことによってビーム走査するものである。この方式によれば、一般に一つのビームの走査に対して一つのアンテナを動かすため、構成は単純になる。しかし、機械的な可動部を持つために、大型になると高速ビーム走査が困難であるという問題点がある。
【0004】
一方、電子式ビーム走査には、複数のアンテナ素子をアレー化したアレーアンテナを用いて各素子に給電される高周波信号の位相を移相器で制御してビーム走査するものと、指向性の異なる複数のアンテナをスイッチで切り替えることによってビーム走査するものとがある。これらはいずれも機械的な可動部が無いために高速ビーム走査が可能であるが、移相器やスイッチが高価であるという問題点があり、用途が限定されていた。
【0005】
また、電子式ビーム走査によるアンテナに用いられる移相器には、ラッチングフェライトを用いたものが良く用いられている。この移相器は、位相の制御が45度刻みの8段階となるのが一般的であり、このタイプでは連続的に位相を変化させることはできないという問題点がある。さらに、スイッチと比較して応答速度が遅いという問題点があるとされている。
【0006】
一方、スイッチによる切り替え式ではスイッチとしてPINダイオードが良く用いられる。しかし、PINダイオードは開放もしくは短絡を切り替えるスイッチであり、挿入損失が大きいという問題点がある。また、アンテナの数だけスイッチが必要であり高価であるという問題点もある。
【0007】
近年は半導体製造技術の進歩により、移相器やスイッチがMMIC(Microwave Monolithic Integrated Circuit)化されつつあり、ビーム走査アンテナの高性能化が期待されるが、MMICもやはり高価であることから、位相の制御が可能な安価な移相器が求められていた。
【0008】
これに対し、本出願人は特願平11−307256号において、2枚の平行な金属平板間に配置された一次放射器と誘電体レンズもしくは反射器等からなる集波器と平行平板の一方に設けられた複数のスロットとからなるビーム走査アンテナを提案している。このビーム走査アンテナによれば、一次放射器から放射された球面波の高周波信号は平行平板間を伝播し、集波器で平面波に変換される。また、一次放射器と集波器の位置関係を変化させることにより、これを移相器として電磁波の位相の傾きを制御することが可能となる。そして、平行平板の一方に設けられたスロットから移相器で位相を制御した高周波信号を直接外部に放射してビームを走査するか、またはスロットの外側に設けられた他のアンテナ素子に高周波信号を給電することによって、ビームを走査することができる。このビーム走査アンテナは、平行平板と移相器を構成する集波器および一次放射器とにより構成されているので安価に作製することが可能である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人が特願平11−307256号において提案したビーム走査アンテナにおいては、集波器と一次放射器との位置関係を変化させるためには集波器もしくは一次放射器の一方または両者を動かす必要がある。これら集波器および一次放射器は平行平板に挟まれており、一次放射器から放射された球面波の高周波信号は、集波器により平面波に変換された後に平行平板の一方に設けられた外部への放射素子または給電窓となるスロットに給電される。そのため、集波器または一次放射器を動かす場合には平行平板と集波器または一次放射器との間に所定の隙間を設ける必要がある。
【0010】
しかしながら、集波器と平行平板との間に隙間を設けた場合には、集波器により平面波に変換された高周波信号に、集波器と平行平板との間の隙間を通過した球面波のままの高周波信号が足し合わされてスロットに給電されることになる。その際、平面波と球面波ではスロット給電時の位相が異なるため、結果としてスロットに給電される高周波信号の位相が乱れてしまうことがあるという問題点があった。
【0011】
一方、一次放射器と平行平板との間に隙間を設けた場合には、波源が一次放射器のみで一次放射器が指向性を持つため影響は小さい。但し、一次放射器には通常は高周波信号の送受信機が接続されており、送受信機を接続した場合には、これらは精密部品でありしかも重量が大きいため、ビーム走査のために移動させると送受信機の故障の原因になり易いという問題点があった。
【0012】
本発明はかかる従来の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、集波器と一次放射器とからなる移相器ならびにこれを用いたビーム走査アンテナに使用される一次放射器に関し、一次放射器をこれに接続される送受信機から独立した構造とし、送受信機を移動させずに一次放射器のみを動かす構造とすることにより、安価で高信頼性で高性能な移相器ならびにビーム走査アンテナを構成できる一次放射器を提供することにある。
【0013】
また、本発明の別の目的は、この一次放射器と集波器とを平行平板間に配置してなり、一次放射器と集波器との位置関係を変化させることにより位相を連続的に制御可能な移相器を提供することにある。
【0014】
また、本発明の別の目的は、この一次放射器を用いた移相器を構成する平行平板の一方にスロットを設け、集波器で位相を制御した後の高周波信号をスロットから直接放射してビームを走査可能とするか、あるいは平行平板の外部に他のアンテナを設け、スロットを介して他のアンテナに高周波信号を給電してビームを走査可能とするビーム走査アンテナを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題点に対して検討を重ねた結果、以下の構成により上記課題を解決できることを見出した。
【0016】
まず、一次放射器の構成部品である高周波信号の導波管を、内壁が導体である溝を持ち、さらに好ましくは溝の周囲にあたる表面が導体で溝の内壁の導体と導通している筐体等の基体部と、少なくともその溝を完全に覆う部分が導体である平板等の可動部とで形成する。溝の大きさは、幅が高周波信号の自由空間における信号波長λoの略1/2で、深さが信号波長λoの略1/4とする。
【0017】
可動部には、可動部の平板等を貫通して導波管と平板の外側部とで高周波信号の電磁波を結合する結合用窓を設ける。また可動部には、導波管を伝播して結合窓から外側部に出力されずに通過してきた高周波信号を反射する反射板等の反射部材を、導波管を形成する溝に挿入されて溝の断面を塞ぐように設ける。反射部材の寸法は溝の断面寸法より僅かに小さく、可動部の移動と同時に溝の中を移動できるものとし、その厚みを高周波信号の管内波長λgの1/10以上とし、結合用窓から反射部材までの距離は、高周波信号の導波管内における管内波長λgに対し1/8〜1/1の範囲で好適なものを選定し、常に一定となるようにする。
【0018】
このようにして、導波管に沿って結合用窓と反射部材とを移動可能としながら結合用窓から高周波信号の電磁波を放射することができる一次放射器とすることができる。
【0019】
なお、結合用窓の外側部に当たる部分の上に例えば導波管アンテナを設けて、この導波管アンテナも可動部とともに移動できるようにするとよい。また、可動部の結合用窓を介して導波管と導波管アンテナを結合することにより導波管アンテナを移動しながら高周波信号を放射することができる一次放射器とできる。
【0020】
また、基体部と可動部との隙間からは平行平板モードにより遮断周波数ゼロで高周波信号が漏洩するので、基体部と可動部との間の隙間には、基体部の表面に導波管の溝の周囲を取り囲むように、幅が高周波信号の信号波長λoに対し1/8〜1/2で深さが1/8〜1/1の環状の溝を溝の開口から信号波長λoの1/4〜1/1の位置に設けてチョークとすることにより、可動部を基体部上で移動できるようにしつつ基体部と可動部との隙間からの高周波信号の漏洩を効果的に防ぐことができる。
【0021】
さらに、基体部と可動部との隙間からは平行平板モードにより遮断周波数ゼロで高周波信号が漏洩するので、チョークとなる環状溝は導波管を構成する溝を何重か取り囲むように1つ以上設けることが必要であり、数が増えるほどチョークとしての高周波信号の漏洩を防ぐ機能は強化される。この場合、複数の環状溝の間隔は、信号波長λoの1/4〜1/1とするとよい。
【0022】
また、反射部材には、導波管の溝の底面と対向する下面に、溝の長手方向と交差する方向に、幅が管内波長λgの1/8〜1/2で深さが1/100〜1/2である、反射部材を横断して形成された溝をチョークとして設けるとよい。さらに、この横断溝を、管内波長λgの1/8〜3/2の間隔で複数形成するとよい。このように横断溝を形成して、横断溝の深さと横断溝から反射部材の端面までの長さの和を管内波長λgの1/8〜3/2とすることにより、反射部材の端面は導波管と物理的には短絡されていないが、反射部材の端面について導波管に対して電気的に短絡の条件を与えることができ、反射部材を通過して高周波信号が漏洩するのを効果的に防げるものとなる。
【0023】
そして、平行に配置した2枚の金属板から成る平行平板間に上記構成の一次放射器と平板状の集波器とを配置することにより、一次放射器の結合用窓から放射された球面波が集波器で平面波に変換された高周波信号の電磁波の位相を変化させることができる移相器を構成することができる。
【0024】
さらに、上記構成の一次放射器と集波器を平行平板に挟んだ構造に対して、平行平板の一方に集波器との間で電磁波を結合させる複数のスロットを設け、これらスロットに給電することにより、スロットより高周波信号の電磁波を直接放射させて電磁波のビーム方向を可変とすることができ、ビーム走査アンテナとして機能させることができる。なお、平行平板の外側部のスロット上に他の指向性のアンテナ素子を設け、これに位相を制御した高周波信号を給電することにより、他のアンテナ素子をビーム走査アンテナとして機能させることもできる。
【0025】
すなわち、本発明の一次放射器は、上面に幅が高周波信号の信号波長の略1/2で深さが前記信号波長の略1/4であり内壁が導体で形成された前記高周波信号の導波管部となる溝が形成された基体部と、導体から成り、前記基体部の上面に前記溝を覆うように載置され、前記溝上に位置する前記高周波信号の電磁波の結合用窓を有するとともに、下面の前記結合用窓から前記高周波信号の管内波長の1/8〜1/1の範囲に位置して前記溝の断面を塞ぐ、前記溝の長手方向の厚みが前記管内波長の1/10以上である反射部材を有する可動部とから成り、前記溝上で長手方向に前記結合用窓および前記反射部材を可動としながら前記溝と前記可動部の下面とで構成される前記導波管部を伝播してきた前記高周波信号の電磁波を前記結合用窓から放射することを特徴とするものである。
【0026】
また、本発明の一次放射器は、上記構成において、前記可動部の前記結合用窓上に指向性のアンテナ素子を配置したことを特徴とするものである。
【0027】
また、本発明の一次放射器は、上記構成において、前記基体部の上面が導体から成り、前記上面に前記溝の開口を取り囲むように、幅が前記信号波長の1/8〜1/2で深さが前記信号波長の1/8〜1/1である環状溝を前記溝の開口から前記信号波長の1/4〜1/1の位置に形成したことを特徴とするものである。
【0028】
また、本発明の一次放射器は、上記構成において、前記環状溝を前記溝の開口から前記信号波長の1/4〜1/1の位置から前記信号波長の1/4〜1/1の間隔で複数形成したことを特徴とするものである。
【0029】
また、本発明の一次放射器は、上記構成において、前記反射部材の下面に前記溝の長手方向と交差する方向に、幅が前記管内波長の1/8〜1/2で深さが前記管内波長の1/100〜1/2である横断溝を形成したことを特徴とするものである。
【0030】
また、本発明の一次放射器は、上記構成において、前記横断溝を前記管内波長の1/8〜3/2の間隔で複数形成したことを特徴とするものである。
【0031】
本発明の移相器は、平行に配置した2枚の金属板の間に上記構成のいずれかの一次放射器と平板状の集波器とを配置し、前記一次放射器の前記結合用窓の前記集波器に対する位置を可変とすることにより、前記結合用窓から放射され前記集波器で変換された前記高周波信号の電磁波の位相を変化させることを特徴とするものである。
【0032】
そして、本発明のビーム走査アンテナは、上記構成の移相器の前記金属板の一方に前記集波器との間で前記電磁波を結合させる複数のスロットを設けて成り、これらスロットから放射する前記電磁波のビーム方向を可変としたことを特徴とするものである。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一次放射器および移相器ならびにビーム走査アンテナを図面を参照しつつ説明する。
【0034】
図1は、本発明の一次放射器の実施の形態の一例における構成を説明するための分解斜視図である。また、図2は図1に示した本発明の一次放射器の一例を組み立てた状態で示した斜視図である。
【0035】
図1および図2において、1は高周波信号の導波管となる、幅が高周波信号の自由空間における信号波長λの略1/2で深さが信号波長λoの略1/4である溝2を設けた例えば金属から成る基体部である。この例では、溝2の底面には一端から高周波信号の信号波長λoの1/8〜1/1、好ましくは略1/4または3/4の位置に入力用窓3が設けられ、基体部1の下面から図示しない導波管等により高周波信号が入力される。4は基体部1の上面に溝2を完全に覆うように配置される金属の平板等から成る可動部であり、この可動部4は基体部1の上面に載置されて溝2とともに高周波信号の導波管5を形成する。
【0036】
また可動部4には、導波管5を導波管の基本モードであるTE10モードの高周波信号の電磁波が伝播するとした場合に磁界の振幅が最大となる溝2のエッジ部の上方にこの可動部4を貫通して結合用窓6を設けてある。さらに、可動部4の下面には、溝2よりも若干寸法が小さく溝2の断面を塞ぐ反射部材7が、結合用窓6から入力用窓3と逆方向に高周波信号の導波管5内の管内波長λgの1/8〜1/1、好ましくは略1/4または3/4離れた位置に信号反射用として設けられている。
【0037】
この反射部材7は、これがないと想定した場合に、結合用窓6に入力される成分としては、入力用窓3から入力され導波管5を伝播してきた高周波信号が直接に結合用窓6に入力される成分と、直接に結合用窓6に入力されずに通過して導波管5の端面の短絡部で反射してから結合用窓6に入力される成分とがあり、結合用窓6から導波管5内を伝播した信号が反射される端面までの距離を直接に入力される成分と反射後に入力される成分との位相が一致するように調整すると最も結合効率が高くなるため、可動部4と結合用窓6および導波管ホーンアンテナ8を移動させても常に結合用窓6から導波管5の短絡端までの距離を一定とするために反射部材7を結合用窓6から入力用窓3と逆方向に高周波信号の管内波長λgの略1/4または3/4程度離れた位置の可動部4の下面に取り付けるものである。
【0038】
この結合用窓6から反射部材7までの距離を高周波信号の管内波長λgの1/8〜1/1の範囲で好適なものを選定して常に一定となるようにすると、結合用窓6における結合効率は最大とできる。
【0039】
可動部4の結合用窓6の上方にあたる部分には必要に応じてダイポールアンテナ等の指向性を有するアンテナ素子、ここでは導波管ホーンアンテナ8を配置しており、この導波管ホーンアンテナ8は結合用窓6を介して導波管5と結合される。なお、導波管ホーンアンテナ8は結合用窓6に対して、結合用窓6が短絡端から管内波長λgの略1/8〜1/1、好ましくは略1/4または3/4離れた位置にくるように配置され、他方のホーン状に形成された開口端から所定のビーム角で高周波信号の電磁波を放射する。
【0040】
これにより、入力用窓3から入力された高周波信号は基体部1の溝2と平板状の可動部4とから成る導波管5を伝播し、結合用窓6を介して導波管ホーンアンテナ8に給電され、この例では電磁波のビーム方向を略90度変換して、導波管ホーンアンテナ8から自由空間中に放射される。導波管ホーンアンテナ8は、基体部1の上を図中に矢印で示す方向に自由に平行移動可能な可動部4上に、導波管5の長手方向に直交する方向で可動部4が平行移動する面方向に平行な方向に向けて配置されていることから、導波管ホーンアンテナ8は可動部4とともに基体部1上を平行移動しながら、この導波管ホーンアンテナ8が向いている方向にビーム方向を変換して高周波信号を放射する。
【0041】
そして、このような本発明の一次放射器を平行に配置した2枚の金属板から成る平行平板間にこの一次放射器から放射される電磁波に対する平板状の集波器とともに配置することにより、一次放射器の結合用窓6、もしくは導波管ホーンアンテナ8を設けた場合にはその導波管ホーンアンテナ8の集波器に対する位置を可変として、一次放射器から放射された球面波から集波器で平面波に変換された高周波信号の電磁波の位相を変化させることができ、移相器を構成することができる。
【0042】
さらに、このような本発明の一次放射器と集波器を平行に配置した2枚の金属板の間に挟んだ構造の移相器に対して、金属板の一方に集波器との間で電磁波を結合させる複数のスロットを設け、これらスロットに一次放射器からの高周波信号を給電することにより、スロットから放射する電磁波のビーム方向を可変とすることができ、ビーム走査アンテナとしてするものとなる。さらに、これらスロット上に他の指向性のアンテナ素子を設け、これに位相を制御した高周波信号を給電することにより、これら他のアンテナ素子をビーム走査アンテナとして機能させることもできる。
【0043】
図3(a)は図1に示した本発明の一次放射器の実施の形態の一例における基体部1についての斜視図、(b)はその上面図、(c)は(b)に示したA−A線断面における断面図である。図3において1は高周波信号の導波管5となる溝2を設けた金属等から成る基体部であり、溝2の底面には高周波信号の入力用窓3が設けられ、基体部1の下面から外部の導波管(図示せず)等により高周波信号が入力される。
【0044】
これに対し、本発明の一次放射器の実施の形態の他の例における基体部1を図4に示す。図4(a)はその基体部1についての上面図であり、(b)は(a)のA−A線断面における断面図、ならびに(c)は(a)のB−B線断面における断面図である。
【0045】
図4においても、1は基体部、2は溝、3は入力用窓、5は高周波信号の導波管である。この例においては、基体部1の上面が導体、例えば金属から成り、その上面に溝2の開口の周囲を二重に取り囲むように、この上に可動部4の導体から成る下面が位置して高周波信号に対するチョークとなる環状溝9が2つ設けられている。この環状溝9は幅が高周波信号の自由空間における信号波長λoの1/8〜1/2で、深さが信号波長λoの1/8〜1/1として形成され、少なくとも1つを溝2の開口から信号波長λoの1/4〜1/1の距離の位置に形成すればよく、複数設ける場合には各環状溝9の間隔を信号波長λoの1/4〜1/1として溝2を多重に取り囲むように形成すればよい。
【0046】
このような環状溝9を高周波信号の導波管5となる溝2の開口の周囲を取り囲むように形成することにより、溝2の開口の周囲から基体部1上面と可動部4下面との隙間を漏洩してくる高周波信号をこの環状溝9がチョークとなって遮断することができ、高周波信号の漏洩による損失を低減した導波管5を有する高効率の一次放射器となる。
【0047】
すなわち、このようにチョークとして設ける環状溝9の底は電気的に短絡条件であるから、環状溝9の深さと環状溝9から導波管5となる溝2の開口までの長さの和が信号波長λoの1/2の整数倍であれば、導波管5を構成する溝2と可動部4とが物理的には短絡されていなくても、電気的に短絡の条件を与えることができる。これにより可動部4を基体部1上で移動できるようにし、かつ可動部4と基体部1との隙間からの高周波信号の漏洩を防ぐことができる。
【0048】
このような環状溝9による高周波信号の漏洩の低減効果について、環状溝9の幅および深さを変化させた場合の導波管5からの高周波信号の漏洩率を有限要素法により求めた。その結果を図7(a)および(b)にそれぞれ線図で示す。
【0049】
図7(a)は環状溝9の幅wを変化させた場合の漏洩率の変化を示すものであり、横軸は環状溝9の幅wと高周波信号の信号波長λoとの比(単位なし:−)を、縦軸は高周波信号の漏洩率(単位:%)を表わしており、図中の黒菱形の点はそれぞれの計算結果を示している。これから分かるように、環状溝9の幅wは高周波信号の信号波長λoの略1/4としたときに高周波信号の漏洩率は最小になる。なお、ここでは環状溝9を2つ形成し、それらの間隔は信号波長λoの1/4とした場合の例を示した。
【0050】
また、図7(b)は環状溝9の深さdを変化させた場合の漏洩率の変化を示すものであり、横軸は環状溝9の深さdと高周波信号の信号波長λoとの比(単位なし:−)を、縦軸は高周波信号の漏洩率(単位:%)を表わしており、図中の黒菱形の点はそれぞれの計算結果を示している。これから分かるように、環状溝9の深さdは信号波長λoの1/8以上あれば漏洩率を5%以下に低減することができ、1/5以上あれば高周波信号の漏洩はほぼ無視できるものとなる。なお、ここでは環状溝9を2つ形成し、それらの幅wと間隔を信号波長λoの1/4とした場合の例を示した。
【0051】
次に、図5(a)は図1に示した本発明の一次放射器の実施の形態の一例における可動部4についての斜視図、(b)はその上面図、(c)は(b)に示したA−A断面における断面図である。図5において4は導体から成る平板状の可動部、6はこれに対向する基体部1上面の溝2上に位置する高周波信号の電磁波の結合用窓であり、7は可動部4の下面の結合用窓6から溝2の入力用窓3と逆方向に高周波信号の管内波長λgの1/8〜1/1の範囲、好適には略1/4または3/4に位置し、溝2にはまり込んで溝2の断面を塞ぐ、溝2の長手方向の厚みが高周波信号の管内波長λgの1/10以上である信号反射用の反射部材7である。
【0052】
これに対し、本発明の一次放射の実施の形態の他の例における可動部4を図6に示す。図6(a)はその可動部4の上面図であり、(b)は(a)のA−A線断面における断面図である。
【0053】
図6においても、4は可動部、6は結合用窓、7は反射部材である。この例においては、反射部材7の下面、すなわち基体部1の導波管5となる溝2の底面と対向する面に、溝2の長手方向と交差する方向に、幅が高周波信号の管内波長λgの1/8〜1/2で深さが管内波長λgの1/100〜1/2である、反射部材7の下面を横断する横断溝10が2つ形成されている。この横断溝10は、導波管5中では高周波信号の電界の方向が溝2の底面に垂直であることからこの高周波信号が溝2の底面と反射部材7の下面との隙間を漏洩してくるのに対して、これを遮断するチョークとして機能するものであり、このような横断溝10を形成することにより、反射部材7による導波管5の端部からの高周波信号の漏洩による損失を低減した導波管5を有する高効率の一次放射器となる。
【0054】
すなわち、反射部材7には管内波長λgの1/100〜1/2の深さの横断溝10をチョークとして1つもしくは管内波長λgの1/8〜1/1の間隔で複数個形成し、この横断溝10の深さと横断溝10から反射部材7の端面までの長さの和を管内波長λgの1/8〜3/2とすることにより、反射部材7の端面は導波管5となる溝2と物理的には短絡されていないが、この端面によって電気的に短絡の条件を与えることができる。これにより反射部材7を通過して高周波信号が漏洩するのを効果的に防ぐことができる。
【0055】
なお、反射部材7の側面、すなわち溝2の側面と対向する面には、導波管5中では高周波信号の電界の方向が溝2および反射部材7の側面に平行であることからこの高周波信号は溝2の側面と反射部材7の側面との隙間を漏洩してくることがほとんどないため、特に高周波信号を遮断するチョーク構造を設ける必要はない。
【0056】
この横断溝10の方向は溝2の長手方向と直交する方向が最も効果的であるが、溝2の長手方向と交差する方向で反射部材7の下面を横断するように形成すれば、斜め方向に形成しても高周波信号の漏洩を遮断して損失を低減することができる。
【0057】
また、横断溝10は反射部材7の下面に1つ形成すればよいが、複数形成することによってより確実に高周波信号の漏洩を阻止することができる。そのように横断溝10を複数形成する場合は、横断溝10間の間隔を管内波長λgの1/8〜3/2として形成すると高周波信号に対する良好なチョークを構成することができて好ましいものとなる。
【0058】
このような横断溝10による高周波信号の漏洩の低減効果について、横断溝10の幅および深さを変化させた場合の、反射部材7で反射されずに溝2と反射部材7との間から漏洩した、導波管5からの高周波信号の漏洩率を有限要素法により求めた。その結果を図8(a)および(b)にそれぞれ線図で示す。
【0059】
図8(a)は横断溝10の幅wを変化させた場合の漏洩率の変化を示すものであり、横軸は横断溝10の幅wと高周波信号の管内波長λgとの比(単位なし:−)を、縦軸は高周波信号の漏洩率(単位:%)を表わしており、図中の黒菱形の点はそれぞれの計算結果を示している。これから分かるように、横断溝10の幅wは導波管5における高周波信号の管内波長λgの略1/4としたときに高周波信号の漏洩率は最小になる。なお、ここでは横断溝10を2つ形成し、それらの間隔は管内波長λgの1/4とした場合の例を示した。
【0060】
また、図8(b)は横断溝10の深さdを変化させた場合の漏洩率の変化を示すものであり、横軸は横断溝10の深さdと高周波信号の管内波長λgとの比(単位なし:−)を、縦軸は高周波信号の漏洩率(単位:%)を表わしており、図中の黒菱形の点はそれぞれの計算結果を示している。これから分かるように、横断溝10の深さdは管内波長λgの1/100以上あれば漏洩率を35%以下に低減することができ、15/100以上あれば高周波信号の漏洩は0.30%以下とほぼ無視できるものとなる。なお、ここでは横断溝10を2つ形成し、それらの幅wと間隔を管内波長λgの1/4とした場合の例を示した。
【0061】
そして、以上のような環状溝9や横断溝10を形成した本発明の一次放射器を用いることにより、高周波信号の漏洩による損失を低減した高効率の本発明の移相器ならびに本発明のビーム走査アンテナを得ることができる。
【0062】
なお、本発明は以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることは何ら差し支えない。例えば、以上の例においてはいずれも導波管5を構成する溝2を設けた基体部1や可動部4等の部品は全て金属から成る例を示したが、これらは例えばプラスチック等の樹脂の射出成形で作製したものにメッキ等で表面に導体を形成したものやセラミック積層体の表面にメタライズ等で表面に導体を形成したもので形成しても全く差し支えない。
【0063】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の一次放射器によれば、高周波信号の導波管を内壁が導体で形成された溝が形成された基体部とその上面に溝を覆うように載置され、溝上に位置する結合用窓と所定位置で溝の断面を塞ぐ反射部材とを有する導体から成る可動部とで形成し、溝上で長手方向に結合用窓および反射部材を可動としながら溝と可動部の下面とで構成される導波管部を伝播してきた高周波信号の電磁波を結合用窓から放射するものであることから、接続される送受信機から独立した構造とし、送受信機を移動させずに一次放射器のみを動かす構造とすることができ、安価で高信頼性で高性能な移相器ならびにビーム走査アンテナを構成できる一次放射器を提供することができる。
【0064】
さらに、基体部の上面の溝の開口の周囲に所定の環状溝を形成し、あるいは反射部材の下面に所定の横断溝を形成することによって、高周波信号の漏洩をほとんどなくした高効率の一次放射器を提供することができる。
【0065】
また、本発明の移相器によれば、平行に配置した2枚の金属板の間に本発明の一次放射器と平板状の集波器とを配置し、一次放射器の結合用窓の集波器に対する位置を可変とすることにより、結合用窓から放射され集波器で変換された高周波信号の電磁波の位相を変化させるものであることから、一次放射器を可動として位相を連続的に制御可能な移相器を提供することができる。すなわち、一次放射器と集波器の位置関係を変化させることにより、スロットに給電される信号の位相の傾きを変化させることができ、その結果、簡単な構成で良好な特性を有するマイクロ波帯やミリ波帯の移相器として機能させることができる。
【0066】
また、本発明のビーム走査アンテナによれば、本発明の移相器の金属板の一方に集波器との間で電磁波を結合させる複数のスロットを設けて、これらスロットから放射する電磁波のビーム方向を可変としたものであることから、一次放射器を可動とし、集波器で位相を制御した後の高周波信号をスロットから直接放射してビームを走査可能とした、あるいはスロットを介して他のアンテナに高周波信号を給電してビームを走査可能としたビーム走査アンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一次放射器の実施の形態の一例における構成を説明するための分解斜視図である。
【図2】図1に示した本発明の一次放射器の一例を組み立てた状態で示した斜視図である。
【図3】(a)は図1に示した本発明の一次放射器の実施の形態の一例における基体部についての斜視図、(b)はその上面図、(c)は(b)に示したA−A線断面における断面図である。
【図4】(a)はその基体部1についての上面図であり、(b)は(a)のA−A線断面における断面図、ならびに(c)は(a)のB−B線断面における断面図である。
【図5】(a)は図1に示した本発明の一次放射器の実施の形態の一例における可動部4についての斜視図、(b)はその上面図、(c)は(b)に示したA−A断面における断面図である。
【図6】(a)はその可動部4の上面図であり、(b)は(a)のA−A線断面における断面図である。
【図7】(a)および(b)は、本発明の一次放射器の基体部に設けた環状溝の効果を示す線図である。
【図8】(a)および(b)は、本発明の一次放射器の可動部に設けた横断溝の効果を示す線図である。
【符号の説明】
1・・・・・基体部
2・・・・・溝
3・・・・・入力用窓
4・・・・・可動部
5・・・・・導波管
6・・・・・結合用窓
7・・・・・反射部材
9・・・・・環状溝
10・・・・・横断溝
Claims (6)
- 上面に幅が高周波信号の信号波長の略1/2で深さが前記信号波長の略1/4であり内壁が導体で形成された前記高周波信号の導波管部となる溝が形成された基体部と、導体から成り、前記基体部の上面に前記溝を覆うように載置され、前記溝上に位置する前記高周波信号の電磁波の結合用窓を有するとともに、下面の前記結合用窓から前記高周波信号の管内波長の1/8〜1/1の範囲に位置して前記溝の断面を塞ぐ、前記溝の長手方向の厚みが前記管内波長の1/10以上である反射部材を有する可動部とから成り、前記溝上で長手方向に前記結合用窓および前記反射部材を可動としながら前記溝と前記可動部の下面とで構成される前記導波管部を伝播してきた前記高周波信号の電磁波を前記結合用窓から放射することを特徴とする一次放射器。
- 前記可動部の前記結合用窓上に指向性のアンテナ素子を配置したことを特徴とする請求項1記載の一次放射器。
- 前記基体部の上面が導体から成り、前記上面に前記溝の開口を取り囲むように、幅が前記信号波長の1/8〜1/2で深さが前記信号波長の1/8〜1/1である環状溝を前記溝の開口から前記信号波長の1/4〜1/1の位置に形成したことを特徴とする請求項1記載の一次放射器。
- 前記環状溝を前記溝の開口から前記信号波長の1/4〜1/1の位置から前記信号波長の1/4〜1/1の間隔で複数形成したことを特徴とする請求項3記載の一次放射器。
- 前記反射部材の下面に前記溝の長手方向と交差する方向に、幅が前記管内波長の1/8〜1/2で深さが前記管内波長の1/100〜1/2である横断溝を形成したことを特徴とする請求項1記載の一次放射器。
- 前記横断溝を前記管内波長の1/8〜3/2の間隔で複数形成したことを特徴とする請求項5記載の一次放射器。
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