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
【０００１】
【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
【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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