JP4392321B2

JP4392321B2 - スロットアレイアンテナ

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Publication number: JP4392321B2
Application number: JP2004306472A
Authority: JP
Inventors: 壽寛齋藤; 茂松本; 満徳馬場; 智恭伊藤
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: JP2006121376A

Description

本発明は、複数のスロットアレイ導波管によって周波数が異なる電磁波の送受信を行うとともに、複数のスロットアレイ導波管の間の周波数分離を行うスロットアレイアンテナに関する。

レーダ装置用アンテナは、レーダ装置の低消費電力化および高感度化の観点から、高効率であることが望ましい。そこで、高効率を実現するアンテナとして、導波管に複数のスロットを設けることで構成されたスロットアレイアンテナが広く用いられる。

図４にスロットアレイアンテナの一般的な構成を示す。このアンテナでは、電磁波を放射する複数のスロット６０が管内波長のおよそ半分の距離を隔てて導波管のＥ面に設けられている。各スロット６０から放射され合成された電磁波は、スロットアレイアンテナ２を構成する導波管のＨ面と平行な平面内に、複数のスロット６０の配置によって定まる指向性を形成する。

レーダ装置においては、スロットアレイアンテナ２を、Ｈ面が水平となるように設置することで、水平面内において所望の指向性を得る。しかしながら、このままの構成では垂直面内において所望の指向性を得ることは困難である。そこで、図５に示すように、電磁ホーン部８０を設けて指向性を調整する構成が従来から採用されている。図５の電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ３の放射素子として機能するスロットアレイ導波管７０は、図４のスロットアレイアンテナ２と同様の構造を有し、それ自身がアンテナとしても機能するものである。ここでは、これを図４のスロットアレイアンテナ２と区別して、「スロットアレイ導波管」と称することとしている。以下、図４のスロットアレイアンテナ２と同一の構成部分をアンテナを構成する放射素子として捉える場合についても同様とする。

図５の電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ３において、スロットアレイ導波管７０から放射された電磁波は、接続導波部７２および垂直偏波抑圧板７６を介して電磁ホーン部８０へと導かれる。スロットアレイ導波管７０から放射された電磁波の垂直偏波成分は、垂直偏波抑圧板７６によって抑圧されるため、電磁ホーン部８０から放射される電磁波はほぼ水平偏波となる。電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ３の垂直面内の指向性は、電磁ホーン部８０を構成する導体板８２および導体板８４の大きさ、配置などによって決定される。なお、ここでは放射の際の電磁波の振る舞い、すなわち送信の際の電磁波の振る舞いに着目しているが、アンテナの相反性により受信指向性は送信指向性と一致し、受信動作は送信動作の際の信号の流れを逆にしたものとして説明することができる。

レーダ装置は、あらゆる方向に存在する物標の測位が可能でなければならないため、用いられるアンテナはその指向性が駆動できることが好ましい。ところが、一般にスロットアレイアンテナの指向性は固定されているため、レーダ装置用アンテナとしてこれを用いる場合には、駆動装置によってアンテナ本体を駆動させる構成とすることが必要である。したがって、駆動装置への負担が軽減されるよう、スロットアレイアンテナは小型かつ軽量であることが望まれる。

さて、レーダ装置の性能としては、不要受信信号成分を除去する能力、探知可能な最小限の物標の大きさを決定する空間分解能などがある。これらの性能は、海面反射や雨滴反射による妨害の中でも海面上の小物標を探知することが要求される、船舶レーダ装置などにおいても特に重要である。

レーダ装置の性能は、レーダ信号として使用される電磁波の周波数に左右される。周波数を高くすると電磁波の波長が短くなるため、空間分解能を向上させることができるが、海面反射や雨滴反射による不要信号成分をより多く認識してしまう。一方、周波数を低くすると認識するこれらの不要信号成分を低減させることはできるが、電磁波の波長が長くなるため空間分解能が低下してしまう。

そこで、２種類の周波数帯の電磁波を用いることで各周波数帯における性能の劣化を填補する周波数ダイバーシティ処理を行うレーダ装置の構成が考えられる。この構成では、周波数の異なる２つの同一偏波の電磁波を、同一時刻に同一方向へ送信し、同一時刻に同一方向から到来する反射波を受信する。レーダ装置は、受信された不要受信信号成分の大きさに応じて電磁波の周波数を選択する選択ダイバーシティ処理や、周波数の異なる２種類の受信信号を所定の演算によって合成し、最適なレーダ受信信号を取得する合成ダイバーシティ処理を行う。

周波数ダイバーシティ処理を行うレーダ装置には、２種類の周波数帯の電磁波を同一方向に同一偏波で送受信するアンテナが必要である。しかしながら、スロットアレイアンテナは、使用する周波数帯のみに対して設計され、また、使用する導波管にも周波数範囲があるため、使用する周波数帯域外では放射指向性や効率、および入力インピーダンス等のアンテナ性能を維持することは困難である。

そこで、図６のように、それぞれ異なる周波数帯に対して設計されたアンテナを配置することで、２周波数帯スロットアレイアンテナ６を構成することが考えられる。この２周波数帯スロットアレイアンテナ６は、第１の周波数帯の電磁波の送受信を行う第１の電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ４と、第２の周波数帯の電磁波の送受信を行う第２の電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ５を備える。ここで第１の周波数帯の低域端周波数は第２の周波数帯の低域端周波数よりも高いものとし、第１の電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ４は第１のスロットアレイ導波管１０、垂直偏波抑圧板１６、電磁ホーン部９０、および電磁ホーン部９０と第１のスロットアレイ導波管１０とを接続する接続導波部１２から構成される。同様に、第２の電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ５は第２のスロットアレイ導波管５０、垂直偏波抑圧板５６、電磁ホーン部１００、および電磁ホーン部１００と第２のスロットアレイ導波管５０とを接続する接続導波部５２から構成される。第１の電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ４と第２の電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ５は、電磁ホーン部９０および電磁ホーン部１００において積み重なるよう配置される。

また、第１のスロットアレイ導波管１０および第２のスロットアレイ導波管５０に設けられた複数のスロット６０の配置や、電磁ホーン部９０および電磁ホーン部１００の構成は、第１の電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ４と第２の電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ５で、指向性最大方向が一致するように決定される。

図６のように２周波数帯で使用可能なスロットアレイアンテナを構成する場合、２系統の電磁ホーン部が必要とされるため、体積および重量がかさんでしまうという問題がある。また、上述のように、駆動装置に搭載して本体を駆動させる構成とする場合には、体積および重量がかさむことにより駆動装置への機械的負担が大きくなり、駆動装置を強化する必要が生ずるという問題がある。

そこで、接続導波部１２および接続導波部５２を共用の電磁ホーンに接続し、２種類の周波数帯で使用可能な、小型かつ軽量のスロットアレイアンテナを構成することが考えられる。例えば、特公昭６１−４２８８３号公報においては、２系統のスロットアレイアンテナ導波管から放射された電磁波が同一の電磁ホーン部から放射されるスロットアレイアンテナが開示されている。このアンテナは、２系統のスロットアレイ導波管のうち片方から放射される電磁波の偏波を９０度回転させて垂直偏波に変換し、他方のスロットアレイ導波管から放射される水平偏波の電磁波と合成して放射する。そして、２系統のスロットアレイ導波管に入射する電磁波の振幅および位相の関係を調整することで、電磁ホーン部から放射される電磁波の偏波方向を任意に調整する構成としている。特公昭６１−４２８８３号公報に開示されているスロットアレイアンテナは、同一周波数帯で、かつ直交する偏波を取り扱う故に成立する構造であり、同一偏波では使用できない。

特公昭６１−４２８８３号公報

２つの異なる周波数帯、かつ同一偏波で電磁ホーンを共用することとした場合、次のような問題が生じる。

第１の周波数帯の電磁波が、第２の周波数帯の放射素子側に回り込んでしまう、あるいは、第２の周波数帯の電磁波が、第１の周波数帯の放射素子側に回り込んでしまうという、放射素子間の周波数分離がなされない。そのため、それぞれの周波数帯の放射素子の給電端における電圧定在波比が増加する。また、それぞれの周波数帯の電磁波を送受信する無線機間で干渉が生じ、変調積によって不要波が発生してしまう。

特公昭６１−４２８８３号公報に開示されているアンテナは、偏波方向を任意に設定することができることを特徴とし、同一の周波数の電磁波をそれぞれのスロットアレイ導波管から入射し、一方の電磁波の偏波を９０度変更させることを前提としている。したがって、それぞれのスロットアレイ導波管の間の偏波分離を行う手段は具備しているが、周波数分離を行う手段を具備していないため、これを周波数ダイバーシティ処理を行うレーダ装置に適用することはできない。

本発明はこのような課題に対してなされたものであり、２系統のスロットアレイ導波管によって、周波数が異なる２種類の電磁波の送受信を同時に行うとともに、２系統のスロットアレイ導波管の間の周波数分離を行う、小型かつ軽量のスロットアレイアンテナを提供する。

本発明に係るスロットアレイアンテナは、互いに異なる周波数の電磁波を放射する第１および第２のスロットアレイ導波管と、前記第１および第２のスロットアレイ導波管に対して共用され、放射特性を調整する電磁ホーンと、前記第１のスロットアレイ導波管および前記第２のスロットアレイ導波管のそれぞれから放射された電磁波を、前記電磁ホーンへと導く導波部と、を備え、前記導波部は、延伸方向を揃えて対向する第１の辺および第２の辺をそれぞれが有し、第１の辺および第２の辺の方向を揃えて壁面が対向する２つの導体壁と、前記２つの導体壁のうち一方の導体壁に設けられ、前記第１および第２の辺の延伸方向に沿って延伸する隙間と、を備え、前記第１のスロットアレイ導波管は、前記第１の辺の延伸方向に沿って延伸するスロット配列面を有し、前記第１の辺の側から前記２つの導体壁に挟まれた領域に電磁波を放射し、前記第２のスロットアレイ導波管は、前記隙間の延伸方向に沿って延伸するスロット配列面を有し、前記隙間から前記２つの導体壁に挟まれた領域に電磁波を放射し、前記導波部は、前記第１および第２のスロットアレイ導波管から前記２つの導体壁に挟まれた領域に放射された電磁波を、前記第２の辺の側から前記電磁ホーンへと導き、前記導波部は、さらに、板面が前記２つの導体壁の各壁面に沿うよう、前記２つの導体壁の間に挟まれて配置される導体隔壁板を備え、前記導体隔壁板および前記２つの導体壁は、前記導体隔壁板と各導体壁との間に形成される領域が、前記隙間から導かれた電磁波に対する遮断導波路となり、前記隙間から導かれた電磁波を前記電磁ホーンへと導くよう配置されることを特徴とする。

また、本発明に係るスロットアレイアンテナは、互いに異なる周波数の電磁波を放射する第１および第２のスロットアレイ導波管と、前記第１および第２のスロットアレイ導波管に対して共用され、放射特性を調整する電磁ホーンと、前記第１のスロットアレイ導波管および前記第２のスロットアレイ導波管のそれぞれから放射された電磁波を、前記電磁ホーンへと導く導波部と、を備え、前記導波部は、延伸方向を揃えて対向する第１の辺および第２の辺をそれぞれが有し、第１の辺および第２の辺の方向を揃えて壁面が対向する２つの導体壁と、前記２つの導体壁のうち一方の導体壁に設けられ、前記第１および第２の辺の延伸方向に沿って延伸する隙間と、を備え、前記第１のスロットアレイ導波管は、前記第１の辺の延伸方向に沿って延伸するスロット配列面を有し、前記第１の辺の側か前記２つの導体壁に挟まれた領域に電磁波を放射し、前記第２のスロットアレイ導波管は、前記隙間の延伸方向に沿って延伸するスロット配列面を有し、前記隙間から前記２つの導体壁に挟まれた領域に電磁波を放射し、前記導波部は、前記第１および第２のスロットアレイ導波管から前記２つの導体壁に挟まれた領域に放射された電磁波を、前記第２の辺の側から前記電磁ホーンへと導き、前記導波部は、さらに、前記隙間を塞ぐ誘電体板を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るスロットアレイアンテナにおいては、前記導波部は、さらに、板面が前記２つの導体壁の各壁面に沿うよう、前記２つの導体壁の間に挟まれて配置される導体隔壁板を備え、前記導体隔壁板および前記２つの導体壁は、前記導体隔壁板と各導体壁との間に形成される領域が、前記隙間から導かれた電磁波に対する遮断導波路となり、前記隙間から導かれた電磁波を前記電磁ホーンへと導くよう配置されることが好適である。

また、本発明に係るスロットアレイアンテナにおいては、前記第１のスロットアレイ導波管と前記第２のスロットアレイ導波管は、前記第１のスロットアレイ導波管から放射され前記電磁ホーンから放射される電磁波の偏波方向と、前記第２のスロットアレイ導波管から放射され前記電磁ホーンから放射される電磁波の偏波方向とが一致するよう配置されることが好適である。

本発明によれば、２種類の周波数帯で使用可能な、小型かつ軽量のスロットアレイアンテナを実現できる。また、好適な一実施形態として、周波数ダイバーシティ処理を行うレーダ装置のアンテナ系統を小型かつ軽量に構成することができる。また、スロットアレイアンテナを駆動装置に搭載する場合には、駆動装置への機械的負担を低減することができる。また、第１の周波数の電磁波と第２の周波数の電磁波は、本発明に係るスロットアレイアンテナ内部において分離されるため、それぞれの周波数の電磁波を送受信する無線機間の干渉、変調積による不要波の発生などを低減することができる。

本発明の実施形態につき説明する。図１は本発明の一実施形態である２周波数帯スロットアレイアンテナ１の斜視図である。このアンテナ１は、第１のスロットアレイ導波管１０に入力された第１の周波数帯の電磁波および第２のスロットアレイ導波管５０に入力された第２の周波数帯の電磁波を、電磁ホーン部４０から水平偏波の電磁波として送信する。また、電磁ホーン部４０に到来した水平偏波の電磁波を、周波数帯に応じて第１のスロットアレイ導波管１０あるいは第２のスロットアレイ導波管５０のいずれかに導く。

２周波数帯スロットアレイアンテナ１は、水平偏波の電磁波を送受信するため、第１のスロットアレイ導波管１０のＨ面が水平になるように配置される。また、第１の周波数帯の低域端周波数が第２の周波数帯の低域端周波数よりも高域周波数側にあるものとしているため、第１のスロットアレイ導波管１０のＨ面の幅は、第２のスロットアレイ導波管５０のそれよりも狭い。

ここで、２周波数帯スロットアレイアンテナ１から電磁波が送信される場合の、各周波数帯の電磁波の伝搬について図を参照して説明する。図２は、第１のスロットアレイ導波管１０を構成する導波管の伝搬方向に垂直な断面で２周波数帯スロットアレイアンテナ１を切断した場合の断面図である。アンテナの相反性により、電磁波が受信される場合については、電磁波が送信される場合の伝搬方向を逆にしたものとして説明することができる。

まず、第１のスロットアレイ導波管１０から放射される第１の周波数帯の電磁波の伝搬について説明する。入力端Ｉ₁から入射した第１の周波数帯の電磁波は、第１のスロットアレイ導波管１０から放射された後、接続導波部１２、垂直偏波抑圧板１６、傾斜部２０を介して共用導波部３０へと導かれる。接続導波部１２は、第１のスロットアレイ導波管１０と傾斜部２０とを機械的に接続するとともに、第１のスロットアレイ導波管１０から放射された電磁波の指向性を形成しつつ、当該電磁波を垂直偏波抑圧板１６に導く。垂直偏波抑圧板１６は、第１のスロットアレイ導波管１０のＥ面方向電界と平行な方向に導体格子を設けたものであり、導体格子に平行な電界成分を短絡し、導体格子に垂直な電界成分を傾斜部２０へ導く。傾斜部２０は導体板２２および導体板２４によって構成され、垂直偏波抑圧板１６から伝搬した電磁波を垂直偏波抑圧板１６の側に反射させることなく共用導波部３０へ導く。また、共用導波部３０は、導体板３２、導体板３４、および誘電体板５４によって構成され、図２の記載面に垂直な方向に電界成分を有する伝搬姿態で電磁波を伝搬させる。

傾斜部２０および共用導波部３０には、垂直偏波抑圧板１６から伝搬した電磁波の偏波面と平行に導体隔壁板３６が設けられている。この導体隔壁板３６によって傾斜部２０および共用導波部３０に形成される分岐路Ｐ₁および分岐路Ｐ₂は、第１の周波数帯の電磁波に対しては伝搬導波路となり、第２の周波数帯の電磁波に対しては遮断導波路となる。ここで、伝搬導波路とは、電磁波を導波路伝搬方向の波長が定義された電磁波として導くことが可能な導波路をいい、遮断導波路とは、導波路内での波長が定義されず、導波路内においてリアクタンス回路のような減衰をもたらす導波路をいう。

電界の方向が図２の記載面に垂直である伝搬姿態の場合、導体板３４から導体隔壁板３６までの距離ａ₂が電磁波の自由空間波長の半分よりも小さいときは、導体板３４と導体隔壁板３６との間に形成される空間はその電磁波に対しては遮断導波路となり、電磁波の自由空間波長の半分よりも大きいときは、当該空間はその電磁波に対しては伝搬導波路となる。また、同様に、導体隔壁板３６から誘電体板５４までの距離ａ₁と電磁波の自由空間波長との関係によって、導体隔壁板３６と誘電体板５４との間に形成される空間が伝搬導波路となるか遮断導波路となるかが定まる。また、傾斜部２０内に形成されている分岐路Ｐ₁および分岐路Ｐ₂についても、傾斜部２０の伝搬断面内の形状に基づいて、遮断導波路であるか伝搬導波路であるかが定まることとなる。したがって、２周波数帯スロットアレイアンテナ１の分岐路Ｐ₁および分岐路Ｐ₂の幅は、第１の周波数帯の電磁波の自由空間波長の半分以上であり、かつ、第２の周波数帯の電磁波の自由空間波長の半分以下となるよう決定される。

このように、分岐路Ｐ₁および分岐路Ｐ₂は、第１の周波数帯の電磁波に対しては伝搬導波路となるよう構成されているので、垂直偏波抑圧板１６から伝搬した電磁波は伝搬電磁波として電磁ホーン部４０へと導かれる。

なお、導体隔壁板３６によって形成される分岐路Ｐ₁および分岐路Ｐ₂の端面Ａおよび端面Ａ’は、第１の周波数帯の電磁波に対しては伝搬不連続面として作用するため、垂直偏波抑圧板１６へ向かう反射波が生じることが懸念される。しかしながら、このような反射波は、傾斜部２０を構成する導体板２２若しくは導体板２４の配置、大きさ、形状など（以下、設計変数とする。）、共用導波部３０を構成する導体板３２若しくは誘電体板５４の設計変数、および導体隔壁板３６の設計変数を調整することで低減することができる。

また、共用導波部３０には、第２のスロットアレイ導波管５０から放射された電磁波を導く接続導波部５２が接続されており、第１の周波数帯の電磁波が接続導波部５２に回り込むことが懸念される。しかしながら、接続導波部５２と共用導波部３０との間の接続面には、垂直偏波抑圧板５６とともに誘電体板５４が設けられているため、共用導波部３０に導かれて接続導波部５２に回り込む第１の周波数帯の電磁波のエネルギーは無視できるほど小さい。これは、第１の周波数帯の電磁波は、誘電体板５４に大きな入射角を以て入射するため、誘電体板５４の表面を伝搬することから、接続導波部５２に回り込まないことによる。

第１のスロットアレイ導波管１０から放射され電磁ホーン部４０へ導かれた電磁波は、第１のスロットアレイ導波管１０に設けられている複数スロット６０の配置によって水平面内の指向性が決定されているが、電磁ホーン部４０に導かれる直前においては垂直面内の指向性は定まっていない。そこで、電磁ホーン部４０は、共用導波部３０から出力された第１の周波数帯の電磁波を導体板４２および導体板４４によって反射することで、垂直面内の指向性を形成しつつ自由空間に放射する。

次に、第２のスロットアレイ導波管５０から放射される第２の周波数帯の電磁波の伝搬について説明する。入力端Ｉ₂から入射した第２の周波数帯の電磁波は、第２のスロットアレイ導波管５０から放射された後、接続導波部５２、誘電体板５４、および垂直偏波抑圧板５６を介して共用導波部３０へと導かれる。接続導波部５２は、第２のスロットアレイ導波管５０と共用導波部３０とを機械的に接続するとともに、第２のスロットアレイ導波管５０から放射された電磁波の指向性を形成しつつ、当該電磁波を誘電体板５４および垂直偏波抑圧板５６に導く。誘電体板５４は、上述のように第１の周波数帯の電磁波を伝搬路側へ反射するために設けられているものであるが、第２の周波数帯の電磁波に対しては十分な透過性を有する。そのため、第２のスロットアレイ導波管５０から放射された電磁波は、誘電体板５４で反射および減衰することなく共用導波部３０に導かれる。このように、誘電体板５４は、第１の周波数帯の電磁波と第２の周波数帯の電磁波のそれぞれに対する伝搬路を周波数分離するよう作用する。また、垂直偏波抑圧板５６は、第２のスロットアレイ導波管５０のＥ面方向電界と平行な方向に導体格子を設けたものであり、導体格子に平行な電界成分を短絡し、導体格子に垂直な電界成分を共用導波部３０に導く。

共用導波部３０は、傾斜部２０および垂直偏波抑圧板１６を介して接続導波部１２に接続されているが、共用導波部３０内の分岐路Ｐ₁および分岐路Ｐ₂は、第２の周波数帯の電磁波に対しては遮断導波路となっており周波数選択性を有するため、第１のスロットアレイ導波管１０の側に第２の周波数帯の電磁波が回り込むことはない。

共用導波部３０に導かれた第２の周波数帯の電磁波は、その後伝搬方向が変わり、電磁ホーン部４０へと伝搬する。すなわち、導体隔壁板３６および共用導波部３０は、第２の周波数帯の電磁波に対していわゆるＨコーナーとして作用しているわけである。一般に、導波路は電磁波の伝搬方向を変更するためにその形状を変更すると、形状が変更された部分において反射波が生じて伝搬特性を劣化させる。しかしながら、その反射波を相殺するような別の形状変更によって伝搬特性を改善することができる。本実施形態においては、伝搬方向の変更に起因する伝搬特性の劣化を、傾斜部２０を構成する導体板２２若しくは導体板２４の設計変数、共用導波部３０を構成する導体板３２若しくは誘電体板５４の設計変数、および導体隔壁板３６の設計変数を調整することで低減することとしている。

第２のスロットアレイ導波管５０から放射され電磁ホーン部４０へと導かれた電磁波は、第２のスロットアレイ導波管５０に設けられている複数のスロット６０の配置によって水平面内の指向性が決定されているが、電磁ホーン部４０に導かれる直前においては垂直方向への指向性は定まっていない。そこで、電磁ホーン部４０は、共用導波部３０から出力された第２の周波数帯の電磁波を導体板４２および導体板４４によって反射することで、垂直面内の指向性を形成しつつ自由空間に放射する。

次に、電磁ホーン部４０から放射される電磁波の指向性の調整について説明する。

第１の周波数帯の電磁波は、共用導波部３０の導体板３２と誘電体板５４の間を反射しながら電磁ホーン部４０へと伝搬する。これは、平面波が共用導波部３０の内部を反射しながら伝搬していくという観点から共用導波部３０の内部での伝搬現象を捉えたものである。この伝搬現象を、共用導波部３０を伝搬する無数の平面波を合成した波、すなわち共用導波部３０における基本伝搬モードの伝搬であるとして捉えると、その電磁界の等位相面は誘電体の比誘電率によって定まる角度で傾いたものとして表され、図３にその様子を示す。このように、伝搬方向に対して電磁界の等位相面が傾くのは、誘電体板５４と共用導波部３０とでは誘電率が異なり電磁波の伝搬速度が異なるためである。電磁ホーン部４０から放射される電磁波の指向性に直接関係があるのは、共用導波部３０における基本モードの電磁界分布である。図３に示すように基本モードの電磁界の等位相面が傾いていると、電磁ホーン部４０から放射される電磁波の最大放射方向は、共用導波部３０において等位相面が傾いていた方向に傾いてしまう。

本実施形態においては、誘電体板５４の誘電率、厚み等を最適設計することで、このような第１の周波数帯の電磁波の指向性の偏向を調整することとしている。したがって、誘電体板５４の設計変数の決定に際しては、第１の周波数帯の電磁波を共用導波部３０側へ反射する特性、第２の周波数帯の電磁波を透過する特性のみならず、電磁ホーン部４０から放射される第１の周波数帯の電磁波の指向性をも考慮しなければならない。

導体隔壁板３６によって形成される分岐路Ｐ₁および分岐路Ｐ₂の端面Ａおよび端面Ａ’は、第１の周波数帯の電磁波に対しては伝搬不連続面として作用し、この伝搬不連続面の影響は、傾斜部２０を構成する導体板２２若しくは導体板２４の設計変数、共用導波部３０を構成する導体板３２若しくは誘電体板５４の設計変数、および導体隔壁板３６の設計変数を調整することで低減することが可能であることは上述のとおりである。上記においては、端面Ａおよび端面Ａ’の影響としては、垂直偏波抑圧板１６へ向かう反射波の発生をとりあげたが、その他に、端面Ａおよび端面Ａ’における高次モードの発生があげられる。端面Ａおよび端面Ａ’おいては電磁界境界条件を満たすように高次モードが発生し、電磁ホーン部４０から放射される第１の周波数帯の電磁波の指向性を乱す要因となる。そこで、本実施形態においては、傾斜部２０を構成する導体板２２若しくは導体板２４の設計変数、共用導波部３０を構成する導体板３２若しくは誘電体板５４の設計変数、および導体隔壁板３６の設計変数を決定するに際しては、反射波の発生を低減するという点のみならず、高次モードを低減して指向性を最適化するという点についても考慮しなければならない。

レーダ装置では、垂直面内の探知範囲を広げるため、垂直面内の指向性の電力半値幅はある程度大きいことが好ましい。例えば、航海用船舶レーダ装置では船舶の揺れを許容するため、垂直面内の指向性の電力半値幅は２０度以上と規定されている。しかしながら、指向性の電力半値幅を大きくし過ぎると、単位面積当たりの放射電力が低下してレーダ装置の性能が低下してしまう。したがって、電力半値幅は垂直面内の探知範囲と単位面積当たりの放射電力の両者を鑑みて設定する必要がある。なお、以下の説明では、指向性の電力半値幅を小さくすることを、指向性を鋭くすると表現するものとする。

本実施形態の２周波数帯スロットアレイアンテナ１から放射される第１の周波数帯の電磁波の垂直面内の指向性は、第２の周波数帯の電磁波のそれよりも鋭い。それは、第１の周波数帯の電磁波は、傾斜部２０および共用導波部３０を経て電磁界分布が整えられた状態で電磁ホーン部４０に至るのに対し、第２の周波数帯の電磁波は、共用導波部３０において伝搬方向が変更され、高次遮断モードの存在などにより電磁界分布が整っていない状態で電磁ホーンに至るためである。

ここで、第２の周波数帯の電磁波のみに着目して垂直面内の指向性を決定してしまうと、第１の周波数帯の電磁波の垂直面内の指向性が鋭くなり過ぎてしまうおそれがある。そこで、第１の周波数帯の電磁波について所望の垂直面内の指向性を得るため、誘電体板５４の比誘電率、厚み等を最適設計することで、第１の周波数帯の電磁波の垂直面内の指向性の偏向を調整し、第１の周波数帯の電磁波の垂直面内の指向性を調整することが好適である。

以上説明してきたように、２周波数帯スロットアレイアンテナ１の電磁ホーン部４０は、第１のスロットアレイ導波管１０から放射された電磁波と、第２のスロットアレイ導波管５０から放射された電磁波の両者について垂直面内の指向性を形成しつつ自由空間に放射している。したがって、これらの電磁波の垂直面内の指向性を容易に一致させることができる。

また、第１のスロットアレイ導波管１０および第２のスロットアレイ導波管５０に設けられている複数のスロット６０の配置を調整することにより、第１のスロットアレイ導波管１０から放射される電磁波の水平面内の指向性と第２のスロットアレイ導波管５０から放射される電磁波の水平面内の指向性を容易に一致させることができる。

したがって、第１のスロットアレイ導波管１０の入力端Ｉ₁から電磁ホーン部４０の開口面に至るまでの伝搬時間と、第２のスロットアレイ導波管５０の入力端Ｉ₂から電磁ホーン部４０の開口面に到るまでの伝搬時間との差を考慮しさえすれば、本実施形態の２周波数帯スロットアレイアンテナ１を、周波数ダイバーシティ処理を行うレーダ装置に適用することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明はこの実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限りにおいて様々な実施形態が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施形態の２周波数帯スロットアレイアンテナの斜視図である。本発明の実施形態の２周波数帯スロットアレイアンテナの断面図である。共用導波部を伝搬する基本伝搬モードの等位相面の様子を示す図である。スロットアレイアンテナの一般的な構成を示す図である。従来技術に係る電磁ホーン付きスロットアレイアンテナの構成を示す図である。従来技術に係る電磁ホーン付きスロットアレイアンテナを２系統配置することによって構成された、２周波数帯スロットアレイアンテナを示す図である。

符号の説明

１，６２周波数帯スロットアレイアンテナ、２スロットアレイアンテナ、３，４，５電磁ホーン付きスロットアレイアンテナ、１０，５０，７０スロットアレイ導波管、１２，５２，７２接続導波部、１６，５６，７６垂直偏波抑圧板、２０傾斜部、２２，２４，３２，３４，４２，４４，８２，８４導体板、３０共用導波部、３６導体隔壁板、４０，８０，９０，１００電磁ホーン部、５４誘電体板、６０スロット。

Claims

互いに異なる周波数の電磁波を放射する第１および第２のスロットアレイ導波管と、
前記第１および第２のスロットアレイ導波管に対して共用され、放射特性を調整する電磁ホーンと、
前記第１のスロットアレイ導波管および前記第２のスロットアレイ導波管のそれぞれから放射された電磁波を、前記電磁ホーンへと導く導波部と、
を備え、
前記導波部は、
延伸方向を揃えて対向する第１の辺および第２の辺をそれぞれが有し、第１の辺および第２の辺の方向を揃えて壁面が対向する２つの導体壁と、
前記２つの導体壁のうち一方の導体壁に設けられ、前記第１および第２の辺の延伸方向に沿って延伸する隙間と、
を備え、
前記第１のスロットアレイ導波管は、
前記第１の辺の延伸方向に沿って延伸するスロット配列面を有し、前記第１の辺の側から前記２つの導体壁に挟まれた領域に電磁波を放射し、
前記第２のスロットアレイ導波管は、
前記隙間の延伸方向に沿って延伸するスロット配列面を有し、前記隙間から前記２つの導体壁に挟まれた領域に電磁波を放射し、
前記導波部は、
前記第１および第２のスロットアレイ導波管から前記２つの導体壁に挟まれた領域に放射された電磁波を、前記第２の辺の側から前記電磁ホーンへと導き、
前記導波部は、さらに、
板面が前記２つの導体壁の各壁面に沿うよう、前記２つの導体壁の間に挟まれて配置される導体隔壁板を備え、
前記導体隔壁板および前記２つの導体壁は、
前記導体隔壁板と各導体壁との間に形成される領域が、前記隙間から導かれた電磁波に対する遮断導波路となり、前記隙間から導かれた電磁波を前記電磁ホーンへと導くよう配置されることを特徴とするスロットアレイアンテナ。
互いに異なる周波数の電磁波を放射する第１および第２のスロットアレイ導波管と、前記第１および第２のスロットアレイ導波管に対して共用され、放射特性を調整する電磁ホーンと、
前記第１のスロットアレイ導波管および前記第２のスロットアレイ導波管のそれぞれから放射された電磁波を、前記電磁ホーンへと導く導波部と、
を備え、
前記導波部は、
延伸方向を揃えて対向する第１の辺および第２の辺をそれぞれが有し、第１の辺および第２の辺の方向を揃えて壁面が対向する２つの導体壁と、
前記２つの導体壁のうち一方の導体壁に設けられ、前記第１および第２の辺の延伸方向に沿って延伸する隙間と、
を備え、
前記第１のスロットアレイ導波管は、
前記第１の辺の延伸方向に沿って延伸するスロット配列面を有し、前記第１の辺の側から前記２つの導体壁に挟まれた領域に電磁波を放射し、
前記第２のスロットアレイ導波管は、
前記隙間の延伸方向に沿って延伸するスロット配列面を有し、前記隙間から前記２つの導体壁に挟まれた領域に電磁波を放射し、
前記導波部は、
前記第１および第２のスロットアレイ導波管から前記２つの導体壁に挟まれた領域に放射された電磁波を、前記第２の辺の側から前記電磁ホーンへと導き、
前記導波部は、さらに、
前記隙間を塞ぐ誘電体板を備えることを特徴とするスロットアレイアンテナ。
請求項２に記載のスロットアレイアンテナであって、
前記導波部は、さらに、
板面が前記２つの導体壁の各壁面に沿うよう、前記２つの導体壁の間に挟まれて配置される導体隔壁板を備え、
前記導体隔壁板および前記２つの導体壁は、
前記導体隔壁板と各導体壁との間に形成される領域が、前記隙間から導かれた電磁波に対する遮断導波路となり、前記隙間から導かれた電磁波を前記電磁ホーンへと導くよう配置されることを特徴とするスロットアレイアンテナ。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のスロットアレイアンテナであって、
前記第１のスロットアレイ導波管と前記第２のスロットアレイ導波管は、
前記第１のスロットアレイ導波管から放射され前記電磁ホーンから放射される電磁波の偏波方向と、前記第２のスロットアレイ導波管から放射され前記電磁ホーンから放射される電磁波の偏波方向とが一致するよう配置されることを特徴とするスロットアレイアンテナ。