JP4535641B2

JP4535641B2 - Primary radiator and phase shifter and beam scanning antenna

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Publication number: JP4535641B2
Application number: JP2001163295A
Authority: JP
Inventors: 健竹之下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2021-05-30
Also published as: JP2002359516A

Description

【０００１】
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する。この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】
【発明が解決しようとする課題】
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】
さらに本発明者は特願2001−20620号において、高周波信号の不要な漏洩なしに集波器と一次放射器との位置関係を変化させることが可能な一次放射器、および集波器と一次放射器とからなる移相器、ならびに移相器と放射素子とからなるビーム走査アンテナを提案した。この一次放射器においては、一次放射器への給電線路となる導波管線路を基体中に設けた溝と溝を完全に覆うような平板で構成し、平板に導波管線路と一次放射器を結合する窓を設けている。そして、一次放射器を可動させるために基体と平板の間に隙間を設けると基体と平行平板との間に平行平板モードが発生して電磁波が漏洩するため、導波管線路を構成する溝の周りを取囲むように溝を設けてチョークとし、不要な漏洩がないようにしている。
【００１０】
一方、一次放射器の放射素子としては、導波管フランジ・ホーンアンテナ・セクトラルホーンアンテナ・モノポールアンテナ等が良く用いられる。
【００１１】
導波管フランジは導波管にフランジを取付けて後方への高周波信号の放射の回り込みを抑えたものであり、放射指向性は導波管の開口面の高周波信号の波長に対する大きさとフランジの大きさにより調整でき、開口面と地板が大きいほど指向性が強くなる。しかしながら、開口面は高次モードが発生しない範囲に留める必要があり、そのためには例えば矩形導波管の内部が空気で満たされている場合、矩形導波管断面の長手方向の寸法を高周波信号の波長より短くする必要がある。従って、強い指向性を実現することは困難であるという問題点がある。
【００１２】
これに対し、強い指向性を実現するために考えられたのが、ホーンアンテナとセクトラルホーンアンテナである。これらは導波管の先端に開口面が徐々に大きくなるようなホーンおよびセクトラルホーンを設けたものであり、滑らかに電磁界の分布を変化させて開口面を大きくし、強い指向性を実現することが可能である。ただし、ホーンの開き角が大きすぎるとホーンとしての効果が低くなる。そのため、開口面積を大きくするためにはホーンの奥行きも十分大きくする必要があり、一次放射器の大型化につながることとなるという問題点がある。
【００１３】
モノポールアンテナはモノポールに垂直な面内に球面状に広がる波を励振したい場合に用いられる。これについては、必要な範囲のみに放射するように反射板等を設けると、直接波と反射波の干渉により放射される高周波信号の電磁界分布が変化し、放射される電磁波が球面状に広がる波ではなくなってしまうという問題点がある。
【００１４】
なお、導波管フランジ・ホーンアンテナ・セクトラルホーンアンテナ・モノポールアンテナの何れにおいても、限定した範囲に高周波信号を放射させると放射中心部での電磁波の振幅が大きくなり、放射端部での電磁波の振幅は小さくなるという問題点がある。
【００１５】
一次放射器と集波器とからなる移相器から複数のアンテナ給電ポートへ給電する場合、利得を最大にするためには各給電ポートへ同振幅同位相の電磁波が給電されることが望ましい。そのためには、一次放射器から放射される高周波信号が集波器に入射するときに平面波もしくは球面波となり、振幅と位相は平面波もしくは球面波の波面となる平面上もしくは球面上で一様となることが望ましい。これに対し、導波管フランジ・ホーンアンテナ・セクトラルホーンアンテナ・モノポールアンテナ等ではそれが困難であるという問題点があった。
【００１６】
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、小型で、放射する高周波信号が集波器に入射する平面波もしくは球面波であり、振幅および位相が平面波もしくは球面波の波面となる面上で一様となる、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
【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。
【００２０】
まず、給電線路から一次放射器に給電された高周波信号の信号波長をλとしたとき、幅がλ／２〜λの導波管線路を導波管型の分配器によって２本以上の導波管線路に分岐する。この分配器は１本の導波管線路と２本以上の導波管線路とを整合部で接続した構造になっており、整合部の信号伝播方向の長さは好ましくはλ／８からλの範囲で反射が最も小さくなるように選定する。分岐した導波管線路の先端のそれぞれには、自由空間に放射するために、平行に対向配置された２枚の導体板間に形成されたセクトラルホーンを各開口が連続するように取付け、全体としてホーンセクタアンテナを構成するものとする。このとき、セクタ数を多くすると各セクタに給電される電力をより細かく調整できるが、それに伴って分配器の数も多く必要となるため、一次放射器全体のサイズが大きくなることとなる。そこで、サイズと放射特性との兼ね合いにより、最適なセクタ数を決定する。
【００２１】
以上のような構成とすることにより、所望の範囲すなわちホーンセクタアンテナの全体としての開口角の範囲に高周波信号の電磁波を放射することが可能で、例えば同位相の波面が球面となるようにセクトラルホーンを配置し、分岐後の導波管線路に分配される電力の比率が全て等しければ、複数のセクトラルホーンの全体としての開口角の範囲で高周波信号の振幅と位相が一様な球面波を放射させることが可能である。
【００２２】
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、一次放射器から放射された高周波信号の球面波を集波器で平面波に変換し、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、高周波信号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。
【００２３】
さらに、上記構成の一次放射器と集波器と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高周波信号の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。また、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。
【００２４】
すなわち、本発明の一次放射器は、高周波信号の電磁波を入力する入力ポートと、前記電磁波を開口から放射する複数のセクトラルホーンと、前記入力ポートから入力された前記電磁波を複数に分配する分配器と、前記入力ポート、前記複数のセクトラルホーン、および前記分配器の間を接続している複数の導波管とが、対向配置されている２つの導体板の一部と、該２つの導体板の間に設けられている仕切り板とを導体壁として形成されおり、前記複数のセクトラルホーンは、前記２つの導体板に沿って各々の開口が連続配置されており、当該各々の開口の開き角がホーン部の途中から開口まで大きくなっている、ことを特徴とするものである。
【００２５】
また、本発明の一次放射器は、上記構成において、前記分配器が前記複数のセクトラルホーンの連続配置されている開口において、当該配置の中心部で振幅が最大となり、当該配置の端部に行くに従い振幅が小さくなるように前記電磁波を分配することを特徴とするものである。
【００２６】
さらに、本発明の一次放射器は、上記構成において、前記分配器が複数段に接続されていることを特徴とするものである。
【００２７】
また、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本発明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開口の前記集波器に対する位置を可変とすることにより、前記開口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。
【００２８】
また、本発明のビーム走査アンテナは、上記本発明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。
【００２９】
【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。
【００３０】
まず図３は、本発明の比較例として従来の一次放射器の一例であるセクトラルホーン１の構成を説明するための斜視図である。また、図４は図３に示した一次放射器の一例のセクトラルホーン１の内部を破線で示した上面図である。
【００３１】
この従来の一次放射器としてのセクトラルホーン１においては、平行に対向配置された２枚の導体板間に形成された、高周波信号の電磁波の入力ポート２と、単一の開口面を有するホーン部３と、入力ポート２とホーン部３とを接続する導波管４とから成り、入力ポート２より導波管４に入力された高周波信号の電磁波はホーン部３中で徐々に広がり、その開口面から放射される。このとき、導波管４の幅は高周波信号の信号波長λの１／２〜１倍の範囲に設定される。
【００３２】
次に図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の内部を破線で示した上面図である。この本発明の一次放射器においては、平行に対向配置された２枚の導体板の間に形成された、高周波信号の電磁波の入力ポート６と、この入力ポート６に接続された導波管型の分配器７と、分配器７により電磁波が分配される複数の導波管８と、これら複数の導波管８に接続されるとともに各々の開口10が導体板に平行な方向に連続して一直線状に配置された複数のセクトラルホーン９とから成り、これにより本発明の一次放射器であるセクトラルホーンアレイとしてのセクタアンテナ５を構成している。
【００３３】
このような本発明の一次放射器であるセクタアンテナ５において、導体板としては、例えば銅・アルミ等の金属板や、セラミック基板の表面および内部の導体パターン等を使用することができ、平行に対向配置されたこの導体板間に同じ材料を用いて側壁部分を形成して、入力ポート６・分配器７・導波管８・セクトラルホーン９を形成すればよい。なお、入力ポート６・分配器７・導波管８・セクトラルホーン９の内部は、空洞（比誘電率が１の空気で満たされた状態）であってもよく、所定の比誘電率の媒質、例えば樹脂やセラミックス等で満たされていてもよい。空洞の場合には、空気の誘電損失がゼロのため、低損失とできる。また、構造はシンプルで作製が容易となる。一方、所定の比誘電率の媒質で満たされた場合には、セクトラルホーン９のサイズを比誘電率の平方根に反比例して小さくでき、小型化に有利となる。
【００３４】
また、導体板として、誘電体基板の両主面に被着形成された導体層を用い、誘電体基板の内部にこれら導体層間を高周波信号の信号波長λの２分の１未満の所定の繰り返し間隔で接続するように貫通導体群を形成して、これら貫通導体群を側壁部分としていわゆる誘電体導波管線路により入力ポート６・分配器７・導波管８・セクトラルホーン９を形成するようにしてもよい。この場合には、セラミック同時焼成技術等を応用することができ、機械加工では加工困難な複雑な形状のものも容易に作製可能となる。
【００３５】
図１・図２に示す例では、入力ポート６より入力された高周波信号の電磁波は３段に接続された２分岐の分配器７で最終的に８つの導波管８にそれぞれ分配され、最終段で各導波管８に接続された複数のセクトラルホーン９の各開口10から放射される。また、複数の分配器７はそれぞれ等分配器となっており、複数のセクトラルホーン９のそれぞれには等しい電力の電磁波が供給され、セクタアンテナ５からは振幅が一様な球面波が放射される。このように複数の分配器７を等分配器としたときには、セクトラルホーン９から放射される電磁波の球面状の波面における振幅および位相が一様になる。この球面波が後述する球面波から平面波への変換を行なう集波器を通過すると、球面波から平面波への変換が行なわれ、平面上の波面における振幅および位相が一様となり、この平面波をさらに他のアンテナに給電する際にアンテナ利得が最大となるための波源として用いることが可能となる。
【００３６】
このとき、複数の導波管８の幅は高周波信号の信号波長λの１／２〜１倍の範囲に設定される。また、この例における分配器７は１本の導波管８を２本の導波管８に分岐しているが、分配器７における１本の導波管８と２本の導波管８とを接続する整合部の長さは、高周波信号の信号波長λの１／８〜１倍の範囲の長さに設定することが望ましく、好適には約１／４倍の長さとすると高周波信号の反射損失を極めて小さなものとできる。
【００３７】
また、複数の分配器７は必ずしも等分配器とする必要はなく、例えばセクタアンテナ５の中心部で振幅が最大となり、端部に行くに従い振幅が小さくなるように分配器７の分配比率を調整することにより、集波器を通過後の平面波をその他のアンテナへの給電の信号とすることによりサイドローブを抑制することが可能となる。
【００３８】
このような本発明の一次放射器の構造による効果を確認するため、図３・図４に示した比較例の一次放射器であるセクトラルホーン１と図１・図２に示した本発明の一次放射器の実施の形態の一例であるセクタアンテナ５とについて、一次放射器の内部および外部近傍の電界強度分布を計算により求めた。
【００３９】
まず、図３・図４に示したセクトラルホーン１の寸法を次のように設定した。高周波信号の信号波長λに対して、高周波信号が入力される入力ポート２における導波管４の幅は約0.7倍、セクトラルホーン１の開口面３の長さは約15倍、開口面３の高さは約0.3倍、奥行きは約3.5倍とした。この場合の電界強度の分布についての計算結果を図５に等高線図で示す。図５より分かるように、セクトラルホーン１の開き角128度に対し、高周波信号の電磁波が放射されている角度は約92度であり、開き角の72％程度の範囲に放射されている。また、電磁波の振幅はセクトラルホーン１の中心軸上で最大であり、端部に向かうに従って小さくなっている。
【００４０】
次に、図１・図２に示した本発明の一次放射器であるセクタアンテナ５の寸法を次のように設定した。高周波信号の信号波長λに対して、高周波信号の電磁波が入力される入力ポート６における導波管の幅は約0.7倍、セクトラルホーン９の開口面10の長さは約15倍、開口面10の高さは約0.3倍、奥行きは約3.5倍、分配器７の整合部の長さは約0.25倍とした。この場合の上記と同様の電界強度の分布についての計算結果を図６に等高線図で示す。図６より分かるように、複数のセクトラルホーン９の全体としての開き角128度に対し、ほぼ等しい角度で高周波信号の電磁波が放射されている。この例では、電磁波の振幅は一次放射器の前方の球面上でほぼ一様となり、図５に示した結果と比較して、複数のセクトラルホーン９から電磁波を同振幅・同位相で放射することにより、所望の範囲の球面状の波面に対し、強制的に同振幅・同位相としていることから、一次放射器としての開口面が大きくなっていることが分かる。この結果より、このような構造の本発明の一次放射器であるセクタアンテナ５を用いることにより、アンテナゲインの向上が期待できる。
【００４１】
ただし、各セクトラルホーン９の間の仕切板の前方では電磁波の振幅が若干小さくなっているので、この影響がなるべく小さくなるようにすることが重要と考えられる。そのような対策としては、例えば図７に図２と同様の内部を破線で示した上面図で示すように、各セクトラルホーン９の開き角をホーン部の途中で大きくして仕切り板の影響を低減する方法等を採用することができる。
【００４２】
次に、本発明の一次放射器５を用いて可動部と組み合わせて構成した一次放射器部の例を図８に斜視図で示す。
【００４３】
図８において、５は図１・図２に示した本発明の一次放射器としてのセクタアンテナである。11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である溝を内部に設けた、例えば金属から成る基体部である。基体部11の溝の底面には一端から高周波信号の信号波長λの１／８〜１／１、好ましくは略１／４または３／４の位置に入力用窓が設けられ、基体部11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。12は基体部11の上面に溝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12は基体部11の上面に載置されて溝とともに高周波信号の導波管を形成するとともに、この導波管の上面に位置する部位に高周波信号の結合用窓が設けられており、この結合用窓上にセクタアンテナ５が配置されている。
【００４４】
この可動部12には、基体部11の溝とともに構成する導波管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のエッジ部の上方に、この可動部12を貫通して結合用窓を設けてある。さらに、可動部12の下面には、基体部11の溝よりも若干寸法が小さく、この溝の断面を塞ぐ反射部材が、可動部12の結合用窓から基体部11の入力用窓と逆方向に高周波信号の導波管内の管内波長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。
【００４５】
この反射部材は、これがないと想定した場合に、可動部12の結合用窓に入力される成分としては、基体部11の入力用窓から入力され溝と可動部12とによる導波管を伝播してきた高周波信号が直接に結合用窓に入力される成分と、直接に結合用窓に入力されずに通過して導波管の端面の短絡部で反射してから結合用窓に入力される成分とがあり、結合用窓から導波管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12と結合用窓およびセクタアンテナ５を移動させても、常に結合用窓から導波管の短絡端までの距離を一定とするために反射部材を結合用窓から入力用窓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12の下面に取り付けるものである。
【００４６】
この結合用窓から反射部材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、結合用窓における結合効率は最大とできる。
【００４７】
このような可動部12の結合用窓の上方にあたる部分に本発明の一次放射器であるセクタアンテナ５を配置しており、このセクタアンテナ５は可動部12の結合用窓を介して、基体部11の溝と可動部12とで構成される導波管と結合される。なお、セクタアンテナ５は可動部12の結合用窓に対して、結合用窓が導波管の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面から所定のビーム角で高周波信号の電磁波を放射する。
【００４８】
これにより、基体部11の入力用窓から入力された高周波信号は基体部11の溝と平板状の可動部12とから成る導波管を伝播し、可動部12の結合用窓を介してセクタアンテナ５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、セクタアンテナ５から自由空間中に放射される。セクタアンテナ５は、基体部11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12上に、導波管の長手方向に直交する方向で可動部12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、セクタアンテナ５は可動部12とともに基体部11上を平行移動しながら、このセクタアンテナ５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。
【００４９】
そして、図９に分解斜視図で示すように、平行に対向配置した２枚の金属板13および14から成る平行平板間に図８に示すような本発明の一次放射器であるセクタアンテナ５を用いた一次放射器部を平板状の集波器15とともに配置することにより、セクタアンテナ５の集波器15に対する位置を可変として、セクタアンテナ５から放射された球面波から集波器15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、本発明の移相器を構成することができる。
【００５０】
なお、図９において、17は移相器のケースを示している。
【００５１】
さらに、同じく図９に示すように、このような本発明の一次放射器であるセクタアンテナ５と集波器15を平行に配置した２枚の金属板13・14の間に挟んだ構造の移相器に対して、金属板の一方、この例では金属板13に集波器15で位相を調整した電磁波を平行に配置した２枚の金属板13・14の外部に出力する複数のスロット16を設け、これらスロット16にセクタアンテナ５からの高周波信号を集波器15で位相を調整した後に給電することにより、スロット16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、本発明のビーム走査アンテナとなる。
【００５２】
またさらに、図10に斜視図で示すように、これら本発明のビーム走査アンテナのスロット16上に他の指向性のアンテナ素子、例えば所定の放射スロット19がアレイ状に形成されたスロットアレイアンテナ18を設け、これに本発明のビーム走査アンテナから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。
【００５３】
以上のように、平行に対向配置された２枚の導体板の間に形成された入力ポート６と導波管型の分配器７と導波管８とセクトラルホーン９とから成り、入力ポート６から入力された高周波信号の電磁波を複数の分配器７と導波管８とにより必要な数に分岐して、分岐後の複数の導波管８にそれぞれ開口10が連続して配置された複数のセクトラルホーン９を接続し、それらセクトラルホーン９を配列して構成された本発明の一次放射器であるセクタアンテナ５を用いることにより、複数の開口10の全体としての開口角で見込まれた球面波の波面となる面上でこれら開口10から放射される高周波信号の電磁波の振幅と位相を所望の範囲で一様あるいは所望の強度分布とした、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。
【００５４】
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一次放射器から放射される高周波信号の電磁波が球面波となる場合について述べたが、一次放射器から放射される高周波信号の電磁波が平面波等であっても全く差し支えない。また、セクトラルホーン９への給電が複数の分配器を用いた並列給電で行なう例を示したが、直列給電による給電であっても全く差し支えない。
【００５５】
【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、高周波信号の電磁波を入力する入力ポートと、前記電磁波を開口から放射する複数のセクトラルホーンと、前記入力ポートから入力された前記電磁波を複数に分配する分配器と、前記入力ポート、前記複数のセクトラルホーン、および前記分配器の間を接続している複数の導波管とが、対向配置されている２つの導体板の一部と、該２つの導体板の間に設けられている仕切り板とを導体壁として形成されおり、前記複数のセクトラルホーンは、前記２つの導体板に沿って各々の開口が連続配置されており、当該各々の開口の開き角がホーン部の途中から開口まで大きくなっていることから、入力された高周波信号の電磁波を必要な数に分岐して複数のセクトラルホーンより放射する高周波信号の電磁波の振幅と位相を複数のセクトラルホーンの開口で見込まれた開口角における所望の面上で一様または所望の強度分布とすることが可能となり、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ができる。
【００５６】
また、本発明の一次放射器において、前記分配器が前記複数のセクトラルホーンの連続配置されている開口において、当該配置の中心部で振幅が最大となり、当該配置の端部に行くに従い振幅が小さくなるように前記電磁波を分配する場合には、一次放射器から放射される電磁波の振幅および位相が所望の波面上で一様となるため、アンテナの利得を最大とする波源として用いることが可能となる。
【００５７】
また、本発明の一次放射器において、前記分配器が複数段に接続されている場合には、分配器の分配比率を複数段で調整可能なため、所望の波面における振幅および位相の詳細な調整が可能であり、様々な特性のアンテナの波源として用いることが可能となる。
【００５８】
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、前記一次放射器の前記開口の前記集波器に対する位置を可変とすることにより、前記開口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。
【００５９】
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ビーム走査アンテナとなる。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、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の内部構造を示した上面図である。
【図３】本発明の比較例となる一次放射器の構成を説明するための斜視図である。
【図４】図３に示した本発明の比較例となる一次放射器の内部構造を示した上面図である。
【図５】本発明の比較例となる一次放射器における内部および外部の電界強度分布を示す等高線図である。
【図６】本発明の一次放射器の一例における内部および外部の電界強度分布を示す等高線図である。
【図７】本発明の一次放射器の実施の形態の他の例の内部構造を示した上面図である。
【図８】本発明の一次放射器を用いた一次放射器部の例を示す斜視図である。
【図９】本発明の移相器ならびにビーム走査アンテナの実施の形態の一例を示す分解斜視図である。
【図１０】本発明のビーム走査アンテナの実施の形態の他の例を示す分解斜視図である。
【符号の説明】
５・・・・・セクタアンテナ
６・・・・・入力ポート
７・・・・・分配器
８・・・・・導波管
９・・・・・セクトラルホーン
10・・・・・開口
13、14・・・金属板
15・・・・・集波器
16・・・・・スロット[0001]
The present invention relates to a primary radiator used for a beam scanning antenna such as a microwave band and a millimeter wave band. To do. this The present invention relates to a primary radiator, a phase shifter using the primary radiator, and a beam scanning antenna.
[0002]
[Prior art]
Many beam scanning antennas using electromagnetic waves in the microwave band and millimeter wave band have been proposed. This beam scanning method is roughly divided into mechanical beam scanning and electronic beam scanning.
[0003]
In mechanical beam scanning, beam scanning is performed by moving a part or the whole of an antenna having an arbitrary directivity. According to this method, since one antenna is generally moved with respect to scanning of one beam, the configuration becomes simple. However, since it has a mechanical movable part, there is a problem that high-speed beam scanning is difficult when it is large.
[0004]
On the other hand, in the electronic beam scanning, directivity is different from that in which beam scanning is performed by controlling the phase of a high-frequency signal fed to each element using a phase shifter using an array antenna in which a plurality of antenna elements are arrayed. Some beam scanning is performed by switching a plurality of antennas with a switch. Since none of these have mechanical moving parts, high-speed beam scanning is possible, but there is a problem that phase shifters and switches are expensive, and their applications are limited.
[0005]
Also, a phase shifter used for an antenna by electronic beam scanning often uses a latching ferrite. In this phase shifter, the phase control is generally performed in 8 stages in increments of 45 degrees, and this type has a problem that the phase cannot be changed continuously. Furthermore, it is said that there is a problem that the response speed is slower than that of the switch.
[0006]
On the other hand, a PIN diode is often used as a switch in the switching type using a switch. However, the PIN diode is a switch that switches between open and short, and has a problem that insertion loss is large. There is also a problem that switches are required for the number of antennas, which is expensive.
[0007]
In recent years, phase shifters and switches are becoming MMICs (Microwave Monolithic Integrated Circuits) due to advances in semiconductor manufacturing technology, and high-performance beam scanning antennas are expected. There has been a demand for an inexpensive phase shifter capable of controlling the above.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, in the Japanese Patent Application No. 11-307256, the applicant of the present invention is one of a collector and a parallel plate composed of a primary radiator and a dielectric lens or a reflector disposed between two parallel metal plates. Has proposed a beam scanning antenna comprising a plurality of slots. According to this beam scanning antenna, the spherical wave high-frequency signal radiated from the primary radiator propagates between the parallel plates and is converted into a plane wave by the wave collector. In addition, by changing the positional relationship between the primary radiator and the collector, the phase gradient of the electromagnetic wave can be controlled using this as a phase shifter. Then, a high-frequency signal whose phase is controlled by a phase shifter is radiated directly from the slot provided on one side of the parallel plate to scan the beam, or a high-frequency signal is sent to another antenna element provided outside the slot. Can be scanned with the beam. Since this beam scanning antenna is constituted by a parallel plate, a collector and a primary radiator constituting a phase shifter, it can be manufactured at low cost.
[0009]
Furthermore, the present inventor disclosed in Japanese Patent Application No. 2001-20620 a primary radiator capable of changing the positional relationship between a collector and a primary radiator without unnecessary leakage of a high-frequency signal, and the collector and primary radiation. We proposed a phase shifter consisting of a phase shifter and a beam scanning antenna consisting of a phase shifter and a radiating element. In this primary radiator, a waveguide line serving as a feed line to the primary radiator is constituted by a flat plate that completely covers the groove provided in the substrate, and the waveguide line and the primary radiator are provided on the flat plate. The window which joins is provided. If a gap is provided between the base and the flat plate to move the primary radiator, a parallel plate mode is generated between the base and the parallel plate, and electromagnetic waves leak. A groove is provided so as to surround the periphery, thereby forming a choke so that unnecessary leakage does not occur.
[0010]
On the other hand, a waveguide flange, a horn antenna, a sectoral horn antenna, a monopole antenna, or the like is often used as a radiating element of the primary radiator.
[0011]
A waveguide flange is one in which a flange is attached to the waveguide to prevent the radiation of high-frequency signals from going backward, and the radiation directivity depends on the wavelength of the high-frequency signal on the opening surface of the waveguide and the size of the flange. The directivity becomes stronger as the opening surface and the main plate are larger. However, it is necessary to keep the aperture surface in a range where higher-order modes do not occur. For this purpose, for example, when the interior of the rectangular waveguide is filled with air, the longitudinal dimension of the rectangular waveguide cross section is set to the high-frequency signal. It is necessary to shorten the wavelength. Therefore, there is a problem that it is difficult to realize strong directivity.
[0012]
On the other hand, a horn antenna and a sectoral horn antenna have been considered in order to realize strong directivity. These are provided with a horn and a sectoral horn that gradually increase the opening surface at the tip of the waveguide. By smoothly changing the electromagnetic field distribution, the opening surface is enlarged and strong directivity is realized. It is possible. However, if the opening angle of the horn is too large, the effect as the horn is reduced. Therefore, in order to increase the opening area, it is necessary to increase the depth of the horn sufficiently, leading to an increase in the size of the primary radiator.
[0013]
The monopole antenna is used when exciting a wave spreading in a spherical shape in a plane perpendicular to the monopole. In this regard, if a reflector or the like is provided so as to radiate only in the necessary range, the electromagnetic field distribution of the high-frequency signal radiated by interference between the direct wave and the reflected wave changes, and the radiated electromagnetic wave spreads in a spherical shape. There is a problem that it is no longer a wave.
[0014]
In any of the waveguide flange, horn antenna, sectoral horn antenna, and monopole antenna, if a high frequency signal is radiated to a limited range, the amplitude of the electromagnetic wave at the radiation center increases, and the electromagnetic wave at the radiation end There is a problem that the amplitude of is small.
[0015]
When power is supplied from a phase shifter composed of a primary radiator and a current collector to a plurality of antenna power supply ports, it is desirable to supply electromagnetic waves with the same amplitude and phase to each power supply port in order to maximize the gain. For this purpose, when a high-frequency signal radiated from the primary radiator enters the wave collector, it becomes a plane wave or a spherical wave, and the amplitude and phase are uniform on a plane or a spherical surface that is the wavefront of the plane wave or the spherical wave. It is desirable. On the other hand, there is a problem that it is difficult to use a waveguide flange, horn antenna, sectoral horn antenna, monopole antenna, or the like.
[0016]
The present invention has been devised to solve such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a phase shifter comprising a collector and a primary radiator, and a primary used for a beam scanning antenna using the phase shifter. Low-cost, high-reliability, small-sized, high-frequency signal that radiates high-frequency signals that are plane waves or spherical waves that are incident on the collector, and whose amplitude and phase are uniform on the planes of plane waves or spherical waves. And a primary radiator capable of constituting a high-performance phase shifter and a beam scanning antenna.
[0017]
Another object of the present invention is that the primary radiator and the collector are arranged between parallel plates, and the phase is continuously changed by changing the positional relationship between the primary radiator and the collector. It is to provide a controllable phase shifter.
[0018]
Another object of the present invention is to provide a slot on one of the parallel plates constituting the phase shifter using the primary radiator, and directly radiate a high-frequency signal after the phase is controlled by the collector. The present invention provides a beam scanning antenna that can scan a beam or provide another antenna outside a parallel plate and feed a high-frequency signal to the other antenna through a slot to scan the beam. .
[0019]
[Means for Solving the Problems]
As a result of studying the above problems, the present inventor has found that the above problem can be solved by the following configuration.
[0020]
First, when the signal wavelength of the high-frequency signal fed from the feed line to the primary radiator is λ, the waveguide line having a width of λ / 2 to λ is guided to two or more waveguides by a waveguide type distributor. Branch to the pipeline. This distributor has a structure in which one waveguide line and two or more waveguide lines are connected by a matching portion, and the length of the matching portion in the signal propagation direction is preferably from λ / 8 to λ In this range, the reflection is selected to be the smallest. At each end of the branched waveguide line, a spectral horn formed between two conductive plates arranged opposite to each other in parallel to radiate into free space is attached so that each opening is continuous. Assume that a horn sector antenna is constructed. At this time, if the number of sectors is increased, the electric power supplied to each sector can be adjusted more finely. However, since the number of distributors is also increased accordingly, the size of the entire primary radiator is increased. Therefore, the optimum number of sectors is determined based on the balance between the size and the radiation characteristics.
[0021]
With the above configuration, it is possible to radiate an electromagnetic wave of a high-frequency signal in a desired range, that is, a range of the opening angle of the horn sector antenna as a whole. For example, the phase front has a spherical surface. If a horn is placed and the ratio of the power distributed to the branched waveguide line is all equal, a spherical wave with a uniform amplitude and phase of the high-frequency signal in the range of the opening angle of the whole of the plurality of sector horns. It is possible to radiate.
[0022]
A spherical wave of a high frequency signal radiated from the primary radiator can be obtained by arranging the primary radiator and the plate-shaped collector of the above configuration between parallel plates made of two metal plates arranged in parallel. A phase shifter that can change the phase of the high-frequency signal can be configured by converting the plane wave with the wave collector and changing the positional relationship between the primary radiator and the wave collector.
[0023]
Furthermore, with respect to the structure in which the primary radiator and the collector are arranged between parallel plates, a plurality of slots for coupling electromagnetic waves of high-frequency signals between the collectors are provided on one of the parallel plates. By supplying power to the slot, it is possible to directly radiate an electromagnetic wave of a high-frequency signal from the slot to change the beam direction of the electromagnetic wave, and to function as a beam scanning antenna. Further, by providing another directional antenna element on the slot on the outer side of the parallel plate and feeding a high-frequency signal whose phase is controlled thereto, the other antenna element can also function as a beam scanning antenna.
[0024]
That is, the primary radiator of the present invention is High Electromagnetic wave of frequency signal Enter An input port; A plurality of spectral horns that radiate the electromagnetic wave from an opening; and Input port Entered from The electromagnetic wave To number Distribute Min Distributor, The input port, the plurality of sector horns, and the plurality of waveguides connected between the distributors are provided between a part of the two conductive plates opposed to each other and the two conductive plates. The partition walls are formed as conductor walls, and the plurality of sector horns are formed along the two conductor plates. Each opening Is continuous Placed The opening angle of each opening is large from the middle of the horn part to the opening, It is characterized by this.
[0025]
Moreover, the primary radiator of the present invention is the above-described configuration, wherein the distributor is In the openings in which the plurality of sector horns are continuously arranged, the amplitude is maximized at the center of the arrangement, and the amplitude is reduced toward the end of the arrangement. Electromagnetic wave Minutes Distribute Ruko It is characterized by.
[0026]
Furthermore, the primary radiator of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the distributor is connected in a plurality of stages.
[0027]
Moreover, the phase shifter of this invention arrange | positions the said primary radiator of the said this invention and a plate-shaped collector between two metal plates arrange | positioned in parallel, The said collector of the said opening of the said primary radiator. The phase of the electromagnetic wave of the high-frequency signal radiated from the opening and converted by the collector is changed by changing the position with respect to the detector.
[0028]
Further, the beam scanning antenna of the present invention comprises a plurality of slots for coupling the electromagnetic waves to and from the collector on one of the metal plates of the phase shifter of the present invention, and radiates from these slots. The beam direction of the electromagnetic wave is variable.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a primary radiator, a phase shifter, and a beam scanning antenna of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0030]
First, FIG. 3 is a perspective view for explaining a configuration of a sectoral horn 1 which is an example of a conventional primary radiator as a comparative example of the present invention. FIG. 4 is a top view showing the inside of the sector horn 1 as an example of the primary radiator shown in FIG. 3 by a broken line.
[0031]
In the conventional horn 1 as a primary radiator, a horn portion having an input port 2 for electromagnetic waves of a high frequency signal and a single opening surface formed between two conductive plates arranged in parallel and facing each other. 3 and a waveguide 4 connecting the input port 2 and the horn unit 3, and the electromagnetic wave of the high frequency signal input to the waveguide 4 from the input port 2 gradually spreads in the horn unit 3, and its opening Radiated from the surface. At this time, the width of the waveguide 4 is set in a range of 1/2 to 1 times the signal wavelength λ of the high-frequency signal.
[0032]
Next, FIG. 1 is a perspective view for explaining a configuration in an example of an embodiment of a primary radiator of the present invention. FIG. 2 is a top view showing the inside of an example of the primary radiator of the present invention shown in FIG. In the primary radiator of the present invention, an electromagnetic wave input port 6 formed between two conductive plates arranged in parallel and opposed to each other, and a waveguide type distribution connected to the input port 6. 7, a plurality of waveguides 8 to which electromagnetic waves are distributed by the distributor 7, and connected to the plurality of waveguides 8, and each opening 10 is continuously aligned in a direction parallel to the conductor plate. And a sector antenna 5 as a sectoral horn array which is a primary radiator of the present invention.
[0033]
In the sector antenna 5 as the primary radiator of the present invention, as the conductor plate, for example, a metal plate such as copper / aluminum, the surface of the ceramic substrate and the inner conductor pattern, etc. can be used in parallel. The input port 6, the distributor 7, the waveguide 8, and the sector horn 9 may be formed by forming a side wall portion using the same material between the conductor plates arranged to face each other. Note that the inside of the input port 6, the distributor 7, the waveguide 8, and the sector horn 9 may be a cavity (a state where the relative permittivity is filled with air of 1), and a medium having a predetermined relative permittivity. For example, it may be filled with resin or ceramics. In the case of a cavity, since the dielectric loss of air is zero, the loss can be reduced. Further, the structure is simple and easy to manufacture. On the other hand, when filled with a medium having a predetermined dielectric constant, the size of the sector horn 9 can be reduced in inverse proportion to the square root of the dielectric constant, which is advantageous for downsizing.
[0034]
In addition, a conductor layer deposited on both main surfaces of the dielectric substrate is used as the conductor plate, and the conductor layer is placed inside the dielectric substrate with a predetermined repetition of less than half the signal wavelength λ of the high-frequency signal. The through conductor groups are formed so as to be connected at intervals, and the input port 6, the distributor 7, the waveguide 8, and the sectoral horn 9 are formed by a so-called dielectric waveguide line using these through conductor groups as side wall portions. It may be. In this case, a ceramic co-firing technique or the like can be applied, and a complicated shape difficult to machine by machining can be easily produced.
[0035]
In the example shown in FIG. 1 and FIG. 2, the electromagnetic wave of the high frequency signal input from the input port 6 is finally distributed to each of the eight waveguides 8 by the two-branch distributor 7 connected in three stages. Radiated from each opening 10 of a plurality of sector horns 9 connected to each waveguide 8 in stages. Each of the plurality of distributors 7 is an equal distributor, and an electromagnetic wave having the same power is supplied to each of the plurality of sector horns 9, and a spherical wave having a uniform amplitude is radiated from the sector antenna 5. . As described above, when the plurality of distributors 7 are equal distributors, the amplitude and phase of the electromagnetic wave radiated from the sector horn 9 in the spherical wavefront are uniform. When this spherical wave passes through a collector that converts spherical waves to plane waves, which will be described later, the conversion from spherical waves to plane waves is performed, and the amplitude and phase at the wavefront on the plane become uniform. When power is supplied to another antenna, it can be used as a wave source for maximizing the antenna gain.
[0036]
At this time, the width of the plurality of waveguides 8 is set in a range of 1/2 to 1 times the signal wavelength λ of the high-frequency signal. Further, the distributor 7 in this example branches one waveguide 8 into two waveguides 8, but one waveguide 8 and two waveguides 8 in the distributor 7. Is preferably set to a length in the range of 1/8 to 1 times the signal wavelength λ of the high frequency signal, preferably about 1/4 times the length of the high frequency signal. The reflection loss can be made extremely small.
[0037]
The plurality of distributors 7 are not necessarily equal distributors. For example, the distribution ratio of the distributors 7 is adjusted so that the amplitude becomes maximum at the center of the sector antenna 5 and decreases toward the end. Thus, the side lobe can be suppressed by using the plane wave after passing through the collector as a signal for feeding power to other antennas.
[0038]
In order to confirm the effect of the structure of the primary radiator of the present invention, the primary horn 1 as the primary radiator of the comparative example shown in FIGS. 3 and 4 and the primary of the present invention shown in FIGS. With respect to the sector antenna 5 which is an example of the embodiment of the radiator, the electric field intensity distribution inside and outside the primary radiator was obtained by calculation.
[0039]
First, the dimensions of the sectoral horn 1 shown in FIGS. 3 and 4 were set as follows. The width of the waveguide 4 in the input port 2 to which a high frequency signal is input is about 0.7 times the length of the opening surface 3 of the spectral horn 1 and the length of the opening surface 3 is about 15 times the signal wavelength λ of the high frequency signal. The height is about 0.3 times and the depth is about 3.5 times. The calculation results for the electric field strength distribution in this case are shown in FIG. As can be seen from FIG. 5, the angle at which the electromagnetic wave of the high-frequency signal is radiated is about 92 degrees with respect to the opening angle of 128 degrees of the sector horn 1, and is radiated in a range of about 72% of the opening angle. Further, the amplitude of the electromagnetic wave is maximum on the central axis of the sector horn 1 and becomes smaller toward the end.
[0040]
Next, the dimensions of the sector antenna 5 which is the primary radiator of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 were set as follows. With respect to the signal wavelength λ of the high frequency signal, the width of the waveguide at the input port 6 to which the electromagnetic wave of the high frequency signal is input is about 0.7 times, the length of the opening surface 10 of the sector horn 9 is about 15 times, and the opening surface 10 The height is about 0.3 times, the depth is about 3.5 times, and the length of the matching portion of the distributor 7 is about 0.25 times. FIG. 6 is a contour map showing the calculation results for the electric field intensity distribution similar to the above in this case. As can be seen from FIG. 6, the electromagnetic wave of the high-frequency signal is radiated at an approximately equal angle with respect to the opening angle of 128 degrees as a whole of the plurality of sector horns 9. In this example, the amplitude of the electromagnetic wave is substantially uniform on the spherical surface in front of the primary radiator, and the electromagnetic waves are radiated from the plurality of sector horns 9 with the same amplitude and phase as compared with the result shown in FIG. Thus, since the spherical wavefront in the desired range is forced to have the same amplitude and phase, it can be seen that the aperture surface as the primary radiator is large. From this result, improvement in antenna gain can be expected by using the sector antenna 5 which is the primary radiator of the present invention having such a structure.
[0041]
However, since the amplitude of the electromagnetic wave is slightly smaller in front of the partition plate between the respective sector horns 9, it is considered important to make this influence as small as possible. As such a countermeasure, for example, as shown in a top view in FIG. 7 which is similar to FIG. 2 with a broken line, the opening angle of each sector horn 9 is increased in the middle of the horn part to influence the effect of the partition plate. A reduction method or the like can be employed.
[0042]
Next, FIG. 8 is a perspective view showing an example of a primary radiator portion configured by combining the movable portion with the primary radiator 5 of the present invention.
[0043]
In FIG. 8, 5 is a sector antenna as a primary radiator of the present invention shown in FIGS. 11 is provided with a groove which is a waveguide of a high-frequency signal and whose width is approximately ½ of the signal wavelength λ and the depth is approximately ¼ of the signal wavelength λo in the free space of the high-frequency signal. A base portion made of metal. An input window is provided on the bottom surface of the groove of the base 11 from one end to a position 1/8 to 1/1, preferably about 1/4 or 3/4 of the signal wavelength λ of the high-frequency signal. A high frequency signal is input from a lower surface through a waveguide or the like (not shown). Reference numeral 12 denotes a movable portion made of a metal flat plate or the like disposed so as to completely cover the groove on the upper surface of the base portion 11. The movable portion 12 is placed on the upper surface of the base portion 11 and guides a high frequency signal together with the groove. A wave tube is formed, and a high-frequency signal coupling window is provided at a position located on the upper surface of the waveguide, and the sector antenna 5 is disposed on the coupling window.
[0044]
The movable part 12 has an edge of the groove where the amplitude of the magnetic field is maximum when the electromagnetic wave of the TE10 mode high-frequency signal, which is the fundamental mode of the waveguide, propagates through the waveguide configured with the groove of the base part 11. Above this portion, a coupling window is provided through the movable portion 12. Further, the lower surface of the movable portion 12 is slightly smaller than the groove of the base portion 11, and a reflecting member that closes the cross section of the groove is opposite to the input window of the base portion 11 from the coupling window of the movable portion 12. In addition, it is provided for signal reflection at a position 1/8 to 1/1, preferably about 1/4 or 3/4 of the guide wavelength λg in the waveguide of the high frequency signal.
[0045]
When this reflection member is assumed to be absent, the component input to the coupling window of the movable portion 12 is input from the input window of the base portion 11 and propagates through the waveguide formed by the groove and the movable portion 12. The high-frequency signal is directly input to the coupling window and is directly input to the coupling window without being input to the coupling window and reflected by the short-circuit portion on the end face of the waveguide. If the distance from the coupling window to the end face where the signal propagated in the waveguide is reflected is adjusted so that the phase of the component that is directly input and the component that is input after reflection match, the most coupling Since the efficiency increases, even when the movable portion 12, the coupling window, and the sector antenna 5 are moved, the reflecting member is moved away from the coupling window in order to always keep the distance from the coupling window to the short-circuited end of the waveguide. ¼ of the guide wavelength λg of the high frequency signal in the direction opposite to the input window or It is attached to the lower surface of the movable part 12 at a position separated by about 3/4.
[0046]
When the distance from the coupling window to the reflecting member is selected within a range of 1/8 to 1/1 of the in-tube wavelength λg of the high frequency signal so that the distance is always constant, the coupling efficiency in the coupling window is Maximum possible.
[0047]
The sector antenna 5 which is the primary radiator of the present invention is arranged above the coupling window of the movable portion 12, and the sector antenna 5 is connected to the base portion through the coupling window of the movable portion 12. It is coupled with a waveguide constituted by 11 grooves and the movable part 12. Note that the sector antenna 5 has a coupling window of approximately 1/8 to 1/1 of the in-tube wavelength λg from the short-circuited end of the waveguide, preferably approximately 1/4 or 3 / of the coupling window of the movable portion 12. An electromagnetic wave of a high-frequency signal is radiated at a predetermined beam angle from the opening face formed in the other horn shape.
[0048]
As a result, the high-frequency signal input from the input window of the base body part 11 propagates through the waveguide formed by the groove of the base body part 11 and the flat movable part 12, and the sector is passed through the coupling window of the movable part 12. Power is supplied to the antenna 5, and in this example, the beam direction of the electromagnetic wave is converted by approximately 90 degrees, and is radiated from the sector antenna 5 into the free space. The sector antenna 5 is a surface on which the movable portion 12 translates in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide, on the movable portion 12 that can freely translate in the direction indicated by the arrow in the drawing on the base portion 11. Since the sector antenna 5 is arranged in a direction parallel to the direction, the sector antenna 5 translates along the movable body 12 on the base 11 and changes the beam direction in the direction in which the sector antenna 5 is directed to Radiates a signal.
[0049]
Then, as shown in an exploded perspective view in FIG. 9, a sector antenna 5 which is a primary radiator of the present invention as shown in FIG. 8 is provided between parallel plates composed of two metal plates 13 and 14 arranged in parallel with each other. By arranging the primary radiator used together with the plate-like collector 15, the position of the sector antenna 5 with respect to the collector 15 can be changed, and the plane wave is generated by the collector 15 from the spherical wave radiated from the sector antenna 5. The phase of the electromagnetic wave of the high-frequency signal converted into can be changed, and the phase shifter of the present invention can be configured.
[0050]
In FIG. 9, reference numeral 17 denotes a case of a phase shifter.
[0051]
Furthermore, as shown in FIG. 9 as well, the transfer of a structure in which the sector antenna 5 which is the primary radiator of the present invention and the collector 15 are sandwiched between two metal plates 13 and 14 arranged in parallel. In contrast to the phase shifter, one of the metal plates, in this example, a plurality of slots 16 for outputting the electromagnetic waves adjusted in phase by the collector 15 to the metal plate 13 to the outside of the two metal plates 13 and 14 arranged in parallel. The high-frequency signal from the sector antenna 5 is fed to the slots 16 after the phase is adjusted by the collector 15, so that the beam direction of the electromagnetic waves radiated from the slots 16 can be made variable. It becomes a beam scanning antenna.
[0052]
Furthermore, as shown in a perspective view in FIG. 10, a slot array antenna 18 in which other directional antenna elements, for example, predetermined radiation slots 19 are formed in an array on the slots 16 of the beam scanning antennas of the present invention. The other antenna elements can be made to function as a beam scanning antenna by supplying a high frequency signal whose phase is controlled from the beam scanning antenna of the present invention.
[0053]
As described above, the input port 6, the waveguide-type distributor 7, the waveguide 8, and the sectoral horn 9 formed between the two conductive plates arranged in parallel and opposed to each other are input from the input port 6. The electromagnetic waves of the high-frequency signal thus branched into a required number by a plurality of distributors 7 and waveguides 8, and a plurality of sectors each having openings 10 arranged continuously in the plurality of waveguides 8 after branching. By using the sector antenna 5 which is a primary radiator of the present invention configured by connecting the horns 9 and arranging the sectoral horns 9, the spherical wave of the plurality of apertures 10 can be estimated as a whole. A high-efficiency phase shifter of the present invention and a beam of the present invention in which the amplitude and phase of the electromagnetic wave of the high-frequency signal radiated from the opening 10 are made uniform or have a desired intensity distribution within a desired range on the wave front surface. Obtaining scanning antenna It can be.
[0054]
In addition, this invention is not limited to the example of the above embodiment, A various change may be added in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in the above example, the case where the electromagnetic wave of the high frequency signal radiated from the primary radiator is a spherical wave has been described, but the electromagnetic wave of the high frequency signal radiated from the primary radiator may be a plane wave or the like. . Moreover, although the example which performs the electric power feeding to the sector horn 9 by the parallel electric power feeding using a some divider | distributor was shown, even if it is the electric power feeding by a series electric power feeding, it does not interfere.
[0055]
【The invention's effect】
As detailed above, according to the primary radiator of the present invention, High Electromagnetic wave of frequency signal Enter An input port; A plurality of spectral horns that radiate the electromagnetic wave from an opening; and Input port Entered from The electromagnetic wave To number Distribute Min Distributor, The input port, the plurality of sector horns, and the plurality of waveguides connected between the distributors are provided between a part of the two conductive plates opposed to each other and the two conductive plates. The partition walls are formed as conductor walls, and the plurality of sector horns are formed along the two conductor plates. Each opening Is continuous Placed And , The opening angle of each opening is increased from the middle of the horn to the opening. Therefore, the desired surface at the opening angle where the amplitude and phase of the electromagnetic wave of the high frequency signal radiated from the plurality of the sectoral horns are branched to the required number of the electromagnetic waves of the input high frequency signal and expected from the openings of the plurality of the spectral horns. It is possible to provide a uniform or desired intensity distribution as described above, and it is possible to provide an inexpensive, highly reliable, and high-performance phase shifter and a primary radiator that can constitute a beam scanning antenna.
[0056]
In the primary radiator of the present invention, the distributor is In the openings in which the plurality of sector horns are continuously arranged, the amplitude is maximized at the center of the arrangement, and the amplitude is reduced toward the end of the arrangement. Electromagnetic wave Minutes Distribute Place In this case, since the amplitude and phase of the electromagnetic wave radiated from the primary radiator are uniform on the desired wavefront, it can be used as a wave source that maximizes the gain of the antenna.
[0057]
Further, in the primary radiator of the present invention, when the distributor is connected in a plurality of stages, the distribution ratio of the distributor can be adjusted in a plurality of stages, so that detailed adjustment of the amplitude and phase at a desired wavefront is possible. Therefore, it can be used as an antenna wave source having various characteristics.
[0058]
According to the phase shifter of the present invention, the primary radiator of the present invention and a flat collector are arranged between two metal plates arranged in parallel, and the collector of the opening of the primary radiator is arranged. Since the phase of the electromagnetic wave of the high-frequency signal radiated from the opening and converted by the collector is changed by changing the position with respect to, the primary radiator can be moved and the phase can be continuously controlled. A phaser can be provided. That is, by changing the positional relationship between the primary radiator and the collector, the phase gradient of the signal fed to the slot can be changed. As a result, the microwave band having a simple characteristic and good characteristics can be obtained. And can function as a millimeter-wave band phase shifter.
[0059]
According to the beam scanning antenna of the present invention, the metal plate of the phase shifter of the present invention is provided with a plurality of slots for coupling the electromagnetic waves to and from the collector, and radiates from the slots. Since the beam direction of the electromagnetic wave is made variable, a beam scanning antenna is provided in which the primary radiator can be moved and the beam can be scanned by directly radiating a high-frequency signal after the phase is controlled by the collector from the slot. Further, it is possible to provide a beam scanning antenna in which other directional antenna elements are provided on these slots, and a high frequency signal is fed to the other antennas through the slots so that the beam can be scanned.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view for explaining a configuration in an example of an embodiment of a primary radiator of the present invention.
2 is a top view showing an internal structure of an example of the primary radiator of the present invention shown in FIG. 1; FIG.
FIG. 3 is a perspective view for explaining a configuration of a primary radiator serving as a comparative example of the present invention.
4 is a top view showing an internal structure of a primary radiator which is a comparative example of the present invention shown in FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a contour diagram showing internal and external electric field strength distributions in a primary radiator as a comparative example of the present invention.
FIG. 6 is a contour map showing internal and external electric field strength distributions in an example of the primary radiator of the present invention.
FIG. 7 is a top view showing the internal structure of another example of the embodiment of the primary radiator of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a primary radiator unit using the primary radiator of the present invention.
FIG. 9 is an exploded perspective view showing an example of an embodiment of a phase shifter and a beam scanning antenna of the present invention.
FIG. 10 is an exploded perspective view showing another example of the embodiment of the beam scanning antenna of the present invention.
[Explanation of symbols]
5. Sector antenna
6. Input port
7: Distributor
8. Waveguide
9 ... Sectoral horn
10 ... Opening
13, 14 ... Metal plate
15 …… Collector
16 ・・・・・ Slot

Claims

An input port for inputting an electromagnetic wave of a high frequency signal,
A plurality of sector horns that radiate the electromagnetic wave from the opening;
A distributable that distributes the electromagnetic wave input from said input port to multiple,
A plurality of waveguides connecting between the input port, the plurality of sector horns, and the distributor are provided between a part of two conductor plates arranged opposite to each other and the two conductor plates. It is formed as a conductor wall with the partition plate that is
Wherein the plurality of sectoral horn, said has each of the openings along the two conductive plates is continuously placed, the opening angle of the opening of the each of which increases from the middle of the horn unit to the opening, the primary radiator.

The distributor is in an opening which is continuously disposed in the plurality of sectoral horn amplitude is maximized at the center of the arrangement, the electromagnetic wave is distributable so that the amplitude becomes smaller as it goes to the end of the arrangement The primary radiator according to claim 1.

The primary radiator according to claim 1 or 2, wherein the distributor is connected in a plurality of stages.

The primary radiator according to any one of claims 1 to 3 and a flat collector are arranged between two metal plates arranged in parallel, and the collector of the opening of the primary radiator is disposed. The phase shifter is characterized in that the phase of the electromagnetic wave of the high-frequency signal radiated from the opening and converted by the collector is changed by making the position relative to the variable.

A plurality of slots for coupling the electromagnetic wave to and from the collector are provided on one of the metal plates of the phase shifter according to claim 4, and the beam direction of the electromagnetic wave radiated from these slots is variable. A beam scanning antenna.