JP4602276B2 - 導波管スロットアレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、導波管スロットアレーアンテナ装置に関するものである。

導波管の管軸と直交する方向に偏波を有する従来の導波管スロットアレーアンテナ装置として、スロットを、導波管の管軸方向に伸張し、導波管の幅広面上に管内波長の１／２の間隔で導波管の中心線に対して互いに反対の位置に千鳥状に配置し、導波管スロットアレーアンテナを形成することで、スロットを同位相で励振し、アンテナ正面方向に電波を放射するものがある（例えば、非特許文献１参照）。

前記導波管スロットアレーアンテナを平面状に複数個配列することによって２次元アレーを形成しており、導波管スロットアレーアンテナの管軸に直交する方向の間隔をＤ１とすると、間隔Ｄ１は、導波管の幅広面寸法と、隣接する導波管スロットアレーアンテナの間の壁厚ｔとによって決まる。

また、前記導波管スロットアレーアンテナへの給電構造として、導波管スロットアレーアンテナの背面に給電導波管が備えられ、給電ポートから供給された電力は、導波管分岐によって電力分配され、結合スロットを介して導波管スロットアレーアンテナに給電される。

後藤尚久、「導波管給電プリントアンテナ」、信学論Ａ、ｐ８９−３、１９８９

しかしながら、従来の導波管スロットアレーアンテナ装置において、ミリ波などの高周波数帯になると、使用周波数の波長に対して壁厚の寸法が無視できなくなる。アンテナの製造上、壁厚ｔを狭くすることは困難であり、その結果、導波管の管軸に直交する方向の導波管スロットアレーアンテナの間隔が増大し、導波管の管軸に直交する方向の広角度方向にグレーティングローブを発生するという問題があった。特に、スロット２単体の放射パターンは、電界面で無指向性となるため、グレーティングローブレベルも高くなってしまい、大きな問題となる。

一方、壁厚ｔを保ったまま導波管の管軸に直交する方向の導波管スロットアレーアンテナの間隔を狭くするために導波管の幅広面寸法を狭くした場合、導波管の管内波長が増大するのでスロットの素子間隔が広くなってしまう。その結果、導波管の管軸方向にグレーティングローブを発生するという問題も起こり得る。

この発明は上述した従来例に係る問題点を解決するためになされたもので、導波管の幅広面寸法と壁厚を変えることなく、導波管の管軸に直交する方向の広角度に発生するグレーティングローブを抑圧できる導波管スロットアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る導波管スロットアレーアンテナ装置は、矩形導波管の幅広面に、前記矩形導波管の管軸方向に伸張された矩形スロットを、概ね管内波長の１／２の間隔で複数個配置すると共に、隣接するスロットを前記矩形導波管の管軸の中心線に対して互いに反対の位置に千鳥状に配置した導波管スロットアレーアンテナを有する導波管スロットアレーアンテナ装置において、前記導波管スロットアレーアンテナを平面状に複数個備え、前記矩形導波管の管軸と直交する方向に隣り合う前記導波管スロットアレーアンテナを一群とし、管軸方向に隣り合う前記導波管スロットアレーアンテナ一群を管軸と直交する方向に使用周波数の自由空間波長の約１／２の距離だけ互いにジグザグ状にオフセットして配列したことを特徴とする。

この発明によれば、導波管スロットアレーアンテナを平面状に複数個備え、矩形導波管の管軸と直交する方向に隣り合う導波管スロットアレーアンテナを一群とし、管軸方向に隣り合う導波管スロットアレーアンテナ一群を管軸と直交する方向に使用周波数の自由空間波長の約１／２の距離だけ互いにジグザグ状にオフセットして配列することにより、導波管の幅広面寸法と壁厚を変えることなく、導波管の管軸に直交する方向の広角度に発生するグレーティングローブを抑圧できる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る導波管スロットアレーアンテナ装置を示す模式図である。図１に示す導波管スロットアレーアンテナ装置は、矩形導波管１の幅広面に、長さと幅の比が１０：１程度となる矩形スロット２を概ね管内波長の１／２の間隔で複数個配置してなり、前記スロット２は、前記矩形導波管１の管軸方向に伸張し、隣接するスロット２とは前記矩形導波管１の管軸の中心線に対して互いに反対の位置に千鳥状に配置されている。このような導波管スロットアレーアンテナを平面状に複数個備え、管軸と直交する方向に隣り合う導波管スロットアレーアンテナを一群とし、管軸方向に隣り合う導波管スロットアレーアンテナ一群を管軸と直交する方向に使用周波数の自由空間波長の約１／２の距離だけ互いにジグザグ状にオフセットして配列されている。

すなわち、図１において、管軸方向（ｘ方向）の同位置にある複数の導波管スロットアレーアンテナ３をそれぞれ導波管スロットアレーアンテナ群３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとし、導波管スロットアレーアンテナの管軸に直交する方向（ｙ方向）の間隔をＤ１とすると、間隔Ｄ１は、導波管の幅広面寸法と、隣接する導波管スロットアレーアンテナの間の壁厚ｔとによって決まる。そして、ｘ方向に隣接する導波管スロットアレーアンテナ群３ａ〜３ｄは、ｙ方向に互いに間隔Ｄ２だけオフセットして配列される。さらに、一つ離れた位置にある導波管スロットアレーアンテナ群はｙ方向に対して同じ位置にあり、その結果、全体ではジグザグ状に配置した構成となっている。

図２は、前記導波管スロットアレーアンテナへの給電構造を示す模式図である。導波管スロットアレーアンテナの背面に給電導波管４が備えられ、給電ポート５から供給された電力は、導波管分岐によって電力分配され、結合スロット６を介して導波管スロットアレーアンテナに給電される。そして、この図２では、給電ポート５から結合スロット６の手前の導波管分岐部分までの物理長（管軸の中心線）を等しくするように、給電導波管４のスラローム部分８ａ、８ｂが設けられている。

次に、この発明の効果を説明する。各々の導波管スロットアレーアンテナ群３ａ〜３ｄの放射パターンは、前述した理由により、導波管１の管軸に直交する方向の広角度にグレーティングローブを発生する。

このとき、前記オフセット間隔Ｄ２を、使用周波数の波長の１／２程度に選んで配置すれば、互いに隣接する導波管スロットアレーアンテナ群が導波管１の管軸に直交する方向（±ｙ方向）に放射する電波の位相が逆相になり、その結果、グレーティングローブを打ち消すことができる。

この発明による効果の一例として、図３に、図１のｙｚ面の規格化放射パターンを示す。なお、縦軸は規格化された利得、横軸はｙｚ面の半空間における角度を示す。この図３では、素子単体指向性をコサイン電界指向性（ｃｏｓ^０．５θ）として、図１に示すこの発明および従来例のアレーアンテナの放射パターンをそれぞれ計算した。この発明により、広角度方向に現れるグレーティングローブを十分抑圧できることがわかる。

また、図４に従来例の２次元状規格化放射パターンを、図５にこの発明の２次元状規格化パターンをそれぞれ示す。なお、これら図において、縦軸はｚｘ面の半空間における角度、横軸はｙｚ面の半空間における角度を示す。前述の通り、図４に示す従来例では、±ｙ（ｘ＝０°）の広角度方向にグレーティングローブが現れている。一方、図５に示すこの発明では、±ｙ（ｘ＝０°）の広角度方向にグレーティングローブは現れていない。図５においては、±ｙの広角度方向から±ｘ方向に１０°程ずれた所にローブが見られるが、分散して現れるためレベルは低く、さらにアンテナの主要面から離れているため問題にならない。

上述したように、実施の形態１によれば、導波管スロットアレーアンテナを平面状に複数個備え、矩形導波管の管軸と直交する方向に隣り合う導波管スロットアレーアンテナを一群とし、管軸方向に隣り合う導波管スロットアレーアンテナ一群を管軸と直交する方向に使用周波数の自由空間波長の約１／２の距離だけ互いにジグザグ状にオフセットして配列したので、導波管の幅広面寸法と壁厚を変えることなく、導波管の管軸に直交する方向の広角度に発生するグレーティングローブを抑圧できる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る導波管スロットアレーアンテナ装置を示す模式図である。図６において、図１に示す実施の形態１と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。図６に示す実施の形態２において、スロットは、矩形導波管１の管軸から同一の向きに同一の角度だけ斜めに傾斜して配列された斜め傾斜スロット９でなる。

スロットの向きは、実施の形態１で示したような導波管１の管軸方向に限らない。図６に示す斜め傾斜スロット９のように、スロットの向きを導波管１の管軸から斜めに傾斜させてもよい。これにより、アンテナの偏波方向を変えることができる。

さらに、このとき、スロット９単体が±ｙ方向側に放射する電力は低下する。グレーティングローブなどアレーアンテナの放射パターンは素子単体指向性とアレー配列係数の積によって決まるので、素子単体指向性が低下した分グレーティングローブレベルも低下するという効果も得られる。

上述したように、実施の形態２によれば、任意の偏波方向を実現し、かつ、広角度方向に現れるグレーティングローブをさらに抑圧した導波管スロットアレーアンテナ装置が得られる。

この発明の実施の形態１に係る導波管スロットアレーアンテナ装置を示す模式図である。 図１に示す導波管スロットアレーアンテナへの給電構造を示す模式図である。 この発明による効果の一例として、図１のｙｚ面の規格化放射パターンを示す図である。 この発明の効果を比較して示すための、従来例の２次元状規格化放射パターンを示す図である。 この発明の２次元状規格化パターンを示す図である。 この発明の実施の形態２に係る導波管スロットアレーアンテナ装置を示す模式図である。

符号の説明

１ 矩形導波管、２ 矩形スロット、３ 導波管スロットアレーアンテナ、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 導波管スロットアレーアンテナ群、４ 給電導波管、５ 給電ポート、６ 結合スロット、８ａ、８ｂ 給電導波管４のスラローム部分、９ 斜め傾斜スロット。

Claims (3)

1. 矩形導波管の幅広面に、前記矩形導波管の管軸方向に伸張された矩形スロットを、概ね管内波長の１／２の間隔で複数個配置すると共に、隣接するスロットを前記矩形導波管の管軸の中心線に対して互いに反対の位置に千鳥状に配置した導波管スロットアレーアンテナを有する導波管スロットアレーアンテナ装置において、
   前記導波管スロットアレーアンテナを平面状に複数個備え、前記矩形導波管の管軸と直交する方向に隣り合う前記導波管スロットアレーアンテナを一群とし、管軸方向に隣り合う前記導波管スロットアレーアンテナ一群を管軸と直交する方向に使用周波数の自由空間波長の約１／２の距離だけ互いにジグザグ状にオフセットして配列した
   ことを特徴とする導波管スロットアレーアンテナ装置。
2. 前記導波管スロットアレーアンテナの背面に設けられ、給電ポートから供給された電力を分配し、結合スロットを介して複数個の前記導波管スロットアレーアンテナのそれぞれに給電する給電導波管を有することを特徴とする請求項１に記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の導波管スロットアレーアンテナ装置において、
   前記スロットは、前記矩形導波管の管軸に対して同一の向きに同一の角度だけ斜めに傾けてある
   ことを特徴とする導波管スロットアレーアンテナ装置。

Images