JP4602585B2 - 漏れ波アンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波を伝送する偏平な伝送路の表面から電磁波を漏出させる漏れ波アンテナを広帯域化するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
漏れ波アンテナは、一般的に、電磁波を一端側から他端側へ伝送する伝送路の表面に所定の間隔で金属ストリップやスロットを平行に装荷して、伝送路内の電磁波を表面から漏出させている。
【０００３】
このような漏れ波アンテナとしては、平行平板伝送路を用いたもの、導波管を伝送路として用いたもの等の他に、誘電体基板を伝送路として用いたものがある。
【０００４】
図１０は、この誘電体を伝送路として用いた従来の誘電体漏れ波アンテナ１０の構造を示している。
【０００５】
この誘電体漏れ波アンテナ１０は、金属の地板導体１１と、この地板導体１１上に重ね合わせるように配置され、電磁波を一端側から他端側へ伝送する誘電体伝送路を形成する一定厚さの誘電体基板１２と、誘電体基板１２の表面に誘電体伝送路の電磁波の伝送方向に一定間隔ｄをあけて平行に装荷され、誘電体基板１２の表面から電磁波を漏出させる所定幅ｓの複数の金属ストリップ１３とを有しており、図示しない給電部から誘電体基板１２の一端側に電磁波を給電して、その表面から放射する。
【０００６】
このような構造の誘電体漏れ波アンテナ１０は、ミリ波帯あるいは準ミリ波帯で他の構造のアンテナに比べて損失が非常に少なく、ミリ波帯や準ミリ波帯を用いた車載レーダ、車車間通信、高速無線アクセス等に有効である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記誘電体漏れ波アンテナや他の漏れ波アンテナでは、一般的な進行波アンテナと同様に、周波数の変化に対して指向性が変化するビームシフト現象が発生する。
【０００８】
即ち、前記した誘電体漏れ波アンテナ１０の主ビームの方向は、
φ＝ｓｉｎ^−１［（λ_０／λ_ｇ）−（λ_０／ｄ）］ ……（１）
で表され、その漏出量は金属ストリップ１３の幅ｓが大きい程大となることが知られている。また、この種のアンテナでは、線路内の電磁波は放射しながら伝送するため、漏出量は、金属ストリップ１３の給電端から距離が大きいほど小さくなる。
【０００９】
ここで、λ_０は自由空間波長で、光速ｃを周波数ｆで除算した値である。また、λ_ｇは伝送路内波長で自由空間波長λ_０と誘電体基板１２によって決まり、誘電体基板１２が形成する伝送路がその伝送方向について均一であれば、自由空間波長λ_０の変化に応じて変化するので、式（１）のλ_０／λ_ｇの値は、周波数ｆの変化に対して緩やかに変化する。
【００１０】
これに対し、式（１）のλ_０／ｄの値は、金属ストリップ１３の間隔ｄが一定であれば、周波数ｆに反比例（波長に比例）して変化する。
【００１１】
したがって、この誘電体漏れ波アンテナ１０で周波数をｆａからｆｂに変化させると、図１１に示しているように、その主ビーム方向はφａからφｂに変化してしまい、前記した車載レーダのように単一周波数の場合には問題ないが、送受信で異なる周波数を使う通信や広帯域の通信を行う場合には、周波数によって利得が大きく変化するという問題があった。
【００１２】
このビームシフトの問題は、上記誘電体漏れ波アンテナだけでなく、他の漏れ波アンテナでも同様に発生する。
【００１３】
本発明は、この問題を解決して広帯域な漏れ波アンテナを提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の漏れ波アンテナは、
一端側から他端側へ電磁波を伝送する略偏平な伝送路と、
前記伝送路の一端側に電磁波を給電する給電部と、
前記伝送路の表面に該伝送路の電磁波伝送方向に間隔をあけて平行に装荷され、前記伝送路内の電磁波を前記表面から漏出させる複数の装荷体とを有する漏れ波アンテナにおいて、
前記漏出波のビーム特性を決定する前記装荷体の間隔、前記装荷体の幅および前記伝送路の厚さを、同一公比αの等比数列にしたがって前記伝送路の一端側から他端側へ順次変化するように設定して、該公比αについてｆａ＝α ^ｉ−１ ・ｆｂ（ｉは装荷体の順番を示す整数）の関係を満たす異なる周波数ｆａ、ｆｂにおける漏出波のビーム特性を同等にして広帯域化したことを特徴としている。
【００１５】
また、本発明の請求項２の漏れ波アンテナは、請求項１の漏れ波アンテナにおいて、
前記伝送路は、地板導体と、該地板導体の一面側に重なるように配置された誘電体基板とによって構成され、
前記装荷体は、前記誘電体基板の一面側にパターン形成された金属ストリップによって構成されている。
【００１６】
また、本発明の請求項３の漏れ波アンテナは、請求項１の漏れ波アンテナにおいて、
前記伝送路は、２枚の対向する金属板によって構成され、
前記装荷体は、前記金属板の一方に設けられたスロットによって構成されている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した誘電体漏れ波アンテナ２０の構造を示している。
【００１８】
この誘電体漏れ波アンテナ２０は、金属の地板導体２１と、地板導体２１の一面側に図示しないスペーサを介して所定の隙間をあけて重なり合うように支持され、その一端側から他端側へ電磁波を伝送するほぼ偏平な伝送路を形成する誘電体基板２２と、誘電体基板２２の表面２２ａに電磁波の伝送方向に間隔をあけて平行に装荷された複数組（図面では６組で示している）の金属ストリップ２３_１〜２３_ｎと、誘電体基板２２の一端側から伝送路の幅方向に位相が揃った電磁波を給電する給電部２４とによって構成されている。
【００１９】
この誘電体漏れ波アンテナ２０では、前記したビームシフトによる利得のばらつきを防止するために、誘電体漏れ波アンテナ２０のビーム特性を決める３種類のパラメータ、即ち、装荷体としての金属ストリップ２３_１〜２３_ｎの間隔ｄ_１〜ｄ_ｎ、金属ストリップ２３_１〜２３_ｎの幅ｓ_１〜ｓ_ｎ、および金属ストリップ２３_１〜２３_ｎの装荷位置における誘電体基板２２の厚さｔ_１〜ｔ_ｎが、ともに１より僅かに大きい同一の公比をもつ等比数列にしたがって、誘電体基板２２の一端側から他端側へ向かって順次増加させている。
【００２０】
次に、この３種類のパラメータと、誘電体漏れ波アンテナ２０のビーム特性との関係について説明する。
【００２１】
図２に示すように、誘電体基板２２の一面２２ａと反対面２２ｄとを一端側へ延長して交わる位置を原点Ｏとし、この原点Ｏから距離ｚ_１の位置にある金属ストリップ２３_１ａとこれと組をなす次の金属ストリップ２３_１ｂの間隔をｄ_１、金属ストリップ２３_１ａ、２３_１ｂの幅をともにｓ_１、距離ｚ_１の位置の誘電体基板２２の厚さをｔ_１として、１より僅かに大きい定数αに対して、次の組の金属ストリップ２３_２ａ、２３_２ｂの位置ｚ_２、間隔ｄ_２、幅ｓ_２を、それぞれ次のように選ぶ。
【００２２】
ｚ_２＝αｚ_１ ……（２ａ）
ｄ_２＝αｄ_１ ……（２ｂ）
ｓ_２＝αｓ_１ ……（２ｃ）
【００２３】
このように選ぶと、相似形の原理から、位置ｚ_２＝αｚ_１における誘電体基板２２の厚さｔ_２は、
ｔ_２＝αｔ_１ ……（３）
となる。
【００２４】
ここで、
ｚ_２−ｚ_１＝（α−１）ｚ_１＝２ｄ_１ ……（４）
と定めると、
α＝（２ｄ_１／ｚ_１）＋１ ……（５）
となるから、始めに、距離ｚ_１と間隔ｄ_１を決めておけば、αは一義的に定まる。
【００２５】
同様に、次の組の金属ストリップ２３_３ａ、２３_３ｂの位置ｚ_３、間隔ｄ_３、幅ｓ_３、および誘電体基板の厚さｔ_３を、それぞれ
ｚ_３＝αｚ_２＝α^２ｚ_１ ……（６ａ）
ｄ_３＝αｄ_２＝α^２ｄ_１ ……（６ｂ）
ｓ_３＝αｓ_２＝α^２ｓ_１ ……（６ｃ）
ｔ_３＝αｔ_２＝α^２ｔ_１ ……（６ｄ）
と決定する。
【００２６】
以下同様にして、ｉ番目の各パラメータを、初期値がそれぞれｚ_１、ｄ_１、ｓ_１、ｔ_１、公比がともにαの等比数列をなす値、即ち、
ｚ_ｉ＝α^ｉ−１ｚ_１ ……（７ａ）
ｄ_ｉ＝α^ｉ−１ｄ_１ ……（７ｂ）
ｓ_ｉ＝α^ｉ−１ｓ_１ ……（７ｃ）
ｔ_ｉ＝α^ｉ−１ｔ_１ ……（７ｄ）
のように決定する（ｉ＝１〜ｎ）。
【００２７】
このように、装荷体としての金属ストリップ２３_１〜２３_ｎの間隔ｄ_１〜ｄ_ｎ、金属ストリップ２３_１〜２３_ｎの幅ｓ_１〜ｓ_ｎ、および金属ストリップ２３_１〜２３_ｎの装荷位置における誘電体基板２２の厚さｔ_１〜ｔ_ｎを、ともに１より僅かに大きい同一の公比をもつ等比数列をなすように、誘電体基板２２の一端側から他端側へ向かって増大させた誘電体漏れ波アンテナ２０において、周波数が次の関係にある２つの波を考える。
ｆａ＝α^ｉ−１ｆｂ ……（８）
【００２８】
これを波長で表せは゛、
λｂ＝α^ｉ−１λａ ……（９）
となる。
【００２９】
前記式（７）、（８）から、位置ｚ_１付近のｄ、ｓ、ｔ等の寸法パラメータの波長λａに対する比と、位置ｚ_ｉ付近の寸法パラメータの波長λｂに対する比は同じになる。このため、周波数ｆａにおける位置ｚ_１付近の局部的漏れ波アンテナと周波数ｆｂにおける位置ｚ_ｉ付近の局部的漏れ波アンテナの電波の振る舞いは同じになる。
【００３０】
したがって、自由空間波長λａに対応する線路内波長λａ_ｇと自由空間波長λｂに対応する線路内波長λｂ_ｇの間には、式（９）に対応して次の関係が成立する。
λｂ_ｇ＝α^ｉ−１λａ_ｇ ……（１０）
【００３１】
ここで、周波数ｆａで位置ｚ_１付近の金属ストリップ２３_１ａ、２３_１ｂによって局部的に漏出されるビームの方向φａは、
φａ＝ｓｉｎ^−１［（λａ／λａ_ｇ）−（λａ／ｄ_１）］ ……（１１）
となる。
【００３２】
また、この漏出量Ｐａは金属ストリップ２３_１ａ、２３_１ｂの位置ｚ_１と幅ｓ_１によって決まる。
【００３３】
また、周波数ｆｂで位置ｚ_ｉ付近の金属ストリップ２３_ｉａ、２３_ｉｂから局部的に漏出されるビームの方向φｂは、アンテナのパラメータが前記式（７）を満たしているから、

となり、周波数ｆａのときに位置ｚ_１付近から漏出されるビームの方向φａと等しくなる。
【００３４】
また、前記したように、漏出量は、金属ストリップ２３_ｉａ、２３_ｉｂの位置ｚ_ｉが給電端から遠い程小となり、その幅ｓ_ｉが大きい程大となるが、位置ｚ_ｉは位置ｚ_１のα^ｉ−１倍なので、位置に関して漏出量は１／α^ｉ−１倍となり、幅ｓ_ｉは幅ｓ_１のα^ｉ−１倍なので、幅に関して漏出量はα^ｉ−１倍となり、両者がほぼ相殺されてこの位置ｚ_ｉにおける漏出量Ｐｂは、位置ｚ_１における漏出量Ｐａとほぼ等しくなる。
【００３５】
よって、図３に示すように、周波数ｆ_１のときに位置ｚ_１付近から漏出されるビームの方向φａと漏出量Ｐａとで決まるビーム特性Ａと、周波数ｆｂのときに位置ｚ_ｉ付近から漏出されるビームの方向φｂと漏出量Ｐｂとで決まるビーム特性Ｂと等しくなる。
【００３６】
これは特定の周波数だけに当てはまることではなく、式（８）が任意のｉに対して成立することから、各位置ｚ_１〜ｚ_ｎでそれぞれ式（８）を満たす離散的な周波数ｆ_１、ｆ_２、……、ｆ_ｎについての局部的なビーム特性も、図３の特性Ａ、Ｂと同一となり、アンテナ全体としては、図４に示すように、周波数ｆ_１〜ｆ_ｎでの範囲でビーム方向と漏出量がほぼ等しい広帯域な特性Ｃとすることができる。
【００３７】
ただし、上記したパラメータの条件は、無限に長いアンテナを想定した場合であり、有限長の実際のアンテナでは打ち切り誤差を低減したり、誘電体基板２２の厚みの増大による高次モードの発生を防止するために、前記パラメータの僅かな調整が必要となり、このような条件を考慮して、各金属ストリップ２３の間隔や幅、および誘電体基板２２の厚さを選ぶことにより、広い周波数範囲で特性がほとんど変化しない広帯域な誘電体漏れ波アンテナを得ることができる。
【００３８】
前記した誘電体漏れ波アンテナ２０の各パラメータは、この条件を満たすように設定されていて、図４に示したように、広い周波数範囲でビームの方向と放射量が等しい広帯域な特性を持っており、送受信で異なる周波数を用いる通信や広帯域通信を行う際でも、周波数による利得のバラツキがない、能率的な通信が行える。
【００３９】
なお、上記説明では、幅ｓが等しい隣合う２つの金属ストリップ２３を一組の装荷体としていたが、連続して並ぶ幅が等しい３つ以上の金属ストリップを１組の装荷体としてもよい。
【００４０】
また、上記誘電体漏れ波アンテナ２０では、誘電体基板２２の厚さｔを一端側から他端側に向かって増大するようにしていたが、一般的に前記したビームシフトに対する金属ストリップ２３の間隔ｄの依存性は、厚さｔの依存性より大きいので、図５に示す誘電体漏れ波アンテナ３０のように、厚さ一定の誘電体基板２２′を用い、その表面の金属ストリップ２３の間隔と幅を前記同様に等比数列をなすように設定してもよい。このようにすれば、誘電体基板の加工上の煩雑さをなくすことができる。
【００４１】
また、漏出量のバラツキが無視できる場合には、図６に示す誘電体漏れ波アンテナ４０のように、誘電体基板２２′（または誘電体基板２２）の表面に設ける金属ストリップ２３の幅を全て同一にしてもよい。
【００４２】
なお、ここでは漏れ波アンテナとして誘電体基板を伝送路とする誘電体漏れ波アンテナについて説明したが、２枚の金属板を対向させてその間に伝送路を形成し、一方の金属板にスロットを伝送方向に沿って間隔をあけるようにして装荷して、伝送路内の電磁波を漏出させる漏れ波アンテナについても本発明を適用できる。
【００４３】
例えば、図７に示す漏れ波アンテナ５０のように、第１の金属板５１と第２の金属板５２とを対向するように配置して、その間に電磁波を一端側から他端側へ伝送する伝送路を形成し、一方の金属板５１に伝送路の電磁波伝送方向に間隔をあけて複数のスロット５３を平行に設けて、伝送路の一端側の給電部５４から伝送路内に給電された電磁波を漏出させる。なお、符号５５は、伝送路の側方を塞ぐ側板である。
【００４４】
ここで、各スロット５３の位置ｚ、幅ｓ、間隔ｄおよびその位置の第１の金属板５１からの高さｔを、前記誘電体漏れ波アンテナ２０の場合と同様に、同一の公比αの等比数列をなすように、一端側から他端側に向かって増大させることで、広い周波数範囲でビーム特性がほとんど変化しない広帯域なアンテナとすることができる。
【００４５】
また、図８に示す漏れ波アンテナ６０のように、金属板５１、５２を平行に対向させて、各スロット５３の位置ｚ、幅ｓ、間隔ｄを、前記誘電体漏れ波アンテナ３０の場合と同様に、同一の公比αの等比数列をなすように、一端側から他端側に向かって増大させるように設定してもよい。
【００４６】
また、図９に示す漏れ波アンテナ７０のように、金属板５１、５２を平行に対向させて、前記誘電体漏れ波アンテナ４０の場合と同様に、各スロット５３の幅を同一にし、その位置ｚ、間隔ｄのみを、同一の公比αの等比数列をなすように、一端側から他端側に向かって増大させるように設定してもよい。
【００４７】
また、前記した漏れ波アンテナ３０〜７０では、装荷体の間隔ｄ、幅ｓおよび伝送路の厚さｔのうち、少なくとも装荷体の間隔ｄを、給電部側から１より僅かに大きい公比αの等比数列にしたがって順次増加させていたが、逆に、給電部側から１より僅かに小さい公比（１／α）の等比数列にしたがって、少なくとも装荷体の間隔ｄを順次減少させてもよい。
【００４８】
また、上記した漏れ波アンテナ５０、６０、７０では、２枚の金属板５１、５２によって、波長に比べて十分広い伝送路を形成していたが、狭い幅の伝送路を形成する導波管の表面にスロットを設けて、電磁波を漏出させる導波管スロットアンテナにも本発明を同様に適用できる。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の漏れ波アンテナでは、
一端側から他端側へ電磁波を伝送する略偏平な伝送路と、
前記伝送路の一端側に電磁波を給電する給電部と、
前記伝送路の表面に該伝送路の電磁波伝送方向に間隔をあけて平行に装荷され、前記伝送路内の電磁波を前記表面から漏出させる複数の装荷体とを有する漏れ波アンテナにおいて、
前記漏出波のビーム特性を決定する前記装荷体の間隔、前記装荷体の幅および前記伝送路の厚さを、同一公比αの等比数列にしたがって前記伝送路の一端側から他端側へ順次変化するように設定して、該公比αについてｆａ＝α ^ｉ−１ ・ｆｂ（ｉは装荷体の順番を示す整数）の関係を満たす異なる周波数ｆａ、ｆｂにおける漏出波のビーム特性を同等にして広帯域化したことを特徴としている。
【００５０】
このため、広い周波数範囲でビーム特性が変化しない広帯域なアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の誘電体漏れ波アンテナを示す斜視図
【図２】実施形態の要部の構造を示す図
【図３】実施形態の特性例を示す図
【図４】実施形態の特性例を示す図
【図５】実施形態の変形例を示す斜視図
【図６】実施形態の変形例を示す斜視図
【図７】他の実施形態の斜視図
【図８】他の実施形態の斜視図
【図９】他の実施形態の斜視図
【図１０】従来の漏れ波アンテナを示す斜視図
【図１１】従来の漏れ波アンテナの特性を示す図
【符号の説明】
２０、３０、４０ 誘電体漏れ波アンテナ
２１ 地板導体
２２、２２′ 誘電体基板
２３ 金属ストリップ
２４ 給電部
５０、６０、７０ 漏れ波アンテナ
５１ 第１の金属板
５２ 第２の金属板
５３ スロット
５４ 給電部
５５ 側板

Claims (3)

1. 一端側から他端側へ電磁波を伝送する略偏平な伝送路と、
   前記伝送路の一端側に電磁波を給電する給電部と、
   前記伝送路の表面に該伝送路の電磁波伝送方向に間隔をあけて平行に装荷され、前記伝送路内の電磁波を前記表面から漏出させる複数の装荷体とを有する漏れ波アンテナにおいて、
   前記漏出波のビーム特性を決定する前記装荷体の間隔、前記装荷体の幅および前記伝送路の厚さを、同一公比αの等比数列にしたがって前記伝送路の一端側から他端側へ順次変化するように設定して、該公比αについてｆａ＝α ^ｉ−１ ・ｆｂ（ｉは装荷体の順番を示す整数）の関係を満たす異なる周波数ｆａ、ｆｂにおける漏出波のビーム特性を同等にして広帯域化したことを特徴とする漏れ波アンテナ。
2. 前記伝送路は、地板導体と、該地板導体の一面側に重なるように配置された誘電体基板とによって構成され、
   前記装荷体は、前記誘電体基板の一面側にパターン形成された金属ストリップによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の漏れ波アンテナ。
3. 前記伝送路は、２枚の対向する金属板によって構成され、
   前記装荷体は、前記金属板の一方に設けられたスロットによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の漏れ波アンテナ。

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