JP4709601B2 - 導波管スロットアレイアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、特にマイクロ波帯、ミリ波帯に用いられる導波管スロットアレイアンテナの給電構造に関する技術分野に属する。

従来のスロットアレイアンテナでは、図２に示すような放射導波路１５用の溝と給電用導波路１６用の溝が設けられたベース体１４に、放射導波路１５に対応させてスロット２０が切られた図３に示すようなスロット板１９を被せる構造となっている。
図４は、ベース体１４にスロット板１９を被せたときのスロット２０の位置関係を示す図である。
そして、中央給電型の導波管スロットアレイアンテナでは、中央部に設けられた給電導波路１６は狭壁面（Ｅ面）がアンテナ開口面の向きと一致させる構造となっている。
その理由は、スロット板１９の給電導波路１６の位置に対応する部分にはスロットを設けることができず、給電導波路の広壁面（Ｈ面）をアンテナ開口面の向きと一致させると、スロットを設けることができない部分の幅が大きくなり、指向特性におけるサイドローブレベルが上昇するという問題があるためである。

そこで給電は、給電導波路の中央部分でその側面（Ｈ面）に給電孔１７を設けてそこから行われるようにしている。
こうすることにより、給電孔１７から両側方向へ給電される位相が逆相となり、給電孔両側の最初の放射導波路への分岐給電が逆相で給電されることになり、両放射導波路間の境界壁とスロット板との間に電流が流れず、境界壁とスロット板の導通が充分にとれなくともよいためにねじ止めや導電性接着剤等による密着が必要なくなるからである。

なお、両側の最初の放射導波路より後の放射導波路については、順次逆相分岐となるように給電導波路の広壁面の幅（即ち深さ）を調整し、給電導波路内部の２分の１の管内波長となる位置毎に放射導波路が配置されているので、隣り合う放射導波路同士は逆位相で分岐給電されるようになっている（特許文献１参照）。

このように従来の中央給電型の導波管スロットアレイアンテナは、図２の上下方向の中央部分を全幅（図の左右方向）に渡って給電導波路１６が通っており、その給電導波路１６から上下方向に複数の放射導波路１５、１８がアンテナの上辺および下辺まで延びている。

そして、給電導波路１６の中央の給電点から、放射導波路１５、１８への各分岐給電点までへの距離および給電導波路１６の分岐給電点における深さは、アンテナの使用周波数帯において隣接する放射導波路への給電位相が逆相になるように調整されている。
また、放射導波路１５、１８における管壁構造およびスロット板１９のスロット間隔も各スロットからの放射が、使用周波数帯において同相になるように調整されている。
特願２００５−１８００８８（［０００４］、図１、図３、図４）

前述のように従来の中央給電型導波管スロットアレイアンテナは、アンテナ中央部で横幅を横断する１本の給電導波路の両側直交方向に、上辺および下辺まで延びる放射導波路が設けられている。そして、放射導波路への分岐給電点の間隔は、使用周波数帯において隣接放射導波路への給電が逆相になるようになっており、スロット間隔は各スロットからの放射が同相になるようになっている。

ところで、周波数がずれた場合、導波路中の各位置における進行電磁波の位相も当然ずれることになるが、その位相ずれの量は給電基準点からの距離に比例することになる。
従って、給電導波路の給電孔から遠い分岐給電点程位相ずれが大きくなり、また、放射導波路中、分岐給電点より遠いスロット程位相ずれが大きくなる。
この位相ずれが、前述の隣接分岐給電点の逆相給電やスロットからの同相放射に対する許容ずれ量を越えるとスロットアレイアンテナとしての性能劣化を招くことになる。

従って、今、位相ずれに対する許容量が定まった場合、大きなサイズのスロットアレイアンテナを得ようとすると導波路の距離が長くなるため、周波数に対する許容ずれ量を小さく抑えることになり、その結果、周波数帯域幅が小さくなり、逆に、周波数帯域幅を広く得ようとすると大きなアンテナが得られないという問題があった。

本発明は、上記従来技術に鑑みて、同一サイズならば従来より周波数帯域幅の大きいアンテナを、また同じ周波数帯域幅ならば従来より大きなアンテナを実現することを課題とするものである。

上記の課題を解決するために、本発明の導波管スロットアレイアンテナは、以下の構成を有する。
即ち、本発明の導波管スロットアレイアンテナは、放射導波路が多数平行に設けられ、給電系によって給電される導波管スロットアレイアンテナであって、給電系が、Ｅ面をアンテナ前方に向けた給電導波路であって、Ｈ面から給電される給電点から一方向きと反対向きに延びる第１の給電路と、第１の給電路の各端部からＨ面給電でＥ面Ｔ字状に延びる第２、第３の給電路と、第２、第３の給電路それぞれの端部からＨ面給電でＥ面Ｔ字状に延びる計４つの直列給電分岐導波路とからなり、放射導波路は、各直列給電分岐導波路の分岐点毎にその両側面から直交方向に延び、第２の給電路と第３の給電路およびそれらの延長線間の放射導波路の列数が偶数であることを特徴とする導波管スロットアレイアンテナである。

以上のように、本発明のスロットアレイアンテナの構成は、１つの導波管スロットアレイアンテナが４分割されたような形になっており、各分割部分に、直列給電分岐導波路が設けられ、各直列給電分岐導波路の両側に放射導波路が設けられている。
その結果、各分割部分は、当該１つの導波管スロットアレイアンテナを、図２の従来のアンテナのように、上下方向中央部分に全幅に渡る給電導波路（直列給電分岐導波路）を設けその上下両側から放射導波路が上辺、下辺まで延びている場合に較べ、直列給電分岐導波路の長さも、放射導波路の長さも短くなっている。その分だけ許容位相ずれ量に対する許容周波数ずれ量は、大きくとれるので結局周波数帯域幅が広くとれることになる。

結局、分割により周波数帯域幅の広がったアンテナが４個平面的に配列されていることになり、全体として従来よりも広い周波数帯域幅の導波管スロットアレイアンテナが得られることになる。従って、従来型の導波管スロットアレイアンテナとほぼ同じ大きさで従来より周波数帯域幅の広い導波管スロットアレイアンテナが得られ、また逆に、同じ周波数帯域幅ならば従来より大きな（即ち、アンテナ利得の大きな）導波管スロットアレイアンテナが得られるという利点がある。

また、給電系については、すべて、Ｅ面がアンテナ開口面の向きと揃うようにされており、第１の給電路に対する給電はＨ面給電となっているので給電点から見た両方向へは逆相給電となり、第１の給電路両端において、第２、第３の給電路への給電はＥ面Ｔ字状でＨ面給電が行われているから両方向へ逆相給電となり、第２、第３の給電路それぞれの両端における直列給電分岐導波路への給電もＥ面Ｔ字状でＨ面給電が行われているので両方向へ逆相給電となり、一方、第２、第３の給電路とそれらの延長線を含む線の間に配列される放射導波路の列数は偶数となっているので、隣接する放射導波路への給電はすべて逆相給電となり、スロット板と各放射導波路境界壁との電気的導通の完全性は従来通り必要ないという利点がある。

本発明の導波管スロットアレイアンテナにおいても、第１、第２、第３の各給電路、４箇所の直列給電分岐導波路および各放射導波路用の溝が設けられたベース体に、スロットが設けられたスロット板を被せる構造のものが最良である。
ザグリやダイカストによるベース体の製作が容易だからである。

次に、４分割の形態は、上下左右対称な田の字形の分割が最良である。
その理由は、非対称な分割であっても、従来のスロットアレイアンテナよりは、周波数帯域幅を拡げたり、或いは同じ周波数帯域幅の場合、従来のスロットアレイアンテナより大きくすることはできるが、非対称の場合には分割部分に大小の違いが生じ、小さい部分は周波数帯域幅は広いがアンテナ利得は小さく、逆に大きい部分はアンテナ利得は大きいが周波数帯域幅が狭くなるというように不揃いとなり、このような分割部分が４個集まった形のアンテナは、利得の面でも、周波数帯域幅の面でも対称性がとれず、１個のアンテナとしての特性が田の字形分割のアンテナに対して劣ることになるからである。

以下、本発明の導波管スロットアレイアンテナの実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の導波管スロットアレイアンテナのベース体の平面図である。概ね、角型開口面を田の字形に４分割し、それぞれに直列給電分岐導波路とその上方および下方に延びる放射導波路とからなり、各直列給電分岐導波路への給電は、開口面の央部にＥ面が開口面と同じ向きになるようにしてＨ字形に張りまわした給電路を設け、Ｈの横線中央部にアンテナ背後からの給電を行い、Ｈの左右縦線の上端、下端を直列給電分岐導波路へ結合し広壁面給電をする構造となっている。
このベース体に、放射導波路に合わせたスロットを切ったスロット板を被せることにより本発明の導波管スロットアレイアンテナとなる。
ベース体１には、第１の給電路３、第２の給電路４、第３の給電路５、第１〜第４の直列給電分岐導波路６〜９、多数の放射導波路１０が溝状に設けられている。

なお、境界壁１１の幅はほぼ従来の幅と同じであるが、境界壁１２は第２の給電路４および第３の給電路５が設けられるので、他の部分の境界壁よりも幅が広くなり、若干無駄スペースが生ずる。

ベース体１の中央部には給電点（給電孔）２が設けられており、図の紙面背面側の方から給電され、直角に曲がって第１の給電路３のＨ面から該第１の給電路３へ給電され左右両方向へ給電される。Ｈ面給電であるところから左右への給電は逆相給電となる。
給電孔２における左向き矢印、給電孔２を基準にして第１の給電路３上の左側の下向き矢印、右側の上向き矢印は電界の向きを示している。他のＴ字状結合部分における矢印も同様である。

第１の給電路３の左右両端は、それぞれ第２の給電路４、第３の給電路５にＥ面Ｔ字状Ｈ面給電で結合している。各結合点では矢印が上向きと下向き逆相給電される。第２の給電路４の上端は第１の直列給電分岐導波路６へ、下端は第２の直列給電分岐導波路７へそれぞれＥ面Ｔ字状Ｈ面給電で結合されており、第３の給電路５の上端は第３の直列給電分岐導波路８へ、下端は第４の直列給電分岐導波路９へそれぞれＥ面Ｔ字状Ｈ面給電で給電されている。

各直列給電分岐導波路の上下には直交する方向に、放射導波路１０が給電箇所の左右に４本ずつ設けられている。
給電の位相については、給電点２で両方向逆相給電、第１の給電路３から第２の給電路４、および第３の給電路５へのＨ面給電で両方向逆相給電となっているので、第２の給電路から第１の直列給電分岐導波路６への給電位相と第３の給電路５から第３の直列給電分岐導波路８への給電位相が同じになっており、同様に、第２の給電路４から第２の直列給電分岐導波路７への給電位相と、第３の給電路５から第４の直列給電分岐導波路９への給電位相は同じになっている。

従って、第２の給電路４と第３の給電路５およびそれらの延長線の間に配列される放射導波路１０の列数を偶数にしておくことにより、各直列給電分岐導波路６〜９から放射導波路１０への給電位相は同相給電となる箇所が生じないようになっている。

また、第１の直列給電分岐導波路６の上下に結合している放射導波路１０と第２の直列給電分岐導波路７の上下に結合している放射導波路１０で上下方向同じ列に並ぶものは、各直列給電分岐導波路から給電される位相は同一となっている。第３の直列給電分岐導波路８および第４の直列給電分岐導波路９に結合している放射導波路についても同様である。

以上の結果、図１と同じ大きさのベース体に、従来の図２のように、横全幅に渡る１本の給電導波路１６とそこから上辺、下辺に到る放射導波路１５、１８を設ける場合に較べて、図１の各直列給電分岐導波路６〜９の長さは、同じ機能を有する図２の給電導波路１６のほぼ半分となっており、放射導波路１０の長さも図２の放射導波路１５、１８のほぼ半分になっている。

従って、図１の各直列給電分岐導波路６〜９への給電箇所から最も遠い放射導波路１０の先端までの距離は、図２の給電導波路１６の中央から最も遠い放射導波路１５、１８の先端までの距離のほぼ４分の１となる。
このことは、最も遠い放射導波路の先端までの、周波数変化による許容位相ずれ量が、図１の場合と図２の場合で同じとすれば、許容される周波数ずれ量は図１の方が４倍ということになる。即ち、図１の方が４倍の周波数帯域が得られるということになる。
また、同じ周波数帯域幅ならば、開口面で従来のほぼ４倍近い大きい（利得の大きい）アンテナを得ることができるということになる。

本発明の導波管スロットアレイアンテナのベース体の平面図である。 従来の導波管スロットアレイアンテナのベース体の平面図である。 図２のベース体に適合するスロットを切ったスロット板の平面図である。 図３のスロット板を図２のベース体に被せた場合のスロットと放射導波路との位置関係を示す平面図である。

符号の説明

１ ベース体
２ 給電点（給電孔）
３ 第１の給電路
４ 第２の給電路
５ 第３の給電路
６ 第１の直列給電分岐導波路
７ 第２の直列給電分岐導波路
８ 第３の直列給電分岐導波路
９ 第４の直列給電分岐導波路
１０ 放射導波路
１１ 境界壁
１２ 境界壁
１３ 境界壁
１４ ベース体
１５ 放射導波路
１６ 給電導波路
１７ 給電孔
１８ 放射導波路
１９ スロット板
２０ スロット

Claims (1)

1. 放射導波路が多数平行に設けられ、給電系によって給電される導波管スロットアレイアンテナであって、給電系が、Ｅ面をアンテナ前方に向けた給電導波路であって、Ｈ面から給電される給電点から一方向きと反対向きに延びる第１の給電路と、第１の給電路の各端部からＨ面給電でＥ面Ｔ字状に延びる第２、第３の給電路と、第２、第３の給電路それぞれの端部からＨ面給電でＥ面Ｔ字状に延びる計４つの直列給電分岐導波路とからなり、放射導波路は、各直列給電分岐導波路の分岐点毎にその両側面から直交方向に延び、第２の給電路と第３の給電路およびそれらの延長線間の放射導波路の列数が偶数であることを特徴とする導波管スロットアレイアンテナ。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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