JP5613064B2 - Microwave antenna - Google Patents

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Description

本発明はマイクロ波帯のレーダーやセンサーに搭載されるマイクロ波用アンテナ、特に副反射器を有するアンテナの構造に関する。   The present invention relates to a microwave antenna mounted on a microwave band radar or sensor, and more particularly to an antenna structure having a sub-reflector.

従来から、各種のマイクロ波用の薄型アンテナが提案されているが、この薄型アンテナとして、例えば図８のような下記特許文献１に示されるショートバックファイヤアンテナがある。図８に示されるように、このアンテナは、主反射器１、小反射器２及びダイポール（給電放射器）３を有する構造となっている。   Conventionally, various thin antennas for microwaves have been proposed. As this thin antenna, for example, there is a short backfire antenna shown in Patent Document 1 as shown in FIG. As shown in FIG. 8, this antenna has a structure including a main reflector 1, a small reflector 2, and a dipole (feeding radiator) 3.

しかし、この種のアンテナは、給電放射器にダイポール３を使用するため導波管インターフェースの場合は不向きであり、また小反射器（副反射器）２と主反射器１との距離が一定に保たれるような保持機構が必要となる。   However, this type of antenna is not suitable for a waveguide interface because it uses a dipole 3 as a feed radiator, and the distance between the small reflector (sub-reflector) 2 and the main reflector 1 is constant. A holding mechanism that can be maintained is required.

一方、導波管インターフェースを使用するものとして、例えば図９のような下記特許文献２に示される導波管アレイアンテナも提案されている。図９に示されるように、このアンテナは、先端をノズル状にした導波管５、前面にスロットアンテナパターン６を設けた放射エレメント７を有する構造となっている。このアンテナでは、放射エレメント７の前面（開口部）にスロットアンテナパターン６を配設するため構造が簡素となり、上記ショートバックファイヤアンテナよりも薄型化が図られている。   On the other hand, as one using a waveguide interface, for example, a waveguide array antenna shown in the following Patent Document 2 as shown in FIG. 9 has been proposed. As shown in FIG. 9, this antenna has a structure including a waveguide 5 having a nozzle-like tip and a radiating element 7 provided with a slot antenna pattern 6 on the front surface. In this antenna, since the slot antenna pattern 6 is disposed on the front surface (opening) of the radiating element 7, the structure is simplified, and the antenna is thinner than the short backfire antenna.

特開昭５７−２０００２号公報Japanese Patent Laid-Open No. 57-20002 特開平２−２２３２０６号公報JP-A-2-223206

しかしながら、上記図８，図９の構成では、アンテナの利得、リターンロス及びサイドローブ比が最適となるアンテナ特性を得ることが難しいという問題があり、図８の構成では、保持機構等が必要で構造が複雑になるという不都合もある。   However, the configurations of FIGS. 8 and 9 have a problem that it is difficult to obtain antenna characteristics that optimize the antenna gain, return loss, and sidelobe ratio, and the configuration of FIG. 8 requires a holding mechanism or the like. There is also the inconvenience that the structure becomes complicated.

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、主反射器の開口部の面積が決定されている状況において、アンテナの利得、リターンロス及びサイドローブ比が最適となる特性を容易に得ることができるマイクロ波用アンテナを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is a characteristic in which the antenna gain, return loss, and sidelobe ratio are optimized in a situation where the area of the opening of the main reflector is determined. An object of the present invention is to provide a microwave antenna capable of easily obtaining the above.

上記目的を達成するために、請求項１の発明に係るマイクロ波用アンテナは、導波管に接続され、マイクロ波を放射するための主反射器と、この主反射器の開口部に配置され、複数の金属小体（小板、パッチ、プリント面部）からなる副反射パターンが形成された支持基板（例えばプリント基板）と、を設け、上記副反射パターンは、上記導波管の磁界方向の中央部の金属小体同士を所定の第１間隙で配置し、この中央部の金属小体の外側の金属小体同士を上記第１間隙よりも小さい第２間隙で配置すると共に、上記主反射器の磁界方向の開口部縁側の金属小体を該開口部縁に対し上記第２間隙よりも大きい第３間隙で配置し、この第３間隙によりサイドローブ比を設定するようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記金属小体を、六角形としたことを特徴とする。 To achieve the above object, a microwave antenna according to a first aspect of the present invention is connected to a waveguide and disposed in a main reflector for radiating microwaves and an opening of the main reflector. A support substrate (for example, a printed circuit board) on which a sub-reflection pattern composed of a plurality of metal bodies (small plates, patches, print surface portions) is formed, and the sub-reflection pattern is arranged in the magnetic field direction of the waveguide . The metal bodies in the central part are arranged with a predetermined first gap, and the metal bodies outside the metal body in the central part are arranged with a second gap smaller than the first gap , and the main reflection is performed. The metal body on the edge side of the opening in the magnetic field direction of the vessel is arranged with a third gap larger than the second gap with respect to the opening edge, and the side lobe ratio is set by the third gap. And
The invention of claim 2, the upper Symbol metal bodies, characterized in that a hexagon.

上記請求項１の構成によれば、副反射パターンの第１間隙（又は間隔）を設定し、第２間隙（又は間隔）をこの第１間隙よりも小さく、これら第１間隙及び第２間隙の各々を調整することにより、アンテナの利得、リターンロスが最適となるアンテナ特性を得ることができる。即ち、上記従来図９のアンテナでは、メインローブのビーム幅が主に主反射器(放射エレメント７)の開口幅に依存し、アンテナ利得が決定するが、本発明では、上記第１間隙と第２間隙の調整によって、アンテナの共振周波数とリターンロスを最適なものとし、かつアンテナ利得を向上させることが可能になる。
また、第２間隙よりも大きい第３間隙の調整によりサイドローブ比を最適な状態に設定することができる。 According to the configuration of the first aspect, the first gap (or interval) of the sub-reflection pattern is set, the second gap (or interval) is smaller than the first gap, and the first gap and the second gap By adjusting each, it is possible to obtain antenna characteristics that optimize the antenna gain and return loss. That is, in the antenna shown in FIG. 9, the beam width of the main lobe mainly depends on the aperture width of the main reflector (radiating element 7) and the antenna gain is determined. In the present invention, the first gap and the first gap are determined. By adjusting the two gaps, the resonance frequency and return loss of the antenna can be optimized, and the antenna gain can be improved.
Further , the side lobe ratio can be set to an optimum state by adjusting the third gap larger than the second gap.

上記請求項２の構成によれば、金属小体を六角形（正六角形）とし、副反射パターンがハニカム状（パッチ）パターンとなるが、この六角形は、等間隔で配置した場合の四角形や円形に比べて、占有面積が小さくなるので、金属小体で反射されるマイクロ波を減少させてアンテナ利得を増加させることができると共に、六角形金属小体間の第２間隙の調整・設定がし易いので、良好な利得、リターンロスを持つ指向特性の設定が行い易くなる。 According to the configuration of the second aspect , the metal body is a hexagon (regular hexagon), and the sub-reflection pattern is a honeycomb (patch) pattern. Since the occupied area is smaller than the circular shape, the microwave reflected by the metal body can be reduced, the antenna gain can be increased, and the second gap between the hexagonal metal bodies can be adjusted and set. Therefore, it becomes easy to set the directivity having good gain and return loss.

本発明のように副反射パターンを持つアンテナでは、金属小体の形状と金属小体間の間隙（又は間隔）がアンテナの利得、リターンロス及びサイドローブ比の特性に直接的な影響を与える。例えば、この金属小体を方形で形成した場合は、金属小体間の間隙（の大きさ或いは面積）が調整し易いため、所要のリターンロス特性は得易いが、方形は六角形と比較して面積が大きいことから、副反射器としては反射される成分が大きくなり、結果的に利得が低下することになる。また、金属小体を円形若しくは楕円形で形成した場合は、その面積は方形よりも小さくなるため利得は向上するが、金属小体間の間隙が複雑な形状となるためリターンロスの調整が難しい。本発明のように、金属小体を六角形とすれば、方形よりも小さい面積で、規則的な配置が可能となり、金属小体間の間隙（の大きさ或いは面積）の調整が行い易くなるので、アンテナ特性の設定が容易となる。   In an antenna having a sub-reflection pattern as in the present invention, the shape of the metal body and the gap (or spacing) between the metal bodies directly affect the characteristics of the antenna gain, return loss, and sidelobe ratio. For example, when this metal body is formed in a square shape, the gap (size or area) between the metal bodies is easy to adjust, so it is easy to obtain the required return loss characteristics. Since the area is large, the component reflected by the sub-reflector increases, resulting in a decrease in gain. In addition, when the metal body is formed in a circle or ellipse, the area is smaller than that of the square, so that the gain is improved. However, since the gap between the metal bodies is a complicated shape, it is difficult to adjust the return loss. . If the metal bodies are hexagonal as in the present invention, regular arrangement is possible with an area smaller than that of the square, and it becomes easy to adjust the gap (size or area) between the metal bodies. Therefore, setting of antenna characteristics becomes easy.

本発明のマイクロ波用アンテナによれば、主反射器の開口部の面積が決定されている状況において、アンテナの利得、リターンロス及びサイドローブ比が最適となるアンテナ特性を容易に得ることが可能となる。
また、請求項２の発明によれば、金属小体を方形や円形等の他の形状とした場合と比較して、複数の金属小体を同一間隙で規則的に配置でき、しかも各金属小体の間隙の制御が容易となり、また小さな面積の金属小体によって利得を高くできるので、最適なアンテナの利得、リターンロス及びサイドローブ比が得られるという効果がある。 According to the microwave antenna of the present invention, it is possible to easily obtain antenna characteristics that optimize the antenna gain, return loss, and sidelobe ratio in a situation where the area of the opening of the main reflector is determined. It becomes.
Further, according to the invention of claim 2 , a plurality of metal bodies can be regularly arranged in the same gap as compared with the case where the metal bodies have other shapes such as a square or a circle, and each metal body The body gap can be easily controlled, and the gain can be increased by the small metal body having the small area. Therefore, there is an effect that the optimum antenna gain, return loss, and sidelobe ratio can be obtained.

本発明の実施例に係るマイクロ波用アンテナの構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the microwave antenna which concerns on the Example of this invention. 実施例のマイクロ波用アンテナのプリント基板（副反射パターン）の構成をアンテナの内側から見た図である。It is the figure which looked at the structure of the printed circuit board (subreflection pattern) of the microwave antenna of an Example from the inner side of the antenna. 実施例のマイクロ波用アンテナの構成を示し、図（Ａ）は外観斜視図、図（Ｂ）は中央部の金属小体の配置関係を示す図である。The structure of the microwave antenna of an Example is shown, A figure (A) is an external appearance perspective view, A figure (B) is a figure which shows the arrangement | positioning relationship of the metal body of a center part. 実施例のマイクロ波用アンテナでのマイクロ波の放射及び反射状態を示す図である。It is a figure which shows the radiation | emission and reflection state of the microwave in the microwave antenna of an Example. 実施例の金属小体の六角形状を他の形状と比較したときの図である。It is a figure when the hexagonal shape of the metal body of an Example is compared with another shape. 実施例のマイクロ波用アンテナの指向特性（放射特性及びサイドローブ比）を示す図である。It is a figure which shows the directivity (radiation characteristic and sidelobe ratio) of the microwave antenna of an Example. 実施例のマイクロ波用アンテナのリターンロス特性（周波数−リターンロス）を示すグラフ図である。It is a graph which shows the return loss characteristic (frequency-return loss) of the microwave antenna of an Example. 従来のマイクロ波用アンテナの一構成例を示し、図（Ａ）は側断面図、図（Ｂ）は正面図である。One structural example of the conventional microwave antenna is shown, FIG. (A) is a sectional side view, and (B) is a front view. 従来のマイクロ波用アンテナの他の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structural example of the conventional microwave antenna.

図１乃至図３には、本発明の実施例に係るマイクロ波用アンテナの構成が示されており、図１に示されるように、本体１０には、導波管１１及びスロット（給電部）１２、図３（Ａ）のように方形の開口面を有する主反射器１３が形成される。そして、この主反射器１３の開口面を塞ぐように、マイクロ波を透過する支持基板、具体的には樹脂製のプリント基板１５が設けられ、このプリント基板１５の内側には、図２及び図３（Ａ）に示されるように、六角形の金属小体（プリント薄板−金属エレメント）１６がハニカム状に多数配置された副反射パターン（パッチパターン）が形成されている。なお、この金属小体１６は、プリント基板１５の外側に形成・配置してもよい。また、導波管給電部の上記スロット１２は、インピーダンス整合を行うためのものであり、導波管１１に金属ポストを設けたり、階段状に導波管寸法を変化させたりする等の構造としてもよい。   1 to 3 show a configuration of a microwave antenna according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, a main body 10 includes a waveguide 11 and a slot (feeding portion). 12, a main reflector 13 having a square opening surface is formed as shown in FIG. A supporting substrate that transmits microwaves, specifically, a printed circuit board 15 made of resin is provided so as to close the opening surface of the main reflector 13. Inside the printed circuit board 15, FIG. 2 and FIG. As shown in FIG. 3A, a sub-reflection pattern (patch pattern) in which a large number of hexagonal metal bodies (printed thin plate-metal elements) 16 are arranged in a honeycomb shape is formed. The metal body 16 may be formed and arranged outside the printed circuit board 15. The slot 12 of the waveguide feeding section is for impedance matching, and has a structure such as providing a metal post on the waveguide 11 or changing the waveguide dimensions in a stepped manner. Also good.

図２に示されるように、実施例では、主反射器１３の開口部における磁界方向中央部に配置された２列の金属小体１６同士を所定の第１間隙（ギャップの長さ）Ｇａで配置し、この中央部２列の外側に配置される金属小体１６については第１間隙Ｇａよりも小さい第２間隙（長さ）Ｇｂでそれぞれを配置している。また、主反射器１３の磁界方向の開口部縁側の金属小体１６は、開口部縁に対し第２間隙Ｇｂよりも大きい第３間隙（長さ）Ｇｃで配置する。   As shown in FIG. 2, in the embodiment, two rows of metal bodies 16 arranged at the central portion in the magnetic field direction in the opening of the main reflector 13 are connected with a predetermined first gap (gap length) Ga. The metal bodies 16 arranged outside the two rows of the central portion are arranged with a second gap (length) Gb smaller than the first gap Ga. In addition, the metal element 16 on the opening edge side in the magnetic field direction of the main reflector 13 is arranged with a third gap (length) Gc larger than the second gap Gb with respect to the opening edge.

即ち、図３（Ｂ）に示されるように、第１間隙Ｇａ、金属小体１６の間隔（中心位置間）ｄＰ、金属小体１６の対角線の長さｄＨ、自由空間波長（λ０）のそれぞれの関係は、
λ０／２＝ｄＰ＝ｄＨ＋Ｇａ … 式１
となる。 That is, as shown in FIG. 3B, the first gap Ga, the interval (center position) dP between the metal bodies 16, the diagonal length dH of the metal body 16, and the free space wavelength (λ 0 ). Each relationship is
λ 0/2 = dP = dH + Ga ... formula 1
It becomes.

従って、この式１に沿って第１間隙Ｇａが設定され、アンテナの共振周波数が決定されると共に、中央の２列から磁界方向外側（主反射器開口部縁）へ向けて順次配列される各金属小体１６の第２間隙Ｇｂについては、上記第１間隙Ｇａよりも小さい値に設定される。即ち、第１間隙Ｇａと第２間隙Ｇｂの調整により利得が最適となるようにされ、かつ第２間隙Ｇｂの調整によりリターンロスが最適となるよう設定される。そして、最外列（左右）の金属小体１６と主反射器１３の開口部縁との間の第３間隙Ｇｃは、第２間隙Ｇｂよりも大きい値とし、サイドローブ比が最適となるように調整設定される。   Therefore, the first gap Ga is set along the equation 1, the resonance frequency of the antenna is determined, and each array sequentially arranged from the two central rows toward the outside in the magnetic field direction (edge of the main reflector opening). The second gap Gb of the small metal body 16 is set to a value smaller than the first gap Ga. That is, the gain is optimized by adjusting the first gap Ga and the second gap Gb, and the return loss is optimized by adjusting the second gap Gb. The third gap Gc between the outermost row (left and right) metal elements 16 and the opening edge of the main reflector 13 is set to a value larger than the second gap Gb so that the side lobe ratio is optimal. The adjustment is set to.

実施例は以上の構成からなり、図４に示されるように、導波管１２に設けられたスロット１１から放射されたマイクロ波の一部は、中央部の金属小体１６間の第１間隙Ｇａと、その外側の金属小体１６間の第２間隙Ｇｂからプリント基板１５を透過して空間に放射され、また一部は主反射器１３の縁端に達して第３間隙Ｇｃから空間に放射され、その他のマイクロ波は副反射パターンの各金属小体１６で反射されて主反射器１３に戻される。この主反射器１３に戻された成分のうち、一部は漏れ波となって主反射器１３の縁端に達して、第３間隙Ｇｃから放射され、その他の成分は主反射器１３で反射されて、再びプリント基板１５の上記第１及び第２間隙Ｇａ，Ｇｂから放射される。この結果、最終的には直接と反射により、副反射パターンの金属小体１６間の第１及び第２間隙Ｇａ，Ｇｂから空間に放射されたものと、主反射器１３の縁端に達して間隙Ｇｃから放射されるものとでアンテナ特性が形成されることになる。   The embodiment has the above-described configuration. As shown in FIG. 4, a part of the microwave radiated from the slot 11 provided in the waveguide 12 is the first gap between the metal bodies 16 in the center. Ga and the second gap Gb between the outer small metal body 16 pass through the printed circuit board 15 to be radiated to the space, and a part reaches the edge of the main reflector 13 to reach the space from the third gap Gc. The other microwaves are radiated and reflected by the metal bodies 16 of the sub-reflection pattern and returned to the main reflector 13. Among the components returned to the main reflector 13, some of them become leaky waves and reach the edge of the main reflector 13 to be emitted from the third gap Gc, and the other components are reflected by the main reflector 13. Then, the light is emitted again from the first and second gaps Ga and Gb of the printed circuit board 15. As a result, it finally reaches the edge of the main reflector 13 from the first and second gaps Ga and Gb between the metal bodies 16 of the sub-reflection pattern by direct and reflection. Antenna characteristics are formed by what is radiated from the gap Gc.

このようにして、第１間隙Ｇａを自由空間波長λ０との関係の下にアンテナの共振周波数が決定されるように調整設定し、第２間隙Ｇｂをリターンロスが最適となるように調整することで、アンテナ利得、メインローブのビーム幅を最良なものとし、更に第３間隙Ｇｃをサイドローブ比が最適となるように調整設定することで、最良のアンテナ特性を得ることが可能となる。 In this way, the first gap Ga is adjusted and set so that the resonance frequency of the antenna is determined in relation to the free space wavelength λ 0, and the second gap Gb is adjusted so that the return loss is optimized. Thus, it is possible to obtain the best antenna characteristics by setting the antenna gain and the main lobe beam width to the optimum and further adjusting and setting the third gap Gc so that the side lobe ratio is optimum.

図６には、実施例のアンテナ指向性（放射特性及びサイドローブ比）が示され、図７には、実施例のリターンロス特性が示されており、図示のように、良好なアンテナ特性が得られる結果となった。   FIG. 6 shows the antenna directivity (radiation characteristics and sidelobe ratio) of the embodiment, and FIG. 7 shows the return loss characteristics of the embodiment. As shown in FIG. The result was obtained.

更に、実施例では、副反射パターンを六角形の金属小体１６のハニカム状とすることにより、方形や円形等と比べて金属小体１６間の間隙の大きさ或いは面積の調整が行いやすくなり、アンテナ特性の設定が容易になる。即ち、図５（Ａ）、（Ｂ）に示されるように、正方形、円形（それぞれを等間隔で配置した場合）と比較すると、六角形（正六角形）の金属小体１６の面積は斜線分だけ少なくなるので、金属小体１６により反射されるマイクロ波もその分減少する。この金属小体１６によるマイクロ波の減少は、アンテナから放射されるマイクロ波の総量の増加に繋がるため、アンテナ利得を増加させる。従って、利得の増加とそれに伴うサイドローブ比の改善をもたらすことになる。   Furthermore, in the embodiment, by making the sub-reflection pattern into the honeycomb shape of the hexagonal metal body 16, it becomes easier to adjust the size or area of the gap between the metal bodies 16 as compared with the square shape or the circular shape. The antenna characteristics can be easily set. That is, as shown in FIGS. 5A and 5B, the area of the hexagonal (regular hexagonal) metal body 16 is a hatched segment as compared to a square and a circle (when they are arranged at equal intervals). Therefore, the microwave reflected by the metal body 16 is also reduced accordingly. The reduction of the microwave by the metal body 16 leads to an increase in the total amount of microwave radiated from the antenna, and thus increases the antenna gain. Therefore, the gain is increased and the sidelobe ratio is improved accordingly.

また、プリント基板１５の副反射パターンをハニカム状に形成すれば、比較的小さな面積の金属小体１６の規則的な配置により、第２間隙Ｇｂの大きさ或いは面積の調整が行い易いので、アンテナの利得、リターンロスおよびサイドローブ比の最適化も容易となる。   Further, if the sub-reflection pattern of the printed circuit board 15 is formed in a honeycomb shape, the size or area of the second gap Gb can be easily adjusted by regular arrangement of the metal bodies 16 having a relatively small area. The gain, return loss, and sidelobe ratio can be easily optimized.

本発明は、特にマイクロ波レーダー又はセンサーに搭載する送信用、受信用或いは送受共用のアンテナとして利用可能である。   The present invention can be used as a transmission antenna, a reception antenna, or a transmission / reception antenna mounted on a microwave radar or a sensor.

１，７，１３…主反射器、 ５,１１…導波管、
１０…本体、 １２…スロット、
１５…プリント基板、 １６…金属小体、
Ｇａ〜Ｇｃ…第１〜第３間隙。 1, 7, 13 ... main reflector, 5, 11 ... waveguide,
10 ... body, 12 ... slot,
15 ... printed circuit board, 16 ... metal body,
Ga to Gc: first to third gaps.

Claims (2)

導波管に接続され、マイクロ波を放射するための主反射器と、
この主反射器の開口部に配置され、複数の金属小体からなる副反射パターンが形成された支持基板と、を設け、
上記副反射パターンは、上記導波管の磁界方向の中央部の金属小体同士を所定の第１間隙で配置し、この中央部の金属小体の外側の金属小体同士を上記第１間隙よりも小さい第２間隙で配置すると共に、上記主反射器の磁界方向の開口部縁側の金属小体を該開口部縁に対し上記第２間隙よりも大きい第３間隙で配置し、この第３間隙によりサイドローブ比を設定するようにしたマイクロ波用アンテナ。 A main reflector connected to the waveguide for emitting microwaves;
A support substrate disposed in the opening of the main reflector and provided with a sub-reflection pattern made of a plurality of metal bodies, and
In the sub-reflection pattern, the metal bodies in the central part of the waveguide in the magnetic field direction are arranged with a predetermined first gap, and the metal bodies outside the metal body in the central part are placed in the first gap. And a metal body on the opening edge side in the magnetic field direction of the main reflector is disposed in a third gap larger than the second gap with respect to the opening edge. A microwave antenna with a sidelobe ratio set by the gap . 上記金属小体は、六角形としたことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波用アンテナ。 The microwave antenna according to claim 1 , wherein the metal body has a hexagonal shape .
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