JP5789492B2 - マイクロ波アンテナ - Google Patents

Description

本発明はマイクロ波アンテナ、特に広い角度に亘って指向性が均一となるアンテナの構造に関する。

図１１には、ダイポールアンテナの構成が示されており、このアンテナは、接地導体１に対し１／４波長の長さのダイポールアンテナ２を設けたもので、図１１（Ａ），（Ｂ）の破線７０に示されるように、３６０度の範囲の指向性が得られる。

図１２には、複数のアンテナ（素子）を配置したオムニアンテナが示されており、図１２（Ａ）は、基板３上に４個のアンテナ素子（パッチアンテナ）４を一方向へ並べたもので、破線７１の指向性が得られる。また、図１２（Ｂ）は、基板５上に形成したアンテナ素子４の向きを変えて配置したもので、破線７２で示される広い範囲の指向性が得られる。即ち、単体のアンテナでは、半値幅が９０度程度となるが、複数のアンテナ素子４の向きを変えることにより、１８０度以上の範囲がカバーできることになる。

特開平０３−１０４０７号公報 特開２００２−３６８５３２号公報 特開平０９−３２１５３３号公報

ところで、マイクロ波アンテナを用いる各種の検出では、１個のアンテナでその前方（又はセンサ前方）の１８０度に近い範囲を良好な利得で検知することが望まれる。
しかしながら、図１１のダイポールアンテナは、３６０度の指向性が得られるが、利得が低く、不要な後方までの感度がある。
また、図１２のオムニアンテナは、複数のアンテナ素子４を配置し、その方向を変えたりするため、給電部や機構が複雑になり、また全体の形状も大きくなるという問題がある。

一方、従来では、アンテナの指向性を変えるために、誘電体からなる電波レンズが用いられており、例えば上記特許文献１では、平面アンテナの鉛直線に対し斜め方向に向かう指向性が得られている。

また、図１３に示されるように、例えば凸レンズ形の電波レンズ５の場合は、広がりを持つ電波に対し周辺部では誘電体が薄いため、速度の遅れによる位相遅れは少ないが、中央部では誘電体が厚いため、速度の遅れによる位相遅れが大きくなる。そこで、この位相遅れを電波レンズ５の厚みで調整し、レンズ出力部で位相が略平行になるようにすることで、電波の広がりが少ない鋭い指向性を得ることができる。逆に、凹レンズ形の電波レンズの場合は、指向性を広げることができる。

しかしながら、上記のようなレンズ形状の電波レンズを用いても、十分に広い範囲の指向性が得られていない。

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、誘電体の厚みにより速度差があること等を利用して、１個のアンテナにて１８０度以上の広い範囲の指向性が得られるマイクロ波アンテナを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に係るマイクロ波アンテナは、アンテナ開口の前面を覆うように略同一の厚さの誘電体を設けると共に、この誘電体の上記アンテナ開口の中央部の位置に、内側に段差を持って形成された開口又は内側に段差を持って形成されかつ薄肉表面部を付けた開口を設け、広角度の指向性が得られるようにしたことを特徴とする。
請求項２の発明は、上記アンテナ開口が形成された本体の側面に、上記誘電体のアンテナ開口端側縁部から延出させた延出部を設けると共に、上記誘電体の上記縁部の外側角を曲面に形成したことを特徴とする。
請求項３の発明は、上記誘電体開口を一方向に長い形状とし、この誘電体開口の長手方向に垂直な方向において、上記誘電体の厚さを略同一とし、上記誘電体のアンテナ開口端側縁部の外側角を曲面に形成する構成としたことを特徴とする。この場合、誘電体開口の長手方向において、上記誘電体を凸レンズ形に形成する構成としてもよい。

上記請求項１の構成によれば、例えば略同じ厚さの平板状誘電体の略中央に、開口又は薄肉表面部を付けた開口（誘電体開口）が設けられるが、この誘電体開口の部分とその他の部分とで電波の速度差が生じ、この速度差により電波の伝搬が誘電体の面方向（アンテナ開口面方向）に沿って広がるので、誘電体の端方向（前方を見て左右方向）への電波強度が現れ、１８０度以上の広い角度の指向性が得られる。なお、上記薄肉表面部はアンテナ内への漏水を防止するために設けられる。

上記請求項２の構成によれば、本体の側面に配置された誘電体の延出部まで電波が伝播すると共に、誘電体縁部外側角の曲面を介して電波が伝搬することになり、この結果、誘電体の端方向への電波の広がりが大きくなると共に、利得が均一となる（電波の伝搬距離が均一で円みのある）指向性が得られる。

上記請求項３の構成によれば、誘電体開口の長手方向に垂直な方向において、１８０度以上の広い角度範囲で利得の均一な指向性が得られ、また誘電体開口の長手方向においては、鋭くなる指向性が得られることになる。なお、長手方向において誘電体を凸レンズ形に形成すれば、長手方向での指向性を更に鋭くすることができる。

本発明のマイクロ波アンテナによれば、ダイポールアンテナのように、低い利得とすることなく、またオムニアンテナのように、給電部や機構を複雑にすることなく、１個のアンテナにより１８０度以上の広い範囲の指向性が得られるという効果がある。

上記請求項２の発明によれば、１８０度以上の更に広い範囲において円みのある均一な利得の指向性が得られ、上記請求項３の発明によれば、到達距離が長くかつ広い角度の指向性が得られる。

本発明の第１実施例に係るマイクロ波アンテナの構成を示し、図（Ａ）は薄肉表面部を残した誘電体開口の長手方向に垂直な方向(短手方向)の（中央部）断面図、図（Ｂ）は長手方向の（中央部）断面図、図（Ｃ）は貫通孔からなる誘電体開口の短手方向の（中央部）断面図である。 第１実施例のマイクロ波アンテナの全体斜視図で、図（Ａ）は組立図、図（Ｂ）は分離図である。 第１実施例の指向性を示し、図（Ａ）は誘電体開口の短手方向の指向性図、図（Ｂ）は誘電体開口の長手方向の指向性図である。 第１実施例のマイクロ波アンテナの電界強度分布［図（Ａ）］と、指向性［図（Ｂ）］を示す図である。 誘電体を設けない状態のアンテナの電界強度分布［図（Ａ）］と、指向性［図（Ｂ）］を示す図である。 平板の誘電体を配置したアンテナの電界強度分布［図（Ａ）］と、指向性［図（Ｂ）］を示す図である。 開口のある平板誘電体を配置したアンテナの電界強度分布［図（Ａ）］と、指向性［図（Ｂ）］を示す図である。 図７の誘電体板の幅を広げたときの指向性［図（Ａ）］と、誘電体板の幅を狭くしたときの指向性［図（Ｂ）］を示す図である。 第１実施例のマイクロ波アンテナで電波が前方へ進む様子を示す電界強度分布図である。 第２実施例のマイクロ波アンテナの構成を示す斜視図である。 従来のダイポールアンテナの構成及び指向性を示す図である。 従来のオムニアンテナの構成を示し、図（Ａ）は複数のアンテナ素子を平面上に配置した例の図、図（Ｂ）は複数のアンテナ素子を立体的に配置した例の図である。 従来の凸状電波レンズでの電波の伝搬及び指向性を示す図である。

図１及び図２には、本発明の第１実施例に係るマイクロ波アンテナの構成が示されており、図１（Ａ），（Ｂ）及び図２は、薄肉表面部を残した開口の例、図１（Ｃ）は貫通孔の開口の例である。実施例は、例えば矩形導波管に接続されるホーンアンテナであり、直方体形状の本体１０には、矩形導波管に接続される伝送線路−導波管変換部１１と、開口面積が徐々に広くなるホーン状の開口１２が設けられる。この本体１０の開口１２の前面（図の上側）を塞ぐように、誘電体１４が配置されており、図１（Ａ）に示されるように、この誘電体１４の中央（アンテナ開口の中央部の位置）に、薄肉表面部１５ａを残すように凹部とした開口１５が設けられる。

この開口１５は、図１（Ａ），（Ｂ）に示されるように、一方向に長くなっており（両端まで貫通する形になる）、この長手方向をＦａ，これに垂直な方向を短手方向Ｆｂとすると、図２（Ｂ）にも示されるように、この長手方向Ｆａを伝送線路−導波管変換部１１の矩形開口（又はホーン開口）の短辺１１ｂの方向に一致させ、短手方向Ｆｂを伝送線路−導波管変換部１１の矩形開口の長辺１１ａの方向に一致させた配置となるように構成される。

上記誘電体１４は、図１（Ａ）のように、開口１５の短手方向Ｆｂ（の断面）において、開口１５を除いて全体的に同じ厚さとされ、この誘電体１４には、アンテナ開口端側縁部１４ｅから本体１０の側面まで延出させた延出部１４ｈが設けられると共に、上記縁部１４ｅの外側角が曲面に形成される。また、図１（Ｂ）に示されるように、開口１５の長手方向Ｆａ（の断面）においては、誘電体１４を凸レンズ形に形成し、鋭い指向性が得られるようにしている。

図１（Ｃ）には、第１実施例の誘電体開口を貫通孔とした例が示されており、図示されるように、この例では、誘電体１４の中央（アンテナ開口の中央部の位置）に、貫通孔からなる開口１７が設けられる。この開口１７は、図１（Ｂ）の開口１５のように両端まで貫通しておらず、この開口１７の形状は、例えば矩形（長方形、長孔形状）とされ、その短手方向Ｆｂを伝送線路−導波管変換部１１の矩形開口の長辺１１ａの方向に一致させ、長手方向Ｆａを伝送線路−導波管変換部１１の矩形開口の短辺１１ｂの方向に一致させる。その他の誘電体１４等の構成は、上記と同様となる。

即ち、上記開口１５，１７は、その他の場所との速度差を生じさせ、誘電体１４の面方向に電波を伝搬させる役目をしており、貫通した完全な開口が好ましいが、アンテナを屋外等で使用する場合には、アンテナ(又はセンサ)内への水の浸入を防ぐ防水対策が必要である。この防水対策のために、図１（Ａ），（Ｂ）で示した誘電体開口１５においては、薄肉表面部（防水薄壁）１５ａを付けており、この薄肉表面部１５ａは防水を果たす最小限の厚さでよく、開口１５から誘電体１４の表面部に伝播される表面波を阻害しない程度の薄さとすることが好ましい。

図３には、第１実施例のアンテナで得られる指向性（指向特性）が示されており、第１実施例の構成によれば、誘電体開口１５の長手方向に垂直な短手方向Ｆｂでは、開口１５とその他の部分との電波伝搬の速度差により、電波が誘電体１４の面方向に沿って広がるため、図３（Ａ）の破線７３に示されるように、１８０度以上の広い角度の指向性が得られ、また縁部１４ｅの外側角の曲面により電波の伝搬距離が均一となり、利得が均一となる（円みのある）指向性が得られている。一方、誘電体開口１５の長手方向Ｆａでは、開口１５による速度差はなく、かつ誘電体１４の凸レンズ形状により電波の伝搬を中心軸方向へ集中させるので、図３(Ｂ)の破線７３のように鋭い指向性が得られる。

次に、図４乃至図９に基づき、他の構成との比較で実施例にて得られる電界強度分布及び指向性を説明する。
図４は、第１実施例の電界強度分布及び指向性であり、第１実施例では、図４（Ａ）に示されるように、電界強度分布がアンテナ前方に略半円状に広がることになり、図４（Ｂ）に示されるように、略１８０度の範囲で一定の強度が得られている。

図５は、本体１０の前面に誘電体を設けない場合の電界強度分布及び指向性であり、この場合は、図５（Ａ）のように、電界強度が本体１０の前方に集中しており、図５（Ｂ）のように、約５０度の範囲の指向性しか得られない。
図６は、本体１０の前面に、平板状の誘電体１９を置いた場合の電界強度分布及び指向性であり、誘電体１９の厚みが電波の１／２波長付近の場合は、図６（Ａ）のように、誘電体の影響はほとんどなく、誘電体がない場合に比べて、電界強度分布及び指向性［図６（Ｂ）］が若干変化する程度である。

図７は、本体１０の前面に、平板状の誘電体１９の中央に開口（切り欠き）２０を設けた場合の電界強度分布及び指向性であり、この場合は、開口２０の速度差により誘電体１９内の開口面と平行な方向の電波の伝搬が発生し、図７（Ａ）の電界強度分布に示されるように、電波が誘電体板に沿って広がることにより、図７（Ｂ）のように、誘電体１９の端面方向に指向性が現れる。この指向性は、誘電体１９の端面までの長さで様々に変わるが、端面に電波が集中するため、特定方向の指向性が強くなり、少し歪んだ利得の特性となる。

図８は、図７（Ａ）の誘電体１９の幅を広げた場合［図（Ａ）］と狭めた場合［図（Ｂ）］の指向性であり、図７（Ａ）よりも広げた場合は、図８（Ａ）のように、１８０度以上の指向性が得られ、狭めた場合は、図８（Ｂ）のような指向性となる。

図９は、第１実施例の構成で、図（Ａ）から（Ｃ）へ電波が前方へ進んでゆく様子を示したものであり、ｇ1 に示されるように、電波は開口１７（１５）を先に進みかつこの開口１７内ではその中心の電波が先に進み、またその結果、ｇ2 に示されるように、誘電体１４内の電波は誘電体１４の面方向（前面と平行な方向）への伝搬が発生し、誘電体１４に沿って広がる。更に、ｇ3 に示されるように、本体１０の側面まで延出部１４ｈを延出させたことで、電波はその延出部１４ｈに沿って伝搬し、また縁部１４ｅの外側角を曲面に形成したことで、特定方向への強い放射が緩和され、その結果として、図４のように、１８０度以上の広い角度に亘って均一な放射特性（利得）が得られることになる。

また、実施例では、図１（Ｂ）で説明したように、開口１５の長手方向Ｆａにおいては、誘電体１４を凸レンズ形に形成し、図３（Ｂ）のように指向性を鋭くしている。即ち、送受のアンテナを個別に配置する場合、送信波が受信アンテナに混入し、受信感度を劣化させることが生じるが、実施例のように、指向性を鋭くすることで、受信アンテナへの送信波の混入を防止することができる。また、送受を一体化させた小型アンテナ（又はセンサ）では、広角度指向性のアンテナを配置して送受のアイソレーションを高めることが困難になるが、本願発明では送受のアイソレーションを高めたアンテナが実現可能となる。

図１０には、送受一体型のマイクロ波アンテナ第２実施例の構成が示されており、この第２実施例は、誘電体開口の長手方向Ｆａに図１の構成のアンテナを２個並べたものである。即ち、図１０に示されるように、本体２０には、伝送線路−導波管変換部１１を有するホーン状の開口２２ａ，２２ｂが設けられ、この本体２０の開口２２ａ，２２ｂを塞ぐように、箱状の誘電体２４が配置されており、この誘電体２４では、図１０（Ｂ）のように、それぞれのアンテナ開口２２ａ，２２ｂの中央部の位置に、薄肉表面部２５ａ，２６ａを付けた凹部（４辺の角を丸くした長方形）の開口２５が設けられる。

また、上記誘電体２４は、短手方向Ｆｂにおいて、開口２５，２６を除いて全体的に同じ厚さとされ、この誘電体２４には、曲面外側角の縁部２４ｅを介して延出部２４ｈが設けられる。更に、長手方向Ｆａにおいては、アンテナ開口２２ａ，２２ｂのそれぞれの上方の誘電体２４の部分が凸レンズ形に形成される。

このような第２実施例の構成においても、図３と同様の指向性となり、短手方向Ｆｂでは広い角度において均一な利得の指向性、長手方向Ｆａでは鋭い（狭い）指向性が得られることになり、小型アンテナでも、送受のアイソレーションが高いものを実現することができる。

上記実施例によれば、簡単な構成で、１８０度以上の広い角度で利得の均一なアンテナが得られ、センサに組み込んで壁面に設置する場合は、側面方向の死角をなくすことができ、電柱等に取り付ける場合は、２個で３６０度全周がカバーできるという利点がある。また、通信装置への応用においても、小型ハブ局等に応用することも可能である。

１０，２０…本体、
１１…伝送線路−導波管変換部、
１２，２２ａ，２２ｂ…アンテナ開口、
１４，２４…誘電体、
１４ｅ，２４ｅ…縁部、
１４ｈ，２４ｈ…延出部、
１５，２５，２６…誘電体開口、
１５ａ，２５ａ，２６ａ…薄肉表面部、
Ｆａ…誘電体開口の長手方向、
Ｆｂ…誘電体開口の短手方向。

Claims (3)

1. アンテナ開口の前面を覆うように略同一の厚さの誘電体を設けると共に、
   この誘電体の上記アンテナ開口の中央部の位置に、内側に段差を持って形成された開口又は内側に段差を持って形成されかつ薄肉表面部を付けた開口を設け、広角度の指向性が得られるようにしたマイクロ波アンテナ。
2. 上記アンテナ開口が形成された本体の側面に、上記誘電体のアンテナ開口端側縁部から延出させた延出部を設けると共に、上記誘電体の上記縁部の外側角を曲面に形成したことを特徴とする請求項１記載のマイクロ波アンテナ。
3. 上記誘電体開口を一方向に長い形状とし、
   この誘電体開口の長手方向に垂直な方向において、上記誘電体の厚さを略同一とし、上記誘電体のアンテナ開口端側縁部の外側角を曲面に形成する構成としたことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロ波アンテナ。

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