JP5939690B2 - 一次元スロットアレーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、アンテナの技術に関する。

近年、ミリ波帯の電波を利用した超高速無線通信技術が研究されている。ミリ波は指向性が高く自由空間伝搬損失が大きい等の理由から、高速通信を実現するには指向性の高いアレーアンテナ等で電波を絞る必要がある。

そのようなアレーアンテナの一つに一次元スロットアレーアンテナがある。幅ａ，高さｂ（＜ａ）からなる方形導波管の広側壁（幅ａの壁面）に複数のスロットがアレー状に設けられ、各スロットから集中した鋭い電波を放射できる。このような方形導波管の内部は空気であり給電線路が低損失であるため、同軸管等よりも高効率・高利得である（非特許文献１）。

ここで、方形導波管を広側壁の側から見たＴＥ_１０モードの磁界の状態を図５に示す。点線矢印が導波管内での磁界の向きを表し、実線矢印がスロット６０内での磁界の向きを表している。磁界により各スロット６０を紙面に対して垂直なｚ軸方向に同相で励振するため、ｙ軸方向に長い各スロット６０は管内波長λ_ｇの間隔で設けられている。

J. Hilburn、外３名、"Frequency-scanned X-band waveguide array"、IEEE Transactions on Antennas and Propagation、Volume 20、Issue 4、1972年、p.506-509 D. Kim、外６名、"Design and Measurement of Plate Laminated Waveguide Slot Array Antennas in Millimeter and Sub-millimeter Wave Regions"、Asia-Pacific Microwave Photonics Conference (APMP) 2012、WD-4、2012年

しかしながら、電波の自由空間波長λ_０よりも長い管内波長λ_ｇの間隔で各スロットが設けられているため、不要な交差偏波を斜め方向に放射してしまう。具体的には、ｚ軸方向から角度θを取った場合、｜ｓｉｎθ｜＝λ_０／λ_ｇ（＜１）を満たす方向に不要なグレーディングローブが発生する。

これについて、例えば図６に示すように、スロットの向きを水平方向に変更して各スロットをλ_ｇ／２（＜λ_０）の間隔で設けることにより、不要な交差偏波の発生を抑制できる。これにより、グレーディングローブを発生しない状態で水平方向の偏波を出力できる。しかし、垂直方向偏波でのグレーディングローブの発生は抑制できない。

その他、導波管内に誘電体充填等の遅波構造を設けてλ_ｇ＜λ_０とする方法や、図７に示すように狭側壁（幅ｂの壁面）に各スロットをλ_ｇ／２で向きが互い違いの向きで配置する方法がある。しかし、図７において、不要な交差偏波(垂直方向偏波)はｙ軸方向で打ち消しあうが、隣り合うスロットの磁界の向きは逆でありその間隔はλ_ｇ／２であるため、ｙ軸方向から角度θ方向には強め合ってしまう。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、不要な交差偏波の発生を抑制することを目的とする。

請求項１に記載の一次元スロットアレーアンテナは、金属性の一次元スロットアレーアンテナにおいて、入力用の入力方形導波管に入力された電波を分配する導波管分配器と、前記導波管分配器から同方向で互いに平行状に分岐され、断面が矩形な中空導波路で前記電波を伝搬する２つの給電導波路と、前記２つの給電導波路の狭側壁間に形成され、前記給電導波路の広側壁と同側の壁面にスロットが設けられた複数の方形キャビティと、を有し、前記各方形キャビティは、前記伝搬する方向の長さが前記給電導波路の管内波長の１／２であり、各スロットの間隔と向きが同じになるように前記伝搬方向に沿ってアレー状に配置され、前記狭側壁に形成された開口部を介して、一方の給電導波路から１つおきに給電され、他方の給電導波路から残りが給電されることを要旨とする。

請求項２に記載の一次元スロットアレーアンテナは、請求項１に記載の一次元スロットアレーアンテナにおいて、前記各方形キャビティは、前記狭側壁に垂直な方向の長さが前記給電導波路の管内波長の１／２であり、前記各スロットは、前記壁面の中心以外に設けられていることを要旨とする。

請求項３に記載の一次元スロットアレーアンテナは、請求項１に記載の一次元スロットアレーアンテナにおいて、前記各方形キャビティは、前記狭側壁に垂直な方向の長さが前記給電導波路の管内波長と同じ長さであり、前記各スロットは、任意の向きで前記壁面の中心に設けられていることを要旨とする。

本発明によれば、不要な交差偏波の発生を防止できる。

第１の実施の形態に係る一次元スロットアレーアンテナの広側壁側からの断面図である。 図１のＡ−Ａ’の断面図である。 方形キャビティの変形例を示す図である。 第２の実施の形態に係る一次元スロットアレーアンテナの広側壁側からの断面図である。 従来の一次元スロットアレーアンテナの広側壁側からの断面図である。 従来の一次元スロットアレーアンテナの広側壁側からの断面図である。 従来の一次元スロットアレーアンテナの狭側壁側からの断面図である。

本発明は、アンテナ全体を以下の各実施の形態のように構成することにより、各スロットを電波の自由空間波長λ_０よりも短い間隔で配置でき、更に各スロットを同じ向きの磁界で励振できることから、垂直方向偏波での不要な交差偏波の発生を防止するようにしている。以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る一次元スロットアレーアンテナを広側壁の側から見た断面図である。この一次元スロットアレーアンテナは、入力方形導波管１０と、導波管分配器２０と、上部給電導波路３０と、下部給電導波路４０と、複数の方形キャビティ５０（５０ａ〜５０ｄ）とで構成される。

入力方形導波管１０は、一次元スロットアレーアンテナに電波を入力するための入力用の方形導波管である。一方の端部は導波管分配器２０の広側壁の中心に接続され、自身に入力された電波を導波管分配器２０に供給する。

導波管分配器２０は、入力方形導波管１０から入力された電波を分配し、２つの分配端部から上部給電導波路３０と下部給電導波路４０に電波をそれぞれ供給する。

上部給電導波路３０及び下部給電導波路４０は、導波管分配器２０から同方向で互いに平行状に分岐された導波路である。ｙ軸方向の幅ａ，ｚ軸方向の高さｂ（＜ａ）である断面が矩形な中空導波路を備え、導波管分配器２０で分配された電波をそれぞれ伝搬する。例えば、幅ａが０．５λ_０〜１．０λ_０，高さｂが０．５λ_０未満の方形導波管を用いて実現する。

方形キャビティ５０は、上部給電導波路３０と下部給電導波路４０の対向する狭側壁（高さｂの壁面）間に形成される。それら給電導波路３０，４０での電波の伝搬方向（ｘ軸方向）の幅が給電導波路３０，４０の管内波長λ_ｇの１／２であり、給電導波路３０，４０の狭側壁に対し垂直方向（ｙ軸方向）の幅もλ_ｇ／２であり、ｚ軸方向の高さはｂである。また、給電導波路３０，４０の広側壁（幅ａの壁面）と同側の壁面には、スロット６０が設けられている。スロット６０の大きさは、例えば、ｘ軸方向の幅がλ_０／２０，ｙ軸方向の幅がλ_０／２であるが、他の大きさでも構わない。

各方形キャビティ５０は、ｙ軸方向に長い各スロット６０の間隔と向きが同じになるようにｘ軸方向に沿ってアレー状に配置され、上部給電導波路３０及び下部給電導波路４０の各狭側壁にそれぞれ形成された開口部７０を介して、上部給電導波路３０から１つおきに給電され、下部給電導波路４０から残りが給電される。なお、開口部７０は、ｚ軸方向に一様な構造を有し、その形状は長方形である。

次に、このように構成される一次元スロットアレーアンテナでの電波や磁界の流れを説明する。

まず、入力方形導波管１０に入力された電波は、導波管分配器２０により上部給電導波路３０と下部給電導波路４０に２分岐される。図２に示すように、２分岐された各電界は互いに逆向きになるため、各給電導波路３０，４０をそれぞれ通過する電波は逆相となる。

そして、逆相である２つの電波は、上部給電導波路３０と下部給電導波路４０によりｘ軸方向にそれぞれ伝搬される。その際、各給電導波路３０，４０には、図１に示すような向きの磁界がそれぞれ生じている。

その後、上部給電導波路３０により、１つおきの方形キャビティに対応する各開口部７０ｂ，７０ｄを介して、各方形キャビティ５０ｂ，５０ｄがそれぞれ給電され、下部給電導波路４０により、各開口部７０ａ，７０ｃを介して各方形キャビティ５０ａ，５０ｃがそれぞれ給電される。

ここで、上部給電導波路３０と下部給電導波路４０をそれぞれ進行する電波は逆相であり、各方形キャビティ５０が１つおきに各給電導波路３０，４０からそれぞれ給電されるため、各方形キャビティ５０にそれぞれ生じる磁界の向きは全て同じになる。

その後、各方形キャビティ５０にそれぞれ生じた磁界により、隣接する方形キャビティとの側壁寄りに設けられた各スロット６０がそれぞれ励振される。これにより、各スロット６０は、全て同じ向きの磁界により励振されることになる。また、各スロット６０は電波の自由空間波長λ_０よりも短い間隔（λ_ｇ／２の間隔）で配置されているので、垂直方向偏波での不要な交差偏波の発生を防止できる。

なお、図３に例示するようにスロット６０の位置を変更してもよく、壁面の中心以外の任意の位置であれば同様の効果を得ることができる。また、少なくとも２つのスロット６０があれば同様の効果が得られるので、方形キャビティ５０を２つに限定してもよいし、５つ以上にしてもよい。

本実施の形態によれば、上部給電導波路３０と下部給電導波路４０との間に、ｘ軸方向とｙ軸方向の各幅がλ_ｇ／２であり、且つｙ軸方向に長いスロット６０を有する複数の方形キャビティ５０をアレー状に形成し、各方形キャビティ５０は、開口部７０を介して、上部給電導波路３０から１つおきに給電され、下部給電導波路４０から残りが給電されるので、各スロット６０を全て同じ向きの磁界により励振でき、各スロット６０は電波の自由空間波長λ_０よりも短い間隔で配置されているので、垂直方向偏波での不要な交差偏波の発生を防止できる。

この効果から、交差偏波識別度（ＸＰＤ）が向上するので、直交した偏波に別の情報を載せて伝送する偏波多重システムでのチャネル間の干渉を防止し、結果的にデータ伝送特性を向上できる。

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態では、４５°偏波を放射する例を説明する。

図４は、第２の実施の形態に係る一次元スロットアレーアンテナを広側壁の側から見た断面図である。以下、第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。

４５°偏波を放射する場合、大地に対して水平方向の磁界でスロットを励振する必要がある。そこで、本実施の形態では、各方形キャビティ５０のｙ軸方向の幅をλ_ｇとし、各スロット６０の向きをｘ軸から４５°傾けて壁面の中心に形成する。また、方形キャビティ５０のｙ軸方向の幅を長くしたことにより、ｙ軸方向により長い導波管分配器２０を利用する。これら以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。

ここで、第１の実施の形態と同様に各方形キャビティ５０は１つおきに各給電導波路３０，４０からそれぞれ給電されるが、上部給電導波路３０と下部給電導波路４０との間を第１の実施の形態よりも大きくしたことにより各給電導波路３０，４０をそれぞれ進行する電波は同相であり、更に、各方形キャビティ５０のｙ軸方向の幅をλ_ｇ／２からλ_ｇに変更しているため、図４に示すように、各方形キャビティ５０にそれぞれ生じる磁界は全て同じ状態になる。

これにより、各スロット６０は、各方形キャビティ５０の中心に生じた水平方向の同じ向きの磁界によりそれぞれ励振される。また、各スロット６０は電波の自由空間波長λ_０よりも短い間隔（λ_ｇ／２の間隔）で配置されているので、交差偏波のない４５°偏波を放射できる。

なお、スロット６０の向き（ｘ軸からの角度）を変えることにより、電波の放射方向を任意に変更できる。

本実施の形態によれば、上部給電導波路３０と下部給電導波路４０との間に、ｘ軸方向の幅がλ_ｇ／２、ｙ軸方向の幅がλ_ｇであり、且つｘ軸から４５°傾斜させたスロット６０を有する複数の方形キャビティ５０をアレー状に形成し、各方形キャビティ５０は、開口部７０を介して、上部給電導波路３０から１つおきに給電され、下部給電導波路４０から残りが給電されるので、各スロット６０を全て同じ向きの磁界により励振でき、各スロット６０は電波の自由空間波長λ_０よりも短い間隔で配置されているので、不要な交差偏波の発生を防止しつつ４５°偏波を放射できる。

以上より、各実施の形態によれば、どの方向にも交差偏波を放射することなく、水平方向偏波を含む任意方向の所望偏波を放射できる。

最後に、各実施の形態で説明した一次元スロットアレーアンテナの作製方法について説明する。一次元スロットアレーアンテナは、例えば、拡散接合法により製造する（非特許文献２）。拡散接合とは、接合する材料同士を密着させ、真空や不活性ガス中などの制御された雰囲気中で加圧・加熱することにより、接合面に生じる原子の拡散を利用して接合する方法である。本手法により、導波管やスロット、キャビティ等の形状をエッチング加工した銅の薄板を加圧下で１０００度まで加熱することで完全な電気的接合が得られる。本手法を用いることにより、エッチングの種類が少なくなり、コストを低減できるので、ダイキャスト等ではできないような複雑な構造も実現できる。

１０…入力方形導波管
２０…導波管分配器
３０…上部給電導波路
４０…下部給電導波路
５０…方形キャビティ
６０…スロット
７０…開口部

Claims (3)

1. 金属性の一次元スロットアレーアンテナにおいて、
   入力用の入力方形導波管に入力された電波を分配する導波管分配器と、
   前記導波管分配器から同方向で互いに平行状に分岐され、断面が矩形な中空導波路で前記電波を伝搬する２つの給電導波路と、
   前記２つの給電導波路の狭側壁間に形成され、前記給電導波路の広側壁と同側の壁面にスロットが設けられた複数の方形キャビティと、を有し、
   前記各方形キャビティは、
   前記伝搬する方向の長さが前記給電導波路の管内波長の１／２であり、各スロットの間隔と向きが同じになるように前記伝搬方向に沿ってアレー状に配置され、前記狭側壁に形成された開口部を介して、一方の給電導波路から１つおきに給電され、他方の給電導波路から残りが給電されることを特徴とする一次元スロットアレーアンテナ。
2. 前記各方形キャビティは、前記狭側壁に垂直な方向の長さが前記給電導波路の管内波長の１／２であり、
   前記各スロットは、
   前記壁面の中心以外に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の一次元スロットアレーアンテナ。
3. 前記各方形キャビティは、前記狭側壁に垂直な方向の長さが前記給電導波路の管内波長と同じ長さであり、
   前記各スロットは、
   任意の向きで前記壁面の中心に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の一次元スロットアレーアンテナ。

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