JP5986791B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波・ミリ波通信に使用されるアンテナ装置に関する。

無線通信において広範囲な通信エリアを実現する手段の一つに、高いアンテナゲインを持ち、かつそのビーム角が広いアンテナの使用が考えられる。マイクロ波・ミリ波帯において、高ゲインかつビーム角が広いアンテナの一つとしてホーンアンテナがある。

ホーンアンテナとしては、角錐型のピラミダルホーンが一般的である。ピラミダルホーンは、構造が簡単で、その寸法により利得を正確に計算できるため、標準アンテナとしてもよく用いられている。ピラミダルホーンのアンテナ特性は、利得が２４ｄＢｉ程度、ビーム角が２５°程度を実現できる。

特開２００５−１５６３３７号公報

しかし、上述のピラミダルホーンは、方形導波管を漸次広げて所要の開口をもたせた３次元構造のアンテナであるため、無線装置の小型・薄型化には不向きである。
この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、高利得で広いビーム角を保ちつつ、かつ薄型のアンテナ装置を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の第１の態様は、第１方形導波管と、前記第１方形導波管の一方の面のみの幅を広げた第１ホーンとを有し、前記第１ホーンの開口面長辺方向には第１のビーム角となり、前記第１ホーンの開口面短辺方向には前記第１のビーム角より広い第２のビーム角となる第１扇形ビームを放射する第１ホーンアンテナと、第２方形導波管と、前記第２方形導波管の一方の面のみの幅を広げた第２ホーンとを有し、前記第２ホーンの開口面長辺方向には第３のビーム角となり、前記第２ホーンの開口面短辺方向には前記第３のビーム角より広い第４のビーム角となる第２扇形ビームを放射する第２ホーンアンテナとを具備し、前記第１扇形ビームと前記第２扇形ビームとの干渉が少ない向きで前記第１ホーンアンテナと前記第２ホーンアンテナとを隣接に配列するために、前記第１ホーンアンテナおよび前記第２ホーンアンテナは、前記第１扇形ビームの第２のビーム角と前記第２扇形ビームの第４のビーム角とが平行し前記第１ホーンの開口面長辺方向と前記第２ホーンの開口面長辺方向とが一致するように隣接して配列されるように構成したものである。

上記第１の態様によれば、第１ホーンアンテナおよび第２ホーンアンテナは、ピラミダルホーンの開口面を一方から薄く潰した形状に形成される。このとき薄型化された開口面は、それぞれ扇形ビームを放射し、一方にはより広いビーム角を実現し、他方にはより狭いビーム角を実現する。広いビーム角は広い通信エリアを実現することができ、同時に一方の狭いビーム角はアンテナ間の干渉を抑える効果を奏する。したがって、ピラミダルホーンの高利得で広いビーム角を保ちつつ、かつ薄型のアンテナ装置を実現することができる。

この発明の第２の態様は、前記第１の態様において、前記第１扇形ビームの偏波と前記第２扇形ビームの偏波がそれぞれ異なるように、前記第１ホーンおよび前記第２ホーンを構成するアンテナ装置を提供する。
上記第２の態様によれば、例えば、Ｅ面ホーンアンテナとＨ面ホーンアンテナはその偏波面が９０°異なるため、Ｅ面およびＨ面ホーンアンテナを並べて配列しても、各アンテナ間で偏波面は直交しており、アンテナ間のアイソレーションを良く保つことができる。
これにより、Ｅ面ホーンアンテナおよびＨ面ホーンアンテナを送信アンテナおよび受信アンテナとして近接配置することができ、送受一体の小型無線装置の実現を可能にする。

この発明の第３の態様は、前記第１又は第２の態様において、前記第１ホーンアンテナおよび前記第２ホーンアンテナが少なくとも２枚の金属板の積層構造内部に形成されるアンテナ装置を提供する。
上記第３の態様によれば、金属板の加工のみで前記第１又は第２の態様のアンテナ装置を製造できるため部品数を減らすことができ、そのためアンテナの加工及び組み立てを容易に行うことができる。また、薄型のアンテナ装置を実現することができるのでアンテナの設置もスペース的に容易に行うことができる。

この発明の第４の態様は、前記第３の態様において、前記第１方形導波管および前記第２方形導波管は少なくとも１つのステップを有し、前記第１方形導波管への第１接続部および前記第２方形導波管への第２接続部が前記金属板の表面にそれぞれ設けられるアンテナ装置を提供する。
上記第４の態様によれば、導波管への接続部が金属板の表面に形成されているので、例えば、積層面に導波管入出力を持った無線ユニットを、このアンテナ装置と積層接続し、アンテナ一体の薄型無線装置を構成することができる。

すなわちこの発明によれば、高利得で広いビーム角を保ちつつ、かつ薄型のアンテナ装置を提供することができる。

第１実施形態に係るアンテナ装置の積層構造を示す図。 第１実施形態に係るアンテナ装置の開口面及び給電面を示す図。 Ｅ面ホーンアンテナ及びＨ面ホーンアンテナの構成を示す図。 図３のＥ面ホーンアンテナ及びＨ面ホーンアンテナのアンテナ利得を示す図。 第２実施形態に係るアンテナ装置の積層構造を示す図。 第２実施形態に係るアンテナ装置の開口面及び給電導波管を示す図。 第２実施形態に係るアンテナ装置に無線ユニットを接続した状態を示す図。 本発明に係るアンテナ装置を用いた応用例を示す図。

以下、図面を参照してこの発明に係る実施の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係るアンテナ装置の積層構造を示す図である。このアンテナ装置は、少なくとも２つの金属板１０，１１の積層構造で構成され、この積層構造内部には、Ｅ面ホーンアンテナ（第１ホーンアンテナ）と、Ｈ面ホーンアンテナ（第２ホーンアンテナ）が形成される。Ｅ面ホーンアンテナは、給電用の方形導波管（第１方形導波管）１２とその一方のＥ面のみの幅を漸次広げたＥ面ホーン（第１ホーン）１４とを有する。Ｈ面ホーンアンテナは、給電用の方形導波管（第２方形導波管）１３とその一方のＨ面のみの幅を漸次広げたＨ面ホーン（第２ホーン）１５とを有する。Ｅ面ホーン１４とＨ面ホーン１５の開口面長辺方向は、金属板１０，１１の積層面に一致させて隣接して配列される。

図２（ａ）は、このアンテナ装置の開口面を示す図である。各アンテナの偏波方向は方形導波管内を伝搬するＴＥ１０モードの電界方向に一致するため、図２（ａ）に示すように、Ｅ面ホーンアンテナでは開口面長辺方向が偏波方向となり、Ｈ面ホーンアンテナでは開口面短辺方向が偏波方向となる。つまり、Ｅ面ホーンアンテナおよびＨ面ホーンアンテナのビーム角は、共に開口面長辺方向には狭く、開口面短辺方向には広い扇形ビームとなる。したがって図２（ａ）のように、各アンテナの開口面長辺方向を積層面に一致させて並べて配列すると、ビーム角は開口面長辺方向には狭くなっているため、各アンテナ間の干渉が抑えられる配置となる。

図２（ｂ）は、このアンテナ装置の給電面を示す図である。図２（ｂ）に示すように、Ｅ面ホーンアンテナの方形導波管１２は、金属板の水平方向を給電電界方向とし、Ｈ面ホーンアンテナの方形導波管１３は、金属板の垂直方向を給電電界方向とする。
ここで、Ｅ面ホーンアンテナとＨ面ホーンアンテナのアンテナ特性について説明する。図３（ａ）に示すように、Ｅ面ホーンアンテナはピラミダルホーンの開口面をＨ面方向に薄く潰したような形状である。例えば、Ｅ面ホーンアンテナは、開口面短辺方向（開口面の高さ）Ａ＝３．８ｍｍ、開口面長辺方向（開口面の幅）Ｂ＝３０ｍｍ、ホーン長Ｌ＝１００ｍｍ、周波数６２ＧＨｚとする。一方、図３（ｂ）に示すように、Ｈ面ホーンアンテナは、ピラミダルホーンの開口面をＥ面方向に薄く潰したような形状である。例えば、Ｈ面ホーンアンテナは、Ａ＝１．９ｍｍ、Ｂ＝４０ｍｍ、Ｌ＝１００ｍｍ、６２ＧＨｚとする。

図４（ａ）および図４（ｂ）に、図３（ａ）および図３（ｂ）のアンテナのシミュレーション結果を示す。図４（ａ）にθ方向のアンテナ利得を示し、図４（ｂ）にφ方向のアンテナ利得を示す。図４（ａ）に示すように、Ｅ面ホーンアンテナは半値角が約６０°、最大利得が１７ｄＢｉを実現し、Ｈ面ホーンアンテナは半値角が約１００°、最大利得が１４ｄＢｉを実現し、θ方向に広いビーム角と高利得とを実現していることがわかる。これに対し、図４（ｂ）によれば、Ｅ面ホーンアンテナとＨ面ホーンアンテナがφ方向で約１０°の半値角を有することがわかる。

つまり、Ｅ面ホーンアンテナおよびＨ面ホーンアンテナにより薄型化された開口面により扇形ビームが形成され、従来のピラミダルホーンに比べ、開口面短辺方向Ａのビーム角θはより広く、開口面長辺方向Ｂのビーム角φはより狭く形成される。このことから、例えば、水平方向に広い通信エリアを確保したい場合には、図２（ａ）に示すアンテナ装置をビーム角の広い開口面短辺方向Ａが水平方向に一致するように配置すれば良い。

以上述べたように、第１実施形態に係るアンテナ装置は、図３（ａ），３（ｂ）のＥ面ホーンアンテナおよびＨ面ホーンアンテナを少なくとも２つの金属板を積層した積層構造内部に各アンテナの開口面長辺方向を積層面に一致させて配列したものである。このように構成することで、ピラミダルホーンアンテナの持つ高ゲインかつ広いビーム角を保ったまま薄型のアンテナ形状を実現できる。

さらに、図２（ａ）にも示したように、このような配置の場合、Ｅ面およびＨ面ホーンアンテナの偏波面は９０°直交している。したがって、各アンテナ間のアイソレーションを良く保つことができ、各アンテナを送信アンテナ・受信アンテナとして近接配置することができ、送受一体の小型無線装置の実現を可能にする。

（第２実施形態）
第２実施形態のアンテナ装置は、ホーンおよび導波管の形状を加工された少なくとも３つの金属板を積層することで薄型アンテナを構成する。そして、積層した金属平面内に形成した方形導波管を積層内部で９０°に曲げ、導波管接続部を金属板の表面に設けるものである。

図５に第２実施形態に係るアンテナ装置の積層構造を示し、図６（ａ）及び図６（ｂ）にその開口面及び給電導波管を示す。図５に示すように、金属板２１，２２には方形導波管２３，２４とＥ面ホーン２５およびＨ面ホーン２６とが形成される。金属板２０の表面には、導波管接続部２７，２８が形成され、金属板２０〜２２の積層内部で各々方形導波管２３，２４と接続される。Ｅ面ホーン２５およびＨ面ホーン２６は、各アンテナの開口面長辺方向を積層面に一致させて並べて配列する。これにより、図６（ａ）に示すように、Ｅ面ホーンアンテナおよびＨ面ホーンアンテナは、共に開口面長辺方向には狭く、開口面短辺方向には広い扇形ビームを放射する。

図６（ｂ）に示すように、方形導波管２３，２４が９０°に曲がる部分には積層構造によるステップ２９が形成され、導波管内を伝搬するモードのインピーダンス整合用素子として働く。なお、図６（ｂ）にはステップ１ヶ所の場合を示すが、積層数を増やしステップ数を１ヶ所以上にすることで、より広帯域なインピーダンス整合を実現することも可能である。

このように第２実施形態によれば、Ｅ面ホーンアンテナとＨ面ホーンアンテナの開口面長辺方向を積層面に一致させて並べて配列することで、上記第１実施形態と同様に高ゲインかつ広いビーム角を保ちつつ、薄型のアンテナ形状を実現できる。
また、第２実施形態のアンテナ装置では、導波管接続部２７，２８が金属板２０の表面に形成されているので、図７に示すように積層面に導波管入出力を持った無線ユニット３０を、このアンテナ装置と積層接続することができる。これにより、アンテナ一体の薄型無線装置を構成することができる。

（応用例）
図８に、上記第１実施形態におけるアンテナ装置に無線装置を接続したり、また上記第２実施形態のように無線ユニットが積層接続されたアンテナ装置を用いた応用例を示す。図８は、ある箇所に固定された固定局４１と、電車や自動車等の移動体４２との間で無線通信を行う通信システムの構成例である。固定局４１と移動体４２には、例えば上記図７に示した第２実施形態のアンテナ装置を用いた無線装置が搭載されているものとする。

移動体４２が停止線で停止した際に、対向する固定局４１との間で無線通信を行う場合、移動体４２が目標となる停止線の前後にずれて停止してしまう場合が想定される。このアンテナ装置の持つ広いビーム角４３，４４により通信エリアを水平方向に広くすることで、移動体４２の停車位置のずれを許容できる通信システムを構築することが可能となる。また、図８には、固定局４１と移動体４２との通信例を示したが、移動体同士の通信にも同様に適用できる。

なお、この発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、各実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１０，１１…金属板、１２，１３…方形導波管、１４…Ｅ面ホーン、１５…Ｈ面ホーン、２０，２１，２２…金属板、２３，２４…方形導波管、２５…Ｅ面ホーン、２６…Ｈ面ホーン、２７，２８…導波管接続部、２９…ステップ、３０…無線ユニット。

Claims (4)

1. 第１方形導波管とその一方の面のみの幅を広げた第１ホーンとを有し、前記第１ホーンの開口面長辺方向には第１のビーム角となり、前記第１ホーンの開口面短辺方向には前記第１のビーム角より広い第２のビーム角となる第１扇形ビームを放射する第１ホーンアンテナと、
   第２方形導波管とその一方の面のみの幅を広げた第２ホーンとを有し、前記第２ホーンの開口面長辺方向には第３のビーム角となり、前記第２ホーンの開口面短辺方向には前記第３のビーム角より広い第４のビーム角となる第２扇形ビームを放射する第２ホーンアンテナと
   を具備し、
   前記第１扇形ビームと前記第２扇形ビームとの干渉が少ない向きで前記第１ホーンアンテナと前記第２ホーンアンテナとを隣接に配列するために、前記第１ホーンアンテナおよび前記第２ホーンアンテナは、前記第１扇形ビームの第２のビーム角と前記第２扇形ビームの第４のビーム角とが平行し前記第１ホーンの開口面長辺方向と前記第２ホーンの開口面長辺方向とが一致するように隣接して配列されることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記第１扇形ビームの偏波と前記第２扇形ビームの偏波がそれぞれ異なるように、前記第１ホーンおよび前記第２ホーンを構成することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１ホーンアンテナおよび前記第２ホーンアンテナが少なくとも２枚の金属板の積層構造内部に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第１方形導波管および前記第２方形導波管は少なくとも１つのステップを有し、前記第１方形導波管への第１接続部および前記第２方形導波管への第２接続部が前記金属板の表面にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。

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