JP6033520B1

JP6033520B1 - ホーンアンテナ

Info

Publication number: JP6033520B1
Application number: JP2016551329A
Authority: JP
Inventors: 晋二荒井; 智宏高橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2036-05-31
Also published as: JPWO2016194888A1

Abstract

ホーンアンテナ（２）においてアンテナ放射パターンにグレーティングローブが生じない１波長以下の素子間隔であっても、下限周波数の反射特性を改善する。ホーンアンテナ（２）は、ホーンアンテナ（２）と、ホーンアンテナの開口Ａ（４）でホーンアンテナ（２）の内面に電気的に接続され、ホーンアンテナ（２）の開口Ａ（４）を格子状に分割する導体格子（１）と、を備える。導体格子（１）は、該導体格子（１）のホーンアンテナ開口面に直交する方向の幅と、該導体格子（１）部分のホーンアンテナ（２）の経路のホーンアンテナ（２）に給電される周波数における電気長とが異なる。

Description

本発明は、通信等で用いられるホーンアンテナに関する。

ホーンアンテナ装置は、通常は１素子に対し１つの給電点を有する。特許文献１および２には、給電点が１つであっても複数素子相当のアンテナ放射パターン特性を得ることができるホーンアンテナ技術が開示されている。この方法では、同じ素子数のホーンアンテナであっても給電数を減らすことが可能である。

米国特許出願公開第２０１３／０１４１３００号明細書特表２０１２−５２５７４７号公報

ホーンアンテナがアレイ状に配置されたアレイアンテナでは、アンテナ放射パターンにグレーティングローブが生じないようにするため、素子間隔を所望周波数帯域の上限周波数における１波長以下とする必要がある。一方、下限周波数は、ホーンアンテナの開口寸法が１／２波長となるカットオフ周波数以下では、反射特性が劣化し電波の放射が制限される。よって素子間隔が決まると、ホーンアンテナの上限周波数および下限周波数は前述の通り制限される。給電点が１つである複数素子相当のアンテナ放射パターンが得られるホーンアンテナであっても、開口を区切る導体格子の１辺の長さが１／２波長となる周波数以上でないと、反射特性は劣化し電波の放射が制限される問題があった。これらの理由から広帯域なアンテナ放射特性と反射特性の良いホーンアンテナ装置を得ることに課題があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、ホーンアンテナにおいてアンテナ放射パターンにグレーティングローブが生じない１波長以下の素子間隔であっても、下限周波数の反射特性を改善することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係るホーンアンテナは、ホーンアンテナと、ホーンアンテナの開口でホーンアンテナの内面に電気的に接続され、ホーンアンテナの開口を格子状に分割する導体格子を備える。導体格子は、ホーンアンテナの開口面に直交する方向に蛇行したメアンダ形状を有する。

この発明によれば、ホーンアンテナがアンテナ放射パターンにグレーティングローブが生じない１波長以下の素子間隔であっても、導体格子をメアンダ状にすることで、導体格子の導体経路長を、導体格子がホーンアンテナの開口の内面に交わる一方の端から他方の端までの距離よりも長くできるため、カットオフ周波数を下げることができ、ホーンアンテナの下限周波数を拡大することができる。

この発明の実施の形態１に係るホーンアンテナの斜視図である。実施の形態１に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態１に係るホーンアンテナの正面図である。実施の形態１に係る導体格子の断面図である。実施の形態１に係るホーンアンテナの反射特性のシミュレーション結果を示す図である。この発明の実施の形態２に係るホーンアンテナの斜視図である。実施の形態２に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態２に係る導体格子基板の裏面図である。実施の形態２に係る導体格子基板の表面図である。図７ＡのＢ−Ｂ’線断面図である。この発明の実施の形態３に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態３に係る導体格子基板の裏面図である。実施の形態３に係る導体格子基板の表面図である。図９ＡのＣ−Ｃ’線断面図である。この発明の実施の形態４に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態４に係るホーンアンテナの斜視図である。この発明の実施の形態５に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態５に係る導体格子基板の裏面図である。実施の形態５に係る導体格子基板の表面図である。図１３ＡのＤ−Ｄ’線断面図である。この発明の実施の形態６に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態６に係る導体格子基板の裏面図である。実施の形態６に係る導体格子基板の表面図である。図１５ＡのＥ−Ｅ’線断面図である。この発明の実施の形態７に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態７に係る導体格子基板の裏面図である。実施の形態７に係る導体格子基板の表面図である。図１７ＡのＦ−Ｆ’線断面図である。この発明の実施の形態８に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態８に係る導体格子基板の裏面図である。実施の形態８に係る導体格子基板の表面図である。図１９ＡのＧ−Ｇ’線断面図である。

実施の形態１
図１は、この発明の実施の形態１に係るホーンアンテナの斜視図である。発信器３よりホーンアンテナ２に電波が給電される。給電された電波は、ホーンアンテナ２の開口Ａ４から放射される。図１に示すとおり、電波の進行方向をｚ方向とし、ホーンアンテナ２の開口面の辺の方向をｘ方向およびｙ方向とする。

ホーンアンテナ２は、開口Ａ４に導体格子１を備える。導体格子１は、少なくとも表面が導電性材料で形成され、ホーンアンテナ２の開口Ａ４の内面に電気的に接続する。実施の形態では、導体格子１で開口Ａ４が４つに分割される場合を例に説明する。分割数は、４に限らない。

図２Ａは、実施の形態１に係るホーンアンテナの側面図である。図２Ｂは、実施の形態１に係るホーンアンテナの正面図である。ホーンアンテナ２の導体格子１を除いた部分を導波管１４という。導体格子１は、導波管１４の開口Ａ４で導波管１４の内面に電気的に接続され、導波管１４の開口Ａ４を格子状に分割する。導体格子１は、導波管１４の開口Ａ４を４分割し、４素子相当のホーンアンテナ２を形成している。

導体格子１および導波管１４は共に導電材料で形成され、各々は一体部品でも分割された部品をネジ止め等で接合した構造であってもよい。導体格子１および導波管１４は、導電性材料であれば金属材料でも樹脂表面に金属メッキを施したものでもよい。導体格子１はｚ方向、すなわち開口面に直交する方向に蛇行するメアンダ状である。ｘ方向、ｙ方向に蛇行するメアンダ形状では電界方向と一致し、導体格子１で区切られた４つの開口形状が相似形状ではなくなるため、アンテナ放射パターンへの影響が大きく弊害がとなる。ホーン開口寸法１００および格子開口寸法１０１はｘ方向、ｙ方向で違ってもよい。素子間隔１０６は、隣合う２つの素子の開口面１０７の中心間の距離である。

図３は、実施の形態１に係る導体格子の断面図である。図３は、図２ＢのＡ−Ａ’線断面を示す。格子長１０２、格子高さ１０４および格子幅１０５（図２Ｂ参照）は格子外形を決める寸法である。格子長１０２は、開口寸法１００にほぼ等しい。

ｃを光速として、導体格子１の経路長１０３が半波長λ／２となるカットオフ周波数ｃ／λ以下では、反射特性が劣化する。導体格子１の経路長１０３をＬとするとき、導体格子１のカットオフ周波数は、ｃ／（２Ｌ）で表され、経路長１０３を長くすればカットオフ周波数を下げることができる。経路長１０３は、開口Ａ４に直交する導体格子１断面のスリット長１０８の長さおよびスリットの数により変化させることができる。

格子開口寸法１０１を広げることによっても格子の経路長１０３を長くすることができるが、素子間隔１０６をアンテナ放射パターンにグレーティングローブが生じない１波長以下にする必要があり、格子開口寸法１０１はホーンアンテナで用いる上限周波数で制限される。導体格子１をメアンダ状にし、格子の経路長１０３を長くすることで、アンテナ放射パターンにグレーティングローブが生じない１波長以下の素子間隔１０６であっても、アンテナ放射パターン特性と反射特性の良いホーンアンテナ装置を得ることができる。反射特性改善の効果を図４に示す。

図４は、実施の形態１に係るホーンアンテナの反射特性のシミュレーション結果を示す図である。格子高さ１０４、格子幅１０５、開口寸法１００、素子間隔１０６が同じである条件で、導体格子１がメアンダ状でない場合（グラフ２００）と導体格子１がメアンダ状の場合（グラフ２０１）の反射特性のシミュレーション結果である。周波数ｆ２は、素子間隔１０６より制限を受ける上限周波数、周波数ｆ１は、導体格子１がメアンダ状でない場合のカットオフ周波数である下限周波数を示している。導体格子１がメアンダ状でない場合（グラフ２００）に比べ、導体格子１をメアンダ状とした場合（グラフ２０１）は、周波数ｆ１での反射特性が改善するため周波数帯域が広くなることを示している。

実施の形態２
図５は、この発明の実施の形態２に係るホーンアンテナの斜視図である。実施の形態１との違いはホーンアンテナ２の導体格子１の代わりに、導波管１４の開口Ｂ１１に導体格子基板５を備えることである。図６は、実施の形態２に係るホーンアンテナの側面図である。図７Ａは、実施の形態２に係る導体格子基板の裏面図である。図７Ａは、導体格子基板５をホーンアンテナ２の内部側から見た図である。図７Ｂは、実施の形態２に係る導体格子基板の表面図である。図７Ｃは、図７ＡのＢ−Ｂ’線断面図である。

導体格子基板５は、誘電体板６の表面１２および裏面１３に交互に断続して形成された導体パターン７をビア８でつなぐことで、メアンダ状の導体格子パターンを形成している。導波管１４は導電材料で形成され、導電性材料であれば金属材料でも樹脂表面に金属メッキを施したものでもよい。導体格子基板５の裏面１３の導体パターン７と導波管１４の開口Ｂ１１の接する部分は導体、例えばネジ止めまたは半田付けにより電気的に接続して固定される。ネジ止めの場合、例えば図７Ａの点線円で囲んだ導体パターン７の端部分４箇所で、導波管１４の開口Ｂ１１にネジ止めすればよい。

導体格子基板５は、実施の形態１の導体格子１と同様の電気的構造を有するものである。アンテナ放射パターンにグレーティングローブが生じない１波長以下の素子間隔１０６であっても、導体格子１の経路長１０３を伸ばして導体格子１のカットオフ周波数を下げることで反射特性を改善する効果を得ることができる点は実施の形態１と同じである。導体格子１を金属材料で形成する構造に比べ軽量化が可能であり、微細なメアンダ状格子を加工できることが特徴である。

実施の形態３
図８は、この発明の実施の形態３に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態１との違いは、ホーンアンテナ２の導体格子１の代わりに、導波管１４の開口Ｂ１１に導電性のシールド材１０と導体格子基板５を備えることである。図９Ａは、実施の形態３に係る導体格子基板の裏面図である。図７Ａと同じく、図９Ａは、導体格子基板５をホーンアンテナ２の内部側から見た図である。図９Ｂは、実施の形態３に係る導体格子基板の表面図である。図９Ｃは、図９ＡのＣ−Ｃ’線断面図である。

導体格子基板５は、誘電体板６の表面１２および裏面１３に交互に断続して形成された導体パターン７をビア８でつなぐことで、メアンダ状の導体格子パターンを形成している。導波管１４は導電材料で形成され、導電性材料であれば金属材料でも樹脂表面に金属メッキを施したものでもよい。導体格子基板５の裏面１３の導体パターン７と導波管１４の開口Ｂ１１の接する部分は導電性の弾性体であるシールド材１０を介して接合される。導電性のシールド材１０には、例えば、導電性接着材が塗布されており、導体パターン７と開口Ｂ１１を電気的に導通状態とする。

導体格子基板５は、実施の形態１の導体格子１と同様の電気的構造を有するものである。アンテナ放射パターンにグレーティングローブが生じない１波長以下の素子間隔であっても、格子の経路長を伸ばして導体格子のカットオフ周波数を下げることで反射特性を改善する効果を得ることができる点は実施の形態１と同じである。導体格子１を金属材料で生成する場合に比べ軽量化が可能であり、微細なメアンダ状格子を加工できる。バネ等の導電性のシールド材１０を介して、導体格子基板５の裏面１３の導体パターン７と導波管１４の開口Ｂ１１の接する部分を接合できることが特徴である。

実施の形態４
図１０は、この発明の実施の形態４に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態１との違いは、ホーンアンテナ２の開口Ａ４付近に備えた導体格子１の形状である。導体格子１は、アンテナ開口面に直交する方向に斜行して屈曲する。

導体格子１は、アンテナ開口面に直交するｚ方向に格子の経路長を変えるように形成されるものである。アンテナ放射パターンにグレーティングローブが生じない１波長以下の素子間隔１０６であっても、導体格子１の経路長１０３を伸ばして導体格子１のカットオフ周波数を下げることで反射特性を改善する効果を得ることができる点は実施の形態１と同じである。

なお、導体格子１と導波管１４との接合は、実施の形態２のように、ネジまたは半田付けなどの導体で電気的に接続して固定することができる。また、実施の形態３のように、導電性の弾性体であるシールド材１０を介して接合してもよい。

実施の形態５
図１２は、この発明の実施の形態５に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態１との違いはホーンアンテナ２の導体格子１の代わりに、導波管１４の開口Ｂ１１に導体格子基板５Ａを備えることである。図１３Ａは、実施の形態５に係る導体格子基板の裏面図である。図７Ａと同じく、図１３Ａは、導体格子基板５Ａをホーンアンテナ２の内部側から見た図である。図１３Ｂは、実施の形態５に係る導体格子基板の表面図である。図１３Ｃは、図１３ＡのＤ−Ｄ’線断面図である。

導体格子基板５Ａは、誘電体板６の裏面１３に格子状に断続する導体パターン７が形成されている。そして、隣り合う導体パターン７同士を接続するリアクタンス素子９を実装することで、導体格子基板５Ａを形成している。導波管１４は導電材料で形成され、導電性材料であれば金属材料でも樹脂表面に金属メッキを施したものでもよい。導体格子基板５Ａの裏面１３の導体パターン７と導波管１４の開口Ｂ１１の接する部分は、導体、例えばネジ止めまたは半田付けにより電気的に接続して固定される。

導体格子基板５Ａは、実施の形態１の導体格子１と同様の電気的特性を有するものである。導体格子基板５Ａに形成された導体パターン７は、格子状の断続する破線のパターンになっており、隣合う導体パターン７の間にはリアクタンス素子９が実装されている。リアクタンス素子９は、リアクタンスを持ったインダクタまたはコンデンサであり誘導性または容量を加えることができるので、格子長Ｂ１０９に比べ格子の電気的長さを伸ばしたり縮める効果が得られる。すなわち、導体格子１のホーンアンテナ開口面に直交する方向の幅と、該導体格子部分のホーンアンテナ２の経路のホーンアンテナ２に給電される周波数における電気長とが異なる。リアクタンス素子９がインダクタ（誘導性）である場合、実施の形態１の導体格子１の経路長１０３を長くするのと同様の効果が得られ、導体格子基板５Ａのカットオフ周波数を下げることができる。また、リアクタンス素子９がコンデンサ（容量性）である場合は、導体格子基板５Ａのカットオフ周波数を上げることができる点は、実施の形態６の特徴である。

実施の形態６
図１４は、この発明の実施の形態６に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態１との違いはホーンアンテナ２の導体格子１の代わりに、導波管１４の開口Ｂ１１に導電性のシールド材１０と導体格子基板５Ａを備えることである。図１５Ａは、実施の形態６に係る導体格子基板の裏面図である。図７Ａと同じく、図１５Ａは、導体格子基板５Ａをホーンアンテナ２の内部側から見た図である。図１５Ｂは、実施の形態６に係る導体格子基板の表面図である。図１５Ｃは、図１５ＡのＥ−Ｅ’線断面図である。

実施の形態６の導体格子基板５Ａは、実施の形態４のそれと同様である。実施の形態４との違いは、実施の形態２と実施の形態３との違いと同じであり、導体格子基板５Ａの裏面１３の導体パターン７と導波管１４の開口Ｂ１１の接する部分を導電性のシールド材１０を介して接合する点である。

実施の形態７
図１６は、この発明の実施の形態７に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態１との違いはホーンアンテナ２の導体格子１の代わりに、導波管１４の開口Ｂ１１に導体格子基板５Ｂを備えることである。図１７Ａは、実施の形態７に係る導体格子基板の裏面図である。図７Ａと同じく、図１７Ａは、導体格子基板５Ｂをホーンアンテナ２の内部側から見た図である。図１７Ｂは、実施の形態７に係る導体格子基板の表面図である。図１７Ｃは、図１７ＡのＦ−Ｆ’線断面図である。

導体格子基板５Ｂは、ホーンアンテナ２の開口Ｂ１１に設けられる誘電体板６に格子状に形成された連続する導体パターン７で構成される。導波管１４は導電材料で形成され、導電性材料であれば金属材料でも樹脂表面に金属メッキを施したものでもよい。導体格子基板５Ｂの裏面１３の導体パターン７と導波管１４の開口Ｂ１１の接する部分は導体、例えばネジ止めや半田付けにより電気的に接続して固定される。

導体格子基板５Ｂは、実施の形態１の導体格子１と同様の電気的特性を有するものである。導体格子基板５Ｂに形成された、導体パターン７は格子状をしたパターンになっている。誘電体板６の誘電率による波長短縮効果により、誘電率を変えることで格子長１０２は電気的に長くみえるため、実施の形態１の導体格子部分の経路長を伸ばすのと同様の効果が得られ、導体格子基板５Ｂのカットオフ周波数を下げることができる。

実施の形態８
図１８は、この発明の実施の形態８に係るホーンアンテナの側面図である。実施の形態１との違いはホーンアンテナ２の導体格子１の代わりに、導波管１４の開口Ｂ１１に導電性のシールド材１０と導体格子基板５Ｂを備えることである。図１９Ａは、実施の形態８に係る導体格子基板の裏面図である。図７Ａと同じく、図１９Ａは、導体格子基板５Ｂをホーンアンテナ２の内部側から見た図である。図１９Ｂは、実施の形態８に係る導体格子基板の表面図である。図１９Ｃは、図１９ＡのＧ−Ｇ’線断面図である。

実施の形態８の導体格子基板５Ｂは、実施の形態７のそれと同様である。導体格子基板５Ｂは、ホーンアンテナの開口Ｂ１１に設けられる誘電体板６に格子状に形成された連続する導体パターン７で構成される。導波管１４は導電材料で形成され、導電性材料であれば金属材料でも樹脂表面に金属メッキを施したものでもよい。導体格子基板５Ｂの裏面１３の導体パターン７と導波管１４の開口Ｂ１１の接する部分は、導電性のシールド材１０を介して接合される。シールド材１０は、実施の形態３のそれと同様である。

実施の形態で説明したホーンアンテナ２は、単独で用いられるだけではない。ホーンアンテナ２をマトリクス状に配置して、アレイアンテナとして用いることができる。その場合、同じ実施の形態のホーンアンテナ２だけではなく、異なる実施の形態のホーンアンテナ２を組み合わせて用いてもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態および変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内およびそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本出願は、２０１５年６月３日に出願された、日本国特許出願特願２０１５−１１２９０５号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１５−１１２９０５号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。

１導体格子、２ホーンアンテナ、３発信器、４開口Ａ、５，５Ａ，５Ｂ導体格子基板、６誘電体板、７導体パターン、８ビア、９リアクタンス素子、１０シールド材、１１開口Ｂ、１２表面、１３裏面、１４導波管、１００開口寸法、１０１格子開口寸法、１０２格子長、１０３経路長、１０４格子高さ、１０５格子幅、１０６素子間隔、１０７１素子の開口面、１０８スリット長、１０９格子長Ｂ。

Claims

ホーンアンテナと、
前記ホーンアンテナの開口で前記ホーンアンテナの内面に電気的に接続され、前記ホーンアンテナの開口を格子状に分割する導体格子と、
を備え、
前記導体格子は、該導体格子の前記ホーンアンテナ開口面に直交する方向の幅と、該導体格子部分の前記ホーンアンテナの経路の前記ホーンアンテナに給電される周波数における電気長とが異なる、ホーンアンテナ。
前記導体格子は、前記ホーンアンテナ開口面に直交する方向に蛇行する形状である、請求項１に記載のホーンアンテナ。
前記導体格子は、前記ホーンアンテナの開口に設けられる誘電体板の表面および裏面に交互に断続して格子状に形成された導体パターンと、前記表面および裏面の前記導体パターンを接続するビアで構成される、請求項２に記載のホーンアンテナ。
前記導体格子は、前記ホーンアンテナ開口面に直交する方向に斜行して屈曲する、請求項１に記載のホーンアンテナ。
前記導体格子は、前記ホーンアンテナの開口に設けられる誘電体板に格子状に形成された断続する導体パターンと、隣接する前記導体パターン同士を接続するリアクタンス素子で構成される、請求項１に記載のホーンアンテナ。
前記導体格子は、前記ホーンアンテナの開口に設けられる誘電体板に格子状に形成された連続する導体パターンで構成される、請求項１に記載のホーンアンテナ。
前記導体格子は、前記ホーンアンテナの内面に導体で固定される、請求項１から６のいずれか１項に記載のホーンアンテナ。
前記導体格子は、導電性を有する弾性体を介して前記ホーンアンテナの内面に接触する、請求項１から６のいずれか１項に記載のホーンアンテナ。
請求項１から８のいずれか１項に記載のホーンアンテナが、マトリックス状に配置されるアレイアンテナ。