JP6265833B2

JP6265833B2 - 導波管スロットアンテナ、送受信器、導波管スロットアンテナの製造方法及び送受信器の製造方法

Info

Publication number: JP6265833B2
Application number: JP2014109424A
Authority: JP
Inventors: 慎也工藤; 忠之生田; 竹内　博之; 博之竹内; 山口　聡; 山口　　聡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-05-27
Filing date: 2014-05-27
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2034-05-27
Also published as: JP2015226159A

Description

本発明は、導波管スロットアンテナ、導波管スロットアンテナを備えた送受信器、導波管スロットアンテナの製造方法、及び送受信器の製造方法に関する。

マイクロ波帯やミリ波帯等の無線通信システムにおいて、導波管スロットアンテナが広く用いられている。導波管スロットアンテナは、断面が矩形の導波管の一面に放射用のスロットが形成され、そのスロットから電波を放射する。

従来、導波管スロットアンテナは、エンドミル等で１枚の厚い金属板の内部を掘削して断面が矩形の導波管を製作し、さらに幅広面にスロットを形成する方法を用いていた。しかし、この方法は１枚の厚い金属板から加工するため機械加工費及び材料費が高価であるという問題があった。

機械加工費及び材料費を低減することのできる方法として、１枚の導体板にスロットを形成したものを切断して折り曲げる方法（例えば特許文献１）がある。また、その他の方法として、専用の鋳型を製作し射出成形により製作する方法がある（例えば特許文献２）。

特許文献１に記載の導波管スロットアンテナは、幅広面である上面の幅方向の中央にスロットを形成した導体板を折り曲げて断面が矩形の導波管を形成する。この導波管は、下面において、上面の幅方向の中央に対向する位置に突き合わせの継目を有する。導波管内に電波を出力した際、継目近傍では管軸方向に沿った方向に表面電流が流れるため、継目において電波漏洩はほとんど生じないと説明されている。

また、特許文献２に記載の導波管スロット型放射器は、射出成形で製作した２つの導波管部材を縁部同士で接合することにより、断面が矩形の導波管を製作したものである。放射部の複数のスロットは、射出成形時に２つの導波管部材の縁部に切り欠け部を形成しておくことにより、所定の間隔をおいて互い違いに画成することができると説明されている。

特開平３−２２４３０６号公報特許第３８５８０２３号公報

特許文献１に記載の導波管スロットアンテナを製造する際には、１枚の広い導体板において予め決定しておいた位置及び方向にスロットを正確に形成する必要があった。また、スロットの位置及び方向に対して導体板の折り曲げ位置を正確に決定し、更に決定した位置で精度よく折り曲げ加工する必要があり、製造の困難性があった。

特許文献２に記載の導波管スロット型放射器は２つの導波管部材からなり、導波管部材はスロットも含めて射出成形で製作するため、特許文献１の構成と比較して、スロットの位置決め等が容易であり製造の困難性は緩和される。

しかし、この導波管スロット型放射器は、接合する２つの導波管部材のうち一方の縁部と、他方の縁部に設けた切り欠け部と、からスロットを形成しているため、スロットと接合部が連続しており接合部の隙間から電波漏洩が生じる可能性があった。このため、接合部に生じた隙間を充填部材で塞ぐ必要があり、材料費や作業工数が増加するという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、材料費及び作業工数を低減した、電波漏洩を抑制することが可能な導波管スロットアンテナ等を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の導波管スロットアンテナは、開口面を有する直方体形状である２つの導体部材を、互いに開口面を突き合わせて形成した導波管からなり、開口面の長辺に沿う上板にスロットを有する。導体部材は、導体板の折り曲げにより連続して形成された上板、側板及び底板と、上板、側板及び底板のいずれか１つと連続し開口面の短辺に沿う１対の端板と、からなる。スロットは、開口面と不連続でありかつ開口面の長辺に平行である。

本発明によれば、材料費及び作業工数を低減し、電波漏洩を抑制することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る送受信器の一部を示す斜視図である。実施の形態１に係る送受信器の外観図である。（ａ）は導波管スロットアレーアンテナの上板に向かって上方から見た上面図である。（ｂ）は（ａ）の矢印Ａの方向から見た側面図である。実施の形態１に係る送受信器の外観図である。（ａ）は金属板の下面に向かって下方から見た下面図である。（ｂ）は（ａ）の矢印Ｂの方向から見た側面図である。導波管スロットアンテナの斜視図である。（ａ）は導体部材を突き合わせた状態を示す。（ｂ）は導体部材を離隔させた状態を示す。導波管スロットアンテナの外観図である（ａ）は上面図である。（ｂ）は長手方向の側面図である。（ｃ）は下面図である。（ｄ）は短手方向の側面図である。導体部材の展開図である。導波管スロットアンテナの表面電流の向きを示す図である。導波管スロットアンテナの表面電流の向きを示す図である。導波管スロットアンテナの端部の拡大図である。本発明の実施の形態２に係る送受信器の外観図である。（ａ）は導波管スロットアレーアンテナの上板に向かって上方から見た上面図である。（ｂ）は（ａ）の矢印Ａの方向から見た側面図である。実施の形態２に係る送受信器の外観図である。（ａ）は金属板の下面に向かって下方から見た下面図である。（ｂ）は（ａ）の矢印Ｂの方向から見た側面図である。導波管スロットアレーアンテナへのモジュールの結合を示す図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図面を参照して詳細に説明する。

送受信器１は、図１に示すように、スロット１１１から電波を放射し空間からの電波を受波する導波管スロットアンテナ１１を、導波管スロットアンテナ１１の短手方向に互いに隣接して複数配列した導波管スロットアレーアンテナ１０を備えている。導波管スロットアレーアンテナ１０は金属板１２に固定されている。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、１つの導波管スロットアンテナ１１は、導体部材１１２、１１３からなる。図２（ｂ）、図３（ａ）（ｂ）に示すように各導波管スロットアンテナ１１は固定ねじ１２１で金属板１２に固定されている。また、各導波管スロットアンテナ１１と金属板１２には互いに対応する位置に同じ径の穴が開けられている。金属板１２の下面側からこの穴にコネクタ１３が挿入されている。

導体部材１１２は、図４（ｂ）に示すように、一側面を欠く直方体形状を有している。換言すると、導体部材１１２は、欠いた一側面が開口面１１２１となる直方体形状である。導体部材１１２は、開口面１１２１の長辺に沿った上板１１２２と、上板１１２２の長辺に沿った側板１１２３と、側板１１２３の長辺と開口面１１２１の長辺に沿った底板１１２４を備えている。また、上板１１２２の短辺と開口面１１２１の短辺に沿った一対の端板１１２５、１１２６を更に備えている。

上板１１２２にはスロット１１１が形成されている。スロット１１１は開口面１１２１の長辺に平行に形成された縦長の貫通穴であり、開口面１１２１と不連続である。スロット１１１の形状は、例えば長孔である。底板１１２４の開口面１１２１に沿った長辺の中央に切り欠け部１１２７を有する。

導体部材１１３は導体部材１１２と同様の、開口面１１３１を有する直方体形状を有しており、導体部材１１２と同じ大きさである。導体部材１１２の開口面１１２１と導体部材１１３の開口面１１３１を互いに突き合わせることで、図４（ａ）、図５（ａ）〜（ｄ）に示すような導波管スロットアンテナ１１を形成する。

図４（ａ）（ｂ）、図５（ａ）に示すように、導体部材１１３の上板１１３２には、導体部材１１２と同様にスロット１１１が形成されている。スロット１１１は、導波管スロットアンテナ１１の長手方向において中央から離れる方向に向かって導体部材１１２、１１３を交互に行き来するように配置している。このとき長手方向におけるスロット１１１の配置間隔は、導波管スロットアンテナ１１が放射又は受波する電波の導波管管内波長の１／２である。

また、図５（ｃ）に示すように、導体部材１１３の底板１１３４には導体部材１１２と同様の切り欠け部１１３７を有しており、導体部材１１２、１１３を突き合わせたとき切り欠け部１１２７、１１３７の位置が互いに一致する。切り欠け部１１２７と切り欠け部１１３７がコネクタ１３を挿入する第１挿入口１１５を形成する。

導体部材１１２は、１枚の導体板を折り曲げて作成したものである。図６は導体部材１１２を展開した状態を示している。図６に示すように、上板１１２２、側板１１２３、底板１１２４が導体部材１１２の短手方向に連続している。そして、端板１１２５、１１２６は上板１１２２と連続している。上板１１２２と側板１１２３と端板１１２５の境界位置、及び、上板１１２２と側板１１２３と端板１１２６の境界位置には、導体板を折り曲げたときに互いが干渉しないように、切り欠け部１１２８、１１２９を設けている。

以上のように構成された送受信器１の動作について説明する。

各導波管スロットアンテナ１１の第１挿入口１１５に挿入されたコネクタ１３は、送受信モジュールに接続される。ここで送受信モジュールは、送信器の終段増幅器、受信器の初段増幅器、位相器、送受信切替スイッチの全部又は一部を含むモジュールである。

コネクタ１３は、送受信モジュールより送信信号が伝送されてきたとき、導波管スロットアンテナ１１の内部に位置する部分から、送信信号に基づく電波を放出する。コネクタ１３から放出した電波は導波管スロットアンテナ１１の内部を伝搬し、スロット１１１から放射される。

また、導波管スロットアンテナ１１のスロット１１１で電波を受波したとき、受波した電波は導波管スロットアンテナ１１の内部を伝搬し、コネクタ１３で捕捉される。コネクタ１３は、導波管スロットアンテナ１１の内部に位置する部分で捕捉する電波から受信信号を生成し送受信モジュールに向けて出力する。

ここで、導波管スロットアンテナ１１の内部を電波が伝搬するとき、図７に示す断面において、上板１１２２、１１３２に垂直な方向の電界が生じる（白矢印）。なお、図７は、図５（ａ）のＣ−Ｃ’における断面図である。

導波管スロットアンテナ１１は、導体部材１１２の開口面１１２１と導体部材１１３の開口面１１３１を突き合わせた構成であるため、図７に示すように、突き合わせた部分に物理的接触がある部分と、隙間がある部分が生じる。

導波管スロットアンテナ１１の内部に生じた電界が白矢印の方向に生じると、図７に示す断面において、表面電流が導波管スロットアンテナ１１の壁面に沿って流れる（黒矢印）。そして、導波管スロットアンテナ１１の内部に生じる電界は、導波管スロットアンテナ１１の長手方向において周期的に向きが変わっているため、図８に示すように、導波管スロットアンテナ１１の長手方向にも電流が流れる。この長手方向の電流は隙間に対して平行に流れるため、隙間からの電波の漏洩は極めて少なく電気的損失はほとんど生じない。

また、スロット１１１と開口面１１２１（隙間）は連続していないため、導波管スロットアンテナ１１の長手方向に流れる電流は隙間と平行にスムーズに流れることができる。これにより、隙間とスロットが連続している構成と比較して電波の漏洩を低減させることができる。よって、この隙間を導電性接着剤等で埋める又は溶接するなどして接合する必要がない。

また、導体部材１１２の端板１１２６は、図９に示すように、底板１１２４の短辺の側面Ｐの少なくとも一部を覆う大きさとなっている。これにより、導体部材１１２の端部で、隙間が折れたラビリンス構造を為すため、底板１１２４と端板１１２６との隙間からの電波の漏洩を最小限に抑えることができる。同様に、端板１１２６は、側板１１２３の短辺の側面の少なくとも一部を覆うようにしてもよい。これにより、側板１１２３と端板１１２６との隙間からの電波の漏洩も最小限に抑えることができる。導体部材１１２の他方の端板１１２５、導体部材１１３の端板１１３５、１１３６も同様の構成である。

次に、送受信器１の製造方法について説明する。

まず、均一の厚さの板状の導体板を、図６に示すような、一側面を欠く直方体を展開した形状に切断する。そして上板１１２２となる部分の予め定めた位置に長孔状の貫通穴を開けてスロット１１１を複数形成する。また、底板１１２４となる部分に切り欠け部１１２７を形成する。

その後、導体板の上板１１２２、側板１１２３、底板１１２４となる部分を順に直角に折り曲げ、端板１１２５、１１２６となる部分を上板１１２２に対して直角に折り曲げる。このようにして、上板１１２２、側板１１２３、底板１１２４、端板１１２５、１１２６からなり、欠いた一側面を開口面１１２１とする直方体形状の導体部材１１２を形成する。同様にして、導体部材１１３も形成する。そして、導体部材１１２の開口面１１２１と、導体部材１１３の開口面１１３１を、互いに突き合わせて導波管スロットアンテナ１１を作成する。

同様に作成した複数の導波管スロットアンテナ１１を、導波管スロットアンテナ１１の短手方向に互いに隣接するように配置し、各導波管スロットアンテナ１１を金属板１２上に固定することにより、導波管スロットアレーアンテナ１０を作成する。

ここで、各導波管スロットアンテナ１１の底板１１２４、１１３４が金属板１２に接して固定されている。金属板１２には予め、底板１１２４、１１３４の切り欠け部１１２７、１１３７からなる第１挿入口１１５と一致する位置に第２挿入口１２２が開けてある。これらの第１挿入口１１５、第２挿入口１２２にコネクタ１３を挿入する。そしてコネクタ１３に送受信モジュールを接続する。

このような工程を含む製造方法により容易に送受信器１を製造することができる。この製造方法は、鋳型を必要とすることもなく、また、隙間を充填するための材料及び作業工数を削減することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、送受信器１に備える導波管スロットアンテナ１１を、開口面１１２１、１１３１を有する直方体形状の２つの導体部材１１２、１１３を、互いに開口面１１２１、１１３１を突き合わせて形成し、開口面１１２１、１１３１の長辺に沿った上板１１２２、１１３２にスロット１１１を形成する。導体部材１１２、１１３は、導体板の折り曲げにより形成し、スロット１１１は、開口面１１２１、１１３１と不連続でありかつ開口面１１２１、１１３１の長辺に平行に形成することとした。これにより、送受信器１の材料費及び作業工数を低減することができると共に、隙間からの電波漏洩を抑制することが可能となる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２における送受信器２は、図１０、１１に示すように、スロット１１１から電波を放射し、空間からの電波を受波する導波管スロットアンテナ１１を、導波管スロットアンテナ１１の短手方向に互いに隣接して複数配列した導波管スロットアレーアンテナ１０を備えている。導波管スロットアレーアンテナ１０は金属板１２に固定されている。導波管スロットアレーアンテナ１０の構成および製造方法は実施の形態１と同様である。

図１０（ｂ）、図１１（ａ）（ｂ）に示すように各導波管スロットアンテナ１１は固定ねじ１２１で金属板１２に固定されている。各導波管スロットアンテナ１１には、導体部材１１２、１１３の底板１１２４、１１３４の切り欠け部１１２７、１１３７からなる第１挿入口１１５が設けられている。また、金属板１２には第１挿入口１１５に対応する位置に第１挿入口１１５と同じ径の第２挿入口２３が開けられている。

金属板１２の下面側から各導波管スロットアンテナ１１の第１挿入口１１５、第２挿入口２３に、モジュール２４に付属されたコネクタ２４１が挿入され固定される。ここで、モジュール２４は、送信器の終段増幅器、受信器の初段増幅器、位相器、送受信切替スイッチ等を全部又は一部を含むモジュールである。

複数のモジュール２４は、コネクタ２４１においてそれぞれ予め定めた波長の電波を放出し、また予め定めた波長の電波を捕捉するためのものであり、各モジュール２４のコネクタ２４１が挿入された導波管スロットアンテナ１１のスロット１１１間の距離は、その導波管管内波長の１／２である。

以上のように構成された送受信器２の動作について説明する。

モジュール２４に前段回路から送信信号が入力されたとき、モジュール２４は入力された信号を増幅等する。コネクタ２４１は、導波管スロットアンテナ１１の内部に位置する部分から、モジュール２４が出力する送信信号に基づく電波を放出する。コネクタ２４１が放出した電波は導波管スロットアンテナ１１の内部を伝搬し、スロット１１１から放射される。

また、導波管スロットアンテナ１１のスロット１１１で電波を受波したとき、受波した電波は導波管スロットアンテナ１１の内部を伝搬し、コネクタ２４１で捕捉される。コネクタ２４１は、導波管スロットアンテナ１１の内部に位置する部分で捕捉する電波から受信信号を生成しモジュール２４に入力する。モジュール２４は、入力された信号を増幅等して後段回路に出力する。

導波管スロットアンテナ１１の内部における電波の伝搬状態は実施の形態１と同様であり、隙間からの電波の漏洩は極めて少なく電気的損失はほとんど生じない。

以上説明したように、本実施の形態によれば、金属板１２の、複数の導波管スロットアンテナ１１の第１挿入口１１５に対応する位置に同じ経の第２挿入口２３を設ける。第１挿入口１１５、第２挿入口２３にモジュール２４に付属されたコネクタ２４１を挿入する。これにより、導波管スロットアンテナ１１に別途コネクタを設置する必要がなくなり、部品点数及び作業工数をさらに低減することができる。

このように本発明は、開口面を有する直方体形状である２つの導体部材を、互いに開口面を突き合わせて形成した導波管からなり、開口面の長辺に沿う上板にスロットを有する導波管スロットアンテナに係るものである。導体部材は、導体板の折り曲げにより連続して形成された上板、側板及び底板と、開口面の短辺に沿う一対の端板と、からなり、スロットは、開口面と不連続でありかつ開口面の長辺に平行であるとした。これにより、材料費及び作業工数を低減し、電波漏洩を抑制することが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。

例えば、上記実施の形態において、端板１１２５、１１２６は上板１１２２に連続しているとしたが、端板１１２５、１１２６は上板１１２２、側板１１２３及び底板１１２４のいずれか１つと連続するようにしてもよい。このとき、端板１１２５、１１２６は上板１１２２、側板１１２３及び底板１１２４のうち連続していない板の短辺の側面の少なくとも一部を覆うようにする。これにより、導波管スロットアンテナ１１の端部で、隙間が折れたラビリンス構造を為すため、端板１１２５、１１２６の外周の隙間からの電波の漏洩を最小限に抑えることができる。導体部材１１３の端板１１３５、１１３６も同様である。

上記実施の形態において、スロット１１１を長孔の形状としたが、任意の形状でよく、矩形又は矩形の角を丸くした形状でもよい。

１，２送受信器、１０導波管スロットアレーアンテナ、１１導波管スロットアンテナ、１１１スロット、１１２，１１３導体部材、１１２１，１１３１開口面、１１２２，１１３２上板、１１２３，１１３３側板、１１２４，１１３４底板、１１２５，１１２６，１１３５，１１３６端板、１１２７，１１２８，１１２９，１１３７切り欠け部、１１５第１挿入口、１２金属板、１２１固定ねじ、１３コネクタ、１２２，２３第２挿入口、２４モジュール、２４１コネクタ。

Claims

開口面を有する直方体形状である２つの導体部材を、互いに前記開口面を突き合わせて形成した導波管からなり、前記開口面の長辺に沿う上板にスロットを有する導波管スロットアンテナであって、
前記導体部材は、導体板の折り曲げにより連続して形成された前記上板、側板及び底板と、前記上板、前記側板及び前記底板のいずれか１つと連続し前記開口面の短辺に沿う１対の端板と、からなり、
前記スロットは、前記開口面と不連続でありかつ前記開口面の長辺に平行である、
導波管スロットアンテナ。
前記端板は、前記上板、前記側板及び前記底板のうち連続していない板の短辺の側面の少なくとも一部を覆う、
請求項１に記載の導波管スロットアンテナ。
前記導体部材の前記底板の前記開口面に沿った辺の中央に切り欠け部を有し、２つの前記導体部材の前記開口面を突き合わせたときに前記切り欠け部が電波を放出又は捕捉するためのコネクタを挿入する第１挿入口を形成する、
請求項１又は２に記載の導波管スロットアンテナ。
金属板と、
複数の導波管スロットアンテナを前記導波管スロットアンテナの短手方向に互いに隣接して配列し、前記金属板上に固定した導波管スロットアレーアンテナと、を備える送受信器であって、
前記導波管スロットアンテナは、開口面を有する直方体形状である２つの導体部材を、互いに前記開口面を突き合わせて形成した導波管からなり、前記開口面の長辺に沿う上板にスロットを有し、
前記導体部材は、導体板の折り曲げにより連続して形成された前記上板、側板及び底板と、前記上板、前記側板及び前記底板のいずれか１つと連続し前記開口面の短辺に沿う１対の端板と、からなり、
前記底板が前記金属板に接して固定されており、
前記スロットは、前記開口面と不連続でありかつ前記開口面の長辺に平行である、
送受信器。
前記端板は、前記上板、前記側板及び前記底板のうち連続していない板の短辺の側面の少なくとも一部を覆う、
請求項４に記載の送受信器。
前記導体部材の前記底板の前記開口面に沿った辺の中央に切り欠け部を有し、２つの前記導体部材の前記開口面を突き合わせたときに前記切り欠け部が電波を放出又は捕捉するためのコネクタを挿入する第１挿入口を形成し、
前記金属板の前記第１挿入口に一致する位置に第２挿入口を形成した、
請求項４又は５に記載の送受信器。
前記第１挿入口及び前記第２挿入口に、送受信する信号に対して増幅を含む処理を行うモジュールに付属するコネクタを挿入する、
請求項６に記載の送受信器。
板状の導体板を、開口面を有する直方体を展開した形状に切断する導体板切断ステップと、
前記直方体の前記開口面の長辺に沿う上板に相当する部分にスロットを形成するスロット形成ステップと、
前記導体板を折り曲げて前記上板、側板及び底板を連続して形成し、前記上板、前記側板及び前記底板のいずれか１つと連続した１対の端板を、前記開口面の短辺に沿うように折り曲げて、直方体形状の導体部材を作成する導体部材作成ステップと、
前記導体部材作成ステップで作成した２つの前記導体部材を、互いに前記開口面を突き合わせるように固定する導体部材固定ステップと、を有し、
前記スロット形成ステップは、前記開口面と不連続でありかつ前記開口面の長辺に平行である前記スロットを形成する、
導波管スロットアンテナの製造方法。
導波管スロットアレーアンテナを用いて電波を送受信する送受信器の製造方法であって、
板状の導体板を、開口面を有する直方体を展開した形状に切断する導体板切断ステップと、
前記直方体の前記開口面の長辺に沿う上板に相当する部分にスロットを形成するスロット形成ステップと、
前記導体板を折り曲げて前記上板、側板及び底板を連続して形成し、前記上板、前記側板及び前記底板のいずれか１つと連続した１対の端板を、前記開口面の短辺に沿うように折り曲げて、直方体形状の導体部材を作成する導体部材作成ステップと、
前記導体部材作成ステップで作成した２つの前記導体部材を、互いに前記開口面を突き合わせて形成する複数の導波管スロットアンテナを、前記導波管スロットアンテナの短手方向に互いに隣接して配列し、金属板上に固定することにより、前記導波管スロットアレーアンテナを作成する導波管スロットアレーアンテナ作成ステップと、を有し、
前記スロット形成ステップは、前記開口面と不連続でありかつ前記開口面の長辺に平行である前記スロットを形成する、
送受信器の製造方法。