JP6289277B2 - ホーンアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、電波を用いて対象物までの距離を測定するレベル計に用いられるホーンアンテナに関するものである。

従来のホーンアンテナとして、誘電体を用いたチューブアンテナが知られている。このホーンアンテナは、前端がコーン状に広がった円形導波管に、円形誘電体導波路が接続され、さらにこの円形誘電体導波路の前端にホーン形状をなす誘電体ホーンが接続されている。
このホーンアンテナは、誘電体ホーンが主な放射領域となり、金属だけの金属ホーンアンテナに比べると、約半分の直径で同程度の利得及び指向性を有するという利点がある（例えば特許文献１参照）。

米国特許第８，３５４，９７０ Ｂ２号公報

しかしながら、このホーンアンテナは、２６ＧＨｚ帯のような準ミリ波帯を扱う場合には、薄い誘電体ホーンを製造しなければならず、従来の金属の円形導波管の形状と誘電体ホーンの形状とを有するホーンアンテナの構造においては、その製造が困難であった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、コンパクトで利得及び指向性を高めることができ、且つその構造が簡単で容易に製造を行うことができるホーンアンテナを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、導波管が後端側に接続されることができる金属ホーンと、該金属ホーンの先端側に接続される誘電体ホーンとを備えるホーンアンテナであって、前記金属ホーンは、後端側に前記導波管の導波路の断面形状と同一の開口を有し、該開口から先端側にかけて錐台形状に広がる空間を備え、前記誘電体ホーンは、前記錐台形状の空間を充填する金属ホーン充填部と、前記金属ホーン充填部の後端側に設けられ、前記導波管の所定長さ部分を充填する導波管充填部と、前記導波管充填部の後端側に設けられ、前記導波管と前記誘電体ホーンとを整合させる第１整合部と、前記金属ホーン充填部の先端側の断面中央部に設けられ、前記誘電体ホーンと空気を整合させる第２整合部と、該第２整合部の前方側から前端側に錐台形状に広がり、前記誘電体ホーンの先端側に開口する空間を有するホーン部とを備え、前記金属ホーンと前記ホーン部は、前後方向に垂直な断面外形状が前記導波管の断面外形状に対応する同一形状をなしているものである。

本発明によれば、コンパクトで利得及び指向性を高めることができ、且つその構造が簡単で容易に製造を行うことができるホーンアンテナを提供することができる。

実施の形態１におけるホーンアンテナを示す断面図である。 実施の形態２におけるホーンアンテナを示す断面図である。 実施の形態３におけるホーンアンテナを示す断面図である。 実施の形態３におけるホーンアンテナの作用を比較説明するための図である。 実施の形態３におけるホーンアンテナの作用を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

（実施の形態１）
このホーンアンテナは、導波管として円形導波管１が後端側２ｂに接続されることができる金属ホーン２と、該金属ホーン２の前端側２ａに接続される誘電体ホーン３とを備えている。

金属ホーン２は、図１に示されるように、その外観が円形導波管１の外観と同じ円柱体状をなし、その外径が円形導波管の外径よりも若干大きい。金属ホーン２の前後方向の長さは取り扱う電波の波長と後述する円錐台の広がり角度に基づいて所定の長さとされている。そして、金属ホーン２の前後方向である長さ方向に垂直な断面の中心を通る中心軸を有する円錐台形状の空間２１がホーンとして形成されている。この円錐台形状は、前端側２１ａの内径が後端側２１ｂの内径よりも大きく、且つ後端側２１ｂの内径が円形導波管１の内径に等しくされている。

誘電体ホーン３は、誘電体が金属ホーン２の円錐台形状の空間２１（金属ホーン２の前端側２ａから後端側２ｂまでの空間）に充填される金属ホーン充填部３２と、該金属ホーン充填部３２の後端部３２ａに連続し、円形導波管１の所定の長さ部分に充填される導波管充填部３３と、該導波管充填部３３の後端部３３ａから円形導波管１内で後方側に円錐形状に突出され、円形導波管１と誘電体（誘電体ホーン３）とを整合させる第１整合部３４と、金属ホーン２の前端側２ａ部分の開口中央部に形成され、誘電体（誘電体ホーン３）と空間とを整合させる第２整合部３５と、第２整合部３５の前端から、所定の長さに円筒状に設けられる空洞部３７と、第２整合部３５の前方側である空洞部３７の前端部３７ｂから誘電体ホーン３の前端にかけての長さ方向にわたって円錐台形状に広がり前端で開口する空間３１を有するホーン部３６とを備えている。

ここで、金属ホーン２の前端側２ａの外径と、金属ホーン２の開口径と、ホーン部３６の外径と、ホーン部３６の円錐台形状の空間３１の開口径はほぼ等しい円形とされており、円形導波管１の前方に形成されるこれら金属ホーン２と誘電体ホーン３（ホーン部３６）の外観形状は一つの連続する円柱体形状をなしている。そしてその断面外形状は、金属導波管１のそれに対応する円形をなしている。また、金属ホーン２の長さ方向の中心軸とホーン部３６の長さ方向の中心軸とは、円形導波管１の中心軸と一致している。

第２整合部３５は、空洞部３７の後端３７ａに設けられており、空洞部３７に連続する空洞の第１テーパ部３５ａと第２テーパ部３５ｂとが段差を有して形成されているが、テーパ状ではなく段差を有する平面により構成するようにしても良い。

空洞部３７は、ホーン部３６の前端３６ａから第２整合部３５までの距離Ｄを定めるために設けられている。この空洞部３７の長さは、製造の容易性から、ホーン部の開き角を所定の大きさにするとともに、距離Ｄを適宜なものとするために設定されているものであり、設計によっては、この空洞部３７は必須ではない。この第２整合部３５、空洞部３７、及び第１整合部３４の中心軸もまた円形導波管１の上述した中心軸と一致している。

以上の構成において、誘電体ホーン３は一体的に形成されており、金属ホーン充填部３２と、導波管充填部３３と、ホーン部３６とは一体成型されている。

金属ホーン２の後端側２ｂに接続される円形導波管１は、金属ホーン２と別に成形されて溶着等、適宜な方法で接続される。本例の場合は、円形導波管１の前端側に段差部１ａを設け、該段差部１ａの外周部に金属ホーン２のリング状の係止部２ｃが係止され、溶着により接続されている。

そして、円形導波管１の外径は、金属ホーン２の外径よりもわずかに小さくされている。また、金属ホーン２から円形導波管１の外周全面がＰＦＡ（フッ素樹脂）チューブ４，５で覆われている。ＰＦＡは、四フッ化エチレンとパーフルオロアルコキシエチレンとの共重合体で、パーフルオロ樹脂として化学的・電気的・機械的特性及び表面特性を有する。また、ＰＦＡは溶融成形できる熱可塑性樹脂としての特性も有しているため、熱溶融成形法による加工性に優れている。

なお、本実施の形態において、金属ホーン２を覆う第１ＰＦＡチューブ４と円形導波管１を覆う第２ＰＦＡチューブ５とはそれぞれの内径が異なる別体として設けられ、第１ＰＦＡチューブ４は金属ホーン２の外径寸法に、第２ＰＦＡチューブ５は円形導波管１の外径寸法にそれぞれ対応した内径を有している。

このようにＰＦＡチューブ４，５を、金属ホーン２を覆う部分と円形導波管１を覆う部分とで、別体とすることにより、周囲温度が変化し、第２ＰＦＡチューブ５が伸びることが生じても、それが第１ＰＦＡチューブ４に及ぼす影響を軽減でき、その結果、金属ホーン２とその内部に充填された誘電体（導波管充填部３３）との間に隙間が生じることを防止することができる。もっとも、それが許容できる範囲においては、これら第１、第２ＰＦＡチューブ４，５は一体的な一つのチューブで構成してもよい。

以上の構成において、本実施の形態のホーンアンテナにおいて、図示しない電波レベル計の本体から円形導波管１に供給された電波は、第１整合部３４を介して、導波管充填部３３の円形導波管１に伝送され、さらに、円形導波管１から連続的に広がる金属ホーン２に沿った形で広がりながら、金属ホーン２の内部の金属ホーン充填部３２を伝送される。そして、金属ホーン２の前端側２ａに達した電波は、ホーン部３６の内部を伝搬しつつ、少しずつ誘電体近傍の空間にも広がり、ホーン部３６の前端側から放射される。

そして、誘電体ホーン３の外周形状は円柱状をなし、内側は金属ホーン２から離れるにしたがって、径が大きくなる円錐台形状の空間３１をなすため、金属ホーン２の近傍では誘電体の肉厚が厚く、前端側３１ａの開口部に向かうにしたがって肉厚が薄くなっている。このため、電波は、金属ホーン２の開口付近では、その電力は誘電体ホーン３の内部にほとんど存在するが、誘電体ホーン３の前端に向かうにしたがって、ホーン部３６の外にエネルギーが広がりながら伝搬するようになる。

そして、電波の放射開口面である誘電体ホーン３の前端側では、誘電体ホーン３の外径よりも外側にまで電波が広がった状態の電力分布である。よって、実効的なアンテナの開口面積は誘電体ホーンの物理的な寸法に比べて大きくなり、同じ径を有する従来の金属ホーンに比べて大きな利得が得られることになる。また、誘電体ホーンの形状をシンプルにできるため、その製造も容易となる。

（実施の形態２）
図２を用いて、実施の形態２について説明する。
なお、図２において、実施の形態１と相当物には、同じ符号を付しており、ここでの説明を省略する。

実施の形態１においては、金属ホーンと円形導波管を別体構造としたが、図２に示すように、一体構造としてもよい。この場合、金属ホーン２Ａの外径と円形導波管１Ａの外径を等しくすると、製造が容易となる。

また、実施の形態２は、第２整合部３５Ａとホーン部３６Ａとの間に、実施の形態１で示したような空洞部（図１）が形成されておらず、ホーン部３６Ａが直接第２整合部３５Ａに接続される。また、第２整合部３５Ａの形状は、単に段差を有する面構造（円平面構造）とされている。

さらに、実施の形態２では、金属ホーン２Ａの外径と円形導波管１Ａの外径とが等しい場合を示している。

（実施の形態３）
図３〜図５を用いて、実施の形態３について説明する。
図３において、実施の形態１と相当物には同じ符号を付しており、ここでの説明を省略する。

実施の形態３の誘電体ホーン３Ｂは、実施の形態１で示した誘電体ホーン３のホーン部３６の前端側３１ａ（すなわち、誘電体ホーンの先端）周縁に、該周縁から三角形状に突出する複数の突出部３８を設けるようにしたものである。より詳しくは、この三角形状はホーン部３６の前端側３１ａの円形状の周縁方向全域に沿って等間隔となるよう周期的に設けられ、誘電体ホーン３Ｂの先端周縁の先端部が三角波形状に形成されている。この場合、誘電体ホーン３Ｂの先端から第２整合部３５までの距離Ｄは、実施の形態１と同じ、即ち三角形状の突出部の基部、すなわちホーン部３６の前端側３１ａからの距離でも良いし、突出部３８の頂部３８ａからの距離であっても良い。

実施の形態３の作用、効果について、図４と図５を用いて以下に説明する。
ホーンアンテナを水蒸気雰囲気の中で使用すると、誘電体ホーン３の表面に水滴４１が付着する。電波レベル計のようにアンテナが下向きの場合、アンテナ表面の一部の水滴は下方向に移動し、アンテナ先端に滞留する。

図４に示すように、誘電体ホーン３（ホーン部３６）の先端が平坦な場合、先端に滞留する水滴４１の量が多くなり、アンテナに給電された電波のうち一部がアンテナ先端で反射され、電波が電波レベル計本体に戻り、電気的性能に関してその効果が低減されるおそれがある。

図５に示すように、ホーン部３６の前端側に三角形の突出部３８を周期的に設けると、アンテナ先端である三角形の頂部３８ａに水滴が流れ、滞留する水滴４１の量は少なくなる。このとき、アンテナ先端で反射される電波も小さくなり、電気的性能が改善される。

以上に説明した実施の形態は、金属ホーンや誘電体ホーンのホーン部が円錐台形状について説明したが、角錐台形状のものであっても良いことは言うまでもない。この場合、前後方向に垂直な金属ホーンの断面外形状、誘電体ホーンの断面外形状、およびそれらの空間の断面形状は四角形状となる。また、第１整合部は四角錐状に導波管後方に突出する。

また、実施の形態３で示した突出部３８の形状は、三角形状について説明したが、突出部３８の基部側（前端側３１ａ）から先端側（頂部３８ａ）にかけて、狭くなってゆくような形状であれば、どのような形状でもよい。

本発明は、その要旨または主要な特徴から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。そのため、前述の実施の形態は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、何ら拘束されない。更に、特許請求の範囲の均等範囲に属する全ての変形、様々な改良、代替および改質は、全て本発明の範囲内のものである。

１、１Ａ 円形導波管
２、２Ａ 金属ホーン
３、３Ａ、３Ｂ 誘電体ホーン
４ 第１ＰＦＡチューブ
５ 第２ＰＦＡチューブ
２１ 円錐台形状の空間
３１，３１Ａ 円錐台形状の空間
３２ 金属ホーン充填部
３３ 導波管充填部
３４ 第１整合部
３５，３５Ａ 第２整合部
３６，３６Ａ ホーン部
３７ 空洞部
３８ 突出部
３８ａ 頂部

Claims (8)

1. 導波管が後端側に接続されることができる金属ホーンと、該金属ホーンの先端側に接続される誘電体ホーンとを備えるホーンアンテナであって、
   前記金属ホーンは、後端側に前記導波管の導波路の断面形状と同一の開口を有し、該開口から先端側にかけて錐台形状に広がる空間を備え、
   前記誘電体ホーンは、前記錐台形状の空間を充填する金属ホーン充填部と、前記金属ホーン充填部の後端側に設けられ、前記導波管の所定長さ部分を充填する導波管充填部と、前記導波管充填部の後端側に設けられ、前記導波管と前記誘電体ホーンとを整合させる第１整合部と、前記金属ホーン充填部の先端側の断面中央部に設けられ、前記誘電体ホーンと空気を整合させる第２整合部と、該第２整合部の前方側から前端側に錐台形状に広がり、前記誘電体ホーンの先端側に開口する空間を有するホーン部とを備え、
   前記金属ホーンと前記ホーン部は、前後方向に垂直な断面外形状が前記導波管の断面外形状と同じ形をなし、かつ前記金属ホーンと前記ホーン部それぞれの前後方向に垂直な断面外形状はそれらの先端部において同一の形及びサイズをなしているホーンアンテナ。
2. 前記金属ホーンの後端に前記導波管が一体的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のホーンアンテナ。
3. 前記導波管は円形導波管であり、前記金属ホーンと誘電体ホーンの断面外形状は円形であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のホーンアンテナ。
4. 前記導波管の断面外形状は、前記金属ホーンの断面外形状よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のホーンアンテナ。
5. 前記導波管と前記金属ホーンの外周は、フッ素樹脂チューブで覆われていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のホーンアンテナ。
6. 前記フッ素樹脂チューブは、金属ホーンを覆う第１ＰＦＡチューブと、導波管を覆う第２ＰＦＡチューブとが、別体とされていることを特徴とする請求項５に記載のホーンアンテナ。
7. 前記誘電体ホーンの先端周縁に先端側に突出する突出部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のホーンアンテナ。
8. 前記突出部は三角形状をなし、前記誘電体ホーンの先端周縁の先端部が三角波形状に形成されていることを特徴とする請求項７に記載のホーンアンテナ。

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