JP6300672B2 - アレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、キャビティアンテナが周期的に配列されているアレーアンテナ装置に関するものである。

近年、情報通信機器やレーダの高機能化・高性能化に対応するため、複数の素子アンテナが配列されているアレーアンテナ装置、あるいは、各々の素子アンテナに移相器が接続されているフェーズドアレーアンテナ装置が広く使用されている。
例えば、アレーアンテナ装置を航空機や自動車などに搭載する場合、積載スペースや積載重量が制限されるため、アレーアンテナ装置は、小型あるいは低姿勢で、かつ、軽量であることが求められる。

以下の特許文献１，２には、低姿勢で軽量なアンテナとして、キャビティアンテナが開示されている。
このキャビティアンテナを素子アンテナとして周期的に配列し、各々のキャビティアンテナに移相器を接続してフェーズドアレーアンテナ装置を構成する場合、ビームを走査する際には、各キャビティアンテナの間の相互結合やアンテナ開口の周期構造に起因して発生する表面波や漏れ波の影響によって、アレーアンテナ装置のアクティブインピーダンスが変化する。
その結果、使用する電波の周波数や、ビームの走査角度によっては、アクティブインピーダンスが劣化して、不整合損失の増大（アンテナ利得の低下）を招くおそれがある。

以下の特許文献３には、ビーム走査時のアンテナ利得の低下を改善しているアレーアンテナ装置が開示されている。
図７は特許文献３に開示されているアレーアンテナ装置を示す斜視図である。
このアレーアンテナ装置では、素子アンテナとしてダイポールアンテナ１０１を使用し、ダイポールアンテナ１０１が地導体板１００上に周期的に配列されている。
ダイポールアンテナ１０１は、放射部１０１ａと給電線路部１０１ｂから構成されており、給電線路部１０１ｂの高さ寸法は、使用する電波の周波数の略１／４波長に相当し、放射部１０１ａは、地導体板１００から略１／４波長の位置に設けられている。
なお、ダイポールアンテナ１０１は、広角方向（Ｚ方向から離れた方向）にビームを走査しても、グレーティングローブが発生しない条件から決まる間隔で周期的に配列されている。

このアレーアンテナ装置では、ダイポールアンテナ１０１に隣接してポール１０２が設けられている。
ポール１０２は、地導体板１００上に略垂直に設置されている金属柱であり、ダイポールアンテナ１０１が配列されている周期と同一の周期で配列されている。

ここで、地導体板１００上に配列されている複数のダイポールアンテナ１０１のうち、任意の１つのダイポールアンテナ１０１に対して電波を給電すると、当該ダイポールアンテナ１０１から電波が空間に放射されるが、空間に放射された電波の一部が、当該ダイポールアンテナ１０１と隣接している他のダイポールアンテナ１０１に照射される。
その結果、電波が照射された他のダイポールアンテナ１０１に誘起電流が励起されるため（特に、給電線路部１０１ｂに誘起電流が励起される）、他のダイポールアンテナ１０１から電波が空間に放射される電波の再放射が起こる。

これにより、アレーアンテナ装置における電波の放射パターンは、電波が給電された１つのダイポールアンテナ１０１から空間に放射された電波と、隣接している他のダイポールアンテナ１０１から空間に放射された電波とが重畳されたものとなる。
このため、アレーアンテナ装置における電波の放射パターンのパターン形状は、一般的にビーム幅が細い形状になり、広角方向（Ｚ方向から離れた方向）でのアンテナ利得が低下する。

このアレーアンテナ装置では、広角方向でのアンテナ利得の低下を改善するために、ポール１０２をダイポールアンテナ１０１に隣接するように配置している。
任意の１つのダイポールアンテナ１０１に対して電波を給電すると、当該ダイポールアンテナ１０１から空間に放射された電波の一部がポール１０２にも照射されて、ポール１０２に誘起電流が励起されるため、ポール１０２から電波が空間に放射される電波の再放射が起こる。
ポール１０２での誘起電流によって再放射される電波のパターン形状は、図中、Ｚ方向で低い利得になり、広角方向（Ｚ方向から離れた方向）で高い利得を有するものになる。

このアレーアンテナ装置では、電波が給電される１つのダイポールアンテナ１０１から空間に放射される電波と、ポール１０２での誘起電流によって再放射される電波とが略同相で合成されるように、ポール１０２の高さが調整されている。
その結果、電波が給電される１つのダイポールアンテナ１０１の放射パターンは、ポール１０２が配置されていない場合と比べてビーム幅が太くなり、広角方向でのアンテナ利得の低下が小さい放射パターンになる。

特許文献３に開示されているアレーアンテナ装置では、素子アンテナとしてダイポールアンテナ１０１を使用しているが、素子アンテナとして導波管開口アンテナを使用しているアレーアンテナ装置が以下の非特許文献１に開示されている。
このアレーアンテナ装置では、導波管開口アンテナから空間に放射された電波の一部が、隣接している導波管開口アンテナに入り込む素子間結合の影響で、アクティブインピーダンスが大きく変化することがある。
そこで、導波管開口アンテナから空間に放射された電波の一部が、隣接している導波管開口アンテナに入り込まないようにするために、隣り合っている導波管開口アンテナの間に、電波を遮蔽する金属壁を設けている。この金属壁の高さは、使用する電波の周波数によって決定される。

特開昭５８−１６８３０４号公報（図１） 特開平２−５７００２号公報（図１） 特開２００２−１８５２４５号公報（段落番号［００１３］、図１）

Mailloux, R.J., "Surface waves and anomalous wave radiation nulls on phased arrays of TEM waveguides with fences," Antennas and Propagation, IEEE Transactions on , vol.20, no.2, pp.160,166, Mar 1972

従来のアレーアンテナ装置は以上のように構成されているので、特許文献３の場合、電波が給電されるダイポールアンテナ１０１から空間に放射される電波と、ポール１０２から起こる再放射の電波とが略同相で合成されるように、ポール１０２の高さが調整されていれば、広角方向（Ｚ方向から離れた方向）でのアンテナ利得の低下を抑えることができる。しかし、ポール１０２の高さはダイポールアンテナ１０１に給電する電波の周波数に応じて適宜調整できるものではなく、固定の高さであるため、ダイポールアンテナ１０１に給電する電波の周波数が変えられた場合、広角方向でのアンテナ利得の低下を十分に抑えることができなくなってしまうという課題があった。
また、非特許文献１の場合、導波管開口アンテナに給電する電波の周波数が変えられた場合、金属壁が電波を遮蔽する効果が低下し、広角方向でのアンテナ利得の低下を十分に抑えることができなくなってしまうという課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、給電する電波の周波数が変えられても、広角方向でのアンテナ利得の低下を抑えることができるアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアレーアンテナ装置は、複数の開口部を有する地導体板と、地導体板における複数の開口部に形成されている凹み部である導電性キャビティと、導電性キャビティの側壁に施されている穴に挿入され、導電性キャビティの内部に電波を給電する給電部材と、導電性キャビティの内部に設けられている導体平板と、地導体板の表面に立てられている金属柱とを備え、その金属柱の高さ寸法が、給電部材により給電される電波の周波数帯域に対応する波長のうち、その周波数帯域における低周波数側の帯域端に対応する波長の４分の１より長い長さに設定されているようにしたものである。

この発明によれば、地導体板の表面に立てられている金属柱の高さ寸法が、給電部材により給電される電波の周波数帯域に対応する波長のうち、その周波数帯域における低周波数側の帯域端に対応する波長の４分の１より長い長さに設定されているように構成したので、給電部材から給電される電波の周波数が変えられても、広角方向でのアンテナ利得の低下を抑えることができる効果がある。

この発明の実施の形態１によるアレーアンテナ装置を示す斜視図である。 図１のアレーアンテナ装置を示す上面図である。 図１及び図２のアレーアンテナ装置のＡ−Ａ断面図である。 金属柱７が設けられていない場合のアンテナ開口付近での電波の電界分布を示す模式図である。 金属柱７が設けられている場合のアンテナ開口付近での電波の電界分布を示す模式図である。 この発明の実施の形態２によるアレーアンテナ装置を示す上面図である。 特許文献３に開示されているアレーアンテナ装置を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるアレーアンテナ装置を示す斜視図である。
図２は図１のアレーアンテナ装置を示す上面図であり、図３は図１及び図２のアレーアンテナ装置のＡ−Ａ断面図である。
図１から図３において、地導体板１は矩形状の開口部が周期的に施されている。図１及び図２では、９個の開口部が施されている例を示しているが、開口部の個数は、９個に限るものではなく、８個以下でも１０個以上でもよい。

導電性キャビティ２は地導体板１の開口部に形成されている凹み部である。
即ち、導電性キャビティ２は断面形状が矩形形状の導電性シャシで構成されており、開放面２ａ（図３中、導電性キャビティ２の上側）が地導体板１の開口部と一致している。
導電性キャビティ２における開放面２ａと反対側の端面２ｂ（図３中、導電性キャビティ２の下側）は、板状の導体からなる短絡導体壁によって塞がれ、電気的に短絡されている。
また、導電性キャビティ２の側壁２ｃには、給電プローブ挿入用の穴３が施されている。

給電プローブ４は導電性キャビティ２の側壁２ｃに施されている穴３に挿入され（導電性キャビティ２の中心軸（図３中、Ｚ方向）に対して垂直に挿入されている）、導電性キャビティ２の内部に電波を給電する給電部材である。
導体平板５は断面形状が矩形の金属板であり、導電性キャビティ２の中心軸（図３中、Ｚ方向）に対して垂直になるように、導電性キャビティ２の内部に配置されている。
なお、導電性キャビティ２、給電プローブ４及び導体平板５からキャビティアンテナ６が構成されており、図１及び図２では、９個のキャビティアンテナ６が周期的に配置されている例を示している。ただし、キャビティアンテナ６の個数は、９個に限るものではなく、８個以下でも１０個以上でもよいが、所定のビーム走査範囲内で、ビームを走査する際、グレーティングローブが出ない間隔で周期的に配列されている。

金属柱７はＹ方向に隣接しているキャビティアンテナ６の間（あるいは、地導体板１の端面とキャビティアンテナ６の間）に位置するように、地導体板１の表面に対して垂直に立てられている。
金属柱７の高さ寸法は、給電プローブ４により給電される電波の周波数帯域に対応する波長のうち、その周波数帯域における低周波数側の帯域端に対応する波長の４分の１より長い長さに設定されている。
なお、各々の金属柱７は、キャビティアンテナ６が配列される周期と同一の周期で配列されている。

図４は金属柱７が設けられていない場合のアンテナ開口付近での電波の電界分布を示す模式図であり、図５は金属柱７が設けられている場合のアンテナ開口付近での電波の電界分布を示す模式図である。

次に動作について説明する。
最初に、金属柱７が設けられていない場合を説明する。
給電プローブ４が導電性キャビティ２の内部に電波を給電すると、この電波は、導電性キャビティ２の内部を伝わり、導電性キャビティ２の開放面２ａから空間に放射される。
このとき、導電性キャビティ２の内部には電界を遮るように導体平板５が配置されているので、導体平板５は、給電プローブ４の入力インピーダンスに対して並列の容量性及び誘導性の成分を付加するように作用し、いわゆる共振回路として動作する。即ち、導体平板５は、広帯域に亘ってインピーダンスの整合を実現する非励振素子として動作する。

導電性キャビティ２の内部の電界分布は、図４に示すように、主として、矩形導波管のいわゆる基本モードであるＴＥ０１モードになり、Ｙ方向に平行な電界成分を主として有する。空間に放射される電波（Ｚ方向に照射される電波）もＹ方向に平行な偏波を主偏波として有する。
ただし、キャビティアンテナ６の開口部（導電性キャビティ２の開放面２ａ）では、キャビティアンテナ６と外部の空間との不連続面になるため、矩形導波管のいわゆる高次モードであるＴＭ１１モードの電界（Ｙ方向成分及びＺ方向成分を持つ電界）も少なからず発生する。
外部の空間からキャビティアンテナ６との不連続面を見ると、所定の表面インピーダンスを有するものとなり、導体平板５は、その表面インピーダンスを周期的に有する構造とみなすことができる。
このような表面インピーダンスを周期的に有する導体平板５上は、表面波あるいは漏れ波と呼ばれる電波の伝搬が可能な状態になる。

ここで、ＹＺ面でのビーム走査（Ｅ面ビーム走査）を行う場合を考える。
Ｅ面ビーム走査を行う場合、一般的に、表面インピーダンスが誘導性のリアクタンス成分を持つ場合に限り、表面波あるいは漏れ波が発生することが知られており、表面波あるいは漏れ波の電界分布は、Ｙ方向成分及びＺ方向成分を有する分布になる。
キャビティアンテナ６の開口部（導電性キャビティ２の開放面２ａ）には、上述したように、ＴＭ１１モードの電界（Ｙ方向成分及びＺ方向成分を持つ電界）が少なからず励起されるため、ＴＭ１１モードの電界が表面波あるいは漏れ波を誘起することになる。

また、Ｙ方向に隣接しているキャビティアンテナ６に対しては、ビーム走査のために、ビーム走査角に応じた位相差が付いている電波が給電されることになる。
Ｙ方向に隣接しているキャビティアンテナ６に給電される電波の位相差と、上記の表面波あるいは漏れ波がＹ方向に隣接しているキャビティアンテナ６の間を伝搬した際に生じる位相差とが同一になる場合、上記の表面波あるいは漏れ波が強く励起される。
表面波あるいは漏れ波が強く励起されると、空間に放射される電力が小さくなり、アンテナ利得が大きく低下する。
したがって、キャビティアンテナ６が周期的に配列されているアレーアンテナ装置でＥ面ビーム走査を行う場合のアンテナ利得の低下原因として、アンテナ開口面上を伝搬する表面波あるいは漏れ波の発生を挙げることができる。

次に、金属柱７が設けられている場合を説明する。
給電プローブ４が導電性キャビティ２の内部に電波を給電すると、この電波は、導電性キャビティ２の内部を伝わり、導電性キャビティ２の開放面２ａから空間に放射される。
導電性キャビティ２の内部の電界分布は、図５に示すように、主として、矩形導波管の基本モードであるＴＥ０１モードになり、Ｙ方向に平行な電界成分を主として有する。空間に放射される電波（Ｚ方向に照射される電波）もＹ方向に平行な偏波を主偏波として有する。
ただし、キャビティアンテナ６の開口部（導電性キャビティ２の開放面２ａ）では、金属柱７が設けられていない場合と同様に、矩形導波管の高次モードであるＴＭ１１モードの電界（Ｙ方向成分及びＺ方向成分を持つ電界）が少なからず発生する。

アンテナ開口面上を伝搬する表面波あるいは漏れ波の電界分布は、Ｙ方向成分及びＺ方向成分を有する分布になるが、地導体板１に垂直に立てられている金属柱７（Ｚ方向に平行な金属柱７）が配置されているので、金属柱７の伸長方向に平行な電界（Ｚ方向成分の電界）の発生が抑圧される。これは、金属表面においては、金属表面に対して平行な方向の電界が零になる性質があるためであり、金属柱７の伸長方向に平行な電界（Ｚ方向成分の電界）の発生が抑圧される。
この実施の形態１では、Ｙ方向成分の電界が強い位置（キャビティアンテナ６におけるＸ方向の中心付近）に金属柱７が立てられており、Ｙ方向成分の電界が弱い位置（キャビティアンテナ６におけるＸ方向の端部付近）には金属柱７が立てられていないが、金属柱７が立てられていない位置の電界（キャビティアンテナ６におけるＸ方向の端部付近の電界）は、金属柱７が立てられている位置の電界（キャビティアンテナ６におけるＸ方向の中心付近の電界）に引きずられる形で、金属柱７によってＺ方向成分の電界の発生が抑圧される。

このように、金属柱７の伸長方向に平行な電界（Ｚ方向成分の電界）の発生が抑圧されることで、表面波あるいは漏れ波の発生が抑圧される。そのため、Ｅ面ビーム走査を行っても、アンテナ利得の低下原因になる表面波あるいは漏れ波の発生が抑圧されるので、アンテナ利得の低下を防止することができる。
なお、金属柱７の高さは、給電プローブ４により給電される電波の周波数帯域に対応する波長のうち、その周波数帯域における低周波数側の帯域端に対応する波長の４分の１より長い長さに設定されているので、給電プローブ４により給電される電波の周波数が、当該周波数帯域の範囲内であれば（当該周波数帯域の範囲外の周波数の電波は通常使用されない）、電波の周波数が変化しても、Ｚ方向成分の電界の発生を抑圧することができる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、地導体板１の表面に立てられている金属柱７の高さ寸法が、給電プローブ４により給電される電波の周波数帯域に対応する波長のうち、その周波数帯域における低周波数側の帯域端に対応する波長の４分の１より長い長さに設定されているように構成したので、給電プローブ４から給電される電波の周波数が当該周波数帯域の範囲内で変えられても、広角方向でのアンテナ利得の低下を抑えることができる効果を奏する。
また、地導体板１の表面に対して金属柱７を立てるだけであるため、アレーアンテナ装置の重量が大幅に増大することがなく、また、アレーアンテナ装置が大型化することもない。このため、航空機や自動車等への搭載性の劣化を防止することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、Ｙ方向成分の電界が強い位置（キャビティアンテナ６におけるＸ方向の中心付近）に金属柱７が立てられているものを示したが、金属柱７が立てられる位置は、Ｙ方向成分の電界が強い位置（キャビティアンテナ６におけるＸ方向の中心付近）に限るものではない。
例えば、図６（ａ）に示すように、Ｘ方向に隣接しているキャビティアンテナ６の間において、キャビティアンテナ６におけるＹ方向の中心付近に金属柱７が立てられているものであってもよい。
また、図６（ｂ）に示すように、キャビティアンテナ６の開口部の四隅に金属柱７が立てられているものであってもよい。
また、図６（ｃ）に示すように、キャビティアンテナ６におけるＸ方向の端部付近に金属柱７が立てられているものであってもよい。
図６（ａ）〜（ｃ）のような位置に金属柱７が立てられている場合、Ｙ方向成分の電界が強い位置（キャビティアンテナ６におけるＸ方向の中心付近）に金属柱７が立てられる場合と比べて、Ｚ方向成分の電界の発生抑圧効果の程度に差異を生じる可能性はあるが、同様に、Ｚ方向成分の電界の発生を抑圧することができる。

上記実施の形態１では、導電性キャビティ２及び導体平板５の断面形状が矩形形状であるものを示したが、断面形状が矩形形状であるものに限るものではなく、例えば、断面形状が正方形状や円形形状などであってもよい。

上記実施の形態１では、金属柱７が円柱形状の金属である例を示したが、円柱形状の金属であるものに限るものではなく、例えば、角柱形状や平板形状などの金属であってもよい。
また、上記実施の形態１では、周期的に配列されている全ての金属柱７が同一の高さであり、かつ、同じ太さであるものを想定しているが、各々の金属柱７の高さが異なっていてもよいし、各々の金属柱７の太さが異なっていてもよい。
また、上記実施の形態１では、隣接しているキャビティアンテナ６の間に、１つの金属柱７が設けられているものを示したが、隣接しているキャビティアンテナ６の間に、複数の金属柱７が設けられていてもよい。

上記実施の形態１では、地導体板１の表面に対して金属柱７が垂直に立てられているものを示したが、地導体板１と金属柱７が一体的に形成された金属であってもよいし、地導体板１の表面に対して、金属柱７が取り付けられるものであってもよい。
地導体板１の表面に対して、金属柱７が取り付けられるものである場合、金属柱７の端部が嵌め合い用の軸構造を有するように金属柱７を成形し、また、地導体板１の表面に嵌め合い用穴を施すようにすればよい。これにより、金属柱７の端部における軸構造を、地導体板１の表面に形成されている嵌め合い用穴に圧入することで、金属柱７を地導体板１の表面に立てることができる。

また、金属柱７の端部がネジ山を備えた軸構造を有するように金属柱７を成形し、また、地導体板１の表面にネジ穴を施すようにすればよい。これにより、金属柱７の端部における軸構造を、地導体板１の表面に形成されているネジ穴にネジ止めすることで、金属柱７を地導体板１の表面に立てることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 地導体板、２ 導電性キャビティ、２ａ 導電性キャビティの開放面、２ｂ 開放面と反対側の端面、２ｃ 導電性キャビティの側壁、３ 給電プローブ挿入用の穴、４ 給電プローブ（給電部材）、５ 導体平板、６ キャビティアンテナ、７ 金属柱、１００ 地導体板、１０１ ダイポールアンテナ、１０１ａ 放射部、１０１ｂ 給電線路部、１０２ ポール。

Claims (6)

1. 複数の開口部を有する地導体板と、
   前記地導体板における複数の開口部に形成されている凹み部である導電性キャビティと、
   前記導電性キャビティの側壁に施されている穴に挿入され、前記導電性キャビティの内部に電波を給電する給電部材と、
   前記導電性キャビティの内部に設けられている導体平板と、
   前記地導体板の表面に立てられている金属柱とを備え、
   前記金属柱の高さ寸法が、前記給電部材により給電される電波の周波数帯域に対応する波長のうち、前記周波数帯域における低周波数側の帯域端に対応する波長の４分の１より長い長さに設定されていることを特徴とするアレーアンテナ装置。
2. 前記導電性キャビティ及び前記金属柱のそれぞれが周期的に配列されていることを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
3. 同じ方向に並んでいる前記導電性キャビティの間に前記金属柱がそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項２記載のアレーアンテナ装置。
4. 前記金属柱は、円柱形状、角柱形状、あるいは、平板形状の金属であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
5. 前記金属柱の端部が嵌め合い用の軸構造を有しており、前記金属柱の端部における軸構造が、前記地導体板の表面に形成されている嵌め合い用穴に圧入されることで、前記金属柱が前記地導体板の表面に立てられることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。
6. 前記金属柱の端部がネジ山を備えた軸構造を有しており、前記金属柱の端部における軸構造が、前記地導体板の表面に形成されているネジ穴にネジ止めされることで、前記金属柱が前記地導体板の表面に立てられることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアレーアンテナ装置。

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