JP6565838B2 - 導波管型可変移相器および導波管スロットアレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、導波管型の伝送線路を伝送される電磁波の位相を変化させる導波管型可変移相器、およびその導波管型可変移相器を用いた導波管型スロットアレーアンテナ装置に関するものである。

航空機や船舶、自動車等の様々な移動体に搭載する無線システムでは、自他の移動体の移動や、通信相手の切換等に応じて所望の方向に高速で電子ビームを指向させることができるアレーアンテナの有用性が高まっている。所望の方向に高速で電子ビームを指向させることが可能なアレーアンテナとしては、アレーアンテナを構成するそれぞれの素子アンテナを、移相器を含む高周波モジュールで励振する構成のアクティブフェーズドアレーアンテナが知られている。アクティブフェーズドアレーアンテナは、高周波モジュールによりそれぞれの素子アンテナから放射する電磁波の位相を所望の移相量だけ高速に制御することができるため、所望の方向に高速で電子ビームを指向させることができる。しかし、アクティブフェーズドアレーアンテナは、多数の高周波モジュールを必要とすることから、高価なものとなり易いことが、普及への課題となっている。また、アクティブフェーズドアレーアンテナは、多数の高周波モジュールが存在することや、多数の高周波モジュールが発生する熱を冷却する冷却システムも必要とすることにより、アンテナ装置自体が大規模なものになり易い。このため、任意のビーム指向が可能でありながら、アクティブフェーズドアレーアンテナに比べて安価で、かつ小規模なアレーアンテナが必要となっている。

これに対し、安価かつ小規模なアレーアンテナとしては、導波管スロットアレーアンテナがある。導波管スロットアレーアンテナは、導波管に設けた複数のスロットをアンテナ素子として、それぞれのスロットから電磁波を送受信してビームを形成するものである。導波管型スロットアレーアンテナを使用すると、構造として簡単な上に、複数の高周波モジュールを必要としないため、小規模かつ安価なアレーアンテナを得ることができる。また、導波管型スロットアレーアンテナは、給電に導波管を使用しているため、低損失で送受信ができるという利点もある。また、導波管スロットアレーアンテナは、導波管がアンテナ素子と給電部とを兼ねるため、アレーアンテナ全体が薄くなるという利点もあり、移動体に搭載する上では、利点が多い。しかし、導波管では、伝送する電磁波に対して位相の制御を行うことは、困難である。このため、導波管スロットアレーアンテナでは、安価、小型等の利点がある反面、所望の方向に高速で電子ビームを指向させることが課題となる。つまり、導波管に、電磁波を伝送するとともに伝送する電磁波に高速で所望の量の移相を行う機能を持たせることが課題となる。

導波管により電磁波の移相を行う従来の技術としては、スロットアレーアンテナで伝送される電磁波の波長を変化させることにより、それぞれのスロットから漏れ出す電磁波の間に所望の位相差を持たせる技術がある（例えば、非特許文献１参照）。また、アレーアンテナを上側の電磁波を放射する金属板とコルゲート溝構造を設けた下側の金属板との２層構造にして、その間を伝搬する平行平板モードを利用し、上下層を機械的に回転させることで、給電点から放射素子までの経路長を変化させて位相制御を行う技術（例えば、特許文献１参照）がある。

米国特許第６９１９８５４号明細書

Takaoki Ikeda, Kunio Sakakibara,"Beam-Scanning Performance of Leaky-Wave Slot-Array Antenna on Variable Stub-Loaded Left-Handed Waveguide," IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 56, NO. 12, DECEMBER 2008

しかし、非特許文献１の技術では、位相を変化させるために、伝送する電磁波の周波数を変化させるため、使用する電磁波の周波数が無線システムで制限されている条件の下では、位相を変化させることができないという課題がある。このため、非特許文献１の技術を用いてアレーアンテナを構成しても、無線システムとして使用する電磁波の周波数が決められている状況では、任意の方向に電子ビームを指向させることができないという課題がある。また、特許文献１に記載の技術では、導波管を伝送される電磁波の位相を変化させるために、金属板を機械的に回転させる駆動機能を必要とする。このため、位相を調整するための構造が大規模なものとなり、また、高速で位相を変化させることが困難である。このため、特許文献１の技術を用いてアレーアンテナを構成しても、高速で電子ビームを指向させることは困難であるという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためにされたもので、伝送される電磁波の位相を高速に変化させることができる導波管型移相器、および電子ビームを所望の方向に高速に指向させることができる導波管スロットアレーアンテナ装置を提供することを目的とする。

この発明に係る導波管型可変移相器は、電磁波が伝送される導波管部と、前記導波管部を伝送される電磁波の位相を調整する複数の位相調整部とを備えた導波管型可変移相器であって、前記導波管部は、壁面に、入力側から出力側に向けて配列された複数の結合スロットが形成され、前記位相調整部は、前記結合スロットが絶縁性の開口となる導電性のキャビティと、前記結合スロットにおける前記入力側に形成された一方の端子と、前記結合スロットにおける前記出力側に形成された他方の端子と、前記一方の端子と前記他方の端子とに接続され前記一方の端子と前記他方の端子との間が電気的に接続している導通状態と電気的に接続していない非導通状態とを切り換える切換部とを有するものである。

この発明に係る導波管スロットアレーアンテナ装置は、前記導波管型可変移相器を備えた導波管スロットアレーアンテナであって、前記導波管部は、前記結合スロットが設けられた部分以外の壁面に電磁波を放射する複数の放射スロットが形成されたことを特徴とするものである。

以上のように、この発明によれば、伝送される周波数の電磁波に対して高速に位相を調整できる導波管型可変移相器、および、電磁波のビームを高速で指向されることができる導波管スロットアレーアンテナ装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る導波管型可変移相器の構成を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る導波管型可変移相器の内部を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る導波管型可変移相器の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る導波管型可変移相器の電磁波の位相を変化させる原理を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る導波管型可変移相器の他の構成の例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る導波管型可変移相器の内部を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る導波管型可変移相器の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態２に係る導波管型可変移相器の切換部付近の構成を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係る導波管スロットアレーアンテナの構成を示す図である。 この発明の実施の形態４に係る導波管スロットアレーアンテナの構成を示す図である。

図１は、この発明の実施の形態１に係る導波管型可変移相器の構成を示す斜視図である。導波管型可変移相器１０００は、導波管部１０と、位相調整部２０を備えている。図１においては、導波管部１０には、「ＩＮＰＵＴ」と記載した部分から電磁波が入力され、「ＯＵＴＰＵＴ」と記載した部分より電磁波が出力される。導波管１０においては、「ＩＮＰＵＴ」に近い側が、入力側であり、「ＯＵＴＰＵＴ」に近い側が、出力側である。導波管部１０の電磁波が伝送される方向（以下、伝送方向という）をＸ方向とする。Ｙ方向、Ｚ方向は、それぞれ伝送方向であるＸ方向に交差する方向である。導波管部１０と位相調整部２０の境界はＸＹ平面と平行であり、導波管部１０と位相調整部２０とは、Ｚ方向に並ぶ構成となっている。また、導波管部１０内部の壁面については、Ｚ方向を正面方向として、−Ｚ方向を背面方向、Ｙ方向及び−Ｙ方向を、側面方向とする。このように、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向を定めても一般性を失うものではない。導波管型可変移相器１０００は、導波管部１０をＸ方向に伝送される電磁波の位相を、位相調整部２０により変化させる。

図１において、導波管部１０は、正面導体面１１の伝送方向に沿った他方の端に接続する第１側面導体面１２と、正面導体面１１と対向し、伝送方向に沿った一方の端が第１側面導体面１２と接続し、伝送方向に沿った他方の端が第２側面導体面１３と接続する背面導体面１４とを備えている。正面導体面１１、第１側面導体面１２、第２側面導体面１３、および背面導体面１４は、それぞれが導体部１０の内部の空間に向かう、導体で構成された面（以下、導体面という）である。

図１において、導波管部１０は、その壁面である背面導体面１４に、入力側から出力側に向けて配列された複数の結合スロット２１が形成されている。結合スロット２１は、導波管部１０の壁面に設けられた穴、または、導波管部１０の壁面の導体が穴の形に欠けている部分である。結合スロット２１は、導波管部１０と位相調整部２０とを結合させるものである。図１においては、導波管部１０が対向する２組の導体の壁面を有し、断面が長方形となる矩形導波管である例を示しているが、導波管部１０は、矩形導波管以外でも構わない。導波管部１０は、例えば円形の導波管等でも良い。また、結合スロット２１についても、図１のような矩形導波管のどの導体面に設けられていても良いし、複数の導体面に設けられていても良い。また、円形等の導波管の壁面の一部の方向の壁面に設けられていても、全周の壁面に設けられていても良い。

位相調整部２０は、キャビティ２２と端子２３、２４と切換部２５とを備えている。キャビティ２２は、結合スロット２１が絶縁性の開口となっている。すなわち、キャビティ２２の開口部である結合スロット２１は、導体が穴の形に欠けている状態であれば良い。キャビティ２２は、背面導体面１４と連続した導体であり、背面導体面１４から、正面導体面１１に向かう方向（Ｚ方向）とは反対側に、決められた溝深さだけ凹んでいる。キャビティ２２は、空洞であっても、絶縁物（誘電体）が形成されていても良い。背面導体面１４は、キャビティ２２によって、導波管部１０を伝送される電磁波の入力側と出力側とに分けられている。キャビティ２２の深さは、導波管部１０により伝送される電磁波の管内波長の２分の１以下となっている。

図２は、導波管型可変移相器１０００の内部をＺ方向から見た図である。背面導体面１４の結合スロット２１が設けられている部分には、２つの端子２３，２４と、この端子２３，２４と接続する切換部２５が設けられている。端子２３は、結合スロット２１における導波管部１０の入力側に設けられた端子である。端子２４は、結合スロット２１における導波管部１０の出力側に設けられた端子である。切換部２５は、端子２３および端子２４に接続し、端子２３と端子２４の間が電気的に接続している導通状態と電気的に接続していない非導通状態とで切り換えるものである。位相調整部２０は、結合スロット２１毎に設けられている。すなわち、位相調整部２０は、導波管型可変移相器１０００の入力側から出力側に向けて複数設けられている。

制御部３０は、それぞれの切換部２５の導通状態と非道通状態との切り換えを独立に制御する。制御部３０は、電子回路や電子計算機などにより構成される。制御部３０が出力する制御信号は、制御信号伝送部４０が、それぞれの切換部２５に伝送する。制御信号伝達部４０としては、例えば、切換部２５毎に、接地レベルなどの基準電位に対する電圧信号を伝達する１本の信号線を設けても良く、また、切換部２５毎に一組の差動信号を伝達する２本の信号線などを設けて良い。また、制御信号伝達部４０は、例えば、切換部２５毎に、基準電位と基準電位に対する電圧信号を伝送する２本の信号線であっても良い。制御部３０は、制御信号伝達部４０を介して、複数の切換部２５を独立に高速で制御する。

図３は、図１に示した導波管型可変移相器１０００のＸＺ平面における構成を示したものである。図３は、図２のＡ−Ａの位置における断面を示している。制御信号伝送部４０は、それぞれの切換部２５と接続されている。また、制御信号伝送部４０は、導波管部１０内を伝送される電磁波による影響を避けるため、背面導体面１４の正面導体面１１に向かう側とは反対側に、背面導体面１４から絶縁されて設けられている。なお、制御信号伝達部４０としては、導波管部１０内を伝送される電磁波の影響を受けないこと、背面導体面１４から絶縁されていることが満足されれば良い。このため、制御信号伝送部４０は、図３の構成に限らず、導波管部１０の壁面より外側に設けられる。このため、例えば、図３の構成の他に、正面導体面１１、第１側面導体面１２、または第２側面導体面１３のいずれかの導体面より導波管部１０の外側に配置しても良いし、背面導体面１４などのいずれかの導体面を構成する導体をくり抜き、くり抜いた中に制御信号伝達部４０を通すようにしても良い。

次に、図４により、導波管型可変移相器１０００の動作について説明する。導波管型可変移相器１０００は、導波管部１０のＸ方向に電磁波を伝送する。このとき、電磁波の伝送に伴い、導波管部１０のそれぞれの導体面には電流が発生し、発生した電流によりさらに導波管部１０に電界及び磁界が発生して電磁波として導波管部１０の中を伝送される。このため、それぞれの導体面に発生する電流の位相を調整することにより、導波管部１０を伝送される電磁波の位相を変化させることができる。

導波管型可変移相器１０００のキャビティ２２は、導波管部１０の背面導体面１４に、終端を短絡したスタブ構造を接続した構成となっている。キャビティ２２が、導波管１０の伝送方向であるＸ方向に、背面導体面１４を流れる電流を切るような構造となっている。これにより、導波管部１０に等価回路的には直列にキャパシタンスあるいはインダクタンスが装荷されることになる。キャビティ２２が、キャパシタンスあるいはインダクタンスのどちらの動作になるかはキャビティ２２の深さに依存する。キャビティ２２の深さが、導波管部１０の管内波長の４分の１よりも、やや短いとインダクティブに、やや長いとキャパシティブに働く。すなわち、キャビティ２２の深さを調整することで、キャビティ２２が無い場合に対して導波管内の移相量を減らしたり、増やしたりすることが可能となる。

切換部２５は、結合スロット２１における入力側の端子２３と出力側の端子２４に接続している。切換部２５は、このように接続し、端子２３と端子２４との間を電気的に接続している導通状態と電気的に接続していない非導通状態とで切り換える。このため、切換部２５の状態により、背面導体面１４を流れる電流について、導体溝部２１が電気的なスタブ構造として作用しなかったり、スタブ構造として作用したりする。すなわち、端子２３と端子２４の間が導通状態の場合は、切換部２５を通して、導波管部１０を伝送される電磁波の入力側と出力側の背面導体面１４の間で電流が流れる。このとき、図４に示す電流経路２００が主な電流経路となる。このため、キャビティ２２はスタブとして作用せず、導波管部１０は、直管の導波管と同様の特性により電磁波を伝送する。一方、端子２３と端子２４の間が非導通状態の場合は、背面導体面１４を流れる電流はキャビティ２２を経由する。このとき、図４に示す電流経路２０１が主な電流経路となる。このため、キャビティ２２はスタブとして作用する。具体的には、導通モードに対して、溝深さが管内波長の４分の１より、やや短いと位相遅れに、やや長いと位相進みとなる。

導波管型可変移相器１０００は、伝送方向であるＸ方向に沿って設けられた複数の位相調整部２０を備えている。このため、複数の位相調整部２０のそれぞれの切換部２５を制御部３０からの制御により独立に高速で切り換えることにより、導波管型可変移相器１０００は、伝送する電磁波の位相を所望の移相値で高速に調整することができる。

なお、図１に示す導波管型可変移相器１０００では、位相調整部２０のキャビティ２２の深さがすべて同じである例を示したが、図５に示す導波管型可変移相器１０００Ａのように、位相調整部２０がそれぞれ異なる深さのキャビティ２２を備えるようにして、異なるキャビティ２２の深さによる異なる値の位相進みや移相遅れを組み合せて、伝送する電磁波の位相を所望の移相値で高速に調整するようにしても良い。

また、それぞれのキャビティ２２の内部については、空洞であっても、その一部または全部に誘電体が形成されていても良い。キャビティ２２内に誘電体を形成することにより、キャビティ２２内の電磁波の波長が変化する。これにより、図５の構成と同様に、異なる値の位相進みや移相遅れを組み合せて、伝送する電磁波の位相を所望の移相値で高速に調整するようにしても良い。

また、導波管型可変移相器１０００においては、正面導体面１１、第１側面導体面１２、第２側面導体面１３、および背面導体面１４などの導波管部１０の壁面は、それぞれ、導体により形成される面であれば良く、例えば、板状の導体の表面や、基板上に形成された導体層や、角柱状にくり抜かれた導体内部の壁面などのいずれであっても良い。

また、図２では、切換部２５は、それぞれの導体溝部２１の中央部に１つ設けられているが、導体溝部２１毎に複数の切換部２５を設けても良いし、また、切換部２５の位置も導体溝部２１の中央部でなくても良い。また、導体溝部２１の形状についても、背面導体１４を流れる電流が導体溝部２１により切られれば良く、図２のような、断面が長方形の形状でなくても良い。

実施の形態２．
実施の形態２に係る導波管型可変移相器について、図６〜図８により説明する。図６は、導波管型可変移相器１０００Ｂの内部をＺ方向から見た図である。また、図７は、導波管型可変移相器１０００ＢのＸＺ断面における構成を示したものであり、図６のＢ−Ｂの位置における断面を示している。実施の形態２に係る導波管型可変移相器１０００Ｂにおいては、導波管部１０Ａは、壁面の一部が誘電体基板１００の表面に形成された導体層である。誘電体多層基板１００の正面導体面１１に対向する表面には、背面導体層１１４が形成され、正面導体面１１に対向する表面とは反対側の表面には、接地導体層１１６が形成されている。背面導体層１１４には、接地導体層１１６と背面導体層１１４には、それぞれ対向する位置に、第１開口１６０と第２開口１６１が設けられている。

導波管型可変移相器１０００Ｂにおいては、誘電体多層基板１００の表面の導体層である背面導体層１１４が、導波管部１０Ａの正面導体面１１に対向する導体面となっている。導波管部１０Ａにおいては、背面導体層１１４に形成された第２開口１６１が結合スロットである。切換部１２５は誘電体多層基板１００の表面に構成され、制御信号伝達部１４０は、誘電体多層基板１００の背面導体層１１４とは異なる導体層のパターンで構成される。このため、実施の形態２に係る導波管型可変移相器１０００Ｂの斜視図は、制御信号伝達部１４０が誘誘電体多層基板１００に含まれること以外は、ほぼ図１と同様になるため、省略する。なお、以下、実施の形態１と同様に、導波管部１０Ａが矩形導波管の例で説明するが、導波管部１０Ａは、矩形導波管に限る必要は無く、円形導波管等でも良いことは、実施の形態１と同様である。また、矩形導波管の場合、誘電体基板１００の表面に形成された導体層となる壁面は、背面導体面に限るものではなく、どの導体面であっても良い。

図６および図７において、導波管部１０Ａは、伝送方向に延びる正面導体面１１と、正面導体面１１の伝送方向に沿った一方の端に接続する第１側面導体面１２と、第１側面導体面１２と対向し、正面導体面１１の伝送方向に沿った他方の端に接続する第２側面導体面１３とを備えている。また、導波管部１０Ａは、誘電体多層基板１００の正面導体面１１と対向する表面に形成された導体層であり、伝送方向に沿った一方の端が第１側面導体面１２と接続し、伝送方向に沿った他方の端が第２側面導体面１３と接続する背面導体層１１４を備えている。なお、第１側面導体面１２および第２側面導体面１３は、図６、図７には図示されていない。

また、導波管型可変移相器１０００Ｂは、伝送方向に沿った一方の端が第１側面導体面１２と接続し、伝送方向に沿った他方の端が第２側面導体面１３と接続し、正面導体面１１と対向する支持導体面１５を備えている。支持導体面１５は、誘電体多層基板１００によって覆われている。誘電体多層基板１００の支持導体面１５に対向する一方の表面には、接地導体層１１６が形成されており、接地導体層１１６は、支持導体面１５と接続している。また、誘電体多層基板１００の正面導体面１１に対向する他方の表面には、背面導体層１１４が形成されている。この背面導体層１１４は、正面導体面１１、第１側面導体面１２、および第２側面導体面１３とともに、導波管部１０Ａを構成している。導波管部１０Ａは、導波管型可変移相器１０００における導波管部１０に相当する。このため、誘電体多層基板１００および、誘電体多層基板１００に形成された背面導体層１１４は、伝送方向に沿った端が、第１側面導体面１２、および第２側面導体面１３と接続していることが望ましい。

凹部２７は、支持導体面１５から、正面導体面１１に向かう方向であるＺ方向とは反対側に、決められた凹み深さだけ凹んでいる。支持導体面１５は、凹部２７によって、導波管部１０Ａを伝送される電磁波の入力側と出力側とに分けられている。接地導体層１６０には、第１開口１６０が凹部２７に対向する位置に設けられている。また、背面導体層６２には、第１開口１６０に対向する位置に第２開口１６１が設けられている。第１開口１６０と第２開口１６１を囲んで、背面導体層１１４と接地導体層１１６とを接続する複数の貫通導体１７０が誘電体多層基板１００を貫通して設けられている。貫通導体１７０は、例えば、第１開口１６０及び第２開口１６１を囲んで複数のスルーホールを設ける等によって構成する。貫通導体１７０と凹部２７は、導電性のキャビティを構成する。貫通導体１７０と凹部２７が構成する導電性のキャビティは、結合スロットである第２開口１６１が、絶縁性の開口となっている。

背面導体層１１４の第２開口１６１が設けられている場所には、第２開口１６１における導波管部１０Ａの入力側に端子１２３が設けられ、出力側に端子１２４が設けられている。切換部１２５は、端子１２３と端子１２４とに接続されている。切換部１２５は、端子１２３と端子１２４との間が電気的に接続している導通状態と電気的に接続していない非導通状態とを切り換える。信号伝送部１４０は、誘電体多層基板１００の接地導体層１１６および背面導体層１１４とは絶縁された導体層に設けられた信号線路であり、切換部１２５の導通状態と非道通状態との切換わりを制御する制御信号を伝送する。信号伝送部１４０は、誘電体多層基板１００の背面導体層１１４に対して、正面導体面１１とは反対側の導体層に設けられている。

図８は、導波管型可変移相器１０００Ｂの切換部１２５の付近を拡大した図であり、図７においてＣで示される部分を拡大したものである。前述の通り、誘電体多層基板１００の背面導体層１１４においては、支持導体１５に凹部２７が設けられている部分に対向する部分は、第２開口１６１となっている。図８において、誘電体多層基板１００の表面の、第２開口１６１の部分には、切換部１２５が設けられている。

切換部１２５は、ＰＩＮダイオード等で構成されるスイッチ１７３と、スイッチ１７３を端子１２３と接続する線路１７４と、スイッチ１７３を端子１２４と接続する線路１７５とを備えている。スイッチ１７３としては、例えば、バラクタダイオードやＭＥＭＳスイッチ等を使用しても良い。線路１７４および線路１７５と背面導体層１１４とは、少なくとも導波管部１０Ａを伝送される電磁波によって誘起される高周波電流が互いの間を流れるよう接続されている。図８では、スイッチ１７３にＰＩＮダイオード等を使用するため、線路１７４および線路１７５には、バイアスがかかる構成であり、このため、線路１７４および線路１７５と背面導体層１１４との間は、交流電流のみを通す容量性接続となっている。この線路１７４および線路１７５と背面導体層１１４との間の接続方法は、使用するスイッチにあわせて選択される。また、スイッチ１７３は、その両端が線路１７４とスルーホール１７１により信号伝送部１４０に接続され、線路１７５とスルーホール１７２により、接地導体１１６に接続されている。このため、信号伝送部１４０の接地導体１１６に対する電圧がスイッチ１７３の制御信号となる。

次に、動作について説明する。信号伝送部１４０に逆バイアス電圧が印加されると、スイッチ１７３は非導通状態となり、背面導体層１１４を流れる電流は、第２開口１６１によって切られる。このため、背面導体層１１４を流れる電流は、第２開口１６１の縁から貫通導体１７０、凹部２７を経由する。この結果、貫通導体１７０および凹部２７は、キャビティ２２と同様に、スタブとして作用する。具体的には、導通モードに対して、凹部２７の凹み深さと貫通導体１７０の長さの合計が管内波長の４分の１より、やや短いと位相遅れに、やや長いと位相進みとなる。

信号伝送部１４０に順バイアス電圧が印加されると、スイッチ１７３は導通状態となり、切換部１２５を通して、第２開口１６１に対して導波管部１０Ａの入力側と出力側の背面導体層１１４の間で電流が流れる。この結果、貫通導体１７０および凹部２７はスタブとして作用せず、導波管部１０Ａは、直管の導波管と同様の特性により電波を伝送する。導波管型可変移相器１０００Ｂでは、伝送方向であるＸ方向に沿って誘電体多層基板１００上に複数の切換部１２５が設けられており、それぞれの切換部１２５は、独立に導通状態と非道通状態との間を切り換えることができる。このため、実施の形態２に係る導波管型可変移相器１０００Ｂも、実施の形態１に係る導波管型可変移相器１０００と同様に、伝送する電磁波の位相を所望の移相値で調整することができる。

また、導波管型可変移相器１０００Ｂでは、信号伝送部１４０は、誘電体多層基板１００の背面導体層１１４に対して、正面導体面１１とは反対側の導体層に設けられている。このため、切換器１２２を制御する信号と導波管部１０Ａを伝送される電磁波との干渉を回避することができる。また、誘電体多層基板上に切換器や配線を実装するため、多数の切換器により位相を調整する導波管型可変移相器を容易に製造することができる。

なお、上述の説明では、切換部１２５は、誘電体多層基板１００の正面導体面１１に対向する表面に設けた例を示したが、例えば、線路１７４や線路１７５からスルーホールで接続する等により、誘電体多層基板１００の支持導体面１５に対向する表面に設けても良い。

実施の形態３．
図９は、この発明の実施の形態３に係る導波管スロットアレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。導波管スロットアレーアンテナ装置２０００は、導波管部１０Ｂと、複数の位相調整部２０とを備えている。位相調整部１０は、実施の形態１における位相調整部１０と同等のものである。導波管部１０は、実施の形態１における導波管型可変移相器１０００の導波管部１０とほぼ同等の構成であるが、結合スロット２１が設けられている部分以外の壁面に、電磁波を放射する複数の放射スロット５０が形成されている。放射スロット５０は、導波管部１０Ｂの壁面に設けられた穴または、導波管部１０Ｂの壁面に設けられた導体が穴状に欠けている部分である。

前述の通り、放射スロットが設けられる位置は、結合スロット２１が設けられている部分以外の壁面であれば良いが、図９においては、一例として、正面導体面１１Ａの伝搬方向（Ｘ方向）に沿った中心線に対して、千鳥状に形成されている例を示している。隣り合う２つの放射スロット５０の間には、複数の結合スロット２１が設けられている。図９においては、隣り合う２つの放射スロット５０の間に２つずつの結合スロット２１が設けられているが、隣り合う２つの放射スロット５０の間に更に多くの結合スロット２１が設けられていても良いし、隣り合う２つの放射スロット５０の間に結合スロット２１が１つのみであっても、また、隣り合う２つ以上の放射スロット５０の並びに対して１つの結合スロット２１が設けられていても良い。

次に、動作について説明する。実施の形態１で説明したとおり、導波管型可変移相器１０００は、複数の位相調整部２０のキャビティ２２に対応した切換部２５を独立に制御し、導波管部１０Ｂを伝送される電磁波の位相を所望の移相量だけ高速で調整することができる。これは、導波管スロットアレーアンテナ装置２０００についても同様である。導波管スロットアレーアンテナ装置２０００では、位相調整部２０のキャビティ２２に対応した切換部２５を独立に制御し、導波管部１０Ｂを伝送される電磁波の位相を所望の移相量だけ高速で調整することができる。このため、導波管スロットアレーアンテナ装置２０００では、それぞれの放射スロット５０から放射される電磁波の位相を、所望の値に高速で調整することができる。それぞれのスロット５０から放射された電磁波は、放射された空間で合成されて電子ビームを形成する。このため、図９のように、スロット５０が、Ｘ方向に沿って形成されている場合、それぞれのスロットから放射される電磁波間の位相を制御することにより、ＺＸ平面における電子ビームの方向を制御することができる。

導波管スロットアレーアンテナ装置２０００では、複数の位相調整部２０のそれぞれに設けられた切換部２５を導通状態と非道通状態との間で切り換えることにより、導波管部１０Ｂを伝送される電磁波の位相を調整する。これにより、導波管スロットアレーアンテナ装置２０００では、決められた位置に設けられた放射スロット５０から放射されるそれぞれの電磁波間の位相の差を変化させ、ＺＸ平面における電子ビームの指向方向を制御する。

導波管スロットアレーアンテナ装置２０００では、低損失で電磁波を伝送する導波管内に電磁波の位相調整を行う機能を備えるため、従来の高周波モジュールを用いたアクティブフェーズドアレーアンテナに対して低損失なアレーアンテナ装置を得ることができる。また、移相に高周波モジュールを使用しないため、安価で小型なアレーアンテナを得ることができる。

なお、図９においては、導波管型可変移相器１００Ｂの正面導体面１１Ａに複数の放射スロット５０を設ける例を示したが、導波管型可変移相器１００Ａや、誘電体多層基板１００を用いた導波管型可変移相器１００Ｂの正面導体面１１Ａに複数の放射スロット５０を設けても、導波管部１０Ｂを伝送される電磁波の位相は同様に調整されるため、同様の効果を得ることができる。また、図９においては、正面導体面１１Ａに複数の放射スロット５０を設ける例を示したが、第１側面導体面１２または第２側面導体面１３に複数の放射スロット５０を設けても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図１０は、この発明の実施の形態４に係る導波管スロットアレーアンテナ装置の構成を示す平面図である。図１０において、導波管スロットアレーアンテナ装置２０１０は、複数の導波管スロットアレーアンテナ装置２０００を備える。導波管スロットアレーアンテナ装置２０１０は、実施の形態３と同様に、導波管部１０Ｂの結合スロット２１が設けられている部分以外の壁面に、電磁波を放射する複数の放射スロット５０が形成されている。導波管スロットアレーアンテナ装置２０１０では、複数の導波管スロットアレーアンテナ装置２０００を、放射スロット５０を互いに同じ方向（Ｚ方向）に向けて、伝送方向（Ｘ方向）に交差する方向（Ｙ方向）に沿って並べて配置する。

導波管スロットアレーアンテナ装置２０１０は、さらに、複数の導波管スロットアレーアンテナ装置２０００のそれぞれに接続し、位相を調整した電磁波を供給する導波管型可変移相器１０００を備えている。また、それぞれの導波管型可変移相器１０００には、分波器２００により、同じ電磁波が供給される。このように構成することにより、ＸおよびＹの２方向に素子アンテナに相当するスロットが並んだアレーアンテナ装置である、導波管スロットアレーアンテナ装置２０１０を得ることができる。

次に、動作について説明する。導波管スロットアレーアンテナ装置２０１０で送信する電磁波は、分波器２００で分波され、Ｙ方向に沿って並べて配置された複数の導波管型可変移相器１０００に供給される。それぞれの導波管型可変移相器１０００においては、複数の切換部２５の状態が独立に切り換えられる。このため、それぞれの導波管型可変移相器１０００においては、供給された電磁波は、導波管型可変移相器１０００毎に所望の移相量で位相が調整される。それぞれの移相量は、隣り合う導波管スロットアレーアンテナ装置２０００に供給される電磁波の位相の差が、形成する電子ビームのＹ方向の向きに対応するように決められる。それぞれの導波管型可変移相器１０００は、位相が調整された電磁波をそれぞれが接続している導波管スロットアレーアンテナ装置２０００に供給する。

それぞれの導波管スロットアレーアンテナ装置２０００では、隣り合う導波管スロットから放射される電磁波の位相の差が、形成する電子ビームのＸ方向の向きに対応するように複数の切換部２５の状態がそれぞれ独立に切り換えられる。このようにして、複数の導波管スロットアレーアンテナ装置２０００の複数のスロットから、電子ビームのＸ方向、Ｙ方向の向きに合わせて位相が調整された電磁波が放射される。以上の様に、導波管スロットアレーアンテナ装置２０１０では、Ｘ方向、Ｙ方向に並んだ複数のスロットから、それぞれ位相が調整された電磁波が放射されるため、任意のＸ方向、Ｙ方向について所望の方向に高速で電子ビームを指向させることができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ 導波管部、１１、１１Ａ 正面導体面、１２ 第１側面導体面、１３ 第２側面導体面、１４ 背面導体面、１５ 支持導体面、２０、２０Ａ 位相調整部、２１ 結合スロット、２２ キャビティ、２３、２４ 端子、２５ 切換部、２７ 凹部、３０ 制御部、４０ 制御信号伝達部、５０ 放射スロット、１００ 誘電体多層基板、１１４ 背面導体層、１１６ 接地導体面、１２３、１２４ 端子、１２５ 切換部、１４０ 制御信号伝達部、１６０ 第１開口、１６１ 第２開口、１７０ 貫通導体、１７１，１７２ スルーホール、１７３ スイッチ、１７４、１７５ 線路、２００ 分波器、２００、２０１ 電流経路、１０００、１０００Ａ、１０００Ｂ 導波管型可変移相器、２０００、２０１０ 導波管型スロットアレーアンテナ

Claims (10)

1. 電磁波が伝送される導波管部と、前記導波管部を伝送される電磁波の位相を調整する複数の位相調整部とを備えた導波管型可変移相器であって、
   前記導波管部は、壁面に、入力側から出力側に向けて配列された複数の結合スロットが形成され、
   前記位相調整部は、前記結合スロットが絶縁性の開口となる導電性のキャビティと、前記結合スロットにおける前記入力側に形成された一方の端子と、前記結合スロットにおける前記出力側に形成された他方の端子と、前記一方の端子と前記他方の端子とに接続され前記一方の端子と前記他方の端子との間が電気的に接続している導通状態と電気的に接続していない非導通状態とを切り換える切換部とを有する、
   導波管型可変移相器。
2. 前記キャビティは、少なくとも一部に誘電体が形成された、請求項１に記載の導波管型可変移相器。
3. 前記導波管部は、前記壁面の一部が誘電体基板の表面に形成された導体層である、請求項１または２に記載の導波管型可変移相器。
4. 前記切換部を制御するための制御信号を伝送する、前記導波管部の前記壁面の外側に設けられた制御信号伝送部を備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の導波管型可変移相器。
5. 前記導波管部の壁面とは異なる前記誘電体基板の導体層に形成された、前記切換部を制御するための制御信号を伝送する制御信号伝送部をさらに備えた、請求項３に記載の導波管型可変移相器。
6. 複数の前記キャビティは、互いに同じ深さである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の導波管型可変移相器。
7. 複数の前記キャビティは、互いに異なる深さである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の導波管型可変移相器。
8. 前記キャビティは、前記電磁波の波長の２分の１よりも浅い深さである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の導波管型可変移相器。
9. 請求項１〜８に記載の導波管型可変移相器を備えた導波管スロットアレーアンテナであって、前記導波管部は、前記結合スロットが設けられた部分以外の壁面に電磁波を放射する複数の放射スロットが形成されたことを特徴とする、導波管スロットアレーアンテナ装置。
10. 複数の請求項１〜８に記載の導波管型可変移相器を備えた導波管スロットアレーアンテナであって、前記導波管部は前記結合スロットが設けられた部分以外の壁面に電磁波を放射する複数の放射スロットが形成され、複数の前記導波管型可変移相器は、前記複数の放射スロットを互いに同じ方向に向けて並べられた、導波管スロットアレーアンテナ装置。

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