JP6877789B1 - 導波管アンテナ素子、導波管アンテナ素子サブアレー及び導波管スロットアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】偏波整合回路を用いない場合に比較し、導波管スロットアレーアンテナに用いる広帯域化した導波管アンテナ素子などを提供する。【解決手段】導波管アンテナ素子は、円偏波が入力される又は出力する放射素子１０と、一方の端部が放射素子１０に接続され、放射素子１０に対して偏波を整合させる偏波整合回路２０と、を備え、偏波整合回路２０は、他方の端部から出力される又は入力される偏波の方向に対して、予め定められた第１の角度θｐ傾いて配置され、放射素子１０は、偏波整合回路２０を用いない場合から、予め定められた第２の角度θａ回転させて配置され、前記偏波整合回路は、他方の端部から出力される又は入力される偏波の方向に対して、第１の角度傾いて配置され、第１の角度θｐは、第２の角度θａより大きい。【選択図】図３

Description

本発明は、導波管アンテナ素子、導波管アンテナ素子サブアレー及び導波管スロットアレーアンテナに関する。

スマートフォンなどにおいて、動画などに代表される高速大容量コンテンツが普及するに従い、移動通信トラフィックは増加の一途を辿っている。今後、より一層の高速大容量化が進むことは確実であり、周波数リソースの逼迫が続くことが想定される。このため、準ミリ波帯やミリ波帯の利用が検討されるようになっている。

非特許文献１には、モーメント法による放射部の高速解析手法を提案し、積層薄板拡散接合スロットアレーアンテナに対して、遺伝的アルゴリズムを用いた広帯域設計を行い、６０ＧＨｚ帯で、２×２素子サブアレーにおいて反射−１４ｄＢ以下かつ軸比３ｄＢ以下の帯域を４．８％から１４．５％の広帯域化したことが記載されている。

山本 達也、張 森、広川 二郎、平野 拓一、安藤 真、「Ｘ字型キャビティで励振された縮退分離円偏波開口アンテナ素子の広帯域設計」、信学技報、ＡＰ２０１４−１１７、ｐ．４９−ｐ．５４．

準ミリ波帯やミリ波帯の電波状況を確認する場合、未知の偏波面をもつ微弱な電波であっても、高精度に探知することが求められる。これに対応するアンテナは、円偏波で且つサイドローブの低い高利得なものが望まれる。また、一つのアンテナで複数の通信システムに対応することが望ましいため、使用可能な周波数帯域は、広い方がよい。
広い周波数帯域をもつ高利得アンテナを実現するためには、複数の導波管アンテナ素子に並列給電する導波管スロットアレーアンテナが有効である。

本発明は、偏波整合回路を用いない場合に比較し、導波管スロットアレーアンテナに用いる広帯域化した導波管アンテナ素子などを提供する。

本発明が適用される導波管アンテナ素子は、円偏波が入力される又は出力する放射素子と、一方の端部が放射素子に接続され、放射素子に対して偏波を整合させる偏波整合回路と、を備え、偏波整合回路は、他方の端部から出力される又は入力される偏波の方向に対して、第１の角度傾いて配置され、放射素子は、偏波整合回路を用いない場合から、第２の角度回転させて配置され、第１の角度は、第２の角度より大きい。
このような導波管アンテナ素子において、偏波整合回路は、他方の端部の偏波に対して、一方の端部の偏波が、主成分に加え、透過副成分を有することを特徴とすることができる。

また、偏波整合回路は、長手方向と短手方向とを有する断面形状を有し、長手方向が偏波整合回路の他方の端部の偏波の方向に対して第１の角度傾いて設けられていることを特徴とすることができる。

さらに、偏波整合回路の第１の角度が予め設定された場合、偏波整合回路の透過副成分に基づいて、放射素子の第２の角度が設定されることを特徴とすることができる。そして、偏波整合回路の第１の角度が４５°に設定された場合、放射素子の第２の角度が３６°に設定されることを特徴とすることができる。

さらに、放射素子の第２の角度が予め設定された場合、偏波整合回路の透過副成分に基づいて、偏波整合回路の第１の角度が設定されることを特徴とすることができる。そして、放射素子の第２の角度が４５°に設定された場合、偏波整合回路の第１の角度が５５°に設定されることを特徴とすることができる。

さらにまた、放射素子は、正方形における一対の対角が斜めに切り取られた六角形状の断面形状を有することを特徴とすることができる。
そして、偏波整合回路は、電波が伝搬する方向の長さが、周波数帯域内における最大波長の１／８以上且つ１／４以下であることを特徴とすることができる。

また、他の観点から捉えると、本発明が適用される導波管アンテナ素子サブアレーは、上記の導波管アンテナ素子を複数備え、複数の導波管アンテナ素子が、一つの給電導波管により給電されるように接続されている。

さらに、他の観点から捉えると、本発明が適用される導波管スロットアレーアンテナは、上記の導波管アンテナ素子サブアレーを複数備え、複数の導波管アンテナ素子サブアレー毎に分岐して給電する給電導波管と、を備える。
このような導波管スロットアレーアンテナにおいて、導波管スロットアレーアンテナが備える複数の放射素子は、予め定められた方向に予め定められた間隔で配列された第１の配列と、その方向にその間隔で配列された第２の配列と、を備え、第１の配列と第２の配列とは、その間隔の１／２ずれて隣接することを特徴とすることができる。

本発明によれば、偏波整合回路を用いない場合に比較し、導波管スロットアレーアンテナに用いる広帯域化した導波管アンテナ素子などが提供できる。

第１の実施の形態が適用される導波管スロットアレーアンテナの一例の平面図である。 第１の実施の形態が適用される、偏波整合回路を備えるアンテナ素子の一例の斜視図である。 図２に示したアンテナ素子を個別に示した図である。（ａ）は、放射素子、（ｂ）は、偏波整合回路、（ｃ）は、放射キャビティである。 アンテナ素子における放射素子及び偏波整合回路と、放射キャビティとにおける電界分布を説明する図である。（ａ）は、放射素子と偏波整合回路との接続面での電界分布、（ｂ１）は、偏波整合回路の断面における主成分、（ｂ２）は、偏波整合回路の断面における透過副成分、（ｃ）は、放射キャビティの断面における電界分布である。 比較のために示す、偏波整合回路を備えないアンテナ素子の一例の斜視図である。 偏波整合回路を備えないアンテナ素子における放射素子と、放射キャビティとにおける電界分布を説明する図である。（ａ１）は、放射素子の開口部におけるモード１の電界分布、（ａ２）は、放射素子の開口部におけるモード２の電界分布、（ｂ）は、放射素子と放射キャビティとの接続面での電界分布、（ｃ）は、放射キャビティの断面における電界分布である。 第１の実施の形態が適用される、偏波整合回路を備えるアンテナ素子の周波数特性を説明する図である。（ａ）は、相対位相の周波数特性、（ｂ）は、相対振幅の周波数特性である。 比較のために示す、偏波整合回路を備えないアンテナ素子の周波数特性を説明する図である。（ａ）は、相対位相の周波数特性、（ｂ）は、相対振幅の周波数特性である。 第１の実施の形態が適用される導波管スロットアレーアンテナにおける、偏波整合回路を備えるアンテナ素子の配列を説明する図である。（ａ）は、導波管スロットアレーアンテナの一部の平面図、（ｂ）は、アンテナ素子の斜視図、（ｃ）は、アンテナ素子における放射素子の配列、（ｄ）は、アンテナ素子における偏波整合回路の配列を説明する図である。 導波管スロットアレーアンテナにおける、偏波整合回路を備えないアンテナ素子の配列を説明する図である。（ａ）は、導波管スロットアレーアンテナの一部の平面図、（ｂ）は、アンテナ素子の斜視図である。 第１の実施の形態が適用される、偏波整合回路を備えるアンテナ素子で構成されるサブアレー、及び比較のために示す、偏波整合回路を備えないアンテナ素子で構成されるサブアレーの斜視図である。（ａ）は、偏波整合回路を備えるアンテナ素子で構成されるサブアレー、（ｂ）は、偏波整合回路を備えないアンテナ素子で構成されるサブアレーである。 偏波整合回路を備えるサブアレーの周波数特性を示す図である。（ａ）は、軸比の周波数特性、（ｂ）は、リターンロスの周波数特性である。 偏波整合回路を備えないサブアレーの周波数特性を示す図である。（ａ）は、軸比の周波数特性、（ｂ）は、リターンロスの周波数特性である。 導波管スロットアレーアンテナの右旋円偏波の指向性特性を示す図である。（ａ）は、図１におけるｚｘ平面での右旋円偏波の指向性特性、（ｂ）は、図１におけるｙｚ平面での右旋円偏波の指向性特性である。 導波管スロットアレーアンテナの周波数特性を示す図である。（ａ）は、軸比の周波数特性、（ｂ）は、リターンロスの周波数特性である。 第２の実施の形態が適用されるアンテナ素子が備える偏波整合回路を説明する図である。（ａ）は、偏波整合回路の斜視図、（ｂ）は、偏波整合回路の平面図である。 第２の実施の形態が適用される導波管スロットアレーアンテナにおけるアンテナ素子の配列を説明する図である。（ａ）は、導波管スロットアレーアンテナの一部の平面図、（ｂ）は、アンテナ素子の斜視図、（ｃ）は、アンテナ素子における放射素子の配列、（ｄ）は、アンテナ素子における偏波整合回路の配列を説明する図である。 偏波整合回路を備えるアンテナ素子を用いたホーンアンテナの一例を説明する斜視図である。

前述したように、準ミリ波帯やミリ波帯の電波の利用が可能なアンテナとして、導波管を用いた導波管スロットアレーアンテナがある。導波管は、マイクロストリップなどに比べ、誘電損失がなく、放射損が少ないため、高効率なアンテナとなる。なお、以下では、アンテナは、電波を放射するとして説明するが、アンテナの可逆性により、電波を受信する。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
（導波管スロットアレーアンテナ１）
図１は、第１の実施の形態が適用される導波管スロットアレーアンテナ１の一例の平面図である。ここで、紙面の右方向をｘ方向、紙面の上方向をｙ方向とし、紙面の表面方向であり、ｘ方向とｙ方向とに垂直な方向をｚ方向とする。平面図とは、導波管スロットアレーアンテナ１をｚ方向側から見た図である。ここでは、導波管スロットアレーアンテナ１は、ｚ方向に、円偏波を放射する。

導波管スロットアレーアンテナ１は、二次元状に配列された複数のアンテナ素子１００を備える。図１に示す導波管スロットアレーアンテナ１の平面図では、アンテナ素子１００における円偏波を放射する放射素子１０を示している。放射素子１０は、一例として断面が六角形状の導波管である。つまり、円偏波を放射する機能を有する導波管は、空洞部分の断面が六角形である。そして、図１は、断面が六角形の導波管の開口部を示している。個々のアンテナ素子１００は、不図示の並列給電導波管により給電されて並列に駆動される。

（アンテナ素子１００）
図２は、第１の実施の形態が適用される、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００の一例の斜視図である。紙面の右方向がｘ方向、紙面の上方向がｚ方向である。図２に示す形状は、アンテナ素子１００を構成する導波管の空洞部分の壁を示している。他の図に示す形状も、同様に導波管の空洞部分の壁を示す。

アンテナ素子１００は、放射素子１０と、偏波整合回路２０とを備える。そして、アンテナ素子１００は、３段の放射キャビティと、放射スロットと、キャビティとに接続されている。

図２は、アンテナ素子１００における放射素子１０及び偏波整合回路２０と、３段の放射キャビティの内の３段目の放射キャビティ３０とを示す。３段の放射キャビティは、放射素子１０を図１に示した配列に配置するために設けられている。ここでは、放射キャビティ３０側をポート１（図２では、ｐｏｒｔ１と表記する。）とし、放射素子１０側をポート２（図２では、ｐｏｒｔ２と表記する。）とする。
放射素子１０の配列については、後述する。なお、アンテナ素子１００は、導波管アンテナ素子の一例である。

図３は、図２に示したアンテナ素子１００を個別に示した図である。図３（ａ）は、放射素子１０、図３（ｂ）は、偏波整合回路２０、図３（ｃ）は、放射キャビティ３０である。図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）においては、紙面の左側に斜視図を、紙面の右側に平面図を示す。斜視図では、紙面の右方向がｘ方向、紙面の上方向をｚ方向とする。平面図では、紙面の右方向がｘ方向、紙面の上方向がｙ方向、紙面の表面方向がｚ方向である。

図３（ａ）に示すように、放射素子１０は、前述したように、断面が六角形である導波管である。なお、六角形は、一辺長ａ_ａである正方形の対角に向かい合う一組の角を切り取った平面形状を有している。切取り部分は、角から長さｃ_ａである。そして、放射素子１０は、電波が伝播する方向において、長さｔ_ａである。

図３（ｂ）に示すように、偏波整合回路２０は、一辺長ａ_ｐである正方形の対角に向かい合う一組の角を破線で示す四角形で切り取った平面形状を有する導波管である。なお、角を切り取る四角形は、一辺が長さｌ_ｐであり、角が切り取られて残された部分は、幅ｗ_ｐである。そして、偏波整合回路２０は、電波が伝播する方向において、長さｔ_ｐである。なお、偏波整合回路２０は、図３（ｂ）に示すように、破線で示す四角形で切り取るので、四角形の端部に凸状の突起が残っている。なお、凸状の突起が生じないように、切り取ってもよい。

偏波整合回路２０の放射素子１０に接続される端部２０Ａが一方の端部の一例であり、偏波整合回路２０の放射キャビティ３０に接続される端部２０Ｂが他方の端部の一例である。

図３（ｃ）に示すように、放射キャビティ３０は、断面が長方形である導波管である。放射キャビティ３０は、ｙ方向が幅ａ_ｒ、ｘ方向が幅ｂ_ｒである。そして、放射キャビティ３０は、電波が伝播する方向において、長さｔ_ｒである。

放射キャビティ３０の断面の中心と、偏波整合回路２０を構成する一辺長ａ_ｐの正方形の中心と、放射素子１０を構成する一辺長ａ_ａの正方形の中心とは、一直線上に並ぶように配置されている。

そして、放射キャビティ３０上に設けられた偏波整合回路２０を構成する一辺長ａ_ｐの正方形の隣接する二辺は、放射キャビティ３０のｘ方向とｙ方向とに沿って設けられている。そして、切り取られる角は、一例としてｘ方向に対して４５°の方向に位置する角である。よって、偏波整合回路２０は、ｘ方向に対して４５°方向が短手方向となり、ｘ方向に対して−４５°方向が長手方向となる平面形状を有する。ここで、偏波整合回路２０の方向（図３（ｂ）中に矢印で示す方向）は、幅ｗ_ｐの方向とする。ここでは、偏波整合回路２０の方向とｘ方向とのなす角θ_ｐは、４５°となる。なお、偏波整合回路２０の方向ｘ方向とのなす角θ_ｐは、機械的偏波角と表記されることがある。偏波整合回路２０の方向とｘ方向とのなす角θ_ｐは、第１の角度の一例である。

さらに、偏波整合回路２０上に設けられた放射素子１０を構成する一辺長ａ_ａの正方形の中心と一辺の中心とを結ぶ中心線（図３（ａ）中に矢印で示す。）のｘ方向となす角θ_ａは、一例として３６°である。後述するように、放射素子１０は、偏波整合回路２０を用いない場合から、角度θ_ａ回転させて設けられている。角度θ_ａは、第２の角度の一例である。

以下で示すシミュレーションによる解析は、次の値を用いて行った。放射素子１０は、一辺長ａ_ａが８．２ｍｍ、角の切取り部分の長さｃ_ａが２．４ｍｍ、長さｔ_ａが１２．６ｍｍである。偏波整合回路２０は、一辺長ａ_ｐが８．２ｍｍ、角の切取った部分の長さｌ_ｐが４．３３ｍｍ、角が切り取られて残された部分の幅ｗ_ｐが５．４６ｍｍ、長さｔ_ｐが２．６ｍｍである。放射キャビティ３０は、ｙ方向の幅ａ_ｒが７．９ｍｍ、ｘ方向の幅ｂ_ｒが４．４ｍｍ、長さｔ_ｒが５ｍｍである。なお、アンテナ素子１００の周波数帯域は、２４ＧＨｚから３０ＧＨｚまでとした。つまり、自由空間における波長範囲は、１０ｍｍから１２．５ｍｍである。

図４は、アンテナ素子１００における放射素子１０及び偏波整合回路２０と、放射キャビティ３０とにおける電界分布を説明する図である。図４（ａ）は、放射素子１０と偏波整合回路２０との接続面での電界分布、図４（ｂ１）は、偏波整合回路２０の断面における主成分、図４（ｂ２）は、偏波整合回路２０の断面における透過副成分、図４（ｃ）は、放射キャビティ３０の断面における電界分布である。これらにおいて、矢印は、電界の方向を示している。なお、紙面の右方向をｘ方向、紙面の上方向をｙ方向とする。そして、放射素子１０と偏波整合回路２０との接続面とは、図２におけるＩＶＡ−ＩＶＡ線で示す部分の断面である。偏波整合回路２０の断面とは、図２におけるＩＶＢ−ＩＶＢ線で示す部分の断面である。放射キャビティ３０の断面とは、図２におけるＩＶＣ−ＩＶＣ線で示す部分の断面である。なお、放射キャビティ３０の断面における電界分布は、図３（ｂ）における偏波整合回路２０の他方の端部２０Ｂの電界分布と同じである。

図４（ｃ）に示すように、放射キャビティ３０の断面（図２に示すＩＶＣ−ＩＶＣ線で示す部分の断面）における電界分布は、ｘ方向に電界が向く。この放射キャビティ３０の断面における電界の方向（ｘ方向）を、偏波整合回路２０に入力する偏波方向であるので、入力偏波の方向と表記する。
偏波整合回路２０の方向を入力偏波の方向（ｘ方向）に対して４５°方向に設定しているので、図４（ｂ１）に示すように、偏波整合回路２０の断面（図２に示すＩＶＢ−ＩＶＢ線で示す部分の断面）では、４５°に主成分となる電界分布が発生する。なお、偏波整合回路２０は、偏波整合回路２０の短手方向が主偏波の方向となる。そして、図４（ｂ２）に示すように、偏波整合回路２０の断面（図２に示すＩＶＢ−ＩＶＢ線での断面）では、透過副成分が発生する。ここでは、偏波整合回路２０の長さｔ_ｐを調整して、主成分に加えて、透過副成分が発生させている。偏波整合回路２０の長さｔ_ｐが周波数帯域内における最大波長λ_ｍａｘの１／２以上になると、主成分のみが伝播する。また、偏波整合回路２０の長さｔ_ｐが短すぎると、透過副成分が支配的になる。このことから、偏波整合回路２０の長さｔ_ｐは、周波数帯域内における最大波長λ_ｍａｘの１／８以上且つ１／４以下に設定されるとよい。ここでは、２４ＧＨｚから３０ＧＨｚまでを周波数帯域とした場合、周波数帯域内における最大波長λ_ｍａｘは、１２．５ｍｍである。偏波整合回路２０の長さｔ_ｐは、２．６ｍｍであるので、周波数帯域内における最大波長λ_ｍａｘの１／８以上且つ１／４以下である。よって、上記の偏波整合回路２０は、主成分と透過副成分とを発生させる。

すると、放射素子１０と偏波整合回路２０との接続面（図２に示すＩＶＡ−ＩＶＡ線で示す部分の断面）では、図４（ｂ）に示すような合成された電界分布となる。そして、放射素子１０において、後述する図６（ａ１）に示すモード１の電界分布と、図６（ａ２）に示すモード２の電界分布とが発生する。モード１の電界分布とモード２の電界分布とが合成されることで、円偏波が得られる。

図５は、比較のために示す、偏波整合回路２０を備えないアンテナ素子１１０の一例の斜視図である。アンテナ素子１１０は、放射素子１１を備える。そして、アンテナ素子１１０は、放射キャビティ６１と、放射スロットと、キャビティとに接続されている。図５は、アンテナ素子１１０（放射素子１１）と放射キャビティ６１とを示す。

放射素子１１は、放射素子１０と同様に断面が六角形である導波管である。また、放射キャビティ６１の断面は、放射キャビティ３０と同様に長方形である。なお、放射素子１１の断面の六角形は、放射素子１１を構成する正方形のｘ方向で対向する二辺の中心を結ぶ中心線（図５中に一点鎖線で示す。）の入力電界の方向（ｘ方向）となす角φ_ａは、０°である。

図６は、偏波整合回路２０を備えないアンテナ素子１１０における放射素子１１と、放射キャビティ６１とにおける電界分布を説明する図である。図６（ａ１）は、放射素子１１の開口部におけるモード１の電界分布、図６（ａ２）は、放射素子１１の開口部におけるモード２の電界分布、図６（ｂ）は、放射素子１１と放射キャビティ６１との接続面での電界分布、図６（ｃ）は、放射キャビティ６１の断面における電界分布である。なお、放射素子１１の開口部とは、図５におけるＶＩＡ−ＶＩＡ線で示す部分の断面である。放射素子１１と放射キャビティ６１との接続面とは、図５におけるＶＩＢ−ＶＩＢ線で示す部分の断面である。放射キャビティ６１の断面とは、図５におけるＶＩＣ−ＶＩＣ線で示す部分である。

図６（ｃ）に示すように、放射キャビティ６１の断面（図５におけるＶＩＣ−ＶＩＣ線で示す部分の断面）における電界分布は、ｘ方向に電界が向いている。この放射キャビティ６１の断面（図５におけるＶＩＣ−ＶＩＣ線で示す部分の断面）におけるｘ方向の電界の方向を、入力偏波の方向と表記する。図６（ｂ）に示すように、放射素子１１と放射キャビティ６１との接続面（図５におけるＶＩＢ−ＶＩＢ線で示す部分の断面）でも、電界の方向は、入力偏波の方向（ｘ方向）に向いている。

電界は、金属面に対して直交する。つまり、電界ベクトルはバランスを取ろうとするため、対称な状態になって安定する。このため、図６（ｃ）に示すように、ｘ方向を軸として励振された偏波は、図６（ａ１）に示すような、ｘ方向に対して４５°の方向を軸とする対称な電界分布（モード１）と、図６（ａ２）に示すｘ方向に対して−４５°の方向を軸とする対称な電界分布（モード２）とに分かれる。モード１の電界とモード２の電界とは、放射素子１０を開口部まで伝播する間に、管内波長の違いで、円偏波に必要な位相差９０°を得る。なお、管内波長は、周波数によって異なるため、後述する図８（ａ）に示すような周波数特性となる。

偏波整合回路２０を備えないアンテナ素子１１０における放射素子１１のモード１とモード２とへの相対的な入力の条件は、周波数によらず概ね一定である。一方、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００における放射素子１０のモード１とモード２とへの相対的な入力の条件は、偏波整合回路２０による主成分と透過副成分とが周波数によって異なるため、周波数によって変えることができる。アンテナ素子１００を適切に設計することで、図８（ａ）に示す周波数特性を打ち消して、図７（ａ）のような周波数特性が得られる。

図７は、第１の実施の形態が適用される、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００の周波数特性を説明する図である。図７（ａ）は、相対位相の周波数特性、図７（ｂ）は、相対振幅の周波数特性である。図７（ａ）における相対位相とは、放射キャビティ３０側をポート１（図２に示すＰｏｒｔ１）とし、放射素子１０の開口部側をポート２（図２に示すＰｏｒｔ２）とした場合において、モード１に対するポート１からポート２へのＳパラメータＳ２１（１）と、モード２に対するポート１からポート２へのＳパラメータＳ２１（２）との位相の差の絶対値である。横軸は、周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸は、相対位相を｜Ｓ２１（１）−Ｓ２１（２）｜［°］として示している。一方、図７（ｂ）における相対振幅とは、モード１に対するポート１からポート２へのＳパラメータＳ２１（１）と、モード２に対するポート１からポート２へのＳパラメータＳ２１（２）との振幅の差の絶対値である。横軸は、周波数［ＧＨｚ］を示し、縦軸は、相対振幅を｜Ｓ２１（１）−Ｓ２１（２）｜［ｄＢ］として示している。円偏波を放射することから、相対位相は、９０°であることがよく、相対振幅は、０ｄＢであることがよい。

アンテナ素子１００では、２４ＧＨｚから３０ＧＨｚまでの周波数帯域において、図７（ａ）に示すように、相対位相（｜Ｓ２１（１）−Ｓ２１（２）｜［°］）が、９０°に近く、図７（ｂ）に示すように、相対振幅（｜Ｓ２１（１）−Ｓ２１（２）｜［ｄＢ］）が０ｄＢに近い。

図８は、比較のために示す、偏波整合回路２０を備えないアンテナ素子１１０の周波数特性を説明する図である。図８（ａ）は、相対位相の周波数特性、図８（ｂ）は、相対振幅の周波数特性である。

アンテナ素子１１０では、２４ＧＨｚから３０ＧＨｚまでの周波数帯域において、図８（ａ）に示すように、相対位相（｜Ｓ２１（１）−Ｓ２１（２）｜［°］）が、１１５°から６５°までの範囲で変動し、図８（ｂ）に示すように、相対振幅（｜Ｓ２１（１）−Ｓ２１（２）｜［ｄＢ］）が１．３ｄＢから０ｄＢまでの範囲で変動する。

以上説明したように、第１の実施の形態が適用されるアンテナ素子１００は、偏波整合回路２０を備えることにより、偏波整合回路２０を備えないアンテナ素子１１０に比べ、相対位相及び相対振幅の周波数依存性が小さくなり、広帯域化される。

（導波管スロットアレーアンテナ１の配列）
図９は、第１の実施の形態が適用される導波管スロットアレーアンテナ１における、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００の配列を説明する図である。図９（ａ）は、導波管スロットアレーアンテナ１の一部の平面図、図９（ｂ）は、アンテナ素子１００の斜視図、図９（ｃ）は、アンテナ素子１００における放射素子１０の配列、図９（ｄ）は、アンテナ素子１００における偏波整合回路２０の配列を説明する図である。図９（ａ）、（ｃ）、（ｄ）において、紙面の右方向がｘ方向、紙面の上方向がｙ方向、紙面の表面方向がｚ方向である。図９（ｂ）のアンテナ素子１００の斜視図は、図２と同じである。

図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すアンテナ素子１００を配列した導波管スロットアレーアンテナ１の配列を説明する前に、図５に示した、比較のために示す、偏波整合回路２０を備えないアンテナ素子１１０を配列した導波管スロットアレーアンテナ２について説明する。
図１０は、導波管スロットアレーアンテナ２における、偏波整合回路２０を備えないアンテナ素子１１０の配列を説明する図である。図１０（ａ）は、導波管スロットアレーアンテナ２の一部の平面図、図１０（ｂ）は、アンテナ素子１１０の斜視図である。図１０（ａ）において、紙面の右方向がｘ方向、紙面の上方向がｙ方向、紙面の表面方向がｚ方向である。図１０（ｂ）のアンテナ素子１１０の斜視図は、図５と同じである。

図１０（ａ）に示すように、導波管スロットアレーアンテナ２では、アンテナ素子１１０が、一方の対向する一組の辺がｘ方向、他方の対向する一組の辺がｙ方向に平行である正方形（図１０（ａ）に破線で示す正方形）の頂点に配置されている。つまり、アンテナ素子１１０は、ｘ方向及びｙ方向に同じ間隔で配列されている。すなわち、ｘ方向に、等間隔で配列されたアンテナ素子１１０が、ｙ方向にｘ方向の間隔と同じ間隔で平行に繰り返して配列される。このとき、アンテナ素子１１０は、図６（ｃ）に示した放射キャビティ６１の入力電界の方向（ｘ方向）に対して、図６（ｂ）に示した放射素子１１の方向が一致している。このため、放射素子１１を構成する正方形の辺（図３（ａ）参照）は、隣接する放射素子１１を構成する正方形の辺と平行になる。つまり、隣接する放射素子１１間の近接した距離は、ｘ方向及びｙ方向で同じとなる。このようにすることで、放射素子１１は、高密度に配置される。

しかし、アンテナ素子１００では、図３（ｂ）、（ｃ）で説明したように、放射キャビティ３０に対する偏波整合回路２０の向き（図３（ｂ）中に矢印で示す方向）は、放射キャビティ３０からの入力偏波の方向（ｘ方向）に対して予め定められた角度θ_ｐ(図３（ｂ）に示した例では４５°)に設定される。また、図３（ａ）に示したように、放射素子１０は、放射キャビティ３０の入力偏波の方向（ｘ方向）に対して、予め定められた角度θ_ａ（図３（ａ）で示した例では３６°）に設定される。このため、偏波整合回路２０をｘ方向及びｙ方向に同じ間隔で配列し、放射素子１０を配置すると、間隔が大きくなってしまう。

そこで、導波管スロットアレーアンテナ１では、図９（ｃ）に示すように、ｘ方向に対して予め定められた角度θ_ａ傾けて配列するとともに、図１に示すように、隣接する配列間（配列Ａ−Ａ及び配列Ｂ−Ｂ）において、放射素子１０を配列する位置を間隔（ピッチ）ｐの半分（半ピッチ）ｐ／２ずらして配列している。このようにして、放射素子１０が高密度に配置されるようにしている。配列Ａ−Ａが第１の配列の一例であり、配列Ｂ−Ｂが第２の配列の一例である。

この場合、図９（ｃ）に矢印αとして示す部分のように、隣接する放射素子１０間の距離が、他の部分に比べて、狭い部分が発生する。この部分は、導波管を構成するための導体で構成されるので、導体の肉厚が薄くなってしまう。このため、放射素子１０を配置する密度は、矢印αとして示す部分のような薄い導体の肉厚によって決まる。

（サブアレー２００、２１０の特性）
図１１は、第１の実施の形態が適用される、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００で構成されるサブアレー２００、及び比較のために示す、偏波整合回路２０を備えないアンテナ素子１１０で構成されるサブアレー２１０の斜視図である。図１１（ａ）は、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００で構成されるサブアレー２００、図１１（ｂ）は、偏波整合回路２０を備えないアンテナ素子１１０で構成されるサブアレー２１０である。サブアレー２００は、２×２配列された４個のアンテナ素子１００を備え、サブアレー２１０は、２×２配列された４個のアンテナ素子１１０を備える。サブアレー２００、２１０は、導波管アンテナ素子サブアレーの一例である。

図１１（ａ）に示すサブアレー２００は、４個のアンテナ素子１００と、各アンテナ素子１００に対応して設けられた４個の３段の放射キャビティと、放射スロットと、キャビティ７０とを備える。前述したように、アンテナ素子１００は、放射素子１０と、偏波整合回路２０とを備える。３段の放射キャビティは、３段目の放射キャビティ３０、２段目の放射キャビティ４０、１段目の放射キャビティ５０から構成されている。サブアレー２００は、キャビティが給電導波管８０に接続されている。放射スロットは、１段目の放射キャビティ５０とキャビティ７０と間に、各アンテナ素子１００に対応して設けられている。また、キャビティ７０には、給電導波管８０との間に結合スロットが設けられている。

図１１（ｂ）に示すサブアレー２１０は、偏波整合回路２０を備えない４個のアンテナ素子１１０と、各アンテナ素子１１０に対応して設けられた４個の放射キャビティ６１と、放射スロットと、キャビティ７１とを備える。前述したように、アンテナ素子１１０は、放射素子１１を備える。サブアレー２１０は、キャビティ７１が給電導波管８０に接続されている。放射スロットは、放射キャビティ６１とキャビティ７１との間に、各アンテナ素子１１０に対応して設けられている。また、キャビティ７１には、給電導波管８０との間に結合スロットが設けられている。

図１２は、偏波整合回路２０を備えるサブアレー２００の周波数特性を示す図である。図１２（ａ）は、軸比の周波数特性、図１２（ｂ）は、リターンロスの周波数特性である。図１２（ａ）の横軸は、周波数［ＧＨｚ］、縦軸は、軸比［ｄＢ］、図１２（ｂ）の横軸は、周波数［ＧＨｚ］、縦軸は、リターンロス［ｄＢ］である。軸比［ｄＢ］は、０ｄＢに近いほどよく、３ｄＢ以下であればよい。リターンロス［ｄＢ］は、−１０ｄＢ以下であるとよい。

図１２（ａ）に示すように、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００によるサブアレー２００は、２４ＧＨｚから３０ＧＨｚまでの周波数帯域において、軸比［ｄＢ］が１．４ｄＢ以下と０ｄＢに近い。なお、図１２（ｂ）に示すように、リターンロス［ｄＢ］は、ほぼ−２０ｄＢ以下である。

図１３は、偏波整合回路２０を備えないサブアレー２１０の周波数特性を示す図である。図１３（ａ）は、軸比の周波数特性、図１３（ｂ）は、リターンロスの周波数特性である。図１３（ａ）の横軸は、周波数［ＧＨｚ］、縦軸は、軸比［ｄＢ］、図１３（ｂ）の横軸は、周波数［ＧＨｚ］、縦軸は、リターンロス［ｄＢ］である。

図１３（ａ）に示すように、偏波整合回路２０を備えないアンテナ素子１１０によるサブアレー２１０は、軸比［ｄＢ］が周波数によって異なり、２５ＧＨｚでは、４ｄＢを超える。

以上説明したように、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００によるサブアレー２００は、軸比の周波数依存性が小さい。

（導波管スロットアレーアンテナ１）
次に、図１に示した、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００を１６×１６配列した導波管スロットアレーアンテナ１の特性を説明する。なお、導波管スロットアレーアンテナ１は、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００を２×２配列したサブアレー２００を８×８配列して構成されている。つまり、８×８分岐の給電導波管８０により駆動されている。

図１４は、導波管スロットアレーアンテナ１の右旋円偏波の指向性特性を示す図である。図１４（ａ）は、図１におけるｚｘ平面での右旋円偏波の指向性特性、図１４（ｂ）は、図１におけるｙｚ平面での右旋円偏波の指向性特性である。図１４（ａ）、（ｂ）では、横軸に角度［°］、縦軸に相対強度を示す。

図１に示すように、ｚｘ平面は、アンテナ素子１００がオフセットされていない。一方、ｙｚ平面は、アンテナ素子１００がオフセットされている。なお、オフセットとは、アンテナ素子１００が、直線状に配列された配列が、隣接する配列でずれて配置されていることを言う。アンテナ素子１００をオフセットさせていないｚｘ平面より、オフセットさせたｙｚ平面の方が、サイドロープが低い。

図１５は、導波管スロットアレーアンテナ１の周波数特性を示す図である。図１５（ａ）は、軸比の周波数特性、図１５（ｂ）は、リターンロスの周波数特性である。図１５（ａ）では、横軸に周波数［ＧＨｚ］、縦軸に軸比［ｄＢ］を示し、図１５（ｂ）では、横軸に周波数［ＧＨｚ］、縦軸にリターンロス［ｄＢ］を示す。
偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００を用いた導波管スロットアレーアンテナ１では、２４ＧＨｚから３０ＧＨｚまでの周波数帯域において、図１５（ａ）に示すように、軸比３ｄＢ以下が得られる。また、図１５（ｂ）に示すように、リターンロスは、−１４ｄＢ以下である。

［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、入力偏波の方向（ｘ方向）に対して４５°方向に配置した偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００を用いた導波管スロットアレーアンテナ１を説明した。入力偏波の方向（ｘ方向）に対して４５°方向に配置した偏波整合回路２０を用いたために、放射素子１０は、入力偏波の方向（ｘ方向）に対して３６°回転させて配列した。
第２の実施の形態が適用される導波管スロットアレーアンテナ３では、放射素子１２が、入力偏波の方向（ｘ方向）に対して４５°回転させて配列されるアンテナ素子１２０を用いている。

図１６は、第２の実施の形態が適用されるアンテナ素子１２０が備える偏波整合回路２２を説明する図である。図１６（ａ）は、偏波整合回路２２の斜視図、図１６（ｂ）は、偏波整合回路２２の平面図である。図１６（ｂ）では、紙面の右方向がｘ方向、紙面の上方向がｙ方向、紙面の表面方向がｚ方向である。

図１６（ｂ）に示すように、偏波整合回路２２は、平面形状が長手方向と短手方向とを有する。そして、長手方向の両端部が円弧状になっている。つまり、偏波整合回路２２は、第１の実施の形態が適用されるアンテナ素子１００の偏波整合回路２０（図３（ｂ）参照）の切り取らなかった一組の角（ｘ方向に対して−４５°方向の一組の角）を円弧状に切り取った形状である。ただし、入力偏波の方向（ｘ方向）となす角度θ_ｐ′は、一例として５５°に設定されている。なお、偏波整合回路２２は、電波が伝播する方向において、長さｔ_ｐ′である。ここでも、偏波整合回路２２の長さｔ_ｐ′を調整して、主成分に加えて、透過副成分が発生させている。つまり、偏波整合回路２２の長さｔ_ｐ′は、周波数帯域内における最大波長λ_ｍａｘの１／８以上且つ１／４以下に設定されている。角度θ_ｐ′は、第１の角度の他の一例である。

図１７は、第２の実施の形態が適用される導波管スロットアレーアンテナ３におけるアンテナ素子１２０の配列を説明する図である。図１７（ａ）は、導波管スロットアレーアンテナ３の一部の平面図、図１７（ｂ）は、アンテナ素子１２０の斜視図、図１７（ｃ）は、アンテナ素子１２０における放射素子１２の配列、図１７（ｄ）は、アンテナ素子１２０における偏波整合回路２２の配列を説明する図である。図１７（ａ）、（ｃ）、（ｄ）において、紙面の右方向がｘ方向、紙面の上方向がｙ方向、紙面の表面方向がｚ方向である。図１７（ｂ）のアンテナ素子１２０の斜視図は、紙面の右方向がｘ方向、紙面の上方向がｚ方向である。

図１７（ｂ）に示したアンテナ素子１２０は、図３に示した第１の実施の形態が適用されるアンテナ素子１００における偏波整合回路２０を偏波整合回路２２に置き換え、放射素子１２の回転角である角度θ_ａを角度θ_ａ′に変更した構成である。よって、放射キャビティ３０は、アンテナ素子１００と同じである。

以上説明したように、偏波整合回路２２を用いない場合（入力偏波の方向（ｘ方向））から、放射素子１２を回転させる角度θ_ａ′を４５°とするために、偏波整合回路２２を用いている。よって、図１７（ａ）、（ｃ）に示すように、放射素子１２は、図３（ａ）に示した正方形の切り取られた角側を互いに隣接させた状態で、ｙ方向に配列させられる。なお、ｘ方向には、ｙ方向に配列した放射素子１２の間隔（ピッチ）ｐ′を間隔ｐ′の１／２（半ピッチ）ずらして配置されている。このようにすることで、放射素子１２は、高い密度で配列される。また、図９（ｃ）に示した隣接する放射素子１２間における間隔が狭い部分αの発生が抑制される。偏波整合回路２０を用いない場合から回転させる角度θ_ａ′は、第２の角度の他の一例である。

このアンテナ素子１２０においても、アンテナ素子１００と同様に、広い周波数帯域が得られる。なお、アンテナ素子１００とアンテナ素子１２０とを比較すると、アンテナ素子１００の方が、周波数帯域が広い。

［第３の実施の形態］
第１の実施の形態では、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００を導波管スロットアレーアンテナ１に用い、第２の実施の形態では、偏波整合回路２２を備えるアンテナ素子１２０を導波管スロットアレーアンテナ３に用いた。第３の実施の形態では、第１の実施の形態が適用される、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００を、円偏波のホーンアンテナとして用いる。

図１８は、偏波整合回路２０を備えるアンテナ素子１００を用いたホーンアンテナの一例を説明する斜視図である。紙面の右方向がｘ方向、紙面の上方向がｚ方向である。
ホーンアンテナは、アンテナ素子１００と、給電導波管８１と、ホーン９０とを備える。アンテナ素子１００は、放射素子１０と偏波整合回路２０とを備える。そして、給電導波管８１は、図２で説明した放射キャビティ３０と同様の構造を有している。ホーン９０は、アンテナ素子１００からｚ方向に離れるに従い、ｚ方向に垂直な断面が大きくなる円錐状の部分を備える。そして、ホーン９０は、放射素子１０が放射する円偏波のビームを絞って外部に放射する。

このように、アンテナ素子１００を単体の円偏波のホーンアンテナとしてもよい。偏波整合回路２０を用いることにより、ホーンアンテナの周波数帯域が広がる。

以上説明したように、偏波整合回路２０を用いたアンテナ素子１００及び偏波整合回路２２を用いたアンテナ素子１２０は、広い周波数帯域が得られる。
偏波整合回路２２に断面が円形の導波管を設けて、出力される偏波の周波数特性をシミュレーションしたところ、相対振幅及び相対位相が、図８に示した偏波整合回路２０を備えない場合と逆の周波数特性を示した。つまり、偏波整合回路２０、２２を用いることにより、偏波整合回路２０を備えない場合における相対振幅及び相対位相の周波数特性が打ち消されることで、周波数帯域が広がったと考えられる。
偏波整合回路２０は、偏波の方向と位相とを、入力偏波の方向と放射素子１０との間で整合させて、円偏波を放射される機能を有している。同様に、偏波整合回路２２は、偏波の方向と位相とを、入力偏波の方向と放射素子１２との間で整合させて、円偏波を放射させる機能を有している。

以上においては、放射素子として、断面形状が六角形の導波管を用いたが、断面形状が長方形の導波管を用いてもよく、断面形状が楕円の導波管を用いてもよく、断面形状が十字状の導波管を用いてもよい。つまり、放射素子は、管長差により、円偏波が発生される導波管であればよい。

また、以上においては、右旋円偏波による設計法を示したが、放射素子の向きと偏波整合回路を逆向きにして同様に設計することで左旋円偏波に適用することも可能である。

さらに、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形を行っても構わない。

１、２、３…導波管スロットアレーアンテナ、１０、１１、１２…放射素子、２０、２２…偏波整合回路、２０Ａ、２０Ｂ…端部、３０、４０、５０、６１…放射キャビティ、７０、７１…キャビティ、８０、８１…給電導波管、９０…ホーン、１００、１１０、１２０…アンテナ素子、２００、２１０…サブアレー

Claims (12)

1. 円偏波が入力される又は出力する放射素子と、
   一方の端部が前記放射素子に接続され、当該放射素子に対して偏波を整合させる偏波整合回路と、を備え、
   前記偏波整合回路は、他方の端部から出力される又は入力される偏波の方向に対して、第１の角度傾いて配置され、
   前記放射素子は、前記偏波整合回路を用いない場合から、第２の角度回転させて配置され、
   前記第１の角度は、前記第２の角度より大きい
   導波管アンテナ素子。
2. 前記偏波整合回路は、前記他方の端部の偏波に対して、前記一方の端部の偏波が、主成分に加え、透過副成分を有することを特徴とする請求項１に記載の導波管アンテナ素子。
3. 前記偏波整合回路は、長手方向と短手方向とを有する断面形状を有し、当該長手方向が当該偏波整合回路の前記他方の端部の偏波の方向に対して前記第１の角度傾いて設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の導波管アンテナ素子。
4. 前記偏波整合回路の前記第１の角度が予め設定された場合、当該偏波整合回路の透過副成分に基づいて、前記放射素子の前記第２の角度が設定されることを特徴とする請求項２又は３に記載の導波管アンテナ素子。
5. 前記偏波整合回路の前記第１の角度が４５°に設定された場合、前記放射素子の前記第２の角度が３６°に設定されることを特徴とする請求項４に記載の導波管アンテナ素子。
6. 前記放射素子の前記第２の角度が予め設定された場合、前記偏波整合回路の透過副成分に基づいて、当該偏波整合回路の前記第１の角度が設定されることを特徴とする請求項２又は３に記載の導波管アンテナ素子。
7. 前記放射素子の前記第２の角度が４５°に設定された場合、前記偏波整合回路の前記第１の角度が５５°に設定されることを特徴とする請求項６に記載の導波管アンテナ素子。
8. 前記放射素子は、正方形における一対の対角が斜めに切り取られた六角形状の断面形状を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の導波管アンテナ素子。
9. 前記偏波整合回路は、電波が伝播する方向の長さが、周波数帯域内における最大波長の１／８以上且つ１／４以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の導波管アンテナ素子。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の導波管アンテナ素子を複数備え、
    前記複数の導波管アンテナ素子が、一つの給電導波管により給電されるように接続された導波管アンテナ素子サブアレー。
11. 請求項１０に記載の導波管アンテナ素子サブアレーを複数備え、
    前記複数の導波管アンテナ素子サブアレー毎に分岐して給電する給電導波管と、
    を備える導波管スロットアレーアンテナ。
12. 前記導波管スロットアレーアンテナが備える複数の放射素子は、
    予め定められた方向に予め定められた間隔で配列された第１の配列と、
    前記方向に前記間隔で配列された第２の配列と、を備え、
    前記第１の配列と前記第２の配列とは、前記間隔の１／２ずれて隣接することを特徴とする請求項１１に記載の導波管スロットアレーアンテナ。

Images