JP7057457B2 - ホーンアンテナ及びホーンアンテナアレイ - Google Patents

Description

本開示は、広角に目標物の存在及び方位を検知する技術に関する。

広角に目標物の存在を検知する技術が、特許文献１～４に開示されている。特許文献１では、基板平面に形成される平面アンテナを用いて、正面方向の目標物の存在を検知し、基板側面に形成される電磁波反射面を用いて、側面方向の目標物の存在を検知する。特許文献２では、基板平面に形成される平面アンテナを用いて、正面方向の目標物の存在を検知し、基板側面の近傍の基板平面の端部に形成されるアンテナパターンを用いて、側面方向の目標物の存在を検知する。特許文献３では、基板平面に形成される平面アンテナを用いて、正面方向の目標物の存在を検知し、基板側面の近傍の基板平面の端部に形成されるダイポールアンテナを用いて、側面方向の目標物の存在を検知する。特許文献４では、基板側面にホーンアンテナを配置し、水平方向のモノパルス測角方式を可能とした構造が開示される。図１は特許文献４に記載される広角方位検知システムの構成を説明する図である。

図１の広角方位検知システムＳは、誘電体基板１及び金属部材２から構成される。誘電体基板１は、基板内部において基板平面と平行方向に導波路１１、１２、１３の導波部（図３を参照。）が形成され、基板側面において導波路１１、１２、１３の開口部（図３を参照。）が形成され、基板平面において基板平面アンテナ１４が形成される。金属部材２は、ホーン構造２１、２２、２３が形成され、導波路１１、１２、１３の開口部（図３を参照。）とホーン構造２１、２２、２３の接続部がそれぞれ接続されるように、誘電体基板１に接続される。

ホーン構造２１、２２は、受信用のものであり、ホーン構造２３は、送信用のものである。基板平面アンテナ１４は、受信用のもの及び送信用のものを、様々な監視方式に応じて、高い自由度で配置する。以下の説明では、誘電体基板１の厚さ方向と平行方向を「水平方向」と定義し、誘電体基板１の厚さ方向と垂直方向を「垂直方向」と定義する。また、基板平面アンテナ１４が配置されている面を「正面」、ホーン構造２１、２２、２３が形成された面を「側面」とする。

特開２００７－０４９６９１号公報 特許５４６４１５２号公報 特許５６０９７７２号公報 特開２０１７－０５９９０７号公報

しかし、送信装置や受信装置内で電磁波を任意位置へ伝搬するために導波管が用いられることは多い。しかし、特許文献４では、基板平面と平行な方向（側面に向いた方向）に形成された導波路にホーンを配置することは記載するが、正面方向に向いた面に構成された導波管にホーン構造を配置することは記載されない。そこで、本発明は、正面方向からずれた方向にある目標物の存在及び方位を検知できるようにアンテナ指向性ビームを正面方向からずれた方向に向けることができるホーンアンテナ及びホーンアンテナアレイを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るホーンアンテナは、ホーンの中心軸がホーンの開口の面に対して垂直でない構造のホーンを導波管にずらして接続することとした。本発明に係るホーンアンテナは、導波管の先端にホーンを配置する第１構造と導波管の狭壁面にホーンを配置する第２構造がある。

第１構造について説明する。本発明に係るホーンアンテナは、方形導波管の接続端に接続する矩形の接続口、及び前記接続口の面積より大きい面積を持ち電磁波を送受信する矩形の開口を有するホーンアンテナであって、
前記方形導波管の中心軸と前記開口の面との交点と前記開口の中心とがずれており、前記接続口の中心から前記開口の面へ下した垂線の足の位置が前記交点と前記開口の中心を結ぶ線分上にあるようなホーン構造を備えることを特徴とする。

続いて第２構造について説明する。本発明に係るホーンアンテナは、方形導波管の狭壁面に形成された窓に接続する矩形の接続口、及び前記接続口の面積より大きい面積を持ち電磁波を送受信する矩形の開口を有するホーンアンテナであって、
前記開口の面に垂直な方向から見た時に、前記開口の中心と前記接続口の中心とがずれており、前記方形導波管の中心軸が、前記開口の中心と前記接続口の中心とを結ぶ直線に垂直となるように、且つ前記接続口の中心に対して前記開口の中心と反対側にあるように前記方形導波管が接続されたホーン構造を備えることを特徴とする。

いずれの構造もホーンの中心軸がホーンの開口の面に対して垂直でなく、さらに導波管との接続もずらしているので、ビーム方向を傾斜させることができる。ビーム方向はホーン形状と導波管との接続状態で調整することができる。従って、このホーンアンテナを基板正面に２つ配置し、ビーム方向を調整してモノパルス測角方式を採用すれば広角に目標物の存在及び方位を検知することができる。つまり、本発明は、正面方向からずれた方向にある目標物の存在及び方位を検知できるようにアンテナ指向性ビームを正面方向からずれた方向に向けることができるホーンアンテナを提供することができる。

具体的なホーン構造は次の通りである。
前記ホーン構造は、前記開口の面に垂直な方向から見た時に、前記開口の向かい合う二組の辺のいずれか一方の中心線上に前記接続口の中心があることを特徴とする。
前記ホーン構造は、前記開口の面に垂直な方向から見た時に、前記接続口の一辺が前記開口の一辺に接触あるいは前記開口の中心に対して前記開口の一辺より遠方にあるようにずれていることを特徴とする。
前記導波管は、前記窓に対面する狭壁面に段差が形成されていることを特徴とする。
前記ホーン構造は、前記開口と前記接続口とを接続するホーン面が階段状であることを特徴とする。

前記ホーン構造は、前記開口と前記接続口とが前記電磁波の波長の０．８倍以上離れていることを特徴とする。ビーム方向を所望方向へ調整するためには開口と接続口との距離（ホーンの長さ）が電磁波の波長の０．８倍以上である必要がある。

本発明に係るホーンアンテナアレイは、複数の前記ホーンアンテナを、前記接続口の中心と前記開口の中心とを結ぶ全ての直線が平行となるように並列させたことを特徴とする。本ホーンアンテナアレイにてビームフォーミング方式を利用することで電磁波の指向性を制御することができる。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明は、正面方向からずれた方向にある目標物の存在及び方位を検知できるようにアンテナ指向性ビームを正面方向からずれた方向に向けることができるホーンアンテナ及びホーンアンテナアレイを提供することができる。

本発明に関連する広角方位検知システムの構成を示す図である。 本開示のモノパルス測角方式の原理を示す図である。 本発明に関連する広角方位検知システムの構造を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナの構造を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナの構造を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナの構造を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナの構造を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナの構造を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナの構造を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナの構造を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナの構造を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナの効果を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナの効果を説明する図である。 本発明に係るホーンアンテナアレイの構造を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図４は、本実施形態のホーンアンテナ１０１を説明する図である。ホーンアンテナ１０１は導波管の先端にホーンを配置する第１構造である。図４（Ｃ）は、ホーンアンテナ１０１の等角投影図である。また、図４（Ｃ）のＡの方向から見た側面図を図４（Ａ）、Ｂの方向から見た正面図を図４（Ｂ）に示す。

ホーンアンテナ１０１は、方形導波管７０の接続端に接続する矩形の接続口４１、及び接続口４１の面積より大きい面積を持ち電磁波を送受信する矩形の開口４２を有するホーンアンテナであって、
方形導波管７０の中心軸７１と開口４２の面との交点Ａと開口４２の中心Ｂとがずれており、接続口４１の中心Ｃ１から開口４２の面へ下した垂線の足Ｃ２の位置が交点Ａと開口の中心Ｂを結ぶ線分上にあるようなホーン構造を備える。

導波管７０は図４（Ａ）の左側から供給される電磁波をホーン部４０まで伝搬する。また、導波管７０はホーン部４０が受信した電磁波を図４（Ａ）の左側へ伝搬する。ホーン部４０は接続口４１と開口４２を有し、これらを上底と下底とする錐台の構造である。この錐台は対称ではなく、開口４２に対して接続口４１がＹ方向にずれている（図６（Ｂ）を参照。）。また、ホーン部４０は開口４２に対して接続口４１がＸ方向とＹ方向にずれていてもよい（図６（Ａ）を参照。）。

ホーン部４０は接続口４１において導波管７０の端部に接続されるが、接続口４１の中心Ｃ１と導波管７０の中心軸７１とがずれた状態で接続される。図４（Ｂ）はホーン部４０と導波管７０とのずれた状態を説明する図である。「Ａ」は中心軸７１と開口４２との交点であり、開口４２の面上における導波管７０の中心位置である。「Ｂ」は開口４２の中心である。「Ｃ２」は接続口４１の中心Ｃ１から開口４２の面へ下した垂線の足であり、開口４２の面上における接続口４１の中心位置である。

図６（Ｂ）のようなホーン部４０の形状とし、図４のようにホーン部４０と導波管７０とを接続することでビーム方向はＺ方向からＹ方向へ傾き、点Ｃ１と点Ｂとを結ぶ直線状に形成されることになる。

（実施形態２）
図５は、本実施形態のホーンアンテナ１０２を説明する図である。ホーンアンテナ１０２は導波管の狭壁面にホーンを配置する第２構造である。図５（Ｃ）は、ホーンアンテナ１０２の等角投影図である。また、図５（Ｃ）のＡの方向から見た側面図を図５（Ａ）、Ｂの方向から見た正面図を図５（Ｂ）に示す。

ホーンアンテナ１０２は、方形導波管７０の狭壁面に形成された窓７２に接続する矩形の接続口４１、及び接続口４１の面積より大きい面積を持ち電磁波を送受信する矩形の開口４２を有するホーンアンテナであって、
開口４２の面に垂直な方向から見た時に、開口４２の中心Ｂと接続口４１の中心Ｃ１とがずれており、方形導波管７０の中心軸７１が、開口４２の中心Ｂと接続口４１の中心Ｃ１とを結ぶ直線に垂直となるように、且つ接続口４１の中心Ｃ１に対して開口４２の中心Ｂと反対側にあるように方形導波管７０が接続されたホーン構造を備える。

導波管７０は図５（Ｂ）の右側から供給される電磁波をホーン部４０まで伝搬する。また、導波管７０はホーン部４０が受信した電磁波を図５（Ｂ）の右側へ伝搬する。ホーン部４０の形状についてはホーンアンテナ１０１の説明と同様である。

ホーン部４０は接続口４１において導波管７０の窓７２に接続されるが、Ｚ方向から見た時に接続口４１の中心Ｃ１と導波管７０の中心軸７１とがずれた状態で接続される。図５（Ｂ）はホーン部４０と導波管７０とのずれた状態を説明する図である。「Ｂ」は開口４２の中心である。「Ｃ２」は接続口４１の中心Ｃ１から開口４２の面へ下した垂線の足であり、開口４２の面上における接続口４１の中心位置である。開口４２の面上において点Ｂと点Ｃ２とを結ぶ直線と中心線７１とは垂直であり、中心線７１が点Ｃ２に対して開口４２の中心Ｂと反対側にあるように接続される。

図６（Ｂ）のようなホーン部４０の形状とし、図５のようにホーン部４０と導波管７０とを接続することでビーム方向はＺ方向からＹ方向へ傾き、点Ｃ１と点Ｂとを結ぶ直線状に形成されることになる。

（ホーン部の形状）
図７及び図８はホーン部４０の他の形状を説明する図である。前記ホーン構造は、開口４２の面に垂直な方向から見た時に、接続口４１の一辺が開口４２の一辺に接触あるいは開口４２の中心Ｂに対して開口４２の一辺より遠方にあるようにずれていることを特徴とする。図７は、錐台の側面の一つがＺ方向に平行である形状のホーン部４０を説明する図である。図８は、錐台の側面の一つが接続口４１から見た時にオーバーハングしている形状のホーン部４０を説明する図である。所望のビーム方向を形成するために図７や図８のような形状のホーン部４０を導波管７０に接続してもよい。

図９はホーン部４０の他の形状を説明する図である。図９（Ｃ）は、ホーンアンテナ１０１の等角投影図である。また、図９（Ｃ）のＡの方向から見た側面図を図９（Ａ）、Ｂの方向から見た正面図を図９（Ｂ）に示す。前記ホーン構造は、開口４２と接続口４１とを接続するホーン面が階段状であることを特徴とする。図４から図８まではホーン部４０の形状が錐台である場合を説明した。ホーン部４０の形状は錐台に限らない。ホーン部４０の形状は、図９のようにホーン面が階段状に形成されていてもよい。図９では、ホーン面の一つがＺ方向に平行であり、他の３面に段差がある形状のホーン部４０を説明する。ただし、段差はＺ方向に平行のホーン面以外のホーン面全てに形成する必要はない。

（導波管の構造）
図１０は導波管７０の構造を説明する図である。図１０（Ｂ）は、ホーンアンテナ１０２の等角投影図である。図１０（Ａ）はホーンアンテナ１０２を導波管７０の中心線を含むＺ方向に平行な面で切断した切断面を説明する図である。ホーンアンテナ１０２の場合、導波管７０は、窓７２に対面する狭壁面に段差７３が形成されていることを特徴とする。ホーンアンテナ１０２は、導波管７０内の電磁波の伝搬方向とホーン部４０の開口４２に形成されるビーム方向とが大きく異なる。このため、導波管７０の窓７２に対向する位置に段差７３を形成することでリターンロスを低減することができる。

（実施例１）
図１１のようなホーンアンテナ１０１を作成し、導波管７０とホーン部４０とのずれ量Δによってビーム方向がどのように変化するかの検証を行った。図１１（Ａ）は、ホーンアンテナ１０１の等角投影図である。図１１（Ｂ）はホーンアンテナ１０１をＹ方向から見た図である。ホーンアンテナ１０１の開口４２の大きさはＸ方向の長さが２．１λ、Ｙ方向の長さが１．５λである。λは電磁波の波長である。また、ホーン部４０の高さ（開口４２と接続口４１との距離）は０．８λとした。

検証結果を図１２及び図１３に示す。図１２と図１３はビーム方向を説明している。図１２（Ａ）と図１３は、Ｚ方向を０度としたときのビーム方向のＸ方向への傾きを示している。図１２（Ｂ）は、Ｚ方向を０度としたときのビーム方向のＹ方向への傾きを示している。図１２（Ｂ）のようにビーム方向はＹ方向への傾きはほとんどない。一方、図１２（Ａ）のようにビーム方向はＸ方向へ約３０度の傾きを持つことがわかる。

図１３は、ずれ量Δに対するビーム方向の変化を説明している。ビーム方向は、Δ＝０λのときＸ方向へ約２５度傾き、Δ＝０．１λのときＸ方向へ約３０度傾き、Δ＝０．２λのときＸ方向へ約３６度傾く。このように、導波管７０とホーン部４０とのずれ量を調整することで所望の方向へビームを形成することができる。同様に、ホーン部４０の開口４２の中心と接続口４１の中心のずれ量を調整することでも所望の方向へビームを形成することができる。

以上の検証より、本発明に係るホーンアンテナは、ホーン部４０の形状と導波管７０とホーン部４０とのずれ量を調整することで所望の方向へビームを形成することができる。具体的には、ビーム方向をエレベーション方向へはセンターに保ちつつアジマス方向へは３０度傾斜させることが可能である。このようなホーンアンテナを２つ使用することで図２で説明したモノパルス測角方式を採用して広角に目標物の存在及び方位を検知することができる。

（実施例２）
指向性を高めるためにホーンアンテナ１０１又はホーンアンテナ１０２を複数並列させ、ビームフォーミング方式を適用してもよい。図１４は、本実施例のホーンアンテナアレイ２０１を説明する図である。ホーンアンテナアレイ２０１は、ホーンアンテナ１０２を、接続口４１の中心と開口４２の中心とを結ぶ全ての直線が平行となるように並列させている。つまり、ホーンアンテナアレイ２０１は、ビーム方向を揃えて複数のホーンアンテナ１０２を一列に配列させた構造である。本実施例ではホーンアンテナ１０２を配列させているが、ホーンアンテナ１０１を配列させてもよい。

（他の実施例）
上記各発明の構造は、可能な限り組み合わせることができる。

Ｓ：広角方位検知システム
１：誘電体基板
２：金属部材
１１、１２、１３：導波路
１４：基板平面アンテナ
２１、２２、２３：ホーン構造
２４：筐体面
２５、２６：筐体角
２７：回折構造
３１、３２、３３：レドーム部材
３１’、３２’、３３’：フィルム部材
４０：ホーン部
４１：接続口
４２：開口
７０：導波管
７１：中心線
７２：窓
７３：段差

Claims (7)

1. 方形導波管の狭壁面に形成された窓に接続するホーン構造を備えるホーンアンテナであって、
   前記ホーン構造は、
   （ａ）前記窓に接続する矩形の接続口、及び前記接続口の面積より大きい面積を持ち電磁波を送受信する矩形の開口を有し、前記開口の面と前記接続口の面とが平行であり、前記開口の面に垂直な方向から見た時に、前記開口の中心と前記接続口の中心とがずれているように非対象に窄んだ形状であること、
   （ｂ）前記接続口が前記方形導波管の前記窓に直に接続されていること、且つ
   （ｃ）前記開口の面に垂直な方向から見た時に、前記方形導波管の中心軸が前記接続口の中心に対して前記開口の中心と反対側にあるように、前記方形導波管に対してずれて接続されていることを特徴とするホーンアンテナ。
2. 前記ホーン構造は、
   前記開口の面に垂直な方向から見た時に、前記開口の向かい合う二組の辺のいずれか一方の中心線上に前記接続口の中心があ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. 前記ホーン構造は、
   前記開口の面に垂直な方向から見た時に、前記接続口の一辺が前記開口の一辺に重なって見える、あるいは前記開口の中心に対して前記開口の一辺より遠方にあるようにずれていることを特徴とする請求項１又は２に記載のホーンアンテナ。
4. 前記方形導波管は、前記窓に対面する狭壁面に段差が形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のホーンアンテナ。
5. 前記ホーン構造は、前記開口と前記接続口とを接続するホーン面が階段状であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のホーンアンテナ。
6. 前記ホーン構造は、前記開口と前記接続口とが前記電磁波の波長の０．８倍以上離れていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のホーンアンテナ。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の複数のホーンアンテナを、前記接続口の中心と前記開口の中心とを結ぶ全ての直線が平行となるように並列させたホーンアンテナアレイ。

Images