JPH0258906A - 導波管スロットアレーアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、導波管に放射用のスロットを形成しこれを
複数並べてアレー化した導波管スロットアレーアンテナ
の主に給電構造に関するものであ〔従来の技術〕 衛星通信や衛星放送など、比較的高い周波数の電波を送
受信するアンテナとしてパラボラアンテナが良く知られ
ている。このパラボラアンテナは技術的にほぼ完成の域
にあり、構造も比較的弔純であるが、その形状の故に風
の影響を受は易く、また雪が積もり易いなど難点もある
。これに対して近年、小さなアンテナ素子を平面状に並
べ、これをマイクロストす、ブ回路でつないで大きな利
得を得ようとするいわゆる平面アンテナが注目されつつ
ある。この平面アンテナは前記各アンテナ素子で受信し
た電力の位相を調節して合成するごとによってアンテナ
の正面からずれた方向からの電波を強く受信することも
できるため、静止衛星などから到来する斜め方向の電波
の受信に際して、垂直な壁に比較的密着して設置でき、
雪や風の影響を小さくできるという利点がある。しかし
例えば衛星放送などで用いられる高い周波数においては
、一般にマイクロストリップ回路は電力用失が大きいた
め、高利得、高効率が得にくい。

一方矩形の導波管に多数の放射用スロットを形成し、こ
の導波管を多数並べて平面状にアレー化したアンテナが
知られている。具体的には例えばＷ、Ｊ、ＧＥＴＳＩＮ
ＧＥＲ，’Ｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｌｙ　Ｐｏ１ａｒｉｚ
ｅｄ　Ｌｅａｋｙ−Ｗａｖｅ　　Ａｒｒａｙ”、［Ｅ　
　Ｔｌ？ＡＮＳＡ（：Ｔｌ０ＮＳ　　ＯＮ　　ＡＮＮＴ
ＥＮＡＳ　　ＡＮＤＰＲＯＰＡＧＡＴｌＯＮ、ｐｐ１６
５−１７２．Ｍａｒｃｈ、　１９６２で報告されている
。この導波管スロットアレーアンテナは、基本的にアン
テナの正面からずれた方向に主ビームを放射できるほか
、伝送損失が極めて小さいため、非常に高い受信効率が
得られるとされる。当該文献には記載されていないが、
かかる導波管スロットアレーアンテナの全体の構造とし
ては第７図に示すものが一般的である。第７図は従来の
導波管スロットアレーアンテナの模式図で、破線は隠れ
た部分を示す線である。同図において放射用導波管１に
はその幅広面（Ｈ面）の管軸方向に７０って一ト字形の
放射用スロット（孔）２が配列されており、この放射用
導波管１が複数（図では６本）それぞれの幅狭面（Ｈ面
）を接しながら並べられている。一方分岐導波管３の幅
狭面には、前記放射用導波管ｌの開口端１−ａが接し、
がっ開口端ｌａの各々の放射用導波管ｌに対応して分岐
口４が開口している。さらに前記分岐導波管３の両端部
３−、Ｊおよび３−ｂは閉しられており、この分岐導波
管３の内部は誘電体５で満たされている。なおこごでは
前記分岐導波管３への給電は、給電用プＬ１−ブ６によ
って行なっている。

かかる構造において、外部から前記給電用プローブ６に
高周波を給電すると、電磁波は前記導波管３内を進行し
、前記分岐口４を経て前記各放射用導波管１に導びかれ
、この電力の一部づつが前記各放射用スロν１・２から
放射され、各部の設定に応したビームが形成され、アレ
ーアンテナとし°ζ作用する。なお通常前記各放射用導
波管１はアレー化の原則に従って空間波長の略０．９倍
以Ｆのピッチで並べなくてはならず、しかもそれぞれの
放射用導波管】を等位相で励振する必要があるため、前
記分岐用導波管３内の波長を短縮するべく前記誘電体５
が充填されるのである。

〔発明力稍・７決しようとする課題］ さて以上の構成になる導波管スロットアレーアンテナに
おいて重要なのが周波数帯域幅である。

つまり前記放射用導波管１の部分は前記放射用スロット
２を配列する間隔を所定量より短かくすることによって
いわゆる漏洩導波管アレーアンテナとなり、比較的広い
帯域が確保しやすい（発明打らの解析によって確かめら
れている）か、前記分岐導波管３においては、隣接する
前記放射用導波管１に１波長ずつずらして電力分配する
ため、周波数が設５１周波数から変わると前記各放射用
導波管１に分配される電波の位相ずれを起こし、利得が
大きく低下し、特に前記放射用導波管１の数を増して高
利得を得ようとした場合、顕著である。

また、波長短縮のために充填した前記誘電体５はその材
料の誘電率および誘電正接に起因する誘電ｌｆｉ失すな
わち電力ロスを起こすほか、前記誘電体５を前記分岐導
波管３に密に安定して充填するデ「しさなどの製造上の
問題もある。

つまり４ｉ１８己ｚ、９波管スロントアレーアンテナは
、基本的には高い効率のビームチルト型アンテナを実現
できる潜在的なポテンシャルを持っているものの、電力
損失が少なく、帯域幅が広いという性能を両立し、しか
も安価に装造できる分岐給電構造すなわち給電源からの
電力を分配して前記各放射用導波管に給電する好ましい
構造が得られないために、その実用化が困難となってい
るのである。

本発明はかかる課題を効果的に解決する構造を提供する
６ （課題を解決するだめの手段〕 すなわち本発明は前記分岐給電構造として少なくとも一
部にマイクロストリップ回路を用いる。

さらに詳しくは本発明は、それぞれの幅広面に放射用ス
ロットを形成した矩形の放射用導波管を、その幅狭面が
接するように並べたものをアレ一体と呼ぶことにすると
、このアレ一体の裏面すなわら１１１１記放Ｉ４・１用
スロツトを形成していない側の面に沿って、少なくとも
電力を２つ以上に分岐するマイクロストリップ回路を設
置し、そのマイクロス１−リップ回路の分岐端の各々に
棹状の給電ブローブを接続し、その給電プローブを、前
記放射用導波管の裏面の所定の位置に設けた給電プロー
ブ挿入孔から前記放射用導波管それぞれの中に突出させ
たものである。

［実施例］ さらに具体的な構造と作用を実施例に基づいて説明する
。第１図および第２図は本発明の最も基本的な実施例を
示したもので、第１図はそのアンテナを裏面斜め方向か
ら見た外観図であり、第２図は第１図の点Ａ、　Ａ’を
通り、アレー面に直角な面で同アンテナを断面した一部
を示す図である。

これらの図において、８本の放射用導波管１１がそれぞ
れの幅広面に設けた放射用スロット（図に示されない）
の面を一方側にそろえ、隣接する幅狭面を接しＣ並べら
れており、この並べられた状Ｂ　４こおける前記放射用
スロットが設けられた面を放射面１１−ｄと呼び、その
反対側の面を裏面１１−ｂと呼ぶことにする。前記各放
射用導波管１１の一端は導体の短絡板１２で塞がれてお
り、他端は短絡あるいは開放若しくは電波吸収体を設置
したり、無反射終端構造などが必要に応じて選ばれる。

また前記各放射用導波管１１には後述する所定の位置に
給電プローブ挿入孔１３が設けられている。

さて前記裏面１１−ｂに接して、地導体１７、誘電体板
１６、マイクロス１−リップ分岐線路１５を順次層状に
配置するが、よく知られたやり方としてこの３層を、い
わゆる両面銅張積層板という一体の板からエツチング等
の処理を用いて製作することができ、この３層で構成さ
れた部分を通常マイクロストリップ回路と呼ぶ。前記マ
イクロストリップ分岐線路１５は、給？！ｆ：　？ＴＡ
　１５−　ａから、分岐部１５−ｃ、　１５−ｄ１５−
ｅを順次径て分岐され、最後に８つの分岐端１５ｂに至
る構造となっており、特にこの例では１ｉｉｌ記給電諒
１５−ａから前記各分岐端１５−ｂに至る実質線路長が
等しくなるようにしであるほか、電力も等しく分岐され
るものとする。なお図では厳密に示していないが前記分
岐部１５−ｃ、　１５−ｄ、　１５−ｅではもちろんイ
ンピーダンス整合がとられているものとする。

そして前記各分岐端１５−ｂには、前記裏面１１−ｂに
直角に給電プローブ１４がそれぞれ接続されており、こ
の給電プローブ１４は前記誘電体板１６、地導体１７お
よび前記給電プローブ挿入孔１３を貫いて１、各々の前
記放射用導波管１１内に突出する。もちろん前記地導体
１７には前記給電プローブ挿入孔１３と同様の穴が設け
てあって前記給電プローブ１４と接しないのみならず電
力反射を起こさない考慮が払われる。また前記各給電プ
ローブ１４の前記各放射用導波管１１内への突出のｔｆ
／ｉ造は、いわゆる同軸導波管変換構造として基本的に
は知られているもので、前記マイクロストリップ分岐線
路１５の前記分岐端１５−ｂ付近のインピーダンス、前
記放射用導波管１１のサイズ等に応じて、給電プローブ
１４の太さ、長さ、前記給電プローブ挿入孔１３の大き
さ、そして前記短絡板１２からの距離、前記放射用導波
管１１の幅狭面の壁からの距離などを適宜設定すること
によって反射のない給電が可能である。また前記給電プ
ローブ１４の前記給電プローブ挿入孔１３に対する位置
精度を確保するために、この両者間に誘電体のスリーブ
を挿入することも可能である。

かかる構造において、前記給電源１５−ａから高周波電
力を投入すると、この電力は前記各分岐部を経て等電力
、等位相で前記各給電プローブ１４に導かれ、従って前
記各放射用導波管１１は、等位相、等電力で励振される
。この構造では周波数が変化しても等位相、等電力で分
配されることは明らかであり、広い周波数帯域が確保で
きる。この好ましい性能は前記放射用導波管の数が２’
　　（ｎは正の整数）個のとき最も容易に得られるが、
これ以外の任意の数であっても、マイクロスｌリップ回
路の分岐設計の自由度からほとんど問題なく対応できる
。

このように本発明の性能上の最も大きな効果は広帯域化
にあり、しかもそれを極めて単純かつコンパクトに実現
でき、従って安価な製造を可能にしたのであるが、分岐
構造部分の電力の損失についても、導波管はどの低損失
は望めないものの、かなり優れた性能が確保できる。つ
まり第１には、いわゆるマイクロストリップ型平面アン
テナにおいては、２次元にアレー化したアンテナ素子そ
れぞれに給電線をつなぐ必要があることに比べて、本発
明では通常１列に並んだ前記分岐端に分岐するだけであ
るから、同じ全体サイズのアンテナを考えるならば当然
本発明の方が給電線路の長さが短かく、従って導体損失
や誘電体損失が小さくなる上、分岐部や折れ曲がり部の
数も少ないため、これらの部分で生じる不要放射による
損失も小さくできる。

第２には、前記マイクロストリップ型平面アンテナでは
アンテナ素子部における放射効率の向上および共振帯域
の向上と導体損失の減少が、給電線路途中での不要放射
による損失の減少に対して、誘電体基板の厚さに関して
相反する挙動をとるため、これらのバランス上最適すな
わら全体の効率が最も良くなるような前記誘電体基板の
厚さを選択するが、本発明における前記マイクロストリ
ップ回路では、前記アンテナ素子部の放射効率および共
振帯域を考慮する必要がなく、より好ましい基板厚さを
選択することができ、結果的に損失の少ない回路を実現
できる。つまり本発明は、一般には電力損失の面で不利
と思われているマイクロストリップ回路を用いるが、上
述のようにかなり有利な条件で設計でき、従って損失の
小さい高効率のアンテナとすることができるのである。

さらに本発明においては積極的に電力損失を低減する対
策が取り得る。すなわち本発明で用いるマイクロストリ
ップ分岐回路は、単に電力分配だけを目的とした回路で
あるから、この部分をいわゆるトリプレート構造として
密閉型の回路とすることが可能かつ容易である。これに
よって先の不要放射による損失をもなくすことができ、
前記マイクロストリップ分岐回路はほぼ導体損失のみに
注目した最適設計が可能となり、極めてｔ置火の小ざい
回路が実現できる。

第３図はその具体的な構造の例で、第２図と対応する部
分に同一符号を示している。

前記裏面１１−ｂに接して、第１の誘電体２６、所定の
分岐構造となったマイクロストリップ分岐線路１５、そ
して第２の誘電体２７が順次層状に配置されて積層体を
形成し、さらに閉塞板２日が重ねられている。そして前
記閉塞板２８はスペーサ２９と前記短絡板１２とに固定
される。

前記マイクロストリップ分岐線路１５のぞれぞれの分岐
端１５−ｂには、前記裏面１１−ｂに直角の向きに棒状
の給電プローブ１４が接続され、その給電プローブ１４
は、前記第１の誘電体２６および前記給電プローブ挿入
孔１３を貫いて、それぞれの前記放射用導波管１１の巾
に突出する。

かかる構造における基本的な作用は、前実質例と全（同
様であるが、本実施例では前記アレ一体の裏面１１−ｂ
と、塞閉板２８はそれぞれ地導体として機能しており、
この２枚のいわば地導体が前記第１と第２の誘導体２６
および２７を介して前記マイクロストリップ分岐線路１
５を挟み、いわゆるトリプレート構造を形成することに
よって放射損失がなくなる。これは本発明の最も有効な
実施形態といえ、しかもこの構造が容易に実施できる。

さて本実施例における前記第１および第２の誘電体２６
．２７と前記マイクロストリップ分岐線路１５の具体的
形態について言及する。無論種々の形態が可能である。

例えば、ｆｉｌｌ記第１の誘電体２６と前記マイクロス
トリップ分岐線路１５とが通常使用される片面銅張積層
板で作られ、前記第２の誘電体２７として単なるシート
状の誘電体、あるいは小さな誘電率と誘電正接を得るた
めに、発泡体や焼結体などの多孔体あるいはハニカム構
造体、極端には空間（空気）としたり、これらの組み合
わセとすることもできる。または同様の構成で、前記第
１と第２の誘電体２６．２７を入れ替えた構造も可能で
ある。または前記マイクロストリップ分岐線路１５とし
て、フィルム状の誘電体に導体の線路を印刷あるいは張
りつけて回路を形成したものを用い、前記第１および第
２の誘電体２６．２７として発泡体などを用いるか、若
しくは大部分を空間として、先のフィルム状の誘電体の
周辺を支えるだけといった構造も取り得る。

いずれにせよかかる構造における重要な点は、前記マイ
クロストリップ分岐線路１５における電力損失をいかに
小さくするかということと、前記給電プローブ１４の接
続、担持が十分行なえ、しかもその加工が容易かどうか
という点である。この点からすると、例えば先の銅張積
Ｎ板の利用の場合、その基板がしっかりしているため前
記給電プローブ１４の接続、担持は容易であるが、誘電
率や誘電正接の充分小さいものが得られず、導体損失、
誘電体損失が大きい。−力先のフィルム状の誘電体に導
体線路を形成したものを利用する場合、損失は小さくで
きるが、それ自体の剛性が十分でないため前記給電プロ
ーブ１４の接続、担持が困難である。

発明者は、前記マイクロストリップ分岐線路１５として
、ややｌｊ７い導体のめを使用することによって以上の
問題を力・７決できることを見いだした。すなわち前記
銅張積層板で回路を形成したり、前記フィルム状の誘電
体に導体線路を形成するのは、導体の回路部分を、接着
したフィルムや積層板で保持して変形しに＜＜シ手法安
定性等を得るためのものであるから、導体そのものが自
身の回路形状をある程度保持できる剛性を持っており、
上下面を適切に支持する構造とすれば十分安定な回路と
して機能する上、前記第１および第２の誘電体２６、２
７と接着などの必要がなく、従って該誘電体２６、２７
として誘電特性の優れる材質および形態が比較的自由に
選択できるほか、加工、組み立ても極めて容易である。

特に本発明においては、前述のように前記マイクロスト
リップ分岐線路１５は、通常のマイクロストリップ型平
面アンテナにおける分岐回路に比して長さが短かく、構
造も単純でしかも線路の幅としである程度広いものが使
えるという自由度があるため、この構造は実用的な十分
な意味を持っている。実際に０．１〜０．３ｍｍの厚さ
の銅板から１６〜３２ケの前記分岐端を有する前記マイ
クロストリップ分岐線路１５の製作に成功している。

この構造の要点は、導体のみからなる平面状のマイクロ
ストリップ線路１５を予め形成し、その上下両面を少な
くとも上下各１枚の平面状の誘電体で挟持し、さらにそ
の上下両面を各１枚の導体板で挟持したものであり、こ
れによって前記導体のみからなる平面状のマイクロスト
リップ線路は必要な形状が保持される。この構造は本発
明である導波管スロントアレーアンテナの電力分岐構造
としてもちろん極めて有用であるが、これに限らず広く
低損失のマイクロストリップ回路として利用できる。こ
の具体的な実施においてその効果を最大限に得るには、
前記平面状の誘′電体の選択が重要である。当然誘電率
、誘電正接が小さく安価に人手できるものが好ましいが
、発明者の知るところでは、ボリエ千しンあるいはポリ
スチレンの気泡率の高い発泡体が最適である。もちろん
、空隙を多く含む焼Ｘ、、一体板やハニカム構造体も利
用できる。

また前記導体のみからなる平面状のマイクロストリップ
線路１５の形状、位置を長期間安定に維持するために、
前記上下各１枚の平面状の誘電体は等質かつ等しい厚さ
および平面形状とし、前記上下各１枚の導体板で圧縮し
ながら挟持することが望ましく、こうすることによって
前記平面状の誘電体は前記マイクロストリップ線路を強
く保持するとともに、前記誘電体がクリープしたり、温
度の上下によって膨張収縮等を生じても常に前記マイク
ロストリップ線路は厚さ方向の同一位置を維持できる。

また前記導体のみからなる平面状のマイクロストリップ
線路１５は、単にやや厚い！ｌｉｉ板を用いてもよいが
、形状保持のための剛性と、導体損失低減のための導電
性の確保を両立させるために、その線路断面の中心部に
剛性の高い材料を配し、表面部に導電性の良好な導体と
して複合体とすることができる。これは、マイクロ波等
の高周波電流が線路の表面部分のみを流れるという事実
に基づくものである。具体的にはスチールの芯材に銅メ
ツキを施したものとか、スチールと銅またはアルミのク
ラツド板の利用などが考えられるが、本構造の精神をそ
のまま活かして、前記中心材料にガラス繊維強化プラス
チックを用い、この周囲に銅などの金属をメツキする方
法も考えられる。このことを考えると、「前記導体のみ
からなる・・・」という表現は「少なくとも外面が連続
した導体のみからなる」ことを意味している。

さて本発明になる導波管スロットアレーアンテナにおい
て、これまで示して来たいずれの構造においても、前記
給電プローブ１４を前記給電プローブ挿入孔１３に精度
よく保持せしめることが重要である。つまり前記給電プ
ローブは、いわゆる片持支持構造であるため、位置決め
の問題もさることながら、たおれ（傾き）が問題になり
易い。これに対して発明者は、実質的に両端支持構造が
とれることを見いだした。

つまり、棒状の給電プローブを導波管の幅広面（Ｈ面）
から挿入して給電する構造において、前記導波管の一方
の幅広面に前記給電プローブ挿入用の貫通孔を設け、そ
の貫通孔の延長上の他方の幅広面に貫通または非貫通の
孔を設け、前記給電プローブの周囲および先端延長部に
かけて延在する支持用誘電体を前記給電プローブと嵌合
し、その支持用誘電体を前記両幅広面に設けた２つの孔
に嵌合することによって、実質的に両端支持構造とする
ものである。

第４図はこの構造の断面図（幅広面に直角で、管軸に沿
う面で断面）であり、周辺の構造については省略してい
る。第４図において、導波管１１の裏面１１−ｂには給
電プローブ挿入孔１３が設けられ、前記放射面１１−ａ
には前記給電プローブ挿入孔１３に対応する位置に支持
孔３４が設けられている。そして支持誘電体３５はその
一端が前記支持孔３４に、他端が前記給電プローブ挿入
孔１３と嵌合して、前記導波管１１を貫いている。そし
て棒状の給電プローブ１４は前記支持誘電体３５の中心
軸部に形成した孔と嵌合している。

この構造によって前記給電プローブが安定に保持される
ことは明らかであり、前記マイクロストリップ分岐線路
の前記分岐端において前記給電プローブを強固、高精度
に支持する必要がなくなる。

しかし一方で、単純に前記給電プローブを挿入する場合
に比べて、給電性能が低下することが懸念されるが、発
明者の実験により、前記支持孔の口径が十分小さいとき
には性能低下は全くなく、また電波漏洩の問題もない。

さらに、前記支持誘電体の誘電特性、形状２手法によっ
て前記給電プローブ挿入孔１３の位置、前記給電プロー
ブ１４の挿入深さ等を選択すれば、極めて良好な反射の
ない給電ができることが判明している。

さて本発明は導波管スロットアレーアンテナに関するも
ので、その具体的な構造と、それによって低損失かつ広
帯域のアンテナが安価に実現できることを示して来たが
、さらに高利得を得るために例えば前記放射用導波管の
数を増加する場合、導波管による電力分岐を併用するこ
とも可能である。例えば最初の実施例において、第１図
に示した前記アレ一体を２つ横に並べ（従って前記放射
用導波管の数が２倍になったことと同一）２つの前記給
電源１５−ａに給電プローブを立てて、これらを両端を
閉じた新たな導波管の両端部付近に設けた挿入孔から挿
入して前記両マイクロストリップ分岐線路と前記導波管
とを回路的に結合し、その導波管の中央部を改めて励振
すれば、双方の前記アレ一体の前記各放射用導波管すべ
てに同位相の電力が供給される。かかる構造が容易に実
現できるのは、本発明によるマイクロストリップ線路を
用いた分岐構造によって分岐数が集約されていることに
よって初めて可能となることであり、本発明が導波管ス
ロットアレーアンテナの実用化の可能性を極めて拡大す
るものであるといえる。

第５図および第６図は電力分岐に導波管を併用したもの
の例である。第５図は外観略図で、一部破線で隠れた部
分を示している。第６図は第５図における給電プローブ
４３を含むＸ−Ｘ’断面矢視図である。

両図において、導波管４１の両端４４は閉している。

この導波管４１は前記マイクロストリップ分岐線路１５
の上に誘電体層４２を間に挟んで位置し、短絡板４６に
よって地導体１７と長手方向全域が接続されている。

マイクロストリップ分岐線路１５の２ケの給電源１５−
ａにはそれぞれ給電プローブ４３が接続され、この２ケ
の給電プローブ４３は、先の導波管４１の両端４４近く
の所定の位置で導波管４１内に突出する。

また、導波管４１の長手中央部には同軸導波管変換器４
５を設ける。その同軸導波管変換器４５は給電プローブ
４５−ａを有する。給電プローブ４３の周囲には誘電体
４３−ａが設けられている。

同軸導波管変換器４５から憂周波を投入すると、その電
力は等位相１等電力に分配されて各給電源１５−ａに至
る。

〔発明の効果〕

以上のごとく、本発明は導波管スロットアレーアンテナ
において効率の低下すなわち電力Ｉ置去を最小限にしな
がら、特に帯域幅を拡大する構造を極めて安価に提供す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す斜視図、第２図は第１
図のＡ−Ａ’線断面の一部を示す断面図、第３図はこの
発明の他の実施例を示す第２図と対応した断面図、第４
図は給電プローブ保持構造の例を示す断面図、第５図は
この発明の更に他の例を示す斜視図、第６図は第５図の
χ−に゛線断面の一部を示す断面図、第７図は従来の技
術を示す斜視図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）それぞれ幅広面に複数の放射用スロットを有する
   放射用導波管が複数並べられ、 前記の複数の放射用導波管の、前記スロットを形成して
   いない側の幅広面に沿って、電力を２つ以上に分岐する
   マイクロストリップ回路が設置され、 そのマイクロストリップ回路の分岐端の各々に接続され
   る棒状の給電プローブが前記放射用導波管各々の所定の
   位置に設けた給電プローブ挿入孔から前記放射用導波管
   各々の中に突出されていることを特徴とする導波管スロ
   ットアレーアンテナ。