JPH11308020A - アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リッジ導波管を介して放射素子を結合するア
レーアンテナにおいて、個々の放射素子の結合度を正確
に、しかも簡単に調整することができるアレーアンテナ
を提供する。 【解決手段】 内壁の一面にリッジ２ａが形成されたリ
ッジ導波管２と、そのリッジ導波管２の管軸方向に直角
に、かつ、リッジ導波管２の幅広面に対しても直角に挿
入された複数個の結合用プローブ１ａと、その結合用プ
ローブ１ａの他端部に設けられた放射素子１とからな
り、リッジ２ａの内側に放射素子１と特性測定回路との
整合用のインピーダンス整合部１１が形成され、インピ
ーダンス整合部１１内で結合用プローブ１ａと放射素子
１とが接続されるように放射素子１が取り付けられてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は放射素子が直線状ま
たは平面状に並べられるアレーアンテナに関する。さら
に詳しくは、リッジ導波管に放射素子が結合される場合
の結合調整を簡単に、しかも確実に行うことができるア
レーアンテナの構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の開口面アンテナは、パラボラアン
テナに代表されるように、その表面が放物面の形状に形
成されたものが使用されている。しかし、このようなパ
ラボラアンテナは、立体的な構造となり、形状が大きい
という問題があるため、このパラボラアンテナに代る方
式として、放射素子を直線状またはマトリクス状に並べ
た、直線または平面状のアレーアンテナが近年実用化さ
れている。

【０００３】従来考えられている平面状のアレーアンテ
ナは、たとえば図７（ａ）〜（ｂ）に示されるようなス
トリップライン放射器や、図８（ａ）〜（ｂ）に示され
るような空洞部５８を形成する金属壁面に多数設けられ
たスリット５７から電波を放射するスロットタイプなど
が考えられている。ストリップライン放射器は、裏面に
アース板５３を有する誘電体基板５２上にパッチアンテ
ナ５１がマトリクス状に並べて設けられ、各パッチアン
テナ５１に給電のため、さらにアース板５３の裏に誘電
体５４を介してストリップライン５５が形成され、その
ストリップライン５５により結合ピン５６を介して給電
される構造になっている。また、スロットタイプは、ラ
ジアル導波管５８に絶縁された結合ピン５９により給電
し、その空洞部の電磁波をスリット５７より放射するも
のである。なお、図８（ｃ）に示されるように、スリッ
トから直接放射しないで、空洞部５８内に放射素子６０
の一部を挿入し、空洞部５８内の電界と結合させてエネ
ルギーを取り出す構造のものもある。この場合、空洞部
５８内の電界の強さに応じて放射素子６０の挿入深さを
変えることによりその放射電力が調整される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のストリップライ
ンタイプのものは、伝送損失が大きく、アンテナ特性を
劣化させるため、利得が高く高精度のアンテナが得られ
ない。また、スロット方式では、金属板にスリットを形
成するが、スリットからの放射電力の制御範囲が狭く、
設計上の制約が多い上にスリットの位置、長さ、幅など
により大幅にアンテナ性能が変化するため、その設定を
行うために何回も試作を行わなければならず、最適な設
計値が得られても製造のバラツキにより、充分に最適な
アンテナ性能を得ることが困難である。さらに、空洞を
使用するものでは、空洞内での電界分布が放射素子によ
り変動するため、放射素子からの放射電力を簡単に必要
な値に設定することができない。

【０００５】さらに、これらの従来のアレーアンテナで
は、各放射素子からのそれぞれの出力の大きさ、位相な
どを精密に調整することができず、衛星放送受信用のア
ンテナのように、ゲインが得られれば問題にならないよ
うな用途のアンテナとしてはよいが、たとえば高速自動
車道路の自動料金収受システムなどのように、狭い範囲
で通信すべき範囲と通信すべきでない範囲が分れている
用途のアンテナとしては、サイドローブレベルの低い放
射パターンなどの厳しいアンテナ特性が要求され、従来
のアレーアンテナでは充分に要求を満足するアンテナが
得られないという問題がある。

【０００６】本発明は、これらの問題を解決するため、
リッジ導波管を介して放射素子を結合させることによ
り、放射素子の間隔を狭くすることができ、しかも個々
の放射素子の結合度や位相を精密に調整することがで
き、良好な特性のアンテナを提供できるようにするもの
である。すなわち、個々の放射素子の結合度（放射電力
の比）の調整をする場合、放射素子を付けたままでは隣
接する放射素子間の干渉により正確な調整をすることが
できない。個々の放射素子の代りに測定用治具を使用し
て直接接続して結合度を調整しようとすると、放射素子
のインピーダンスが１００〜２２０Ωと高く、測定器の
インピーダンスは通常５０Ω程度と大きくずれており、
測定器を用いて調整しても設計通りのアンテナ特性が得
られないという問題がある。

【０００７】本発明は、このような問題を解決するため
になされたもので、リッジ導波管を介して放射素子にマ
イクロ波電力を供給するアレーアンテナにおいて、個々
の放射素子の結合度を正確に、しかも簡単に調整するこ
とができる構造とすることにより良好な特性のアレーア
ンテナを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によるアレーアン
テナは、内壁の一面または相対する二面にリッジが形成
されたリッジ導波管と、該リッジ導波管の管軸方向に対
して直角、かつ、リッジ導波管の幅広面に対して直角に
挿入された結合用プローブと、該結合用プローブの他端
部に設けられた放射素子とからなり、前記リッジの少な
くとも一つの内部に前記放射素子と特性測定回路とのイ
ンピーダンス整合部が形成され、該インピーダンス整合
部内で前記結合用プローブと放射素子とが接続されるよ
うに前記放射素子が取り付けられている。

【０００９】このような構造にすることにより、結合度
を調整したり測定したりするときに、インピーダンス整
合部に測定用コネクタのインピーダンスと合せた測定用
治具を挿入して結合度を調整することができ、正確に結
合度を調整することができる。その結果、実際にアレー
アンテナにした場合でも、設計値通りのアンテナ特性が
得られる。

【００１０】前記結合用プローブが前記リッジの頂部
（対向する管壁との間隔が狭くなる先端部）に誘電体を
介してねじ込まれ、該結合用プローブと対向する前記導
波管の壁面またはリッジ部に取り付けられる固定ピンに
より前記結合用プローブの一端部が保持され、該結合用
プローブの他端部と前記放射素子とが接続されることに
より、調整後の結合用プローブをしっかりと固定するこ
とができ、アンテナ特性を安定に維持することができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】つぎに、図面を参照しながら本発
明のアレーアンテナについて説明をする。

【００１２】本発明のアレーアンテナは、図１にその一
実施形態の断面説明図が示されるように、内壁の一面に
リッジ２ａが形成されたリッジ導波管２と、そのリッジ
導波管２の管軸方向に直角に、かつ、リッジ導波管２の
幅広面に対しても直角に挿入された複数個の結合用プロ
ーブ１ａと、その結合用プローブ１ａの他端部に設けら
れた放射素子１とからなり、リッジ２ａの内側に放射素
子１と特性測定回路との整合用のインピーダンス整合部
１１が形成され、インピーダンス整合部１１内で結合用
プローブ１ａと放射素子１とが接続されるように放射素
子１が取り付けられている。

【００１３】リッジ導波管２は、両端が短絡され、実質
的に矩形の断面を有する導波管の内壁の長手方向に沿っ
て、リッジ２ａが形成されている。図１に示される例で
は、その１つの管壁が複数本のリッジ導波管２に共通の
金属板２ｃで構成されており、その金属板２ｃの内面
（導波管の内部側）にリッジ２ａが設けられている。こ
のリッジはさらに対向する内壁面にも設けられることが
ある。このリッジ２ａは、図示しないネジなどで金属板
２ｃに取り付けられている。このリッジ２ａは管壁と一
体構造で作られてもよい。そして、その中心部がその該
当する部分の金属板２ｃと共にくりぬかれ、インピーダ
ンス整合部１１が形成されている。

【００１４】すなわち、通常マイクロ波帯の測定器は５
０Ωでの測定となるように構成されているが、放射素子
１のインピーダンスは１００〜２２０Ω程度と高い。そ
のため、５０Ωと１００〜２２０Ωとのインピーダンス
整合部１１を設けて、５０Ωの測定器で結合用プローブ
１ａの結合度を治具を用いて調整し、測定すれば、イン
ピーダンス整合部１１の効果で放射素子１からは適切な
値の電力を放射できる。インピーダンス整合部１１は、
特性インピーダンスが（５０・Ｚｅ）^1/2Ω（Ｚｅは放
射素子のインピーダンス）、長さが使用周波数の１／４
波長の長さとするのが目安である。このような構成にす
ることにより、この頂部でのインピーダンスは測定用治
具をつけた場合も、放射素子をつけた場合も５０Ωにな
る。なお、４ａは結合用プローブ１ａをネジで保持する
誘電体リングである。結合用プローブ１ａをネジで保持
するのは、後述するように、その挿入深さ（挿入長）を
調整することができるようにするためである。そして、
この結合用プローブ１ａの一端側は対向する導波管壁か
らねじ込まれた誘電体ネジからなる固定ピン１７により
保持され、その他端側に放射素子１が接続されている。
この放射素子１と結合用プローブ１ａとの接続は、たと
えば図２に示されるように、結合用プローブ１ａの他端
部にスリワリ部１ｃを入れておいて、放射素子１を差し
込むことによりなされる。

【００１５】放射素子１は、金属により適切なアンテナ
形状に形成されたもので、たとえば図３（ａ）〜（ｄ）
にそれぞれ示されるように、先端部がカール状に形成さ
れたカール素子や、スパイラル素子、ヘリカル素子、ジ
グザグ素子（平面内で折り曲げられた素子）などが用い
られる。この放射素子１の中心軸と同心に前述のインピ
ーダンス整合部１１の内径と同じ寸法の外径を有する円
筒部１２ｂおよび蓋部１２ａを有する誘電体部１２が取
り付けられている。また、蓋部１２ａが前述の金属板２
ｃの表面に当ったときに放射素子１が所定の高さになる
ように蓋部１２ａ上の放射素子１の中心軸の周囲に位置
合せタブ１３が設けられている。すなわち、この誘電体
部１２の円筒部１２ｂをインピーダンス整合部１１の内
周に挿入することにより、放射素子１の先端が結合用プ
ローブ１ａのスリワリ部１ｃに挿入され、所定の高さの
放射素子１になるような構造になっている。そして、結
合用プローブ１ａの挿入長により結合度、すなわち放射
素子への電力配分を決定し、アンテナ特性を実現する。

【００１６】つぎに、この構造の放射素子１の結合度な
どのアンテナ特性の調整方法について説明をする。ま
ず、調整する位置の放射素子１および放射素子１に取り
付けられた誘電体部１２をリッジ２ａから引き抜いて取
り外す。そして、図４に示されるような構造の測定用ア
ダプタ１５をインピーダンス整合部１１内に挿入してネ
ジ１６により金属板２ｃに固定する。測定用アダプタ１
５は、図４に示されるように、外径が前述のインピーダ
ンス整合部１１の内径と一致し、内径が５０Ωの外軸に
なるような金属などの外導体１５ａと、その内周に挿入
されたテフロンなどからなる誘電体チューブ１５ｂと、
その上端部に取り付けられたコネクタ１５ｃと、そのコ
ネクタ１５ｃの内軸に接続されている内導体１５ｄとか
らなっており、リッジ２ａのインピーダンス整合部１１
内に挿入されることにより内導体１５ｄが結合用プロー
ブ１ａのスリワリ部１ｃに挿入されて接続される構造に
なっている。

【００１７】この測定用アダプタ１５のコネクタ１５ｃ
に図示しないネットワークアナライザーなどの測定器に
接続されたケーブルを接続し、図示しない給電部からリ
ッジ導波管２に給電して、その入力に対する出力を測定
し、測定器により測定しながら所定の特性になるように
結合用プローブ１ａの挿入長を調整する。その調整は、
結合用プローブ１ａと対向するリッジ導波管２の管壁に
設けられたネジ孔から挿入した調整棒により結合用プロ
ーブ１ａを回すことにより行える。なお、所定の結合度
が得られたらそのネジ孔にポリカーボネートなどからな
る固定ピン１７を結合用プローブ１ａに突き当たるまで
ねじ込むことにより、ネジ孔を閉塞することができると
共に、結合用プローブ１ａが動くこともなくなる。この
調整を各々の放射素子に接続する各結合用プローブにつ
いて行う。この際、１本のリッジ導波管２に並ぶ複数個
の放射素子１からの放射電力が、所望の値となるように
それぞれの結合用プローブ１ａの挿入長を調整する。

【００１８】すなわち、このアンテナ特性を調整しなが
らアレーアンテナを製造する方法は、リッジ導波管内の
電界と結合するように結合用プローブを複数本挿入し、
該結合用プローブにそれぞれ放射素子を接続することに
よりアレーアンテナを製造する場合に、前記リッジの内
部に前記放射素子と特性測定回路とのインピーダンス整
合部を形成し、前記結合用プローブを前記リッジ導波管
のリッジの頂部に誘電体を介してねじ込み、結合度を調
整したり測定したりするときに、該インピーダンス整合
部内に測定器と同じインピーダンスの測定用治具を挿入
して前記結合用プローブの他端部と接続し、前記測定用
治具に接続した測定器により結合特性を測定しながら前
記結合用プローブの挿入深さを調整し、ついで前記測定
用治具を外して放射素子を前記結合用プローブと接続す
るように挿入するものである。

【００１９】この方法を用いることにより、特性が安定
し、非常に短時間で、しかも確実な調整をすることがで
きる。

【００２０】前記結合用プローブの挿入深さの調整完了
後に前記結合用プローブの一端部と対向する導波管壁面
から固定ピンを挿入して前記結合用プローブを保持する
ことにより、特性の変動をなくすることができると共
に、調整用の孔を閉塞することができる。

【００２１】本発明のアレーアンテナによれば、放射素
子の結合部を、リッジ導波管のリッジ部に形成すると共
に、放射素子と特性測定回路との整合を取ったインピー
ダンス整合部が設けられているため、結合度を調整する
際に、測定器のインピーダンスと同じインピーダンスの
測定用治具を接続することができる。その結果、調整の
際にマッチングの取れた状態で行うことができ、調整時
と、実際にアンテナとしたときの特性での差が生じるこ
とがなく、理論設計通りのアンテナを製造することがで
きる。さらに、このインピーダンス整合部をリッジ内に
設けているため、特別のスペースをとる必要がなく、小
形のままインピーダンス整合部を設けることができる。
一方、リッジ２ａは、その外壁が導体であれば内部は何
でも特性的には影響しないため、リッジ導波管としての
性能に問題はない。しかも、リッジ内を空洞にすること
ができるため、材料の節約になると共に軽量化にもな
り、また温度特性も良好になる。

【００２２】つぎに、この結合構造を有する放射素子を
用いて２次元の平面アンテナを形成する例について説明
をする。図５は、その一実施形態の斜視説明図である。

【００２３】この例は、図１に示される第１のリッジ導
波管２の管軸方向に沿って複数個の放射素子が設けられ
た直線アレーアンテナを複数本並列に並べて、マトリク
ス状に放射素子１が設けられることにより、平面アンテ
ナが形成されている。そして、この複数本の第１のリッ
ジ導波管２に給電できるように、この第１のリッジ導波
管２の裏面側にさらに第２のリッジ導波管５が、たとえ
ばリッジ導波管２の中心部を横断する（直交する）よう
に設けられている。そして、第２のリッジ導波管５の底
面に図示しないコネクタおよび給電用プローブが設けら
れ、外部の給電部と第２のリッジ導波管５とが結合さ
れ、第２のリッジ導波管５と第１のリッジ導波管２とが
図示しない給電用プローブにより結合されている。

【００２４】図５に示される例では、放射素子１のそれ
ぞれの周囲が導体壁６で覆われている。すなわち、格子
状に導体壁６がリッジ導波管２の一壁面となる金属板２
ｃの表面に設けられ、格子状の導体壁６により囲まれた
空洞内に各放射素子１が位置するように構成されてい
る。このように放射素子１が１個づつ導体壁６により囲
まれることにより、方形キャビティ内に放射素子１が存
在することになり、導波管内の伝搬モードとなり、キャ
ビティ開口面における電磁界分布が一様になる。すなわ
ち、カール素子などの回転方向により位相変化を利用す
る放射素子においては、結合用プローブの方向から傾い
た方向での特性が、変動するという問題があるが、この
導体壁６が設けられることにより、放射素子１の軸対称
特性が一様になり、回転角に拘らず、個々の放射素子１
の振幅が一定になる。さらに、隣接する放射素子１間で
の相互作用もなくなり、さらにアンテナ特性が向上す
る。この導体壁６は、図５に示されるような方形ではな
く、円形に設けられていてもよい。

【００２５】なお、図５では４本のリッジ導波管を並置
した例が図示されているが、この本数は、必要なアンテ
ナ特性が得られるようにｎ本のリッジ導波管を並置する
ことができる。また、第２のリッジ導波管５への給電回
路に図示しない整合回路が設けられることにより、結合
効率よく第２のリッジ導波管と結合することもできる。
このような平面アンテナにする場合でも、個々の放射素
子の特性を実際の構造と同じ状態で精度よく調整するこ
とができるため、非常に高性能のアンテナを提供でき
る。

【００２６】図６は、平面アンテナのさらに他の実施形
態の図５と同様の説明図である。この例は、たとえば右
旋円偏波と左旋円偏波の両偏波を送受信することができ
るように直交する偏波のアンテナが設けられた例であ
る。すなわち、たとえば右旋円偏波用の放射素子１が第
１のリッジ導波管２に並べられて形成された右旋用アレ
ーアンテナと、左旋円偏波用の放射素子９が第３のリッ
ジ導波管７に並べて結合された左旋用アレーアンテナと
が、１本おきに並べられている。そして、第１のリッジ
導波管２に給電するための第２のリッジ導波管５および
第３のリッジ導波管７に給電するための第４のリッジ導
波管８が、それぞれ第１および第３のリッジ導波管２、
７と直交するように設けられている。この第２および第
４のリッジ導波管５、８には、図示されていないが、前
述のようにコネクタが設けられており、外部回路と結合
することができるようになっている。

【００２７】本発明では、リッジ導波管を使用している
ため、そのリッジの高さを調整することによりリッジ導
波管のカットオフ周波数を下げることができ、リッジ導
波管の幅を細くすることができる。その結果、このよう
にたとえば右旋円偏波用と左旋円偏波用とを交互に配置
しても、右旋用同士、左旋用同士をそれぞれ独立して
０.５〜０.９λ₀ （λ₀ は自由空間波長）の間隔で配置
することができる。

【００２８】図６に示される例では、右旋円偏波用の放
射素子１と、左旋円偏波用の放射素子９とがずれて配置
されるように構成されている。図６に示されるように右
旋円偏波用と左旋円偏波用とをずらせて配置することに
より、放射素子間の距離が大きくなり、相互の影響を減
らすことができるため好ましい。そのため、給電用の第
２および第４のリッジ導波管５、８も図６に示されるよ
うに、並べて配置しながら第１および第３のリッジ導波
管２、７の中心部に給電することができる。

【００２９】また、前述の例では、左旋円偏波用と右旋
円偏波用の直交する円偏波の送受信用であったが、直線
偏波の水平偏波用と垂直偏波用などの互いに電界が直交
する偏波用のアンテナにすることもできる。さらに、図
６に示される例では、放射素子１、９の周囲を導体壁で
囲っていないが、図５に示される例と同様に各放射素子
を導体壁で囲うことにより相互の放射素子の結合の影響
をなくすることができると共に、放射素子の軸対称特性
の改善を行える。

【００３０】さらに、前述の例では、第１または第３の
リッジ導波管２、７への給電を、それらのセンターで行
ったが、センターでなくても端部など他の部分から給電
することもできる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、リッジ導波管を用いた
アレーアンテナにおいて、インピーダンス整合部が設け
られているため、各放射素子の結合特性が得られるよう
にそれぞれの結合調整をするのに、マッチングの取れた
状態で調整をすることができる。そのため、設計値通り
のアンテナ特性のアレーアンテナが得られる。さらに、
放射素子の空間に対するインピーダンスと整合させるこ
とができるため、より一層アンテナ特性が向上する。ま
た、リッジ内にインピーダンス整合部による空洞を作る
ことができるため、アレーアンテナを小型化でき、重量
を軽減できると共に材料の節約をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアレーアンテナの一実施形態の断面説
明図である。

【図２】放射素子と結合用プローブとの接続構造の一例
を示す説明図である。

【図３】放射素子の形状例を示す図である。

【図４】測定用治具アダプタの一例の断面説明図であ
る。

【図５】図１のアレーアンテナを用いて平面アンテナを
構成する例の説明図である。

【図６】平面アンテナの構成の他の例を示す説明図であ
る。

【図７】従来のパッチ素子を用いた平面型アレーアンテ
ナの例を示す図である。

【図８】従来の空洞を用いた平面型アレーアンテナの例
を示す図である。

【符号の説明】

１ 放射素子 １ａ 結合用プローブ ２ リッジ導波管 ２ａ リッジ １１ インピーダンス整合部

フロントページの続き (72)発明者 岡戸 広則 東京都北区滝野川７丁目５番11号 株式会 社ヨコオ内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内壁の一面または相対する二面にリッジ
   が形成されたリッジ導波管と、該リッジ導波管の管軸方
   向に対して直角、かつ、リッジ導波管の幅広面に対して
   直角に挿入された結合用プローブと、該結合用プローブ
   の他端部に設けられた放射素子とからなり、前記リッジ
   の少なくとも一つの内部に前記放射素子と特性測定回路
   とのインピーダンス整合部が形成され、該インピーダン
   ス整合部内で前記結合用プローブと放射素子とが接続さ
   れるように前記放射素子が取り付けられてなるアレーア
   ンテナ。
2. 【請求項２】 前記結合用プローブが前記リッジの頂部
   に誘電体を介してねじ込まれ、該結合用プローブと対向
   する前記導波管の壁面またはリッジ部に取り付けられる
   固定ピンにより前記結合用プローブの一端部が保持さ
   れ、該結合用プローブの他端部と前記放射素子とが接続
   されてなる請求項１記載のアレーアンテナ。