JP2008148149A

JP2008148149A - アンテナ装置

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Publication number: JP2008148149A
Application number: JP2006334922A
Authority: JP
Inventors: Jun Goto; 準後藤; Satoshi Yamaguchi; 山口　　聡; Hiroaki Miyashita; 裕章宮下
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-06-26

Abstract

【課題】高次モードが伝搬可能な方形導波管において、伝搬可能な高次モードを減衰させることを目的とする。
【解決手段】方形導波管で成る放射導波管１０と給電導波管１７を互いの管軸を直交させて２層に重ねて配置し、第１の幅広側面１１Ａに管軸に垂直な第１の放射スロット１２と管軸に平行な第２の放射スロット１３を形成し、第２の放射スロット１３と対向する位置に第２の放射スロット１３を励振するように第１の給電スロット１６を形成し、放射導波管１０の内面に第１の幅広側面１１Ａと第２の幅広側面１１Ｂの間隔を高次モードの伝搬を低減する間隔に狭めるステップ構造１４を設け、給電導波管１７から第１の給電スロット１６を介して第２の放射スロット１３を励振することを特徴とするアンテナ装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、アンテナ装置に関し、より詳細には、方形導波管に設けたスロットにより電波を送受信するアンテナ装置に関する。

従来のこの種のアンテナ装置として、例えば、特開２００３−１３３８５０号公報に示されたものがある。図６は、この従来の導波管スロットアンテナ装置の斜視図である。また、図７は図６の導波管スロットアンテナ装置において、第１の放射スロット１から放射される方形導波管で成る放射導波管３の管軸７と平行な偏波面を有する電波の放射を説明する説明図である。図８は第２の放射スロット２から管軸７と直交する偏波面を有する電波を放射する場合を説明する説明図である。ここで、４Ａは放射導波管３の一方の幅広側面である上面、４Ｂは放射導波管３の他方の幅広側面である下面、５は放射導波管３と方形導波管で成る給電用導波管６との対向面の同一位置にそれぞれ形成された給電スロット、８は第１の放射スロット１を励振する場合の電波の経路、９は第２の放射スロット２を励振する場合の電波の経路を表す矢印である。なお、この例では、放射導波管３を管軸７に対して垂直な方向に複数配列してアレーアンテナ装置を形成した場合を示している。

電波の経路８に示すように、放射導波管３を伝搬した電波は、第１の放射スロット１から放射される。第１の放射スロット１は管軸７に平行な向きの電流を切断する向きに配置してあるので、管軸７に平行な偏波面を有する電波を空中に放射する。一方、電波の経路９に示すように給電用導波管６を伝搬した電波は、給電スロット５を介して第２の放射スロット２から空中へ放射する。なお、ここでは、第２の放射スロット２を励振するために、第２の放射スロット２と給電スロット５との距離は自由空間波長の半分の長さに設定される。このように、同一開口で直交する偏波を１つの放射導波管から放射させることで、放射導波管の数を減じ、導波管スロットアンテナ装置の製造コストを低減する利点を有する。

特開２００３−１３３８５０号公報（図１〜３）

しかしながら、従来の導波管スロットアンテナ装置では、第２の放射スロット２を励振するために、第２の放射スロット２と給電スロット５との距離を自由空間波長の半分の長さに設定する必要があり、放射導波管３は高次モードが伝搬可能となって、モード間の干渉のため位相歪みを生じたり、伝送損失が多くなるという問題点があった。

この発明は、上記従来技術の問題点を解決するもので、伝搬可能な高次モードを減衰させた導波管スロットアンテナ装置を得ることを目的とする。更に、伝搬可能な高次モードを減衰させると共に基本モードに対するインピーダンス整合の取れた導波管スロットアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係わるアンテナ装置は、対向する第１と第２の幅広側面を有する断面矩形の方形導波管で成る放射導波管と給電導波管を、前記放射導波管の第２の幅広側面と前記給電導波管の第１の幅広側面を合わせ、互いの管軸を直交させて２層に重ねて配置し、前記放射導波管の第１の幅広側面に放射導波管の管軸に垂直な第１の放射スロットと前記管軸上に設けられ前記管軸に平行な第２の放射スロットを形成し、前記放射導波管の第２の幅広側面の管軸上の前記第２の放射スロットと対向する位置に、前記第２の放射スロットを励振するように前記管軸に平行な第１の給電スロットを形成し、前記給電導波管の前記第１の幅広側面に前記第１の給電スロットを介して前記放射導波管に給電する第２の給電スロットを形成し、前記放射導波管の内面に、前記放射導波管の前記第１の幅広側面と第２の幅広側面の間隔を高次モードの伝搬を低減する間隔に狭める凸部を設けたことを特徴とするものである。

この発明によれば、放射導波管の内面に、前記放射導波管の前記第１の幅広側面と第２の幅広側面の間隔を高次モードの伝搬を低減する間隔に狭める凸部を設けたので、放射導波管を伝搬可能な高次モードを減衰させることができ、モード間の干渉による位相歪みを低減し、伝送損失の小さいアンテナ装置を得られる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。また、図２は、図１のアンテナ装置の上面図である。図において、１０は対向する第１と第２の幅広側面を有する断面矩形の方形導波管で成る放射導波管、１１Ａは放射導波管１０の第１の幅広側面、１１Ｂは放射導波管１０の第２の幅広側面、１２は放射導波管１０の第１の幅広側面１１Ａに形成され、放射導波管１０の管軸と平行な偏波面を有する電波を放射する第１の放射スロット、１３は放射導波管１０の第１の幅広側面１１Ａに形成され、放射導波管１０の管軸と直交する偏波面を有する電波を放射する第２の放射スロット、１４は放射導波管１０の第２の幅広側面１１Ｂの内面に形成した凸部であり、ここでは放射導波管１０の管軸に垂直な方向に延在するステップ状の突起のステップ構造１４としている。また、放射導波管１０の第２の幅広側面の管軸１５上の前記第２の放射スロット１３と対向する位置に、前記第２の放射スロット１３を励振するように前記管軸に平行な第１の給電スロット１６を形成する。また、１７は対向する第１と第２の幅広側面を有する断面矩形の方形導波管で成る給電導波管であり、給電導波管１７は放射導波管１０と直交させて２層に重ねて配置し、第１の給電スロット１６に対向する給電導波管１７の第１の幅広側面に第２の給電スロットを形成し、第１の給電スロット１６を介して放射導波管１０と電磁結合させて励振する。この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置では、第１の放射スロット１２と第２の放射スロット１３を第１の幅広側面１１Ａの同じ位置に形成して十字スロットとした場合を例示して説明する。なお、ステップ構造１４は、放射導波管１０の管軸１５に対して直交方向に放射導波管１０の第１の幅広側面１１Ａの隣り合う第２の放射スロット１３の間の部位に対向する第２の幅広側面１１Ｂに設ける。なお、ステップ構造１４は、放射導波管１０の管軸１５に対して直交方向に放射導波管１０の第１の幅広側面１１Ａの隣り合う第２の放射スロット１３の間の部位に設けてもよい。ここで、Ａは放射導波管１０の幅、Ｂは放射導波管１０の高さである。Ｈはステップ構造１４の放射導波管１０の内側へのステップ状の突起の高さ、Ｌは管軸１５の方向のステップ構造１４の長さ、Ｄは第１の放射スロット１２とステップ構造１４との距離である。

また、図３は、図１のアンテナ装置において、第１の放射スロット１２から放射される放射導波管１０の管軸１５と平行な偏波面を有する電波の放射を説明する説明図であり、１８は第１の放射スロット１２を励振する場合の電波の経路を表す矢印である。図４は、第２の放射スロット１３から放射導波管１０の管軸１５と直交する偏波面を有する偏波を放射する場合を説明する説明図であり、１９は第２の放射スロット１３を励振する電波の経路を表す矢印である。

次に動作について説明する。
図３に示すように、放射導波管１０の中を進行した電波は第１の放射スロット１２を励振する。なお、放射導波管１０に進行する電波は、放射導波管１０の端から他の導波管等の給電手段（図示省略）で供給すればよい。このとき、放射導波管１０の第１の幅広側面１１Ａに垂直な成分である基本モードが励振された場合、ステップ構造１４において特性インピーダンスは変化する。
一方、図４に示すように、給電導波管１７を伝搬する電波を、第１の給電スロット１６を介して第２の放射スロット１３と結合させるためには、自由空間波長をλとしたとき、放射導波管１０の高さをλ／２とする必要がある。このような設定のときには、放射導波管１０において高次モードが発生する。

なお、実施の形態１に例示するアンテナ装置では、放射導波管１０または給電導波管１７への給電により、第１の放射スロット１２と第２の放射スロット１３の励振を電気的に切り替えることで偏波面を変えられる。

この発明に係わるアンテナ装置では、ステップ構造１４を有するため、ステップ構造１４の高さＨなどを調整することにより伝搬可能な高次モードを減衰させることができる。さらに、ステップ構造１４の高さＨ、長さＬ、ステップ構造１４と第１の放射スロット１２との距離Ｄを調整することでインピーダンス整合を取ることができる。
ステップ構造１４により、このような効果を得られることについて以下に説明する。

減衰量Ｐ_Ａ（＞０）は、減衰定数αとステップ構造１４の長さＬを用いて表される。

ここで、減衰定数αは自由空間波長をλとすると、ＢおよびＨを用いて次式で与えられる。

式（１）と式（２）より、（Ｂ−Ｈ）＜λ／２のとき、αは実数となり、上記高次モードが抑圧されることがわかる。

高次モードが伝搬可能な方形導波管においては、モード間の干渉のために位相歪みが生じたり、伝送損失が多くなるなどの問題がある。しかしながら、上記のようにステップ構造１４を設けることにより、この問題を回避することができる。
さらに、ステップ構造１４の寸法を調整することにより、放射導波管１０のインピーダンス整合をさせることができる。

したがって、この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置は、偏波面が直交する第１の放射スロット１２および第２の放射スロット１３を高次モード伝搬可能な、同一の放射導波管１０上に設けた構造であり、放射導波管１０の第１の幅広側面１１Ａまたは第２の幅広側面１１Ｂのステップ構造１４によりインピーダンス整合を取り且つ高次モードを減衰させることができる。

なお、複数の第１の放射スロット１２と第２の放射スロット１３を同じ位置に形成して十字スロットとした場合を例示して説明したが、これに限るものではなく、従来技術として説明した図６の導波管スロットアンテナ装置と同様に、第１の放射スロット１２と第２の放射スロット１３を放射導波管１０の第１の幅広側面１１Ａに別々に配置しても、上記同様の効果を得られる。

また、以上のことから、同一開口で直交する偏波を１つの高次モード伝搬可能な放射導波管から放射する導波管スロットアンテナ装置において、上記ステップ構造１４は、高次モードの低減のみならずインピーダンス整合の効果も奏する。したがって、図１に例示したような、高次モード伝搬可能な放射導波管１０を管軸１５に対して垂直な方向に複数本配列してアレーアンテナを形成する場合の他、高次モード伝搬可能な１本の放射導波管１０でアンテナを形成する場合においても有効である。

なお、以上の説明では、図１に例示したように、放射導波管１０と給電導波管１７を互いの管軸を直交させて２層に重ねて配置して構成する場合について説明したが、この発明はこのような構成に限るものではない。アンテナ装置の用途によっては高次モード伝搬可能な放射導波管１本を用いる構成でもよく、その場合にも高次モードの低減やインピーダンス整合の効果を奏する。
放射導波管の構成は、対向する第１と第２の幅広側面を有する断面矩形の方形導波管で成る放射導波管の第１の幅広側面に、放射導波管の管軸に垂直に、管軸と平行な偏波面を有する電波を放射する単数又は複数の第１の放射スロット（第１の放射スロットに相当）を形成し、放射導波管の第１又は第２の幅広側面の内面に凸部を形成したものである。ここでも凸部を放射導波管の管軸に垂直な方向に延在するステップ状の突起のステップ構造とすると、前記説明同様となる。

また、放射導波管１０の各部が曲率を持った場合でも、同等の効果を奏する。

以上の説明で、送信アンテナとして説明したものについて、アンテナの送受可逆性から、受信アンテナとしても同様の効果を得られることは言うまでもない。

また、以上の説明で、２つの直交する偏波を送受信するとして説明したものについて、一方の偏波を送信専用、他方の偏波を受信専用に用いることもできる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係わるアンテナ装置は、上記実施の形態１に係わるアンテナ装置において、放射導波管の全体または一部に誘電体を充填するものである。

この発明に係わるアンテナ装置において、第１の放射スロット１２または第２の放射スロット１３のそれぞれの各放射スロットの配置間隔が自由空間波長より大きくなる場合がある。このとき、メインローブとは異なる方向に不要なグレーティングローブを生じてしまい、利得低下や放射パターンのアンビギュイティの原因となる。そこで、放射導波管の全体または一部の空気層に適当な誘電体を充填することで波長を短縮することができ、グレーティングローブの発生条件を回避することができる。

以上説明したように、この実施の形態２のアンテナ装置によれば、実施の形態１の効果に加え、誘電体を充填することでグレーティングローブの発生を抑えることができる。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３に係わるアンテナ装置の構成を説明するための部分的な断面で示した構成説明図である。図において、２０は上記実施の形態１のアンテナ装置に対して放射導波管１０の放射面となる第１の幅広側面１１Ａから所定の距離離れた位置に設けられた直線偏波・円偏波変換板としてのメアンダラインポラライザである。

次に動作について説明する。メアンダラインポラライザ２０に第１の放射スロット１２または第２の放射スロット１３から放射される直線偏波を入射すると、メアンダラインポラライザ２０により入射偏波面に応じて円偏波を発生する。また、メアンダラインポラライザ２０では、入射する直線偏波が直交している場合には、それぞれに対応した２つの直交した円偏波（右旋円偏波と左旋円偏波）を発生する。ここでは、第１の放射スロット１２及び第２の放射スロット１３からは互いに直交する直線偏波が放射されるため、それぞれに対応した右旋円偏波と左旋円偏波を発生する。

従って、この発明の実施の形態３に係わるアンテナ装置では、２つの円偏波を送受信できるという効果を奏する。

また、上記は、２つの直交する偏波を送受信する場合を例として説明したが、第１の放射スロット１２及び第２の放射スロット１３から放射される偏波に、振幅差や位相差を与えて合成する手段を備えることにより、円偏波や楕円偏波、任意の偏波面を持つ直線偏波を合成することもできる。

実施の形態４．
前記実施の形態１〜３では、例えば図１に示したように、放射導波管１０に第１の放射スロット１２と第２の放射スロット１３を設け、図３及び図４に示したように、それぞれ放射導波管１０または給電導波管１７への給電により第１の放射スロット１２と第２の放射スロット１３の励振を電気的に切り替えることで偏波面を変えていた。
これに対して、この発明の実施の形態４に係わるアンテナ装置では、図１に示したステップ構造１４が設けられた放射導波管１０に、一方向の第１の放射スロット１２を設け、放射導波管１０への給電により第１の放射スロット１２を励振し、機械駆動により放射導波管１０の向きを変えて偏波面を切り替えるものである。

従って、この発明の実施の形態４に係わるアンテナ装置では、放射導波管１０へ設ける放射スロットを削減できると共に給電導波管１７を不要にでき、導波管の数を削減できる。

また、実施の形態１で説明した、対向する第１と第２の幅広側面を有する断面矩形の方形導波管で成る放射導波管の第１の幅広側面に、放射導波管の管軸に垂直に、管軸と平行な偏波面を有する電波を放射する単数又は複数の第１の放射スロット（第１の放射スロットに相当）を形成し、放射導波管の第１又は第２の幅広側面の内面に凸部を形成した放射導波管１本を用いる場合にも適用でき、機械駆動により放射導波管の向きを変えて偏波面の切り替えが可能となる。

この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置を示す構成説明図である。この発明の実施の形態１に係わるアンテナ装置の上面図である。第１の放射スロット１２から放射される放射導波管１０の管軸１５と平行な偏波面を有する電波の放射を説明する説明図である。第２の放射スロット１３から放射導波管１０の管軸１５と直交する偏波面を有する偏波を放射する場合を説明する説明図である。この発明の実施の形態３に係わるアンテナ装置の構成を説明するための部分的な断面で示した構成説明図である。従来の導波管スロットアンテナ装置の斜視図である。図６の導波管スロットアンテナ装置において、第１の放射スロット１から放射される方形導波管で成る放射導波管３の管軸７と平行な偏波面を有する電波の放射を説明する説明図である。図６の導波管スロットアンテナ装置において、第２の放射スロット２から管軸７と直交する偏波面の偏波を放射する場合を説明する説明図である。

符号の説明

１、１２第１の放射スロット、２、１３第２の放射スロット、３、１０放射導波管、４Ａ上面、４Ｂ下面、５給電スロット、６給電用導波管、７、１５管軸、８第１の放射スロットを励振する場合の電波の経路、９第２の放射スロットを励振する場合の電波の経路、１１Ａ第１の幅広側面、１１Ｂ第２の幅広側面、１４ステップ構造、１６第１の給電スロット、１７給電導波管、１８第１の放射スロットを励振する場合の電波の経路、１９第２の放射スロットを励振する場合の電波の経路、２０メアンダラインポラライザ。

Claims

対向する第１と第２の幅広側面を有する断面矩形の方形導波管で成る放射導波管と給電導波管を、前記放射導波管の第２の幅広側面と前記給電導波管の第１の幅広側面を合わせ、互いの管軸を直交させて２層に重ねて配置し、前記放射導波管の第１の幅広側面に放射導波管の管軸に垂直な第１の放射スロットと前記管軸上に設けられ前記管軸に平行な第２の放射スロットを形成し、前記放射導波管の第２の幅広側面の管軸上の前記第２の放射スロットと対向する位置に、前記第２の放射スロットを励振するように前記管軸に平行な第１の給電スロットを形成し、前記給電導波管の前記第１の幅広側面に前記第１の給電スロットを介して前記放射導波管に給電する第２の給電スロットを形成し、前記放射導波管の内面に、前記放射導波管の前記第１の幅広側面と第２の幅広側面の間隔を高次モードの伝搬を低減する間隔に狭める凸部を設けたことを特徴とするアンテナ装置。
前記放射導波管の第１の幅広側面に前記第１の放射スロットと前記第２の放射スロットの一対または複数対を形成したことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
前記第１の放射スロットと前記第２の放射スロットを同じ位置に形成し、十字スロットとしたことを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
対向する第１と第２の幅広側面を有する断面矩形の方形導波管で成る放射導波管の第１の幅広側面に、前記放射導波管の管軸に垂直に単数又は複数の第１の放射スロットを形成し、前記放射導波管の内面に、前記放射導波管の前記第１の幅広側面と第２の幅広側面の間隔を高次モードの伝搬を低減する間隔に狭める凸部を設けたことを特徴とするアンテナ装置。
前記凸部を前記放射導波管の管軸に垂直な方向に延在するステップ状の突起とし、前記突起の高さと幅及び前記第１の放射スロット位置からの距離を前記放射導波管での高次モードの伝搬の低減及びインピーダンス整合させる寸法に設定したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記放射導波管を放射導波管の管軸に垂直な方向に複数配列し、アレーアンテナを形成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
少なくとも前記放射導波管の一部に誘電体を充填したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記放射導波管の第１の幅広側面から所定の距離離れた位置に、直線偏波−円偏波変換板が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
前記放射導波管を機械的に駆動する駆動手段を備え、前記駆動手段での駆動により偏波面を変えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。