JP4888143B2 - Ｔ分岐導波管およびアレーアンテナ - Google Patents

Description

この発明は、マイクロ波、ミリ波帯における電力の分配及び合成に用いられるＴ分岐導波管、及びＴ分岐導波管を用いたアレーアンテナに関するものである。

導波管を分岐させて電力分配及び合成を行うために、Ｅ面もしくはＨ面のＴ分岐導波管が用いられている。Ｅ面Ｔ分岐導波管は、主導波管と、主導波管の一方のＥ面に結合された矩形状断面の分岐導波管とで構成される。また、Ｈ面Ｔ分岐導波管は、主導波管と、主導波管の一方のＨ面に結合された矩形状断面の分岐導波管とで構成される。いずれのＴ分岐導波管においても、単に導波管を接続しただけでは反射が大きい。一般に、分岐導波管の反射特性を改善するために、主導波管と分岐導波管の結合部でインピーダンス整合が行われている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特開平０５-２２００６号公報（第１図） 特開平０５-１６０６１２号公報（第５、６図）

また、Ｈ面Ｔ分岐導波管の分配比を変えるために、主導波管と分岐導波管の接続部の前後で２つの分岐導波管を異なる高さに変える方法や、主導波管と分岐導波管の接続口周辺に整合用アイリスを設ける方法などが知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−１６７８７９号公報（段落番号０００２、第２図）

しかし、特許文献１のようなＨ面Ｔ分岐導波管では、Ｅ面Ｔ分岐導波管の構成や、反射特性や位相特性の劣化を抑えて、Ｅ面Ｔ分岐導波管の分配比を変えるための具体的な方法については、提案されていない。また、Ｈ面Ｔ分岐導波管の場合、主導波管の管軸方向と分岐導波管の管軸方向が同一平面に配置されるので、給電する電波を垂直方向から水平面内に分配する際、垂直方向のＴ分岐導波管の配置空間が大きくなる。

また、特許文献２のような分岐導波管では、分岐部に曲げ形状の側導波管を設けているので、その曲げ部において分岐導波管の寸法が大きくなり、実装空間に制約を生じる。また、分岐導波管の分岐方向が、主導波管と同一の方向か、もしくは主導波管に対し鋭角をなす方向に分岐されることから、分岐方向に制約を生じる。このため、限られたスペースに分岐導波管を設置することが難しくなる。

さらに、特許文献３（段落番号０００２）に記載されたＴ分岐導波管では、分岐導波管の高さを異ならせるために、主導波管と異なる高さの２本の分岐導波管との、異なる３本の導波管を１点に交差させて結合する必要があり、製造しにくいという問題があった。また、特許文献３（第１図）に記載された他のＴ分岐導波管では、導波管内部に突出する整合アイリスを複数箇所設けているので、導波管の内部形状が複雑になり、製造し難いという問題があった。なお、特許文献３では、Ｅ面Ｔ分岐導波管において分配比を変えるための具体的な構成は開示されていない。

この発明は、係る課題を解決するためになされたものであり、反射特性や位相特性の劣化を抑えて、主導波管から２つの分岐導波管へ不等分配される、Ｅ面のＴ分岐導波管を得ることを目的とする。

この発明に係るＴ分岐導波管は、主導波管と、上記主導波管の矩形断面に幅広面が結合され、Ｅ分岐される分岐導波管とを備え、
上記主導波管は、上記主導波管における分岐導波管との結合部における導波管短辺寸法が拡がるように、幅広面に段差が設けられ、
上記分岐導波管の上記主導波管との結合部は、上記主導波管が結合される幅広面と反対側の導波管内幅広面に導電板が設けられ、上記導電板は、上記分岐導波管の幅広面と相対する幅広面の中央部が上記主導波管の管軸からずれた位置に配置されたものである。

また、複数のアンテナ素子が配列されたサブアレーアンテナを備え、上記Ｔ分岐導波管を用いて、サブアレーアンテナに電力分配するアレーアンテナを構成しても良い。

この発明によれば、反射特性が良く、等位相で主導波管から２つの分岐導波管に不等分配するＥ面のＴ分岐導波管を得ることができるという効果がある。

実施の形態１．
図１（ａ）、（ｂ）は、この発明に係る実施の形態１によるＴ分岐導波管を用いた導波管スロットアレーアンテナの一例を示す図であり、図１（ａ）はアンテナ正面図、図１（ｂ）はアンテナ裏面図である。図１（ｂ）ではアンテナ裏面に設けられた給電回路を図示しており、給電回路に接続される送受信機や、アンテナの信号処理器は図示を省略している。

図において、導波管スロットアレーアンテナは、複数の放射スロット１の設けられた放射導波管２と、放射導波管２に給電する導波管給電回路４とを備えて構成される。各放射導波管２に設けられた放射スロット１は、複数個のスロットが１次元方向に千鳥状に配置されてアンテナ素子を構成している。放射導波管２は、放射スロット１の配列方向に対し直交する方向に複数並列に配列されて、サブアレー（サブアレーアンテナ）３を形成する。複数のサブアレー３が２次元面内（図の紙面上下左右）に配列されてスロットアレーアンテナが構成されている。

放射導波管２および導波管給電回路４は、夫々１次元方向に配列された斜めスロット５が設けられている。放射導波管２と導波管給電回路４は、互いの斜めスロット５同士が張り合わされて接続される。勿論、放射導波管２もしくは導波管給電回路４の何れか一方に長方形の穴を刳り貫き、他方に斜めスロット５を設けることによって、放射導波管２とお導波管給電回路４を接続しても良い。各サブアレー３への給電は導波管給電回路４によって行われ、放射導波管２の励振は斜めスロット５を介して行われる。導波管給電回路４はＴ分岐導波管によって構成される。

一般的には、サブアレー３毎の放射スロット１の数は一定ではないので、Ｅ面Ｔ分岐は不等分配である必要がある。また、サブアレー３毎の放射スロット１の数が同じであっても、テーラー分布等開口分布をつける場合には、Ｈ面のＴ分岐導波管６、２３は不等分配である必要がある。図１（ａ）、（ｂ）の例では、破線７で囲んで示したＥ面Ｔ分岐導波管は不等分配となる。このＥ面Ｔ分岐導波管７は、アンテナ開口面に対し垂直な方向（図の紙面方向）から入力される電磁波を、水平面内（図の上下方向）に分配する。以下の説明では、このＥ面Ｔ分岐導波管７に限って、その詳細な構成を説明する。

図２は、この発明の実施の形態１による不等分配型のＥ面Ｔ分岐導波管の構成を示す図である。図２（ａ）は斜視図であり、図２（ｂ）は導波管の電界方向に水平な面（導波管矩形断面の短辺側の幅狭面に対し、平行な面）で切断した断面図である。

図において、矩形状断面の主導波管１１と、主導波管１１の一方のＥ面に結合された矩形状断面の側導波管１２とで構成される。側導波管１２は分岐導波管を構成する。主導波管１１は一端を第１の端子８とし、他端は接続端子２０となっている。側導波管１２は一端を第２の端子９、他端を第３の端子１０として、一方のＥ面（導波管矩形断面の長辺側の幅広面）に接続口２１が設けられる。第１の端子８は入力ポートであり、第２の端子９、第３の端子１０は夫々出力ポートとなる。主導波管１１の接続端子２０は側導波管１２の接続口２１と接続される。このとき、主導波管１１と側導波管１２は中心軸（管軸）が直交するように接続される。

側導波管１２の接続口２１の周辺（結合部の周辺）には、Ｅ面ステップ１６（第１のステップ）、Ｅ面ステップ１７（第２のステップ）が設けられる。Ｅ面ステップ１６は、側導波管１２の第２の端子側において、そのステップ面が主導波管１１の一方のＥ面（幅広面）に段差をなして配置される。Ｅ面ステップ１６は、主導波管１１における導波管短辺の長さを示すＥ面寸法が、接続口２１の周辺で拡大するように設けられる。Ｅ面ステップ１７は、側導波管１２の第３の端子側において、そのステップ面が主導波管１１における他方のＥ面（幅広面）に段差をなして配置される。Ｅ面ステップ１６は、主導波管１１における導波管短辺の長さを示すＥ面寸法が、接続口２１の周辺で拡大するように設けられる。すなわち、主導波管１１の相対するＥ面に、夫々Ｅ面ステップ１６、１７が互いに対向して配置される。Ｅ面ステップ１６、１７は、ステップの幅、すなわち主導波管１１のＥ面に対する導波管短辺方向における段差の高さ（図のｔ１、ｔ２）が互いに異なっている。図２に示す例では、Ｅ面ステップ１６の幅ｔ１よりもＥ面ステップ１７の幅ｔ２の方が、幅が大きくなっている。

また、側導波管１２の管壁に接して、接続口２１側のＥ面に対する反対側の側導波管１２のＥ面から突出して、導電板を構成する金属のブロック１８が設けられている。ブロック１８は、その中央部が主導波管１１の中心線１５（管軸）から第３の出力端子１０側へｄだけずれた位置に配置される。すなわち、ブロック１８は、その幅広面の中央部が、主導波管１０の管軸（中心線１５）に対して段差の高さが低くなる主導波管１０のＥ面方向（すなわち、Ｅ面ステップ１７の方向）へずれるように、配置されている。図２において、ｄ＝｜ｄ１−ｄ２｜／２の関係にある。

次に動作について説明する。
第１の端子８から入力されたミリ波もしくはマイクロ波帯のＲＦ信号は、第２の端子９と第３の端子１０に分配されて、出力される。ここで上記したように、図２に示したＴ分岐導波管では、第３の端子１０側のＥ面ステップ１７を適切な幅に設定するとともに、第２の端子９側のＥ面ステップ１６の幅ｔ１を、第３の端子１０側のＥ面ステップ１７の幅ｔ２よりも、適当な大きさだけ小さくしている。この大きさは、第２の端子９側の信号を強くし、第３の端子１０側の信号を弱くするように設定される。さらに、ブロック１８を、主導波管１１の中心線（管軸）１５よりも第３の端子１０側に、適切な距離ｄだけずれた位置に配置している。この距離ｄは、分配後の第２の端子９と第３の端子１０の出力信号が、ほぼ等位相の特性となるように設定される。

このように、Ｅ面Ｔ分岐導波管の接合部にＥ面ステップを非対称に設置した際、通過位相差が理想状態からずれることを防止するために、ブロック１８をＥ面ステップの段差の幅が小さい方向に移動することで、分岐導波管で分配される信号の位相調整を行っている。これによって、この実施の形態のＴ分岐導波管では、反射特性が良く、等位相で主導波管から２つの分岐導波管に不等分配するＥ面のＴ分岐導波管を得ることができる。なお、このＥ面Ｔ分岐導波管は、給電信号を垂直方向から水平面内に分配することができるので、垂直方向から導波管スロットアレーアンテナに給電する際、Ｈ面Ｔ分岐導波管を用いる場合に比べて、給電回路の垂直方向（アンテナ厚み方向）の配置空間を小さくすることができる。

図３（ａ）は、第１の端子８の反射特性を示す図である。図において、横軸は周波数、縦軸は信号の振幅[ｄＢ]を示す。
実施例の反射特性を実線で、従来例の反射特性を破線で示す。実施例の形態では反射特性が大きく改善されていることがわかる。ここでの従来例とは、Ｅ面Ｔ分岐導波管において、１６ Ｅ面ステップ、１７ Ｅ面ステップ、およびブロック１０を設けないものである。

図３（ｂ）は、第１の端子８から第２の端子９、および第３の端子１０へ、夫々分配される信号の、振幅の周波数特性の一例を示す。図において、横軸は周波数、縦軸は信号の振幅[ｄＢ]を示し、第２の端子９の振幅をポート２、第３の端子１０の振幅をポート３として示す。

理想的な等分配では、第２の端子９と第３の端子１０の信号は、共に−３ｄＢとなる。しかし、この実施の形態１によるＴ分岐導波管では、第２の端子９の信号が大きく（約−２．６[ｄＢ]）、第３の端子１０の信号が小さく（−３．５[ｄＢ]）なって、不等分配特性が得られていることがわかる。

次に、図３（ｃ）は、第１の端子８から第２の端子９、および第３の端子１０へ、夫々分配される通過信号の位相特性を示す。図において、縦軸は周波数、横軸は通過位相差を示す。理想的なＥ面Ｔ分岐では、第１の端子８の出力信号と第２の端子９の出力信号との通過位相差は、１８０°となる。ここで、この実施の形態によるＴ分岐導波管の位相特性の効果を説明するために、比較対照として、ブロック１８を移動させない場合の位相特性を図中の破線に示す。図に示すように、ブロックを移動させない場合４°前後の位相差が生じているのに対して、このブロックをポート３側にずらすことで、ほぼ等位相な特性が得られていることがわかる。

なお、以上の説明では、Ｔ分岐導波管を入力信号の不等分配器として用いる例について示したが、Ｔ分岐導波管を不等合成する合成器として用いても良い。この場合、第２の端子９および第３の端子１０に夫々入力された電力振幅の異なるＲＦ信号が、第１の端子８に合成されて出力されることは言うまでもない。

この発明の実施の形態１による導波管スロットアレーアンテナの構成を示す図である。 この発明の実施の形態１によるＴ分岐導波管の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１による、（ａ）Ｔ分岐導波管の反射振幅特性、および（ｂ）通過振幅特性を示す図、（ｃ）通過位相特性を示す図である。

符号の説明

１ 放射スロット、２ 放射導波管、３ サブアレー、４ 導波管給電回路、５ 斜めスロット、８ 第１の端子、９ 第２の端子、１０ 第３の端子、１１ 主導波管、１２ 側導波管（分岐導波管）、１５ 主導波管の中心線（管軸）、１６ Ｅ面ステップ、１７ Ｅ面ステップ、１８ ブロック（導電板）。

Claims (4)

1. 主導波管と、
   上記主導波管の矩形断面に幅広面が結合され、Ｅ分岐される分岐導波管とを備え、
   上記主導波管は、上記主導波管における分岐導波管との結合部における導波管短辺寸法が拡がるように、幅広面に段差が設けられるとともに、当該主導波管の相対する幅広面に対し、当該分岐導波管との結合部における相対する一方の幅広面の段差と相対する他方の幅広面の段差とで、当該段差の高さが異なり、
   上記分岐導波管の上記主導波管との結合部は、上記主導波管が結合される幅広面と反対側の導波管内幅広面に導電板が設けられ、
   上記導電板は、上記分岐導波管の幅広面と相対する当該導電板における幅広面の中央部が上記主導波管の管軸からずれた位置に配置された、
   ことを特徴とするＴ分岐導波管。
2. 上記導電板は、上記幅広面の中央部が、上記主導波管の管軸に対して上記段差の高さが低い方の上記主導波管の幅広面側へずれるように配置されたことを特徴とする請求項１記載のＴ分岐導波管。
3. 複数のアンテナ素子が配列されたサブアレーアンテナを備え、
   上記請求項１または請求項２記載のＴ分岐導波管によって、上記サブアレーアンテナに電力分配したことを特徴とするアレーアンテナ。
4. 上記アンテナ素子はスロットアンテナであることを特徴とする請求項３記載のアレーアンテナ。

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