JP2019022088A

JP2019022088A - アンテナ

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Publication number: JP2019022088A
Application number: JP2017139187A
Authority: JP
Inventors: 亮平細野; Ryohei Hosono; 官　寧; Yasushi Kan; 寧官
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2019-02-07

Abstract

【課題】アンテナの高利得化を実現する。
【解決手段】アンテナ１は、導体板５１、複数の開口５２、複数の第一導体突出部５５及び複数の第二導体突出部５７を有したスペーサ５０と、複数の放射素子２０及び複数の並列給電ＭＳＬ３１を有したアレイアンテナ基板１０と、複数の支線導波管７３及び分配導波管８０を有した並列給電導波管７０とを備える。並列給電ＭＳＬ３１の線状給電部３２が開口５２を介して支線導波管７３に結合され、並列給電ＭＳＬ３１は支線導波管７３から前記線状給電部に入力された信号波を放射素子２０に分配し、並列給電ＭＳＬ３１のスタブ３９が線状給電部３２から延出して第一導体突出部５５に導通し、前記分配導波管の最後段の分配によって給電される２本の支線導波管のうち一方の支線導波管７３に結合される線状給電部３２に導通するスタブ３９の延出向きと、他方の支線導波管７３に結合される線状給電部３２に導通するスタブ３９の延出向きとが反対である。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナに関する。

特許文献１には、マイクロストリップラインによって複数のパッチ型放射素子に並列給電を行うアレイアンテナが開示されている。

特開平４−３７２０４号公報

ところで、特許文献１に記載されたアレイアンテナの場合、放射素子の数を多くすることによって高利得化を図ったとしても、給電点から放射素子までの経路長が長くなってしまい、マイクロストリップラインにおける伝送損失が高くなる。結局のところ、アンテナの高利得化を図ることができない。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、アンテナの高利得化を実現することにある。

上記目的を達成するための主たる発明は、導体板と、前記導体板に形成された複数の開口と、前記導体板から突出するとともに前記開口と並んで配置された複数の第一導体突出部と、前記導体板から突出するとともに前記第一導体突出部との間に前記開口を置いて並んで配置された複数の第二導体突出部と、を有したスペーサと、前記複数の第一導体突出部と前記複数の第二導体突出部に接続されるとともに前記導体板に対向する基板と、前記基板の両面のうち前記導体板に対向する面の反対面に形成される複数の放射素子と、前記導体板に対向する面に形成されるとともに前記複数の放射素子に並列給電を行う複数の並列給電マイクロストリップラインと、を有したアレイアンテナ基板と、前記導体板に関して前記第一導体突出部及び前記第二導体突出部の反対側に配置されるとともに前記開口に連通するよう前記導体板に接続された複数の支線導波管と、前記複数の支線導波管に接続されるともに、信号波を段階的に分配することによって前記複数の支線導波管に並列給電を行う分配導波管と、を有した並列給電導波管と、を備え、前記並列給電マイクロストリップラインの中央部に設けられた線状給電部が前記第一導体突出部と前記第二導体突出部との間を横切って、前記開口を介して前記支線導波管に結合され、前記並列給電マイクロストリップラインは前記支線導波管から前記線状給電部に入力された信号波を前記複数の放射素子に分配し、前記並列給電マイクロストリップラインの中央部に設けられたスタブが前記線状給電部から延出して前記第一導体突出部に導通し、前記分配導波管の最後段の分配によって給電される２本の支線導波管のうち一方の支線導波管の端部の出力ポートに結合される線状給電部に導通するスタブの延出向きと、他方の支線導波管の端部の出力ポートに結合される線状給電部に導通するスタブの延出向きとが反対であるアンテナである。

本発明の他の特徴については、後述する明細書及び図面の記載により明らかにする。

本発明によれば、放射素子に対する給電の伝送損失の低減を並列給電導波管によって図ることができる。よって、放射素子の数の増加によって板状アレイアンテナの高利得化を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態のアンテナの斜視図である。図２は、アンテナの分解斜視図である。図３は、アレイアンテナ基板の概略断面図である。図４は、アレイアンテナ基板の表側の面に形成された導体パターンの平面図である。図５は、アレイアンテナ基板の中層に形成された地導体層の平面図である。図６は、アレイアンテナ基板の裏側の面に形成された導体パターンの平面図である。図７Ａは、図６における左上の並列給電マイクロストリップラインの全体の平面図であり、図７Ｂは、その並列給電マイクロストリップラインの中央部の拡大平面図である。図８Ａは、図６における左下の並列給電マイクロストリップラインの全体の平面図であり、図８Ｂは、その並列給電マイクロストリップラインの中央部の拡大平面図である。図９は、スペーサの平面図である。図１０は、図９に示すX−Xに沿った切断面の断面図である。図１１は、並列給電導波管の分配導波管の断面図である。図１２は、本発明の実施形態のアンテナの反射特性のシミュレーション結果を示したグラフである。図１３は、本発明の実施形態のアンテナの利得のシミュレーション結果を示したグラフである。図１４は、本発明の実施形態のアンテナによって放射される電波の指向性のシミュレーション結果を示したグラフである。図１５は、比較例のアンテナによって放射される電波の指向性のシミュレーション結果を示したグラフである。図１６は、本発明の実施形態及び比較例のアンテナによって放射される電波の指向性のシミュレーション結果を示したグラフである。

後述する明細書及び図面の記載から、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

導体板と、前記導体板に形成された複数の開口と、前記導体板から突出するとともに前記開口と並んで配置された複数の第一導体突出部と、前記導体板から突出するとともに前記第一導体突出部との間に前記開口を置いて並んで配置された複数の第二導体突出部と、を有したスペーサと、前記複数の第一導体突出部と前記複数の第二導体突出部に接続されるとともに前記導体板に対向する基板と、前記基板の両面のうち前記導体板に対向する面の反対面に形成される複数の放射素子と、前記導体板に対向する面に形成されるとともに前記複数の放射素子に並列給電を行う複数の並列給電マイクロストリップラインと、を有したアレイアンテナ基板と、前記導体板に関して前記第一導体突出部及び前記第二導体突出部の反対側に配置されるとともに前記開口に連通するよう前記導体板に接続された複数の支線導波管と、前記複数の支線導波管に接続されるともに、信号波を段階的に分配することによって前記複数の支線導波管に並列給電を行う分配導波管と、を有した並列給電導波管と、を備え、前記並列給電マイクロストリップラインの中央部に設けられた線状給電部が前記第一導体突出部と前記第二導体突出部との間を横切って、前記開口を介して前記支線導波管に結合され、前記並列給電マイクロストリップラインは前記支線導波管から前記線状給電部に入力された信号波を前記複数の放射素子に分配し、前記並列給電マイクロストリップラインの中央部に設けられたスタブが前記線状給電部から延出して前記第一導体突出部に導通し、前記分配導波管の最後段の分配によって給電される２本の支線導波管のうち一方の支線導波管に結合される線状給電部に導通するスタブの延出向きと、他方の支線導波管に結合される線状給電部に導通するスタブの延出向きとが互いに反対であるアンテナが明らかとなる。

このようなアンテナにおいては、並列給電導波管によって信号波を分配し、更に並列給電マイクロストリップラインによって信号波を分配したので、放射素子の数の増加を図ることができる。また、並列給電導波管によって信号波を伝送するので、伝送損失を低く抑えることができる。よって、アンテナの高利得化を図ることができる。

また、分配導波管の最後段の分配によって給電される一方の支線導波管に結合される線状給電部に導通するスタブの延出向きと、他方の支線導波管に結合される線状給電部に導通するスタブの延出向きが反対向きである。従って、一方の支線導波管によって伝送される信号波と他方の支線導波管によって伝送される信号波が逆位相であっても、一方の支線導波管に結合される並列給電マイクロストリップラインによって伝送される信号波と他方の支線導波管に結合される並列給電マイクロストリップラインによって伝送される信号波が同位相になる。よって、アンテナの利得低減を抑えることができる。

前記分配導波管の分岐部の狭壁に凸部が形成されている。
これにより、分配導波管によって伝送される信号波の反射を抑制することができる。よって、アンテナの高利得化を図ることができる。

＝＝＝実施の形態＝＝＝
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

１．アンテナの構成
図１はアンテナ１の斜視図であり、図２はアンテナ１の分解斜視図である。図面には、方向を表す補助線としてＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を図示する。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸は互いに直交する。
図１及び図２に示すように、アンテナ１は、アレイアンテナ基板１０と、スペーサ５０と、並列給電導波管７０と、を備える。以下、これらアレイアンテナ基板１０、スペーサ５０及び並列給電導波管７０について詳細に説明する。

２．アレイアンテナ基板
図３はアレイアンテナ基板１０の概略断面図である。図３に示すように、アレイアンテナ基板１０は多層基板である。アレイアンテナ基板１０は誘電体基材１１，１２と、地導体層１３と、導体パターン層１４と、アンテナパターン層１５とを有する。

薄板状の誘電体基材１１と薄板状の誘電体基材１２がこれらの間に地導体層１３を挟持して互いに接合されている。これにより、誘電体基材１１、地導体層１３及び誘電体基材１２がこれらの順に積層されている。誘電体基材１１，１２は、例えば樹脂（例えば液晶ポリマー、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート）、繊維強化樹脂（例えばガラス布エポキシ樹脂）、フッ素樹脂又はセラミックからなる。

アレイアンテナ基板１０の表側の面には、つまり誘電体基材１２の表面には、アンテナパターン層１５が形成されている。アレイアンテナ基板１０の裏側の面には、つまり誘電体基材１１の表面には、導体パターン層１４が形成されている。続いて、図４〜図６の平面図を参照して、アンテナパターン層１５、地導体層１３及び導体パターン層１４の平面形状について説明する。図４〜図６の何れも、図３に示す矢印Ａの向き、つまりアレイアンテナ基板１０の表側から裏側に向かって見て示した平面図である。なお、Ｚ軸方向はアレイアンテナ基板１０の表側の面の法線方向である。

図４は、アンテナパターン層１５の平面図である。図４に示すように、アンテナパターン層１５がフォトリソグラフィー法及びエッチング法等によって形状加工されており、これによりアンテナパターン層１５には複数のパッチ型放射素子２０が形成されている。放射素子２０の総数が４^N（但し、Ｎは２以上の整数である。）であり、これら放射素子２０は二次元アレイ状に、より具体的には縦方向（Ｙ軸方向）及び横方向（Ｘ軸方向）に等間隔で格子状に配列されている。図４に示す例では、Ｎが３であり、これら放射素子２０の総数が６４であり、縦方向に８体の放射素子２０が配列され、横方向に８体の放射素子２０が配列されている。ここで、後述の図５の平面図における地導体層１３の外形の位置を２点鎖線により図４中に図示することによって、地導体層１３の外形に対する放射素子２０の相対的な位置の関係を明確にする。なお、放射素子２０の縦方向の配列数と横方向の配列数は等しくてもよいし、等しくなくてもよい。

図５は、地導体層１３の平面図である。地導体層１３がフォトリソグラフィー法及びエッチング法等によって形状加工（パターニング）されており、これにより地導体層１３には複数の短冊状のスロット２３が形成されている。これらスロット２３は二次元アレイ状に、より具体的には格子状に配列されており、スロット２３と放射素子２０がこれらの間に誘電体基材１２を介して対向する。

図６は、導体パターン層１４の平面図である。図６に示すように、導体パターン層１４がフォトリソグラフィー法及びエッチング法等によって形状加工されており、これにより導体パターン層１４には複数の並列給電マイクロストリップライン３１、複数の第一グランド部３５及び複数の第二グランド部３７が形成されている。図５の平面図における地導体層１３の外形の位置を２点鎖線により図６中に図示することによって、地導体層１３の外形に対する並列給電マイクロストリップライン３１の相対的な位置の関係を明確にする。以下、マイクロストリップラインという用語をＭＳＬ（microstripline）と略称する。

並列給電ＭＳＬ３１の数が２^m（但し、ｍは１以上の整数である。）であり、並列給電ＭＳＬ３１の数と第一グランド部３５の数と第二グランド部３７の数は互いに等しい。これら並列給電ＭＳＬ３１、第一グランド部３５及び第二グランド部３７は２^m組のグループ３０に組分けされており、１組のグループ３０につき１体の並列給電ＭＳＬ３１と１体の第一グランド部３５と１体の第二グランド部３７とが含まれている。図６に示す例では、ｍが２であり、並列給電ＭＳＬ３１、第一グランド部３５及び第二グランド部３７がそれぞれ４体あり、これらが４組のグループ３０に分けられている。

図７及び図８を参照して、各組のグループ３０の並列給電ＭＳＬ３１、第一グランド部３５及び第二グランド部３７について説明する。図７は図６に示す領域Ｂ内の拡大図であり、図８は図６に示す領域Ｃ内の拡大図である。図５の平面図におけるスロット２３の位置を２点鎖線により図７及び図８中に図示することによって、並列給電ＭＳＬ３１に対するスロット２３の相対的な位置の関係を明確にする。図７に示す並列給電ＭＳＬ３１は、後に詳述する並列給電導波管７０の最後段（ｍ段目）のＴ分岐導波管８２によってＹ軸正方向に分配される支線導波管７３に結合されるものであり、図８に示す並列給電ＭＳＬ３１は、Ｙ軸負方向に分配される支線導波管７３に結合されるものである。

並列給電ＭＳＬ３１は、２ⁿ分配（但し、ｎは１以上の整数であり、ｎ＋ｍ＝２Ｎである。）の分配器・給電回路である。つまり、並列給電ＭＳＬ３１は、その中央部（分配部３２）に供給されたマイクロ波又はミリ波の周波数帯の信号波（高周波）を２ⁿ体の放射素子２０に分配するものである。図７及び図８に示す例では、ｎが４である。

並列給電ＭＳＬ３１は、スタブ３９と、２ⁿ本の伝送線路３４と、ｎ段の分配部３２，３３（分配部３２は１段目であり、分配部３３は２段目以降である）と、を有するとともに、これら分配部３２，３３によって１段目の分配部３２から伝送線路３４にかけて２ⁿに分岐したツリー状に形成されている。ここで、分配部３２は、並列給電ＭＳＬ３１の中央部にある線状給電部である。

１段目の分配部３２の数が１であり、ｓ段目（ｓは２からｎまでの任意の整数である）の分配部３３の数は２^s-1ある。分配部３２は、横方向（Ｘ方向）に延在するよう、直線状に形成されている。分配部３２は、並列給電ＭＳＬ３１のポートと伝送線路を兼ねている。分配部３２の両端に２段目の分配部３３が接続されている。２段目以降の分配部３３はＴ型に形成されている。２段目以降については、隣り合う段のうち前段側の分配部３３が分岐して、後段側の二つの分配部３３に接続されている。最後段の分配部３３は分岐して２本の伝送線路３４に接続されている。伝送線路３４は二次元アレイ状に、より具体的には格子状に配列されている（但し、ｎが２以上である場合）。なお、ｎが１である場合、２段目以降の分配部３３が設けられておらず、１段目の分配部３２の両端に伝送線路３４が接続されている。

伝送線路３４は地導体層１３のスロット２３に対向する位置に配置されており、スロット２３と伝送線路３４との間には誘電体基材１１が介在する。伝送線路３４は並列給電ＭＳＬ３１のポートであり、伝送線路３４と放射素子２０はスロット２３を介して電磁界的に結合される。何れの伝送線路３４でも、スロット２３に対向する位置から分配部３２の中点までの並列給電ＭＳＬ３１に沿った線路長が等しい。また、並列給電ＭＳＬ３１が２^m体あるが、これら全ての並列給電ＭＳＬ３１は、伝送線路３４のスロット２３に対向する位置から分配部３２の中点までの線路長が等しい。

なお、伝送線路３４がビアホール又はスルーホール等を介して放射素子２０に導通することによって、伝送線路３４から放射素子２０に直結給電されるものとしてもよい。

短冊状の第一グランド部３５と線状の分配部３２と短冊状の第二グランド部３７はこれらの長手方向が互いに平行となるように並列されており、分配部３２が第一グランド部３５と第二グランド部３７との間に配置されている。
第一グランド部３５は、誘電体基材１１に形成されたスルーホール又はビアホールを介して地導体層１３に導通する。第二グランド部３７についても同様である。

第一グランド部３５には第一切欠き３６が形成されている。第二グランド部３７には第二切欠き３８が形成されている。第一切欠き３６と第二切欠き３８は、これらの間に分配部３２を置いて、相対するように配置されている。第一切欠き３６の幅は第二切欠き３８の幅よりも広い。

第一グランド部３５と分配部３２との間にはスタブ３９が設けられている。スタブ３９は線状の分配部３２の中点と第一グランド部３５の長手方向中央部とを連結する。スタブ３９の線方向は分配部３２及び第一グランド部３５の長手方向に対して直交する。

図７及び図８を参照して、後述の並列給電導波管７０の最後段（ｍ段目）のＴ分岐導波管８２から分岐した２本の支線導波管７３にそれぞれ結合される２体の並列給電ＭＳＬ３１の中央部を比較する。図７に示す一方の並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２の中点からスタブ３９が延出する向きと、図８に示す他方の並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２の中点からスタブ３９が延出する向きは、反対である。つまり、一方の並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２及びスタブ３９は、他方の並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２及びスタブ３９と線対称な形状である。

３．スペーサ
図９はスペーサ５０の平面図であり、図１０はスペーサ５０をアレイアンテナ基板１０及び並列給電導波管７０に組み付けた場合における図９に示す切断面X−Xの断面図である。図９及び図１０に示すように、スペーサ５０は、アレイアンテナ基板１０に対向する導体板５１と、導体板５１に形成された複数の開口５２と、導体板５１の表側の面に突設された複数の第一導体突出部５５と、導体板５１の表側の面に突設された複数の第二導体突出部５７と、を有する。ここで、開口５２の数、第一導体突出部５５の数及び第二導体突出部５７の数は並列給電ＭＳＬ３１の数に等しくて、２^mである。

導体板５１は矩形板状に形成されている。この導体板５１の表側の面は、アレイアンテナ基板１０の裏側の面に、つまり導体パターン層１４が形成された面に対向する。

開口５２は矩形状に形成されている。開口５２の長辺方向が横方向（Ｘ軸方向）に平行であり、開口５２の短辺方向が縦方向（Ｙ軸方向）に平行である。
各開口５２は、各並列給電ＭＳＬ３１の中央部に対向する位置に形成されている。各並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２は各開口５２の上方を横方向に横切る。

第一導体突出部５５が開口５２と縦方向に並んで配置され、第二導体突出部５７が開口５２と縦方向に並んで配置されており、開口５２が第一導体突出部５５と第二導体突出部５７の間に配置されている。第一導体突出部５５は開口５２の一方の長辺に沿って設けられており、第二導体突出部５７は開口５２の他方の長辺に沿って設けられている。

第一導体突出部５５の頭頂面が第一グランド部３５に突き当てられて、第一導体突出部５５と第一グランド部３５が互いに導通する。従って、第一導体突出部５５は、第一グランド部３５を介してスタブ３９に導通する。
また、第二導体突出部５７の頭頂面が第二グランド部３７に突き当てられて、第二導体突出部５７と第二グランド部３７が互いに導通する。

これら第一導体突出部５５及び第二導体突出部５７によって導体板５１とアレイアンテナ基板１０との間に隙間が形成される。

第一導体突出部５５の開口５２に臨む面には、第一切欠き５６が形成されている。第二導体突出部５７の開口５２に臨む面には、第二切欠き５８が形成されている。第一切欠き５６は、第一導体突出部５５の頭頂面から開口５２の内面を通って導体板５１の裏側の面にまで至っている。第二切欠き５８は、第二導体突出部５７の頭頂面から開口５２の内面を通って導体板５１の裏側の面にまで至っている。第一切欠き５６と第二切欠き５８は、これらの間に開口５２を置いて、相対するように配置されている。第一切欠き５６の幅は第二切欠き５８の幅よりも広い。

第一導体突出部５５の第一切欠き５６と第一グランド部３５の第一切欠き３６が互いに対応している。第一グランド部３５の第一切欠き３６は、第一導体突出部５５によって覆われずに第一導体突出部５５の第一切欠き５６において露出する。第二導体突出部５７の第二切欠き５８と第二グランド部３７の第二切欠き３８についても同様である。

４．並列給電導波管
図１及び図２に示すように、並列給電導波管７０は、幹線導波管７２と、２^m本の支線導波管７３と、幹線導波管７２と２^m本の支線導波管７３に接続される２^m分配の分配導波管８０と、を備える。図１１に示す例では、ｍが２である。

幹線導波管７２は、スペーサ５０の導体板５１の法線方向（Ｚ軸方向）に延在しているとともに、その法線方向に対して直交する断面の形状が矩形状の方形導波管である。幹線導波管７２は一対の導体広壁及び一対の導体狭壁を有する。幹線導波管７２の一対の導体広壁が導体板５１の法線方向（Ｚ軸方向）及び横方向（Ｘ軸方向）に対して平行であり、幹線導波管７２の一対の導体狭壁が導体板５１の法線方向及び縦方向（Ｙ軸方向）に対して平行である。幹線導波管７２は、導体板５１からアレイアンテナ基板１０の反対側に離間するとともに、導体板５１の中央部を通った法線から縦方向（Ｙ軸方向）に離間している。幹線導波管７２のスペーサ５０寄りの端が分配導波管８０（特に後述の共振器８１）に接続され、反対側の端の開口が給電ポート７１である。

図１１は、分配導波管８０の断面図である。図１１では、Ｘ軸及びＹ軸に平行な切断面を図３に示す矢印Ａの向きに見て示す。
図１１に示すように、分配導波管８０は、共振器８１と、ｍ段のＴ分岐導波管８２と、２^m体の共振器８６と、を備える。
共振器８１は直方体型の空洞を有する。共振器８１の６つの導体壁はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の何れかに対して垂直である。共振器８１には幹線導波管７２が電気的に接続されている（図１及び図２参照）。

Ｔ分岐導波管８２は、Ｈ面Ｔ分岐導波管である。つまり、Ｔ分岐導波管８２は、一対の導体広壁及び一対の導体狭壁を有するとともに長手方向に直交する断面形状が矩形状の主導波管８３と、一対の導体広壁及び一対の導体狭壁を有するとともに長手方向に直交する断面形状が矩形状の側枝導波管８４とを備え、側枝導波管８４の一方の導体狭壁に設けられた結合窓８５を介して主導波管８３が側枝導波管８４に結合されたものである。

ｔ段目（ｔは１からｍまでの任意の数である）のＴ分岐導波管８２の数は２^t-1である。何れの段のＴ分岐導波管８２もスペーサ５０の導体板５１からアレイアンテナ基板１０の反対側に離間した同一のＸＹ平面上に配置されている。何れの段のＴ分岐導波管８２も主導波管８３及び側枝導波管８４の導体広壁がスペーサ５０の導体板５１の法線方向（Ｚ軸方向）に対して直交し、導体狭壁がその導体板５１の法線方向に対して平行である。これらＴ分岐導波管８２の導体広壁は面一に形成されている。

１段目のＴ分岐導波管８２の主導波管８３の端部は共振器８１に結合されている。
隣接する段のうち前段のＴ分岐導波管８２の側枝導波管８４が後段のＴ分岐導波管８２の主導波管８３に直線状になるように接続されている。
ｍ段目（最後段）のＴ分岐導波管８２の側枝導波管８４の端部が共振器８６に結合されている。

共振器８６は直方体型の空洞を有する。各共振器８６の６つの導体壁はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の何れかに対して垂直である。共振器８６は、スペーサ５０の開口５２及び各並列給電ＭＳＬ３１の中央部に対向する位置に配置されている。共振器８６には支線導波管７３の一端が結合されている。支線導波管７３の他端が開口することによってその他端にポート７４が形成されており（図２参照）、ポート７４がスペーサ５０の開口５２に連通する。そのため、支線導波管７３の他端のポート７４が開口５２を介して並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２に結合されている。

何れの支線導波管７３でも、各支線導波管７３のポート７４から幹線導波管７２の給電ポート７１までの並列給電導波管７０に沿った経路長が互いに等しい。

支線導波管７３は、共振器８６からスペーサ５０の導体板５１に向かって導体板５１の法線方向（Ｚ軸方向）に延在しているとともに、その法線方向に対して直交する断面の形状が矩形状の方形導波管である。支線導波管７３は一対の導体広壁及び一対の導体狭壁を有する。支線導波管７３の一対の導体広壁が導体板５１の法線方向（Ｚ軸方向）及び横方向（Ｘ軸方向）に対して平行であり、支線導波管７３の一対の導体狭壁が導体板５１の法線方向及び縦方向（Ｙ軸方向）に対して平行である。また、支線導波管７３の一対の導体広壁は、共振器８６に結合されたＴ分岐導波管８２の側枝導波管８４に置ける信号波の進行方向に対して垂直である。また、支線導波管７３の一対の導体狭壁は、その支線導波管７３に結合される並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２の中点からスタブ３９が延出する向きに対して平行である。

各Ｔ分岐導波管８２の主導波管８３及び側枝導波管８４の狭壁に凸部９１が凸状に形成され、各Ｔ分岐導波管８２の主導波管８３及び側枝導波管８４が凸部９１によって絞られている。また、側枝導波管８４の狭壁のうち結合窓８５に対向する位置（Ｔ分岐導波管８２の分岐部）には凸状の凸部９２が形成されている。また、共振器８６の内壁にも凸状の凸部９３が形成されている。凸部９１，９２，９３によって、主導波管８３及び側枝導波管８４内を進行する信号波の反射が低減される。

５．信号波の伝送
図１及び図２に示すように、幹線導波管７２の給電ポート７１に入力された信号波は、分配導波管８０によって２^mに分配されて、スペーサ５０の開口５２に伝送される。具体的には、次の通りである。

ＴＥ₁₀モードの信号波が幹線導波管７２によって給電ポート７１から共振器８１へ伝送される。
共振器８１に伝送された信号波の進行方向は、共振器８１によってＹ軸方向（縦方向）に変換される。そして、信号波が共振器８１から各段のＴ分岐導波管８２を経由して共振器８６へ伝送される。ここで、信号波が各段のＴ分岐導波管８２の結合窓８５を通過する際に主導波管８３から側枝導波管８４に２分配される。

共振器８６に伝送された信号波の進行方向は、共振器８６によってＺ軸方向（導体板５１の法線方向）に変換される。ここで、最後段のＴ分岐導波管８２によって分配された信号波は結合窓８５から側枝導波管８４の両端部に向かって互いに逆方向に伝送されるので、それら信号波がそれぞれ共振器８６によってＺ軸方向に方向変換される際に、一方の共振器８６から支線導波管７３に伝播する信号波の電界と、他方の共振器８６から支線導波管７３に伝播する信号波の電界が逆位相になる（図１１に示す矢印ａ、矢印ｂ参照）。

方向変換された信号波は、支線導波管７３によって共振器８６からスペーサ５０の開口５２へ伝送される。スペーサ５０の開口５２と並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２の中央部とが結合されているので、信号波の電力が開口５２から並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２の中央部に給電される。そして、分配部３２の中央部から両端へ伝送される。この際、支線導波管７３の壁面に流れる電流と同一ベクトルの電流がスタブ３９に流れるので、支線導波管７３のポート７４と並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２の中央部との結合は電流結合といえる。

上述したように、最後段（ｍ段目）のＴ分岐導波管８２から分岐した一方の支線導波管７３によって伝送される信号波と、他方の支線導波管７３によって伝送される信号波とは、逆位相である（図１１に示す矢印ａ，ｂ参照）。また、一方の支線導波管７３のポート７４に結合される分配部３２の中点からスタブ３９が延出する向きと、他方の支線導波管７３のポート７４に結合される分配部３２の中点からスタブ３９が延出する向きは反対である（図７及び図８参照）。従って、一方のスタブ３９の電流ベクトルと、他方のスタブ３９の電流ベクトルとは、同位相になる（図７及び図８に示す矢印ｃ，ｄ参照）。よって、一方の分配部３２の中央部からその両端へ伝送される信号波と、他方の分配部３２の中央部から両端へ伝送される信号波とは、同位相になる。

そして、分配部３２の中央部から両端へ伝送された信号波は、各段の分配部３３を経由して伝送線路３４へ伝送される。ここで、信号波が各段の分配部３３を通過する際に２分配される。

伝送線路３４に伝送された信号波の電力が放射素子２０に給電される。そのため、放射素子２０から信号波が送信される。ここで、何れの放射素子２０にも同位相の給電が行われる。

６．効果
以上のように構成されたアンテナ１は、以下のような効果・利点を有する。

（１）高周波帯域の信号波が並列給電導波管７０の分配導波管８０によって分配されて伝送されるので、その伝送損失を低く抑えることができる。よって、アンテナ１の高利得化を実現できるとともに、電波の長距離伝送を実現できる。

（２）高周波帯域の信号波が並列給電導波管７０の分配導波管８０によって分配されるので、放射素子２０の数の増加を図ることができる。同様に、並列給電ＭＳＬ３１の分配により、放射素子２０の数の増加を図ることができる。よって、アンテナ１の高利得化を実現できるとともに、電波の長距離伝送を実現できる。

（３）並列給電ＭＳＬ３１の線状給電部（分配部３２）が並列給電ＭＳＬ３１の中央部に配置されていることから、各放射素子２０への伝送経路長を最小限に抑えることができる。よって、並列給電ＭＳＬ３１における伝送損失を抑えることができる。特に、並列給電ＭＳＬ３１による分配数が増加して、放射素子２０の数が増加した場合でも、アンテナ１は所望の利得が確保されたものとなる。

（４）上述したように、ｍ段目のＴ分岐導波管８２から分岐した２本の支線導波管７３にそれぞれ接続された２体の並列給電ＭＳＬ３１に着目すると、一方の並列給電ＭＳＬ３１のスタブ３９の延出方向と他方の並列給電ＭＳＬ３１のスタブ３９の延出方向が逆向きである（図７及び図８参照）。従って、これら２本の支線導波管７３を伝送する信号波が逆位相であっても、２体の並列給電ＭＳＬ３１の分配部３２の信号波が同位相になる。その上、何れの放射素子２０でも、分配部３２の中点までの経路長が等しい。よって、何れの放射素子２０にも同位相の給電が行われる。そのため、アンテナ１は所望の利得と所望の指向性が確保されたものとなる。

７．シミュレーション結果
アンテナ１の特性について検討すべく、シミュレーションを行った。何れのシミュレーションにおいても、並列給電導波管７０が４分配であり、並列給電ＭＳＬ３１が１６分配であり、並列給電ＭＳＬ３１の数が４であり、放射素子２０の数が６４である。

図１２は、アンテナ１の反射特性のシミュレーション結果を示したグラフである。図１２において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの反射特性｜Ｓ１１｜を示す。図１２に示すように、約71GHz〜75GHzの帯域においてＳ１１が-10dB未満となり、広帯域で反射損失が低いことが分かる。

図１３は、アンテナ１の利得のシミュレーション結果を示したグラフである。図１３において、横軸は周波数を示し、縦軸は利得を示す。図１３に示すように、約73GHz〜77.5GHzの帯域において利得が15dBiを超え、その広帯域で利得が高いことが分かる。

図１４は、アンテナ１によって放射される75GHzの電波の指向性のシミュレーション結果を示したグラフである。横軸はＺＸ平面又はＹＺ平面上のＺ軸を基準とした角度を示し、縦軸は利得を示す。図１４に示すように、最大利得の方角がアレイアンテナ基板１０の法線方向、つまりＺ軸方向であることが分かる。また、最大利得が20dBiを超え、アンテナ１が高利得であることが分かる。

１６体の放射素子（実施形態のアンテナ１の放射素子２０と同じもの）を有した第一比較例のアンテナと、６４体の放射素子（実施形態のアンテナ１の放射素子２０と同じもの）を有した第二比較例のアンテナについてシミュレーションした。第一比較例及び第二比較例の何れも、マイクロストリップラインのみによって複数の放射素子に給電・分配を行った。その結果を図１５に示す。図１５は、第一比較例及び第二比較例のアンテナによって放射される75GHzの電波の指向性のシミュレーション結果を示したグラフである。図１５において、横軸はＺ軸を基準とした角度を示し、縦軸は利得を示す。

図１５に示すように、放射素子の数が１６の場合でも、６４の場合でも、最大利得がほぼ等しいことが分かる。従って、マイクロストリップラインのみを用いて分配した場合、分配数が増加しても、アンテナの利得が向上しないことが分かる。

図１６は、放射素子の数が６４の第二比較例のアンテナの利得と、放射素子の数が６４の実施形態のアンテナ１の利得を比較したものである。図１６に示すように、実施形態のアンテナ１は第二比較例のアンテナよりも高利得であることが分かる。よって、実施形態のアンテナ１のように、導波管型の並列給電導波管７０を用いて、放射素子２０の数を増加することによって、利得の向上が図れることが分かる。

１…アンテナ
１０…アレイアンテナ基板
２０…放射素子
３１…並列給電マイクロストリップライン
３２…分配部（線状給電部）
３３…分配部
３９…スタブ
５０…スペーサ
５１…導体板
５２…開口
５５…第一導体突出部
５７…第二導体突出部
７０…並列給電導波管
７２…幹線導波管
７３…支線導波管
８０…分配導波管
８２…Ｔ分岐導波管
９１，９２，９３…凸部

Claims

導体板と、前記導体板に形成された複数の開口と、前記導体板から突出するとともに前記開口と並んで配置された複数の第一導体突出部と、前記導体板から突出するとともに前記第一導体突出部との間に前記開口を置いて並んで配置された複数の第二導体突出部と、を有したスペーサと、
前記複数の第一導体突出部と前記複数の第二導体突出部に接続されるとともに前記導体板に対向する基板と、前記基板の両面のうち前記導体板に対向する面の反対面に形成される複数の放射素子と、前記導体板に対向する面に形成されるとともに前記複数の放射素子に並列給電を行う複数の並列給電マイクロストリップラインと、を有したアレイアンテナ基板と、
前記導体板に関して前記第一導体突出部及び前記第二導体突出部の反対側に配置されるとともに前記開口に連通するよう前記導体板に接続された複数の支線導波管と、前記複数の支線導波管に接続されるともに、信号波を段階的に分配することによって前記複数の支線導波管に並列給電を行う分配導波管と、を有した並列給電導波管と、を備え、
前記並列給電マイクロストリップラインの中央部に設けられた線状給電部が前記第一導体突出部と前記第二導体突出部との間を横切って、前記開口を介して前記支線導波管に結合され、
前記並列給電マイクロストリップラインは前記支線導波管から前記線状給電部に入力された信号波を前記複数の放射素子に分配し、
前記並列給電マイクロストリップラインの中央部に設けられたスタブが前記線状給電部から延出して前記第一導体突出部に導通し、
前記分配導波管の最後段の分配によって給電される２本の支線導波管のうち一方の支線導波管に結合される線状給電部に導通するスタブの延出向きと、他方の支線導波管に結合される線状給電部に導通するスタブの延出向きとが互いに反対である
アンテナ。
前記分配導波管の分岐部の狭壁に凸部が形成されている
請求項１に記載のアンテナ。