JP3788217B2

JP3788217B2 - 方向性結合器、アンテナ装置およびレーダ装置

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Publication number: JP3788217B2
Application number: JP2000273345A
Authority: JP
Inventors: 宣匡北森; 敏朗平塚
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2006-06-21
Anticipated expiration: 2020-09-08
Also published as: CN1344041A; KR100493810B1; DE10143688B4; DE10143688A1; US6542046B2; JP2002084111A; CN1197196C; KR20020020659A; FR2813995B1; FR2813995A1; US20020030554A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、誘電体線路を伝送路とする方向性結合器、その方向性結合器を一部に備えるアンテナ装置、およびそのアンテナ装置を備えたレーダ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘電体線路を伝送路とする方向性結合器として、▲１▼特開平８−８６２１号および▲２▼特開平１０−２００３３１号が示されている。
▲１▼は非放射性誘電体線路（以下、「ＮＲＤガイド」と言う。）を用いた方向性結合器であり、結合部の伝送モードとして、ＮＲＤガイド単体での伝送損失の低いＬＳＭモードを用いる。また、ベンド部は、低損失ベンドとなるように、その曲率半径が不連続であるいくつかの値のうち１つを用いるようにしている。
【０００３】
▲２▼は誘電体線路を伝送路とする方向性結合器を構成するとともに、二次側の線路を一次側の線路に対して平行移動させることにより、ビーム走査可能なアンテナ装置を構成する。また、方向性結合器を構成する２線路間の間隙部分をチョ−ク構造とすることにより、漏洩波による損失を防止する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
▲１▼の方向性結合器では、ＬＳＭモードとＬＳＥモードの両モードの電磁波が伝送可能な構造としているため、方向性結合器部分でモード変換が生じ易く、挿入損失の周波数特性にリップルが生じるという問題があった。
【０００５】
▲２▼の方向性結合器では、ＬＳＭ・ＬＳＥの両伝送モードが伝送可能な構造である場合には、▲１▼の場合と同様、モード変換による損失が生じる。また、主モードとしてＬＳＭ０１モードの単一モードを伝送する場合でも、上記一次線路と二次線路との間隙から電磁波が漏洩し易く、挿入損失の悪化要因となり得るものであった。
【０００６】
この発明の目的は、方向性結合器を構成する一次線路と二次線路間の結合部分に生じるモード変換による挿入損失の低下の問題を解消し、ベンド部の設計上の自由度を向上させ、方向性結合器の一次線路と二次線路間を分離した時の間隙部分からの電磁波の漏洩を抑制し、さらに全体に小型化を図った方向性結合器を提供することにある。
【０００７】
この発明の他の目的は、低損失で小型化を図った方向性結合器を用いて、全体に小型で、高速にビーム走査できるようしにしたアンテナ装置およびそれを備えた小型で探知性能の高いレーダ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、略平行な導体平面の間に、それぞれ誘電体ストリップを配して成る２つの非放射性誘電体線路同士を、互いの誘電体ストリップにおける少なくとも一部が平行となるように近接配置し結合させることによって方向性結合器を構成するが、前記導体平面の間隔をｈ、前記誘電体ストリップの幅をａとしたとき、上記非放射性誘電体線路を伝搬する、使用周波数における電磁波の伝送モードがＬＳＥ単一モードとなるように、ｈ／ａ＞１．２の関係に前記非放射性誘電体線路の構造を定める。この構造により、ベンド部におけるＬＳＥモードとＬＳＭモード間のモード変換に伴う損失を抑制できるようにする。
【００１０】
また、この発明は、上記方向性結合器を構成する２つの非放射性誘電体線路を２つの誘電体ストリップの長手方向に沿った分割面で分割した形状とし、且つ誘電体ストリップの長手方向に互いに相対変位自在に２つの非放射性誘電体線路を配置する。この構造により、２つの非放射性誘電体線路が結合した状態で互いに相対変位自在とする。
【００１１】
また、この発明は２つの非放射性誘電体線路のそれぞれを、誘電体ストリップを導体板で挟んだ構造とし、上記分割面に相当する位置の導体板同士の対向面にチョーク用の溝を設ける。これにより、導体板同士の対向面における間隙からのＬＳＥモードの電磁波の漏洩を確実に抑制する。
【００１２】
また、この発明は、２つの非放射性誘電体線路を分割した形状の上記方向性結合器を用い、その一方の非放射性誘電体線路に１次放射器を結合させ、その１次放射器の位置をほぼ焦点位置とする誘電体レンズを設けてアンテナ装置を構成する。これにより、方向性結合器部分での２つの非放射性誘電体線路の相対変位によって１次放射器を誘電体レンズに対して相対変位させ、ビーム走査を可能とする。
【００１３】
また、この発明は、上記アンテナ装置を電磁波の送受波部に設けてレーダ装置を構成する。これにより、小型軽量の方向性結合器を備えたアンテナ装置を用いて、全体に小型化を図り、高速なビーム走査を可能とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る方向性結合器の構成を図１〜図３を参照して説明する。図１は上部導体板を取り除いた状態での方向性結合器の斜視図である。図１において１は下部導体板、３，４はそれぞれＰＴＦＥ等を切削加工等により成形した誘電体ストリップであり、図１に示した状態で、誘電体ストリップ３，４の上部には、下部導体板１に平行な上部導体板を設けて、この上下の導体板の間に誘電体ストリップ３，４を挟み込んだ構造としている。
【００１５】
図１に示した例では、誘電体ストリップ３は直線部分とベンド部分とを備え、もう一方の誘電体ストリップの直線部分に対して、結合間隔Ｇを隔てて、長さＬにわたって平行に近接配置している。
【００１６】
図２は、図１に示した方向性結合器の、実質的な方向性結合器部分である結合２線路モデルの例を示している。（Ａ）は誘電体ストリップ部分のみの上面図、（Ｂ）は誘電体ストリップの軸方向に垂直な面での断面図である。このように結合２線路の結合長をＬ、上下導体板の間隔をｈ、誘電体ストリップの幅をａ、結合間隔をＧとする。この例では、Ｇ＝０．４ｍｍ、ｈ＝１．８ｍｍとする。
【００１７】
図３は、図２に示したモデルにおいて、ＬＳＭモードとＬＳＥモードについて、誘電体ストリップ３，４の幅ａを変化させた時の、結合量が０ｄＢとなるための結合長Ｌ、および幅ａを変化させた時の伝送損失の関係を示している。
【００１８】
この図３の（Ｂ）に示すように、ＬＳＭモードの電界結合による方向性結合器を構成した時、伝送損失が最も小さくなる最適線路幅ａは２．０ｍｍ、ＬＳＥモードの磁界結合による方向性結合器を構成した時、伝送損失が最も小さくなる最適線路幅ａは１．５ｍｍとなる。また、そのとき、図３の（Ａ）に示すように、ＬＳＭ電界結合による方向性結合器の挿入損失が最小となるための結合長は９．２ｍｍ、ＬＳＥ磁界結合による方向性結合器の挿入損失が最小となるための結合長は６．５ｍｍとなる。
【００１９】
従来、単体のＮＲＤガイドにおいて、ＬＳＭモードの伝送損失がＬＳＥモードの伝送損失より低損失であるという理由から、ＬＳＭモードを使用モード、ＬＳＥモードを不要モードとして扱ってきたが、図３の（Ｂ）に示したように、方向性結合器については、伝送損失に関してＬＳＭモードとＬＳＥモード間で優劣の差はほとんどない。寧ろ、ＬＳＥモードを利用する方が、ＬＳＭモードを利用する場合に比べて、方向性結合器の結合長を短縮化でき、全体の小型化が図れる。しかも、ＬＳＥモードの磁界結合による方向性結合器の最適結合長（ａ＝１．５ｍｍ）の時、ＬＳＭモードは図３の（Ｂ）に示すようにほとんどカットオフ状態であり、ＬＳＥ単一モード伝送に近い状態となる。図３の（Ｂ）においてＡ領域（ａ≒１．２５〜１．５ｍｍ）がＬＳＥ単一モード伝送域である。そのため従来とは逆に、ＬＳＭモードを不要モードとして、この不要モードとの結合が抑制できる。
【００２０】
次に、第２の実施形態に係る方向性結合器の構成を図４〜図７を参照して説明する。
図４の（Ａ）は、方向性結合器の結合２線路部分の斜視図、（Ｂ）はその誘電体ストリップの軸に垂直な面での断面図である。図４において５，６はそれぞれ金属ブロックであり、それらの内部に平行な導体平面を成す溝を形成していて、その溝の内部に、誘電体ストリップ３，４をそれぞれ配置している。金属ブロック５と誘電体ストリップ３とによって一方のＮＲＤガイドを構成していて、金属ブロック６と誘電体ストリップ４とによって他方のＮＲＤガイドを構成している。この金属ブロック５，６の対向面が、この発明に係る「非放射性誘電体線路の分割面」に相当する。金属ブロック５の上記分割面には、その分割面に垂直な方向を深さ方向とする溝７を形成している。この溝７は、誘電体ストリップ３の上下面に接する導体平面から伝送波の半波長の略整数倍だけ離れた位置を短絡面とするように、その位置および深さを定めている。図４の（Ｂ）に示した各部の寸法は、使用周波数を７６．５ＧＨｚとし、ＬＳＥモードで磁界結合させる場合の寸法（それぞれｍｍ）である。
【００２１】
図６および図７はＬＳＭモードで電界結合させた従来の方向性結合器における、分割面での電磁波の漏洩状態を示している。図６は電界分布、図７は磁界分布をそれぞれ示している。このようにＬＳＭモードを用いた電界結合においては、電流方向に対して垂直に導体が分割面で分離されるため、電流が分割面で遮断され、電磁波の漏洩量が多くなる。従来は、導体分割面における電磁波の漏洩を抑制するために、上記溝７によるチョークを設けているが、０．２〜０．３ｄＢ程度の損失は生じていた。
【００２２】
これに対し、図５はＬＳＥモードで磁界結合させた場合の磁界分布を示している。このように、ＬＳＥモードを用いた磁界結合においては、電流方向に対して平行に導体が分離されるため、導体が分離されることによる影響は少なく、電磁波の漏洩量が非常に少なくなる。したがって、方向性結合器を構成する２つのＮＲＤガイドを分割したことによる損失は、チョークが無くても極めて小さくなる。また、チョークを設けることによって漏洩損失はさらに小さくなる。
【００２３】
また、原理的に２つのＮＲＤガイドの分割面で間隙が生じれば、２つのＮＲＤガイドが非対称となるので、不要なモード（ＬＳＭモード）が生じ、この不要なモードとの結合が生じるが、この実施形態のＮＲＤガイドはＬＳＥモードの単一モード伝送を行うため、不要モードとの結合が少なく、モード変換に伴う損失はほとんど生じない。
【００２４】
次に、第３の実施形態に係るアンテナ装置の構成を図８を参照して説明する。図８は上部導体板を取り除いた状態での上面図である。１１，１２はそれぞれ下部導体板であり、下部導体板１１の上に誘電体ストリップ３を、また、下部導体板１２の上に誘電体ストリップ４をそれぞれ設け、これらの誘電体ストリップ３，４の上部に、それぞれ上部導体板を配置して、２つのＮＲＤガイドを構成するとともに、誘電体ストリップ３と４との平行に近接する部分で２つの線路を結合させ、この部分で方向性結合器を構成している。
【００２５】
誘電体ストリップ４の端部には誘電体共振器からなる１次放射器８を設けていて、上部導体板には、それに垂直な方向に電磁波の放射および入射を行うための開口部を形成している。さらに、この１次放射器８の位置を略焦点位置とする誘電体レンズ９を配置している。
【００２６】
図８において下部導体板１２と、それに対向する上部導体板と、その間に設けた誘電体ストリップ４とで構成されるＮＲＤガイドおよび１次放射器は可動部であり、もう一方の下部導体板１１とそれに対向する上部導体板と、その間に設けた誘電体ストリップ３とで構成されるＮＲＤガイドは固定部である。上記誘電体レンズ９も固定していて、可動部の図中の矢印方向の変位によって、誘電体レンズ９に対する１次放射器８の相対位置が変位して、ビームの走査が行われる。すなわち、送波時には、ＲＦ回路部から伝送されるＬＳＥモードの電磁波が上記方向性結合器を介して１次放射器８へ導かれ、誘電体レンズ９を介して紙面に垂直な方向に放射される。また、逆方向に電磁波が入射した時、１次放射器８を通して、可動部側のＮＲＤガイドを受信信号がＬＳＥモードで伝搬し、方向性結合器部分を介して固定部側のＮＲＤガイドをＬＳＥモードで伝搬し、ＲＦ回路部へ受信信号が与えられる。
【００２７】
次に、第４の実施形態に係るレーダ装置の構成を図９を基に説明する。図９において、ＶＣＯ２０は、ガンダイオードとバラクタダイオード等を用いた電圧制御発振器、アイソレータ２１は、反射信号がＶＣＯ２０に戻るのを抑制する。カプラ２２は、送信信号の一部をローカル信号として取り出すＮＲＤガイドからなる方向性結合器である。サーキュレータ２３は、送信信号をアンテナ２４の１次放射器８へ与え、また受信信号をミキサー２５側へ伝送する。ミキサー２５は、受信信号と上記ローカル信号とを混合して中間周波信号を出力する。ＩＦアンプ２６は、その中間周波信号を増幅して信号処理回路２７へＩＦ信号として与える。この信号処理回路２７は、ＶＣＯ２０の変調信号と受信信号との関係から物標までの距離および相対速度を検知する。
【００２８】
上記サーキュレータ２３から１次放射器８への部分に、図８に示したアンテナ装置を用いる。上述したように、アンテナ装置における方向性結合器部分の結合長Ｌは、従来構造の方向性結合器に比べて短縮化できるため、可動部の小型軽量化が図れ、この可動部を駆動させるリニアアクチュエータの負担が減少し、信頼性が向上する。また負荷である可動部が軽くなることに伴いリニアアクチュエータが小型に構成できるので、アンテナ装置およびそれを用いたレーダ装置全体の小型化が図れる。また、同じ理由で、より高速なビーム走査が可能となるため、広いビーム走査範囲を短時間周期で物標の探知、物標までの距離および物標との相対速度等が検知できるようになる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明によれば、伝送モードをＬＳＥ単一モードとすることによって、低損失特性を維持するとともに全体の小型化が図れる。
【００３０】
また、ベンド部におけるＬＳＥモードとＬＳＭモード間のモード変換に伴う損失が抑制できる。
【００３１】
また、この発明によれば、方向性結合器を構成する２つの非放射性誘電体線路を２つの誘電体ストリップの長手方向に沿った分割面で分割した形状とし、且つ誘電体ストリップの長手方向に互いに相対変位自在に２つの非放射性誘電体線路を配置することにより、２つの非放射性誘電体線路が結合した状態で互いに相対変位自在となり、且つ分割面での電磁波漏洩による損失が低減できる。
【００３２】
また、この発明によれば、上記分割面に相当する位置の導体板同士の対向面にチョーク用の溝を設けることにより、導体板同士の対向面における間隙からの電磁波の漏洩をより確実に抑制する。
【００３３】
また、この発明によれば、２つの非放射性誘電体線路を分割した形状の上記方向性結合器を用い、その一方の非放射性誘電体線路に１次放射器を結合させ、その１次放射器の位置をほぼ焦点位置とする誘電体レンズを設けることにより、高速ビーム走査可能なアンテナ装置が得られる。
【００３４】
また、この発明によれば、上記アンテナ装置を電磁波の送受波部に設けてレーダ装置を構成することにより、全体に小型化でき、広範囲にわたって高速な探知が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る方向性結合器の、上部導体板を取り除いた状態での斜視図
【図２】同方向性結合器の結合２線路モデルの構成を示す図
【図３】同結合２線路モデルの特性例を示す図
【図４】第２の実施形態に係る方向性結合器の構成を示す図
【図５】同方向性結合器の主要部の磁界分布の例を示す図
【図６】比較例としての方向性結合器の主要部の電界分布を示す図
【図７】同比較例としての方向性結合器の主要部の磁界分布の例を示す図
【図８】第３の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図
【図９】第４の実施形態に係るレーダ装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
１，１１，１２−下部導体板
２−上部導体板
３，４−誘電体ストリップ
５，６−金属ブロック
７−チョーク
８−１次放射器
９−誘電体レンズ

Claims

それぞれ略平行な導体平面の間に、誘電体ストリップを配して成る２つの非放射性誘電体線路同士を、互いの誘電体ストリップにおける少なくとも一部が平行となるように近接配置して結合させた方向性結合器において、
前記導体平面の間隔をｈ、前記誘電体ストリップの幅をａとしたとき、前記非放射性誘電体線路を伝搬しようとするＬＳＭモードが使用周波数でカットオフ状態になり、且つＬＳＥモードが使用周波数で伝搬するように、ｈ／ａ＞１．２の関係に前記非放射性誘電体線路の構造を定めて、使用周波数における電磁波がＬＳＥ単一モードで前記非誘電体線路を伝搬するようにした方向性結合器。
請求項１に記載の方向性結合器において、前記２つの非放射性誘電体線路を前記２つの誘電体ストリップの長手方向に沿った分割面で分割した形状とし、且つ前記誘電体ストリップの長手方向に互いに相対変位自在に前記２つの非放射性誘電体線路を配した方向性結合器。
前記導体平面を前記誘電体ストリップを挟む導体板で構成し、前記２つの非放射性誘電体線路の前記分割面に相当する前記導体板同士の対向面にチョーク用の溝を設けた請求項２に記載の方向性結合器。
請求項２または３に記載の方向性結合器を構成する一方の非放射性誘電体線路に１次放射器を結合させ、当該１次放射器の位置を略焦点位置とする誘電体レンズを設けて成るアンテナ装置。
請求項４に記載のアンテナ装置を電磁波の送受波部に設けたレーダ装置。