JP5731745B2 - アンテナ装置およびレーダ装置 - Google Patents

Description

この発明は、電磁波を送受信するアンテナ装置および当該アンテナ装置を用いたレーダ装置に関する。

従来、レーダ用のアンテナ装置は、金属ホーンを用いて垂直方向に放射される電磁波をビーム状に絞り込んでいる（例えば特許文献１を参照）。

特開２００５−７３２１２号公報

しかし、金属ホーンで所望の指向性を得るためには、電磁波放射方向への突出長を長くしたり、開口角を広げたりする必要があり、アンテナ装置全体が大型化する課題があった。

そこで、この発明は、装置全体を小型化しながらも垂直方向の指向性を実現したアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、電磁波放射源と、前記電磁波の放射の略中心軸方向で、前記電磁波放射源の前方に配置された電磁波整形部と、を備えている。電磁波整形部は、水平方向に複数のスロットが配列されたスロット列を備えている。また、当該スロット列は、垂直方向に複数段設けられたことを特徴とする。

電磁波放射源から放射された電磁波は、球面状に広がるが、放射方向（前方）に設けられた複数のスロットと結合し、指向性が整形され、ビーム化される。特に、スロット列が垂直方向に複数段設けられていることにより、電磁波放射源から出力された電磁波は、垂直方向にも指向性が形成され、ビーム化されることになる。電磁波放射源とスロットの距離は、放射する電磁波の波長λと、電磁波放射源および電磁波整形部の断面形状と、によって定まり、例えば、電磁波放射源とスロットを強く結合させるためには、最低限０．３波長分の長さがあればよい。したがって、本発明の構造であれば、従来の金属ホーンと同程度の指向性を実現する場合、当該金属ホーンに比較して電磁波放射方向への突出長が非常に短くてすむ。

また、上記本発明において、前記スロット列は、前記電磁波の放射方向に平行な平面に対し、垂直方向に互いに対称な位置に設けられたスロット対を含むことも可能である。例えば２段に配列する場合、電磁波放射源を挟んで上下（垂直）方向に２つのスロット列を平行に配列する。この場合、最終的なビーム形状を、垂直方向に対称な形状とすることができる。

なお、奇数段の場合、垂直方向の中心に設けられたスロット列は、前記電磁波放射源の電磁波放射方向に平行な平面上に設けられているものとする。

また、当該垂直方向の中心位置に設けられたスロット列は、各スロットの形状をボウタイ型としてもよい。この場合、動作周波数帯域が広がる。

さらに、複数段のそれぞれのスロット列において、各スロットの水平方向の位置は、垂直方向に隣接する他のスロット列における各スロット間の水平方向の中心位置に配列されている態様とする。例えば、３段のスロット列である場合、中段の各スロット間の水平方向の中心位置に、上下段の各スロットを配列する。全てのスロットの位相を揃える場合、電磁波放射源に最も近い中段のスロットと当該電磁波放射源との距離を０．３波長分とすると、上下段のスロットは、電磁波放射源との距離を最低限０．８波長分とする必要がある。ここで、上下段の各スロットを中段の各スロットの中心位置に配置することで、各スロットと電磁波放射源との距離を稼ぎ、スロット列間の距離を短くすることができ、垂直方向にも小型化することができる。

なお、上記本発明において、少なくとも１つのスロット列は、前記電磁波放射源の水平方向の幅よりも広い箇所にスロットが設けられていてもよい。この場合、電磁波整形部の水平方向の波源の幅は、電磁波放射源の幅よりも広くなり、水平方向の指向性が向上する（同じサイドローブレベルであればビーム幅が絞られる）。

電磁波放射源としては、水平方向の開口面が垂直方向の開口面より広いものであればよく、平面ダイポールアンテナ、パッチアンテナ、導波管スロットアレイアンテナ等が用いられる。

この発明によれば、アンテナ装置全体を小型化しながらも垂直方向の指向性を実現することができる。

本発明のアンテナ装置の外観図である。 平面ダイポールアンテナの斜視図である。 平面ダイポールアンテナの上面図および下面図である。 平面ダイポールアンテナと各スロットの位置関係を示す図である。 従来の金属ホーンにおける垂直方向の指向性と、本実施形態のアンテナ装置における垂直方向の指向性を示した図である。 他の例における電磁波整形部５の正面図である。 他の例におけるアンテナ装置の斜視図である。

図１（Ａ）は、本実施形態のアンテナ装置の正面斜視図であり、同図（Ｂ）は正面図、同図（Ｃ）は同図（Ｂ）のＡ−Ａ断面図、同図（Ｄ）は背面斜視図である。図２は、平面ダイポールアンテナの斜視図、図３（Ａ）は平面ダイポールアンテナの上面図、図３（Ｂ）は平面ダイポールアンテナの下面図である。

なお、本実施形態では、鉛直上方向をＸ方向、電磁波放射方向をＺ方向（正面方向）、Ｘ軸に直交し、電磁波放射方向に向かって右側の方向をＹ方向とする。

本実施形態のアンテナ装置は、電磁波整形部１、アンテナ基板２、および給電管３を備えている。アンテナ基板２は、電磁波放射源であり、本実施形態では、一例として平面ダイポールアンテナを示している。平面ダイポールアンテナは、水平方向（Ｙ軸方向）に長い平板形状の誘電体基板２０の表面に銅等の薄膜導体からなる配線２２がプリントされたものである。アンテナ基板２は、電磁波整形部１の後部下板１６に水平に載置され、この後部下板１６にネジ止めされており、Ｙ方向の中心位置で給電管３と接続されている。

給電管３は、垂直方向（Ｘ軸方向）に延びた管形状の電力供給部であり、アンテナ基板２に電力を供給するとともにアンテナ装置全体を支える役目を兼ねている。電磁波整形部１の後部下板１６には、給電管３を貫通する貫通孔が設けられており、この貫通孔に給電管３を挿入し、アンテナ基板２と接続することで、電磁波整形部１、アンテナ基板２、および給電管３をアンテナ装置として一体構造とするようになっている。

アンテナ基板２の表面には、８つのダイポールアンテナ２１が形成されている。ダイポールアンテナ２１は、銅等の薄膜導体からなり、Ｚ軸方向に平行な直線を挟んで対称に配置された一対の放射素子２１ａおよび放射素子２１ｂからなる。放射素子２１ａは上面側に配置され、放射素子２１ｂは下面側に配置される。なお、ダイポールアンテナ２１の数は８つに限るものではない。

放射素子２１ａと放射素子２１ｂは、Ｙ軸方向に長い長方形状に形成されている。放射素子２１ａのＹ方向端部と、放射素子２１ｂの−Ｙ方向端部は、誘電体基板２０を挟んで対抗している。放射素子２１ａと放射素子２１ｂのＹ軸方向の長さは、それぞれ基板内の波長λｇの１／４に設定されている。ダイポールアンテナ２１間のピッチは、波長λｇと等しくし、正面方向へ放射する電磁波の位相が揃うようにしている。

配線２２は、ダイポールアンテナ２１の背面側に形成されている。配線２２は、誘電体基板２０の上面側に形成された給電ライン２３と、誘電体基板２０の下面側に形成されたグランド２４とからなり、マイクロストリップラインを構成している。

給電ライン２３は、Ｙ軸方向に延びる幹線２３ａと、幹線２３ａから分岐した８つの支線２３ｂとからなる。幹線２３ａは、誘電体基板２０の上面のうち、背面側の領域に形成されている。８つの支線２３ｂは、Ｙ軸方向に沿って等間隔に配置されている。支線２３ｂの先端は、放射素子２１ａのＹ方向端部に接続されている。幹線２３ａのＹ軸方向中央には、給電部２３ｃが形成されており、給電管３が接続される。なお、幹線２３ａおよび支線２３ｂは、ダイポールアンテナ２１への供給電力を調整するために、線幅が一定ではなく変化している。

グランド２４は、グランド本体２４ａと８つの接続線２４ｂとからなる。グランド本体２４ａは、誘電体基板２０の下面のうち、背面側のほぼ半分の領域に形成されている。グランド本体２４ａは、先端が放射素子２１ｂの−Ｙ側端部に接続されている。

上記構造により、各ダイポールアンテナ２１が放射する電磁波の電力は、Ｚ軸方向が最大となり、Ｙ軸方向にはゼロとなる。また、後述の反射板（主に上部反射板１３および下部反射板１７）等により、背面側に放射される電磁波も正面方向へ同位相で向かうため、各ダイポールアンテナ２１から放射される電磁波の電力は、正面方向に集中することになる。

次に、図１において、電磁波整形部１は、ＸＺ平面における断面形状が凸字状（背面方向が凸）であり、筒状にアンテナ基板２を覆う構造となっている。すなわち、電磁波整形部１は、それぞれ長方形状の薄い金属板（銅やアルミ等）である正面板１０、前部上板１２、上部反射板１３、後部上板１４、背面板１５、後部下板１６、下部反射板１７、および前部下板１８からなり、これら複数の金属板で水平方向（Ｙ方向）の両端を除くアンテナ基板２の全てを覆う構造となっている。これら金属板は、溶接や曲げ加工等により、電磁波整形部１として一体構造となっている。なお、本実施形態では、電磁波整形部１の水平方向の両端が開口している例を示しているが、この開口部分も金属板等により閉じるようにしてもよい。

図１（Ｃ）の断面図に示すように、電磁波整形部１は、アンテナ基板２を挟んで垂直方向にほぼ対称な形状になっている。アンテナ基板２と平行なＹＺ平面上に配置される前部上板１２および前部下板１８は、電磁波が電磁波整形部１から漏れ出るのを防止するためのシールドの機能を果たすものである。

また、アンテナ基板２と垂直なＸＹ平面上に配置される上部反射板１３および下部反射板１７は、アンテナ基板２から背面方向に放射された電磁波を正面方向に反射させる反射板の機能を果たすものである。アンテナ基板２の正面方向先端とこれら反射板との距離Ｚ１は、これら反射板で反射して前方に向かう電磁波の位相が、アンテナ基板２から正面方向に放射された電磁波の位相と一致するように設定されている。

アンテナ基板２と平行なＹＺ平面上に配置される後部上板１４および後部下板１６は、アンテナ基板２を挟むように配置され、ある程度の隙間が形成されている。すなわち、アンテナ基板２と後部上板１４との間には、距離Ｘ１の隙間が空けられている。この距離Ｘ１は、アンテナ基板２の放射する電磁波の波長λに応じて設定する。例えば、距離Ｘ１が大きすぎる場合、上部反射板１３で反射される電磁波が下部反射板１７で反射される電磁波よりも少なくなり、正面方向へ放射される電磁波の垂直方向の対称性がなくなってしまう。特に、距離Ｘ１が波長λの１／２より大きくなると上部反射板１３で反射される電磁波が非常に少なくなってしまう。したがって、距離Ｘ１は、最大でも半波長以下であることが望ましい。また、距離Ｘ１をさらに短く（例えば、波長λの１／３以下と）すれば、上記隙間に電磁波が進入しにくくなるため、波長λの１／３以下とすることがより望ましい。なお、距離Ｘ１を波長λの１／２〜１／３とする場合、上記隙間に進入した電磁波が、背面板１５でも反射するため、アンテナ基板２の先端と背面板１５との距離Ｚ２を波長λに応じて設定する。具体的には、背面板１５で反射した電磁波の位相が、アンテナ基板２から正面方向に放射された電磁波の位相と一致するように距離Ｚ２を調整する。

ただし、上記距離Ｘ１が小さすぎる場合、アンテナ基板２と後部上板１４との間に発生する電磁界が強くなるため、アンテナ基板２のダイポールアンテナに電力供給が可能な程度（例えば波長λの１／１０）の距離Ｘ１を確保しておくことが望ましい。つまり、距離Ｘ１は、波長λの１／１０以上、１／３以下であることが望ましい。

なお、後部上板１４および背面板１５の水平方向の中心位置付近、ならびに後部上板１４の水平方向の両端には、アンテナ基板２を後部下板１６に固定するネジ止め作業を行うための切り欠き部３７が設けられているが、切り欠き部３７の水平方向の長さを短く（ダイポールアンテナ２１の配列ピッチ以下と）すれば、この切り欠き部３７から電磁波が漏れることはほとんどない。

次に、電磁波整形部１の主機能部となる正面板１０の構造、機能について説明する。正面板１０には、垂直方向に３段のスロット列が配置されている。中段に配置されたスロット列は、水平方向に配列された８つのスロット１１Ｂからなり、上段に配置されたスロット列は、水平方向に配列された９つのスロット１１Ａからなり、下段に配置されたスロット列は、水平方向に配列された９つのスロット１１Ｃからなる。

ダイポールアンテナ２１から放射された電磁波は、各スロットと結合し、新たな波源を生じる。各スロットで結合して生じる電磁波の位相分布は、各スロットの位置およびダイポールアンテナ２１との距離で決まる。また、開口分布（振幅）は、各スロットの水平方向の長さ、および垂直方向の長さで決まる。例えば、本実施形態では、各スロットの開口分布が全て等しくなるように、スロット１１Ａとスロット１１Ｃは、全て同じ幅（水平方向の長さＹ２）、高さ（垂直方向の長さＸ３）とし、スロット１１Ｂは、スロット１１Ａおよびスロット１１Ｃよりも若干大きくしている。これは、スロット１１Ｂはダイポールアンテナに近いため強く結合し、スロット１１Ａおよびスロット１１Ｃはダイポールアンテナから遠いため結合が弱まるため、その差を補正するための調整である。スロットの高さは、電磁波の波長λの約１／２とし、垂直方向の中心位置で最大の出力が得られるようにし、全てのスロットにおいて最大出力が得られるようにしている。

なお、上段のスロット１１Ａおよび下段のスロット１１Ｃは、長方形状のスロットであるが、中段のスロット列のスロット１１Ｂは、ボウタイ型のスロットとし、動作周波数帯域を広げる態様としている。また、ボウタイ型スロットとした場合、各スロットの垂直方向の中心位置（スロット幅が最も小さい箇所）で強い電界が発生するため、垂直偏波を抑える効果も得られる。

中段のスロット列のスロット１１Ｂは、それぞれ８つのダイポールアンテナ２１の真正面に配置されており、図４（Ａ）に示すように、スロット１１Ｂの配列ピッチＹ１は、ダイポールアンテナ２１の配列ピッチと同一である。各スロット１１Ｂと各ダイポールアンテナ２１との距離Ｚ３は、電磁波の波長λによって定まる。具体的には、ダイポールアンテナ２１から放射された電磁波が、スロット１１Ｂの位置で強い結合を得るために、距離Ｚ３を波長λの１／４の奇数倍（１／４、３／４…）にすればよい。ただし、スロットで結合する電磁波は、ダイポールアンテナ２１から放射された電磁波に加え、上部反射板などで反射されたものが含まれる。つまり、電磁波成形部１の断面形状（図１（Ｃ）参照）に応じて、波長λとは異なった波長となる。したがって、本実施形態では、これらの影響を考慮した値として、ダイポールアンテナ２１とスロット１１Ｂの距離Ｚ３を波長λの約０．３倍としている。

また、図４（Ｂ）に示すように、上段の各スロット１１Ａは、中段の各スロット１１Ｂの水平方向の中心位置に配列されている。同様に、下段の各スロット１１Ｃも、中段の各スロット１１Ｂの水平方向の中心位置に配列されている。つまり、各スロットの水平方向の位置は、垂直方向に隣接する他のスロット列における各スロット間の水平方向の中心位置に配列されている態様となっている。上段のスロット１１Ａの配列ピッチおよび下段のスロット１１Ｃの配列ピッチは、上記と同様ダイポールアンテナ２１の配列ピッチと同一である。

本実施形態では、全てのスロットの位相を揃える態様とするため、スロット１１Ｂとダイポールアンテナ２１との距離を０．３波長分としたとき、スロット１１Ａ（およびスロット１１Ｃ）とダイポールアンテナ２１との距離を０．８波長分としている。通常、スロット１１Ｂとダイポールアンテナ２１との距離と、スロット１１Ａ（およびスロット１１Ｃ）とダイポールアンテナ２１との距離差を波長λの整数倍としたときに位相は揃う。しかし、前述の通り、スロットで結合する電磁波は、上部反射板などで反射されたものを含むため、電磁波成形部１の断面形状に応じて、波長λと異なった波長となる。そのため、これらの影響を考慮した値として、スロット１１Ａ（およびスロット１１Ｃ）とダイポールアンテナ２１との距離を約０．８波長分としている。

ここで、上下段の各スロット１１Ａおよびスロット１１Ｃを、中段の各スロット１１Ｂの中心位置に配置することで、ダイポールアンテナ２１との距離を稼ぎ、スロット列間の距離Ｘ２を短くする態様としている。スロット列間の距離を短くすることで、アンテナ装置全体の垂直方向の大きさを小さくする態様としている。

なお、上段のスロット列および下段のスロット列は、アンテナ基板２の幅よりも広い箇所にもスロットが設けられており、本実施形態では、スロットの数をダイポールアンテナ２１の数より多い態様としている。これにより、上下段のスロット列で結合して放射される電磁波は、元の電磁波放射源であるアンテナ基板２の幅よりも広い幅で放射されることになり、水平方向の指向性が向上する（同じサイドローブレベルであればビーム幅が絞られる）。

次に、図５（Ａ）は、従来の金属ホーンを備えたアンテナ装置における垂直方向の指向性を示した図であり、図５（Ｂ）は、上記本実施形態の電磁波整形部１を備えたアンテナ装置における垂直方向の指向性を示した図である。いずれも、縦軸は強度（ｄＢ）、横軸はアンテナ基板２の設置された平面方向を０度とした垂直方向角度である。

同図（Ａ）および同図（Ｂ）に示すように、従来の金属ホーンと本実施形態の電磁波整形部１とでは、メインローブのビーム幅は同程度（−３ｄＢ幅で約２０度）であるが、サイドローブレベルが数ｄＢ程度下がっており、垂直方向の指向性は同等以上と言える。金属ホーンでは、垂直方向の位相が揃っていないため、０度から両サイドにかけて、なだらかに強度が低下するが、本実施形態の電磁波整形部１では、各スロット列の位相が全て等しいため、０度から両サイドにかけて、急峻に強度が低下する。したがって、サイドローブレベルが低下すると言える。

さらに、上記のように同等以上の指向性を実現した態様において、電磁波整形部１の高さ（Ｘ軸方向の長さ）は、金属ホーンに比べて約３／４程度となっており、特に、電磁波放射方向への突出長（Ｚ軸方向の長さ）は、金属ホーンに比べて約１／２程度となっており、アンテナ装置全体としての小型化を実現している。当然、レドームを含めたレーダ装置全体（アンテナ装置から発射された電磁波に基づくエコー信号を処理する受信回路も含む。）の大きさとしては従来の金属ホーンを用いた場合よりも非常に小さくなる。また、アンテナ装置全体が小型化されるため、アンテナ装置を水平方向に回転させる駆動装置の負荷も非常に小さくなる。

なお、本実施形態では、各スロットのピッチをダイポールアンテナ２１のピッチと同一とし、全てのスロットの位相をダイポールアンテナ２１の位相と揃えているため、水平方向の指向性は、アンテナ基板２の指向性に準ずるものとなる。ただし、上述したように、上下段のスロット列については、アンテナ基板２の幅よりも広い幅で電磁波を放射することができるため、水平方向の指向性も従来のアンテナ装置より向上している。

以上のように、本実施形態のアンテナ装置は、電磁波放射源は１つであるが、垂直方向に複数段設けられた各スロット列において新たな波源を生じさせる（電磁波が整形される）ため、最終的に放射される電磁波は、垂直方向にも指向性が形成され、ビーム化することができる。また、各スロットの幅や高さを調整することで開口分布に任意の特性を持たせることが可能であるとともに、スロットの位置を調整することで位相分布にも任意の特性を持たせることが可能であり、ビーム形状を自由に制御することができる。特に、上述の実施形態では、開口分布および位相分布を全てのスロットで等しくすることで、垂直方向にビームを絞り込む態様とし、アンテナ装置を小型化することが可能となっている。

なお、スロット列の段数は３段に限るものではない。例えば図６に示す電磁波整形部５（正面板５０）のように、中段のスロット列１１Ｂを省略し、２段のスロット列としてもよい。つまり、アンテナ基板２を挟んで、上下方向に対称にスロット列を配置する態様とし、垂直方向のビーム形状を対称とすればよい。なお、奇数段である場合は、垂直方向の中心位置に設けられるスロット列をアンテナ基板２の正面に配置する。偶数段である場合は、奇数段で垂直方向の中心位置に設けられるべきスロット列を省略する配置とする。

なお、本実施形態では、電磁波放射源として平面ダイポールアンテナを示したが、アレイ配置されたパッチアンテナや導波管スロットアレイアンテナ等、他の電磁波放射源であってもよい。例えば、導波管スロットアレイアンテナを電磁波放射源として用いる場合、図７（Ａ）に示すように、導波管７の管軸を水平方向に配置し、狭面側（または広面側）に設けた複数の電磁波放射源スロット７１を前方に向かって形成する。この場合、導波管７の各電磁波放射源スロット７１の真正面に中段の各スロット１１Ｂが配置されるようにする。

また、本実施形態では、電磁波整形部１がアンテナ基板を挟んで垂直方向にほぼ対称な形状になっており、スロット列が垂直方向に対称に設けられた例を示したが、スロット列は、電磁波放射源の電磁波放射方向に平行な面を挟んで垂直方向に対称な位置にスロット列として設けられていればよく、スロット数は対称（同一数）でなくともよい。例えば、図７（Ｂ）に示す正面板８０のように、上段のスロットの左右端部を省略し、切り欠き部８１としてもよい。

１…電磁波整形部
２…アンテナ基板
３…給電管

Claims (10)

1. 電磁波放射源と、
   前記電磁波の放射の略中心軸方向で、前記電磁波放射源の前方に配置された電磁波整形部と、
   を備えたアンテナ装置であって、
   前記電磁波整形部は、水平方向に複数のスロットが配列されたスロット列を備え、
   当該スロット列は、垂直方向に複数段設けられ、該複数段のスロット列により前記電磁波放射源から放射された電磁波の垂直方向の指向性が整形され、
   前記電磁波放射源は、垂直方向に曲面状に電磁波を放射し、
   少なくとも１つのスロット列は、前記電磁波放射源と垂直方向に離間した位置に存在し、
   各スロット列と前記電磁波放射源との距離は、各スロットで結合して放射される電磁波の位相が揃う距離に設定され、
   前記スロット列は、前記電磁波の放射方向に平行な平面に対し、垂直方向に互いに対称な位置に設けられたスロット対を含み、
   前記スロット列は、奇数段設けられ、
   垂直方向の中心に設けられたスロット列は、前記電磁波放射源の電磁波放射方向に平行な平面上に設けられたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記垂直方向の中心位置に設けられたスロット列は、各スロットの形状がボウタイ型であることを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置において、
   前記複数段のスロット列は、それぞれ各スロットの水平方向の位置が、垂直方向に隣接する他のスロット列の各スロット間の水平方向の中心位置に配列されていることを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のアンテナ装置において、
   少なくとも１つのスロット列は、前記電磁波放射源の水平方向の幅よりも広い箇所にスロットが設けられたことを特徴とするアンテナ装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のアンテナ装置において、
   前記電磁波放射源は、水平方向の開口面が垂直方向の開口面よりも広いことを特徴とするアンテナ装置。
6. 請求項５に記載のアンテナ装置において、
   前記電磁波放射源は、水平に配置された平面ダイポールアンテナであることを特徴とするアンテナ装置。
7. 請求項５に記載のアンテナ装置において、
   前記電磁波放射源は、水平に配置されたパッチアンテナであることを特徴とするアンテナ装置。
8. 請求項５に記載のアンテナ装置において、
   前記電磁波放射源は、管軸が水平方向に配置され、複数の電磁波放射源スロットが前方に向かって形成された導波管であることを特徴とするアンテナ装置。
9. 請求項１ないし８のいずれかに記載のアンテナ装置と、
   前記アンテナ装置から発射された電磁波に基づくエコー信号を処理する受信回路と、を備えたことを特徴とするレーダ装置。
10. 請求項９に記載のレーダ装置であって、
    前記アンテナ装置を水平方向に回転させる駆動装置を備えたことを特徴とするレーダ装置。

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