JP6207347B2 - 導波管スロットアレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、少なくとも一つの管壁に複数の放射スロットを穿設した導波管からなる導波管スロットアレーアンテナを複数個配列した導波管スロットアレーアンテナ装置に関するものである。

従来より、矩形導波管の壁面に複数の放射スロットが穿設された導波管スロットアレーアンテナをサブアレーとして、このサブアレーを導波管の幅方向に沿って複数個並列に配置した導波管スロットアレーアンテナ装置が知られている。

従来の導波管スロットアレーアンテナ装置は、隣接するサブアレー間に隙間部が設けられている。この隙間部は、アンテナ部材の製造時の誤差や熱膨張などの製造上の誤差要因を考慮したものである。

しかしながら、従来の導波管スロットアレーアンテナ装置は、導波管の放射スロットと隙間部が平行に設けられ、両者が同じ方向に向けて開口している場合、放射スロットから放射された電波の一部が隙間部に漏れ込む。その結果、漏れ込んだ電波は放射に寄与しなくなり損失となって、放射特性が劣化する問題があった。

これに対し、特許文献１には、放射素子を設けた金属平板（以下、「放射部」と記載）と、放射素子に給電する誘電体充填導波管（以下、「給電部」と記載）との間の隙間部に電波が漏れ込むのを抑制したアレーアンテナ装置が開示されている。

特許文献１のアレーアンテナ装置は、金属平板に挿入する誘電体充填導波管の先端部の挿入長を調整することで、隙間部の深さを隙間部に伝搬する電波の伝搬波長の１／４長さにしている。その結果、隙間部がチョークとしての機能を果たすことにより、隙間部への放射電波の漏れ込みを抑制している。

特開２００８−２７１４９８号公報（段落［００９３］〜［０１０１］、図２０〜図２２）

従来の導波管スロットアレーアンテナ装置は、隣接するサブアレー間の隙間部に電波が漏れ込み、放射特性が劣化するという課題があった。また、特許文献１のアレーアンテナ装置は、放射部と給電部の間の隙間部に電波が漏れ込むのを抑制できるが、隣接するサブアレー間の隙間部に電波が漏れ込むのを抑制することはできなかった。

また、導波管スロットアレーアンテナ装置をシステムに組み込む場合、サブアレーや給電部を支持するシャーシなどの支持部材が必要となる。そのため、装置全体の重量が重くなり、移動体などへの搭載に適さないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、サブアレー間の隙間部に電波が漏れ込むのを抑制し、かつ装置を軽量にした導波管スロットアレーアンテナ装置を提供することを目的とする。

この発明の導波管スロットアレーアンテナ装置は、電波の放射面に複数のスロットが設けられた導波管を含む導波管スロットアレーアンテナがサブアレーとして複数個配列されている導波管スロットアレーアンテナ装置において、隣接するサブアレー間に隙間部が設けられており、電波の伝搬波長の１／４長さの奇数倍だけ放射面から隙間部の電波の伝搬方向に沿って離れた位置に、隙間部に連通して隙間部よりも広幅の広幅隙間部が形成されており、サブアレーは、導波管を支持する導体ブロックを具備し、導体ブロックにより広幅隙間部が形成されているものである。

この発明の導波管スロットアレーアンテナ装置によれば、サブアレー間の隙間部に電波が漏れ込むのを抑制し、かつ装置を軽量にすることができる。

この発明の実施の形態１の導波管スロットアレーアンテナ装置の斜視図である。 この発明の実施の形態１の導波管スロットアレーアンテナ装置の上面図である。 この発明の実施の形態１の導波管スロットアレーアンテナ装置の側面から見た説明図である。 この発明の実施の形態１の導波管スロットアレーアンテナ装置の規格化周波数値−利得特性を示す特性図である。 この発明の実施の形態１の他の導体ブロックの側面から見た説明図である。 この発明の実施の形態１の他の導体ブロックの側面から見た説明図である。 この発明の実施の形態２の導波管スロットアレーアンテナ装置の上面図である。 この発明の実施の形態２の導波管スロットアレーアンテナ装置の側面から見た説明図である。 この発明の実施の形態２の導波管スロットアレーアンテナ装置の側面から見た説明図である。 この発明の実施の形態２の他のサブアレーの側面から見た説明図である。 この発明の実施の形態２の他のサブアレーの側面から見た説明図である。 この発明の実施の形態３の導波管スロットアレーアンテナ装置の側面から見た説明図である。 この発明の実施の形態３の他の給電部の斜視図である。 この発明の実施の形態３の他の給電部の斜視図である。

実施の形態１．
図１〜図３を参照して、実施の形態１の導波管スロットアレーアンテナ装置について説明する。
図中、１は矩形導波管である。矩形導波管１は、電波の放射面となる広壁面（以下、「放射面」と記載）１ａに放射スロット１１，１２を有し、放射面１ａと対向する側に設けられた導体ブロック２０によって支持されている。矩形導波管１と導体ブロック２０により、サブアレー５が構成されている。
サブアレー５は、矩形導波管１の放射面１ａと直交する両側に設けられた隣接する狭壁面１ｂ間に隙間部２を介在するようにして複数個が並列に配置されている。複数個のサブアレー５により、導波管スロットアレーアンテナ装置１００が構成されている。

放射スロット１１，１２は、図２に示すごとく、その長手方向を矩形導波管１の管軸方向に沿うようにしてそれぞれ一列に設けられている。また、それぞれの放射スロット１１，１２の配置は、管内波長の略１／２倍の間隔をあけて交互に千鳥状の配置になっている。

導体ブロック２０には、矩形導波管１の狭壁面１ｂ間に設けられた隙間部２に連通して導体ブロック２０の側面の一部を切り欠いて形成された広幅隙間部２１が設けられている。
図３に示すごとく、隙間部２の放射面側端部Ｓと広幅隙間部２１の開口端部Ｏ間の長さＬは、隙間部２を伝搬する電波の伝搬波長の１／４長さの奇数倍の長さのいずれかの長さに設定されている。

このように構成された導波管スロットアレーアンテナ装置１００の動作について説明する。
矩形導波管１に入力された電波は、放射スロット１１，１２の部分で結合して、外部の空間に放射される。このとき、サブアレー５の横断方向に沿って電界が立ち、サブアレー５の横断方向の直線偏波を主偏波とした電波が外部に放射される。

このとき、隙間部２は、端部Ｓ−Ｏ間の長さＬが電波の伝搬波長の１／４長さの奇数倍であることから、Ｏ側の開口端部が開放（インピーダンスが無限大）状態であり、かつＳ側の開口端部が短絡（インピーダンスが０）状態となり、チョークとしての機能を果たす。
その結果、放射された電波が隙間部２に漏れ込むことを阻止して、より良好な放射特性を得ることができる。

図４を参照して、この導波管スロットアレーアンテナ装置１００の効果について説明する。
図４は、規格化周波数値−利得特性を示す特性図である。図４の横軸は、設計中心周波数を規格化周波数値１とした場合の規格化周波数値を示している。縦軸は、導波管スロットアレーアンテナ装置の利得［ｄＢｉ］の計算結果を示している。
特性線Ｂ１は、端部Ｓ−Ｏ間の長さＬを電波の伝搬波長の１／４長さの奇数倍に設定した導波管スロットアレーアンテナ装置１００における規格化周波数値−利得特性を示している。一方、比較対象の特性線Ａ１は、端部Ｓ−Ｏ間の長さＬを電波の伝搬波長の１／４長さの奇数倍に設定しなかった導波管スロットアレーアンテナ装置における規格化周波数値−利得特性を示している。
図４から明らかなように、広幅隙間部２１と連通した隙間部２の端部Ｓ−Ｏ間の長さＬを適切な値に設定することにより、規格化周波数値が１．００〜１．０５の範囲内では、特性線Ｂ１の利得は特性線Ａ１の利得に対して最大０．９ｄＢ改善されている。

以上のように、この導波管スロットアレーアンテナ装置１００は、サブアレー５間の隙間部２に連通して、隙間部２よりも広幅な広幅隙間部２１が設けられているので、サブアレー５間の隙間部２に電波が漏れ込むのを抑制して、より良好な放射特性を得ることができる。
また、広幅隙間部２１はサブアレー５を支持する導体ブロック２０の一部を切り欠いて形成しているので、装置全体を軽量にすることができる。

なお、図５に示すように、導体ブロック２０の片側にのみ広幅隙間部２１を形成した導波管スロットアレーアンテナ装置１０１としても良い。

このように構成された導波管スロットアレーアンテナ装置１０１は、実施の形態１の導波管スロットアレーアンテナ装置１００と同様に、隙間部２がチョークとしての機能を果たすので、サブアレー５間の隙間部２に電波が漏れ込むのを抑制して、より良好な放射特性を得ることができる。

また、図６に示すように、導体ブロック２０の矩形導波管１と対向する下端部側に広幅隙間部２１の下端部を塞ぐようにして金属平板４０を設けて、金属平板４０を接地するようにした導波管スロットアレーアンテナ装置１０２としても良い。

このように構成された導波管スロットアレーアンテナ装置１０２は、実施の形態１の導波管スロットアレーアンテナ装置１００と同様に、隙間部２がチョークとしての機能を果たすので、サブアレー５間の隙間部２に電波が漏れ込むのを抑制して、より良好な放射特性を得ることができる。

実施の形態２．
図７〜図９を参照して、実施の形態２の導波管スロットアレーアンテナ装置について説明する。
図中、１は矩形導波管である。矩形導波管１は、電波の放射面となる狭壁面（放射面）１ｃに放射スロット１０を穿設し、放射面１ｃに対向する側に設けられた導体ブロック２０によって支持されている。これら矩形導波管１と導体ブロック２０により、サブアレー５が構成されている。
サブアレー５は、矩形導波管１の放射面１ｃと直交する両側に設けられた隣接する広壁面１ｄ間に隙間部２を介在するようにして複数個が並列に配置されている。複数個のサブアレー５により、前方アレーアンテナ６ａが構成されている。
また、後方アレーアンテナ６ｂは、前方アレーアンテナ６ａの矩形導波管１の後方に隙間部３を介在するようにしてそれぞれ並列に配置されている。複数個の前方アレーアンテナ６ａおよび後方アレーアンテナ６ｂにより、導波管スロットアレーアンテナ装置２００が構成されている。

放射スロット１０は、図７に示すごとく、その長手方向を矩形導波管１の管軸方向に対して傾けて一列に設けられている。また、それぞれの放射スロット１０は、その傾きの方向を交互に逆向きになるようにして配置されている。

図８および図９に示すごとく、前方アレーアンテナ６ａを構成する導体ブロック２０には、矩形導波管１間の隙間部２に連通するようにして広幅隙間部２１ａが設けられているとともに、前方アレーアンテナ６ａと後方アレーアンテナ６ｂ間に形成された隙間部３に連通するようにして広幅隙間部２１ｂが設けられている。
隙間部２および隙間部３の矩形導波管１の放射面側端部Ｓと広幅隙間部２１ａ，２１ｂの開口端部Ｏ間の長さＬは、隙間部２および隙間部３を伝搬する電波の伝搬波長の１／４長さの奇数倍の長さに設定されている。

このように構成された導波管スロットアレーアンテナ装置２００の動作について説明する。
矩形導波管１に入力された電波は、放射スロット１０の部分で結合し、外部の空間に放射される。このとき、放射スロット１０が傾斜して配置されているので、矩形導波管１の放射面に沿う管軸方向に対して斜めの方向に電界が立つ。そのため、矩形導波管１の管軸方向の第１直線偏波成分と、管軸方向に直交する方向の第２直線偏波成分の両方の電波が外部に放射される。

このとき、隙間部２および隙間部３は、端部Ｓ−Ｏ間の長さＬが伝搬電波の１／４長さの奇数倍であることから、Ｏ側の開口端部が開放（インピーダンスが無限大）状態であり、かつＳ側の開口端部が短絡（インピーダンスが０）状態となり、チョークとしての機能を果たす。
その結果、放射された電波が隙間部２および隙間部３に漏れ込むことを阻止し、より良好な放射特性を得ることができる。

以上のように、この導波管スロットアレーアンテナ装置２００は、サブアレー５間の隙間部２および前方アレーアンテナ６ａと後方アレーアンテナ６ｂ間の隙間部３に連通して、隙間部２および隙間部３よりも広幅な広幅隙間部２１ａ，２１ｂが設けられているので、隙間部２および隙間部３に電波が漏れ込むのを抑制して、より良好な放射特性を得ることができる。
また、広幅隙間部２１ａ，２１ｂはサブアレー５を支持する導体ブロック２０の一部を切り欠いて形成しているので、装置全体を軽量にすることができる。

なお、矩形導波管に代えて、図１０に示すように、内部に内部導体４１を有する断面が方形の方形導波管４を備えた導波管スロットアレーアンテナ装置２０１としても良い。
外部導体となる方形導波管４と、その長手方向が管軸方向に沿う扁平状の内部導体４１によって同軸線路が構成されている。方形導波管４は、放射スロット１０を有する面に対向して設けた導体ブロック２０によって支持されている。このような同軸線路と導体ブロック２０によって、サブアレー５が構成されている。

このように構成された導波管スロットアレーアンテナ装置２０１は、実施の形態２の導波管スロットアレーアンテナ装置２００と同様に、隙間部２がチョークとしての機能を果たすので、サブアレー５間の隙間部２に電波が漏れ込むのを抑制して、より良好な放射特性を得ることができる。

また、導体ブロックに設けた広幅隙間部に代えて、図１１に示すように、隣接する矩形導波管１間に形成された隙間部２と連通して矩形導波管１の管軸方向に沿って凹部２ａを形成した導波管スロットアレーアンテナ装置２０２としても良い。

このように構成された導波管スロットアレーアンテナ装置２０２は、実施の形態２の導波管スロットアレーアンテナ装置２００と同様に、隙間部２がチョークとしての機能を果たすので、サブアレー５間の隙間部２に電波が漏れ込むのを抑制して、より良好な放射特性を得ることができる。

実施の形態３．
図１２を参照して、導体ブロック２０に給電部を設けた導波管スロットアレーアンテナ装置について説明する。
図中、３０は給電用同軸線路である。給電用同軸線路３０は、導体ブロック２０の内部を貫通し、矩形導波管１に電気的に接続されている。給電用同軸線路３０によって給電部が構成されている。
なお、給電部以外は実施の形態１の導波管スロットアレーアンテナ装置１００と同様の構成を備えており、説明を省略する。

このように構成された導波管スロットアレーアンテナ装置３００は、実施の形態１の導波管スロットアレーアンテナ装置１００と同様に、隙間部２がチョークとしての機能を果たすので、サブアレー５間の隙間部２に電波が漏れ込むのを抑制して、より良好な放射特性を得ることができる。
また、広幅隙間部２１はサブアレー５を支持する導体ブロック２０の一部を切り欠いて形成しているので、装置全体を軽量にすることができる。

また、導体ブロック２０と給電部とを一体に構成することにより、装置を含むシステム全体をさらに軽量にすることができる。

なお、図１２に示す給電用同軸線路３０に代えて、図１３に示すように、給電用導波管３１によって給電部を構成した導波管スロットアレーアンテナ装置３０１としても良い。

このように構成された導波管スロットアレーアンテナ装置３０１は、実施の形態３の導波管スロットアレーアンテナ装置３００と同様に、隙間部２がチョークとしての機能を果たすので、サブアレー５の間の隙間部２に電波が漏れ込むのを抑制し、より良好な放射特性を得ることができる。

また、図１２に示す給電用同軸線路３０に代えて、図１４に示すように、サブアレー５の横断方向に沿って導体ブロック２０を貫通する給電用導波管３１を設け、給電用導波管３１と矩形導波管１とを結合する給電用結合孔３２を設けて給電部を構成した導波管スロットアレーアンテナ装置３０２としても良い。

このように構成された導波管スロットアレーアンテナ装置３０２は、実施の形態３の導波管スロットアレーアンテナ装置３００と同様に、隙間部２がチョークとしての機能を果たすので、サブアレー５間の隙間部２に電波が漏れ込むのを抑制して、より良好な放射特性を得ることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 矩形導波管、１ａ 広壁面（放射面）、１ｂ 狭壁面、１ｃ 狭壁面（放射面）、１ｄ 広壁面、２ 隙間部、２ａ 凹部、３ 隙間部、４ 方形導波管（外部導体）、５ サブアレー、６ａ 前方アレーアンテナ、６ｂ 後方アレーアンテナ、１０，１１，１２ 放射スロット、２０ 導体ブロック、２１，２１ａ，２１ｂ 広幅隙間部、３０ 給電用同軸線路、３１ 給電用導波管、３２ 給電用結合孔、４０ 金属平板、４１ 内部導体、１００，１０１，１０２，２００，２０１，２０２，３００，３０１，３０２ 導波管スロットアレーアンテナ装置。

Claims (8)

1. 電波の放射面に複数のスロットが設けられた導波管を含む導波管スロットアレーアンテナがサブアレーとして複数個配列されている導波管スロットアレーアンテナ装置において、
   隣接する前記サブアレー間に隙間部が設けられており、
   前記電波の伝搬波長の１／４長さの奇数倍だけ前記放射面から前記隙間部の前記電波の伝搬方向に沿って離れた位置に、前記隙間部に連通して前記隙間部よりも広幅の広幅隙間部が形成されており、
   前記サブアレーは、前記導波管を支持する導体ブロックを具備し、
   前記導体ブロックにより前記広幅隙間部が形成されている
   ことを特徴とする導波管スロットアレーアンテナ装置。
2. 前記導体ブロックは、前記導波管に接続された給電部を具備することを特徴とする請求項１記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
3. 前記導波管は断面が矩形の矩形導波管で構成されており、前記スロットは前記矩形導波管の前記放射面となる広壁面に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
4. 前記導波管は断面が矩形の矩形導波管で構成されており、前記スロットは前記矩形導波管の前記放射面となる狭壁面に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
5. 前記導波管と該導波管内に設けられた導体とで同軸線路が構成されており、前記スロットは前記放射面となる前記同軸線路に設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
6. 前記給電部は給電用同軸線路で構成されていることを特徴とする請求項２記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
7. 前記給電部は給電用導波管で構成されていることを特徴とする請求項２記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
8. 前記給電部は給電用結合孔で構成されていることを特徴とする請求項２記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。

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