JP6547060B2 - ホーンアンテナアレイ - Google Patents

Description

本発明は、例えばテラヘルツ波等の電磁波の測定に用いられるホーンアンテナアレイの技術分野に関する。

この種のアンテナアレイとして、例えば、導波管に連通するホーンが複数形成されているアンテナアレイが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１０−６２９９４号公報

装置の設計段階では、測定すべき電磁波が検出部に垂直に入射すると仮定されていることが多い。しかしながら実際には、例えば測定対象物の表面での乱反射や、検出部の配置誤差等に起因して、測定すべき電磁波が検出部に対し斜めに入射する場合がある。斜めに入射する電磁波を検出するために、ホーンの開口を拡げるという方法が考えられるが、一方で、検出器の密度が低下することに起因して解像度が低下してしまう。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、解像度の低下を抑制しつつ、斜めに入射する電磁波を効率良く検出することができるホーンアンテナアレイを提供することを課題とする。

本発明のホーンアンテナアレイは、上記課題を解決するために、複数のホーンアンテナが一の方向に沿って配列されたホーンアンテナアレイであって、前記複数のホーンアンテナ各々は、錐台形状のホーンを画定する二対の傾斜平面を備え、前記ホーンの電磁波入射側において、前記二対の傾斜平面のうち、前記一の方向に沿う一対の傾斜平面の端部は、前記二対の傾斜平面のうち他の一対の傾斜平面の端部よりも突出している。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

第１実施例に係るホーンアンテナアレイを示す斜視図である。 第１実施例に係るホーンアンテナアレイを構成する一のホーンアンテナを示す正面図（ａ）、側面図（ｂ）及び底面図（ｃ）である。 ホーンアンテナの開口寸法又は開き角度と、利得との関係の一例を示す特性図である。 ホーンアンテナのホーン長さ又は開き角度と、利得との関係の一例を示す特性図である。 比較例に係るホーンアンテナアレイを示す斜視図である。 比較例に係るホーンアンテナアレイを構成する一のホーンアンテナを示す正面図（ａ）、側面図（ｂ）及び底面図（ｃ）である。 第２実施例に係るホーンアンテナアレイを示す斜視図である。 第２実施例に係るホーンアンテナアレイの特徴を示す図である。

本発明のホーンアンテナアレイに係る実施形態について説明する。

実施形態に係るホーンアンテナアレイは、一の方向に沿って配列された複数のホーンアンテナを備えて構成されている。複数のホーンアンテナ各々は、錐台形状のホーンを画定する二対の傾斜平面を備える。各ホーンアンテナのホーンの電磁波入射側において、二対の傾斜平面のうち、一の方向に沿う一対の傾斜平面の端部は、他の一対の傾斜平面の端部よりも突出している。

「傾斜平面」とは、ホーンアンテナの検出部に対し垂直に入射する電磁波の入射方向に対して、傾斜している平面を意味する。「一の方向に沿う一対の傾斜平面」とは、一の方向に延びる軸に対して、平行又は実質的に平行とみなせる、傾斜平面の組を意味する。

本願発明者の研究によれば、以下の事項が判明している。即ち、ホーンアンテナの検出特性を規定するパラメータとして、例えばホーンの開口寸法（即ち、ホーンの電磁波入射側の寸法）と、ホーンの長さとがある。

ホーンの長さが一定の場合、斜めに入射する電磁波を効率良く検出するためには、ホーンの開口寸法を大きくすればよい。しかしながら、ホーンの開口寸法がある程度より大きくなると、ホーンアンテナの検出部に対し垂直に入射する電磁波の検出効率が低下してしまう。加えて、ホーンアンテナの開口寸法に起因して、ホーンアンテナの検出部を密に配置することが難しく、ホーンアンテナアレイに係る解像度が低下してしまう。

ホーンの開口寸法が一定の場合、斜めに入射する電磁波を効率良く検出するためには、ホーンの長さを短くすればよい。しかしながら、ホーンの長さがある程度より短くなると、垂直に入射する電磁波の検出効率が低下してしまう。

ここで、ホーンの長さを一定にして、ホーンの開口寸法を変えることは、ホーンの開き角度を変えることと同義である。同様に、ホーンの開口寸法を一定にして、ホーンの長さを変えることも、ホーンの開き角度を変えることと同義である。

従って、垂直に入射する電磁波の検出効率と、斜めに入射する電磁波の検出効率との両方をある程度良くすることができる最適なホーンの開口寸法及び長さに対応するホーンの開き角度が実現されれば、最適なホーンの開口寸法及び長さを有するホーンよりも多少小さくても、同等の検出効率が得られると期待される。

本実施形態に係るホーンアンテナアレイでは、上述の如く、各ホーンアンテナのホーンの電磁波入射側において、二対の傾斜平面のうち、一の方向（即ち、配列方向）に沿う一対の傾斜平面の端部が、他の一対の傾斜平面の端部よりも突出している。

つまり、各ホーンアンテナの一の方向の寸法（幅）（即ち、他の一対の傾斜平面の端部間の距離）は、各ホーンアンテナの一の方向に交わる方向の寸法（幅）（即ち、一の方向に沿う一対の傾斜平面の端部間の距離）よりも短い。この結果、ホーンアンテナを比較的密に配列することができるので、ホーンアンテナアレイに係る解像度の低下を抑制することができる。

また、他の一対の傾斜平面のホーンの長さ方向の距離は、一の方向に沿う一対の傾斜平面のホーンの長さ方向の距離よりも短いので、他の一対の傾斜平面の端部間の距離が一の方向に沿う一対の傾斜平面の端部間の距離よりも短くても、他の一対の傾斜平面が互いになす角（即ち、開き角度）を、一の方向に沿う一対の傾斜平面が互いになす角と同程度にすることができる。このため、他の一対の傾斜平面の端部間の距離が比較的短いことに起因する検出効率の低下を抑制することができる。

他方で、一の方向に沿う一対の傾斜平面の端部間の距離は、垂直に入射する電磁波の検出効率と、斜めに入射する電磁波の検出効率との両方がある程度良くなるように設定することができるので、斜めに入射する電磁波の検出効率を、ホーンアンテナ全体として向上させることができる。

以上の結果、本実施形態に係るホーンアンテナアレイによれば、解像度の低下を抑制しつつ、斜めに入射する電磁波を効率良く検出することができる。

実施形態に係るホーンアンテナアレイの一態様では、一の方向に沿う一対の傾斜平面が互いになす角と、他の一対の傾斜平面が互いになす角とは等しい。

この態様によれば、他の一対の傾斜平面の端部間の距離が比較的短いことに起因する検出効率の低下を好適に抑制することができる。

実施形態に係るホーンアンテナアレイの他の態様では、当該ホーンアンテナアレイは、一の方向に延びる両凸型のシリンドリカルレンズを更に備え、一の方向に沿う一対の傾斜平面の端部は、シリンドリカルレンズの凸面に接触又は近接するように配置されている。

この態様によれば、当該ホーンアンテナアレイに係る検出効率を向上させることができる。

この態様では、一の方向に沿う一対の傾斜平面が互いになす角は、シリンドリカルレンズの集光角と対応していてよい。

このように構成すれば、シリンドリカルレンズを通過した電磁波を、効率良く検出することができ、実用上非常に有利である。尚、「一の方向に沿う一対の傾斜平面が互いになす角とシリンドリカルレンズの集光角とが対応」とは、互いになす角と集光角とが一致する場合に限らず、互いになす角が集光角よりも微小角度だけ大きい又は小さい場合も含む概念である。

本発明のホーンアンテナアレイに係る実施例を図面に基づいて説明する。

＜第１実施例＞
本発明のホーンアンテナアレイに係る第１実施例について、図１乃至図６を参照して説明する。

（ホーンアンテナアレイの構成）
第１実施例に係るホーンアンテナアレイの構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、第１実施例に係るホーンアンテナアレイを示す斜視図である。図２は、第１実施例に係るホーンアンテナアレイを構成する一のホーンアンテナを示す正面図、側面図及び底面図である。

図１において、第１実施例に係るホーンアンテナアレイ１は、本発明に係る「一の方向」乃一例としての、ｘ軸方向に沿って配列された複数のホーンアンテナを備えて構成されている。特に、図１及び図２（ｂ）に示すように、ホーンアンテナアレイ１のホーンの内部上面１１ａ及び内部下面１１ｂが、ホーンの開口の端部よりも突出している。言い換えれば、ホーンの内部上面１１ａ及び内部下面１１ｂは、ホーンの内部側面１２ａ及び１２ｂよりも、ホーンアンテナアレイ１の電磁波入射側に突出している。

尚、本実施例に係る「内部上面１１ａ及び内部下面１１ｂ」並びに「内部側面１２ａ及び１２ｂ」は、夫々、本発明に係る「一の方向に沿う一対の傾斜平面」及び「他の一対の傾斜平面」の一例である。

ここで、ホーンアンテナの特性について、図３及び図４を参照して説明する。図３及び図４では、ホーンアンテナの検出部に対し垂直方向からホーンに入射する電磁波を「正面信号」、該検出部に対し斜め方向からホーンに入射する電磁波を「斜入射信号」と称している。

先ず、図３上段に示すように、ホーンの長さＬを一定にして、ホーンの開口寸法ａを変化させた場合の一つのホーンアンテナに係る利得（検出効率）を考える。尚、ホーンの開口は、一辺がａの正方形であるとする（図４も同様）。

正面信号については、開口寸法ａがある程度大きくなるまでは、正面信号が検出部に入射し易くなるので、利得は開口寸法ａに比例して大きくなる（図３下段の実線参照）。しかしながら、開口寸法ａを大きくし過ぎると、図３上段「正面信号」の右端に示すように、ホーンの内壁で反射して検出部に到達しない正面信号が増えるため、利得は小さくなってしまう（図３下段の実線参照）。

他方で、斜入射信号については、開口寸法ａが大きくなるにつれて、ある値に漸近するように利得が大きくなる（図３下段の破線参照）。

正面信号の利得のみを考慮するのであれば、開口寸法ａを図３下段の“Ａ_１”とすればよい。しかしながら、正面信号の利得及び斜入射信号の利得の両方を考慮するのであれば、開口寸法ａを図３下段の“Ａ_２”とすることが望ましい。尚、図３下段の破線の形状は、ホーンの長さＬ及び斜入射信号の入射角θ_ｘに応じて変化する。このため、図３下段の“Ａ_２”は長さＬ及び許容される入射角θ_ｘに応じて変化する。

次に、図４左側に示すように、ホーンの開口寸法ａを一定にして、ホーンの長さＬを変化させた場合の一つのホーンアンテナに係る利得を考える。

正面信号については、ホーンの長さＬが長くなるにつれて、ある値に漸近するように利得が大きくなる（図４右側の実線参照）。これは、ホーンの長さＬが短いほど、ホーンの開き角度θが大きくなり、ホーンの内壁で反射して検出部に到達しない正面信号が増えるためである。

他方で、斜入射信号については、ホーンの長さＬが短くなるにつれて、ある値に漸近するように利得が大きくなる（図４右側の破線参照）。これは、ホーンの長さＬが短いほど、ホーンの開き角度θが大きくなるためである。

正面信号の利得のみを考慮するのであれば、ホーンの長さＬを長くすることが望ましい。しかしながら、正面信号の利得及び斜入射信号の利得の両方を考慮するのであれば、ホーンの長さＬを図４右側の“Ｂ_１”とすることが望ましい。尚、図４右側の破線の形状は、開口寸法ａ及び入射角θ_ｘに応じて変化する。このため、図４右側の“Ｂ_１”は開口寸法ａ及び許容される入射角θ_ｘに応じて変化する。

ところで、図３及び図４に示す正面信号及び斜入射信号各々の利得特性について、ホーンの開き角度θの観点から検討すると、開き角度θが大きくなる程、正面信号の利得は減少し、斜入射信号の利得は増加する。また、図４に示すように、ホーンの長さＬがある程度長くなると、正面信号の利得は殆ど変化しない。

これらのことを踏まえて、本願発明者は、ホーンの長さＬをある程度長くすると共に、開き角度θを大きくすることによって、正面信号の利得と斜入射信号の利得との両立を図った。

本願発明者の研究によれば、ホーンの開口寸法ａを一定にして、ホーンの長さＬを変化させた場合、ホーンの長さＬが、測定対象とする電磁波の波長λの６波長分より長ければ、正面信号の利得がほぼ最大となることが判明している。

そこで、ホーンの長さＬを６λとして、図３の“Ａ_２”に相当する開口寸法ａを求めれば、正面信号の利得と斜入射信号の利得との両立を実現することができる。

再び図２に戻り、上述のような思想により設計されたホーンアンテナアレイ１のサイズについて具体的に説明する。尚、本実施例では、測定対象とする電磁波の波長λを１ｍｍ（ミリメートル）とする。つまり、本実施例に係る電磁波は、所謂テラヘルツ波である。

図２において、長さＬ_２は、６ｍｍ（即ち、６λ）である。開口寸法ａ_２は、５．８ｍｍである。このとき、ホーンの内部側面１２ａ及び１２ｂが互いになす角（即ち、開き角度θ_２）は、４３．６°である。

図１に示すように、ホーンアンテナアレイ１では、複数のホーンアンテナがｘ軸方向に沿って配列されている。このため、斜入射信号の利得の向上を図りつつ、ホーンアンテナアレイ１に係る解像度の低下を抑制するためには、各ホーンアンテナのｘ軸方向の距離（即ち、図２における開口寸法ａ_２に相当）は、可能な限り短い方がよい。

他方で、各ホーンアンテナのｚ軸方向の距離については、解像度への影響がないので、ある程度長くすることができる。そして、図３下段に示すように、ホーンの開口寸法ａが大きい方が、斜入射信号の利得が向上する。

そこで、本実施例では、図２における開口寸法ａ_１を、１１．８ｍｍ、長さＬ_１を、１４．８ｍｍとしている。このとき、ホーンの内部上面１１ａ及び内部下面１１ｂが互いになす角（即ち、開き角度θ_１）は、４３．６°である。

尚、上述のホーンアンテナアレイ１のサイズは一例であり、これに限定されるものではない。また、開き角度θ_１及びθ_２は、互いに異なっていてもよい。

（技術的効果）
次に、本実施例に係るホーンアンテナアレイ１の技術的効果について、比較例に係るホーンアンテナアレイ５０（図５及び図６参照）と比較しつつ説明する。尚、図６における、開口寸法ａ_１及びａ_２、長さＬ_１並びに開き角度θ_１各々の値は、図２における値と同一である。

比較例に係るホーンアンテナアレイ５０では、電磁波入射側において、ホーンの内部上面５１ａ及び内部下面５１ｂ各々の端部と、ホーンの内部側面５２ａ及び５２ｂ各々の端部とが揃っているため、内部側面５２ａ及び５２ｂが互いになす角（即ち、開き角度φ）は、内部上面５１ａ及び内部下面５１ｂが互いになす角（即ち、開き角度θ_１）よりも小さい。

ｘ−ｙ平面において、ホーンアンテナの検出部に対して斜めに入射する電磁波の利得は、ホーンアンテナアレイ１のほうが、ホーンアンテナアレイ５０に比べて顕著に高い。これは、開き角度φが開き角度θ_１よりも小さいからである（図３及び図４参照）。

ホーンアンテナアレイ１に係る解像度は、ホーンアンテナアレイ５０に係る解像度と同等である。つまり、ホーンアンテナアレイ１は、解像度の低下を抑制しつつ、斜めに入射する電磁波を効率良く検出することができる。

尚、ホーンアンテナの検出部に対し垂直に入射する電磁波の利得については、ホーンアンテナアレイ１とホーンアンテナアレイ５０とで殆ど差はない。また、ｙ−ｚ平面において、ホーンアンテナの検出部に対して斜めに入射する電磁波の利得についても、ホーンアンテナアレイ１とホーンアンテナアレイ５０とで殆ど差はない。

＜第２実施例＞
本発明のホーンアンテナアレイに係る第２実施例について、図７及び図８を主に参照して説明する。第２実施例では、シリンドリカルレンズを備えている以外は、上述した第１実施例と同様である。よって、第２実施例について、第１実施例と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図７及び図８を主に参照して説明する。

図７に示すように、第２実施例に係るホーンアンテナアレイ２は、ｘ軸方向に沿って配列された複数のホーンアンテナと、当該ホーンアンテナアレイ２の電磁波入射側に配置されたシリンドリカルレンズ２０とを備えて構成されている。シリンドリカルレンズ２０は、図７に示すように、ｘ軸方向に延びる両凸型のシリンドリカルレンズである。

ホーンアンテナアレイ２では、ホーンの内部上面１１ａ及び内部下面１１ｂ（図２参照）が、ホーンの開口の端部よりも突出しているため、シリンドリカルレンズ２０を、内部上面１１ａ及び内部下面１１ｂ各々の端部に接触又は近接させることができる（図８（ａ）の破線円参照）。

このため特に、ｙ−ｚ平面において、ホーンアンテナの検出部に対して斜めに入射する電磁波のうち、シリンドリカルレンズ２０及びホーンを介して検出部に導かれる電磁波を、比較例に係るホーンアンテナアレイ（図８（ｂ）参照）に比べて、増やすことができる。

更に、ホーンアンテナの検出部に対し垂直に入射する電磁波についても、シリンドリカルレンズ２０により集光されるので、垂直に入射する電磁波の利得を向上させることができる。特に、シリンドリカルレンズ２０の集光角を、開き角度θ_１と対応させれば、垂直に入射する電磁波の利得をより向上させることができる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うホーンアンテナアレイもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１、２、５０…ホーンアンテナアレイ、１１ａ、５１ａ…内部上面、１１ｂ、５１ｂ…内部下面、１２ａ、１２ｂ、５２ａ、５２ｂ…内部側面、２０…シリンドリカルレンズ

Claims (4)

1. 複数のホーンアンテナが一の方向に沿って配列されたホーンアンテナアレイであって、
   前記複数のホーンアンテナ各々は、錐台形状のホーンを画定する二対の傾斜平面を備え、
   前記ホーンの電磁波入射側において、前記二対の傾斜平面のうち、前記一の方向に沿う一対の傾斜平面の端部は、前記二対の傾斜平面のうち他の一対の傾斜平面の端部よりも突出している
   ことを特徴とするホーンアンテナアレイ。
2. 前記一の方向に沿う一対の傾斜平面が互いになす角と、前記他の一対の傾斜平面が互いになす角とは等しいことを特徴とする請求項１に記載のホーンアンテナアレイ。
3. 前記一の方向に延びる両凸型のシリンドリカルレンズを更に備え、
   前記一の方向に沿う一対の傾斜平面の前記端部は、前記シリンドリカルレンズの凸面に接触又は近接するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のホーンアンテナアレイ。
4. 前記一の方向に沿う一対の傾斜平面が互いになす角は、前記シリンドリカルレンズの集光角と対応していることを特徴とする請求項３に記載のホーンアンテナアレイ。

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