JP6585440B2 - 基板側面ホーンアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、広角に目標物の存在及び方位を検知する技術に関する。

広角に目標物の存在を検知する技術が、特許文献１〜３に開示されている。特許文献１では、基板平面に形成される平面アンテナを用いて、正面方向の目標物の存在を検知し、基板側面に形成される電磁波反射面を用いて、側面方向の目標物の存在を検知する。特許文献２では、基板平面に形成される平面アンテナを用いて、正面方向の目標物の存在を検知し、基板側面の近傍の基板平面の端部に形成されるアンテナパターンを用いて、側面方向の目標物の存在を検知する。特許文献３では、基板平面に形成される平面アンテナを用いて、正面方向の目標物の存在を検知し、基板側面の近傍の基板平面の端部に形成されるダイポールアンテナを用いて、側面方向の目標物の存在を検知する。

特開２００７−０４９６９１号公報 特許５４６４１５２号公報 特許５６０９７７２号公報

ところで、特許文献１、３では、広角に目標物の存在を検知することは、考慮されているが、広角に目標物の方位を検知することは、考慮されていない。もっとも、特許文献２では、基板正面の方向の広角に目標物の存在を検知することが、考慮されているし、基板正面の方向の広角に目標物の方位を検知することも、考慮されている。それでも、特許文献２では、空間的に離れたアンテナを基板側面にどのように形成すれば、基板側面の方向の広角に目標物の存在を検知するのみならず、基板側面の方向の広角に目標物の方位を検知するうえに、広角方位検知システムの小型化、製造容易化及び低コスト化を図ることができるのか、窺い知ることはできなかった。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、空間的に離れたアンテナを基板側面に形成する方法を工夫して、基板側面の方向の広角に目標物の存在を検知するのみならず、基板側面の方向の広角に目標物の方位を検知するうえに、広角方位検知システムの小型化、製造容易化及び低コスト化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、２個のホーンアンテナを用いて、モノパルス測角方式を採用するとともに、アンテナ指向性を容易に調整可能とする。ここで、広角方位検知システムの小型化、製造容易化及び低コスト化を図るためには、各々のホーン構造に接続される各々の導波路を、誘電体基板の厚さ方向のなるべく同一位置に形成することが望ましい。

しかし、誘電体基板の厚さ方向と平行方向について、２個のホーン構造の開き方向を同一方向とすれば、２個のホーンアンテナの間隔を実効的に０とするため、モノパルス測角方式を採用することができない。そこで、誘電体基板の厚さ方向と平行方向について、２個のホーン構造の開き方向を異なる方向とすれば、２個のホーンアンテナの間隔を実効的に有限値とするため、モノパルス測角方式を採用することができる。

具体的には、本発明は、基板内部において基板平面と平行方向に２本の導波路の導波部を形成され、基板側面において前記２本の導波路の開口部を形成される誘電体基板と、２個の受信ホーン構造を形成され、前記２本の導波路の開口部と前記２個の受信ホーン構造の接続部が接続されるように、前記誘電体基板に接続される金属部材と、を備え、前記誘電体基板の厚さ方向と平行方向について、前記２個の受信ホーン構造の開口部が、互いに離れるように配置され、前記各々の受信ホーン構造の開き方向が、前記各々の受信ホーン構造の開口部の離れ方向と同一方向に設定され、前記２個の受信ホーン構造により、前記誘電体基板の厚さ方向と平行方向の目標物測角が可能であり、前記誘電体基板の厚さ方向と垂直方向について、前記２個の受信ホーン構造の開口部が、互いに離れるように配置され、前記２個の受信ホーン構造により、前記誘電体基板の厚さ方向と垂直方向の目標物測角が可能であることを特徴とする基板側面ホーンアンテナである。

この構成によれば、各々のホーン構造に接続される各々の導波路の導波部を、誘電体基板の厚さ方向のなるべく同一位置に形成することができる。よって、基板側面にホーンアンテナを形成するのみならず、基板平面に平面アンテナを形成することにより、広角に目標物の存在を検知する他、広角に目標物の方位を検知するうえに、広角方位検知システムの小型化、製造容易化及び低コスト化を図ることができる。

また、本発明は、前記２本の導波路の導波部及び開口部は、前記誘電体基板の厚さ方向の同一位置に形成されることを特徴とする基板側面ホーンアンテナである。

この構成によれば、各々のホーン構造に接続される各々の導波路の導波部を、誘電体基板の厚さ方向の同一位置に形成することができる。よって、基板側面にホーンアンテナを形成するのみならず、基板平面に平面アンテナを形成することにより、広角に目標物の存在を検知するのみならず、広角に目標物の方位を検知するうえに、広角方位検知システムのさらなる小型化、製造容易化及び低コスト化を図ることができる。

また、本発明は、前記誘電体基板は、基板内部において基板平面と平行方向に別個の導波路の導波部を形成され、基板側面において前記別個の導波路の開口部を形成され、前記金属部材は、送信ホーン構造を形成され、前記別個の導波路の開口部と前記送信ホーン構造の接続部が接続されるように、前記誘電体基板に接続され、前記２本及び別個の導波路の導波部及び開口部は、前記誘電体基板の厚さ方向の同一位置に形成されることを特徴とする基板側面ホーンアンテナである。

この構成によれば、基板側面に送受信ホーンアンテナを形成するにあたり、広角方位検知システムのさらなる小型化、製造容易化及び低コスト化を図ることができる。

このように、本発明は、空間的に離れたアンテナを基板側面に形成する方法を工夫して、基板側面の方向の広角に目標物の存在を検知するのみならず、基板側面の方向の広角に目標物の方位を検知するうえに、広角方位検知システムの小型化、製造容易化及び低コスト化を図ることができる。

本発明の広角方位検知システムの構成を示す図である。 本発明のモノパルス測角方式の原理を示す図である。 本発明の基板側面のホーンアンテナの形状及び位置を示す図である。 本発明の基板側面のホーンアンテナの形状及び位置を示す図である。 本発明の基板側面のホーンアンテナの水平方向測角可能性を示す図である。 本発明の基板側面のホーンアンテナの水平／垂直方向指向性を示す図である。 本発明の基板平面のアレーアンテナの構成を示す図である。 本発明の基板平面の平面アンテナの構成を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。

（広角方位検知システムの構成）
本発明の広角方位検知システムの構成を図１に示す。本発明の広角方位検知システムＳは、誘電体基板１及び金属部材２から構成される。誘電体基板１は、基板内部において基板平面と平行方向に導波路１１、１２、１３の導波部（図３を参照。）が形成され、基板側面において導波路１１、１２、１３の開口部（図３を参照。）が形成され、基板平面において基板平面アンテナ１４が形成される。金属部材２は、ホーン構造２１、２２、２３が形成され、導波路１１、１２、１３の開口部（図３を参照。）とホーン構造２１、２２、２３の接続部がそれぞれ接続されるように、誘電体基板１に接続される。

ホーン構造２１、２２は、受信用のものであり、ホーン構造２３は、送信用のものである。ホーン構造２１、２２、２３の詳細については、図２から図６を用いて説明する。基板平面アンテナ１４は、受信用のもの及び送信用のものを、様々な監視方式に応じて、高い自由度で配置する。基板平面アンテナ１４については、図７及び図８を用いて説明する。以下の説明では、誘電体基板１の厚さ方向と平行方向を「水平方向」と定義し、誘電体基板１の厚さ方向と垂直方向を「垂直方向」と定義する。

（基板側面のホーンアンテナの構成）
本発明のモノパルス測角方式の原理を図２に示す。モノパルス測角方式では、空間的に距離ｄだけ離れたアンテナを用いて、受信信号の位相差２π（ｄｓｉｎθ／λ）（λは、電磁波の真空波長。）を測定して、反射波の到来角θを測定する。

本発明の基板側面のホーンアンテナの形状及び位置を図３及び図４に示す。基板側面のホーンアンテナの形状及び位置について、最も望ましい実施形態を、図３を用いて説明する。基板側面のホーンアンテナの形状及び位置について、最も望ましい実施形態として、図３の実施形態を選択する理由を、図４を用いて説明する。

まず、図３について説明する。導波路１１、１２、１３の導波部及び開口部は、水平方向の同一位置に形成される。導波路１１、１２、１３のうち、基板平面に平行方向の広壁面は、例えば、導体箔を用いて形成され、基板平面に垂直方向の狭壁面は、例えば、金属柱を用いて形成される。導波路１１、１２、１３の開口部を導波路１１、１２、１３の広壁面の方向に狭める金属柱は、インピーダンス整合器として機能し、導波路１１、１２、１３の開口部を導波路１１、１２、１３の広壁面の方向に拡げる金属柱は、反射器として機能する。導波路１１、１２、１３の形成方法は、例えば、特開２０１１−１０９４３８号公報及び特許第５６６９０４３号公報に開示されている。

ホーン構造２１、２２の開口部は、水平方向に互いに離れるように配置される。図３では、ホーン構造２１の開口部は、導波路１１の開口部を基準として、紙面右方向にずれて、ホーン構造２２の開口部は、導波路１２の開口部を基準として、紙面左方向にずれる。ホーン構造２１、２２の開き方向の水平成分は、ホーン構造２１、２２の開口部の上述した離れ方向と同一方向に設定される。図３では、ホーン構造２１の開き方向の水平成分は、導波路１１の導波方向を基準として、紙面右方向にずれて、ホーン構造２２の開き方向の水平成分は、導波路１２の導波方向を基準として、紙面左方向にずれる。ホーン構造２１、２２により、水平方向の目標物測角が可能である。

ホーン構造２１、２２の開口部は、垂直方向に互いに離れるように配置される。図３では、ホーン構造２１の開口部は、導波路１１の開口部の位置に従い、紙面上方向に位置して、ホーン構造２２の開口部は、導波路１２の開口部の位置に従い、紙面下方向に位置する。ホーン構造２１、２２により、垂直方向の目標物測角が可能である。

次に、図４について説明する。本発明では、２個のホーン構造２１、２２を用いて、モノパルス測角方式を採用するとともに、アンテナ指向性を容易に調整可能とする。ここで、広角方位検知システムＳの小型化、製造容易化及び低コスト化を図るためには、各々のホーン構造２１、２２に接続される各々の導波路１１、１２を、誘電体基板１の厚さ方向のなるべく同一位置に形成することが望ましい（図４の左上欄を参照。）。

しかし、図４の左上欄に示すように、ホーン構造２１、２２の開き方向の水平成分を同一方向とすれば、ホーン構造２１、２２の水平方向の実効的な間隔ｄを０とするため、水平方向のモノパルス測角方式を採用することができず、広角方位検知システムＳの小型化、製造容易化及び低コスト化以前の問題である。そして、図４の右上欄に示すように、導波路１１、１２を誘電体基板１の厚さ方向の大きく異なる位置（誘電体基板１の厚さ方向の隔離距離ｈ）に形成すれば、ホーン構造２１、２２の水平方向の実効的な間隔ｄを有限値とするため、水平方向のモノパルス測角方式を採用することができるが、広角方位検知システムＳの小型化、製造容易化及び低コスト化を図ることができない。

そこで、図４の左下欄に示すように、ホーン構造２１、２２の開き方向の水平成分を異なる方向とすれば、導波路１１、１２を誘電体基板１の厚さ方向のあまり異ならない位置（誘電体基板１の厚さ方向の隔離距離ｈ’（＜ｈ））に形成しても、ホーン構造２１、２２の水平方向の実効的な間隔ｄを図４の右上欄とほぼ同程度の有限値とする。よって、水平方向のモノパルス測角方式を採用することができるうえに、広角方位検知システムＳの小型化、製造容易化及び低コスト化を図ることができる。

そして、図４の右下欄に示すように、ホーン構造２１、２２の開き方向の水平成分を異なる方向とすれば、導波路１１、１２を誘電体基板１の厚さ方向の同一位置に形成しても、ホーン構造２１、２２の水平方向の実効的な間隔ｄを図４の左下欄ほどではないが有限値とする。よって、水平方向のモノパルス測角方式を採用することができるうえに、広角方位検知システムＳのさらなる小型化、製造容易化及び低コスト化を図ることができる。

本発明の基板側面のホーンアンテナ（図３を参照。）の水平方向測角可能性を図５に示す。反射波の到来角が、−４５°より大きくかつ＋４５°より小さいときには、受信信号の位相差は、反射波の到来角に応じて単調に変化するため、水平方向の測角が可能である。反射波の到来角が、−４５°より小さい又は＋４５°より大きいときには、受信信号の位相差は、反射波の到来角に関わらずほぼ変化しないため、水平方向の測角が不能である。これは、ホーン構造２１、２２の水平方向の開き角度が、有限であるためである。

本発明の基板側面のホーンアンテナ（図３を参照。）の水平／垂直方向指向性を図６に示す。ホーン構造２１からなるホーンアンテナの水平方向指向性は、基板側面と垂直方向から水平方向に負の方向（ほぼ−１５°）に利得が若干偏っている。ホーン構造２２からなるホーンアンテナの水平方向指向性は、基板側面と垂直方向から水平方向に正の方向（ほぼ＋１５°）に利得が若干偏っている。これは、ホーン構造２１、２２の開き方向の水平成分が、基板側面と垂直方向からずれているためである。なお、ホーン構造２１、２２からなるホーンアンテナの垂直方向指向性は、ほぼ同程度に良好な利得が得られている。

ホーン構造２１、２２の水平方向の開き角度が大きければ、ホーン構造２１、２２の水平方向の実効的な間隔ｄが広くなり、ホーン構造２１、２２の位相中心ずれが大きくなり、水平方向の測角範囲が狭くなり、水平方向指向性の利得の偏りが大きくなる。ホーン構造２１、２２の水平方向の開き角度が小さければ、ホーン構造２１、２２の水平方向の実効的な間隔ｄが狭くなり、ホーン構造２１、２２の位相中心ずれが小さくなり、水平方向の測角範囲が広くなり、水平方向指向性の利得の偏りが小さくなる。

もっとも、ホーン構造２１、２２の水平方向の開き角度が小さくなり過ぎれば、ホーン構造２１、２２の水平方向の実効的な間隔ｄも小さくなり過ぎるため、モノパルス測角方式を採用することができない。そして、ホーン構造２１、２２の水平方向の開き角度は、監視範囲や監視精度に応じて、高い自由度で設定することができる。

（基板平面のアレー／平面アンテナの構成）
本発明の基板平面のアレーアンテナの構成を図７に示す。本発明のアレーアンテナ３では、アンテナ素子３１が直線状に配置され、単一の誘電体基板１、単一の地板導体（不図示）及び単一の誘電体層（不図示かつ後述）が、直線状に配置される複数のアンテナ素子３１により共有される。図７で説明するアレーアンテナ３は、中央給電進行波型アレーアンテナである。アレーアンテナ３の水平方向を、アレーアンテナ３の延伸方向に垂直な方向と定義する。アレーアンテナ３の垂直方向を、アレーアンテナ３の延伸方向に平行な方向と定義する。アレーアンテナ３の垂直方向は、基板側面の垂直方向と一致する。

本発明の基板平面の平面アンテナの構成を図８に示す。本発明の平面アンテナ４では、アンテナ素子３１が格子状に配置され、単一の誘電体基板１、単一の地板導体（不図示）及び単一の誘電体層（不図示かつ後述）が、格子状に配置される複数のアンテナ素子３１により共有される。図８で説明する平面アンテナ４は、中央給電進行波型平面アンテナである。平面アンテナ４の水平方向を、アレーアンテナ３の延伸方向に垂直な方向と定義する。平面アンテナ４の垂直方向を、アレーアンテナ３の延伸方向に平行な方向と定義する。アレーアンテナ３の垂直方向は、基板側面の垂直方向と一致する。

共振波型アレーアンテナは、狭帯域特性を有する一方で、進行波型アレーアンテナは、広帯域特性を有するため、広帯域用途では、進行波型アレーアンテナが利用されている。本出願の発明者は、進行波型アレーアンテナについて、以下に示す課題を突き止めた。

つまり、進行波型アレーアンテナの全アンテナ素子が同相で励振されるときには、全アンテナ素子から同相で反射が起きるため、この周波数において反射ロスが大きくなり放射効率が低くなる。一方で、進行波型アレーアンテナの各アンテナ素子が異相で励振されるときには、各アンテナ素子から異相で反射が起きるため、正面方向からチルトした方向に放射が起きるものの、広帯域において反射ロスが小さくなり放射効率が高くなる。

そして、進行波型アレーアンテナが一端において給電されるときには、動作周波数が変化すると、正面方向に対する放射方向の角度が変化する。一方で、進行波型アレーアンテナが中央において給電されるときには、動作周波数が変化しても、正面方向に対する放射方向の角度が変化しない。そこで、進行波型アレーアンテナを広帯域において利用する際に、アレーの中央において給電することを目標とした。

アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と同様に、アレーの垂直方向のサイズ（すなわち、アンテナ素子数）を維持することが必要となる。つまり、アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と比べて、垂直方向の各々のサイズ（すなわち、アンテナ素子数）が半分である二体のアレーを、給電部を挟んで形成することになる。

ここで、進行波型アレーアンテナは、給電部に近いアンテナ素子において、給電電力の一部を放射し、給電部から遠いアンテナ素子において、残りの電力の一部を放射し、アレーの終端の抵抗において、残りの電力を散逸する。よって、アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と比べて、放射効率が低くなる。

アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と同様に、放射効率を高くするために、各アンテナ素子の放射量を増やすことが考えられる、すなわち、各アンテナ素子の幅を広げることが考えられる。しかし、各アンテナ素子の幅が広がれば、アレーの水平方向の指向性が狭くなる。本出願の発明者は、このことが、監視領域を広げたいレーダ等の用途において、問題になると突き止めた。

そこで、図７に示したように、素子表面に誘電体層を形成されるアンテナ素子３１を適用する。すると、アンテナ素子導体の周囲の環境での実効誘電率が高くなるため、放射効率を高く維持したうえで、アンテナ素子導体を幅方向に小型化することができる。そして、誘電体層内部への入射角に応じて、誘電体層内部の伝搬距離及び誘電体層による位相遅れが変わるため、アンテナ素子３１に水平方向の広角指向性を持たせることができる。

そして、図７に示したように、伝送線路３２の経路上に、スタブ３３を配置することにより、アレーアンテナ３の全アンテナ素子３１が同相で励振されるときでも、全アンテナ素子３１からの同相での反射が起きにくいため、この周波数において反射ロスが小さくなり放射効率が高くなるとともに、正面方向に放射が起こるようになる。

さらに、図７に示したように、伝送線路３２の末端部に、終端素子３４を配置することにより、アレーアンテナ３は、元々終端抵抗において散逸された電力を、終端素子３４において放射するため、放射効率をさらに向上させることができる。

なお、図７に示したように、アレーアンテナ３の中央部に、伝送線路／導波管変換部３５を配置することにより、アレーアンテナ３は、中央給電を施される。

また、図８においては、伝送線路／導波管変換部３５は、平面アンテナ４の水平方向に千鳥状に配置されている。ここで、変形例としては、伝送線路／導波管変換部３５は、平面アンテナ４の水平方向に直線状に配置されてもよい。

本発明の基板側面ホーンアンテナは、基板平面アンテナと組み合わせて、広角に目標物の存在を検知するのみならず、広角に目標物の方位を検知するうえに、広角方位検知システムの小型化、製造容易化及び低コスト化を図るにあたり、適用することができる。

Ｓ：広角方位検知システム
１：誘電体基板
２：金属部材
１１、１２、１３：導波路
１４：基板平面アンテナ
２１、２２、２３：ホーン構造
３：アレーアンテナ
３１：アンテナ素子
３２：伝送線路
３３：スタブ
３４：終端素子
３５：伝送線路／導波管変換部
４：平面アンテナ

Claims (3)

1. 基板内部において基板平面と平行方向に２本の導波路の導波部を形成され、基板側面において前記２本の導波路の開口部を形成される誘電体基板と、２個の受信ホーン構造を形成され、前記２本の導波路の開口部と前記２個の受信ホーン構造の接続部が接続されるように、前記誘電体基板に接続される金属部材と、を備え、
   前記誘電体基板の厚さ方向と平行方向について、前記２個の受信ホーン構造の開口部が、互いに離れるように配置され、前記各々の受信ホーン構造の開き方向が、前記各々の受信ホーン構造の開口部の離れ方向と同一方向に設定され、前記２個の受信ホーン構造での受信信号の位相差により、前記誘電体基板の厚さ方向と平行方向の目標物測角が可能であり、
   前記誘電体基板の厚さ方向と垂直方向について、前記２個の受信ホーン構造の開口部が、互いに離れるように配置され、前記２個の受信ホーン構造での受信信号の位相差により、前記誘電体基板の厚さ方向と垂直方向の目標物測角が可能であることを特徴とする基板側面ホーンアンテナ。
2. 前記２本の導波路の導波部及び開口部は、前記誘電体基板の厚さ方向の同一位置に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の基板側面ホーンアンテナ。
3. 前記誘電体基板は、基板内部において基板平面と平行方向に別個の導波路の導波部を形成され、基板側面において前記別個の導波路の開口部を形成され、
   前記金属部材は、送信ホーン構造を形成され、前記別個の導波路の開口部と前記送信ホーン構造の接続部が接続されるように、前記誘電体基板に接続され、
   前記２本及び別個の導波路の導波部及び開口部は、前記誘電体基板の厚さ方向の同一位置に形成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の基板側面ホーンアンテナ。

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