JP6613156B2 - 導波管／伝送線路変換器及びアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、（１）導波管により伝送される電力と、伝送線路により伝送される電力と、を相互に変換する導波管／伝送線路変換器、及び、（２）アンテナ素子が平面上に格子状に配置され導波管／伝送線路変換器により給電されるアンテナ装置に関する。

導波管／伝送線路変換器は、アンテナ装置への給電等に適用されており、特許文献１、２等に開示されている。まず、特許文献１では、導波管内の電界強度の高い位置において、伝送線路を挿入している。しかし、特許文献１では、導波管内の電磁波が有する波長のほぼ１／４に等しい距離分だけ、導波管に沿って伝送線路から離れた位置において、導波管短絡面を必要とする。よって、特許文献１では、導波管／伝送線路変換器を小型化することができず、短絡面を形成する構造体が、アンテナ装置を形成する面より前面に存在するため、アンテナ装置の指向性の劣化原因となる。

特開２００４−３２０４６０号公報 特開２０００−２４４２１２号公報

次に、特許文献２では、整合素子に伝送線路を結合し、伝送線路から導波管へ電波を伝搬する技術を利用している。以下の説明から明らかなように、特許文献２では、特許文献１と比べて、導波管／伝送線路変換器を小型化することができ、アンテナ装置の指向性を劣化させる原因となる短絡面を形成する構造体を無くすことができる。

従来技術の導波管／伝送線路変換器の構成を図１に示す。最上段は、導波管／伝送線路変換器１’の側面断面図を示す。第２段は、導波管／伝送線路変換器１’の矢視Ａ’−Ａ’平面断面図を示す。第３段は、導波管／伝送線路変換器１’の矢視Ｂ’−Ｂ’平面断面図を示す。最下段は、後述する整合素子１７’の共振長の方向の電界分布を示す。

導波管／伝送線路変換器１’は、誘電体基板１３’、短絡金属層１４’、金属部材１５’、接地金属層１６’及び整合素子１７’を備える。

誘電体基板１３’は、導波管１１’の開口部を塞ぐように配置される。誘電体基板１３’の面は、導波管１１’の導波方向に垂直な面である。図１の第２、３段において、誘電体基板１３’のうちパターンが配置される部分は、白地で示され、誘電体基板１３’のうちパターンが配置されない部分は、斜線で示される。

短絡金属層１４’は、誘電体基板１３’の表面かつ導波管１１’の外部に配置され、誘電体基板１３’を貫通する金属部材１５’及び誘電体基板１３’の表面かつ導波管１１’の外枠に配置される接地金属層１６’により、導波管１１’と同電位に保持される。

整合素子１７’は、誘電体基板１３’の表面かつ導波管１１’の内部に配置され、誘電体基板１３’を介して伝送線路１２’と電磁的に結合され、誘電体基板１３’の周囲の環境における実効波長λ_ｇの電磁波を定在波として立てるための共振長（ほぼλ_ｇ／２）を、導波管１１’内の電界方向及び伝送線路１２’の給電方向に有する。

従来技術を利用したアンテナ装置の構成例を図２に示す。アンテナ装置２’は、特許文献１、２に開示されていない。アンテナ装置２’では、アンテナ素子が平面上に格子状に配置される。格子状に配置されるアンテナ素子は、各列のアンテナ素子２１’に分割される。各列のアンテナ素子２１’は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう導波管／伝送線路変換器１’に接続される１本の伝送線路１２’により、導波管／伝送線路変換器１’を挟んで逆方向に逆位相で給電される。導波管／伝送線路変換器１’を挟んで逆方向のアンテナ素子において、同方向の電界及び同方向の指向性を得るためである。誘電体基板１３’は、アンテナ素子が格子状に配置される平面である。導波管１１’の広壁面の断面は、各列の方向に平行な方向に配置される。導波管１１’の狭壁面の断面は、各列の方向に垂直な方向に配置される。

各列のアンテナ素子２１’が各列の中央で給電されることにより、アンテナ装置２’の中心周波数からずれた周波数において、各列を構成する各アンテナ素子の励振位相が互いにずれても、各列を構成する各アンテナ素子の合成結果は、広い周波数範囲で任意の一方向に利得の高い指向性を形成できる。

しかし、導波管／伝送線路変換器１’において、誘電体基板１３’の表面に配置されるパターンのサイズのうち、導波管１１’の狭壁面の断面に沿う方向のサイズｐ’（図１を参照。）は、大きくならざるを得ない。よって、アンテナ装置２’において、互いに隣り合う各列のアンテナ素子２１’の間隔ｄ’は、放射される電磁波が有する波長λ_０の半分に等しい長さλ_０／２より広くならざるを得ない。これにより、アレーアンテナにおける可視領域は、広くならざるを得ず、各列を構成する各アンテナ素子により形成されるアレーアンテナの指向性において、特に、各アンテナ素子の位相情報を調整し、広角までビームを走査する際に、グレーティングローブは、発生しやすくなる。

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、導波管／伝送線路変換器において、誘電体基板の表面に配置されるパターンのサイズのうち、導波管の狭壁面の断面に沿う方向のサイズを小さくして、アンテナ装置において、互いに隣り合う各列のアンテナ素子の間隔を狭くして、各列を構成する各アンテナ素子により形成されるアレーアンテナの指向性において、特に、各アンテナ素子の位相情報を調整し、広角までビームを走査する際に、グレーティングローブを発生しにくくすることを目的とする。

上記目的を達成するために、誘電体基板の周囲の環境における電磁波の実効波長のほぼ１／４に等しい共振長を有し、誘電体基板を貫通する金属部材により、共振長の方向の一端を金属地板と同電位に保持される、パッチアンテナを応用した。すなわち、整合素子は、誘電体基板の周囲の環境における電磁波の実効波長のほぼ１／４に等しい共振長を、導波管内の電界方向及び伝送線路の給電方向に有し、誘電体基板を貫通する金属部材により、共振長の方向の一端を導波管と同電位に保持される。

本発明は、導波管により伝送される電力と、伝送線路により伝送される電力と、を相互に変換する導波管／伝送線路変換器であって、前記導波管の開口部を塞ぐように配置される誘電体基板と、前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置され、前記伝送線路と結合され、前記誘電体基板の周囲の環境における電磁波の実効波長のほぼ１／４に等しい共振長を前記導波管内の電界方向及び前記伝送線路の給電方向に有し、前記誘電体基板を貫通する金属部材により、前記共振長の方向の一端を前記導波管と同電位に保持される整合素子と、を備えることを特徴とする導波管／伝送線路変換器である。

この構成によれば、誘電体基板の表面に配置されるパターンのサイズのうち、導波管の狭壁面の断面に沿う方向のサイズを小さくすることができる。

また、本発明は、アンテナ素子が平面上に格子状に配置されるアンテナ装置であって、格子状に配置されるアンテナ素子は、各列状に配置されるアンテナ素子に分割され、各列状に配置されるアンテナ素子は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう以上に記載の導波管／伝送線路変換器に接続される１本の前記伝送線路により、以上に記載の導波管／伝送線路変換器を挟んで逆方向に逆位相で給電され、前記誘電体基板は、アンテナ素子が格子状に配置される平面であり、前記導波管の広壁面の断面は、各列の方向に平行な方向に配置され、前記導波管の狭壁面の断面は、各列の方向に垂直な方向に配置されることを特徴とするアンテナ装置である。

この構成によれば、互いに隣り合う各列のアンテナ素子の間隔を狭くして、各列を構成する各アンテナ素子により形成されるアレーアンテナの指向性において、特に、各アンテナ素子の位相情報を調整し、広角までビームを走査する際に、グレーティングローブを発生しにくくすることができる。

このように、本発明は、導波管／伝送線路変換器において、誘電体基板の表面に配置されるパターンのサイズのうち、導波管の狭壁面の断面に沿う方向のサイズを小さくして、アンテナ装置において、互いに隣り合う各列のアンテナ素子の間隔を狭くして、各列を構成する各アンテナ素子により形成されるアレーアンテナの指向性において、特に、各アンテナ素子の位相情報を調整し、広角までビームを走査する際に、グレーティングローブを発生しにくくすることができる。

従来技術の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。 従来技術を利用したアンテナ装置の構成例を示す図である。 本発明の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。 本発明の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。 本発明の導波管／伝送線路変換器の特性を示す図である。 本発明のアンテナ装置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。

本発明の導波管／伝送線路変換器の構成を図３、４に示す。最上段は、導波管／伝送線路変換器１の側面断面図を示す。第２段は、導波管／伝送線路変換器１の矢視Ａ−Ａ平面断面図を示す。第３段は、導波管／伝送線路変換器１の矢視Ｂ−Ｂ平面断面図を示す。最下段は、後述する整合素子１７の共振長の方向の電界分布を示す。

図３では、導波管／伝送線路変換器１は、誘電体基板１３、短絡金属層１４、金属部材１５、接地金属層１６、整合素子１７及び金属部材１８を備える。図４では、導波管／伝送線路変換器１は、誘電体基板１３、短絡金属層１４、金属部材１５、接地金属層１６及び整合素子１７を備える。

誘電体基板１３は、導波管１１の開口部を塞ぐように配置される。誘電体基板１３の面は、導波管１１の導波方向に垂直な面である。図３、４の第２、３段において、誘電体基板１３のうちパターンが配置される部分は、白地で示され、誘電体基板１３のうちパターンが配置されない部分は、斜線で示される。

短絡金属層１４は、誘電体基板１３の表面かつ導波管１１の外部に配置され、誘電体基板１３を貫通する金属部材１５及び誘電体基板１３の表面かつ導波管１１の外枠に配置される接地金属層１６により、導波管１１と同電位に保持される。

整合素子１７は、誘電体基板１３の表面かつ導波管１１の内部に配置され、誘電体基板１３を介して伝送線路１２と電磁的に結合され、誘電体基板１３の周囲の環境における電磁波の実効波長λ_ｇのほぼ１／４に等しい共振長（ほぼλ_ｇ／４）を、導波管１１内の電界方向及び伝送線路１２の給電方向に有する。図３では、整合素子１７は、誘電体基板１３を貫通する金属部材１８により、共振長の方向の一端を、導波管１１と同電位に保持される。図４では、整合素子１７は、接地金属層１６に接続され、誘電体基板１３を貫通する金属部材１５により、共振長の方向の一端を、導波管１１と同電位に保持される。

ここで、整合素子１７及び伝送線路１２は、別層に存在する。そして、伝送線路１２の先端形状は、切り欠き付きのスタブ又はスロットである。よって、整合素子１７及び伝送線路１２は、電磁的な結合を実現することができる。

図３、４の説明では、金属部材１５は、導波管１１の２面の広壁面及び２面の狭壁面の断面に沿って誘電体基板１３を貫通する「スルーホール」で形成されている。図３の説明では、金属部材１８は、整合素子１７の共振長の方向の一端に沿って誘電体基板１３を貫通する「スルーホール」で形成されている。図３、４の変形例としては、金属部材１５は、導波管１１の２面の広壁面及び２面の狭壁面の断面に沿って誘電体基板１３を貫通する「導体壁」であってもよい。図３の変形例としては、金属部材１８は、整合素子１７の共振長の方向の一端に沿って誘電体基板１３を貫通する「導体壁」であってもよい。

本発明の導波管／伝送線路変換器の特性を図５に示す。このように、本発明では、従来技術と同様に、導波管／伝送線路変換器１の中心周波数から帯域幅分だけずれた周波数においても、低い反射特性及び高い透過特性を実現可能である。これに加え、本発明では、従来技術と比べて、誘電体基板１３の表面に配置されるパターンのサイズのうち、導波管１１の狭壁面の断面に沿う方向のサイズｐ（図３、４を参照。）は、小さくすることができる。具体的には、図３、４のサイズｐは、図１のサイズｐ’と比べて、約１／２となる。

本発明のアンテナ装置の構成を図６に示す。アンテナ装置２では、アンテナ素子が平面上に格子状に配置される。格子状に配置されるアンテナ素子は、各列のアンテナ素子２１に分割される。各列のアンテナ素子２１は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう導波管／伝送線路変換器１に接続される１本の伝送線路１２により、導波管／伝送線路変換器１を挟んで逆方向に逆位相で給電される。導波管／伝送線路変換器１を挟んで逆方向のアンテナ素子において、同方向の電界及び同方向の指向性を得るためである。誘電体基板１３は、アンテナ素子が格子状に配置される平面である。導波管１１の広壁面の断面は、各列の方向に平行な方向に配置される。導波管１１の狭壁面の断面は、各列の方向に垂直な方向に配置される。

例えば、導波管／伝送線路変換器１に接続される１本の伝送線路１２の給電箇所は、各列の中央位置から９０度分の位相回転に対応する線路長分だけずらした位置である。或いは、導波管／伝送線路変換器１に接続される１本の伝送線路１２の給電箇所から一方向のアンテナ素子への伝送路長と、導波管／伝送線路変換器１に接続される１本の伝送線路１２の給電箇所から他方向のアンテナ素子への伝送路長は、９０度分の位相回転に対応する線路長差を有する。

各列のアンテナ素子２１が各列の中央で給電されることにより、アンテナ装置２の中心周波数からずれた周波数において、各列を構成する各アンテナ素子の励振位相が互いにずれても、各列を構成する各アンテナ素子の合成結果は、広い周波数範囲で任意の一方向に利得の高い指向性を形成できる。

そして、導波管／伝送線路変換器１において、誘電体基板１３の表面に配置されるパターンのサイズのうち、導波管１１の狭壁面の断面に沿う方向のサイズｐ（図３、４を参照。）は、小さくすることができる。具体的には、図３、４のサイズｐは、図１のサイズｐ’と比べて、約１／２となる。よって、アンテナ装置２において、互いに隣り合う各列のアンテナ素子２１の間隔ｄは、放射される電磁波が有する波長λ_０の半分に等しい長さλ_０／２より狭くすることができ、アレーアンテナにおける可視領域は、狭くすることができ、各列を構成する各アンテナ素子により形成されるアレーアンテナの指向性において、特に、各アンテナ素子の位相情報を調整し、広角までビームを走査する際に、アレーアンテナにおけるグレーティングローブは、発生しにくくなる。

本発明の導波管／伝送線路変換器及びアンテナ装置は、合成結果が広い周波数範囲で任意の一方向に利得の高い指向性を形成でき、グレーティングローブが発生しにくい、アンテナ素子が平面上に格子状に配置されるアンテナ装置を、小型化及び低コスト化する目的に対して、適用することが可能である。

１、１’：導波管／伝送線路変換器
２、２’：アンテナ装置
１１、１１’：導波管
１２、１２’：伝送線路
１３、１３’：誘電体基板
１４、１４’：短絡金属層
１５、１５’：金属部材
１６、１６’：接地金属層
１７、１７’：整合素子
１８：金属部材
２１、２１’：各列のアンテナ素子

Claims (1)

1. 導波管により伝送される電力と、伝送線路により伝送される電力と、を相互に変換する導波管／伝送線路変換器と、
   平面上に格子状に配置されるアンテナ素子と、を備え、
   前記導波管／伝送線路変換器は、
   前記導波管の開口部を塞ぐように配置される誘電体基板と、
   前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置され、前記伝送線路と結合され、前記誘電体基板の周囲の環境における電磁波の実効波長のほぼ１／４に等しい共振長を前記導波管内の電界方向及び前記伝送線路の給電方向に有し、前記誘電体基板を貫通する金属部材により、前記共振長の方向の一端を前記導波管と同電位に保持される整合素子と、を備え、
   格子状に配置されるアンテナ素子は、各列状に配置されるアンテナ素子に分割され、
   各列状に配置されるアンテナ素子は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう前記導波管／伝送線路変換器に接続される１本の前記伝送線路により、前記導波管／伝送線路変換器を挟んで逆方向に逆位相で給電され、
   前記誘電体基板は、アンテナ素子が格子状に配置される平面であり、
   前記導波管の広壁面の断面は、各列の方向に平行な方向に配置され、
   前記導波管の狭壁面の断面は、各列の方向に垂直な方向に配置される
   ことを特徴とするアンテナ装置。

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