説明

導波管スロットアレーアンテナ

【課題】ある設定周波数に対して設計された導波管ベースであっても、スロット板を交換することによって周波数を切り替えることができ、広帯域の周波数をカバーすることができる導波管スロットアレーアンテナを提供する。
【解決手段】給電口、給電導波路、放射導波路、T分岐部、及び側壁を具備する導波管ベースと、放射導波路に対応する位置に、長手方向に沿ってスロット孔が設けられてスロット孔列が形成されたスロット板とを具備して成る導波管スロットアレーアンテナにおいて、導波管ベースは、周波数f0について最適化されたものを用い、スロット板は、周波数f0,該周波数f0よりも低い周波数f0−Δf、あるいは周波数f0よりも高い周波数f0+Δfに対して最適化されたもののいずれかを用いる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マイクロ波帯、ミリ波帯において用いられる導波管スロットアレーアンテナに関する。
【背景技術】
【0002】
導波管スロットアレーアンテナとは、従来の複数のスロットアンテナを素子アンテナとしてあるパターンに配置したアレーアンテナであり、主に導波管ベースとスロット板とにより構成されている。スロット板の各スロット孔の寸法と配置によって、ある領域内に所望の電界分布が得られる。
【0003】
従来の導波管スロットアレーアンテナは、例えば特許文献1に示されるように、与えられた設計周波数に対して、導波管ベースとスロット板とが設計されている。すなわち、設計周波数としてf0が与えられた場合は、周波数f0に対して最適化された導波管ベース及びスロット板を製作し、設計周波数としてf1が与えられた場合は、周波数f1に対して最適化された導波管ベース及びスロット板を製作していた。しかし、このようなアンテナは6ch(1chが約30MHz)程度をカバーするのみであり、狭帯域であるため、さまざまな周波数に対する導波管ベースとスロット板とを用意する必要があった。なお、f0、f1、f2、f3などの設定周波数は、例えば電話会社毎に免許されている。また地域によっても異なる周波数が割り当てられ、さらにまた、国によっても、異なる周波数が割り当てられることが多い。
【0004】
しかしながら、導波管ベースは、通常NCマシンや、ダイキャスト等で製造されるが、特にダイキャストによる場合は、ダイキャストに用いられる金型が高価であるため製造コストが高く、各周波数に対応した導波管ベースを多数取り揃えることができないという問題があった。一方、スロット板は放電加工やエッチングで製造されるため、導波管ベースに較べ安価に製造することができる。
【0005】
そこで、例えば周波数f0に対して最適化された導波管ベース及びスロット板を、周波数f1にも用いて、アンテナを作動させようとすると、指向性特性が劣化してしまうという問題があった。具体的には、図6に示すように、25.3GHzの周波数に対して最適化された導波管ベース及びスロット板を、周波数を0.5GHzずらした25.8GHzに用いると、約2.5dBも指向性利得が低下してしまっていた。従って、周波数f0に対して最適化された導波管ベース及びスロット板を、周波数f1について用いることはできなかった。なお、図6に示す特性を広帯域とする、すなわちグラフを平坦とする研究は、盛んであるが原理的に限界がある。
【0006】
また、従来は、周波数f0に対して最適化された導波管ベース及びスロット板を用いて、周波数帯域をできるだけ広帯域にするように、例えば中央給電型や、部分並列給電型等の導波管スロットアレーアンテナ等の開発がなされているが、問題の解決には至っていない。
【特許文献1】特開2004−147169号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上述したような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ある設定周波数に対して設計された導波管ベースであっても、スロット板を交換することによって周波数を切り替えることができ、広帯域の周波数をカバーすることができる導波管スロットアレーアンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の上記目的は、給電口、給電導波路、放射導波路、T分岐部、及び側壁を具備する導波管ベースと、
前記放射導波路に対応する位置に、長手方向に沿ってスロット孔が設けられてスロット孔列が形成されたスロット板とを具備して成る導波管スロットアレーアンテナにおいて、
前記導波管ベースは、周波数f0について最適化されたものを用い、
前記スロット板は、前記周波数f0、該周波数f0よりも低い周波数f0−Δf、あるいは前記周波数f0よりも高い周波数f0+Δfに対して最適化されたもののいずれかを用いることを特徴とする導波管スロットアレーアンテナを提供することによって達成される。
【0009】
また、本発明の上記目的は、前記周波数f0に対して最適化された前記スロット板は、等位相面が前記放射導波路に対して垂直となり、また終端スロット孔と前記側壁との距離が一様となるように前記スロット孔が形成されることを特徴とする導波管スロットアレーアンテナを提供することによって、効果的に達成される。
【0010】
また、本発明の上記目的は、前記周波数f0−Δfに対して最適化された前記スロット板は、等位相面が前記放射導波路に対して所定の角度を有するように、また始端スロット孔が、外側の放射導波路に向かうにつれて、徐々に前記給電口から遠い位置(奥側)に形成されるように、さらにまた終端スロット孔と側壁との間の距離が、スロット板の幅方向の中央部に形成された前記スロット孔列ほど長くなるように、前記スロット孔が形成されることを特徴とする導波管スロットアレーアンテナを提供することによって、効果的に達成される。
【0011】
また、本発明の上記目的は、前記スロット孔列に隣接して設けられた前記スロット孔の間隔が、前記周波数f0に最適化されたスロット板のスロット孔の間隔よりも長いことを特徴とする導波管スロットアレーアンテナを提供することによって、より効果的に達成される。
【0012】
また、本発明の上記目的は、前記周波数f0+Δfに対して最適化された前記スロット板は、等位相面が前記放射導波路に対して所定の角度を有するように、また始端スロット孔が、外側の放射導波路に向かうにつれて、徐々に前記給電口寄りの位置(手前側)に形成されるように、さらにまた終端スロット孔と側壁との間の距離が、スロット板の幅方向の中央部に形成された前記スロット孔列ほど短くなるように、前記スロット孔が形成されることを特徴とする導波管スロットアレーアンテナを提供することによって、効果的に達成される。
【0013】
また、本発明の上記目的は、前記スロット孔列に隣接して設けられた前記スロット孔の間隔が、前記周波数f0に最適化されたスロット板のスロット孔の間隔よりも短いことを特徴とする導波管スロットアレーアンテナを提供することによって、より効果的に達成される。
【0014】
さらにまた、本発明の上記目的は、前記スロット板と、前記導波管ベースとの取付けは、少なくとも両者を重ね合わせた周縁部で、ねじ止め又は鋲止めを行うことを特徴とする導波管スロットアレーアンテナを提供することによって、より効果的に達成される。
【発明の効果】
【0015】
本発明に係る導波管スロットアレーアンテナによれば、導波管ベースとして、周波数f0について最適化されたものを用い、また、スロット板として、周波数f0、周波数f0よりも低い周波数f0−Δf、あるいは周波数f0よりも高い周波数f0+Δfに最適化されたスロット板のいずれかを用いることによって、従来の導波管スロットアレーアンテナよりも低コストで、より広帯域の周波数帯を網羅することができる。
【0016】
また、導波管ベースはそのままで、スロット板を付け替えることによって、周波数帯域を使い分けることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0017】
以下、本発明に係る導波管スロットアレーアンテナについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は必ずしも以下の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲において、適宜その構成を変更できるものであることは言うまでもない。
【0018】
また、一般的に全てのアンテナには可逆定理が成立しているため、送信特性と受信特性とは全く同じものである。従って、以下では、全て送信の場合についてのみ説明し、受信の場合についての説明は省略する。
【0019】
図1は、本発明に係る導波管スロットアレーアンテナを示す分解斜視図である。図示するように、本発明に係る導波管スロットアレーアンテナ1(以下、「本スロットアレーアンテナ1」と言う。)は、導波管ベース2と、スロット板3とを具備して構成されている。
【0020】
図1に示すように、導波管ベース2は、給電口21と、給電導波路22と、放射導波路23と、T分岐部24と、側壁25とを具備することにより導波管ベース本体26が構成されている。また、導波管ベース本体26の周縁部には、ねじ穴27が形成されている。
【0021】
すなわち、導波管ベース2は、導波管ベース本体26の手前側の縁に沿って溝状の給電導波路22が設けられており、この給電導波路22から多数の溝状の放射導波路23が延びている。この給電導波路22から各放射導波路23へ連なる部分にはT分岐部24が形成されている。また、このT分岐部24と反対側の給電導波路22の側壁には、各T分岐部24と対向するように誘導性壁が設けられている。さらにまた、導波管ベース本体26は、やや厚めの導体板の上で、かつ導体板の幅方向における中央部にある一つの給電口21から、スロット板3上に形成された全てのスロット孔31に入力電磁波を給電できるように方形の溝が設けられている。
【0022】
このように形成された導波管ベース2は、給電口21から入力され給電導波路22を伝搬してきた入力電磁波を、T分岐部24において左右に電力的に同相の電磁波に二分配し、各放射導波路23へ給電する。
【0023】
次にスロット板3について説明する。スロット板3は、例えば0.5mm以下のアルミ板等の薄い導体板でできており、図示するように、導波管ベース2の各放射導波路23に対応する位置に、その長手方向に沿うように複数のスロット孔31が設けられ、スロット孔列#1〜#nが形成されている。また、スロット板3の周縁部には、導波管ベース2とスロット板3とを重ね合わせた際に導波管ベース2に形成されたねじ穴27と対応する位置に、ねじ穴32が形成されている。なお、スロット孔31は、例えば放電加工や、エッチング等の公知の技術により所定の位置に形成される。
【0024】
本スロットアレーアンテナ1は、例えば設定周波数f0に対して最適化された導波管ベース2(f0)に対し、周波数f0に対して最適化されたスロット板3(f0)、周波数f0よりも低い周波数f0−Δfに対して最適化されたスロット板3(f0−Δf)、あるいは周波数f0+Δfに対して最適化されたスロット板3(f0+Δf)のいずれかのスロット板3を用いる。
【0025】
なお、導波管ベース2は周波数f0に対して最適化された設計のものを用い、スロット板3は周波数f0−Δf(あるいは周波数f0+Δf)に対して最適化されたものを用いても、図2(a)(b)に示すように、周波数f0に対して最適化された導波管ベース2(f0)及びスロット板3(f0)を用いた場合と比較しても、導波管スロットアレーアンテナ1の総合特性は殆ど劣化しないことが分かる。
【0026】
従って、周波数f0に対して最適化された導波管ベース2(f0)を用いても、スロット板を周波数f0−Δf(あるいは周波数f0+Δf)に対して最適化されたものに取り替えるだけで、周波数f0の帯域だけでなく、周波数f0−Δfの帯域、あるいは周波数f0+Δfの帯域のより広帯域で使用することができる。
【0027】
また、スロット板3は製造コストが安いため、周波数f0−Δf、あるいは周波数f0+Δfに対して最適化されたスロット板3(f0−Δf),3(f0+Δf)を、周波数を小刻みに揃えることができる。従って、低コストで様々な周波数の帯域をカバーすることができ、周波数f0以外の周波数が割り当てられても、本スロットアレーアンテナ1を使用することができる。
【0028】
さらにまた、本スロットアレーアンテナ1は、スロット板3を使い分けることができるので、周波数帯域を使い分けることができる。すなわち、導波管ベース2は、周波数f0に対して最適化されたもののままでも、スロット板3を付け替えるだけで異なる周波数帯域を得ることができるので、周波数帯域を使い分けることができる。
【0029】
以下では、周波数f0に対して最適化された導波管ベース2(f0)に用いることができるスロット板3を作成する方法、すなわち周波数f0,周波数f0−Δf,周波数f0+Δfに対して最適化されるスロット板3のスロット孔31の形成位置を決める方法について説明する。
【0030】
まず、設定周波数である周波数f0に対応するようにスロット孔31の形成位置を決め、スロット板3(f0)を形成する方法について説明する。
【0031】
周波数f0に対して最適化されたスロット板3(f0)は、図3に示すような配列でスロット孔31が設けられている。すなわち、放射導波路23の管内波長λ(f0)が一様であるので、スロット板3(f0)のスロット孔31の等位相面33が導波管ベース2の放射導波路23に対して垂直になるように、スロット孔31の形成位置が決められる。
【0032】
また、このスロット板3(f0)は、終端スロット孔31eと側壁25との距離s0が、どのスロット孔列#1〜#nの距離s0をとっても一様となるようにスロット孔31の形成位置が決められる。ここで、終端スロット孔31eとは、各放射導波路23に沿うように形成された各スロット孔列#1〜#nを構成するスロット孔31のうち、導波管ベース2の給電口21から最も遠い位置に設けられた各スロット孔列#1〜#nの各スロット孔31eを言う。
【0033】
さらにまた、同じスロット孔列において隣接して(前後に)配置された各スロット孔31,31の間隔d0も一様となるようにスロット孔31の形成位置が決められる。
【0034】
このように本スロットアレーアンテナ1全体の総合特性が最も良くなるように、終端スロット孔31eと側壁25との距離s0、及び各スロット孔31,31の間隔d0を決めてスロット孔31の形成位置を決めて、スロット孔31を設けてスロット板3(f0)が形成される。
【0035】
次に、周波数f0−Δfに対応するようにスロット孔31の形成位置を決める方法について説明する。
【0036】
周波数f0より低い周波数f0−Δfに対して最適化されたスロット板3(f0−Δf)は、図4に示すような配列でスロット孔31が形成されている。この場合は、周波数f0の場合と比べて、放射導波路23の管内波長λ(f)が長くなる、すなわちλ(f)>λ(f0)となる。従って、周波数f0−Δfに対して最適化されたスロット板3(f0−Δf)のスロット孔31の等位相面33が導波管ベース2の放射導波路23に対して一定の角度を有するように、すなわち等位相面33が略逆ハの字形となるようにスロット孔31の形成位置が決められる。
【0037】
すなわち、周波数f0−Δfの場合は、周波数f0の場合と比較して、外側の放射導波路23へ向かうにつれて(導波管ベース2の給電口21から遠い放射導波路23になるにつれて)、スロット孔31の位相が進んでしまい、位相差が生じる。この位相差を相殺するために、外側の放射導波路23へ向かうにつれて、各始端スロット孔31bを導波管ベース2の各放射導波路23に対応する位置に形成する位置を、徐々に給電口21から遠ざける。ここで、始端スロット孔31bとは、各放射導波路23に沿うように形成された各スロット孔列#1〜#nを構成するスロット孔31のうち、給電口21に最も近い位置に設けられた各スロット孔列#1〜#nの各スロット孔31をいう。
【0038】
また、このスロット板3(f0−Δf)は、終端スロット孔31eと側壁25との距離sが、スロット板3(f0−Δf)の幅方向における中心部に向かうほど、すなわちスロット孔列#nに向かうほど長くなるようにスロット孔31の形成位置が決められる。
【0039】
さらにまた、同じスロット孔列において隣接して配置された各スロット孔31,31の間隔dは、どの間隔をとっても一様となるようにスロット孔31の形成位置が決められる。なお、上述したように放射導波路23の管内波長はλ(f)>λ(f0)であるため、各スロット孔31,31の間隔dは、周波数f0に最適化されたスロット板3(f0)のスロット孔31の間隔d0より長い、すなわちd>d0となる。
【0040】
このように本スロットアレーアンテナ1全体の総合特性が最も良くなるように、終端スロット孔31eと側壁25との距離s、及び各スロット孔31,31の間隔dを決めてスロット孔31の形成位置を決めて、スロット孔31を設けてスロット板3(f0−Δf)が形成される。
【0041】
さらに、周波数f0+Δfに対応するようにスロット孔31の形成位置を決める方法について説明する。
【0042】
周波数f0より高い周波数f0+Δfに対して最適化されたスロット板3(f0+Δf)は、図5に示すような配列でスロット孔31が形成されている。この場合は、周波数f0の場合と比べて、放射導波路23の管内波長λ(f)が短くなる、すなわちλ(f)<λ(f0)となる。従って、周波数f0+Δfに対して最適化されたスロット板3(f0+Δf)のスロット孔31の等位相面33が、上述した周波数f0−Δfの場合とは逆になるように、すなわち導波管ベース2の放射導波路23に対して一定の角度を有し、等位相面33が略ハの字形となるようにスロット孔31の形成位置が決められる。
【0043】
すなわち、周波数f0+Δfの場合は、周波数f0の場合と比較して、外側の放射導波路23へ向かうにつれて、スロット孔31の位相が遅れてしまい、位相差が生じる。この位相差を相殺するために、外側の放射導波路23へ向かうにつれて各始端スロット孔31bを導波管ベース2の各放射導波路23に対応する位置に形成する位置を、徐々に給電口21に近づける(徐々に手前側にする)。
【0044】
また、このスロット板3(f0+Δf)は、終端スロット孔31eと側壁25との距離sが、スロット板3(f0+Δd)の幅方向における中心部に向かうほど、すなわちスロット孔列#nに向かうほど短くなるようにスロット孔31の形成位置が決められる。
【0045】
さらにまた、同じスロット孔列において隣接して配置された各スロット孔31,31の間隔dは、どの間隔をとっても一様となるようにスロット孔31の形成位置が決められる。なお、上述したように放射導波路23の管内波長はλ(f)<λ(f0)であるため、各スロット孔31,31の間隔dは、周波数f0に最適化されたスロット板3(f0)のスロット孔31,31の間隔d0より短い、すなわちd<d0となる。
【0046】
このように本スロットアレーアンテナ1全体の総合特性が最も良くなるように、終端スロット孔31eと側壁25との距離s、及び各スロット孔31,31の間隔dを決めてスロット孔31の形成位置を決めて、スロット孔31を設けてスロット板3(f0+Δf)が形成される。
【0047】
なお、図3〜図5に示すスロット孔31の形状は長方形である。しかしながら、丸みを持たせた楕円形等、種々の形状としても良い。また、スロット孔の長さ(長方形の長辺の長さ)は、入力電磁波の約半波長で、スロット孔の幅(長方形の短辺の長さ)は、入力電磁波の約20分の1波長である。
【0048】
このように形成されたスロット板3(f0),3(f0−Δf),3(f0+Δf)のうち少なくとも2枚のスロット板3をユーザーが所持することにより、従来の導波管スロットアレーアンテナよりも広帯域の周波数帯域を得ることができ、また使用目的に応じて周波数帯域を使い分けることができるようになる。
【0049】
このため、本スロットアレーアンテナ1は、後述するように導波管ベース2及びスロット板3をねじ止めや鋲止めにより接合するだけでよく、ろうづけ等の厳密な接合は不要である。
【0050】
すなわち、本スロットアレーアンテナ1は、導波管ベースのベース本体26の周縁部に形成されたねじ穴27と、スロット板3の周縁部に形成されたねじ穴32とを重ね合わせて、両ねじ穴27,32にねじを挿入して、導波管ベース2とスロット板3とをねじ止めして、導波管ベース2にスロット板3を取り付けて構成する。
【0051】
なお、鋲止めにより導波管ベース2にスロット板3を取り付けても良い。
【0052】
これにより、一列に並べられている導波管ベース2の放射導波路23上にスロット孔31の列ができ、系全体が導波管スロットアレーアンテナ1となる。

【図面の簡単な説明】
【0053】
【図1】本発明に係る導波管スロットアレーアンテナの分解斜視図である。
【図2】周波数f0とは異なる周波数に対して最適化されたスロット板を用いた導波管スロットアレーアンテナの利得周波数特性と全体の反射特性を比較したグラフである。
【図3】周波数f0に対して最適化されたスロット板の平面図である。
【図4】周波数f0−Δfに対して最適化されたスロット板の平面図である。
【図5】周波数f0+Δfに対して最適化されたスロット板の平面図である。
【図6】従来の導波管スロットアレーアンテナの指向性利得を示すグラフである。
【符号の説明】
【0054】
1 導波管スロットアレーアンテナ
2 導波管ベース
21 給電口
22 給電導波路
23 放射導波路
24 T分岐部
25 側壁
26 導波管ベース本体
27 ねじ穴
3 スロット板
31 スロット孔
32 ねじ穴
33 等位相面

【特許請求の範囲】
【請求項1】
給電口、給電導波路、放射導波路、T分岐部、及び側壁を具備する導波管ベースと、
前記放射導波路に対応する位置に、長手方向に沿ってスロット孔が設けられてスロット孔列が形成されたスロット板とを具備して成る導波管スロットアレーアンテナにおいて、
前記導波管ベースは、周波数f0について最適化されたものを用い、
前記スロット板は、前記周波数f0、該周波数f0よりも低い周波数f0−Δf、あるいは前記周波数f0よりも高い周波数f0+Δfに対して最適化されたもののいずれかを用いることを特徴とする導波管スロットアレーアンテナ。
【請求項2】
前記周波数f0に対して最適化された前記スロット板は、等位相面が前記放射導波路に対して垂直となり、また終端スロット孔と前記側壁との距離が一様となるように前記スロット孔が形成されることを特徴とする請求項1に記載の導波管スロットアレーアンテナ。
【請求項3】
前記周波数f0−Δfに対して最適化された前記スロット板は、等位相面が前記放射導波路に対して所定の角度を有するように、また始端スロット孔が、外側の放射導波路に向かうにつれて、徐々に前記給電口から遠い位置に形成されるように、さらにまた終端スロット孔と側壁との間の距離が、スロット板の幅方向の中央部に形成された前記スロット孔列ほど長くなるように、前記スロット孔が形成されることを特徴とする請求項1に記載の導波管スロットアレーアンテナ。
【請求項4】
前記スロット孔列に隣接して設けられた前記スロット孔の間隔が、前記周波数f0に最適化されたスロット板のスロット孔の間隔よりも長いことを特徴とする請求項3に記載の導波管スロットアレーアンテナ。
【請求項5】
前記周波数f0+Δfに対して最適化された前記スロット板は、等位相面が前記放射導波路に対して所定の角度を有するように、また始端スロット孔が、外側の放射導波路に向かうにつれて、徐々に前記給電口寄りの位置に形成されるように、さらにまた終端スロット孔と側壁との間の距離が、スロット板の幅方向の中央部に形成された前記スロット孔列ほど短くなるように、前記スロット孔が形成されることを特徴とする請求項1に記載の導波管スロットアレーアンテナ。
【請求項6】
前記スロット孔列に隣接して設けられた前記スロット孔の間隔が、前記周波数f0に最適化されたスロット板のスロット孔の間隔よりも短いことを特徴とする請求項5に記載の導波管スロットアレーアンテナ。
【請求項7】
前記スロット板と、前記導波管ベースとの取付けは、少なくとも両者を重ね合わせた周縁部で、ねじ止め又は鋲止めを行うことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の導波管スロットアレーアンテナ。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【公開番号】特開2007−336459(P2007−336459A)
【公開日】平成19年12月27日(2007.12.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−168951(P2006−168951)
【出願日】平成18年6月19日(2006.6.19)
【出願人】(304021417)国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】(000004330)日本無線株式会社 (1,186)
【Fターム(参考)】