(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層が積層され、各層内に電波を給電する空洞経路が形成された積層型二次元スロットアレイアンテナにおいて、
最上層に形成され、二次元状に配列された長方形状の複数のスロットアンテナと、
前記最上層よりも下層に形成され、前記スロットアンテナの短手方向で分割された領域内の複数のスロットアンテナのうち長辺が向かい合うスロットアンテナに対応する空洞経路の端部同士を空間接続する導波管分配器と、を有し、
前記導波管分配器は、
前記空洞経路の端部同士を複数の層を用いて空間接続し、前記端部同士を上側の層で空間接続する第１の接続手段と、前記第１の接続手段同士を下側の層で空間接続する第２の接続手段と、を有することを特徴とする積層型二次元スロットアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯のアンテナ技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ミリ波帯の電波を利用した超高速無線通信技術の研究開発が進められている。ミリ波帯無線は指向性が高く自由空間伝搬損失が大きい等の理由から、高速通信を行うには、指向性の高いアレイアンテナを用いてビームを絞る必要がある。
【０００３】
構造の相違により様々なアレイアンテナが存在するが、中空導波管構造を採用した積層型二次元スロットアレイアンテナは、給電線路上の損失が低いことから、高効率・高利得のアンテナ装置を実現できる。
【０００４】
図５〜図７は、積層型二次元スロットアレイアンテナの従来構造（第１例）を示す図である。この積層型二次元スロットアレイアンテナ１は、金属性の薄板を層状に積層した構造を備え、各層により電波の給電経路が空洞形成される。
【０００５】
この給電線路は、方形導波管３との接続側から外部空間側に向けて、方形導波管３内の電波を分配する導波管分配器１１と、電波をアンテナ開口端のキャビティに結合するカップリングスロット１２と、電波に基づきスロットアンテナを励振させるキャビティ１３と、最表層に形成され二次元状に配列された長方形状のスロットアンテナ１４とで構成される。
【０００６】
複数のスロットアンテナ１４は、それら全体を包囲する外縁の形状が正方形になるように配列・形成されており、４つのスロットアンテナ１４に対して１つのカップリングスロット１２が対応している。
【０００７】
そして、４つのカップリングスロット１２に結合される導波管分配器１１の結合端Ａ同士をスロットアンテナ１４の長手方向で接続し、その接続ユニットＢ同士を更にスロットアンテナ１４の短手方向で接続し、当該接続部位同士を更に長手方向で接続し、最後に当該部位同士を短手方向に接続することにより、平面的に等長配線した１つの導波管分配器１１を形成し、最下層の中央において１つの方形導波管３に接続している。
【０００８】
図８は、その第２例を示す図である。第１例の場合、スロットアンテナ１４の高指向性により、地震等の理由でアンテナ装置の向きが設置位置から変動してしまうと、アンテナ装置の方向を物理的に再調整する手間が発生してしまう。
【０００９】
そこで、第２例では、複数のスロットアンテナ１４を長手方向で４つのブロックＢＬに均等分割し、各ブロックＢＬ内の接続ユニットＢ同士を長手方向で接続することにより、１つの導波管分配器１１をブロックＢＬ毎に形成している。
【００１０】
そして、ブロックＢＬ毎に１つの方形導波管３をそれぞれ接続し、各ブロックＢＬに供給する電波信号に位相差を与えることにより、電波の放射方向を制御するようにしている。これにより、アンテナ装置自体を振ることなく、任意方向にアンテナビームを振ることができ、前述の物理的な再調整の手間を防止している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Yohei Miura、外４名、”Double-Layer Full-Corporate-Feed Hollow-Waveguide Slot Array Antenna in the 60-GHz Band“、IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION、VOL. 59、NO. 8、AUGUST 2011、p.2844-2851
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、第２例の場合、長方形のスロットアンテナ１４の短辺が向かい合うようにスロットアンテナ群を接続しているため、サイドローブの発生によりアンテナビームパターンが劣化してしまう。
【００１３】
つまり、図９に示すように、スロットアンテナ１４から外部空間側（紙面垂直上方向）に出力される電界成分はその長辺の中心で強くその端部（短辺側）で弱いという性質から、スロットアンテナ１４の短辺同士を向かい合うように接続すると電界成分が弱い部分同士で結合されることになり、結合の弱い部分と長辺中心の電界成分の強い部分とが交互に現れる状態で電波が放射されるため、アンテナビームパターンが劣化してしまう。
【００１４】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、アンテナビームパターンの劣化を改善することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１記載の積層型二次元スロットアレイアンテナは、金属層が積層され、各層内に電波を給電する空洞経路が形成された積層型二次元スロットアレイアンテナにおいて、最上層に形成され、二次元状に配列された長方形状の複数のスロットアンテナと、前記最上層よりも下層に形成され、前記スロットアンテナの短手方向で分割された領域内の複数のスロットアンテナのうち長辺が向かい合うスロットアンテナに対応する空洞経路の端部同士を空間接続する導波管分配器と、を有し、前記導波管分配器は、前記空洞経路の端部同士を複数の層を用いて空間接続し、前記端部同士を上側の層で空間接続する第１の接続手段と、前記第１の接続手段同士を下側の層で空間接続する第２の接続手段と、を有することを要旨とする。
【００１８】
以上より、本発明によれば、長方形状であるスロットアンテナの短手方向で分けられた複数のスロットアンテナを、そのスロットアンテナの長辺が向かい合うように接続するため、電界成分の強い部分同士の結合により、アンテナビームパターンの劣化を抑制できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、アンテナビームパターンの劣化を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施の形態に係る積層型二次元スロットアレイアンテナの層上面図である。
【図２】第１の導波管接続ユニットと第２の導波管接続ユニットとの接続部分を示す図である。
【図３】第１の導波管接続ユニットと第２の導波管接続ユニットとの接続部分の構成例を示す図である。
【図４】第２の実施の形態に係る積層型二次元スロットアレイアンテナの層上面図である。
【図５】従来の積層型二次元スロットアレイアンテナの斜視断面図である。
【図６】従来の積層型二次元スロットアレイアンテナの構成説明図である。
【図７】従来の積層型二次元スロットアレイアンテナ（第１例）の層上面図である。
【図８】従来の積層型二次元スロットアレイアンテナ（第２例）の層上面図である。
【図９】積層型二次元スロットアレイアンテナの作用効果説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明は、分割されたブロック内の複数のスロットアンテナをその長辺が向かい合うように導波管分配器で接続することを特徴としている。これにより、長辺同士で向かい合う複数のスロットアンテナにおいて電界成分の強い部分同士が結合されるので、サイドローブのない良好なアンテナビームパターンが得られることから、アンテナビームパターンの劣化を抑制できる。
【００２２】
以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。但し、本発明は多くの異なる様態で実施することが可能であり、本実施の形態の記載内容に限定して解釈すべきではない。
【００２３】
〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る積層型二次元スロットアレイアンテナ１の層上面図である。同図（ａ）は、最上層の上面図であり、同図（ｂ）は、導波管分配器１１の形成層の上面図である。
【００２４】
この積層型二次元スロットアレイアンテナ１は、金属性の薄板や誘電体の表面を金属で覆った薄板を層状に積層した構造を備え、各層により電波の給電経路が空洞形成されている。例えば、１２０ＧＨｚのミリ波帯向けアンテナ装置に利用される。
【００２５】
この給電線路は、図５や図６で示した従来技術と同様に、最下層に接続される方形導波管３との接続側からアンテナ装置の外部空間側に向けて、方形導波管３内の電波を分配する導波管分配器１１と、電波をアンテナ開口端のキャビティに結合するカップリングスロット１２と、電波に基づきスロットアンテナを励振させるキャビティ１３と、最表層に形成され二次元状に配列された長方形状のスロットアンテナ１４とで構成される。それら構成要素のサイズは、非特許文献１のＴＡＢＬＥＩに記載されたパラメータ値と同程度である。
【００２６】
複数のスロットアンテナ１４は、それらを包囲する外縁の形状が正方形になるように配列・形成されており、位相の異なる４つの電波信号の出力領域を分けるため、スロットアンテナ１４の短手方向で４つのブロックＢＬに均等に単位分割されている。また、４つのスロットアンテナ１４は、１つのカップリングスロット１２に対応している。
【００２７】
導波管分配器１１は、形成層の異なる第１の導波管接続ユニット１１ａと第２の導波管接続ユニット１１ｂで構成されており、ブロックＢＬに含まれる複数のスロットアンテナ１４を、そのスロットアンテナ１４の長辺が向かい合うように接続している。
【００２８】
具体的には、１つのブロックＢＬ内において、第１の導波管接続ユニット１１ａは、４つのカップリングスロット１２に結合される導波管分配器１１の結合端（分配端）Ａ同士を、その結合端Ａの形成層と同一層（上側の中間層）でスロットアンテナ１４の短手方向で接続している。
【００２９】
また、第２の導波管接続ユニット１１ｂは、第１の導波管接続ユニット１１ａ同士を、第１の導波管接続ユニット１１ａの形成層の下層（下側の中間層）でスロットアンテナ１４の短手方向で接続している。そして、第２の導波管接続ユニット１１ｂは、ブロック毎に用意された１つの方形導波管３に接続される。
【００３０】
すなわち、導波管分配器１１は、複数のスロットアンテナ１４を短手方向に４分割するべく、４つのカップリングスロット１２に結合される導波管分配器構造を１単位としてそれらを短手方向に２単位ずつ接続した２つの第１の導波管接続ユニット１１ａを有し、更にその第１の導波管接続ユニット１１ａ同士を下層のレイヤにある第２の導波管接続ユニット１１ｂを用いて短手方向で接続するようにしている。
【００３１】
このように、分割されたブロックＢＬ内の複数のスロットアンテナ１４を当該スロットアンテナ１４の長辺が向かい合うように導波管分配器１１で接続しているので、長辺同士で向かい合う複数のスロットアンテナ１４において電界成分の強い部分同士が結合されることから、サイドローブのない良好なアンテナビームパターンが得られることにより、アンテナビームパターンの劣化を抑制できる。
【００３２】
また、分割されたブロックＢＬ内の複数のスロットアンテナ１４を複数の層を用いて接続しているので、隣り合うブロックＢＬ内の導波管分配器１１同士の平面的な衝突を回避できる。この点について以下説明する。
【００３３】
ブロックＢＬ内の複数のスロットアンテナ１４を当該スロットアンテナ１４の長辺が向かい合うように接続する場合、図７（ｂ）や図８（ｂ）に示したような短辺が向かい合うように接続する場合と異なり、導波管分配器１１の結合端Ａ同士を迂回して接続する必要があるため、隣接ブロックＢＬの導波管分配器１１と干渉してしまう。
【００３４】
そこで、上下複数の層を用いることにより、その干渉状態を回避するようにしている。一方、導波管分配器１１の太さを細くすることも考えられるが、導波管分配器１１には一定の太さが必要とされる。
【００３５】
導波管の太さは、導波管のカットオフ周波数及び高次モードとのトレードオフの関係があり、カットオフ周波数以下の電磁波を伝播することができない。また、導波管の太さが細いとカットオフ周波数は上昇してしまう。
【００３６】
つまり、構造的な衝突を避ける為に導波管を細くすると、より高周波の電磁波でなければ伝播できなくなる。一方、導波管のカットオフ周波数を、使用周波数付近のギリギリとする設計では、電磁波の通過は可能であるものの、使用周波数帯域における群遅延特性にバラツキが生じてしまう。
【００３７】
ゆえに、使用周波数からある程度十分に下回るカットオフ周波数となる導波管太さとする必要がある。また、逆に導波管が太くなると、今度は高次モードという不要な電磁波のモードが発生するようになり、ノイズの原因となってしまう。よって、これらを考慮した適当な導波管の太さが必要となる。
【００３８】
そこで、上下複数の層を用いることにより、導波管分配器１１の形成において適当な太さを確保しつつ、隣り合うブロックＢＬ内の導波管分配器１１同士の平面的な衝突を回避している。
【００３９】
尚、導波管分配器１１は、方形導波管３との接続端から各結合端Ａまでの距離がそれぞれ等しくなることが必須であるため、つまり、外部空間側（図１の紙面上空）から見て第１の導波管接続ユニット１１ａが二等分される位置に第２の導波管接続ユニット１１ｂを接続する必要があるため、第１の導波管接続ユニット１１ａと第２の導波管接続ユニット１１ｂを同一層で最短距離で接続することは困難である。
【００４０】
続いて、第１の導波管接続ユニット１１ａと第２の導波管接続ユニット１１ｂとの接続部分を図２に示す。薄層により形成された空洞のカップリングスロット１１ｃを介して、第１の導波管接続ユニット１１ａの給電線路と第２の導波管接続ユニット１１ｂの給電線路を空間接続する。
【００４１】
このような接続部分の接続手段としては、例えば、図３に示すような、Ｔ−ジャンクション１５ａ及びＥ−ベント１５ｂと、それらを接続するカップリングスロット１５ｃとで構成される電力分配器１５を利用可能である。このような電力分配器１５を用いることにより、アンテナビームの劣化を更に抑制できる。
【００４２】
尚、図１や図２では、外部空間側から見て２列になるように第１の導波管接続ユニット１１ａと第２の導波管接続ユニット１１ｂを配列・形成しているが、それらが外部空間側から見て重なるように１列になるようにしても構わない。
【００４３】
以上を通じ、本実施の形態によれば、スロットアンテナ１４の短手方向で複数のスロットアンテナ１４を４つのブロックＢＬに機能的に均等分割し、分割されたブロックＢＬにおける複数のスロットアンテナ１４を当該スロットアンテナ１４の長辺が向かい合うように導波管分配器１１で接続しているので、指向性の高い積層型二次元スロットアレイアンテナ１において、電界成分の結合が強くなる方向にスロットアンテナ１４を分割してそれぞれに位相遅延を与えることを可能にし、更に、アンテナビームの劣化（サイドローブの増加）を防止しつつアンテナビームを曲げることが可能となる。
【００４４】
〔第２の実施の形態〕
通常、アンテナ装置は、対称性等を考慮して、第１の実施の形態で説明したように、各スロットアンテナ１４の外縁形状が正方形となるように作製される。一方、アンテナビームパターンの劣化を多少許容する場合には、スロットアンテナ１４の配置位置を変更しても構わない。
【００４５】
第２の実施の形態に係る積層型二次元スロットアレイアンテナ１の層上面図を図４に示す。同図（ａ）は、最上層の上面図であり、同図（ｂ）は、導波管分配器１１の形成層の上面図である。
【００４６】
本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した４つのブロックＢＬのうち、最も外側にある２つのブロックＢＬ（ｏｕｔ）に対応する全ての構成要素をより外側にずらして形成している。
【００４７】
これにより、外側のブロックＢＬ（ｏｕｔ）と内側のブロックＢＬ（ｉｎ）との間に一定の幅が確保されることから、その確保領域を利用して、第１の実施の形態で説明した第１の導波管接続ユニット１１ａと第２の導波管接続ユニット１１ｂとを共に同一層（結合端Ａの形成層）で形成する。
【００４８】
本実施の形態であっても、分割されたブロックＢＬ内の複数のスロットアンテナ１４を当該スロットアンテナ１４の長辺が向かい合うように導波管分配器１１で接続している特徴は第１の実施の形態と共通しているので、アンテナビームパターンの劣化を抑制できる。
【００４９】
最後に、各実施の形態では、導波管分配器１１の結合端Ａに結合されるカップリングスロット１２の数が４つの場合を例に説明したが、４、８、１６、…と４の倍数の数を用いても構わない。また、アンテナビームの劣化を多少許容できるならば、最低限２つであっても構わない。
【符号の説明】
【００５０】
１…積層型二次元スロットアレイアンテナ
１１…導波管分配器
１１ａ…第１の導波管接続ユニット（第１の接続手段）
１１ｂ…第２の導波管接続ユニット（第２の接続手段）
１１ｃ…カップリングスロット
１２…カップリングスロット
１３…キャビティ
１４…スロットアンテナ
１５…電力分配器
１５ａ…Ｔ−ジャンクション
１５ｂ…Ｅ−ベント
１５ｃ…カップリングスロット
３…方形導波管
Ａ…導波管分配器１１の結合端（分配端）
Ｂ…結合端を接続した接続ユニット
Ｂ（ｏｕｔ）…外側の接続ユニット
Ｂ（ｉｎ）…内側の接続ユニット
ＢＬ…ブロック
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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