(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に導体が配置され、該導体上にテーパー形状を有するスロットラインが形成されたテーパードスロットアンテナと、
前記テーパードスロットアンテナの周囲を囲む筒状の導体のアンテナガイドと、を備え、
前記テーパードスロットアンテナに給電することにより、前記テーパードスロットアンテナのスロットライン間と、前記テーパードスロットアンテナ及び前記アンテナガイドの間とで、異なる伝搬モードの電磁波が形成されることを特徴とするガイド付き平面アンテナ。
【請求項２】
前記テーパードスロットアンテナは、電磁波の放射方向から見て前記アンテナガイドの中央に配置されることを特徴とする、請求項１に記載のガイド付き平面アンテナ。
【請求項３】
前記アンテナガイドの大きさは、前記スロットラインの開口幅をＷａ、前記スロットラインの開口面における前記基板上の導体の幅をＷｇ、前記テーパードスロットアンテナの端部から電界面方向に前記アンテナガイドまでの距離をＷｅ、前記テーパードスロットアンテナから磁界面方向に前記アンテナガイドまでの距離をＷｈとしたとき、Ｗｅ＋Ｗｇ≧Ｗａ、かつＷｈ≧Ｗａであることを特徴とする、請求項２に記載のガイド付き平面アンテナ。
【請求項４】
前記テーパードスロットアンテナのスロットライン間を伝搬する電磁波、及び前記テーパードスロットアンテナと前記アンテナガイドとの間を伝搬する電磁波とを合成して位相を整合した１つの電磁波を形成する位相整合部を有することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載のガイド付き平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平面アンテナを筒状の導体で囲んだガイド付き平面アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、平面アンテナとして、誘電体の基板上に導体の金属膜が配置され、該導体上にテーパー形状を有するスロットラインが形成されたテーパードスロットアンテナ（Tapered Slot Antenna）（以下、ＴＳＡと略する）が知られている。ＴＳＡは指向性が高く、１次元又は２次元に集積してアレイ化することができるため、イメージングセンサ用アンテナとして使用される。このようなＴＳＡにおいて、金属膜をコルゲート構造としたコルゲート構造付きのＴＳＡが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、スロット部の基板をくりぬくことでアンテナ損失の低減を図ったＴＳＡが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
これらのＴＳＡは遠方に位置する対象物を撮像するために設計されているため、アンテナ近傍領域の電界は平面波に近い。エネルギーで考えると、同一位相平面において均一なエネルギー分布を有した状態である。特に、指向性の高いアンテナほどアンテナ開口は広く、エネルギーの空間分布は広範囲に渡り均一となる。一方、波長よりも小さな物体形状を捉えることができるアンテナ近傍領域（ここでは１０波長以下とする）での撮像を対象とした場合では、物体形状・材質のわずかな変化に伴う散乱信号の変化を捉えているため、周辺からの雑音の影響を受けないように局所的な照射が望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３６８２３７１号公報
【特許文献２】特開第４８１９７６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のＴＳＡをアンテナ近傍領域での撮像に用いた場合、照射領域が広いため周辺からの散乱信号を雑音として受信してしまい受信信号の信号対雑音比（ＳＮ比）が悪い。また、一般には照射領域が広いと撮像分解能は粗くなる。したがって、従来のＴＳＡではアンテナ近傍領域の撮像に向かず、物体形状を高分解能にイメージングすることができなかった。
【０００６】
局所照射を実現する方法の１つとして、導波管開口をアンテナ開口としたOpen Ended Waveguide（ＯＥＷＧ）を用いることがある。導波管内寸法は自由空間中の波長と比較して小さい設計であることから、波長よりも小さい領域にエネルギーが集中し伝搬する。よって、導波管開口をアンテナ開口として利用した場合、アンテナ開口部付近では局所的にエネルギーの高い照射が可能となる。しかしながら、アンテナ開口の小さいＯＥＷＧは空間インピーダンス整合が取れず放射効率が悪い。また、空間伝搬モードが形成されていないためにその照射エネルギーは伝搬距離とともに急激に減衰する。ＯＥＷＧを用いた反射型撮像では、対象物との距離が１波長程度となった場合の物体への透過能は劇的に劣化するため、物体への透過能を必要とする非破壊検査用途への適用は難しいという問題がある。
【０００７】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、アンテナ近傍領域において局所的な照射が可能であり、かつ、空間インピーダンス整合を行うことが可能なガイド付き平面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】
上記課題を解決するため、本発明に係るガイド付き平面アンテナは、基板上に導体が配置され、該導体上にテーパー形状を有するスロットラインが形成されたテーパードスロットアンテナと、前記テーパードスロットアンテナの周囲を囲む筒状の導体のアンテナガイドと、を備え、前記テーパードスロットアンテナに給電することにより、前記テーパードスロットアンテナのスロットライン間と、前記テーパードスロットアンテナ及び前記アンテナガイドの間とで、異なる伝搬モードの電磁波が形成されることを特徴とする。
【０００９】
さらに、本発明に係るガイド付き平面アンテナにおいて、前記テーパードスロットアンテナは、電磁波の放射方向から見て前記アンテナガイドの中央に配置されることを特徴とする。
【００１０】
さらに、本発明に係るガイド付き平面アンテナにおいて、前記アンテナガイドの大きさは、前記スロットラインの開口幅をＷａ、前記スロットラインの開口面における前記基板上の導体の幅をＷｇ、前記テーパードスロットアンテナの端部から電界面方向に前記アンテナガイドまでの距離をＷｅ、前記テーパードスロットアンテナから磁界面方向に前記アンテナガイドまでの距離をＷｈとしたとき、Ｗｅ＋Ｗｇ≧Ｗａ、かつＷｈ≧Ｗａであることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明に係るガイド付き平面アンテナにおいて、前記テーパードスロットアンテナのスロットライン間を伝搬する電磁波、及び前記テーパードスロットアンテナと前記アンテナガイドとの間を伝搬する電磁波とを合成して位相を整合した１つの電磁波を形成する位相整合部を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、従来ＴＳＡ端部で空間に放射してしまっていた電界をアンテナガイドに閉じ込めるため、電磁界のエネルギーを効率的にアンテナ開口前方へ伝搬するとともにアンテナ近傍領域において局所的な照射を実現することができる。この照射領域の局所化により、周辺への不要な照射による不要な散乱信号（雑音）の受信を低減することができ、受信信号のＳＮ比が改善する。よって、対象物の形状や材質のわずかな変化に伴う散乱信号を従来よりも高感度に捉えることができ、また、撮像分解能も向上する。
【００１３】
また、本発明によれば、ＯＥＷＧで課題であった空間との不整合を改善できる空間との位相整合機能を有するため、放射効率を改善することができる。さらに、本構成で伝搬する電磁界エネルギーの主要成分はＴＳＡ内を伝搬する電磁波であるため伝搬方向への指向性を有しており、ＯＥＷＧで課題であった放射方向への伝搬減衰を改善し、物体を透過した撮像を実現することができる。
【００１４】
加えて、ＴＳＡは物理強度が弱く脆いが、アンテナガイドを導入することにより、外部接触によるＴＳＡの破壊・損傷を防ぐことができ、取り扱いが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るガイド付き平面アンテナの外観図である。
【図２】本発明に係るガイド付き平面アンテナが有するＴＳＡの外観図である。
【図３】本発明に係るガイド付き平面アンテナの図１中のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図４】本発明に係るガイド付き平面アンテナの伝搬モードの示す図である。
【図５】本発明に係るガイド付き平面アンテナの伝搬モードのその他の例を示す図である。
【図６】本発明に係るガイド付き平面アンテナのＴＳＡとアンテナガイドの寸法について説明する図である。
【図７】本発明の実施例１に係るガイド付き平面アンテナのアンテナ近傍領域における放射特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】本発明の実施例１に係るガイド付き平面アンテナのアンテナガイド開口部から伝搬方向の距離３ｍｍにおける電界強度分布を示す図である。
【図９】本発明の実施例１に係るガイド付き平面アンテナのアンテナガイド開口部から伝搬方向の距離５ｍｍにおける電界強度分布を示す図である。
【図１０】本発明の実施例２に係るガイド付き平面アンテナの外観図である。
【図１１】本発明の実施例２に係るガイド付き平面アンテナが有するＴＳＡの外観図である。
【図１２】本発明の実施例２に係るガイド付き平面アンテナのアンテナ近傍領域における放射特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１３】本発明の実施例２に係るガイド付き平面アンテナのアンテナガイド開口部から伝搬方向の距離３ｍｍにおける電界強度分布を示す図である。
【図１４】本発明の実施例２に係るガイド付き平面アンテナのアンテナガイド開口部から伝搬方向の距離５ｍｍにおける電界強度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明によるガイド付き平面アンテナの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
本発明では、ＴＳＡを伝搬する電磁界を閉じ込め、その電磁界の主偏波成分を維持したままＴＳＡ前方の近傍領域に局所的に照射することを可能とするために、ＴＳＡを囲う筒状の導体（以下、「アンテナガイド」と称する）を導入する。
【００１８】
図１は、本発明に係るガイド付き平面アンテナの外観図である。本発明によるガイド付き平面アンテナ（以下、ＧＴＳＡと称する）１は、ＴＳＡ１１と、ＴＳＡの周囲を囲む筒状の導体のアンテナガイド１２とを備える。ＴＳＡ１１は既知であり、誘電体の基板上に導体（金属膜）が配置され、該導体上にテーパー形状を有するスロットライン（テーパースロット）が形成されている。
【００１９】
図２は、ＴＳＡ１１の外観図の一例であり、ここでは従来のコルゲート構造付きのＴＳＡを示している。ＴＳＡ１１は、誘電体の基板１１１と、基板１１１の上に配置された金属膜１１２と、テーパー形状のスロットラインであるテーパースロット１１３と、ＴＳＡ端部１１４と、電磁波が入力される給電部１１５と、電磁波が放射されるＴＳＡ開口部１１６と、を有する。テーパースロット１１３の幅は、ＴＳＡ開口部１１６に向かって広くなるように形成される。コルゲート構造とは、金属膜１１２のＴＳＡ端部１１４側に周期的な溝が形成された構造のことをいう。なお、図中において金属膜１１２は斜線を付して示されている。
【００２０】
図３は、本発明に係るガイド付き平面アンテナの図１中のＡ−Ａ’線における断面図である。アンテナガイド１２は、電磁波が放射されるアンテナガイド開口部１２１を有する。また、ＧＴＳＡ１は、ＴＳＡ１１を含むスロットライン部１３と、必要に応じて設けられる位相整合部１４とで構成される。
【００２１】
アンテナガイド１２の形状は筒状であり、アンテナガイド開口部１２１から電磁波が放射される。図１はアンテナガイド１２の断面形状が矩形の場合を示しているが、アンテナガイド１２の断面形状は矩形に限られるものではなく、例えば円形や楕円形であってもよい。また、アンテナガイド１２の形状はホーンアンテナのように進行方向に対して断面サイズ、形状が変化する形状であってもよい。
【００２２】
給電部１１５から電磁波が入力されると、ＴＳＡ１１のテーパースロット１１３に電磁波が形成され、ＴＳＡ開口部１１６まで伝搬する。同時に、アンテナガイド１２とＴＳＡ端部１１４との間の空間においてスロットラインモードの電磁波が形成され、ＴＳＡ開口部１１６まで伝搬する。
【００２３】
図４は、図２中のＢ−Ｂ’線における断面図において、ＧＴＳＡ１の伝搬モードを示す図である。図４中の矢印は電界ベクトル（電気力線）を示しており、ＧＴＳＡ１内では、ＴＳＡ１１のテーパースロット１１３で形成された第１の電磁波と、ＴＳＡ１１の一方のＴＳＡ端部１１４とアンテナガイド１２との間で形成された第２の電磁波と、ＴＳＡ１１の他方のＴＳＡ端部１１４とアンテナガイド１２との間で形成された第３の電磁波とが混在する。つまり、異なる３つの伝搬モードの電磁波が混在する。
【００２４】
図５は、その他の形状のアンテナガイド１２における伝搬モードの様子を示す図であり、図５（ａ）はアンテナガイド開口部１２１の形状が円形の場合、図５（ｂ）はアンテナガイド開口部１２１の形状は楕円形の場合を示している。
【００２５】
図６は、図２中のＢ−Ｂ’線における断面図において、ＴＳＡ１１とアンテナガイド１２の寸法について説明する図である。ここで、ＷａはＴＳＡ１１のスロットラインの開口幅、ＷｇはＴＳＡ１１のスロットラインの開口面における導体の幅、ＷｅはＴＳＡ端部１１４から電界面方向にアンテナガイド１２までの距離、ＷｈはＴＳＡ１１から磁界面方向にアンテナガイド１２までの距離を表している。アンテナガイド１２の内寸法について、電界面方向（Ｘ軸）の寸法はＷａ＋２（Ｗｇ＋Ｗｅ）であり、磁界面方向（Ｚ軸）の寸法は２Ｗｈである。
【００２６】
電界面方向に関しては、図４に示したように、スロットラインを伝搬するスロットラインモードと、ＴＳＡ端部１１４及びアンテナガイド１２の間を伝搬するスロットラインモードとの３つの伝搬モードを形成する必要がある。Ｗａは基本的に最低次の伝搬モードを形成するように設計するため、Ｗｅ＋ＷｇがＷａよりも小さい場合には、ＴＳＡ端部１１４及びアンテナガイド１２の間に伝搬モードが形成されない。そのため、少なくとも、Ｗｅ＋Ｗｇ≧Ｗａの条件を満たす必要がある。
【００２７】
また、磁界面方向に関しては、ＷｈがＷａよりも小さい場合には、ＴＳＡ１１の金属膜間の距離よりもＴＳＡ１１からアンテナガイド１２までの距離の方が近くなってしまうため、ＴＳＡ１１のテーパースロット１１３内の電界はアンテナガイド１２側へと引きつけられてしまい、ＴＳＡ開口部１１６に伝搬モードが形成されない。そのため、少なくとも、Ｗｈ≧Ｗａの条件を満たす必要がある。
【００２８】
位相整合部１４は、ＴＳＡ１１のテーパースロット１１３を伝搬する電磁波と、アンテナガイド１２及びＴＳＡ端部１１４の間の空間を伝搬する２つの電磁波とを合成して位相を整合した１つの電磁波（局所放射モード）を形成する。これにより、アンテナガイド開口部１２１から空間に効率的かつ局所的に電磁波を放射することができる。なお、ＴＳＡ開口部１１６にて位相の整合が取れている場合には、位相整合部１４を設ける必要はない。
【実施例１】
【００２９】
次に、実施例１のＧＴＳＡ１について説明する。実施例１のＧＴＳＡの外観図及び断面図は図１及び図２に示した通りである。ただし、実施例１のＧＴＳＡ１では位相整合部１４を設けていない。実施例１では、ＴＳＡ１１の寸法を幅２．９ｍｍ、厚み０．１ｍｍ、長さ１２．３ｍｍ、アンテナ開口２ｍｍとした。アンテナガイド１２の素材はアルミニウムとし、その内寸法を幅７．９ｍｍ、高さ４．９ｍｍ、長さ１２．３ｍｍとした。ＴＳＡ１１は電磁波の放射方向から見てアンテナガイド１２の中央に配置した。
【００３０】
図７は、アンテナ近傍領域における放射特性のシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションは電磁界解析シミューレータにより行い、横軸はアンテナガイド開口部１２１からの伝搬方向の距離ｙを示し、縦軸は電界強度を示す。図中の三角印は７７ＧＨｚ帯で動作する導波管ＷＲ−１０開口アンテナを使用したときのシミュレーション結果であり、丸印はコルゲート構造付きのリニアリＴＳＡ（図２参照）を使用したときのシミュレーション結果であり、四角印は該コルゲート構造付きのリニアリＴＳＡを有する実施例１のＧＴＳＡ１を使用したときのシミュレーション結果である。図７から、１波長（７７ＧＨｚでは約３．９ｍｍ）程度以上離れた位置においてはＧＴＳＡ１における電界強度が最も強くなることが分かる。
【００３１】
図８は、アンテナガイド開口部１２１からの伝搬方向の距離ｙ＝３ｍｍにおけるＸ軸方向の主偏波成分Ｅｘの電界強度分布を示す図である。図９は、アンテナガイド開口部１２１から伝搬方向の距離ｙ＝５ｍｍにおけるＸ軸方向の主偏波成分Ｅｘの電界強度分布を示す図である。本結果から、ＧＴＳＡ１における電界強度が最も強く、かつ、局所的に高い照射エネルギーであることを確認することができる。
【実施例２】
【００３２】
次に、実施例２のＧＴＳＡ２について説明する。図１０は、実施例２のＧＴＳＡ２の外観図である。ＧＴＳＡ２は、ＴＳＡ２１と、ＴＳＡ２１の周囲を囲む筒状の導体のアンテナガイド２２とを備える。実施例２では、実施例１とは異なる形状のＴＳＡ２１を用いた。
【００３３】
図１１は、ＴＳＡ２１の外観図であり、図１１（ａ）は表面、図１１（ｂ）は裏面を示している。ＴＳＡ２１は、誘電体の基板２１１と、基板２１１の上の表面及び裏面に配置された金属膜２１２と、テーパー形状のスロットラインであるテーパースロット２１３と、ＴＳＡ端部２１４と、電磁波が入力される給電部２１５と、電磁波が放射されるＴＳＡ開口部２１６と、を有する。基板２１１はテーパースロット２１３に沿って取り除かれている。テーパースロット２１３の幅はＹ軸方向に広がっていき、途中から一定の幅となる。このＴＳＡ２１はコルゲート付きAntipodal Constant−Width ＴＳＡと称されるものであり、詳細はS. Mochizuki, S. Oka, H. Togo and N. Kukutsu, "High-phase-resolution 77-GHz-band radar module for near-field millimeter-wave imaging," 2010 ＩＥＥＥ ＭＴＴ−ＳInternational Microwave Symposium (ＩＭＳ2010), 2010, pp. 636-639を参照されたい。
【００３４】
実施例２では、ＴＳＡ２１の寸法を幅２．２ｍｍ、厚み０．１ｍｍ、長さ１５．５ｍｍ、アンテナ開口１ｍｍとした。アンテナガイド２２の素材はアルミニウムとし、その内寸法は幅４．２ｍｍ、高さ３．２５ｍｍ、長さ１７．５ｍｍとした。ＴＳＡ２１は電磁波の放射方向から見てアンテナガイド２２の中央に配置した。
【００３５】
図１２は、アンテナ近傍領域における放射特性のシミュレーション結果を示す図である。実施例１と同様にシミュレーションは電磁界解析シミューレータにより行い、横軸はアンテナガイド開口部１２１からの伝搬方向の距離ｙを示し、縦軸は電界強度を示す。図中の三角印は７７ＧＨｚ帯で動作する導波管ＷＲ−１０開口アンテナを使用したときのシミュレーション結果であり、丸印はコルゲート構造付きのAntipodal Constant−Width ＴＳＡ（図１１参照）を使用したときのシミュレーション結果であり、四角印は該コルゲート構造付きのAntipodal Constant−Width ＴＳＡを有する実施例２のＧＴＳＡ２を使用したときのシミュレーション結果である。図１２から、１波長（７７ＧＨｚでは約３．９ｍｍ）程度以上離れた位置においてはＧＴＳＡ２における電界強度が最も強くなることが分かる。
【００３６】
図１３は、アンテナガイド開口部１２１からの伝搬方向の距離ｙ＝３ｍｍにおけるＸ軸方向の主偏波成分Ｅｘの電界強度分布を示す図である。図１４は、アンテナガイド開口部２２１から伝搬方向の距離ｙ＝５ｍｍにおけるＸ軸方向の主偏波成分Ｅｘの電界強度分布を示す図である。本結果から、ＧＴＳＡ２における電界強度が最も強く、かつ、局所的に高い照射エネルギーであることを確認することができる。
【００３７】
実施例１及び実施例２のシミュレーション結果から分かるように、本発明に係るＧＴＳＡはＴＳＡの種類に依存せず、ＴＳＡの側面を囲うアンテナガイドを設けることにより、１波長程度以上離れた近傍領域において従来のＴＳＡ及び導波管開口アンテナＷＧよりも局所的な照射を実現することができる。これにより、周辺からの雑音を低減でき、受信信号のＳＮ比が改善し、対象物の形状や材質のわずかな変化に伴う散乱信号を従来よりも高感度に捉えることができ、また、撮像分解能も向上する。さらに、ＴＳＡは物理強度が弱く脆いが、アンテナガイドの導入により外部接触によるＴＳＡの破壊・損傷を防ぐことができ、取り扱いが容易となる。
【００３８】
上述の実施例は、代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、例えばリアルタイムかつ非破壊で構造物の欠陥や劣化を画像として可視化する構造物非破壊検査に有用である。
【符号の説明】
【００４０】
１，２  ガイド付き平面アンテナ（ＧＴＳＡ）
１１，２１  テーパードスロットアンテナ（ＴＳＡ）
１２，２２  アンテナガイド
１３    スロットライン部
１４    位相整合部
１１１，２１１  基板
１１２，２１２  金属膜
１１３，２１３  テーパースロット
１１４，２１４  ＴＳＡ端部
１１５，２１５  給電部
１１６，２１６  ＴＳＡ開口部
１２１，２２１  アンテナガイド開口部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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