(57)【要約】【課題】  ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを複数個備えたレーダアンテナにおいて、チルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制したレーダアンテナを提供する。【解決手段】  ビームチルトが施されたサブアレーを導波管スロットアレー１０とする送信アンテナと、ビームチルトが施され該ビームチルトの方向が送信アンテナのサブアレーとは逆対称のＬ個のサブアレー（受信アレー１１の導波管スロットアレー１１−１〜１１−Ｌ）を、該サブアレーの電波の進行方向が送信アンテナのサブアレーと逆対称となるように配置した受信アンテナと、を備えた構成とし、送信アンテナおよび受信アンテナを構成する略同一構造のそれぞれのサブアレー群を、電波の進行方向並びに該進行方向に対するビームチルトの方向が互いに逆対称となるように構成・配置する。【選択図】    図１
2006279525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビームチルトが施され該ビームチルトの方向が互いに同一のＮ個（Ｎは正整数）のサブアレーを、該サブアレーの電波の進行方向が互いに同一となるように配置した送信アンテナと、
ビームチルトが施され該ビームチルトの方向が前記送信アンテナのＮ個のサブアレーとは逆対称のＭ個（Ｍは正整数）のサブアレーを、該サブアレーの電波の進行方向が前記送信アンテナのＮ個のサブアレーと逆対称となるように配置した受信アンテナと、
を有することを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
ビームチルトが施されたサブアレーをＮ個（Ｎは２以上の正整数）備えたアンテナであって、
前記Ｎ個の内のＲ個（ＲはＮ／２以上の最小の正整数）のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が互いに同一となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が互いに同一となるように配置し、
前記Ｎ個の内のＮ−Ｒ個のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が前記Ｒ個のサブアレーと逆対称となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が前記Ｒ個のサブアレーと逆対称となるように配置したことを特徴とするアンテナ。
【請求項３】
ビームチルトが施されたサブアレーをＮ＋Ｍ個（Ｎ，Ｍはそれぞれ２以上の正整数）備えたアンテナであって、
前記Ｎ個の内のＲ個（ＲはＮ／２以上の最小の正整数）のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が互いに同一となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が互いに同一となるように配置し、前記Ｎ個の内のＮ−Ｒ個のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が前記Ｒ個のサブアレーと逆対称となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が前記Ｒ個のサブアレーと逆対称となるように配置した送信アンテナと、
前記Ｍ個の内のＳ個（ＳはＭ／２以上の最小の正整数）のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が互いに同一となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が互いに同一となるように配置し、前記Ｍ個の内のＭ−Ｓ個のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が前記Ｓ個のサブアレーと逆対称となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が前記Ｓ個のサブアレーと逆対称となるように配置した受信アンテナと、
を有することを特徴とするアンテナ。
【請求項４】
前記サブアレーは、扇状ビームを要し縦長の素子形状を持つ進行波アンテナであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のアンテナ。
【請求項５】
前記サブアレーは、導波管スロットアンテナであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のアンテナ。
【請求項６】
前記サブアレーは、プリントアンテナまたはマイクロストリップアンテナの平面アンテナであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車載用レーダ等のレーダ装置などに適用するのに好適なアンテナに係り、特に、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを複数個備えたアンテナにおいて、チルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制したアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
車載用レーダにおいては、特に小型・軽量の装置が求められるため、ミリ波７６ＧＨｚ帯のように高い周波数帯が用いられるのが一般的である。レーダアンテナについても軽量・小型・薄型のものが求められ、マイクロストリップアンテナや導波管スロットアレーのような平面型アンテナの応用が考えられている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
また、レーダ走査の基本的な方式としては、アンテナ全体または給電部等を機械的に振動するような機械走査方式があるが、可動部を要さず信号位相等の電磁的制御或いは演算処理により等価的に走査を行う電子走査方式の方が、アンテナおよび装置の小型化、並びに広範囲の高速走査等の面で優位と考えられる。この電子走査方式の代表的な例として、フェーズドアレーアンテナがある。フェーズドアレーアンテナは、いくつかの放射素子を規則的に配列したアレーアンテナを用い、各々の素子に位相器を備えて所定の相対位相を与えることにより、ビーム方向を制御して電子的に走査を行うものである（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００４】
さらに、ＤＢＦ（デジタルビームフォーミング）レーダまたはホログラフィックレーダと呼ばれる方式は、アレーアンテナの各素子の受信信号を複素デジタルデータに変換し、フェーズドアレーの位相・信号合成に相当するデジタル演算処理によって目標物を再現検出するものであり、高速・高精度デジタル処理に適した方式として知られている（例えば、非特許文献３参照。）。など）。
【０００５】
以下では、ＤＢＦレーダに対応したアンテナについて述べる。
車載用レーダの目的は、自車両に対してほぼ水平方向に前方の先行車を検出することであり、レーダアンテナ特性としては、仰角方向について地表或いは道路上方の構造物の影響を減らすため、狭ビームのものが求められる。また、水平方向については、自走車線および隣接車線の先行車または割込み車等を検知するために広範囲の視野が必要であり、走査ビームはアレー合成によって鋭ビーム特性を得ることができるが、素子単体特性としては広ビーム特性が求められる。このため、アンテナ開口形状は、垂直方向に長く、水平方向に狭い、縦長のものとなる。このような特性条件を有する素子の代表的なものとして、導波管スロットアレーが知られている（例えば、非特許文献４参照。）。
【非特許文献１】飯塚他;「車載ミリ波レーダ用アンテナ」, ２００１年電子情報通信学会総合大会ＳＢ−１−７
【非特許文献２】吉田孝監修;「改訂レーダ技術」,コロナ社,ｐ１１９−ｐ１２３，１９９６
【非特許文献３】松尾優、山根国義著;「レーダホログラフィ」,コロナ社，ｐ１６２−ｐ１６３，１９８０
【非特許文献４】手代、米山編著；「新ミリ波技術」，ｐ１１２−ｐ１１９，１９９９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図８に、従来の導波管スロットアレーの基本的な構成図（同図（ａ））とその原理を説明する説明図（同図（ｂ））を示す。図８（ａ）において、導波管スロットアレー１には、導波管２の壁面に多数のスロット３が設けられており、導波管スロットアレー１は各スロット３から順次電波を放射する進行波アンテナであり、各スロット３の給電電界を同相に揃えた場合にアンテナ面（スロット３を有する導波管２の壁面）に対して垂直方向に直線偏波放射ビームが得られる。このビーム特性は、導波管２の軸方向に鋭く、軸垂直方向には広い扇状ビームとなる。ここで、受信に用いた場合には、電波の進行方向は送信の場合と逆になるが、送信で用いた場合の電波入力端を入端４、入端４を起点として電波の進む方向を進行方向、導波管２の長さ方向の軸を管軸と呼称する。
【０００７】
同相給電の条件は、スロットを導波管長辺面に管軸に対して垂直または斜めに切った軸垂直または斜めスロットの場合には、スロット間隔（Ｐ）が管内波長λｇに等しい場合に得られる。一方、管軸に平行にスロットを切る軸平行スロットの場合には、導波管長辺面の中央では放射が生じないため、図８（ａ）のように左右にずらしてスロット３を切るが、右側または左側で位相が逆転するので、左右交互にスロット間隔Ｐをλｇ／２として配置することで同相給電にできる。すなわち、軸平行スロットでは、軸垂直または斜めスロットに比べて、同じ導波管長内に倍数のスロットを配置でき、利得・ビーム特性上で有利性を有する。以降では軸平行スロットの場合を想定して説明する。
【０００８】
なお、各スロット３を完全に同相で給電（軸平行スロットではスロット３を左右交互にλｇ／２の間隔で配置）すればアンテナ開口面に対して真垂直方向ビームが得られるが、この場合には、全スロット３からの反射波も同相で重加されるため、アンテナの反射損失が著しく大きくなり、良好な利得が得られないという難点がある。これには、スロット間隔Ｐをλｇ／２から少しずらすことにより反射波を位相相殺して利得を最適化する設計法が知られている。但し、この場合ビーム方向は真垂直から幾分傾くことになり、これをビームチルトと称している。用途・設計等にもよるが、１〜５°程度のビームチルトを与えるのが一般的と考えられる。
【０００９】
チルト角τとスロット間隔Ｐの関係は次の式（１）で求められる。
sinτ＝｛（Ｐ−λｇ／２）／λｇ｝／（Ｐ／λ）                      …（１）
ここで、λ：自由空間波長、λｇ：管内波長。
以降の説明では、チルトの向きを進行方向側への傾きを正値（＋）として定める。
【００１０】
ここで、導波管スロットアレー１においては、周波数によってビーム方向に変動が生ずるという問題がある。式（１）から、周波数ＦｏおよびＦ’＝Ｆｏ＋Δｆにおけるそれぞれのチルト角をτおよびτ’としてチルト角の変動Δτを近似式で表すと、次式で与えられる。
Δτ＝τ’−τ≒（λ／λｇ）・（Δｆ／Ｆｏ）                        …（２）
すなわち、周波数の変化Δｆにほぼ比例するチルト変動Δτが生ずることが示される。なお、車載レーダに用いられる７６ＧＨｚ帯（Ｆｏ＝７６．５ＧＨｚ、ΔＦ＝±０．５ＧＨｚ）においては、Δτ≒±０．６°と算出される。管内波長λｇは導波管２の寸法によって異なるが、ここでは７６ＧＨｚ帯の標準導波管（長辺２．５４ｍｍ）を想定した。
【００１１】
チルト変動によるレーダ性能への影響の端的なものとして、レーダ利得の低下がある。周波数Ｆｏ＝７６．５ＧＨｚでビーム方向が水平になるよう装置を設置したとして、ビーム方向が変動すれば、水平方向ではビームピークよりチルト変動Δτのずれに相当する下記の利得低下ΔＧが生ずる。
ΔＧ≒−２４・（Δτ／β）２                                        …（３）
ここで、β：レーダ半値幅。
車載レーダでは、仰角ビーム幅は３〜４°が好適と考えられ、レーダ半値幅β＝４°の場合、チルト変動Δτ＝±０．６°では、０．５ｄＢ程度の利得低下となる。
【００１２】
さらに、装置の設置時に周波数が特定できない場合、例えば設置時の周波数がＦｏ＝７６．０ＧＨｚで、運用時の最大変動が７７．０ＧＨｚ（Δｆ＝１．０ＧＨｚ）とすれば最大２ｄＢの利得低下が起こり得る。車載レーダ装置では低廉・小型が優先要件であるため、レベル上の余裕は必ずしも大きくは取れず、最大２ｄＢの利得低下は、レーダの最大検知距離性能に換算して約１０％に相当する低下を来たす。
【００１３】
また、走行時の道路の起伏等によっても相対的なビームの上下動を生ずるので、実際の運用時にはビームの真中からある程度の角度ずれを見込む必要がある。周波数によるチルト変動が加算されると、式（３）により角度ずれに二乗比例して利得低下が増大する。またさらに、路面反射や陸橋など上方構造物による散乱反射等の外部擾乱を軽減するためにも、チルトの周波数変動は極力抑制することが望まれる。この対策として、先ずは周波数の変動を抑制することが考えられるが、これはミリ波ＩＣまたは送受信モジュールの価格上昇に直結し、結果として装置コストが増大してしまう。
【００１４】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを複数個備えたアンテナにおいて、チルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制したアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明のアンテナは、ビームチルトが施され該ビームチルトの方向が互いに同一のＮ個（Ｎは正整数）のサブアレーを、該サブアレーの電波の進行方向が互いに同一となるように配置した送信アンテナ（例えば、実施例１での導波管スロットアレー１０）と、ビームチルトが施され該ビームチルトの方向が前記送信アンテナのＮ個のサブアレーとは逆対称のＭ個（Ｍは正整数）のサブアレーを、該サブアレーの電波の進行方向が前記送信アンテナのＮ個のサブアレーと逆対称となるように配置した受信アンテナ（例えば、実施例１での導波管スロットアレー１１−１〜１１−Ｌを含む受信アレー１１）と、を備えることを特徴とする。
【００１６】
以上の構成を備えた本発明のアンテナは、送信アンテナおよび受信アンテナを構成する略同一構造のそれぞれのサブアレー群を、電波の進行方向並びに該進行方向に対するビームチルトの方向が互いに逆対称となるように構成・配置するので、送信アンテナおよび受信アンテナにおけるチルト変動は同じ大きさで互いに交差する方向となり、レーダビームとしての変動は送信アンテナおよび受信アンテナで相殺されて、常に一定方向の指向特性が得られることとなり、結果として、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを複数個備えたアンテナにおいて、チルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制することができる。
【００１７】
また、請求項２に記載の本発明のアンテナは、ビームチルトが施されたサブアレーをＮ個（Ｎは２以上の正整数）備えたアンテナであって、前記Ｎ個の内のＲ個（ＲはＮ／２以上の最小の正整数）のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が互いに同一となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が互いに同一となるように配置し、前記Ｎ個の内のＮ−Ｒ個のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が前記Ｒ個のサブアレーと逆対称となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が前記Ｒ個のサブアレーと逆対称となるように配置したことを特徴とする。
【００１８】
以上の構成を備えた本発明のアンテナは、構成する略同一構造のサブアレー群を略同数に２分割し、２分割されたそれぞれのサブアレー群について、電波の進行方向並びに該進行方向に対するビームチルトの方向が互いに逆対称となるように構成・配置するので、２分割されたそれぞれのサブアレー群のチルト変動はほぼ同じ大きさで互いに交差する方向となり、レーダビームとしての変動は相殺されて、常に一定方向の指向特性が得られることとなり、結果として、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを複数個備えたアンテナにおいて、チルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制することができる。
【００１９】
また、請求項３に記載の本発明のアンテナは、ビームチルトが施されたサブアレーをＮ＋Ｍ個（Ｎ，Ｍはそれぞれ２以上の正整数）備えたアンテナであって、前記Ｎ個の内のＲ個（ＲはＮ／２以上の最小の正整数）のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が互いに同一となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が互いに同一となるように配置し、前記Ｎ個の内のＮ−Ｒ個のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が前記Ｒ個のサブアレーと逆対称となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が前記Ｒ個のサブアレーと逆対称となるように配置した送信アンテナ（例えば、実施例３での導波管スロットアレー５０−１，５０−２）と、前記Ｍ個の内のＳ個（ＳはＭ／２以上の最小の正整数）のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が互いに同一となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が互いに同一となるように配置し、前記Ｍ個の内のＭ−Ｓ個のサブアレーを、前記ビームチルトの方向が前記Ｓ個のサブアレーと逆対称となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が前記Ｓ個のサブアレーと逆対称となるように配置した受信アンテナ（例えば、実施例３での導波管スロットアレー５１−１〜５１−Ｌを含む受信アレー５１）と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
以上の構成を備えた本発明のアンテナは、送信アンテナおよび受信アンテナにおいて、それぞれを構成する略同一構造のサブアレー群を略同数に２分割し、２分割されたそれぞれのサブアレー群について、電波の進行方向並びに該進行方向に対するビームチルトの方向が互いに逆対称となるように構成・配置するので、送信アンテナおよび受信アンテナのそれぞれにおいて、２分割されたそれぞれのサブアレー群のチルト変動はほぼ同じ大きさで互いに交差する方向となり、レーダビームとしての変動は送信アンテナおよび受信アンテナのそれそれで相殺されて、常に一定方向の指向特性が得られることとなり、結果として、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを複数個備えたアンテナにおいて、チルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制することができる。
【００２１】
また、請求項４に記載の本発明のアンテナは、請求項１〜請求項３に記載のアンテナにおいて、前記サブアレーを、扇状ビームを要し縦長の素子形状を持つ進行波アンテナとするのが望ましい。
【００２２】
また、請求項５に記載の本発明のアンテナは、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載のアンテナにおいて、前記サブアレーを導波管スロットアンテナとするのが望ましい。
【００２３】
さらに、請求項６に記載の本発明のアンテナは、請求項１〜請求項４の何れか１つに記載のアンテナにおいて、前記サブアレーをプリントアンテナまたはマイクロストリップアンテナの平面アンテナとするのが望ましい。
【００２４】
例えば、車載用レーダのアンテナ開口形状は、垂直方向に長く、水平方向に狭い、縦長のものが要求されるが、コスト上昇を伴うことなくチルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制して、このような車載用レーダ等に適用することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明のアンテナによれば、送信アンテナおよび受信アンテナを構成する略同一構造のそれぞれのサブアレー群を、或いは、送信アンテナおよび受信アンテナにおいてそれぞれ構成する略同一構造のサブアレー群を略同数に２分割したサブアレー群を、電波の進行方向並びに該進行方向に対するビームチルトの方向が互いに逆対称となるように配置するので、送信アンテナおよび受信アンテナ、或いは、送信アンテナおよび受信アンテナのそれぞれにおける２分割されたそれぞれのサブアレー群について、チルト変動はほぼ同じ大きさで互いに交差する方向となり、レーダビームとしての変動は相殺されて、常に一定方向の指向特性が得られることとなり、チルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明のアンテナの実施例について、〔実施例１〕、〔実施例２〕、〔実施例３〕の順に図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
〔実施例１〕
図１は本発明の実施例１に係るアンテナの構成図である。図１（ａ）は送信アンテナのサブアレー１０と受信アンテナの受信アレー１１の相対的な配置関係を示す斜視図であり、図１（ｂ）はサブアレー１０および１１−ｉ（ｉ＝１〜Ｌ；Ｌは正整数）の断面図である。
【００２８】
図１において、本実施例のアンテナはレーダ装置のレーダアンテナとして利用されるものであって、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを１＋Ｌ個備え、サブアレーとして従来例（図８）と同様の構造である軸平行スロットの導波管スロットアレーを用いた構成である。すなわち、送信アンテナとして導波管スロットアレー１０を備え、受信アンテナとして導波管スロットアレー１１−１〜１１−Ｌを備える。
【００２９】
まず、送信アンテナの導波管スロットアレー１０は、導波管壁面に左右交互に間隔を略λｇ／２としてスロット２２を配置して同相給電を行うものであり、アンテナ面（スロット２２を有する導波管壁面）に対して垂直方向に直線偏波放射ビーム（扇状ビーム）を得る進行波アンテナである。また、スロット２２からの反射波を位相相殺するために、スロット２２の間隔をλｇ／２から少しずらすビームチルトが施されており、ここでは、スロット２２の間隔（ピッチ）Ｐを中心周波数ＦｏでＰ＝λｇ／２＋δとしている。
【００３０】
また、同図に示すように、電波の入力端である入端２４を図に対して下側となるように配置しており、導波管内の電波の進行方向は図に対して下側から上側に向く方向となる。チルト角τとスロット間隔Ｐは、従来例でも述べたように、式（１）の関係を持つので、チルト角τは次式で与えられる。
τ≒sinτ＝（δ／Ｐ）・（λ／λｇ）                                  …（４）
つまり、送信アンテナの導波管スロットアレー１０では、図に対して上向き（進行方向側への傾きが正値）の進行方向向きのチルトを有することになる。
【００３１】
一方、受信アレー１１の導波管スロットアレー１１−１〜１１−Ｌにおいても、送信アンテナの導波管スロットアレー１０と同様に、導波管壁面に左右交互に間隔を略λｇ／２としてスロット２３を配置しているが、ビームチルトとして、スロット２３の間隔（ピッチ）Ｐを中心周波数ＦｏでＰ＝λｇ／２−δとしており、チルト角は−τとなる。つまり、進行方向逆向きのチルトであり、送信アンテナの導波管スロットアレー１０とは逆対称のチルト特性を持つことになる。
【００３２】
また、入端２５を図に対して上側にして送信アンテナの導波管スロットアレー１０と逆対称に配置しており、サブアレーとしての導波管内の電波の進行方向は図に対して上側から下側に向く方向となる。（但し、受信として用いているので、実際の電波の進行方向は送信の場合と逆に入端２５に向かう方向となる。）この逆対称の配置により、受信アレー１１の導波管スロットアレー１１−１〜１１−Ｌにおいても、チルトの方向は図に対して上向きとなり、レーダアンテナとして送受信のビーム方向は上向きに一致することになる。
【００３３】
ところで、周波数によるビーム方向の変動は、周波数が上がるとビーム方向は進行方向向きに、周波数が下がるとビーム方向は進行方向逆向きにそれぞれ生ずる。これは中心周波数Ｆｏにおけるチルト方向（±τ）には因らない。周波数がＦ＝Ｆｏ＋Δｆに変動した時の送信ビーム方向は次式で与えられる。
τｔ＝τ＋Δτ
Δτ≒（λ／λｇ）・（Δｆ／Ｆｏ）                                  …（５）
【００３４】
また、受信ビームの方向は、サブアレーとしての進行方向に対して−τ＋Δτとなるが、送信アンテナおよび受信アンテナの上下逆配置により、レーダアンテナに対しては次式で与えられることになる。
τｒ＝−（−τ＋Δτ）＝τ−Δτ                                  …（６）
したがって、送信アンテナおよび受信アンテナのチルト変動は同じ大きさで互いに交差する方向となるので、レーダアンテナのレーダビームとしては、変動は送信側および受信側で相殺され、常に一定方向の指向特性が得られることとなる。
【００３５】
次に、図２には、本実施例のレーダアンテナが適用されるレーダ装置の一部構成図を示す。このレーダ装置は、デジタルビームフォーミング（ＤＢＦ）を用いたレーダ装置であり、本実施例の送信アンテナ１０および受信アレー１１を備えたレーダアンテナ１０１の他に、送信機（Ｔｘ）１０２、受信機（Ｒｘ）１０３−１〜１０３−Ｌ、アナログ・デジタル変換器（Ａ／Ｄ）１０４−１〜１０４−Ｌおよびデジタル・ビーム合成回路１０５を備えた構成である。
【００３６】
このレーダ装置においては、送信側で、例えば送信機１０２内のＶＣＯ（電圧制御発振器）により変調した送信波を、送信アンテナ１０を介して送信し、受信側では、受信アレーを構成する複数のアンテナ１１−１〜１１−Ｌにより、送信した送信波の反射波を受信する。その受信信号に送信信号と同じ周波数を有するローカル信号（ＶＣＯ出力）をそれぞれ混合することによりビート信号を生成し、このビート信号をアナログ・デジタル変換器１０４−１〜１０４−Ｌによってデジタル信号に変換し、該デジタル信号を取り込んだデジタル・ビーム合成回路１０５が、各信号の振幅および位相情報によりデジタルビームフォーミング処理（各ビート信号に位相演算を含む重み付けをして加算する等のデジタル信号処理）を行うことによりビーム形成を行う。
【００３７】
次に、本実施例のレーダアンテナによって得られる効果を、図３および図４を参照して定量的に示す。ここで、図３（ａ）は本実施例のレーダアンテナにおけるビーム指向性の周波数変化を説明する説明図であり、図３（ｂ）はチルト変動の周波数特性を説明する説明図であり、それぞれシミュレーション実験による結果を示したものである。また、図４は本発明を適用しない従来のレーダアンテナによるビーム指向性の周波数変化（図４（ｂ））並びにチルト変動の周波数特性（図４（ｂ））の説明図である。
【００３８】
図３（ａ）では、中心周波数Ｆｏ＝７６．５ＧＨｚでチルト角＝１°を与えており、送信および受信における単体（１個のサブアレー）のビーム特性（図中、それぞれ１点鎖線および２点鎖線で示す）は、僅かに非対称性を持つが、送信および受信を合成したレーダビームについて（図中、破線で示す）はレーダ性能上の支障はない。
【００３９】
また、周波数が変動したＦ’＝７７ＧＨｚでは、送信および受信における単体のビーム特性は互いに交差する方向へ変動するが、送信および受信を合成したレーダビーム方向（図中、実線で示す）としては、中心周波数Ｆｏの場合と殆ど一致する。また、図３（ｂ）に示すように、レーダビームの変動は管内波長λｇの周波数特性が線形ではないことにより、完全に相殺されない変動成分が残るが、±０．５ＧＨｚの帯域内においてチルト角の変動はΔτ＝±０．００７°以内であり、ビーム幅に比べ十分小さく抑制できることが示されている。
【００４０】
さらに、図４に示す従来のレーダアンテナによるビーム指向性の周波数変化並びにチルト変動の周波数特性と比較すれば、従来は周波数の変動Δｆ=±０．５ＧＨｚに対してΔτ＝±０．６°のチルト変動を生じており、本発明による効果は明白に示される。
【００４１】
次に、本実施例のレーダアンテナによれば、温度変化によるチルト変動についても抑制できることを説明する。温度変化による機械的な伸縮によってもスロット間隔（ピッチ）Ｐおよび導波管幅が変化するため、チルトの変化が生じるが、本発明を適用することによって、周波数変動によるチルト変動の抑制と同様の作用により温度変化によるチルト変動も相殺解消できる。
【００４２】
上述したように、図１において、中心周波数Ｆｏで送信アンテナの導波管スロットアレー１０におけるスロット２２の間隔をＰｔ＝λｇ／２＋δとし、受信アンテナ（受信アレー１１）の導波管スロットアレー１１−１〜１１−Ｌにおけるスロット２３の間隔をＰｒ＝λｇ／２−δとするビームチルトが施されている。
【００４３】
温度変化Ｔによる送信アンテナおよび受信アンテナのピッチ伸縮Δｐは次式で与えられる。
Δｐ＝αＴ（λｇ／２±δ）≒αＴλｇ／２                          …（７）
ここで、α：線膨張係数。
【００４４】
このとき、スロット間隔Ｐ＝λｇ／２±δ＋Δｐとして、式（４）から送信アンテナおよび受信アンテナのチルト角τを求めると、次式となる。
τｔ＝  （＋δ＋Δｐ）／Ｐｔ・（λ／λｇ）≒τ＋Δτ
τｒ＝−（−δ＋Δｐ）／Ｐｒ・（λ／λｇ）≒τ−Δτ
Δτ≒２Δｐ・λ／λｇ２，τ≒２δ・λ／λｇ２                    …（８）
したがって、送信アンテナおよび受信アンテナの温度変化によるスロット間隔の伸縮によるチルト変動は同じ大きさで互いに交差する方向となるので、レーダアンテナのレーダビームとしては、変動は送信側および受信側で相殺される。
【００４５】
また、温度変化による導波管幅の変化についても、送信アンテナおよび受信アンテナにおいて逆方向で且つほぼ同量のチルト変動となることが同様にして導かれる。したがって、温度変化による伸縮変動に対しても、本発明によるチルト変動相殺効果が有効であることを証明できた。
【００４６】
以上説明したように、本実施例のアンテナ（レーダアンテナ）では、ビームチルトが施されたサブアレーを導波管スロットアレー１０とする送信アンテナと、ビームチルトが施され該ビームチルトの方向が送信アンテナのサブアレーとは逆対称のＬ個のサブアレー（受信アレー１１の導波管スロットアレー１１−１〜１１−Ｌ）を、該サブアレーの電波の進行方向が送信アンテナのサブアレーと逆対称となるように配置した受信アンテナと、を備えた構成とし、送信アンテナおよび受信アンテナを構成する略同一構造のそれぞれのサブアレー群を、電波の進行方向並びに該進行方向に対するビームチルトの方向が互いに逆対称となるように構成・配置するので、送信アンテナおよび受信アンテナにおける（周波数変動または温度変化による）チルト変動は同じ大きさで互いに交差する方向となり、レーダビームとしての変動は送信アンテナおよび受信アンテナで相殺されて、常に一定方向の指向特性を得ることができる。その結果として、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを複数個備えたレーダアンテナにおいて、チルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制することができる。
【００４７】
〔実施例２〕
次に、図５は本発明の実施例２に係るアンテナの構成図である。図５（ａ）は送信アンテナのサブアレー３０と受信アンテナの受信アレー３１の相対的な配置関係を示す斜視図であり、図５（ｂ）はサブアレー３０および３１−ｉ（ｉ＝１〜Ｌ；Ｌは正整数）の断面図である。
【００４８】
図５において、本実施例のアンテナ（レーダアンテナ）は、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを１＋Ｌ個備え、サブアレーとして軸垂直スロットの導波管スロットアレーを用いた構成である。すなわち、送信アンテナとして導波管スロットアレー３０を備え、受信アンテナとして導波管スロットアレー３１−１〜３１−Ｌを備える。
【００４９】
まず、送信アンテナの導波管スロットアレー３０は、導波管壁面に間隔を略λｇとしてスロット４２を配置して同相給電を行うものであり、アンテナ面（スロット４２を有する導波管壁面）に対して垂直方向に直線偏波放射ビーム（扇状ビーム）を得る進行波アンテナである。また、スロット４２からの反射波を位相相殺するために、スロット４２の間隔をλｇから少しずらすビームチルトが施されており、ここでは、スロット４２の間隔（ピッチ）Ｐを中心周波数ＦｏでＰ＝λｇ＋δとしている。
【００５０】
また、同図に示すように、電波の入力端である入端４４を図に対して下側となるように配置しており、導波管内の電波の進行方向は図に対して下側から上側に向く方向となる。ここで、チルト角τとスロット間隔Ｐは、次式の関係を持つ。
sinτ＝｛（Ｐ−λｇ）／λｇ｝／（Ｐ／λ）                      …（９）
式（９）より、チルト角τは次式で与えられる。
τ≒sinτ＝（δ／Ｐ）・（λ／λｇ）                            …（１０）
つまり、送信アンテナの導波管スロットアレー３０では、図に対して上向き（進行方向側への傾きが正値）の進行方向向きのチルトを有することになる。
【００５１】
一方、受信アレー３１の導波管スロットアレー３１−１〜３１−Ｌにおいても、送信アンテナの導波管スロットアレー３０と同様に、導波管壁面に間隔を略λｇとしてスロット４３を配置しているが、ビームチルトとして、スロット４３の間隔（ピッチ）Ｐを中心周波数ＦｏでＰ＝λｇ−δとしており、チルト角は−τとなる。つまり、進行方向逆向きのチルトであり、送信アンテナの導波管スロットアレー３０とは逆対称のチルト特性を持つことになる。
【００５２】
また、入端４５を図に対して上側にして送信アンテナの導波管スロットアレー３０と逆対称に配置しており、サブアレーとしての導波管内の電波の進行方向は図に対して上側から下側に向く方向となる。（但し、受信として用いているので、実際の電波の進行方向は送信の場合と逆に入端４５に向かう方向となる。）この逆対称の配置により、受信アレー３１の導波管スロットアレー３１−１〜３１−Ｌにおいても、チルトの方向は図に対して上向きとなり、レーダアンテナとして送受信のビーム方向は上向きに一致することになる。
【００５３】
また、実施例１と同様に、周波数によるビーム方向の変動について、周波数がＦ＝Ｆｏ＋Δｆに変動した時の送信ビーム方向は次式で与えられる。
τｔ＝τ＋Δτ
Δτ≒（λ／λｇ）・（Δｆ／Ｆｏ）                                …（１１）
【００５４】
また、受信ビームの方向は、サブアレーとしての進行方向に対して−τ＋Δτとなるが、送信アンテナおよび受信アンテナの上下逆配置により、レーダアンテナに対しては次式で与えられることになる。
τｒ＝−（−τ＋Δτ）＝τ−Δτ                                …（１２）
したがって、送信アンテナおよび受信アンテナのチルト変動は同じ大きさで互いに交差する方向となるので、レーダアンテナのレーダビームとしては、変動は送信側および受信側で相殺され、常に一定方向の指向特性が得られることとなる。
【００５５】
また、温度変化Ｔによる送信アンテナおよび受信アンテナのピッチ伸縮Δｐは次式で与えられる。
Δｐ＝αＴ（λｇ±δ）≒αＴλｇ                                …（１３）
ここで、α：線膨張係数。
【００５６】
このとき、スロット間隔Ｐ＝λｇ±δ＋Δｐとして、式（１０）から送信アンテナおよび受信アンテナのチルト角τを求めると、次式となる。
τｔ＝  （＋δ＋Δｐ）／Ｐｔ・（λ／λｇ）≒τ＋Δτ
τｒ＝−（−δ＋Δｐ）／Ｐｒ・（λ／λｇ）≒τ−Δτ
Δτ≒Δｐ・λ／λｇ２，τ≒δ・λ／λｇ２                      …（１４）
したがって、送信アンテナおよび受信アンテナの温度変化によるスロット間隔の伸縮によるチルト変動は同じ大きさで互いに交差する方向となるので、レーダアンテナのレーダビームとしては、変動は送信側および受信側で相殺される。
【００５７】
また、温度変化による導波管幅の変化についても、送信アンテナおよび受信アンテナにおいて逆方向で且つほぼ同量のチルト変動となることが同様にして導かれる。したがって、温度変化による伸縮変動に対しても、本発明によるチルト変動相殺効果が有効であることを証明できる。
【００５８】
以上説明したように、本実施例のアンテナ（レーダアンテナ）では、ビームチルトが施されたサブアレーを導波管スロットアレー３０とする送信アンテナと、ビームチルトが施され該ビームチルトの方向が送信アンテナのサブアレーとは逆対称のＬ個のサブアレー（受信アレー３１の導波管スロットアレー３１−１〜３１−Ｌ）を、該サブアレーの電波の進行方向が送信アンテナのサブアレーと逆対称となるように配置した受信アンテナと、を備えた構成とし、送信アンテナおよび受信アンテナを構成する略同一構造のそれぞれのサブアレー群を、電波の進行方向並びに該進行方向に対するビームチルトの方向が互いに逆対称となるように構成・配置するので、送信アンテナおよび受信アンテナにおける（周波数変動または温度変化による）チルト変動は同じ大きさで互いに交差する方向となり、レーダビームとしての変動は送信アンテナおよび受信アンテナで相殺されて、常に一定方向の指向特性を得ることができる。その結果として、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを複数個備えたレーダアンテナにおいて、チルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制することができる。
【００５９】
以上説明した実施例１および実施例２においては、サブアレーを導波管スロットアレーとして、実施例１では軸平行スロットを、実施例２では軸垂直スロットのものを使用したが、導波管上に切られるスロットパターンには種々のパターンがある。
【００６０】
図６には、導波管上に切られるスロットの位置関係を説明する説明図を示す。同図において、実施例１の軸平行スロットはスロットＳｅを用いたものであり、実施例２の軸垂直スロットはスロットＳｃを用いたものである。また、スロットＳａはスロットの方向と導波管壁面を流れる電流の方向が一致するので放射せず、用いられることはないが、導波管長辺面または短辺面に管軸に対して斜めに切った斜めスロットＳｄまたはＳｆや、導波管短辺面に管軸に平行に切った平行スロットＳｄを用いた導波管スロットアレーについては、本発明を適用することができる。この場合、スロット間隔は略λｇで配置され、実施例２と同様の作用・効果を奏することとなる。
【００６１】
〔実施例３〕
次に、図７は本発明の実施例３に係るアンテナの構成図であり、送信アンテナの送信アレー５０と受信アンテナの受信アレー５１の相対的な配置関係を示す斜視図である。
【００６２】
図７において、本実施例のアンテナ（レーダアンテナ）は、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを２＋Ｌ個（Ｌは２以上の正整数）備え、サブアレーとして従来例（図８）と同様の構造である軸平行スロットの導波管スロットアレーを用いた構成である。すなわち、送信アンテナとして導波管スロットアレー５０−１および５０−２並びに分配器１０６を備え、受信アンテナとして導波管スロットアレー５１−１〜５１−Ｌを備える。
【００６３】
まず、送信アンテナでは、入力信号は分配器１０６で等分され、同相で導波管スロットアレー対５０−１および５０−２に給電される。導波管スロットアレー５０−１は、導波管壁面に左右交互に間隔を略λｇ／２としてスロットを配置して同相給電を行うものであり、アンテナ面に対して扇状ビームを得る進行波アンテナである。また、スロットからの反射波を位相相殺するために、スロット間隔をλｇ／２から少しずらすビームチルトが施されており、ここでは、スロット間隔（ピッチ）Ｐを中心周波数ＦｏでＰ＝λｇ／２＋δとしている。
【００６４】
また、同図に示すように、電波の入力端である入端６４−１を図に対して下側となるように配置しており、導波管内の電波の進行方向は図に対して下側から上側に向く方向となる。チルト角τとスロット間隔Ｐは、式（１）の関係を持つので、チルト角τは実施例１と同様に式（４）で与えられる。つまり、送信アンテナの導波管スロットアレー５０−１では、図に対して上向き（進行方向側への傾きが正値）の進行方向向きのチルトを有することになる。
【００６５】
一方、送信アンテナの導波管スロットアレー５０−２においても、導波管スロットアレー５０−１と同様に、導波管壁面に左右交互に間隔を略λｇ／２としてスロットを配置しているが、ビームチルトとして、スロット間隔（ピッチ）Ｐを中心周波数ＦｏでＰ＝λｇ／２−δとしており、チルト角は−τとなる。つまり、進行方向逆向きのチルトであり、送信アンテナの導波管スロットアレー５０−１とは逆対称のチルト特性を持つことになる。
【００６６】
また、入端６４−２を図に対して上側にして導波管スロットアレー５０−１と逆対称に配置しており、導波管内の電波の進行方向は図に対して上側から下側に向く方向となる。この逆対称の配置により、導波管スロットアレー５０−２においても、チルトの方向は図に対して上向きとなり、送信アンテナとして送信ビーム方向は上向きに一致することになる。
【００６７】
また、送信アンテナの導波管スロットアレー対５０−１および５０−２における周波数によるビーム方向の変動について説明すると、導波管スロットアレー５０−１については周波数がＦ＝Ｆｏ＋Δｆに変動した時の送信ビーム方向は式（５）で与えられ、導波管スロットアレー５０−２については式（６）で与えられる。したがって、送信アンテナの導波管スロットアレー対５０−１および５０−２のチルト変動は同じ大きさで互いに交差する方向となるので、送信アンテナのレーダビームとしては、変動は互いに相殺され、常に一定方向の指向特性が得られることとなる。
【００６８】
つまり、送信アンテナ５０自体に、実施例１および実施例２における周波数変動または温度変化に基づくチルト変動の送信アンテナおよび受信アンテナによる相殺と同様の機能を持たせており、送信アンテナ５０単独でチルト変動を解消し得る。したがって、この送信アンテナ５０を単体の素子として用いることも可能である。
【００６９】
すなわち、ビームチルトが施されたサブアレーをＮ個（Ｎは２以上の正整数）備えたレーダアンテナであって、Ｎ個の内のＲ個（ＲはＮ／２以上の最小の正整数）のサブアレーを、ビームチルトの方向が互いに同一となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向が互いに同一となるように配置し、Ｎ個の内のＮ−Ｒ個のサブアレーを、ビームチルトの方向がＲ個のサブアレーと逆対称となるように構成して、該サブアレーの電波の進行方向がＲ個のサブアレーと逆対称となるように配置した構成である。この構成によれば、レーダ以外の用途でもチルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制し得るアンテナとして利用可能である。
【００７０】
また、受信アンテナ（受信アレー）５１では、Ｌ個の内のＳ個（ＳはＬ／２以上の最小の正整数）の導波管スロットアレー５１−１，５１−３，…を、ビームチルトの方向が互いに同一となるように構成して、該導波管スロットアレー５１−１，５１−３，…の電波の進行方向が互いに同一となるように配置し、Ｌ個の内のＭ−Ｓ個の導波管スロットアレー５１−２，５１−４，…を、ビームチルトの方向がＳ個の導波管スロットアレー５１−１，５１−３，…と逆対称となるように構成して、該Ｍ−Ｓ個の導波管スロットアレー５１−２，５１−４，…の電波の進行方向がＳ個の導波管スロットアレー５１−１，５１−３，…と逆対称となるように配置する。つまり、Ｌ個のサブアレー（導波管スロットアレー）の半数ずつに互いに逆対称のチルト特性を与え、相互に上下振分けて配置することによって、２個のサブアレーによる対で変動を相殺している。
【００７１】
なお、図７では、導波管スロットアレー５１−１，５１−３，…を導波管スロットアレー５０−１と同特性として入端６５−１，６５−３，…が下側となるように配置し、また、導波管スロットアレー５１−２，５１−４，…に導波管スロットアレー５０−２と同特性を与えて入端６５−２，６５−４，…が上側となるように配置しているが、逆特性・逆配置の導波管スロットアレーの配列は交互である必要はなく、ほぼ同数であれば任意の配置であっても良い。
【００７２】
また、導波管スロットアレーの個数Ｌが奇数個の場合には、１個分だけ相殺されない変動が残るが、受信アンテナ（受信アレー）５１全体として合成されるため。その寄与（変動量）は受信側で１／Ｌとなり、送信側と合成されたレーダアンテナの特性としては１／２Ｌに軽減され、やはり十分な改善効果が得られる。
【００７３】
以上説明したように、本実施例のアンテナ（レーダアンテナ）では、ビームチルトが施されたサブアレーを２＋Ｌ個（Ｌは２以上の正整数）備えたレーダアンテナであって、２個の内の一方のサブアレーを導波管スロットアレー５０−１とし、他方のサブアレーを導波管スロットアレー５０−２として、導波管スロットアレー５０−２におけるビームチルトの方向が導波管スロットアレー５０−１と逆対称となるように構成し、該導波管スロットアレー５０−２の電波の進行方向が導波管スロットアレー５０−１と逆対称となるように配置した送信アンテナと、Ｌ個の内のＳ個（ＳはＬ／２以上の最小の正整数）のサブアレーを導波管スロットアレー５１−１，５１−３，…とし、ビームチルトの方向が互いに同一となるように構成して、該導波管スロットアレー５１−１，５１−３，…の電波の進行方向が互いに同一となるように配置し、Ｌ個の内のＬ−Ｓ個の導波管スロットアレー５１−２，５１−４，…を、ビームチルトの方向がＳ個の導波管スロットアレー５１−１，５１−３，…と逆対称となるように構成して、該導波管スロットアレー５１−２，５１−４，…の電波の進行方向が前記Ｓ個の導波管スロットアレー５１−１，５１−３，…と逆対称となるように配置した受信アンテナと、を備えて構成する。
【００７４】
このように、送信アンテナおよび受信アンテナにおいて、それぞれを構成する略同一構造のサブアレー群を略同数に２分割し、２分割されたそれぞれのサブアレー群について、電波の進行方向並びに該進行方向に対するビームチルトの方向が互いに逆対称となるように構成・配置するので、送信アンテナおよび受信アンテナのそれぞれにおいて、２分割されたそれぞれのサブアレー群の（周波数変動または温度変化による）チルト変動はほぼ同じ大きさで互いに交差する方向となり、レーダビームとしての変動は送信アンテナおよび受信アンテナのそれそれで相殺されて、常に一定方向の指向特性を得ることができる。その結果として、ビームチルトが施された略同一構造のサブアレーを複数個備えたレーダアンテナにおいて、チルト変動およびこれに起因する利得低下を抑制することができる。
【００７５】
以上説明した実施例１〜実施例３においては、送信アンテナおよび受信アンテナにおけるサブアレーを、単列のスロットアレーから成る基本的な構成として説明したが、実際のレーダアンテナでは、複列のスロットアレーでサブアレーを構成することも考えられる。スロットアレー単列の軸垂直面指向特性、即ちレーダとしての水平面指向特性は、無指向性或いは非常にブロードなビームであり、所望のビーム幅特性および指向性利得を得るためにビーム成形を施す場合が多い。一般的な方法として、スロットアレーの列数を増すことにより、水平ビーム幅を絞り、正面方向の利得を増高できる。
【００７６】
また、実施例１〜実施例３においては、導波管スロットアレーの入端をコーナ形状としているが、これは背面給電により装置正面積を縮減するという実装上の目的から来ているものであり、本発明の基本原理には係らないことは言うまでもない。
【００７７】
さらに、本発明は、実施例１〜実施例３において使用した導波管スロットアレーに限らず、例えばプリントアンテナまたはマイクロストリップアンテナの平面アンテナなど、進行波アンテナ全般に適用することが可能である。特に、扇状ビームを要し縦長形状の素子では進行波給電が有効で、反射改善のためビームチルトを与る技法は広く用いられている。例えば、マイクロストリップアンテナにおいてビームチルトを与えて設計したものとして、飯塚他;「車載ミリ波レーダ用アンテナ」,  ２００１年電子情報通信学会総合大会ＳＢ−１−７に開示されているものがある。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施例１に係るアンテナの構成図であり、図１（ａ）は送信アンテナの導波管スロットアレー１０と受信アンテナの受信アレー１１の相対的な配置関係を示す斜視図、図１（ｂ）は導波管スロットアレー１０および１１−ｉの断面図である。
【図２】実施例１のレーダアンテナが適用されるレーダ装置の構成図である。
【図３】図３（ａ）は本実施例のレーダアンテナにおけるビーム指向性の周波数変化を説明する説明図であり、図３（ｂ）はチルト変動の周波数特性を説明する説明図である。
【図４】従来のレーダアンテナによるビーム指向性の周波数変化（図４（ｂ））並びにチルト変動の周波数特性（図４（ｂ））の説明図である。
【図５】本発明の実施例２に係るアンテナの構成図であり、図５（ａ）は送信アンテナの導波管スロットアレー３０と受信アンテナの受信アレー３１の相対的な配置関係を示す斜視図、図５（ｂ）は導波管スロットアレー３０および３１−ｉの断面図である。
【図６】導波管上に切られるスロットの位置関係を説明する説明図である。
【図７】本発明の実施例３に係るアンテナの構成図であり、送信アンテナの送信アレー５０と受信アンテナの受信アレー５１の相対的な配置関係を示す斜視図である。
【図８】従来の導波管スロットアレーの基本的な構成図（同図（ａ））とその原理を説明する説明図（同図（ｂ））である。
【符号の説明】
【００７９】
１，１０，１１−１〜１１−Ｌ，３０，３１−１〜３１−Ｌ，５０−１，５０−２，５１−１〜５１−Ｌ・・・導波管スロットアレー、２，２０，２１，４０，４１・・・導波管、３，２２，２３，４２，４３・・・スロット、４，２４，２５，４４，４５，６４−１，６４−２，６５−１〜６５−Ｌ・・・入端、１０・・・送信アンテナ、１１・・・受信アンテナ（受信アレー）、１０１・・・レーダアンテナ、１０２・・・送信機、１０３−１〜１０３−Ｌ・・・受信機、１０４−１〜１０４−Ｌ・・・アナログ／デジタル変換器、１０５・・・デジタル・ビーム合成回路、１０６・・・分配器
【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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