(57)【要約】【課題】  給電された信号を減衰させることなく電波として送信し、その反射波を受信した後、信号を減衰させることなく伝送することのできるキャビティアンテナ装置を提供する。【解決手段】  電波を送信する送信アンテナ１と、送信された電波の反射波を受信する受信アンテナ２とを具備するキャビティアンテナ装置１００であって、前記送信アンテナ１と受信アンテナ２とはそれぞれ、前端が開口されると共に内部が空洞に形成されたキャビティケース６と、前記キャビティケース６の前端開口部を塞いで設けられた板状の誘電体部材７と、前記誘電体部材７上に設けられ電波の放射または取り込みをする板状の放射素子４と、前記キャビティケース６内においてキャビティケース６の後端から前記放射素子４の一端に形成された給電点に向けて架設された励振線８とを備える。【選択図】  図２
2006254138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波を送信する送信アンテナと、送信された電波の反射波を受信する受信アンテナとを具備するキャビティアンテナ装置であって、
前記送信アンテナと受信アンテナとはそれぞれ、
前端が開口されると共に内部が空洞に形成されたキャビティケースと、前記キャビティケースの前端開口部を塞いで設けられた板状の誘電体部材と、前記誘電体部材上に設けられ電波の放射または取り込みをする板状の放射素子と、前記キャビティケース内においてキャビティケースの後端から前記放射素子の一端に形成された給電点に向けて架設された励振線とを備えることを特徴とするキャビティアンテナ装置。
【請求項２】
前記キャビティケースにおける前端から後端までの長さ寸法をＣとし、前記励振線に供給される周波数信号の波長をλとすると、
【数１】
2006254138.tif 000038
の関係を有することを特徴とする請求項１に記載されたキャビティアンテナ装置。
【請求項３】
前記キャビティケースの周面を覆う弾性部材と、前記弾性部材の周面を覆う遮蔽ケースとを備え、
前記遮蔽ケースの内部に、前記キャビティケースが前記弾性部材を介して保持されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたキャビティアンテナ装置。
【請求項４】
前記キャビティケースと、前記弾性部材と、前記遮蔽ケースとは、無誘導部材により形成されたビスにより結合されることを特徴とする請求項３に記載されたキャビティアンテナ装置。
【請求項５】
前記キャビティケースは、銅板により形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載されたキャビティアンテナ装置。
【請求項６】
前記弾性部材はゴムにより形成されていることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載されたキャビティアンテナ装置。
【請求項７】
前記遮蔽ケースはアルミニウムにより形成されていることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載されたキャビティアンテナ装置。
【請求項８】
前記放射素子には、前記送信アンテナから放射される電波の１／２波長の寸法を有する第一の放射素子部と、１／４波長の寸法を有する第二の放射素子部と、１／８波長の寸法を有する第三の放射素子部とが形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載されたキャビティアンテナ装置。
【請求項９】
前記キャビティケースは、方形導波管であって、前記キャビティケースの幅寸法をａ、高さ寸法をｂ、奥行き寸法をｃ、電磁波の伝播モードの次数をｍ，ｎ，ｐ（それぞれ０以上の整数）とすれば、該キャビティケースの共振周波数ｆmnpは、
【数２】
2006254138.tif 000039
であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載されたキャビティアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波を送信し、送信された電波の反射波を受信するためのキャビティアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中に埋設された水道管や地雷等の探査においては従来から金属探知機等が用いられてきたが、誤検出や非金属の物体が検出できない等の課題があった。そこで近来、その課題を解決する手段として、電磁波（以下、電波と称呼する）を利用したレーダ探査による方法が期待されている。
一般に、レーダ探査においては、波形整形された信号をバッファした後、送信アンテナに給電し、そこから電波を地中に向けて放射している。そして、探査対象に反射した反射波を受信アンテナで受信し、受信回路に供給している。
なお、地中レーダについての技術については、例えば特許文献１、特許文献２に記載されている。
【特許文献１】特開２０００−３２９８５９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８６８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、電波を地中に向けて送信し、その反射波を受信する場合、地中は空中に比べ電波損失が大きい。このため、検出精度の低下を少しでも抑制するには、送受信アンテナにおける信号減衰を最小限に留める必要がある。このような課題に対し、従来から用いられてきたアンテナにあっては、例えば放射素子で受信した電波を、高周波伝送に適した同軸ケーブルで伝送している。しかしながら、一般に同軸ケーブルは外部ノイズの影響を受け易いという欠点があり、そのノイズにより伝送信号が影響を受け、比誘電率が近い物質（例えば砂とプラスチック）にあっては、その反射波の差をほとんど識別することができないという課題があった。
【０００４】
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、給電された信号を減衰させることなく電波として送信し、その反射波を受信した後、信号を減衰させることなく伝送することのできるキャビティアンテナ装置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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明にかかるキャビティアンテナ装置は、電波を送信する送信アンテナと、送信された電波の反射波を受信する受信アンテナとを具備するキャビティアンテナ装置であって、前記送信アンテナと受信アンテナとはそれぞれ、前端が開口されると共に内部が空洞に形成されたキャビティケースと、前記キャビティケースの前端開口部を塞いで設けられた板状の誘電体部材と、前記誘電体部材上に設けられ電波の放射または取り込みをする板状の放射素子と、前記キャビティケース内においてキャビティケースの後端から前記放射素子の一端に形成された給電点に向けて架設された励振線とを備えることに特徴を有する。
【０００６】
なお、前記キャビティケースにおける前端から後端までの長さ寸法をＣとし、前記励振線に供給される周波数信号の波長をλとすると、
【数１】
2006254138.tif 000003
の関係を有することが望ましい。
このように構成することにより、キャビティケースを共振させることができ、キャビティケースが導波管として機能するため、電波を効率的に伝送することができる。
【０００７】
また、前記キャビティケースの周面を覆う弾性部材と、前記弾性部材の周面を覆う遮蔽ケースとを備え、前記遮蔽ケースの内部に、前記キャビティケースが前記弾性部材を介して保持されることが望ましい。なお、前記キャビティケースは、銅板により形成されていることが好ましく、前記弾性部材はゴムにより形成されていることが好ましい。また、前記遮蔽ケースはアルミニウムにより形成されていることが望ましい。
【０００８】
このようにすることによって、共振するキャビティケースの振動を弾性部材により吸収することができる。言い換えれば、キャビティケースの共振振動は、外部からの影響を受けることがないため、電波信号を減衰させることなく伝送することができる。
また、遮蔽ケースをアルミニウムで形成すれば、外部からのノイズを遮蔽し、キャビティケースへの悪影響を抑制することができる。
【０００９】
また、前記キャビティケースと、前記弾性部材と、前記遮蔽ケースとは、無誘導部材により形成されたビスにより結合されることが望ましい。
このようにすることにより、ケース内の電磁界に影響を与えないようにすることができる。
【００１０】
また、前記放射素子には、前記送信アンテナから放射される電波の１／２波長の寸法を有する第一の放射素子部と、１／４波長の寸法を有する第二の放射素子部と、１／８波長の寸法を有する第三の放射素子部とが形成されていることが望ましい。
このように構成することにより、アンテナ送受信性能をより向上することができる。
【００１１】
また、前記キャビティケースは、方形導波管であって、前記キャビティケースの幅寸法をａ、高さ寸法をｂ、奥行き寸法をｃ、電磁波の伝播モードの次数をｍ，ｎ，ｐ（それぞれ０以上の整数）とすれば、該キャビティケースの共振周波数ｆmnpは、
【数２】
2006254138.tif 000004
であることが望ましい。このようにキャビティケースを方形導波管として形成することによって、より効率的に電磁波を伝送することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、給電された信号を減衰させることなく電波として送信し、その反射波を受信した後、信号を減衰させることなく伝送することのできるキャビティアンテナ装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、この発明に係る実施の形態について、図に基づいて説明する。図１は、本発明に係るキャビティアンテナ装置の外観を示す斜視図である。図２は、図１のキャビティアンテナ装置を構成する送信アンテナ部の外観図及び縦断面図である。図１に示すキャビティアンテナ装置１００は、送信信号の伝送経路となる送信アンテナ部１と、受信信号の伝送経路となる受信アンテナ部２とを備えている。
【００１４】
また、送信アンテナ部１及び受信アンテナ部２はそれぞれ、その周面及び後面をそれぞれ覆うよう形成された遮蔽ケース３に収容された状態となされている。この遮蔽ケース３はアルミニウムにより形成されているため、外部からのノイズを遮断し、送信アンテナ部１及び受信アンテナ部２の機能に影響を及ぼさないようになされている。
【００１５】
キャビティアンテナ装置１００には、波形整形された信号が入力端子１０から送信アンテナ部１の後端に入力され、その信号は送信アンテナ部１の前端に設けられた放射素子４から電波として送信されるようになされている。放射素子４から送信された電波は例えば対象物Ｓに反射し、その反射波が受信アンテナ部２の前端に設けられた放射素子５により受信される。そして、受信アンテナ部２で受信された電波は、受信アンテナ部２の後端から出力端子２０に出力されるように構成されている。
【００１６】
次に図２に基づいて、送信アンテナ部１及び受信アンテナ部２の構成を説明する。なお、それらの構成は同じであるため、送信アンテナ部１のみを図示して説明する。図示するように、送信アンテナ部１は、前端が開口されると共に内部が空洞に形成されたキャビティケース６と、その前面を塞いで設けられた誘電体基板７とを有している。
キャビティケース６は、例えば厚さ１ｍｍの銅板により形成された方形導波管（空洞共振器）である。また、誘電体基板７は、例えば誘電体であるＦＲ４（ガラス・エポキシ）により形成された基板である。
【００１７】
誘電体基板７の表面には、図示するように、例えば厚さ１５μｍの銅箔により形成された放射素子４が設けられている。この放射素子４の幅寸法は、電波を効率的に放射または受信するために送信周波数の１／２波長の長さ寸法に設定されている。また、地中からは、送信波に対して減衰した信号が反射して戻るため、受信感度の向上のために放射素子４の面積は大きく形成されている。
【００１８】
また、放射素子４の上端部は給電点４ａとされ、この給電点４ａには、銅線により形成された励振線８の一端が接続されている。励振線８はキャビティケース６内に架設されており、その他端はキャビティケース６の後端から入力端子１０に接続されている。すなわちこの励振線８に波形整形された交流信号が供給されると、キャビティケース６内で共振が発生するようになされている。なお、放射素子４の下端部は、終端部４ｂとされ、抵抗１１とコンデンサ１２とを介してキャビティケース６の外面に終端されている。
【００１９】
続いて、キャビティケース６の共振器としての機能についてさらに説明する。
図２（ａ）に示すように、キャビティケース６の幅、高さ、奥行きの方向をそれぞれｘ軸（幅寸法ａ、ｍ次モード）、ｙ軸（高さ寸法ｂ、ｎ次モード）、ｚ軸（奥行き寸法ｃ、ｐ次モード）とする。
励振線８に信号が供給されると、キャビティケース６内には、電圧定在波（ＶＳＷＲ：Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｔａｎｄｉｎｇ  Ｗａｖｅ  Ｒａｔｉｏ）が生じ、終端からｚ軸方向に次式（１）の距離で電界Ｅｚ＝０となり、このときリアクタンス分もゼロになる。
【数３】
2006254138.tif 000005
すなわち、このｚ軸方向の距離で奥行き寸法ｃが決定され、放射素子４（放射素子５）が設けられることにより共振器が形成されている。
【００２０】
このときのキャビティケース６における共振周波数、波長およびＱ値（Ｑｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ）について説明する。キャビティケース６内に存在する電磁界は、マックスウェルの方程式の一般解と境界条件とにより、電磁界の各方向成分を求めることができる。各方向についての電界Ｅを、式（２）〜（４）に示し、磁界Ｈを、式（５）〜（７）に示す。なお、ｋは位相定数である。
【００２１】
【数４】
2006254138.tif 000006
【数５】
2006254138.tif 000007
【数６】
2006254138.tif 000008
【００２２】
【数７】
2006254138.tif 000009
【数８】
2006254138.tif 000010
【数９】
2006254138.tif 000011
【００２３】
以上の式（２）〜（７）は、マックスウェルの方程式により直角座標のスカラー波動方程式として次式（８）で表すことができる。
【数１０】
2006254138.tif 000012
この形の方程式は変数分離形の解を有するため、次式（９）を定義すると、（８）式は（１０）式に表すことができる。なお、（９）式において、Ｘ（ｘ）は独立変数ｘのみの関数、Ｙ（ｙ）は独立変数ｙのみの関数、Ｚ（ｚ）は独立変数ｚのみの関数である。
【００２４】
【数１１】
2006254138.tif 000013
【数１２】
2006254138.tif 000014
（１０）式は、各項において、Ｘ，Ｙ，Ｚを独立変数（ｘ、ｙ、ｚ）について、それぞれ２回微分し、定数となる場合に成り立つ。したがって、Ｘについては、次式（１１）が成り立てばよい。
【数１３】
2006254138.tif 000015
（１１）式の一般解は、（１２）式または（１３）式となる。Ｙ，Ｚの場合は、変数ｘをそれぞれｙ、ｚに置換すればよい。
【数１４】
2006254138.tif 000016
【数１５】
2006254138.tif 000017
【００２５】
また、次式（１４）が成立する。
【数１６】
2006254138.tif 000018
故に（９）式は、（１５）式、または、（１６）式で表される。
【数１７】
2006254138.tif 000019
【数１８】
2006254138.tif 000020
【００２６】
また、ＴＥmnpモードと、次式（１７）と、（１４）式との関係から、空洞共振器としての共振周波数ｆmnpは式（１８）で表すことができる。
【数１９】
2006254138.tif 000021
【数２０】
2006254138.tif 000022
【００２７】
また、共振波長λmnpは、次式（１９）で表すことができる。
【数２１】
2006254138.tif 000023
共振器の基本モードは、ＴＥモードでｍ、ｎ、ｐの中で１つだけ零をとる。したがって、ＴＥ011、ＴＥ101、ＴＥ110のいずれかが基本モードとなる。なお、ａ＞ｂ、ｃ＞ｂのときの基本モードはＴＥ101となる。
【００２８】
また、キャビティケース６のＱ値は、次のように求めることができる。
一般的な直列Ｒ、Ｃ、Ｌ共振回路は、次式（２０）となる。
【数２２】
2006254138.tif 000024
よってＱ値は（２１）式で表すことができる。
【数２３】
2006254138.tif 000025
【００２９】
続いて、送信アンテナ部１及び受信アンテナ部２におけるキャビティケース６の遮蔽ケース３への収容構造について図３に基づいて説明する。図３（ａ）は、キャビティアンテナ装置１００の縦断面図である。図３（ｂ）は、キャビティケース６と遮蔽ケース３との結合手段を説明するための一部拡大図である。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、キャビティケース６と遮蔽ケース３との間には、弾性部材としてのゴム部材１３が介在する。すなわち、キャビティケース６は、その前端を除く周面をゴム部材１３に密着して覆われ、さらにゴム部材１３は、その周面を遮蔽ケース３に密着して覆われる構成となされている。
【００３１】
このような構成となされることにより、キャビティケース６は擬似的に宙に浮いた状態となされる。すなわち、キャビティケース６における共振振動はゴム部材１３に吸収されるため、その振動を抑制する外部の影響を受けず、減衰することなく伝送される。
【００３２】
また、図３（ｂ）に示すように、キャビティケース６とゴム部材１３と遮蔽ケース３とのは、複数のビス１４により結合される（図では１つのビスのみ示す）。このビス１４は、無誘導の材料により形成される。すなわち無誘導のビスを用いることにより、ケース内の電磁界に影響を与えないようになされている。
【００３３】
以上のように、本発明にかかる実施の形態によれば、キャビティケース６内に励振線８を設け、キャビティケース６における励振線８に沿った方向の寸法を、前記（１）式の通りに形成することにより、キャビティケース６を導波管として機能させ、電波を効率的に伝送することができる。
また、遮蔽ケース３の内部に、キャビティケース６がゴム部材１３を介して保持される構造とすることによって、共振するキャビティケース６の振動をゴム部材１３により吸収することができる。言い換えれば、キャビティケース６の共振振動は、外部からの影響を受けることがないため、電波信号を減衰させることなく伝送することができる。
【００３４】
また、遮蔽ケースをアルミニウムで形成することにより、外部からのノイズを遮蔽し、キャビティケース６への悪影響を抑制することができる。
さらに、キャビティケース６と、ゴム部材１３と、遮蔽ケース３とは、無誘導部材で形成されたビス１４で結合されることにより、ケース内の電磁界に影響を与えないようにすることができる。
【００３５】
なお、前記の実施の形態においては、送信アンテナ部１及び受信アンテナ部２において、送信アンテナ部１から放射される電波の１／２波長の幅寸法を有する放射素子４、５をそれぞれ有する形態を示した。しかしながら、本発明にかかるキャビティアンテナ装置においては、その形態に限定せず、別の形態として、放射素子部４，５がそれぞれ、送信アンテナ部１から放射される電波の１／２波長の幅寸法を有する第一の放射素子部と、幅方向に１／４波長の長さ寸法を有する第二の放射素子部と、幅方向に１／８波長の寸法を有する第三の放射素子部とを具備する構成としてもよい。このように放射素子部４，５を形成することにより、アンテナ送受信性能をより向上することができる。
【実施例】
【００３６】
続いて、本発明に係るキャビティアンテナ装置について、実施例に基づきさらに説明する。本発明に係るキャビティアンテナ装置について検討するため、前記実施の形態に示す構成と同様のキャビティアンテナ装置を作製し、その共振周波数、共振波長及びＱ値を机上計算により求めた。
この実施例においては、幅寸法ａ＝４．５ｃｍ、高さ寸法ｂ＝４．２ｃｍ、奥行き寸法ｃ＝４．４ｃｍのキャビティケースを作成し、基本モードであるｍ＝１、ｎ＝０、ｐ＝１のときの共振周波数、共振波長及びＱ値を求めた。
【００３７】
前記（１８）式により、ＴＥ101モードの共振周波数ｆ101は、（２２）式となる。
【数２４】
2006254138.tif 000026
また、ａ≒ｂ≒ｃであるため、共振波長λ101は、（２３）式となる。
【数２５】
2006254138.tif 000027
【００３８】
また、Ｑ値は、前記したように（２１）式で表される。
【数２６】
2006254138.tif 000028
【００３９】
キャビティケース内の電界Ｅ、磁界Ｈから、共振回路の蓄積エネルギーＷS、１秒間に共振回路で失われるエネルギーＰLはそれぞれ（２４）式、（２５）式となる。
【数２７】
2006254138.tif 000029
【数２８】
2006254138.tif 000030
ここで、（２５）式のＲSは表皮効果抵抗であって、（２６）式で表される。
【数２９】
2006254138.tif 000031
【００４０】
また、（２４）、（２５）式のＨtは、方形空洞共振器であるキャビティケースのａ×ｂ×ｃの壁面上の磁界の接線成分である。
ＴＥ101モードにおいて、Ｅy、Ｈx、Ｈz、Ｗsは、それぞれ（２７）〜（３０）式で表すことができる。
【数３０】
2006254138.tif 000032
【数３１】
2006254138.tif 000033
【数３２】
2006254138.tif 000034
【数３３】
2006254138.tif 000035
【００４１】
また、キャビティケースで失われるエネルギーＰLは電力損失であって、ａ，ｂ，ｃの空洞壁を流れる電流の抵抗損失である。したがって、ＰLは上下、左右、両側面のＨtを用いて、（３１）式で表すことができる。
【数３４】
2006254138.tif 000036
【００４２】
ここで、（２１）式により、Ｑ値は（３１）式のように試算することができる。
【数３５】
2006254138.tif 000037
以上のように本実施例によって、本発明にかかるキャビティアンテナ装置によれば、非常に高いＱ値を得ることができ、信号を減衰させることなく伝送できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明にかかるキャビティアンテナ装置は、高い検出精度が求められる地中レーダ探査装置等において好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係るキャビティアンテナ装置の外観を示す斜視図である。
【図２】図１のキャビティアンテナ装置を構成する送信アンテナ部の外観図及び縦断面図である。
【図３】図１のキャビティアンテナ装置の縦断面図及び、キャビティケースと遮蔽ケースとの結合手段を説明するための一部拡大図である。
【符号の説明】
【００４５】
１          送信アンテナ部
２          受信アンテナ部
３          遮蔽ケース
４          放射素子
４ａ        給電点
４ｂ        終端部
５          放射素子
６          キャビティケース
７          誘電体基板
８          励振線
１０        入力端子
１１        抵抗
１２        コンデンサ
１３        ゴム部材
１４        ビス
【図１】
2006254138.tif 000040
【図２】
2006254138.tif 000041
【図３】
2006254138.tif 000042