(57)【要約】【課題】物体から放射されるマイクロ波を受信することにより、物体内部の温度分布を測定する際、マイクロ波の周波数により物体表面から見た測定可能範囲（面積）が変化するのを抑制可能なクアッドリッジホーンアンテナを提供する。【解決手段】矩形の開口面を有する角錐ホーン１０と、互いに直交する２種類の直線偏波の電波を放射させる２つの給電ポート（Ｐｏｒｔ１、２）を備えた給電部２０と、角錐ホーン１０の４つの内壁面に設けられた４つのリッジ１２〜１８と、を備えたクアッドリッジホーンアンテナにおいて、角錐ホーン１０の開口面の形状を、隣接する辺の長さが異なる長方形にし、Ｐｏｒｔ１を低周波信号用、Ｐｏｒｔ２を高周波信号用として利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
矩形の開口面を有する角錐ホーンと、
前記角錐ホーンの前記開口面とは反対側に設けられ、前記角錐ホーンを介して、互いに直交する２種類の直線偏波の電波を放射させる２つの給電ポートを備えた給電部と、
前記角錐ホーンの４つの内壁面に、前記２種類の直線偏波の偏波面に沿って各内壁面をそれぞれ等分するよう設けられた４つのリッジと、
を備えたクアッドリッジホーンアンテナであって、
前記角錐ホーンの前記開口面の形状を、隣接する辺の長さが異なる長方形にしたことを特徴とするクアッドリッジホーンアンテナ。
【請求項２】
前記角錐ホーンの前記開口面の形状は、隣接する辺の長さが略１：２の長方形であることを特徴とする請求項１に記載のクアッドリッジホーンアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体表面から放射されるマイクロ波を受信し、その信号レベルから物体の輝度温度を検出するのに好適なクアッドリッジホーンアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、人や物体から放射されるマイクロ波を受信し、その信号レベルから物体の輝度温度を検出する技術が知られている。
この技術によれば、マイクロ波の高い透過性を利用することで、物体内部の温度を検出でき、しかも、受信するマイクロ波の周波数により、温度検出可能な部位の物体表面からの深さを変化させることができることから、物体内部の温度分布を測定できる。
【０００３】
ところで、こうした輝度温度検出用のアンテナとしては、通常、給電部となる導波管に、同軸−導波管変換器としての２つの給電ポートを直交するように配置し、その導波管の前方に角錐ホーンを設けたホーンアンテナが用いられる（例えば、特許文献１参照)。
【０００４】
しかし、このホーンアンテナでは、２つの給電ポートを利用することで、２種類の周波数のマイクロ波（換言すれば、物体からの放射ノイズ）を同時に受信することはできるものの、物体内部での輝度温度分布を測定できるように、その帯域幅を広帯域にするには限界があった。具体的には、上記ホーンアンテナでは、基本波のみで励振できる帯域幅を考えると、３．８：１以上の広帯域化は困難であると考えられる。
【０００５】
一方、互いに直交する直線偏波の電波を同時に受信可能で、帯域幅を１０：１以上に広帯域化することのできるホーンアンテナとして、クワッドリッジホーンアンテナ（Quad-Ridged Horn Antenna、以下、ＱＲＨＡともいう）が知られている（例えば、特許文献２、３参照）。
【０００６】
ＱＲＨＡは、角錐ホーンのうち、開口面が正方形となるよう形成された方形ホーン内に、方形ホーンを構成する４つの壁面を方形ホーンの中心軸に沿ってそれぞれ２等分するよう、４つのリッジを設けることにより構成される。
【０００７】
そして、正方形の導波管からなる給電部に、互いに直交する直線偏波の電波を受信するための２つの給電ポートを設けることで、垂直偏波、水平偏波、といった２種類の電波を同時に受信することができる。
【０００８】
従って、このＱＲＨＡの２つの給電ポートを利用して、測定対象となる周波数帯域内で周波数が互いに異なる２種類のマイクロ波の信号レベルを同時に検出するようにすれば、物体内部の輝度温度の温度分布を測定するのに要する時間を短くすることができる。
【０００９】
つまり、輝度温度の測定は、物体から放射される放射ノイズの信号レベルを測定することであり、放射ノイズの偏波方向は一様ではなく、ランダムであることから、ＱＲＨＡに設けられた２つの給電ポートの何れを利用しても、放射ノイズの信号レベルを測定することができる。
【００１０】
このため、上記のように、ＱＲＨＡに設けられた２つの給電ポートを用いて、異なる周波数のマイクロ波（放射ノイズ）の信号レベルを測定するようにすれば、物体内部の温度分布を測定するのに要する時間を短くすることができるのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】信学技報「新生児脳深部温度無侵襲測定用５周波マイクロ波ラジオメータシステムの開発」  電子情報通信学会  IEICE Technical Report EMCJ2009-107(2010-1)
【特許文献２】IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,VOL.4,2005「A New Dual-Polarized Broadband Horn Antenna」
【特許文献３】実用新案登録第３１５６２６４号公報
【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、従来のＱＲＨＡにおいては、２つの直線偏波の電波を同じ放射特性で放射できるようにするために、方形ホーンが用いられており、しかも、各リッジが、方形ホーンの中心軸を中心として、上下、左右に対称となるよう形成されている。
【００１３】
このため、従来のＱＲＨＡでは、２つの給電ポートからの電波の放射特性は略同じになり、各給電ポートから方形ホーンを介して放射される電波の放射ビームは、共に、低周波数側が広く、高周波数側が狭くなる。
【００１４】
従って、従来のＱＲＨＡを用いて、高・低２種類の周波数ｆ１、ｆ２のマイクロ波を受信することにより、温度測定対象となる物体の内部温度を測定する場合、図７（ａ）に示すように、低周波数ｆ２のマイクロ波にて内部温度を検出可能な領域は、高周波数ｆ１のマイクロ波にて内部温度を検出可能な領域に比べて、温度測定対象の表面からの深さが深くなるだけでなく、温度測定対象の表面からみた面積Ｓも広くなってしまう（Ｓ２＞Ｓ１）。
【００１５】
このため、従来のＱＲＨＡの２つの給電ポートを利用して、物体内部の温度分布を測定した場合、その測定結果に、物体表面から見た検出可能面積の変化分がノイズとして含まれてしまい、物体内部での温度分布を正確に検出することができないという問題があった。
【００１６】
つまり、人体等の物体内部の温度分布を測定する場合、物体表面から見て同一面積となる領域から熱雑音として放射されたマイクロ波を受信し、その受信レベルをマイクロ波の周波数毎に測定すれば、物体内部での温度分布を正確に検出することができる。しかし、従来のＱＲＨＡでは、マイクロ波の周波数に応じて放射ビームの角度が変化することから、その変化により検出誤差が生じてしまうのである。
【００１７】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、人体等の物体から放射されるマイクロ波を受信することにより、物体内部の温度分布を測定するに当たって、マイクロ波の周波数により物体表面から見た測定可能範囲（面積）が変化するのを抑制可能なクアッドリッジホーン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】
【００１８】
かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、
矩形の開口面を有する角錐ホーンと、
前記角錐ホーンの前記開口面とは反対側に設けられ、前記角錐ホーンを介して、互いに直交する２種類の直線偏波の電波を放射させる２つの給電ポートを備えた給電部と、
前記角錐ホーンの４つの内壁面に、前記２種類の直線偏波の偏波面に沿って各内壁面をそれぞれ等分するよう設けられた４つのリッジと、
を備えたクアッドリッジホーンアンテナであって、
前記角錐ホーンの前記開口面の形状を、隣接する辺の長さが異なる長方形にしたことを特徴とする。
【００１９】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のクアッドリッジホーンアンテナにおいて、前記角錐ホーンの前記開口面の形状は、隣接する辺の長さが略１：２の長方形であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載のクアッドリッジホーンアンテナ（ＱＲＨＡ）によれば、角錐ホーンの開口面が、従来のＱＲＨＡのような正方形ではなく、長方形になっている。そして、角錐ホーンの開口面とは反対側には、互いに直交する２種類の直線偏波の電波を放射させる２つの給電ポートを備えた給電部が設けられ、角錐ホーンの４つの内壁には、２種類の直線偏波の偏波面に沿って各内壁面を等分するようにリッジが設けられている。
【００２１】
このように構成された本発明のＱＲＨＡによれば、２つの給電ポートを介して、角錐ホーンの開口面の各辺に平行な偏波面を有する２種類の直線偏波の電波を放射することができる。そして、その２種類の電波の周波数は、角錐ホーンの開口面の各辺の長さによって規定される。
【００２２】
このため、本発明のＱＲＨＡを輝度温度の検出に用いる場合、温度検出に用いるマイクロ波の周波数帯域を、高・低２つの周波数帯域に分離し、２つの給電ポートの一方を、高周波数帯域側の信号を受信する受信ポート、２つの給電ポートの他方を、低周波数帯域側の信号を受信する受信ポート、として利用することができる。
【００２３】
また、この場合、２つの給電ポートから角錐ホーンを介して放射される、高・低２つの周波数帯域の電波の放射ビームは、角錐ホーンの開口面の各辺の長さの違いによって、従来のＱＲＨＡに比べ、ビーム幅（角度）の差が小さくなる。
【００２４】
よって、本発明のＱＲＨＡを用いて、物体内部の輝度温度を測定するようにすれば、図７（ｂ）に示すように、受信信号の周波数によって物体表面から見た測定可能面積Ｓ１、Ｓ２が変化するのを抑制しつつ、受信信号の周波数ｆ１、ｆ２に応じて物体表面からの深さ方向の温度を測定することができるようになる。
【００２５】
従って、本発明のＱＲＨＡによれば、従来構造のＱＲＨＡに比べ、物体内部の温度分布を正確に測定することができるようになる。
また、本発明のＱＲＨＡによれば、角錐ホーンの開口面を正方形にした場合に比べて、その開口面積（延いては、ＱＲＨＡの体積）を小さくして、ＱＲＨＡ全体を小型化することができる。
【００２６】
よって、本発明のＱＲＨＡを用いて輝度温度測定装置を構成すれば、輝度温度測定装置の小型化を図り、持ち運びがし易く、使い勝手のよい輝度温度測定装置を実現できる。
ここで、本発明では、ＱＲＨＡを構成する角錐ホーンの開口端を長方形にしているが、この長方形の短手方向の長さと、長手方向の長さは、請求項２に記載のように、略１：２にするとよい。
【００２７】
なお、この比率は１：２からずれていてもよく、１：２の比率を中心として、大凡、３：８〜３：４の範囲内に設定すれば、上述した効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態のクアッドリッジホーンアンテナ（ＱＲＨＡ）の外観を表す斜視図である。
【図２】ＱＲＨＡを角錐ホーンの開口面から見た状態を表す説明図である。
【図３】ＱＲＨＡの一部を破断した状態を表す斜視図である。
【図４】ＱＲＨＡを図１に示すＡ−Ａ線に沿って破断した状態を表し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその断面図である。
【図５】ＱＲＨＡを図１に示すＢ−Ｂ線に沿って破断した状態を表し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその断面図である。
【図６】実施形態のＱＲＨＡのアンテナ特性を従来構造のＱＲＨＡと比較して表す説明図である。
【図７】従来構造のＱＲＨＡ及び本発明のＱＲＨＡによる温度測定可能領域を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１に示すように、本実施形態のクアッドリッジホーンアンテナ（ＱＲＨＡ）２は、電波（本実施形態ではマイクロ波）を放射する開口面が長方形に形成された角錐ホーン１０と、角錐ホーン１０の開口面とは反対側に設けられた給電部２０と、を備える。
【００３０】
給電部２０には、給電部２０内にて、角錐ホーン１０の開口面周囲の４辺のうち、長手方向（ｙ軸方向）の２辺に直交する方向（ｘ軸方向）に中心導体が突出された第１の同軸コネクタ２２と、同じく、角錐ホーン１０の開口面周囲の４辺のうち、短手方向（ｘ軸方向）の２辺に直交する方向（ｙ軸方向）に中心導体が突出された第２の同軸コネクタ２４と、が設けられている。
【００３１】
これら各同軸コネクタ２２、２４は、角錐ホーン１０の後端側で、角錐ホーン１０内部の導波路から延設された給電部２０内の導波管部分に中心導体が突出されることで、所謂同軸−導波管変換器を構成している。
【００３２】
そして、第１の同軸コネクタ２２は、角錐ホーン１０の開口面の長手方向（ｙ軸方向）に平行な偏波面を有する直線偏波の電波を、角錐ホーン１０の中心軸方向（ｚ軸方向）に放射させる給電ポート（以下、Ｐｏｒｔ１ともいう）として機能する。
【００３３】
また、第２の同軸コネクタ２４は、角錐ホーン１０の開口面の短手方向（ｘ軸方向）に平行な偏波面を有する直線偏波の電波を、角錐ホーン１０の中心軸方向（ｚ軸方向）に放射させる給電ポート（以下、Ｐｏｒｔ２ともいう）として機能する。
【００３４】
なお、これら各給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）は、角錐ホーン１０のｙ軸方向及びｘ軸方向の長さにより放射可能な高周波信号の周波数が異なるので、偏波面がｙ軸方向の直線偏波の電波を放射するＰｏｒｔ１を、低周波信号用の給電ポート、偏波面がｘ軸方向の直線偏波の電波を放射するＰｏｒｔ２を、高周波信号用の給電ポート、として利用できる。
【００３５】
次に、図２に示すように、角錐ホーン１０の開口面周囲の４辺を構成している、角錐ホーン１０の内壁の長さは、長手方向（ｙ軸方向）の長さＬｙと短手方向（ｘ軸方向）の長さＬｘとの比が、略２：１となるように設定されている。
【００３６】
また、角錐ホーン１０の４つの内壁面には、ｘ軸方向の偏波面若しくはｙ軸方向の偏波面に沿って各内壁面を２等分する位置に、それぞれ、リッジ１２、１４、１６、１８が設けられている。
【００３７】
これら各リッジ１２〜１８は、図３に示すように、角錐ホーン１０から給電部２０の給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）にかけて所定の曲率で連続的に形成されている。
また、各リッジ１２〜１８は、図４、図５に示すように、給電部２０側では、角錐ホーン１０の内壁面とは反対側の上端面が、各リッジ１２〜１８の中心軸を中心とする左右両側から、約４５度の傾斜を付けて削られている。
【００３８】
これは、図２に示すように、給電部２０側で、各リッジ１２〜１８の上端面にて、断面が略正方形となる縦ｄｘ・横ｄｙの導波路を形成するためである。
つまり、給電部２０内では、各リッジ１２〜１８の上端面にて、略正方形の導波路を形成し、その導波路内に同軸コネクタ２２、２４の中心導体を突出することにより、同軸−導波管変換器としての機能を実現している。
【００３９】
そして、本実施形態のＱＲＨＡ２は、これら各リッジ１２〜１８の形状と厚みｃｘ、ｃｙ、及び、角錐ホーン１０の形状と大きさを適宜設定することにより、同軸コネクタ２２による給電ポート（Ｐｏｒｔ１）から５ＧＨｚ〜１５ＧＨｚのマイクロ波を放射し、同軸コネクタ２４による給電ポート（Ｐｏｒｔ２）から１５ＧＨｚ〜２５ＧＨｚのマイクロ波を放射するよう構成されている。
【００４０】
なお、図４、図５は、ＱＲＨＡ２を図１に示すＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂに沿って破断した状態を表しているが、破断によって現れる各リッジ１２、１６の形状を分かり易くするために、図４、図５において、ＱＲＨＡ２の破断によって断面が現れるリッジ１６、１８或いはリッジ１２、１４は、省略されている。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態のＱＲＨＡ２によれば、角錐ホーン１０の開口面が、従来のような正方形ではなく、長方形になっている。
このため、給電部２０に設けられた２つの給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）から放射可能な電波は、高・低２種類の周波数となり、Ｐｏｒｔ１を高周波信号用、Ｐｏｒｔ２を低周波信号用、として利用できる。
【００４２】
また、これら各給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）から放射可能な電波は、互いに直交する偏波面を有する直線偏波の電波となるが、輝度温度測定のために受信する物体からの放射ノイズ（マイクロ波）は、偏波面がランダムであることから、一方の給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）だけで、物体から放射されたマイクロ波の信号レベルを検出できる。
【００４３】
また、２つの給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）から角錐ホーン１０を介して放射される、高・低２種類の周波数帯域の電波の放射ビームは、角錐ホーン１０の開口面のｘ軸方向・ｙ軸方向の長さの違いによって、ビーム幅（角度）の差が小さくなる。
【００４４】
よって、本実施形態のＱＲＨＡ２を用いて、物体内部の輝度温度を測定するようにすれば、図７（ａ）、（ｂ）に示したように、従来のＱＲＨＡを用いた場合に比べて、受信信号の周波数によって物体表面から見た測定可能面積Ｓ１、Ｓ２が変化するのを抑制しつつ、受信信号の周波数ｆ１、ｆ２に応じて物体表面からの深さ方向の温度を測定することができるようになる。
【００４５】
従って、本実施形態のＱＲＨＡ２によれば、従来構造のＱＲＨＡに比べ、物体内部の温度分布を正確に測定することができるようになる。
また、本実施形態のＱＲＨＡ２によれば、角錐ホーンの開口面を正方形にした従来構造のＱＲＨＡに比べて、ＱＲＨＡ２全体を小型化することができる。
【００４６】
このため、本実施形態のＱＲＨＡ２を用いて輝度温度測定装置を構成すれば、輝度温度測定装置の小型化を図り、持ち運びがし易く、使い勝手のよい輝度温度測定装置を実現できる。
【００４７】
次に、上記効果を裏付けるために、角錐ホーンの開口面を正方形にした従来構造のＱＲＨＡと、上述した本実施形態のＱＲＨＡとを試作し、各ＱＲＨＡのアンテナ特性（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２でのリターンロス、利得、及び、半値幅）を測定した。
【００４８】
その測定結果を、図６に示す。なお、従来構造のＱＲＨＡの試作は、ｙ軸方向の寸法を、本実施形態のＱＲＨＡと同じにし、ｘ軸方向の寸法を、そのｙ軸方向の寸法と一致させることで行った。
【００４９】
図６に示すように、従来構造のＱＲＨＡは、５ＧＨｚ〜２５ＧＨｚの周波数範囲内で、リターンロス：−１０ｄＢ以下、利得：５ｄＢｉ以上の特性が得られ、５ＧＨｚ〜２５ＧＨｚのマイクロ波を受信することで物体の輝度温度を測定する際には、何れの給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）を利用してもよいことが判る。
【００５０】
しかし、従来構造のＱＲＨＡでは、低周波側では半値幅が広く、高周波側では半値幅が狭くなる。このため、Ｐｏｒｔ１を低周波数用、Ｐｏｒｔ２を高周波数用として利用することで、高・低２種類のマイクロ波を同時に検出できるようにしても、周波数毎にビーム幅が大きく異なり、物体内部での温度分布を正確に測定することができない。
【００５１】
なお、従来構造のＱＲＨＡにおいて、給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）の違いでアンテナ特性が異なっているのは、２つの給電ポートの位置を同一にすることができないこと（つまり、給電ポートの位置にずれが生じること）が、主な原因である。
【００５２】
これに対し、本実施形態のＱＲＨＡ２においては、角錐ホーン１０の開口面を長方形にしているので、各給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）におけるアンテナ特性は異なる。
【００５３】
しかし、輝度温度測定用としては、受信するマイクロ波の偏波方向に制限がないので、５ＧＨｚ〜１５ＧＨｚの低周波数側と、１５ＧＨｚ〜２５ＧＨｚの高周波数側とで、それぞれ、アンテナ特性（リターンロス、利得、半値幅）を最適化することができる。
【００５４】
そして、特に、本実施形態のＱＲＨＡ２によれば、５ＧＨｚ〜１５ＧＨｚの低周波数側と、１５ＧＨｚ〜２５ＧＨｚの高周波数側とで、半値幅を略同じにすることができるので、温度測定対象となる物体の深さ方向の温度分布を精度よく測定できることが判る。
【００５５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にて、種々の態様をとることができる。
例えば、上記実施形態では、角錐ホーン１０の開口面周囲の各辺の長さは、ｘ軸方向の長さＬｘとｙ軸方向の長さＬｙとの比が、略１：２となるように設定されるものとして説明したが、この長さは、各給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）に割り当てる周波数等に応じて適宜設定すればよく、大凡、３：８〜３：４の範囲内に設定すれば、ＱＲＨＡに本発明を適用して、上述した効果を得ることができる。
【００５６】
また、上記実施形態では、温度測定対象となる物体から放射される、５ＧＨｚ〜２５ＧＨｚのマイクロ波を受信することで、物体内部の温度分布を測定するものとして説明したが、この周波数範囲や、各給電ポート（Ｐｏｒｔ１、Ｐｏｒｔ２）に割り当てる周波数範囲は、温度測定対象となる物体の種類や測定条件等に応じて、適宜設定すればよい。
【００５７】
また、ＱＲＨＡ２を構成する角錐ホーン１０や給電部２０の内部空間は、単に、空気が入るものとしてもよいが、所定の誘電率を有する誘電体を充填するようにしてもよい。そして、誘電体を充填すれば、空気が入るようにした場合に比べて、各部の寸法を小さくすることができるので、ＱＲＨＡ２をより小型化することができる。
【００５８】
また、角錐ホーン１０の開口面から給電部２０の給電ポートにかけて設けられるリッジ１２〜１８は、角錐ホーン１０と一体形成してもよく、角錐ホーン１０とは別体で構成して角錐ホーン１０に後付けするようにしてもよい。
【００５９】
そして、リッジ１２〜１８を角錐ホーン１０と別体で構成する場合、互いに対向配置されるリッジ１２，１４及び１６，１８を、誘電体基板と基板表面に積層された導電体とにより所謂テーパスロットアンテナとして構成し、これらを直交するように組み合わせることで、リッジ１２〜１８を、誘電体基板を用いて一体形成するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６０】
２…クアッドリッジホーンアンテナ（ＱＲＨＡ）１０…角錐ホーン、１２，１４，１６，…リッジ、２０…給電部、２２…第１の同軸コネクタ（Ｐｏｒｔ１）、２４…第２の同軸コネクタ（Ｐｏｒｔ２）。
【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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