(57)【要約】【課題】スロット面の幅が導波管のＨ面幅よりも小さく且つスロットの間隔がグレーティングロープの現われない間隔で放射偏波面が管軸方向と直交するスロット付導波管およびこのスロット付導波管を用いた導波管スロットアンテナの実現。【解決手段】断面矩形導波管内のＥ面壁幅の中央で管軸方向に沿う板状のリッジをＨ面に平行に立設し、管軸方向に長いスロットを管軸方向での間隔が管内波長の1／2で隣り合うスロットがリッジ立設ラインを挟んで反対側になるよう設ける。これにより、スロット面の幅はＨ面幅より狭く、グレーティングローブは現われず偏波面は管軸方向と直交する。このスロット付導波管を偏波面が管軸方向と平行なスロット付導波管と平行配置することにより円偏波アンテナが得られ、また２本平行で反対向きに立設することにより水平偏波無指向性のアンテナが実現できる。【選択図】図１
2008211326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面矩形導波管内のＥ面壁に管軸方向に沿う板状リッジが立設されており、管軸方向での間隔が２分の１管内波長間隔で、リッジが立設されている位置を１つ置きに交互に挟む位置に、管軸方向に長いスロットを有することを特徴とするスロット付導波管。
【請求項２】
請求項１記載のスロット付導波管を１又は、スロット面を同じ向きに向けて複数平行に配列した導波管配列と、これらへ電磁波を給電する給電装置と、を有することを特徴とする導波管スロットアンテナ。
【請求項３】
請求項１記載のスロット付導波管と、一方のＥ面壁に管軸方向に２分の１管内波長間隔で隣り合うスロット同士の傾斜が逆傾斜となっているスロットが設けられたスロット付導波管とをスロット面を同じ向きに向けて平行に並べた導波管配列と、両導波管へ電磁波を９０度の位相差で給電する給電装置とを有し、偏波面が円偏波となることを特徴とする導波管スロットアンテナ。
【請求項４】
請求項１記載のスロット付導波管２本を、スロット面が向く向きを互いに反対向きにし、スロットのない側面同士を向い合わせて隣接させた導波管配列と、各導波管へ同相給電する給電装置とを有し、管軸に対し直交する面における指向性が無指向性となることを特徴とする導波管スロットアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は導波管スロットアンテナに用いるスロット付導波管であって、全スロットをほぼ直線状に並べた時にもその偏波面が管軸方向に対して直交する面となるスロット付導波管の構造およびそのスロット付導波管を用いた導波管スロットアンテナの技術分野に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏波面が管軸方と直交するスロット付導波管の用途としては、スロット付導波管を水平に設置した状態で垂直偏波が必要な場合やスロット付導波管を垂直に設置した状態で水平偏波が必要な場合である。
【０００３】
図７は偏波面が管軸方向と直交する従来のスロット付導波管を示す図である。
（ａ）は矩形導波管のＨ面（広壁面）に、管軸方向に２分の１管内波長（λｇ／２）の間隔で交互に中心線を挟むような形で管軸方向に長いスロットが設けられたものである。
管壁を流れる電流の向きは中心線の両側では互いに逆であるから、互いに中心線の反対側にあって管軸方向に管内波長（λｇ）の半分だけ間隔を置いたスロットでの放射電界は同相となる。
【０００４】
また、スロットは壁面電流に直交するように切られているからスロットと直交する方向が電界の方向となる。従って、電界の向きを示す矢印の向きは全スロット同じ向きを向くこととなる。
こうして、各スロットから放射される電界面は管軸方向に直交することとなる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００５】
（ｂ）は、矩形導波管のＥ面（狭壁面）に、管軸方向に１管内波長λｇの間隔で、管軸方向に長いスロットが設けられたものである。従って各スロット位置では同相となり放射電界はスロットに直交するから矢印で示す方向となる。
こうして、各スロットから放射される電界面は管軸方向に直交することとなる。
【非特許文献１】後藤尚久、「図説・アンテナ」、初版、（財）電子情報通信学会、平成７年３月２０日、Ｐ．２９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の各スロット付導波管には、これを導波管スロットアンテナに用いようとする場合次のような問題がある。
まず、図７の（ａ）のスロット付導波管は、スロットが導波管の広壁面に設けられているため、アンテナの開口寸法が大きくなるという点である。
例えばこのスロット付導波管を複数本、スロット面を同じ向きに向けて平行に並べるスロットアレイアンテナ等を構成するときにはこの欠点が顕著に表われる。
【０００７】
また、偏波面が直交する他のＥ面スロット付導波管と組み合わせて円偏波導波管スロットアンテナを構成する場合にも素子間隔が大きくなるという問題がある。
【０００８】
次に図７の（ｂ）のスロット付導波管は、スロットがＥ面に切られているので（ａ）のような寸法の問題はないが、各スロットからの放射位相が同相になるようにするためにスロット間隔が１管内波長間隔となっている。
一方中空導波管にあっては、管内波長λｇは自由空間波長λＯより長いから、スロット間隔は自由空間波λＯより長くなる。
【０００９】
ところがスロットを配列したアンテナ（スロットアレーアンテナ）においてはスロット間隔が自由空間波長になるとグレーティングローブが現われ実用上アンテナとしては用いられなくなるという問題がある。
【００１０】
本発明の課題は、上記従来技術の問題点に鑑みて、スロット面の幅が導波管のＨ面幅よりも小さく且つスロットの間隔がグレーティングローブの現われない間隔で、偏波面が管軸方向と直交するようにしたスロット付導波管およびこのスロット付導波管を用いたアンテナを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するために下記の各構成を有する。
本発明の第１の構成は、断面矩形導波管内のＥ面壁に管軸方向に沿う板状リッジが立設されており、管軸方向での間隔が２分の１管内波長間隔で、リッジが立設されている位置を１つ置きに交互に挟む位置に、管軸方向に長いスロットを有することを特徴とするスロット付導波管である。
【００１２】
本発明の第２の構成は前記第１の構成のスロット付導波管を１又は、スロット面を同じ向きに向けて複数平行に配列した導波管配列と、これらへ電磁波を給電する給電装置と、を有することを特徴とする導波管スロットアンテナである。
【００１３】
本発明の第３の構成は前記第１の構成のスロット付導波管と、一方のＥ面壁に管軸方向に２分の１管内波長間隔で隣り合うスロット同士の傾斜が逆傾斜となっているスロットが設けられたスロット付導波管とをスロット面を同じ向きに向けて平行に並べた導波管配列と、両導波管へ電磁波を９０度の位相差で給電する給電装置とを有し、偏波面が円偏波となることを特徴とする導波管スロットアンテナである。
【００１４】
本発明の第４の構成は前記第１の構成のスロット付導波管２本を、スロット面が向く向きを互いに反対向きにし、スロットのない側面同士を向い合わせて隣接させた導波管配列と、各導波管へ同相給電する給電装置とを有し、管軸に対し直交する面における指向性が無指向性となることを特徴とする導波管スロットアンテナである。
【発明の効果】
【００１５】
第１の構成のスロット付導波管の構造は、断面矩形導波管のＨ面の管軸方向中心線を境にして２つ折りに折り重ねた構造に近い構造をしている。
図６は、矩形導波管をＨ面管幅の管軸方向中心線で２つ折りにした場合の近似構造を示す図である。
（ａ）は矩形導波管の管軸方向断面を示す図である。両側のＥ面には、管軸方向に管内波長λｇ間隔で、管軸方向に長いスロットが左右両側間ではλｇ／２だけずれた状態で設けられている。
（ｂ）は（ａ）の中心を境にして円弧矢印の方へ折り曲げた近似構造である。（ａ）の中心の左右のＨ面が折り重なった部分が（ｂ）のリッジ部分に相当する（長さは短く描かれている）。
（ｃ）は、（ｂ）を右側から見たＥ面（側面）である。（ａ）の説明で述べたように両側のＥ面に管軸方向に管内波長λｇ間隔で、管軸方向に長いスロットが左右両側間でλｇ／２だけずらして設けられているから（ｂ）のように折り畳んで左右のＥ面が同一面に揃うと、（ｃ）のように管軸方向にλｇ／２の間隔でリッジの位置を交互に挟むような配列となる。
【００１６】
一方（ｂ）において電界の向きに着目した場合、管軸方向での同じ位置ではリッジの上側と下側とでは電界の向きが逆になっている。即ち上側の電界と下側の電界は丁度逆相関係にあることになる。従って、任意の１つのスロット位置の電界と、管軸方向にλｇ／２の間隔で、リッジの位置を挟んで反対側にあるスロット位置の電界は同相となる。
従って、その位置の管壁に流れる電流に直交する方向に切られている放射電界の向きは（ｃ）に矢印で示すように同じ方向となる。
従って、（ｃ）に示すようなスロットアレーから放射される電界面は管軸方向に対し直交する面となる。
【００１７】
次に、導波管寸法について述べる。
図６の（ａ）の導波管のＨ面幅はａであるから、この導波管の遮断周波数はＣ／（２ａ）である。但し、Ｃは光速である。
そして、遮断周波数が同じである（ｂ）の構造の導波管を考えるとＡ≒ａ／２となる。即ち、Ｈ面の幅は（ａ）の導波管幅の約半分ということである。
これは、前述のように（ｂ）の構造が（ａ）の構造を二つ折りにしたものであるということに由来する。
【００１８】
次に、Ｅ面の寸法は（ａ）ではｂであるから（ｂ）ではＢ＝２ｂとなる。
今（ａ）の導波管において
ｂ＜ａ／２であれば、
Ｂ＝２ｂ＜ａとなり、
（ｂ）のスロット面幅は（ａ）の広壁面幅よりは小さくなる。
導波管において寸法ａは直接遮断周波数に関わるので、遮断周波数が決定されると自ずとａも定まってしまい、これを実装空間の都合で変えるということはできないが、寸法ｂはそのような制約は全くない。
従って、標準導波管におけるａ対ｂの比率よりｂを小さく設定することは可能である。
【００１９】
以上述べて来たところから、本発明第１の構成のスロット付導波管は、従来の図７の（ａ）のスロット付導波管と遮断周波数を同じとすれば、図６の（ｂ）の様な構造において、Ｈ面の幅をほぼ半分近く（Ａ≒ａ／２）にすることができるとともに、スロット面（Ｅ面）の幅も図７の（ａ）のスロット面（Ｈ面）の幅ａよりも小さくでき、スロット間隔もほぼλｇ／２で同相放射となり、且つグレーティングローブも生ぜず管軸方向に直交する偏波面の放射が可能であるという効果がある。
【００２０】
本発明第２の構成は、第１の構成のスロット付導波管へ給電装置から給電するアンテナ装置であり、スロット付導波管を垂直に立てれば水平偏波が得られ、水平に置くと垂直偏波が得られるというものである。
【００２１】
本発明第３の構成は、第１の構成のスロット付導波管と、管軸を含みスロット面に直交する偏波面を有するスロット付導波管とをスロット面を同じ向きに向けて平行に配置したものであるから両スロット付導波管の偏波面は直交している。そして給電装置からは両導波管へは９０度の位相差をもたせて給電するようになっているので、両スロット付導波管から放射される電界の合成ベクトルは回転することとなりいわゆる円偏波が得られる導波管スロットアンテナが構成されることになる。
【００２２】
本発明第４の構成は、第１の構成のスロット付導波管２本を、スロット面は反対向きでＨ面を向き合わせるように隣接して平行に並べたものであり、この場合、それぞれのスロット列は、その偏波面が管軸方向に直交する平面であり且つその平面内における指向性が無指向性に近い棒状アンテナのようになる。
従って平行する２本のスロット付導波管のスロット列間の間隔を２分の１波長より小さくしていくことにより、上記直交面における指向性が無指向性となる導波管スロットアンテナを構成することができる。このアンテナを垂直に設置する水平偏波で水平面無指向性のアンテナとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明においては、リッジはＥ面の中央ラインに設け、その厚さは製造上可能な限り薄くするのが最良であり、各スロットが直線に近い状態で並ぶ構造が最良である。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明スロット付導波管の斜視図である。
Ｈ面幅とＥ面幅の比は大体１〜２である。リッジ２は右側Ｅ面５の幅の中央線に沿ってＨ面４に平行に設けられている。管内矢印は電気力線を示している。リッジ２の上側空間と下側空間とでは電界の向きが逆になっている。即ち位相が丁度１８０度ずれているのと同じことになる。
従って、リッジ２の一方側スロット３とそれから管軸方向でλｇ／２の距離だけ離れてリッジ２の他方側にあるスロット３とではその位相が同相となる。
その結果、図１に示す間隔、位置で配列されているスロットからの放射電界はすべて同相ということになる。
【００２５】
また、Ｅ面管壁を流れる電流は図では上下方向に流れ、スロット３はこの電流を横切るように設けられているから、その放射電界の方向は各スロット３に直交する方向となる。その結果放射電界の偏波面は管軸方向に直交する面ということになる。
従って、このスロット付導波管１を水平にして用いるアンテナでは垂直偏波となり、垂直にして用いるアンテナでは水平偏波となる。
【００２６】
リッジ２は図では厚みをもって描かれているが厚みは電気的には何ら寄与するところはないので、製造上および強度上許される範囲でできる限り薄い方が望ましい。
またスロット３の位置はできるだけ一直線状に並ぶことが望ましいから、できるだけリッジ２に近付けて設けるのがよい。
【００２７】
方形導波管の場合、Ｈ面幅は遮断周波数を決定付けるものであるから、使用周波数が定まれば、Ｈ面幅は決定されその選択は制約を受けるがＥ面幅はそのような決定的な制約がないので挟める方向への或る程度の自由度があるのでアンテナの小型化の可能性が大きい。
ただ、Ｅ面幅を標準寸法より挟めて行くとインピーダンスが変わるので、インピーダンス変成器を用いる必要があるか等の検討、配慮は必要である。
【００２８】
図２は、本発明のスロット付導波管１を１本又は、スロット面を同じ向きに向けて複数本平行に配列し、給電装置７から各スロット付導波管１へ１例として同相給電するようにした直線偏波導波管スロットアンテナの構成を示す図である。
スロット付導波管１を水平に設置すれば垂直偏波のアンテナとなり、垂直に設置すれば水平偏波のアンテナとなる。
【００２９】
図３は本発明のスロット付導波管と従来のＥ面スロット付導波管を組み合わせた円偏波アンテナの構成を示す図である。
１は本発明のスロット付導波管、６は一方のＥ面壁に管軸方向にλｇ／２間隔で隣り合うスロット同士の傾斜が逆傾斜となっているスロットが設けられた周知のスロット付導波管である。
この２つのスロット付導波管１，６をスロット面を同じ向きに向けて平行に配置し、給電装置８から９０度の位相差で給電するようにした円偏波導波管スロットアンテナ装置である。
【００３０】
スロット付導波管１のスロットからの放射電界は管軸方向に直交する向きであるのに対し、スロット付導波管６の放射電界の向きは管軸方向となっており両電界の向きは直交することとなる。
一方、両スロット付導波管へは給電装置８から９０度の位相差で給電されるようになっているので両電界の合成電界はその向きが回転する円偏波となる。
【００３１】
図４は、本発明のスロット付導波管２本を用いた無指向性アンテナの構成を示す図である。
本発明のスロット付導波管２本を、スロット面が向く向きを互いに反対向きにし、スロットのない側面同士を向い合わせて隣接された導波管配列とし、給電装置７から両スロット付導波管へ同相給電するようにしたものである。このアンテナでは２本のスロット付導波管１それぞれのスロット列は１本の棒状放射導体に近似して考えることができる。
即ち、棒に直交する平面内で無指向性の２本の棒状放射導体が或る間隔で平行して配置されているように考えることができる。
【００３２】
このようなアンテナの棒状方向に直交する面内の合成指向性は無指向性放射素子を間隔ｄで配置した場合の合成指向性として考えることができる。
このような指向性は周知のように数式の計算によって求めることができる。
【００３３】
図５は無指向性の２放射素子を横軸（９０−２７０）の中心の左右に１個ずつ置いて励振した場合の合成放射指向性を示す図である。
素子間の間隔は０．３波長の場合（実線）と０．５波長の場合（点線）が示されている。０．５波長の場合はよく知られたように８字特性となっているのに対し、０．３波長の場合は、９０度と２７０度でのレベルが、０度および１８０度でのレベルに較べて約−５ｄＢとなっているが、全体的にはほぼ円に近い形を示しており無指向性といえるものになっている。
【００３４】
従って、図４のアンテナにおいても、手前側を向いているスロット列と向う側を向いているスロット列との間隔が使用波長の０．３程度であれば図５の実線程度の無指向性が得られることとなる。
今、図４の構成において、本発明のスロット付導波管１が原理的にＨ面の幅の中央で二つ折りにした構造であることを念頭におくと、遮断波長λＣはλＣ＝４Ａとなる。
そして、使用波長は遮断波長より短くなければならないからこれを遮断波長λＣの１．２分の１
即ち、λＰ＝λＣ／１．２に設定したとすれば、
λＣ＝４Ａであるから、
使用波長λＰは、λＰ＝４Ａ／１．２となり、ＡをλＰで表わすとＡ＝０．３λＰとなる。
【００３５】
一方リッジラインの間隔ＣをＡの３分の１程度の０．１λＰに設定すれば、棒状放射導体と見做したスロット列間の間隔Ｂは下記の数式１で表わされる。
【００３６】
【数１】
2008211326.tif 000003
【００３７】
よって、ほぼ使用波長の３分の１となり、図５の実線に近い無指向性が得られることとなる。
【００３８】
図４においては、２本のスロット付導波管は離れた状態で描かれているが、これを密着させた状態で考えると、リッジ２がスロット付導波管１のＥ面幅の中央に立っているところから、Ｃはスロット付導波管１のＥ面幅と等しくなる。
結局スロット付導波管１のＨ面幅ＡとＥ面幅の比は０．３λＰ：０．１λＰ即ち３：１となり、２本のスロット付導波管１が密着した状態ではＨ面幅とＥ面幅の比が３：２となり、妥当な寸法関係と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明スロット付導波管の実施例の斜視図である。
【図２】本発明スロット付導波管を１本又は複数本平行に配列して給電装置から給電する導波管スロットアンテナの構成を示す図である。
【図３】本発明のスロット付導波管と従来のＥ面スロット付導波管を組み合わせた円偏波アンテナの構成を示す図である。
【図４】本発明のスロット付導波管２本を用いた無指向性アンテナの構成を示す図である。
【図５】無指向性の２放射素子を間隔を置いて配置した場合の合成指向性を示す図である。
【図６】矩形導波管をＨ面管幅の管軸方向中心線で２つ折りにした場合の近似構造を示す図である。
【図７】偏波面が管軸方向と直交する従来のスロット付導波管を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  スロット付導波管
２  リッジ
３  スロット
４  Ｈ面
５  Ｅ面
６  スロット付導波管
７  給電装置
８  給電装置
【図１】
2008211326.tif 000004
【図２】
2008211326.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008211326.tif 000009
【図７】
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