(57)【要約】【課題】斜め偏波を有し、管軸方向にグレーティングローブを発生せずに、アンテナの整合を図ることを可能にする導波管スロットアレーアンテナ装置を得る。【解決手段】断面形状が矩形の導波管１の狭壁面に、矩形のスロット２を１管内波長の間隔で複数個配置し、導波管１は、隣接するスロット２間で少なくとも２回以上折り曲げられたジグザグ形状を有しており、スロット２の長手方向は、導波管１の管幅方向に対して所定角度だけ傾けてあって、かつ、各々のスロット２は、互いに同一の方向を向いており、導波管１の一端を給電点３とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状が矩形の導波管の狭壁面に、矩形のスロットを１管内波長の間隔で複数個配置し、上記導波管は、隣接する上記スロット間で少なくとも２回以上折り曲げられたジグザグ形状を有しており、上記スロットの長手方向は、上記導波管の管幅方向に対して所定角度だけ傾けてあって、かつ、各々の上記スロットは、互いに同一の方向を向いており、上記導波管の一端を給電点としたことを特徴とする導波管スロットアレーアンテナ装置。
【請求項２】
上記導波管の他端を短絡端としたことを特徴とする請求項１記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
【請求項３】
上記導波管の他端を整合終端としたことを特徴とする請求項１記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
【請求項４】
上記導波管の上記短絡端と上記短絡端に隣接する上記スロットの中心との距離が、１／４管内波長の奇数倍となることを特徴とする請求項２記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
【請求項５】
断面形状が矩形の導波管の狭壁面に、矩形のスロットを１管内波長の間隔で複数個配置し、上記導波管は、隣接する上記スロット間で少なくとも２回以上折り曲げられたジグザグ形状を有しており、上記スロットの長手方向は、上記導波管の管幅方向に対して所定角度だけ傾けてあって、かつ、各々の上記スロットは、互いに同一の方向を向いており、上記導波管の両端を短絡端とし、上記スロットが設けられた上記導波管の背面に、上記導波管と給電用導波管とを結合スロットあるいは結合孔を介して接続したことを特徴とする導波管スロットアレーアンテナ装置。
【請求項６】
上記ジグザグ状の導波管のうち、折れ曲がり部の外側に平坦部を設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
【請求項７】
上記ジグザグ状の導波管のうち、隣接する上記スロットの間の導波管内部に容量性のアイリスを設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
【請求項８】
上記ジグザグ状の導波管のうち、隣接する上記スロットの間の導波管内部に誘導性のアイリスを設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
【請求項９】
上記導波管内の全体あるいはその一部分に誘電体材料を充填したことを特徴とする請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の導波管スロットアレーアンテナ装置。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のうちのいずれか１項記載の導波管スロットアレーアンテナ装置を一つのサブアレーとし、上記サブアレーを複数個配列することでアレーアンテナを構成することを特徴とする導波管スロットアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーダ、通信などの用途に供される導波管スロットアレーアンテナ装置に関し、特に、アンテナの偏波面が導波管の管軸方向および管幅方向に対して斜めに傾斜（以下、斜め偏波と略す）した導波管スロットアレーアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波およびミリ波などの高周波帯でも低損失なアンテナとして、導波管スロットアレーアンテナが挙げられる。
レーダや通信用途において、導波管スロットアレーアンテナを複数列並べて、アレーアンテナを形成し、各々の導波管スロットアレーアンテナに、独立に給電装置および信号処理装置を設けることで、電子的にビームを走査する構成が考えられる。
この場合、ビーム走査範囲をできるだけ広くとるためには、導波管の列間隔をできるだけ狭くすることが必要となる。
この要求に応じる一形態として、導波管の狭壁面にスロットを設けた形式は公知である。
【０００３】
図１２に従来例１の導波管スロットアレーアンテナ装置を示す。
図１２において、導波管１００の狭壁面にスロット２００が形成され、給電点３００から給電され、導波管１００の先端に短絡部４００が設けられる。
なお、短絡部４００の代わりに、終端器を接続してもよい。
便宜上、導波管軸方向をｘ方向、導波管幅方向をｙ方向、電波放射方向をｚ方向とする。
従来例１のアンテナでは、スロット２００は、導波管１００の１／２管内波長間隔で、導波管１００の管幅に対して所定角度だけ傾斜して設置されており、かつ、隣接するスロット２００同士は、互いに逆方向に傾斜したハの字状に並べられている。
本アンテナの偏波面は、導波管の管軸方向（ｘ方向）となる（下記特許文献１参照）。
【０００４】
図１３に従来例２の導波管スロットアレーアンテナ装置を示す。
従来例２は、斜め偏波に適用されるものである。
図１３において、図１２と同様のものについては、同一符号を付して記述を省略する。
従来例２のアンテナでは、スロット５００は、導波管１００の１管内波長間隔で、導波管１００の管幅に対して同一方向に所定角度だけ傾斜して設置されている（下記非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４８００７０５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Sakakibara,他,IEICE trans. commun.vol.E84-B,no.9,pp.2369-2376,2001年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来例１では、アンテナの偏波面が導波管１００の管軸方向に限られてしまうため、斜め偏波が求められるアプリケーションへの適用は不可能となる課題がある。
斜め偏波のアプリケーションの例としては、自動車搭載用レーダなどがある。
【０００８】
従来例２では、斜め偏波の要求は満足するものの、管軸方向のスロットは導波管１００の１管内波長間隔で配置されているので、アンテナを中空導波管で構成する場合、導波管１００の管内波長は自由空間波長よりも長いために、管軸方向のスロット５００間隔が１自由空間波長以上となり、導波管１００の管軸を含む面の放射パターンは、グレーティングローブを生じてしまう。
導波管１００の内部に誘電体を充填し、誘電体の波長短縮効果を利用することで、スロット５００間隔を縮小し、グレーティングローブの発生を回避することが考えられるが、導波管１００の内部に誘電体を隈なく充填することは製造上困難であり、製造コストが増大するといった課題がある。
また、アンテナの整合は、一般にスロットの長さとスロットの設置角度（管軸あるいは管幅からの回転角）の２つのパラメータにより行われるが、用途の関係上偏波面が一定角度に固定されている場合は、アンテナの整合を図ることが困難になるといった課題がある。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、斜め偏波を有し、管軸方向にグレーティングローブを発生せずに、アンテナの整合を図ることを可能にする導波管スロットアレーアンテナ装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の導波管スロットアレーアンテナ装置は、断面形状が矩形の導波管の狭壁面に、矩形のスロットを１管内波長の間隔で複数個配置し、導波管は、隣接するスロット間で少なくとも２回以上折り曲げられたジグザグ形状を有しており、スロットの長手方向は、導波管の管幅方向に対して所定角度だけ傾けてあって、かつ、各々のスロットは、互いに同一の方向を向いており、導波管の一端を給電点としたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、スロットの長手方向は、導波管の管幅方向に対して所定角度だけ傾けてあって、かつ、各々のスロットは、互いに同一の方向を向いているので、斜め偏波を実現することができる。
また、導波管は、隣接するスロット間で少なくとも２回以上折り曲げられたジグザグ形状を有しているので、スロット間隔を狭めることができるようになり、その結果、放射パターンのグレーティングローブを抑圧することができる。
さらに、アンテナの整合を図る設計パラメータのうちの設置角度に関しては、スロットの向きを固定し、一方で導波管の向きを傾斜することによって実現することができる。これにより導波管の給電点における整合を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１による導波管スロットアレーアンテナ装置を示す斜視図である。
【図２】導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図である。
【図３】スロットの詳細を示す拡大図である。
【図４】角度−指向性利得特性を示す特性図である。
【図５】本発明の実施の形態２による導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図である。
【図６】導波管スロットアレーアンテナ装置を示す側面図である。
【図７】本発明の実施の形態３による導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図である。
【図８】本発明の実施の形態３による他の導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図である。
【図９】本発明の実施の形態３による他の導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図である。
【図１０】本発明の実施の形態４による導波管スロットアレーアンテナ装置を示す斜視図である。
【図１１】本発明の実施の形態５による導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図である。
【図１２】従来例１の導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図である。
【図１３】従来例２の導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による導波管スロットアレーアンテナ装置を示す斜視図である。
導波管１は、幅方向の断面形状が矩形に、かつ、狭壁面がジグザグ状となるように成形される。ジグザグ状の導波管１は、隣接するスロット２の間で少なくとも２回以上折り曲げられる。
導波管１の一端には給電点３が設けられ、他端には短絡端４が設けられる。
また、図２は図１の正面図、図３は図２の正面図のうち、スロット２の近傍を拡大した図である。
【００１４】
次に効果について説明する。
図３に示すように、スロット２の近傍において、Ａ−Ａ´を導波管１の管軸方向、Ｂ−Ｂ´を導波管１の管幅方向とすると、スロット２の長手方向Ｃ−Ｃ´は導波管１の管幅方向Ｂ−Ｂ´に対して所定角度αだけ傾斜している。
全てのスロット２が同一方向に傾けてあるので、この構成により、斜め偏波を実現する。
【００１５】
また、スロット２は、ジグザグ状の導波管１の１管内波長間隔で複数個並べられている。アンテナを中空導波管で構成する場合、導波管１の管内波長は自由空間波長より長くなるが、図１および図２のように、導波管１をジグザグ状にすることで、ｘ方向のスロット間隔を狭めることができるようになり、その結果、ｘ方向を含む面の放射パターンのグレーティングローブを抑圧することができる。
これにより、導波管内部に誘電体を充填するといったプロセスを用いる必要がないので、アンテナの製造コストを低く抑えることができるといった利点がある。
【００１６】
さらに、アンテナの整合を図る設計パラメータのうち、設置角度に関してはスロット２の向きを固定し、一方で導波管１の向きを傾斜することによって実現することができる。これにより導波管１の給電点３における整合を図ることが可能となる。
【００１７】
なお、導波管１の先端部分は、短絡端４の他、整合終端など、アンテナの設計要件に応じて任意に選択できる。
特に、先端部分を短絡する場合は、短絡端４と、それに隣接するスロット２の中心の距離が概ね１／４管内波長の奇数倍とすれば、スロット２上を流れる電流を最大にするような定在波が立つ。
これにより、スロット２から空間への放射量が最大となり、高いアンテナ効率を実現することができる。
【００１８】
本実施の形態１の効果を示す例として、放射パターンの計算例を図４に示す。
計算には有限要素法を用いた。図１と同種のアンテナ形状で、素子数をｘ方向に８素子、スロット２の向きを斜め４５度とした場合の例である。
図４には垂直面（ｘｚ面）と水平面（ｙｚ面）の２種類を示し、４５度偏波のパターンである。図より、４５度の斜め偏波を実現し、素子配列方向を含む垂直面放射パターンにグレーティングローブは現れていないことが確認できる。
【００１９】
以上のように、実施の形態１によれば、スロット２の長手方向は導波管１の管幅方向に対して所定角度αだけ傾斜しており、全てのスロット２が同一方向に傾けてあるので、斜め偏波を実現する。
また、導波管１をジグザグ状にすることで、スロット間隔を狭めることができるようになり、その結果、放射パターンのグレーティングローブを抑圧する。
さらに、アンテナの整合を図る設計パラメータのうち、設置角度に関してはスロット２の向きを固定し、一方で導波管１の向きを傾斜することによって実現することができる。これにより導波管１の給電点３における整合を図ることが可能となる。
【００２０】
実施の形態２．
図５は本発明の実施の形態２による導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図、図６は図５の側面図である。上述と同様のものについては、同一符号を付して記述を省略する。
図５および図６に示すように、導波管１の両端には、短絡端４ａ，４ｂが設けられる。
また、スロット２が設けられた導波管１の背面に、給電点１３が設けられる。
この給電点１３は、給電用導波管１４の狭壁面に設けられた結合スロット１５を介して導波管１の背面側（−ｚ方向）から給電用導波管１４が接続される。
【００２１】
このようにアンテナの背面に給電点１３を構成することで、よりコンパクトなアンテナを実現することができる。
なお、図５および図６では、導波管１と給電用導波管１４との接続構造として結合スロット１５を用いたが、矩形開口などの結合孔で接続してもよい。
また、図５および図６では、給電用導波管１４の狭壁面に結合スロット１５を設けたが、給電用導波管１４の広壁面に結合スロット１５を設けてもよい。
【００２２】
さらに、図５および図６では、結合スロット１５から見て左右のスロット数が共に４個で同数となっているが、左右の放射用スロットの数は必ずしも同一である必要はなく、異なっていてもよい。
また、結合スロット１５の位置は、導波管１の必ずしも中央でなくてもよい。
【００２３】
以上のように、実施の形態２によれば、導波管１の両端に短絡端４ａ，４ｂを設け、スロット２が設けられた導波管１の背面に給電点１３を設けた構成であっても、実施の形態１と同様な効果が得られる。
【００２４】
実施の形態３．
図７は本発明の実施の形態３による導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図である。上述と同様のものについては、同一符号を付して記述を省略する。
図７に示すように、ジグザグ状の導波管１の折れ曲がり部２１における外側のコーナー部２２をカットし、平坦部２３を設ける。
【００２５】
実施の形態１のジグザグ状の導波管１では、導波管１の折れ曲がり部２１が不連続形状であるため、この不連続部で反射波が生じてしまう可能性がある。
そこで、本実施の形態３では、導波管１の外側に対してコーナー部２２の先端が平坦部２３となるようにカットすることによって、反射波を抑圧する。
【００２６】
この他、図８および図９に示すように、スロット２の間の導波管１の内部に、容量性アイリス２４および誘導性アイリス２５を設けても良い。
これらのアイリス構造を用いることで、上述の不連続における反射波を抑圧することができる。
【００２７】
以上のように、実施の形態３によれば、実施の形態１の効果に加えて、平坦部２３、容量性アイリス２４または誘導性アイリス２５を設けることで、導波管１の折れ曲がり部２１の不連続における反射波を抑圧することができる。
【００２８】
実施の形態４．
図１０は本発明の実施の形態４による導波管スロットアレーアンテナ装置を示す斜視図である。上述と同様のものについては、同一符号を付して記述を省略する。
図１０に示すように、導波管１の内部に誘電体３１を充填する。
【００２９】
実施の形態１から実施の形態３では、ジグザグ状の導波管１の内部の材料構成について、中空構造を前提として説明を行った。
これに対して、図１０に示すように、導波管１の内部の全体、または一部分に誘電体３１を充填してもよい。
導波管１の内部に誘電体３１を充填することで、誘電体材料が持つ比誘電率に応じて導波管１の管内波長を短縮する効果が得られる。
これにより、スロット２の素子間隔を調整することができ、アレーアンテナの設計の自由度を増すことができる。
【００３０】
以上のように、実施の形態４によれば、実施の形態１の効果に加えて、導波管１の内部に誘電体３１を充填することで、スロット２の素子間隔を調整することができ、アレーアンテナの設計の自由度を増すことができる。
【００３１】
実施の形態５．
図１１は本発明の実施の形態５による導波管スロットアレーアンテナ装置を示す正面図である。上述と同様のものについては、同一符号を付して記述を省略する。
図１１に示すように、実施の形態１から実施の形態４に示した導波管スロットアレーアンテナを一つのサブアレーとし、そのサブアレーを複数個配列することでアレーアンテナを構成する。
【００３２】
アレーアンテナの給電方法としては、各々の導波管スロットアレーアンテナに独立に給電点３を設けて、別途用意する給電装置と接続する。
これにより、各々の導波管スロットアレーアンテナが一つのチャネルを構成し、各チャネルを同相で励振する、あるいは、チャネル間に位相差を設定して励振することで、アレーアンテナの主ビーム方向をｙｚ面内の任意の角度に走査したアレーアンテナを実現することができる。
また、本アレーアンテナを受信装置に用いた場合は、各々のチャネルが受信する電波の位相差を調べることで、到来角度を推定することができる。
【００３３】
さらに、アレーアンテナの構成として、導波管１の分岐構造、例えば、Ｅ面Ｔ分岐構造などを用いることにより、図１１の各々の給電点のいくつか、あるいは全てをまとめるようにしてもよい。
【００３４】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  導波管、２  スロット、３，１３  給電点、４，４ａ，４ｂ  短絡端、１４  給電用導波管、１５  結合スロット、２１  折れ曲がり部、２２  コーナー部、２３  平坦部、３１  誘電体。
【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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