(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の送信用スロットと対応した位置に平面パッチアンテナが設けられた複数の送信用進行波アンテナと、これら各進行波アンテナに直交して配置され、複数の受信用スロットと対応した位置に平面パッチアンテナが設けられた複数の受信用進行波アンテナとを備え、複数の前記送信用進行波アンテナの任意の１つに給電して複数の前記送信用スロットを介してマイクロ波を放射させるとともに、複数の前記受信用進行波アンテナを順次切替えて前記受信用スロットを介して反射波を受信することを特徴とするマイクロ波を用いた二次元映像装置用アレイアンテナ。
【請求項２】
前記送信用スロットは前記送信用進行波アンテナに接続された送信機に近い方から遠い方に向けて漸次長くしてあり、前記受信用スロットは前記受信用進行波アンテナに接続した受信機に近い方から遠い方に向けて漸次長くしてあることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波を用いた二次元映像装置用アレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレイアンテナに係り、特に二次元映像を得るのに好適なマイクロ波を用いた二次元映像装置用アレイアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波（例えば２ＧＨｚ〜１００ＧＨｚ）を用いて二次元的な映像を求める場合、およそ次の２通りの方法がある。１つはアンテナ素子を一次元等の次元の低い配置にし、アンテナ素子を機械的に移動させてマイクロ波の送信と受信とを行なって二次元の映像を合成する方法（合成開口法）であり、他の１つは複数の送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とを二次元的に配置し、各送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とを順次切替えて送信と受信とを行ない、各受信アンテナ素子の受信信号に基づいて二次元映像を得る方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前者のアンテナ素子を移動させる方法は、アンテナ素子を機械的に移動させるためにリアルタイム性が問題となるばかりでなく、駆動装置などを必要とするために装置が物理的に大きく、重量化する。
【０００４】
一方、後者は、二次元的に配置したアンテナ素子を電子スイッチなどで切替えてスキャンするようにしているが、各アンテナ素子への給電方法が問題となる。すなわち、アンテナ素子を二次元的に密に配列したアレイアンテナでは、給電ケーブルを交差させることができないために三次元的な配線パターン技術が必要となり、大きな配線スペースを必要とする。また、Ｎ×Ｎ個の送信用アンテナ素子とＮ×Ｎ個の受信用アンテナ素子とを有するアレイアンテナでは、アンテナ素子から特定のアンテナ素子を選択して送信、受信を行なうため、送信用と受信用とのそれぞれにＮ2 個の電子的なスイッチを必要とし、高周波の切替えが技術的に困難であり、またスイッチ回路が高価で製造の歩留りが悪い。
本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされたもので、アンテナ素子の切替えを容易に行なえるようにすることを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係るマイクロ波を用いた二次元映像装置用アレイアンテナは、複数の送信用スロットと対応した位置に平面パッチアンテナが設けられた複数の送信用進行波アンテナと、これら各進行波アンテナに直交して配置され、複数の受信用スロットと対応した位置に平面パッチアンテナが設けられた複数の受信用進行波アンテナとを備え、複数の前記送信用進行波アンテナの任意の１つに給電して複数の前記送信用スロットを介してマイクロ波を放射させるとともに、複数の前記受信用進行波アンテナを順次切替えて前記受信用スロットを介して反射波を受信する構成となっている。送信用進行波アンテナに設けた送信用スロットは送信用進行波アンテナに接続された送信機に近い方から遠い方に向けて漸次長くし、受信用進行波アンテナに設けた受信用スロットは受信用進行波アンテナに接続した受信機に近い方から遠い方に向けて漸次長くすることが望ましい。
【０００６】
【作用】
上記のごとく構成した本発明は、送信用と受信用とのアンテナ素子が例えばそれぞれＮ×Ｎ個からなる場合、Ｎ個の送信用スロットを有する送信用進行波アンテナと、Ｎ個の受信用スロットを有する受信用進行波アンテナとを交差させて配置する。そして、Ｎ個の送信用進行波アンテナの中の任意の１つに給電してＮ個の送信用スロットを介してマイクロ波を放射するとともに、Ｎ個の受信用進行波アンテナを順次切替えてＮ2 個の受信用スロットを介して反射波を受信する。２Ｎ個の切替えスイッチによってＮ2 個の送信用アンテナ素子とＮ2 個の受信用アンテナ素子とを切替えて走査することにより、Ｎ個の送信用進行波アンテナのうち任意の１つと、Ｎ個の受信用進行波アンテナのうちの任意の１つとが交差する点（全部でＮ2 組）でのデータが得られる。従って、配線が容易となるばかりでなく、技術的に製作が難しく、高価で歩留りの悪い高集積度のスイッチ回路を必要とせず、また周辺回路の数を削減できて大幅なコストの低減を図ることができる。しかも、完全に電子的な切替えを行なうことができ、二次元映像装置に用いた場合、極めて短時間に二次元映像を得ることができる。
【０００７】
そして、送信用スロットを送信機に近い方から遠い方に向けて漸次長くし、受信用スロットを受信機の近い方から遠い方に向けて漸次長くすると、送信機から出力された電磁波の送信用進行波アンテナ内での減衰が補われて各スロットから一様な強さの電磁波（送信信号）を放射することができる。また、受信用スロットの長さを受信機に近い方から遠い方に向けて漸次長くすることにより、各受信用スロットから入射した反射波（受信信号）の受信用進行波アンテナ内における減衰が補われて、各受信用スロットの感度を同じにすることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係るマイクロ波を用いた二次元映像装置用アレイアンテナの好ましい実施の形態を、添付図面に従って詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るアレイアンテナの模式図である。図１において、アレイアンテナ１０は、詳細を後述するＮ個の送信用進行波アンテナ１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、……１２ｎ）と、Ｎ個の受信用進行波アンテナ１４（１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、……１４ｎ）とが直交して配設してある。そして、各送信用進行波アンテナ１２は、一端がＳＰＮＴ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｐｏｒｔ  ＮＴｒａｎｓｆｅｒ）切替え器１６に接続してあって、ＳＰＮＴ切替え器１６を介して図示しない送信機に接続され、送信機が出力した送信信号（マイクロ波）１８が入力するようになっている。また、受信用進行波アンテナ１４もＳＰＮＴ切替え器２０に接続してあって、一端がＳＰＮＴ切替え器２０を介して受信機に接続され、受信信号２２を受信機に入力できるようにしてある。そして、各進行波アンテナ１２、１４の他端は、終端抵抗２４を介してアース２６に接続してある。
【０００９】
各送信用進行波アンテナ１２は、送信用アンテナ素子となるＮ個の平面パッチアンテナ２８（２８ａ、２８ｂ、……２８ｎ）を有し、これらのパッチアンテナ２８が導波路３０によって接続された構造となっている。また、受信用進行波アンテナ１４も送信用進行波アンテナ１２と同様に構成してあって、Ｎ個の平面パッチアンテナ３２（３２ａ、３２ｂ、……３２ｎ）と、これらを接続する導波路３４とを有している。従って、アレイアンテナ１０は、Ｎ2 個の送信用アンテナ素子とＮ2 個の受信用アンテナ素子とを有している。
【００１０】
送信用進行波アンテナ１２は、図２に示したように形成してあって、３枚の細長い誘電体板３８、４０、４２を積層して一体化した構造となっている。誘電体板３８は、両側の側面４４に金属メッキが施してあるとともに、下面に接地用の金属メッキが設けてある。そして、誘電体板３８の上面幅方向の中央部には、マイクロ波からなる送信信号１８を伝播させる金属パターン４６が長手方向に沿って設けてある。この金属パターン４６は、送信信号１８の進行方向先端側が終端抵抗２４を介してアース２６に接続される。
【００１１】
一方、誘電体板４０は、両側の側面５０と上面５２とに金属メッキが設けてあって、金属パターン４６とともに導波路３０を形成する。そして、誘電体板４０には、上面５２の金属メッキの一部を除去して形成したＮ個の送信用スロット５４（５４ａ〜５４ｎ）が設けてあり、導波路３０を伝播する送信信号１８の一部を誘電体板４０の上方に導くことができるようにしてある。これらのスロット５４のピッチＬは、導波路３０内での送信信号１８の１波長の長さ、
【数１】
0003969854.tif 000002
に設定してあって、送信信号１８の同じ位相のところが各スロット５４ａ〜５４ｎを通過するようにしてある。なお、数式１において、ｃは真空中における送信信号（マイクロ波）１８の伝播速度であり、ｆは送信信号１８の周波数、ε'は誘電体板の比誘電率である。
【００１２】
誘電体板４２は、両側面５６に金属メッキが施してあるとともに、上面の送信用スロット５４ａ〜５４ｎと対応した位置に、金属メッキからなる平面パッチアンテナ２８ａ〜２８ｎが設けてある。そして、各スロット５４から漏れた送信信号１８は、平面パッチアンテナ２８において共振し、共振波６０として空中に放射され、合成された波面６２を形成する。
【００１３】
誘電体板４０に形成したスロット５４ａ〜５４ｎは、図３に示したように、長さｓが送信機に近い方から遠い方に向けて、すなわち送信信号１８の進行方向に沿って漸次大きくしてあり、各スロット５４から漏れる送信信号１８の強さが等しくなるようにしてある。すなわち、各スロット５４ａ〜５４ｎは、長さｓが送信機に最も近い最初のスロット５４ａの長さをｓ0 としたとき、
【数２】
0003969854.tif 000003
となるように形成してある。ここに、ｍは受信機側からｍ番目のスロットであることを表しており、αは定数であって、実施の形態の場合、実験によって求めている。
【００１４】
なお、アレイアンレナ１０の行に対応する受信用進行波アンテナ素子１４も同様に構成してあって、受信用スロットの長さが受信機に近い方から遠い方に向けて漸次長くしてある。
このように構成したアレイアンテナ１０は、例えば図４に示したような二次元映像装置に用いられる。すなわち、アレイアンテナ１０は、送信用進行波アンテナ１２がＳＰＮＴ切替え器１６を含む給電回路６４を介してマイクロ波回路６６の図示しない送信機に接続され、受信用進行波アンテナ１４がＳＰＮＴ切替え器２０を含む給電回路６８を介してマイクロ波回路６６の図示しない受信機に接続される。また、給電回路６４、６８には、制御回路７０が接続してあって、制御回路７０から切替え制御信号が入力するようになっている。
【００１５】
制御回路７０には、キーボードなどの操作装置７２が接続してあって、操作装置７２を介して制御装置７０に各種の制御命令やデータなどを入力することができるようにしてある。また、制御回路７０は、マイクロ波回路６６に送信信号１８を出力させるためのトリガ信号を入力するとともに、マイクロ波回路６６からの受信信号が入力するようになっている。そして、制御回路７０は、マイクロ波回路６６から受けた受信信号を信号／画像処理器７４に与える。信号／画像処理器７４は、制御回路７０からの信号をフーリエ変換するなどの信号処理、画像処理を行ない、２次元映像のデータを表示装置７６に出力して表示させるする。
【００１６】
このように構成された二次元映像装置は、制御回路７０が送信側の給電回路６４に切替え信号を出力して送信信号１８を入力する送信用進行波アンテナ１２（例えば、進行波アンテナ１２ａ）を選択するとともに、マイクロ波回路６６の送信機にトリガ信号を入力する。送信機は、制御回路７０からのトリガ信号に同期してマイクロ波からなる送信信号１８を給電回路６４に出力する。送信信号１８は、選択された送信用進行波アンテナ１２ａの導波路３０を伝播し、一部が各スロット５４から漏れてパッチアンテナ２８で共振し、共振波６０となって空中に放射されて合成された波面６２を形成する。この波面６２は、物標から反射されてアレイアンテナ１０に戻ってくる。そして、物標からの反射信号は、受信用進行波アンテナ１４ａ〜１４ｎの各パッチアンテナ３２ａ〜３２ｎに入る。
【００１７】
制御回路７０は、マイクロ波回路６６にトリガ信号を与えると受信側の給電回路６８に切替え制御信号を入力し、受信用進行波アンテナ１４ａ〜１４ｎを順次切替えてマイクロ波回路６６の受信機に接続する。これにより、各受信用進行波アンテナ１４ａ〜１４ｎからの受信信号２２がマイクロ波回路６６の受信機を介して制御回路７０に入力し、制御回路７０から信号／画像処理器７４に送出される。そして、制御装置７０は、受信用進行波アンテナ１４ａ〜１４ｎのすべての選択を終了すると、送信側の給電回路６４に切替え制御信号を入力して次の送信用進行波アンテナ１２ｂを選択するとともに、マイクロ波回路６６にトリガ信号を入力して送信信号１８を出力させる。その後、制御回路７０は、再び受信側の給電回路６８に切替え制御信号を入力して受信用進行波アンテナ１４ａ〜１４ｎを順次切替えて反射信号の受信を行なわせる。以下、送信用進行波アンテナ１２ｎによる送信信号１８の放射まで同様のことが繰り返される。そして、信号／映像処理器７４は、これらの受信信号から二次元映像を求めて表示装置７６に表示する。
【００１８】
このような二次元映像装置においては、至近距離の標的点は２個の進行波アンテナ１２、１４の交点とし捕らえられるので、至近距離の物標（物体）は、Ｎ2 個の交点として映像化できる。しかし、遠くの標的点は、図５のＰ1 、Ｐ2 、Ｐ3 、Ｐ4 のような四角形にぼやけるため、別途収束させる手段が必要となる。これには、疑似波動方程式の解を用いた方法があり、信号／映像処理器７４によって疑似波動方程式の解が求められる。
【００１９】
このように、実施の形態においては、Ｎ個の送信用スロット５４とパッチアンテナ２８とを有するＮ個の送信用進行波アンテナと、Ｎ個の受信用スロットとパットアンテナ３２とを有するＮ個の受信用進行波アンテナ１４とを直交させて配置したことにより、１対Ｎのスイッチを２組設けるだけでＮ2 個の二次元データを得ることができる。すなわち、Ｎ2 個のアンテナ素子の組合わせを２Ｎ個のスイッチ回路で制御できる。このため、アンテナ素子の切替えを容易にでき、スイッチ回路の製作が容易となってマイクロ波、特にミリ波領域の二次元リアルタイム映像装置を実現することができる。さらに、マイクロ波、ミリ波の透過能力を利用した不可視情報の可視化が可能となり、霧、雲、プラスチック、布などを透過してこれらの隠れたものを映像化する映像化レーダに利用することができる。そして、船舶用レーダ、航空機用レーダ、その他、通常遮蔽されて見えないところを映像化する装置への応用が可能となる。
【００２０】
また、製造原価の大半を占めるスイッチ回路を従来のＮ2 から２Ｎに激減することができ、アンテナ素子ごとに高価な部品を必要とした従来の装置に比較して二次元映像装置の製作コストを大幅に低下させることができる。そして、実施の形態に係るアレイアンテナ１０を用いたとしても、反射信号を収束させて映像をフォーカスさせるための信号処理、画像処理方法が存在しているため、シャープな映像を得ることができる。
【００２１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、複数の送信用スロットを有する送信用進行波アンテナと、複数の受信用スロットを有する受信用進行波アンテナとを交差させて配置し、複数の送信用進行波アンテナの中の任意の１つに給電して複数の送信用スロットを介して電磁波を放射するとともに、複数の受信用進行波アンテナを順次切替えて受信用スロットを介して反射波を受信するようにしているため、アンテナを切替えるスイッチ回路を大幅に削減することができ、配線が容易となるばかりでなく、技術的に製作が難しく高価で歩留りの悪い高集積度のスイッチ回路を必要とせず、また周辺回路の数を削減できて大幅なコストの低減を図ることができる。しかも、完全に電子的な切替えを行なうことができることにより、二次元映像装置に用いた場合に、リアルタイムで極めて短時間に２次元映像を得ることができる。そして、送信用スロットを送信機に近い方から遠い方に向けて漸次長くし、受信用スロットを受信機の近い方から遠い方に向けて漸次長くすると、送信機から出力された電磁波の送信用進行波アンテナ内での減衰が補われて各スロットから一様な強さの電磁波（送信信号）を放射することができ、また各受信用スロットから入射した反射波の受信用進行波アンテナ内における減衰が補われて、各受信用スロットの感度を同じにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るアレイアンテナの模式図である。
【図２】実施の形態に係る送信用進行波アンテナの分解斜視図である。
【図３】実施の形態に係る送信用進行波アンテナの送信用スロットの形成状態を示す平面図である。
【図４】実施の形態に係るアレイアンテナを用いた二次元映像装置の説明図である。
【図５】実施の形態に係るアレイアンテナに遠くの標的点からの反射されたマイクロ波の到達状態を示す模式図である。
【符号の説明】
１０            アレイアンテナ
１２ａ〜１２ｎ  送信用進行波アンテナ
１４ａ〜１４ｎ  受信用進行波アンテナ
１６、２０      ＳＰＮＴ切替え器
１８            送信信号
２２            受信信号
２８ａ〜２８ｎ  平面パッチアンテナ
３２ａ〜３２ｎ  平面パッチアンテナ
５４ａ〜５４ｎ  送信用スロット
【図１】
0003969854.tif 000004
【図２】
0003969854.tif 000005
【図３】
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【図４】
0003969854.tif 000007
【図５】
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