(57)【要約】【課題】レンズを使用することなく電波を集光可能なアレーアンテナを提供する。【解決手段】アレーアンテナ１００は、ＲＦ信号の給電端子３０から複数のアンテナ素子１０までの給電線２０の長さが、Ｘ軸上の位置が同じＹ軸と平行なＹ軸列アレーアンテナ４０のアンテナ素子１０間では等しく、Ｘ軸上の位置が異なるアンテナ素子１０間では異なる構成を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体のＸＹ平面内に行列状に配置された複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子にＲＦ信号を給電する給電路と、を備え、
前記ＲＦ信号の給電端から前記複数のアンテナ素子までの給電路長が、Ｘ軸上の位置が同じＹ軸と平行なＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子間では等しく、Ｘ軸上の位置が異なるアンテナ素子間では異なることを特徴とするアレーアンテナ。
【請求項２】
前記給電路は、
前記給電端から２分岐され前記ＸＹ平面内の中心から最も遠いＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子群に前記ＲＦ信号を給電するとともに、前記２分岐の後に更に分岐され前記中心に１列だけ近いＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子群に前記ＲＦ信号を給電することを前記中心に最も近いＹ軸列アレーアンテナまで繰り返すことを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。
【請求項３】
前記給電路は、
前記Ｙ軸列アレーアンテナのアンテナ素子群に対してトーナメントツリー状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアレーアンテナ。
【請求項４】
前記給電端から、前記ＸＹ平面内の中心からｉ番目（ｉは整数）のＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子までと、前記中心からｉ＋１番目のＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子までとの給電路長差は、
｛√（ｂ２＋ａ２（ｉ＋１／２）２）−√（ｂ２＋ａ２（ｉ−１／２）２）｝（ａは前記アンテナ素子の間隔、ｂは前記アンテナ素子の配置面から測定対象までの直線最短距離）であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアレーアンテナ。
【請求項５】
前記給電路は、中空導波管であり、
前記複数のアンテナ素子は、それぞれ、前記中空導波管の終端部からの前記ＲＦ信号で励振される行列状に配置された４つのスロットアンテナであって、
Ｙ軸上の位置が同じ複数のスロットアンテナの前面に線状の導電体が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアレーアンテナ。
【請求項６】
前記複数のアンテナ素子は、
前記ＲＦ信号に基づきミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電波を放射することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波を集光する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、食品への異物混入検査やセキュリティ確保の用途等で、高解像度の非破壊検査に向けたミリ波又はテラヘルツ波を用いたイメージング装置又はイメージングシステムが開発されている。例えば、テラヘルツ波帯の電波を使用した食品検査装置等が報告されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Dongjin KIM、外７名、“Design and Measurement of the Plate Laminated Waveguide Slot Array Antenna and Its Feasibility for Wireless Link System in the 120 GHz Band”、IEICE Transactions on Communications、vol.E96-B、no.9、2013年8月、p.2102-p.2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、高解像度のイメージング画像を取得するには、アンテナ素子から放射された電波をレンズで集光する必要があり、アンテナ素子と集光レンズとの間の焦点距離を確保しなければならないため、装置が大型化してしまい、かつ、レンズの使用により装置のコストが上昇するという課題があった。
【０００５】
また、アンテナ部分については、複数のアンテナ素子を基板の平面内に行列状に配置したアレーアンテナが開発されている（非特許文献１）。このアレーアンテナは、図８に示すように、Ｈツリー構造を用いて給電端子３０から各アンテナ素子１０までの給電線２０の長さを等しくすることにより、各アンテナ素子１０から放射される電波のコリメートを実現している。しかし、アンテナ素子から放射された電波を直接集光する方法は提案されていない。
【０００６】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、レンズを使用することなく電波を集光可能なアレー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】
【０００７】
以上の課題を解決するため、請求項１に係るアレーアンテナは、基体のＸＹ平面内に行列状に配置された複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子にＲＦ信号を給電する給電路と、を備え、前記ＲＦ信号の給電端から前記複数のアンテナ素子までの給電路長が、Ｘ軸上の位置が同じＹ軸と平行なＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子間では等しく、Ｘ軸上の位置が異なるアンテナ素子間では異なることを要旨とする。
【０００８】
請求項２に係るアレーアンテナは、請求項１に記載のアレーアンテナにおいて、前記給電路は、前記給電端から２分岐され前記ＸＹ平面内の中心から最も遠いＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子群に前記ＲＦ信号を給電するとともに、前記２分岐の後に更に分岐され前記中心に１列だけ近いＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子群に前記ＲＦ信号を給電することを前記中心に最も近いＹ軸列アレーアンテナまで繰り返すことを要旨とする。
【０００９】
請求項３に係るアレーアンテナは、請求項１又は２に記載のアレーアンテナにおいて、前記給電路は、前記Ｙ軸列アレーアンテナのアンテナ素子群に対してトーナメントツリー状に形成されていることを要旨とする。
【００１０】
請求項４に係るアレーアンテナは、請求項１乃至３のいずれかに記載のアレーアンテナにおいて、前記給電端から、前記ＸＹ平面内の中心からｉ番目（ｉは整数）のＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子までと、前記中心からｉ＋１番目のＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子までとの給電路長差は、｛√（ｂ２＋ａ２（ｉ＋１／２）２）−√（ｂ２＋ａ２（ｉ−１／２）２）｝（ａは前記アンテナ素子の間隔、ｂは前記アンテナ素子の配置面から測定対象までの直線最短距離）であることを要旨とする。
【００１１】
請求項５に係るアレーアンテナは、請求項１乃至３のいずれかに記載のアレーアンテナにおいて、前記給電路は、中空導波管であり、前記複数のアンテナ素子は、それぞれ、前記中空導波管の終端部からの前記ＲＦ信号で励振される行列状に配置された４つのスロットアンテナであって、Ｙ軸上の位置が同じ複数のスロットアンテナの前面に線状の導電体が設けられていることを要旨とする。
【００１２】
請求項６に係るアレーアンテナは、請求項１乃至５のいずれかに記載のアレーアンテナにおいて、前記複数のアンテナ素子は、前記ＲＦ信号に基づきミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電波を放射することを要旨とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レンズを使用することなく電波を集光可能なアレーアンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態に係るアレーアンテナの構成を示す図である。
【図２】直列給電型のアレーアンテナの構成を示す図である。
【図３】図１に示したアレーアンテナの側面図である。
【図４】アレーアンテナの適用例を示す図である。
【図５】第２の実施の形態に係るスロットアンテナの構造を示す図である。
【図６】スロットアンテナの位相測定結果を示す図である。
【図７】第２の実施の形態に係るアレーアンテナの構成を示す図である。
【図８】従来のアレーアンテナ（給電線の従来形状）の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１６】
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態に係るアレーアンテナ１００の構成を示す図である。このアレーアンテナ１００は、基板表面のＸＹ平面内に一定間隔で行列状に配置（２次元配列）された複数のアンテナ素子１０と、複数のアンテナ素子１０にＲＦ信号を給電する給電線２０と、を備えて構成される。基板とは、薄型の平板状の基体の例である。
【００１７】
給電線２０は、１つの給電端子３０から入力されたＲＦ信号を複数のアンテナ素子１０にそれぞれ給電し、複数のアンテナ素子１０は、給電線２０から給電されたＲＦ信号に基づきミリ波帯又はテラヘルツ波帯の電波ビームをＺ軸の１次元方向に放射して集光する。なお、給電端子３０は、ＸＹ平面内の中心Ｏ（複数のアンテナ素子１０の全体の中央）を通るＹ軸上に設けられている。
【００１８】
図１に示すように、本実施の形態では、Ｘ軸上の位置（Ｘ座標）が同じ位置に配置された１次元のＹ軸列アレーアンテナ４０において、そのＹ軸列アレーアンテナ４０への給電線２０（内部給電線２０’）がトーナメント型ツリー構造を用いて構成される。すなわち、内部給電線２０’は、Ｙ軸列アレーアンテナ４０のアンテナ素子群に対してトーナメントツリー状に形成される。これにより、複数のアンテナ素子１０には、互いに同相のＲＦ信号が入力されることになる。
【００１９】
また、複数のＹ軸列アレーアンテナ４０への給電線２０は、給電端子３０から２分岐され、中心Ｏから最も遠いＹ軸列アレーアンテナ４０ａ，４０ｄのアンテナ素子群にＲＦ信号を給電するとともに、その２分岐の後に更に分岐され、中心Ｏに１列だけ近いＹ軸列アレーアンテナ４０ｂ，４０ｃのアンテナ素子群にＲＦ信号を給電する。図１では４×４のアンテナ素子群を例示しているが、例えば、８×８、１６×１６等の場合も考えられる。その場合、給電端子３０から２分岐の後に更に分岐され、中心Ｏに１列だけ近いＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子群にＲＦ信号を給電することを、中心Ｏに最も近いＹ軸列アレーアンテナのアンテナ素子群に給電するまで繰り返す。
【００２０】
この結果、本実施の形態では、給電端子３０から複数のアンテナ素子１０までの給電線２０の長さが、Ｘ軸上の位置が等しいＹ軸と平行なＹ軸列アレーアンテナ４０のアンテナ素子間では等しく、Ｘ軸上の位置が異なるアンテナ素子間では異なることになる。具体的には、例えば、Ｙ軸列アレーアンテナ４０ａにおいて、給電端子３０からアンテナ素子１０ａまでの給電線長と、給電端子３０からアンテナ素子１０ｂまでの給電線長とは等しくなる。一方、給電端子３０からＹ軸列アレーアンテナ４０ｂのアンテナ素子１０ｃまでの給電線長は、給電端子３０からＹ軸列アレーアンテナ４０ａのアンテナ素子１０ａまでの給電線長よりもΔＣ分だけ長くなる。
【００２１】
すなわち、隣接するＹ軸列アレーアンテナ４０間でアンテナ素子１０までの給電線２０の長さが異なるので、複数のアンテナ素子１０から放射された電波を一定の位置に集光することができる。例えば、中心ＯのＺ軸方向に位置する小さな測定対象に対して集光した電波を放射することができる。
【００２２】
また、Ｙ軸列アレーアンテナ４０内のアンテナ素子１０までの給電線２０の長さが等しく、そのアンテナ素子１０に対して並列給電を行う構造を備えるので、広帯域な電波特性を得ることができる。これに対し、図２に示す直列給電の場合には、アレーアンテナ１００が大規模化した際にアンテナが狭帯域となり、広帯域な電波特性を得ることはできない。
【００２３】
続いて、図３を参照しながら、隣接するＹ軸列アレーアンテナ４０間の給電線長差ΔＣの導出方法について説明する。図３は、図１の側面図であり、Ｙ軸列アレーアンテナ４０の数をｎ個（ｎは自然数）に変更している。
【００２４】
図３に示すように、中心Ｏからｉ番目（ｉは整数）のＹ軸列アレーアンテナ４０（ｉ）と、中心からｉ＋１番目のＹ軸列アレーアンテナ４０（ｉ＋１）とにおいて、給電端子３０からＹ軸列アレーアンテナ４０（ｉ）のアンテナ素子１０（ｉ）までと、給電端子３０からＹ軸列アレーアンテナ４０（ｉ＋１）のアンテナ素子１０（ｉ＋１）までとの給電線長差ΔＣは、各アンテナ素子（１０（ｉ），１０（ｉ＋１））と集光する点（測定対象３００）との距離差と等しくする必要がある。
【００２５】
各アンテナ素子１０がａの間隔で配置されると、中心Ｏからｉ番目のＹ軸列アレーアンテナ４０（ｉ）のアンテナ素子１０（ｉ）と、中心Ｏからｉ＋１番目のＹ軸列アレーアンテナ４０（ｉ＋１）のアンテナ素子１０（ｉ＋１）と、集光する点との距離差ΔＬは、下記の式（１）で表される。
【００２６】
【数１】
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ｂは、アンテナ素子の配置面から集光する点までの直線最短距離である。図３の場合、中心Ｏから測定対象３００までの距離である。
【００２７】
したがい、隣接するＹ軸列アレーアンテナ４０間の給電線長差ΔＣも式（１）で表されることになり、式（１）を用いて給電線長差ΔＣを算出する。
【００２８】
以上より、本実施の形態によれば、ＲＦ信号の給電端子３０から複数のアンテナ素子１０までの給電線２０の長さが、Ｘ軸上の位置が同じＹ軸と平行なＹ軸列アレーアンテナ４０のアンテナ素子１０間では等しく、Ｘ軸上の位置が異なるアンテナ素子１０間では異なるので、複数のアンテナ素子１０からの放射された電波を集光することができ、かつ、アンテナの広帯域性を確保することができる。集光レンズが不要であることから、電波を集光可能な薄型の平面アレーアンテナを提供することができる。さらに、簡単な構成で小型な高分解能のミリ波帯又はテラヘルツ波帯の非破壊イメージングシステムに応用することができる。例えば図４に示すように、ベルトコンベア２００の上に置かれた食品等の測定対象３００をラインスキャナするための用途に適用することができる。
【００２９】
＜第２の実施の形態＞
第１の実施の形態では、ＲＦ信号の給電路として給電線２０を用いた場合について説明した。一方、１００ＧＨｚを超える周波数帯では、アレーアンテナ１００が大規模化する場合、給電線２０での損失が大きな課題となる。この課題を解決する手法として、上述した非特許文献１では、各アンテナ素子への給電を中空導波管で行う構造のアレーアンテナが検討されている。
【００３０】
しかし、中空導波管でＲＦ信号を給電する場合、中空導波管のカットオフ周波数及び中空導波管を仕切る壁の厚み等から、アンテナ素子をλ以下の間隔で配置することが困難である。ゆえに、上述した非特許文献１では、中空導波管を約１．７λ間隔で配置し、図５に示すように、行列状に配置された４つのスロットアンテナ５０を１つの中空導波管の終端部６０から励振する構造とすることにより、アンテナ素子１０に対応するスロットアンテナ５０の間隔を０．８λ程度まで短縮している。なお、図５に示す構造及び機能については非特許文献１に詳述されており、ここでの説明は省略する。
【００３１】
そこで、本実施の形態においても、給電線２０に代えて中空導波管を用いてアレーアンテナ１００を形成する。また、アンテナ素子１０に対応するアンテナとして、中空導波管の終端部６０からのＲＦ信号で励振される行列状に配置された４つのスロットアンテナ５０を用いる。しかし、このようにアレーアンテナ１００の構成を変更した場合、図６の上側に示すように、Ｘ軸方向に隣接する２つのスロットアンテナは同位相で励振されるため、サイドローブが大きくなるなどの課題が生じる。
【００３２】
そこで、本実施の形態では、図７に示すように、Ｙ軸上の位置（Ｙ座標）が同じ複数のスロットアンテナ５０の前面に導電性のワイヤ７０を設ける。つまり、１つのワイヤ７０がＸ軸方向に並ぶ複数のスロットアンテナ５０の上に張られるので、Ｘ軸方向で隣接するスロットアンテナ５０間の位相差を等しくすることができる。この結果、図６の下側に示すように、サイドローブの発生を抑制したアンテナパタンを実現することができる。なお、導電性のワイヤ７０は、線状の導電体の例である。また、図７の８０は中空導波管である。
【００３３】
以上より、本実施の形態によれば、給電線２０に代えて中空導波管８０を用い、アンテナ素子１０としてスロットアンテナ５０を用いたアレーアンテナ１００において、Ｙ軸上の位置が同じ複数のスロットアンテナ５０の前面に導電性のワイヤ７０を設けるので、サイドローブの発生を抑制したアンテナパタンを実現することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１００…アレーアンテナ
１０…アンテナ素子
２０…給電線
２０’…内部給電線
３０…給電端子
４０…Ｙ軸列アレーアンテナ
５０…スロットアンテナ
６０…中空導波管の終端部
７０…ワイヤ
８０…中空導波管
２００…ベルトコンベア
３００…測定対象
【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】
2017220700.tif 000009
【図７】
2017220700.tif 000010
【図８】
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