JP5437740B2 - アレイアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、アレイアンテナに関する。特に、複数のアンテナユニットを並列に配置して全体として大型の平面アンテナとするアレイアンテナに関する。

導波管スロットアレイアンテナが知られている。
図7は、従来の導波管スロットアレイアンテナの斜視図である。図8は、従来の導波管スロットアレイアンテナを平面視した図である。
従来の導波管スロットアレイアンテナ10は、図7に示すように、複数の放射導波管20と、給電導波管30と、を備える。
放射導波管20は、複数設けられ、互いに平行に配列されている。放射導波管20は、その表側壁面において、導波管軸方向に沿って設けられた複数の放射スロット21を有する。これら放射導波管20によって電波放射部が構成されている。

給電導波管30は、放射導波管20の裏側に配置されている。
給電導波管30は、平面視において、放射導波管20の軸方向長さの略中央に取り付けされている。給電導波管30と放射導波管20とは、給電用スロット31によって結合されている。

給電導波管30の終端には、金属板（電気壁）32が設けられており、給電導波管30の終端は短絡されている。
給電導波管30には、その中央部分から電力が供給され、TEモードの管内波が存在するように波長（周波数）が調整されている。
そして、給電用スロット31は、管内波の磁界ループ33同士の境目にあたる位置（電界の山にあたる位置）に配置されている。
このとき、給電用スロット31は、磁界33の方向性を考慮して、磁界方向に沿うように給電導波管30の軸線に対してプラスまたはマイナス方向に45度の角度をもつように形成されている。

このような構成において、給電導波管30に給電されると、給電用スロット31から各放射導波管内の放射導波路へ電力が進行する。そして、各放射導波管内の放射導波路を伝搬したのち、各放射スロット21から電波が放射される。

なお、このような二層構造のアレイアンテナは、例えば特開平7-154135号公報に開示されている。

特開平7-154135号公報

上記に説明したように給電用スロット31を磁界ループ33同士の境目に配置した場合、最も端にある放射導波管20からはみ出した位置に給電導波管30の終端32が位置することになる。
具体的には、給電導波管30の終端は、一番端の給電スロット31から2分の1管内波長（＝λg／2）の位置になる。
ここで、広帯域化のためには図9のように複数のアンテナユニットを並列に配列して大面積のアンテナを構成する必要がある。
しかし、複数のアンテナユニットを並列に配列しようとすると、給電導波管30の終端同士が放射導波管20からはみ出した状態で向かい合わせになってしまう。すると、アンテナの内部に放射スロット21が無い領域34が大きくできてしまう。このような放射スロットの空白領域ができてしまうと、サイドローブが上昇するなど、アンテナ性能が劣化するという問題が生じる。

本発明のアレイアンテナは、複数のアンテナユニットを並列に配置して組み合わせたアレイアンテナであって、
各アンテナユニットは、
管軸方向に複数の放射スロットを有する複数の放射導波路が互いに平行に配列されて構成される電波放射部と、
前記電波放射部の背面に配置されているとともに前記各放射導波路と給電スロットによって結合され、前記各放射導波路に給電する給電導波管と、を有し、
互いに隣接するアンテナユニット同士の給電導波管は、連続的につながっている
ことを特徴とする。

本発明では、
互いに隣接するアンテナユニット同士の給電導波管が繋がる位置は、端の給電スロットから管内波長の4分の1のところにある
ことが好ましい。

本発明では、
互いに隣接するアンテナユニットのそれぞれの給電導波管には同位相で給電される
ことが好ましい。
また、本発明では、
互いに隣接するアンテナユニットのそれぞれの給電導波管には同振幅かつ同位相で給電される
ことが好ましい。

第1実施形態のアレイアンテナを平面視した図。 アレイアンテナの斜視図。 第1アンテナユニットと第2アンテナユニットとの結合部を拡大して示す図。 第1アンテナユニットの第1給電導波管内に存在する管内波の様子と、第2アンテナユニットの第2給電導波管内に存在する管内波の様子と、を示す図。 第1給電導波管内の磁界の様子を拡大して示す図。 変形例1を示す図。 従来の導波管スロットアレイアンテナの斜視図。 従来の導波管スロットアレイアンテナを平面視した図。 従来技術において、複数のアンテナユニットを並列に配列して大面積のアンテナを構成した図。

本発明の実施の形態を図示するとともに図中の各要素に付した符号を参照して説明する。
（第1実施形態）
本発明の導波管スロットアレイアンテナに係る第1実施形態について説明する。
図1は、第1実施形態のスロットアレイアンテナ900を平面視した図である。
図2は、アレイアンテナ900の斜視図である。
図1において、スロットアレイアンテナ900は、並列に配置された二つのアンテナユニット100、200を有する。
図1中の左側のアンテナユニットを第1アンテナユニット100とし、右側のアンテナユニットを第2アンテナユニット200とする。
第1アンテナユニットは、４本の放射導波管120と、第1給電導波管130と、を有し、第2アンテナユニット200は、4本の放射導波管220と、第2給電導波管230と、を有する。

ここで、図1、図2に示されるように、従来技術との差異は、二つのアンテナユニット100、200の結合部分において、給電導波管130、230が連続して繋がっている点にある。
すなわち、第1アンテナユニットの第1給電導波管130と第2アンテナユニット200の第2給電導波管230とは一連に繋がっている。
このように、給電導波管130、230の終端を金属板で短絡せずに、隣り合うアンテナユニット同士で給電導波管130、230を一連に繋げた構造にする。
これにより、アンテナユニット同士を結合する部分にスロットの空白地帯が無くなる。

図3を参照して、アンテナユニット同士を結合構造にする際の各要素の位置関係を説明する。
図3は、第1アンテナユニット100と第2アンテナユニット200との結合部300を拡大して示す図である。
図3に示すように、第1アンテナユニット100において、一番端の給電スロット131から結合部300までは管内波長の4分の1（＝λg／4）である。同じように、第2アンテナユニット200において、一番端の給電スロット231から結合部300までは管内波長の4分の1（＝λg／4）である。

なお、第1給電導波管130において、結合されない方の終端は金属板132によって短絡されている。同様に、第2給電導波管230において、結合されない方の終端は金属板232によって短絡されている。金属板132、232は、端の給電スロットから管内波長の2分の1の位置である（図4参照）。

次に、図1に戻って、第1アンテナユニット100と第2アンテナユニット200とへの給電について説明する。
第1アンテナユニット100の第1給電導波管130および第2アンテナユニット200の第2給電導波管230は、それぞれその管軸方向の中央部で接続導波管410とT字型に接続されている。接続導波管410は、共通導波管420の一端と他端とにそれぞれ接続されており、共通導波管420の中央部が電力供給源に繋がっている。そして、電力供給源から給電すると、第1アンテナユニット100の第1給電導波管130と第2アンテナユニット200の第2給電導波管230とには、同振幅かつ同位相で供給される。

次に、本実施形態の作用について説明する。
従来は、金属板によって給電導波管の終端を短絡していたが、本実施形態では給電導波管の終端を開放して、隣のアンテナユニットの給電導波管に連続する構造としている。
そして、第1アンテナユニット100の第1給電導波管130と第2アンテナユニット200の第2給電導波管230とには、同振幅かつ同位相で給電するようにしている。

図4は、第1アンテナユニット100の第1給電導波管130内に存在する管内波の様子と、第2アンテナユニット200の第2給電導波管230内に存在する管内波の様子と、を示す図である。
図4に示されるように、結合部分において、第1給電導波管130内の磁界ループ133と第2給電導波管230内の磁界ループ233とがつながった管内波が存在できる。

図5は、第1給電導波管130内の磁界の様子を拡大して示す図である。
第1給電導波管130の終端において第1給電導波管内の磁界133が第2給電導波管内の磁界233と結合して磁界の閉ループができるようになる。
これを第1給電導波管130の管内波に注目して解釈すると、第1給電導波管130の終端部分において、第1給電導波管130の磁界133が管軸に平行に反射されたのと同じになる。すなわち、第1給電導波管130の終端に磁気壁310を導入したのと等価の作用が得られる。
これにより、第1給電導波管130の内部は、従来技術のときに金属壁（電気壁）で終端していたときと同じように、TEモードで共鳴する管内波が安定に存在できることになる。
第2給電導波管内の電力（電磁波）についても同じように、終端に磁気壁を導入したのと等価の作用が得られ、管内波が安定に存在できることになる。
したがって、減衰や反射を生じることなく給電導波管130、230に電力を給電することができ、この電力を放射導波管の放射スロットから放射できる。

また、結合部分300の磁気壁310は、一番端の給電スロットからλg／4の位置である。
したがって、第1アンテナユニット100と第2アンテナユニット200とが結合する部分において、給電導波管130、230の終端が放射導波管120、220からはみ出る長さは従来技術に比べて格段に短くなる。
これにより、放射スロットの空白地帯をほぼなくすことができる。したがって、放射電波のサイドローブを抑制して、指向性がよく十分に望ましい励振を実現できる。

（変形例1）
上記第1実施形態では、二つのアンテナユニットを結合させる場合を例示したが、たとえば、図6に示すように3つ以上のアンテナユニットを並列して結合させてもよいことはもちろんである。
図6において、左側から順に、アンテナユニット510、アンテナユニット520、アンテナユニット530、アンテナユニット540、とする。
アンテナユニット520に注目すると、左側にアンテナユニット510が配置され、右側にはアンテナユニット530が配置されている。
この場合、アンテナユニット520の給電導波管は、その両端が開放され、それぞれアンテナユニット510の給電導波管とアンテナユニット530の給電導波管とに結合されている。
結合によって導入される磁気壁は、上記第1実施形態と同様に端の給電スロットからλg／4の位置であり、アンテナユニット同士の結合部分において無駄なすき間は少なくできる。
このような構成においても、各アンテナユニットの給電導波管には安定した定在波を給電し、より広いアンテナ面から強度の強い電波を放射することができる。

従来の二層構造のアンテナユニット（図7）を複数並列に配置した場合、給電導波管が放射導波管から飛び出す部分が大きかったので隙間が多くできてしまっていた。そのため、アンテナユニットを複数並べて配置することによる効果を効率的に得ることができなかった。
この点、本発明では、アンテナユニットを複数並べて配置した場合、アンテナ面を大きくとれ、かつ、無駄なすき間が生じない。
これにより、複数のアンテナユニットを複数並べた効果を非常に効率的に得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
結合されたアンテナユニットの各給電導波管には、同じ給電源から同振幅かつ同位相で給電する場合を例に説明したが、必ずしも同じ給電源から給電する必要はなく、同振幅かつ同位相で給電されていればよい。
また、振幅については多少差をつけて傾斜給電するようにしてもよく、このような給電電力の配分は適宜設計変更できる。
また、給電導波管の軸線に対してプラスまたはマイナス45度の角度をもつように給電用スロットを設ける場合を例示したが、給電スロットの角度は特に限定されるものではない。給電スロットを給電導波管の軸線に対してプラスまたはマイナス方向に傾ける角度によって結合量を調整することができ、このような角度は適宜設計変更されるものである。

10…アンテナユニット、20…放射導波管、21…放射スロット、30…給電導波管、32…終端、33…磁界ループ、100…アンテナユニット、120…放射導波管、121…放射スロット、130…給電導波管、131…給電スロット、132…金属板、133…磁界、200…アンテナユニット、220…放射導波管、230…給電導波管、231…給電スロット、232…金属板、233…磁界、300…結合部、310…磁気壁、410…接続導波管、420…共通導波管、510…アンテナユニット、520…アンテナユニット、530…アンテナユニット、540…アンテナユニット、900…アレイアンテナ。

Claims (1)

1. 管軸方向に複数の放射スロットを有する複数の第１の放射導波管が互いに平行に配列されて構成される第１の電波放射部と、
   第１の給電口を有し、前記第１の電波放射部の背面に配置されているとともに各前記第１の放射導波管と第１の給電スロットによって結合され、前記第１の給電口より入力された管内波を前記第１の給電スロットを通じて各前記第１の放射導波管に給電する第１の給電導波管と、を備える第１のアンテナユニットと、
   管軸方向に複数の放射スロットを有する複数の第２の放射導波管が互いに平行に配列されて構成される第２の電波放射部と、
   第２の給電口を有し、前記第２の電波放射部の背面に配置されているとともに各前記第２の放射導波管と第２の給電スロットによって結合され、前記第２の給電口より入力された管内波を前記第２の給電スロットを通じて各前記第２の放射導波管に給電する第２の給電導波管と、を備える第２のアンテナユニットと、
   を具備し、
   前記第１のアンテナユニットと前記第２のアンテナユニットとは、前記第１の給電導波管の軸線と前記第２の給電導波管の軸線とが同軸線上になるように並置されており、
   前記第１の給電口と前記第２の給電口との中点に相当する位置を前記第１の給電導波管と前記第２の給電導波管との仮想的結合部とするとき、前記第１の給電導波管と前記第２の給電導波管とが前記仮想的結合部において直線的かつ連続的に繋がることで、直線的かつ連続的に繋がった一本の給電導波管を形成しており、
   前記仮想的結合部は、当該仮想的結合部に最も近位する前記第１の給電スロットまたは前記第２の給電スロットから管内波長の４分の１のところにあり、
   前記第１の給電口と前記第２の給電口とから同位相かつ同振幅で給電された管内波同士が前記一本の給電導波管の前記仮想的結合部において結合した磁界の閉ループを形成する、
   ことを特徴とするアレイアンテナ。

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