特開 2015-228542 ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器、１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器及び２次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-228542(P2015-228542A)

(43)【公開日】2015年12月17日

(54)【発明の名称】ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器、１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器及び２次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器

(51)【国際特許分類】

   H01Q 23/00 20060101AFI20151120BHJP

   H01Q 1/24 20060101ALI20151120BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20151120BHJP

   H01Q 13/02 20060101ALI20151120BHJP

   H04B 1/26 20060101ALI20151120BHJP

【ＦＩ】

   H01Q23/00

   H01Q1/24 Z

   H01Q21/06

   H01Q13/02

   H04B1/26 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2014-112475(P2014-112475)

(22)【出願日】2014年5月30日

(71)【出願人】

【識別番号】504261077

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構

(71)【出願人】

【識別番号】504171134

【氏名又は名称】国立大学法人 筑波大学

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】長山 好夫

(72)【発明者】

【氏名】桑原 大介

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 直樹

(72)【発明者】

【氏名】吉川 正志

【テーマコード（参考）】

5J021

5J045

5J047

5K020

【Ｆターム（参考）】

5J021AA05

5J021AB07

5J021CA03

5J021FA17

5J021FA24

5J021FA26

5J021FA32

5J021HA00

5J021JA07

5J021JA10

5J045AB05

5J045DA01

5J045EA08

5J045FA02

5J045HA03

5J045LA01

5J045MA07

5J045NA00

5J047AA07

5J047AB09

5J047FD06

5K020AA07

5K020BB06

5K020DD11

5K020DD21

5K020EE01

5K020EE02

5K020EE03

5K020EE04

5K020FF09

5K020GG01

5K020GG16

5K020MM07

(57)【要約】

【課題】十分なパワーの局部発振波を供給することができ、かつビームスプリッタなどの大きな部品が不要となるホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器を提供する。
【解決手段】一対のフレームを組み合わせて、両者の間にホーンアンテナ４５及び導波管４３を形成する。両フレーム間には、マイクロストリップライン３１とマイクロストリップライン３１に電気的に接続された電子回路５６を備える誘電体基板が挟み込みされている。誘電体基板は室温雰囲気で配置される。誘電体基板には、ホーンアンテナで受信して導波管に導かれた電磁波をマイクロストリップライン３１へ変換するフィンライン変換器５０を備える。電子回路５６は局部発振波を局部発振波入力用マイクロストリップラインで入力するミキサ６２を含む。ミキサ６２は、局部発振波とマイクロストリップライン３１に載せられた電磁波とを混合してヘテロダイン検波を行う中間周波数信号を生成する。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対のフレームを組み合わせて、両者の間にホーンアンテナ及び前記ホーンアンテナに連通する導波管を形成し、
前記一対のフレーム間には、マイクロストリップラインと前記マイクロストリップラインに電気的に接続された受信回路とを備える誘電体基板を挟み込みするとともに、室温雰囲気で配置し、
前記誘電体基板には、前記ホーンアンテナで受信して前記導波管に導かれた電磁波をマイクロストリップラインへ変換するフィンライン変換器を備え、
前記受信回路は、局部発振波を局部発振波入力用マイクロストリップラインで入力するミキサを含み、
前記ミキサは、前記局部発振波と前記マイクロストリップラインに載せられた電磁波とを混合してヘテロダイン検波を行う中間周波数信号を生成するホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器。

【請求項2】

請求項１のホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器が複数個併設されて各ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器のホーンアンテナが直線状に並ぶように配置されてなる１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器。

【請求項3】

請求項２の１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器において、
前記各ミキサには、共通の局部発振器からの局部発振波を分配する分配器が接続されている１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器。

【請求項4】

請求項３の１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器において、
前記局部発振波は、前記共通の局部発振器により低周波で発振されて前記分配器にて分配され、
前記分配器と前記ミキサとの間には、前記低周波の局部発振波を逓倍して、前記ミキサに逓倍した局部発振波を出力する逓倍器が設けられている１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器。

【請求項5】

請求項３または請求項４の１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器において、
前記局部発振波は、前記共通の局部発振器により低周波で発振されて前記分配器にて分配され、
前記ミキサは、前記低周波の局部発振波を高周波の局部発振波で前記電磁波と混合するハーモニックミキサである１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器。

【請求項6】

請求項２の１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器において、
前記各ミキサには、共通の同期信号にて同期が可能な局部発振器が接続されている１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器。

【請求項7】

請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器を積み重ねた２次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器、１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器及び２次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器に関する。

【背景技術】

【0002】

マイクロ波イメージング検出器としては、特許文献１、非特許文献１、非特許文献２が公知である。
特許文献１及び非特許文献１（以下、これらを従来技術１という）では、半割した一対のホーンアンテナで薄い電子回路プリント基板を挟むことにより、１次元マイクロ波受信器アレイが構成されている。また、この１次元アレイを積み重ねることにより２次元受信器を構成するようにしている。

【0003】

また、非特許文献２（以下、従来技術２という）では、ホーンアンテナで集めたマイクロ波を導波管からフィンライン変換器でマイクロストリップラインに導き、液体ヘリウム冷却のボロメータで検出する１次元マイクロ波受信器が提案されている。そして、この受信器を重ねることにより２次元受信器を構成している。従来技術２の２次元受信器は、例えば電波望遠鏡に採用されている。

【0004】

従来技術１及び従来技術２のいずれの受信器においても、半割したホーンアンテナで薄い電子回路プリント基板を挟む構造を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許５３３４２４２号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Y Nagayama, D Kuwahara, T Yoshinaga, et al., "Development of 3D microwave imaging reflectometry in LHD", Review of Scientific Instruments, vol.83, p.10E305 (2012).

【非特許文献2】Michael D. Audley et al., "TES imaging array technology for CLOVER", Millimeter and Submillimeter Detectors and Instrumentation for Astronomy III, vol.6275, 14 June 2006. pp. 627524-1 - 627524-9.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従来技術１の受信器はミキサを用いたヘテロダイン検波方式を採用しているが、局部発振波をホーンアンテナ前面から入射する結像光学系が必要となる。このため、従来技術１では、結像光学系が複雑化するだけでなく、画素数を増やそうとするとチャンネルあたりの局部発振波のパワーが少なくなり感度が悪くなる問題がある。

【0008】

さらに、従来技術１の受信器では、導波管からマイクロストリップラインへのマイクロ波の変換を導波管内のモノポールで行っているため、周波数特性にピークやディップが現れる問題がある。

【0009】

一方、従来技術２の受信器は、マイクロ波の変換にフィンライン変換器を用いているため周波数特性がフラットになる点で、従来技術１よりも好ましい。しかし、従来技術２の受信器は、検出動作を行う電子回路プリント基板のグランド層を超伝導状態にするために液体ヘリウムで冷却する必要があり、一般応用は困難である問題がある。

【0010】

本発明の目的は、十分なパワーの局部発振波を供給することができ、ビームスプリッタなどの大きな部品が不要となるホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器、１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器及び２次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記問題点を解決するために、本発明のホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器は、一対のフレームを組み合わせて、両者の間にホーンアンテナ及び前記ホーンアンテナに連通する導波管を形成し、前記一対のフレーム間には、マイクロストリップラインと前記マイクロストリップラインに電気的に接続された受信回路とを備える誘電体基板を挟み込みするとともに、室温雰囲気で配置し、前記誘電体基板には、前記ホーンアンテナで受信して前記導波管に導かれた電磁波をマイクロストリップラインへ変換するフィンライン変換器を備え、前記受信回路は、局部発振波を局部発振波入力用マイクロストリップラインで入力するミキサを含み、前記ミキサは、前記局部発振波と前記マイクロストリップラインに載せられた電磁波とを混合してヘテロダイン検波を行う中間周波数信号を生成するものである。

【0012】

また、１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器は、前記ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器が複数個併設されて各ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器のホーンアンテナが直線状に並ぶように配置されていることが好ましい。

【0013】

また、１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器は、前記各ミキサには、共通の局部発振器からの局部発振波を分配する分配器が接続されていることが好ましい。

【0014】

また、１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器は、前記局部発振波は、前記共通の局部発振器により低周波で発振されて前記分配器にて分配され、前記分配器と前記ミキサとの間には、前記低周波の局部発振波を逓倍して、前記ミキサに逓倍した局部発振波を出力する逓倍器が設けられていることが好ましい。

【0015】

また、前記１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器において、前記局部発振波は、前記共通の局部発振器により低周波で発振されて前記分配器にて分配され、前記ミキサは、前記低周波の局部発振波を高周波の局部発振波で前記電磁波と混合するハーモニックミキサであることが好ましい。

【0016】

また、１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器において、前記各ミキサには、共通の同期信号にて同期が可能な局部発振器が接続されていることが好ましい。

【0017】

また、２次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器が、前記のいずれか１項に記載の１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器を積み重ねて構成されることが好ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、十分なパワーの局部発振波を供給することができ、かつビームスプリッタなどの大きな部品が不要となる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】（ａ）は第１実施形態のホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器の全体斜視図、（ｂ）は導波管の断面図。

【図2】一実施形態のホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器の分解斜視図。

【図3】受信器の電子回路の概念図。

【図4】逓倍器と局部発振部を使用する受信器の電子回路の概念図。

【図5】同期がとれる局部発振器を使用する受信器の電子回路の概念図。

【図6】（ａ）は従来の受動的マイクロ波カメラの模式図、（ｂ）は第２実施形態の受動的マイクロ波カメラの模式図。

【図7】第３実施形態の能動的マイクロ波カメラの模式図。

【図8】第４実施形態の受信器を集積回路にした場合の適用例の説明図。

【発明を実施するための形態】

【0020】

（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した実施形態のホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器及び１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器を図１〜図３を参照して説明する。説明の便宜上、ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器を、単に受信器といい、１次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器を、単に１次元アンテナアレイという。

【0021】

図１及び図２に示すように、１次元アンテナアレイ１０は、半割状の上部フレーム２０Ａ，半割状の下部フレーム２０Ｂと、誘電体からなるプリント基板としての誘電体基板３０を有する。なお、図１、図２に示すように、図面に示す左右方向をそれぞれ左右といい、図面に示す上下方向をそれぞれ上下といい、図面に示す前後方向を前後という。

【0022】

上部フレーム２０Ａ及び下部フレーム２０Ｂは、表面が導電性を有するように金属フレームから構成されていてもよく、或いは、全体が合成樹脂などの絶縁材で形成されている場合であっても、後述する導波管となる溝４２及びホーン形成凹部４４の表面全体が金属層で覆われていればよい。前記金属層の形成は、例えば、メッキがあるが、メッキに限定されるものではなく、蒸着等の他の方法でもよい。さらに、金属層の表面はマイクロ波を透過する薄い絶縁膜で覆われていてもよい。

【0023】

なお、本明細書において、マイクロ波はミリ波を含む趣旨である。
上部フレーム２０Ａ及び下部フレーム２０Ｂは、略平板状の板部４０を有している。上部フレーム２０Ａ及び下部フレーム２０Ｂは互いに重ね合わされて、上部フレーム２０Ａ、誘電体基板３０及び下部フレーム２０Ｂに設けられている図示しないネジ挿通孔に挿通されて、螺合により互いに締付けられている。そして、前記誘電体基板３０は上部フレーム２０Ａと下部フレーム２０Ｂ間に挟み込みされている。また、図示しないノックピンが、上部フレーム２０Ａ、下部フレーム２０Ｂ及び誘電体基板３０にそれぞれ設けられている図示しない貫通孔を貫通することにより、上部フレーム２０Ａ、誘電体基板３０及び下部フレーム２０Ｂの位置整合が図られている。

【0024】

図２に示すように上部フレーム２０Ａの板部４０の下面側及び下部フレーム２０Ｂの上面側には、複数の溝４２が断面コ字状をなすように凹設されるとともに左右方向へ並ぶように配置されている。

【0025】

前記溝４２の後端は閉塞端である。また、溝４２において、閉塞端とは反対の前端は開口され、その開口端からは、前方へ行くほど上下長さが長く、かつ幅広（図２において左右長さが長く）になるようにホーン形成凹部４４が形成されている。なお、本実施形態では、先端へ行くほど上下長さが長くなるようにしたが、左右方向へ幅広にするだけでもよい。

【0026】

図１（ｂ）に示すように上部フレーム２０Ａ及び下部フレーム２０Ｂが重合状態では、互いに相対した一対の溝４２により導波管４３が形成されている。この結果、図１（ｂ）、図２に示すように、高さａ、幅ｂ、奥行ｃの複数の方形の導波管４３が形成されている。

【0027】

また、図１（ａ）に示すように互いに相対したホーン形成凹部４４同士により前記導波管４３に連通するホーンアンテナ４５が形成されている。このようにして、本実施形態の１次元アンテナアレイは、ホーンアンテナアレイとして構成されている。前記ホーンアンテナ４５は、マイクロ波信号を集めて、導波管４３に導く。

【0028】

誘電体基板３０は、前記上部フレーム２０Ａの下面及び下部フレーム２０Ｂの上面により挟着されている。
誘電体基板３０において、各導波管４３内に位置する部分には、フィンライン変換器５０が設けられている。フィンライン変換器５０は、図１（ｂ）に示すように誘電体基板３０の上面においてメタライズされたパターン５２と、誘電体基板３０の下面においてメタライズされたパターン５４を有する。誘電体基板３０の下面においてメタライズされたパターン５４は、該下面にメタライズされた図示しないグランドパターンに接続されている。メタライズするための金属は、例えば金であるが、限定されるものではない。

【0029】

誘電体基板３０は、冷却手段で冷却されるものではなく、１次元アンテナアレイ１０が配置される室温と同じ温度に曝されるものである。
図１（ｂ）に示すようにフィンライン変換器５０は、導波管４３内をＴＥ_１０モードで伝搬してくるマイクロ波信号（電磁波）に対して、その磁界Ｈとフィンライン変換器５０の面が直交し、電界Ｅと平行に配置されている。また、フィンライン変換器５０は、ポインテイングベクトルから計算して電力密度が最大になる導波管４３の横断面長辺の中央に位置するように配置されている。前記フィンライン変換器５０により、導波管４３の前記マイクロ波信号は後述する誘電体基板３０のマイクロストリップライン３１に導かれる。

【0030】

誘電体基板３０の上面において、導波管４３に相対する領域よりも後半部には、各導波管４３毎に電子回路５６が設けられている。電子回路５６は、受信回路に相当する。
ホーンアンテナ４５、導波管４３、フィンライン変換器５０、マイクロストリップライン３１及び電子回路５６で構成された１チャンネルの受信器は同一平面上において、複数並列に並べられて、複数チャンネルからなる１次元アンテナアレイ１０とされている。

【0031】

図２に示すように誘電体基板３０上面には、各チャンネルの電子回路５６を囲むようにグランドパターン５８が設けられている。
前記誘電体基板３０の上面のグランドパターン５８は、前記上部フレーム２０Ａと直接接触し、下面のグランドパターンは前記下部フレームと直接接触することにより、放熱が図られるとともに接地されている。

【0032】

また、前記上部フレーム２０Ａ及び下部フレーム２０Ｂの各電子回路５６に相対する領域は、回路室２２、２４がそれぞれに設けられている。上部フレーム２０Ａの回路室２２間及び下部フレーム２０Ｂの各回路室２４間には、隔壁２６、２８がそれぞれ設けられている。前記隔壁２６、２８が誘電体基板３０の上面のグランドパターン５８及び誘電体基板３０下面の図示しないグランドパターンに対してそれぞれ接触することにより、相互に隣接する各チャンネルの電子回路５６同士は３次元的に分離されて電磁的にシールドされている。

【0033】

また、図２に示すように上部フレーム２０Ａ、下部フレーム２０Ｂの各隔壁２６、２８には、横断線用溝２７、２９が設けられている。前記横断線用溝２７、２９は、各チャンネルの電子回路５６の渡り線が前記上部フレーム２０Ａ、下部フレーム２０Ｂにそれぞれ接触しないように設けられている。前記渡り線としては、例えば、電源線、及びＬｏ用マイクロストリップラインがある。前記電源線は、フレームの後端壁に設けられた電源端子を介して接続されている。また、前記Ｌｏ用マイクロストリップラインは、１つの回路室２２内に配置された電子回路５６に設けられた局部発振器７０に対して接続される。

【0034】

図２に示すように、各回路室２２を仕切る前記上部フレーム２０Ａの後端壁に溝２５が貫通されている。前記溝２５には、電子回路５６にてヘテロダイン検波された信号を出力する出力端子６６が装着されている。なお、前記溝２５は上部フレーム２０Ａ及び下部フレーム２０Ｂが重ね合わされた状態では、貫通孔となる。

【0035】

（電子回路５６）
ここで、１チャンネルの電子回路５６の概略を図３を参照して説明する。図３に示すように、電子回路５６、前記電子回路５６用のホーンアンテナ４５、フィンライン変換器５０、及びマイクロストリップライン３１が、１チャンネル分の受信器となる。

【0036】

図３に示すように電子回路５６を構成する各パーツは、誘電体基板３０上に設けられたマイクロストリップライン３１にて電気的に接続されている。具体的には、前記パーツとして、フィンライン変換器５０に接続された高周波増幅器６０と、ミキサ６２と、中間周波数増幅器６４がある。

【0037】

なお、誘電体基板３０上に形成するマイクロストリップライン３１、パターン５２、５４、グランドパターン５８等のパターン形成は、金属薄膜を化学的に除去するエッチング、金属薄膜を機械的に除去するミーリング、絶縁基板上に導電性インクで印刷する方法、或いは絶縁基板上に金属薄膜を気相或いは液相で成長させるなどの方法で行ってもよい。

【0038】

前記マイクロストリップライン３１の長さは制限する必要がなく、回路室２２、２４内に配置される誘電体基板３０の部分において、各マイクロストリップライン３１に、増幅器６０、６４、ミキサ６２などの電子回路５６に必要なパーツが接続される。これらのパーツはディスクリートのものでも、マイクロストリップラインだけで構成してもよい。又、必要に応じて半導体チップも使用することができる。

【0039】

高周波増幅器６０は、フィンライン変換器５０でマイクロストリップライン３１に乗せたマイクロ波信号を増幅する。ミキサ６２は、例えば、ダブルバランスドミキサを挙げることができる。

【0040】

なお、従来技術１では、導波管に入るように、ミキサとしては小さなダイオードミキサを用いている。本実施形態では、マイクロストリップライン３１上に余裕があるため、ミキサ入力前段に前述の高周波増幅器６０（マイクロ波増幅器）が導入できる。そして、本実施形態のミキサとして特性の良いダブルバランスドミキサなどを使用すると、前記高周波増幅器６０によるマイクロ波の増幅においてミキサの変換損失を補うので信号雑音比（ＳＮ比）向上に大きく寄与する。

【0041】

ミキサ６２は、局部発振器７０から図３に示すように局部発振波入力用マイクロストリップライン３１ａを通して入力される局部発振波と、前記増幅されたマイクロ波信号を混合して、ヘテロダイン検波して中間周波数信号を生成する。前記中間周波数信号は前記中間周波数増幅器６４で増幅して、電子回路５６の出力端子６６に出力する。電子回路５６は、前記高周波増幅器６０は、なくても動作するが、あった方が、ミキサ６２での変換損失を補うことで、より高感度化が可能となる。また、ミキサ６２への局部発振波の入力パワーは、最適値に合わせることにより、より高感度化ができるものとなる。なお、感度に問題がない場合は、高周波増幅器６０を省略してもよい。

【0042】

（複数チャンネルの電子回路５６について）
複数チャンネルの電子回路５６について、図４を参照して説明する。なお、図４では、２チャンネルの電子回路５６が図示されているが、３チャンネル以上も同様に図示されているものと理解されたい。

【0043】

図４に示すように周波数ωｘの局部発振波は、１つの電子回路５６に併設されるようにして設けられた共通（単一）の局部発振器７０から、分配器６７、６８…を介して各チャンネルの電子回路５６に供与される。図４に示す回路の場合、分配器６７、６８は局部発振器７０が設けられた１つの電子回路５６に、分配器６７、６８が設けられている。なお、分配器６７、６８は、最も適切な電子回路５６に設けるようにすればよい。また、分配器６７等を多段化することにより、多くのチャンネルに局部発振波を供給できることになる。

【0044】

各電子回路５６に分配された周波数ωｘの局部発振波は、ミキサ６２に直接入力してもよいが、局部発振波の周波数が高い場合は、同軸ケーブルやマイクロストリップラインでの減衰が大きくなる。

【0045】

この障害を回避するため、図４の実施形態では、局部発振器７０により低周波の周波数ωｘの局部発振波を生成するとともに局部発振波入力用マイクロストリップライン３１ａ上に設けられた分配器６７、６８…で分配する。そして、分配された周波数ωｘの局部発振波を、各電子回路５６のミキサ６２に入力する前に、逓倍器６９で逓倍（例えば、ｎ倍）するようにしている。また、逓倍されて周波数ω１（＝ｎωｘ）となった局部発振波を局部発振波増幅器７１で増幅した後、局部発振波入力用マイクロストリップライン３１ａを通してミキサ６２に出力するようにしている。

【0046】

また、基本波である局部発振波の減衰が問題とならない場合は、前記逓倍器６９を省略してもよい。一般にミキサ６２への局部発振波の入力パワーには最適値があるため、局部発振波増幅器７１で局部発振波のパワー調整を行った後、ミキサ６２に前記局部発振波を入力することが好ましい。

【0047】

（複数チャンネルの電子回路５６の他の変形態様について）
図４の実施形態は、共通（単一）の局部発振器７０が生成した局部発振波を各チャンネルの電子回路５６に分配するようにした。これに対して、図５の変形態様における各チャンネルの電子回路５６には、同期がとれて周波数を同一にすることが可能なシンセサイザ等よりなる局部発振器７０ａを備えているところが異なる。

【0048】

そして、低周波発振器７２により低周波数の出力をマイクロストリップライン３１上の分配器６７、６８…でチャンネル数に応じて分配して、分配した前記出力を同期信号として各チャンネルの電子回路５６の局部発振器７０ａに供給する。低周波発振器７２から出力される信号の周波数は、例えば、１０ＭＨｚである。

【0049】

各局部発振器７０ａは、この同期信号に基づいて、局部発振波の周波数等を同一にするとともに位相を同期させる。そして、局部発振波増幅器７１は、当該局部発振波を増幅した後、局部発振波入力用マイクロストリップライン３１ａを通して各ミキサ６２に出力する。

【0050】

（実施形態及び変形態様の作用）
上記のように構成された１次元アンテナアレイ１０の作用を説明する。
１次元アンテナアレイ１０の各ホーンアンテナ４５は、マイクロ波信号（電磁波）を導波管４３に導く。導波管４３内に配置されたフィンライン変換器５０は、導波管４３の前記マイクロ波信号を誘電体基板３０のマイクロストリップライン３１に導く。各電子回路５６の高周波増幅器６０は、フィンライン変換器５０でマイクロストリップライン３１に乗せたマイクロ波信号を増幅する。ミキサ６２は、局部発振器７０から来る局部発振波と、前記増幅されたマイクロ波信号を混合して、ヘテロダイン検波して中間周波数信号を生成する。中間周波数増幅器６４は、前記中間周波数信号を増幅して、電子回路５６の出力端子６６に出力する。

【0051】

上記実施形態及び変形態様では、下記の特徴を有する。
（１）上記の受信器は、上部フレーム２０Ａ及び下部フレーム２０Ｂを組み合わせて、両者の間にホーンアンテナ４５及びホーンアンテナ４５に連通する導波管４３を形成している。また、上部フレーム２０Ａ及び下部フレーム２０Ｂ間には、マイクロストリップライン３１とマイクロストリップライン３１に電気的に接続された電子回路５６（受信回路）とを備える誘電体基板３０を挟み込みする。また、誘電体基板３０は室温雰囲気で配置されている。また、前記誘電体基板３０には、ホーンアンテナ４５で受信して導波管４３に導かれた電磁波をマイクロストリップライン３１へ変換するフィンライン変換器５０を備えている。また、電子回路５６（受信回路）は、局部発振波を局部発振波入力用マイクロストリップラインで入力するミキサ６２を含んでいる。前記ミキサ６２は、前記局部発振波とマイクロストリップライン３１に載せられた電磁波とを混合してヘテロダイン検波を行う中間周波数信号を生成する。

【0052】

この結果、上記の受信器によれば、局部発振波を局部発振波入力用マイクロストリップラインを通してミキサに入力することから、十分なパワーの局部発振波を供給することができ、かつビームスプリッタなどの大きな部品が不要となる効果を奏する。

【0053】

従って、局部発振波をホーンアンテナ・ミキサ・アレイ前面から供給するビームスプリッタなどの光学系が不要となり、マイクロ波カメラの構造がより簡単に、より小さくできるだけでなく、ビームスプリッタによる局部発振波の損失をなくすることができる。また、局部発振波の信号レベルを最適値とすることもできる。

【0054】

また、上記の受信器によれば、フィンライン変換器を用いて導波管からマイクロストリップラインへ電磁波（マイクロ波信号）を乗せることから、モノポール変換器に比べ、周波数特性をフラットかつ広帯域にすることができる。また、ミキサ損失を補うように電磁波（マイクロ波信号）を増幅できるため、高感度化ができる。

【0055】

なお、従来技術１では、導波管端面から約１／４波長に設置するモノポールであり、この方式では周波数特性にピークやディップが現れやすいという欠点がある。
（２）上記の１次元アンテナアレイ１０は、上記（１）の受信器が複数個併設されて各ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器のホーンアンテナが直線状に並ぶように配置されている。この結果、上記の１次元アンテナアレイ１０によれば、導電性を有するフレームにより隣接する受信器同士が３次元的に分離されて電磁的にシールドされることになるため、クロストークが減少し、発振現象発生の予防を行うことができる。

【0056】

なお、１次元アンテナアレイのように複数チャンネルを有する場合、局部発振波Ｌｏの供給において、従来技術１では、ホーンアンテナ前面に入射する必要がある。そして、この方式では局部発振波Ｌｏの入射光学系が必要であるだけでなく、チャンネル数が増加すると単位チャンネルあたりの局部発振波Ｌｏのパワーが減少し、感度が悪くなる問題がある。

【0057】

これに対して、本実施形態の１次元アンテナアレイ１０及び２次元アンテナアレイでは、マイクロストリップライン経由で局部発振波Ｌｏを入力し、増幅器を導入できるので最適値とすることができる。

【0058】

（３）上記の１次元アンテナアレイ１０及び２次元アンテナアレイでは、各チャンネルの受信器のミキサに共通の局部発振器７０からの局部発振波を分配する分配器６７、６８…が接続されている。この結果、分配器で多くのチャンネルの受信回路に局部発振波を供給することができる。

【0059】

（４）上記の１次元アンテナアレイ１０では、局部発振波が共通の局部発振器７０により低周波で発振されて分配器６７、６８…にて分配されるようにしている。また、分配器６８とミキサ６２との間には、前記低周波の局部発振波を逓倍して、ミキサ６２に逓倍した局部発振波を出力する逓倍器６９が設けられている。

【0060】

この結果、１次元アンテナアレイ１０によれば、共通の局部発振器により高周波の局部発振波を発振した際、マイクロストリップラインによる減衰がなく、局部発振波入力用マイクロストリップライン３１ａを通してミキサ６２に局部発振波を好適に供給ができる。すなわち、高周波数のマイクロ波は、マイクロストリップライン経由では減衰が大きいため、本実施形態では、低周波で分配し、ミキサ直前で逓倍することにより、十分なパワーの局部発振波Ｌｏを供給できる。

【0061】

（６）上記の１次元アンテナアレイ１０では、各受信器のミキサに、共通の同期信号にて同期が可能な局部発振器７０ａを接続した構成にもできる。この場合は、前記同期信号により同期が可能な局部発振器をチャンネル毎に設けた場合においても、上記（５）と同様の効果を奏することができる。

【0062】

（第２実施形態）
次に、前記のように構成された１次元アンテナアレイ１０を利用して、２次元ホーンアンテナ型ヘテロダイン・イメージング受信器（以下、単に２次元アンテナアレイという）に構成した実施形態を、図６（ｂ）を参照して説明する。本実施形態は、受動的マイクロ波カメラの構成に２次元アンテナアレイ８０を使用する例である。

【0063】

前記２次元アンテナアレイ８０は、１次元アンテナアレイ１０を積み重ねて構成されたものであって、局部発振器７０を外部に設けたものである。
局部発振器７０と２次元アンテナアレイ８０の接続端子８１との間は同軸ケーブルを介して接続されている。そして、前記図示しない接続端子は、各チャンネルの電子回路のミキサに接続された分配器に接続されている。そして、前記局部発振器７０からの局部発振波Ｌｏは、前記同軸ケーブルを介して外部から供給されて、２次元アンテナアレイ８０内の各チャンネルの電子回路のミキサに対して前述した分配器を介して供給される。

【0064】

図６（ｂ）に示すように、２次元アンテナアレイ８０の前方には、マイクロ波を結像させる結像光学系１００が設けられている。結像光学系１００は物体１１０からのマイクロ波を２次元アンテナアレイ８０の位置で結像させるレンズＬ１を備えている。

【0065】

このマイクロ波カメラでは、結像されたマイクロ波は、２次元アンテナアレイ８０でヘテロダイン検波され、２次元アンテナアレイ８０からの中間周波数信号ＩＦはフィルタ８２（例えばローパスフィルタ、或いはバンドパスフィルタ）により雑音が減らされる。そして、デジタイザ８６は、前記フィルタ８２を介して入力した信号を低周波数信号としてデータ収集を行う。フィルタ８２とデジタイザ８６間には、アナログスイッチ８４が設けられており、アナログスイッチ８４を切替えすることで、低周波増幅器、或いはデジタイザ８６におけるチャンネル数を減らすことができる。デジタイザ８６は図示しないコンピュータに接続されている。

【0066】

比較例として図６（ａ）には、非特許文献１に記載の２次元アンテナアレイを備えた受動的マイクロ波カメラの概略が示されている。なお、図６（ｂ）と同一構成には、同一符号を付して、その説明を省略する。

【0067】

図６（ａ）に示すように従来の受動的マイクロ波カメラでは、前記結像光学系１００に、さらに局部発振器７０の局部発振波Ｌｏを２次元アンテナアレイ８３の前面から入射する方式を採用している。具体的には、レンズＬ１と２次元アンテナアレイ８３との間にビームスプリッタＢＳが配置されている。

【0068】

また、局部発振器７０からの局部発振波Ｌｏを照射するマイクロ波照射器８７と、照射された局部発振波Ｌｏを収束するレンズＬ２を備えている。レンズＬ２にて収束した局部発振波Ｌｏは、ビームスプリッタＢＳにて２次元アンテナアレイ８３側の物体１１０の結像する位置に結像される。

【0069】

なお、非特許文献１の２次元アンテナアレイ８３は、フィンライン変換器の代わりにモノポール変換器が使用されていること、内部の受信回路に含まれるミキサには局部発振波Ｌｏを直接入力する構成とはなっていないこと等が本実施形態とは大きく相違している。

【0070】

図６（ａ）の従来例と、図６（ｂ）の本実施形態とを比較すると分かるように受動的マイクロ波カメラでは、本実施形態の方が簡単かつコンパクトになることが理解できる。
なお、レンズＬ１による球面収差のなかでも、大きな像面湾曲収差がある場合は、２次元アンテナアレイ８０のホーンアンテナ４５側の端面を結像した像に合わせることにより、像湾曲収差を減らすことができる。

【0071】

このようなマイクロ波カメラは、濃霧、煙幕などの視界不良状態での透視、非破壊検査、温度イメージングなど幅広い応用分野で採用することが可能である。
なお、第１実施形態及び変形態様で説明した１次元アンテナアレイ１０を積み重ねて２次元アンテナアレイ８０を構成した場合、第１実施形態で特徴的な上記（２）〜（６）の効果を奏することは自明である。

【0072】

（第３実施形態）
次に、前記のように構成された１次元アンテナアレイ１０を利用して、２次元アンテナアレイに構成した実施形態を、図７を参照して説明する。本実施形態は、能動的マイクロ波カメラの構成に２次元アンテナアレイ８０を使用する例である。なお、第２実施形態での構成と同一構成については、同一符号を付して説明する。

【0073】

図７に示すように本実施形態の結像光学系１００は、マイクロ波照射器８７を有する。また、本実施形態では、図７に示すように、マイクロ波発振器１５０を備えている。
マイクロ波発振器１５０は、周波数ωの信号を発振する発振器１５２と、周波数ω０の局部発振波Ｌｏを発振する局部発振器７０と、両信号を混合するミキサ１５４を備えている。ヘテロダイン受信のための局部発振波Ｌｏは、同軸ケーブルにより、接続端子８１を介して２次元アンテナアレイ８０に供給される。また、発振器１５２からの周波数ωの信号は、前記マイクロ波照射器８７から物体１１０に対してマイクロ波ＲＦとして照射される。

【0074】

照射されたマイクロ波ＲＦは物体１１０により散乱されて、散乱波としてレンズＬ１により２次元アンテナアレイ８０の位置で結像される。
このマイクロ波ＲＦは、各チャンネルの電子回路５６のミキサ６２で、局部発振波Ｌｏと混合されて、中間周波数信号ＩＦを得る。なお、マイクロ波ＲＦの周波数ωは、局部発振波Ｌｏの周波数ω０より中間周波数信号ＩＦの周波数ω２分だけ離れた周波数ω（＝ω０＋ω２）を用いる。

【0075】

また、図７に示すように２次元アンテナアレイ８０は、信号処理装置２００に接続されている。信号処理装置２００は、フィルタ８２、アナログスイッチ８４、検波器８８、直交復調器８９、デジタイザ８６及びコンピュータ９０を備えている。

【0076】

２次元アンテナアレイ８０から中間周波数信号ＩＦは、信号処理装置２００に入力される。フィルタ８２は、ローパスフィルタ、或いはバンドパスフィルタで雑音を減らし、アナログスイッチ８４は、アナログスイッチ８４を切替えることで、低周波増幅器、或いはデジタイザ８６におけるチャンネル数を減らして、検波器８８及び直交復調器８９に中間周波数信号ＩＦを入力する。前記検波器８８は前記中間周波数信号ＩＦの振幅Ａを検波する。前記検波器８８は、前記振幅Ａに基づいてパワー検出を行う。

【0077】

また、直交復調器８９は、マイクロ波発振器１５０のミキサ１５４から入力された周波数ω２の信号（搬送波）をレファレンスとして使用して、中間周波数信号ＩＦに含まれている搬送波と同相のＩ信号及びＩ信号と直交するＱ信号を検波する。検波器８８は前記検波した振幅Ａを、直交復調器８９は、前記Ｉ信号、及びＱ信号を、デジタイザ８６を介してコンピュータ９０に入力する。コンピュータ９０は、前記振幅Ａ、及び前記Ｉ信号、及びＱ信号に基づいて位相φ＝ｔａｎ−１（Ｑ／Ｉ）を検出する。

【0078】

本実施形態では、このように得られた位相φを用いることにより、被写体である物体１１０のカメラ方向の運動量が測定できるだけでなく、照射したマイクロ波ＲＦの周波数をコンピュータ９０が掃引することにより、被写体とカメラ（２次元アンテナアレイ８０）との距離測定が可能となる。

【0079】

なお、図７、図８における結像光学系（Ｌ１）がない場合、合成開口イメージングの手法を用いることで、カメラ（２次元アンテナアレイ８０）だけでも、撮像が可能である。
前記位相検出とパワー検出の同時計測は、地雷探査、コンクリート壁等の非破壊検査に期待されるマイクロ波コンピュータ・トモグラフィ（ＣＴ）の計測器としても有用である。

【0080】

なお、第１実施形態及び変形態様で説明した１次元アンテナアレイ１０を積み重ねて２次元アンテナアレイ８０を構成した場合、第１実施形態で特徴的な上記（２）〜（６）の効果を奏することは自明である。

【0081】

（第４実施形態）
次に、第４実施形態を、図８を参照して説明する。
図８に示すように、本実施形態では、１次元アンテナアレイ１０の各チャンネルの電子回路を１つの集積回路ＩＣで構成したものである。なお、図８に示すホーンアンテナ４５と導波管４３は、上部フレーム２０Ａ及び下部フレーム２０Ｂにおけるレイアウトが示されているものと理解されたい。また、図８では、上部フレーム２０Ａ及び下部フレーム２０Ｂにおいて、マイクロストリップライン３１、フィンライン変換器５０及び集積回路ＩＣのレイアウトが示されているものと理解されたい。なお、マイクロストリップライン３１、フィンライン変換器５０及び集積回路ＩＣは誘電体基板３０に設けられているが、図８では、誘電体基板３０は説明の便宜上、図示していない。

【0082】

マイクロ波の減衰は、通常、導波管４３よりもマイクロストリップライン３１で大きいため、図８に示すように、各ホーンアンテナ４５に連通した導波管４３は、後端（閉塞端）側に向かうほど相互に収束するように集められて配置されている。そして、本実施形態では各導波管４３の集束した領域において、フィンライン変換器５０が設けられている。そして、導波管４３で集められたマイクロ波（電磁波）をフィンライン変換器５０によりマイクロストリップライン３１へ変換する。マイクロストリップライン３１で変換されたマイクロ波は、マイクロストリップライン３１を介して集積回路ＩＣに集められる。

【0083】

上記の１次元アンテナアレイ１０を複数積み重ねることにより、２次元アンテナアレイとして構成することも可能である。
なお、本発明の実施形態は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように変更しても良い。

【0084】

・図４の例では、低周波で発振された局部発振波を逓倍する逓倍器６９を設けたが、逓倍器６９を省略してミキサ６２をハーモニックミキサで構成してもよい。
この場合、低周波で発振された局部発振波を、ハーモニックミキサにより高周波の局部発振波に変換して前記電磁波と混合する。このように構成した場合は、逓倍器を省略することができる。

【0085】

また、高周波数のマイクロ波は、マイクロストリップライン経由では減衰が大きいため、本変形例では低周波で分配し、ハーモニックミキサで高周波に変換することで、十分なパワーの局部発振波Ｌｏを供給できる。

【0086】

・図３では、局部発振器７０をフレーム内の複数の電子回路５６の設けるようにしたが、フレームの外部に設けてもよい。
・図４、図５では、局部発振器７０をフレーム内の複数の電子回路５６のうち、一部の電子回路に設けるようにしたが、フレームの外部に設けてもよい。

【0087】

・図６の実施形態では、局部発振器７０を２次元アンテナアレイ８０の外部に配置したが、２次元アンテナアレイ８３内部に設けてもよい。
・第３実施形態において、図７では直交復調器８９のレファレンスである周波数ω２の信号を、ミキサ１５４によりマイクロ波ＲＦと局部発振波Ｌｏの差周波数を作って供給している。これに代えて、レファレンスを独立の発振器で生成し、アップコンバータで局部発振波Ｌｏとレファレンスとの和周波数を作り、マイクロ波ＲＦを供給してもよい。

【0088】

・図８の実施形態では、１次元アンテナアレイ１０の各チャンネルの電子回路をＩＣ化したが、ＩＣ化する対象は、各チャンネルの電子回路５６に限定するものではない。例えば、図６（ｂ）及び図７に示すマイクロ波カメラにおいて、アナログスイッチ８４を用いて多チャンネルを１出力に変換する部分をＩＣ化してもよい。

【符号の説明】

【0089】

１０…１次元アンテナアレイ、
２０Ａ…上部フレーム、２０Ｂ…下部フレーム、
２２…回路室、２４…回路室、２５…溝、２６…隔壁、２７…横断線用溝、
２８…隔壁、２９…横断線用溝、
３０…誘電体基板、３１…マイクロストリップライン、
４０…板部、４２…溝、４３…導波管、４４…ホーン形成凹部、
４５…ホーンアンテナ、
５０…フィンライン変換器、５２…パターン、５４…パターン、
５６…電子回路、５８…グランドパターン、
６０…高周波増幅器、６２…ミキサ、６４…中間周波数増幅器、
６６…出力端子、
６７…分配器、６８…分配器、６９…逓倍器、
７０…局部発振器、７１…局部発振波増幅器、７２…低周波発振器、
８０…２次元アンテナアレイ、８１…接続端子、８２…フィルタ、
８３…２次元アンテナアレイ、８４…アナログスイッチ、
８６…デジタイザ、８７…マイクロ波照射器、
８８…検波器、８９…直交復調器、
９０…コンピュータ、１１０…物体。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】