特許 6611238 導波管／伝送線路変換器、アレーアンテナ及び平面アンテナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6611238

(24)【登録日】2019年11月8日

(45)【発行日】2019年11月27日

(54)【発明の名称】導波管／伝送線路変換器、アレーアンテナ及び平面アンテナ

(51)【国際特許分類】

   H01P 5/107 20060101AFI20191118BHJP

   H01Q 21/08 20060101ALI20191118BHJP

【ＦＩ】

   H01P5/107 B

   H01Q21/08

【請求項の数】6

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2015-181230(P2015-181230)

(22)【出願日】2015年9月14日

(65)【公開番号】特開2017-59909(P2017-59909A)

(43)【公開日】2017年3月23日

【審査請求日】2018年9月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004330

【氏名又は名称】日本無線株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】菅野 真行

【審査官】 佐藤 当秀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０７４４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２７３０２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２３０５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｐ ５／１０７

Ｈ０１Ｑ ２１／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

導波管により伝送される電力と、
伝送線路により伝送される電力と、
を相互に変換する導波管／伝送線路変換器であって、
前記導波管の開口部を塞ぐように配置される誘電体基板と、
前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の外部に配置される前記伝送線路と、
前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置される整合素子と、
前記伝送線路の表面に形成される伝送線路側誘電体層と、
前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の外部に配置され、（１）前記導波管の２面の広壁面の断面に沿って前記誘電体基板を貫通する一方で、前記導波管の２面の狭壁面の断面に沿って前記誘電体基板を貫通しない金属部材により、又は、（２）前記導波管の２面の広壁面及び２面のうちのいずれか１面の狭壁面の断面に沿って前記誘電体基板を貫通する一方で、前記導波管の２面のうちのいずれか他面の狭壁面の断面に沿って前記誘電体基板を貫通しない金属部材により、前記導波管と同電位に保持される短絡金属層と、
を備えることを特徴とする導波管／伝送線路変換器。

【請求項2】

前記伝送線路側誘電体層の厚さは、前記伝送線路の周囲の環境での電磁波の実効波長の０．２倍以下であることを特徴とする、請求項１に記載の導波管／伝送線路変換器。

【請求項3】

導波管により伝送される電力と、
伝送線路により伝送される電力と、
を相互に変換する導波管／伝送線路変換器であって、
前記導波管の開口部を塞ぐように配置される誘電体基板と、
前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の外部に配置される前記伝送線路と、
前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置される整合素子と、
前記整合素子の表面に形成される整合素子側誘電体層と、
前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の外部に配置され、（１）前記導波管の２面の広壁面の断面に沿って前記誘電体基板を貫通する一方で、前記導波管の２面の狭壁面の断面に沿って前記誘電体基板を貫通しない金属部材により、又は、（２）前記導波管の２面の広壁面及び２面のうちのいずれか１面の狭壁面の断面に沿って前記誘電体基板を貫通する一方で、前記導波管の２面のうちのいずれか他面の狭壁面の断面に沿って前記誘電体基板を貫通しない金属部材により、前記導波管と同電位に保持される短絡金属層と、
を備えることを特徴とする導波管／伝送線路変換器。

【請求項4】

前記整合素子側誘電体層の厚さは、前記整合素子の周囲の環境での電磁波の実効波長の０．２倍以下であることを特徴とする、請求項３に記載の導波管／伝送線路変換器。

【請求項5】

アンテナ素子が平面上に直線状に配置されるアレーアンテナであって、
直線状に配置されるアンテナ素子は、一列のほぼ中央に配置され一列分の中央給電を行なう請求項１又は２に記載の導波管／伝送線路変換器に接続される前記伝送線路により、請求項１又は２に記載の導波管／伝送線路変換器を挟んで逆方向に逆位相で給電され、前記誘電体基板の表面のうちの前記伝送線路が配置される表面に配置され、前記伝送線路側誘電体層により素子の表面を覆われることを特徴とするアレーアンテナ。

【請求項6】

アンテナ素子が平面上に格子状に配置される平面アンテナであって、
格子状に配置されるアンテナ素子は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう請求項１又は２に記載の導波管／伝送線路変換器に接続される前記伝送線路により、請求項１又は２に記載の導波管／伝送線路変換器を挟んで逆方向に逆位相で給電され、前記誘電体基板の表面のうちの前記伝送線路が配置される表面に配置され、前記伝送線路側誘電体層により素子の表面を覆われることを特徴とする平面アンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、（１）導波管により伝送される電力と伝送線路により伝送される電力を相互に変換する導波管／伝送線路変換器、（２）アンテナ素子が平面上に直線状に配置され導波管／伝送線路変換器により給電されるアレーアンテナ、及び、（３）アンテナ素子が平面上に格子状に配置され導波管／伝送線路変換器により給電される平面アンテナに関する。

【背景技術】

【0002】

導波管／伝送線路変換器は、アレー／平面アンテナへの給電等に適用されており、特許文献１、２等に開示されている。まず、特許文献１では、導波管内の電界強度の高い位置において、伝送線路を挿入している。しかし、特許文献１では、導波管内の電磁波が有する波長のほぼ１／４に等しい距離分だけ、導波管に沿って伝送線路から離れた位置において、導波管短絡面を必要とする。よって、特許文献１では、導波管／伝送線路変換器を小型化することができず、短絡面を形成する構造体が、アレー／平面アンテナを形成する面より前面に存在するため、アレー／平面アンテナの指向性の劣化原因となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４−３２０４６０号公報

【特許文献2】特開２０００−２４４２１２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

次に、特許文献２では、整合素子に伝送線路を結合し、伝送線路から導波管へ電波を伝搬する技術を利用している。以下の説明から明らかなように、特許文献２では、特許文献１と比べて、導波管／伝送線路変換器を小型化することができ、アレー／平面アンテナの指向性を劣化させる原因となる短絡面を形成する構造体を無くすことができる。

【0005】

従来技術の導波管／伝送線路変換器の構成を図１に示す。最上段は、導波管／伝送線路変換器１’の側面断面図を示す。第２段は、導波管／伝送線路変換器１’の矢視Ａ’−Ａ’平面断面図を示す。第３段は、導波管／伝送線路変換器１’の矢視Ｂ’−Ｂ’平面断面図を示す。最下段は、後述する整合素子１７’の共振長の方向の電界分布を示す。

【0006】

導波管／伝送線路変換器１’は、導波管１１’により伝送される電力と、伝送線路１２’により伝送される電力と、を相互に変換するために、誘電体基板１３’、短絡金属層１４’、金属部材１５’、接地金属層１６’及び整合素子１７’を備える。

【0007】

誘電体基板１３’は、導波管１１’の開口部を塞ぐように配置される。誘電体基板１３’の面は、導波管１１’の導波方向に垂直な面である。図１の第２、３段において、誘電体基板１３’のうちパターンが配置される部分は、白地で示され、誘電体基板１３’のうちパターンが配置されない部分は、斜線で示される。

【0008】

短絡金属層１４’は、誘電体基板１３’の表面かつ導波管１１’の外部に配置され、誘電体基板１３’を貫通する金属部材１５’及び誘電体基板１３’の表面かつ導波管１１’の外枠に配置される接地金属層１６’により、導波管１１’と同電位に保持される。

【0009】

整合素子１７’は、誘電体基板１３’の表面かつ導波管１１’の内部に配置され、誘電体基板１３’を介して伝送線路１２’と電磁的に結合され、整合素子１７’の周囲の環境における実効波長λ_ｇ’の電磁波を定在波として立てるための共振長（ほぼλ_ｇ’／２）を、導波管１１’内の電界方向及び伝送線路１２’の給電方向に有する。

【0010】

従来技術を利用した第１の平面アンテナの概要を図２に示す。平面アンテナＰ１’は、特許文献１、２に開示されていない。平面アンテナＰ１’では、アンテナ素子が平面上に格子状に配置される。格子状に配置されるアンテナ素子は、各列のアレーアンテナＡ１’に分割される。各列のアレーアンテナＡ１’は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう導波管／伝送線路変換器１’に接続される１本の伝送線路１２’により、導波管／伝送線路変換器１’を挟んで逆方向に逆位相で給電される。導波管／伝送線路変換器１’を挟んで逆方向のアンテナ素子において、同方向の電界及び同方向の指向性を得るためである。誘電体基板１３’は、アンテナ素子が格子状に配置される平面である。導波管１１’の広壁面の断面は、各列のアレーアンテナＡ１’の方向に平行な方向に配置される。導波管１１’の狭壁面の断面は、各列のアレーアンテナＡ１’の方向に垂直な方向に配置される。

【0011】

従来技術を利用した第２の平面アンテナの概要を図３に示す。平面アンテナＰ２’は、特許文献１、２に開示されていない。平面アンテナＰ２’では、アンテナ素子が平面上に格子状に配置される。格子状に配置されるアンテナ素子は、各列のアレーアンテナＡ２’に分割される。各列のアレーアンテナＡ２’は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう導波管／伝送線路変換器１’に接続される２本の伝送線路１２’により、導波管／伝送線路変換器１’を挟んで逆方向に逆位相で給電される。導波管／伝送線路変換器１’を挟んで逆方向のアンテナ素子において、同方向の電界及び同方向の指向性を得るためである。誘電体基板１３’は、アンテナ素子が格子状に配置される平面である。導波管１１’の狭壁面の断面は、各列のアレーアンテナＡ２’の方向に平行な方向に配置される。導波管１１’の広壁面の断面は、各列のアレーアンテナＡ２’の方向に垂直な方向に配置される。

【0012】

各列のアレーアンテナＡ１’、Ａ２’が各列の中央で給電されることにより、平面アンテナＰ１’、Ｐ２’の中心周波数からずれた周波数において、各列を構成する各アンテナ素子の励振位相が互いにずれても、各列を構成する各アンテナ素子の合成結果は、広い周波数範囲で任意の一方向に利得の高い指向性を形成できる。

【0013】

しかし、導波管／伝送線路変換器１’において、誘電体基板１３’の表面に配置されるパターンのサイズのうち、導波管１１’の狭壁面及び広壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｎ’、ｐ_Ｗ’（図１を参照。）は、大きくならざるを得ない。よって、平面アンテナＰ１’、Ｐ２’において、互いに隣り合う各列のアレーアンテナＡ１’、Ａ２’の間隔ｄ’は、放射される電磁波が有する波長λ_０の半分に等しい長さλ_０／２より広くならざるを得ない。これにより、アレーアンテナＡ１’、Ａ２’における可視領域は、広くならざるを得ず、平面アンテナＰ１’、Ｐ２’における指向性は、特に、各アンテナ素子の位相情報を調整し、広角までビームを走査する際に、グレーティングローブを発生しやすくなる。

【0014】

そこで、前記課題を解決するために、本発明は、導波管／伝送線路変換器において、誘電体基板の表面に配置されるパターンのサイズを小さくして、平面アンテナにおいて、互いに隣り合う各列のアレーアンテナの間隔を狭くして、これにより、平面アンテナにおける指向性が、特に、各アンテナ素子の位相情報を調整し、広角までビームを走査する際に、グレーティングローブを発生しにくくすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記目的を達成するために、誘電体基板の表面に形成される伝送線路に、誘電体層を密着又は近接して形成することにより、伝送線路の周囲の環境での実効誘電率を高くして、伝送線路の周囲のパターンのサイズを小型化することとした。

【0016】

具体的には、本発明は、導波管により伝送される電力と、伝送線路により伝送される電力と、を相互に変換する導波管／伝送線路変換器であって、前記導波管の開口部を塞ぐように配置される誘電体基板と、前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の外部に配置される前記伝送線路と、前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置される整合素子と、前記伝送線路の表面に形成される伝送線路側誘電体層と、を備えることを特徴とする導波管／伝送線路変換器である。

【0017】

この構成によれば、導波管／伝送線路変換器において、誘電体基板の表面に形成される伝送線路の周囲のパターンのサイズを小さくすることができる。

【0018】

また、本発明は、前記伝送線路側誘電体層の厚さは、前記伝送線路の周囲の環境での電磁波の実効波長の０．２倍以下であることを特徴とする導波管／伝送線路変換器である。

【0019】

この構成によれば、伝送線路及び整合素子の間の誘電体基板から電界が漏れ出す領域をカバーするために、最小限の厚さの誘電体層を形成すれば足りるようになる。

【0020】

上記目的を達成するために、誘電体基板の表面に形成される整合素子に、誘電体層を密着又は近接して形成することにより、整合素子の周囲の環境での実効誘電率を高くして、整合素子の周囲のパターンのサイズを小型化することとした。

【0021】

具体的には、本発明は、導波管により伝送される電力と、伝送線路により伝送される電力と、を相互に変換する導波管／伝送線路変換器であって、前記導波管の開口部を塞ぐように配置される誘電体基板と、前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の外部に配置される前記伝送線路と、前記誘電体基板の表面かつ前記導波管の内部に配置される整合素子と、前記整合素子の表面に形成される整合素子側誘電体層と、を備えることを特徴とする導波管／伝送線路変換器である。

【0022】

この構成によれば、導波管／伝送線路変換器において、誘電体基板の表面に形成される整合素子の周囲のパターンのサイズを小さくすることができる。

【0023】

また、本発明は、前記整合素子側誘電体層の厚さは、前記整合素子の周囲の環境での電磁波の実効波長の０．２倍以下であることを特徴とする導波管／伝送線路変換器である。

【0024】

この構成によれば、伝送線路及び整合素子の間の誘電体基板から電界が漏れ出す領域をカバーするために、最小限の厚さの誘電体層を形成すれば足りるようになる。

【0025】

また、本発明は、アンテナ素子が平面上に直線状に配置されるアレーアンテナであって、直線状に配置されるアンテナ素子は、一列のほぼ中央に配置され一列分の中央給電を行なう上記の導波管／伝送線路変換器（伝送線路側誘電体層を備える）に接続される前記伝送線路により、上記の導波管／伝送線路変換器（伝送線路側誘電体層を備える）を挟んで逆方向に逆位相で給電され、前記誘電体基板の表面のうちの前記伝送線路が配置される表面に配置され、前記伝送線路側誘電体層により素子の表面を覆われることを特徴とするアレーアンテナである。

【0026】

また、本発明は、アンテナ素子が平面上に格子状に配置される平面アンテナであって、格子状に配置されるアンテナ素子は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう上記の導波管／伝送線路変換器（伝送線路側誘電体層を備える）に接続される前記伝送線路により、上記の導波管／伝送線路変換器（伝送線路側誘電体層を備える）を挟んで逆方向に逆位相で給電され、前記誘電体基板の表面のうちの前記伝送線路が配置される表面に配置され、前記伝送線路側誘電体層により素子の表面を覆われることを特徴とする平面アンテナである。

【0027】

この構成によれば、導波管／伝送線路変換器において、誘電体基板の表面に配置されるパターンのサイズを小さくすることができ、平面アンテナにおいて、互いに隣り合う各列のアレーアンテナの間隔を狭くすることができる。これにより、平面アンテナにおける指向性が、特に、各アンテナ素子の位相情報を調整し、広角までビームを走査する際に、グレーティングローブを発生しにくくすることができる。

【0028】

そして、誘電体基板の一の表面に形成される伝送線路と同様に、誘電体基板のその表面に形成されるアンテナ素子導体に、誘電体層を密着又は近接して形成することにより、アンテナ素子導体から放射された電磁波を、ほぼ球面波の状態で誘電体層に入射させることができる。すると、誘電体層に０度の入射角で入射した電磁波については、誘電体層内部の伝搬距離はより短くなり、誘電体層による位相遅れはより少なくなる。一方で、誘電体層に有限の入射角で入射した電磁波については、誘電体層内部の伝搬距離はより長くなり、誘電体層による位相遅れはより多くなる。よって、誘電体層から出射した電磁波は、誘電体層を設けない場合の電磁波と比べ、広角指向性を有することができる。

【0029】

さらに、誘電体層をアンテナ素子導体に密着又は近接して形成する場合には、誘電体層を形成することなく誘電体基板のみを配置する場合より、アンテナ素子導体の周囲の環境での実効誘電率が高くなるため、放射効率を高く維持したうえで、アンテナ素子導体を小型化することができ、アンテナ素子に広角指向性を持たせることができる。

【発明の効果】

【0030】

このように、本発明は、導波管／伝送線路変換器において、誘電体基板の表面に配置されるパターンのサイズを小さくして、平面アンテナにおいて、互いに隣り合う各列のアレーアンテナの間隔を狭くして、これにより、平面アンテナにおける指向性が、特に、各アンテナ素子の位相情報を調整し、広角までビームを走査する際に、グレーティングローブを発生しにくくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】従来技術の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。

【図2】従来技術を利用した第１の平面アンテナの概要を示す図である。

【図3】従来技術を利用した第２の平面アンテナの概要を示す図である。

【図4】本発明の第１の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。

【図5】本発明の第２の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。

【図6】本発明の第３の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。

【図7】本発明の第４の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。

【図8】本発明の第５の導波管／伝送線路変換器の構成を示す図である。

【図9】本発明の第１の平面アンテナの概要を示す図である。

【図10】本発明の第２の平面アンテナの概要を示す図である。

【図11】本発明のアンテナ素子の構成を示す図である。

【図12】本発明の第１のアレーアンテナの構成を示す図である。

【図13】本発明の第２のアレーアンテナの構成を示す図である。

【図14】本発明の第１の平面アンテナの構成を示す図である。

【図15】本発明の第２の平面アンテナの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は以下の実施形態に制限されるものではない。

【0033】

（導波管／伝送線路変換器の構成）
本発明の第１の導波管／伝送線路変換器の構成を図４に示す。最上段は、導波管／伝送線路変換器１の側面断面図を示す。第２段は、導波管／伝送線路変換器１の矢視Ａ−Ａ平面断面図を示す。第３段は、導波管／伝送線路変換器１の矢視Ｂ−Ｂ平面断面図を示す。最下段は、後述する整合素子１７の共振長の方向の電界分布を示す。

【0034】

導波管／伝送線路変換器１は、導波管１１により伝送される電力と、伝送線路１２により伝送される電力と、を相互に変換するために、誘電体基板１３、短絡金属層１４、金属部材１５、接地金属層１６、整合素子１７及び誘電体層１０Ｌ、１０Ｐを備える。

【0035】

誘電体基板１３は、導波管１１の開口部を塞ぐように配置される。誘電体基板１３の面は、導波管１１の導波方向に垂直な面である。図４の第２、３段において、誘電体基板１３のうちパターンが配置される部分は、白地で示され、誘電体基板１３のうちパターンが配置されない部分は、斜線で示される。

【0036】

短絡金属層１４は、誘電体基板１３の表面かつ導波管１１の外部に配置され、誘電体基板１３を貫通する金属部材１５及び誘電体基板１３の表面かつ導波管１１の外枠に配置される接地金属層１６により、導波管１１と同電位に保持される。

【0037】

整合素子１７は、誘電体基板１３の表面かつ導波管１１の内部に配置され、誘電体基板１３を介して伝送線路１２と電磁的に結合され、整合素子１７の周囲の環境における実効波長λ_ｇ（誘電体層とともに後述。）の電磁波を定在波として立てるための共振長（ほぼλ_ｇ／２）を、導波管１１内の電界方向及び伝送線路１２の給電方向に有する。

【0038】

ここで、整合素子１７及び伝送線路１２は、別層に存在する。そして、伝送線路１２の先端形状は、切り欠き付きのスタブ又はスロットである。よって、整合素子１７及び伝送線路１２は、電磁的な結合を実現することができる。

【0039】

図４の説明では、金属部材１５は、導波管１１の２面の広壁面及び２面の狭壁面の断面に沿って誘電体基板１３を貫通する「スルーホール」で形成されている。図４の変形例としては、金属部材１５は、導波管１１の２面の広壁面及び２面の狭壁面の断面に沿って誘電体基板１３を貫通する「導体壁」であってもよい。

【0040】

誘電体層１０Ｌは、伝送線路１２及び短絡金属層１４の表面に、密着又は近接して形成される。よって、図４において、図１と比べて、伝送線路１２及び短絡金属層１４の周囲の環境での実効誘電率を高くすることができ、伝送線路１２及び短絡金属層１４の周囲の環境での電磁波の実効波長λ_ｇを短くすることができ、導波管１１の狭壁面及び広壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｎ、ｐ_Ｗを小さくすることができる。

【0041】

誘電体層１０Ｌの厚さは、伝送線路１２及び短絡金属層１４の周囲の環境での電磁波の実効波長λ_ｇの０．２倍以下であることが望ましい。すると、伝送線路１２及び整合素子１７の間の誘電体基板１３から電界が漏れ出す領域をカバーするために、最小限の厚さの誘電体層１０Ｌを形成すれば足りるようになる。図４の説明では、誘電体層１０Ｌは、伝送線路１２及び短絡金属層１４の表面のみに形成されている。図４の変形例としては、誘電体層１０Ｌは、誘電体基板１３の全面に形成されてもよい。更なる変形例としては、誘電体層１０Ｌは形成されるが、誘電体層１０Ｐはなくてもよい。

【0042】

誘電体層１０Ｐは、整合素子１７の表面に、密着又は近接して形成される。よって、図４において、図１と比べて、整合素子１７の周囲の環境での実効誘電率を高くすることができ、整合素子１７の周囲の環境での電磁波の実効波長λ_ｇを短くすることができ、整合素子１７の共振長（ほぼλ_ｇ／２）を短くすることができ、導波管１１の狭壁面及び広壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｎ、ｐ_Ｗを小さくすることができる。

【0043】

誘電体層１０Ｐの厚さは、整合素子１７の周囲の環境での電磁波の実効波長λ_ｇの０．２倍以下であることが望ましい。すると、伝送線路１２及び整合素子１７の間の誘電体基板１３から電界が漏れ出す領域をカバーするために、最小限の厚さの誘電体層１０Ｐを形成すれば足りるようになる。図４の説明では、誘電体層１０Ｐは、整合素子１７の表面及び導波管１１の内部のみに形成されている。図４の変形例としては、誘電体層１０Ｐは、接地が確保される限りにおいて、誘電体基板１３の全面に形成されてもよい。更なる変形例としては、誘電体層１０Ｐは形成されるが、誘電体層１０Ｌはなくてもよい。

【0044】

本発明の第２の導波管／伝送線路変換器の構成を図５に示す。最上段は、導波管／伝送線路変換器２の側面断面図を示す。第２段は、導波管／伝送線路変換器２の矢視Ｃ−Ｃ平面断面図を示す。第３段は、導波管／伝送線路変換器２の矢視Ｄ−Ｄ平面断面図を示す。最下段は、後述する整合素子２７の共振長の方向の電界分布を示す。

【0045】

導波管／伝送線路変換器２は、導波管２１により伝送される電力と、伝送線路２２により伝送される電力と、を相互に変換するために、誘電体基板２３、短絡金属層２４、金属部材２５、接地金属層２６、整合素子２７及び誘電体層２０Ｌ、２０Ｐを備える。

【0046】

図５における導波管２１、伝送線路２２、誘電体基板２３、短絡金属層２４、金属部材２５、接地金属層２６及び誘電体層２０Ｌ、２０Ｐは、図４における導波管１１、伝送線路１２、誘電体基板１３、短絡金属層１４、金属部材１５、接地金属層１６及び誘電体層１０Ｌ、１０Ｐと、それぞれほぼ同様のものである。

【0047】

図５において、パッチの周囲の環境における電磁波の実効波長のほぼ１／４に等しい共振長を有し、誘電体基板を貫通する金属部材により、共振長の方向の一端を金属地板と同電位に保持される、パッチアンテナを応用した。すなわち、整合素子２７は、整合素子２７の周囲の環境における電磁波の実効波長λ_ｇのほぼ１／４に等しい共振長を、導波管２１内の電界方向及び伝送線路２２の給電方向に有し、誘電体基板２３を貫通する金属部材２５により、共振長の方向の一端を導波管２１と同電位に保持される。

【0048】

よって、図５において、図４と比べて、導波管２１の狭壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｎを小さくすることができる。そして、図５において、図４と同様に、導波管２１の広壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｗを小さくすることができる。

【0049】

本発明の第３の導波管／伝送線路変換器の構成を図６に示す。最上段は、導波管／伝送線路変換器３の側面断面図を示す。第２段は、導波管／伝送線路変換器３の矢視Ｅ−Ｅ平面断面図を示す。第３段は、導波管／伝送線路変換器３の矢視Ｆ−Ｆ平面断面図を示す。最下段は、後述する整合素子３７の共振長の方向の電界分布を示す。

【0050】

導波管／伝送線路変換器３は、導波管３１により伝送される電力と、伝送線路３２により伝送される電力と、を相互に変換するために、誘電体基板３３、短絡金属層３４、金属部材３５、接地金属層３６、整合素子３７及び誘電体層３０Ｌ、３０Ｐを備える。

【0051】

図６における導波管３１、伝送線路３２、誘電体基板３３、整合素子３７及び誘電体層３０Ｌ、３０Ｐは、図４における伝送線路１２、誘電体基板１３、整合素子１７及び誘電体層１０Ｌ、１０Ｐと、それぞれほぼ同様のものである。

【0052】

図６において、導波管スロットアンテナにおいて、狭壁面を流れる電流が、狭壁面の断面に平行な方向に流れるところ、狭壁面に設けるスロットが、狭壁面の断面に平行な方向に設けられると、電磁波が放射されないことを応用した。すなわち、導波管３１を誘電体基板３３内に延長するとともに短絡金属層３４を導波管３１と同電位に保持するための金属部材３５及び接地金属層３６を（これらとともに短絡金属層３４も）、導波管３１の２面の広壁面の断面に沿っては残し、導波管３１の２面のうちの両面又は片面の狭壁面の断面に沿っては除き、不用意に電磁波が放射されないようにする。

【0053】

よって、図６において、図４と比べて、導波管３１の広壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｗを２ｎ_Ｗ又はｎ_Ｗだけ小さくすることができる。そして、図６において、図４と同様に、導波管３１の狭壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｎを小さくすることができる。

【0054】

本発明の第４の導波管／伝送線路変換器の構成を図７に示す。左欄第１段は、導波管／伝送線路変換器４の側面断面図を示す。左欄第２段は、導波管／伝送線路変換器４の矢視Ｇ−Ｇ平面断面図を示す。右欄最上段は、導波管／伝送線路変換器４の矢視Ｈ−Ｈ平面断面図を示す。右欄第２段は、導波管／伝送線路変換器４の矢視Ｉ−Ｉ平面断面図を示す。右欄第３段は、後述する整合素子４８の共振長の方向の電界分布を示す。右欄最下段は、後述する無給電素子４９の共振長の方向の電界分布を示す。

【0055】

導波管／伝送線路変換器４は、導波管４１により伝送される電力と、伝送線路４２により伝送される電力と、を相互に変換するために、誘電体基板４３、４４、短絡金属層４５、金属部材４６、接地金属層４７、整合素子４８、無給電素子４９及び誘電体層４０Ｌ、４０Ｐを備える。

【0056】

図７における導波管４１、伝送線路４２、誘電体基板４３、４４、短絡金属層４５、金属部材４６、接地金属層４７及び誘電体層４０Ｌ、４０Ｐは、図４における導波管１１、伝送線路１２、誘電体基板１３、短絡金属層１４、金属部材１５、接地金属層１６及び誘電体層１０Ｌ、１０Ｐと、それぞれほぼ同様のものである。

【0057】

図７において、パッチアンテナにおいて、パッチ素子の近傍に、寄生素子を配置することにより、広帯域化を図ることを応用した。すなわち、整合素子４８の近傍かつ整合素子４８と導波方向に異なる層に、無給電素子４９を配置することにより、広帯域化を図ることができ、誘電体基板４３、４４のパターンの配置精度及び誘電体基板４３、４４のパターンと導波管４１の間の位置精度が低いと想定される実際の場合においても、低い反射特性及び高い透過特性を再現性よく満足することができる。

【0058】

よって、図７において、図４と同様に、導波管４１の狭壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｎを小さくすることができる。そして、図７において、図４と同様に、導波管４１の広壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｗを小さくすることができる。

【0059】

本発明の第５の導波管／伝送線路変換器の構成を図８に示す。最上段は、導波管／伝送線路変換器５の側面断面図を示す。第２段は、導波管／伝送線路変換器５の矢視Ｊ−Ｊ平面断面図を示す。第３段は、導波管／伝送線路変換器５の矢視Ｋ−Ｋ平面断面図を示す。最下段は、後述する整合素子５７の電流に沿う方向の電界分布を示す。

【0060】

導波管／伝送線路変換器５は、導波管５１により伝送される電力と、伝送線路５２により伝送される電力と、を相互に変換するために、誘電体基板５３、短絡金属層５４、金属部材５５、接地金属層５６、整合素子５７及び誘電体層５０Ｌ、５０Ｐを備える。

【0061】

図８における導波管５１、伝送線路５２、誘電体基板５３、短絡金属層５４、金属部材５５、接地金属層５６及び誘電体層５０Ｌ、５０Ｐは、図４における導波管１１、伝送線路１２、誘電体基板１３、短絡金属層１４、金属部材１５、接地金属層１６及び誘電体層１０Ｌ、１０Ｐと、それぞれほぼ同様のものである。

【0062】

図８において、周縁部が開放される開放穴５８が整合素子５７に形成されることにより、誘電体基板５３の等価誘電率が高くなることを応用した。

【0063】

整合素子５７に開放穴５８を形成する以前には、整合素子５７の電流方向は、整合素子５７の長さ方向と平行方向である。よって、整合素子５７の長さａは、整合素子５７の電流経路の長さ（例えば、整合素子５７の周囲の環境における電磁波の実効波長λ_ｇに対して、整合素子５７の長さ方向の両端を開放する場合にはλ_ｇ／２。）に等しくなる。

【0064】

整合素子５７に開放穴５８を形成した以後には、整合素子５７の電流方向は、開放穴５８を迂回するような方向である。よって、整合素子５７の長さａは、整合素子５７の電流経路の長さ（例えば、整合素子５７の周囲の環境における電磁波の実効波長λ_ｇに対して、整合素子５７の長さ方向の両端を開放する場合にはλ_ｇ／２。）より短くなる。

【0065】

このように、整合素子５７に開放穴５８を形成した以後には、整合素子５７に開放穴５８を形成する以前より、整合素子５７の同一の共振周波数に対して、整合素子５７の長さａが短くなるようにでき、誘電体基板５３の等価誘電率が高くなったように見える。

【0066】

よって、図８において、図４と比べて、導波管５１の狭壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｎを小さくすることができる。そして、図８において、図４と同様に、導波管５１の広壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｗを小さくすることができる。

【0067】

（アレーアンテナ及び平面アンテナの概要）
本発明の第１の平面アンテナの概要を図９に示す。平面アンテナＰ１では、アンテナ素子が平面上に格子状に配置される。格子状に配置されるアンテナ素子は、各列のアレーアンテナＡ１に分割される。各列のアレーアンテナＡ１は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される１本の伝送線路により、導波管／伝送線路変換器１〜５を挟んで逆方向に逆位相で給電される。導波管／伝送線路変換器１〜５を挟んで逆方向のアンテナ素子において、同方向の電界及び同方向の指向性を得るためである。導波管／伝送線路変換器１〜５の誘電体基板は、アンテナ素子が格子状に配置される平面である。導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される導波管の広壁面の断面は、各列のアレーアンテナＡ１の方向に平行な方向に配置される。導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される導波管の狭壁面の断面は、各列のアレーアンテナＡ１の方向に垂直な方向に配置される。

【0068】

本発明の第２の平面アンテナの概要を図１０に示す。平面アンテナＰ２では、アンテナ素子が平面上に格子状に配置される。格子状に配置されるアンテナ素子は、各列のアレーアンテナＡ２に分割される。各列のアレーアンテナＡ２は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される２本の伝送線路により、導波管／伝送線路変換器１〜５を挟んで逆方向に逆位相で給電される。導波管／伝送線路変換器１〜５を挟んで逆方向のアンテナ素子において、同方向の電界及び同方向の指向性を得るためである。導波管／伝送線路変換器１〜５の誘電体基板は、アンテナ素子が格子状に配置される平面である。導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される導波管の狭壁面の断面は、各列のアレーアンテナＡ２の方向に平行な方向に配置される。導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される導波管の広壁面の断面は、各列のアレーアンテナＡ２の方向に垂直な方向に配置される。

【0069】

各列のアレーアンテナＡ１、Ａ２が各列の中央で給電されることにより、平面アンテナＰ１、Ｐ２の中心周波数からずれた周波数において、各列を構成する各アンテナ素子の励振位相が互いにずれても、各列を構成する各アンテナ素子の合成結果は、広い周波数範囲で任意の一方向に利得の高い指向性を形成できる。

【0070】

そして、導波管／伝送線路変換器１〜５において、誘電体基板の表面に配置されるパターンのサイズのうち、導波管の狭壁面及び広壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｎ、ｐ_Ｗ（図４〜８を参照。）は、小さくすることができる。特に、導波管／伝送線路変換器２、５において、導波管の狭壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｎ（図５、８を参照。）は、さらに小さくすることができる。また、導波管／伝送線路変換器３において、導波管の広壁面の断面に沿う方向のサイズｐ_Ｗ（図６を参照。）は、さらに小さくすることができる。よって、平面アンテナＰ１、Ｐ２において、互いに隣り合う各列のアレーアンテナＡ１、Ａ２の間隔ｄは、放射される電磁波が有する波長λ_０の半分に等しい長さλ_０／２より狭くすることができ、アレーアンテナＡ１、Ａ２における可視領域は、狭くすることができ、平面アンテナＰ１、Ｐ２における指向性は、特に、各アンテナ素子の位相情報を調整し、広角までビームを走査する際に、グレーティングローブを発生しにくくすることができる。

【0071】

（アンテナ素子の構成）
本発明のアンテナ素子の構成を図１１に示す。本発明のアンテナ素子６は、誘電体基板６１、地板導体６２、アンテナ素子導体６３及び誘電体層６４から構成される。誘電体基板６１は、導波管／伝送線路変換器１〜５の誘電体基板である。地板導体６２は、導波管／伝送線路変換器１〜５の接地金属層であり、誘電体基板６１の一方の表面に形成される。アンテナ素子導体６３は、パッチアンテナ素子導体等であり、誘電体基板６１の他方の表面に形成される。誘電体層６４は、導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される伝送線路の表面及びアンテナ素子導体６３の表面に形成される誘電体層である。

【0072】

誘電体層６４は、レドームの機能を有し、アンテナ素子導体６３に密着又は近接して形成されている。誘電体層６４の厚さは、アンテナ素子６に広角指向性を持たせるように、そして、アンテナ素子６の指向性の正面方向のヌルを生じさせないように、アンテナ素子導体６３の周囲の環境での電磁波の実効波長λ_ｇの０．１倍以上０．２倍以下である。

【0073】

誘電体層６４をアンテナ素子導体６３に密着又は近接して形成するために、例えば、誘電体基板６１の上記他方の表面及びアンテナ素子導体６３の表面に、プリプレグ（接着剤）を塗布した後に、誘電体薄膜基板を搭載すればよい。この場合には、誘電体薄膜基板及びプリプレグ（接着剤）の厚さの合計が、アンテナ素子導体６３の周囲の環境での電磁波の実効波長λ_ｇの０．１倍以上０．２倍以下となればよい。

【0074】

このように、誘電体層６４は、電磁波の波源であるアンテナ素子導体６３に密着又は近接されている。よって、アンテナ素子導体６３から放射された電磁波は、ほぼ球面波の状態で、誘電体層６４に入射すると考えることができる。

【0075】

すると、誘電体層６４に０度の入射角で入射した電磁波については、誘電体層６４内部の伝搬距離はより短く、誘電体層６４による位相遅れはより少ない。一方で、誘電体層６４に有限の入射角で入射した電磁波については、誘電体層６４内部の伝搬距離はより長く、誘電体層６４による位相遅れはより多い。よって、誘電体層６４から出射した電磁波は、誘電体層６４を設けない場合の電磁波と比べ、広角指向性を有する。

【0076】

そして、誘電体層６４をアンテナ素子導体６３に密着又は近接して形成する場合には、誘電体層６４を形成することなく誘電体基板６１のみを配置する場合より、アンテナ素子導体６３の周囲の環境での実効誘電率が高くなるため、放射効率を高く維持したうえで、アンテナ素子導体６３を小型化することができ、アンテナ素子６に広角指向性を持たせることができる。特に、中央給電進行波型アレーアンテナにおいて、有利な効果を奏する。

【0077】

（アレーアンテナ及び平面アンテナの構成）
本発明の第１及び第２のアレーアンテナの構成を図１２及び図１３に示す。本発明のアレーアンテナＡ１、Ａ２では、アンテナ素子６が直線状に配置され、単一の誘電体基板６１、単一の地板導体６２及び単一の誘電体層６４が、直線状に配置される複数のアンテナ素子導体６３により共有される。図１２及び図１３で説明するアレーアンテナＡ１、Ａ２は、中央給電進行波型アレーアンテナである。アレーアンテナＡ１、Ａ２の水平方向を、アレーアンテナＡ１、Ａ２の延伸方向に垂直な方向と定義する。アレーアンテナＡ１、Ａ２の垂直方向を、アレーアンテナＡ１、Ａ２の延伸方向に平行な方向と定義する。

【0078】

本発明の第１及び第２の平面アンテナの構成を図１４及び図１５に示す。本発明の平面アンテナＰ１、Ｐ２では、アンテナ素子６が格子状に配置され、単一の誘電体基板６１、単一の地板導体６２及び単一の誘電体層６４が、格子状に配置される複数のアンテナ素子導体６３により共有される。図１４及び図１５で説明する平面アンテナＰ１、Ｐ２は、中央給電進行波型平面アンテナである。平面アンテナＰ１、Ｐ２の水平方向を、アレーアンテナＡ１、Ａ２の延伸方向に垂直な方向と定義する。平面アンテナＰ１、Ｐ２の垂直方向を、アレーアンテナＡ１、Ａ２の延伸方向に平行な方向と定義する。

【0079】

ここで、図１２及び図１４に示したように、アレーアンテナＡ１は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される１本の伝送線路により、導波管／伝送線路変換器１〜５を挟んで逆方向に逆位相で給電される。例えば、図１２及び図１４に示したように、導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される１本の伝送線路の給電箇所は、アレーアンテナＡ１の中央位置から９０度分の位相回転に対応する線路長分だけずらした位置である。或いは、図示していないが、導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される１本の伝送線路の給電箇所から一方向のアンテナ素子への伝送路長と、導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される１本の伝送線路の給電箇所から他方向のアンテナ素子への伝送路長は、９０度分の位相回転に対応する線路長差を有する。

【0080】

そして、図１３及び図１５に示したように、アレーアンテナＡ２は、各列のほぼ中央に配置され各列分の中央給電を行なう導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される２本の伝送線路により、導波管／伝送線路変換器１〜５を挟んで逆方向に逆位相で給電される。例えば、図１３及び図１５に示したように、導波管／伝送線路変換器１〜５に接続される２本の伝送線路の給電位相は、互いに逆位相である。

【0081】

共振波型アレーアンテナは、狭帯域特性を有する一方で、進行波型アレーアンテナは、広帯域特性を有するため、広帯域用途では、進行波型アレーアンテナが利用されている。本出願の発明者は、進行波型アレーアンテナについて、以下に示す課題を突き止めた。

【0082】

つまり、進行波型アレーアンテナの全アンテナ素子が同相で励振されるときには、全アンテナ素子から同相で反射が起きるため、この周波数において反射ロスが大きくなり放射効率が低くなる。一方で、進行波型アレーアンテナの各アンテナ素子が異相で励振されるときには、各アンテナ素子から異相で反射が起きるため、正面方向からチルトした方向に放射が起きるものの、広帯域において反射ロスが小さくなり放射効率が高くなる。

【0083】

そして、進行波型アレーアンテナが一端において給電されるときには、動作周波数が変化すると、正面方向に対する放射方向の角度が変化する。一方で、進行波型アレーアンテナが中央において給電されるときには、動作周波数が変化しても、正面方向に対する放射方向の角度が変化しない。そこで、進行波型アレーアンテナを広帯域において利用する際に、アレーの中央において給電することを目標とした。

【0084】

アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と同様に、アレーの垂直方向のサイズ（すなわち、アンテナ素子数）を維持することが必要となる。つまり、アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と比べて、垂直方向の各々のサイズ（すなわち、アンテナ素子数）が半分である二体のアレーを、給電部を挟んで形成することになる。

【0085】

ここで、進行波型アレーアンテナは、給電部に近いアンテナ素子において、給電電力の一部を放射し、給電部から遠いアンテナ素子において、残りの電力の一部を放射し、アレーの終端の抵抗において、残りの電力を散逸する。よって、アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と比べて、放射効率が低くなる。

【0086】

アレーの中央において給電する場合において、アレーの一端において給電する場合と同様に、放射効率を高くするために、各アンテナ素子の放射量を増やすことが考えられる、すなわち、各アンテナ素子の幅を広げることが考えられる。しかし、各アンテナ素子の幅が広がれば、アレーの水平方向の指向性が狭くなる。本出願の発明者は、このことが、監視領域を広げたいレーダ等の用途において、問題になると突き止めた。

【0087】

そこで、図１２及び図１３に示したように、アンテナ素子６を適用することにより、放射効率を高く維持したうえで、アンテナ素子６を幅方向に小型化することができ、アンテナ素子６に水平方向の広角指向性を持たせることができる。

【0088】

そして、図１２及び図１３に示したように、伝送線路６５の経路上に、スタブ６６を配置することにより、全アンテナ素子６が同相で励振されるときでも、全アンテナ素子６からの同相での反射が起きにくいため、この周波数において反射ロスが小さくなり放射効率が高くなるとともに、正面方向に放射が起こるようになる。

【0089】

さらに、図１２及び図１３に示したように、伝送線路６５の末端部に、終端素子６７を配置することにより、アレーアンテナＡ１、Ａ２は、元々終端抵抗において散逸された電力を、終端素子６７において放射するため、放射効率をさらに向上させることができる。

【0090】

図１４及び図１５においては、導波管／伝送線路変換器１〜５は、平面アンテナＰ１、Ｐ２の水平方向に千鳥状に配置されている。変形例としては、導波管／伝送線路変換器１〜５は、平面アンテナＰ１、Ｐ２の水平方向に直線状に配置されてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0091】

本発明の導波管／伝送線路変換器、アレーアンテナ及び平面アンテナは、合成結果が広い周波数範囲で任意の一方向に利得の高い指向性を形成でき、グレーティングローブが発生しにくい、アンテナ素子が平面上に格子状に配置される平面アンテナを、小型化及び低コスト化する目的に対して、適用することが可能である。

【符号の説明】

【0092】

１’、１、２、３、４、５：導波管／伝送線路変換器
１０Ｌ、１０Ｐ、２０Ｌ、２０Ｐ、３０Ｌ、３０Ｐ、４０Ｌ、４０Ｐ、５０Ｌ、５０Ｐ：誘電体層
１１’、１１、２１、３１、４１、５１：導波管
１２’、１２、２２、３２、４２、５２：伝送線路
１３’、１３、２３、３３、４３、４４、５３：誘電体基板
１４’、１４、２４、３４、４５、５４：短絡金属層
１５’、１５、２５、３５、４６、５５：金属部材
１６’、１６、２６、３６、４７、５６：接地金属層
１７’、１７、２７、３７、４８、５７：整合素子
４９：無給電素子
５８：開放穴
６：アンテナ素子
６１：誘電体基板
６２：地板導体
６３：アンテナ素子導体
６４：誘電体層
６５：伝送線路
６６：スタブ
６７：終端素子
Ｐ１’、Ｐ２’、Ｐ１、Ｐ２：平面アンテナ
Ａ１’、Ａ２’、Ａ１、Ａ２：アレーアンテナ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】