特開 2024-154215 ホーンアンテナ

(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】P2024154215

(43)【公開日】2024-10-30

(54)【発明の名称】ホーンアンテナ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 19/15 20060101AFI20241023BHJP

   H01Q 13/22 20060101ALI20241023BHJP

   H01Q 13/02 20060101ALI20241023BHJP

   H01Q 3/04 20060101ALI20241023BHJP

【ＦＩ】

H01Q19/15

H01Q13/22

H01Q13/02

H01Q3/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023067930

(22)【出願日】2023-04-18

(71)【出願人】

【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】100126561

【弁理士】

【氏名又は名称】原嶋 成時郎

(72)【発明者】

【氏名】荒井 瞳子

(72)【発明者】

【氏名】野呂 崇徳

(72)【発明者】

【氏名】澁谷 裕三

(72)【発明者】

【氏名】三浦 庸平

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼橋 俊也

(72)【発明者】

【氏名】笠原 康汰

【テーマコード（参考）】

5J020

5J021

5J045

【Ｆターム（参考）】

5J020AA03

5J020BA07

5J020BC12

5J020DA03

5J021AA01

5J021AB05

5J021AB07

5J021DA04

5J021DA05

5J021GA02

5J021HA04

5J021HA09

5J021JA07

5J045AA21

5J045AB05

5J045DA01

5J045DA04

5J045FA08

5J045HA01

5J045MA01

5J045NA01

5J045NA07

(57)【要約】

【課題】奥行きを短くしても、良好な垂直面指向性を得ることが可能なホーンアンテナを提供する。
【解決手段】ホーン３が、階段状で、各段の開口幅が導波管２側から開口側に行くに従って大きくなるように形成されているボックスホーンであり、導波管２側に設けられ、基本モードを放射する第一段のボックス３１と、第一段のボックスの開口側に設けられ、基本モード及び高次モードを放射する第二段のボックス３２及び第三段のボックス３３とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

導波管とホーンとを備え、前記ホーンの基端部が前記導波管と連結されているホーンアンテナであって、
前記ホーンは、
断面が略階段状で、各段の開口幅が前記導波管側から開口側に行くに従って大きくなるように形成されているボックスホーンであり、
前記導波管側に設けられ、基本モードを放射する第一のボックスと、
前記第一のボックスの前記開口側に設けられ、前記基本モード及び高次モードを放射する複数の第二のボックスと、を有する、
ことを特徴とするホーンアンテナ。

【請求項2】

前記導波管は、断面が略四角形の筒状で、前面部に複数のスロットが形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のホーンアンテナ。

【請求項3】

前記導波管と前記ホーンとが一体的に形成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のホーンアンテナ。

【請求項4】

前記複数の第二のボックスのうち前記開口側の前記第二のボックスを前記第一のボックスに対してオフセットし、または、前記ホーンを回動させてチルト角が調節される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のホーンアンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、ホーンアンテナに関し、特に、奥行きを短くすることを可能にしたホーンアンテナに関する。

【背景技術】

【0002】

ホーンアンテナでは、所望の垂直面指向性を得ることが求められており、従来、ホーンの開口を徐々に広げることで、その要求に対応していた。すなわち、従来のホーンアンテナは、図５に示すように、導波管１０２の高さ方向の中心面を中心に、上下方向に広がるホーン１０３が設けられている。そして、ホーン１０３の開口を徐々に広げることで、基本モードを効率良く放射させ、所望の垂直面指向性を得ていた。しかし、所望の垂直面指向性を得るためには、ホーン１０３の奥行が長くなり、延いては、導波管１０２及びホーン１０３をレドームで覆ったレーダアンテナ１０１全体の奥行も長くなる。

【0003】

特許文献１には、ボックスホーンが接続された平面型アンテナが開示されている。このアンテナを用いれば、薄型でありながら、高い利得と広い帯域が得られる、と説明されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平１０－５０８１７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１では、アンテナの奥行と指向性の関係について何ら検討されていない。

【0006】

そこで本発明は、奥行きを短くしても、良好な垂直面指向性を得ることが可能なホーン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】

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、導波管とホーンとを備え、前記ホーンの基端部が前記導波管と連結されているホーンアンテナであって、前記ホーンは、断面が略階段状で、各段の開口幅が前記導波管側から開口側に行くに従って大きくなるように形成されているボックスホーンであり、前記導波管側に設けられ、基本モードを放射する第一のボックスと、前記第一のボックスの前記開口側に設けられ、前記基本モード及び高次モードを放射する複数の第二のボックスと、を有する、ことを特徴とする。

【0008】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のホーンアンテナであって、前記導波管は、断面が略四角形の筒状で、前面部に複数のスロットが形成されている、ことを特徴とする。

【0009】

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のホーンアンテナであって、前記導波管と前記ホーンとが一体的に形成されている、ことを特徴とする。

【0010】

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載のホーンアンテナであって、前記複数の第二のボックスのうち前記開口側の前記第二のボックスを前記第一のボックスに対してオフセットし、または、前記ホーンを回動させてチルト角が調節される、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

請求項１の発明によれば、ホーンの形状を階段状とすることにより発生する高次モードを積極的に利用することによって、従来のフレアタイプのホーンアンテナよりも短い奥行で、所望の垂直面指向性を得ることが可能となる。また、ホーンの形状を階段状とすることにより、断面係数が大きくなり、ホーンアンテナの強度が上がるため、補強部材を減らしてコストを削減することが可能となる。

【0012】

請求項２の発明によれば、導波管狭壁面側に設けられた各スロット孔の傾斜角度、切込み深さ、幅、及び配置を調整することにより周波数特性を調整し、所望の水平面指向性を得ることが可能となる。

【0013】

請求項３の発明によれば、導波管とホーンとが一体的に形成されるので、導波管部分とホーン部分を別部品とし、ホーンの板金を基端部から導波管に沿って延長し、ホーンで導波管を挟み込んで固定する場合に生じる両者間の「隙間」（組立誤差）が発生せず、組立誤差による水平面指向性の劣化を回避することが可能となる。また、導波管とホーとの組立作業が不要となり、部品点数を減らしてコストを削減することが可能となる。

【0014】

請求項４の発明によれば、ビームのチルト角を調節できるので、所望の垂直面指向性を得ることが可能となる。また、導波管の高さ方向の中心面を中心として、上側のホーンと下側のホーンが非対称となるため、奇数の高次モードだけでなく、偶数の高次モードが発生し、それらの複数の高次モードを重ね合わせて所望の垂直面指向性を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】この発明の第一の実施の形態に係るレーダアンテナの概略構成を示す側面図である。

【図2】図１のレーダアンテナの成形方法による第一の変形例を示す図（ａ）と、第二の変形例を示す図（ｂ）と、第三の変形例を示す図（ｃ）である。

【図3】この発明の実施の形態２に係るレーダアンテナの概略構成を示す側面図（ａ）と、実施の形態３に係るレーダアンテナの概略構成を示す側面図（ｂ）と、実施の形態４に係るレーダアンテナの概略構成を示す側面図（ｃ）である。

【図4】実施の形態２に係るレーダアンテナの概略構成を示す側面図（ａ）と、その垂直面指向性を示す図（ｂ）である。

【図5】従来のレーダアンテナの概略構成を示す側面図（ａ）と、その垂直面指向性を示す図（ｂ）である。

【図6】この発明の実施の形態２と実施の形態３を組み合わせたレーダアンテナを示す図（６ａ）とその特性を示す図（６ａ－１～６ａ－２）、並びに、図６ａのレーダアンテナをさらに改良したレーダアンテナの概略構成を示す図（６ｂ）とその特性を示す図（６ｂ－１～６ｂ－２）である。

【図7】この発明の好ましい形態に係るレーダアンテナの概略構成を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。下記の実施の形態では、この発明に係るホーンアンテナが船舶に搭載されるレーダアンテナである場合を例に挙げて説明する。

【0017】

（実施の形態１）
図１は、この実施の形態に係るレーダアンテナ（ホーンアンテナ）１の概略構成を示す側面図である。このレーダアンテナ１は、導波管２とホーン３を備え、ホーン３の基端部が導波管２と連結されている。このレーダアンテナ１は、ホーンの断面が階段状で、各段の開口幅が導波管２側から開口側に行くに従って大きくなるように形成されているボックスホーンである点で従来のレーダアンテナと異なる。なお、この実施の形態では、レーダアンテナ１が船舶に搭載される場合を想定しているので、図１におけるレーダアンテナ１の上側が空、下側が海であるとする。

【0018】

導波管２は、金属製で、断面が略四角形の筒状の長尺体である。導波管２は、前面部にスロットが複数形成されている、スロット導波管であることが好ましい。すなわち、ホーン３の内側に臨む面である前面部に、前面部の長手方向に対して略垂直方向に延びる長孔状のスロットが、前面部の長手方向に複数形成されていることが好ましい。各スロットの傾斜角度、幅、切込み深さ、配置などは、所望の指向性特性及び周波数特性が得られるように設定されている。

【0019】

ホーン３は、階段状で、各段の開口幅が導波管２側から開口側に行くに従って大きくなるように形成されているボックスホーンである。このように、ホーン３を階段状の不連続に広げられた形状にすることによって基本モードから高次モードが発生し、基本モードと高次モードとが合成されることにより所望の開口分布が得られるようになるため、従来のフレアタイプのホーンアンテナよりも奥行が短くすることができる。具体的には、レーダアンテナ１のホーン３の開口幅を従来のレーダアンテナ１０１と同じ２．８λ₀とする場合に、本発明のレーダアンテナ１は、従来のレーダアンテナ１０１の奥行４．８λ₀の約３分の２となる３．２λ₀にすることができる（図４及び５参照）。

【0020】

また、ホーン３を階段状の不連続に広げられた形状にすることによって、高次モードが発生する。この実施の形態では、ホーン３は３段のボックスを有するボックスホーンであり、導波管２側に設けられた第一段のボックス（第一のボックス）３１が基本モードを放射し、第一段のボックスの開口側に設けられた第二段のボックス（第二のボックス）３２が基本モード及び３次モードを放射し、第二段のボックス３２の開口側に設けられた第三段のボックス（２つめの第二のボックス）３３が基本モードと３次モードと５次モードを放射する。ここで「ボックス」とは、上側ホーン３と下側ホーン３によって囲まれた、導波管２の長手方向に伸びる空間であって、かつ、階段状のホーン３の段差部と角部（不連続部）で区切られた空間のことをいう。なお、後述するように、ホーン３の各ボックスの垂直断面は、導波管２の高さ方向の中心面に平行であっても、テーパー状であっても良い。

【0021】

第二のボックスの数は２つに限定されるものではない。第二のボックスは、１つであっても良いし、３つ以上であっても良い。レーダアンテナ１の開口幅を従来のレーダアンテナと同程度としつつ、奥行を短くする場合には、基本モード、３次モード及び５次モードを放射する３段のボックスホーンとすることが好ましい。

【0022】

また、複数の第二のボックスが放射する高次モードは、３次モードや５次モードに限定されない。一般的に、ホーン３が導波管２の高さ方向の中心面を中心として上下対称に形成されている場合には、奇数の高次モードが発生し、上下非対称に形成されている場合には、奇数の高次モードに加えて偶数の高次モードが発生する。従って、後述するように、第三段のボックス３３を第一段のボックス３１に対してオフセットしたり、ホーン３を導波管２との連結部を中心として回動させたりして、ホーン３を上下非対称に形成した場合には、基本モード、３次モード及び５次モードに加えて、２次モードと４次モードも発生する。

【0023】

高次モードの発生比率は、各段を形成するボックスの高さ（開口幅）の比率によって決まる。例えば、５次モードの発生比率は、第二段のボックス３２の高さ（開口幅）と第三段のボックス３３の高さ（開口幅）との比率によって決まる。このように、高次モードの発生比率や高次モードと基本モードの発生比率を適宜調整することにより、レーダアンテナ１の垂直面指向性を所望の値とすることが可能となる。

【0024】

図２は、図１のレーダアンテナ１の成形方法による変形例を示す図（ａ）～（ｃ）である。第一の変形例（ａ）は、板金で製造されたホーン３とスロットを有する導波管２とを別部品とし、両者を溶接により連結するか、又は、ホーン３の板金を基端部から導波管２に沿って延長し、ホーン３で導波管２を挟み込むことにより連結しており、導波管２のスロットから給電されるようになっている。第二の変形例（ｂ）は、ホーン３とスロットを有する導波管２とが押出成形により一体的に形成されており、導波管２のスロットから給電されるようになっている。第三の変形例（ｃ）は、板金で製造されたホーン３の基端部が導波管２と溶接等の手段により連結され、ホーン３の一番外側の角部が切り離されて別部品として形成されたものであり、導波管２から給電されるようになっている。

【0025】

これら３つの変形例の中でも、導波管２とホーン３を別部品とした場合に導波管２とホーン３との間に生じ得る「隙間」（組立誤差）が生じない点で、第二の変形例（ｂ）が好ましい。これにより、第二の変形例（ｂ）は、水平面指向性の劣化を回避できる。また、第二の変形例（ｂ）は、一体的に形成されるので、組立作業が不要であり、部品点数が少なく、コストを削減することが可能となる点でも好ましい。なお、第三の変形例（ｃ）において、ホーン３の一部を切り離したことによって生ずる「隙間」は、水平面指向性の劣化の原因とならないことが確認されている。

【0026】

なお、レーダアンテナ１の成形方法によるバリエーションは、上記の３つの変形例に限定されるものではない。例えば、第一の変形例（ａ）と第二の変形例（ｂ）に用いられるスロットを有する導波管２は、スロットが形成されていない導波管２であっても良い。その場合、導波管２から給電される。また、第三の変形例（ｃ）に用いられる導波管２は、スロットを有する導波管２であっても良く、その場合、スロットから給電される。さらに、第三の変形例（ｃ）に用いられる導波管２とホーン３は、押出成形により一体的に形成されていても良い。

【0027】

以上説明した通り、この実施の形態に係るレーダアンテナ１によれば、ホーン３の形状を階段状とすることにより発生する高次モードを積極的に利用することによって、従来のフレアタイプのホーンアンテナよりも短い奥行で、所望の垂直面指向性を得ることが可能となる。また、ホーン３を階段状とすることで、断面係数が大きくなり、レーダアンテナ１の強度が上がるため、補強部材を減じてコストを削減することが可能となる。

【0028】

また、この実施の形態に係るレーダアンテナ１において、導波管２にスロットが形成されている場合には、導波管狭壁面側に設けられた各スロット孔の傾斜角度、切込み深さ、幅、及び配置を調整することにより周波数特性を調整し、所望の水平面指向性を得ることが可能となる。

【0029】

さらに、この実施の形態に係るレーダアンテナ１において、導波管２とホーン３とを一体的に形成する場合には、導波管２とホーン３を別部品として組立てた場合に生じ得る両者間の「隙間」（組立誤差）が発生せず、組立誤差による水平面指向性の劣化を回避することが可能となる。また、一体的に形成される場合、組み立て作業が不要となるとともに、部品点数も減じて、コストを削減することが可能となる。

【0030】

（実施の形態２）
図３（ａ）及び図４（ａ）は、この実施の形態に係るレーダアンテナ１の概略構成を示す側面図である。

【0031】

この実施の形態に係るレーダアンテナ１は、下側ホーン３の略水平方向の長さが、上側ホーン３の略水平方向の長さよりも長く設定されている点で実施の形態１と構成が異なり、実施の形態１と同等の構成については、同一符号を付することでその説明を省略する。

【0032】

図３（ａ）及び図４（ａ）のレーダアンテナ１では、下側ホーン３の略水平方向の長さを上側ホーンの略水平方向の長さよりも長く設定されている。これにより、海側への不要放射が抑制され、海側での垂直面指向性において、サイドローブを抑制し、所望のサイドローブレベル特性を得ることが可能となる。換言すれば、この実施の形態は、海側での所望の垂直面指向性を得るために、下側ホーン３の略水平方向の長さを上側ホーン３の略水平方向の長さよりも長く設定したものである。

【0033】

下側ホーン３の略水平方向の長さを上側ホーンの略水平方向の長さよりも長く設定すると、図４（ｂ）に示す通り、海側のサイドローブレベルを約－３０ｄＢ未満に下げることができる。ここで、図４（ｂ）において、空側ではサイドローブが高いところが発生するが、船舶レーダにおいては、空側でのサイドローブは一般に許容されるため、運用上の問題はない。

【0034】

（実施の形態３）
図３（ｂ）は、この実施の形態に係るレーダアンテナ１の概略構成を示す側面図である。

【0035】

この実施の形態に係るレーダアンテナ１は、開口側の第三段のボックス３３を第一段のボックス３１に対して高さ方向でオフセットさせている点で実施の形態１と構成が異なり、実施の形態１と同等の構成については、同一符号を付することでその説明を省略する。

【0036】

図３（ｂ）のレーダアンテナ１では、第三段のボックス３３が第一段のボックス３１に対して高さ方向でオフセットされている。具体的には、第三段のボックス３３の高さ方向の中心が、第一段のボックス３１の高さ方向の中心より下側に配置されている。これにより、ビームのチルト角を調整することができ、その結果として所望の垂直面指向性を得ることが可能となる。換言すれば、この実施の形態は、所望の垂直面指向性を得るために、第三段のボックス３３を第一段のボックス３１に対してオフセットして、ビームのチルト角を調整したものである。

【0037】

（実施の形態４）
図３（ｃ）は、この実施の形態に係るレーダアンテナ１の概略構成を示す側面図である。

【0038】

この実施の形態に係るレーダアンテナ１は、ホーン３を導波管２との連結部を中心として回動させている点で実施の形態１と構成が異なり、実施の形態１と同等の構成については、同一符号を付することでその説明を省略する。

【0039】

図３（ｃ）に記載されたレーダアンテナ１では、ホーン３を導波管２との連結部を中心として上方向または下方向に回動させている。これにより、ビームのチルト角を調整することができ、その結果として所望の垂直面指向性を得ることが可能となる。換言すれば、この実施の形態は、所望の垂直面指向性を得るために、ホーン３を導波管２との連結部を中心として上方向または下方向に回動させて、ビームのチルト角を調整したものである。

【0040】

なお、この実施の形態では、ホーン３の回動中心をホーン３と導波管２との連結部としているが、ホーン３の回動中心はこれに限定されない。例えば、図７に示すように、下側のホーン３の端部を回動中心としてホーン３を回動しても良い。他に、ホーンの中心部を回動中心とする例も挙げられる。

【0041】

実施の形態２～４に係るレーダアンテナ１では、ホーン３が導波管２の高さ方向の中心面を中心として上下非対称に形成されている。従って、レーダアンテナ１の開口側では、基本モード、３次モード及び５次モードに加えて、２次モードと４次モードも発生している。

【0042】

本発明では、レーダアンテナ１において所望の垂直面指向性を得るために、上述の実施の形態２～４の構成を組み合わせて用いることが好ましい。

【0043】

その一例として、図６に実施の形態２の構成と実施の形態３の構成を組み合わせたレーダアンテナ１を示す。図６ａに記載のレーダアンテナ１は、階段状のホーン３の基端部がスロットを有する導波管２と連結されているレーダアンテナ１であって、下側ホーン３の略水平方向の長さが、上側ホーン３の略水平方向の長さよりも長く設定されているとともに（実施の形態２の構成）、第三段のボックス３３の高さ方向の中心が、第一段のボックス３１の高さ方向の中心より数ｍｍ下側にオフセットされている（実施の形態３の構成）。

【0044】

図６ａのレーダアンテナ１は、下側ホーン３の略水平方向の長さが、上側ホーン３の略水平方向の長さよりも長く設定されているので、垂直面指向性を示す図６ａ－１において、海側のサイドローブが低く、海側の不要放射が抑制されている。一方、第二段のボックス３３の高さ方向の中心が、第一段のボックス３１の高さ方向の中心より数ｍｍ下側にオフセットされているため、下側ホーン３の略水平方向の長さを伸長したことによって空側にずれたメインローブの中心が海側に戻っている。

【0045】

図６ｂのレーダアンテナ１は、図６ａのレーダアンテナ１の開口幅を広げ、利得を上げる改良を施したものである。図６では、開口幅がＷａ１（ｍｍ）（図６ａの第三段のボックス３３の高さ）からＷｂ１（ｍｍ）（図６ｂの第三段のボックス３３の高さ）に広げられている。すなわち、Ｗａ１＜Ｗｂ１である。ここで、第三段のボックス３３の高さを変更したにもかかわらず、第二段のボックス３２の高さを変更しないと、高次モード（３次モード及び５次モード）の発生比率が変わってしまう。そこで、高次モードの発生比率を維持するために、図６ｂにおける第三段のボックス３３の高さＷｂ１と第二段のボックス３２の高さＷｂ２の比率が、図６ａにおける第三段のボックス３３の高さＷａ１と第二段のボックス３２の高さＷａ２の比率Ｓ（Ｓ＝Ｗａ２／Ｗａ１）と同じになるよう、図６ｂの第二段のボックス３２を形成するホーン３の開口側の高さＷｂ２を決定する（Ｗｂ１×Ｓ＝Ｗｂ２）。その結果、図６ｂのホーン３の垂直断面は、第二段のボックス３２の部分がテーパー状になっている。

【0046】

図６ｂのレーダアンテナ１は、開口幅を広げたため、ビーム幅は２３度から２２度へ狭まり、利得は０．１ｄＢ向上している。その一方で、第二ボックス３２部分のホーン３をテーパー状に形成しているので、各高次モードの発生比率が変わらず、図６ａのレーダアンテナ１と同様の垂直面指向性を有する（図６ａ－１と図６ｂ－１参照）。

【0047】

図７は、この発明の好ましいレーダアンテナ１の概略構成を示す側面図である。図７のレーダアンテナ１は、実施の形態２～４の構成を組み合わせるとともに、ホーン３とスロットを有する導波管２とを押出成形により一体的に形成しているので、従来のフレアタイプのホーンアンテナよりも短い奥行で、所望の垂直面指向性を得ることができるとともに、導波管２とホーン３との間に生じ得る「隙間」（組立誤差）に起因する水平面指向性の劣化を回避できる。また、ホーン３が階段状なので、強度が高く、補強部材としての底板４の長さ（紙面奥行き方向）も削減することが可能となる。

【0048】

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、レーダ用途のホーンアンテナを例に説明したが、本発明のホーンアンテナは、例えば、衛星通信、携帯基地局、マイクロ波帯又はミリ波帯の無線通信に用いられるホーンアンテナであっても良い。

【符号の説明】

【0049】

１ レーダアンテナ（ホーンアンテナ）
２ 導波管
３ ホーン
３０ 不連続部
３１ 第一段のボックス（第一のボックス）
３２ 第二段のボックス（第二のボックス）
３３ 第三段のボックス（２つめの第二のボックス）
４ 底板
１０１ レーダアンテナ
１０２ 導波管
１０３ ホーン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】