特許 7511867 テーパーＴＥＭホーンアンテナ

(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】

(24)【登録日】2024-06-28

(45)【発行日】2024-07-08

(54)【発明の名称】テーパーＴＥＭホーンアンテナ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 13/02 20060101AFI20240701BHJP

【ＦＩ】

H01Q13/02

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020055420

(22)【出願日】2020-03-26

(65)【公開番号】P2021158467

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2023-03-08

(73)【特許権者】

【識別番号】301022471

【氏名又は名称】国立研究開発法人情報通信研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】張間 勝茂

【審査官】岸田 伸太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０３７９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】張間 勝茂，「ＥＭＣ測定のための改良ＴＥＭホーンアンテナの検討」，２０１６年電子情報通信学会通信ソサイエティ大会講演論文集１，2016年，p.244

【文献】Ahmed Abbas H. Ameri et al.，"Study about TEM horn size reduction for ultrawideband radar application"，2011 German Microwave Conference，2011年

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ １３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

対向して配置された一対のアンテナ素子と、前記一対のアンテナ素子の一端部に接続された給電部とを備えるテーパーＴＥＭホーンアンテナであって、
前記アンテナ素子は、前記一端部から前記一端部の反対側に形成された開口部に向けて直線テーパー状で幅方向に広がり、前記開口部の両端側から中央側に幅方向で狭くなる減幅部が形成され、
前記一対のアンテナ素子は、前記一端部から前記開口部まで、指数関数で表される曲線テーパー状で高さ方向に広がることを特徴とするテーパーＴＥＭホーンアンテナ。

【請求項2】

前記アンテナ素子は、前記開口部の両端から所定サイズの領域が除去されていることを特徴とする請求項１に記載のテーパーＴＥＭホーンアンテナ。

【請求項3】

前記領域は、前記開口部の両端から前記開口部の開口幅の２０％の位置で開口面に対して６０°となる境界線までの最小領域以上、かつ、前記開口部の両端から前記開口幅の５０％の位置で前記開口面に対して６０°となる境界線までの最大領域以下であることを特徴とする請求項２に記載のテーパーＴＥＭホーンアンテナ。

【請求項4】

奥行方向における前記一端部からの距離ｄと、前記一端部から前記開口部までの全長Ｌと、前記一端部における前記アンテナ素子の幅ｗ_０と、前記領域を除去する前の前記アンテナ素子の全幅ｗ_Ｌとが含まれる式（１）及び式（２）を用いて、

【数1】

前記領域を除去する前の前記アンテナ素子の幅ｗ（ｄ）が表されることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のテーパーＴＥＭホーンアンテナ。

【請求項5】

前記一端部における入力インピーダンスＺ_０と、前記開口部における特性インピーダンスＺ_Ｌとが含まれる式（３）～（５）を用いて、

【数2】

前記一対のアンテナ素子の間隔ｈ（ｄ）が表されることを特徴とする請求項４に記載のテーパーＴＥＭホーンアンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、近接放射イミュニティ試験等のＥＭＣ試験に用いるテーパーＴＥＭホーンアンテナに関する。

【背景技術】

【0002】

国際規格の近接放射イミュニティ試験では、ＴＥＭホーンアンテナの使用を規定している（非特許文献１）。このＴＥＭホーンアンテナは、対向して配置された一対の金属プレートからなり、反射の影響を低減するために、給電部及び開口部の特性インピーダンスの整合を考慮する必要がある。

【0003】

従来、直線状の広がりを有するプレートに抵抗装荷した直線テーパーＴＥＭホーンアンテナが知られている（非特許文献２，３）。また、指数関数テーパー伝送線路をプレート構造に適用することで、抵抗装荷を不要とした指数関数テーパーＴＥＭホーンアンテナも知られている（非特許文献４，５）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】IEC 61000-4-39, Electromagnetic Compatibility (EMC) -Part4-39: Testing and measurement techniques - Radiated fields in close proximity - Immunity test, 2017.

【文献】M. Kanda,“The effects of resistive loading of TEM horns,” IEEE Trans. Electromagn. Compat., EMC-24, pp. 245-255, May 1982.

【文献】C. A. Grosvenor, R. T. Johnk, D. R. Novotny, S. Canales, B. Davis, and J. Veneman,“TEM horn antenna design principles,”NIST Technical Note 1544, Jan. 2007.

【文献】H. Choi and S. Lee,“Design of an exponentially-tapered TEM horn antenna for the wide broadband communication,”Microw. Opt. Technol. Lett., vol. 40, no. 6, pp. 531-534, March 2004.

【文献】K. Harima,“Numerical estimation for TEM horn antennas with transmission line taper shapes,”IEICE Communications Express, vol. 6, no. 9, pp. 560-565, Sep. 2017.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、従来の直線テーパーＴＥＭホーンアンテナは、プレート上に装荷された抵抗のため、放射効率が低下するという問題がある。また、従来の指数関数テーパーＴＥＭホーンアンテナは、最大利得方向とアンテナの正面方向とが一致しない周波数帯が存在するという構造に起因する問題がある。さらに、従来の直線テーパーＴＥＭホーンアンテナ及び指数関数テーパーＴＥＭホーンアンテナは、下限周波数の半波長以上のアンテナ長となるため、３００ＭＨｚ帯以下で大型化してしまう。

【0006】

そこで、本発明は、広い周波数帯域にわたって放射効率が高く、良好な反射特性及び放射特性を有し、かつ、小型なテーパーＴＥＭホーンアンテナを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するため、本発明に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナは、対向して配置された一対のアンテナ素子と、一対のアンテナ素子の一端部に接続された給電部とを備えるテーパーＴＥＭホーンアンテナであって、アンテナ素子は、一端部から一端部の反対側に形成された開口部に向けて直線テーパー状で幅方向に広がり、開口部の両端側から中央側に幅方向で狭くなる減幅部が形成され、一対のアンテナ素子は、一端部から開口部まで、指数関数で表される曲線テーパー状で高さ方向に広がる構成とした。

【0008】

かかるテーパーＴＥＭホーンアンテナによれば、特性インピーダンスが連続的に変化するようにテーパー伝送線路の特性インピーダンスに一致させた直線テーパー状及び曲線テーパー状からなるハイブリッド構造を採用し、開口部の両端から所定サイズの領域を除去した。これにより、テーパーＴＥＭホーンアンテナによれば、抵抗装荷によるインピーダンス整合が必要なく、最大利得方向とアンテナの正面方向とを一致させることができる。従って、テーパーＴＥＭホーンアンテナによれば、広い周波数帯域にわたって放射効率が高く、良好な反射特性及び放射特性を有し、かつ、小型化を図ることができる。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、広い周波数帯域にわたって放射効率が高く、良好な反射特性及び放射特性を有し、かつ、小型なテーパーＴＥＭホーンアンテナを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナの概略構成図であり、（ａ）は領域を除去した後を示し、（ｂ）は領域を除去する前を示す。

【図2】（ａ）は実施形態に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナの平面図であり、（ｂ）はテーパーＴＥＭホーンアンテナの側面図である。

【図3】実施形態において、アンテナ素子から除去する領域を説明する説明図である。

【図4】（ａ）～（ｃ）は、テーパーＴＥＭホーンアンテナの別例を示す平面図である。

【図5】（ａ）は実施例における利得特性を示すグラフであり、（ｂ）は比較例における利得特性を示すグラフである。

【図6】（ａ）は実施例における反射特性を示すグラフであり、（ｂ）は比較例における反射特性を示すグラフである。

【図7】（ａ）～（ｆ）は、実施例においてアンテナの開口面から１０ｃｍ離れた場所で代表的な試験周波数における電界分布を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。但し、以下に説明する実施形態は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。また、実施形態において、同一の手段には同一の符号を付し、説明を省略することがある。

【0012】

［テーパーＴＥＭホーンアンテナの構成］
以下、実施形態に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナ１の構成を説明する。
図１（ａ）に示すように、テーパーＴＥＭホーンアンテナ１は、対向して配置された一対のアンテナ素子１０（１０_１，１０_２）と、一対のアンテナ素子１０の一端部に接続された給電部２０とを備える。

【0013】

以後、水平方向（幅方向）をＸ軸、垂直方向（高さ方向）をＹ軸、及び、奥行方向をＤ軸とする。すなわち、水平方向、垂直方向及び奥行方向が互いに直交する３次元座標系となる。
また、後記する減幅部１４を形成する前のアンテナ素子を「アンテナ素子９０」と記載し、減幅部１４を形成した後のアンテナ素子を「アンテナ素子１０」と記載する。以後、必要に応じて、アンテナ素子１０とアンテナ素子９０とを区別して説明する。また、図１（ａ）及び図２（ａ）では、アンテナ素子９０を破線で図示した。
また、２枚のアンテナ素子をまとめて説明する場合、単に「アンテナ素子１０」と記載する。

【0014】

一対のアンテナ素子１０は、２枚のアンテナ素子１０_１，１０_２が対向するように配置されており、電磁波を放射するものである。つまり、２枚のアンテナ素子１０_１，１０_２の平坦面が、互いに向き合うように配置されている。また、２枚のアンテナ素子１０_１，１０_２は、同一形状及び同一サイズである。例えば、アンテナ素子１０は、アルミニウム、銅、黄銅などの金属プレートで形成可能であり、その厚さが０．７ｍｍである。

【0015】

アンテナ素子１０は、一端部１１に給電部２０が接続されており、奥行方向で一端部１１の反対側に開口部１２が形成されている。以後、開口部１２におけるＸ－Ｙ平面を「開口面」と記載する。

【0016】

ここで、アンテナ素子１０は、給電部２０から開口部１２まで特性インピーダンスが連続的に変化するように、直線テーパー状及び曲線テーパー状からなるハイブリッド構造を有する。具体的には、図２（ａ）に示すように、テーパーＴＥＭホーンアンテナ１を垂直方向から見た場合、アンテナ素子１０は、一端部１１から開口部１２に向けて、直線テーパー状で水平方向に広がっている。つまり、奥行方向で一端部１１から開口部１２に近づくほど、アンテナ素子９０の幅が直線状に広くなる。また、図２（ｂ）に示すように、テーパーＴＥＭホーンアンテナ１を水平方向から見た場合、アンテナ素子１０_１，１０_２の間隔は、一端部１１から開口部１２まで、指数関数で表される曲線テーパー状で垂直方向に広くなる。つまり、奥行方向で一端部１１から開口部１２に近づくほど、アンテナ素子１０_１，１０_２の間隔が曲線状に広くなる。

【0017】

さらに、図１（ａ）及び図２（ａ）に示すように、アンテナ素子１０は、開口部１２の両端側から中央側に幅方向で狭くなる減幅部１４が形成されている。つまり、アンテナ素子１０は、奥行方向で中央付近から開口部１２にかけて、アンテナ素子１０の幅が狭くなるように減幅部１４が形成されている。ここでは、アンテナ素子９０の両端から所定サイズの領域１３を除去することで、アンテナ素子１０に減幅部１４を形成できる。本実施形態では、各アンテナ素子１０_１，１０_２の両端から合計４カ所、三角形状の領域１３_１～１３_４が除去されている。なお、全領域１３_１～１３_４は、同一形状及び同一サイズである。

【0018】

給電部２０は、アンテナ素子１０の一端部１１に接続されており、アンテナ素子１０が放射する電磁波の電力を給電するものである。例えば、給電部２０としては、アンテナ素子１０_１，１０_２のそれぞれに接続された同軸給電部があげられる。

【0019】

［アンテナ素子の構造］
以下、アンテナ素子１０の構造について詳細に説明する。
以後、アンテナ素子１０の全長、全幅及び全高をそれぞれＬ、Ｗ、Ｈとして説明する。なお、アンテナ素子１０の全長Ｌは、奥行方向における一端部１１から開口部１２まで長さを表す。また、領域１３を除去する前のアンテナ素子１０の全幅Ｗは、アンテナ素子９０の全幅と等価であり、水平方向における開口部１２の幅を表す。また、アンテナ素子１０の全高Ｈは、垂直方向における開口部１２の高さを表す。

【0020】

図２（ａ）に示すように、任意の距離ｄにおいて、領域１３を除去する前のアンテナ素子１０の幅ｗ（ｄ）は、アンテナ素子９０の幅と等価であり、以下の式（１）及び式（２）で表される。なお、一端部１１の幅ｗ_０＝ｗ（０）であり、開口部１２の幅Ｗ＝ｗ_Ｌ＝ｗ（Ｌ）である。また、距離ｄは、奥行方向における一端部１１から任意位置までの距離を表す。

【0021】

【数1】

【0022】

図２（ｂ）に示すように、任意の距離ｄにおいて、アンテナ素子１０_１，１０_２の間隔ｈ（ｄ）は、以下の式（３）～式（５）に示すように指数関数（正確には、指数関数と一次関数との積）で表される。なお、一端部１１における入力インピーダンスＺ_０＝Ｚ（０）であり、開口部１２における特性インピーダンスＺ_Ｌ＝Ｚ（Ｌ）である。

【0023】

【数2】

【0024】

すなわち、テーパーＴＥＭホーンアンテナ１は、前記した式（４）に示すように、任意の距離ｄにおいて、指数関数テーパー伝送線路の特性インピーダンスＺ（ｄ）を有する。ここで、微小幅を有する多数の平行平板でアンテナ素子１０を構成する場合を考える。この場合、２枚のアンテナ素子１０_１，１０_２の間隔ｈ（ｄ）は、指数関数テーパー伝送線路の特性インピーダンスＺ（ｄ）と、直線テーバ状で表される幅ｗ（ｄ）とを用いて、前記した式（３）で表される。

【0025】

このようにして、テーパーＴＥＭホーンアンテナ１では、アンテナの特性インピーダンスがテーパー伝送線路の特性インピーダンスを維持するように、アンテナ素子１０の幅ｗ（ｄ）及び間隔ｈ（ｄ）を決定できる。

【0026】

以下、図３を参照し、アンテナ素子１０の両端から除去する領域１３を説明する。なお、図３では、図面を見やすくするために、アンテナ素子１０の左端１２_Ｌから領域１３を除去することとして説明する。当然ながら、アンテナ素子１０の右端１２_Ｒも左端１２_Ｌと同様に除去することは言うまでもない（図３不図示）。また、図３では、図面を見やすくするために、アンテナ素子１０を破線で図示すると共に、給電部２０の図示を省略した。

【0027】

図３に示すように、領域１３は、最小領域Ｒ_ｍｉｎ以上、かつ、最大領域Ｒ_ｍａｘ以下となる領域である。ここで、最小領域Ｒ_ｍｉｎは、アンテナ素子１０の左端１２_Ｌから開口幅Ｗの２０％の位置ｗ_ｍｉｎで、開口面に対してθ＝６０°となる境界線Ｌ_ｍｉｎまでの領域である。また、最大領域Ｒ_ｍａｘは、アンテナ素子１０の左端１２_Ｌから開口幅Ｗの５０％の位置ｗ_ｍａｘで、開口面に対してθ＝６０°となる境界線Ｌ_ｍａｘまでの領域である。すなわち、アンテナ素子１０の左端１２_Ｌから、最大領域Ｒ_ｍａｘと最小領域Ｒ_ｍｉｎとの差分となる範囲内（図３にハッチングで図示した範囲内）で除去すればよい。

【0028】

例えば、図２（ａ）のアンテナ素子１０は、その両端から図３のハッチングで図示した範囲内である開口幅Ｗの３７％の位置ｗ_ｃで開口面に対してθ＝５０°となる境界線までの領域１３を除去している。また、図４（ａ）に示すように、アンテナ素子１０は、その両端から開口幅Ｗの４６％の位置で開口面に対してθ＝４３°となる境界線までの領域１３を除去してもよい。このように、アンテナ素子１０は、図３のハッチングで図示した範囲内で直線状に除去できる。なお、アンテナ素子１０は、位置ｗ_ｃが開口幅Ｗの５０％未満の場合に不等辺６角形状となり、位置ｗ_ｃが開口幅Ｗの５０％のときに不等辺５角形状となる。

【0029】

また、アンテナ素子１０は、図３のハッチングで図示した範囲内であれば、曲線状に除去してもよい。図４（ｂ）に示すように、アンテナ素子１０の両端から、凹曲線状の領域１３を除去してもよい。この場合、アンテナ素子１０は、水平方向に膨らむような減幅部１４が形成される。また、図４（ｃ）に示すように、アンテナ素子１０の両端から、凸曲線状の領域１３を除去してもよい。この場合、アンテナ素子１０は、水平方向で縮まるような減幅部１４が形成される。
なお、アンテナ素子１０の製造方法は、任意である。例えば、図１（ｂ）のアンテナ素子９０の両端から領域１３を切去すればよい。

【0030】

［作用・効果］
実施形態に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナ１によれば、直線テーパー状及び曲線テーパー状からなるハイブリッド構造を採用し、開口部１２の両端から所定サイズの領域１３を除去したので、特性インピーダンス整合のための抵抗装荷が必要なく、最大利得方向とアンテナの正面方向とを一致させることができる。これにより、テーパーＴＥＭホーンアンテナ１によれば、広い周波数帯域にわたって放射効率が高く、良好な反射特性及び放射特性を有し、かつ、小型化を図ることができる。

【実施例】

【0031】

以下、実施例として、図１（ａ）のテーパーＴＥＭホーンアンテナ１の評価結果について説明する。本実施例では、アンテナ素子１０の全長Ｌ＝全高Ｈ＝全幅Ｗ＝２４．５ｃｍという条件で、テーパーＴＥＭホーンアンテナ１の特性を最適化した。具体的には、テーパーＴＥＭホーンアンテナ１は、開口幅Ｗの３７％の位置ｗ_ｃで開口面に対してθ＝５０°となる境界線までの領域１３を、アンテナ素子１０の両端から除去した。また、給電部２０の入力インピーダンスを５０Ωとして、開口部１２の特性インピーダンスを３７７Ωとする。

【0032】

例えば、従来の指数関数テーパーＴＥＭホーンアンテナでは、アンテナ素子の全長が５６ｃｍである。これに対し、テーパーＴＥＭホーンアンテナ１では、アンテナ素子１０の全長Ｌが半分以下となり、従来よりも大幅に小型化できる。

【0033】

ここで、図１（ｂ）に示すように、アンテナ素子９０を備えるテーパーＴＥＭホーンアンテナを比較例として説明を続ける。なお、比較例に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナは、アンテナ素子９０から領域１３を除去していない以外、実施例と同一構成である。

【0034】

実施例に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナ１の特性（利得特性、反射特性）を図５及び図６に示した。なお、これら利得特性及び反射特性は、有限積分法による計算結果（シミュレーション結果）である。
図５（ａ）は実施例における利得特性を示すグラフであり、図５（ｂ）は比較例における利得特性を示すグラフである。また、図５では、横軸が周波数であり、縦軸が利得である。また、図５では、各周波数におけるアンテナの正面方向の利得を実線で図示し、各周波数における最大利得を破線で図示した。

【0035】

図５（ａ）に示すように、実施例では、全周波数帯域において、実線及び破線が重なっており、正面方向で最大利得となっている。このように、実施例に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナ１は、ビーム割れのない指向性を有する。一方、図５（ｂ）に示すように、比較例では、約４ＧＨｚ～６ＧＨｚの周波数帯域において、実線及び破線がずれており、アンテナの正面方向で最大利得となっていない。

【0036】

図６（ａ）は実施例における反射特性を示すグラフであり、図６（ｂ）は比較例における反射特性を示すグラフである。また、図６では、横軸が周波数であり、縦軸が電圧定在波比（ＶＳＷＲ：Voltage Standing Wave Ratio）である。また、図６では、近接放射イミュニティ試験のアンテナに関する規格制限値を破線で図示した。

【0037】

図６（ａ）に示すように、実施例では、全周波数帯域でＶＳＷＲが規格制限値未満であり、近接放射イミュニティ試験の規格を完全に満足している。一方、図６（ｂ）に示すように、比較例では、ＶＳＷＲが規格制限値を超える周波数帯域が存在している。このように、実施例に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナ１は、近接放射イミュニティ試験の規格を完全に満足している。

【0038】

近接放射イミュニティ試験では、照射面の電界均一領域を電界最大値から４ｄＢの範囲と規定している。図７は、アンテナの開口面から１０ｃｍ離れた場所での代表的な試験周波数における電界分布を示すグラフである。図７では、横軸が水平方向の位置であり、縦軸が垂直方向の位置であり、０ｃｍがアンテナ素子１０の開口部１２の中心を表す。なお、この電解分布は、シミュレーションによる計算例である。

【0039】

図７（ａ）～（ｆ）に示すように、実施例では、全周波数帯域でアンテナ近傍において破綻のない良好な電界照射領域を形成できている。図７（ｆ）に示すように、近接放射イミュニティ試験で重要な高周波数帯域において、十分な広さの電界照射領域が確保されている。

【0040】

以上のように、実施例に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナ１は、抵抗装荷が不要なので高い放射効率を有し、全試験周波数で近接放射イミュニティ試験の規格を満足する反射特性を有する。さらに、実施例に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナ１は、ビーム割れのない指向性を有し、アンテナ近傍において良好な電界照射領域を形成可能となる放射特性を有する。このように、実施例に係るテーパーＴＥＭホーンアンテナ１は、ＥＭＣ試験用の小型アンテナとして最適であると考えられる。

【符号の説明】

【0041】

１ テーパーＴＥＭホーンアンテナ
１０，１０_１，１０_２ アンテナ素子
１１ 一端部
１２ 開口部
１３ 除去領域
１４ 減幅部
２０ 給電部
９０，９０_１，９０_２ アンテナ素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】