JP5253468B2

JP5253468B2 - アンテナ装置及びレーダ装置

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Publication number: JP5253468B2
Application number: JP2010197616A
Authority: JP
Inventors: 城徹司; 林秀一尾
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: JP2012054869A; US8665142B2; US20120056776A1

Description

本発明の実施形態は、アンテナ装置及びレーダ装置に関する。

導波管にスロットを形成した導波管スロットアレーアンテナでは、ペアスロットと呼ばれる２つのスロットを、スロット長方向が導波管の管軸方向（線路方向）と直交するように設けたものが知られている。２つのスロットの間隔を管内波長の約４分の１とすることで、スロットアレーにおける個々のスロットからの反射を抑圧することができる。また、スロットからの放射量を増やすために、２つのスロットを、スロット長方向（管幅方向）にオフセット配置する（ずらして配置する）手法も提案されている。

導波管スロットアレーアンテナを誘電体基板上に形成する場合、誘電体の波長短縮効果により、基本伝搬モードであるＴＥ１０モードを伝搬可能な導波管の管幅が狭くなり、スロットの共振長と管幅とが同程度となる。そのため、ペアスロットをオフセット配置する際のオフセット量が小さくなり、個々のスロットからの反射の帯域が狭くなり、アンテナの効率が低下するという問題があった。

Kunio SAKAKIBARA, Jiro HIROKAWA, Makoto ANDO and Naohisa GOTO, "A Linearly-Polarized Slotted Waveguide Array Using Reflection-Canceling Slot Pairs," IEICE Transactions on Communications, Vol.E77-B, No.4, pp.511-518, April 1994

本発明は、個々のスロットからの反射の帯域が広く、効率の良いアンテナ装置及びレーダ装置を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、アンテナ装置は、両面が第１及び第２金属膜に覆われた誘電体基板と、前記誘電体基板に２列に配列され、前記第１及び第２金属膜とで導波管線路を形成するスルーホール列と、前記第１金属膜に設けられたペアスロットと、を備える。前記ペアスロットは、スロット長方向が前記導波管線路の線路方向に対して斜めに設けられた第１スロット及び第２スロットを有する。前記第１スロットの中心と、前記第２スロットの中心とが、前記スロット長方向に沿って、前記第１スロットのスロット長さ及び前記第２スロットのスロット長さのうち短い方の２分の１以上離れている。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の一部の概略構成図である。同第１の実施形態に係るアンテナ装置に設けられたペアスロットの構成図である。スロットのオフセット量とペアスロットからの反射が−２０ｄＢ以下を満たす比帯域との関係を示すグラフである。同第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成図である。スロット配置の一例を示す図である。スロット配置の一例を示す図である。ビーム成形する場合の指向性の一例を示す図である。変形例によるアンテナ装置の概略構成図である。本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の一部の概略構成図である。本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の一部の概略構成図である。レーダ装置のブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の概略構成を示す。なお、図１は、アンテナ装置の一部を示している。アンテナ装置は、両面が金属膜１００に覆われた誘電体基板１０１と、誘電体基板１０１に設けられた複数のスルーホール１０３とを備える。スルーホール１０３は図１のｘ軸方向に沿って２列に配設されている。以下、スルーホール１０３の各列をスルーホール列と称する。一方のスルーホール列と他方のスルーホール列とは間隔Ａを空けている。また、各スルーホール列において、１つのスルーホール１０３と、隣接するスルーホール１０３とは間隔Ｂを空けている。間隔Ａ、Ｂについては後述する。

金属膜１００は例えば銅箔であり、誘電体基板１０１は例えば樹脂基板である。また、スルーホール１０３は、例えば、誘電体基板１０１に穴を開け、この穴の内壁にめっきを施すことで形成することができる。

誘電体基板１０１のうち、誘電体基板１０１の両面に設けられた金属膜１００と、２つのスルーホール列に囲まれた領域が、高周波線路（導波管線路）１０２となる。高周波線路１０２には、図１のｘ軸方向に沿って高周波信号が流れる。以下、図１のｘ方向を線路方向とも称する。

また、誘電体基板１０１の一方の面に設けられた金属膜１００には、２つのスロット１０４ａ及び１０４ｂが互いに平行に形成されている。スロット１０４ａ及び１０４ｂはいわゆるペアスロットである。スロット１０４ａ及び１０４ｂは、例えば、金属膜１００をエッチング処理することで形成できる。

なお、図１において、例えば、間隔Ａは、高周波線路１０２において、高次モードが遮断され、基本モードのみを伝搬モードとして動作させるため、

を満たす。ここで、ｆ_０は動作周波数、ε_ｒは誘電体基板１０１の比誘電率、ｃは自由空間での光速を示す。また、間隔Ｂは高周波線路１０２の管内波長の１／５以下となる。

図２に、スロット１０４ａ及び１０４ｂの構成を示す。スロット１０４ａのスロット長さはＬ１であり、スロット１０４ｂのスロット長さはＬ２である。スロット１０４ａ及び１０４ｂは、スロット長さ方向（図２のｄ１方向）が、高周波線路１０２の高周波信号が流れる方向（線路方向）に対して斜め（４５°程度）となるように設けられる。言い換えれば、スロット１０４ａ及び１０４ｂは、スロット長さ方向（図２のｄ１方向）に直交するスロット幅方向（図２のｄ２方向）が、高周波線路１０２の高周波信号が流れる方向（線路方向）に対して斜め（４５°程度）となるように設けられる。

また、図２に示すように、スロット１０４ａ及び１０４ｂは、高周波線路（導波管線路）１０２の管内波長λの１／４程度の間隔を空けて近接配置されている。このようにスロットを配置することで、個々のスロットからの反射を抑圧することができる。

さらに、スロット１０４ａ及び１０４ｂは、図２に示すように、スロット長さ方向（ｄ１方向）に、スロット１０４ａ及び１０４ｂの中心をずらして、オフセット配置されている。スロット１０４ａの中心とスロット１０４ｂの中心とのずれｐをオフセット量という。

図３に、ペアスロット１０４ａ及び１０４ｂの２つのスロット長Ｌ１およびＬ２のうち短い方のスロット長で規格化したオフセット量ｐと、ペアスロットからの反射が−２０ｄＢ以下を満たす比帯域との関係を示す。ここで、誘電体基板１０１には誘電率２．１４のＰＴＦＥ基板を使用し、スロット長は共振長とした。

この図３より、ペアスロットのオフセット量ｐが大きくなると、反射の帯域が広がることが分かる。また、オフセット量ｐが、スロット長Ｌ１又はＬ２のうち短い方の２分の１以上になると、反射帯域の広がり効果は小さくなることが分かる。従って、ペアスロットのオフセット量ｐは、スロット長の２分の１以上とすることが好適である。

本実施形態では、スロット１０４ａ及び１０４ｂを高周波線路１０２の線路方向に対して斜めとなるように設けているため、高周波線路１０２の幅（間隔Ａ）が狭い場合でも、ペアスロットのオフセット量ｐを大きくとることができる。

そのため、オフセット量ｐが、スロット長Ｌ１又はＬ２のうち短い方の２分の１以上となるようにスロット１０４ａ及び１０４ｂを設けることができ、反射帯域を広げ、広帯域にわたってアンテナの効率を向上させることができる。

上記第１の実施形態において、スロット長Ｌ１とスロット長Ｌ２とが同じであってもよい。

図１はアンテナ装置の一部を示したものであり、アンテナ装置の全体構成は図４に示すようになっている。図４において破線で囲んだ領域が図１に対応する。すなわち、アンテナ装置は図１に示す構成が複数個並べて配置されている。

図４に示すように、アンテナ装置には、複数のペアスロット４０４（図１におけるスロット１０４ａ及び１０４ｂ）が配置された高周波線路４０２（図１における高周波線路１０２）が複数設けられている。各高周波線路４０２は、アンテナへ高周波信号を給電するための給電部４０６に接続されている。

アンテナ装置におけるスロット配置の一例を図５、図６に示す。図５、図６において、図４と同一の部分には同じ参照番号を付して説明を省略する。複数の高周波線路４０２は、断面４０７を介して給電部（図示せず）と接続される。図５、図６では、スロットの長さ、ペアスロットにおけるスロット間隔、ペアスロット間隔などが、少しずつ異なっており、正面方向（図中ｚ方向）に任意のビームを形成することが可能となる。

スロット配置は、図５に示すように、高周波線路４０２の管幅方向（図中ｙ軸方向）に沿って、隣の列のペアスロットが一直線となるように配置されていてもよいし、図６に示すように、一直線とならず、ずれて配置されていてもよい。

進行波型の漏洩型導波管スロットアレーにおいて一様励振分布を得る場合は、スロットの長さを、給電部と接続される断面４０７に近いスロットほど短くすることが好適である。言い換えれば、給電部から離れるほど、スロット長が長くなるようにスロットを形成することが好適である。

図７に、ビーム成形する場合の指向性の一例を示す。図７に示すように、ガウス分布７０１を特徴とするビームと、コセカント指向性７０２を特徴とするビームを組み合わせた成形ビームの指向性を得るためには、高周波線路に設けられたスロットのうち、途中のスロットのスロット長が一番長くなるようにすることが好適である。すなわち、図８に示すように、断面４０７（給電部）から所定距離までは断面４０７（給電部）から遠ざかるにつれてスロット長は徐々に大きくなり、断面４０７（給電部）から所定距離以上離れた領域ではスロット長が大きくならない（又はやや小さくなる）ようにスロットを形成することが好適である。

（第２の実施形態）図９に本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の一部の概略構成を示す。上記第１の実施形態は、図１に示すように、１層の誘電体基板を用いてアンテナ装置を形成していたが、本実施形態は、複数層（多層）の誘電体基板を用いてアンテナ装置を形成する。

図９に示すように、アンテナ装置は、積層された複数の誘電体基板９０１と、最上層の誘電体基板９０１の上面と最下層の誘電体基板９０１の下面に設けられた金属膜９００と、各誘電体基板９０１に設けられた複数のスルーホール９０３とを備える。各誘電体基板９０１において、スルーホール９０３は、図９のｘ軸方向に沿って２列に配設されている。以下、スルーホール９０３の各列をスルーホール列と称する。

多層の誘電体基板９０１の層間には、金属膜９００と平行に導体層９０５が設けられ、スルーホール列と電気的に接続される。

金属膜９００及び導体層９０５は例えば銅箔であり、誘電体基板９０１は例えば樹脂基板である。また、スルーホール９０３は、例えば、誘電体基板９０１に穴を開け、この穴の内壁にめっきを施すことで形成することができる。

多層の誘電体基板９０１の両面に設けられた金属膜９００と、各誘電体基板９０１の２つのスルーホール列に囲まれた領域が、高周波線路（導波管線路）９０２となる。高周波線路９０２には、図９のｘ軸方向（線路方向）に沿って高周波信号が流れる。

また、多層の誘電体基板９０１の一方の面（上面）に設けられた金属膜９００には、２つのスロット９０４ａ及び９０４ｂが形成されている。スロット９０４ａ及び９０４ｂはいわゆるペアスロットである。

スロット９０４ａ及び９０４ｂは、上記第１の実施形態のスロット１０４ａ及び１０４ｂと同様に、スロット長方向が、高周波線路９０２の線路方向に対して斜めとなるように配置される。また、スロット９０４ａ及び９０４ｂは、高周波線路（導波管線路）９０２の管内波長λの１／４程度の間隔を空けて近接配置されている。また、スロット９０４ａ及び９０４ｂは、スロット１０４ａ及び１０４ｂと同様に、オフセット量ｐが、スロット９０４ａ及び９０４ｂの短い方のスロット長の２分の１以上となるように、オフセット配置される。

このようにペアスロット９０４ａ及び９０４ｂを設けることで、多層誘電体基板を用いたアンテナ装置においても、上記第１の実施形態と同様に、反射帯域を広げ、広帯域にわたってアンテナの効率を向上させることができる。

また、誘電体基板９０１を多層構造とすることで、スルーホール９０３からの信号の漏れを少なくすることができる。

なお、本実施形態のアンテナ装置は、上記第１の実施形態と同様に、図５、図６、図８に示す構成に適用することができる。

（第３の実施形態）図１０に本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の一部の概略構成を示す。上記第１の実施形態は、図１に示すように、誘電体基板を用いてアンテナ装置を形成していたが、本実施形態は、導波管を用いてアンテナ装置を形成する。

図１０に示すように、アンテナ装置は、導体（金属）で形成された中空構造の導波管１０００を備え、導波管１０００の管幅方向に沿った断面は矩形である。導波管１０００の中空部分が高周波線路（導波管線路）となる。導波管１０００の１つの面には、２つのスロット１００４ａ及び１００４ｂが形成されている。スロット１００４ａ及び１００４ｂはいわゆるペアスロットである。

スロット１００４ａ及び１００４ｂは、上記第１の実施形態のスロット１０４ａ及び１０４ｂと同様に、スロット長方向が、導波管１０００の高周波線路の高周波信号が流れる方向（線路方向）に対して斜めとなるように配置される。また、スロット１００４ａ及び１００４ｂは、高周波線路（導波管線路）の管内波長λの１／４程度の間隔を空けて近接配置されている。また、スロット１００４ａ及び１００４ｂは、スロット１０４ａ及び１０４ｂと同様に、オフセット量ｐが、スロット１００４ａ及び１００４ｂの短い方のスロット長の２分の１以上となるように、オフセット配置される。

このようにペアスロット１００４ａ及び１００４ｂを設けることで、導波管を用いたアンテナ装置においても、上記第１の実施形態と同様に、反射帯域を広げ、広帯域にわたってアンテナの効率を向上させることができる。

（第４の実施形態）図１１に、本発明の第４の実施形態に係るレーダ装置の概略構成を示す。このレーダ装置は、上記第１乃至第３の実施形態に係るアンテナ装置を使用するものであり、モノパルス方式での測角を行う。

図１１に示すように、レーダ装置は、アンテナ１１０１ａ、１１０１ｂ、１１０１ｃ、１１０１ｄと、ＲＦモジュール部１１０２と、ＡＤ変換部１１０３と、モノパルスＤＢＦ（Digital Beam Forming）部１１０４とを備える。

サブアレーアンテナであるアンテナ１１０１ａ、１１０１ｂ、１１０１ｃ、１１０１ｄは、上記第１乃至第３の実施形態に係るアンテナ装置のいずれかを使用して構成される。

ＲＦモジュール部１１０２は、アンテナ１１０１ａ、１１０１ｂ、１１０１ｃ、１１０１ｄで受信した信号を周波数変換し変換信号を得るダウンコンバートを含む処理を行い、ＡＤ変換部１１０３に送る。
ＡＤ変換部１１０３は、ＲＦモジュール部１１０２より送られた変換信号をアナログデジタル変換してデジタル信号を生成し、モノパルスＤＢＦ部１１０４に送る。

モノパルスＤＢＦ部１１０４は、ＡＤ変換部１１０３から送られたデジタル信号を用いて、ビームの到来方向（目標物の位置）を推定する。さらなる詳細な動作については公知の技術を用いるためここでの説明は省略する。

アンテナ１１０１ａ、１１０１ｂ、１１０１ｃ、１１０１ｄは、アンテナ効率が良いため、このレーダ装置の検知範囲を向上させることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１００金属膜
１０１誘電体基板
１０２高周波線路
１０３スルーホール
１０４スロット

Claims

一方の面が第１金属膜に覆われ、他方の面が第２金属膜に覆われた誘電体基板と、
前記誘電体基板に所定間隔を空けて２列に配列され、前記第１金属膜及び前記第２金属膜とで導波管線路を形成するスルーホール列と、
前記第１金属膜に互いに所定間隔を空けて設けられた複数のペアスロットと、
を備え、
前記複数のペアスロットはそれぞれ、スロット長方向が前記導波管線路の線路方向に対して斜めに設けられた第１スロット及び第２スロットを有し、
前記ペアスロットの前記第１スロットの中心と、前記第２スロットの中心とが、前記スロット長方向に沿って、前記第１スロットのスロット長さ及び前記第２スロットのスロット長さのうち短い方の２分の１以上離れており、前記ペアスロットの前記第１スロットと前記第２スロットが、前記導波管線路の線路方向に管内波長の１／４の間隔を空けて配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
複数の前記誘電体基板が積層され、前記第１金属膜は最上層の誘電体基板の上面を覆い、前記第２金属膜は最下層の誘電体基板の下面を覆い、上下に積層された誘電体基板の間には、前記スルーホール列に電気的に接続される導体層が設けられることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
導体で形成され、導波管線路となる中空部分を有する導波管と、
前記導波管の１面に互いに所定間隔を空けて設けられた複数のペアスロットと、
を備え、
前記複数のペアスロットはそれぞれ、スロット長方向が前記導波管線路の線路方向に対して斜めに設けられた第１スロット及び第２スロットを有し、
前記ペアスロットの前記第１スロットの中心と、前記第２スロットの中心とが、前記スロット長方向に沿って、前記第１スロットのスロット長さ及び前記第２スロットのスロット長さのうち短い方の２分の１以上離れており、前記ペアスロットの前記第１スロットと前記第２スロットが、前記導波管線路の線路方向に管内波長の１／４の間隔を空けて配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
前記導波管線路の一端に設けられた給電部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアンテナ装置。
前記第１スロット及び前記第２スロットのスロット長さは、前記給電部から離れるほど長くなることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
前記第１スロット及び前記第２スロットのスロット長さは、前記給電部から所定距離までは、前記給電部から離れるほど長くなり、前記給電部から前記所定距離以上離れると長くならないことを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。
請求項４乃至６のいずれかに記載のアンテナ装置が複数設けられたアンテナ部と、
前記アンテナ部で受信した信号を周波数変換し変換信号を得るダウンコンバートを含む処理を行うＲＦモジュール部と、
前記変換信号をアナログデジタル変換してデジタル信号を生成するＡＤ変換部と、
前記デジタル信号を用いて、目標物の位置を推定するモノパルスＤＢＦ部と、
を備えるレーダ装置。