JP5490776B2

JP5490776B2 - 導波管スロットアンテナ

Info

Publication number: JP5490776B2
Application number: JP2011287343A
Authority: JP
Inventors: 和久佐野; 主一谷田部; 一洋伊藤
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: US20130194145A1; US20160020522A1; CN103187631B; CN103187631A; US9190737B2; JP2013138286A; US9520653B2; CN105703079A

Description

本発明は、導波管スロットアンテナ関するものであり、特に円偏波を発生することのできる構造に関するものである。

無線通信端末の基地局等で、マイクロ波帯およびミリ波帯で有用なアンテナ素子として、導波管を給電線路とする導波管スロットアンテナが利用されてきている。
また無線通信端末の用途には、直線偏波よりフェージングの影響が少ない円偏波が望まれる場合があり、種々の導波管スロットアンテナを用いた円偏波アンテナが提案されている。そこで、円偏波を放射する導波管スロットアンテナが求められている。

基本的に、直線形状のスロットから放射される電磁波は、直線偏波となる。
そのため、非特許文献１〜５には、互いに直交した偏波が生じるように一対の直線形状のスロットを組み合わせて直線偏波を円偏波に変換する方法が記載されている。また、特許文献４には、直線形状のスロットに寄生素子を結合させて、直交する偏波成分を生じさせて直線偏波を円偏波に変換する方法が記載されている。

図１１は、非特許文献１に記載されている円偏波を放射する導波管スロットアンテナの斜視図である。図１１に示すように、空洞導波管８９の一壁面に、２本の直線形状のスロット７９、７９からなるクロススロット５９が、空洞導波管８９の管軸の中心線ＣＬから移動して、設けられている。

米国特許第６，０２８，５６２号明細書特開２００３−３７４３２号公報特開２０００−３４１０３０号公報特願２０１１−２０２７６５号明細書

A.J. Simmons, "Circularly polarized slot radiators," IRE Trans. Antennas Propag., vol. 5, pp. 31-36, Jan. 1957. W.J. Getsinger, "Elliptically polarized leaky-wave array," IRE Trans. Antennas Propag., vol.10, pp.165-171, Mar. 1957. T. Hirano, J. Hirokawa and M. Ando, "A design of a leaky waveguide crossed-slot linear array with a matching element by the method of moments with numerical-eigenmode basis functions," IEICE Transactions on Communication, vol. E88-B, No. 3, pp. 1219-1226, Sep. 2004. G. Montisci , M. Musa and G. Mazzarella "Waveguide slot antennas for circularly polarized radiated field", IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 52, pp. 619-623 , 2004. K. Min, J. Hirokawa, K. Sakurai, M. Ando, N. Goto and Y. Hara, "A Circularly Polarized Waveguide Narrow-wall Slot Array using a Single Layer Polarization Converter," IEEE AP-S International Symposium 1996, pp.1004-1007.

非特許文献１〜５、および、特許文献４に記載された従来の円偏波を放射する導波管スロットアンテナの設計には、複雑な計算が必要であり、得られる円偏波アンテナは、狭い帯域できしか良好な軸比を得ることができなかった。

上述の課題を解決するため、請求項１に記載の導波管スロットアンテナは、
導波管を給電線路とし、前記導波管の壁面に直線形状のスロットを設けた導波管スロットアンテナであって、
前記スロットの外周を囲み、前記スロットと交差する切込みにより分割された、一対の偏波変換構造体を設けたことを特徴とする。

また、請求項４に記載の導波管スロットアンテナは、
導波管を給電線路とし、前記導波管の壁面に直線形状のスロットを設けた導波管スロットアンテナであって、
前記スロットに対向する位置に前記スロットと略同一形状の第１の貫通孔と、
前記第１の貫通孔と交差する第２の貫通孔とが設けられた板状の導体板が配置されたことを特徴とする。

従来の導波管スロットアンテナに、簡易な構造物を付加することで、広帯域に渡って良好な軸比特性を持つ円偏波を放射する導波管スロットアンテナを得ることができる。

本発明の第１の実施例に係る導波管スロットアンテナの斜視図である。図１の導波管スロットアンテナの分解斜視図である。図１の誘電体導波管を詳しく説明する図である。本発明の第２の実施例に係る導波管スロットアンテナの斜視図である。本発明の第３の実施例に係る導波管スロットアンテナの斜視図である。本発明の第４の実施例に係る導波管スロットアンテナの斜視図である。第１の実施例と第４の実施例の利得を示すグラフである第４の実施例を誘電体導波管に適用した場合の分解斜視図である。図８の誘電体導波管スロットアンテナのリターンロスを示すグラフである。図８の誘電体導波管スロットアンテナの軸比特性を示すグラフである。従来の導波管スロットアンテナの斜視図である。

（実施例１）
以下、図面１〜３を参照して、本発明の第１の実施例を説明する。
図１は、本発明の第１の実施例を示す斜視図であり、図２は、図１の分解斜視図を示す。
図１〜２に示すように、本発明の導波管スロットアンテナ１１は、
一側面が開口した断面コの字形状の導体からなる導波管部材８１の開口面に、
直線形状のスロット７１を有する導体からなる板状のスロット板６１が配置され、
スロット７１に対向する位置にスロット７１と同一形状の第１の貫通孔３１と、
第１の貫通孔３１と交差する位置に直線形状の第２の貫通孔４１とで構成されたクロススロット５１が設けられた導体からなる板状の偏波変換放射板２１がスロット板６１に重ねて配置されている。

図３は、偏波変換放射板２１とスロット板６１を詳しく説明するための平面図であり、図３（ａ）は偏波変換放射板２１の平面図であり、図３（ｂ）はスロット板６１の平面図である。
図３（ａ）に示すように、偏波変換放射板２１には、長手方向の長さがＬ_１の第１の貫通孔３１と、第１の貫通孔３１と所定の交差角θで交差する長手方向の長さがＬ_２の第２の貫通孔４１とが設けられ、図３（ｂ）に示すように、スロット板６１には、長手方向の長さがＬ_１のスロット７１が設けられている。
スロット７１と第１の貫通孔３１は略同一形状であり、スロット７１と第１の貫通孔３１は共に、導波管の管軸に垂直な方向に対してθ_０回転している。
第２の貫通孔４１の長手方向の長さＬ_２は、第１の貫通孔３１の長手方向の長さＬ_１より長い。
第１の貫通孔３１と第２の貫通孔４１との交差する角度θは、−９０°＜θ＜９０°（ただしθ≠０）である。
偏波変換放射板６１の厚さｔは、波長の長さの０．２〜０．３倍である。

第１の貫通孔３１と第２の貫通孔４１が交差するクロススロット５１によって、スロット７１による電界に直交する電界が生じる。
この電界と、スロット７１により生じる電界とが、互いに直交し、位相差が９０°の場合に、合成波が円偏波となる。

円偏波の回転方向は、交差角θによって決まる。
第１のスロット３１に対し、第２のスロット４１が左回転（θ＞０）して配置されると、左旋円偏波となり、第２のスロットが右回転（θ＜０）して配置されると、右旋円偏波アンテナとなる。

交差角θは、軸比特性が良好となるように選ばれ、例えば３０°≦θ＜９０°の範囲である。
スロット７１の導波管軸に垂直な方向に対する角度θ_０は任意であり、インピーダンス整合のしやすいように、任意の角度に配置可能である。

（実施例２）
図１に示した円偏波の導波管スロットアンテナは、偏波変換放射板の厚さが厚いため、直線偏波の導波管スロットアンテナに比べて重量が大幅に増加する。
実験の結果、軽量化のためにスロットの周囲の近傍のみを残し、偏波変換放射板の大部分を除去した構造としたとしても、導波管スロットアンテナを円偏波を放射する広帯域に渡って良好な軸比特性を有するアンテナとして動作させることが可能であることが解った。

図４は、本発明の導波管スロットアンテナの第２の実施例を説明する図であり、図４（ａ）は、第１の導波管スロットに対して第２の実施例を説明する斜視図であり、図４（ｂ）は、本発明の導波管スロットアンテナの第２の実施例の斜視図を示す。

図４（ａ）に示すように、図１の導波管スロットアンテナの偏波変換放射板を図中に点線で囲まれた範囲を残して切り取ると、図４（ｂ）に示す本発明の導波管スロットアンテナ１２が得られる。
図４（ｂ）に示すように、本発明の導波管スロットアンテナ１２は、一側面が開口した断面コの字形状の導体からなる導波管部材８２の開口面に、
導波管部材８２の開口面より内側に、直線形状のスロット７２を有する導体からなる板状のスロット板６２に配置され、
スロット７２の外周を囲み、スロット７２と交差する直線状の切込み４２により２分割された一対の偏波変換構造体２２、２２が設けられている。偏波変換構造体２２、２２は、前記スロット７２の中心点に対して点対称に配置されている。
偏波変換構造体２２の高さはｈであり、偏波変換構造体２２は、スロット７２の中心から半波長以内の距離に配置されることが望ましい。

導波管スロットアンテナ１２は、第１のスロット７２と切込み４２、４２の組み合わせを、擬似的なクロススロットと見做せるので、第１の実施例と同様に、円偏波を放射することができる。

（実施例３〜４）
図５は、本発明の導波管スロットアンテナの第３の実施例を示す斜視図である。図５に示すように、切込み４３は、直線上でなくてもよい。切込み４３は、インピーダンスマッチングさせるために、第１の貫通孔の中心から放射状に拡がっていてもよい。切込みの形状を変えることによりリターンロスを小さくすることが可能となる。

図６は、本発明の導波管スロットアンテナの第４の実施例を示す斜視図である。図６に示すように、偏波変換構造体２４、２４の角部は、インピーダンスマッチングさせるために面取りされていてもよい。偏波変換構造体の角を面取りすることにより、リターンロスを小さくすることが可能となる。

図７は、第１の実施例の導波管スロットアンテナと、第４の実施例の導波管スロットアンテナの利得を、電磁界シミュレータで計算した結果を比較する示すグラフである。
図７において、縦軸は利得［ｄＢｉ］、横軸は周波数［ＧＨｚ］であり、点線は第１の実施例の導波管スロットアンテナを示し、実線は第４の実施例の導波管スロットアンテナを示す。
第１の実施例の導波管スロットアンテナも、第４の実施例の導波管スロットアンテナも、６０ＧＨｚ帯の単素子のアンテナとして構成されている。

図７より、周波数が６０ＧＨｚのとき、第１の実施例の導波管スロットアンテナは、利得が６．１ｄＢｉであるのに対し、第４の実施例の導波管スロットアンテナでは、９．４ｄＢｉの利得が得られた。
したがって、第４の実施例に示した導波管スロットアンテナの構造は、アンテナの重量を減らせるだけでなく、著しく利得を向上させる効果もあることが分かる。

本発明の導波管スロットアンテナは、中空導波管だけではなく、誘電体導波管にも適用することができる。図８は本発明の導波管スロットアンテナの第５の実施例を示す斜視図である。
図８に示すように、導波管スロットアンテナ１５は、
直方体形状の誘電体の表面が導体膜で覆われ、上面の一部に誘電体が露出する直線状の誘電体露出部９５が設けられた誘電体導波管８５が、
誘電体露出部９５と対向する位置に誘電体露出部９５と略同一形状の直線形状のスロット７５を有する板状のスロット板６５に配置され、
スロット７５に対向する位置にスロット７５と同一形状の第１の貫通孔３５と、
第１の貫通孔７５の外周を囲み、スロット７５と交差する切込み４５により２分割された一対の偏波変換構造体２５、２５が設けられている。

図９は、実施例５の導波管スロットアンテナのリターンロス特性を電磁界シミュレータで計算した結果を示す。図において、縦軸はリターンロス［ｄＢ］、横軸は周波数［ＧＨｚ］を示す。
図９より、５５ＧＨｚ〜７０ＧＨｚにおいて、リターンロスが２０ｄＢ以上となる比帯域幅は、１８％程度であることがわかる。

図１０は、第５の実施例の導波管スロットアンテナの軸比特性を電磁界シミュレータで計算した結果を示す。図において、縦軸は軸比［ｄＢ］、横軸は周波数［ＧＨｚ］を示す。
図１０より、５５ＧＨｚ〜７０ＧＨｚにおいて、軸比特性が２ｄＢ以下となる比帯域幅は、１７％程度であることがわかる。

図９と図１０の結果から、リターンロスが２０ｄＢ以下となる範囲では、軸比は２ｄＢ以下となっており、極めて広帯域な特性が得られていることがわかる。

上記した実施例から、導波管の管壁に直線状のスロットが設けられた導波管スロットアンテナに、さらに第１の貫通孔と第２の貫通孔が交差するクロススロットが設けられた偏波変換放射板を付加するだけ、または、導波管の管壁に直線状のスロットが設けられた導波管スロットアンテナのスロットの外周に一対の偏波変換構造体を設けるだけで、円偏波を放射する導波管スロットアンテナとすることができる。

また、本発明の導波管スロットアンテナは単一アンテナだけでなく、アレイアンテナに対しても適用可能である。

１１、１２、１３、１４、１５、１９導波管スロットアンテナ
２１偏波変換放射板
２２、２３、２４、２５偏波変換構造体
３１、４１、７１、７５貫通孔
４２、４３、４４、４５切込み
５１、５９クロススロット
６１、６２、６３、６４、６５スロット板
７１、７５、７９スロット
８１、８２、８３、８４，８９空洞導波管
８５誘電体導波管
９５誘電体露出部

Claims

導波管を給電線路とし、前記導波管の壁面に直線形状のスロットを設けた導波管スロットアンテナであって、
前記スロットの外周を囲み、前記スロットと交差する切込みにより分割された、一対の偏波変換構造体を設けたことを特徴とする導波管スロットアンテナ。
前記偏波変換構造体の高さは、
波長の長さの０．２乃至０．３倍である
ことを特徴とする請求項１記載の導波管スロットアンテナ。
前記偏波変換構造体は、
前記スロットの中心から半波長以内に配置された
ことを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の導波管スロットアンテナ。
前記導波管は、空洞導波管または誘電体導波管であることを特徴とする請求項１乃至３記載の導波管スロットアンテナ。
前記請求項１乃至４記載の導波管スロットアンテナを用いたアレイアンテナ。