WO2010061948A1 - マルチビームアンテナ装置 - Google Patents

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array antenna
center line
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雅彦 太田
岳人 野村
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    • H01Q25/007—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device
    • H01Q25/008—Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device lens fed multibeam arrays

Definitions

  • the present invention relates to a design method of a Rotman lens used in a multi-beam antenna device used for transmission and reception in a millimeter wave band.
  • FIG. 1 a plan view showing a conventional antenna device using a Rotman lens is shown in FIG.
  • (1) is a Rotman lens
  • (21), (22),..., (2 m) is an input terminal for supplying power to the Rotman lens (1), (31), (32),.
  • ) Are output terminals for extracting power in the Rotman lens (1), (41), (42),..., (4n) are antenna elements for radiating radio waves into space
  • (5) are a plurality of antenna elements (41 , (42), ... (4n) are arrayed linearly
  • (61), (62), ... (6n) is a transmission line connecting the output terminal and the antenna element
  • ( 7) is a line portion consisting of transmission lines (61), (62),...
  • (8) is a center line, and this antenna device is opposed to the center line (8) Symmetry.
  • (9) is an auxiliary line for representing the position of the input terminal (21), and the input terminal (21) is an elevation angle from the center line (8) when viewed from S2 which is the origin of the coordinate system (X, Y) It is in the direction of ⁇ .
  • the input terminals (21), (22),... (2 m) are arranged on an arc of radius R centered on the Rotman lens focal point S1 position.
  • S2 is indicated by the point of intersection of the partial curve on which the output terminals (31), (32),... (3n) are arranged and the center line (8), and is the origin of the coordinate system (X, Y).
  • S3 indicates an intersection point of the center line (8) and the partial curve on which the input terminals (21), (22),... (2 m) are arranged.
  • radius R is expressed by the following equation.
  • G is the distance between S2 and S3 and is the size of the Rotman lens
  • F is the distance between the input terminal (21) and S2
  • 2Ln is the aperture length of the array antenna (5).
  • ⁇ ⁇
  • 0.8 ⁇ ⁇ 1 ie
  • F is about 1 to 1.25 times Ln and g is about 1.137. 31), (32),..., (3n) can be designed small, and is considered good.
  • the present invention when the beam forming direction of the array antenna (5) in space is ⁇ , the partial curve and the center line (8) at which the output terminals (31), (32),.
  • the basics of designing the size G of the Rotman lens under the condition of ⁇ ⁇ under the condition of ⁇ ⁇ with respect to the angle ⁇ formed by the line connecting the intersection point S2 of S and the input terminal and the center line (8)
  • the present invention provides a low-loss multi-beam antenna device that can be made smaller than a design size, thereby suppressing increase in loss of a Rotman lens and improving gain.
  • the beam forming direction ⁇ of the array antenna (5) in space is the partial curve and the center where the output terminals (31), (32),.
  • S3 Under the condition of ⁇ ⁇ with respect to the angle ⁇ between the line connecting the intersection point S2 of the line (8) and the input terminal and the center line (8), S3 has the input terminals (21), (22),.
  • the Rotman lens is constituted by a triplate.
  • the array antenna (5) is constituted by a triplate.
  • the multi-beam antenna device is characterized in that the power is distributed and supplied with each input terminal section as a two-branch transmission line.
  • a plurality of input terminals (21), (22),... (2 m) for supplying power and a plurality of output terminals for extracting power of the plurality of input terminals A Rotman lens formed of (31), (32),... (3 n), an array antenna composed of a plurality of antenna elements for radiating radio waves into space, a transmission connecting the output terminal and the antenna element A curved line on which a plurality of output terminals are arranged and a length of the transmission line are determined, and when a predetermined input terminal is excited, a beam is formed in an angular direction corresponding to the input terminal.
  • the beam forming angle of the array antenna in space is ⁇ when viewed from the front of the array antenna, and the partial curve on which the output terminals (31), (32),... (3 n) are arranged and the Rotman lens Of the center line (8) of the Assuming that an angle formed by a line connecting one of the input terminals of the number and the center line (8) is ⁇ , ⁇ ⁇ , and S3 is input terminal (21), (22),.
  • the shape of the Rotman lens is determined to be smaller than the size of.
  • a plurality of input terminals (21), (22),... (2 m) for supplying power and a plurality of output terminals for extracting power of the plurality of input terminals A Rotman lens formed of (31), (32),... (3 n), an array antenna composed of a plurality of antenna elements for radiating radio waves into space, a transmission connecting the output terminal and the antenna element A curved line on which a plurality of output terminals are arranged and a length of the transmission line are determined, and when a predetermined input terminal is excited, a beam is formed in an angular direction corresponding to the input terminal.
  • Rotman lens is Determining the number n of element rows of the input terminal or the output terminal; Determining an arrangement interval P of the element rows; Determining the number of beams and the beam step angle of the beams;
  • the beam forming angle of the array antenna in space is ⁇ when viewed from the front of the array antenna, and the partial curve on which the output terminals (31), (32), ...
  • the size G of the Rotman lens be the distance between S2 and S3.
  • ⁇ ⁇ .
  • a plurality of input terminals (21), (22),... (2 m) for supplying power and a plurality of output terminals for extracting power of the plurality of input terminals A Rotman lens formed of (31), (32),... (3 n), an array antenna composed of a plurality of antenna elements for radiating radio waves into space, a transmission connecting the output terminal and the antenna element A curved line on which a plurality of output terminals are arranged and a length of the transmission line are determined, and when a predetermined input terminal is excited, a beam is formed in an angular direction corresponding to the input terminal.
  • the beam forming angle of the array antenna in space is ⁇ when viewed from the front of the array antenna, and the partial curve on which the output terminals (31), (32),... (3 n) are arranged and the Rotman lens Of the center line (8) of the
  • the angle between the center line (8) as a alpha is a multi-beam antenna system for vehicle, characterized in that the beta ⁇ alpha.
  • the beam forming direction ⁇ of the array antenna (5) in space is a partial curve on which the output terminals (31), (32),.
  • composition of a multi beam antenna device concerning the present invention It is an explanatory view explaining composition of a multi beam antenna device concerning the present invention. It is an explanatory view which illustrates the composition of the multi beam antenna device concerning the present invention perspectively. It is an explanatory view explaining composition of an antenna substrate plane in a multi beam antenna device concerning the present invention. It is an explanatory view explaining composition of a Rotman lens substrate plane in a multi beam antenna device concerning the present invention. It is an explanatory view explaining a feed system of a Rotman lens input terminal in a multi beam antenna system concerning the present invention. It is an explanatory view explaining directivity characteristics of a multi beam antenna device concerning the present invention.
  • the beam forming direction ⁇ of the array antenna (5) in space is a partial curve and a center line on which the output terminals (31), (32),.
  • S3 has input terminals (21), (22),.
  • the aperture center of the array antenna (5)
  • a small Rotman lens with a size of ⁇ / ⁇ can be designed.
  • the number of antenna elements (41), (42),... (4n) increases and the aperture 2Ln of the array antenna (5) becomes large.
  • the transmission line portion 7 with a tapered shape or phase adjustment of complex input terminal portions and output terminal portions.
  • the first connection portion (57) of the array antenna (5) can be formed through the first connection hole (59) provided in the first ground conductor (53).
  • 58) and the connection terminal part (16) of the transmission line (7) can be electromagnetically coupled.
  • the array antenna (5) also has a triplate configuration, whereby a low-loss multi-beam antenna device can be configured with a simple laminated configuration of all components.
  • the array antenna in the multi-beam antenna device includes the slot plate (50) shown in FIG. 2, the feed line (57) of the antenna substrate (52) and the first ground conductor (53).
  • the array antenna of triplate configuration is formed, and by adopting this configuration, a low-loss multi-beam antenna device is configured with a simple lamination configuration of all parts. it can.
  • the radiating element (56) formed on the antenna substrate (52) shown in FIG. 3 is the first ground conductor (53) and slot plate (50) shown in FIG.
  • the slot (54) formed in the antenna serves as an antenna element and can emit radio waves of a desired frequency.
  • an array antenna (5) is formed as a whole.
  • the first ground conductor (53), the Rotman lens substrate (12), and the second ground conductor (13) shown in FIG. 2 form a Rotman lens of a triplate configuration. That is, more specifically, as shown in FIG. 2, the first ground conductor (53) and the transmission line portion (7) of the Rotman lens substrate (12) and the second ground conductor (13) are respectively By overlaying via the dielectrics (71a, 71b), a Rotman lens of triplate configuration is formed.
  • the first connection portion (58) formed in the antenna substrate (52) is a Rotman lens substrate shown in FIG. 4 via the first connection hole (59) formed in the first ground conductor (53).
  • the desired excitation power of the output terminal of the Rotman lens (1) is electromagnetically coupled to the connection terminal portion (16) of the transmission line (7) formed in (12) and transmitted to the array antenna (5).
  • the metal spacers (51a, 51b) disposed above and below the antenna substrate (52) and the metal spacers (11a, 11b) disposed above and below the Rotman lens substrate (12) include the antenna substrate (52) and the Rotman Connection terminal of the first connection portion (58) formed on the antenna substrate (52) and the transmission line (7) formed on the rotoman lens substrate (12) while holding the lens substrate (12) hollow
  • a metal wall is formed around the electromagnetic coupling portion of the part (16), which contributes to efficient transmission without leaking power to the surroundings, and low loss characteristics can be realized even at high frequencies.
  • the space (55a, 55b) of the metal spacer (51a, 51b) and the space (14a, 14b) of the metal spacer (11a, 11b) stabilize the antenna substrate (52) and the Rotman lens substrate (12).
  • a dielectric (71a, 71b) may be filled in order to hold it.
  • the input terminal portion (17) of the antenna device has a metal wall formed by metal spacers (11a, 11b) around, and through the second connection hole (15) formed in the second ground conductor (13) This contributes to the efficient transfer to the high frequency circuit without leaking the power to the surroundings, and low loss characteristics can be realized even at high frequencies.
  • the first connection hole (59) and the second connection hole (15) can be waveguide openings suitable for the use frequency band.
  • the antenna substrate (52) and the Rotman lens substrate (12) used in the multi-beam antenna device according to the present invention use a flexible substrate obtained by bonding a copper foil to a polyimide film, and remove unnecessary copper foil by etching (56), feed line (57), first connection portion (58) and Rotman lens (1), transmission line (7), connection terminal portion (16) of transmission line (7), input terminal portion of antenna device It is preferable to form (17).
  • a flexible substrate uses a film as a base material, and unnecessary copper foil (metal foil) of the substrate on which a metal foil such as copper foil is bonded is etched away to connect a plurality of radiation elements and power supply A track is formed.
  • the flexible substrate may be a copper-clad laminate in which a thin resin plate in which a glass cloth is impregnated with a resin is laminated with a copper foil.
  • a flexible substrate in which a copper foil is laminated on a polyimide film is preferable in terms of heat resistance, dielectric properties and versatility. Fluorine-based films are preferably used in view of dielectric properties.
  • a metal plate or a plate plated with plastic can be used as the ground conductor or metal spacer used in the multi-beam antenna device according to the present invention, but in particular, using an aluminum plate is preferable because it is lightweight and inexpensive to manufacture.
  • they can be constituted by a flexible substrate having a film as a base material and a copper foil laminated thereon, and a copper-clad laminate in which a copper foil is laminated to a thin resin plate having a resin impregnated with glass cloth.
  • the slot and the joint formation portion formed in the ground conductor can be formed by punching using a mechanical press or etching. From the viewpoint of simplicity, productivity and the like, punching with a mechanical press is preferable.
  • the substrate support dielectrics (71a, 71b) used in the multi-beam antenna device according to the present invention it is preferable to use a foam or the like having a small relative dielectric constant to air.
  • the foam include polyolefin foams such as polyethylene and polypropylene, polystyrene foams, polyurethane foams, polysilicone foams, rubber foams, etc. It is preferable because the rate is smaller.
  • the slot plate (50), the first ground conductor (53), the second ground conductor (13), the metal spacers (51a, 51b), and the metal spacers (11a, 11b) are made of an aluminum plate having a thickness of 0.3 mm.
  • the substrate support dielectrics (71a, 71b) a foamed polyethylene foam having a thickness of 0.3 mm and a relative dielectric constant of about 1.1 was used.
  • the antenna substrate (52) and the Rotman lens substrate (12) use a flexible substrate in which a copper foil (for example, 25 ⁇ m in thickness) is bonded to a polyimide film (for example, 25 ⁇ m in thickness) and removes unnecessary copper foil by etching.
  • the ground conductor, the slot plate and the metal spacer were all aluminum plates punched out by a mechanical press.
  • the antenna aperture 2Ln formed an array antenna (5) of 24 ⁇ 0.77 ⁇ o.
  • a Rotman lens (1) having 24 output terminals was designed based on the coordinates and the electrical length w of the transmission line.
  • the above-described members are sequentially stacked to form a multi-beam antenna device, and measuring devices are connected to measure characteristics.
  • the reflection loss of each of the eight input terminals is -15 dB or less
  • the insertion loss of (1) was about 5 dB.
  • the relative gain is improved by 2.5 dB or more as compared with the case where the loss is configured in the conventional design, and good characteristics are realized.
  • Example 3 Furthermore, in the multi-beam antenna device according to the present invention, as shown in FIG. 5, the connection of the input terminals (521), (522),... , The power supplied to the interior of the Rotman lens (1) from each input terminal is concentrated at the center of the output terminals (531), (532),... (53 n), and the output terminal of the Rotman lens (1) By suppressing the diffusion of power to the area without the output terminals (531), (532),... The deterioration of the side lobe characteristic of the radiation beam of 5) can be suppressed.
  • lens design based on the conventional Rotman lens design can be performed using the Rotman deformation method described above under the condition of ⁇ ⁇ . That is, in the condition of ⁇ ⁇ , since ⁇ (the radiation angle on the antenna element side) is smaller than ⁇ (the beam angle on the Rotman lens side), the present invention requires a high resolution for a narrow angle. Particularly effective.
  • the range perpendicular to the front of the vehicle is 0 degrees, that is, the range up to about 15 degrees (that is, the opening angle up to about 30 degrees in total).
  • the antenna device according to the present invention can obtain an ideal power distribution and phase distribution required for an on-vehicle antenna device and the like.
  • Patent Document 3 A parallel plate having a plurality of input elements that can be individually excited and that supply power and a plurality of output elements that can extract the power; It consists of a plurality of element antennas, and consists of a transmission line connecting an array antenna that radiates radio waves into space, Based on three focal points on the curve on which the input elements are arranged, determine the length of the curve on which the output elements are arranged and the transmission line, In an antenna device in which a beam is emitted in an angular direction corresponding to an input element when a predetermined input element is excited, a shape of a curve in which the input element is arranged is not a part of a circle. Antenna device, It is.
  • the antenna apparatus according to the present invention and the antenna apparatus described in Patent Document 3 have completely different configurations (lens shapes) and problems to be solved.
  • Patent Document 4 describes a flat antenna for beam scanning which is excellent in thinning the antenna and simplifying the assembly process and can miniaturize the antenna.
  • the connection portion 104 with the system, the Rotman lens portion 103, and the beam scanning antenna are described.
  • a second ground conductor 13 a fourth dielectric 34, a Rotman lens pattern 8, a second connection portion 52, and a third connection portion 92.
  • the present invention has been able to solve such problems, and to provide a low-loss multi-beam antenna device that enables Rotman lens design that suppresses loss increase and enables gain improvement.
  • the feature of the present invention is that the lens design based on the conventional Rotman lens design is made possible by using the Rotman deformation method under the condition of ⁇ ⁇ , but the Rotman deformation method according to the present invention is shown in FIG. This will be described in more detail based on the flowchart shown in FIG. 9B.
  • FIG. 9A is a design flow based on the conventional Rotman method.
  • the process advances to S902 to set the number n of antenna element rows.
  • step S903 the arrangement interval P of n antenna element arrays is set.
  • the antenna aperture 2Ln (n-1) P.
  • step S904 the number of beams and the beam step angle are set.
  • the number of beams is the number of input terminals.
  • the angular difference between the antenna beam angles ⁇ relative to (eg, in Table 1, the beam step angle is approximately 4 degrees).
  • the distance F between the input terminal (21) and S2 is determined.
  • it is set in the range of F 0 ⁇ F ⁇ 1.25F 0.
  • the lens size G is determined.
  • a gF 0 ⁇ G ⁇ 1.25gF 0. That is, when the shape factor g G / F is set to the general value 1.136, 1.136F 0 ⁇ G ⁇ 1.4F 0 It becomes.
  • FIG. 9B is a design flow based on the Rotman deformation method according to the present invention.
  • the difference from FIG. 9A is that the ratio of ⁇ to ⁇ can be set in S915, but at this time, a ratio can be set such that ⁇ > ⁇ .
  • This setting is used as a coefficient for ⁇ , as shown in Equation 6. That is, Each design parameter is controlled so that the shape of the Rotman lens is determined so as to satisfy the relational expression, and the terminal coordinates (X, Y) are calculated.
  • the distance F between the input terminal (21) and S2 is determined.
  • it is set in the range of F X ⁇ F ⁇ 1.25F X.
  • the lens size G is determined.
  • F is optimum (an optimum value in the selection range of F).
  • ⁇ is the upper limit, in the case of the standard, the measured value of F in the case of the lower limit is as many as the wavelength ⁇ .
  • the conventional wavelength and the conventional wavelength are in any case in Table 2 above. It can be seen that the same or smaller value is obtained.
  • the connection portion of the input terminal in FIG. When the two-branched transmission line is used as a bifurcated transmission line, the two mountain-shaped input terminal junctions that are branched into two are the set positions, and when not branched, the opening center of the mountain-shaped input terminal of the connection destination is set. It becomes a position.
  • the concept of this set position has been made conventionally, and is similarly applied to the output terminal. The same applies to Table 3 described later.
  • G in the present invention may be how small compared to the G in the prior art, describing, G 1 in the present invention with respect to G 0 in the prior art, at least, 0.25G 0 ⁇ G 1 ⁇ 0.80G 0
  • the realization in the range of is technically possible, and based on Table 2, 0.33G 0 ⁇ G 1 ⁇ 0.67G 0 It can be derived by the above-mentioned expression that it is in the range of further, 0.33G 0 ⁇ G 1 ⁇ 0.5G 0 It should be mentioned that very good results have been obtained in the implementation in the range of
  • Example 3 (Supplementary explanation for Example 3) Similarly, actual measurement results corresponding to Example 3 are summarized in the following Table 3.
  • FIG. 10 An enlarged view of the slot plate 50 is shown in FIG. 10 (A), and an enlarged view of the antenna substrate 52 is shown in FIG. 10 (B).
  • the slot plate 50 is provided with a plurality of slots 54 vertically and horizontally. Each slot 54 is arranged to substantially match the arrangement of each radiating element 56 on the antenna substrate 52.
  • rivet holes 101 are provided in the slot plate 50 and the antenna substrate 52 at the positions which coincide with each other, respectively, and are riveted so as to be integrated with other substrates described later.
  • a first ground conductor 53 is shown in FIG.
  • FIG. 11A a Rotman lens substrate is shown in FIG. 11B, and a second ground conductor is shown in FIG.
  • a first connection hole 59 and a rivet hole 101 are provided on the first ground conductor 53.
  • a second connection hole 15 and a rivet hole 101 are provided on the second ground conductor 13.
  • the rivet holes are for integrally riveting the laminated substrates and the like.
  • the metal spacers 51a and 51b are shown in FIG. 12A, and the metal spacers 11a and 11b are shown in FIG. 12B. Inside the respective spacers, air gaps 55a, 55b, 14a, 14b are provided, or dielectrics 71a, 71b are filled.
  • the rivet holes 101 provided in the periphery of the spacer are provided so as to coincide with the rivet holes provided in other substrates etc. when stacked, and are used to integrally rivet the laminated substrates etc. It is a thing.
  • Antenna element 50 Slot plate 51a, 51b Metal spacer 52 Antenna substrate 53 First ground conductor 54 Slot 55a, 55b Air gap 56 Radiation element 57 Feeding line 58 First connection 59 1st connection hole 61, 61, ... 6n output terminal and antenna Transmission line 71a connecting the element, 71b the substrate support dielectric

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

　ロトマンレンズの損失増加を抑制し、利得を向上するマルチビームアンテナ装置を提供する。　空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点Ｓ２と前記複数の入力端子の１つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとしたとき、β<αであり、さらに、Ｆを入力端子(21)とＳ２との距離とし、２Ｌｎをアレーアンテナの開口長とし、Ｓ３を、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点とし、ロトマンレンズの大きさＧをＳ２とＳ３との距離とし、２Ｌｎを前記アレーアンテナの開口長としたき、η=(β／α)・(Ｌｎ／Ｆ)<１の関係式を満たし、Ｇをβ=αの条件で設計した場合のロトマンレンズの大きさよりも小さくするよう前記ロトマンレンズの形状を決定する。

Description

マルチビームアンテナ装置
　本発明は、ミリ波帯の送受信に利用されるマルチビームアンテナ装置に用いられるロトマンレンズの設計法に関する。
　まず、ロトマンレンズを用いた従来のアンテナ装置を示す平面図を図８に示す。図において(1)はロトマンレンズ、(21),(22),・・・(2m)はロトマンレンズ(1)に電力を供給する入力端子、(31),(32),・・・(3n)はロトマンレンズ(1)内の電力を取り出す出力端子、(41),(42),・・・(4n)は空間に電波を放射するアンテナ素子、(5)は複数個のアンテナ素子(41),(42),・・・(4n)が直線状に配列されたアレーアンテナ、(61),(62),・・・(6n)は上記出力端子と上記アンテナ素子を結ぶ伝送線路、(7)は長さの異なった伝送線路(61),(62),・・・(6n)からなる線路部、(8)は中心線であり、このアンテナ装置は、中心線(8)に対して線対称である。(9)は入力端子(21)の位置を表すための補助線であり、入力端子(21)は、座標系(X、Y)の原点となるＳ２から見て、中心線(8)から仰角αの方向にある。(10)は入力端子(21)を励振したときの空間でのビーム方向を示す直線であり、上記アレーアンテナの正面方向から角度βの方向に向いているが、基本設計では、通常β＝αを条件に設計される。
　以上のように構成された従来のアンテナ装置では、入力端子(21),(22),・・・(2m)のうちの１つの入力端子を励振したとき、電力はロトマンレンズ(1)内に供給される。ロトマンレンズ(1)内の電力は出力端子(31),(32),・・・(3n)で取り出され、伝送線路(61),(62),・・・(6n)を通ってアンテナ素子(41),(42),・・・(4n)に至る。アレーアンテナ(5)の励振振幅、励振位相は、入力端子(21),(22),・・・(2m)のどの端子を励振するかによって決定され、アレーアンテナ(5)の励振位相に応じて空間でのビーム方向が決まる。
　ここで、図８の従来のアンテナ装置では、入力端子(21),(22),・・・(2m)は、ロトマンレンズ焦点Ｓ１位置を中心とする半径Ｒの円弧上に配置される。Ｓ２は、出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点で示し、座標系(X、Y)の原点である。Ｓ３は、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点を示す。なお、出力端子(31),(32),・・・(3n)のｘ座標、ｙ座標、及び伝送線路(61),(62),・・・(6n)の電気長wは、それぞれ次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000006

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000007

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000008
　ここで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000009

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000010

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000011

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000012

である。
　また、半径Ｒは次式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000013
　ここで、ＧはＳ２とＳ３との距離でロトマンレンズの大きさであり、Ｆは入力端子(21)とＳ２との距離であり、２Ｌｎはアレーアンテナ(5)の開口長である。通常、基本設計では、β＝αの限定条件で設計され、0.8＜η＜1程度、すなわち、ＦがＬｎの1から1.25倍程度で、ｇは、1.137程度として設計することが、出力端子(31),(32),・・・(3n)の励振位相誤差が小さく設計でき、良好とされる。
特開昭５７－９３７０１号公報 特開昭５７－１８４３０５号公報 特開昭５６－１２３１０５号公報 特開２０００－１２４７２７号公報
　しかしながら、図８の従来のアンテナ装置において、線路部(7)が構成できるためには、第３式における平方根内が正あるいは零である必要がある。すなわち、次式となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000014
　この第５式が成立するためには、η＝Ｌｎ/Ｆ≦１である必要があるが、このことから、アンテナ素子(41),(42),・・・(4n)の数が増えてアレーアンテナ(5)の開口２Ｌnが大きくなった場合は、入力端子(21)とＳ２との距離Ｆもアレーアンテナ(5)の開口２Ｌnに比例して大きくする必要があり、結果としてロトマンレンズの大きさＧが大きくなってしまう。従って、アンテナ素子(41),(42),・・・(4n)の数が増えた場合、アンテナ素子の増加比率に合せてロトマンレンズの大きさＧを大きくする必要があり、Ｇの拡大に伴って損失も増加してしまうため、アンテナ素子数を増やしても、その分の利得向上効果が得られないという問題があった。
　本発明は、空間でのアレーアンテナ(５)のビーム形成方向をβとしたとき、出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び中心線(8)の交点Ｓ2と入力端子とを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度αに対して、β＜αの条件において、ロトマンレンズの大きさＧをβ＝αの限定条件で設計した基本設計寸法未満の大きさにすることができ、これによって、ロトマンレンズの損失増加を抑制し、利得を向上することが可能となる低損失マルチビームアンテナ装置を提供するものである。
　本発明にかかるマルチビームアンテナ装置においては、空間でのアレーアンテナ(５)のビーム形成方向βが、出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び中心線(8)の交点Ｓ2と入力端子とを結ぶ線と、中心線(8)との角度αに対して、β＜αの条件において、Ｓ３は、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点とし、Ｆは入力端子(21)とＳ２との距離、ＧはＳ２とＳ３との距離でロトマンレンズの大きさ、２Ｌｎはアレーアンテナ(5)の開口長としたとき
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000015
の関係式を満足するようにロトマンレンズの形状を決定して、ロトマンレンズの大きさＧをβ＝αの限定条件で設計した基本設計寸法未満の大きさとしたことを特徴とする。
　また、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置においては、ロトマンレンズをトリプレートで構成したことを特徴とする。
　また、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置においては、アレーアンテナ(５) をトリプレートで構成したことを特徴とする。
　また、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置においては、個々の入力端子部を２分岐伝送線路として電力を分散供給したことを特徴とする。
　また、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置は、電力を供給する複数の入力端子(21),(22),・・・(2m)及び前記複数の入力端子の電力を取り出すための複数の出力端子(31),(32),・・・(3n)から形成されるロトマンレンズと、複数のアンテナ素子で構成され空間に電波を放射するアレーアンテナと、前記出力端子と前記アンテナ素子とを結ぶ伝送線路からなり、前記複数の出力端子が配列される曲線及び前記伝送線路の長さを決定して、所定の入力端子を励振したとき当該入力端子に対応した角度方向にビームが形成されるものであって、空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点Ｓ２と前記複数の入力端子の１つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとしたとき、β＜αであり、Ｓ３を、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点とし、ロトマンレンズの大きさＧをＳ２とＳ３との距離としたとき、Ｇをβ＝αの条件で設計した場合のロトマンレンズの大きさよりも小さくするよう前記ロトマンレンズの形状を決定したことを特徴とする。
　また、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置は、電力を供給する複数の入力端子(21),(22),・・・(2m)及び前記複数の入力端子の電力を取り出すための複数の出力端子(31),(32),・・・(3n)から形成されるロトマンレンズと、複数のアンテナ素子で構成され空間に電波を放射するアレーアンテナと、前記出力端子と前記アンテナ素子とを結ぶ伝送線路からなり、前記複数の出力端子が配列される曲線及び前記伝送線路の長さを決定して、所定の入力端子を励振したとき当該入力端子に対応した角度方向にビームが形成されるものであって、前記ロトマンレンズは、
　前記入力端子または前記出力端子の素子列数ｎを決定する段階と、
　前記素子列の配置間隔Ｐを決定する段階と、
　前記ビームのビーム数及びビームステップ角を決定する段階と、
　空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点Ｓ２と前記複数の入力端子の１つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとしたとき、β＜αとなるようαに対するβの比を設定する段階と、
　ｂ2－４ａｃ＝０となるＦｘを算出する段階と、
　Ｆ値を決定する段階と、
　Ｇ値を決定する段階と、
　前記素子数ｎに対応するＮ個の出力端子座標（ｘ，ｙ）、及び各出力端子の補正線路位相ｗを算出する段階と
からなる設計ステップによって設計されたことにより、
　Ｓ３を、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点とし、ロトマンレンズの大きさＧをＳ２とＳ３との距離としたとき、Ｇをβ＝αの条件で設計した場合のロトマンレンズの大きさよりも小さくなるよう前記ロトマンレンズの形状が決定されたことを特徴とする。
　ただし、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000016

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000017

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000018

であり、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000019
である。
　また、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置は、電力を供給する複数の入力端子(21),(22),・・・(2m)及び前記複数の入力端子の電力を取り出すための複数の出力端子(31),(32),・・・(3n)から形成されるロトマンレンズと、複数のアンテナ素子で構成され空間に電波を放射するアレーアンテナと、前記出力端子と前記アンテナ素子とを結ぶ伝送線路からなり、前記複数の出力端子が配列される曲線及び前記伝送線路の長さを決定して、所定の入力端子を励振したとき当該入力端子に対応した角度方向にビームが形成されるものであって、空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点Ｓ２と前記複数の入力端子の１つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとしたとき、β＜αであることを特徴とする車載用マルチビームアンテナ装置である。
　本発明にかかるマルチビームアンテナ装置によれば、空間でのアレーアンテナ(５)のビーム形成方向βが、出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び中心線(8)の交点Ｓ2と入力端子とを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度αに対して、β＜αの条件において、ロトマンレンズの大きさＧをβ＝αの限定条件で設計した基本設計寸法未満の大きさにすることができ、ロトマンレンズの損失増加を抑制し、利得を向上することが可能となる低損失マルチビームアンテナ装置を提供することができる。
本発明にかかるマルチビームアンテナ装置の構成を説明する説明図である。 本発明にかかるマルチビームアンテナ装置の構成を斜視的に説明する説明図である。 本発明にかかるマルチビームアンテナ装置におけるアンテナ基板平面の構成を説明する説明図である。 本発明にかかるマルチビームアンテナ装置におけるロトマンレンズ基板平面の構成を説明する説明図である。 本発明にかかるマルチビームアンテナ装置におけるロトマンレンズ入力端子の給電方式を説明する説明図である。 本発明にかかるマルチビームアンテナ装置の指向特性を説明する説明図である。 本発明にかかるマルチビームアンテナ装置の所定の入力端子に応じたアレーアンテナ開口面の位相傾斜を説明する説明図である。 従来例のマルチビームアンテナ装置の構成を説明する説明図である。 従来例におけるマルチビームアンテナ装置におけるロトマンレンズの設計フローを説明する説明図である。 本発明にかかるマルチビームアンテナ装置におけるロトマンレンズの設計フローを説明する説明図である。 図２に示した本発明にかかるマルチビームアンテナ装置の構成の一部を斜視的に説明する説明図である。 図２に示した本発明にかかるマルチビームアンテナ装置の構成の一部を斜視的に説明する説明図である。 図２に示した本発明にかかるマルチビームアンテナ装置の構成の一部を斜視的に説明する説明図である。
（実施例１）
　本発明にかかるマルチビームアンテナ装置において、空間でのアレーアンテナ(５)のビーム形成方向βが、出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び中心線(8)の交点Ｓ2と入力端子とを結ぶ線と、中心線(8)とがなす仰角αに対して、β＜αの条件において、Ｓ３は、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点とし、Ｆは入力端子(21)とＳ２との距離、ＧはＳ２とＳ３との距離でロトマンレンズの大きさ、２Ｌｎはアレーアンテナ(5)の開口長としたとき、第６式の関係式を満足するようにロトマンレンズの形状を決定して、ロトマンレンズの大きさＧをβ＝αの限定条件で設計した基本設計寸法未満の大きさとしたことを特徴とする。
　すなわち、β＝αの限定条件でロトマンレンズを設計した場合、第５式が成立するためには、η＝Ｌｎ/Ｆ≦１である必要がある。さらに、0.8＜η＜1程度、すなわち、ＦがＬｎの1から1.25倍程度で、ｇは、1.137程度として設計すると、出力端子(31),(32),・・・(3n)の励振位相誤差が小さく設計でき、良好とされる。したがって、Ｆ及びＧは、Ｌｎに対して、それぞれ
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000020
の範囲が望ましい。また、アンテナ素子（41）,（42),・・・(4n)の数が増えてアレーアンテナ(5)の開口２Ｌnが大きくなった場合は、入力端子(21)とＳ２との距離Ｆは、２Ｌnに比例して大きくなり、結果としてロトマンレンズの基本設計寸法Ｇは大きくなる。
　一方、本発明によれば、例えばβ＝α／２の場合を考えると、第５式が成立するためには、η＝Ｌｎ/２Ｆ≦１である必要があり、ＦがＬｎの0.5から0.625倍程度で、ｇは、1.137程度として設計すると、出力端子(31),(32),・・・(3n)の励振位相誤差が小さく設計でき、良好となる。したがって、Ｆ及びＧは、Ｌｎに対して、それぞれ
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000021
の範囲で望ましい設計が可能となる。この場合、β＝αの限定条件で設計したロトマンレンズの基本設計寸法Ｇに対して、１／２倍の寸法で設計できる。
　また、この時、第１式～第４式で求められた出力端子(31),(32),・・・(3n)のｘ座標及びｙ座標と、伝送線路(61),(62),・・・(6n)の電気長wとに基づいて設計された本発明のマルチビームアンテナ装置において、入力端子とＳ２との角度αの端子から給電した場合、アレーアンテナ(５)の開口中心の位相を基準としたアンテナ素子（41）,（42),・・・(4n)における励振位相は、図７の直線２に示すように、β＝αの限定条件で設計した基本設計マルチビームアンテナ装置のアンテナ素子（41）,（42),・・・(4n)における励振位相を示す図７の直線１と比較して半分の位相傾斜となり、空間でのアレーアンテナ(５)のビーム形成方向βが、β＝αの限定条件で設計した基本設計マルチビームアンテナ装置の空間でのアレーアンテナ(５)のビーム形成方向αの半分となる。
　従って、本発明によれば、β＜αの条件において、第６式の関係式を満足するようにロトマンレンズの形状を決定することで、β＝αの限定条件で設計したロトマンレンズの基本設計寸法Ｇに対して、β／α倍の大きさの小型のロトマンレンズが設計できる。これにより、ロトマンレンズの大きさに比例した損失の増加を抑制できると共に、アンテナ素子（41）,（42),・・・(4n)の数が増えてアレーアンテナ(5)の開口２Ｌnが大きくなった場合は、入力端子(21)とＳ２との距離Ｆは、２Ｌnに比例して大きくなっても、ロトマンレンズの大きさを、β＝αの限定条件で設計したロトマンレンズの基本設計寸法Ｇに対して、β／α倍に抑制した小型のロトマンレンズが設計でき、空間でのアレーアンテナ(５)のビーム形成方向βのマルチビームアンテナ装置を構成できる。
　また、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置では、図２に示すように、ロトマンレンズをトリプレート構成とすることにより、複雑な入力端子部や出力端子部のテーパ形状や位相調整の伝送線路部７を、エッチング等の技術で容易に構成することができ、第１の地導体（５３）に設けた第１の接続孔（５９）を介して、アレーアンテナ(５)の第１の接続部(５８)と伝送線路(７)の接続端子部(１６)を電磁結合させることができる。さらに、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置では、アレーアンテナ(５)もトリプレート構成とすることにより、全ての部品の単純積層構成で低損失のマルチビームアンテナ装置が構成できる。つまり、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置におけるアレーアンテナは、図２に示されたスロット板（５０）とアンテナ基板（５２）の給電線路（５７）と第１の地導体（５３）とをそれぞれ誘電体（７１ａ、７１ｂ）を介して重ね合わせることによって、トリプレート構成のアレーアンテナを形成し、この構成を採用することによって、全ての部品の単純積層構成で低損失のマルチビームアンテナ装置が構成できる。
　なお、ここまでの説明は、一般的な中空の平行平板ロトマンレンズや、ロトマンレンズ基板(１２)をほぼ空気と同じ低εの誘電体で支持したトリプレート構成の場合を前提に説明したが、比誘電率εrの誘電体による平行平板やトリプレート構成の場合、本発明の第６式を、次式として扱えば良いことは、自明である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000022
　本発明にかかるマルチビームアンテナ装置において、図３に示すアンテナ基板（５２）に形成された放射素子(５６)は、図２に示された第１の地導体（５３）とスロット板（５０）に形成されたスロット（５４）によって、アンテナ素子として機能し、所望の周波数の電波を放射することができる。また、このアンテナ素子を複数配置することで、全体としてアレーアンテナ(５)を形成している。また、図２に示された第１の地導体（５３）とロトマンレンズ基板（１２）と第２の地導体（１３）とによって、トリプレート構成のロトマンレンズを形成している。つまり、より具体的に説明すると、図２に示されるとおり、第１の地導体（５３）とロトマンレンズ基板（１２）の伝送線路部（７）と第２の地導体（１３）とをそれぞれ誘電体（７１ａ、７１ｂ）を介して重ね合わせることによって、トリプレート構成のロトマンレンズが形成されるものである。
　アンテナ基板（５２）に形成された第１の接続部（５８）は、第１の地導体（５３）に形成された第１の接続孔（５９）を介して、図４に示すロトマンレンズ基板（１２）に形成された伝送線路(７)の接続端子部（１６）と、電磁結合し、ロトマンレンズ(1)の出力端子の所望の励振電力が、アレーアンテナ(５)に伝達される。
　その際、アンテナ基板（５２）の上下に配置される金属スペーサ(５１ａ，５１ｂ)及びロトマンレンズ基板（１２）の上下に配置された金属スペーサ(１１ａ，１１ｂ)が、アンテナ基板（５２）及びロトマンレンズ基板（１２）を中空に保持し、かつ、前記アンテナ基板（５２）に形成された第１の接続部（５８）とロトマンレンズ基板（１２）に形成された伝送線路(７)の接続端子部（１６）の電磁結合部の周囲に金属壁を形成し、電力を周囲に漏洩させずに、効率よく伝達されることに寄与し、高周波でも低損失特性が実現できる。
　なお、金属スペーサ(５１ａ，５１ｂ)の空隙部(５５ａ，５５ｂ)及び金属スペーサ(１１ａ，１１ｂ)の空隙部(１４ａ，１４ｂ)は、アンテナ基板（５２）及びロトマンレンズ基板（１２）を安定に保持するため、誘電体(７１ａ，７１ｂ)を充填しても良い。
　また、アンテナ装置の入力端子部（１７）は、金属スペーサ(１１ａ，１１ｂ)で周囲に金属壁を形成し、第２の地導体(１３)に形成した第２の接続孔（１５）を介して、電力を周囲に漏洩させずに、効率よく高周波回路に伝達されることに寄与し、高周波でも低損失特性が実現できる。
　なお、第１の接続孔(５９)及び第２の接続孔（１５）は、利用周波数帯に適した導波管開口とすることができる。
　また、各構成部品を積層構成するのみでよく、送受信電力が電磁結合によって伝達されるため、組立時の位置精度も、従来の組立精度ほど、高精度でなくともよい。
　本発明にかかるマルチビームアンテナ装置において用いるアンテナ基板（５２）及びロトマンレンズ基板（１２）は、ポリイミドフィルムに銅箔を貼り合わせたフレキシブル基板を用い、不要な銅箔をエッチングで除去して放射素子（５６）、給電線路（５７）、第１の接続部（５８）及びロトマンレンズ（１）、伝送線路（７）、伝送線路(７)の接続端子部（１６）、アンテナ装置の入力端子部（１７）を形成することが好ましい。
　また、フレキシブル基板は、フィルムを基材とし、その上に銅箔等の金属箔を張り合わせた基板の不要な銅箔(金属箔)をエッチング除去することにより複数の放射素子やそれらを接続する給電線路が形成される。また、フレキシブル基板には、ガラスクロスに樹脂を含浸させた薄い樹脂板に銅箔を張り合わせた銅張り積層板でも構成できる。フィルムとして、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化エチレンポリプロピレンコポリマー、エチレンテトラフルオロエチレンコポリマー、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアリレート、熱可塑ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスチレン、ポリサルフォン、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリメチルペンテンなどのフィルムが挙げられ、フィルムと金属箔との積層には接着剤を用いてもよい。耐熱性、誘電特性と汎用性からポリイミドフィルムに銅箔を積層したフレキシブル基板が好ましい。誘電特性からフッ素系フィルムが好ましく用いられる。
　本発明にかかるマルチビームアンテナ装置において用いる地導体または金属スペーサには、金属板あるいはプラスチックにメッキした板を用いることができるが、特にアルミニウム板を用いれば、軽量で安価に製造でき好ましい。また、それらは、フィルムを基材とし、その上に銅箔を張り合わせたフレキシブル基板、さらにガラスクロスに樹脂を含浸させた薄い樹脂板に銅箔を張り合わせた銅張り積層板でも構成することができる。地導体に形成するスロットや結合口形成部は、機械プレスで打ち抜き加工するか、あるいはエッチングにより形成することができる。簡便性、生産性等から機械プレスでの打ち抜き加工が好ましい。
　本発明にかかるマルチビームアンテナ装置において用いる基板支持誘電体(７１ａ，７１ｂ)は、対空気比誘電率の小さい発泡体などを用いるのが好ましい。発泡体としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系発泡体、ポリスチレン系発泡体、ポリウレタン系発泡体、ポリシリコーン系発泡体、ゴム系発泡体などが挙げられ、ポリオレフィン系発泡体が、対空気比誘電率がより小さいので好ましい。
（実施例２）
　次に、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置における各部材の寸法等からみた実施例を、図２に沿って説明する。スロット板(５０)、第１の地導体（５３）、第２の地導体（１３）、金属スペーサ（５１ａ，５１ｂ）、金属スペーサ（１１ａ，１１ｂ）は、厚さ０．３ｍｍのアルミ板を用いた。また、基板支持誘電体（７１ａ，７１ｂ）は、厚さ０．３ｍｍで比誘電率約１．１の発泡ポリエチレンフォームを用いた。アンテナ基板（５２）及びロトマンレンズ基板（１２）は、ポリイミドフィルム（例えば、厚み２５μｍ）に銅箔（例えば、厚み２５μｍ）を貼り合わせたフレキシブル基板を用い、不要な銅箔をエッチングで除去して放射素子（５６）、給電線路（５７）、第１の接続部（５８）及びロトマンレンズ(１)、伝送線路部（７）、伝送線路(７)の接続端子部（１６）、入力端子部(１７)を形成した。地導体とスロット板及び金属スペーサは、すべてアルミ板に機械プレスで打ち抜き加工したものを用いた。
　ここで、放射素子（４１）は、周波数７６ＧＨｚの自由空間波長(λo＝３．９５ｍｍ)の約０．３８倍となる１．５ｍｍ角の正方形とした。また、スロット板(５０)に形成したスロット(５４)は、所望の周波数７６ＧＨｚの自由空間波長(λo＝３．９５ｍｍ)の約０．５８倍となる２．３ｍｍ角の正方形とし、第１の地導体(５３)に形成した第１の接続孔(５９)と第２の地導体(１３)に形成した第２の接続孔(１５)は、縦１．２５ｍｍ×横２．５３ｍｍの導波管開口とした。図３に示すアンテナ基板（５２）に形成された放射素子(５６)と図２に示された第１の地導体（５３）とスロット板（５０）に形成されたスロット（５４）と給電線路(５７)とで形成されたアンテナ素子列を、所望の周波数７６ＧＨｚの自由空間波長(λo＝３．９５ｍｍ)の約０．７７倍となる３．０ｍｍピッチで２４個配置することで、全体としてアンテナ開口２Ｌｎが２４×０．７７λoのアレーアンテナ(５)を形成した。一辺長を所望の周波数７６ＧＨｚの自由空間波長(λo＝３．９５ｍｍ)の約０．５８倍となる２．３ｍｍとした。
　さらに、図４に示すロトマンレンズ基板（１２）に形成するロトマンレンズ(１)の大きさＧを、第６式にてβ＝α/２、すなわち、η＝（１/２)・(Ｌｎ/Ｆ)＜１の条件を満たすように0.568Ｌｎ＜Ｇ＜0.71Ｌｎの範囲で、Ｆ＝５λo、Ｇ＝５．７λoとして、第１式～第４式で求められた出力端子のｘ座標及びｙ座標と、伝送線路の電気長wとに基づいて２４個の出力端子を有するロトマンレンズ(１)を設計した。ロトマンレンズ(１)の大きさＧは、所望の周波数７６ＧＨｚの自由空間波長(λo＝３．９５ｍｍ)の約５．７倍、すなわち２２．５ｍｍとした。
　以上の各部材を図２に示すように順次重ねてマルチビームアンテナ装置を構成し、計測器を接続して特性を測定した結果、８個の各入力端子の反射損失は、－１５ｄＢ以下で、図６に示したように８個の各入力端子に対応した利得指向性が得られ、表１に示すように入力ポートの角度αに対して、アレーアンテナ(５)のビーム方向βが、約半分の角度方向に形成できることが確認できた。このときまた、大きさＧ＝２２．５ｍｍのロトマンレンズ(１)の挿入損失は、約２．５ｄＢが得られた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000023
　一方、β＝αの限定条件、すなわち、η＝Ｌｎ/Ｆ＜１で、第５式の条件を満たすように1.137Ｌｎ＜Ｇ＜1.42Ｌｎの範囲で設計した従来設計のロトマンレンズの大きさＧが、少なくともＧ＝1.137、Ｌｎ＝１０．５λoが必要であり、所望の周波数７６ＧＨｚの自由空間波長(λo＝３．９５ｍｍ)の約１０．５倍、すなわち４１．５ｍｍとなり、このときのロトマンレンズ(１)の挿入損失は、約５ｄＢとなった。
　以上、本実施例のマルチビームアンテナ装置は、従来設計で構成した時の損失を基準とした場合に比べて、相対利得で２．５ｄＢ以上改善され、良好な特性が実現できた。
（実施例３）
　さらに、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置では、図５に示すように、入力端子(521),(522),・・・(52m)の接続部を２分岐伝送線路として電力を分散供給することにより、各入力端子からロトマンレンズ(１)内部に給電された電力を出力端子(531),(532),・・・(53n)の中央部に集中させて、ロトマンレンズ(１)の出力端子が配置される部分曲線の出力端子(531),(532),・・・(53n)の無い領域への電力の拡散を抑制して、不要な内部反射成分を低減することで、アレーアンテナ(５)の放射ビームのサイドローブ特性の悪化を抑制することができる。また、特に入力端子(521)や(52ｍ)のように入力端子が配置される部分曲線の端部から入力する場合、接続部の２分岐伝送線路に位相差を設けて電力供給することにより、ロトマンレンズ(１)内部に給電された電力の伝播方向性を制御することができ、出力端子(531),(532),・・・(53n)の中央部に集中させて、アレーアンテナ(５)の放射ビームのサイドローブ特性の悪化を抑制することができる。
　なお、かかる効果は、図６に示した効果を何ら損なうものではなく、むしろ相乗するものである。
（本発明の目的及び効果、及び従来技術の目的及び効果についての補足説明）
　背景技術の欄で述べたように、ロトマンの考え方に基づくレンズ設計は、通常、β＝αの条件のもとで設計される。また、本発明の特徴は、β＜αの条件において、既に述べたロトマンの変形手法を用いて従来のロトマンレンズ設計に基づいたレンズ設計を可能としたことである。すなわち、β＜αの条件においては、β（アンテナ素子側の放射角度）がα（ロトマンレンズ側のビーム角度）よりも小さいため、本発明は、狭角度に対して高い解像度を必要とする場合に特に有効である。例えば、本発明にかかるマルチビームアンテナ装置を車両に搭載した場合、車両正面に対して垂直な向きを０度として左右１５度程度までの範囲（つまり、左右トータルで３０度程度までの開き角を有する）に対して鋭敏な検知能力を発揮できるので好適である。
　すなわち、本発明にかかるアンテナ装置は、車載用アンテナ装置等に求められる理想的な電力分布及び位相分布を得ることができる。
　一方、本発明のようにβ＜αの条件ではなく、β＞αの条件のもとでレンズ設計を実施した従来技術（特許文献３）があるので念のために触れておく。特許文献３に記載された発明は、
　個々に励振でき、電力を供給する複数個の入力素子と上記電力を取り出す複数個の出力素子を備えた平行平板と、
　複数個の素子アンテナで構成され、空間に電波を放射するアレーアンテナとを結ぶ伝送線路と
からなり、
　入力素子が配列される曲線上の三つの焦点をもとに、上記出力素子が配列される曲線および伝送線路の長さを決定し、
　所定の入力素子を励振したときその入力素子に対応した角度方向にビームが放射されるようにしたアンテナ装置において、上記入力素子が配列される曲線の形状が円の一部でない
ことを特徴とするアンテナ装置、
である。
　上記からわかるように、β＞αの条件（特許文献３の図２を参照）のもとでレンズ設計を実施したことにより、入力素子配列の曲線の形状が円の一部でなくなっており、ロトマンによる設計方法とは全く別の設計に基づくものであることがわかる。
　そして、特許文献３に記載の発明について考察するに、β（アンテナ素子側の放射角度）をα（ロトマンレンズ側のビーム角度）よりも大きくする必要がある用途としては、例えば広角な範囲を少ない位相誤差で検知する軍事用レーダなどが考えられる。
　したがって、本発明にかかるアンテナ装置と、特許文献３に記載されたアンテナ装置とは、両者の構成（レンズ形状）及び解決すべき課題が全く異なるものである。
　また、既に出願人により出願された特許文献４についても言及しておく。特許文献４には、アンテナの薄型化、組立工程の簡略化に優れ、アンテナを小型化できるビームスキャン用平面アンテナが記載されており、システムとの接続部１０４とロトマンレンズ部１０３とビームスキャンアンテナ部１０２とをこの順に積層した平面アンテナであって、第３の地導体１３、第４の誘電体３４、ロトマンレンズパターン８と第２の接続部５２と第３の接続部９２とを有するロトマンレンズ基板６２、第３の誘電体３３、第２の地導体１２、第２の誘電体３２、放射素子５０と給電線路４０と第１の接続部５１を組とするアンテナ群を複数形成した給電基板６１、第１の誘電体３１、第１の地導体１１の順に積層して構成されたことを特徴とする。
　このビームスキャン用平面アンテナにおけるロトマンレンズの設計にあたっては、従来どおりα＝βの条件のものでの設計が行われていたが、同文献の図２の指向特性からも読み取れるように、同文献の平面アンテナの有する素子数は、本発明における素子数よりも少ないものであった。したがって、アンテナ素子の数が増えてアレーアンテナの開口２Ｌnが大きくなる場合は、入力端子とＳ２との距離Ｆもアレーアンテナの開口２Ｌnに比例して大きくする必要があり、結果としてロトマンレンズの大きさＧが大きくなってしまうという課題を生じさせることとなっていたことはすでに述べたとおりである。そこで、本発明はかかる課題を解決し、損失増加を抑制するようなロトマンレンズ設計を可能にし、利得向上を可能とする低損失マルチビームアンテナ装置を提供することができたものである。
（ロトマンレンズ設計フローから見た本発明の特徴）
　本発明の特徴は、β＜αの条件においてロトマンの変形手法を用いて従来のロトマンレンズ設計に基づいたレンズ設計を可能としたことであるが、本発明にかかるロトマンの変形手法を図９Ａ及び図９Ｂに示すフローチャートに基づいて更に詳細に説明する。
　図９Ａは、従来のロトマンの手法に基づいた設計フローである。Ｓ９０１において設計フローがスタートすると、Ｓ９０２に進み、アンテナ素子列の数ｎを設定する。次にＳ９０３に進み、ｎ個のアンテナ素子列の配置間隔Ｐを設定する。ここで、アンテナ開口２Ｌｎ＝（ｎ－１）Ｐとなる。次にＳ９０４に進み、ビーム数及びビームステップ角を設定する。ここで、ビーム数とは、入力端子の数である。また、ビームステップ角とは、各入力端子Ｎｏ．に対するアンテナビーム角度β間の角度差である（例えば、表１において、ビームステップ角はおおむね４度前後になっている）。そして、Ｓ９０５に進み、ｂ2－４ａｃ＝０となるＦ0を算出する。
　ここで、従来のロトマンの手法においては、α＝βという条件のもとでの設計であるので、Ｆ0＝Ｌｎとなる。一方、ＦX＝β・Ｆ0／αであるから、α＞βといった本発明のような条件下では、ＦX＜Ｆ0となることは明らかである。従って、α＝βのときは、ＦXでは、η＝Ｌｎ／Ｆ＞１となる。このとき、式５のｂ2－４ａｃは負となり、設計が破綻することを意味する。
　次に、Ｓ９０６において入力端子(21)とＳ２との距離Ｆを決定する。ここでは、Ｆ0＜Ｆ＜１．２５Ｆ0の範囲に設定される。次に、Ｓ９０７に進み、レンズサイズＧが決定される。ここでは、ｇＦ0＜Ｇ＜１．２５ｇＦ0である。すなわち、形状ファクタｇ＝Ｇ／Ｆを一般的な値１．１３６とした場合には、
　　　１．１３６Ｆ0＜Ｇ＜１．４Ｆ0
となる。
　そして、Ｓ９０８において、素子列数ｎに対応するｎ個の出力端子座標（ｘ，ｙ）、及び各ポートの補正線路位相ｗが算出される。
　図９Ｂは、本発明にかかるロトマンの変形手法に基づいた設計フローである。図９Ａとの相違は、Ｓ９１５においてαに対するβの比を設定可能とした点であるが、このとき、α＞βとなるような比を設定することができる。この設定は、第６式に示されるように、ηに対する係数として使用される。すなわち、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000024
の関係式を満たすようにロトマンレンズの形状が決定されるように各設計パラメータが制御され、各端子座標（Ｘ，Ｙ）が算出される。
　以上をふまえて、本発明におけるロトマンの変形手法に基づいた設計フローは、次のとおりとなる。まず、Ｓ９１１において設計フローがスタートすると、Ｓ９１２に進み、アンテナ素子列の数ｎを設定する。次にＳ９１３に進み、ｎ個のアンテナ素子列の配置間隔Ｐを設定する。次にＳ９１４に進み、ビーム数及びビームステップ角を設定する。次にＳ９１５においては、上述のとおりα＞βとなるようなαに対するβの比を設定できる。そして、Ｓ９１６に進み、ｂ2－４ａｃ＝０となるＦXを算出する。ここで、α＞βのとき、ＦX＝β・Ｌｎ／αである。Ｓ９１７において入力端子(21)とＳ２との距離Ｆが決定される。ここでは、ＦX＜Ｆ＜１．２５ＦXの範囲に設定される。次に、Ｓ９１８に進み、レンズサイズＧが決定される。ここでは、ｇＦX＜Ｇ＜１．２５ｇＦXである。すなわち、形状ファクタｇ＝Ｇ／Ｆを一般的な値１．１３６とした場合には、
　　　１．１３６ＦX＜Ｇ＜１．４ＦX
となる。
　そして、Ｓ９１９において、素子列数ｎに対応するｎ個の出力端子座標（ｘ，ｙ）、及び各ポートの補正線路位相ｗが算出される。
（実施例１及び２に対する補足説明）
　上記式６で示した条件
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000025
のもとで、具体的数値をともなった実施例１及び２を既にしめしたが、ここで若干の補足をしておく。好適な実施例のもとでは、β／αの数値範囲は、おおむね
　　０．３３≦β／α＜１
であり、ηが上限の場合、標準の場合、下限の場合を、それぞれ次のとおり想定している。
（１）ηが上限の場合
　η＝(β/α)・(Ｌn/F)≒１となる場合であり、このときＦは最小（Ｆの選択範囲のうちで最小値）となる。
（２）ηが標準の場合
　η＝(β/α)・(Ｌn/F)＝０．８８となる場合であり、このときＦは最適（Ｆの選択範囲のうちで最適値）となる。
（３）ηが下限の場合
　η＝(β/α)・(Ｌn/F)≦０．５～０．７となる場合であり、このときＦは最大（Ｆの選択範囲のうちで最大値）となる。
　そして、ηが上限の場合、標準の場合、下限の場合におけるＦの実測値は波長λの何倍となるか、表にまとめると次の表２のとおりとなる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000026
 　従来例においては、η＝１、α＝βであり、従来のＦ値は最小であってその長さが９λであることを考慮すると、上の表２のいずれの場合においても従来の波長と同じか、あるいは小さい値が得られていることがわかる。なお、上の表２のうちηが標準の場合の５λとなっているところが、上述の実施例２に対応する数値結果である。
　なお、２Ｌｎ（＝（ｎ－１）Ｐ）は、アレーアンテナ（５）の開口長であるが、アンテナ基板（５２）に設けられる放射素子（５６）の一方の端の列の素子（中心部）と他方の端の列の素子（中心部）との距離を示す。
　角度βは、放射素子（５６）からスロット板側に引いた垂線と放射素子からビームが放射される方向とのなす角度を示す。
　本発明において、設定した入力端子のＸ、Ｙ座標及び式５、式６等に基づいて算出した出力端子のＸ、Ｙ座標からロトマンレンズを設計する際、例えば、図５において入力端子の接続部を２分岐伝送線路とする場合には、２分岐された先にある２つの山型入力端子接合点が設定位置となり、分岐しない場合には、接続先の山型入力端子の開口中央部が設定位置となる。なお、この設定位置に対する考え方は従来からなされてきたものであり、出力端子についても同様に適用される。そして、後述の表３においても同様に適用される。
　また、本発明におけるＧが従来技術におけるＧと比べてどの程度小さくできるかについて、説明すると、従来技術におけるＧ0に対して本発明におけるＧ1は、
少なくとも、
　　　　０．２５Ｇ0＜Ｇ1＜０．８０Ｇ0
の範囲での実現が技術的には可能であり、表２に基づけば、
　　　　０．３３Ｇ0＜Ｇ1＜０．６７Ｇ0
の範囲になっていることが既出の式によって導出できるであろう。さらに、
　　　　０．３３Ｇ0＜Ｇ1＜０．５Ｇ0
の範囲での実施において、非常に良好な結果が得られていることを述べておく。
（実施例３に対する補足説明）
　同様に、実施例３に対応する実測結果を次の表３にまとめる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000027
 　従来例においては、η＝１、α＝βであり、従来のＦ値は最小であってその長さが６λであることを考慮すると、上の表３のいずれの場合においても従来の波長と同じか、あるいは小さい値が得られていることがわかる。
（図２に対する補足説明）
　最後に、図２に示した本発明にかかるマルチビームアンテナ装置の構成について、補足的に説明しておく。すでに図２においても明らかであるが、スロット板５０の拡大図を図１０（Ａ）に、アンテナ基板５２の拡大図を図１０（Ｂ）にそれぞれ示す。図１０において、スロット板５０には複数のスロット５４が縦横に設けられている。各スロット５４は、アンテナ基板５２上の各放射素子５６の配置と略一致するように配置されている。そして、スロット板５０及びアンテナ基板５２には重ね合わせたときに一致する位置にそれぞれリベット孔１０１が設けられており、後述する他の基板等とともに一体化するようリベット締めされる。
　また、第１の地導体５３を図１１（Ａ）に、ロトマンレンズ基板を図１１（Ｂ）に、第２の地導体を図１１（Ｃ）にそれぞれ示す。図１１において、第１の地導体５３上には、第１の接続孔５９とリベット孔１０１とが設けられている。また、第２の地導体１３上には、第２の接続孔１５とリベット孔１０１が設けられている。リベット孔は積層された基板等を一体的にリベット締めするためのものである。
　また、金属スペーサ５１ａ、５１ｂを図１２（Ａ）に、金属スペーサ１１ａ、１１ｂを図１２（Ｂ）に示す。それぞれのスペーサ内側には、空隙部５５ａ、５５ｂ、１４ａ、１４ｂが設けられるか、あるいは誘電体７１ａ、７１ｂが充填されている。スペーサ周辺部に設けられたリベット孔１０１は、重ねあわされたときに他の基板等に設けられたリベット孔と一致するように設けられ、積層された基板等を一体的にリベット締めするためのものである。
　　１　ロトマンレンズ
　　５　アレーアンテナ
　　７　伝送線路部
　　８　ロトマンレンズの中心線
　　９　入力端子の位置を表す補助線
　１０　アレーアンテナの正面方向から見たビームの方向
　１１ａ、１１ｂ　金属スペーサ
　１２　ロトマンレンズ基板
　１３　第２の地導体
　１４ａ、１４ｂ　空隙部
　１５　第２の接続孔
　１６　伝送線路の接続端子部
　１７　マルチビームアンテナ装置の入力端子部
　２１、２２、・・・２ｍ　ロトマンレンズ入力端子
　３１、３２、・・・３ｎ　ロトマンレンズ出力端子
　４１、４２、・・・４ｎ　アンテナ素子
　５０　スロット板
　５１ａ、５１ｂ　金属スペーサ
　５２　アンテナ基板
　５３　第１の地導体
　５４　スロット
　５５ａ、５５ｂ　空隙部
　５６　放射素子
　５７　給電線路
　５８　第１の接続部
　５９　第１の接続孔
　６１、６１、・・・６ｎ　出力端子とアンテナ素子とを結ぶ伝送線路
　７１ａ、７１ｂ　基板支持誘電体

Claims (13)

  1. 　電力を供給する複数の入力端子(21),(22),・・・(2m)及び前記複数の入力端子の電力を取り出すための複数の出力端子(31),(32),・・・(3n)から形成されるロトマンレンズと、複数のアンテナ素子で構成され空間に電波を放射するアレーアンテナと、前記出力端子と前記アンテナ素子とを結ぶ伝送線路からなり、前記複数の出力端子が配列される曲線及び前記伝送線路の長さを決定して、所定の入力端子を励振したとき当該入力端子に対応した角度方向にビームが形成されるマルチビームアンテナ装置において、
    　空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点Ｓ２と前記複数の入力端子の１つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとしたとき、β＜αであり、さらに
    　Ｆを入力端子(21)とＳ２との距離とし、２Ｌｎをアレーアンテナの開口長とし、Ｓ３を、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点とし、ロトマンレンズの大きさＧをＳ２とＳ３との距離とし、２Ｌｎを前記アレーアンテナの開口長としたき、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
    の関係式を満たし、Ｇをβ＝αの条件で設計した場合のロトマンレンズの大きさよりも小さくするよう前記ロトマンレンズの形状を決定したことを特徴とするマルチビームアンテナ装置。
  2. 　前記ロトマンレンズをトリプレートで構成することを特徴とする請求項１に記載のマルチビームアンテナ装置。
  3. 　前記アレーアンテナをトリプレートで構成することを特徴とする請求項２に記載のマルチビームアンテナ装置。
  4. 　前記複数の入力端子部を２分岐伝送線路として電力を分散供給することを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナ装置。
  5. 　電力を供給する複数の入力端子(21),(22),・・・(2m)及び前記複数の入力端子の電力を取り出すための複数の出力端子(31),(32),・・・(3n)から形成されるロトマンレンズと、複数のアンテナ素子で構成され空間に電波を放射するアレーアンテナと、前記出力端子と前記アンテナ素子とを結ぶ伝送線路からなり、前記複数の出力端子が配列される曲線及び前記伝送線路の長さを決定して、所定の入力端子を励振したとき当該入力端子に対応した角度方向にビームが形成されるマルチビームアンテナ装置において、
    　空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点Ｓ２と前記複数の入力端子の１つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとしたとき、β＜αであり、Ｓ３を、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点とし、ロトマンレンズの大きさＧをＳ２とＳ３との距離としたとき、Ｇをβ＝αの条件で設計した場合のロトマンレンズの大きさよりも小さくするよう前記ロトマンレンズの形状を決定したことを特徴とするマルチビームアンテナ装置。
  6. 　前記ロトマンレンズをトリプレートで構成することを特徴とする請求項５に記載のマルチビームアンテナ装置。
  7. 　前記アレーアンテナをトリプレートで構成することを特徴とする請求項６に記載のマルチビームアンテナ装置。
  8. 　前記複数の入力端子部を２分岐伝送線路として電力を分散供給することを特徴とする請求項５～７のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナ装置。
  9. 　電力を供給する複数の入力端子(21),(22),・・・(2m)及び前記複数の入力端子の電力を取り出すための複数の出力端子(31),(32),・・・(3n)から形成されるロトマンレンズと、複数のアンテナ素子で構成され空間に電波を放射するアレーアンテナと、前記出力端子と前記アンテナ素子とを結ぶ伝送線路からなり、前記複数の出力端子が配列される曲線及び前記伝送線路の長さを決定して、所定の入力端子を励振したとき当該入力端子に対応した角度方向にビームが形成されるマルチビームアンテナ装置であって、前記ロトマンレンズは、
    　前記入力端子または前記出力端子の素子列数ｎを決定する段階と、
    　前記素子列の配置間隔Ｐを決定する段階と、
    　前記ビームのビーム数及びビームステップ角を決定する段階と、
    　空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点Ｓ２と前記複数の入力端子の１つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとしたとき、β＜αとなるようαに対するβの比を設定する段階と、
    　ｂ2－４ａｃ＝０となるＦｘを算出する段階と、
    　Ｆ値を決定する段階と、
    　Ｇ値を決定する段階と、
    　前記素子数ｎに対応するＮ個の出力端子座標（ｘ，ｙ）、及び各出力端子の補正線路位相ｗを算出する段階と
    からなる設計ステップによって設計されたことにより、
    　Ｓ３を、入力端子(21),(22),・・・(2m)の配置される部分曲線と中心線(8)との交点とし、ロトマンレンズの大きさＧをＳ２とＳ３との距離としたとき、Ｇをβ＝αの条件で設計した場合のロトマンレンズの大きさよりも小さくなるよう前記ロトマンレンズの形状が決定されたことを特徴とするマルチビームアンテナ装置。
    　ただし、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002

    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003

    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000004
    であり、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-I000005
    である。
  10. 　電力を供給する複数の入力端子(21),(22),・・・(2m)及び前記複数の入力端子の電力を取り出すための複数の出力端子(31),(32),・・・(3n)から形成されるロトマンレンズと、複数のアンテナ素子で構成され空間に電波を放射するアレーアンテナと、前記出力端子と前記アンテナ素子とを結ぶ伝送線路からなり、前記複数の出力端子が配列される曲線及び前記伝送線路の長さを決定して、所定の入力端子を励振したとき当該入力端子に対応した角度方向にビームが形成されるマルチビームアンテナ装置において、
    　空間における前記アレーアンテナのビーム形成角度を前記アレーアンテナ正面からみてβとし、かつ前記出力端子(31),(32),・・・(3n)の配置される部分曲線及び前記ロトマンレンズの中心線(8)の交点Ｓ２と前記複数の入力端子の１つとを結ぶ線と、中心線(8)とがなす角度をαとしたとき、β＜αであることを特徴とする車載用マルチビームアンテナ装置。
  11. 　前記ロトマンレンズをトリプレートで構成することを特徴とする請求項１０に記載の車載用マルチビームアンテナ装置。
  12. 　前記アレーアンテナをトリプレートで構成することを特徴とする請求項１１に記載の車載用マルチビームアンテナ装置。
  13. 　前記複数の入力端子部を２分岐伝送線路として電力を分散供給することを特徴とする請求項１０～１２のいずれか１項に記載のマルチビームアンテナ装置。
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