JP2016046577A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成且つ低コストでビーム走査を行うことが可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置１は、予め規定された指向性を有するホーンアンテナ１０と、ホーンアンテナ１０で送受信される電波の電界面に沿うように一定間隔をもって配列された複数の金属プレート２１を有しており、ホーンアンテナ１０から送信される電波の強度が最も高くなる方向に位置する金属プレート２１のホーンアンテナ１０に向く端部に設定された軸ＡＸ周りで回動可能にされた金属プレートレンズ２０とを備える。【選択図】図５

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

ビーム走査が可能なアンテナ装置の代表的なものとしてフェーズドアレイアンテナ装置が挙げられる。このフェーズドアレイアンテナ装置は、線状又は面状に配列された複数のアンテナ素子、アンテナ素子の各々に設けられた位相器、各位相器への電力の分配及び各位相器からの電力の合成を行う電力分配合成回路、並びに各位相器の位相を制御する位相制御回路を備える。このようなフェーズドアレイアンテナ装置では、位相制御回路が各位相器の位相を制御することにより、任意の方向へのビーム走査が可能である。

尚、以下の非特許文献１，２には、ビーム走査に関する技術ではないが、電波レンズを用いてアンテナの指向性を容易に変更する技術が開示されている。具体的に、以下の非特許文献１，２には、ホーンアンテナの開口部の前方に、電界面に沿うように一定間隔をもって配列された複数の金属板からなる電波レンズを配置することによって、ホーンアンテナの指向性を変える（例えば、ビーム幅を小さくして、サイドローブを低減する）技術が開示されている。

神谷那由他，他３名，「一次放射器を近接配置可能な金属プレートレンズに関する検討」，［online］，［平成２６年８月０５日検索］，インターネット<https://www.ee.aoyama.ac.jp/Labs/hasimoto-www/sotai/201209_toyama/201209_B4_onoue/201209_B4_onoue.pdf> 尾上寛幸，他３名，「一次放射器に近接配置可能な金属プレートレンズに関する実験的評価」，［online］，［平成２６年８月０５日検索］，インターネット<https://www.ee.aoyama.ac.jp/hashi-lab/sotai/201303_gifu/201303_B4_onoue/201303_B4_onoue.pdf>

ところで、上述したフェーズドアレイアンテナ装置は、ビーム走査のためにアンテナ素子を機械的に走査する必要が無いという利点を有するものの、複数のアンテナ素子及び位相器等を備える必要があり、部品点数が多いことからコストを低減することが難しいという問題がある。また、ビーム走査を行って対象物を検出するには高度な信号処理技術が必要になることもコスト低減を困難にしている要因である。

加えて、フェーズドアレイアンテナ装置に設けられる位相器は個体差があるため、各位相器に入力される制御電圧が同一であってとしても、各位相器から出力される信号は位相が若干異なったものになることがある。このため、フェーズドアレイアンテナ装置において、ビーム走査を精度良く行うためには、各位相器に印加される制御電圧の微調整（キャリブレーション）が必要になるという問題もある。

ここで、前述した非特許文献１に開示されたアンテナ装置は、アンテナの前方に電波レンズを配置するだけでアンテナの指向性を容易に変更することができる。このため、このようなアンテナ装置において、ビーム走査が可能になれば、フェーズドアレイアンテナ装置における上述した各問題点が解消できると考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成且つ低コストでビーム走査を行うことが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のアンテナ装置は、予め規定された指向性を有するアンテナ（１０）と、前記アンテナで送受信される電波の電界面に沿うように一定間隔をもって配列された複数の金属板（２１）を有しており、前記アンテナから送信される電波の強度が最も高くなる方向に位置する前記金属板の前記アンテナに向く端部に設定された軸（ＡＸ）の周りで回動可能にされた電波レンズ（２０）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、アンテナの前面に配置された電波レンズが、アンテナから送信される電波の強度が最も高くなる方向に位置する金属板のアンテナに向く端部に設定された軸の周りで回動する。
また、本発明のアンテナ装置は、前記電波レンズの前記アンテナに向く側が、前記金属板の各々の前記アンテナに向く辺が半円状に切り欠かれることによって半球状に切り欠かれていることを特徴としている。
また、本発明のアンテナ装置は、前記軸が、前記アンテナで送受信される電波の電界方向に沿うように設定されていることを特徴としている。
また、本発明のアンテナ装置は、前記電波レンズが、前記アンテナから電波が送信される方向にみた形状が略円形状であることを特徴としている。
また、本発明のアンテナ装置は、前記アンテナが、開口端（１０ｂ）が前記電波レンズに向くように配置されたホーンアンテナであることを特徴としている。

本発明によれば、アンテナの前面に配置された電波レンズを、アンテナから送信される電波の強度が最も高くなる方向に位置する金属板のアンテナに向く端部に設定された軸の周りで回動させるだけで電波の進行方向が変化するため、簡易な構成且つ低コストでビーム走査を行うことが可能であるという効果がある。

本発明の一実施形態によるアンテナ装置の要部構成を示す斜視図である。 同アンテナ装置の要部構成を示す平面図である。 同アンテナ装置の要部構成を示す側面図である。 同アンテナ装置の要部構成を示す正面図である。 本発明の一実施形態によるアンテナ装置の動作を説明するための図である。 本発明の一実施形態によるアンテナ装置の特性の一例を示す図である。 本発明の一実施形態によるアンテナ装置に対する比較例における走査方法を示す図である。 第１比較例における特性の一例を示す図である。 第２比較例における特性の一例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態によるアンテナ装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態によるアンテナ装置の要部構成を示す斜視図である。また、図２は、同アンテナ装置の要部構成を示す平面図であり、図３は、同アンテナ装置の要部構成を示す側面図であり、図４は、同アンテナ装置の要部構成を示す正面図である。これら図１〜４に示す通り、本実施形態のアンテナ装置１は、ホーンアンテナ１０（アンテナ）及び金属プレートレンズ２０（電波レンズ）を備えており、金属プレートレンズ２０を介して電波の送受信を行う。

尚、以下の説明においては、図中に設定したｘｙｚ直交座標系を必要に応じて参照しつつ各部材の位置関係について説明する。図１〜４に示すｘｙｚ直交座標系は、原点がホーンアンテナ１０の給電点（図示省略）に設定されており、ｘ軸が鉛直方向に沿う方向、ｙ軸が水平方向に沿う方向、ｚ軸が水平方向に沿う方向であってホーンアンテナ１０から電波が送信される方向にそれぞれ設定されている。

ホーンアンテナ１０は、一方の開口端１０ａから他方の開口端１０ｂに行くにつれて開口面積が徐々に広くなるように設定された指向性を有する四角錐形状のアンテナであり、開口端１０ａを−ｚ側に向けるとともに開口端１０ｂを＋ｚ側に向けた状態で配置されている。つまり、ホーンアンテナ１０は、＋ｚ方向に送信される電波の強度が最も高くなるように配置されている。尚、ホーンアンテナ１０の開口端１０ａの中央部には、上記の給電点が設定されている。

このホーンアンテナ１０としては、例えば長さが４０［ｍｍ］程度であり（図２，３参照）、ＷＲ−４２なる規格の導波管を開口端１０ａに接続可能なものを用いることができる。尚、本実施形態では、ホーンアンテナ１０で送受信される電波は、周波数が２４．１５［ＧＨｚ］（波長λが１２．４［ｍｍ］）であり、電界面（Ｅ面）がｚｘ面に平行な面であり、磁界面（Ｈ面）がｙｚ面に平行な面であるとする。

金属プレートレンズ２０は、ホーンアンテナ１０の開口端１０ｂの前方（＋ｚ側）に配置されており、ホーンアンテナ１０で送受信される電波に対して、レンズとして作用をするものである。この金属プレートレンズ２０は、図４に示す通り、ホーンアンテナ１０で送受信される電波の電界面（ｚｘ面）に沿うように一定の間隔ｂをもって配列された複数の金属プレート２１（金属板）を備える。尚、本実施形態では、１７枚の金属プレート２１を備える金属プレートレンズ２０を例に挙げるが、金属プレートレンズ２０に設けられる金属プレート２１の数は任意である。

金属プレートレンズ２０をなす金属プレート２１は、例えばアルミニウム（Ａｌ）等の金属によって形成され、ホーンアンテナ１０に向く辺が半円状に切り欠かれた板状部材である。この金属プレート２１は、ｘ軸に交差する２つの辺の長さは全て同じ長さにされているが、ｘ軸に平行な辺（切り欠きが形成されていない辺）の長さは、ｙ方向の配列位置に応じて異なる長さにされている。

具体的に、各金属プレート２１のｘ軸に平行な辺の長さは、図４に示す通り、ホーンアンテナ１０から電波が送信される方向（−ｚ方向から＋ｚ方向に向く方向）に見た金属プレートレンズ２０の外径形状が略円形状となるように設定されている。また、各金属プレート２１のホーンアンテナ１０に向く辺は、図１に示す通り、ホーンアンテナ１０に向く側が半球状に切り欠かれるように切り欠かれている。これにより、金属プレートレンズ２０は、いわばホーンアンテナ１０に向く側が凹面とされた平凹レンズと同様の形状とされている。尚、図２〜４に示す通り、金属プレートレンズ２０は、外径がＤであるとすると、厚み（ｘ軸に交差する２つの辺の長さ）はＤ／２に設定されている。

また、金属プレートレンズ２０は、図２，３に示す軸ＡＸの周りで回動可能に構成されている。これは、アンテナ装置１のビーム走査を可能にするためである。具体的に、軸ＡＸは、ホーンアンテナ１０から送信される電波の強度が最も高くなる方向に位置する金属プレート２１（具体的には、ｚｘ面内に配置された金属プレート２１）のホーンアンテナ１０に向く端部（ｘ軸に交差する２つの辺の端部）を通るように設定されている。つまり、軸ＡＸは、ホーンアンテナ１０で送受信される電波の電界方向に沿うように設定されている。

ここで、ホーンアンテナ１０で送受信される電波の波長（自由空間波長）をλ_０、金属プレート２１間における電波の波長をλ_ｇとすると、金属プレートレンズ２０の屈折比ｎは以下の（１）式で示される。尚、以下の（１）式中のｂは、金属プレート２１の間隔である（図４参照）。

また、ホーンアンテナ１０の半値角をＷとすると、金属プレートレンズ２０の焦点距離Ｌ_ｆは以下の（２）式で示される。尚、以下の（２）式中のＤは、金属プレートレンズ２０の外径である（図３，４参照）。

また、ホーンアンテナ１０から送信される電波の進行方向とＺ軸とのなす角をΘとすると、金属プレートレンズ２０の曲率半径Ｒは以下の（３）式で示される。

以上の（１）〜（３）式を参照すると、電波の自由空間波長λ_０、金属プレート２１の間隔ｂ、金属プレートレンズ２０の外径Ｄ、及びホーンアンテナ１０の半値角Ｗを決定すれば、金属プレートレンズ２０の設計パラメータである焦点距離Ｌ_ｆ、曲率半径Ｒ、及び金属プレート２１の枚数を求めることができる。従って、ホーンアンテナ１０の特性に合わせて、所望の特性を有する金属プレートレンズ２０を設計することができる。

次に、上記構成のアンテナ装置１の動作について説明する。図５は、本発明の一実施形態によるアンテナ装置の動作を説明するための図である。尚、図５においては、便宜的に、原点の位置をずらしてｘｙｚ直交座標系を図示している。図５に示す通り、金属プレートレンズ２０を軸ＡＸの周りで回転させると、回転した金属プレートレンズ２０とホーンアンテナ１０との距離関係が変化する。例えば、図５に示す例では、軸ＡＸよりも＋ｙ側では金属プレートレンズ２０とホーンアンテナ１０との距離が長くなり、逆に軸ＡＸよりも−ｙ側では金属プレートレンズ２０とホーンアンテナ１０との距離が短くなる。

距離が短くなった側（軸ＡＸよりも−ｙ側）ではホーンアンテナ１０から送信された電波の位相が遅れるのに対し、距離が長くなった側（軸ＡＸよりも＋ｙ側）ではホーンアンテナ１０から送信された電波の位相が進む。これにより、金属プレートレンズ２０から射出される電波の向きが変わる。金属プレートレンズ２０から射出される電波の向きは、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺに応じて変わることから、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺを制御することにより、任意の方向へのビーム走査を行うことができる。

図６は、本発明の一実施形態によるアンテナ装置の特性の一例を示す図である。この図６に示す特性は、金属プレートレンズ２０の外径Ｄを１２０．１［ｍｍ］、金属プレート２１の間隔ｂを７．２１［ｍｍ］、ホーンアンテナ１０の開口端１０ｂから金属プレートレンズ２０の端面（ホーンアンテナ１０に向く面とは反対側の面）までの距離Ｌ（図２，３参照）を９６．８７［ｍｍ］に設定し、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺを０度から５０度まで１０度刻みで変化させた場合に得られた特性である。尚、図６においては、磁界面（Ｈ面：ｙｚ面に平行な面）内においてＺ軸となす角度θを横軸にとり、ゲインを縦軸にとってある。

図６を参照すると、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺが大きくなるにつれて、チルト角度（磁界面内においてゲインが最も高くなる方向とＺ軸となす角度）が大きくなるのが分かる。例えば、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺが５０度である場合には、チルト角度は２１．８度変化している。このため、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺを±５０度の範囲で変化させれば、±２０度程度の範囲でビーム走査が可能である。

ここで、図６を参照すると、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺが大きくなるにつれて、ゲインが僅かながら低下するものの、ゲインが大幅に低下してはいないのが分かる。このため、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺを変化させるたけで、容易にビーム走査を行うことが可能である。尚、図６に示す例では、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺを０度から５０度まで１０度刻みで変化させているが、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺを連続的に変化させることができる。このため、連続的にビーム走査を行うことが可能である。

次に、本発明の一実施形態によるアンテナ装置に対する比較例について説明する。図７は、本発明の一実施形態によるアンテナ装置に対する比較例における走査方法を示す図である。尚、図７においては、図５と同様に、便宜的に原点の位置をずらしてｘｙｚ直交座標系を図示している。図７（ａ）に示す第１比較例は、金属プレートレンズ２０をなす金属プレート２１の各々を、各々の端部（ホーンアンテナ１０に向く端部）を通る軸ＡＸ１の周りで回転させる方法でビーム走査を行った例である。これに対し、図７（ｂ）に示す第２比較例は、金属プレートレンズ２０を固定して、ホーンアンテナ１０を、開口端１０ｂの中心部を通る軸ＡＸ２の周りで回転させる方法でビーム走査を行った例である。

図８は、第１比較例における特性の一例を示す図であり、図９は、第２比較例における特性の一例を示す図である。これら図８，９に示す特性は、前述した実施形態と同じ条件に設定し、走査方法のみを異ならせた場合に得られた特性である。尚、図８，９においては、図６と同様に、磁界面（Ｈ面：ｙｚ面に平行な面）内においてＺ軸となす角度θを横軸にとり、ゲインを縦軸にとってある。

まず、図８を参照すると、第１比較例では、上述した実施形態ほどではないものの、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺが大きくなるにつれて、チルト角度が大きくなるのが分かる。例えば、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺが５０度である場合には、チルト角度は１８．４度変化している。しかしながら、第１比較例では、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺが大きくなるにつれて、ゲインが大幅に低下し、しかもビーム幅が広がってしまうのが分かる。このため、第１比較例では、上述した実施形態のような精度の良いビーム走査を行うことは困難であると考えられる。

次に、図９を参照すると、第２比較例では、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺが大きくなっても、チルト角度が余り大きくはならないのが分かる。例えば、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺが５０度である場合には、チルト角度は９度程度であり、上述した実施形態及び第１比較例の半分以下である。また、第２比較例では、第１比較例と同様に、金属プレートレンズ２０の回転角θ_ＡＺが大きくなるにつれて、ゲインが大幅に低下するのが分かる。このため、第２比較例でも、上述した実施形態のような精度の良いビーム走査を行うことは困難であると考えられる。

以上の通り、本実施形態では、ホーンアンテナ１０の前方に金属プレートレンズ２０を配置し、軸ＡＸ（ホーンアンテナ１０から送信される電波の強度が最も高くなる方向に位置する金属プレート２１のホーンアンテナ１０に向く端部を通るように設定された軸）の周りでホーンアンテナ１０を回動可能にしている。これにより、軸ＡＸの周りで金属プレートレンズ２０を回転させるだけでビーム走査を行うことができるため、簡易な構成且つ低コストでビーム走査を行うことが可能である。

以上、本発明の一実施形態によるアンテナ装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限される訳ではなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、アンテナとしてホーンアンテナ１０を備える例について説明したが、アンテナは予め規定された指向性を有するものであれば任意のものを用いることができる。尚、金属プレートレンズ２０の特性は、アンテナの指向性に応じて設計すれば良い。

本発明のアンテナ装置は、無変調連続波レーダー（ＣＷ（Continuous Wave）レーダー）、周波数変調連続波レーダー（ＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）レーダー）、パルスレーダー、多周波ＣＷ方式レーダー、その他のレーダーに適用することが可能である。また、これらのレーダーを用いて河川の流向や流速分布の測定、路面状態（凍結、雨、積雪、ドライ等）の監視、値表の高低差や合成開口の測定等を行うことができる。

また、本発明のアンテナ装置は、ホーンアンテナ１０（アンテナ）と金属プレートレンズ２０（電波レンズ）との焦点距離を変えてビーム幅を変更することができる。このため、例えば対象物の距離や合成開口の測定等の用途では、ビーム幅を狭くして測離精度や分解能を向上させる一方、河川の流速や路面状値の監視等の用途では、ビーム幅を広くして目標からの反射信号を平均化処理することで、測定精度の向上を図ることができる。

１０ ホーンアンテナ
１０ｂ 開口端
２１ 金属プレート
２０ 金属プレートレンズ
ＡＸ 軸

Claims (5)

1. 予め規定された指向性を有するアンテナと、
   前記アンテナで送受信される電波の電界面に沿うように一定間隔をもって配列された複数の金属板を有しており、前記アンテナから送信される電波の強度が最も高くなる方向に位置する前記金属板の前記アンテナに向く端部に設定された軸の周りで回動可能にされた電波レンズと
   を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記電波レンズの前記アンテナに向く側は、前記金属板の各々の前記アンテナに向く辺が半円状に切り欠かれることによって半球状に切り欠かれていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記軸は、前記アンテナで送受信される電波の電界方向に沿うように設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記電波レンズは、前記アンテナから電波が送信される方向にみた形状が略円形状であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナは、開口端が前記電波レンズに向くように配置されたホーンアンテナであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載のアンテナ装置。

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