アンテナのビーム合成方法およびアンテナ
【課題】 複雑な放射パターンを容易に成形することができ、損失が少なく、設計、製造および設置が容易でコストが低いアンテナを提供する。
【解決手段】 地板導体２１上に誘電体２３を配置したイメージ線路型の伝送体の誘電体表面に漏出部として金属ストリップ２４を装荷した漏れ波型のアンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 を、その放射面が同一方向に向いた状態で縦列に接続したアンテナにおいて、各アンテナユニットの長さＬを、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値にほぼ等しく設定し、各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が、合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように各アンテナユニットの金属ストリップの周期ｄと長さｓを設定して、所望のビーム特性を得ている。
【解決手段】 地板導体２１上に誘電体２３を配置したイメージ線路型の伝送体の誘電体表面に漏出部として金属ストリップ２４を装荷した漏れ波型のアンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 を、その放射面が同一方向に向いた状態で縦列に接続したアンテナにおいて、各アンテナユニットの長さＬを、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値にほぼ等しく設定し、各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が、合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように各アンテナユニットの金属ストリップの周期ｄと長さｓを設定して、所望のビーム特性を得ている。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主にミリ波帯で使用されるアンテナにおいて、複雑な放射パターンが要求される路上車両監視レーダや高速無線アクセス基地局での使用に適したアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、ミリ波を使用した路上車両監視システムでは、図１０に示すように、アンテナ１から道路２に電波を発射し、路上を走行する車両３からの反射波を受信することで走行車両の監視を行なっている。
【０００３】このような監視システムでは、監視対象物以外からの反射波を受けないように水平面の放射パターンの幅が狭く、また、遠い位置（数１００ｍ）からアンテナ１の近傍までの広い範囲でほぼ等しいレベルの反射波を受けられるように、垂直面の放射パターンＰがコセカント関数に近いことが要求されている。
【０００４】このような成形ビームの放射パターンを得るために、従来では、反射鏡アンテナ（パラボラアンテナ）、導波管スロットアレーアンテナ、マイクロストリップアレーアンテナ等が用いられている。
【０００５】導波管スロットアレーアンテナおよびマイクロストリップアレーアンテナのようなアレーアンテナの場合には、指向性合成理論に基づいて各アンテナ素子の励振振幅と位相を計算で求め、それを実現するように個々のアンテナ素子の励振を制御している。
【０００６】例えば、導波管スロットアレーアンテナでは、各スロット毎に放射される電磁波の位相と振幅を計算して、その計算結果に基づいてスロット個々の寸法や位置を決定する。また、マイクロストリップアレーアンテナでは、個々のアンテナ素子の給電線長やインピーダンスによって励振を制御している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記した各アンテナには、次のような問題があった。
【０００８】（イ）反射鏡アンテナは、鏡面と給電ホーンの設計が難しく、前記した複雑な放射パターンにするために特殊鏡面にする必要があり製作コストが高くなり、しかも立体構造であるため、設置工事等も面倒である。
【０００９】（ロ）導波管スロットアレーアンテナは、前記したように、スロット個々の寸法や位置を決めるため設計が複雑となる。また、並列に配置されたアンテナ素子間で相互結合が生じるので、この影響を考慮して希望の励振分布を実現するのが困難であり、特に、ミリ波帯等の高い周波数帯で、個々のアンテナ素子の励振振幅と位相を厳密に合わせるためには、厳しい製作精度が要求され、コスト高になる。
【００１０】（ハ）マイクロストリップアレーアンテナの場合も導波管スロットアレーアンテナと同様に、個々のアンテナ素子の励振の制御が複雑であり、また、給電損失が大きく、周波数帯域が狭く、しかも、高電力での使用が難しいという問題がある。
【００１１】本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、複雑な放射パターンを容易に成形することができるアンテナのビーム合成方法と、損失が少なく、設計、製造および設置が容易でコストが低いアンテナを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するために、本発明の請求項１のアンテナのビーム合成方法は、電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットを、漏れ波の放射面が同一方向に向いた状態で縦列に接続して、所望のビームを合成するアンテナのビーム合成方法であって、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値と、前記複数のアンテナユニットの伝送体の長さとがほぼ等しくなるように設定し、前記各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が前記合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように、各アンテナユニットの漏出部の長さと周期を設定することによって、前記所望のビームを得るようにしている。
【００１３】また、本発明の請求項２のアンテナは、電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットが、各アンテナユニットの漏れ波の放射面を同一方向に向けた状態で一本の連続した伝送路を形成するように縦列に接続され、該一本の連続した伝送路の一端側から電磁波の給電を受け所望のビーム特性で電磁波を放射するアンテナであって、前記複数Ｎのアンテナユニットは、各アンテナユニットの放射ビームの放射角が、前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に分割したときの両端を含むＮ個の分割点の放射角にそれぞれほぼ一致し、且つ各アンテナユニットの放射ビームの放射強度を合成した前記各放射角毎の合成放射強度が前記各分割点の放射強度に近くなるように形成されている。
【００１４】また、本発明の請求項３のアンテナは、電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットが、各アンテナユニットの漏れ波の放射面を同一方向に向けた状態で一本の連続した伝送路を形成するように縦列に接続され、該一本の連続した伝送路の一端側から電磁波の給電を受け所望のビーム特性で電磁波を放射するアンテナであって、前記複数のアンテナユニットの伝送体の長さは、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値にほぼ等しく設定され、各アンテナユニットの漏出部の長さと周期は、各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が、前記合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように設定されている。
【００１５】また、本発明の請求項４のアンテナは、請求項２または請求項３記載のアンテナにおいて、前記各アンテナユニットの伝送体は地板導体の表面に棒状の誘電体を配置したイメージ線路によって形成され、前記漏出部は前記誘電体の表面に長さ方向に沿ってほぼ一定周期に装荷された複数の装荷体によって形成されている。
【００１６】また、本発明の請求項４のアンテナは、請求項２または請求項３記載のアンテナにおいて、前記各アンテナユニットの伝送体は基本モードを伝送する導波管によって形成され、前記漏出部は前記導波管の表面に長さ方向に沿ってほぼ一定周期に設けられた複数のスロットによって形成されている。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１は、走行車両監視システムに用いられる一実施形態のミリ波のアンテナ２０を示している。
【００１８】このアンテナ２０は、図１に示すように、矩形状の地板導体２１上に形成されている。
【００１９】地板導体２１の表面２１ａ側の上部にはホーン型の給電部２２が設けられている。給電部２２の内部には、導波管（図示せず）による分岐回路が形成されており、上面側に設けられた接続口２２ａから入力される電磁波を複数経路（この実施形態では６経路）に分岐して、後述する各誘電体２３の一端側にそれぞれ同相給電する。
【００２０】給電部２２の下部から地板導体２２の表面２２ａの下部の間には、例えばアルミナ等で断面矩形の角棒状に形成された所定長さの誘電体２３が、その一側面を地板導体２１の表面２１ａに接した状態で縦に複数本（図１では６本）平行に設けられている。各誘電体２３の一端２３ａは、給電部２２との整合のためにテーパ状（図４参照）に形成されている。
【００２１】このように地板導体２１上に棒状の誘電体２３を配置した回路はイメージ線路と呼ばれる伝送路を形成しており、図２に示すように、誘電体２３の一端２３ａ側から給電された電磁波が他端２３ｂ側へ向かって伝送される。
【００２２】各誘電体２３の表面には、誘電体２３と同一幅の金属ストリップ２４が装荷体として長さ方向に沿って間欠的に形成されている。
【００２３】このように、イメージ線路を構成している誘電体２３の表面に金属ストリップ２４を所定間隔で設けたり、後述するように誘電体２３の表面をコルゲート（波型）加工することで、誘電体２３内に多数の空間高調波が発生し、そのうちのあるものが漏れ波として誘電体２３の表面から出力される。この漏れ波の放射パターンは、金属ストリップの間隔ｄ（ストリップ周期という）と、金属ストリップの長さｓ（ストリップ幅という）とによって決定される。
【００２４】即ち、前記空間高調波βn は、次式、βn ＝β＋２ｎπ／ｄ （−∞≦ｎ≦∞）
（ただし、βは誘電体線路の位相定数）で表され、βn が自由空間波数ｋ0 より小さい場合に漏れ波が放射される。
【００２５】そして、この漏れ波の放射方向は、誘電体２３の表面に直交する軸ｘを基準として誘電体２３の長さ方向ｚを正の角度方向とし、漏れ波の自由空間波長をλ0とすると、次式、θn ＝ｓｉｎ-1（βn ／ｋ0 ）
＝ｓｉｎ-1〔（β／ｋ0 ）＋ｎλ0 ／ｄ〕
で表される。ここで、−１≦ｓｉｎθn ≦１であり、誘電体の場合（β／ｋ0 ）は１より大きい定数であるから、θn が有効な解を持つために通常はｎ＝−１とする。
【００２６】これらの式から、漏れ波の放射ビームの方向はストリップ周期ｄで決まることが判る。また、漏れ波の単位長さ当りの放射量（漏れ波定数）はストリップ幅ｓで決まることが知られている。
【００２７】この実施形態のアンテナ２０は、放射特性が異なる漏れ波型のアンテナユニットを、その放射面が同一方向に向いた状態で各アンテナユニットの地板導体と誘電体とが１本の連続したイメージ線路を形成するように縦列に接続したものであり、その合成ビームがコセカントビームをとなるようにしている。
【００２８】ここで、そのビームの合成方法について説明する。ｎ番目のアンテナユニットの振幅がａn で均一、位相定数がβn 、長さがＬとし、ｕ、ｕn を、sin θ＝ｕ、 sin θn ＝ｕn ＝βn ／ｋ0と定義すると、そのアンテナユニットの指向性は、Ｅn ＝ａn sin 〔（ｕ−ｕn ）ｋ0 Ｌ／２〕／〔（ｕ−ｕn ）ｋ0 Ｌ／２〕となる。
【００２９】このアンテナユニットをＮ個縦列に接続すると、アンテナ全体の指向性は、Ｅ（ｕ）＝Σn ａn ｅjP（sin Ｕ）／Ｕ …（１）
となる。ただし、Σn はｎ＝１〜Ｎまでの総和を表し、Ｕ＝（ｕ−ｕn ）ｋ0 Ｌ／２、Ｐ＝（Ψn −ｋ0 ｕＺn ）であり、Ψn はＺ＝Ｚn に到達する伝送波の位相である。
【００３０】ここで、所望の合成ビームを定義する領域をｕ空間でＮ−１に等分し、その領域の両端を含む各分割点にｕn （ｎ＝１、２、…、Ｎ）を割当て、その間隔（分割幅）をΔｕとして、アンテナユニットの長さＬをλ0 ／Δｕに選ぶと、式（１）の第２項（sin Ｕ）／Ｕは直交標本関数となり、ｕ＝ｕn では、ｎ番目のビームのみが大きさ１となり、他のビームは零となる。
【００３１】したがって、振幅ａn をｕn における所望の指向性のレベルに選べば、ｕ1 、ｕ2 、…、ｕN の標本点においては所望の指向性に一致するパターンが得られる。
【００３２】Ｎ＝３の場合の簡単な例を示すと、図３のように、ｕ＝０．２〜０．４までの範囲を所望の合成ビーム（希望パターン）Ｐｒを定義する領域とし、その間を２つの領域に等分し（Δｕ＝０．１）、各アンテナユニットの長さＬをλ0 ／Δｕ＝１０λ0 に選ぶ。
【００３３】そして、第１のアンテナユニットの振幅ａ1 を希望パターン（コセカントビーム）のｕ＝０．２のレベルに対応するように設定し、第２のアンテナユニットの振幅ａ2 を希望パターンのｕ＝０．３のレベルに対応するように設定し、さらに、第３のアンテナユニットの振幅ａ3 を希望パターンのｕ＝０．４のレベルに対応するように設定する。
【００３４】このように設定すると、図３に示しているように、第１のアンテナユニットの指向性Ｅ1 のメインローブＭ1 の最大点（ｕ＝０．２）で、第２、第３のアンテナユニットの指向性Ｅ2 、Ｅ3 の電界が零となり、同様に、第２のアンテナユニットの指向性Ｅ2 のメインローブＭ2 の最大点（ｕ＝０．３）では、第１、第３のアンテナユニットの指向性Ｅ1 、Ｅ3 の電界が零となり、第３のアンテナユニットの指向性Ｅ3 のメインローブＭ3 の最大点（ｕ＝０．４）では、第１、第２のアンテナユニットの指向性Ｅ1 、Ｅ2 の電界が零となる。
【００３５】このため、アンテナ全体の合成パターンは、ｕ＝０．２、０．３、０．４の位置（各分割点の位置）で希望パターンＰｒと一致し、他の位置では希望パターンＰｒを中心にして上下に変化する特性となり、希望パターンＰｒ（コセカントビーム）に沿った特性が得られる。
【００３６】なお、アンテナユニットは伝送路を一端側から他端側へ電波を進行させながら電波を漏出させているから、単位長さ当りの漏れ量が均一であると、電波が進行するにつれてその振幅が小さくなり、完全に均一な振幅分布を得ることはできない。そのために、１つのアンテナユニット内でのストリップ幅ｓ（金属ストリップの長さ）を給電側から僅かずつ増加させ、給電側から遠くなるほど漏れ量を増やして均一の振幅分布を得るようにしている。
【００３７】図１に示した実施形態のアンテナ２０は、長さＬが等しい５つのアンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 を縦列に接続したものであり、希望パターンの定義領域を４つに分け、その両端を含む５つの各分割点ｕ1 〜ｕ5 （図示せず）に対応した放射角θ1 〜θ5 が各アンテナユニットの最大放射角となり、各分割点における希望パターンのレベルが各アンテナユニットの最大強度となるようにストリップ周期ｄとストリップ幅ｓを設定したものである。
【００３８】即ち、図４に示すように、誘電体２３の最も給電部２２側に形成されたアンテナユニットＵ1 の誘電体表面には、その漏れ波のメインローブＭ1 の最大放射方向が希望パターンＰｒの定義領域の端の分割点ｕ1 に対応した角度θ1 となり、その強度が分割点ｕ1 における希望パターンＰｒのレベルに対応した値ａ1 となるストリップ周期ｄ1 とストリップ幅ｓ1 で金属ストリップ２４が設けられている。
【００３９】また、アンテナユニットＵ1 に続くアンテナユニットＵ2 の誘電体表面には、その漏れ波のメインローブＭ2 の最大放射方向が希望パターンＰｒの定義領域のの端から２番目の分割点ｕ2 に対応した角度θ2 となり、その強度が分割点ｕ2における希望パターンＰｒのレベルに対応した値ａ2 になるストリップ周期ｄ2とストリップ幅ｓ2 で金属ストリップ２４が設けられている。
【００４０】以下同様にして、アンテナユニットＵ3 〜Ｕ5 の誘電体表面には、各アンテナユニットＵ3 〜Ｕ5 の漏れ波のメインローブＭ3 〜Ｍ5 の最大放射方向が希望パターンＰｒの定義領域の各分割点ｕ3 〜ｕ5 にそれぞれ対応した角度θ3 〜θ5となり、その強度が分割点ｕ3 〜ｕ5 における希望パターンＰｒのレベルに対応した値ａ3 〜ａ5 になるストリップ周期ｄ3 〜ｄ5 とストリップ幅ｓ3 〜ｓ5 で金属ストリップ２４が設けられている。
【００４１】また、各アンテナユニットのストリップ幅ｓ1 〜ｓ5 は、前記したように、各アンテナユニット毎に振幅分布が均一となるように僅かずつ変化させているので、１つのアンテナユニットの最大放射方向では、他のアンテナユニットから放射される電波の強度は零となり、希望パターンに近似した合成ビームが得られる。なお、図４は各アンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 のビームを極座標上に示したものである。
【００４２】図５、図６は、５つのアンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 を縦列接続したアンテナのサブローブを含めた垂直面の合成パターンをｕ軸上で示したもので、図５の特性は、遠距離からの監視が可能なように０°近傍の放射レベルを高く（２６ｄＢ）設定したときのものであり、偏差がやや大きいが希望パターンに沿った特性が得られている。また、図６の特性は、比較的近距離からの監視用に０°付近の放射レベルをやや低く（２１ｄＢ）設定したものであり、図５に示した特性に対して偏差が大幅に減って、希望パターンＰｒに非常に近い特性が得られている。なお、図５、図６の縦軸は、θ＝０、即ち、ｚ軸方向の放射レベルを基準（０ｄＢ）にしたときの相対値である。
【００４３】これら図５、図６の特性は、一本の誘電体２３上に５つのアンテナユニットを縦列に形成したときのものであるが、一本の誘電体２３上に８つのアンテナユニットを縦列に形成したときの特性例を図７に示す。このアンテナの特性は、図５のアンテナと同様に、遠距離からの監視が可能なように０°近傍の放射レベルを高く（２６ｄＢ）設定したときのものであり、図５の特性と比べて短い周期で変化しているが希望パターンからの偏差量は小さく、希望パターンＰｒに非常に近い特性が得られている。
【００４４】なお、アンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 を縦列に接続した１本のアンテナの水平面の放射特性は路上監視用としては広すぎるため、この実施形態のアンテナ２０では、前記したように誘電体２３を平行に複数本（図１R>１では６本）並べ、各誘電体２３毎に５つのアンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 をそれぞれ形成して、水平面の放射パターンを路上監視用として最適な広がり幅に設定している。
【００４５】このため、アンテナ２０からは、水平面の指向特性が道路幅にほぼ対応した幅で、垂直面の指向特性がコセカント関数に近くなり、遠方の車両には強い電波が放射され、近傍の車両には弱い電波が放射されて、道路の長さ方向の広い範囲でほぼ等しい感度で車両からの反射波を受信することができる。
【００４６】このアンテナ２０は、低伝送損失の漏れ波型のアンテナユニットを縦列接続した構造であるので、アンテナ全体としても低伝送損失である。また、平面構造であって、その表面処理のみで簡単に製作でき、設計、製造および設置が容易でコストが低く、しかも、装荷体としての金属ストリップは印刷技術やエッチング技術によって高い寸法精度で形成することができるので、ビームの合成精度も高い。
【００４７】また、金属ストリップの周期と長さによって、各アンテナユニットの放射特性を任意に設定することができ、複雑な放射特性が容易に得られる。
【００４８】また、イメージ線路では、誘電体外部の電磁界は指数関数的に減少するので、これを用いた漏れ波型のアンテナユニットの誘電体の側面側への電波の漏れは非常に少なく、この実施形態のようにアンテナを並列に配置した場合でも隣接するアンテナユニット同士の干渉による放射パターンの乱れが少なく、逆にグレーティングローブが発生しないように隣接するアンテナユニットの間隔をより接近させて配置することができ、アンテナ全体を小型化できる。
【００４９】
【他の実施の形態】前記実施形態では、５つ（および８つ）のアンテナユニットを縦列に接続した場合について説明したが、垂直面の目標放射特性がより複雑な場合にはユニット数を増加し、垂直面の目標放射特性がより単純な場合にはユニット数を減少してもよく、目標とする垂直面の放射特性に応じて種々変更可能である。
【００５０】また、前記実施形態では、水平面の放射特性を狭くするために本発明のアンテナを並列に設けていたが、これは、目標とする水平面の放射特性に応じて種々変更可能であり、水平面の放射特性が広くてもよい場合には１本だけにしてもよい。
【００５１】また、前記実施形態では、誘電体表面から電磁波を漏出させるための装荷体として金属ストリップを用いていたが、図８に示すように、誘電体２３の表面に装荷体として所定高さｈの高段部２４′を一定間隔で設けてコルゲート（波型）状に形成することによって、漏れ波型のアンテナユニットを構成することができる。
【００５２】この場合、高段部２４′の間隔ｄ（コルゲート周期という）と、高段部２４′の長さｓ（コルゲート幅という）とは、前記実施形態の金属ストリップのストリップ周期およびストリップ幅にそれぞれ相当しており、前記した２つの式がそのまま使用でき、アンテナユニットの放射方向はコルゲート周期ｄで決まり、放射量はコルゲート幅ｓと高段部２４′の高さｈとで決まる。
【００５３】また、前記実施形態の給電部２２は、地板導体の表面側に設けられていたが、入力された電磁波を地板導体の背面側で分岐して、表面側の各誘電体の一端に給電する折り返しホーン型の給電部を用いてもよい。
【００５４】また、前記実施形態では、イメージ線路に電波を漏出させるための装荷体を設けた漏れ波型のアンテナユニットを縦列に接続していたが、漏れ波型のアンテナである導波管スロットアンテナに本発明を適用することもできる。
【００５５】導波管スロットアンテナは、基本波を伝送する所定長の導波管の一側面にスロットを長さ方向に沿って複数設けて電波を漏出させるアンテナであり、漏れ波の放出方向は、θn ＝sin -1〔（β／ｋ0 ）＋（２ｎ−１）λ0 ／２ｄn 〕
（通常はビームを１つだけにするためにｎ＝−１を使う）となるが、基本的な動作はイメージ線路に装荷体を設けた場合と同様である。
【００５６】図９はこのような導波管スロットアンテナを１つのアンテナユニットとして、５つのアンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 を、各アンテナユニットの導波管が１本の伝送路を形成するように、縦列に接続したものである。
【００５７】このアンテナにおいても、各アンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 のスロット３０の間隔ｄ1 〜ｄ5 およびスロット幅ｓ1 〜ｓ5 を、希望パターンＰｒのｕ空間における定義領域を４つに等分割する分割幅Δｕで漏れ波の自由空間波長λ0 を除算した値に、各アンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 の長さＬを一致させ、各アンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 の漏れ波のメインローブの最大放射方向が希望パターンＰｒの定義領域の各分割点にそれぞれ対応した角度となり、その強度が各分割点における希望パターンＰｒのレベルに対応した値になるように設定することで、希望パターンに近似した合成ビームを得ることができる。
【００５８】このアンテナでは、ほぼ同一長さのスロットが一定間隔に設けられた導波管スロットアンテナを縦列に接続して、所望のパターンを得るようにしているから、設計も容易で加工もし易い。
【００５９】なお、前記実施形態では、各アンテナユニットの振幅分布をそれぞれ均一にするために、金属ストリップの長さ（ストリップ幅）を僅かずつ増加していたが、アンテナユニット内の金属ストリップの長さを全て同一にしても、合成パターンが希望パターンに対して掛け離れることはないので、設計をより簡単化するために、各アンテナユニット毎の金属ストリップの長さを同一にしてもよい。
【００６０】また、厳密な合成精度が要求されていない場合には、所望のビーム特性を適度な間隔でＮ−１に分割し、その両端を含む分割点に各アンテナユニットの放射ビームの放射角をほぼ一致させるとともに、各アンテナユニットの放射ビームの放射強度を合成した各放射角毎の合成放射強度が各分割点の放射強度に近くなるように、各アンテナユニットを形成してもよい。この場合には、一つのアンテナユニットのメインローブの最大放射角において、他のアンテナユニットの放射強度が零とならない場合があるが、製造上の精密な加工が不要で安価に所望のビーム特性に近い特性のアンテナが得られる。これは、装荷体として誘電体の表面に高段部を設けたアンテナユニットや導波管にスロットを設けたアンテナユニットの場合でも同様である。
【００６１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１のアンテナのビーム合成方法および請求項３のアンテナは、縦列に接続された漏れ波型の複数のアンテナユニットの各伝送体の長さを、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値にほぼ等しく設定し、各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が、合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように各アンテナユニットの漏出部を設定している。
【００６２】このため、１つのアンテナユニットのメインローブの最大点では他の全てのアンテナユニットの放射強度が最小となり、各アンテナユニットのメインローブの最大点が所望のパターン上の点に一致して、その合成パターンを所望のパターンに極めて近いものとすることができ、複雑な任意のビームを容易に且つ精度よく合成することができる。
【００６３】また、本発明の請求項２のアンテナでは、縦列に接続された漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットは、放射ビームの放射角が、所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に分割したときの両端を含むＮ個の分割点の放射角にそれぞれほぼ一致し、各アンテナユニットの放射ビームの放射強度を合成した各放射角毎の合成放射強度が各分割点の放射強度に近くなるように形成されているため、製造上の精密な加工が不要で安価に所望のビーム特性に近い特性のアンテナが得られる。
【００６４】また、各アンテナユニットの伝送体が、地板導体上に誘電体を配置したイメージ線路によって形成され、漏出部が誘電体の表面に装荷された装荷体によって形成された構造のアンテナでは、伝送損失が少なく、平面構造であるため、設計、製造および設置が容易でコストが低く、複雑な放射特性を高い精度で得られる。また、イメージ線路では、誘電体外部の電磁界は指数関数的に減少するので、隣接するアンテナユニット同士の同士の干渉が少なく、アンテナユニット同士を接近させてグレーティングローブを発生させないようにすることができる。それにより、水平面内で希望する指向性を得るようにアンテナユニットを配置することができ、アンテナ全体を小型化することができる。
【００６５】また、各アンテナユニットの伝送体が導波管によって形成され、漏出部が導波管の表面に設けられたスロットによって形成された構造のアンテナでは、各アンテナユニット内のスロットの寸法および周期をほぼ一様にすることができ、アンテナ素子間の相互結合を考慮しないで済み、設計、製造が容易でコストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のアンテナの斜視図
【図２】イメージ線路の信号の伝搬状態を説明するための側面図
【図３】本発明のビーム合成方法を説明するための図
【図４】一実施形態の各アンテナユニットの放射特性を示す図
【図５】実施形態の垂直面の合成放射特性の一例を示す図
【図６】実施形態の垂直面の合成放射特性の一例を示す図
【図７】ユニット数を増加したときの垂直面の合成放射特性の一例を示す図
【図８】他の実施形態の要部の斜視図
【図９】他の実施形態の要部の斜視図
【図１０】ミリ波を使用した路上車両監視システムを説明するための概略図
【符号の説明】
２０ アンテナ
２１ 地板導体
２２ 給電部
２３ 誘電体
２４ 金属ストリップ
Ｕ1 〜 Ｕ5 アンテナユニット
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主にミリ波帯で使用されるアンテナにおいて、複雑な放射パターンが要求される路上車両監視レーダや高速無線アクセス基地局での使用に適したアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、ミリ波を使用した路上車両監視システムでは、図１０に示すように、アンテナ１から道路２に電波を発射し、路上を走行する車両３からの反射波を受信することで走行車両の監視を行なっている。
【０００３】このような監視システムでは、監視対象物以外からの反射波を受けないように水平面の放射パターンの幅が狭く、また、遠い位置（数１００ｍ）からアンテナ１の近傍までの広い範囲でほぼ等しいレベルの反射波を受けられるように、垂直面の放射パターンＰがコセカント関数に近いことが要求されている。
【０００４】このような成形ビームの放射パターンを得るために、従来では、反射鏡アンテナ（パラボラアンテナ）、導波管スロットアレーアンテナ、マイクロストリップアレーアンテナ等が用いられている。
【０００５】導波管スロットアレーアンテナおよびマイクロストリップアレーアンテナのようなアレーアンテナの場合には、指向性合成理論に基づいて各アンテナ素子の励振振幅と位相を計算で求め、それを実現するように個々のアンテナ素子の励振を制御している。
【０００６】例えば、導波管スロットアレーアンテナでは、各スロット毎に放射される電磁波の位相と振幅を計算して、その計算結果に基づいてスロット個々の寸法や位置を決定する。また、マイクロストリップアレーアンテナでは、個々のアンテナ素子の給電線長やインピーダンスによって励振を制御している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記した各アンテナには、次のような問題があった。
【０００８】（イ）反射鏡アンテナは、鏡面と給電ホーンの設計が難しく、前記した複雑な放射パターンにするために特殊鏡面にする必要があり製作コストが高くなり、しかも立体構造であるため、設置工事等も面倒である。
【０００９】（ロ）導波管スロットアレーアンテナは、前記したように、スロット個々の寸法や位置を決めるため設計が複雑となる。また、並列に配置されたアンテナ素子間で相互結合が生じるので、この影響を考慮して希望の励振分布を実現するのが困難であり、特に、ミリ波帯等の高い周波数帯で、個々のアンテナ素子の励振振幅と位相を厳密に合わせるためには、厳しい製作精度が要求され、コスト高になる。
【００１０】（ハ）マイクロストリップアレーアンテナの場合も導波管スロットアレーアンテナと同様に、個々のアンテナ素子の励振の制御が複雑であり、また、給電損失が大きく、周波数帯域が狭く、しかも、高電力での使用が難しいという問題がある。
【００１１】本発明は、これらの事情に鑑みてなされたものであり、複雑な放射パターンを容易に成形することができるアンテナのビーム合成方法と、損失が少なく、設計、製造および設置が容易でコストが低いアンテナを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するために、本発明の請求項１のアンテナのビーム合成方法は、電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットを、漏れ波の放射面が同一方向に向いた状態で縦列に接続して、所望のビームを合成するアンテナのビーム合成方法であって、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値と、前記複数のアンテナユニットの伝送体の長さとがほぼ等しくなるように設定し、前記各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が前記合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように、各アンテナユニットの漏出部の長さと周期を設定することによって、前記所望のビームを得るようにしている。
【００１３】また、本発明の請求項２のアンテナは、電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットが、各アンテナユニットの漏れ波の放射面を同一方向に向けた状態で一本の連続した伝送路を形成するように縦列に接続され、該一本の連続した伝送路の一端側から電磁波の給電を受け所望のビーム特性で電磁波を放射するアンテナであって、前記複数Ｎのアンテナユニットは、各アンテナユニットの放射ビームの放射角が、前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に分割したときの両端を含むＮ個の分割点の放射角にそれぞれほぼ一致し、且つ各アンテナユニットの放射ビームの放射強度を合成した前記各放射角毎の合成放射強度が前記各分割点の放射強度に近くなるように形成されている。
【００１４】また、本発明の請求項３のアンテナは、電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットが、各アンテナユニットの漏れ波の放射面を同一方向に向けた状態で一本の連続した伝送路を形成するように縦列に接続され、該一本の連続した伝送路の一端側から電磁波の給電を受け所望のビーム特性で電磁波を放射するアンテナであって、前記複数のアンテナユニットの伝送体の長さは、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値にほぼ等しく設定され、各アンテナユニットの漏出部の長さと周期は、各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が、前記合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように設定されている。
【００１５】また、本発明の請求項４のアンテナは、請求項２または請求項３記載のアンテナにおいて、前記各アンテナユニットの伝送体は地板導体の表面に棒状の誘電体を配置したイメージ線路によって形成され、前記漏出部は前記誘電体の表面に長さ方向に沿ってほぼ一定周期に装荷された複数の装荷体によって形成されている。
【００１６】また、本発明の請求項４のアンテナは、請求項２または請求項３記載のアンテナにおいて、前記各アンテナユニットの伝送体は基本モードを伝送する導波管によって形成され、前記漏出部は前記導波管の表面に長さ方向に沿ってほぼ一定周期に設けられた複数のスロットによって形成されている。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１は、走行車両監視システムに用いられる一実施形態のミリ波のアンテナ２０を示している。
【００１８】このアンテナ２０は、図１に示すように、矩形状の地板導体２１上に形成されている。
【００１９】地板導体２１の表面２１ａ側の上部にはホーン型の給電部２２が設けられている。給電部２２の内部には、導波管（図示せず）による分岐回路が形成されており、上面側に設けられた接続口２２ａから入力される電磁波を複数経路（この実施形態では６経路）に分岐して、後述する各誘電体２３の一端側にそれぞれ同相給電する。
【００２０】給電部２２の下部から地板導体２２の表面２２ａの下部の間には、例えばアルミナ等で断面矩形の角棒状に形成された所定長さの誘電体２３が、その一側面を地板導体２１の表面２１ａに接した状態で縦に複数本（図１では６本）平行に設けられている。各誘電体２３の一端２３ａは、給電部２２との整合のためにテーパ状（図４参照）に形成されている。
【００２１】このように地板導体２１上に棒状の誘電体２３を配置した回路はイメージ線路と呼ばれる伝送路を形成しており、図２に示すように、誘電体２３の一端２３ａ側から給電された電磁波が他端２３ｂ側へ向かって伝送される。
【００２２】各誘電体２３の表面には、誘電体２３と同一幅の金属ストリップ２４が装荷体として長さ方向に沿って間欠的に形成されている。
【００２３】このように、イメージ線路を構成している誘電体２３の表面に金属ストリップ２４を所定間隔で設けたり、後述するように誘電体２３の表面をコルゲート（波型）加工することで、誘電体２３内に多数の空間高調波が発生し、そのうちのあるものが漏れ波として誘電体２３の表面から出力される。この漏れ波の放射パターンは、金属ストリップの間隔ｄ（ストリップ周期という）と、金属ストリップの長さｓ（ストリップ幅という）とによって決定される。
【００２４】即ち、前記空間高調波βn は、次式、βn ＝β＋２ｎπ／ｄ （−∞≦ｎ≦∞）
（ただし、βは誘電体線路の位相定数）で表され、βn が自由空間波数ｋ0 より小さい場合に漏れ波が放射される。
【００２５】そして、この漏れ波の放射方向は、誘電体２３の表面に直交する軸ｘを基準として誘電体２３の長さ方向ｚを正の角度方向とし、漏れ波の自由空間波長をλ0とすると、次式、θn ＝ｓｉｎ-1（βn ／ｋ0 ）
＝ｓｉｎ-1〔（β／ｋ0 ）＋ｎλ0 ／ｄ〕
で表される。ここで、−１≦ｓｉｎθn ≦１であり、誘電体の場合（β／ｋ0 ）は１より大きい定数であるから、θn が有効な解を持つために通常はｎ＝−１とする。
【００２６】これらの式から、漏れ波の放射ビームの方向はストリップ周期ｄで決まることが判る。また、漏れ波の単位長さ当りの放射量（漏れ波定数）はストリップ幅ｓで決まることが知られている。
【００２７】この実施形態のアンテナ２０は、放射特性が異なる漏れ波型のアンテナユニットを、その放射面が同一方向に向いた状態で各アンテナユニットの地板導体と誘電体とが１本の連続したイメージ線路を形成するように縦列に接続したものであり、その合成ビームがコセカントビームをとなるようにしている。
【００２８】ここで、そのビームの合成方法について説明する。ｎ番目のアンテナユニットの振幅がａn で均一、位相定数がβn 、長さがＬとし、ｕ、ｕn を、sin θ＝ｕ、 sin θn ＝ｕn ＝βn ／ｋ0と定義すると、そのアンテナユニットの指向性は、Ｅn ＝ａn sin 〔（ｕ−ｕn ）ｋ0 Ｌ／２〕／〔（ｕ−ｕn ）ｋ0 Ｌ／２〕となる。
【００２９】このアンテナユニットをＮ個縦列に接続すると、アンテナ全体の指向性は、Ｅ（ｕ）＝Σn ａn ｅjP（sin Ｕ）／Ｕ …（１）
となる。ただし、Σn はｎ＝１〜Ｎまでの総和を表し、Ｕ＝（ｕ−ｕn ）ｋ0 Ｌ／２、Ｐ＝（Ψn −ｋ0 ｕＺn ）であり、Ψn はＺ＝Ｚn に到達する伝送波の位相である。
【００３０】ここで、所望の合成ビームを定義する領域をｕ空間でＮ−１に等分し、その領域の両端を含む各分割点にｕn （ｎ＝１、２、…、Ｎ）を割当て、その間隔（分割幅）をΔｕとして、アンテナユニットの長さＬをλ0 ／Δｕに選ぶと、式（１）の第２項（sin Ｕ）／Ｕは直交標本関数となり、ｕ＝ｕn では、ｎ番目のビームのみが大きさ１となり、他のビームは零となる。
【００３１】したがって、振幅ａn をｕn における所望の指向性のレベルに選べば、ｕ1 、ｕ2 、…、ｕN の標本点においては所望の指向性に一致するパターンが得られる。
【００３２】Ｎ＝３の場合の簡単な例を示すと、図３のように、ｕ＝０．２〜０．４までの範囲を所望の合成ビーム（希望パターン）Ｐｒを定義する領域とし、その間を２つの領域に等分し（Δｕ＝０．１）、各アンテナユニットの長さＬをλ0 ／Δｕ＝１０λ0 に選ぶ。
【００３３】そして、第１のアンテナユニットの振幅ａ1 を希望パターン（コセカントビーム）のｕ＝０．２のレベルに対応するように設定し、第２のアンテナユニットの振幅ａ2 を希望パターンのｕ＝０．３のレベルに対応するように設定し、さらに、第３のアンテナユニットの振幅ａ3 を希望パターンのｕ＝０．４のレベルに対応するように設定する。
【００３４】このように設定すると、図３に示しているように、第１のアンテナユニットの指向性Ｅ1 のメインローブＭ1 の最大点（ｕ＝０．２）で、第２、第３のアンテナユニットの指向性Ｅ2 、Ｅ3 の電界が零となり、同様に、第２のアンテナユニットの指向性Ｅ2 のメインローブＭ2 の最大点（ｕ＝０．３）では、第１、第３のアンテナユニットの指向性Ｅ1 、Ｅ3 の電界が零となり、第３のアンテナユニットの指向性Ｅ3 のメインローブＭ3 の最大点（ｕ＝０．４）では、第１、第２のアンテナユニットの指向性Ｅ1 、Ｅ2 の電界が零となる。
【００３５】このため、アンテナ全体の合成パターンは、ｕ＝０．２、０．３、０．４の位置（各分割点の位置）で希望パターンＰｒと一致し、他の位置では希望パターンＰｒを中心にして上下に変化する特性となり、希望パターンＰｒ（コセカントビーム）に沿った特性が得られる。
【００３６】なお、アンテナユニットは伝送路を一端側から他端側へ電波を進行させながら電波を漏出させているから、単位長さ当りの漏れ量が均一であると、電波が進行するにつれてその振幅が小さくなり、完全に均一な振幅分布を得ることはできない。そのために、１つのアンテナユニット内でのストリップ幅ｓ（金属ストリップの長さ）を給電側から僅かずつ増加させ、給電側から遠くなるほど漏れ量を増やして均一の振幅分布を得るようにしている。
【００３７】図１に示した実施形態のアンテナ２０は、長さＬが等しい５つのアンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 を縦列に接続したものであり、希望パターンの定義領域を４つに分け、その両端を含む５つの各分割点ｕ1 〜ｕ5 （図示せず）に対応した放射角θ1 〜θ5 が各アンテナユニットの最大放射角となり、各分割点における希望パターンのレベルが各アンテナユニットの最大強度となるようにストリップ周期ｄとストリップ幅ｓを設定したものである。
【００３８】即ち、図４に示すように、誘電体２３の最も給電部２２側に形成されたアンテナユニットＵ1 の誘電体表面には、その漏れ波のメインローブＭ1 の最大放射方向が希望パターンＰｒの定義領域の端の分割点ｕ1 に対応した角度θ1 となり、その強度が分割点ｕ1 における希望パターンＰｒのレベルに対応した値ａ1 となるストリップ周期ｄ1 とストリップ幅ｓ1 で金属ストリップ２４が設けられている。
【００３９】また、アンテナユニットＵ1 に続くアンテナユニットＵ2 の誘電体表面には、その漏れ波のメインローブＭ2 の最大放射方向が希望パターンＰｒの定義領域のの端から２番目の分割点ｕ2 に対応した角度θ2 となり、その強度が分割点ｕ2における希望パターンＰｒのレベルに対応した値ａ2 になるストリップ周期ｄ2とストリップ幅ｓ2 で金属ストリップ２４が設けられている。
【００４０】以下同様にして、アンテナユニットＵ3 〜Ｕ5 の誘電体表面には、各アンテナユニットＵ3 〜Ｕ5 の漏れ波のメインローブＭ3 〜Ｍ5 の最大放射方向が希望パターンＰｒの定義領域の各分割点ｕ3 〜ｕ5 にそれぞれ対応した角度θ3 〜θ5となり、その強度が分割点ｕ3 〜ｕ5 における希望パターンＰｒのレベルに対応した値ａ3 〜ａ5 になるストリップ周期ｄ3 〜ｄ5 とストリップ幅ｓ3 〜ｓ5 で金属ストリップ２４が設けられている。
【００４１】また、各アンテナユニットのストリップ幅ｓ1 〜ｓ5 は、前記したように、各アンテナユニット毎に振幅分布が均一となるように僅かずつ変化させているので、１つのアンテナユニットの最大放射方向では、他のアンテナユニットから放射される電波の強度は零となり、希望パターンに近似した合成ビームが得られる。なお、図４は各アンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 のビームを極座標上に示したものである。
【００４２】図５、図６は、５つのアンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 を縦列接続したアンテナのサブローブを含めた垂直面の合成パターンをｕ軸上で示したもので、図５の特性は、遠距離からの監視が可能なように０°近傍の放射レベルを高く（２６ｄＢ）設定したときのものであり、偏差がやや大きいが希望パターンに沿った特性が得られている。また、図６の特性は、比較的近距離からの監視用に０°付近の放射レベルをやや低く（２１ｄＢ）設定したものであり、図５に示した特性に対して偏差が大幅に減って、希望パターンＰｒに非常に近い特性が得られている。なお、図５、図６の縦軸は、θ＝０、即ち、ｚ軸方向の放射レベルを基準（０ｄＢ）にしたときの相対値である。
【００４３】これら図５、図６の特性は、一本の誘電体２３上に５つのアンテナユニットを縦列に形成したときのものであるが、一本の誘電体２３上に８つのアンテナユニットを縦列に形成したときの特性例を図７に示す。このアンテナの特性は、図５のアンテナと同様に、遠距離からの監視が可能なように０°近傍の放射レベルを高く（２６ｄＢ）設定したときのものであり、図５の特性と比べて短い周期で変化しているが希望パターンからの偏差量は小さく、希望パターンＰｒに非常に近い特性が得られている。
【００４４】なお、アンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 を縦列に接続した１本のアンテナの水平面の放射特性は路上監視用としては広すぎるため、この実施形態のアンテナ２０では、前記したように誘電体２３を平行に複数本（図１R>１では６本）並べ、各誘電体２３毎に５つのアンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 をそれぞれ形成して、水平面の放射パターンを路上監視用として最適な広がり幅に設定している。
【００４５】このため、アンテナ２０からは、水平面の指向特性が道路幅にほぼ対応した幅で、垂直面の指向特性がコセカント関数に近くなり、遠方の車両には強い電波が放射され、近傍の車両には弱い電波が放射されて、道路の長さ方向の広い範囲でほぼ等しい感度で車両からの反射波を受信することができる。
【００４６】このアンテナ２０は、低伝送損失の漏れ波型のアンテナユニットを縦列接続した構造であるので、アンテナ全体としても低伝送損失である。また、平面構造であって、その表面処理のみで簡単に製作でき、設計、製造および設置が容易でコストが低く、しかも、装荷体としての金属ストリップは印刷技術やエッチング技術によって高い寸法精度で形成することができるので、ビームの合成精度も高い。
【００４７】また、金属ストリップの周期と長さによって、各アンテナユニットの放射特性を任意に設定することができ、複雑な放射特性が容易に得られる。
【００４８】また、イメージ線路では、誘電体外部の電磁界は指数関数的に減少するので、これを用いた漏れ波型のアンテナユニットの誘電体の側面側への電波の漏れは非常に少なく、この実施形態のようにアンテナを並列に配置した場合でも隣接するアンテナユニット同士の干渉による放射パターンの乱れが少なく、逆にグレーティングローブが発生しないように隣接するアンテナユニットの間隔をより接近させて配置することができ、アンテナ全体を小型化できる。
【００４９】
【他の実施の形態】前記実施形態では、５つ（および８つ）のアンテナユニットを縦列に接続した場合について説明したが、垂直面の目標放射特性がより複雑な場合にはユニット数を増加し、垂直面の目標放射特性がより単純な場合にはユニット数を減少してもよく、目標とする垂直面の放射特性に応じて種々変更可能である。
【００５０】また、前記実施形態では、水平面の放射特性を狭くするために本発明のアンテナを並列に設けていたが、これは、目標とする水平面の放射特性に応じて種々変更可能であり、水平面の放射特性が広くてもよい場合には１本だけにしてもよい。
【００５１】また、前記実施形態では、誘電体表面から電磁波を漏出させるための装荷体として金属ストリップを用いていたが、図８に示すように、誘電体２３の表面に装荷体として所定高さｈの高段部２４′を一定間隔で設けてコルゲート（波型）状に形成することによって、漏れ波型のアンテナユニットを構成することができる。
【００５２】この場合、高段部２４′の間隔ｄ（コルゲート周期という）と、高段部２４′の長さｓ（コルゲート幅という）とは、前記実施形態の金属ストリップのストリップ周期およびストリップ幅にそれぞれ相当しており、前記した２つの式がそのまま使用でき、アンテナユニットの放射方向はコルゲート周期ｄで決まり、放射量はコルゲート幅ｓと高段部２４′の高さｈとで決まる。
【００５３】また、前記実施形態の給電部２２は、地板導体の表面側に設けられていたが、入力された電磁波を地板導体の背面側で分岐して、表面側の各誘電体の一端に給電する折り返しホーン型の給電部を用いてもよい。
【００５４】また、前記実施形態では、イメージ線路に電波を漏出させるための装荷体を設けた漏れ波型のアンテナユニットを縦列に接続していたが、漏れ波型のアンテナである導波管スロットアンテナに本発明を適用することもできる。
【００５５】導波管スロットアンテナは、基本波を伝送する所定長の導波管の一側面にスロットを長さ方向に沿って複数設けて電波を漏出させるアンテナであり、漏れ波の放出方向は、θn ＝sin -1〔（β／ｋ0 ）＋（２ｎ−１）λ0 ／２ｄn 〕
（通常はビームを１つだけにするためにｎ＝−１を使う）となるが、基本的な動作はイメージ線路に装荷体を設けた場合と同様である。
【００５６】図９はこのような導波管スロットアンテナを１つのアンテナユニットとして、５つのアンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 を、各アンテナユニットの導波管が１本の伝送路を形成するように、縦列に接続したものである。
【００５７】このアンテナにおいても、各アンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 のスロット３０の間隔ｄ1 〜ｄ5 およびスロット幅ｓ1 〜ｓ5 を、希望パターンＰｒのｕ空間における定義領域を４つに等分割する分割幅Δｕで漏れ波の自由空間波長λ0 を除算した値に、各アンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 の長さＬを一致させ、各アンテナユニットＵ1 〜Ｕ5 の漏れ波のメインローブの最大放射方向が希望パターンＰｒの定義領域の各分割点にそれぞれ対応した角度となり、その強度が各分割点における希望パターンＰｒのレベルに対応した値になるように設定することで、希望パターンに近似した合成ビームを得ることができる。
【００５８】このアンテナでは、ほぼ同一長さのスロットが一定間隔に設けられた導波管スロットアンテナを縦列に接続して、所望のパターンを得るようにしているから、設計も容易で加工もし易い。
【００５９】なお、前記実施形態では、各アンテナユニットの振幅分布をそれぞれ均一にするために、金属ストリップの長さ（ストリップ幅）を僅かずつ増加していたが、アンテナユニット内の金属ストリップの長さを全て同一にしても、合成パターンが希望パターンに対して掛け離れることはないので、設計をより簡単化するために、各アンテナユニット毎の金属ストリップの長さを同一にしてもよい。
【００６０】また、厳密な合成精度が要求されていない場合には、所望のビーム特性を適度な間隔でＮ−１に分割し、その両端を含む分割点に各アンテナユニットの放射ビームの放射角をほぼ一致させるとともに、各アンテナユニットの放射ビームの放射強度を合成した各放射角毎の合成放射強度が各分割点の放射強度に近くなるように、各アンテナユニットを形成してもよい。この場合には、一つのアンテナユニットのメインローブの最大放射角において、他のアンテナユニットの放射強度が零とならない場合があるが、製造上の精密な加工が不要で安価に所望のビーム特性に近い特性のアンテナが得られる。これは、装荷体として誘電体の表面に高段部を設けたアンテナユニットや導波管にスロットを設けたアンテナユニットの場合でも同様である。
【００６１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１のアンテナのビーム合成方法および請求項３のアンテナは、縦列に接続された漏れ波型の複数のアンテナユニットの各伝送体の長さを、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値にほぼ等しく設定し、各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が、合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように各アンテナユニットの漏出部を設定している。
【００６２】このため、１つのアンテナユニットのメインローブの最大点では他の全てのアンテナユニットの放射強度が最小となり、各アンテナユニットのメインローブの最大点が所望のパターン上の点に一致して、その合成パターンを所望のパターンに極めて近いものとすることができ、複雑な任意のビームを容易に且つ精度よく合成することができる。
【００６３】また、本発明の請求項２のアンテナでは、縦列に接続された漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットは、放射ビームの放射角が、所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に分割したときの両端を含むＮ個の分割点の放射角にそれぞれほぼ一致し、各アンテナユニットの放射ビームの放射強度を合成した各放射角毎の合成放射強度が各分割点の放射強度に近くなるように形成されているため、製造上の精密な加工が不要で安価に所望のビーム特性に近い特性のアンテナが得られる。
【００６４】また、各アンテナユニットの伝送体が、地板導体上に誘電体を配置したイメージ線路によって形成され、漏出部が誘電体の表面に装荷された装荷体によって形成された構造のアンテナでは、伝送損失が少なく、平面構造であるため、設計、製造および設置が容易でコストが低く、複雑な放射特性を高い精度で得られる。また、イメージ線路では、誘電体外部の電磁界は指数関数的に減少するので、隣接するアンテナユニット同士の同士の干渉が少なく、アンテナユニット同士を接近させてグレーティングローブを発生させないようにすることができる。それにより、水平面内で希望する指向性を得るようにアンテナユニットを配置することができ、アンテナ全体を小型化することができる。
【００６５】また、各アンテナユニットの伝送体が導波管によって形成され、漏出部が導波管の表面に設けられたスロットによって形成された構造のアンテナでは、各アンテナユニット内のスロットの寸法および周期をほぼ一様にすることができ、アンテナ素子間の相互結合を考慮しないで済み、設計、製造が容易でコストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態のアンテナの斜視図
【図２】イメージ線路の信号の伝搬状態を説明するための側面図
【図３】本発明のビーム合成方法を説明するための図
【図４】一実施形態の各アンテナユニットの放射特性を示す図
【図５】実施形態の垂直面の合成放射特性の一例を示す図
【図６】実施形態の垂直面の合成放射特性の一例を示す図
【図７】ユニット数を増加したときの垂直面の合成放射特性の一例を示す図
【図８】他の実施形態の要部の斜視図
【図９】他の実施形態の要部の斜視図
【図１０】ミリ波を使用した路上車両監視システムを説明するための概略図
【符号の説明】
２０ アンテナ
２１ 地板導体
２２ 給電部
２３ 誘電体
２４ 金属ストリップ
Ｕ1 〜 Ｕ5 アンテナユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットを、漏れ波の放射面が同一方向に向いた状態で縦列に接続して、所望のビームを合成するアンテナのビーム合成方法であって、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値と、前記複数のアンテナユニットの伝送体の長さとがほぼ等しくなるように設定し、前記各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が前記合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように、各アンテナユニットの漏出部の長さと周期を設定することによって、前記所望のビームを得ることを特徴とするアンテナのビーム合成方法。
【請求項２】電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットが、各アンテナユニットの漏れ波の放射面を同一方向に向けた状態で一本の連続した伝送路を形成するように縦列に接続され、該一本の連続した伝送路の一端側から電磁波の給電を受け所望のビーム特性で電磁波を放射するアンテナであって、前記複数Ｎのアンテナユニットは、各アンテナユニットの放射ビームの放射角が、前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に分割したときの両端を含むＮ個の分割点の放射角にそれぞれほぼ一致し、且つ各アンテナユニットの放射ビームの放射強度を合成した前記各放射角毎の合成放射強度が前記各分割点の放射強度に近くなるように形成されていることを特徴とするアンテナ。
【請求項３】電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットが、各アンテナユニットの漏れ波の放射面を同一方向に向けた状態で一本の連続した伝送路を形成するように縦列に接続され、該一本の連続した伝送路の一端側から電磁波の給電を受け所望のビーム特性で電磁波を放射するアンテナであって、前記複数のアンテナユニットの伝送体の長さは、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値にほぼ等しく設定され、各アンテナユニットの漏出部の長さと周期は、各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が、前記合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように設定されていることを特徴とするアンテナ。
【請求項４】前記各アンテナユニットの伝送体は地板導体の表面に棒状の誘電体を配置したイメージ線路によって形成され、前記漏出部は前記誘電体の表面に長さ方向に沿ってほぼ一定周期に装荷された複数の装荷体によって形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３記載のアンテナ。
【請求項５】前記各アンテナユニットの伝送体は基本モードを伝送する導波管によって形成され、前記漏出部は前記導波管の表面に長さ方向に沿ってほぼ一定周期に設けられた複数のスロットによって形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３記載のアンテナ。
【請求項１】電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットを、漏れ波の放射面が同一方向に向いた状態で縦列に接続して、所望のビームを合成するアンテナのビーム合成方法であって、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値と、前記複数のアンテナユニットの伝送体の長さとがほぼ等しくなるように設定し、前記各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が前記合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように、各アンテナユニットの漏出部の長さと周期を設定することによって、前記所望のビームを得ることを特徴とするアンテナのビーム合成方法。
【請求項２】電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットが、各アンテナユニットの漏れ波の放射面を同一方向に向けた状態で一本の連続した伝送路を形成するように縦列に接続され、該一本の連続した伝送路の一端側から電磁波の給電を受け所望のビーム特性で電磁波を放射するアンテナであって、前記複数Ｎのアンテナユニットは、各アンテナユニットの放射ビームの放射角が、前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に分割したときの両端を含むＮ個の分割点の放射角にそれぞれほぼ一致し、且つ各アンテナユニットの放射ビームの放射強度を合成した前記各放射角毎の合成放射強度が前記各分割点の放射強度に近くなるように形成されていることを特徴とするアンテナ。
【請求項３】電磁波の伝送路を形成する伝送体と該伝送体の表面に長さ方向に沿って複数形成された漏出部とからなる漏れ波型の複数Ｎのアンテナユニットが、各アンテナユニットの漏れ波の放射面を同一方向に向けた状態で一本の連続した伝送路を形成するように縦列に接続され、該一本の連続した伝送路の一端側から電磁波の給電を受け所望のビーム特性で電磁波を放射するアンテナであって、前記複数のアンテナユニットの伝送体の長さは、放射角θに対しｕ＝sin θとなる値ｕについての前記所望のビーム特性の合成対象領域をＮ−１に等分割したときの分割幅で漏れ波の自由空間波長を除算した値にほぼ等しく設定され、各アンテナユニットの漏出部の長さと周期は、各アンテナユニットの最大放射角度とその放射強度が、前記合成対象領域の両端を含むＮ個の分割点の放射角と放射強度にほぼ一致するように設定されていることを特徴とするアンテナ。
【請求項４】前記各アンテナユニットの伝送体は地板導体の表面に棒状の誘電体を配置したイメージ線路によって形成され、前記漏出部は前記誘電体の表面に長さ方向に沿ってほぼ一定周期に装荷された複数の装荷体によって形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３記載のアンテナ。
【請求項５】前記各アンテナユニットの伝送体は基本モードを伝送する導波管によって形成され、前記漏出部は前記導波管の表面に長さ方向に沿ってほぼ一定周期に設けられた複数のスロットによって形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３記載のアンテナ。
【図２】
【図３】
【図１】
【図４】
【図５】
【図８】
【図１０】
【図６】
【図７】
【図９】
【図３】
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【図５】
【図８】
【図１０】
【図６】
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【公開番号】特開平１１−２３４０３６
【公開日】平成１１年（１９９９）８月２７日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−５２７５５
【出願日】平成１０年（１９９８）２月１８日
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【公開日】平成１１年（１９９９）８月２７日
【国際特許分類】
【出願日】平成１０年（１９９８）２月１８日
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
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