JP2014132729A - 導波管スロットアレイアンテナ、その設計方法、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域で軸比が劣化しない円偏波スロットアンテナを提供する。
【解決手段】導波管スロットアレイアンテナは、第一の給電口３０１より入力され、第一の方向に振動方向をもつ第一偏波を導波し、第一の給電口３０１から等長になるように設けられた複数の導波路の各端部に設けられた導波路第一面スロットより第一偏波を放射する第一面導波回路３００と、第二の給電口２０１より入力され、第一偏波に対して直交する方向に振動方向を持つ第二偏波を導波し、第二の給電口２０１から等長かつ第一面導波回路３００の導波路長と同長になるように設けられた複数の導波路の各端部に設けられた導波路第二面スロットより第二偏波を放射する第二面導波回路２００と、を備え、導波路第一面スロットと導波路第二面スロットとは、放射する第一偏波と第二偏波の合成波が円偏波となるよう設置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、円偏波を放出する、スロットアレイアンテナ、その設計方法、及びその製造方法に関する。

移動通信、衛星通信および周波数の有効利用の見地から、円偏波アンテナが着目されている。円偏波とは、電磁波の進行方向に垂直な面内で、その励振周波数と等しい周期で電界の向きが回転している偏波のことである。

地上の無線通信では直線偏波(水平偏波または垂直偏波)が使われる。しかし、例えば、衛星通信等に直線偏波を用いると、衛星の姿勢によって偏波方向が変わり、偏波面が定まらずに受信が困難になるという場合がある。円偏波を用いると、偏波面を定めなくても受信可能となる。

円偏波を放射するアンテナについては過去様々な手法が提案されている。
例えば、特許文献１は、矩形導波路を管軸方向に折り曲げ、放射スロット間隔をλg/2（λg：管内波長）とした構造の矩形導波路と、従来のＥ面スロットを持つ導波路と、の２本の導波路を用いて円偏波を放出するスロットアンテナを提示している。

非特許文献１は、導波路にスロットを設けた円偏波放射スロットアンテナを提示している。
この方法によると、直線状スロットの上部に設けられた励振スロットで２つの偏波の位相を９０°ずらすことにより円偏波を実現している。

特開２００８−２１１３２６号公報

IEICE Transactions on Electronics, vol.94,no.10, pp.1618-1625, Oct. 2011.Yohei Miura, Jiro Hirokawa, Makoto Ando, Kazufumi Igarashi, and GoroYoshida "A high-efficiency circularly-polarized aperture array antennawith a corporate-feed circuit in the 60GHz band"

特許文献１の方法によると、スロット間隔が管内波長λgに依存し、異なる波長の電磁波の入力が制限され、放射できる円偏波の帯域が狭いという課題がある。また、非特許文献１の方法は、導波開口において直交する２つの直線偏波成分の共振現象を用いているため、放射できる円偏波の帯域が狭いという課題がある。

本発明にかかる導波管スロットアレイアンテナは、第一の給電口より入力され、第一の方向に振動方向をもつ第一偏波を導波し、前記第一の給電口から等長になるように設けられた複数の導波路の各端部に設けられた導波路第一面スロットより第一偏波を放射する第一面導波回路と、第二の給電口より入力され、前記第一偏波に対して直交する方向に振動方向を持つ第二偏波を導波し、前記第二の給電口から等長かつ前記第一面導波回路の導波路長と同長になるように設けられた複数の導波路の各端部に設けられた導波路第二面スロットより第二偏波を放射する第二面導波回路と、を備え、前記導波路第一面スロットと前記導波路第二面スロットとは、放射する第一偏波と第二偏波の合成波が円偏波となるよう設置されている。

また、本発明では、一端側に開口面を有した有底筒状の円形導波管を更に備え、前記円形導波管は、前記導波路第一面スロットより放射される直線偏波を入力するよう穿設された第一面スロットを他端側の面に有し、前記導波路第二面スロットより放射される直線偏波を入力するよう穿設された第二面スロットを側壁に有しており、前記円形導波管の前記開口面より円偏波を放射するように構成してもよい。

さらに、本発明では、前記円形導波管に連通する円形のキャビティを有した励振部を備え、前記励振部の前記円形キャビティは、導波管からの円偏波が励振されるよう半径が設計されているように構成してもよい。

さらにまた、本発明では、前記励振部は、前記円形キャビティを閉じるように設けられているとともに、複数の放射スロットが穿設されたスロット板を有し、前記スロット板には、前記励振部内で励振された電磁界の分布において断面電磁界の強度が高い位置に前記放射スロットが穿設され、前記放射スロットから円偏波を放射するように構成してもよい。

また、本発明では、前記放射スロットが円形であるように構成してもよい。

また、本発明では、前記放射スロットが十字形であるように構成してもよい。

本発明にかかる導波管スロットアレイアンテナの設計方法は、前記導波管スロットアレイアンテナの円形キャビティを有する励振部と円形導波管を備える放射素子の構造を設計する方法である。そして、円偏波を導波する円形導波管の半径を決定する工程と、前記円形導波管に直線偏波を入射して合成波により円偏波を生成する第一面スロットと第二面スロットを設計する工程と、前記円形導波管から放射された円偏波を励振させる励振部の半径を設計する工程と、前記励振部が励振した円偏波の強い断面電磁界部分から円偏波を放射させる放射スロットを設計する工程と、を備える。

また、本発明では、前記放射素子に水平偏波を入力する第一面導波回路を設計する工程と、前記放射素子に垂直偏波を入力する第二面導波回路を設計する工程と、をさらに備えるように構成してもよい。

本発明にかかる導波管スロットアレイアンテナの製造方法は、前記導波管スロットアレイアンテナの設計方法にて求められた放射素子を作成する工程と、前記導波管スロットアレイアンテナの設計方法にて求められた第一面導波回路を作成する工程と、前記導波管スロットアレイアンテナの設計方法にて求められた第二面導波回路を作成する工程と、前記放射素子を前記第一面導波回路に設置する工程と、前記放射素子を第二面導波回路に接続する工程と、前記第一面導波回路と第二面導波回路に直線偏波を給電するマジックＴを接続する工程と、を備える。

また、本発明では、前記各工程を、電磁波が導波される部分の断面形状が穿設された導体板を積層することにより実現してもよい。

本発明によると、広帯域で軸比が劣化しない円偏波スロットアンテナを提供することができる。

本発明の実施の形態の円偏波スロットアレイアンテナの全体図である。 本発明の実施の形態の円偏波スロットアレイアンテナの装置の分解図である。 円偏波を放射する、放射素子の上面斜視図である。 円偏波を放射する、放射素子の下面斜視図である。 放射素子の分解図である。 本発明の実施の形態の導波回路の図である。 円形導波管のスロット配置の説明図である。 第二面導波回路と第一面導波回路に電磁波を入力するマジックＴ（分岐導波管）の図である。 マジックＴと導波回路の接続部分を示した図である。 導波回路の端部と円形導波管を備える励振部４０１の接続部分を示した斜視図である。 導波回路の端部と円形導波管を備える励振部４０１の接続部分を他の方向から示した斜視図である。 円形導波管内の電磁界の各モードにおける分布図である。 ベッセル関数と励振部４０１の半径の関係について示した図である。 従来技術の周波数特性と本実施の形態の周波数特性を比較した図である。 本発明の実施の形態の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる円偏波スロットアレイアンテナの設計、製造方法のフローチャートである。 本発明の実施の形態に関連する従来の円偏波を放出するスロットアレイアンテナの図である。 本発明の実施の形態に関連する従来の円偏波を放出するスロットアレイアンテナの分解図である。 従来の円偏波スロットアレイアンテナの周波数特性を示す図である。

円偏波は、電波の進行方向に垂直な面内で、その励振周波数と等しい周期で電界の向きが回転している偏波のことであり、その回転方向により左旋円偏波と右旋円偏波とがある。左旋円偏波と右旋円偏波は互いに電気的に直交している。円偏波は、等振幅で互いに９０度の位相差を持つ２つの直線偏波の合成によって実現できるが、完全な円偏波を実現することは難しく、一般には楕円偏波になる。この楕円偏波がどの程度円偏波に近いかを表す指標として軸比（Axial Ratio:AR）が用いられる。

逆に、任意の楕円偏波は左旋円偏波と右旋円偏波の合成としても表すことができ、これらの電界強度をそれぞれＥＬおよびＥＲとすると、軸比はＡＲ＝（｜ＥＬ｜＋｜ＥＲ｜）／（｜ＥＬ｜−｜ＥＲ｜）で表される。ＡＲが正のとき左旋円偏波となり、負のとき右旋円偏波となる。また、｜ＡＲ｜が１に近いほど円偏波に近いことを意味する。

実際には軸比はｄBで表すことが多く、０ｄBに近いほど円偏波に近いことを示す。本発明は、｜ＡＲ｜が１に近い電波を放出する事が可能なスロットアレイアンテナを提供するものである。

最初に本発明を想到するまでに行った検討の経緯について説明する。
非特許文献１に記載の円偏波を放出するスロットアレイアンテナの関連する技術例を図１８と図１９に示す。図１８は該アンテナの図である。図１９はその分解図である。

図１９に示すように、下端板１０７の上部に導波路側壁１０６を設ける。そして、導波路１０３を備える導波路側壁１０６の上部に、直線偏波を放出する単一スロット１０２が穿設されたスロット板１１０の上部にキャビティ１０１を有するキャビティ側壁１０９を設ける。その上部に４つのスロット１００を穿設したスロット板１０８設け、各スロット１００から同一周波数で同一振幅の直線偏波を放出するよう設計する。そして、スロット１００の上に正方形の２つの角を取った六角形開口１０４を用いた円偏波素子１０５を設置する。

導波路１０３で導波された電磁波は、単一スロット１０２より直線偏波として放出される。そして、該直線偏波は、キャビティ１０１内で励振され各スロット１００から同一振幅、同一位相の直線偏波として放出される。スロット１００から放出された直線偏波は、六角形開口１０４内で直交する２つの直線偏波に分解され、素子１０５の厚みの距離ｈを進行する間に直交する２つの直線偏波の間に９０度の位相差が生じ、素子１０５の開口部１０４で円偏波を放射する。この円偏波素子１０５を用いたアンテナ素子を複数個配置してアレイアンテナとする。

この方式は、導波開口において直交する２つの直線偏波成分の共振現象を用いており、設計段階で決定した周波数の円偏波を放出できる。しかし、設計周波数を外れると、素子の厚みの距離に対する偏波の速度や位相にずれが生じ、円偏波が劣化する。

そのため、この方式により放出する円偏波の帯域は狭くなる。図２０にこの方法を用いた場合の周波数特性を示す。理想的には、円偏波アンテナの軸比は、設計周波数帯で０ｄBに近いほどよい。そして、設計周波数を中心に０ｄBに近い帯域幅が広いのがさらによい。しかし、この方式による軸比は、図２０に示すように０ｄBに近い帯域がきわめて狭い。図２０は、この方式の設計周波数（６１．５ＧＨｚ）を超えると、円偏波の軸比が劣化する結果を示している。他の開口形状でも同じ２つの偏波での共振現象を用いた場合には、同様に狭帯域の円偏波の放射となる。

実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態の円偏波スロットアレイアンテナ１の構成を示す。図２は円偏波スロットアレイアンテナ１の分解図である。円偏波スロットアレイアンテナ1は、２層の導波回路（２００、３００）、放射素子４００、給電部（２０１、３０１）を備える。また、図示していないが、給電部（２０１、３０１）にマジックＴ７００が接続される。

図６に給電導波回路（２００、３００）の構成を示す。給電導波回路（２００、３００）は、２層の方形導波管で構成された導波回路である。導波管は導電性を有する金属導体、例えば銅、アルミニウム等によって形成される。

下層部の導波管は、図１の図面上でy 方向に振動方向を持つ水平（Ｈ）偏波（第一偏波）を放出する第一面導波回路３００である。第一面導波回路３００の導波管断面は方形であり、ｚ方向に短手となっている。第一面導波回路３００は、方形導波管を分岐させた回路となっている。この分岐方法によって放射される水平偏波の位相が同相となる。第一面導波回路は、中央の給電口から複数の導波管が分岐し、回路の分岐の各終端部までは等距離になるよう構成される。

分岐の各終端部にはそれぞれ、第一面偏波を放出する導波路第一面スロット３０２が穿設される。水平（Ｈ）偏波は第一面導波回路の中央の給電口３０１から入射され、中央部から等距離にある回路の分岐の各終端部の円形導波管底面にある導波路第一面スロット３０２から水平（Ｈ）偏波（第一偏波）として放射される。

上層部の導波管は図１の図面上でx方向に振動方向を持つ垂直（Ｖ）偏波（第二偏波）を放出する第二面導波回路２００である。第二面導波回路２００の導波管断面は方形であり、z方向に長手となっている。第二面導波回路２００は、方形導波管を分岐させた回路となっている。この分岐方法によって放射される垂直偏波の位相が同相となる。第二面導波回路２００は、中央の給電口２０１から複数の導波管が分岐し、回路の分岐の各終端部までは等距離になるよう構成される。

分岐の各終端部にはそれぞれ、第二偏波を放出する導波路第二スロット２０２が穿設される。垂直（Ｖ）偏波は第二面導波回路２００の中央の給電口２０１から入射され、中央部から等距離にある回路の分岐の各終端部の導波路第二スロット２０２から垂直（Ｖ）偏波（第二偏波）として放射される。

図３は円偏波を放射する、放射素子４００の斜視図を示す。図４は円偏波を放射する、放射素子４００の他の方向の斜視図を示す。図５は、放射素子４００の分解図である。
放射素子４００は、給電導波路（２００、３００）の各終端に設けられる。放射素子は、薄い導体板で形成された円形導波管５００と励振部４０１から構成される。

励振部４０１は、スロット板４０２と、円形キャビティ４０７の側壁となる円管状の側壁４０３と、下端板４０４を備える。スロット板４０２は、円形キャビティ４０７を閉じるように側壁４０３の一端に設置される。下端板４０４は、円形キャビティ４０７を閉じるように側壁４０３の他端に設置される。

スロット板４０２には、円偏波を放射する放射スロット４０５が複数個穿設される。下端板４０４には、円形導波管５００から放射される円偏波を入射する開口部４０６が穿設される。

図４と図５に示すように、円形導波管５００は、一端部に開口部５０３があり、他端部は閉じている。図４には、説明のため、円形導波管５００上に、軸線を含む仮想平面で円形導波管５００を切断した時に現れる切断線に沿うように補助線（５０４、５０５）が引かれている。
上記他端部には第一面スロット５０２が、第一偏波が入射できるように穿設されている。第一面スロット５０２は、図４で図示しているy軸方向に沿いかつ、補助線５０４と直交するように穿設されている。

また、円形導波管５００には、その側面に第二面スロット５０１が第二偏波を入射するように穿設される。第二面スロット５０１は、スロットの中心が図４で図示したｚ軸方向に沿いかつ、補助線５０５を通るように穿設されている。そして、図７に示すように、第二面スロット５０１の中心が下端より約１／４管内波長の距離に位置するように第二面スロット５０１を穿設する。このようにして、第二面スロット５０1から入射する第二偏波と、第一面スロット５０２から入射する第一偏波と合成波を形成する。

但し、この場合、第一面スロット５０２から入射した電磁波は開口部５０３へは出るが、第二面スロット５０１へは出ない。また、同様に第二面スロット５０１から入射した電磁波は開口部５０３へは出るが、第一面スロット５０２へは出ない。第一偏波と第二偏波を同振幅かつ９０度の位相差で給電することで該合成波が円偏波となる。

励振部４０１と円形導波管５００とは、円形導波管５００の開口部４０６が円形キャビティ４０７と連通するよう接合される。励振部４０１と円形導波管５００は導電性を有する金属導体、例えば銅、アルミニウム等によって形成される。

図１０及び図１１は、導波回路（２００、３００）の端部と円形導波管５００を備える放射素子４００の接続部分を示した図である。第一面スロット５０２には第一面導波回路２００の終端部に設けられた導波路第一面スロット３０２が、第一偏波が入射されるよう接続される。

第二面スロット５０１には、第二面導波回路２００の終端部に設けられた導波路第二面スロット２０２が、第二偏波が入射されるよう接続される。

図８は第二面導波回路２００と第一面導波回路３００に電磁波を入力するマジックＴ７００（分岐導波管）の図である。

ポート（１）７０１から入力した電磁波はポート（３）７０３とポート（４）７０４からそれぞれ放出されるが、その方向は相対的に９０度の位相差を持つ。そして、ポート（２）７０２から電磁波は放出されない。

また、ポート（２）７０２から入力した電磁波はポート（３）７０３とポート（４）７０４からそれぞれ放出されるが、その方向は相対的に９０度の位相差を持つ。そして、ポート（１）７０１から電磁波は放出されない。

この場合、ポート（３）７０３とポート（４）７０４から放出される電磁波の位相差はポート（１）７０１からの電磁波の入力に比べて逆となる。そのため、入力する位置をポート（１）７０１にするかポート（２）７０２にするかでポート（３）７０３とポート（４）７０４から放出される電磁波を直交するように合成した場合、右旋か左旋かの円偏波の切り替えが可能となる。そして、このマジックＴの性質は電磁波の周波数によらず、同じ原理で電磁波が放出される。

本実施の形態は、上記で説明したポート（１）７０１とポート（２）７０２の給電口より電磁波を入力する場合の例を用いる。このマジックＴの性質を利用し、入力する電磁波の周波数の帯域が限定されないアンテナにおける電磁波の給電に用いる。

図９は、マジックＴ７００と導波回路（２００、３００）の接続部分を示す。マジックＴ７００の放射口（ポート（４）７０４）は、第一面導波回路３００の給電口３０１に接続するように設計する。また、マジックＴの放射口（ポート（３）７０３）は、第二面導波回路２００の給電口２０１に接続するように設計する。

そして、給電口（ポート（７０１、７０２））から各導波路（２００、３００）の給電口（２０１、３０１）まで等長となるよう、途中に接続管（７０５、７０６）を設ける。即ち、給電口（７０１、７０２）から給電口２０１までの距離と、給電口（７０１、７０２）から給電口２０２までの距離が等距離となるよう接続管（７０５、７０６）の長さをそれぞれ調整する。また、給電口（ポート（７０１、７０２））に電磁波を入力する接続管（７０７、７０８）を接続する。

マジックＴのポート（１）７０１あるいはポート（２）７０２から入力された電磁波はポート（３）７０３とポート（４）７０４へ同じ振幅で９０度の位相差を持つように分配される。

第二面導波回路２００と第一面導波回路３００で導波され、各端部より出力される電磁波は９０度の位相差を持って円形導波管５００内部で合成波となり、円形導波管５００の開口部５０３から出力される。このようにして、円形導波管５００から出力する電磁波は円偏波となる。

また、上記の様にポート（１）７０１からの入力とポート（２）７０２からの入力は、その位相差の正負は逆になる。この入力方法の選択により、ポート（１）７０１からの入力またはポート（２）７０２からの電磁波の入力を変え、円形導波管５００から出力される円偏波の回転方向を右旋あるいは左旋で出力が可能となる。

上記の第二面導波回路２００と第一面導波回路３００の複数の各端部に、複数の放射素子４００を上記と同様に設置し、各給電口（２０１、３０１）に、マジックＴ７００の放射口（７０３、７０４）を、接続管（７０５、７０６）、を用いて接続することで図１の円偏波スロットアレイアンテナが組み立てられる。（図１では、マジックＴ７００を接続していない状態が示されている。）

次に、本実施の形態における各部の配置設計について説明する。
本実施の形態の円形導波管内５００を伝搬する電磁波は円偏波で、その電界ベクトルは電磁波の伝わる方向に垂直であり、ＴＥモードとなる。ＴＥモードとは、管内を進行する電波の伝わり方をいい、電波の送り方により下記の２通りの表現方法がある。ＴＥ（Transverse Electric Wave）波は、電気的横波で、伝播方向に磁界成分がある波である。ＴＭ（Transverse Magnetic Wave）波は、磁気的横波で、伝播方向に電界成分がある波である。

円形導波管のＴＥｍｎモードおよびＴＭｍｎモードにおいて、ｍは周方向の電界の山の数（１波長は電界の山２つ）の数である。ｎは半径方向の電界の山の数を表す。図１２に円形導波管内の電磁界の各モードにおける分布図を示す。図の実線は電界を示し、点線は磁界を示す。各モードの数値はカットオフ波長に比例した値であり、ＴＥモードではベッセル関数（円筒関数）の極値での値、ＴＭモードではベッセル関数の零点である。

本実施の形態では、電磁波は、ＴＥ１１モードで円形導波管内５００を進むように設計する。上記の様に、第二面スロット５０１と第一面スロット５０２より出力される電磁波は円形導波管５００内部で合成波となる。そして、円形導波管５００の開口部５０３から出力される。この時、円形導波管５００内の電磁界の分布は図１０のＴＥ１１モードになる様に設計する。設計方法は以下、励振部４０１の方法と同様な方法を用いる。

そして、励振部４０１の半径は、励振部４０１内の電磁波の伝搬についてＴＥ１２モードが励振されるように設計する。

図１３は、本実施の形態で励振部４０１の半径を決定するために用いる、ベッセル関数のグラフを示す。ＴＥモードのφ＝０度における断面電界のφ成分のｘ＝ρ方向分布はベッセル関数の微分で与えられる。ベッセル関数の傾きが大きい部分が断面電磁界の強い位置となる。

一方、ベッセル関数の傾きが０の部分は断面電磁界の強度が0となる部分である。

図１２は各モードで電磁波が励振されるよう設計した、励振部４０１内の電磁波の励振状態を示す。図１２のＴＥ１２に関して、太い点線部分は断面電磁界が強い位置を示す。ＴＥ１２モードを励振する励振部４０１の半径Ｒを決定する。図１３によると、それを設計周波数での波数で規格化した値は１次のベッセル関数の２番目の極値である５．３３１以上であればよい。

同様に、図１３下段に示すように、円形導波管５００の半径ｒを設計周波数での波数で規格化した値は、ベッセル関数の最初の極値である１．８４１よりも大きくなるように設計する。

そして、励振部４０１内で励振された断面電磁界の強い部分の上部には、スロット板４０２に放射スロット４０５を穿設する。以下、放射スロット４０５の設定方法を説明する。励振部４０１の上面のスロット板４０２に円形放射スロット４０５を設ける。該スロットを設けず、キャビティ４０１を開放すると一様な強度で円偏波が放射されず、開口効率が低減する。そのため、スロットを設けた方が一様な強度で円偏波をスロットから放射でき開口効率が高く保てる。各スロット位置を対称性があるよう穿設することにより、各スロットからは同一振幅で円偏波が放出される。

円形放射スロット４０５の中心は、ＴＥ１２モードの断面電磁界が強い位置（設計周波数での波数で規格化した値はベッセル関数の１番目の零点である３．８３２：図１２の下段のＴＥ１２太い点線部分）付近にするよう設計する。本実施の形態は、断面電磁界が強い位置を中心点として、４つの円形放射スロット４０５を設けた。ここで、スロット形状は円形としているが、円偏波を放射できる形状ならば他の形状を用いる設計にしてもよい。例えば、十字形スロット等を用いてもよい。また、断面電磁界が強い位置を中心点としてスロットを設けるならば、スロットの数は４つに限られるものではない。

一方、円形放射スロット４０５の設計で、キャビティ内のｍ＝１以外の伝搬モードによる円形放射スロット４０５からの励振があまり大きくならないようにする必要がある。このキャビティ内のｍ＝１以外の伝搬モードによる励振は、放射スロットのアレー配列の際に広角でのグレーティングローブ（広角方向に正面方向と同じ強度の電磁波が出る現象）となる。しかし、正面方向ではキャビティ内のｍ＝１以外の伝搬モードによる励振は、その対称性より相殺されるため、円偏波の軸比は劣化しない。

図６における第一面導波回路３００と第二面導波回路２００の分岐回路の各端部までの距離は、給電口（２０１、３０１）から分岐終端までの電気長は同じになるように設計する。これは、異なる周波数の電磁波を入力した場合でも各終端部から放出される電磁波の位相差が生じないようにするためである。

図１４は、従来技術の周波数特性と本実施の形態の周波数特性を比較した図である。図１４は、本実施の形態が、関連する技術と比較して広帯域の周波数特性を有していることを示している。即ち、図１４で、太線部分が本実施の形態における軸比を示し、広帯域にわたって軸比（ｄB）が０ｄBの円偏波を放射していることを示している。

次に、このような放射素子と円形スロットを有する導波管スロットアレイアンテナの製造方法について説明する。
図２４は、本実施の形態に係る導波管スロットアレイアンテナ１の設計、製造方法の手順を示すフローチャートである。

該導波管スロットアレイアンテナ１を製造するために、まず、放射素子４００の円形導波管５００と、励振部４０１及び放射スロット４０５の設計を行う。
円形導波管５００の設計では、まず円形導波管５００内を伝搬する電磁波の管内波長と電磁波の伝搬モードを決定し、半径を設計する（Ｓ１００）。例えば、円形導波管５００内を伝搬する電磁波をＴＥ１１モードとし、ベッセル関数を用いて求められるカットオフ以上となる半径ｒを決定する。

また、円形導波管５００の管長は上端の開口部５０３から放射される円偏波の振幅が最大となるよう、底面から管内波長の半分の整数倍程度の長さに設定する。

次に、第一面スロット５０２と第二面スロット５０１の設計を行う（Ｓ１１０）。例えば、図７の様に、第一面スロット５０２を底面に穿設し、第二面スロット５０１を側壁に底面より管内波長の１／４程度の高さに穿設し、第二面スロット５０１から入射した電磁波と第一面スロット５０２から入射した電磁波の合成波が円偏波となるようにする。

次に、円形導波管５００から入射した円偏波を励振させる、励振部４０１の設計を行う。
励振部４０１の設計では、まず、励振部４０１内で励振させる電磁波の伝搬モードを決定し、半径を設計する（Ｓ１２０）。例えば、励振部４０１内で励振させる電磁波の主要なモードをＴＥ１２に設定し、ベッセル関数を用いて求められるカットオフ以上となる半径Ｒを決定する。

次に、励振部４０１上面のスロット板４０２に円偏波を放射する、円形放射スロット４０５を設計する（Ｓ１３０）。例えば、図１６下段に示すように、ＴＥ１２モードの励振状態において、電磁界の強い部分の上部付近を中心点として、円形に放射スロット４０５を穿設する。放射スロット４０５の配置は、円偏波の放射が対称になるよう対称性を持つように設計する。本実施の形態では、スロットの数は４つとしている。
これによって励振部４０１の設計が終了する。

円偏波の帯域を設定し、放射素子４００の設計が終了し、放射素子４００のサイズが求められると、装置全体である、導波管スロットアレイアンテナ１の設計に移行する。

まず、導波路の端部に放射素子を設置する、第一面導波回路３００を設計する（Ｓ１４０）。そして、両端部に放射素子４００を設置する導波管の長さを決定する。該導波管の長さは、導波路第一面スロット３０２の両中心部の間隔が励振部４０１の半径Ｒの２倍より長く、かつ導波管の中心部より入力する直線偏波が両端部の導波路第一面スロット３０２から出力する時に最大振幅となるよう設計する。そして、両端部に導波路第一面スロット３０２を穿設する。

本実施の形態では、両端部に放射素子４００を設置する該導波管を８個配列する（放射素子４００は１６個）。各導波管の中心部をさらに導波管を用いて接続するが、この時、中心部に設置する給電口３０１から各端部まで等距離となるようにかつ、直線偏波の位相が同相となるよう設計する。

次に、導波路の端部に放射素子を接続する、第二面導波回路２００を設計する（Ｓ１５０）。そして、両端部に設置する導波路第二面スロット２０２に放射素子４００の第二面スロット５０１を接続する導波管の長さを決定する。

該導波管の長さは、導波路第二面スロット２０２の両中心部の間隔が上記第一面導波回路３００の端部の導波管と等長となるように、かつ導波管の中心部より入力する直線偏波が両端部の導波路第二面スロット２０２から出力する時に最大振幅となるよう設計する。そして、両端部に導波路第二面スロット２０２を設置する。

本実施の形態では、両端部に放射素子４００を接続した該導波管を８個配列する。各導波管の中心部をさらに導波管を用いて接続するが、この時、中心部に設置する給電口２０１から各端部まで等距離となるようにかつ、直線偏波の位相が同相となるよう設計する。

上記方法により、放射素子４００及び第一面導波回路３００、第二面導波回路２００の設計が終了する。このように、放射素子４００及び第一面導波回路３００、第二面導波回路２００の設計が終了した後、具体的な製造工程に移行する。

まず、Ｓ１００からＳ１３０で設計した放射素子４００を作成する（Ｓ２００）。次に、Ｓ１４０で設計した第一面導波回路３００を作成する（Ｓ２１０）。そして、Ｓ１５０で設計したＶ面導波回路２００を作成する（Ｓ２２０）。そして、第一面導波回路３００の各端部の導波路第一面スロット３０２と、放射素子４００の第一面スロット５０２を、第一偏波が円形導波管５００に入射するように放射素子４００を設置する（Ｓ２３０）。

そして、第二面導波回路２００の各端部の導波路第二面スロット２０２と、放射素子４００の底面の第二面スロット５０１を、第二偏波が円形導波管５００に入射するように放射素子４００を設置する（Ｓ２４０）。最後に導波路（２００、３００）の給電口（２０１、３０１）にマジックＴの第二面及び第一面導波管を接続する（Ｓ２５０）。
このようにして、導波管スロットアレイアンテナ１を得る。

上記製造方法は以下に示す方法によっても実現できる。
上述の導波管スロットアレイアンテナ１を実現するためには、導波管スロットアレイアンテナ１の内部空間と同一形状の空間を有するものが導体により構築されればよい。
図１の導波管スロットアレイアンテナ１を、図１のｘｙ平面と平行な仮想平面で、複数段に切断する。そして、切断片の一端面に出現した切断面図形のうち電磁波が導波される部分（内部空間の断面形状）を、切断片と等厚の大型の方形導体板に転写していく。この場合、例えば、以下の（１）から（９）のような方形導体板ができる。
（１）所望の放射スロット４０５が４×４配列で穿設された導体板。
（２）円形キャビティ４０７が４×４配列の断面形状で穿設された導体板。

（３）開口部４０６が４×４配列で穿設された導体板。
（４）４×４配列の開口部５０３と、第二面導波回路２００、接続管７０５、７０６の図１のｘｙ平面への正射影形状が穿設された導体板。
（５）上記の（４）に、さらに４×４配列の第二面スロット５０１(その場合、導波路第二面スロット３０１と同一)の図１のｘｙ平面への正射影形状が穿設された導体板。
（６）上記（４）と同じ導体板。

（7）４×４配列の導波路第一面スロット３０２（この場合、第一面スロット５０２と同一）と、マジックＴ７００の放射口７０３の図１のｘｙ平面への正射影形状が穿設された導体板。
（８）第一面導波回路３００、マジックＴ７００、接続管７０６の図１のｘｙ平面への正射影形状が穿設された導体板。
（９）接続管７０７、７０８の図１のｘｙ平面への正射影形状が穿設された導体板。

上記（１）から（９）の導体板を、場所によっては複数枚複製し、（１）から又は（９）から順に積層していく事によって導波管スロットアンテナ１を製造する。上記の各導体板は例えば、銅板のエッチング処理により製造することができる。

変形例１
上記実施の形態１においては、円偏波を放射するために円形放射スロットを用いた。しかし円偏波を放射可能であれば、円形に限られるものではない。例えば、十字形のスロットを用い、第二面偏波と第一面偏波を放射し、円偏波を実現してもよい。また、円偏波を放射可能であれば、上記の形状に限定されるものではなく、どのような形状のスロットでも用いることができる。図１５にその変形例を示す。

変形例２
上記実施の形態１においては、放射スロットの数を４つとした。しかし、円偏波を効率良く放射可能であれば上記の４つに限定されるものではなく、あらゆる個数のスロットを用いることができる。例えば、図１０のＴＥ１２モードの電磁界強度が強い部分（点線部分）に沿い、その上部にスロットを設ける形状としてもよい。例えば、図１６の様にスロットを６つとしてもよい。

１ 導波管スロットアレイアンテナ
１００ 励振スロット
１０１ キャビティ
１０２ 単一スロット
１０３ 導波路
１０４ 六角形開口
１０５ 円偏波素子
１０６ 導波路側壁
１０７ 下端版
１０８ スロット板
１０９ キャビティ側壁
１１０ スロット板
２００ 第二面導波回路
２０１ 給電口
２０２ 導波路第二面スロット
３００ 第一面導波回路
３０１ 給電口
３０２ 導波路第一面スロット
４００ 放射素子
４０１ 励振部
４０２ スロット板
４０３ 側壁
４０４ 下端板
４０５ 放射スロット
４０６ 開口部
４０７ 円形キャビティ
５００ 円形導波管
５０１ 第二面スロット
５０２ 第一面スロット
５０３ 開口部
５０４ 補助線
５０５ 補助線
７００ マジックＴ
７０１ 給電口
７０２ 給電口
７０３ 放射口
７０４ 放射口
７０５ 接続管
７０６ 接続管
７０７ 接続管
７０８ 接続管
７０９ 接続管

Claims (10)

1. 第一の給電口より入力され、第一の方向に振動方向をもつ第一偏波を導波し、前記給電口から等長になるように設けられた複数の導波路の各端部に設けられた導波路第一面スロットより第一偏波を放射する第一面導波回路と、
   第二の給電口より入力され、前記第一偏波に対して直交する方向に振動方向を持つ第二偏波を導波し、前記第二の給電口から等長かつ前記第一面導波回路の導波路長と同長になるように設けられた複数の導波路の各端部に設けられた導波路第二面スロットより第二偏波を放射する第二面導波回路と、
   を備え、
   前記導波路第一面スロットと前記導波路第二面スロットとは、放射する第一偏波と第二偏波の合成波が円偏波となるよう設置されている、
   導波管スロットアレイアンテナ。
2. 一端側に開口面を有した有底筒状の円形導波管を更に備え、
   前記円形導波管は、前記導波路第一面スロットより放射される直線偏波を入力するよう穿設された第一面スロットを他端側の面に有し、前記導波路第二面スロットより放射される直線偏波を入力するよう穿設された第二面スロットを側壁に有しており、
   前記円形導波管の前記開口面より円偏波を放射する、
   請求項１の導波管スロットアレイアンテナ。
3. 前記円形導波管に連通する円形のキャビティを有した励振部を備え、
   前記励振部の円形キャビティは、導波管からの円偏波が励振されるよう半径が設計されている、
   請求項１又は２に記載の導波管スロットアレイアンテナ。
4. 前記励振部は、前記円形キャビティを閉じるように設けられ、複数の放射スロットが穿設されたスロット板を有し、
   前記スロット板には、前記励振部内で励振された電磁界の分布において断面電磁界の強度が高い位置に前記放射スロットが穿設され、前記放射スロットから円偏波を放射する、
   請求項１〜３いずれか１項に記載の導波管スロットアレイアンテナ。
5. 前記放射スロットが円形である、
   請求項１〜４いずれか１項に記載の導波管スロットアレイアンテナ。
6. 前記放射スロットが十字形である、
   請求項１〜４いずれか１項に記載の導波管スロットアレイアンテナ。
7. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の導波管スロットアレイアンテナの円形キャビティを有する励振部と円形導波管を備える放射素子の構造を設計する方法であって、
   円偏波を導波する円形導波管の半径を決定する工程と、
   前記円形導波管に直線偏波を入射して合成波により円偏波を生成する第一面スロットと第二面スロットを設計する工程と、
   前記円形導波管から放射された円偏波を励振させる励振部の半径を設計する工程と、
   前記励振部が励振した円偏波の強磁界部分から円偏波を放射させる放射スロットを設計する工程と、
   を備える、導波管スロットアレイアンテナの設計方法。
8. 前記放射素子に水平偏波を入力する第一面導波回路を設計する工程と、
   前記放射素子に垂直偏波を入力する第二面導波回路を設計する工程と、
   をさらに備える、請求項６の導波管スロットアレイアンテナの設計方法。
9. 請求項７に記載の導波管スロットアレイアンテナの設計方法にて求められた放射素子を作成する工程と、
   請求項８に記載の導波管スロットアレイアンテナの設計方法にて求められた第一面導波回路を作成する工程と、
   請求項８に記載の導波管スロットアレイアンテナの設計方法にて求められた第二面導波回路を作成する工程と、
   前記放射素子を前記第一面導波回路に設置する工程と、
   前記放射素子を第二面導波回路に接続する工程と、
   前記第一面導波回路と第二面導波回路に直線偏波を給電するマジックＴを接続する工程と、
   を備える、導波管スロットアレイアンテナの製造方法。
10. 請求項９の各工程を、電磁波が導波される部分の断面形状が穿設された導体板を積層することにより実現する、
    請求項９に記載の導波管スロットアレイアンテナの製造方法。