同轴线路缝隙阵列天线及其制造方法

专利名称：同轴线路缝隙阵列天线及其制造方法
技术领域：
本发明涉及在同轴线路上形成有多个缝隙的同轴线路缝隙阵列 天线及其制造方法。
背景技术：
作为与同轴线路缝隙阵列天线相关的天线方式， 一般有波导管缝 隙阵列天线(例如参照专利文献1)。该波导管缝隙阵列天线把波导 管、使波导管的两端部短路的短路板、和在波导管的宽幅壁面上设置 的缝隙组合而构成子阵列。然后，作为向这些子阵列供电的供电装置 有供电电路，把子阵列与对各子阵列附加的供电电路组合而构成波导 管缝隙阵列型的平面阵列天线。
通过经由信号路径把输入信号均匀地传送到对各子阵列附加的 供电电路，该天线被均匀地激励。在作为子阵列单位的波导管缝隙阵 列中，用短路板使波导管的两端部短路，其长度设定成使驻波以使用
频率在管内传播。缝隙的长度为约1/2波长，以与驻波激励相应的所 期望的间隔配置，分别被均匀地激励。因此，平面天线上的缝隙全部 被均匀地激励，能够实现高增益的放射特性。
另外，通过具有控制相位的装置可以进行波束扫描。另外，缝隙 的方向交互不同，这是因为在管轴上以1/2人g (Xg是波导管的管内波 长)间隔配置缝隙。另外，取决于所使用的偏振波，也可以作为例如 波导管分路(shimt)缝隙阵列型使用(例如参照专利文献2)。
另外，作为波导管缝隙阵列天线的特征，第一，可举出，在把用 于激励缝隙的波导管看作传播线路时，与微带状线路或悬置线路等其 它线路相比，损失非常低。
作为在供电中使用同轴线路的例子，有把探针的一端插入同轴线路，把另一端与元件天线连接来实现向天线供电的情形(例如参照专
利文献3)。但是，由于使用探针，结构变得复杂，探针长度的调整 也很困难。
<专利文献1>日本特开昭62-210704号〃>报 <专利文献2>日本特开2005-204344号公报 <专利文献3>日本特开2000-209024号公报

发明内容
(发明要解决的问题)
在波导管缝隙阵列天线中，如上所述， 一般地，缝隙在波导管的 宽幅壁面上形成。在此，波导管断面尺寸由使用频率决定，通常把宽 侧的内壁间隔设定成比截止频率时的1/2波长大。因此，比使用频率 的l/2波长大。另外，由于在阵列化时还要考虑与相邻波导管的壁厚， 所以作为元件间隔必须比该值更大。
另外，在阵列天线中，在广角例如士60。范围内进行波束扫描时， 必须把元件间隔设定成1/2波长左右。因此，在波导管宽幅壁面上设 置了缝隙的平面阵列天线中难以在广角内进行波束扫描。
针对该问题，有在波导管窄幅壁面上设置了缝隙的波导管缝隙阵 列。如果以标准波导管为例，则由于窄幅壁面的宽度为宽幅壁面的宽 度的约1/2左右，所以与宽幅壁面时相比元件间隔能够设定成更窄。 但是，波导管要立起来构成平面阵列天线，存在天线尺寸(高度)变 大的问题。
另外，还考虑了利用在波导管内填充介电体而缩短管内波长的效 果减小波导管断面尺寸。此时，波导管性能取决于介电体材料的特性， 而且考虑了介电体填充的制造方法是复杂的，所以从批量生产性上看 不是合适的方式。
而且，还考虑了用脊形波导管使宽幅壁面尺寸减小，但由于在波 导管内设置脊，所以结构复杂，与介电体充填时同样地在制造性上有 问题。本发明正是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供构成损 失低、姿势低、且能够设定窄的元件间隔以能够在整个广角范围进行 波束扫描的、由缝隙阵列形成的平面天线的同轴线路缝隙阵列天线及 其制造方法。
(用来解决问题的手段)
根据本发明的同轴线路缝隙阵列天线，包括由内导体和设置成 包围其外周的外导体构成、且两端部被短路的同轴线路；用来激励上 述同轴线路的供电装置；以及与上述同轴线路的管轴方向成某个角度、 并在上述外导体上设置的具有大致共振长度的多个缝隙。
另外，根据本发明的同轴线路缝隙阵列天线的制造方法，是如下 所述的同轴线路缝隙阵列天线的制造方法，即，在该同轴线路缝隙阵 列天线中，由方形同轴线路、多个缝隙和供电装置构成一个单位的子 阵列，在平面上排列多个子阵列而构成二维阵列天线，上述方形同轴 线路由内导体和设置成包围其外周的外导体构成且两端部被短路，上 述多个缝隙设置在与上述方形同轴线路的管轴方向平行的任意一个侧 面上，上述供电装置用来激励上述方形同轴线路。该制造方法包括 针对被切片分割从而与上述方形同轴线路的管轴方向平行且与设置有 上述缝隙的外导体的侧面也平行的板状的各部位，各分别切削多个金 属导体板的工序；以及通过压接把各部位被切削的多个金属导体板层 叠的工序。
(发明的效果)
才艮据本发明，能够构成损失低、姿势低、且能够设定窄的元件间 隔以能够在整个广角范围进行波束扫描的、由缝隙阵列形成的平面天 线。


图1是示出根据本发明的实施方式1的同轴线路缝隙阵列天线的 构成的立体图。
图2是图1的AA剖面图。图3是示出沿同轴线路的管轴方向配置的多个缝隙的配置例的图。
图4是两端部呈T形分支状的缝隙的说明图。 图5是从外导体伸出的缝隙端部也形成缝隙外形(侧面)的缝隙 的说明图。
图6是在缝隙4侧的内导体2上设置了凸部21和凹部22的一个 子阵列的剖面图。
图7是在缝隙4附近的外导体1上设置了凸部23的一个子阵列7 的剖面图。
图8是示出在同轴线路内充填了介电体材料31的同轴线路缝隙 阵列的图。
图9是用与介电体材料充填不同的方法为了缩短同轴线路管内波 长而使内导体2构成为蛇行形状的一个子阵列的剖面图。
图10是示出获得使同轴线路的末端短路部分的管内波长缩短的 效果的结构的图。
图11是用来说明根据本发明的实施方式2的同轴线路缝隙阵列 天线的制造方法的剖面和天线部分的剖面分解图。
图12是立体地展示图11的剖面分解图的示意图。
具体实施例方式
在以下说明的实施方式中，说明能够与发送和接收都对应的天线结构。
(实施方式1)
图1是示出根据本发明的实施方式1的同轴线路缝隙阵列天线的 构成的立体图。图1中，由方形同轴线路构成的同轴线路3由外导体 1和内导体2构成，在构成放射面的外导体1的壁面上设置缝隙4。
另外，图2是图1的AA剖面图。如图2所示，利用短路板5使 同轴线路3的两端面短路，在同轴线路3上设置耦合孔6以从供电装 置(在此假设是波导管)供电。由上述同轴线路3、缝隙4、短路板5和相连到供电装置上的供电用的耦合孔6构成一个单位的同轴线路缝 隙阵列天线。以后将其记作子阵列7。如上所述，在各子阵列7下部 设置由波导管构成的作为供电装置的供电电路8,在其窄幅壁面上设 置耦合孔6。如图1所示，在平面上排列多个该子阵列7而构成二维 阵列天线。
下面，假设发送系统说明其动作。输入到供电电路8的信号在电 路内被均分而传播到各子阵列7下部，经由耦合孔6利用电磁耦合而 传送到同轴线路缝隙阵列(子阵列)7。然后，在同轴线路3内传播， 从缝隙4放射出去。此时，在子阵列7内的各缝隙4处均匀地激励。 另外，与供电电路8连接的各子阵列7 (—列大小)也均匀地激励。 而且，在左右方向上相邻的子阵列7(参照图1)的列之间也通过未图 示的、构成于供电电路8的下段的供电装置被均匀地供电。因此，图 1所示的平面阵列天线，因作为其元件的全部缝隙4以等振幅、等相 位激励，所以获得高增益的放射特性。
在此，对一个子阵列内的各缝隙4被均匀激励的原理说明如下。 同轴线路3的两端部被短路板5短路，其长度设定成使驻波以使用频 率在管内传播。由于在同轴线路3内以TEM波为基本模式进行传播， 所以其管内波长Xg与自由空间波长"相等。因此，同轴线路3的长度 约为波长Xo的整数倍。缝隙4的长度约为人o/2的共振长度。子阵列内 两侧端部的缝隙位置配置成从短路板5分别离开约Xo/2，而其它缝隙 配置成相邻缝隙间隔约为X0 。
图3示出其配置例。图3中，9表示在外导体1上在驻波腹部位 置流动的电流的方向。另外，缝隙间间隔d为波长X()。由此，由于在 驻波腹部位置电流最大，所以通过在此配置缝隙4，可以均匀地激励 且效率良好地放射。
如上所述，同轴线路3传播TEM波。为了只传播该TEM波而 不产生其它的高次模式，对同轴线路3的内导体直径a和外导体直径 b有限制。如果截止频率时的波长为Xc，则
<formula>formula see original document page 8</formula> ( 1)的关系成立，通过使用波长比Xc长的电磁波，可以只传播TEM波。
即，理想地，由于波长比a、 b的尺寸足够长的电磁波也能传播， 所以能够把同轴线路3的尺寸设定成相对于使用频率的波长足够小。 从以上看出，具有以下优点能够以比波导管缝隙阵列天线更窄的间 隔配置相邻的缝隙阵列，可以进行广角范围的波束扫描。
另外，同轴线路3还有与微带状线路、悬置线路等其它线路相比， 损失低的特征。而且，根据制造的金属材料还可以获得与波导管的损 失相匹敌的特性。
而且，作为向同轴线路缝隙阵列供电的供电装置，在此说明了使 用波导管的情形，但也可以利用同轴线路供电。此时，与波导管的场 合(由于经由在波导管窄幅壁面上设置的耦合孔6向同轴线路3供电， 所以把波导管立起来配置的场合)相比，可以将天线高度抑制得较低。 另外，此时耦合孔的形状与波导管的场合不同。
如图3所示，在与同轴线路3的管轴方向平行的任意的一个侧面 上，相对于管轴旋转角度a配置缝隙4。如果考虑电流的方向9则角度 范围受限制，大于0小于180度。a=0 (或180度)时缝隙4不激励。 另外，通过调节该角度a可以改变偏振波。
图4和图5示出缝隙4的形状不同的场合。图4示出两端部呈T 形分支状的缝隙10。图5示出从外导体1伸出的缝隙端部11也形成 缝隙外形(侧面)的缝隙。由于如上所述，为了扩大波束扫描区域把 同轴线路的外导体直径相对于波长设定得小，所以难以把缝隙设置到 共振长度左右。
于是，在图4的缝隙10中，两端部构成T形分支状，可以满足 共振长度而不产生交叉偏振波分量。这是因为T形分支部分与电流的 方向平4亍。
另一方面，在图5中，由于相对于管轴旋转配置缝隙，如果象缝 隙10那样地设置T形分支，则有可能与电流的流动方向不平行而产 生交叉偏振波分量。
于是，在设置有缝隙的导体面上挖出具有共振长度的缝隙而构成其侧面，但从外导体直径伸出的端部ll是缝隙孔穴被塞住的结构。由 此，虽然在外导体上设置的开孔的缝隙部分的长度不满足共振长度， 但构成了该部分的缝隙外形，所以具有缝隙自身的特性与共振时的情 形相当的特征。
在平面阵列天线中，有时根据其用途要求必须满足低旁瓣(low sidelobe)化。此时，在缝隙阵列中必须实现所期望的开口分布。
图6表示一个子阵列7的剖面图。如图6所示，在缝隙4侧的内 导体2上设置凸部21和凹部22。在同轴线路3内在内导体2和外导 体1之间产生电位。通过改变该电位使与缝隙4的电磁耦合状态变化， 缝隙4的激励振幅变化。
因此，通过在内导体2的缝隙4側设置凸部21、凹部22并调整 内导体2的直径，即，调整内导体2的直径以使得设置了缝隙4的位 置的外导体1和内导体2的间隔对每个缝隙4不同，调整缝隙4的激 励振幅，具有能够实现获得所期望的低旁瓣水平的开口分布的效果。
另外，在凸部21处与缝隙的电磁耦合变强、激励振幅变大。而 在凹部22处与其相反。在图6中示出一个缝隙4对应一个凸部21、 凹部22，但并不仅限于此，即使是多个凸部、凹部混合的构成，只要 能调整与缝隙4的耦合量就没有问题。
图7表示一个子阵列7的剖面图。图7中，在缝隙4附近的外导 体1上设置凸部23。即，通过调整外导体l的内径，以使得设置了缝 隙4的位置的外导体1和内导体2的间隔对每个缝隙4不同，与上述 同样地改变内导体2和外导体1之间的电位，调整缝隙的激励振幅相 位。与外导体上的凸部23附近的缝隙的耦合变强。另外，凸部23的 形状并不仅限于此，可以进行任意的变更以成为与缝隙的所期望的耦 合量。
由于同轴线路的管内波长与自由空间波长相同，所以为了用驻波 激励实现均匀的开口分布，在上述中将沿管轴排列的缝隙按Xo间隔配 置。此时，在包含管轴和顶点方向的切面内，在其土卯。方向上产生栅 瓣(grating lobe )，增益降低。于是，必须把管内波长缩短到比自由空间波长还短，使缝隙的配置间隔比Xo还窄。
图8示出在同轴线路内充填了介电体材料31的同轴线路缝隙阵 列。图8中，31的阴影部分是在同轴线路的内导体和外导体之间填充 的介电体材料。通过在同轴线路的内导体和外导体之间填充介电体材 料31，由于介电体材料31具有的相对介电常数而具有缩短管内波长 的效果。由此，如上所述，能够使缝隙间隔比Xo还窄，具有抑制栅瓣 产生的特征。
图9示出用与介电体材料充填不同的方法获得缩短同轴线路管内 波长的效果的内导体2的形状。如图9所示，在内导体2上设置凹部 32。凹部32的集合体33具有锯齿结构。另外，在内导体2的端部附 近i殳置凹部34。
凹部32和凹部34与图6所示的凹部22不同，不是在与缝隙相 对的内导体表面上设置，而是设置在与其垂直的两侧面上。这是为了 防止通过构成于内导体2的表面上而与缝隙的耦合量也变化。另外， 由于同样的理由，凹部32和凹部34设置在从缝隙下方错开的位置上。
通过利用多个凹部32使缝隙间(距离dl)的内导体2成为锯齿 结构33，即，通过蛇行形状地构成内导体2，具有缩短管内波长的效 果。因此，通过应用这一点，具有能够使缝隙间隔比人o更窄、抑制栅 瓣发生的特征。
另外，为了用驻波激励同轴线路缝隙阵列，必须使端部缝隙与短 路板的间隔d2比入。/2更窄，所以设置例如凹部34等。另外，也可以 在内导体的整个表面上设置凹部。即，也可以部分减小内导体的直径。
另外，在中央的缝隙间不构成锯齿结构33，这是因为在中央进行 利用未图示的供电装置向同轴线路的供电，只把缝隙间隔设定为A即 可，无须缩短管内波长。关于锯齿结构，可以根据波长缩短量任意地 设定凹部个数或凹部形状本身。当然，也可以采取曲线结构。
另外，已经描述了在垂直于与缝隙相对的面的内导体侧面上构成 锯齿结构33，但也可以在与缝隙相对的面上构成锯齿结构33，只要在 能够调整与缝隙的耦合量的同时，也能缩短管内波长即可。图10示出获得使同轴线路的末端短路部分的管内波长缩短的效 果的结构。图10中，相对于末端短路部分以外(在此称为基本线路部 分)的内导体直径，35是直径小的内导体，36是直径大的内导体。由 于同轴线路的特性阻抗以b/a成比例，所以相对于基本线路部分的特 性阻抗值，直径小的内导体35表现出高的特性阻抗值，直径大的内导 体36表现出低的特性阻抗值。通过象该结构这样，从末端短路部分起 依次连接高阻抗线路、低阻抗线路，也可以缩短管内波长。另外，图 IO中，在与缝隙和信号输入侧相对的内导体面侧(内导体的厚度方向)、 且在与其垂直的两面侧(内导体的宽度方向)同时减小/增大内导体直 径，但即使仅减小/增大内导体的厚度方向的尺寸或仅减小/增大内导体 的宽度方向的尺寸也得到同样的效果。
在本实施方式l中，不仅作为排列多个图l所示的同轴线路缝隙 阵列(子阵列)7得到的平面阵列使用，根据用途也可以单独使用子 阵列。此时，同轴线路不限于是方形，也可以是例如圆形同轴线路。
(实施方式2)
在上述实施方式l中描述了以驻波激励的同轴线路缝隙阵列天线 的结构，下面展示该天线的制造方法。
图11是用来说明根据本发明的实施方式2的同轴线路缝隙阵列 天线的制造方法的剖面和天线部分的剖面分解图。作为向同轴线路供 电的方法，在此使用波导管。
图ll所示的剖面分解图中，被切片分割而成为板状以使得与方 形同轴线路的管轴方向平行且与设置有缝隙的外导体的侧面也平行， 各部位是通过各分别切削7个金属导体板的工序形成的。另外，图中 为了简化而仅示出一列内的两个子阵列。然后，经过把形成了各部位 的多个金属导体板压接层叠的工序，制造同轴线路缝隙阵列天线。
即，如图11所示，作为各分别切削7个金属导体板而形成各部 位的板，具有缝隙面板41、第一同轴线路板42、内导体板43、第 二同轴线路板44、耦合孔板45、第一供电用波导管板46、第二供电 用波导管板47。在此，如图所示，是切片分割成7个板部位的结构。因此，各部 位的板厚不同。缝隙面板41是构成缝隙和外导体表面的部位，是从金 属导体板切削缝隙部分而制成的。第一和第二同轴线路板42和44是 构成同轴线路端部的短路板和外导体侧面的部位，是从金属导体板切 削内导体-外导体之间的空间部分而制成的。
内导体板43是构成内导体和外导体侧面的部位，是从金属导体 板切削内导体-外导体之间的空间部分而制成的。耦合孔板45是构成 外导体底面和耦合孔的部位，是从金属导体板切削耦合孔部分而制成 的。第一和第二供电用波导管板46和47都是构成供电用波导管的一 部分的部位，是从金属导体板切削波导路部分而制成的。可以把这些 板压接层叠而一体构成同轴线路缝隙阵列天线和向其供电的供电电 路。
图12是立体地展示图11的剖面分解图的示意图。请注意，同轴 线路的尺寸和波导管尺寸夸大示出，与实际制造时的尺寸不同。由于 作为向同轴线路缝隙阵列供电的装置，把波导管立起来配置以使波导 管窄幅壁面与同轴线路相接，所以作为波导管部分的板46变厚。当然， 即使把该板46进一 步切片分割成多个板而增加板数，由于 一并实施层 叠，所以也没有问题。
在实施方式1中说明的用作管内波长缩短装置的内导体锯齿结 构，具有能够用板43切削加工的优点。调整与缝隙的耦合量的凹部和 凸部也可以切削加工。
作为压接层叠的方法有扩散接合法、热压接法等。在压接时，难 以在板的整个表面上施加均匀的压力。但是，在方形同轴线路的场合， 由于是内导体只与同轴线路两端部的短路板连接，在外导体内大致中 央处以基本上浮起的状态配置的结构，所以具有也能应对这样的压力 不均匀的优点。
权利要求
1.一种同轴线路缝隙阵列天线，包括由内导体和设置成包围该内导体的外周的外导体构成、且两端部被短路的同轴线路；用来激励上述同轴线路的供电装置；以及与上述同轴线路的管轴方向成某个角度、并在上述外导体上设置的具有大致共振长度的多个缝隙。
2. 如权利要求l所述的同轴线路缝隙阵列天线，其特征在于 上述同轴线路是方形同轴线路；上述多个缝隙设置在与上述方形同轴线路的管轴方向平行的任 意一个侧面上；由上述方形同轴线路、上述供电装置和上述多个缝隙构成一个单 位的子阵列，在平面上排列多个子阵列而构成二维阵列天线。
3. 如权利要求2所述的同轴线路缝隙阵列天线，其特征在于 在用上述供电装置激励上述方形同轴线路以在该方形同轴线路内产生驻波的状态下，把在上述管轴方向上排列的多个缝隙设定成相 互间的间隔为自由空间中的大致一个波长，且设定成构成上述子阵列 的上述方形同轴线路中的短路端部与在该短路端部上配置的缝隙之间 的间隔为自由空间中的大致1/2个波长。
4. 如权利要求2所述的同轴线路缝隙阵列天线，其特征在于上述内导体的直径被调整成使得设置了上述缝隙的位置处的外 导体和内导体的间隔对每个缝隙不同。
5. 如权利要求2所述的同轴线路缝隙阵列天线，其特征在于 上述外导体的内径被调整成使得设置了上述缝隙的位置处的外导体和内导体的间隔对每个缝隙不同。
6. 如权利要求2所述的同轴线路缝隙阵列天线，其特征在于 在上述同轴线路内填充有介电体材料。
7. 如权利要求2所述的同轴线路缝隙阵列天线，其特征在于在上述缝隙间配置的上述内导体的一部分构成为蛇行形状。
8. 如权利要求2所述的同轴线路缝隙阵列天线，其特征在于 上述缝隙的两端部被分支成T字形状。
9. 如权利要求2所述的同轴线路缝隙阵列天线，其特征在于 上述缝隙具有比上述外导体的直径更长的缝隙长度，在从上述外导体伸出的端部也形成缝隙外形。
10. 如权利要求2 9中任一项所述的同轴线路缝隙阵列天线，其 特征在于上述同轴线路的两端部的短路位置与和上述短路位置相邻的上 述缝隙之间的上述内导体的直径，比短路位置以外的部分的上述内导 体的直径小。
11. 一种同轴线路缝隙阵列天线的制造方法，在该同轴线路缝隙 阵列天线中，由方形同轴线路、多个缝隙和供电装置构成一个单位的 子阵列，在平面上排列多个子阵列而构成二维阵列天线，上迷方形同 轴线路由内导体和设置成包围该内导体的外周的外导体构成且两端部 被短路，上述多个缝隙设置在与上述方形同轴线路的管轴方向平行的 任意一个侧面上，上述供电装置用来激励上述方形同轴线路，该制造方法包括针对被切片分割从而与上述方形同轴线路的管轴方向平行且与 设置有上述缝隙的外导体的侧面也平行的板状的各部位，各分别切削 多个金属导体板的工序；以及通过压接把切削了各部位的多个金属导体板层叠的工序。
全文摘要
本发明提供一种同轴线路缝隙阵列天线及其制造方法。构成损失低、姿势低、且能够设定窄的元件间隔以能够在整个广角范围进行波束扫描的、由缝隙阵列形成的平面天线。包括由内导体(2)和设置成包围其外周的外导体(1)构成、且两端部被短路的同轴线路(3)；用来激励上述同轴线路(3)的供电装置(8)；以及与上述同轴线路(3)的管轴方向成某个角度、并在上述外导体(1)上设置的具有大致共振长度的多个缝隙(4)。
文档编号H01Q13/22GK101542837SQ20078004377
公开日2009年9月23日 申请日期2007年11月2日 优先权日2006年12月1日
发明者大桥英征, 宫下裕章, 山口聪, 田原志浩, 西泽一史 申请人:三菱电机株式会社