JP2005260732A - 高周波アンテナ装置、および通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】異なる偏波面特性を持つアンテナを複数用いることで、マイクロ波帯域からミリ波帯域で、相互干渉が少なく、小型かつ実装が容易なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】水平偏波、垂直偏波、右旋回円偏波、左旋回円偏波のいずれかの偏波特性を有する放射器パターン２５、２６と、前記放射器パターンに直接または近接して配置された給電線とを有するアンテナ素子を、少なくとも２つ以上備えたことを特徴とする高周波アンテナ装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波帯域からミリ波帯域で動作する、アンテナ装置および通信システムに関する。

近年、情報通信分野における技術の進展は著しく、通信機器が扱う周波数帯域もマイクロ波帯域からミリ波帯域へと、より高い周波数帯域へと変化している。このようなマイクロ波帯からミリ波帯までの高周波帯域を扱う通信用回路などでは、高周波信号を空間に放射する、あるいは空間の電磁界を効率よく受信するアンテナ装置が重要な回路要素となる。

一方、高度道路交通システム（ＩＴＳ）分野における自動車走行時の障害物検知や、前方車両との車間距離測定、さらには自動走行を目指した走行路線認識など運転補助機能を目的とした車載レーダ装置などでは、変化の激しい電波伝播環境下におけるフェージング耐性を有するシステムやマルチパス環境に強いシステム、さらに他車からの干渉波に対する耐性を有するシステムが必要であり、特にそれらシステムで使用される高機能なアンテナが望まれている。

従来、これら通信システム、特に車載用レーダのアンテナに関しては、導波管を用いたホーンアンテナや非放射性誘電体線路を用いた指向性の高いアンテナが用いられていた。これらはいずれも立体形状を有するものであり、アンテナ形状としては比較的大きなものである。

これに対し、車載用に限らず、高周波用途での小型高機能化を目的とした平面アンテナでは、複素共役インピーダンスを持つ平面形状のマイクロストリップアンテナを十字型に組み合わせ、その中心部分より給電した円偏波アンテナ（例えば、特許文献１参照）、偏波面回転による信号減衰を抑えるために、対向する通信機器のそれぞれに直線偏波アンテナと円偏波アンテナを用いた通信システム（例えば、特許文献２参照）、車載用レーダ向けにマイクロストリップ線路型アンテナを直線状に複数個配列した直線偏波アンテナ（例えば、特許文献３参照）、さらに同一平面状に並べたアンテナ間のアイソレーションをとる目的で、相互に偏波面を９０度回転させた円偏波アンテナ（例えば、特許文献４参照）なども検討されていた。
特開平１１−２４３３１４号公報 特表２００３−５２２９５２号公報 特開２００２−３１４３２９号公報 特開平５−１７５７２７号公報

一般に、対向型通信システムには送信チャネルと受信チャネルが存在し、この各チャネル間で混信を避けることが必要である。また他のすべての通信システムでは、自システム以外の電波は通信品質に悪影響を及ぼす干渉波（妨害波）となる。通信分野では、この混信あるいは干渉波の影響を低減することが課題である。

また、通信システムのひとつであるＩＴＳ分野の車載用レーダの場合、対向車線を走行する対向車などからの信号が干渉波として影響することが問題となる。また、前後を走行する車同士で各車の走行状態を相互に通信できれば、より安全な運転補助機能が可能となり有効な手法と考えられるが、この場合には相互の送受信チャネル間で混信問題を回避しなくてはならないという課題があった。

さらに、通常のアンテナにはある偏波面が存在し、異なる偏波面をもつ電波を受信しようとすると受信感度が劣化する。また、ＩＴＳ分野に限らずレーダ装置の場合では、反射物体により反射電磁波の偏波面が回転する場合があり、レーダシステムの送受信アンテナを共用する場合、反射波の偏波面の変化に起因して受信感度が劣化するという問題点があった。特に、電波伝播環境が激しく変化するＩＴＳ分野でのレーダ応用においては、この偏波面の変化に対して対応することが課題であった。

一方、ＩＴＳ分野における障害物検知や、前方車両との車間距離測定用に用いられる車載用ミリ波レーダは、機器の小型、低価格化を実現することが普及に対する大きな課題であった。また、ミリ波無線ＬＡＮなどの通信装置においても、小型、低価格化は実用上の課題であった。そこで、これら高周波回路中で大きな容積を占めるアンテナやフィルタなどの回路素子を小型に構成し、高周波信号の発信機や増幅器などの半導体素子と集積化することが、小型化への課題に応える意味で望まれていた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、他のシステムや機器からの干渉を抑制する高周波アンテナ装置を提供することを目的とする。さらに、レーダ装置の場合は、反射波において偏波面の回転が生じた場合でも良好な受信状態が維持できる高周波アンテナ装置を提供することを目的とする。さらに、対向するミリ波装置間で自らが発する送信信号と、受信信号間の相互干渉を低減しつつ双方向通信を実現する通信システムを提供することを目的とする。加えて、ミリ波帯におけるレーダ装置や通信装置で使用でき、しかも半導体素子と集積化が容易な小型の平面アンテナを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
水平偏波、垂直偏波、右旋回円偏波、左旋回円偏波のいずれかの偏波特性を有する放射器パターンと、前記放射器パターンに直接または近接して配置された給電線とを有するアンテナ素子を、少なくとも２つ以上備えた、高周波アンテナ装置である。

第２の本発明は、
前記アンテナ素子は、
誘電体で形成された基板と、
前記基板上に形成された前記放射器パターンと、
前記基板上に形成された前記給電線と、
前記基板の裏面に形成された接地面とを有する、第１の本発明の高周波アンテナ装置である。

第３の本発明は、
前記給電線は、
その一部分が、前記放射器パターンより幅が狭く、
前記放射器パターンの端部よりも内部で、前記放射器パターンと接続されている、第２の本発明の高周波アンテナ装置である。

第４の本発明は、
誘電体で形成された基板と、
前記基板の一方の面上に形成された、少なくとも水平偏波、垂直偏波、右旋回円偏波、左旋回円偏波のいずれかの偏波特性を有する、２つ以上の放射器パターンと、
前記基板の他方の面上に形成された接地パターンと、
前記２つ以上の放射器パターンのそれぞれに、直接または近接して配置された給電線とを備えた、高周波アンテナ装置である。

第５の本発明は、
前記２つ以上の放射器パターンは、
右旋回円偏波特性を有する第１の放射器パターンと、
左旋回円偏波特性を有する第２の放射器パターンとを含んでいる、第４の本発明の高周波アンテナ装置である。

第６の本発明は、
前記２つ以上の放射器パターンのうちの少なくとも一対の放射器パターンは、お互いに鏡像関係の形状である、第５の本発明の高周波アンテナ装置である。

第７の本発明は、
前記２つ以上の放射器パターンのうちの少なくとも１つの放射器パターンは、十字型形状である、第５または第６の本発明の高周波アンテナ装置である。

第８の本発明は、
前記２つ以上の放射器パターンは、
水平偏波特性を有する第１の放射器パターンと、
垂直偏波特性を有する第２の放射器パターンとを含んでいる、第４の本発明の高周波アンテナ装置である。

第９の本発明は、
前記放射器パターンを覆うように、接触してまたは対向して、保護用誘電体が配置されている、第１または第４の本発明の高周波アンテナ装置である。

第１０の本発明は、
前記保護用誘電体は、表面形状が曲率を有している、第９の本発明の高周波アンテナ装置である。

第１１の本発明は、
第１の本発明の高周波アンテナ装置を２つ備え、
前記２つの高周波アンテナ装置を対向させて配置し、相互に情報を通信させる、通信システムである。

第１２の本発明は、
第４の本発明の高周波アンテナ装置を２つ備え、
前記２つの高周波アンテナ装置を対向させて配置し、相互に情報を通信させる、通信システムである。

本発明により、他のシステムや機器からの干渉を抑制する高周波アンテナ装置を提供できる。さらに、レーダ装置の場合は、反射波において偏波面の回転が生じた場合でも良好な受信状態が維持できる高周波アンテナ装置を提供できる。さらに、対向するミリ波装置間で自らが発する送信信号と、受信信号間の相互干渉を低減しつつ双方向通信を実現する通信システムを提供できる。加えて、ミリ波帯におけるレーダ装置や通信装置で使用でき、しかも半導体素子と集積化が容易な小型の平面アンテナを提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の高周波アンテナ装置の上面図を示している。

本実施の形態１の高周波アンテナ装置は、２つの十字型アンテナを用い、互いに鏡像関係の右旋回円偏波アンテナと左旋回円偏波アンテナを同一基板上に配置したものである。

まず、本実施の形態１の高周波アンテナ装置の構成について説明する。

各アンテナ素子は、誘電体基板上に形成されたマイクロストリップ型伝送線路で形成されている。本実施の形態１の高周波アンテナ装置には、第１の十字型アンテナ２５と第２の十字型アンテナ２６の２つのアンテナ素子が形成されている。いずれも、ダイポールアンテナを組み合わせて十字型にしたものであり、これらの２つのアンテナ素子の十字型部
分は同じ形状である。図１に示すように、十字型を形成するダイポールアンテナの長さはＬ_１で、第１の十字型アンテナ２５と第２の十字型アンテナ２６は、ＤＬ_１の距離をおいて配置されている。

図１１に、本実施の形態１の高周波アンテナ装置の断面図を示す。基体２の上面にマイクロストリップ型の伝送線路１が形成され、基体２の下面に接地導体３が形成された構造をしている。なお、マイクロストリップ型の伝送線路１である第１の十字型アンテナ２５と第２の十字型アンテナ２６が、本発明の放射器パターンの一例である。

このような構成にすることにより、第１の十字型アンテナ２５と第２の十字型アンテナ２６の円偏波の回転方向は互いに逆となるので、相互に放射する電磁界の干渉を受けない構成とすることができる。

次に、本実施の形態１の高周波アンテナ装置の製造方法およびその効果について説明する。

基板としては、半導体素子との集積化を考慮し、半絶縁性半導体基板を用いた。基板として、ＧａＡｓ系電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）やヘテロ接合バイポーラ型トランジスタ（ＨＢＴ）との集積化を行うために、半絶縁性ＧａＡｓ基板を用いた。このＧａＡｓ基板を１００ミクロンメートル厚に研磨し、両面に金属導体を形成させ、その後フォトリソグラフィーとエッチングにより接地導体形状および伝送線路形状を形成させた。

図１１において、伝送線路１となる金属導体は、基体２との付着性を向上させるため、まずＴｉ薄膜を１０ナノメートル、Ｐｔ薄膜を１０ナノメートル形成した後、Ａｕ薄膜を０．５〜１．０ミクロンメートル蒸着により堆積させた。各薄膜の厚みは高周波特性を考慮して決定しており、Ｔｉ、Ｐｔは１００ナノメートル以下が望ましく、また付着性を維持するために４ナノメートル以上が望ましかった。逆に、Ａｕ薄膜の厚みは２００ナノメートル以上、望ましくは１ミクロンメートル以上が高周波特性上有効であった。Ａｕ薄膜の膜厚に対して、高周波特性上に影響するような上限は無いが、Ａｕ薄膜のストレスによる剥離や、後の製造工程上の製造方法容易さなどから５ミクロンメートル程度が適当な上限であった。また１ミクロンメートル以上のＡｕ薄膜を用いる場合、電界めっきによるＡｕ薄膜形成が、製造時間の短縮と大型基板への対応という観点から実用的であった。

図３は、図１に示した本実施の形態１の高周波アンテナ装置の２つの十字型アンテナ素子のうちの、一方の十字型アンテナ素子の形状を示す平面図である。この一方の十字型アンテナ素子を十字型アンテナ６とする。十字型アンテナ６は、直線状のマイクロストリップ型伝送線路よりなるダイポールアンテナを２つ組み合わせて十字型の形状を形成させたものであり、各々のダイポールアンテナの入力端子を接続し、その接続部分の一部に新たに入力端子７を形成させた。

入力端子７とダイポールアンテナ部分はマイクロストリップ線路構造をとり、マイクロストリップ線路の幅は８０ミクロンメートルとした。十字型アンテナ６を構成する９０度に交わったダイポールアンテナ部分は、７７ＧＨｚ〜７９ＧＨｚ程度での使用を想定し、長さＬ_１を６８０ミクロンメートルとした。これは使用周波数に対し、およそ半波長の長さに相当する。そして、入力端子７は、各ダイポールアンテナへの給電点までの距離が位相角にして９０度異なる位置になるように配置した。また給電端子は、インピーダンス整合を取る目的で線路幅をダイポールアンテナの幅より狭くし、さらにダイポールアンテナの端より内部で接続する構造とした。

図４は、図３に示した十字型アンテナ素子の入力反射特性を示している。また図５は、その十字型アンテナ素子の入力インピーダンスを示すスミス図表である。図３に示した十字型アンテナ素子の偏波面は、電波の進行方向に向かって右回転するものであり、右旋回円偏波アンテナと呼ぶ。さらにアンテナパターンをこのアンテナ素子と鏡像関係にすると、偏波面が逆回転する十字型アンテナ素子が得られた。これを左旋回円偏波アンテナと呼ぶ。これら２つの十字型アンテナ素子を同一基板上に形成し、図１に示す高周波アンテナ装置を構成した。

図２は、図１に示した高周波アンテナ素子の第１の十字型アンテナ２５の入力反射特性（Ｓ１１）と、第１の十字型アンテナ２５と第２の十字型アンテナ２６のアイソレーション特性（Ｓ２１）を示す図である。この特性は、第１の十字型アンテナ２５と第２の十字型アンテナ２６の距離ＤＬ_１を３２０ミクロンメートルとしたときのものである。約２８ｄＢのアイソレーションが取れている。

このアイソレーション特性は各アンテナ間距離ＤＬ_１に依存するものであり、十字型アンテナを構成するダイポールアンテナの長さＬ_１を基準として表１のように変化した。

使用する通信システムの仕様に依存するが、２０ｄＢ以上のアイソレーションを確保しなくてはならない場合は、ＤＬ_１／Ｌ_１で０．２２以上が必要となることが分かる。さらに２８ｄＢ以上確保しなくてはならない場合は、ＤＬ_１／Ｌ_１は０．５以上が必要である。また３２ｄＢ以上のアイソレーションが必要な場合は、０．７５以上としなくてはならない。一方、２つのアンテナ素子の間隔ＤＬ_１の上限については特に制限は無いが、車載レーダ応用などを想定すると、車幅以下（２〜３メートル）が実用的範囲といえる。

以上に説明したように、本実施の形態１の高周波アンテナ装置は、右旋回円偏波特性を持つ第１のアンテナ素子と、左旋回円偏波特性を持つ第２のアンテナ素子を組み合わせて高周波アンテナ素子としたものである。さらに望ましくは、このアンテナ素子がマイクロストリップ線路構造をとる伝送線路を十字型に形成したクロスダイポール型アンテナであり、右旋回円偏波特性を持つ第１のアンテナ素子と、左旋回円偏波特性を持つ第２のアンテナ素子が、同一誘電体基板上に形成され、さらに鏡像関係にある構成とする。

このような構成にすることで、互いのアンテナが放射する電磁波に干渉されないレーダ装置や通信装置を構成できる。さらに高周波アンテナ素子全体としては、異なる円偏波特性を持つ信号を同時に受信できるようになる。この構成は半導体集積回路との接続が容易であり、また構造も簡単なことから、小型、低コストのアンテナシステムを構成できる効果がある。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２の高周波アンテナ装置の上面図を示している。

本実施の形態２の高周波アンテナ装置は、２つの半波長ダイポールアンテナを用い、互いに９０度に回転させた位置関係で配置したものである。

まず、本実施の形態２の高周波アンテナ装置の構成について説明する。

個々のアンテナ素子はマイクロストリップ線路構造で構成されており、基本的なマイクロストリップ線路構造は、図１１で示した実施の形態１と同様である。

本実施の形態２の高周波アンテナ装置には、第１のダイポールアンテナ２３と第２のダイポールアンテナ２４の２つのアンテナ素子が形成されている。これらの２つのアンテナ素子は同じ形状であり、お互いに９０度回転した位置になるように形成されている。そして、これらのダイポールアンテナの長さはＬ_２で、第１のダイポールアンテナ２３の端部からＤＬ_２の距離をおいた位置に第２のダイポールアンテナ２４が配置されている。なお、マイクロストリップ型の伝送線路１である第１のダイポールアンテナ２３と第２のダイポールアンテナ２４が、本発明の、水平偏波特性を有する放射器パターンと垂直偏波特性を有する放射器パターンの一例である。

このような構成にすることにより、第１のダイポールアンテナ２３と第２のダイポールアンテナ２４は直線偏波を持ち、その偏波面が互いに直交するため、相互に干渉を抑えることができる。

次に、本実施の形態２の高周波アンテナ装置の製造方法およびその効果について説明する。

基板として、ＩｎＰ系電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）やヘテロ接合バイポーラ型トランジスタ（ＨＢＴ）との集積化を行うために、Ｆｅドープの半絶縁性ＩｎＰ基板を用いた。このＩｎＰ基板を１００ミクロンメートル厚に研磨し、両面に金属導体を形成させ、その後フォトリソグラフィーとエッチングにより接地導体形状および伝送線路形状を形成させた。伝送線路となる導電性薄膜の構成は、実施の形態１と同様とした。

図８は、図６に示した本実施の形態２の高周波アンテナ装置の２つのダイポール型アンテナ素子のうちの、一方のアンテナ素子の形状を示す平面図である。この一方のアンテナ素子をダイポールアンテナ４とする。

マイクロストリップ線路構造の入力端子５とダイポールアンテナ４は、高周波における特性インピーダンスが５０オームとなるように、これらの線路幅Ｗを設定した。このとき、１００ミクロンメートル厚の半導体基板（比誘電率 ε〜１３）において、伝送線路の線路幅は７０ミクロンメートルから１００ミクロンメートルで５０オームに近い値となる。本実施の形態２では、この線路幅Ｗを８０ミクロンメートルとした。

ダイポールアンテナ４は、７７ＧＨｚ〜７９ＧＨｚ程度での使用を想定し、長さＬ_２を６８０ミクロンメートルとした。これは使用周波数に対し、およそ半波長の長さに相当する。

入力端子５は、ダイポールアンテナ４の一端に接続する構成とした。そして、インピーダンス整合を取る目的で、給電端子５１の線路幅Ｗ２を入力端子５やダイポールアンテナ４の幅Ｗより狭くし、給電端子５１はダイポールアンテナ４の端部よりも内部で接続する構造とした。

図９は、図８で示したダイポール型アンテナ素子の入力反射特性を示している。７９．５ＧＨｚで反射が低下し、アンテナ素子として動作していることがわかる。また図１０は、図８に示したダイポール型アンテナ素子の入力インピーダンスを示すスミス図表である。ここで示したダイポール型アンテナ素子は、その電荷分布の解析より一定の偏波面を有するものであった。

図７は、図６に示した本実施の形態２の高周波アンテナ装置の、第１のダイポールアンテナ２３の入力反射特性（Ｓ３１）と、第１のダイポールアンテナ２３と第２のダイポールアンテナ２４のアイソレーション特性（Ｓ４１）を示す図である。この特性は第１のダイポールアンテナ２３と第２のダイポールアンテナ２４の距離ＤＬ_２を３６０ミクロンメートルとした時のものである。約２８ｄＢのアイソレーションが取れている。

このアイソレーション特性は各アンテナ間距離ＤＬ_２に依存するものであり、ダイポールアンテナの長さＬ_２を基準として表２のように変化した。

使用する通信システムの仕様に依存するが、２０ｄＢ以上のアイソレーションを確保しなくてはならない場合は、ＤＬ_２／Ｌ_２で０．１６以上が必要であった。さらに２８ｄＢ以上確保しなくてはならない場合は、ＤＬ_２／Ｌ_２は０．５以上が必要であった。また３５ｄＢ以上のアイソレーションが必要な場合は、０．７５以上としなくてはならない。一方２つのアンテナ素子の間隔ＤＬ_２に上限は無いが、車載レーダ応用などを想定すると、車幅以下（２〜３メートル）が実用的範囲といえる。

以上に説明したように、本実施の形態２の高周波アンテナ装置は、水平偏波特性を持つアンテナ素子と、垂直偏波特性を持つアンテナ素子を組み合わせ、高周波アンテナ素子を構成したものである。さらに望ましくは、このアンテナ素子がマイクロストリップ線路構造をとる伝送線路を用いたダイポール型アンテナであり、水平偏波特性を持つアンテナ素子と、垂直偏波特性を持つアンテナ素子が、同一誘電体基板上に形成される構成とする。

このように、マイクロストリップ線路構造により形成したダイポールアンテナを複数個用い、そのうち少なくとも１つの偏波面を他のダイポールアンテナの偏波面と直交するように回転させ、さらに同一基板上に配置することで、互いのダイポールアンテナが放射する電磁波に干渉されないシステムを構成できる。また高周波アンテナ素子全体としては、異なる偏波面の信号を同時に受信できるようになる。この構成も半導体集積化回路との接続が容易であり、また構造も簡単なことから、小型、低コストのアンテナシステムを構成できる効果がある。

なお、実施の形態１および実施の形態２において、マイクロストリップ線路の導電体としてＡｕ薄膜を用いたが、Ａｕ薄膜の替わりにＡｌ、Ａｇ、Ｃｕなどの良導体で形成された薄膜を用いても同様にアンテナ素子を形成できることは言うまでも無い。特にＡｌは、軽量でまた伝送線路形状に加工しやすく実用的である。またＡｇは、高周波特性上、高周波損失をＡｌに対して小さくできる。さらにＣｕは、大面積の基板を一度に処理するなど量産時に効果的である。また、これらの金属の合金や、これらの金属をベースに少量の他元素を添加した金属材料を用いても、同様にアンテナ素子を構成できる。

（実施の形態３）
図１２は、本発明の実施の形態３の高周波アンテナ装置の構造の概念を示す断面図を示している。

本実施の形態３の高周波アンテナ装置は、実施の形態１または実施の形態２の高周波アンテナ装置において、アンテナ表面を保護する目的で保護用誘電体８を配置したものである。

まず、本実施の形態３の高周波アンテナ装置の構成について説明する。

基体１０の上面にマイクロストリップ型の伝送線路９が形成され、基体１０の下面に接地導体１１が形成された構造は、実施の形態１および実施の形態２の高周波アンテナ装置と同じ構造である。伝送線路９の上面に、さらに保護用誘電体８が形成されている。

保護用誘電体８は、テフロン（登録商標）、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリスチレンなどの誘電率が５以下の材料とする。これは、アンテナ設計をする上で、保護用誘電体８の影響を小さくする目的で採用したものである。また、これら誘電率が５以下の誘電体薄膜の多くは高周波損失が小さい点でも都合がよい。一方、アンテナ素子をより小型にする目的では、比誘電率５以上、２０以下のセラミック材料や樹脂材料を用いてもよい。

次に、本実施の形態３の高周波アンテナ装置の効果について説明する。

図１３は、実施の形態１で説明した図３の十字型アンテナ素子に対して、その上面に、１００ミクロンメートルのテフロンを形成させた場合の入力反射特性を示すものである。また図１４は、この場合の入力インピーダンスのスミス図表を示している。図１３、図１４の結果より、保護用誘電体を配置した場合でも、７７．５ＧＨｚにおいて偏波面が回転する円偏波アンテナとして動作していることが分かる。保護用誘電体を配置することにより、若干入力整合が悪くなったが、これは設計が最適化されていないためであり、詳細な設計を行うことで改善することが可能であった。

以上に説明したように、本実施の形態３の高周波アンテナ装置は、アンテナ素子の放射電極パターンを保護する誘電体製のレドームを配置した構成をとるものである。

このように、マイクロストリップ線路を用いた放射電極を持つアンテナ素子に対して、放射電極パターンを保護する誘電体製のレドームを配置した構成をとることにより、アンテナ素子の信頼性を向上できる。

（実施の形態４）
図１５は、本発明の実施の形態４の高周波アンテナ装置の構造の概念を示す断面図を示している。

本実施の形態４の高周波アンテナ装置は、実施の形態４の高周波アンテナ装置に対し、よりアンテナ効率を高める目的で、他のレンズ状誘電体を配置したものである。

基体１６の上面に、マイクロストリップ型の伝送線路であるアンテナ１５とさらにその上に誘電体１４が形成されており、基体１６の下面に接地導体１７が形成された構造は、実施の形態３の高周波アンテナ装置と同じ構造である。電磁波１２を集光できるように、さらにその上方に、レンズ１３が配置されている。

このような構造にすることで、ミリ波帯の電磁界は準光学的に扱うことができ、誘電体レンズにより集光することでアンテナ効率を向上できる。

図１６は、本発明の実施の形態４の、他の高周波アンテナ装置の構造の概念を示す断面図を示している。

基体２１の上面に、マイクロストリップ型の伝送線路であるアンテナ２０が形成され、基体２１の下面に接地導体２２が形成された構造は、実施の形態１および実施の形態２の高周波アンテナ装置と同じ構造である。電磁波１８を集光できるように、アンテナ２０の上面に、さらに、曲率をもたせた保護用誘電体（レンズ１９）が形成されている。

これは、電磁波を集光する効果を、保護用誘電体自体に曲率をもたせることにより実現したものである。

図１５の場合には、保護用誘電体１４とは別にレンズ１３を設ける必要があるが、図１６の場合には、保護用誘電体（レンズ１９）とは別にレンズを設ける必要がなく、さらに部品点数を低減できる。図１６の構成における高周波特性的な効果は、図１５の構成の場合と同様であった。

図１５および図１６で用いるこれらの誘電体は、実施の形態３で説明した同じ理由から、テフロン、ポリウレタン、ポリエチレン、ポリスチレンなどの誘電率が５以下の材料でもよく、また比誘電率５以上、２０以下のセラミック材料や樹脂材料でも良い。特に高周波損失が小さい材料として、テフロンならびにアルミナが有用である。

以上に説明したように、本実施の形態４の高周波アンテナ装置は、実施の形態３の高周波アンテナ装置のレドームの表面に曲率を設け、準光学的なレンズ機能を持たせる構成をとるものである。このようにして、準光学的なレンズ機能を持たせることにより、受信感度を向上させうる。これにより、アンテナ放射器の保護とともにアンテナ効率を向上させることが可能となる。

（実施の形態５）
実施の形態１または実施の形態２の高周波アンテナ装置を、それぞれ２つ用いて対向させることにより、送受信可能な本発明の実施の形態５の通信システムを構成する。

特に、本実施の形態５の通信システムをＩＴＳ分野における車載レーダ装置に用いた場合には、相互のレーダシステム間の干渉を低減できる。たとえば、実施の形態１に示した左右異なる円偏波を用いた高周波アンテナ装置を用いたレーダ装置の場合、前方に対する送信は右旋回偏波、後方に対する送信は左旋回偏波を用いることと定めることにより、追従している車、あるいは後続の車からのレーダ波による干渉を低減できる。これは直交する直線偏波を用いた場合も同様である。

なお、周波数帯域を細かく設定したり、時分割でチャネルを割り当てたり、走行方向により使用する偏波特性を動的に割り当てるシステムを構築することで、より柔軟にかつ干渉を低減した通信システムを構築できる。さらに、ここでは車載レーダを念頭に記述したが、１対多のミリ波無線ＬＡＮやアドホックネットワークにおける各ノード、１対１の対向通信でも利用可能である。

以上に説明したように、本実施の形態５の通信システムは、送受信可能な通信システムであり、実施の形態１〜４の高周波アンテナ装置を対向させる構成をとるものである。特にここで用いられるアンテナ素子が、誘電体基板上に形成したマイクロストリップ線路構造で構成されるものである。

本実施の形態５の通信システムを用いて、ＩＴＳ分野での応用を目的としたレーダ装置を構成し、その送信信号の偏波面を適宜規定すると、対向車が発するレーダ波や、偏波面の回転した反射波、さらには前後の車より発せられる電波に対して干渉を低減した形で通信や距離計測が可能となる。さらに、周囲の車同士の間で、各々の走行状況（加速・減速状態、走行方向）などを情報共有する安全性の高い運転補助機能を実現することができる。

なお、各実施の形態で説明した高周波アンテナ装置の材質および製造方法は、各実施の形態で説明したものに限られるものではない。本発明の構成の高周波アンテナ装置であれば、他の材質または製造方法であってもよい。

上述したように、本発明は、水平偏波、垂直偏波、右旋回円偏波、左旋回円偏波のいずれかの偏波特性をもつアンテナ素子を少なくとも２つ用い、高周波アンテナを構成する、高周波アンテナ装置および通信システムである。そして、それぞれのアンテナ素子が、誘電体基板上に形成されたマイクロストリップ型線路構造をとり、またアンテナ素子の構成要素である給電線路の一部分が放射器パターンより幅が狭く、放射器パターンの端部よりも内部にて放射器パターンと接続する構成をとるものである。

特にマイクロストリップ線路型の伝送線路を用いたアンテナは構造が単純で、またミリ波帯域では全長が数ミリメートル以下で構成でき、小型化可能である。さらに、半絶縁性の半導体基板上に半導体素子と集積化できる点でも有効である。また、平面型であり、同一平面状に複数配列したアレイ構造をとる場合にも、全体として小型化できるという利点がある。一方、マイクロストリップ線路構造を用いることにより、他のマイクロストリップ線路を用いた高周波回路やコプレーナ型伝送線路を用いた高周波回路との接続に関しても実現容易となる。

本発明は、マイクロ波帯域からミリ波帯域で動作する、レーダ装置、ローカルエリアネットワーク、さらには１対１の対向通信システムに用いられる高周波機器に有用である。

本発明の実施の形態１にかかる高周波アンテナ装置の上面図 本発明の実施の形態１にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の入力反射特性とアイソレーション特性を示す図 本発明の実施の形態１にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の上面図 本発明の実施の形態１にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の入力反射特性を示す図 本発明の実施の形態１にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の入力インピーダンス特性を示す図 本発明の実施の形態２にかかる高周波アンテナ装置の上面図 本発明の実施の形態２にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の入力反射射特性とアイソレーション特性を示す図 本発明の実施の形態２にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子を示す上面図 本発明の実施の形態２にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の入力反射特性を示す図 本発明の実施の形態２にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の入力インピーダンス特性を示す図 本発明の実施の形態１および２にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子を構成するマイクロストリップ線路構造を示す断面図 本発明の実施の形態３にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の断面図 本発明の実施の形態３にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の入力反射特性を示す図 本発明の実施の形態３にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の入力インピーダンス特性を示す図 本発明の実施の形態４にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の構成例の断面図 本発明の実施の形態４にかかる高周波アンテナ装置のアンテナ素子の他の構成例を示す断面図

符号の説明

１ 伝送線路
２ 基体
３ 接地導体
４ ダイポールアンテナ
５ 入力端子
６ 十字型アンテナ
７ 入力端子
８ 保護用誘電体
９ 伝送線路
１０ 基体
１１ 接地導体
１２ 電磁波
１３ レンズ
１４ 誘電体
１５ アンテナ
１６ 基体
１７ 接地導体
１８ 電磁波
１９ レンズ
２０ アンテナ
２１ 基体
２２ 接地導体
２３ 第１のダイポールアンテナ
２４ 第２のダイポールアンテナ
２５ 第１の十字型アンテナ
２６ 第２の十字型アンテナ
５１ 給電端子

Claims (12)

1. 水平偏波、垂直偏波、右旋回円偏波、左旋回円偏波のいずれかの偏波特性を有する放射器パターンと、前記放射器パターンに直接または近接して配置された給電線とを有するアンテナ素子を、少なくとも２つ以上備えた、高周波アンテナ装置。
2. 前記アンテナ素子は、
   誘電体で形成された基板と、
   前記基板上に形成された前記放射器パターンと、
   前記基板上に形成された前記給電線と、
   前記基板の裏面に形成された接地面とを有する、請求項１に記載の高周波アンテナ装置。
3. 前記給電線は、
   その一部分が、前記放射器パターンより幅が狭く、
   前記放射器パターンの端部よりも内部で、前記放射器パターンと接続されている、請求項２に記載の高周波アンテナ装置。
4. 誘電体で形成された基板と、
   前記基板の一方の面上に形成された、少なくとも水平偏波、垂直偏波、右旋回円偏波、左旋回円偏波のいずれかの偏波特性を有する、２つ以上の放射器パターンと、
   前記基板の他方の面上に形成された接地パターンと、
   前記２つ以上の放射器パターンのそれぞれに、直接または近接して配置された給電線とを備えた、高周波アンテナ装置。
5. 前記２つ以上の放射器パターンは、
   右旋回円偏波特性を有する第１の放射器パターンと、
   左旋回円偏波特性を有する第２の放射器パターンとを含んでいる、請求項４に記載の高周波アンテナ装置。
6. 前記２つ以上の放射器パターンのうちの少なくとも一対の放射器パターンは、お互いに鏡像関係の形状である、請求項５に記載の高周波アンテナ装置。
7. 前記２つ以上の放射器パターンのうちの少なくとも１つの放射器パターンは、十字型形状である、請求項５または６に記載の高周波アンテナ装置。
8. 前記２つ以上の放射器パターンは、
   水平偏波特性を有する第１の放射器パターンと、
   垂直偏波特性を有する第２の放射器パターンとを含んでいる、請求項４に記載の高周波アンテナ装置。
9. 前記放射器パターンを覆うように、接触してまたは対向して、保護用誘電体が配置されている、請求項１または４に記載の高周波アンテナ装置。
10. 前記保護用誘電体は、表面形状が曲率を有している、請求項９に記載の高周波アンテナ装置。
11. 請求項１に記載の高周波アンテナ装置を２つ備え、
    前記２つの高周波アンテナ装置を対向させて配置し、相互に情報を通信させる、通信システム。
12. 請求項４に記載の高周波アンテナ装置を２つ備え、
    前記２つの高周波アンテナ装置を対向させて配置し、相互に情報を通信させる、通信システム。
    

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