JP2007104025A - マイクロストリップアンテナ及び高周波センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 効率良く電波ビームの指向方向を切り替えるマイクロストリップアンテナを提供する。
【解決手段】 基板１の前面に複数のアンテナ電極２、３と高周波信号を供給する給電線路１０およびウィルキンソンカプラー６（分配器）を配置し、基板１の他面にグランドレベルを提供するための接地電極を配置したマイクロストリップアンテナであって、各アンテナ電極２、３には所定個所２Ａ、２Ｂに配置したスルーホール（接続部材）を介しアンテナ電極２、３と接地電極との間の接続を開閉するスイッチが接続されている。何れか一方のスイッチを操作することにより接地電極に接続されたアンテナ電極から放射される電波ビームの位相と、他の接地電極に接続されないアンテナ電極から放射される電波ビームの位相がずれ、アンテナ電極間における相互干渉がなく効率良く電波ビームの指向方向を切り替えることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、マイクロ波又はそれより高い周波数の電波を放射するマイクロストリップアンテナに関し、特に、複数のマイクロストリップアンテナから放射される統合的な電波ビームの指向方向を制御するための技術に関する。本発明はまた、マイクロストリップアンテナを用いた高周波センサに関する。

従来より、基板の表面と裏面にそれぞれアンテナ電極と接地電極を配置し、アンテナ電極と接地電極との間にマイクロ波の高周波信号を印加することによって、アンテナ電極から垂直方向へ電波を放射させるマイクロストリップアンテナが知られている。このマイクロストリップアンテナをアレイ化し、複数のマイクロストリップアンテナから放射される統合的な電波ビームの指向方向を制御するための技術として、次のようなものが知られている。例えば、特許文献１に記載されたものは、基板の表面に複数のアンテナ電極を配置し、高周波スイッチを切替えて各アンテナ電極への高周波信号の給電線路の長さを変えることにより、統合的な電波ビームの指向方向を変化させる。すなわち、複数のアンテナ電極への給電線路の長さを違えることによって、複数のアンテナ電極からそれぞれ放射される電波の間に位相差を生じさせ、位相が遅れたアンテナの方へ統合的な電波ビームの指向方向を傾ける。また、例えば、特許文献２に記載のものは、統合的な電波ビームの指向方向の異なるアンテナ電極を複数個配置し、高周波スイッチによって、高周波信号が印加されるアンテナ電極を切替えることによって、統合的な電波ビームの指向方向を変化させる。

マイクロストリップアンテナから放射される電波を用いた物体検知装置が知られている。この物体検知装置においては、上記のようにしてマイクロストリップアンテナからの統合的な電波ビームの指向方向を変化させることにより、統合的な電波ビームの指向方向が固定している場合に比較して、物体の位置や様子をより正確に検知することができるようになる。例えば、マイクロストリップアンテナから放射される統合的な電波ビームの指向方向をＸＹ方向に変えて２次元範囲をスキャンさせることにより、２次元範囲にわたる物体の有無や様子が把握できる。物体検知装置の用途には、例えば自動追尾ミサイルにおける目標検知や、便器装置における使用者検知など多岐にわたる。いずれの用途においても、マイクロストリップアンテナから放射される統合的な電波ビームの指向方向を変化させ得ることは、非常に有用である。例えば、便器装置における使用者検知装置の場合について述べれば、使用者の位置や状態がより正確に検知されれば、便器の洗浄装置や脱臭装置などをより適切に制御できる。ところで、使用者の状態を正確に把握する目的のみからは、むしろカメラの方が適しているかもしれないが、便器装置においてはカメラの使用は困難である。よって、電波を用いた物体検知装置で、統合的な電波ビームの指向方向を制御して使用者の様子をより正確に把握できるようにすることは、非常に重要である。因みに、日本においては、人体を検知する目的には１０．５２５ＧＨｚまたは２４．１５ＧＨｚ、また、車載用衝突防止の目的には７６ＧＨｚの周波数が使用可能である。

特開平７−１２８４３５号公報 特開平９−２１４２３８号公報

特許文献１や特許文献２で開示されている従来技術によれば、統合的な電波ビームの指向方向を変化させるために、高周波信号を伝播する給電線路をスイッチングにより切り替える必要がある。そのためには、使用される特定周波数の高周波信号に対するインピーダンスが所定の適正値に調整され伝送損失が少ない高周波スイッチを使用し適正な位置に接続する必要がある。しかしながら、周波数が高くなるほど給電線路と高周波スイッチの特性や接続状態のばらつき（例えば、基板の比率誘電率、高周波スイッチの性能、給電線路パターンのエッチング精度、及びスイッチの搭載位置等のばらつき）がアンテナ性能に大きく影響する。接続状態が悪いと高周波スイッチの接続部にて高周波信号の反射量が増大し、高周波スイッチを通過してアンテナへ供給される電力量が減少したり、位相量が変化して所望の方向へ電波ビームを放射することができなくなる。また、伝送損失の少ない高周波スイッチはかなり高価である。特に、統合的な電波ビームの指向方向を連続的または多段階に変化させる場合は多数の高周波スイッチが必要となる。しかしながら、例えば便器装置における使用者検知装置のような用途に高価な部品を多く使用することは実際的ではない。

従って、本発明の目的は、効率良く電波ビームの指向方向を切り替えるマイクロストリップアンテナを提供することにある。

本発明のマイクロストリップアンテナは、絶縁性の基板と、前記基板の一面に配置され、高周波信号を印加するための給電点をそれぞれもつ、複数のアンテナ電極と、前記複数のアンテナ電極に高周波信号を供給するための給電線路と、前記アンテナ電極の給電点前段に設けられる前記給電線路の分岐部に接続された分配器と、前記基板の他面又は内部に配置される、グランドレベルを提供するための接地電極と、前記複数のアンテナ電極のうちの少なくとも一つのアンテナ電極を、前記接地電極に接続するための前記給電点とは別の少なくとも一箇所に配置される接続部材と、前記複数のアンテナ電極のうちの少なくとも一つのアンテナ電極と前記接地電極との間の接続を開閉するスイッチとを備えている。前記接続部材は、前記少なくとも一つのアンテナ電極を平面視した場合に前記少なくとも一つのアンテナ電極が占める平面領域内に入る場所に配置され、その場所にて前記アンテナ電極と前記接地電極が接続される。
このマイクロストリップアンテナによれば、複数のアンテナ電極のうち、少なくとも一つのアンテナ電極をスイッチ操作により接地電極に接続すると、接地電極に接続されたアンテナ電極から放射される電波ビームの位相と、他の接地電極に接続されないアンテナ電極から放射される電波ビームの位相がずれるため、複数のアンテナ電極から放射される統合的な電波ビームの指向方向を切り替えることができる。このとき、複数のアンテナ電極へ高周波信号を伝播する給電線路の途中経路に高周波スイッチを接続する必要がないためアンテナ電極へ伝播される高周波信号の伝送損失は少なく、効率に優れる。また、スイッチに必要な性能として、アイソレーション（特定周波数の高周波波信号を遮断する特性）が良好であれば良く、高周波信号を良好に通過させる特性を持つ必要はなく、従来技術のように厳密な適正値の入力インピーダンスをもつことは不要であるから、高価な高周波スイッチは不要である。

好適な実施形態においては、前記分配器はウイルキンソンカプラーである。複数のアンテナ電極のうち、スイッチ操作により接地電極に接続されたアンテナ電極の給電点ではインピーダンス整合にズレが生じ反射電力が増加する。特に、位相を大きくずらす時に顕著である。給電線路を単純に分岐させ各アンテナ電極へ高周波信号を伝播させている場合、その影響が給電線路を介して接地電極に接続されないアンテナ電極におよび、統合的な電波ビームの放射電力が減少し効率が低下する。アンテナ電極の給電点の前段にある給電線路の分岐部にウイルキンソンカプラーを接続することで、接地電極に接続されたアンテナ電極の給電点にて生じた反射電力をウィルキンソンカプラーを構成する抵抗器にて消費させ、接地電極に接続されないアンテナ電極に影響を与えない作用が得られる。従って、アンテナ電極間における相互干渉がなく効率良く、電波ビームの指向方向を切り替えることができる。

好適な実施形態においては、前記接続部材は前記複数のアンテナ電極のうちの少なくとも一つのアンテナ電極の一箇所に対応する前記基板の箇所を貫通する導電性のスルーホールであって、前記複数のアンテナ電極のうちの少なくとも一つのアンテナ電極の一箇所に接続された一端と、前記接地電極との間の接続を開閉する前記スイッチに接続された他端とを有し、互いに接続が容易で製造上のばらつきが少ない。

好適な実施形態においては、前記スイッチは前記接続部材と前記接地電極との接続箇所に配置されている。このように配置されたスイッチは、アンテナ電極の背後に隠れることになるため、電波の放射特性に悪影響を与えない。

本発明はまた、上述した本発明に従うマイクロストリップアンテナを用いた送信アンテナと、前記送信アンテナから出力された電波の物体からの反射波又は透過波を受信するための、前記送信アンテナと同一物の又は前記送信アンテナとは別物の受信アンテナと、前記受信アンテナからの電気信号を受けて処理する処理回路とを備えた高周波センサも提供する。

本発明のマイクロストリップアンテナによれば、効率良く電波ビームの指向方向を切り替えることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明におけるマイクロストリップアンテナの実施の形態について説明する。図１は、複数のアンテナ電極を備えた一般的なマイクロストリップアンテナの斜視図である。

図１において、絶縁性の基板１の表面には、同じサイズで同じ矩形状のＡアンテナ電極２とＢアンテナ電極３が、形状的及び位置的に線対称の関係をもって、配置され、基板１の裏面にはほぼ全面に接地電極４が配置されている。
そして、Ａアンテナ電極２及びＢアンテナ電極３の同じ側の縁に設けられた給電点Ｐ、Ｐには、給電線路１０を通じて、例えば、１０．５２５ＧＨｚの高周波電圧Ｖｆが印加される。接地電極４は接地されてグランドレベルを提供する。Ａアンテナ電極２とＢアンテナ電極３への給電線路１０の長さは同じである。なお、給電点Ｐ、Ｐは、アンテナ電極２、３の縁ではなく、アンテナ電極２、３の縁から内奥へ或る距離だけ入った位置に配置される場合もある。このような構成によって、Ａアンテナ電極２及びＢアンテナ電極３からは、それぞれ、同一電界強度の電波ビーム７、８が基板１に対して垂直な指向方向で放射される。

図２は、本発明のマイクロストリップアンテナの電波走査原理を示す平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。

図２、３に示すマイクロストリップアンテナは、基板１とＡアンテナ電極２とＢアンテナ電極３と接地電極４と給電線路１０と分配器（以下、「ウィルキンソンカプラー」という）６と接続部材（以下、「スルーホール」という）５を有する。Ａアンテナ電極２とＢアンテナ電極３とは形状的及び位置的に線対称の関係にあり、励振方向が同じである。各アンテナ電極２、３には給電線路１０を介し高周波信号が伝播されるが、各アンテナ電極２、３の給電点Ｐ、Ｐの前段にある給電線路１０の分岐部にはＡアンテナ電極２とＢアンテナ電極３との相互干渉を防止するためウィルキンソンカプラー６が接続される。これに加えて、一方の電極、例えばＡアンテナ電極２、の或る一箇所２Ａが接地電極４に接続される。すなわち、Ａアンテナ電極２の上記一箇所２Ａに対応する基板１の箇所を導電体性のスルーホール５が貫通しており、このスルーホール５は、一端にてＡアンテナ電極２の上記一箇所に結合され、他端にて接地電極４に結合される。このように、Ａアンテナ電極２の上記一箇所２Ａは、スルーホール５を介して接地電極４に接続されている。このように接地電極４に接続される(又は、後に説明するスイッチやその他の電気回路により所望時に接地される）アンテナ電極の箇所を、「接地点」と呼ぶ。図２に示すアンテナ電極２、３の一辺の長さ（図中、上下方向）は、高周波信号の基板１での半波長λｇ/２と同じかやや小さく設計されている。ここで、λｇは、基板１を伝搬する高周波信号の波長である。また、真空中における高周波信号電波の波長をλ、基板１の誘電率をεｒとすると、λ＝εｒ^１/２・λｇである。図２に示す例では、接地点２Ａは、Ａアンテナ電極２の給電点Ｐの延長線上、且つＡアンテナ電極２の端面近傍に配置されている。Ａアンテナ電極２から発射される電波ビームの位相は、Ｂアンテナ電極３から発射される電波ビームの位相より進み、結果として、Ａアンテナ電極２とＢアンテナ電極３から放射される統合的な電波ビームの指向方向は、図２で矢印に示すようにＢアンテナ電極３の側へ傾く。このとき、接地電極４に接続されたＡアンテナ電極２の給電点Ｐではインピーダンス整合にズレが生じ反射電力が増加するが、Ａアンテナ電極２の給電点Ｐの前段にある給電線路１０の分岐部に接続されたウイルキンソンカプラー６にて、接地電極４に接続されたＡアンテナ電極２の給電点Ｐにて生じた反射電力を消費させ、接地電極４に接続されないＢアンテナ電極３に影響を与えない。従って、アンテナ電極間における相互干渉がなく効率に優れる。

図４は、本発明のマイクロストリップアンテナの第１の実施形態の平面図である。図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。

図４、５に示すマイクロストリップアンテナは、前述した図２、３のマイクロストリップアンテナのＡアンテナ電極２とＢアンテナ電極３の接地点２Ａ、２Ｂに対応する基板１の箇所を導電体性のスルーホール５が貫通しており、このスルーホール５は、一端にてＡアンテナ電極２とＢアンテナ電極３の上記一箇所に結合され、他端には各アンテナ電極２、３と接地電極４との間の接続を開閉するスイッチ９が接続されている。接地点２Ａ、２ＢはＡアンテナ電極２とＢアンテナ電極３の給電点Ｐ、Ｐの延長線上、且つＡアンテナ電極２とＢアンテナ電極３の端面近傍に配置されている。図４に示す例では、Ａアンテナ電極２にスルーホール５を介して接続されたスイッチ９を操作し、Ａアンテナ電極２と接地電極４を接続することにより、Ａアンテナ電極２から発射される電波ビームの位相は、Ｂアンテナ電極３から発射される電波のビームの位相より進み、結果として、Ａアンテナ電極２とＢアンテナ電極３から放射される電波ビームの指向方向が、図４で矢印に示すようにＢアンテナ電極３の側へ傾く。このとき、スイッチ９操作により接地電極４に接続されたＡアンテナ電極２の給電点Ｐではインピーダンス整合にズレが生じ反射電力が増加するが、Ａアンテナ電極２の給電点Ｐの前段にある給電線路１０の分岐部に接続されたウイルキンソンカプラー６にて、接地電極４に接続されたＡアンテナ電極２の給電点Ｐにて生じた反射電力を消費させ、接地電極４に接続されないＢアンテナ電極３に影響を与えない。従って、各アンテナ電極２、３にスルーホール５を介し接続されたスイッチ９を適宜、オン／オフすることにより、効率良く、電波ビームの指向方向を切り替えることができる。スイッチ９に必要な性能として、アイソレーション（高周波波信号を遮断する特性）が良好であれば良く、高周波信号を良好に通過させる特性を持つ必要はない。従って、半導体構造やＭＥＭＳ（中空）構造をもつ高周波スイッチの他にもソレノイド等のアクチュエータをスイッチ９として使用できる。

図６〜図８は、本発明のマイクロストリップアンテナの第２の実施形態の平面図である。

図６〜図８に示すように、基板１にＡアンテナ電極１１、Ｂアンテナ電極１２、Ｃアンテナ電極１３、及びＤアンテナ電極１４の４枚のアンテナ電極が２×２のマトリクス状に配置される。Ａアンテナ電極１１とＢアンテナ電極１２は形状的及び位置的に線対称の関係にあり、Ｃアンテナ電極１３とＤアンテナ電極１４も形状的及び位置的に線対称の関係にあり、アンテナ電極１１〜１４の励振方向は同じである。Ａアンテナ電極１１とＢアンテナ電極１２の電極パターンと、Ｃアンテナ電極１３とＤアンテナ電極１４のパターンは、形状において基本的に同一である。Ａアンテナ電極１１、Ｂアンテナ電極１２、Ｃアンテナ電極１３及びＤアンテナ電極１４への給電線路１０の長さは同一である。そして、Ａアンテナ電極１１とＢアンテナ電極１２とに分岐される給電線路１０部分と、Ｃアンテナ電極１３とＤアンテナ電極１４とに分岐される給電線路１０部分にウィルキンソンカプラー６が接続されている。Ａアンテナ電極１１の略中央の1箇所に接地点１１Ａ、Ｂアンテナ電極１２の略中央の1箇所に接地点１２Ａ、Ｃアンテナ電極１３の略中央の1箇所に接地点１３Ａ、Ｄアンテナ電極１４の略中央の1箇所に接地点１４Ａが配置され、各接地点１１Ａ〜１４Ａには（図示しない）スルーホールが貫通しており、（図示しない）接地電極と接続を開閉する（図示しない）スイッチ９が各アンテナ電極１１〜１４に接続されている。Ａアンテナ電極１１とＣアンテナ電極１３に接続された（図示しない）スイッチを操作し、Ａアンテナ電極１１とＣアンテナ電極１３を（図示しない）接地電極に接続すると、例えば図６の右向きの矢印のように、統合的な電波ビームの指向方向がＡ、Ｃアンテナ電極１１、１３からＢ、Ｄアンテナ電極１２、１４へ向かう方向へと変化する。

また、この実施形態において、Ａアンテナ電極１１とＢアンテナ電極１２に接続された（図示しない）スイッチを操作し、Ａアンテナ電極１１とＢアンテナ電極１２を（図示しない）接地電極に接続すると、例えば図７に示す下向きの矢印のように、統合的な電波ビームの指向方向がＡ、Ｂアンテナ電極１１、１２からＣ、Ｄアンテナ電極１３、１４へ向かう方向へと変化する。

また、この実施形態において、Ａアンテナ電極１１に接続された（図示しない）スイッチのみを操作し、Ａアンテナ電極１１のみを（図示しない）接地電極に接続すると、例えば図８に示す右斜め下向きの矢印のように、統合的な電波ビームの指向方向がＡアンテナ電極１１からＤアンテナ電極１４へ向かう方向へと変化する。

また、上記複数のアンテナ電極へ高周波信号を供給するための給電線路は、基板のアンテナ電極と同じ面上に設けられてもよいし、基板の内部或いは、基板のアンテナ電極とは反対側の面に設けられてもよい。給電ラインが基板の内部やアンテナ電極とは反対側の面に設けられた場合、給電線路とアンテナ電極との間の接続は、基板を貫通するスルーホールを通じて行うことができる。

上述した本発明に従うマイクロストリップアンテナは、物体の検知などのための高周波センサに応用できる。そのような高周波センサは、マイクロストリップアンテナを用いた送信アンテナと、送信アンテナから出力された電波の物体からの反射波又は透過波を受信するための受信アンテナと、受信アンテナからの電気信号を受けて処理する処理回路とを備えたる。ここで受信アンテナは送信アンテナとは別に設けることができるが、特に反射波を受信する場合には、送信アンテナを受信アンテナとしても用いることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。

複数のアンテナ電極を備えた一般的なマイクロストリップアンテナの斜視図である。 本発明のマイクロストリップアンテナの電波走査原理を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 本発明のマイクロストリップアンテナの第１の実施形態の平面図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 本発明のマイクロストリップアンテナの第２の実施形態において、電波ビームを右方向に傾ける方法を示す平面図である 同実施形態において、電波ビームを下方向に傾ける方法を示す平面図である。 同実施形態において、電波ビームを右斜め下方向に傾ける方法を示す平面図である。

符号の説明

１ 基板
２、１１ Ａアンテナ電極
３、１２ Ｂアンテナ電極
４ 接地電極
５ 接続部材（スルーホール）
６ 分配器（ウィルキンソンカプラー）
９ スイッチ
１０ 給電線路
１３ Ｃアンテナ電極
１４ Ｄアンテナ電極

Claims (3)

1. 絶縁性の基板と、
   前記基板の一面に配置され、高周波信号を印加するための給電点をそれぞれもつ、複数のアンテナ電極と、
   前記複数のアンテナ電極に高周波信号を供給するための給電線路と、
   前記アンテナ電極の給電点前段に設けられる前記給電線路の分岐部に接続された分配器と、
   前記基板の他面又は内部に配置される、グランドレベルを提供するための接地電極と、
   前記複数のアンテナ電極のうちの少なくとも一つのアンテナ電極を、前記接地電極に接続するための前記給電点とは別の少なくとも一箇所に配置される接続部材と、
   前記複数のアンテナ電極のうちの少なくとも一つのアンテナ電極と前記接地電極との間の接続を開閉するスイッチとを備えていることを特徴とする
   マイクロストリップアンテナ。
2. 前記分配器はウイルキンソンカプラーであることを特徴とする請求項１記載のマイクロストリップアンテナ。
3. 高周波の電波を出力するためのマイクロストリップアンテナを用いた送信アンテナと、前記送信アンテナから出力された電波の物体からの反射波又は透過波を受信するための、前記送信アンテナと同一物の又は前記送信アンテナとは別物の受信アンテナと、前記受信アンテナからの電気信号を受けて処理する処理回路とを備えた高周波センサにおいて、
   前記マイクロストリップアンテナが、
   絶縁性の基板と、
   前記基板の一面に配置され、高周波信号を印加するための給電点をそれぞれもつ、複数のアンテナ電極と、
   前記複数のアンテナ電極に高周波信号を供給するための給電線路と、
   前記アンテナ電極の給電点前段に設けられる前記給電線路の分岐部に接続された分配器と、
   前記基板の他面又は内部に配置される、グランドレベルを提供するための接地電極と、
   前記複数のアンテナ電極のうちの少なくとも一つのアンテナ電極を、前記接地電極に接続するための前記給電点とは別の少なくとも一箇所に配置される接続部材と、
   前記複数のアンテナ電極のうちの少なくとも一つのアンテナ電極と前記接地電極との間の接続を開閉するスイッチとを備えていることを特徴とする
   高周波センサ。
   
   
   

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