JP2008258852A - 平面アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ビームを傾けることなく反射特性を改善し、高効率な平面アレーアンテナを実現すること。
【解決手段】本発明のマイクロストリップアレーアンテナは、放射アンテナ素子１４の入力側に凹型の摂動素子１７を有している。放射アンテナ素子１４により発生する反射の反射電力をｐ１、反射位相をθ１とし、摂動素子１７により発生する反射の反射電力をｐ２、反射位相をθ２として、ｐ１＝ｐ２となる大きさの摂動素子１７を、θ２−θ１＝πとなる位置に設ける。このように摂動素子１７を設けると、放射アンテナ素子１４による反射と摂動素子１７による反射が相殺されるため、反射電力は極小となる。したがって、本発明のマイクロストリップアレーアンテナは高効率となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロストリップ線路等を用いた平面アレーアンテナに関する。特に、車載ミリ波レーダなどに適した高効率な平面アレーアンテナに関する。

図１１は、特許文献１に記載されているマイクロストリップアレーアンテナの構成を示した平面図である。裏面に接地板が形成された誘電体基板９２上にマイクロストリップ線路９３が形成され、マイクロストリップ線路９３の両側に、一定の間隔で長方形の放射アンテナ素子９４が配列されている。マイクロストリップ線路９３の側辺９３１側の放射アンテナ素子９４ａ〜ｅは、マイクロストリップ線路９３に対して４５度の角度を成して接続していて、側辺９３２側の放射アンテナ素子９４ｆ〜ｊは、マイクロストリップ線路９３に対して２２５度の角度を成して接続している。また、放射アンテナ素子９４は、一つの頂角付近でのみマイクロストリップ線路９３に接続している。

各放射アンテナ素子９４への給電によって発生する反射は、極微小な値であるとして無視して設計するか、あるいは、非特許文献１に記載のように、アンテナのビーム中心を数度傾けることで抑制する。非特許文献１では、各放射アンテナ素子９４の配列間隔を一定値だけ等しくずらすことにより、各放射アンテナ素子９４からの反射の反射位相を互いにずらし、位相分散効果で打ち消し合わせることで反射を抑制している。
特許第３３０６５９２号 R&D ReView of Toyota CRDL, vol.37, No.2, pp.7-12

しかし、各放射アンテナ素子９４の反射を無視して設計すると、個々の放射アンテナ素子９４の反射量は小さくとも、その反射が同相で合成されることによりアンテナ全体での反射量は大きくなる。そのため、各放射アンテナ素子９４の反射を無視して設計された従来のマイクロストリップアレーアンテナは、車載ミリ波レーダ用のアンテナなどのように利得も重要視される用途としては適さないという問題がある。

一方、ビームを傾けることで反射特性を改善する方法では、ビームが地面に対して平行になるようアンテナを取り付けることが難しい。これを解決するためにビームを水平に維持するための基準面を設ける方法があるが、製造技術的な困難さからコストの上昇を招いてしまう。

そこで本発明の目的は、ビームを傾けることなく反射を抑制した、高効率な平面アレーアンテナを提供することにある。

第１の発明は、誘電体基板と、その誘電体基板上に形成された導体と、によって形成されたアレーアンテナにおいて、アレーアンテナは、線状に配設された給電線路と、給電線路の両側辺のうち少なくとも一方の側辺に沿って所定間隔で、その側辺から接続配列された複数の短冊形状の放射アンテナ素子と、で構成されていて、各放射アンテナ素子は、長さがあらかじめ設定された動作周波数における給電線路を伝搬する電磁波長（管内波長）の１／２×０．８〜１／２×１．２の整数倍であり、幅が所望の指向特性を提供するようにあらかじめ設定された各放射アンテナ素子の励振振幅の位置に関する分布に対応した幅の分布を有し、一端が給電線路と接続され、他端が開放されており、各放射アンテナ素子は、すべて平行な偏波を放射し、給電線路の各放射アンテナ素子に対して入力側または出力側のどちらか一方に、凸型または凹型の摂動素子を有し、摂動素子は、放射アンテナ素子により発生する反射の反射位相と、摂動素子により発生する反射の反射位相とが（２ｎ＋１）π（ｎは整数）異なる位置に設置されていることを特徴とする平面アレーアンテナである。

給電線路は、マイクロストリップ線路、スロット線路、コプレーナ線路、コプレーナ・ストリップ線路など、さまざまな伝送線路を用いることができる。また、伝送線路の形態に応じて、放射アンテナ素子を導体で構成してもよいし、スロットで構成してもよい。

放射アンテナ素子の長さは管内波長の略１／２（１／２×０．８〜１／２×１．２）の整数倍であればよいが、１／２の整数倍であればより望ましい。

摂動素子の形状は特に限定されず、長方形、三角形などの形状を用いることができる。凸型の摂動素子を設ける場合は、その摂動素子による放射を抑制するために、給電線路に対して線対称になるように２つの凸型の摂動素子を設けてもよい。摂動素子の位置は、反射位相の差が厳密に（２ｎ＋１）π異なる位置である必要はなく、略（２ｎ＋１）π（（２ｎ＋１）π−π／１０〜（２ｎ＋１）π＋π／１０）であればよい。

放射アンテナ素子は、給電線路に対して平行でなければどのような角度で配列されていてもよい。放射アンテナ素子からは、放射アンテナ素子と給電線路が成す角度に応じた偏波面を持つ電波が放射される。

第２の発明は、第１の発明において、摂動素子は、放射アンテナ素子により発生する反射の電力と、摂動素子により発生する反射の電力とが等しくなる大きさに設定されていることを特徴とする平面アレーアンテナである。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明において、放射アンテナ素子は、給電線路の一方の辺に沿って形成された第１放射アンテナ素子と、前記給電線路の他方の辺に沿って形成され、前記第１放射アンテナ素子と平行に形成された第２放射アンテナ素子とからなることを特徴とする平面アレーアンテナである。

第４の発明は、第３の発明において、第２放射アンテナ素子のそれぞれは、第１放射アンテナ素子に対して第１放射アンテナ素子の配列間隔の１／２ずれて配置されていることを特徴とする平面アレーアンテナである。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明において、平面アレーアンテナは、背面に導体の接地板が形成された誘電体基板と、ストリップ導体である給電線路および各放射アンテナ素子からなるマイクロストリップアレーアンテナであることを特徴とする平面アレーアンテナである。

第１の発明では、放射アンテナ素子による反射の反射位相と、摂動素子による反射の反射位相が逆相となる位置に摂動素子を設けたことにより、放射アンテナ素子による反射量を減少させることができる。そのため、ビームを傾けることなく高効率な平面アレーアンテナを実現することができる。また、反射が抑制される結果として、放射アンテナ素子の放射量が大きくなるため、従来よりも放射アンテナ素子の横幅を狭くすることができ、交差偏波レベルを抑制できる。

第２の発明では、放射アンテナ素子による反射の反射位相と摂動素子による反射の反射位相が逆相で、かつ、放射アンテナ素子による反射の電力と摂動素子による反射の電力が等しいので、反射は相殺される。その結果、放射アンテナ素子による反射量を極小とすることができ、さらに高効率な平面アレーアンテナを実現することができる。

第３の発明のように、一方の辺に配列された第１放射アンテナ素子と、他方の辺に配列された第２放射アンテナ素子とを平行に構成することで、平面アレーアンテナの放射能力、受信感度を向上させることができる。さらに、第４の発明のように、給電線路の両側に、交互に放射アンテナ素子を所定の間隔で配列することで、より平面アレーアンテナの効率を向上できる。

また、第５の発明のように、本発明の平面アレーアンテナにおいて、給電線路としてマイクロストリップ線路を用いることができる。

以下、本発明の具体的な実施例を図を参照にしながら説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のマイクロストリップアレーアンテナ１の構成を示す図、図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３は、図２（ａ）のＢ部について拡大して示した図である。一方の面に接地板１１が形成された誘電体基板１２上に、直線上に延びた給電ストリップ線路１３（本発明の給電線路）と、その給電ストリップ線路１３から突出した短冊形状の放射アンテナ素子１４ａ〜ｊが形成されている。

給電ストリップ線路１３の側辺１３１には、短冊形状の放射アンテナ素子１４ａ〜ｅが、給電ストリップ線路１３に対して垂直に突設されている。各放射アンテナ素子１４ａ〜ｅの間隔ｄは、動作周波数における給電ストリップ線路１３の管内波長λｇであり、各放射アンテナ素子１４ａ〜ｅの長さＬ（給電ストリップ線路１３に対して垂直方向の長さ）は、約λｇ／２に設定されている。

また、給電ストリップ線路１３の他方の側辺１３２には、短冊形状の放射アンテナ素子１４ｆ〜ｊが、給電ストリップ線路１３に対して垂直に突設されていて、各放射アンテナ素子１４ａ〜ｅと、各放射アンテナ素子１４ｆ〜ｊとはｄ／２ずれて配置されている。各放射アンテナ素子１４ｆ〜ｊの長さは放射アンテナ素子１４ａ〜ｅの長さと同じＬである。

各放射アンテナ素子ａ〜ｅの入力側（図２（ａ）の左側）手前であって、側辺１３２側には、給電ストリップ線路１３に切り込まれた凹型で方形状の摂動素子１７ａ〜ｅが、各放射アンテナ素子１４ｆ〜ｊの入力側手前であって、側辺１３１側には、給電ストリップ線路１３に切り込まれた凹型で方形状の摂動素子１７ｆ〜ｊが設けられている。

入力端１５から入力された電力は、その一部が放射アンテナ素子１４ａ、１４ｆ、１４ｂ・・・ と順次結合して放射され、残された電力は進行方向（図２の右方向）に伝搬し徐々に減衰し、残留電力は終端１６に到達する。電波は主に放射アンテナ素子１４ａ〜ｊの開放端から放射され、給電ストリップ線路１３に垂直な方向の偏波である。終端１６には、残留電力を吸収するための整合終端素子や、有効に電力を放射するためのアンテナ素子を設けてもよい。

この動作の様子を放射アンテナ素子１４単体について模式的に示したのが、図４である。入力側（図４の左側）から入力された電力は、その一部が放射アンテナ素子１４に結合し放射され、残された電力の大部分は出力側（図４の右側）に透過する。また、電力の一部は、インピーダンス不整合により入力端に反射される。すなわち、放射アンテナ素子１４からの放射量は、放射量＝入力−透過量−反射量という式で表され、入力に対する透過量、反射量が求まれば一意に求まる。

放射アンテナ素子１４の放射量は、その放射アンテナ素子１４の横幅Ｗで決定することができる。したがって、所定の放射量となるよう各放射アンテナ素子１４ａ〜ｊの横幅Ｗを決定することで、所望の指向性を有したマイクロストリップアレーアンテナ１を得ることができる。たとえば、利得やサイドローブレベルなどを目的に応じたものにすることができる。なお、横幅Ｗが大きいほど結合度が大きくなり、放射量が大きくなる。

ここで、実施例１のマイクロストリップアレーアンテナ１では、摂動素子１７を設けることにより、反射量を抑制している。摂動素子１７を設けると、その摂動素子１７によって入力側に反射が生じる。この反射量は、摂動素子１７の大きさによって決まる。そこで、放射アンテナ素子１４により発生する反射の反射電力をｐ１、反射位相をθ１とし、摂動素子１７により発生する反射の反射電力をｐ２、反射位相をθ２として、ｐ１＝ｐ２となる大きさの摂動素子１７を、θ２−θ１＝πとなる位置に設けることで、放射アンテナ素子１４による反射と摂動素子１７による反射を相殺させ、入力側への反射を抑制している。

なお、摂動素子１７により発生する放射は非常に微小であるため、指向性への影響は無視できる。また、θ２−θ１＝πとなる位置に限らず、θ２−θ１＝（２ｎ＋１）π（ｎは整数）となる位置であれば、反射を抑制できる。また、θ２−θ１＝（２ｎ＋１）πとなる位置であれば、放射アンテナ素子１４の出力側（図２（ａ）の右側）に摂動素子１７を設けてもよい。入力側に摂動素子１７を設けた場合と同様に、反射を抑制することができる。

また、反射が抑制される結果として、放射アンテナ素子１４の放射量が大きくなるため、従来よりも横幅Ｗを狭くすることができ、交差偏波レベルを抑制できる。

以上のように、実施例１のマイクロストリップアレーアンテナ１は、放射アンテナ素子１４による反射が摂動素子１７により抑制されているため高効率であり、かつ、ビームが正面方向（図２（ａ）の紙面垂直方向）のアンテナである。

図５は、マイクロストリップアレーアンテナ１の構成において、放射アンテナ素子１４を１つとし、動作周波数を７６．５ＧＨｚとして設計した場合の反射特性について示している。また、比較例として、摂動素子１７がない場合の反射特性も示している。横軸は周波数、縦軸は反射係数である。摂動素子１７を設けたことにより、周波数７５〜７８ＧＨｚにおいて大幅に反射特性が改善されていることがわかる。

図６は、実施例２のマイクロストリップアレーアンテナ２の一部について、拡大して示した図である。実施例１と異なるのは、摂動素子を凹型ではなく給電ストリップ線路２３の外側に突出した凸型の摂動素子２７としている点である。凸型の摂動素子２７は、凹型に比べて放射量が大きいので、給電ストリップ線路２３に対して線対称になるよう２つの凸型の摂動素子２７を設けている。このように構成すると、摂動素子２７による放射が抑制できるため、片側にのみ摂動素子２７を設けた場合よりも望ましい。摂動素子２７の位置、大きさは、放射アンテナ素子２４による反射の反射電力と２つの摂動素子２７による反射の反射電力が等しくなる大きさで、放射アンテナ素子２４による反射の反射位相と摂動素子２７による反射の反射位相が、（２ｎ＋１）π異なる位置である。

以上のようにして構成されたマイクロストリップアレーアンテナ２は、実施例１のマイクロストリップアレーアンテナ１と同様に高効率なアンテナとなる。

実施例１、２では給電ストリップ線路に対して垂直に放射アンテナ素子を配置しているが、本発明はそれらの角度に限定されるものではなく、給電ストリップ線路に対する放射アンテナ素子の角度を任意の値とすることで、給電ストリップ線路に対して任意の角度の偏波面を有する、高効率な平面アレーアンテナを実現できる。

たとえば、図７に示すマイクロストリップアレーアンテナでは、給電ストリップ線路３３の側辺３３１側の放射アンテナ素子３４ａは給電ストリップ線路３３に対して４５度の角度を成して配置され、給電ストリップ線路３３の側辺３３２側の放射アンテナ素子３４ｂは給電ストリップ線路３３に対して２２５度の角度を成して配置されている。また、放射アンテナ素子３４は、１つの頂角において、給電ストリップ線路３３と接続している。凹型の摂動素子３７の位置、大きさは実施例１と同じ条件である。

放射アンテナ素子３４は、主に開放端から給電ストリップ線路３３に対して４５度の方向に偏波面を持つ電波を放射するので、給電ストリップ線路３３に対して４５度の偏波面を有する、高効率な平面アレーアンテナを実現することができる。

実施例１、２では、給電線路としてマイクロストリップ線路を用いているが、他の伝送線路を用いてもよい。たとえば、図８は、２本のストリップ線路４３ａ、ｂが一定の間隔で平行に誘電体基板１２上に配置されたコプレーナ・ストリップ線路を用いた本発明の平面アレーアンテナである。ストリップ線路４３ａに接続する放射アンテナ素子４４ａの入力側には、ストリップ線路４３ａに切り込まれた凹型の摂動素子４７ａが設けられ、ストリップ線路４３ｂに接続する放射アンテナ素子４４ｂの入力側には、ストリップ線路４３ｂに切り込まれた凹型の摂動素子４７ｂが設けられている。図９は、スロット線路５３を用いた本発明の平面アレーアンテナである。放射アンテナ素子５４はスロットにより構成されていて、放射アンテナ素子５４の入力側には、接地板５１がスロット線路５３側に突出した凸型の摂動素子５７が設けられている。図１０は、ストリップ線路６３と、グランド６１ａ、ｂが一定の間隔で配置されたコプレーナ線路を用いた本発明の平面アレーアンテナである。放射アンテナ素子６４はスロットにより構成されていて、放射アンテナ素子６４の入力側には、ストリップ線路６３から外側に突出した摂動素子６７が設けられている。

また、実施例１、２では、摂動素子の形状を長方形としているが、どのような形状を用いてもよい。たとえば、凹型または凸型の三角形の摂動素子としてもよい。

また、実施例１、２では、給電ストリップ線路の両辺に放射アンテナ素子を設けているが、片方の辺にのみ放射アンテナ素子を設けてもよい。

本発明は、車載ミリ波レーダなどに用いることができる。

マイクロストリップアレーアンテナ１の構成を示した図。 マイクロストリップアレーアンテナ１の平面図と断面図。 マイクロストリップアレーアンテナ１の一部を拡大して示した図。 放射アンテナ素子の動作を模式的に示した図。 反射特性について示した図。 マイクロストリップアレーアンテナ２の一部を拡大して示した図。 マイクロストリップアレーアンテナの一部を拡大して示した図。 コプレーナ・ストリップ線路を給電線路とした本発明の平面アレーアンテナを示した図。 スロット線路を給電線路とした本発明の平面アレーアンテナを示した図。 コプレーナ線路を給電線路とした本発明の平面アレーアンテナを示した図。 従来のマイクロストリップアレーアンテナの構成を示した図。

符号の説明

１、２：マイクロストリップアレーアンテナ
１１：接地板
１２：誘電体基板
１３、２３：給電ストリップ線路
１４、２４：放射アンテナ素子
１７、２７：摂動素子

Claims (5)

1. 誘電体基板と、その誘電体基板上に形成された導体と、によって形成された平面アレーアンテナにおいて、
   前記アレーアンテナは、
   線状に配設された給電線路と、
   前記給電線路の両側辺のうち少なくとも一方の側辺に沿って所定間隔で、その側辺から接続配列された複数の短冊形状の放射アンテナ素子と、
   で構成されていて、
   前記各放射アンテナ素子は、長さがあらかじめ設定された動作周波数における前記給電線路を伝搬する電磁波長の１／２×０．８〜１／２×１．２の整数倍であり、幅が所望の指向特性を提供するようにあらかじめ設定された前記各放射アンテナ素子の励振振幅の位置に関する分布に対応した幅の分布を有し、一端が前記給電線路と接続され、他端が開放されており、
   前記各放射アンテナ素子は、すべて平行な偏波を放射し、
   前記給電線路の前記各放射アンテナ素子に対して入力側または出力側のどちらか一方に、凸型または凹型の摂動素子を有し、
   前記摂動素子は、前記放射アンテナ素子により発生する反射の反射位相と、前記摂動素子により発生する反射の反射位相とが（２ｎ＋１）π（ｎは整数）異なる位置に設置されていることを特徴とする平面アレーアンテナ。
2. 前記摂動素子は、前記放射アンテナ素子により発生する反射の電力と、前記摂動素子により発生する反射の電力とが等しくなる大きさに設定されていることを特徴とする請求項１に記載の平面アレーアンテナ。
3. 前記放射アンテナ素子は、前記給電線路の一方の辺に沿って形成された第１放射アンテナ素子と、前記給電線路の他方の辺に沿って形成され、前記第１放射アンテナ素子と平行に形成された第２放射アンテナ素子とからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の平面アレーアンテナ。
4. 前記第２放射アンテナ素子のそれぞれは、前記第１放射アンテナ素子に対して前記第１放射アンテナ素子の配列間隔の１／２ずれて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の平面アレーアンテナ。
5. 前記平面アレーアンテナは、背面に導体の接地板が形成された前記誘電体基板と、ストリップ導体である前記給電線路および前記各放射アンテナ素子からなるマイクロストリップアレーアンテナであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の平面アレーアンテナ。

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