JP2009212727A - レーダ用アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】電波発射禁止帯等の特定周波数帯への放射を抑制しつつ、広帯域で且つ広いレーダ検知角が得られるようにする。
【解決手段】誘電体体基板２１の一面側に地板導体２２を設け、その反対面側にアンテナ素子２３を形成する。誘電体基板２１をその厚さ方向に沿って貫通する金属ポスト３０を所定間隔で並べて形成した一対のポスト壁３１ａ、３１ｂで、アンテナ素子２３を挟む対向壁面型のキャビティ３１を構成して、ポスト壁３１ａ、３１ｂの延び方向へのビーム幅を広げた状態で特定周波数帯にノッチを発生させ、さらに誘電体基板２１の反対面側に、ポスト壁３１ａ、３１ｂをそれぞれ形成する複数の金属ポスト３０の他端側をその並び方向に沿って短絡し、且つアンテナ素子２３方向に所定距離延びた一対のリム導体３２ａ、３２ｂにより表面波を抑圧している。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載用あるいは携帯用のレーダとして今後使用されるＵＷＢ（Ultra Wide Band）のレーダに適したアンテナにおいて、電波発射禁止帯（２３．６〜２４．０ＧＨｚ）へ放射を抑制しつつ、広いレーダ検知角を得るための技術に関する。

主に車載用あるいは携帯用の近距離用レーダとして、２２〜２９ＧＨｚの準ミリ波帯であるＵＷＢを利用することが提案されている。

このＵＷＢで使用されるレーダ装置のアンテナとしては、放射特性が広帯域であることの他に、車載時に車体とバンパーとの隙間に設置されること等を考慮して、小型で且つ薄型平面構造であることが必要である。

また、ＵＷＢで規定されている微弱電力で探査が行え、バッテリ駆動可能なように無駄な電力消費を抑えるために、低損失、高利得が要求され、そのためのアレー化が容易に達成できることが必要である。

また、低コスト化のため、アンテナ素子や給電部がパターン印刷技術で構成できる構造あることが望ましい。

さらに、国際無線通信規則（ＲＲ）によって、２３．６〜２４．０ＧＨｚの範囲が、地球探査衛星（ＥＥＳＳ）のパッシブセンサーなどを保護するための電波発射禁止帯と定められており、このため準ミリ波帯ＵＷＢのアンテナについてもこの周波数帯の電波放射が小さくなることが望ましい。

これらの要求に答えるアンテナとして、本願出願人は、誘電体基板の一面側に地板導体を重なり合うように設け、誘電体基板の反対面に一対のアンテナ素子を形成し、さらに、金属ポストを波長に比べて十分狭い間隔でアンテナ素子の周りを全周にわたって囲むように並べて設けて電波発射禁止帯で利得にノッチを生じさせるキャビティ構造とし、さらに金属ポストの端側をその並び方向に沿って短絡し、且つアンテナ素子方向に所定距離延びた枠状導体を設けて、表面波を抑制する技術を、次の特許文献１、特許文献２において提案している。

国際公開 ＷＯ ２００６／０５１９４７ Ａ１ 国際公開 ＷＯ ２００７／０５５０２８ Ａ１

上記構造のアンテナは、アンテナ素子の周りを一周するように金属ポストを並べた閉鎖型のキャビティ構造を有しているため、電波発射禁止帯におけるノッチを大きく取れる利点がある。

しかしながら、上記のように閉鎖型のキャビティで、直線偏波型のアンテナ素子（例えばダイポール型）を囲んだ場合、アンテナ素子の並び方向（Ｅ面）だけでなく、それと直交する方向（Ｈ面）のビーム幅が狭くなる。一般的に車載用等のレーダの場合、Ｈ面が水平面となるように設置するため、レーダとしての検知幅が不足するという新たな問題が生じる。

本発明は、この問題を解決して、広帯域で電波発射禁止帯等の特定周波数帯への放射を抑制しつつ、広いレーダ検知角が得られるレーダ用アンテナを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１記載のレーダ用アンテナは、
誘電体基板（２１）と、
前記誘電体基板の一面側に重なり合う地板導体（２２）と、
前記誘電体基板の反対面に形成されたアンテナ素子（２３、５３）と、
一端側が前記地板導体に接続され、前記誘電体基板をその厚さ方向に沿って貫通し、他端側が前記誘電体基板の反対面まで延びた金属ポスト（３０）を所定間隔で並べて形成した一対のポスト壁（３１ａ、３１ｂ）で、前記アンテナ素子を挟むことにより構成した対向壁面型のキャビティ（３１）と、
前記誘電体基板の反対面側に、前記一対のポスト壁をそれぞれ形成する複数の金属ポストの他端側をその並び方向に沿って短絡し、且つ前記アンテナ素子方向に所定距離延びた一対のリム導体（３２ａ、３２ｂ）とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２のレーダ用アンテナは、請求項１記載のレーダ用アンテナにおいて、
前記アンテナ素子が、
前記誘電体基板の反対面に直線上に並ぶように形成された一対の素子片（２３ａ、２３ｂ）からなるダイポール型であり、
前記対向壁面型のキャビティの一対のポスト壁は、前記アンテナ素子を前記素子片の並び方向に沿った方向から挟むことを特徴とする。

また、本発明の請求項３のレーダ用アンテナは、請求項１記載のレーダ用アンテナにおいて、
前記アンテナ素子が円偏波型であることを特徴とする。

また、本発明の請求項４のレーダ用アンテナは、請求項１〜３のいずれかに記載のレーダ用アンテナにおいて、
前記誘電体基板の前記対向壁面型のキャビティの一対のポスト壁が延びている方向の幅（Ｌｘ）が、前記ポスト壁の間隔（Ｌｗ）より狭く形成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５のレーダ用アンテナは、
前記請求項１〜４のいずれかのレーダ用アンテナを、共通の誘電体基板上に前記ポスト壁の延びている方向と直交する方向に複数組並べてアレー化したことを特徴とする。

本発明のレーダ用アンテナは、上記したように、複数の金属ポストを所定間隔で並べて形成した一対のポスト壁で、アンテナ素子を挟む対向壁面型のキャビティ構造とし、その一対のポスト壁をそれぞれ形成する複数の金属ポストの他端側をその並び方向に沿って短絡し、且つアンテナ素子方向に所定距離延びた一対のリム導体を備える構造である。

このため、ダイポール型のような直線偏波アンテナの場合には、電界の集中する素子片の並び方向（電界面）について一対のポスト壁が有効な共振特性を示し、ＵＷＢにおける発射禁止帯等の特定帯域に大きなノッチを生じさせるとともに、磁界面側を壁面で挟まなくて済むのでその幅をノッチ周波数と無関係に狭くすることができ、レーダとしての検知幅を格段に広くすることができる。また、それによってアンテナを小型化でき、車載用あるいは携帯用としてさらに好適となる。

また、例えばスパイラル素子を用いた円偏波型のアンテナ素子の場合においても、一対のポスト壁による共振特性を示すことが確認されており、ＵＷＢにおける発射禁止帯等の特定帯域に大きなノッチを生じさせるとともに、レーダとしての検知幅を格段に広くすることができる。また、それによってアンテナを小型化でき、車載用あるいは携帯用としてさらに好適となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１〜図４は、本発明を適用したＵＷＢに適したレーダ用アンテナ２０（以下、単にアンテナ２０と記す）の構造を示している。

（第１の実施形態）
このアンテナ２０は、誘電体基板２１と、その誘電体基板２１の一面側に重なり合う地板導体２２と、誘電体基板２１の反対面に直線上（ｙ方向）に並ぶように形成された一対の素子片２３ａ、２３ｂからなるダイポール型のアンテナ素子２３と、一端側が地板導体２２に接続され、誘電体基板２１をその厚さ方向（ｚ方向）に沿って貫通し、他端側が誘電体基板２２の反対面まで延びた金属ポスト３０を管内波長に比べて十分狭い間隔で基板幅方向（ｘ方向）に並べて形成した一対のポスト壁３１ａ、３１ｂで、アンテナ素子２３を素子片２３ａ、２３ｂの並び方向に沿った方向から挟むことにより構成した対向壁面型のキャビティ３１と、誘電体基板２１の反対面側に、一対のポスト壁３１ａ、３１ｂをそれぞれ形成する複数の金属ポスト３０の他端側をその並び方向に沿って短絡し、且つアンテナ素子２３方向に所定距離延びた一対のリム導体３２ａ、３２ｂとを備えている。

さらに具体的にいえば、このアンテナ２０は、例えば低誘電率（３．５前後）の縦長矩形の基板で厚さ１．２ｍｍの誘電体基板２１と、その誘電体基板２１の一面側（図１、図２で背面側）に設けられた地板導体２２と、誘電体基板２１の反対面側（図１、図２で前面側）にパターン形成された励振用のダイポール型のアンテナ素子２３と、アンテナ素子２３に給電するための一対の給電ピン２５ａ、２５ｂとを有している。

アンテナ素子２３は、広帯域な特性が得られる所謂ボウタイ型のもので、誘電体基板２１の長手方向（ｙ方向）に沿って並んだ一対の三角形状の素子片２３ａ、２３ｂにより形成されていて、その一方の素子片２３ａに接続された給電ピン２５ａは誘電体基板２１をその厚さ方向（ｚ方向）に貫通して地板導体２２の穴２２ａを通過し、他方の素子片２３ｂに接続された給電ピン２５ｂは誘電体基板２１をその厚さ方向に貫通して地板導体２２に接続されている。

ここでダイポール型のアンテナ素子２３は平衡型であるのに対し給電が不平衡型であるので本来であればバランを介してアンテナ素子２３と給電ピン２５ａ、２５ｂの間を接続する必要があるが、給電ピン２５ａに接続される同軸ケーブルの配線あるいは伝送線路を適宜工夫することでバランを用いなくても実質的に平衡型と同等の給電を行うことができ、アンテナ素子２３を直線偏波で励振駆動できる。

ただし、広帯域化のために誘電体基板２１の厚みが伝搬波長の１／４程度と比較的大きいため、誘電体基板２１の表面に沿った表面波が励振され、その表面波の影響により所望特性が得られない。

これを解決する技術として、前記した特許文献１、２では、アンテナ素子の周りを一周するように金属ポストを波長に比べて十分狭い間隔で並べた閉鎖型のキャビティ構造を採用し、そのキャビティの共振現象により、アンテナ利得の周波数特性が電波発射禁止帯で鋭い落ち込み（ノッチ）を生じるようにするとともに、それらの複数の金属ポストの先端側を短絡する枠状導体により誘電体基板２１の表面に沿った表面波の影響を抑制していた。しかし、その従来構造では、アンテナ素子２３によって励振される直線偏波の電界面（Ｅ面）、即ち、アンテナ素子２３の素子片２３ａ、２３ｂの並び方向だけでなく、それに直交する磁界面（Ｈ面）の方向のビーム幅が狭くなり、レーダとして広い検知幅が得られない。

そこで、この実施形態のアンテナ２０では、直線偏波の場合、キャビティ内の電界がＥ面方向（即ち、ダイポール型でアンテナ素子２３を構成する一対の素子片２３ａ、２３ｂの並ぶｙ方向）に集中している点に着目し、金属ポスト３０によって形成されるキャビティ構造を、アンテナ素子２３の全周を囲む閉鎖構造から、前記したように、細い（例えば０．３ｍｍ）の金属ポスト３０を使用する電波の波長に比べて十分狭い間隔（例えば０．９ｍｍ）で直線的に並べて形成した一対のポスト壁３１ａ、３１ｂにより、アンテナ素子２３をＥ面方向、即ち、一対の素子２３ａ、２３ｂの並び方向（ｙ方向）から挟む対向壁面型のキャビティ構造としている。なお、ポスト壁３１ａ、３１ｂの間隔Ｌｗは９ｍｍとしている。

このようにＥ面方向の対向壁で構成されたキャビティ構造を採用することで、特定周波数帯でノッチを生じさせた状態で、誘電体基板２１の幅をポスト壁の間隔Ｌｗより狭くすることができ、それに伴って水平面（ｘｚ面）のレーダ検知幅を格段に広げることができる。

また、金属ポスト３０によってアンテナ素子２３をＥ面方向から挟む対向壁面型のキャビティ構造を形成していることに伴い、誘電体基板２１の表面側において、一方の壁を形成する複数の金属ポスト３０の一端側を短絡するリム導体３２ａと、他方の壁を形成する複数の金属ポスト３０の一端側を短絡するリム導体３２ｂが分離された構造となっている。

なお、この金属ポスト３０は、例えば誘電体基板２１に貫通する穴の内壁にメッキ加工（スルーホールメッキ）することで実現されている。

また、リム導体３２ａ、３２ｂの金属ポスト３０からアンテナ素子方向の幅（有効リム幅）は、表面波の波長のほぼ１／４（例えば１．２ｍｍ前後）に相当している。つまり、この有効リム幅の部分は、その先端側からポスト壁側を見たとき、表面波に対してインピーダンス無限大のπ／４伝送路を形成する。したがって、表面に沿った電流が流れないことになり、この電流阻止作用によって表面波が抑圧され、放射特性の暴れを防いでいることになる。

ただし、この実施形態では、図２に示しているように、リム導体３２ａ、３２ｂの両端の有効リム幅Ｌ１を小さく（例えば０．２６ｍｍ）中央の有効リム幅Ｌ２を最大（例えば１．２６ｍｍ）となるように山型に変化させてノッチ幅を広げているが、幅を１．２ｍｍ程度で一定にしてもよい。

上記実施形態では、アンテナ素子２３が、２等辺３角形の素子片２３ａ、２３ｂを、その頂点が近接する状態で対称に配置したボウタイアンテナの例を示したが、素子片形状が帯板あるいは菱形等であってもよい。

（第２の実施形態）
上記実施形態のアンテナ２０はアンテナ素子２３が一つのものであったが、図５、図６に示すアンテナ２０′のように、前記構造アンテナを縦長の共通の誘電体基板２１′およびそれに対応した地板導体２２′に、ポスト壁の延びている方向と直交する方向（この例では素子片２３ａ、２３ｂの並び方向が一直線上に揃うように）に複数組（この例では４組）並べてアレー化し、各アンテナ素子２３に同相給電することで、水平面（ｘｚ面）の広いレーダ検知幅を維持しつつ高利得が得られる。

図７は、この実施形態のアンテナ２０′で、誘電体基板２１′の幅Ｌｘを変えたときのＨ面（水平面）の指向性の変化を示すものであり、内寸Ｌｗ＝９ｍｍの閉鎖型のキャビティ構造を有する従来アンテナの半値幅（３ｄＢ幅）が７０度であるのに対し、実施形態のアンテナ２０′でＬｘ＝９ｍｍにしたとき７８度、Ｌｘ＝６ｍｍにしたとき９６度、Ｌｘ＝３ｍｍにしたとき１２６度の半値幅が得られている。

図８は、誘電体基板２１′の幅Ｌｘを変えたときの利得の周波数特性を示している。この図からキャビティが閉鎖型から対向壁型になったことで、利得の若干の低下は認められるが、電波発射禁止帯におけるノッチは十分の深さが得られている。

このＥ面方向の対向壁で構成されたキャビティ構造を採用することで、誘電体基板２１′の幅を、ポスト壁の間隔Ｌｗより狭くすることができ、それに伴ってレーダ検知幅を格段に広げることができる。

なお、このアンテナ２０′では、縦に並んだ４組のアンテナ素子２３に対して、５つのポスト壁３１ａ〜３１ｅを用い、そのうち、３つのポスト壁３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを共用している。

また、このアンテナ２０′では、図６に示したように、地板導体２２′の背面側に設けた誘電体基板２４の表面に、マイクロストリップ線路４０を形成して、給電点４０ａから各アンテナ素子２３に同相給電する例を示している。この給電の方法についてはマイクロストリップ線路以外にコプレーナ線路等を用いることができる。

（第３の実施形態）
上記実施形態のアンテナ２０は、アンテナ素子２３が直線偏波のダイポール型の例であったが、図９に示すアンテナ５０のように、アンテナ素子５３として特許文献１のようなスパイラル型の素子による円偏波型のものを用いた場合でも、前記した対向壁面型のキャビティ構造では電波発射禁止帯におけるノッチが確認されている。なお、このアンテナ５０の他の構成要素は前記実施形態と同等であり、同一符号を付している。

即ち、アンテナ５０は、誘電体基板２１と、その誘電体基板２１の一面側に重なり合う地板導体２２と、誘電体基板２１の反対面にスパイラル状に形成されたアンテナ素子５３と、一端側が地板導体２２に接続され、誘電体基板２１をその厚さ方向に沿って貫通し、他端側が誘電体基板２２の反対面まで延びた金属ポスト３０を管内波長に比べて十分狭い間隔で並べて形成した一対のポスト壁３１ａ、３１ｂで、アンテナ素子４３を挟むことにより構成した対向壁面型のキャビティ３１と、誘電体基板２１の反対面側に、一対のポスト壁３１ａ、３１ｂをそれぞれ形成する複数の金属ポスト３０の他端側をその並び方向に沿って短絡し、且つアンテナ素子２３方向に所定距離延びた一対のリム導体３２ａ、３２ｂとを備えている。なお、アンテナ素子５３の中央端が給電ピン２５ａに接続される。

このアンテナ５０の場合も、前記同様にポスト壁３２ａ、３２ｂの延びている方向と直交する方向の幅（基板幅）Ｌｘをポスト壁３２ａ、３２ｂの間隔Ｌｗより狭くすることができ、それによりポスト壁３２ａ、３２ｂの間隔Ｌｗによって決まる周波数帯の利得のノッチと、基板幅方向の指向性（ｘｚ面指向性）を広げて水平面のレーダ検知範囲を拡大することできる。

（第４の実施形態）
また、図１０、図１１に示すアンテナ５０′のように、上記構造のアンテナ５０を、縦長の共通の誘電体基板２１′およびそれに対応した地板導体２２′に、ポスト壁の延びている方向と直交する方向に複数組（この例では４組）並べてアレー化し、各アンテナ素子４３を同相で励振することで広いレーダ検知幅を維持しつつ高利得が得られる。

図１２は、この実施形態のアンテナ５０′で、誘電体基板２１′の幅Ｌｘを変えたときのＨ面（水平面）の指向性の変化を示すものであり、内寸Ｌｗ＝９ｍｍの閉鎖型のキャビティ構造を有する従来アンテナの半値幅（３ｄＢ）が６０度であるのに対し、実施形態のアンテナ５０′ではＬｘ＝６ｍｍにしたとき９２度の半値幅が得られる。

また、図１３は、誘電体基板２１′の幅Ｌｘを変えたときの利得の周波数特性を示している。この図からキャビティが閉鎖型から対向壁型になったことで、利得の低下は認められるが、電波発射禁止帯におけるノッチの深さは得られる。このアンテナ５０′を用いたレーダでは、アンテナ５０′に接続されるフィルタ等により、電波発射禁止帯におけるノッチは十分な深さが得られる。

なお、このアンテナ５０′は、特許文献１に記載されているシーケンシャルアレーであり、スパイラル型のアンテナ素子５３の上下に隣り合う２つを一組とし、その組を成す２つのアンテナ素子の角度を９０度変えて配置するとともに、図１１に示しているように、地板導体２２′の背面側に設けた誘電体基板２４の表面にマイクロストリップ線路４０を形成して、組を成す２つのアンテナ素子５３にπ／２相当の位相差を付与（上下に隣り合う２つのアンテナ素子のうち上側のアンテナ素子への線路長より下側のアンテナ素子への線路長をπ／２相当分長くする）することで、組を成すアンテナ素子の交差偏波成分を相殺しつつ同相励振している。

本発明の実施形態の斜視図 本発明の実施形態の正面図 図２のＡ−Ａ線断面図 本発明の実施形態の背面図 アレー化したアンテナの構成例を示す図 アレー化したアンテナの給電線路の構成例を示す図 実施形態の基板幅に対するレーダ検知幅の変化を示す図 実施形態の基板幅に対する利得の周波数特性を示す図 アンテナ素子が円偏波型の場合の構成例を示す図 円偏波型でアレー化したアンテナの構成例を示す図 円偏波型でアレー化したアンテナの給電線路の構成例を示す図 実施形態の基板幅に対するレーダ検知幅の変化を示す図 実施形態の基板幅に対する利得の周波数特性を示す図

符号の説明

２０、２０′５０、５０′……レーダ用アンテナ、２１、２１′……誘電体基板、２２、２２′……地板導体、２３……アンテナ素子、２３ａ、２３ｂ……素子片、２４……誘電体基板、２５ａ、２５ｂ……給電ピン、３０……金属ポスト、３１……キャビティ、３１ａ〜３１ｅ……ポスト壁、３２ａ、３２ｂ……リム導体、４０……マイクロストリップ線路、５３……アンテナ素子

Claims (5)

1. 誘電体基板（２１）と、
   前記誘電体基板の一面側に重なり合う地板導体（２２）と、
   前記誘電体基板の反対面に形成されたアンテナ素子（２３、５３）と、
   一端側が前記地板導体に接続され、前記誘電体基板をその厚さ方向に沿って貫通し、他端側が前記誘電体基板の反対面まで延びた金属ポスト（３０）を所定間隔で並べて形成した一対のポスト壁（３１ａ、３１ｂ）で、前記アンテナ素子を挟むことにより構成した対向壁面型のキャビティ（３１）と、
   前記誘電体基板の反対面側に、前記一対のポスト壁をそれぞれ形成する複数の金属ポストの他端側をその並び方向に沿って短絡し、且つ前記アンテナ素子方向に所定距離延びた一対のリム導体（３２ａ、３２ｂ）とを備えたことを特徴とするレーダ用アンテナ。
2. 前記アンテナ素子が、
   前記誘電体基板の反対面に直線上に並ぶように形成された一対の素子片（２３ａ、２３ｂ）からなるダイポール型であり、
   前記対向壁面型のキャビティの一対のポスト壁は、前記アンテナ素子を前記素子片の並び方向に沿った方向から挟むことを特徴とする請求項１記載のレーダ用アンテナ。
3. 前記アンテナ素子が円偏波型であることを特徴とする請求項１記載のレーダ用アンテナ。
4. 前記誘電体基板の前記対向壁面型のキャビティの一対のポスト壁が延びている方向の幅（Ｌｘ）が、前記ポスト壁の間隔（Ｌｗ）より狭く形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーダ用アンテナ。
5. 前記請求項１〜４のいずれかのレーダ用アンテナを、共通の誘電体基板上に前記ポスト壁の延びている方向と直交する方向に複数組並べてアレー化したことを特徴とするレーダ用アンテナ。

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