JP2010171836A - レーダ装置用アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体の放射基板に表面波の発生を抑制して一体化構造で形成され、広角度に測角可能なレーダ装置用アンテナを提供する。
【解決手段】レーダ装置用アンテナ４００は、放射基板４２０に４×２の配列で合計８個のアンテナユニット４１０のパターンが形成されている。放射基板４２０の裏面には第１の地板４０１が形成され、さらに第１の地板４０１を挟んで線路基板４０５が設けられている。放射部４０２ａは放射基板４２０上にパターンで形成されており、給電部４０２ｂはスルーホールで形成されて伝送線路４０４に接続されている。第２の地板４０３も、放射基板４２０上のパターンで形成されたランド４０３ａとスルーホール４０３ｂで形成されている。
【選択図】図９

Description

本発明は、車載用レーダ装置に用いるアンテナに関するもので、特に広角度の指向性を有するレーダ装置用アンテナの技術分野に関するものである。

従来知られているアンテナの中でも、指向性が最も低い、あるいは無指向性ともいえるアンテナとして、半波長ダイポールアンテナが知られている。半波長ダイポールアンテナは、２本の直線状のアンテナ素子を一直線上に配置して形成されたアンテナであり、アンテナ素子に直交する方向にドーナツ状にゲイン（利得）を持つアンテナパターンとなる。

また、半波長ダイポールアンテナに類似したものとして、ダイポールの２本のアンテナ素子のうち一方のみを用い、これを導体板（地板）上に垂直に配置して形成された１／４波長モノポールアンテナも知られている。１／４波長モノポールアンテナでは、導体板上に配置された長さ１／４波長のアンテナ素子の鏡像が導体板に対し対称な位置に得られ、導体板が無限に広い場合には、１／４波長モノポールアンテナとその鏡像により半波長ダイポールアンテナと全く同じ特性が得られる。

このようなダイポールアンテナあるいはモノポールアンテナは、無指向性のアンテナとして従来から広く用いられており、例えば自動車の屋根の上に設置されるアンテナとして、また携帯電話用のアンテナとしてモノポールアンテナが広く用いられている。モノポールアンテナを実際に利用する形態として、例えば同軸線路の中心導体をアンテナ素子とし、外部導体を地板に接続した構造のものが広く用いられている。

一方、自動車に搭載されて進行方向の障害物等を検出するレーダ装置として、アンテナを複数配列して障害物等の方位角を測定するものが従来から知られている。例えば、特許文献1で開示されている図１０に示すようなレーダ装置用アンテナ９００では、アンテナ素子９０１がらせん状に形成されたアンテナユニット９０２を、地板９０３上に複数配列してアレイアンテナを形成し、これを用いて障害物の方位角を検出するアンテナが開示されている。

特開２００６−２５８７６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載のアンテナでは指向性が強く、アンテナ面に垂直な方向を中心に限られた角度範囲（例えば±３０度程度）でしか方位角の測定ができず、いわゆる測角覆域が狭いといった問題があった。角度測定（測角）の範囲を拡げるためには指向性の広いアンテナを用いるのが好ましいが、例えばダイポールアンテナあるいはモノポールアンテナでは、無指向性のため今度は方角を特定できないといった問題がある。
また、プリント基板を用いてアンテナを誘電体の放射基板に一体化構造で形成すると、放射基板の寸法が適切でないと表面波が発生して放射パターンに歪みが生じるおそれがあった。放射パターンに歪みがあると、モノパルス測角で方位測定をするためのディスクリカーブにも曖昧性が生じてしまうといった問題がある。

そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、誘電体の放射基板に表面波の発生を抑制して一体化構造で形成され、広角度に測角可能なレーダ装置用アンテナを提供することを目的とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの第１の態様は、厚さｄ３の放射基板と、前記放射基板の一方の面上に形成された直線状の放射部と、前記放射基板の他方の面上に形成された第１の地板と、前記放射基板を垂直に貫通して前記放射部と電気的に接続され前記第１の地板とは非接触に形成されたスルーホールからなる給電部と、前記給電部と所定の間隔で平行に前記一方の面から前記第１の地板まで前記放射基板に形成された第２の地板と、を備え、前記放射部と前記給電部でアンテナ素子が構成されていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、送受信波の自由空間波長をλ０とし、前記放射基板の比誘電率及び実効比誘電率をそれぞれεr及びεeffとし、前記放射部の幅をｗとしたとき、前記放射部の長さＬは、

を満たすように決定されていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記アンテナ素子と前記第２の地板とを１単位のアンテナユニットとして、前記アンテナユニットが前記放射基板に２つ配列されており、前記２つのアンテナ素子間の距離をＤとしたとき、Ｄ／λ０＜０．５であることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記２つのアンテナユニットの配列方向と直交する方向に、前記アンテナユニットが複数配列されてアレイ化されていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記第１の地板の前記放射基板と接する面とは反対側の面に一方の面が接合された線路基板と、前記線路基板の他方の面に形成された伝送線路と、をさらに備え、前記給電部のスルーホールが、さらに前記線路基板を垂直に貫通して前記放射部と前記伝送線路とを電気的に接続していることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記放射基板の厚さｄ３が、

を満たすように決定されていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記放射基板の厚さｄ３を、

と表したとき、βは１．６＜β＜１．７であることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記第２の地板は、前記放射基板の一方の面上に形成されたランドと、前記放射基板を貫通して前記ランドと前記第１の地板とを電気的に接続する複数のスルーホールからなるスルーホール列とで構成され、前記スルーホール列は、前記給電部から前記所定の間隔だけ離して配置されていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記第２の地板は、前記スルーホール列から前記給電部より遠方側に環状に配列したさらに別の複数のスルーホールを有していることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記第２の地板は、前記放射基板の一方の面からさらに高さα（≧０）だけ形成されて前記第１の地板からの高さｈ＝ｄ３＋αとなっていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記放射基板と前記線路基板との間にさらに別の１以上の基板が積層されて層構造を形成し、前記層構造の基板にバイアス線路が形成されていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記バイアス線路と前記アンテナ素子との間に簾状に形成された別のスルーホール列と、前記バイアス線路を配置したバイアス層の上部に位置する前記放射基板の表面を覆う面状金属と、をさらに備え、前記別のスルーホール列と前記面状金属とが電気的に接続されて、前記バイアス線路と前記アンテナ素子との間の干渉が低減されていることを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、誘電体の放射基板にアンテナ素子を好適に配置して一体化構造で形成することにより、表面波の発生を抑制して広角度に測角可能なレーダ装置用アンテナを提供することができる。

第１の比較例のレーダ装置用アンテナの斜視図である。 第１の比較例のレーダ装置用アンテナの他方の面の斜視図である。 第１の比較例のアンテナユニットの側面図である。 ダイポールアンテナを変形させて形成したアンテナの模式図である。 アンテナ素子単体、アンテナ素子の和信号及び差信号のそれぞれの受信パターンの一例を示す図である。 第２の比較例のレーダ装置用アンテナの斜視図である。 第３の比較例のレーダ装置用アンテナの斜視図である。 第２の地板の高さが放射パターンに与える影響を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーダ装置用アンテナの斜視図及び断面図である。 従来のレーダ装置用アンテナを示す平面図である。 第１の実施形態に係るレーダ装置用アンテナの放射パターンの一例である。 放射基板の比誘電率とｄ３／λ０との関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るレーダ装置用アンテナの１つのアンテナユニットの断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るレーダ装置用アンテナの部分断面図である。

本発明の好ましい実施の形態におけるレーダ装置用アンテナについて、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

第１の比較例のレーダ装置用アンテナの斜視図を、図１及び図２に示す。図１は、第１の比較例のレーダ装置用アンテナ１００の一方の面の放射側の斜視図であり、図２は放射側とは反対側の他方の面の斜視図である。レーダ装置用アンテナ１００の一方の面は、第１の地板１０１上にアンテナ素子１０２と第２の地板１０３とが一対に複数配列されて構成されている。第２の地板１０３は、第１の地板１０１に電気的に接続されている。

また、レーダ装置用アンテナ１００の他方の面には、各アンテナ素子１０２に接続された伝送線路１０４が線路基板１０５上に形成されている。伝送線路１０４は、地板１０１と線路基板１０５とでマイクロストリップ線路を形成している。

図１に示すレーダ装置用アンテナ１００は、第１の地板１０１の上方が車両の天井側、下方が車輪側、図面右側が車両の後方となる。本比較例では、各アンテナ素子１０２から車両の後方に電波が放射されるものとしている。１対のアンテナ素子１０２及び第２の地板１０３は、水平方向に２対配置され、これが高さ方向に４組配置されている。

本比較例では、車両の後方にある対象物の水平方向の方位角を測定するのに、位相比較モノパルス方式を用いて行うものとしている。位相比較モノパルス方式では、水平方向に配置された２つのアンテナで受信されたそれぞれの受信信号をもとに、両者の差信号を両者の和信号で規格化した値を、事前に設定されたディスクリカーブ（モノパルスカーブ）にあてはめることで、アンテナ面に垂直な方向からのズレ角度を求めている。本比較例では、高さ方向に配置された４つのアンテナ素子１０２の受信信号の総和を左右それぞれで求め、これをもとに両者の和と差を求めることで位相比較モノパルス方式による方位角の測定を行っている。

具体的には、図１における左側４つのアンテナ素子１０２の受信信号の総和が図２に示す伝送線路１０４上の線路分岐部１０４ａに出力され、右側４つのアンテナ素子１０２の受信信号の総和が伝送線路１０４上の線路分岐部１０４ｂに出力される。線路分岐部１０４ａから線路分岐部１０４ｃまでの線路長と、線路分岐部１０４ｂから線路分岐部１０４ｃまでの線路長とが等しくなるよう形成されており、線路分岐部１０４ｃに接続された出力線路１０４ｄからは、右側４つのアンテナ素子１０２の受信信号の総和と左側４つのアンテナ素子１０２の受信信号の総和との和信号が出力される。

一方、線路分岐部１０４ａから線路分岐部１０４ｅまでの線路長と、線路分岐部１０４ｂから線路分岐部１０４ｅまでの線路長とで、位相差１８０°に相当する差が設定されており、これにより線路分岐部１０４ｅに接続された出力線路１０４ｆからは右側４つのアンテナ素子１０２の受信信号の総和と左側４つのアンテナ素子１０２の受信信号の総和との差信号が出力される。

本比較例のレーダ装置用アンテナ１００では、図１に示すようなアンテナ素子１０２と第２の地板１０３とを用いることで、車両後方から左右両側への広い角度範囲で計測可能なアンテナを実現している(以下では、測定可能な角度範囲を覆域という)。以下では、１つのアンテナ素子１０２及び１つの第２の地板１０３との組み合わせをレーダ装置用アンテナ１００のアンテナユニット１１０と称し、アンテナユニット１１０の動作について以下に説明する。

レーダ装置用アンテナ１００のアンテナユニット１１０を図３に示す。図３は、図１に示す８組のアンテナユニット１１０のいずれか１つを右側から見た側面図である。アンテナ素子１０２は、Ｌ字状に屈曲された線状のアンテナに形成されており、一端が開放されており、他端が第１の地板１０１を非接触に貫通し、さらに線路基板１０５を貫通して伝送線路１０４に接続されている。

アンテナ素子１０２の開放端側は第１の地板１０１と平行になるよう配置されており、以下ではこの部分を放射部１０２ａと呼ぶこととする。また、アンテナ素子１０２の伝送線路１０４に接続されている側の部分は、第２の地板１０３と平行に配置されており、以下ではこの部分を給電部１０２ｂと呼ぶこととする。

本比較例のレーダ装置用アンテナ１００では、水平方向の角度測定が可能な覆域を広くするために、原理的には無指向性を有するダイポールアンテナをもとに、これを後方への指向性を持たせるように加工することで、レーダ装置としてのアンテナ素子の基本機能を実現している。以下では、図４に示すアンテナ形状の模式図を用いて、本比較例のアンテナ素子１０２の動作を説明する。

図４(ａ)は、ダイポールアンテナを示す模式図である。送受信電波の波長をλとするとき、ダイポールアンテナ１２０は、略λ／４の長さの線状導体からなるアンテナ素子１２１、１２２を一直線上に並べて構成されており、ダイポールアンテナ１２０の全長は略λ／２となる(半波長ダイポールアンテナ)。このようなダイポールアンテナ１２０の放射パターンは、ダイポールアンテナ１２０を中心としてこれと垂直な方向にドーナツ状に形成される。このように、ダイポールアンテナ１２０はこれと垂直な平面上で指向性のない放射パターンを形成する。

次に、モノポールアンテナの模式図を図４(ｂ) に示す。モノポールアンテナ１３０は、ダイポールアンテナ１２０の一方のみのアンテナ素子(例えば１２１) を用いたものであり、アンテナ素子１２１と直交するように地板１３３を配置している。これにより、アンテナ素子１２１の鏡像１３２が形成されてダイポールアンテナ１２０とほぼ等価なアンテナ特性が得られる。従って、図４(ｂ)に示すモノポールアンテナ１３０も、ダイポールアンテナ１２０と同様に、水平面上で指向性のない放射パターンを形成する。モノポールアンテナ１３０の全長は略λ／４であり（１／４波長モノポールアンテナ）、高さがダイポールアンテナ１２０の半分になって省スペース化が図れるといったメリットがある。

自動車に搭載して例えば後方の障害物等を検出するといったレーダ装置では、自動車の後方（走行方向とは逆方向）のみに電波が放射され前方には放射されない、といった指向性が必要となる。そこで、モノポールアンテナ１３０に対し後方への指向性を持たせるために、アンテナ素子１２１と平行に所定の距離(ｄ１とする)だけ離して別の地板１４４を設けたものを図４（ｃ）に示す。この場合、地板１３３と地板１４４とが電気的に接続されていることが重要であり、仮に地板１３３、１４４が電気的に接続されていないと、水平面内単方向の放射パターンにノッチ（ゲインが急減）が生成されてしまう。

地板１４４を設けることで、アンテナ素子１２１を中心にドーナツ状に形成されていた放射パターンが、地板１４４で反射されてこれより前方には放射されないようになる。その結果、モノポールアンテナを用いて後方への指向性を持つアンテナ特性を得ることができる。このように、地板１４４が電波を反射する反射板として機能していることから、以下では、図４（ｃ）に示すアンテナ１４０を反射板付モノポールアンテナと称することとする。

図１に示す第１の比較例のレーダ装置用アンテナ１００に備えられたアンテナユニット１１０に相当するものとして、図４（ｃ）に示す反射板付モノポールアンテナ１４０を用いた場合には、反射板付モノポールアンテナ１４０の地板１４４が図１に示すレーダ装置用アンテナ１００の第１の地板１０１に対応し、地板１３３が第２の地板１０３に対応することになる。

アンテナユニットに反射板付モノポールアンテナ１４０を用いた上記の第２の比較例のレーダ装置用アンテナでは、アンテナ素子１２１への給電を第２の地板である地板１３３から行う必要がある。しかしながら、伝送線路１０４は第１の地板１０１の他方の面に形成されていることから、伝送線路１０４から第２の地板１０３（地板１３３）を経由してアンテナ素子１２１に給電するための伝送線路を追加する必要がある。

そこで、伝送線路１０４からアンテナ素子に直接給電可能に加工したものを図４（ｄ）に示す。図４(ｄ)に示すアンテナ１５０のアンテナ素子１５１は、アンテナ素子１２１を地板１３３から所定の距離(ｄ２とする)離れたところで地板１４４側に９０度折り曲げ、折り曲げられた部分を地板１３３に平行に地板１４４の他方の面まで貫通させている。これにより、アンテナ素子１５１を地板１４４の他方の面に形成されている伝送線路に接続することが容易となる。

第１の比較例のレーダ装置用アンテナ装置１００は、アンテナユニット１１０として図４(ｄ)に示すアンテナ１５０を用いたものである。アンテナ素子１５１の地板１４４と平行な部分が図３に示す放射部１０２ａに相当し、折り曲げられて地板１３３と平行な部分が給電部１０２ｂに相当している。

給電部１０２ｂは、伝送線路１０４から放射部１０２ａまで高周波の信号を伝送できるよう、第２の地板１０３との距離ｄ２を適切に設定して形成されることが重要である。すなわち、給電部１０２ｂと第２の地板１０３との間で伝送線路部が形成され、伝送線路１０４側から見た伝送線路部のインピーダンスが所定の大きさとなるように距離ｄ２を調整することで、伝送線路１０４から放射部１０２ａへの給電を効率的に行えるようにしている。

次に、放射部１０２ａと第１の地板１０１との距離ｄ１について説明する。地板１０１は、上記説明の通り、これより前方に電波が放射されないようにするための反射板としての機能を有している。そして、放射部１０２ａとの距離ｄ１によって放射部１０２ａからの放射パターンに大きな影響を与える。

レーダ装置用アンテナ１００では、後方への広い角度範囲（覆域）で所定の大きさ以上のゲインが得られる放射パターンを実現できることが好ましい。送受信波の自由空間波長をλ０とするとき、広い覆域で高いゲインの放射パターンを得るためには、距離ｄ１をλ０／４、あるいはこれに近い値で好適なものを設定するのがよい。

以下では、レーダ装置用アンテナ１００で計測される方位角を、第１の地板１０１に垂直な方向を基準（０度）としてそれからの角度変化で表わすものとする。距離ｄ１を略λ０／４に設定したときには、方位角０度でゲインがピークとなり、方位角が左右に大きくなるにつれてゲインが低下するといった単峰性の利得パターンが得られる。また、距離ｄ１をλ０／４からずらすことで、２峰性等に変化させて覆域を拡げることが可能となる。このように、距離ｄ１をλ０／４あるいはこれに近い値とすることで広い覆域を得ることが可能となり、例えば３ｄＢビーム幅で±５０度以上の覆域を実現することができる。

次に、アンテナユニット１１０の配置について、以下に説明する。モノパルス方式では、水平方向の異なる２つの位置で測定された信号値をもとに、両者の和信号と差信号を算出して方位角を求めている。位相比較モノパルス方式を用いるアレーアンテナの指向性は、アンテナ素子自身の指向性とアンテナ素子の配列の指向性に依存しており、両者を合わせた合成指向性は次式で決定される。
合成指向性＝アンテナ素子の指向性×無指向性点放射源の配列の指向性
上式より、合成指向性として例えば±９０度の測角覆域を実現するためには、できるだけビーム幅の広いアンテナ素子を用い、かつアンテナ素子の配列の指向性についてもワイドなものが要求される。

レーダ装置用アンテナ１００では、図３に示すような構造のアンテナユニット１１０を用いることで、アンテナ素子１０２そのものの指向性をワイドにしている。これに加えて、アンテナ素子１０２の配列の指向性をワイドなものにするために、アンテナユニット１１０をアンテナ素子１０２と同一直線上（垂直方向）に１つ以上（図１では４つ）配列したものをアレイとし、水平方向のアレイ間の間隔を図１に示すようにＤとしたとき、Ｄ／λ０＜０．５を満たすよう、アンテナ素子１０２（及びアンテナユニット１１０）を配置している。

本比較例では、アンテナ素子１０２間の間隔Ｄを、Ｄ／λ０＜０．５を満たすよう設定することで、±９０度の範囲で配列の指向性特性がゼロになるのを回避している。配列の指向性特性について、図５を用いて説明する。図５は、縦軸を受信レベル（ｄＢ）、横軸をアンテナ面に垂直な方向からの角度とし、アンテナ素子単体の受信パターンの一例を符号１０で示し、２つのアレイアンテナの和信号（Σとする）及び差信号（Δとする）の一例をそれぞれ符号２０及び３０で示している。なお、ここではアンテナ素子単体のビーム幅を１０８度としている。

図５（ａ）と（ｂ）では、アンテナ素子１０２間の間隔Ｄの大きさを変えており、（ａ）ではＤ／λ０＝０．４２とし、（ｂ）ではＤ／λ０＝０．５としている。Ｄ／λ０＝０．４２としてアンテナ素子１０２の間隔Ｄを小さくした（ａ）の場合には、和信号２０の受信レベルは、０度を中心に±９０度以上まで緩やかに減少する傾向を示す。これに対し、Ｄ／λ０＝０．５とした（ｂ）の場合には、和信号２０の受信レベルは、角度が９０度に近づくにつれて急激に低下する。

位相比較モノパルス方式では、差信号３０を和信号２０で除した値（Δ／Σ）から角度を求めているが、和信号２０の受信レベルがゼロに近づくと、（Δ／Σ）の値が急激に大きくなって角度を求めることができなくなってしまう。これは、Ｄ／λ０が０．５以上のときには、２つのアレイアンテナの受信信号が干渉によってゼロとなる角度が±９０度の範囲内に含まれてしまうためである。そこで、本比較例のレーダ装置用アンテナ１００では、Ｄ／λ０＜０．５を満たすようにアンテナ素子１０２を配置している。これにより、±９０度の範囲内で和信号Σがゼロになることはなくなり、±９０度以内の広角度範囲にわたって角度測定を行うことが可能となる。

第３の比較例について説明する。図１に示したレーダ装置用アンテナ１００では、第２の地板１０３の形状を円柱上に形成された曲面としているが、これに限らず例えば角柱を用いて平面状の第２の地板を形成してもよい。平面状の第２の地板を角柱の上に形成した第３の比較例のレーダ装置用アンテナ２００を図６に示す。同図では、角柱２４０の上に平面状の第２の地板２０３を形成している。

第４の比較例として、円柱または角柱を用いず、第１の地板１０１の一部を切り起こしたものを第２の地板としたレーダ装置用アンテナ３００を図７に示す。同図では、第１の地板１０１の一部を切り起こし、これを第２の地板３０３としている。

また、第１の地板１０１に対し垂直な方向の第２の地板１０３の長さ、すなわち第１の地板１０１を底面とした第２の地板１０３の高さは、第１の地板１０１に垂直でアンテナ素子１０２を含む平面(すなわち図１における上下方向の平面)上で測定可能な角度範囲が所定の大きさとなるよう決定されている。

第２の地板１０３の高さが放射パターンに与える影響を、模式的に図８に示す。第２の地板１０３の高さは、図面下方向の放射パターンの拡がりに影響し、第２の地板１０３を高くしすぎると後下方の計測が行えなくなる可能性がある。従って、後下方の計測が所望の角度範囲で好適に行えるよう、第２の地板１０３の高さを決定するのがよい。

図１に示したレーダ装置用アンテナ１００では、第２の地板１０３がアンテナ素子１０２の下側となるように上下方向を決定して用いているが、これとは逆に、第２の地板１０３がアンテナ素子１０２の上側となるように、図１に示したレーダ装置用アンテナ１００の上下方向を逆転させて用いることも可能である。この場合には、第２の地板１０３の高さを高くすることで、上方への放射を抑制させることも可能となる。

本発明のレーダ装置用アンテナの第１の実施形態を、以下に説明する。上記の各比較例では、線状の導体を空中に配索したアンテナ素子１０２を用いていたが、本実施形態では複数のアンテナユニット１１０を所定の基板上にパターン化して一体的に形成している。アンテナユニット１１０を一体的にパターン形成できるようにすることで、レーダ装置用アンテナの作製を容易にすることができる。誘電体の基板を用いた本発明の第１の実施形態のレーダ装置用アンテナ４００を図９に示す。図９では、（ａ）にレーダ装置用アンテナ４００の透過斜視図を示し、（ｂ）〜（ｄ）には一つのアンテナユニット４１０についてそれぞれ断面図、（ｃ）上面図、（ｄ）断面図を簡略化した模式図、をそれぞれ示している。図９（ｂ）、（ｄ）に示す断面図は、アンテナ素子４０２の中心を通り第１の地板４０１に垂直な面における断面図である。

本実施形態のレーダ装置用アンテナ４００は、比誘電率εrの誘電体からなる放射基板４２０に４×２の配列で合計８個のアンテナユニット４１０のパターンが形成されている。放射基板４２０の裏面には第１の地板４０１が形成され、さらに第１の地板４０１を挟んで線路基板４０５が設けられている。線路基板４０５上には伝送線路４０４が形成されている。

アンテナユニット４１０は、アンテナ素子４０２と第２の地板（反射柱）４０３とを備えており、さらにアンテナ素子４０２が放射部４０２ａと給電部４０２ｂとで構成されている。放射部４０２ａは放射基板４２０上にパターンで形成されており、給電部４０２ｂはスルーホールで形成されて伝送線路４０４に接続されている。給電部４０２ｂとなるスルーホールは、第１の地板４０１とは非接触に形成されている。第２の地板４０３も同様に、放射基板４２０上のパターンで形成されたランド４０３ａとスルーホール４０３ｂで形成することができ、スルーホール４０３ｂが第１の地板４０１に接続されている。図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、放射部４０２ａ上に形成されたスルーホールで給電部４０２ｂが形成されており、該スルーホールが伝送線路４０４に接続されている。また、ランド４０３ａ上に複数のスルーホール４０３ｂが形成されており、スルーホール４０３ｂが第１の地板４０１に接続されている。ランド４０３ａは、複数のスルーホール４０３ｂを電気的に接続している。

上記のように、誘電体の放射基板４２０を用いてアンテナユニット４１０をプリント化して形成した場合、放射基板４２０の寸法が適切でないと表面波が発生して放射パターンに歪みが生じるおそれがあり、その場合にはモノパルス測角で方位測定をするためのディスクリカーブにも曖昧性が生じてしまう。送受信波の自由空間波長λ０で基板に表面波が発生するのを十分に抑制できるようにするためには、基板の厚さｄ３を好適に選定することが重要となる。なお、給電部４０２ｂと第２の地板４０３との距離ｄ２は、伝送線路４０４と放射部４０２ａとの間のインピーダンスを調整するためのマッチングパラメータとなる。

第１の比較例ではアンテナ素子１０２の放射部１０２ａと第１の地板１０１との距離ｄ１が略λ０／４に等しくなるように選定したが、これと同様に基板の厚さｄ３をλg／４近傍に選定すると表面波が発生してしまう。ここで、λｇはＴＥＭモード管内波長であり

で与えられる。

以下では、基板に表面波が発生するのを原理的に抑制できる放射基板４２０の厚さｄ３の選定方法を説明する。
伝送路が導波管の場合には、帯域幅を伝播可能な周波数の上限と下限の比とすると、帯域幅が１．５程度となる。これに対し、伝送路が同軸ケーブルやマイクロストリップ線路の場合には、下限の遮断周波数が存在せず、また高次のモードが存在する。従って、放射基板４２０の厚さｄ３が大きくなると、高次のモードが現れてアンテナ特性やディスクリカーブに悪影響を与えることになる。マイクロストリップ線路の高次のモードとしてはＴＥ表面波があり、放射基板４２０の表面波遮断周波数をｆcとするとき、ｆcは次式で与えられる。

ここで、ｃは光速を表す。一例として、εr＝４．４のＦＲ４材では、ｄ３＝１．３ｍｍとするとｆcが３１．２ＧＨｚとなり、ｄ３＝０．９ｍｍではｆcが４５．２ＧＨｚとなる。

アンテナ素子４０２に入力される送受信波のエネルギーにより表面波が発生するのは、使用周波数ｆが上記の表面波遮断周波数ｆc以上となる場合である。この場合にＴＥ表面波が発生し、アンテナ素子４０２に入力されるエネルギーが表面波として放射基板４２０内を伝播して損失要因となり、利得などのアンテナの放射特性が劣化したり、モノパルス測角で方位測定をするためのディスクリカーブに曖昧性が生じて測角の精度が低下する。

そこで、表面波の発生を抑制するためには、使用周波数ｆを表面波遮断周波数ｆcより低くする（ｆ＜ｆc）ことが重要であり、

を満たすように放射基板４２０の厚さｄ３を選定する必要がある。すなわち、式（６）、（７）より厚さｄ３は

を満たす必要がある。

β＝ｆc／ｆとしたとき、式（７）よりβ＞１となり、式（６）、（７）より式（８）に代えて厚さｄ３は次式で示すことができる。

β＞１を満たす好適なβの値を以下に説明する。

βの値を大きくすると、式（９）よりｄ３が小さくなって放射部４０２ａが第１の地板４０１に近接する。βの値を極端に大きくして放射部４０２ａが第１の地板４０１に接近しすぎると、第１の地板４０１に鏡像電流が発生するため、利得などアンテナの放射特性が劣化する。一方、βを１に近づけると、表面波による影響が現れ始める。このような特性を考慮して、βの最適値を検討する必要がある。検討結果の一例として、第１の比較例のレーダ装置用アンテナ１００と同様に、アンテナ素子４０２を水平２素子ｘ垂直４素子としたモノパルスアンテナについて、放射パターンのシミュレーション結果を図１１に示す。ここで、放射基板４２０にはＦＲ４を用いている。

図１１（ａ）、（ｂ）は、それぞれｄ３＝１．３ｍｍ、ｄ３＝０．９ｍｍとしたときの放射パターンを示している。ここで、５０、５３は和パターン（Σ）を、５１、５４は差パターン（Δ）を、５２、５５はディスクリカーブを、それぞれ示している。放射基板４２０に用いているＦＲ４の比誘電率εｒを４．４、周波数ｆ＝２６．５GHｚとしたとき、λ０＝１１．３ｍｍとなることから、式（９）よりβを算出することができる。すなわち、ｄ３＝１．３ｍｍの場合にはβ＝１．１８となり、ｄ３＝０．９ｍｍの場合にはβ＝１．７０となる。図１１より、（ａ）ｄ３＝１．３ｍｍの場合は、（ｂ）ｄ３＝０．９ｍｍの場合に比べて和パターン、差パターンともに対称性が劣化していることがわかる。これより、β＝１．７程度が適切であることがわかる。

また、図１１（ａ）に、差パターン５１を和パターン５０で除して求めたディスクリカーブ（Δ／Σ）５２を、図１１（ｂ）に、差パターン５４を和パターン５３で除して求めたディスクリカーブ（Δ／Σ）５５を、それぞれ示しているが、ディスクリカーブ５２、５５でも表面波の影響による違いが両者に見られる。すなわち、（ａ）ｄ３＝１．３ｍｍの場合は、角度が２０°〜４０°付近、１４０°付近、−２０°付近、及び−１６０°付近にリップル点が見られる。このようなリップル点近傍では、角度に対するΔ／Σの変化が小さい、あるいは１対１になっておらず、ディスクリカーブが角度に対し曖昧性を有している。これに対し、（ｂ）ｄ３＝０．９ｍｍの場合には、図１１（ａ）のようなリップル点は見られず、滑らかな曲線を描いている。これより、ｄ３＝０．９ｍｍ、すなわちβ＝１．７程度が適切であることがわかる。

また、放射基板４２０の比誘電率εrを変数とし、βをパラメータとしてｄ３／λ０を式（９）から算出した結果を図１２に示す。同図では、β＝１．５、１．７、１．９とした場合をそれぞれ符号５６，５７、５８で示している。一例としてβ＝１．７としたとき、放射基板４２０の比誘電率εrを４．４とすると、図１２のグラフ５７よりｄ３／λ０＝０．０８が得られる。ここで、使用周波数ｆ＝２６．５GHzとすると、自由空間波長λ０＝１１．３１２ｍｍとなり、放射基板４２０の厚さｄ３＝０．０８×１１．３１２＝０．９０４ｍｍが得られる。図１２を用いることで、放射基板４２０の比誘電率εrに対応して好適な厚さｄ３を選定することができる。βの好ましい値の範囲として、１．２以上とするのがよく、１．６以上１．８以下とするのが特に好ましい。βをさらに大きくしていくと、十分な利得が得られなくなってしまう。

次に、放射基板４２０上にパターンで形成された放射部４０２ａの長さＬの好適な値について説明する。長さＬは、次式に示すように、マイクロストリップ線路として動作したときの等価波長λeffを用いてその１／４に略等しくなるように選定するのがよい。

ここで、εeffは放射基板４２０を形成する誘電体の実効比誘電率であり、放射部４０２ａの幅をｗとすると次式で与えられる。

一実施例として、アンテナ素子１０２の幅ｗ＝０．６ｍｍとし、放射基板４２０の厚さｄ３＝０．９ｍｍ、比誘電率εr＝４．４としたとき、マイクロストリップ線路としての実効比誘電率εeffは、式（１１）からεeff＝３．５７１が得られる。これより、アンテナ素子４０２の放射部４０２ａの長さＬは、式（１０）からＬ＝１．４９６ｍｍ≒１．５ｍｍが得られる。

線状の導体を空中に配索して形成されたアンテナ素子１０２を有する第１の比較例のレーダ装置用アンテナ１００では、第２の地板（反射柱）１０３がグランドとして機能するためには、その高さを大きくする方が好ましいが、高くしすぎると下後方の計測ができなくなるおそれがあった。放射基板４２０にアンテナ素子４０２と第２の地板４０３を一体的にパターン化して形成した本実施形態のレーダ装置用アンテナ４００においても、第２の地板４０３の高さを給電部４０２ｂよりも適当に高くするのが有効である。すなわち、第２の地板４０３の高さをｈとしたとき、

となるαを小さな値の範囲で適切に選択するのがよい。これによりアンテナ素子４０２の放射パターンの最適化を図ることができる。

第２の地板４０３の高さを給電部４０２ｂよりも高くした別の実施形態のレーダ装置用アンテナを、図１３を用いて説明する。図１３は、第２の実施形態のレーダ装置用アンテナの１つのアンテナユニット４５０の断面図であり、図９（ｂ）と同様に、アンテナ素子４０２の中心を通り第１の地板４０１に垂直な面での断面図である。アンテナユニット４５０は、第１の実施形態のアンテナユニット４１０の第２の地板４０３の上面に反射体４５１が載置されている。放射基板４２０にプリント化して一体的に形成された第２の地板４０３に対し、その上部に反射体４５１を載置することで第２の地板４０３の高さをさらに高くすることができる。反射体４５１は、その高さが式（１２）を満たすように選定することで、アンテナ素子４０２の放射パターンを最適化することが可能となる。

本発明のさらに別の実施形態のレーダ装置用アンテナを、図１４を用いて説明する。図１４は、第３の実施形態のレーダ装置用アンテナ５００の部分断面図であり、アンテナ素子４０２の中心を通り第１の地板４０１に垂直な面における断面図である。上記の第１及び第２の実施形態のレーダ装置用アンテナでは、放射基板４２０が１層の誘電体基板で形成され、放射部４０２ａが形成される面とは反対側の裏面に第１の地板４０１が形成されており、さらに第１の地板４０１を挟んで線路基板４０５が配置されていた。

これに対し、本実施形態のレーダ装置用アンテナ５００では、放射基板４２０の裏面に別の誘電体基板５０１が１層以上配置されて、２層以上の誘電体基板からなる層構造の放射部基板５０２が形成されている。このような層構造の基板は、所定のシールド手段で分割して用いることができる。誘電体基板５０１には、パターンとスルーホールを形成して回路や線路等を設けることができ、例えばアンテナ素子４０２との間でノイズが伝播するのを所定のシールド手段を用いて防止することができる。このシールド手段もパターンとスルーホールで形成することができ、図１４に示す実施形態では、放射基板４２０方向からの電磁的影響をシールドするためのパターン５０６と、アンテナ素子４０２と誘電体基板５０１に配置された線路等の間でノイズが伝播するのを防止するためのスルーホール５０７とで形成されている。このような層構造とすることにより、パターンとスルーホールで必要な素子や線路等を形成することができ、プリント配線技術を適用してレーダ装置用アンテナ５００を容易に作製することができる。

本実施形態では、誘電体基板５０１を１層以上設けることにより、各層に所定の回路を形成するなどの回路設計の自由度を高めることが可能となっている。例えば、第２の地板４０３を形成するスルーホール４０３ｂを第１の地板４０１とは別の第３の地板５０５に接続するように構成することが可能である。また、図１４では、誘電体基板５０１の層を利用してバイアス線路５０３が形成されており、これを利用して例えば別のマイクロストリップライン５０４を配設することも可能となる。バイアス線路５０３やマイクロストリップライン５０４は、パターン５０６とスルーホール５０７でアンテナ素子４０２からシールドされている。高周波の伝送線路４０４を備えた線路基板４０５には線路損失の少ないＲｏｇｅｒｓ基板等を用いる必要があるが、誘電体基板５０１には安価なＦＲ４基板を用いることができる。また、放射基板４２０にはＲｏｇｅｒｓ基板またはＦＲ４基板を用いることができる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るレーダ装置用アンテナの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるレーダ装置用アンテナの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１００、４００，５００，９００ レーダ装置用アンテナ
１０１、４０１ 第１の地板
１０２、４０２、９０１ アンテナ素子
１０２ａ、４０１２ａ 放射部
１０２ｂ、４０２ｂ 給電部
１０３、２０３、３０３、４０３ 第２の地板
１０４，４０４ 伝送線路
１０５，４０５ 線路基板
１１０、４１０、４５０、９０２ アンテナユニット
４２０ 放射基板
４５１ 反射体
５０１ 誘電体基板
５０２ 放射部基板
５０３ バイアス線路
５０４ マイクロストリップライン
５０５ 第３の地板
５０６ パターン
５０７ スルーホール

Claims (12)

1. 厚さｄ３の放射基板と、
   前記放射基板の一方の面上に形成された直線状の放射部と、
   前記放射基板の他方の面上に形成された第１の地板と、
   前記放射基板を垂直に貫通して前記放射部と電気的に接続され前記第１の地板とは非接触に形成されたスルーホールからなる給電部と、
   前記給電部と所定の間隔で平行に前記一方の面から前記第１の地板まで前記放射基板に形成された第２の地板と、を備え、
   前記放射部と前記給電部でアンテナ素子が構成されている
   ことを特徴とするレーダ装置用アンテナ。
2. 送受信波の自由空間波長をλ０とし、前記放射基板の比誘電率及び実効比誘電率をそれぞれεr及びεeffとし、前記放射部の幅をｗとしたとき、前記放射部の長さＬは、
   

   

   を満たすように決定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置用アンテナ。
3. 前記アンテナ素子と前記第２の地板とを１単位のアンテナユニットとして、前記アンテナユニットが前記放射基板に２つ配列されており、前記２つのアンテナ素子間の距離をＤとしたとき、Ｄ／λ０＜０．５である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーダ装置用アンテナ。
4. 前記２つのアンテナユニットの配列方向と直交する方向に、前記アンテナユニットが複数配列されてアレイ化されている
   ことを特徴とする請求項３に記載のレーダ装置用アンテナ。
5. 前記第１の地板の前記放射基板と接する面とは反対側の面に一方の面が接合された線路基板と、
   前記線路基板の他方の面に形成された伝送線路と、をさらに備え、
   前記給電部のスルーホールが、さらに前記線路基板を垂直に貫通して前記放射部と前記伝送線路とを電気的に接続している
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレーダ装置用アンテナ。
6. 前記放射基板の厚さｄ３が、
   

   

   を満たすように決定されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーダ装置用アンテナ。
7. 前記放射基板の厚さｄ３を、
   

   

   と表したとき、βは１．６＜β＜１．７である
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーダ装置用アンテナ。
8. 前記第２の地板は、前記放射基板の一方の面上に形成されたランドと、前記放射基板を貫通して前記ランドと前記第１の地板とを電気的に接続する複数のスルーホールからなるスルーホール列とで構成され、
   前記スルーホール列は、前記給電部から前記所定の間隔だけ離して配置されている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレーダ装置用アンテナ。
9. 前記第２の地板は、前記スルーホール列から前記給電部より遠方側に環状に配列したさらに別の複数のスルーホールを有している
   ことを特徴とする請求項８に記載のレーダ装置用アンテナ。
10. 前記第２の地板は、前記放射基板の一方の面からさらに高さα（≧０）だけ形成されて前記第１の地板からの高さｈ＝ｄ３＋αとなっている
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のレーダ装置用アンテナ。
11. 前記放射基板と前記線路基板との間にさらに別の１以上の基板が積層されて層構造を形成し、前記層構造の基板にバイアス線路が形成されている
    ことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のレーダ装置用アンテナ。
12. 前記バイアス線路と前記アンテナ素子との間に簾状に形成された別のスルーホール列と、
    前記バイアス線路を配置したバイアス層の上部に位置する前記放射基板の表面を覆う面状金属と、をさらに備え、
    前記別のスルーホール列と前記面状金属とが電気的に接続されて、前記バイアス線路と前記アンテナ素子との間の干渉が低減されている
    ことを特徴とする請求項１１に記載のレーダ装置用アンテナ。
    

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