JP2011171873A

JP2011171873A - アンテナ放射素子及びこれを備えた平面アンテナ

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Publication number: JP2011171873A
Application number: JP2010032041A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Endo; 康博遠藤; Hidenori Yugawa; 秀憲湯川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-09-01
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: JP5306255B2

Abstract

【課題】レドーム削減による小型化、薄型化を可能とし、且つ放射素子開口部前面に付着した水滴を除去することが可能な、放射素子及びこれを備えた平面アンテナの提供を目的とする。
【解決手段】本発明のアンテナ放射素子は、開口が設けられた放射素子２と、放射素子２の開口面を覆う電波透過性の保護フィルム３とを備えたアンテナ放射素子である。保護フィルム３外表面の水との接触角が、開口の中心から外側にかけて段階的に小さくなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

この発明は、主にマイクロ波帯およびミリ波帯で用いられる導波管を用いたアンテナ放射素子及びこれを備えた平面アンテナに関する。

従来の平面アンテナは、屋外に設置した際に雨などの悪影響を避けるため、電波の放射素子開口面の前方に電波透過性の材料で作られたレドームを備えている。アンテナの用途を拡大するためには、レドームを含めてアンテナの小型化、薄型化が必要である。その点、特許文献１ではレドームを削減するために放射素子開口面を保護膜でコーティングしたアンテナが開示されている。

特開平９−８５４０号公報（２頁９〜１２行）

レドームを備えた平面アンテナでは、レドームが平面アンテナを構成する放射素子の開口部に対し、電波の波長からみて十分大きな距離を隔てて設置されるため、レドーム表面に付着した雨などの水滴が平面アンテナの性能に与える影響は小さい。一方、レドームの無い平面アンテナでは、放射素子開口部から内部に水が浸入することによる性能劣化に加え、放射素子開口部の一部あるいは全体を覆う水滴が開口部前面に付着して留まることにより、性能が著しく低下するという問題がある。

特許文献１に開示された平面アンテナでは、放射素子開口部前面を保護膜でコーティングすることにより水滴が平面アンテナ内部に侵入することを防ぐ効果が期待されるが、侵入せず放射素子開口部前面に付着したままの水滴が及ぼす悪影響については有効な対策が示されていない。このため当該水滴による性能劣化の問題がある。

そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、レドーム削減による小型化、薄型化を可能とし、且つ放射素子開口部前面に付着した水滴を除去することが可能な、放射素子及びこれを備えた平面アンテナの提供を目的とする。

本発明のアンテナ放射素子は、開口が設けられた導波管と、導波管の開口面を覆う電波透過性の保護フィルムとを備えたアンテナ放射素子であって、保護フィルム外表面の水との接触角が、開口の中心から外側にかけて段階的に小さくなることを特徴とする。

また、本発明の第２のアンテナ放射素子は、開口が設けられた導波管と、導波管の開口面を覆う電波透過性の保護フィルムとを備えたアンテナ放射素子であって、保護フィルム外表面の水との接触角が、開口の一端からその対向する端にかけて段階的に小さくなることを特徴とする。

また、本発明の平面アンテナは、本発明のアンテナ放射素子を備えるものである。

本発明のアンテナ放射素子は、開口が設けられた導波管と、導波管の開口面を覆う電波透過性の保護フィルムとを備えたアンテナ放射素子であって、保護フィルム外表面の水との接触角が、開口の中心から外側にかけて段階的に小さくなることを特徴とする。水滴は接触角の高い領域から低い領域に向けて移動するため、保護フィルムの放射素子開口部に付着した雨などの水滴は開口部の中心から外側に向けて排除され、性能劣化を抑制できる。

また、本発明の第２のアンテナ放射素子は、開口が設けられた導波管と、導波管の開口面を覆う電波透過性の保護フィルムとを備えたアンテナ放射素子であって、保護フィルム外表面の水との接触角が、開口の一端からその対向する端にかけて段階的に小さくなることを特徴とする。これにより、保護フィルムの放射素子開口部に付着した雨などの水滴は開口部の中心から外側に向けて排除され、性能劣化を抑制できる。

また、本発明の平面アンテナは、本発明のアンテナ放射素子を備えるものである。保護フィルムの放射素子開口部に付着した雨などの水滴は外部に排除されるため、平面アンテナの性能劣化を抑制できる。また、レドームを必要としない構成であるため、平面アンテナの小型化や薄型化が可能となる。

実施の形態１の平面アンテナを示す図である。実施の形態１の平面アンテナの放射素子開口部付近の拡大図である。実施の形態１の平面アンテナの放射素子開口部付近の断面図である。実施の形態２の平面アンテナの放射素子開口部付近の拡大図である。保護フィルムの平滑面に水滴が付着した状態を示す図である。保護フィルムの微細凹凸転写面に水滴が付着した状態を示す図である。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、本実施の形態の平面アンテナの構成図である。平面アンテナは、本体１と、本体１の開口に一面が露出して設けられた導波管からなる複数の放射素子２と、を備える。以下、放射素子２の一面が露出する本体１の開口面を、放射素子２の開口面とも言い換える。平面アンテナは、放射素子２の開口面を覆う電波透過性の保護フィルム３をさらに備える。放射素子２の放射面開口部の形状や寸法は使用周波数やアンテナの用途によって変わるが、例えば、約１ｍｍ×２ｍｍの方形である。放射素子２は、金属などの導体板に導波路パターンを加工して積層する方式、表面に導体膜を持つ誘電体板に導波路パターンを形成して積層する方式、又は導波路形状に成形された誘電体成形品の外周を導体で被覆する方式などによって形成される。

保護フィルム３の材質には、水を透過せず電波を透過する高分子材料などが用いられ、且つ誘電正接が低いことが望ましい。また、保護フィルム３の厚みは、使用する電波の波長の１／８以下であることが望ましく、例えば、周波数が７０ＧＨｚ程度のミリ波帯のアンテナにおいては１００μｍ以下であることが望ましい。

図２は、図１に示す平面アンテナを上面から見たときの放射素子２周辺の拡大図である。保護フィルム３の外表面は、放射素子２の開口部を覆う範囲で短辺方向に５つに分かれた方形状の放射素子開口領域３１〜３５と、開口部以外を覆う開口部周辺領域３６を有する。放射素子開口領域３１〜３５及び開口部周辺領域３６には、電波を透過し、かつ平滑面に塗布した場合に水との接触角が夫々異なるコーティング材が塗布されている。

このとき、放射素子開口領域３１，３２，３３，３４，３５，３６の順に水との接触角が小さくなるようにコーティング材を選定する。開口領域の中央に位置する放射素子開口領域３１には接触角が７０°以上になる撥水性のコーティング材を選定し、開口部周辺領域３６には接触角が４０°以下になる親水性のコーティング材を用いることが望ましい。接触角が９０°を超える撥水性の高い材料にはフッ素系の樹脂があり、接触角が１０°以下の親水性の高い材料には酸化チタンがある。また、これらの中間の接触角を有する材料には、ポリイミド樹脂、ナイロン樹脂、フェノール樹脂などの樹脂材料や、樹脂とセラミックの混合材料などがある。なお、放射素子開口領域３１〜３５と開口部周辺領域３６の全てにコーティング材を用いる必要はない。例えば、保護フィルム３に接触角が１０°以下の親水性の高い材料を用いる場合、開口部周辺領域３６にコーティング材を塗布する必要はない。

コーティング材の塗布厚さは、１０μｍ以下にすることが望ましい。そうすれば、７０ＧＨｚを超えるミリ波帯においても、塗膜の材質が異なることによる誘電特性の差や、塗膜厚みの差が平面アンテナ性能に与える影響を考慮する必要がなくなる。

また、各放射素子開口領域３１〜３５の幅寸法は均等である必要はない。雨の直径は空気中で０．１〜３ｍｍであるため、直径０．１ｍｍの水滴が付着した場合に濡れ広がる幅未満の寸法であればよい。

＜動作＞
図３は、図２の切断線Ａ−Ａ’の切断図である。保護フィルム３の放射素子開口面上に雨粒４が付着すると、雨粒４は複数の放射素子開口領域に跨って濡れ広がり、両端の接触角に差が生じる。接触角に差が生じると、界面張力の差によって接触角の大きな方から小さな方に雨粒４を動かす力が発生する。この力によって雨粒４は、例えば放射素子開口領域３１，３２，３４と移動し開口部周辺領域３６に排除されるため、雨粒４が放射素子開口領域３１〜３５に留まってアンテナ性能を著しく劣化させることを抑制できる。また、開口部周辺領域３６に付着した雨粒４の放射素子開口領域３１〜３５への侵入を抑制することが出来る。

このように、実施の形態１のアンテナ放射素子は、開口が設けられた放射素子２（導波管）と、放射素子２の開口面を覆う電波透過性の保護フィルム３とを備え、保護フィルム３外表面の水との接触角が、開口の中心から外側にかけて段階的に小さくなることにより、開口部に付着した水滴を除去することが出来る。

また、実施の形態１のアンテナ放射素子を備える平面アンテナではレドームが不要であるため、小型化や薄型化が可能である。

なお、放射素子開口領域の区分は５段階に限るものではなく、使用周波数やアンテナの用途に応じて放射素子形状が変化するのに合わせて変えても良い。また、区分形状も短辺方向に並んだ方形状だけでなく、例えば放射素子開口面の中心部から外側に広がる円状あるいは方形状であっても良い。さらに、各領域の境界は直線に限るものではなく、例えば楔上あるいは波状であっても良い。その場合には、各領域間で水との接触角の変化が見かけ上連続的になり、雨粒４の排出がよりスムーズに行われる。

＜効果＞
本実施の形態のアンテナ放射素子によれば、以下のような効果を奏する。すなわち、実施の形態１のアンテナ放射素子は、開口が設けられた放射素子２（導波管）と、放射素子２の開口面を覆う電波透過性の保護フィルム３とを備え、保護フィルム３外表面の水との接触角が、開口の中心から外側にかけて段階的に小さくなる。水滴は接触角の高い領域から低い領域に向けて移動するため、保護フィルム３の放射素子開口領域３１〜３５に付着した雨粒４などの水滴は開口領域の中心から外側に向けて排除される。また、開口部周辺領域３６に付着した水滴が開口領域３１〜３５に侵入することも防止できる。よって、水滴によるアンテナ性能の劣化が抑制される。

また、保護フィルム３における水との接触角の段階的変化において、最大値は７０°以上とし、最小値は４０°以下とする。保護フィルム３の放射素子開口領域３１〜３５から開口部周辺領域３６にかけて水との接触角の差を大きくすることによって、水滴がより速やかに放射素子開口領域３１〜３５の外側に排除され、水滴が放射素子開口領域に留まって放射素子の性能を著しく劣化させることを防ぐ。

また、保護フィルム３の外表面には水との接触角が異なるコーティング材が塗り分けられる。放射素子開口領域３１〜３５や開口部周辺領域３６に水との接触角が異なるコーティング材を塗り分けることにより、各領域で水との接触角が異なるため、水滴を放射素子開口領域３１〜３５の外部に排除し、アンテナ性能の劣化を防ぐことが出来る。

また、本実施の形態の平面アンテナは、本実施の形態のアンテナ放射素子を備える。これにより水滴の付着による悪影響を防止するためのレドームが必要でなくなるため、平面アンテナの薄型化や小型化が可能となる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２の平面アンテナを上面から見たときの、放射素子２周辺の拡大図である。実施の形態１では、放射素子開口面中央の接触角が最も大きく、外側に向けて接触角が小さくなるような領域区分であった。しかし、実施の形態２では、最も接触角が大きくなる放射素子開口領域３１を放射素子開口面の一方の端に配置し、最も接触角が小さくなる放射素子開口領域３５を他方の端に配置する。そして、放射素子開口領域３１の側から放射素子開口領域３５の側にかけて、順に接触角が小さくなるようにする。

その他の構成については、実施の形態１の平面アンテナと同様である。

すなわち、本実施の形態のアンテナ放射素子は、開口が設けられた放射素子２（導波管）と、放射素子２の開口面を覆う電波透過性の保護フィルムとを備えたアンテナ放射素子であり、保護フィルム３外表面の水との接触角は、開口の一端からその対向する端にかけて段階的に小さくなる。このような構成により、放射素子開口領域３１〜３５に付着した雨粒４は、放射素子開口領域３１から放射素子開口領域３５に向けて移動し、さらに開口部周辺領域３６に排除される。そのため、雨粒４が放射素子開口領域３１〜３５に留まってアンテナ性能を著しく劣化させることを抑制できる。また、開口部周辺領域３６に付着した雨粒４の放射素子開口領域３１〜３５への侵入を抑制することが出来る。

また、このようなアンテナ放射素子を備える平面アンテナでは、従来の平面アンテナには必要であったレドームが削減できるため、平面アンテナ全体の小型化、薄型化が可能になる。

＜効果＞
本実施の形態のアンテナ放射素子では、既に述べたように以下の効果を奏する。すなわち、本実施の形態のアンテナ放射素子は、開口が設けられた放射素子２（導波管）と、放射素子２の開口面を覆う電波透過性の保護フィルムとを備えたアンテナ放射素子であって、保護フィルム３外表面の水との接触角が、開口の一端からその対向する端にかけて段階的に小さくなることを特徴とする。このような構成により、放射素子開口領域３１〜３５に付着した雨粒４は、放射素子開口領域３１から放射素子開口領域３５に向けて移動し、さらに開口部周辺領域３６に排除される。そのため、雨粒４が放射素子開口領域３１〜３５に留まってアンテナ性能を著しく劣化させることを抑制できる。また、開口部周辺領域３６に付着した雨粒４の放射素子開口領域３１〜３５への侵入を抑制することが出来る。

（実施の形態３）
実施の形態１や実施の形態２では、保護フィルム３表面の接触角をコーティング材の塗布により調整することによって雨粒４が放射素子開口面に留まらないようにした。実施の形態３の平面アンテナでは、保護フィルム３表面に微細な凹凸形状を転写することによって、接触角を調整し同様の効果を奏するものである。

図５は、平滑面での水との接触角が９０°未満である保護フィルム３７の、平滑面における水滴４１との接触状態を示したものである。また、図６は、微細凹凸形状を表面に転写した保護フィルム３７と水滴４１との接触状態を示したものである。保護フィルムに微細凹凸形状が転写されることによって水滴との接触面積が以前のＲ倍になったとすると、平滑面での接触角θ₁と微細凹凸形状転写面での接触角θ₂との関係はｃｏｓθ₂＝Ｒ・ｃｏｓθ₁と表される。

つまり、水との接触角が９０°未満の材料に微細凹凸形状を転写して水との接触面積を増大させると、接触角を小さくすることが可能になる。一方、水との接触角が９０°を超える材料に微細凹凸形状を転写して水との接触面積を増大させると、接触角を大きくすることが可能になる。この原理を用いることにより、保護フィルムに同一の材質を用いて、接触角の異なる複数の領域を作ることが可能になる。

例えば、保護フィルム３７にナイロンなどの平滑面における水との接触角が約８０°の材質を用い、水との接触面積を平滑面に対して放射素子開口領域３２は２倍、放射素子開口領域３３は３倍、放射素子開口領域３４は３．７倍、放射素子開口領域３５は４．５倍、開口部周辺領域３６は５倍となるように微細凹凸形状を転写する。各放射素子開口領域３１〜３５は図２に示した実施の形態１や、あるいは図４に示した実施の形態２のように配置しても良い。

このように、本実施の形態のアンテナ放射素子では、保護フィルム３の外表面に異なる凹凸形状の領域が複数形成される。接触角は上記接触面積の増大につれて約１０°ずつ小さくなるため、接触角の異なるコーティング材を保護フィルム３に塗布した実施の形態１，２の場合と同様に、放射素子開口領域３１〜３５に付着した雨粒４を開口部周辺領域３６に排除することができる。

微細凹凸形状は、加熱した熱可塑性フィルムに凹凸形状を加工した金型を加圧して転写する方法や、溶融した樹脂を凹凸形状に加工した金型に流して転写する方法が考えられるが、これらの方法に限るものではない。また、微細凹凸の高さは１０μｍ以下であることが望ましく、７０ＧＨｚ以上のミリ波帯において、平滑面に対して凹凸があることによる平面アンテナ性能に与える影響を考慮する必要がない。

＜効果＞
本実施の形態のアンテナ放射素子によれば、以下の効果を奏する。すなわち、実施の形態３のアンテナ放射素子では、保護フィルム３の外表面に異なる凹凸形状の領域が複数形成される。凹凸形状による水との接触面積の増大に合わせて接触角が小さくなるため、この接触角の変化を利用して放射素子開口領域３１〜３５に付着した雨粒４を開口部周辺領域３６に排除することができる。

（実施の形態４）
実施の形態１，２では、水との接触角が異なるコーティング材を保護フィルム３の各放射素子開口領域３１〜３５に塗り分けることにより、各領域で接触角を変化させた。実施の形態３では、微細凹凸形状を保護フィルムに転写することによって、水との接触角を変化させた。実施の形態４では、これらの方法を併用する。

例えば、図１，２に示した実施の形態１の平面アンテナ構造において、保護フィルム３に接触角が１０°以下の親水性の高い材料を用い、放射素子開口領域３１〜３５には接触角が８０°程度のコーティング材を塗布した上で、コーティング材を塗布した領域に平滑面に対して水との接触面積を放射素子開口領域３２は２倍、放射素子開口領域３は３倍、放射素子開口領域３４は３．７倍、放射素子開口領域３５は４倍となるように微細凹凸形状を転写する。

また、上記構成以外に、例えば保護フィルム３に水との接触角が８０°の材料を用い、放射素子開口領域３１に水との接触角が９０°のコーティング材を塗布した上で、平滑面に対して水との接触面積を放射素子開口領域３３は２倍、放射素子開口領域３４は３倍、放射素子開口領域３５は３．７倍、開口部周辺領域３６は４倍となるよう凹凸形状を転写する構成であっても良い。

さらに、例えば保護フィルム３に水との接触角が５０°の材料を用い、放射素子開口領域３１〜３３に水との接触角が８０°のコーティング材を塗布した上で、コーティング材を塗布した領域に水との接触面積を平滑面に対して放射素子開口領域３３は２倍、放射素子開口領域３４は３倍となるように凹凸形状を転写し、コーティング材を塗布した領域以外の領域に水との接触面積を平滑面に対して放射素子開口領域３５は１．２倍、開口部周辺領域３６は１．５倍となるよう凹凸形状を転写する構成であっても良い。

すなわち、実施の形態４のアンテナ放射素子では、保護フィルム３の外表面に水との接触角が異なるコーティング材が塗り分けられ、コーティング材が塗られた領域およびそれ以外の領域のいずれか、あるいは両方の領域の一部又は全域に凹凸形状が形成される。これにより、放射素子開口領域３１，３２，３３，３４，３５、開口部周辺領域３６の順に水との接触角が小さくなり、放射素子開口領域３１〜３５に付着した雨粒４を開口部周辺領域３６に排除することが出来る。また、開口部周辺領域３６に付着した雨粒４が放射素子開口領域３１〜３５に侵入することを防ぐことも出来る。

なお、上記いずれの構成においても、あらかじめ凹凸形状を転写させた後にコーティング材を塗布しても良い。

＜効果＞
本実施の形態のアンテナ放射素子によれば、既に述べたとおり以下の効果を奏する。すなわち、実施の形態４のアンテナ放射素子では、保護フィルム３の外表面に水との接触角が異なるコーティング材が塗り分けられ、コーティング材が塗られた領域およびそれ以外の領域のいずれか、あるいは両方の領域の一部又は全域に凹凸形状が形成される。このような手法を用いて、放射素子開口領域３１〜３５から開口部周辺領域３６にかけて水との接触角が小さくなるように調整すれば、放射素子開口領域３１〜３５に付着した雨粒４を開口部周辺領域３６に排除することが出来る。また、開口部周辺領域３６に付着した雨粒４が放射素子開口領域３１〜３５に侵入することを防ぐことも出来る。

１本体、２放射素子、３，３０保護フィルム、４，４０水滴、３１〜３５開口領域、３６開口部周辺領域。

Claims

開口が設けられた導波管と、
前記導波管の開口面を覆う電波透過性の保護フィルムとを備えたアンテナ放射素子であって、
前記保護フィルム外表面の水との接触角が、前記開口の中心から外側にかけて段階的に小さくなることを特徴とする、アンテナ放射素子。
開口が設けられた導波管と、
前記導波管の開口面を覆う電波透過性の保護フィルムとを備えたアンテナ放射素子であって、
前記保護フィルム外表面の水との接触角が、前記開口の一端からその対向する端にかけて段階的に小さくなることを特徴とする、アンテナ放射素子。
前記保護フィルムにおける水との接触角の段階的変化において、最大値は７０°以上であり、最小値は４０°以下であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のアンテナ放射素子。
前記保護フィルムの外表面に水との接触角が異なるコーティング材が塗り分けられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ放射素子。
前記保護フィルムの外表面に異なる凹凸形状の領域が複数形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ放射素子。
前記保護フィルムの外表面に水との接触角が異なるコーティング材が塗り分けられ、コーティング材が塗られた領域およびそれ以外の領域のいずれか、あるいは両方の領域の一部又は全域に凹凸形状が形成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ放射素子。
請求項１〜６のいずれかに記載のアンテナ放射素子を備える平面アンテナ。