JP2013219547A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 電力損失を低減しつつ、電波の放射方向を精度よく傾斜させることができるアンテナを提供する。
【解決手段】 本発明のマイクロストリップアンテナ１は、誘電体基板２と、この誘電体基板２の一方の面に形成された地導体３と、誘電体基板２の他方の面に形成されたストリップ導体４とを備えている。ストリップ導体４は、ビームを形成する一つの矩形状のアンテナ素子６と、アンテナ素子６から延びている線状の給電線路７とを備えている。アンテナ素子６は、その素子幅Ｗが、給電線路７を伝播する信号波の１波長以上であるとともに、給電線路７が、アンテナ素子６の幅方向中央に対して幅方向一方側にオフセットした位置から延びていることによって、前記ビームを、当該アンテナ素子６の放射面６ａの正面方向に対して傾斜させて形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車のレーダや携帯電話等のモバイル機器の送受信機等に用いられる、マイクロストリップラインよりなるアンテナに関する。

自動車の周辺環境を監視するための車載レーダに用いられる送受信アンテナとして、マイクロストリップアンテナが採用されることがある。このマイクロストリップアンテナは、薄型でかつ低コストであるため、車載レーダのみならず、携帯電話等のモバイル機器の電波を送受信するための送受信アンテナとして広く普及している。

マイクロストリップアンテナは、誘電体基板上に形成されたストリップ導体からなるアンテナ素子より電波を放射するため、その放射方向は、一般にアンテナ素子に対して垂直な（正面）方向となる。
ここで、当該マイクロストリップアンテナが実装される装置の配置等によっては、マイクロストリップアンテナの電波の放射方向をアンテナ素子に対して傾斜させたい場合がある。
このような場合、一般的な技術として、アンテナ素子を複数個配置してアレーアンテナを構成し、各素子への給電線路の長さを異ならせてそれぞれの位相を調整することで、合成波を傾斜させたり（例えば、特許文献１参照）、複数個配置したアンテナ素子の大きさを互いに異ならせて各素子それぞれの位相を調整することで、合成波を傾斜させるといった方法が知られている。

特開平０７−１２８４３５号公報

しかし、マイクロストリップアンテナで、上述のアレーアンテナを構成する場合、各アンテナ素子を接続するための線路が必要となり、線路形成時の加工精度による位相誤差によって所望の位相関係が崩れ、電波の放射方向を精度よく傾斜させることができなくなる場合があった。さらに、上記線路を設けることによって電力損失が大きくなることもあった。
このため、マイクロストリップアンテナにおいて、電力損失を低減しつつ、電波の放射方向を精度よく傾斜させることができる技術が嘱望されていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、電力損失を低減しつつ、電波の放射方向を精度よく傾斜させることができるアンテナを提供することを目的とする。

本発明は、正面方向に対して傾斜したビームを形成するアンテナであって、ストリップ導体からなり、前記ビームを形成する一つの矩形状のアンテナ素子と、前記アンテナ素子から延びている線状の給電線路と、を備え、前記アンテナ素子は、その素子幅が前記給電線路を伝播する信号波の１波長以上であるとともに、前記給電線路が前記アンテナ素子の幅方向中央に対して幅方向一方側にオフセットした位置から延びていることによって、当該アンテナ素子の正面方向に対して傾斜した前記ビームを形成するものであることを特徴としている。

上記構成のアンテナによれば、素子幅が前記信号波の１波長以上であるとともに、前記給電線路が前記アンテナ素子の幅方向中央に対して幅方向一方側にオフセットした位置から延びていることによって、当該アンテナ素子の正面方向に対して傾斜した前記ビームを形成するアンテナ素子を備えているので、複数のアンテナ素子を設けることなく、ビームを傾斜させて形成することができる。このため、複数のアンテナ素子を設けた場合に必要となる各アンテナ素子を接続するための線路が不要となり、給電線路による電力損失を低減できるとともに、給電線路形成時の加工精度に起因する誤差要因を排除でき、電波の放射方向を精度よく傾斜させることができる。

上記アンテナにおいて、前記アンテナ素子の素子幅が、前記信号波の波長の（１＋０．５×ｎ）倍（但し、ｎは０以上の整数）であることが好ましい。
この場合、必要なビームの傾斜角度に応じて素子幅を調整する際に、アンテナ素子としての利得を高めることができる波数とするための自由度を高めることができる。

上記アンテナ素子では、アンテナ素子の幅方向一方側から放射される電波よりもより位相が遅延した電波を幅方向他方側から放射させることができ、ビームを幅方向他方側に傾斜させて形成することができる。
つまり、給電線路がアンテナ素子の幅方向中央に接続されている場合、アンテナ素子の放射面上において幅方向両側から放射される電波は、互いに同じように遅延した位相となるので、アンテナ素子から放射される合成波はアンテナ素子の正面方向に沿ってビームを形成する。
これに対して、本願発明によれば、遅延波が幅方向他方側から偏って放射されるので、アンテナ素子から放射される合成波はアンテナ素子の正面方向に対して他方側に傾斜したビームを形成する。
よって、上記アンテナにおいて、前記給電線路は、前記アンテナ素子の幅方向一端側の角部近傍であって、前記アンテナ素子の幅方向一端から、前記信号波の波長の１／４倍以下の位置に接続されていることが好ましく、この場合、アンテナ素子全体としての電波の放射方向をさらに効果的に傾斜させることができる。
前記角部に給電線路を接続すれば、当該給電線路とアンテナ素子との間でインピーダンス整合がとれず、入力される信号波に反射が生じて伝送損失が生じるが、上記の場合、給電線路をアンテナ素子の角部近傍に接続したので、伝送損失を抑えつつ、アンテナ素子全体としての電波の放射方向をさらに効果的に傾斜させることができる。
なお、アンテナ素子の正面方向とは、アンテナ素子の放射面に対して垂直な方向をいう。

本発明のアンテナによれば、電力損失を低減しつつ、電波の放射方向を精度よく傾斜させることができる。

本発明の第一の実施形態に係るマイクロストリップアンテナの斜視図である。 マイクロストリップアンテナにより形成されるビームのビーム方向の傾斜角度を説明するための図である。 本発明の他の実施形態に係るマイクロストリップアンテナを示す図である。 アンテナ素子の電界分布の一例を示す図であり、（ａ）は管内波長が１波長の場合、（ｂ）は管内波長が１．５波長の場合、（ｃ）は管内波長が２波長の場合、（ｄ）は管内波長が２．５波長の場合を示している。 第１の検証試験の試験結果の内、管内波長と、ビームの傾斜角度との関係を示したグラフである。 第１の検証試験の試験結果の内、管内波長と、利得との関係を示したグラフである。 第２の検証試験の試験結果を示すグラフである。 第３の検証試験の試験結果を示すグラフである。

次に、本発明の好ましい実施形態について添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１の斜視図である。
図１中、マイクロストリップアンテナ１は、矩形状に形成された誘電体基板２と、この誘電体基板２の下面に形成された接地板としての地導体３と、誘電体基板２の上面に形成されたストリップ導体４とを備えている。
誘電体基板２は、例えば、フッ素樹脂又はセラミックス等の所定の誘電率を有する誘電体を矩形板状に形成したものであり、下面に銅箔、銀箔、又はアルミ箔等の導電性材料からなる地導体３が貼り合わされており、上面に銅箔、銀箔、又はアルミ箔等の導電性材料からなるストリップ導体４が貼り合わされている。

ストリップ導体４は、誘電体基板２上において、矩形状のアンテナ素子６と、このアンテナ素子６から延びている線状の給電線路７とを備えている。ストリップ導体４が有するアンテナ素子６及び給電線路７は、例えば、誘電体基板２の上面一面に銅箔を貼り付け、その後、エッチング加工によって、当該アンテナ素子６及び給電線路７の形状となる部分の銅箔を誘電体基板２上に残すことで形成されている。

給電線路７は、アンテナ素子６から電波として放射される信号波をアンテナ素子６に与えるための線路であり、アンテナ素子６の長手方向側部６ｅに接続している。
アンテナ素子６は、その矩形状の表面である放射面６ａから、給電線路７を介して供給される信号波を電波として放射し、ビームを形成する。

ここで、本実施形態のアンテナ素子６は、その素子幅（図１において左右方向の幅）Ｗが、給電線路７を伝播する信号波の波長（以下、管内波長ともいう）の（１＋０．５×ｎ）倍（但し、ｎは０以上の整数）となるように形成されている。すなわち、アンテナ素子６に伝播する信号波が、当該アンテナ素子６の幅方向において、管内波長の（１＋０．５×ｎ）倍の範囲で素子長Ｌ方向に共振状態となるように、素子幅Ｗを設定し、それに応じて素子長Ｌを調整している。なお、素子長Ｌは、例えば、管内波長の１／２倍となるように設定されている。

また、給電線路７は、アンテナ素子６の幅方向一端側の角部近傍に接続されているとともに、アンテナ素子６の幅方向側部６ｂから管内波長の１／４倍以下の位置から延びている。つまり、アンテナ素子６の幅方向側部６ｂから、給電線路７の中心に至るまでの幅方向の寸法ｗ１が、管内波長の１／４倍以下に設定されている。
なお、上記「管内波長の１／４倍」とは、物理的な寸法に対応する電気的な距離（経路長）が管内波長の１／４倍という意味である。以下、「寸法、又は位置が管内波長のｍ倍」といった表現は、上記同様に、物理的な寸法、又は位置に対応する電気的な距離（経路長）が管内波長のｍ倍という意味である。

本実施形態のマイクロストリップアンテナ１では、アンテナ素子６の幅方向一方側から放射される電波よりもより位相が遅延した電波を幅方向他方側から放射させることで、ビームを幅方向他方側に傾斜（チルト）させて形成することができる。
つまり、給電線路７がアンテナ素子６の幅方向中央に接続されている場合、アンテナ素子６の放射面６ａ上において幅方向両側から放射される電波は、互いに同じように遅延した位相となるので、アンテナ素子６から放射される合成波はアンテナ素子６の放射面６ａに垂直な方向（正面方向）に沿ってビームを形成する。
これに対して、本実施形態のマイクロストリップアンテナ１では、遅延波が幅方向他方側から偏って放射されるので、アンテナ素子６から放射される合成波はアンテナ素子６の正面方向に対して他方側に傾斜したビームを形成する。

以上のようにして、アンテナ素子６は、素子幅Ｗが１信号波の１波長以上であるとともに、給電線路７がアンテナ素子６の幅方向中央に対して幅方向一方側にオフセットした位置から延びていることによって、単一のアンテナ素子によって当該アンテナ素子６の正面方向に対して傾斜したビームを形成することができる。

本実施形態のマイクロストリップアンテナ１では、上記のようにビームを当該アンテナ素子６の正面方向に対して傾斜させて形成するアンテナ素子６を備えているので、複数のアンテナ素子を設けることなく、ビームを傾斜させて形成することができる。このため、複数のアンテナ素子を設けた場合に必要となる各アンテナ素子を接続するための線路が不要となり、給電線路による電力損失を低減できるとともに、給電線路形成時の加工精度に起因する誤差要因を排除でき、電波の放射方向を精度よく傾斜させることができる。

なお、アンテナ素子６の素子幅Ｗが管内波長１波長分よりも短いと、幅方向に十分な遅延波を放射することができず、ビームを十分に傾斜させることができない。このため、本実施形態では、アンテナ素子６の素子幅Ｗが管内波長１波長分以上に設定されている。

また、本実施形態では、給電線路７が、アンテナ素子６の幅方向一端側の角部近傍であって、アンテナ素子６の幅方向側部６ｂから、給電線路７の中心に至るまでの幅方向の寸法ｗ１が、上述のように、管内波長の１／４以下に設定されている。
仮に、給電線路７を、アンテナ素子６の長手方向側部６ｅと幅方向側部６ｂとが繋がる角部に設けた場合、給電線路７と、アンテナ素子６との間のインピーダンス整合がとれず、給電線路７を介してアンテナ素子６に供給される信号波に反射が生じ、伝送損失が生じる。
この点、本実施形態では、給電線路７をアンテナ素子６の角部近傍に接続したので、伝送損失を抑えつつ、アンテナ素子６全体としての電波の放射方向をさらに効果的に傾斜させることができる。

また、寸法ｗ１を管内波長の１／４倍より大きくすると、アンテナ素子６の幅方向側部６ｂ側から放射される遅延波の影響が大きくなり、ビームを十分に傾斜させることができなくなるおそれがある。
この点、本実施形態では、寸法ｗ１を管内波長の１／４以下したのでアンテナ素子６全体としての電波の放射方向を効果的に傾斜させることができる。
さらに、寸法ｗ１を管内波長の１／８以下とすることが好ましく、これによって、アンテナ素子６全体としての電波の放射方向をより効果的に傾斜させることができる。

なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、給電線路７が、アンテナ素子６の幅方向側部６ｂから管内波長の１／４倍以下の位置から延びる場合を示したが、給電線路７の接続位置は、アンテナ素子６の幅方向中央に対して、幅方向一方側にオフセットした位置であれば、アンテナ素子６の幅方向側部６ｂから管内波長の１／４倍よりも幅方向他端側寄りの位置であってもよい。
さらに、給電線路７は、アンテナ素子６の角部近傍であって、アンテナ素子６の幅方向側部６ｂに接続するように形成してもよい。

この場合においても、遅延波が幅方向他方側から偏って放射されるので、アンテナ素子６から放射される合成波はアンテナ素子６の正面方向に対して他方側に傾斜したビームを形成するからである。

すなわち、本実施形態では、接続部７ａをアンテナ素子６の幅方向中央から序々にオフセットさせれば、そのオフセット量に応じて両端からの遅延波の偏りが大きくなり、ビームは傾斜する。
このように、本実施形態のマイクロストリップアンテナ１によれば、給電線路７の接続部７ａ、アンテナ素子６の素子幅Ｗ、及びそれに応じて素子長Ｌを調整することで、電波の放射方向を任意の角度に傾斜させることもできる。

ここで、本実施形態では、アンテナ素子６の素子幅Ｗが、管内波長の（１＋０．５×ｎ）倍（但し、ｎは０以上の整数）とされているので、必要な角度に電波の放射方向を傾斜させるために素子幅Ｗを調整する際、アンテナ素子６としての利得を高めることができる波数とするための自由度を高めることができる。

また、本発明のマイクロストリップアンテナは、複数のアンテナ素子６を備えた構成とすることもできる。図３は、本発明の他の実施形態に係るマイクロストリップアンテナを示す図である。
図中、この実施形態のマイクロストリップアンテナ１は、誘電体基板２上に４つのアンテナ素子６が形成されている。各アンテナ素子６は、幅方向側部６ｂ又は長手方向側部６ｅから給電線路７が延ばされており、同じ方向にビームが傾斜するように配置されている。また、各アンテナ素子６は、給電線路７を介して誘電体基板２の裏面に配置された当該アンテナ１を制御するためのＩＣチップに接続されている。
このように、同じ方向にビームが傾斜するように配置された多数のアンテナ素子６を備えることで、より利得を高めることができ、それにより指向性を鋭くすることができる。

また、上記実施形態では、本発明のマイクロストリップアンテナを送信用のアンテナとして用いた場合を例示したが、受信用アンテナとして用いることもできる。本発明のマイクロストリップアンテナは、受信用アンテナとして用いた場合も、上述のような利得と、指向性が得られる。

次に、上記マイクロストリップアンテナ１により得られる効果を検証するために、本発明者らが行った検証試験について説明する。
試験方法としては、本発明に係る実施例品について、コンピュータによるシミュレーションによって、所定の信号波を供給したときのアンテナの電界分布を解析し、図２に示すように、マイクロストリップアンテナ１により形成される合成波によるビームについて、アンテナ素子６の放射面６ａの正面方向に対するビーム方向の傾斜角度と利得とを求め、効果を検証した。

実施例品として想定したマイクロストリップアンテナ１は、厚み０．１１５ｍｍ、誘電率２．２３の誘電体２に、厚み９μｍの銅箔からなる地導体３及び厚み９μｍの銅箔からなるストリップ導体４を貼り合わせたものとした。また、給電線路７の幅寸法ｌ１（図１）は、０．２ｍｍとし、アンテナ素子６の寸法は、後述する所定の寸法とした。
給電線路７は、以下に示す条件全ての場合において、幅方向側部６ｂから当該給電線路７の中心に至るまでの幅方向の寸法ｗ１（図１）が管内波長の１／８倍となる位置に設けた。

まず、第１の検証試験として、素子長Ｌを一定の値に固定した上で、素子幅Ｗの変化させたときのビーム方向の傾斜角度の変化及びそのときの利得の変化を検証した。

下記表１は、第１の検証試験の試験結果を示している。表１中、素子長Ｌを２．２ｍｍに設定し、管内波長が表１中の０．５〜３までの値となるように素子幅Ｗを設定した。
図４は、解析したアンテナ素子６の電界分布の一例を示す図であり、（ａ）は管内波長が１波長の場合、（ｂ）は管内波長が１．５波長の場合、（ｃ）は管内波長が２波長の場合、（ｄ）は管内波長が２．５波長の場合を示している。図４中、ハッチングのない領域Ｅ１は、相対的に最も電界が弱い領域を示しており、領域Ｅ１〜Ｅ４と、ハッチングの間隔が狭い領域ほど強電界となっている。各図が示すアンテナ素子６の電界分布をみると、周期的に強電界の領域が現れており、このことから、管内波長が「１＋０．５×ｎ」（但し、ｎは０以上の整数）を満たす値では、供給された信号波が放射されるのに十分な共振状態にあることが確認できる。

図５は、第１の検証試験の試験結果の内、管内波長と、ビームの傾斜角度との関係を示したグラフである。図４において、横軸は管内波長、縦軸は傾斜角度を示している。
表１及び図４に示すように、本発明のマイクロストリップアンテナは、管内波長が「１＋０．５×ｎ」（但し、ｎは０以上の整数）を満たす値については、その管内波長（素子幅Ｗ）の増加に応じてビーム方向の傾斜角度が増加していることが確認できる。
この結果から、素子幅Ｗを調整すれば、所望の傾斜角度を精度よく得ることができることが判る。

なお、管内波長が１．１〜１．４の場合の傾斜角度については、ビームの傾斜を確認することはできるが、他の値から外れるように不規則に現れている。これは、この値の範囲が、管内波長が「１＋０．５×ｎ」を満たす値でないことから、供給された信号波が放射されるのに十分な共振が得られず、後述するように利得が十分に得られないことに起因している。

図６は、第１の検証試験の試験結果の内、管内波長と、利得との関係を示したグラフである。図５に示すように、本発明のマイクロストリップアンテナは、管内波長が「１＋０．５×ｎ」（但し、ｎは０以上の整数）を満たす値については、２ｄＢ以上の利得が得られていることが確認できる。
この結果から、素子幅Ｗを調整してビームを傾斜させたとしても、十分な利得が得られることが判る。

なお、管内波長が１．１〜１．４の場合の利得については、他の値と比較して、極端に低い利得しか得られていない。これは、上述のように、管内波長が「１＋０．５×ｎ」を満たす値でないことから、図４に示すような信号波の放射に十分な共振が得られていないことに起因している。アンテナ素子６が信号波の放射に十分な共振状態でないことから、アンテナ素子６に供給される信号波に反射が生じ、伝送損失が生じて、図６に示すように、利得が低く現れている。
これより、アンテナ素子６の素子幅Ｗを、管内波長の「１＋０．５×ｎ」倍（但し、ｎは０以上の整数）とすることによって、アンテナ素子６としての利得を高めるとともに、「ｎ」を調整することで、必要な角度に電波の放射方向を傾斜させることができる。
また、「ｎ」の値を大きくすれば、それに伴って傾斜角度も大きくなるが、その度合は、次第に小さくなる傾向にあることが判る。

以上のように第１の検証試験の結果から、アンテナ素子６の素子幅Ｗを調整すれば、複数のアンテナ素子を設けることなく、十分な利得を維持した上で、アンテナ素子全体としての電波の放射方向を精度よく傾斜させることができることが確認できた。

次に、第２の検証試験として、以下の試験を行った。すなわち、第１の検証試験で用いたものと同じ仕様のマイクロストリップアンテナ１を用い、アンテナ素子６の素子長Ｌを１．８ｍｍ、及び２．０ｍｍの２種類に設定し、それぞれの場合における素子幅Ｗと、ビーム方向の傾斜角度との関係を検証した。

下記表２は、第２の検証試験の試験結果を示している。図７は、第２の検証試験の試験結果を示すグラフである。表２中、規格化素子幅とは、素子長Ｌを１．８ｍｍ、又は２．０ｍｍに設定したときに、管内波長の１．０倍、１．５倍、２．０倍、２．５倍となる素子幅Ｗを示しており、管内波長それぞれに対応して、管内波長の倍数で示している。
なお、素子長Ｌは、管内波長の１／２倍となる寸法に設定している。

表２、及び図７に示すように、素子長Ｌが１．８ｍｍ、２．０ｍｍのいずれの場合にお
いても、規格化素子幅の増加に伴って、ビーム方向の傾斜角度が増加していることが確認できる。この結果から、素子幅Ｗを調整すれば、所望の傾斜角度を精度よく得ることができることが判る。

さらに、第３の検証試験として、管内波長のほぼ１．０倍、及びほぼ１．５倍となるように素子幅Ｗを設定したときに、それぞれの素子長Ｌの寸法の変化による影響を評価した。具体的には、素子長Ｌを０．１ｍｍ刻みで固定して、素子幅Ｗを管内波長の１．０倍、又は１．５倍から若干変化させたときに、ビーム方向の傾斜角度が最も大きくなる素子幅Ｗに調整した。
第３の検証試験の結果を表３、及び図８に示す。

表３、及び図８を見ると、素子長Ｌの変化に関わらず、管内波長の１．５倍となるように素子幅Ｗを設定した場合の方が、ビーム方向の傾斜角度が大きく現れていることが確認できる。
また、この結果から、素子幅Ｗを調整するとともに、素子長Ｌを調整すれば、ビーム方向の傾斜角度を微調整することができ、所望の傾斜角度をさらに精度よく得ることができることが判る。

なお、上記各検証試験において、アンテナ素子６及び給電線路７をエッチング加工にて形成する際に生じうる寸法誤差を考慮し、合成波によるビーム方向の傾斜角度を求めたが、得られた結果は、上記表１〜３に示すビーム方向の傾斜角度に対して、ほとんど誤差が生じないことを確認した。この結果から、加工精度に起因する誤差要因が排除され、電波の放射方向を精度よく傾斜させることが判った。

以上の結果から、アンテナ素子６の素子幅Ｗを調整すれば、複数のアンテナ素子を設けることなく、アンテナ素子全体としての電波の放射方向を精度よく傾斜させることができることが確認できた。

１ マイクロストリップアンテナ
２ 誘電体基板
３ 地導体
４ ストリップ導体
６ アンテナ素子
７ 給電線路

Claims (3)

1. 正面方向に対して傾斜したビームを形成するアンテナであって、
   ストリップ導体からなり、前記ビームを形成する一つの矩形状のアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子から延びている線状の給電線路と、を備え、
   前記アンテナ素子は、その素子幅が前記給電線路を伝播する信号波の１波長以上であるとともに、前記給電線路が前記アンテナ素子の幅方向中央に対して幅方向一方側にオフセットした位置から延びていることによって、当該アンテナ素子の正面方向に対して傾斜した前記ビームを形成するものであることを特徴とするアンテナ。
2. 前記アンテナ素子の素子幅が、前記信号波の波長の（１＋０．５×ｎ）倍（但し、ｎは０以上の整数）である請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記給電線路は、前記アンテナ素子の幅方向一端側の角部近傍であって、前記アンテナ素子の幅方向一端から、前記信号波の波長の１／４倍以下の位置に接続されている請求項１又は２に記載のアンテナ。

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