JP2014207495A

JP2014207495A - 誘電体装荷アンテナ

Info

Publication number: JP2014207495A
Application number: JP2013082282A
Authority: JP
Inventors: 成夫五島; Shigeo Goshima; 幹男辻; Mikio Tsuji; 出口　博之; Hiroyuki Deguchi; 博之出口
Original assignee: Panasonic Corp; Doshisha Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Doshisha Co Ltd
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: JP6278500B2

Abstract

【課題】従来よりも形状の複雑化を抑えながら小型化と広角な放射特性を得る。【解決手段】円錐台形状の主部20と、一次放射器１の溝11に挿入される挿入部21とが誘電体である材料で一体に形成された誘電体レンズ２を一次放射器１に装荷することにより、従来よりも小型化と広角な放射特性を得ることができる。しかも、従来例に比べて誘電体レンズ２の形状が簡素化されているため、形状の複雑化を抑えることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体装荷アンテナに関する。

近年、ミリ波帯の電波を利用して移動体(車両や人など)を検出するミリ波レーダ装置が普及してきている。このようなミリ波レーダ装置に搭載されるアンテナは、相対的に広い範囲を高利得・低損失でカバーし得る特性が必要であり、且つ小型なものが特に求められている。

本発明者らは、上記目的を達成するため、同軸導波管モードを励振・制御して広角指向性を改善した同軸グルーブホーンアンテナに、誘電体レンズを装荷した誘電体装荷アンテナを開発した(非特許文献１参照)。

非特許文献１記載の従来例は、図８(ａ)に示すように同軸グルーブホーンアンテナからなる一次放射器100と、一次放射器100の開口(図中の右側)に装荷される誘電体レンズ110とで構成される。一次放射器100は、円形導波管101における開口の周りに同軸構造の溝(グルーブ)102が形成されてなる。誘電体レンズ110は、中心部の厚みが周辺部の厚みよりも十分に小さい円環形状であり、且つ一次放射器100の開口から内部に挿入された第１面111と、一次放射器100の開口から外部に露出する第２面112とが異なる曲面形状に形成されている。

図８(ｂ)には、上記従来例の24GHzにおける放射パターンの測定値と計算値を比較して示している。同図の横軸は円形導波管101の中心からの角度を示し、縦軸は利得を示している。また、同図における実線IはＨ面の測定値、一点破線IIはＥ面の測定値、破線IIIはＨ面の計算値、点線IVはＥ面の計算値を示している。各測定値及び計算値から明らかなように、±60°方向における正面方向からの利得低下は数デシベル程度であり、十分に広角な放射特性が得られている。

小林明広、大森章弘、出口博之、辻幹男、「広角ビーム照射のための誘電体レンズホーンアンテナ」、電子情報通信学会総合大会講演論文集２０１２年通信(１)、５８

非特許文献１記載の従来例は、上述のように小型化を図りつつ十分に広角な放射特性が得られるものではある。しかしながら、誘電体レンズを合成樹脂材料(例えば、ポリエチレン)の成形体で構成する場合、第１面111及び第２面112の形状が複雑なため、金型費などの製造コストが上昇するという問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みて為されたものであり、従来よりも形状の複雑化を抑えながら小型化と広角な放射特性を得ることを目的とする。

本発明の誘電体装荷アンテナは、給電面および電波を放射する放射面を備える誘電体装荷アンテナであって、前記給電面側から放射面側に向かって開いた開口を備える導波部および前記導波部の放射面側の前記開口の周りに同軸構造の溝が形成されてなる一次放射器と、前記一次放射器の前記放射面側に装荷される誘電体レンズとを備え、前記誘電体レンズは、前記一次放射器の前記開口及び前記溝を覆い且つ前方へ突出する円錐台形状に形成された主部と、前記主部の後面から突出して前記溝に挿入される挿入部とを含み、前記主部および前記挿入部が誘電体である材料から一体に形成されていることを特徴とする。

この誘電体装荷アンテナにおいて、前記開口と前記導波部とは、同軸上に存在することが好ましい。

この誘電体装荷アンテナにおいて、前記誘電体レンズは、前記挿入部の先端と前記溝の内底面との間に空隙を設けてなることが好ましい。

この誘電体装荷アンテナにおいて、前記誘電体レンズは、前記主部の後面における前記開口と対向する面が円錐面に形成されてなることが好ましい。

この誘電体装荷アンテナにおいて、前記誘電体レンズは、前記主部の底面の中心と前記円錐面の頂点が前記円形導波管及び前記溝と同軸に位置するように形成されてなることが好ましい。

本発明の誘電体装荷アンテナは、円錐台形状の主部と、一次放射器の溝に挿入される挿入部とを含み、主部および挿入部が何れも誘電体である材料で一体に形成された誘電体レンズを一次放射器に装荷した構造を有するので、従来例に比べて誘電体レンズの形状が簡素化されている。そのため、形状の複雑化を抑えることができ、且つ従来よりも小型化と広角な放射特性を得ることができるという効果がある。

本発明に係る誘電体装荷アンテナの実施形態を示し、(ａ)は断面図、(ｂ)は24GHzにおける放射パターンの特性図である。同上の斜視図である。同上の電圧定在波比の周波数特性図である。本発明に係る誘電体装荷アンテナの別の実施形態を示し、(ａ)は断面図、(ｂ)は24GHzにおける放射パターンの特性図である。本発明に係る誘電体装荷アンテナの比較例１を示し、(ａ)は断面図、(ｂ)は24GHzにおける放射パターンの特性図である。本発明に係る誘電体装荷アンテナの比較例２を示し、(ａ)は断面図、(ｂ)は24GHzにおける放射パターンの特性図である。本発明に係る誘電体装荷アンテナの比較例３を示し、(ａ)は断面図、(ｂ)は24GHzにおける放射パターンの特性図である。従来例を示し、(ａ)は断面図、(ｂ)は24GHzにおける放射パターンの特性図である。

以下、本発明に係る誘電体装荷アンテナの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態の誘電体装荷アンテナは、図１(ａ)及び図２に示すように円形導波管の前面側の開口の周りに同軸構造の溝11が形成されてなる一次放射器１と、一次放射器１の前面側に装荷される誘電体レンズ２とを備える。ただし、一次放射器１の前側が自由空間側、すなわち、導波管を通じて誘電体レンズ側より放射される電波の進行方向側となって電波が放射され、一次放射器１の後側が給電面側となる。

一次放射器１は、金属材料からなり、中央の導波路10と円環状の溝11とが同軸に形成されている。導波路10は、給電面側から放射面側(前側)に向かって電波を伝搬する部材である。本実施形態における導波路10は、放射面と給電面とを結ぶ誘電体装荷アンテナの長軸(中心軸)に沿って均一な円を描く円柱状であって、給電面側から放射面側に向かって開いた開口を備える。ただし、導波路10の形状は円柱状に限定されるものではなく、放射面と給電面とを結ぶ誘電体装荷アンテナの長軸に沿って同一円周上に放射面と給電面が存在すればよい。電波の伝搬を均一に行う観点からは、導波路10は、さらに、その同一円周上にあって均等な形状であることが好ましい。具体的には、導波路10は、円柱形状のほかに、角柱形状などがあげられるが、なかでも、上記観点からは、円柱形状であることが好ましい。ここで、導波路10と溝11を隔てる壁を内周壁12と呼び、溝11の外周側の壁を外周壁13と呼ぶことにする。なお、溝11の内底面から内周壁12及び外周壁13の前端までの高さ寸法は、外周壁13の前端までの高さ寸法の方が僅かに大きくなっている(図１(ａ)参照)。

誘電体レンズ２は、円錐台形状の主部20と、主部20の後面から突出する円筒形状の挿入部21とが誘電体である材料(例えば、ポリエチレンなどの合成樹脂材料)から一体に形成されてなる。主部20は、誘電体レンズ２において導波路10を伝搬する電波を自由空間側に放射するための部材であり、本部材の形状が電波の放射角を決定する。本実施形態における主部20は、後側の底面の半径r1が一次放射器１の半径r2とほぼ一致している(図１(ａ)参照)。

挿入部21は、導波路10を伝搬する電波を自由空間側に放射するための部材であり、放射角を拡げるためのものである。本実施形態における挿入部21は、径方向の幅寸法が溝11の幅寸法よりも僅かに小さくなっており、前方から溝11に挿入される。また、挿入部21は、前後方向の高さ寸法が溝11の深さ寸法より小さくなっている。そのため、主部20の後面が一次放射器１の外周壁13の前端に当たった状態において、挿入部21の先端(後端)と溝11の内底面との間に空隙が生じている。さらに、誘電体レンズ２は、主部20の後面における開口(導波路10)と対向する面が円錐面22に形成されている。

本実施形態における誘電体レンズ２は、主部20の底面の中心と円錐面22の頂点が導波路10及び溝11と同軸に位置するように形成されている。このように、主部20の底面の中心と円錐面22の頂点が導波路10及び溝11と同軸に位置するように形成すると、中心軸に対して対称構造なので、指向性が均一になるという効果が得られるので好ましい。

また、本実施形態では、誘電体レンズ２の形状として、前側に位置する頂点が水平な形状を示したが、頂点を挟んで対向する誘電体レンズ２の傾斜面が後側に窪んでいない形状であればよい。例えば、両傾斜面が、前側に突出した状態で直線または曲線上でつなげられた形状でもよい。

また、誘電体レンズ２において、放射特性を向上させる観点からは、主部の半径r1、導波路10と一次放射器１の最外郭までの半径r2は、r1＝r2であることが好ましい。

ここで、本実施形態の誘電体装荷アンテナを開発するに当たって、本発明者らが種々検討した比較例について簡単に説明する。ただし、下記の比較例における一次放射器１は全て本実施形態における一次放射器１と同一のものである。

（比較例１）
最初の比較例１は、従来例における誘電体レンズ110の第１面111の簡略化(平面化)が放射特性に及ぼす影響を検討したものである。具体的には、比較例１は、図５(ａ)に示すように、従来例における誘電体レンズ110の第１面111に挿入部113を設けるとともに挿入部113の内側を平面としたものである。図５(ｂ)は、この比較例１の24GHzにおける放射パターンの計算値を示している。なお、同図の横軸は導波路10の中心からの角度を示し、縦軸は利得を示している。また、同図における点線IはＨ面の計算値、実線IIはＥ面の計算値、破線IIIは交差偏波成分の計算値をそれぞれ示している。

図５(ｂ)から判るように、従来例と比較して放射特性が若干変化するものの、誘電体レンズ110の第１面111の簡略化(平面化)が放射特性に及ぼす影響は小さいものと考えられる。

(比較例２)
２番目の比較例２は、比較例１における誘電体レンズ110の第２面112の簡略化が放射特性に及ぼす影響を検討したものである。具体的には、比較例２は、図６(ａ)に示すように、比較例１における誘電体レンズ110の第２面112の断面を直線に近似して簡略化したものである。図６(ｂ)は、この比較例２の24GHzにおける放射パターンの計算値を示している。なお、同図の横軸は導波路10の中心からの角度を示し、縦軸は利得を示している。また、同図における点線IはＨ面の計算値、実線IIはＥ面の計算値、破線IIIは交差偏波成分の計算値をそれぞれ示している。

図６(ｂ)から判るように、誘電体レンズ110の第２面112の簡略化が放射特性に及ぼす影響も小さいものと考えられる。

(比較例３)
３番目の比較例３は、比較例２における誘電体レンズ110の形状のさらなる簡素化を検討したものである。具体的には、比較例３は、図７(ａ)に示すように、比較例２における誘電体レンズ110の第２面112を円錐台形状に近付けたものである。図７(ｂ)は、この比較例３の24GHzにおける放射パターンの計算値を示している。なお、同図の横軸は導波路10の中心からの角度を示し、縦軸は利得を示している。また、同図における点線IはＨ面の計算値、実線IIはＥ面の計算値、破線IIIは交差偏波成分の計算値をそれぞれ示している。

図７(ｂ)から判るように、Ｅ面とＨ面の放射パターンは非常によく一致し、±55°付近までは正面方向からの利得低下が殆ど見られない。しかも、交差偏波成分のピーク値は-20デシベル以下と低いレベルである。ただし、比較例３の誘電体レンズ110は、第２面112の中心軸の周りに楔状の溝114がある特殊な形状であるため、製造コストを抑えるには不利である。

図４(ａ)は本発明に係る誘電体装荷アンテナの別の実施形態を示す断面図である。この実施形態は、比較例３における楔状の溝114を誘電体で埋めたものであり、図１(ａ)に示す実施形態とは、主部20の後面における開口と対向する面が円錐面22ではなく平面に形成されている点のみが異なる。

図４(ｂ)は、この実施形態の24GHzにおける放射パターンの計算値を示している。なお、同図の横軸は導波路10の中心からの角度を示し、縦軸は利得を示している。また、同図における点線IはＨ面の計算値、実線IIはＥ面の計算値、破線IIIは交差偏波成分の計算値をそれぞれ示している。

図４(ｂ)から判るように、比較例３の放射パターン及び交差偏波成分との差異は殆ど認められない。

従って、円錐台形状の主部20と、一次放射器１の溝11に挿入される挿入部21とが誘電体である材料で一体に形成された誘電体レンズ２を一次放射器１に装荷することにより、従来よりも小型化と広角な放射特性を得ることができる。しかも、従来例に比べて誘電体レンズ２の形状が簡素化されているため、形状の複雑化を抑えることができる。

ここで、図４に示す実施形態では、24GHzにおける電圧定在波比が約1.9(反射係数が-10.2デシベル)となっている。

一方、図１に示す実施形態は、主部20の後面における開口と対向する面を円錐面22に形成することにより、放射パターンの特性劣化を極力抑えつつ電圧定在波比を改善(減少)することができる。

図３は、主部20の後面における開口と対向する面が平面の場合(実線II)と、円錐面の場合(破線I)とで電圧定在波比の周波数特性を計算したものである。図３から判るように、24GHzにおける電圧定在波比の値は、円錐面22の方が平面よりも改善されている。

また、図１(ｂ)は、図１(ａ)に示した実施形態の24GHzにおける放射パターンの計算値を示している。なお、同図の横軸は導波路10の中心からの角度を示し、縦軸は利得を示している。また、同図における点線IはＨ面の計算値、実線IIはＥ面の計算値、破線IIIは交差偏波成分の計算値をそれぞれ示している。

図１(ｂ)から判るように、±60°方向における正面方向からの利得低下も数デシベル程度であり、広角な放射特性が得られる。

また、本実施形態の誘電体装荷アンテナは、一次放射器１と誘電体レンズ２の構成部材である挿入部21との間に溝11を設けているので、溝のない場合と比較して、レンズの周波数が変化した際の反射波の影響などを低減することができる。そのため、結果として、周波数特性を広くとることができるという効果が得られる。

１一次放射器
２誘電体レンズ
10 導波路(開口)
11 溝
20 主部
21 挿入部

Claims

給電面および電波を放射する放射面を備える誘電体装荷アンテナであって、
前記給電面側から放射面側に向かって開いた開口を備える導波部および前記導波部の放射面側の前記開口の周りに同軸構造の溝が形成されてなる一次放射器と、前記一次放射器の前記放射面側に装荷される誘電体レンズとを備え、
前記誘電体レンズは、前記一次放射器の前記開口及び前記溝を覆い且つ前方へ突出する円錐台形状に形成された主部と、前記主部の後面から突出して前記溝に挿入される挿入部とを含み、
前記主部および前記挿入部が誘電体である材料から一体に形成されていることを特徴とする誘電体装荷アンテナ。
前記開口と前記導波部とは、同軸上に存在することを特徴とする請求項１記載の誘電体装荷アンテナ。
前記誘電体レンズは、前記挿入部の先端と前記溝の内底面との間に空隙を設けてなることを特徴とする請求項１又は２記載の誘電体装荷アンテナ。
前記誘電体レンズは、前記主部の後面における前記開口と対向する面が円錐面に形成されてなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の誘電体装荷アンテナ。
前記誘電体レンズは、前記主部の底面の中心と前記円錐面の頂点が前記円形導波管及び前記溝と同軸に位置するように形成されてなることを特徴とする請求項４記載の誘電体装荷アンテナ。