JP2016086432A - アレーアンテナおよびレーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の指向性を得ることを課題とする。
【解決手段】本発明のアレーアンテナは、電波を放射する放射素子と、前記放射素子に電力を給電する主給電線路と、前記放射素子と前記主給電線路とを接続して、共振状態にある前記放射素子のインピーダンスと前記主給電線路のインピーダンスとを所望の割合にさせ、前記主給電線路から給電された電力を前記放射素子に給電する給電線路とを有するアンテナを複数有する。前記複数のアンテナは、前記主給電線路内の管内波長の間隔で前記主給電線路上に配置され、前記主給電線路から給電される順番に前記給電線路の長さが長くなるように形成される。
【選択図】図１Ａ

Description

この発明は、アレーアンテナおよびレーダ装置に関する。

従来から、広い指向性を有するマイクロストリップアンテナが知られている。このマイクロストリップアンテナは、自動車などの移動体に搭載されるレーダ装置や無線通信装置にも用いられる。図１５は、従来のマイクロストリップアンテナを示す図である。

図１５に示すように、マイクロストリップアンテナ１０は、主給電線路１２と放射素子１３とで構成され、誘電体基板の表面パターンとして主給電線路１２と放射素子１３とが設置される。なお、主給電線路１２と放射素子１３とは、誘電体基板のグランドとは反対側の面に設置される。

この誘電体基板の一例を挙げると、誘電体基板は、所定の比誘電率を有する基板であり、例えば、厚さが０．１１５ｍｍ、比誘電率が２．２２の誘電体に銅箔１２μｍを貼り合わせた基板である。主給電線路１２は、電源から供給される電力が流れる線路であり、放射素子１３に高周波を給電する。放射素子１３は、主給電線路１２に接続される素子であり、電波を放射する。

例えば、マイクロストリップアンテナ１０を車載装置に搭載する場合には、放射素子１３は、主給電線路１２に対して４５度傾けて形成される場合が多い。また、電源等から主給電線路１２に供給された電力のうち、放射素子１３に流れる電力の割合を結合量という。例えば、主給電線路１２に流れる電力を１００％とし、このうち２０％が放射素子１３に流れたとすると、結合量は２０％となる。

特開２０１０−８３１９号公報

しかしながら、従来のマイクロストリップアンテナでは、結合量を上げるのに限界があり、所望の指向性を得ることができないという問題がある。

具体的には、放射素子１３を共振状態にした場合、主給電線路１２と接続される放射素子１３の端面の入力インピーダンス（Ｚｉｎ）が大きくなる。このため、主給電線路１２と放射素子１３の端面との間では、インピーダンスの不整合により、主給電線路１２には放射素子１３からの入射波に戻る反射波が存在する。

この場合に、従来のマイクロストリップアンテナ１０では、図１５に示した素子幅（Ｗ）を広くし、主給電線路１２から放射素子１３を見た入力インピーダンス（Ｚｉｎ）を小さくしていた。ところが、素子幅を広くするには限度があり、結合量は最大で２２％程度となる。つまり、所望の指向性を得るために必要な電力を放射素子に供給することができないので、所望の指向性を得ることができない。

そこで、この発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、所望の指向性を得ることができるアレーアンテナおよびレーダ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のアレーアンテナは、電波を放射する放射素子と、前記放射素子に電力を給電する主給電線路と、前記放射素子と前記主給電線路とを接続して、共振状態にある前記放射素子のインピーダンスと前記主給電線路のインピーダンスとを所望の割合にさせ、前記主給電線路から給電された電力を前記放射素子に給電する給電線路とを有するアンテナを複数有する。前記複数のアンテナは、前記主給電線路内の管内波長の間隔で前記主給電線路上に配置され、前記主給電線路から給電される順番に前記給電線路の長さが長くなるように形成される。

本発明によれば、所望の指向性を得ることができるという効果を奏する。

図１Ａは、マイクロストリップアンテナ１の構造を示す図である。 図１Ｂは、マイクロストリップアンテナ１の構造を示す図である。 図２は、図１Ａに示したＡ−Ａ１で切断した場合の断面図である。 図３は、給電線路内の定在波分布を示す図である。 図４は、給電線路の長さと結合量との関係を示す図である。 図５は、アレーアンテナの構成例を示す図である。 図６は、所望の指向性を得るために実行する振幅の制御例を示す図である。 図７は、アレーアンテナの結合量分布を示した図である。 図８は、従来の構造を用いた場合の振幅の制御例を示す図である。 図９は、従来構造と開示構造で設計した場合の指向性（サイドローブ）を示す図である。 図１０は、給電線路５の幅を放射素子４の素子幅より大きくした場合の例を示す図である。 図１１は、素子長を素子幅より長くした場合の例を示す図である。 図１２は、給電線路５を曲線にした場合の例を示す図である。 図１３は、反射抑圧スタブを設けた例を示す図である。 図１４は、レーダ装置の機能ブロック図である。 図１５は、従来のマイクロストリップアンテナを示す図である。

以下に添付図面を参照して、この発明に係るアレーアンテナおよびレーダ装置の実施例を詳細に説明する。

［マイクロストリップアンテナ］
図１Ａは、マイクロストリップアンテナ１の構造を示す図である。図１Ｂは、図１Ａに示したＡ−Ａ１で切断した場合の断面図である。なお、図１Ａは、誘電体基板に設置されたマイクロストリップアンテナ１を誘電体基板の上から見た平面図の例である。

図１Ａに示すように、マイクロストリップアンテナ１は、主給電線路３と放射素子４と給電線路５とを有する。また、図１Ｂに示すように、主給電線路３と放射素子４と給電線路５とは、誘電体基板２のグランド６とは反対側の面に設置される。この誘電体基板２は、所定の比誘電率を有する基板であり、例えば、厚さが０．１１５ｍｍ、比誘電率が２．２２の誘電体に銅箔１２μｍを貼り合わせた基板である。

主給電線路３は、電源から供給される電力が流れる線路であり、給電線路５を介して放射素子４に高周波を給電する。放射素子４は、給電線路５を介して給電された電力と共振して共振状態となり、電波を放射する素子である。この放射素子４は、給電線路５を介して主給電線路３に接続される。

給電線路５は、放射素子４と主給電線路３とを接続して、共振状態にある放射素子４のインピーダンスと主給電線路３のインピーダンスとを所望の割合にさせ、主給電線路３から給電された電力を放射素子４に給電する給電線路の一例である。例えば、マイクロストリップアンテナ１を車載装置等に用いる場合には、主給電線路３に対して４５度傾けて給電線路５を設置することで、放射素子４を４５度傾ける。

ここで、給電線路５について具体的に説明する。給電線路５の特性インピーダンスをＺｑ、主給電線路３から給電線路５を見た入力インピーダンスをＺｉｎ、共振状態にある放射素子４への入力インピーダンスをＺａｎｔとした場合、Ｚｑは以下の式を満たす。すなわち、「（Ｚｑ）の２乗＝（Ｚｉｎ×Ｚａｎｔ）」。したがって、Ｚｉｎは、（Ｚｑ）の２乗をＺａｎｔで除算することで算出できる。

また、図１Ａに示したマイクロストリップアンテナ１の結合量をＳパラメータで表すと以下の式で表すことができる。すなわち、「結合量（Ｃ）＝１−（｜Ｓ１１｜の２乗）−（｜Ｓ２１｜の２乗）」で表すことができる。ここで、主給電線路のインピーダンスＺｏと上記Ｚｉｎとを用いることで、「Ｓ１１＝（−Ｚｏ／Ｚｉｎ）／（２＋Ｚｏ／Ｚｉｎ）」、「Ｓ２１＝２／（２＋Ｚｏ／Ｚｉｎ）」で算出することができる。

このように、図１Ａに示したマイクロストリップアンテナ１では、共振状態にある放射素子４の端面の入力インピーダンス（Ｚａｎｔ）が最大値となり、主給電線路３から給電線路５を見た入力インピーダンス（Ｚｉｎ）が最小値となる。そこで、特性インピーダンス（Ｚｑ）を有する給電線路５を放射素子４と主給電線路３との間に設置することで、主給電線路３から見た放射素子４への入力インピーダンスを小さく見せることができる。

この結果、主給電線路３から給電線路５への入力インピーダンスが小さくなって、電力が流れ易くなるので、結合量が高くなり、所望の指向性を得ることができる。

［マイクロストリップアンテナの具体例］
次に、図１Ａに示したマイクロストリップアンテナの具体例を説明する。図２は、マイクロストリップアンテナ１の具体例を示す図である。なお、図２は、図１Ａと同様、誘電体基板に設置されたマイクロストリップアンテナ１の誘電体基板を上から見た平面図の例である。また、図２では、誘電体基板２を省略する。

図２に示すマイクロストリップアンテナ１は、図１Ａと同様、主給電線路３と放射素子４と給電線路５とを有し、主給電線路３に対して４５度傾けて給電線路５に設置される。主給電線路３内では、幅０．２ｍｍとし、図２の左から右に向かって電力が流れるものし、電力を流した際の主給電線路３内の波長、いわゆる管内波長をλｇとする。

放射素子４は、素子幅を０．８ｍｍとし、共振状態にするために素子長を主給電線路３の管内波長の半分であるλｇ／２とする。また、放射素子４は、共振状態である場合、端面である（ｂ）での入力インピーダンス（Ｚａｎｔ）が最大となる。

給電線路５は、特性インピーダンス（Ｚｑ）を有し、長さは主給電線路３の管内波長の４分の１であるλｇ／４とし、幅は任意の大きさを用いることができる。ここで、特性インピーダンス（Ｚｑ）は上述した式を満たし、結合量は、上述したＳパラメータで表すことができる。

ここで、給電線路５の長さについて説明する。図３は、給電線路内の定在波分布を示す図である。この図３は、横軸に放射素子４から主給電線路３までの距離を示し、縦軸に電圧を示した図である。図４は、給電線路の長さと結合量との関係を示す図である。この図４は、横軸に給電線路５の長さを示し、縦軸に結合量を示した図である。

図３に示すように、放射素子４の端面（ｂ）からの長さが０の場合、すなわち放射素子４の端面（ｂ）から主給電線路３までの距離が０の場合、放射素子４の端面（ｂ）で電圧が最大になり、その後λ／２ごとに電圧が最大になる。一方で、放射素子４の端面（ｂ）からの長さがλｇ／４の場合に、電圧が最小値になり、その後λ／２ごとに電圧が最小になる。

このような定在波が給電線路５内に存在することから、図４に示すように、給電線路５の長さがλｇ／４の場合に結合量が最大の８０％となり、給電線路５の長さがλｇ／２の場合に結合量が最小となり、その後は、λｇ／４ごとに最大と最小を繰り返す。つまり、給電線路５内の定在波の周期によって、結合量を高くできる給電線路５の長さを決定することができる。なお、図４に示すように、放射素子４の素子幅が０．４ｍｍであっても同様の効果が得られる。

このように、給電線路５の幅に関係なく、給電線路５の長さを調整することで、放射素子４へ給電される電力量を調整することができる。このため、給電線路５の長さを調整することで、結合量を調整することができる。つまり、給電線路５の長さを変えることで、Ｚｉｎを大きくしたり、小さくしたりすることができる。すなわち、給電線路５は、長さによってＺｉｎの大きさをコントロールすることができる線路である。

［アレーアンテナの構成］
次に、実施例１で説明したマイクロストリップアンテナを用いたアレーアンテナの例について説明する。図５は、アレーアンテナの構成例を示す図である。なお、図５は、図１Ａと同様、アレーアンテナを誘電体基板の上から見た平面図の例である。また、図５では、誘電体基板２を省略する。

図５に示すように、ここでは一例として、６つマイクロストリップアンテナを用いた場合を例にして説明する。なお、マイクロストリップアンテナの数等は例示であり、任意の数を採用することができる。図５に示したアレーアンテナは、主給電線路の管内波長（λｇ）の間隔で、マイクロストリップアンテナを配置する。図５では、図の左から右に向かって電力が流れる。また、電流源に近いマイクロストリップアンテナから順に、素子番号１、２、３、４、５、６とする。なお、素子番号６の放射素子には、結合量が１００％の整合素子を用いる。

素子番号１から５の各放射素子には、図１Ａ等に示したマイクロストリップアンテナを用いる。また、素子番号が大きくなるにつれて結合量を高くするために、素子番号が大きくなるにつれて給電線路５の長さがλｇ／４または３λｇ／４になるようにする。一例を挙げると、素子番号１のマイクロストリップアンテナの給電線路５の長さをλｇ／２にし、素子番号が大きくなるにつれて所定数ずつ長くしていき、素子番号５のマイクロストリップアンテナの給電線路５の長さを３λｇ／４にする。なお、各給電線路５の長さは、素子番号６すなわち端面に行くほど長くする必要はなく、所望の結合量を得るための適切な長さにしてもよく、任意の長さに設定することができる。

［シミュレーション結果］
次に、図５に示したアレーアンテナを用いたシミュレーション結果と、図１５に示した従来のマイクロストリップアンテナ６つを設置したアレーアンテナを用いたシミュレーション結果とを比較する。ここでは、サイドローブ比が３０ｄＢになるようアンテナを設計する例で説明する。

図６は、所望の指向性を得るために実行する振幅の制御例を示す図である。この図６は、横軸に素子番号を示し、縦軸に重み係数を示した図である。６つのマイクロストリップアンテナを用いたアレーアンテナを用いて、サイドローブ比が３０ｄＢになるようアンテナを設計する場合には、各素子の放射強度を図６に示すような分布にすることが望ましい。具体的には、真ん中に位置する素子番号３の放射素子と素子番号４の放射素子に対する重み係数が最大値の１になるようにする。また、始端の素子番号１の放射素子および終端の素子番号６の放射素子に対する重み係数が最小値の０．３８、素子番号２および５の放射素子に対する重み係数が０．６９になるようにする。つまり、真ん中に位置する放射素子からの放射量を大きくなるように設計する。

図５に示した、開示する構造のマイクロストリップアンテナを用いたアレーアンテナの場合、給電線路５の長さを調整することで結合量を変化させることができるので、図７の（Ａ）に示すように、所望の結合量分布を得ることができる。図７は、アレーアンテナの結合量分布を示した図である。この図７は、横軸に素子番号を示し、縦軸に結合量を示した図である。

一般的に、マイクロストリップアンテナを直列に設置したアレーアンテナの場合、電力源に近い始端に比べて、終端に位置するほど電力が少なくなることから、終端に位置する放射素子ほど高い結合量が必要となる。

開示する構造の場合、給電線路５の長さをλｇ／４等にすることで、８０％程度の結合量を得ることができ、逆に、給電線路５の長さをλｇ／２等にすることで、２０％より小さい結合量を得ることができる。したがって、図５に示したような終端に位置するほど給電線路５の長さをλｇ／４に近い長さにすることで、図７の（Ａ）に示すように、素子番号が大きくなるにつれて、結合量を高くすることができる。このため、アレーアンテナの各マイクロストリップアンテナの放射強度を、図６に示した放射強度分布にすることができる。

一方、図１５に示した主給電線路３と放射素子４とを直接接続させたマイクロストリップは、上述したように、最大で２２％程度の結合量しか得ることができない。このため、図７の（Ｂ）に示すように、素子番号３より後続の放射素子はいずれも結合量が２２％程度になる。したがって、図８に示すような放射強度になる。図８は、従来の構造を用いた場合の振幅の制御例を示す図である。この図８は、横軸に素子番号を示し、縦軸に重み係数を示した図である。

従来の構造を用いた場合、図８に示すように、素子番号３の放射素子に対する重み係数が０．７６、素子番号４の放射素子に対する重み係数が０．６７、素子番号５の放射素子に対する重み係数が０．５９、素子番号６の放射素子に対する重み係数が１．１２となる。

つまり、図６と図８とを比較すると、従来の構造を用いた場合、素子番号１と素子番号２の放射素子に対しては、所望の指向性を得るために必要な電力量を給電することができる。ところが、従来の構造では結合量が最大でも２２％程度であるために、図８に示すように、素子番号３、４、５各々の放射素子に流れる電力が小さく、その分、素子番号６の整合素子へ流れる電力が大きくなり、終端の整合素子からの放射量が最大になる。

この結果、従来構造と開示構造とを用いたアレーアンテナには、利得に差が発生する。図９は、従来構造と開示構造で設計した場合の指向性（サイドローブ）を示す図である。この図９は、横軸に主給電線路３と放射素子４との角度を示し、縦軸に利得を示した図である。

図９に示すように、従来構造を用いた場合、各放射素子の放射強度を図６に示した放射強度分布にすることができず、図８に示した放射強度分布になるので、最大サイドローブとメインローブとの差が１２．２ｄＢになり、所望の指向性を得ることができない。一方で、図９に示すように、開示構造を用いた場合には、各放射素子の放射強度を図６に示した放射強度分布にすることができるので、サイドローブ比を３０ｄＢにすることができ、所望の指向性を得ることができる。また、放射素子４にまっすぐ給電することで不要な交差編波の成分を抑制しつつ結合量を変化させることができる。

次に、図１０から図１３を用いて、マイクロストリップアンテナの別構造を説明する。なお、図１０から図１３のいずれであっても、放射素子４を共振状態にするために、放射素子４の１端の長さを主給電線路３の管内波長の半分であるλｇ／２とすることが好ましい。また、最大結合量を得るためには、主給電線路３と放射素子４との距離、すなわち給電線路５の長さをλｇ／４や３λｇ／４にすることが好ましい。

図１０は、給電線路５の幅を放射素子４の素子幅より大きくした場合の例を示す図である。図１０に示すように、給電線路５の幅を放射素子４の素子幅より大きくしてもよい。図１１は、素子長を素子幅より長くした場合の例を示す図である。図１１に示すように、図２等に示した放射素子４を９０度回転させた状態で給電線路５に接続することもできる。なお、図１１において給電線路５を接続する位置は、放射素子の端面がλｇ／２の長さになる位置が好ましい。すなわち、給電線路５は、λｇ／２の長さになる放射素子の端面に接続することが好ましい。図１２は、給電線路５を曲線にした場合の例を示す図である。図１２に示すように、主給電線路３と放射素子４とを接続する給電線路５は、直線ではなく曲がっていてもよい。

図１０から図１２に示したいずれの構造であっても、特性インピーダンス（Ｚｑ）を有する給電線路５を放射素子４と主給電線路３との間に設置することで、主給電線路３から見た放射素子４への入力インピーダンスを小さく見せることができる。したがって、いずれの構造であっても、各放射素子の放射強度を図６に示した放射強度分布にすることができるので、所望の指向性を得ることができる。また、給電線路５に様々な形態の線路を用いることができることから、汎用性の高いマイクロストリップアンテナを提供することができる。

また、給電線路５は、放射素子４の端面の中心に接続してもよく、接続対象の端面のどの位置に接続してもよい。つまり、主給電線路３から見た放射素子４への入力インピーダンスを小さく見せることができる位置であれば任意の位置に接続することができる。

図１３は、反射抑圧スタブを設けた例を示す図である。図１３に示すように、反射抑圧スタブ９を主給電線路３に設置することで、主給電線路３から給電線路５へ入射された入射波に対する反射波を抑圧することができる。すなわち、上述したＳ１１の値を小さくすることができるので、アンテナとして利得が高くなる。なお、反射抑圧スタブを設置する位置は、反射波を打ち消すために、反射波の逆位相になる位置が好ましい。反射波の逆位相になる位置の一例をとしては、λｇ／４の位置が該当する。

次に、図５に示したアレーアンテナを用いたレーダ装置について説明する。図１４は、レーダ装置の機能ブロック図である。なお、ここでは、車両に搭載されるレーダ装置を想定する。

図１４に示すレーダ装置２００は、レーダアンテナ１００を有する。レーダアンテナ１００は、アレーアンテナ２０、３０、３１、３２を有する。アレーアンテナ２０は、送信アンテナであり、図５に示したアレーアンテナと同様の構造である。アレーアンテナ３０、３１、３２は、受信アンテナであり、図５に示したアレーアンテナと同様の構造でもよく、図１５に示したマイクロストリップアンテナを用いた従来の構造であってもよい。

アレーアンテナ２０を例にして説明すると、アレーアンテナ２０は、自動車レーダで用いられている斜め４５度偏波を発生させる。このアレーアンテナ２０は、図５にも示したように、主給電線路３の片側にその線路３に対して４５度の角度で、６個の矩形形状の放射素子４が形成され、各放射素子４は、給電線路５を介して主給電線路３と接続される。各放射素子４の間隔（ｗ）は、動作周波数における主給電線路３の管内波長λｇであり、各放射素子４の長さは、管内波長λｇの約半分に設定されている。また、突設された各放射素子４の開放端の１辺はすべて平行である。また、放射素子４と主給電線路３とを接続する各給電線路５の長さは、主給電線路３の管内波長λｇの４分の１に設定されている。

図１４に示したレーダ装置２００では、ＧＨｚ帯域の搬送波を発生する発振器９０の出力を、パルス発生器８０で発生させた信号で、ミキサ４０によりパルス変調する。次に、そのパルス信号を、帯域通過フィルタ６０を通過させて、送信用のアレーアンテナ２０に送出する。そして、前方の物体から反射された電波を上記アレーアンテナ３０、３１、３２で受信する。これらの各アンテナの受信信号は、各復調器５０、５１、５２に入力し、発振器９０の出力する搬送波でベースバンドのパルス信号に復調される。そして、信号処理部７０により、アレーアンテナ３１、３２で受信されるパルス信号の位相差と、アレーアンテナ３０、３２で受信されたパルス信号の位相差が求められる。レーダ装置は、この２つの位相差を用いて、方位角と仰角を求め、レーダ装置から前方の物体までの距離や前方の物体の位置を検出することができる。なお、２つの位相差を用いて方位角と仰角を求める算出方法は、様々な一般的な算出方法を用いることができるので、詳細な説明は省略する。また、距離の測定には、ＦＭ−ＣＷ方式等を採用することもできる。

以上のように、本発明に係るマイクロストリップアンテナ、アレーアンテナおよびレーダ装置は、所望の指向性を得ることに適する。

１ マイクロストリップアンテナ
２ 誘電体基板
３ 主給電線路
４ 放射素子
５ 給電線路
９ 反射抑圧スタブ

Claims (4)

1. 電波を放射する放射素子と、
   前記放射素子に電力を給電する主給電線路と、
   前記放射素子と前記主給電線路とを接続して、共振状態にある前記放射素子のインピーダンスと前記主給電線路のインピーダンスとを所望の割合にさせ、前記主給電線路から給電された電力を前記放射素子に給電する給電線路とを有するアンテナを複数有し、
   前記複数のアンテナは、前記主給電線路内の管内波長の間隔で前記主給電線路上に配置され、前記主給電線路から給電される順番に前記給電線路の長さが長くなるように形成されることを特徴とするアレーアンテナ。
2. 前記複数のアンテナのうち前記主給電線路から給電される最後のアンテナの前記放射素子は、給電された電力を用いて前記電波を放射する整合素子であることを特徴とする請求項１に記載のアレーアンテナ。
3. 前記複数のアンテナの各給電線路は、前記最後のアンテナの１つ前のアンテナの前記整合素子の長さが前記主給電線路内の管内波長の４分の１または４分の３の長さに設定されるように、前記主給電線路から給電される順番に所定の間隔で長くなるように設定されることを特徴とする請求項２に記載のアレーアンテナ。
4. アンテナから放射された放射波に対する反射波を用いて、対象物までの距離または対象物への方向を検出するレーダ装置であって、
   前記アンテナは、
   電波を放射する放射素子と、前記放射素子に電力を給電する主給電線路と、前記放射素子と前記主給電線路とを接続して、共振状態にある前記放射素子のインピーダンスと前記主給電線路のインピーダンスとを所望の割合にさせ、前記主給電線路から給電された電力を前記放射素子に給電する給電線路とを有するアンテナを複数有し、
   前記複数のアンテナは、前記主給電線路内の管内波長の間隔で前記主給電線路上に配置され、前記主給電線路から給電される順番に前記給電線路の長さが長くなるように形成されることを特徴とするレーダ装置。

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