JP2017112460A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電波を反射する環境に設置された場合でも、反射波の影響を十分に抑制する技術を提供する。【解決手段】地板は、誘電体基板２の一方の面である基板裏面に形成され、アンテナ接地面として作用する。アンテナ部４は、誘電体基板２の他方の面である基板表面２ａに形成され、アレーアンテナとして作用するアンテナパターンを有する。反射部５は、アンテナ部４の周囲に配置され、予め設定された動作周波数において、波長より小さい寸法を有し、反射板として作用する複数の導体パッチＰを有する。また、反射部５を構成する複数の導体パッチＰは、予め設定されたブロック配列方向に沿って並ぶ複数のブロックＢを形成し、ブロックＢ毎に動作周波数での反射波の位相が不均一に異なる構造を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電波を反射する環境に設置されるアンテナ装置に関する。

誘電体基板上に形成されるパッチアンテナは、例えば、車両や航空機などの移動体においてその周囲を監視するレーダなどに用いられている。パッチアンテナは、誘電体基板の一方の面に形成されたパッチ状のパターンからなる放射素子と、基板の他方の面に形成された地板とを備える。

ところで、パッチアンテナを、車載用のレーダ装置のアンテナとして使用する場合、例えば、車両のバンパー内に搭載することが考えられる。この場合、アンテナから放射された電波の一部は、バンパーの内壁で反射し、更にアンテナの放射面で再反射し、この再反射波が放射波と干渉することによって、アンテナの放射特性に悪影響を与えてしまうことが知られている。

一方、引用文献１には、一方の面に地板が形成された基板の他方の面上に、所定間隔で配列された複数の導体パッチと、導体パッチ同士を電気的に接続する接続素子とを備える平面基板構造の電磁波反射面が開示されている。この電磁反射面を用いれば、接続素子を、一つの所望の方向に沿った配置位置に従って増加または減少するキャパシタンスまたはインダクタンスによって構成することによって、電磁反射面にて反射した反射波の波面を傾けること、即ち、電磁波の反射方向を所望の方向へ向けることができる。

そして、上記パッチアンテナにおいて、放射素子の周囲に、このような電磁反射面を形成することによって、バンパーからの反射波を、放射波と異なる方向に再反射することによって、干渉を抑制することが考えられる。

特開２０１１−１９３３４５号公報

しかしながら、このような電磁反射面を利用することによって、メインとなる放射方向では反射波による干渉が抑制されるものの、アンテナ放射面からの再反射波の反射方向にメインビームとは異なる強いビームが形成され、ターゲットを誤検出する原因となり得るという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、電波を反射する環境に設置された場合でも、反射波の影響を十分に抑制する技術を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置（１）は、誘電体基板（２）と、地板（３）と、アンテナ部（４）と、反射部（５）とを備える。地板は、誘電体基板の一方の面に形成され、アンテナ接地面として作用する。アンテナ部は、誘電体基板の他方の面に形成され、アレーアンテナとして作用するアンテナパターンを有する。反射部は、アンテナ部の周囲に配置され、予め設定された動作周波数において、波長より小さい寸法を有し、反射板として作用する複数の導体パッチを有する。また、反射部を構成する複数の導体パッチは、予め設定されたブロック配列方向に沿って並ぶ複数のブロックを形成し、ブロック毎に動作周波数での反射波の位相が不均一に異なる構造を有する。

このような構成によれば、アンテナ部および反射部が形成された誘電体基板の面を放射面として、放射面に入射する反射波を、一定の方向ではなく様々な方向に反射させること、即ち、反射を散乱させることができる。その結果、放射波の放射方向から到来する反射波が放射面で再反射した時に、放射波と同じ方向に向かう再反射波の反射強度を小さくすることができ、特定方向に再反射波による強力なビームを形成することなく再反射波による干渉を抑制することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

アンテナ装置の正面図となるｘ−ｙ平面図である。 アンテナ装置の側面図となるｘ−ｚ平面図である。 導電パッチでの反射波の位相を、通常基板での反射波の位相を基準として求めた周波数特性について、導電パッチの寸法を様々に変化させて示したグラフである。 導電パッチのない通常基板の放射面での反射方向を模式的に示す説明図である。 ブロックを跨ぐ導電パッチ間に生じる反射波の位相差が一定である基板の放射面での反射方向を模式的に示す説明図である。 ブロックを跨ぐ導電パッチ間に生じる反射波の位相差を徐々に大きくした基板の放射面での反射方向を模式的に示す説明図である。 実施例１，２および比較例１，２のブロック間に生じる反射波の位相差を示す一覧表である。 アンテナ装置の正面、即ち反射方位０ｄｅｇとなる方向から光が入射した場合の反射強度を、通常基板での反射強度を基準として求めたシミュレーション結果を示すグラフである。 バンパーが存在しない場合のアンテナ利得を基準として、バンパーの存在により反射波に基づく干渉の影響を受けた結果のアンテナ利得の利得変動量を求めたシミュレーション結果を示すグラフである。 バンパーによって生じる反射波を模式的に示した説明図である。 誘電体基板のブロック配列方向の一端から他端に向かって位相遅れが単調増加するように設定した場合に、反射強度を求めたシミュレーション結果を示すグラフである。 導電パッチでの反射波の位相を、通常基板での反射波の位相を基準として求めた周波数特性について、パッチ間のギャップの寸法を様々に変化させて示したグラフである。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。
［１．構成］
アンテナ装置１は、車両の周辺に存在する各種物標を検出するためのミリ波レーダに使用されるものであり、車両のバンパー内に搭載される。

アンテナ装置１は、図１および図２に示すように、長方形状の誘電体基板２に形成された銅パターンにより形成される。以下では、誘電体基板２の一方の面を基板表面２ａ、他方の面を基板裏面２ｂという。また、誘電体基板２の一方の辺に沿った方向をｘ軸方向、ｘ軸方向に直行する他方の辺に沿った方向をｙ軸方向、基板表面２ａの法線方向をｚ軸方向という。

基板裏面２ｂには、その全面を覆う銅パターンからなる地板３が形成されている。基板表面２ａには、その中央付近にアンテナ部４が形成され、そのアンテナ部４の周囲には反射部５が形成されている。以下では、基板表面２ａを放射面ともよぶ。

アンテナ部４は、ｘ軸方向に沿って配列された複数のアレーアンテナを備える。各アレーアンテナは、ｙ軸方向に沿って配置された矩形状の複数のパッチアンテナ４１と、各パッチアンテナ４１への給電を行う給電線４２とを備える。アンテナ部４から放射される電波の偏波方向が、ｘ軸方向と一致するように構成されている。

反射部５は、銅パターンからなる矩形状の導体パッチＰを二次元的に配置することで構成されている。導体パッチＰは、正方形状に形成され、その一辺のサイズは、アンテナ装置１の動作周波数における波長λより小さく設定されている。より詳しくは、導体パッチＰの一辺のサイズは、３／４波長以下であることが望ましく、ここでは、１／５〜１／３波長程度の大きさのものが用いられている。

反射部５を構成する導体パッチＰは、ｙ軸方向に沿って同サイズのものが一列に配置されており、この一列に配置された同サイズの導体パッチＰがブロックＢを形成する。また、ブロックＢは、ｘ軸方向に沿って配列され、各ブロックＢを構成する導体パッチＰのサイズは、それぞれ異なっている。つまり、ブロック配列方向がｘ軸方向と一致している。但し、ブロックＢ内での導体パッチＰ間のギャップおよびブロックＢを跨ぐ導体パッチＰ間のギャップは、いずれも一定のサイズに設定されている。

反射部５は、ｘ軸方向の中心位置を通るｙ軸方向に沿った線をブロック中心とし、このブロック中心を境界とする二つの部位５１，５２で構成されている。これら二つの部位５１，５２を構成する各ブロックＢ、ひいては導体パッチＰは、ブロック中心に対して線対称な構造を有する。以下では、各部位５１，５２の中で、ブロック中心に最も近いブロックをＢ１で表し、以下、各ブロックをブロック中心から順次離れるに従ってＢ２、Ｂ３、…で表すものとする。

なお、反射部５において、導体パッチＰはインダクタンス成分を持ち、導体パッチＰ間のギャップはキャパシタンス成分を持つ。つまり、反射部５は、等価回路で表すと、図２に示すように、インダクタンスとキャパシタンスとからなる直列回路がブロックの数だけ直列接続されたものとなる。そして、放射面２ａを流れる電流に対して、インダクタンス成分は位相遅れを、キャパシタンス成分は位相進みを引き起こす。

この性質を利用して、反射部５を構成する各ブロックＢｉは、以下の（１）〜（３）の条件を満たすような構造に設計される。即ち、（１）反射波の位相特性がブロック中心を挟んで線対称となる。（２）ブロック中心から離れるほど、位相遅れが大きくなる。（３）ブロック中心から離れるほど、隣接するブロック間の位相差が大きくなる。即ち、位相差に傾斜を持たせる。

ここでは、各ブロックＢｉを構成する導体パッチＰのサイズを調整することによって設計される。
［２．設計］
導体パッチＰでの反射波の位相特性（以下、反射特性）は、反射部５を有さない基板である通常基板での反射波の位相を基準として、具体的には、図３に示すようなものとなる。但し、導体パッチＰ間のギャップを１ｍｍに固定し、導体パッチＰの一辺のサイズを２．５ｍｍ〜３．３ｍｍの間で変化させている。即ち、導体パッチＰのサイズを一定とした場合、動作周波数が高くなるほど、位相遅れが大きくなる。また、動作周波数を一定とした場合、導体パッチＰのサイズが大きくなるほど、位相遅れが大きくなる。但し、図３では、位相差を−１８０ｄｅｇ〜１８０ｄｅｇの範囲で示しているため、位相差−１８０ｄｅｇと１８０ｄｅｇとは同一視される。

そして、基準となるブロックＢｉの導体パッチＰのサイズを任意に定め、サイズが決まったブロックに隣接するブロックの導体パッチのサイズを、図３に示された関係を利用して、所定の動作周波数において予め設定された位相差が得られるように設定する。これを順次繰り返すことで、すべてのブロックＢｉの導体パッチＰのサイズを設計する。

［３．作用］
導体パッチＰのない通常基板の場合、あるいはブロックＢ間で反射波の位相差が０ｄｅｇとなるように設計した場合、図４に示すように、ｚ軸方向から入射光は、放射面２ａのどの部分でも同じ位相で跳ね返る。その結果、反射光は入射光の到来方向に向かう。

ブロックＢ間の位相差が一定である場合、即ち、上記条件（３）を満たさない従来技術に相当する構成の場合、図５に示すように、ｚ軸方向からの入射光は、放射面２ａにて反射し、その反射光はブロック中心から離れるほど位相が遅れたものとなる。但し、その位相遅れは、ブロック中心からの距離に比例したものとなる。その結果、反射光は入射光の到来方向に対して、ある角度を持った一定方向に反射する。つまり、山形に屈曲させた平面屈折基板での反射に相当する反射特性が得られる。

ブロックＢ間の位相差に傾斜がある本実施形態の場合、図６に示すように、ｚ軸方向からの入射光は、放射面２ａにて反射し、その反射光はブロック中心から離れるほど位相が遅れたものとなる。但し、その位相遅れは、ブロック中心からの距離が離れるほど加速的に大きなものとなる。その結果、反射光は入射光の到来方向に対してある角度を持った方向に反射し、その反射角度は、ブロック中心から離れるほど大きくなる。つまり、曲面基板での反射に相当する反射特性が得られ、反射光は、一定方向に向かうのではなく、散乱され様々な方向に向かう。

［４．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（ａ）アンテナ装置１によれば、平面の誘電体基板２を用いて構成されているにも関わらず、放射面２ａで反射した反射波の反射方向を、正面や所定の一定方向ではなく周囲に散乱させ、様々な方向に向けることができる。その結果、車両のバンパー内に設置されたとしても、バンパーからの反射波に基づく干渉の影響を抑制することができる。

（ｂ）アンテナ装置１では、導体パッチＰのインダクタンス成分と導体パッチＰ間のギャップによるキャパシタンス成分を利用しているため、従来技術とは異なり導体パッチＰ間に接続素子を配置する必要がない。その結果、導体パッチ間のギャップが極めて狭いミリ波帯であっても、問題なく適用することができる。

［５．実験］
図７に示すように、隣接するブロックＢ間での位相差の増加幅を３０ｄｅｇに設定した実施例１、位相差の増加幅を５０ｄｅｇに設定した実施例２、反射部５のない通常基板を用いた比較例１、ブロックＢ間の位相差を１００ｄｅｇの一定値に設定した比較例２について、シミュレーションを行った結果について説明する。但し、動作周波数は２４．１５ＧＨｚとした。

図８に示すように、比較例２では、比較例１と比較して反射方位０ｄｅｇ付近への反射が抑制されるものの、±５０度付近に大きな反射が生じている。これに対して、実施例１では、特定方向への強力な反射を生じさせることなく、反射方位の全体に渡って反射が抑制されていることがわかる。

図９に示すように、バンパーの存在により、バンパーが存在しない場合と比較して、比較例１では最大５ｄＢ、比較例２では最大２ｄＢもの利得変動が生じるが、実施例１では最大１．５ｄＢに利得変動が抑制されることがわかる。なお、バンパーが存在する場合、図１０に示すように、アンテナ装置１から放射された直接波がバンパーで反射され、その反射波がアンテナ装置１の放射面２ａで再反射され、その再反射波が直接波と干渉し合った結果が、バンパーを介して外部に放射される。ここでは、放射面２ａからバンパーまでの距離を２８ｍｍとした。

図１１は、反射部５の反射特性を、ブロック中心に対して線対称ではなく、ｘ軸方向の一方の端部から他方の端部に渡って連続的に位相を変化させた場合、即ち、部位５１，５２のうちの一方の構造だけで反射部５を構成して、図８と同様の反射強度をシミュレーションによって求めた結果である。この図１１のグラフと、これを左右反転させたグラフとを加算合成したものが図８となる。

［６．他の実施形態］
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（ａ）上記実施形態では、ブロックＢを跨ぐ導体パッチＰ間のギャップを一定とし、導体パッチＰのサイズを変化させることで遅延位相を調整しているが、これに限定されるものではない。例えば、すべてのブロックＢで導体パッチＰのサイズを同じものとし、ブロックＢを跨ぐ導体パッチＰ間のギャップを変化させることで遅延位相を調整してもよい。この場合、図３に示すグラフの変わりに、図１２に示すグラフを用いて、反射部５の設計を行えばよい。なお、図１２では、導体パッチＰのサイズを２．９ｍｍ×２．９ｍｍに固定し、導体パッチ間のギャップを０．１６ｍｍ〜０．２ｍｍの範囲で変化させた場合のそれぞれについて、通常基板に対する位相差の周波数特性を求めたものである。図示されているように、動作周波数が一定であればギャップを大きくするほど、また、ギャップが一定であれば動作周波数を高くするほど位相遅延が大きくなることがわかる。

（ｂ）上記実施形態では、条件（１）〜（３）を満たすように、反射部５を設計しているが、反射波を様々な方向にほぼ均等に散乱させることができれば、必ずしも条件（１）〜（３）のすべてを満たしている必要はない。

（ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（ｃ）上述したアンテナ装置の他、当該アンテナ装置を構成要素とするシステム、不要反射波による干渉の抑制方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。

１…アンテナ装置、２…誘電体基板、２ａ…基板表面／放射面、２ｂ…基板裏面、３…地板、４…アンテナ部、５…反射部、４１…パッチアンテナ、４２…給電線、５１，５２…部位、Ｂ…ブロック、Ｐ…導体パッチ。

Claims (8)

1. 車両のバンパー内に搭載されるアンテナ装置（１）であって。
   誘電体基板（２）と、
   前記誘電体基板の一方の面に形成され、アンテナ接地面として作用する地板（３）と、
   前記誘電体基板の他方の面に形成され、アレーアンテナとして作用するアンテナパターンを有するアンテナ部（４）と、
   前記アンテナ部の周囲に配置され、予め設定された動作周波数において、波長より小さい寸法を有し、反射板として作用する複数の導体パッチを有する反射部（５）と、
   を備え、
   前記反射部を構成する複数の導体パッチは、予め設定されたブロック配列方向に沿って並ぶ複数のブロックを形成し、前記ブロック毎に前記動作周波数での反射波の位相が異なり、かつ隣接するブロック毎に該隣接するブロック間での反射波の位相差が不均一に異なる構造を有する
   アンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記ブロックは、前記ブロック配列方向における前記誘電体基板の中心であるブロック中心から離れるほど前記反射波の位相が遅れ位相となる
   アンテナ装置。
3. 請求項２に記載のアンテナ装置において、
   前記ブロック中心から離れるほど、前記隣接するブロック間での前記反射波の位相差が大きくなる
   アンテナ装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
   前記ブロック毎に、前記導体パッチの寸法を異ならせることで、前記反射波の位相が調整されている
   アンテナ装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
   前記隣接するブロック毎に、前記ブロックを跨いで隣接する前記導体パッチ間の間隔を異ならせることで、前記反射波の位相が調整されている
   アンテナ装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
   前記ブロックは、前記反射波の位相特性が前記ブロック中心を挟んで対称となるように設定されている
   アンテナ装置。
7. 請求項６に記載のアンテナ装置において、
   前記ブロック配列方向と前記アレーアンテナの偏波方向とが一致している
   アンテナ装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のアンテナ装置において、
   前記導体パッチの寸法は、３／４波長以下である
   アンテナ装置。