JP2018042143A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、表面波の影響を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の中心部に形成されたパッチアンテナを有する。付加機能部５は、アンテナ部４の両側に配置され、動作周波数において、波長より小さい寸法に形成された複数の導体パッチＰを有する。また、付加機能部５を構成する複数の導体パッチＰは、ブロック配列方向に沿って並ぶ複数のブロックＢを形成する。付加機能部５を除去した場合のアンテナ特性において、利得が極小となる方位を補償方位として、基板表面２ａを伝搬する表面波による導体パッチＰからの表面放射波が、補償方位に向けて放射されるように、ブロックＢ間での表面放射波の位相差を設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体基板を用いて形成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。この種のアンテナでは、基板表面を伝搬する表面波により基板端などにおいて、メインのアンテナ放射とは異なる輻射が発生し、指向性に乱れが生じることが知られている。

これに対して、例えば特許文献１には、アンテナで使用する特定の周波数で表面波の伝搬を阻止するバンドギャップを有する構造（以下、ＥＢＧ）を基板上に形成することで、指向性の乱れを抑制する技術が開示されている。

特開２００３−３０４１１３号公報

ところで、ＥＢＧは、基板の表面に六角形の金属小板を周期的に２次元配置し、基板の裏面に形成された金属板と金属で形成されたスルーホールで結線した構造を有する。つまり、ＥＢＧを利用する場合、基板にスルーホールを形成する必要があるため、基板の構造が複雑になるという問題があった。また、ＥＢＧは、原理的にＬＣ共振を利用して指向性を乱す原因となる表面波の伝搬を阻止するものである。このため、阻止可能な周波数帯が狭く、広帯域のアンテナに適用することが困難であるという問題もあった。

本発明は、簡易な構成で、表面波の影響を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、１ａ、１ｂ）は、誘電体基板（２）と、地板（３）と、アンテナ部（４）と、付加機能部（５、５ａ、５ｂ）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、放射素子として作用するアンテナパターンを有する。付加機能部は、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に形成された複数の導体パッチを有する。また、付加機能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する。付加機能部を除去した場合のアンテナ特性において、利得が極小となる方位を補償方位として、誘電体基板の表面を伝搬する表面波による導体パッチからの放射波が、補償方位に向けて放射されるように、ブロック間での放射波の位相差が設定されている。

このような構成によれば、複数の導体パッチで構成された付加機能部からの表面反射波を利用することで、ＥＢＧと比較して簡易な構成により、付加機能部を除去した場合のアンテナ特性において利得が極小となる補償方位の利得が改善すること、特に帯域幅を広げることができる。

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。 実施例および比較例１，２のブロック間に生じる表面放射波の位相差を示す一覧表である。 アンテナ装置全体の放射特性を、付加機能部の有無、付加機能部を構成するアンテナ素子間での表面電流の放射位相差を変化させて求めたシミュレーション結果を示すグラフである。 アンテナの片側に形成された付加機能部の放射特性を求めたシミュレーション結果を示すグラフである。 アンテナ装置全体の放射特性を、付加機能部の有無、付加機能部の代わりにＥＢＧを設けたものについて求めたシミュレーション結果を示すグラフである。 付加機能部を構成する導体パッチの形状の変形例を示す説明図である。 付加機能部を構成する導体パッチの形状の変形例を示す説明図である。 導電パッチでの反射波の位相を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、例えば、車両に搭載され、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と、誘電体基板２上に形成された銅パターンを備える。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の長尺な一方の辺に沿った方向をｘ軸方向、ｘ軸方向に直行する短尺な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、ｘ軸方向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を挟んでｘ軸方向の両側には付加機能部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、銅パターンにて形成され、矩形状のパッチアンテナ４１と、パッチアンテナ４１の周囲に形成された地板パターン４２とを備える。パッチアンテナ４１への給電は、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行われる。

付加機能部５は、銅パターンにて形成された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。

付加機能部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間のギャップは、ブロック毎に異なる一定のサイズに設定されている。また、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。

付加機能部５は、アンテナ部４の両側に位置する二つの部位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、アンテナ部４を挟んで対称な構造を有する。以下では、各部位５１，５２の中で、アンテナ部４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、付加機能部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、付加機能部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、即ち、放射面２ａを伝搬する表面波に対して、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、付加機能部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）放射面２ａをｘ軸方向に沿って伝搬する表面波により、付加機能部５から放射される表面放射波の指向性を補償方向に向ける。但し、付加機能部５を有さない基板である通常基板でのアンテナ特性（以下、基本特性）において利得が極小となる方向を補償方向とする。

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］
アンテナ装置１の付加機能部５は、例えば、以下のように設計する。

なお、図３は、設計に使用する反射特性を示したグラフである。具体的には、アンテナの正面方向から到来する到来波に対する導体パッチＰでの反射波の位相特性（以下、反射特性）を、付加機能部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示したものである。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。

まず、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る。次に、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。これにより得られるのは、表面波の伝搬遅延が考慮されていない反射波の位相であるため、表面放射波の位相を求めるには、表面波の伝搬遅延を考慮した補正が必要となる。以下、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．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。
（３Ａ）アンテナ装置１では、放射面２ａを伝搬する表面波に基づいて付加機能部５を構成する導体パッチＰから放射される表面放射波を利用して、基本特性において利得が極小となる方位の利得を持ち上げている。これによりアンテナ装置１全体でのアンテナ特性を向上させること、特に帯域幅を広げることができる。

（３Ｂ）アンテナ装置１では、付加機能部５は、放射面２ａに形成された導体パッチＰにより構成され、ＥＢＧを利用する従来技術とは異なり導体パッチＰと基板裏面２ｂに形成された地板３を接続するスルーホールを設ける必要がないため、装置構成を簡易なものとすることができる。

（３Ｃ）アンテナ装置１では、複数の導体パッチＰで構成されたブロックＢ間の位相差を利用して、表面反射波の放射方向を調整している。このため、ＬＣ共振によって表面波の阻止帯域幅、ひいてはアンテナの使用帯域幅が決まるＥＢＧを利用した従来技術と比較して、広帯域なアンテナを実現することができる。

［４．実験］
ブロックＢ間での表面放射波の位相差（以下、放射位相差）を６０ｄｅｇに設定した実施例、付加機能部５のない通常基板を用いた比較例１、放射位相差を９０ｄｅｇに設定した比較例２、付加機能部５の代わりにＥＢＧ構造を有する部位を設けた比較例３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。なお、図４は、ブロックＢ１を基準とした各ブロックの放射位相を、比較例１，２および実施例について示した一覧表である。

図５に示すように、比較例１では、反射方位４０〜４５ｄｅｇ付近（以下、補償方位）に、利得が極小となるアンテナ特性（即ち、基本特性）を有する。これに対して実施例では、比較例１と比較して、補償方位の利得が改善されることで、帯域幅が広がり、且つ、サイドローブが抑圧されたアンテナ特性を有する。また、放射位相差が実施例とは異なる値に設定された比較例２では、比較例１と比較しても帯域幅が狭くかつサイドローブが抑圧されていないアンテナ特性となる。つまり、付加機能部５の放射位相差は、基本特性に応じて適宜最適化する必要があることがわかる。

図６は、付加機能部５を構成する部位５１，５２の一方について、単体でのアンテナ特性を、シミュレーションによって求めた結果である。この図６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５の実施例および比較例２となる。

図７に示すように、付加機能部５を有する実施例では、付加機能部５より複雑なＥＢＧ構造を用いた比較例３と比較して、利得および帯域幅の面で同等以上のアンテナ特性が得られることがわかる。つまり、ＥＢＧ構造を利用するアンテナ装置と同等の効果を、より簡易な構成にて実現することができる。

［５．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。

（５Ａ）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反射波および放射波の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、図８に示すアンテナ装置１ａのように、付加機能部５ａの各部位５１ａ，５２ａを構成するすべてのブロック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反射波および放射波の位相を調整してもよい。また、図９に示すアンテナ装置１ｂのように、付加機能部５ｂの各部位５１ｂ，５２ｂを構成する導体パッチＰを螺旋状パターンで構成し、この螺旋状パターンのパターン幅を、ブロックＢ毎に変化させることで反射波および放射波の位相を調整してもよい。また、これらの手法を組み合わせて反射波および放射波の位相を調整してもよい。

（３Ｂ）上記実施形態では、付加機能部５の設計を図３に示すグラフを用いて行っているが、導体パッチＰ間のギャップを変化させることで反射波や放射波の位相を調整する場合、図３に示すグラフの変わりに、図１０に示すグラフを用いて、付加機能部５の設計を行えばよい。なお、図１０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。

（３Ｃ）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。

（３Ｄ）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など、種々の形態で本発明を実現することもできる。

１，１ａ，１ｂ…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、５，５ａ，５ｂ…付加機能部、４１…パッチアンテナ、４２…地板パターン、Ｂ…ブロック、Ｐ…導体パッチ。

Claims (8)

1. 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、放射素子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に形成された複数の導体パッチを有する付加機能部（５、５ａ、５ｂ）と、
   を備え、
   前記付加機能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、
   前記付加機能部を除去した場合のアンテナ特性において、利得が極小となる方位を補償方位として、前記誘電体基板の表面を伝搬する表面波による前記導体パッチからの放射波が、前記補償方位に向けて放射されるように、前記ブロック間での前記放射波の位相差が設定されている
   アンテナ装置（１、１ａ、１ｂ）。
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放射波の位相が遅れ位相となる
   アンテナ装置。
3. 請求項１または請求項２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、前記放射波の位相が調整されている
   アンテナ装置。
4. 請求項１または請求項２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、前記放射波の位相が調整されている
   アンテナ装置。
5. 請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置において、
   前記導体パッチは、螺旋状パターンを有し、前記ブロック毎に、前記螺旋状パターンのパターン幅を異ならせることで、前記放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ンテナ部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。

Images