JP2018186482A - アンテナ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な構成で、基板を伝搬する表面波によるアンテナ特性の乱れを抑制する技術を提供する。【解決手段】地板3は、誘電体基板2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4は、誘電体基板2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5は、アンテナ部4の周囲に配置された無給電の複数の無給電パターン51を有する。無給電パターン51は、誘電体基板2の表面を伝搬する表面波により、アンテナ部4が送受信する電波とは異なる偏波の輻射波を発生させる。【選択図】図1

Description

本開示は、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、例えば下記特許文献1には、アンテナの動作周波数を有する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。
特許第3653470号公報
しかしながら、発明者の詳細な検討の結果、特許文献1に記載の従来技術には、以下の課題が見出された。
即ち、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。従って、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。
本開示は、簡易な構成で、基板を伝搬する表面波によるアンテナ特性の乱れを抑制する技術を提供する。
本開示の1つの局面によるアンテナ装置は、誘電体基板(2,9)と、地板(3)と、アンテナ部(4,7)と、付加機能部(5,8)と、を備える。
誘電体基板は、複数のパターン形成層を有する。地板は、複数のパターン形成層の一つに形成され、アンテナ接地面として作用する。アンテナ部は、地板が形成されたパターン形成層とは異なるパターン形成層に形成され、放射素子として作用する一つ以上のアンテナパターンを有する。付加機能部は、誘電体基板を伝搬する表面波の伝搬経路上に設けられた一つ以上の無給電パターン(51,51a〜51d,81,82a,82b,83)を有し、表面波により、アンテナ部が送受信する電波とは異なる偏波の輻射波を発生させる。
このような構成によれば、表面波は、付加機能部に属する無給電パターンによって、アンテナ部が送受信する電波とは異なる偏波を有する電波(即ち、輻射波)に変換され放射される。つまり、表面波は伝搬に従って減衰するだけでなく、表面波により発生する輻射波は、アンテナ部が送受信する電波とは干渉しないため、表面波に基づくアンテナ指向性の乱れ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、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
第1実施形態のアンテナ装置の構成を示す平面図である。 アンテナ装置の構成を示す正面図である。 無給電パターンの構成を示す平面図である。 無給電パターンの辺の長さと共振時の反射位相との関係を示すグラフである。 無給電パターンの動作を示す説明図である。 無給電パターンの共振周波数を変化させることによる影響を示す説明図である。 アンテナ装置の指向性を、従来装置と比較して示したグラフである。 無給電パターンの共振周波数とアンテナ装置の指向性との関係を示すグラフである。 無給電パターンの配置の傾きとアンテナ装置の指向性との関係を示すグラフである。 無給電パターンの他のパターン形状を示す説明図である。 無給電パターンの他のパターン形状を示す説明図である。 無給電パターンの他のパターン形状を示す説明図である。 無給電パターンの他のパターン形状を示す説明図である。 第2実施形態のアンテナ装置の構成を示す平面図である。 アンテナ装置のチャネル間アイソレーションを、従来装置と比較して示したグラフである。 付加機能部の他の構成を示す説明図である。 付加機能部の他の構成を示す説明図である。 付加機能部の他の構成を示す説明図である。 付加機能部の他の構成を示す説明図である。 付加機能部の他の構成を示す説明図である。 多層の誘電体基板におけるアンテナ部及び付加機能部の配置を例示する説明図である。 多層の誘電体基板におけるアンテナ部及び付加機能部の配置を例示する説明図である。 多層の誘電体基板におけるアンテナ部及び付加機能部の配置を例示する説明図である。
以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
[1.第1実施形態]
[1−1.構成]
アンテナ装置1は、例えば、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。
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を備える。以下では、誘電体基板2の両面は、パターン形成層として使用される。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。
アンテナ装置1は、基板裏面2bの全面を覆うように形成された銅パターンからなり、アンテナ接地面として作用する地板3を備える。アンテナ装置1は、基板表面2aの中央付近に形成されたアンテナ部4を備える。また、アンテナ装置1は、アンテナ部4を挟んでx軸方向の両側に形成された付加機能部5を備える。
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アンテナパターン41と、各アンテナパターン41への給電を行う給電線42とを備える。アンテナ部4は、送受信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る。
付加機能部5は、二次元的に配置された複数の無給電パターン51を有する。無給電パターン51は、図3に示すように、長方形状に形成された銅パターンであり、各辺がx軸に対して45°傾斜するように配置される。これにより、無給電パターン51は、アンテナ部4から伝搬してくる表面波に対して、長辺と短辺の二つの辺で共振する。また、無給電パターン51の長辺のサイズUおよび短辺のサイズVは、各辺で共振したときの位相の位相差(以下、共振時位相差)が逆位相となる、即ち位相が180°異なるように設定される。また、無給電パターン51の各辺のサイズU,Vは、両者の平均サイズが、アンテナ装置1の動作周波数における波長λより大きな値となるように設定される。つまり、平均サイズに対応する共振周波数は、アンテナ装置1の動作周波数よりも低くなるように設定される。
[1−2.設計]
ここで、無給電パターン51の各辺のサイズU,Vの設計方法について説明する。
図4は、無給電パターン51の辺のサイズと、無給電パターン51に平面波を入射したときに計測される無給電パターン51からの反射波の位相との関係を示したグラフである。ここでは、入射波の周波数を24.15GHz、無給電パターンを正方形として、その辺のサイズを変化させている。なお、無給電パターンは、無限に配列されていると仮定して、シミュレーションによって求めた。
図4では、無給電パターン51の両辺の平均サイズが、アンテナ装置1の動作周波数における波長λと一致させた場合のサイズU=3.23mm,V=3.15mmを示している。本実施形態では、U=3.37mm、V=3.29mmに設定している。
[1−3.動作]
このように構成されたアンテナ装置1では、図5に示すように、アンテナ部4から伝搬してくるx軸方向に沿った偏波を有する表面波が無給電パターン51に入射されると、無給電パターン51の長辺および短辺のいずれでも共振し、長辺と短辺とでは共振時の位相差が逆位相となる。このため、無給電パターン51からは、y軸方向に沿った偏波を有する電波である輻射波が輻射される。この輻射によって、表面波は基板端に近づくほど減衰する。
また、アンテナ装置1では、無給電パターン51の両辺の平均サイズに対応する共振周波数が、アンテナ装置1の動作周波数より低く設定されている。このため、図6に示すように、無給電パターン51からの輻射波は、表面波が進む方向に向けて輻射される前進波となる。なお、共振周波数が動作周波数と一致するように設定されている場合、無給電パターン51からの輻射波は基板表面2aに直交する正面方向に輻射される。また、共振周波数が動作周波数より高い場合、無給電パターン51からの輻射波は、表面波が進む方向とは反対方向に向けて輻射される後退波となる。本実施形態では、輻射波が前進波となるように設定しているが、正面方向に輻射されるように設定したり、後退波となるように設定したりしてもよい。
[1−4.効果]
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(1a)アンテナ装置1では、付加機能部5に属する無給電パターン51が、アンテナにて送受信される電波とは異なる偏波の輻射波を発生させ表面波を減衰させることで、基板端から不要な輻射が抑制されるため、リップルが抑制された指向性を実現することができる。
図7に示すように、アンテナ装置1を用いる実施例1では、付加機能部5を備えない比較例1と比較して、リップルが抑制され、EBGを備えた従来装置である比較例2と同等のリップル抑制効果が得られる。つまり、アンテナ装置1によれば、EBGより簡易な構成でEBGと同等の効果を得ることができる。
(1b)アンテナ装置1では、無給電パターン51の共振周波数が自身の動作周波数より低く設定されているため、図8に示すように、共振周波数が動作周波数と一致するように設定した実施例2と比較して、広いアンテナビーム幅を実現することができる。
[1−5.変形例]
上記実施形態では、無給電パターン51を、各辺がx軸に対して45°傾斜するように配置したが、これに限定されるものではない。例えば、図9に示すように、45°に対して±10°程度の範囲、即ち35°〜55°程度の傾斜であれば、同等の効果を得ることができる。
上記実施形態では、無給電パターン51のパターン形状を長方形としたが、これに限定されるものではない。例えば、図10に示す無給電パターン51aのように、正方形に形成された主部10、および主部10が有する一対の対角線のうち、一つの対角線の両端に切欠部11が形成されたパターン形状を有していてもよい。また、図11に示す無給電パターン51bのように、主部10の一つの対角線の両端に突部12が形成されたパターン形状を有していてもよい。これらの場合、図10及び図11中の矢印で示すように、無給電パターン51a,51bの一対の対角線に沿って二共振する。このため、無給電パターン51a,51bは、これら対角線が、x軸に対して傾斜するように配置すればよい。
上記実施形態では、無給電パターン51のパターン形状を長方形としたが、図12に示す無給電パターン51cのように、円形に形成された主部20、および主部の中心を通る直交した一対の中心線のうち、一つの中心線の両端に切欠部21が形成されたパターン形状を有していてもよい。この場合、図12中の矢印で示すように、無給電パターン51cの一対の中心線に沿って二共振する。このため、無給電パターン51cは、これら中心線が、x軸に対して傾斜するように配置すればよい。また、切欠部21の代わりに突部を設けてもよい。
また、図13に示す無給電パターン51dのように、交差した一対の線状パターン31,32を備えたパターン形状を有していてもよい。この場合、一対の線状パターン31,32に沿って二共振する。このため、無給電パターン51dは、これら線状パターン31,32の長手方向がx軸に対して傾斜するように配置すればよい。
無給電パターンは、上述したパターン形状に限らず、二共振し且つ共振位相差を調整可能な形状であればよい。例えば、無給電パターンは、円偏波を発生させる周知のパターン形状に準じ、共振位相差を90°ではなく180°に調整することで実現してもよい。
上記実施形態では、無給電パターン51は、表面波に対して偏波方向が90°異なる輻射波を放射するように構成したが、これに限定されるものではない。表面波と輻射波とで偏波方向が一致していなければよく、例えば、輻射波が円偏波や楕円偏波となるように構成してもよい。
[2.第2実施形態]
[2−1.第1実施形態との相違点]
第2実施形態は、基本的な構成は第1実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第1実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
第2実施形態では、アンテナ部7の構成、付加機能部8の配置、付加機能部8に属する無給電パターン81の形状が、第1実施形態と相違する。
図14に示すように、第2実施形態のアンテナ装置6は、誘電体基板2を備える。基板裏面2bには地板3を備え、基板表面2aには、アンテナ部7と、付加機能部8と、を備える。
アンテナ部7は、x軸方向に沿って配列された一対のアレーアンテナ7a,7bを備える。各アレーアンテナ7a,7bは、y軸方向に沿って配置された矩形状の複数のアンテナパターン71を備える。アレーアンテナ7a,7bは、それぞれに属するアンテナパターン71が、x軸に沿って整列するように配置される。また、図示は省略するが、各アンテナパターン71は、送受信される電波の偏波方向が、x軸方向と一致するように給電が行われる。以下では、アレーアンテナ7a,7bのそれぞれをチャネルという。各チャネルは、一方を送信、他方を受信に用いてもよいし、両方を送信または両方を受信に用いてもよい。
付加機能部8は、一対のアレーアンテナ7a,7bの間に配置される。付加機能部8は、二次元的に配置された複数の無給電パターン81を有する。無給電パターン81は、線状に形成された一対の銅パターン(以下、線状パターン)を90°の角度でL字状に連結したパターン形状を有する。各線状パターンは、いずれもx軸に対して45°傾斜するように配置される。二つの線状パターンの長手方向のサイズは互いに異なっている。以下、長い方の線状パターンを長辺、短い方の線状パターンを短辺という。長辺のサイズUおよび短辺のサイズVは、各辺で共振したときの位相の位相差(以下、共振時位相差)が逆位相となる、即ち位相が180°異なるように設定される。
また、付加機能部8において、x軸方向に沿って設けられた複数の無給電パターン81は、二つの線状パターンの連結部の向きが、同一方向を向くように配置されている。また、y軸方向に沿って設けられた複数の無給電パターン81は、上記連結部の向きが交互に入れ替わるように配置される。更に、x軸に沿って設けられた複数の無給電パターン81は、上記連結部が、x軸方向に整列するアンテナパターン71の中心を結ぶx軸に沿った線上に位置するように配置される。
[2−2.動作]
このように構成されたアンテナ装置6では、アレーアンテナ7a,7b間を伝搬する表面波により、無給電パターン81は、二つの線状パターン、即ち、長辺および短辺のいずれでも共振する。長辺と短辺とでは共振時の位相差が逆位相となるため、無給電パターン81からは、y軸方向に沿った偏波を有する電波である輻射波が輻射される。この輻射によって、表面波は減衰する。また、輻射波は、アンテナ部7が送受信する電波である送受信波とは、偏波面が90°異なっているため、輻射波と送受信波とが干渉することがない。
[2−3.効果]
以上詳述した第2実施形態によれば、以下の効果を奏する。
(2a)アンテナ装置6では、付加機能部8に属する無給電パターン81が、アレーアンテナ7a,7b間を伝搬する表面波を減衰させるため、チャネル間のアイソレーションを向上させることができる。
図15に示すように、アンテナ装置6を用いる実施例3では、アンテナ装置6の構成から付加機能部8を省略した比較例3と比較して、動作周波数である24GHzを中心とした広い範囲でチャネル間のアイソレーションが向上する。なお、図15のグラフは、無給電パターン81の長辺のサイズUを3.2mm、短辺のサイズVを3.21mm、隣接する無給電パターン81同士のx軸方向の配置間隔Wxを0.3mm、Y軸方向端部での配置間隔Wyを0.25mmとして、シミュレーションを行った結果である。
[2−4.変形例]
上記アンテナ装置6では、付加機能部8において、y軸方向に並ぶ無給電パターン81を、連結部の向きが交互に入れ替わるように配置したが、これに限定されるものではない。
例えば図16に示す付加機能部8aのように、y軸方向に並ぶ無給電パターン81も、連結部の向きが全て同じ方向となるように配置してもよい。
また、図17に示す付加機能部8bのように、付加機能部8aでの無給電パターン81の配列をベースとし、y軸方向に並ぶ複数の無給電パターン81をパターン列として、x軸方向に並ぶ複数のパターン列を、一つおきに左右の向きを反転させ、かつ、y軸方向に、無給電パターン81のy軸方向のサイズの1/2だけずらして配置してもよい。
また、図18に示す付加機能部8cのように、無給電パターン81の配列を、90°回転させて、無給電パターン81の連結部がy軸方向に突出するような配置としてもよい。
上記アンテナ装置6では、付加機能部8として、L字状のパターン形状を有した無給電パターン81が用いられているが、これに限定されるものではない。
例えば、図19に示す付加機能部8dのように、長さの異なる2種類の線状の無給電パターン82a,82bを用いてもよい。この場合、一対の無給電パターン82a,82bをL字状に配置したものを単位ブロックとし、この単位ブロックを、付加機能部8,8a,8bにおける無給電パターン81と同様に配置すればよい。図18では、付加機能部8aでの配置と同様にした場合を示す。
また、図20に示す付加機能部8eのように、付加機能部8aでの無給電パターン81の配列をベースとし、y軸方向に並ぶ複数の無給電パターン81を全て連結したパターン形状を有する無給電パターン83を、x軸方向に複数配列してもよい。更に、付加機能部8eにおける複数の無給電パターン83を、90°回転させて配置してもよい。
[3.他の実施形態]
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示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。
(3a)上記実施形態では、単層の誘電体基板2を用いる例について説明したが、これに限定されるものではなく、多層の誘電体基板9を用いてもよい。この場合、例えば、図21に示すように、アンテナ部7(即ち、アンテナパターン71)および付加機能部8(即ち、無給電パターン81)を、誘電体基板9の内部に位置するパターン形成層P1に設けてもよい。また、例えば、図22および図23に示すように、アンテナ部7と付加機能部8とを異なるパターン形成層に設けてもよい。この場合、図22に示すように、アンテナ部7を有するパターン形成層P1を挟んで、地板3を有するパターン形成層P2とは反対側に位置するパターン形成層P3に付加機能部8を設けてもよい。また、図23に示すように、アンテナ部7を有するパターン形成層P1と、地板3を有するパターン形成層P2との間に位置するパターン形成層P4に付加機能部8を設けてもよい。なお、図21〜図23では、アンテナ部7および付加機能部8を用いて説明したが、これらの代わりに、アンテナ部4および付加機能部5を用いてもよい。
(3b)上記実施形態では、第1実施形態では、無給電パターン51,51a〜51dを例示し、第2実施形態では、無給電パターン81,82a,82b,83を例示したが、第1実施形態に無給電パターン81,82a,82b,83を用いたり、第2実施形態に無給電パターン51,51a〜51dを用いたりしてもよい。
(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から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。
(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、アンテナ指向性の調整方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。
1,6…アンテナ装置、2,9…誘電体基板、2a…基板表面、2b…基板裏面、3…地板、4,7…アンテナ部、5,8,8a〜8e…付加機能部、7a,7b…アレーアンテナ、10,20…主部、11,21…切欠部、12…突部、31,32…線状パターン、41,71…アンテナパターン、42…給電線、51,51a〜51d,81,82a,82b,83…無給電パターン、P1〜P4…パターン形成層。

Claims (17)

  1. 複数のパターン形成層を有する誘電体基板(2,9)と、
    前記複数のパターン形成層の一つに形成され、アンテナ接地面として作用する地板(3)と、
    前記地板が形成された前記パターン形成層とは異なるパターン形成層に形成され、放射素子として作用する一つ以上のアンテナパターンを有するアンテナ部(4,7)と、
    前記誘電体基板を伝搬する表面波の伝搬経路上に設けられた一つ以上の無給電パターン(51,51a〜51d,81,82a,82b,83)を有し、前記表面波により、前記アンテナ部が送受信する電波とは異なる偏波の輻射波を発生させるように構成された付加機能部(5、8)と、
    を備えるアンテナ装置。
  2. 請求項1に記載のアンテナ装置であって、
    前記付加機能部(5)は、前記アンテナ部(4)の周囲に配置された、
    アンテナ装置。
  3. 請求項1に記載のアンテナ装置であって、
    前記アンテナ部(7)は、複数のアンテナパターンを有し、
    前記付加機能部(8)は、アンテナパターンの間に配置された、
    アンテナ装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターンは、それぞれが、前記アンテナ部が送受信する電波の偏波方向に対して傾斜した二つの方向で共振するパターン形状を有する、
    アンテナ装置。
  5. 請求項4に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターン(51)は、長方形のパターン形状を有し、該長方形の辺に沿って共振するように構成された、
    アンテナ装置。
  6. 請求項4に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターン(51a,51b)は、正方形に形成された主部(10)、および前記主部が有する一対の対角線のうち、一つの対角線の両端に形成された突部(12)または切欠部(11)を備えたパターン形状を有し、前記一対の対角線に沿って二共振するように構成された、
    アンテナ装置。
  7. 請求項4に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターン(51c)は、円形に形成された主部(20)、および前記主部の中心を通る直交した一対の中心線のうち、一つの中心線の両端に形成された突部または切欠部(21)を備えたパターン形状を有し、前記一対の中心線に沿って二共振するように構成された、
    アンテナ装置。
  8. 請求項4に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターン(51d)は、交差した一対の線状パターン(31,32)を備えたパターン形状を有し、前記一対の線状パターンに沿って二共振するように構成された、
    アンテナ装置。
  9. 請求項4に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターン(81)は、L字状に連結された一対の線状パターンを備えたパターン形状を有し、上記一対の線状パターンに沿って二共振するように構成された、
    アンテナ装置。
  10. 請求項4に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターン(83)は、L字状に連結された一対の線状パターンを単位パターンとして、前記単位パターンを複数連結したパターン形状を有し、上記一対の線状パターンのそれぞれに沿って二共振するように構成された、
    アンテナ装置。
  11. 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターンは、前記アンテナ部が送受信する電波の偏波方向に対して傾斜しかつ互いに異なる方向で共振する2種類の線状パターン(82a,82b)を有する、
    アンテナ装置。
  12. 請求項11に記載のアンテナ装置であって、
    L字状に配置された前記2種類の線状パターンを単位ブロックとして、
    前記付加機能部は、一つ以上の前記単位ブロックを有する、
    アンテナ装置。
  13. 請求項4から請求項12のいずれか1項に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターンは、前記アンテナ部の動作周波数より低周波数側で共振するように構成された、
    アンテナ装置。
  14. 請求項4から請求項13のいずれか1項に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターンは、二つの共振のうち一方が逆位相で共振するパターン形状を有する、
    アンテナ装置。
  15. 請求項4から請求項14のいずれか1項に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターンは、前記二つの共振の共振方向が互いに直交するように構成された、
    アンテナ装置。
  16. 請求項15に記載のアンテナ装置であって、
    前記無給電パターンは、前記アンテナ部が送受信する電波の偏波方向に対して、前記二つの共振の共振方向が35°〜55°傾くように配置された、
    アンテナ装置。
  17. 請求項1から請求項16のいずれか1項に記載のアンテナ装置であって、
    前記誘電体基板(9)は前記パターン形成層を3つ以上有し、
    前記付加機能部は、前記地板を有するパターン形成層に対して、前記アンテナ部を有するパターン形成層と同じ側に位置し、且つ、前記アンテナ部を有するパターン形成層とは異なるパターン形成層に設けられた、
    アンテナ装置。
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