JP2019036918A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射波によるアンテナ指向性の乱れを抑制する。
【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、一つ以上の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複数の導体パターン５１を有する。導体パターン５１は、アンテナ部４の動作周波数を有する入射波に対して、一つ以上の共振方向で共振することで、アンテナ部４が送受信する電波である送受信波とは異なる偏波の輻射波を発生させる。また、導体パターン５１の少なくとも一つは、共振方向のそれぞれについて、該共振方向に対して直交した方向での導体パターンの全幅より狭い幅を有する少なくとも一つの経路パターンＰｕ及びＰｖを備える特定形状を有する。
【選択図】図１

Description

本開示は、誘電体基板を用い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、アンテナ指向性に悪影響を与えてしまう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、隣接配置された多数の導体パターンと、各導体パターンを接地するビアとで構成された平面基板構造において、パッチサイズを徐々に変えることで反射波位相面を傾けることで、アンテナ指向性の乱れを抑制する技術が開示されている。

特開２０１４−４５３７８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に記載の従来技術では、反射方向を変化させているだけで反射波の総量に変わりはないため、別の方向で、放射波と反射波との干渉の影響が生じるという課題が見出された。

また、従来技術では、導体パターンのパターンをエッチング加工する際のばらつき、即ち、オーバーエッチング又はアンダーエッチングによって、個々のパッチの特性が変化することにより、アンテナ全体として所望のアンテナ指向性を実現することができない場合があるという課題も見出された。

本開示は、反射波および製造ばらつきによるアンテナ指向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）と、地板（３）と、アンテナ部（４）と、付加機能部（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、放射素子として作用するように構成された一つ以上のアンテナパターン（４１）を有する。付加機能部は、アンテナ部の周囲に配置された複数の導体パターン（５１，５１ａ〜５１ｅ）を有する。複数の導体パターンは、アンテナ部の動作周波数を有する入射波に対して、一つ以上の共振方向で共振することで、アンテナ部が送受信する送受信波とは異なる偏波の輻射波を発生させる。また、導体パターンのうち少なくとも一つは、共振方向のそれぞれについて、該共振方向に対して直交した方向での導体パターンの全幅より狭い幅を有する少なくとも一つの経路パターン（Ｐｕ，Ｐｖ）を備える特定形状に構成される。

このような構成によれば、付加機能部への入射波は、付加機能部に属する導体パターンによって、アンテナ部が送受信する電波とは異なる偏波を有する輻射波に変換される。つまり、アンテナ部からの放射波と、付加機能部からの輻射波とでは偏波が異なるため、両者間の干渉が抑制され、その結果、アンテナ指向性の乱れを抑制することができる。

また、特定形状の導体パターンが経路パターンを有することにより、導体パターンのインダクタンス分と、導体パターン間の容量分とが、オーバーエッチング及びアンダーエッチングのいずれの場合も、互いに増減が逆方向に変化する。その結果、製造ばらつきによる付加機能部の特性変化が抑制され、ひいてはアンテナ指向性の乱れを効果的に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。

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。 付加機能部に属する導体パターンの構成を示す平面図である。 導体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。 導体パターンの入射波および輻射波の偏波方向を示す説明図である。 従来の導体パターンの等価回路およびエッチング加工のばらつきが導体パターンに与える影響を示す説明図である。 本開示に係る導体パターンの等価回路およびエッチング加工のばらつきが導体パターンに与える影響を示す説明図である。 アンテナ装置の反射波強度を比較例と対比して示したグラフである。 本開示に係るアンテナ装置において、パターン公差が動作周波数に与える影響を示すグラフである。 従来のアンテナ装置において、パターン公差が動作周波数に与える影響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。 バンパーの有無による利得変動量を比較例と対比して示したグラフである。 本開示に係るアンテナ装置において、パターン公差が利得変動量に与える影響を示すグラフである。 従来のアンテナ装置において、パターン公差が利得変動量に与える影響を示すグラフである。 導体パターンの変形例を示す説明図である。 導体パターンの変形例を示す説明図である。 導体パターンの変形例を示す説明図である。 導体パターンの変形例を示す説明図である。 導体パターンの変形例を示す説明図である。

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．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。アンテナ装置１は、例えば、車両のバンパー内に配置される。

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を有する。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の第１の辺に沿った方向をｘ軸方向、ｘ軸方向に直行する第２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、接地面として機能する地板３が設けられる。地板３は、基板裏面２ｂの全面を覆う銅パターンである。基板表面２ａには、その中央付近にアンテナ部４が設けられる。また、アンテナ部４の周囲には、付加機能部５が設けられる。

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。各パッチアンテナ４１は、長方形の銅パターンであり、各辺がｘ軸及びｙ軸に沿うように配置される。給電線４２は、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各パッチアンテナ４１に接続されている。

付加機能部５は、複数の導体パターン５１を二次元的に配置することで構成されている。導体パターン５１は、図３に示すように、外形形状が長方形に形成された銅パターンであり、内部に複数のパターン除去部５２を有する。ここでは、導体パターン５１の一つの辺である第１の辺（以下、長辺）に沿った方向を第１共振方向Ｄｕ、第１の辺に直交する第２の辺（以下、短辺）に沿った方向を第２共振方向Ｄｖという。複数のパターン除去部５２は、いずれも長方形に形成される。各パターン除去部５は、外形形状を形成する各辺が、いずれも導体パターン５１の長辺または短辺のいずれかと平行となるように配置される。パターン除去部５２は、互いに間隔を空けて整列するように形成されている。これにより、各パターン除去部５２同士の間、および各パターン除去部５２と導体パターン５１の長辺または短辺との間に、第１共振方向Ｄｕに沿った複数の経路パターンＰｕおよび第２共振方向Ｄｖに沿った複数の経路パターンＰｖが形成される。

なお、複数の経路パターンＰｕは、いずれも、第１共振方向Ｄｕに対して直行する方向での導体パターン５１の幅（即ち、短辺のサイズ）Ｖより狭い幅を有する。同様に、複数の経路パターンＰｖは、いずれも、第２共振方向Ｄｖに対して直行する方向での導体パターン５１の幅（即ち、長辺のサイズ）Ｕより狭い幅を有する。

導体パターン５１は、長辺及び短辺に沿った方向、即ち、第１共振方向Ｄｕ及び第２共振方向Ｄｖが、いずれもｘ軸に対して４５°傾斜するように配置されている。そして、外部から導体パターン５１への入射波は、導体パターン５１において、第１共振方向Ｄｕ及び第２共振方向Ｄｖのそれぞれで共振する。外部からの入射波としては、アンテナ部４から放射されバンパー等で反射した反射波の他、アンテナ部４から伝搬してくる表面波も考えられる。また、導体パターン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ている。

［２．設計］
ここで、導体パターン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、導体パターン５１の辺のサイズと、導体パターン５１に平面波を入射したときに計測される導体パターン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、導体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、導体パターン５１は、無限に配列されているものとして、シミュレーションによって求めた。図では、導体パターン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。但し、両辺の平均サイズが、必ずしも波長λと正確に一致している必要はなく、数％程度ずれてもよい。

［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が送受信する送受信波と同じｘ軸方向を偏波方向とする入射波が、導体パターン５１に入射されると、導体パターン５１では長辺（即ち、第１共振方向Ｄｕ）と短辺（即ち、第２共振方向Ｄｖ）とで共振時位相差が逆位相となるため、導体パターン５１からは、ｙ軸方向を偏波方向とする輻射波が輻射される。

ここで、導体パターン５１に形成された経路パターンＰｕ，Ｐｖの作用について説明する。なお、比較対象となる従来装置は、パターン除去部５２を有さない導体パターン６１により付加機能部が構成されているものとする。従来装置における付加機能部の等価回路は、図６に示すように、導体パターン６１の形状や大きさで決まるインダクタンス分Ｌと、導体パターン６１間の間隔及び両パターンが対向する部位の幅で決まる容量分Ｃとが直列接続されたものとなる。

従来装置の導体パターン６１では、例えば、オーバーエッチングにより、導体パターン６１の外形サイズが所望サイズより小さくなった場合、Ｌ及びＣはいずれも減少する。これらＬ及びＣの変化分をΔＬ及びΔＣとすると、動作周波数ｆは、（１）式で表現される。

なお、アンダーエッチングの場合、ΔＬ及びΔＣの符号が反転する。

アンテナ装置１における付加機能部５の等価回路は、図７に示すように、導体パターン５１の外形サイズＵ及びＶにより決まるインダクタンス分Ｌ１と、経路パターンＰｕ及びＰｖの長さ及び幅によって決まるインダクタンス分Ｌ２と、導体パターン５１間の間隔及び両パターンが対向する部位の幅で決まる容量分Ｃとが直列接続されたものとなる。

アンテナ装置１の導体パターン５１では、オーバーエッチングにより、導体パターン５１の外形サイズが所望サイズより小さくなることにより、Ｌ１及びＣについては、従来装置と同様に減少する。しかし、オーバーエッチングにより、パターン除去部５２の領域が広がることで、経路パターンＰｕ及びＰｖは、パターン長が長くなり且つパターン幅が狭くなるため、Ｌ２は増大する。これらＬ１、Ｌ２、及びＣの変化分をΔＬ１、ΔＬ２、及びΔＣとすると、動作周波数ｆは、（２）式で表現される。

なお、アンダーエッチングの場合、ΔＬ１、ΔＬ２、及びΔＣの符号が反転する。

つまり、オーバーエッチングまたはアンダーエッチングのいずれの場合でも、Ｌ２の増減は、Ｌ１及びＣとは逆方向の変化をするため、動作周波数ｆの変化を抑制する方向に作用する。なお、パターン除去部５２のサイズ、ひいては経路パターンＰｕ及びＰｖのサイズは、製造時のパターン公差を考慮して、ΔＬ１＜ΔＬ２となるように設定されていること、更には、（ΔＬ１−ΔＬ２）／（Ｌ１＋Ｌ２）とΔＣ／Ｃとが同程度の大きさとなるように設定されていることが望ましい。

［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。
（１）アンテナ装置１では、付加機能部５は、導体パターン５１に入射する入射波を、アンテナ部４での送受信波とは偏波方向が異なる輻射波に変換して輻射する。このため、アンテナ部４による送受信波と付加機能部５による輻射波との干渉が抑制され、輻射波の影響によるアンテナ部４のアンテナ指向性の乱れを抑制することができる。

図８は、アンテナ装置１（即ち、実施例）、比較例１、及び比較例２について、アンテナ部４が形成された基板表面２ａに、ｚ軸方向から平面波を照射したときの反射波強度（以下、ＲＣＳ）を、アンテナ部４が送受信する電波の偏波成分、即ち、ｘ軸方向の成分についてのみシミュレーションによって求めた結果である。ここでは、正面方向（即ち、ｚ軸方向）を０°として±６０°の角度範囲を検知角度とした。なお、比較例１は、アンテナ装置１から付加機能部５が除去された構成を有し、比較例２は、付加機能部５の代わりに、偏波を変化させることなく反射方向を変化させることで反射波を分散させるように構成された付加機能部を有する。

図８に示すように、実施例では、比較例１及び比較例２と比べて、正面方向（即ち、反射方向０°）以外についての反射波強度（即ち、ＲＣＳ）が抑制されること、即ち、干渉の原因となる輻射波の発生が抑制されることがわかる。

（２）アンテナ装置１では、導体パターン５１が複数のパターン除去部５２によって形成された複数の経路パターンＰｕ及びＰｖを備えるため、エッチング加工時に生じる製造ばらつき、即ち、アンダーエッチング及びオーバーエッチングによるアンテナの周波数特性の変化を抑制することができる。

図９及び図１０は、ＲＣＳの周波数特性を、パターン公差を適宜変化させてシミュレーションによって求めた結果である。ここでは、アンテナ装置１を２４ＧＨｚ付近で作動するように設計し、パターン公差が０ｍｍ（即ち、ＴＹＰ）、＋０．０５ｍｍ（即ち、アンダーエッチング）、及び−０．０５ｍｍ（即ち、オーバーエッチング）の場合について、シミュレーションを行った。図９は実施例の場合であり、図１０は、比較例３の場合である。比較例３は、付加機能部５を構成する導体パターン５１の代わりに、パターン除去部５２のない導体パターンが用いられている以外は実施例と同様に構成されている。

図９及び図１０からわかるように、実施例では、パターン公差によらず、２４ＧＨｚ付近でＲＣＳが最小となりアンテナ特性が殆ど変化しないのに対し、比較例３では、ＲＣＳが最小となる周波数が２４ＧＨｚを中心として±０．５ＧＨｚ程度ずれること、即ち、パターン公差によってアンテナ特性が大きく変化することがわかる。

（３）図１２〜図１４は、アンテナ装置単体での利得を基準とし、図１１に示すように、バンパーを模擬した誘電体平板をアンテナ正面に置いた場合の利得の変化量を、シミュレーションにより評価した結果である。図１２は、図８での説明と同様に、実施例の結果を比較例１及び比較例２の結果と対比して示した。図１３は実施例、図１４は比較例３について、図９及び図１０の場合と同様に、パターン公差が０ｍｍ及び±０．０５ｍｍの場合について示した。

実施例では、図１２に示すように、比較例１及び比較例２と比較して、利得変動量が小さいことがわかる。また、実施例では、図１３及び図１４に示すように、パターン公差を変化させても、比較例３と比較して利得変動量が大きく変化することがなく、製造時のばらつきによらず、安定したアンテナ特性が得られることがわかる。

［５．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。

（ａ）上記実施形態では、導体パターン５１におけるパターン除去部５２の形状が長方形であるが、これに限定されるものではない。例えば、図１５に示す導体パターン５１ａのように、パターン除去部５２ａの形状が直角三角形であったり、図１６に示す導体パターン５１ｂのように、パターン除去部５２ｂの形状が円形又は楕円形であったりしてもよい。

なお、図１５に示すように、パターン除去部５２ａの形状が直角三角形の場合は、その直角三角形の直交する２辺（以下、直交辺）が、それぞれ第１共振方向Ｄｕおよび第２共振方向Ｄｖに沿い、且つ、隣接するパターン除去部５２ａの直交辺の間に、一定幅の経路パターンが形成されてもよい。

（ｂ）上記実施形態では、導体パターン５１は同一サイズに形成された４つのパターン除去部５２を備えているが、これに限定されるものではない。例えば、図１７に示す導体パターン５１ｃのように、パターン除去部５２ｃの数は６個あってもよいし、それ以上またはそれ以下の数であってもよい。また、図１８に示す導体パターン５１ｄのように、サイズの異なるパターン除去部５２ｄ，５３ｄが組み合わされてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、導体パターン５１のパターン除去部５２は、単純にパターンが除去されているが、これに限定されるものではない。例えば、図１９に示す導体パターン５１ｅのように、パターン除去部５２ｅ内に、導体パターン５１ｅとは非導通の内部パターン５４が形成されていてもよい。この場合、内部パターン５４は、パターン除去部５２ｅの形状と相似形状でもよいし、それ以外の形状でもよい。

（ｄ）上記実施形態では、導体パターン５１は、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、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。

（ｅ）上記実施形態では、導体パターン５１の外形形状が長方形であるが、これに限定されるものではなく、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、導体パターンの外形形状は、平行四辺形でもよい。また、導体パターンの外形形状を、円偏波を発生させる周知のパターン形状に準じて形成し、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。

（ｆ）上記実施形態では、導体パターン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。導体パターンへの入射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。

（ｇ）上記実施形態では、付加機能部５に属する全ての導体パターン５１がパターン除去部５２を有する特定形状である場合について示したが、付加機能部５に属する一部の導体パターンがパターン除去部５２を有していない非特定形状であってもよい。

（ｇ）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。

（ｈ）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、種々の形態で本開示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、２ｂ…基板裏面、３…地板、４…アンテナ部、５…付加機能部、４１…パッチアンテナ、４２…給電線、５１…導体パターン、５１，５１ａ〜５１ｅ…導体パターン、５２，５２ａ〜５２ｅ，５３ｄ…パターン除去部、５４…内部パターン、Ｐｕ，Ｐｖ…経路パターン。

Claims (9)

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ように構成された地板（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ように構成された一つ以上の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、前記アンテナ部の動作周波数を有する入射波に対して、一つ以上の共振方向で共振することで、前記アンテナ部が送受信する電波である送受信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複数の導体パターン（５１、５１ａ〜５１ｅ）を有する付加機能部（５）と、
   を備え、
   前記複数の導体パターンのうち少なくとも一つは、前記共振方向のそれぞれについて、該共振方向に対して直交した方向での前記導体パターンの全幅より狭い幅を有する少なくとも一つの経路パターン（Ｐｕ，Ｐｖ）を備える特定形状に構成された、
   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、
   前記特定形状に形成された導体パターンは、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た二つの方向のそれぞれが前記共振方向となり、且つ、前記二つの共振方向での共振が互いに逆位相となるような形状を有する、
   アンテナ装置。
3. 請求項２に記載のアンテナ装置であって、
   前記特定形状に形成された導体パターンは、前記二つの共振の共振方向が互いに直交するような形状を有する、
   アンテナ装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のアンテナ装置であって、
   前記特定形状に形成された導体パターンは、予め設定された形状にてパターンを除去した一つ以上のパターン除去部（５２、５２ａ〜５２ｅ、５３ｄ）を設けることで、前記パターン除去部の周縁部に前記経路パターンが形成されている、
   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、
   前記一つ以上のパターン除去部のうち少なくとも一つは、四つの辺がいずれも前記二つの共振方向のいずれかに沿うように形成された平行四辺形である、
   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、
   前記一つ以上のパターン除去部のうち少なくとも一つは、三つの辺のうち二つの辺がそれぞれ前記二つの共振方向のいずれかに沿うように形成された三角形である、
   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、
   前記一つ以上のパターン除去部のうち少なくとも一つは、円形である、
   アンテナ装置。
8. 請求項４から請求項７のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記一つ以上のパターン除去部のうち少なくとも一つは、前記導体パターンとは非導通な内部パターン（５４）を更に備える、
   アンテナ装置。
9. 請求項８に記載のアンテナ装置であって、
   前記内部パターンは、前記パターン除去部の外形と相似形状を有する、
   アンテナ装置。

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