JP2019041224A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】隣接するアンテナ間に生じる電波干渉を抑制すること。【解決手段】実施形態に係るアンテナ装置は、基板と、レドームと、吸収部とを備える。基板は、電波を送信または受信する複数のアンテナが配置される。レドームは、アンテナの出射面側から基板を覆う。吸収部は、基板における送信アンテナ間に設けられ、電波の吸収特性が異なる複数の吸収部材が配列される。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

従来、レーダ装置に搭載され、電波を送信する送信アンテナが基板上に配列されたアンテナ装置がある。かかるアンテナ装置では、送信アンテナによって送信された電波がレドームと基板との間で多重反射を起こし、隣接する送信アンテナの電波が互いに干渉しあう電波干渉が生じる場合がある。

このため、アンテナ装置の基板上に電波を吸収する吸収部材（例えば、ＡＭＣ；Artificial Magnetic Conductor）を備え、かかる吸収部材で基板側に反射した電波を吸収するものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７―１１３６９号公報

しかしながら、従来技術では、隣接するアンテナ間に生じる電波干渉を防ぐうえでさらなる改善の余地があった。具体的には、吸収部材は、電波の入射角に応じて電波を吸収する効率が異なる。このため、従来技術では、吸収部材の入射角によっては、電波を十分に吸収することができず、電波干渉を抑制できない場合があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、隣接するアンテナ間に生じる電波干渉を抑制することができるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、アンテナ装置において基板と、レドームと、吸収部とを備える。基板は、電波を送信または受信する複数のアンテナが配置される。レドームは、前記アンテナの出射面側から前記基板を覆う。吸収部は、前記基板における前記アンテナ間に設けられ、前記電波の吸収特性が異なる複数の吸収部材が配列される。

本発明によれば、隣接するアンテナ間に生じる電波干渉を抑制することができる。

図１は、アンテナ装置の断面模式図である。 図２Ａは、吸収部材の入射角に対する吸収特性の具体例を示す図（その１）である。 図２Ｂは、吸収部材の入射角に対する吸収特性の具体例を示す図（その２）である。 図２Ｃは、吸収部材を組み合わせた吸収特性の具体例を示す図（その１）である。 図３Ａは、吸収部材の配置位置の決定方法を示す図である。 図３Ｂは、送信アンテナと吸収部の配置例を示す図である。 図４Ａは、吸収部材の周波数に対する吸収特性の具体例を示す図（その１）である。 図４Ｂは、吸収部材の周波数に対する吸収特性の具体例を示す図（その２）である。 図４Ｃは、吸収部材を組み合わせた吸収特性の具体例を示す図（その２）である。 図５Ａは、レドームの断面模式図である。 図５Ｂは、凹凸部を有するレドームと吸収部材を組み合わせた吸収特性の例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、実施形態に係るアンテナ装置について詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

まず、図１を用いて実施形態に係るアンテナ装置の概要について説明する。図１は、アンテナ装置の概要を示す図である。なお、図１では、説明を分かりやすくするために、鉛直上向きを正方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標をあわせて示す。なお、かかる直交座標は、以下の説明で用いる他の図面においても示す場合がある。

図１に示すように、アンテナ装置１は、基板２と、レドーム５と、吸収部３０とを備える。基板２は、電波Ｗを送信する複数の送信アンテナ１０が配置される。なお、送信アンテナ１０は、アンテナの一例である。また、基板２は、電波Ｗを受信する受信アンテナが配置されてもよい。また、基板２は、電波Ｗを送信及び受信する送受信アンテナが配置されてもよい。

送信アンテナ１０は、いわゆるマイクロストリップアンテナである。送信アンテナ１０から送信される電波Ｗは、レドーム５を介してアンテナ装置１の外部に照射される。かかる電波Ｗが物標により反射した反射波を図示しない受信アンテナで受信することで物標の位置や相対速度等を検出することが可能となる。

しかしながら、図１に示すように、全ての電波Ｗがレドーム５を通過するのではなく、電波Ｗの一部がレドーム５で基板２側に反射する場合がある。この場合に、電波Ｗが基板２で反射し、基板２とレドーム５間で電波Ｗの多重反射が発生する。

かかる多重反射によって隣接する送信アンテナ１０から送信される電波Ｗが互いに干渉しあう電波干渉が起こり、電波Ｗの位相や振幅が乱れる。また、かかる多重反射によって直接波と多重反射波が互いに干渉し合うことで、放射指向性が歪む現象が生じる場合がある。アンテナの放射指向性の歪みを抑制するうえで、さらなる改善の余地があった。このため、従来技術においては、多重反射を抑制するために電波Ｗを吸収する吸収部材を備えるものがある。

かかる吸収部材として、ＡＭＣ（Artificial Magnetic Conductor）が用いられる。かかるＡＭＣは、基板上に銅箔等が所定の周期で設置される、いわゆる周期構造となるようにプリントされたものであり、ＡＭＣに入射した電波と共振することでかかる電波を減衰させる。

ここで、ＡＭＣは、電波の入射角や、周波数によって電波を吸収する効率（以下、吸収特性という）が異なる。しかしながら、従来技術では、基板上に単一のＡＭＣを配置していた。このため、従来技術では、かかるＡＭＣの吸収特性と合致する一部の電波のみしか吸収することができなかった。

そこで、実施形態に係るアンテナ装置１では、吸収特性が異なる複数の吸収部材３１が配列される吸収部３０を備えることとした。つまり、アンテナ装置１は、異なる吸収特性を有する吸収部材３１を組み合わせて用いることで、電波Ｗを効率よく吸収することが可能となる。

例えば、アンテナ装置１は、電波Ｗの入射角に対して異なる吸収特性を有する吸収部材３１を組み合わせて用いることで、吸収可能な電波Ｗの入射角を広げることが可能となる。かかる点の詳細については、図２Ａ〜図２Ｃ、図３Ａおよび図３Ｂを用いて後述する。

また、アンテナ装置１は、周波数に対する吸収特性が異なる吸収部材３１を組み合わせて用いることで、吸収可能な電波Ｗの周波数を広げることも可能である。かかる点の詳細については、図４Ａ〜図４Ｃを用いて後述する。

このように、実施形態に係るアンテナ装置１では、吸収特性が異なる吸収部材３１が配列された吸収部３０を備えることで、電波Ｗを効率よく吸収することが可能となる。このため、実施形態に係るアンテナ装置１では、隣接する送信アンテナ１０間に生じる電波干渉を抑制することができる。また、レドームと基板との間の多重反射によって生じるアンテナの放射指向性の歪みを抑制することができる。

なお、実施形態に係るアンテナ装置１では、レドーム５に微細な凹凸を形成し、レドーム５における電波Ｗの透過率を向上させることも可能である。言い換えれば、レドーム５から基板２側への電波Ｗの反射を抑制することで、電波Ｗの多重反射を抑えることもできる。かかる点の詳細については、図５Ａおよび図５Ｂを用いて後述する。

次に、図２Ａ〜図２Ｃを用いて吸収部材３１の吸収特性の詳細について説明する。図２Ａ、図２Ｂは、吸収部材３１の入射角に対する吸収特性の具体例を示す図であり、図２Ｃは、吸収部材３１を組み合わせた吸収特性の具体例を示す図である。

なお、図２Ａには、吸収部材３１ａの電波Ｗの入射角に対する吸収特性を示し、図２Ｂには、吸収部材３１ｂの電波Ｗの入射角に対する吸収特性を示す。また、図２Ａ〜図２Ｃでは、横軸に電波Ｗの吸収部材３１に対する入射角を示し、縦軸にかかる入射角における電波Ｗの反射損失を示す。

また、図２Ａ〜図２Ｃでは、吸収部材３１に対して鉛直上方向（Ｚ軸）を０ｄｅｇとし、吸収部材３１に対して電波Ｗが負方向側から入射した場合の吸収特性を示す。なお、正方向側の吸収特性については、負方向側の吸収特性と０ｄｅｇを境に線対称であるものとする。

なお、ここでは、送信アンテナ１０（図１参照）が７６ＧＨｚ〜７７ＧＨｚ帯の電波Ｗを送信するものとし、図２Ａ〜図２Ｃでは、中間周波数となる７６．５ＧＨｚに対する吸収特性を示す。

図２Ａに示すように、吸収部材３１ａは、例えば、反射損失がー１０ｄＢ以下となる入射角θ１〜θ２の範囲ｒ１で電波Ｗを効率よく減衰させることが可能である。

また、図２Ｂに示すように、吸収部材３１ｂは、入射角θ３〜θ４の範囲ｒ２で電波Ｗの反射損失がー１０ｄＢ以下となるため、かかる範囲ｒ２で電波Ｗを効率よく減衰させることが可能である。

このため、アンテナ装置１は、吸収部材３１ａおよび吸収部材３１ｂを組み合わせて用いることで、より広範囲の入射角を有する電波Ｗを吸収することが可能となる。

具体的には、図２Ｃに示すように、吸収部材３１ａおよび吸収部材３１ｂを組み合わせて用いる場合、入射角θ２〜θ３の範囲ｒ３で反射損失がー１０ｄＢ以下となる。

すなわち、範囲ｒ３は、吸収部材３１ａの範囲ｒ１、吸収部材３１ｂの範囲ｒ２に比べて広い範囲となる。つまり、より広範囲の入射角を有する電波Ｗを吸収することが可能となる。

次に、図３Ａおよび図３Ｂを用いて吸収部材３１ａおよび吸収部材３１ｂの配置位置について説明する。図３Ａは、吸収部材３１の配置位置の決定方法を示す図である。図３Ｂは、送信アンテナ１０と吸収部３０の配置例を示す図である。

なお、ここでは、図２Ａに示した吸収部材３１ａを例に挙げて配置位置の決定方法について説明する。図３Ａに示すように、送信アンテナ１０からレドーム５の上面５ａまでの高さｈ１と、送信アンテナ１０からレドーム５の下面５ｂまでの高さｈ２に基づき、吸収部材３１ａを配列する配列範囲Ｒ１が決定される。

つまり、送信アンテナ１０から送信された電波Ｗがレドーム５で反射した場合に、かかる電波Ｗが範囲ｒ１（入射角θ１〜θ２；図２Ａ参照）内で基板２に入射する位置を吸収部材３１ａの配列範囲Ｒ１に決定する。

具体的には、電波Ｗが上面５ａで反射し、入射角θ１で基板２に入射する場合の基板２上の位置から送信アンテナ１０まで距離ｄ１が配列範囲Ｒ１の最小値となる。

また、電波Ｗが下面５ｂで反射し、入射角θ２で基板２に入射する場合の基板２上の位置から送信アンテナ１０までの距離ｄ２が配列範囲Ｒ１の最大値となる。

すなわち、配列範囲Ｒ１は、距離ｄ２から距離ｄ１を差し引いた範囲とすることで、吸収部材３１ａで電波Ｗを効率よく吸収することが可能である。ここで、距離ｄ１＝２×ｈ１×ｔａｎ（θ１）で求めることができ、距離ｄ２＝２×ｈ２×ｔａｎ（θ２）で求めることができる。

高さｈ１および高さｈ２は、既知であるため、上記の式に基づき、距離ｄ１および距離ｄ２を算出することができる。また、かかる距離ｄ１および距離ｄ２から配列範囲Ｒ１を算出することが可能である。

なお、図２Ｂに示す吸収特性を有する吸収部材３１ｂについても同様に配列範囲を算出することができ、以下、吸収部材３１ｂの配列範囲について配列範囲Ｒ２と記載する。

次に、図３Ｂを用いて上記の配列範囲に基づく吸収部材３１ａおよび吸収部材３１ｂの実際の配列例について説明する。なお、図３Ｂでは、レドーム５を取り外した場合における基板２の一部をＺ軸正方向から見た図を示す。

図３Ｂに示すように、吸収部材３１ａおよび吸収部材３１ｂは、送信アンテナ１０の配列向きについて交互に配列される。また、吸収部材３１ａは、配列範囲Ｒ１内に配列して形成され、吸収部材３１ｂは、配列範囲Ｒ２内に配列して形成される。

これにより、隣接する送信アンテナ１０から送信された電波Ｗがレドーム５で基板２側に反射した場合であっても、吸収部材３１ａおよび吸収部材３１ｂで効率よく電波Ｗを吸収することが可能となる。

ここで、吸収部材３１であるＡＭＣは、電波Ｗを効率よく吸収させるために所定回数以上の繰り返し構造を有する必要がある。言い換えれば、それぞれの吸収部材３１は、所定の面積を有する必要がある。このため、アンテナ装置１は、送信アンテナ１０の配列向きについてＡＭＣである吸収部材３１を繰り返して配列することにしている。

つまり、各吸収部材３１を配列範囲に配列させて形成することにより、吸収部材３１が有する本来の吸収特性を損なうことなく、電波Ｗを効率よく吸収することが可能となる。

なお、ここでは、２種類の吸収部材３１を組み合わせて用いる場合について示したが、吸収部材３１は、２種類に限られず、３種類以上であってもよい。また、図３Ｂに示した吸収部材３１の配置は一例であり、例えば、異なる吸収部材３１を千鳥状に配列したり、送信アンテナ１０の配列向きと対向する向きに吸収部材３１を配列したりするなど、適宜変更可能である。

ところで、アンテナ装置１では、異なる周波数の電波Ｗを送信アンテナ１０から送信することが可能である。すなわち、入射角に加えて、周波数を考慮して吸収部材３１を配列する必要がある。

このため、電波Ｗの各周波数に対して異なる吸収特性を有する吸収部材３１を用いることも可能である。ここで、かかる点の詳細について図４Ａ〜図４Ｃを用いて説明する。

図４Ａおよび図４Ｂは、吸収部材３１の周波数に対する吸収特性の具体例を示す図であり、図４Ｃは、吸収部材３１を組み合わせた吸収特性の具体例を示す図である。

なお、上述したように、送信アンテナ１０は、７６ＧＨｚ〜７７ＧＨｚまでの周波数帯の電波Ｗを送信する。このため、図４Ａ〜図４Ｃでは、周波数７６ＧＨｚにおける吸収特性と、周波数７７ＧＨｚにおける吸収特性をそれぞれ示す。また、図４Ａでは、吸収部材３１ｃの吸収特性を示し、図４Ｂには、吸収部材３１ｄの吸収特性を示す。

図４Ａに示すように、吸収部材３１ｃは、周波数７６ＧＨｚの電波Ｗに対して所定の入射角において良好な吸収特性を示すものの、周波数７７ＧＨｚの電波Ｗに対しては、いずれの入射角についても十分な吸収特性を示さない。

一方、図４Ｂに示すように、吸収部材３１ｄは、周波数７６ＧＨｚの電波に対して十分な吸収特性を示さないものの、周波数７７ＧＨｚの電波Ｗに対しては、良好な吸収特性を示す。

すなわち、図４Ｃに示すように、吸収部材３１ｃで周波数７６ＧＨｚの電波Ｗを吸収し、吸収部材３１ｄで周波数７７ＧＨｚの電波Ｗを吸収することで、双方の周波数を有する電波Ｗを効率よく吸収することが可能となる。

つまり、いずれの周波数を有する電波Ｗであっても多重反射を抑制することが可能となる。言い換えれば、いずれの周波数を有する電波Ｗであっても隣接する送信アンテナ１０間に生じる電波干渉を抑制することができる。

なお、例えば、吸収部材３１ｃおよび吸収部材３１ｄは、図３Ｂに示した吸収部材３１ａおよび吸収部材３１ｂの間にそれぞれ配置することにしてもよいし、あるいは、吸収部材３１ａおよび吸収部材３１ｂの一部を吸収部材３１ｃおよび吸収部材３１ｄで置き換えることにしてもよい。

つまり、吸収部３０における吸収部材３１ａ、吸収部材３１ｂ、吸収部材３１ｃおよび吸収部材３１ｄの配置については、実験やシミュレーション等により最適な配置を導出することが可能である。

次に、図５を用いてレドーム５の表面構造について説明する。図５は、レドーム５の断面模式図である。なお、図５では、レドーム５の下面５ｂの一部を拡大した拡大図を併せて示す。

図５に示すように、レドーム５の上面５ａおよび下面５ｂには、凹凸状の凹凸部５１をそれぞれ有する。かかる凹凸部５１によって、電波Ｗの透過率を向上させることで、レドーム５側での電波Ｗの反射を抑制することが可能となる。

ここで、電波Ｗが誘電率の異なる媒体間を通過する際に電波Ｗが反射することが知られている。言い換えれば、媒体間の誘電率の差を少なくすることで、電波Ｗの反射を抑制することができ、透過率を向上させることが可能となる。

本実施形態では、かかる点に着目し、レドーム５の電波Ｗに対する透過率を向上させる。具体的には、空気の誘電率ε０とし、レドーム５の誘電率ε１（ε０＜ε１）とする。

かかる場合に、凹凸部５１では、空気と、レドーム５とが混在して存在するため、凹凸部５１における誘電率ε２とすると、各誘電率の大きさは、ε０＜ε２＜ε１となる。

すなわち、凹凸部５１における誘電率ε２は、空気の誘電率ε０と、レドーム５の誘電率ε１との中間の値となる。つまり、凹凸部５１は、電波Ｗを空気層からレドーム５で効率よく通過させるための緩衝材として機能する。

これにより、空気―レドーム５間の誘電率の差が緩和されるため、電波Ｗの透過率を向上させることが可能となる。つまり、レドーム５から基板２側への電波Ｗの反射を抑制することが可能となる。なお、図５Ａに示すように、レドーム５の上面５ａについても同様に凹凸部５１が形成される。このため、上面５ａの凹凸部５１によっても同様の効果を得ることが可能となる。

つまり、アンテナ装置１は、レドーム５の上面５ａおよび下面５ｂの双方に凹凸部５１を設けることで、レドーム５の上面５ａにおける電波Ｗの反射、下面５ｂにおける電波Ｗの反射の双方を抑制することが可能となる。

ところで、凹凸部５１における隣接する凹凸の間隔は、電波Ｗの波長よりも短く形成される。仮に隣接する凹凸の間隔が電波Ｗの波長よりも長い場合、電波Ｗが凹凸の側面に反射し、電波Ｗが乱反射するおそれがある。つまり、隣接する凹凸の間隔を電波Ｗの波長よりも短くすることで、上記の乱反射を抑制することが可能となる。上述の例では、アンテナ装置１は、７６〜７７ＧＨｚの帯域の電波Ｗを送信する。かかる場合の送信波の波長は、約３．９ｍｍであるため、隣接する凹凸の間隔は、３．９ｍｍ以下であることが好ましい。

なお、かかる凹凸は、例えば、紙面奥行方向（Ｙ軸）に沿って均一に形成してもよいし、あるいは、格子状などその他の形状に形成することにしてもよい。また、ここでは、レドーム５の上面５ａおよび下面５ｂの双方に凹凸部５１を設ける場合について説明したが、一方の面のみに凹凸部５１を設けることにしてもよい。

ところで、凹凸部５１は、形状（凹凸の間隔、凹凸の高さ等）によって電波Ｗの透過率を変更することが可能である。そこで、アンテナ装置１では、吸収部材３１による電波Ｗの吸収特性が十分でない電波Ｗについて透過させることにしている。

ここで、かかる点の詳細について図５Ｂを用いて説明する。図５Ｂは、吸収部材３１および凹凸部５１の吸収特性を示す図である。なお、図５Ｂに示す凹凸部５１の反射損失が小さいほど、電波Ｗが凹凸部５１に入射した際の電波Ｗの透過量は多くなる。

図５Ｂに示すように、凹凸部５１は、吸収部材３１の吸収特性が低い入射角の電波Ｗを積極的に透過させるように設計される。すなわち、同図に示す範囲ｒ４の入射角を有する電波Ｗについては、レドーム５側で反射を前もって抑制する。

つまり、かかる電波Ｗは、レドーム５から基板２側へ反射しないため、吸収部材３１で吸収する必要がなく、かかる電波Ｗによる多重反射を抑制することができる。

このように、アンテナ装置１では、凹凸部５１および吸収部材３１が互いに吸収特性を補完しあうことで、電波Ｗの多重反射を効率よく抑制することが可能となる。

上述したように、実施形態に係るアンテナ装置１は、基板２と、レドーム５と、吸収部３０とを備える。基板２は、電波Ｗを送信または受信する複数のアンテナ（送信アンテナ１０）が配置される。レドーム５は、アンテナの出射面側から基板２を覆う。吸収部３０は、基板２におけるアンテナ間に設けられ、電波Ｗの吸収特性が異なる複数の吸収部材３１が配列される。したがって、実施形態に係るアンテナ装置１によれば、隣接するアンテナ間に生じる電波干渉を抑制することができる。また、レドームと基板との間の多重反射によって生じる送信アンテナ１０の放射指向性の歪みを抑制することができる。

ところで、上述した実施形態では、吸収部材３１がＡＭＣである場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、吸収部材３１は、異なる吸収特性を有するものであればその形態は問わない。また、アンテナ装置１は、例えば、レーダ装置や、無線ＬＡＮ（Local Area Network）など、種々のアンテナ装置に適用することが可能である。

また、上述した実施形態では、電波Ｗを送信する送信アンテナである場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、電波Ｗを受信する受信アンテナでもよく、電波Ｗを送信および受信する送受信アンテナであってもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な様態は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲および、その均等物によって定義される統括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変化が可能である。

１ アンテナ装置
２ 基板
５ レドーム
５ａ 上面
５ｂ 下面
１０ 送信アンテナ
３０ 吸収部
３１ 吸収部材
５１ 凹凸部
Ｗ 電波

Claims (7)

1. 電波を送信または受信する複数のアンテナが配置される基板と
   前記アンテナの出射面側から前記基板を覆うレドームと、
   前記基板における前記アンテナ間に設けられ、前記電波の吸収特性が異なる複数の吸収部材が配列される吸収部と
   を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記吸収部は、
   前記電波の入射角に対して異なる前記吸収特性を有する前記吸収部材が配列されること
   を特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記吸収部は、
   前記電波の周波数に対して異なる前記吸収特性を有する前記吸収部材が配列されること
   を特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記吸収部は、
   前記アンテナから前記レドームの上面までの高さと前記アンテナから前記レドームの下面までの高さとに基づき、前記アンテナの配列向きについて前記吸収部材の配列範囲が決定されること
   を特徴とする請求項１、２または３に記載のアンテナ装置。
5. 前記吸収部は、
   前記アンテナの配列向きについて前記吸収特性が異なる前記吸収部材が交互に配列されること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
6. 前記レドームの主面の少なくとも一方に前記電波の波長よりも隣接する凹凸の間隔が短い凹凸部を
   さらに備えること
   を特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のアンテナ装置。
7. 前記凹凸部は、
   前記吸収部の前記吸収特性が低い前記電波を透過させること
   を特徴とする請求項６に記載のアンテナ装置。

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