JP2020005047A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、指向性のリップルを改善することを目的とする。【解決手段】本開示は、放射素子（１２）及び放射素子（１２）に電力を供給する給電回路（１１）が誘電体基板（２２）上に配置された平面アンテナを備えるアンテナ装置であって、平面アンテナの周囲の少なくとも一部に、導電性を有するカバー（４１）が設けられている、アンテナ装置である。【選択図】図２

Description

本開示は、アンテナ装置に関する。

広角に物標を監視するレーダシステム用に、広角指向性を有する平面アンテナが開発されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１の平面アンテナは、放射素子の表面に誘電体層を形成することで、放射素子の指向性を広角にする。

特開２０１７−４６２９８号公報

放射素子を広角指向性にすると、指向性にリップルが載る問題が生じていた。そこで、本開示は、指向性のリップルを改善することを目的とする。

本開示のアンテナ装置は、放射素子及び前記放射素子に電力を供給する給電回路が誘電体基板上に配置された平面アンテナを備えるアンテナ装置であって、前記平面アンテナの周囲の少なくとも一部に、導電性を有するカバーが設けられている。

本開示によれば、指向性のリップルを改善することができる。

本開示に関連するアンテナ装置の一例を示す。 実施形態に係るアンテナ装置の一形態を示す。 実施形態に係るアンテナ装置の別形態を示す。 図２に示すＡ−Ａ’断面の一例を示す。 図１、図２、図３に示す各構成での水平指向性の解析例を示す。 指向性に対するチョーク部依存性の解析に用いたモデルである。 カバーのない場合の水平指向性の解析例を示す。 カバーがある場合の水平指向性の解析例を示す。 放射素子からチョーク部の端部までの距離を変化させた場合の反射特性の一例を示す。 放射素子からチョーク部の端部までの距離を変化させた場合の水平指向性の解析例を示す。 指向性に対するカバーの面積の依存性の解析に用いた比較例のモデルである。 指向性に対するカバーの面積の依存性の解析に用いた第１の実施例のモデルである。 指向性に対するカバーの面積の依存性の解析に用いた第２の実施例のモデルである。 図１１、図１２、図１３に示す各モデルでの水平指向性の解析例を示す。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

図１に、アンテナ装置の一例を示す。本実施形態のアンテナ装置は、放射素子１２及び放射素子１２に電力を供給する給電回路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが誘電体基板上に配置された平面アンテナ９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃを備える。図１では、一例として、平面アンテナ９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃが水平方向に配列されているアレイアンテナの例を示す。

給電回路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、導波管／伝送線路変換器として機能し、導波管１４から供給される電力を各放射素子１２に供給する。本開示では、給電回路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに対して導波管１４の配置される側を「下」と呼び、「下」の逆側を「上」と呼ぶ。「上」は、放射素子１２に対して電波の放射される側に相当する。

各給電回路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃには、垂直方向に接続された４つの放射素子１２が、水平方向に並列に接続されている。給電回路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃからの電力は、分配器１３で分岐され、各放射素子１２に供給される。なお、本開示は、給電回路１１Ａのみの場合であってもよく、また放射素子１２の数も１以上であればよい。

図２に、本実施形態のアンテナ装置の一例を示す。本実施形態のアンテナ装置は、図１に示す放射素子１２の配置されていない領域に、導電性を有するカバー４１を備える。放射素子１２の配置されていない領域は、例えば、平面アンテナ９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの周囲の少なくとも一部である。図２ではその一例として、水平方向における平面アンテナ９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの両側にカバー４１が配置されている例を示す。

カバー４１の配置例は、図２に限定されない。例えば、カバー４１は、平面アンテナ９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの境界にのみカバー４１が設けられていれば、本開示の効果を得ることができる。また、カバー４１は、平面アンテナ９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの垂直方向の全体であることが好ましいが、垂直方向の少なくとも一部に設けられていても本開示の効果を得ることができる。

図３に、本実施形態のアンテナ装置の別形態を示す。図３では、給電回路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの配置されている領域、及び、分配器１３の配置されている領域にも、導電性を有するカバー４１を備える。このように、本開示は、平面アンテナ９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ内における放射素子１２の配置されていない任意の領域にも、カバー４１が設けられている。

図４に、図２に示すＡ−Ａ’断面の一例を示す。本実施形態のアンテナ装置は、地板２１、誘電体基板２２、放射素子１２Ａ，１２Ｂ、誘電体層２３、カバー４１、が順に積層された構造を有する。放射素子１２Ａは平面アンテナ９１Ａに備わる放射素子であり、１２Ｂは平面アンテナ９１Ｂに備わる放射素子である。放射素子１２Ａ，１２Ｂは、誘電体基板２２上に形成されている。

誘電体層２３は、放射素子１２Ａ，１２Ｂの表面に形成される。放射素子１２Ａ，１２Ｂの表面に誘電体層２３が設けられていることで、放射素子１２の指向性を広げることができる（例えば、特許文献１参照。）。誘電体層２３は、下層にプリプレグ３１が配置され、上層にコア３２を備えることが好ましい。

ここで、電波の波長によっては、放射素子１２から放射した電波が誘電体基板２２や誘電体層２３を伝搬し、電波の損失が生じる可能性がある。特にミリ波帯では波長が数ｍｍとなるため、誘電体基板２２及び誘電体層２３が導波路として機能してしまう。この場合、誘電体基板２２及び誘電体層２３から電波が再放射されてアンテナ本来の指向性パターンを悪化させる原因となる。特に近接するアンテナとの電磁結合が生じた場合、アンテナ間のアイソレーションを悪化させることになる。この点、本開示は、誘電体基板２２及び誘電体層２３の上にカバー４１を備えるため、誘電体基板２２及び誘電体層２３から電波の再放射を防ぎ、これによって指向性を改善することができる。

カバー４１は、放射素子１２Ａ，１２Ｂの配置されている面へカバー４１を投影した場合に、放射素子１２Ａ，１２Ｂと重ならない少なくとも一部の領域に設けられている。これにより、誘電体基板２２及び誘電体層２３での電波の伝搬の影響を軽減することができる。さらに、本実施形態は、カバー４１と地板２１とを電気的に接続するスルーホール４２をさらに備えることが好ましい。このように、スルーホール４２を備えることで、カバー４１、誘電体基板２２及び誘電体層２３での電波の伝搬を遮断し、これによってリップルを防ぐことができる。

スルーホール４２は、電波の伝搬を遮断することが望ましい任意の位置に配置される。例えば、平面アンテナ９１Ａと９１Ｂとの境界（図４）、平面アンテナ９１Ｂと９１Ｃとの境界である。このように、平面アンテナ同士の境界にスルーホール４２を配置することで、近接するアンテナとの電磁結合を防止することができる。

スルーホール４２を備える場合、放射素子１２Ｂの給電点１５Ｂ側に配置されるカバー４１は、スルーホール４２から放射素子１２Ｂすなわち平面アンテナ９１Ｂ側に伸びるチョーク部４３を備えることが好ましい。なお、カバー４１は、放射素子１２Ａの給電点１５Ａと対向する側に配置される場合であっても、スルーホール４２から放射素子１２Ａ側に伸びるチョーク部４３を備えていてもよい。

図５に、図１、図２、図３に示す各構成での水平方向への指向性の解析例を示す。比較例、第１の実施例、第２の実施例は、それぞれ、図１、図２、図３に示す構成を用いた場合の解析結果である。この解析では、分配器１３や線路長の調整により、−４０度付近に指向性を有している。比較例ではローブの形状がいびつであり、サイドローブが高い。これに対し、第１の実施例ではそれらが改善されていることが分かる。このため、放射素子１２の周囲にカバー４１を設けることで、指向性を改善できることが確認できた。第２の実施例では、指向性をさらに改善されており、給電回路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃの上にカバー４１を設けることでより指向性を改善できることが分かる。

図６〜図８を参照して、チョーク部４３の長さについて説明する。図６は、解析に用いたモデルである。本実施形態では、簡単のため、直列に接続された４つの放射素子１２の周囲に、水平方向及び垂直方向共に均等な幅のチョーク部４３が形成されているモデルを用いた。

図７は、カバーのない場合の水平方向への指向性を示す。図８は、カバーがある場合の水平方向への指向性を示す。さらに図８では、チョーク部４３の長さを、電波の波長の０．３９倍、１．２８倍、２．３１倍、４．７５倍とした。

図７と図８とを比較すると、カバー４１を備えることで、カバー４１を備えない場合よりもリップルが改善されていることが分かる。さらに図８より、チョーク部４３の長さを１．２８波長以上にすることでリップルがさらに改善され、約２波長でリップルがほぼ消えていることが分かる。このため、チョーク部４３の長さＬ_ＣＨは、１波長以上、さらに好ましくは２波長以上であることが好ましい。

次に、カバー４１を設ける「放射素子１２の配置されていない領域」について説明する。具体的には、図６に示すモデルを用いて、図４に示す距離Ｄ_ＣＨ、すなわちチョーク部４３に隣接する放射素子１２Ｂの中心からチョーク部４３の端部までの距離について検討した。本実施形態での「距離」は、放射素子１２の配置されている面へカバー４１を投影した場合における、投影面上での距離である。

図９は、距離Ｄ_ＣＨを変化させた場合の反射特性の一例を示す。横軸の「Ｅｄｇｅ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ」は、図４に示す符号Ｄ_ＣＨを示し、波長で規格化した値となっている。図６に示すモデルでは放射素子１２が４つあるので、ここでの反射特性は４つの放射素子１２の平均値を用いた。

図１０は、距離Ｄ_ＣＨを変化させた場合の水平方向の指向性の解析例を示す。図１０では、波長の０．１９倍、０．３９倍、０．５８倍、０．７７倍、０．８３倍、１．０３倍、１．２８倍とした。

図９より、反射特性は０．３波長以上が良好であることが分かる。また図１０より、指向性は約１波長以下が良好となることが分かる。このため、距離Ｄ_ＣＨは０．３波長から１．０波長が好ましい。

次に、カバー４１の面積について説明する。本実施形態では、図１１に示すような、垂直方向に放射素子１２が１列に並んだ平面アンテナをモデルに用いた。本モデルに対し、図１２に示すカバー４１と、図１３に示すカバー４１と、を設け、水平方向への指向性を解析した。

図１４は、図１１、図１２、図１３に示す各モデルでの水平方向への指向性の解析例を示す。比較例、第１の実施例、第２の実施例は、それぞれ、図１１、図１２、図１３に示すモデルでの解析結果である。

第１の実施例では、比較例のリップルが軽減していることが分かる。第２の実施例では、比較例のリップルがほぼ抑圧されている。これらより、カバー４１の面積は広いことが好ましい。例えば、図２に示す水平方向の両端に配置されているカバー４１を備え、これらのカバー４１がさらに水平方向に広がっていることが好ましい。さらに、図２に示す垂直方向の両端にカバーをさらに備え、これらのカバーがさらに垂直方向に広がっていることが好ましい。

したがって、アンテナ装置における放射素子１２の配置されている面のうち、放射素子１２の配置されていない全領域において、カバー４１が設けられていることが好ましい。例えば、誘電体層２３の表面を導体で覆い、放射素子１２周辺の導体のみを除去することでカバー４１を形成し、導体を除去した周辺をスルーホール４２で取り囲む。このように、放射素子１２の周辺以外の誘電体層２３又は誘電体基板２２の上をカバー４１で覆う。そして、誘電体層２３又は誘電体基板２２を電波が伝搬しないよう、スルーホール４２を配置する。これにより、本開示は、広角指向性を有する平面アンテナに対し、指向性を改善することができる。

本開示は広角に物標を監視するレーダシステムに適用することができる。

１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ：給電回路
１２、１２Ａ、１２Ｂ：放射素子
１３：分配器
１４：導波管
１５Ａ、１５Ｂ：給電点
２１：地板
２２：誘電体基板
２３：誘電体層
３１：プリプレグ
３２：コア
４１：カバー
４２：スルーホール
４３：チョーク部
９１Ａ、９１Ｂ、９１Ｃ：平面アンテナ

Claims (8)

1. 放射素子及び前記放射素子に電力を供給する給電回路が誘電体基板上に配置された平面アンテナを備えるアンテナ装置であって、
   前記平面アンテナの周囲の少なくとも一部に、導電性を有するカバーが設けられている、
   アンテナ装置。
2. 前記カバーと地板を電気的に接続するスルーホールをさらに備える、
   請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記平面アンテナを複数備え、
   前記スルーホールは、前記平面アンテナの境界に設けられている、
   請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記カバーは、前記スルーホールから前記平面アンテナ側に伸びるチョーク部を備える、
   請求項２又は３に記載のアンテナ装置。
5. 前記チョーク部の長さが、１波長以上である、
   請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記チョーク部の長さが、２波長以上である、
   請求項４に記載のアンテナ装置。
7. 前記平面アンテナの配置されている面へ前記カバーを投影した場合における、前記チョーク部に隣接する前記放射素子の中心から前記チョーク部の端部までの距離は、０．３波長以上１．０波長以下である、
   請求項１から６のいずれかに記載のアンテナ装置。
8. 前記放射素子及び前記給電回路の表面に誘電体層が形成されており、
   前記カバーは、前記誘電体層の表面に設けられている、
   請求項１から７のいずれかに記載のアンテナ装置。