JP2020156089A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パッチアンテナの指向性の乱れを抑制すること。【解決手段】アンテナ装置１において、誘電体基板１０上に配置された少なくとも１の放射素子（送信アンテナ１１−１〜１１−４）と、放射素子の主偏波方向における誘電体基板の端部と、放射素子との間に配置された複数の無給電素子（無給電素子ユニット群３０−１〜３０−２）と、を有し、複数の無給電素子は、主偏波方向において互いに異なる位置に配置され、励振によって生じる電力を合成するように電気的に接続された無給電素子ユニットを構成する、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に関するものである。

従来において、パッチアンテナが動作すると、グランドに表面電流が流れ、その表面電流が基板端まで伝搬して基板端からの放射が生じ、これによってパッチアンテナの指向性が乱れるという問題点があった。

そこで、特許文献１および特許文献２に開示された技術では、（１）無給電素子で受けた放射エネルギの偏波方向を変化させて再放射したり、（２）抵抗回路または損失性伝送線路によって放射エネルギを熱に変換したりすることで、指向性の乱れを緩和している。

特開２０１４−１６８２２２号公報 特開２００７−１５８７０７号公報

ところで、前述した（１）の解決方法では、水平偏波で受けた電力を垂直偏波で放射するアンテナが、垂直偏波の電力を受けてしまうという問題点がある。

また、（２）の解決方法では、電気エネルギを熱エネルギに変換するための部品や伝送線路が増加してしまうという問題点がある。

本発明は、以上の状況に鑑みてなされたものであり、パッチアンテナの指向性特性の乱れを簡易に抑制することを可能とするアンテナ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、アンテナ装置において、誘電体基板上に配置された少なくとも１の放射素子と、前記放射素子の主偏波方向における前記誘電体基板の端部と、前記放射素子との間に配置された複数の無給電素子と、を有し、複数の前記無給電素子は、前記主偏波方向において互いに異なる位置に配置され、励振によって生じる電力を合成するように電気的に接続された無給電素子ユニットを構成する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、パッチアンテナの指向性特性の乱れを簡易に抑制することが可能になる。

また、本発明は、前記無給電素子ユニットは、前記放射素子から前記端部に向けて伝送される電力および前記端部から前記放射素子に向けて伝送される電力の少なくとも一方を減衰するように構成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、指向性特性の乱れを簡易に抑制することができる。

また、本発明は、前記無給電素子ユニットは、前記放射素子から前記端部に向けて伝送される電力および前記端部から前記放射素子に向けて伝送される電力の少なくとも一方の位相を変化させることで、前記放射素子の指向性特性が所定の特性になるようにすることを特徴とする。
このような構成によれば、指向性特性を所望の特性に設定することができる。

また、本発明は、前記放射素子としてのパッチ素子が第１方向に複数並置され、前記無給電素子ユニットは、前記第１方向に略直交する第２方向に複数のパッチ素子が並置されるとともに電気的に接続されて構成され、当該無給電素子ユニットが前記第１方向に複数並置されている、ことを特徴とする。
このような構成によれば、指向性特性の乱れを確実に抑制することができる。

また、本発明は、前記放射素子としてのパッチ素子が、前記主偏波方向とは異なる第１方向に複数並置され、前記無給電素子ユニットは、前記第１方向に複数並置され、互いに電気的に接続された前記複数の無給電素子を有する、ことを特徴とする。
このような構成によれば、指向性特性の乱れを確実に抑制することができる。

また、本発明は、前記第１方向は前記主偏波方向と略直交しており、前記放射素子として前記第１方向に並置されるパッチ素子群の前記第１方向における中心位置と、前記無給電素子ユニットの前記第１方向に並置される無給電素群の前記第１方向における中心位置と、が前記主偏波方向の同一直線上に位置することを特徴とする。
このような構成によれば、電力分布の中心が一致し、指向性特性の乱れをより抑制することができる。

また、本発明は、前記無給電素子ユニットは、前記主偏波方向における前記放射素子と前記誘電体基板の端部の一方との間、および、前記主偏波方向における前記放射素子と前記誘電体基板の端部の他方との間に配置されていることを特徴とする。
このような構成によれば、指向性特性の乱れを効率良く、かつ、確実に抑制することができる。

また、本発明は、前記無給電素子ユニットを構成する前記複数のパッチ素子は、前記誘電体基板に生じる定在波のピーク位置にそれぞれ対応した位置となるように配置されていることを特徴とする。
このような構成によれば、定在波に基づいて、指向性特性の乱れを効率良く、かつ、確実に抑制することができる。

また、本発明は、複数の前記無給電素子のうち、前記主偏波方向において前記放射素子から相対的に近い位置にある第１無給電素子の共振周波数が、前記主偏波方向において前記放射素子から相対的に離れた位置にある第２無給電素子の共振周波数よりも高いことを特徴とする。
このような構成によれば、正面以外の広角方向の利得を向上させることができる。

また、本発明は、前記第２無給電素子の共振周波数は、前記放射素子の共振周波数と一致するように構成されていることを特徴とする。
このような構成によれば、アンテナ装置の大型化を回避しつつ、正面以外の広角方向の利得を向上させることができる。

また、本発明は、前記第１無給電素子から放射される電力が、前記第２無給電素子から放射される電力よりも高いことを特徴とする。
このような構成によれば、広角方向の利得が高い指向性特性を実現できる。

また、本発明は、前記第１無給電素子の前記主偏波方向における幅が、前記第２無給電素子の前記主偏波方向における幅よりも狭いことを特徴とする。
このような構成によれば、素子の幅の調整により、広角方向の利得が高い指向性設計が容易に可能となる。

前記第１無給電素子と前記第２無給電素子の位相差が４５度以上１３５度以下になるように、前記第１無給電素子と前記第２無給電素子を接続するマイクロストリップラインの長さが設定されることを特徴とする。
このような構成によれば、広角方向にも高い利得を有する指向性特性をマイクロストリップラインの長さの調整により、容易に設計することができる。

本発明によれば、パッチアンテナの指向性特性の乱れを簡易に抑制することを可能とするアンテナ装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示す図である。 図１に示す無給電素子ユニットの詳細な構成例を示す図である。 第１実施形態の効果を確かめるためのシミュレーション対象を示す図である。 基板端の反射の有無による指向特性の変化を示すグラフである。 図３のシミュレーション結果を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示す図である。 本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示す図である。 無給電素子ユニットの変形実施形態を示す図である。 定在波と無給電素子ユニットとの位置関係を示す図である。 本発明の第５実施形態に係るアンテナ装置を構成するアンテナ素子および無給電素子ユニットの配置関係を示す図である 無給電素子ユニットのマイクロストリップラインを説明する図である。 位相差を１８０度としたときの図１１のシミュレーション結果を示すグラフである。 位相差を９０度としたときの図１１のシミュレーション結果を示すグラフである。 電界差分と共振周波数の関係を示すグラフである。 電界差分とパッチ素子のＹ方向の長さの関係を示すグラフである。

次に、本発明の実施形態について説明する。

（Ａ）第１実施形態の構成の説明
図１は、本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置の構成例を示す図である。アンテナ装置は、例えば車載レーダに適用されるものである。図１に示す構成例では、アンテナ装置１は、誘電体基板１０、送信アンテナ１１−１〜１１−４、および、無給電素子ユニット群３０−１〜３０−２を有している。

誘電体基板１０は、例えば、紙エポキシ、フッ素樹脂、ガラス・コンポジット、または、ガラス・エポキシ等によって構成され、表面（図１に示される面）には送信アンテナ１１−１〜１１−４、および、無給電素子ユニット群３０−１〜３０−２が形成され、裏面（図１に示されていない面）には送信アンテナ１１−１〜１１−４等の地板として機能する裏面導体板が形成されている。なお、図１では、図面の簡略化のために省略しているが、送信アンテナ１１−１〜１１−４等が形成される表面にも、送信アンテナ１１−１〜１１−４および無給電素子ユニット群３０−１〜３０−２が形成される領域以外の領域に表面導体板が形成されている。

送信アンテナ１１−１〜１１−４は、それぞれが６つのパッチ素子（放射素子）がマイクロストリップラインによって接続されて構成される。また、各マイクロストリップラインの中心付近には黒丸で示す給電部が設けられている。より詳細には、送信アンテナ１１−１は、図１のＸ方向に６つのパッチ素子が並置され、これらがマイクロストリップラインによって接続されて構成される。送信アンテナ１１−２〜１１−４も同様である。なお、送信アンテナ１１−１〜１１−４の構成は一例であって、図１に示す構成以外の構成であってもよいことは言うまでもない。

無給電素子ユニット群３０−１は、図１のＸ方向に６つの無給電素子ユニットが並置されて構成される。ここで、無給電素子ユニットは、図２に拡大して示すように、２つのパッチ素子（無給電素子）３１，３２がマイクロストリップライン３３によって接続されて構成される。なお、図２に示すマイクロストリップライン３３の長さＬが、送信アンテナ１１−１〜１１−４から伝送される信号の波長をλとするとき、Ｌ＝λ／２＋ｎ×λ（ｎ＝０，１，２，３・・・）となるように設定されている。無給電素子ユニット群３０−２を構成する各無給電素子ユニットも同様の構成とされる。

（Ｂ）第１実施形態の動作の説明
つぎに、第１実施形態の動作について説明する。図３は、第１実施形態の動作を確認するためのシミュレーションの対象を示す図である。図３の例では、送信アンテナとして単一のパッチ素子１１１が誘電体基板１０の略中央に配置されている。また、パッチ素子１１１と誘電体基板１０の左側端部の間には無給電素子ユニット１３０−１が配置され、パッチ素子１１１と誘電体基板１０の右側端部の間には無給電素子ユニット１３０−２が配置されている。なお、無給電素子ユニット１３０−１，１３０−２の構成は、図２と同様である。

図４は、図３に示すパッチ素子１１１の指向性特性を示す図である。ここで、図４の横軸はパッチ素子１１１を中心とする角度（ｄｅｇ）を示し、縦軸はパッチ素子１１１の利得（ｄＢｉ）を示す。図４において、実線は誘電体基板１０の基板端からの影響を受けない場合の指向性特性を示し、破線は誘電体基板１０の基板端からの影響を受ける場合の指向性特性を示している。なお、基板端からの影響を受ける例としては、例えば、図３において、無給電素子ユニット１３０−１，１３０−２が配置されていない場合がある。このような場合、パッチ素子１１１から基板表面を介して伝播され、基板端に達した後、パッチ素子１１１に向かって反射される電力、および、基板端から空間に放射される電波が発生する。送信アンテナから放射される電波がこれらと結合し、指向性特性に影響を与えることとなる。また、再放射の影響を受けない例としては、例えば、図３において誘電体基板１０が非常に大きなサイズを有する場合がある。このようにサイズが大きい場合には、誘電体基板１０の端部に電力が到達するまでに減衰してしまうため、反射、および、基板端からの放射が生じない。

図４に示すように、基板端からの影響を受ける場合と、受けない場合とを比較すると、指向性特性が異なっている。すなわち、誘電体基板１０の基板端からの反射が、アンテナの指向性特性に影響を与えることが分かる。

図５は、図３の無給電素子ユニット１３０−１，１３０−２の動作を説明するための図である。図５の実線は誘電体基板１０の基板端からの再放射の影響を受けた場合（無給電素子ユニット１３０−１，１３０−２を配置しない場合）の指向性特性を示し、破線は無給電素子ユニット１３０−１，１３０−２による位相調整によって基板端からの反射を低減した場合の指向性特性を示している。このように、無給電素子ユニット１３０−１，１３０−２を配置した場合には、図４に示す、基板端からの影響がない場合の特性（理想的な特性）に近くなる。

なお、図５において、一点鎖線は図３に示すＬの設定により、指向性特性の±３０ｄｅｇにピークを有するように調整した場合を示し、二点鎖線は図３に示すＬの設定により、指向性特性の０ｄｅｇにピークを有するように調整した場合を示している。このように、本実施形態では、無給電素子ユニット１３０−１，１３０−２の設定によっては、指向性特性を所望の特性に調整することも可能である。

図３に戻る。図３において、パッチ素子１１１に信号が供給されると、主偏波方向であるＹ方向に対して電力が伝搬される。このとき、無給電素子ユニット１３０−１，１３０−２が配置されていない場合には、パッチ素子１１１から伝送される信号（進行波）は、その一部が誘電体基板１０の左右の基板端で反射され、反射波としてパッチ素子１１１に向かって伝搬されるとともに、他の一部が基板端から空間に放射される。この様な基板端からの影響を受けた場合、図５に実線で示すように、基板端からの影響を受けない場合に比較して指向性特性が変化する。なお、本発明でいう主偏波方向は、放射素子から放射される電波の主な偏波の方向をいい、本実施形態ではＹ軸に略平行な方向となっている。

一方、無給電素子ユニット１３０−１，１３０−２が配置されている場合であって、無給電素子ユニット１３０−１，１３０−２が進行波（または反射波）を減衰するように設定されている場合には、図５に破線で示すような特性（図４に示す実線と同様の特性）となる。より詳細には、パッチ素子１１１から図の左側に向かって伝送される信号は、無給電素子ユニット１３０−１を構成する２つのパッチ素子を励振する。励振によって２つのパッチ素子に生じた信号は、マイクロストリップラインを介して合成するように設定されている。パッチ素子１１１から図の左側に向かって伝送される信号は、無給電素子ユニット１３０−１によって減衰され、また、反射波についても同様に無給電素子ユニット１３０−１によって減衰されることから、誘電体基板１０の左側の基板端による反射、および、基板端からの放射の影響が少なくなる。

同様に、パッチ素子１１１から図の右側に向かって伝送される信号は、無給電素子ユニット１３０−２によって減衰され、また、反射波についても同様に無給電素子ユニット１３０−２によって減衰されることから、誘電体基板１０の右側の基板端による反射、および、基板端からの放射の影響が少なくなる。

また、励振によって２つのパッチ素子に生じた信号が、マイクロストリップラインを介して合成される際に、例えば、所定の位相を有するように設定することで、進行波および反射波による影響により、前述した図５に一点鎖線で示すように３０ｄｅｇにピークを有するようにしたり、０ｄｅｇにピークを有するようにしたりすることができる。なお、位相だけでなく、振幅についても調整するようにしてもよい。例えば、無給電素子ユニットを構成する２つの無給電素子について、それぞれの無給電素子を配置する位置、および、それぞれの無給電素子を接続するマイクロストリップラインの幅または長さを変更するようにしてもよい。

第１実施形態である図１においても、図３と同様の動作により、誘電体基板１０の端部における反射が減少され、指向性特性が変化することが抑制される。すなわち、送信アンテナ１１−１〜１１−４から図の左側に向かって伝送される信号は、無給電素子ユニット群３０−１を構成する各無給電素子ユニットの２つのパッチ素子を励振する。励振によって２つのパッチ素子に生じた信号は、マイクロストリップラインを介して合成するように設定されている。送信アンテナ１１−１〜１１−４から図の左側に向かって伝送される信号は、無給電素子ユニット群３０−１によって減衰され、また、反射波についても同様に無給電素子ユニット群３０−１によって減衰されることから、誘電体基板１０の左側の基板端による反射、および、基板端からの放射の影響が少なくなる。

同様に、送信アンテナ１１−１〜１１−４から図の右側に向かって伝送される信号は、無給電素子ユニット群３０−２によって減衰され、また、反射波についても同様に無給電素子ユニット群３０−２によって減衰されることから、誘電体基板１０の右側の基板端による反射、および、基板端からの放射の影響が少なくなる。

以上の動作により、誘電体基板１０の基板端による反射、および、基板端からの放射を低減することで、送信アンテナ１１−１〜１１−４の指向性特性が変化することを抑制できる。

以上に説明したように、本発明の第１実施形態では、送信アンテナ１１−１〜１１−４と誘電体基板１０の左側端部の間に無給電素子ユニット群３０−１を配置し、送信アンテナ１１−１〜１１−４と誘電体基板１０の右側端部の間に無給電素子ユニット群３０−２を配置した。そして、それぞれの無給電素子ユニットを構成するパッチ素子に、励振によって発生する信号が、マイクロストリップラインを介して合成されることにより、基板端まで伝播する信号を減衰し、基板端の反射、および、基板端からの放射の影響を低減することができる。

また、パッチ素子に、励振によって発生する信号が、マイクロストリップラインを介して合成される際に、所定の位相特性となるように設定することで、図５に一点鎖線および二点鎖線で示すように、指向性特性を任意に調整することができる。

さらに、第１本実施形態では、パッチ素子を用いて指向性特性を調整するようにした。パッチ素子は、誘電体基板１０を生成する際に、エッチングによって形成されるので、例えば、従来技術のように、抵抗素子等を用いて熱エネルギに変換する場合に比較すると、抵抗素子のような余分な部品を用いずに構成することができる。

（Ｃ）第２実施形態の構成の説明
つぎに、本発明の第２実施形態について説明する。図６は、本発明の第２実施形態の構成例を示す図である。なお、図６において、図１と対応する部分には同一の符号を付してその説明は省略する。図６では、図１と比較すると、無給電素子ユニット群３０−１が無給電素子ユニットの数が２つ少ない無給電素子ユニット群３０−３に置換されるともに、無給電素子ユニット群３０−２が無給電素子ユニットの数が２つ少ない無給電素子ユニット群３０−４に置換されている。これら以外の構成は、図１と同様である。

（Ｄ）第２実施形態の動作の説明
第２実施形態の動作は、基本的には図１に示す第１実施形態と同様である。しかしながら、第２実施形態では、送信アンテナ１１−１〜１１−４のアレー中心に位置する給電点に近い上下２つずつ、Ｘ方向に並ぶ計４箇所のパッチ素子に対応する位置に無給電素子ユニットが上下に２つずつ、Ｘ方向に並ぶ計４箇所配置されている。送信アンテナ１１−１〜１１−４から生じる進行波は、給電点に近いほど振幅が大きいので、振幅が大きい部分に対して無給電素子ユニットを配置することで、進行波および反射波を効率良く減衰するとともに、無給電素子ユニットの数を減少させることができる。

（Ｅ）第３実施形態の構成の説明
つぎに、本発明の第３実施形態について説明する。図７は、本発明の第３実施形態の構成例を示す図である。なお、図７において、図１と対応する部分には同一の符号を付してその説明は省略する。図７では、図１と比較すると、無給電素子ユニット群３０−１が無給電素子ユニットの数が２つ多い無給電素子ユニット群３０−５に置換されるともに、無給電素子ユニット群３０−２が無給電素子ユニットの数が２つ多い無給電素子ユニット群３０−６に置換されている。これら以外の構成は、図１と同様である。

（Ｆ）第３実施形態の動作の説明
第３実施形態の動作は、基本的には図１に示す第１実施形態と同様である。しかしながら、第３実施形態では、送信アンテナ１１−１〜１１−４の上端部および下端部から生じる進行波が誘電体基板１０の上端部および下端部を経由して誘電体基板１０の左右の基板端に達し、反射波および基板端からの放射を生じる場合がある。第３実施形態では、送信アンテナ１１−１〜１１−４の上端部および下端部から生じる進行波を、それよりも高い（または低い）位置に存在する無給電素子ユニットによって減衰させることから、第１実施形態に比較して、指向特性の変化を一層低減することができる。

（Ｇ）第４実施形態の構成の説明
つぎに、本発明の第４実施形態について説明する。図８は、本発明の第４実施形態の構成例を示す図である。なお、図８において、図６と対応する部分には同一の符号を付してその説明は省略する。図８では、図６と比較すると、無給電素子ユニット群３０−３が無給電素子ユニット群３０−７に置換されるともに、無給電素子ユニット群３０−４が無給電素子ユニット群３０−８に置換されている。これら以外の構成は、図６と同様である。

無給電素子ユニット群３０−７は、Ｘ方向に４つ並置されるパッチ素子がＹ方向に２列配置されるとともに、各列を構成する４つのパッチ素子がＸ方向に伸びるマイクロストリップラインによって相互に接続されている。また、Ｘ方向に伸びる２本のマイクロストリップラインは、上下方向にそれぞれ凸部を有する（クランク形状を有する）マイクロストリップラインによって電気的に接続され、Ｘ方向に伸びる２本のマイクロストリップラインより幅が太くなっている。なお、無給電素子ユニット群３０−８も無給電素子ユニット群３０−７と同様の構成とされている。

ここで、送信アンテナ１１−１の最も上側に位置するパッチ素子１１１−１の上辺１１２と、最も下側に位置するパッチ素子１１１−２の下辺１１３との間を結ぶＸ方向の直線長さＧＬ１の中間をアレー中心位置１２２とする。同様に、無給電素子ユニット群３０−７の最も上側に位置するパッチ素子（無給電素子）３１−１の上辺３３１と、最も下側に位置するパッチ素子（無給電素子）３１−１の下辺３３２との間を結ぶＸ方向の直線長さＧＬ２の中間をアレー中心位置１３２とする。送信アンテナ１１−１のアレー中心位置１２２と無給電素子ユニット群３０−７のアレー中心位置１３２は、何れもＹ方向に延びる同一の仮想的な直線ＩＬ上に位置する構成となっている。すなわち、第４実施形態では、送信アンテナ１１−１〜１１−４のＸ方向におけるアレー中心位置１２２と、無給電素子ユニット群３０−７〜３０−８のＸ方向におけるアレー中心位置１３２と、がＹ方向で並んでいる。

（Ｈ）第４実施形態の動作の説明
第４実施形態の動作は、基本的には図１に示す第１実施形態と同様である。しかしながら、第４実施形態では、送信アンテナ１１−１〜１１−４と同様の形状を有する無給電素子ユニット群３０−７，３０−８を用いることで、送信アンテナ１１−１〜１１−４と同様の特性により進行波をより効率よく減衰することができる。このため、第１実施形態に比較して、指向特性の変化を一層低減することができる。また、上下方向にそれぞれ凸部を有するマイクロストリップラインを用いることで、無給電素子ユニット群を構成する、Ｙ軸方向に並ぶ無給電素子間の間を相互に電気的に接続するとともに、これら無給電素子間の隙間で効率よく給電線の長さを調整することができ、省スペース化を図ることができる。

また、放射素子として、主偏波方向に直交するＸ方向（第１方向）に並置される送信アンテナ１１−１〜１１−４（パッチ素子１１１群）のＸ方向におけるアレー中心位置１２２と、無給電素子ユニット群３０−７〜３０−８（パッチ素子（無給電素子）３１）のＸ方向におけるアレー中心位置１３２と、が主偏波方向の同一の直線ＩＬ上に位置する。すなわち、アレー化しており電力分布が高い送信アンテナ１１−１〜１１−４の中心位置と、同じくアレー化している無給電素子ユニット群３０−７〜３０−８の中心位置と、が一致することになって同じ指向性のアンテナが並んだ状態となり、指向性の乱れをより抑制することができる。

なお、図８の例では、Ｘ方向に配置するパッチ素子の個数を、送信アンテナ１１−１〜１１−４が６個、無給電素子ユニット群３０−７，３０−８が４個としたが、これ以外の個数としてもよい。例えば、送信アンテナ１１−１〜１１−４が８個、無給電素子ユニット群３０−７，３０−８が６個としてもよい。

図８の例のＸ方向に配置するパッチ素子の個数を変える場合においても、送信アンテナ１１−１〜１１−４のＸ方向におけるアレー中心位置と、無給電素子ユニット群３０−７〜３０−８のＸ方向におけるアレー中心位置と、がＹ方向で一致することが好ましい。

（Ｉ）変形実施形態の説明
以上の実施形態は一例であって、本発明が上述したような場合のみに限定されるものでないことはいうまでもない。例えば、以上の各実施形態では、２つのパッチ素子を有する無給電素子ユニットを用いるようにしたが、例えば、図９に示す３つのパッチ素子５１〜５３がマイクロストリップライン５４によって接続された無給電素子ユニットを用いるようにしてもよい。なお、図９に示す例では、パッチ素子５１〜５３に励振される信号が、マイクロストリップラインによって、例えば、１２０度の位相差を有して合成されるようにすることができる。もちろん、これ以外の位相差を有するようにしてもよい。また、図９の例では、パッチ素子５１〜５３は等間隔に配置されているが、間隔が異なる配置としてもよい。

また、以上の各実施形態では、定在波との関係については言及していないが、例えば、図１０に示すように、誘電体基板１０に定在波が生じる場合には、定在波との位置関係に基づいて、無給電素子ユニット群の配置位置を決定するようにしてもよい。より詳細には、無給電素子ユニットを構成するパッチ素子に定在波のピーク（山および谷となる部分）が位置するようにパッチ素子をそれぞれ配置することで、効率よく定在波を減衰することができる。

（Ｊ）第５実施形態の構成の説明
つぎに、図１１を参照して無給電素子ユニットを構成する複数のパッチ素子（無給電素子）のうち、少なくとも１つのパッチ素子の共振周波数が、アンテナ素子の共振周波数と異なる第５実施形態について説明する。図１１は、本発明の第５実施形態に係るアンテナ装置を構成するアンテナ素子１２１および無給電素子ユニット１４０の配置関係を示す図である。なお、図１１は、図３と同様のシミュレーションの対象を示しており、第５実施形態のアンテナ装置は、図１１に示す配置関係を図１に示すようなアンテナ装置に適用するものである。

図１１に示すように、無給電素子ユニット１４０−１〜１４０−２は、各々２つのパッチ素子（無給電素子）６１，６２によって構成される。第５実施形態では、Ｙ方向でアンテナ素子１２１に相対的に近い位置に配置されるパッチ素子６１の共振周波数が、アンテナ素子１２１の共振周波数よりも高い構成となっている。パッチ素子６１とパッチ素子６２のそれぞれの共振周波数を異ならせると、パッチ素子６１とパッチ素子６２の再放射量の関係が変化することになる。なお、この例では、Ｙ方向でアンテナ素子１２１に相対的に遠い位置に配置されるパッチ素子６２の共振周波数は、アンテナ素子１２１の共振周波数と一致するように構成されている。なお、ここでいう一致とは、完全に数値が同一であることに限定されるわけではなく、±の誤差は許容されるものとする。

共振周波数は、誘電体基板１０の誘電率、誘電体基板１０の厚みおよび素子のＹ方向の幅に基づいて決定される。すなわち、誘電体基板１０の構成が同じ場合、パッチ素子の幅に基づいて共振周波数が決まることになる。パッチ素子６１のＹ方向の長さを幅ｄ１とし、パッチ素子６２のＹ方向の長さを幅ｄ２とする。幅ｄ１が小さくなると共振周波数が高くなる。パッチ素子６１の幅ｄ１は、パッチ素子６１の幅ｄ２よりも狭く設定されており、パッチ素子６１の共振周波数がパッチ素子６２の共振周波数よりも高くなっている。なお、パッチ素子６２の幅ｄ２は、アンテナ素子１２１の長さと同じ幅である。

図１２は、無給電素子ユニット１４０のマイクロストリップライン６３を説明する図である。図１２に示すマイクロストリップライン６３は、パッチ素子６１の左辺部６１０に形成される切欠部６１１の内側と、パッチ素子６２の左辺部６２０に形成される切欠部６２１の内側と、を接続している。

本実施形態では、図１２の二点鎖線に示す、マイクロストリップライン６３の中心を通過する線の長さＭＬが調整されることで位相が調整される。図１２中のマイクロストリップライン６３長さＭＬの始端位置はパッチ素子６１の左辺部６１０を切欠部６１１まで延長した直線上に位置し、終端位置はパッチ素子６２の左辺部６２０を切欠部６２１まで延長した直線上に位置する。マイクロストリップライン６３の長さＭＬは波長λの整数倍とされており、例えば、マイクロストリップライン６３の長さＭＬを波長λの４分の１波長分長くすると位相差が９０度となり、波長λの半波長分伸ばすと位相差が１８０度となる。

（Ｋ）第５実施形態の動作の説明
次に、アンテナ素子１２１および無給電素子ユニット１４０において、マイクロストリップライン６３の長さＭＬにより位相差を調整するとともに、パッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１を変更したときの利得と角度の関係を示すシミュレーション結果について図１３を参照して説明する。

図１３は、位相差を１８０度としたときの図１１のシミュレーション結果を示すグラフである。本シミュレーションは、アンテナ素子１２１が共振周波数である２４ＧＨｚで発振するとの条件で行っている。図１３のグラフにおいて、パッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１が、２．０ｍｍ、２．２ｍｍ、２．４ｍｍ、２．６ｍｍ、２．８ｍｍ、３．０ｍｍの場合が、それぞれ異なる線種で示されている。なお、同じ無給電素子ユニット１４０を構成するパッチ素子６２のＹ方向の幅ｄ２は３ｍｍである。すなわち、幅ｄ１が３ｍｍの線が、パッチ素子６１とパッチ素子６２の共振周波数が同じ場合のシミュレーション結果である。そして、ｄ１が２．０ｍｍ、２．２ｍｍ、２．４ｍｍ、２．６ｍｍ、２．８ｍｍの線がパッチ素子６１とパッチ素子６２の共振周波数が異なる場合のシミュレーション結果となる。図１３のグラフからわかるように、共振周波数が同じ場合に比べ、共振周波数を異ならせた場合の方が、広角の利得が高くなる傾向がわかる。特に図１３の例では、方位角＋２５度および−２５度で利得が顕著に上昇していることがわかる。

図１４は、位相差を９０度としたときの図１１のシミュレーション結果を示すグラフである。図１４のグラフにおいても、パッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１が、２．０ｍｍ、２．２ｍｍ、２．４ｍｍ、２．６ｍｍ、２．８ｍｍ、３．０ｍｍの場合が、それぞれ異なる線種で示されている。パッチ素子６２のＹ方向の幅ｄ２も３ｍｍである。図１４のグラフからも共振周波数が同じ場合に比べ、共振周波数を異ならせた場合の方が、広角の利得が大きくなる傾向がわかる。図１４の例では、方位角＋４５度〜＋６０度および−４５度〜−６０度の範囲の利得が高いことがわかる。また、パッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１が２．８ｍｍ、２．６ｍｍのときに広角範囲全般で利得が高い結果となっている。

第５実施形態では、複数のパッチ素子（無給電素子）６１，６２のうち、主偏波方向において放射素子であるアンテナ素子１２１から相対的に近い位置にあるパッチ素子（第１無給電素子）６１の共振周波数が、Ｙ方向（主偏波方向）においてアンテナ素子１２１から相対的に離れた位置にあるパッチ素子（第２無給電素子）６２の共振周波数よりも高い構成となっている。図１３および図１４のグラフの結果からも、この構成をとることにより、正面以外の広角方向の利得を向上させることができることがわかる。

また、第５実施形態では、パッチ素子（第１無給電素子）６１のＹ方向（主偏波方向）における幅ｄ１が、パッチ素子（第２無給電素子）６２のＹ方向における幅ｄ２よりも狭く構成されている。これにより、パッチ素子６１の幅ｄ１およびパッチ素子６２の幅ｄ２の調整により、広角方向の利得が高い指向性設計が容易に可能となる。

また、第５実施形態では、パッチ素子（第１無給電素子）６１とパッチ素子（第２無給電素子）６２の位相差が４５度以上１３５度以下になるように、パッチ素子６１とパッチ素子６２を接続するマイクロストリップライン６３の長さＭＬが設定されることが好ましい。これにより、広角方向にも高い利得を有する指向性特性をマイクロストリップラインの長さの調整により、容易に設計することができる。すなわち、マイクロストリップライン６３の長さＭＬによって広角方向のピークの角度を調整することができる。

特に、車両の左右後端のそれぞれに配置される車載レーダには、方位角＋４５度〜＋６０度および−４５度〜−６０度の範囲で高い利得が要求される。第５実施形態の構成によれば、マイクロストリップライン６３の長さＭＬの設定によって当該方位角の範囲の利得が高い車載レーダに好適なアンテナ装置を実現できるのである。

また、第５実施形態では、パッチ素子（第２無給電素子）６２の共振周波数は、アンテナ素子（放射素子）１２１の共振周波数と一致するように構成されている。これにより、アンテナ装置の大型化を回避しつつ、正面以外の広角方向の利得を向上させることができる。

次に、アンテナ装置の指向性と、無給電素子ユニット１４０を構成するパッチ素子６１とパッチ素子６２のそれぞれから再放射される電力の関係と、に基づいてより好ましい範囲に共振周波数を設定する方法について説明する。図１５は、電界差分と共振周波数の関係を示すグラフである。図１５のグラフの縦軸は、アンテナ素子１２１から相対的に近いパッチ素子６１から放射される電力から、アンテナ素子１２１から相対的に遠いパッチ素子６２から放射される電力を減算した電界差分である。図１５のグラフの横軸はパッチ素子６１の共振周波数とパッチ素子６２の共振周波数の比（ｆ２／ｆ１）である。共振周波数ｆ１はパッチ素子６１の共振周波数であり、共振周波数ｆ２はパッチ素子６２の共振周波数である。

図１５のグラフには、図１４に示すシミュレーション結果におけるパッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１を変えたときの共振周波数の比（ｆ２／ｆ１）が６点プロットされている。すなわち、図１５のグラフにおいて最も左側のプロットは、パッチ素子６１の共振周波数とパッチ素子６２の共振周波数が一致している共振周波数の比（ｆ２／ｆ１）が１のときの電界差分である。以下同様に、左から順にパッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１が２．８ｍｍ、２．６ｍｍ、２．４ｍｍ、２．２ｍｍ、２．０ｍｍのときのそれぞれの共振周波数の比（ｆ２／ｆ１）に対する電界差分がプロットされている。

上述したように、図１４のグラフでは、パッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１が２．８ｍｍ、２．６ｍｍの場合に、その他の場合に比べて広角範囲により利得が高いシミュレーション結果が出ている。この結果を図１５に当てはめると、電界差分が０以上となるようにパッチ素子６１とパッチ素子６２のそれぞれの共振周波数を設定することにより、アンテナ装置に対して広角範囲で利得が高いより性能の良いアンテナ装置を実現できることが分かる。

図１５では、無給電素子ユニット１４０を構成するパッチ素子６１とパッチ素子６２の共振周波数の関係に基づいて説明した。上述の通り、パッチ素子６１の共振周波数は、パッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１に基づいて調整することができ、パッチ素子６２の共振周波数は、パッチ素子６２のＹ方向の幅ｄ２に基づいて調整することができる。

次に、図１６を参照して電界差分とパッチ素子のＹ方向の長さとの関係について説明する。図１６は、電界差分とパッチ素子６１，６２のＹ方向の幅ｄ１，ｄ２の関係を示すグラフである。図１６のグラフの縦軸は、図１５と同様に、アンテナ素子１２１から相対的に近いパッチ素子６１から放射される電力から、アンテナ素子１２１から相対的に遠いパッチ素子６２から放射される電力を減算した電界差分である。横軸はパッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１とパッチ素子６２のＹ方向の幅ｄ２の比（ｄ２／ｄ１）である。

図１６のグラフには図１４に示すシミュレーション結果におけるパッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１を変えたときのパッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１とパッチ素子６２のＹ方向の幅ｄ２の幅比（ｄ２／ｄ１）が示されている。図１６のグラフでは、図１５のグラフの横軸とは逆順となる。最も左側のプロットはパッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１が２．０ｍｍのときの幅比（ｄ２／ｄ１）に対応する電界差分である。以下同様に、左から順にパッチ素子６１のＹ方向の幅ｄ１が２．２ｍｍ、２．４ｍｍ、２．６ｍｍ、２．８ｍｍ、３．０ｍｍに対応するときのそれぞれの幅比（ｄ２／ｄ１）に対応する電界差分がプロットされている。

この図１６のグラフの結果から、電界差分が０以上となるようにパッチ素子６１の方向の幅ｄ１とパッチ素子６２のＹ方向の幅ｄ２を設定することによっても、アンテナ装置に対して広角範囲で利得が高いより性能の良いアンテナ装置を実現できることが分かる。すなわち、第５実施形態の構成において、パッチ素子（第１無給電素子）６１から放射される電力が、パッチ素子（第２無給電素子）６２から放射される電力よりも高く構成することにより、広角範囲で利得の高い指向性を有するアンテナ装置の設計を実現できる。

以上説明した第５実施形態においても、図９に示すように３つのパッチ素子をマイクロストリップラインによって接続された無給電素子ユニットを用いるようにしてもよいし、図１０に示すように、定在波との位置関係に基づいて、無給電素子ユニット群の配置位置を決定するようにしてもよい。

以上説明した第５実施形態において、パッチ素子６２の共振周波数が、アンテナ素子１２１の共振周波数と一致するように構成されている例を示したが、パッチ素子６１の共振周波数が、アンテナ素子１２１の共振周波数と一致するように構成し、この上でパッチ素子６１の共振周波数がパッチ素子６２の共振周波数よりも高くなるようにしてもよい。しかしながら、パッチ素子６２の共振周波数がアンテナ素子１２１の共振周波数と一致するように構成した方が、アンテナ装置１の小型化の観点で好ましい。

以上、第１〜第５の実施形態および変形実施形態について説明してきたが、この構成はさらに変更することができる。例えば、以上の各実施形態では、４つの送信アンテナと、２つの無給電素子ユニット群を有するようにしたが、４つおよび２つ以外の数の組み合わせでもよい。

また、以上の各実施形態では、同じ特性を有する無給電素子ユニットを配置するようにしたが、例えば、特性が異なる無給電素子ユニットを配置するようにしてもよい。例えば、図１に示す第１実施形態では、無給電素子ユニット群３０−１，３０−２を構成する無給電素子ユニットを、給電点に近いユニットと、遠いユニットで、特性を変化させるようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、矩形形状を有するパッチ素子を用いるようにしたが、これ以外の形状のパッチ素子を用いるようにしてもよい。

また、前述した各実施形態において、無給電素子ユニットをグランド（送信アンテナ１１−１〜１１−４等の地板）に接地するようにしてもよい。

また、以上の各実施形態では、送信アンテナを例に挙げて説明したが、受信アンテナに本発明を適用してもよい。すなわち、１１−１〜１１〜４の一部または全部が受信アンテナであっても本発明を同様に適用することができる。

１ アンテナ装置
１０ 誘電体基板
１１−１〜１１−４ 送信アンテナ
３０−１〜３０−８ 無給電素子ユニット群
３３ マイクロストリップライン
５１〜５３ パッチ素子
５４ マイクロストリップライン
６１〜６２ パッチ素子
６３ マイクロストリップライン
１１１ パッチ素子
１２１ パッチ素子
１３０−１〜１３０−２ 無給電素子ユニット
１４０−１〜１４０−２ 無給電素子ユニット

Claims (13)

1. アンテナ装置において、
   誘電体基板上に配置された少なくとも１の放射素子と、
   前記放射素子の主偏波方向における前記誘電体基板の端部と、前記放射素子との間に配置された複数の無給電素子と、を有し、
   複数の前記無給電素子は、前記主偏波方向において互いに異なる位置に配置され、励振によって生じる電力を合成するように電気的に接続された無給電素子ユニットを構成する、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記無給電素子ユニットは、前記放射素子から前記端部に向けて伝送される電力および前記端部から前記放射素子に向けて伝送される電力の少なくとも一方を減衰するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記無給電素子ユニットは、前記放射素子から前記端部に向けて伝送される電力および前記端部から前記放射素子に向けて伝送される電力の少なくとも一方の位相を変化させることで、前記放射素子の指向性特性が所定の特性になるようにすることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記放射素子としてのパッチ素子が第１方向に複数並置され、
   前記無給電素子ユニットは、前記第１方向に略直交する第２方向に複数のパッチ素子が並置されるとともに電気的に接続されて構成され、当該無給電素子ユニットが前記第１方向に複数並置されている、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記放射素子としてのパッチ素子が、前記主偏波方向とは異なる第１方向に複数並置され、
   前記無給電素子ユニットは、前記第１方向に複数並置され、互いに電気的に接続された前記複数の無給電素子を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記第１方向は前記主偏波方向と略直交しており、
   前記放射素子として前記第１方向に並置されるパッチ素子群の前記第１方向における中心位置と、前記無給電素子ユニットの前記第１方向に並置される無給電素士群の前記第１方向における中心位置と、が前記主偏波方向の同一直線上に位置する請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記無給電素子ユニットは、前記主偏波方向における前記放射素子と前記誘電体基板の端部の一方との間、および、前記主偏波方向における前記放射素子と前記誘電体基板の端部の他方との間に配置されていることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 前記無給電素子ユニットを構成する前記複数のパッチ素子は、前記誘電体基板に生じる定在波のピーク位置にそれぞれ対応した位置となるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
9. 複数の前記無給電素子のうち、前記主偏波方向において前記放射素子から相対的に近い位置にある第１無給電素子の共振周波数が、前記主偏波方向において前記放射素子から相対的に離れた位置にある第２無給電素子の共振周波数よりも高いことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
10. 前記第２無給電素子の共振周波数は、前記放射素子の共振周波数と一致するように構成されていることを特徴とする請求項９に記載のアンテナ装置。
11. 前記第１無給電素子から放射される電力が、前記第２無給電素子から放射される電力よりも高い請求項９又は１０に記載のアンテナ装置。
12. 前記第１無給電素子の前記主偏波方向における幅が、前記第２無給電素子の前記主偏波方向における幅よりも狭い請求項９乃至１１のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
13. 前記第１無給電素子と前記第２無給電素子の位相差が４５度以上１３５度以下になるように、前記第１無給電素子と前記第２無給電素子を接続するマイクロストリップラインの長さが設定される請求項９乃至１２のいずれか１項に記載のアンテナ装置。