JP2021510986A

JP2021510986A - アンテナ素子およびアンテナアレイ

Info

Publication number: JP2021510986A
Application number: JP2020539805A
Authority: JP
Inventors: プールムーサビ，メーラン
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2038-11-22
Also published as: JP7022218B2; EP3741007A1; CN111615776B; DE102018200758A1; CN111615776A; US11476589B2; KR102528126B1; KR20200103842A; US20210005978A1; EP3741007B1; WO2019141412A1

Abstract

本発明は、電力を供給するための供給線路（２）と、供給線路（２）の第１の側に配置された第１の複数放射素子（３；５；８）と、供給線路（２）の第２の側に配置された第２の複数放射素子（４；６；９）とを備え、放射素子が供給線路（２）に直列に結合されており、供給線路（２）によって電力を供給され、電磁放射線を放射するように構成されており；第１の複数放射素子（３；５；８）における放射素子の空間寸法の分布および／または隣接する放射素子の間隔（ｘ）の分布が、第２の複数（４；６；９）の放射素子とは異なっているアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）に関する。

Description

本発明は、アンテナ素子およびアンテナアレイに関する。

レーダ装置は、物体の相対速度を正確に決定することを可能にし、適切な変調方式を使用した場合には付加的に物体の間隔または角度位置を決定することを可能にする。このため、レーダ装置は、自動車分野において広く使用されている。

ギガヘルツ範囲では一般にパッチアンテナが使用される。パッチアンテナは、特に容易に高周波基板に設けることができ、安価である。レーダ放射の波長の約半分の長さを有する金属表面は、共振器として働く。

放射素子は、例えば、単一のパッチであってもよい。しかしながら、レーダビームをより良好に集束する必要がある場合が多い。すなわち、より狭いローブによる改善された指向特性が必要である。したがって、パネルアンテナでは複数のパッチが組み合わされる。このようなアンテナアレイでは、全てのパッチは、パッチに電力を供給する共通の電源に結合されている。この場合、結合は出力分配ネットワークによって並列または直列に行うことができる。

このような直列に給電されるアンテナ素子のためのアンテナ構造が米国特許出願公開第２００７／２７９３０３号明細書に開示されている。放射特性を改善するために、この刊行物では、アンテナ素子間の間隔またはアンテナ素子の寸法を変化させることが提案されている。例えば、連続するアンテナ素子間の間隔が共通の供給線路の端部に向かって増大してもよい。

一般に、アンテナ素子もしくはアンテナは、主ローブもしくは放射されるレーダビームの主放射方向が基板に対して垂直に延在しているように構成されている。しかしながら、幾つかの用途ではアンテナの指向特性を適合させることが好ましい場合があり、したがって、主放射方向は基板に対して垂直に延在するのではなく、むしろ所定の角度をなす。特に、車両の後部領域またはコーナ領域に配置されたレーダ装置の場合には、指向特性をこのように適合させることが好ましい場合がある。

強力な指向効果を達成するための既知の機構は、フェーズドアレイアンテナである。フェーズドアレイアンテナは、マトリックス状に配置された多数の個別放射器を有する位相制御されたグループアンテナであり、個別放射器の位相角は適合可能である。適切な制御により、送信エネルギーは、建設的干渉によって所望の方向に増幅し、破壊的干渉によって不都合な方向に低減または消滅することができる。

しかしながら、フェーズドアレイアンテナは、それぞれの個別放射器の位相を適合させるための比較的複雑な機構を必要とする。このようなアンテナは、一般に比較的高価であり、製造が複雑である。したがって、フェーズドアレイ技術は、軍事分野で頻繁に見られるが、自動車に適用するための使用可能性はむしろ制限されている。

したがって、垂直方向とは異なる指向性効果を有する安価なアンテナが必要とされている。

米国特許出願公開第２００７／２７９３０３号明細書

本発明は、請求項１の特徴を有するアンテナ素子および請求項１０の特徴を有するアンテナアレイを提供する。

好ましい実施形態が、それぞれの従属請求項の対象である。

第１の態様によれば、本発明は、電力を供給するための供給線路を有するアンテナ素子に関する。さらにアンテナ素子は、供給線路の第１の側に配置された第１の複数放射素子を有する。さらにアンテナ素子は、供給線路の第２の側に配置された第２の複数放射素子を有する。放射素子は供給線路と直列に結合されており、供給線路によって電力を供給される。さらに放射素子は電気放射線を放出するように構成されている。第１の複数放射素子における放射素子の空間寸法の分布および／または隣接する放射素子間の間隔の分布が第２の複数放射素子とは異なっている。

第２の態様によれば、本発明は、一緒に給電される複数のアンテナ素子を有するアンテナアレイに関する。

空間寸法または間隔の分布が異なる放射素子を使用することによって単一のアンテナ素子に対して所望の指向効果を達成することができる。この場合、送信されたレーダ波の建設的干渉および相殺的干渉が重要である。放射素子は供給線路の両側に異なるように分布しているので、全体として基板の垂直方向からずれた主ローブが生じる。これにより、高感度なアンテナを提供することができる。

さらに、レーダビームを成形するための付加的な手段を、特に、放射された出力にネガティブな影響を及ぼすことがあるピンおよび反応素子に使用することができる。フェーズドアレイアンテナと比較して、アンテナ素子は、追加の分相器を省略できるので、小型の構成によってさらに優れている。このことは、利用可能なスペースを最適に活用する必要がある自動車分野では特に有利である。

分相器による付加的な位相制御が不要なので、所与の指向特性を有する特に安価なアンテナを提供することができる。

空間寸法は、長方形のパッチまたは放射素子の場合、対応する放射素子の幅および長さとして理解することができる。長方形ではない構成の放射素子の場合、空間寸法は、例えば、放射素子の直径または表面積として理解することができる。

空間寸法の分布は、供給線路に沿った寸法のシーケンスとして理解されるべきである。したがって、異なる分布は、好ましくは、放射素子が供給線路の２つの側で互いにずらして配置されるだけでなく、むしろ少なくとも１つの箇所では、一方の側の放射素子の間隔または寸法のシーケンスを、他方の側の放射素子の間隔または寸法の対応するシーケンスと一致させることができないことを意味する。

好ましくは、アンテナ素子は、基板に平坦に配置されたパネルアンテナである。

放射素子の寸法および間隔を適切に選択することにより、広い角度範囲で十分に高い放射出力を達成することができる。

アンテナ素子の好ましいさらなる構成によれば、寸法および／または間隔の分布は、ドルフ・チェビシェフ分布、均一分布および／または二項分布を含む。

アンテナ素子のさらなる構成によれば、第１の複数放射素子および／または第２の複数複数放射素子の放射素子は、スリット付きパッチとして構成されている。

アンテナ素子の好ましいさらなる構成によれば、放射素子は、ストリップ線路を介して供給線路に結合されている。しかしながら、さらなる実施形態によれば、放射素子は、容量結合および／またはスリット結合によって供給線路に結合することもできる。

アンテナ素子の好ましいさらなる構成によれば、アンテナ素子はダイポールアンテナ素子として構成されている。

アンテナ素子の好ましいさらなる構成によれば、供給線路および／または放射素子は、ストリップ素子として構成されている。したがって、アンテナ素子は、特にストリップ線路アンテナ素子であってもよい。

アンテナ素子の好ましいさらなる構成によれば、第１の複数放射素子は、第２の複数放射素子に対して供給線路に沿ってずらして配置されている。

アンテナ素子の一実施形態によれば、放射素子間の間隔は両側で一定であってもよいし、または同じ分布を有していてもよいが、寸法の分布は異っている。

アンテナ素子のさらなる実施形態によれば、放射素子の寸法は、両側で一定であってもよいし、または同じ分布を有していてもよいが、連続するアンテナ素子間の間隔の分布は、２つの側について、すなわち、第１の複数放射素子および第２の複数放射素子について異なっている。

アンテナ素子の好ましいさらなる構成によれば、第１の複数放射素子の少なくとも１つの放射素子の幅および／または第１の複数放射素子の隣接する放射素子との間隔が、第２の複数放射素子の全ての放射素子と異なっている。

アンテナ素子の好ましいさらなる発展形態によれば、寸法および／または間隔の分布は、放射された電磁放射線の放射最大値が垂直方向とは異なる放射方向に生じるように選択されている。

本発明の一実施形態によるアンテナ素子を示す概略平面図である。図１に示したアンテナ素子の放射角度の関数として放射出力を示す図である。本発明の別の実施形態によるアンテナ素子を示す概略平面図である。本発明の一実施形態によるアンテナアレイを示す概略平面図である。図４に示したアンテナアレイの放射角度の関数として放射出力を示す図である。

全ての図面において、同じか、もしくは機能的に同じ要素および装置には同じ参照符号が付されている。
図１は、例示的なアンテナ素子１ａを示している。アンテナ素子１ａは、基板（図示しない）に形成されたパネルアンテナ素子として構成されている。アンテナ素子１ａは、レーダ送信装置またはレーダ受信装置として構成することができる。アンテナ素子１ａは、アンテナアレイの素子であってもよい。

アンテナ素子１ａは、ストリップ線路として形成された直線状に延在する供給線路２を有している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。したがって、供給線路２は必ずしも直線状に延在していなくてもよい。

平坦に形成された供給線路２は、供給線路２の第１の側もしくは左側、および供給線路２の第２の側もしくは右側に配置された放射素子３１〜３６および４１〜４６を有する。放射素子３１〜３６および４１〜４６は、供給線路２に直接に接続または結合されたパッチとして構成されている。

しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではない。したがって、例えば、放射素子３１〜３６および４１〜４６は、結合素子、例えば供給線路２に接続されたストリップ素子を介して供給線路に結合することができる。さらなる実施形態によれば、放射素子３１〜３６および４１〜４６は、容量結合および／またはスロット結合を介して供給線路２に結合することもできる。

供給線路２を介して放射素子３１〜３６および４１〜４６に電力が供給される。これにより、放射素子３１〜３６および４１〜４６が励起され、電磁波、好ましくはレーダ放射線が放射される。特に、アンテナ素子１ａは、ギガヘルツ範囲のレーダ波を放射するように、特に自動車分野で一般的な７７ギガヘルツの周波数帯域で動作するように構成することができる。

放射素子３１〜３６および４１〜４６は、供給線路２の左側または第１の側にある第１の複数放射素子３の放射素子３１〜３６と、供給線路２の右側または第２の側にある第２の複数放射素子４の放射素子４１〜４６とに分割することができる。第１の複数放射素子３の放射素子３１〜３６および第２の複数放射素子４の放射素子４１〜４６は、それぞれ供給線路２と直列に結合されている。

第１の複数放射素子３の放射素子３１〜３６は、図１に示す実施形態において、第２の複数放射素子４の放射素子４１〜４６とは、放射素子３１〜３６および４１〜４６の幅の分布が異なる。第１の複数放射素子３の放射素子３１〜３６および第２の複数放射素子４の放射素子４１〜４６は両方とも長方形に形成されており、供給線路２に直交して測定されるそれぞれ同一の長さｚを有する。さらに、連続する放射素子３１〜３６と４１〜４６との間の間隔ｘはそれぞれ同一である。間隔ｘは、放射されたレーダ放射線の波長に対応することが好ましい。

第１の複数放射素子３の放射線素子３１〜３６は放射線要素３１〜３６の幅Ｄはそれぞれ固定されている。この場合、幅Ｄは供給線路２に平行に測定される。したがって、第１の複数放射素子３の放射線素子３１から３６は幅の分布が均一である。

第２の複数放射素子４の放射素子４１〜４６の幅Ｄ１〜Ｄ６はドルフ・チェビシェフ分布に従う。したがって、幅Ｄ１〜Ｄ６の比は、チェビシェフ多項式の比に対応する。さらなる実施形態によれば、幅Ｄ１〜Ｄ６は、任意の他の分布、例えば二項分布に従うことができる。適切な分布を選択することによってアンテナ素子１ａの放射特性を設定することができる。

さらなる実施形態によれば、放射素子３１〜３６および４１〜４６の長さｚは、付加的にまたは代替的に変化させることができる。好ましくは、第１の複数放射素子３の放射素子３１〜３６の長さｚの分布は、第２の複数放射素子４の放射素子４１〜４６の長さｚの分布とは異なる。

さらなる実施形態によれば、連続する放射素子３１〜３６と放射素子４１〜４６との間の間隔ｘは、付加的にまたは代替的に変化させることができる。好ましくは、第１の複数放射素子３の放射素子３１〜３６の間隔ｘの分布は、第２の複数放射素子４の放射素子４１〜４６の間隔ｘの分布とは異なる。

図２は、図１に示すアンテナ素子１ａの放射出力を方位角θの関数として示す。図から分かるように、放射特性は、０度以外の角度で最大値を有する。すなわち、主放射方向は基板に対して垂直ではない。したがって、アンテナ素子１ａは、自動車分野、例えば前縁部または後縁部もしくはコーナ部における用途に特に適している。

図２からわかるように、主放射方向は約２５度の方位角で達成することができる。さらに、極めて安定した放射パターンを達成することができ、放射方向および放射出力は、約３ギガヘルツの帯域範囲で実質的に一定のままである。さらに照射方向を変えた後であっても、幅９０度程度の広い角度範囲で高い放射出力を得ることができる。さらに仰角面において良好なサイドローブレベルを達成することができ、３ギガヘルツ幅の帯域範囲において７６．５ギガヘルツの周波数の周辺で実質的に主放射方向の変化が生じない。

図３は、本発明のさらなる実施形態によるアンテナ素子１ｂを示す。アンテナ素子１ｂは、第１の複数放射素子８の放射素子８１〜８４を有し、放射素子８１〜８４の幅ｖ１〜ｖ４は２項分布に従う。放射素子８１〜８４は、それぞれスリット付きの放射素子として構成されている。アンテナ素子１ｂは、第２の複数放射素子９の放射素子９１〜９５を有し、幅ｕ１〜ｕ５は、ドルフ・チェビシェフ分布に従う。連続する放射素子８１〜８４と９１〜９５との間の間隔ｘはそれぞれ一定である。

第１の複数放射素子８の放射素子および第２の複数放射素子９の放射素子は、位相を適宜に調整するために、異なる幅に基づいて互いにわずかにずらして配置されている。

図１に示したアンテナ素子１ａの第２の複数放射素子４の放射素子４１から４６と、図３に示したアンテナ素子１ｂの第２の複数放射素子９の放射素子について図示したのと同様に、好ましくは放射素子の幅はそれぞれ供給線路２の縁部の方へ減少している。

図４はアンテナアレイ７を示している。このアンテナアレイは６つのアンテナ素子１ｃを有し、これらのアンテナ素子は、二項分布幅ｄ１〜ｄ６を有する第１の複数放射素子５の放射素子５１〜５６と、一定幅ｄを有する第２の複数放射素子６の放射素子６１〜６５とをそれぞれ有する。

アンテナ素子１ｃは、それぞれ対になって第１〜第６のストリップ線路２１〜２６を介して第７および第８のストリップ線路２７，２８に接続されており、第７および第８のストリップ線路２７，２８は第９のストリップ線路２９に接続されている。第９のストリップ線路２９を介して個々のアンテナ素子１ｃのそれぞれのストリップ線路２に電気エネルギーを結合することができる。第１〜第６のストリップ線路２１〜２６の異なるように選択された長さによって個々のアンテナ素子１ｃ間の位相差を達成することができ、これにより適切な放射特性を得ることができる。

図４に示すアンテナ素子１ｃの代わりに、不均一に分布した放射素子を有する任意のアンテナ素子、特に図１および図３に示すアンテナ素子１ａ、１ｂを使用することができる。

図５は、図４に示すアンテナアレイ７の放射出力を方位角θの関数として示している。放射特性は、−４５度の値で最大値を有する。達成可能な最大値は、均等に分布された放射素子を有するアンテナ素子を使用した場合よりもさらに極めて顕著である。

Claims

アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）において、
電力を供給するための供給線路（２）と、
供給線路（２）の第１の側に配置された第１の複数放射素子（３；５；８）と、
供給線路（２）の第２の側に配置された第２の複数放射素子（４；６；９）と、
を有し、
放射素子が供給線路（２）と直列に結合されており、供給線路（２）によって電力を供給され、電気放射線を放出するように構成されており、
第１の複数放射素子（３；５；８）における放射素子の空間寸法の分布および／または隣接する放射素子間の間隔（ｘ）の分布が第２の複数（４；６；９）の放射素子とは異なっている、
アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
請求項１に記載のアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）において、
寸法および／または間隔（ｓ）の分布が、ドルフ・チェビシェフ分布、均一分布および／または二項分布を含む、
アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
請求項１または２に記載のアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）において、
前記第１の複数放射素子（３；５；８）および／または前記第２の複数放射素子（４；６；９）の放射素子が、スリット付きパッチとして構成されている、
アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）において、
前記放射素子が、ストリップ線路、容量結合および／またはスリット結合によって供給線路（２）に結合されている、
アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
請求項１〜４のいずれか一項に記載のアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）において、
前記アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）がダイポールアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）として構成されている、
アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
請求項１〜５のいずれか一項に記載のアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）において、
前記供給線路（２）および前記放射素子がストリップ素子として構成されている、
アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
請求項１〜６のいずれか一項に記載のアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）において、
前記第１の複数放射素子（３；５；８）が、前記第２の複数放射素子（４；６；９）に対して前記供給線路（２）に沿ってずらして配置されている、
アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
請求項１〜７のいずれか一項に記載のアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）において、
前記第１の複数放射素子（３；５；８）の少なくとも１つの放射素子の幅（Ｄ、Ｄ１〜Ｄ６；ｕｌ−ｕ５，ｖｌ−ｖ４；ｄ，ｄ１−ｄ６）および／または第１の複数放射素子（３；５；８）の隣接する放射素子との間隔（ｘ）が、第２の複数放射素子（４；６；９）の全ての放射素子と異なっている、
アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
請求項１〜８のいずれか一項に記載のアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）において、
寸法および／または間隔（ｘ）の分布が、放射された電磁放射線の放射最大値が垂直方向とは異なる放射方向に生じるように選択されている、
アンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）。
請求項１〜９のいずれか一項に記載の一緒に給電される複数のアンテナ素子（１ａ；１ｂ；１ｃ）を有するアンテナアレイ（７）。