JP3671950B2

JP3671950B2 - 誘電体レンズアンテナおよびそれを用いた無線装置

Info

Publication number: JP3671950B2
Application number: JP2002292793A
Authority: JP
Inventors: 文宣中村; 秀章山田; 裕明田中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-10-04
Filing date: 2002-10-04
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2018-06-29
Also published as: JP2003163532A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体レンズおよびそれを用いた誘電体レンズアンテナおよびそれを用いた無線装置、特にミリ波を利用した自動車搭載用レーダーに用いられる誘電体レンズおよびそれを用いた誘電体レンズアンテナおよびそれを用いた無線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の自動車搭載用レーダーの進歩に伴って、アンテナの指向性の制御が重要な問題になってきている。
【０００３】
図１１に、従来の誘電体レンズを示す。ここで、図１１（ａ）は平面図を、図１１（ｂ）は正面図を、図１１（ｃ）は側面図を表している。図１１において、誘電体レンズ１は、レンズ本体２が、球の一部を切り取って構成した形状に近似し、平面図において回転対称、すなわち円形に、正面図および側面図において円弧状に形成されている。そして、レンズ本体２はセラミックス、樹脂、プラスチック、あるいはその複合材料などの誘電体材料から形成されている。なお、誘電体レンズ１の焦点方向は−ｚ軸方向である。
【０００４】
次に、図１２に、図１１に示した誘電体レンズ１を用いた、誘電体レンズアンテナを示す。ここで、図１２（ａ）は平面図を、図１２（ｂ）は正面図を、図１２（ｃ）は側面図を表している。図１２において、誘電体レンズアンテナ５は、誘電体レンズ１の焦点位置６に一次放射器７を配置して構成されている。
【０００５】
ここで、図１３に、図１２に示した誘電体レンズアンテナ５の誘電体レンズ１から放射されるビームの指向性を表す概念図（正面図）を示す。図１３において、図１２と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。図１３に示すように、誘電体レンズアンテナ５の誘電体レンズ１から放射されるビーム３の形状は、ｘ−ｚ面でペンシルビーム形状となる。ここで、ビーム３のｚ軸方向の長さ（図１３におい
ては高さ）は誘電体レンズアンテナ５の利得の大きさを表し、ビーム３の幅は誘電体レンズアンテナ５のビーム幅の大きさを表している。
【０００６】
このように、誘電体レンズアンテナ５の利得はｚ軸方向が最大値となる。このｚ軸の方向に対して、利得が最大値から３ｄＢ落ちる角度、すなわち利得が半分になる角度を半値角といい、これによってアンテナの指向性を表す。なお、誘電体レンズアンテナ５の誘電体レンズ１から放射されるビーム３の形状は、ｘ−ｙ面など、ｚ軸を含みｚ軸に平行な全ての面でも同様であるため、誘電体レンズアンテナ５の正面から見て、半値角の点を結んだ線は円形となる。そして、半値角は概略で、半値角（θ）＝７０λ／Ｄ（λ：使用周波数の波長、Ｄ：アンテナ開口径）であらわされるため、半値角はアンテナ開口径と反比例の関係にある。なお、利得は逆に開口径が大きいほど大きくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、自動車搭載用レーダーなどにおいては、自動車の進行方向に対する垂直方向（上下方向）の情報はあまり必要ではない。むしろ、歩道橋や陸橋に反応して誤動作をしないように、垂直方向の情報は少ない方がよい場合がある。一方、水平方向（自動車の進行方向および左右方向）の情報は、他の自動車や障害物を対象とするため、主として必要となる。そのため、垂直方向にビームを狭くし、水平方向にビームを広げた広角のアンテナが要求される場合がある。この場合、ビームを広げる、すなわち半値角を大きくするためには、アンテナ開口径を小さくする、すなわち誘電体レンズの直径を小さくする必要がある。しかしながら、誘電体レンズの直径を小さくすることは利得を下げることにつながり、レーダーに用いる場合に近距離しか探知できないという問題が発生する。また、誘電体レンズの直径を小さくするということは、水平方向だけでなく、垂直方向にもビームを広げることになり、水平方向の利得をさらに下げる結果になるという問題もある。
【０００８】
本発明は上記の問題点を解決することを目的とするもので、利得をあまり下げずに、必要な方向の半値角を大きくすることのできる誘電体レンズおよびそれを用いた誘電体レンズアンテナおよびそれを用いた無線装置を提供する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の誘電体レンズは、回転対称に形成されたレンズ本体の、縁部の一部に平坦な端面を形成したことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の誘電体レンズは、前記レンズ本体の、縁部の２ヶ所に、平坦で互いに対向する第１および第２の端面を形成したことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の誘電体レンズアンテナは、上記の誘電体レンズと、該誘電体レンズの焦点位置に設けた一次放射器とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の誘電体レンズアンテナは、前記一次放射器と前記誘電体レンズを、前記一次放射器の外周部から前記誘電体レンズの縁部へと全周に渡ってテーパー状に広がる支持板で接続し、前記支持板の少なくとも内面を金属で形成したことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の無線装置は、上記のいずれかに記載の誘電体レンズアンテナを用いたことを特徴とする。
【００１４】
このように構成することにより、本発明の誘電体レンズおよび誘電体レンズアンテナは、利得をあまり下げずに、レンズ本体の縁部に端面を形成した方向の半値角を大きくすることができる。また、一次放射器から誘電体レンズに達する以前に漏れる電磁波による損失であるスピルオーバー損失を小さくして高効率化を図ることができる。
【００１５】
また、本発明の無線装置は、ビームの広がりを制御して、誤動作を少なくすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の誘電体レンズの一実施例を示す。ここで、図１（ａ）は平面図を、図１（ｂ）は正面図を、図１（ｃ）は側面図を表している。図１において、図１１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００１７】
図１に示した誘電体レンズ１０において、図１１に示した従来の誘電体レンズ１と比較して、平面図において、レンズ本体２の左側の縁部が、回転対称形状すなわち円形から直線的に切り落とされて、平坦な第１の端面１１が形成され、右側の縁部も直線的に切り落とされて、平坦な第２の端面１２が形成されている。そして、第１の端面１１と第２の端面１２は互いに対向している。
【００１８】
ここで、第１の端面１１および第２の端面１２の形成に関しては、便宜上、レンズ本体２の縁部を切り落として形成すると表現している。また、これ以降の説明においても、便宜上、レンズ本体の縁部を切り落とすという表現を用いる。しかし、実際にレンズ本体を形成する場合には、レンズ本体を回転対称に形成した後で縁部を切り落として端面を形成する方法に限るものではなく、最初から端面の存在する形状にレンズ本体を形成したものであっても構わないものである。
【００１９】
次に、図２に、図１に示した誘電体レンズ１０を用いた、本発明の誘電体レンズアンテナの一実施例を示す。ここで、図２（ａ）は平面図を、図２（ｂ）は正面図を、図２（ｃ）は側面図を表している。図２において、図１２と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００２０】
図２において、誘電体レンズアンテナ１５は、誘電体レンズ１０の焦点位置６に一次放射器７を配置して構成されている。
【００２１】
ここで、図３に、図２に示した誘電体レンズアンテナ１５の、誘電体レンズ１０から放射されるビーム１３の指向性を表す概念図を示す。ここで、図３（ａ）はｙ軸方向から見た正面図を、図３（ｂ）はｘ軸方向から見た側面図を表している。また、比較のために、図１３に示した従来の誘電体レンズアンテナ５から放射されるビーム３の形状を破線で示している。図３において、図２と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００２２】
図３（ａ）に示すように、誘電体レンズアンテナ１５の誘電体レンズ１０から放射されるビーム１３の形状は、従来のビーム３の形状に比べて、ｘ軸方向、すなわちレンズ本体２の縁部を切り落として第１の端面１１と第２の端面１２を形成した方向に広がり、半値角が大きくなる。逆に、レンズ本体の縁部を切り落として開口面積が小さくなった分だけ、従来よりも最大利得は少しだけ小さくなる。一方、図３（ｂ）に示すように、ｙ軸方向、すなわちレンズ本体２の縁部を切り落とさなかった方向に関しては、ビーム１３の形状は、最大利得が小さくなるだけで、ほとんど同じ形状となり、半値角はほとんど変わらない。
【００２３】
図４および図５に、本発明の誘電体レンズアンテナ１５に用いた誘電体レンズ１０の、レンズ本体２からの切り落とし量とアンテナ利得および半値角との関係をそれぞれ示す。ここで、レンズ本体２の直径は７３ｍｍである。また、図５において、ａはｘ−ｚ面の半値角を、ｂはｙ−ｚ面の半値角を示している。
【００２４】
図４に示すように、レンズ本体２の切り落とし量が大きくなるにつれて、誘電体レンズ１０の開口面積は小さくなるため、利得も小さくなる傾向にある。また、図５に示すように、レンズ本体２の切り落とし量が大きくなるにつれて、ｘ−ｚ面、すなわち切り落とし方向の半値角ａは急激に大きくなっている。なお、ｙ−ｚ面の半値角ｂはレンズ本体２の切り落とし量にはあまり影響されない。
【００２５】
このように、誘電体レンズ１０において、レンズ本体２の縁部の互いに対向する２ヶ所を切り落として第１の端面１１および第２の端面１２を形成することによって、縁部を切り落とした方向にのみビームを広げられることが分かる。そして、誘電体レンズ１０を、図２におけるｘ軸方向を水平方向に、ｙ軸方向を垂直方向にして用いて誘電体レンズアンテナ１５を構成することにより、水平方向にビームが広がり、垂直方向にあまりビームの広がらないアンテナを構成することができる。
【００２６】
なお、上記のような水平方向にビームを広げた誘電体レンズアンテナは、モノパルス方式のレーダー（１回のパルスの信号を広い範囲に放射して、反射して来た信号を互いに間隔を開けて配置した２つ以上のアンテナで受信して、ターゲットまでの距離と角度を測定するレーダー）には有効である。しかし、ビームスキャン方式のレーダー（狭い範囲に信号を放射して、反射してきた信号からターゲットまでの距離を測定するという動作を、アンテナの水平方向の角度を順に変化させながら実施することによってターゲットまでの角度を測定するレーダー）においては、逆に水平方向のビームが狭い方が都合がよい。そこで、そのような場合には、図２の誘電体レンズアンテナの平面図における縦と横を逆にして、ｘ軸方向を垂直に、ｙ軸方向を水平にして用いる。それによって、水平方向へのビームが狭くなって、ビームスキャン時のターゲットの角度に対する誤動作を少なくすることができる。
【００２７】
ところで、誘電体レンズは一般に矩形の枠に取り付けられることが多い。図６に、従来の円形の誘電体レンズ１を矩形（正方形）の枠２０に取り付けた状態の平面図を示す。図６より分かるように、矩形の枠２０に円形の誘電体レンズ１を取り付けると、正面から見て枠２０と誘電体レンズ１との間にデッドスペース２１（誘電体レンズの開口面として働かない領域）が生じてしまう。この場合、枠２０に対するデッドスペース２１の面積は約２１．５％になる。
【００２８】
これに対して、図７に、本発明の誘電体レンズ１０を矩形の枠２２に取り付けた状態の平面図を示す。図７より分かるように、誘電体レンズ１０は、レンズ本体２の縁部の互いに対向する２ヶ所が切り落とされて第１の端面および第２の端面が形成されているため、平面図で見て元々長方形に近い形状になっており、矩形の枠２２に取り付けた場合の、枠２２と誘電体レンズ１０との間のデッドスペース２３を、図６に示した従来の誘電体レンズ１に比べて小さくすることができる。例えば、レンズ本体２の縁部の、互いに対向する２ヶ所を、それぞれ半径の１／４のところで切り落として第１の端面および第２の端面を形成したとすると、枠２２は２つの辺が３対４の長方形になり、枠２２に対するデッドスペース２３の面積は約１０．４％となり、従来と比べて大幅に小さくすることができる。
【００２９】
また、自動車搭載用レーダーにおいて、誘電体レンズアンテナは自動車の前面に、ｚ軸方向を自動車の進行方向に向けて搭載される。その場合、誘電体レンズアンテナのデッドスペースは進行方向に対して垂直になるために、空気抵抗が大きくなり、また、雪などが付着しやすい。この点においても、本発明の誘電体レンズアンテナ１０によれば、デッドスペースが小さくなる分だけ空気抵抗が小さくなり、さらに、雪などの付着を減らしてアンテナ特性の劣化を小さくすることができる。
【００３０】
図８に、本発明の誘電体レンズの別の実施例を示す。ここで、図８（ａ）は平面図を、図８（ｂ）は正面図を、図８（ｃ）は側面図を表している。図８において、図１と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００３１】
図８に示した誘電体レンズ３０において、図１に示した誘電体レンズ１０において設けた第１の端面１１と第２の端面１２に加えて、平面図において、レンズ本体２の上側の縁部が直線的に切り落とされて平坦な第３の端面３１が形成され、下側の縁部が直線的に切り落とされて平坦な第４の端面３２が形成されている。すなわち、レンズ本体２の縁部の４ヶ所が切り落とされて、それぞれ平坦な端面が形成され、レンズ本体２が平面図において正方形に近い形状に形成されている。
【００３２】
このように形成することによって、誘電体レンズ３０を用いた誘電体レンズアンテナのビームの形状は水平方向にも垂直方向にも広がる。そのため、図２に示した誘電体レンズアンテナ１５のような、垂直方向と水平方向のビームの形状を変えることはできない。しかしながら、レンズ本体２の直径を単純に小さくした場合に比べて、特に図示はしないが、矩形状の枠に対するデッドスペースが大幅に小さくなることは明らかである。したがって、誘電体レンズの小型化による開口面積の縮小を比較的小さく抑えることができ、利得の低下も比較的小さく抑えることができる。
【００３３】
逆に、誘電体レンズ３０のレンズ本体２の直径を、図６に示した枠２０の対角線の長さまで大きくした上で、枠２０に納まるように４つの縁部を切り落とした場合には、図６に示した誘電体レンズ１に比べてデッドスペースが小さくなる（すなわち開口面積が大きくなる）分だけ、同じ開口径（すなわち同じ半値角）で利得の大きい誘電体レンズおよび誘電体レンズアンテナとすることができる。
【００３４】
図９に、本発明の誘電体レンズアンテナの別の実施例を示す。ここで、図９（ａ）は平面図を、図９（ｂ）は正面図を、図９（ｃ）は側面図を表している。図９において、図２と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。
【００３５】
図９において、誘電体レンズアンテナ４０は、図２に示した誘電体レンズアンテナ１５において、一次放射器７と誘電体レンズ１０が、一次放射器７の外周部から誘電体レンズ１０の縁部へと全周に渡ってテーパー状に広がる支持板４１によって接続して構成されている。ここで、支持板４１は、その内面が、電磁波を反射するように金属をメッキして形成されている。
【００３６】
このように誘電体レンズアンテナ４０を構成することにより、レンズ本体２の縁部を切り落として平坦な端面を形成することによって増えていた、一次放射器７から誘電体レンズ１０に達する前に漏れてしまう電磁波による損失（スピルオーバー損失）を少なくすることができる。スピルオーバー損失を少なくできるということは、高効率化が図れるということを意味し、これより誘電体レンズの開口面積の小型化、言い換えれば誘電体レンズアンテナ自身の小型化を図ることができる。さらに、一次放射器７と誘電体レンズ１０を支持板４１で保持することによって、一次放射器７と誘電体レンズ１０との位置関係が安定し、振動や衝撃に対するアンテナ特性の変化、たとえば誘電体レンズ１０の焦点位置に対する一次放射器７の位置のずれを小さくすることができる。
【００３７】
なお、図９の誘電体レンズアンテナ４０においては、内面に金属をメッキして形成した支持板を用いていたが、内面に金属板を張り付けたり、全体を金属で形成した支持板を用いても同様の作用効果を奏するものである。
【００３８】
また、上記の各実施例においては、レンズ本体の縁部の２ヶ所、もしくは４ヶ所を切り落として平坦な端面を形成したものについて示したが、縁部の１ヶ所、あるいは３ヶ所、あるいは５ヶ所以上を切り落として平坦な端面を形成したものであっても構わないもので、同様の作用効果を奏するものである。
【００３９】
図１０に、本発明の無線装置の一実施例として、車載用のミリ波レーダー装置のブロック図を示す。図１０において、ミリ波レーダー装置５０は、図２に示した誘電体レンズアンテナ１５、オシレータ５１、サーキュレータ５２、５３、ミキサ５４、カプラ５５、５６、信号処理回路５７で構成されている。
【００４０】
このように構成されたミリ波レーダー装置５０において、オシレータ５１はガンダイオードを発振素子として、バラクタダイオードを発振周波数制御用素子として用いて電圧制御発振器を構成している。オシレータ５１にはガンダイオードに対するバイアス電圧と周波数変調用の制御電圧ＶＣＯ−ＩＮが入力され、その出力である送信信号は、反射信号が戻らないようにサーキュレータ５２を介してカプラ５５に入力される。カプラ５５は送信信号を２つに分けて、一方をサーキュレータ５３を介して誘電体レンズアンテナ１５から放射させ、他方をローカル信号としてサーキュレータ５６に入力する。一方、誘電体レンズアンテナ１５で受信した信号は、サーキュレータ５３を介してカプラ５６に入力される。カプラ５６は３ｄＢ方向性結合器として動作し、カプラ５５から送られてきたローカル信号を９０度の位相差を持って等分してミキサ５４の２つのミキサ回路に入力するとともに、サーキュレータ５３から送られてきた受信信号も９０度の位相差を持って等分してミキサ５４の２つのミキサ回路に入力する。ミキサ５４はローカル信号と受信信号が混合された２つの信号を平衡形ミキシングして、受信信号とローカル信号との周波数差成分をＩＦ信号として出力し、信号処理回路５７に入力する。
【００４１】
上記ミリ波レーダー装置５０は、たとえば上記ＶＣＯ−ＩＮ信号として三角波信号を与えることにより、信号処理回路５７でＩＦ信号から距離情報と相対速度情報を求めることができる。従って、これを車載した場合に、他の車両までの相対距離と相対速度を測定することが可能となる。しかも、本発明の誘電体レンズアンテナを用いることにより、必要な方向のビームを広げたり狭くしたりして誤動作を少なくすることができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の誘電体レンズおよびそれを用いた誘電体レンズアンテナによれば、回転対称に形成されたレンズ本体の、縁部の一部に平坦な端面を形成することによって、利得をあまり下げずに、レンズ本体の平坦な端面を形成した方向の半値角を大きくすることができる。特に、レンズ本体の縁部の２ヶ所に平坦で互いに対向する第１および第２の端面を形成することによって、誘電体レンズおよび誘電体レンズアンテナの半値角を、垂直方向（水平方向）に小さく水平方向（垂直方向）に大きくすることができる。
【００４３】
また、本発明の誘電体レンズアンテナによれば、一次放射器と誘電体レンズを、一次放射器の外周部から誘電体レンズの縁部へと全周に渡ってテーパー状に広がる、少なくとも内面を金属で形成した支持板で接続することによって、スピルオーバー損失を小さくして高効率化を図ることができる。
【００４４】
また、本発明の無線装置によれば、本発明の誘電体レンズアンテナを用いることによって、ビームの広がりを制御して、誤動作を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の誘電体レンズの一実施例を示す図で、（ａ）は平面図を、（ｂ）は正面図を、（ｃ）は側面図を表している。
【図２】本発明の誘電体レンズアンテナの一実施例を示す図で、（ａ）は平面図を、（ｂ）は正面図を、（ｃ）は側面図を表している。
【図３】図２の誘電体レンズアンテナの誘電体レンズから放射されるビームの指向性を示す概念図で、（ａ）は正面図を、（ｂ）は側面図を表している。
【図４】本発明の誘電体レンズアンテナの、レンズ本体の切り落とし量と利得との関係を示す図である。
【図５】本発明の誘電体レンズアンテナの、レンズ本体の切り落とし量と半値角との関係を示す図である。
【図６】従来の誘電体レンズアンテナを矩形の枠に取り付けた状態でのデッドスペースを示す平面図である。
【図７】本発明の誘電体レンズアンテナを矩形の枠に取り付けた状態でのデッドスペースを示す平面図である。
【図８】本発明の誘電体レンズの別の実施例を示す図で、（ａ）は平面図を、（ｂ）は正面図を、（ｃ）は側面図を表している。
【図９】本発明の誘電体レンズアンテナの別の実施例を示す図で、（ａ）は平面図を、（ｂ）は正面図を、（ｃ）は側面図を表している。
【図１０】本発明の無線装置の一実施例を示すブロック図である。
【図１１】従来の誘電体レンズを示す図で、（ａ）は平面図を、（ｂ）は正面図を、（ｃ）は側面図を表している。
【図１２】従来の誘電体レンズアンテナを示す図で、（ａ）は平面図を、（ｂ）は正面図を、（ｃ）は側面図を表している。
【図１３】図１２の誘電体レンズアンテナの誘電体レンズから放射されるビームの指向性を示す概念図（正面図）である。
【符号の説明】
２…レンズ本体
７…一次放射器
１０、３０…誘電体レンズ
１１…第１の端面
１２…第２の端面
１３…ビーム
１５、４０…誘電体レンズアンテナ
２２…枠
２３…デッドスペース
３１…第３の端面
３２…第４の端面
５０…無線装置

Claims

回転対称に形成されたレンズ本体の、縁部の一部に平坦な端面を形成した誘電体レンズと、該誘電体レンズの焦点位置に設けた一次放射器とを備え、
前記一次放射器と前記誘電体レンズを、前記一次放射器の外周部から前記誘電体レンズの縁部へと全周に渡ってテーパー状に広がる支持板で接続し、前記支持板の少なくとも内面を金属で形成したことを特徴とする誘電体レンズアンテナ。
前記レンズ本体の、縁部の２ヶ所に、平坦で互いに対向する第１および第２の端面を形成したことを特徴とする、請求項１に記載の誘電体レンズアンテナ。
請求項１または２に記載の誘電体レンズアンテナを用いたことを特徴とする無線装置。