JP4080497B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明はアンテナ装置に関し、特に、誘電体基板の一方の面に高周波回路が搭載され、他方の面にパッチアレイアンテナが形成されたタイプのアンテナ装置に関する。

近年、マイクロ波やミリ波を利用したレーダー装置が数多く提案されている。このようなレーダー装置の応用範囲は様々であるが、例えばこれを自動車に搭載すれば、先行車両や後続車両との距離を正確に検出することが可能となるばかりでなく、ドライバーの死角となる位置、例えば、斜め後方やバンパーの近傍に存在する障害物を検知してドライバーに注意を促したり、さらには、避けられない衝突が迫っていることを検知してシートベルトを締め付けるなどのプレクラッシュ制御を行うことが可能となる。

このようなレーダー装置に用いられるアンテナとしては、アレイアンテナ装置が用いられることがある（特許文献１参照）。アレイアンテナ装置は、複数のパッチアンテナ素子がアレイ状に配列された構造を有している。このようなアンテナ装置において低コスト化を達成するためには、誘電体基板の一方の面に高周波回路を搭載し、他方の面に複数のパッチアンテナ素子（パッチアレイアンテナ）を形成することが好ましい。

パッチアレイアンテナは、給電線路によって高周波回路と分配接続されるのであるが、パッチアレイアンテナと給電線路を同一面上に配置した場合、パッチアレイアンテナからの放射に加え、給電線路の曲折部や分岐部などの不連続部からも不要輻射が放射されるため、指向性が低下するという問題がある。このような問題は、特許文献１に記載されているように、給電線路の上部をシールド部材で覆うことによって解消することができる。

その他、給電線路周辺をシールド部材で覆うことによって不要輻射を防止する技術としては、特許文献２に記載された技術が知られている。
特開平８−１６７８１２号公報 特開平９−１３５１１８号公報

しかしながら、不要輻射の発生源は給電線路の曲折部や分岐部だけではなく、パッチアレイアンテナと高周波回路の接続線路や、高周波回路同士を接続する接続線路も不要輻射の発生源となる。このような不要輻射を抑制するためには、これら接続線路を覆うシールド部材を設ければよいが、高周波回路とパッチアレイアンテナとが誘電体基板の異なる表面に形成されたタイプのアンテナ装置においては、誘電体基板の両面にシールド部材を設ける必要が生じ、部品点数の増大や、アンテナ装置の厚さの増大をもたらすという問題があった。

一方、高周波回路とパッチアレイアンテナとを誘電体基板の同一表面に形成すれば、シールド部材は一つで足りるが、このような配置を行うとノイズが大幅に増大してしまうおそれがある。また、誘電体基板に必要とされる面積も増大するため、アンテナ装置の実装面積の増大をもたらすという問題もあった。

本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたものであって、部品点数の増大や装置全体の大型化をもたらすことなく、アンテナ装置の不要輻射を低減することを目的とする。

本発明によるアンテナ装置は、一方の面に高周波回路が搭載され、他方の面にパッチアンテナ、前記パッチアンテナに接続された給電線路及び前記高周波回路に接続された高周波接続線路が形成された誘電体基板と、前記誘電体基板の前記他方の面側に設けられ、前記給電線路及び前記高周波接続線路の少なくとも一部を覆うシールド部材とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、誘電体基板の他方の面側に設けられたシールド部材によって、給電線路と高周波接続線路の少なくとも一部が覆われていることから、シールド部材を誘電体基板の両面に設ける必要がなくなる。これにより、部品点数の増大や装置全体の大型化を抑制しつつ、不要輻射によるノイズの影響を低減することが可能となる。高周波接続線路は、誘電体基板の前記一方の面側から前記他方の面側へ、スルーホール電極を介して引き出せばよい。

本発明において、パッチアンテナは送信側パッチアンテナ及び受信側パッチアンテナを含み、前記シールド部材には、前記送信側パッチアンテナを露出させる開口部と、前記受信側パッチアンテナを露出させる開口部とが、別個に設けられていることが好ましい。これによれば、送信側パッチアンテナと受信側パッチアンテナとがシールド部材の一部分によって分断されることから、送信側パッチアンテナから受信側パッチアンテナへ直接入力される電波を大幅に低減することが可能となる。

本発明では、誘電体基板の前記一方の面に高周波回路を取り囲むグランドパターンを設けることが可能である。これは、高周波接続線路が誘電体基板の他方の面側に設けられているためであり、これにより、高周波接続線路の引き回しは、誘電体基板の一方の面において平面的に行うのではなく、他方の面側に一旦引き出された後、当該他方の面側にて引き回すことが可能となる。その結果、このグランドパターンに接するようなシールドケースを設ければ、シールドケースによって高周波回路を隙間無く覆うことが可能となり、高周波回路から発生する不要輻射についても効果的にシールドすることが可能となる。

本発明において、シールド部材には、給電線路及び高周波接続線路を覆う部分に溝部が形成されていることが好ましい。これによれば、シールド部材と給電線路及び高周波接続線路との接触を防止することが可能となる。

本発明において、誘電体基板の前記他方の面のうち、シールド部材によって覆われる領域は、給電線路及び高周波接続線路の周囲を除くほぼ全面に、シールド部材と接触するグランドパターンが設けられていることが好ましい。これによれば、シールド部材にグランド電位を与えることが可能となる。

本発明において、誘電体基板の前記一方の面には、ベースバンド信号を取り扱うベースバンド回路が設けられており、誘電体基板の前記他方の面には、ベースバンド回路と高周波回路との接続を行うベースバンド信号線路がさらに設けられており、シールド部材は、ベースバンド信号線路の少なくとも一部をさらに覆っていることが好ましい。これによれば、ベースバンド信号線路についてもシールド部材によって覆われるため、不要輻射の影響をさらに低減することができるのみならず、誘電体基板の前記一方の面にほとんど配線を形成する必要がなくなることから、誘電体基板の前記一方の面の構造を極めて単純化することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、誘電体基板の他方の面側に設けられたシールド部材によって、給電線路と高周波接続線路の少なくとも一部が覆われていることから、シールド部材を誘電体基板の両面に設ける必要がなくなる。これにより、部品点数の増大や装置全体の大型化を抑制しつつ、不要輻射をもたらす部分を被覆することにより、ノイズの影響を低減することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置を示す略斜視図であり、（ａ）は放射面側斜め方向から見た図、（ｂ）は裏面側斜め方向から見た図である。また、図２は、本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置の分解斜視図である。

図１（ａ），（ｂ）及び図２に示すように、本実施形態によるアンテナ装置は、誘電体基板１００と誘電体基板１００の表面（放射面）１００ａに設けられたシールド部材２００によって構成され、誘電体基板１００及びシールド部材２００の少なくとも角部近傍に配置された固定ネジ３００によって、両部材は機械的に固定されている。

誘電体基板１００は、放射面１００ａ及びその裏面である部品実装面１００ｂを有する単層の基板である。図１（ａ）及び図２に示すように、誘電体基板１００の放射面１００ａには、複数のパッチアンテナ素子からなる送信側パッチアレイアンテナ１１０及び受信側パッチアレイアンテナ１２０と、送信側パッチアレイアンテナ１１０に分配接続された給電線路１３１と、受信側パッチアレイアンテナ１２０に分配接続された給電線路１３２と、高周波接続線路１４１〜１４５とが形成されている。また、これらパッチアレイアンテナ１１０，１２０、給電線路１３１，１３２及び高周波接続線路１４１〜１４５が形成されていない余白領域のほぼ全面には、グランドパターン１５０が形成されている。

一方、図１（ｂ）に示すように、誘電体基板１００の部品実装面１００ｂには、高周波信号を取り扱う複数の高周波回路（１６１〜１６４）が搭載されている他、これら高周波回路よりも低周波の信号を取り扱うベースバンド回路が形成されたサブ基板１８０が搭載されている。本実施形態では、誘電体基板１００の部品実装面１００ｂに搭載されている高周波回路は、発振回路１６１と、出力回路１６２と、ローノイズアンプ（ＬＮＡ）１６３と、ミキサ回路１６４の４つである。高周波信号の周波数としては、車載用のショートレンジレーダー装置として利用する場合、例えば２４ＧＨｚ程度に設定される。

後述するが、これら高周波回路のうち、出力回路１６２には変調回路及びパワーアンプが含まれており、ミキサ回路１６４には９０度位相器及び第１及び第２のミキサが含まれている。発振回路１６１、出力回路１６２、ＬＮＡ１６３及びミキサ回路１６４はいずれもワンチップに集積された回路部品であり、それぞれ環状のグランドパターン１７１〜１７４に取り囲まれた領域内に配置されている。尚、これらグランドパターン１７１〜１７４は、対応するチップ（１６１〜１６４）を完全に取り囲んでおり、部品実装面１００ｂ上で配線を通過させるための切り込みなどは設けられていない。

また、シールド部材２００は、アルミニウム（Ａｌ）などの導電性材料によって構成された不要輻射遮断用の部材であり、図１（ａ）及び図２に示すように、送信側パッチアレイアンテナ１１０に対応して設けられた送信側開口部２１０と、受信側パッチアレイアンテナ１２０に対応して設けられた受信側開口部２２０とを有しており、これら開口部２１０，２２０は互いに別個に設けられている。シールド部材２００を誘電体基板１００に取り付けると、図１（ａ）に示すように、送信側パッチアレイアンテナ１１０は送信側開口部２１０を介して露出し、受信側パッチアレイアンテナ１２０は受信側開口部２２０を介して露出した状態となる。

一方、誘電体基板１００の放射面１００ａに形成された他の導体、すなわち、給電線路１３１，１３２、高周波接続線路１４１〜１４５及びグランドパターン１５０の大部分は、シールド部材２００によって覆われた状態となる。本実施形態においては、給電線路１３１，１３２の一部、並びに、高周波接続線路１４１〜１４５の全部がシールド部材２００によって覆われ、これにより、給電線路１３１，１３２の曲折部や分岐部などの不連続部から生じる不要輻射や、高周波接続線路１４１〜１４５から生じる不要輻射がシールド部材２００によって遮られる。

図３は、シールド部材２００を裏面（誘電体基板１００と向き合う面）側から見た略平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った略断面図である。

図３に示すように、シールド部材２００の裏面には、給電線路１３１，１３２を覆う部分に溝部２３１，２３２がそれぞれ形成されており、高周波接続線路１４１〜１４５を覆う部分に溝部２４１〜２４５がそれぞれ形成されている。これら溝部２３１，２３２，２４１〜２４５により、シールド部材２００を誘電体基板１００に重ねた場合において、シールド部材２００とグランドパターン１５０とが接触する一方で、シールド部材２００と給電線路１３１，１３２及び高周波接続線路１４１〜１４５との接触が防止されている。その他の部分にもいくつかの溝部を形成することによってシールド部材２００の軽量化を図っても構わない。

図５は、本実施形態によるアンテナ装置に含まれる各回路の接続関係を説明するためのブロック図である。

図５に示すように、本実施形態によるアンテナ装置は、自律的に無線信号の送信を行ってその反射信号を受信し、受信した反射信号を復調して外部回路へ供給することにより、障害物との距離を計測するための装置である。

送信すべき高周波信号は、発振回路１６１によって生成されるキャリア信号Ｃに、パルス発生回路１８１からのパルス信号Ｐを重畳させることによって生成される。パルス発生回路１８１は、サブ基板１８０内に形成されたベースバンド回路の一部である。かかる重畳動作は出力回路１６２に含まれる変調回路１６１ａによって行われ、その出力が出力回路１６２に含まれるパワーアンプ１６１ｂによって増幅された後、送信側パッチアレイアンテナ１１０へと供給される。ここで、発振回路１６１から出力回路１６２（変調回路１６２ａ）に供給されるキャリア信号Ｃ、並びに、出力回路１６２（パワーアンプ１６２ｂ）から送信側パッチアレイアンテナ１１０に供給される信号はいずれも高周波信号であり、これらの伝送には高周波接続線路１４１，１４２がそれぞれ用いられる。上述の通り、高周波接続線路１４１，１４２はいずれも誘電体基板１００の放射面１００ａ側に形成されており、このため、シールド部材２００によって覆われることになる。但し、シールド部材２００との間には溝部２４１，２４２が介在することから、接続線路１４１，１４２とシールド部材２００とが接触することはない。

一方、受信側パッチアレイアンテナ１２０によって受信した反射信号は、ＬＮＡ１６３によって増幅された後、ミキサ回路１６４に含まれる９０度位相器１６４ａによって位相が９０度異なる２つの信号に分配される。分配された信号は、第１のミキサ１６４ｂ及び第２のミキサ１６４ｃにそれぞれ供給され、発振回路１６１からのキャリア信号Ｃとのミキシングにより復調される。復調された信号は、サブ基板１８０内に形成された中間周波回路１８２，１８３にそれぞれ供給され、所定の処理が行われた後、信号処理回路１８４へと供給され、パルス発生回路１８１からのパルス信号Ｐとの比較により、障害物との距離が算出される。算出結果は、図示しない外部回路へと供給される。

特に限定されるものではないが、このようなアンテナ装置は、車載用のショートレンジレーダー装置としての利用が好適である。本実施形態によるアンテナ装置を車載用のショートレンジレーダー装置として利用すれば、例えば図６に示すように、ショートレンジレーダー装置２０によって、自車１０と先行車両１１との距離Ｄを正確に検出することが可能となることから、ドライバーに注意を促したり、さらには、避けられない衝突が迫っていることを検知してシートベルトを締め付けるなどのプレクラッシュ制御を行うことが可能となる。

次に、誘電体基板１００の構成についてより詳細に説明する。

図７は、誘電体基板１００の放射面１００ａ側の主要部の構造をより詳細に示す略平面図である。図７においては、図面の見やすさを考慮して、グランドパターン１５０については図示を省略してある。また、図８は、誘電体基板１００の部品実装面１００ｂ側の主要部の構造をより詳細に示す略平面図である。図８においては、図面の見やすさを考慮して、サブ基板１８０については図示を省略してある。

図７に示すように、放射面１００ａに形成された高周波接続線路１４１〜１４５は、それぞれ１つ又は２つのスルーホール電極を介して、部品実装面１００ｂに搭載された対応する高周波回路と接続されている。具体的に説明すると、高周波接続線路１４１は、スルーホール電極１４１ａを介して発振回路１６１に接続されているとともに、スルーホール電極１４１ｂを介して出力回路１６２に接続されている。また、高周波接続線路１４２は、スルーホール電極１４２ａを介して出力回路１６２に接続されている。さらに、高周波接続線路１４３は、スルーホール電極１４３ａを介してＬＮＡ１６３に接続されている。また、高周波接続線路１４４は、スルーホール電極１４４ａを介してＬＮＡ１６３に接続されているとともに、スルーホール電極１４４ｂを介してミキサ回路１６４に接続されている。そして、高周波接続線路１４５は、スルーホール電極１４５ａを介して発振回路１６１に接続されているとともに、スルーホール電極１４５ｂを介してミキサ回路１６４に接続されている。

スルーホール電極が設けられている箇所は、いずれも、部品実装面１００ｂ側において高周波回路（１６１〜１６４）が実装されている領域、すなわち、図８に示すように、グランドパターン１７１〜１７４に取り囲まれた領域内に位置している。このように、高周波回路（１６１〜１６４）に接続された高周波接続線路の引き回しは、誘電体基板１００の部品実装面１００ｂにおいて平面的に行われるのではなく、部品実装面１００ｂからみて裏面である放射面１００ａ側に一旦引き出された後、放射面１００ａ側にて引き回される。このため、部品実装面１００ｂ側には高周波接続線路が形成されず、その結果、部品実装面１００ｂ側からの不要輻射は大幅に低減する。これにより部品実装面１００ｂ側をシールド部材などで覆う必要がなくなることから、部品点数の増大や装置全体の大型化を抑制することが可能となる。

しかも、上記の構成によれば、各高周波回路（１６１〜１６４）を環状のグランドパターン１７１〜１７４によって完全に取り囲むことができる。このため、図９に示すように、各高周波回路（１６１〜１６４）をそれぞれ導電性のシールドケース１９１〜１９４によって隙間無く覆うことが可能となる。つまり、部分断面図である図１０に示すように、シールドケース１９１〜１９４の全周縁部を環状のグランドパターン１７１〜１７４に接触させることが可能となり、非常に高いシールド効果を得ることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によるアンテナ装置は、誘電体基板１００の放射面１００ａを覆うシールド部材２００を備えており、このシールド部材２００によって給電線路１３１，１３２が覆われるとともに、誘電体基板１００の放射面１００ａ側に引き出された高周波接続線路１４１〜１４５が覆われていることから、部品実装面１００ｂ側をシールド部材などで覆う必要がなくなる。これにより、部品点数の増大や装置全体の大型化を抑制しつつ、不要輻射によるノイズの影響を低減することが可能となる。

しかも、高周波回路の実装面上において高周波回路間を接続するための線路の引き回しが不要となり、各高周波回路（１６１〜１６４）を環状のグランドパターン１７１〜１７４によって完全に取り囲むことができることから、シールドケース１９１〜１９４によって各高周波回路（１６１〜１６４）を隙間無く覆うことが可能となり、高周波回路（１６１〜１６４）から発生する不要輻射についても効果的にシールドすることが可能となる。

また、シールド部材２００の開口部が送信側開口部２１０と受信側開口部２２０に分割されていることから、計測対象である障害物（例えば先行車両）に到達することなく、送信側パッチアレイアンテナ１１０から受信側パッチアレイアンテナ１２０へ直接入力される電波を大幅に低減することが可能となる。つまり、送信電波の直接的な回り込みによる近距離からの反射信号受信妨害や、最小検出距離の低下のような、受信利得の低下を低減することができる。

尚、上記実施形態では、誘電体基板１００の放射面１００ａ側にて高周波接続線路１４１〜１４５を引き回しているが、ベースバンド回路と高周波回路との接続を行うベースバンド信号線路についても、同様にスルーホール電極を介して誘電体基板１００の放射面１００ａ側に引き出し、放射面１００ａ側で引き回すことが望ましい。これによれば、ベースバンド信号線路についてもシールド部材２００によって覆われるため、不要輻射の影響をさらに低減することができるのみならず、誘電体基板１００の部品実装面１００ｂにほとんど配線を形成する必要がなくなることから、部品実装面１００ｂの構造を極めて単純化することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態によるアンテナ装置は、送信側パッチアレイアンテナ１１０及び受信側パッチアレイアンテナ１２０の両方を備えているが、本発明は送信側パッチアレイアンテナのみを備えた送信専用のアンテナ装置に適用することも可能であるし、受信側パッチアレイアンテナのみを備えた受信専用のアンテナ装置に適用することも可能である。

また、上記実施形態によるアンテナ装置では、シールド部材２００に接触防止用の溝部が設けられているが、シールド部材２００と高周波接続線路１４１〜１４５等との接触を防止できる限りにおいて、このような溝部は必須でない。例えば、溝部を設ける代わりにシールド部材２００にいくつかの突起部を設け、これによってシールド部材２００の主面と誘電体基板１００の放射面１００ａとを僅かに離間させても構わない。

本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置を示す略斜視図であり、（ａ）は放射面側斜め方向から見た図、（ｂ）は裏面側斜め方向から見た図である。 本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置の分解斜視図である。 シールド部材２００を裏面（誘電体基板１００と向き合う面）側から見た略平面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿った略断面図である。 本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置に含まれる各回路の接続関係を説明するためのブロック図である。 本発明の好ましい実施形態によるアンテナ装置を車載レーダー装置としての利用した例を説明するための模式図である。 誘電体基板１００の放射面１００ａ側の主要部の構造をより詳細に示す略平面図である。 誘電体基板１００の部品実装面１００ｂ側の主要部の構造をより詳細に示す略平面図である。 高周波回路（１６１〜１６４）をシールドケース１９１〜１９４によって覆った状態を示す略斜視図である。 高周波回路（１６１〜１６４）をシールドケース１９１〜１９４によって覆った状態を示す部分断面図である。

符号の説明

１０ 自車
１１ 先行車両
２０ ショートレンジレーダー装置
１００ 誘電体基板
１００ａ 放射面（他方の表面）
１００ｂ 部品実装面（一方の表面）
１１０ 送信側パッチアレイアンテナ
１２０ 受信側パッチアレイアンテナ
１３１，１３２ 給電線路
１４１〜１４５ 高周波接続線路
１４１ａ，１４１ｂ，１４２ａ，１４３ａ，１４４ａ，１４４ｂ，１４５ａ，１４５ｂ スルーホール電極
１５０ グランドパターン
１６１ 発振回路
１６１ａ 変調回路
１６１ｂ パワーアンプ
１６２ 出力回路
１６２ａ 変調回路
１６２ｂ パワーアンプ
１６３ ＬＮＡ
１６４ ミキサ回路
１６４ａ ９０度位相器
１６４ｂ 第１のミキサ
１６４ｃ 第２のミキサ
１７１〜１７４ グランドパターン
１８０ サブ基板
１８１ パルス発生回路
１８２，１８３ 中間周波回路
１８４ 信号処理回路
１９１〜１９４ シールドケース
２００ シールド部材
２１０ 送信側開口部
２２０ 受信側開口部
２３１，２３２，２４１〜２４５ 溝部
３００ 固定ネジ

Claims (7)

1. 一方の面に複数の高周波回路が搭載され、他方の面にパッチアンテナ、前記パッチアンテナに接続された給電線路及び前記複数の高周波回路を相互に接続する高周波接続線路が形成された誘電体基板と、
   前記誘電体基板の前記他方の面側に設けられ、前記給電線路及び前記高周波接続線路の少なくとも一部を覆うシールド部材とを備えることを特徴とするアンテナ装置。
   
   
2. 前記高周波接続線路は、前記誘電体基板の前記一方の面側から前記他方の面側へ、スルーホール電極を介して引き出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. 前記パッチアンテナは、送信側パッチアンテナ及び受信側パッチアンテナを含み、前記シールド部材には、前記送信側パッチアンテナを露出させる開口部と、前記受信側パッチアンテナを露出させる開口部とが、別個に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記誘電体基板の前記一方の面には、前記高周波回路を取り囲むグランドパターンが設けら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. 前記グランドパターンに接するように、前記高周波回路を覆うシールドケースをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記シールド部材には、前記給電線路及び前記高周波接続線路を覆う部分に、接触防止用の溝部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記誘電体基板の前記他方の面のうち、前記シールド部材によって覆われる領域は、前記給電線路及び前記高周波接続線路の周囲を除くほぼ全面に、前記シールド部材と接触するグランドパターンが設けられてい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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