JP4511406B2 - 空中線装置 - Google Patents

Description

本発明は、ミリ波通信およびセンシング等に用いる空中線装置等に関する。

近年、ミリ波等の高周波を用いた通信システムやセンシングシステムのニーズが高まってきた。これらのシステムにおけるミリ波通信においてはＵＷＢ（Ultra Wide Band）という広帯域な通信システムのニーズが高まっている。またセンシングシステムにおいてはパッシブミリ波イメージングのニーズが高まっている。

このような広帯域なミリ波システムを実現するためには広帯域なアンテナおよび回路が必要である。広帯域なアンテナとしては導波管型（例えばホーンアンテナ）のアンテナがある。また、回路としてはマイクロストリップ型の回路がある。このホーンアンテナで捕らえたミリ波をマイクロストリップ回路に送るためには導波管／マイクロストリップ変換機構が必要となる。

従来、広帯域なミリ波アンテナ、回路構成に関するものとして下記の特許文献１および特許文献２に開示されている構成がある。これらにおいて開示されているアンテナは平面アンテナであるが、平面アンテナであるためにアンテナで捕らえたミリ波を検知する回路をアンテナと同一の基板で構成することが可能であり、導波管アンテナの場合に必要となる導波管／マイクロストリップ変換機構が不要である。

また、別の従来技術としてIEEE Transactions on Antennas and Propagation Vol.38, No.9, September 1990のpp1473-1482に開示されている導波管ホーンと平面アンテナとを組み合わせた構造がある。この構造は、導波管ホーンアンテナを用いられており、かつホーンアンテナの内部にミリ波の伝搬方向に対して垂直にメーンブレーン（薄膜）が設けられ、メーンブレーン状に平面アンテナが配置された構造となっている。このことにより、奥行き方向の小型化が図られている。
特開平１１−１６３６２６号公報 特開平１１−３３０８４６号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２で開示されている技術は、アンテナはその指向性が基板に水平な方向となるエンドファイアー型であるため、このアンテナを用いてミリ波受信のためのモジュールを構成する場合は、そのモジュールが導波管の奥行き方向に長くなってしまう。これは受信ユニットを小型化する上で不利である。

また、IEEE Transactions on Antennas and Propagation Vol.38, No.9, September 1990のpp1473-1482に開示されている技術は、シリコン酸化膜のメーンブレーンをホーン内に浮かせる構造であるため、非常に構造が複雑である。

本発明はこのような点に鑑み、ミリ波通信システム、ミリ波センシングシステム等において、簡便堅牢な構成で十分に帯域が広く、かつ小型化できる空中線装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の空中線装置は、高周波を受信、送信又は送受信する空中線装置であって、高周波を透過し、この透過する高周波を屈折する誘電体レンズと、誘電体レンズの物標側の面と反対側の面に対面して配置され、高周波を導波するための貫通された孔を有する金属板と、金属板の誘電体レンズと対面する側と反対側の面に当接して配置される誘電体基板と、誘電体基板の金属板側と反対側の面上に設けられたマイクロストリップ線路とを備える。誘電体基板は、少なくとも孔の開口部に対応する位置に配置されている。マイクロストリップ線路の一端は、孔を略同内寸で誘電体基板側に延長した場合の仮想的な孔内に突出するように構成されている。さらに、孔の位置から誘導体基板を挟んだ対称の位置に、マイクロストリップ線路と接触しないように空隙を設けて当該マイクロストリップ線路を囲んでなる金属部材が設けられている。マイクロストリップ線路は、高周波が空隙に進入して金属部材の内壁で反射することによって生じる定在波の腹の部分に仮想的な孔内に突出した一端が位置するように突出位置及び突出量が決定されてなることを特徴とする。なお、ここで言う「孔」というのは、その断面形状が、円形、矩形等、どのような形状であってもよい。

このような空中線装置によれば、自由空間を伝搬する微弱な高周波が孔に進入すると誘電体基板を透過して金属部材にまで達し、そしてその金属部材によって高周波が反射されて定在波が生じる。そして、この定在波の腹の部分にマイクロストリップ線路の一端が位置するように平面線路の設置位置を調整することにより、微弱な高周波を広帯域かつ高効率にマイクロストリップ線路を伝搬する高周波へと変換することができる。また、本発明の空中線装置は、上述したように板状の構成物によって構成されるため、従来の空中線装置と比較して非常に小型化することができる。

マイクロストリップ線路を囲む金属部材によって形成される空隙の存在により、空隙内で高周波が反射されて効果的に定在波のエネルギーが高められ、結果的に高効率な特性を有する空中線装置が得られる。
なお、このような空隙は、誘電体基板と平行な面において、孔の断面形状と同一の大きさの矩形であり、その矩形における短い辺の方が、前記平面線路の線路方向と平行であるとよい。仮に、空隙の断面積の方が、孔の断面積よりも著しく小さい場合は、空隙部分でない金属板の部分で高周波の反射が起こり、エネルギーの損失が発生することが考えられる。したがって、空隙と孔の断面形状が同一であれば、このような反射の発生を防止することができる。また、断面形状が矩形であることにより、矩形の短辺方向の偏波面を持つ高周波を選択して孔に入力させることが可能となる。これらの結果、平面線路の線路方向と偏波面とが一致し、変換効率が向上する。

また、請求項１に記載の空中線装置を、孔の開口方向を揃えて複数並べることによって空中線装置群を構成させてもよい（請求項２）。

このようになっていれば、所望の指向性を十分に得やすく、所望の利得も得やすい。また、各空中線装置からの信号を処理することにより映像化することも可能となる。
また、空中線装置の孔の開口方向近傍に誘電体レンズを配置するようにするとよい。なお、誘電体レンズ一つにより、全ての空中線装置群をまかなうようになっていてもよいし、誘電体レンズを個々の空中線装置毎に孔の開口部近傍に配置するようにしてもよい。

このように凸型の誘電体レンズを配置することにより、球面波や円筒波を平面波に変換することができ、近傍の高周波発生源からの高周波を効率よく平面線路へ伝搬させることができる。

以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。尚、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。

［前提］
任意の物体からは、その温度とその表面の材質等によって決まる電磁波が放射されている（プランクの放射法則）。この放射電磁波のピーク電力は赤外光の領域にあるが、ミリ波帯、マイクロ波帯といった電波帯域にも微弱な放射電磁波がある。ミリ波帯での放射電力は数式１で表すことができる（Rayleigh-Jeanの近似式）。

ここでｋ［Ｊ／Ｋ］はボルツマン定数、Δｆ［Ｈｚ］は観測帯域幅、Ｔ［Ｋ］はターゲットの物理温度、εは放射率である。
近年、このミリ波帯での放射電力を受信することにより、物体の形状を認識するパッシブミリ波イメージングセンサのニーズが高まりつつある。ミリ波は可視光に対して霧中での透過率が高いためにパッシブミリ波イメージングセンサは天候に左右されないイメージングセンサとして期待が高まっている。

ところで数式１で明らかなように放射電力は非常に微弱である．たとえば３００［Ｋ］の黒体（放射率が１）から放射される電力は１［ＧＨｚ］あたりで４［ｐＷ］程度である。

また数式１で明らかなように放射電力は観測帯域幅に比例して大きくなる。このため受信電力を大きくするためには受信帯域を広くする必要がある。このためにパッシブミリ波イメージングセンサの受信機のＲＦ部の帯域は広い必要がある。

また一方で、パッシブミリ波イメージングセンサは一般に体格が大きく、小型化の期待が高い。そこで今回の発明においては小型で広帯域なパッシブミリ波イメージングセンサを構成する空中線装置としての高周波モジュール群を開示する。

［実施形態１の構成］
図１は、検知対象である車両１９および実施形態１の高周波モジュール群１１の概略構成を示した説明図である。高周波モジュール群１１は、凸型の誘電体レンズ１３と、アレイ部１５とから構成され、車両１９から放射されるミリ波帯の放射電力（高周波）を、誘電体レンズ１３を介してアレイ部１５の各高周波モジュール１７が受信するような構成となっている。

誘電体レンズ１３は、凸型の形状をした誘電体（例えばポリエチレン）から構成されている。なお、レンズの厚さは、誘電体素材の屈折率や検知対象物とアレイ部１５との距離に応じて決定するとよい。具体的には、検知対象物から発せられる高周波が誘電体レンズ１３を透過することにより屈折されて平面波になるように決定するとよい。

アレイ部１５は、開口部の開口方向が揃えられた複数の高周波モジュール１７から構成され、これらの高周波モジュール１７自体は、円盤形状の金属板２１，２３とそれらに挟まれた円盤形状の誘電体基板２２とから主に構成される。

次に、高周波モジュール１７を一つだけ取り出し、図２を用いて詳細に説明する。図２（ａ）は、高周波モジュール１７の正面図（誘電体レンズ１３側から眺めた図）であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ１−Ａ２断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ｂ）のＢ１−Ｂ２断面図である。

ここでは主に図２（ｂ）を用いて高周波モジュール１７の構成を説明する。高周波モジュール１７は、上述した通り、主に金属板２１，２３とそれらに挟まれた誘電体基板２２とから構成されるが、それらに加え、マイクロストリップ線路２６および高周波回路２７を備える。

金属板２１には、貫通する孔２４が設けられている。この孔２４の断面（Ｃ１−Ｃ２で切断した際の断面）は、誘電体基板２２から所定位置２４ａまでは同一の内寸を有する矩形（例えば長辺３．１ｍｍ、短辺１．５５ｍｍ）であり、その所定位置２４ａを過ぎた箇所から開口部２４ｂまでは内寸がなだらかに拡大した矩形（例えば開口部２４ｂでは長辺９．４ｍｍ、短辺６．６ｍｍ）となっている。したがって、孔２４はストレート部を有するホーン型の導波管アンテナとしての役割を果たす。

金属板２３には、孔２４に対して誘電体基板２２を挟んで対称な位置に、直方体形状を有する空隙２５が設けられている。この空隙２５の断面（Ｄ１−Ｄ２で切断した際の断面）は、孔２４の断面（Ｃ１−Ｃ２で切断した際の断面）と同一の断面を有する。

また、金属板２３には、空隙２５から図２（ｂ）の下方へ誘電体基板２２に沿って空洞２８が設けられている。なお、この空洞２８は、マイクロストリップ線路２６に接触しない程度の大きさを有する内寸を有するものである。

誘電体基板２２の金属板２３側には、上述した空洞２８内に収まる形でマイクロストリップ線路２６および高周波回路２７が配置されている。
マイクロストリップ線路２６は、上述した通り、誘電体基板２２上に配置されているがその一端が空隙２５に突出して配置されている。なお、この突出位置や突出量は、検知対象の高周波が空隙２５内に進入して反射することによって生じる定在波の腹の部分に、ちょうどマイクロストリップ線路２６の一端が位置するようになっていように決定するとよい。なお、空隙２５は、特許請求の範囲で言うところの「仮想的な孔」内に位置し、マイクロストリップ線路２６は、この「仮想的な孔」内に突出していることとなる。

高周波回路２７は、検波回路等から構成された回路であり、マイクロストリップ線路２６に接続され、マイクロストリップ線路２６を伝搬する高周波を入力して所定の信号を出力する回路である。

［実施形態１の作用・効果］
このような高周波モジュール１７によって構成された高周波モジュール群１１によれば、検知対称である車両１９から放射された微弱な高周波が誘電体レンズ１３によって平面波に変換されて孔２４に進入する。そして、進入した高周波は誘電体基板２２を透過して金属板２３にまで達し、金属板２３に設けられた空隙２５内の壁によって反射されて空隙２５内に定在波が生じる。この定在波の腹の部分にマイクロストリップ線路２６の一端が位置するようになっているため、微弱な高周波を広帯域かつ高効率にマイクロストリップ線路２６を伝搬する高周波へと変換し、高周波回路２７によって検波されて信号として出力させることができる。

また、高周波モジュール群１１は、図１に示したように円盤状の金属板２１，２３および誘電体基板２２によって構成されているため、円盤の軸方向に対して薄くすることができるため、従来のものと比較して小型化することができる。

また、この孔２４の断面（Ｃ１−Ｃ２で切断した際の断面）は矩形であるため、矩形の短辺方向の偏波面を持つ高周波を選択して孔２４に入力させることが可能となる。したがって、偏波面とマイクロストリップ線路２６の線路方向とが一致し、変換効率が向上する。

［他の実施形態］
（１）実施形態２
次に、他の実施形態について説明する。実施形態２は、高周波モジュール１７のマイクロストリップ線路２６の空隙２５への突出位置が、上記実施形態の高周波モジュール１７のものと比較して正面側から見た空隙２５の中心位置からシフトした実施形態である。

つまり、図３（ａ）の高周波モジュール１７の正面図（誘電体レンズ１３側から眺めた図）に示すように、マイクロストリップ線路２６の突出位置が図面左側にシフトしている。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ１−Ａ２断面図であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＢ１−Ｂ２断面図である。

ここで、マイクロストリップ線路２６の突出位置のシフト量について説明するが、まず、高周波モジュール１７の反射特性について説明する。図６は、実施形態２の高周波モジュール１７の反射特性（Ｓ１１）と透過特性（Ｓ２１）についての実験結果および計算（シミュレーション）結果を示すグラフである。ここで言う「反射特性」というのは、孔２４に対して正面側から高周波を入力した際に得られる反射波についての周波数に応じた入出力電力比である。すなわち、この反射波の入出力電力比が低ければ反射によって失われる電力（エネルギー）損失が低いことを意味する。また、「透過特性」というのは、孔２４に対して正面側から高周波を入力した際に金属板２１、誘電体基板２２、金属板２３を透過する高周波についての周波数に応じた入出力電力比である。図６のグラフでは、反射波の入出力電力比が落ち込む周波数帯が大きく２箇所（７３ＧＨｚ近辺および８２ＧＨｚ近辺）あるが、このように入出力電力比が落ち込む箇所が２箇所あると、１箇所である場合と比較して高周波帯における反射波の入出力電力比の低い周波数帯が広がる（矢印Ｅの幅が広がる）結果となる。したがって、このように反射波の入出力電力比が落ち込む周波数帯が２箇所出現するように高周波モジュール１７を構成するとよいことがわかる。

続いて図７に説明を移す。図７（ａ）に示すグラフは、マイクロストリップ線路２６のシフト量に応じた共振周波数の特性を示す実験結果および計算（シミュレーション）結果のグラフである。図７（ｂ）は、図３（ａ）の一部を拡大した図であるが、孔２４を正面から見た際の孔２４の最深部の長辺は３．１ｍｍあり、マイクロストリップ線路２６のシフト量というのは矢印Ｆによって示される長さｄである。

図７（ａ）からわかるように、実験結果を考慮すれば長さｄが０．３０ｍｍ〜０．４５ｍｍの範囲で２つの共振点が表れ、この範囲であれば、反射波の入出力電力比が落ち込む周波数帯が広がることとなる。

また、図８は、マイクロストリップ線路のシフト量に応じた反射特性を示す実験結果および計算（シミュレーション）結果のグラフである。図８のグラフからわかるように、測定結果を考慮すれば長さｄが０．３０ｍｍから０．４５ｍｍの範囲であれば、反射波の入出力電力比が−２０ｄＢ以下である周波数帯が比較的広くなる。

これらの結果から、長辺の全長に対して１０％〜１５％程度、マイクロストリップ線路２６の突出位置を中心位置からシフトさせると反射損失が少なくなり、高効率な高周波モジュールが得られることがわかる。

（２）実施形態３
実施形態３は、図４（ｂ）に示すように、金属板２３に設けられた空隙２５の誘電体基板２２によって塞がれている部分に壁部２３ａが設けられていることを特徴とする実施形態である。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）の高周波モジュール１７の正面図（誘電体レンズ１１側から眺めた図）におけるＡ１−Ａ２断面図であり、図４（ｃ）は、図４（ｂ）のＢ１−Ｂ２断面図である。

壁部２３ａについて詳しく説明すると、壁部２３ａは直方体形状を有し、空隙２５の誘電体基板２２が無ければ開口部（以下、単に「開口部」という。）となる部分におけるマイクロストリップ線路２６ａの突出位置とは反対側に設けられている。なお、この壁部２３ａを構成する直方体形状は、その長辺が、開口部の開口面の長辺と同寸となっている。また、この壁部２３ａは、金属板２３ａと同一の材質である。

ここで、壁部２３ａの延出量について説明する。図９（ａ）は、壁部２３ａの延出量に応じた共振周波数の特性を示す実験結果および計算（シミュレーション）結果のグラフである。図９（ｂ）は、図４（ａ）の一部を拡大した図であるが、孔２４を正面から見た際の孔２４の最深部の短辺は１．５５ｍｍであり、壁部２３ａの延出量というのは矢印Ｇによって示される長さｐである。

図９（ａ）からわかるように、実験結果を考慮すれば長さｐが０．５ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲で２つの共振点が表れ、この範囲であれば、上記他実施形態２のものと同様、反射波の入出力電力比が落ち込む周波数帯が広がることとなる。

また、図１０は、壁部の延出量に応じた反射特性を示す実験結果および計算（シミュレーション）結果のグラフである。図１０のグラフからわかるように、測定結果を考慮すれば長さｐが０．４８ｍｍ〜０．５６ｍｍの範囲であれば、反射波の入出力電力比が−２０ｄＢ以下である周波数帯が広いことがわかる。

これらの結果から、開口部の短辺の全長に対して３０％〜４０％程度の範囲内で壁部２３ａを突出させると反射損失が少なくなり、高効率な高周波モジュールが得られることがわかる。

（３）実施形態４
実施形態４は、上述した実施形態２および実施形態３の特徴を併せ持った実施形態である。つまり、図５（ａ）の高周波モジュール１７の正面図（誘電体レンズ１３側から眺めた図）に示すように、マイクロストリップ線路２６の突出位置が図面左側にシフトしていると共に、図５（ｂ）（図５（ａ）のＡ１−Ａ２断面図）に示すように、金属板２３に設けられた空隙２５の誘電体基板２２によって塞がれている部分に壁部２３ａが設けられていることとを特徴とする実施形態である。なお、図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＢ１−Ｂ２断面図である。

このように構成すれば、上記実施形態３および実施形態４のそれぞれの特性を有し、さらに高効率な高周波モジュールが得られる。
（４）実施形態５
上記実施形態は何れの実施形態もマイクロストリップ線路２６が空隙２５内に突出するようになっていたが、マイクロストリップ線路２６は、孔２４内に突出するようになっていてもよい。つまり、図１１（図１１（ａ）は高周波モジュール１７の正面図（誘電体レンズ１３側から眺めた図）、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＡ１−Ａ２断面図）に示すように、誘電体基板２２に沿うようにして孔２４内に突出するようになっていてもよい。その場合、図１１（ｂ）に示すように、空洞２８および高周波回路２７も金属板２１側に設けられているとよい。

このような構成の高周波モジュール１７であっても、実施形態１と同様の効果を奏する。
（５）その他
上記各実施形態の説明では、検知対象の物体から放射された高周波を捉えて平面線路（マイクロストリップ線路２６）を伝搬する高周波へ変換する場合（つまり受信の場合）について説明したが、上述した各実施形態の高周波モジュール群１１を高周波の送信について利用してもよいことは言うまでもない。

実施形態の高周波モジュール群の概略構成を示した説明図である。 実施形態１の高周波モジュールを説明するための説明図である。 実施形態２の高周波モジュールを説明するための説明図である。 実施形態３の高周波モジュールを説明するための説明図である。 実施形態４の高周波モジュールを説明するための説明図である。 反射特性と透過特性についての実験結果および計算結果のグラフである。 マイクロストリップ線路のシフト量に応じた共振周波数の特性を示す実験結果および計算結果のグラフである。 マイクロストリップ線路のシフト量に応じた反射特性を示す実験結果および計算結果のグラフである。 壁部の延出量に応じた共振周波数の特性を示す実験結果および計算結果のグラフである。 壁部の延出量に応じた反射特性を示す実験結果および計算結果のグラフである。 実施形態５の高周波モジュールを説明するための説明図である。

符号の説明

１１…高周波モジュール群、１３…誘電体レンズ、１５…アレイ部、１７…高周波モジュール、１９…車両、２１，２３…金属板、２３ａ…壁部、２２…誘電体基板、２４…孔、２５…空隙、２６…マイクロストリップ線路、２７…高周波回路、２８…空洞。

Claims (2)

1. 高周波を受信、送信又は送受信する空中線装置であって、
   高周波を透過し、この透過する高周波を屈折する誘電体レンズと、前記誘電体レンズの物標側の面と反対側の面に対面して配置され、高周波を導波するための貫通された孔を有する金属板と、前記金属板の前記誘電体レンズと対面する側と反対側の面に当接して配置される誘電体基板と、前記誘電体基板の前記金属板側と反対側の面上に設けられたマイクロストリップ線路とを備え、
   前記誘電体基板は、少なくとも前記孔の開口部に対応する位置に配置されており、
   前記マイクロストリップ線路の一端が、前記孔を略同内寸で前記誘電体基板側に延長した場合の仮想的な孔内に突出するように構成されており、
   さらに、前記孔の位置から前記誘導体基板を挟んだ対称の位置に、前記マイクロストリップ線路と接触しないように空隙を設けて当該マイクロストリップ線路を囲んでなる金属部材が設けられ、
   前記マイクロストリップ線路は、高周波が前記空隙に進入して前記金属部材の内壁で反射することによって生じる定在波の腹の部分に前記仮想的な孔内に突出した一端が位置するように突出位置及び突出量が決定されてなること
   を特徴とする空中線装置。
2. 請求項１に記載の空中線装置を、前記孔の開口方向を合わせて複数配列してなる空中線群を構成したことを特徴とする空中線装置。