JP4574679B2 - アンテナ装置またはその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ミリ波帯またはマイクロ波帯におけるアンテナ装置またはその製造方法に関するものである。
アンテナとアンテナを接近させて配置するとアンテナ間に結合が発生し、アンテナの指向性が変化するだけでなく、上位システムの動作に支障を生じる場合がある。例えばレーダでは、送信した電波が直接受信系に漏れ込むと目標物の検出が非常に困難になる。そのため、送信アンテナと受信アンテナ間の結合量を減少させる必要がある。
アンテナ間の結合量を減少させる方法として、従来からアンテナ間にチョークとなる溝を設ける方法が知られており、チョークのインピーダンスを無限大にするという考察に基づいて、チョークとなる溝の深さを0.25λに設定していた(特許文献1参照)。
特開平10−163737号公報
しかし、現実的には、チョークとなる溝の深さを0.25λとしても、送信アンテナから受信アンテナへの結合は存在する。溝によるチョークの効果を高めるには、溝の本数を増やすことで可能だが、送信アンテナと受信アンテナとの距離が近い場合には、溝を構成する本数も限られる。
そこで、アンテナ間に配設された1つ1つの溝によるチョーク構造において、従来の構造よりも送信アンテナと受信アンテナとの結合量をより小さくすることができるアンテナ装置またはその製造方法を得ることを目的とする。
この発明に係るミリ波帯またはマイクロ波帯におけるアンテナ装置は、地導体と、前記地導体上に配設され、給電線と直接接続されている第1のアンテナと、前記地導体上に配設され、前記給電線とは別の給電線と接続されると共に前記第1のアンテナと電磁的に結合を生じ得る距離に配設された第2のアンテナと、前記第1のアンテナ1と前記第2のアンテナ2との間に、前記第1のアンテナと前記第2のアンテナの電磁的な結合量を減少させる溝が形成されるとともに、前記溝の深さは搬送波の波長の0.15倍以上0.225倍未満であるチョークと、を備えたことを特徴とするものである。
この発明に係るミリ波帯またはマイクロ波帯におけるアンテナ装置は、地導体と、前記地導体上に配設され、給電線と直接接続されている第1のアンテナと、前記地導体上に配設され、前記給電線とは別の給電線と接続されると共に前記第1のアンテナと電磁的に結合を生じ得る距離に配設された第2のアンテナと、前記第1のアンテナと前記第2のアンテナとの間に、前記第1のアンテナと前記第2のアンテナの電磁的な結合量を減少させる溝が形成されるとともに、前記溝の深さは搬送波の波長の0.15倍以上0.225倍未満であるチョークと、を備えたことを特徴としたので、第1のアンテナと第2のアンテナとの電磁的な結合量を減少させることができる。
図1は、この発明の実施の形態1であるアンテナ装置を示す構造図である。 図2は、この発明の実施の形態1であるアンテナ装置の構造を示す断面図である。 図3は、この発明の実施の形態1であるアンテナ装置におけるチョーク4の幅と深さをパラメータとした第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示した図である。 図4は、この発明の実施の形態1であるアンテナ装置におけるチョーク4の深さをパラメータとした第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示した図である。 図5は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置を示す構造図である。 図6は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置の構造を示す断面図である。 図7は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置におけるチョーク4a、4bの幅と深さをパラメータとした第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示した図である。 図8は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置におけるチョーク4a、4bの深さと間隔をパラメータとした第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示した図である。 図9は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置におけるチョーク4a、4bの深さをパラメータとした第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示した図である。 図10は、この発明の実施の形態1であるアンテナ装置の構造に拡散接合を適用した場合を示す断面図である。 図11は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置の構造に拡散接合を適用した場合を示す断面図である。
符号の説明
1 第1のアンテナ
1a 第1のアンテナの穴部
2 第2のアンテナ
2a 第2のアンテナの穴部
3 地導体
4 チョーク
4a チョーク
4b チョーク
4c チョーク4の穴部
5a 第1の鋼板
5b 第2の鋼板
以下に、本発明にかかるアンテナ装置、アンテナ装置の製造方法の好適な実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1であるアンテナ装置を示す構造図である。
図1を用いて説明する。アンテナ装置は、第1のアンテナ1、第2のアンテナ2、地導体3及び、第1のアンテナ1及び第2のアンテナ2との間に配設されたチョーク4である。実施の形態1では第1のアンテナ1を送信アンテナ、第2のアンテナ2を受信アンテナとして以下、説明する。
図2は、この発明の実施の形態1であるアンテナ装置の構造を示す断面図である。第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との間は搬送波の波長をλとすると2λに設定する。尚、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との間は波長λの整数倍に限られない。この程度まで第1のアンテナ1と第2のアンテナ2が近接すると、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2とが電磁的に結合する。即ち例えば送信アンテナである第1のアンテナ1から送信された電波の一部が直接、受信アンテナである第2のアンテナ2に入力される。そこで、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を減少させるべく、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との間にチョーク4が配置され、一般的にはその深さは搬送波の波長をλとすると0.25λとなる。しかし、チョーク4を配設すると、結合量は減少するが、製品の仕様等によっては十分ではない場合がある。
そこで、図2に示すように、チョーク4の幅(0.15λ〜0.3λ)と深さ(0.1λ〜0.3λ)をパラメータとしてその結合量について調査を行った。
図3は、この発明の実施の形態1であるアンテナ装置におけるチョーク4の幅と深さをパラメータとした第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示した図である。横軸は、チョーク4の深さを示し、縦軸は第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示している。実線のプロットにおいて、○がチョーク4の幅が0.15λ、△がチョーク4の幅が0.225λ、□が幅0.3λの場合を示している。
すると、図3から、チョーク4の幅については、あまり依存性はなかったが、深さについては、従来最小値となると考えられていた0.25λではなく、0.2λで第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量が最小となる。また、0.15以上〜0.25λ未満の範囲で従来最小値となると考えられていた0.25λの場合よりも結合量が小さいという効果がある。しかし、実際には、0.25λ付近は公知であるので、事実上、本発明は0.225λ以下にその効果がある。76GHz帯のミリ波帯で考えた場合は、真空や大気の場合で、深さで約0.6〜0.9mmとなる。
図3のようにチョーク4の深さが従来考えられていた0.25λではなく、0.2λとなる理由について説明する。
送信アンテナである第1のアンテナ1と受信アンテナである第2のアンテナ2との結合としては、2通りある。1つは、地導体3上を流れる表面電流による結合であり、もう1つは、空間を伝搬する電磁波による結合である。
従来技術であるチョーク4の深さが0.25λの場合は、地導体3上を流れる表面電流による結合については、最も効果的に打ち消すことができるが、空間を伝搬する電磁波による結合についてはその効果は限定的となる。
それに対して、チョーク4の深さが0.2λの場合は、地導体3上を流れる表面電流による結合を打ち消す量は、チョーク4の深さが0.25λの場合よりも小さいはずであるが、空間を伝搬する電磁波による結合分を打ち消す量または、地導体3上を流れる表面電流による結合と空間を伝搬する電磁波による結合を合わせたものを打ち消す量が大きくなるためである。
図4は、この発明の実施の形態1であるアンテナ装置におけるチョーク4の深さをパラメータとした第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示した図である。尚、チョーク4の幅は0.225λの場合である。横軸は正規化された周波数、縦軸は、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示している。また○はチョーク4を設けなかった場合、△は深さ0.25λのチョーク4を設けた場合、□は深さ0.2λのチョーク4を設けた場合について示している。
図4に示されている通り、チョーク4がない場合の第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量約−22dBに対して、深さ0.25λのチョーク4を設けた場合は−4dB程度、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量の削減効果がある。さらに深さ0.2λのチョーク4を設けた場合は、深さ0.25λのチョーク4を設けた場合に対して−2dB程度の第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量の削減効果がある。
横軸は正規化された周波数であり、例えば車載用ミリ波レーダのアンテナに適用した際、中心周波数を76.5GHzとした場合、約75〜78GHzの幅で、効果があることを示している。
したがって、地導体3と、地導体3上に配設され、給電線と直接接続されている第1のアンテナ1と、地導体3上に配設され、前記給電線とは別の給電線と接続されると共に第1のアンテナ1と電磁的に結合を生じ得る距離に配設された第2のアンテナ2と、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との間に、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2の電磁的な結合量を減少させる溝が形成されるとともに、前記溝の深さは搬送波の波長の0.15倍以上0.225倍未満であるチョーク4と、を備えたことを特徴としたので、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との電磁的な結合量を減少させることができる。
実施の形態2.
実施の形態1では、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との間のチョーク4の本数が1本の場合について説明したが、実施の形態2においては、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との間のチョーク4の本数が2本の場合について説明する。図、符号等については実施の形態1と同様である。
図5は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置を示す構造図である。
図5を用いて説明する。実施の形態1に対して、実施の形態2は、第1のアンテナ1及び第2のアンテナ2との間に所定の間隔で配設された2本のチョーク4a、4bとがある。
図6は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置の構造を示す断面図である。第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を減少させるべく、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との間にチョーク4a、4bが配置されている。一般的にはその深さは搬送波の波長をλとすると0.25λとなる。
そこで、図6に示すように、チョーク4a、4bの幅(0.15λ〜0.3λ)と深さ(0.1λ〜0.3λ)、及び間隔(0.25λ〜0.5λ)をパラメータとしてその結合量について調査を行った。但し、チョーク4a、4bの幅及び深さについては、互いに違う値とはせず、同じ値としている。
図7は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置におけるチョーク4a、4bの幅と深さをパラメータとした第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示した図である。横軸は、チョーク4a,4bの深さを示し、縦軸は第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示している。実線のプロットにおいて、○がチョーク4a,4bの幅が0.15λ、△がチョーク4a、4bの幅が0.225λ、□がチョーク4a、4bの幅0.3λの場合を示している。但し、図7においては、チョーク4aとチョーク4bとの間隔は互いの中心から0.375λとした。
すると、図7から、チョーク4a、4bの幅については、全体的には幅が大きい方が、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量が小さくなることが分かった。深さについては、従来最小値となると考えられていた0.25λではなく、0.175λで第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量が最小となる。実施の形態1の場合と比べて、全体的に第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量が小さく、また、チョーク4a、4bの深さが0.175λの場合の結合量は他の場合よりもその値が小さくなっている。
また、0.125λ以上〜0.25λ未満の範囲で従来最小値となると考えられていた0.25λの場合よりも結合量が小さいという効果がある。しかし、実際には、0.25λ付近は公知であるので、事実上、本発明は0.225λ以下にその効果がある。76GHz帯のミリ波帯で考えた場合は、真空や大気の場合で、深さで約0.5〜0.9mmとなる。そして、より結合量が小さくなる効果を得るには、0.15〜0.2λの範囲で、76GHz帯のミリ波帯で考えた場合は、真空や大気の場合で、深さで約0.6〜0.8mmとなる。図7のようにチョーク4a、4bの深さが従来考えられていた0.25λではなく、0.175λとなる理由については、値が異なることを除けば、実施の形態1の場合と同じである。
次に、チョーク4a、4bの間隔をパラメータとした場合について説明する。図8は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置におけるチョーク4a、4bの深さと間隔をパラメータとした第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示した図である。横軸は、チョーク4a、4bの深さを示し、縦軸は第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示している。実線のプロットにおいて、○がチョーク4a、4bの間隔が0.25λ、△がチョーク4a、4bの間隔が0.375λ、□がチョーク4a、4bの間隔0.5λの場合を示している。
すると、図8から、チョーク4a、4bの間隔については、チョーク4a、4bの深さ0.175λ以外の場合は、チョーク4a、4bの間隔にはあまり依存性はないが、チョーク4a、4bの深さが0.175λの場合は、チョーク4a、4bの間隔0.25λの場合に、際立って第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量が小さくなることが分かった。
図9は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置におけるチョーク4a、4bの深さをパラメータとした第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示した図である。尚、チョーク4a、4bの幅は0.225λ、間隔は0.25λの場合である。横軸は正規化された周波数、縦軸は、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量を示している。また○はチョーク4a、4bを設けなかった場合、△は深さ0.25λのチョーク4a、4bを設けた場合、□は深さ0.175λのチョーク4a、4bを設けた場合について示している。
図9に示されている通り、チョーク4a、4bがない場合の第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量約−22dBに対して、深さ0.25λのチョーク4a、4bを設けた場合は−10dB程度、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量の削減効果がある。さらに深さ0.175λのチョーク4a、4bを設けた場合は、深さ0.25λのチョーク4を設けた場合に対して−15〜20dB程度の第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との結合量の削減効果がある。
横軸は正規化された周波数であり、例えば車載用ミリ波レーダのアンテナに適用した際、中心周波数を76.5GHzとした場合、約75〜78GHzの幅で、効果があることを示している。
したがって、実施の形態2においては、実施の形態1に対して、チョーク4a、4bを各々平行に複数設けたことによってさらに第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との電磁的な結合量を減少させることができる。さらに、チョーク4a、4bとの間隔を0.25λとすることでより際立って第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との電磁的な結合量を減少させることができる。
実施の形態3.
実施の形態3では、実施の形態1や2におけるアンテナ装置の構造及び製造方法について説明する。尚、図、符号等については実施の形態1及び2と同様である。
例えば、車載用ミリ波レーダのアンテナに適用した際、周波数は76GHz帯であるため、真空中あるいは大気中において1波長の長さは約4mmである。そして、実施の形態1及び2で示したチョーク4、4a、4bの深さが0.1mm変化すると、それは0.025λ分に相当する。従って、結合量の大きさを極小に保ちつつ、製造面での寸法公差を考慮するとチョーク4、4a、4bの深さの寸法公差を±0.05程度以下に抑える必要が生ずる。
すると、実施の形態1及び2の形状のアンテナ装置を製造しようとする場合、アルミダイカストで構成しようとすると、後で切削加工が必要となり、コスト面で問題となる。また、例えばステンレスの鋼板を鋼板自体に設けた凹凸部を利用して圧入して積層した場合や、部分的に溶接して積層した場合は、鋼板そのものの寸法誤差としては±0.05を満たせるが、鋼板と鋼板との間に隙間が生じるため、第1のアンテナ1、第2のアンテナ2の導波管としては電磁エネルギーとしてのもれが大きく性能面で問題がある。導波管内全体を溶接またはろう付けをすると、溶接またはろう付けによる寸法変化やコスト面において問題がある。
そこで、本実施の形態においては、例えばステンレスの鋼板に拡散接合を用いて接合する。拡散接合とは、2つの部材を加熱・加圧して、接合面間に生じる拡散現象を利用して金属学的に一体化させる接合方法であり、金属表面同士を相互に原子レベル程度の距離まで接近させると、金属結合が形成される。したがって原理的には二つの金属を近づければ接合が可能になる。この接合は、接合による変形が少なく、金属学的に一体化させているので、鋼板に穴をあけて、積層方向に導波管を形成させても電磁エネルギーとしての洩れが少ないという利点を持つ。
図10は、この発明の実施の形態1であるアンテナ装置の構造に拡散接合を適用した場合を示す断面図である。図11は、この発明の実施の形態2であるアンテナ装置の構造に拡散接合を適用した場合を示す断面図である。
ここで、アンテナ装置の構造について説明する。図10、図11共、地導体3を形成し、かつ第1のアンテナの穴部1a、第2のアンテナの穴部2a、チョーク4の穴部4cを設けた第1の鋼板5aに、第1のアンテナの穴部1a、第2のアンテナの穴部2aを設けた第2の鋼板5bを拡散接合によって接合している。
図10、11の場合共、チョーク4、4a、4bの深さを鋼板の一層分の板厚で形成している。そうすることで、鋼板の重ね合わせによる誤差をなくすことができる。例えば車載用ミリ波レーダのアンテナに適用した際、周波数は76GHz帯であるため、その板厚は実施の形態1の場合は約0.8mm、実施の形態2の場合は約0.7mmとなる。尚、鋼板を複数枚重ねて、チョーク4、4a、4bの溝の最適値に合うようにしてもよい。
従って、地導体3、及び第1のアンテナ1の穴部、第2のアンテナ2の穴部、チョーク溝4、4a、4b用の各々の穴部を設けた第1の鋼板5aと、前記第1の鋼板と拡散接合により接合され、導波管または第1のアンテナ1の穴部1a、前記導波管とは別の導波管または第2のアンテナ2の穴部2aを設けた第2の鋼板5bとを設けたので、第1のアンテナ1と第2のアンテナ2との電磁的な結合量を小さくしつつ、もれが少ない導波管と接続される第1のアンテナ1及び第2のアンテナ2を設けることができる。
以上のように、本発明にかかるアンテナ装置、アンテナ装置の製造方法は、送信アンテナと受信アンテナとの結合量をより小さくすることができる発明として有用である。

Claims (6)

  1. 地導体と、
    前記地導体上に配設され、給電線と直接接続されている第1のアンテナと、
    前記地導体上に配設され、前記給電線とは別の給電線と接続されると共に前記第1のアンテナと電磁的に結合を生じ得る距離に配設された第2のアンテナと、
    前記第1のアンテナ1と前記第2のアンテナ2との間に、前記地導体の内部に向かって該地導体面に直交する方向に延びる側面と該側面を繋ぐ底面とを有する溝が形成されるとともに、前記溝の深さ搬送波の波長の0.15倍以上0.225倍未満であるチョークと、
    を備えたことを特徴とするミリ波帯またはマイクロ波帯におけるアンテナ装置。
  2. 前記チョークを平行に複数設けたことを特徴とする請求項1に記載のミリ波帯またはマイクロ波帯におけるアンテナ装置。
  3. 複数の前記チョークの間隔を略0.25λとすることを特徴とする請求項2に記載のミリ波帯またはマイクロ波帯におけるアンテナ装置。
  4. 複数の前記チョークの溝の深さを搬送波の波長の0.15倍以上0.2倍以下とすることを特徴とする請求項2または3に記載のミリ波帯またはマイクロ波帯におけるアンテナ装置。
  5. 地導体、及び第1のアンテナの穴部、第2のアンテナの穴部、チョークの穴部を設けた第1の金属板と、
    前記第1の金属板と拡散接合により接合され、第1のアンテナの穴部、第2のアンテナの穴部を設けた第2の金属板と、
    を備え
    前記チョークの穴部は、前記地導体面に直交する方向に延びる側面を有して形成されることを特徴とするミリ波帯またはマイクロ波帯におけるアンテナ装置。
  6. 地導体を備え、搬送波の波長の0.15倍以上0.225倍未満である金属板に、第1のアンテナの穴部、第2のアンテナの穴部および、前記金属板の面に直交する方向に延びる側面を有するチョークの穴部を設けて第1の金属板とするステップと、
    前記第1の金属板とは別の金属板に、前記第1のアンテナの穴部、前記第2のアンテナの穴部を設けて第2の金属板とするステップと、
    前記第1の金属板と前記第2の金属板とを、前記第1のアンテナの穴部、前記第2のアンテナの穴部との位置を合わせて拡散接合を行うステップと、
    を備えたことを特徴とするミリ波帯またはマイクロ波帯におけるアンテナ装置の製造方法。
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