JP4574679B2

JP4574679B2 - アンテナ装置またはその製造方法

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Publication number: JP4574679B2
Application number: JP2007534405A
Authority: JP
Inventors: 重雄宇田川; 山口　　聡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2010-11-04
Anticipated expiration: 2027-02-19
Also published as: JPWO2007119289A1; US20080224938A1; EP2003729A2; WO2007119289A1; CN101341629A; EP2003729B1; EP2003729A4; CN101341629B; US7928923B2; EP2003729A9

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。

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

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、前記溝の深さが搬送波の波長の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。
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。
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。
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。
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。
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。