JP4713823B2 - アンテナユニット及び複数マイクロストリップアンテナアレー間の絶縁改良方法 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナに関し、特に周期的フィルタで強化されたマイクロストリップアンテナに関する。

過去数年の間に、複雑な電子システムを自動車に使用することが劇的に多くなった。レーダシステムが先進の自動速度制御装置、衝突防止システム及び危険位置検出システム（hazard locating systems）に使用されてきた。例えば、物体（子供の自転車、消火栓等）が車両の進路にあるかどうか、その物体が運転者の視界から隠れているかどうかを運転者に知らせるシステムが今日、利用可能である。

これらのシステムは、自動車のいずれかの場所（例えば、フロントグリルの背後、後部バンパ）に実装される小さなセンサモジュールを使用する。このモジュールは、レーダ信号を送受信する１個以上のアンテナを有している。これらデバイスは、所与の周波数での高周波（ＲＦ）エネルギーを伝送することにより作動する。信号は、その進路内の物体から反射されて戻ってくる。物体が存在する場合、反射された信号は処理され、警告信号が鳴って運転者に注意を喚起する。このタイプのレーダシステムの一例は、本出願人により開発された24ＧHz高解像度レーダ（ＨＲＲ）である。

これらのシステムに使用されるレーダセンサは、２個の独立したアンテナアレーを有するのが代表的である。第１アンテナアレーは信号を外へ送信するのに使用され、第２アンテナアレーは反射した戻り信号を受信するのに使用される。２個のアンテナアレーは、単一基板上に形成され、一般に7〜11cm離隔している。

マイクロストリップアンテナアレーは、低背且つ低コストで容易に生産できるので、この種の用途に使用されることが多い。さらに、マイクロストリップアンテナは汎用性が高く、指向性、無指向性のいずれの用途にも使用可能である。マイクロストリップアンテナアレーは、接地平面（ground plane）上に宙吊りされた非平衡導電ストリップを使用して作動する。導電性ストリップは絶縁基板上にある。放射は、ラインが非平衡である点（例えば、隅、曲げ部、切欠等）でストリップに沿って生ずる。ストリップの非平衡部に沿った（すなわち、直線部に沿った）マイクロストリップに関する電場が互いに打ち消しあうことで放射が生ずるので、いかなる放射された電場を取り除く。しかし、電場の平衡がない場所では、放射がある。マイクロストリップの形状を制御することにより、アンテナの放射特性を制御できる。

スロット結合されたマイクロストリップアンテナアレーは、フィードマイクロストリップに寄生結合された一連のマイクロストリップパッチアンテナを具備する。このフィードマイクロストリップは、接地平面の下にあり、接地平面内のスロットを通ってパッチマイクロストリップの各々に結合される。種々の数のパッチアンテナは、単一のマイクロストリップ入力フィードに結合されアレーを形成できる。任意の数のパッチ素子をフィードマイクロストリップに結合できるが、６素子アレー及び８素子アレーが高解像度レーダ（ＨＲＲ）に広く使用されている。
"Novel 2-D Photonic Bandgap Structure for Microstrip Lines" IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 8, No. 2, pp. 69-71, Feb. 1998 "Enhanced Patch-Antenna Performance by Suppressing Surface Waves Using Photonic-Bandgap Substrates" IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 47, No. 11, pp. 2131-2138, Nov. 1999 "High-Impedance Electromagnetic Surfaces with a Forbidden Frequency Band" IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 47, No. 11, pp. 2059-2073, Nov. 1999 "Directive Photonic-Bandgap Antennas" IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 47, No. 11, pp. 2115-2121, Nov. 1999

このタイプのアンテナ形状を使用して起こる一つの問題は、送信アンテナアレー及び受信アンテナアレーが互いに完全に絶縁されていないことである。２つのアンテナアレー間に空気又は基板材料を介してあるレベルの高周波信号の漏れがある。基板を介した漏れは不要表面波伝播により生ずる。２つのアンテナアレー間のこの結合効果は、アンテナゲインを下げ、レーダセンサの性能を低下させる。

現在、マイクロストリップアレーアンテナ間の絶縁を改良するためにいくつかの技法が使用されている。２つの技法が図１に示されている。第１の技法は図１（Ａ）に示され、送信アンテナアレー１３及び受信アンテナアレー１５間にアンテナユニット１０の金属壁１１を配置することである。金属壁１１は、アンテナユニット１０内に形成されたキャビティ１７内の空気を通る信号を阻止又は反射することにより、２つのマイクロストリップアレーアンテナ間の絶縁を改良する。壁１１の使用により２つのアンテナ間の絶縁は改良されるが、いくつかの欠点もある。第一に、アンテナユニット１０内に金属壁１１を付加することは付加的な空間を要し、邪魔である。アンテナユニットがより小さくなるにつれ、部品の空間を侵食する付加的な空間を設けることは望ましくない。第二に、金属壁１１の挿入により達成される絶縁は、望まれるレベルほど高くない（約４dBの絶縁改良しか得られない）。多くの信号漏れは、アンテナユニット１０内の空気を介した放射信号よりも基板を介して生ずる。金属壁１１は、基板層を介して生ずる信号結合を十分に阻止するものではない。

絶縁を与える第２の技法は図１（Ｂ）に示される。この技法は、アンテナユニット２０内の送信アンテナ１４及び受信アンテナ１６間に形成されたキャビティ１８に信号吸収材料の区域１２を配置することである。ユニット２０内の放射を吸収するためにエッコソーブＧＤＳシート（エマーソン・アンド・カミング・マイクロウェーブ・プロダクト社製）の区域１２をアンテナ間に配置し、アンテナ間の絶縁を改善する。しかし、この技法も制限がある。エコソーブＧＤＳ等の吸収材料は金属壁を超える絶縁の改良を与える（約８dBの絶縁改良が得られる）が、望まれるレベルほど完全ではない。さらに、吸収材料はコストが高い。

これらの技法を用いてアンテナユニット内のアンテナ間の絶縁を改良する試みにもかかわらず、達成された絶縁のレベルは十分でないことが多い。従って、アンテナ間を高いレベルで絶縁し、同時にコンパクト、低コストで高いレベルのゲインが得られるアンテナユニットに対するニーズがある。本発明はこれらのニーズを満たすものである。

本発明は、複数のマイクロストリップアンテナアレー間の絶縁を改良しながら、各アンテナアレーの放射ゲインを増大させるアンテナユニットを提供する。本発明は、少なくとも１個のスロットで結合されたマイクロストリップアンテナアレーを具備するアンテナユニットの接地平面に一連の開口をエッチングすることにより達成される。開口は、アンテナ間の周期的ストップバンドフィルタとして作用するような方法で構成される。フィルタは各アンテナアレーから伝播する表面波を抑制するので、各スロットで結合されたマイクロストリップアンテナアレーのゲイン及び（２つのアンテナアレー間の）絶縁を増大させる。

開口は一連の行列に配列される。接地平面内の開口の形状及び位置は、フィルタの特性を決定する。開口間の一定間隔の結果、フィルタの周期的性質をもたらし、ストップバンドの周波数は選択された間隔に依存する。ストップバンドの幅は、開口の領域により決定される。

本発明の一側面は、２つのマイクロストリップアンテナアレーを具備する自動車センサユニットであり、マイクロストリップアンテナアレーはＨＲＲセンサ用の作動周波数帯域（22〜26ＧHz）における、互いに対して少なくとも−30dBの測定された絶縁を有する。より好適には、アンテナアレーの互いに対して少なくとも−40dBの測定された絶縁、又はさらに好適には少なくとも−50dBの測定された絶縁を得ることができる。好適位置実施形態において、アンテナユニットは中空箱の形状に形成され、（１）アンテナユニットの前側を形成する基板、（２）基板上に形成された第１マイクロストリップアンテナアレー、（３）基板上に形成された第２マイクロストリップアンテナアレー、（４）アンテナユニットの後側を形成する接地平面、及び（５）接地平面上に形成された複数の周期的フィルタを具備する。周期的フィルタは、接地平面を貫通する一連の円形パターン又は孔をエッチングして最も容易に形成される。また、種々の形状の開口もフィルタの製造に使用できる。周期的ストップバンドフィルタは、付加的なコストや部品の空間を侵食する空間を要することなく、マイクロストリップアンテナアレー間に改良された絶縁を提供する。

以下、添付図面を参照して本発明の好適実施形態を説明する。

図２を参照すると、本発明に従ったアンテナユニット３０の一実施形態の平面図が示される。アンテナユニット３０は、スロット結合された送信マイクロストリップアンテナアレー（ＴＸアンテナ）２１及びスロット結合された受信マイクロストリップアンテナアレー（ＲＸアンテナ）２３を含む。図２に図示された実施形態は、２つのスロット結合されたマイクロストリップアンテナアレーを含むが、本発明は２つのスロット結合されたマイクロストリップアンテナアレーを有するユニットに限定されない。本発明は、任意の数のスロット結合されたマイクロストリップアンテナアレー、又は任意の数の別のタイプのマイクロストリップアンテナアレー、又は両者の組合せからなるアンテナユニットで実施してもよい。

図３は、図２に示されたアンテナユニット層を図２の３−３線に沿って断面した断面図である。アンテナユニット３０内の素子は多層基板３２上に形成されている。スロット結合された各マイクロストリップアンテナアレーは、フィードマイクロストリップ４５及び少なくとも１個のマイクロストリップパッチ３９を具備する。フィードマイクロストリップ４５は、多層基板３２の第１層３１の内部上に形成されている。図示の実施形態において、第１層３１は厚さ254μmのデュリオド（Duriod）層であるが、本発明は他のタイプの材料でも実施してもよい。

接地平面４１は、第１基板層３１及び第２基板層３３間に位置する。接地平面４１は銅製の導電層を具備する。厚さ787.4μmのＦＲ４製の第２基板層３３は接地平面４１の上面に位置する。このＦＲ４層３３は第１デュリオド層３１用の支持層として作用する。ＦＲ４材料は安価な基板であるので、支持用の担持層として好ましい選択であるが、種々の他の材料も使用可能である。

厚さ１mmのレードームからなる第３層３５は、多層基板３２の外表面上に形成されている。レードームは任意の低損失プラスチック材料製であってもよい。マイクロストリップパッチ３９は、第２基板（ＦＲ４）層３３の上面又は第３（レードーム）層３５の底面のいずれかに付着された非常に薄い誘電フィルム（例えばカプトン）上でエッチングされている。第２基板（ＦＲ４）層は誘電損失を低下させるパッチ３９の下に直接開口３６を有するので、アンテナのゲインを増大させる。

多層基板３２は、アンテナユニット３０を構成する多層基板３２及びケースの後部すなわち床４７との間にエアギャップ３７が存在するように、アンテナユニットのケース内に配置される。アンテナユニットの全体形状は図４に示される。図４を参照すると、アンテナユニット３０のケース４９は表面が開いた箱の形態に形成されている。好適にはケースは金属材料からなり、反射体として作用することによりスロットからの放射が戻るのを防止する。多層基板３２は、アンテナユニット３０の前面として作用することによって箱を閉じる機能を果たし、基板３２とアンテナユニット３０の後部として作用する床４７との間のエアギャップ３７を生成する。

図２を再度参照すると、一連の開口がＲＸアンテナ２３及びＴＸアンテナ２１間に配置された状態が示される。これらの開口は、アンテナユニット３０の接地平面４１（図３参照）でエッチングされた孔４３からなる。これらの孔４３は、マイクロストリップアンテナアレー２２，２３からの表面波を抑制することにより周期的ストップバンドフィルタを形成する。フィルタの周期は、孔４３間の相対間隔で決定される。ストップバンド中心周波数は、構造（すなわち、接地平面の孔列間の距離）の周期の関数である。中心周波数はほぼ、孔間の距離により測定される周期を２で割った速度である。例えば、図２に図示された実施形態は、各々１４個の孔を含む８列の格子パターンからなる。各列間の距離は3.5mmである。この結果、ＨＲＲ用途に望ましい約24ＧHzの中心周波数となる。

ストップバンドの幅及びストップバンドにおける減衰は、エッチングされた孔４３の半径に依存する。より小さい半径の円については、ストップバンドの幅及び減衰は非常に小さい。これは、孔４３の半径が０に近づくと、ストップバンド幅も０に近づくという理論に基づく。換言すると、孔が無くなると、ストップバンドも無くなる。24ＧHz用途の孔半径の好適な範囲は１mmから1.5mmの間である。図２に示される実施形態において、1.4mmの孔半径が選択されている。これにより、臨界周波数（好適実施形態では24ＧHz）の周囲に十分に広いストップバンドが与えられ、表面波を抑制してアンテナの絶縁及びゲインを改良する。ストップバンドは、最小６ＧHzから24ＧHzのいずれかの寸法（12ＧHz幅）まで延びる。

いくつかの用途において、第１基板層３１の後部に高周波回路を配置することができる。これらの回路は、適正に作動するためには中実の接地平面を要する。このことは、開口が接地平面４１にエッチングされることを防止する。このような例において、開口は、第３（レードーム）層３５の底面の第２基板層３３の上面に配置される金属化平面をエッチングしてもよい。接地平面４１の開口を移動することはアンテナ性能の低下を招くが、第１基板層３１の後部に高周波回路を含むユニットでの本発明の実施が可能になる。

図５（Ａ）は、本発明の第２実施形態を示す。図５（Ａ）には、スロット結合された単一の８素子マイクロストリップアンテナアレー５１を具備するアンテナユニット５０が示される。スロット結合されたマイクロストリップアンテナアレー５１は、（図３に示されるような）２アレーの実施形態で説明された構成に従った構造を有する。接地平面にエッチングされた孔５３の形態の周期的フィルタは、アレー５３の両側に位置する。アンテナユニット５０は単一のアンテナアレー５１のみを含むので、本実施形態において第２アンテナアレーからの絶縁は問題ではない。しかし、周期的フィルタは付加的な目的に供される。アンテナアレー５１により生成される表面波を抑制することにより、アンテナのゲインは増加する。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示された実施形態に従ったアンテナの24ＧHzでシミュレートされたゲインパターンを示す。対照的に、図６（Ａ）は、接地平面にエッチングされた周期的フィルタの無い、スロット結合されたマイクロストリップアンテナ６１を示し、図６（Ｂ）に示された24ＧHzでシミュレートされた対応するゲインパターンを示す。２つのゲインパターンを比較することにより、周期的フィルタがアンテナアレーのゲインを増大させることが観察できる。０°において、本発明に従ったアンテナユニット５０の計算されたゲイン５５の15.8dBiは、接地平面にエッチングされた周期的フィルタを有していないアンテナユニット６０の計算されたゲイン６５の13.8dBiと比較される。このように、本発明に従った接地平面にエッチングされた孔を使用すると、約2dBiの増加が得られる。

本発明に従ったアンテナは、接地平面にエッチングされた周期的フィルタを使用することにより、スロット結合されたマイクロストリップアンテナアレーの使用に関連する不要表面波を抑制する。図２に示される好適実施形態において、２個のスロット結合されたマイクロストリップアンテナアレーは、40mmの距離だけ離隔し、アレー間にエッチングされた一連のフィルタ列を有し、各列は８個のフィルタを含む。アンテナアレー間の絶縁（22ＧHz及び26ＧHzの間で測定）は、測定された範囲内の全周波数で−30dBより大きい。この範囲内のある周波数では−40dBより大きく、この範囲内の別の周波数では−50dBより大きい。さらに、スロット結合されたアンテナアレーの増加したゲインは、同じ周波数範囲を超えて生ずる。

上述の説明は例示であり、それらに限定するものではなく、当業者には本発明の真髄から逸脱することなく変更が可能であることを理解すべきである。従って、本明細書は、そのような代替、変更、及び許請求の範囲に定められた本発明の真髄の範囲内である等価物をカバーするよう意図されている。

従来技術のアンテナユニットを示し、（Ａ）２つのマイクロストリップアレーアンテナ間を絶縁するために金属壁を用いたアンテナユニットの斜視図、（Ｂ）２つのマイクロストリップアレーアンテナ間を絶縁するためにエッコソーブＧＤＳの区域を用いたアンテナユニットである。 本発明に従ったアンテナユニットの平面図である。 本発明に従った図２に示されるアンテナユニットの断面図である。 本発明に従ったアンテナユニットの斜視図である。 本発明の別の実施形態に従ったアンテナユニットを示し、（Ａ）一連の周期的フィルタと組み合わせた、スロット結合されたマイクロストリップアンテナアレーを具備するアンテナユニットの平面図、（Ｂ）（Ａ）に示されたアンテナを用いて達成されたゲインパターンのグラフである。 従来技術のアンテナユニットを示し、（Ａ）周期的フィルタが付加されていない、スロット結合されたマイクロストリップアンテナアレーを具備するアンテナユニットの平面図、（Ｂ）（Ａ）に示されたアンテナを用いて達成されたゲインパターンのグラフである。

符号の説明

２１ 送信マイクロストリップアンテナアレー
２３ 受信マイクロストリップアンテナアレー
３０，５０ アンテナユニット
３２ 基板
４１ 接地平面
４３，５３ 孔（周期的ストップバンドフィルタ）
４５ フィードマイクロストリップ
４９ ケース
５１ マイクロストリップアンテナアレー

Claims (9)

1. 第１層及び第２層を有する多層基板と、
   前記多層基板の第１層及び第２層の間に位置する接地平面と、
   該多層基板上に形成された受信マイクロストリップアンテナアレーと、
   前記多層基板上に形成された送信マイクロストリップアンテナアレーとを具備し、
   前記受信マイクロストリップアンテナアレーおよび送信マイクロストリップアンテナアレーは、その構成要素として、
   前記多層基板の第１層の、前記接地平面と反対側に位置する、前記受信マイクロストリップアンテナアレー又は前記送信マイクロストリップアンテナアレーに結合された少なくとも１つのフィードマイクロストリップと、
   前記多層基板の第２層の、前記接地平面と反対側に位置する、誘電損失を低下させるマイクロストリップパッチと、
   前記接地平面にエッチングされた複数の開口からなる円形の複数の周期的フィルタと
   を具備し、
   前記周期的フィルタのストップバンドの幅及び減衰は、前記円形の半径に依存することを特徴とするアンテナユニット。
2. 前記アンテナユニットは、前記接地平面とは反対側の前記多層基板上に導電層をさらに具備し、
   前記周期的フィルタは、前記導電層上に配置されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナユニット。
3. 前記アンテナユニットはケースをさらに具備し、
   前記接地平面及び前記多層基板は前記ケース内に収容されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナユニット。
4. 前記アンテナユニットは、前記受信マイクロストリップアンテナアレー又は前記送信マイクロストリップアンテナアレーに結合された少なくとも１つのフィードマイクロストリップをさらに具備することを特徴とする請求項３記載のアンテナユニット。
5. 第１層及び第２層を有する多層基板と、
   前記多層基板の第１層及び第２層の間に位置する接地平面と、
   該多層基板上に形成された少なくとも１つのマイクロストリップアンテナアレーとを具備し、
   前記マイクロストリップアンテナアレーは、その構成要素として、
   前記多層基板の第１層の、前記接地平面と反対側に位置する、前記マイクロストリップアンテナアレーに結合された少なくとも１つのフィードマイクロストリップと、
   前記多層基板の第２層の、前記接地平面と反対側に位置する、誘電損失を低下させるマイクロストリップパッチと、
   前記接地平面上にエッチングされた複数の開口からなる円形の複数の周期的フィルタと
   を具備し、
   前記多層基板の第２層は、前記マイクロストリップパッチの下に直接前記開口を有し、
   前記周期的フィルタのストップバンドの幅及び減衰は、前記円形の半径に依存することを特徴とするアンテナユニット。
6. 前記アンテナユニットはケースをさらに具備し、
   前記接地平面及び前記多層基板は前記ケース内に収容されていることを特徴とする請求項５記載のアンテナユニット。
7. 前記アンテナユニットの測定されたゲインは、前記接地平面上にエッチングされた周期的フィルタの無いアンテナユニットのゲインよりも約2dBi大きいことを特徴とする請求項５記載のアンテナユニット。
8. 複数のマイクロストリップアンテナアレーを、第１層及び第２層を有する多層基板上に設ける第１工程と、
   前記多層基板の第１層及び第２層の間に接地平面を設ける第２工程と、
   前記多層基板の第１層の、前記接地平面と反対側に、前記マイクロストリップアンテナアレーの構成要素としてそれに結合された少なくとも１つのフィードマイクロストリップを設ける第３工程と、
   前記多層基板の第２層の、前記接地平面と反対側に、前記マイクロストリップアンテナアレーの構成要素であり誘電損失を低下させるマイクロストリップパッチを設ける第４工程と、
   前記接地平面上に少なくとも１個の開口をエッチングすることにより、少なくとも１個の円形の周期的フィルタを、前記複数のマイクロストリップアンテナアレー間に形成する第５工程と、
   を具備し、
   前記第５工程では、前記円形の周期的フィルタの半径によって、前記周期的フィルタのストップバンドの幅及び減衰を決定し、することを特徴とする複数のマイクロストリップアンテナアレー間の絶縁を改良する方法。
9. 少なくとも１つのマイクロストリップアンテナアレーを、第１層及び第２層を有する多層基板上に設ける第１工程と、
   前記多層基板の第１層及び第２層の間に接地平面を設ける第２工程と、
   前記多層基板の第１層の、前記接地平面と反対側に、前記マイクロストリップアンテナアレーの構成要素としてそれに結合された少なくとも１つのフィードマイクロストリップを設ける第３工程と、
   前記多層基板の第２層の、前記接地平面と反対側に、前記マイクロストリップアンテナアレーの構成要素であり誘電損失を低下させるマイクロストリップパッチを設ける第４工程と、
   前記接地平面上に少なくとも１個の開口をエッチングすることにより、少なくとも１個の円形の周期的フィルタを形成する第５工程と
   を具備し、
   前記第５工程では、前記円形の周期的フィルタの半径によって、前記周期的フィルタのストップバンドの幅及び減衰を決定することを特徴とする複数のマイクロストリップアンテナアレー間の絶縁を改良する方法。

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