JP4736658B2

JP4736658B2 - 漏れ波アンテナ

Info

Publication number: JP4736658B2
Application number: JP2005266955A
Authority: JP
Inventors: 晋一郎松沢; 和夫佐藤; 壮史野村; 良徳井上
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-09-14
Also published as: JP2007081825A

Description

本発明は、裏面に接地板を有する誘電体基板の表側に導体から成る所定の単位パターンを一軸方向に周期的に繰り返し配置することによって形成されたマイクロストリップアレーアンテナによる漏れ波アンテナに関し、特に、アンテナの指向性を制御可能としたものに関する。
この発明は、ミリ波帯域又はマイクロ波帯域の電磁波を送信または受信するレーダや通信機器などに有益であり、アンテナの高利得化、並びに小型化若しくは配設空間の省スペース化に大いに有用なものである。

一般に漏れ波アンテナとしては、図１１に示すアンテナ９００が知られている。アンテナ９００の構成は、図１１に示す通り、断面が矩形の導波管９０の１つの側面に、伝送方向（ｘ軸方向）に延びたスロット９１を形成したものである。尚、スロットの形成面の法線方向にｚ軸をとる。

図１１のアンテナ９００は、周波数を変化させることで、正面方向（ｚ軸の正方向）から電磁波が伝送する方向（ｘ軸の正方向）にビームを走査できる。これを図１１で楕円状のビームとして示し、その向きθが正であることで示した。さらに、導波管９０の中にフェライトを挿入し、直流電流を流すことで、その透磁率を変化させ、周波数を固定して電子的にビームを走査することも知られている。

また、漏れ波アンテナとしては図１２に示す構成も知られている。図１１のアンテナ９００が正面方向（ｚ軸の正方向）から電磁波が伝送する方向と逆方向（ｘ軸の負方向）にビームを走査できないのに対し、図１２の漏れ波アンテナ９５０は、当該方向にもビームを走査できる特徴が有り、メタマテリアルによる左手系を実現するものである（非特許文献１乃至３）。

図１２の漏れ波アンテナ９５０は、誘電体基板１０上にCRLH（Composite Right and Left Handed）伝送線路を備えたものである。このCRLH線路は、伝送線路２１（ｘ軸方向の主線路）を周期的に分断するギャップＧや、その分断された伝送線路２１から枝分かれしたスタブ２４などが具備されている。この漏れ波アンテナ９５０では、ギャップＧが供するキャパシタンスや、スタブ２４が供するインダクタンスの作用により、ある周波数帯において、伝送される電磁波の群速度の向きと位相速度の向きを相互に反対の向きとすることができる。即ち、左手系を実現できる。これにより、伝送される電磁波の周波数を変化させることにより、主線路上で電磁波が伝播する向きとは反対向きの図１２中のｚ軸の正の向きからｘ軸の負の向きの方に傾斜したθ＜０なる角度領域に対しても電磁波を放射することができる。その結果、放射ビームの方向を変化させる場合には、その放射ビームの走査範囲を広くとることができる。この様な、位相速度と群速度の向きが反対となる原理については、例えば下記の非特許文献１などに詳しい開示がある。

また、下記の非特許文献２には、給電点から入力する電磁波の周波数を一定値に固定したまま、所定の電子制御に基づいて放射ビームの放射角を可変制御する制御方式が開示されている。この放射角の制御方式では、例えば図１２の配線パターンの個々のギャップやスタブに対して、それぞれバラクタダイオードを接近させて配置し、各バラクタダイオードの容量を可変制御することによって放射ビームの放射角を可変制御している。
A. Sanada, C. Caloz, and T. Itoh, "Characteristics and Applications of Planar Negative Refractive Index Media," MWE2003, WS02-03. S. Lim, C. Caloz, and T. Itoh, "Electronically-Controlled Metamaterial-Based Transmission Line as a Continuous-Scanning Leaky-Wave Antenna," 2004 IEEE MTT-S Digest TU1D-4. C. Caloz, and T. Itoh, "Application of the Transmission Line Theory of Left-Handed (LH) Materials to the Realization of a Microstrip LH Line," IEEE-APS Int'l Symp. Digest, vol. 2, pp. 412-415, June 2002.

図１２のような構成の、CRLH伝送線路を用いた漏れ波アンテナ９５０で高利得のアンテナを実現するために、繰り返し単位の数を増やしてアンテナ長の大きいアンテナを試作した場合、給電点に最も近い第１の繰り返し単位の素子からの放射量が大きく、それを減らすような設計が難しいという問題がある。給電点に最も近い第１の繰り返し単位の素子からの放射量が大きいと、給電部近傍の数素子から電波がほとんど放射してしまい、それより給電点から離れた素子はアンテナとして動作しないために、アンテナ全体としてのビームが形成されず、所望の指向方向へのパワーが集中しない。この結果、アンテナの所望の指向方向について利得が低下し、効率が下がる。さらに通常のパッチアレーアンテナにおいては、素子の間隔やその励振分布を制御することによりサイドローブのレベルやその角度、ヌルの角度を制御した任意の指向性を実現できるが、そのようなアレーアンテナの励振分布の制御が現状ではできない。また、車載レーダにおいては４５度斜め偏波が用いられるが、アンテナ全体は回転させずに、偏波のみを４５度回転させることができない。本発明は、これらの課題を解決することを目的としたものである。

請求項１に係る発明は、誘電体基板と、導体から成る同一または類似の単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有する漏れ波アンテナにおいて、前記単位パターンは、伝送線路と、前記伝送線路を途中で分断するギャップと、前記伝送線路から枝分かれするスタブとを有し、当該単位パターンを複数配列したストリップ線路の上に設けられた第１の誘電体板と、当該第１の誘電体板の上に設けられた、１個以上のスロットを有する金属板を有し、スロットの中心点は、ギャップの上方に位置することを特徴とする漏れ波アンテナである。

請求項２に係る発明は、誘電体基板と、導体から成る同一または類似の単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有する漏れ波アンテナにおいて、前記単位パターンは、伝送線路と、前記伝送線路を途中で分断するギャップと、前記伝送線路から枝分かれするスタブとを有し、当該単位パターンを複数配列したストリップ線路の上に設けられた第１の誘電体板と、当該第１の誘電体板の上に設けられた、１個以上のパッチアンテナ又はダイポールアンテナを有し、パッチアンテナ又はダイポールアンテナの中心点は、前記ギャップの上方に位置することを特徴とする漏れ波アンテナである。

請求項３に係る発明は、前記スロットを有する金属板の上に設けられた第２の誘電体板と、当該第２の誘電体板の上に設けられた、１個以上のパッチアンテナを有し、パッチアンテナの中心点は、ギャップの上方に位置するすることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、前記スロットと前記伝送線路との高さ方向の距離は、１／８波長以上であることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、前記パッチアンテナ又は前記ダイポールアンテナと前記伝送線路との高さ方向の距離は、１／８波長以上であることを特徴とする。

尚、請求項１及び２に係る発明の「第１の誘電体板」、請求項３に係る発明の「第２の誘電体板」は、設計によっては、空気、真空その他の流体でも良い。

本発明の第１の手段によれば、周波数を変化させることにより、ギャップによるキャパシタンス成分とスタブのインダクタンス成分が変化し、線路から漏れる電波の放射方向やそのビーム幅が変化する。さらにこの線路を給電線路として、その給電線路の特性を乱さない高さの位置に設けられた金属板にスロットを設けることにより、給電線路とは独立に、その長さや幅、位置を設計することによりスロット素子からの放射量を調整することができる。その結果、スロットを有しない従来の漏れ波アンテナに比べてアレーの利得や効率を向上させることができる。また、細長矩形状のスロットから放射される偏波は、その電界の方向がスロットの細長方向に垂直であるので、スロットの傾きを変えることにより、その偏波の向きを自由に制御可能となり、車載レーダにおいて用いられる４５度傾斜偏波にも容易に対応可能となる。

本発明の第２の手段によれば、上記のスロットの代わりに、パッチアンテナ又はダイポールアンテナを設け、その長さ、幅及び位置を設計することにより、パッチアンテナ又はダイポールアンテナからの放射量を調整することができる。パッチアンテナの偏波は０．５波長となる辺に直交する方向であり、ダイポールアンテナの偏波はその長手方向であるため、それらの素子の向きを設計することにより、偏波の向きを自由に制御可能である。

ストリップ線路の構成要素となる上記の単位パターンは、同一のパターンを用いてそれらを周期的に配列することが、例えば設計の容易性などの面でより望ましいが、必ずしも同一のパターンだけを用いる必要はなく、また、必ずしも周期的に配列する必要もない。したがって、例えば、ストリップ線路の構成要素となる上記の単位パターンは、伝送線路やスタブなどの各部の太さや長さなどの寸法が、揃っていなくとも良く、また、ギャップなどの間隔なども不揃いでも良い。また、誘電体基板としては、例えばフッ素樹脂などの比誘電率の小さな材料が望ましい。スタブと伝送線路との成す角度は、９０度でなくとも良い。スタブは伝送線路の片側のみに設けられていても両側に設けられていても良く、両側に交互に設けられていても良い。その他任意のＣＲＬＨ構造の漏れ波アンテナとスロットの結合として良い。

本発明のスロットは、必ずしもストリップ線路の単位パターンの数に一致させる必要はなく、各々の数及び位置を所望に設計することができる。実際、ストリップ線路の単位パターンの数の１／２〜１／５程度のスロット数で事足りる。尚、パッチアンテナを設ける場合は、パッチアンテナの数はスロットの数と一致させて、対応するように配置することが好ましい。また、スロット、パッチアンテナ、プリントダイポールとＣＲＬＨ構造の線路の高さ方向の距離は、１／８波長以上離れていることが好ましい。これ以下の場合には、ＣＲＬＨ構造の線路とスロット、パッチアンテナ、プリントダイポールとの結合が強くなり、ＣＲＬＨ構造の線路の特性が変化してしまうため、このような影響を考慮した設計が必要となる。

マイクロストリップ導体及びパッチアンテナの材質やスロットを設ける金属板としては、印刷可能な銅を好適に用いることができる。

以下、図を参照しながら本発明の具体例について説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１は、本願発明の具体的な一実施例に係る漏れ波アンテナ１００の構成を示す斜視図である。また、図２は、漏れ波アンテナ１００の一部分についての断面図であり、該当部分を図１で２点鎖線で示した。図１においては、その構成の把握を容易とするため、第１の誘電体板１１とスロット３１〜３６を有する金属板３０を他の部分から離した形で記載している。尚、本実施例は請求項１に係る発明の具体的な実施例に相当する。

漏れ波アンテナ１００は、ｘ軸方向に長辺方向を有する矩形状のフッ素樹脂からなる誘電体基板１０をｘｙ平面に平行に置き、その表側に、分断されたマイクロストリップ導体による同一の単位パターン（１周期構造）を１７回形成したものである。当該マイクロストリップ導体は、給電点２１０ａからｘ軸方向に延設された伝送線路２１０、それに接続されてキャパシタを形成する部分である２２０、ギャップを空けてそれと対となるキャパシタを形成する部分である２３１、それに接続された伝送線路２１１、それに接続されてキャパシタを形成する部分である２２１が形成されている。キャパシタを形成する部分である２２０、２３１、２２１は、ｙ軸方向に延設されている。また、伝送線路２１１中央部付近からは、ｙ軸の正及び負方向に各々延設された、インダクタを形成する部分（スタブ）である２５１及び２４１が形成されている。また、スタブ２４１及び２５１の先端部の幅を広くすることにより、特性の改善を図った。この、キャパシタを形成する部分である２３１、伝送線路２１１、インダクタを形成する部分（スタブ）である２４１及び２５１、並びにキャパシタを形成する部分である２２１が、第１の繰り返し単位（アンテナ素子）を形成している。

第１の繰り返し単位（アンテナ素子）とギャップを空けて第２の繰り返し単位（アンテナ素子）が形成されており、以下、第１７の繰り返し単位（アンテナ素子）まで形成されている。第１７の繰り返し単位（アンテナ素子）はキャパシタを形成する部分である２３１７、伝送線路２１１７、インダクタを形成する部分である２４１７及び２５１７、並びにキャパシタを形成する部分である２２１７から成る。

第１７の繰り返し単位（アンテナ素子）のキャパシタを形成する部分である２２１７と、ギャップを空けてそれと対となるキャパシタを形成する部分である２３１８が形成されており、それに接続されて伝送線路２１１８が形成されている。尚、「接続されて」とは、高周波的に接続されていれば良い。

また、誘電体基板１０の裏面には接地板２０が形成されている。更に、上記マイクロストリップ導体の上には、順に第１の誘電体板１１とｙ軸方向に形成された細長矩形状のスロット３１〜３６を有する金属板３０が形成されている（図２）。

スロット３１〜３６は、その中心が、マイクロストリップ導体の繰り返し単位（アンテナ素子）に対し、各々第１及び第２、第４及び第５、第７及び第８、第１０及び第１１、第１３及び第１４、第１６及び第１７の中間点にあたるように形成されている。実際、図２のように、スロット３３は第７及び第８のマイクロストリップ導体の繰り返し単位（アンテナ素子）の中間点、即ち第７のマイクロストリップ導体の繰り返し単位（アンテナ素子）のキャパシタを形成する部分である２２７と、第８のマイクロストリップ導体の繰り返し単位（アンテナ素子）キャパシタを形成する部分である２３８とが成すギャップの上方に形成されている。細長矩形状のスロット３１〜３６は、その長手方向の長さが所望の波長の１／２に設計され、また、スロットの形成位置の周期も所望の波長の１／２以下である０．４５波長に設計されている。

以上のマイクロストリップ導体が、メタマテリアルであるＣＲＬＨを構成し、スロットと共に漏れ波アンテナ１００の主要部となっている。誘電体板１１の厚みを０．３８波長とすることにより、スロット３１〜３６のＣＲＬＨに対するｙ軸方向の位置（ズレ位置）や、スロットの幅、スロット長を変えることにより素子からの放射量をＣＲＬＨの特性を乱すことなく制御できる。これらのパラメータについては、各スロット素子で同一とする必要性はなく、所望の特性となるように素子毎に変更可能である。本実施例ではＣＲＬＨの中心線とスロット３１〜３６の中心がｘｚ平面上にあるようにし、スロットの幅は所望の波長の１／４０とした。

このような図１及び図２の漏れ波アンテナ１００の特性について、設計に用いた所望波の周波数をｆ₀として、０．９９ｆ₀、ｆ₀、１．０１ｆ₀及び１．０２ｆ₀の高周波を入力した場合の、放射指向性を図３．Ａに示す。尚、比較のため、図１の漏れ波アンテナ１００から、第１の誘電体板１１とスロット３１〜３６を有する金属板３０を除いた漏れ波アンテナについての放射指向性を図３．Ｂに示す。図１の漏れ波アンテナ１００と、そこから第１の誘電体板１１と金属板３０を除いた漏れ波アンテナのいずれについても、周波数を３％変化させることで指向性を５０°以上連続的に変化させることができる。また、図１の漏れ波アンテナ１００の利得（ｄＢｉ）は、そこから第１の誘電体板１１と金属板３０を除いた漏れ波アンテナの利得（ｄＢｉ）よりも、設計周波数ｆ₀において２．２ｄＢ向上した。このことから、本発明のアンテナでは、従来のＣＲＬＨ構造の漏れ波アンテナの特徴である、少ない周波数変化で広角にビーム走査が可能であるとの特徴を損なうことなく利得が向上しており、有効なことが明らかである。

図４は、本願発明の具体的な他の実施例に係る漏れ波アンテナ２００の構成を示す斜視図である。また、図５は、漏れ波アンテナ２００の一部分についての断面図であり、該当部分を図４で２点鎖線で示した。図４及び図５漏れ波アンテナ２００の構成は、図１及び図２の漏れ波アンテナ１００の構成で、スロット３１〜３６を有する金属板３０の代わりにパッチアンテナ４１〜４６を設けた構成である。図４においては、その構成の把握を容易とするため、第１の誘電体板１１とパッチアンテナ４１〜４６を他の部分から離した形で記載している。尚、本実施例は請求項２に係る発明の具体的な実施例に相当する。

漏れ波アンテナ２００は、パッチアンテナ４１〜４６の中心点がｘｚ平面上に有り、その他は図１の漏れ波アンテナ１００と同様の構成である。スロットを有する図１及び図２の漏れ波アンテナ１００においては、導体板２０と金属板３０の間に平行平板モードが発生するため、それを抑圧する様な設計が必要となるが、図４及び図５の本実施例では平行平板モードが発生しないので、上記の設計が不要となる特徴がある。

図６は、本願発明の具体的な他の実施例に係る漏れ波アンテナ３００の構成を示す斜視図である。また、図７は、漏れ波アンテナ３００の一部分についての断面図であり、該当部分を図６で２点鎖線で示した。図６及び図７漏れ波アンテナ３００の構成は、図１及び図２の漏れ波アンテナ１００の構成で、スロット３１〜３６を有する金属板３０の代わりにプリントダイポール５１〜５６を設けた構成である。図６においては、その構成の把握を容易とするため、第１の誘電体板１１とプリントダイポール５１〜５６を他の部分から離した形で記載している。尚、本実施例は請求項２に係る発明の具体的な実施例に相当する。

漏れ波アンテナ３００は、プリントダイポール５１〜５６の中心点がｘｚ平面上に有り、その他は図１の漏れ波アンテナ１００と同様の構成である。図６及び図７の漏れ波アンテナ３００は、図４及び図５の漏れ波アンテナ２００と同様に、スロットを有する漏れ波アンテナ１００のような平行平板モードは発生しない。また、図６及び図７の漏れ波アンテナ３００のプリントダイポール５１〜５６は、図４及び図５の漏れ波アンテナ２００のパッチアンテナ４１〜４６よりも利得が若干低くなるが、素子面積は小さくできると言う特徴がある。

図８は、本願発明の具体的な他の実施例に係る漏れ波アンテナ４００の構成を示す斜視図である。また、図９は、漏れ波アンテナ４００の一部分についての断面図であり、該当部分を図８で２点鎖線で示した。図８及び図９漏れ波アンテナ４００の構成は、図１及び図２の漏れ波アンテナ１００の構成に、第２の誘電体板１２と、その上に形成されたパッチアンテナ４１〜４６を加えた構成である。図８においては、その構成の把握を容易とするため、第１の誘電体板１１とスロット３１〜３６を有する金属板３０、第２の誘電体板１２とパッチアンテナ４１〜４６を他の部分から離した形で記載している。尚、本実施例は請求項３に係る発明の具体的な実施例に相当する。

漏れ波アンテナ４００は、スロット３１〜３６の中心点にパッチアンテナ４１〜４６の中心点が対応する、即ちそれら中心点が全てｘｚ平面上にあって、対応するスロットとパッチアンテナの中心点を結ぶ線分がｚ軸に平行となるように設けられたものである。その他は図１の漏れ波アンテナ１００と同様の構成である。この構造ではパッチアンテナ４１〜４６を形成した誘電体板１２が増えるというコスト上の欠点はあるが、アンテナの指向性においては、パッチアンテナを追加する方がスロット単独よりも利得が高いという特徴がある。

また図１０に示すように各スロットの形成方向をｘｙ平面内で４５度傾斜させること（図１０では金属板３１０のうち第１のスロット３１１のみ示した、）により、車載レーダで用いられる４５度傾斜偏波も容易に実現できる。図１０では放射される偏波の電界Ｅの方向を矢印で示した。この場合、例えば各図のｚ方向を車両の進行方向にすれば良い。

本発明は、無線通信や電磁波センシングに有用であり、例えば、無線通信装置や、車両の事故防止システムやオートクルーズ制御システムなどに用いられる障害物センサや、或いはその他の車両周辺の物体に対する物体探索手段などとして利用することができる。

本発明の具体的な一実施例に係る漏れ波アンテナ１００の構成を示す斜視図。漏れ波アンテナ１００の構成を示す断面図。漏れ波アンテナ１００の周波数に対する放射特性を比較例と共に示したグラフ図。本発明の具体的な他の実施例に係る漏れ波アンテナ２００の構成を示す斜視図。漏れ波アンテナ２００の構成を示す断面図。本発明の具体的な他の実施例に係る漏れ波アンテナ３００の構成を示す斜視図。漏れ波アンテナ３００の構成を示す断面図。本発明の具体的な他の実施例に係る漏れ波アンテナ４００の構成を示す斜視図。漏れ波アンテナ４００の構成を示す断面図。各実施例のスロットの変形例を示す平面図。スロットを有する導波管による漏れ波アンテナの構成図。メタマテリアルにより構成された左手系となりうる漏れ波アンテナの構成図。

１００、２００、３００、４００：漏れ波アンテナ
１０：誘電体基板
１１：第１の誘電体板
１２：第２の誘電体板
２０：接地板
２１：ギャップにより分断されたマイクロストリップ線路
２４：スタブ
２１１〜２１１７（２１ｉ）：繰り返し単位（アンテナ素子）の伝送路
２２１〜２２１７（２２ｉ）及び２３１〜２３１７（２３ｉ）：アンテナ素子のキャパシタ形成部分
２４１〜２４１７（２４ｉ）及び２５１〜２５１７（２５ｉ）：アンテナ素子のインダクタ形成部分（スタブ）
３０、３１０：スロットを有する金属板
３１〜３６、３１１：スロット
４１〜４６：パッチアンテナ
５１〜５６：プリントダイポールアンテナ
Ｇ：ギャップ

Claims

誘電体基板と、導体から成る同一または類似の単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有する漏れ波アンテナにおいて、
前記単位パターンは、伝送線路と、前記伝送線路を途中で分断するギャップと、前記伝送線路から枝分かれするスタブとを有し、
当該単位パターンを複数配列したストリップ線路の上に設けられた第１の誘電体板と、
当該第１の誘電体板の上に設けられた、１個以上のスロットを有する金属板を有し、
前記スロットの中心点は、前記ギャップの上方に位置することを特徴とする漏れ波アンテナ。
誘電体基板と、導体から成る同一または類似の単位パターンを前記誘電体基板の表側に所定の方向に複数配列することによって形成されたストリップ線路と、前記誘電体基板の裏面に形成された導体から成る接地板とを有する漏れ波アンテナにおいて、
前記単位パターンは、伝送線路と、前記伝送線路を途中で分断するギャップと、前記伝送線路から枝分かれするスタブとを有し、
当該単位パターンを複数配列したストリップ線路の上に設けられた第１の誘電体板と、
当該第１の誘電体板の上に設けられた、１個以上のパッチアンテナ又はダイポールアンテナを有し、
前記パッチアンテナ又は前記ダイポールアンテナの中心点は、前記ギャップの上方に位置することを特徴とする漏れ波アンテナ。
前記スロットを有する金属板の上に設けられた第２の誘電体板と、
当該第２の誘電体板の上に設けられた、１個以上のパッチアンテナを有し、
前記パッチアンテナの中心点は、前記ギャップの上方に位置する
することを特徴とする請求項１に記載の漏れ波アンテナ。
前記スロットと前記伝送線路との高さ方向の距離は、１／８波長以上であることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の漏れ波アンテナ。
前記パッチアンテナ又は前記ダイポールアンテナと前記伝送線路との高さ方向の距離は、１／８波長以上であることを特徴とする請求項２に記載の漏れ波アンテナ。