JP5676722B1 - 平面アンテナ及びレーダ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
上述の公知の平面アンテナの実施形態では、インピーダンス変換機能を持たせるために、給電用導体の幅を給電点に近づくにつれて細くした例も示されている(図12)。しかし、
この例の場合、フィルタ、アンプ、カプラ、RFスイッチ、及びミキサ等を含む高周波回路(当該文献では平衡回路と記載されている)は全てレッヘル線路(平衡回路)で結線されており、高周波回路にマイクロストリップ線路や同軸線路等の不平衡線路を用いることができない。
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第1の面に設けられた第1のアンテナ要素と、前記第1の面と反対側の第2の面に設けられた第2のアンテナ要素により構成され、前記第1のアンテナ要素と前記第2のアンテナ要素が平衡型のアンテナとして機能するアンテナ本体部と、
前記第1のアンテナ要素に給電するために前記第1のアンテナ要素の給電点と接続した、前記第1の面に設けられた第1の給電線路と、前記第2のアンテナ要素に給電するために前記第2のアンテナ要素の給電点と接続した、前記第2の面に設けられた第2の給電線路と、前記第1の給電線路と接続した、前記第1の面に設けられた信号線を含む信号線路部と、
前記第1の面に設けられ、前記信号線とともにコプレーナ線路を形成する第1の接地導体と、
前記第1の面に形成された前記コプレーナ線路の領域に対向する、前記第2の面の領域に設けられ、前記第2の給電線路と接続した第2の接地導体と、
を有し、
前記信号線路部は、
前記信号線路部の信号を伝送させる1つの線において、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる部分を2つ設けることにより前記アンテナ本体部と前記信号線路部の間のインピーダンスを整合させ、かつ、平衡-不平衡の変換をする整合回路を備え、
前記コプレーナ線路の前記信号線が前記第1の給電線路と接続する前記信号線の端に対向する前記第1の接地導体の縁部の端には、前記第1の接地導体と前記第2の接地導体とを接続することにより、前記第1の給電線路と前記第2の給電線路を平衡伝送線路にするビアホールが設けられている、ことを特徴とする。
前記第1の給電線路は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第1の部分を有し、
前記第2の給電線路は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第2の部分を有し、
前記信号線は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第3の部分を有し、
前記第1の部分と前記第2の部分は、前記誘電体基板を挟んで同じ位置に設けられる、ことが好ましい。
前記第3の部分から前記第1の部分の接続部分に向かって進むとき、線幅が段差を持って広くなっている、ことが好ましい。
前記第1のアンテナ要素及び前記第2のアンテナ要素のそれぞれと、前記延長接地導体それぞれとの間に、抵抗素子が設けられる、ことが好ましい。
前記平面アンテナが複数配列し、電磁波を物体に向けて放射する送信用アレイアンテナと、
前記平面アンテナが複数配列し、前記物体から反射した電磁波を受信する受信用アレイアンテナと、
前記送信用アレイアンテナに用いた送信信号を用いて、前記受信用アレイアンテナで受信した受信信号を処理する高周波回路と、
前記高周波回路で得られた処理信号を用いて前記物体に関する3次元画像信号を取得する信号処理部と、
前記送信用アレイアンテナによる送信、前記受信用アレイアンテナによる受信、前記受信信号の処理、及び、前記3次元画像信号の取得のそれぞれを制御するシステム制御回路と、
前記3次元画像信号を用いて3次元画像を生成する画像表示部と、を有する。
前記物体が相対的に移動する移動距離に関して一定の移動距離毎に、前記送信用アレイアンテナの送信と前記受信用アレイアンテナの受信を行うために、定められた移動距離毎に信号を出力するセンサと、を含む、ことが好ましい。
前記送信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向に平行に、前記受信用アレイアンテナの平面アンテナは配列されている、ことが好ましい。
前記送信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向及び前記受信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向は、前記物体の移動方向に垂直である、ことが好ましい。
本実施形態の平面アンテナ10は、プリント基板上でパターン化された整合回路を持つアンテナである。平面アンテナ10は、例えば10〜20GHzである周波数で動作するアンテナであり、非金属の物体を検査対象とする3次元映像化レーダ装置に好適に適用される。
アンテナ本体部は、プリント基板である誘電体基板12の両側の面上に形成された自己補対型の第1のアンテナ要素14と第2のアンテナ要素16を含む平衡型のアンテナとして機能する。
誘電体基板12は、比誘電率1〜20の材料が用いられ、例えばガラスやガラスエポキシ樹脂やフッ素樹脂等が用いられる。自己補対型のアンテナ要素とは、アンテナの形状のうち、無限縁のアンテナ要素のあるアンテナ領域と、アンテナ導体のないスロット領域とが互いに回転や移動を行うことで重なるような形状をいう。例えば、1本の連続する直線あるいは曲線を、給電点を中心に90度ずつ回転したときの直線あるいは曲線を縁とする回転対称な形状のアンテナ要素が挙げられる。このような形状のアンテナの入力インピーダンスは、188Ω(略200Ω)の定インピーダンスアンテナとなる。
第1のアンテナ要素14と第2のアンテナ要素16の材料は、導電性を有すればよく、例えば、銅や銀の導電材である。
第1のアンテナ要素14は、誘電体基板12の両側の面のうち第1の面に設けられ、第2のアンテナ要素16は、誘電体基板12の両側の面のうち第2の面に設けられる。
第2の接地導体22は、信号線24及び第1の接地導体26を含むコプレーナ線路18の第1の面の領域に対して、誘電体基板12を挟んで第2の面の同じ領域に設けられている。すなわち、第1の面及び第2の面では、自己補対型の第1のアンテナ要素14と第2のアンテナ要素16のアンテナ領域と、これらのアンテナ要素のない自己補対形状のスロット領域を含む領域には、給電点Fpに延びる給電線路対20しか設けられず、給電線路20の給電点Fpの側と反対側の基部に信号線24、第1の接地導体26、及び第2の接地導体22が設けられている。
このように、本実施形態では、第1の面に設けられた第1の部分21aと第3の部分24aと、第2の面に設けられ、第1の部分21aと誘電体基板12を挟んで同じ領域に設けられた第2の部分21bとによりアンテナ本体部と信号線路のインピーダンスを整合することができ、かつ、不平衡−平衡の変換をする整合回路を形成する。
インピーダンスを整合させる上述の第1の部分21aと第2の部分21bは、誘電体基板12を挟んで同じ位置に設けられることが、インピーダンスを精度よく変換させる点で好ましい。
図1(a),(b)に示す例では、第1のアンテナ要素14と第2のアンテナ要素16との間のインピーダンスは略200Ωであるので、200Ωの抵抗素子32が並列に2つずつ計4箇所設けられている。
この場合、第1のアンテナ要素14及び第2のアンテナ要素16は、いずれも、給電点Fpから最も遠い位置において、抵抗素子32を介して延長接地導体27,23と接続されていることが好ましい。
・誘電体基板12の比誘電率:2.6(2.6)
・誘電体基板12の板厚:1.6mm(1.6mm)
・第1の部分20a、第2の部分20bの長さL2:5mm(6.5mm)
・第3の部分24aの長さL3:5mm(6mm)
・第1の部分20a,第2の部分20bの最小幅W2min:0.6mm(0.6mm)
・第1の部分20a,第2の部分20bの最大幅W2max:2.1mm(2.1mm)
・第3の部分24aの最小幅W3min:0.9mm(0.9mm)
・第3の部分24aの最大幅W3max:2.5mm(2.5mm)
・信号線24を形成するための第1の接地導体26間の隙間W0:3mm(3mm)
・アンテナ本体部の大きさA0:10mm(13mm)
・第1、第2のアンテナ要素の全長B0:9mm(12mm)
このように、平面アンテナ10は、高周波でかつ超広帯域で動作する平衡型のアンテナであって、信号線路部の信号を伝送させる1つの線において、線幅が給電点に向かって連続的に細くなる部分(第1の部分、第3の部分)を2つ設けることにより、平衡型のアンテナ本体部と不平衡型の信号線路部の間で、インピーダンスを整合させ、かつ、平衡-不平衡の変換をする整合回路と、を有するので、バランのような平衡-不平衡変換器を用いず、プリント基板上で実現することができる。そして、平面アンテナ10はバランを不要とするので、簡便な構成でコストのかからないアンテナとして用いることができる。
図5は、送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52を含む送受信モジュール40の一例の構成を示している。
送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52が共通の誘電体基板12に形成されている。具体的に、送信用アレイアンテナ50として、図1〜4に示す平面アンテナ10が複数個誘電体基板12上に形成され、受信用アレイアンテナ52として、図1〜4に示す平面アンテナ10が複数個誘電体基板12上に形成されている。送信用アレイアンテナ50の平面アンテナ10の配列方向は、受信用アレイアンテナ52の平面アンテナ10の配列方向と平行である。このとき、図5に示されるように、受信用アレイアンテナ52の平面アンテナ10の配列方向における位置は、送信用アレイアンテナ50の隣接する平面アンテナ10の2つの位置の中間にあることが好ましい。なお、受信用アレイアンテナ52の平面アンテナ10の配列方向における位置を、送信用アレイアンテナ50の平面アンテナ10の配列方向の位置と一致させてもよい。
トーナメント形式の信号線の分岐部分及び合流部分には、高周波スイッチ58,59が設けられており、送信信号を用いて電磁波を放射させる平面アンテナ10を送信用アレイアンテナ50から選択し、また、受信用アレイアンテナ52から受信信号を取り込みたい平面アンテナ10を選択することができる。このような高周波スイッチ58,59の制御は、図示されないシステム制御回路からの指示にしたがって制御する。
送受信モジュール40も、送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52を有する。送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52の平面アンテナ10の信号線24と第1の接地導体26及び第2の接地導体22は、同軸ケーブル80,82と接続されており、送信信号が送信用アレイアンテナ50に供給され、受信用アレイアンテナ52から受信信号が出力される。送受信モジュール40は、RFスイッチユニット84,86を有し、図示されないシステム制御回路からの制御信号によって、送信信号を供給する供給先である送信用アレイアンテナ50内の平面アンテナ10と、受信用アレイアンテナ52の内の平面アンテナ10がそれぞれ1つ選択される。
図6に示す構成では、図5に示す構成と異なり、送信用アレイアンテナ50及び受信用アレイアンテナ52は、同軸ケーブル80,82によってRFスイッチユニット84,86と接続されている。
レーダ装置60は、送信用アレイアンテナ50と受信用アレイアンテナ52と高周波スイッチ58,59とを含む送受信用モジュール40と、高周波回路62と、システム制御回路64と、信号処理部66と、画像表示部68と、を有する。
すなわち、レーダ装置60は、上述の平面アンテナ10が複数配列し、電磁波を物体に向けて放射する送信用アレイアンテナ50と、上述の平面アンテナ10が複数配列し、物体から反射した電磁波を受信する受信用アレイアンテナ52と、送信用アレイアンテナ50に用いた送信信号を用いて、受信用アレイアンテナ52で受信した受信信号を処理する高周波回路62と、高周波回路62で得られた処理信号を用いて物体に関する3次元画像信号を取得する信号処理部66と、その処理結果を表示する画像表示部68と、を含む。
システム制御回路64は、送信用アレイアンテナ50による送信、受信用アレイアンテナ52による受信、受信信号の処理、及び、3次元画像信号の取得のそれぞれを制御する。
本実施形態では、定められた移動距離毎に信号を出力するセンサとしてエンコーダ69を用いるが、エンコーダ69に限定されない。測定対象の非金属の構造物である物体が相対的に移動する移動距離に関して一定の移動距離毎に、送信用アレイアンテナ50の送信と受信用アレイアンテナ52の受信を行うために、定められた移動距離毎に信号を出力するセンサを用いればよい。
本実施形態のレーダ装置60は、測定対象の物体と相対的に移動するが、レーダ装置60と物体は相対的に移動するものでなくてもよい。
本実施形態の平面アンテナ10は、このようなレーダ装置60に好適に用いることができる。図7に示すレーダ装置60は、高周波スイッチ58,59を有するが、高周波スイッチ58,59を有さないレーダ装置にも本実施形態の平面アンテナ10は適用できる。
12 誘電体基板
14 第1のアンテナ要素
16 第2のアンテナ要素
18 コプレーナ線路
20 給電線路対
20a 第1の給電線路
20b 第2の給電線路
21a 第1の部分
21b 第2の部分
22 第2の接地導体
23,27 延長接地導体
24 信号線
24a 第3の部分
26 第1の接地導体
30 ビアホール
32 抵抗素子
50 送信用アレイアンテナ
52 受信用アレイアンテナ
54 信号線路
56 信号線路
58,59 高周波スイッチ
60 レーダ装置
62 高周波回路
80,82 同軸ケーブル
84,86 RFスイッチユニット
Claims (13)
- 平面アンテナであって、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第1の面に設けられた第1のアンテナ要素と、前記第1の面と反対側の第2の面に設けられた第2のアンテナ要素により構成され、前記第1のアンテナ要素と前記第2のアンテナ要素が平衡型のアンテナとして機能するアンテナ本体部と、
前記第1のアンテナ要素に給電するために前記第1のアンテナ要素の給電点と接続した、前記第1の面に設けられた第1の給電線路と、前記第2のアンテナ要素に給電するために前記第2のアンテナ要素の給電点と接続した、前記第2の面に設けられた第2の給電線路と、前記第1の給電線路と接続した、前記第1の面に設けられた信号線を含む信号線路部と、
前記第1の面に設けられ、前記信号線とともにコプレーナ線路を形成する第1の接地導体と、
前記第1の面に形成された前記コプレーナ線路の領域に対向する、前記第2の面の領域に設けられ、前記第2の給電線路と接続した第2の接地導体と、
を有し、
前記信号線路部は、
前記信号線路部の信号を伝送させる1つの線において、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる部分を2つ設けることにより前記アンテナ本体部と前記信号線路部の間のインピーダンスを整合させ、かつ、平衡-不平衡の変換をする整合回路を備え、
前記コプレーナ線路の前記信号線が前記第1の給電線路と接続する前記信号線の端に対向する前記第1の接地導体の縁部の端には、前記第1の接地導体と前記第2の接地導体とを接続することにより、前記第1の給電線路と前記第2の給電線路を平衡伝送線路にするビアホールが設けられている、ことを特徴とする平面アンテナ。 - 前記第1の給電線路上に、前記インピーダンスを整合させる前記部分が設けられている、請求項1に記載の平面アンテナ。
- 前記第1のアンテナ要素と前記第2のアンテナ要素は、自己補対型のアンテナ要素であり、
前記第1の給電線路は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第1の部分を有し、
前記第2の給電線路は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第2の部分を有し、
前記信号線は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第3の部分を有し、
前記第1の部分と前記第2の部分は、前記誘電体基板を挟んで同じ位置に設けられる、請求項1に記載の平面アンテナ。 - 前記第3の部分は、前記信号線が前記第1の給電線路と接続する端部で終了し、前記第1の給電線路の前記第1の部分は、前記信号線の前記端部と接続する前記第1の給電線路の端部から開始し、
前記第3の部分から前記第1の部分の接続部分に向かって進むとき、線幅が段差を持って広くなっている、請求項3に記載の平面アンテナ。 - 前記第1の給電線路の延びる方向における前記第1の部分の長さと前記信号線の延びる方向における前記第3の部分の長さの合計は、前記第3の部分の開始位置から前記給電点までの線路長に等しい、請求項3または4に記載の平面アンテナ。
- 前記第1のアンテナ要素の周りを覆うように、前記第1の接地導体から延長した延長接地導体が、前記第1のアンテナ要素と離間して設けられ、前記第2のアンテナ要素の周りを覆うように、前記第2の接地導体から延長した延長接地導体が、前記第2のアンテナ要素と離間して設けられ、
前記第1のアンテナ要素及び前記第2のアンテナ要素のそれぞれと、前記延長接地導体それぞれとの間に、抵抗素子が設けられる、請求項1〜5のいずれか1項に記載の平面アンテナ。 - 前記第1のアンテナ要素及び前記第2のアンテナ要素は、いずれも、前記給電点から最も遠い位置において、前記抵抗素子を介して前記延長接地導体と接続されている、請求項6に記載の平面アンテナ。
- 前記信号線に対向する前記第1の接地導体の縁部に沿って、前記第1の接地導体と前記第2の接地導体とを接続する複数のビアホールが設けられている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の平面アンテナ。
- 請求項1〜8のいずれか1項に記載の平面アンテナが複数配列し、電磁波を物体に向けて放射する送信用アレイアンテナと、
請求項1〜8のいずれか1項に記載の平面アンテナが複数配列し、前記物体から反射した電磁波を受信する受信用アレイアンテナと、
前記送信用アレイアンテナに用いた送信信号を用いて、前記受信用アレイアンテナで受信した受信信号を処理する高周波回路と、
前記高周波回路で得られた処理信号を用いて前記物体に関する3次元画像信号を取得する信号処理部と、
前記送信用アレイアンテナによる送信、前記受信用アレイアンテナによる受信、前記受信信号の処理、及び、前記3次元画像信号の取得のそれぞれを制御するシステム制御回路と、
前記3次元画像信号を用いて3次元画像を生成する画像表示部と、を有することを特徴とするレーダ装置。 - 前記高周波回路は、前記送信信号を供給する平面アンテナを前記送信用アレイアンテナの内から選択する高周波スイッチと、前記受信用アレイアンテナの内から平面アンテナを選択する高周波スイッチと、を含む、請求項9に記載のレーダ装置。
- さらに、前記物体を前記レーダ装置に対して相対的に移動させる移動装置と、
前記物体が相対的に移動する移動距離に関して一定の移動距離毎に、前記送信用アレイアンテナの送信と前記受信用アレイアンテナの受信を行うために、定められた移動距離毎に信号を出力するセンサと、を含む、請求項9または10に記載のレーダ装置。 - 前記送信用アレイアンテナと前記受信用アレイアンテナは、共通する1つの誘電体基板上に設けられ、
前記送信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向に平行に、前記受信用アレイアンテナの平面アンテナは配列されている、請求項9〜11のいずれか1項に記載のレーダ装置。 - 前記レーダ装置に対して、前記物体は相対的に移動し、
前記送信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向及び前記受信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向は、前記物体の移動方向に垂直である、請求項12に記載のレーダ装置。
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