JP5936644B2

JP5936644B2 - 導波管給電パッチアレーアンテナ装置

Info

Publication number: JP5936644B2
Application number: JP2014082058A
Authority: JP
Inventors: 山口　聡; 山口　　聡; 直幸山本; 聡介堀江
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2034-04-11
Also published as: JP2015204495A

Description

この発明は、導波管給電パッチアレーアンテナ装置に関する。

レーダ、無線通信機器等に使用されるアンテナ装置には、微弱な電波を送受信可能とすること、つまり高利得であることが要求される。また、レーダ、無線通信機器等を車両等に搭載する場合、アンテナ装置は薄型（小型）であることが望ましい。
これらの要求を満たすアンテナの例として、平面アレーアンテナがある。平面アレーアンテナは、複数の素子アンテナを平面上に配列したアンテナである。

平面アレーアンテナにおいて、高利得特性を得るためには、素子アンテナの個数を多くして、合成されるアンテナの出力を大きくすればよい。しかし、素子アンテナの個数が増えると、素子アンテナへの給電線路が長くなり、給電線路の損失が大きくなる傾向がある。

このような問題に対処するため、特許文献１には、伝送損失が少ない導波管に素子アンテナとしてパッチアンテナを配置し、導波管を給電線路とする導波管給電パッチアレーアンテナが開示されている。

特開平６−３３４４３４号公報

しかしながら、引用文献１に記載の導波管給電パッチアレーアンテナでは、平面アンテナの放射面側からパッチ素子を見た場合の各パッチ素子の配置が不均一であるため、サイドローブレベルが上昇し、アンテナの放射特性（指向性）が劣化してしまう。

本発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、導波管給電パッチアレーアンテナ装置において、放射特性を良好にすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の導波管給電パッチアレーアンテナ装置は、両端が閉じられた導波管と、導波管の一面に配置された絶縁層と、絶縁層上に配置された複数のパッチ素子と給電ピンを含む素子アンテナと、導波管の一面に対向する面の中央に設けられた給電部と、を有している。給電ピンは、パッチ素子の裏面の中心からオフセットした位置に垂直に接続され、絶縁層と導波管の一面を貫通して導波管内部に延伸している。パッチ素子は、導波管の導波方向に沿って、かつ、複数のパッチ素子に流れる電流の方向がそれぞれ同じ方向を向くような位置に配置されている。

導波管給電パッチアレーアンテナ装置において、放射特性を良好にできる。

本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置におけるパッチ素子の配置を示す図である。（ａ）は、アンテナ装置の上面図であり、（ｂ）、（ｃ）は、アンテナ装置の略断面図である。実施の形態１に係るパッチ素子と給電ピンの上面図である。実施の形態１に係る導波管の上面図である。（ａ）は、あるタイミングにおける導波管を流れる電流分布を示し、（ｂ）、（ｃ）は、パッチ素子と給電ピンを流れる電流分布を示す図である。（ａ）は、別のタイミングにおける導波管を流れる電流分布を示し、（ｂ）、（ｃ）は、パッチ素子と給電ピンを流れる電流分布を示す図である。本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の上面図である。実施の形態２に係るパッチ素子と非励振素子の配置の例を示す図である。実施の形態２に係る非励振素子の形状の例を示す図である。実施の形態２に係る非励振素子の形状の他の例を示す図である。（ａ）は、変形例に係るパッチ素子の形状の例を示す図である。（ｂ）は、変形例に係るパッチ素子の他の形状の例を示す図である。本発明の実施の形態３に係るアンテナ装置の上面図である。

（実施の形態１）
以下、本発明の導波管給電パッチアレーアンテナ装置としてアンテナ装置１００について説明する。アンテナ装置１００は、パッチアンテナ（素子アンテナ）を導波管に配置した１点給電型の導波管給電パッチアレーアンテナ装置である。

アンテナ装置１００は、送受信アンテナとして動作し、分波器を介して無線通信の送信機と受信機に接続される。

アンテナ装置１００は、あらかじめ決められた周波数の信号を送受信するように設計されており、以下、このあらかじめ決められた周波数を使用周波数ｆ、使用周波数ｆにおける導波管の管内波長を使用管内波長λと呼ぶ。

なお、以下、アンテナ装置１００の送信機能を中心に説明するが、受信についても同様である。

以下、図面を参照しながらアンテナ装置１００の構成を説明する。図１（ａ）は、アンテナ装置１００の上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ−Ａ’線矢視断面図である。（ｃ）は、（ａ）に示すＢ−Ｂ’線矢視断面図である。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、アンテナ装置１００は、導波管１０と、導波管１０の上側の広壁面（以下、上面）１０ａに配置された誘電体層２１と、誘電体層２１上に配置された複数のパッチ素子２０（２０ａ〜２０ｆ）と給電ピン２２（２２ａ〜２２ｆ）とから構成される素子アンテナと、導波管１０の下側の広壁面（以下、下面）１０ｂに配置された給電プローブ３０を含む給電部とを有する。

導波管１０は、金属で形成されており、その断面が矩形の中空導波管である。導波管１０の両端（図１（ａ）、（ｂ）においては、右端と左端）は閉じられている。導波管１０は、素子アンテナの給電路である。導波管１０の長さＡ１は、パッチ素子２０の数を２・ｎ（ｎは自然数）とすると、ｎ・λ以上である。本実施の形態では、ｎ＝３とし、計６個のパッチ素子２０が間隔Ｄで配置されているので、導波管１０は、３・λ以上の長さを有する。詳細は後述する。

図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、給電プローブ３０が、導波管１０の下面１０ｂの中央に設けられている。給電プローブ３０の先端部は、下面１０ｂの中央に設けられたホール１２を貫通して、導波管１０から絶縁されて、導波管１０内に挿入されている。給電プローブ３０の末端部には、給電プローブ３０と送信機等とを接続するためのコネクタ３１が取り付けられている。

導波管１０の上面１０ａ上には、パッチ素子２０と導波管１０とを絶縁するための誘電体層２１が、配置されている。誘電体層２１は、導波管１０の上面１０ａ全体を覆う程度の大きさに形成されている。誘電体層２１は、ＢＴ(Bismaleimide-Triazine Resin)レジン基板、ガラスエポキシ基板等から構成される。

誘電体層２１の上には、金属板からなるパッチ素子２０が間隔Ｄで２・ｎ個、導波管１０の長軸Ｌ０に沿って一列に配列されている。本実施の形態では、ｎ＝３とし、計６個のパッチ素子２０（２０ａ〜２０ｆ）が間隔Ｄで配置されている。間隔Ｄはほぼλ／２である。
パッチ素子２０（２０ａ〜２０ｆ）の裏面に、金属からなる給電ピン２２（２２ａ〜２２ｆ）が垂直に接続されている。給電ピン２２は、誘電体層２１と導波管１０の上面１０ａとを貫通し、導波管１０内に突出すると共に導波管１０と導通している。

図２に示すように、各パッチ素子２０は、平面視でほぼ矩形をしており、給電ピン２２は、パッチ素子２０の図面上下方向（導波管１０の幅方向）の中央に配置され（Ｄ１≒Ｄ２）、図面左右方向（導波管１０の長さ方向）の中心（Ｄ３≒Ｄ４）からずれた位置に配置されている。

給電ピン２２の位置は、導波管１０の長軸Ｌ０から手前に（紙面下側方向に）距離Ｄ_ｏｆｆオフセットしている。距離Ｄ_ｏｆｆについては後述する。

さらに、パッチ素子２０は、その中心から給電ピン２２の位置をオフセットする方向が交互に変わるように配置されている。図１（ａ）では、給電プローブ３０から端部に向かう方向に順に、パッチ素子２０の中心からの給電ピン２２のオフセットの距離が−ｄ、＋ｄ、−ｄ、…と交互に切り替えわるように配置されている。

具体的には、給電プローブ３０から一方の端部（紙面右側）に向かう側では、給電プローブ３０に一番近いパッチ素子２０ｂの給電ピン２２ｂは給電プローブ３０寄りに、パッチ素子２０ｄの給電ピン２２ｄは導波管１０の端部寄りに、パッチ素子２０ｆの給電ピン２２ｆは給電プローブ３０側になるように配置されている。また、給電プローブ３０から他方の端部（紙面左側）に向かう側では、給電プローブ３０に一番近いパッチ素子２０ａの給電ピン２２ａは導波管１０の端部寄り（紙面左側）に、パッチ素子２０ｃの給電ピン２２ｃは給電プローブ３０寄りに、パッチ素子２０ｅの給電ピン２２ｅは導波管１０の端部寄りになるように配置されている。

次に、パッチ素子２０と給電ピン２２の配置位置についてより具体的に説明する。

導波管１０の両端は閉じられているため、給電プローブ３０から使用周波数ｆの高周波信号が供給されると、導波管１０内には定在波が発生する。定在波により、導波管１０に電流Ｉｗが流れる。この電流Ｉｗの瞬間的な様子の例を図４（ａ）に模式的に示す。この例では、導波管１０の上面１０ａにおいて、電流Ｉｗは点（節）Ｎａ〜Ｎｆを中心に放射状に流れる。電流Ｉｗの向きは、位置によって異なり、点Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｅ、Ｎｆ近傍においては、電流Ｉｗは、Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｅ、Ｎｆに向かうように流れ、点Ｎｃ、Ｎｄ近傍においては、電流Ｉｗは、点Ｎｃ、Ｎｄを中心に広がるように流れている。この電流Ｉｗの流れの向きと大きさは時間の経過と共に変化するが、点Ｎａ〜Ｎｆの位置は変動しない。点Ｎａ〜Ｎｆの間隔はＤ＝λ／２であり、パッチ素子２０の間隔Ｄはこれに一致させている。

この電流Ｉｗの分布を前提として、パッチ素子２０ａ〜２０ｅを流れる電流が同一方向を向き、且つ、所望の（通常、最大の）振幅が得られるように、各パッチ素子２０と給電ピン２２の位置が設定されている。即ち、パッチ素子２０及び給電ピン２２の配置のオフセット（距離Ｄ_ｏｆｆ）、給電ピン２２の中心に対する給電ピンの位置のオフセット（距離ｄ）により、導波管１０と給電ピン２２の結合量、および給電ピン２２とパッチ素子２０の結合量を調整している。

次に、アンテナ１００の製造方法を説明する。
まず、使用周波数ｆに応じた導波管１０を用意し、上面１０ａの電流分布をシミュレートし、オフセット量Ｄoffと±ｄとを求める。
続いて、求めたオフセット量Ｄoffと±ｄとに基づいて、上面１０ａに、給電ピン２２貫通用の６つのホール１１を、図３に示すように加工する。さらに、導波管１０の下面１０ｂ中央に給電プローブ３０を通すためのホール１２を加工する。

つぎに、上面１０ａ全体を覆う程度の面積を有する誘電体層２１を用意し、導波管１０と同様に、給電ピン２２の位置に対応した６個のホール２３を加工する。

続いて、各ホール１１と対応するホール２３の位置が一致するようにして、上面１０ａに、誘電体層２１を載せる。この状態で、あらかじめ決められた寸法に加工された給電ピン２２をホール１１、ホール２３に貫通させ、給電ピン２２の先端を導波管１０内に挿入し、導波管１０の上面１０ａと接続する。

次に、誘電体層２１の上にスパッタリングにより金属膜を形成し、これをパターニングして、パッチ素子２０を形成する。

その後、下面１０ｂのホール１２に、コネクタ３１を取り付けた給電プローブ３０を差し込み、固定する。

次に、アンテナ装置１００の動作を説明する。

図４に、給電時のアンテナ装置１００の動作を説明する模式図を示す。（ａ）は、前述したように、導波管の上面表面を流れる電流の瞬間的な様子である。（ｂ）は、パッチ素子２０を流れる電流の瞬間的な様子を表す。（ｃ）はパッチ素子２０および給電ピン２２を流れる電流の瞬間的な様子を表す。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、いずれも同じタイミングｔ１での電流の様子を描いたものである。

図４（ａ）に示すように、タイミングｔ１では、点Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｅ、Ｎｆに電流Ｉｗが流れ込み、点Ｎｃ、Ｎｄから電流Ｉｗが湧わき出している。この電流Ｉｗの流れにより、図４（ｃ）に示すように、給電ピン２２ａ、２２ｂ、２２ｅ、２２ｆには上向きに電流Ｉｐが流れ、給電ピン２２ｃと２２ｄには、下向きに電流Ｉｐが流れる。給電ピン２２ａ、２２ｂ、２２ｅ、２２ｆのパッチ素子２０ａ〜２０ｆに対応するシフト量−ｄは、給電ピン２２ｃと２２ｄのシフト量＋ｄとは、逆極性となっている。このため、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、６個のパッチ素子２０には、同じ向きの電流Ｉｐが流れる。

続いて、１／２周期が経過したタイミングｔ２では、導波管１０の上面１０ａの表面を流れる電流Ｉｗは、図５（ａ）に、示すように、図４（ａ）とは逆方向となる。即ち、図５（ａ）に示すように、点Ｎａ、Ｎｂ、Ｎｅ、Ｎｆから電流Ｉｗが湧き出し、点Ｎｃ、Ｎｄに電流Ｉｗが流れ込む。この電流Ｉｗの流れにより、図５（ｃ）に示すように、給電ピン２２ａ、２２ｂ、２２ｅ、２２ｆには下向きに電流Ｉｐが流れ、給電ピン２２ｃと２２ｄには、上向きに電流Ｉｐが流れる。給電ピン２２ａ、２２ｂ、２２ｅ、２２ｆのパッチ素子２０ａ〜２０ｆに対応するシフト量−ｄと給電ピン２２ｃと２２ｄのシフト量＋ｄとが逆極性となっているため、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、６個のパッチ素子２０には、図面左向きの同じ向きの電流Ｉｐが流れる。

このように、本実施の形態に係るアンテナ装置１００では、パッチ素子２０を流れる電流の向き（位相）をそろえることができ、良好な放射特性を実現することができる。さらに、パッチ素子２０を導波管１０の上に均等に（等間隔のピッチで）一列に配置したため、サイドローブレベルの上昇を抑制できる。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上述したように、アンテナ素子の数は任意であり、使用管内波長λとして、ｎ・λ以上の長さの導波管を用意することにより、２・ｎ個のアンテナ素子を配置することができる。例えば、導波管を４λ以上の長さとして、８つのアンテナ素子を配置するようにしてもよい。

（実施の形態２）
実施の形態１においては、パッチ素子２０の形状が全て同一である。このため、アンテナ装置１００の動作周波数範囲が狭い場合がある。アンテナ装置１００の動作周波数範囲を広帯域化するために、パッチ素子２０の近傍に非励振素子を設けることができる。

図６に、パッチ素子２０の近傍に非励振素子４０を設けたアンテナ装置１００をその上部から見た外観図を示す。上述の実施の形態１と同様の構成については、同一符号を付す。

ここでは、パッチ素子２０の両側（導波管１０の短手方向側）に、矩形の非励振素子４０がそれぞれ設けられている。パッチ素子２０と非励振素子４０の間の距離は、例えば、１／１０波長である。非励振素子４０をパッチ素子２０の近傍に配置するため、非励振素子は、パッチ素子２０と同様のモードで励振し、複共振効果によって、アンテナ装置１００の動作周波数の帯域を広げることができる。
なお、非励振素子４０は、必ずしもパッチ素子２０の両側に設置する必要はなく、パッチ素子２０の片側のどちらか一方だけに設置してもよい。

また、パッチ素子２０と非励振素子４０は必ずしも同一面にある必要はない。図７に示す例では、誘電体層２１上の端部近傍にスペーサ４２を配置し、スペーサ４２の上に誘電体４１を配置している。そして、パッチ素子２０が設けられた面（誘電体層２１）に対向する誘電体４１の面に非励振素子４０を設置している。つまり、パッチ素子２０と非励振素子４０は、互いに対向するような位置に配置されている。なお、パッチ素子２０と非励振素子４０との間の距離は、例えば、１／１０波長である。

このような配置により、パッチ素子２０と非励振素子４０の間に発生する定在波が生じ、共振器が構成される。この共振器にエネルギーが蓄えられるため、利得が向上する。

また、図８に示すように、非励振素子４０の代わりに、切り欠き付き非励振素子４３を使用してもよい。

さらに、図９に示すように、切り欠き付き非励振素子４３の切り欠き部にスイッチ４４を設けてもよい。スイッチ４４のＯＮとＯＦＦを切り替えることで非励振素子４０の電気的な長さを変化させ、非励振素子４０の共振周波数を可変にできる。これにより、アンテナの指向性を動的に変化させることができるようになる。

さらに、非励振素子４０の形状、配置により、アンテナ装置１００の放射パターン特性を所望の形状に成形することができる。つまり、アンテナ装置１００の指向性を調節することができる。

具体的には、例えば、上述したように、非励振素子４０をパッチ素子２０の両方にではなく一方の側にだけ設置したり、パッチ素子２０の一方の側の非励振素子４０と他方の側の非励振素子４０の長さや幅を互いに異ならせることができる。また、パッチ素子２０の両側に非励振素子４０を設置する場合、２つの非励振素子４０をパッチ素子２０の中心から非対称な位置に配置することができる。このように非励振素子４０の形状、配置を調整することで、アンテナの放射特性を調整する（変化させる）ことができる。

（変形例１）
上述の実施の形態では、正方形の金属板からなるパッチ素子２０を使用する例を説明したが、パッチ素子２０は他の形状であってもよい。例えば、円形、長方形の金属板からなるパッチ素子２０を使用してもよい。図１０（ａ）に、円形のパッチ素子２０を配置した例を示す。

また、パッチ素子２０を回転させて配置してもよい。例えば、図１０（ｂ）では、正方形のパッチ素子２０をその中心周りに４５度回転させて配置した例を示す。なお、このとき、パッチ素子２０に接続されている給電ピン２２は、すべての軸Ｌ１上に配置されている。

（実施の形態３）
上記実施の形態、変形例では、導波管１０を単列で使用する場合を示したが、導波管１０を複数配列して平面アレーアンテナを形成することもできる。図１１に、実施の形態３に係るアンテナ装置２００をその上部から見た上面図を表す。前述と同様のものについては、同一符号を付して、その説明を省略する。

アンテナ装置２００では、図１に示す構成を縦方向（紙面上下方向）に４つ並べている。従って、アンテナの開口面積を広くでき、利得を向上させることができる。なお、所望の利得に応じて、図１に示すアンテナ装置１００の個数を変更してもよい。また、アンテナ装置２００を構成するアンテナ装置１００は、図１に示す構成に限らず、上述した他の構成（図６−１０）のうち何れかの構成を有していてもよい。

また、図１等に示す給電ピン２２のためのホール１１の形状も丸型に限らない。例えば、矩形、三角形等であってもよいし、あるいは、導波管１０の上面１０ａにスリット等を設けてもよい。

導波管１０への給電点（給電ピン２２の位置）は、導波管１０の下面１０ｂの中心でなくてもよい。また、上述の実施の形態では、１点給電方式の例を説明したが、アンテナ装置の給電方式は、１点給電方式に限らず、多点給電方式でもよい。また、給電線路として使用する導波管は、その断面が方形の導波管に限らず、その断面が円形の導波管であってもよい。ポイントは、導波管内に発生する電流パターンに応じて、パッチ素子に流れる電流の位相が揃うように、パッチ素子２０と給電ピン２２の配置を調整する点にある。

アンテナ装置１００の製造方法も、上記実施の形態に限定されず、任意である。例えば、上記実施の形態では、パッチ素子１０を蒸着とパターニングにより形成したが、金属箔をはり付けることにより形成してもよい。また、薄い金属板で形成することも可能である。

１０導波管、１０ａ上面、１０ｂ下面、１１ホール、１２ホール、２０（２０ａ〜２０ｆ）パッチ素子、２１誘電体層、２２（２２ａ〜２２ｆ）給電ピン、２３ホール、３０給電プローブ、３１コネクタ、４０非励振素子、４１誘電体、４２スペーサ、４３切り欠き付き非励振素子、４４スイッチ、１００アンテナ装置、２００アンテナ装置、Ａ１導波管の長さ、ｆ使用周波数、Ｉｗ導波管表面上を流れる電流、Ｉｐパッチ素子を流れる電流、Ｌ０軸、Ｌ１軸、Ｎ１〜Ｎ６点、Ｎａ〜Ｎｆ点（節）、λ 使用管内波長。

Claims

両端が閉じられた導波管と、
前記導波管の一面に配置された絶縁層と、
前記絶縁層上に配置された複数のパッチ素子と給電ピンを含む素子アンテナと、
前記一面に対向する面の中央に設けられた給電部と、
を有し、
前記給電ピンは、前記パッチ素子の裏面の中心からオフセットした位置に垂直に接続され、前記絶縁層と前記一面を貫通して前記導波管内部に延伸し、
前記パッチ素子は、前記導波管の導波方向に沿って、かつ、複数の前記パッチ素子に流れる電流の方向がそれぞれ同じ方向を向くような位置に配置されている、
導波管給電パッチアレーアンテナ装置。
前記パッチ素子は、前記導波管の前記一面に放射状に流れる電流の中心点の近傍に配置されている、
請求項１に記載の導波管給電パッチアレーアンテナ装置。
前記パッチ素子と該パッチ素子に接続された前記給電ピンは、前記導波管の中心軸からオフセットされた位置に配置されている、
請求項２に記載の導波管給電パッチアレーアンテナ装置。
前記給電ピンは、前記放射状に流れる電流の中心点の位置から前記導波管の長軸方向にオフセットして配置されている、
請求項３に記載の導波管給電パッチアレーアンテナ装置。
複数の前記パッチ素子のうちの一のパッチ素子については、前記給電ピンが前記パッチ素子の中心より前記給電部寄りになるように配置され、
複数の前記パッチ素子のうちの他のパッチ素子については、前記給電ピンが前記パッチ素子の中心より前記導波管の端部寄りになるように配置されている、
請求項２から４のいずれか１項に記載の導波管給電パッチアレーアンテナ装置。
前記パッチ素子の近傍に非励振素子が設けられている、
請求項２から５のいずれか１項に記載の導波管給電パッチアレーアンテナ装置。
前記非励振素子の一部に切り欠き部が設けられ、前記切り欠き部にスイッチが設けられた、
請求項６に記載の導波管給電パッチアレーアンテナ装置。
請求項１から７のいずれか１項に記載の導波管給電パッチアレーアンテナ装置を、前記導波管の幅方向に複数配列した、
導波管給電パッチアレーアンテナ装置。