JP5937994B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、サイドローブレベルを低減させたアンテナに関する。

アンテナの指向特性において、サイドローブレベルを抑圧する機構として、下記特許文献１〜３の技術が知られている。特許文献１には、アンテナ素子の４角形の周囲に基板に垂直に金属壁や電波吸収体を設ける構成が開示されている。また、特許文献２には、第１軸方向に延びる複数の導波管スロットアンテナを、第１軸に垂直な第２軸方向に配列させたアンテナにおいて、隣接する各導波管スロットアンテナの間に、第１軸及び第２軸に垂直な第３軸方向に金属板を突出させた構造が開示されている。また、特許文献３には、パッチアンテナの周囲に金属カバーを電磁波の放射方向に突出させた構造が開示されている。従来技術は、これらの基板に対して、電磁波の放射方向に突出した金属板を設けることで、指向性を制御するものである。

特許第３４６７９９０号公報 特開２０１２−４７００号公報 特開２００９−１６８７７８号公報

ところが、特許文献１〜３の技術では、指向特性の０°の方向、すなわち、アンテナ素子を配設した基板の主面に垂直な方向に金属体を突出する方法であるので、サイドローブを抑圧するには、その金属体の高さを高くする必要がある。特に、アンテナ素子の周辺には給電回路、送信回路、受信回路などの電子回路が搭載されるために、金属体はアンテナ素子から離れた位置に設ける必要があった。金属体をアンテナ素子から離れた位置に設けるほど、金属体の高さを高くしないと、サイドローブを抑圧することはできなかった。

そこで、本発明の目的は、サイドローブを抑圧する部材を、アンテナ素子から離れた位置であっても、アンテナ素子を配設した基板に対する高さを可能な限り低くすることで、低減の目標となるサイドローブが効果的に抑圧された、厚さの薄い小型のアンテナを実現することである。

上記課題を解決するための本第１の発明は、誘電体基板と導体とを有するアンテナにおいて、誘電体基板の主面に配設され、主面の前方に指向性を有するアンテナ素子と、アンテナ素子に対して、アンテナ素子の指向特性における少なくとも一方の側において、主面に対して前方に突出した側壁部と、側壁部からアンテナ素子の方向に、主面への正射影がアンテナ素子には至らない長さで、側壁部に対する角度が７０°より大きく、１２０°より小さい所定角度で突出した屋根部とから成り、電波を反射又は吸収する指向特性制御部材と、を有することを特徴するアンテナである。

アンテナ素子の指向特性は、ある面内における１次元の特性を想定している。したがって、一般的には、立体空間における３次元の指向特性でも良いが、その３次元の指向特性のある面への正射影を指向特性としても良い。本発明は、例えば、車両に搭載するレーダに応用する場合には、水平面又は水平面に対して所定の仰角だけ傾斜した面内における指向特性を想定している。指向特性制御部材は、この指向特性の一方の側、又は、両側に設けても良い。

本発明のアンテナは、電磁波を放射するアンテナでも、電磁波を受波するアンテナであっても良い。また、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子が併設されていても良いし、アンテナ素子は、送受信兼用であっても良い。アンテナ素子の構成や形状は任意である。パッチアンテナや、特許文献２に開示の漏れ波アンテナであっても良い。アンテナ素子は、誘電体基板の主面の前方、例えば、垂直に、主軸（角度０°）を有する指向性を持つアンテナ素子であれば任意である。指向性特性の主軸は、誘電体基板の主面に垂直である必要はなく、任意の角度を有する方向でも良い。アンテナ素子は、例えば、給電線に沿って、パッチを配列したアレーアンテナ、スロットアンテナ、トリプレートアンテナなどである。電波を放出又は受信するパッチの形状は任意である。

また、指向特性制御部材は、金属などの電磁波を反射又は遮蔽する部材、又は、電磁波を吸収する部材であっても良い。例えば、導電性電波吸収材料、誘電性電波吸収材料、磁性電波吸収材料の１種、又は、それらの複合材料を用いることができる。導電性電波吸収材料は、導電性繊維の織物などによる、材料内部の抵抗によって電波によって発生する電流を吸収するものである。また、誘電性電波吸収材料は、分子の分極反応に起因する誘電損失を利用するもので、カーボン粉などをゴム、発泡ウレタン、発泡ポリスチロールなどの誘電体に混合した材料を用いることができる。また、磁性電波吸収材料は、磁性材料の磁気損失によって電波を吸収するものであり、鉄、ニッケル、フェライトの板材、それらの粉末を混練した樹脂を用いることができる。また、指向特性制御部材は、金属、導電性電波吸収材料、誘電性電波吸収材料、磁性電波吸収材料の整形体であっても良く、例えば、樹脂の整形体に、上記の材料をメッキ、塗布、被膜形成したものであっても良い。

また、側壁部と屋根部との成す所定角度は、７５°以上、１１５°以下であることが望ましい。さらに、望ましくは、１０８°以上、１１２°以下である。これらの範囲の時に、効率良くサイドローブを抑圧することができる。また、指向特性制御部材は、アンテナ素子のサイドローブレベルを１０ｄＢ以上低減させることが望ましい。

また、アンテナ素子における指向特性の原点からサイドローブの表れる最小角度（主軸に対する角度）を傾きとする直線上に、屋根部の先端位置が位置するように、側壁部の高さと、屋根部の長さが決定することで、そのサイドローブを効果的に抑圧することができる。また、指向特性制御部材は、アンテナ素子における指向特性の両側の位置に設けられていても良い。また、指向特性制御部材は、接地されていても、いなくとも良い。また、本発明のアンテナは、誘電体基板の裏面に形成された接地導体を有し、側壁部はこの接地導体に電気的に接続されていることが望ましい。

本発明の側壁部と屋根部とを有する指向特性制御部材により、指向特性において、サイドローブを効果的に抑圧することができる。指向性制御部が存在しない場合に比べて、１０ｄＢ以上抑圧することができる。また、屋根部がアンテナ素子の方に張り出しているので、サイドローブを抑圧するための側壁部の高さは、屋根部がない場合に比べて、大きく低下させることができる。したがって、アンテナの厚さを薄くでき、小型化できる。

本発明の具体的な実施例１に係るアンテナの構成を示す断面図。 実施例１のアンテナの構成を示す平面図。 実施例１のアンテナの指向特性を示す図。 従来のアンテナの指向特性を示す図。 従来のアンテナの指向特性を示す図。 実施例１のアンテナの電界分布を示す特性図。 従来のアンテナの電界分布を示す特性図。 本発明の具体的な実施例２に係るアンテナにおける屋根部の先端点の存在する直線を示した説明図。 実施例２のアンテナの側壁部の高さと屋根部の長さとの関係を示した特性図。 本発明の具体的な実施例３に係るアンテナの指向特性を示す図。 本発明の具体的な実施例３に係るアンテナの指向特性を示す図。 本発明の具体的な実施例３に係るアンテナの指向特性を示す図。 本発明の具体的な実施例４に係るアンテナの構成を示す断面図。 本発明の具体的な実施例５に係るアンテナの構成図。 本発明の具体的な実施例６に係るアンテナが有するアンテナ素子の構成図。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。

本発明の具体的な一実施例に係るアンテナ１の構成を図１、図２に示す。直方体薄板形状の誘電体基板１０は、主面（表面）である第１面１１と、誘電体基板１０の裏面であって、第１面１１に平行な第２面１２とを有している。第１面１１に垂直にｚ軸、第１面１１上に誘電体基板１０の長辺に平行にｘ軸、ｘ軸に垂直で誘電体基板１０の短辺に平行にｙ軸をとる。第１面１１には、矩形形状のパッチアンテナ２１のアレーである薄膜導体から成るアンテナ素子２０が形成されている。図２に示すように、パッチアンテナ２１は矩形形状であり、パッチアンナ２１の電磁波を放射又は受波する放射辺２３がｘｚ面に対して−４５°傾斜している。ｚ軸が水平面に平行となるように、誘電体基板１０が車両等に設置されるとすると、ｘｚ面は水平面となる。

これらの複数のパッチアンテナ２１はｙ軸方向に伸びた給電線２２の片側に接続されている。そして、このｙ軸方向に伸びた１次元アレーが、ｘ軸方向に複数配置されて、アレーのアンテナ素子２０が構成されている。これにより、このアンテナ１は、ｘｚ面において、指向特性を有し、偏波方向が水平面に対して４５°傾斜した電磁波を放射し、受波することができる。ｚ軸が水平面に対して所定の仰角を有するように、アンテナ１が車両等に設置されると、このアンテナ１は、水平面に対して所定の仰角を有した面において、所定の指向特性を有したアンテナとなる。

また、第２面１２の全面には、矩形面状の薄膜導体から成るグランド層３０が形成されている。そして、給電線２２とグランド層３０は外部の信号源（図示略）に接続されている。アンテナ素子２０とグランド層３０とでパッチアレーアンテナが構成され、信号源から供給された信号により、電磁波が空間に放射される。なお、本アンテナ１を受信アンテナとする場合には、信号源は、外部の受信回路（図示略）である。

また、誘電体基板１０の両短辺１３ａ、１３ｂの側面に接して金属体から成る側壁部４１ａ、４１ｂが、それぞれ、設けられている。この側壁部４１ａ、４１ｂは、接地層３０と電気的に接続されている。そして、側壁部４１ａ、４１ｂに連続して折り曲げ形成され、アンテナ素子２０に向けて突出した金属体から成る屋根部４２ａ、４２ｂが形成されている。屋根部４２ａ、４２ｂと、側壁部４１ａ、４１ｂとの間の成す角θは、それぞれ、１１０°である。側壁部４１ａと屋根部４２ａとで指向特性制御部材４０ａが、側壁部４１ｂと屋根部４２ｂとで指向特性制御部材４０ｂが構成されている。なお、側壁部４１ａ、４１ｂと屋根部４２ａ、４２ｂは連続した一体物であっても良いが、別体を接着したものであっても良い。また、側壁部４１ａ、４１ｂと屋根部４２ａ、４２ｂは、導体の他、樹脂に表面に金属被膜を形成したものでも良い。

図１において、側壁部４１ａと、この側壁部４１ａに最も近いアンテナ素子２０との距離をＤとする。アンテナ素子２０の原点ｏからの距離ａは、１．６Ｄである。高さＨは０．３Ｄ、屋根部４２ａの長さＬは０．７Ｄである。指向特性制御部材４０ｂについても同様である。

この構成において、ｘｚ面における指向特性をシミュレーションにより求めた。その結果を図３に示す。横軸はｚ軸（指向特性の主軸）と成す角、すなわち、ｘｚ面上の電磁波の入射角又は放射角である。指向特性が左右対称でないのは、パッチアンテナ２１が−４５°傾斜しており、電磁波の偏波ベクトルがｘｚ面と−４５°で交差しているからである。

側壁部４１と屋根部４２との成す角θを、９０°と、１１０°した場合をシミュレーションした。−６０°と−７０°との間及び６０°と７０°との間の２次のサイドローブは、θが１１０°の場合に明らかに大きく抑圧されていることが分かる。−６０°と−７０°の範囲では、θが９０°の場合に比べて、θが１１０°の場合には７ｄＢほど、レベルが低下していることが分かる。右側の６０°と７０°の範囲では、θが９０°の場合に比べて、θが１１０°の場合には１４ｄＢほど、レベルが低下していることが分かる。
なお、−６０°と−７０°との間及び６０°と７０°の角度区間は、本発明をミリ波レーダとして用いた場合に、グレーティングによる誤検知を減少させるために、抑圧が必要なサイドローブの発生する区間である。

比較のために、図１の構成において、屋根部４２ａ、４２ｂを設けずに、側壁部４１ａ、４１ｂだけを設けた場合について、指向特性をシミュレーションした。側壁部の高さＨを０．５Ｄとした場合を図４に、高さＨをＤとした場合を図５に示す。それぞれ、側壁部が存在しない場合の指向特性が合わせて表示されている。側壁部の高さＨが０．５Ｄの場合には、−６０°と−７０°との間では、側壁部がない場合に比べて、最大で、４ｄＢ程度、６０°と７０°との間では最大で６ｄＢ程度抑圧されているだけである。また、側壁部の高さＨがＤの場合には、側壁部がない場合に比べて、１０ｄＢ以上、２次のサイドローブが抑圧されているのが分かる。

また、図３の本実施例のθが１１０°の指向特性と比べると、θが１１０°の場合には、左側の−６０°と−７０°との間では、側壁部の高さＨがＤの場合と同様な抑圧効果が得られているのが分かる。なお、指向特性の２次のサイドローブの抑圧は、必ずしも、正、負の両側で必要とは限らず、電磁波の放射角や入射角が、一方の側だけで使用される場合も多い。その場合に、２次のサイドローブのレベルが高い側のみに、指向特性制御部材４０を設けても良い。本実施例では、側壁部に対して１１０°の角度を成す屋根部を設けたので、同様なサイドローブの抑圧効果を得るのに、側壁部の高さＨが、屋根部を設けない場合の高さに対して３／１０に低減できることが理解される。

次に、本実施例のアンテナ１における電磁波の電界分布を図６．Ａに、指向特性制御部材を有さないアンテナにおける電磁波の電界分布を図６．Ｂに示す。指向特性制御部材が接地されているので、側壁部４１の外側では電界が極めて小さく、屋根部４２の先端付近では波面が屋根部４２の傾斜方向に形成されているのが分かる。また、屋根部４２の外側領域Ａ１では、屋根部４２で電磁波が反射して、屋根部４２の方向のサイドローブのレベルが低下しているのが分かる。
また、θを１１０°に対して±２である、１０８°、１１２°にした場合にも、シミュレーションにより同様な効果が得られることが分かった。したがって、側壁部４１と屋根部４２との成す角θは、１０８°以上、１１２°以下が望ましい。

実施例２として、側壁部４１の高さＨと屋根部４２の長さＬとの関係について、検討した。図７に示すように、指向特性の主軸（ｚ軸）の原点であるアンテナ素子２０の原点ｏと、屋根部４２の先端であって、誘電体基板１０に近い（内側）先端ｐの座標（ｘ，ｚ）とを結ぶ直線Ｓを考える。直線Ｓとｚ軸との成す角αは、指向特性の２次のサイドローブを抑圧するのに必要な最大角度である。例えば、αは６０°である。直線Ｓの方程式は、次式で表される。

また、側壁部４１のｘ座標をａとする。次式が成立する。
ｐ点（ｘ，ｚ）が（１）式の直線Ｓ上にあることから、次式が成立する。

すなわち、側壁部４１の高さＨと屋根部４２の長さＬとの関係は、（５）式を満たす。 与えられたθとαに対して、（５）式を満たす、側壁部４１の高さＨと屋根部４２の長さＬの組が、２次のサイドローブを低減させる。

図８は、シュミレーションにより、θ＝１１０°、α＝６０°、ａ＝１．６Ｄとして、２次のサイドローブが−４２ｄＢ以下となるときの（Ｈ，Ｌ）の関係を示している。Ｈが０．６Ｄ以上、０．７Ｄ以下の範囲では、Ｌ＋Ｈ＝１．２Ｄとなり、（５）式の関係を満たしている。しかし、側壁部４１の高さの距離Ｄに対する比Ｈ／Ｄが小さくなるほど、（５）式から乖離し、Ｈ＝０．３Ｄでは、Ｌ＋Ｈ＝Ｄとなる。このことは、側壁部４１の高さの距離Ｄに対する比Ｈ／Ｄが小さくなるほど、屋根部４２の長さＬは、（５）式で表される直線で決定される屋根部４２の長さよりも、短くとも良いことを意味する。すなわち、屋根部４２の先端点ｐが、原点ｏに近づくに連れて、２次のサイドローブを抑圧するための角度αを大きくできることを意味している。換言すれば、屋根部４２の効果は、誘電体基板１０に接近するほど、大きくなることが理解される。この意味で、側壁部の高さＨは、０．３Ｄ以上、０．５Ｄ以下が望ましい。

このように、本実施例では、２次のサイドローブを効果的に抑圧することができる。アレーアンテナにおいて、サイドローブを抑圧する一般的な方法は、アレーの各素子の給電分布をチェビシェフ等の分布とすることである。しかし、この給電分布を制御する方法は、給電線路の線幅の製造上の制約から、実現可能なサイドローブの抑圧は、主軸方向のレベル（ピーク）に対して−３０ｄＢが程度が限界である。これに対して、本発明では、２次のサイドローブは、主軸方向のレベルに対して、θ＝９０°では、−３６ｄＢ以上、θ＝１１０°では、−３８ｄＢ以上、抑圧されている。

次に、実施例３として、側壁部４１ａと屋根部４２ａとの成す角θを、７０°、７５°、８０°、９０°、１１０°、１１５°、１２０°と変化させて、指向特性のシミュレーションを行った。その結果を図９Ａ、９Ｂ、１０に示す。なお、側壁部４１ａと屋根部４２ａは、誘電体基板１０の２次のサイドローブを抑圧すべき一方の側にのみ設けた場合で、シミュレーションを行った。側壁部４１ａとこれに最も近いアンテナ素子との距離をＤとして、側壁部４１ａの高さＨは、０．３Ｄであり、屋根部４２ａの長さＬは０．７Ｄである。側壁部４１ａの根元部と原点ｏとの距離ａは１．６Ｄである。

θが、７５°、８０°、９０°、１１０°、１１５°の場合には、２次のサイドローブのレベルは、主軸方向のピークレベルに対して、−３８ｄＢ以下となったが、θが７０°の場合及び１２０°の場合には、−３５ｄＢ以下であるが、−３８ｄＢを越える部分が存在し、２次のサイドローブレベルの抑圧が十分ではないことが理解される。このことから、θは、７５°以上、１１５°以下とするのが望ましい。

実施例４のアンテナを、図１１に示す。図１１に示すように、側壁部４４ａと屋根分４５ａから成る指向特性制御部材４３を曲線で構成しても良い。この場合に、側壁部４４ａと屋根部４５ａとの成す角θを側壁部４４ａの誘電体基板１０との接続部の内側の最下点Ｑでの接線Ｓ１と、屋根部４５ａの内側最先端ｐにおける接線Ｓ２との成す角で定義する。また、屋根分４５ａの先端ｐは、アレーアンテナの原点ｏを通るｚ軸との成す角αが６０°の直線Ｓ上にある点とする。

実施例５のアンテナの構成を図１２に示す。本実施例のアンテナ１は、送信アレーアンテナ５１と受信アレーアンテナ５２とが、同一の誘電体基板１０上に設けられているレーダである。このアンテナ１は、送信アレーアンテナ５１の両側に図１の構成の指向特性制御部材４０ａ、４０ｂを設けたものである。この場合に、指向特性の一方の側の２次のサイドローブを抑圧する必要がある側にのみ、指向特性制御部材を設けても良い。

実施例６として、アンテナ素子２０の構成を、図１３に示す。図１３（ａ）に示すように、誘電体基板１０の裏面の接地層３０と主面１１ａ上に形成されたマイクロストリップ線路２７とで給電線路２５を形成し、複数の箇所でマイクロストリップ線路２７が欠落したスロット２６を設けることで、スロットアレーアンテナとすることができる。スロットアレーアンテナを上記全実施例におけるアンテナ素子２０とすることができる。また、図１３（ｂ）に示すように、トリプレート線路２８に、スロット２６とダイポール２９の組を多数設けて、アレイにしたアンテナを上記全実施例におけるアンテナ素子２０とすることができる。

１０…誘電体基板
２０…アンテナ素子
３０…接地層
４０ａ、４０ｂ、４３ａ、４３ｂ…指向特性制御部材
４１ａ、４１ｂ…側壁部
４２ａ、４２ｂ…屋根部

Claims (7)

1. 誘電体基板と導体とを有するアンテナにおいて、
   前記誘電体基板の主面に配設され、前記主面の前方に指向性を有するアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子に対して、アンテナ素子の指向特性における少なくとも一方の側において、前記主面に対して前方に突出した側壁部と、前記側壁部から前記アンテナ素子の方向に、前記主面への正射影が前記アンテナ素子には至らない長さで、前記側壁部に対する角度が７０°より大きく、１２０°より小さい所定角度で突出した屋根部とから成り、電波を反射又は吸収する指向特性制御部材と、
   を有することを特徴するアンテナ。
2. 前記所定角度は、７５°以上、１１５°以下であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記所定角度は、１０８°以上、１１２°以下であることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
4. 前記指向特性制御部材は、前記アンテナ素子のサイドローブを低減させることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のアンテナ。
5. 前記アンテナ素子における指向特性の原点から低減させるべきサイドローブの表れる最小角度を傾きとする直線上に、前記屋根部の先端位置が位置するように、前記側壁部の高さと、前記屋根部の長さが決定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のアンテナ。
6. 前記指向特性制御部材は、前記アンテナ素子における指向特性の両側の位置に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載のアンテナ。
7. 前記誘電体基板の裏面に形成された接地導体を有し、前記側壁部は該接地導体に接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載のアンテナ。