JP6235424B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置としての指向性の乱れを抑制する技術に関する。

従来、アンテナ本体を外部から保護するためのレドームを備えるアンテナ装置が知られている。但し、レドームを備えることにより、アンテナ装置としての指向性に乱れが生じることが有り得る。特許文献１には、レドームを備えるアンテナ装置において、レドームの厚さ、及びアンテナ本体とレドームとの間隔を調整することにより、アンテナ装置としての指向性の乱れを抑制する技術が記載されている（特許文献１参照）。

特開２００６−１４０９５６号公報

ところで、アンテナ本体がアンテナケースに保持され、このアンテナ本体を覆うようにアンテナケースにレドームが設置される上記のような装置では、レドームをアンテナケースに固定するために、アンテナケースに溝を設け、この溝にレドームのリブが掛合されるよう構成されていることがある。

このような掛合部では、アンテナ本体の指向性に乱れを生じさせる不要波が生じるため、問題となり得る。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、レドームを備えるアンテナ装置において、指向性の乱れを抑制する技術を提供することを目的としている。

本発明の一側面は、アンテナ装置であって、アンテナと、ケースと、レドームと、溝部とを備える。
アンテナは、予め定められた周波数の電磁波の送信または受信のうち少なくとも一方を行う。ケースは、所定の面である搭載面にアンテナを搭載する。レドームは、電磁波を透過させる材料で構成され、アンテナを覆うようにケースの搭載面に搭載される。溝部は、ケースにおける搭載面に形成される。

ここで特に、レドームは、内部を伝搬する電磁波の波長の２分の１をｍ倍（但しｍは正の整数）した厚さを有する。更に、溝部は、アンテナの開口面の法線方向に対して所定の角度を有する方向において、溝部を伝搬する電磁波の波長の２分の１をｎ倍（但しｎは正の整数）した深さを有するように形成されている。

このようなアンテナ装置によれば、溝部の深さが該溝部を伝搬する電磁波の波長の２分の１をｎ倍した値であるため、溝部の往復に要した電磁波の経路長は、電磁波の１波長の正の整数倍となる。すなわち、溝部を往復することによる位相のずれが生じないため、溝部における不要波が抑制される。したがって、本発明のアンテナ装置では、レドームを備えた状態で、アンテナ装置としての指向性の乱れを抑制することができる。ここでは、アンテナからレドームを介して電磁波が送信される場合について説明したが、アンテナ装置外部からレドームを介して電磁波が受信される場合も同様の効果が奏される。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態のアンテナ装置を示す図。 溝部及び爪部を示す断面図。 レドームを伝搬するレーダ波について説明する図。 溝部を伝搬するレーダ波について説明する図。 実施形態のアンテナ装置の指向性の一例を示す図。 比較例としてのアンテナ装置を示す図。 比較例としてのアンテナ装置の指向性の一例を示す図。

以下、本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．構成］
図１に示す本実施形態のアンテナ装置１は、例えば車両の周辺を監視するミリ波レーダ等に用いられるアンテナ装置である。ミリ波レーダは、予め定められた周波数ｆ０の電磁波（以下、レーダ波という）を送信し、物標からのレーダ波の反射波を受信することで、車両の周囲に存在する物標を認識するものである。アンテナ装置１は、アンテナ部２と、ケース３と、レドーム４とを備える。

［１−１．アンテナ部］
アンテナ部２は、パッチアンテナ２１と導体板２２と誘電体基板２３とを備える。誘電体基板２３は長方形状であり、該誘電体基板２３の一方の面にはパッチアンテナ２１が形成され、他方の面はケース３のアンテナ搭載面に搭載されている。以下では、誘電体基板２３の面のうち、パッチアンテナ２１が形成されている面をアンテナ形成面という。

パッチアンテナ２１は、正方形状に形成された導体からなる放射素子２１１、給電用のマイクロストリップライン等（図示せず）を備える。以下では、パッチアンテナ２１（放射素子２１１）が形成されている領域をアンテナ開口面というものとする。また、以下では、図１に示すように、アンテナ部２の中心部（パッチアンテナ２１の中心部）を原点として、その原点を通り且つ誘電体基板２３の長辺に平行な軸をｘ軸、原点を通り且つ誘電体基板２３の短辺に平行な軸をｙ軸、原点を通り且つ誘電体基板２３の板面に垂直な軸をｚ軸とする、ｘｙｚ三次元座標軸を適宜用いて説明する。

給電用のマイクロストリップラインは、パッチアンテナ２１（放射素子２１１）への給電を行うためのものである。
放射素子２１１は、対向する一組の辺がｘ軸方向に平行となるよう、且つ対向するもう一組の辺がｙ軸方向に平行となるように配置されている。放射素子２１１は、一例として、一辺の長さが、約λｐ／２に形成されている。λｐは、予め定められたレーダ波の周波数ｆ０に対応した波長（ただし誘電体内波長）であり、自由空間波長をλ０、誘電体基板２３の比誘電率をεｐとすると、λｐ＝λ０／√εｐで表される。

導体板２２は、誘電体基板２３のアンテナ形成面に形成されている板状の導体である。導体板２２は、パッチアンテナ２１（放射素子２１１）の周囲に、パッチアンテナ２１（放射素子２１１）とは物理的に離間するように形成されている。

パッチアンテナ２１は、ｘ軸方向を主偏波方向として作動する。パッチアンテナ２１は、ｘｚ面を偏波面（Ｅ面）として作動し、このｘｚ面の偏波を良好に送受信可能なアンテナとして構成されている。つまり、パッチアンテナ２１の指向性は、アンテナ開口面の法線方向であるｚ軸方向に延びており、一例としてこの法線方向に対象な形状となっている。

［１−２．レドーム及びケース］
レドーム４は、ｘ方向を長手方向としｙ方向を短手方向とする長方形状の屋根部を備えるアーチ状に形成されている。レドーム４は、ケース３に取り付けられることにより、アンテナ部２を覆う形状に形成されている。レドーム４は、レーダ波を低損失で透過させる材料である透過材で形成されている。レドーム４は、その厚さｔが、レドーム４の内部を伝搬するレーダ波、すなわちレドーム４を構成する透過材中を伝搬するレーダ波の波長λｇの２分の１をｍ倍（但し、ｍは正の整数）した値となるように形成されている。本実施形態では、ｍ＝１としたときの値、すなわち、λｇ／２の厚さｔを有するように、レドーム４が形成されている（ｔ＝λｇ／２）。ここで、透過材中を伝播するレーダ波の波長λｇは、予め定められたレーダ波の周波数ｆ０に対応した自由空間における波長をλ０とし、透過材の比誘電率をεｒとすると、λｇ＝λ０／√εｒで表される値である。

レドーム４の長手方向の両端部における、ケース３と接触する面４３には、この面から突出するように爪部４１が形成されている。以下では、レドーム４においてケース３と接触する面をレドーム側接触面４３という。爪部４１は、短手方向に延びるように形成されている。すなわち、爪部４１は、パッチアンテナ２１の偏波面（Ｅ面）であるｘｚ面に垂直な方向であるｙ方向に延びる形状に形成されている。さらに、爪部４１は、後述するケース３に設けられた溝部３１に掛合される形状に形成されている。一例として本実施形態では、爪部４１は、その長さが溝部３１の深さｄと同様となるように形成されている。

ケース３は、ｘ方向を長手方向としｙ方向を短手方向とする略直方体に形成されている。ケース３は、導体により形成されている。ケース３の所定の面である搭載面３２には、アンテナ部２とレドーム４とが搭載されている。

ケース３の搭載面３２のうち、長手方向の両端部におけるレドーム４と接触する面には、溝部３１が形成されている。以下では、搭載面３２のうち溝部３１が形成されている面を溝部形成面３２２という。搭載面３２のうちパッチアンテナ２１が搭載されている面をアンテナ設置面３２１として、パッチアンテナ２１の開口面の法線方向、すなわちｚ方向における、アンテナ設置面３２１と溝部形成面３２２との間隔は、所定の間隔以下となるように形成されている。所定の間隔は、例えば、レーダ波の周波数ｆ０に対応した自由空間における波長λ０であってもよい。本実施形態では、所定の間隔が０となるように、すなわち、アンテナ設置面３２１と溝部形成面３２２とが同一の面（搭載面３２）となるように形成されている。

溝部３１は、ケース３の短手方向に延びるように形成されている。すなわち、溝部３１は、搭載面３２（溝部形成面３２２）において、パッチアンテナ２１の偏波面であるｘｚ面に垂直な方向であるｙ方向に延びる形状に形成されている。

溝部３１は、パッチアンテナ２１の開口面の法線方向（ｚ方向）に対して所定の角度を有する方向において、溝部３１を伝搬するレーダの波長の２分の１をｎ倍（但し、ｎは正の整数）した深さを有するように形成されている。本実施形態では、パッチアンテナ２１の開口面の法線方向とケース３の搭載面３２の法線方向とは等しく共にｚ方向となっており、溝部３１はｚ方向に深さを有する形状となっている。

図２に示すように、溝部３１は、ケース３の搭載面３２にレドーム４が搭載された状態で、レドーム４が備える爪部４１を掛合するように形成されている。溝部３１は、パッチアンテナ２１の開口面の法線方向（ｚ方向）において、溝部３１に掛合される爪部４１を構成する透過材中を伝搬するレーダ波の波長λｇの２の１をｎ倍（但し、ｎは正の整数）した値となるように形成されている。本実施形態では、ｎ＝１としたときの値、すなわち、λｇ／２の深さｄを有するように溝部３１が形成されている（ｄ＝λｇ／２）。

溝部３１は、前述のようにレドーム４に形成された爪部４１が掛合するように形成されている。このため、本実施形態では、爪部４１は、その長さｈがλｇ／２となるように形成されている（ｈ＝λｇ／２）。

［２．作用］
レーダ波がパッチアンテナ２１からレドーム４を経てアンテナ装置１外部へ送信される場合を例にとって、アンテナ装置１の作用を説明する。

はじめに、レドーム４の作用について説明する。図３に示すように、パッチアンテナ２１から送信されたレーダ波Ｒは、パッチアンテナ２１とレドーム４との間の空間である第１の自由空間Ｆ１を伝搬する。

レーダ波Ｒの一部は、非誘電率εｒが１（非誘電率εｒ＝１）である第１の自由空間Ｆ１と、非誘電率εｒが１より大きい（非誘電率εｒ＞１）レドーム４との境界面である第１の境界面Ｌ１において、第１の反射波Ａとして反射され、残りは第１の境界面Ｌ１を透過する。

第１の境界面Ｌ１を透過したレーダ波Ｒの一部は、レドーム４とアンテナ装置１の外部である第２の自由空間Ｆ２との境界面である第２の境界面Ｌ２において、第２の反射波Ｂとして反射され、残りはレーダ送信波Ｔとして第２の自由空間Ｆ２へ送信される。第２の境界面Ｌ２で反射された第２の反射波Ｂは、第１の境界面Ｌ１を透過し、第１の自由空間Ｆ１に入射される。

屈折率の小さい媒質から大きい媒質へ伝搬する電磁波は、媒質の境界面で反射される際にπ（ｒａｄ）の位相差が生じ、屈折率の大きい媒質から小さい媒質へ伝搬する電磁波は、媒質の境界面で反射される際に位相差が生じないこと、が周知である。屈折率は媒質の非誘電率の１／２乗に比例する値である。

ここで、第１の自由空間Ｆ１において、第１の境界面Ｌ１による第１の反射波Ａは、レーダ波Ｒに対する位相差がπ（ｒａｄ）である。レドーム４の屈折率は、第１の自由空間Ｆ１の屈折率より大きいためである。

一方、第１の自由空間Ｆ１において、第２の境界面Ｌ２による第２の反射波Ｂは、レーダ波Ｒと同位相となる。レドーム４の屈折率は第２の自由空間Ｆ２の屈折率より小さいため、反射の際に位相差が生じないからである。且つ、厚さｔがλｇ／２であるレドーム４を往復した状態での経路長は１波長分（λｇ）となるため、レドーム４を往復する際にレーダ波Ｒに対する位相差が生じないからである。

よって、第１の反射波Ａと第２の反射波Ｂとの位相差がπ（ｒａｄ）である、すなわち逆位相であるため、これらは互いに打ち消し合うように作用する。すなわち、第１の自由空間Ｆ１における合成反射波Ｃが抑制される。換言すれば、第２の自由空間Ｆ２へ伝搬するレーダ送信波Ｔの減衰が抑制される。これにより、アンテナ装置１の指向性の乱れが抑制される。

次に、ケース３に形成された溝部３１の作用について説明する。図４に示すように、レドーム４を伝搬するレーダ波Ｓが第２の境界面Ｌ２を透過して第２の自由空間Ｆ２へ伝搬する場合、第２の自由空間Ｆ２へ伝搬するレーダ波は、レドーム４を直接伝搬する直接レーダ波Ｄと、溝部３１に掛合された爪部４１を経由するレーダ波Ｅとを合成した波となる。

ここで爪部４１を経由するレーダ波Ｅの位相は、直接レーダ波Ｄと同位相となる。深さｄがλｇ／２である溝部３１に掛合された爪部４１を往復した状態での経路長は１波長分（λｇ）となり、直接レーダ波Ｄに対して位相差が生じないからである。これにより、爪部４１（溝部３１）において不要波が生じることが抑制され、直接レーダ波Ｄの減衰が抑制される。すなわち、アンテナ装置１の指向性の乱れが抑制される。

［３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果が得られる。
［３Ａ］レドーム４は、レドーム４を伝搬するレーダ波の減衰を抑制する厚さｔを有するように形成されており、爪部４１が溝部３１に掛合されることによってケース３に取り付けられる。ケース３は、溝部３１を往復することによる位相差が生じないような深さｄに形成されているため、溝部３１において生じる不要波が抑制される。したがって、アンテナ装置１では、レドーム４を備えた状態で、アンテナ装置１としての指向性の乱れを抑制することができる。

ここで、図５は、アンテナ装置１の指向性の一例を示す図である。溝部３１の深さｄを溝部３１を伝搬するレーダ波の波長の２分の１とした場合は、そうでない場合と比べて、広い検知角度範囲において指向性がほぼ一定であること、すなわち指向性に乱れが少ないことが確認できる。

なお、比較例として図６に示すようなアンテナ装置９の指向性の一例を図７に示す。比較例のアンテナ装置９は、ケース３に本実施形態のような溝部３１を備えない構成（爪部４１を備えない構成）であり、レドーム４の厚さｔは本実施形態と同様にλｇ／２に形成されている。アンテナ装置９は、広い検知角度範囲において指向性がほぼ一定である（指向性に乱れが少ない）ことが確認できる。

つまり、図５及び図７から明らかであるように、レドーム４をケース３に取り付けるためにケース３に溝部３１を備える場合、溝部３１において不要波が生じるため、アンテナ装置の指向性に乱れが生じている。

本実施形態のアンテナ装置１では、レドーム４の厚さｔ及び溝部３１の深さｄが共に、これらを伝搬するレーダ波の波長の２分の１（λｇ／２）であるため、不要波を抑制することができ、アンテナ装置１の指向性の乱れを抑制することができる。

なお、本実施形態では、パッチアンテナ２１からレドーム４を介してレーダ波が送信される場合について説明したが、アンテナ装置１外部からレドーム４を介してレーダ波が受信される場合も同様の効果が奏される。

［３Ｂ］パッチアンテナ２１の開口面の法線方向（ｚ方向）を含む所定の面である偏波面（ｘｚ面）に対して垂直となる方向に延びるように、溝部３１が形成されている。これにより、偏波面における電波（Ｅ波）について、溝部３１における不要波の発生を効果的に抑制することができる。特に、検知角度が大きい範囲における指向性の乱れを抑制することができる。

［３Ｃ］レドーム４は、ケース３に設けられた溝部３１と掛合する凸部である爪部４１を備える。これにより、ケース３にレドーム４をより安定して固定することができる。
［３Ｄ］アンテナ設置面３２１と溝部形成面３２２とが同一面（搭載面３２）となるように構成されている。これにより、特に検知角度の大きい範囲において、パッチアンテナ２１の指向性の乱れを抑制することができる。

なお、本実施形態では、アンテナ部２及びパッチアンテナ２１がアンテナの一例に相当し、爪部４１が凸部の一例に相当する。
［４．他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得ることは言うまでもない。

［４Ａ］上記実施形態では、ケース３の溝部３１は、ケース３の短手方向（ｙ方向）に延びるように形成されていたが、これに限るものではない。例えば、短手方向に、所定間隔をあけて、複数の溝部３１が形成されていてもよい。また、溝部３１が延びるように形成される方向、及び溝部３１が所定間隔をあけて並ぶ方向は、ケース３の短手方向に限らず、任意の方向としてもよい。ただし、上記実施形態のように、ケース３の短手方向、すなわち、偏波面（ｘｚ面）に垂直な方向であることが望ましい。

［４Ｂ］上記実施形態では、溝部３１と掛合するようにレドーム４に爪部４１が形成されていたが、これに限るものではない。例えば、レドーム４に爪部４１が形成されていない構成であってもよい。この場合、例えば溝部３１に接着材等を充填し、レドーム４をケース３に固定することが考えられる。この場合、溝部３１の深さｄは、爪部４１を形成する透過材に代えて接着剤中を伝搬するレーダ波の波長の２分の１の値のｎ倍であればよい。

［４Ｃ］上記実施形態では、パッチアンテナ２１の正方形状の放射素子２１１は、一辺の長さが約λｐ／２に形成されていたが、これに限るものではない。この約λｐ／２という長さは一例であり、例えばケース３の形状やサイズ等の種々の要因によって最適な長さを設定してよい。

［４Ｄ］上記実施形態では、パッチアンテナ２１は送受信アンテナとして機能するものであったが、これに限るものではない。パッチアンテナ２１は、送信アンテナとして機能するものであってもよく、または受信アンテナとして機能するものであってもよい。

［４Ｅ］上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を、課題を解決できる限りにおいて省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

１…アンテナ装置 ２…アンテナ部 ３…ケース ４…レドーム ２１…パッチアンテナ ３１…溝部 ３２…搭載面 ３２１…アンテナ設置面 ３２２…溝部形成面 ４１…爪部 ４３…レドーム側接触面。

Claims (4)

1. 予め定められた周波数の電磁波の送信または受信のうち少なくとも一方を行うアンテナ（２、２１）と、
   所定の面である搭載面（３２）に前記アンテナを搭載するケース（３）と、
   前記電磁波を透過させる材料で構成され、前記アンテナを覆うように前記ケースの前記搭載面に搭載されるレドーム（４）と、
   前記ケースにおける前記搭載面に形成された溝部（３１）と、
   を備え、
   前記レドームは、内部を伝搬する前記電磁波の波長の２分の１をｍ倍（但しｍは正の整数）した厚さを有し、
   前記溝部は、前記アンテナの開口面の法線方向に対して所定の角度を有する方向において、溝部を伝搬する前記電磁波の波長の２分の１をｎ倍（但しｎは正の整数）した深さを有するように形成されている、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記溝部は、前記アンテナの開口面の法線方向を含む所定の面である偏波面に対して垂直な方向に延びるように形成されている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置であって、
   前記レドームは、前記溝部に掛合される凸部（４１）を備える
   ことを特徴とするアンテナ装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアンテナ装置であって、
   前記ケースにおいて前記搭載面のうち、前記アンテナが搭載される面をアンテナ設置面（３２１）とし、前記溝部が形成される面を溝部形成面（３２２）として、前記アンテナの前記開口面の法線方向における、前記アンテナ設置面と前記溝部形成面との間隔が、所定の間隔以下である
   ことを特徴とするアンテナ装置。

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