JP6382779B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＵＳＩＣアルゴリズムを使用して電波の到来方向を推定する装置に使用するアンテナ装置に関する。

アレーアンテナを構成する複数のアンテナ素子からの受信信号に基づいて、電波の到来方向を推定する技術として、アレーアンテナＭＵＳＩＣアルゴリズムを使用するものが知られている。ＭＵＳＩＣアルゴリズムでは、推定の際にモードベクトルを用いる。モードベクトルは、到来方向に応じて各アンテナ素子で観測される位相差や振幅差を表現したものであり、通常、全てのアンテナ素子は均一で理想的な特性を有するものとして設定される。

しかし、実際には各アンテナ素子の特性は、配置位置などの非対称性により素子毎に異なったものとなる。特にアレーアンテナの端側に位置するアンテナ素子は、他のアンテナ素子が隣接する片側のみに強い素子間結合が発生して非対象な放射特性となるため、理想的なモードベクトルを使用すると到来方向の推定結果に誤差が生じる。

これに対して、各チャネルを構成するアンテナ素子の相互結合を表す行列をＣ、チャネル間の位相差や振幅差を表す行列をΓとして、これらＣΓ成分を用いることで、アンテナ素子間の特性のばらつきを計算で補正する技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−１２１１６５号公報

しかしながら、ＣΓ成分を用いる従来技術では、補正用のＣΓ成分を求めるために行列計算を行うため、演算量が多くなるだけでなく、演算時に多くのメモリを必要とするという問題があった。また、補正用のＣΓ成分の行列を作成する際に、既知の参照信号を用いた測定が必要となるため、手間を要するという問題もあった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、演算量を増大させることなく簡易な方法で到来方向の推定精度を向上させる技術を提供することを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、一列に配置された複数のアンテナ素子を備える。そして、両端に位置するアンテナ素子を端側アンテナ素子、該端側アンテナ素子以外のアンテナ素子を内側アンテナ素子として、アンテナ素子のうち給電素子として使用されるもの間の指向性の差が抑制されるように、端側アンテナ素子が内側アンテナ素子とは異なった構造を有する。

このような構成によれば、計算を用いることなく給電素子として構成されるアンテナ素子間の指向性の差が抑制されるため、演算量を増大させることなく、到来方向の推定精度を向上させることができる。

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。

第１実施形態のアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 アンテナ装置の一部の拡大図である。 無給電素子がない場合に各給電素子で検知される位相差の誤差を示すグラフである。 無給電素子がある場合に各給電素子で検知される位相差の誤差を示すグラフである。 各給電素子で検知される経路差（ひいては位相差）と検知方位との関係を示す説明図である。 各給電素子で検知される位相差の理論的な特性を示すグラフである。 第１実施形態のアンテナ装置および比較例のアンテナ装置の受信信号から求めた到来方向の検知誤差を示すグラフである。 アンテナ装置の構造の変形例を示す説明図である。 第２実施形態のアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 アンテナ装置の一部の拡大図である。 トリプレートアンテナの構造を示す説明図である。 アンテナ素子の開口幅と放射特性との関係を示す説明図であり、（ａ）は開口幅がλｇ／２の場合、（ｂ）は開口幅がλｇ／４の場合である。 開口幅がλｇ／２である場合およびλｇ／４である場合のアンテナ素子単体の放射特性を示すグラフである。 開口幅が全て同じ大きさのアンテナ素子により構成された比較例のアンテナ装置において、各給電素子で検知される位相差の誤差を示すグラフである。 第２実施形態のアンテナ装置において、各給電素子で検知される位相差の誤差を示すグラフである。 第２実施形態のアンテナ装置および比較例のアンテナ装置の受信信号から求めた到来方向の検知誤差を示すグラフである。

以下に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。
ここでは、ＭＵＳＩＣアルゴリズムを使用して電波の到来方向の推定を行うミリ波レーダにて使用するアンテナ装置について説明する。なお、以下では、アンテナ装置が送受信する電波の線路内波長をλｇで表すものとする。

［１．第１実施形態］
［１．１．構成］
アンテナ装置１は、図１に示すように、基板１１と、グランドパターン１２と、アンテナパターン１３と、給電線１４とを備える。

基板１１は、誘電体で構成された周知の二層基板である。
グランドパターン１２は、基板１１の一方の面の全体を覆うように形成された銅パターンにより構成されている。

アンテナパターン１３は、基板１１のグランドパターン１２形成面とは反対側の面に形成され、Ｍ（Ｍは４以上の整数）個のアンテナ素子１３ａ，１３ｂを備える。
アンテナ素子１３ａ，１３ｂは、いずれも基板１１およびグランドパターン１２と共にマイクロストリップアンテナを構成する矩形状の銅パターンからなり、それぞれがいわゆるパッチアンテナとして機能する。

給電線１４は、各アンテナ素子１３ａ，１３ｂからアンテナ素子１３ａ，１３ｂの配列方向、即ち、図中のＸ軸方向に沿って延設され、基板１１およびグランドパターン１２と共にマイクロストリップラインを構成する帯状の銅パターンからなる。

なお、アンテナ素子１３ａ，１３ｂは、いずれも同じ大きさに形成され、所定の素子間隔ｄ（図２参照）で一列に配置されている。以下では、一列に配置されたアンテナ素子１３ａ，１３ｂのうち、両端に位置する二つを端側アンテナ素子１３ａ、それ以外を内側アンテナ素子１３ｂという。

内側アンテナ素子１３ｂの給電線は、図示を省略するが、終端が送受信回路に接続されており、内側アンテナ素子１３ｂは給電素子として構成されている。一方、端側アンテナ素子１３ａの給電線１４は、終端が電気的に開放されており、端側アンテナ素子１３ａは無給電素子として構成されている。つまり、（Ｍ−２）個の内側アンテナ素子１３ｂのみが電波の送受信に用いられる。以下では、内側アンテナ素子１３ｂのそれぞれを区別する必要がある場合は、チャネルＣＨ１，ＣＨ２，…ともいう。

なお、端側アンテナ素子１３ａの給電線１４の線路長Ｌ（図２参照）は、Ｌ＝λｇ／２に設計され、また、内側アンテナ素子１３ｂの給電線の線路長は、λｇ／２の整数倍に設計されている。

［１．２．測定］
ここで、図３および図４は、３個の給電素子（内側アンテナ素子１３ｂ）の両側にそれぞれ非給電素子（端側アンテナ素子１３ａ）を配置したアンテナ装置１の実施例（Ｍ＝５の場合）と、非給電素子を省略し３個の給電素子だけからなる比較例とについて、真ん中に位置する給電素子（ここではＣＨ２）を基準として各給電素子で検出される位相差の理論値に対する誤差を、各検知方向（到来方向）についてシミュレーションによって求めた結果を示したものである。但し、素子間隔ｄと検知方位θとの関係は図５に示す通りであり、各給電素子で検出される位相の理論値は図６に示す通りである。また、電波の周波数24.15ＧＨｚ、素子間隔ｄ＝5.2ｍｍとして求めた。但し、検知方位θは、図１におけるＸ−Ｚ平面内で、Ｚ軸方向を０°として、Ｚ軸から左回り方向をプラス、Ｚ軸から右回り方向をマイナスとした角度で表す。

位相差の最大誤差が、図３に示す比較例では２８［ｄｅｇ］であるのに対し、図４に示す実施例では２１［ｄｅｇ］に改善されている。
また、上記実施例および比較例を用いて得られた受信信号に基づき、ＭＵＳＩＣアルゴリズムを用いて求めた到来方向の検知誤差は、図７に示す通りである。方位の検知誤差は、比較例では６［ｄｅｇ］であるのに対し、実施例では３［ｄｅｇ］に改善されている。

［１．３．効果］
以上説明したように、アンテナ装置１では、給電素子（内側アンテナ素子１３ｂ）の配列方向両端に配置された非給電素子（端側アンテナ素子１３ａ）により、給電素子間の放射特性の差が抑制されるため、従来技術のような行列計算等による補正演算を行うことなく、到来方向の検知誤差を抑制することができる。

［１．４．変形例］
本実施形態では、アンテナ素子１３ａ，１３ｂから延設した給電線を用いているが、これに限るものではない。例えば、図８に示すように３層基板を用い、外部に露出した第１層および第３層の一方にグランドパターン１２、他方にアンテナ素子１３ａ，１３ｂを形成し、中間層となる第２層に給電線１４を設け、磁界結合によってアンテナ素子１３ｂへの給電を行うように構成してもよい。

［２．第２実施形態］
［２．１．構成］
本実施形態のアンテナ装置２は、いわゆるトリプレートアンテナからなり、図９〜図１１に示すように、誘電体材料で構成され、三つのパターン形成層を有する３層基板２１を用いて構成されている。３層基板２１の外部に面した二つのパターン形成層のうち一方（第１層）には、銅パターンからなるグランドパターン２２が形成され、他方（第３層）には、Ｎ（Ｎは３以上の整数）個の矩形状の開口部位２３ａ，２３ｂを除いて前面を覆う銅パターンからなるアンテナパターン２３が形成されている。また、中間層（第２層）には、開口部位２３ａ，２３ｂのそれぞれについて、一端が開口部位２３ａ，２３ｂの中心付近に位置し他端が図示しない送受信回路に接続されるように配線され、基板２１、グランドパターン２２、開口部位２３ａ，２３ｂ以外の部位のアンテナパターン２３と共にストリップラインを構成する給電線２４が形成されている（図１１参照）。

なお、開口部位２３ａ，２３ｂは一列に形成されており、開口部位２３ａ，２３ｂのそれぞれが個別のアンテナ素子として機能する。以下では、これらアンテナ素子として機能する開口部位２３ａ，２３ｂのうち、両端に位置する二つを端側アンテナ素子２３ａ、それ以外を内側アンテナ素子２３ｂともいう。

アンテナ素子２３ａ，２３ｂの開口幅は、アンテナ素子２３ａ，２３ｂの配列方向に対する直交方向、即ち図中のＹ軸方向の長さはいずれも同じ大きさ（ここではλｇ／２）に形成され、アンテナ素子２３ａ，２３ｂの配列方向、即ち図中のＸ軸方向の長さは、端側アンテナ素子２３ａがλｇ／４、内側アンテナ素子２３ｂがλｇ／２に形成されている（図１０参照）。なお、アンテナ素子２３ａ，２３ｂの配列方向は、アンテナ素子２３ａ，２３ｂから放射される電波の偏波面に沿った偏波方向ともいう。

なお、アンテナ素子２３ａ，２３ｂの給電線２４は、いずれもアンテナ素子２３ａ，２３ｂの配列方向に沿って配線されている。特に、二つの端側アンテナ素子２３ａの給電線は、互いに逆方向から開口部位に向けて配線されている。

［２．２．測定］
トリプレートアンテナは、第１実施形態にて採用されているパッチアンテナとは異なり、開口部位２３ａ，２３ｂでの共振を利用しているわけではないため、開口部位２３ａ，２３ｂの形状を比較的に自由に調整することが可能である。

そして、アンテナ素子２３ａ，２３ｂの配列方向に沿った開口幅をλｇ／２とすると、図１２（ａ）に示すように、検知方位によらず均一な放射特性が得られ、開口幅をλｇ／２から変化させると徐々に偏った放射特性となり、図１２（ｂ）に示すように、λｇ／４で最も偏った放射特性が得られる。これをグラフに示したものが図１３である。なお、放射特性は、給電線１４が配線されている側の方が配線されていない側と比較して放射強度が強くなるような偏りを有する。

ここで、図１４および図１５は、内側アンテナ素子２３ｂ（ＣＨ２）の開口幅をλｇ／２とし端側アンテナ素子２３ａ（ＣＨ１，ＣＨ３）の開口幅をλｇ／４とした実施例（Ｎ＝３の場合）と、全てのアンテナ素子の開口幅を同じ大きさ（ここではλｇ／２）とした比較例とについて、ある給電素子（ここではＣＨ２）を基準として各給電素子で検出される位相差の理論値に対する誤差を、各検知方向（到来方向）についてシミュレーションによって求めた結果を示したものである。但し、素子間隔ｄと検知方位θとの関係は図５に示す通りであり、各給電素子で検出される位相の理論値は図６に示す通りである。また、電波の周波数24.15GHz、素子間隔ｄ＝5.2mmとして求めた。但し、検知方位θは、図９におけるＸ−Ｚ平面内で、Ｚ軸方向を０°として、Ｚ軸から左回り方向をプラス、Ｚ軸から右回り方向をマイナスとした角度で表す。

位相差の最大誤差が、図１４に示す比較例では３５［ｄｅｇ］であるのに対し、図１５に示す実施例では２１［ｄｅｇ］に改善されている。
また、上記実施例および比較例を用いて得られた受信信号に基づき、ＭＵＳＩＣアルゴリズムを用いて求めた到来方向の検知誤差は、図１６に示す通りである。方位の検知誤差は、最大で２．５［ｄｅｇ］程度（比較例では４［ｄｅｇ］に対し実施例では１．５［ｄｅｇ］）改善されている。

［２．３．効果］
アンテナ装置２では、単体では非対象な放射特性を有するように開口幅が調整された端側アンテナ素子２３ａを使用し、隣接する内側アンテナ素子２３ｂとの相互作用の結果、端側アンテナ素子２３ａと内側アンテナ素子２３ｂとの間の放射特性の差が抑制されるように構成されているため、従来技術のような行列計算等による補正演算を行うことなく、到来方向の検知誤差を抑制することができる。

［３．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。

（１）上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。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または置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって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。

（２）上述したアンテナ装置の他、当該アンテナ装置を構成要素とするシステムなど、種々の形態で実現することもできる。

１，２…アンテナ装置、１１，２１…基板、１２，２２…グランドパターン、１３，２３…アンテナパターン、１３ａ…端側アンテナ素子、１３ｂ…内側アンテナ素子、１４，２４…給電線、２３ａ…開口部位（端側アンテナ素子）、２３ｂ…開口部位（内側アンテナ素子）

Claims (2)

1. いずれもが給電素子として使用され、放射される電波の偏波面に沿った偏波方向が配列方向と一致するように一列に配置された複数のアンテナ素子（２３ａ，２３ｂ）を備え、
   両端に位置する前記アンテナ素子を端側アンテナ素子（２３ａ）、該端側アンテナ素子以外の前記アンテナ素子を内側アンテナ素子（２３ｂ）とし、前記アンテナ素子から送受信される電波の線路内波長をλｇとして、
   前記複数のアンテナ素子間の指向性の差が抑制されるように、前記アンテナ素子の配列方向に沿った開口幅が、前記端側アンテナ素子ではλｇ／４、前記内側アンテナ素子ではλｇ／２に設定されていることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記アンテナ素子は、３層基板を用いて構成されるトリプレートアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。

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