JP6519868B2 - アレーアンテナ装置 - Google Patents

Description

本開示は、電波を照射するアレーアンテナ装置に関する。

無線通信、または、無線測位に用いられるアレーアンテナ装置として、例えば、マイクロストリップ構造を有するアレーアンテナ装置がある。

特許文献１には、主給電ストリップ線路に接続される副給電ストリップ線路と、副給電ストリップ線路の終端に接続される矩形状の放射素子と、放射素子と主給電ストリップ線路との間に設けられるスタブから構成されるアレー素子が複数配列されたアレーアンテナ装置が開示されている。

特許第５０９１０４４号公報

しかしながら、上述した特許文献１の従来技術では、アレー素子の放射量の制御範囲が約３０％〜４０％と狭いため、アレーアンテナ装置から放射される電波のサイドローブを抑圧することが困難である。また、特許文献１の従来技術は、アレー素子のサイズが大きいため、主給電ストリップ線路の短手方向にアレーアンテナ装置を複数個配列する構造の場合に、短手方向の間隔が大きくなり、装置全体が大型化してしまう。また、短手方向の間隔が大きくなるとグレーティングローブが発生し易くなり、サイドローブが上昇することによって、利得が低下し、レーダ装置で使用する場合、誤検出の原因となる。

本開示は、放射される電波のサイドローブを抑圧し、間隔を狭くしてアンテナの小型化を図ることができるアレーアンテナ装置を提供する。

本開示のアレーアンテナ装置は、基板と、前記基板に設けられる直線形状のストリップ導体と、前記ストリップ導体に電力を供給する給電部と、前記基板の第１面に前記ストリップ導体に沿って所定間隔毎に配置され、一部に切り欠きを有する複数のループ素子と、前記基板の前記第１面の裏面である第２面に配置された導体板と、前記ストリップ導体に電気的に接続され、前記ループ素子の外周の一部に沿った形状の給電素子と、を具備する。

本開示によれば、放射される電波のサイドローブを抑圧し、アンテナの小型化を図ることができる。

特許文献１に記載のアレーアンテナの構成を示す図 本開示の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の外観を示す斜視図 本開示の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の平面図 本開示の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の断面図 ループ素子からの電波の放射原理を説明する図 給電素子が設けられた構成を示す図 給電素子が設けられていない構成を示す図 図４Ａ、図４Ｂの構成において間隔Ｓの変化に対する結合量の変化を示すグラフ 図４Ａの構成において給電素子のＹ方向のサイズＦＬを変化した時の結合量の変化を示すグラフ 本開示の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の平面図 アレーアンテナ装置における各アンテナ素子の結合量の一例を示す図 図８に示す各アンテナ素子の結合量から算出した、各アンテナ素子の振幅値を示す図 図９の振幅値から算出したアレーアンテナ装置の長手方向（ＹＺ面）の放射パターンを示す図 ストリップ導体の短手方向（Ｘ方向）にアレーアンテナ装置を４列配置した構成の一例を示す図 図１１の構成において間隔ＤＦを変化した時のＸＺ面における放射パターンを示す図 本開示の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の別のバリエーションを示す平面図 図７のサブアレーの別の構成の一例を示す図 給電素子の別の構成の一例を示す図 本開示の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置の一例を示す図 本開示の実施の形態２に係るアンテナ素子の構成の一例を示す図 ループ素子と給電素子との間隔Ｇと結合量の関係を示す図 アレーアンテナ装置における各アンテナ素子の結合量の一例を示す図 図１９に示す各アンテナ素子の結合量から算出したアレーアンテナ装置の長手方向の放射パターンを示す図 給電線路の短手方向に間隔Ｄごとに４つのアレーアンテナ装置が配置される場合の放射パターンを示す図 本開示の実施の形態２における電波放射の原理について説明する図 本開示の実施の形態２における給電線路の位置のバリエーションの一例であり、アンテナ素子の俯瞰図 本開示の実施の形態２における給電線路の位置のバリエーションの一例であり、アンテナ素子が設けられた位置の基板の断面図を模式的に示す図 本開示の実施の形態２における給電線路の位置のバリエーションの別の一例を示す図 本開示の実施の形態２における給電線路と給電素子との接続の一例を示す図

（本開示に至る経緯）
まず、本開示に至る経緯について説明する。具体的には、アレーアンテナ装置を車両に搭載されるレーダ装置に用いる場合に、本開示において着目する構成を説明する。

一般に、アレーアンテナなどの指向性アンテナから放射される電波は、所望の方向に向けられるメインローブの他に、所望の方向に対してずれた方向に向けられるサイドローブを含んでいる。

車両に搭載されるレーダ装置は、所望の方向の物体を検知するために、メインローブを所望の方向に向ける。しかしながら、レーダ装置が大きなサイドローブを含む電波を放射すると、所望の方向に物体が存在しない場合でも、サイドローブの影響により所望の方向に物体があると誤検出を起こす可能性があった。

ここで、車両に搭載されるレーダ装置として、例えば、特許文献１に記載のアレーアンテナを用いる場合について説明する。

図１は、特許文献１に記載のアレーアンテナの構成を示す図である。図１に示すアレーアンテナは、背面に導体の接地板が形成された誘電体基板１４０４上にストリップ導体が形成された構成を有するマイクロストリップアレーアンテナである。

誘電体基板１４０４上に形成されたストリップ導体は、直線状に配置された主給電ストリップ線路１４０５と、主給電ストリップ線路１４０５の両側辺のうち少なくとも一方の側辺に沿って所定間隔で、主給電ストリップ線路１４０５の側辺に接続された複数のアレー素子（図１の場合６素子のアレー素子）を含む構成である。

具体的に、６素子のアレー素子は、それぞれ、主給電ストリップ線路１４０５に接続された副給電ストリップ線路１４０２ａ〜ｆと、副給電ストリップ線路１４０２ａ〜ｆの終端に接続された矩形状の放射アンテナ素子１４０３ａ〜ｆと、副給電ストリップ線路１４０２ａ〜ｆにおける主給電ストリップ線路１４０５との接続位置から放射アンテナ素子１４０３ａ〜ｆとの接続位置までの間の所定の位置に接続されたスタブ１４０１ａ〜ｆとを有する。

そして、図１に示すアレーアンテナは、スタブ１４０１ａ〜ｆに流れる電流によって生じる放射電界の方向が、放射アンテナ素子１４０３ａ〜ｆからの放射電界の方向と同方向になるアレー素子を配設することによって、放射アンテナ素子１４０３ａ〜ｆからの反射量を小さく抑え、高い放射量を実現することができ、さらに不要な交差偏波成分を抑制することができる。

しかしながら、図１に示す特許文献１の従来技術では、アレー素子の放射量の制御範囲が約３０％〜４０％と狭いため、アレーアンテナ装置から放射される電波のサイドローブを抑圧することが困難である。また、特許文献１の従来技術は、アレー素子のサイズが大きいため、主給電ストリップ線路の短手方向にアレーアンテナ装置を複数個配列する構造の場合に、短手方向の間隔が大きくなり、装置全体が大型化してしまう。また、短手方向の間隔が大きくなることによって、グレーティングローブが発生し易くなり、サイドローブが上昇することによって、利得が低下し、レーダ装置で使用する場合、誤検出の原因となる。

そこで、アンテナ素子の形状および給電構造を工夫することによってアレーアンテナ装置が放射する電波のサイドローブを抑圧し、交差偏波比を減少できることに着目し、本開示に至った。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は一例であり、本開示はこれらの実施の形態により限定されるものではない。

（実施の形態１）
図２Ａは、本開示の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置１０の外観を示す斜視図である。図２Ｂは、本開示の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置１０の平面図である。図２Ｃは、本開示の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置の断面図である。なお、図２Ｃは、図２Ｂに示すアレーアンテナ装置１０の破線１６における断面を示している。図２Ａ〜Ｃにおいて、アレーアンテナ装置１０の長手方向をＹ方向とし、短手方向（幅方向）をＸ方向、厚さ方向をＺ方向とする。

アレーアンテナ装置１０は、基板１１と、基板１１の一方の面（第１面）に配置されたストリップ導体１２と、基板１１の一方の面にストリップ導体１２に沿って所定間隔Ｄ毎に配置される複数のループ素子１４ａ〜ｅと、ストリップ導体１２に接続され、ループ素子１４ａ〜ｅの外周の一部に沿った形状の給電素子１７ａ〜ｅと、基板１１の他方の面（第２面）に配置された導体板１３と、ストリップ導体１２の一端に設けられる入力端１５と、を具備する。

基板１１は、例えば、厚さｔ、比誘電率εｒの両面銅張基板である。ストリップ導体１２は、例えば、基板１１の一方の面に銅箔パターンによって形成される。導体板１３は、例えば、基板１１の他方の面に銅箔パターンによって形成される。図２Ａ〜Ｃに示すアレーアンテナ装置１０では、ストリップ導体１２と導体板１３とがマイクロストリップラインを構成する。

ループ素子１４ａ〜ｅは、ストリップ導体１２が形成された基板１１の面に形成された、一部に切り欠き部を有する、内周の半径Ｒ、素子の幅Ｗの円形状の導体である。各々のループ素子１４ａ〜ｅは、隣接するループ素子と所定間隔Ｄ離れて、Ｙ方向にストリップ導体１２に沿って配置される。なお、図２Ａ〜Ｃでは、５素子のループ素子１４ａ〜ｅを有するアレーアンテナ装置について説明するが、本開示はこれに限定されない。

ループ素子１４ａ〜ｅが有する切り欠き部は、ストリップ導体１２と平行な破線１６に対して４５度方向に設けられる。また、ループ素子１４ａ〜ｅは、放射電波の約１波長となる周囲長を有する開ループ構造である。

なお、本開示におけるループ素子１４ａ〜ｅの切り欠き部の方向、および、周囲長は、これに限定されない。

入力端１５は、ストリップ導体１２の端部のうち、電力が供給される端部であり、後述する給電部（図７等参照）に接続している。

給電素子１７ａ〜ｅは、ストリップ導体１２のループ素子１４ａ〜ｅが設けられる側に突出して、ストリップ導体１２と一体となって銅箔パターンによって形成される。給電素子１７ａ〜ｅは、それぞれ、ループ素子１４ａ〜ｅと電磁界結合し、電力を供給する。給電素子１７ａ〜ｅは、ストリップ導体１２と接続する第１辺と、ループ素子１４ａ〜ｅの外周の一部と所定の間隔Ｓ離れて略平行となる第２辺を少なくとも有する。

別言すれば、給電素子１７ａ〜ｅの第２辺は、ループ素子の中心を円の中心とし、ループ素子の内周の半径Ｒとループ素子の幅Ｗと間隔Ｓとの和を半径として描いた円の円弧の一部である。

図２Ａ〜Ｃに示すアレーアンテナ装置１０において、各々のループ素子１４ａ〜１４ｅは、ストリップ導体１２と給電素子１７ａ〜ｅから所定の間隔Ｓ離して配置することにより、ループ素子１４ａ〜ｅはストリップ導体１２および給電素子１７ａ〜ｅと電磁界的に結合する（図２Ｂ参照）。

上記構成により、ストリップ導体１２の入力端１５から給電された電力は、ストリップ導体１２および給電素子１７ａ〜ｅと各々のループ素子１４ａ〜ｅとの電磁界結合により、ループ素子１４ａ〜ｅの順に供給される。即ち、アレーアンテナ装置１０は、各々のループ素子１４ａ〜ｅを放射素子としたアレーアンテナとして動作する。

また、間隔Ｄを約λｇ（λｇはストリップ導体１２を伝搬する信号の実効的な波長）に設定することにより、各々のループ素子１４ａ〜ｅは同位相において励振され、＋Ｚ方向に最大利得を有するビームの放射指向性を実現できる。

次に、本実施の形態１のアレーアンテナ装置１０における各々のループ素子１４ａ〜ｅからの電波の放射原理について、図３を参照して説明する。図３は、ループ素子１４ａからの電波の放射原理を説明する図である。図３では、アレーアンテナ装置１０におけるループ素子１４ａおよび給電素子１７ａを抜粋して説明するが、他のループ素子１４ｂ〜ｅからの電波の放射原理も同様である。

入力端１５（図２Ａ〜Ｃ参照）から供給される電力Ｐｉｎは、ストリップ導体１２および給電素子１７ａとループ素子１４ａとの電磁界結合により、一部の電力がループ素子１４ａから放射される。ループ素子１４ａの切り欠き部１８ａは、ループ素子１４ａの中心Ｏと切り欠き部１８ａの略中央を結ぶ矢印２３とストリップ導体１２とのなす角が４５°になる位置に設けられる。

切り欠き部１８ａの略中央とは、切り欠き部１８ａの内周側の端点２４ａ、２４ｃを結ぶ線分の中点である。つまり、切り欠き部１８ａは、ループ素子１４ａの中心Ｏと端点２４ａ、２４ｃを結ぶ線分の中点を結ぶ矢印２３とストリップ導体１２とのなす角が４５°になる位置に設けられる。

また、切り欠き部１８ａの外周側の端点をそれぞれ点２４ｂ、２４ｄとし、矢印２３とループ素子１４ａの外周との交点２４ｅとすると、ループ素子１４ａの外周側における、点２４ｂから交点２４ｅまでの長さ、および、点２４ｄから交点２４ｅまでの長さは、略同一であり、それぞれ長さは約１／２λｇである。

図３に示す位置に切り欠き部１８ａを設けたことにより、ループ素子１４ａ上には、矢印２２ａに示す方向の電流と、矢印２２ｂに示す方向の電流とが生じる。

これにより、ループ素子１４ａは、ストリップ導体１２と平行なＹ軸方向から＋Ｘ方向へ４５度回転した方向（矢印２３の方向）の偏波を有する放射素子として動作する。なお、図３では、ループ素子１４ａの＋Ｙ方向から＋Ｘ方向に４５度シフトした位置に切り欠き部１８ａを設けた場合を説明したが、−Ｙ方向から−Ｘ方向に４５度シフトした位置に切り欠き部を設けた場合でも、同様に、矢印２３の方向の斜め偏波特性が得られる。

また、ループ素子１４ａにおける放射電力以外の電力には、透過電力Ｐｔｈと、ストリップ導体１２とループ素子１４ａとのインピーダンス不整合により入力端１５に戻る反射電力Ｐｒｅｆとがある。従って、ループ素子１４ａからの放射電力は、入力電力Ｐｉｎから透過電力Ｐｔｈと反射電力Ｐｒｅｆとを差し引いた値となる。また、透過電力Ｐｔｈはループ素子１４ｂの入力電力となり、以降のループ素子１４ｃ、１４ｄ、１４ｅにおいて同様に動作する。

ループ素子１４ａから放射される電波の放射量は、ストリップ導体１２と給電素子１７ａからループ素子１４ａへの電磁界的な結合における結合量によって制御される。ここで、給電素子１７ａの有無による結合量の違いについて説明する。

図４Ａは、給電素子１７ａが設けられた構成を示す図であり、図４Ｂは、給電素子１７ａが設けられていない構成を示す図である。図５は、図４Ａ、図４Ｂの構成において間隔Ｓの変化に対する結合量の変化を示すグラフである。

図５に示す結合量の変化は、図４Ａ、Ｂの基板１１、ストリップ導体１２、ループ素子１４ａ、給電素子１７ａのサイズに数値を与えて算出したものである。具体的には、基板１１の厚みｔを０．０６４λ（λ：動作周波数における自由空間波長）、基板１１の比誘電率εｒを３．４としている。ストリップ導体１２の幅ＷＦを０．０５λとする。また、ループ素子１４ａの外周側の直径ＤＬを０．２２λ、ループ素子１４ａの素子幅Ｗを０．０４λとしている。給電素子１７ａのＹ方向のサイズＦＷを０．１７λとし、Ｘ方向のサイズＦＬを０．１λとする。

なお、本開示における基板１１、ストリップ導体１２、ループ素子１４ａ、給電素子１７ａのサイズは、これらに限定されない。

図５のグラフの横軸は、波長λに対する相対的な間隔Ｓの長さを示し、縦軸は入力電力量を１００％とした場合の結合量の割合[％]を示している。また、図４Ａの構成における結合量の変化を実線３０１によって表し、図４Ｂの構成における結合量の変化を破線３０２によって表す。

図５に示すグラフでは、間隔Ｓが小さいほど、結合量が増大している。間隔Ｓが小さいと、ストリップ導体１２とループ素子１４ａとの電磁的結合が強くなるためである。また、給電素子１７ａが設けられてない場合を示す破線３０２に対して給電素子１７ａが設けられている場合を示す実線３０１の方は、同じ間隔Ｓにおいて結合量が増大している。ループ素子１４ａに分布する電流は、切り欠き部１８ａを起点に定在波が発生し、図４Ａに示す範囲２５ａ、２５ｂでは、定在波の腹となるため電流値が高くなる。そのため、給電素子１７ａを配置することによって給電線路と波線の範囲２５ａとの間隔が狭くなり、図４Ｂに示す給電素子１７ａが設けられていない場合に比べて、高い結合量を実現することができる。

次に、図４Ａに示した構成において、給電素子１７ａのサイズ、具体的には給電素子１７ａのＹ方向のサイズＦＬと結合量との関係について説明する。

図６は、図４Ａの構成において給電素子１７ａのＹ方向のサイズＦＬを変化した時の結合量の変化を示すグラフである。図６に示すグラフの横軸は、波長λに対する相対的なＹ方向のサイズＦＬの大きさを示し、縦軸は入力電力量を１００％とした場合の結合量の割合[％]を示している。

また、間隔Ｓは０．０５λとし、給電素子１７ａのＹ方向のサイズＦＬの大きさを除く、基板１１、ストリップ導体１２、ループ素子１４ａ、給電素子１７ａのサイズは、図５にて説明したものと同様である。

図６に示すグラフでは、給電素子１７ａのサイズＦＬが大きいほど、結合量が増大している。給電素子１７ａのサイズが大きい程、ストリップ導体１２と給電素子１４ａから構成される給電線路とループ素子１４ａとが平行になる範囲が大きくなり、給電線路とループ素子１４ａとの電磁界的結合が強くなるためである。

以上により、本実施の形態１のアレーアンテナ装置１０は、ストリップ導体１２に対する給電素子１７ａとループ素子１４ａとの間隔Ｓ、給電素子１７ａのＹ方向のサイズＦＬを組み合わせることによって広い範囲で結合量を調整することができる。例えば、図４Ａにおいて一例として説明した厚み及び比誘電率を有する基板を使用した場合、結合量は約５〜７０％の範囲で制御することができる。

そして、複数のループ素子１４ａ〜ｅとそれぞれに対する給電素子１７ａ〜ｅにおいて、間隔Ｓおよび給電素子１７ａ〜ｅのＹ方向のサイズＦＬを、ループ素子毎に別々に調整することによって、各ループ素子において、異なる結合量を実現することができる。

また、ループ素子１４ａは、１／２波長の長さを直線ではなく、円弧上に確保することができ、アンテナ素子が小型化されるため、ストリップ導体１２の短手方向（Ｘ方向）を短くすることができる。

次に、図２に示したアレーアンテナ装置１０を拡張した構成について説明する。図７は、本開示の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置１００の平面図である。

アレーアンテナ装置１００は、主に、給電部２８と第１サブアレー２９ａと第２サブアレー２９ｂを有する。第１サブアレー２９ａ、第２サブアレー２９ｂは、それぞれ、図２に示したアレーアンテナ装置１０の給電部２８と反対側の端部にマイクロストリップアンテナ素子としてパッチアンテナ２６が設けられた構成である。

そして、アレーアンテナ装置１００において、第１サブアレー２９ａと第２サブアレー２９ｂは、アンテナ中心点２７を中心に点対称となる配置である。そして、パッチアンテナ２６は、ストリップ導体１２と平行なＹ軸方向から＋Ｘ方向へ４５度回転した方向（図３における矢印２３の方向）の偏波を有するため、ストリップ導体１２の一部を４５度クランクしている。

給電部２８と、第１サブアレー２９ａおよび第２サブアレー２９ｂにおける給電部２８に最も近いループ素子（図７ではそれぞれループ素子１４ａ）との間隔をそれぞれｄｆ１とｄｆ２とする。間隔ｄｆ１とｄｆ２との差分がＮ×λｇ／２（Ｎは、１以上の整数）となる場合、第１サブアレー２９ａと第２サブアレー２９ｂは同位相において励振する。また、各ループ素子１４ａ〜ｅの間隔Ｄ（図２Ｂ参照）、及び、第１サブアレー２９ａおよび第２サブアレー２９ｂにおけるパッチアンテナ２６に最も近いループ素子（図７ではそれぞれループ素子１４ｅ）とパッチアンテナ２６との間隔ＤＰがλｇの場合、全ての素子が同位相において励振する。

次に、図７に示したアレーアンテナ装置１００におけるループ素子１４ａ〜ｅおよびパッチアンテナ２６（以降、それぞれを、適宜、「アンテナ素子」と記載）の結合量とアレーアンテナ装置１００の放射パターンの関係について説明する。

図８は、アレーアンテナ装置１００における各アンテナ素子の結合量の一例を示す図である。図８の横軸は、素子番号を示し、給電部２８から近いアンテナ素子から順に素子番号１〜６に対応し、パッチアンテナ２６は素子番号６に対応する。そのため、素子番号６の結合量は、１００％となる。図８の縦軸は、素子番号６の結合量を１００％とした場合の、各素子番号における結合量の割合[％]を示している。

図９は、図８に示す各アンテナ素子の結合量から算出した、各アンテナ素子の振幅値を示す図であり、図１０は、図９の振幅値から算出したアレーアンテナ装置１００の長手方向（ＹＺ面）の放射パターンを示す図である。図９の振幅値は、最大値で規格化した振幅比として示し、図１０では横軸を放射角度で示し、縦軸を電波の放射量を相対利得で示している。

前述の通り、本実施の形態１によれば、各ループ素子の結合量を約５％〜７０％の広い範囲に制御することができるので、図８に示す結合量が実現できる。そのため、図９に示すテイラー分布を実現することができ、図１０に示すサイドローブが抑圧された放射パターンを得ることができる。また、図７に示すサブアレーが点対称の構造であるため、第１のサブアレーを設計することによって、第１のサブアレーが有する素子数に対して２倍の素子数を有するアレーアンテナ装置を設計することができ、高い利得を有するアレーアンテナ装置が容易に実現できる。

次に、図７で説明したアレーアンテナ装置をストリップ導体１２の短手方向（Ｘ方向）に複数配置した場合に、サイドローブを抑圧する方法について説明する。

図１１は、ストリップ導体１２の短手方向（Ｘ方向）にアレーアンテナ装置１００１〜１００４を４列配置した構成の一例を示す図である。アレーアンテナ装置１００１〜１００４は、それぞれ、図７で示したアレーアンテナ装置１００と同様の構成を有し、間隔ＤＦごとに配置されている。

図１２は、図１１の構成において間隔ＤＦを変化した時のＸＺ面における放射パターンを示す図である。図１２の放射パターンは、アレーアンテナ装置１００１〜１００４の各アンテナ素子の振幅値を図９に示した振幅値に設定した場合の放射パターンである。

図１２では、間隔ＤＦが０．５λの時の放射パターンを実線１１０１、０．５８λの時の放射パターンを破線１１０２で示している。また、図１２の横軸は放射角度を示し、縦軸は電波の放射量を相対利得で示している。各放射パターンのビーム方向が−３０度となる位相差を、各列間に与えており、間隔ＤＦが０．５λの時の列間の位相差を９０度とし、間隔ＤＦが０．５８λの時の列間の位相差を１００度としている。また、各列のアレーアンテナは同振幅で励振している。

図１２では、間隔ＤＦが０．５８λの放射パターン（破線１１０２）に比べて、ＤＦが０．５λの放射パターン（実線１１０１）のほうが、角度方向７０〜９０°方向においてサイドローブが低下している。アレーアンテナにおいてアレー間隔（今回では列間隔のことを示す）が大きい程グレーティングローブが発生しやすくサイドローブが上昇することが一般的に知られている。つまり、ストリップ導体１２の短手方向（Ｘ方向）の間隔ＤＦを小さくすることによって、図１１に示すアレーアンテナのサイドローブを低下できる。

本実施の形態１では、１／２波長の長さを円弧上に確保することができるループ素子を使用するため、間隔ＤＦを小さくすることができる。

（点対称の構成のバリエーション）
上記の本実施の形態１では、点対称の構成の一例として図７に示したアレーアンテナ装置１００について説明したが、点対称の構成は、これに限定されず、様々な構成をとることができる。

図１３は、本開示の実施の形態１に係るアレーアンテナ装置１００’の平面図である。図１３に示すアレーアンテナ装置１００’は、図７に示したアレーアンテナ装置１００のループ素子１４ｃ、給電素子１７ｃがそれぞれループ素子１４’ｃ、給電素子１７’ｃに置き換わった構成である。

図１３に示したアレーアンテナ装置１００’においても、第１サブアレー２９’ａと第２サブアレー２９’ｂは、アンテナ中心点２７を中心に点対称になるように設けられている。この構成によっても、図７に示したアレーアンテナ装置１００と同様の特性が得られる。

（終端のアンテナ素子のバリエーション）
上記の本実施の形態１では、図７に示したように、アレーアンテナ装置の給電部と反対側の端部にマイクロストリップアンテナ素子としてパッチアンテナ２６を設けた構成について説明したが、端部に設けられるアンテナ素子はこれに限定されない。

図１４は、図７のサブアレーの別の構成の一例を示す図である。図１４に示すサブアレーは、図７のサブアレーの終端をパッチアンテナ２６からループアンテナ１２０１としている。図１４に示すように、サブアレーの終端をループアンテナ１２０１とした場合においても、パッチアンテナ２６の場合と同様の放射パターンを得ることができる。また、ループアンテナ１２０１は、ループ素子１４ａ〜１４ｅと同構成のアンテナ素子であるため、アレーアンテナ装置全体を容易に設計することができる。

（給電素子の形状のバリエーション）
上記の本実施の形態１で説明した給電素子１７ａ〜ｅの形状は、ストリップ導体１２と給電素子１７ａ〜ｅとの接続部分が直交する形状であった。ここでは、ストリップ導体１２と給電素子との接続部分が直交しないような別のバリエーションについて説明する。

図１５は、給電素子１７ａの別の構成の一例を示す図である。図１５に示す構成は、前述した図２Ａ〜Ｃのループ素子１４ａにおいて、給電素子１７ａが給電素子１３０２ａに置き換わった構成である。給電素子１３０２ａは、破線１３０１において線対称な構造を有し、ストリップ導体１２に接続する点において鋭角である。つまり、図１５に示す給電素子１３０２ａの構成を有する場合、ストリップ導体１２と給電素子１３０２ａとの接続部分のパターンが直交する部分が存在しない。

一般的に、アンテナの給電部など電流が集中する部分において、基板１１の線路パターン（つまり、ストリップ導体、給電素子、アンテナ素子等のパターン）が直交する部分を有する場合、この線路パターンの直交する部分において、意図しない強い電波が放射される。このように意図しない強い電波の放射が発生する場合、アンテナ素子から放射される電波が乱れ、放射パターンの形状が変化し、交差偏波の大きさが増加する。

そのため、図１５に示すような直交する部分が存在しないように構成することによって、例えば、交差偏波が低い良好な放射パターンを得ることができる。なお、図１５では、給電素子１３０２ａが線対称である場合として示しているが、線対称に限らず、線路パターンにおいて直交する部分が存在しないような構成であれば、図１５と同様に、交差偏波が低い良好な放射パターンを得ることができる。

なお、上記で説明した各構成のバリエーションは、組み合わせてもよい。例えば、図１３に示したアレーアンテナ装置１００’の終端部分のパッチアンテナ２６をループアンテナ１２０１としてもよい。あるいは、図１３に示した給電素子１７ａ〜ｅのいずれか、あるいは、全てを図１５に示した給電素子１３０２ａと同様の形状にしてもよい。

（実施の形態２）
以下、本開示の実施の形態２について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は一例であり、本開示はこれらの実施の形態により限定されるものではない。

（実施の形態２に至る経緯）
つぎに、実施の形態２に至る経緯について説明する。具体的には、アレーアンテナ装置を車両に搭載されるレーダ装置に用いる場合に、本開示において着目する構成を説明する。

まず、第１の着目点について説明する。

一般に、アレーアンテナなどの指向性アンテナから放射される電波は、所望の方向に向けられるメインローブの他に、所望の方向に対してずれた方向に向けられるサイドローブを含んでいる。

車両に搭載されるレーダ装置は、所望の方向の物体を検知するために、メインローブを所望の方向に向ける。しかしながら、レーダ装置が大きなサイドローブを含む電波を放射すると、所望の方向に物体が存在しない場合でも、サイドローブの影響により所望の方向に物体があると誤検出を起こす可能性があった。

次に、第２の着目点について説明する。

路面上を走行する車両Ａと、車両Ａの対向車線を車両Ａと逆方向に走行する車両Ｂがそれぞれレーダを搭載しているものとする。各々のレーダ装置から放射される電波の偏波方向が路面に対して垂直な場合、各々のレーダ装置から放射される電波は互いに干渉するため、この干渉が誤検出の原因となる。一方、各々のレーダ装置から放射される電波の偏波方向が路面に対して斜め４５°の方向である場合、車両Ａから放射される電波の偏波方向と車両Ｂのレーダ装置が放射する電波の偏波方向は直交するため、干渉は抑制される。

しかしながら、車両Ａのレーダ装置が放射する電波の主偏波の方向が直交していても、車両Ａのレーダ装置が放射する電波の交差偏波の方向は車両Ｂの主偏波の方向と一致するため、車両Ａのレーダ装置が放射する電波の交差偏波と車両Ｂのレーダ装置が放射する電波の主偏波は、干渉し合ってしまう。この干渉が大きい場合にはレーダ装置の誤検出を起こす可能性があった。

アンテナ素子の形状および給電構造を工夫することによってアレーアンテナ装置が放射する電波のサイドローブを抑圧し、交差偏波比を減少できることに着目し、本開示に至った。

図１６は、本開示の実施の形態２に係るアレーアンテナ装置４０の一例を示す図である。図１６に示すアレーアンテナ装置４０は、基板４１と、給電線路４２と、複数のアンテナ素子４３ａ〜４３ｊと、給電点４４とを有する。

基板４１は、例えば、両面銅張基板である。給電線路４２は、基板４１の一方の面に銅箔パターンなどによって形成される。給電線路４２と基板４１の他方の面に形成される導体板（図示せず）は、マイクロストリップライン（ストリップ導体）を構成する。

複数のアンテナ素子４３ａ〜４３ｊは、給電線路４２が形成された基板４１の面に基板４１に沿って所定間隔毎に配置される。なお、複数のアンテナ素子４３ａ〜４３ｊの所定間隔は、全て同じ間隔でなくてもよく、異なる間隔部分を含む。給電点４４は、アレーアンテナ装置４０の給電位置である。給電点４４から給電される電流は、給電線路４２を流れ、給電線路４２から各アンテナ素子４３ａ〜４３ｊに給電される。電流が供給されたアンテナ素子４３ａ〜４３ｊは、それぞれ調節された量の電波を放射する。

次に、アンテナ素子４３ａ〜４３ｊの構成について、アンテナ素子４３ａを例にとって説明する。他のアンテナ素子４３ｂ〜４３ｊもアンテナ素子４３ａと同様の構成を採る。

図１７は、本開示の実施の形態２に係るアンテナ素子４３ａの構成の一例を示す図である。図１７に示すアンテナ素子４３ａは、ループ素子１３１と、給電素子１３２とから構成される。

ループ素子１３１は、円環の一部に切り欠き部１３３を設けた形状を有する。また、ループ素子の外周の長さは、放射する電波の約１波長である。切り欠き部１３３は、ループ素子１３１の中心Ｏと切り欠き部１３３の略中央を結ぶ直線Ｌと給電線路４２とのなす角が４５°になる位置に設けられる。

より詳細には、図１７に示すように、切り欠き部１３３の略中央とは、切り欠き部１３３の内周側の端点ａ１、ａ２を結ぶ線分の中点ａ３である。つまり、切り欠き部１３３は、ループ素子１３１の中心Ｏと中点ａ３を結ぶ直線Ｌと給電線路４２とのなす角が４５°になる位置に設けられる。

また、切り欠き部１３３の外周側の端点をそれぞれ点ａ４、点ａ５とし、直線Ｌとループ素子１３１の外周との交点ａ６とすると、ループ素子１３１の外周側における、点ａ４から交点ａ６までの長さ、および、点ａ５から交点ａ６までの長さは、略同一であり、それぞれ長さは約１／２波長である。

給電素子１３２は、ループ素子１３１の外周に所定の間隔Ｇ離れた位置に略平行に設けられた、半円環の形状である。給電素子１３２は、所定の間隔Ｇ離れたループ素子１３１と電磁界的に結合する。

ループ素子１３１と給電素子１３２は、直線Ｌに対して線対称な形状を有する。

給電素子１３２は、給電線路４２と接続し、給電線路４２から給電される。給電素子１３２に流れる電流は、電磁界的な結合によって、所定の間隔Ｇ離れたループ素子１３１に供給される。ループ素子１３１は、給電素子１３２との電磁界的な結合によって電流が供給される。

このように、ループ素子１３１は、１／２波長の長さを直線ではなく、円弧上に確保することができる。このため、アンテナ素子４３ａが小型化されるので、給電線路４２の短手方向を短くすることができる。

また、ループ素子１３１は、切り欠き部１３３が給電線路４２に対して４５°の方向に設けられることによって、偏波方向が斜め４５°である電波を基板４１に対して垂直な方向へ放射することができる。

また、ループ素子１３１と給電素子１３２が直線Ｌに対して線対称な形状を有することによって、ループ素子１３１から放射される電波は、交差偏波比の小さい電波となる。交差偏波比が小さくなる原理については、後述する。

ループ素子１３１から放射される電波の量（電波強度）は、ループ素子１３１と給電素子１３２との電磁界的な結合における結合量によって制御される。結合量は、ループ素子１３１と給電素子１３２との間隔Ｇを調節することによって制御される。

ここで、具体的な間隔Ｇと結合量の関係について説明する。図１８は、ループ素子１３１と給電素子１３２との間隔Ｇと結合量の関係を示す図である。図１８の横軸は、間隔Ｇの大きさを示し、縦軸は結合量を示している。

図１８に示すように、間隔Ｇを調整することによって、結合量は、約２５〜７０％と広い範囲に制御できる。

次に、各アンテナ素子の結合量とアレーアンテナ装置の放射パターンの関係について説明する。

図１９は、アレーアンテナ装置における各アンテナ素子の結合量の一例を示す図である。図１９の横軸は、素子番号を示し、縦軸は、結合量を示している。図１９に示す例は、図１６に示すアンテナ素子４３ａ〜４３ｊが、給電点を中心として左右にそれぞれ９個ずつ配置され、給電点から最も遠い位置に図示しないパッチ素子が配置されるアレーアンテナ装置である。また、また９個のアンテナ素子は、給電点に近いアンテナ素子から順に素子番号＃１〜＃９に対応し、パッチ素子は素子番号＃１０に対応する。

図２０は、図１９に示す各アンテナ素子の結合量から算出したアレーアンテナ装置の長手方向の放射パターンを示す図である。図２０の横軸は、放射角度を示し、縦軸は、放射角度毎の利得を最大利得に対する相対値で示している。

上記の通り、本開示によれば、各アンテナ素子の結合量を約２５〜７０％の広い範囲に制御することができるので、端の方が低くなるように制御することにより、図２０に示すサイドローブが抑圧された放射パターンを得ることができる。

次に、図１６で説明したアレーアンテナ装置を給電線路の短手方向に複数配置する場合に、サイドローブを抑圧する方法について説明する。

例えば、図１６で説明したアレーアンテナ装置を給電線路の短手方向に間隔Ｄごとに４つ配置する場合、４つ配置されたアレーアンテナ装置の放射パターンは、間隔Ｄによって変化する。

図２１は、給電線路の短手方向に間隔Ｄごとに４つのアレーアンテナ装置が配置される場合の放射パターンを示す図である。図２１の横軸は、放射角度を示し、縦軸は、放射角度毎の利得を最大利得に対する相対値で示している。

図２１に示すように、間隔Ｄが１．９ｍｍの放射パターンに比べて、Ｄが２．２ｍｍの放射パターンのほうが、サイドローブが上昇している。つまり、アレーアンテナ装置を給電線路の短手方向に配置する場合、間隔Ｄを小さくする必要がある。

本実施の形態２では、１／２波長の長さを円弧上に確保することができるループ素子１３１を使用するため、間隔Ｄを小さくすることができる。

上記のように本開示によれば、短手方向の間隔を小さくでき、アレーアンテナ装置の小型化を実現することによって、アレーアンテナ装置を給電線路の短手方向に複数配置する場合にサイドローブを抑圧することができる。

次に、ループ素子１３１と給電素子１３２の形状によって交差偏波比の小さい電波が放射できる原理について説明する。図２２は、本開示の実施の形態２における電波放射の原理について説明する図である。図２２では、図１７に示すアンテナ素子４３ａに流れる電流が模式的に示されており、また、給電線路４２は、図２２の説明のために省略している。

図２２に示すアンテナ素子４３ａに供給される電流は、まず、給電線路４２（図１７参照）を介して矢印Ｘ１の方向に流れる。矢印Ｘ１の方向に流れる電流は、給電素子１３２と給電線路４２との接続点Ｐから給電素子１３２へ供給される。給電素子１３２において、電流は、矢印Ｘ２の方向へ流れ、電磁界的な結合によって、ループ素子１３１へ供給される。

ループ素子１３１において、電流は、矢印Ｘ３の方向へ流れる。ループ素子１３１を矢印Ｘ３の方向へ流れる電流は、ループ素子１３１の切り欠き部１３３が設けられる付近で大きな電界を形成し、切り欠き部１３３と中心Ｏをはさんで反対の位置で小さな電界を形成する。ループ素子１３１は、このような電界が形成されることによって、主偏波が直線Ｌの向きとなる電波を放射する。

また、図２２の矢印Ｘ２および矢印Ｘ３に示すように、ループ素子１３１および給電素子１３２を流れる電流は、直線Ｌに対して線対称となる。その結果、直線Ｌの向きとなる主偏波に対して、直線Ｌに垂直な向きとなる交差偏波は、小さくなる。つまり、ループ素子１３２および給電素子１３２は、直線Ｌに対して線対称な形状を有することによって、交差偏波比の小さい電波を放射することができる。

なお、上記で説明した給電線路４２は、アンテナ素子４３ａ〜４３ｊが形成される基板４１の面でアンテナ素子４３ａ〜４３ｊと直接接続するとしたが、給電線路４２とアンテナ素子４３ａ〜４３ｊの位置はこれに限定されない。

図２３Ａ及び図２３Ｂは、本開示の実施の形態２における給電線路４２の位置のバリエーションの一例を示す図である。図２３Ａは、アンテナ素子４３ａの俯瞰図であり、図２３Ｂは、アンテナ素子４３ａが設けられた位置の基板４１の断面図を模式的に示す図である。

図２３Ａ、図２３Ｂに示すように、給電線路４２は、基板４１の内部に設けられる。そして、給電線路４２は、導体板４５とマイクロストリップラインを形成する。給電線路４２は、基板４１の一方の面に設けられる給電素子１３２と電磁界的に結合し、給電素子１３２に対して電流を供給する。

図２４は、本開示の実施の形態２における給電線路４２の位置のバリエーションの別の一例を示す図である。図２４に示すように、給電素子１３２は、給電線路４２と所定の間隔Ｈ離れた位置に設けられる。このとき、給電線路４２は、給電素子１３２と電磁界的に結合し、給電素子１３２に対して電流を供給する。

図２３および図２４に示す例では、給電線路４２は給電素子１３２と電磁界的に結合する。この構成により、給電線路４２と給電素子１３２の結合量は、給電素子１３２の位置を調節することによって、制御することができる。

図２５は、本開示の実施の形態２における給電線路４２と給電素子１３２との接続の一例を示す図である。図２５において、図２２と共通する構成には、図２２と同一の符号を付しその詳しい説明を省略する。図２５では、給電線路４２と給電素子１３２は基板の同じ面に形成されている。図２２の構成では、給電線路４２と給電素子１３２との接続部が鋭角である。図２５の構成では、鋭角な接続部を埋めるように線路１３４が形成されている。

基板の製造において、鋭角な接続部は、導体エッチング時の精度を下げる要因となる。図２５の構成では、導体エッチング精度を向上させるために、線路１３４を追加する。線路１３４を形成することにより、導体エッチング精度を下げることなく給電素子１３２を形成することができる。

なお、線路１３４の形成によって給電素子１３２における電流の流れ方が変化するが、線路１３４の最長部分の長さが１／８波長以下であれば交差偏波の抑圧に影響はない。

本開示にかかるアレーアンテナ装置は、車載等のレーダ装置に用いるのに好適である。

１０、４０、１００、１００’、１００１〜１００４ アレーアンテナ装置
１１、４１ 基板
１２ ストリップ導体
１３、４５ 導体板
１４ａ〜ｅ、１４’ｃ、１３１ ループ素子
１５ 入力端
１７ａ〜ｅ、１７’ｃ、１３２、１３０２ａ 給電素子
１８ａ、１３３ 切り欠き部
２４ａ、２４ｃ 端点
２４ｂ、２４ｄ 点
２４ｅ 交点
２６ パッチアンテナ
２７ アンテナ中心点
２８ 給電部
２９ａ、２９’ａ 第１サブアレー
２９ｂ、２９’ｂ 第２サブアレー
４２ 給電線路
４３ａ〜４３ｊ アンテナ素子
４４ 給電点
１３４ 線路
１２０１ ループアンテナ
１４０１ａ〜ｆ スタブ
１４０２ａ〜ｆ 副給電ストリップ線路
１４０３ａ〜ｆ 放射アンテナ素子
１４０４ 誘電体基板
１４０５ 主給電ストリップ線路

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板に設けられる直線形状のストリップ導体と、
   前記ストリップ導体に電力を供給する給電部と、
   前記基板の第１面に前記ストリップ導体に沿って所定間隔毎に配置され、一部に切り欠きを有する複数のループ素子と、
   前記基板の前記第１面の裏面である第２面に配置された導体板と、
   前記ストリップ導体に電気的に接続され、前記ループ素子の外周の一部に沿った形状の給電素子と、
   を具備する、
   アレーアンテナ装置。
2. 前記複数のループ素子の切り欠きは、前記ストリップ導体に対して略４５度の方向に設けられる、
   請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
3. 前記ループ素子と前記給電素子は、前記ストリップ導体の中心点において、点対称に設けられる、
   請求項１または２に記載のアレーアンテナ装置。
4. 前記ストリップ導体は、前記ストリップ導体の終端に終端素子を更に具備する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のアレーアンテナ装置。
5. 前記終端素子は、ループ素子である、
   請求項４に記載のアレーアンテナ装置。
6. 前記各給電素子は、前記各ループ素子の外周円の半径方向の外側に所定の間隔離れて設けられ、半円環の形状である、
   請求項１に記載のアレーアンテナ装置。
7. 前記ループ素子と前記給電素子の間の前記所定の間隔は、前記ループ素子毎に調節される、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のアレーアンテナ装置。
8. 前記ループ素子および前記給電素子は、前記切り欠き部の略中央と前記ループ素子の中心を結ぶ直線に対して略線対称の形状である、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のアレーアンテナ装置。
9. 前記給電素子は、前記ストリップ導体と電磁界的に結合する、
   請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のアレーアンテナ装置。
10. 前記ストリップ導体は、前記基板の内部に設けられる、
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のアレーアンテナ装置。
11. 前記ストリップ導体は、前記基板の前記第１面に設けられる、
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のアレーアンテナ装置。
12. 前記ストリップ導体は、前記基板の前記第１面に設けられ、
    前記給電素子は、前記ストリップ導体と物理的に接続する、
    請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のアレーアンテナ装置。

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