JP6675113B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

従来、電磁波を送受信することによって障害物を検出するレーダ装置として、車両用のレーダ装置が広く知られている。車両用のレーダ装置は、走行中の障害物の検知、後方からの追い越し車両の検知などに用いられる。このようなレーダ装置が車両に取り付けられる場合には、車両のバンパ内に設置されることが多い。しかし、レーダ装置が車両のバンパ内に設置されると、バンパ自体が電磁波を反射するため、レーダ装置の検知性能が劣化するという問題がある。

バンパ等のカバー部材に起因するレーダ装置の検知性能の劣化を抑制する方法として、例えば特許文献１には、カバー部材の厚さを最適化する技術が開示されている。

特開２００３−２４０８３８号公報

ところで、カバー部材により反射された電磁波は、レーダ装置におけるアンテナ装置との間で多重反射を起こす。カバー部材の厚さを最適化したとしても、アンテナ装置とカバー部材との間の多重反射により、レーダ装置の検知性能が劣化する可能性がある。

本発明は、カバー部材とアンテナ装置との間で発生する電磁波の多重反射を低減し、レーダ装置の検知性能の劣化を抑制することを目的とする。

本発明のアンテナ基板は、基板と、前記基板の一方の面に配置され、電磁波の送受信を行うアンテナ素子と、前記基板の前記一方の面における前記アンテナ素子とは異なる位置に配置され、電磁波の受信を行う共振素子と、前記共振素子に伝送線路を介して電気的に接続され、前記共振素子の共振周波数において電力を消費させる抵抗部と、を備え、前記抵抗部は、前記基板の他方の面側に離れて設けられた電波吸収体である。

本発明によれば、カバー部材とアンテナ装置との間で発生する電磁波の多重反射を低減することができ、レーダ装置の検知性能の劣化を抑制することが可能となる。

カバー部材とアンテナ装置との位置関係を模式的に示す図 電磁波の強度変化を示すグラフ 第１の実施の形態に係るアンテナ装置を示す断面図 電磁波の強度変化を示すグラフ シミュレーションモデルの上面図 シミュレーションモデルの断面図 シミュレーションモデルの上面図 シミュレーションモデルの断面図 シミュレーション結果のグラフ シミュレーション結果のグラフ 第２の実施の形態に係るアンテナ装置を示す断面図 第３の実施の形態に係るアンテナ装置を示す断面図 第４の実施の形態に係るアンテナ装置を示す断面図 第５の実施の形態に係るアンテナ装置を示す断面図

以下、本発明の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。説明については、特に車両に設置される車両用レーダ装置を例とする。各実施の形態において、同一の構成には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。なお、以下に示す全ての図は、構成を模式的に示したものであり、説明を容易なものとするため、各要素の寸法を誇張して示しており、また、必要に応じて要素を省略して示している。

まず、図１を用いて、アンテナ装置とカバー部材との間に発生する電磁波の挙動について説明する。図１は、アンテナ装置とカバー部材との位置関係を模式的に示す図である。図１において、アンテナ装置１は、基板２と、アンテナ素子３と、反射板４とを備える。５はカバー部材である。アンテナ素子３は、基板２の両面のうち、カバー部材５と対向する面２ａに配置されている。反射板４は、アンテナ素子３よりも広い面積を有しており、基板２の内部に配置されている。

アンテナ装置１が送信用のアンテナである場合、電磁波は、アンテナ素子３から、カバー部材５へ向けて放射される。アンテナ素子３から放射された電磁波は、アンテナ装置１とカバー部材５との間の空間を伝わり、カバー部材５へ到達する。

カバー部材５へ到達した電磁波のうち、一部は、カバー部材５を透過し、一部は、アンテナ装置１へ向けて反射される。カバー部材５で反射された電磁波は、アンテナ装置１の反射板４へ到達する。反射板４へ到達した電磁波は、カバー部材５へ向けて再反射される。

アンテナ素子３から放射される電磁波は、連続的に放射されるため、反射板４で再反射された電磁波は、アンテナ素子３から放射された電磁波と重なる。重ね合わされた電磁波（以下、「重ね合わせ電磁波」という。）は、アンテナ素子３から放射された電磁波と、反射板４で再反射された電磁波との位相差により、強められたり弱められたりする。そのため、実質的なアンテナ放射の電磁波が、強くなったり弱くなったりするように捉えられる。この現象により、アンテナ装置１から放射される電磁波の強弱が変化する。

ここで、カバー部材５で反射された電磁波が、反射板４で再反射され、アンテナ素子３から放射された電磁波と重ね合わされる場合を考える。

まず、カバー部材５で反射する電磁波は、カバー部材５の比誘電率をεｃ、カバー部材５の厚さをｄ、カバー部材５の外側の空間における誘電率をε０として、下記の式（１）で表される。

カバー部材５の内部での電磁波の波長をλｅとすると、式（１）におけるβは、

で表される。
また、カバー部材５の外側の空間での電磁波の波長をλとすると、λｅは、

で表される。

よって、式（１）におけるβｄは、

と表すことができる。

ここで、アンテナ素子３から放射される電磁波の位相を０、アンテナ素子３のカバー部材５と対向する面３ａと、カバー部材５のアンテナ装置１と対向する面５ａとの距離をｌとすると、式（１）は、下記の式（２）で表すことができる。

ここで、上述のとおり、カバー部材５で反射された電磁波は、反射板４へ到達し、カバー部材５へ向けて再反射される。なお、実際には、再反射は、基板２の面２ａと、反射板４の両方で起こると考えられる。しかしながら、基板２の厚さは、λに対して十分小さい。それゆえ、基板２の面２ａで再反射された電磁波が、重ね合わせ電磁波へ及ぼす影響は、反射板４で再反射された電磁波が、重ね合わせ電磁波へ及ぼす影響に比べて十分小さい。そのため、ここでは反射板４での再反射についてのみ考慮する。

反射板４のカバー部材５と対向する面４ａに到達する電磁波は、アンテナ素子３から放射される電磁波の位相を０とすると、基板２の面２ａと、反射板４の面４ａとの距離をｔ、基板２の比誘電率をεｂとして、下記の式（３）で表される。

また、反射板４は、インピーダンスが十分小さく、ショート端と同じと考えられるため、反射板４での再反射は、逆相全反射となる。

さらに、反射板４で再反射された電磁波は、アンテナ素子３から放射される電磁波と重なるまでに、ｔだけ進行する。したがって、アンテナ素子３の面３ａにおいて、アンテナ素子３から放射される電磁波と重なる再反射の電磁波は、下記の式（４）で表される。

アンテナ素子３から放射される電磁波のパワーを１、位相を０とすると、アンテナ素子３から放射される電磁波と、反射板４で再反射された電磁波との重ね合わせ電磁波は、下記の式（５）で表される。

ここで、図２に、εｃ＝３、εｂ＝４、ｄ＝３（ｍｍ）、ｔ＝０．２（ｍｍ）として、アンテナ素子３の面３ａとカバー部材５の面５ａとの距離ｌ（ｍｍ）を変化させた場合の、重ね合わせ電磁波の強度を表したグラフを示す。図２において、縦軸は、重ね合わせ電磁波の強度、横軸は、アンテナ素子３の面３ａと、カバー部材５の面５ａとの距離ｌ（ｍｍ）である。

図２に示すように、重ね合わせ電磁波は、距離ｌによって強度が変化する。これは、距離ｌに応じて、アンテナ素子３から放射される電磁波と、反射板４で再反射された電磁波との位相差が変化するためである。

したがって、アンテナ装置１の車両への設置に際し、距離ｌを最適化したとしても、アンテナ装置１の設置時における設置作業のバラつき、車両走行時の振動により、距離ｌが変化することで、アンテナ装置１の電磁波の放射強度は、容易に変動する。

アンテナ装置を構成する部品のうち、反射板、ＧＮＤ（グランド）等の実装部品は、導電体で形成されるため、電磁波を反射する。また、基板の表面も電磁波を反射する。そのため、アンテナ素子から放射され、カバー部材で反射された電磁波が、反射板、ＧＮＤ等の実装部品、基板の表面で再反射されることで、このような問題を発生させる要因となり得る。

本発明は、アンテナ素子から放射され、カバー部材で反射された電磁波が、反射板、ＧＮＤ等の実装部品、基板の表面へ到達することを抑制することで、再反射の発生を抑制しようとするものである。

（第１の実施の形態）
図３は、第１の実施の形態に係るアンテナ装置における、アンテナ装置とカバー部材との位置関係を模式的に示す図である。なお、以下の説明では、図３における左右方向をＸ方向とし、右方向を＋Ｘ方向、左方向を−Ｘ方向とする。また、図３における紙面奥行き方向をＹ方向とし、紙面奥方向を＋Ｙ方向、紙面手前方向を−Ｙ方向とする。また、図３における上下方向をＺ方向とし、上方向を＋Ｚ方向、下方向を−Ｚ方向とする。

アンテナ装置１０は、基板１１、アンテナ素子１２、共振素子１３、伝送線路１４、抵抗１５、及び反射板１６を備える。１７はカバー部材である。

基板１１は、電気絶縁性基材からなり、ＸＹ方向に延在する平板状の部材である。基板１１を構成する電気絶縁性基材としては、高周波特性のよい材料、例えばポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）樹脂からなるＰＰＥ基材、ポリテトラフオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂からなるＰＴＦＥ基材、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリイミド（ＰＩ）等を用いることができる。

また、基板１１を構成する電気絶縁性基材として、ガラスエポキシ基材、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂と無機フィラーとを含むコンポジット材を用いることもできる。熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂等が挙げられる。添加する無機フィラーとしては、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ等のフィラーを用いることができる。

アンテナ素子１２は、金属等の導体からなり、ＸＹ方向に延在する平板状の部材である。アンテナ素子１２は、基板１１のカバー部材１７と対向する面１１ａに配置されている。アンテナ素子１２は、カバー部材１７と対向する面１２ａを有する。アンテナ素子１２は、不図示の制御装置により制御され、カバー部材１７に向けて電磁波を放射する。

共振素子１３は、金属等の導体からなり、ＸＹ方向に延在する平板状の部材である。共振素子１３は、基板１１の面１１ａに配置されている。共振素子１３は、カバー部材１７と対向する面１３ａを有する。共振素子１３は、一例として、アンテナ素子１２と同一形状であり、アンテナ素子１２と同じ利得を有している。共振素子１３は、電磁波を受信する。

伝送線路１４は、金属等の導体からなり、基板１１をＺ方向に貫通して設けられている。伝送線路１４の＋Ｚ方向端部は共振素子１３に接続され、−Ｚ方向端部は後述する抵抗１５に接続されている。伝送線路１４は、共振素子１３と、抵抗１５とを、電気的に接続している。なお、伝送線路１４は、マイクロストリップ等のＸＹ方向の配線、ビア、スルーホール等の電気的接続も含む。

抵抗１５は、金属等の導体からなり、基板１１のうち、面１１ａとは反対側の面１１ｂに配置されている。抵抗１５は、伝送線路１４を介して共振素子１３と接続されており、共振素子１３の共振周波数において、共振素子１３が受信した電磁波の電力を消費させる。

反射板１６は、金属等の導体からなり、基板１１の内部に設けられている。反射板１６は、共振素子１３から放射され、カバー部材１７で反射された電磁波を再反射する。反射板１６は、カバー部材１７と対向する面１６ａを有する。

ここで、共振素子１３を、伝送線路１４を介して抵抗１５に接続した場合の効果について説明する。本実施の形態では、アンテナ装置に、送信及び受信を行うアンテナ素子とは別に、電波の吸収を行う共振素子を設け、カバー部材からの反射波を吸収させることで、再反射の影響を低減させる。

アンテナ素子１２から放射される電磁波と、反射板１６で再反射される電磁波とを重ね合わせた重ね合わせ電磁波は、共振素子１３を設けなかった場合の基板１１の面１１ａでの反射率を１とし、共振素子１３を設けた場合の基板１１の面１１ａでの反射率をＲとしたとき、下記の式（６）で表される。

図４は、反射率を０．５とした場合の、アンテナ素子１２から放射される電磁波と、反射板１６で再反射される電磁波との重ね合わせ電磁波の強度を示したグラフである。図４において、縦軸は、重ね合わせ電磁波の強度、横軸は、アンテナ素子１２の面１２ａと、カバー部材１７のアンテナ装置１０と対向する面１７ａとの距離ｌ（ｍｍ）である。図４において、実線は、共振素子１３を設けた場合、破線は、共振素子１３を設けない場合の重ね合わせ電磁波の強度をそれぞれ示す。

図４に示すように、共振素子１３を設けた場合、重ね合わせ電磁波の強度は、約０．８から約１．２の間で推移する。一方、共振素子１３を設けない場合、重ね合わせ電磁波の強度は、約０．６から約１．４の間で推移する。すなわち、基板１１の面１１ａに共振素子１３を配置するほうが、基板１１の面１１ａに共振素子１３を配置しないより、電磁波の強度のバラつきを抑制することができる。

共振素子を設けることで、電磁波の強度のバラつきを抑制することができることを、シミュレーション解析により検証した。

図５Ａ及び図５Ｂは、共振素子を設けないアンテナ装置モデルの上面図及び断面図である。なお、図５Ａでは、カバー部材を省略している。

図５Ａ及び図５Ｂに示すアンテナ装置２０において、基板２１は、Ｘ方向寸法を２４ｍｍ、Ｙ方向寸法を２４ｍｍ、Ｚ方向寸法を０．１２ｍｍ、比誘電率を３に設定されている。図５Ａに示すように、アンテナ素子２２は、基板２１における＋Ｚ方向の面の中心に配置される。アンテナ素子２２としては、パッチアンテナを用い、７９ＧＨｚで放射が最大となるように設定されている。

図５Ｂに示すように、アンテナ装置２０から＋Ｚ方向に所定距離離れた位置に、カバー部材２７が配置される。カバー部材２７は、Ｘ方向寸法を１００ｍｍ、Ｙ方向寸法を１００ｍｍ、Ｚ方向寸法を３ｍｍ、比誘電率を５に設定されている。

図６Ａ及び図６Ｂは、共振素子を設けたアンテナ装置モデルの上面図及び断面図である。なお、図６Ａでは、カバー部材を省略している。

図６Ａに示すように、アンテナ装置３０は、アンテナ装置２０の構成に加えて、複数の共振素子３３をアンテナ素子３２を取り囲むようにＸ方向及びＹ方向に並べて配置している。図６Ｂに示すように、アンテナ装置３０から＋Ｚ方向に所定距離離れた位置に、カバー部材３７が配置される。カバー部材３７の構成は、カバー部材２７の構成と同じである。

図７及び図８に、解析結果を示す。図７は、共振素子を設けない場合の解析結果であり、図８は、共振素子を設けた場合の解析結果である。図７及び図８は、各方位におけるアンテナ装置２０の放射利得を示している。図７及び図８において、縦軸は利得（ｄＢｉ）、横軸は放射方位（ｄｅｇ．）である。また、図７及び図８では、基板２１からカバー部材２７までの距離を、２０ｍｍから２１ｍｍまで、０．２５ｍｍ刻みで変化させた結果を重ねて示している。

図７に示すように、共振素子を設けない場合、放射方位０度方向において、利得は、−５ｄＢｉから＋１０ｄＢｉまで、１５ｄＢの幅で変化する。

一方、共振素子を設けた場合、図８に示すように、放射方位０度方向において、利得の変化幅は、−２ｄＢｉから＋６ｄＢｉまでの８ｄＢであり、共振素子を設けない場合に比べて、利得の変化幅が小さく抑えられていることがわかる。

以上説明したように、第１の実施の形態によれば、基板１１のカバー部材１７と対向する面１１ａにおけるアンテナ素子１２とは異なる位置に、共振素子１３を設け、共振素子１３を、伝送線路１４を介して抵抗１５に接続したので、アンテナ装置１０とカバー部材１７との間で発生する電磁波の多重反射を低減し、レーダ装置の検知性能のバラつきを低減することができる。

（第２の実施の形態）
図９は、第２の実施の形態に係るアンテナ装置を模式的に示す図である。アンテナ装置４０は、基板４１、アンテナ素子４２、共振素子４３、第１〜第４伝送線路４４Ａ〜４４Ｄ、半導体ＩＣ４５、反射板４６を備える。４７はカバー部材、４８は半田ボールである。

アンテナ素子４２は、基板４１をＺ方向に貫通する第１伝送線路４４Ａ、基板４１の−Ｚ方向の面に形成された第２伝送線路４４Ｂ、及び半田ボール４８を介して、後述する半導体ＩＣ４５の第１回路４５Ａに接続されている。

共振素子４３は、基板４１をＺ方向に貫通する第３伝送線路４４Ｃ、基板４１の−Ｚ方向の面に形成された第４伝送線路４４Ｄ、及び半田ボール４８を介して、後述する半導体ＩＣ４５の第２回路４５Ｂに接続されている。

半導体ＩＣ４５は、アンテナ素子４２に電気的に接続され、アンテナ装置４０における信号処理を行う第１回路４５Ａを有する。また、半導体ＩＣ４５は、第１回路４５Ａとは電気的に独立しており、アンテナ装置４０の信号処理は行わず、アンテナ素子４２が放射する電磁波の周波数信号を減衰させる第２回路４５Ｂを有している。共振素子４３は、第２回路４５Ｂに接続される。

なお、共振素子４３を、第２回路４５Ｂに代えて、アンテナ素子４２の放射する電磁波の周波数に対する抵抗成分を持つ素子に接続してもよい。このような素子としては、例えば、アンテナ装置４０の信号処理で使用されていない高周波アンプが挙げられる。

このようにすることで、信号を減衰させる抵抗部を新規に設けることなく、既存の半導体ＩＣを利用して信号を減衰させることが可能となる。

（第３の実施の形態）
図１０は、第３の実施の形態に係るアンテナ装置を模式的に示す図である。アンテナ装置５０は、基板５１、アンテナ素子５２、第１共振素子５３、伝送線路５４、第２共振素子５５、反射板５６Ａ、ＧＮＤ５６Ｂを備える。５７はカバー部材である。

基板５１は、抵抗成分を有する樹脂で構成されている。また、図１０に示すように、第１共振素子５３は、伝送線路５４を介して、基板５１の内部に設けられた第２共振素子５５に接続されている。

第３の実施の形態では、基板５１の内部に第２共振素子５５を設けることで、基板５１の内部に電磁波を閉じ込めながら、基板５１を構成する樹脂の抵抗成分により、アンテナ素子５２が放射する電磁波の周波数信号を減衰させることができる。

特に、車両用レーダ装置として広く用いられているミリ波帯のレーダ装置では、基板を多層構造とし、アンテナ面に、誘電正接が小さい高価な基板を用い、回路用に、誘電正接が大きい安価な基板を用いることが行われる。第２共振素子５５を、誘電正接が大きい基板へ接続することで、信号をより効率的に減衰させることが可能となる。

（第４の実施の形態）
図１１は、第４の実施の形態に係るアンテナ装置を模式的に示す図である。アンテナ装置６０は、基板６１、アンテナ素子６２、共振素子６３、第１伝送線路６４、第２伝送線路６５、反射板６６Ａ、ＧＮＤ６６Ｂを備える。６７はカバー部材である。

図１１に示すように、共振素子６３は、第１伝送線路６４を介して、基板６１の内部において先端が開放もしくは短絡されている第２伝送線路６５に接続されている。こうすることで、第３の実施の形態と同様に、基板６１の内部に電磁波を閉じ込めながら、信号を減衰させることができる。

なお、本実施の形態の場合、第２伝送線路６５の先端で信号が反射されるが、第２伝送線路６５の長さが十分長いか、基板６１の材料として誘電正接が大きい材料を用いることによって、反射された信号も十分減衰させることができる。誘電正接の大きい基板材料としては、例えばガラスエポキシ、ＰＰＥが挙げられる。

（第５の実施の形態）
図１２は、第５の実施の形態に係るアンテナ装置を模式的に示す図である。アンテナ装置７０は、基板７１、アンテナ素子７２、第１共振素子７３、伝送線路７４、第２共振素子７５Ａ、電波吸収体７５Ｂ、反射板７６を備える。７７はカバー部材である。

図１２に示すように、第１共振素子７３は、伝送線路７４を介して基板７１の−Ｚ方向の面に設けられた第２共振素子７５Ａに接続されている。電波吸収体７５Ｂは、第２共振素子７５Ａから−Ｚ方向に所定距離離れた位置に設けられている。第１共振素子７３から第２共振素子７５Ａに伝送された信号は、電磁波として空間へ放出され、対向する電波吸収体７５Ｂへ到達し、吸収される。

電波吸収体７５Ｂとしては、例えば、カーボン粒子、フェライトを用いることができる。また、吸収させる電磁波の周波数の１／４の厚さを有する誘電体と、導体を張り合わせたものを用いることができる。このようにすることで、アンテナ装置を大型化させることなく、信号を減衰させることができる。

さらに、複数の第１共振素子を１つの第２共振素子に接続するようにすれば、第２共振素子の個数低減及び電波吸収体の小型化が可能となる。

以上、各実施の形態について説明した。各実施の形態において、アンテナとして、公知のループ型アンテナ、定在波型アンテナ、マイクロストリップ型アンテナを用いた場合にも、同様の効果を得ることができる。

本発明にかかるアンテナ装置は、車両用のレーダ装置に有用である。

１ アンテナ装置
２ 基板
２ａ 面
３ アンテナ素子
３ａ 面
４ 反射板
４ａ 面
５ カバー部材
５ａ 面
１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０ アンテナ装置
１１、２１、３１、４１、５１、６１、７１ 基板
１１ａ、１１ｂ 面
１２、２２、３２、４２、５２、６２、７２ アンテナ素子
１２ａ 面
１３、３３、４３、６３ 共振素子
１３ａ 面
１４、５４、７４ 伝送線路
１５ 抵抗
１６、４６、７６ 反射板
１７、２７、３７、４７、５７、６７、７７ カバー部材
４４Ａ〜４４Ｄ 第１〜第４伝送線路
４５ 半導体ＩＣ
４５Ａ 第１回路
４５Ｂ 第２回路
４８ 半田ボール
５３ 第１共振素子
５５ 第２共振素子
５６Ａ、６６Ａ 反射板
５６Ｂ、６６Ｂ ＧＮＤ
６４ 第１伝送線路
６５ 第２伝送線路
７３ 第１共振素子
７５Ａ 第２共振素子
７５Ｂ 電波吸収体

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板の一方の面に配置され、電磁波の送受信を行うアンテナ素子と、
   前記基板の前記一方の面における前記アンテナ素子とは異なる位置に配置され、電磁波の受信を行う共振素子と、
   前記共振素子に伝送線路を介して電気的に接続され、前記共振素子の共振周波数において電力を消費させる抵抗部と、を備え、
   前記抵抗部は、前記基板の他方の面側に離れて設けられた電波吸収体である、アンテナ装置。
2. 前記アンテナ素子に伝送線路を介して電気的に接続され、前記抵抗部とは電気的に独立して設けられ、前記アンテナ素子が受信した電磁波の信号処理を行う処理部をさらに備え、前記処理部及び前記抵抗部は集積回路として形成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記共振素子は、前記アンテナ素子と同一形状である、請求項１に記載のアンテナ装置。

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