JP6833523B2 - マイクロストリップアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロストリップアンテナに関する。
従来、自動車等の移動体に搭載されるレーダ装置等には、安価で小型なアンテナとして、例えば、マイクロストリップアンテナが用いられる。マイクロストリップアンテナは、積層された複数の誘電体層と、各誘電体層の下面に設けられた導体層と、複数の誘電体層のうち、最上層の誘電体層上に設けられたアンテナとを備える（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１４−１６５５２９号公報
しかしながら、マイクロストリップアンテナは、導体層から電磁波が放射される場合がある。かかる場合に、アンテナから放射する電磁波と、導体層から放射される電磁波とが干渉して、アンテナの指向性に悪影響が生じる。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、アンテナの指向性に悪影響が生じることを抑制することができるマイクロストリップアンテナを提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係るマイクロストリップアンテナは、積層された複数の誘電体層と、前記複数の誘電体層のうち、最上層の前記誘電体層上に設けられるアンテナと、各前記誘電体層の下面に設けられ、それぞれから放射される電磁波同士が相殺されるように互いの面方向の寸法を異ならせた導体層とを備える。
実施形態の一態様に係るマイクロストリップアンテナは、アンテナの指向性に悪影響が生じることを抑制することができる。
図１は、実施形態に係るマイクロストリップアンテナの平面視による説明図である。 図２は、実施形態に係るマイクロストリップアンテナの図１におけるＡ−Ａ´線による断面説明図である。 図３は、実施形態の対比例に係るマイクロストリップアンテナを示す断面説明図である。 図４は、実施形態の対比例に係るマイクロストリップアンテナの利得特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図５は、実施形態に係るマイクロストリップアンテナの利得特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図６は、実施形態に係るマイクロストリップアンテナの利得特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図７は、実施形態に係るマイクロストリップアンテナの利得特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。 図８は、実施形態に係るマイクロストリップアンテナの動作説明図である。 図９は、実施形態の変形例に係るマイクロストリップアンテナの断面視による説明図である。
以下、添付図面を参照して、本願の開示するマイクロストリップアンテナの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。ここでは、レーダ装置による物標検知用の電磁波を周囲へ広角に放射するマイクロストリップアンテナを例に挙げて説明する。
図１は、実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１の平面視による説明図である。図２は、実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１の図１におけるＡ−Ａ´線による断面説明図である。なお、図１には、水平面に平置きにしたマイクロストリップアンテナ１を鉛直上方から見た状態を示している。以下、鉛直上方向を上、鉛直下方向を下として説明する。
図１に示すように、マイクロストリップアンテナ１は、第１誘電体層２１と、第１誘電体層２１上に積層される第２誘電体層２２と、第２誘電体層２２上に設けられるアンテナ３とを備える。なお、マイクロストリップアンテナ１は、３層以上の誘電体層が積層され、最上層の誘電体層上にアンテナ３が設けられる構成であってもよい。
また、図１では電磁波を出力する１本の送信アンテナを例に説明するが、本実施の形態は複数本の送信アンテナについても適用できる。さらに、１本の受信アンテナや複数本の受信アンテナについても適用可能である。
第１誘電体層２１および第２誘電体層２２は、例えば、フッ素樹脂、液晶ポリマ、セラミック、テフロン（登録商標）等を材料として形成される。また、アンテナ３は、例えば、銅を材料として形成される。アンテナ３は、複数の放射素子３１と、各放射素子３１へ高周波電力を供給する給電線３２とを含む。
また、図２に示すように、マイクロストリップアンテナ１は、第１誘電体層２１の下面に設けられる第１導体層４１と、第２誘電体層２２の下面に設けられる第２導体層４２とを備える。第１導体層４１および第２導体層４２は、例えば、銅を材料として形成されるＧＮＤ（グランド）パターンである。なお、マイクロストリップアンテナ１は、３層以上の誘電体層が積層される場合、各誘電体層の下面に導体層が設けられる。
かかるマイクロストリップアンテナ１は、例えば、ＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）に接続され、ＭＭＩＣから変調および増幅されたマイクロ波信号が給電線３２へ供給されると、各放射素子３１から電磁波を放射する。
このとき、マイクロストリップアンテナ１では、電磁波を放射する際にアンテナ３の放射素子３１と第２導体層４２との間に形成される電界に起因して、第２導体層４２の表面に電流（表面電流）が流れる。また、第２誘電体層２２内部に電磁波が伝搬する。
このような表面電流や伝播する電磁波が、第２導体層４２の端部や第１導体層４１の端部に伝わり、これら第１導体層４１および第２導体層４２の端部で回折することで、第１導体層４１および第２導体層４２の端部から放射が生じる。このような第１導体層４１および第２導体層４２の端部からの放射により、アンテナの指向性に悪影響が生じる。
そこで、マイクロストリップアンテナ１は、第１導体層４１および第２導体層４２のそれぞれから放射される電磁波同士が相殺されるように第１導体層４１および第２導体層４２の面方向の寸法を異ならせた。
例えば、図２に示すように、マイクロストリップアンテナ１は、第１導体層４１の水平面と平行な面の面積を、第２導体層４２の水平面と平行な面の面積よりも広くする。そして、マイクロストリップアンテナ１では、第１導体層４１の各側端面を、第２導体層４２の各側端面よりも水平方向外側へ幅ｄの分だけ突出させる。
かかる幅ｄは、第１導体層４１から放射される電磁波および第２導体層４２から放射される電磁波の位相が互いに逆位相となり、放射される電磁波同士が互いに相殺されるように、後述のシミュレーションによって決定する。
これにより、マイクロストリップアンテナ１は、放射される電磁波を考慮せず、平面形状および面方向の寸法が同一の導体層および誘電体層が順次積層されるマイクロストリップアンテナに比べて、アンテナ３の指向性に悪影響が生じることを抑制することができる。
以下、一般的なマイクロストリップアンテナと対比しながら、実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１が奏する作用効果について説明する。図３は、実施形態の対比例に係るマイクロストリップアンテナ１００を示す断面説明図である。図４は、実施形態の対比例に係るマイクロストリップアンテナ１００の利得特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。
また、図５〜図７は、実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１の利得特性をシミュレーションした結果を示す説明図である。図８は、実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１の動作説明図である。
図３に示すように、対比例に係るマイクロストリップアンテナ１００は、放射される電磁波を考慮せずに、平面形状および面方向の寸法が同一の第１導体層１４１および第２導体層１４２が第１誘電体１２１を介して積層された構造を備える。そして、マイクロストリップアンテナ１００は、第２導体層１４２上に積層される第２誘電体層１２２上にアンテナ１０３が設けられる。
かかるマイクロストリップアンテナ１００は、第１導体層１４１から放射される電磁波Ｗ１０１および第２導体層１４２から放射される電磁波Ｗ１０２と、アンテナ１０３から放射する電磁波Ｗとが干渉し、電磁波Ｗが理想的な利得特性から変化する。
このため、マイクロストリップアンテナ１００の利得特性をシミュレーションした結果は、図４に示すようになる。図４に示す横軸は、アンテナ１０３から放射する電磁波Ｗの放射角度[ｄｅｇ]を示している。また、図４に示す縦軸は、アンテナ１０３から放射する電磁波Ｗの利得[ｄＢ]を示している。
また、図４に示すｄ＝０[ｍｍ]は、図２に示す幅ｄが０[ｍｍ]であること、つまり、第１導体層１４１および第２導体層１４２の面方向の寸法が同一であることを示している。そして、図４に示す太実線がマイクロストリップアンテナ１００の利得特性を示す波形であり、図４に示す点線が理想的な利得特性を示す波形である。
図４に示すように、マイクロストリップアンテナ１００の利得特性を示す波形は、理想的な利得特性の波形が円弧状であるのに対して、リップルが生じており、放射角度によって利得にばらつきがある。このようなマイクロストリップアンテナ１００をレーダ装置に適用した場合、アンテナ１０３から放射する電磁波Ｗの位相および振幅が電磁波Ｗの放射角度によってばらつくため、レーダ装置による物標の検知精度が低下する。
そこで、実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１は、第１導体層４１および第２導体層４２から放射される電磁波同士が相殺されるように、第１導体層４１および第２導体層４２の面方向の寸法を異ならせることで、電磁波Ｗの理想的な利得特性の変化を抑制する。
第１導体層４１の面方向の寸法を変化させると、放射素子３１から第１導体層４１の端部までの経路長が変化する。そのため、第１導体層４１の面方向の寸法を変化させることによって、第１導体層４１から放射される電磁波の位相を変化させることができる。
かかる原理を利用し、例えば、第２導体層４２の面方向の寸法を固定とし、第１導体層４１の面方向の寸法を第２導体層４２の面方向の寸法と同一の状態から徐々に拡張させて、マイクロストリップアンテナ１の利得特性を順次シミュレーションする。
図５には、図２に示す幅ｄを０[ｍｍ]からｄ１[ｍｍ]まで拡張した場合のシミュレーションの結果を示している。図６には、幅ｄをｄ１[ｍｍ]からさらにｄ２[ｍｍ]まで拡張した場合のシミュレーション結果を示している。図７には、幅ｄをｄ２[ｍｍ]からさらにｄ３[ｍｍ]まで拡張した場合のシミュレーション結果を示している。
なお、図５〜図７に示す横軸は、アンテナ３から放射する電磁波Ｗの放射角度[ｄｅｇ]を示している。また、図５〜図７に示す縦軸は、アンテナ３から放射する電磁波Ｗの利得[ｄＢ]を示している。そして、図５〜図７に示す太実線がマイクロストリップアンテナ１の利得特性を示す波形であり、図５〜図７に示す点線が理想的な利得特性を示す波形である。
図５に示すように、利得特性は、幅ｄを０[ｍｍ]からｄ１[ｍｍ]まで拡張すると、第１導体層４１から放射される電磁波の位相が、第２導体層４２から放射される電磁波の位相の逆位相に近づき、理想的な利得特性に近づく。
また、図６に示すように、利得特性は、幅ｄをｄ１[ｍｍ]からさらにｄ２[ｍｍ]まで拡張すると、第１導体層４１から放射される電磁波の位相が、第２導体層４２から放射される電磁波の位相の逆位相からズレて、理想的な利得特性から乖離する。
また、図７に示すように、利得特性は、幅ｄをｄ２[ｍｍ]からさらにｄ３[ｍｍ]まで拡張すると、第１導体層４１から放射される電磁波の位相が、第２導体層４２から放射される電磁波の位相の逆位相に再度近づき、理想的な利得特性に近づく。
このように、マイクロストリップアンテナ１の利得特性は、幅ｄを徐々に拡張すると、第１導体層４１から放射される電磁波の位相の変化により、周期的に理想的な利得特性に近づく。このため、マイクロストリップアンテナ１は、複数回のシミュレーション結果のうち、利得特性が最も理想的な利得特性に近づいたシミュレーション結果から、ｄ１[ｍｍ]を幅ｄとして採用する。
これにより、図８に示すように、マイクロストリップアンテナ１では、第１導体層４１から放射される電磁波Ｗ１１および第２導体層４２から放射される電磁波Ｗ２１が同図に点線矢印で示すように互いに打ち消し合う。したがって、マイクロストリップアンテナ１によれば、アンテナ３から放射する電磁波Ｗの理想的な利得特性の変化を抑制することができる。
なお、マイクロストリップアンテナ１は、アンテナ３から放射する電磁波の周波数が変更されると、第１導体層４１および第２導体層４２から放射される電磁波の波長が変化する。具体的には、第１導体層４１および第２導体層４２から放射される電磁波は、アンテナ３から放射する電磁波の周波数が高くなると、波長が短くなる。また、第１導体層４１および第２導体層４２から放射される電磁波は、アンテナ３から放射する電磁波の周波数が低くなると、波長が長くなる。
このため、第１導体層４１および第２導体層４２の面方向の寸法の差となる幅ｄは、アンテナ３から放射する電磁波Ｗの周波数に基づいて決定する。例えば、アンテナ３から放射する電磁波Ｗの周波数がある周波数のときの最適な幅ｄが幅ｄ１[ｍｍ]であった場合に、電磁波Ｗの周波数をある周波数より高くする場合には、電磁波Ｗの周波数に応じて最適な幅ｄを幅ｄ１[ｍｍ]より短くする。
これにより、マイクロストリップアンテナ１は、アンテナ３から放射する電磁波Ｗの周波数が変更される場合であっても、電磁波Ｗの理想的な利得特性の変化を抑制することができる。
また、マイクロストリップアンテナ１は、第１誘電体層２１や第２誘電体層２２の厚さによって、第１誘電体層２１および第２誘電体層２２から放射される電磁波の位相差も変化する。このため、第１導体層４１および第２導体層４２の面方向の寸法の差となる幅ｄは、第１誘電体層２１や第２誘電体層２２の厚さに基づいて決定する。
例えば、図２に示すマイクロストリップアンテナ１の最適な幅ｄが幅ｄ１[ｍｍ]であった場合、図２に示す第１誘電体層２１より第１誘電体層の厚さが厚いマイクロストリップアンテナでは、最適な幅ｄを幅ｄ１[ｍｍ]より短くする。
これにより、図２に示すマイクロストリップアンテナ１とは第１誘電体層の厚さが異なるマイクロストリップアンテナであっても、アンテナから放射する電磁波の理想的な利得特性の変化を抑制することができる。
なお、図１、図２、および図８に示したマイクロストリップアンテナ１の構成は一例であり、実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１の構成は、種々の変形が可能である。以下、図９を参照し、実施形態の変形例に係るマイクロストリップアンテナ１ａについて説明する。
図９は、実施形態の変形例に係るマイクロストリップアンテナ１ａの断面視による説明図である。なお、図９示すマイクロストリップアンテナ１ａの構成要素のうち、図２に示す構成要素と同一形状の構成要素については、図２に示す符号と同一の符号を付することにより、その説明を省略する。
図９に示すように、変形例に係るマイクロストリップアンテナ１ａは、第２導体層４２ａの面方向の寸法が、第１導体層４１の面方向の寸法よりも大きい点がマイクロストリップアンテナ１と異なる。
このように、マイクロストリップアンテナ１ａでは、第１誘電体層２１の下面に設けられる第１導体層４１の面方向の寸法が、第１誘電体層２１の上面に設けられる第２導体層４２ａの面方向の寸法よりも小さい。
具体的には、マイクロストリップアンテナ１ａでは、第２導体層４２ａの各側端面が第１導体層４１の各側端面よりも水平方向外側へ幅ｄｘの分だけ突出している。かかる幅ｄｘは、前述したシミュレーションと同様のシミュレーションを行うことによって決定する。
つまり、幅ｄｘは、第１導体層４１から放射される電磁波と、第２導体層４２ａから放射される電磁波とが互いに打ち消し合うような幅をシミュレーションによって決定する。これにより、マイクロストリップアンテナ１ａは、アンテナ３から放射する電磁波の理想的な利得特性の変化を抑制することができる。
なお、実施形態に係るマイクロストリップアンテナ１は、上述のように、レーダ装置の受信用アンテナにも適用することができる。マイクロストリップアンテナ１は、レーダ装置の受信用アンテナに適用される場合、本来受信すべき電磁波の一部が第１導体層４１および第２導体層４２に入射することがある。そして、第１導体層４１および第２導体層４２は、前述したように、入射した電磁波を放射する。
このような場合であっても、マイクロストリップアンテナ１は、第１導体層４１および第２導体層４２から放射される電磁波同士を相殺することにより、アンテナ３から放射する電磁波の理想的な利得特性の変化を抑制することができ、アンテナ３の指向性に悪影響が生じることを抑制することができる。
なお、上記の実施形態では、電磁波の周波数や誘電体の厚み等に応じて導体層の長さを調整することを説明したが、周波数や厚み以外のパラメータ（例えば、誘電体の誘電率等）に基づいて、導体層の長さを調整してもよい。
また、上記の実施形態では、導体層が平面視正方形状である場合を例に挙げて説明したが、導体層の平面視形状は、これに限定されるものではない。例えば、導体層の平面視形状は、長方形状であってもよく、四角形以外の多角形状であってもよい。また、導体層の平面視による端縁の形状は、波形状であってもよく、鋸歯形状であってもよい。
このように、導体層の平面視形状が任意の形状であっても、マイクロストリップアンテナは、導体層から放射される電磁波同士が相殺するように、上層の導体層および下層の導体層の面方向の寸法を調整して異ならせることによって、アンテナから放射する電磁波の理想的な利得特性の変化を抑制することができる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１，１ａ，１００ マイクロストリップアンテナ
２１，１２１ 第１誘電体層
２２，１２２ 第２誘電体層
３，１０３ アンテナ
３１ 放射素子
３２ 給電線
４１，１４１ 第１導体層
４２，４２ａ，１４２ 第２導体層
Ｗ，Ｗ１１，Ｗ２１，Ｗ１０１，Ｗ１０２ 電磁波

Claims (5)

  1. 積層された複数の誘電体層と、
    前記複数の誘電体層のうち、最上層の前記誘電体層上に設けられるアンテナと、
    各前記誘電体層の下面に設けられ、それぞれから放射される電磁波同士が相殺されるように互いの面方向の寸法を異ならせた導体層と
    を備えることを特徴とするマイクロストリップアンテナ。
  2. 前記誘電体層の下面に設けられる前記導体層は、
    当該誘電体層の上面に設けられる前記導体層よりも面方向の寸法が大きい
    ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロストリップアンテナ。
  3. 前記誘電体層の下面に設けられる前記導体層は、
    当該誘電体層の上面に設けられる前記導体層よりも面方向の寸法が小さい
    ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロストリップアンテナ。
  4. 各前記導体層は、
    前記電磁波の周波数に基づいて、互いの面方向の寸法の差が決定される
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のマイクロストリップアンテナ。
  5. 各前記導体層は、
    前記誘電体層の厚みに基づいて、互いの面方向の寸法の差が決定される
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のマイクロストリップアンテナ。
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