JP6885359B2 - アレーアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、アレーアンテナの技術分野に関する。
この種のアンテナとして、例えば直線状に延びた給電ストリップ線路と、該線路から垂直に突出した複数の放射アンテナ素子とを有する平面アレーアンテナが提案されている(特許文献1参照)。尚、主アンテナのメインローブ方向に直交する同一平面上に所定間隔離れて配置された2個の素子アンテナにより補助アンテナを構成し、該素子アンテナからの高周波信号を受信対象周波数において同振幅且つ逆相で合成する技術が提案されている(特許文献2参照)。
特開2001−111330号公報 特開2015−010823号公報
この種のアンテナでは、ビーム幅や指向性がアンテナの性能を示す指標として用いられる。しかしながら、特許文献1及び2に記載の技術では、ビーム幅や指向性が、所望のビーム幅や指向性となるようにアンテナを設計することが難しいという技術的問題点がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、所望のビーム幅や指向性を比較的容易に実現することができるアレーアンテナを提供することを課題とする。
本発明の一態様に係るアレーアンテナは、互いに隣接し、夫々一の方向に沿って延びるとともに、夫々複数の放射素子部を有する第1分岐線路部及び第2分岐線路部と、前記第1分岐線路部及び前記第2分岐線路部を結合する結合線路部と、を有する給電線路を備え、前記第1分岐線路部が有する複数の放射素子部の全ては、前記第1分岐線路部の一方の側に配置されており、前記第2分岐線路部が有する複数の放射素子部の全ては、前記第2分岐線路部の前記一方の側とは反対側に配置されており、前記第1分岐線路部及び前記第2分岐線路部と前記結合線路部との結合部から、前記第1分岐線路部が有する複数の放射素子部のうち前記結合部に最も近い放射素子部までの距離が、前記結合部から、前記第2分岐線路部が有する複数の放射素子部のうち前記結合部に最も近い放射素子部までの距離よりも、電気的長さで(2n−1)λ/2長い(λは波長、nは自然数)というものである。
第1実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。 第1実施形態に係るアレーアンテナの特性の一例を示す特性図である。 第1実施形態の変形例に係るアレーアンテナを示す平面図である。 第2実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。 第2実施形態に係るアレーアンテナの特性の一例を示す特性図である。 第3実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。 第4実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。 第2乃至第4実施形態各々に係るアレーアンテナの特性の一例を示す特性図である。 第5実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。 第5実施形態に係るアレーアンテナの特性の一例を示す特性図である。
実施形態に係るアレーアンテナを図面に基づいて説明する。
<第1実施形態>
第1実施形態に係るアレーアンテナについて図1及び図2を参照して説明する。
(構成)
第1実施形態に係るアレーアンテナの概要について図1を参照して説明する。図1は、第1実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。尚、誘電体基板及び地板については図示を省略している。図3、4、6、7及び9についても同様。
図1においてアレーアンテナ1は、水平偏波用のアレーアンテナである。アレーアンテナ1は、互いに隣接して一の方向(ここでは、紙面の上下方向)に延びる分岐線路部12a及び12bと、分岐線路部12a及び12bを結合する結合線路部11とを備える。結合線路部11並びに分岐線路部12a及び12bは、アレーアンテナ1の給電線路を構成する。尚、本実施形態では、「互いに隣接する分岐線路部12a及び12b」は、「間に他の給電線路(又は、分岐線路部)を介在させることなく隣り合っている分岐線路部12a及び12b」を意味していることが好ましい。
分岐線路部12aは、上記一の方向と交わる方向、且つ、分岐線路部12bとは反対側に枝状に突出した複数の放射素子部13a、13b、13c、13d、13e及び13fを有する。同様に、分岐線路部12bは、上記一の方向と交わる方向、且つ、分岐線路部12aとは反対側に枝状に突出した複数の放射素子部13g、13h、13i、13j、13k及び13lを有する。本実施形態では特に、アレーアンテナ1は、分岐線路部12a及び12bと結合線路部11との結合部p1から放射素子部13fまでの距離が、結合部p1から放射素子部13lまでの距離よりも、電気的長さで(2n−1)λ/2長くなるように構成されている(nは自然数)。尚、「電気的長さ」は、電気的な位相変化量に基づく長さであり、位相が360°変化する長さを1波長相当とする。
分岐線路部12a及び12b各々では、結合部p1から反射端に向かう電力(以降、適宜“進行波”と称する)と、該反射端から結合部p1に向かう電力(以降、適宜“反射波”と称する)とにより定在波が生じる。放射素子部13a、13b、13c、13d、13e及び13f各々は、分岐線路部12aに生じた定在波の節に相当する部分に配置されている。同様に、放射素子部13g、13h、13i、13j、13k及び13l各々は、分岐線路部12bに生じた定在波の節に相当する部分に配置されている。
結合線路部11に入力された電力の一部は、分岐線路部12aを介して、放射素子部13a、13b、13c、13d、13e及び13f各々に順次結合して放射される(即ち、各放射素子部から電波が放射される)。また、結合線路部11に入力された電力の他の部分は、分岐線路部12bを介して、放射素子部13g、13h、13i、13j、13k及び13l各々に順次結合して放射される。
(アレーアンテナのビーム幅)
例えば特許文献1に記載されているようなタイプのアレーアンテナは、誘電体基板上に形成された、直線状に延びる給電線路と、該給電線路に直接接続されて枝状に突出した複数の放射素子部とにより構成される。アレーアンテナのビーム幅は、アレーアンテナの左右の放射素子部間の幅(例えば、給電線路の一方の側に突出した放射素子部の中心と、給電線路の一方の側とは反対側に突出した放射素子部の中心との間の距離)によって変化する。具体的には、上記放射素子部間の幅が広くなるほど、ビーム幅が絞られる(即ち、指向性が向上する)。他方、上記放射素子部間の幅が狭くなるほど、ビーム幅は広くなる(即ち、指向性が低下する)。
ところで、媒質(誘電体)中の電磁波の伝搬速度は、その媒質の誘電率及び透磁率によって決まる。誘電体の比透磁率はほぼ1のため、誘電体基板上に形成される放射素子部のサイズは、主に誘電体基板の誘電率に応じて決定される。このため、誘電体基板の誘電率を変更すれば放射素子部のサイズを変更することができる。つまり、誘電体基板の誘電率を変更すれば、上記放射素子部間の幅を変更して、ビーム幅を変更することができる。
しかしながら、誘電体基板は、例えば誘電率、損失等の電気的性能や、例えば強度、熱膨張率等の機械的性能等を満たす必要があるため、その材料や配合比を変更することは容易ではなく、所望のビーム幅となるように誘電体基板の誘電率を変更することは困難である。従って、所望のビーム幅となるように放射素子部のサイズを変更することも困難である。
当該アレーアンテナ1は、給電線路の一部として分岐線路部12a及び12bを備えている。このため、分岐線路部12a及び12b間の距離を変更すれば、放射素子部13a乃至13lのサイズを変更することなく(即ち、誘電体基板の誘電率を変更することなく)、上記放射素子部間の幅を変更することができる。
(アレーアンテナの特性)
次に、アレーアンテナ1の特性について図2を参照して説明する。図2は、第1実施形態に係るアレーアンテナの特性の一例を示す特性図である。図2の実線は、アレーアンテナ1の特性(ここでは、水平面指向性)を示している。図2の点線は、給電線路が分岐線路部を有していない比較例に係るアレーアンテナ(例えば特許文献1に記載されたタイプのアレーアンテナ)の特性を示している。
図2において、0度付近では、アレーアンテナ1の利得(実線参照)が、比較例に係るアレーアンテナの利得(点線参照)よりも大きくなっている。他方で、角度が比較的大きい領域では、アレーアンテナ1の利得が、比較例に係るアレーアンテナの利得よりも著しく小さくなっている。つまり、アレーアンテナ1は、比較例に係るアレーアンテナと比べて、ビーム幅が絞られている、或いは、指向性が向上していると言える。
尚、図2において、実線により示されるアレーアンテナ1の特性が左右非対称であるのは、左右の放射素子部が上下にオフセットしていることに加え、左右の励振分布に差が生じているためと考えられる。
(技術的効果)
アレーアンテナ1によれば、分岐線路部12a及び12b間の距離を変更することにより、放射素子部13a乃至13lのサイズを変更することなく、所望のビーム幅や指向性を実現することができる。
アレーアンテナは、例えば車載レーダに使用されることがある。レーダが車両に搭載される場合、例えばエンブレムやバンパー、その他樹脂カバーの裏側等に配置されることが多い。ここで、電磁波の樹脂材の透過特性はその偏波により異なる。具体的には、樹脂材の傾きが比較的小さい場合(即ち、樹脂材が大地に対して垂直に近い角度で立っている場合)、垂直偏波に比べて、水平偏波の方が水平面における広角方向の透過減衰が小さいことが知られている。他方で、水平偏波用のアレーアンテナは、電磁波を横方向へ放射しやすく、これが原因となって指向性パターンに乱れが生じるという課題がある。
しかしながら、アレーアンテナ1は、水平偏波用のアレーアンテナでありながら、分岐線路部12a及び12b間の距離を変更することによって、所望のビーム幅を実現し、横方向への電磁波の放射を抑えることによって指向性パターンの乱れを改善することができる。このため、アレーアンテナ1によれば、車載レーダ前面にある樹脂材の透過特性に優れる水平偏波を用いた車載レーダを実現することができる。
<変形例>
上述した第1実施形態に係るアレーアンテナ1の変形例について図3を参照して説明する。図3は、第1実施形態の変形例に係るアレーアンテナを示す平面図である。
図3(a)において、アレーアンテナ1´は、分岐線路部12a及び12b各々の反射端から、電気的な長さでλ/4に相当する部分14a、14bの幅が、他の部分の幅よりも広くなるように形成されている。このように構成すれば、分岐線路部12a及び12b各々の反射端から放射される電力量を抑制することができる。
更に、図3(b)に示すように、分岐線路部12a及び12b各々の長さが同じになる(或いは、反射端の位置が同じになる)ように形成されてもよい。
<第2実施形態>
アレーアンテナに係る第2実施形態について、図4及び図5を参照して説明する。第2実施形態では、アレーアンテナの形状が一部異なる以外は、上述した第1実施形態と同様である。よって、第2実施形態について、第1実施形態と重複する説明を省略するとともに、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図4及び図5を参照して説明する。
(構成)
第2実施形態に係るアレーアンテナの概要について図4を参照して説明する。図4は、第2実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。
図4において、アレーアンテナ2は、分岐線路部12a及び12b各々の結合部p1とは反対側を接続する接続線路部15を備える。結合線路部11、分岐線路部12a及び12b並びに接続線路部15は、アレーアンテナ2の給電線路を構成する。
第1実施形態に係るアレーアンテナ1では、進行波と反射波とにより生じた定在波の節に相当する部分に各放射素子部が配置されている。本実施形態に係るアレーアンテナ2では、分岐線路部12a及び12b並びに接続線路部15を、右回りに進む電力に係る波と、左回りに進む電力に係る波とにより生じた定在波の節に相当する部分に、各放射素子部が配置されている。尚、以降、分岐線路部12a及び12b並びに接続線路部15を、適宜、「環状線路部(12a、12b、15)」と表記する。
(アレーアンテナの特性)
次に、アレーアンテナ2の特性について図5を参照して説明する。図5は、第2実施形態に係るアレーアンテナの特性の一例を示す特性図である。図5の実線は、アレーアンテナ2の特性(ここでは、水平面指向性)を示している。図5の点線は、アレーアンテナ1の特性を示している。
アレーアンテナ2(実線参照)では、アレーアンテナ1(点線参照)に比べて、水平面指向性の左右非対称性が改善されている。これは、左右の給電線が環状に接続されたことによって、左右の励振分布の差が改善されたものと考えられる。
(技術的効果)
アレーアンテナ2においても、分岐線路部12a及び12b間の距離を変更することにより(言い換えれば、分岐線路部12a及び12b並びに接続線路部15により形成される長円形の扁平度を変更することにより)、放射素子部13a乃至13lのサイズを変更することなく、所望のビーム幅や指向性を実現することができる。
<第3実施形態>
アレーアンテナに係る第3実施形態について、図6を参照して説明する。第3実施形態では、アレーアンテナの形状が一部異なる以外は、上述した第2実施形態と同様である。よって、第3実施形態について、第2実施形態と重複する説明を省略するとともに、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図6を参照して説明する。
(構成)
第3実施形態に係るアレーアンテナの概要について図6を参照して説明する。図6は、第3実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。
図6において、アレーアンテナ3は、接続線路部15に接続された、λ/4短絡(ショート)スタブと同等の機能を有するスタブ16を備える。スタブ16は、ビア(スルーホール)を用いて地板との間で短絡されたスタブであっても、ビアを用いないで短絡スタブと同等に機能するスタブであってもよい。図6では、T型スタブを、λ/4短絡スタブと同等の機能を有するスタブ16の一例として描画している。このT型スタブは接続線路部15から電気的長さがλ/4の線路が延びており、その先には線路接続部が等価的に短絡となるサイズのランドが接続されている。しかしながら、スタブ16は、T型スタブに限らず、既存の各種態様を適用可能である。ただし、アレーアンテナ3の製造の観点からは、スタブ16は、ビアレスのスタブであることが望ましい。
(技術的効果)
接続線路部15等の給電線路の屈曲部では、電力の不要な放射が生じやすい。この電力の不要な放射は、屈曲部の曲率半径が小さいほど顕著になり、指向性を乱す原因になる。アレーアンテナ3によれば、スタブ16を接続線路部15に接続することにより、接続線路部15からの電力の不要な放射を抑制することができる。
<第4実施形態>
アレーアンテナに係る第4実施形態について、図7及び図8を参照して説明する。第4実施形態では、アレーアンテナの形状が一部異なる以外は、上述した第3実施形態と同様である。よって、第4実施形態について、第3実施形態と重複する説明を省略するとともに、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図7及び図8を参照して説明する。
(構成)
第4実施形態に係るアレーアンテナの概要について図7を参照して説明する。図7は、第4実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。
図7において、アレーアンテナ4は、結合線路部11に接続されたインピーダンス整合用のスタブ17を備える。尚、インピーダンスの整合方法には、既存の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は省略する。また、スタブ17の配置位置及びサイズは、アレーアンテナ4のインピーダンスに応じて変化する。
(技術的効果)
アレーアンテナ2、3及び4各々の環状線路部(12a、12b、15)によるアレーアンテナへの影響について図8を参照して説明する。図8は、第2乃至第4実施形態各々に係るアレーアンテナの特性の一例を示す特性図である。図8の上段は、スミスチャートである。図8の下段は、周波数とリターンロス(反射係数)との関係を示すグラフである。図8(a)は、第2実施形態に係るアレーアンテナ2のスミスチャート、及び、周波数とリターンロスとの関係を示すグラフである。図8(b)は、第3実施形態に係るアレーアンテナ3のスミスチャート、及び、周波数とリターンロスとの関係を示すグラフである。図8(c)は、第4実施形態に係るアレーアンテナ4のスミスチャート、及び、周波数とリターンロスとの関係を示すグラフである。
アレーアンテナ2は環状線路部(12a、12b、15)によって主にリアクタンス成分が変化して、インピーダンスにズレが生じ、図8(a)に示すように、リターンロスが小さくなる周波数が、所望の周波数(ここでは、76.5GHz(ギガヘルツ))からずれてしまう。スタブ16はアレーアンテナ3の環状線路部(12a、12b、15)のリアクタンスを変化させるものではないため、スタブ16を備えるアレーアンテナ3でも、図8(b)に示すように、リターンロスが小さくなる周波数は所望の周波数からずれたままである。
インピーダンス整合用のスタブ17を備えるアレーアンテナ4では、環状線路部(12a、12b、15)に起因するインピーダンスのズレが解消され、図8(c)に示すように、所望の周波数でのリターンロスを小さくすることができる。
尚、第1実施形態に係るアレーアンテナ1にも、インピーダンス整合用のスタブ17が設けられていてもよい。
<第5実施形態>
アレーアンテナに係る第5実施形態について、図9及び図10を参照して説明する。第5実施形態では、アレーアンテナの形状が一部異なる以外は、上述した第1実施形態と同様である。よって、第5実施形態について、第1実施形態と重複する説明を省略するとともに、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図9及び図10を参照して説明する。
(構成)
第5実施形態に係るアレーアンテナの概要について図9を参照して説明する。図9は、第5実施形態に係るアレーアンテナを示す平面図である。
図9(a)において、アレーアンテナ5の分岐線路部12aは、一の方向(ここでは、紙面の上下方向)と交わる方向、且つ、分岐線路部12b側に枝状に突出した複数の放射素子部を有する。同様に、分岐線路部12bは、上記一の方向と交わる方向、且つ、分岐線路部12a側に枝状に突出した複数の放射素子部を有する。
アレーアンテナ5において、分岐線路部12a及び12b各々の反射端は、その他の部分に比べて幅広に形成されているが、反射端の形状は、これに限定されない。また、分岐線路部12a及び12b各々の結合部p1とは反対側が、図9(b)に示すように、接続線路部15により接続されていてもよい。図9(b)に示すアレーアンテナ5´は、スタブ16を備えているが、スタブ16が備えられていなくてもよい。また、アレーアンテナ5´は、インピーダンス整合用のスタブを備えていてもよい。
(アレーアンテナの特性)
次に、アレーアンテナ5の特性について図10を参照して説明する。図10は、第5実施形態に係るアレーアンテナの特性の一例を示す特性図である。図10の実線は、アレーアンテナ5の特性(ここでは、水平面指向性)を示している。図10の点線は、給電線路が分岐線路部を有していない比較例に係るアレーアンテナ(例えば特許文献1に記載されたタイプのアレーアンテナ)の特性を示している。
図10において、0度付近では、アレーアンテナ5の利得(実線参照)は、比較例に係るアレーアンテナの利得(点線参照)よりも小さくなっている。他方で、角度が比較的大きい領域では、アレーアンテナ5の利得が、比較例に係るアレーアンテナの利得よりも大きくなっている。つまり、アレーアンテナ5は、比較例に係るアレーアンテナと比べて、ビーム幅が広いと言える。
(技術的効果)
アレーアンテナ5及び5´によれば、分岐線路部12a及び12b間の距離を変更することにより、放射素子部のサイズを変更することなく、所望のビーム幅や指向性を実現することができる。
以上に説明した実施形態及び変形例から導き出される発明の各種態様を以下に説明する。
発明の一態様に係るアレーアンテナは、互いに隣接し、夫々一の方向に沿って延びるとともに、夫々複数の放射素子部を有する第1分岐線路部及び第2分岐線路部と、前記第1分岐線路部及び前記第2分岐線路部を結合する結合線路部と、を有する給電線路を備え、前記第1分岐線路部が有する複数の放射素子部は、前記第1分岐線路部の一方の側に配置されており、前記第2分岐線路部が有する複数の放射素子部は、前記第2分岐線路部の前記一方の側とは反対側に配置されており、前記第1分岐線路部及び前記第2分岐線路部と前記結合線路部との結合部から、前記第1分岐線路部が有する複数の放射素子部のうち前記結合部に最も近い放射素子部までの距離が、前記結合部から、前記第2分岐線路部が有する複数の放射素子部のうち前記結合部に最も近い放射素子部までの距離よりも、電気的長さで(2n−1)λ/2長い(λは波長、nは自然数)というものである。上述の実施形態においては、分岐線路部12a及び12bが第1及び第2分岐線路部の一例に相当し、結合線路部11が結合線路部の一例に相当する。
アレーアンテナのビーム幅や指向性は、給電線路が延びる方向に交わる方向における放射素子部間の幅に依存する。放射素子部間の幅を変更する方法として、放射素子部のサイズを変更することが考えられる。しかしながら、放射素子部のサイズを変更するためには、アレーアンテナが配設される誘電体基板の材料や配合比等を変更して誘電率を変える必要があり現実的ではない。
当該アレーアンテナは、給電線路部の一部として、互いに隣接し、夫々一の方向に沿って延びる第1分岐線路部及び第2分岐線路部を備えている。第1分岐線路部及び第2分岐線路部間の距離は、任意に変更することが可能である。このため、当該アレーアンテナによれば、第1分岐線路部及び第2分岐線路部間の距離を変更することによって、放射素子部のサイズを変更することなく、放射素子部間の幅を任意に変更することができる。従って、当該アレーアンテナによれば、所望のビーム幅や指向性を比較的容易に実現することができる。
当該アレーアンテナの一態様は、前記第1分岐線路部及び前記第2分岐線路部各々の前記結合部とは反対側を互いに接続する接続部を備えるというものである。上述の実施形態においては、接続線路部15が接続部の一例に相当する。この態様によれば、例えばアレーアンテナに係る水平面指向性の左右対称性を改善することができる。
この態様では、前記接続部にλ/4短絡スタブと同等の機能のスタブを備えていてよい。このように構成すれば、接続部からの電力の不要な放射を抑制することができる。上述の実施形態においては、スタブ16がλ/4短絡スタブと同等の機能のスタブの一例に相当する。
当該アレーアンテナの他の態様は、前記結合線路部は、インピーダンス整合用のスタブを有するというものである。上述の実施形態においては、スタブ17がインピーダンス整合用のスタブの一例に相当する。この態様によれば、アレーアンテナに係るインピーダンスを容易に整合することができる。
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うアレーアンテナもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
1、1´、1´´、2、3、4、5、5´…アレーアンテナ、11…結合線路部、12a、12b…分岐線路部、13a、13b、13c、13d、13e、13f、13g、13h、13i、13j、13k、13l…放射素子部、15…接続線路部、16…λ/4短絡スタブと同等の機能を有するスタブ、17…インピーダンス整合用のスタブ、p1…結合部

Claims (4)

  1. 互いに隣接し、夫々一の方向に沿って延びるとともに、夫々複数の放射素子部を有する第1分岐線路部及び第2分岐線路部と、前記第1分岐線路部及び前記第2分岐線路部を結合する結合線路部と、を有する給電線路を備え、
    前記第1分岐線路部が有する複数の放射素子部の全ては、前記第1分岐線路部の一方の側に配置されており、
    前記第2分岐線路部が有する複数の放射素子部の全ては、前記第2分岐線路部の前記一方の側とは反対側に配置されており、
    前記第1分岐線路部及び前記第2分岐線路部と前記結合線路部との結合部から、前記第1分岐線路部が有する複数の放射素子部のうち前記結合部に最も近い放射素子部までの距離が、前記結合部から、前記第2分岐線路部が有する複数の放射素子部のうち前記結合部に最も近い放射素子部までの距離よりも、電気的長さで(2n−1)λ/2長い(λは波長、nは自然数)
    ことを特徴とするアレーアンテナ。
  2. 前記第1分岐線路部及び前記第2分岐線路部各々の前記結合部とは反対側を互いに接続する接続部を備えることを特徴とする請求項1に記載のアレーアンテナ。
  3. 前記接続部にλ/4短絡スタブと同等の機能を有するスタブを備えることを特徴とする請求項2に記載のアレーアンテナ。
  4. 前記結合線路部は、インピーダンス整合用のスタブを有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のアレーアンテナ。
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