JP6953235B2 - アンテナ装置および電波放射方法 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置および電波放射方法に関する。

従来、例えばマイクロストリップアンテナ等のように基板上に表面パターンとして形成されるアンテナ装置が知られている。アンテナ装置は、例えば電波を放射する放射素子と、レーダ装置等の制御装置から供給される電力を放射素子へ供給する主線路とを備える（例えば、特許文献１参照）。

このようなアンテナ装置では、例えば、放射素子の形状や素子幅を放射素子毎に変更することで、各放射素子への電力分配比を調整し、電波の指向性を低サイドローブ設計にする。

特開２０１６−８６４３２号公報

しかしながら、所望の電力分配比を実現するために、例えば、放射素子に整合素子を用いた場合、各素子に別途インピーダンス調整回路が必要になるため、構成が複雑になる。また、放射素子の素子幅を変えた場合、製造公差による影響を受けてロバスト性が低下するおそれがある。このように、従来は、所望の電力分配比を得ようとするとアンテナ形状が複雑になるおそれがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単純なアンテナ形状で所望の電力分配比を得ることができるアンテナ装置および電波放射方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るアンテナ装置は、主線路と、放射素子と、給電線路とを備える。前記放射素子は、前記主線路に沿って複数配置され、電波を放射する。前記給電線路は、前記主線路と前記放射素子とを接続する。また、前記給電線路は、前記主線路の基端から先端へ向かうほど前記放射素子との電気的な結合度が大きくなるような挿入長で前記放射素子へ挿入される。

本発明によれば、単純なアンテナ形状で所望の電力分配比を得ることができる。

図１は、実施形態に係るレーダ装置を示す図である。 図２は、実施形態に係るアンテナ装置を示す図である。 図３は、挿入長とインピーダンスとの関係を示す図（その１）である。 図４は、実施形態に係るアンテナ装置の配置例を示す図（その１）である。 図５は、挿入長と結合度との関係を示す図（その１）である。 図６は、挿入長とインピーダンスとの関係を示す図（その２）である。 図７は、実施形態に係るアンテナ装置の配置例を示す図（その２）である。 図８は、挿入長と結合度との関係を示す図（その２）である。 図９は、変形例に係るアンテナ装置を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するアンテナ装置および電波放射方法の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

まず、図１を用いて実施形態に係るアンテナ装置が搭載されるレーダ装置について説明する。図１は、実施形態に係るレーダ装置１を示す図である。レーダ装置１は、例えば、ＦＭ−ＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）方式やＦＣＭ（Fast-Chirp Modulation）方式といった電波を放射する装置である。

図１に示すように、実施形態に係るレーダ装置１は、アンテナ装置２と、制御装置３とを備える。制御装置３は、例えば周波数変調された信号をアンテナ装置２へ送信する。アンテナ装置２は、制御装置３から送信される信号を放射する送信用のアンテナ装置である。

なお、レーダ装置１は、送信用であるアンテナ装置２とは別に受信用の図示しないアンテナ装置を有する。また、図１では、１つのアンテナ装置２を示しているが、レーダ装置１に搭載されるアンテナ装置２の数は、２つ以上であってもよい。

図１に示すように、実施形態に係るアンテナ装置２は、主線路１０と、複数の放射素子２０ａ〜２０ｆと、複数の給電線路３０ａ〜３０ｆとを備え、実施形態に係る電波放射方法を実行する。なお、以下では、複数の放射素子２０ａ〜２０ｆを、放射素子２０と記載し、複数の給電線路３０ａ〜３０ｆを給電線路３０と記載する場合がある。

主線路１０は、制御装置３から供給される電力がＺ軸負方向側である基端側からＺ軸正方向側である先端側へ向かって所定の波長で流れる線路である。以下では、主線路１０内での電力の波長、いわゆる管内波長をλｇと記載する。

放射素子２０は、主線路１０から供給される電力と共振して共振状態となり、電波を外部へ放射する。放射素子２０は、給電線路３０とともに主線路１０に対して４５度傾けて配置される。給電線路３０は、放射素子２０に挿入されることで、主線路１０と放射素子２０とを接続する。具体的には、各給電線路３０は、主線路１０の管内波長であるλｇ毎に配置される。

実施形態に係る電波放射方法では、アンテナ装置２の給電線路３０が、主線路１０のＺ軸負方向側である基端からＺ軸正方向側である先端へ向かうほど放射素子２０との電気的な結合度が大きくなるような挿入長で放射素子２０へ挿入される。

結合度とは、主線路１０を流れる電力に対してどの程度の割合の電力が給電線路３０側へ流れるかを示す値である。つまり、主線路１０における入力電力が同じであった場合、結合度が大きいほど、主線路１０から給電線路３０側へ流れる電力が多くなる。

ここで、従来のアンテナ装置について説明する。従来から、放射される電波の指向性がより低サイドローブとなるように設計されることが望まれている。このため、従来のアンテナ装置では、低サイドローブを実現するために、主線路を流れる電力を１００％とした場合に、中央の放射素子（図１の場合、放射素子２０ｄ）で最も放射電力が高く、終端（基端および先端）の放射素子に向かうほど放射電力を小さくすることが好ましい。放射電力は、主線路を流れる電力の分配比を変えることで大きさを変えることができる。

また、主線路を流れる電力は、先端へ向かうほど電力量が少なくなるため、先端へ向かうほど、結合度を高くする必要がある。そして、従来のアンテナ装置では、放射素子の形状や、放射素子の素子幅、給電線路長等を変更して所望の電力分配比を得ていた。

しかしながら、例えば、放射素子に整合素子を用いた場合、各素子に別途インピーダンス調整回路が必要となり、構成が複雑になる。また、放射素子の素子幅を変えた場合、製造公差が大きくなりやすく、結果としてロバスト性が低下するおそれがある。このように、従来は、所望の電力分配比を得ようとするとアンテナ形状が複雑になるおそれがあった。

そこで、実施形態に係るアンテナ装置２では、放射素子２０への給電線路３０の挿入長を調整することで、主線路１０の先端へ向かうほどを結合度を大きくする。つまり、放射素子２０や給電線路３０の形状を変えずに、挿入長を調整すればよいため、単純なアンテナ形状で所望の電力分配比を得ることができる。ここで、図２を用いて、実施形態に係るアンテナ装置２について具体的に説明する。

図２は、実施形態に係るアンテナ装置２を示す図である。図２に示すように、アンテナ装置２は、放射素子２０に給電線路３０が挿入されることでスリット２１が形成される。かかるスリット２１の長さが挿入長Ｉに対応する。また、図２には、放射素子２０の素子長Ｌと、給電線路長Ｄとを示している。

放射素子２０の素子長Ｌは、放射素子２０を共振状態にするために、例えば主線路１０の管内波長の半分であるλｇ／２に設定される。また、給電線路長Ｄは、管内波長の４分の１である１／４λｇ×（２ｎ＋１）もしくは、１／４λｇ×（２ｎ）（ともにｎは整数）のいずれかに設定される。

具体的には、給電線路３０内において、主線路１０から供給される電力の定在波が存在する。そして、かかる定在波の分布は、０λｇにおいて電圧が最大値となり、以降１／４λｇ毎に電圧の最大値および最小値を繰り返す。

つまり、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ＋１）の場合、定在波において電圧が最小値となり、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ）の場合、定在波において電圧が最大値となる。かかる電圧は、主線路１０と給電線路３０との接続部に発生する電圧である。

このため、挿入長Ｉは、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ＋１）の場合と、１／４λｇ×（２ｎ）の場合とで、設定方法を変える。ここで、図３〜図５を用いて挿入長Ｉの設定方法について具体的に説明する。

まず、図３〜図５を用いて給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ＋１）の場合における挿入長Ｉの設定方法について説明し、つづいて、図６〜図８を用いて給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ）の場合における挿入長Ｉの設定方法について説明する。

図３は、挿入長Ｉとインピーダンスとの関係を示す図である。図３のグラフでは、横軸に挿入長Ｉを示し、縦軸にインピーダンスを示す。なお、横軸の数値は、素子長Ｌに対する挿入長Ｉの比率で表している。

すなわち、挿入長Ｉが０．２とは、素子長Ｌの２０％の長さであることを示している。また、ここでいうインピーダンスは、図２を参照した場合、主線路１０および給電線路３０の接続点から放射素子２０側を見た入力インピーダンスを指す。

図３に示すように、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ＋１）の場合、挿入長Ｉが長くなるほど、インピーダンスが大きくなる。より具体的には、挿入長Ｉの比率が０〜０．４の範囲では、インピーダンスが０〜５０Ωの間を推移し、一方で、比率が０．５になると、インピーダンスが約１４００Ω程度まで急激に増加している。

すなわち、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ＋１）の場合、挿入長Ｉが０〜０．４の範囲では、主線路１０から放射素子２０へ電力が流れやすく、一方で、挿入長Ｉが０．５の場合、主線路１０から放射素子２０へ電力が流れにくい。換言すれば、挿入長Ｉが長くなるほど結合度が低下する。

なお、図３のグラフでは図示していないが、挿入長Ｉの比率が０．５以上の場合、インピーダンスが再び低下する。すなわち、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ＋１）の場合、挿入長Ｉの比率が約０．５の場合に、インピーダンスが最も高い、すなわち、結合度が最も低い。

このようなインピーダンス特性を利用した場合の放射素子２０の配置例を図４に示した。図４は、実施形態に係るアンテナ装置２の配置例を示す図である。図４では、主線路１０に対して７つの放射素子２０ａ〜２０ｇが接続される場合を一例として示す。また、給電線路長Ｄは、１／４λｇ×（２ｎ＋１）であるとする。

図４に示すように、７つの放射素子２０ａ〜２０ｇのうち、先端の放射素子２０ｇを除く、６つの放射素子２０ａ〜２０ｆにおける挿入長Ｉは、基端側の放射素子２０ａから先端側の放射素子２０ｆへ向かって徐々に短くなるように設定される。すなわち、基端側から先端側へ向かって結合度が徐々に大きくなる。なお、先端の放射素子２０ｇは、結合度が１００％の整合素子が配置される。

また、図４に示すように、主線路１０と各給電線路３０ａ〜３０ｆとの接続部分において、整合回路４０ａ〜４０ｆが設けられている。整合回路４０ａ〜４０ｆは、各放射素子２０ａ〜２０ｆの挿入長Ｉにおけるインピーダンスとの整合をとる回路であり、かかるインピーダンスに応じた性能が設定される。

次に、図５を用いて、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ＋１）の場合における挿入長Ｉと結合度との関係を示すシミュレーション結果について説明する。図５は、挿入長Ｉと結合度との関係を示す図である。図５に示すように、挿入長Ｉが０〜０．５付近の範囲において、結合度の最大値は約０．７（７０％）であり、最小値は約０．１５（１５％）となった。すなわち、挿入長Ｉを調整することで、結合度を１５〜７０％の範囲で調整可能となった。

換言すれば、放射素子２０や給電線路３０の形状を変えることなく、結合度を調整できるため、単純なアンテナ形状で所望の電力分配比を得ることができる。また、素子長Ｌに対する挿入長Ｉの比率を５０％以下で設定することで、結合度の調整を容易に行うことができる。

次に、図６〜図８を用いて、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ）の場合における挿入長Ｉの設定方法について説明する。

図６は、挿入長Ｉとインピーダンスとの関係を示す図である。図６のグラフでは、横軸に挿入長Ｉを示し、縦軸にインピーダンスを示す。なお、横軸の挿入長Ｉやインピーダンスの定義は、上記図３と同様であるため説明を省略する。

図６に示すように、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ）の場合、挿入長Ｉが長くなるほど、インピーダンスが小さくなる。より具体的には、挿入長Ｉの比率が０〜０．５の範囲において、インピーダンスが０〜３７０Ωの間を推移する。すなわち、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ）の場合、挿入長Ｉが長くなるほど結合度が増加するため、放射素子２０側へ電力が流れやすくなる。

なお、図６のグラフでは図示していないが、挿入長Ｉの比率が０．５以上の場合、インピーダンスが再び増加する。すなわち、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ）の場合、挿入長Ｉの比率が約０．５の場合に、インピーダンスが最も低い、すなわち、結合度が最も高い。

このようなインピーダンス特性を利用した場合の放射素子２０の配置例を図７に示した。図７は、実施形態に係るアンテナ装置２の配置例を示す図である。図７では、主線路１０に対して７つの放射素子２０ａ〜２０ｇが接続される場合を一例として示す。また、給電線路長Ｄは、１／４λｇ×（２ｎ）であるとする。

図７に示すように、７つの放射素子２０ａ〜２０ｇのうち、先端の放射素子２０ｇを除く、６つの放射素子２０ａ〜２０ｆにおける挿入長Ｉは、基端側の放射素子２０ａから先端側の放射素子２０ｆへ向かって徐々に長くなるように設定される。すなわち、基端側から先端側へ向かって結合度が徐々に小さくなる。なお、先端の放射素子２０ｇは、結合度が１００％の整合素子が配置される。

また、図７に示すように、主線路１０と各給電線路３０ａ〜３０ｆと接続部分において、インピーダンスに応じた性能の整合回路４０ａ〜４０ｆが設けられる。

次に、図８を用いて、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ）の場合における挿入長Ｉと結合度との関係を示すシミュレーション結果について説明する。図８は、挿入長Ｉと結合度との関係を示す図である。図８に示すように、挿入長Ｉが０〜０．５の範囲において、結合度の最大値は約０．６５（６５％）であり、最小値は約０．２５（２５％）となった。すなわち、挿入長Ｉを調整することで、結合度を２５〜６５％の範囲で調整可能となった。

換言すれば、放射素子２０や給電線路３０の形状を変えることなく、結合度を調整できるため、単純なアンテナ形状で所望の電力分配比を得ることができる。

また、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ＋１）および１／４λｇ×（２ｎ）ともに、挿入長Ｉを、素子長Ｌの５０％以下で調整することで、挿入長Ｉのバリエーションを少なくできるため、製造工程が複雑になることを防止できる。

上述してきたように、実施形態に係るアンテナ装置２は、主線路１０と、放射素子２０と、給電線路３０とを備える。放射素子２０は、主線路１０に沿って複数配置され、電波を放射する。給電線路３０は、主線路１０と放射素子２０とを接続する。また、給電線路３０は、主線路１０の基端から先端へ向かうほど放射素子２０との電気的な結合度が大きくなるような挿入長Ｉで放射素子２０へ挿入される。これにより、単純なアンテナ形状で所望の電力分配比を得ることができる。

なお、上述した実施形態では、給電線路３０の挿入長Ｉは、放射素子２０の挿入方向への長さ（スリット２１の長さ）としたが、これに限定されるものではない。挿入長Ｉの他の例について、図９を用いて説明する。

図９は、変形例に係るアンテナ装置２を示す図である。図９では、給電線路３０の挿入方向に対して垂直方向の放射素子２０の長さを素子長Ｌとし、かかる垂直方向における給電線路３０の挿入位置を挿入長Ｉとする。

また、給電線路長Ｄは、１／４λｇ×（２ｎ＋１）または１／４λｇ×（２ｎ）のいずれかが設定される。挿入長Ｉは、給電線路長Ｄが１／４λｇ×（２ｎ＋１）または１／４λｇ×（２ｎ）のいずれであるかによって、設定方法が異なる。

すなわち、給電線路長Ｄが、１／４λｇ×（２ｎ＋１）の場合、挿入長Ｉの比率が０〜０．５の範囲において、インピーダンスが徐々に高くなる。つまり、図３のグラフと同様の傾向を示し、インピーダンス値も図３と同様の値を示す。

また、給電線路長Ｄが、１／４λｇ×（２ｎ）の場合、挿入長Ｉの比率が０〜０．５の範囲において、インピーダンスが徐々に低くなる。つまり、図６のグラフと同様の傾向を示し、インピーダンス値も図６と同様の値を示す。

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 レーダ装置
２ アンテナ装置
３ 制御装置
１０ 主線路
２０，２０ａ〜２０ｇ 放射素子
３０，３０ａ〜３０ｇ 給電線路
４０ａ〜４０ｆ 整合回路
Ｄ 給電線路長
Ｉ 挿入長
Ｌ 素子長

Claims (5)

1. 主線路と、
   前記主線路に沿って複数配置され、電波を放射する放射素子と、
   前記主線路と前記放射素子とを接続する給電線路と、を備え、
   前記給電線路は、
   前記主線路の基端から先端へ向かうほど前記放射素子との電気的な結合度が大きくなるような挿入長で前記放射素子へ挿入されること
   を特徴とするアンテナ装置。
2. 前記給電線路は、
   前記挿入長が前記放射素子の挿入方向における長さに対して５０％以下であること
   を特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記給電線路は、
   前記主線路の管内波長をλｇとしたときの線路長が１／４λｇ×（２ｎ＋１）（ｎは整数）である場合、前記主線路の先端に向かうほど、前記挿入長が短いこと
   を特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記給電線路は、
   前記主線路の管内波長をλｇとしたときの線路長が１／４λｇ×（２ｎ）（ｎは整数）である場合、前記主線路の先端に向かうほど、前記挿入長が長いこと
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアンテナ装置。
5. 主線路と、
   前記主線路に沿って複数配置され、電波を放射する放射素子と、
   前記主線路と前記放射素子とを接続する給電線路と、を備えるアンテナ装置の電波放射方法であって、
   前記給電線路は、
   前記主線路の基端から先端へ向かうほど前記放射素子との電気的な結合度が大きくなるような挿入長で前記放射素子へ挿入されること
   を特徴とする電波放射方法。

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