JP7189374B2 - 高周波装置 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本国際出願は、２０１９年１１月１８日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０１９－２０８００５号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０１９－２０８００５号の全内容を本国際出願に参照により援用する。

本開示は、誘電体基板を用いる高周波装置に関する。

誘電体基板上に形成されるパターンによって種々の機能を実現する高周波装置の一つとして、パッチアンテナがある。この種のパッチアンテナを車載レーダのアンテナとして使用する場合、例えば、バンパ内に搭載される。パッチアンテナから放射され、バンパで反射した電波は、アンテナパターンが形成された誘電体基板の表面で再反射することで放射波と干渉して、アンテナ特性を劣化させる。

下記特許文献１には、電磁バンドギャップ（すなわち、ＥＢＧ）構造を有したリフレクトアレーを用いて、バンパで反射した正面方向からの入射波の反射方向を任意に制御することで、反射の影響を抑制する技術が記載されている。ＥＢＧ構造は、ビアを介して接地プレートに接続される複数のパッチを規則的に並べた構造を有する。

特開２０１４－４５３７８号公報

しかしながら、発明者の詳細な検討の結果、特許文献１に記載の従来技術では、基板表面を伝搬する表面波に対しては機能せず、表面波の影響については抑制できないという課題が見出された。

本開示の１つの局面では、誘電体基板の表面を伝搬する表面波の影響を抑制する技術を提供する。

本開示の一態様は、高周波装置であって、誘電体基板と、地板と、機能部と、を備える。誘電体基板は、複数のパターン層を有する。地板は、誘電体基板の第１パターン層に形成され、グランド面として使用される。機能部は、誘電体基板の第１パターン層とは異なる第２パターン層に形成された無給電パターンである複数の導体パッチを有する。導体パッチは、周期的に配置され、且つ、少なくとも一つの方向に沿った辺が、誘電体基板の表面を伝搬する電波、すなわち表面波が共振する長さに設定される。

このような構成によれば、機能部に属する導体パッチ上で表面波が共振することにより、表面波の伝搬損失が増大する。その結果、表面波に基づく導体パッチからの輻射、及び誘電体基板の端部に到達した表面波の基板端からの輻射等が抑制されるため、表面波による影響を抑制できる。

第１実施形態に係る高周波装置の構成を模式的に示す平面図である。 図１のＩＩ－ＩＩ線で切断した断面を示す垂直断面図である。 変形例の高周波装置の構成を示す垂直断面図である。 第２実施形態に係る高周波装置の構成を模式的に示す平面図である。 導体パッチの辺の長さと共振時の反射位相との関係を示すグラフである。 導体パッチによる偏波の回転作用を説明する図である。 １８０°の反射位相差、且つ、１０ｄＢ以上の反射抑制効果が得られる機能部の設計例を示す一覧表である。 図７に示す設計例のそれぞれについて、機能部の順方向伝送係数の周波数特性をシミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。 実施例１及び各辺で強い共振が起こらないように設計された比較例１について、機能部における電界分布をシミュレーションによって算出した結果を示す図である。 第３実施形態に係る高周波装置の構成を模式的に示す平面図である。 実施例２、機能部を有さない比較例２、及び機能部を有するが辺がλｇ／２に設定されていない比較例３について、反射断面積をシミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。 実施例２及び比較例３について、方位に対する利得の変化を示すアンテナ特性をシミュレーションによって算出した結果を示すグラフである。 機能部を構成する導体パッチの配置パターンの変形例を示す図である。 機能部を構成する導体パッチの配置パターンの変形例を示す図である。 機能部を構成する導体パッチの配置パターンの変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。

［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
本実施形態に係る高周波装置１の構成について、図１及び図２を参照して説明する。

高周波装置１は、誘電体基板２と、地板４と、機能部５とを備える。

誘電体基板２は、誘電体で形成された厚さを有する長方形の板材である。以下では、誘電体基板２の２つの板面のうち、第１の板面を基板表面２ａ、第２の板面を基板裏面２ｂと称する。基板表面２ａ及び基板裏面２ｂはいずれもパターン層として使用される。また、長方形の誘電体基板２の一つの辺に沿った方向をＸ軸方向、その辺と直交する辺に沿った方向をＹ軸方向、基板表面２ａの法線方向をＺ軸方向と称する。但し、誘電体基板２の形状は長方形に限定されるものではなく、任意の形状とすることができる。

地板４は、基板裏面２ｂの全面を覆うように形成された銅製のパターンであり、接地面として作用する。つまり、基板裏面２ｂが第１パターン層に相当する。

機能部５は、基板表面２ａの少なくとも一部に形成され、基板表面２ａでの表面波（以下、対象表面波）の伝搬を抑制する機能を有する。ここでは、表面波はＸ軸方向に沿って図１中の左から右方向へ伝搬するものとする。機能部５は、周期的かつ二次元的に配置された複数の導体パッチ５０を備える。つまり、基板表面２ａが第２パターン層に相当する。

導体パッチ５０は、いずれも同一形状、同一サイズを有する長方形に形成された銅製の無給電パターンである。以下では、長方形の導体パッチ５０の長辺及び短辺のうち、いずれか一つの辺を第１の辺、残りの一つの辺を第２の辺という。複数の導体パッチ５０は、それぞれが絶縁されており、第１の辺がＸ軸方向に沿って、第２の辺がＹ軸方向に沿って、それぞれ一定間隔で配置される。つまり、導体パッチ５０は、第１の辺が対象表面波の伝搬方向に沿うように配置される。図１では、長方形に形成された導体パッチ５０の長辺を第１の辺としている。

導体パッチ５０は、対象表面波の管内波長をλｇとして、第１の辺がλｇ／２の長さを有する。管内波長λｇは、誘電体基板２の誘電率に応じた短縮率で短縮された対象表面波の波長である。但し、第１の辺の長さは厳密にλｇ／２である必要はなく、対象表面波が共振する長さであればよい。例えば、第１の辺の長さは、λｇ／２に対して±５％程度の範囲内で異なってもよい。また、導体パッチ２０の第１の辺は、対象表面波の伝搬方向と厳密に一致している必要はない。例えば、第１の辺は、対象表面波の伝搬方向に対して±４５°の範囲内で傾斜していてもよい。

［１－２．作用］
このように、構成された高周波装置１では、基板表面２ａをＸ軸方向に沿って伝搬する対象表面波は、機能部５が有する各導体パッチ５０のλｇ／２の長さを有するＸ軸方向に沿った第１の辺で共振する。その共振時に。対象表面波は、導体パッチ５０での抵抗損失、及び誘電体基板２での誘電損失を受ける。

［１－３．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。

（１ａ）高周波装置１では、基板表面２ａを伝搬する対象表面波は、機能部５に属する導体パッチ５０上で共振することで損失を受ける。その結果、対象表面波に基づく導体パッチ５０からの輻射、及び誘電体基板２の端部に到達した対象表面波の基板端からの輻射を抑制できる。つまり、対象表面波の伝搬を抑制する表面波抑制効果だけでなく、対象表面波に基づく導体パッチ５０からの輻射を抑制する輻射抑制効果を得ることができる。

（１ｂ）誘電体基板２上に、対象表面波の発生源、及びその他の回路が設けられている場合、発生源とその他の回路との間に機能部５を設けることで、その他の回路が対象表面波の影響を受けることを抑制できる。

［１－４．変形例］
第１実施形態の高周波装置１では、基板表面２ａ及び基板裏面２ｂにパターン層を有する誘電体基板２が用いられているが、誘電体基板の構造はこれに限定されるものではない。例えば、図３に示す高周波装置１ａのように、基板表面３ａ及び基板裏面３ｂに加えて基板内層３ｃにもパターン層を有する多層の誘電体基板３を用いてもよい。この場合、基板内層３ｃに機能部５を形成してもよい。但し、機能部５は、地板４が形成されたパターン層に誘電体層を挟んで隣接するパターン層に形成される。なお、基板表面３ａに形成されるパターン４１は、接地面として機能するパターンでもよいし、高周波回路として機能するパターンでもよい。

［２．第２実施形態］
［２－１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態の高周波装置１では、機能部５に属する導体パッチ５０の第１の辺が、Ｘ軸方向（すなわち、対象表面波の伝搬方向）に沿うように、導体パッチ５０が配置されている。第２実施形態の高周波装置１ｂでは、図４に示すように、機能部６に属する導体パッチ６０の第１の辺及び第２の辺がいずれもＸ軸方向に対して互いに逆方向に４５°傾斜するように配置される。

以下では、導体パッチ６０の第１の辺に沿った方向をα方向、第２の辺に沿った方向をβ方向と称する。α方向とβ方向は互いに直交する方向である。導体パッチ６０は、α方向に沿った第１の辺の長さＬαとβ方向に沿った第２の辺の長さＬβとが異なる。

複数の導体パッチ６０は、それぞれが絶縁されており、すべて同じ角度で傾斜し、α方向及びβ方向において一定間隔に並べて配置される。

導体パッチ６０において、第１の辺の長さＬαは、λｇ／２に設定される。第２の辺の長さＬβは、表面波に対して共振し、第２の辺で共振する信号の位相と第１の辺での共振する信号の位相との差（以下、共振時位相差）Δθが逆位相となる（すなわち、位相が１８０°異なる）ように設定される。

図５に示すように、導体パッチ６０の各辺の長さＬα，Ｌβと各辺で共振する信号の位相とには相関がある。この関係を利用して、導体パッチ６０の各辺の長さＬα，Ｌβは、共振時位相差Δθが１８０°となる長さに設定される。

［２－２．動作］
対象表面波が、偏波面がＸ軸方向に沿った水平偏波である場合について説明する。α方向及びβ方向は、対象表面波の偏波面に対して、それぞれ４５°の角度で傾斜した方向を有する。対象表面波が伝搬してくると、対象表面波によって励振される電流が、導体パッチ６０の第１の辺と第２の辺に流れ、α方向とβ方向の２つの方向で共振する。このとき、第１の辺の長さＬαと第２の辺の長さＬβとが異なるため、２つの方向における共振長が異なる。その結果、第１の辺で共振する信号の位相と第２の辺で共振する位相とに位相差が生じる、即ち、Δθ≠０°となるため、導体パッチ６０から放射される放射波の偏波方向は、対象表面波の偏波方向とは異なったものとなる。

特に、Δθ＝１８０°の場合、対象表面波によって励振された導体パッチ６０から放射される放射波は、図６に示すように、対象表面波のＸ軸方向に沿った水平偏波からのＹ軸方向に沿った垂直偏波に変化する。その結果、対象表面波と同じ水平偏波を有する電波と、垂直偏波を有する導体パッチ６０からの輻射波との干渉が抑制される。

ここで、図７は、導体パッチ６０の各辺の長さＬα，Ｌβ及び導体パッチ６０の配置間隔ｇを変化させて、導体パッチ６０からの輻射が１０ｄＢ以上の抑制されるパラメータの組み合わせを示す。具体的には、Ｌαをλｇ／２に対して±５％の範囲で変化させ、シミュレーションによってＬβ，ｇを算出した。図８は、図７に示したパラメータの組み合わせパターン１～５のそれぞれについて、表面波の伝搬特性をシミュレーションによって算出した結果である。パターン４として示すパラメータの組み合わせを用いた場合、７６ＧＨｚ～７７ＧＨｚにおいて、輻射抑制効果及び表面波抑制効果が、いずれについても１０ｄＢ以上得られることがわかる。

図９は、実施例１及び比較例１について、電界分布をシミュレーションによって算出した結果を示す。実施例１は、表面波抑制効果及び反射抑制効果がいずれも得られるように設計した高周波装置１ｂである。比較例１は、導体パッチ６０の第１の辺及び第２の辺が、いずれもλｇ／２から５％以上異なるように、すなわち、各辺で強い共振が起こらないように設計した高周波装置である。

図９中で、ハッチングで示した部位が強い電界強度が観測される部位である。実施例１では、各導体パッチ６０の第１の辺に沿ったα方向で共振することによりα方向の両端で強い電界が得られること、及び、共振によって、表面波の伝搬が抑制されることによって、導体パッチ６０から放射される電界の強度が弱まることがわかる。

比較例１では、導体パッチ６０での強い共振が起こらないため、表面波は強い強度のまま伝搬することによって、各導体パッチ６０から輻射される電界の強度も強くなることがわかる。

［２－３．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）（１ｂ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（２ａ）高周波装置１ｂでは、対象表面波に基づく導体パッチ６０からの輻射波が、対象表面波とは異なる偏波面を有するように変換されるため、輻射波が対象表面波と同じ水平偏波の電波と干渉することを、より一層抑制できる。

［３．第３実施形態］
［３－１．第２実施形態との相違点］
第３実施形態は、基本的な構成は第２実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１及び第２実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第２実施形態の高周波装置１ｂでは、機能部６が基板表面２ａに設けられている。第３実施形態の高周波装置１ｃでは、図１０に示すように、機能部６に加えてアンテナ部７が基板表面２ａに設けられている点で、第２実施形態と相違する。

高周波装置１ｃは、例えば、車両の周辺に存在する各種物標を検出するためのミリ波レーダにおけるアンテナ装置として使用される。

アンテナ部７は、予め設定された動作周波数の電波を放射する放射素子として作用する一つ以上のアンテナパターンを有する。

高周波装置１ｃにおいて、アンテナ部７は、基板表面２ａの中央付近に配置され。アンテナ部７の周囲には、アンテナ部７に対する給電線が配線される１方向を除く３方向に機能部６が形成される。図１０ではアンテナ部７に下方向以外、すなわち、上方向及び左右方向に機能部６が形成される。

アンテナ部７は、図中Ｘ軸方向に沿った偏波面を有し、管内波長がλｇとなる直線偏波（以下、水平偏波）を送信する。

［３－２．実験］
機能部６を有する高周波装置１ｃ（以下、実施例２）のレーダ反射断面積（以下、ＲＣＳ）を測定した結果を図１１に示す。比較例２として、機能部６を有さない単なる金属板のＲＣＳを合わせて示す。

高周波装置１ｃ（すなわち、実施例２）では、機能部６の存在により、比較例２と比べて、正面方向以外のＲＣＳを十分に小さな値に抑えられていることがわかる。なお、機能部６に類似する構造を有するが、導体パッチ６０の辺の長さＬα，Ｌβがいずれもアンテナ部７が送信する電波が共振しない長さに設定された比較例３でも、実施例２と同様の測定結果が得られる。

実施例２及び比較例３のアンテナ特性を、図１２に示す。

比較例３では、表面波に基づく導体パッチ６０からの輻射波は、偏波面の回転によってアンテナ部７の特性に影響を与えることが抑制される。しかし、表面波に基づく基板端からの輻射波は、アンテナ部７からの放射波に対する干渉波となって、アンテナ特性に影響を与え、具体的には、方位によって利得が大きく変動する。実施例２では、導体パッチ６０にて表面波が共振することで、アンテナ部７から基板端へ向けての表面波の伝搬が抑制され、基板端輻射（すなわち、干渉波）が減少することで、利得の変動が抑制される。

［３－３．効果］
以上詳述した第３実施形態によれば、前述した第１及び第２実施形態の効果（１ａ）（１ｂ）（２ａ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（３ａ）高周波装置１ｃでは、アンテナ部７と基板端部との間に配置された機能部６により、アンテナ部７を発生源とする表面波の伝搬、ひいては表面波に基づく基板端輻射が減少する。その結果、基板端輻射の干渉によるアンテナ特性の乱れが抑制されるため、アンテナ性能を向上させることができる。

なお、基板端輻射は、アンテナ特性において所望の利得が得られる角度範囲を広げる作用を有するため、必要な基板端輻射が得られるように機能部６が有する伝搬特性を設計してもよい。

［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は前述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（４ａ）上記実施形態では、機能部５，５を構成する導体パッチ５０，５０は、図１及び図４に示すように、長方形の第１の辺及び第２の辺のいずれもが一列に並ぶように配置されているが、導体パッチの配置方法はこれに限定されるものではない。長方形の導体パッチ６０は、例えば図１３に示すように、第１の辺及び第２の辺のいずれか一つのみが一列に並ぶように配置されてもよい。

（４ｂ）上記実施形態では、長方形の導体パッチ５０，５０が用いられているが、導体パッチの形状はこれに限定されるものではない。例えば、図１４に示す６角形の導体パッチ６１及び図１５に示すように８角形の導体パッチ６２等、任意の多角形の導体パッチを用いてもよい。

（４ｃ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

（４ｄ）前述した高周波装置１，１ａ～１ｃの他、当該高周波装置１，１ａ～１ｃを構成要素とするシステム、不要輻射抑制方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

Claims (6)

1. 複数のパターン層を有する誘電体基板（２，３）と、
   前記誘電体基板の第１パターン層に形成され、グランド面として使用される地板（４）と、
   前記誘電体基板の前記第１パターン層とは異なる第２パターン層に形成された、正６角形または正８角形の無給電パターンである複数の導体パッチ（６１，６２）を有する機能部（５，６）と、
   を備え、
   前記導体パッチは、周期的に配置され、且つ、指定された少なくとも一つの方向に沿った辺が、前記誘電体基板の表面を伝搬する電波が共振する長さに設定され、
   前記電波が共振する長さに設定された前記導体パッチの辺は、前記電波の管内波長の１／２の長さを有する
   高周波装置。
2. 請求項１に記載の高周波装置であって、
   前記導体パッチは、複数の辺のうち一つ以上の辺のそれぞれに沿った方向を配列方向として、前記配列方向に沿って周期的に配置された
   高周波装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の高周波装置であって、
   前記誘電体基板は、３層以上のパターン層を有し、
   前記機能部は、前記両面から誘電体層に挟まれた内側のパターン層に形成された
   高周波装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の高周波装置であって、
   前記第２パターン層には、放射素子として作用する１つ以上のアンテナパターンを有するアンテナ部（７）が形成され、
   前記複数の導体パッチは、前記アンテナ部と前記誘電体基板の端部との間に配置された
   高周波装置。
5. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の高周波装置であって、
   前記第２パターン層には、放射素子として作用し直線偏波を放射する１つ以上のアンテナパターンを有するアンテナ部（７）が形成され、
   前記複数の導体パッチは、前記アンテナ部から放射される放射電波の偏波方向に対して、傾斜した二つの方向において、前記アンテナ部の動作周波数を有する入射波に対して逆位相の輻射波を発生させるように構成された、
   高周波装置。
6. 請求項５に記載の高周波装置であって、
   前記導体パッチは、正８角形であって、前記放射電波の偏波方向に対して、それぞれが互いに逆方向に４５°傾斜した２辺を有する
   高周波装置。

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