JPWO2019198662A1 - アンテナ装置 - Google Patents

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Abstract

様々な方向に指向性を制御できる簡易な構成のアンテナ装置の提供に資する。アンテナ装置は、基板の第１面に配置される少なくとも１つのアンテナ素子を含み、基板の第１面に対して、第１の角度を含む複数の角度を成す方向にそれぞれビームを形成するアレーアンテナと、少なくとも１つのアンテナ素子の周囲の少なくとも一部に設けられ、第１の角度を成す方向の第１のビームを、基板に沿った方向に屈折させる側壁と、を備える。

Description

本開示は、アンテナ装置に関する。
近年、無線通信装置またはレーダ装置において、広い通信エリアまたは広い検知エリアを実現するために、放射方向が異なる複数のビームを形成することによって指向性を制御するアンテナが検討されている。例えば、無線通信装置では、通信相手が存在する方向が異なる複数のシチュエーションに対応できるアンテナ装置が求められている。
例えば、特許文献１では、１個以上のアンテナ素子を有する基板を複数有し、複数の基板を立体的に組立てることによって、装置の水平方向および垂直方向へ指向性を制御できるアンテナ装置が開示されている。
国際公開第２０１４／０９７８４６号
しかしながら、特許文献１に開示されたアンテナ装置は、複数の基板を立体的に組立てるため、構造が複雑になってしまう。
本開示の非限定的な実施例は、様々な方向に指向性を制御できる簡易な構成のアンテナ装置の提供に資する。
本開示の一実施例に係るアンテナ装置は、基板の第１面に配置される少なくとも１つのアンテナ素子を含み、前記基板の第１面に対して、第１の角度を含む複数の角度を成す方向にそれぞれビームを形成するアレーアンテナと、前記少なくとも１つのアンテナ素子の周囲の少なくとも一部に設けられ、前記第１の角度を成す方向の第１のビームを、前記基板に沿った方向に屈折させる側壁と、を備える。
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、装置、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示の一実施例によれば、様々な方向に指向性を制御できる簡易な構成のアンテナ装置の提供に資する。
本開示の一実施例における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および／または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、１つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
車両が無線通信を行うシチュエーションの第１の例を示す図 車両が無線通信を行うシチュエーションの第２の例を示す図 本開示の一実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す側面図 本開示の一実施の形態に係るアンテナ装置の一例を示す平面図 側壁の形状の第１の例を示す図 側壁の形状の第２の例を示す図 側壁の形状の第３の例を示す図 アンテナ素子を励振する励振移相の一例を示す表 図６に示した励振位相に基づく、アレーアンテナの指向性パターンの一例を示す図 図６に示した励振位相に基づく、アンテナ装置の指向性パターンの一例を示す図 本開示の一実施の形態の変形例１に係るアンテナ装置の一例を示す側面図 本開示の一実施の形態の変形例２に係るアンテナ装置の一例を示す平面図 本開示の一実施の形態の変形例３に係るアンテナ装置の一例を示す平面図
以下に説明する実施の形態に係るアンテナ装置は、例えば、車両に搭載される無線通信装置に適用されるアンテナ装置に関する。以下、アンテナ装置を有する無線通信装置を搭載した車両が、無線通信を行うシチュエーションを説明する。
図１は、車両が無線通信を行うシチュエーションの第１の例を示す図である。図１には、アンテナ装置を有する無線通信装置を搭載した車両１１と、路側帯に設けられ、車両１１の無線通信装置の通信相手である路側機１２が示される。
図１の例は、車両と路側帯に設けられる路側機との間で通信を行う路車間通信のシチュエーションである。路車間通信の場合、路側機１２が車両１１よりも上に設けられるため、例えば、車両１１のアンテナ装置は、進行方向Ｘに対して、斜め上の方向Ｖ０において利得が高くなるように指向性を制御する。斜め上の方向Ｖ０は、例えば、進行方向Ｘに対して、３０度〜４５度の方向である。
また、図１のシチュエーションにおいて、車両１１が、進行方向Ｘへ走行し、路側機１２の下を通過する場合、路側機１２が車両１１の天頂方向に位置する。そのため、車両１１のアンテナ装置は、車両１１の天頂方向Ｖ１において利得が高くなるように指向性を制御する。
図２は、車両が無線通信を行うシチュエーションの第２の例を示す図である。図２には、アンテナ装置を有する無線通信装置を搭載した車両２１および車両２２が示される。
図２の例は、車両２１と車両２２との間で通信を行う車車間通信のシチュエーションである。車車間通信の場合、車両２１および車両２２のアンテナ装置は、進行方向に沿った方向において指向性を制御する。
例えば、車両２１の通信相手である車両２２は、車両２１よりも前方を走行している。そのため、車両２１のアンテナ装置は、進行方向Ｘと同じ方向Ｖ２において利得が高くなるように指向性を制御する。また、車両２２の通信相手である車両２１は、車両２２よりも後方を走行している。そのため、車両２２のアンテナ装置は、進行方向Ｘと逆方向Ｖ３において利得が高くなるように指向性を制御する。
図１および図２を参照して説明したように、車両に搭載されるアンテナ装置は、車両の進行方向に対して斜め上方向、天頂方向、水平方向への指向性を制御する。本開示の一実施例では、このように、様々な方向に指向性を制御できるアンテナ装置の提供に資する。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施形態は一例であり、本開示はこれらの実施形態により限定されるものではない。
（一実施の形態）
図３Ａは、本実施の形態に係るアンテナ装置３０の一例を示す側面図である。図３Ｂは、本実施の形態に係るアンテナ装置３０の一例を示す平面図である。
なお、図３Ａ及び図３Ｂには、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸が示される。Ｘ軸は、後述するアンテナ素子３１１の配列方向を示し、Ｙ軸は、アンテナ素子３１１が配列される面におけるＸ軸と垂直な方向を示す。また、Ｚ軸は、Ｘ軸およびＹ軸と垂直な方向を示す。図３Ａは、アンテナ装置３０のＸ−Ｚ平面の側面図であり、図３Ｂは、Ｚ軸の正の方向から見たアンテナ装置３０のＸ−Ｙ平面の図である。
また、図３Ａに示す線Ｚ０は、４つのアンテナ素子３１１の配列方向の長さの中央からＺ軸の正の方向に延びる補助線である。線Ｚ０は、アンテナ装置３０のアンテナ素子３１１が同位相で励振した場合に放射する電波が最大利得を示す方向に相当する。
図３Ａ及び図３Ｂに示すアンテナ装置３０は、アレーアンテナ３１と、側壁３２とを備える。
アレーアンテナ３１は、基板の絶縁層３１５の第１面（Ｚ軸の正方向の面）に配置されるアンテナ素子３１１を含み、基板の平面に対して、複数の角度を成す方向にそれぞれビームを形成する。アレーアンテナ３１が形成するビームの方向には、少なくとも予め設定された第１の角度θｘ（図４参照）が含まれる。以下、第１の角度θｘを成す方向に形成されるビームは、第１のビームと称されることがある。
例えば、第１の角度θｘを成す方向に形成するビームとは、第１の角度θｘの方向に最大の利得を有する電波を放射することに相当してもよい。
アレーアンテナ３１は、例えば、４つのアンテナ素子３１１と、反射板３１２と、４つの移相器３１３と、制御部３１４と、を備える。
４つのアンテナ素子３１１は、例えば、絶縁層３１５のＺ軸の正方向の面に、Ｘ軸の方向に沿って配置される。４つのアンテナ素子３１１は、導体パターンにより形成されるパッチアンテナである。例えば、４つのアンテナ素子３１１は、誘電体で構成される銅張基板をエッチング加工することによって形成される。
なお、４つのアンテナ素子３１１は、Ｘ軸の負の方向から順に、アンテナ素子＃１〜アンテナ素子＃４と称することがある。また、４つのアンテナ素子３１１は、まとめて、アンテナ素子３１１と称することがある。
反射板３１２は、例えば、絶縁層３１５のＺ軸の負の方向の面に設けられる導体である。反射板３１２は、例えば、アンテナ素子３１１が放射する電波のうち、Ｚ軸の負の方向に放射される電波をＺ軸の正の方向に反射させる。
４つの移相器３１３の各々は、４つのアンテナ素子３１１のうち対応する一のアンテナ素子３１１と電気的に接続され、アンテナ素子３１１の励振位相を制御する。
制御部３１４は、アレーアンテナ３１の指向性を制御する。例えば、制御部３１４は、４つの移相器３１３それぞれと接続され、４つの移相器３１３の励振位相の大きさを設定する。
なお、上述したアレーアンテナ３１の構成は、一例であり、本開示はこれに限定されない。例えば、アンテナ素子３１１は、パッチアンテナに限らず、スロット形状のアンテナ、ループ形状のアンテナであってもよい。アンテナ素子３１１は、上記の例とは異なる平面アンテナであってもよい。また、アンテナ素子３１１の数は、３つ以下であってもよいし、５つ以上であってもよい。
また、図３Ａでは、４つの移相器３１３および制御部３１４は、図示の便宜上、アンテナ素子３１１よりもＺ軸の負の方向に示される。例えば、４つの移相器３１３および制御部３１４は、アンテナ素子３１１と同一の絶縁層３１５の面に配置される図示しない無線部に含まれてもよい。この場合、無線部とアンテナ素子３１１との間は、例えば、マイクロストリップラインによって接続されてもよい。
側壁３２は、アレーアンテナ３１の周囲の少なくとも一部に設けられる。例えば、図３Ａおよび図３Ｂの例では、側壁３２は、例えば、絶縁層３１５の面のうち絶縁層３１５のＺ軸の正方向の面に、アンテナ素子３１１の配列方向（Ｘ軸方向）に沿って複数設けられる。この場合、例えば、図３Ｂに示すように、側壁３２は、Ｙ軸方向に設けられなくてもよい。
側壁３２は、アレーアンテナ３１が形成する第１の角度θｘを成す方向の第１のビームを、アンテナ素子３１１が設けられる平面（Ｘ−Ｙ平面）に沿った方向に屈折させる。
例えば、側壁３２の材料は誘電体である。側壁３２に用いられる材料は、例えば、アクリル樹脂、四フッ化エチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、シンジオタクチックポリスチレン樹脂、又は、ＡＢＳ樹脂である。
側壁３２の内部は、誘電体により充填されてもよいし、誘電体とは異なる材料により充填されてもよい。あるいは、側壁３２の内部には、空洞が含まれていてもよい。
側壁３２は、側壁３２ａと側壁３２ｂとを有する。側壁３２ａと側壁３２ｂとは、線Ｚ０に沿ったＹ−Ｚ平面に対して、面対称に設けられる。
側壁３２ａは、第１側面３２１ａと第２側面３２２ａとを有する。
第１側面３２１ａは、側壁３２ａの２つの側面のうち、アンテナ素子３１１に近い側面である。第１側面３２１ａには、少なくとも第１のビームが入射する（例えば、図４参照）。第１側面３２１ａは、Ｚ軸方向においてアンテナ素子３１１が設けられる平面から離れるほど、線Ｚ０からＸ軸の正の方向に離れるテーパ形状を有する。
第２側面３２２ａは、側壁３２ａの２つの側面のうち、アンテナ素子３１１から遠い側面である。第２側面３２２ａは、例えば、Ｘ軸に対して垂直である。第２側面３２２ａは、第１の側面３２１ａに入射した第１のビームが出射する面である（例えば、図４参照）。第２側面３２２ａから出射した第１のビームは、Ｘ軸に沿った方向に放射される。
なお、側壁３２ａにおける、第１側面３２１ａと第２側面３２２ａとの間のＸ方向の厚みは、特に限定されない。
側壁３２ｂは、第１側面３２１ｂと第２側面３２２ｂを有する。
第１側面３２１ｂは、側壁３２ｂの２つの側面のうち、アンテナ素子３１１に近い側面である。第１側面３２１ｂには、少なくとも第１のビームが入射する。第１側面３２１ｂは、Ｚ軸方向においてアンテナ素子３１１が設けられる平面から離れるほど、線Ｚ０からＸ軸の負の方向に離れるテーパ形状を有する。
第２側面３２２ｂは、側壁３２ｂの２つの側面のうち、アレーアンテナ３１から遠い側面である。第２側面３２２ｂは、例えば、Ｘ軸に対して垂直である。第２側面３２２ｂは、第１の側面３２１ｂに入射した第１のビームが出射する面である。第２側面３２２ｂから出射した第１のビームは、Ｘ軸に沿った方向に放射される。
なお、側壁３２ｂにおける、第１側面３２１ｂと第２側面３２２ｂとの間のＸ方向の厚みは、特に限定されない。
次に、側壁３２ａの第１側面３２１ａと、アレーアンテナ３１のビーム方向との関係について図４を参照して説明する。
図４は、側壁３２ａの形状の第１の例を示す図である。なお、図４において、図３Ａおよび図３Ｂと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。また、図４では、図示の便宜上、図３Ａおよび図３Ｂに示した構成の一部は省略されている。
図４は、図３Ａと同様に、アンテナ装置３０のＸ−Ｚ平面の側面図である。図４の例は、アレーアンテナ３１が、屈折率ｎ１を有する空間中に電波を放射する例である。この例では、アレーアンテナ３１が放射した電波は、屈折率ｎ２を有する誘電体によって充填された側壁３２ａの第１側面３２１ａに入射する。そして、第１側面３２１ａの境界において屈折した電波が、第２側面３２２ａから出射する。
矢印Ｂは、アレーアンテナ３１が、チルト角θ１の方向に最大の利得を有する電波を放射した場合の、電波の進行する軌跡の一例を示す。なお、チルト角θ１の方向に最大の利得を有する電波は、図４に示すＸ−Ｚ平面において、Ｘ−Ｙ平面を０°とした場合に、θｘ＝（９０°−θ１）の角度を成す。なお、０°の基準となるＸ−Ｙ平面は、例えば、基板の第１面（４つのアンテナ素子３１１が設けられる絶縁層３１５の面）である。また、図４に示すＸ−Ｚ平面では、０°の基準は、Ｘ軸に相当してもよい。
なお、以下では、説明の便宜上、線Ｚ０を角度０度の基準に設定し、図４において線Ｚ０から時計回りの方向の角度を正の角度に設定する。
図４に示す線Ｔ１は、Ｘ−Ｚ平面における第１側面３２１ａに垂直な補助線である。
θ２は、Ｘ−Ｙ平面を０°とした場合の、第１側面３２１ａの傾斜角である。θ３は、矢印Ｂに示す電波の第１側面３２１ａへの入射角であり、θ４は、屈折角である。なお、以下の説明において、側面の傾斜角は、Ｘ−Ｚ平面において、Ｘ−Ｙ平面を０°の基準に、側面がＸ−Ｙ平面に対して成す角であってもよい。
アンテナ装置３０は、電波が屈折率ｎ１の空気層から屈折率ｎ２の誘電体層に入射した場合に発生する屈折を利用して、Ｘ軸の方向に沿った指向性を実現する。
例えば、スネルの法則を用いると、屈折率ｎ１、屈折率ｎ２、入射角θ３および屈折角θ４の関係は、次式（１）によって示される。
Figure 2019198662
そして、屈折した後の電波が、Ｘ軸の方向に沿って進行するという条件を満たす、屈折率ｎ１、屈折率ｎ２、チルト角θ１および第１側面３２１ａの傾斜角θ２の関係は、式（１）に基づいて導出される。例えば、屈折率ｎ１、屈折率ｎ２、チルト角θ１および第１側面３２１ａの傾斜角θ２の関係は、式（２）によって示される。
Figure 2019198662
式（２）の関係を満たす場合、第１側面３２１ａにおいて屈折した電波は、側壁３２ａの内部をＸ軸の方向に沿って進行し、第２側面３２２ａにおいて出射する。第２側面３２２ａがＸ軸の方向に対して垂直である場合、第２の側面３２２ａでは電波の方向が変化せずに透過する。
なお、屈折率ｎ１及び屈折率ｎ２は、材料のパラメータ（例えば、比誘電率）によって定まる。例えば、側壁３２ａが２〜６の範囲の比誘電率を有する誘電体を用いて充填され、屈折率ｎ１が空気の屈折率である場合、傾斜角θ２は、６５度以下であることが好ましい。
例えば、側壁３２ａが２〜５の範囲の比誘電率を有する誘電体を用いて充填される場合、第１側面３２１ａにおいて屈折せずに反射する電波を低減できるため、アレーアンテナ３１から放射された電波が、効率よく第２側面３２２ａから放射される。
上述したように、本実施の形態に係るアンテナ装置３０では、アレーアンテナ３１が、チルト角θ１の方向に最大の利得を有する電波を放射した場合、放射した電波は、側壁３２の第１の側面３２１ａにおいて屈折し、Ｘ軸の方向に向きが変り、第２の側面３２２ａから出射する。そして、第１の側面３２１ａの傾斜角θ２は、屈折した後の電波がＸ軸の方向に沿って進行するという条件を満たすように、屈折率ｎ１、屈折率ｎ２およびチルト角θ１との関係によって規定される。
なお、例えば、屈折率ｎ１、屈折率ｎ２、チルト角θ１および傾斜角θ２の関係には、式（２）に示した関係に対して微小なズレがあってもよい。例えば、式（２）における、チルト角θ１および／または傾斜角θ２に微小なズレがあった場合、アンテナ装置３０から放射される電波の最大の利得を示す方向が、Ｘ軸に沿った方向に対して微小なズレを含む。ただし、アレーアンテナ３１が放射する電波は、ビーム幅を有するため、Ｘ軸に沿った方向に対して微小なズレを含んでいても、良好な通信特性を実現できる。
別言すれば、式（２）によって規定されるチルト角θ１と傾斜角θ２の関係に基づいて、側壁３２ａが設けられた場合、例えば、アレーアンテナ３１は、チルト角θ１に対して所定の角度範囲内の方向に最大の利得を有する電波を放射してもよい。この場合、チルト角θ１に対して所定の角度範囲内の方向に最大の利得を有する電波は、第１側面３２１ａにおいて屈折し、第２側面３２２ａから、Ｘ軸に沿った方向に放射される。
また、上述では、第２側面３２２ａがＸ軸の方向に対して垂直である例を示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、第２側面３２２ａがＸ軸の方向に対して垂直な面から、微小なズレがあった場合、アンテナ装置３０から放射される電波の最大の利得を有する方向が、Ｘ軸に沿った方向に対して微小なズレを含む。ただし、アレーアンテナ３１が放射する電波は、ビーム幅を有するため、Ｘ軸に沿った方向に対して微小なズレを含んでいても、良好な通信特性を実現できる。
また、上述では、第１側面３２１ａにおいて電波を屈折させ、電波の進行方向をＸ軸に沿った方向に変化させ、第２側面３２２ａにおいて、電波の進行方向を変化させずに、電波が透過する例を示した。本開示は、これに限定されない。例えば、第２側面３２２ａから出射する電波がＸ軸の方向に沿うように、第１側面３２１ａと第２側面３２２ａとの両方において、電波を屈折させてもよい。この場合、第１側面３２１ａの傾斜角と、第２側面３２２ａの傾斜角とは、例えば、空気層の屈折率ｎ１と誘電体層ｎ２とチルト角θ１とに基づいて規定されてもよい。
なお、上述では、側壁３２ａを一例に挙げて説明したが、側壁３２ａと側壁３２ｂとが、線Ｚ０に沿ったＹ−Ｚ平面に対して、面対称に設けられる場合、第１側面３２１ｂおよび第２側面３２２ｂは、それぞれ、第１側面３２１ａおよび第２側面３２２ａと同様に、面対称の関係の基で規定されてもよい。
例えば、第１側面３２１ｂおよび第２側面３２２ｂが、面対称の関係の基で規定された場合、アレーアンテナ３１が放射した、チルト角が−θ１の方向に最大の利得を有する電波は、第１側面３２１ｂにおいて屈折し、Ｘ軸の負の方向に向きが変わり、第２の側面３２２ｂから出射する。この場合、第１側面３２１ｂの傾斜角は、θ２である。
なお、側壁３２ａ及び側壁３２ｂは、面対称に設けられる例を示したが、本開示はこれに限定されない。例えば、側壁３２ａ及び側壁３２ｂは、互いに異なる誘電体によって構成されてもよい。また、例えば、側壁３２ａの第１側面３２１ａの傾斜角と側壁３２ｂの第１側面３２１ｂの傾斜角とは、同一でなくてもよい。また、例えば、側壁３２ａが図４に示した第１側面３２１ａと第２側面３２２ａとを有し、側壁３２ｂが、上述した例のように、第１側面３２１ｂと第２側面３２２ｂの両方において電波を屈折させる構成であってもよい。
また、例えば、アンテナ装置３０は、側壁３２ａと側壁３２ｂのいずれか一方を備えていればよい。例えば、アンテナ装置３０がＸ軸の負の方向へ電波を放射しない場合、アンテナ装置３０は、側壁３２ｂを備えていなくてもよい。
次に、側壁３２ａの位置について説明する。
図５Ａは、側壁３２ａの形状の第２の例を示す図である。図５Ｂは、側壁３２ａの形状の第３の例を示す図である。なお、図５Ａおよび図５Ｂにおいて、図３Ａおよび図３Ｂと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。また、図５Ａおよび図５Ｂでは、図示の便宜上、図３Ａおよび図３Ｂに示した構成の一部は省略されている。
図５Ａおよび図５Ｂは、図４と同様に、アレーアンテナ３１が、屈折率ｎ１を有する空間中に電波を放射する例である。また、図５Ａおよび図５Ｂにおける側壁３２ａは、屈折率ｎ２の誘電体によって充填されている。なお、図５Ａと図５Ｂとは、互いの側壁３２ａの高さが異なる例を示している。
図５Ａおよび図５Ｂにおけるθ５は、アレーアンテナ３１の最大チルト角である。なお、最大チルト角とは、アレーアンテナ３１が指向性を制御できるチルト角の最大値である。例えば、最大チルト角は、アレーアンテナ３１に含まれるアンテナ素子３１１によって定まる。
図５Ａおよび図５Ｂにおけるθ６は、最大チルト角θ５、屈折率ｎ１、屈折率ｎ２および式（２）に基づいて決められた第１側面３２１ａの傾斜角である。
図５Ａにおける矢印Ｂ１は、アレーアンテナ３１が、最大チルト角θ５の方向に最大の利得を有する電波を放射した場合の、電波の進行する向きを示す。
図５Ａの場合、側壁３２ａは、最大チルト角θ５の方向に最大の利得を有する電波が入射できる高さを有する。この場合、矢印Ｂ１に示すように、第１側面３２１ａに入射した電波は、第１側面３２１ａにおいてＸ軸に沿った方向へ屈折し、第２の側面３２２ａから出射する。
図５Ｂにおける矢印Ｂ２は、アレーアンテナ３１が、最大チルト角θ５の方向に最大の利得を有する電波を放射した場合の、電波の進行する向きを示す。
図５Ｂの場合、側壁３２ａは、最大チルト角θ５の方向に最大の利得を有する電波が入射できる高さよりも低い高さを有する。この場合、矢印Ｂ２に示すように、電波が第１側面３２１ａに入射しないため、アンテナ装置３０は、Ｘ軸の方向へ電波を放射できない。
図５Ａおよび図５Ｂに示すように、側壁３２ａの第１側面３２１ａは、最大チルト角θ５に基づいて定まる位置に設けられることが好ましい。
例えば、アレーアンテナ３１の最大チルト角θ５が５０度であり、ビーム半値角が約２０度の場合、Ｘ−Ｚ平面において、線Ｚ０を角度０度の基準とした、０度から６０度の範囲に、側壁３２ａの第１側面３２１ａが設けられることが好ましい。側壁３２ｂについても同様に、−６０度から０度の範囲に、側壁３２ｂの第１側面３２１ｂが設けられることが好ましい。
なお、最大チルト角θ５が５０度であり、ビーム半値角が約２０度の場合とは、最大チルト角５０度に対して±１０度の範囲、すなわち、４０度から６０度の範囲が、良好な特性を有することを指す。そのため、６０度までの範囲に、側壁３２ａの第１側面３２１ａが設けられることが好ましい。
次に、アンテナ装置３０の特性の一例について説明する。
図６は、アンテナ素子３１１を励振する励振移相の一例を示す表である。図６には、Ｃａｓｅ１からＣａｓｅ４の４つのケースに対して、アンテナ素子＃１〜アンテナ素子＃４を励振する励振移相の大きさが示される。
例えば、Ｃａｓｅ１は、アンテナ素子＃１〜アンテナ素子＃４を同位相で励振するケースである。Ｃａｓｅ２は、隣り合うアンテナ素子の間で６０度の位相差を設けて励振するケースである。Ｃａｓｅ３は、隣り合うアンテナ素子の間において１５０度の位相差を設けて励振するケースである。Ｃａｓｅ４は、隣り合うアンテナ素子の間において−１５０度の位相差を設けて励振するケースである。
図７は、図６に示した励振位相に基づく、アレーアンテナ３１の指向性パターンの一例を示す図である。図７に示すアレーアンテナ３１の指向性パターンは、アンテナ装置３０において、側壁３２を除いた状態でのＸ−Ｚ平面の指向性パターンである。
図７には、図６に示した４つのケースそれぞれに対する指向性パターンが示される。なお、図７に示す指向性パターンにおける角度は、図３Ａに示す線Ｚ０との成す角度である。
例えば、Ｃａｓｅ１の指向性パターンでは、最大利得を有する方向は、０度の方向、Ｚ軸の正の方向である。また、Ｃａｓｅ２の指向性パターンでは、最大利得を有する方向は、約−３０度の方向である。また、また、Ｃａｓｅ３の指向性パターンでは、最大利得を有する方向は、約−５０度の方向である。また、Ｃａｓｅ４の指向性パターンでは、最大利得を有する方向は、約５０度の方向である。
図８は、図６に示した励振位相に基づく、アンテナ装置３０の指向性パターンの一例を示す図である。図８に示すアンテナ装置３０の指向性パターンは、Ｘ−Ｚ平面の指向性パターンである。
なお、図８に示す指向性パターンは、側壁３２ａの第１側面３２１ａの傾斜角θ２が６０度であり、側壁３２ａに充填される誘電体（または、側壁３２ａを構成する誘電体）の屈折率が１．８２である場合の指向性パターンの例である。なお、側壁３２ｂは、側壁３２ａと、線Ｚ０に沿ったＹ−Ｚ平面に対して面対称に設けられる。
例えば、Ｃａｓｅ１の指向性パターンでは、図７の場合と同様に、最大利得を有する方向は、０度の方向、Ｚ軸の正の方向である。また、Ｃａｓｅ２の指向性パターンでは、図７の場合と同様に、最大利得を有する方向は、約−３０度の方向である。
Ｃａｓｅ３の指向性パターンでは、最大利得を有する方向は、約−９０度の方向、すなわち、Ｘ軸の負の方向である。また、Ｃａｓｅ４の指向性パターンでは、最大利得を有する方向は、約９０度の方向、すなわち、Ｘ軸の正の方向である。
図７と図８のＣａｓｅ３を比較して示すように、アレーアンテナ３１が放射する、−５０度の方向に最大利得を有する電波は、側壁３２ｂにおいてＸ軸の負の方向に屈折し、側壁３２から放射されている。
図７と図８のＣａｓｅ４を比較して示すように、アレーアンテナ３１が放射する、５０度の方向に最大利得を有する電波は、側壁３２ａにおいてＸ軸の正の方向に屈折し、側壁３２から放射されている。
図８に示すように、アンテナ装置３０は、アンテナ素子３１１の配列方向に対して、垂直方向、斜め上方向および水平方向が最大利得を示す放射パターンのビームを形成することができる。
以上説明したように、本実施の形態に係るアンテナ装置３０は、基板の絶縁層３１５の第１面（Ｚ軸の正方向の面）に配置される少なくとも１つのアンテナ素子３１１を含み、基板の第１面に対して、複数の角度を成す方向にそれぞれビームを形成するアレーアンテナ３１と、少なくとも１つのアンテナ素子３１１の周囲の少なくとも一部に設けられ、アレーアンテナ３１が形成するビームのうち、チルト角θ１（基板の平面に対してθｘ＝９０°−θ１）を成す方向の第１のビームを、基板の平面に沿った方向に屈折させる側壁３２を備える。
この構成により、側壁３２の側面における屈折を用いて水平方向へのビームを形成できるため、様々な方向に指向性の制御を、簡易な構成で実現できる。
例えば、アンテナ装置３０は、アンテナ素子３１１が配置された平面に垂直な方向、斜め方向（例えば、垂直な方向に対して３０度〜４５度の角度）および平面に水平な方向に指向性を制御できる。
例えば、アンテナ装置３０が、アンテナ装置３０のＸ−Ｙ平面が路面に沿うように、車両に搭載された場合、路車間通信のシチュエーション（図１参照）において、アンテナ装置３０は、垂直な方向、斜め方向に指向性を制御でき、車車間通信のシチュエーション（図２参照）において、水平な方向に指向性を制御できる。
また、アンテナ装置３０が有するアレーアンテナ３１は、アンテナ素子３１１の裏側に反射板３１２を備える。この構成により、アンテナ装置３０は、電磁ノイズの影響を抑制できる。
アンテナ装置３０が車両のダッシュボードに搭載された場合、ダッシュボードに対して地面に近い位置にＥＣＵ（Engine Control Unit）が搭載されているため、ＥＣＵからの電磁ノイズがアンテナ装置３０に届く可能性がある。アンテナ装置３０では、アンテナ素子３１１の裏側に反射板３１２を備えるため、電磁ノイズがアンテナ素子３１１に到達することを抑制できる。
また、例えば、アンテナ装置３０が車両のルーフ部に搭載された場合、ルーフ部の金属板が、アンテナ素子３１１の周囲に位置する。このような場合に、反射板３１２がアンテナ素子３１１と金属板との間に位置するようにアンテナ装置３０を搭載することによって、アンテナ素子３１１から裏側へ放射される電波が、反射板３１２によって反射されるため、金属板へ到達しない。そのため、アンテナ素子３１１から裏側へ放射される電波が、金属板へ到達し、アンテナ装置３０の指向性にズレが生じることを避けることができる。
なお、本実施の形態におけるアンテナ装置３０の動作周波数帯は、例えば、電波の直進性の強い周波数帯であり、例示的に、準ミリ波帯、ミリ波帯、または、テラヘルツ帯である。アンテナ装置３０が、電波の直進性の強い周波数帯において動作する場合、アレーアンテナ３１から放射される電波が側壁３２の端部において回り込むことによる放射効率の低下が少ないため、効率よく電波を放射できる。
次に、側壁３２の第２側面３２２ａ及び第２側面３２２ｂの形状の変形例を説明する。
（変形例１）
図９は、本実施の形態の変形例１に係るアンテナ装置９０の一例を示す側面図である。なお、図９において、図３Ａと同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
アンテナ装置９０は、アレーアンテナ３１と、側壁９２を備える。
側壁９２は、アレーアンテナ３１が形成する第１の角度θｘを成す方向の第１のビームを、アンテナ素子３１１が設けられる平面（Ｘ−Ｙ平面）に沿った方向に屈折させる。
側壁９２は、側壁９２ａと側壁９２ｂとを有する。側壁９２ａは、アンテナ装置３０の側壁３２における第２側面３２２ａが、第２側面９２２ａに置き換わった構成を有する。また、側壁９２ｂは、アンテナ装置３０の側壁３２ｂにおける第２側面３２２ｂが、第２側面９２２ｂに置き換わった構成を有する。
第２側面９２２ａおよび第２側面９２２ｂは、それぞれ、曲面が形成されたレンズ形状を有する。第２側面９２２ａおよび第２側面９２２ｂがレンズ形状を有することによって、アレーアンテナ３１から放射される電波を集約することができるため、効率良く第２側面９２２ａおよび第２側面９２２ｂから放射できる。
なお、上述したアンテナ装置３０およびアンテナ装置９０では、アンテナ素子３１１がＸ軸の方向に一次元に配列される例を示した。本開示はこれに限定されない。以下では、アンテナ素子が２次元に配列される例を示す。
（変形例２）
図１０は、本実施の形態の変形例２に係るアンテナ装置１００の一例を示す平面図である。図１０に示すアンテナ装置１００は、アレーアンテナ１０１と側壁１０２とを有する。
アレーアンテナ１０１は、アレーアンテナ３１におけるアンテナ素子３１１が、アンテナ素子１０１１に置き換わった構成を有する。
アレーアンテナ１０１は、基板の絶縁層３１５の平面に配置されるアンテナ素子１０１１を含み、基板の平面に対して、複数の角度を成す方向にそれぞれビームを形成する。アレーアンテナ１０１が形成するビームの方向には、少なくとも第１の角度θｘが含まれる。
例えば、図１０に示すように、４つのアンテナ素子１０１１は、Ｘ軸の方向及びＹ軸の方向の２方向に配列される。
アンテナ素子１０１１が２次元に配列されることにより、制御部３１４（図３Ａ参照）はアレーアンテナ１０１のＸ−Ｚ平面の指向性とＹ―Ｚ平面の指向性とを制御する。
側壁１０２は、平面視においてアレーアンテナ１０１の周囲を取り囲む円環の形状を有する。側壁１０２は、アレーアンテナ１０１が形成する第１の角度θｘを成す方向の第１のビームを、アンテナ素子１０１１が設けられる平面（Ｘ−Ｙ平面）に沿った方向に屈折させる形状を有する。
この構成により、側壁１０２の側面における屈折を用いて水平方向へのビームを形成できるため、様々な方向に指向性の制御を、簡易な構成で実現できる。さらに、アレーアンテナ１０１が、Ｘ−Ｚ平面の指向性とＹ―Ｚ平面の指向性とを制御できるため、Ｘ軸の方向に沿った水平方向に加えて、例えば、Ｙ軸の方向に沿った水平方向へのビームを形成できる。
（変形例３）
図１１は、本実施の形態の変形例３に係るアンテナ装置１１０の一例を示す平面図である。なお、図１１において図１０と同様の構成については同一の符番を付し説明を省略する。
図１１に示すアンテナ装置１１０は、アレーアンテナ１０１と側壁１１２とを有する。
側壁１１２は、平面視においてアレーアンテナ１０１の周囲を取り囲む矩形の形状を有する。側壁１１２は、アレーアンテナ１０１が形成する第１の角度θ１を成す方向の第１のビームを、アンテナ素子１０１１が設けられる平面（Ｘ−Ｙ平面）に沿った方向に屈折させる形状を有する。
この構成により、側壁１１２の側面における屈折を用いて水平方向へのビームを形成できるため、様々な方向に指向性の制御を、簡易な構成で実現できる。さらに、アレーアンテナ１０１が、Ｘ−Ｚ平面の指向性とＹ―Ｚ平面の指向性とを制御できるため、Ｘ軸の方向に沿った水平方向に加えて、例えば、Ｙ軸の方向に沿った水平方向へのビームを形成できる。
なお、図１０では、側壁１０２が平面視においてアレーアンテナ１０１の周囲を取り囲む円環の形状を有する例を示し、図１１では、側壁１１２が平面視においてアレーアンテナ１０１の周囲を取り囲む矩形の形状を有する例を示した。本開示はこれに限定されない。例えば、側壁は、矩形以外の多角形の形状であってもよい。また、図１０および図１１では、アレーアンテナの周囲に対称性を有する形状の側壁の例を示した。本開示はこれに限定されない。側壁の形状は、非対称であってもよい。
なお、上述したアンテナ装置では、側壁の側面における屈折を用いて水平方向へのビームを形成する例を示した。本開示は水平方向に限定されない。例えば、水平方向よりも負の方向に電波を放射してもよい。例えば、側壁の側面において屈折する方向は、アレーアンテナが放射する電波の放射方向、側壁の側面の傾斜角、および、側面を挟む２つの層（例えば、空気層と誘電体層）の屈折率に基づいて設定できるため、所望の方向へ放射するために側面の傾斜角を設定することにより、水平方向に限らず、様々な方向への放射を実現できる。
なお、上記実施の形態の説明に用いた「アレーアンテナ」という表記は、「アレーアンテナ部」、アレーアンテナ回路、アレーアンテナデバイス、アレーアンテナユニット、又は、アレーアンテナモジュールといった他の表記に置換されてもよい。
また、上記実施の形態の説明に用いた「・・・部」という表記は、「・・・回路（circuitry）」、「・・・デバイス」、「・・・ユニット」、又は、「・・・モジュール」といった他の表記に置換されてもよい。
本開示はソフトウェア、ハードウェア、又は、ハードウェアと連携したソフトウェアで実現することが可能である。
上記実施の形態の説明に用いた各機能ブロックは、部分的に又は全体的に、集積回路であるＬＳＩとして実現され、上記実施の形態で説明した各プロセスは、部分的に又は全体的に、一つのＬＳＩ又はＬＳＩの組み合わせによって制御されてもよい。ＬＳＩは個々のチップから構成されてもよいし、機能ブロックの一部または全てを含むように一つのチップから構成されてもよい。ＬＳＩはデータの入力と出力を備えてもよい。ＬＳＩは、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路、汎用プロセッサ又は専用プロセッサで実現してもよい。また、ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサを利用してもよい。本開示は、デジタル処理又はアナログ処理として実現されてもよい。
さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてありえる。
本開示は、通信機能を持つあらゆる種類の装置、デバイス、システム（通信装置と総称）において実施可能である。通信装置の、非限定的な例としては、電話機（携帯電話、スマートフォン等）、タブレット、パーソナル・コンピューター（ＰＣ）（ラップトップ、デスクトップ、ノートブック等）、カメラ（デジタル・スチル／ビデオ・カメラ等）、デジタル・プレーヤー（デジタル・オーディオ／ビデオ・プレーヤー等）、着用可能なデバイス（ウェアラブル・カメラ、スマートウオッチ、トラッキングデバイス等）、ゲーム・コンソール、デジタル・ブック・リーダー、テレヘルス・テレメディシン（遠隔ヘルスケア・メディシン処方）デバイス、通信機能付きの乗り物又は移動輸送機関（自動車、飛行機、船等）、及び上述の各種装置の組み合わせがあげられる。
通信装置は、持ち運び可能又は移動可能なものに限定されず、持ち運びできない又は固定されている、あらゆる種類の装置、デバイス、システム、例えば、スマート・ホーム・デバイス（家電機器、照明機器、スマートメーター又は計測機器、コントロール・パネル等）、自動販売機、その他ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ｏｆ Ｔｈｉｎｇｓ）ネットワーク上に存在し得るあらゆる「モノ（Things）」をも含む。
通信には、セルラーシステム、無線ＬＡＮシステム、通信衛星システム等によるデータ通信に加え、これらの組み合わせによるデータ通信も含まれる。
また、通信装置には、本開示に記載される通信機能を実行する通信デバイスに接続又は連結される、コントローラやセンサー等のデバイスも含まれる。例えば、通信装置の通信機能を実行する通信デバイスが使用する制御信号やデータ信号を生成するような、コントローラやセンサーが含まれる。
また、通信装置には、上記の非限定的な各種装置と通信を行う、あるいはこれら各種装置を制御する、インフラストラクチャ設備、例えば、基地局、アクセスポイント、その他あらゆる装置、デバイス、システムが含まれる。
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
本開示の一実施例におけるアンテナ装置は、基板の第１面に配置される少なくとも１つのアンテナ素子を含み、前記基板の第１面に対して、第１の角度を含む複数の角度を成す方向にそれぞれビームを形成するアレーアンテナと、前記少なくとも１つのアンテナ素子の周囲の少なくとも一部に設けられ、前記第１の角度を成す方向の第１のビームを、前記基板に沿った方向に屈折させる側壁と、を備える。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記アレーアンテナは、前記少なくとも１つのアンテナ素子の励振位相を制御する移相器と、前記移相器の位相を制御する制御回路と、を備える。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記アレーアンテナは、前記基板の第１面と反対の面に反射板を有する。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記少なくとも１つのアンテナ素子と前記反射板との間には、絶縁層が設けられる。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記側壁は、前記第１のビームが入射する第１の側面と、前記第１のビームが屈折して出射する第２の側面と、を有し、前記基板の第１面に対する前記第１の側面の傾斜角度および前記基板の第１面に対する前記第２の側面の傾斜角度は、前記第１の角度に基づいて設定される。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記基板の第１面に対する前記第１の側面の傾斜角度は、６５°以下である。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記第１の側面は、前記基板から距離が離れるほど、前記基板の第１面と垂直な軸から離れるテーパ形状を有する。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記第２の側面は、前記基板の第１面に対して垂直である。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記第２の側面は、レンズ形状である。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記少なくとも１つのアンテナ素子は、複数のアンテナ素子であり、前記複数のアンテナ素子は、前記基板において一次元の配列方向に配置され、前記側壁は、前記配列方向の延長線上に設けられる。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記少なくとも１つのアンテナ素子は、複数のアンテナ素子であり、前記複数のアンテナ素子は、前記基板において２次元の方向に配置され、前記側壁は、前記複数のアンテナ素子を取り囲む位置に設けられる。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記少なくとも１つのアンテナ素子の動作周波数は、準ミリ波帯、ミリ波帯、および、テラヘルツ帯の少なくとも１つに含まれる。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記側壁は、誘電体で充填されている。
本開示の一実施例のアンテナ装置において、前記側壁は、少なくとも、前記基板の第１面に対して３０°の角度を成す方向のビームが入射する高さを有する。
２０１８年４月１２日出願の特願２０１８−０７６９０７の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
本開示の一実施例は、無線通信装置に用いるのに好適である。
１１、２１、２２ 車両
１２ 路側機
３０、９０、１００、１１０ アンテナ装置
３１、１０１ アレーアンテナ
３２、３２ａ、３２ｂ、９２、９２ａ、９２ｂ、１０２、１１２ 側壁
３１１、１０１１ アンテナ素子
３１２ 反射板
３１３ 移相器
３１４ 制御部
３１５ 絶縁層
３２１ａ、３２１ｂ 第１側面
３２２ａ、３２２ｂ、９２２ａ、９２２ｂ 第２側面

Claims (14)

  1. 基板の第１面に配置される少なくとも１つのアンテナ素子を含み、前記基板の第１面に対して、第１の角度を含む複数の角度を成す方向にそれぞれビームを形成するアレーアンテナと、
    前記少なくとも１つのアンテナ素子の周囲の少なくとも一部に設けられ、前記第１の角度を成す方向の第１のビームを、前記基板に沿った方向に屈折させる側壁と、
    を備える、
    アンテナ装置。
  2. 前記アレーアンテナは、
    前記少なくとも１つのアンテナ素子の励振位相を制御する移相器と、
    前記移相器の位相を制御する制御回路と、
    を備える、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 前記アレーアンテナは、前記基板の第１面と反対の面に反射板を有する、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  4. 前記少なくとも１つのアンテナ素子と前記反射板との間には、絶縁層が設けられる、
    請求項３に記載のアンテナ装置。
  5. 前記側壁は、前記第１のビームが入射する第１の側面と、
    前記第１のビームが屈折して出射する第２の側面と、
    を有し、
    前記基板の第１面に対する前記第１の側面の傾斜角度および前記基板の第１面に対する前記第２の側面の傾斜角度は、前記第１の角度に基づいて設定される、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  6. 前記基板の第１面に対する前記第１の側面の傾斜角度は、６５°以下である、
    請求項５に記載のアンテナ装置。
  7. 前記第１の側面は、前記基板から距離が離れるほど、前記基板の第１面と垂直な軸から離れるテーパ形状を有する、
    請求項５に記載のアンテナ装置。
  8. 前記第２の側面は、前記基板の第１面に対して垂直である、
    請求項５に記載のアンテナ装置。
  9. 前記第２の側面は、レンズ形状である、
    請求項５に記載のアンテナ装置。
  10. 前記少なくとも１つのアンテナ素子は、複数のアンテナ素子であり、
    前記複数のアンテナ素子は、前記基板において一次元の配列方向に配置され、
    前記側壁は、前記配列方向の延長線上に設けられる、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  11. 前記少なくとも１つのアンテナ素子は、複数のアンテナ素子であり、
    前記複数のアンテナ素子は、前記基板において２次元の方向に配置され、
    前記側壁は、前記複数のアンテナ素子を取り囲む位置に設けられる、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  12. 前記少なくとも１つのアンテナ素子の動作周波数は、準ミリ波帯、ミリ波帯、および、テラヘルツ帯の少なくとも１つに含まれる、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  13. 前記側壁は、誘電体で充填されている、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
  14. 前記側壁は、少なくとも、前記基板の第１面に対して３０°の角度を成す方向のビームが入射する高さを有する、
    請求項１に記載のアンテナ装置。
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