WO2022270031A1 - パッチアレイアンテナ、アンテナ装置、レーダー装置 - Google Patents

パッチアレイアンテナ、アンテナ装置、レーダー装置 Download PDF

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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means

Definitions

  • the present invention relates to patch array antennas, antenna devices, and radar devices.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose series-fed patch array antennas in which a plurality of antenna elements are arranged in one direction and connected in series.
  • the conventional series-fed patch array antenna described above is based on the operating principle of creating a standing wave over the entire antenna. It is necessary to design from the viewpoint of In addition, the amount of phase shift also requires severe adjustment, and the change affects the change in the radiation amount of each antenna element, so there is a problem that it is difficult to control the desired weighting.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and its main purpose is to provide a patch array antenna, an antenna device, and a radar device in which the weighting of the radiation amount of each antenna element can be easily controlled.
  • a patch array antenna includes a dielectric substrate, a plurality of antenna elements formed on the dielectric substrate, arranged in one direction and connected in series, at least one of at least one input terminal and at least one output terminal connected to at least one antenna element of the plurality of antenna elements extends in the one direction of the antenna element Connected off centerline. According to this, it is sufficient to design in the direction from the feed point to the antenna end, and it becomes easy to control the weighting of the radiation amount of each antenna element.
  • the at least one input terminal and the at least one output terminal may be connected at different positions in a direction perpendicular to the center line. According to this, it becomes easier to control the weighting of the radiation amount of each antenna element.
  • the at least one input terminal and the at least one output terminal may be connected at positions off the center line. According to this, it becomes easier to control the weighting of the radiation amount of each antenna element.
  • the at least one input terminal may be two or more input terminals
  • the at least one output terminal may be two or more output terminals. According to this, it becomes easy to control the weighting of the radiation amount of each antenna element, and it becomes easy to suppress characteristic deterioration due to mode mixing.
  • some of the two or more input terminals are connected to a position offset from the centerline to a first lateral position, and the remaining input terminals are connected to the centerline to the first lateral position. It may be connected at a second laterally off position opposite to the one laterally. According to this, it becomes easier to suppress characteristic deterioration due to mode mixing.
  • some of the two or more output terminals are connected to a position offset from the center line to a first lateral position, and the remaining output terminals are connected to the center line to the second position. It may be connected at a second laterally off position opposite to the one laterally. According to this, it becomes easier to suppress characteristic deterioration due to mode mixing.
  • the two or more input terminals may be even-numbered input terminals, and the even-numbered input terminals may be connected at positions symmetrical about the center line. According to this, it becomes easier to suppress characteristic deterioration due to mode mixing.
  • the two or more output terminals may be even-numbered output terminals, and the even-numbered output terminals may be connected at positions symmetrical about the center line. According to this, it becomes easier to suppress characteristic deterioration due to mode mixing.
  • opposite-phase radio waves may be input to two of the two or more input terminals. According to this, it becomes easy to suppress characteristic deterioration due to mode mixing.
  • the patch array antenna may generate radio waves with a plane of polarization orthogonal to the one direction. According to this, it becomes easy to control the weighting of the radiation amount of each antenna element.
  • the patch array antenna may not include a phase shifter. This makes it possible to eliminate radiation from the phase shifter.
  • An antenna device includes a plurality of the patch array antennas, and the plurality of patch array antennas are arranged in a direction perpendicular to the arrangement direction of the antenna elements. According to this, an antenna device including the patch array antenna can be realized.
  • a radar device includes the above antenna device. According to this, it is possible to realize a radar device having the patch array antenna.
  • FIG. 1B is an enlarged view of a main part of FIG. 1A;
  • FIG. It is a figure for demonstrating a reference example. It is a figure for demonstrating the effect
  • FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics of an antenna element;
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a patch array antenna according to a second embodiment;
  • FIG. FIG. 5B is an enlarged view of a main part of FIG.
  • FIG. 5A It is a figure which shows the specific example of an antenna element and an input-output terminal.
  • FIG. 4 is a diagram showing frequency characteristics of an antenna element;
  • FIG. 5 is a diagram showing calculation results of directional characteristics;
  • FIG. 5 is a diagram showing calculation results of directional characteristics;
  • It is a figure which shows the design example of a patch array antenna.
  • FIG. 5 is a diagram showing calculation results of directional characteristics;
  • FIG. 5 is a diagram showing calculation results of directional characteristics;
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a patch array antenna according to a first modified example;
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a patch array antenna according to a second modified example; It is a figure which shows the example of an antenna device. It is a figure which shows the example of a radar apparatus.
  • FIG. 1A is a plan view showing an example of a patch array antenna 1A according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is an enlarged view of a main part of FIG. 1A.
  • the patch array antenna 1A comprises a dielectric substrate 2 and a plurality of antenna elements 3 formed on the first main surface of the dielectric substrate 2.
  • the number of antenna elements 3 is not limited to the illustrated example.
  • a ground conductor plate (not shown) is provided on the second main surface opposite to the first main surface of dielectric substrate 2 .
  • the patch array antenna 1A is a series-fed patch array antenna, and a plurality of antenna elements 3 are arranged in one direction and connected in series via a feeder line 4 .
  • the direction in which the antenna elements 3 are arranged will be referred to as the "arrangement direction L”
  • the direction orthogonal thereto and parallel to the main surface of the dielectric substrate 2 will be referred to as the "width direction W”.
  • the antenna element 3 and the feed line 4 are formed, for example, by patterning a metal foil provided on the dielectric substrate 2 by photolithography. Therefore, the antenna element 3 and the feeding line 4 are integrated.
  • the antenna element 3 and the feeder line 4 are sometimes called an "antenna pattern”.
  • the feed line 4 may extend obliquely with respect to the arrangement direction L as shown in FIGS. 1A and 1B, or may extend in the arrangement direction L and be bent in a stepped manner as shown in FIGS. 5A and 5B described later. may
  • a feeding point 5 is provided in the center of the antenna pattern arrangement direction L. Specifically, there are an even number of antenna elements 3 , and a feeding point 5 is provided on a feeding line 4 formed between two central antenna elements 3 . Not limited to this, the feeding point 5 may be provided at one end in the arrangement direction L of the antenna patterns.
  • the antenna element 3 has a shape that is symmetrical about a center line (line of symmetry) C extending in the arrangement direction L. As shown in FIG. In other words, the center line C passes through the center of the width direction W of the antenna element 3 .
  • the center line C can also be said to be a plane of symmetry orthogonal to the width direction W when viewed three-dimensionally.
  • Two feeder lines 4 are connected to the antenna element 3 (except for the antenna element 3 at the end).
  • the other feeder line 4 serves as an output terminal 42 . Note that only the input terminal 41 is connected to the antenna element 3 at the end.
  • the antenna element 3 is formed in a rectangular shape having two sides 31 and 32 extending in the arrangement direction L and two sides 33 and 34 extending in the width direction W.
  • An input terminal 41 is connected to one side 33 of the two sides 33 and 34
  • an output terminal 42 is connected to the other side 34 .
  • At least one of the input terminal 41 and the output terminal 42 (both in the illustrated example) is connected to a position off the center line C of the antenna element 3 .
  • the input terminal 41 and the output terminal 42 are connected to different positions in the width direction W of the antenna element 3 .
  • a reference example is a patch array antenna called a standing wave type in which a plurality of antenna elements are connected in series via a feeder line passing on the center line.
  • the figure shows how radio waves fed from the center of the antenna pattern propagate.
  • a radio wave fed from the center of the antenna pattern travels toward the edge, and part of it is radiated by the antenna element. Also, radio waves are reflected at the ends of the antenna pattern, travel toward the center again, and are partially radiated from the antenna element. By repeating the radiation of the reciprocating radio waves in this way, radiation is radiated from the whole as a result.
  • the reason why it is called a standing wave is that the radio wave traveling from the center to the edge and the radio wave reflected at the edge and returning to the center overlap. For that reason, when viewed from one antenna element, it is necessary to radiate both the right and left radio waves in the same way, so the feed line connected to the antenna element is formed on the center line.
  • this embodiment has been devised based on the idea that all radio waves traveling from the center to the end of the antenna pattern are radiated by the antenna element 3 and are not returned in the opposite direction. rice field.
  • the radio wave input from the input terminal 41 is transmitted to the lower stage from the antenna element 3 and the output terminal 42. It is possible to control the amount and the amount in one way.
  • 3A and 3B are diagrams showing specific examples of the antenna element 3, the input terminal 41, and the output terminal 42 and their frequency characteristics.
  • the input and output terminals are connected on the center line of the antenna element, and since the reflection coefficients are the same in the direction of propagation of radio waves and in the opposite direction, matching on the input side is required. If so, it is necessary to consider compatibility on the output side, making design difficult.
  • FIG. 4 is a diagram showing a design example of the patch array antenna 1A.
  • an antenna with a beam width of 10° and a side lobe level of -40° is designed with 10 elements, it functions as an array antenna by weighting the amount of radiation as shown in the figure.
  • the antenna element of the reference example is usually a half-wave antenna and generates radio waves with a plane of polarization parallel to the arrangement direction.
  • the problem in this case is that, in the case of power feeding from the center, a phase difference of 180° left and right is required, that is, a phase shifter composed of a meander line or the like is required at the center.
  • a phase shifter composed of a meander line or the like is required at the center.
  • high-frequency bands such as 24 GHz and 76 GHz, since radiation is easily caused by bending of a line, radiation by a phase shifter poses a problem.
  • the present embodiment it is possible to design the entire antenna by a single and one-way design without considering the influence of reflection as described above. It is easy to design to generate radio waves in the plane of polarization, which makes it possible to omit the phase shifter.
  • FIG. 5A is a plan view showing an example of a patch array antenna 1B according to the second embodiment.
  • FIG. 5B is an enlarged view of a main part of FIG. 5A. A detailed description may be omitted by assigning the same number to the configuration that overlaps with the above embodiment.
  • two input terminals 41 and two output terminals 42 are connected to the antenna elements 3 (excluding the antenna elements 3 at the ends). Only two input terminals 41 are connected to the antenna element 3 at the end.
  • the antenna element 3 is formed in a rectangular shape, and two input terminals 41 are connected to one side 33 of two sides 33 and 34 extending in the width direction W, and two input terminals 41 are connected to the other side 34 .
  • one output terminal 42 is connected.
  • At least one terminal (all terminals in the illustrated example) of the two input terminals 41 and the two output terminals 42 is connected to a position away from the center line C of the antenna element 3. .
  • the two input terminals 41 and the two output terminals 42 are connected to different positions in the width direction W of the antenna element 3 .
  • one input terminal 41 of the two input terminals 41 is connected to a position deviated from the center line C to one side (first side) in the width direction W, and the other input terminal 41 is connected to the center line. It is connected to a position deviating from C to the other width direction W (second side). That is, the two input terminals 41 are connected on both sides in the width direction W so as to sandwich the center line C therebetween.
  • the two input terminals 41 are connected at positions symmetrical about the center line C. Even when the number of input terminals 41 is four or more, it is preferable that they are connected at positions symmetrical about the center line C. FIG. Also, the shapes of the two input terminals 41 themselves are symmetrical about the center line C. As shown in FIG.
  • one output terminal 42 of the two output terminals 42 is connected to a position deviated from the center line C in one direction (first side) in the width direction W, and the other output terminal 42 is connected to the center line. It is connected at a position deviating from the line C to the other width direction W (second side). In other words, the two output terminals 42 are also connected on both sides in the width direction so as to sandwich the center line C therebetween.
  • the two output terminals 42 are also connected at positions symmetrical about the center line C. Even when the number of output terminals 42 is four or more, it is preferable that they are connected at positions symmetrical about the center line C. FIG. Also, the shapes of the two output terminals 42 themselves are symmetrical about the center line C. As shown in FIG.
  • the two input terminals 41 may be connected inside in the width direction W of the two output terminals 42 as shown in FIG. 5B, or may be connected outside in the width direction W on the contrary.
  • the two output terminals 42 may be connected outside in the width direction W or inside in the width direction W of the two input terminals 41 .
  • the two input terminals 41 and the two output terminals 42 may be alternately connected in the width direction W.
  • FIG. 6A is a diagram showing specific examples of the antenna element 3, the input terminal 41, and the output terminal 42 of the patch array antenna 1B according to the second embodiment.
  • the two input terminals 41 and the two output terminals 42 are connected to positions that are line-symmetrical about the center line C of the antenna element 3 , which are offset from the center line C of the antenna element 3 .
  • Radio waves having a phase difference of 180° are input to the two input terminals 41 .
  • FIG. 6B shows the sum of the amounts of power output from the two output terminals 42 when radio waves having a phase difference of 180° are input to the two input terminals 41 of FIG. 6A as frequency characteristics of the scattering matrix. graph. According to this, it can be seen that there is no trap in the vicinity of the center frequency and the band is widened compared to the first embodiment having one input terminal 41 and one output terminal 42 shown in FIG. 3B.
  • FIG. 7A and 7B are diagrams showing the calculation results of the directivity characteristics of the eight-stage patch array antenna 1B shown in FIG. 5A.
  • Z in the drawing represents the "normal direction Z" of the main surface of the dielectric substrate 2, which is orthogonal to the arrangement direction L and the width direction W.
  • the patch array antenna 1B has a directional characteristic in which the spread of the arrangement direction L is suppressed.
  • FIG. 8 is a diagram showing a design example of a 10-stage patch array antenna 1B.
  • 9A and 9B are diagrams showing calculation results of directivity characteristics of the 10-stage patch array antenna 1B shown in FIG. According to this, it can be seen that the patch array antenna 1B has a directivity characteristic with a beam width of 5° in the arrangement direction L.
  • the two input terminals 41 and the two output terminals 42 are connected to positions that are symmetrical about the center line C of the antenna element 3, and the opposite phase radio waves are input to the two input terminals 41.
  • the antenna element 3 can be made to function in a single even mode, so it is possible to suppress characteristic deterioration due to mixed modes and improve designability.
  • FIG. 10A is a diagram showing an example of a patch array antenna 1C according to the first modified example.
  • the antenna element 3 is not limited to a rectangular shape, and may be, for example, circular. According to this, an improvement in sensitivity to horizontal polarization can be expected.
  • FIG. 10B is a diagram showing an example of a patch array antenna 1D according to the second modified example. As shown in the figure, the number of feeding lines 4 interposed between the antenna elements 3 is not limited to two, and may be three or four.
  • the feeder line 4 interposed between the antenna elements 3 is preferably connected at a position symmetrical about the center line C, but is not limited to this, and may be connected at a position symmetrical about the center line C. It doesn't have to be.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of an antenna device 10 using the patch array antenna 1 (1A to 1D) described above.
  • the antenna device 10 includes a plurality of patch array antennas 1 arranged in a direction orthogonal to the arrangement direction L of the antenna elements 3 .
  • the antenna device 10 includes a receiving antenna 11 including six patch array antennas 1 and a transmitting antenna 12 including two patch array antennas 1.
  • the antenna device 10 of this embodiment is suitable as a MIMO radar antenna.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a radar device 6 using the antenna device 10.
  • the radar device 6 has an antenna device 10 and a control section 60 .
  • the antenna device 10 transmits radio waves from the transmitting antenna 12 , converts radio waves received by the receiving antenna 11 into electrical signals, and outputs the electrical signals to the control unit 60 .
  • the radar device 6 of the present embodiment is a MIMO (Multi-Input Multi-Output) radar, and is capable of beamforming that enhances directivity in a predetermined direction.
  • MIMO Multi-Input Multi-Output

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Abstract

【課題】各アンテナエレメントの輻射量の重み付けの制御が容易なパッチアレイアンテナを提供する。 【解決手段】パッチアレイアンテナは、誘電体基板と、誘電体基板上に形成され、一方向に配列し、直列に接続された複数のアンテナエレメントと、を備え、複数のアンテナエレメントのうちの少なくとも１つのアンテナエレメントに接続された、少なくとも１つの入力端子及び少なくとも１つの出力端子のうちの少なくとも１つの端子が、アンテナエレメントの一方向に延びる中心線から外れた位置に接続される。

Description

パッチアレイアンテナ、アンテナ装置、レーダー装置
　本発明は、パッチアレイアンテナ、アンテナ装置、レーダー装置に関する。
　特許文献１及び２には、複数のアンテナエレメントが一方向に配列し、直列に接続され
た、直列給電型パッチアレイアンテナが開示されている。
中国特許第１０６９７２２４４号明細書 欧州特許出願公開第２９５０３９０号明細書
　上記従来の直列給電型パッチアレイアンテナでは、アンテナ全体に定在波を立たせるという動作原理に基づいており、中央から出て端に向かって進む電力と終端で跳ね返って逆方向に進む電力の両方の観点から設計が必要となる。加えて、移相量もシビアな調整を要し、その変化が各アンテナエレメントの輻射量の変化にも影響するため、所望の重み付けを制御しにくいという課題がある。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、各アンテナエレメントの輻射量の重み付けの制御が容易なパッチアレイアンテナ、アンテナ装置、レーダー装置を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明の一の態様のパッチアレイアンテナは、誘電体基板と、前記誘電体基板上に形成され、一方向に配列し、直列に接続された複数のアンテナエレメントと、を備え、前記複数のアンテナエレメントのうちの少なくとも１つのアンテナエレメントに接続された、少なくとも１つの入力端子及び少なくとも１つの出力端子のうちの少なくとも１つの端子が、前記アンテナエレメントの前記一方向に延びる中心線から外れた位置に接続される。これによれば、給電点からアンテナ端に向かう方向での設計でよく、各アンテナエレメントの輻射量の重み付けの制御も容易となる。
　上記態様において、前記少なくとも１つの入力端子及び前記少なくとも１つの出力端子が、前記中心線と直交する方向の互いに異なる位置に接続されてもよい。これによれば、各アンテナエレメントの輻射量の重み付けの制御がさらに容易となる。
　上記態様において、前記少なくとも１つの入力端子及び前記少なくとも１つの出力端子が、前記中心線から外れた位置に接続されてもよい。これによれば、各アンテナエレメントの輻射量の重み付けの制御がさらに容易となる。
　上記態様において、前記少なくとも１つの入力端子は、２つ以上の入力端子であり、前記少なくとも１つの出力端子は、２つ以上の出力端子であってもよい。これによれば、各アンテナエレメントの輻射量の重み付けの制御が容易となるとともに、モード混在による特性劣化を抑制することが容易となる。
　上記態様において、前記２つ以上の入力端子のうちの一部の入力端子は、前記中心線から第１の側方に外れた位置に接続され、残りの入力端子は、前記中心線から前記第１の側方とは反対の第２の側方に外れた位置に接続されてもよい。これによれば、モード混在による特性劣化を抑制することがさらに容易となる。
　上記態様において、前記２つ以上の出力端子のうちの一部の出力端子は、前記中心線から第１の側方に外れた位置に接続され、残りの出力端子は、前記中心線から前記第１の側方とは反対の第２の側方に外れた位置に接続されてもよい。これによれば、モード混在による特性劣化を抑制することがさらに容易となる。
　上記態様において、前記２つ以上の入力端子は、偶数の入力端子であり、前記偶数の入力端子は、前記中心線について線対称となる位置に接続されてもよい。これによれば、モード混在による特性劣化を抑制することがさらに容易となる。
　上記態様において、前記２つ以上の出力端子は、偶数の出力端子であり、前記偶数の出力端子は、前記中心線について線対称となる位置に接続されてもよい。これによれば、モード混在による特性劣化を抑制することがさらに容易となる。
　上記態様において、前記２つ以上の入力端子のうちの２つの入力端子に逆相の電波が入力されてもよい。これによれば、モード混在による特性劣化を抑制することが容易となる。
　上記態様において、前記パッチアレイアンテナは、前記一方向と直交する偏波面の電波を発生してもよい。これによれば、各アンテナエレメントの輻射量の重み付けの制御が容易となる。
　上記態様において、前記パッチアレイアンテナは、移相器を備えなくてもよい。これによれば、移相器による輻射を無くすことが可能となる。
　また、本発明の他の態様のアンテナ装置は、上記パッチアレイアンテナを複数備え、前記複数のパッチアレイアンテナは、アンテナエレメントの配列方向と直交する方向に配列する。これによれば、上記パッチアレイアンテナを備えるアンテナ装置を実現できる。
　また、本発明の他の態様のレーダー装置は、上記アンテナ装置を備える。これによれば、上記パッチアレイアンテナを備えるレーダー装置を実現できる。
第１実施形態に係るパッチアレイアンテナの例を示す図である。 図１Ａの要部拡大図である。 参考例を説明するための図である。 実施形態の作用を説明するための図である。 アンテナエレメント及び入出力端子の具体例を示す図である。 アンテナエレメントの周波数特性を示す図である。 パッチアレイアンテナの設計例を示す図である。 第２実施形態に係るパッチアレイアンテナの例を示す図である。 図５Ａの要部拡大図である。 アンテナエレメント及び入出力端子の具体例を示す図である。 アンテナエレメントの周波数特性を示す図である。 指向特性の計算結果を示す図である。 指向特性の計算結果を示す図である。 パッチアレイアンテナの設計例を示す図である。 指向特性の計算結果を示す図である。 指向特性の計算結果を示す図である。 第１変形例に係るパッチアレイアンテナの例を示す図である。 第２変形例に係るパッチアレイアンテナの例を示す図である。 アンテナ装置の例を示す図である。 レーダー装置の例を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
　図１Ａは、第１実施形態に係るパッチアレイアンテナ１Ａの例を示す平面図である。図１Ｂは、図１Ａの要部拡大図である。
　パッチアレイアンテナ１Ａは、誘電体基板２と、誘電体基板２の第１主表面上に形成された複数のアンテナエレメント３とを備えている。アンテナエレメント３の数は、図示の例に限られない。誘電体基板２の第１主表面と反対の第２主表面上には、不図示の接地導体板が設けられている。
　パッチアレイアンテナ１Ａは、直列給電型パッチアレイアンテナであり、複数のアンテナエレメント３は、一方向に配列し、給電線路４を介して直列に接続されている。以下では、アンテナエレメント３が配列する方向を「配列方向Ｌ」とし、それと直交し、且つ誘電体基板２の主表面に平行な方向を「幅方向Ｗ」とする。
　アンテナエレメント３及び給電線路４は、例えば、誘電体基板２上に設けられた金属箔をフォトリソグラフィでパターンニングすることによって形成される。このため、アンテナエレメント３及び給電線路４は一体となっている。以下では、アンテナエレメント３及び給電線路４を含めて「アンテナパターン」と呼ぶことある。
　給電線路４は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように配列方向Ｌに対して斜めに延びてもよいし、後述の図５Ａ及び５Ｂに示すように配列方向Ｌに延びて途中で段状に折れ曲がってもよい。
　アンテナパターンの配列方向Ｌの中央には、給電点５が設けられている。具体的には、アンテナエレメント３は偶数あり、中央の２つのアンテナエレメント３の間に形成された給電線路４に給電点５が設けられている。これに限らず、給電点５は、アンテナパターンの配列方向Ｌの一方の端に設けられてもよい。
　図１Ｂに示すように、アンテナエレメント３は、配列方向Ｌに延びる中心線（対称線）Ｃについて線対称となる形状を有している。言い換えると、中心線Ｃは、アンテナエレメント３の幅方向Ｗの中心を通っている。中心線Ｃは、３次元的に見ると、幅方向Ｗと直交する対称面と言うこともできる。
　アンテナエレメント３（端のアンテナエレメント３を除く）には２つの給電線路４が接続されており、給電点５に近い側の一方の給電線路４が入力端子４１となり、給電点５から遠い側の他方の給電線路４が出力端子４２となる。なお、端のアンテナエレメント３には、入力端子４１のみが接続される。
　具体的には、アンテナエレメント３は、配列方向Ｌに延びる２つの辺３１，３２と幅方向Ｗに延びる２つの辺３３，３４とを有する矩形状に形成されており、幅方向Ｗに延びる２つの辺３３，３４のうちの一方の辺３３に入力端子４１が接続され、他方の辺３４に出力端子４２が接続されている。
　本実施形態では、少なくとも１つのアンテナエレメント３において、入力端子４１及び出力端子４２の少なくとも一方（図示の例では両方）が、アンテナエレメント３の中心線Ｃから外れた位置に接続されている。また、入力端子４１及び出力端子４２は、アンテナエレメント３の幅方向Ｗの互いに異なる位置に接続されている。
　以下、第１実施形態の作用について説明する。
　まず、図２Ａを用いて参考例について説明する。参考例は、複数のアンテナエレメントが中心線上を通る給電線路を介して直列に接続された、定在波型と呼ばれるパッチアレイアンテナである。同図は、アンテナパターンの中央から給電された電波が伝播する様子を表している。
　アンテナパターンの中央から給電された電波は端に向かって進行し、その一部はアンテナエレメントで輻射する。また、電波はアンテナパターンの端で反射して再び中央に向かって進行し、その一部もアンテナエレメントで輻射する。このように往復する電波が輻射を繰り返すことで、結果として全体から輻射することになる。定在波と呼ばれる理由は、このように中央から端に進行する電波と端で反射して中央に戻る電波とが重なり合うためである。そのためには、１つのアンテナエレメントで見たとき、右から来る電波も左から来る電波も同じように輻射することが必要であるため、アンテナエレメントに接続される給電線路は中心線上に形成されている。
　この参考例の課題はその設計性にあるとされてきた。つまり、右から来る電波と左から来る電波のどちらに対しても機能するため、輻射量の重み付けを制御しにくいといった課題や、線路幅の大小を繰り返すため、アレー数が少なく、極端な重み付けが必要な場合にはアンテナエレメントの移相量が変化し、調整が必要といった課題が生じていた。
　そこで、本実施形態は、図２Ｂに示すように、アンテナパターンの中央から端に向かって進行する電波は、アンテナエレメント３で全て輻射し、逆方向に戻さないとの思想のもとで考案された。つまり、上述したようにアンテナエレメント３に入力端子４１及び出力端子４２を接続することで、入力端子４１から入力される電波に対し、アンテナエレメント３での輻射する量と出力端子４２から下段に伝える量とを一方通行で制御できるようにしている。
　図３Ａ及び図３Ｂは、アンテナエレメント３、入力端子４１、及び出力端子４２の具体例及びその周波数特性を示す図である。図３Ａに示すように、アンテナエレメント３に接続される入力端子４１及び出力端子４２の位置を中心線Ｃからずらすことで、図３Ｂに示すように、２４ＧＨｚの周波数で入力端子４１から入る電波は、ほぼ反射なくアンテナエレメント３に給電され（Ｓ１１＝－２５ｄＢ）、－３．５ｄＢのエネルギーが出力端子４２へ出力される。一方で、出力端子４２から入る電波、すなわち逆戻りする量は少なくなる（Ｓ２２＝－６ｄＢ）。このことは、反射の影響を加味することなく、単体でかつ一方通行の設計でアンテナ全体を設計することが可能であることを示している。
　参考例で示したパッチアレイアンテナでは、アンテナエレメントの中心線上に入力端子及び出力端子が接続されており、電波の進行方向とその逆方向とで反射係数が一致するため、入力側の整合性をとれば出力側の整合性も考慮する必要があり、設計が難しい。これに対し、本実施形態によれば、上述したように設計性に優れたパッチアレイアンテナを提供することが可能である。
　図４は、パッチアレイアンテナ１Ａの設計例を示す図である。例えばビーム幅１０°、サイドローブレベル－４０°のアンテナを１０個のエレメントで設計する場合、同図のように輻射量を重み付けにすることでアレーアンテナとして機能する。
　なお、参考例のアンテナエレメントは、通常、半波長アンテナからなり、配列方向に平行な偏波面の電波を発生する。この場合の課題は、中心からの給電の場合、左右１８０°の位相差が必要となる点、つまり中心部にメアンダライン等で構成された移相器が必要となる点である。２４ＧＨｚや７６ＧＨｚ等の高周波帯においては、線路の曲げ等から容易に輻射するため、移相器による輻射が問題となる。
　これに対し、本実施形態によれば、上述したように反射の影響を加味することなく、単体でかつ一方通行の設計でアンテナ全体を設計することが可能であるため、配列方向Ｌと直交する偏波面の電波を発生するように設計することが容易であり、これにより、移相器を省略することが可能となる。
［第２実施形態］
　図５Ａは、第２実施形態に係るパッチアレイアンテナ１Ｂの例を示す平面図である。図５Ｂは、図５Ａの要部拡大図である。上記実施形態と重複する構成については、同番号を付すことで詳細な説明を省略することがある。
　本実施形態では、アンテナエレメント３（端のアンテナエレメント３を除く）に２つの入力端子４１と２つの出力端子４２とが接続されている。なお、端のアンテナエレメント３には、２つの入力端子４１のみが接続される。
　具体的には、アンテナエレメント３矩形状に形成されており、幅方向Ｗに延びる２つの辺３３，３４のうちの一方の辺３３に２つの入力端子４１が接続され、他方の辺３４に２つの出力端子４２が接続されている。
　これに限らず、入力端子４１は３つ以上あってもよく、出力端子４２も３つ以上あってもよい。
　本実施形態では、２つの入力端子４１及び２つの出力端子４２のうちの少なくとも１つの端子（図示の例では全ての端子）が、アンテナエレメント３の中心線Ｃから外れた位置に接続されている。また、２つの入力端子４１及び２つの出力端子４２は、アンテナエレメント３の幅方向Ｗの互いに異なる位置に接続されている。
　さらに、２つの入力端子４１のうちの一方の入力端子４１は、中心線Ｃから幅方向Ｗの一方（第１の側方）に外れた位置に接続され、他方の入力端子４１は、中心線Ｃから幅方向Ｗの他方（第２の側方）に外れた位置に接続されている。すなわち、２つの入力端子４１は、中心線Ｃを挟むように幅方向Ｗの両側に接続されている。
　詳しくは、２つの入力端子４１は、中心線Ｃについて線対称となる位置に接続されている。入力端子４１が４つ以上の偶数である場合も、中心線Ｃについて線対称となる位置に接続されることが好ましい。また、２つの入力端子４１の形状自体も、中心線Ｃについて線対称となっている。
　同様に、２つの出力端子４２のうちの一方の出力端子４２は、中心線Ｃから幅方向Ｗの一方（第１の側方）に外れた位置に接続され、他方の出力端子４２は、中心線Ｃから幅方向Ｗの他方（第２の側方）に外れた位置に接続されている。すなわち、２つの出力端子４２も、中心線Ｃを挟むように幅方向の両側に接続されている。
　詳しくは、２つの出力端子４２も、中心線Ｃについて線対称となる位置に接続されている。出力端子４２が４つ以上の偶数である場合も、中心線Ｃについて線対称となる位置に接続されることが好ましい。また、２つの出力端子４２の形状自体も、中心線Ｃについて線対称となっている。
　２つの入力端子４１は、図５Ｂに示すように２つの出力端子４２よりも幅方向Ｗの内側に接続されてもよいし、それとは反対に幅方向Ｗの外側に接続されてもよい。言い換えると、２つの出力端子４２は、２つの入力端子４１よりも幅方向Ｗの外側に接続されてもよいし、幅方向Ｗの内側に接続されてもよい。
　これに限らず、２つの入力端子４１及び２つの出力端子４２は、幅方向Ｗに互い違いに接続されてもよい。
　以下、第２実施形態の作用について説明する。
　図６Ａは、第２実施形態に係るパッチアレイアンテナ１Ｂのアンテナエレメント３、入力端子４１、及び出力端子４２の具体例を示す図である。２つの入力端子４１及び２つの出力端子４２は、アンテナエレメント３の中心線Ｃから外れた、中心線Ｃについて線対称となる位置に接続される。２つの入力端子４１には、１８０°の位相差がある電波が入力される。
　図６Ｂは、図６Ａの２つの入力端子４１に１８０°の位相差がある電波が入力された場合に、２つの出力端子４２から出力される電力量の和を散乱行列の周波数特性で表したグラフである。これによると、上記図３Ｂに示した入力端子４１及び出力端子４２が１本ずつの第１実施形態と比べて、中心周波数近傍のトラップがなく、帯域が広くなっていることが分かる。
　図７Ａ及び図７Ｂは、図５Ａに示す８段のパッチアレイアンテナ１Ｂの指向特性の計算結果を示す図である。図中のＺは、配列方向Ｌ及び幅方向Ｗと直交する、誘電体基板２の主表面の「法線方向Ｚ」を表す。これによると、パッチアレイアンテナ１Ｂは、配列方向Ｌの広がりが抑えられた指向特性を有することが分かる。
　図８は、１０段のパッチアレイアンテナ１Ｂの設計例を示す図である。図９Ａ及び図９Ｂは、図８に示す１０段のパッチアレイアンテナ１Ｂの指向特性の計算結果を示す図である。これによると、パッチアレイアンテナ１Ｂは、配列方向Ｌにおけるビーム幅が５°の指向特性を実現していることが分かる。
　なお、上述したように移相器を省略するためには、配列方向Ｌと直交する偏波面の電波を発生するように設計する必要があるが、この場合、アンテナエレメントを単線で連結すると、半波長アンテナであるアンテナエレメントが偶モードと奇モードの両方を励起しやすく、設計が困難であるという課題がある。
　そこで、本実施形態のように、２つの入力端子４１及び２つの出力端子４２をアンテナエレメント３の中心線Ｃについて線対称となる位置に接続し、２つの入力端子４１に逆相の電波を入力し、逆相の励振を行うことで、アンテナエレメント３を偶モードの単一モードで機能させることができるので、モード混在による特性劣化を抑制し、設計性を向上させることが可能となる。
［変形例］
　図１０Ａは、第１変形例に係るパッチアレイアンテナ１Ｃの例を示す図である。同図に示すように、アンテナエレメント３は、矩形状に限らず、例えば円形状などであってもよい。これによれば、水平偏波に対する感度向上を期待できる。
　図１０Ｂは、第２変形例に係るパッチアレイアンテナ１Ｄの例を示す図である。同図に示すように、アンテナエレメント３の間に介在する給電線路４は、２つに限らず、３つであってもよいし、４つであってもよい。
　また、アンテナエレメント３の間に介在する給電線路４は、中心線Ｃについて線対称となる位置に接続されることが好ましいが、これに限らず、中心線Ｃについて線対称となる位置に接続されなくてもよい。
［応用例］
　図１１は、以上に説明したパッチアレイアンテナ１（１Ａ～１Ｄ）を利用したアンテナ装置１０の例を示す図である。アンテナ装置１０は、アンテナエレメント３の配列方向Ｌと直交する方向に配列する複数のパッチアレイアンテナ１を備えている。
　図示の例では、アンテナ装置１０は、６つのパッチアレイアンテナ１を含む受信アンテナ１１と、２つのパッチアレイアンテナ１を含む送信アンテナ１２とを備えている。本実施形態のアンテナ装置１０は、ＭＩＭＯレーダー用アンテナとして好適である。
　図１２は、アンテナ装置１０を利用したレーダー装置６の例を示す図である。レーダー装置６は、アンテナ装置１０及び制御部６０を備えている。アンテナ装置１０は、送信アンテナ１２から電波を送信するとともに、受信アンテナ１１で受信した電波を電気信号に変換し、制御部６０に出力する。
　本実施形態のレーダー装置６は、ＭＩＭＯ（Multi-Input Multi-Output）レーダーであり、所定の方向に指向性を高めるビームフォーミングが可能である。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が当業者にとって可能であることはもちろんである。
１(１Ａ～１Ｄ)　パッチアレイアンテナ、２　誘電体基板、３　アンテナエレメント、４　給電線路、４１　入力端子、４２　出力端子、５　給電点、１０　アンテナ装置、１１　受信アンテナ、１２　送信アンテナ、６　レーダー装置、６０　制御部、Ｃ　中心線、Ｌ　配列方向、Ｗ　幅方向、Ｚ　法線方向

Claims (13)

  1. 　誘電体基板と、
    　前記誘電体基板上に形成され、一方向に配列し、直列に接続された複数のアンテナエレ
    メントと、
    　を備え、
    　前記複数のアンテナエレメントのうちの少なくとも１つのアンテナエレメントに接続された、少なくとも１つの入力端子及び少なくとも１つの出力端子のうちの少なくとも１つの端子が、前記アンテナエレメントの前記一方向に延びる中心線から外れた位置に接続される、
    　パッチアレイアンテナ。
  2. 　前記少なくとも１つの入力端子及び前記少なくとも１つの出力端子が、前記中心線と直交する方向の互いに異なる位置に接続される、
    　請求項１に記載のパッチアレイアンテナ。
  3. 　前記少なくとも１つの入力端子及び前記少なくとも１つの出力端子が、前記中心線から外れた位置に接続される、
    　請求項１または２に記載のパッチアレイアンテナ。
  4. 　前記少なくとも１つの入力端子は、２つ以上の入力端子であり、
    　前記少なくとも１つの出力端子は、２つ以上の出力端子である、
    　請求項１ないし３の何れかに記載のパッチアレイアンテナ。
  5. 　前記２つ以上の入力端子のうちの一部の入力端子は、前記中心線から第１の側方に外れた位置に接続され、残りの入力端子は、前記中心線から前記第１の側方とは反対の第２の側方に外れた位置に接続される、
    　請求項４に記載のパッチアレイアンテナ。
  6. 　前記２つ以上の出力端子のうちの一部の出力端子は、前記中心線から第１の側方に外れた位置に接続され、残りの出力端子は、前記中心線から前記第１の側方とは反対の第２の側方に外れた位置に接続される、
    　請求項４または５に記載のパッチアレイアンテナ。
  7. 　前記２つ以上の入力端子は、偶数の入力端子であり、
    　前記偶数の入力端子は、前記中心線について線対称となる位置に接続される、
    　請求項４ないし６の何れかに記載のパッチアレイアンテナ。
  8. 　前記２つ以上の出力端子は、偶数の出力端子であり、
    　前記偶数の出力端子は、前記中心線について線対称となる位置に接続される、
    　請求項４ないし７の何れかに記載のパッチアレイアンテナ。
  9. 　前記２つ以上の入力端子のうちの２つの入力端子に逆相の電波が入力される、
    　請求項４ないし８の何れかに記載のパッチアレイアンテナ。
  10. 　前記パッチアレイアンテナは、前記一方向と直交する偏波面の電波を発生する、
    　請求項１ないし９の何れかに記載のパッチアレイアンテナ。
  11. 　前記パッチアレイアンテナは、移相器を備えない、
    　請求項１ないし１０の何れかに記載のパッチアレイアンテナ。
  12. 　請求項１ないし１１の何れかに記載のパッチアレイアンテナを複数備え、
    　前記複数のパッチアレイアンテナは、アンテナエレメントの配列方向と直交する方向に配列する、
    　アンテナ装置。
  13. 　請求項１２に記載のアンテナ装置を備えるレーダー装置。
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