WO2023171076A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

小型でビーム幅の狭いアンテナ装置を提供する。　アンテナ装置は、導波管と、前記導波管の第１開口部側に設けられ、前記導波管を介して電波を送信する送信アンテナと、前記導波管の第１開口部側に設けられ、前記導波管を介して電波を受信する受信アンテナと、前記導波管の第２開口部側に設けられ、前記送信アンテナから送信される電波、又は、前記受信アンテナによって受信される電波を透過するレンズと、を含み、前記第１開口部の開口面積は、前記第２開口部の開口面積よりも大きく、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、前記レンズの光軸からずらして配置される。

Description

アンテナ装置

　本開示は、アンテナ装置に関する。

　従来より、アンテナを有するセンサであって、前記アンテナは、基板と、前記基板上に形成された放射部と、前記放射部から放射される電磁波を内部で伝搬させてビームとして放射する導波管と、を有し、前記導波管は、放射側開口の形状が、互いに直交する第１の方向よりも第２の方向の方が長く、前記放射側開口と反対側の開口よりも、前記放射側開口の方が大きく、前記放射側開口と反対側の開口の縁部が、前記放射部が形成された前記基板面側で前記放射部を内包するように配置されており、前記放射側開口に誘電体レンズ（レンズ）を備え、前記放射部の電界面方向は前記第２の方向であることを特徴とするセンサがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－０５４５４６号公報

　従来のセンサのアンテナ（アンテナ装置）では、導波管は、放射側開口と反対側の開口よりも放射側開口の方が大きく、放射側開口の形状が互いに直交する第１の方向よりも第２の方向の方が長いため、ビーム幅は第１の方向において狭く、第２の方向においては広い偏平ビームになる。

　ところで、ビーム幅を第１の方向と第２の方向との両方で全体的に狭く絞るには、導波管の口径を大きくする必要があり、そのために導波管を長くする必要がある。また、導波管の口径を大きくするとレンズも大きくなる。この結果、アンテナ装置が大型化する。

　そこで、小型でビーム幅の狭いアンテナ装置を提供することを目的とする。

　本開示の実施形態のアンテナ装置は、導波管と、前記導波管の第１開口部側に設けられ、前記導波管を介して電波を送信する送信アンテナと、前記導波管の第１開口部側に設けられ、前記導波管を介して電波を受信する受信アンテナと、前記導波管の第２開口部側に設けられ、前記送信アンテナから送信される電波、又は、前記受信アンテナによって受信される電波を透過するレンズと、を含み、前記第１開口部の開口面積は、前記第２開口部の開口面積よりも大きく、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、前記レンズの光軸からずらして配置される。

　小型でビーム幅の狭いアンテナ装置を提供することができる。

実施形態のアンテナ装置１００を示す図である。 実施形態のアンテナ装置１００を示す図である。 図１ＡにおけるＡ－Ａ矢視断面を示す図である。 図２Ａに示す断面構造の変形例を示す図である。 導波管１１０の内壁面１１０Ａの詳細を説明する図である。 放射電界Ｖ１と放射電界Ｖ２とが逆位相になる条件を説明する図である。 比較用の導波管５０における伝送経路を説明する図である。 比較用の導波管５０を含む比較用のアンテナ装置１０において最も電波の強度が高くなる方向を説明する図である。 比較用の導波管５０を含むアンテナ装置１０における往復のビームのビーム幅のシミュレーション結果を示す図である。 実施形態のアンテナ装置１００における往復のビームのビーム幅のシミュレーション結果を示す図である。 比較用のアンテナ装置１０における放射パターンのシミュレーション結果を示す図である。 比較用のアンテナ装置１０における放射パターンのシミュレーション結果を示す図である。 比較用のアンテナ装置１０における放射パターンのシミュレーション結果を示す図である。 実施形態のアンテナ装置１００における放射パターンのシミュレーション結果を示す図である。 実施形態の変形例のアンテナ装置１００Ｍを示す図である。 実施形態の変形例のアンテナ装置１００Ｍを示す図である。 誘電体導波路２１０を示す図である。 フレネルゾーン２３５Ａを有する平板レンズ２３０Ａを示す図である。

　以下、本開示のアンテナ装置を適用した実施形態について説明する。

　＜実施形態＞
　＜アンテナ装置１００の構成＞
　図１Ａ及び図１Ｂは、実施形態のアンテナ装置１００を示す図である。図１Ａは、斜視図、図１Ｂは、一部を半断面で示す図である。図２Ａは、図１ＡにおけるＡ－Ａ矢視断面を示す図であり、レンズ１３０の光軸を含むＹＺ平面で導波管１１０を切断して得る切断面を示す図である。図２Ｂは、図２Ａに示す断面構造の変形例を示す図である。ここでは、特に断らない限り、図１Ａ、図１Ｂ、及び図２Ａを用いてアンテナ装置１００の構成について説明する。

　以下では、ＸＹＺ座標系を定義して説明する。また、説明の便宜上、－Ｚ方向側を下側又は下、＋Ｚ方向側を上側又は上と称すが、普遍的な上下関係を表すものではない。また、ＸＺ面視することを平面視と称す。

　アンテナ装置１００は、基板１０１、導波管１１０、送受信部１２０、及びレンズ１３０を含む。アンテナ装置１００は、電波を送受信する装置であり、レンズ１３０で送信波をビームに集束させるとともに、受信するビームをレンズで集束させる。

　アンテナ装置１００が送受信する電波は、一例としてミリ波帯の電波である。ミリ波は、３０ＧＨｚ～３００ＧＨｚの周波数帯の電波であり、光と略同等に振る舞う。なお、アンテナ装置１００が送受信する電波は、ミリ波帯以外の帯域に属する周波数の電波であってもよい。

　基板１０１は、送受信部１２０を実装する基板であり、一例としてＦＲ－４(Flame Retardant type4)規格の配線基板を用いることができる。基板１０１は、導波管１１０の－Ｙ方向側に固定される。

　導波管１１０は、一例として円筒状で中空の円形導波管である。導波管１１０は、内壁面１１０Ａ、開口部１１１、開口部１１２、及び取付部１１５を有する。導波管１１０の内部は、電波が伝搬する導波路である。開口部１１１は、第１開口部の一例であり、開口部１１２は第２開口部の一例である。導波管１１０の－Ｙ方向側は、第１開口部側の一例であり、＋Ｙ方向側は、第２開口部側の一例である。

　図１Ａ、図１Ｂ、及び図２Ａでは、ＸＹＺ座標の原点は開口部１１１の中心と一致しており、導波管１１０の中心軸Ｃは、Ｙ軸と一致している。また、中心軸Ｃは、レンズ１３０の光軸と一致する。

　内壁面１１０Ａは、円筒状で中空の導波管１１０の内壁である。導波管１１０は、開口部１１１の開口径の方が開口部１１２の開口径よりも大きいため、導波管１１０は、開口部１１１から開口部１１２に向かって開口径が小さくなる円錐台形状の円筒である。このため、内壁面１１０Ａは、円錐台形状を有する。開口部１１１の開口径の方が開口部１１２の開口径よりも大きいことは、開口部１１１の開口面積の方が開口部１１２の開口面積よりも大きいことである。なお、内壁面１１０Ａの角度等の詳細については、図３を用いて後述する。

　開口部１１１は、導波管１１０の－Ｙ方向側の端に位置する開口である。開口部１１１は、平面視で円形である。上述のように、開口部１１１の開口径は、開口部１１２の開口径よりも大きく、一例として、１５ｍｍ（φ１５ｍｍ）である。

　開口部１１２は、導波管１１０の＋Ｙ方向側の端に位置する開口である。開口部１１２は、厳密には、導波管１１０の＋Ｙ方向側の端から段差部１１２Ａ（図２Ａ参照）の分だけ－Ｙ方向にオフセットしているが、電波が伝搬する導波管１１０として機能する区間は、開口部１１１と開口部１１２との間の区間であるため、ここでは開口部１１２が導波管１１０の＋Ｙ方向側の端に位置するものとして説明する。この意味では、段差部１１２Ａが導波管１１０の＋Ｙ方向側の端から、さらに＋Ｙ方向側に突出しているものとして取り扱ってもよい。

　開口部１１２は、平面視で円形である。開口部１１２の開口径は、開口部１１１の開口径よりも小さく、一例として、１４．３ｍｍ（φ１４．３ｍｍ）である。開口部１１２には、図２Ａに示すように、段差部１１２Ａが設けられている。段差部１１２Ａは、開口部１１２にレンズ１３０を取り付けるための段差である。レンズ１３０は、導波管１１０に対して＋Ｙ方向側から取り付けられる。

　なお、図２Ｂに示すように、段差部１１２Ａは、開口部１１２よりも－Ｙ方向側に設けられていてもよい。このような構造の場合には、レンズ１３０は、導波管１１０の開口部１１１側から内部を通して取り付けることになる。

　取付部１１５は、導波管１１０の－Ｙ方向側の端において、平面視で外側に向かって延在する部分であり、一例として平面視で正方形の外縁を有する。取付部１１５は、基板１０１を導波管１１０に取り付けるために設けられている。

　以上のような導波管１１０にレンズ１３０を取り付けた状態で、レンズ１３０の焦点は、開口部１１１の平面視における中心に位置する。すなわち、導波管１１０の中心軸Ｃの延在方向の長さは、レンズ１３０の焦点が開口部１１１の開口面上に位置するように設定されている。

　送受信部１２０は、基板１０１の＋Ｙ方向側の表面に実装されている。送受信部１２０は、基板１２１、送信アンテナ１２０Ｔｘ、及び受信アンテナ１２０Ｒｘを有する。基板１２１は、平面視で基板１０１よりも小さく、一例として正方形である。基板１２１は、平面視で開口部１１１の中央部に位置するように設けられており、より具体的には、基板１２１の平面視における中心が中心軸Ｃ上に位置するように配置されている。

　送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘは、基板１２１の＋Ｙ方向側の表面において、Ｚ方向に間隔を空けて設けられている。送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘは、一例として同一形状で同一サイズのアンテナである。送信アンテナ１２０Ｔｘは、導波管１１０を介して電波を送信し、受信アンテナ１２０Ｒｘは、導波管１１０を介して電波を受信する。

　送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘは、平面視で中心軸Ｃに対して点対称になるように配置されている。送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘを平面視で視ることは、開口部１１１の開口面視で送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘを視ることと同義である。

　送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘが平面視で中心軸Ｃに対して点対称になるとは、平面視における送信アンテナ１２０Ｔｘの中心と、平面視における受信アンテナ１２０Ｒｘの中心とが、平面視で中心軸Ｃに対して点対称な配置になることである。平面視における送信アンテナ１２０Ｔｘの中心と、平面視における受信アンテナ１２０Ｒｘの中心とは、ともにＺ軸上に位置する。中心軸Ｃは、レンズ１３０の光軸と一致するため、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘは、レンズ１３０の光軸からずらして配置されている。

　また、平面視における送信アンテナ１２０Ｔｘの中心と、平面視における受信アンテナ１２０Ｒｘの中心とは、ともにＺ軸上に位置し、且つ、平面視で中心軸Ｃに対して点対称になるように配置されているため、レンズ１３０の光軸を含むＹＺ平面で導波管１１０を切断して得る切断面において、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘは、中心軸Ｃに対して点対称になるように配置されていることになる。

　送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘをともに中心軸Ｃ上（レンズ１３０の光軸）に配置することはできないため、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘの送受信特性を揃えるために、このように配置している。なお、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘは、例えば、ループアンテナ、パッチアンテナ、モノポールアンテナ、又はダイポールアンテナ等で実現可能である。

　導波管１１０の中心軸Ｃの延在方向の長さは、レンズ１３０の焦点が開口部１１１の開口面上に位置するように設定されているため、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘのレンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）の延在方向における位置は、レンズ１３０の焦点位置と等しい。

　ここで、レンズ１３０の光軸を含むＹＺ平面に平行な断面（図２Ａに示す断面）において、送信アンテナ１２０Ｔｘの中心とレンズ１３０の中心１３０Ｃとを結ぶ直線を一点鎖線で示し、受信アンテナ１２０Ｒｘの中心とレンズ１３０の中心１３０Ｃとを結ぶ直線を二点鎖線で示す。送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘは、レンズ１３０の光軸からずらして配置されているため、中心同士を結ぶ直線は一致しない。送信アンテナ１２０Ｔｘから放射される電波の強度は、送信アンテナ１２０Ｔｘの中心とレンズ１３０の中心１３０Ｃとを結ぶ方向において最も強くなり、受信アンテナ１２０Ｒｘで受信される電波の強度は、受信アンテナ１２０Ｒｘの中心とレンズ１３０の中心１３０Ｃとを結ぶ方向において最も強くなる。

　レンズ１３０は、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘで送受信する電波を双方向に集束させることができるレンズであればよく、一例として平面視で円形の両凸レンズである。ただし、レンズ１３０は、片凸レンズであってもよい。両凸レンズ及び片凸レンズは凸レンズの一例である。また、レンズ１３０は、フレネルゾーンを有する平板レンズ、又は、メタマテリアルを有する平板レンズ等の平板レンズであってもよいが、ここでは両凸レンズである形態について説明する。

　＜導波管１１０の内壁面１１０Ａの詳細＞
　図３は、導波管１１０の内壁面１１０Ａの詳細を説明する図である。図３は、図２Ａ及び図２Ｂと同様に、レンズ１３０の光軸を含むＹＺ平面で導波管１１０を切断して得る切断面を示す図である。

　ここで、図３に示すレンズ１３０の光軸を含むＹＺ平面で導波管１１０を切断して得る切断面において、レンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）と導波管１１０の内壁面１１０Ａとがなす角度αについて説明する。角度αは、図３に示す切断面において、内壁面１１０Ａがレンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）となす角度であり、一例としてＹＺ平面に平行な切断面を＋Ｘ方向側から－Ｘ方向側を見たときに、時計回りの角度を正の値として示す。図３には、角度αを示すために、レンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）と平行な軸Ｃａを記す。

　角度αは、内壁面１１０Ａの導波管１１０の中心軸Ｃに対する傾斜角である。開口部１１１の開口面積が開口部１１２の開口面積よりも大きく、内壁面１１０Ａの傾斜角は開口部１１１と開口部１１２との間で一定であるため、内壁面１１０Ａは、中心軸Ｃに対して、開口部１１１側を向くように傾斜している。このため、送信アンテナ１２０Ｔｘから放射されて内壁面１１０Ａで反射された電波は、中心軸Ｃの方向に向かって反射されることになる。

　すなわち、送信アンテナ１２０Ｔｘから放射される電波は、レンズ１３０に直接的に入射する電波の伝搬経路Ｐａｔｈ１（破線）と、内壁面１１０Ａで中心軸Ｃの方向に向かって反射されて、レンズ１３０に入射する電波の伝搬経路Ｐａｔｈ２（一点鎖線）との２つの伝搬経路で伝搬する。

　また、レンズ１３０から受信アンテナ１２０Ｒｘに向かって伝搬する電波も同様に、レンズ１３０から直接的に受信アンテナ１２０Ｒｘに入射する電波の伝搬経路と、内壁面１１０Ａで中心軸Ｃの方向に向かって反射されて、受信アンテナ１２０Ｒｘに入射する伝搬経路との２つの伝搬経路で伝搬する。

　角度αは、送信アンテナ１２０Ｔｘからレンズ１３０に直接的に入射する電波のうち、図３に示すようにビーム角βが比較的大きく、レンズ１３０の中央部よりも外側の部分に入射する伝搬経路Ｐａｔｈ１（破線）における放射電界Ｖ１と、送信アンテナ１２０Ｔｘから内壁面１１０Ａで反射されてレンズ１３０に入射する電波の伝搬経路Ｐａｔｈ２（一点鎖線）における放射電界Ｖ２とが逆位相になる関係をもたらす所定角度に設定されている。放射電界Ｖ１と、放射電界Ｖ２とは、角度αが所定角度になる範囲において、伝搬経路Ｐａｔｈ１と伝搬経路Ｐａｔｈ２とに対して垂直な平面Ｐ０上で逆位相になる。なお、送信アンテナ１２０Ｔｘから放射される電波のビーム角βは、送信アンテナ１２０Ｔｘの中心を通り、中心軸Ｃに平行な軸ＣＴｘに対する角度である。

　伝搬経路Ｐａｔｈ１のレンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）に対する角度（放射角度）が大きいと、レンズ１３０を通じて＋Ｙ方向に放射されるビームのビーム幅が広くなるため、放射電界Ｖ１と放射電界Ｖ２とを逆位相にすることで、放射角度が大きい経路Ｐａｔｈ１の直接波と、伝搬経路Ｐａｔｈ２の反射波とを相殺させて（弱め合わせて）、ビーム幅を狭くする。次に、放射電界Ｖ１と放射電界Ｖ２とが逆位相になる条件について詳しく説明する。

　＜放射電界Ｖ１と放射電界Ｖ２とが逆位相になる条件＞
　図４Ａは、放射電界Ｖ１と放射電界Ｖ２とが逆位相になる条件を説明する図である。図４Ａには、図２Ａ、図２Ｂ、及び図３と同様に、レンズ１３０の光軸を含むＹＺ平面で導波管１１０を切断して得る切断面での構成を概略的に示す。

　また、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘは、レンズ１３０の光軸を含むＹＺ平面で導波管１１０を切断して得る切断面において、中心軸Ｃに対して点対称になるように配置されているため、ここでは送信アンテナ１２０Ｔｘについて説明するが受信アンテナ１２０Ｒｘにおいても同様である。図４Ａには、角度αの基準になる軸Ｃａに加えて、送信アンテナ１２０Ｔｘの中心を通り、中心軸Ｃに平行な軸ＣＴｘを示す。

　送信アンテナ１２０Ｔｘからレンズ１３０に直接的に入射する電波の伝搬経路Ｐａｔｈ１（破線）と軸ＣＴｘとがなす角度をβ１、送信アンテナ１２０Ｔｘから内壁面１１０Ａで反射されてレンズ１３０に入射する電波の伝搬経路Ｐａｔｈ２と軸ＣＴｘとがなす角度をβ２とすると、次式（１）が成り立つ。なお、角度β１は、軸ＣＴｘに対する反時計回りの値を正とし、角度β２は、軸ＣＴｘに対する時計回りの値を正とする。
β１＝β２＋２α　　　（１）

　伝搬経路Ｐａｔｈ１は、角度β１が小さいと、レンズ１３０を通じて＋Ｙ方向に放射されるビームのビーム幅を狭くすることに貢献するが、角度β１が大きいと、ビーム幅を広くする原因になる。このため、角度β１が比較的大きい電波については、放射電界Ｖ１と放射電界Ｖ２とが平面Ｐ０上において逆位相になる条件を満たすようにすれば、角度β１が比較的大きい電波を反射波と相殺させる（弱め合わせる）ことができる。この結果、角度β１が比較的狭い電波の強度を相対的に大きくすることができ、角度β１が比較的狭い電波でビームを形成することができる。

　ここで、Ｌ１１を伝搬経路Ｐａｔｈ１のうちの送信アンテナ１２０Ｔｘからレンズ１３０の表面までの区間の長さ、Ｌ１２を伝搬経路Ｐａｔｈ１のレンズ１３０中における区間の長さ、Ｌ１３を伝搬経路Ｐａｔｈ１のレンズ１３０の表面から平面Ｐ０までの区間の長さとする。

　また、Ｌ２１を伝搬経路Ｐａｔｈ２のうちの送信アンテナ１２０Ｔｘから内壁面１１０Ａまでの区間の長さ、Ｌ２２を伝搬経路Ｐａｔｈ２のうちの内壁面１１０Ａからレンズ１３０の表面までの区間の長さとする。また、Ｌ２３を伝搬経路Ｐａｔｈ２のうちのレンズ１３０の内部の区間の長さ、Ｌ２４を伝搬経路Ｐａｔｈ２のうちのレンズ１３０の表面から平面Ｐ０までの区間の長さとする。長さＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３、Ｌ２１、Ｌ２２、Ｌ２３、Ｌ２４には、次式（２）が成り立つ。なお、λは、送信アンテナ１２０Ｔｘが送信する電波の波長であり、εｒは、レンズ１３０の材料の誘電率である。
Ｌ１１＋Ｌ１２×√εｒ＋λ／２＋Ｌ１３＝Ｌ２１＋Ｌ２２＋Ｌ２３×√εｒ＋Ｌ２４　　　（２）

　したがって、式（２）を満たすように、レンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）と導波管１１０の内壁面１１０Ａとがなす角度αを設定すればよい。このような角度αは、一例として０度より大きく、４５度以下（０°＜α≦４５°）である。

　＜比較用の導波管における伝送経路＞
　図４Ｂは、比較用の導波管５０における伝送経路を説明する図である。図４Ｂに示す比較用の導波管５０は、送信アンテナ１２０Ｔｘが設けられる側の開口部５１の開口面積よりも、レンズ１３０側の開口部５２の開口面積の方が大きい。このため、送信アンテナ１２０Ｔｘから放射され、内壁５０Ａで反射されてレンズ１３０に入射する反射波（一点鎖線）の伝搬経路は、送信アンテナＴｘから放射されて直接的にレンズ１３０に入射する直接波（破線）の伝搬経路とは交わらない。

　すなわち、比較用の導波管５０のように、送信アンテナ１２０Ｔｘが設けられる側の開口部５１の開口面積よりも、レンズ１３０側の開口部５２の開口面積の方が大きい場合には、直接波と反射波とが相殺し合うことはなく、レンズ１３０から放射されるビームのビーム角は大きくなる。

　図４Ｃは、比較用の導波管５０を含む比較用のアンテナ装置１０において最も電波の強度が高くなる方向を説明する図である。実施形態のアンテナ装置１００について図２Ａを用いて説明したのと同様に、比較用のアンテナ装置１０では、送信アンテナ１２０Ｔｘから放射される電波の強度は、送信アンテナ１２０Ｔｘの中心とレンズ１３０の中心１３０Ｃとを結ぶ方向（一点鎖線の方向）において最も強くなり、受信アンテナ１２０Ｒｘで受信される電波の強度は、受信アンテナ１２０Ｒｘの中心とレンズ１３０の中心１３０Ｃとを結ぶ方向（二点鎖線の方向）において最も強くなる。送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘは、レンズ１３０の光軸からずらして配置されているため、中心同士を結ぶ直線は一致しない。

　＜ビーム幅のシミュレーション結果＞
　図５Ａは、比較用の導波管５０を含むアンテナ装置１０（図４Ｃ参照）における往復のビームのビーム幅のシミュレーション結果を示す図である。図５Ａにおいて、横軸は、レンズ１３０の光軸を含むＹＺ平面におけるビーム角(度(degree))を表し、ビーム角が９０度の方向は、ＸＹＺ座標の原点に対する＋Ｙ方向であり、０度は＋Ｚ方向であり、１８０度は－Ｚ方向である。また、縦軸はアンテナゲイン（ｄＢｉ）を表す。ここでは、アンテナゲインの最大値から－３ｄＢまでのビーム角の範囲で得られるビーム幅（３ｄＢビーム幅）で検討を行う。

　図５Ａには、比較用のアンテナ装置１０の送信アンテナ１２０Ｔｘから送信される送信ビームＴｘのアンテナゲインと、比較用のアンテナ装置１０の受信アンテナ１２０Ｒｘで受信される受信ビームＲｘのアンテナゲインとの合計の往復のアンテナゲインを示す。

　往復のアンテナゲインの３ｄＢビーム幅は、約６５度から約１１５度の範囲であり、９０度の正面方向に対して約±２５度の範囲であった。このように、比較用の導波管５０を含むアンテナ装置１０（図４Ｃ参照）では、ビーム角は大きくなり、ビーム幅が広いことが分かった。

　図５Ｂは、実施形態のアンテナ装置１００における往復のビーム幅のシミュレーション結果を示す図である。図５Ｂにおける横軸及び縦軸は、図５Ａにおける横軸及び縦軸と同様である。ここでは、図５Ａと同様に、ビーム幅については、３ｄＢビーム幅で検討を行う。

　図５Ｂには、実施形態のアンテナ装置１００の送信アンテナ１２０Ｔｘから送信される送信ビームＴｘのアンテナゲインと、実施形態のアンテナ装置１００の受信アンテナ１２０Ｒｘで受信される受信ビームＲｘのアンテナゲインとの合計の往復のアンテナゲインを示す。

　往復のアンテナゲインの３ｄＢビーム幅は、約７６．５度から約１０３．５度の範囲であり、９０度の正面方向に対して約±１３．５度の範囲であった。このように、実施形態のアンテナ装置１００では、比較用の導波管５０を含むアンテナ装置１０（図４Ｃ参照）に比べて、３ｄＢビーム幅の両端のビーム角は約半分程度に小さくなり、ビーム幅が半分程度に狭くなることが分かった。ビーム角の大きい成分が相殺された効果であると考えられる。

　＜放射パターン（ＹＺ平面）のシミュレーション結果＞
　図６Ａは、比較用のアンテナ装置１０（図４Ｃ参照）における放射パターン（放射特性）のシミュレーション結果を示す図である。図６Ｂは、実施形態のアンテナ装置１００における放射パターンのシミュレーション結果を示す図である。図６Ａ及び図６Ｂには、レンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）を含むＹＺ平面での放射パターンとして指向性を示す。＋９０度の方向が＋Ｙ方向であり、正面方向である。０度の方向が＋Ｚ方向である。

　図６Ａに示す比較用のアンテナ装置１０の放射パターンでは、正面方向の利得が１０．５ｄＢｉであり、最大利得が得られた方向は１０３度であった。１０３度の方向は、図４Ｃに一点鎖線で示す方向と符合する。これに対して、図６Ｂに示す実施形態のアンテナ装置１００の放射パターンでは、正面方向の利得が１５．３ｄＢｉであり、最大利得が得られた方向は９２度であった。

　このように、実施形態のアンテナ装置１００の放射パターンは、比較用のアンテナ装置１０の放射パターンに比べて、最大利得方向が１０３度から９２度に改善され、略正面方向で最大利得が得られる状態になった。また、正面方向の利得は、１０．５ｄＢｉから１５．３ｄＢｉに４．８ｄＢｉ改善された。最大利得方向が＋Ｙ方向（正面方向）に近づいたのは、ビーム角の大きい成分が相殺された効果であると考えられる。

　＜放射パターン（ＸＹ平面）のシミュレーション結果＞
　図７Ａは、比較用のアンテナ装置１０（図４Ｃ参照）における放射パターンのシミュレーション結果を示す図である。図７Ｂは、実施形態のアンテナ装置１００における放射パターンのシミュレーション結果を示す図である。図７Ａ及び図７Ｂには、レンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）を含むＸＹ平面での放射パターン（指向性）を示す。±９０度の方向が＋Ｙ方向であり、正面方向である。－１８０度の方向が＋Ｘ方向である。

　図７Ａに示す比較用のアンテナ装置１０の放射パターンでは、正面方向の利得が１０．５ｄＢｉ（ｍ１の点）であり、３ｄＢビーム幅は２４度（ｍ２とｍ３の間の範囲）であった。これに対して、図７Ｂに示す実施形態のアンテナ装置１００の放射パターンでは、正面方向の利得が１５．３ｄＢｉであり、３ｄＢビーム幅は１７．５度（ｍ２とｍ３の間の範囲）であった。

　このように、実施形態のアンテナ装置１００の放射パターンは、比較用のアンテナ装置１０の放射パターンに比べて、正面方向の利得は、１０．５ｄＢｉから１５．３ｄＢｉに４．８ｄＢｉ改善され、ビーム幅（３ｄＢビーム幅）は、２４度から１７．５度に狭めることができることを確認できた。

　以上のように、開口部１１１の開口面積は、開口部１１２の開口面積よりも大きいので、内壁面１１０Ａで反射される電波は、中心軸Ｃの方向に向かって反射され、ビーム角β（図３参照）の大きい直接波と打ち消し合う。このため、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘをレンズ１３０の光軸からずらして配置した構成において、レンズ１３０の中央部を通る電波が相殺されずに伝搬されることで、ビーム幅の狭いビームが得られる。また、このようなビーム幅の狭いビームは、開口部１１１の開口面積を開口部１１２の開口面積よりも大きく設定した導波管１１０で実現することができる。従来、ビーム幅を絞るには、導波管の口径の大型化、導波管の長大化、及びレンズの大型化が必要であったが、実施形態のアンテナ装置１００は、開口部１１１の開口面積を開口部１１２の開口面積よりも大きく設定した導波管１１０でビーム幅を絞ることができ、このような導波管１１０は小型化が可能である。また、導波管１１０を小型化できるため、レンズ１３０の小型化が可能である。このため、実施形態のアンテナ装置１００は、従来のアンテナ装置に比べて大幅に小型化が可能である。

　したがって、小型でビーム幅の狭いアンテナ装置１００を提供することができる。送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘをレンズ１３０の光軸からずらして配置した構成においても、ビーム幅を狭めることができる。

　また、レンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）を含むＹＺ平面で導波管１１０を切断して得る切断面において、レンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）と導波管１１０の内壁面１１０Ａとがなす角度αは、送信アンテナ１２０Ｔｘからレンズ１３０に直接的に入射する電波の伝搬経路Ｐａｔｈ１における放射電界Ｖ１と、送信アンテナ１２０Ｔｘから内壁面１１０Ａで反射されてレンズ１３０に入射する電波の伝搬経路Ｐａｔｈ２における放射電界Ｖ２とが逆位相になる関係をもたらす所定角度に設定される。このため、送信アンテナ１２０Ｔｘからレンズ１３０に直接的に入射する電波のうちのビーム角β（図３参照）が比較的大きい成分を反射波と相殺させることで、レンズ１３０から放射されるビームのビーム幅を効果的に狭めることができる。なお、これは、受信アンテナ１２０Ｒｘで受信する場合も同様である。

　レンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）の延在方向における送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘの位置は等しく、受信アンテナ１２０Ｒｘは、開口部１１１の開口面視において、光軸に対して送信アンテナ１２０Ｔｘと点対称な位置に配置される。このため、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘをレンズ１３０の光軸からずらして配置した構成において、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘの放射特性を揃えることができ、往復のアンテナゲインの分布をビーム角に対して均等にすることができる。

　送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘのレンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）の延在方向における位置は、レンズ１３０の焦点位置と等しい。このため、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘをレンズ１３０の光軸からずらして配置した構成において、送信アンテナ１２０Ｔｘ及び受信アンテナ１２０Ｒｘの送受信特性を最良にすることができる。

　また、レンズ１３０の光軸を含むＹＺ平面で導波管１１０を切断して得る切断面において、レンズ１３０の光軸（導波管１１０の中心軸Ｃ）と導波管１１０の内壁面１１０Ａとがなす角度αは、１５度から４５度である。このため、レンズ１３０の中央部よりも外側を通る直接波の成分を相殺することができ、レンズ１３０の中央部を通る電波が相殺されずに伝搬されることで、ビーム幅の狭いビームが得られる。

　また、導波管１１０の導波路は中空であるので、中空な導波管１１０を用いた簡易な構成で、小型でビーム幅の狭いアンテナ装置１００を提供することができる。

　また、導波管１１０は、円錐台形状であるので、円錐台形状の導波管１１０を用いた簡易な構成で、小型でビーム幅の狭いアンテナ装置１００を提供することができる。

　レンズ１３０は、凸レンズであるので、凸レンズで構成されるレンズ１３０を用いた簡易な構成で、小型でビーム幅の狭いアンテナ装置１００を提供することができる。

　＜実施形態の変形例のアンテナ装置１００Ｍ＞
　図８Ａ及び図８Ｂは、実施形態の変形例のアンテナ装置１００Ｍを示す図である。図８Ｂには、図８Ａに示すアンテナ装置１００Ｍからレンズ１３０Ｍを取り除いた状態を示す。図１Ａ及び図１Ｂに示すアンテナ装置１００の構成要素と同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

　アンテナ装置１００Ｍは、基板１０１、導波管１１０Ｍ、送受信部１２０、及びレンズ１３０Ｍを含む。導波管１１０Ｍは、方形導波管であり、－Ｙ方向の開口部１１１Ｍと、＋Ｙ方向側の開口部１１２Ｍと、内壁面１１０ＡＭとを有する。開口部１１１Ｍは第１開口部の一例であり、開口部１１２Ｍは第２開口部の一例である。

　開口部１１１Ｍと開口部１１２Ｍとは、平面視で正方形である。開口部１１１Ｍの開口面積は、開口部１１２Ｍの開口面積よりも大きい。導波管１１０Ｍは、角錐台形状を有する方形導波管である。内壁面１１０ＡＭは、角錐台形状の外表面と同様の形状を有する。

　レンズ１３０Ｍは、図１Ａ及び図１Ｂに示すレンズ１３０の平面視における四隅を伸ばして平面視で正方形にした両凸レンズであり、レンズ１３０と同様に電波を集束させる。

　このような方形導波管で構成される導波管１１０Ｍを含むアンテナ装置１００Ｍにおいても、アンテナ装置１００と同様に、内壁面１１０ＡＭで反射される電波は、中心軸Ｃの方向に向かって反射され、ビーム角の大きい直接波と打ち消し合う。このため、レンズ１３０Ｍの中央部を通る電波が相殺されずに伝搬されることで、ビーム幅の狭いビームが得られる。また、このようなビーム幅の狭いビームは、開口部１１１Ｍの開口面積を開口部１１２Ｍの開口面積よりも大きく設定した導波管１１０Ｍで実現することができ、大がかりな装置は不要である。

　したがって、小型でビーム幅の狭いアンテナ装置１００Ｍを提供することができる。導波管１１０Ｍは、角錐台形状であるので、角錐台形状の導波管１１０Ｍを用いた簡易な構成で、小型でビーム幅の狭いアンテナ装置１００Ｍを提供することができる。

　＜誘電体導波路＞
　図９は、誘電体導波路２１０を示す図である。誘電体導波路２１０は、端面２１１及び２１２を有する円錐台形状の誘電体で構成される。誘電体は、一例として樹脂等である。端面２１１及び２１２は、平面視で円形である。誘電体導波路２１０は、アンテナ装置１００の導波管１１０の代わりに利用可能である。

　端面２１１は平坦面であり、端面２１２は、レンズ１３０の－Ｙ方向側の曲面に合わせた凹面である。端面２１１の面積は、端面２１２の平面視での面積よりも大きい。このような誘電体導波路２１０の端面２１２にレンズ１３０を設ければ、導波管１１０を用いた場合と同様に電波を伝搬させることができる。なお、誘電体導波路２１０は角錐台形状であってもよい。

　＜レンズの変形例＞
　図１０は、フレネルゾーン２３５Ａを有する平板レンズ２３０Ａを示す図である。平板レンズ２３０Ａは、円盤状のレンズであり、板状の誘電体基板の両側に平坦な端面２３１Ａ及び２３２Ａを有する。誘電体基板で構成される平板レンズ２３０Ａの＋Ｙ方向側の端面２３２Ａには、フレネルゾーン２３５Ａが形成されている。フレネルゾーン２３５Ａは、銅箔等のパターンによって形成され電波を遮蔽する複数の輪の部分（黒く示す輪の部分）と、銅箔等のパターンが配置されず電波を透過する複数の輪の部分（黒く示す輪の間の部分）とを有し、電波を集束させるフレネルレンズとして機能する。このような平板レンズ２３０Ａをレンズ１３０の代わりに利用することで、レンズ１３０を用いた場合と同様に電波を集束させることができる。なお、フレネルゾーン２３５Ａは－Ｙ方向側の端面２３１Ａに設けられていてもよい。

　したがって、フレネルゾーン２３５Ａを有する平板レンズ２３０Ａを用いた簡易な構成で、小型でビーム幅の狭いアンテナ装置を提供することができる。なお、フレネルゾーン２３５Ａを有する平板レンズ２３０Ａを設ける代わりに、図９に示す誘電体導波路２１０の端面２１１又は２１２にフレネルゾーン２３５Ａを設けてもよい。

　以上、本開示の例示的な実施形態のアンテナ装置について説明したが、本開示は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

　なお、本国際出願は、２０２２年３月８日に出願した日本国特許出願２０２２－０３５５３３に基づく優先権を主張するものであり、その全内容は本国際出願にここでの参照により援用されるものとする。

　１００、１００Ｍ　アンテナ装置
　１１０、１１０Ｍ　導波管
　１１０Ａ、１１０ＡＭ　内壁面
　１１１、１１１Ｍ　開口部（第１開口部の一例）
　１１２、１１２Ｍ　開口部（第２開口部の一例）
　１２０　送受信部
　１２０Ｔｘ　送信アンテナ
　１２０Ｒｘ　受信アンテナ
　１３０、１３０Ｍ　レンズ
　２１０　誘電体導波路
　２３０Ａ　平板レンズ
　２３５Ａ　フレネルゾーン

Claims (10)

1. 　導波管と、
   　前記導波管の第１開口部側に設けられ、前記導波管を介して電波を送信する送信アンテナと、
   　前記導波管の第１開口部側に設けられ、前記導波管を介して電波を受信する受信アンテナと、
   　前記導波管の第２開口部側に設けられ、前記送信アンテナから送信される電波、又は、前記受信アンテナによって受信される電波を透過するレンズと、
   　を含み、
   　前記第１開口部の開口面積は、前記第２開口部の開口面積よりも大きく、
   　前記送信アンテナ及び前記受信アンテナは、前記レンズの光軸からずらして配置される、アンテナ装置。
2. 　前記光軸を含む平面で前記導波管を切断して得る切断面において、前記光軸と前記導波管の内壁面とがなす角度は、前記送信アンテナから前記レンズに直接的に入射する電波の伝搬経路における放射電界と、前記送信アンテナから前記内壁面で反射されて前記レンズに入射する電波の伝搬経路における放射電界とが逆位相になる関係をもたらす所定角度に設定される、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 　前記光軸の延在方向における前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの位置は等しく、
   　前記受信アンテナは、前記第１開口部の開口面視において、前記光軸に対して前記送信アンテナと点対称な位置に配置される、請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 　前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの前記光軸の延在方向における位置は、前記レンズの焦点位置と等しい、請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 　前記所定角度は、０度より大きく、４５度以下である、請求項２乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 　前記導波管の導波路は中空である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
7. 　前記導波管は、誘電体導波路である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 　前記導波管は、円錐台形状又は角錐台形状を有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
9. 　前記レンズは、凸レンズである、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
10. 　前記レンズは、フレネルゾーンを有する平板レンズ、又は、メタマテリアルを有する平板レンズである、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

Images