WO2023276606A1 - マイクロレンズアレーアンテナ並びにそれを備えたレーダ装置および車両 - Google Patents

マイクロレンズアレーアンテナ並びにそれを備えたレーダ装置および車両 Download PDF

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一也 川端
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株式会社村田製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a microlens array antenna in which a dielectric lens is provided above a planar array antenna, and a radar device and vehicle equipped with the same.
  • Non-Patent Document 1 there is one disclosed in Non-Patent Document 1, for example, as this type of array antenna.
  • this array antenna is formed by arranging horn antennas above a microstrip antenna to form an array, and a dielectric lens is attached to the aperture of each horn antenna.
  • radio waves emitted by the antenna leak through the gap between the outer peripheral edge of the dielectric lens and the inner peripheral edge of the open end of the horn.
  • This radio wave leakage becomes a wave source and affects adjacent antennas, thereby degrading the sidelobe characteristics of the horn antenna.
  • the horn height H cannot be reduced with respect to the aperture diameter D in order to match the phase on the aperture plane.
  • the side of the dielectric lens section opposite to the antenna becomes convex, and the sidelobe characteristics and antenna gain are sacrificed due to blocking by the adjacent dielectric lens.
  • the present invention was made to solve such problems, a planar array antenna formed on a substrate; a dielectric lens provided above each planar antenna constituting a planar array antenna; A dielectric plate erected on a substrate between dielectric lenses is provided to form a microlens array antenna.
  • radio waves radiated from each planar antenna radio waves radiated at a low elevation angle and directed to the dielectric lens provided above the adjacent planar antenna are transmitted to the substrate between the dielectric lenses. It is reflected by the standing dielectric plate. Therefore, the radio wave radiated at a low elevation angle is blocked by the dielectric plate from proceeding to the dielectric lens provided above the adjacent planar antenna. For this reason, in order to suppress the dimension in the height direction of the microlens array antenna, even if the side opposite to the planar antenna of the dielectric lens is made convex to shorten the focal length of the dielectric lens, it is possible to reduce the height of the planar antenna above the planar antenna.
  • the low-elevation-angle radio waves that go outside the range of irradiation to the dielectric lens in the are suppressed.
  • the planar antennas are adjacent to each other. It becomes difficult for the antenna gain to decrease and the sidelobe characteristics to deteriorate due to the influence of the radio waves radiated from the planar antenna.
  • the present invention constitutes a radar device equipped with the above-described microlens array antenna and a vehicle equipped with the radar device.
  • the present invention it is possible to provide a microlens array antenna in which the antenna gain is less likely to decrease and the sidelobe characteristics are less likely to deteriorate, as well as a radar device and vehicle equipped with the same.
  • FIG. 1 is a side view of a microlens array antenna according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. FIG. 4 is a side view of part of a microlens array antenna according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 10A is a plan view and a cross-sectional side view of a microlens array antenna according to a third embodiment of the present invention
  • 4A and 4B are a plan view, a side view, and a front view of a vehicle equipped with a radar device having the microlens array antenna shown in FIG. 3;
  • FIG. 4A is a plan view and a side view of a microlens array antenna according to a fourth embodiment of the present invention; (a) is a cross-sectional view of a microlens array antenna according to a fifth embodiment of the present invention, and (b) is a cross-sectional view of a microlens array antenna according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a side view of a microlens array antenna 1A according to the first embodiment of the invention.
  • the microlens array antenna 1A includes a planar array antenna 3 formed on a substrate 2, a dielectric lens 4 provided above the planar array antenna 3, and dielectric elements vertically erected on the substrate 2 between the dielectric lenses 4. a plate 5; In the planar array antenna 3, each patch antenna 3a constituting the planar antenna is formed on the surface of the substrate 2 at regular intervals in one direction. A ground pattern 6 for applying a reference potential to each patch antenna 3a is formed on the back surface of the substrate 2. As shown in FIG. Each dielectric lens 4 is provided above each patch antenna 3a constituting the planar array antenna 3, and each patch antenna 3a is positioned at the focal position of each dielectric lens 4 provided thereabove.
  • “upward” refers to the direction in which each patch antenna 3a radiates radio waves.
  • each dielectric lens 4 has a fusiform swollen shape on the side opposite to the patch antenna 3a, and is provided for the purpose of condensing radio waves radiated from the patch antenna 3a.
  • the lens shape on the side opposite to the patch antenna 3a bulges into a convex shape.
  • the directivity of the microlens array antenna 1A is controlled by synthesizing the electric power of radio waves received by each patch antenna 3a.
  • dielectric plate 5 is used as a concept that includes thin dielectric films to thick dielectric blocks.
  • the thickness of the dielectric plate 5 generally decreases and becomes film-like. shape.
  • the dielectric lens 4 is radiated at a low elevation angle and is provided above the adjacent patch antenna 3a.
  • the radio wave ⁇ 0 directed toward is reflected by the dielectric plate 5 erected on the substrate 2 between the dielectric lenses 5, as shown in FIG. Therefore, the radio wave ⁇ 0 radiated at a low elevation angle is blocked by the dielectric plate 5 from proceeding to the dielectric lens 4 provided above the adjacent patch antenna 3a.
  • the side of the dielectric lens 4 opposite to the patch antenna 3a is formed into a convex shape as shown in the drawing. Even if the focal length is shortened, the low-elevation-angle radio wave ⁇ 0 directed outside the irradiation range of the dielectric lens 4 above the patch antenna 3a is suppressed. In addition, even if the distance between the dielectric lenses 4 is shortened to reduce the dimension of the microlens array antenna 1A in the extending direction w, each patch antenna 3a does not emit radio waves emitted from adjacent patch antennas 3a. Due to the influence of ⁇ 0 , it becomes difficult for the antenna gain to decrease and the sidelobe characteristics to deteriorate.
  • FIG. 2 is a side view of part of the microlens array antenna 1B according to the second embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are given to the same or corresponding parts as in FIG. 1, and the description thereof will be omitted.
  • the thickness t and the dielectric constant ⁇ of the dielectric plate 5 have the following thickness t and dielectric constant ⁇ . It differs from the lens array antenna 1A. That is, each dielectric plate 5 of the microlens array antenna 1B has a thickness t and a dielectric constant ⁇ such that the phases of the first reflected wave ⁇ 1 and the second reflected wave ⁇ 2 of the radio wave ⁇ 0 are shifted by a predetermined phase. .
  • the first reflected wave ⁇ 1 is a reflected wave in which the radio wave ⁇ 0 emitted from the patch antenna 3a is reflected by one side surface 5a of the dielectric plate 5 facing the patch antenna 3a.
  • the second reflected wave ⁇ 2 is the radio wave ⁇ 0 propagating through the dielectric plate 5 through the one side 5a and reflected by the other side 5b of the dielectric plate 5 opposite to the side 5a. This is a reflected wave appearing in the space on the 5a side.
  • the radio wave ⁇ 0 emitted from the patch antenna 3a is reflected by the side surface 5a of the dielectric plate 5 , the first reflected wave ⁇ 1, and the dielectric Since each phase of the second reflected wave ⁇ 2 reflected by the other side surface 5b of the plate 5 and appearing in the space on the one side surface 5a side is shifted by a predetermined phase, the first reflected wave ⁇ 1 and the phase of the first reflected wave ⁇ 1 are shifted by a predetermined phase.
  • the intensity of the composite wave with the shifted second reflected wave ⁇ 2 is weakened.
  • the phase of the second reflected wave ⁇ 2 is opposite to the phase of the first reflected wave ⁇ 1, the intensity of the combined wave of the first reflected wave ⁇ 1 and the second reflected wave ⁇ 2 is weakened the most.
  • the incident angle ⁇ of the radio wave ⁇ 0 incident on the one side surface 5a is assumed to be 0 ° for simplicity of explanation.
  • the thickness t of the dielectric plate 5 is defined by ⁇ 0 as the wavelength of the radio wave ⁇ 0 propagating in space, ⁇ g as the wavelength of the radio wave ⁇ 0 propagating in the dielectric plate 5 , and the dielectric constant of the dielectric plate 5 as Assuming that ⁇ , it is represented by the following equation (1).
  • t ⁇ g /4 ⁇ 0 /(4 ⁇ 1/2 ) (1)
  • the distance la traveled by the radio wave ⁇ 0 in the dielectric plate 5 from the one side 5a to the other side 5b and the reflection at the other side 5b and the distance lb traveled by the second reflected wave ⁇ 2 in the dielectric plate 5 from the other side surface 5b to the one side surface 5a becomes ⁇ g /2 as expressed by the following equation (2).
  • the phase of the second reflected wave ⁇ 2 appearing on the 5a side is opposite to the phase of the first reflected wave ⁇ 1.
  • the first reflected wave ⁇ 1 reaches the dielectric lens 4 provided above the patch antenna 3a that generates the first reflected wave ⁇ 1. It is possible to reduce the influence of Further, by adjusting the amount of phase shift between the first reflected wave ⁇ 1 and the second reflected wave ⁇ 2, the reflection amount of the component of the first reflected wave ⁇ 1 in a desired direction can be controlled. Therefore, it is possible to effectively reduce the first reflected wave ⁇ 1 of the component in the reflection direction that has a large effect on the dielectric lens 4 provided above the patch antenna 3a that generates the first reflected wave ⁇ 1. . Therefore, it is possible to more effectively prevent the antenna gain of the patch antenna 3a from being lowered.
  • FIG. 3(a) is a plan view of a microlens array antenna 1C according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 3(b) is a cross-sectional side view taken along line AA
  • FIG. 3(c) is line BB. It is a fracture side sectional view.
  • the same reference numerals are given to the same or corresponding parts as in FIG. 1, and the description thereof will be omitted.
  • the planar array antennas 3 are arranged in a plurality of rows and formed adjacent to each other on the substrate 2, and each dielectric lens 4 in the planar array antenna 3 When viewed from the top of the board surface, it is formed in an elliptical shape having a major axis in the long side direction of the illustrated substrate 2 perpendicular to the short side direction of the illustrated substrate 2 on which the rows of the planar array antennas 3 are arranged;
  • the second embodiment is characterized in that at least two or more patch antennas 3a are formed on the substrate 2 in the long axis direction, centering on the focal point c of the dielectric lens 4 and at positions separated from the focal point c by a predetermined distance. It differs from the microlens array antenna 1B in terms of form.
  • a plurality of patch antennas are formed on the substrate 2 in the longitudinal direction of the dielectric lens 4 so as to be offset from the focal point c of the dielectric lens 4. It is possible to control the directivity of the microlens array antenna 1C in the long side direction of the substrate 2 shown in the figure by switching the excitation of the patch antenna 3a or changing the excitation phase of each patch antenna 3a for phase synthesis. In addition, by changing the excitation phase of each of the four patch antennas 3a constituting the planar array antenna 3 arranged in the short side direction of the substrate 2 shown in the figure and synthesizing the directivity, It becomes possible to control the directivity of the microlens array antenna 1C. Therefore, the direction of the radio waves arriving at the microlens array antenna 1C can be calculated from the radio waves received by the microlens array antenna 1C.
  • a radar device 22 having a microlens array antenna 1C is mounted on a vehicle 21, as shown in a plan view in FIG. 4(a), a side view in FIG. 4(b), and a front view in FIG. 4(c).
  • the radar device 22 is arranged in the azimuth direction, which is the azimuth direction of the vehicle 21. It has directivity in the direction and the elevation direction, which is the direction of elevation and depression of the vehicle 21 . Therefore, the beam B emitted from the radar device 22 can be controlled in the azimuth direction shown in FIG. 1(a) and the elevation direction shown in FIG. 1(b). Therefore, it is possible to calculate the directions of the radio waves arriving from the azimuth direction and the elevation direction from the radio waves received by the microlens array antenna 1C.
  • the rightmost planar array antenna 3 in the microlens array antenna 1C is a transmitting antenna Tx, and the planar array antennas 3 on the left of the transmitting antenna Tx are receiving antennas Rx1 and Rx1, respectively. Rx2 and Rx3.
  • the direction of the incoming radio wave is calculated by digital beamforming or the like from the phase difference of the radio waves received by the receiving antennas Rx1, Rx2, and Rx3. Therefore, the directivity of the microlens array antenna 1C can be tilted in the azimuth and elevation directions of the vehicle 21.
  • FIG. 5(a) is a plan view of a microlens array antenna 1D according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 5(b) is a side view. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • each dielectric plate 5 is vertically erected also between the adjacent patch antennas 3a constituting the planar array antennas 3 of each row. is different from the microlens array antenna 1C according to the embodiment of FIG.
  • a radio wave ⁇ 0 radiated at a low elevation angle and directed toward the dielectric lens 4 provided above the patch antenna 3a adjacent in the long-side direction is a dielectric antenna provided upright on the substrate 2 between the dielectric lenses 4 in each row. It is reflected by the body plate 5 as shown in FIG. Therefore, the radio wave ⁇ 0 is blocked by the dielectric plate 5 from proceeding to the dielectric lens 4 provided above the patch antenna 3a adjacent in the long side direction.
  • the dimension of the microlens array antenna 1D in the height direction h can be suppressed by making the dielectric lens 4 convex. Furthermore, even if the distance between the dielectric lenses 4 in the long-side direction of the substrate 2 is shortened to reduce the dimension in the long-side direction of the substrate 2, each patch antenna 3a does not absorb radio waves radiated from adjacent patch antennas 3a. Due to the influence of ⁇ 0 , it becomes difficult for the antenna gain to decrease and the sidelobe characteristics to deteriorate.
  • FIG. 6(a) is a cross-sectional view of a microlens array antenna 1E according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the same reference numerals are given to the same or corresponding parts as those in FIGS. 3 and 5, and the description thereof will be omitted.
  • the microlens array antenna 1E according to the fifth embodiment differs from the microlens array antenna 1E according to the third embodiment in that each dielectric lens 4 is integrally formed with each dielectric plate 5 and fixed on the substrate 2. It differs from the antenna 1C and the microlens array antenna 1D according to the fourth embodiment.
  • the microlens array antenna 1E by fixing the integrated dielectric lenses 4 and dielectric plates 5 on the substrate 2, the microlens array antenna 1E can be Since it can be assembled, the assemblability of the microlens array antenna 1E is improved. Further, since each dielectric lens 4 and each dielectric plate 5 are integrally molded, the cost of the components of the microlens array antenna 1E can be reduced. Therefore, it is possible to provide a low-cost microlens array antenna 1E in which the antenna gain is less likely to decrease and the side lobe characteristics are less likely to deteriorate.
  • each dielectric lens 4 and Each dielectric plate 5 may be configured to be molded integrally. With this configuration, the same effects as those of the microlens array antenna 1E according to the fifth embodiment can be obtained.
  • FIG. 6(b) shows that when the dielectric constants of each dielectric lens 4 and each dielectric plate 5 cannot be the same value, each dielectric plate 5 standing between the patch antennas 3a is separated.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a microlens array antenna 1F according to a sixth embodiment of the present invention, in which only dielectric lenses 4 are integrally formed. In this case, each dielectric plate 5 is supported by a via 5c connected through the substrate 2, and each via 5c is fixed to a dielectric layer 5d formed on the back surface of the substrate 2.
  • FIG. Dielectric layer 5d and via 5c are made of the same material as each dielectric plate 5.
  • the mounting of each dielectric lens 4 on the substrate 2 is facilitated, and the assembly efficiency is improved. can be reduced. Therefore, similarly to the above-described microlens array antenna 1E, the microlens array antenna 1F can be provided at low cost.
  • the dielectric plate 5 may be configured to have a dielectric constant greater than that of the dielectric lens 4.
  • the relative permittivity of the dielectric lens 4 is set to, for example, about 2 to 3
  • the relative permittivity of the dielectric plate 5 is set to, for example, about 8 to 10
  • the patch antenna 3a The radio wave ⁇ 0 emitted from the patch antenna 3a is emitted from the patch antenna 3a by increasing the difference in each dielectric constant between the dielectric plate 5 and the space while securing the entry into the dielectric lens 4 located above it.
  • the amount of reflection of the first reflected wave ⁇ 1 in which the radio wave ⁇ 0 reflected by the side surface 5a of the dielectric plate 5 can be increased. Therefore, the thickness of the dielectric plate 5 erected on the substrate 2 between the dielectric lenses 4 can be reduced. and 1F can be reduced in size.
  • the dielectric plate 5 further reduces a predetermined dielectric loss for converting part of the electrical energy of the radio wave ⁇ 0 emitted from the patch antenna 3a into thermal energy. It may be configured to have a dielectric constant that produces
  • the electric energy of the radio wave ⁇ 0 emitted from the patch antenna 3 a at a low elevation angle is weakened by causing dielectric loss in the dielectric plate 5 . Therefore, the effect of the radio wave ⁇ 0 emitted from the patch antenna 3a at a low elevation angle on the dielectric lens 4 provided above the adjacent patch antenna 3a, and the influence of the radio wave ⁇ 0 emitted above the patch antenna 3a The influence of the reflected waves ⁇ 1 and ⁇ 2 reflected by the dielectric plate 5 on the dielectric lens 4 provided at the bottom is suppressed. Therefore, it is possible to provide the microlens array antennas 1A to 1F that can more effectively prevent the antenna gain of the patch antenna 3a from deteriorating and the sidelobe characteristics from deteriorating.
  • planar antenna is a patch antenna
  • the planar antenna is not limited to this, and may be, for example, a planar antenna such as a meander line antenna formed by bending a conductive wire into a crank shape, or a slot antenna.
  • the number of planar antennas forming the planar array antenna 3 is not limited to the number in each of the above-described embodiments and modifications, and may be two or more.
  • a radar device is provided with the microlens array antennas 1A to 1F or the microlens array antennas 1A to 1F according to the modifications, and the radar device is configured as the radar device 22 shown in FIG. It may be configured to be mounted on the vehicle 21 . According to this configuration, it is possible to provide a radar apparatus and a vehicle equipped with a microlens array antenna that makes it difficult for the antenna gain to decrease and the sidelobe characteristics to deteriorate. In addition, the radar device can be mounted not only on vehicles but also on aircraft, ships, and the like. Even in that case, the same effect as when mounted on a vehicle can be obtained.
  • Microlens array antenna 2 ... Substrate 3... Planar array antenna 3a... Patch antenna (flat antenna) 4 Dielectric lens 5 Dielectric plate 5a One side 5b Other side 5c Via 5d Dielectric layer 6 Ground pattern 21 Vehicle 22 Radar device c Focus

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Abstract

アンテナ利得が低下したり、サイドローブ特性が劣化し難くなるマイクロレンズアレーアンテナ、並びにそれを備えるレーダ装置および車両を提供する。マイクロレンズアレーアンテナ１Ａは、基板２上に形成された平面アレーアンテナ３と、その上方に設けられた誘電体レンズ４と、各誘電体レンズ４間の基板２に垂直に立設された誘電体板５とを備える。各誘電体レンズ４は、平面アレーアンテナ３を構成する各パッチアンテナ３ａの上方に設けられる。各パッチアンテナ３ａから放射される電波のうち、低仰角に放射されて、隣接するパッチアンテナ３ａの上方に設けられた誘電体レンズ４に向かう電波α０は、各誘電体レンズ５間の基板２に立設された誘電体板５で反射する。

Description

マイクロレンズアレーアンテナ並びにそれを備えたレーダ装置および車両
　本発明は、平面アレーアンテナの上方に誘電体レンズが設けられるマイクロレンズアレーアンテナ、並びに、それを備えたレーダ装置および車両に関するものである。
　従来、この種のアレーアンテナとしては、例えば、非特許文献１に開示されたものがある。このアレーアンテナは、同文献のFig.２に示されるように、マイクロストリップアンテナの上方にホーンアンテナが並べられてアレー化され、各ホーンアンテナの開口部に誘電体レンズが装着される。
"Horn and Lens Antenna with Low Hight and Low Antenna Coupling for Compact Automotive 77-GHz Long-Range Rader"IEICE TRANS. ELECTRON., VOL.E103-C, NO.10 OCTOBER 2020（日立製作所）
　しかしながら、非特許文献１に開示された上記従来のアレーアンテナは、誘電体レンズの外周縁部とホーンの開口端の内周縁部との隙間から、アンテナが放射する電波が漏れる。この電波の漏れが波源となって隣接するアンテナに影響を及ぼし、ホーンアンテナのサイドローブ特性が低下する。また、上記従来のアレーアンテナは、開口面上での位相を合わせるために開口径Ｄに対してホーン高さＨを低くすることができない。また、高さＨを低くしようとすると、誘電体レンズ部のアンテナと反対側が凸形状になるため、隣の誘電体レンズのブロッキングにより、サイドローブ特性やアンテナ利得が犠牲になる。
　本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、
基板上に形成された平面アレーアンテナと、
平面アレーアンテナを構成する各平面アンテナの上方に設けられた誘電体レンズと、
各誘電体レンズ間の基板に立設された誘電体板と
を備えて、マイクロレンズアレーアンテナを構成した。
　本構成によれば、各平面アンテナから放射される電波のうち、低仰角に放射されて、隣接する平面アンテナの上方に設けられた誘電体レンズに向かう電波は、各誘電体レンズ間の基板に立設された誘電体板で反射する。したがって、低仰角に放射される電波は、隣接する平面アンテナの上方に設けられた誘電体レンズへの進行が、誘電体板でブロックされる。このため、マイクロレンズアレーアンテナの高さ方向の寸法を抑制するために、誘電体レンズの平面アンテナと反対側を凸形状にして誘電体レンズの焦点距離を短くしても、平面アンテナのその上方にある誘電体レンズへの照射範囲外に向かう、低仰角の電波が抑圧される。その結果、誘電体レンズの平面アンテナと反対側を凸形状にして誘電体レンズの焦点距離を短くして、マイクロレンズアレーアンテナの高さ方向の寸法を抑制しても、各平面アンテナは、隣接する平面アンテナから放射される電波の影響を受けて、アンテナ利得が低下したり、サイドローブ特性が劣化し難くなる。
　また、本発明は、上記に記載のマイクロレンズアレーアンテナを備えるレーダ装置、および、そのレーダ装置を備える車両を構成した。
　本発明によれば、アンテナ利得が低下したり、サイドローブ特性が劣化し難くなるマイクロレンズアレーアンテナ、並びにそれを備えるレーダ装置および車両を提供することができる。
本発明の第１の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナの側面図である。 本発明の第２の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナの一部の側面図である。 本発明の第３の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナの平面図および側断面図である。 図３に示すマイクロレンズアレーアンテナを備えるレーダ装置を搭載する車両の平面図、側面図および正面図である。 本発明の第４の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナの平面図および側面図である。 （ａ）は、本発明の第５の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナの横断面図、（ｂ）は、本発明の第６の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナの横断面図である。
　次に、本発明のマイクロレンズアレーアンテナ並びにそれを備えたレーダ装置および車両を実施するための形態について、説明する。
　図１は、本発明の第１の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ａの側面図である。
　マイクロレンズアレーアンテナ１Ａは、基板２上に形成された平面アレーアンテナ３と、その上方に設けられた誘電体レンズ４と、各誘電体レンズ４間の基板２に垂直に立設された誘電体板５とを備える。平面アレーアンテナ３は、平面アンテナを構成する各パッチアンテナ３ａが基板２の表面に一方向に一定間隔をあけて形成されている。基板２の裏面には、各パッチアンテナ３ａに基準電位を与えるグランドパターン６が形成されている。各誘電体レンズ４は、平面アレーアンテナ３を構成する各パッチアンテナ３ａの上方に設けられ、各パッチアンテナ３ａはその上方に設けられた各誘電体レンズ４の焦点位置に位置する。ここでいう上方とは、各パッチアンテナ３ａが電波を放射する方向をいう。
　本実施形態では、各誘電体レンズ４は、パッチアンテナ３ａと反対側が紡錘形に膨出した形状をしており、パッチアンテナ３ａから放射される電波を集光させる目的で設けられる。これら誘電体レンズ４は、焦点距離を短くして低仰角に放射される電波α０を制御するためには、パッチアンテナ３ａと反対側のレンズ形状が膨出して凸形状になっていく。マイクロレンズアレーアンテナ１Ａは、各パッチアンテナ３ａにて受信される電波の電力が合成されて、その指向性が制御される。
　なお、本明細書では、誘電体板５との用語は、厚みの薄い誘電体フィルムから厚みの厚い誘電体ブロックを含む概念として、使用する。パッチアンテナ３ａの出射する電波の周波数が高くなると、一般的に誘電体板５の厚みは薄くなってフィルム状になり、周波数が低くなると、一般的に誘電体板５の厚みは厚くなってブロック状になる。
　このような本実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ａによれば、各パッチアンテナ３ａから放射される電波のうち、低仰角に放射されて、隣接するパッチアンテナ３ａの上方に設けられた誘電体レンズ４に向かう電波α０は、同図に図示するように、各誘電体レンズ５間の基板２に立設された誘電体板５で反射する。したがって、低仰角に放射される電波α０は、隣接するパッチアンテナ３ａの上方に設けられた誘電体レンズ４への進行が、誘電体板５でブロックされる。
　このため、マイクロレンズアレーアンテナ１Ａの高さ方向ｈの寸法を抑制するために、誘電体レンズ４のパッチアンテナ３ａと反対側を図示するように膨出する凸形状にして、誘電体レンズ４の焦点距離を短くしても、パッチアンテナ３ａのその上方にある誘電体レンズ４への照射範囲外に向かう、低仰角の電波α０が抑圧される。その上、さらに、各誘電体レンズ４間の距離を詰めてマイクロレンズアレーアンテナ１Ａの延在方向ｗの寸法を小さくしても、各パッチアンテナ３ａは、隣接するパッチアンテナ３ａから放射される電波α０の影響を受けて、アンテナ利得が低下したり、サイドローブ特性が劣化し難くなる。
　図２は、本発明の第２の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｂの一部の側面図である。同図において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
　第２の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｂは、誘電体板５が有する厚みｔおよび誘電率εが次のような厚みｔおよび誘電率εを有する点で、上記の第１の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ａと相違する。すなわち、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｂの各誘電体板５は、電波α０の第１反射波α１と第２反射波α２との各位相が所定の位相分ずれる厚みｔおよび誘電率εを有する。第１反射波α１は、パッチアンテナ３ａから出射された電波α０が、当該パッチアンテナ３ａに面する誘電体板５の一側面５ａで反射する反射波である。第２反射波α２は、一側面５ａを通って誘電体板５の中を伝播する電波α０が、一側面５ａと反対側の誘電体板５の他側面５ｂで反射して、一側面５ａ側の空間に出現する反射波である。
　このような第２の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｂによれば、パッチアンテナ３ａから出射された電波α０が誘電体板５の一側面５ａで反射する第１反射波α１と、誘電体板５の他側面５ｂで反射して一側面５ａ側の空間に出現する第２反射波α２との各位相が所定の位相分ずれるので、第１反射波α１と、所定の位相分位相がずれた第２反射波α２との合成波の強度は弱められる。特に、第２反射波α２の位相が第１反射波α１の位相と逆相になると、第１反射波α１と第２反射波α２との合成波の強度は最も弱められる。
　第２反射波α２の位相を第１反射波α１の位相と逆相にするためには、一側面５ａに入射する電波α０の入射角度θを説明の簡略化のために０°とすると、誘電体板５の厚みｔは、空間を伝播する電波α０の波長をλ０、誘電体板５の中を伝播する電波α０の波長をλｇ、誘電体板５の誘電率をεとすると、次の（１）式に表される。
ｔ≒λｇ／４＝λ０／（４・ε１／２）　…（１）
　誘電体板５がこの（１）式に表される厚みｔを有すると、一側面５ａから他側面５ｂまでの誘電体板５中を電波α０が進む距離ｌａと、他側面５ｂで反射して他側面５ｂから一側面５ａまでの誘電体板５中を第２反射波α２が進む距離ｌｂとの和が次の（２）式に表されるようにλｇ／２となり、一側面５ａ側に現れる第２反射波α２の位相が第１反射波α１の位相と逆相になる。
ｌａ＋ｌｂ＝λｇ／４＋λｇ／４＝λｇ／２　…（２）
　したがって、誘電体板５が有する厚みｔおよび誘電率εを調整することで、第１反射波α１を生む当該パッチアンテナ３ａの上方に設けられた誘電体レンズ４に第１反射波α１が及ぼす影響を低減することができる。また、第１反射波α１と第２反射波α２との各位相がずれる量を調節することで、第１反射波α１の所望の方向の成分の反射量を制御することができる。したがって、第１反射波α１を生む当該パッチアンテナ３ａの上方に設けられた誘電体レンズ４に及ぼす影響が大きい反射方向の成分の第１反射波α１を、効果的に低減することができる。このため、パッチアンテナ３ａのアンテナ利得の低下をより効果的に防ぐことができる。
　図３（ａ）は、本発明の第３の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｃの平面図、図３（ｂ）はＡ－Ａ線破断側断面図、図３（ｃ）はＢ－Ｂ線破断側断面図である。同図において図１と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
　第３の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｃは、平面アレーアンテナ３が複数列に並んで基板２上に隣接して形成される点、平面アレーアンテナ３における各誘電体レンズ４が、基板２の盤面を平面視したときに、平面アレーアンテナ３の列が並べられる図示する基板２の短辺方向と直交する図示する基板２の長辺方向に長軸を有する楕円形状に形成される点、および、各パッチアンテナ３ａが、前記長軸方向における基板２上で誘電体レンズ４の焦点ｃを中心に、焦点ｃから所定距離離れた位置に少なくとも２つ以上形成される点が、第２の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｂと相違する。
　このような第３の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｃによれば、誘電体レンズ４の長軸方向における基板２上に、誘電体レンズ４の焦点ｃからオフセットして複数形成された各パッチアンテナ３ａの励振を切り換えたり、各パッチアンテナ３ａの励振位相を変えて位相合成することで、図示する基板２の長辺方向にマイクロレンズアレーアンテナ１Ｃの指向性を制御することが可能になる。また、図示する基板２の短辺方向に並ぶ、平面アレーアンテナ３を構成する４つの各パッチアンテナ３ａのそれぞれの励振位相を変えて指向性合成することで、図示する基板２の短辺方向にマイクロレンズアレーアンテナ１Ｃの指向性を制御することが可能になる。このため、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｃに到来する電波の方向を、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｃに受信される電波から算出することが可能になる。
　例えば、図４（ａ）に平面図、図４（ｂ）に側面図、図４（ｃ）に正面図を示す車両２１のように、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｃを備えるレーダ装置２２を車両２１の前方に備え、基板２の短辺方向を車両２１の高さ方向、基板２の長辺方向を車両２１の幅方向に設定することで、レーダ装置２２は、車両２１の方位角方向であるアジマス方向および車両２１の仰俯角方向であるエレベーション方向に指向性を持つようになる。このため、レーダ装置２２から出射されるビームＢは、同図（ａ）に示すアジマス方向や、同図（ｂ）に示すエレベーション方向に制御可能になる。このため、アジマス方向およびエレベーション方向から到来する電波の方向を、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｃに受信される電波から算出することが可能になる。
　この際、同図（ｃ）に示すように、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｃにおける最右列の平面アレーアンテナ３が送信アンテナＴｘ、送信アンテナＴｘの左列にある各平面アレーアンテナ３が受信アンテナＲx1，Ｒx2，Ｒx3とされる。到来する電波の方向は、受信アンテナＲx1，Ｒx2，Ｒx3に受信される電波の位相差からデジタルビームフォーミング等によって算出される。したがって、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｃの指向性は、車両２１のアジマス方向およびエレベーション方向にチルト可能になる。
　図５（ａ）は、本発明の第４の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｄの平面図、図５（ｂ）は側面図である。同図において図１および図３と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
　第４の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｄは、各誘電体板５が、隣接する、各列の平面アレーアンテナ３を構成するパッチアンテナ３ａ間にも垂直に立設される点が、第３の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｃと相違する。
　このような第４の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｄによれば、基板２の長辺方向において隣接するパッチアンテナ３ａ間においても、基板２の短辺方向の各パッチアンテナ３ａ間と同様に、低仰角に放射されて、長辺方向で隣接するパッチアンテナ３ａの上方に設けられた誘電体レンズ４に向かう電波α０は、各列における誘電体レンズ４間の基板２に立設された誘電体板５で、図１に示すように反射する。したがって、電波α０は、長辺方向で隣接するパッチアンテナ３ａの上方に設けられた誘電体レンズ４への進行が、誘電体板５でブロックされる。
　このため、平面アレーアンテナ３が複数列に並んで形成されるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｄにおいても、誘電体レンズ４を凸形状にしてマイクロレンズアレーアンテナ１Ｄの高さ方向ｈの寸法を抑制できる。さらに、基板２の長辺方向における各誘電体レンズ４間の距離を詰めて基板２の長辺方向の寸法を小さくしても、各パッチアンテナ３ａは、隣接するパッチアンテナ３ａから放射される電波α０の影響を受けて、アンテナ利得が低下したり、サイドローブ特性が劣化し難くなる。
　図６（ａ）は、本発明の第５の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｅの横断面図である。図６において図３および図５と同一または相当する部分には同一符号を付してその説明は省略する。
　第５の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｅは、各誘電体レンズ４が、各誘電体板５と共に一体に形成されて基板２上に固定される点が、第３の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｃおよび第４の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｄと相違する。
　このような第５の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｅによれば、一体化された各誘電体レンズ４と各誘電体板５とを基板２上に固定することで、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｅを組み立てることができるので、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｅの組立性が向上する。また、各誘電体レンズ４と各誘電体板５とが一体に成型されることで、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｅの構成部品の原価を低減することができる。このため、アンテナ利得が低下したり、サイドローブ特性が劣化し難くなるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｅを安価に提供することができる。なお、第１の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ａおよび第２の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｂにおいても、この第５の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｅと同様に、各誘電体レンズ４と各誘電体板５とが一体に成型されるように構成してもよい。その構成によれば、第５の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｅと同様な作用効果が奏される。
　図６（ｂ）は、各誘電体レンズ４と各誘電体板５との誘電率を同じ値にすることができないときに、パッチアンテナ３ａ間に立設される各誘電体板５とは分離して各誘電体レンズ４だけが一体に形成された、本発明の第６の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｆの横断面図である。この場合、各誘電体板５は、基板２を貫通して連結されるビア５ｃよって支持され、各ビア５ｃは、基板２の裏面に形成された誘電体層５ｄに固定される。誘電体層５ｄおよびビア５ｃは各誘電体板５と同じ材料で形成される。
　このような第６の実施形態によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ｆによれば、各誘電体レンズ４の基板２への取り付けが容易になってその組立性が向上し、また、誘電体レンズ４の部品単価を低減することができる。したがって、上記のマイクロレンズアレーアンテナ１Ｅと同様に、マイクロレンズアレーアンテナ１Ｆを安価に提供することができる。
　なお、上記の各マイクロレンズアレーアンテナ１Ａ～１Ｄおよび１Ｆにおいて、誘電体板５は、誘電体レンズ４の誘電率よりも大きな誘電率を有するように構成してもよい。
　本構成の変形例によれば、誘電体レンズ４の比誘電率の大きさを例えば２～３程度、誘電体板５の比誘電率の大きさを例えば８～１０程度にして、パッチアンテナ３ａから出射される電波α０の、その上方にある誘電体レンズ４内への進入を確保しながら、誘電体板５と空間との各誘電率の差を大きくして、パッチアンテナ３ａから出射される電波α０が誘電体板５の一側面５ａで反射する第１反射波α１の反射量を多くすることができる。したがって、誘電体レンズ４間の基板２に立設される誘電体板５の厚みを薄くすることができ、このため、誘電体レンズ４間の隙間を小さくして、マイクロレンズアレーアンテナ１Ａ～１Ｄおよび１Ｆの外形寸法を小さくすることができる。
　また、上記の各マイクロレンズアレーアンテナ１Ａ～１Ｆにおいて、誘電体板５は、さらに、パッチアンテナ３ａから出射された電波α０が持つ電気エネルギーの一部を熱エネルギーに変換する所定の誘電損を生じさせる誘電率を有するように構成してもよい。
　本構成の変形例によれば、パッチアンテナ３ａから低仰角で出射される電波α０は、誘電体板５で誘電損を生じさせることで、その電気エネルギーが弱められる。したがって、パッチアンテナ３ａから低仰角で出射される電波α０が、隣接するパッチアンテナ３ａの上方に設けられた誘電体レンズ４に及ぼす影響、および、その電波α０を出射したパッチアンテナ３ａの上方に設けられた誘電体レンズ４に誘電体板５で反射した反射波α１，α２が及ぼす影響が抑制される。このため、パッチアンテナ３ａのアンテナ利得の低下、および、サイドローブ特性の劣化をより効果的に防ぐことができるマイクロレンズアレーアンテナ１Ａ～１Ｆを提供することができる。
　また、上記の各実施形態および各変形例においては、平面アンテナをパッチアンテナとした場合について、説明した。しかし、平面アンテナはこれに限定されることは無く、例えば、導線を折り曲げてクランク状にしたメアンダライン・アンテナや、スロットアンテナなどの平面アンテナであってもよい。また、平面アレーアンテナ３を構成する平面アンテナの個数も、上記の各実施形態および変形例における個数に限定されることは無く、２個以上であればよい。
　上記の各マイクロレンズアレーアンテナ１Ａ～１Ｆ、または上記の各変形例によるマイクロレンズアレーアンテナ１Ａ～１Ｆをレーダ装置に備えるようにして、そのレーダ装置を、図４に示したレーダ装置２２のように車両２１に搭載するように構成してもよい。この構成によれば、アンテナ利得が低下したり、サイドローブ特性が劣化したりし難くなるマイクロレンズアレーアンテナを備えるレーダ装置および車両を提供することができる。また、そのレーダ装置は、車両に限らず、航空機や船舶等にも同様にして搭載することができる。その場合においても、車両に搭載された場合と同様な作用効果が奏される。
　１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ…マイクロレンズアレーアンテナ
　２…基板
　３…平面アレーアンテナ
　３ａ…パッチアンテナ（平面アンテナ）
　４…誘電体レンズ
　５…誘電体板
　５ａ…一側面
　５ｂ…他側面
　５ｃ…ビア
　５ｄ…誘電体層
　６…グランドパターン
　２１…車両
　２２…レーダ装置
　ｃ…焦点

Claims (9)

  1. 　基板上に形成された平面アレーアンテナと、
    　前記平面アレーアンテナを構成する各平面アンテナの上方に設けられた誘電体レンズと、
    　各前記誘電体レンズ間の前記基板に立設された誘電体板と
    　を備えるマイクロレンズアレーアンテナ。
  2. 　前記誘電体板は、前記平面アンテナから出射された電波が、当該前記平面アンテナに面する前記誘電体板の一側面で反射する第１反射波と、前記一側面を通って前記誘電体板の中を伝播する前記電波が前記一側面と反対側の前記誘電体板の他側面で反射して前記一側面側の空間に出現する第２反射波との各位相が所定の位相分ずれる厚みおよび誘電率を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズアレーアンテナ。
  3. 　前記平面アレーアンテナは複数列に並んで前記基板上に隣接して形成され、
    　前記誘電体レンズは、前記基板の盤面を平面視したときに、前記平面アレーアンテナの列が並べられる方向と直交する方向に長軸を有する楕円形状に形成され、
    　前記平面アンテナは、前記長軸方向における前記基板上で前記誘電体レンズの焦点を中心に当該焦点から所定距離離れた位置に複数形成される
    　ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のマイクロレンズアレーアンテナ。
  4. 　前記誘電体板は、隣接する、各列の前記平面アレーアンテナを構成する前記平面アンテナ間にも立設されることを特徴とする請求項３に記載のマイクロレンズアレーアンテナ。
  5. 　各前記誘電体レンズは、各前記誘電体板と共に一体に構成されて前記基板上に固定されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレーアンテナ。
  6. 　前記誘電体板は、前記誘電体レンズの誘電率よりも大きな誘電率を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレーアンテナ。
  7. 　前記誘電体板は、前記平面アンテナから出射された電波が持つ電気エネルギーの一部を熱エネルギーに変換する所定の誘電損を生じさせる誘電率を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレーアンテナ。
  8. 　請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のマイクロレンズアレーアンテナを備えるレーダ装置。
  9. 　請求項８に記載のレーダ装置を備える車両。
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