JP2007074206A - Microstrip array antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、自動車搭載用レーダをはじめとする各種電波センサの送信および受信アンテナに用いることができる誘電体基板を用いた平面アレーアンテナに関する。 The present invention relates to a planar array antenna using a dielectric substrate that can be used for transmission and reception antennas of various radio wave sensors such as automobile-mounted radars.
近年、大容量高速通信や自動車レーダなどに用いられるミリ波アンテナの開発が進められている。各種ミリ波アンテナのうちマイクロストリップアレーアンテナ(以下、「MSAA」と略記することがある)は、低コスト、薄型化に有利である。 In recent years, millimeter-wave antennas used for high-capacity high-speed communication and automobile radar have been developed. Among various millimeter-wave antennas, a microstrip array antenna (hereinafter sometimes abbreviated as “MSAA”) is advantageous for low cost and thinning.
従来、主線路(給電ストリップ線路)に対し左右交互配列のMSAAは、右側アンテナ素子列と左側アンテナ素子列とで、同じ放射量、同じ放射位相で構成されていたため、アンテナの列数が少ないときには、放射量分布の自由度が少なく、指向性制御が困難であった。 Conventionally, the MSAA in the left and right alternate arrangement with respect to the main line (feeding strip line) is configured with the same radiation amount and the same radiation phase in the right antenna element row and the left antenna element row, so when the number of antenna rows is small Because of the low degree of freedom in the radiation distribution, directivity control was difficult.
それでも指向性を制御するためには、放射量分布の自由度を大きくするために、アンテナの列数を増やすしかなく、アンテナが大型化されてしまうという欠点があった。
特許文献1その他のマイクロストリップアレーアンテナにおいては、アレーアンテナの列数が少ないとき、各列に与える放射量および放射位相の自由度が小さいので、実現可能な指向性パターンに制限が生じてしまうという問題がある。即ち、各アンテナ素子列を構成する放射アンテナ素子の数を多くすれば、給電ストリップ線路方向のビーム幅を容易に絞ることができ、アンテナ素子列の列数を多くすれば、給電ストリップ線路と垂直方向のビーム幅を容易に絞ることができる。すると、アンテナ素子列の列数が2又は3の場合は、給電ストリップ線路と垂直方向のビーム幅が広いマイクロストリップアレーアンテナ(平面アンテナ)となる。 In Patent Document 1 and other microstrip array antennas, when the number of columns of the array antenna is small, the radiation amount given to each column and the degree of freedom of the radiation phase are small, which limits the feasible directivity pattern. There's a problem. That is, if the number of radiating antenna elements constituting each antenna element row is increased, the beam width in the direction of the feed strip line can be easily reduced, and if the number of antenna element rows is increased, the beam strip is perpendicular to the feed strip line. The beam width in the direction can be easily reduced. Then, when the number of antenna element rows is 2 or 3, a microstrip array antenna (planar antenna) having a wide beam width in the direction perpendicular to the feeding strip line is obtained.
上記の問題点は具体的には次の通りである。特許文献1の図1の構成をサブアレーとし、たとえば、給電点から2分岐された2つのサブアレーから成るMSAAについて考える。 The above problems are specifically as follows. The configuration shown in FIG. 1 of Patent Document 1 is assumed to be a subarray, and for example, an MSAA including two subarrays branched from a feeding point is considered.
第1の問題点として、各々のサブアレーが、給電ストリップ線路の両側に接続されたアンテナ素子列のいずれもが実質的に対称な放射電界を持つ、即ち対称サブアレーであるとすると、給電ストリップ線路の長手方向と直交する方向(給電ストリップ線路を鉛直に配置した場合、水平面内)の指向性パターンにおけるサイドローブレベルが大きい(たとえば−11dB程度)といった問題があった。 The first problem is that if each subarray has a substantially symmetrical radiated electric field, that is, if both of the antenna element arrays connected to both sides of the feed stripline are symmetric subarrays, There is a problem that the side lobe level in the directivity pattern in the direction orthogonal to the longitudinal direction (in the horizontal plane when the feeding strip line is arranged vertically) is large (for example, about -11 dB).
この問題点が発生する技術的理由としては、給電ストリップ線路を中心としてその両側に配置されたアンテナ素子列の放射振幅レベルが等しいことを前提としてサブアレーを設計することが通常であるためである。このため、給電ストリップ線路の長手方向と直交する面内の振幅分布は2つのサブアレーの合計4つのアンテナ素子列により「一様」の振幅分布が形成され、サイドローブを低減するのに効果がある、中央で高く外側で低い「テーパー様」の振幅分布を実現できなかったためである。 The technical reason for this problem is that the subarray is usually designed on the assumption that the radiation amplitude levels of the antenna element arrays arranged on both sides of the feeding strip line are equal. For this reason, the amplitude distribution in the plane orthogonal to the longitudinal direction of the feed strip line is formed as a “uniform” amplitude distribution by a total of four antenna element arrays of two subarrays, which is effective in reducing side lobes. This is because a “taper-like” amplitude distribution that is high at the center and low at the outside cannot be realized.
第2の問題点として、2つのサブアレーから成るマイクロストリップアレーアンテナにおいて、給電ストリップ線路の長手方向と直交する面内の指向性パターンにおける主ビームの方向を、平面アンテナの法線方向から上記面内で傾けようとした場合、正面ビームの場合に存在していたサイドローブレベル(たとえば−11dB)が著しく増大する(例えば−2〜−3dBとなる)問題があった。 As a second problem, in the microstrip array antenna composed of two subarrays, the direction of the main beam in the directivity pattern in the plane perpendicular to the longitudinal direction of the feed strip line is changed from the normal direction of the planar antenna to the above-mentioned plane. When trying to tilt, the side lobe level (for example, -11 dB) existing in the case of the front beam is remarkably increased (for example, becomes -2 to -3 dB).
その問題点が発生する技術的理由も、給電ストリップ線路を中心としてその両側に配置されたアンテナ素子列の放射位相が等しいことを前提としてサブアレーを設計することが通常であるためである。このため、給電ストリップ線路が2本の場合、分岐点の位置による2つの給電ストリップ線路間の位相差(正確には、2つのサブアレーの各々最も分岐点に近い放射アンテナ素子と、分岐点までの伝送距離)のみで制御され、水平方向の位相分布は一部階段状となり「一定勾配分布」を実現できなかったためである。 The technical reason for the problem is that the subarray is usually designed on the assumption that the radiation phases of the antenna element arrays arranged on both sides of the feeding strip line are equal. For this reason, when there are two feed strip lines, the phase difference between the two feed strip lines depending on the position of the branch point (more precisely, the radiating antenna element closest to the branch point of each of the two sub-arrays and the branch point) This is because the horizontal phase distribution is partly stepped and the “constant gradient distribution” cannot be realized.
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、マイクロストリップアレーアンテナにおいて、給電ストリップ線路の長手方向の垂直方向に対するサイドローブを、簡易な構成で低減することである。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to reduce the side lobes with respect to the vertical direction of the longitudinal direction of the feed strip line in a microstrip array antenna with a simple configuration. .
上記の課題を解決するため、請求項1に記載の手段は、背面に導体の接地板が形成された誘電体基板と、その誘電体基板上に形成されたストリップ導体とから形成されたマイクロストリップアレーアンテナにおいて、ストリップ導体は、線状に配設された給電ストリップ線路と、給電ストリップ線路の両側辺のうち少なくとも一方の側辺に沿って所定間隔で、その側辺から接続配列された複数の短冊形状の放射アンテナ素子とから成る、複数個のサブアレーと、当該複数個のサブアレーに1個の給電点から給電するための分岐線路とを有し、各サブアレーの給電ストリップ線路の長手方向は互いに平行であって、外周に位置する2つのサブアレーは、給電ストリップ線路の一方のみの側辺に放射アンテナ素子が接続されており、他のサブアレーは、給電ストリップ線路の両辺に、放射アンテナ素子が順に交互に接続されており、全ての放射アンテナ素子の放射する電界方向が平行であることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the means according to claim 1 is a microstrip formed of a dielectric substrate having a conductor ground plate formed on the back surface and a strip conductor formed on the dielectric substrate. In the array antenna, the strip conductor includes a plurality of linearly arranged feed strip lines and a plurality of connection strips arranged from the sides at predetermined intervals along at least one side of both sides of the feed strip line. A plurality of subarrays each formed of a strip-shaped radiating antenna element, and a branch line for feeding power to the plurality of subarrays from one feeding point. The longitudinal directions of the feeding striplines of each subarray are mutually The two subarrays that are parallel and located on the outer periphery are connected to the radiating antenna element on only one side of the feed strip line, and the other subarray. Is both sides of the feeding strip line, radiating and antenna elements are sequentially connected alternately, wherein the electric field direction of emission of all the radiating antenna element is parallel.
また、請求項2に記載の手段は、外周に位置するサブアレーの放射アンテナ素子の放射端は、放射アンテナ素子の接続された給電ストリップ線路からマイクロストリップアレーアンテナの内側に向かって形成されていることを特徴とする。 According to the second aspect of the present invention, the radiating end of the radiating antenna element of the sub-array located on the outer periphery is formed from the feed strip line connected to the radiating antenna element toward the inside of the microstrip array antenna. It is characterized by.
給電ストリップ線路の長手方向の垂直方向の振幅分布あるいは位相分布の与え方の自由度は、給電線路の本数で制限されている。本発明によれば、放射アンテナ素子の全体の数は同じとしながら、給電線路の本数を増すことができ、振幅分布および位相分布を独立に制御できる自由度が向上する。これを利用し、(1)主ビームが正面(平面アンテナの法線方向)の場合、振幅分布を山形(テーパー様)の分布とすることで、サイドローブが低減でき、また、(2)主ビームを傾けた場合、位相分布を一定勾配の直線分布に近づけることで、サイドローブが低減できる。 The degree of freedom in giving the vertical amplitude distribution or phase distribution of the feed strip line is limited by the number of feed lines. According to the present invention, it is possible to increase the number of feed lines while keeping the total number of radiating antenna elements the same, and the degree of freedom of independently controlling the amplitude distribution and the phase distribution is improved. Using this, (1) when the main beam is front (normal direction of the planar antenna), the side lobe can be reduced by making the amplitude distribution into a mountain-shaped (taper-like) distribution, and (2) the main beam When the beam is tilted, the side lobes can be reduced by bringing the phase distribution closer to a linear distribution with a constant gradient.
このように本発明によれば、従来技術に比べサイドローブが低減できる。その効果は、(1)主ビームが正面の場合(振幅分布のテーパー化)のみならず、(2)主ビームが傾けられた場合(位相分布の直線化)も得られる。 Thus, according to the present invention, side lobes can be reduced as compared with the prior art. The effect is obtained not only when (1) the main beam is front (tapering of the amplitude distribution) but also (2) when the main beam is tilted (linearization of the phase distribution).
以下、図面を参照しながら本発明の具体例について説明する。尚、各図は本発明の特徴部分の概略を示しているに留まり、接続点の位置、各放射アンテナ素子の幅等は適宜周知の設計事例に基づいて設計されるべきものである。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. Each figure only shows the outline of the characteristic part of the present invention, and the position of the connection point, the width of each radiating antenna element, and the like should be designed based on known design examples as appropriate.
図1.Aは本発明の具体的な実施例に係るマイクロストリップアレーアンテナ100の構成を示す平面図である。また、図1.Bはその側面図である。一方図2.Aは従来構造のマイクロストリップアレーアンテナ900の構成を示す平面図であり、図2.Bはその側面図である。 FIG. A is a plan view showing a configuration of a microstrip array antenna 100 according to a specific embodiment of the present invention. In addition, FIG. B is a side view thereof. On the other hand, FIG. FIG. 2A is a plan view showing a configuration of a microstrip array antenna 900 having a conventional structure, and FIG. B is a side view thereof.
図1の本発明に係るマイクロストリップアレーアンテナ100は、誘電体基板1の表面に、ストリップ導体2が形成され、裏面に導体から成る接地板3が形成されている。ストリップ導体2は、給電点20を有する3分岐の分岐線路40、分岐線路40に接続された給電ストリップ線路41、42及び43、合計28個の放射アンテナ素子から成る。放射アンテナ素子5−61乃至5−67は給電ストリップ線路41に接続されている。放射アンテナ素子5−71乃至5−77並びに5−81乃至5−87は給電ストリップ線路42に接続されている。放射アンテナ素子5−91乃至5−97は給電ストリップ線路43に接続されている。28個の放射アンテナ素子は短冊状(矩形状)であり、給電ストリップ線路41、42及び43に直接接続されている。尚、放射アンテナ素子5−ijについて、i毎に括って「アンテナ素子列i」と呼ぶ。 In the microstrip array antenna 100 according to the present invention shown in FIG. 1, a strip conductor 2 is formed on the surface of a dielectric substrate 1, and a ground plate 3 made of a conductor is formed on the back surface. The strip conductor 2 includes a three-branch branch line 40 having a feed point 20, feed strip lines 41, 42 and 43 connected to the branch line 40, and a total of 28 radiating antenna elements. The radiating antenna elements 5-61 to 5-67 are connected to the feed strip line 41. The radiating antenna elements 5-71 to 5-77 and 5-81 to 5-87 are connected to the feeding strip line 42. The radiating antenna elements 5-91 to 5-97 are connected to the feed strip line 43. The 28 radiation antenna elements have a strip shape (rectangular shape) and are directly connected to the feeding strip lines 41, 42 and 43. The radiation antenna element 5-ij is collectively referred to as “antenna element array i” for each i.
詳細には、3分岐の分岐線路40に対し、中央に給電ストリップ線路42が接続され、分岐線路40の両端に給電ストリップ線路41及び43が接続されている。線状の給電ストリップ線路41、42及び43は互いに平行である。給電ストリップ線路41に接続された放射アンテナ素子5−61乃至67は、その放射端が給電ストリップ線路42の側に向いている。給電ストリップ線路42に接続された放射アンテナ素子5−71乃至77は、その放射端が給電ストリップ線路41の側に向いており、放射アンテナ素子5−81乃至87は、その放射端が給電ストリップ線路43の側に向いている。給電ストリップ線路43に接続された放射アンテナ素子5−91乃至97は、その放射端が給電ストリップ線路42の側に向いている。給電ストリップ線路41と放射アンテナ素子5−61乃至67がサブアレーSA1を構成し、給電ストリップ線路42と放射アンテナ素子5−71乃至77並びに5−81乃至87がサブアレーSA2を構成し、給電ストリップ線路43と放射アンテナ素子5−91乃至97がサブアレーSA3を構成している。 Specifically, a feeding strip line 42 is connected to the center of the three-branching branch line 40, and feeding strip lines 41 and 43 are connected to both ends of the branch line 40. The linear feed strip lines 41, 42 and 43 are parallel to each other. The radiating antenna elements 5-61 to 67 connected to the feeding strip line 41 have their radiating ends facing the feeding strip line 42 side. The radiating antenna elements 5-71 to 77 connected to the feeding strip line 42 have their radiating ends facing the feeding strip line 41, and the radiating antenna elements 5-81 to 87 have their radiating ends fed to the feeding strip line. It faces the 43 side. The radiation antenna elements 5-91 to 97 connected to the feed strip line 43 have their radiation ends directed toward the feed strip line 42. The feeding strip line 41 and the radiating antenna elements 5-61 to 67 constitute a sub-array SA1, the feeding strip line 42, the radiating antenna elements 5-71 to 77 and the 5-81 to 87 constitute a sub-array SA2, and the feeding strip line 43 The radiating antenna elements 5-91 to 97 constitute a sub-array SA3.
図1のマイクロストリップアレーアンテナ100においては、給電ストリップ線路41、42及び43の長手方向が平行であり、当該方向と、各々が短冊形状(矩形形状)の放射アンテナ素子5−61乃至67、5−71乃至77、5−81乃至87並びに5−91乃至97の長手方向(放射される電界の方向)とが垂直である。尚、放射アンテナ素子5−61乃至67、5−71乃至77、5−81乃至87並びに5−91乃至97の長手方向(放射される電界の方向)が全て平行であれば、それらと給電ストリップ線路41、42及び43の長手方向との成す角に関係なく、本発明は適用できる。 In the microstrip array antenna 100 of FIG. 1, the longitudinal directions of the feeding strip lines 41, 42, and 43 are parallel to each other, and the radiating antenna elements 5-61 to 67, 5, 5 each having a strip shape (rectangular shape). The longitudinal direction (the direction of the radiated electric field) of −71 to 77, 5-81 to 87, and 5-91 to 97 is perpendicular. If the longitudinal directions of the radiating antenna elements 5-61 to 67, 5-71 to 77, 5-81 to 87, and 5-91 to 97 are all parallel to each other, they are fed to the feeding strip. The present invention can be applied regardless of the angle formed with the longitudinal direction of the lines 41, 42 and 43.
3分岐の分岐線路40は、次のように給電ストリップ線路41、42及び43に電力を分配する。即ち、3分岐の分岐線路40は、給電点20から入力された電力を、7個の放射アンテナ素子が接続された給電ストリップ線路41及び43にそれぞれ1/6、14個の放射アンテナ素子が接続された給電ストリップ線路42に2/3を供給する。各サブアレーにおいては全ての放射アンテナ素子から同一の電力が放射されるように設計されており、結局、14個の放射アンテナ素子5−61乃至5−67及び5−91乃至97からの個々の放射量に対し、14個の放射アンテナ素子5−71乃至5−77及び5−81乃至87からの個々の放射量は2倍となるように設計されている。尚、各放射アンテナ素子と給電ストリップ線路との結合量が、各短冊形状の幅として設計され得ることは周知のことである。図1では、「概略を説明するため」、例えばアンテナ素放射アンテナ素子5−61乃至67が、本来当該幅の異なる短冊形状とすべき所、単に「同一幅」で示している。即ち、図1は、同じ給電ストリップ線路に接続された各放射アンテナ素子の放射される電界が全て等しいことを示しているに留まり、「全ての放射アンテナ素子の幾何学的形状が一致すること」を意味するものではない。 The three-branch branch line 40 distributes power to the feeding strip lines 41, 42, and 43 as follows. That is, the three-branch branch line 40 connects the power input from the feeding point 20 to the feeding strip lines 41 and 43 to which the seven radiating antenna elements are connected, respectively, 1/6 and 14 radiating antenna elements. 2/3 is supplied to the feeding strip line 42. Each sub-array is designed so that the same power is radiated from all the radiating antenna elements. Eventually, the individual radiation from the 14 radiating antenna elements 5-61 to 5-67 and 5-91 to 97 is achieved. The amount of each radiation from the 14 radiation antenna elements 5-71 to 5-77 and 5-81 to 87 is designed to be twice the amount. It is well known that the amount of coupling between each radiating antenna element and the feeding strip line can be designed as a width of each strip shape. In FIG. 1, for the purpose of “schewing the outline”, for example, the antenna element radiating antenna elements 5-61 to 67 are simply indicated by “same width” where they should originally be strips having different widths. That is, FIG. 1 only shows that the radiated electric fields of the radiating antenna elements connected to the same feeding strip line are all equal, and “the geometric shapes of all the radiating antenna elements match”. Does not mean.
3分岐の分岐線路40は、28個の全ての放射アンテナ素子から位相の揃った電磁波が放射されるように、給電ストリップ線路41、42及び43に電力を供給する。即ち、給電点20からそれに最も近い給電ストリップ線路42に接続された放射アンテナ素子5−71までの伝送距離に対し、給電点20から給電ストリップ線路42に接続された放射アンテナ素子5−81までの伝送距離は、用いる高周波のストリップ導体内の管内波長λの1/2倍を加えたものである。また、給電点20からそれに最も近い給電ストリップ線路41に接続された放射アンテナ素子5−61までの伝送距離は、給電点20から給電ストリップ線路42に接続された放射アンテナ素子5−81までの伝送距離に管内波長λの整数倍を加えたもの、給電点20からそれに最も近い給電ストリップ線路43に接続された放射アンテナ素子5−91までの伝送距離は、給電点20から給電ストリップ線路42に接続された放射アンテナ素子5−71までの伝送距離に管内波長λの整数倍を加えたものである。以下、各アンテナ素子列(i=6〜9)における隣り合う放射アンテナ素子5−ij(j=1〜6)及び放射アンテナ素子5−i(j+1)は、給電点20からの伝送距離が管内波長λずつ異なるようにした。本実施例は2つのサブアレーSA1及びSA3と、対称なサブアレーSA2及び分岐線路40のみから構成されており、アンテナ素子列の数の面からは、請求項1及び2に係る発明の最も簡単な構成である。 The three-branch branch line 40 supplies power to the feed strip lines 41, 42, and 43 so that electromagnetic waves having the same phase are radiated from all 28 radiation antenna elements. That is, with respect to the transmission distance from the feeding point 20 to the radiating antenna element 5-71 connected to the feeding strip line 42 closest thereto, the feeding distance from the feeding point 20 to the radiating antenna element 5-81 connected to the feeding strip line 42 is increased. The transmission distance is obtained by adding ½ times the guide wavelength λ in the high-frequency strip conductor to be used. Further, the transmission distance from the feeding point 20 to the radiating antenna element 5-61 connected to the feeding strip line 41 closest thereto is the transmission distance from the feeding point 20 to the radiating antenna element 5-81 connected to the feeding strip line 42. The transmission distance from the feed point 20 to the radiating antenna element 5-91 connected to the feed strip line 43 nearest to the feed point 20 is connected to the feed strip line 42 by adding the integral multiple of the guide wavelength λ to the distance. The transmission distance to the radiated antenna element 5-71 is added with an integral multiple of the guide wavelength λ. Hereinafter, the adjacent radiating antenna elements 5-ij (j = 1 to 6) and the radiating antenna elements 5-i (j + 1) in each antenna element row (i = 6 to 9) have a transmission distance from the feeding point 20 in the pipe. The wavelength λ was varied. This embodiment is composed of only two sub-arrays SA1 and SA3, symmetrical sub-array SA2 and branch line 40, and the simplest configuration of the invention according to claims 1 and 2 from the aspect of the number of antenna element arrays. It is.
図2の従来のマイクロストリップアレーアンテナ900は比較のために示されるものであり、次のような構成である。2分岐の分岐線路90と各々14個の放射アンテナ素子が接続された給電ストリップ線路91及び92からなる。放射アンテナ素子95−61乃至67及び95−71乃至77と給電ストリップ線路91をサブアレーSA91と称し、放射アンテナ素子95−81乃至87及び95−91乃至97と給電ストリップ線路92をサブアレーSA92と称する。図2のマイクロストリップアレーアンテナ900の28個の放射アンテナ素子は、全て同じ放射量、同じ放射位相となるように設計されている。図2でも、「概略を説明するため」、例えばアンテナ素放射アンテナ素子59−61乃至67が、本来幅の異なる短冊形状とすべき所、単に「同一幅」で示している。図2は、各放射アンテナ素子の放射される電界が全て等しいことを示しているに留まり、「全ての放射アンテナ素子の幾何学的形状が一致すること」を意味するものではない。 The conventional microstrip array antenna 900 of FIG. 2 is shown for comparison and has the following configuration. It consists of two branch lines 90 and feed strip lines 91 and 92 each having 14 radiating antenna elements connected thereto. The radiating antenna elements 95-61 to 67 and 95-71 to 77 and the feeding strip line 91 are referred to as a sub-array SA91, and the radiating antenna elements 95-81 to 87 and 95-91 to 97 and the feeding strip line 92 are referred to as a sub-array SA92. The 28 radiation antenna elements of the microstrip array antenna 900 of FIG. 2 are all designed to have the same radiation amount and the same radiation phase. Also in FIG. 2, for the purpose of “schewing the outline”, for example, the antenna element radiating antenna elements 59-61 to 67 should be simply “same width” where they should originally be strips having different widths. FIG. 2 merely shows that the radiated electric fields of the respective radiating antenna elements are all equal, and does not mean that “the geometric shapes of all the radiating antenna elements are the same”.
本発明に係る図1のマイクロストリップアレーアンテナ100と、従来構造の図2のマイクロストリップアレーアンテナ900の、各アンテナ素子列の相対放射電界強度を図3に示す。尚各列の放射端同士の間隔を同一とした。ここでは一例として放射端間隔が同一の場合を示したが、このことが本件発明の効果を得るための必要条件ではない。実際の設計作業においては、所望の指向性パターンに、より近づけるための放射端間隔、或いはのちに〔他の効果〕の欄で述べるようなアンテナ開口効率を高めるための放射端間隔を設計要件に照らし合わせて選択するのが良い。従来構造の図2のマイクロストリップアレーアンテナ900は各放射アンテナ素子の放射強度は図3で黒三角で示した通り一様分布である。一方本発明に係る図1のマイクロストリップアレーアンテナ100は、図3で白抜き丸で示した通りの分布を与える。白抜き丸で示した分布は、給電ストリップ線路41乃至43を鉛直方向に配置した場合に水平面内の指向性パターンのサイドローブ低減に効果がある「テーパー分布」としたものである。尚、各放射端の間隔を1.7mmとした。 FIG. 3 shows the relative radiated electric field strength of each antenna element array of the microstrip array antenna 100 of FIG. 1 according to the present invention and the microstrip array antenna 900 of FIG. 2 having a conventional structure. In addition, the space | interval of the radiation ends of each row | line was made the same. Here, as an example, the case where the radiation end intervals are the same is shown, but this is not a necessary condition for obtaining the effect of the present invention. In the actual design work, the design requirement is the radiating edge spacing to make it closer to the desired directivity pattern, or the radiating edge spacing to improve the antenna aperture efficiency as described in the section of “Other effects” later. It is good to select it in light of it. In the microstrip array antenna 900 of FIG. 2 having a conventional structure, the radiation intensity of each radiation antenna element has a uniform distribution as shown by the black triangles in FIG. On the other hand, the microstrip array antenna 100 of FIG. 1 according to the present invention gives the distribution as shown by the white circles in FIG. The distribution indicated by the white circles is a “taper distribution” that is effective in reducing the side lobes of the directivity pattern in the horizontal plane when the feeding strip lines 41 to 43 are arranged in the vertical direction. In addition, the space | interval of each radiation | emission end was 1.7 mm.
本発明に係る図1のマイクロストリップアレーアンテナ100と、従来構造の図2のマイクロストリップアレーアンテナ900の、指向性パターンを図4に示す。平面アンテナであるマイクロストリップアレーアンテナの法線方向を0degとして、当該0deg方向の主ビームに対し、±60deg付近に各々ピークを有する2つのサイドローブが存在する。従来構造のマイクロストリップアレーアンテナ900のサイドローブレベルは−11.3dBであるのに対し、提案構造のマイクロストリップアレーアンテナ100では、サイドローブレベルが−23.9dBまで低減できていることがわかる。即ち、図1のマイクロストリップアレーアンテナ100は図2のマイクロストリップアレーアンテナ900に比較して、給電ストリップ線路の長手方向に垂直な面内の指向性について、サイドローブを12dB以上低減できる。 FIG. 4 shows directivity patterns of the microstrip array antenna 100 of FIG. 1 according to the present invention and the microstrip array antenna 900 of FIG. 2 having a conventional structure. When the normal direction of the microstrip array antenna which is a planar antenna is 0 deg, there are two side lobes each having a peak in the vicinity of ± 60 deg with respect to the main beam in the 0 deg direction. It can be seen that the sidelobe level of the microstrip array antenna 900 having the conventional structure is −11.3 dB, whereas the microstrip array antenna 100 having the proposed structure can reduce the sidelobe level to −23.9 dB. That is, the microstrip array antenna 100 in FIG. 1 can reduce the side lobe by 12 dB or more in the directivity in the plane perpendicular to the longitudinal direction of the feed strip line, compared to the microstrip array antenna 900 in FIG.
尚、別途14個の放射アンテナ素子5−61乃至5−67(アンテナ素子列6)及び5−91乃至97(アンテナ素子列9)からの個々の放射量に対する、14個の放射アンテナ素子5−71乃至5−77(アンテナ素子列7)及び5−81乃至87(アンテナ素子列8)からの個々の放射量が大きいほどサイドローブの低減が顕著となる。本実施例は、給電ストリップ線路が少ない、特に3本の場合に顕著となる。ただし、アンテナ素子列6とアンテナ素子列9の放射量が余り小さくなると、ビーム幅が太くなる傾向が強いため、所望のビーム幅に関する設計要件とサイドローブ低減に関する設計要件の両者を鑑みて放射量分布を選択するのが良い。 In addition, 14 radiation antenna elements 5-61 to 5-67 (antenna element array 6) and 14-91 to 97 (antenna element array 9) are individually radiated from the 14 radiation antenna elements 5-61 to 5-67 (antenna element array 6). As the individual radiation amounts from 71 to 5-77 (antenna element array 7) and 5-81 to 87 (antenna element array 8) are larger, the side lobe is reduced. This embodiment is remarkable when the number of feeding strip lines is small, particularly when there are three. However, if the radiation amounts of the antenna element array 6 and the antenna element array 9 are too small, the beam width tends to be thick. Therefore, the radiation amount is considered in consideration of both the design requirements for the desired beam width and the design requirements for sidelobe reduction. It is good to choose the distribution.
尚、実際の放射素子配列の設計における次のような注意事項が存在する。即ち、放射アンテナ素子が一部給電ストリップ線路に直接結合されたMSAAの場合、給電ストリップ線路の両側に放射アンテナ素子を配した場合の放射アンテナ素子間隔と、給電ストリップ線路の片側のみに放射アンテナ素子を配した場合の放射アンテナ素子間隔は違える必要がある。給電ストリップ線路に放射アンテナ素子が接続されることにより、給電ストリップ線路を伝搬する電波の位相回転量が変動するためである。通常、放射アンテナ素子が配設されることで、給電ストリップ線路を伝搬する電波の位相は進む。したがって、片側にしか放射アンテナ素子が配設されない場合は、両側にある場合に比べて位相は遅れる。それを補うために素子間隔は縮める必要がある。そうすることで、片側のみに配置された放射素子群の中での位相が揃えられ、両側配置された他の放射素子群との位相も揃う。このように給電線路に放射アンテナが配設されることで、給電ストリップ線路を伝搬する電波の位相の摂動量(素子幅依存性)を事前に正確に把握しておきさえすれば、片側配置の放射素子群と両側配置の放射素子群を混在したMSAAでの位相補償が良好に行われ、所望の位相分布が実現される。 Note that there are the following precautions in designing the actual radiating element array. That is, in the case of MSAA in which the radiating antenna elements are partly coupled directly to the feeding strip line, the radiating antenna element spacing when the radiating antenna elements are arranged on both sides of the feeding strip line and the radiating antenna element only on one side of the feeding strip line When the antennas are arranged, it is necessary to change the distance between the radiating antenna elements. This is because when the radiating antenna element is connected to the feed strip line, the phase rotation amount of the radio wave propagating through the feed strip line varies. Normally, the phase of the radio wave propagating through the feeding strip line is advanced by providing the radiating antenna element. Therefore, when the radiating antenna element is provided only on one side, the phase is delayed as compared with the case where it is on both sides. In order to compensate for this, it is necessary to reduce the element spacing. By doing so, the phase in the radiating element group disposed only on one side is aligned, and the phase with the other radiating element groups disposed on both sides is also aligned. By arranging the radiation antenna in the feed line in this way, if the amount of perturbation (element width dependency) of the radio wave propagating through the feed strip line is accurately grasped in advance, the one-side arrangement Phase compensation in MSAA in which the radiating element group and the radiating element group arranged on both sides are mixed is performed well, and a desired phase distribution is realized.
図1において、最外周に位置する放射アンテナ素子5−61乃至5−67並びに5−91乃至97は、アンテナ全体に対して、その放射端が内側に向いている。しかしそれらの放射端が外向きになっていても,放射振幅分布の自由度向上の作用・効果を得ることができる。 In FIG. 1, the radiation antenna elements 5-61 to 5-67 and 5-91 to 97 located on the outermost periphery have their radiation ends facing inward with respect to the entire antenna. However, even if their radiation ends are outward, it is possible to obtain the action and effect of improving the degree of freedom of the radiation amplitude distribution.
主ビームを平面アンテナの法線方向から傾ける場合、図5のようなマイクロストリップアレーアンテナ200を構成すると良い。図5のマイクロストリップアレーアンテナ200は、図1のマイクロストリップアレーアンテナ100の給電点20を有する3分岐の分岐線路40を、3分岐の分岐線路44に置き換えたものであり、その他の構成は同一である。即ち誘電体基板1の表面に、ストリップ導体22が形成され、裏面に導体から成る接地板3が形成されている。ストリップ導体22は、給電点20を有する3分岐の分岐線路44、給電ストリップ線路41、42及び43、合計28個の放射アンテナ素子5−61乃至5−67、5−71乃至5−77、5−81乃至5−87並びに5−91乃至5−97から成る。給電ストリップ線路41と放射アンテナ素子5−61乃至67がサブアレーSA1を構成し、給電ストリップ線路42と放射アンテナ素子5−71乃至77並びに5−81乃至87がサブアレーSA2を構成し、給電ストリップ線路43と放射アンテナ素子5−91乃至97がサブアレーSA3を構成している。 When the main beam is tilted from the normal direction of the planar antenna, a microstrip array antenna 200 as shown in FIG. 5 may be configured. The microstrip array antenna 200 of FIG. 5 is obtained by replacing the three-branch branch line 40 having the feeding point 20 of the microstrip array antenna 100 of FIG. 1 with a three-branch branch line 44, and the other configurations are the same. It is. That is, the strip conductor 22 is formed on the surface of the dielectric substrate 1, and the ground plate 3 made of a conductor is formed on the back surface. The strip conductor 22 includes a three-branch branch line 44 having a feeding point 20, feeding strip lines 41, 42 and 43, a total of 28 radiating antenna elements 5-61 to 5-67, 5-71 to 5-77, 5 -81 to 5-87 and 5-91 to 5-97. The feeding strip line 41 and the radiating antenna elements 5-61 to 67 constitute a sub-array SA1, the feeding strip line 42, the radiating antenna elements 5-71 to 77 and the 5-81 to 87 constitute a sub-array SA2, and the feeding strip line 43 The radiating antenna elements 5-91 to 97 constitute a sub-array SA3.
図5のマイクロストリップアレーアンテナ200の分岐線路44は、図1のマイクロストリップアレーアンテナ100の分岐線路40と次の点で異なる。即ち、図5のマイクロストリップアレーアンテナ200の分岐線路44は、サブアレーSA1に対して給電点からの距離が図1のマイクロストリップアレーアンテナ100の分岐線路40より長く、サブアレーSA3に対して給電点からの距離が図1のマイクロストリップアレーアンテナ100の分岐線路40より短い。これにより、サブアレーSA2の放射アンテナ素子5−71乃至5−77並びに5−81乃至5−87は全て同位相で電磁波を放射するが、サブアレー1の放射アンテナ素子5−61乃至5−67はそれよりも位相が遅れ、サブアレーSA3の放射アンテナ素子5−91乃至5−97の位相はそれよりも進む。 The branch line 44 of the microstrip array antenna 200 of FIG. 5 differs from the branch line 40 of the microstrip array antenna 100 of FIG. 1 in the following points. That is, the branch line 44 of the microstrip array antenna 200 of FIG. 5 is longer than the branch line 40 of the microstrip array antenna 100 of FIG. 1 by the distance from the feeding point to the subarray SA1, and from the feeding point to the subarray SA3. Is shorter than the branch line 40 of the microstrip array antenna 100 of FIG. Thus, the radiating antenna elements 5-71 to 5-77 and 5-81 to 5-87 of the sub-array SA2 all radiate electromagnetic waves in the same phase, but the radiating antenna elements 5-61 to 5-67 of the sub-array 1 do so. And the phase of the radiating antenna elements 5-91 to 5-97 of the sub-array SA3 is further advanced.
このように設計された図5のマイクロストリップアレーアンテナ200の各アンテナ素子列の相対放射位相を図6に白抜き丸で示す。尚、各列の放射端同士の間隔は同一で、その間隔は1.7mmとした。ここでは、一例として、放射端間隔が同一の場合を示したが、このことが本件発明の効果を得るための必要条件ではない。実際の設計作業においては、所望の指向性パターンにより近づけるための放射端間隔、或いは、〔他の効果〕の欄で述べるようなアンテナ開口効率を高めるための放射端間隔を設計要件に照らし合わせて選択するのが良い。サブアレーSA2の放射アンテナ素子5−71乃至5−77(アンテナ素子列7)並びに5−81乃至5−87(アンテナ素子列8)の位相を0度とすると、サブアレーSA1の放射アンテナ素子5−61乃至5−67(アンテナ素子列6)の位相は−89度、サブアレーSA3の放射アンテナ素子5−91乃至5−97(アンテナ素子列9)の位相は+89度とした。これにより、平面アンテナの法線方向から、サブアレーSA3側に20度傾いた主ビームを形成することができる。尚、図2のマイクロストリップアレーアンテナ900の2分岐の分岐線路90を置き換えた場合の設計についても図6に黒三角で示した。2分岐の分岐線路を置き換えてサブアレーSA91とサブアレーSA92とで相対放射位相を134.8度異ならせることで達成できる。 The relative radiation phase of each antenna element array of the microstrip array antenna 200 of FIG. 5 designed as described above is shown by white circles in FIG. In addition, the space | interval of the radiation ends of each row | line | column was the same, and the space | interval was 1.7 mm. Here, as an example, the case where the radiation end intervals are the same is shown, but this is not a necessary condition for obtaining the effect of the present invention. In actual design work, the distance between the radiating edges to make it closer to the desired directivity pattern, or the distance between the radiating edges to increase the antenna aperture efficiency as described in the section “Other effects”, is checked against the design requirements. It is good to choose. If the phases of the radiating antenna elements 5-71 to 5-77 (antenna element array 7) and 5-81 to 5-87 (antenna element array 8) of the subarray SA2 are 0 degrees, the radiating antenna elements 5-61 of the subarray SA1 are set. 5 to 67 (antenna element array 6) has a phase of -89 degrees, and the radiation antenna elements 5-91 to 5-97 (antenna element array 9) of the subarray SA3 have a phase of +89 degrees. As a result, a main beam inclined by 20 degrees from the normal direction of the planar antenna toward the subarray SA3 can be formed. A design in which the two-branch branch line 90 of the microstrip array antenna 900 of FIG. 2 is replaced is also indicated by a black triangle in FIG. This can be achieved by replacing the bifurcated branch line so that the relative radiation phases of the subarray SA91 and the subarray SA92 are different by 134.8 degrees.
図6で白抜き丸で示した本実施例と、黒三角で示した2分岐の比較例について、給電ストリップ線路の長手方向に垂直な面内での指向性パターンを図7に示す。本実施例、比較例共に主ビームの傾きを20度と実現できる。このとき、傾けた方向とは反対側の−30度付近にサイドローブが存在している。サイドローブのレベルは、比較例において−2.4dBであるが、本実施例によれば−21.8dBとなり、19.4dBの改善量が得られる。即ち、サブアレー内で放射位相の揃ったマイクロストリップアレーアンテナで、サブアレー間で放射位相を異なるようにする場合、従来の全てのサブアレーが両側に放射アンテナ素子を有するものに対し、本実施例の最外周のサブアレーが一方のみに放射アンテナ素子を有するものは、サイドローブを低減できる。 FIG. 7 shows the directivity pattern in the plane perpendicular to the longitudinal direction of the feed strip line for the present embodiment shown by white circles in FIG. 6 and the two-branch comparative example shown by black triangles. In this example and the comparative example, the inclination of the main beam can be realized as 20 degrees. At this time, side lobes exist in the vicinity of −30 degrees on the opposite side to the tilted direction. The side lobe level is −2.4 dB in the comparative example, but according to the present embodiment, it becomes −21.8 dB, and an improvement of 19.4 dB is obtained. That is, in the case of microstrip array antennas in which the radiation phase is uniform in the sub-array and the radiation phase is made different between the sub-arrays, all the conventional sub-arrays have radiation antenna elements on both sides. When the outer peripheral sub-array has a radiating antenna element on only one side, side lobes can be reduced.
〔他の効果〕
本発明の有効性について、アンテナの面積の観点から述べる。図8は、4つのアンテナ素子列を配置する際に、隣接するアンテナ素子列とのカップリング又は給電ストリップ線路とのカップリングを避けるために必要な間隔を示すものである。
[Other effects]
The effectiveness of the present invention will be described from the viewpoint of the area of the antenna. FIG. 8 shows an interval necessary for avoiding coupling with adjacent antenna element rows or coupling with a feeding strip line when four antenna element rows are arranged.
図8.Aは、全てのアンテナ素子列に給電ストリップ線路を配置させるもので、各アンテナ素子列の放射端は隣の給電ストリップ線路とのカップリングを避けるための最低距離αを確保する必要がある。この場合、アンテナ面積には幅3αの無駄な面積が存在する。図8.Bは、最外周のアンテナ素子列にそれぞれ給電ストリップ線路を配置させ、2つのアンテナ素子列は1本の給電ストリップ線路に接続させるものである。この時、最外周のアンテナ素子列が給電ストリップ線路からアンテナ外周に向けて形成された場合を示している。この場合、アンテナ面積には幅2αの無駄な面積が存在する。図8.Bは本願の請求項2を除く請求項1に係る発明にあたる。図8.Cは、最外周のアンテナ素子列にそれぞれ給電ストリップ線路を配置させ、2つのアンテナ素子列は1本の給電ストリップ線路に接続させ、最外周のアンテナ素子列が給電ストリップ線路からアンテナ内側に向けて形成された場合を示している。この場合、向き合うアンテナ素子列の放射端のカップリングを避けるための最低距離βを確保する必要がある。この場合、アンテナ面積には幅2βの無駄な面積が存在する。図8.Cは本願の請求項2に係る発明にあたる。図8.Dは、給電ストリップ線路を2本として各々2つのアンテナ素子列を接続させたものである。この場合、アンテナ面積には幅βの無駄な面積が存在する。 FIG. A indicates that the feeding strip lines are arranged in all the antenna element rows, and it is necessary to secure the minimum distance α at the radiation end of each antenna element row in order to avoid coupling with the adjacent feeding strip line. In this case, there is a useless area of width 3α in the antenna area. FIG. In B, the feeding strip lines are respectively arranged on the outermost antenna element rows, and the two antenna element rows are connected to one feeding strip line. In this case, the outermost antenna element array is formed from the feeding strip line toward the outer periphery of the antenna. In this case, there is a useless area having a width 2α in the antenna area. FIG. B corresponds to the invention according to claim 1 excluding claim 2 of the present application. FIG. In C, a feeding strip line is arranged on each outermost antenna element row, two antenna element rows are connected to one feeding strip line, and the outermost antenna element row is directed from the feeding strip line toward the inside of the antenna. The case where it was formed is shown. In this case, it is necessary to secure the minimum distance β for avoiding coupling of the radiation ends of the antenna element arrays facing each other. In this case, there is a useless area having a width of 2β in the antenna area. FIG. C corresponds to the invention according to claim 2 of the present application. FIG. D is a structure in which two antenna strips are connected with two feeding strip lines. In this case, there is a useless area of width β in the antenna area.
通常、αはβより大きい。これは互いに向き合う放射アンテナ素子の放射端が真正面に対向しておらず、「上下方向にズレ」るように設計されるためである。アンテナ面積の効率の点からは図8.Dが最も良く、図8.C(本願の請求項2)、図8.B(本願の請求項2以外)、図8.Aの順に面積効率が悪くなる。しかし、図8.Dよりも図8.Cの方がサイドローブ低減の点から好ましいことは上述の通りである。さらに、アレーアンテナの最外周は、裏面の接地板の影響が少なからずあり、放射アンテナ素子の放射端を誘電体基板の外周に近づけないことが望ましい。この観点からすれば,図8.A、図8.B、図8.Dのいずれもが、最外周に配置された放射アンテナ素子の放射端が誘電体基板の外周に向いており、唯一、図8.C(本願の請求項2)のみが誘電体基板の外周から放射端までの間隙を十分確保できる構成であることがわかる。尚、図4、図7はいわゆるエレメントファクタを除いた、アレーファクタのみによる指向性パターン図である。 Usually α is greater than β. This is because the radiating ends of the radiating antenna elements facing each other are not directly opposed to each other but are designed to be “shifted in the vertical direction”. Figure 8 shows the efficiency of the antenna area. D is the best, FIG. C (Claim 2 of the present application), FIG. B (other than claim 2 of the present application), FIG. Area efficiency decreases in the order of A. However, FIG. FIG. As described above, C is preferable from the viewpoint of reducing side lobes. Further, the outermost periphery of the array antenna is not significantly affected by the ground plate on the back surface, and it is desirable that the radiation end of the radiation antenna element is not brought close to the outer periphery of the dielectric substrate. From this point of view, FIG. A, FIG. B, FIG. In each of D, the radiation end of the radiation antenna element arranged on the outermost periphery is directed to the outer periphery of the dielectric substrate. It can be seen that only C (Claim 2 of the present application) has a configuration that can sufficiently secure a gap from the outer periphery of the dielectric substrate to the radiation end. 4 and 7 are directivity pattern diagrams based only on the array factor, excluding so-called element factors.
以上の全ての実施例において、各放射アンテナ素子は、給電ストリップ線路の長手方向の垂直方向から傾いていても良い。その場合、特許文献1に記載されたように、各放射アンテナ素子を矩形形状とした上、その1頂点のみで接続する、或いは微小なギャップを設けて電磁的に結合させる構成としても良い。 In all the embodiments described above, each radiating antenna element may be inclined from the vertical direction of the longitudinal direction of the feeding strip line. In that case, as described in Patent Document 1, each radiating antenna element may have a rectangular shape, and may be connected at only one vertex thereof, or may be electromagnetically coupled by providing a minute gap.
自動車用などの近距離センサやデジタル信号処理による指向性形成(DBF)のサブアレー用等、小型のアレーアンテナが必要な用途に要求される様々な放射特性(低サイドローブ、主放射(メインビーム)方向の制御)を有するアンテナを実現可能である。 Various radiation characteristics (low side lobe, main radiation (main beam)) required for applications that require small array antennas, such as for short-range sensors for automobiles and subarrays for directivity formation (DBF) by digital signal processing An antenna with direction control) can be realized.
1:誘電体基板
100、200:マイクロストリップアレーアンテナ
2、22:ストリップ導体
20:給電点
3:導体から成る接地板
40、44:分岐線路
41、42、43:給電ストリップ線路
5−ij、(i=6〜9、j=1〜7):放射アンテナ素子
SA1、SA2、SA3:サブアレー
1: Dielectric substrate 100, 200: Microstrip array antenna 2, 22: Strip conductor 20: Feed point 3: Ground plate made of conductor 40, 44: Branch line 41, 42, 43: Feed strip line 5-ij, ( i = 6-9, j = 1-7): radiating antenna elements SA1, SA2, SA3: subarrays
Claims (2)
前記ストリップ導体は、
線状に配設された給電ストリップ線路と、前記給電ストリップ線路の両側辺のうち少なくとも一方の側辺に沿って所定間隔で、その側辺から接続配列された複数の短冊形状の放射アンテナ素子とから成る、複数個のサブアレーと、
当該複数個のサブアレーに1個の給電点から給電するための分岐線路とを有し、
前記各サブアレーの給電ストリップ線路の長手方向は互いに平行であって、
外周に位置する2つのサブアレーは、前記給電ストリップ線路の一方のみの側辺に前記放射アンテナ素子が接続されており、
他のサブアレーは、前記給電ストリップ線路の両辺に、前記放射アンテナ素子が順に交互に接続されており、
全ての前記放射アンテナ素子の放射する電界方向が平行であること
を特徴とするマイクロストリップアレーアンテナ。 In a microstrip array antenna formed from a dielectric substrate having a conductor ground plate formed on the back surface and a strip conductor formed on the dielectric substrate,
The strip conductor is
A plurality of strip-shaped radiating antenna elements connected and arranged from a side of the feeding strip line arranged in a line at a predetermined interval along at least one side of both sides of the feeding strip line; A plurality of subarrays comprising:
A branch line for feeding power to the plurality of subarrays from one feeding point;
The longitudinal directions of the feeding strip lines of the subarrays are parallel to each other,
The two sub-arrays located on the outer periphery are connected to the radiating antenna element on only one side of the feeding strip line,
In the other subarray, the radiating antenna elements are alternately connected to both sides of the feeding strip line in order,
A microstrip array antenna characterized in that the electric field directions radiated by all the radiating antenna elements are parallel.
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