JP2008244520A - 平面アレーアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ビームを傾けることなく反射特性を改善し、高効率な平面アレーアンテナを実現すること。
【解決手段】本発明のマイクロストリップアレーアンテナでは、給電ストリップ線路１３の幅は、段差１７の位置から入力側と出力側とでインピーダンスが整合するように設定されている。つまり、入力端１５からｎ番目に近い放射アンテナ素子１４の放射抵抗をＲ_n 、ｎ番目に近い放射アンテナ素子１４の入力側の給電ストリップ線路１３の線路幅をＷ_Ln、特性インピーダンスをＺ_n 、出力側の給電ストリップ線路１３の線路幅をＷ_Ln+1、特性インピーダンスをＺ_n+1 とすると、Ｚ_n+1 ＝Ｒ_n Ｚ_n ／（Ｒ_n −Ｚ_n ）の関係を満たすようＷ_Ln、Ｗ_Ln+1は設定されている。このように設定することで放射アンテナ素子１４による反射は抑制されるため、高効率なアンテナとなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロストリップ線路等を用いた平面アレーアンテナに関する。特に、車載ミリ波レーダなどに適した高効率な平面アレーアンテナに関する。

図１０は、特許文献１に記載されているマイクロストリップアレーアンテナの構成を示した平面図である。裏面に接地板が形成された誘電体基板９２上にマイクロストリップ線路９３が形成され、マイクロストリップ線路９３の両側に、一定の間隔で長方形の放射アンテナ素子９４が配列されている。マイクロストリップ線路９３の側辺９３１側の放射アンテナ素子９４ａ〜ｅは、マイクロストリップ線路９３に対して４５度の角度を成して接続していて、側辺９３２側の放射アンテナ素子９４ｆ〜ｊは、マイクロストリップ線路９３に対して２２５度の角度を成して接続している。また、放射アンテナ素子９４は、一つの頂角付近でのみマイクロストリップ線路９３に接続している。

各放射アンテナ素子９４への給電によって発生する反射は、極微小な値であるとして無視して設計するか、あるいは、非特許文献１に記載のように、アンテナのビーム中心を数度傾けることで抑制する。非特許文献１では、各放射アンテナ素子９４の配列間隔を一定値だけ等しくずらすことにより、各放射アンテナ素子９４からの反射の反射位相を互いにずらし、位相分散効果で打ち消し合わせることで反射を抑制している。
特許第３３０６５９２号 R&D ReView of Toyota CRDL, vol.37, No.2, pp.7-12

しかし、各放射アンテナ素子９４の反射を無視して設計すると、個々の放射アンテナ素子９４の反射量は小さくとも、その反射が同相で合成されることによりアンテナ全体での反射量は大きくなる。そのため、各放射アンテナ素子９４の反射を無視して設計された従来のマイクロストリップアレーアンテナは、車載ミリ波レーダ用のアンテナなどのように利得も重要視される用途としては適さないという問題がある。

一方、ビームを傾けることで反射特性を改善する方法では、ビームが地面に対して平行になるようアンテナを取り付けることが難しい。これを解決するためにビームを水平に維持するための基準面を設ける方法があるが、製造技術的な困難さからコストの上昇を招いてしまう。

そこで本発明の目的は、ビームを傾けることなく反射を抑制した、高効率な平面アレーアンテナを提供することにある。

第１の発明は、誘電体基板と、その誘電体基板上に形成された導体と、によって形成された平面アレーアンテナにおいて、平面アレーアンテナは、線状に配設された給電線路と、給電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で構成されていて、各放射アンテナ素子は、長さがあらかじめ設定された動作周波数における給電線路を伝搬する電磁波長の１／２×０．８〜１／２×１．２の整数倍であり、幅が所望の指向特性を提供するようにあらかじめ設定された各放射アンテナ素子の励振振幅の位置に関する分布に対応した幅の分布を有し、一端が給電線路と接続され、他端が開放されており、各放射アンテナ素子は、すべて平行な偏波を放射し、給電線路の幅が、入力端からｎ番目に近い放射アンテナ素子に対し、そのｎ番目の放射アンテナ素子の放射抵抗をＲ_n 、そのｎ番目の放射アンテナ素子と給電線路との接続範囲内の任意の点から入力側をみた給電線路の特性インピーダンスをＺ_n 、出力側をみた給電線路の特性インピーダンスをＺ_n+1 、として、Ｚ_n+1 ＝Ｒ_n Ｚ_n ／（Ｒ_n −Ｚ_n ）、の関係を満たすように設定されていることを特徴とする平面アレーアンテナである。

給電線路は、マイクロストリップ線路、スロット線路、コプレーナ線路、コプレーナ・ストリップ線路など、さまざまな伝送線路を用いることができる。また、伝送線路の形態に応じて、放射アンテナ素子を導体で構成してもよいし、スロットで構成してもよい。

放射アンテナ素子は、給電線路に対して平行でなければどのような角度で配列されていてもよい。放射アンテナ素子からは、放射アンテナ素子と給電線路が成す角度に応じた偏波面を持つ電波が放射される。

Ｚ_n+1 ＝Ｒ_n Ｚ_n ／（Ｒ_n −Ｚ_n ）の関係は、言い換えると、ｎ番目の放射アンテナ素子と給電線路との接続範囲内の任意の点から出力側が、ｎ番目の放射アンテナ素子と給電線路との並列接続と等価とみて、その任意の点でインピーダンス整合をとるということである。

Ｚ_n+1 ＝Ｒ_n Ｚ_n ／（Ｒ_n −Ｚ_n ）の関係を満たすように給電線路の幅を決定すると、給電線路が導体で構成されている場合は、出力側の給電線路の幅の方が、入力側の給電線路の幅よりも狭くなる。したがって、給電線路は出力側に向けて段々と幅が狭くなる構造となる。逆に、給電線路がスロットで構成されている場合は、出力側の給電線路の幅の方が、入力側の給電線路の幅よりも広くなるため、給電線路は出力側に向けて段々と幅が広くなる構造となる。また、放射アンテナ素子と給電線路との接続範囲内のどの位置をインピーダンス整合の基準としてもよい。つまり、放射アンテナ素子と給電線路との接続範囲内のどの位置から給電線路の幅が変わっていてもよい。また、線路幅の変更による段差は、放射アンテナ素子と給電線路が接続している側とは反対側の辺にあってもよいし、接続している側の辺にあってもよいし、両方にあってもよい。

第２の発明は、第１の発明において、放射アンテナ素子が給電線路の一方の辺に沿って形成された第１放射アンテナ素子と、給電線路の他方の辺に沿って形成され、第１放射アンテナ素子と平行に形成された第２放射アンテナ素子とからなることを特徴とする平面アレーアンテナである。

第３の発明は、第２の発明において、第２放射アンテナ素子のそれぞれは、第１放射アンテナ素子に対して第１放射アンテナ素子の配列間隔の１／２ずれて配置されていることを特徴とする平面アレーアンテナである。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明において、平面アレーアンテナは、背面に導体の接地板が形成された誘電体基板と、ストリップ導体である給電線路および各放射アンテナ素子からなるマイクロストリップアレーアンテナであることを特徴とする。

第１の発明では、入力側と出力側とで給電線路の幅を変えることにより、入力側と出力側とでインピーダンスの整合をとっている。その結果、放射アンテナ素子による反射量を減少させることができ、ビームを傾けることなく高効率な平面アレーアンテナを実現することができる。

第２の発明の発明のように、一方の辺に配列された第１放射アンテナ素子と、他方の辺に配列された第２放射アンテナ素子とを平行に構成することで、平面アレーアンテナの放射能力、受信感度を向上させることができる。さらに、第３の発明のように、給電線路の両側に、交互に放射アンテナ素子を所定の間隔で配列することで、より平面アレーアンテナの効率を向上できる。

また、第４の発明のように、本発明の平面アレーアンテナにおいて、給電線路としてマイクロストリップ線路を用いることができる。

以下、本発明の具体的な実施例を図を参照にしながら説明するが、本発明はそれらの実施例に限定されるものではない。

図１は、実施例１のマイクロストリップアレーアンテナ１の構成を示す図、図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３は、図２（ａ）のＢ部について拡大して示した図である。一方の面に接地板１１が形成された誘電体基板１２上に、直線上に延びた給電ストリップ線路１３（本発明の給電線路）と、その給電ストリップ線路１３から突出した短冊形状の放射アンテナ素子１４ａ〜ｊが形成されている。

給電ストリップ線路１３の側辺１３１には、短冊形状の放射アンテナ素子１４ａ〜ｅが、給電ストリップ線路１３に対して垂直に突設されている。各放射アンテナ素子１４ａ〜ｅの間隔ｄは、動作周波数における給電ストリップ線路１３の略管内波長λｇであり、各放射アンテナ素子１４ａ〜ｅの長さＬ（給電ストリップ線路１３に対して垂直方向の長さ）は、約λｇ／２に設定されている。

また、給電ストリップ線路１３の他方の側辺１３２には、短冊形状の放射アンテナ素子１４ｆ〜ｊが、給電ストリップ線路１３に対して垂直に突設されていて、各放射アンテナ素子１４ａ〜ｅと、各放射アンテナ素子１４ｆ〜ｊとはｄ／２ずれて配置されている。各放射アンテナ素子１４ｆ〜ｊの長さは放射アンテナ素子１４ａ〜ｅの長さと同じＬである。

各放射アンテナ素子１４と給電ストリップ線路１３との接続部の反対側の給電ストリップ線路１３側辺であって、接続部の中点（放射アンテナ素子１４の接続している幅の中点）と対象な位置には、給電ストリップ線路１３の段差１７があり、その段差１７を境にして入力側（図２（ａ）の左側）と出力側（図２（ａ）の右側）では、給電ストリップ線路１３の幅が異なっている。入力側よりも出力側の方が給電ストリップ線路１３の幅は狭く、段差１７から隣の段差１７までの間においては給電ストリップ線路１３の幅は一定である。

入力端１５から入力された電力は、その一部が放射アンテナ素子１４ａ、１４ｆ、１４ｂ・・・ と順次結合して放射され、残された電力は進行方向（図２の右方向）に伝搬し徐々に減衰し、残留電力は終端１６に到達する。電波は主に放射アンテナ素子１４ａ〜ｊの開放端から放射され、給電ストリップ線路１３に垂直な方向の偏波である。終端１６には、残留電力を吸収するための整合終端素子や、有効に電力を放射するためのアンテナ素子を設けてもよい。

この動作の様子を放射アンテナ素子１４単体について模式的に示したのが、図４である。入力側（図４の左側）から入力された電力は、その一部が放射アンテナ素子１４に結合し放射され、残された電力の大部分は出力側（図４の右側）に透過する。また、電力の一部は、インピーダンス不整合により入力端に反射される。すなわち、放射アンテナ素子１４からの放射量は、放射量＝入力−透過量−反射量という式で表され、入力に対する透過量、反射量が求まれば一意に求まる。

放射アンテナ素子１４の放射量は、その放射アンテナ素子１４の横幅Ｗで決定することができる。したがって、所定の放射量となるよう各放射アンテナ素子１４の横幅Ｗを決定することで、所望の指向性を有したマイクロストリップアレーアンテナ１を得ることができる。たとえば、利得やサイドローブレベルなどを目的に応じたものにすることができる。なお、横幅Ｗが大きいほど結合度が大きくなり、放射量が大きくなる。

ここで、給電ストリップ線路１３の幅は、段差１７の位置から入力側と出力側とでインピーダンスが整合するように設定されている。また、出力側は放射アンテナ素子１４と下流側の給電ストリップ線路１３との並列接続と等価とみてインピーダンス整合している。そのため、放射アンテナ素子１４による反射は抑制される。

具体的には、放射アンテナ素子１４ａの放射抵抗をＲ₁ 、放射アンテナ素子１４ａと給電ストリップ線路１３との接合範囲にある段差１７の位置から入力側をみた給電ストリップ線路１３の特性インピーダンスをＺ₁ 、出力側をみた給電ストリップ線路１３の特性インピーダンスをＺ₂ とすると、Ｚ₂ ＝Ｒ₁ Ｚ₁ ／（Ｒ₁ −Ｚ₁ ）の関係を満たすようにＷ_L1、Ｗ_L2が設定されている。同様にして、入力端１５からｎ番目に近い放射アンテナ素子１４の放射抵抗をＲ_n 、ｎ番目に近い放射アンテナ素子１４と給電ストリップ線路１３との接合範囲にある段差１７の位置から入力側をみた給電ストリップ線路１３の特性インピーダンスをＺ_n 、線路幅をＷ_Ln、出力側をみた給電ストリップ線路１３の特性インピーダンスをＺ_n+1 、線路幅をＷ_Ln+1、とすると、Ｚ_n+1 ＝Ｒ_n Ｚ_n ／（Ｒ_n −Ｚ_n ）の関係を満たすようＷ_Ln、Ｗ_Ln+1は設定されている。

実施例１のようなマイクロストリップ線路においては、Ｗ_Ln＞Ｗ_Ln+1であるため、給電ストリップ線路１３は終端１６に向かうにつれ段々と幅が狭くなる構造となる。

以上のように、実施例１のマイクロストリップアレーアンテナ１は、放射アンテナ素子１４による反射が抑制されているため高効率であり、かつ、ビームが正面方向（図２（ａ）の紙面垂直方向）のアンテナである。

図５は、マイクロストリップアレーアンテナ１の構成において、放射アンテナ素子１４を１つとし、動作周波数を７６．５ＧＨｚとして設計した場合の反射特性について示している。また、比較例として、給電ストリップ線路１３の幅が一定の場合の反射特性も示している。横軸は周波数、縦軸は反射係数である。周波数７５〜７８ＧＨｚにおいて、比較例よりも大幅に反射特性が改善されていることがわかる。

実施例１では、放射アンテナ素子と給電ストリップ線路との接続部の放射アンテナ素子の幅の中点をインピーダンス整合の基準とし、その中点で給電ストリップ線路の幅を変更しているが、放射アンテナ素子と給電線路との接続範囲内のどの位置をインピーダンス整合の基準としてもよい。つまり、放射アンテナ素子と給電線路との接続範囲内のどの位置から給電線路の幅が変わっていてもよい。たとえば、図６では、放射アンテナ素子２４と給電ストリップ線路２３との接続部の最も入力側に段差２７があり、その段差２７の位置で線路幅が変更されている。また、図７のように、放射アンテナ素子３４と給電ストリップ線路３３の接続部側に段差３７を設けて線路幅を変更するようにしてもよい。また、接続部側とその反対側の両方に段差を設けて線路幅を変更してもよい。

実施例１では給電ストリップ線路に対して垂直に放射アンテナ素子を配置しているが、本発明はそれらの角度に限定されるものではなく、給電ストリップ線路に対する放射アンテナ素子の角度を任意の値とすることで、給電ストリップ線路に対して任意の角度の偏波面を有する、高効率な平面アレーアンテナを実現できる。

たとえば、図８に示すマイクロストリップアレーアンテナでは、誘電体基板４２上に給電ストリップ線路４３が形成され、給電ストリップ線路４３の側辺４３１側の放射アンテナ素子４４ａは給電ストリップ線路４３に対して４５度の角度を成して配置され、給電ストリップ線路４３の側辺４３２側の放射アンテナ素子４４ｂは給電ストリップ線路４３に対して２２５度の角度を成して配置されている。また、放射アンテナ素子４４は、１つの頂角において、給電ストリップ線路４３と接続している。そして、実施例１と同様の条件を満たすよう、段差４７によって給電ストリップ線路４３の幅を狭くしている。

放射アンテナ素子２４は、主に開放端から給電ストリップ線路２３に対して４５度の方向に偏波面を持つ電波を放射するので、給電ストリップ線路２３に対して４５度の偏波面を有する、高効率な平面アレーアンテナを実現することができる。

実施例１では、給電線路としてマイクロストリップ線路を用いているが、他の伝送線路を用いても、実施例１と同様に高効率な平面アレーアンテナを実現することができる。たとえば、図９は、給電線路としてスロット線路５３を用いた本発明の平面アレーアンテナである。放射アンテナ素子５４はスロットにより構成されていて、段差５７でスロット線路５３の幅が変更されている。

また、実施例１では、給電ストリップ線路の両辺に放射アンテナ素子を設けているが、片方の辺にのみ放射アンテナ素子を設けてもよい。

本発明は、車載ミリ波レーダなどに用いることができる。

マイクロストリップアレーアンテナ１の構成を示した図。 マイクロストリップアレーアンテナ１の平面図と断面図。 マイクロストリップアレーアンテナ１の一部を拡大して示した図。 放射アンテナ素子の動作を模式的に示した図。 反射特性について示した図。 給電ストリップ線路の他の構造を示した図。 給電ストリップ線路の他の構造を示した図。 マイクロストリップアレーアンテナの一部を拡大して示した図。 スロット線路を給電線路とした本発明の平面アレーアンテナを示した図。 従来のマイクロストリップアレーアンテナの構成を示した図。

符号の説明

１：マイクロストリップアレーアンテナ
１１：接地板
１２：誘電体基板
１３：給電ストリップ線路
１４：放射アンテナ素子

Claims (4)

1. 誘電体基板と、その誘電体基板上に形成された導体と、によって形成された平面アレーアンテナにおいて、
   前記平面アレーアンテナは、
   線状に配設された給電線路と、
   前記給電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、
   で構成されていて、
   前記各放射アンテナ素子は、長さがあらかじめ設定された動作周波数における前記給電線路を伝搬する電磁波長の１／２×０．８〜１／２×１．２の整数倍であり、幅が所望の指向特性を提供するようにあらかじめ設定された各放射アンテナ素子の励振振幅の位置に関する分布に対応した幅の分布を有し、一端が前記給電線路と接続され、他端が開放されており、
   前記各放射アンテナ素子は、すべて平行な偏波を放射し、
   前記給電線路の幅が、入力端からｎ番目に近い放射アンテナ素子に対し、そのｎ番目の放射アンテナ素子の放射抵抗をＲ_n 、そのｎ番目の放射アンテナ素子と前記給電線路との接続範囲内の任意の点から入力側をみた前記給電線路の特性インピーダンスをＺ_n 、出力側をみた前記給電線路の特性インピーダンスをＺ_n+1 、として、
   Ｚ_n+1 ＝Ｒ_n Ｚ_n ／（Ｒ_n −Ｚ_n ）
   の関係を満たすように設定されていることを特徴とする平面アレーアンテナ。
2. 前記放射アンテナ素子は、前記給電線路の一方の辺に沿って形成された第１放射アンテナ素子と、前記給電線路の他方の辺に沿って形成され、前記第１放射アンテナ素子と平行に形成された第２放射アンテナ素子とからなることを特徴とする請求項１に記載の平面アレーアンテナ。
3. 前記第２放射アンテナ素子のそれぞれは、前記第１放射アンテナ素子に対して前記第１放射アンテナ素子の配列間隔の１／２ずれて配置されていることを特徴とする請求項２に記載の平面アレーアンテナ。
4. 前記平面アレーアンテナは、背面に導体の接地板が形成された前記誘電体基板と、ストリップ導体である前記給電線路および前記各放射アンテナ素子からなるマイクロストリップアレーアンテナであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の平面アレーアンテナ。

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