JP2016006411A - ミリ波用アンテナ及び車載用レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レドームの耐久性、密封性を確保しつつ、レドームを設けたことによる損失を低減できるミリ波用アンテナを提供する。【解決手段】ミリ波帯の電波を送受信するアンテナ本体２と、アンテナ本体２の送受信面を空間を介して離れて覆うレドーム１と、を有するミリ波用アンテナ１０１であって、レドーム１が、送受信される電波が通過するように設けられた空隙３を有する。車載用レーダ装置は、ミリ波用アンテナ１０１を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、ミリ波用アンテナ及び車載用レーダ装置に関する。

ミリ波用アンテナは、例えば、車載レーダ装置に使用される。この車載レーダ装置は、移動体である車両に搭載され、例えば、前方を走行する移動体などの障害物の方位、相対距離、相対速度などを検出する。

近年、特に、事故を未然に防ぐための予防安全技術への注目が高まっている。高級車などでは既に７６ＧＨｚ帯のミリ波レーダを使ったＡＣＣ（車間距離制御システム）やプリクラッシュセーフティシステム（プリクラッシュ）といったＡＤＡＳ（アドバンスド・ドライバー・アシスタンス・システム）が標準搭載されつつある。そのようなニーズの高まりを受けて、新たなレーダ帯域（７９ＧＨｚ帯）の標準化が推進されており２０１５年度からは利用可能となる見込みである。

ミリ波レーダとは、ミリ波の電波を所望の方向に送信し、その反射波を受信し、予め障害となりうる物体を検知するというものである。ミリ波レーダにおいて電波の送受信は平面型パッチアンテナや導波管に形成されたスロットアンテナで実施される。アンテナの設置場所としては、電波を通過させることができる非金属製の外装体のうち、必ず車の進行方向を向いているバンパーの内側が最適であると考えられている。また、一般的に車のバンパーの内側は密閉された空間ではないため雨、ほこりなどが侵入する。このため、アンテナ本体が取り付けられた固定部に、アンテナ本体を保護するために、固定部の前方を塞ぐレドームを設ける必要がある。レドーム自身も、耐久性、密封性を確保するためにはある程度の厚みや強度が必要になる。

以上のように構成された車載レーダ装置において、アンテナ本体から放射されたレーダ波は、レドームとバンパーを通過して探査対象に向けて放射され、探査対象からの反射波は、バンパーとレドームを通過してアンテナ本体に到達することになる。したがって、アンテナ本体から出射された電波がアンテナ本体にもどって来る間にレドームとバンパーをそれぞれ２回通過することになり、レドームとバンパーに起因する反射損と吸収損が問題になる。特に、ミリ波帯では、波長が短いことから反射損と吸収損の影響が大きくなる。かかる問題を解決するために、特許文献１および特許文献２において、レドームとバンパーの位置関係を電気長に基づいて規定することが提案されている。

特許第４０６５２６８号 特開２００３−１０６７６号公報

本開示は、レドームの耐久性および／または密封性を確保しつつ、レドームを設けたことによる損失を低減できるミリ波用アンテナと車載用レーダ装置を提供する。

本開示の一実施形態に係るミリ波用アンテナは、
ミリ波帯の電波を送受信するアンテナ本体と、
前記アンテナ本体の送受信面を空間を介して離れて覆うレドームと、を有し、
前記レドームは、送受信される電波が通過するように設けられた空隙を有する。

本開示の一実施形態に係るミリ波用アンテナは、レドームの耐久性、密封性を確保しつつ、レドームを設けたことによる損失を低減できる。

本開示に係る実施形態１のミリ波用アンテナの断面図である。 図１のミリ波用アンテナにおけるレドームの構成を模式的に示す断面図である。 本開示に係る実施形態２のミリ波用アンテナの断面図である。 本開示に係る実施形態３のミリ波用アンテナの断面図である。 実施形態１において、第１形態のレドームを用いて構成した車載用レーダ装置におけるアンテナ特性のシミュレーションの結果を示すグラフであり、ｙｚ面における放射角度に対する利得を示している。 実施形態１において、第１形態のレドームを用いて構成した車載用レーダ装置におけるアンテナ特性のシミュレーションの結果を示すグラフであり、ｘｚ面における放射角度に対する利得を示している。 実施形態１において、第２形態のレドームを用いて構成した車載用レーダ装置におけるアンテナ特性のシミュレーションの結果を示すグラフであり、ｙｚ面における放射角度に対する利得を示している。 実施形態１において、第２形態のレドームを用いて構成した車載用レーダ装置におけるアンテナ特性のシミュレーションの結果を示すグラフであり、ｘｚ面における放射角度に対する利得を示している。 本開示に係る実施形態１の車載レーダ装置の構成を示すブロック図である。

既存車や仕様上厚みの設計変更ができない車などに対して、レドームとバンパーの位置関係を電気長に基づいて規定して反射損を抑制することは困難である。そこで、本発明者は、レドームに起因する反射損と吸収損を減少させることが可能でアンテナ特性の良いミリ波用アンテナを提供すべく鋭意研究した。

本開示の一実施形態に係るミリ波用アンテナによれば、前記レドームは、送受信される電波が通過するように設けられた空隙を有している。よって、空隙を含むレドーム全体の厚さを確保しつつ、レドームを構成する部材を通過する伝搬路を短くできる。従って、レドームの耐久性、密封性を確保しつつ、レドームを設けたことによる損失を低減できる。

このミリ波用アンテナは、例えば、車載レーダ装置に使用される。この車載レーダ装置は、移動体である車両に搭載され、例えば、前方を走行する移動体などの障害物の方位、相対距離、相対速度などを検出する。

以下、図面を参照しながら、本開示に係る実施形態のミリ波用アンテナについて説明する。

実施形態１．
図７は、本開示に係る実施形態１の車載用レーダ装置の概略構成を示すブロック図である。実施形態１に係る車載用レーダ装置は、ミリ波アンテナ１０１と、ミリ波アンテナ１０１にて送受信した信号をデジタル処理するベースバンド部２００とを備える。ベースバンド部２００は、例えば、ＬＳＩにより具現化され、ミリ波アンテナ１０１の受信部にて受信した信号をデジタル処理することにより、対象物の速度、距離、方向などを計算する。ベースバンド部２００は、ミリ波アンテナ１０１の送信部のビーム制御を行ってもよい。ベースバンド部２００は、車載インターフェース２０１を介してセンサーＥＣＵ２０２の検出処理アプリ機能によって制御される。センサーＥＣＵ２０２に代えてＡＤＡＳ検知エンジンを用いてもよい。検出処理アプリ機能からの情報は、車内のヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）に表示されてもよいし、車のブレーキ制御に用いられてもよい。

図１は、本開示に係る実施形態１のミリ波用アンテナ１０１の構成を模式的に示す断面図である。実施形態１の車載用レーダ装置において、ミリ波用アンテナ１０１はバンパー９内に設置される。ミリ波用アンテナ１０１は、送受信アンテナ搭載基板２を含む。送受信アンテナ搭載基板２は、例えば、下面にシステムＬＳＩ４が搭載され、上面にアンテナ部２’が形成されてなり、固定台７に以下のように固定される。システムＬＳＩ４は、例えば、ＲＦチップである。

固定台７は、上面から下面に貫通する開口部７ｃを有する底部７ｂと、底部７ｂの上面に開口部７ｃを囲むように設けられた枠部７ａとからなり、底部７ｂの上面に送受信アンテナ搭載基板２が設けられる。具体的には、送受信アンテナ搭載基板２の下面に搭載されたシステムＬＳＩ４が開口部７ｃに位置するように、送受信アンテナ搭載基板２の下面の外周部分が底部７ｂ上面の開口部７ｃの周囲に固定される。枠部７ａは、送受信アンテナ搭載基板２を囲むように底部７ｂ上面に、例えば、ネジ６により固定される。

ここで、本実施形態１では、上面にアンテナ部２’が形成された送受信アンテナ搭載基板２を用いて構成したが、本開示はこれに限定されるものではなく、種々のアンテナ構造を採用することができる。本明細書において、送受信アンテナ搭載基板２を含むアンテナ構造体を総称してアンテナ本体という。

また、車載用レーダ装置では、送受信アンテナ搭載基板２の保護のために、絶縁体５が開口部７ｃを塞ぐように、例えば、ネジ６によって底部７ｂの下面に設けられる。さらに、送受信アンテナ搭載基板２の保護のため、レドーム１がアンテナ部２’から所定の距離だけ隔てた位置でレドーム固定用ゴム８にて枠部７ａに取り付けられる。尚、レドーム固定用ゴム８の一部（例えば、レドーム固定用ゴム８とレドーム１の間）には電波吸収層１０が設けられる。

以上のようにして、送受信アンテナ搭載基板２は、固定台７と、底部７ｂの下面で開口部７ｃを塞ぐ絶縁体５と、送受信アンテナ搭載基板２の前面を覆うレドーム１により形成された密閉空間（アンテナ保護空間ともいう。）内に設けられて保護される。車載用レーダ装置に用いられるミリ波用アンテナ１０１は、降雨、降雪などの悪天候下で使用されたり、走行中に小石の衝突等の物理的な衝撃に曝されるなど、厳しい外部環境に耐えうることが必要とされる。したがって、送受信アンテナ搭載基板２（即ち、アンテナ本体）を保護する固定台７、レドーム１等には粉塵の進入を防ぐ密封性に加え、一定以上の機械的強度が求められる。尚、本明細書において、密封性は車に搭載されたときに水分、粉塵等の進入を防ぐことができれば良く、例えば、真空状態を維持するような気密性までは必ずしも必要ない。

一方、送受信アンテナ搭載基板２の前方を覆うレドーム１は、アンテナ部２’から出射されるミリ波が通過するものであることから、吸収損および反射損を極力減らす必要がある。そこで、本実施形態１では、レドーム１は、送受信される電波が通過するように設けられた空隙３を有している。この空隙３は、アンテナ部２’から出射されるミリ波が実質的に全て空隙３を通過するような範囲に形成されていることが望ましく、具体的には、アンテナ部２’の指向性を考慮して形成される。具体的には、例えば、空隙３は、レドーム１の第１外表面にアンテナ本体の送受信面を電波の放射方向に平行投影したときの投影範囲より広い範囲に設けるようにする。

本実施形態１では、このような空隙３をレドーム１に設けることにより、レドーム１の全体の厚さｔを減少させることなく、レドーム１を構成する構造体の厚さ（即ち、図２におけるｄｒ＋ｄｒ’）を減少させることができる。これにより、レドーム１を構成する構造体による電波吸収損を小さくしつつ、アンテナ保護空間の密封性を維持し、レドーム１の機械的強度を確保できる。

すなわち、アンテナ保護空間の密封性を維持するためには、レドーム１の枠部７ａへの取り付け部分において、ある程度の厚さが必要になる。また、本発明者の知見によれば、レドーム１の枠部７ａへの取り付け部分近傍のレドーム１の厚さをある程度確保すれば、一定以上のレドーム１の機械的強度が維持できることが分かった。したがって、レドーム１の取り付け部分近傍の端部を除いた位置に空隙３を設けることにより、レドーム１を構成する構造体による電波吸収損を小さくしつつ、アンテナ保護空間の密封性を維持し、レドーム１の機械的強度を確保できる。

具体的には、レドーム１を構成する材料特性を考慮した上で、例えば、１．０ｍｍ以上、望ましくは２．０ｍｍ以上の厚さをレドーム１の枠部７ａへの取り付け部分において確保する。さらに、本実施形態１の車載用レーダ装置に用いるミリ波用アンテナでは、レドーム１を設けたことによる反射損を減らすために、以下のように構成することが望ましい。

図２を参照しながら、反射損を減少させる原理を説明する。図２に示すように、レドーム１は、送受信アンテナ搭載基板２の送受信アンテナ形成面２ａ（アンテナ部２’が形成された面）に平行に対向するように設けられる。ここで、レドーム１は、例えば、合成樹脂からなり、当該合成樹脂の各パラメータを、比誘電率ε、管内波長λ、厚さＤ、波数ｋ（＝２π／λ）とする。ここで、管内波長λは、真空中の波長をλ_０とすると、λ＝λ_０／ε^１／２で与えられる。

また、以下の説明では、レドーム１において、送受信アンテナ形成面２ａ側に位置する第１外表面１ａと空隙３の間に位置する領域を第１領域１１とし、レドーム１において、アンテナから離れた側の第２外表面１ｂと空隙３とに挟まれた領域を第２領域１２とする。第１領域１１と空隙３の界面を第１界面１ｃとし、空隙３と第２領域１２の界面を第２界面１ｄとする。空隙３の隙間、すなわち、第１界面１ｃと第２界面１ｄ間の距離は、ｔａとする。さらに、第１外表面１ａ、第２外表面１ｂ、第１界面１ｃ及び第２界面１ｄにおける、アンテナ部２’から出射されるミリ波に対する反射係数はいずれもΓであるとする。

まず、第１領域１１に関係する第１外表面１ａ及び第１界面１ｃの反射波について考える。第１外表面１ａにおける反射波と第１界面１ｃにおける反射波は、合成されてアンテナ部２’に再入射される。第１領域１１に関係する反射波は、アンテナ部２’から放射された電波が第１外表面１ａにより反射される第１反射波と、アンテナ部２’から放射された電波のうちの第１領域１１を通過した電波が第１界面１ｃで反射される第２反射波との合成波である。したがって、少なくとも第１反射波と第２反射波とが異なる位相で合成されることが望ましく、より望ましくは、第１反射波と第２反射波とが０．９π〜１．１πの範囲の位相差で合成されるようにし、よりいっそう望ましくは、第１反射波と第２反射波とが位相差がπの逆位相で合成されるようにする。

具体的には、第１領域１１の厚さｄｒ’を、（ａ）第１外表面１ａにおける第１反射波の位相と第２反射波の位相とが異なるように、（ｂ）望ましくは、第１外表面１ａにおける第１反射波と第２反射波とが０．９π〜１．１πの範囲の位相差になるように、（ｃ）よりいっそう望ましくは、第１外表面１ａにおける第１反射波と第２反射波の位相差がπになるように、設定する。

図２を参照しながらより具体的に説明する。まず、アンテナ部２’から放射された平面波Ｅｉが、第１外表面１ａからレドーム１に垂直に入射する場合、レドーム１と空気は波動インピーダンスが異なるため一部の平面波が反射される。この第１外表面１ａで反射される第１反射波Ｅｒ１は、
Ｅｒ１＝Ｅｉ・Γ……（１）
で表される。

また、第１領域１１を伝搬する透過成分Ｅｔ１は、
Ｅｔ１＝Ｅｉ・（１−｜Γ｜^２）^１／２……（２）
で表される。
透過成分Ｅｔ１が第１界面１ｃに到達すると、誘電率が不連続に変化する第１界面１ｃで透過成分Ｅｔ１の一部が反射される。

この第２反射波Ｅｒ２が第１領域１１を伝搬し第１外表面１ａに到達した時、その第２反射波Ｅｒ２は次の式で表される。
Ｅｒ２＝−Ｅｉ・Γ・（１−｜Γ｜^２）^１／２・ｅ^−２ｊβ
ここで、｜Γ｜^２＜＜１が成り立つとすると、第２反射波Ｅｒ２は
Ｅｒ２≒−Ｅｉ・Γ・ｅ^−２ｊβ……（３）
である。
ただし、式（３）中、第１領域１１の電気長βは、次の式で表される。
β＝ｋ・ｄｒ’

よって、レドーム１の第１外表面１ａにおける第１領域１１が関係する合成反射波Ｅｒは、
Ｅｒ＝Ｅｒ１＋Ｅｒ２＝Ｅｉ・Γ・（１−ｅ^−２ｊβ）……（４）
となる。

この式（４）から明らかなように、ｅ^−２ｊβが−１になると、すなわち、電気長βがπ／２の奇数倍になると、同位相で合成されることになり、合成反射波Ｅｒは最大になる。また、ｅ^−２ｊβが＋１になると、すなわち、βがπの整数倍になると、（１−ｅ^−２ｊβ）＝０となり、第１領域１１による反射の合成反射波Ｅｒが最小化される。

したがって、本実施形態１では、第１反射波と第２反射波が同位相で合成されることがないように第１領域１１の厚さｄｒ’を、電気長βがπ／２の奇数倍にならないように設定し、第１反射波と第２反射波とが異なる位相で合成されるようにすることが望ましい。

また、第１外表面１ａにおける第１反射波と第２反射波とが実質的に逆位相で合成されるように、０．９π〜１．１πの範囲の位相差になるように、第１領域１１の厚さｄｒ’を設定することが望ましく、より望ましくは、第１反射波と第２反射波とが逆位相で合成されるように、第１領域１１の厚さｄｒ’を設定する。

例えば、第１反射波と第２反射波とが逆位相で合成されるようにするためには、第１領域１１の厚さｄｒ’を以下の式（５）を満たすように設定する。
ｄｒ’＝ｎπ／ｋ＝ｎλ／２……（５）
ここで、ｎは整数であり、λは第１領域１１内における管内波長である。

また、第１外表面１ａにおける第１反射波と第２反射波とが実質的に逆位相で合成されるようにするためには、第１領域１１の厚さｄｒ’を以下の式（６）を満たすように設定する。
ｄｒ’＝（ｎπ±０．１π）／ｋ＝（ｎ±０．１）λ／２……（６）
ここで、ｎは整数である。

次に、第２領域１２に関係する第２界面１ｄ及び第２外表面１ｂの反射波について考える。第２界面１ｄにおける反射波と第２外表面１ｂにおける反射波は合成されて、空隙３及び第１領域１１を通過してアンテナ部２’に再入射される。第２領域１２に関係する反射波は、アンテナ部２’から放射された電波のうち第１領域１１を通過した電波が第２界面１ｄにより反射される第３反射波と、アンテナ部２’から放射された電波のうちの第１領域１１及び第２領域１２を通過した電波が第２外表面１ｂで反射される第４反射波との合成波である。したがって、少なくとも第３反射波と第４反射波とが異なる位相で合成されることが望ましく、より望ましくは、第３反射波と第４反射波とが０．９π〜１．１πの範囲の位相差で合成されるようにし、よりいっそう望ましくは、第３反射波と第４反射波とが位相差がπで合成されるようにする。

具体的には、第２領域１２の厚さｄｒを、（ａ）第３反射波と第４反射波とが異なる位相で空隙３内に出射されるようにし、（ｂ）望ましくは、第３反射波と第４反射波とが０．９π〜１．１πの範囲の位相差で空隙３内に出射されるようにし、（ｃ）よりいっそう望ましくは、第３反射波と第４反射波の位相差πで空隙３内に出射されるように、設定する。

図２を参照しながら電場の変化を基により具体的に説明する。
まず、第１領域１１を通過した成分Ｅｔは、
Ｅｔ＝Ｅｔ１・（１−｜Γ｜^２）^１／２・ｅ^−ｊβ
＝Ｅｉ・（１−｜Γ｜^２）・ｅ^−ｊβ……（７）
となる。
この透過成分Ｅｔが空隙３を伝搬し、第２界面１ｄに達したときの成分Ｅｉ’は、
Ｅｉ’＝Ｅｔ・ｅ^−ｊＴ……（８）
ただし、Ｔ（自由空間における電気長）＝ｋ_０・ｔａ
となる。

ここでｋ_０は自由空間における波数を表している。この入射成分Ｅｉ’に対する反射合成成分Ｅｒ’は、前記式（４）と同様に、
Ｅｒ’＝Ｅｉ’・Γ・（１−ｅ^−２ｊγ）……（９）
ただし、γ（電気長）＝ｋ・ｄｒ
と表すことができる。

Ｅｒ’は、第２界面１ｄで反射された第３反射波と、第２外表面１ｂで反射された第４反射波とを合成した合成反射波である。この式（９）から明らかなように、ｅ^−２ｊγが−１になると、すなわち、電気長γがπ／２の奇数倍になると、同位相で合成されることになり、合成反射波Ｅｒ’は最大になる。また、ｅ^−２ｊγが＋１になると、すなわち、γがπの整数倍になると、（１−ｅ^−２ｊγ）＝０となり、第２領域１２による反射の合成反射波Ｅｒ’が最小化される。

したがって、本実施形態１では、第２領域１２の厚さｄｒを、電気長γがπ／２の奇数倍にならないように設定し、第３反射波と第４反射波とが異なる位相で合成されるようにすることが望ましい。

また、第３反射波と第４反射波が空隙３に、０．９π〜１．１πの範囲の位相差で出射され、第３反射波と第４反射波が実質的に逆位相で合成されるように、第２領域１２の厚さｄｒを設定することがより望ましく、よりいっそう望ましくは、第３反射波と第４反射波が位相差πで空隙３に出射され、第３反射波と第４反射波が逆位相で合成されるように、第２領域１２の厚さｄｒを設定する。

例えば、第３反射波と第４反射波とが逆位相で空隙３の中で合成されるようにするためには、第２領域１２の厚さｄｒを以下の式（１０）を満たすように設定する。
ｄｒ＝ｎπ／ｋ＝ｎλ／２……（１０）
ここで、ｎは整数であり、λは第２領域１２内における管内波長である。

また、第３反射波と第４反射波とが空隙３の中で実質的に逆位相で合成されるようにするためには、第２領域１２の厚さｄｒを以下の式（１１）を満たすように設定する。
ｄｒ＝（ｎπ±０．１π）／ｋ＝（ｎ±０．１）λ／２……（１１）
ここで、ｎは整数である。

また、空隙３の中で合成された反射成分Ｅｒ’は、空隙３を伝搬し、第１領域１１を通過して送受信アンテナ搭載基板２側へ戻る。その成分Ｅｒ”は、
Ｅｒ”＝Ｅｒ’・ｅ^{−ｊＴ−ｊβ}……（１２）
で表される。
したがって、送受信アンテナ搭載基板２側に戻ってくる全反射波Ｅｒａｌｌは、
Ｅｒａｌｌ＝Ｅｒ＋Ｅｒ”
＝Ｅｉ・Γ［（１−ｅ^−２ｊβ）＋（１−ｅ^−２ｊγ）・ｅ^{−ｊＴ−ｊβ}］…（１３）
となる。

また、上式（１３）から、反射率Ｒは、
Ｒ＝Ｅｒａｌｌ／Ｅｉ
＝Γ・［（１−ｅ^−２ｊβ）＋（１−ｅ^−２ｊγ）・ｅ^{−ｊＴ−ｊβ}］……（１４）
と表すことができる。

本実施形態１において、この反射率Ｒが最小となるようにすれば、アンテナ全体としての反射損を最も少なくできる。それを実現するための条件は、空隙３によって分割されたレドーム１のそれぞれの電気長β、γをπの整数倍に等しくする事である。この条件において、前記式（１３）の全反射波Ｅ_ｒａｌｌは、
Ｅｒａｌｌ＝Ｅｒ＋Ｅｒ”
＝ＥｉΓ［（１−１）＋（１−１）ｅ^−ｊＴ］
＝０
となり、空隙幅ｔａと無関係に、反射損ゼロの理想的な状態を実現できる。

一方、吸収損Ａは、
Ａ＝３．３４・Ｘ・（ｆ・μ_ｒ・σ_ｒ）^１／２……（１５）
と表される。Ｘはレドームやバンパーなどの外装体の厚み、ｆは周波数、μ_ｒは外装体の比透磁率、σ_ｒは外装体の導電率を示している。式（１５）より、吸収損は、Ｘとμ_ｒに比例して大きくなることがわかる。吸収損Ａを抑制するためには、ミリ波が伝播する経路のうちで外装体の占める割合を小さくすることが有効である。例えば空隙を形成することにより、外装体の占める割合が半分になった場合、吸収損も半分になる。

以上の説明した内容に基づき、レドーム１の反射損及び吸収損を低減するための具体的な構成について説明する。

第１形態
以上の説明から明らかなように、原理的には、電気長βがπの整数倍になるように第１領域１１の厚さｄｒ’を設定し、電気長γがπの整数倍になるように第２領域１２の厚さｄｒを設定しかつ、第１領域１１の厚さｄｒ’と第２領域１２の厚さｄｒの合計の厚さを小さくすることにより、最も反射損を小さくでき、かつ第１領域１１及び第２領域１２における吸収損を抑えることができる。

以上の思想に基づき、第１形態のレドームでは、第１領域１１の厚さｄｒ’と第２領域１２の厚さｄｒをそれぞれλ／２に設定する。すなわち、第１形態のレドームは、式（５）（１０）を満足する厚さの中で最も薄くなるようにｎ＝１として、反射損を最小化した上で、レドームの材質による吸収損を極力抑えたレドームである。ここで、この反射損を考えるとき空隙３は反射損に影響しないので、空隙３の隙間の距離ｔａは、レドーム全体の厚さが所望の厚さになるように任意に設定できる。この第１形態のレドームは、第１及び第２外表面及び第１第２界面での反射が大きくなる、例えば、誘電率が比較的大きい材料によりレドームを構成した場合に、反射損を抑えることができ効果的である。

第２形態
第２形態のレドームは、レドームの材質による吸収損を第１形態より抑えるために、第１領域１１の厚さｄｒ’及び第２領域１２の厚さｄｒのうちの一方の厚さをλ／２に設定し、他方をλ／２より薄くしたものである。この第２形態のレドームでは、機械的強度を確保するために、バンパー側に位置する第２領域１２の厚さｄｒをλ／２に設定し、他方の第１領域１１の厚さｄｒ’をアンテナ特性に影響を及ぼさない程度に薄くする。ここで、第１領域１１の厚みｄｒ’がアンテナ特性に影響を及ぼさない程度に薄くするとは、例えば、第１領域の厚みｄｒ’が０．０５λ以下であることをいう。ここで、空隙３は反射損に影響はなく、空隙３による吸収損は極めて小さいので、空隙３の隙間の距離ｔａは、レドーム全体の厚さが所望の厚さになるように任意に設定できる。

このような構成にすることにより、反射損を減少させつつ吸収損を大きく抑制することができる。この第２形態のレドームは、第１及び第２外表面及び第１第２界面での反射を比較的小さくできる、例えば、誘電率が比較的小さい材料によりレドームを構成した場合に、吸収損を抑えることができ効果的である。

以上の第１形態のレドームを用いた場合と第２形態のレドームを用いた場合のアンテナ特性をシミュレーションにより確認した。シミュレーションには、電磁界解析ソルバを用いた。

第１形態レドームのシミュレーション１．
シミュレーション１では、全体の厚さが２．５ｍｍのレドームを仮定し、空隙３が形成された本実施形態のレドームと、空隙の無い比較例のレドームについてそれぞれシミュレーションを行った。このシミュレーション１では、第１領域１１の電気長βがπになるように第１領域１１の厚さｄｒ’を設定し、第２領域１２の電気長γがπになるように第２領域１２の厚さｄｒを設定した。具体的には、レドームを構成する材料の誘電率εは３．５であり、第１領域１１の幅ｄｒ’及び第２領域１２の幅ｄｒはそれぞれ１．０ｍｍとし、空隙３の幅ｔａは、０．５ｍｍとした。

シミュレーションの結果を図５Ａと図５Ｂに示す。尚、図５Ａは、ｙｚ面（図１における送受信アンテナ搭載基板２の断面に垂直な面であって、且つ送受信アンテナ形成面に垂直な面）における放射角度に対する利得を示しており、図５Ｂは、ｘｚ面（図１における送受信アンテナ搭載基板２の断面に平行な面）における放射角度に対する利得を示している。特性としては、空隙の無い比較例では、利得が２５．０ｄＢｉであったものが、空隙を形成した本実施形態では、利得が２５．５ｄＢｉであり、本実施形態では０．５ｄＢｉ性能が向上した。また、ｙｚ面におけるサイドローブレベルは、空隙の無い比較例では、−１６．１ｄＢであるのに対して、空隙を形成した本実施形態では、−１６．１ｄＢであり、同等の結果が得られた。また、ｘｚ面におけるサイドローブレベルは、空隙の無い比較例では、−１２．６ｄＢであるのに対して、空隙を形成した本実施形態では、−１２．７ｄＢであり、ほぼ同等の結果が得られた。

第２形態レドームのシミュレーション２．
シミュレーション２では、全体の厚さが１．６ｍｍのレドームを仮定し、空隙３が形成された本実施形態のレドームと、空隙の無い比較例のレドームについてそれぞれシミュレーションを行った。このシミュレーション２では、第１領域１１の厚さｄｒ’を薄くし、第２領域１２の電気長γがπになるように第２領域１２の厚さｄｒを設定した。具体的には、レドームを構成する材料の誘電率εは、３．５であり、第１領域１１の幅ｄｒ’は、０．１ｍｍとし、第２領域１２の幅ｄｒは１．０ｍｍとした。また、空隙３の幅ｔａは、０．５ｍｍとした。

シミュレーションの結果を図６Ａと図６Ｂに示す。尚、図６Ａは、ｙｚ面における放射角度に対する利得を示しており、図６Ｂは、ｘｚ面における放射角度に対する利得を示している。特性としては、空隙の無い比較例では、利得が２４．３ｄＢｉであったものが、空隙を形成した本実施形態では、利得が２５．４ｄＢｉであり、本実施形態では１．１ｄＢｉ性能が向上した。また、ｙｚ面におけるサイドローブレベルは、空隙の無い比較例では、−１３．５ｄＢであるのに対して、空隙を形成した本実施形態では、−１６．９ｄＢであり、本実施形態により３．４ｄＢ性能が向上した。また、ｘｚ面におけるサイドローブレベルは、空隙の無い比較例では、−１２．４ｄＢであるのに対して、空隙を形成した本実施形態では、−１２．６ｄＢであり、ほぼ同等の結果が得られた。

本シミュレーション結果より、空隙を設けた本開示に係るレドームを用いることがアンテナ特性向上に有効であることが確認できた。また今回のシミュレーションでは、第１形態よりも第２形態の方が優れる結果になったが、レドームを構成する材質の誘電特性（即ち、比誘電率、誘電正接等）によって特性は変化するため、前述したようにレドームに求められる特性に応じて使い分けることが望ましい。

以上のレドーム１は、第１領域１１、第２領域１２及び空隙３を囲む部分が一体で構成されていても良いし、同種もしくは異種の誘電板が複数枚積層されることによって形成されてもよい。具体的には、第１領域１１を含む第１誘電体板と、第２領域１２を含む第２誘電体板との間に、空隙３に対応する貫通開口部が形成された誘電体枠板を設けて積層することによりレドーム１を構成することができる。このような構成にすると、バンパー９側の第２誘電体板を、送受信アンテナ搭載基板２側の第１誘電体板よりも耐衝撃に優れた誘電体により構成することが可能になる。また、バンパー９側の第２誘電体板を送受信アンテナ搭載基板２側の第１誘電体板より厚くし、かつ耐衝撃に優れた材質を用いるとより効果的に必要な機械的強度を確保でき、バンパー内部に入り込んだ小石などの個体がレドーム１に衝突した時の衝撃に対してより耐性をもつ構造とできる。

また、第１誘電体板、第２誘電体板及び誘電体枠板は、貼り合わせることなく、重ねて固定台７に固定するようにしてもよい。このような固定構造にすることにより、例えば、第１誘電体板、第２誘電体板及び誘電体枠板を異なる材料で構成した場合であってもそりの発生を防止できる。

本実施形態１のレドーム１の空隙を設けた構成は、バンパー９にも、適用でき、同様の効果が得られる。この場合、バンパー９に形成される空隙３’の横方向（即ち、図１のｙ方向）および長手方向（即ち、図１のｘ方向）の長さは、レドーム１を通過したミリ波をカバーするために、レドーム１に形成された空隙３の形成サイズより大きくすることが望ましい。即ち、レドーム１の第１外表面１ａに対して、空隙３を投影したときの投影範囲よりも、空隙３’を投影したときの投影範囲の方が大きいことが望ましい。これにより、レドーム１と同様の効果を損なうことなく享受できる。

実施形態２．
図３は、本開示に係る実施形態２の車載用アンテナの構成を示す断面図である。この実施形態２の車載用アンテナは、レドーム２１の構成以外は、実施形態１の車載用アンテナと同様に構成されている。実施形態２のレドーム２１は、第１領域１１と第２領域１２との間隔を維持する支持体１３を空隙２３内に有している点で、実施形態１のレドーム１とは異なっている。この支持体１３は、空隙２３を設けることによってレドーム２３の機械的強度が低下するのを抑制するものである。したがって、支持体１３は、複数の柱体により構成してもよいし、格子状に形成された隔壁であってもよい。支持体１３が隔壁である場合、空隙２３は複数の部分に分割されることになる。尚、実施形態２の車載用アンテナのレドーム２１において、第１領域１１の厚さｄｒ’、第２領域１２の厚さｄｒ及び空隙２３の隙間ｔａは実施形態１のレドーム１と同様に設定される。

以上のように構成された実施形態２のレドーム２１は、実施形態１のレドーム１と同様アンテナ特性の劣化の抑制が可能となる上さらに、実施形態１のレドーム１に比較して機械的強度を高くできる。

実施形態３．
図４は、本開示に係る実施形態３の車載用アンテナの構成を示す断面図である。この実施形態３の車載用アンテナは、レドーム３１の構成以外は、実施形態１の車載用アンテナと同様に構成されている。実施形態３のレドーム３１は、前方に突出した湾曲した形状に構成されている点で、実施形態１のレドーム１とは異なっている。尚、実施形態３の車載用アンテナのレドーム３１において、第１領域１１の厚さｄｒ’、第２領域１２の厚さｄｒ及び空隙３３の隙間ｔａは実施形態１のレドーム１と同様に設定される。

以上のように構成された実施形態３のレドーム３１は、実施形態１のレドーム１と同様アンテナ特性の劣化の抑制が可能となる上さらに、実施形態１のレドーム１に比較してビームチルト時の特性劣化を軽減することができる。

以上の実施形態では、本開示に係るミリ波用アンテナを用いて車載用レーダ装置を構成した例を示したが、本開示のミリ波用アンテナは、これに限定されるものではなく、ミリ波無線通信などにも応用展開可能である。即ち、本開示のミリ波は、車載用レーダ装置で使用される波長およびミリ波無線通信で使用される波長の電波を含む。本開示のミリ波は、例えば、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の波長を有する電波を含む。また、本開示の空隙の形状は、特に限定されない。例えば、レドームの第１外表面に空隙を投影したときの形状は、正方形、長方形、円、楕円等であってもよい。

本開示に係るミリ波用アンテナは、車載用レーダをはじめＷｉＧｉｇ規格に基づく短距離高速デジタル無線伝送、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｄ規格に基づく無線ＬＡＮ装置もしくは非圧縮ＨＤ−ＴＶ映像伝送装置などのミリ波無線通信装置にも搭載することができ、種々の用途に利用できる。

１ レドーム
１ａ 第１外表面
１ｂ 第２外表面
１ｃ 第１界面
１ｄ 第２界面
２ 送受信アンテナ搭載基板
３ 空隙
４ システムＬＳＩ
５ 絶縁体
６ ネジ
７ 固定台
８ レドーム固定用ゴム
９ バンパー
１０ 電波吸収体

Claims (12)

1. ミリ波帯の電波を送受信するアンテナ本体と、
   前記アンテナ本体の送受信面を空間を介して離れて覆うレドームと、を有し、
   前記レドームは、送受信される電波が通過するように設けられた空隙を有するミリ波用アンテナ。
2. 前記レドームは、
   アンテナ側に位置する第１外表面と前記空隙の間に位置する領域により規定される第１領域を有し、
   該第１領域の厚さは、前記アンテナ本体から出射される電波が前記第１外表面により反射されてなる第１反射波と、前記アンテナ本体から出射されて前記第１領域を通過した電波が前記第１領域と前記空隙との界面で反射されてなる第２反射波とが異なる位相で前記第１外表面から前記アンテナ側の空間に出射されるように設定された請求項１に記載のミリ波用アンテナ。
3. 前記第１反射波と前記第２反射波とが０．９π以上１．１π以下の範囲の位相差で前記第１外表面から前記アンテナ側の空間に出射されるように、第１領域の厚さが設定された請求項２に記載のミリ波用アンテナ。
4. 前記レドームは、
   アンテナ側に位置する第１外表面と前記空隙の間に位置する領域により規定される第１領域、およびアンテナから離れた側の第２外表面と前記空隙とに挟まれた領域により規定される第２領域と、を有し、
   前記第２領域の厚さは、前記アンテナ本体から出射されて前記第１領域及び前記空隙を通過して前記空隙と前記第２領域の界面で反射されてなる第３反射波と、前記アンテナ本体から出射されて前記第１領域、前記空隙及び前記第２領域を通過して前記第２外表面で反射されてなる第４反射波とが異なる位相で前記空隙内に出射されるように設定されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のミリ波用アンテナ。
5. 前記第３反射波と前記第４反射波とが０．９π以上１．１π以下の範囲の位相差で前記空隙内に出射されるように第２領域の厚さが設定された請求項４に記載のミリ波用アンテナ。
6. 該第１領域の厚さは、前記第２領域の厚さより小さい請求項１〜５のうちのいずれか１つに記載のミリ波用アンテナ。
7. 前記空隙は、複数に分割されてなる請求項１〜６のうちのいずれか１つに記載のミリ波用アンテナ。
8. 前記空隙は、前記レドームの第１外表面に前記アンテナ本体の前記送受信面を電波の放射方向に平行投影したときの投影範囲より広い範囲の電波が通過するように設けられた請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載のミリ波用アンテナ。
9. 前記レドームは、前記第１領域を含む第１誘電体板と、前記空隙の外周を画する誘電体枠板と、前記第２領域を含む第２誘電体板とが積層された積層体を含む請求項１〜８のうちのいずれか１つに記載のミリ波用アンテナ。
10. 前記積層体は、前記第１誘電体板と、前記誘電体枠板と、前記第２誘電体板とが接合されることなく固定部に固定されてなる請求項９記載のミリ波用アンテナ。
11. 前記レドームの外周は、電波吸収層を有する固定部に固定されている請求項１〜１０のうちのいずれか１つに記載のミリ波用アンテナ。
12. 請求項１〜１１のうちのいずれか１つに記載のミリ波用アンテナを含む車載用レーダ装置。

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