JP4506728B2 - アンテナ装置およびレーダ - Google Patents

Description

この発明は、例えば車載用レーダに適用できる、アンテナ装置およびレーダに関するものである。

従来、素子アンテナの配置の自由度の高い平面アレイアンテナを備えたレーダが特許文献１に開示されている。この特許文献１のレーダの構成を図１に示す。
このレーダ１は、図１に示すように、平面アレイアンテナ２０を有するアンテナ層２、伝送線路を設けた伝送線路層３、高周波回路を搭載した高周波回路層４、およびディジタルビームフォーミング処理等を施す信号処理回路を搭載した信号処理回路層５を備えたものである。

また、サイドローブを抑圧したアレイアンテナが特許文献２に開示されている。この特許文献２のアレイアンテナの構成を、図２に示す。
このアレイアンテナは、給電回路から複数の放射素子（素子アンテナ）に給電する電力を制御することなくサイドローブを抑圧しようとするものである。このアレイアンテナは、図２に示すように誘電体基板１０の表面に放射素子１１ａ，１１ｂ、給電線路１２、および整合用のインピーダンス変換線路１３を形成していて、誘電体基板１０の裏面に接地面を構成する導体膜を形成している。また、このようにしてマイクロストリップ構造のアレイアンテナを構成するとともに、上記４個の放射素子１１ａ，１１ｂのうち、内側の２つの放射素子１１ｂの素子幅を外側２つの放射素子１１ａの素子幅より狭くしている。このアレイアンテナの給電回路４０は、分岐回路４１と伝送線路４２により構成していて、給電端子３０からの給電信号を電力分配して各放射素子１１ａ，１１ｂへ給電する。
特開平１１−２６１３３２号公報 特開２０００−２６９７３５号公報

一般に、複数のアレイアンテナを配置した場合、給電部から離れて配置されたアンテナでは給電線路長が長くなって、給電線路に起因する損失が大きくなるという問題があった。

特許文献１に示されているアレイアンテナでは、各素子アンテナに対して略等電力が供給されるように、１次放射器からの伝送線路が立体的に構成され、それぞれが略等距離になるように構成されている。このような構成では、各素子アンテナから放射される電力の偏差を緩和することができるが、素子アンテナに対する伝送線路を複数の層に亘って形成するため、装置の厚みが大きくなるという問題が生じる。

特許文献２のアレイアンテナにおいては、各素子アンテナに給電される電力に分布をもたせることによって、サイドローブを抑圧しようとするものである。アンテナ利得とサイドローブレベルはトレードオフの関係にあり、アンテナ利得Ｇは、アンテナ開口面積Ｓ、アンテナ効率η、波長λを用いて以下の式で表される。

Ｇ＝（４πＳ／λ²）η
すなわち、アンテナ利得Ｇを大きくしようとすると、アンテナ効率η、波長λが一定の場合、アンテナ開口面積Ｓを大きくしなければならない。すなわちアンテナ素子数を増やす必要がある。アンテナ効率ηは各素子アンテナに給電される電力分布を制御することで変化可能であるが、各素子アンテナに均等に電力を給電した場合にアンテナ効率ηはη＝１となり、最大となる。特許文献２の場合、各素子アンテナに給電される電力に分布をもたせている。この結果、サイドローブの抑圧には効果的であっても、アンテナ効率ηはη＜１の関係となり、アンテナ利得Ｇは小さくなってしまう。すなわち、特許文献２のアレイアンテナの構成では全体のアンテナ利得を高めることにはならない。

そこで、この発明の目的は、複数のアレイアンテナを配列してなる複合アレイアンテナ構成のアンテナ装置において、各アレイアンテナの実効利得偏差を小さくしたアンテナ装置およびそれを備えたレーダを提供することにある。

この発明のアンテナ装置は、高周波回路部と、複数のアレイアンテナと、前記高周波回路部と前記アレイアンテナを接続する複数の伝送線路とを備え、これらの伝送線路のうち、伝送損失の比較的大きな伝送線路に接続されるアレイアンテナの素子数を、伝送損失の比較的小さな伝送線路に接続されるアレイアンテナの素子数より多くしたことを特徴としている。

また、前記伝送線路による損失を含めた各アレイアンテナの実効利得が互いに等しくなるように各アレイアンテナの素子数を定める。

また、前記複数のアレイアンテナと前記複数の伝送線路を同一の基板上に形成する。

また、前記複数のアレイアンテナのうち基板の端部に隣接する位置に配置するアレイアンテナを側方放射型アレイアンテナとし、他のアレイアンテナを前面放射型アレイアンテナとする。

また、前記複数のアレイアンテナの各アレイアンテナの指向方向が互いに異なるようにする。

この発明のレーダは、前記いずれかの構成のアンテナ装置と、そのアンテナ装置で探知用電波を送受信して物標の探知を行うレーダ制御部とから構成する。

前記複数の伝送線路のうち伝送損失の比較的大きな伝送線路に接続されるアレイアンテナの素子数を伝送損失の比較的小さな伝送線路に接続されるアレイアンテナの素子数より多くしたことにより、各アレイアンテナの実効アンテナ利得が揃うことになり、アレイアンテナ間の利得の偏差が抑えられ、レーダに適用した場合に各アレイアンテナを用いた検知範囲の偏差が小さくなる。

前記伝送線路による損失を含めた、各アレイアンテナの実効利得が互いに等しくなるように各アレイアンテナの素子アンテナを定めることによって、各アレイアンテナの実効利得がより効果的に揃うことになる。

前記複数のアレイアンテナと複数の伝送線路を同一基板上に形成することによって、アンテナ装置が全体に薄型化できる。

また、基板端部のアレイアンテナを側方放射型アレイアンテナとし、他のアレイアンテナを前面放射型アレイアンテナとすることにより、広角度に亘ってビームを向けることのできるアンテナ装置が得られる。

また、複数のアレイアンテナの各アレイアンテナの指向方向を互いに異ならせることによって所望方向にビームが指向するアンテナ装置が得られる。

前記いずれかの構成のアンテナ装置を用いてレーダを構成することにより、方位ごとの利得ばらつきの少ない物標探知が可能となる。

《第１の実施形態》
図３は第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す分解斜視図である。このアンテナ装置は、主に上層の誘電体基板５０と導体板６０，７０との積層構造を成している。誘電体層５０には５つのアレイアンテナ５１，５２，５３，５４，５５を構成している。アレイアンテナ５１は、素子アンテナ（以下、単に「素子」という。）５１１Ａ，５１１Ｂ，・・・５１１Ｉ、および５１２Ａ，５１２Ｂ，・・・５１２Ｉから構成している。各素子は誘電体基板５０の下面に形成した接地電極とともにマイクロパッチアンテナを構成している。素子５１１Ａ〜５１１Ｉ，５１２Ａ〜５１２Ｉの互いに隣接する各素子間はマイクロストリップラインで接続している。

各アレイアンテナ５１〜５５にはそれぞれ線路変換部１１１〜１１５を備えている。これらの線路変換部１１１〜１１５は、下部の導体板６０，７０による導波管とマイクロストリップラインとの線路変換部である。アレイアンテナ５１において線路変換部１１１によって変換されたマイクロストリップラインは、素子５１１Ａ〜５１１Ｉおよび５１２Ａ〜５１２Ｉにそれぞれ給電するように２つに分岐している。

他のアレイアンテナ５２〜５５についても同様である。但し、アレイアンテナ５１，５５を構成する素子数はそれぞれ１８個、アレイアンテナ５２，５４を構成する素子数はそれぞれ１６個、アレイアンテナ５３を構成する素子数は１４個である。

導体板６０および７０の内面（両者が向かい合わさる面）には溝を形成していて、この２つの導体板６０，７０を積層した状態で複数の導波管を構成する。導体板７０には導波管溝７１〜７５を形成している。導体板６０の下面にもこれらの導波管溝７１〜７５と鏡対称の導波管溝を形成していて、導体板６０，７０を積層した状態で５つの導波管を構成する。

導体板７０の領域Ａの下部には高周波回路部を構成していて、その高周波回路との信号入出力は、この導体板６０，７０によって構成した導波管によって行う。導体板６０には上記５つの導波管に繋がる導波管穴６１〜６５を形成している。これらの導波管穴６１〜６５は誘電体基板５０の線路変換部１１１〜１１５の位置にそれぞれ対応している。

図４は前記線路変換部の構成を示す分解斜視図である。図４（Ａ）において、誘電体基板５０の上面には上面接地電極５１５、下面の共振器電極と導通するビア５１６およびそこから延びるマイクロストリップライン５１７を形成している。図４（Ｂ）は上記誘電体基板５０の下面図（上下を裏返した状態での斜視図）である。誘電体基板５０の下面には共振器電極５１３および略全面の下面接地電極５１４を形成している。誘電体基板５０の上下面の接地電極は共振器電極５１３周囲のビアを介して導通させている。上記共振器電極５１３は導体板６０に形成した導波管穴６１と対向し、導波管モードと結合して共振する。この共振信号がビア５１６を介してマイクロストリップライン５１７のモードで伝搬されることになる。

図３に示したように高周波回路部（領域Ａ下部）から各アレイアンテナ５１〜５５に対して給電する導波管の線路長は中央に配置されたアレイアンテナほど短く、そこから両側に離れて配置されたアレイアンテナほど長くなる。そのため中央のアレイアンテナ５３よりアレイアンテナ５２，５４の素子数を多くしていて、このアレイアンテナ５２，５４よりアレイアンテナ５１，５５の素子数をさらに多くしている。これにより各アレイアンテナ５１〜５５の実効アンテナ利得が揃うことになる。

《第２の実施形態》
図５は第２の実施形態に係るアンテナ装置の分解斜視図である。このアンテナ装置は主に誘電体基板８０と導体板９０との積層構造を成している。誘電体基板８０には５つのアレイアンテナ８１〜８５のためのスロットアレイを構成している。

なお、上記スロットアレイは、誘電体基板８０の代わりに導体板を用い、これにスロットを形成することによって構成してもよい。

誘電体基板８０の下面には略全面に接地電極を形成するとともに、スロットアレイを形成している。例えばアレイアンテナ８１部分には、スロット８１１Ａ，８１１Ｂ，・・・８１１Ｊおよび８１２Ａ，８１２Ｂ，・・・８１２Ｊを形成している。他のアレイアンテナ８２〜８５部分についても同様にそれぞれ複数のスロットアレイを形成している。

導体板９０には導波管溝９１１，９１２，９２１，９２２，９３１，９３２，９４１，９４２，９５１，９５２をそれぞれ形成している。また領域Ａの導波管溝端部には導波管穴９１，９２，９３，９４，９５をそれぞれ形成している。

導体板９０に上記誘電体基板８０を積層した状態で、誘電体基板８０の下面に形成した接地電極と導体板９０に形成した導波管溝とによって導波管として作用する。そして領域Ａ下部の高周波回路部に繋がる導波管によって信号が伝搬し（給電され）上記スロット８１１Ａ〜８１２Ｊ等によってスロットアレイアンテナとして作用する。

この場合も上記高周波回路部からの伝送線路長がアレイアンテナ８１〜８５のうち中央ほど短く、両側に離れるに従い長くなるので、中央のアレイアンテナ８３よりその両側のアレイアンテナ８２，８４のスロット数を多くし、その外側のアレイアンテナ８１，８５のスロット数をさらに多くしている。これにより、各アレイアンテナ８１〜８５の実効アンテナ利得が揃うことになる。

《第３の実施形態》
図６は第３の実施形態に係るアンテナ装置の分解斜視図である。このアンテナ装置は主に誘電体基板１００と導体板１１０との積層構造を成している。誘電体基板１００には５つのアレイアンテナ１０１〜１０５のためのスロットアレイを構成している。

なお、上記スロットアレイは、誘電体基板１００の代わりに導体板を用い、これにスロットを形成することによって構成してもよい。

誘電体基板１００の下面には略全面に接地電極を形成するとともに、スロットアレイを形成している。例えばアレイアンテナ１０１部分には、スロット１０１１Ａ，１０１１Ｂ，・・・１０１１Ｊおよび１０１２Ａ，１０１２Ｂ，・・・１０１２Ｊを形成している。

図５に示した例では、高周波回路部との接続部である領域Ａを導体板の端部に配置したが、この図６に示す例では、導体板１１０の中央部（領域Ａ）を、下面にある高周波回路部との接続部としている。これに伴い、導体板１１０の導波管溝１１１１〜１１５２が導体板１１０の中央部（領域Ａ）から広がるように形成している。また、誘電体基板１００のスロットアレイについては、中央部を避ける位置に各スロットを形成している。

その他は図５に示したものと同様である。各アレイアンテナ１０１〜１０５のスロットは領域Ａ下部の高周波回路部からの伝送線路長に応じて定めている。この場合も上記高周波回路部からの伝送線路長がアレイアンテナ１０１〜１０５のうち中央ほど短く、両側に離れるに従い長くなるので、中央のアレイアンテナ１０３よりその両側のアレイアンテナ１０２，１０４のスロット数を多くし、その外側のアレイアンテナ１０１，１０５のスロット数をさらに多くしている。これにより、各アレイアンテナ１０１〜１０５の実効アンテナ利得が揃うことになる。

《第４の実施形態》
図７は第４の実施形態に係るアンテナ装置の分解斜視図である。図３に示したアンテナ装置では、５つのアレイアンテナをいずれもマイクロパッチアンテナを素子とするアレイアンテナとしたが、この図７に示すアンテナ装置では、５つのアレイアンテナ１２１〜１２５のうち誘電体基板１２０の両端部に位置するアレイアンテナ１２１，１２５を側方放射型アレイアンテナとしている。この側方放射型アレイアンテナ１２１，１２５は線状エンドファイアンテナ１２１Ａ，１２１Ｂ，・・・１２１Ｋおよび１２５Ａ，１２５Ｂ，・・・１２５Ｋをリニアアレイ配置したものである。残りのアレイアンテナ１２２〜１２４については図３に示したものと同様にマイクロパッチのアレイアンテナとしている。

各アレイアンテナ１２１〜１２５にはそれぞれ線路変換部１１１〜１１５を備えている。これらの線路変換部１１１〜１１５は、下部の導体板１３０，１４０による導波管とマイクロストリップラインとの線路変換部である。

導体板１３０および１４０の内面（両者が向かい合わさる面）には溝を形成していて、この２つの導体板１３０，１４０を積層した状態で複数の導波管を構成する。導体板１４０には導波管溝１４１〜１４５を形成している。導体板１３０の下面にもこれらの導波管溝１４１〜１４５と鏡対称の導波管溝を形成していて、導体板１３０，１４０を積層した状態で５つの導波管を構成する。

図８は図７に示したアレイアンテナ１２１，１２５のうちの１つの素子の平面図である。この素子は、ダイポール構成の放射電極６１１，６１２、それに対して前方に平行に配置した導波電極６１６を備えている。給電電極６１５および平衡伝送電極６１３，６１４の下面には接地電極６１０を形成していて、これらをマイクロストリップラインとして作用させている。放射電極６１１，６１２には平衡伝送電極６１３，６１４および給電電極６１５で給電する。給電電極６１５から分岐する２つの平衡伝送電極６１３，６１４の経路長は１／２波長だけずれているので、放射電極６１１，６１２は逆位相で給電されることになる。

この素子は、八木・宇田アンテナ構造をなす線状配列エンドファイアンテナである。そのため、図７に示したアレイアンテナ１２１，１２５の放射パターンは誘電体基板１２０の側方を指向することになる。

《第５の実施形態》
図９は第５の実施形態に係るアンテナ装置の分解斜視図である。図３に示した例では５つのアレイアンテナ５１〜５５に対して導波管を引き回すように構成したが、この図９の例では給電のための伝送線路をマイクロストリップラインで引き回している。すなわち、誘電体基板１５０には５つのアレイアンテナ１５１〜１５５を構成するとともに、線路変換部１１１〜１１５を誘電体基板１５０の端部に集中させ、線路変換部１１１〜１１５から各アレイアンテナまでマイクロストリップラインで信号の伝送を行うようにしている。

これに合わせて導体板１６０には導波管穴６１〜６５を形成している。導体板１６０の領域Ａの下部には、導波管穴６１〜６５を介して信号の入出力を行う高周波回路部を設けている。

上記高周波回路部からの伝送線路長はアレイアンテナ１５１〜１５５のうち中央ほど短く、両側に離れるに従い長くなるので、中央のアレイアンテナ１５３よりその両側のアレイアンテナ１５２，１５４の素子数を多くし、その外側のアレイアンテナ１５１，１５５の素子数をさらに多くしている。これにより、各アレイアンテナ１５１〜１５５の実効アンテナ利得が揃うことになる。

《第６の実施形態》
図１０は第６の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す分解斜視図である。このアンテナ装置は高周波回路部との接続を行う線路変換部をアンテナ装置の中央部に配置したものである。

誘電体基板１７０には５つのアレイアンテナ１７１〜１７５を構成するとともに、線路変換部１１１〜１１５を誘電体基板１７０の中央部に集中させ、線路変換部１１１〜１１５から各アレイアンテナまでマイクロストリップラインで信号の伝送を行うようにしている。

これに合わせて導体板１８０には導波管穴６１〜６５を形成している。導体板１８０の領域Ａの下部には、導波管穴６１〜６５を介して信号の入出力を行う高周波回路部を設けている。

上記高周波回路部からの伝送線路長はアレイアンテナ１７１〜１７５のうち中央ほど短く、両側に離れるに従い長くなるので、中央のアレイアンテナ１７３よりその両側のアレイアンテナ１７２，１７４の素子数を多くし、その外側のアレイアンテナ１７１，１７５の素子数をさらに多くしている。これにより、各アレイアンテナ１７１〜１７５の実効アンテナ利得が揃うことになる。

《第７の実施形態》
図１１は第７の実施形態に係るアンテナ装置の斜視図、図１２はその各アレイアンテナによる指向特性の例を示している。

図１１において、誘電体基板１９０には５つのアレイアンテナ１９１〜１９５を構成している。これらのアレイアンテナのうち誘電体基板１９０の両端部に位置するアレイアンテナ１９１，１９５は側方放射型アレイアンテナ、残る３つのアレイアンテナ１９２〜１９４は前面放射型アレイアンテナである。図７に示したアンテナ装置と異なるのは、線路変換部１１１〜１１５を、誘電体基板１９０の一方の辺の中央部に集中配置していること、線路変換部１１１〜１１５からマイクロストリップライン２０１〜２０５を介して給電していること、さらにはアレイアンテナ１９２，１９４への給電位相が異なることである。すなわち、マイクロストリップライン２０２の所定箇所で分岐させることにより、アレイアンテナ１９２を構成する２つのアレイアンテナ部１９２−１と１９２−２に対する給電位相に位相差をもたせている。同様に、マイクロストリップライン２０４の所定箇所で分岐させることにより、アレイアンテナ１９４を構成する２つのアレイアンテナ部１９４−１と１９４−２に対する給電位相に位相差をもたせている。一方、マイクロストリップライン２０３の所定箇所で等分岐させることにより、アレイアンテナ１９３を構成する２つのアレイアンテナ部１９３−１と１９３−２に対する給電位相を等位相にしている。

このような給電によって、中央のアレイアンテナ１９３については２つのアレイアンテナ部１９３−１と１９３−２に対して同位相で給電されて、図１２において放射パターンＲＰ３で示すようにアンテナ装置の正面方向に指向性が向く。また、アレイアンテナ１９２，１９４については、それぞれ２列のアレイアンテナ部に対して位相差給電されて、図１２において放射パターンＲＰ２，ＲＰ４で示すようにアンテナ装置の正面に対して傾斜方向に指向性が向く。また、側方放射型アレイアンテナ１９１，１９５については図１２において放射パターンＲＰ１，ＲＰ５で示すようにアンテナ装置の側方に指向性が向く。

《第８の実施形態》
図１３は第８の実施形態に係るレーダの主要部の構成を示すブロック図である。
信号処理部３０２はアンテナ装置３０１を制御して所定方向にビームを指向させる。また信号処理部３０２は、ＦＭＣＷ方式の検知処理に基づいて送信ビームを形成するための制御電圧を生成してＶＣＯ３０３に与える。ＶＣＯ３０３は与えられた制御電圧にしたがって、周波数を時系列で連続的に三角形状に変化させた送信信号を発生する。カプラ３０４は、入力された送信信号をサーキュレータ３０５に出力するとともに、その一部を局部信号としてミキサ３０６に与える。サーキュレータ３０５は、カプラ３０４からの送信信号をアンテナ装置３０１に出力する。
アンテナ装置３０１は、以上の各実施形態で示したアンテナ装置である。

またサーキュレータ３０５は、アンテナ装置３０１からの受信信号をミキサ３０６に出力する。ミキサ３０６は、カプラ３０４からの局部信号とサーキュレータ３０５からの受信信号とをミキシングすることでビート信号を生成してＬＮＡ３０７に出力する。ＬＮＡ３０７はビート信号を増幅してＡ／Ｄ変換器３０８に与える。Ａ／Ｄ変換器３０８は増幅されたビート信号をＡ／Ｄ変換して信号処理部３０２に与える。信号処理部３０２はディジタル化されたビート信号に基づいて既知のＦＭＣＷ方式のデータ処理方法を用いて、ターゲットの相対速度、相対距離等を算出する。

このような構成では、アンテナ装置３０１が小型であるので、レーダも小型化することができる。また、アンテナ装置３０１の利得が高いので、探知範囲が広く検知性能の高いレーダを構成することができる。

なお、この発明はＦＭＣＷ方式のレーダに限らず他の方式のレーダにも同様に適用できる。また、レーダに限らず無線通信装置にも適用可能である。

特許文献１に示されているレーダの斜視図である。 特許文献２に示されているアレイアンテナの平面図である。 第１の実施形態に係るアンテナ装置の分解斜視図である。 同アンテナ装置の線路変換部の構成を示す図である。 第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す分解斜視図である。 第３の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す分解斜視図である。 第４の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す分解斜視図である。 同アンテナ装置の素子の構成を示す平面図である。 第５の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す分解斜視図である。 第６の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す分解斜視図である。 第７の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す分解斜視図である。 同アンテナ装置の放射パターンの例を示す図である。 第８の実施形態に係るレーダの構成を示すブロック図である。

符号の説明

５１〜５５，８１〜８５，１０１〜１０５，１２１〜１２５，１５１〜１５５，１７１〜１７５，１９１〜１９５−アレイアンテナ
５０，８０，１００，１２０，１５０，１７０，１９０−誘電体基板
６０，７０，９０，１１０，１３０，１４０，１６０，１８０−導体板
６１〜６５，９１〜９５−導波管穴
７１〜７５−導波管溝
５１３−共振器電極
５１４−下面接地電極
５１５−上面接地電極
５１６−ビア
５１７−マイクロストリップライン
１１１〜１１５−線路変換部
５１１，５１２−素子
９１１，９１２，９２１，９２２，９３１，９３２，９４１，９４２，９５１，９５２−導波管溝
８１１，８１２−スロット
６１１，６１２−放射電極
２０１〜２０５−マイクロストリップライン

Claims (6)

1. 高周波回路部と、複数のアレイアンテナと、前記高周波回路部に前記アレイアンテナを接続する複数の伝送線路と、を備え、
   前記複数の伝送線路のうち、伝送損失の比較的大きな伝送線路に接続される前記アレイアンテナの素子数を、伝送損失の比較的小さな伝送線路に接続される前記アレイアンテナの素子数より多くしたアンテナ装置。
2. 前記伝送線路による損失を含めた、前記複数のアレイアンテナの各アレイアンテナの実効利得が互いに等しくなるように前記各アレイアンテナの素子数を定めた請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記複数のアレイアンテナと前記複数の伝送線路が同一の基板に形成されている請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記複数のアレイアンテナのうち前記基板の端部に隣接する位置に配置されているアレイアンテナは側方放射型アレイアンテナであり、他のアレイアンテナは前面放射型アレイアンテナである請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記複数のアレイアンテナの各アレイアンテナの指向方向が互いに異なる請求項１〜４のうちいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 請求項１〜５のうちいずれかに記載のアンテナ装置と、当該アンテナ装置で探知用電波を送受信して物標の探知を行うレーダ制御部とから成るレーダ。
   

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