JP6469254B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、目標物の探知を行うレーダ装置に用いるアンテナ装置に係り、特に、自動車衝突防止用レーダ装置に用いて好適なアンテナ装置に関する。

自動車衝突防止用レーダ装置は、自動車に搭載されるレーダ装置であり、前方を走行する自動車を含む目標物の距離、方向、相対速度を検出するために利用される。レーダ装置から送信される信号の周波数は、主にミリ波帯のものが使用される。

自動車衝突防止用レーダ装置では、送信アンテナと受信アンテナは別個に設けられ、通常、受信アンテナは２チャンネル以上設けられる。自動車衝突防止用レーダ装置では、送信アンテナから電波を照射し、目標物からの反射波を受信アンテナで受信して信号処理が行われる。このとき、反射波が戻ってくるまでの時間から距離を求め、受信チャンネル間の位相差から方向を求め、反射波の周波数から相対速度を求めることができる。

自動車衝突防止用レーダ装置の特性として、前方はできるだけ遠くの目標物を検出できるとともに、横からの飛び出し等に対処するため、側方もできるだけ広角まで検出できることが望ましい。すなわち、アンテナの特性としては、正面利得が高く、広角までナル（ｎｕｌｌ）が存在しないことが望ましい。なお、アンテナ放射パターンにおいて、メインローブとサイドローブの境目など、利得が極小になるところをナルと呼び、ナルの利得を上げることをナルフィリングと呼んでいる。

ナルフィリングを行ったアンテナ装置として、下記の特許文献１に記載されたアンテナ装置（以下、適宜「従来のアンテナ装置」と称する）が知られている。この従来のアンテナ装置は、地面に対して垂直な方向に配列された４個の放射素子と、４個の放射素子に高周波信号を供給する給電回路とを備え、放射素子の番号を上から順に素子１、素子２、素子３、素子４とすると、上側の放射素子群（素子１、素子２）と、下側の放射素子群（素子３、素子４）とに対し、均等でない分配比で給電している。

従来のアンテナ装置における放射パターンは、特許文献１の図２および図３に示されるように、０度、すなわちアンテナ面の正面方向において、偶数個（同文献では４個を例示）の放射素子からの放射電界が同相で加算され、利得が最大（０ｄＢ）となる。一方、垂直面内における１７度近辺では、素子１と素子３とが逆相、および素子２と素子４とが逆相の位相関係となり、４個の放射電界のベクトル和が極小、すなわち第１ナルとなる。

従来のアンテナ装置において、上側の放射素子群と下側の放射素子群とに均等な分配比（１：１）で給電すると第１ナルの利得はほぼ０（−３０ｄＢ以下）になるが、均等でない分配比（１：２〜１：４）で給電すると、４個の放射電界のベクトル和は０にならず、第１ナルの利得が−１８ｄＢ〜−１２ｄＢ程度に上昇することが記載されている。

特開２００４−４０２９９号公報

上記の通り、従来のアンテナ装置は、１７度近辺に位置する第１ナルの利得を上げる効果はあるが、３６度近辺に位置する第２ナルに対してはナルフィリングの効果がないという問題点がある。

上記特許文献１の図２および図３には記載されていないが、３６度近辺では素子１と素子２とが逆相、素子３と素子４が逆相の位相関係となるため、上側放射素子群と下側放射素子群に対する給電分配比に関わらず、４個の放射電界のベクトル和はほぼ０となるからである。このため、従来のアンテナ装置では、第２ナルである３６度近辺を含み、第２ナルを超える広い角度範囲で使用することが困難であるという問題点がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、第１ナルだけでなく、第２ナル以降のナルに対するナルフィリングを可能とするアンテナ装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の方向に配列された３以上且つ奇数個の放射素子と、前記放射素子に高周波信号を供給する給電回路とを備えたアンテナ装置において、中央に位置する放射素子の励振電圧を、他の放射素子の励振電圧の平均値の２倍以上に設定したことを特徴とする。

本発明によれば、第２ナル以降のナルに対するナルフィリングが可能になる、という効果を奏する。

実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す正面図 アレーアンテナにおける２種類の放射パターンを比較して示すグラフ 実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す正面図 表１に示した第１のケース（ナルフィリングなし）の振幅分布を与える給電回路の構成例を示す図 第１のケースの振幅分布を与える第１の電力分配器の電力分配比を説明する図 第１のケースの振幅分布を与える第２の電力分配器の電力分配比を説明する図 第１のケースの振幅分布を与える第３の電力分配器の電力分配比を説明する図 表２に示した第２のケース（ナルフィリングあり）の振幅分布を与える給電回路の構成例を示す図 第２のケースの振幅分布を与える第１の電力分配器の電力分配比を説明する図

以下に、本発明の実施の形態に係るアンテナ装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るアンテナ装置の構成を示す正面図である。図１では、誘電体基板１上にマイクロストリップアレーアンテナを構成した場合を例示している。

実施の形態１に係るアンテナ装置は、図１に示すように、誘電体基板１上に配列された５個の放射素子２１〜２５からなるアレーアンテナ２と、アレーアンテナ２を構成する放射素子２１〜２５に高周波信号を供給する給電回路３とを含む。給電回路３は、給電部４に電気的に接続され、給電部４を介して外部からの高周波信号を放射素子２１〜２５に分配する。

５個の放射素子２１〜２５は、地面に対して水平方向に仮想的に引かれた一点鎖線で示す第１の直線Ｌ１上に配列されている。なお、放射素子２１〜２５としてはパッチアンテナが例示され、給電回路３としてはマイクロストリップ線路が例示され、給電部４としては、マイクロストリップ線路と導波管との間で伝送される信号を相互に変換するマイクロストリップ線路／導波管変換器が例示される。

放射素子２１〜２５は、０．５〜０．８波長程度の間隔で等間隔に配置される。給電回路３は、給電部４を介して入力される高周波信号が、放射素子２１〜２５に対し、振幅は均等でなく、位相は等位相であり、且つ、予め設定された分配比で給電されるように設計される。

次に、実施の形態１に係るアンテナ装置におけるアレーアンテナ２の特性について説明する。

まず、第１のケースとして、ナルフィリングを行わない場合の放射パターンを図２の破線で示す。放射パターンは計算値である。なお、放射パターンの計算に際し、放射素子の間隔は０．６４波長、振幅分布は公知のテイラー分布であり、サイドローブレベルは“−３０ｄＢ”としている。

第１のケースの放射パターンは図２の破線で示されるように、正面方向である０度で５個の放射素子２１〜２５からの放射電界が同相で加算され、利得が最大（０ｄＢ）となる。また、±２８度に第１ナル、±４１度に第２ナル、±６６度に第３ナルが存在する。よって、この放射パターンを使用する場合、レーダ装置の使用可能範囲は正面方向から第１ナルの内側まで、すなわち±２４度程度に限定される。

第１のケースの振幅分布を下記表１に示す。

表１に示されるように、中央の放射素子２３の励振電圧は“１”に正規化されている。一方、中央の放射素子２３を除く残り４個の放射素子２１，２２，２４，２５の励振電圧の平均値を求めると“０．５５”となる。この平均値に対して、中央の放射素子２３の励振電圧の比率は１．８（≒１／０．５５）倍となっており、２未満の値である。

次に、第２のケースとして、中央に位置する放射素子２３の励振電圧を第１のケースの場合の１．２６倍（＋２ｄＢ）に上げた場合の放射パターン（計算値）を図２の実線で示す。第１のケースと比較すると、±２８度近辺、±４１度近辺、±６６度近辺の利得が上昇し、全てのナルに対してナルフィリングが行われている。よって、この放射パターンを使用する場合、レーダ装置の使用可能範囲は±７０度以上に広角化されることになる。

第２のケースの振幅分布を下記表２に示す。

表１と表２とを比較すると、表２の場合、中央の放射素子２３以外の励振電圧の比率は同一である。一方、中央の放射素子２３の励振電圧の比率は平均値の２．３（≒１．２６／０．５５）倍となっており、この部分だけが異なっている。したがって、中央の放射素子２３の励振電圧の比率の値を変更することにより、ナルフィリングの効果が得られたことが分かる。

なお、上記の例では、放射素子が５個の場合について説明したが、５個に限定されるものではなく、３以上の奇数個であればよい。詳細な説明は省略するが、３素子あるいは７素子の場合であっても、中央に位置する放射素子の励振電圧を、他の放射素子の励振電圧の平均値の２倍以上に設定することにより、ナルフィリングの効果が得られる。

実施の形態２．
図３は、実施の形態２に係るアンテナ装置の構成を示す正面図であり、実施の形態１に係るアンテナ装置の構成と同一または同等の部分には同一の符号を付して示している。

図３に示す実施の形態２に係るアンテナ装置では、水平方向である第１の方向に配列された５個の放射素子５１〜５５からなる素子群を第１の方向に直交する第２の方向、すなわち地面に対して垂直方向に４つ並べて配列している。５個の放射素子５１〜５５からなるアンテナ素子群は実施の形態１におけるアレーアンテナ２に相当する。このように、実施の形態２に係るアンテナ装置は、水平方向に配列された実施の形態１に係るアレーアンテナ２を垂直方向に複数配列して平面アレーとして構成したものである。なお、図３では、５個の放射素子５１〜５５からなる素子群の第２の方向の配列数を４としているが、２以上すなわち複数個であればよい。

なお、平面アレーに対する給電は、垂直方向に配列された４個の素子群、すなわち同一の給電回路３に接続される素子群ごとに行う。紙面左側から、第１素子群５Ａ、第２素子群５Ｂ、第３素子群５Ｃ、第４素子群５Ｄおよび第５素子群５Ｅとし、また、紙面の上部から、第１素子、第２素子、第３素子および第４素子とするとき、１つの実施例では、第１素子群５Ａにおける第１素子（放射素子５１）〜第５素子群５Ｅにおける第１素子（放射素子５５）の間では、表２に示される励振電圧を印加し、各素子群における他の素子、すなわち第２素子〜第４素子についても表２に示される励振電圧の比を維持するようにする。なお、各素子群における第１素子〜第４素子の励振電圧は、同じ値である必要はない。

実施の形態２に係るアンテナ装置によれば、実施の形態１のように水平方向に配列されたアレーアンテナを垂直方向に複数配列して平面アレーとして構成したので、実施の形態１に係るアンテナ装置と同様に、レーダ装置の使用可能範囲を±７０度以上に広角化することができ、さらに、垂直方向のビームを絞って正面利得をより高めることができるため、自動車衝突防止用レーダ装置に用いて好適なアンテナ装置を得ることができる。

なお、以上の実施の形態１，２に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、以下に示すように、変更して構成してもよい。

例えば、実施の形態１，２に係るアンテナ装置を自動車衝突防止用レーダ装置として用いる場合には、水平方向に広角化することが求められ、水平方向に並ぶ放射素子に対して、表２に示される励振電圧の比で励振することが好ましい実施形態となる。一方、垂直方向に広角化することが求められる用途では、垂直方向に並ぶ放射素子に対して、表２に示される励振電圧の比で励振することが好ましい実施の形態となる。すなわち、地面に対して垂直な第２の方向に配列された３以上且つ奇数個の放射素子に対し、中央に位置する放射素子の励振電圧を、他の放射素子の励振電圧の平均値の２倍以上に設定する実施の形態も本発明の要旨をなし、また第２の方向に配列された素子群を第２の方向と直交する方向に複数配列して平面アレーとして構成する実施の形態も本発明の要旨をなす。

実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１のアンテナ装置における給電回路について説明する。ここでは、まず、表１に示した第１のケース（ナルフィリングなし）の振幅分布を与える給電回路３の構成例を説明する。この構成例による給電回路３は、図４に示すように、３個の電力分配器３１，３２，３３から構成される。第１の電力分配器である電力分配器３１は、図５に示すように０．７０７：１：０．７０７の電力分配比を有する不等３分配器である。すなわち、配列の中央に位置する放射素子２３への電力を“１” （相対値、以下同じ）とすると、放射素子２３から見て配列の一方側に位置する放射素子２１，２２からなる放射素子群に対しては“０．７０７”の大きさの電力を分配し、放射素子２３から見て配列の他方側に位置する放射素子２４，２５からなる放射素子群に対しても“０．７０７”の大きさの電力を分配する。

上記の機能を一般化して説明すると、第１の電力分配器は、アレーアンテナを構成する放射素子群において、配列の中央に位置する第１の放射素子に付与する電力に対し、当該第１の放射素子から見て一方側に位置する放射素子群に付与する電力と、当該第１の放射素子から見て他方側に位置する放射素子群に付与する電力とを異なる電力比に分配する不等３分配器である。

また、図４における第２の電力分配器である電力分配器３２は、図６に示すように０．１８５：１の電力分配比を有する不等２分配器である。電力分配器３２は、放射素子２２への電力を“１”とすると、放射素子２１に対しては“０．１８５”の大きさの電力を分配する。

同様に、図４における第３の電力分配器である電力分配器３３は、図７に示すように０．１８５：１の電力分配比を有する不等２分配器である。電力分配器３３は、放射素子２４への電力を“１”とすると、放射素子２５に対しては“０．１８５”の大きさの電力を分配する。

すなわち、第２および第３の電力分配器は、第１の放射素子を除く放射素子で構成される放射素子群において、第２の放射素子に付与する電力に対し、当該第２の放射素子以外の残りの放射素子もしくは放射素子群に付与する電力を異なる電力比に分配する不等２分配器である。

次に、動作について説明する。図４において、給電部４から入力された相対値“１”の高周波電力は、電力分配器３１によって３分配され、“０．２９３（＝０．７０７／（１＋０．７０７＋０．７０７））”の電力が電力分配器３２へ供給され、“０．４１４（＝１／（１＋０．７０７＋０．７０７））”の電力が放射素子２３へ供給され、“０．２９３（＝０．７０７／（１＋０．７０７＋０．７０７））”の電力が電力分配器３３へ供給される。

電力分配器３２へ供給された電力はさらに２分配され、“０．０４６（＝０．２９３×０．１８５／（１＋０．１８５））”の電力が放射素子２１へ供給され、“０．２４７（＝０．２９３×１／（１＋０．１８５））”の電力が放射素子２２へ供給される。

また、電力分配器３３へ供給された電力はさらに２分配され、“０．２４７（＝０．２９３×１／（１＋０．１８５））”の電力が放射素子２４へ供給され、“０．０４６（＝０．２９３×０．１８５／（１＋０．１８５））”の電力が放射素子２５へ供給される。

このようにして、給電部４から給電された高周波信号は、放射素子２１〜２５へ、０．０４６：０．２４７：０．４１４：０．２４７：０．０４６の電力比で分配される。ここで、これらの電力比の平方根をとると、０．２１４：０．４９７：０．６４４：０．４９７：０．２１４の電圧比となり、最大値が１となるように定数１．５５３（＝１／０．６４４）を乗じると、表１の振幅分布が得られる。

次に、表２に示した第２のケース（ナルフィリングあり）の振幅分布を与える給電回路３の構成例を説明する。この構成例による給電回路３は、図８に示すように、３個の電力分配器３２，３４，３３から構成される。ここで、電力分配器３２および電力分配器３３３は、前述した第１のケースによるものと同じであり、同一符号を付して示している。一方、第１の電力分配器である電力分配器３４は、図９に示すように０．４４６：１：０．４４６の電力分配比を有する不等３分配器である。すなわち、配列の中央に位置する放射素子２３への電力を相対値“１”とすると、放射素子２３から見て配列の一方側に位置する放射素子２１，２２からなる放射素子群に対しては“０．４４６”の大きさの電力を分配し、放射素子２３から見て配列の他方側に位置する放射素子２４，２５からなる放射素子群に対しても“０．４４６”の大きさの電力を分配する。

次に、動作について説明する。図８において、給電部４から入力された相対値“１”の高周波電力は、電力分配器３４によって３分配され、“０．２３６（＝０．４４６／（１＋０．４４６＋０．４４６））”の電力が電力分配器３２へ供給され、“０．５２９（＝１／（１＋０．４４６＋０．４４６））”の電力が放射素子２３へ供給され、“０．２３６（＝０．４４６／（１＋０．４４６＋０．４４６））”の電力が電力分配器３３へ供給される。

電力分配器３２へ供給された電力はさらに２分配され、“０．０３７（＝０．２３６×０．１８５／（１＋０．１８５））”の電力が放射素子２１へ供給され、“０．１９９（＝０．２３６×１／（１＋０．１８５））”の電力が放射素子２２へ供給される。

また、電力分配器３３へ供給された電力はさらに２分配され、“０．１９９（＝０．２３６×１／（１＋０．１８５））”の電力が放射素子２４へ供給され、“０．０３７（＝０．２３６×０．１８５／（１＋０．１８５））”の電力が放射素子２５へ供給される。

このようにして、給電部４から給電された高周波信号は、放射素子２１〜２５へ、０．０３７：０．１９９：０．５２９：０．１９９：０．０３７の電力比で分配される。ここで、これらの電力比の平方根をとると、０．１９２：０．４４６：０．７２７：０．４４６：０．１９２の電圧比となり、最大値が１．２６となるように定数１．７３３（＝１．２６／０．７２７）を乗じると表２の振幅分布が得られる。

なお、図４および図８では、放射素子が５個の場合について説明したが、５個に限定されるものではなく、３以上の奇数個である放射素子群に適用可能である。なお、放射素子が３個の場合、第１の電力分配器のみでよく、第２および第３の電力分配器は不要である。また、放射素子が７個の場合、１つの第１の電力分配器と、２つの第２の電力分配器と、２つの第３の電力分配器で構成することができる。なお、図６および図７にも示すように、第２の電力分配器である電力分配器３２と、第３の電力分配器である電力分配器３３の機能は同一であり、同一の不等２分配器を用いることができる。したがって、実施の形態３に係る給電回路は、放射素子の数が３の場合には、１つの不等３分配器で構成することができ、放射素子の数が５以上の奇数個の場合には、１つの不等３分配器と、２以上且つ偶数個の不等２分配器とで構成することができる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 誘電体基板、２ アレーアンテナ、３ 給電回路、４ 給電部、５Ａ〜５Ｅ 第１素子群〜第５素子群、２１〜２５，５１〜５５ 放射素子、３１，３４ 電力分配器（第１の電力分配器）、３２ 電力分配器（第２の電力分配器）、３３ 電力分配器（第３の電力分配器）。

Claims (3)

1. 第１の方向に配列された３以上且つ奇数個の放射素子と、前記放射素子に高周波信号を供給する給電回路とを備えたアンテナ装置において、
   配列の中央に位置する第１の放射素子の励振電圧を、前記第１の放射素子を除く他の放射素子の励振電圧の平均値の２倍以上に設定し、
   前記第１の方向に配列された３以上且つ奇数個の放射素子からなる素子群が、前記第１の方向と直交する方向に複数配列されている
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記給電回路は、少なくとも１つの不等３分配器を有してなり、
   前記不等３分配器は、前記第１の放射素子に付与する電力に対し、前記第１の放射素子から見て一方側に位置する放射素子群に付与する電力と、前記第１の放射素子から見て他方側に位置する放射素子群に付与する電力とを異なる電力比に分配する
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記アンテナ装置を構成する放射素子の数が５以上且つ奇数個の場合、
   前記給電回路は、１つの前記不等３分配器と、２以上且つ偶数個の不等２分配器とを有してなり、
   前記不等２分配器は、前記第１の放射素子を除く放射素子で構成される放射素子群において、第２の放射素子に付与する電力に対し、前記第２の放射素子以外の残りの放射素子もしくは放射素子群に付与する電力を異なる電力比に分配する
   ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。

Images