JP6989320B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本開示は、誘電体基板を用いるアンテナ装置に関する。

移動体通信機器や移動体において周囲を監視するレーダ等に用いられるアンテナは、小型化が望まれている。この種のアンテナの一つとして、プリント基板の一方の面にアンテナ素子、他方の面に導体板を有する平面アンテナが知られている。この平面アンテナでは、アンテナ素子のサイズにより、動作周波数が決まり、動作周波数が高いほどアンテナ素子は小さくなる。つまり、動作周波数に応じてアンテナの大きさが略決まってしまう。

これに対して、例えば下記特許文献１には、平面アンテナにおいて、アンテナ素子と導体板との間にスタブ線路を設け、このスタブ線路により付加される容量分によって、共振周波数が低周波数側にシフトすることを利用し、アンテナ素子を小型化する技術が開示されている。

特開２０１４−１０３５９１号公報

しかしながら、発明者の詳細な検討の結果、特許文献１に記載の従来技術では、基板内部にスタブ線路を設ける必要があるため、製造に手間を要するという課題が見出された。
また、製造ばらつきによりアンテナ素子のパターンサイズが、所望の大きさから異なってしまうと、共振周波数がずれてしまうという課題も見出された。

本開示は、アンテナ装置の小型化および製造ばらつきによる性能劣化の抑制をいずれも実現する技術を提供する。

本開示の１つの局面によるアンテナ装置は、誘電体基板（２）と、地板（３）と、アンテナ部（４）と、を備える。
地板は、誘電体基板の一方の面に形成され、アンテナ接地面として作用する。アンテナ部は、誘電体基板の他方の面に形成され、放射素子として作用するように構成された一つ以上のアンテナパターン（４１）を有する。アンテナパターンは、アンテナ部の動作周波数を有する入射波に対して、一つ以上の共振方向で共振することで、アンテナ部が送受信する送受信波とは異なる偏波の輻射波を発生させる。また、導対パターンは、共振方向のそれぞれについて、該共振方向に対して直交した方向でのアンテナパターンの全幅より狭い幅を有する少なくとも一つの経路パターン（Ｐｕ，Ｐｖ）を備える。

このような構成によれば、アンテナパターンの容量分が減少するため、アンテナパターンの共振周波数を低下させることができる。その結果、同じ共振周波数であればアンテナパターンの外形サイズをより小さくすること、ひいてはアンテナ装置の小型化を実現することができる。

また、経路パターンは、オーバーエッチングでは、経路が細く長くなる方向、即ちインダクタンスが増大する方向に変化し、アンダーエッチングでは、太く短くなる方向、即ちインダクタンスが減少する方向に変化する。また、導対パターン全体の面積、即ち、容量Ｃは、オーバーエッチングでは減少する方向に変化し、アンダーエッチングでは増大する方向に変化する。つまり、いずれの場合も、互いの変化を相殺する方向に変化するため、製造時のばらつきによる特性の変化を抑制することができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

アンテナ装置の構成を示す斜視図である。 動作周波数を決める容量分およびインダクタンス分についての説明図である。 製造ばらつきがアンテナパターンに与える影響を示す説明図である。 本開示に係るアンテナ装置において、製造ばらつきが動作周波数に与える影響を示すグラフである。 従来のアンテナ装置において、製造ばらつきが動作周波数に与える影響を示すグラフである。 本開示に係るアンテナ装置において、製造ばらつきが指向性に与える影響を示すグラフである。 従来のアンテナ装置において、製造ばらつきが指向性に与える影響を示すグラフである。 アンテナパターンの変形例を示す説明図である。 アンテナパターンの変形例を示す説明図である。 アンテナパターンの変形例を示す説明図である。 アンテナパターンの変形例を示す説明図である。 アンテナパターンの変形例を示す説明図である。 アンテナパターンの変形例を示す説明図である。 アンテナパターンの変形例を示す説明図である。 アンテナパターンの変形例を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．構成］
アンテナ装置１は、例えば、車両の周辺に存在する各種物標を検出するためのミリ波レーダに使用される。但し、アンテナ装置１の用途はこれに限定されるものではなく、電波を送受信する必要がある各種機器やシステムに適用することができる。

アンテナ装置１は、図１に示すように、長方形状の誘電体基板２を有する。以下では、誘電体基板２の一方の面を基板表面２ａ、他方の面を基板裏面２ｂという。また、誘電体基板２の第１の辺に沿った方向をｘ軸方向、ｘ軸方向に直行する第２の辺に沿った方向をｙ軸方向、基板表面２ａの法線方向をｚ軸方向という。

基板裏面２ｂには、接地面として機能する地板３が設けられる。地板３は、基板裏面２ｂの全面を覆う銅パターンである。基板表面２ａには、その中央付近にアンテナ部４が設けられる。

アンテナ部４は、一つ以上のアンテナパターン４１を有する。個々のアンテナパターン４１は、外形形状が長方形の銅パターンである。図１では、図面を易くするため、アンテナ部４が単一のアンテナパターン４１を備える場合を示すが、アンテナ部４は、複数のアンテナパターン４１を備えていてもよい。

アンテナパターン４１は、偏波方向がx軸方向に沿った電波を送受信するように給電点４２が設けられている。具体的には、給電点４２は、アンテナパターン４１において、y軸方向の中心位置付近かつx軸方向の中心位置からずれた位置、ここでは図１の右手前方向に偏った位置に設けられている。なお、給電点４２への給電は、図示を省略するが、基板裏面２ｂ側に設けられた給電線によって行われるように構成されている。

アンテナパターン４１は、アンテナパターン４１の一部を取り除くことで形成される二つのパターン除去部４３を有する。
二つのパターン除去部４３は、いずれも長方形を有し、給電点４２からx軸方向を見て、アンテナパターン４１の外周を形成する外辺までの幅が広い側に配置される。また、二つのパターン除去部４３は、パターン除去部４３の境界を示す各辺がアンテナパターン４１の外辺のいずれかと平行となり、且つ、パターン除去部４３同士が一定の間隔を空けて整列するように配置される。これにより、二つのパターン除去部４３の間および各パターン除去部４３とアンテナパターン４１のx軸に沿った外辺との間に、共振方向（即ち、x軸方向）に沿った複数の経路パターンＰｕが形成される。なお、各経路パターンＰｕは、いずれも、共振方向に対して直行する方向（即ち、y軸方向）でのアンテナパターン４１の幅より狭い幅を有する。二つのパターン除去部４３の間に形成される経路パターンＰｕは、給電点４２を通る共振方向に沿った仮想線上に位置する。

［２．動作］
ここで、アンテナパターン４１の動作周波数について説明する。
図２に示すように、アンテナパターン４１の等価回路は、容量分Ｃおよびインダクタンス分Ｌによる直列共振回路となる。従って、アンテナパターン４１の共振周波数は、（１）式によって求められる。

但し、インダクタンス分Ｌは、アンテナパターン４１に共振方向に電流が流れるとして、アンテナパターン４１のパターン幅及びパターン長さ等によって決まる。また、容量分は、アンテナパターン４１と地板３との間に形成され、アンテナパターン４１の面積、誘電体基板２の厚さ、及び誘電体基板２の誘電率等によって決まる。

アンテナパターン４１は、パターン除去部４３により、アンテナパターン４１の外辺の幅より狭い経路パターンＰｕが形成されるため、インダクタンス分Ｌが増大する。このため、外形サイズが同じであれば、本開示に係るパターン除去部４３を有するアンテナパターン４１は、パターン除去部４３のない従来のアンテナパターンと比較して、共振周波数が低下する。つまり、本開示に係るアンテナパターン４１と従来のアンテナパターンとで同じ共振周波数を実現しようとした場合、アンテナパターン４１の方がより外形サイズを小さくすることができる。例えば、２４ＧＨzで動作するように構成した場合、従来は、一辺が３．１ｍｍであるのに対して、本開示に係るアンテナパターン４１では、２．８８ｍｍとすることができる。

次に、製造ばらつきがアンテナ特性に与える影響について説明する。
従来のアンテナパターンでは、オーバーエッチングにより、アンテナパターンの外形サイズが所望サイズより小さくなった場合、Ｌ及びＣはいずれも減少する。これらの変化分をΔＬ及びΔＣで表すとすると、動作周波数ｆは、（２）式で表現される。

なお、アンダーエッチングの場合、ΔＬ及びΔＣの符号が反転する。

本開示に係るアンテナパターン４１では、図３に示すように、オーバーエッチングにより、アンテナパターン４１の外形サイズが所望サイズより小さくなることにより、Ｃ及び経路パターンＰｕ以外の部分のインダクタンス分Ｌ１は、従来のアンテナパターンと同様に減少する。しかし、オーバーエッチングにより、パターン除去部４３の領域が広がることで、経路パターンＰｕのパターン長が長くなり且つパターン幅が狭くなるため、経路パターンＰｕのインダクタンス分Ｌ２は増大する。これらＣ、Ｌ１、及びＬ２の変化分を、ΔＣ、ΔＬ１、及びΔＬ２とすると、動作周波数ｆは、（３）式で表現される。

なお、アンダーエッチングの場合、ΔＬ１、Δ２、及びΔＣの符号が反転する。また、図３において、設計通りのサイズをＴＹＰ、オーバーエッチング時のサイズをＯ．Ｅ、アンダーエッチング時のサイズをＵ．Ｅと表記する。

つまり、オーバーエッチングまたはアンダーエッチングのいずれの場合でも、ΔＬ２は、ΔＬ１及びΔＣとは逆方向の増減するため、動作周波数ｆの変化を抑制する方向に作用する。なお、パターン除去部４３のサイズ、ひいては経路パターンＰｕのサイズは、製造時のパターン公差を考慮して、ΔＬ１＜ΔＬ２となるように設定されていること、更には、（ΔＬ１−ΔＬ２）／（Ｌ１＋Ｌ２）とΔＣ／Ｃとが同程度の大きさとなるように設定されていることが望ましい。

［３．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）アンテナ装置１では、アンテナパターン４１が複数のパターン除去部４３によって形成された複数の経路パターンＰを備えるため、エッチング加工時に生じるパターンのばらつき、即ち、製造ばらつきによる共振周波数の変化を抑制することができる。

図４及び図５は、アンテナ装置１のＳパラメータＳ１１の周波数特性を、製造時のばらつきを表すパターン公差を適宜変化させてシミュレーションによって求めた結果である。ここでは、アンテナ装置１を２４ＧＨｚ付近で作動するように設計し、パターン幅が設計値通りとなるＴＹＰ（即ち、パターン公差０ｍｍ）、パターン幅が設計値より広くなるアンダーエッチング（例えば、パターン公差＋０．１ｍｍ）、およびパターン幅が設計値より狭くなるオーバーエッチング（例えば、パターン公差−０．１ｍｍ）について、シミュレーションを行った。図４は本開示に係るアンテナ装置１の実施例の場合であり、図５は、比較例の場合である。比較例では、パターン除去部４３を有するアンテナパターン４１の代わりに、パターン除去部４３のない単純な正方形のアンテナパターンが用いられている。

図４及び図５からわかるように、実施例では、製造ばらつきによらず、２４ＧＨｚ付近でＳ１１が最小となり共振周波数が殆ど変化しない。これに対し、比較例では、Ｓ１１が最小となる周波数が２４ＧＨｚを中心として±０．５ＧＨｚ程度ずれること、即ち、製造ばらつきにより共振周波数が大きく変化する。

（２）図６及び図７は、アンテナの正面方向（即ち、ｚ軸方向）を中心とする±９０°の検知角度の範囲で２４ＧＨｚの信号の利得をシミュレーションによって算出した結果である。ここでは、上述のＳ１１の周波数特性と同様に、ＴＹＰ、アンダーエッチング、及びオーバーエッチングの各場合についてシミュレーションを行った。図６は実施例の場合であり、図７は、比較例の場合である。

図６及び図７からわかるように、実施例では、製造ばらつきによらず、指向性が殆ど変化しない。これに対して、比較例では、製造ばらつきにより、共振周波数が変化するだけでなく指向性も±数度程度ずれる。このように、アンテナ装置１では、製造時のばらつきによらず、安定したアンテナ特性が得られる。

［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（ａ）上記実施形態では、アンテナパターン４１は同一サイズに形成された２つのパターン除去部４３を備えているが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すアンテナパターン４１ａのように、パターン除去部４３ａの数は３つあってもよいし、それ以上または１つであってもよい。

（ｂ）上記実施形態では、アンテナパターン４１において、パターン除去部４３は、給電点４２からｘ軸方向を見て、アンテナパターン４１の外周縁までの幅が広い側に設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示すアンテナパターン４１ｂのように、給電点４２からｘ軸方向を見て、アンテナパターン４１ｂの外周縁までの幅が狭い側にパターン除去部４３ｂが設けられていてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、アンテナパターン４１におけるパターン除去部４３の形状が長方形であるが、これに限定されるものではない。例えば、図１０に示すアンテナパターン４１ｃのように、パターン除去部４３ｃの形状が直角三角形であってもよい。この他、パターン除去部の形状は、五角形以上の多角形、円形又は楕円形、これらの形状の組み合わせであってもよい。なお、パターン除去部が直線の辺である特定辺を有する形状である場合、パターン除去部は、その特定辺が経路パターンＰｕの境界となるように配置されていることが望ましい。

（ｄ）上記実施形態では、アンテナパターン４１における複数のパターン除去部４３は、同一形状、同一サイズに形成されているが、これに限定されるものではない。図１１に示すアンテナパターン４１ｄのように、複数のパターン除去部４３ｄのサイズが異なっていてもよい。また、複数のパターン除去部は、サイズだけでなく、形状が互いに異なっていてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、アンテナパターン４１のパターン除去部４３は、単純にパターンが除去されているが、これに限定されるものではない。例えば、図１２に示すアンテナパターン４１ｅのように、パターン除去部４３内に、アンテナパターン４１ｅとは非導通の内部パターン４４が形成されてもよい。この場合、内部パターン４４は、パターン除去部４３の形状と相似形状でもよいし、それ以外の形状でもよい。

（ｆ）上記実施形態では、アンテナパターン４１は、基板裏面２ｂから給電点４２に給電を受けるように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図１３に示すアンテナパターン４１ｆのように、基板表面２ａに設けられた給電パターン４５を介して給電を受けるように構成されていてもよい。

（ｇ）上記実施形態では、アンテナパターン４１は、直線偏波の電波を送受信するように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図１４に示すアンテナパターン４１ｇ、又は図１５に示すアンテナパターン４１ｈのように、アンテナパターン４１ｇ、４１ｈの対角線上に位置する一対の頂点部分に、切欠部４６ｇ、４６ｈを形成することで、円偏波や楕円偏波を送受信するように構成されていてもよい。なお、図１４の切欠部４６ｇは、頂点付近を直線状に切り取った形状を有し、図１５の切欠部４６ｈは、頂点付記を円弧状に切り取った形状を有する。

（ｈ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（ｉ）上述したアンテナ装置の他、当該アンテナ装置を構成要素とするシステムなど、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…アンテナ装置、２…誘電体基板、２ａ…基板表面、２ｂ…基板裏面、３…地板、４…アンテナ部、４１，４１ａ〜４１ｈ…アンテナパターン、４２…給電点、４３，４３ａ〜４３ｄ…パターン除去部、４４…内部パターン、４５…給電パターン、４６ｇ，４６ｈ…切欠部、Ｐｕ…経路パターン。

Claims (9)

1. 誘電体基板（２）と、
   前記誘電体基板の一方の面にエッチングにより形成され、アンテナ接地面として作用するように構成された地板（３）と、
   前記誘電体基板の他方の面に形成され、放射素子として作用するように構成された一つ以上のアンテナパターン（４１，４１ａ〜４１ｈ）を有するアンテナ部（４）と、
   を備え、
   前記アンテナパターンは、該アンテナパターン上で電波を共振させる共振方向に対して直交した方向での前記アンテナパターンの全幅より狭い幅を有する少なくとも一つの経路パターン（Ｐｕ）を備える形状に構成され、
   前記経路パターンは、前記アンテナパターンに、予め設定された形状にて孔状にパターンを除去した一つ以上のパターン除去部（４３、４３ａ〜５２ｄ）を、前記アンテナパターンの共振方向における中心から偏った位置に形成することで設けられた、
   アンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置であって、
   前記経路パターンは、前記アンテナパターンの給電点を通る前記共振方向に沿った仮想線上に少なくとも設けられる、
   アンテナ装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置であって、
   前記アンテナパターンの給電点が、前記アンテナパターンの中心に対して、前記共振方向の一方に偏った位置に配置され、
   前記経路パターンは、前記給電点から前記共振方向を見て、前記アンテナパターンの外周縁までの幅がより広い側に設けられる、
   アンテナ装置。
4. 請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置であって、
   前記アンテナパターンの給電点が、前記アンテナパターンの中心に対して、前記共振方向の一方に偏った位置に形成され、
   前記経路パターンは、給電点から前記共振方向を見たときに、前記アンテナパターンの外周縁までの幅がより狭い側に設けられる、
   アンテナ装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記経路パターンは、前記パターン除去部と前記アンテナパターンの外周との間に少なくとも設けられる、
   アンテナ装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記パターン除去部を複数備え、
   前記経路パターンは、前記パターン除去部同士の間に少なくとも設けられる、
   アンテナ装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記パターン除去部は、共振方向に沿った辺である特定辺を少なくとも有する多角形に形成され、前記特定辺が前記経路パターンの境界を形成されるに配置される、
   アンテナ装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のアンテナ装置であって、
   前記パターン除去部に形成され、前記アンテナパターンとは非導通な内部パターン（４４）を更に備える、
   アンテナ装置。
9. 請求項８に記載のアンテナ装置であって、
   前記内部パターンは、前記パターン除去部の外形と相似形状を有する、
   アンテナ装置。

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