JP2009100253A - レーダ装置用アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】好適に形成された第１の給電線路を用いてアンテナ素子に給電することで、高い利得の得られるレーダ装置用アンテナを提供する。
【解決手段】第１の給電線路１０５の一部１０５Ａと第２の給電線路１０６とが放射部基板１０１を貫通する長さ、すなわち放射部基板１０１の厚さを管路波長λｇの略４分の１に設定することにより、良好な放射パターンが得られるように構成している。また、第１の給電線路１０５を放射部基板１０１の垂直方向に配置することで、省スペース化を実現してアレイ化しやすい構造としている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーダ装置に用いるアンテナに関するもので、特に広帯域を利用したレーダ装置に用いるアンテナの技術分野に関するものである。

近年新しいコンセプトのレーダ技術として、４５０ＭＨｚ乃至は数ＧＨｚの帯域を利用した超広帯域無線システムであるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）レーダが知られており、特に車載近距離レーダとして注目されている。

ＵＷＢは、広帯域を利用可能とすることでパルス幅がナノ秒程度かそれ以下の超短パルス波を用いたインパルス無線方式である。パルスを用いた測距システムでは、パルス幅が狭くなるほど高い分解能が得られることから、ＵＷＢを用いることで高性能な測距機能を実現することが可能となる。

ＵＷＢレーダでは、２２〜２９ＧＨｚの準ミリ波帯において、４５０ＭＨｚ〜数ＧＨｚの広帯域を利用して超短パルス波の信号を生成しており、従来の狭帯域の電波を用いたレーダ方式では十分な精度が得られなかった１０ｍ以下の近距離の測定において、高い検出精度が得られる。

一方、ＵＷＢレーダでは広帯域の周波数を利用するため、他の無線システムとの干渉が問題となる可能性があり、例えば２３．６〜２４．０ＧＨｚには他のシステムを保護するための電波発射禁止帯が設定されている。そこで、放射特性が広帯域であり、かつ所定の電波発射禁止帯での放射を抑制するＵＷＢレーダの開発が進められている。

放射特性が広帯域なアンテナを用いたレーダ装置として、特許文献１に開示されている図５及び６に示すものが知られている。図５は、特許文献１に記載のアンテナ９００の正面図、図６は、アンテナ９００を図５に示す面Ａ−Ａ’で切断したときの断面図を示している。アンテナ９００は、基板９０１の一方の面に方形のスパイラル形状を有した円偏波用のアンテナ素子９０２を形成し、基板９０１の他方の面には地板９０３が形成されている。特許文献１では基板９０１の厚さを例示的に１．２ｍｍとしており、従来の基板の厚さより大きくすることで放射特性の広帯域化を実現している。

従来、基板の厚さを大きくすると、放射特性を広帯域化できる一方、基板表面に沿って伝播する表面波が励振されて放射特性が劣化（放射パターンの劣化、ゲインの低下）してしまうといった課題があったが、特許文献１に記載のアンテナ９００では、アンテナ素子９０２を取り囲むようにキャビティ９０４を形成することで表面波の発生を低減させている。このキャビティ９０４は、基板９０１の一方の面上を基板９０１の各辺に沿って周回するように配置されたストリップ導体（リム）９０５と、その長手方向に所定の間隔で配列された複数のスルーホール９０６とから構成されている。スルーホール９０６は、基板９０１を貫通してストリップ導体９０５から地板９０３まで通電されている。

上記のように構成されたキャビティ９０４でアンテナ素子９０２を取り囲むようにすることで、基板９０１の一方の面上に表面波が発生するのを抑制し、放射特性を所望の安定した形状にすることができる。

キャビティ９０４を備えたアンテナ９００では、表面波の発生を低減する効果に加えて、ストリップ導体９０５と複数のスルーホール９０６との間の共振を利用することで、所定の帯域で利得が鋭く低下するノッチを生成することが可能となる。このようなノッチが生成される帯域を、ストリップ導体９０５の内縁とスルーホール９０６の内壁との距離Ｌを変更することで調整することが可能となる。そこで、ノッチが生成される帯域を電波発射禁止帯に一致させるように距離Ｌを調整することで、電波発射禁止帯での電波の発射を抑制したアンテナを実現することができる。

また、非特許文献１では、図７に示すようなＵＷＢレーダ用のアンテナ９１０が記載されている。アンテナ９１０は、アンテナ素子９１２として直線偏波で広帯域なボウタイアンテナを用い、その周りに特許文献１に記載のアンテナ９００と同様のリム（特許文献１ではストリップ導体）付きキャビティ９１４を設けている。このアンテナ９１０では、リム９１５のアンテナ素子９１２に近接する部分の形状を三角形としており、これによりリム９１５の内縁とスルーホール９１６の内壁との距離Ｌを変化させている。このように距離Ｌを変化させることで共振を弱め、ノッチを広帯域化することができると報告されている。
特開２００６−２５８７６２号公報 「ＵＷＢレーダアンテナの電波発射禁止帯ノッチの広帯域化」、河村、前田、手代木、滝沢、浜口、河野、２００６年電子情報通信学会総合大会Ｂ−１−１２０，１２０頁

しかしながら、非特許文献１に記載のアンテナでは、伝送線路からアンテナ素子への給電方式が不平衡給電となっており、そのために伝送線路とアンテナ素子間でミスマッチが発生し、効率よく給電することができないという問題があった。そのため、高い利得の送受信を実現することが難しいといった問題があるとともに、非特許文献１のアンテナは直線偏波のアンテナであるために対向車線上のレーダからの干渉を受けやすい等の課題があった。

そこで、本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、アンテナ素子と地板との間の中間層の厚さを好適に設定して伝送線路とアンテナ素子間のミスマッチを解消することにより高い利得が得られ、かつスペースファクタの良いレーダ装置用アンテナを提供することを目的とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの第１の態様は、アンテナ素子と、前記アンテナ素子と略平行に設置された地板と、前記アンテナ素子と前記地板の一方の面との間に配置された中間層と、一方の面が前記地板の他方の面と接するように配置された線路基板と、前記線路基板の他方の面に形成された伝送線路と、前記線路基板及び前記中間層を貫通して前記地板と非接触に前記伝送線路から前記アンテナ素子への給電を行う第１の給電線路と、前記中間層を貫通して前記アンテナ素子と前記地板とを電気的に接続する第２の給電線路と、を備え、受信波の自由空間波長をλ_０、前記中間層の比誘電率をεとし、前記第１の給電線路の一部と前記第２の給電線路とで形成される平衡線路部の管内波長を
とするとき、前記中間層の厚さが前記管内波長λｇの略１／４であることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記中間層は、比誘電率が１より大きい放射部基板で形成され、前記放射部基板には、内部を貫通して前記地板に接続された導体で前記アンテナ素子を取り囲むように形成されたキャビティが設けられていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記中間層は、比誘電率が１の空気層であることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記アンテナ素子は、線状または平板状の４つのアンテナパーツを、それぞれの一端が近接しかつそれぞれの向きが９０度ずつ回転した配置で組み合わせた円偏波用のアンテナ素子であり、前記中間層の厚さは、λ_ｇ／４×０．８５より大きく、λ_ｇ／４×１．０より小さくなるよう設定されていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記アンテナ素子は、線状または平板状の２つのアンテナパーツを直線上に配置した直線偏波のアンテナ素子であり、前記中間層の厚さは、λ_ｇ／４×０．９５より大きく、λ_ｇ／４×１．１より小さくなるよう設定されていることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記アンテナ素子は、前記アンテナパーツが台形状のボウタイ状アンテナ素子であることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記キャビティは、前記放射部基板内で環状に形成された金属板からなることを特徴とする。

本発明のレーダ装置用アンテナの他の態様は、前記キャビティは、前記放射部基板を略垂直に貫通して環状に配列された複数のスルーホールと、前記放射部基板の一方の面上で前記複数のスルーホールを接続する環状導体と、からなることを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、アンテナ素子と地板との間の中間層の厚さを好適に設定してアンテナ素子と伝送線路との間のミスマッチを解消することにより、高い利得の得られるレーダ装置用アンテナを提供することができる。

本発明の好ましい実施の形態におけるレーダ装置用アンテナについて、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

本発明の実施の形態に係るレーダ装置用アンテナの構成を、図１に示す平面図を用いて説明する。図１は、レーダ装置用アンテナ１００の（ａ）平面図、及び面Ａ−Ａ’で切断したときの（ｂ）断面図を示している。レーダ装置用アンテナ１００は、放射部基板１０１の一方の面上にアンテナ素子１１０（以下では、１つ１つのパーツをアンテナパーツ１１１〜１１４とし、アンテナパーツ１１１〜１１４全体をアンテナ素子１１０として両者を区別する）とキャビティ１２０を形成し、キャビティ１２０はスルーホール１２２と帯状環状導体１２１と他方の面の地板１０２から構成される。本実施形態では、アンテナ素子１１０と地板１０２との間の中間層に放射部基板１０１を用いている。

地板１０２を挟んで放射部基板の１０１の反対側には、線路基板１０３が設けられており、線路基板１０３の一方の面には伝送線路１０４が形成されている。さらに、地板１０２とは非接触に、放射部基板１０１及び線路基板１０３を貫通して伝送線路１０４からアンテナ素子１１０への給電を行う第１の給電線路１０５と、放射部基板１０１を貫通してアンテナ素子１１０と地板１０２とを電気的に接続する第２の給電線路１０６とが設けられている。

本発明のレーダ装置用アンテナを直線偏波で用いる場合には、線状または平板状の２つのアンテナパーツを直線上に配置したパッチアンテナを用いることができる。また、本発明のレーダ装置用アンテナを円偏波で用いる場合には、線状または平板状の４つのアンテナパーツを、それぞれの一端が近接しかつそれぞれの向きが９０度ずつ回転した配置で組み合わせることでアンテナ素子を形成することができる。このような構造の円偏波用のアンテナは、直線偏波のアンテナ素子を２組用い、それぞれの中心を一致させて一方を他方に対して９０度回転させた構造と同じである。

直線偏波または円偏波用のアンテナ素子を形成する各アンテナパーツは、矩形状に形成されたパッチアンテナとすることができ、あるいは台形状に形成されたボウタイ状アンテナとしてもよい。ボウタイ状アンテナは、台形状のアンテナパーツの長さが短い方の上辺を中心側に配置して形成したものである。

本実施形態のレーダ装置用アンテナ１００では、２組の直線偏波のボウタイ状アンテナを、中心を一致させて一方を９０度回転させた配置となるように構成されたアンテナ素子１１０を用いており、これにより円偏波用のアンテナを実現している。４つのアンテナパーツ１１１〜１１４のうち、アンテナパーツ１１１と１１２の上辺近傍には第１の給電線路１０５の一端が接続されており、アンテナパーツ１１３と１１４には第２の給電線路１０６の一端が接続されている。

アンテナパーツ１１２に対し、アンテナパーツ１１１より位相が９０度遅れて振幅が同じとなるように給電することで、アンテナ素子１１０で円偏波を実現している。あるいは、アンテナパーツ１１１に対し、アンテナパーツ１１２より位相が９０度進んで振幅が同じとなるように給電することで、アンテナ素子１１０で逆回転の円偏波を実現させることもできる。
本実施形態では、レーダ装置用アンテナ１００が円偏波用のアンテナとなるよう構成したが、直線偏波のアンテナを構成する場合には、アンテナ素子１１０に代えて、例えばアンテナパーツ１１２と１１４とで形成された直線偏波のアンテナ素子を用いればよい。

本実施形態のレーダ装置用アンテナ１００は、アンテナ素子１１０と伝送線路１０４とが互いに平行な平面上に配置された構造に形成されており、これによりアンテナ形状が平板状となっている。すなわち、アンテナ素子１１０が配置されている放射部基板１０１の一方の面と伝送線路１０４が配置されている線路基板１０３の一方の面とが平行となるように構成されている。このような平板形状とすることで、その配置スペースを小さくすることができ、またアンテナ素子１１０を同一平面状に複数配列してアレイアンテナを構成することも容易となる。

従来のプリント化ダイポールアンテナ２００は、例えば図２に示すように、アンテナ素子２０１が地板２０２と同一平面状に形成された２次元のアンテナである。このような２次元のダイポールアンテナ２００を２つ用いて、２つのアンテナ素子２０１の一方が他方に対し９０度回転した配置となるように組み合わせると、立体的な構造の円偏波アンテナが形成される。地板２０２を１つにして２つのアンテナ素子２０１で共用する構造とした場合でも、２つのアンテナ素子２０１で形成される放射面が、地板２０２と垂直に交わって立体的な構造となってしまう。このような立体的な構造のアンテナでは、構造が複雑で高価となり且つ設置スペースが大きくなってしまう。

これに対し、本実施形態のレーダ装置用アンテナ１００では、アンテナ素子１１０で形成される放射面である放射部基板１０１の一方の面が、地板１０２及び伝送線路１０４が配置された線路基板１０３の一方の面と平行になるように配置されている。その結果、レーダ装置用アンテナ１００の設置スペースは、放射部基板１０１と、地板１０２を挟んでこれに平行に配置された線路基板１０３とを合わせたスペースに略等しくなる。また、アンテナ素子１１０を放射部基板１０１の一方の面上に複数配列してアレイアンテナを構成することも容易である。

アンテナ素子１１０と伝送線路１０４及び地板１０２とは、それぞれ第１の給電線路１０５及び第２の給電線路１０６で接続されている。第１の給電線路１０５及び第２の給電線路１０６は、放射部基板１０１に略垂直となるよう設置されている。
ここで、伝送線路１０４は、地板１０２との間でマイクロストリップ線路を形成しており、アンテナ素子１１０に対して不平衡線路となっている。そのため、アンテナ素子１１０に効率よく給電できるようにするためには、第１の給電線路１０５の一部１０５Ａ（図１の破線で囲んだ部分）と第２の給電線路１０６とで構成される平衡線路部の電気長にある条件を加える必要があった。

本実施形態のレーダ装置用アンテナ１００では、第１の給電線路１０５の一部１０５Ａ及び第２の給電線路１０６が実質的にバラン(平衡―不平衡変換器)として機能し、不平衡線路である伝送線路１０４と、第１の給電線路１０５の一部１０５Ａ及び第２の給電線路１０６で形成される平衡線路部と、アンテナ素子１１０との間でインピーダンス整合が図られるような構成としている。このような構成は、第１の給電線路１０５の一部１０５Ａ及び第２の給電線路１０６の長さを適切に調整することで可能となり、第１の給電線路１０５の一部１０５Ａ及び第２の給電線路１０６が好適な長さとなるよう、放射部基板１０１の厚さを設定するのがよい。

放射部基板１０１の好ましい厚さについて、以下に説明する。受信波の自由空間波長をλ_０とし、放射部基板１０１の比誘電率をεとしたとき、第１の給電線路１０５の一部１０５Ａと第２の給電線路１０６とで形成される平衡線路部の管内波長λ_ｇは次式で表わされる。
上式の管内波長λ_ｇを用いて、放射部基板１０１の好適な厚さを規定することができる。放射部基板１０１の厚さをＬｆとしたとき、好ましいＬｆの大きさをλｇ／４に対する割合（αとする）で示すことにする。

第１の給電線路１０５の一部１０５Ａと第２の給電線路１０６とで形成される平衡線路部と伝送線路１０４との間でインピーダンス整合が図れるのは、放射部基板１０１の厚さが略λｇ／４のときである。すなわち、放射部基板１０１の厚さＬｆを略λｇ／４(α≒１．０)とするのがよい。
放射部基板１０１の好ましい厚さＬｆは、より詳しくはアンテナ素子が直線偏波であるか円偏波であるかによっても異なるが、少なくとも０．８５＜α＜１．１０の範囲内に設定するのがよい。

放射部基板１０１の好ましい厚さＬｆは、アンテナ特性の例えばＳ１１特性（反射特性）や軸比等から判断することができる。Ｓ１１特性の一例を図３に示す。同図に示すＳ１１特性は、直線偏波のアンテナに係るものであり、受信波の中心周波数ｆ_０を２６．５ＧＨｚとしている。この場合、自由空間波長λ_０＝１１．３１２ｍｍとなり、放射部基板の比誘電率を３．６６としたとき、管内波長λ_ｇ＝５．９１３ｍｍとなる。

図３では、放射部基板１０１の厚さＬｆが１．５２４ｍｍ(α＝１．０３１)のときのＳ１１特性１０と、特許文献１記載の基板厚さＬｆが１．２ｍｍ(α＝０．８１)のときのＳ１１特性２０を示している。同図より、α＝１．０３１のとき（符号１０）の方がα＝０．８１のとき（符号２０）より、Ｓ１１特性が大幅に改善されていることが分かる。放射部基板１０１の厚さＬｆを複数変えたときのＳ１１特性及び軸比等を評価し、それらの結果を総合的に判断して好適なＬｆの値を求めた結果、直線偏波の場合には、
を満たすαから算出される放射部基板の厚さＬｆが好ましい。

また、円偏波である本実施形態のレーダ装置用アンテナ１００についても、上記と同様にＳ１１特性、軸比等を評価した結果、放射部基板１０１の厚さＬｆは、
を満たすαから算出される厚さとするのが好ましい。

上記説明の通り、本実施形態の放射部基板１０１では、従来(例えば特許文献１に記載のアンテナ)よりも厚さを大きくする（αを１近傍にする）ことでインピーダンス整合を図っている。このように放射部基板１０１の厚さを大きくすると、放射部基板１０１に形成される表面波から受ける影響が大きくなり、放射パターンが劣化してしまうといった問題がある。そこで、本実施形態では、アンテナ素子１１０を取り囲むように放射部基板１０１にキャビティ１２０を形成し、これにより表面波の影響を低減させている。

本実施形態のレーダ装置用アンテナ１００で用いているキャビティ１２０は、環状導体１２１と複数のスルーホール１２２とで形成されており、放射部基板１０１の一方の面上で環状導体１２１がスルーホール１２２間を電気的に接続している。複数のスルーホール１２２は、所定の間隔で放射部基板１０１の各辺に略平行に周回するように配列されており、各スルーホール１２２は環状導体１２１から地板１０２まで貫通して電気的に接続している。

本実施形態のキャビティ１２０では、複数のスルーホール１２２でアンテナ素子１１０を取り囲む壁を形成しているが、スルーホール１２２に代えて金属板でアンテナ素子１１０を取り囲む壁を形成してしてもよい。この金属板は地板１０２に電気的に接続されている必要がある。

本実施形態のレーダ装置用アンテナ１００の好ましい寸法の一例を図４に示す。本実施例では、第１の給電線路１０５の一部１０５Ａと第２の給電線路１０６とでインピーダンス調整を行うために、放射部基板１０１の厚さＬｆを１．３７ｍｍとしている。この場合、λ_ｇ／４に対するＬｆの割合であるαの値は０．９２６となり、（式３）の範囲内の値となっている。

また、本実施形態のキャビティ１２０は、スルーホール１２２の中心間の長さＬ_ｃが受信波の自由空間波長λ_０との波長比Ｌ_ｃ／λ_０≒０．６５（Ｌ_ｃ＝７．３５ｍｍ）に選定されている。本実施形態のレーダ装置用アンテナ１００をこのような波長比の寸法で形成することで、高い利得の得られるレーダ装置用アンテナを提供することができる。また、レーダ装置用アンテナ１００の外形を平板形状に形成することができ、設置スペースを小さくすることができる。

上記説明の実施形態では、アンテナ素子１１０と地板１０２との間の中間層に放射部基板１０１を用いていた。本発明のレーダ装置用アンテナの別の実施形態として、アンテナ素子１１０と地板１０２との間の中間層を空気層とすることができる。この場合には、キャビティ１２０を不要とすることができる。

なお、本実施の形態における記述は、本発明に係るレーダ装置用アンテナの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるレーダ装置用アンテナの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本発明の実施形態に係るレーダ装置用アンテナの平面図及び断面図である。 従来のプリント化ダイポールアンテナを模式的に示す斜視図である。 放射部基板の厚さを変更したときのＳ１１特性の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーダ装置用アンテナの平面図及び断面図に寸法を追加した実施例を示す図である。 従来のアンテナの平面図である。 従来のアンテナの断面図である。 従来の別のアンテナの平面図である。

符号の説明

１００ レーダ装置用アンテナ １０１ 放射部基板
１０２ 地板
１０３ 線路基板
１０４ 伝送線路
１０５ 第１の給電線路
１０６ 第２の給電線路
１１０ アンテナ素子
１２０ キャビティ
１２１ 環状導体
１２２ スルーホール

Claims (8)

1. アンテナ素子と、
   前記アンテナ素子と略平行に設置された地板と、
   前記アンテナ素子と前記地板の一方の面との間に配置された中間層と、
   一方の面が前記地板の他方の面と接するように配置された線路基板と、
   前記線路基板の他方の面に形成された伝送線路と、
   前記線路基板及び前記中間層を貫通して前記地板と非接触に前記伝送線路から前記アンテナ素子への給電を行う第１の給電線路と、
   前記中間層を貫通して前記アンテナ素子と前記地板とを電気的に接続する第２の給電線路と、を備え、
   受信波の自由空間波長をλ_０、前記中間層の比誘電率をεとし、前記第１の給電線路の一部と前記第２の給電線路とで形成される平衡線路部の管内波長を
   とするとき、前記中間層の厚さが前記管内波長λｇの略１／４である
   ことを特徴とするレーダ装置用アンテナ。
2. 前記中間層は、比誘電率が１より大きい放射部基板で形成され、
   前記放射部基板には、内部を貫通して前記地板に接続された導体で前記アンテナ素子を取り囲むように形成されたキャビティが設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置用アンテナ。
3. 前記中間層は、比誘電率が１の空気層である
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置用アンテナ。
4. 前記アンテナ素子は、線状または平板状の４つのアンテナパーツを、それぞれの一端が近接しかつそれぞれの向きが９０度ずつ回転した配置で組み合わせた円偏波用のアンテナ素子であり、
   前記中間層の厚さは、λ_ｇ／４×０．８５より大きく、λ_ｇ／４×１．０より小さくなるよう設定されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３に記載のレーダ装置用アンテナ。
5. 前記アンテナ素子は、線状または平板状の２つのアンテナパーツを直線上に配置した直線偏波のアンテナ素子であり、
   前記中間層の厚さは、λ_ｇ／４×０．９５より大きく、λ_ｇ／４×１．１より小さくなるよう設定されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３に記載のレーダ装置用アンテナ。
6. 前記アンテナ素子は、前記アンテナパーツが台形状のボウタイ状アンテナ素子である
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のレーダ装置用アンテナ。
7. 前記キャビティは、前記放射部基板内で環状に形成された金属板からなる
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置用アンテナ。
8. 前記キャビティは、前記放射部基板を略垂直に貫通して環状に配列された複数のスルーホールと、前記放射部基板の一方の面上で前記複数のスルーホールを接続する環状導体と、からなる
   ことを特徴とする請求項２に記載のレーダ装置用アンテナ。