特許 5676722 平面アンテナ及びレーダ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5676722

(24)【登録日】2015年1月9日

(45)【発行日】2015年2月25日

(54)【発明の名称】平面アンテナ及びレーダ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 9/28 20060101AFI20150205BHJP

   H01P 5/10 20060101ALI20150205BHJP

   H01Q 21/08 20060101ALI20150205BHJP

   G01S 7/02 20060101ALI20150205BHJP

   G01S 13/89 20060101ALI20150205BHJP

   G01S 7/03 20060101ALI20150205BHJP

【ＦＩ】

   H01Q9/28

   H01P5/10 C

   H01P5/10 Z

   H01Q21/08

   G01S7/02 F

   G01S13/89

   G01S7/03 D

【請求項の数】13

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-235398(P2013-235398)

(22)【出願日】2013年11月13日

【審査請求日】2014年5月26日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度、独立行政法人情報通信研究機構「高度通信・放送研究開発委託研究／研究開発課題名」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000005902

【氏名又は名称】三井造船株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000165

【氏名又は名称】グローバル・アイピー東京特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】森 康成

(72)【発明者】

【氏名】土井 恭二

(72)【発明者】

【氏名】弓井 孝佳

(72)【発明者】

【氏名】浅野 有美

【審査官】 佐藤 当秀

(56)【参考文献】

【文献】 欧州特許出願公開第０１２２９６０５（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−２７３２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３２３４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０５５０２８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１００２５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２１３１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１３０２９２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／０２

Ｇ０１Ｓ １３／８９

Ｈ０１Ｐ ５／１０

Ｈ０１Ｑ ９／２８

Ｈ０１Ｑ ２１／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平面アンテナであって、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第１の面に設けられた第１のアンテナ要素と、前記第１の面と反対側の第２の面に設けられた第２のアンテナ要素により構成され、前記第１のアンテナ要素と前記第２のアンテナ要素が平衡型のアンテナとして機能するアンテナ本体部と、
前記第１のアンテナ要素に給電するために前記第１のアンテナ要素の給電点と接続した、前記第１の面に設けられた第１の給電線路と、前記第２のアンテナ要素に給電するために前記第２のアンテナ要素の給電点と接続した、前記第２の面に設けられた第２の給電線路と、前記第１の給電線路と接続した、前記第１の面に設けられた信号線を含む信号線路部と、
前記第１の面に設けられ、前記信号線とともにコプレーナ線路を形成する第１の接地導体と、
前記第１の面に形成された前記コプレーナ線路の領域に対向する、前記第２の面の領域に設けられ、前記第２の給電線路と接続した第２の接地導体と、
を有し、
前記信号線路部は、
前記信号線路部の信号を伝送させる１つの線において、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる部分を２つ設けることにより前記アンテナ本体部と前記信号線路部の間のインピーダンスを整合させ、かつ、平衡-不平衡の変換をする整合回路を備え、
前記コプレーナ線路の前記信号線が前記第１の給電線路と接続する前記信号線の端に対向する前記第１の接地導体の縁部の端には、前記第１の接地導体と前記第２の接地導体とを接続することにより、前記第１の給電線路と前記第２の給電線路を平衡伝送線路にするビアホールが設けられている、ことを特徴とする平面アンテナ。

【請求項2】

前記第１の給電線路上に、前記インピーダンスを整合させる前記部分が設けられている、請求項１に記載の平面アンテナ。

【請求項3】

前記第１のアンテナ要素と前記第２のアンテナ要素は、自己補対型のアンテナ要素であり、
前記第１の給電線路は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第１の部分を有し、
前記第２の給電線路は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第２の部分を有し、
前記信号線は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第３の部分を有し、
前記第１の部分と前記第２の部分は、前記誘電体基板を挟んで同じ位置に設けられる、請求項１に記載の平面アンテナ。

【請求項4】

前記第３の部分は、前記信号線が前記第１の給電線路と接続する端部で終了し、前記第１の給電線路の前記第１の部分は、前記信号線の前記端部と接続する前記第１の給電線路の端部から開始し、
前記第３の部分から前記第１の部分の接続部分に向かって進むとき、線幅が段差を持って広くなっている、請求項３に記載の平面アンテナ。

【請求項5】

前記第１の給電線路の延びる方向における前記第１の部分の長さと前記信号線の延びる方向における前記第３の部分の長さの合計は、前記第３の部分の開始位置から前記給電点までの線路長に等しい、請求項３または４に記載の平面アンテナ。

【請求項6】

前記第１のアンテナ要素の周りを覆うように、前記第１の接地導体から延長した延長接地導体が、前記第１のアンテナ要素と離間して設けられ、前記第２のアンテナ要素の周りを覆うように、前記第２の接地導体から延長した延長接地導体が、前記第２のアンテナ要素と離間して設けられ、
前記第１のアンテナ要素及び前記第２のアンテナ要素のそれぞれと、前記延長接地導体それぞれとの間に、抵抗素子が設けられる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の平面アンテナ。

【請求項7】

前記第１のアンテナ要素及び前記第２のアンテナ要素は、いずれも、前記給電点から最も遠い位置において、前記抵抗素子を介して前記延長接地導体と接続されている、請求項６に記載の平面アンテナ。

【請求項8】

前記信号線に対向する前記第１の接地導体の縁部に沿って、前記第１の接地導体と前記第２の接地導体とを接続する複数のビアホールが設けられている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の平面アンテナ。

【請求項9】

請求項１〜８のいずれか１項に記載の平面アンテナが複数配列し、電磁波を物体に向けて放射する送信用アレイアンテナと、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の平面アンテナが複数配列し、前記物体から反射した電磁波を受信する受信用アレイアンテナと、
前記送信用アレイアンテナに用いた送信信号を用いて、前記受信用アレイアンテナで受信した受信信号を処理する高周波回路と、
前記高周波回路で得られた処理信号を用いて前記物体に関する３次元画像信号を取得する信号処理部と、
前記送信用アレイアンテナによる送信、前記受信用アレイアンテナによる受信、前記受信信号の処理、及び、前記３次元画像信号の取得のそれぞれを制御するシステム制御回路と、
前記３次元画像信号を用いて３次元画像を生成する画像表示部と、を有することを特徴とするレーダ装置。

【請求項10】

前記高周波回路は、前記送信信号を供給する平面アンテナを前記送信用アレイアンテナの内から選択する高周波スイッチと、前記受信用アレイアンテナの内から平面アンテナを選択する高周波スイッチと、を含む、請求項９に記載のレーダ装置。

【請求項11】

さらに、前記物体を前記レーダ装置に対して相対的に移動させる移動装置と、
前記物体が相対的に移動する移動距離に関して一定の移動距離毎に、前記送信用アレイアンテナの送信と前記受信用アレイアンテナの受信を行うために、定められた移動距離毎に信号を出力するセンサと、を含む、請求項９または１０に記載のレーダ装置。

【請求項12】

前記送信用アレイアンテナと前記受信用アレイアンテナは、共通する１つの誘電体基板上に設けられ、
前記送信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向に平行に、前記受信用アレイアンテナの平面アンテナは配列されている、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のレーダ装置。

【請求項13】

前記レーダ装置に対して、前記物体は相対的に移動し、
前記送信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向及び前記受信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向は、前記物体の移動方向に垂直である、請求項１２に記載のレーダ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、プリント基板上でパターン化された整合回路を持つ平面アンテナ及びこの平面アンテナを複数用いたアレイアンテナを有するレーダ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、コンクリート、木材等の材料（非金属）による構造物の内部を非破壊で検査する方法として、３次元映像化レーダ装置が用いられている。この３次元映像化レーダ装置は、複数の受信アンテナにより計測したデータをマイグレーション処理することにより、構造体の内部の３次元映像化を行う。検知できる対象は、構造物内のギャップ、空洞、金属物、導電率や誘電率が異なる領域等を含む。このようなレーダ装置における映像上の平面分解能は、用いる電磁波の波長に依存し、映像の垂直分解能は用いる電磁波の帯域の広狭に依存する。このため、高精細な３次元映像を得るために、レーダで用いる電磁波の周波数を高くし、さらに、電磁波の帯域を広くすることが好ましい。現在、３次元映像化レーダ装置の周波数帯域は、１００ＭＨｚ〜４．５ＧＨｚである。したがって、現在の３次元映像化レーダ装置の動作する周波数の上限をより高くし、かつ、電磁波の動作する帯域をより広くすることが好ましい。

【0003】

３次元映像化レーダ装置では、比較的小型化が可能であり、広帯域を実現することができる点で、ボウタイ形状をした平面アンテナが有効に用いられる。このようなボウタイ形状を成したアンテナとして、自己補対な複数のアンテナ要素を用いた平面アンテナが用いられる。この一例として、非常に広帯域な範囲で反射損の少ない平面アンテナが知られている（特許文献１）。

【0004】

上記平面アンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板上の片面に構成され、この面において擬似自己補対な複数のアンテナ導体と、このアンテナ導体の対称面に関し対称な複数の給電用導体とを備える。このとき、複数のアンテナ導体間の回転対称の中心において使用周波数の真空中での波長の１／１０以下の間隙が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００５−１３０２９２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

一般に、自己補対あるいは擬似自己補対のアンテナに接続する高周波伝送線路には、高周波回路が不平衡回路であることから、同軸ケーブルあるいはマイクロストリップ線路等の不平衡伝送線路が用いられる。平衡回路であるボウタイ形状の自己補対あるいは擬似自己補対のアンテナに不平衡伝送線路を用いて給電するには、バラン（平衡-不平衡変換器）を用い、不要な電流の発生を抑制する。また、アンテナのインピーダンスと同軸ケーブルやマイクロストリップ線路等のインピーダンスとを整合させるために、インピーダンスを変換することが必要である。このインピーダンス変換の機能をバランが持つものもある。バランはトランスを含むため、５〜２０ＧＨｚの高周波では平衡-不平衡変換器として機能しない。このため、１０〜２０ＧＨｚの帯域のアンテナにおいてバランを用いることはできない。
上述の公知の平面アンテナの実施形態では、インピーダンス変換機能を持たせるために、給電用導体の幅を給電点に近づくにつれて細くした例も示されている（図１２）。しかし、
この例の場合、フィルタ、アンプ、カプラ、ＲＦスイッチ、及びミキサ等を含む高周波回路（当該文献では平衡回路と記載されている）は全てレッヘル線路（平衡回路）で結線されており、高周波回路にマイクロストリップ線路や同軸線路等の不平衡線路を用いることができない。

【0007】

そこで、本発明は、例えば１０〜２０ＧＨｚ等の高周波でかつ超広帯域で動作する平面アンテナであって、アンテナ本体部と信号線路のインピーダンスを整合することができ、かつ、不平衡−平衡の変換をすることができる整合回路を持つ、コストのかからない平面アンテナ及びレーダ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様は、平面アンテナである。当該平面アンテナは、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第１の面に設けられた第１のアンテナ要素と、前記第１の面と反対側の第２の面に設けられた第２のアンテナ要素により構成され、前記第１のアンテナ要素と前記第２のアンテナ要素が平衡型のアンテナとして機能するアンテナ本体部と、
前記第１のアンテナ要素に給電するために前記第１のアンテナ要素の給電点と接続した、前記第１の面に設けられた第１の給電線路と、前記第２のアンテナ要素に給電するために前記第２のアンテナ要素の給電点と接続した、前記第２の面に設けられた第２の給電線路と、前記第１の給電線路と接続した、前記第１の面に設けられた信号線を含む信号線路部と、
前記第１の面に設けられ、前記信号線とともにコプレーナ線路を形成する第１の接地導体と、
前記第１の面に形成された前記コプレーナ線路の領域に対向する、前記第２の面の領域に設けられ、前記第２の給電線路と接続した第２の接地導体と、
を有し、
前記信号線路部は、
前記信号線路部の信号を伝送させる１つの線において、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる部分を２つ設けることにより前記アンテナ本体部と前記信号線路部の間のインピーダンスを整合させ、かつ、平衡-不平衡の変換をする整合回路を備え、
前記コプレーナ線路の前記信号線が前記第１の給電線路と接続する前記信号線の端に対向する前記第１の接地導体の縁部の端には、前記第１の接地導体と前記第２の接地導体とを接続することにより、前記第１の給電線路と前記第２の給電線路を平衡伝送線路にするビアホールが設けられている、ことを特徴とする。

【0009】

前記第１の給電線路上に、前記インピーダンスを整合させる前記部分が設けられている、ことが好ましい。

【0010】

前記第１のアンテナ要素と前記第２のアンテナ要素は、自己補対型のアンテナ要素であり、
前記第１の給電線路は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第１の部分を有し、
前記第２の給電線路は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第２の部分を有し、
前記信号線は、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる第３の部分を有し、
前記第１の部分と前記第２の部分は、前記誘電体基板を挟んで同じ位置に設けられる、ことが好ましい。

【0011】

前記第３の部分は、前記信号線が前記第１の給電線路と接続する端部で終了し、前記第１の給電線路の前記第１の部分は、前記信号線の前記端部と接続する前記第１の給電線路の端部から開始し、
前記第３の部分から前記第１の部分の接続部分に向かって進むとき、線幅が段差を持って広くなっている、ことが好ましい。

【0012】

前記第１の給電線路の延びる方向における前記第１の部分の長さと前記信号線の延びる方向における前記第３の部分の長さの合計は、前記第３の部分の開始位置から前記給電点までの線路長に等しい、ことが好ましい。

【0013】

前記第１のアンテナ要素の周りを覆うように、前記第１の接地導体から延長した延長接地導体が、前記第１のアンテナ要素と離間して設けられ、前記第２のアンテナ要素の周りを覆うように、前記第２の接地導体から延長した延長接地導体が、前記第２のアンテナ要素と離間して設けられ、
前記第１のアンテナ要素及び前記第２のアンテナ要素のそれぞれと、前記延長接地導体それぞれとの間に、抵抗素子が設けられる、ことが好ましい。

【0014】

前記第１のアンテナ要素及び前記第２のアンテナ要素は、いずれも、前記給電点から最も遠い位置において、前記抵抗素子を介して前記延長接地導体と接続されている、ことが好ましい。

【0016】

前記信号線に対向する前記第１の接地導体の縁部に沿って、前記第１の接地導体と前記第２の接地導体とを接続する複数のビアホールが設けられている、ことが好ましい。

【0017】

本発明の他の一態様は、レーダ装置である。当該レーダ装置は、
前記平面アンテナが複数配列し、電磁波を物体に向けて放射する送信用アレイアンテナと、
前記平面アンテナが複数配列し、前記物体から反射した電磁波を受信する受信用アレイアンテナと、
前記送信用アレイアンテナに用いた送信信号を用いて、前記受信用アレイアンテナで受信した受信信号を処理する高周波回路と、
前記高周波回路で得られた処理信号を用いて前記物体に関する３次元画像信号を取得する信号処理部と、
前記送信用アレイアンテナによる送信、前記受信用アレイアンテナによる受信、前記受信信号の処理、及び、前記３次元画像信号の取得のそれぞれを制御するシステム制御回路と、
前記３次元画像信号を用いて３次元画像を生成する画像表示部と、を有する。

【0018】

前記高周波回路は、前記送信信号を供給する平面アンテナを前記送信用アレイアンテナの内から選択する高周波スイッチと、前記受信用アレイアンテナの内から平面アンテナを選択する高周波スイッチと、を含む、ことが好ましい。

【0019】

さらに、前記物体を前記レーダ装置に対して相対的に移動させる移動装置と、
前記物体が相対的に移動する移動距離に関して一定の移動距離毎に、前記送信用アレイアンテナの送信と前記受信用アレイアンテナの受信を行うために、定められた移動距離毎に信号を出力するセンサと、を含む、ことが好ましい。

【0020】

その際、前記送信用アレイアンテナと前記受信用アレイアンテナは、共通する１つの誘電体基板上に設けられ、
前記送信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向に平行に、前記受信用アレイアンテナの平面アンテナは配列されている、ことが好ましい。

【0021】

また、前記レーダ装置に対して、前記物体は相対的に移動し、
前記送信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向及び前記受信用アレイアンテナの平面アンテナの配列方向は、前記物体の移動方向に垂直である、ことが好ましい。

【発明の効果】

【0022】

上述の態様によれば、高周波でかつ超広帯域で動作する平面アンテナであって、アンテナ本体部と信号線路のインピーダンスを整合することができ、かつ、不平衡−平衡の変換をすることができる整合回路を持つ、コストのかからない平面アンテナ及びレーダ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の平面アンテナの一形態を説明する図である。

【図2】（ａ）〜（ｃ）は、ビアホールの機能を説明する図である。

【図3】本実施形態の平面アンテナ（形態Ａ及び形態Ｂ）のＶＳＷＲの周波数依存性の一例のグラフを示す図である。

【図4】本実施形態の平面アンテナの各寸法を説明する図である。

【図5】本実施形態の平面アンテナを備える送信用アレイアンテナと受信用アレイアンテナを含む送受信モジュールの一例の構成を示している。

【図6】図５に示す送受信モジュールの構成と異なる構成例を示す図である。

【図7】本実施形態のレーダ装置の一例のブロック構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本実施形態の平面アンテナ及びレーダ装置について詳細に説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の平面アンテナ１０の一形態を説明する図である。図１（ａ）は、平面アンテナ１０の表面を示す図であり、図１（ｂ）は、平面アンテナ１０の背面を示す図であり、図１（ｃ）は、平面アンテナ１０の側面を示す図である。

【0025】

（平面アンテナの説明）
本実施形態の平面アンテナ１０は、プリント基板上でパターン化された整合回路を持つアンテナである。平面アンテナ１０は、例えば１０〜２０ＧＨｚである周波数で動作するアンテナであり、非金属の物体を検査対象とする３次元映像化レーダ装置に好適に適用される。

【0026】

本実施形態の平面アンテナ１０は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、アンテナ本体部と給電部とを有する。
アンテナ本体部は、プリント基板である誘電体基板１２の両側の面上に形成された自己補対型の第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６を含む平衡型のアンテナとして機能する。
誘電体基板１２は、比誘電率１〜２０の材料が用いられ、例えばガラスやガラスエポキシ樹脂やフッ素樹脂等が用いられる。自己補対型のアンテナ要素とは、アンテナの形状のうち、無限縁のアンテナ要素のあるアンテナ領域と、アンテナ導体のないスロット領域とが互いに回転や移動を行うことで重なるような形状をいう。例えば、１本の連続する直線あるいは曲線を、給電点を中心に９０度ずつ回転したときの直線あるいは曲線を縁とする回転対称な形状のアンテナ要素が挙げられる。このような形状のアンテナの入力インピーダンスは、１８８Ω（略２００Ω）の定インピーダンスアンテナとなる。

【0027】

図１（ａ），（ｂ）に示す例では、第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６のそれぞれは、誘電体基板１２の両側の表面に形成されているが、給電点Ｆ_ｐを中心として点対象に配置された直角二等辺三角形形状となっている。この二等辺三角形形状を９０度右回転あるいは左回転することにより、アンテナ要素の形成されていないスロット部分に重なる。したがって、第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６は、自己補対型といえる。しかも第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６のそれぞれに、給電点Ｆ_ｐから高周波が給電されるので、ダイポールアンテナ、すなわち平衡型アンテナとして機能する。なお、後述するように、無限縁のアンテナ要素を実現するために、第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６の給電点Ｆ_ｐから最も遠く離れたアンテナ要素の端に抵抗素子が設けられている。これにより、第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６が近似的に無限縁のアンテナ要素として機能する。
第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６の材料は、導電性を有すればよく、例えば、銅や銀の導電材である。
第１のアンテナ要素１４は、誘電体基板１２の両側の面のうち第１の面に設けられ、第２のアンテナ要素１６は、誘電体基板１２の両側の面のうち第２の面に設けられる。

【0028】

給電部は、コプレーナ線路１８と、給電線路対２０と、第２の接地導体２２と、を有する。コプレーナ線路１８は、誘電体基板１２の第１の面に設けられた信号線２４と、信号線２４に対して間隔をあけて挟むように設けられた第１の接地導体２６とを含む。第１の接地導体２６及び第２の接地導体２２は、グランドに接続されている。
第２の接地導体２２は、信号線２４及び第１の接地導体２６を含むコプレーナ線路１８の第１の面の領域に対して、誘電体基板１２を挟んで第２の面の同じ領域に設けられている。すなわち、第１の面及び第２の面では、自己補対型の第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６のアンテナ領域と、これらのアンテナ要素のない自己補対形状のスロット領域を含む領域には、給電点Ｆｐに延びる給電線路対２０しか設けられず、給電線路２０の給電点Ｆｐの側と反対側の基部に信号線２４、第１の接地導体２６、及び第２の接地導体２２が設けられている。

【0029】

給電線路対２０は、信号線２４の端部と第１のアンテナ要素の給電点Ｆ_ｐとの間を接続する第１の給電線路２０ａと、第２の接地導体２２から延びて、第２の接地導体２２と第２のアンテナ要素１６の給電点Ｆ_ｐとの間を接続する第２の給電線路２０ｂと、を含む。第１の給電線路２０ａと第２の給電線路２０ｂは、いずれもアンテナ要素のないスロット領域に設けられている。第１の給電線路２０ａと第２の給電線路２０ｂは、誘電体基板１２を挟んで同じ位置に設けられ、平行フィーダ線のように機能する。信号線２４と第１の給電線路２０ａと第２の給電線路２０ｂは、信号線路部を構成する。

【0030】

信号線２４が第１の給電線路２０ａと接続する端に対向する第１の接地導体２６の縁部の端には、第１の接地導体２６と第２の接地導体２２とを接続するビアホール３０が設けられていることが好ましい。このビアホール３０には、信号線２４に対向する第１の接地導体２６の縁に局所的に生じる電荷を第２の接地導体２２に流し、この電荷が第２の給電線路２０ｂに流れるようにすることができる。図２（ａ）〜（ｃ）は、ビアホール３０の機能を説明する図である。図２（ａ）に示すように、信号線２４に例えば正の電荷が流れるとき、第１の接地導体２６及び第２の接地導体２２の信号線２４に近い部分には、局所的に負の電荷が形成される。この正の電荷は、図２（ｂ）に示すように、信号線２４の端に進むと、信号線２４は第１の給電線路２０ａに接続されているので、給電点Ｆ_ｐに向けて電流として流れる一方、第１の接地導体２６及び第２の接地導体２２に局所的に生じる負の電荷は、第２の給電線路２０ｂに流れる。このとき、第１の接地導体２６の電荷が、第１の接地導体２６から第２の接地導体２２を経由して第２の給電線路２０ｂに最短で流れこむことができるように、第１の接地導体２６と第２の接地導体２２の間を接続するビアホール３０が設けられていることが好ましい。

【0031】

このように、信号線２４が第１の給電線路２０ａと接続する端に対向する第１の接地導体２６の縁部の端には、第１の接地導体２６と第２の接地導体２２とを接続するビアホール３０が設けられているので、第１の給電線路２０ａと第２の給電線路２０ｂとは平衡伝送線路として機能する。すなわち、バランを不要とする。

【0032】

このとき、平面アンテナ１０に接続される図示されないマイクロストリップ線路、同軸ケーブル等の不平衡線路は５０Ωのインピーダンスを有するので、コプレーナ線路においても入力インピーダンスが５０Ωとなるように構成される。一方、第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６は、自己補対型のアンテナを構成しているので、入力インピーダンスが略２００Ω（厳密には１８８Ω＝６０πΩ）の定インピーダンスアンテナとなっている。このため、給電部において、５０Ωから２００Ωにインピーダンスを変換することが、定在波比を低下させる点で好ましい。この点で、平面アンテナ１０の第１の給電線路２０ａは、線幅がアンテナ本体部の給電点Ｆ_ｐに向かって連続的に細くなる第１の部分２１ａを有し、第２の給電線路２０ｂは、線幅がアンテナ本体部の給電点Ｆ_ｐに向かって連続的に細くなる第２の部分２１ｂを有し、上記第１の部分２１ａと上記第２の部分２１ｂは、誘電体基板１２を挟んで同じ位置に設けられることが好ましい。第１の部分２１ａと上記第２の部分２１ｂは、同じ形状であることが好ましい。

【0033】

さらに、信号線２４は、線幅がアンテナ本体部の給電点Ｆ_ｐに向かって連続的に細くなる第３の部分２４ａを有し、第３の部分２４ａは、信号線２４が第１の給電線路２０ａと接続する端部で終了し、第１の給電線路２０ａの第１の部分２１ａは、信号線２４の端部と接続する第１の給電線路２０ａの端部から開始し、かつ、第３の部分２４ａと第１の部分２１ａの接続部分では、第３の部分２４ａから第１の部分２１ａに向かって進むとき線幅が段差を持って広くなっていることが好ましい。このように、信号線２４と第１の信号線路２０ａにおいて、第３の部分２４ａと第１の部分２１ａを設け、第２の信号線路２０ｂにおいて第２の部分２１ｂを設けることにより、インピーダンスを５０Ωから２００Ωに変換することができる。このように、第１の部分２１ａと第２の部分２１ｂと、第３の部分２４ａを設けることで、線幅の最も狭い部分では現実的に実現可能な寸法、例えば０．６ｍｍとすることができる。第１の部分２１ａと第２の部分２１ｂを設けず、第３の部分２４ａでインピーダンスを５０Ωから２００Ωに変更する場合、線幅の最も狭い部分は、実現困難な極めて狭い寸法、例えば０．１ｍｍとなる。このように、第１の部分２０ａ、第２の部分２０ｂ、及び第３の部分２４ａは、連続的に線幅が徐々に狭くなっているので、インピーダンスによる電力の反射ロスは小さい。図に示す例では、第１の部分２１ａ、第２の部分２１ｂ、及び第３の部分２４ａの線幅は、それぞれ直線的に連続して細くなるが、線幅は直線的に狭くなることに限定されない。
このように、本実施形態では、第１の面に設けられた第１の部分２１ａと第３の部分２４ａと、第２の面に設けられ、第１の部分２１ａと誘電体基板１２を挟んで同じ領域に設けられた第２の部分２１ｂとによりアンテナ本体部と信号線路のインピーダンスを整合することができ、かつ、不平衡−平衡の変換をする整合回路を形成する。
インピーダンスを整合させる上述の第１の部分２１ａと第２の部分２１ｂは、誘電体基板１２を挟んで同じ位置に設けられることが、インピーダンスを精度よく変換させる点で好ましい。

【0034】

本実施形態の平面アンテナ１０のアンテナ本体部は、誘電体基板１２に設けられた自己補対型の第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６とを含み、第１のアンテナ要素１４は、誘電体基板１２の第１の面に設けられ、第２のアンテナ要素１６は、誘電体基板１２の第２の面に設けられる。すなわち、第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６は、平衡型のアンテナとして機能させる。この自己補対型のアンテナは、一定のインピーダンスを有し、インピーダンスの整合を容易にできる点で本実施形態において好ましい。

【0035】

第１の給電線路２０ａの延びる方向における第１の部分２１ａの長さと信号線２４の延びる方向における第３の部分２４ａの長さの合計は、第３の部分２４ａの開始位置から給電点Ｆ_ｐまでの線路長に等しいことが、インピーダンスを効率よく変換する点で好ましい。また、上記第１の部分２１ａの長さと信号線２４の延びる方向における第３の部分２０ａの長さの合計の下限長は、平面アンテナで動作させる周波数における基板中の実効波長（＝真空中での波長／（実効誘電率）^１／２）の１０分の１以上の長さであることが好ましい。

【0036】

さらに、信号線２４に対向する第１の接地導体２６の縁部に沿って、第１の接地導体２６と第２の接地導体２２とを接続する複数のビアホールが設けられていることが、信号線２４の周りに位置する第１の接地導体２６と第２の接地導体２２の縁部に局所的に生じる電流を安定させる点で好ましい。この場合、信号線２４の領域に対して誘電体基板１２を挟んだ第２の接地導体２２の同じ領域には、ビアホールは設けられていない。

【0037】

さらに、図１（ａ），（ｂ）に示すように、第１のアンテナ要素１４の周りを覆うように、第１の接地導体２６から延長した延長接地導体２７が、第１のアンテナ要素１４と離間して設けられ、第２のアンテナ要素１６の周りを覆うように、第２の接地導体１６から延長した延長接地導体２３が、第２のアンテナ要素１６と離間して設けられる。このとき、第１のアンテナ要素１４及び第２のアンテナ要素１６のそれぞれと、延長接地導体２７，２３それぞれとの間に、抵抗素子３２が設けられることが、第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６とを、無限縁のアンテナ要素とする点で好ましい。
図１（ａ），（ｂ）に示す例では、第１のアンテナ要素１４と第２のアンテナ要素１６との間のインピーダンスは略２００Ωであるので、２００Ωの抵抗素子３２が並列に２つずつ計４箇所設けられている。
この場合、第１のアンテナ要素１４及び第２のアンテナ要素１６は、いずれも、給電点Ｆ_ｐから最も遠い位置において、抵抗素子３２を介して延長接地導体２７，２３と接続されていることが好ましい。

【0038】

図３は、平面アンテナ１０（形態Ａ及び形態Ｂ）のＶＳＷＲの周波数依存性の例のグラフを示す図である。図示されるように、１０〜２０ＧＨｚの広帯域において、ＶＳＷＲが３．００以下となっており、この周波数範囲で平面アンテナ１０が有効に動作することがわかる。

【0039】

ここで、平面アンテナ１０の形態Ａ及び形態Ｂの寸法は下記のようになっている。以下では、形態Ａの寸法等の後に、形態Ｂの寸法等を括弧書きで記す。図４は、平面アンテナ１０の各寸法を説明する図である。
・誘電体基板１２の比誘電率：２．６（２．６）
・誘電体基板１２の板厚：１．６ｍｍ（１．６ｍｍ）
・第１の部分２０ａ、第２の部分２０ｂの長さＬ２：５ｍｍ（６．５ｍｍ）
・第３の部分２４ａの長さＬ３：５ｍｍ（６ｍｍ）
・第１の部分２０ａ，第２の部分２０ｂの最小幅Ｗ_２ｍｉｎ：０．６ｍｍ（０．６ｍｍ）
・第１の部分２０ａ，第２の部分２０ｂの最大幅Ｗ_２ｍａｘ：２．１ｍｍ（２．１ｍｍ）
・第３の部分２４ａの最小幅Ｗ_３ｍｉｎ：０．９ｍｍ（０．９ｍｍ）
・第３の部分２４ａの最大幅Ｗ_３ｍａｘ：２．５ｍｍ（２．５ｍｍ）
・信号線２４を形成するための第１の接地導体２６間の隙間Ｗ_０：３ｍｍ（３ｍｍ）
・アンテナ本体部の大きさＡ_０：１０ｍｍ（１３ｍｍ）
・第１、第２のアンテナ要素の全長Ｂ_０：９ｍｍ（１２ｍｍ）

【0040】

図３に示されるように、形態Ａ，Ｂの双方とも５〜２０ＧＨｚ、より好ましくは１０〜２０ＧＨｚの広帯域においてＶＳＷＲが３．００以下となっている。
このように、平面アンテナ１０は、高周波でかつ超広帯域で動作する平衡型のアンテナであって、信号線路部の信号を伝送させる１つの線において、線幅が給電点に向かって連続的に細くなる部分（第１の部分、第３の部分）を２つ設けることにより、平衡型のアンテナ本体部と不平衡型の信号線路部の間で、インピーダンスを整合させ、かつ、平衡-不平衡の変換をする整合回路と、を有するので、バランのような平衡-不平衡変換器を用いず、プリント基板上で実現することができる。そして、平面アンテナ１０はバランを不要とするので、簡便な構成でコストのかからないアンテナとして用いることができる。

【0041】

このような平面アンテナ１０は、図５に示すように複数個用いてアレイアンテナとして用いることができる。
図５は、送信用アレイアンテナ５０と受信用アレイアンテナ５２を含む送受信モジュール４０の一例の構成を示している。
送信用アレイアンテナ５０と受信用アレイアンテナ５２が共通の誘電体基板１２に形成されている。具体的に、送信用アレイアンテナ５０として、図１〜４に示す平面アンテナ１０が複数個誘電体基板１２上に形成され、受信用アレイアンテナ５２として、図１〜４に示す平面アンテナ１０が複数個誘電体基板１２上に形成されている。送信用アレイアンテナ５０の平面アンテナ１０の配列方向は、受信用アレイアンテナ５２の平面アンテナ１０の配列方向と平行である。このとき、図５に示されるように、受信用アレイアンテナ５２の平面アンテナ１０の配列方向における位置は、送信用アレイアンテナ５０の隣接する平面アンテナ１０の２つの位置の中間にあることが好ましい。なお、受信用アレイアンテナ５２の平面アンテナ１０の配列方向における位置を、送信用アレイアンテナ５０の平面アンテナ１０の配列方向の位置と一致させてもよい。

【0042】

また、送信用アレイアンテナ５０の各平面アンテナ１０に送られる送信信号は、図５に示されるように、トーナメント形式で信号線路５４が２つに分岐されて、この分岐を３回繰り返して最終的に例えば８個の平面アンテナ１０のうちの特定の１つの送信用の平面アンテナ１０に供給されることが好ましい。また、受信用アレイアンテナ５２の各平面アンテナ１０から出力される受信信号も、図５に示されるように、トーナメント形式で各信号線路が接続され、特定の１つの受信用の平面アンテナ１０からの受信信号が信号線路５６に出力されることが好ましい。トーナメント形式とは、送信信号の場合、１つの信号線路が複数の信号線路に分岐され、かつ、分岐後のそれぞれの信号線路の長さが等しいことをいい、同様に受信信号の場合も、複数の信号線路が１つの信号線路に合流し、かつ、信号線路の長さがいずれの信号線路でも等しいことをいう。このようにトーナメント形式の信号線路を用いることにより同一位相の送信信号を平面アンテナ１０に供給することができ、平面アンテナ１０からの受信信号に対して、線路長に起因する位相ずれの補正をする必要がなくなる。
トーナメント形式の信号線の分岐部分及び合流部分には、高周波スイッチ５８，５９が設けられており、送信信号を用いて電磁波を放射させる平面アンテナ１０を送信用アレイアンテナ５０から選択し、また、受信用アレイアンテナ５２から受信信号を取り込みたい平面アンテナ１０を選択することができる。このような高周波スイッチ５８，５９の制御は、図示されないシステム制御回路からの指示にしたがって制御する。

【0043】

図６は、図５に示す送受信モジュール４０の構成と異なる構成例を示す図である。
送受信モジュール４０も、送信用アレイアンテナ５０と受信用アレイアンテナ５２を有する。送信用アレイアンテナ５０及び受信用アレイアンテナ５２の平面アンテナ１０の信号線２４と第１の接地導体２６及び第２の接地導体２２は、同軸ケーブル８０，８２と接続されており、送信信号が送信用アレイアンテナ５０に供給され、受信用アレイアンテナ５２から受信信号が出力される。送受信モジュール４０は、ＲＦスイッチユニット８４，８６を有し、図示されないシステム制御回路からの制御信号によって、送信信号を供給する供給先である送信用アレイアンテナ５０内の平面アンテナ１０と、受信用アレイアンテナ５２の内の平面アンテナ１０がそれぞれ１つ選択される。
図６に示す構成では、図５に示す構成と異なり、送信用アレイアンテナ５０及び受信用アレイアンテナ５２は、同軸ケーブル８０，８２によってＲＦスイッチユニット８４，８６と接続されている。

【0044】

このような送受信モジュール４０は、レーダ装置６０に好適に用いることができる。図７はレーダ装置６０の一例のブロック構成図である。
レーダ装置６０は、送信用アレイアンテナ５０と受信用アレイアンテナ５２と高周波スイッチ５８，５９とを含む送受信用モジュール４０と、高周波回路６２と、システム制御回路６４と、信号処理部６６と、画像表示部６８と、を有する。
すなわち、レーダ装置６０は、上述の平面アンテナ１０が複数配列し、電磁波を物体に向けて放射する送信用アレイアンテナ５０と、上述の平面アンテナ１０が複数配列し、物体から反射した電磁波を受信する受信用アレイアンテナ５２と、送信用アレイアンテナ５０に用いた送信信号を用いて、受信用アレイアンテナ５２で受信した受信信号を処理する高周波回路６２と、高周波回路６２で得られた処理信号を用いて物体に関する３次元画像信号を取得する信号処理部６６と、その処理結果を表示する画像表示部６８と、を含む。
システム制御回路６４は、送信用アレイアンテナ５０による送信、受信用アレイアンテナ５２による受信、受信信号の処理、及び、３次元画像信号の取得のそれぞれを制御する。

【0045】

このようなレーダ装置６０は、送信用アレイアンテナ５０及び受信用アレイアンテナ５２を平行移動させるとともに、送信用アレイアンテナ５０及び受信用アレイアンテナ５２の移動単位毎に複数の送信用アレイアンテナ５０の平面アンテナ１０を高周波スイッチ５８により切り替えつつ、電磁波を放射させる。送信用アレイアンテナ５０及び受信用アレイアンテナ５２の移動は、送信用アレイアンテナ５０及び受信用アレイアンテナ５２が設けられる基板に一体的に設けられ、定められた移動距離ごとに信号を出力するエンコーダ６９によって感知される。送信用アレイアンテナ５０及び受信用アレイアンテナ５２の移動は、図示されない移動装置によって行われる。この移動装置により、測定対象の物体を、レーダ装置６０に対して相対的に移動させることができる。なお、送信用アレイアンテナ５０及び受信用アレイアンテナ５２の平面アンテナの配列方向が、物体の移動方向に垂直になるようにすることが、３次元画像を移動方向に走査できる点で好ましい。このとき、個々の送信用アレイアンテナ５０の平面アンテナ１０から送信が行われる度に複数の受信用アレイアンテナ５２の平面アンテナ１０で切替受信させる処理を、高周波スイッチ５９により繰り返す。そして、信号処理部６６は、電磁波の送受信によって得られた処理信号から３次元画像信号を取得する。取得した３次元画像信号を用いて、物体内部の３次元画像は、画像表示部６８で生成されて表示される。
本実施形態では、定められた移動距離毎に信号を出力するセンサとしてエンコーダ６９を用いるが、エンコーダ６９に限定されない。測定対象の非金属の構造物である物体が相対的に移動する移動距離に関して一定の移動距離毎に、送信用アレイアンテナ５０の送信と受信用アレイアンテナ５２の受信を行うために、定められた移動距離毎に信号を出力するセンサを用いればよい。
本実施形態のレーダ装置６０は、測定対象の物体と相対的に移動するが、レーダ装置６０と物体は相対的に移動するものでなくてもよい。

【0046】

このとき、送信用アレイアンテナ５０の平面アンテナ１０から放射された電磁波の反射波を複数の受信用アレイアンテナ５２の平面アンテナ１０で受信する。受信用マイクロ波増幅器（ＲＦアンプ）は、送信する平面アンテナ１０と受信する平面アンテナ１０の対毎にゲインを変化させるように設定してもよい。この送信する平面アンテナ１０と受信する平面アンテナ１０の対の選択に応じてゲインを切り替える可変ゲイン増幅機能を有し、物体中の欠陥等の検査可能な深度を大きくすることもできる。
本実施形態の平面アンテナ１０は、このようなレーダ装置６０に好適に用いることができる。図７に示すレーダ装置６０は、高周波スイッチ５８，５９を有するが、高周波スイッチ５８，５９を有さないレーダ装置にも本実施形態の平面アンテナ１０は適用できる。

【0047】

以上、本発明の平面アンテナ及びレーダ装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態及び実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

【符号の説明】

【0048】

１０ 平面アンテナ
１２ 誘電体基板
１４ 第１のアンテナ要素
１６ 第２のアンテナ要素
１８ コプレーナ線路
２０ 給電線路対
２０ａ 第１の給電線路
２０ｂ 第２の給電線路
２１ａ 第１の部分
２１ｂ 第２の部分
２２ 第２の接地導体
２３，２７ 延長接地導体
２４ 信号線
２４ａ 第３の部分
２６ 第１の接地導体
３０ ビアホール
３２ 抵抗素子
５０ 送信用アレイアンテナ
５２ 受信用アレイアンテナ
５４ 信号線路
５６ 信号線路
５８，５９ 高周波スイッチ
６０ レーダ装置
６２ 高周波回路
８０，８２ 同軸ケーブル
８４，８６ ＲＦスイッチユニット

【要約】

【課題】例えば１０〜２０ＧＨｚ等の高周波でかつ超広帯域で動作する平面アンテナであって、アンテナ本体部と信号線路のインピーダンスを整合することができ、かつ、不平衡−平衡の変換をすることができる整合回路を持つ、コストのかからない平面アンテナ及びレーダ装置を提供することを目的とする。
【解決手段】平面アンテナは、誘電体基板と、前記誘電体基板に設けられたアンテナ要素により構成されたアンテナ本体部と、前記アンテナ要素に給電するために前記アンテナ要素の給電点と接続した信号線路部と、を有する。前記信号線路部の信号を伝送させる１つの線において、線幅が前記給電点に向かって連続的に細くなる部分を２つ設けることにより前記アンテナ本体部と前記信号線路の間のインピーダンスを整合させ、かつ、不平衡−平衡の変換をする。
【選択図】 図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】