特許 6571486 アンテナ装置およびセクタアンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6571486

(24)【登録日】2019年8月16日

(45)【発行日】2019年9月4日

(54)【発明の名称】アンテナ装置およびセクタアンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 19/18 20060101AFI20190826BHJP

   H01Q 21/08 20060101ALI20190826BHJP

   H01Q 13/08 20060101ALI20190826BHJP

【ＦＩ】

   H01Q19/18

   H01Q21/08

   H01Q13/08

【請求項の数】12

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2015-206515(P2015-206515)

(22)【出願日】2015年10月20日

(65)【公開番号】特開2017-34644(P2017-34644A)

(43)【公開日】2017年2月9日

【審査請求日】2018年10月14日

(31)【優先権主張番号】特願2015-150082(P2015-150082)

(32)【優先日】2015年7月29日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000138462

【氏名又は名称】株式会社ユーシン

(74)【代理人】

【識別番号】100122426

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 清志

(72)【発明者】

【氏名】天野 義久

【審査官】 佐藤 当秀

(56)【参考文献】

【文献】 特開平11−225013（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第2013／0169468（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第04876554（ＵＳ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第2003／0151560（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ １３／０２

Ｈ０１Ｑ １３／０８

Ｈ０１Ｑ １９／１８

Ｈ０１Ｑ ２１／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１つの平面基体上に複数のアンテナ素子を電界偏波方向に沿って並べ、導電接続した１次アンテナと、
前記１次アンテナが配置された前記平面基体に対して、前記１次アンテナを挟んで、それぞれ任意の角度を有する方向に延設された金属板からなる２次アンテナと、
から構成され、
前記２次アンテナの金属板は、前記金属板の方向が前記１次アンテナの電界偏波方向に沿って配置されるとともに、それぞれ前記１次アンテナから開口端に向かって広がる空間ギャップを有し、前記金属板の放射方向への長さが放射される電波波長λ以上であり、前記２次アンテナの形状が、前記１次アンテナから放射される電波ビームを放射する方向に前記開口端を形成するよう傾斜して前記平面基体上に設けたことを特徴とするアンテナ装置。

【請求項2】

前記１次アンテナは、導体グランドパターン面と前記１次アンテナ形成面とする誘電体基板からなる前記１つの平面基体の前記１次アンテナ形成面に導体パターンによって印刷形成された複数のパッチアンテナであり、
これら複数のパッチアンテナが導体パターンにより接続され、該接続された導体パターンの端部または中央付近の１箇所に入力ポートを設け、前記金属板の前記平面基体の延面方向が、前記接続された導体パターンの接続方向と平行であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。

【請求項3】

前記金属板が、アルミ・銅・金・鉄・ステンレスのいずれかの板金部品であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。

【請求項4】

前記金属板が、金属メッキ層を有する樹脂部材で成形された金属メッキ層を備えた板状部品又はブロック状部品であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアンテナ装置。

【請求項5】

前記平面基体が、前記２次アンテナが形成される第２の平面基体と、
前記第２の平面基体と空気層を介して設けられ、前記１次アンテナが配置されるとともに、前記第２の平面基体と接する面の裏面に導体グランドパターン面を設けた第１の平面基体、からなる多層構造であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。

【請求項6】

前記第１の平面基体と前記第２の平面基体との間に金属製スペーサを設け、
前記金属製スペーサは、前記１次アンテナを構成する素子と接触しない位置に前記第２の平面基体を前記第１の平面基体上に配置し、かつ、前記第２の平面基体が前記第１の平面基体に対して平行状態を保って配置されていることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置。

【請求項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を単位アンテナ装置として、該単位アンテナ装置を複数設け、
前記複数のアンテナ装置はスイッチ回路により選択可能に並列接続されており、かつ、前記複数のアンテナ装置において前記２次アンテナを構成する２つの金属板は、前記１次アンテナ毎に電波ビームを放射したい方向に傾斜して設けられていることを特徴とするセクタアンテナ装置。

【請求項8】

前記複数の単位アンテナ装置に対応する少なくとも２つの金属板は、前記１次アンテナの形成面から開口端に向かって広がる空間ギャップを有するように形成され、前記金属板の端部に形成される前記電波ビームの放射端である前記金属板の開口面は、前記電波ビームの放射方向に応じて、前記平面基体側に傾斜するように形成されており、前記複数の単位アンテナ装置が並列して配置された中央部で隣接する単位アンテナ装置間では、前記金属板を共用化して空間ギャップを形成し、前記複数の単位アンテナ装置の両端側に配置された隣接する単位アンテナ装置間では、前記金属板を単位アンテナ装置毎にそれぞれ少なくとも２つの金属板により空間ギャップを形成することを特徴とする請求項７に記載のセクタアンテナ装置。

【請求項9】

前記複数の単位アンテナを覆うケースを設け、前記それぞれの金属板が、前記ケースに固定された筐体アンテナを構成することを特徴とする請求項７または請求項８に記載のセクタアンテナ装置。

【請求項10】

前記２次アンテナの金属板と前記１次アンテナとを非導通としたことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載のアンテナ装置。

【請求項11】

前記２次アンテナの金属板と前記１次アンテナ及び前記導体グランドパターン面とを非導通としたことを特徴とする請求項２から請求項９のいずれかに記載のアンテナ装置。

【請求項12】

前記２次アンテナの金属板は、前記１次アンテナとは非導通とする一方、前記導体グランドパターン面とは導通させたことを特徴とする請求項２から請求項９のいずれかに記載のアンテナ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電波ビームを放射するアンテナ装置およびセクタアンテナ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

これまで、車両の世界では、以前から６０／７７ＧＨｚ帯の電波による長距離レーダ（ＬＲＲ：Ｌｏｎｇ Ｒａｎｇｅ Ｒａｄａｒ）が用いられてきた。その監視エリアは、前方進行方向に遠くまで伸びた細長い１次元線状が普通であった。

【0003】

ここで、電波レーダ装置のキーパーツの１つは、電波ビームを放射・受信するアンテナである。今まで、様々な構造のアンテナが試行錯誤されてきたが、車載レーダ特有の偏波面やビーム断面形状等の諸条件を考慮した結果、最も低コストかつ効果的であるとされてきた代表的な構造が、非特許文献１のＦｉｇ．３．２ａ〜２ｄに開示されている。この図を引用した図が図８である。

【0004】

図８に示すように、この電波レーダ装置は、誘電体基板（９０２）の裏面が導体のベタＧＮＤ層（９０１）になっており、一方の面に、導体により所望の幾何学的パターニング（９１１〜９１３）を施した、いわゆるマイクロストリップ線路系を形成した平面パッチアンテナ構造をしている。その幾何学的パターニングは、電波波長をλとすると、一辺がλ／２に近い寸法の複数のパッチアンテナ（９１２）を、やはり長さがλ／２に近い複数の細い導体パターン（９１３）で串団子状に貫き、その一端に対して入力ポート（９１１）から高周波電気信号を与える構造になっている。

【0005】

ここで、設計パラメータとして重要な電界偏波方向（９５１）は、串の延設方向と同じである。また、図８は串が一方向にのみ伸びている基本形の構造だが、この変形として、中央の給電点から２本の串が１８０度反対方向へ伸びている構造も好んで使われる。

【0006】

図８のアンテナ構造は、現在も車載レーダの世界で最も広く使われ続けている構造だが、しかし、近年になって限界が生じ始めており、再び試行錯誤が始まっている。

【0007】

こうした試行錯誤のきっかけとなったのは、近年急速に普及してきた、２４ＧＨｚ帯の短距離レーダ（ＳＲＲ:Ｓｈｏｒｔ Ｒａｎｇｅ Ｒａｄａｒ）である。このＳＲＲの監視エリアは、特許文献１に開示されたＲ−ＣＴＡ（Ｒｅａｒ Ｃｒｏｓｓ Ｔｒａｆｆｉｃ Ａｌｅｒｔ）が代表だが、後方や側方へ扇形の２次元面状に広がったものが多い。

【0008】

この種のレーダ装置の視野角、即ち扇形の開き角度は、９０度以上にもなることが珍しくない。レーダ装置の視野角を９０度以上にするためには、もはや１本の電波ビームだけでは難しく、何らかの形で複数の電波ビームを組み合わせることが必要になってくる。例えば、非特許文献１はその図３において、送信アンテナのみだが、４方向のセクタアンテナを採用したことによって、視野角１３０度の車載レーダを実現したことを報告している。

【0009】

同図において不足している説明を補って図２９に示した。互いに異なる方向（１０６１〜１０６４）を向いた４個のアンテナ（１０２１〜１０２４）のうち任意の１個が、何らかの高周波スイッチ機能（１００７）によって適宜選択され、その方向にのみ電波ビームが放射される。

【0010】

車載レーダで広く使われてきた図８のアンテナ構造だが、これをセクタアンテナに組み込もうとした場合は、問題が生じる。図８のアンテナ構造は、非特許文献１のＦｉｇ．３．２ｅに開示された通り、基本的には基板に垂直な真正面方向にしか電波ビームを放射できない。単純に図８のアンテナを同一誘電体基板（９０２）上に４個並べても、４個とも同じ方向にしか電波ビームが飛ばないため、図２９のようなセクタアンテナ動作はできないのである。したがって、図８のアンテナの拡張をして、斜めの任意方向への電波ビーム放射を可能にする技術が求められ始めている。なお、非特許文献１はこの問題については触れず、送信アンテナ構造の詳細は明かしていない。

【0011】

このように斜め方向の電波ビームを自由に生成できる可能性がある技術として、特許文献２では、立体ホーンアンテナ構造を用いた車載レーダ用セクタアンテナ技術を開示している。この技術は、図８やその他の平面１次アンテナが発生した電磁波ビームを、立体ホーンアンテナ部品によって任意方向に捻じ曲げようというものである。以下、図３０によって詳細に説明する。

【0012】

図３０において、立体加工された導体部品の中に溝が掘られ、６個のホーンアンテナ（１１８１〜１１８６）を形成している。６個のホーンアンテナ（１１８１〜１１８６）は、互いに異なる方向を向いている。中心には、ミリ波回路基板（１１０２）があり、図２９のスイッチ機能（１００７）に相当する機能もこの上に載っている。ミリ波回路基板（１１０２）上で生成されたミリ波レーダ信号は、そのスイッチ機能の働きで６個の１次アンテナ（１１２１）のどれかへと供給され、その先にある２次アンテナである６個のホーン（１１８１〜１１８６）のどれかから放射される。

【0013】

なお、ホーンアンテナを使えばセクタアンテナを構成することが容易であること自体は古くから公知であり、特許文献２もそのこと自体を権利主張したものではない。

【0014】

特許文献２は、ミリ波回路基板（１１０２）とホーンアンテナ（１１８１〜１１８６）の間を接続する１次アンテナ（１１２１）の構造について、何も言及していない。この１次アンテナには、図８のような低コスト平面パッチアンテナを使うことも可能であることが公知であり、例えば特許文献３や非特許文献３に開示されている。

【0015】

特許文献３と非特許文献３の図の構造は一見すると異なるように見えるが、これを整理して図３２に示した。１次アンテナであるパッチ・アンテナ（１４２１）の真上には、金属製のホーンアンテナ（１１０１）が置かれる。ホーンアンテナ（１１０１）は、ただ上に置いて電位が浮いた状態で放置するのではなく、通常はパッチアンテナ（１４２１）の周囲を囲って設けられたグランドパターン（１３１２）との間で、半田付け等の手段により導通・固定される。グランドパターン（１３１２）は、ＶＩＡホール（１３０６）によって、誘電体基板（１３０２）の裏面の導体ベタグランド層（１０２４）に接続されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0016】

【特許文献1】特開２０１３−４５１４２号公報

【特許文献2】特開２００４−１５８９１１号公報

【特許文献3】特開２００１−１６８６３２号公報

【特許文献4】特開２００６−３３９７５９号公報

【非特許文献】

【0017】

【非特許文献1】Ｊ. Ｓｃｈｏｅｂｅｌ ａｎｄ Ｐ. Ｈｅｒｒｅｒｏ, “Ｐｌａｎａｒ Ａｎｔｅｎｎａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｍｍ−Ｗａｖｅ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｒａｄａｒ, Ｓｅｎｓｉｎｇ, ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ”, ２００９, ｈｔｔｐ://ｃｄｎ.ｉｎｔｅｃｈｗｅｂ.ｏｒｇ/ｐｄｆｓ/６８９４.ｐｄｆ

【非特許文献2】大口他、「自動車用７９ＧＨｚ帯超広帯域レーダ」、富士通テン技報、Ｖｏｌ．３１、Ｎｏ．１、２０１４

【非特許文献3】須賀他、「地上デジタル放送波測定用のＭＳＡ給電型ホーンアンテナに関する基礎的検討」、２０１２年電子情報通信学会総合大会Ｃ−１５−９

【非特許文献4】丸山他、「無線通信分野における電磁界シミュレーションの活用」、神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．３、２００１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0018】

しかしながら、非特許文献２と図３０で説明した今までのセクタアンテナは、特に車載レーダへの適用を考えた場合、コスト・サイズ・性能に問題を抱えていた。以下、３つに分けて説明する。

【0019】

第１に、ホーンアンテナの構造体である複雑な金属立体部品（１１１４）が原因で、コストあるいは性能のどちらかで問題が起きる。つまり、このような金属立体部品（１１１４）はアルミダイキャスト法で量産される場合が多い。しかし、アルミダイキャスト法の仕上がり表面は粗く、２４ＧＨｚ準ミリ波信号が減衰してしまうという問題がある。また、鏡面化工程を追加するとしても、まず、研磨法の場合は、部品寸法が１０ｃｍ超もあり凹凸も複雑過ぎるため、極めて高コストになってしまう。さらに、Ｃｒメッキ等による鏡面化の場合には、表面電気抵抗が大きくなって２４ＧＨｚ準ミリ波信号が減衰し、性能が劣化する。

【0020】

第２に、２４ＧＨｚ帯車載レーダには、不向きな厚型デザインになってしまうという問題がある。ミリ波回路基板（１１０２）は、近年では、低コスト化のために複数設けることなく、１枚に集約する方向に向かっている。そのため、寸法的には小さくはない。ましてや、仮に、１次アンテナとして図８のような構造まで搭載した場合には、ミリ波回路基板（１１０２）の寸法は、２４ＧＨｚ帯では、１０ｃｍ程度になるのが一般的である。図３０においては、そのミリ波回路基板（１１０２）が装置全体の半円の中心に同一平面に構成されており、さらに、周囲にさらにホーン（１１８１〜１１８６）が広がっていて、その装置全体の半円の半径は１５ｃｍ程度にはなると推測される。一般的な２４ＧＨｚ帯車載レーダ製品の大半は、車体の側面や角のバンパー裏側等に貼り付けて搭載する意図で設計されており、その厚み５ｃｍ以下の薄型デザインが一般的である。それに対して、図３１は、この装置（１２９２）を車体（１２９１）の側面に搭載した模式図だが、この状態では前述のように厚みが１５ｃｍにもなるため、車体から突出してしまうという問題がある。

【0021】

第３に、図３０の構造が最初から「レドーム」について考慮しておらず、このコストが高くなる。ここで、レドームとは、アンテナが放射するミリ波電波を遮ることなく、雨・風等の環境変化だけを遮断するためのカバーである。通常は、高価なテフロン（登録商標）樹脂材が使われる。したがって、低コストのレーダ装置を設計する際には、レドームを安く作れるように小型・単純に設計することもポイントの１つである。ところが、図３０の装置の場合は、レドーム設計を工夫する余地は全く無く、推定で半径１５ｃｍにはなる。そのため、装置全体を半円状に覆うように設計するしかない。その結果、大型のテフロン（登録商標）樹脂部品を専用金型で射出成型するしか製造方法が無く、コスト高になるという問題がある。

【0022】

そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、小型で低コストのアンテナ装置およびセクタアンテナ装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0023】

本発明の１またはそれ以上の実施形態は、上記の課題を解決するために、以下の事項を提案している。

【0024】

形態１；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、１つの平面基体上に複数のアンテナ素子を電界偏波方向に沿って並べ、導電接続した１次アンテナと、前記１次アンテナが配置された前記平面基体に対して、前記１次アンテナを挟んで、それぞれ任意の角度を有する方向に延設された金属板からなる２次アンテナと、から構成され、前記２次アンテナの金属板は、前記金属板の方向が前記１次アンテナの電界偏波方向に沿って配置されるとともに、それぞれ前記１次アンテナから開口端に向かって広がる空間ギャップを有し、前記金属板の放射方向への長さが放射される電波波長λ以上であり、前記２次アンテナの形状が、前記１次アンテナから放射される電波ビームを放射する方向に前記開口端を形成するよう傾斜して前記平面基体上に設けたことを特徴とするアンテナ装置を提案している。

【0025】

形態２；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記１次アンテナは、導体グランドパターン面と前記１次アンテナ形成面とする誘電体基板からなる前記１つの平面基体の前記１次アンテナ形成面に導体パターンによって印刷形成された複数のパッチアンテナであり、これら複数のパッチアンテナが導体パターンにより接続され、該接続された導体パターンの端部または中央付近の１箇所に入力ポートを設け、前記金属板の前記平面基体の延面方向が、前記接続された導体パターンの接続方向と平行であることを特徴とするアンテナ装置を提案している。

【0026】

形態３；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記金属板が、アルミ・銅・金・鉄・ステンレスのいずれかの板金部品であることを特徴とするアンテナ装置を提案している。

【0027】

形態４；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記金属板が、金属メッキ層を有する樹脂部材で成形された金属メッキ層を備えた板状部品又はブロック状部品であることを特徴とするアンテナ装置を提案している。

【0028】

形態５；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記平面基体が、前記２次アンテナが形成される第２の平面基体と、前記第２の平面基体と空気層を介して設けられ、前記１次アンテナが配置されるとともに、前記第２の平面基体と接する面の裏面に導体グランドパターン面を設けた第１の平面基体、からなる多層構造であることを特徴とするアンテナ装置を提案している。

【0029】

形態６；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記第１の平面基体と前記第２の平面基体との間に金属製スペーサを設け、前記金属製スペーサは、前記１次アンテナを構成する素子と接触しない位置に前記第２の平面基体を前記第１の平面基体上に配置し、かつ、前記第２の平面基体が前記第１の平面基体に対して平行状態を保って配置されていることを特徴とする請求項５に記載のアンテナ装置を提案している。

【0030】

形態７；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、上記のいずれかのアンテナ装置を単位アンテナ装置として、該単位アンテナ装置を複数設け、前記複数のアンテナ装置はスイッチ回路により選択可能に並列接続されており、かつ、前記複数のアンテナ装置において前記２次アンテナを構成する２つの金属板は、前記１次アンテナ毎に電波ビームを放射したい方向に傾斜して設けられていることを特徴とするセクタアンテナ装置を提案している。

【0031】

形態８；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記複数の単位アンテナ装置に対応する少なくとも２つの金属板は、前記１次アンテナの形成面から開口端に向かって広がる空間ギャップを有するように形成され、前記金属板の端部に形成される前記電波ビームの放射端である前記金属板の開口面は、前記電波ビームの放射方向に応じて、前記平面基体側に傾斜するように形成されており、前記複数の単位アンテナ装置が並列して配置された中央部で隣接する単位アンテナ装置間では、前記金属板を共用化して空間ギャップを形成し、前記複数の単位アンテナ装置の両端側に配置された隣接する単位アンテナ装置間では、前記金属板を単位アンテナ装置毎にそれぞれ少なくとも２つの金属板により空間ギャップを形成することを特徴とするセクタアンテナ装置を提案している。

【0032】

形態９；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記複数の単位アンテナを覆うケースを設け、前記それぞれの金属板が、前記ケースに固定された筐体アンテナを構成することを特徴とするセクタアンテナ装置を提案している。

【0033】

形態１０；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記２次アンテナの金属板と前記１次アンテナとを非導通としたことを特徴とするアンテナ装置を提案している。

【0034】

形態１１；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記２次アンテナの金属板と前記１次アンテナ及び前記導体グランドパターン面とを非導通としたことを特徴とするアンテナ装置を提案している。

【0035】

形態１２；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記２次アンテナの金属板は、前記１次アンテナとは非導通とする一方、前記導体グランドパターン面とは導通させたことを特徴とするアンテナ装置を提案している。

【発明の効果】

【0036】

本発明の１またはそれ以上の実施形態によれば、車載レーダに適したアンテナ装置および当該アンテナ装置を用いた薄型・小型の広角セクタアンテナ装置を実現することができるという効果がある。
また、金属板によって指向性を持たせているため、簡単な構成とすることができ、さらに各構成の接続を簡素化することで低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0037】

【図1】本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の側面図である。

【図3】図１に示すアンテナ装置のシミュレーション結果を示す図である。

【図4】図１に示すアンテナ装置のシミュレーション結果を示す図である。

【図5】本発明の第１の実施形態における導波路の透過斜視図を用いてＴＥモードを説明する図である。

【図6】本発明の第１の実施形態における導波路の透過斜視図を用いてＴＭモードを説明する図である。

【図7】本発明の第１の実施形態に係る導波路の透過上面図である。

【図8】本発明の第１の実施形態に係る１次アンテナの構成図である。

【図9】本発明の第１の実施形態の変形例に係る図である。

【図10】本発明の第１の実施形態の変形例に係る図である。

【図11】本発明の第１の実施形態の変形例に係る図である。

【図12】本発明の第１の実施形態の変形例に係る図である。

【図13】本発明の第１の実施形態の変形例に係る図である。

【図14】本発明の第１の実施形態の変形例に係る図である。

【図15】本発明の第１の実施形態の変形例に係る図である。

【図16】本発明の第１の実施形態の変形例に係る図である。

【図17】本発明の第１の実施形態の変形例に係る図である。

【図18】本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

【図19】本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の側面図である。

【図20】図１０に示すアンテナ装置のシミュレーション結果を示す図である。

【図21】図１０に示すアンテナ装置のシミュレーション結果を示す図である。

【図22】本発明の第３の実施形態に係るセクタアンテナ装置の側面図である。

【図23】本発明の第３の実施形態の変形例に係るセクタアンテナ装置の側面図である。

【図24】図１３、１４に示すセクタアンテナ装置のシミュレーション結果を示す図である。

【図25】本発明の第４の実施形態に係るセクタアンテナ装置を示す図である。

【図26】本発明の第４の実施形態に係るセクタアンテナ装置の分解断面図である。

【図27】本発明の第４の実施形態の変形例に係る図である。

【図28】関連技術に係る導波路の透過斜視図である。

【図29】本発明の第４の実施形態に係るセクタアンテナ装置の模式図である。

【図30】関連技術に係るセクタアンテナ装置の構成図である。

【図31】図３０のセクタアンテナ装置を車に搭載した場合の模式図である。

【図32】関連技術に係るアンテナ装置の構成図である。

【図33】関連技術に係るアンテナ装置における１次アンテナと２次アンテナとの関係を示した図である。

【図34】本発明の実施形態に係るアンテナ装置における１次アンテナと２次アンテナとの関係を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0038】

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて、詳細に説明する。
なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組み合わせを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

【0039】

＜第１の実施形態＞
図１から図４および図５から図８を用いて、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１、図２は、本実施形態に係るアンテナの基本構造の一例を示したものである。図１は、アンテナの構造全体の俯瞰図であり、図２は、アンテナの断面構造の模式図である。

【0040】

図１において、誘電体基板１０２の上には、１次アンテナ１２１として、その一端に高周波電気信号を与えるための入力ポート１１１を有する串団子状アレーアンテナが形成されている。ここで、この串団子状アレーアンテナの電界偏波方向１５１は串の方向（アレーアンテナの配置方向）と同じになる。誘電体基板１０２の裏面には、導体ベタグランド層１０１が形成されている。

【0041】

この串団子状アレーアンテナに沿うように、誘電体基板１０２上に、２次アンテナとして働く２つの金属板１３１〜１３２からなる平行平板導波路が設けられている。この平行平板導波路は、電界偏波方向１５１と平行である。したがって、ＴＭモードで電磁波を誘導する。

【0042】

２つの金属板の間の空間ギャップは、誘電体基板１０２から離れるほど広がっており、断面はラッパ形状（末広がりな形状）となっている。金属板の長さＬは、２４ＧＨｚ電波の波長である１．２５ｃｍよりも長い。

【0043】

なお、図３、図４に示すシミュレーションでは、Ｌ＝３ｃｍとしている。このシミュレーションでは、図２に示すように、電波ビームの放射方向１６１を３０度傾けており、その放射方向を得るためにラッパ形状全体を誘電体基板１０２の垂線に対して３０度傾けている。

【0044】

１次アンテナ１２１と２次アンテナ１３１〜１３２は、単に近くに置かれているだけであり、金属どうしは、直接接触していない。つまり、図３のシミュレーション結果で示すように、非接触電磁界結合によって一体動作できることがわかった。そのため、１次アンテナ１２１と２次アンテナ１３１〜１３２の間で半田付け等の導通工程は一切不要である。これは、後述する第４の実施形態で示す「筐体アンテナ」というコンセプトを実現する上で極めて重要な特徴であり、大幅なコストダウンを可能にする。

【0045】

２次アンテナとなる平行平板導波路を構成する２つの金属板１３１〜１３２は、非常に単純な構造である。そのため、例えば、アルミ板金部品等で低コストに製造できる。この点も、第４の実施形態で示す「筐体アンテナ」というコンセプトを実現する上で極めて重要な特徴である。なお、金属板１３１〜１３２はまっすぐ平らである必要はなく、湾曲した設計にしても構わない。また、板金部品に限定される訳ではなく、後述するように、他の材質や形状であってもよい。さらに、誘電体基板１０２の裏面の導体ベタグランド層１０１に２次アンテナとして働く２つの金属板１３１〜１３２を接続しても構わない。

【0046】

図１、図２のアンテナ構造の原理は、導波路の種類と伝播モードとが異なる。しかしながら、ラッパ形状の開口面１７１からの電磁波放射は、ホーンアンテナに近いメカニズムで発生する。そのため、ホーンアンテナと同様に、開口面１７１を電波ビームを放射させたい方向１６１に向けて設計した際に最良性能となる。

【0047】

図１、図２の構造を有するアンテナ装置の電磁界シミュレーション結果を、図３、図４に示す。シミュレータには、３次元有限要素法の市販シミュレータｆｅｍｔｅｔ（登録商標）を用いた。図３は、近傍界のシミュレーション結果であり、ある時刻における電界強度分布を示している。１次アンテナである串団子状アレーアンテナが放射した電磁界が、平行平板導波路で誘導されて曲げられ、誘電体基板１０２の垂線に対して３０度傾いた開口面１７１からまっすぐその方向１６１へ放射されていることが確認できる。図４は、遠方界の放射パターンのシミュレーション結果であり、半径方向は絶対アンテナ利得ｄＢｉでプロットされている。３０度の方向に、サイドローブがほとんど無く電波ビーム放射が行われていることが確認できる。

【0048】

なお、本実施形態においては、「２つの金属板１３１〜１３２からなる平行平板導波路」を例示したが、図９に示すように、２つの金属板の開放端側をラッパ状に広げたり、図１０に示すように、２つの金属板の開放端側に溝を設けたり、図１１に示すように、２つの金属板の開放端側を曲げる等してもよい。これは、本実施形態のアンテナにおいて、実験を繰り返した結果、金属板の開放端側で放射される電波の損失があるとの知見に基づくものであり、図９から図１１に示す上記の構造とすることにより、放射される電波の損失を抑制することができる。

【0049】

また、本実施形態では、「２つの金属板からなる２次アンテナ」を例示したが、図１２に示すように、１枚の金属板１３３に対して、曲げ加工を行い、例えば、開放端側から見たときに、コの字型の金属板で１次アンテナを３方向から囲むようにしてもよい。

【0050】

また、本実施形態における誘電体基板の一例として、高コストとなる問題はあるが、樹脂基板を使用し、例えば、図１３に示すように、この樹脂基板に１次アンテナを配置する溝を設け、その溝の底面に１次アンテナを配置するとともに、その１次アンテナの挟むように位置する両側面に金メッキ処理を施してもよい。または、図１４に示すように、樹脂で形成された平面が台形の四角柱（ブロック状部材）内に１次アンテナをインサート成形し、その四角柱の両側面に金メッキ処理を施してもよい。また、射出成型した板状の樹脂部品の表面に単純にメッキを施してもよい。

【0051】

また、本実施形態においては、１次アンテナを形成するパッチを直線状に１列に配置する例を示したが、例えば、図１５に示すように、複数列で構成してもよい。また、２列で構成した場合には、一方の列に移送線路を設けることにより、ビームの射出方向を曲げやすくできる可能性がある。

【0052】

また、本実施形態においては、１次アンテナを構成する複数のパッチに対して、串団子状に貫くように給電する例を示したが、図１６のような構成でトーナメント給電するようにしてもよい。さらに、１次アンテナを構成するパッチの大きさを図１７に示すように、変化させてもよい。このような形態とすることにより、１次アンテナの性能向上が期待できる。また、パッチアンテナで示した１次アンテナをスロットアンテナで構成してもよい。

【0053】

以上、説明したように、本実施形態によれば、２次アンテナが、矩形導波管ではなく、２方向が金属で囲まれずに開放された図５、図６に示す平行平板導波路を用いている。このように、平行平板導波路を用いることにより、単純な板金部品により製造可能であるため、格段に低コスト化できるうえ、単純な板金部品は表面鏡面仕上げが容易であるため、ミリ波信号に対して低ロス化も容易に実現できる。

【0054】

また、平行平板導波路は、２つの金属板の一方をプラス電位に、他方をマイナス電位とし、電界偏波面８５１を図５のように平行平板８３１〜８３２に対して垂直な方向にして、いわゆるＴＥモードで使うのが一般的である。しかしながら、本実施形態においては、１次アンテナが図８に示すように、串団子状アレーアンテナになっているため、電界偏波面８５１は、上記のような方向にはなっていない。そのため、本実施形態では、図６に示すように、平行平板８３１〜８３２に対して平行な方向、いわゆるＴＭモードで励振する。

【0055】

さらに、図５、図６に示すような開放的な平行平板導波路では、両端部８８１の開放端において電磁波の漏洩が発生し易い。そのため、本実施形態においては、このような漏洩を防ぐ方法として、１次アンテナ８２１が、一般的に、複数素子をアレー化した状態で使われることに着目し、図５、図６のように平行平板と平行な方向に素子を並べたアレー化を行っている。図７は、図５、図６を上から見た模式図であるが、上記のように、アレー化の効果により、４素子の１次アンテナ８２１から放射される電波ビームは整形され、中央に集中した分布となる。そのため、両端部８８１の開放端に対しては、もともと電磁場の放射自体が少なく、したがって漏洩を防ぐことができる。

【0056】

＜第２の実施形態＞
図１８から図２１を用いて、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態においては、図１に示すように、２つの金属板１３１〜１３２が誘電体基板１０２の真上に配置された構造であるために、両者は、接触していて隙間がなかった。しかし、実際の製品においては、ここに隙間を開けて、２種類の層を挿入したい場合が少なくない。この点を改良したものが、本実施形態である。以下、この点について、詳細に説明する。

【0057】

図１８に本実施形態に係るアンテナ装置の構造を示す。このような構造を採用することにより、ミリ波電子部品と１次アンテナ３２１とを同じ誘電体基板３０２の片面に集約して実装することができる。

【0058】

図１９において、誘電体基板３０２と２つの金属板３３１〜３３２の間には隙間が形成されている。すなわち、誘電体基板３０２の上に空気層３０３を形成して、金属板３３１〜３３２が配置された樹脂層３０４が設けられている。また、この空気層３０３は、ミリ波電子部品３０７を表面実装するための空間としての機能も有する。また、この空間を形成するため、樹脂層３０４を誘電体基板３０２上に支え、樹脂層３０４の下面がミリ波電子部品３０７と接触しないようにするために、図１８に示すように、金属製スペーサ３０６が配置されている。

【0059】

この金属製スペーサ３０６は、２つの金属板３３１〜３３２に沿って真下に置かれ、１次アンテナ３２１が放射した電磁場が横方向に逃げずに平行平板導波路の方へ確実に誘導するための、電磁波ガイドの役割も果たしている。金属製スペーサ３０６は誘電体基板３０２の裏面グランド３０１と半田付け等で導通させておくことが望ましいが、必ずしも必要なわけではない。

【0060】

樹脂層３０４は、いわゆるアンテナレドームとしての役割を果たす。この樹脂層３０４は、テフロン等の高周波ロスが小さい材質でできており、ミリ波電波は通しつつ、雨風等の環境変化からは内部の部品を守るためのカバーとなる。このように、アンテナレドームの役割をする樹脂層３０４を配置する構成を達成するため、図３０等の従来のアンテナ装置と比べて、本実施形態に係るアンテナレドームを単純な薄い板材とすることができるので、低コスト化が可能である。

【0061】

図１８、図１９の構造の電磁界シミュレーション結果を図２０、図２１に示す。なお、本実施形態では、空気層３０３と樹脂層３０４の厚みを１ｍｍとし、樹脂層３０４の材質をテフロンとした。また、金属製スペーサ３０６は裏面グランド３０１と導通させていない。図２０、図２１のシミュレーション結果は、第１実施形態に対するシミュレーション結果である図３、図４と大差なく、本実施形態においては、このような柔軟な層構成でも、所望の性能を確保できることを確認できた。

【0062】

＜第３の実施形態＞
第１の実施形態および第２の実施形態においては、セクタ化する前の単位アンテナ装置を説明した。本実施形態では、単位アンテナ装置を図２９のように複数接続してセクタアンテナ化する場合の特徴を説明する。ここで、焦点となるのは、複数の単位アンテナ装置をどう設計、配置すれば装置全体が小型化、薄型化するかである。

【0063】

図２２、図２３は、８本の１次アンテナ５２１〜５２８を束ねて、１５度間隔で互いに異なる方向へ電波ビームを放射させる場合を例示したものである。既に説明したように、第１の実施形態および第２の実施形態に係るアンテナ装置は、２次アンテナとして機能する開口面５７１〜５７８が電波ビームの方向に対してまっすぐ向く場合に最良性能となる。したがって、最も単純に配置するとすれば、８つの開口面５７１〜５７８は、図２２のように略円周上に並ぶことになる。それに対して、１次アンテナ５２１〜５２８は、誘電体基板５０２上に一直線に並んでいるため、両者の間で形状に不整合が生じる。そのため、図２２のように、両者を結びつける金属板を構成する板金部品５３１〜５３９は、屈曲したデザインが必要になる。なお、板金部品５３１〜５３９は、小型化、低コスト化のため、隣接する１次アンテナ５２１〜５２８間で共有されている。

【0064】

図２２のデザインでも用途によっては十分であり、また全体として幅Ｗに関しては最小化されたデザインにもなっている。しかしながら、厚みＨに関しては大型化してしまい、車載レーダとして車体の側面に貼り付けるようなニーズには対応が困難となる。そこで、本実施形態においては、図２３のデザインによって薄型化を可能にする。

【0065】

具体的には、複数の単位アンテナ装置が並列して配置された中央付近の４個の１次アンテナ５２３〜５２６は互いに接近しており、５枚の板金部品５３５〜５３９を１次アンテナ５２３〜５２６の隣接するアンテナが共有する構成としている。しかし、その並列して配置された複数の単位アンテナ装置の両端の各２個の１次アンテナ５２１〜５２２、５２７〜５２８は、中央付近の４個の１次アンテナ５２３〜５２６から少し離れてそれぞれ孤立して配置されており、それに伴って、この両端の各２個の１次アンテナ５２１〜５２２、５２７〜５２８の板金部品５３１〜５３４、５４０〜５４３は、隣接するアンテナ同士で共有されることなく、１次アンテナ５２１〜５２２、５２７〜５２８毎に独立した構成となっている。この１次アンテナ間の距離は、例えば、左端の２個の１次アンテナ５２７〜５２８で説明すると、１次アンテナ５２７が開口面５７７から放射する電波ビームが、隣の１次アンテナ５２８に付属する板金部品５４２に当たらない距離を目安に設計される。

【0066】

このように設計すると、図２３から明らかなように、幅Ｗについてはやや大きくなるものの、板金部品５４２に屈曲部を設ける必要がないため、板金部品５４２の長さを短くすることができるので、厚みＨに関しては大幅な薄型化が可能になる。

【0067】

このようにして、実際に設計した２４ＧＨｚ帯セクタアンテナの放射パターンの一例を図２０に示す。板金部品５３１〜５４３の長さ、即ちホーンアンテナとしてのラッパ形状の長さを長くするほど性能が良くなる傾向があるが、一例として、寸法Ｈは３ｃｍで設計したところ、幅Ｗは１４ｃｍ程度になった。図２４から明らかなように、８方向のアンテナからなる非常に大規模なセクタアンテナであり、しかも、それを狭い面積の中に集積しながら、各アンテナはサイドローブがほとんど無い綺麗な電波ビーム放射が可能であることを確認できた。

【0068】

＜第４の実施形態＞
図２５、図２６を用いて、本発明の第４の実施形態について説明する。
携帯電話の世界では、装置全体として低コスト化・小型化を図ることが可能な設計法として、「筐体アンテナ」が盛んに研究されている。この技術は、製品全体の樹脂製ケースを流用し、その内部にアンテナを作り込んでしまうものである。

【0069】

既に説明したように、第１の実施形態から第３の実施形態に係るアンテナ構造には、１次アンテナ１２１と２次アンテナは、接近して配置され、半田付けが不要である。また、２次アンテナは、単純なアルミ板金等で実現できる。これら特徴を活かせば、「筐体アンテナ」を容易に実現でき、やはり低コスト化・小型化が可能になる。

【0070】

図２５は、第１の実施形態から第３の実施形態に係るアンテナ技術を用いたレーダ装置全体の模式図である。図２５は、正面斜視図であり、図２６は、断面模式図である。樹脂製ケースの曲面部（表面側ケース）７４１の背後には、図２２、図２３のようなアンテナ構造が隠れており、複数の方向に電波ビーム７５１〜７５４を放射することができる。樹脂製ケースは、曲面部を含む表面側ケース７４１とそれ以外の裏面側ケース７４２の２部品から構成されている。なお、表面側ケース７４１は、レドームとしての機能を果たす。

【0071】

図２２、図２３のようなアンテナ構造のうち、図２６に示すように、１次アンテナを載せた誘電体基板７０２については普通の電気製品と同様で、例えば裏面側ケース７４２の上に単純にネジ７０８により固定される。本実施形態においては、２次アンテナたる金属板を構成する複数の金属板（７３１〜７３４）は、特別な追加の固定具等を必要とせず、予め一体形成されたスロット穴７４３等によって表面側ケース７４１上に固定される。組立て途中では、１次アンテナと２次アンテナは全く別部品に分かれており、当然ながら半田付け等の電気的導通は一切されていない。しかし、組立てが進んで表面側ケース７４１と裏面側ケース７４２が閉じられると、１次アンテナと２次アンテナは非接触電磁結合し、一体アンテナとして動作し始める。

【0072】

本実施形態においては、図２６に示すように、複数のアンテナ全体を１つのレドームで覆う場合を例示したが、図２７に示すように、２次アンテナで区切られている領域ごとにレドームを設けてもよい、このような構成とすることにより、レンズ効果を利用して、ビームの広がる形を変化させることが可能となる。

【0073】

以上、説明したように、本実施形態によれば、「筐体アンテナ」を容易に実現することが可能であり、装置全体の設計や製造工程を考えた場合、大幅な低コスト化を可能にする。

【0074】

これまで説明したように、本発明の実施形態では、そのアンテナ構造が、単純化して説明すればパッチアンテナ１０２３の両脇に金属板１４３１〜１４３２を置いた図３４の構造である。そのため、図３３に示した特許文献４の構造と似ていると混同し易いとも考えられる。以下では、この両者の違いについて説明する。この両者の違いを端的にいえば、本発明の実施形態における金属板１４３１〜１４３２は、平行平板導波路であり、図３３に示す技術における金属板１１８１〜１１８６は反射板である。この相違点から以下のことが言える。

【0075】

第１に、２枚の金属板１４３１〜１４３２は、本発明の実施形態では、図３４に示すように、平行平板導波路を形成し、必ず２枚ペアとなっている。一方で、図３３に示す関連技術における反射板では特にはそのような制約や発想が無く、特許文献４には、２枚の金属板１４３１〜１４３２が全く無関係に動かされていることが明示されている。

【0076】

第２に、金属板１４３１〜１４３２の方向が、図３４に示すように、本発明の実施形態に係る導波路では、誘導したい電波ビームとほぼ同じ方向１４６１〜１４６２を向くが、図３３に示す関連技術に係る反射板では一般的に入射角（Ａ）と反射角（Ｂ）の関係から決まる全く別の方向を向く。

【0077】

第３に、金属板１４３１〜１４３２の長さＬが、図３４に示すように、本発明の実施形態に係る導波路では電波波長λよりも長いが、図３３に示す関連技術に係る反射板では、特にはそのような制約が無く、特許文献４には、パッチアンテナの寸法が通常λ／２程度に設計され、金属板１４３１〜１４３２の長さＬが、一貫してこのパッチアンテナよりも小さく描かれている。

【0078】

第４に、図３４に示す本発明の実施形態では、上記のように、電波ビームの方向を曲げる機能を有する。一方で、図３３に示す関連技術では、特許文献４の図４（ｄ）に示すように、ビーム幅を変える機能を有するものの、ビーム方向を曲げる機能は無い。図３３に示す関連技術において、ビーム方向を変えたい時は、図３３の構造全体をその方向へ回転させて対応していることが明記されている。

【0079】

以上、この発明の実施形態につき、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

【符号の説明】

【0080】

１０１、３０１、５０１、１３０１；ＧＮＤ
１０２、３０２、５０２、７０２、１１０２、１３０２；誘電体基板
１０３；入力ポート
８０４；矩形導波管
３０６；金属製スペーサ
１３０６；ＶＩＡホール
３０７；電子部品
１００７；高周波スイッチ
７０８；ネジ
１１１、３１１；入力ポート
９１２〜９１３、１３１２；導体パターン
１１１４；立体金属部品
１２１、３２１、５２１〜５２８、１０２１〜１０２４、１１２１、１２２１、１４２１；アンテナ
１３１〜１３２、３３１〜３３２、５３１〜５４３、７３１〜７３４、８３１〜８３２、１４３１〜１４３２；金属板
７４１；表面側ケース
７４２；裏面側ケース
７４３；スロット穴
１５１、３５１、９５１；電界偏波方向
７５１〜７５４、８５１；電波ビーム
１６１、１０６１〜１０６４、１４６１〜１４６２；電波ビーム放射方向
１７１、５７１〜５７８、８７１、１４７１；開口面
８８１；側面の開口面
１１８１〜１１８６、１３８１；ホーンアンテナ
１２９１；車体
１２９２；レーダ装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】