特許 6642851 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】6642851

(24)【登録日】2020年1月8日

(45)【発行日】2020年2月12日

(54)【発明の名称】アンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 3/24 20060101AFI20200130BHJP

   H01Q 9/04 20060101ALI20200130BHJP

【ＦＩ】

   H01Q3/24

   H01Q9/04

【請求項の数】1

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2015-226699(P2015-226699)

(22)【出願日】2015年11月19日

(65)【公開番号】特開2017-98662(P2017-98662A)

(43)【公開日】2017年6月1日

【審査請求日】2018年11月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000237592

【氏名又は名称】株式会社デンソーテン

(74)【代理人】

【識別番号】100100549

【弁理士】

【氏名又は名称】川口 嘉之

(74)【代理人】

【識別番号】100106622

【弁理士】

【氏名又は名称】和久田 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100113608

【弁理士】

【氏名又は名称】平川 明

(74)【代理人】

【識別番号】100085006

【弁理士】

【氏名又は名称】世良 和信

(72)【発明者】

【氏名】篠島 貴裕

(72)【発明者】

【氏名】佐久間 勝美

【審査官】 佐藤 当秀

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−０３７１５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｑ ３／２４

Ｈ０１Ｑ ９／０４

Ｈ０１Ｑ １３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一平面上に設置される複数の導体板による第１導体板群と、
前記第１導体板群と平行に設置される複数の導体板による第２導体板群と、
前記第２導体板群の前記複数の導体板のうち少なくとも１つを接地に短絡するか否かを切り替えるスイッチと、
を備え、
前記第１導体板群の前記複数の導体板は、一方向に配列された複数のＳＲＲ（Split Ring Resonator）を含む
アンテナ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アンテナ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車において、遠方の他の走行車や障害物等を検出するために、ミリ波を用いた車載レーダが使用されている。ミリ波を用いた車載レーダでは、送信波をビーム状にしてエネルギーの分散を最小にすることが求められる。このため、単一周波数のレーダでは、水平垂直方向の検出範囲が狭まることに対し、モータ等の駆動機構を設け物理的に送信波のビームを走査することで、検出範囲を広範囲にしている。また、基板上に液晶を用いて静電容量を可変させることでビームの方向を変える方法もある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１０／０１３４９６号

【特許文献2】特開２０１５−０２６９１５号公報

【特許文献3】国際公開第２０１１／１５２０５５号

【特許文献4】特開２００９−１４１６６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

モータ等の駆動機構により送信波のビームを走査する方法では、走査に要する時間や機械的な故障が問題となる。また、液晶により静電容量を可変させてビームを走査する方法では、液晶を使用することでコストが上がるという問題がある。

【0005】

また、複数の周波数を用いてビームを走査する方法もあるが、この場合、アンテナ設計で考慮すべき要素が増えるため、アンテナ設計の工数が増え、アンテナ設計後も製品ごとのばらつきが大きく、機械的にビームを走査する方法よりも精度が低いという問題がある。

【0006】

本発明は、簡易にビームを走査することができるアンテナ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】

【0007】

本発明は、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
即ち、第１の態様は、
一平面上に設置される複数の導体板による第１導体板群と、
前記第１導体板群と平行に設置される複数の導体板による第２導体板群と、
前記第２導体板群の前記複数の導体板のうち少なくとも１つを接地に短絡するか否かを切り替えるスイッチと、
を備えるアンテナ装置である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、簡易にビームを走査することができるアンテナ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、アンテナ装置の構成例を示す図である。

【図2】図２は、１つのＳＲＲとその周囲の平板（第２導体板群）についての等価回路の例を示す図である。

【図3】図３は、アンテナ装置のビーム方位特性の例を示す図である。

【図4】図４は、スイッチパターンの例を示す図である。

【図5】図５は、アンテナ装置のビーム方位特性の例を示す図である。

【図6】図６は、アンテナ装置の変形例１の例を示す図である。

【図7】図７は、アンテナ装置の変形例２の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照して、本発明にかかるメタマテリアル構造、アンテナ装置について説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明は開示の実施形態の構成に限定されない。

【0011】

〔実施形態〕
（メタマテリアル構造）
メタマテリアル構造は、自然界に存在しない特性を有する人工物等の構造である。メタマテリアル構造の一種であるＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）構造は、特定の周波数帯において電磁波伝搬が抑制される特性を有し、導体等で構成される複数個のセルを周期的に配列させて形成する構造である。ＥＢＧ構造がアンテナに使用されることで、電磁波の放射効率の向上を図ることができる。ＥＢＧ構造のセルとしてＳＲＲ（Sprit Ring Resonator：スプリットリング共振器）を用いる方法がある。ＳＲＲは、リングの一部を切除したＣ字型の導体による共振器である。本実施形態では、アンテナ素子として、ＳＲＲを用いる。

【0012】

（構成例）
図１は、本実施形態のアンテナ装置の構成例を示す図である。図１は、アンテナ装置１の斜視図である。アンテナ装置１は、第１導体板群１０、第１導体板群１０の少なくとも一部に対向する第２導体板群２０、第２導体板群２０を接地に短絡するか否かを切り替えるスイッチ３０を備える。アンテナ装置１は、所定の周波数の電磁波を送受信しうる。図１の斜視図において、右下に示すように、奥から手前の方向をｘ方向（ｘ軸）、左から右の方向をｙ方向（ｙ軸）、下から上の方向をｚ方向（ｚ軸）と呼ぶ。以下、他の同様の斜視図において同様である。

【0013】

第１導体板群１０は、複数のＣ字型の導体であるＳＲＲ１１及びＴ字型のマッチング素子１２を含む。ＳＲＲ１１及びマッチング素子１２は、同一平面上に配置される。ＳＲＲ１１及びマッチング素子１２は、例えば、平らな板状である。１つのＳＲＲ１１は、長方形（外側の長方形）から当該長方形より小さい長方形をくり抜き、さらに、外側の長方形の一辺の中央部分からくり抜かれた小さい長方形に接続する長方形をくり抜かれた形状を有する。くり抜かれた長方形の部分がＳＲＲにおける切り欠け部分（スプリット部分）に相当する。１つのマッチング素子１２は、第１の長方形の長辺の中央部分で第２の長方形の１辺に接続するＴ字型形状を有する。第１の長方形の第２の長方形に接続されない方の長辺は、ＳＲＲ１１の一辺と対向する。このようにすることで、アンテナの整合が取りやすくなる。図１の例では、２つのマッチング素子１２の間に３つのＳＲＲ１１が挟まれている。ＳＲＲ１１は、所定の間隔を置いてｙ方向に１列に配置されている。マッチング素子１２とＳＲＲ１１とは、所定の間隔を置いて配置されている。一方のマッチング素子１２は、省略されてもよい。各ＳＲＲ１１及び各マッチング素子１２は、それぞれ、電気的に絶縁されている。マッチング素子１２には、信号の送信または受信に使用されるアンプのＩＣ等が接続される。

【0014】

第１導体板群１０のＳＲＲ１１、マッチング素子１２のサイズは、所望の周波数の電磁波（信号）を効率よく送受信できるように、設計される。ＳＲＲ１１のリングの位置、大
きさ、幅、リングの切欠部の大きさ、マッチング素子１２の位置、大きさなどを変更することにより、アンテナ装置１のキャパシタンスやリアクタンスが調整される。アンテナ装置１で送受信される所望の周波数の電磁波の効率は、ＳＲＲ１１のキャパシタンスやリアクタンス等に依存する。第１導体板群１０は、例えば、誘電体基板の１面に配線される。

【0015】

第２導体板群２０は、複数の導体の平板２１及び平板２２を含む。第２導体板群２０は、第１導体板群１０と平行に設置される。平板２１及び平板２２は、例えば、平らな板状である。第２導体板群２０の平板２１には、接地に短絡するか否かを切り替えるスイッチ３０が接続される。第１導体板群１０及び第２導体板群２０によって、コンデンサが形成される。ただし、平板２１がスイッチ３０により接地された場合、当該平板２１と第１導体板群１０とによるキャパシタンスＣは、ほぼ０となる。即ち、平板２１がスイッチ３０により接地された場合、アンテナ装置１は、電気回路としては当該平板２１が存在しない構成（当該平板によるコンデンサが存在しない構成）と同様の構成となる。よって、第１導体板群１０及び第２導体板群２０の接地されていない平板２１及び平板２２によって、コンデンサが形成される。第２導体板群２０の各平板２１及び各平板２２は、同一の平面上に存在しなくてもよい。図１の例では、各平板２１及び各平板２２の形状は、長方形であるが、長方形に限定されるものではない。スイッチ３０に接続されない平板２２は、全く存在しなくてもよい。

【0016】

第２導体板群２０の平板２１、平板２２の位置やサイズは、所望の周波数の電磁波（信号）を所望の方向に効率よく送受信できるように、設計される。平板２１、平板２２の位置、大きさなどを変更することにより、アンテナ装置１のキャパシタンスやリアクタンスが変更される。また、平板２１、平板２２と、第１導体板群１０との距離を変更することによって、キャパシタンス等が変更されてもよい。アンテナ装置１で送受信される所望の周波数の電磁波のビーム方向は、アンテナ装置１のキャパシタンスやリアクタンス等に依存する。

【0017】

ｘｙ平面に直交する方向（ｚ方向）からアンテナ装置１を見た時に、第１導体板群１０と第２導体板群２０とが、重なる部分があっても、重ならない部分があってもよい。第１導体板群１０と第２導体板群２０とが重なる部分では結合が強くなり、第１導体板群１０と第２導体板群２０とが重ならない部分では結合が弱くなる。図１の例では、ｚ方向から見たとき、第２導体板群２０のうち、右側の３つの平板（２つの平板２１と１つの平板２２）と、左側の３つの平板（２つの平板２１と１つの平板２２）とは、第１導体板群１０のＳＲＲ１１と重なっている。また、図１の例では、ｚ方向から見たとき、第２導体板群２０の他の平板は、隣接する２つのＳＲＲ１１の間の空間に存在する。

【0018】

第１導体板群１０及び第２導体板群２０は、例えば、それぞれ、１枚の基板（誘電体基板）の一方の面及び他方の面に配置される。このとき、第１導体板群１０と第２導体板群２０との間は、基板の誘電体によって満たされる。第１導体板群１０及び第２導体板群２０は、それぞれ、別々の基板の１つの面に配置され、第１導体板群１０と第２導体板群２０とが平行に対向するように設置されてもよい。このとき、第１導体板群１０と第２導体板群２０との間の誘電体は空気となる。また、第１導体板群１０及び第２導体板群２０は、それぞれ、別々の基板の１つの面に配置され、２つの基板が平行に重ねられて設置されてもよい。第１導体板群１０及び第２導体板群２０の配線は、例えば、誘電体基板に対する既存のプリント配線によって実現できる。

【0019】

スイッチ３０は、第２導体板群２０の平板２１と接地との間に配置される。スイッチ３０は、接続された平板２１を接地するか否かを切り替える。平板２１を接地しない場合、当該平板２１は、電気的に浮いた状態なる。スイッチ３０の数がｎ個であるとすると、アンテナ装置１は、２^ｎ種類のパターンのアンテナに切り替えることができる。図１の例で
は、スイッチ３０が４個であるので、１６種類のパターンのアンテナに切り替えることができる。スイッチ３０がＯＮの場合に平板２１が接地され、スイッチ３０がＯＦＦの場合に平板２１が接地されない。図１の例では、１つのスイッチ３０に対して、２つの平板２１が接続されている。１つのスイッチ３０に接続される平板２１の数は、２つに限定されない。図１の例では、４つのスイッチが存在するが、右側から順に、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４と呼ぶ。スイッチ３０の切り替えによって、第１導体板群１０及び第２導体板群２０によるキャパシタンスが変更されることにより、所望の周波数の電磁波のビーム方向が変更される。

【0020】

図２は、１つのＳＲＲとその周囲の平板（第２導体板群）についての等価回路の例を示す図である。図２の（Ａ）は、スイッチ３０がＯＮにされた場合の等価回路の例である。スイッチ３０がＯＮにされると、ＳＲＲ１１と接地されていない平板２２によるコンデンサＣ１が現れるが、接地された平板２１によるコンデンサは、等価回路には現れない。コンデンサＣ１には、ＳＲＲ１１自体による分も含まれる。図２の（Ｂ）は、スイッチ３０がＯＦＦにされた場合の等価回路の例である。スイッチ３０がＯＮにされると、ＳＲＲ１０と接地されていない平板２２によるコンデンサＣ１、接地されていない平板２１によるコンデンサＣ２、Ｃ３が小等価回路に現れる。等価回路のコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３は、並列に接続される。当該コンデンサ群（コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３）は、直列に、他のＳＲＲ１１に接続される。スイッチ３０をＯＦＦからＯＮに切り替えることで、現れるコンデンサが変化し、１つのＳＲＲの周囲のキャパシタンスの大きさが変化する。

【0021】

図３及び図４は、アンテナ装置のビーム方位特性の例とスイッチパターンの例を示す図である。図３は、図１の中央のＳＲＲ１１の中央を原点として、アンテナ装置１のｘｚ平面の、所望の周波数の電磁波におけるビーム方位特性の例を示す図である。図３の横軸は方位を表し、縦軸はビームの強度を表す。方位は、図１の＋ｘ方向が９０度であり、＋ｚ方向が０度であり、−ｘ方向が−９０度である。また、図３のグラフのピークにつけられている数字は、スイッチ３０のパターンの番号を表す。図４は、スイッチ３０の１６種類のパターンの番号とスイッチ３０のＯＮ、ＯＦＦの関係を示す。

【0022】

例えば、スイッチ３０のＳＷ１がＯＮ、ＳＷ２がＯＦＦ、ＳＷ３がＯＮ、ＳＷ４がＯＦＦの場合、パターン６となる。図３のグラフでは、スイッチ３０のパターン６は、−１０°の方向にピークを有する。即ち、スイッチ３０のＳＷ１をＯＮ、ＳＷ２をＯＦＦ、ＳＷ３をＯＮ、ＳＷ４をＯＦＦとすると、アンテナ装置１は、所望の周波数の電磁波について−１０°の方向にピークを有する。図３のグラフは、すべてのスイッチ３０のパターンについてのビーム方位特性を足し合わせて１つのグラフに示したものである。スイッチ３０のパターンにより、ピークとなる方位が異なる。１つのパターンのビーム方位特性では、ピークの方位以外の強度がピークの強度より低くなる。ピークの方向とスイッチ３０のパターンとの関係は、スイッチ３０の各パターンについて、ピークの方向を調べることで、実験的に求めることができる。所望のピークの方向が得られない場合には、ＳＲＲ１１、平板２１、平板２２の位置、大きさ等を変更することにより、ピークの方向を調整することができる。

【0023】

図５は、アンテナ装置のビーム方位特性の例を示す図である。図５は、図１の中央のＳＲＲ１１の中央を原点として、アンテナ装置１のｘｚ平面の、所望の周波数の電磁波におけるビーム方位特性の例を示す図である。方位は、図３と同様に、図１の＋ｘ方向が９０度であり、＋ｚ方向が０度であり、−ｘ方向が−９０度である。図５に表わされるように、０°±７０°の範囲に、ピークが見られる。従来型のアンテナ装置では、０°±３０°程度である。したがって、アンテナ装置１は、スイッチ３０のパターンを切り替えることにより、広範囲にビームの方向を変更することができる。

【0024】

（変形例１）
図６は、アンテナ装置の変形例１の例を示す図である。図６のアンテナ装置１は、図１のアンテナ装置１と第２導体板群２０の構成が異なる。図６のアンテナ装置１では、１つのスイッチ３０に対して、１つの平板２１が接続される。また、第２導体板群２０にスイッチに接続されない平板２２が存在しない。このようにすることにより、構成をより簡易にすることができる。

【0025】

（変形例２）
図７は、アンテナ装置の変形例２の例を示す図である。図７のアンテナ装置１は、図１のアンテナ装置１と第２導体板群２０、スイッチ３０の構成が異なる。図７のアンテナ装置１では、２１個の平板２１が表され、各平板２１にそれぞれスイッチ３０が接続されている。このようにすることにより、様々なパターンのキャパシタンスを形成することができ、適切なパターンを使用することで、ビームの方向についてより細かい制御を行うことができる。

【0026】

（変形例３）
図１等のアンテナ装置１では、第１導体板群１０のアンテナとして、ＳＲＲ１１が使用されたが、第１導体板群１０のアンテナとして、ＳＲＲ１１以外のアンテナが使用されてもよい。例えば、第１導体板群１０のアンテナとして、アレーアンテナが使用され得る。アレーアンテナのアンテナ素子の近傍に複数の平板を配置し、当該平板に、当該平板を接地するか否かを切り替えるスイッチを接続することで、スイッチによってアンテナ素子と平板との間のキャパシタンスを変更し、図１等のアンテナ装置１と同様に、アレーアンテナのビームの方向を制御することができる。

【0027】

（実施形態の作用、効果）
本実施形態のアンテナ装置１は、第１導体板群１０のＳＲＲ１１及びマッチング素子１２と、第２導体板群２０の平板２１及び平板２２による複層構造でアンテナを形成する。接地されていない複数の平板２１及び平板２２によって、結合キャパシタンスが生成される。アンテナ装置１には、第２導体板群２０の平板２１を選択的に接地することができるスイッチ３０が設けられる。アンテナ装置１は、スイッチ３０の切り替えにより、第１導体板群１０及び第２導体板群２０によるキャパシタンスが変動する。このキャパシタンスの変動により、アンテナ装置１におけるビーム角を拡大、縮小、若しくは、ビーム方向をチルトさせることが可能となる。

【0028】

アンテナ装置１は、キャパシタンスの変動をスイッチ３０の切り替えによって実現するため、構成が簡易であり、キャパシタンスを液晶で変更する構成等に比べて、低コストでアンテナ装置１を形成することができる。アンテナ装置１は、スイッチ３０の切り替えで、ビームの方向を変更することができるので、物理的（機械的）にアンテナの向きを変える構成に比べて、簡易に、ビームの方向を走査することができる。

【符号の説明】

【0029】

１ アンテナ装置
１０ 第１導体板群
１１ ＳＲＲ
１２ マッチング素子
２０ 第２導体板群
２１ 平板
２２ 平板
３０ スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】