【文献】
RAO et al.,Gain Enhancement of Microstrip Patch Antenna for Wi-Fi Applications,2014 Loughborough Antennas and Propagation Conference (LAPC),2014年11月,pp. 312-315
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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、反射方向を変化させているだけで反射波の総量に変わりはないため、別の方向で、放射波と反射波との干渉の影響が生じるという課題が見出された。
【0006】
また、従来技術では、導体パターンのパターンをエッチング加工する際のばらつき、即ち、オーバーエッチング又はアンダーエッチングによって、個々のパッチの特性が変化することにより、アンテナ全体として所望のアンテナ指向性を実現することができない場合があるという課題も見出された。
【0007】
本開示は、反射波および製造ばらつきによるアンテナ指向性の乱れを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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、付加機能部(5)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。付加機能部は、アンテナ部の周囲に配置された複数の導体パターン(51,51a〜51e)を有する。複数の導体パターンは、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、導体パターンのうち少なくとも一つは、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導体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)を備える特定形状に構成される。
【0009】
このような構成によれば、付加機能部への入射波は、付加機能部に属する導体パターンによって、アンテナ部が送受信する電波とは異なる偏波を有する輻射波に変換される。つまり、アンテナ部からの放射波と、付加機能部からの輻射波とでは偏波が異なるため、両者間の干渉が抑制され、その結果、アンテナ指向性の乱れを抑制することができる。
【0010】
また、特定形状の導体パターンが経路パターンを有することにより、導体パターンのインダクタンス分と、導体パターン間の容量分とが、オーバーエッチング及びアンダーエッチングのいずれの場合も、互いに増減が逆方向に変化する。その結果、製造ばらつきによる付加機能部の特性変化が抑制され、ひいてはアンテナ指向性の乱れを効果的に抑制することができる。
【0011】
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。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【
図3】付加機能部に属する導体パターンの構成を示す平面図である。
【
図4】導体パターンの辺の長さと共振時の反射位相との関係を示すグラフである。
【
図5】導体パターンの入射波および輻射波の偏波方向を示す説明図である。
【
図6】従来の導体パターンの等価回路およびエッチング加工のばらつきが導体パターンに与える影響を示す説明図である。
【
図7】本開示に係る導体パターンの等価回路およびエッチング加工のばらつきが導体パターンに与える影響を示す説明図である。
【
図8】アンテナ装置の反射波強度を比較例と対比して示したグラフである。
【
図9】本開示に係るアンテナ装置において、パターン公差が動作周波数に与える影響を示すグラフである。
【
図10】従来のアンテナ装置において、パターン公差が動作周波数に与える影響を示すグラフである。
【
図11】バンパーによって生じる反射波を模式的に示した説明図である。
【
図12】バンパーの有無による利得変動量を比較例と対比して示したグラフである。
【
図13】本開示に係るアンテナ装置において、パターン公差が利得変動量に与える影響を示すグラフである。
【
図14】従来のアンテナ装置において、パターン公差が利得変動量に与える影響を示すグラフである。
【
図15】導体パターンの変形例を示す説明図である。
【
図16】導体パターンの変形例を示す説明図である。
【
図17】導体パターンの変形例を示す説明図である。
【
図18】導体パターンの変形例を示す説明図である。
【
図19】導体パターンの変形例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
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、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。アンテナ装置1は、例えば、車両のバンパー内に配置される。
【0014】
アンテナ装置1は、
図1および
図2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。
【0015】
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。また、アンテナ部4の周囲には、付加機能部5が設けられる。
【0016】
アンテナ部4は、x軸方向に沿って配列された複数のアレーアンテナを備える。各アレーアンテナは、y軸方向に沿って配置された複数のパッチアンテナ41と、各パッチアンテナ41への給電を行う給電線42とを備える。各パッチアンテナ41は、長方形の銅パターンであり、各辺がx軸及びy軸に沿うように配置される。給電線42は、アンテナ部4から放射される電波の偏波方向が、x軸方向と一致するように各パッチアンテナ41に接続されている。
【0017】
付加機能部5は、複数の導体パターン51を二次元的に配置することで構成されている。導体パターン51は、
図3に示すように、外形形状が長方形に形成された銅パターンであり、内部に複数のパターン除去部52を有する。ここでは、導体パターン51の一つの辺である第1の辺(以下、長辺)に沿った方向を第1共振方向Du、第1の辺に直交する第2の辺(以下、短辺)に沿った方向を第2共振方向Dvという。複数のパターン除去部52は、いずれも長方形に形成される。各パターン除去部5は、外形形状を形成する各辺が、いずれも導体パターン51の長辺または短辺のいずれかと平行となるように配置される。パターン除去部52は、互いに間隔を空けて整列するように形成されている。これにより、各パターン除去部52同士の間、および各パターン除去部52と導体パターン51の長辺または短辺との間に、第1共振方向Duに沿った複数の経路パターンPuおよび第2共振方向Dvに沿った複数の経路パターンPvが形成される。
【0018】
なお、複数の経路パターンPuは、いずれも、第1共振方向Duに対して直行する方向での導体パターン51の幅(即ち、短辺のサイズ)Vより狭い幅を有する。同様に、複数の経路パターンPvは、いずれも、第2共振方向Dvに対して直行する方向での導体パターン51の幅(即ち、長辺のサイズ)Uより狭い幅を有する。
【0019】
導体パターン51は、長辺及び短辺に沿った方向、即ち、第1共振方向Du及び第2共振方向Dvが、いずれもx軸に対して45°傾斜するように配置されている。そして、外部から導体パターン51への入射波は、導体パターン51において、第1共振方向Du及び第2共振方向Dvのそれぞれで共振する。外部からの入射波としては、アンテナ部4から放射されバンパー等で反射した反射波の他、アンテナ部4から伝搬してくる表面波も考えられる。また、導体パターン51の長辺のサイズUおよび短辺のサイズVは、各辺で共振したときの位相の位相差(以下、共振時位相差)が逆位相となる、即ち位相が180°異なるように設定されている。
【0020】
[2.設計]
ここで、導体パターン51の各辺のサイズU,Vの設計方法について説明する。
図4は、導体パターン51の辺のサイズと、導体パターン51に平面波を入射したときに計測される導体パターン51からの反射波の位相との関係を示したグラフである。ここでは、入射波の周波数を24.15GHz、導体パターンを正方形として、その辺のサイズを変化させている。なお、導体パターン51は、無限に配列されているものとして、シミュレーションによって求めた。図では、導体パターン51の両辺の平均サイズが、アンテナ装置1の動作周波数における波長λと一致させた場合のサイズU=3.23mm,V=3.15mmを示している。但し、両辺の平均サイズが、必ずしも波長λと正確に一致している必要はなく、数%程度ずれてもよい。
【0021】
[3.動作]
このように構成されたアンテナ装置1では、
図5に示すように、アンテナ部4が送受信する送受信波と同じx軸方向を偏波方向とする入射波が、導体パターン51に入射されると、導体パターン51では長辺(即ち、第1共振方向Du)と短辺(即ち、第2共振方向Dv)とで共振時位相差が逆位相となるため、導体パターン51からは、y軸方向を偏波方向とする輻射波が輻射される。
【0022】
ここで、導体パターン51に形成された経路パターンPu,Pvの作用について説明する。なお、比較対象となる従来装置は、パターン除去部52を有さない導体パターン61により付加機能部が構成されているものとする。従来装置における付加機能部の等価回路は、
図6に示すように、導体パターン61の形状や大きさで決まるインダクタンス分Lと、導体パターン61間の間隔及び両パターンが対向する部位の幅で決まる容量分Cとが直列接続されたものとなる。
【0023】
従来装置の導体パターン61では、例えば、オーバーエッチングにより、導体パターン61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L及びCの変化分をΔL及びΔCとすると、動作周波数fは、(1)式で表現される。
【0024】
【数1】
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。
【0025】
アンテナ装置1における付加機能部5の等価回路は、
図7に示すように、導体パターン51の外形サイズU及びVにより決まるインダクタンス分L1と、経路パターンPu及びPvの長さ及び幅によって決まるインダクタンス分L2と、導体パターン51間の間隔及び両パターンが対向する部位の幅で決まる容量分Cとが直列接続されたものとなる。
【0026】
アンテナ装置1の導体パターン51では、オーバーエッチングにより、導体パターン51の外形サイズが所望サイズより小さくなることにより、L1及びCについては、従来装置と同様に減少する。しかし、オーバーエッチングにより、パターン除去部52の領域が広がることで、経路パターンPu及びPvは、パターン長が長くなり且つパターン幅が狭くなるため、L2は増大する。これらL1、L2、及びCの変化分をΔL1、ΔL2、及びΔCとすると、動作周波数fは、(2)式で表現される。
【0027】
【数2】
なお、アンダーエッチングの場合、ΔL1、ΔL2、及びΔCの符号が反転する。
【0028】
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、L2の増減は、L1及びCとは逆方向の変化をするため、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52のサイズ、ひいては経路パターンPu及びPv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。
【0029】
[4.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、付加機能部5は、導体パターン51に入射する入射波を、アンテナ部4での送受信波とは偏波方向が異なる輻射波に変換して輻射する。このため、アンテナ部4による送受信波と付加機能部5による輻射波との干渉が抑制され、輻射波の影響によるアンテナ部4のアンテナ指向性の乱れを抑制することができる。
【0030】
図8は、アンテナ装置1(即ち、実施例)、比較例1、及び比較例2について、アンテナ部4が形成された基板表面2aに、z軸方向から平面波を照射したときの反射波強度(以下、RCS)を、アンテナ部4が送受信する電波の偏波成分、即ち、x軸方向の成分についてのみシミュレーションによって求めた結果である。ここでは、正面方向(即ち、z軸方向)を0°として±60°の角度範囲を検知角度とした。なお、比較例1は、アンテナ装置1から付加機能部5が除去された構成を有し、比較例2は、付加機能部5の代わりに、偏波を変化させることなく反射方向を変化させることで反射波を分散させるように構成された付加機能部を有する。
【0031】
図8に示すように、実施例では、比較例1及び比較例2と比べて、正面方向(即ち、反射方向0°)以外についての反射波強度(即ち、RCS)が抑制されること、即ち、干渉の原因となる輻射波の発生が抑制されることがわかる。
【0032】
(2)アンテナ装置1では、導体パターン51が複数のパターン除去部52によって形成された複数の経路パターンPu及びPvを備えるため、エッチング加工時に生じる製造ばらつき、即ち、アンダーエッチング及びオーバーエッチングによるアンテナの周波数特性の変化を抑制することができる。
【0033】
図9及び
図10は、RCSの周波数特性を、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、パターン公差が0mm(即ち、TYP)、+0.05mm(即ち、アンダーエッチング)、及び−0.05mm(即ち、オーバーエッチング)の場合について、シミュレーションを行った。
図9は実施例の場合であり、
図10は、比較例3の場合である。比較例3は、付加機能部5を構成する導体パターン51の代わりに、パターン除去部52のない導体パターンが用いられている以外は実施例と同様に構成されている。
【0034】
図9及び
図10からわかるように、実施例では、パターン公差によらず、24GHz付近でRCSが最小となりアンテナ特性が殆ど変化しないのに対し、比較例3では、RCS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、パターン公差によってアンテナ特性が大きく変化することがわかる。
【0035】
(3)
図12〜
図14は、アンテナ装置単体での利得を基準とし、
図11に示すように、バンパーを模擬した誘電体平板をアンテナ正面に置いた場合の利得の変化量を、シミュレーションにより評価した結果である。
図12は、
図8での説明と同様に、実施例の結果を比較例1及び比較例2の結果と対比して示した。
図13は実施例、
図14は比較例3について、
図9及び
図10の場合と同様に、パターン公差が0mm及び±0.05mmの場合について示した。
【0036】
実施例では、
図12に示すように、比較例1及び比較例2と比較して、利得変動量が小さいことがわかる。また、実施例では、
図13及び
図14に示すように、パターン公差を変化させても、比較例3と比較して利得変動量が大きく変化することがなく、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ことがわかる。
【0037】
[5.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。
【0038】
(a)上記実施形態では、導体パターン51におけるパターン除去部52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15に示す導体パターン51aのように、パターン除去部52aの形状が直角三角形であったり、
図16に示す導体パターン51bのように、パターン除去部52bの形状が円形又は楕円形であったりしてもよい。
【0039】
なお、
図15に示すように、パターン除去部52aの形状が直角三角形の場合は、その直角三角形の直交する2辺(以下、直交辺)が、それぞれ第1共振方向Duおよび第2共振方向Dvに沿い、且つ、隣接するパターン除去部52aの直交辺の間に、一定幅の経路パターンが形成されてもよい。
【0040】
(b)上記実施形態では、導体パターン51は同一サイズに形成された4つのパターン除去部52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17に示す導体パターン51cのように、パターン除去部52cの数は6個あってもよいし、それ以上またはそれ以下の数であってもよい。また、
図18に示す導体パターン51dのように、サイズの異なるパターン除去部52d,53dが組み合わされてもよい。
【0041】
(c)上記実施形態では、導体パターン51のパターン除去部52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19に示す導体パターン51eのように、パターン除去部52e内に、導体パターン51eとは非導通の内部パターン54が形成されていてもよい。この場合、内部パターン54は、パターン除去部52eの形状と相似形状でもよいし、それ以外の形状でもよい。
【0042】
(d)上記実施形態では、導体パターン51は、各辺がx軸に対して45°傾斜するように配置したが、これに限定されるものではない。例えば、45°に対して±10°程度の範囲、即ち35°〜55°程度の傾斜であれば、同等の効果を得ることができる。
【0043】
(e)上記実施形態では、導体パターン51の外形形状が長方形であるが、これに限定されるものではなく、二共振し且つ共振位相差を調整可能な形状であればよい。例えば、導体パターンの外形形状は、平行四辺形でもよい。また、導体パターンの外形形状を、円偏波を発生させる周知のパターン形状に準じて形成し、共振位相差を90°ではなく180°に調整することで実現してもよい。
【0044】
(f)上記実施形態では、導体パターン51は、表面波に対して偏波方向が90°異なる輻射波を放射するように構成したが、これに限定されるものではない。導体パターンへの入射波と輻射波とで偏波方向が一致していなければよく、例えば、輻射波が円偏波や楕円偏波となるように構成してもよい。
【0045】
(g)上記実施形態では、付加機能部5に属する全ての導体パターン51がパターン除去部52を有する特定形状である場合について示したが、付加機能部5に属する一部の導体パターンがパターン除去部52を有していない非特定形状であってもよい。
【0046】
(g)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。
【0047】
(h)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。