特開 2023-168774 ミリ波用の平面アンテナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023168774

(43)【公開日】2023-11-29

(54)【発明の名称】ミリ波用の平面アンテナ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 13/08 20060101AFI20231121BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20231121BHJP

【ＦＩ】

H01Q13/08

H01Q21/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022080080

(22)【出願日】2022-05-16

(71)【出願人】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110000028

【氏名又は名称】弁理士法人明成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】牛越 大樹

(72)【発明者】

【氏名】車 承佑

(72)【発明者】

【氏名】泉 博之

【テーマコード（参考）】

5J021

5J045

【Ｆターム（参考）】

5J021AA05

5J021AA09

5J021AA13

5J021AB06

5J021FA06

5J021HA04

5J045AA13

5J045CA01

5J045DA10

5J045EA08

5J045FA02

5J045HA02

5J045NA07

(57)【要約】

【課題】ミリ波用の平面アンテナにおいて、利得の低下を抑制する。
【解決手段】ミリ波用の平面アンテナ１００は、基板１０と、基板の表面に配置された第１パッチ部２０と、第１パッチ部と接続し、基板の板厚方向に延びるビア導体３０と、基板の内部においてビア導体と接続し、基板の板厚方向と直交する方向であって、第１方向と交差する方向である第２方向に延びる伝送線路４０と、基板の内部において第１パッチ部と対向するように第１パッチ部と伝送線路との間に配置され、ビア導体が挿通する貫通孔を備える第１地板５０と、第１パッチ部が配置された面とは反対側の面に配置された第２地板６０と、第１方向と第２方向とが交差することに起因して発生する円偏波を打ち消す位相の円偏波を発生させるように第１パッチ部に形成された摂動素子２１と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ミリ波用の平面アンテナ（１００）であって、
誘電体を含む基板（１０）と、
前記基板の表面に配置された第１パッチ部（２０）と、
前記第１パッチ部の中心から、前記基板の板厚方向と直交する第１方向に予め定められた距離ずれた位置において前記第１パッチ部と接続し、前記基板の板厚方向に延びるビア導体（３０）と、
前記基板の内部において前記ビア導体と接続し、前記基板の板厚方向と直交する方向であって、前記第１方向と交差する方向である第２方向に延びる伝送線路（４０）と、
前記基板の内部において前記第１パッチ部と対向するように前記第１パッチ部と前記伝送線路との間に配置され、前記ビア導体が挿通する貫通孔を備える第１地板（５０）と、
前記基板の表面のうち、前記第１パッチ部が配置された面とは反対側の面に配置された第２地板（６０）と、
前記第１方向と前記第２方向とが交差することに起因して発生する円偏波を打ち消す位相の円偏波を発生させるように前記第１パッチ部に形成された摂動素子（２１）と、
を備える、
平面アンテナ。

【請求項2】

請求項１に記載の平面アンテナであって、
前記ビア導体と前記伝送線路との接続部の周囲に互いに間隔を空けて配置され、前記第１地板と前記第２地板とを接続する複数の短絡素子（３１）をさらに備える、
平面アンテナ。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の平面アンテナであって、
前記第１方向と、前記第２方向と、が互いに直交する、
平面アンテナ。

【請求項4】

請求項１または請求項２に記載の平面アンテナであって、
前記摂動素子は、前記第１パッチ部の中心を原点として、前記第１方向に平行な軸を第１軸、前記第２方向に平行な軸を第２軸とした場合に、前記第１パッチ部の頂点のうち、第２象限および第４象限に位置する頂点において形成される、
平面アンテナ。

【請求項5】

請求項１または請求項２に記載の平面アンテナであって、
前記第１パッチ部と、
前記基板の表面に配置され、前記摂動素子を備えない第２パッチ部（２０Ｂ）と、
をそれぞれ複数備え、
前記第２パッチ部の一辺の長さは、前記第１パッチ部の一辺の長さよりも大きい、
平面アンテナ。

【請求項6】

請求項１または請求項２に記載の平面アンテナであって、
前記摂動素子は、等辺の長さが、前記平面アンテナの動作周波数の電波の波長を前記誘電体の実効誘電率の平方根で除して得られる電気長波長の０．０４倍よりも大きく０．０５倍未満の範囲に含まれる直角二等辺三角形を、前記第１パッチ部の頂点から除去した平面視形状を有する、
平面アンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ミリ波用の平面アンテナに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、車両等に搭載されて、電波を送受信して障害物を検出するレーダ装置がある。特許文献１に記載のレーダ装置に用いられるアンテナ装置は、共振素子を備えることにより、アンテナ装置とカバー部材との間で発生する電波の多重反射を抑制し、検知性能の低下を抑制している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－７１０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

発明者らは、ミリ波帯の電波を直線偏波として送受信する平面アンテナにおいては、主偏波方向と交差する方向から給電を行う場合、円偏波が発生することを見出した。この場合、直線偏波としての利得が低下し検知性能が低下するという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

【0006】

本開示の一形態によれば、ミリ波用の平面アンテナ（１００）が提供される。この平面アンテナは、ミリ波用の平面アンテナであって、誘電体を含む基板（１０）と、前記基板の表面に配置された第１パッチ部（２０）と、前記第１パッチ部の中心から、前記基板の板厚方向と直交する第１方向に予め定められた距離ずれた位置において前記第１パッチ部と接続し、前記基板の板厚方向に延びるビア導体（３０）と、前記基板の内部において前記ビア導体と接続し、前記基板の板厚方向と直交する方向であって、前記第１方向と交差する方向である第２方向に延びる伝送線路（４０）と、前記基板の内部において前記第１パッチ部と対向するように前記第１パッチ部と前記伝送線路との間に配置され、前記ビア導体が挿通する貫通孔を備える第１地板（５０）と、前記基板の表面のうち、前記第１パッチ部が配置された面とは反対側の面に配置された第２地板（６０）と、前記第１方向と前記第２方向とが交差することに起因して発生する円偏波を打ち消す位相の円偏波を発生させるように前記第１パッチ部に形成された摂動素子（２１）と、を備える。

【0007】

この形態の平面アンテナによれば、第１パッチ部とビア導体との接続位置の第１パッチ部の中心からのずれ方向と伝送線路の延設方向とが交差することに起因して発生する円偏波を打ち消す位相の円偏波を発生させるように設けられた摂動素子を備えるので、直線偏波成分の低下を抑制でき、平面アンテナの直線偏波としての利得の低下を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態の平面アンテナの概略構成を表す平面図である。

【図2】図１におけるＩ－Ｉ断面図である。

【図3】第２実施形態の平面アンテナの概略構成を表す断面図である。

【図4】図３におけるＩＩ－ＩＩ断面図である。

【図5】第３実施形態の平面アンテナの概略構成を表す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

Ａ．第１実施形態：
Ａ－１．装置構成：
本実施形態の平面アンテナ１００は、例えば車両に搭載されて用いられ、電波の受信と送信との少なくともいずれか一方を行う。本実施形態では、平面アンテナ１００は、ミリ波帯の電波を直線偏波として送受信するミリ波用の平面アンテナである。平面アンテナ１００は、車両に限らず、飛行体などの移動体に搭載されて用いられてもよい。また、平面アンテナ１００は、防犯システムや監視システムの構成要素として用いられてもよい。

【0010】

図１および図２に示すように、平面アンテナ１００は、基板１０と、パッチ部２０と、ビア導体３０と、伝送線路４０と、第１地板５０と、第２地板６０とを備える。平面アンテナ１００はプリント基板に構成されており、基板１０は、プリント基板の絶縁基材に相当する。また、パッチ部２０と、ビア導体３０と、伝送線路４０と、第１地板５０と、第２地板６０とは、プリント基板の導体要素に相当する。

【0011】

図１には、互いに直交する３つの座標軸であるＸ，Ｙ，Ｚ軸を表す矢印が示されている。Ｘ軸は、基板１０の長手方向と平行である。また、Ｙ軸は基板１０の短手方向と平行である。また、Ｚ軸は基板１０の板厚方向と平行である。以下の説明において、向きを特定する場合には、矢印の指し示す方向である正の方向を「＋」、矢印の指し示す方向とは反対の方向である負の方向を「－」として、方向表記に正負の符合を併用する。なお、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸を表す矢印が指し示す方向は、図１以降の各図においても同様である。

【0012】

基板１０は、樹脂等の誘電体により形成されている板状部材である。本実施形態では、基板１０を形成する誘電体の実効誘電率は、３．１５である。基板１０は、樹脂に限定されず、樹脂とガラス布、不織布などとを組み合わせたもの、セラミックを含むものなどによって形成されてもよい。

【0013】

パッチ部２０は、銅等の導体により形成されている、正方形形状を有する板状部材である。パッチ部２０は、正方形の１組の向かい合う頂点を切り欠いて形成された摂動素子２１を備える。パッチ部２０における摂動素子２１の位置および形状については後ほど詳しく説明する。パッチ部２０は、基板１０の表面に配置されている。パッチ部２０は、本開示における「第１パッチ部」に相当する。

【0014】

ビア導体３０は、銅等の導体により形成されている線状部材である。ビア導体３０は、基板１０に形成された孔内においてＺ方向に沿って延びるように配置されている。ビア導体３０の一方の端部は、パッチ部２０の中心ＰＣから－Ｙ方向に予め定められた距離ずれた位置において接続している。本実施形態のパッチ部２０の中心ＰＣは、パッチ部２０の重心に相当する。以下の説明において、ビア導体３０とパッチ部２０との接続点を「給電点Ｅ」とも呼ぶ。パッチ部２０の中心ＰＣからの給電点Ｅのずれ量は、インピーダンス整合を得られるように予め解析等により特定され、設定されている。また、平面アンテナ１００が送信する直線偏波の偏波方向（以下、「主偏波方向」とも呼ぶ）は、パッチ部２０の中心ＰＣからの給電点Ｅのずれ方向によって定まり、本実施形態では、主偏波方向はＹ方向である。以下の説明において、パッチ部２０の中心ＰＣからの給電点Ｅのずれ方向を「オフセット方向」とも呼ぶ。なお、オフセット方向は、本開示における「第１方向」に相当する。

【0015】

伝送線路４０は、銅等の導体により形成されている線状部材である。伝送線路４０は、基板１０の内部において、Ｘ方向に沿って延びるように配置されている。伝送線路４０の一方の端部は、ビア導体３０の両端のうち、パッチ部２０の給電点Ｅとなっていない側の端部と接続する。伝送線路４０の他方の端部は図示しない給電回路に接続され、ビア導体３０を介してパッチ部２０へ高周波電力を供給する。以下の説明において、伝送線路４０の延設方向を「給電方向」とも呼ぶ。本実施形態では、上述したオフセット方向と給電方向とは互いに直交する。なお、給電方向は、本開示における「第２方向」に相当する。

【0016】

第１地板５０は、銅等の導体により形成されている板状部材である。第１地板５０は、基板１０の内部において、パッチ部２０と対向するようにパッチ部２０と伝送線路４０との間に配置される。第１地板５０は、ビア導体３０が挿通する貫通孔を備える。

【0017】

第２地板６０は、第１地板５０と同様に、銅等の導体により形成されている板状部材である。第２地板６０は、基板１０の表面のうち、パッチ部２０が配置された面とは反対側の面に配置されている。第１地板５０および第２地板６０は、図示しない給電回路のグラウンド線に接続されて平面アンテナ１００における接地電位を提供する。

【0018】

ミリ波帯の電波を直線偏波として送受信する平面アンテナ１００においては、上述のようにオフセット方向と給電方向とが交差する場合には、ビア導体３０における電流の偏りに起因してパッチ部２０上に電位差が発生し、主偏波方向とは異なる方向に流れる電流が発生することにより円偏波が発生することを発明者らは見出した。例えば、図１に示す構成では、左旋円偏波が発生する。摂動素子２１は、かかる左旋円偏波を打ち消す右旋円偏波を発生させるように形成される。より具体的には、摂動素子２１は、パッチ部２０の中心ＰＣを原点として、オフセット方向に平行な軸を第１軸、給電方向に平行な軸を第２軸とした場合に、パッチ部２０の頂点のうち、第２象限および第４象限に位置する２つの頂点において形成される。

【0019】

本実施形態では、摂動素子２１は、直角二等辺三角形であって、等辺の長さが、平面アンテナ１００の動作周波数の電波の電気長波長の０．０４倍よりも大きく０．０５倍未満の範囲に含まれる直角二等辺三角形の領域を、パッチ部２０の頂点から除去して得られる平面視形状を有する。「電気長波長」は、誘電体の実効誘電率により定まる波長を意味し、平面アンテナ１００の動作周波数を、基板１０を形成する誘電体の実効誘電率の平方根で除して得られる。本実施形態の摂動素子２１の形状は、予め解析を行い、設定された閾値を超える利得が得られる周波数帯が広くなるように決定された形状である。なお、摂動素子２１の形状は、上述の形状に限定されない任意の形状であってもよい。

【0020】

以上説明した平面アンテナ１００によれば、オフセット方向と給電方向とが交差することに起因して発生する円偏波を打ち消す位相の円偏波を発生させるように設けられた摂動素子２１を備えるので、直線偏波成分の低下を抑制でき、平面アンテナ１００の直線偏波としての利得の低下を抑制できる。

【0021】

Ｂ．第２実施形態：
図３および図４に示すように、第２実施形態の平面アンテナ１００Ａは、ビア導体３０と伝送線路４０との接続部の周囲に配置され、第１地板５０と第２地板６０とを電気的に接続する複数の短絡素子３１を備える点において、第１実施形態の平面アンテナ１００と異なる。平面アンテナ１００Ａのその他の構成は、第１実施形態の平面アンテナ１００と同じであるので、同一の構成には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0022】

短絡素子３１は、銅等の導体により形成されている線状部材である。短絡素子３１は、基板１０の内部において、Ｚ軸方向に沿って延びるように配置されている。短絡素子３１は、ビア導体３０を中心とする円周上において、伝送線路４０と重なる部分を除き、隣り合う他の短絡素子３１と一定の間隔を空けて配置されている。隣り合う２つの短絡素子３１同士の間隔は、平面アンテナ１００Ａの動作周波数の電波の波長の１／４以下であることが好ましい。

【0023】

短絡素子３１を備えない形態の平面アンテナでは、ビア導体３０と伝送線路４０との接続点において電波の放射が発生することにより利得が低下する。平面アンテナ１００Ａによれば、ビア導体３０と伝送線路４０との接続点の周囲に配置された複数の短絡素子３１がシールド効果を奏することにより、ビア導体３０と伝送線路４０との接続点における電波の放射が抑制され、直線偏波としての利得の低下をより抑制できる。また、平面アンテナ１００Ａにおいても、第１実施形態の平面アンテナ１００と同様の効果を奏する。

【0024】

Ｃ．第３実施形態
図５に示すように、第３実施形態の平面アンテナ１００Ｂは、摂動素子２１を備えるパッチ部２０と、正方形形状を有し摂動素子２１を備えないパッチ部２０Ｂとをそれぞれ複数備える点において、第１実施形態の平面アンテナ１００と異なっている。パッチ部２０Ｂは、本開示における「第２パッチ部」に相当する。

【0025】

パッチ部２０とパッチ部２０Ｂとは基板１０Ｂの表面にそれぞれ配置され、基板１０Ｂの裏面に配置されて送信電波の位相を制御する移相器７０、伝送線路４０Ｂおよびビア導体３０を介して、図示しない給電回路から高周波電力の供給を受ける。このような場合において、パッチ部２０およびパッチ部２０Ｂと移相器７０とをそれぞれ接続する伝送線路４０Ｂは、伝送線路４０Ｂ同士の距離が近接せず、配線経路がより短くなるように配線されることが好ましい。このような理由からオフセット方向と給電方向とを交差させるべき箇所においては、摂動素子２１を備えるパッチ部２０を配置すればよいので、必ずしもオフセット方向と給電方向とを一致させる必要がなくなり、伝送線路４０Ｂの配線レイアウトの自由度の低下を抑制できる。

【0026】

また、例えば、車両に搭載される平面アンテナでは、他の車両に搭載されたレーダ装置から送信された電波との干渉を防ぐために、主偏波方向が互いに異なる２つの平面アンテナを搭載することがある。平面アンテナ全体を回転させることにより主偏波方向を変更できるが、給電回路との配置等の制約により平面アンテナ全体を回転させることができない場合がある。このような場合であっても、平面アンテナ１００Ｂでは、摂動素子２１の有無、摂動素子２１を設ける位置および伝送線路４０Ｂの配線方向のみによっても主偏波方向を変更できるので、平面アンテナ１００Ｂの設計自由度の低下を抑制できる。

【0027】

パッチ部が正方形形状を有する場合には、パッチの動作周波数はパッチの一辺の長さにより定まるが、摂動素子２１を備えるパッチ部２０の場合、摂動素子２１として切り欠いた部分を電流が回り込むように流れることにより、電流の経路が長くなる。この場合、パッチ部２０の動作周波数は、摂動素子２１を設けない形態に比べて、動作周波数が低くなる。複数のパッチ部が配置された平面アンテナにおいては、動作周波数が互いに異なる平面アンテナが混在すると直線偏波としての利得が低下するので、パッチ部２０Ｂは、一辺の長さを長くすることにより、パッチ部２０の動作周波数とパッチ部２０Ｂの動作周波数とが互いに一致するように形成されることが好ましい。このようにパッチ部２０Ｂを形成することにより、パッチ部２０の動作周波数とパッチ部２０Ｂの動作周波数とを互いに一致させることができ、利得の低下をより抑制できる。

【0028】

以上説明した第３実施形態の平面アンテナ１００Ｂによれば、第１実施形態の平面アンテナ１００と同様の効果を奏する。加えて、平面アンテナ１００Ｂは、複数のパッチ部２０およびパッチ部２０Ｂを配置する場合において、オフセット方向と給電方向とを交差させるべき箇所には摂動素子２１を備えるパッチ部２０を配置すればよい。このため、必ずしもオフセット方向と給電方向とを一致させる必要がなくなり、伝送線路４０Ｂの配線レイアウトの自由度の低下を抑制できる。

【0029】

また、パッチ部２０Ｂの一辺の長さは、パッチ部２０の一辺の長さよりも大きくなるように形成されているので、摂動素子２１を備えることにより低くなるパッチ部２０の動作周波数とパッチ部２０Ｂの動作周波数とを一致させることができ、直線偏波としての利得の低下をより抑制できる。

【0030】

Ｄ．他の実施形態：
（Ｄ１）上記実施形態において、オフセット方向と給電方向とは互いに直交するが、本開示はこれに限定されない。オフセット方向と給電方向とは、直角でない任意の角度で交差していてもよい。

【0031】

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した形態中の技術的特徴に対応する各実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

【符号の説明】

【0032】

１０…基板、２０…パッチ部、２１…摂動素子、３０…ビア導体、４０…伝送線路、５０…第１地板、６０…第２地板、１００…平面アンテナ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】