(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の放射面上に配置された給電素子と、前記給電素子の励振方向と直交する方向に配置された無給電素子と、前記基板の放射面と反対側の面に形成されたグランドと、を備えた広角アンテナであって、使用周波数における基板内実効波長をλgとするとき、
前記無給電素子は、前記励振方向の電気長が０．５λｇより大きく０．７５λｇ以下で、かつ前記励振方向と直交する方向の電気長が０．３５λｇ以上０．６５λｇ以下であり、
かつ前記無給電素子における励振が、前記給電素子における励振に対して０．２以下の振幅比及び１６５°以下の位相差を有している
ことを特徴とする広角アンテナ。
【請求項２】
前記基板の放射面の周囲に形成されて前記グランドと電気的に接続された導体層をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の広角アンテナ。
【請求項３】
前記励振方向と直交する方向に、前記無給電素子が前記給電素子を挟んで２つ配置されている
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の広角アンテナ。
【請求項４】
前記無給電素子が前記励振方向と直交する方向の一方に１つ配置され、
前記給電素子の前記励振方向と直交する方向の他方の側面が前記導体層に近接させて配置されている
ことを特徴とする請求項２に記載の広角アンテナ。
【請求項５】
前記給電素子の垂直方向の規格化利得は、−１ｄＢ以上である
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の広角アンテナ。
【請求項６】
前記給電素子及び前記無給電素子は、前記基板に形成されたマイクロストリップパッチアンテナである
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の広角アンテナ。
【請求項７】
前記給電素子の他方の側面と前記導体層との間隔が０．３λｇ以下である
ことを特徴とする請求項４に記載の広角アンテナ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の広角アンテナを前記励振方向に２以上備える
ことを特徴とするアレーアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波を放射する機器に適用可能な広角アンテナ及び該広角アンテナを複数配列したアレーアンテナに関し、特に自動車に搭載されるレーダ装置に適用するのに好適な広角アンテナ及びアレーアンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の安全走行を支援するために、レーダを用いて自動車周辺にある障害物等（対象物）を監視する装置の開発が進められている。このような自動車周辺監視レーダとして、車線変更を支援するＬＣＡ(Lane Change Assist)、死角検知を支援するＢＳＤ（Blind Spot Detection）、及び出会い頭に人や対向車等がいると警報を発するＣＴＡ（Cross Traffic Alert）等が実用化されつつある。自動車周辺監視レーダには、一定角度範囲からなる略扇形の範囲内（例えば、放射方向正面を中心に−６０°〜＋６０°程度の広角範囲内)の対象物を検出することが要求されるものがある。
【０００３】
一方、広帯域の電波を使用するＵＷＢレーダ等では、送信電波に対する規制として、例えばＥＩＲＰ（等価等方放射電力）に対する許容値が規定されている。アンテナからの放射のピーク利得をＧｔ（θmax）とし、送信電力をＰｔとするとき、ＥＩＲＰは、
ＥＩＲＰ＝Ｐｔ×Ｇｔ（θmax）
で与えられる。但し、θmaxは電力密度がピークとなる角度を示している。
【０００４】
上式より、ピーク利得Ｇｔ（θmax）が高いと、送信電力Ｐｔが制限されることになる。従って、広角範囲でレーダの感度を向上させるためには、ピーク利得Ｇｔ（θmax）を低くして送信電力Ｐｔを高くし、できるだけ等方の電波を送信するのが好ましい。
【０００５】
電波を広角度で放射させるための技術が、特許文献１、２に記載されている。特許文献１には、図１５に示すような平面パッチアンテナ２と地板１を備えたパッチ型アンテナが開示されている。平面パッチアンテナ２の両側に、平面パッチアンテナ２と同一平面にない２つの無給電素子４が配置されており、この２つの無給電素子４が導波器の役割を果たすことで、側面方向の利得の向上を図っている。
【０００６】
また、特許文献２には、図１６に示すように、誘電体８に形成され、給電された１つのパッチアンテナ５と、このパッチアンテナ５の少なくとも一方向の両側にそれぞれ配置された無給電パッチアンテナ６、７とで構成され、無給電パッチアンテナ６、７の共振周波数を変化させて給電パッチアンテナ５の共振周波数と相違させることでアンテナ装置の指向性合成を可能としたアレーアンテナが開示されている。励振電流の位相を変化させて指向性合成の自由度を拡大し、かつ指向性の乱れを防止できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１５８５３４号公報
【特許文献２】特開平０９−２４６８５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の発明では、平面パッチアンテナ２の両側に無給電素子４を２つ配置することで広角化が可能なものの、放射方向の正面の利得が低下してヌルが形成されてしまうといった問題がある。所定の広角範囲でヌルが形成されずにできるだけ均等な放射パターンを実現する構成については開示されていない。また、特許文献２では、指向性合成の自由度が高められるとされているが、無給電パッチアンテナ６、７のわずかな寸法変化で指向性が変化するおそれがあり、寸法のばらつき等に対する安定性に欠けるといった問題がある。また、無給電パッチアンテナ６、７の寸法変化で共振周波数も変化するため、広帯域化を図るのが困難な構成となっている。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、広角度において高いピーク及びヌルがない利得が得られ、寸法変化に対する放射特性のばらつきが小さいロバストな広角アンテナ及びアレーアンテナ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】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の広角アンテナの第１の態様は、基板と、前記基板の放射面上に配置された給電素子と、前記給電素子の励振方向と直交する方向に配置された無給電素子と、前記基板の放射面と反対側の面に形成されたグランドと、を備えた広角アンテナであって、使用周波数における基板内実効波長をλｇとするとき、前記無給電素子は、前記励振方向の電気長が０．５λｇより大きく０．７５λｇ以下で、かつ前記励振方向と直交する方向の電気長が０．３５λｇ以上０．６５λｇ以下であり、かつ前記無給電素子における励振が、前記給電素子における励振に対して０．２以下の振幅比及び１６５°以下の位相差を有していることを特徴とする。
【００１１】
本発明の広角アンテナの他の態様は、前記基板の放射面の周囲に形成されて前記グランドと電気的に接続された導体層をさらに備えていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の広角アンテナの他の態様は、前記励振方向と直交する方向に、前記無給電素子が前記給電素子を挟んで２つ配置されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明の広角アンテナの他の態様は、前記無給電素子が前記励振方向と直交する方向の一方に１つ配置され、前記給電素子の前記励振方向と直交する方向の他方の側面が前記導体層に近接させて配置されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の広角アンテナの他の態様は、前記給電素子の垂直方向の規格化利得は、−１ｄＢ以上であることを特徴とする。
【００１５】
本発明の広角アンテナの他の態様は、前記給電素子及び前記無給電素子は、前記基板に形成されたマイクロストリップパッチアンテナであることを特徴とする。
【００１６】
本発明の広角アンテナの他の態様は、前記給電素子の他方の側面と前記導体層との間隔が０．３λｇ以下であることを特徴とする。
【００１７】
本発明のアレーアンテナの第１の態様は、第１乃至第６の態様のいずれか１つに記載の広角アンテナを前記励振方向に２以上備える
ことを特徴とするアレーアンテナ。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、広角度において高いピーク及びヌルがない利得が得られ、寸法変化に対する放射特性のばらつきが小さいロバストな広角アンテナ及びアレーアンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る広角アンテナ及びアレーアンテナの構成を示す平面図である。
【図２】無給電素子の配置による放射パターンの変化を説明するための放射パターンの概念図である。
【図３】従来のアレーアンテナの放射パターンの一例を示すグラフである。
【図４】無給電素子の寸法を変えたときの放射パターンの変化を示すグラフである。
【図５】放射角度０°、±６０°におけるパッチ長に対する規格化利得の変化を示すグラフである。
【図６】パッチ長に対する振幅比及び位相差の変化を示すグラフである。
【図７】パッチ幅を変えたときのパッチ長に対する規格化利得の変化を示すグラフである。
【図８】放射角度０°、±６０°におけるパッチ幅に対する規格化利得の変化を示すグラフである。
【図９】基板厚を変えたときのパッチ長に対する規格化利得、振幅比、及び位相差の変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る広角アンテナ及びアレーアンテナの構成を示す平面図である。
【図１１】比較例のアレーアンテナの構成を示す平面図である。
【図１２】第２実施形態のアレーアンテナと比較例との規格化利得を比較するグラフである。
【図１３】給電素子と導体層との間の間隔ｄを変えたときの規格化利得の変化を示すグラフである。
【図１４】基板厚を変えたときのパッチ長に対する規格化利得、振幅比、及び位相差の変化を示すグラフである。
【図１５】従来のアンテナの構成を示す斜視図及び側面図である。
【図１６】従来の別のアンテナの構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の好ましい実施の形態における広角アンテナ及びアレーアンテナについて、図面を参照して詳細に説明する。同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。本発明の広角アンテナ及びアレーアンテナは、電波を放射する機器に適用可能であり、特に自動車に搭載されるレーダ装置に用いるのに好適である。なお、以下ではレーダ装置およびアンテナで使用している周波数の真空中波長λに対して、λｇは基板の比誘電率εrを考慮した基板中の実効的な波長とし、λg＝λ／√εrで与えられる。
【００２１】
（第１実施形態）
本発明の第１の実施の形態に係る広角アンテナ及びアレーアンテナを、図１を用いて以下に説明する。図１は、本実施形態の広角アンテナ１１０及び広角アンテナ１１０を複数配列して形成されたアレーアンテナ１００の構成を示す平面図である。図１（ａ）はアレーアンテナ１００の構成を示す平面図であり、図１（ｂ）は広角アンテナ１１０の構成を示す平面図である。
【００２２】
アレーアンテナ１００は、基板１２０の一方の面（放射面）上に複数の広角アンテナ１１０を１列に配列し、基板１２０の他方の面にグランド１２１を備えて構成されている。図１（ａ）では、広角アンテナ１１０が励振方向に６個配列されている。なお、アレーアンテナ１００は、基板１２０の放射面側の外周に沿って導体層１２２が形成されており、導体層１２２は、図示しないスルーホール等でグランド１２１に電気的に接続されている。必ずしも導体層１２２を設ける必要はないが、基板上での高周波回路と共存時の不要結合回避や、後述のとおり放射パターンの調整といった効果を得るため積極的に用いても良い。
【００２３】
図１（ｂ）に示す広角アンテナ１１０は、１つの給電素子１１１と２つの無給電素子１１２とが基板１２０上に配置されて構成されている。２つの無給電素子１１２は、給電素子１１１の励振方向と直交する方向に給電素子１１１を挟んで配置されている。給電素子１１１及び無給電素子１１２は、基板１２０上にパターン形成されたパッチ素子としており、広角アンテナ１１０はマイクロストリップパッチアンテナとなっている。但し、パッチアンテナに限定されず、例えば基板上に設けられたダイポールアンテナでもよい。以下では、給電素子１１１及び無給電素子１１２の励振方向の長さをパッチ長と称し、励振方向と直交する方向の長さをパッチ幅と称することとする。なお、以下で説明する寸法は、物理的な長さ（物理長）ではなく、すべて電気的な長さ（電気長）を表すものとする。
【００２４】
アレーアンテナ１００では、広角アンテナ１１０が２つの無給電素子１１２を有している。給電素子１１１を左右から挟むように無給電素子１１２を配置することで、例えば図２（ａ）に例示するように、無給電素子１１２を有さないときの放射パターン５０の正面方向の利得のピークを低下させ、放射パターン５１のように広角方向の利得を高めることができる。図２は、横軸を放射角度（°）、縦軸を利得（ｄＢｉ）とする放射パターンを示している。横軸の放射角度は、基板（本実施形態の基板１２０に相当）の長手方向の垂直な面上において、アレーアンテナの中心から基板に垂直な方向（放射方向の正面）を０°としたときの角度である。利得のピーク値が０ｄＢとなるように規格化した規格化利得の一例を図２（ｂ）に示す。同図に示す放射パターン５１’のように、２つの無給電素子１１２を配置することで放射パターンを広角化することができる。
【００２５】
ＥＩＲＰに対する規定ではピーク電力が所定値以下に制限されることから、図２に例示するように放射パターンのピークが低減されて広角化されると、送信電力を補填してＥＩＲＰの規定値までピーク電力を高めることが可能となる。
【００２６】
アンテナの指向性を広角にするために無給電素子（寄生素子）を用いることは従来より知られているが、アンテナの放射方向の正面、すなわちアンテナ面に垂直な方向の利得がピーク値より低下してヌルが発生してしまうといった問題があった。図１に示す本実施形態のアレーアンテナ１００と同様に、給電素子を挟んで２つの無給電素子が配置された従来のアレーアンテナについて、そのアンテナ特性について説明する。
【００２７】
従来のアレーアンテナでは、無給電素子（本実施形態の無給電素子１１２に相当）を導波器として用いるためにパッチ長を０．５λｇより短くして用いていた。従来のアレーアンテナの放射パターンの一例を図３に示す。図３は、横軸を放射角度（°）、縦軸を規格化利得（ｄＢｉ）とする放射パターンを示している。
【００２８】
図３は、無給電素子のパッチ長（Ｌとする）を変えたときのアレーアンテナの放射パターンの変化を、シミュレーション結果を用いて示している。無給電素子のパッチ長Ｌとして、ここでは０．５λｇより短い０、０．３６λｇ、０．４１λｇ、０．４６λｇ（それぞれ符号１０〜１３で示す）としたとき、及び０．５λｇより若干長い０．５２λｇ（符号１４で示す）としたときの放射パターンが示されている。なお、符号１０で示すパッチ長Ｌ＝０のときの放射パターンは、無給電素子を設けない場合に相当する。
【００２９】
図３より、無給電素子を設けないときの放射パターン１０は、角度０°の放射方向正面で規格化利得が最大となり、角度が大きくなるにつれて規格化利得が大きく低下していく。また、無給電素子のパッチ長Ｌが０．３６λｇのときの放射パターン１１は、無給電素子を設けないときの放射パターン１０に比べて略±５０°より広角度では利得が上昇するものの、略±５０°の範囲内では利得が低下しており、好適な放射パターンは得られていない。無給電素子のパッチ長をさらに長くしてＬ＝０．４１λｇ、０．４６λｇとしたときの放射パターン１２、１３は、広角度側で利得が上昇する一方、放射方向の正面側の利得が低下する。すなわち、放射角度０°の利得が低下する一方０°以外の角度で利得が最大となり、放射角度０°でヌルが形成されている。このように、放射方向の正面側で利得が低下するヌルが形成されるのは放射パターンとして好ましくない。
【００３０】
また、パッチ長Ｌ＝０．３６λｇ、０．４１λｇ、０．４６λｇのときの放射パターン１１、１２、１３を比較すると、パッチ長Ｌを０．０５λｇ変化させただけで大きく変化している。このように、パッチ長Ｌのわずかな変化で放射パターンが大きく変化してしまうと、寸法のわずかなずれ等で放射パターンが変化することになる。アンテナ特性としては、パッチ長Ｌのわずかな変化で放射パターンが大きく変化することのないロバストな特性を有していることが要求される。
【００３１】
無給電素子のパッチ長を０．５λｇより短くした従来のアレーアンテナでは、上記説明のようにパッチ長Ｌの変化に対して放射パターンが大きく変化し、放射方向正面の利得が低下するなどの問題があった。これに対し、無給電素子のパッチ長Ｌを０．５λｇ以上の０．５２λｇとしたときの放射パターン１４は、放射方向正面の利得の落ち込みがなく、かつ広角度にわたって利得が高い好適な放射パターンが得られている。しかしながら、無給電素子のパッチ長Ｌが０．５λｇに近い長さのときは、パッチ長のわずかな変化で指向性が変化するため、寸法の変化に対して十分にロバストとはなっていない。これは設計誤差や製造ばらつきに対してロバストでないともいえる。そのため、広角度で安定した放射パターンが得られるレーダ装置を実現するのが難しい。
【００３２】
広角アンテナをＵＷＢ（Ultra Wide Band）レーダのような広帯域な電波を用いるレーダに適用するためには、広角アンテナが広帯域な特性を有している必要がある。広帯域レーダでは、広い周波数帯域において安定したアンテナ特性が要求される。しかし、従来の無給電素子のパッチ長のわずかな変化でも特性が変化してしまうアレーアンテナは、言い換えると、周波数特性が大きく、広帯域特性を実現するのが難しいといえる。広帯域なアンテナにおいては、物理長が変化してもアンテナ特性が安定している必要がある。よって広帯域な広角アンテナでは、特にパッチ長のような物理的変化に対してロバストなアンテナ特性を有することが要求される。
【００３３】
本実施形態の広角アンテナ１１０及びアレーアンテナ１００は、放射方向正面にヌルが生じることなく広角度で高い利得が得られるとともに、寸法変化に対して放射パターンが大きく変化することなくロバストな特性を有している。放射方向正面の利得は、少なくとも−１ｄＢ以上となっている。
【００３４】
本実施形態のアレーアンテナ１００において、無給電素子１１２の寸法を変えたときの放射パターンの変化を、図４に示すシミュレーション結果を用いて説明する。図４は、横軸を放射角度（°）とし、縦軸を規格化利得（ｄＢｉ）としたときの放射パターンを示しており、図３と同様のシミュレーション結果を用いている。
【００３５】
図４では、図３に示した無給電素子１１２を設けないときの放射パターン１０、無給電素子１１２のパッチ長Ｌを０．４６λｇ、０．５２λｇとしたときの放射パターン１３、１４に加えて、無給電素子１１２のパッチ長Ｌを０．５７λｇ、０．６３λｇ、０．６８λｇとしたときの放射パターンをそれぞれ符号２１、２２、２３で示している。
【００３６】
図４より、無給電素子１１２のパッチ長Ｌを０．５λｇより大きくしたときは、放射角度０°で規格化利得がー１ｄＢ以上となってヌルが形成されず、安定した放射パターンが形成されている。０．５λｇより大きいパッチ長Ｌを有する無給電素子１１２は、反射器としてアンテナの指向性を調整することができ、これにより広角度にわたって高い利得が安定して得られるようになっている。
【００３７】
無給電素子１１２のパッチ長Ｌがアレーアンテナ１００の指向性（放射パターン）に与える影響を、図５を用いてさらに詳細に説明する。図５は、放射角度０°における規格化利得と放射角度−６０°、＋６０°における規格化利得（それぞれ符号２４、２５、２６で示す）のそれぞれが、パッチ長Ｌとともにどのように変化するかを示したものであり、図４のシミュレーション結果を用いている。図５において、無給電素子１１２のパッチ長Ｌが０．５λｇより小さいときは、規格化利得がパッチ長Ｌの変化に対し大きく変化することがわかる。
【００３８】
これに対し、無給電素子１１２のパッチ長Ｌが０．５λｇより大きく０．７５λｇ以下（矢印２７で示す範囲）のときは、規格化利得がほとんど変化しないか緩やかに変化することが示されている。パッチ長Ｌの上記の範囲では、放射角度が０°と±６０°のいずれでも規格化利得が緩やかに変化しており、放射角度が−６０°〜＋６０°の範囲で放射パターンがパッチ長Ｌの変化に対し緩やかに変化することがわかる。
【００３９】
図４に示す放射パターンは、給電素子１１１と無給電素子１１２の放射、特に給電素子に対する無給電素子の振幅比及び位相差によって決定される。そこで、この振幅比及び位相差が、無給電素子１１２のパッチ長Ｌの変化によりどのように変化するかを、図６を用いて説明する。図６（ａ）はパッチ長Ｌに対する振幅比の変化を示し、図６（ｂ）はパッチ長Ｌに対する位相差の変化を示しており、それぞれシミュレーションにおけるパッチに励振される電流特性結果を用いている。
【００４０】
図６（ａ）に示すように、振幅比は、パッチ長Ｌが０．５λｇより小さいときはパッチ長Ｌの変化に伴って大きく変化している。これに対し、パッチ長Ｌが０．５λｇより大きいときは、振幅比は０．２以下で緩やかに変化している。また図６（ｂ）でも、パッチ長Ｌが０．５λｇより小さいときは位相差が大きく変化するのに対し、パッチ長Ｌが０．５λｇより大きいときは位相差が１８０°より小さい範囲で変化しており、特に位相差が１６５°以下で緩やかに変化している。特に、パッチ長Ｌを０．５λｇより大きく０．７５λｇ以下とすることにより、振幅比及び位相差がパッチ長Ｌの変化に大きく影響されないようにすることができ、広帯域なアンテナ特性が得られる。
【００４１】
図４に示した放射パターンの変化は、パッチ幅Ｗを０．５λｇに固定してパッチ長のみを変化させたときのシミュレーション結果である。つぎに、パッチ幅Ｗが放射パターンに与える影響を見るために、異なるパッチ幅Ｗでパッチ長Ｌを変化させたときの放射パターンの変化を説明する。放射パターンの変化として、図５と同様に放射角度が０°のときと±６０°のときの規格化利得のパッチ長Ｌに対する変化を図７に示す。パッチ幅Ｗを０．５λｇとした図５のシミュレーション結果と同じものを図７（ｂ）に再掲し、パッチ幅Ｗを０．５λｇより短くしたときのシミュレーション結果を図７（ａ）に、パッチ幅Ｗを０．５λｇより長くしたときのシミュレーション結果を図７（ｃ）に、それぞれ示す。
【００４２】
図７（ａ）に示すパッチ幅Ｗを０．３λｇとしたときの規格化利得の変化では、パッチ長Ｌを０．５λより長い範囲で変化させたとき、放射角度が０°の正面方向の規格化利得はほとんど変化しない。これに対し、±６０°の放射角度では規格化利得がパッチ長Ｌとともに低下している。これより、パッチ幅Ｗを０．５λｇより短い０．３λｇとしたときは、パッチ長Ｌのばらつきに対し広角方向で安定した特性を得るのがやや難しいことがわかる。
【００４３】
図７（ｃ）に示すパッチ幅Ｗを０．６７λｇとしたときの規格化利得の変化では、０．５λより長い所定のパッチ長で別の共振モードが発生しており、広角範囲で安定した利得が得られるパッチ長Ｌの範囲が限定されている。また、パッチ長Ｌを長くして別の共振モードが発生する所定のパッチ長に近づけていくと、放射角度０°の規格化利得が低下してヌルが発生することがわかる。このように、パッチ幅Ｗを０．５λｇより長い０．６７λｇとしたときも、パッチ長Ｌのばらつきに対し広角方向で安定した特性を得るのが難しいことが示されている。
【００４４】
パッチ幅Ｗを横軸にして、パッチ幅に対する規格化利得の変化を示すグラフを図８に示す。図８（ａ）は、放射角度０°の正面方向の規格化利得について、パッチ幅Ｗを変化させたときのシミュレーション結果を示し、図８（ｂ）は、放射角度±６０°の規格化利得について、パッチ幅Ｗを変化させたときのシミュレーション結果を示している。また、パッチ長Ｌを０．４６λｇ（符号１３）、０．５２λｇ（符号１４）、０．５７λｇ（符号２１）、及び０．６３λｇ（符号２２）としたときの規格化利得を示している。図８（ａ）より、正面方向の規格化利得は、パッチ幅Ｗが０．６５λｇ以下のとき、前述したとおり、別の共振モードの発生をさけ、パッチ長Ｌによる変化が比較的小さく安定した特性が得られることがわかる。また図８（ｂ）より、放射角度±６０°の規格化利得は、パッチ幅Ｗが０．３５λｇ以上のときにパッチ長Ｌによる変化が比較的小さく、安定した特性が得られることがわかる。
【００４５】
上記の結果より、無給電素子１１２のパッチ幅Ｗを０．３５λｇ以上０．６５λｇ以下とすることで、パッチ長Ｌのばらつきによる放射パターンへの影響を小さくすることができ、±６０°程度の広角範囲で安定した利得が得られることがわかる。パッチ幅Ｗを０．５λｇに近い値にすることで、パッチ長Ｌの変化による放射パターンへの影響を小さくして周波数の変化に対しても安定した広帯域な特性が得られる。
【００４６】
つぎに、給電素子１１１及び無給電素子１１２が形成された基板１２０の厚さが、アレーアンテナ１００の放射パターンに与える影響を説明する。上記の各シミュレーション結果は、何れも基板１２０の厚さを０．１６λｇとしている。これに対し、基板１２０の厚さを薄くしたときのパッチ長Ｌに対する規格化利得の変化を図９に示す。ここでは、基板１２０の厚さを０．０５λｇとしている。図９（ａ）は、図５と同様に放射角度が０°のときと±６０°のときの規格化利得のパッチ長Ｌに対する変化を示し、図９（ｂ）、（ｃ）は、図６（ａ）、（ｂ）と同様に、パッチ長Ｌに対する振幅比の変化、及びパッチ長Ｌに対する位相差の変化、をそれぞれ示す。
【００４７】
図９（ａ）より、パッチ長Ｌが０．５λｇより小さいときはパッチ長Ｌの変化に伴って大きく変化している。これに対し、パッチ長Ｌが０．５λｇより大きく、かつ図９（ｂ）に示すように振幅比が０．２以下、かつ図９（ｃ）に示すように位相差が１８０°より小さい範囲、特に位相差が１６５°以下のときに、振幅比や位相差は緩やかに変化し、結果としてパッチ長Ｌの変化に対して規格化利得の変化が小さく安定することがわかる。
【００４８】
上記説明のように、アレーアンテナ１００が広角な放射パターンを形成して広帯域な特性を有するようにするには、無給電素子１１２の励振方向の電気長であるパッチ長を０．５λｇより長く０．７５λｇ以下とし、励振方向と直交する方向の電気長であるパッチ幅を０．３５λｇ以上０．６５λｇ以下とし、さらに給電素子１１１における励振に対する無給電素子１１２における励振の振幅比及び位相差を、それぞれ０．２以下及び１６５°以下とするのがよい。本実施形態によれば、放射方向の正面の規格化利得が−１ｄＢ以上となってヌルが形成されず、広角度の範囲内で高い利得を有する放射パターンが得られ、アンテナ素子の寸法のばらつきに対してアンテナ特性が安定したロバストな広角アンテナ及びアレーアンテナを提供することが可能となる。
【００４９】
（第２実施形態）
本発明の広角アンテナ及びアレーアンテナの第２の実施形態を、図１０を用いて以下に説明する。図１０は、第２実施形態の広角アンテナ２１０、及び広角アンテナ２１０を複数配列して形成されたアレーアンテナ２００の構成を示す平面図である。本実施形態の広角アンテナ２１０は、給電素子１１１の励振方向に直交する方向の片側のみに無給電素子１１２を配置している。また、基板２２０の放射面側の外周に沿って導体層２２２が形成されており、無給電素子１１２が配置されていない給電素子１１１の他方の側面を導体層２２２に近接させている。導体層２２２は、図示しないスルーホールで基板２２０の放射面と反対側の面に形成されたグランド１２１に電気的に接続されており、通常のパターン形成で安価に形成することができる。
【００５０】
第１実施形態のアレーアンテナ１１０では、２つの無給電素子１１２を給電素子１１１の両側に配置するために、基板１２０の幅（励振方向と直交する方向の長さ）を長くする必要があった。そのため、広角アンテナ１１０を配置するための基板１２０の面積（広角アンテナ１１０の占有面積）が大きくなる。これに対し、本実施形態のアレーアンテナ２００では、無給電素子１１２を給電素子１１１の片方の側面のみに配置し、無給電素子１１２がない他方の側面を導体層２２２に近接させるようにしたことで、広角アンテナ２１０を配置するための基板２２０の面積（広角アンテナ２１０の占有面積）を小さくすることが可能となっている。本実施形態のアレーアンテナ２００では、第１実施形態のアレーアンテナ１００と同様に放射パターンの広角化を図るとともに、基板２２０の面積を小さくしている。
【００５１】
ここで、無給電素子１１２の有無により構成の異なるアレーアンテナの比較例を図１１に示し、本実施形態のアレーアンテナ２００及び広角アンテナ２１０で広角化を図るためになされた技術的特徴を説明する。図１１（ａ）は、アンテナの占有面積が第１の実施形態のアレーアンテナ１００と同じで無給電素子１１２を有さない第１の比較例のアレーアンテナ３０１の構成を示し、図１１（ｂ）は、アンテナの占有面積が第１の実施形態のアレーアンテナ１００と同じで無給電素子１１２を片方だけ有する第２の比較例のアレーアンテナ３０２の構成を示している。
【００５２】
また、図１１（ｃ）は、アンテナの占有面積を第２の実施形態のアレーアンテナ２００と同じに小さくして無給電素子１１２を有さない第３の比較例のアレーアンテナ３０３の構成を示している。第３の比較例のアレーアンテナ３０３は、第２実施形態のアレーアンテナ２００と比較して、給電素子１１１の片側に無給電素子１１２を有さない点で異なり、他方の側面を導体層２２２に近接させて基板２２０の面積を小さくしている点で同じ構成となっている。
【００５３】
本実施形態のアレーアンテナ２００の放射パターンを、第１〜３の比較例の放射パターンと比較したものを図１２に示す。図１２（ａ）は、横軸を放射角度とする放射パターンを示し、図１２（ｂ）は、放射角度０°及び±６０°における規格化利得の比較を示す。図１２（ａ）において、符号３０は本実施形態のアレーアンテナ２００の放射パターンを示し、符号３１〜３３はそれぞれ第１〜３の比較例の放射パターンを示す。また、図１２（ｂ）において、符号３４は放射角度０°における規格化利得を示し、符号３５、３６はそれぞれ＋６０°、−６０°における規格化利得を示している。
【００５４】
図１２（ａ）より、無給電素子１１２を設けず基板の面積が大きい第１の比較例３０１の放射パターン３１では、広角度での規格化利得を高くすることはできず、広角化が図られていない。また、無給電素子１１２を片方だけ設け基板の面積が大きい第２の比較例３０２の放射パターン３２では、広角化が図られているものの、無給電素子１１２を片側だけに配置したために利得のピークが放射角度０°からずれるといったオフセットが見られる。さらに、給電素子１１１の片側に無給電素子１１２を配置せず、他方の側面を導体層２２２に近接させた第３の比較例３０３の放射パターンでは、広角化が図られていない上に、利得ピークが放射角度０°から第２の比較例３０２とは反対側にずれるオフセットが見られる。
【００５５】
これに対し、本実施形態のアレーアンテナ２００では、給電素子１１１の片側に無給電素子１１２を配置するとともに、給電素子１１１の他方を導体層２２２に近接させることで、放射パターン３０の広角化が図られるとともに、利得ピークのオフセットも生じていない。
【００５６】
図１２（ｂ）では、広角方向（±６０°）の規格化利得が、無給電素子１１２を有さない第１の比較例３０１及び第３の比較例３０３で低く、片側だけ無給電素子１１２を有する第２の比較例３０２及び第２実施形態のアレーアンテナ２００で高くなっている。これより、第２の比較例３０２及び第２実施形態のアレーアンテナ２００で広角化が実現できていることがわかる。ただし、第２の比較例３０２では、放射角度＋６０°における規格化利得と放射角度−６０°における規格化利得とが大きく異なっている。これは、利得のピークにオフセットが生じているためである。これに対し、本実施形態のアレーアンテナ２００では、放射角度＋６０°における規格化利得と放射角度−６０°における規格化利得とがほぼ一致しており、オフセットが生じていないことがわかる。
【００５７】
本実施形態では、給電素子１１１の他方の側面に無給電素子１１２を配置する代わりに導体層２２２を近接させることで、広角度で高い利得が得られるとともに、第１実施形態と同様に無給電素子１１２のパッチ長の変化に対して安定した放射パターンが得られるロバストな広角アンテナ２１０及びアレーアンテナ２００が実現されている。なお、導体装荷による放射パターン調整の技術は様々存在するが、ここでのメリットのひとつは通常の基板製造で安価に形成することができることである。
【００５８】
図１０に示す本実施形態のアレーアンテナ２００及び広角アンテナ２１０において、給電素子１１１の他方の側面と導体層２２２との間の間隔をｄとするとき、間隔ｄを変えたときの放射角度０°、−６０°、＋６０°における規格化利得の変化を図１３に示す（それぞれ符号３４、３５、３６で示す）。同図より、間隔ｄが０．３λｇ以下のときは±６０°における規格化利得がほぼ等しく安定しているのに対し、間隔ｄが０．３λｇより大きくなるのに伴って＋６０°と−６０°における規格化利得の差が拡大していく。これより、給電素子１１１の他方の側面と導体層２２２との間の間隔ｄは、０．３λｇ以下とするのが好ましい。
【００５９】
本実施形態のアレーアンテナ２００及び広角アンテナ２１０における、パッチ長Ｌに対する規格化利得の変化を図１４に示す。図１４（ａ）は、図９（ａ）と同様に放射角度が０°、−６０°、＋６０°のときの規格化利得のパッチ長Ｌに対する変化を示し（それぞれ符号３４、３５、３６で示す）、図１４（ｂ）、（ｃ）は、図９（ｂ）、（ｃ）と同様に、パッチ長Ｌに対する振幅比の変化、及びパッチ長Ｌに対する位相差の変化、をそれぞれ示す。なおこの例では基板２２０の厚さを０．１６λg、パッチ幅Ｗを０．５λｇとしている。
【００６０】
図１４（ａ）より、パッチ長Ｌが略０．５λｇより大きく０．７５λｇ以下のときに、パッチ長Ｌの変化に対して規格化利得の変化が小さく安定することがわかる。規格化利得が安定するパッチ長Ｌが０．５λｇより大きく０．７５λｇ以下では、図１４（ｂ）に示すように振幅比が０．２以下で緩やかに変化している。また、位相差は、図１４（ｃ）に示すように１８０°より小さい範囲で変化しており、特に好適な利得が得られているのは位相差が１６５°以下のときである。
【００６１】
なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る広角アンテナの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における広角アンテナの細部構成及び詳細な動作などに関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１００、２００    アレーアンテナ
１１０、２１０    広角アンテナ
１１１  給電素子
１１２    無給電素子
１２０、２２０    基板
１２１    グランド
１２２、２２２    導体層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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