(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１枚の誘電体基板の裏面にグランド層を形成し、表面にパッチ素子によりアンテナパターンを形成したマイクロストリップ線路構造の平面アンテナを有するアンテナ装置であって、
所望周の波数ｆに対する前記誘電体基板上での電波波長をλとし、
給電線と接続され、電波放射を行う前記パッチ素子の電界偏波面方向の長さがλ／２であるときに、前記電界偏波面方向の長さをλ／８からλ／４とした無給電パッチ素子を前記給電線の近傍に配置したことを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記平面アンテナが、複数の前記給電線、前記パッチ素子及び前記無給電パッチ素子からなり、同期放射を行うように配線されているアレーアンテナ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】
前記無給電パッチ素子を前記パッチ素子と前記給電線との接続部分に形成されたデッドスペースに配置したことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記請求項１から請求項３に記載のアンテナ装置を搭載したレーダ装置。
【請求項５】
前記請求項１から請求項３に記載のアンテナ装置を搭載した無線通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置、レーダ装置および無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波を使う無線通信装置やレーダ装置においては、アンテナは最重要キーパーツの一つである。そのアンテナ構造は非常に種類が多く、アプリケーションによって使い分けられている。
【０００３】
車載ミリ波レーダの世界では、非特許文献１のＦｉｇ．３．２ａ）〜ｄ）や非特許文献２のＦｉｇ．５にあるような、串団子状のアンテナ構造が特に好んで多用されている。これについて、図５を用いて説明する。
【０００４】
図５において、誘電体基板（５０１）の裏面はベタグランドであり、表面にアンテナが形成され、いわゆるマイクロストリップ線路構造の平面アレーアンテナになっている。この模式図では６個の給電パッチ素子（５０３）がＹ方向に一列に並んでアレー化されており、それらを給電線（５０５）が電気的に接続している。さらに、全体が入出力ポート（５０６）へ接続されている。
【０００５】
この構造で、所望の周波数ｆに対する電波波長をλとすると、給電パッチ素子（５０３）と給電線（５０５）のＹ方向の長さを約λ／２に設計しておけば、全体が周波数ｆで共振を起こす。すると、矢印（５０７）方向を電界偏波面として、６個の給電パッチ素子（５０３）が同期して電波を放射する。
【０００６】
図４は、実際に、電磁界シミュレータ（村田ソフトウェア「Ｆｅｍｔｅｔ」）を使って、この構造を解析した一例である。図４（ａ）は、３次元形状モデル、図４（ｂ）は、アンテナ放射パターンの計算結果を極座標表示したグラフである。グラフ中で使う用語は、図８で説明している。
【０００７】
車載レーダであるため、アンテナは、地面と垂直に立てて使用される。地面に垂直なビーム断面方向は、この図では、Ｙ軸方向に相当するが、一般的には、図８に示す「Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ方向」と呼ばれる。一方、地面に水平なビーム断面方向は、この図ではＸ軸方向に相当するが、これは、図８に示す「Ａｚｉｍｕｔｈ方向」と呼ばれる。
【０００８】
図４（ｂ）から分るように、Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ方向は、６素子アレー化の効果でビーム幅が狭く絞られるよう調整されているが、Ａｚｉｍｕｔｈ方向は、何も調整する手段が無いために広いビームとなっている。
【０００９】
なお、レーダ装置ではなく、無線通信装置の場合は、図６で示すアンテナ構造が好んで多用されている。図６は、トーナメント型アレーアンテナなどと呼ばれ、入出力ポート（６０６）から入った信号が電力２分岐を３回繰り返した後、末端の計１６個のパッチ素子（６０３）に給電される仕組みである。
【００１０】
上記のように、Ａｚｉｍｕｔｈ方向のビーム幅を調整する設計手段が無かったため、幾つかの改良方法が提案されてきた。その中の一系統に、無給電パッチ素子を追加する方法がある。
【００１１】
図７は、特許文献１の図１をその趣旨はそのままに、説明しやすいように、書き換えたものである。この構造は、図５の構造に対して、給電パッチ素子（５０３、７０３）の両横に無給電パッチ素子（７０４）を追加したものである。電界偏波面（７０７）方向において、無給電パッチ素子（７０４）の長さは、共振理論値であるλ／２よりも若干長い、０．５〜０．７５λに設計されるのが特徴である。
【００１２】
無給電パッチ素子（７０４）の長さが、共振理論値よりも若干長いために、無給電パッチ素子（７０４）は、不完全ながら共振や放射を起こし得る。そのため、隣接する給電パッチ素子（７０３）が共振を始めると、両者は、弱い電磁界結合で結ばれ、緩やかに一体化されたアンテナとして振舞う。その結果として特許文献１は、ビーム幅を広げる方向には調整が可能である、と述べている。
【００１３】
以下では、ビーム幅の数ｄｅｇレベルの増減を議論して行くため、アンテナ放射パターンについては、図４（ａ）の極座標グラフよりも、図３の矩形グラフを用いる。図３のグラフでは、図５の放射パターン（３１１）に対して、図７の放射パターン（３１２）は、広くなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１３−１６８８７５号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】Ｍａｒｉａ  Ｓ．Ｇｒｅｃｏ，“Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｒａｄａｒ”，２０１２  ＩＥＥＥ  Ｒａｄａｒ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｍａｙ  ７−１１，Ａｔｌａｎｔａ、インターネット＜URL：http://www.iet.unipi.it/m.greco/esami_lab/Radar/automotive_radar.pdf＞
【非特許文献２】Ｍａｒｔｉｎ  Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ，“Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｒａｄａｒ−Ｓｔａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｔｒｅｎｄｓ”，ＧｅＭｉＣ  ２００５、インターネット＜URL：https://duepublico.uni-duisburg-essen.de/servlets/Derivate-14581/Paper/5_3.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献１と図７に示すアンテナには、４つの問題があった。
第１の問題は、特許文献１は、根本的に、Ａｚｉｍｕｔｈ方向のビーム形状を広げる方法のみを開示しており、細く絞る方法を開示していないことである。
【００１７】
第２の問題は、図７から明らかなように、追加された無給電パッチ素子（７０４）の分だけアンテナの占有面積が増えてしまうことである。非特許文献２の図から分るように、一般的な車載レーダ装置では、現在でも、アンテナの占有面積は非常に大きく、これ以上面積を増やす余地が無い。
【００１８】
第３の問題は、特許文献１は、車載ミリ波レーダ装置で多用される図５の構造の調整方法は提供するものの、その他の構造のアンテナ、例えば、無線通信装置で多用される図６の構造については、何ら調整方法を提供できないことである。
【００１９】
第４の問題は、図５や図６の構造では、電波を放射して欲しい給電パッチ素子（５０３、６０３、７０３）だけでなく、電波を放射して欲しくない給電線（５０５、６０５、７０５）からも漏洩放射が起きてしまい、ロスが増えたりアンテナ放射パターンが歪んだりしてしまうことである。
【００２０】
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、アンテナの構造によらずＡｚｉｍｕｔｈ方向のビーム幅を細く絞るよう調整できるとともに、アンテナの占有面積の増大を防止し、電波を放射すべき給電パッチ素子のみが電波を放射するアンテナ装置、レーダ装置および無線通信装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
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。
【００２２】
形態１；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、１枚の誘電体基板の裏面にグランド層を形成し、表面にパッチ素子によりアンテナパターンを形成したマイクロストリップ線路構造の平面アンテナを有するアンテナ装置であって、所望の周波数ｆに対する前記誘電体基板上での電波波長をλとし、給電線と接続され、電波放射を行う前記パッチ素子の電界偏波面方向の長さがλ／２であるときに、前記電界偏波面方向の長さをλ／８からλ／４とした無給電パッチ素子を前記給電線の近傍に配置したアンテナ装置を提案している。
【００２３】
形態２；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記平面アンテナが、複数の前記給電線、前記パッチ素子及び前記無給電パッチ素子からなり、同期放射を行うように配線されているアレーアンテナであるアンテナ装置を提案している。
【００２４】
形態３；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記無給電パッチ素子を前記パッチ素子と前記給電線との接続部分に形成されたデッドスペースに配置したアンテナ装置を提案している。
【００２５】
形態４；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記形態１から形態３に記載のアンテナ装置を搭載したレーダ装置を提案している。
【００２６】
形態５；本発明の１またはそれ以上の実施形態は、前記形態１から形態３に記載のアンテナ装置を搭載した無線通信装置を提案している。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の１またはそれ以上の実施形態によれば、アンテナの構造によらずＡｚｉｍｕｔｈ方向のビーム幅を細く絞るよう調整できるとともに、アンテナの占有面積の増大を防止し、電波を放射すべき給電パッチ素子のみが電波を放射することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態に係るアンテナの構造とそのシミュレーション結果を示した図である。
【図２】本発明の応用形態に係るアンテナの構造を示した図である。
【図３】図１と図４と図７のシミュレーション結果の比較を示す図である。
【図４】関連技術に係るアンテナ構造とそのシミュレーション結果を示す図である。
【図５】図４のアンテナ構造を示す図である。
【図６】関連技術に係るアンテナの構造を示す図である。
【図７】関連技術に係るアンテナの構造を示す図である。
【図８】レーダ装置におけるビーム形状の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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合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。
【００３０】
＜実施形態＞
以下、図１を用いて、本実施形態について説明する。なお、図１は、車載ミリ波レーダ装置で多用されている図５の串団子状のアンテナ構造をベースとしたものである。
【００３１】
図１（ａ）は構造図であり、図１（ｂ）は、電磁界シミュレータ「Ｆｅｍｔｅｔ」の３次元形状モデル図でもある。図において、基本構造は図５と同じなのだが、給電線（１０５）の両側を挟むように、複数の無給電パッチ素子（１０４）が追加されていることが第１の特徴である。
【００３２】
給電パッチ素子（１０３）の電界偏波面（１０７）のＹ方向の長さが、所望の周波数ｆで共振を起こし易い約λ／２なのに対して、無給電パッチ素子（１０４）の長さＬは、それよりも短いλ／８＜Ｌ＜λ／４とすることが第２の特徴である。
【００３３】
無給電パッチ素子（１０４）の長さが、共振理論値（λ／２）よりも十分小さいために、無給電パッチ素子（１０４）は、共振や放射をほとんど起こさず、これにより、理想グランドのように振舞う。そのため、隣接する給電パッチ素子（１０３）が共振を始めると、その放射電磁波は無給電パッチ素子（１０４）の理想グランドで反射され、Ａｚｉｍｕｔｈ方向のビーム幅が絞られることになる。
【００３４】
図１（ｂ）は、アンテナ放射パターンの計算結果を極座標表示されたグラフで示している。これを図４（ｂ）と比較するため、図３の矩形グラフに重ねてプロットした。本実施形態のビーム（３１３）幅は、図４（ｂ）のビーム（３１１）幅よりも狭くなっていることが分る。
【００３５】
また、図３のグラフを見ると、本実施形態のビーム（３１３）の縦軸（アンテナゲイン）のピーク値は、図４（ｂ）のビーム（３１１）のピーク値よりも高いことが分る。原因の一つは、単純に、ビーム幅の違いによる電力分散効果の違いによるものであるが、それ以上に高いように見える。その原因は、給電線（１０５）からの漏洩放射の差と考えられる。図１（ａ）の本実施形態の構造では、給電線（１０５）の両横が無給電パッチ素子（１０４）の理想グランドでガードされており、そのため横方向へは漏洩放射が起きないためである。
【００３６】
なお、図１（ａ）から明らかなように、本実施形態では、無給電パッチ素子（１０４）を複数追加したものの、コンパクトなレイアウトにまとめられているため、アンテナの占有面積はほとんど増えていない。
【００３７】
以上、説明したように、本実施形態によれば、特許文献１に記載の技術に対して、無給電パッチ素子（１０４）の電界偏波面方向の長さＬが、共振理論値よりも小さい。そのため、特許文献１に記載の技術では、無給電パッチ素子（７０４）が弱い共振器あるいは放射器として振舞うが、本実施形態の無給電パッチ素子（１０４）は、理想グランドとして振舞うため、隣接する給電パッチ素子（１０３）が共振を始めると、その放射電磁波は無給電パッチ素子（１０４）の理想グランドで反射され、Ａｚｉｍｕｔｈ方向のビーム幅が絞られる。
【００３８】
また、特許文献１に記載の技術では、無給電パッチ素子（７０４）の配置位置が給電パッチ素子（７０３）の横近傍であるが、本実施形態の無給電パッチ素子（１０４）の配置位置は、給電線（１０５）の横近傍であるため、無給電パッチ素子（１０４）を配置することによるアンテナの占有面積は、あまり変わらない。また、本実施形態では、無給電パッチ素子（１０４）が給電線（１０５）の横近傍に配置され、しかも、理想グランドとして機能することから、給電線（１０５）の漏洩放射を効果的に抑制することができる。
【００３９】
＜応用形態＞
上記、実施形態では、アンテナ装置をレーダ装置に用いる例について説明したが、本実施形態に係るアンテナ装置を無線通信装置に用いることも可能である。
【００４０】
図２は、本実施形態に係るアンテナ装置を無線通信装置で多用されているアレーアンテナ構造に適用した一例を示している。
【００４１】
図２に示すように、無給電パッチ素子（２０４）は、主に、アレーアンテナの周辺部の隙間を使い、無理の無い範囲で図１（ａ）と同様に配置されている。したがって、無給電パッチ素子（２０４）を配置することによるアンテナの占有面積は、あまり変わらない。また、無給電パッチ素子（２０４）が給電線（２０５）の横近傍に配置され、しかも、理想グランドとして機能することから、給電線（２０５）の漏洩放射を効果的に抑制することができる。
【００４２】
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】
【００４３】
１０１；誘電体基板
２０１；誘電体基板
１０３；給電パッチ素子
２０３；給電パッチ素子
１０４；無給電パッチ素子
２０４；無給電パッチ素子
１０５；給電線
２０５；給電線
１０６；入出力ポート
２０６；入出力ポート
１０７；電界偏波方向
２０７；電界偏波方向
１２１；Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ方向パターン
１２２；Ａｚｉｍｕｔｈ方向パターン
【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】
0006647121.tif 000009