(57)【要約】【課題】マイクロストリップアンテナにおいて、簡単構造のスイッチを用いて、良好な電波ビーム方向制御性能を得る。【解決手段】  基板１０前面上の複数のアンテナ電極１２A〜１２Dの所定箇所にある接地点２０A〜２０Dを、それぞれ、アンテナ電極１２A〜１２Dの背後の基板１０裏面上に設けたスイッチを介して、選択的にグランドレベルに接続できるようにする。スイッチには、オフ時の反射波の戻りを抑制するための格別の回路構造をもたない半導体スイッチング素子、例えば単体の電界効果トランジスタまたはバイポーラトランジスタが用いられる。どのアンテナ電極のスイッチをオンするかを選択することで、電波ビーム方向を良好に変化させ得る。【選択図】図１
2007158708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性の基板と、
前記基板の一面に配置された複数のアンテナ電極と、
前記基板に設けられる、グランドレベルを提供するためのアース電極と、
少なくとも一つのアンテナ電極の所定箇所にある接地点に接続された一端をもつ電気導通路と、
前記電気導通路の他端と前記アース電極との間に接続されたスイッチと
を備え、
前記スイッチは、前記電気導通路の他端と前記アース電極との間に接続されたオンオフ制御可能な信号伝達路を有し、前記信号伝達路のオフ時に前記信号伝達路の開放端で生じる反射波の戻りを抑制するための反射波抑制構造を有しない半導体スイッチング素子であるマイクロストリップアンテナ。
【請求項２】
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記スイッチが、単体の電界効果トランジスタまたは単体のバイポーラトランジスタであるマイクロストリップアンテナ。
【請求項３】
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記スイッチが、単体のGaAs-金属半導体接合電界効果トランジスタ、GaAs高電子移動度トランジスタ、GaAs-ヘテロ接合バイポーラトランジスタまたはSiGe-ヘテロ接合バイポーラトランジスタであるマイクロストリップアンテナ。
【請求項４】
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記アンテナ電極と前記スイッチとの間の前記電気導通路の長さが、前記高周波信号の前記基板表面での半波長の整数倍に設定されているマイクロストリップアンテナ。
【請求項５】
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記複数のアンテナ電極が、それぞれ、高周波信号を印加するための給電点をもつ給電素子であるマイクロストリップアンテナ。
【請求項６】
請求項１記載のマイクロストリップアンテナにおいて、
前記少なくとも一つのアンテナ電極が、高周波信号を印加するための給電点をもたない無給電素子であり、
別の少なくとも一つのアンテナ電極が、高周波信号を印加するための給電点をもつ給電素子であるマイクロストリップアンテナ。
【請求項７】
請求項１のマイクロストリップアンテナを送信アンテナおよび受信アンテナとして備え、前記送信アンテナから放射した電波ビームの物体からの反射波または透過波を前記受信アンテナで受信し、受信信号に基づいて前記物体をセンスする高周波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１以上のアンテナ電極の励振状態（電流値や位相）をスイッチで制御することにより電波ビームの方向を変化させることができるマイクロストリップアンテナ、及びそのようなマイクロストリップアンテナを用いた高周波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
国際公開WO 2005/099039 A1号パンフレットに開示されたこの種のマイクロストリップアンテナでは、誘電体基板の表面上に複数のアンテナ電極が配列され、それらのアンテナ電極は例えば、数GHz〜数十GHzのような高周波信号により励振される。そして、それらのアンテナ電極（または特定の一部のアンテナ電極）の各々の特定箇所を個別にグランドレベルに接続するためのスイッチが設けられ、それらのスイッチを操作して、どのアンテナ電極をグランドレベルに接続するかを選択することにより、このアンテナからの電波ビームの放射方向が変化する。
【０００３】
【特許文献１】国際公開WO 2005/099039 A1号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的な技術常識に基づけば、上述したマイクロストリップアンテナにおいて、電波ビームの方向制御について実用的な性能を得るためには、上記スイッチとして、使用周波数帯（例えば数GHz〜数十GHｚ）におけるアイソレーション性能（オフ状態で特定周波数帯の信号を遮断する能力）が高いスイッチを使用するべきである。そして、そのような高周波信号の高アイソレーション性能をもつスイッチの典型として、MMIC（Microwave Monolithic Integrated Circuit）として構成された高周波スイッチが知られている。MMICタイプの高周波スイッチでは、FETのようなスイッチング素子が４つ組み込まれたSPDTスイッチ（Single Pole Double Throw switch）が主流である。MMICタイプの高周波スイッチには、各信号路がオフになったときにその信号路の開放端から反射波が戻ってこないようにする構造（例えば、開放端に５０Ωを接続しグランドへ短絡）が組み込まれているため、アイソレーション性能が高い。また、MMICタイプの高周波スイッチでは、各信号路は複数のFETを組み合わせて構成され、各信号路がオン状態のとき、その信号路を通って高周波電流が双方向に流れることができ、信号の伝送損失が少なく伝播特性に優れている。
【０００５】
しかしながら、MMICタイプの高周波スイッチは高価である。また、MMICタイプの高周波スイッチは大型であるから、これを上述したマイクロストリップアンテナの基板上に搭載しようとすると、マイクロストリップアンテナ全体を小型にすることが難しくなる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、マイクロストリップアンテナにおいて、簡単な構造のスイッチを用いるだけで、良好な電波ビーム方向制御性能を得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に従うマイクロストリップアンテナは、電気絶縁性の基板と、前記基板の一面に配置された複数のアンテナ電極と、前記基板に設けられる、グランドレベルを提供するためのアース電極と、少なくとも一つのアンテナ電極の所定箇所にある接地点に接続された一端をもつ電気導通路と、前記電気導通路の他端と前記アース電極との間に接続されたスイッチとを備える。前記スイッチは、前記電気導通路の他端と前記アース電極との間に接続されたオンオフ制御可能な信号伝達路を有し、前記信号伝達路のオフ時に前記信号伝達路の開放端で生じる反射波の戻りを抑制するための反射波抑制構造を有しない半導体スイッチング素子である。
【０００８】
本発明に従うマイクロストリップアンテナでは、或るアンテナ電極をアース電極に接続するか切り離すかを制御するためのスイッチとして、格別の反射波抑制構造を有しない簡単な構成の半導体スイッチング素子を用いるだけで、電波ビームの方向を良好に可変制御することができる。
【０００９】
前記スイッチとしての半導体スイッチング素子には、例えば、単体の電界効果トランジスタまたは単体のバイポーラトランジスタが採用できる。その具体例は、単体のGaAs-金属半導体接合電界効果トランジスタ、GaAs高電子移動度トランジスタ、GaAs-ヘテロ接合バイポーラトランジスタまたはSiGe-ヘテロ接合バイポーラトランジスタなどである。
【００１０】
本発明のマイクロストリップアンテナにおいて、アンテナ電極とスイッチとの間に設けられた電気導通路は、その長さが前記高周波信号の基板表面での半波長の整数倍に設定されることができる。それにより、スイッチのオフ時にスイッチからアンテナ電極へ戻ろうとする反射波が抑制されてアイソレーション性能が向上するので、より良好な電波ビーム方向可変制御性能を得ることができる。
【００１１】
一つの実施形態にかかるマイクロストリップアンテナでは、基板上の複数のアンテナ電極が、それぞれ、高周波信号を印加するための給電点をもつ給電素子である。また、別の実施形態にかかるマイクロストリップアンテナでは、スイッチに接続されるアンテナ電極が、高周波信号を印加するための給電点をもたない無給電素子であり、別の少なくとも一つのアンテナ電極が、高周波信号を印加するための給電点をもつ給電素子である。
【００１２】
本発明に従う高周波センサは、本発明に従うマイクロストリップアンテナを送信アンテナおよび受信アンテナとして備え、送信アンテナから放射した電波ビームの物体からの反射波または透過波を受信アンテナで受信し、その受信信号に基づいて物体をセンスする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、アンテナ電極をアース電極に接続したり切り離したりするためのスイッチとして、例えば単体のトランジスタのように、反射波抑制構造を有しない簡単な半導体スイッチング素子を用いるだけで、電波ビームの方向制御について実用的な性能を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態にかかるマイクロストリップアンテナの平面図、図２は、図１のA-A線に沿った同アンテナの断面図である。
【００１５】
図１と図２に示すように、このマイクロストリップアンテナは、電気絶縁性の誘電体材料製の基板１０の前面上に、それぞれ矩形状の金属薄膜からなる複数（例えば４つ）のアンテナ電極１２（１２A、１２B、１２C、１２D）の配列を有する。また、基板１０の裏面上には、金属薄膜ストリップからなる給電ライン１４が設けられる。基板１０の裏面上に、数GHz〜数十GHｚの範囲内の所定周波数の高周波信号を発生する発振回路２４が搭載され、この発振回路２４の出力端子が給電ライン１４の中央にある元給電点１６に接続される。給電ライン１４は４本に枝分かれし、それらの枝の末端がそれぞれ上記４つのアンテナ電極１２（１２A、１２B、１２C、１２D）の特定位置にある給電点１８（１８A、１８B、１８C、１８D）に接続される。このように発振回路２４から高周波信号の印加を受ける給電点１８をもつアンテナ電極１２を、以下、給電素子という。
【００１６】
図２に２つの給電素子１２Aと１２Cについてのみ代表して示すように、給電ライン１４の各枝と各給電素子１２の給電点１８との間の接続は、基板１０を貫通する導通路（以下、このような信号伝送路をスルーホールという）２６（２６A、２６C）を介してなされる。給電ライン１４における元給電点１６から４つの給電素子１２（１２A、１２B、１２C、１２D）の給電点１８（１８A、１８B、１８C、１８D）までの信号伝達路の長さは、同一である。なお、変形例として、給電ライン１４は、給電素子１２と同様に基板１０の前面上に配置され、給電ライン１４の元給電点１６と発振回路２４との出力端子との間の接続がスルーホールを介してなされてもよい。
【００１７】
図２に示すように、基板１０の裏面には、グランドレベルに保持されるアース電極２２が設けられる。さらに、図２に２つの給電素子１２Aと１２Cについてのみ代表して示すように、４つの給電素子１２（１２A、１２B、１２C、１２D）の背後に相当する基板１０の裏面の４つの位置に、４つのスイッチ２８（２８A、２８C）がそれぞれ搭載される。各スイッチ２８は、通常の単体の半導体スイッチング素子、例えばFET(電界効果トランジスタ）またはバイポーラトランジスタであり、その典型的な具体例を挙げれば、通常の単体のGaAs-MES-FET（金属半導体接合電界効果トランジスタ）、GaAs-HEMT（高電子移動度トランジスタ）、GaAs-ヘテロ接合バイポーラトランジスタまたはSiGe-ヘテロ接合バイポーラトランジスタなどである。
【００１８】
各スイッチ２８のオンオフ制御され得る信号伝達路（FETのソース−ドレイン路、またはバイポーラトランジスタのエミッタ−コレクタ路）の一方の端子（例えばソース端子またはエミッタ端子）は、対応する各給電素子１２の給電点１８とは異なる特定箇所（以下、接地点という）２０（２０A、２０B、２０C、２０D）にスルーホール３０（３０A、３０B、３０C、３０D）を介して接続され、また、他方の端子（例えばドレイン端子またはコレクタ端子）はアース電極２２に接続される。或いは、各スイッチ２８の上記信号伝送路は、上記とは逆の方向に、すなわち、例えばドレイン端子またはコレクタ端子が対応する各給電素子１２の接地点２０に、かつ、ソース端子またはエミッタ端子がアース電極２２に接続されてもよい。
【００１９】
以上の構成をもつマイクロストリップアンテナにおいて、４つの給電素子１２に対応する４つのスイッチ２８の全てがオフ状態のときには、４つの給電素子１２は同一位相の高周波信号により励振される。その結果、電波ビームが放射される方向は基板１０に対して垂直な方向になる。他方、４つのスイッチ２８のうちの一部のスイッチ２８がオン状態で、他のスイッチ２８がオフ状態である場合には、オン状態のスイッチ２８に対応する給電素子１２の接地点２０がアース電極２２に接続されるので、オン状態のスイッチ２８に対応する給電素子１２の高周波信号が、オフ状態のスイッチ２８に対応する給電素子１２の高周波信号に対して、位相において或る量だけずれる（進むかまたは遅れる）。その結果、電波ビームが放射される方向が、基板１０に対して垂直な方向から、位相の相対的に遅れた給電素子１２の位置側へ或る角度だけ傾く。従って、どのスイッチ２８をオンにしかつオフにするかを選択することにより、電波ビームの放射方向を意図的に変化させることができる。
【００２０】
スイッチ２８には、数GHz〜数十GHｚのような使用周波数信号に対するアイソレーション性能の高いMMICタイプの高周波スイッチを用いることも勿論可能である。しかし、発明者らの研究によると、後述するように、格別の反射波抑制構造を有せずよって使用周波数信号に対するアイソレーション性能が高くはない上述したような通常の単体の半導体スイッチング素子、例えば単体のトランジスタ、をスイッチ２８として用いた場合にも、実用的に十分な電波ビーム方向制御性能を得ることができる。
【００２１】
図３は、本発明の別の実施形態にかかるマイクロストリップアンテナの平面図、図４は、図３のB-B線に沿った同アンテナの断面図である。
【００２２】
図３と図４に示すように、このマイクロストリップアンテナは、電気絶縁性の誘電体材料製の基板４０の前面上に、矩形状の金属薄膜からなる中央の１つのアンテナ電極４２と、この中央のアンテナ電極４２の周囲に配置されたそれぞれ矩形状の金属薄膜からなる複数（例えば４つ）のアンテナ電極４４（４４A、４４B、４４C、４４D）の配列を有する。また、基板４０の裏面上には、金属薄膜ストリップからなる給電ライン１４が設けられる。基板１０の裏面上に、数GHz〜数十GHｚの範囲内の所定周波数の高周波信号を発生する発振回路５２が搭載され、この発振回路５２の出力端子が中央のアンテナ電極４２の所定位置にある給電点４６に、スルーホール５４を介して接続される。この中央のアンテナ電極４２は、発振回路５２から高周波信号の印加を受ける給電素子である。他方、周囲の４つのアンテナ電極４４（４４A、４４B、４４C、４４D）は、給電点を有しない、すなわち、発振回路５２から高周波信号の印加を受けることが無く、これを以下、無給電素子という。各無給電素子４４では、給電素子４２からの誘導により高周波が誘起されることになる。
【００２３】
図４に示すように、基板１０の内部（または裏面でもよい）には、グランドレベルに保持されるアース電極５６が設けられる。図４に２つの無給電素子４４Bと４４Cについてのみ代表して示すように、４つの無給電素子４４（４４A、４４B、４４C、４４D）の背後に相当する基板４０の裏面の４つの位置に、４つのスイッチ５８（５８A、５８C）がそれぞれ搭載される。各スイッチ５８は、通常の単体の半導体スイッチング素子、例えばFETまたはバイポーラトランジスタであり、その典型的な具体例を挙げれば、通常の単体のGaAs-MES-FET（金属半導体接合電界効果トランジスタ）、GaAs-HEMT（高電子移動度トランジスタ）、GaAs-ヘテロ接合バイポーラトランジスタまたはSiGe-ヘテロ接合バイポーラトランジスタなどである。
【００２４】
各スイッチ５８のオンオフ制御され得る信号伝達路（FETのソース−ドレイン路、またはバイポーラトランジスタのエミッタ−コレクタ路）の一方の端子（例えばソース端子またはエミッタ端子）は、対応する各無給電素子４４の特定箇所（以下、接地点という）４８（４８A、４８B、４８C、４８D）にスルーホール６０（６０B、６０C）を介して接続され、また、他方の端子（例えばドレイン端子またはコレクタ端子）はアース電極５６に接続される。或いは、各スイッチ５８の上記信号伝送路は、上記とは逆の方向に、すなわち、例えばドレイン端子またはコレクタ端子が対応する各無給電素子４４の接地点４８に、かつ、ソース端子またはエミッタ端子がアース電極５６に接続されてもよい。
【００２５】
以上の構成をもつマイクロストリップアンテナにおいて、各無給電素子４４に誘起される高周波と給電素子４２の高周波との間には位相差が存在し、その位相差により、電波ビームの放射方向が決まる。そして、各無給電素子４４に対応する各スイッチ５８がオフ状態であるかオン状態であるかにより、各無給電素子４４と給電素子４２との間の上記位相差が変化するので、電波ビームの放射方向が変化する。従って、どのスイッチ５８をオンにしかつオフにするかを選択することにより、電波ビームの放射方向を意図的に変化させることができる。
【００２６】
スイッチ５８には、数GHz〜数十GHｚのような使用周波数信号に対するアイソレーション性能の高いMMICタイプの高周波スイッチを用いることも勿論可能である。しかし、発明者らの研究によると、後述するように、格別の反射波抑制構造を有せずよって使用周波数信号に対するアイソレーション性能が高くはない上述したような通常の単体の半導体スイッチング素子、例えば単体のトランジスタ、をスイッチ２８として用いた場合にも、実用的に十分な電波ビーム方向制御性能を得ることができる。
【００２７】
図５Aと図５Bは、上述した２つの実施形態にかかるマイクロストリップアンテナにおいて、アンテナ電極をアース電極に接続するためのスイッチとして、上述したような通常の単体の半導体スイッチング素子を用いた場合とMMICタイプの高周波スイッチを用いた場合とにおける当該スイッチの作用の違いを示したものである。
【００２８】
スイッチ図５Aには、単体の半導体スイッチング素子（例えば単体のトランジスタ）７４を用いた場合が示されている。図５Bには、MMICタイプの高周波スイッチ７６を用いた場合が示されている。図５Bに示されるMMICタイプの高周波スイッチ７６には、その信号伝達路がオフ状態であるときに、その信号伝達路の開放端点からの反射波の戻りを阻止して、アイソレーション性能を高めるための格別の反射波抑制構造が組み込まれている。そのため、高周波スイッチ７６がオフ状態の時に、高周波スイッチ７６からアンテナ電極７２へ向かって反射波が戻ることはない。これに対し、図５Aに示される単体半導体スイッチング素子７４は、上述したような反射波抑制構造を有しない。そのため、単体半導体スイッチング素子７４がオフ状態であるとき、アンテナ電極７２から単体半導体スイッチング素子７４に入った高周波信号が単体半導体スイッチング素子７４内の信号伝達路の開放端で反射して、その反射波８２がアンテナ電極７２に向かって戻るという現象が生じる。
【００２９】
また、図５Bに示されるMMICタイプの高周波スイッチ７６では、その信号伝達路がオン状態であるとき、その信号伝達路では、高周波信号電流が双方向に流れることができる。これに対し、図５Aに示される単体トランジスタスイッチ７４は、それがオン状態のとき、原則的に一方向にのみ電流を流すことができる。
【００３０】
こうしたことから、常識的には、単体半導体スイッチング素子７４を用いた場合には、実用できる程度の良好な電波ビーム方向制御性能が得にくいと予想される。ところが、発明者らが試験した結果によると、MMICタイプの高周波スイッチ７６をわざわざ用いなくても、単体半導体スイッチング素子７４を用いた場合でも、実用できる程度の良好な電波ビーム方向制御性能が得られることが判明した。
【００３１】
因みに、高周波信号を生成する発振部からアンテナ電極までの伝送線路中に、線路長の異なる２本以上の伝送路を有し、それらの伝送路の両端に接続されたスイッチにより高周波信号が伝播される伝送路を選択することで、電波ビームの方向を可変制御することができるフェーズドアレイアンテナが知られている。このような構造のフェーズドアレイアンテの場合、スイッチに単体半導体スイッチング素子を使用すると、そこで伝送損失が生じ、アンテナ電極へ伝播される信号の電力量が減少し、アンテナから放射される電波ビームの電力量が低下するという問題が生じる。これに対し、上述したような本発明の実施形態にかかるマイクロストリップアンテナの場合には、発振部からアンテナ電極までの伝送線路中にはスイッチが存在しない構造が採用されているため、スイッチに要求される信号の伝播性能はそれほど高くなくても上記のような問題は無く、ゆえに、単体半導体スイッチング素子を使用することができる。
【００３２】
また、単体半導体スイッチング素子７４からの反射波８２については、アンテナ電極７２と単体半導体スイッチング素子７４との間の信号伝送路７８の長さLを、高周波信号の基板（図１の参照番号１０、または図３の参照番号４０）表面での半波長の整数倍の近傍に設定することで、反射波８２を問題ないよう十分に小さく抑制することが可能である。
【００３３】
本発明の一実施形態に従う高周波センサは、上述した本発明の実施形態に従うマイクロストリップアンテナを用いた送信アンテナおよび受信アンテナを有する。送信アンテナとしてのマイクロストリップアンテナと、受信アンテナとしてのマイクロストリップアンテナとが別個に設けれていてもよいし、或いは、両者が同じ一つのマイクロストリップアンテナであってもよい。この高周波センサは、本発明に従うマイクロストリップアンテナから所望方向へ電波ビームを放射し、その方向に存在する物体からの電波ビームの反射波または透過波を本発明に従うマイクロストリップアンテナで受信し、その受信信号に基づいて（受信信号のみに基づいてもよいし、受信信号と送信信号をミキシングして得られるドップラ信号に基づいてもよい）、物体の有無や状態などをセンスする。
【００３４】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。アンテナ電極の配置や個数などには様々なバリエーションが採用でき、例えば国際公開WO 2005/099039 A1号パンフレットに開示された種々のアンテナにも本発明が適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態にかかるマイクロストリップアンテナの平面図。
【図２】図１のA-A線に沿った同アンテナの断面図。
【図３】本発明の別の実施形態にかかるマイクロストリップアンテナの平面図。
【図４】図３のB-B線に沿った同アンテナの断面図。
【図５】上記２つの実施形態にかかるマイクロストリップアンテナにおいて、アンテナ電極をアース電極に接続するためのスイッチとして、通常の単体の半導体スイッチング素子を用いた場合（図５A）と、MMICタイプのスイッチを用いた場合（図５B）とのスイッチの作用の違いを示した説明図。
【符号の説明】
【００３６】
１０  基板
１２（１２A、１２B、１２C、１２D）  アンテナ電極（給電素子）
１４  給電ライン
１６  元給電点
１８（１８A、１８B、１８C、１８D）  給電点
２０（２０A、２０B、２０C、２０D）  接地点
２２  アース電極
２４  発振回路
２６（２６A、２６C）  スルーホール
２８（２８A、２８C）  スイッチ
３０（３０A、３０B、３０C、３０D）  スルーホール
４０  基板
４２  アンテナ電極（給電素子）
４４（４４A、４４B、４４C、４４D）  アンテナ電極（無給電素子）
４６  給電点
５４  スルーホール
５６  アース電極
５８（５８A、５８C）  スイッチ
６０（６０B、６０C）  スルーホール
【図１】
2007158708.tif 000003
【図２】
2007158708.tif 000004
【図３】
2007158708.tif 000005
【図４】
2007158708.tif 000006
【図５】
2007158708.tif 000007