JP7120106B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

この発明は、レドームを有するアンテナ装置に関するものである。

従来、広帯域かつ広角にわたり、平行成分と垂直成分の振幅値の差が小さい電波を放射するために、スパイラルアンテナを用いたアンテナ装置がある（例えば、特許文献１参照）。アンテナ装置は、水圧などの多方向からの圧力に対しての耐性を持たせたい場合、厚みのあるレドームを設けることでアンテナ素子を保護することがある（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。

アンテナ素子から放射された電波がレドームに反射され、レドームの厚みによってはアンテナ特性を劣化させてしまうことがあり、これを抑制する必要がある。特許文献２では、レドームとアンテナ素子との間の空間を適切に調整し（使用周波数の１／２波長、１／４波長など）、レドームによる反射波を抑圧している。また、特許文献３では、レドームとアンテナ素子との間の空間の一部に、波源に対して適切な位置及び厚さの誘電体を挿入してレドームからの反射波を打ち消すことでアンテナ特性の劣化を防止している。

特開２０１１－２０５５３７号公報 特開２００１－１２７５２３号公報 特開２００４－２００８９５号公報

しかしながら、特許文献２に記載のレドームは、周波数依存性が高くレドームが狭帯域特性になるため、広帯域にわたって電波を放射することが難しいという課題がある。特許文献３に記載のレドームは、波源位置を制限するため、波源が広範囲に位置するアンテナから電波を放射させることが難しいという課題がある。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、広帯域かつ広角にわたって電波を放射するアンテナに多方向からの圧力に対しての耐性を持たせたい場合であっても、アンテナ特性の劣化を低減させるアンテナ装置を得ることを目的とする。

この発明に係るアンテナ装置は、基板と、基板に形成されたスパライルアンテナの導体パターンと、導体パターンに接続された給電部と、導体パターンの電波の放射方向に設けられた半球状のレドームとを備え、基板の給電部を含み基板の外周より内側である第１の領域に形成された導体パターンは、第１の周波数の電波を放射し、基板の第１の領域より外側である第２の領域に形成された導体パターンは、第１の周波数よりも周波数が低い第２の周波数の電波を放射し、レドームの基板と対向する面である対向面のうち基板の第１の領域と対向する面の少なくとも一部は、対向面のうち第２の領域と対向する面よりも、基板との距離が遠いことを特徴とする。

本発明によれば、広帯域かつ広角にわたって電波を放射するアンテナに多方向からの圧力に対しての耐性を持たせたい場合であっても、アンテナ特性の劣化を低減させたアンテナ装置を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の断面図である。 本発明の実施の形態１に係る基板の上面図である。 本発明の実施の形態１に係る導体パターンの放射の様子を示す図である。 二種類のレドームの形状に対する電波の入射角の様子を示す図である。 平板レドームへの電波の入射角θiに対する電力透過率の一例を示すグラフである。 本発明の実施の形態１に係るレドームの断面図である。 本発明の実施の形態１に係る凹み部の位置を示した基板の上面図である。 本発明の実施の形態１に係る給電部の拡大図である。 本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の他の構成の基板の上面図を示す。 本発明の実施の形態１に係るアンテナ装置の他の構成のアンテナ装置の断面図である。 本発明の実施の形態２に係るアンテナ装置の断面図である。 本発明の実施の形態２に係る基板の上面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るアンテナ装置１００の断面図である。この断面は、基板１に垂直かつ給電部７を通る面である。アンテナ装置１００は、アンテナ部２とレドーム３とを備える。

アンテナ部２は、基板１（スパイラル基板１）、給電基板５、給電コネクタ６、給電部７、アンテナケース８で構成される。アンテナケース８は基板１、給電基板５、給電コネクタ６、給電部７を保持するものである。アンテナケース８は、１つの面が開口した筒状のケースである。アンテナケース８の開口面に、開口を塞ぐように基板１が設けられる。基板１には、給電部７が形成される。給電部７の一端は、アンテナケース８が設けられる面とは反対側に、基板１から突出する突出部を有する。給電部７の突出部と反対側である他端は、給電基板５の一端が接続される。給電基板５の他端は、アンテナケース８の外部に設けられた給電コネクタ６に接続される。これにより、給電基板５はアンテナケース８の内部に設けられる構成となる。

図２は基板１の上面図である。基板１は、円状のプリント基板等の基板である。ここでは、基板１の形状は円状であるが、形状は任意である。図２に示すように、基板１のアンテナケース８が設けられる面とは反対側の面には、スパイラルアンテナの導体パターンがエッチングなどの手法により形成される。スパイラルアンテナの導体パターンは、基板１の給電基板５が接続された面と反対側の面に形成されるともいえる。スパイラルアンテナの導体パターンは、自己補対構造を持つ螺旋状のアーム１ａとアーム１ｂである。アーム１ａとアーム１ｂは１８０度位相差で給電部７から並列給電される。このように、スパイラルアンテナは導体パターン（アーム１ａおよびアーム１ｂ）が二次元曲線の螺旋となっている。アーム１ａおよびアーム１ｂは、二次元曲線の螺旋を中心とした点対称構造となっている。なお、ここでは導体パターンの形状は、円状としたが、楕円状や、アーム１ａおよびアーム１ｂの幅が一定でない形状など、他の形状としてもよい。

給電部７は、導体パターンに接続される。給電部７は、基板１上において導体パターンの中央部（図２の点線で囲まれた部分）に形成される。給電部７は、導体パターン（アーム１ａおよびアーム１ｂ）と給電基板５とが電気的に接続されている部分である。これにより、高周波信号が給電コネクタ６から入力され、給電基板５、給電部７を通じて基板１に形成された導体パターンを励振する。励振された導体パターンから電波が放射される。

スパイラルアンテナの導体パターンであるアーム１ａおよびアーム１ｂの半径（給電部からアーム１ａまたはアーム１ｂまでの距離）をｒとすると、半径ｒのアーム１ａおよびアーム１ｂ上において、円周2πrと波長λが等しくなったとき、その波長λに相当する周波数の電波が半径ｒのアーム１ａおよびアーム１ｂ上から放射される。これにより、スパイラルアンテナは、動作周波数帯において、波長が短い高周波数帯では中央部付近から放射し、波長が長い低周波数帯では周辺部付近から放射することができる。すなわち、スパイラルアンテナでは、アーム長を伸ばして直径を大きくすることで広帯域特性を得ることができる。さらに、スパイラルアンテナ（アーム１ａおよびアーム１ｂ）は前述の通り、点対称構造となるため、広角にわたって平行成分と垂直成分の振幅値の差が少ない電波を放射することができる。

図３は、基板１の上面図であり、実施の形態１に係る導体パターンの放射の様子を示す図である。図３に示すように実施の形態１では、基板１上において、給電部７を含み、基板１の外周よりも内側である領域を第１の領域１１（図３の右上り斜線部分）とし、第１の領域１１の外側の領域を第２の領域１２（図３のドット部分）と設定する。このとき、第１の領域１１は、給電部７を中心とした円状である。また第２の領域１２は、第１の領域１１よりも半径の大きい給電部７を中心とした円の内側かつ第１の領域１１の外側の領域である。ここでは、この第１の領域１１よりも半径の大きい給電部を中心とした円（第２の領域の外周）は、基板１の外周部としているが基板１の外周部よりも内側としてもよい。このように基板１上の領域を設定したとき、上記で説明したスパイラルアンテナの構成により、第２の領域１２に形成された導体パターン（アーム１ａおよびアーム１ｂ）の一部は、第１の領域１１に形成された導体パターン（アーム１ａおよびアーム１ｂ）よりも周波数が低い電波を放射することになる。なお、ここでは第１の領域１１および第２の領域１２は、円状としたが、楕円状などの他の形状としてもよい。

図１に示すように、アンテナ部２には、導体パターン（アーム１ａおよびアーム１ｂ）の電波の放射方向にレドーム３が設けられる。レドーム３は、アンテナ部２を環境要因から保護するために設けられた半球状のレドームである。レドーム３は厚みを有し、基板１に近接する。つまり、レドーム３の内部は空洞ではなく、図１の縦縞部分が詰まった構成となる。導体パターン（アーム１ａおよびアーム１ｂ）から放射された電波は、このレドーム３を通して外部に放射される。レドーム３の外周面のうち、半球の底面にあたる面（対向面とよぶ）は、基板１と対向する。レドーム３の外面のうち、対向面に対して反対の面が、半球の曲面にあたる面（曲面とよぶ）となる。ここで、レドーム３の半球の曲面の曲率は、真球の曲率でなくてもよい。つまり、レドーム３は滑らかな曲面を有する凸状の立体形状であればよい。また、レドーム３は、近接する基板１でレドーム３の対向面を支える構成である。

レドーム３は、半球状であるため水中など多方向からの圧力を受ける場合であっても、圧力に対して均一の耐性をもつことができる。

また、レドーム３は、厚みを有する構成であるため、強度を上げることができ、外部からの圧力を受けた際にレドーム３の変形を防ぐことができる。また、レドーム３は厚みを有し、基板１に近接する構成であるため、空間による多重反射を低減させることができる。

図６に、本発明の実施の形態に係るレドーム３の断面図を示す。レドーム３は、基板１と対向する対向面のうち、基板１の第１の領域１１と対向する面（レドーム３の第１の領域と対向する部分における対向面）に、対向面からレドーム３の曲面に向かって半球状に凹んだ凹み部４が形成される。凹み部４は、半球状の空間である。つまり、レドーム３の対向面のうち、基板１の第１の領域１１と対向する面は、レドーム３の対向面のうち、基板１の第２の領域１２と対向する面よりも、基板１との距離が遠い構成となる。この構成により、レドーム３の厚みが大きい部分と対向する第１の領域１１に形成された導体パターンから放射される電波がレドーム３によって反射されることを軽減することができる。つまり、波長が短い高周波数の電波の放射を促すことができ、広帯域かつ広角に電波を放射するスパイラルアンテナの特性の劣化を低減させる効果を奏する。ここで、凹み部４の大きさ（第一の領域の半径）は、レドーム３の誘電率などを考慮した上で、得られたいアンテナの性能により任意に決定する。

ここでは、レドーム３の対向面において第１の領域１１と対向する面は、対向面の中央に位置する。これにより、凹み部４が、対向面の中央部に設けられることになる。凹み部４が対向面の中央部に設けられることにより、レドーム３が半球状であることによる効果に加え、さらに、多方向からの圧力を受ける場合に、圧力に対して均一の耐性をもつことができるという効果を奏する。なお、多方向からの圧力への耐性は小さくなるが、凹み部４がレドーム３の対向面の中央部に設けられない構成としてもよい。

また、凹み部４が半球状であるため、レドーム３へ入射する電波の平行成分と垂直成分の振幅値の差を抑えることができる。同様に、レドーム３の曲面が半球状であるため、レドーム３内から、レドーム３と外部との境界面へ入射する電波の平行成分と垂直成分の振幅値の差を抑えることができる。この電波の平行成分および垂直成分は、入射波が存在する面に対して電界成分が垂直か平行かで定義されるものである。

図４は、二種類のレドームの形状に対する電波の入射角の様子を示す図である。図４の（ａ）は、平板状レドーム３ａの断面図であり、平板状レドーム３ａに対する電波の入射角の様子を示す図である。図４の（ｂ）は、半球状レドーム３ｂの断面図であり半球状レドーム３ｂに対する電波の入射角の様子を示す図である。平板状レドーム３ａおよび、半球状レドーム３ｂの中央部と対向する点を波源９とした場合を例として、波源９から平板状レドーム３ａおよび、半球状レドーム３ｂへ入射する電波の伝搬方向を矢印で示している。図４から、アンテナが電波を広角まで放射する場合、半球状レドーム３ｂに比べて平板状レドーム３ａのほうが広角でのレドームへの入射角θiが大きくなることがわかる。また、図示しないが、レドーム内からレドームと外部との境界面への入射角θｊにおいても、同様に、半球状レドーム３ｂに比べて平板状レドーム３ａのほうが広角での入射角θｊが大きくなる。

図５は、平板レドームへの電波の入射角θiに対する電力透過率の一例を示すグラフである。この一例では、レドームの誘電率と厚みは任意である。横軸が、平板レドームへの電波の入射角θi、縦軸が電力透過率である。垂直成分を実線で示し、平行成分を破線で示す。図５から、レドームへの入射角θiが大きくなると、平行成分と垂直成分の電力透過率の差が大きくなることがわかる。すなわち、図４の（ａ）に示す平板状レドーム３ａは、広角でのレドームへの入射角θiが大きくなるため、平行成分と垂直成分の電力透過率の差が大きくなる。一方、図４の（ｂ）に示す半球状レドーム３ｂでは広角でもレドームへの入射角θiが大きくならないため、平行成分と垂直成分の振幅値の差を抑えることができることがわかる。これは電波の波長によらない特性である。また、この特性は、レドーム内からレドームと外部との境界面への入射角θｊにおいても、同様である。つまり、レドーム３の形状は、図４（ｂ）に示すような半球状とすることで、広帯域かつ広角に動作するスパイラルアンテナにおいて、平行成分と垂直成分の振幅値の差が小さいという特性の劣化を低減させることができる。これにより、スパイラルアンテナの広帯域特性を維持することができる。

なお、図４では、レドームの中央部と対向する点を波源とした例を示したが、スパイラルアンテナではレドームの中央部と対向する点だけでなく導体パターン全体が波源となる。そのため、何れの波源においてもレドームへの入射角θi及びレドーム内からレドームと外部との境界面への入射角θｊを０度に近づける必要がある。そこで、凹み部４の曲率及びレドーム３の曲面の曲率を、真球の曲率に近づけることで導体パターン全体においてレドームへの入射角θi及びレドーム内からレドームと外部との境界面への入射角θｊを０度に近づけることができる。

なお、ここでは凹み部４は半球状であるが、半球状でない構成でもよい。例えば、基板１の第１の領域１１の形状に応じた形状としてもよい。また、第１の領域と異なる形状としてもよい。図７は、凹み部４と対向する位置である凹み部対向面４ａを示した基板の上面図である。基板１の第１の領域１１と対向する面は、少なくとも一部が、レドーム３の対向面のうち、基板１の第２の領域１２と対向する面よりも、基板１との距離が遠い構成であればよい。そのため、図７に示すように、第１領域において、電波を放射したい方向のみに凹み部４を有する構成としてもよい。図７では凹み部対向面４ａは、楕円状であるが他の形状としてもよい。ここで、凹み部４は、凹み部対向面４ａと垂直な断面のうち、凹み部対向面４ａの楕円形の長軸を通る断面の曲率を真円の曲率に近づける。これにより、凹み部対向面４ａの長軸を通る断面においては、上記で説明した特性により、放射する電波の広域での平行成分と垂直成分の振幅値の差を抑えることができるという効果を得ることができる。このように、凹み部４の基板１に垂直な断面のうち、少なくとも１つの断面の曲率が真円に近い構成であれば、その断面において、放射する電波の広域での平行成分と垂直成分の振幅値の差を抑えることができるという効果を得ることができる。

さらに、レドーム３が凹み部４を有することで、基板１からレドーム３の方向に向かって突出する給電部７の突出部を、凹み部４の内部に設けることが可能な構成となる。突出部が、凹み部４の内部に設けられるため、突出部５の大きさの許容範囲を、凹み部４に収まる範囲まで広げてもレドーム３と干渉しないという効果を奏する。図８に給電部７を拡大した図を示す。図８の（ａ）に、給電部７の一部が基板１から突出する構成を示す。図に示すように、突出部がレドーム３の凹み部４の内部に設けられることでレドーム３と干渉しない構成となる。よって、レドーム３を突出部に応じた形状に加工する必要がないという効果を奏する。また、図８の（ｂ）に給電部７及び給電基板５の一部が基板１からを突出する構成を示す。給電部７が、振動などの外力により破損することを防ぎたい場合、給電基板５の一部を基板１から突出させる。このように、給電部７に加え給電基板５の一部も基板１から突出する場合であっても、突出部がレドーム３と干渉しない構成とすることができるため、レドーム３の加工の手間を省くことができる。

さらに、レドーム３が凹み部４を有することで、波長短縮率が高い高周波数の電波の屈折を低減できるという効果も奏する。

このように、本実施の形態に係るアンテナ装置は、広帯域かつ広角にわたって電波を放射するアンテナに多方向からの圧力に対しての耐性を持たせたい場合であっても、アンテナ特性の劣化を低減させることができる。

図９に実施の形態１に係るアンテナ装置１００の他の構成であるアンテナ装置２００の基板１４の上面図を示す。アンテナ装置１００では、スパイラルアンテナの導体パターンである螺旋状のアームが二つ（アーム１ａおよびアーム１ｂ）であったが、アンテナ装置２００では、スパイラルアンテナの導体パターンである螺旋状のアームが一つ（アーム１ｃ）となる。図１０は、アンテナ装置２００の基板１０に垂直かつ給電部７を通る面の断面図である。基板１０の導体パターンが形成された面と反対の面にグランド１３が設けられる。その他の点は、アンテナ装置１００と実質的に同様の構成であるため、ここでは説明を省略する。

このように、構成されたアンテナ装置２００であっても、広帯域かつ広角にわたって電波を放射するアンテナに多方向からの圧力に対しての耐性を持たせたい場合であっても、アンテナ特性の劣化を低減させることができる。

実施の形態２．
図１１は、実施の形態２に係るアンテナ装置３００の断面図である。この断面は、基板１に垂直かつ給電部７を通る面である。アンテナ装置３００は、実施の形態１に係るアンテナ装置１００またはアンテナ装置２００の凹み部４及び凹み部対向面４ａの形状が異なるものである。その他の構成は、実質的に同様である。以下、上述の実施の形態で説明した構成と同一又は対応する構成については同一符号を付し、それらの構成の説明を繰り返し行わない。

図１２は、凹み部４と対向する位置である凹み部対向面４ａを示した基板１の上面図である。アンテナ装置１００またはアンテナ装置２００では、凹み部対向面４ａは、円状または図７に示すような楕円状であった。アンテナ装置３００では、基板１において第１の領域１１に２つの円に囲まれた領域である円環状（ドーナツ状）の凹み部対向面４ａが形成される。凹み部対向面４ａは、第１の領域１１の中心部である給電部よりも外側であり、第２の領域より内側の領域である。凹み部対向面４ａは、２つの楕円に囲まれた領域または２つの多角形に囲まれた領域としてもよい。

これにより、基板１の凹み部対向面４ａの部分に形成された導体パターンは、第１の領域１１の中心部に形成された導体パターンよりも波長が長く周波数が低い電波を放射することになる。また、基板１の凹み部対向面４ａの部分に形成された導体パターンは、第２の領域に形成された導体パターンよりも波長が短く周波数が高い電波を放射することになる。つまり、基板１の凹み部対向面４ａは、動作周波数において中域の電波を放射することになる。

レドーム３１の対向面には、基板１において凹み部対向面４ａと対向する面に、凹み部４が形成される。ここでは、凹み部対向面４ａは、第１の領域１１の中心部である給電部よりも外側であり、第２の領域より内側の円環状の領域であるため、レドーム３１は、円環状に凹んだ凹み部４が形成される。凹み部４において基板１と対向する面と反対側の外形は、丸みを有する。図１１に示すように凹み部４は、凹み部対向面４ａと垂直な断面の形状が半円状となる。つまり、凹み部４ａは、半円を円の円周上に並べて得られた形状である。

このとき、凹み部対向面４ａと垂直な断面の半円の曲率を真円の曲率に近づけることが好ましい。これにより、実施の形態１で説明した特性により、放射する電波の広域での平行成分と垂直成分の振幅値の差を抑えることができるという効果を得ることができる。このように、凹み部４の基板１に垂直な断面の曲率が真円に近い構成であれば、その断面において、放射する電波の広域での平行成分と垂直成分の振幅値の差を抑えることができるという効果を得ることができる。

このように、レドーム３１の第１の領域１１と対向する面において、電波の放射を促したい部分のみに凹み部４を有する構成とすることができる。アンテナ装置３００では、レドーム３の対向面に円環状の凹み部４を形成することで、動作周波数において中域の放射を促すことができる。また、凹み部４において基板１と対向する面と反対側の外形に丸みを持たせることで、放射する電波の広域での平行成分と垂直成分の振幅値の差を抑えることができるという効果を得ることができる。

このように、本実施の形態に係るアンテナ装置３００においても、広帯域かつ広角にわたって電波を放射するアンテナに多方向からの圧力に対しての耐性を持たい場合であっても、アンテナ特性の劣化を低減させることができる。

１、１０ スパイラル基板、
１ａ、１ｂ アーム、
２ アンテナ部、
３ レドーム、
３ａ 平板状レドーム、
３ｂ 半球状レドーム、
４ 凹み部、
４ａ 凹み部対向面、
５ 給電基板、
６ 給電コネクタ、
７ 給電部、
８ アンテナケース、
９ 波源、
１１ 第１の領域、
１２ 第２の領域、
１３ グランド
１００、２００、３００ アンテナ装置

Claims (8)

1. 基板と、前記基板に形成されたスパライルアンテナの導体パターンと、前記導体パターンに接続された給電部と、前記導体パターンの電波の放射方向に設けられた半球状のレドームとを備え、
   前記基板の前記給電部を含み前記基板の外周より内側である第１の領域に形成された前記導体パターンは、第１の周波数の電波を放射し、前記基板の前記第１の領域より外側である第２の領域に形成された前記導体パターンは、前記第１の周波数よりも周波数が低い第２の周波数の電波を放射し、
   前記レドームの前記基板と対向する面である対向面のうち前記基板の前記第１の領域と対向する面の少なくとも一部は、前記対向面のうち前記第２の領域と対向する面よりも、前記基板との距離が遠いアンテナ装置。
2. 前記レドームは、半球状の凹み部が、前記第１の領域と対向する部分における前記対向面に形成された請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記給電部は、前記導体パターンの中央部に形成され、前記凹み部は、前記対向面の中央部に設けられる請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記レドームの前記対向面は、前記基板において前記給電部より外側であり前記第２の領域より内側の領域と対向する面に、凹み部が形成された請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 前記基板において前記給電部より外側であり前記第２の領域より内側の領域は、円環状である請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記給電部は、前記基板から前記レドームの方向に向かって前記基板から突出する突出部を有する請求項１から請求項５の何れか１項に記載のアンテナ装置。
7. 前記第１の領域は、前記給電部を中心とした円状である請求項１から請求項６の何れか１項に記載のアンテナ装置。
8. 前記第２の領域は、前記第１の領域よりも半径の大きい前記給電部を中心とした円の内側かつ前記第１の領域の外側である請求項７に記載のアンテナ装置。

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