JP7619478B2

JP7619478B2 - Antenna device and radar device

Info

Publication number: JP7619478B2
Application number: JP2023561458A
Authority: JP
Inventors: 浩西田; 尚石原
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2025-01-22
Anticipated expiration: 2042-10-13
Also published as: WO2023090006A1; JPWO2023090006A1

Description

本発明は、アンテナ装置及びレーダ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device and a radar device.

複数のパッチアンテナのそれぞれの上に誘電体ブロックを配置した誘電体装荷アレーアンテナが知られている（特許文献１）。パッチアンテナに誘電体ブロックを装荷すると、アレーアンテナを構成する単位アンテナごとの開口効率が大きくなる。A dielectric-loaded array antenna is known in which a dielectric block is placed on each of a number of patch antennas (Patent Document 1). When a dielectric block is loaded onto a patch antenna, the aperture efficiency of each unit antenna that makes up the array antenna increases.

特開平１－２４３６０５号公報Japanese Patent Application Publication No. 1-243605

誘電体装荷アレーアンテナの製造時に、複数の単位アンテナのそれぞれに誘電体ブロックを位置精度よく配置する必要がある。また、誘電体ブロックを個別に接着剤等でアンテナ基板に接着する場合、振動や衝撃で誘電体ブロックがアンテナ基板から脱落してしまうことが懸念される。When manufacturing a dielectric-loaded array antenna, it is necessary to position the dielectric block precisely on each of the multiple unit antennas. Furthermore, if the dielectric blocks are individually attached to the antenna substrate with adhesive or the like, there is a concern that the dielectric block may fall off the antenna substrate due to vibration or impact.

本発明の目的は、複数の放射素子のそれぞれに位置精度よく誘電体を配置することが可能なアンテナ装置を提供することである。本発明の他の目的は、このアンテナ装置を搭載したレーダ装置を提供することである。 The object of the present invention is to provide an antenna device capable of positioning a dielectric with high positional accuracy for each of a plurality of radiating elements. Another object of the present invention is to provide a radar device equipped with this antenna device.

本発明の一観点によると、
基板と、
前記基板に設けられたグランドプレーンと、
前記基板に設けられ、前記グランドプレーンとともにパッチアンテナを構成する複数の放射素子と、
前記複数の放射素子を覆うように前記基板に固着された誘電体層と、
前記誘電体層の上に配置された誘電体部材と
を備え、
前記誘電体部材は、
前記誘電体層から間隔を隔てて配置された板状部と、
前記板状部から前記複数の放射素子のそれぞれに向かって突出した複数の突出部と、
平面視において前記複数の放射素子と重ならない領域に配置され、前記板状部から前記基板に向かって突出した固定部と
を含み、
前記複数の突出部の前記複数の放射素子に対する相対位置が、前記固定部を介して固定されているアンテナ装置が提供される。 According to one aspect of the present invention,
A substrate;
a ground plane provided on the substrate;
a plurality of radiating elements provided on the substrate, the radiating elements constituting a patch antenna together with the ground plane;
a dielectric layer attached to the substrate so as to cover the plurality of radiating elements;
a dielectric member disposed on the dielectric layer,
The dielectric member is
a plate-like portion disposed at a distance from the dielectric layer;
a plurality of protrusions protruding from the plate-like portion toward each of the plurality of radiating elements;
a fixing portion disposed in a region not overlapping with the plurality of radiating elements in a plan view and protruding from the plate-like portion toward the substrate;
There is provided an antenna device in which the relative positions of the plurality of protrusions with respect to the plurality of radiating elements are fixed via the fixing portion.

本発明の他の観点によると、
上述のアンテナ装置と、
前記複数の放射素子のうち一部の送信用の放射素子に送信信号を供給する信号発生部と、
前記複数の放射素子のうち残りの受信用の放射素子で受信された受信信号と、前記送信信号との信号処理を行う信号処理部と
を備えたレーダ装置が提供される。 According to another aspect of the invention,
The antenna device as described above;
a signal generating unit for supplying a transmission signal to a part of the plurality of radiating elements for transmission;
There is provided a radar device including a signal processing unit that performs signal processing on the transmission signal and a reception signal received by the remaining radiating elements for reception among the plurality of radiating elements.

突出部が、放射素子に奏された誘電体ブロックとして機能する。複数の突出部が板状部から突出しているため、放射素子ごとに個別に誘電体ブロックを配置する場合と比べて、突出部と放射素子との位置精度を高めることができる。The protrusions function as a dielectric block that is applied to the radiating element. Because multiple protrusions protrude from the plate-shaped portion, the positional accuracy of the protrusions and the radiating element can be improved compared to when a dielectric block is individually placed for each radiating element.

図１Ａは、第１実施例によるアンテナ装置の斜視図であり、図１Ｂ及び図１Ｃは、それぞれ第１実施例によるアンテナ装置に用いられる基板及び誘電体部材の斜視図である。FIG. 1A is a perspective view of an antenna device according to a first embodiment, and FIGS. 1B and 1C are perspective views of a substrate and a dielectric member, respectively, used in the antenna device according to the first embodiment. 図２Ａは、第１実施例によるアンテナ装置の断面図であり、図２Ｂは他の構成例によるアンテナ装置の断面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view of the antenna device according to the first embodiment, and FIG. 2B is a cross-sectional view of an antenna device according to another configuration example. 図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ比較例及び第１実施例によるアンテナ装置のひとつの放射素子及び突出部が配置された近傍領域の断面図であり、図３Ｃ及び図３Ｄは、それぞれ比較例（図３Ａ）及び第１実施例（図３Ｂ）によるアンテナ装置の一つの放射素子の反射係数Ｓ１１のシミュレーション結果を示すグラフである。3A and 3B are cross-sectional views of one radiating element and the surrounding area where a protrusion is arranged in an antenna device according to the comparative example and the first embodiment, respectively, and FIGS. 3C and 3D are graphs showing the simulation results of the reflection coefficient S11 of one radiating element of the antenna device according to the comparative example (FIG. 3A) and the first embodiment (FIG. 3B), respectively. 図４Ａは、シミュレーション対象のアンテナ装置の断面図であり、図４Ｂは、突出部の高さ方向の寸法Ｈを変化させたときの利得のシミュレーション結果を示すグラフであり、図４Ｃは、板状部の厚さｔを変化させたときの利得のシミュレーション結果を示すグラフである。FIG. 4A is a cross-sectional view of the antenna device being simulated, FIG. 4B is a graph showing the simulation results of the gain when the height dimension H of the protrusion is changed, and FIG. 4C is a graph showing the simulation results of the gain when the thickness t of the plate-shaped portion is changed. 図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、それぞれ第２実施例によるレーダ装置に用いられる誘電体部材、基板、及びケースの斜視図である。5A, 5B, and 5C are perspective views of a dielectric member, a substrate, and a case, respectively, used in the radar device according to the second embodiment. 図６は、第２実施例によるレーダ装置の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a radar device according to the second embodiment. 図７は、第２実施例によるレーダ装置のブロック図である。FIG. 7 is a block diagram of a radar device according to the second embodiment.

［第１実施例］
図１Ａから図４Ｃまでの図面を参照して第１実施例によるアンテナ装置について説明する。
図１Ａは、第１実施例によるアンテナ装置の斜視図であり、図１Ｂ及び図１Ｃは、それぞれ第１実施例によるアンテナ装置に用いられる基板１０及び誘電体部材３０の斜視図である。図１Ｃでは、図１Ａに示された誘電体部材３０の上下を反転させた状態が示されている。 [First embodiment]
An antenna device according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1A to 4C.
Fig. 1A is a perspective view of an antenna device according to a first embodiment, and Fig. 1B and Fig. 1C are perspective views of a substrate 10 and a dielectric member 30 used in the antenna device according to the first embodiment, respectively. Fig. 1C shows a state in which the dielectric member 30 shown in Fig. 1A is turned upside down.

基板１０の表面に複数の放射素子１２が配置されており、基板１０の表面及び複数の放射素子１２の上に、誘電体層１７が固着されている。ここで、「固着」とは、固くしっかりと密着しており、一定の場所に留まっていることを意味する。基板１０の内層に、グランドプレーン１１が配置されている。複数の放射素子１２のそれぞれは、グランドプレーン１１とともにパッチアンテナを構成する。複数の放射素子１２は行列状に配置されており、アレーアンテナとして動作する。 A plurality of radiating elements 12 are arranged on the surface of the substrate 10, and a dielectric layer 17 is fixed to the surface of the substrate 10 and to the plurality of radiating elements 12. Here, "fixed" means that it is firmly and securely attached and remains in a fixed position. A ground plane 11 is arranged on the inner layer of the substrate 10. Each of the plurality of radiating elements 12 and the ground plane 11 form a patch antenna. The plurality of radiating elements 12 are arranged in a matrix and operate as an array antenna.

誘電体層１７は、例えば基板１０の誘電体材料と同一の誘電体材料で形成される。その他に、誘電体層１７を基板１０の誘電体材料とは異なる材料、例えばレジスト材料で形成してもよい。The dielectric layer 17 is formed, for example, from the same dielectric material as the dielectric material of the substrate 10. Alternatively, the dielectric layer 17 may be formed from a material different from the dielectric material of the substrate 10, for example, a resist material.

誘電体部材３０（図１Ｃ）は、板状の形状を有する板状部３１、複数の突出部３２、及び固定部３３を含む。誘電体部材３０には、例えば液晶ポリマー（ＬＣＰ）等の樹脂材料が用いられる。板状部３１は、誘電体層１７が固着している基板１０の表面から間隔を隔てて配置されている。複数の突出部３２は、それぞれ板状部３１から複数の放射素子１２に向かって突出している。突出部３２のそれぞれの平面視における形状は正方形または長方形である。平面視において、複数の突出部３２のそれぞれは、放射素子１２とほぼ同じ大きさか放射素子１２より大きく、放射素子１２のそれぞれを包含している。放射素子１２、グランドプレーン１１、及び突出部３２によって、誘電体装荷パッチアンテナが構成され、放射素子１２の励振によって発生した電磁界が突出部３２と結合する。The dielectric member 30 (FIG. 1C) includes a plate-shaped portion 31, a plurality of protrusions 32, and a fixing portion 33. The dielectric member 30 is made of a resin material such as liquid crystal polymer (LCP). The plate-shaped portion 31 is disposed at a distance from the surface of the substrate 10 to which the dielectric layer 17 is fixed. The plurality of protrusions 32 protrude from the plate-shaped portion 31 toward the plurality of radiating elements 12. The shape of each of the protrusions 32 in a plan view is square or rectangular. In a plan view, each of the plurality of protrusions 32 is approximately the same size as the radiating element 12 or larger than the radiating element 12, and includes each of the radiating elements 12. The radiating element 12, the ground plane 11, and the protrusions 32 form a dielectrically loaded patch antenna, and the electromagnetic field generated by the excitation of the radiating element 12 is coupled to the protrusions 32.

固定部３３は、平面視において複数の突出部３２が配置された領域と重ならない領域に配置されており、板状部３１から基板１０に向かって突出している。例えば、板状部３１の平面視における形状が正方形または長方形であり、固定部３３は正方形または長方形の相互に対向する２つの縁に沿って配置されている。複数の突出部３２は、平面視において固定部３３の凸包の内側に配置されている。ここで、凸包とは、平面視において固定部３３を含む最小の凸多角形を意味する。The fixing portion 33 is disposed in a region that does not overlap with the region in which the multiple protrusions 32 are disposed in a plan view, and protrudes from the plate-shaped portion 31 toward the substrate 10. For example, the shape of the plate-shaped portion 31 in a plan view is a square or rectangle, and the fixing portion 33 is disposed along two opposing edges of the square or rectangle. The multiple protrusions 32 are disposed inside the convex hull of the fixing portion 33 in a plan view. Here, the convex hull means the smallest convex polygon that includes the fixing portion 33 in a plan view.

誘電体部材３０は、固定部３３を介して基板１０に対する位置が固定されている。例えば、固定部３３の先端の面が、接着剤により誘電体層１７の表面に接着されている。これにより、複数の突出部３２の放射素子１２に対する相対位置が、固定部３３を介して固定される。The position of the dielectric member 30 is fixed relative to the substrate 10 via the fixing portion 33. For example, the tip surface of the fixing portion 33 is adhered to the surface of the dielectric layer 17 with an adhesive. This fixes the relative positions of the multiple protrusions 32 with respect to the radiating element 12 via the fixing portion 33.

図２Ａは、第１実施例によるアンテナ装置の断面図である。基板１０の表面に複数の放射素子１２が配置されており、内層にグランドプレーン１１が配置されている。さらに、基板１０の反対側の表面（裏面）に他のグランドプレーン１４が配置されている。グランドプレーン１１と１４との間に、複数の給電線路１３が配置されている。複数の給電線路１３は、それぞれグランドプレーン１１を貫通するビア１５を介して複数の放射素子１２に接続されている。誘電体層１７が、複数の放射素子１２の上面及び基板１０の上面に固着されている。 Figure 2A is a cross-sectional view of an antenna device according to a first embodiment. A plurality of radiating elements 12 are arranged on the surface of a substrate 10, and a ground plane 11 is arranged on an inner layer. Furthermore, another ground plane 14 is arranged on the opposite surface (back surface) of the substrate 10. A plurality of feed lines 13 are arranged between the ground planes 11 and 14. The plurality of feed lines 13 are each connected to the plurality of radiating elements 12 via vias 15 that pass through the ground plane 11. A dielectric layer 17 is fixed to the upper surfaces of the plurality of radiating elements 12 and the upper surface of the substrate 10.

誘電体部材３０の固定部３３が、接着剤層４０を介して誘電体層１７に接着されている。板状部３１から複数の突出部３２が、それぞれ複数の放射素子１２に向かって突出している。突出部３２のそれぞれの先端は誘電体層１７に接触する。なお、誘電体部材３０の板状部３１の反りや基板１０の反り等の変形によって、突出部３２の先端と誘電体層１７との間に、誘電体で満たされていない微小な隙間が生ずる場合もある。The fixing portion 33 of the dielectric member 30 is adhered to the dielectric layer 17 via an adhesive layer 40. A plurality of protrusions 32 protrude from the plate-shaped portion 31 toward the plurality of radiating elements 12. The tip of each of the protrusions 32 contacts the dielectric layer 17. Note that due to deformation such as warping of the plate-shaped portion 31 of the dielectric member 30 or warping of the substrate 10, a minute gap that is not filled with dielectric may occur between the tip of the protrusion 32 and the dielectric layer 17.

図２Ｂは、第１実施例の他の構成例によるアンテナ装置の断面図である。図２Ａに示したアンテナ装置においては、誘電体部材３０の固定部３３が接着剤層４０によって基板１０に接着されている。これに対して図２Ｂに示したアンテナ装置においては、固定部３３が、ネジ４１等の締結具によって基板１０に固定されている。 Figure 2B is a cross-sectional view of an antenna device according to another configuration example of the first embodiment. In the antenna device shown in Figure 2A, the fixing portion 33 of the dielectric member 30 is adhered to the substrate 10 by an adhesive layer 40. In contrast, in the antenna device shown in Figure 2B, the fixing portion 33 is fixed to the substrate 10 by a fastener such as a screw 41.

誘電体部材３０は、例えば射出成形によって一体成形される。誘電体部材３０が一体成形される場合には、板状部３１、突出部３２、及び固定部３３が同一の樹脂で形成される。突出部３２を、板状部３１及び固定部３３とは異なる樹脂で形成してもよい。この場合には、誘電体部材３０の作製に、２色成形（異材質成形）を適用するとよい。The dielectric member 30 is integrally molded, for example, by injection molding. When the dielectric member 30 is integrally molded, the plate-shaped portion 31, the protruding portion 32, and the fixing portion 33 are formed from the same resin. The protruding portion 32 may be formed from a resin different from that of the plate-shaped portion 31 and the fixing portion 33. In this case, two-color molding (molding of different materials) may be applied to the production of the dielectric member 30.

次に、図３Ａから図３Ｄまでの図面を参照して、第１実施例によるアンテナ装置において、誘電体層１７（図２）を配置することにより得られる優れた効果について説明する。Next, with reference to Figures 3A to 3D, we will explain the excellent effects obtained by arranging the dielectric layer 17 (Figure 2) in the antenna device of the first embodiment.

図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ比較例及び第１実施例によるアンテナ装置のひとつの放射素子１２及び突出部３２が配置された近傍領域の断面図である。第１実施例（図３Ｂ）においては、放射素子１２を覆うように基板１０の表面に誘電体層１７が固着されている。誘電体層１７と突出部３２の先端との間隔をＧと標記する。これに対して比較例（図３Ａ）においては、誘電体層１７が配置されておらず、放射素子１２が露出している。基板１０と突出部３２との間隔をＧと標記する。 Figures 3A and 3B are cross-sectional views of one radiating element 12 and the surrounding area where the protrusion 32 is arranged in an antenna device according to the comparative example and the first embodiment, respectively. In the first embodiment (Figure 3B), a dielectric layer 17 is fixed to the surface of the substrate 10 so as to cover the radiating element 12. The distance between the dielectric layer 17 and the tip of the protrusion 32 is marked as G. In contrast, in the comparative example (Figure 3A), the dielectric layer 17 is not arranged and the radiating element 12 is exposed. The distance between the substrate 10 and the protrusion 32 is marked as G.

図３Ｃ及び図３Ｄは、それぞれ比較例（図３Ａ）及び第１実施例（図３Ｂ）によるアンテナ装置の一つの放射素子１２の反射係数Ｓ１１のシミュレーション結果を示すグラフである。横軸は周波数を単位［ＧＨｚ］で表し、縦軸は反射係数Ｓ１１を単位［ｄＢ］で表す。シミュレーションにおいて、間隔Ｇ以外のパラメータは、比較例と第１実施例とで同一に設定している。放射素子１２の共振周波数が約７９ＧＨｚになるように、種々のパラメータを調整している。図３Ｃ及び図３Ｄのグラフ中の細い実線、破線、及び太い実線は、それぞれ間隔Ｇが０ｍｍ、０．０５ｍｍ、及び０．１ｍｍの場合の反射係数Ｓ１１を示す。 Figures 3C and 3D are graphs showing the simulation results of the reflection coefficient S11 of one radiating element 12 of the antenna device according to the comparative example (Figure 3A) and the first embodiment (Figure 3B), respectively. The horizontal axis represents frequency in units of [GHz], and the vertical axis represents reflection coefficient S11 in units of [dB]. In the simulation, parameters other than the spacing G are set to the same for the comparative example and the first embodiment. Various parameters are adjusted so that the resonant frequency of the radiating element 12 is approximately 79 GHz. The thin solid line, dashed line, and thick solid line in the graphs of Figures 3C and 3D respectively show the reflection coefficient S11 when the spacing G is 0 mm, 0.05 mm, and 0.1 mm.

比較例及び第１実施例のいずれの場合でも、間隔Ｇが広くなると、反射係数Ｓ１１が大きくなる。すなわち、アンテナ特性が低下する。ただし、アンテナ特性の低下の程度（反射係数Ｓ１１が大きくなる程度）は、第１実施例の方が比較例より小さい。第１実施例によるアンテナ装置のアンテナ特性の低下の程度が比較例より小さい理由は、以下の通りである。In both the comparative example and the first embodiment, as the gap G becomes wider, the reflection coefficient S11 increases. In other words, the antenna characteristics decrease. However, the degree of decrease in the antenna characteristics (the degree to which the reflection coefficient S11 increases) is smaller in the first embodiment than in the comparative example. The reason why the degree of decrease in the antenna characteristics of the antenna device according to the first embodiment is smaller than in the comparative example is as follows.

放射素子１２及び基板１０の表面に誘電体層１７を固着させることにより、隙間が発生しても、放射素子１２の極近傍の空間の誘電率分布の変動が小さくなる。このため、放射素子１２の極近傍の電磁界の乱れが抑制される。その結果、アンテナ特性の低下の程度が小さくなる。このように、誘電体層１７を設けることにより、基板１０の反り等によって突出部３２と放射素子１２との間に発生し得る隙間の影響が軽減される。By adhering the dielectric layer 17 to the surfaces of the radiating element 12 and the substrate 10, even if a gap occurs, the variation in the dielectric constant distribution in the space very close to the radiating element 12 is reduced. This suppresses disturbance of the electromagnetic field very close to the radiating element 12. As a result, the degree of degradation of the antenna characteristics is reduced. In this way, by providing the dielectric layer 17, the effect of a gap that may occur between the protrusion 32 and the radiating element 12 due to warping of the substrate 10, etc. is mitigated.

アンテナ特性の低下を抑制するために、間隔Ｇがなるべく狭くなるような構成とすることが好ましく、間隔Ｇが０となる構成とすることが最も好ましい。例えば、間隔Ｇを０、すなわち突出部３２の先端が誘電体層１７に接触している構成が最も好ましい。または、突出部３２の先端が誘電体層１７に接触していない場合のとき、間隔Ｇが０．１ｍｍ以下であることが好ましい。In order to suppress deterioration of the antenna characteristics, it is preferable to configure the gap G to be as narrow as possible, and it is most preferable to configure the gap G to be 0. For example, it is most preferable to configure the gap G to be 0, that is, the tip of the protrusion 32 is in contact with the dielectric layer 17. Alternatively, when the tip of the protrusion 32 is not in contact with the dielectric layer 17, it is preferable that the gap G is 0.1 mm or less.

次に、図４Ａ、図４Ｂ、及び図４Ｃを参照して、誘電体部材３０の板状部３１及び突出部３２の好ましい寸法について説明する。板状部３１の厚さ及び突出部３２の高さ方向の寸法を変化させて、アンテナの利得をシミュレーションによって求めた。Next, the preferred dimensions of the plate-like portion 31 and the protruding portion 32 of the dielectric member 30 will be described with reference to Figures 4A, 4B, and 4C. The antenna gain was obtained by simulation by changing the thickness of the plate-like portion 31 and the height dimension of the protruding portion 32.

図４Ａは、シミュレーション対象のアンテナ装置の断面図である。板状部３１から放射素子１２に向かって突出部３２が突出しており、突出部３２が誘電体層１７に接触している。板状部３１及び突出部３２の比誘電率ε_ｒを３とし、放射素子１２の共振周波数が７９ＧＨｚになるように放射素子１２の寸法等を調整している。板状部３１の厚さをｔと標記し、突出部３２の高さ方向の寸法をＨと標記する。アンテナ装置の動作周波数帯域の中心周波数に対応する板状部３１及び突出部３２内における波長をλ_ｄと標記する。例えば、アンテナ装置の動作周波数帯域の中心周波数として、放射素子１２の共振周波数を採用することができる。 4A is a cross-sectional view of an antenna device to be simulated. A protruding portion 32 protrudes from a plate-shaped portion 31 toward the radiating element 12, and the protruding portion 32 is in contact with a dielectric layer 17. The dimensions of the radiating element 12 are adjusted so that the relative dielectric constant _εr of the plate-shaped portion 31 and the protruding portion 32 is 3, and the resonant frequency of the radiating element 12 is 79 GHz. The thickness of the plate-shaped portion 31 is marked as t, and the dimension of the protruding portion 32 in the height direction is marked as H. The wavelength in the plate-shaped portion 31 and the protruding portion 32 corresponding to the center frequency of the operating frequency band of the antenna device is marked as _λd . For example, the resonant frequency of the radiating element 12 can be adopted as the center frequency of the operating frequency band of the antenna device.

図４Ｂは、突出部３２の高さ方向の寸法Ｈを変化させたときの利得のシミュレーション結果を示すグラフである。横軸はＨ／λ_ｄを表し、縦軸は利得を単位［ｄＢｉ］で表す。なお、放射素子１２を励振する周波数を７９ＧＨｚとし、板状部３１の厚さｔを０．５×λ_ｄとした。突出部３２の高さ方向の寸法Ｈを大きくするにしたがって利得が高くなっている。１０ｄＢｉ以上の利得を実現するために、高さ方向の寸法Ｈを０．４×λ_ｄ以上にすることが好ましい。 4B is a graph showing the results of a simulation of the gain when the dimension H in the height direction of the protrusion 32 is changed. The horizontal axis represents H/ _λd , and the vertical axis represents the gain in units of [dBi]. The frequency at which the radiating element 12 is excited is set to 79 GHz, and the thickness t of the plate-shaped portion 31 is set to 0.5× _λd . The gain increases as the dimension H in the height direction of the protrusion 32 is increased. In order to achieve a gain of 10 dBi or more, it is preferable to set the dimension H in the height direction to 0.4× _λd or more.

高さ方向の寸法Ｈを大きくしすぎると、突出部３２が長い針状になり、機械的な強度が低下する。高さ方向の寸法Ｈを０．６×λ_ｄより大きくしても、利得はほとんど変化しない。高さ方向の寸法Ｈを大きくしすぎることは、利得向上のメリットより、機械的強度低下のデメリットの方が大きくなる。したがって、十分な機械的強度を確保するために、高さ方向の寸法Ｈを２×λ_ｄ以下にすることが好ましい。 If the height dimension H is too large, the protrusion 32 becomes long and needle-like, and the mechanical strength is reduced. Even if the height dimension H is made larger than 0.6×λ _d , the gain is hardly changed. If the height dimension H is made too large, the disadvantage of reduced mechanical strength is greater than the advantage of improved gain. Therefore, in order to ensure sufficient mechanical strength, it is preferable to set the height dimension H to 2×λ _d or less.

図４Ｃは、板状部３１の厚さｔを変化させたときの利得のシミュレーション結果を示すグラフである。横軸はｔ／λ_ｄを表し、縦軸は利得を単位［ｄＢｉ］で表す。なお、放射素子１２を励振する周波数を７９ＧＨｚとし、突出部３２の高さ方向の寸法Ｈを０．４６×λ_ｄとした。 4C is a graph showing the results of a simulation of the gain when the thickness t of the plate-like portion 31 is changed. The horizontal axis represents t/ _λd , and the vertical axis represents the gain in units of [dBi]. The frequency at which the radiating element 12 is excited is set to 79 GHz, and the dimension H in the height direction of the protrusion 32 is set to 0.46× _λd .

板状部３１の厚さｔを増加させると、利得の山と谷とが交互に繰り返し現れることがわかる。厚さｔがλ_ｄ／２の整数倍の近傍で、利得が高くなっている。一例として、利得の極大値から１ｄＢ低下した値以上の利得を確保するためには、板状部３１の厚さｔを、（ｎ－０．１）×（λ_ｄ／２）以上、かつ（ｎ＋０．３）×（λ_ｄ／２）以下の範囲内にすることが好ましい。ここで、ｎは１以上の整数である。 It can be seen that as the thickness t of the plate-like portion 31 is increased, peaks and valleys of gain appear alternately and repeatedly. The gain is high when the thickness t is in the vicinity of an integer multiple of λ _d /2. As an example, in order to ensure a gain of at least 1 dB below the maximum gain value, it is preferable to set the thickness t of the plate-like portion 31 within a range of (n-0.1) x (λ _d /2) or more and (n+0.3) x (λ _d /2) or less, where n is an integer of 1 or more.

次に、第１実施例の優れた効果について説明する。
第１実施例では、誘電体部材３０（図１Ｃ）が、一体成形または２色成形によって作製される。このため、複数の突出部３２及び固定部３３の相対的位置の精度を容易に高めることができる。複数の放射素子１２（図１Ｂ）に対して固定部３３を高い精度で位置決めして誘電体部材３０を基板１０に固定することにより、複数の放射素子１２と複数の突出部３２との位置精度を容易に高めることができる。その結果、複数の放射素子１２のそれぞれを含む誘電体装荷パッチアンテナ素子のアンテナ特性のばらつきが抑制されるという優れた効果が得られる。 Next, the advantageous effects of the first embodiment will be described.
In the first embodiment, the dielectric member 30 (FIG. 1C) is produced by integral molding or two-color molding. This makes it easy to improve the accuracy of the relative positions of the multiple protrusions 32 and the fixing portion 33. By positioning the fixing portion 33 with high accuracy relative to the multiple radiating elements 12 (FIG. 1B) and fixing the dielectric member 30 to the substrate 10, it is easy to improve the positional accuracy of the multiple radiating elements 12 and the multiple protrusions 32. As a result, an excellent effect is obtained in that the variation in antenna characteristics of the dielectrically loaded patch antenna element including each of the multiple radiating elements 12 is suppressed.

さらに、複数の突出部３２のそれぞれの寸法の制約を受けることなく、固定部３３と誘電体層１７（図２Ａ）との接着面積を広くすることができる。接着面積を広くすることにより、誘電体部材３０を基板１０に対して強固に固定することができる。これにより、振動や衝撃に起因する突出部３２の脱落が生じにくいという優れた効果が得られる。特に、ミリ波帯のアンテナ装置においては、放射素子１２に装荷される誘電体ブロックが小さくなるため、第１実施例による誘電体部材３０を用いることの効果が顕著に現れる。 Furthermore, the adhesive area between the fixing portion 33 and the dielectric layer 17 (Fig. 2A) can be increased without being restricted by the dimensions of each of the multiple protrusions 32. By increasing the adhesive area, the dielectric member 30 can be firmly fixed to the substrate 10. This has the excellent effect of making it difficult for the protrusions 32 to fall off due to vibration or impact. In particular, in a millimeter wave antenna device, the dielectric block loaded on the radiating element 12 becomes smaller, so the effect of using the dielectric member 30 according to the first embodiment is remarkable.

第１実施例の構成を採用すると、図３Ｂに示したように突出部３２と放射素子１２との間に、誘電体で満たされていない隙間が発生する場合がある。第１実施例では放射素子１２の上に誘電体層１７が固着されているため、図３Ｄを参照して説明したように突出部３２と放射素子１２との間に隙間が発生しても、アンテナ特性の低下を抑制することができる。When the configuration of the first embodiment is adopted, a gap that is not filled with dielectric may occur between the protrusion 32 and the radiating element 12 as shown in Figure 3B. In the first embodiment, the dielectric layer 17 is fixed onto the radiating element 12, so that even if a gap occurs between the protrusion 32 and the radiating element 12 as described with reference to Figure 3D, the degradation of the antenna characteristics can be suppressed.

さらに、第１実施例では、平面視において突出部３２が放射素子１２（図２Ａ）より大きく、放射素子１２を包含している。このため、放射素子１２を励振することによって発生した電磁界が安定して突出部３２に結合するという優れた効果が得られる。突出部３２は、アンテナ装置の動作周波数帯において共振が生じる寸法にすることが好ましい。これにより、高いアンテナ利得を実現することができる。Furthermore, in the first embodiment, the protrusion 32 is larger than the radiating element 12 (FIG. 2A) in a plan view and encompasses the radiating element 12. This provides the excellent effect of stably coupling the electromagnetic field generated by exciting the radiating element 12 to the protrusion 32. It is preferable that the protrusion 32 has dimensions that cause resonance in the operating frequency band of the antenna device. This allows for high antenna gain to be achieved.

次に、第１実施例の変形例によるアンテナ装置について説明する。
第１実施例では、誘電体部材３０として、一体成形または２色成形により作製したものを用いているが、その他の方法で作製したものを用いてもよい。例えば、複数の突出部３２のそれぞれを板状部３１に溶着してもよい。または、複数の突出部３２のそれぞれを、接着剤を用いて板状部３１に接着してもよい。この場合、複数の誘電体ブロックを位置決め用の型に入れた状態で、板状部３１に溶着または接着するとよい。 Next, an antenna device according to a modification of the first embodiment will be described.
In the first embodiment, the dielectric member 30 is manufactured by one-piece molding or two-color molding, but may be manufactured by other methods. For example, each of the multiple protrusions 32 may be welded to the plate-like portion 31. Alternatively, each of the multiple protrusions 32 may be bonded to the plate-like portion 31 using an adhesive. In this case, it is preferable to weld or bond the multiple dielectric blocks to the plate-like portion 31 while they are placed in a positioning mold.

第１実施例では、突出部３２（図１Ｃ）のそれぞれの平面視における形状を正方形または長方形としているが、その他の形状にしてもよい。例えば、円形、楕円形、角丸多角形等の形状にしてもよい。In the first embodiment, the shape of each of the protrusions 32 (FIG. 1C) in plan view is a square or a rectangle, but other shapes are also acceptable. For example, the shape may be a circle, an ellipse, a polygon with rounded corners, or the like.

第１実施例では、突出部３２の先端が誘電体層１７に接触するか、または両者の間に隙間が発生する。突出部３２と誘電体層１７との間に、少量の接着剤を配置してもよい。接着剤が突出部３２の側面から外側にはみ出してしまうと、放射素子１２に装荷される誘電体ブロックの実質的な形状が変化して、アンテナ特性が変動してしまう。アンテナ特性の変動を抑制するために、接着剤は、突出部３２の側面から外側にはみ出ない程度の量にすることが好ましい。放射素子１２を誘電体層１７（図２Ａ）が覆っているため、放射素子１２に接着剤が直接接触する構成と比べて、接着剤がアンテナ特性に与える影響が軽減される。In the first embodiment, the tip of the protrusion 32 contacts the dielectric layer 17, or a gap is formed between the two. A small amount of adhesive may be placed between the protrusion 32 and the dielectric layer 17. If the adhesive overflows from the side of the protrusion 32, the actual shape of the dielectric block loaded on the radiating element 12 changes, causing the antenna characteristics to fluctuate. In order to suppress the fluctuation of the antenna characteristics, it is preferable to apply an amount of adhesive that does not overflow from the side of the protrusion 32. Since the radiating element 12 is covered by the dielectric layer 17 (Figure 2A), the effect of the adhesive on the antenna characteristics is reduced compared to a configuration in which the adhesive is in direct contact with the radiating element 12.

第１実施例では、複数の突出部３２が設けられた領域を平面視において挟むように、一方向に長い２つの固定部３３（図１Ｃ）を配置しているが、その他の形状の固定部３３を配置してもよい。例えば、固定部３３の平面視における形状を、複数の突出部３２が配置された領域を三方から取り囲むＵ字状にしてもよいし、四方から切れ目なく取り囲む形状にしてもよい。誘電体部材３０を基板１０に対して安定して固定するために、平面視において複数の突出部３２が固定部３３の凸包に包含されるようにするとよい。In the first embodiment, two fixing portions 33 (FIG. 1C) long in one direction are arranged to sandwich the area in which the multiple protrusions 32 are provided in a plan view, but fixing portions 33 of other shapes may be arranged. For example, the shape of fixing portion 33 in a plan view may be a U-shape that surrounds the area in which the multiple protrusions 32 are arranged on three sides, or a shape that surrounds it seamlessly on all four sides. In order to stably fix dielectric member 30 to substrate 10, it is preferable that the multiple protrusions 32 are contained within the convex hull of fixing portion 33 in a plan view.

［第２実施例］
次に、図５Ａから図７までの図面を参照して第２実施例によるレーダ装置について説明する。第２実施例によるレーダ装置は、第１実施例またはその変形例によるアンテナ装置を搭載している。 [Second embodiment]
Next, a radar device according to a second embodiment will be described with reference to Figures 5A to 7. The radar device according to the second embodiment is equipped with the antenna device according to the first embodiment or a modification thereof.

図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、それぞれ第２実施例によるレーダ装置に用いられる誘電体部材３０、基板１０、及びケース６０の斜視図である。基板１０（図５Ｂ）に、複数の放射素子１２が配置されている。４個の放射素子１２によって１つの直列給電型アレーアンテナ２０が構成されており、基板１０に６個の直列給電型アレーアンテナ２０が配置されている。６個の直列給電型アレーアンテナ２０において、直列給電型アレーアンテナ２０内の複数の放射素子１２の配列方向は相互に平行である。６個の直列給電型アレーアンテナ２０のうち２個は、送信用アレーアンテナ２０Ｔｘであり、残りの４個の直列給電型アレーアンテナ２０は、受信用アレーアンテナ２０Ｒｘである。 Figures 5A, 5B, and 5C are perspective views of a dielectric member 30, a substrate 10, and a case 60 used in a radar device according to the second embodiment, respectively. A plurality of radiating elements 12 are arranged on the substrate 10 (Figure 5B). One series-fed array antenna 20 is composed of four radiating elements 12, and six series-fed array antennas 20 are arranged on the substrate 10. In the six series-fed array antennas 20, the arrangement directions of the plurality of radiating elements 12 in the series-fed array antenna 20 are parallel to each other. Two of the six series-fed array antennas 20 are transmitting array antennas 20Tx, and the remaining four series-fed array antennas 20 are receiving array antennas 20Rx.

誘電体部材３０（図５Ａ）は、第１実施例によるアンテナ装置に用いられる誘電体部材３０（図１Ｃ）と同様に、板状部３１、複数の突出部３２、及び固定部３３を含む。複数の突出部３２は、基板１０に配置された複数の放射素子１２のそれぞれに対応して配置されている。固定部３３は、板状部３１の縁に沿って切れ目なく配置されている。このため、複数の突出部３２が配置された領域を、固定部３３が四方から取り囲む。The dielectric member 30 (Fig. 5A) includes a plate-shaped portion 31, a plurality of protruding portions 32, and a fixing portion 33, similar to the dielectric member 30 (Fig. 1C) used in the antenna device according to the first embodiment. The plurality of protruding portions 32 are arranged corresponding to each of the plurality of radiating elements 12 arranged on the substrate 10. The fixing portion 33 is arranged without interruption along the edge of the plate-shaped portion 31. Therefore, the fixing portion 33 surrounds the area in which the plurality of protruding portions 32 are arranged on all four sides.

ケース６０（図５Ｃ）は、板状の底部６２と、底部６２の縁から立ち上がる側壁部６３とを含む。側壁部６３の上面は共通の仮想平面上に位置する支持面６１を含む。ケース６０が、例えば金属で形成される。The case 60 (FIG. 5C) includes a plate-shaped bottom 62 and a side wall 63 rising from the edge of the bottom 62. The upper surface of the side wall 63 includes a support surface 61 located on a common imaginary plane. The case 60 is formed of, for example, metal.

図６は、第２実施例によるレーダ装置の断面図である。基板１０の裏面（誘電体部材３０の板状部３１に対向する面とは反対側の面）に、高周波回路素子５０が実装されている。高周波回路素子５０は、基板１０内に配置された給電線路１３（図２Ａ）を介して放射素子１２に接続されている。基板１０の裏面の周縁部が、ケース６０の支持面６１に支持されることにより、基板１０がケース６０に固定されている。支持面６１は、平面視において基板１０の縁より外側まで広がっている。ケース６０の底部６２と基板１０との間に高周波回路素子５０が収容される。 Figure 6 is a cross-sectional view of a radar device according to the second embodiment. A high-frequency circuit element 50 is mounted on the back surface of the substrate 10 (the surface opposite to the surface facing the plate-shaped portion 31 of the dielectric member 30). The high-frequency circuit element 50 is connected to the radiating element 12 via a feed line 13 (Figure 2A) arranged within the substrate 10. The peripheral portion of the back surface of the substrate 10 is supported by a support surface 61 of the case 60, thereby fixing the substrate 10 to the case 60. The support surface 61 extends beyond the edge of the substrate 10 in a plan view. The high-frequency circuit element 50 is accommodated between the bottom 62 of the case 60 and the substrate 10.

誘電体部材３０の固定部３３が支持面６１に接着されることにより、誘電体部材３０がケース６０に固定される。第１実施例（図２Ａ）では、誘電体部材３０が基板１０に直接固定されているが、第２実施例では、基板１０に対する誘電体部材３０の位置がケース６０を介して固定される。平面視において、板状部３１は複数の放射素子１２及び高周波回路素子５０を包含する大きさを有する。The fixing portion 33 of the dielectric member 30 is adhered to the support surface 61, thereby fixing the dielectric member 30 to the case 60. In the first embodiment (FIG. 2A), the dielectric member 30 is fixed directly to the substrate 10, but in the second embodiment, the position of the dielectric member 30 relative to the substrate 10 is fixed via the case 60. In a plan view, the plate-shaped portion 31 is large enough to include multiple radiating elements 12 and high-frequency circuit elements 50.

図７は、第２実施例によるレーダ装置のブロック図である。第２実施例によるレーダ装置は、２つの送信用アレーアンテナ２０Ｔｘ、４つの受信用アレーアンテナ２０Ｒｘ、信号処理部５１、信号発生部５２、複数のミキサ５３、及び複数のＡ／Ｄコンバータ５４を含む。信号処理部５１、信号発生部５２、複数のミキサ５３、及び複数のＡ／Ｄコンバータ５４は、高周波回路素子５０（図６）に組み込まれている。 Figure 7 is a block diagram of a radar device according to the second embodiment. The radar device according to the second embodiment includes two transmitting array antennas 20Tx, four receiving array antennas 20Rx, a signal processing unit 51, a signal generating unit 52, multiple mixers 53, and multiple A/D converters 54. The signal processing unit 51, the signal generating unit 52, the multiple mixers 53, and the multiple A/D converters 54 are incorporated in a high-frequency circuit element 50 (Figure 6).

２つの送信用アレーアンテナ２０Ｔｘと４つの受信用アレーアンテナ２０Ｒｘとの組み合わせにより８個の送受信系統が定義される。信号発生部５２は信号処理部５１から受信した変調信号に基づいて相互に直交する搬送波を変調し、変調された２つの送信信号をそれぞれ２つの送信用アレーアンテナ２０Ｔｘに供給する。Eight transmission/reception systems are defined by a combination of two transmitting array antennas 20Tx and four receiving array antennas 20Rx. The signal generating unit 52 modulates mutually orthogonal carrier waves based on the modulation signal received from the signal processing unit 51, and supplies the two modulated transmission signals to the two transmitting array antennas 20Tx, respectively.

ミキサ５３及びＡ／Ｄコンバータ５４は、８個の送受信系統の各々に対して準備されている。ミキサ５３は、送信信号と受信信号とをミキシングして中間周波信号を発生する。Ａ／Ｄコンバータ５４は中間周波信号をＡ／Ｄ変換する。Ａ／Ｄ変換された中間周波信号が信号処理部５１に入力される。信号処理部５１は、複数の中間周波信号に対して信号処理を行うことにより、対象物が位置する方位及び対象物までの距離を算出する。A mixer 53 and an A/D converter 54 are provided for each of the eight transmission/reception systems. The mixer 53 mixes the transmission signal and the reception signal to generate an intermediate frequency signal. The A/D converter 54 A/D converts the intermediate frequency signal. The A/D converted intermediate frequency signal is input to the signal processing unit 51. The signal processing unit 51 performs signal processing on the multiple intermediate frequency signals to calculate the direction in which an object is located and the distance to the object.

次に、第２実施例の優れた効果について説明する。
第２実施例においても第１実施例と同様に、複数の放射素子１２（図５Ｂ）と複数の突出部３２（図５Ａ）との位置精度を容易に高めることができるとともに、振動や衝撃に起因する突出部３２の脱落が生じにくいという優れた効果が得られる。 Next, the advantageous effects of the second embodiment will be described.
As in the first embodiment, in the second embodiment, the positional accuracy between the multiple radiating elements 12 (FIG. 5B) and the multiple protrusions 32 (FIG. 5A) can be easily improved, and the excellent effect of preventing the protrusions 32 from falling off due to vibration or impact can be obtained.

さらに、第２実施例では、誘電体部材３０（図５Ａ、図６）の板状部３１及び固定部３３が、放射素子１２及び高周波回路素子５０が実装された基板１０の全体を保護するレドームとして機能する。放射素子１２に装荷する誘電体からなる突出部３２と、レドームとして機能する板状部３１及び固定部３３とが一体化されているため、放射素子１２に装荷する誘電体ブロックとレドームとを別々に設ける構成と比べて部品点数を削減することができる。Furthermore, in the second embodiment, the plate-like portion 31 and the fixed portion 33 of the dielectric member 30 (FIGS. 5A and 6) function as a radome that protects the entire substrate 10 on which the radiating element 12 and the high-frequency circuit element 50 are mounted. Since the protruding portion 32 made of a dielectric loaded on the radiating element 12 is integrated with the plate-like portion 31 and the fixed portion 33 that function as a radome, the number of parts can be reduced compared to a configuration in which the dielectric block loaded on the radiating element 12 and the radome are provided separately.

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 The above-described embodiments are merely illustrative, and it goes without saying that partial substitution or combination of the configurations shown in different embodiments is possible. Similar effects resulting from similar configurations in multiple embodiments will not be mentioned in each embodiment. Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, it will be obvious to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, etc. are possible.

１０基板
１１グランドプレーン
１２放射素子
１３給電線路
１４裏面のグランドプレーン
１５ビア
１７誘電体層
２０直列給電型アレーアンテナ
２０Ｒｘ受信用アレーアンテナ
２０Ｔｘ送信用アレーアンテナ
３０誘電体部材
３１板状部
３２突出部
３３固定部
４０接着剤層
４１ネジ
５０高周波回路素子
５１信号処理部
５２信号発生部
５３ミキサ
５４Ａ／Ｄコンバータ
６０ケース
６１支持面
６２底部
６３側壁部
REFERENCE SIGNS LIST 10 Substrate 11 Ground plane 12 Radiating element 13 Power supply line 14 Ground plane on the back surface 15 Via 17 Dielectric layer 20 Series-fed array antenna 20Rx Receiving array antenna 20Tx Transmitting array antenna 30 Dielectric member 31 Plate-shaped portion 32 Protruding portion 33 Fixing portion 40 Adhesive layer 41 Screw 50 High-frequency circuit element 51 Signal processing portion 52 Signal generating portion 53 Mixer 54 A/D converter 60 Case 61 Support surface 62 Bottom portion 63 Side wall portion

Claims

A substrate;
a ground plane provided on the substrate;
a plurality of radiating elements provided on the substrate, the radiating elements constituting a patch antenna together with the ground plane;
a dielectric layer attached to the substrate so as to cover the plurality of radiating elements;
a dielectric member disposed on the dielectric layer,
The dielectric member is
a plate-like portion disposed at a distance from the dielectric layer;
a plurality of protrusions protruding from the plate-like portion toward each of the plurality of radiating elements;
a fixing portion disposed in a region not overlapping with the plurality of radiating elements in a plan view and protruding from the plate-like portion toward the substrate;
An antenna device in which the relative positions of the multiple protrusions with respect to the multiple radiating elements are fixed via the fixing portion.

2. The antenna device according to claim 1, wherein, when a wavelength corresponding to a center frequency of an operating frequency band of the patch antenna is denoted as _λd and an arbitrary positive integer is denoted as n, a thickness of the plate-shaped portion is within a range of (n-0.1) x ( _λd /2) or more and (n+0.3) x ( _λd /2) or less.

An antenna device according to claim 1 or 2, wherein the height of each of the plurality of protrusions is 0.4 times or more the wavelength corresponding to the center frequency of the operating frequency band of the patch antenna.

3. The antenna device according to claim 1, wherein each of the plurality of protrusions is in contact with the dielectric layer, or the distance between each of the plurality of protrusions and the dielectric layer is 0.1 mm or less.

The antenna device according to claim 1 , wherein the plate-like portion, the plurality of protrusions, and the fixing portion are integrally formed.

moreover,
a high-frequency circuit element mounted on the substrate; and
a plurality of feed lines connecting the high-frequency circuit element and each of the plurality of radiating elements,
The antenna device according to claim 1 , wherein the plate-like portion includes the high-frequency circuit element in a plan view.

the high-frequency circuit element is mounted on a surface of the substrate opposite to a surface on which the dielectric layer is disposed,
a case that supports a peripheral portion of the substrate from the side on which the high-frequency circuit element is mounted and includes a support surface that extends outward from the edge of the substrate in a plan view,
The antenna device according to claim 6 , wherein the dielectric member is fixed to the support surface of the case.

An antenna device according to claim 1 or 2 ;
a signal generating unit for supplying a transmission signal to a part of the plurality of radiating elements for transmission;
a signal processing unit that performs signal processing on the transmission signal and a reception signal received by the remaining reception radiating elements among the plurality of radiating elements.