IoT用途の車載レーダーに向け高い放射性能を実現する直列給電構成のアレイアンテナ

より安全な街路のための高機能な車載レーダー

現代の自動車は急速に移動するコンピュータとなりつつあり、道路を認識し危険を回避するための多数のセンサーを搭載しています。これらのセンサーの中でもレーダーは、雨や霧、夜間でも距離や速度を確実に測定できるため特に重要です。本稿は24ギガヘルツ帯に向けた新しい小型レーダーアンテナを紹介します。これはモノのインターネット（IoT）につながる車両向けに最適化されており、巧妙なハードウェア設計と人工知能による最適化を組み合わせることで、極めて限られた空間でも鋭く強いビームを実現しています。こうした設計は、安全で賢い車両の実現に向けた有望なアプローチです。

なぜ車はより良い“目”を必要とするのか

今日の運転支援システム（アダプティブクルーズコントロール、ブラインドスポット警告、駐車支援など）は、車両周囲の状況を監視するためにレーダーに依存しています。これらのレーダーは数十メートル先の物体を検出し、近くの車両と歩行者を区別しながら、バンパーやボディパネルに目立たず収まる必要があります。24ギガヘルツ帯は気象条件に左右されにくく、市街地での短〜中距離センシングに適しているため広く使われています。しかしこの帯域向けのアンテナ設計は難しく、高利得（強く指向性のある信号）、十分な帯域幅、低損失を小型で低コスト、かつプリント基板のように量産可能な構造に詰め込む必要があります。

小さな占有面積でのコンパクトなアンテナ設計

著者らは、マイクロ波用基板上にエッチングした平面状の円形金属パッチを用いる、互いに密接に関連した2つのアンテナ設計を提示します。一つは2行×5列（2 × 5）、もう一つは4行×5列（4 × 5）の配列です。入力信号を等分する専用のパワーディバイダが用いられ、各パッチにはパッチのすぐ脇を走る細い導線を介して給電されます。この近接結合により脆弱な垂直導通を避けつつ帯域幅が改善され、パッチ間の適切な間隔設定により各パッチの信号が合成されて強く狭いビームを形成します。その結果、ある設計では片方向に広くカバーする扇形のビームが得られ、別の設計ではより鉛筆状の狭いビームが得られて長距離の高解像度センシングに適します。

ハードウェアの微調整に人工知能を活用

寸法を手探りで調整する代わりに、チームはPSADEAと呼ばれるAI支援の最適化手法を用いています。このアルゴリズムは、給電線とパッチの隙間、パッチ寸法、線長などの主要設計パラメータの異なる組合せを、高速な数学的“代理”モデルと完全な電磁界シミュレーションで評価します。PSADEAは低い反射、 高い利得、適切に狭いビームを同時に実現する形状を探索します。従来の遺伝的アルゴリズムや粒子群探索のような手法と比べ、PSADEAははるかに少ない高負荷なシミュレーションでより良好な設計に到達し、計算時間を大幅に節約しつつ多くの可能性を探索します。

試験レンジでの実測性能

両アレイのプロトタイプは低損失のRogers基板上に製作され、自由空間を模した無響室で測定されました。多くの車載レーダーが用いる23〜25ギガヘルツ帯域にわたり、両アンテナは非常に低い反射を示し、入力された電力の大部分が電子機器へ反射されず放射に変換されていることを示しています。小型の2 × 5アレイは約16デシベルの利得、4 × 5アレイは約19.5デシベルの利得に到達し、シミュレーション上の放射効率は95％を超えています。ビームはシミュレーションと良く一致しており、2 × 5設計は一平面で広い扇形ビームを形成して側方や後方の広範囲をカバーするのに適し、4 × 5設計は両方向でより狭いビームを生成して遠方検出に向きます。他の公表アンテナと比較すると、これらのアレイは“開口効率”が異常に高く、単位面積当たりの有効なビーム強度をより多く引き出しています。

将来のコネクテッド車両にとっての意義

非専門家向けに言えば、著者らは量産電子部品と互換性のある手法と材料を用い、小型で平坦な形状において非常に効率的で高指向性のレーダーアンテナを構築する方法を示しました。AIベースの最適化器が詳細な形状設計を導くことで、多くの既存ソリューションを上回る性能をコストとサイズを抑えつつ実現しています。これらの固定ビームアンテナは、ブラインドスポット検出、後退横断交通警報、駐車支援、中距離前方検出といった一般的な運転支援タスクに特に適しています。車両がIoTネットワークにより他車両やインフラとレーダーデータを共有するようになるにつれて、このような小型で高性能なアンテナは、より安全で状況認識に優れた交通システムの重要な構成要素となるでしょう。

引用: Zakeri, H., Parvaneh, M., Moradi, G. et al. Array antenna with series-fed configuration providing high radiation performances for automotive radar in IoT applications. Sci Rep 16, 11116 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40981-x

キーワード: 車載レーダー, アンテナアレイ, 24 GHz, モノのインターネット, AI最適化