JP5557652B2 - Antenna structure and array antenna - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波を用いた通信システムおよびレーダーシステムに用いられるアンテナ構造体およびアレイアンテナに関するものである。   The present invention relates to an antenna structure and an array antenna used in a communication system and a radar system using microwaves and millimeter waves.

近年、高度情報化時代を迎え、情報伝達に用いられる電波の周波数は、1GHz〜30GHzのマイクロ波領域から、さらに30GHz〜300GHzのミリ波領域まで活用することが検討されており、たとえば、周波数が60GHzの電波を用いた家庭内高速無線伝送システム(無線PAN:Personal Area Network)のような応用システムも提案されるようになっている。   In recent years, with the advent of advanced information technology, it has been studied that the frequency of radio waves used for information transmission is from the microwave region of 1 GHz to 30 GHz to the millimeter wave region of 30 GHz to 300 GHz. Application systems such as an in-home high-speed wireless transmission system (wireless PAN: Personal Area Network) using 60 GHz radio waves have also been proposed.

このような応用システムにおいて、特に周波数が60GHzなどと高くなると、電波の減衰が大きくなり、また指向性も生じてくる。そのため、無線通信システムにおいて、電波を放射するアンテナ素子の特性改善が必要となる。たとえば、アンテナ素子を平面方向に多数配列したアレイ状にすることで、アンテナの利得を稼いでより遠方に電波が伝播するようにしたアレイアンテナや、さらにアレイ状にしたアンテナに入力する信号の位相を変化させることで、機械的な機構を用いずに走査することが可能で、放射パターンに指向性がある場合でも、広い領域で伝搬が可能であるフェーズドアレーアンテナが実用化されている。   In such an application system, particularly when the frequency is as high as 60 GHz or the like, the attenuation of radio waves increases and directivity also occurs. Therefore, in the wireless communication system, it is necessary to improve the characteristics of the antenna element that radiates radio waves. For example, by arranging an array of antenna elements in a planar direction to increase the antenna gain so that radio waves can be propagated further away, and the phase of the signal input to the arrayed antenna The phased array antenna that can be scanned without using a mechanical mechanism and can propagate in a wide area even when the radiation pattern has directivity has been put to practical use.

また、周波数が60GHzの電波を用いた無線PANにおいては、ハイビジョン動画といった大容量のデータを伝送するために、広い周波数帯域を用いた通信が検討されており、その実現のために、アンテナにおいても広帯域特性が要求されている。   In addition, in a wireless PAN using radio waves with a frequency of 60 GHz, communication using a wide frequency band is being studied in order to transmit a large amount of data such as a high-definition video. Broadband characteristics are required.

広帯域特性を有するアンテナとして、特許文献1のような誘電体共振器アンテナが検討されている。   As an antenna having a wide band characteristic, a dielectric resonator antenna as disclosed in Patent Document 1 has been studied.

特許文献1記載の誘電体共振器アンテナにおいては、送信の際、高周波回路21からの高周波信号がスロット9を介して空間(誘電体)共振器部8に入力され、開口部4から電波が放射される。誘電体共振器8が、高周波回路21およびスロット9と、開口部4の上の空間との(インピーダンス)整合器として働き、高周波信号の空間への放射が良好となり、周波数特性が広帯域となる。   In the dielectric resonator antenna described in Patent Document 1, during transmission, a high-frequency signal from the high-frequency circuit 21 is input to the space (dielectric) resonator unit 8 via the slot 9, and radio waves are radiated from the opening 4. Is done. The dielectric resonator 8 functions as an (impedance) matching device between the high-frequency circuit 21 and the slot 9 and the space above the opening 4, and the radiation of the high-frequency signal to the space becomes good, and the frequency characteristic becomes a wide band.

特開平11−239017号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-239017

しかしながら、放射する高周波信号の周波数が60GHzなど高くなると、特許文献1記載の開口面アンテナでは、上部主導体層3の影響により、アンテナから放射される高周波信号の利得が低下するなどアンテナ特性が劣化してしまう。   However, when the frequency of the radiated high-frequency signal is increased to 60 GHz or the like, the antenna characteristics of the aperture antenna described in Patent Document 1 deteriorate due to the influence of the upper main conductor layer 3 such that the gain of the high-frequency signal radiated from the antenna decreases. Resulting in.

本発明の目的は、比較的周波数が高い高周波信号を用いる場合にアンテナ特性を向上させることが可能なアンテナ構造体およびアレイアンテナを提供することである。   An object of the present invention is to provide an antenna structure and an array antenna that can improve antenna characteristics when a high-frequency signal having a relatively high frequency is used.

本発明は、複数の誘電体層からなる誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方主面に設けられる、高周波信号を送受信するための矩形状の開口が形成された表面導体層であって、送受信する前記高周波信号の磁界方向に平行に延び、電界方向長さである幅寸法が、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の1/4以下である一対の帯状導体と、前記一対の帯状導体の近接する端部同士を接続する一対の接続導体とによって前記開口が規定される表面導体層と、
前記誘電体層を厚み方向に貫通する複数の貫通導体であって、前記表面導体層と電気的に接続し、前記開口に沿って周状に所定の間隔を空けて設けられる貫通導体と、
前記貫通導体によって囲まれる領域であって、前記高周波信号が共振するように形成される共振領域に臨むスロットが形成され、前記表面導体層とは反対側で前記貫通導体と電気的に接続する給電スロット層と、
前記スロットと電磁気的に結合し、前記共振領域に給電するための高周波信号を伝送する給電線路と、を備えることを特徴とするアンテナ構造体である。
The present invention provides a dielectric substrate comprising a plurality of dielectric layers;
A surface conductor layer provided on one main surface of the dielectric substrate and having a rectangular opening for transmitting and receiving a high-frequency signal, extending parallel to the magnetic field direction of the high-frequency signal to be transmitted and received, and having a length in an electric field direction The width dimension is a pair of strip conductors that are ¼ or less of the free space wavelength of the high-frequency signal to be transmitted and received, and the pair of connection conductors that connect adjacent ends of the pair of strip conductors A surface conductor layer in which an opening is defined;
A plurality of through conductors penetrating the dielectric layer in the thickness direction, electrically connected to the surface conductor layer, and a through conductor provided circumferentially along the opening at a predetermined interval; and
A power supply electrically connected to the through conductor on a side opposite to the surface conductor layer, wherein a slot is formed in a region surrounded by the through conductor and facing a resonance region formed so that the high frequency signal resonates. The slot layer,
An antenna structure comprising: a feeding line that electromagnetically couples to the slot and transmits a high-frequency signal for feeding power to the resonance region.

また本発明は、前記貫通導体は、複数の誘電体層に設けられており、
異なる誘電体層に設けられた貫通導体を厚み方向に接続するとともに、同じ誘電体層に設けられた貫通導体を面方向に接続する内部導体層であって、前記表面導体層に形成された前記開口と同様の開口が形成される内部導体層をさらに備えることを特徴とする。
In the present invention, the through conductor is provided in a plurality of dielectric layers,
An internal conductor layer that connects through conductors provided in different dielectric layers in the thickness direction and connects through conductors provided in the same dielectric layer in the surface direction, and formed in the surface conductor layer It further includes an internal conductor layer in which an opening similar to the opening is formed.

また本発明は、上記のアンテナ構造体を複数有し、
前記アンテナ構造体をアレイ状に配置したことを特徴とするアレイアンテナである。
The present invention also includes a plurality of the antenna structures described above,
An array antenna characterized in that the antenna structures are arranged in an array.

本発明によれば、表面導体層が、誘電体基板の一方主面に設けられており、この表面導体層には、外部空間に高周波信号を送信するとともに外部空間から高周波信号を受信するための矩形状の開口が形成される。また、開口は、一対の帯状導体と、帯状導体の端部を接続する接続導体とによって規定される。   According to the present invention, the surface conductor layer is provided on one main surface of the dielectric substrate, and the surface conductor layer transmits a high frequency signal to the external space and receives a high frequency signal from the external space. A rectangular opening is formed. The opening is defined by a pair of strip conductors and a connection conductor connecting the ends of the strip conductors.

一対の帯状導体は、前記開口で送受信する高周波信号の磁界方向に平行に延び、電界方向長さである幅寸法が、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の1/4以下である。 The pair of strip conductors extends parallel to the magnetic field direction of the high-frequency signal transmitted and received through the opening, and the width dimension which is the length in the electric field direction is ¼ or less of the free space wavelength of the high-frequency signal transmitted and received.

これにより、比較的周波数が高い高周波信号を用いる場合に、送受信する高周波信号の進行方向における利得の低下を抑制し、アンテナ特性を向上させることができる。また、前記帯状導体の幅寸法を、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の1/4以下とすることで、サイドローブの発生を抑えることができる。特にアンテナ構造体を複数備えるアレイアンテナにおいては、サイドローブが隣接するアンテナ構造体のアンテナ特性に影響を与えるので、サイドローブの発生を抑えることで、アンテナ構造体同士の距離を短くすることができ、アレイアンテナを小型化できる。 As a result, when a high frequency signal having a relatively high frequency is used, a decrease in gain in the traveling direction of the high frequency signal to be transmitted and received can be suppressed, and the antenna characteristics can be improved. Further, by making the width dimension of the strip-shaped conductor equal to or less than ¼ of the free space wavelength of the high-frequency signal to be transmitted and received, the occurrence of side lobes can be suppressed. In particular, in an array antenna having a plurality of antenna structures, side lobes affect the antenna characteristics of adjacent antenna structures, so the distance between antenna structures can be shortened by suppressing the occurrence of side lobes. The array antenna can be downsized.

また本発明によれば、前記貫通導体は、複数の誘電体層に設けられており、異なる誘電体層に設けられた貫通導体を厚み方向に接続するとともに、同じ誘電体層に設けられた貫通導体を面方向に接続する内部導体層を備える。この内部導体層には、前記表面導体層に形成された前記開口と同様の開口が形成される。   According to the invention, the through conductor is provided in a plurality of dielectric layers, and connects the through conductors provided in different dielectric layers in the thickness direction, and the through conductor provided in the same dielectric layer. An internal conductor layer is provided for connecting the conductors in the plane direction. An opening similar to the opening formed in the surface conductor layer is formed in the inner conductor layer.

これにより、貫通導体同士を確実に接続し、共振領域で共振する高周波信号の漏れを抑制することができる。   Thereby, the through conductors can be reliably connected to each other, and leakage of a high-frequency signal that resonates in the resonance region can be suppressed.

また本発明によれば、上記のアンテナ構造体を複数有し、前記アンテナ構造体がアレイ状に配置されたアレイアンテナである。これにより、利得の低下が抑えられたアンテナ特性に優れたアレイアンテナを提供することができる。特に前記帯状導体の幅寸法を、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の1/4以下とした場合、サイドローブの発生が抑えられるので、より小型化が可能となる。   According to the invention, there is provided an array antenna having a plurality of the antenna structures described above, wherein the antenna structures are arranged in an array. Thereby, it is possible to provide an array antenna excellent in antenna characteristics in which a decrease in gain is suppressed. In particular, when the width of the strip-shaped conductor is set to ¼ or less of the free space wavelength of the high-frequency signal to be transmitted and received, the generation of side lobes can be suppressed, so that further miniaturization is possible.

本発明の実施形態であるアンテナ構造体1の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the antenna structure 1 which is embodiment of this invention. アンテナ構造体1の平面図である。1 is a plan view of an antenna structure 1. FIG. アレイアンテナ10の平面図である。1 is a plan view of an array antenna 10. FIG. シミュレーションによって得られた放射パターンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the radiation pattern obtained by simulation. Waを変化させたときの放射方向の利得とサイドローブに与える影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence which it has on the gain and side lobe of a radiation direction when Wa is changed.

図1は、本発明の実施形態であるアンテナ構造体1の構成を示す断面図である。図2は、アンテナ構造体1の平面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of an antenna structure 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a plan view of the antenna structure 1.

アンテナ構造体1は、誘電体基板2、表面導体層3、貫通導体4、内部導体層5、給電スロット層6および給電線路7を備える。   The antenna structure 1 includes a dielectric substrate 2, a surface conductor layer 3, a through conductor 4, an internal conductor layer 5, a feed slot layer 6, and a feed line 7.

アンテナ構造体1が電波を送信する場合は、たとえば高周波用半導体素子から出力された高周波信号が、給電線路7を伝搬し、給電スロット層6に設けられたスロットを介して、表面導体層3、貫通導体4、内部導体層5、給電スロット層6で囲まれた共振領域を伝送して表面導体層3に形成された開口から放射される。なお、電波を受信する場合は、表面導体層3に形成された開口で電波を受信し、送信の場合とは逆の流れで高周波信号が給電線路7に到達する。   When the antenna structure 1 transmits radio waves, for example, a high-frequency signal output from a high-frequency semiconductor element propagates through the feed line 7 and passes through the slot provided in the feed slot layer 6, the surface conductor layer 3, The light is radiated from an opening formed in the surface conductor layer 3 through a resonance region surrounded by the through conductor 4, the inner conductor layer 5, and the feed slot layer 6. When receiving radio waves, the radio waves are received through the openings formed in the surface conductor layer 3, and the high frequency signal reaches the feed line 7 in the reverse flow to that in the case of transmission.

誘電体基板2は、複数の誘電体層2aからなり、一方の主面上に表面導体層3が形成され、他方の主面上に給電線路7が形成され、複数の誘電体層2a間に内部導体層5、給電スロット層6が形成され、誘電体層2aを貫通するように貫通導体4が形成される。   The dielectric substrate 2 includes a plurality of dielectric layers 2a, the surface conductor layer 3 is formed on one main surface, the feed line 7 is formed on the other main surface, and the dielectric layers 2a are interposed between the plurality of dielectric layers 2a. The inner conductor layer 5 and the feed slot layer 6 are formed, and the through conductor 4 is formed so as to penetrate the dielectric layer 2a.

表面導体層3は、矩形状の導体パターンの中央に矩形状の開口が形成され、所定の幅を有する一対の帯状導体3aと帯状導体3aの両端部同士を接続する一対の接続導体3bとからなる。表面導体層3について、詳細は後述するが、本実施形態のアンテナ構造体1において、帯状導体3aの幅寸法Waを規定することが重要である。   The surface conductor layer 3 includes a pair of strip-shaped conductors 3a having a predetermined width and a pair of connecting conductors 3b that connect both ends of the strip-shaped conductor 3a. Become. Although details of the surface conductor layer 3 will be described later, it is important to define the width dimension Wa of the strip-shaped conductor 3a in the antenna structure 1 of the present embodiment.

また、表面導体層3に形成された開口は、本実施形態のアンテナ構造体1における放射部となり、たとえば縦寸法がaで横寸法がbの開口である。この開口寸法は、送受信しようとする高周波信号の周波数に応じて決定される。   Moreover, the opening formed in the surface conductor layer 3 becomes a radiation part in the antenna structure 1 of the present embodiment, and is, for example, an opening having a vertical dimension a and a horizontal dimension b. This opening size is determined according to the frequency of the high-frequency signal to be transmitted / received.

貫通導体4は、表面導体層3と接続され、複数の誘電体層2aを貫通し、給電スロット層6と接続される。貫通導体4は、開口に沿って周状に所定の間隔を空けて設けられる。貫通導体4の間隔は、共振する高周波信号が漏れないように、共振する高周波信号の実効波長の1/2未満とし、好ましくは実効波長の1/4以下とする。   The through conductor 4 is connected to the surface conductor layer 3, passes through the plurality of dielectric layers 2 a, and is connected to the power supply slot layer 6. The through conductors 4 are provided circumferentially at predetermined intervals along the opening. The interval between the through conductors 4 is set to be less than ½ of the effective wavelength of the resonating high-frequency signal, and preferably to ¼ or less of the effective wavelength so that the resonating high-frequency signal does not leak.

内部導体層5は、誘電体層2a間に設けられ、異なる誘電体層2aに設けられた貫通導体4を厚み方向に接続するとともに、同じ誘電体層2aに設けられた貫通導体4を面方向に接続する。内部導体層5には、表面導体層3に形成された開口と同じ寸法(a×b)の開口が形成され、誘電体層2aの各層間に設けられる。したがって、表面導体層3から給電スロット層6までの距離、すなわち表面導体層3と給電スロット層6との間の誘電体層2aの厚みをcとすると、a×b×cの共振領域Aが形成される。   The internal conductor layer 5 is provided between the dielectric layers 2a, connects the through conductors 4 provided in different dielectric layers 2a in the thickness direction, and connects the through conductors 4 provided in the same dielectric layer 2a in the plane direction. Connect to. In the inner conductor layer 5, openings having the same dimensions (a × b) as the openings formed in the surface conductor layer 3 are formed and provided between the respective layers of the dielectric layer 2a. Therefore, if the distance from the surface conductor layer 3 to the feed slot layer 6, that is, the thickness of the dielectric layer 2 a between the surface conductor layer 3 and the feed slot layer 6 is c, the resonance region A of a × b × c is It is formed.

ここで、厚みcは、共振領域Aを伝送する高周波信号の実効波長の1/4となるように設定すればよい。開口3cの縦寸法aについては、伝送する高周波信号の自由空間における波長の1/4〜3/4とすることが好ましい。   Here, the thickness c may be set to be ¼ of the effective wavelength of the high-frequency signal transmitted through the resonance region A. The vertical dimension a of the opening 3c is preferably set to ¼ to ¾ of the wavelength in the free space of the high-frequency signal to be transmitted.

給電スロット層6は、共振空間に臨むスロット6aが形成された導体層であり、このスロット6aが誘電体層2aを挟んで給電線路7の端部と電磁気的に結合する。給電線路7を伝送した高周波信号は、電磁気的に結合したスロット6aを介して共振領域Aに給電され、この共振領域Aで共振し表面導体層3の開口から外部空間へと放射される。   The feed slot layer 6 is a conductor layer in which a slot 6a facing the resonance space is formed, and the slot 6a is electromagnetically coupled to the end of the feed line 7 with the dielectric layer 2a interposed therebetween. The high-frequency signal transmitted through the feed line 7 is fed to the resonance region A through the electromagnetically coupled slot 6a, resonates in the resonance region A, and is radiated from the opening of the surface conductor layer 3 to the external space.

給電スロット層6に形成されたスロット6aは、給電線路7および共振領域Aと電磁気的に結合するように設ければよく、たとえば、スロット6aの形状は、長手方向が給電線路7および共振領域Aを伝送する高周波信号の磁界方向に平行となる矩形状であり、上面透視した際に、スロット6aが開口3cの内側に位置するように設けられる。スロット6aの長手方向寸法は、伝送する高周波信号の誘電体層2aにおける実効波長の1/2以上、伝送する高周波信号の自由空間における波長の1/2以下とすることが好ましい。   The slot 6a formed in the feed slot layer 6 may be provided so as to be electromagnetically coupled to the feed line 7 and the resonance region A. For example, the shape of the slot 6a is such that the longitudinal direction is the feed line 7 and the resonance region A. The rectangular shape is parallel to the magnetic field direction of the high-frequency signal that transmits the signal, and the slot 6a is provided inside the opening 3c when viewed through the top surface. The longitudinal dimension of the slot 6a is preferably not less than 1/2 of the effective wavelength of the high-frequency signal to be transmitted in the dielectric layer 2a and not more than 1/2 of the wavelength in the free space of the high-frequency signal to be transmitted.

給電線路7は、共振領域Aに給電するための高周波信号を伝送する伝送線路であり、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、中空導波管および誘電体積層導波管などの各種伝送線路を用いることができる。本実施形態では、給電スロット層6の一部を接地導体とし、裏面側の表面に設けた信号線路を伝送するマイクロストリップ線路を構成している。   The feed line 7 is a transmission line that transmits a high-frequency signal for feeding power to the resonance region A, and various transmission lines such as a strip line, a microstrip line, a hollow waveguide, and a dielectric laminated waveguide are used. it can. In the present embodiment, a part of the feed slot layer 6 is a ground conductor, and a microstrip line that transmits a signal line provided on the surface on the back surface side is configured.

表面導体層3について以下に詳細に説明する。上記のように、表面導体層3は、一対の帯状導体3aと帯状導体3aの両端部同士を接続する一対の接続導体3bとからなり、帯状導体3aと接続導体3bとによって矩形状の開口3cが規定される。   The surface conductor layer 3 will be described in detail below. As described above, the surface conductor layer 3 includes a pair of strip conductors 3a and a pair of connection conductors 3b that connect both ends of the strip conductor 3a, and the rectangular conductor 3a and the connection conductor 3b form a rectangular opening 3c. Is defined.

帯状導体3aは、送受信する高周波信号の磁界(H)方向に平行に延び、電界(E)方向の長さ、すなわち幅寸法Waが、送受信する高周波信号の自由空間波長の1/2未満である。幅寸法Waを送受信する高周波信号の自由空間波長の1/2未満とすることで、送受信する高周波信号の進行方向の利得(ゲイン)の低下を抑えることができる。   The strip-shaped conductor 3a extends in parallel with the magnetic field (H) direction of the high-frequency signal to be transmitted and received, and the length in the electric field (E) direction, that is, the width dimension Wa is less than ½ of the free space wavelength of the high-frequency signal to be transmitted and received. . By making the width dimension Wa less than half of the free space wavelength of the high-frequency signal to be transmitted and received, it is possible to suppress a decrease in gain in the traveling direction of the high-frequency signal to be transmitted and received.

特許文献1記載のアンテナなど従来の誘電体共振器を利用したアンテナ構造体では、特に周波数が60GHzを超えるような比較的高い周波数の場合、ゲインが低下するという問題があった。本願発明者らは、このゲインの低下が表面導体層によるものであることを突き止め、上記のように帯状導体3aの幅寸法Waを規定することでゲインの低下を抑制できることを見出した。   In an antenna structure using a conventional dielectric resonator such as the antenna described in Patent Document 1, there is a problem that the gain is lowered particularly at a relatively high frequency exceeding 60 GHz. The inventors of the present application have found that the decrease in gain is caused by the surface conductor layer, and have found that the decrease in gain can be suppressed by defining the width dimension Wa of the strip-shaped conductor 3a as described above.

またさらに、幅寸法Waを送受信する高周波信号の自由空間波長の1/4以下とするこれにより、サイドローブの発生を抑えることができる。サイドローブの発生は、放射エネルギの損失となるだけでなく、アレイアンテナにおいては、隣接するアンテナに影響を与え、アンテナ特性を劣化させる原因となる。したがって、サイドローブが発生する場合は、隣接するアンテナ間の距離を、サイドローブの影響が小さくなるような距離まで離す必要がある。 Furthermore, the width dimension Wa is set to ¼ or less of the free space wavelength of the high-frequency signal transmitted and received . Thereby, generation | occurrence | production of a side lobe can be suppressed. The generation of side lobes not only causes a loss of radiant energy but also affects adjacent antennas in the array antenna and causes antenna characteristics to deteriorate. Therefore, when side lobes occur, it is necessary to increase the distance between adjacent antennas to such a distance that the influence of side lobes is reduced.

本実施形態のアンテナ構造体1を複数並べてアレイアンテナを構成する場合、サイドローブの発生が抑えられているので、隣接するアンテナ間の距離を短くすることができ、アレイアンテナを小型化することができる。   When an array antenna is configured by arranging a plurality of antenna structures 1 according to the present embodiment, the occurrence of side lobes is suppressed, so the distance between adjacent antennas can be shortened, and the array antenna can be downsized. it can.

図3は、アレイアンテナ10の平面図である。アレイアンテナ10は、アンテナ構造体1を平面方向に規則的に複数並べて配置した構成であり、たとえば、図3に示すようにアンテナ構造体1を格子状に配置する。アンテナ構造体1において、帯状導体3aの幅寸法Waを、送受信する高周波信号の自由空間波長の1/4以下とすることで、隣接するアンテナ構造体1間の距離が短くなり、より小型化したアレイアンテナ10を実現できる。   FIG. 3 is a plan view of the array antenna 10. The array antenna 10 has a configuration in which a plurality of antenna structures 1 are regularly arranged in the plane direction. For example, the antenna structures 1 are arranged in a lattice pattern as shown in FIG. In the antenna structure 1, the width dimension Wa of the strip-shaped conductor 3a is set to 1/4 or less of the free space wavelength of the high-frequency signal to be transmitted / received, thereby shortening the distance between the adjacent antenna structures 1 and further reducing the size. The array antenna 10 can be realized.

また、帯状導体3aの幅寸法Waは、たとえば、貫通導体4の直径よりも大きくすることが好ましい。貫通導体4と帯状導体3aとは電気的に接続する必要があるので、幅寸法Waを貫通導体4の直径以下とすると、接続が不十分となるなど製造上の問題が生じ、アンテナ特性に影響を与えることになるので、幅寸法Waを貫通導体4の直径よりも大きくすることで、アンテナ特性の劣化を抑えることができる。   Moreover, it is preferable that the width dimension Wa of the strip | belt-shaped conductor 3a is larger than the diameter of the penetration conductor 4, for example. Since the through conductor 4 and the strip-shaped conductor 3a need to be electrically connected, if the width dimension Wa is equal to or smaller than the diameter of the through conductor 4, a manufacturing problem such as insufficient connection occurs, which affects the antenna characteristics. Therefore, by making the width dimension Wa larger than the diameter of the through conductor 4, it is possible to suppress deterioration of the antenna characteristics.

接続導体3bは、帯状導体3aに直交して延び、一対の帯状導体3aの近接する端部同士を接続する。送受信する高周波信号の磁界(H)方向の長さである幅寸法Wbは、アンテナ構造体1のアンテナ特性に影響を与えないことが確認されており、特に規定する必要はないが、アレイアンテナを構成した場合の小型化を考慮すると、Wbはなるべく小さい方が好ましい。貫通導体4との接続も考慮し、接続導体3bの幅寸法Wbは、たとえば、貫通導体4の直径以上、帯状導体3aの幅寸法Wa以下とする。   The connection conductor 3b extends orthogonally to the strip conductor 3a and connects adjacent ends of the pair of strip conductors 3a. It has been confirmed that the width dimension Wb, which is the length in the magnetic field (H) direction, of the high-frequency signal to be transmitted and received does not affect the antenna characteristics of the antenna structure 1. In consideration of downsizing when configured, Wb is preferably as small as possible. Considering connection with the through conductor 4, the width dimension Wb of the connection conductor 3b is, for example, not less than the diameter of the through conductor 4 and not more than the width dimension Wa of the strip conductor 3a.

本実施形態のアンテナ構造体1において、誘電体層2aの材質としては、有機樹脂材料、セラミックス材料、樹脂とセラミックスとの混合材料などを用いることができる。有機樹脂材料としては、たとえば、エポキシ樹脂およびポリイミド樹脂などを用いることができる。セラミックス材料としては、アルミナなどの金属酸化物、窒化ケイ素などの窒化物、炭化ケイ素などの炭化物、およびガラス材料などを用いることができる。   In the antenna structure 1 of the present embodiment, as the material of the dielectric layer 2a, an organic resin material, a ceramic material, a mixed material of resin and ceramics, or the like can be used. As the organic resin material, for example, an epoxy resin and a polyimide resin can be used. As the ceramic material, a metal oxide such as alumina, a nitride such as silicon nitride, a carbide such as silicon carbide, and a glass material can be used.

表面導体層3、貫通導体4などの各導体材料は、用いる誘電体層2aの材料に応じて適宜選択すればよく、Ag、Cu、Al、Wなどの金属材料を用いることができる。   Each conductor material such as the surface conductor layer 3 and the through conductor 4 may be appropriately selected according to the material of the dielectric layer 2a to be used, and a metal material such as Ag, Cu, Al, or W can be used.

本実施形態のアンテナ構造体1は、たとえば次のようにして作製することができる。まず、セラミック原料粉末に適当な有機溶剤などを添加し、これらを混合して泥漿を作製するとともに、ドクターブレード法によって所定厚みのセラミックグリーンシートを形成する。   The antenna structure 1 of the present embodiment can be manufactured, for example, as follows. First, an appropriate organic solvent is added to the ceramic raw material powder, and these are mixed to produce a slurry, and a ceramic green sheet having a predetermined thickness is formed by a doctor blade method.

次に、得られたセラミックグリーンシートにパンチングマシーンなどを用いて貫通導体を形成するための貫通孔を形成し、Cu、Wなどの導電材料を含む導体ペーストを充填する。また、セラミックグリーンシートの表面には、印刷法を用いて前述したのと同様の導体ペーストを塗布して導体ペースト付きセラミックグリーンシートを作製する。次に、これらの導体ペースト付きセラミックグリーンシートを所定の順序で積層し、ホットプレス装置を用いて圧着し、誘電体層2aの材料に応じて800℃〜1600℃程度のピーク温度で焼成することにより作製される。   Next, a through hole for forming a through conductor is formed on the obtained ceramic green sheet using a punching machine or the like, and a conductive paste containing a conductive material such as Cu or W is filled. Further, the same conductive paste as described above is applied to the surface of the ceramic green sheet by using a printing method to produce a ceramic green sheet with a conductive paste. Next, these ceramic green sheets with a conductive paste are laminated in a predetermined order, and are bonded using a hot press apparatus, and fired at a peak temperature of about 800 ° C. to 1600 ° C. depending on the material of the dielectric layer 2a. It is produced by.

本実施形態のアンテナ構造体1のアンテナ特性については、シミュレーションにより得られた放射パターンに基づいて評価した。シミュレーションに用いたアンテナ構造体のモデルは、以下の通りである。   About the antenna characteristic of the antenna structure 1 of this embodiment, it evaluated based on the radiation pattern obtained by simulation. The model of the antenna structure used for the simulation is as follows.

誘電体基板2は、誘電体層2aの材質をアルミナと想定し、比誘電率を約9とした。誘電体層2aの厚みは、0.1mmとし、誘電体層2aを5層積層した。   The dielectric substrate 2 was assumed to be alumina as the material of the dielectric layer 2a, and the relative dielectric constant was about 9. The thickness of the dielectric layer 2a was 0.1 mm, and five dielectric layers 2a were stacked.

各導体材料は、材質をタングステン合金と想定し、導電率を約10×10[S/m]とした。 Each conductor material was assumed to be a tungsten alloy, and the conductivity was about 10 × 10 6 [S / m].

表面導体層3は、帯状導体3aの幅寸法Waを0.15mm〜3mmに変化させ、接続導体3bの幅寸法Wbを0.15mmとした。表面導体層3の外形寸法は、帯状導体3aの幅寸法Waが0.15mmのとき、縦3.3mm、横1.8mmであり、開口3cの開口寸法は、縦3mm、横1.5mmとした。   In the surface conductor layer 3, the width dimension Wa of the strip-shaped conductor 3a was changed to 0.15 mm to 3 mm, and the width dimension Wb of the connection conductor 3b was set to 0.15 mm. The outer dimensions of the surface conductor layer 3 are 3.3 mm in length and 1.8 mm in width when the width Wa of the strip-shaped conductor 3a is 0.15 mm, and the opening dimensions of the opening 3c are 3 mm in length and 1.5 mm in width. did.

給電スロット層6のスロット6aは、縦1.3mm、横0.2mmとし、貫通導体4の直径は0.1mmとした。   The slot 6a of the power supply slot layer 6 is 1.3 mm in length and 0.2 mm in width, and the diameter of the through conductor 4 is 0.1 mm.

給電線路7は、線幅を0.1mmとし、伝送する高周波信号は、周波数が61.5GHzであり、線路導体7および給電スロット層6がそれぞれ両面に設けられた誘電体層2aの厚みを0.1mmとした。   The feed line 7 has a line width of 0.1 mm, the high-frequency signal to be transmitted has a frequency of 61.5 GHz, and the thickness of the dielectric layer 2a provided with the line conductor 7 and the feed slot layer 6 on both sides is 0. 1 mm.

図4は、シミュレーションによって得られた放射パターンの一例を示す図である。図4(a)は、Waを1.0mmとしたときの放射パターンを示し、図4(b)は、Waを1.5mmとしたときの放射パターンを示す。周波数61.5GHzの高周波信号の自由空間での波長は、約4.88mmであるので、Waが1.0mmの場合は、Waが自由空間波長の1/4以下であり、Waが1.5mmの場合は、Waが自由空間波長の1/4を超え、1/2未満である。半径方向は、放射エネルギ強度を示し、円周方向は角度(0°が電波の放射方向)を示す。したがって、0°での値が放射方向での利得を示し、±90°付近での値がサイドローブを示す。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a radiation pattern obtained by simulation. 4A shows a radiation pattern when Wa is 1.0 mm, and FIG. 4B shows a radiation pattern when Wa is 1.5 mm. The wavelength in the free space of the high frequency signal having a frequency of 61.5 GHz is about 4.88 mm. Therefore, when Wa is 1.0 mm, Wa is ¼ or less of the free space wavelength, and Wa is 1.5 mm. In this case, Wa exceeds 1/4 of the free space wavelength and is less than 1/2. The radial direction indicates the radiant energy intensity, and the circumferential direction indicates an angle (0 ° is a radio wave radiation direction). Therefore, a value at 0 ° indicates a gain in the radial direction, and a value near ± 90 ° indicates a side lobe.

放射方向の利得については、Waの変化による影響は見られないが、サイドローブについては、Waを1.5mmから1.0mmにすることで明らかに小さくなっている。   The gain in the radial direction is not affected by the change in Wa, but the side lobe is clearly reduced by changing Wa from 1.5 mm to 1.0 mm.

図5は、Waを変化させたときの放射方向の利得とサイドローブに与える影響を示すグラフである。図5(a)は、横軸がWa[mm]を示し、縦軸が放射方向の利得[dB]を示し、図5(b)は、横軸がWa[mm]を示し、縦軸がサイドローブ量[dB]を示す。サイドローブ量は、放射方向の利得からサイドローブの利得を差し引いた値である。放射方向の利得は、値が大きいほどアンテナ特性が良好であり、サイドローブ量は、値が小さいほどアンテナ特性が良好である。   FIG. 5 is a graph showing the influence on the gain and side lobe in the radial direction when Wa is changed. 5A, the horizontal axis indicates Wa [mm], the vertical axis indicates the radial gain [dB], and in FIG. 5B, the horizontal axis indicates Wa [mm], and the vertical axis indicates The side lobe amount [dB] is shown. The side lobe amount is a value obtained by subtracting the side lobe gain from the radial gain. The larger the value of the gain in the radiation direction, the better the antenna characteristics, and the smaller the value of the side lobe amount, the better the antenna characteristics.

図5(a)のグラフからわかるように、Waが2mmの場合に比べて2.44mmの場合に利得が大きく低下している。すなわち、Waが自由空間波長の2/5では利得が低下せず、Waが自由空間波長の1/2では利得が低下した。このことから、帯状導体3aの幅寸法Waは、自由空間波長の1/2未満とすることが好ましい。また、Waが2mm以下では、利得はほぼ一定の値であった。   As can be seen from the graph of FIG. 5A, the gain is greatly reduced when Wa is 2.44 mm compared to when Wa is 2 mm. That is, the gain did not decrease when Wa was 2/5 of the free space wavelength, and the gain decreased when Wa was 1/2 of the free space wavelength. For this reason, it is preferable that the width dimension Wa of the strip-shaped conductor 3a is less than ½ of the free space wavelength. When Wa was 2 mm or less, the gain was a substantially constant value.

図5(b)のグラフからわかるように、Waが高周波信号の自由空間波長の1/4である1.22mmを超えると、Waが大きくなるにつれてサイドローブ量が大きくなり、Waが高周波信号の自由空間波長の1/4以下では、サイドローブ量がほぼ一定で小さく抑えられる。   As can be seen from the graph of FIG. 5B, when Wa exceeds 1.22 mm, which is a quarter of the free space wavelength of the high-frequency signal, the side lobe amount increases as Wa increases, and Wa is the high-frequency signal. Below ¼ of the free space wavelength, the side lobe amount is substantially constant and kept small.

1 アンテナ構造体
2 誘電体基板
2a 誘電体層
3 表面導体層
3a 帯状導体
3b 接続導体
3c 開口
4 貫通導体
5 内部導体層
6 給電スロット層
6a スロット
7 給電線路
10 アレイアンテナ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Antenna structure 2 Dielectric board | substrate 2a Dielectric layer 3 Surface conductor layer 3a Strip | belt-shaped conductor 3b Connection conductor 3c Opening 4 Through conductor 5 Internal conductor layer 6 Feed slot layer 6a Slot 7 Feed line 10 Array antenna

Claims (3)

複数の誘電体層からなる誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方主面に設けられる、高周波信号を送受信するための矩形状の開口が形成された表面導体層であって、送受信する前記高周波信号の磁界方向に平行に延び、電界方向長さである幅寸法が、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の1/4以下である一対の帯状導体と、前記一対の帯状導体の近接する端部同士を接続する一対の接続導体とによって前記開口が規定される表面導体層と、
前記誘電体層を厚み方向に貫通する複数の貫通導体であって、前記表面導体層と電気的に接続し、前記開口に沿って周状に所定の間隔を空けて設けられる貫通導体と、
前記貫通導体によって囲まれる領域であって、前記高周波信号が共振するように形成される共振領域に臨むスロットが形成され、前記表面導体層とは反対側で前記貫通導体と電気的に接続する給電スロット層と、
前記スロットと電磁気的に結合し、前記共振領域に給電するための高周波信号を伝送する給電線路と、を備えることを特徴とするアンテナ構造体。
A dielectric substrate comprising a plurality of dielectric layers;
A surface conductor layer provided on one main surface of the dielectric substrate and having a rectangular opening for transmitting and receiving a high-frequency signal, extending parallel to the magnetic field direction of the high-frequency signal to be transmitted and received, and having a length in an electric field direction The width dimension is a pair of strip conductors that are ¼ or less of the free space wavelength of the high-frequency signal to be transmitted and received, and the pair of connection conductors that connect adjacent ends of the pair of strip conductors A surface conductor layer in which an opening is defined;
A plurality of through conductors penetrating the dielectric layer in the thickness direction, electrically connected to the surface conductor layer, and a through conductor provided circumferentially along the opening at a predetermined interval; and
A power supply electrically connected to the through conductor on a side opposite to the surface conductor layer, wherein a slot is formed in a region surrounded by the through conductor and facing a resonance region formed so that the high frequency signal resonates. The slot layer,
An antenna structure comprising: a feeding line that electromagnetically couples to the slot and transmits a high-frequency signal for feeding power to the resonance region.
前記貫通導体は、複数の誘電体層に設けられており、
異なる誘電体層に設けられた貫通導体を厚み方向に接続するとともに、同じ誘電体層に設けられた貫通導体を面方向に接続する内部導体層であって、前記表面導体層に形成された前記開口と同様の開口が形成される内部導体層をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ構造体。
The through conductor is provided in a plurality of dielectric layers,
An internal conductor layer that connects through conductors provided in different dielectric layers in the thickness direction and connects through conductors provided in the same dielectric layer in the surface direction, and formed in the surface conductor layer The antenna structure according to claim 1, further comprising an inner conductor layer in which an opening similar to the opening is formed.
請求項1または2に記載のアンテナ構造体を複数有し、
前記アンテナ構造体をアレイ状に配置したことを特徴とするアレイアンテナ。
A plurality of antenna structures according to claim 1 or 2 ,
An array antenna comprising the antenna structures arranged in an array.
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