JP2001016028A

JP2001016028A - 積層型開口面アレイアンテナ

Info

Publication number: JP2001016028A
Application number: JP11184460A
Authority: JP
Inventors: Toshifumi Kiyohara; 敏史清原; Hiroshi Uchimura; 弘志内村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2001-01-19

Abstract

(57)【要約】【課題】多層配線基板に対する一般的な積層技術で容
易に作製可能な、小型・薄型で、均一な放射パターンと
良好なアンテナ特性が得られる積層型開口面アレイアン
テナを提供する。【解決手段】第１誘電体基板１と上部第１主導体層２
と下部主導体層３と側壁用貫通導体群４と端面用貫通導
体群５とから成る誘電体導波管線路６の上に、所定の開
口部10を有する上部第２主導体層９と開口部10周囲に形
成された導体壁用貫通導体11および副導体層12から成る
アンテナ導体壁とにより構成された空間共振器13を伝送
方向に複数個形成し、上部第１主導体層２に各空間共振
器13に対応させて給電のためのスロット14を形成して成
る積層型開口面アレイアンテナである。小型・薄型で給
電構造を単純化した高効率のアンテナとなり、均一な放
射パターンと良好なアンテナ特性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主にマイクロ波や
ミリ波等の高周波を用いる通信に使用される、特に小型
化・軽量化に適した積層型開口面アレイアンテナに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、通信技術の分野においては、マイ
クロ波やミリ波などの高周波を用いた移動体通信あるい
は車間レーダ等の研究が盛んに進められている。通常、
これらの通信における機器間の高周波信号の入出力は、
最終的にはアンテナによって行なわれる。このような高
周波用に用いられるアンテナとしては従来から種々のも
のが検討されており、代表的なものとしては、例えば導
波管スロットアンテナ・マイクロストリップアンテナ・
開口面アンテナ等が知られている。

【０００３】また、これらの高周波用アンテナは高周波
用の電気回路と接続されて用いられるが、これら電気回
路とアンテナとを接続する給電線路としては、例えば開
口面アンテナや導波管スロットアンテナに対しては導波
管が、またマイクロストリップアンテナに対してはトリ
プレート線路が主として用いられている。

【０００４】また、特開昭62−222702号公報には、内面
がメタライズされた穴により形成された放射素子を複数
配設して、それらを空洞部からなる導波管により接続し
た平面アレイアンテナも提案されている。

【０００５】さらに、最近では、高周波用アンテナの放
射部と給電部を誘電体基板内に一体化して作製し、高周
波用アンテナを含む通信システム機器の小型化を図るこ
とも検討されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような高周波用
アンテナを移動体通信や車間レーダ等に用いるために
は、アンテナ自体が軽く、薄く、かつ小型であることが
必要である。

【０００７】上記の高周波用アンテナのうちで導波管ス
ロットアンテナは、高効率であり、しかも薄く形成でき
るという長所があるが、金属板を加工して作製されるた
めに重く、またコスト高であるという問題点がある。こ
れに対してマイクロストリップアンテナは、誘電体シー
トに金属膜を被着し成形して作製されるために、軽く、
また薄く形成でき、製造上も容易に作製できるために安
価であるという長所があるものの、効率が低いという問
題点がある。

【０００８】一方、開口面アンテナ、例えばホーンアン
テナは、アンテナ特性としては非常に優れた性能を持っ
ているが、金属部材を用いて立体的に加工して作製され
るためにそれ自体大型となって通信用端末機器には搭載
しにくく、しかも軽量化も困難であるという問題点があ
る。

【０００９】また、特開昭62−222702号公報に開示され
たような平面アレイアンテナによれば、プラスチックを
基材として用いているために軽いという長所があるが、
給電線路に導波管を用いているために給電部が厚くなっ
てしまい、小型化・薄型化が困難であるという問題点が
ある。

【００１０】さらに、上記のいずれの高周波用アンテナ
を用いる場合でも、適用される高周波がミリ波の領域に
なるとアンテナシステム全体の特性が重要になる。すな
わち、高周波用アンテナ・給電線路・高周波回路等の個
々の特性が非常に優れていても、最終的にはこれらが全
て接続されてシステム全体が構成されるので、これらの
接続部の特性・大きさおよびコスト等もアンテナシステ
ム全体に影響を与えることとなる。例えば、これらの接
続部を導波管で構成したとすると、高周波用アンテナ・
給電回路・高周波回路等の性能をほとんど損なうことな
くアンテナシステムを構成することができる。しかし、
導波管で接続すると立体的な構造となることが多く、ま
たネジ止め等による機械的な接続を行なうため、信頼性
の低下とコストアップにつながるという問題点がある。

【００１１】これらの問題点に対し、本発明者の一人は
特願平10-40813号において積層型開口面アンテナを提案
した。この提案は、従来のホーン型の開口面を空間共振
器として、多層配線基板に対する一般的な積層技術をも
って容易に作製可能な構造としたことを特徴とするもの
である。

【００１２】しかしながら、この提案においては、給電
部の構造は誘電体導波管を何度も分岐させて給電用導波
管の数を増やし、分岐した各誘電体導波管の短絡部の近
傍に設けた単一のスロットから放射部へ給電を行なう、
いわゆる並列給電を行なうものであった。そのため、積
層方向の厚み寸法は小さくすることができるが、アレイ
アンテナとして多数個の空間共振器を設けると、それら
に対する分岐した積層型導波管による給電構造が複雑と
なり、小型化が困難であるという改善すべき点を有して
いた。

【００１３】また一方、スロットアレイアンテナについ
ては、一本の導波管で複数のスロットに給電を行なう直
列給電の構造も提案されている。この構造はスロットの
寸法変化により放射エネルギーを調整しようとするもの
であるが、スロットが直接にアンテナの放射部となるた
め、スロットの寸法の微少な変化により各スロットから
放射される放射エネルギーが大きく変化することとな
り、各スロットから放射されるエネルギーを十分に均一
化することができず、その結果、放射パターンが乱れて
しまうという問題点を有していた。

【００１４】本発明は上記事情に鑑みて案出されたもの
であり、その目的は、小型化・薄型化が可能であり、一
般的な積層技術をもって容易に作製可能な積層型開口面
アレイアンテナを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の問
題点に対して検討を重ねた結果、誘電体を積層した誘電
体基板の上面に形成された開口部を有する第一主導体層
と、前記誘電体基板の中間面に形成されたスロットを有
する第二主導体層と、これら第一主導体層と第二導体層
とを電気的に接合する貫通導体群とで空間共振器を複数
個形成した積層型開口面アレイアンテナにおいて、複数
の空間共振器の下部に誘電体層を介して第三主導体層を
形成し、第二主導体層とこの第三主導体層との間を電気
的に接続して形成された２列の側壁用貫通導体群とによ
って誘電体導波管線路を形成し、この誘電体導波管線路
によって複数の空間共振器に直列給電を行ない、これら
スロットの寸法を給電位置により変化させることによっ
て、積層型開口面アレイアンテナとして各空間共振器か
ら放射されるエネルギーを均一化することができ、高効
率で小型軽量であり、しかも従来の積層技術をもって容
易に作製できることを見出し、本発明に至った。

【００１６】すなわち、本発明の積層型開口面アレイア
ンテナは、第１誘電体基板を挟持する上部第１主導体層
および下部主導体層と、この主導体層間を高周波信号の
伝送方向に信号波長の２分の１未満の繰り返し間隔およ
び所定の幅で電気的に接続する２列の側壁用貫通導体群
と、前記主導体層間を前記幅方向に前記信号波長の２分
の１未満の繰り返し間隔で電気的に接続する端面用貫通
導体群とを具備して成る誘電体導波管線路の前記上部第
１主導体層上に、複数の誘電体層を積層して成る第２誘
電体基板と、この第２誘電体基板の上面に被着形成さ
れ、所定の開口部を有する上部第２主導体層と、前記開
口部周囲の前記第２誘電体基板内に形成され、所定間隔
をもって前記上部第１主導体層および前記上部第２主導
体層間を電気的に接続する複数の導体壁用貫通導体なら
びにこの複数の導体壁用貫通導体を前記誘電体層間で電
気的に接続する副導体層から成るアンテナ導体壁とを形
成して成り、前記上部第１主導体層、アンテナ導体壁お
よび上部第２主導体層で囲まれた空間により構成された
空間共振器を前記伝送方向に複数個形成するとともに、
前記上部第１主導体層にそれぞれ前記空間共振器に対応
させて給電のためのスロットを形成して成ることを特徴
とするものである。

【００１７】また本発明の積層型開口面アレイアンテナ
は、上記構成において、前記スロットは、前記端面用貫
通導体群側から１番目のスロットに対してｉ番目のスロ
ットからの放射率が１／ｉ（ただし、ｉは自然数）とな
るようにその寸法を順次小さくしてあることを特徴とす
るものである。

【００１８】また、本発明の積層型開口面アレイアンテ
ナは、上記各構成において、前記開口部が矩形状であ
り、かつ前記空間が直方体状であること、または前記開
口部が円形状であり、かつ前記空間が円柱状であること
を特徴とするものである。

【００１９】本発明の積層型開口面アレイアンテナによ
れば、積層型の誘電体導波管線路上において誘電体層を
積層して成る誘電体基板の一部に複数個の空間共振器を
同一平面上に誘電体導波管線路の伝送方向に複数個形成
し、それら複数個の空間共振器に対して分岐のない単一
の誘電体導波管線路で直列給電を行なうため、積層型の
誘電体導波管線路による給電構造を単純化することがで
きる。つまり、分岐がない単一の積層型の誘電体導波管
線路による給電構造によれば、線路長が短く、しかも分
岐が無いため、エネルギーの損失が少ない高効率な積層
型開口面アレイアンテナを作製することができる。

【００２０】また、スロットの寸法、主に長さを給電線
路との位置関係により上記のように順次小さくなるよう
に設定することで各スロットから空間共振器に供給され
る放射エネルギーの量を調整できるが、そのエネルギー
をスロットから直接ではなく一旦空間共振器を介して放
射させるため、スロットの寸法変化に対する放射量の変
化が鈍感になり、各空間共振器から放射される放射量を
十分に均一化することができ、その結果として、均一な
放射パターンが得られると同時に良好なアンテナ特性が
得られるものとなる。

【００２１】また、アンテナと給電線路とを誘電体基板
に一体的に構成でき、しかも、複数の空間共振器に対す
る給電線路に積層型の誘電体導波管線路を用いており、
そのパターンが単純であるために、誘電体基板の厚みの
みならず、面方向の寸法についても小型化でき、システ
ム全体を小型化・軽量化できる。

【００２２】また、本発明の積層型開口面アレイアンテ
ナによれば、多層配線基板に対する積層技術に基づいて
誘電体層を多層に積層して成る誘電体基板中に形成され
るビアホール導体等の貫通導体と、この誘電体層間に配
設された導体層との組み合わせによってアンテナ導体壁
を形成することから、容易にかつ安価に開口面アンテナ
を作製することができる。

【００２３】また、アンテナ導体壁とそれに対応した上
部第２主導体層の開口部と上部第１主導体層とにより囲
まれた空間を片面短絡・片面開放の１／４波長共振空間
（空間共振器）とし、この開口面から電磁波を放射する
ことから、放射周波数は開口面の大きさと空間共振器の
厚みすなわち誘電体基板の厚みとにより制御することが
できる。このことは設計に自由度を与えることとなり、
例えば開口面の大きさを大きくすれば開口面アンテナを
形成する空間の厚みを薄くすることができるため、誘電
体層の積層数を減らすことができ、結果としてより安価
に作製できるものとなる。

【００２４】また、本発明の積層型開口面アレイアンテ
ナは従来の積層技術で形成可能であるために、通常の多
層配線基板内に一体的に形成することができ、それと同
時にアンテナへの給電線路も同時に一体的に形成でき
る。しかも、従来の多層化技術をもって一連の工程で作
製できるので、信頼性が高く、低コストの積層型開口面
アレイアンテナを作製することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の積層型開口面アレ
イアンテナについて、図面を用いて詳細に説明する。

【００２６】図１は本発明の積層型開口面アレイアンテ
ナの実施の形態の一例を示す斜視図である。図１におい
て、１は第１誘電体基板、２は上部第１主導体層、３は
下部主導体層、４は側壁用貫通導体群、５は端面用貫通
導体群、６は誘電体導波管線路であり、７は誘電体層、
８は誘電体層７を積層して成る第２誘電体基板、９は上
部第２主導体層、10は開口部、11は導体壁用貫通導体
群、12は副導体層、13は空間（空間共振器）、14はスロ
ットである。なお、図１では第１誘電体基板１および第
２誘電体基板８の誘電体層７の一部について透視した状
態の図を示している。

【００２７】図１に示す例によれば、本発明の積層型開
口面アレイアンテナは、所定厚みの誘電体層７を複数層
積層して成る第２誘電体基板８を空間共振器13を複数個
形成する基材とするものである。そして、この第２誘電
体基板８の上面には上部第２主導体層９が被着形成さ
れ、下面には上部第１主導体層２が被着形成されてい
る。またこの上部第１主導体層２は、第２誘電体基板８
がその上に形成されている第１誘電体基板１の上面に被
着形成されているものでもあり、第１誘電体基板１の下
面には下部主導体層３が被着形成されている。

【００２８】このように、複数個の空間共振器13は上部
第２主導体層９と上部第１主導体層２との間に形成され
ており、各空間共振器13に給電を行なう誘電体導波管線
路６は上部第１主導体層２と下部主導体層３との間に形
成されているため、第１誘電体基板１と第２誘電体基板
８とから成る誘電体基板の内部にアンテナの放射部と給
電部とを一体的に設けた構造となっている。

【００２９】上部第１主導体層２と上部第２主導体層９
との間に形成された空間共振器13は次のように構成され
ている。つまり、上部第２主導体層９には、アンテナに
おける放射部となる例えば開口寸法がａ×ｂの矩形状の
開口部10が複数個形成されている。そして、第２誘電体
基板８には、上部第２主導体層９の開口部10の周囲に、
上部第１主導体層２と上部第２主導体層９とを電気的に
接続する形で、所定間隔をもって誘電体層７の積層方向
に複数のビアホール導体やスルーホール導体等の導体壁
用貫通導体群11が形成されている。導体壁用貫通導体群
11は誘電体層７間に上部第１主導体層２および上部第２
主導体層９と平行に形成された開口寸法がａ×ｂの帯状
の副導体層12と電気的に接続され、それらにより、同図
中に示したｚ−ｘ面およびｙ−ｚ面に平行なアンテナ導
体壁が形成されている。

【００３０】また、このアンテナ導体壁に電気的に接続
された上部第１主導体層２は、誘電体導波管線路６の上
側の主導体層ともなっており、開口部10と対向する位置
に、少なくとも寸法がａ×ｂの開口部10より大きな領域
を覆うように形成されている。その結果、開口部10を有
する上部第２主導体層９と複数の導体壁用貫通導体群11
と単数または複数の副導体層12とによって構成されたア
ンテナ導体壁ならびに上部第１主導体層２に囲まれた、
寸法がａ×ｂ×ｃの直方体（直六面体）状の空間からな
る空間共振器13が形成され、これにより積層型開口面ア
レイアンテナの放射部が構成されている。

【００３１】なお、このアンテナ導体壁は、この導体壁
からは電磁波が漏れないように形成する必要があること
から、副導体層12間の間隔および導体壁用貫通導体群11
間の間隔は、少なくとも信号波長の１／２未満の間隔、
望ましくは信号波長の１／４以下の間隔をもって配列さ
れる。

【００３２】このアンテナは、片面短絡・片面開放の１
／４波長共振器の原理を応用しているため、その共振モ
ードにより開口面から放射される電磁波の特性が異な
る。従って、その目的により様々な応用が考えられる。
例えば、直六面体ＴＥ111 モードを用いれば、電磁波は
アンテナ正面方向には放射されず、ある角度±θ方向に
放射されるが、一般的には直六面体ＴＥ101 モードを用
いることが望ましい。このとき、アンテナから放射され
る電磁波の周波数ｆ〔ＧＨｚ〕は概略次に示す式により
計算できる。ｆ＝150 ×｛（１／ａ）²＋（１／２ｃ）²｝^1/2×ε
_r ^-1/2 ただし、ε_rは比誘電率であり、ａおよびｃの単位はｍ
ｍである。

【００３３】ここで、開口部10の長さｂは幅ａ以下であ
ればよいが、あまり小さいと導体によるエネルギーの損
失が大きくなるため注意が必要である。

【００３４】上記の例では空間共振器13が直方体状の場
合の例を示したが、共振空間が円柱状のときも同様であ
る。ただし、このときは円柱ＴＥ111 モードで用いるこ
とが望ましい。また、このとき、アンテナから放射され
る電磁波の周波数ｆ〔ＧＨｚ〕は概略次に示す式により
計算できる。ｆ＝150 ×｛（１／２ｃ）²＋（χ11'/πａ）²｝^1/2
×ε_r ^-1/2 ただし、χ11' は１次のベッセル関数の導関数の１番目
の根であり、ａおよびｃの単位はｍｍである。

【００３５】なお、図１に示すように、開口部10を矩形
状とし空間共振器13を直方体状とした場合には、放射電
界の偏波面を容易に固定することができ、優れた直線偏
波アンテナ素子となる。

【００３６】また、開口部10を円形状とし空間共振器13
を円柱状とした場合には、放射電界の偏波面は、この空
間共振器13を給電するスロット14によって決まる。従っ
て、２つのスロットを用いて位相を調整することによ
り、軸比の良好な円偏波アンテナ素子とすることができ
る。

【００３７】本発明の積層型開口面アレイアンテナにお
けるこのような複数個の空間共振器13への給電構造は、
上部第１主導体層２と下部主導体層３との間で次のよう
に構成されている。

【００３８】図１によれば、第１誘電体基板１の上面に
上部第１主導体層２が、第１誘電体基板１の下面に下部
主導体層３が形成されており、上部第１主導体層２が空
間共振器13の下面を構成している。また、上部第１主導
体層２と下部主導体層３との間には、それらを電気的に
接続するスルーホール導体やビアホール導体等の貫通導
体が多数設けられ、２列の側壁用貫通導体群４を形成し
ている。この誘電体導波管線路６の幅方向に所定の間隔
Ａをもって形成された２列の側壁用貫通導体群４は、信
号伝送方向に信号波長の２分の１未満（望ましくは４分
の１以下）の所定のピッチＢをもって形成されており、
これによりこの誘電体導波管線路６における側壁を形成
している。

【００３９】ここで、上部第１主導体層２と下部主導体
層３との間の間隔Ｃに対する制限は特にないが、シング
ルモードで用いる場合には間隔Ａに対して２分の１（１
／２）倍程度とすることがよい。図１の例では、誘電体
導波管のＥ面とＨ面に当たる部分がそれぞれ上部第１主
導体層２・下部主導体層３・側壁用貫通導体群４と、必
要に応じて形成される副導体層15とで形成される。

【００４０】また、側壁用貫通導体群４の各貫通導体が
ピッチＢが信号波長の２分の１未満で設定されることに
より、側壁用貫通導体群４が電気的な壁を形成してい
る。ここで、側壁用貫通導体群４の貫通導体と副導体層
15との隙間、または上下に隣接する２つの副導体層15の
間の隙間が信号波長の１／２より大きいと、その隙間は
スロットとして作用することとなりそこから電磁波が漏
れるので、この誘電体導波管線路６に電磁波を給電して
も、電磁波はここで作られる疑似的な導波管に沿って伝
播しないこととなる。しかし、その隙間を信号波長の１
／２より小さくして行くと、電磁波の漏れは収まって行
き、この擬似的な導波管に沿って伝播することとなる。
その結果、図１に示す構成によれば、間隔Ｃで設置した
一対の上部第１主導体層２と下部主導体層３、および間
隔Ａで設置した２列の側壁用貫通導体群４と副導体層15
とによって囲まれる断面積がＣ×Ａのサイズの領域が、
各空間共振器13に給電を行なう誘電体導波管線路６とな
る。

【００４１】複数の空間共振器13は一本の誘電体導波管
線路６の上部第１主導体層２に形成されたスロット14に
より給電される。この誘電体導波管線路６の一方の端部
は、上部第１主導体層２および下部主導体層３間を誘電
体導波管線路６の幅方向に信号波長の２分の１未満の繰
り返し間隔で電気的に接続する端面用貫通導体群５と、
上部第１主導体層２および下部主導体層３間に平行に形
成され、２列の側壁用貫通導体群４をそれぞれ電気的に
接続する副導体層15とによって短絡されて短絡端となっ
ており、他方は開放端となっている。この開放端から給
電することにより、電磁波が誘電体導波管線路６の内部
を伝播し、上部第１主導体層２には各空間共振器13に対
応する位置にスロット14が設けられていることから、ス
ロット14に到達するごとに順に一部の電磁エネルギーは
スロット14から空間共振器13へ給電され、残りは誘電体
導波管線路６をさらに伝播する。このため導波管６を伝
播する電磁エネルギーは開放端から短絡端へ近づくほど
減少していく。全体でｎ個の空間共振器13とスロット14
に対し、短絡端から順番にｉ＝１、２、３・・・ｎと番
号をつけることとすると、各空間共振器13の寸法が同一
の場合には、ｉ番めのスロット14から放射する放射率Ｒ
ｉが次の関係式で与えられるように各スロット14の寸法
を調整することで、各スロット14から各空間共振器13へ
放射されるエネルギーを均一化することができる。Ｒｉ＝１／ｉつまり、短絡端に最も近い１番目のスロット14の放射率
が１、２番目のスロット14の放射率が１／２、３番目の
スロット14の放射率が１／３、以下順に１／４、１／５
・・・１／ｎとなるように各スロット14の寸法を調整す
ることで、各スロット14からの放射量を均一化できる。

【００４２】このように、積層型開口面アレイアンテナ
の各空間共振器13からの放射量の調整は、スロット14の
寸法を変えることで可能である。つまり、給電を行なう
誘電体導波管線路６の短絡端からの空間共振器13の位置
に応じてスロット14の寸法、例えばスロット長を変化さ
せることで、各スロット14から各空間共振器13へ放射さ
れる電磁波のエネルギーを均一化することが可能であ
る。

【００４３】このようなスロット14のスロット長とその
スロット14から空間共振器13に放射される電磁エネルギ
ーの放射率との関係を求めたものを図２に線図で示す。
図２において横軸はスロット14のスロット長ｌ（単位：
ｍｍ）を、縦軸はそのスロット14からの放射率を表して
おり、黒三角で示した点およびそれらを結ぶ特性曲線は
スロット長ｌに対する放射率の変化を示している。な
お、このときの測定は、ネットワークアナライザを用
い、77ＧＨｚでの反射と挿入損失を評価し、そのデータ
を用いて放射等を算出した。

【００４４】本発明の積層型開口面アレイアンテナの各
スロット14は、このような図２に示す関係を用いて、誘
電体導波管線路６上の各空間共振器13の位置に応じて前
述の所定の関係でもって、その寸法、例えば長さが調整
されている。

【００４５】各空間共振器13に給電を行なう誘電体導波
管線路６については、その導波管サイズは第１誘電体基
板１の比誘電率をε_rとすると、その大きさは通常の導
波管の１／√ε_rの大きさにすることができるため、第
１誘電体基板１を構成する材料の比誘電率ε_rを大きく
するほど誘電体導波管線路６のサイズを小さくすること
ができ、その結果、積層型開口面アレイアンテナも小型
化できる。

【００４６】側壁用貫通導体群４を構成する貫通導体
は、伝送方向に信号波長の２分の１未満の繰り返し間隔
Ｂで配設されている。この間隔Ｂは良好な伝送特性を実
現するためには一定の繰り返し間隔とすることが望まし
いが、信号波長の２分の１未満の間隔であれば適宜変化
させたりいくつかの値を組み合わせたりしてもよい。

【００４７】このような積層型開口面アレイアンテナを
構成する第１誘電体基板１としては、誘電体として機能
し高周波信号の伝送を妨げることのない特性を有するも
のであればとりわけ限定するものではないが、伝送線路
を形成する際の精度および製造の容易性の点からは、第
１誘電体基板１はセラミックスからなることが望まし
い。

【００４８】このようなセラミックスとしてはこれまで
様々な比誘電率を持つセラミックスが知られているが、
本発明の積層型開口面アレイアンテナに係る誘電体導波
管線路６によって高周波信号を伝送するためには常誘電
体であることが望ましい。これは、一般に強誘電体セラ
ミックスは高周波領域では誘電損失が大きく伝送損失が
大きくなるためである。従って、第１誘電体基板１の比
誘電率ε_rは４〜100程度が適当である。

【００４９】また、一般に多層配線基板や半導体素子収
納用パッケージあるいは車間レーダに形成される配線層
の１層の厚みは最大でも１ｍｍ程度であることから、比
誘電率ε_rが100 の材料を用い、側壁がＨ面すなわち磁
界が側壁の面に平行に巻く電磁界分布になるように用い
た場合には、用いることのできる最小の周波数は15ＧＨ
ｚと算出され、マイクロ波帯の領域でも利用可能とな
る。

【００５０】一方、一般的に第１誘電体基板１として用
いられる樹脂からなる誘電体は、比誘電率ε_rが２程度
であるため、配線層の厚みが１ｍｍの場合は約100 ＧＨ
ｚ以上でないと利用することができないものとなる。

【００５１】また、このような常誘電体セラミックスの
中にはアルミナやシリカ等のように誘電正接が非常に小
さなものが多いが、全ての常誘電体セラミックスが利用
可能であるわけではない。誘電体導波管線路６の場合は
導体による損失はほとんどなく、信号伝送時の損失のほ
とんどは誘電体による損失である。その誘電体による損
失α（ｄＢ／ｍ）は次のように表わされる。 α＝27.3×ｔａｎδ／〔λ／｛１−（λ／λc ）²｝
^1/2〕式中、ｔａｎδ：誘電体の誘電正接 λ ：誘電体中の波長 λc ：遮断波長規格化された矩形導波管（ＷＲＪシリーズ）形状に準ず
ると、上式中の｛１−（λ／λc ）²｝^1/2は0.75程度
である。

【００５２】従って、実用に供し得る伝送損失である−
100 ｄＢ／ｍ以下にするには、下記の関係が成立するよ
うに誘電体を選択することが必要である。

【００５３】ｆ×ε_r ^1/2×ｔａｎδ≦0.8 式中、ｆは使用する高周波信号の周波数（ＧＨｚ）であ
る。

【００５４】なお、以上の実施の形態における第１誘電
体基板１・誘電体層７および第２誘電体基板８は、適当
な厚みにシート化が可能で、メタライズ層等の導体層の
被着形成が可能で、ビアホール導体等の貫通導体が形成
でき、密着積層できる誘電体材料であればよい。例え
ば、セラミックス・ガラスセラミックス・樹脂等の種々
の材料でもよく、また樹脂とセラミックス粉末との混合
物でもよい。また、高周波信号の伝送損失をできるだけ
低減するためには誘電体材料の誘電正接は小さい方がよ
く、使用する周波数において0.001 以下であることが望
ましい。

【００５５】さらに、これら第１誘電体基板１・誘電体
層７および第２誘電体基板８に被着形成されて上部第１
主導体層２・下部主導体層３・上部第２主導体層９・副
導体層12・副導体層15となるメタライズ層等の導体層
は、高周波信号の伝送損失が小さい低抵抗導体で構成さ
れることが望ましく、好適には少なくとも金・銀・銅の
何れか一つを主成分とするのがよい。

【００５６】次に、本発明の積層型開口面アレイアンテ
ナの製造方法について説明する。

【００５７】第１誘電体基板１ならびに誘電体層７・第
２誘電体基板８としては、例えばアルミナセラミックス
やガラスセラミックス・窒化アルミニウムセラミックス
等のセラミックスを用いる。この場合は、これらセラミ
ックス原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して
泥漿状になすとともに、これを従来周知のドクターブレ
ード法やカレンダーロール法等を採用してシート状とな
すことによって、複数枚のセラミックグリーンシートを
得る。その後、例えば誘電体がアルミナセラミックスか
ら成る場合であれば、タングステンやモリブデン・マン
ガン等の金属粉末に適当なアルミナ・シリカ・マグネシ
ア等の酸化物や有機溶剤・溶媒等を添加混合してペース
ト状にしたものを厚膜印刷法によりこのセラミックグリ
ーンシートに各主導体層２・３・９や各副導体層12・15
となるようなパターンに印刷する。

【００５８】また、各貫通導体群４・５・11の貫通導体
と成る部分には、例えばセラミックグリーンシートを打
ち抜き加工等で打ち抜き、この打ち抜かれた貫通孔の部
分に、例えばタングステンやモリブデン・マンガン等の
金属粉末に適当なアルミナ・シリカ・マグネシア等の酸
化物や有機溶剤・溶媒等を添加混合してペースト状とし
たものを充填する。そしてセラミックグリーンシートの
各々に適当な打ち抜き加工を施すとともに、これらを積
層し、アルミナセラミックスの場合は1500〜1700℃、ガ
ラスセラミックスの場合は850 〜1000℃、窒化アルミニ
ウムセラミックスの場合は1600〜1900℃の温度で焼成す
ることによって製作される。

【００５９】なお、各主導体層２・３・９や各副導体層
12・15ならびに各貫通導体群４・５・11の貫通導体の形
成に用いられる金属粉末としては、誘電体がガラスセラ
ミックスの場合は銅・金・銀が、窒化アルミニウムセラ
ミックスの場合はタングステン・モリブデンが好適であ
る。また、各主導体層２・３・９や各副導体層12・15の
厚みは通常は５〜50μｍ程度とされる。

【００６０】また、各貫通導体群４・５・11の貫通導体
の断面形状は、製作が容易な円形の他、矩形や菱形等の
多角形であってもよい。これら貫通導体は、例えばセラ
ミックグリーンシートに打ち抜き加工を施して作製した
貫通孔に主導体層12・13と同様の金属ペーストを埋め込
み、しかる後、セラミックグリーンシートと同時に焼成
し形成する。なお、これらの貫通導体の大きさは直径50
〜300 μｍが適当である。

【００６１】

【実施例】本発明の積層型開口面アレイアンテナとし
て、図１に示した構成のものを作製した。積層型の誘電
体導波管線路６の上に伝送方向に複数個の空間共振器13
を形成し、各空間共振器13に対する給電線路にはこの誘
電体導波管線路６を用いて、上部第１主導体層２に各空
間共振器13に対応させて給電のためのスロット14を設け
た。

【００６２】また、各スロット14の幅（誘電体導波管線
路６の伝送方向の長さ）は0.15ｍｍで統一し、長さ（誘
電体導波管線路６の幅方向の長さ）を0.9 ｍｍ〜0.4 ｍ
ｍの間で給電位置に応じて放射率が前記所定の関係とな
るように変化させた。１番目のスロット14は誘電体導波
管線路６の短絡端である端面用貫通導体群５の形成位置
から伝送方向に1.1 ｍｍの位置に設けた。

【００６３】以上のようにして形成した本発明の積層型
開口面アレイアンテナについてついて、４本の誘電体導
波管線路上に伝送方向にそれぞれ16個の空間共振器を形
成し、４×16素子のアレイアンテナを作製した。なお、
４本の誘電体導波管線路には２分岐を２段用いて給電し
た。また、比較のため、２分岐を６段用いた４×16素子
の並列給電アレイアンテナも作製した。

【００６４】これらについて近傍界測定手法により２つ
のアレイアンテナ特性を評価した結果、放射パターンは
同等であったが、利得については、従来の並列給電アレ
イアンテナが20ｄＢｉであったのに対し、本発明の積層
型開口面アレイアンテナでは22ｄＢｉであり非常に優れ
ていた。

【００６５】また、以上と同様にして、開口部10を直径
が1.7 ｍｍの円形とし、空間共振器13の形状を1.7 ｍｍ
φ×ｃ＝0.45ｍｍの円柱状としたものについても同様の
評価を行なったところ、上記のものと同様に良好なアン
テナ特性を有することが確認できた。

【００６６】なお、本発明は以上の実施の形態の例に限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で種々の変更や改良を加えることは何ら差し支えない。
例えば、開口部10を三角形状とし空間共振器を三角柱状
としてもよい。

【００６７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の積層型開口
面アレイアンテナによれば、一端を短絡した積層型の誘
電体導波管線路の上部主導体層上に、片面短絡・片面開
放の４分の１波長共振空間を構成する空間共振器を伝送
方向に複数個形成するとともに、誘電体導波管線路の上
部主導体層にそれぞれ空間共振器に対応させて給電のた
めのスロットを形成したことから、高効率な積層型開口
面アレイアンテナとすることができるとともに、複数個
の空間共振器に対して分岐のない単一の誘電体導波管線
路で直列給電を行なうため給電構造を単純化することが
できる。

【００６８】また、誘電体導波管線路の短絡端側から１
番目のスロットに対してｉ番目のスロットからの放射率
が１／ｉとなるようにスロットの寸法を順次小さくした
ことから、各スロットから空間共振器に供給される放射
エネルギーの量を調整し、さらに各空間共振器から放射
される放射量を十分に均一化することができるため、均
一な放射パターンと良好なアンテナ特性が得られるもの
となる。

【００６９】また、本発明の積層型開口面アレイアンテ
ナによれば、放射周波数は開口面の大きさと空間共振器
の厚みすなわち誘電体基板の厚みとにより制御すること
ができるので設計の自由度が大きく、小型化・薄型化も
可能で、容易にかつ安価に、しかも従来の多層化技術を
もって一連の工程で作製できるので、通常の多層配線基
板内に一体的に形成することができ、信頼性が高い積層
型開口面アレイアンテナを低コストで作製することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の積層型開口面アレイアンテナの実施の
形態の一例を示す斜視図である。

【図２】本発明の積層型開口面アレイアンテナにおける
スロット長と放射率との関係を示す線図である。

【符号の説明】

１・・・・第１誘電体基板２・・・・上部第１主導体層３・・・・下部主導体層４・・・・側壁用貫通導体群５・・・・端面用貫通導体群６・・・・誘電体導波管線路７・・・・誘電体層８・・・・第２誘電体基板９・・・・上部第２主導体層 10・・・・開口部 11・・・・導体壁用貫通導体群 12・・・・副導体層 13・・・・空間共振器 14・・・・スロット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5J014 DA05 5J021 AA05 AA07 AA11 AB05 CA02 GA01 GA08 HA05 JA07 5J045 AA21 AB05 AB06 DA04 EA08 FA02 GA02 GA08 HA01 LA01 MA07 NA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１誘電体基板を挟持する上部第１主導体
層および下部主導体層と、該主導体層間を高周波信号の
伝送方向に信号波長の２分の１未満の繰り返し間隔およ
び所定の幅で電気的に接続する２列の側壁用貫通導体群
と、前記主導体層間を前記幅方向に前記信号波長の２分
の１未満の繰り返し間隔で電気的に接続する端面用貫通
導体群とを具備して成る誘電体導波管線路の前記上部第
１主導体層上に、複数の誘電体層を積層して成る第２誘電体基板と、該第
２誘電体基板の上面に被着形成され、所定の開口部を有
する上部第２主導体層と、前記開口部周囲の前記第２誘
電体基板内に形成され、所定間隔をもって前記上部第１
主導体層および前記上部第２主導体層間を電気的に接続
する複数の導体壁用貫通導体ならびに該複数の導体壁用
貫通導体を前記誘電体層間で電気的に接続する副導体層
から成るアンテナ導体壁とを形成して成り、前記上部第
１主導体層、アンテナ導体壁および上部第２主導体層で
囲まれた空間により構成された空間共振器を前記伝送方
向に複数個形成するとともに、前記上部第１主導体層にそれぞれ前記空間共振器に対応
させて給電のためのスロットを形成して成ることを特徴
とする積層型開口面アレイアンテナ。
【請求項２】前記スロットは、前記端面用貫通導体群
側から１番目のスロットに対してｉ番目のスロットから
の放射率が１／ｉ（ただし、ｉは自然数）となるように
その寸法を順次小さくしてあることを特徴とする請求項
１記載の積層型開口面アレイアンテナ。
【請求項３】前記開口部が矩形状であり、かつ前記空
間が直方体状であることを特徴とする請求項１または請
求項２記載の積層型開口面アレイアンテナ。
【請求項４】前記開口部が円形状であり、かつ前記空
間が円柱状であることを特徴とする請求項１または請求
項２記載の積層型開口面アレイアンテナ。