JP2001085936A - 高周波基板及び誘電体レンズアンテナ、並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単一誘電体材料からなる板状の誘電体レンズ
アンテナを低コストで容易に構成する。 【解決手段】 誘電体レンズアンテナは、円形平行平板
状の単一誘電体材料の高周波基板からなる誘電体部材１
から構成される。誘電体部材１には、この平板部材の法
線方向３、すなわち電磁波の出入斜面の法線方向（軸方
向）と平行に多数の貫通孔２が形成されている。貫通孔
２の入出射面上での分布は、誘電体部材１の中心からの
距離に従って空間的密度が高くなるように構成されてい
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、ミリ波／マイクロ
波帯などの高周波帯域において誘電率分布を有する誘電
体材料を含んでなる高周波基板、及びその高周波基板を
用いて構成した誘電体レンズアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、高周波帯域の電磁波（例えば、光
やミリ波／マイクロ波帯域）の指向特性、主ビーム及び
／又はサイドローブ特性を所定値に設定する誘電体レン
ズアンテナについて、例えば、特開平７−８６８２７号
公報に記載されている「誘電体樹脂電波レンズおよびそ
の製造方法」が知られている。

【０００３】図６はこのような従来の板状誘電体レンズ
アンテナの構成を示す断面図である。図６において、誘
電体部材６１の各分割部分は、それぞれ純基材樹脂に対
して異なる誘電率の物質を充填した充填材からなり、か
つ、物質の充填量及び材質に基づいて充填材全体の誘電
率を調整した構成となっている。

【０００４】単一誘電率を有する誘電体材料を用いて誘
電体レンズを作製する場合、レンズ面形状が球面（場合
によっては高度な非球面）に成形する必要がある。すな
わち、焦点から発せられた電磁波がレンズ直前に設けら
れた電磁波進行方向の軸に垂直な平面に到達する場合を
想定すると、電磁波がたどる軌跡の焦点から平面までの
経路長がレンズ中心部と周辺部とで等しくなるようにす
るために、複雑なレンズ面形状が必要となる。そこで、
上記公報の板状誘電体レンズアンテナは、レンズ面形状
によって中心部と周辺部との経路長を等しく調整してい
たものを、異なる誘電率を有する誘電体材料を組み合わ
せることによって実現し、その誘電体レンズの形状を板
状として製作時の加工を容易にしている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、板状誘電体レンズアンテナの製作において
は、例えば、セラミック材や高抵抗シリコン材等の誘電
体を同心円上に形成し難く、その作製が困難である。ま
た、誘電率の分布化を実現するために、限られた種類の
中から誘電体を選択し、さらに充填量を調整する必要が
あるため、設計に手間がかかり、設計コストが増加す
る。これに加えて、製作においても数種類の誘電体材料
が必要となるため、材料点数と製作工程の増加によって
製造コストが増加するという問題点がある。さらに、ミ
リ波帯での使用に適した低誘電損失の樹脂系誘電体材料
の種類は少なく、板状に誘電体レンズを構成しうるほど
誘電率に分布を持たせるのが難しく、所望の誘電率分布
の形成が実現困難であるという問題点がある。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、単一誘電体材料からなる誘電体部材において誘電率
に空間分布を持たせることができ、板状の誘電体レンズ
アンテナを低コストで容易に、しかも少ない個体差で構
成することが可能な高周波基板及びその高周波基板を用
いた誘電体レンズアンテナを提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に記載
の高周波基板は、単一誘電体材料からなる誘電体部材に
おいて、誘電体の存在しない小領域を多数個この誘電体
部材内部に非等方的に分布させることによって、誘電率
に空間的分布を形成したことを特徴とする。

【０００８】前記誘電体材料としては、高抵抗シリコ
ン、誘電体セラミックなどが用いられる。高抵抗シリコ
ンにより高周波基板を構成する場合は、例えばドライエ
ッチングなどによって前記誘電体の存在しない小領域を
形成する。また、誘電体セラミックにより高周波基板を
構成する場合は、誘電体粉末を含む樹脂成形物を加圧焼
成処理することにより誘電体セラミックを形成し、この
加圧焼成処理の前に、前記誘電体の存在しない小領域を
樹脂成形物に加工形成する。

【０００９】上記構成においては、単一誘電体材料の平
板状の誘電体部材であっても、誘電率の空間的分布によ
って、通過する電磁波（光やミリ波／マイクロ波帯域）
を集束させる集波特性（集光特性）が容易に得られ、し
かも低コストでかつ少ない個体差で高周波基板を形成可
能である。また、誘電体の存在しない小領域の分布を変
えることにより、集波特性を容易に変更でき、高周波基
板の設計も容易に行える。

【００１０】本発明の請求項２に記載の高周波基板の製
造方法は、単一誘電体材料からなる平板状の誘電体部材
を高抵抗シリコンにより作製する工程と、前記誘電体部
材に誘電体の存在しない小領域を多数個形成して非等方
的に分布させる工程とを含むことを特徴とする。

【００１１】本発明の請求項３に記載の高周波基板の製
造方法は、単一誘電体材料からなる平板状の誘電体部材
を、誘電体粉末を含む樹脂成形物を加圧焼成処理するこ
とにより形成した誘電体セラミックにより作製する工程
と、前記加圧焼成処理前に前記誘電体部材に誘電体の存
在しない小領域を多数個加工形成して非等方的に分布さ
せる工程とを含むことを特徴とする。

【００１２】上記製造方法においては、簡単な工程で高
周波基板を作製することが可能であり、単一誘電体材料
を用いて所定の誘電率の空間分布を有する高周波基板を
容易かつ低コストで形成可能となる。

【００１３】本発明の請求項４に記載の誘電体レンズア
ンテナは、単一誘電体材料からなる誘電体部材において
誘電体の存在しない小領域を多数個この誘電体部材内部
に非等方的に分布させた高周波基板を用いた誘電体レン
ズアンテナであって、前記誘電体の存在しない小領域と
して前記誘電体部材の法線方向に平行に形成した貫通孔
を備え、前記貫通孔は前記誘電体部材の中心からの距離
に従って密度が高くなる分布を有しており、前記貫通孔
の分布により生じる誘電率の空間的分布によって通過す
る電磁波を集束させるものである。

【００１４】請求項５に記載の誘電体レンズアンテナ
は、請求項４において、前記誘電体部材は円形板状の部
材からなり、前記貫通孔の分布は、前記誘電体部材の法
線方向中心軸から外周部に向かって距離が長くなるに従
って連続的に密度が高くなるような分布であることを特
徴とする。

【００１５】請求項６に記載の誘電体レンズアンテナ
は、請求項４において、前記誘電体部材は方形板状の部
材からなり、前記貫通孔の分布は、前記誘電体部材の法
線方向中心軸を含み対向する一組の外周辺に平行な面か
らの距離に従って連続的に密度が高くなるような分布で
あることを特徴とする。

【００１６】また、請求項７に記載の誘電体レンズアン
テナは、請求項６において、前記方形板状の誘電体部材
を二つ有し、これらの誘電体部材は所定距離をもって離
間して配置され、前記法線方向中心軸を中心として二つ
の誘電体部材の相対的角度が可変するように回動可能で
あることを特徴とする。

【００１７】上記構成においては、単一誘電体材料の平
板状の誘電体部材であっても、貫通孔の分布によって容
易に所定の誘電率の空間的分布が得られ、この誘電体部
材の中心から周辺部に向かって連続的に変化する誘電率
分布によって、通過する電磁波（光やミリ波／マイクロ
波帯域）を集束させる集波器（集光器）として作用する
誘電体レンズアンテナが構成される。したがって、容易
かつ低コストで、しかも少ない個体差で所定の集波特性
（放射指向性、サイドローブ特性など）を有する誘電体
レンズアンテナを形成可能となる。また、誘電体レンズ
アンテナの製造工程及び設計工程が簡略化されるため、
製造及び設計にかかるコストも削減される。

【００１８】また、誘電率分布は従来のものと比べてよ
り連続的になるため、放射指向性が向上し、特にサイド
ローブの制御性が向上する。なお、貫通孔の径は、通過
する電磁波の伝播波長に比べて十分に小さく設定する。
また、貫通孔の分布を変えることにより、集波特性を容
易に設定変更でき、誘電体レンズアンテナの設計も容易
に行える。また、二つの方形板状の誘電体部材を法線方
向中心軸を中心として回動可能に構成した場合は、誘電
体部材の相対的角度を変化させることによって、利得の
可変が容易に機械的に実現できる。

【００１９】本発明の請求項８に記載の通信装置は、請
求項４ないし７のいずれかに記載の誘電体レンズアンテ
ナを有してなるものである。また、請求項９に記載の速
度及び位置検出装置は、請求項４ないし７のいずれかに
記載の誘電体レンズアンテナを有してなるものである。

【００２０】上記構成の誘電体レンズアンテナを通信装
置、或いは速度及び位置検出装置に適用することによ
り、電磁波の放射又は入射に関する指向特性が向上し、
かつ特性の所定値への設定が容易かつ確実に可能にな
る。また、所定の特性を有する装置を安価に構成可能と
なる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。 ［第１実施形態］図１は本発明の第１実施形態に係る平
板誘電体レンズアンテナの構成を示す斜視図であり、誘
電体レンズアンテナを立体的に示したものである。

【００２２】第１実施形態の誘電体レンズアンテナは、
円形平行平板状の単一誘電体材料の高周波基板からなる
誘電体部材１から構成され、この誘電体部材１には、こ
の平板部材の法線方向３、すなわち電磁波の出入斜面の
法線方向（軸方向）と平行に多数の貫通孔２が形成され
ている。貫通孔２の孔径は、貫通孔２による散乱の影響
が小さくなるように、誘電体部材１内を通過する電磁波
の伝播波長に比較して十分に小さく形成されている。ま
た、貫通孔２の入出射面上での分布は、誘電体部材１の
中心からの距離に従って空間的密度が高くなるように構
成されている。

【００２３】次に、図２を参照して第１実施形態におけ
る作用について説明する。図２は第１実施形態の誘電体
レンズアンテナの作用を説明するための断面図である。

【００２４】誘電体部材１の本来の誘電率に比較して貫
通孔２の密度が高い領域ほど実効的誘電率が低くなるた
め、誘電体部材１が集光器として作用するように、貫通
孔の密度を所定値に設定する。これによって、誘電体部
材１の中心からの距離に従って低誘電率となる誘電率の
分布を形成できる。図２において、符号４，５，６，７
は通過する電磁波の経路及び伝幡方向を示している。

【００２５】例えば、誘電体レンズアンテナの焦点８、
法線方向中心軸（光軸ともいう）上の点９、１０の経路
（経路８−９−１０）と、焦点８、中心軸外の点１１、
１２の経路（経路８−１１−１２）との間の、二つの経
路を通過する電磁波の経路長を比較する。貫通孔２がな
い場合は、中心軸上の経路８−９−１０の経路長に比べ
て、中心軸外の経路８−１１−１２の経路長が明らかに
長くなる。そこで、経路１１−１２近傍の貫通孔２の密
度を高くして実効誘電率を低下させることにより、経路
１１−１２の経路長を経路９−１０に比べて短縮させ
る。これにより、経路８−９−１０と経路８−１１−１
２との両経路の経路差が「０」となるため、二つの経路
を進行する電磁波は焦点８に集束される。

【００２６】このようにして、誘電体部材１に貫通孔２
を設け、この貫通孔２の密度を適宜調整して設定するこ
とにより、レンズ形状に成形することなく、平板状の単
一誘電体材料であっても集光器として作用する誘電体レ
ンズアンテナを容易に構成することが可能である。

【００２７】ここで、誘電体レンズアンテナを構成する
高周波基板の製造方法について説明する。

【００２８】例えば、誘電体材料として高抵抗シリコン
を用いて構成する場合、高抵抗シリコンの基板上に貫通
孔２を形成するための孔加工が必要とされる位置にエッ
チングマスクを設け、基板全体を高速ドライエッチング
加工する。これにより、誘電体部材１において高精度か
つ容易に貫通孔２が形成される。

【００２９】また、誘電体材料として誘電体セラミック
を用いて構成する場合、誘電体のセラミック粉末を混入
したシート状の樹脂成形材料において、加圧焼成処理前
に予め所定位置に孔加工を施すことによって貫通孔２を
形成し、その後加圧焼成処理を行うことによって焼成セ
ラミックを作製する。これにより、誘電体部材１におい
て簡単に貫通孔２の形成が可能になる。

【００３０】このような製造方法を適用することによっ
て、単一材料のみで平板誘電体レンズの製作が可能とな
る。この場合、製造が容易であり、かつ、個々の特性差
（個体差）の少ない平板誘電体レンズを多量に製造でき
るようになる。また、従来例で参照した異なる誘電体の
層構造を用いた平板誘電体レンズに比較して、本実施形
態の高周波基板による誘電体レンズアンテナは、誘電率
分布がより連続的に形成されるため、放射指向性が向上
する。この場合、主ビームだけでなく、サイドローブ特
性を容易に所定値に設定できるようになり、特にサイド
ローブの制御性が向上する。

【００３１】このように本実施形態によれば、平板状の
単一誘電体材料からなる誘電体部材にこの誘電体部材の
中心からの距離に従って空間的密度が高くなるように貫
通孔を設けることによって、誘電体が存在しない複数の
小領域を非等方的に分布させ、誘電率の空間的分布を形
成することができる。これにより、製造が容易な平板状
の単一誘電体材料からなる高周波基板によって誘電体レ
ンズアンテナを構成することができるため、低コストで
容易に、しかも少ない個体差で誘電体レンズアンテナを
提供できる。

【００３２】［第２実施形態］図３は本発明の第２実施
形態に係る誘電体レンズアンテナの構成を示す斜視図で
ある。

【００３３】第２実施形態の誘電体レンズアンテナは、
方形（好ましくは正方形）の平行平板状の高周波基板か
らなる誘電体部材１３で形成された二つの誘電体レンズ
１４，１５を備えて構成される。誘電体レンズ１４，１
５は、誘電体部材１３の法線方向３と平行に多数の貫通
孔２が形成され、また、このような単一材料で同一形状
を有する二つの誘電体レンズ１４，１５を所定の間隙を
挟んで平行に配置することによって、誘電体レンズアン
テナが形成される。貫通孔２の孔径は、貫通孔２による
散乱の影響が小さくなるように、誘電体部材１３内を通
過する電磁波の伝播波長に比較して十分に小さく形成さ
れている。

【００３４】また、貫通孔２の入出射面上での分布は、
誘電体部材１３の法線方向中心軸を含み対向する一組の
外周辺に平行な面からの距離に従って密度が高くなるよ
うに、すなわち図中のＸ軸方向に関して誘電体部材１３
の中心から基板周辺部へ向うほど空間的密度が高くな
り、Ｙ軸方向については密度が変化しないように分布が
形成されている。このように、Ｘ軸方向においてのみ誘
電体部材中心から基板周辺部へ向かって連続的に空間的
密度が高くなるように、貫通孔２の分布を形成すること
により、誘電体レンズ１４，１５は、それぞれ単体でＸ
軸に平行な電磁波の束（光束）に対しては集波作用（集
光作用）を有し、Ｙ軸に平行な電磁波の束（光束）に対
しては集波作用（集光作用）を持たないシリンドリカル
レンズとして作用する。

【００３５】そして、所定間隔で平行に配置された誘電
体レンズ１４，１５は、少なくとも一方が回動可能に構
成され、二つの誘電体レンズ１４，１５の相対的角度を
変化できるようになっている。例えば、上側の誘電体レ
ンズ１４のみを機械的に回動可能とする。この場合、回
転軸は、法線方向３に平行であり、誘電体レンズ１４に
入射した電磁波が有効に誘電体レンズ１５に入射するよ
うに、誘電体レンズ１４，１５の重なる面積が常に最大
となるようにこれらの誘電体部材１３の中心軸の周りに
回動可能に設定する。

【００３６】次に、図４及び図５を参照して第２実施形
態における作用について説明する。図４及び図５は第２
実施形態の誘電体レンズアンテナの作用を説明するため
の斜視図である。図４及び図５において、符号１６は誘
電体レンズ１４又は１５の回転方向を示しており、ま
た、図４には誘電体レンズ１４又は１５単体におけるビ
ーム形状１７が示され、図５には誘電体レンズ１４と１
５を相対的角度９０度で組み合わせたときのビーム形状
１８が示されている。

【００３７】誘電体レンズ１４に対して法線方向３に電
磁波を入射すると、図４において一点鎖線で表したよう
なビーム形状１７となる。次に、図３に示したように同
型の回転可能な誘電体レンズ１５を誘電体レンズ１４に
対して所定間隔をもって平行に配置する。法線方向３か
ら見て貫通孔２の分布が二つの誘電体レンズ１４，１５
におい全くて等しい場合、すなわち誘電体レンズ１４，
１５の相対的角度が０度の場合は、図４に示した誘電体
レンズ１４単体の場合と同様のＸ軸方向のみに集束する
ビーム形状１７となる。この場合、Ｘ軸方向にのみ誘電
率の空間的分布が形成され、Ｙ軸に平行な電磁波の束に
対して集波作用がないため、低利得アンテナとなる。

【００３８】一方、図５に示したように、図３の状態か
ら誘電体レンズ１５を誘電体レンズ１４に対して回転方
向１６に９０度回転させ、相対的角度９０度で重なるよ
うに配置した場合は、Ｘ軸とＹ軸両方向に集束するビー
ム形状１８となる。この場合、Ｘ軸とＹ軸両方向に誘電
率の空間的分布が形成され、Ｘ軸に平行な電磁波の束と
Ｙ軸に平行な電磁波の束に対してそれぞれ集波作用が得
られるため、高利得アンテナとなる。

【００３９】このように本実施形態によれば、四角形の
平板状の単一誘電体材料からなる誘電体部材にこの誘電
体部材の一方向において中心からの距離に従って空間的
密度が高くなるように貫通孔を設けることによって、誘
電体が存在しない複数の小領域を非等方的に分布させ、
誘電率の空間的分布を形成することができる。また、こ
の誘電体部材を二枚用いて所定距離をもって離間して配
置し、相対的に回動可能に構成することにより、製造が
容易な平板状の単一誘電体材料からなる高周波基板によ
って可変利得型の誘電体レンズアンテナを低コストで容
易に構成することができる。

【００４０】なお、上記実施形態においては、誘電体材
料として高抵抗シリコン、誘電体セラミックを用いた例
を説明したが、その他の誘電体材料であっても同様に適
用して構成可能である。

【００４１】また、上記実施形態の誘電体レンズアンテ
ナは、送受信機等の通信装置、速度及び位置検出装置に
適用して構成することができる。これにより、光波やミ
リ波／マイクロ帯域の電磁波に関する指向特性の向上を
図ることが可能であり、また、指向特性の所定値への設
定を容易かつ確実に実施することができる。さらに、低
コストの誘電体レンズアンテナによってこれらの装置を
安価に構成できる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、単
一誘電体材料からなる誘電体部材において誘電率に空間
分布を持たせることができ、板状の誘電体レンズアンテ
ナを低コストで容易に、しかも少ない個体差で構成する
ことが可能となる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る平板誘電体レンズ
アンテナの構成を示す斜視図である。

【図２】第１実施形態の誘電体レンズアンテナの作用を
説明するための断面図である。

【図３】本発明の第２実施形態に係る誘電体レンズアン
テナの構成を示す斜視図である。

【図４】第２実施形態の誘電体レンズアンテナの作用を
説明するための斜視図である。

【図５】第２実施形態の誘電体レンズアンテナの作用を
説明するための斜視図である。

【図６】従来の板状誘電体レンズアンテナの構成例を示
す断面図である。

【符号の説明】

１，１３ 誘電体部材 ２ 貫通孔 ４，５，６，７ 電磁波の伝播方向 ８ 焦点 ９，１０ 中心軸上の点 １１，１２ 中心軸外の点 １４，１５ 誘電体レンズ １７ ビーム形状（低利得） １８ ビーム形状（高利得）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 和晃 神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１ 号 松下技研株式会社内 Ｆターム(参考） 5J020 AA02 BB01 CA04 CA05

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単一誘電体材料からなる誘電体部材にお
   いて、誘電体の存在しない小領域を多数個この誘電体部
   材内部に非等方的に分布させることによって、誘電率に
   空間的分布を形成したことを特徴とする高周波基板。
2. 【請求項２】 単一誘電体材料からなる平板状の誘電体
   部材を高抵抗シリコンにより作製する工程と、前記誘電
   体部材に誘電体の存在しない小領域を多数個形成して非
   等方的に分布させる工程とを含むことを特徴とする高周
   波基板の製造方法。
3. 【請求項３】 単一誘電体材料からなる平板状の誘電体
   部材を、誘電体粉末を含む樹脂成形物を加圧焼成処理す
   ることにより形成した誘電体セラミックにより作製する
   工程と、前記加圧焼成処理前に前記誘電体部材に誘電体
   の存在しない小領域を多数個加工形成して非等方的に分
   布させる工程とを含むことを特徴とする高周波基板の製
   造方法。
4. 【請求項４】 単一誘電体材料からなる誘電体部材にお
   いて誘電体の存在しない小領域を多数個この誘電体部材
   内部に非等方的に分布させた高周波基板を用いた誘電体
   レンズアンテナであって、 前記誘電体の存在しない小領域として前記誘電体部材の
   法線方向に平行に形成した貫通孔を備え、前記貫通孔は
   前記誘電体部材の中心からの距離に従って密度が高くな
   る分布を有しており、前記貫通孔の分布により生じる誘
   電率の空間的分布によって通過する電磁波を集束させる
   ことを特徴とする誘電体レンズアンテナ。
5. 【請求項５】 前記誘電体部材は円形板状の部材からな
   り、前記貫通孔の分布は、前記誘電体部材の法線方向中
   心軸から外周部に向かって距離が長くなるに従って連続
   的に密度が高くなるような分布であることを特徴とする
   請求項４に記載の誘電体レンズアンテナ。
6. 【請求項６】 前記誘電体部材は方形板状の部材からな
   り、前記貫通孔の分布は、前記誘電体部材の法線方向中
   心軸を含み対向する一組の外周辺に平行な面からの距離
   に従って連続的に密度が高くなるような分布であること
   を特徴とする請求項４に記載の誘電体レンズアンテナ。
7. 【請求項７】 前記方形板状の誘電体部材を二つ有し、
   これらの誘電体部材は所定距離をもって離間して配置さ
   れ、前記法線方向中心軸を中心として二つの誘電体部材
   の相対的角度が可変するように回動可能であることを特
   徴とする請求項６に記載の誘電体レンズアンテナ。
8. 【請求項８】 請求項４ないし７のいずれかに記載の誘
   電体レンズアンテナを有してなる通信装置。
9. 【請求項９】 請求項４ないし７のいずれかに記載の誘
   電体レンズアンテナを有してなる速度及び位置検出装
   置。