JP2001102861A - 積層型開口面アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多層化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、か
つ側壁用貫通導体群４・４の幅Ａを誘電体導波管線路６
の伝送方向に沿って変化させている積層型開口面アレイ
アンテナである。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アンテナに
関し、特に小型・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】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
とも望まれている。

【０００５】

【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、かつ小型であり、しか
も、設計が容易で高効率であることが必要である。

【０００６】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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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することを特徴とするも
のである。

【００１０】しかしながら、この積層型開口面アンテナ
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り、設計は
容易であるものの、給電部の分岐により面積が増大して
しまうため、小型化が困難であるという改善すべき点を
有していた。

【００１１】また一方、スロットアレイアンテナにおい
ては、一本の導波管で複数のスロットに給電を行なう直
列給電の構造も考案されている。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、スロットの微少な寸法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、その結果として、放射パターンが乱れ
てしまうこととなるという問題点を有していた。

【００１２】これらの問題点に対し、本発明者の一人は
さらに特願平11−184460号において積層型開口面アレイ
アンテナを提案した。こ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
のであり、また、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。

【００１３】このような積層型開口面アレイアンテナに
よれば、１本の誘電体導波管線路で複数のスロットに給
電を行ない、スロットの上部に空間共振器を形成して、
スロットの微少な寸法変化による放射エネルギー変動を
空間共振器で緩和するものであり、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、高効
率なアンテナが得られた。

【００１４】しかしながら、この手法では、スロットの
寸法を変化させると誘電体導波管線路を伝播する電磁波
の位相が変化してしまうため、スロットの間隔を変化さ
せて位相変化を補正する設計が必要であり、スロット間
隔を等間隔にすることが困難で放射パターンの設計が容
易ではないという改善すべき点を有していた。つまり、
スロットや空間共振器の間隔が不等間隔である場合には
放射エネルギーの密度が不均一となり、それを均一にす
るためには、各スロットから放射されるエネルギーを調
整する設計が必要であった。

【００１５】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・高効率化が可能
であり、しかも簡単な設計で放射エネルギー密度を均一
にすることができ、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。

【００１６】

【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２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１主導体層と、これら第２主導体層と第１主導体
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、複数の空間共振器の下部に誘電体層を介し
て下部主導体層を形成し、これらの第１主導体層と下部
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
を行なう積層型開口面アレイアンテナにおいて、この誘
電体導波管線路の幅を給電位置により変化させることに
よって、各スロットの間隔を固定した状態で各スロット
から放射する電磁波の位相を調整することができ、簡単
な設計で、高効率で小型軽量にでき、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。

【００１７】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、かつ前記２列の
側壁用貫通導体群の幅を、前記各スロットから放射され
る高周波信号の位相が同じとなるように伝送方向に沿っ
て変化させてい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、上記構成において、前記２列の側壁用貫通導体群
の幅を、前記各スロットを挟持する部位と各スロット間
の部位とで異ならせていることを特徴とするものであ
る。

【００１９】さらに、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、前記スロットを前記伝送
方向に等間隔に形成したことを特徴とするものである。

【００２０】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各スロットから
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
とともに、給電用の誘電体導波管線路の幅を各スロット
から放射される高周波信号の位相が同じとなるように高
周波信号の伝送方向に沿って変化させていることから、
この給電用の誘電体導波管線路の幅を調整することによ
り各スロットの位置を固定した状態で各スロットから放
射される電磁波の位相を自由に調整でき、これにより放
射パターンの均一化の設計を容易に行なうことができ
る。

【００２１】つまり、各スロットから同位相の電磁波を
放射させる場合であれば、各スロットの寸法による位相
の変化を修正する方向，すなわちそれぞれの電磁波が同
位相となる方向へ誘電体導波管線路の幅を狭くあるいは
広く変化させて調整する。また、ある角度をもって電磁
波を放射する場合であれば、各スロットから放射される
電磁波の位相が少しずつ異なるように誘電体導波管線路
の幅を変化させて調整することで、アンテナ素子に変更
を加えずに所望の放射パターンが得られる設計が可能と
なる。

【００２２】このように、本発明の積層型開口面アレイ
アンテナによれば、複数の空間共振器に給電用の誘電体
導波管線路によってスロットを介して直列給電を行なう
構造において、誘電体導波管線路の幅を伝送方向に沿っ
て給電位置によって変化させることにより、スロットや
空間共振器の設計を変えずに各スロットから放射される
電磁波の位相を調整することができる積層型開口面アレ
イアンテナとなる。

【００２３】また、本発明の積層型開口面アレイアンテ
ナによれば、上記の構成において、給電用の誘電体導波
管線路の幅を、各スロットを挟持する部位と各スロット
間の部位とで異ならせた場合には、管内波長を変化させ
て、スロットや空間共振器の設計を固定した状態で各ス
ロットから放射される電磁波の位相を調整することがで
きる積層型開口面アレイアンテナとなる。

【００２４】さらに、本発明の積層型開口面アレイアン
テナによれば、上記各構成において、スロットを誘電体
導波管線路の伝送方向に等間隔に形成した場合には、ス
ロットや空間共振器の間隔を等間隔に保って均一な電磁
波放射が可能となるとともに、各スロットから放射され
る電磁波の位相を統一して均一化させることができる積
層型開口面アレイアンテナとなる。

【００２５】また、本発明の積層型開口面アレイアンテ
ナによれば、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積層型誘電
体導波管線路で直列給電を行なうため、積層型誘電体導
波管線路による給電構造を単純化することができる。

【００２６】つまり、分岐がない単一の積層型誘電体導
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。

【００２７】さらに、スロットの長さを給電線との位置
関係により調整することで、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
エネルギーをいったん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。

【００２８】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
る給電線路のパターンが積層型の誘電体導波管線路を用
いていて単純であるために、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。

【００２９】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。

【００３０】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下部第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。

【００３１】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も同時に形成できる。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。

【００３２】

【発明の実施の形態】通常は、誘電体導波管線路にスロ
ットを設けると、その導波管線路における管内波の位相
は、スロットの大きさにより、図３に示すように変化す
る。図３は誘電体導波管線路に形成したスロットの寸法
とそれに対する管内波の位相との関係を示す線図であ
り、横軸はスロットの長さ（単位：ｍｍ）を、縦軸は管
内波の位相のずれ（単位：°）を表し、特性曲線はスロ
ットの長さに対する位相のずれの変化を示している。こ
のように、誘電体導波管線路に対してスロットを形成す
ると、それによって管内波の位相がずれることとなるた
め、各スロットから放射される電磁波の位相をそろえる
必要から、従来の給電用の誘電体導波管線路では、スロ
ットの間隔をそれぞれ微妙に変化させることによってこ
のスロットによる位相の変化の影響を打ち消していた。
このため、従来の積層型開口面アレイアンテナではスロ
ットの間隔を等間隔にできず、また設計も困難であっ
た。

【００３３】ここで、給電用の誘電体導波管線路の幅Ａ
と、管内波長λｐとの間には、自由空間電磁波の波長を
λとして次の関係がある。

【００３４】λp ＝λ／｛１−（λ／２Ａ）² ｝^1/2 この関係において、誘電体導波管線路の幅Ａを変えるこ
とで管内波長λｐを変化させることができる。

【００３５】本発明の積層型開口面アレイアンテナで
は、これに基づき、各スロットの位置を固定した状態で
各スロットから放射される電磁波の位相を自由に調整で
きるため、放射パターンの設計を所望通りに容易に行な
うことができる。

【００３６】また、本発明の積層型開口面アレイアンテ
ナでは、誘電体導波管線路の幅をスロットを挟持する部
位とスロット間の部位とで異ならせることにより、同様
に、各スロットの位置を固定した状態で各スロットから
放射される電磁波の位相を自由に調整できるため、放射
パターンの設計を所望通りに容易に行なうことができ
る。

【００３７】さらに、本発明の積層型開口面アレイアン
テナでは、誘電体導波管線路に対して伝送方向にスロッ
トを等間隔に形成することにより、スロット間隔と空間
共振器の間隔を等間隔とすることができ、電磁波の放射
エネルギーの密度を均一とすることができ、設計が容易
になる。

【００３８】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。

【００３９】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部分透視斜視図である。図
１において、１は誘電体基板、２は上部第１主導体層、
３は下部第１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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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４に線図で示す。
図４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。

【００５７】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４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。

【００５８】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。

【００５９】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
Ｃで配設されている。この間隔Ｃ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。

【００６０】そして、本発明の積層型開口面アレイアン
テナにおいては、誘電体導波管線路６における２列の側
壁用貫通導体群４・４間の幅Ａを、各スロット14から放
射される高周波信号の位相が同じとなるように伝送方向
に沿って狭くあるいは広くして変化させていることを特
徴とする。このように２列の側壁用貫通導体群４・４間
の幅Ａを変化させる場合、その変化は、 Ａ＝（λ／２）×｛λp ² ／（λp ² −λ² ）｝^1/2 式中、λ ：自由空間波長 λp ：管内波長 の関係を用い、目的の位相差が得られるように管内波長
λp を決め、幅Ａを求める。

【００６１】これにより、誘電体導波管線路６の幅Ａを
変化させることにより、管内波長λp が変化し、図３に
示したスロット14間での位相ずれを補正することによっ
て各スロット14から放射される高周波信号の位相を同じ
とすることができ、電磁波の放射量を十分に均一化させ
て均一な放射パターンのアンテナを容易に設計すること
ができる。

【００６２】次に、図２に本発明の積層型開口面アレイ
アンテナの実施の形態の他の例を部分透視斜視図で示
す。図２において、図１と同様の箇所には同じ符号を付
してある。

【００６３】図２に示す例においては、誘電体導波管線
路６における２列の側壁用貫通導体群４・４間の幅Ａ’
を、各スロット14を挟持する部位と各スロット14間の部
位とで異ならせていることを特徴とする。このように２
列の側壁用貫通導体群４・４間の幅Ａ’を変化させる場
合、その変化は、自由空間波長をλ、管内波長をλpと
して、 Ａ’＝（λ／２）×｛λp ² ／（λp ² −λ² ）｝^1/2 の関係式を用い、図３に示す位相ずれを補正するように
幅Ａ’を決定すればよい。

【００６４】これにより、誘電体導波管線路６における
管内波長λp を隣接するスロット14間で、そのスロット
14間で生じる位相のずれを打ち消すように変化させるこ
とによって各スロット14から放射される高周波信号の位
相を同じとすることができ、スロット14や空間共振器13
の設計を固定した状態で電磁波の放射量を十分に均一化
させて均一な放射パターンのアンテナを容易に設計する
ことができる。

【００６５】そして、本発明の積層型開口面アレイアン
テナによれば、これら図１および図２に示す例におい
て、各スロット14を誘電体導波管線路６の伝送方向に等
間隔に形成することにより、隣り合うアンテナ素子の位
相は管内波長λp を変化させて一定間隔で位相を調製し
ているので、各スロット14から放射される電磁波の位相
をほぼ完全に統一させて均一化することができるものと
なる。

【００６６】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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】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。

【００７７】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。

【００７８】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。

【００７９】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。

【００８０】

【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。

【００８１】各空間共振器13は寸法がａ＝3.4 ｍｍ・ｂ
＝1.3 ｍｍ・ｃ＝0.5 ｍｍの直六面体で、中心周波数が
77ＧＨｚとなるようにした。

【００８２】誘電体導波管線路６はその２列の側壁用貫
通導体群４・４間の幅Ａを伝送方向に沿って1.5 ｍｍか
ら1.1 ｍｍへと徐々に変化させ、スロット14を等間隔に
形成した状態で各スロット14から放射される電磁波の位
相が同一となるようにした。

【００８３】なお、誘電体導波管線路６の高さＢは0.6
ｍｍで一定とした。また、誘電体層の誘電体材料には比
誘電率ε_r が５で誘電損失ｔａｎδが0.0008の低温焼結
ガラスセラミックスを用い、各導体層には銅メタライズ
層を用いた。

【００８４】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。

【００８５】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、従来の誘電体導波管線路の幅を
一定とした積層型開口面アンテナを用いた、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も作製した。

【００８６】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、従来の積層型開
口面アレイアンテナでは利得が22ｄＢｉ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23ｄＢｉ
と優れたものであった。また、本発明の積層型開口面ア
レイアンテナでは、放射パターンはアンテナ素子面の電
界強度分布が均一となり良好なものであった。

【００８７】なお、図２に示した本発明の積層型開口面
アレイアンテナについても、同様にアレイアンテナを作
製して評価したところ、同様の良好なアンテナ特性を有
することが確認できた。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】

【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、かつ誘電体導波管線路の幅を各
スロットから放射される高周波信号の位相が同じとなる
ように伝送方向に沿って変化させ、あるいは各スロット
を挟持する部位と各スロット間とで異ならせていること
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、アンテナ素子の設計を固定した状態
で各アンテナ素子から放射される高周波信号の電磁波の
位相を所望通りに制御することができて十分に均一化さ
せることができ、小型化かつ薄型化が可能で良好なアン
テナ特性を有し、しかも簡単な設計で従来の多層化技術
でもって容易かつ安価に製造することができる高周波用
のアンテナを提供することができる。

【００９１】さらに、スロットを誘電体導波管線路の伝
送方向に等間隔に形成した場合には、放射される電磁波
の位相をほぼ完全に統一してさらに十分に均一化させる
ことができる。

【００９２】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いという利点も有して
おり、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
形態の一例を示す部分透視斜視図である。

【図２】本発明の積層型開口面アレイアンテナの実施の
形態の他の例を示す部分透視斜視図である。

【図３】誘電体導波管線路に形成したスロットの寸法と
それに対する管内波の位相との関係を示す線図である。

【図４】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 Ａ，Ａ’・・・２列の側壁用貫通導体群の幅

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Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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、かつ前記２列の
   側壁用貫通導体群の幅を、前記各スロットから放射され
   る高周波信号の位相が同じとなるように伝送方向に沿っ
   て変化させていることを特徴とする積層型開口面アレイ
   アンテナ。
2. 【請求項２】前記２列の側壁用貫通導体群の幅を、前記
   各スロットを挟持する部位と各スロット間の部位とで異
   ならせてい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。
3. 【請求項３】前記スロットを前記伝送方向に等間隔に形
   成した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。