JP2002198728A

JP2002198728A - 誘電体導波管スロットアンテナ

Info

Publication number: JP2002198728A
Application number: JP2000396299A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Uchimura; 弘志内村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-12-26
Filing date: 2000-12-26
Publication date: 2002-07-12

Abstract

(57)【要約】【課題】導波管に設けたスロットでの反射量を低減さ
せ、しかも容易に製造できる誘電体導波管スロットアン
テナを提供する。【解決手段】導波管の内部に誘電体を充填してなる誘電
体導波管１における導波管壁にスロット３を形成し、ス
ロット３直下の誘電体の一部または全部を除去してキャ
ビティ４を形成するとともに、スロット３形成位置から
導波管の入力側または出力側に反射抑制体６を設ける。
また、この構造は、導波管が、誘電体を挟んで所定間隔
で形成された一対の導体層と、導体層間を電気的に接続
し、且つ信号波長の１／２長さ未満のピッチで形成され
たビアホール導体とから構成されてなる誘電体導波管に
よって容易に形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主にマイクロ波及
びミリ波用の誘電体導波管スロットアンテナに関するも
のである。

【０００２】

【従来技術】アンテナ素子には多種多様なものがある
が、マイクロ波やミリ波帯では、その構造が非常に簡単
なため、グランド層に対して所定の幅、長さを有するス
ロットアンテナが用いられることが多い。特にミリ波帯
ではアンテナ効率を上げるために給電回路として導波管
が用いられるが、導波管における導波管壁にスロットを
空けてなる導波管スロットアンテナが用いられる。

【０００３】図４に、導波管スロットアンテナの一例を
示す。２１は導波管、２２は入力ポート、２３は出力ポ
ート、２４ａ，２４ｂ・・・はスロットである。入力ポ
ート２２から入力された電磁波は、まずスロット２４ａ
と一部結合し、さらにその残りの一部がスロット２４ｂ
と結合する。導波管壁にはこのようなスロットが繰り返
し形成されており、電磁波は順次、多数のスロット２４
と結合する。その結果、各スロット２４から少しずつ電
磁波が放射されることによって、導波管スロットアレー
アンテナが形成される。

【０００４】各スロット２４からは、基本的に同位相の
電磁波が放射されるようにする必要がある。このため隣
接するスロット２４ａ，２４ｂ間の間隔ｄはスロット２
４の向きに依存する。

【０００５】例えば、図４（ａ）のように、スロットの
向きがｘ方向（電界の向きはｙ方向）の場合、または４
５°傾いた場合は、スロット間隔ｄはこの導波管の管内
波長λｇとほぼ等しい長さに調整される。また、スロッ
ト２４の向きがｙ方向（電界の向きはｘ方向）である場
合には、図４（ｂ）に示すように、スロットは、左側の
Ｅ面近傍、あるいは右側のＥ面近傍に交互に形成するこ
とによりスロット間隔ｄは導波管の管内波長λｇの１／
２となる。

【０００６】ところで、アレーアンテナの場合、スロッ
ト間隔ｄが自由空間波長λ₀より大きくなるとグレーテ
ィングローブが発生することが知られている。しかし、
導波管の管内波長λｇは一般に自由空間波長λ₀より大
きくなるため、上記のスロットの向きがｘ方向あるいは
４５°傾いた場合などはこのグレーティングローブが発
生してしまう。

【０００７】この問題を避ける一手段として、導波管内
に誘電体を充填した誘電体導波管を用いる方法がある。
この場合、誘電体の比誘電率をεｒとすると、管内波長
は１／（εｒ）^1/2に短縮されるため、自由空間波長λ₀
より小さくすることができる。このように導波管内に誘
電体を充填した構造からなる誘電体導波管の構造として
は様々なものがあるが、本発明者は、従来から知られて
いる多層配線技術を用いて製造可能な誘電体導波管を提
案した。この誘電体導波管は、図５に示すように、誘電
体層（構造説明の便宜上、図面から省略した）の上下に
導体層３１、３２を形成するとともに、導体層３１、３
２同士を接続し、所定の間隔をもって２列にビアホール
導体３３を配置することによって導波管の側壁を形成し
てなるものである。

【０００８】このような、いわゆる積層型の誘電体導波
管の表面の導体層３１にスロット３４を形成することに
より、誘電体導波管スロットアンテナを形成することが
可能となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような誘電体導波管スロットアンテナには次のような問
題点がある。すなわち、導波管内に誘電体が存在するこ
とにより、スロット３４の特性インピーダンスが変化
し、その結果、スロット３４での反射が大きくなる。こ
の反射量は、自由空間との結合量を大きくする場合に顕
著に現れる。特に１本の導波管にスロット３４を多数設
けた直列給電方式では、前述したように、スロット間隔
を導波管の管内波長またはその１／２の長さに設定する
ため、各スロットからの反射波はすべて同相で重なり合
い、結果的に反射が大きく、特性の悪いものしかできな
かった。

【００１０】また、スロットの実効誘電率をεｅとする
と、スロットサイズは共振長、λ₀／２（εｅ）^1/2とな
るため、導波管を誘電体で満たすことにより実効誘電率
εｅが大きくなり、その結果、スロット長が短くなる。
このことは製造において、そのスロット長の管理が厳し
くなることを意味している。

【００１１】従って、本発明は、スロットでの反射量を
低減させ、しかも容易に製造できる誘電体導波管スロッ
トアンテナを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の問題
点に対して検討を重ねた結果、誘電体導波管に形成した
スロット直下の誘電体を除去することによりスロットの
実効誘電率を小さくすることによってスロット長を大き
くするとともに、所定箇所に導体を設けることによって
反射を抑制し、良好な特性でしかも容易に誘電体導波管
スロットアンテナを製造できることを見出し、本発明に
至った。

【００１３】即ち、導波管壁の内部に誘電体を充填して
なる誘電体導波管におけるＥ面側壁の一部にスロットを
形成し、該スロット直下の誘電体の一部または全部を除
去してなるとともに、前記スロット形成位置から導波管
の長手方向の前方側または後方側に反射抑制体を設けて
なることを特徴とするものである。この反射抑制体とし
ては、誘電体内に設けられたビアホール導体や導体壁で
あることが望ましい。

【００１４】なお、前記導波管壁は、誘電体を挟んで所
定間隔で形成された一対の導体層と、該導体層間を電気
的に接続し、且つ信号波長の１／２長さ未満のピッチで
形成されたビアホール導体とから構成されてなることを
特徴とするものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１をも
とに説明する。図１は、本発明の誘電体導波管スロット
アンテナのスロット形成部の（ａ）概念斜視図と、
（ｂ）その上面図である。

【００１６】図１の誘電体導波管スロットアンテナによ
れば、断面が幅ｗ、高さｈの矩形形状の誘電体導波管１
を基本構造とするものであり、図面の手前に入力ポート
２が、反対側に出力ポート３が形成されている。そし
て、この誘電体導波管１のＨ面に導体の形成されていな
い幅ｔｓ，長さＶｓのスロット４が形成されている。

【００１７】また、スロット４の直下の一部の誘電体は
除去されて、幅ｔｃ×長さＶｃ×深さＵｃのキャビティ
５が形成されている。また、誘電体導波管１のスロット
４形成箇所よりも入力ポート２側には、半径ｒの２つの
ビアホール導体が所定の位置に導波管のＨ面の導体間を
電気的に接続するように設けられており、この２つのビ
アホール導体が反射抑制体６、６を形成している。

【００１８】本発明の上記の誘電体導波管スロットアン
テナによれば、スロット４の直下にキャビティ５を形成
しているため、スロット４の実効誘電率が下がるため
に、スロットサイズを大きくすることができる。その結
果、スロット４を形成する場合におけるスロット４の寸
法精度を高めることができる。このスロット４のサイズ
は、できるだけ大きい方が製造上精度を高めることがで
きるが、誘電体導波管のＨ面からはみ出さないように設
定する必要がある。このスロット４のサイズは、キャビ
ティ５の３つのサイズＶｃ、ｔｃ、Ｕｃによって容易に
調整することができる。

【００１９】また、スロットの放射量は、従来、スロッ
トサイズでのみ調整可能であったが、本発明の構造によ
れば、キャビティ５のサイズを調整することによって任
意に調整が可能となる。

【００２０】また、反射抑制体６の形成箇所は、スロッ
ト４に対して入力ポート２側に距離ｑ離間した箇所で、
誘電体導波管１の中心軸ｙから距離ｐ離間した位置に対
照となる位置に設けられている。

【００２１】この距離ｑ，ｐは次のようにして設計され
る。まず、反射抑制体６のない状態で入力ポート２に帰
ってくる電磁波の反射量の大きさと位相を計算する。こ
の計算には、例えば有限要素法などの電磁界シミュレー
タを用いることにより以下のようにして可能である。

【００２２】まず、スロット４及びキャビティ５を形成
せず、反射抑制体６のみがある状態で入力ポート２に帰
ってくる電磁波の反射量と位相を計算する。

【００２３】そして、設計する周波数で反射量が同じ
で、位相が１８０°ずれる位置を求める。反射量はｐ、
位相はｑにより調整することができる。ｑはおおむね、
（１／４＋ｎ／２）・λｇｅになる。ここで、ｎは整
数、λｇｅは誘電体導波管中の管内波長である。

【００２４】ここでは、反射量を、反射抑制体６の距離
ｐのみで調整したが、反射抑制体６の径または長さによ
っても調整することができる。またさらに、反射抑制体
６を形成するビアホール導体の数を増減させて調整して
も良い。

【００２５】また、本発明によれば、反射抑制体６は、
図１では、スロット４形成部よりも入力ポート２側に形
成したが、出力ポート３側に上記と同様に距離ｑ、距離
ｐの位置に形成してもよい。

【００２６】さらに、図１では、反射抑制体６としてビ
アホール導体を、導波管の中心軸Ｘに対照となる２箇所
に形成したが、この反射抑制体６は、１個または複数個
のビアホール導体で形成し、全体としてスロットからの
反射量が同じで位相が１８０°ずれるようにすることも
可能である。

【００２７】また、本発明の誘電体導波管スロットアン
テナは、例えば導波管壁がすべて金属板状の導波管壁か
らなり、内部に誘電体が充填された一般的な誘電体導波
管に対して上記の構造を適用することもできるが、多層
配線基板などに対して上記のアンテナ構造を配設する上
では、図５に示したように、誘電体層と導体層およびビ
アホール導体とを組み合わせた積層型の誘電体導波管に
よって形成することも可能である。

【００２８】即ち、図２の（ａ）平面図と、（ｂ）長手
方向の断面図、（ｃ）スロット形成部の横段面図に示す
ように、誘電体１１を挟み、上面および下面に導体層１
２、１３を形成するとともに、この導体層１２、１３を
誘電体１１を貫通して形成された２列のビアホール導体
１４群によって電気的に接続して接続する。また、一対
の誘電体１１間には、図２（ｃ）に示すように、ビアホ
ール導体１４同士を接続するための副導体層１５を形成
することも可能である。

【００２９】かかる積層型の誘電体導波管においては、
図２（ｂ）に示すように、スロット４形成箇所にキャビ
ティ５を形成するとともに、ビアホール内に導体成分を
充填することによって形成されるビアホール導体によっ
て反射抑制体６を形成することによって図１の導波管ス
ロットアンテナを形成することが可能となる。

【００３０】図１、図２の例では、反射抑制体６を、誘
電体導波管の上下のＨ面を接続してなるビアホール導体
としたが、本発明によれば、これに限定されるものでな
く、反射を生じせしめることのできるものであればよ
い。例えば、図３（ａ）に示すように、スロット４中心
から距離ｑの位置に２つのＥ面と１つのＨ面とを接続す
る金属板６１を設けた場合である。反射量は、金属板６
１の高さを変えることによって調整できる。図３（ｂ）
は、同様に２つのＨ面と１つのＥ面とを接続する金属板
６２を設けた場合である。この例では２枚の金属板を用
いている。反射量は金属板６２の幅を変えることによっ
て調整できる。図３（ｃ）は１つのＨ面のみと接続する
ビアホール導体６３を設けた場合である。この場合の反
射量はその位置、長さ、径によって調整可能である。

【００３１】また、図１、図２、図３では、スロットが
１個の場合について説明したが、本発明の導波管スロッ
トアンテナによれば、スロットを導波管の長手方向に距
離ｄをもって複数形成することによってアレー化するこ
ともできる。その場合にも、各スロット直下に誘電体を
除去したキャビティを形成するとともに、おおむね（１
／４＋ｎ／２）・λｇｅの位置に、反射抑制体６を形成
することによって、反射損失が小さく、また生産性に優
れた導波管スロットアレーアンテナを形成することがで
きる。

【００３２】

【実施例】比誘電率４．９の誘電体が導波管内に充填さ
れた誘電体導波管に対して、スロット長さＶｓ、キャビ
ティの幅ｔｃと深さＵｃを表１の寸法で変えた導波管ス
ロットアンテナについて評価を行なった。

【００３３】なお、その他のパラメータは、導波管幅ｗ
＝１．６ｍｍ、導波管高さｈ＝０．６ｍｍ、反射抑制体
の半径ｒ＝０．１ｍｍ、反射抑制体の導波管中心軸から
の距離ｐ＝０．４８ｍｍ、反射抑制体のスロットの中心
からの距離ｑ＝１．５ｍｍ、スロットの幅ｔｓ＝０．３
ｍｍ、スロットおよびキャビティの長さｖｃ＝ｖｓとし
た。また、計算は一番条件の厳しい導波管終端部を想定
し、出力ポート３はショートとし、スロット４の中心か
らショート端までの長さは１．１ｍｍとした。さらに、
スロットは４５°傾いているものとして計算した。

【００３４】表中のｆ₀は共振周波数、Ｓ１１はそのと
きの反射量、ＢＷは帯域幅で、反射量が−１０ｄＢ以下
の幅を示している。また、参考のために、ＢＷ／ｆ₀；
帯域幅の％表示、０．０２／ｖｓ；スロットのパターン
精度が２０μｍとしたときのスロット長のばらつきの割
合、εｅ；共振周波数およびスロット長から逆算した実
効誘電率を示している。

【００３５】

【表１】

【００３６】Ｎｏ．１はキャビティのない場合、また、
Ｎｏ．５は反射抑制体がない場合で、本発明の範囲外で
ある。キャビティおよび反射体を設けたＮｏ．２〜４は
反射抑制体の効果により、全ての場合で−２０ｄＢ以下
の良好な特性が得られていることがわかる。また、キャ
ビティ体積をＮｏ．２、Ｎｏ．３、Ｎｏ．４と大きくす
るにつれ、実効誘電率が小さくなっており、その結果、
スロット長も大きくなっていることがわかる。ただし、
Ｎｏ．４では、スロット長を１．９としているために、
共振周波数が高くなっている。この場合、スロットは４
５°傾けているが、導波管幅ｗを１．６ｍｍとしている
ため、この長さが限界のためである。

【００３７】従って、共振周波数を７５ＧＨｚ程度に設
定したい場合、導波管幅ｗをもう少し広めに取るか、ま
たは、Ｎｏ．３のキャビティサイズを採用するのが適当
といえる。さらに注目すべきは、実効誘電率が低くなっ
たために、Ｓ１１が−１０ｄＢ以下の帯域幅が広くなっ
ていることである。この帯域幅と、スロット長のばらつ
き０．０２／ｖｓを比較すると、Ｎｏ．１以外はすべて
帯域幅の方が大きくなっていることがわかる。逆に、Ｎ
ｏ．１のキャビティのない場合では、周波数帯域の方が
スロット長のばらつきより小さくなっているが、このこ
とは、製造上のばらつきにより安定的に製品を製造でき
ないことを意味している。

【００３８】また、Ｎｏ．５は、反射抑制体を形成しな
かった場合のものであるが、この場合には６０〜８０Ｇ
Ｈｚの帯域内に反射のピークが現れない。参考のため
に、７５．４ＧＨｚでのＳ１１を記したが−２．２ｄＢ
でスロットから放射はしているものの、反射損失が大き
いものであった。

【００３９】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、誘
電体導波管における導波管壁に形成したスロット直下に
キャビティを設けるとともに、反射抑制体を設けること
により、反射損失が小さいために放射特性が優れ、しか
も、製造上ばらつきが少なく、すなわち容易に製造でき
る誘電体導波管スロットアンテナを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の誘電体導波管スロットアンテナの一例
におけるスロット形成部の（ａ）概念斜視図と、（ｂ）
上面図である。

【図２】本発明の積層型の誘電体導波管によって図１の
誘電体導波管スロットアンテナを形成した場合の（ａ）
平面図と、（ｂ）長手方向の断面図、（ｃ）スロット形
成部の横段面図である。

【図３】（ａ）（ｂ）（ｃ）ともに、本発明の誘電体導
波管スロットアンテナの他の例を説明するための概略斜
視図である。

【図４】（ａ）（ｂ）ともに従来の誘電体導波管スロッ
トアンテナの斜視図である。

【図５】積層型の誘電体導波管を用いた従来の誘電体導
波管スロットアンテナの概略斜視図である。

【符号の説明】

１誘電体導波管２入力ポート３出力ポート４スロット５キャビティ６反射抑制体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導波管の内部に誘電体を充填してなる誘電
体導波管における導波管壁にスロットを形成し、該スロ
ット直下の誘電体の一部または全部を除去してなるとと
もに、前記スロット形成位置から導波管の長手方向の前
方側または後方側に反射抑制体を設けてなることを特徴
とする誘電体導波管スロットアンテナ。
【請求項２】前記反射抑制体が、誘電体に設けられたビ
アホール導体からなる請求項１記載の誘電体導波管スロ
ットアンテナ。
【請求項３】前記反射抑制体が、誘電体に設けられた導
体壁からなる請求項１記載の誘電体導波管スロットアン
テナ。
【請求項４】前記導波管壁が、誘電体を挟んで所定間隔
で形成された一対の導体層と、該導体層間を電気的に接
続し、且つ信号波長の１／２長さ未満のピッチで形成さ
れたビアホール導体とから構成されてなる請求項１乃至
請求項３のいずれか記載の誘電体導波管スロットアンテ
ナ。