JP2005341488A - Dielectric waveguide antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロ波帯およびミル波帯で用いられる誘電体材料により小型化された導波管で構成される誘電体導波管アンテナに係るもので、特にその電波放射部分の構造に関するものである。 The present invention relates to a dielectric waveguide antenna composed of a waveguide miniaturized by a dielectric material used in the microwave band and the mill wave band, and particularly relates to the structure of the radio wave radiation portion. is there.
空洞導波管を給電線路として用いたアンテナがマイクロ波帯やミリ波帯において広く使用されている。中でも導波管ホーンアンテナは最も広く用いられているものである。また、導波管の金属の壁面にスロットを設けてそこから導波管内の電磁波を漏洩させるスロットアンテナも数多く使用されている。 An antenna using a hollow waveguide as a feed line is widely used in the microwave band and the millimeter wave band. Among these, the waveguide horn antenna is the most widely used. In addition, many slot antennas are used in which slots are provided on the metal wall surface of the waveguide and electromagnetic waves in the waveguide are leaked therefrom.
誘電体材料の表面に導体膜を形成して作製される誘電体導波管を空洞導波管に代えて使用することが実用化段階にはいっている。この誘電体導波管は、誘電体材料による電磁波の短縮効果があり、肉厚な金属壁を必要としないため、空洞導波管と比べると大幅な小型化が可能となる。誘電体導波管を給電回路(線路)として用いれば、従来の空洞導波管を用いたアンテナの給電構造の小型化、軽量化が可能となり、マイクロ波帯およびミリ波帯の通信機器の小型化と低廉化が可能となる。 It has been put into practical use to use a dielectric waveguide produced by forming a conductor film on the surface of a dielectric material instead of a hollow waveguide. This dielectric waveguide has an effect of shortening the electromagnetic wave due to the dielectric material, and does not require a thick metal wall. Therefore, the dielectric waveguide can be greatly reduced in size as compared with the hollow waveguide. If a dielectric waveguide is used as a power supply circuit (line), it is possible to reduce the size and weight of a conventional antenna power supply structure using a hollow waveguide, and to reduce the size of microwave and millimeter wave communication devices. And cost reduction.
しかし、誘電体導波管に用いる誘電体材料と空気とは誘電率に大きな違いがある。そのため、導波管の材料に誘電体を用いると導波管の開口(スロット)部と空気との間に大きなインピーダンスの不整合が生じることになるので、電磁波が放射されにくくなってしまう。このことが、誘電体導波管アンテナを実用化するうえでの大きな妨げとなっている。
本発明は、給電線路およびアンテナ素子として誘電体導波管を用いて、小型化されたスロットアンテナとなる誘電体導波管アンテナを提供するものである。 The present invention provides a dielectric waveguide antenna that becomes a miniaturized slot antenna by using a dielectric waveguide as a feed line and an antenna element.
本発明は、誘電体導波管のスロットに導体板の貫通孔等を組み合わせることによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、誘電体の1表面に誘電体が露出するスロットを具えた誘電体導波管アンテナにおいて、その誘電体が、そのスロットに対向する位置にアンテナ開口部となる導体壁を具えた導波路に接続されたことに特徴を有するものである。 The present invention solves the above problem by combining a through hole of a conductor plate with a slot of a dielectric waveguide. That is, in a dielectric waveguide antenna having a slot through which a dielectric is exposed on one surface of the dielectric, the dielectric is a waveguide having a conductor wall serving as an antenna opening at a position facing the slot. It is characterized by being connected.
本発明によれば、誘電体を用いて波長短縮が行われるとともに肉厚の導波管壁が不要となるので、誘電体スロットアンテナの小型化が可能になり、また、誘電体スロットアレーアンテナの小型化が可能となる。プリント配線基板を介してあるいは直接に取り付けることによって、通信機器の筐体の外壁をアンテナ開口部として利用でき、アンテナと通信機器との一体化も容易となる。 According to the present invention, the wavelength is shortened using a dielectric, and a thick waveguide wall is not required. Therefore, the dielectric slot antenna can be reduced in size, and the dielectric slot array antenna can be reduced. Miniaturization is possible. By attaching directly or via a printed wiring board, the outer wall of the housing of the communication device can be used as an antenna opening, and the antenna and the communication device can be easily integrated.
本発明による誘電体導波管アンテナの構成要素は以下のものとなる。
(1)スロットを具えた誘電体導波管:スロットが導体板等の貫通孔と対向するように直接あるいは接着層を介して固定される。
(2)導体板または絶縁板:貫通孔がスロットに対向する。絶縁板の貫通孔の壁面には導体膜が形成されるいわゆるビアホール構造とする。貫通孔はスロットの反対側が広くなるように階段状あるいはテーパ状としてもよい。
The components of the dielectric waveguide antenna according to the present invention are as follows.
(1) Dielectric waveguide having a slot: The slot is fixed directly or via an adhesive layer so that the slot faces a through hole such as a conductor plate.
(2) Conductor plate or insulating plate: the through hole faces the slot. A so-called via hole structure in which a conductor film is formed on the wall surface of the through hole of the insulating plate is employed. The through hole may be stepped or tapered so that the opposite side of the slot is wide.
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図1は、本発明の実施例を示す分解斜視図である。導体板17の上面に誘電体導波管11をはんだ付けなどで固定して密着させる。誘電体導波管11の底面には、一部の導体膜を除去して形成したスロット12が設けられており、導体板17には貫通孔18が設けられている。この例では貫通孔18の形状は途中で変えられており、スロット12側にはスロットとほぼ同じサイズの部分18(a)が形成され、反対側にはサイズの大きい部分18(b)が形成される。この構造によって、誘電体導波管11から放射される電磁界は導体板17の貫通孔18を通じて自由空間に放射される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an exploded perspective view showing an embodiment of the present invention. The
誘電体導波管にスロットを設けただけでは、誘電体と空気の誘電率の差による特性インピーダンスの大きな違いから、誘電体導波管中の電磁波は空気中に放射されない。しかし、導体板17に設けられた貫通孔18は短辺の寸法を小さくしたので、特性インピーダンスの低くなった空洞導波管と考えることができる。この貫通孔18の部分が誘電体導波管11のスロット12と自由空間とのインピーダンス整合回路として動作し、誘電体導波管11から電磁波が自由空間に放射されることになる。
By simply providing a slot in the dielectric waveguide, electromagnetic waves in the dielectric waveguide are not radiated into the air due to a large difference in characteristic impedance due to the difference in dielectric constant between the dielectric and air. However, since the through-
導体板17を通信機器の筐体の外壁とすれば、その通信機器の筐体に貫通孔を形成してその導体板の筐体に誘電体導波管11を取り付けて設置することで、通信機器の筐体がそのままアンテナとして動作することになる。その結果、何も他の部品を追加することもなくアンテナを構成でき、通信機器と一体化できるので通信機器の小型化と低廉化が可能となる。なお、導体板に代えて貫通孔を形成した絶縁基板を用いてその貫通孔内の壁面を導体膜で覆うようにしてもよい。
If the
誘電体導波管に用いられる誘電体と金属とは、通常、熱膨張率が大きく異なる。そのため、誘電体導波管を直接金属板に接合すると温度変化によって接合部にストレスがかかり、信頼性の問題が生じる。それを防ぐために、誘電体導波管と金属板との間に熱膨張率の差を吸収する緩衝材層を設けてもよい。この緩衝材層の表面に導体膜を形成すれば、スロットと貫通孔の大きさの違いによって生じる隙間からの電磁波のもれを防ぐ役割も果たす。なお、スロットの形状と貫通孔の形状は厳密に一致させる必要はなく、電磁波が漏洩する隙間を生じさせないようにすればよい。 In general, a dielectric and a metal used for a dielectric waveguide have greatly different coefficients of thermal expansion. For this reason, when the dielectric waveguide is directly bonded to the metal plate, stress is applied to the bonded portion due to temperature change, resulting in a problem of reliability. In order to prevent this, a buffer layer that absorbs the difference in coefficient of thermal expansion may be provided between the dielectric waveguide and the metal plate. If a conductor film is formed on the surface of this buffer material layer, it also serves to prevent leakage of electromagnetic waves from the gap caused by the difference in size between the slot and the through hole. Note that the shape of the slot and the shape of the through-hole do not have to be exactly the same, and it is sufficient to prevent a gap from leaking electromagnetic waves.
図2は誘電体導波管21から自由空間に放射される磁界を模式的に描いたものである。誘電体導波管21のスロットには貫通孔の狭い部分28(a)と貫通孔の広い部分28(b)による空間が接続されている。誘電体導波管にスロットを設ける位置を誘電体導波管の短絡端面から管内波長の1/2弱とすると、スロット位置での磁界強度が強くなり、アンテナの効率が高くなる。
FIG. 2 schematically shows the magnetic field radiated from the
アンテナの利得や指向性を高めたい場合には、貫通孔の開放面にさらに広い開口面の貫通孔を有した導体板を配置することによっても実現できる。図3は本発明の他の実施例を示す正面断面図で、導体板37(a)、37(b)を2枚重ねて貫通孔の開口を段階的に大きくすることで、開口部をホーンと同様に動作させることができる。なお、この例では誘電体導波管と導体板との間に緩衝材を配置している。図4、図5はアレー構成の例を示すものである。導波管に複数のスロットを配置するスロットアレーアンテナは、アンテナの指向性と利得を強める効果があることが知られている。誘電体導波管41に設けたスロット列に対向した貫通孔を設けることで、簡単にアレー構成を実現でき、指向性と利得を向上させることができる。 When it is desired to increase the gain and directivity of the antenna, it can also be realized by arranging a conductor plate having a through hole having a wider opening surface on the open surface of the through hole. FIG. 3 is a front cross-sectional view showing another embodiment of the present invention. By overlapping two conductor plates 37 (a) and 37 (b) and increasing the opening of the through hole step by step, the opening is made into a horn. It can be operated in the same way. In this example, a buffer material is disposed between the dielectric waveguide and the conductor plate. 4 and 5 show examples of the array configuration. It is known that a slot array antenna in which a plurality of slots are arranged in a waveguide has an effect of enhancing the directivity and gain of the antenna. By providing a through hole opposed to the slot row provided in the dielectric waveguide 41, an array configuration can be easily realized, and directivity and gain can be improved.
本発明は、小型化、軽量化の要求の多い移動体通信機器等のアンテナとして特に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is particularly useful as an antenna for mobile communication devices and the like that are frequently required to be small and light.
11、21、31.41:誘電体導波管
12、22:スロット
17、37、47:導体板
18、28、38:貫通孔
11, 21, 31.41: Dielectric waveguide
12, 22: Slot
17, 37, 47: Conductor plate
18, 28, 38: Through hole
Claims (4)
その誘電体が、そのスロットに対向する位置にアンテナ開口部となる導体壁を具えた導波路に接続されたことを特徴とする誘電体導波管アンテナ。 In a dielectric waveguide antenna having a slot in which a dielectric is exposed on one surface of the dielectric,
A dielectric waveguide antenna, characterized in that the dielectric is connected to a waveguide having a conductor wall serving as an antenna opening at a position facing the slot.
その誘電体が、そのスロットに対向する位置にアンテナ開口部となる貫通孔を具えた導体板に接続されたことを特徴とする誘電体導波管アンテナ In a dielectric waveguide antenna having a slot in which a dielectric is exposed on one surface of the dielectric,
A dielectric waveguide antenna characterized in that the dielectric is connected to a conductor plate having a through hole serving as an antenna opening at a position facing the slot.
その誘電体が、そのスロットに対向する位置にアンテナ開口部となる貫通孔を備え、その貫通孔の壁面に導体膜が形成された基板に接続されたことを特徴とする誘電体導波管アンテナ In a dielectric waveguide antenna having a slot in which a dielectric is exposed on one surface of the dielectric,
A dielectric waveguide antenna characterized in that the dielectric has a through-hole serving as an antenna opening at a position facing the slot, and is connected to a substrate having a conductor film formed on the wall surface of the through-hole.
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