JP2006005432A - 平面アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】波長の短いミリ波帯においてもプリント基板を用いて容易に製作でき、かつ高効率の送受信が可能な平面アンテナを提供する。
【解決手段】基板１１ａ〜１１ｅを積層して形成し、その周縁に沿って複数のスルーホール１７をλ／４以下の間隔で設ける。基板１１ａの上面には、中心から所定の間隔で設けた同心円１２ａ〜１２ｃ上に複数のパッチアンテナ１３を形成し、その給電点に給電ピン１４ａ〜１４ｃを接続する。基板１１ａの裏面に設けた金属膜１８と、最下層の基板１１ｅの裏面に形成した金属膜１９及び上記複数のスルーホール１７によりラジアル導波路２０を形成する。基板１１ｅの裏面中心部に給電部２１を設け、給電線路２２を接続する。給電ピン１４ａ〜１４ｃは、最内周の同心円１２ａに対するものを最も短く、外側の周に行くに従って長く形成し、各パッチアンテナ１３に対する給電電力をほぼ同じにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ラジアル導波路を使用したマイクロ波帯ないしミリ波帯における平面アンテナに関する。

従来、衛星放送等の受信アンテナとしては、パラボラアンテナの他に平面アンテナが用いられている（例えば、特許文献１参照。）。上記衛星放送等を受信する平面アンテナは、金属ケースによりラジアル導波路を形成し、その裏面中心部より給電すると共に、上記ラジアル導波路の上面に例えばヘリカルアンテナ素子等の複数のアンテナ素子を同心円状に設け、該アンテナ素子の軸部をラジアル導波路内に挿入する構成となっている。
特開平４−１５４３０７号公報

上記従来のように金属ケースによりラジアル導波路を形成し、その上面に複数のヘリカルアンテナ素子等を設ける構造の平面アンテナは、マイクロ波帯では所望の精度を得ることが可能であるが、波長の短いミリ波帯で使用する場合には、マイクロ波帯の数倍の精度が必要であり、機械加工で製作する場合には非常に高価になってしまうという問題がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、波長の短いミリ波帯においてもプリント基板を用いて容易に製作でき、かつ高効率の送受信が可能な平面アンテナを提供することを目的とする。

本発明に係る平面アンテナは、積層された複数の基板と、前記積層された基板に対し、該基板の上面を除いて形成されるラジアル導波路と、前記積層された基板の上面に同心円状に設けられる複数のパッチアンテナと、前記各パッチアンテナの給電点より前記ラジアル導波路内に挿入される給電ピンと、前記ラジアル導波路の裏面中心部から前記ラジアル導波路内に所定長さ挿入される給電部とを具備し、前記給電ピンは各基板に設けたスルーホールを利用して形成し、かつ、前記最内側の同心円上に設けられるパッチアンテナの給電ピンを最も短く、外側の周に行くに従って給電ピンを長く形成し、前記各パッチアンテナに対してほぼ同振幅で給電するように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、基板上面に同心円状に設けられた各パッチアンテナに対してほぼ同振幅で給電することが可能となり、非常に高いアンテナ放射効率を得ることができ、高い精度が要求される波長の短いミリ波帯であっても高効率で安価な平面アンテナを実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（第１実施形態）
この第１実施形態に係る平面アンテナは、ラジアル導波路右旋円偏波アレーアンテナに実施した場合の例を示したものである。
図１は本発明の第１実施形態に係る平面アンテナ１０の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。この第１実施形態に係る平面アンテナ１０は、複数層例えば５層の円板状基板１１ａ〜１１ｅを積層して形成している。

上記第１層の基板１１ａの上面には、中心から所定の間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で設けられた同心円１２ａ〜１２ｃ上に右旋円偏波用の複数のパッチアンテナ１３が金属泊例えば銅箔により形成される。すなわち、第１層の基板１１ａ上に複数のパッチアンテナ１３が同心円状にアレー配置される。この場合、パッチアンテナ１３は、各給電点が同心円１２ａ〜１２ｃ上に位置するように配置される。

上記パッチアンテナ１３は、例えば同心円１２ａ上には６個、同心円１２ｂ上には１２個、同心円１２ｃ上には１８個設けられる。上記同心円１２ａ上のパッチアンテナ１３の給電点には給電ピン１４ａ、同心円１２ｂ上のパッチアンテナ１３の給電点には給電ピン１４ｂ、同心円１２ｃ上のパッチアンテナ１３の給電点には給電ピン１４ｃが接続される。上記給電ピン１４ａ〜１４ｃは、スルーホールを利用して形成したもので、詳細を後述するラジアル導波路２０内に所定長さ挿入される。また、各パッチアンテナ１３には、周縁部に円偏波用の２つの凹部１５が相対向する位置に設けられる。

上記同心円１２ａ〜１２ｃの間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、１λｇ（λｇは使用周波数の管内波長）あるいは１λｇ以下の値に設定される。上記同心円１２ａ〜１２ｃの間隔が、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝１λｇの場合、パッチアンテナ１３は全て同じ向きに設けられる。この場合、パッチアンテナ１３は全て同位相給電となる。また、同心円１２ａ〜１２ｃの間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３≠１λｇの場合、パッチアンテナ１３は、各同心円１２ａ〜１２ｃ上においては同じ向きに設けられるが、異なる同心円間においては、その向きを所定角度回転させて位相の進み、遅れを調整して同位相となるようにする。

また、上記基板１１ａの上面には、周縁に沿って金属箔による導体パターン１６ａが形成され、この導体パターン１６ａ部分に複数のスルーホール１７がλ／４（λは使用周波数の波長）以下の間隔で設けられる。上記スルーホール１７の間隔をλ／４以下とすることによって、スルーホール１７を形成した部分からの電波の漏洩を阻止する。上記導体パターン１６ａと最外周の同心円１２ｃとの間隔は、例えばλｇ／４程度に設定される。更に、基板１１ａの裏面には、金属箔の蒸着等によりほぼ全面的に金属膜１８が形成される。

一方、最下層、すなわち第５層の基板１１ｅの裏面には、金属箔の蒸着等によりほぼ全面的に金属膜１９が形成され、この金属膜１９に上記スルーホール１７が電気的に接続される。上記基板１１ａの裏面に設けた金属膜１８と、基板１１ｅの裏面に設けた金属膜１９、及び基板１１ａ〜１１ｅの周辺部に設けたスルーホール１７によりラジアル導波路２０が形成される。

そして、上記基板１１ｅの裏面中心部には、給電部２１が設けられる。この給電部２１は、スルーホールを利用した給電線路２２を備え、ラジアル導波路２０内に所定長さ挿入される。この給電線路２２は、例えば第５層の基板１１ｅ、第４層の基板１１ｄ、第３層の基板１１ｃの中心部を通って第２層の基板１１ｂの裏面まで延長される。この第２層の基板１１ｂの裏面の中央部には、導体円板によるの整合素子２３が設けられており、上記給電部２１から整合素子２３まで上記給電線路２２が設けられる。上記整合素子２３は、直径の大きさによって整合を図ることができる。

また、上記基板１１ａの各パッチアンテナ１３に接続される給電ピン１４ａ〜１４ｃは、給電線路２２に一番近い最内周の同心円１２ａに設けられるものが最も短く、外側の周に行くに従って長く形成される。すなわち、ラジアル導波路２０内に挿入される給電ピン１４ａ〜１４ｃの長さが異なる値に設定される。例えば同心円１２ａに設けられるパッチアンテナ１３の給電ピン１４ａは、第２層の基板１１ｂの裏面まで、同心円１２ｂに設けられるパッチアンテナ１３の給電ピン１４ｂは、第３層の基板１１ｃの裏面まで、同心円１２ｃに設けられるパッチアンテナ１３の給電ピン１４ｃは、第４層の基板１１ｄの裏面まで形成される。

上記のように給電線路２２に一番近い最内周の同心円１２ａに設けられるパッチアンテナ１３の給電ピン１４ａを最も短く、外側の周に行くに従って長く形成することにより、アンテナの放射効率を向上する。例えば全ての給電ピン１４ａ〜１４ｃが全て同じ長さであった場合、給電線路２２から放射される電力は、給電線路２２に一番近い最内周の同心円１２ａに設けられているパッチアンテナ１３の給電ピン１４ａにエネルギーの殆どが供給されてしまい、他の給電ピン１４ｂ、１４ｃには殆どエネルギーが伝達されない。このときの放射指向性は、各パッチアンテナ１３が等振幅で給電された場合に比較し、メインローブの電力半値幅が広がり、放射効率が低下する。このため、この実施形態では、上記したように同心円１２ａに設けられるパッチアンテナ１３の給電ピン１４ａを最も短く、外側の周に行くに従って長く形成することにより、各パッチアンテナ１３に対する給電電力をほぼ一様に分布させることができ、アンテナの放射効率を向上することができる。

次に、上記各給電ピン１４ａ〜１４ｃの長さを異ならせて設定する場合の具体的に構成例について説明する。図３〜図７は、第１層ないし第５層の基板１１ａ〜１１ｅの裏面側のパターン例を示したものである。

第１層の基板１１ａの裏面には、図３に示すように全てのパッチアンテナ１３の給電ピン１４ａ〜１４ｃと対応して円形の導体パターン３１が形成されると共に、この導体パターン３１の外周部分を除いて全面的に上記金属膜１８が形成される。すなわち、基板１１ａには、全ての給電ピン１４ａ〜１４ｃに対応する部分にスルーホールを形成している。また、基板１１ａの周縁部には、上記した複数のスルーホール１７がλ／４以下の間隔で設けられる。

第２層の基板１１ｂの裏面には、図４に示すように全てのパッチアンテナ１３の給電ピン１４ａ〜１４ｃと対応して円形の導体パターン３２が形成されると共に、中心部に上記整合素子２３が形成される。すなわち、基板１１ｂには、基板１１ａと同様に全ての給電ピン１４ａ〜１４ｃに対応する部分にスルーホールを形成している。また、基板１１ｂには、周縁に沿って金属箔による導体パターン１６ｂが形成され、この導体パターン１６ｂ部分に上記した複数のスルーホール１７が設けられる。

第３層の基板１１ｃの裏面には、図５に示すように最内周の同心円１２ａ上に位置する給電ピン１４ａを除き、他の同心円１２ｂ、１２ｃ上に位置する給電ピン１４ｂ、１４ｃ及び中心部のスルーホールに対して導体パターン３３が形成される。すなわち、基板１１ｃには、給電ピン１４ｂ、１４ｃに対応する部分及び中心部にスルーホールが形成され、給電ピン１４ａに対応する部分にスルーホールが形成されないようにしている。また、基板１１ｃには、周縁に沿って金属箔による導体パターン１６ｃが形成され、この導体パターン１６ｃ部分に上記した複数のスルーホール１７が設けられる。

第４層の基板１１ｄの裏面には、図６に示すように同心円１２ａ、１２ｂ上に位置する給電ピン１４ａ、１４ｂを除き、最外周の同心円１２ｃ上に位置する給電ピン１４ｃ及び中心部のスルーホールに対して導体パターン３４が形成される。すなわち、基板１１ｄには、給電ピン１４ｃに対応する部分及び中心部にスルーホールが形成され、給電ピン１４ａ、１４ｂに対応する部分にスルーホールが形成されないようにしている。また、基板１１ｄには、周縁に沿って金属箔による導体パターン１６ｄが成され、この導体パターン１６ｄ部分に上記した複数のスルーホール１７が設けられる。

第５層の基板１１ｅの裏面には、図７に示すように中心部に給電部２１が設けられると共に、その外周部分を除いて全面的に上記金属膜１９が形成される。また、基板１１ｅには、周縁部に上記した複数のスルーホール１７が設けられる。なお、基板１１ｅには、給電ピン１４ａ〜１４ｃに対応する位置にスルーホールを形成しておいても、図７に示したように基板１１ｅの裏面側において、給電ピン１４ａ〜１４ｃに対応する部分の金属箔を削ってスルーホールと金属膜１９との間の電気的接続を遮断することにより、スルーホールは形成されず、ラジアル導波路２０とショートすることはない。上記スルーホールの金属箔を削った後は、図７に示したように小さな穴が残るが、この穴は波長に比して十分に小さいので、電磁波が漏れることはない。

上記第１層ないし第５層の基板１１ａ〜１１ｅの裏面側のパターンを図３〜図７に示すように形成することにより、図２に示したように同心円１２ａ〜１２ｃ上のパッチアンテナ１３に対してそれぞれ長さの異なる給電ピン１４ａ〜１４ｃを形成することができる。

上記の構成において、給電部２１に給電された電力は、給電線路２２からラジアル導波路２０内を通り、給電ピン１４ａ〜１４ｃを経由してパッチアンテナ１３に伝達される。アレーアンテナの放射効率は、各パッチアンテナ１３が同位相、同振幅の時に最も効率が良くなる。

上記全てのパッチアンテナ１３を同位相給電とするには、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３＝１λｇに設定することにより、全てのパッチアンテナ１３を同じ向きに設定して同位相給電することができる。また、同心円１２ａ〜１２ｃの間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３が、Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ３≠１λｇに設定した場合には、パッチアンテナ１３は、各同心円１２ａ〜１２ｃ上においては同じ向きに設けるが、異なる同心円間においては、その向きを所定角度回転させて位相の進み、遅れを調整して同位相となるようにする。

また、上記実施形態で示したように、最内側の同心円１２ａ上に設けられるパッチアンテナ１３の給電ピン１４ａを最も短く、外側の周に行くに従って長く形成することにより、各パッチアンテナ１３に対する給電電力をほぼ一様に近い分布とすることができる。この結果、各パッチアンテナ１３を同位相、同振幅で給電することが可能となり、非常に高いアンテナ放射効率を得ることができる。

上記第１実施形態によれば、基板上にパッチアンテナ１３を形成すると共に、各基板に設けたスルーホールを利用して給電ピン１４ａ〜１４ｃを形成しているので、同心円１２ａ〜１２ｃ上に設けられる給電ピン１４ａ〜１４ｃの長さを各同心円毎に設定でき、この結果、各パッチアンテナ１３を同位相、同振幅で給電することが可能となり、高い精度が要求される波長の短いミリ波帯であっても高効率で安価な平面アンテナを実現することができる。

なお、上記実施形態では、５層の基板１１ａ〜１１ｅを設けた場合について示したが、基板の数は５層に限定されるものではなく、任意に設定し得るものである。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態に係る平面アンテナについて、図８及び図９を参照して説明する。この第２実施形態に係る平面アンテナは、ラジアル導波路直線偏波アレーアンテナに実施した場合の例を示したものである。
図８は第２実施形態に係る平面アンテナ１０の平面図、図９（ａ）、（ｂ）は図８のＢ−Ｂ線矢視断面図で、給電ピンの加工工程を示している。この第２実施形態に係る平面アンテナ１０は、厚さが例えば０．１〜０．２ｍｍの円板状基板１１ａと、厚さが例えば１．６ｍｍ程度の基板１１ｂを積層して形成している。

上記第１層の基板１１ａの上面には、中心から所定の間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３で設けられた同心円１２ａ〜１２ｃ上に、直線偏波用の複数の方形状パッチアンテナ１３が金属泊により形成される。上記同心円１２ａ上のパッチアンテナ１３の給電点には給電ピン１４ａ、同心円１２ｂ上のパッチアンテナ１３の給電点には給電ピン１４ｂ、同心円１２ｃ上のパッチアンテナ１３の給電点には給電ピン１４ｃが接続される。

上記同心円１２ａ〜１２ｃの間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、例えば１λｇに設定され、パッチアンテナ１３は全て同じ向きに設けられる。この場合、パッチアンテナ１３は全て同位相給電となる。

また、図９（ｂ）に示すように上記基板１１ａの各パッチアンテナ１３に接続される給電ピン１４ａ〜１４ｃは、給電線路２２に一番近い最内周の同心円１２ａに設けられるものが最も短く、外側の周に行くに従って長く形成される。

また、上記基板１１ａの上面には、周縁に沿って導体パターン１６ａが形成され、この導体パターン１６ａ部分に複数のスルーホール１７がλ／４以下の間隔で設けられる。上記基板１１ａの裏面には、ほぼ全面的に金属膜１８が形成される。

そして、第２層の基板１１ｂの裏面には、ほぼ全面的に金属膜１９が形成され、この金属膜１９に上記スルーホール１７が電気的に接続される。上記金属膜１８、１９とスルーホール１７によりラジアル導波路２０が形成される。上記基板１１ｂの裏面中心部には、給電部２１が設けられる。この給電部２１は、スルーホールを利用した給電線路２２を備え、ラジアル導波路２０内に所定長さ挿入される。

次に、上記給電ピン１４ａ〜１４ｃ及び給電部２１を加工する工程について説明する。まず、第１層の基板１１ａ及び第２層の基板１１ｂに、図９（ａ）に示すように給電ピン１４ａ〜１４ｃに対応する位置にスルーホール４１を設けると共に、給電部２１の給電線路２２に対応する位置にスルーホール４２を設ける。上記スルーホール４１、４２は、基板１１ａ上面から基板１１ｂの裏面まで同じ長さで設けられる。

次いで、上記給電ピン１４ａ〜１４ｃに対応するスルーホール４１を図９（ｂ）に示すように基板１１ｂの裏面側から切削加工し、その加工穴４３の深さによって給電ピン１４ａ〜１４ｃの長さを上記第１実施形態で説明した長さに設定する。すなわち、給電ピン１４ａ〜１４ｃは、給電線路２２に一番近い最内周の同心円１２ａ上のパッチアンテナ１３に設けられる給電ピン１４ａが最も短く、外側の周に行くに従って長くなるように切削加工する。

また、給電部２１に設けたスルーホール４２については、基板１１ａの上面側から切削加工し、その加工穴４４の深さによって給電線路２２の長さを所定の長さに設定する。

上記のようにパッチアンテナ１３の給電ピン１４ａ〜１４ｃの長さを設定することにより、各パッチアンテナ１３に対する給電電力をほぼ一様に近い分布とすることができる。この結果、各パッチアンテナ１３を同位相、同振幅で給電することが可能となり、非常に高いアンテナ放射効率を得ることができる。また、同心円１２ａ〜１２ｃの間隔Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を１λｇに設定した場合、パッチアンテナ１３を全て同じ向きに設定して同位相給電でき、直線偏波パッチアレーアンテナとすることができる。

上記第２実施形態によれば、簡単な切削加工で給電ピン１４ａ〜１４ｃの長さを自由に設定できるので、パッチアンテナ１３の励振分布を正確に揃えることができ、高効率で安価なミリ波平面アンテナを実現することができる。

上記各実施形態では、基板１１ａ上に３つの同心円１２ａ〜１２ｃを設定してパッチアンテナ１３を設けた場合について示したが、同心円の数は任意に設定し得るものである。

また、上記各実施形態では、各基板の周縁部に複数のスルーホール１７を設けると共に最下層の基板の裏面に金属膜１９を設けてラジアル導波路２０を構成する場合について示したが、その他、導電性部材を用いたケースによりラジアル導波路を構成するようにしても良い。
また、本発明に係る平面アンテナは、ミリ波帯だけでなく、マイクロ波帯においても適用し得るものである。

本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

本発明の第１実施形態に係る平面アンテナの構成を示す平面図である。 図１におけるＡ−Ａ線矢視断面図である。 同実施形態における第１層基板の裏面に形成されるパターン例を示す図である。 同実施形態における第２層基板の裏面に形成されるパターン例を示す図である。 同実施形態における第３層基板の裏面に形成されるパターン例を示す図である。 同実施形態における第４層基板の裏面に形成されるパターン例を示す図である。 同実施形態における第５層基板の裏面に形成されるパターン例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る平面アンテナの構成を示す平面図である。 図８におけるＢ−Ｂ線矢視断面図で、給電ピンの加工工程を説明するための図である。

符号の説明

１０…平面アンテナ、１１ａ〜１１ｅ…第１層ないし第５層の基板、１２ａ〜１２ｃ…同心円、１３…パッチアンテナ、１４ａ〜１４ｃ…給電ピン、１５…凹部、１６ａ〜１６ｄ…導体パターン、１７…スルーホール、１８、１９…金属膜、２０…ラジアル導波路、２１…給電部、２２…給電線路、２３…整合素子、３１〜３４…導体パターン、４１、４２…スルーホール、４４…加工穴。

Claims (1)

1. 積層された複数の基板と、前記積層された基板に対し、該基板の上面を除いて形成されるラジアル導波路と、前記積層された基板の上面に同心円状に設けられる複数のパッチアンテナと、前記各パッチアンテナの給電点より前記ラジアル導波路内に挿入される給電ピンと、前記ラジアル導波路の裏面中心部から前記ラジアル導波路内に所定長さ挿入される給電部とを具備し、
   前記給電ピンは各基板に設けたスルーホールを利用して形成し、かつ、前記最内側の同心円上に設けられるパッチアンテナの給電ピンを最も短く、外側の周に行くに従って給電ピンを長く形成し、前記各パッチアンテナに対してほぼ同振幅で給電するように構成したことを特徴とする平面アンテナ。

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