JP2006270760A

JP2006270760A - アンテナ

Info

Publication number: JP2006270760A
Application number: JP2005088397A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Shirasaki; 隆行白崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP4439423B2

Abstract

【課題】放射効率が高く、放射特性のばらつきが小さいアンテナを提供すること。
【解決手段】誘電体層２の上面に形成された線路導体３および線路導体３の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層４から成る高周波線路１と、同一面接地導体層４に線路導体３と直交するように形成されたスロット５と、スロット５を取り囲むように誘電体層２の内部に形成された複数のシールド導体６とを具備するアンテナであって、線路導体３と同一面接地導体層４との間隔を、誘電体層２の外周側に比しスロット５との接合部近傍７で狭くした。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波を用いた通信やレーダーに使用されるアンテナに関するもので、帯域が広く薄型化が可能なアンテナに関するものである。

マイクロ波やミリ波等の電磁波を効率良く放射するアンテナとして導波管を用いたホーンアンテナが知られている。ホーンアンテナは導波管内を伝送してきた高周波信号を空間に放射するアンテナである。導波管内部は空間と同じ誘電率（一般的には空気の誘電率）であり、そのインピーダンスは空間のインピーダンスに近くなっている。また導波管内を伝送する高周波信号の電磁場モードは空間を伝送する高周波信号の電磁場モードに類似しており、導波管を伝送してきた高周波信号の電磁場モードはホーン近傍の空間で容易に空間を伝送する高周波信号の電磁場モードに変化できる。これらの理由よりホーンアンテナはインピーダンスやモードのミスマッチによる反射が小さく、高効率で比較的広帯域であることが知られている。

一方一般にマイクロ波やミリ波を用いた通信やレーダーに用いられる回路はマイクロストリップ線路やコプレーナ線路を用いた平面回路である。この場合、回路とホーンアンテナを接続するには平面回路を導波管に変換する変換器が必要になり、変換器を使用することによるコストアップや反射等の性能劣化が生じる場合がある。

また、平面回路から空間に直接電磁波を放射するアンテナの１つとしてパッチアンテナが知られている。パッチアンテナは比較的インピーダンスが小さい平面回路と、比較的インピーダンスが大きい空間とをパッチの共振を使って整合している。

このような共振による整合では共振器のインピーダンスが帯域に影響する。帯域を広くするためにパッチのインピーダンスを大きくしようとするとパッチ幅を小さくする必要があり放射効率が下がる。放射効率を上げるためにパッチ幅を大きくするとパッチのインピーダンスが小さくなり帯域が狭くなる傾向がある。パッチアンテナの設計では高周波信号を効率良く空間に放射することが第１条件であり、そのため帯域を犠牲にして、帯域が狭くなっている場合が多い。

この問題を解決するために共振器としてインピーダンスが大きい空洞共振器を用いた積層型開口面アンテナが提案されている。この積層型開口面アンテナでは平面回路を形成する誘電体基板内部に誘電体が充填された空洞共振器を構成し、広帯域なアンテナを実現している。
特開２００１−０１６０２７号公報

しかしながら、積層型開口面アンテナでは空洞共振器を誘電体基板内部に構成する必要があるため、パッチアンテナと比較すると誘電体基板が厚くなるという問題がある。特にこのアンテナの1次放射器であるスロットへの給電に積層型導波管やマイクロストリップ線路等の給電線を用いた場合、給電線を構成するためにスロットの上にさらに誘電体層を設ける必要があり誘電体基板の厚さが空洞共振器の厚さよりも更に厚くなって、装置が大型化するという問題がある。

従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、広帯域なアンテナにおいて、誘電体基板の厚さを厚くせずに給電線を構成でき、放射効率が高く、放射特性のばらつきが小さいアンテナを提供することにある。

本発明のアンテナは、誘電体層の上面に形成された線路導体および該線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層から成る高周波線路と、前記同一面接地導体層に前記線路導体と直交するように形成されたスロットと、前記スロットを取り囲むように前記誘電体層の内部に形成された複数のシールド導体とを具備するアンテナであって、前記線路導体と前記同一面接地導体層との間隔を、前記誘電体層の外周側に比し前記スロットとの接合部近傍で狭くしたことを特徴とする。

本発明のアンテナにおいて、好ましくは、前記接合部近傍の長さをＬとし、前記線路導体により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、λ／８≦Ｌ≦λ／４であることを特徴とする。

本発明のアンテナは、誘電体層の上面に形成された線路導体および線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層から成る高周波線路と、同一面接地導体層に線路導体と直交するように形成されたスロットと、スロットを取り囲むように誘電体層の内部に形成された複数のシールド導体とを具備していることから、線路導体とスロットとが同一平面にて電磁的に結合するので、誘電体基板の厚さを厚くせずに給電線を構成でき、薄型のアンテナを提供できる。

また、線路導体と同一面接地導体層との間隔を、誘電体層の外周側に比しスロットとの接合部近傍で狭くしたことから、この接合部近傍が高周波線路とスロットとのインピーダンス整合部として作用し、高周波線路とスロットとのインピーダンスの差を緩和することができる。よって、高周波線路とスロット間での反射損失を抑えることができ、アンテナの放射効率を高めることができる。

本発明のアンテナにおいて好ましくは、接合部近傍の長さをＬとし、線路導体により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、λ／８≦Ｌ≦λ／４であることから、伝送される高周波信号の周波数帯域において、高周波線路とスロット間での反射損失を効果的に抑えることができ、更にアンテナの変換効率を高めることができる。

本発明のアンテナを図面に基づき詳述する。図１は、本発明のアンテナの一例を説明するための概略図であり（ａ）は平面透視図、（ｂ）はＡ−ＡＡ断面図である。

図１において、１は高周波線路、２は誘電体層、３は線路導体、４は同一面接地導体層、５は同一面接地導体層４に形成されたスロット、６はシールド導体、８は内部接地導体層である。

本発明のアンテナの例においては、誘電体層２と、誘電体層２の上面に配された線路導体３と、線路導体３の一端部を取り囲むように同一面（誘電体層２の上面）に配された同一面接地導体層４とによって高周波線路１としてのコプレーナ線路が形成されている。また、誘電体層２の上面の同一面接地導体層４には線路導体３の一端部と直交するように形成されたスロット５が配されており、高周波線路１の一端と電磁気的に結合されている。これにより、高周波線路１に伝送された高周波信号は、スロット５から、誘電体層２の下面側に電磁波として放射される。

誘電体層２の側面方向は、線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むようにして、図１の例に示すように誘電体層２の内部に配されたシールド導体６によりシールドされており、スロット５から誘電体層２に放射された電磁波および誘電体層２と外部空間との境界で反射した電磁波が漏れ出すことを防ぎ、放射効率が低下することを防止している。

また、高周波線路１とスロット５とが同一面内に形成されることとなり、その結果、両者の相対的な位置関係が変動しにくく、スロットに対する高周波線路の突出部分であるスタブの長さのばらつきを小さくすることができるため、電磁結合の特性のばらつきを小さくすることができ、かつ、誘電体層２の厚さを厚くせずに給電線を構成でき、薄型のアンテナを提供できる。

更に、線路導体３の一端部のスロット５の外側に位置する部位において、線路導体３と同一面接地導体層４との間隔を、誘電体層２の外周側に比しスロット５との接合部近傍７で狭くしたことにより、高周波線路１とスロット５とのインピーダンス整合部を設けることにより、高周波線路１とスロット５間での反射損失を抑えることができ、アンテナの放射効率を高めることができる。

誘電体層２を形成する誘電体材料としては、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，窒化珪素，ムライト等を主成分とするセラミック材料，ガラス，あるいはガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成して形成されたガラスセラミック材料，エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，四フッ化エチレン樹脂を始めとするフッ素系樹脂等の有機樹脂系材料，有機樹脂−セラミック（ガラスも含む）複合系材料等が用いられる。

線路導体３，同一面接地導体層４，貫通導体等から成るシールド導体６を形成する導体材料としては、タングステン，モリブデン，金，銀，銅等を主成分とするメタライズ、あるいは金，銀，銅，アルミニウム等を主成分とする金属箔等が用いられる。

特に、アンテナを、高周波部品を搭載する配線基板に内蔵する場合は、誘電体層２を形成する誘電体材料としては、誘電正接が小さく、かつ気密封止が可能であることが望ましい。特に望ましい誘電体材料としては、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，ガラスセラミック材料の群から選ばれる少なくとも１種の無機材料が挙げられる。このような硬質系材料で構成すれば、誘電正接が小さく、かつ搭載した高周波部品を気密に封止することができるので、搭載した高周波部品の信頼性を高める上で好ましい。この場合、導体材料としては、誘電体材料との同時焼成が可能なメタライズ導体を用いることが、気密封止性と生産性の上で望ましい。

本発明のアンテナは以下のようにして作製される。例えば誘電体材料に酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合であれば、まず酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してスラリー状にし、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によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製する。また、タングステンやモリブデン等の高融点金属，酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してメタライズペーストを作製する。

次に、セラミックグリーンシートに、例えば打ち抜き法によりシールド導体６としての貫通導体を形成するための貫通孔を形成し、例えば印刷法により、その貫通孔にメタライズペーストを埋め込み、続いて線路導体３、スロット５を有する同一面接地導体層４の形状にメタライズペーストを印刷する。誘電体層２が複数の誘電体層の積層構造からなる場合には、これら導体が埋め込み，印刷されたセラミックグリーンシートを積層し、加圧して圧着し、高温（約1600℃）で焼成する。さらに、線路導体３、同一面接地導体層４等の表面に露出する導体の表面には、ニッケルめっきおよび金めっきを被着させる。

シールド導体６は線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むように誘電体層２の側面または内部に配され、同一面接地導体層４に電気的に接続されて接地される。

シールド導体６は、誘電体層２の内部に配された複数のシールド用貫通導体により構成するとよい。このようにシールド導体６を複数のシールド用貫通導体で形成すると、誘電体層２のシールド導体６で囲まれた領域の形状を任意に設計することができるので、たとえば誘電体層２のシールド導体６で囲まれた領域に不要な共振が発生する場合に、シールド導体６の配置を調整して、不要共振を信号変換の帯域外にシフトさせることが可能となる。

シールド用貫通導体同士の隙間（図１においてＧで示す）は、信号波長の１／４未満にすることが望ましい。これは、信号波長の１／４未満とすることにより電磁波がシールド用貫通導体間の隙間から漏れにくくなるので、シールド効果を高めることができるからである。

なお、シールド導体６を構成するシールド用貫通導体は、貫通孔の内壁に導体層が被着されたいわゆるスルーホール導体であってもよく、貫通孔の内部が導体で充填されたいわゆるビア導体であってもよい。

また、好ましくは、図１に示すように誘電体層２の内層に平面透視してスロット５と重なるとともに、スロット５と同じかスロット５よりも大きい開口が形成された内部接地導体層８を形成してもよい。これにより、線路導体３の接地電位をより強化することができ、伝送性をより向上できる。

また、図１に示すように、本発明のアンテナは、好ましくは、接合部近傍７の長さをＬとし、線路導体３により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、λ／８≦Ｌ≦λ／４であるのがよい。これにより、伝送される高周波信号の周波数帯域において、高周波線路１とスロット５間での反射損失を効果的に抑えることができ、更にアンテナの変換効率を高めることができる。

接合部近傍７の長さＬがλ／８未満であると、波長に対して短かすぎるため、高周波線路とスロットとのインピーダンス整合部として機能しにくくなる。また、接合部近傍７の長さＬがλ／４を超えると、接合部が周波数特性を持ち、高周波線路１からスロット５への変換を妨げやすくなる。

また、接合部近傍７と同一面接地導体層４との間隔は、誘電体層２の外周側（図１の線路導体３の一端部のスロット５の外側に位置する部位における線路導体３の接合部近傍７以外の部位）と同一面接地導体層４との間隔の0.2〜0.8倍であるのがよい。0.2倍未満であると、間隔が急激に変化することにより高周波信号の伝播モードが乱れ、高周波線路１からスロット５への変換を妨げやすくなる。また、0.8倍を超えると、間隔の変化が小さいことから、インピーダンス整合部として機能しにくくなる。

好ましくは、線路導体３の一端部およびスロット５の接合部近傍７は、スロット５に近づくにつれて同一面接地導体層４との間隔が狭くなるように形成されているのがよい。これにより、高周波線路１とスロット５とのインピーダンスを、徐々に近づけることができ、高周波線路１とスロット５との間にインピーダンスの急激な変化が生じるのを有効に抑制することができる。

本発明のアンテナの実施例を以下に説明する。

まず、比誘電率が8.6からなるアルミナセラミックスから成り、厚みが1.52ｍｍの誘電体層２の上面に高周波線路１として特性インピーダンスが50Ωとなるような線幅が0.34ｍｍの線路導体３および同一面接地導体層４を形成した。さらに、同一面接地導体層４に線路導体３と直交するように、線路導体３の線路方向の長さが0.1ｍｍ、線路導体３に直交する方向の長さが3.0ｍｍのスロット５を形成した。

また、線路導体３とスロット５との接合近傍部７において、線幅が0.45ｍｍであるインピーダンス整合部（線路導体３の一端部およびスロット５の接合部近傍７）を長さＬが0.68ｍｍとなるように形成した。

ここで、高周波3次元構造シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳ）を用いて24ＧＨｚを中心周波数として設計した。

その結果、24ＧＨｚにおける反射損失Ｓ11は-20ｄＢ以下であり、実用的なアンテナとして十分に小さい反射損失であることが確認された。

次に、インピーダンス整合部の長さＬを0.3ｍｍ〜1.2ｍｍの範囲で変化させた場合の反射損失Ｓ11を高周波3次元構造シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳ）を用いてシミュレーションした。

その結果、接合部近傍７のインピーダンス整合部の長さをＬとし、線路導体３により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときにλ／８≦Ｌ≦λ／４に相当する0.5ｍｍ〜1ｍｍの範囲において、反射損失Ｓ11≦-10ｄＢとアンテナとして十分に実用的な反射損失が得られることが確認された。

なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施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あれば、種々の変更を行なっても差し支えない。

例えば、図１では高周波線路１がコプレーナ線路構造の場合の例を示したが、誘電体層２の上にさらに誘電体層を積層し、この誘電体層の上面に線路導体３を覆うように上面接地導体層を設けたグランド付きコプレーナ線路構造としてもよく、如何なる場合であっても誘電体層２、線路導体３、同一面接地導体層４、スロット５、シールド導体６の位置関係を図１に示す例と同様にすることにより、同様の効果を得ることができる。

また、図１では線路導体３の線幅がスロット５との接合近傍部７で太くすることにより、線路導体３と同一面接地導体５との間隔を狭くした場合の例を示したが、同一面接地導体４の形状を変更させる（例えば、線路導体３側に突出させる）ことにより、線路導体３と同一面接地導体５との間隔を狭くしても構わない。

また、図１ではシールド導体６は複数の貫通導体の場合の例を示したが、誘電体層２を小さくし側面に導体層を形成することなどによりシールド導体としても構わない。

（ａ）は本発明のアンテナの実施の形態の一例を示す平面透視図、（ｂ）は（ａ）のアンテナのＡ−ＡＡ線における断面図である。

符号の説明

１：高周波線路
２：誘電体層
３：線路導体
４：同一面接地導体層
５：スロット
６：シールド導体
７：一端部およびスロットの接合部近傍

Claims

誘電体層の上面に形成された線路導体および該線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層から成る高周波線路と、前記同一面接地導体層に前記線路導体と直交するように形成されたスロットと、前記スロットを取り囲むように前記誘電体層の内部に形成された複数のシールド導体とを具備するアンテナであって、前記線路導体と前記同一面接地導体層との間隔を、前記誘電体層の外周側に比し前記スロットとの接合部近傍で狭くしたことを特徴とするアンテナ。
前記接合部近傍の長さをＬとし、前記線路導体により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、λ／８≦Ｌ≦λ／４であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。