JP2007266835A

JP2007266835A - 開口面アンテナ

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Publication number: JP2007266835A
Application number: JP2006087277A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Shirasaki; 隆行白崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP4799238B2

Abstract

【課題】放射効率が高く、放射特性のばらつきが小さい開口面アンテナを提供すること。
【解決手段】第１および第２の面を有する誘電体層１と、誘電体層１の第１の面に形成されており、線路導体６と第１の接地導体層７とからなる高周波線路２と、誘電体層１の第１の面に線路導体６と交差して形成されたスロット３と、誘電体層１の内部に形成されており、スロット３に対向している開口を有する内部接地導体層４と、誘電体層１の第２の面に形成されており、スロット３に対向している開口を有する第２の接地導体層５とを備えている。第２の接地導体層５に、第２の接地導体層５の開口を取り囲むスリット９が形成されている。
【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開口面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。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。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開口面アンテナが提案されている。この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、このような従来の開口面アンテナは、電磁波の放射面において共振が生じ、放射効率が低下する可能性があるという問題があった。また、従来の開口面アンテナにおいては、電磁波の放射面においてアンテナの周囲に設けられた電子部品から影響を受けて放射特性の向上が困難であるという問題があった。

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、開口面アンテナにおいて、放射効率が高く、かつ、放射特性のばらつきの小さい開口面アンテナを提供することにある。

本発明の開口面アンテナは、第１および第２の面を有する誘電体層と、誘電体層の前記第１の面に形成されており、線路導体と該線路導体の端部を取り囲む第１の接地導体層とからなる高周波線路と、前記誘電体層の前記第１の面に前記線路導体と交差して形成されたスロットと、前記誘電体層の内部に形成されており、前記スロットに対向している開口を有する内部接地導体層と、前記誘電体層の前記第２の面に形成されており、前記スロットに対向している開口を有する第２の接地導体層とを備え、前記第２の接地導体層に、該第２の接地導体層の前記開口を取り囲むスリットが形成されていることを特徴とするものである。

また、本発明の開口面は、前記第２の接地導体層に形成された前記スリットの幅が、前記第２の接地導体層の前記開口から放射される高周波信号の前記スリット内部における実効波長の１／５倍以上であることを特徴とするものである。

本発明の開口面アンテナは、誘電体層の第２の面に形成された第２の接地導体層を備えており、第２の接地導体層に、第２の接地導体層の開口を取り囲むスリットが形成されていることにより、下面接地導体層が分離され、放射特性に影響を与える下面接地導体層での共振などを抑えることができるため、放射効率を向上させることができる。

また、下面接地導体層のスリットより外側領域と下面接地導体層のスリットより内側の領域とが分離されていることにより、下面接地導体層のスリットより内側の領域（開口側の領域）がスリットの外側から電磁気的な影響などを受け難くなるため、アンテナの周囲に電子部品が配置された場合でも、周囲の電子部品によるアンテナの放射特性のばらつきを低減させることができる。

本発明の開口面アンテナについて図面を参照して詳述する。図１は、本発明の開口面アンテナの一例を説明するための概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）に示した構成のＸ−Ｘ’線における断面図である、（ｃ）は下面図である。

本発明の開口面アンテナは、誘電体層１と、誘電体層１の第１の面（上面）１ａに形成された高周波線路２およびスロット３と、誘電体層１の内部に形成された内部接地導体層４と、誘電体層１の第２の面（下面）１ｂに形成された第２の接地導体層（下面接地導体層）５とを備えている。

誘電体層１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）複合系材料等の誘電体材料からなる。

特に、開口面アンテナが配線基板に内蔵される場合、誘電体層１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ものが望ましい。このような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誘電体層１を構成すれば、誘電正接が小さく、かつ搭載された高周波部品を気密に封止することができるため、搭載された高周波部品の信頼性を向上させることができる。

高周波線路２は、線路導体６と、線路導体６の端部６ａを取り囲む第１の接地導体層（同一面接地導体層）７とからなる。図１に示した実施の形態においては、誘電体層１と、誘電体層１の上面１ａに配された線路導体６と、線路導体６の同一面（誘電体層１の上面１ａ）に配された同一面接地導体層７とによって、コプレーナ線路が形成されている。

線路導体６は、誘電体層１の上面１ａの端部と誘電体層１の上面１ａの中央部との間に直線的に形成されている。同一面接地導体層７は、線路導体６の端部６ａにスロット３が形成されるように、誘電体層１の上面１ａに線路導体６と所定の間隔をもって形成されている。線路導体６の端部６ａと同一面接地銅体層７とは短絡している。

スロット３は、誘電体層１の上面１ａに、線路導体６と交差して形成されている。図１に示した実施の形態において、スロット３は線路導体６に直交している。スロット３は、高周波線路２の端部６ａと電磁気的に結合されている。この構成により、高周波線路２に伝送された高周波信号は、スロット３から、誘電体層１の下面１ｂ側に電磁波として放射される。

内部接地導体層４は、誘電体層１の内部に形成されており、スロット３に対向する開口４ａを有する。図１（ｄ）に示すように、内部接地導体層４の開口４ａは、スロット３の面積より大きく形成されている。図１に示した開口面アンテナにおいて、内部接地導体層４は、開口４ａを有して誘電体層１の内層の全面に形成されている。

下面接地導体層５は、誘電体層１の下面１ｂに形成されており、スロット３に対向する開口５ａを有している。図１（ｃ）に示すように、下面接地導体層５の開口５ａは、スロット３の面積より大きく形成されている。

下面接地導体層５には、開口５ａを取り囲むスリット９が形成されている。図１（ｃ）に示した開口面アンテナにおいて、下面接地導体層５は、スリット９により、スリット９の内側の領域とスリット９の外側の領域とが分離されている。

本発明の開口面アンテナは、このような構成により、下面接地導体層５が分離されており、放射特性に影響を与える下面接地導体層５での共振などを低減させることができ、アンテナの放射効率を向上させることが可能となる。

また、本発明の開口面アンテナは、下面接地導体層５のスリット９より外側領域と下面接地導体層５のスリット９より内側の領域とが分離されていることにより、下面接地導体層５のスリット９より内側の領域（開口５ａ側の領域）がスリット９の外側から電磁気的な影響などを受け難くなるため、アンテナの周囲に電子部品が配置された場合でも、周囲の電子部品によるアンテナの放射特性のばらつきを低減させることができる。

図１に示した実施の形態において、誘電体層１の内部に、スロット３と下面接地導体層５の開口５ａとの間の領域を囲む複数のシールド導体８が形成されている。複数のシールド導体８は、同一面接地導体層７に電気的に接続されており、接地電位に固定される。

線路導体６の端部６ａおよびスロット３を取り囲むようにして、誘電体層１の内部にシールド導体８が形成されており、スロット３と下面接地導体層５の開口５ａとの間の領域がシールドされていることにより、スロット３から誘電体層１に放射された電磁波および誘電体層１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低減させ、放射効率を向上させることができる。シールド導体８は、複数のシールド用貫通導体または金属ブロックなどである。

複数のシールド導体８は、誘電体層１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されているとよい。このようにシールド導体８が複数のシールド用貫通導体で形成されていると、誘電体層１のシールド導体８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１のシールド導体８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８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（Ｇで示す）は、信号波長の１／２未満にすることが望ましい。これは、信号波長の１／２未満とすることにより、電磁波が複数のシールド用貫通導体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８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。

内部接地導体層４、下面接地導体層５、線路導体６、同一面接地導体層７、シールド導体８をは、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。

本発明の開口面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８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６、スロット３が形成された同一面接地導体層７の形状にメタライズペーストを印刷する。誘電体層１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６、同一面接地導体層７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８は線路導体６の一端部およびスロット３を取り囲むように誘電体層１の側面または内部に配され、同一面接地導体層７に電気的に接続されて接地される。

シールド導体８は、誘電体層１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８を複数のシールド用貫通導体で形成すると、誘電体層１のシールド導体８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１のシールド導体８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８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（Ｇで示す）は、信号波長の１／２未満にすることが望ましい。これは、信号波長の１／２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。

また、図１に示すように、下面接地導体層５に形成されたスリット９の幅（Ｗで示す）は、開口より放射される高周波信号のスリット９内部における実効波長の１／５倍以上であることが好ましい。

これにより、下面接地導体層５のスリット９の内と外が高周波的に完全に分離するため、スリット９の外側の影響をより受け難くなるため、その結果、更なる放射効率の向上と放射特性の安定化が図れる。

本発明の開口面アンテナの実施例を以下に説明する。

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0.45ｍｍの誘電体層１の内部に高周波線路２として特性インピーダンスが50Ωとなるような線路導体６および同一面接地導体層７を形成した。さらに、同一面接地導体層７に線路導体６に直交するように、線路導体６の線路方向の長さが0.12ｍｍ、線路導体６に直交する方向の長さが0.68ｍｍのスロット３を形成した。

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76.5ＧＨｚにおける放射特性のシミュレーションを以下の条件で行った。

下面接地導体層５の直径を４ｍｍとし、スリット９の幅Wを0.2〜１ｍｍの範囲で変化させた。

スリット９の幅Wに対する放射利得（ｄＢｉ）のシミュレーション結果を図３に示す。

その結果、図３では、比較例であるスリットの無い（スリット幅W＝0ｍｍ）場合と比較して、スリット９を設けることにより放射利得が向上していることが確認された。

マイクロ波やミリ波を用いた通信システムやレーダーシステムにおいて求められている特性や、アンテナ，フィルタにおける半値幅，バンド幅などから、一般的に、放射利得ピーク値との差が３dB以内の範囲が、有効な放射利得範囲とされている。従って、このシミュレーション結果において、放射利得ピーク値との差が３dB以内である長さＬの範囲を有効な範囲としている。

図３に示すように、スリット９の幅Wの有効な範囲は、0.25mm〜であり、この範囲は、高周波信号（76.5ＧＨｚ）の誘電体内部における実効波長（1.337mm）の１／５倍以上に相当する。

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ではスリット９の形状は円形としたが、図２に示すような矩形や、多角形であっても構わない。

また、図１ではスリット９の幅は一定としているが、部分的に変化していても構わない。但し、その場合、スリット９の幅とは最も狭い部分を指す。

さらに、図１ではシールド導体８は複数の貫通導体の場合の例を示したが、金属ブロックなどによるシールド導体部としても構わない。

本発明の開口面アンテナの一例を説明するための概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）に示した構成のＸ−Ｘ’線における断面図、（ｃ）は下面図、（ｄ）は内部接地導体層４が形成された層の平面図である。本発明の開口面アンテナの他の例を説明するための概略図（下面）である。本発明の開口面アンテナの実施例および比較例におけるスリットの幅Ｗと放射利得との関係を示すシミュレーション結果である。

符号の説明

１誘電体層
２高周波線路
３スロット
４内部接地導体層
５第２の接地導体層（下面接地導体層）
６線路導体
７第１の接地導体層（同一面接地導体層）
８シールド導体
９スリット

Claims

第１および第２の面を有する誘電体層と、
誘電体層の前記第１の面に形成されており、線路導体と該線路導体の端部を取り囲む第１の接地導体層とからなる高周波線路と、
前記誘電体層の前記第１の面に前記線路導体と交差して形成されたスロットと、
前記誘電体層の内部に形成されており、前記スロットに対向している開口を有する内部接地導体層と、
前記誘電体層の前記第２の面に形成されており、前記スロットに対向している開口を有する第２の接地導体層とを備え、
前記第２の接地導体層に、該第２の接地導体層の前記開口を取り囲むスリットが形成されていることを特徴とする開口面アンテナ。
前記第２の接地導体層に形成された前記スリットの幅が、前記第２の接地導体層の前記開口から放射される高周波信号の前記スリット内部における実効波長の１／５倍以上であることを特徴とする請求項１記載の開口面アンテナ。