JP2010021662A - Flat antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、移動体通信、衛星通信、放送、天文、センサ、レーダ、計測などで使用されるアンテナに関する。 The present invention relates to an antenna used in mobile communication, satellite communication, broadcasting, astronomy, sensors, radar, measurement, and the like.
ミリ波・マイクロ波帯において動作可能な進行波型アンテナの代表としてテーパードスロットアンテナ(TSA:Tapered Slot Antenna)がある。TSAは誘電体基板とその基板上の金属膜により構成され、スロット幅が滑らかに広がるテーパ形状を有するスロットラインが金属膜上に形成された平面構造アンテナである。TSAは進行波型アンテナ特有の広帯域に渡る高利得・高指向性を有しているため、地球観測、生体内部観測、コンクリート構造物耐震性検査、および地中探査などのイメージング技術へ適用されている。 A typical example of a traveling wave antenna that can operate in the millimeter wave / microwave band is a tapered slot antenna (TSA). The TSA is a planar antenna having a dielectric substrate and a metal film on the substrate, and a slot line having a tapered shape in which a slot width is smoothly spread on the metal film. Because TSA has high gain and high directivity over a wide band unique to traveling wave antennas, TSA is applied to imaging technologies such as earth observation, in-vivo observation, seismic inspection of concrete structures, and underground exploration. Yes.
特に、物体の内部構造の奥行き方向に関して高い空間分解能で観測するためには、時間的に短いパルス状の電磁波(パルス波)を用いる必要がある。受信パルス波の時間遅れが物体の奥行き方向の情報を持つため、時間的に短いパルス波を用いるほど時間遅れの識別分解能が向上する。短いパルス波を空間に伝搬させるためには、超広帯域なアンテナが必要不可欠となる。また、物体の多くは損失性媒体であり、電磁波の伝搬損失は非常に大きい。物体内部を観測するためには、出力電力を効率的に物体へ照射できる高い放射効率が求められ、局所的に照射できる指向性、かつ高いアンテナ利得を有する広帯域なアンテナが望まれる。 In particular, in order to observe with high spatial resolution in the depth direction of the internal structure of an object, it is necessary to use a pulsed electromagnetic wave (pulse wave) that is short in time. Since the time delay of the received pulse wave has information in the depth direction of the object, the time delay discrimination resolution improves as the pulse wave having a shorter time is used. In order to propagate a short pulse wave to space, an ultra-wideband antenna is indispensable. Many of the objects are lossy media, and the propagation loss of electromagnetic waves is very large. In order to observe the inside of an object, high radiation efficiency that can efficiently irradiate the object with output power is required, and a wideband antenna having directivity that can be irradiated locally and high antenna gain is desired.
TSAの動作周波数帯域、指向性、アンテナ利得やターゲットへの放射効率などのアンテナ特性に影響を与える設計パラメータとしては、アンテナ長、アンテナ開口幅、基板幅、基板厚、金属膜厚やテーパードスロット形状などの構造パラメータと、基板、金属などの電気的な材料特性がある(非特許文献1,2参照)。これらの設計パラメータは相互に影響し合うため、TSA設計の多くは電磁界数値解析もしくは電磁界数値シミュレーションを用いて行われている。 Design parameters that affect antenna characteristics such as TSA operating frequency band, directivity, antenna gain, and radiation efficiency to the target include antenna length, antenna aperture width, substrate width, substrate thickness, metal film thickness, and tapered slot shape. There are structural parameters such as, and electrical material characteristics such as substrates and metals (see Non-Patent Documents 1 and 2). Since these design parameters influence each other, most of the TSA designs are performed using electromagnetic field numerical analysis or electromagnetic field numerical simulation.
一般に、TSAの動作する最低周波数はアンテナ開口幅により決定される。最低周波数以下では指向性およびアンテナ利得が大幅に劣化し、ターゲットへの放射効率が下がるため、実用的な利用ができなくなる。また、TSAは自由空間との整合を取るためにスロット幅が滑らかに広がるテーパースロット形状を有することを特徴としている。例えば、設計周波数を低域側へシフトする場合、アンテナ開口幅は広く設計され、これに伴いスロット形状の滑らかさを維持するために、アンテナ長は長く設計される。
しかしながら、誘電体基板に誘電損失がある場合、誘電損失は材質によってその大きさが異なるが、一般には高い周波数ほどその損失が大きくなり、また、伝搬距離が長いほどその損失は大きくなる。すなわち、アンテナ長が長くなると電磁波の高周波成分は誘電損失により大幅に減衰し、伝搬できなくなり、アンテナの動作周波数帯域が狭くなる。よって、広帯域化を行うために動作周波数を低域側へ拡張した場合、高周波側の電磁波が伝搬できなくなるため、アンテナの動作周波数帯域の広帯域化は困難となる。以上のように、TSAの動作周波数帯はアンテナ構造と基板材料特性により制限され、これまでに考えられてきたアンテナ構造および基板材料を用いた設計では動作周波数の広帯域化が困難であるという問題があった。 However, when the dielectric substrate has a dielectric loss, the magnitude of the dielectric loss varies depending on the material. Generally, the loss increases as the frequency increases, and the loss increases as the propagation distance increases. That is, when the antenna length is increased, the high frequency component of the electromagnetic wave is significantly attenuated by dielectric loss and cannot be propagated, and the operating frequency band of the antenna is narrowed. Therefore, when the operating frequency is extended to the low frequency side in order to widen the band, it is difficult to widen the operating frequency band of the antenna because electromagnetic waves on the high frequency side cannot propagate. As described above, the operating frequency band of the TSA is limited by the antenna structure and substrate material characteristics, and it has been difficult to broaden the operating frequency in the design using the antenna structure and substrate material considered so far. there were.
また、実用的な利用を考えた場合のTSAは小型であることが望ましいことから、一般にはTSA基板幅は有限となる。このため、基板に給電された電磁波はスロット部および基板両端部を伝搬することになる。また、スロット内を伝搬する電磁波のうち、アンテナ開口部から前方へ放射されずに基板両端部へ回り込む電磁波も生じてしまう。この回り込む電磁波は開口部から給電部へ向かって基板両端部を伝搬する。これらの基板両端部を伝搬する電磁波は進行方向とは異なる方向の空間へも伝搬してしまう。これにより、TSAのサイドローブレベルが高くなってしまい指向性が劣化する。さらに、給電された電磁波エネルギーの一部がサイドローブに使用されるため、進行方向へ伝搬するエネルギーが減少し、アンテナ利得が低下してしまい、ターゲットへの放射効率も低くなるという問題があった。 Moreover, since it is desirable that the TSA when considering practical use is small, the width of the TSA substrate is generally limited. For this reason, the electromagnetic wave fed to the substrate propagates through the slot and both ends of the substrate. In addition, among electromagnetic waves propagating in the slot, electromagnetic waves that circulate to both ends of the substrate without being radiated forward from the antenna opening are also generated. The electromagnetic wave that wraps around propagates through both ends of the substrate from the opening toward the feeding portion. The electromagnetic wave propagating through both ends of the substrate propagates to a space in a direction different from the traveling direction. As a result, the side lobe level of the TSA is increased and the directivity is deteriorated. Furthermore, since a part of the supplied electromagnetic wave energy is used for the side lobe, there is a problem that the energy propagating in the traveling direction is reduced, the antenna gain is lowered, and the radiation efficiency to the target is also lowered. .
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、平面アンテナにおいて、指向性、アンテナ利得や放射効率を広域に渡り改善することで広帯域な動作周波数帯域を得ることにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to obtain a wide operating frequency band by improving directivity, antenna gain, and radiation efficiency over a wide area in a planar antenna. is there.
本発明に係る平面アンテナは、誘電体基板上に設けられた金属膜にスロットラインを形成した平面アンテナであって、給電部から開口部にかけてスロット幅が広がるように形成された第1のテーパースロットラインと、第1のテーパースロットラインの両外側それぞれに形成されたスロットラインと、第1のテーパースロットラインの開口部とスロットラインの端部とを給電部に含み、当該給電部から開口部にかけてスロット幅が広がるように形成された第2のテーパースロットラインと、を有することを特徴とする。 The planar antenna according to the present invention is a planar antenna in which a slot line is formed in a metal film provided on a dielectric substrate, and the first tapered slot is formed so that the slot width is widened from the feeding portion to the opening portion. Line, slot lines formed on both outer sides of the first taper slot line, an opening portion of the first taper slot line and an end portion of the slot line are included in the power feeding portion, and from the power feeding portion to the opening portion. And a second tapered slot line formed so that the slot width is widened.
本発明にあっては、第1のテーパースロットラインの両外側にスロットラインを形成し、第1のテーパースロットラインの開口部に第2のスロットラインを形成する。これにより、従来の平面アンテナにおいて端部を伝搬していた電磁波が両外側に形成したスロットライン上に集中して伝搬する。その結果、アンテナ両側端部から空間へ不要に放射されていた電磁波を抑制し、指向性のサイドローブを低減することができる。また、従来の平面アンテナの開口部から回り込んでいた電磁波は、第2のテーパースロットラインを励起し、平面アンテナ前方へと伝搬する。よって、電磁波の回り込みによるサイドローブレベルの劣化を防ぐことができる。第2のテーパースロットラインは第1のテーパースロットラインと比較して開口部が広いため、より低い周波数成分の電磁波を効率的にアンテナ前方へと放射することができる。 In the present invention, the slot line is formed on both outer sides of the first tapered slot line, and the second slot line is formed in the opening of the first tapered slot line. As a result, the electromagnetic waves propagating through the end portions in the conventional planar antenna are concentrated and propagated on the slot lines formed on both outer sides. As a result, it is possible to suppress electromagnetic waves that are unnecessarily radiated from both ends of the antenna to the space, and to reduce directional side lobes. In addition, the electromagnetic wave that has circulated from the opening of the conventional planar antenna excites the second tapered slot line and propagates forward of the planar antenna. Therefore, it is possible to prevent the side lobe level from being deteriorated due to the electromagnetic wave. Since the second tapered slot line has a wider opening compared to the first tapered slot line, it is possible to efficiently radiate electromagnetic waves having a lower frequency component to the front of the antenna.
第1のテーパースロットラインの両外側に形成したスロットラインにより、第1のテーパースロットラインを構成する金属膜と第2のテーパースロットラインを構成する金属膜とは物理的に分離している。これにより、第1のテーパースロットラインが有するアンテナ特性を維持したまま、サイドローブの低減および低域周波数側の指向性、アンテナ利得の改善ならびにターゲットへの放射効率の向上を付加することができる。 The metal film constituting the first taper slot line and the metal film constituting the second taper slot line are physically separated by the slot lines formed on both outer sides of the first taper slot line. Accordingly, it is possible to add a reduction in side lobes, directivity on the low frequency side, improvement in antenna gain, and improvement in radiation efficiency to the target while maintaining the antenna characteristics of the first tapered slot line.
上記平面アンテナにおいて、第2のテーパースロットラインは、スロットラインと滑らかに接続していることを特徴とする。 In the planar antenna, the second tapered slot line is smoothly connected to the slot line.
本発明によれば、平面アンテナにおいて、指向性、アンテナ利得や放射効率を広域に渡り改善することで広帯域な動作周波数帯域を得ることが可能となる。 According to the present invention, in a planar antenna, it is possible to obtain a wide operating frequency band by improving directivity, antenna gain, and radiation efficiency over a wide area.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態における平面アンテナの構成を示す平面図である。同図に示す平面アンテナ10は、誘電体基板11と、誘電体基板11上に設けられた金属膜13,14と、金属膜13間にテーパ状に広がるスロットライン12と、金属膜13,14間のスロットライン15と、金属膜14間にテーパ状に広がるスロットライン16とを備える。スロットライン12は、電磁波給電部12aと、電磁波をスロットラインモードから自由空間モードへと変換するモード変換部12bと、電磁波をその進行方向であるアンテナ前方に放射する開口部12cで構成される。スロットライン16は、スロットライン12の開口部12cとスロットライン15の端部とを含む電磁波給電部16aと、電磁波をアンテナ前方へ放射する開口部16cで構成される。つまり、平面アンテナ10は、金属膜13とスロットライン12で構成された従来の平面アンテナのスロットライン12の両側にスロットライン15を設け、スロットライン12の開口部12cの後段にスロットライン16をつなげたものである。
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a planar antenna in the present embodiment. The
スロットライン12、スロットライン15およびスロットライン16は、エンドミル加工などにより金属膜を切削して形成される。もちろん、エッチングなど他の手段により形成してもよい。
The
図2は、図1に示す平面アンテナ10のA−A部における断面図である。図中の矢印はスロットライン12,15を伝搬する電界を示している。図2で示すA−A部における断面では、金属膜13の両外側にスロットライン15を介して金属膜14が存在するため、金属膜13の両外側端部の電界は金属膜14へと向かう。よって、金属膜13と金属膜14とで挟まれたスロットライン15に電界が集中し、空間へは伝搬しなくなる。その結果、金属膜13の両端からの不要放射を抑圧することができ、放射指向性のサイドローブを低減することができる。
2 is a cross-sectional view taken along the line AA of the
図3は、図1に示す平面アンテナ10のB−B部における断面図である。図中の矢印はスロットライン16を伝搬する電界を示している。スロットライン16における電界は、同図の矢印のようになり、テーパードスロットアンテナとして動作する。スロットライン16の開口部16cは、スロットライン12の開口部12cと比較して広いため、スロットライン12では放射できなかった低い周波数の電磁波をアンテナ前方の空間へと伝搬させることができる。また、開口部12cの前面にスロットライン16があるので、従来ではアンテナ前方へ放射せず基板端部へ回り込み、基板端部を開口部12cから給電部12aに向かって伝搬しながら不要放射していた電磁波をスロットライン16内に閉じ込めることができ、回り込んでいたエネルギーをアンテナ前方の空間へと伝搬させることができる。これにより、サイドローブレベルを低減するとともにターゲットへの放射効率が改善される。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
次に、比較例の平面アンテナを伝搬する電界について説明する。比較例の平面アンテナは、基板幅を平面アンテナ10の金属膜13と一致させた従来の平面アンテナである。図4は、比較例の平面アンテナにおける図2と対応する箇所の断面図である。図中の矢印は電界の様子を示している。図4に示すように、比較例の平面アンテナに給電された電磁波は平面アンテナ中央部のスロットラインおよび平面アンテナの両側の端部を伝搬する。金属で挟まれた形態であるスロットラインは安定して電磁波を伝搬することができる。一方、両端部のように開放された空間に接する金属端部を伝搬する電磁波は安定しないため、両側端部から空間へと電界が広がり、一部の電界が空間へと伝搬する。また、アンテナ開口部から前方へ放射されずに回り込む電磁波もまた、空間に接する金属端部を伝搬しながら伝搬方向以外へと放射する。その結果、指向性のサイドローブレベルが高くなり、それに伴いアンテナ前方へ伝搬するエネルギーが減少し、アンテナ利得およびターゲットへの放射効率が劣化する。
Next, the electric field propagating through the planar antenna of the comparative example will be described. The planar antenna of the comparative example is a conventional planar antenna in which the substrate width is matched with the
次に、本発明の実施例である、図5に示す本発明に係る平面アンテナのアンテナ特性を数値シミュレーションした結果について説明する。比較例として、図6に示す従来の平面アンテナの数値シミュレーション結果も示す。 Next, the result of numerical simulation of the antenna characteristics of the planar antenna according to the present invention shown in FIG. 5, which is an embodiment of the present invention, will be described. As a comparative example, a numerical simulation result of the conventional planar antenna shown in FIG. 6 is also shown.
図7は、図5,6に示した実施例および比較例の平面アンテナのアンテナ特性を数値シミュレーションした結果を示すグラフである。横軸は周波数を、縦軸はアンテナ利得を示す。比較例の平面アンテナに比べて実施例の平面アンテナのアンテナ利得は、広帯域に渡り向上していることがわかる。低域側の利得が大幅に改善され、実施例の平面アンテナは、比較例の平面アンテナよりも広帯域に利用できることがわかる。 FIG. 7 is a graph showing the results of numerical simulation of the antenna characteristics of the planar antennas of the examples and comparative examples shown in FIGS. The horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents antenna gain. It can be seen that the antenna gain of the planar antenna of the example is improved over a wide band compared to the planar antenna of the comparative example. It can be seen that the gain on the low frequency side is greatly improved, and the planar antenna of the example can be used in a wider band than the planar antenna of the comparative example.
図8(a)は、実施例の平面アンテナと比較例の平面アンテナに4GHzの電磁波を伝搬させた場合のE面についての数値計算結果であり、図8(b)は、H面についての数値計算結果である。それぞれのグラフにおいて、横軸は放射角度、縦軸は相対強度を示し、実施例の平面アンテナの指向性を実線で、比較例の平面アンテナの指向性を点線で示した。図8(a),(b)のグラフを参照すると、実施例の平面アンテナは、E面、H面ともに、比較例の平面アンテナと比べて、サイドローブレベルが低減され、さらにビーム幅が狭くなっており、指向性が改善されていることがわかる。 FIG. 8A is a numerical calculation result for the E plane when a 4 GHz electromagnetic wave is propagated to the planar antenna of the example and the planar antenna of the comparative example, and FIG. 8B is a numerical value for the H plane. It is a calculation result. In each graph, the horizontal axis indicates the radiation angle, the vertical axis indicates the relative intensity, the directivity of the planar antenna of the example is indicated by a solid line, and the directivity of the planar antenna of the comparative example is indicated by a dotted line. Referring to the graphs of FIGS. 8A and 8B, the planar antenna of the example has a reduced sidelobe level and a narrower beam width on both the E and H planes than the planar antenna of the comparative example. It can be seen that the directivity is improved.
したがって、本実施の形態によれば、スロットライン12の外側にスロットライン15を形成し、さらに、スロットライン12,15につながり、テーパ状に広がるスロットライン16を備えることにより、誘電体基板11上を伝搬する電磁波を基板内に閉じ込めながら進行方向に導波させることができるので、サイドローブが低減し、アンテナ利得およびターゲットへの放射効率が向上する。特に、高域側のアンテナ特性を劣化させることなく、低域側のアンテナ特性を大幅に改善することができるため、アンテナ動作周波数の広帯域化を実現することができる。
Therefore, according to the present embodiment, the
図9(a)〜(h)に、本発明を適用した様々な平面アンテナを示す。金属膜14はテーパ状に広がる形状であればよいので、図9(a)〜(e)に示すように、直線、曲線、または直線と曲線の組み合わせで構成されるテーパ形状であってもよい。また、図9(f)に示すように、金属膜14の外側端部は直線以外の形状であってもよい。さらに、図9(g)に示すように、金属膜14の内側輪端部は曲線で構成されてもよく、金属膜13の端部と平行でなくてもよい。さらに、図9(h)に示すように、金属膜13の端部が電磁波の進行方向に対して傾きを持ってもよく、直線でなく曲線で構成されてもよい。
9A to 9H show various planar antennas to which the present invention is applied. Since the
図9(b),(c)のように滑らかな曲線でスロットライン16を構成することにより、広帯域に渡る改善効果が得られる。図9(d)のように直線と曲線を複合させたり、図9(e)のように先端部を円弧状にして先端部のエッジを取り除くことにより、先端部での散乱を防ぎ、その結果、広帯域性が得られる。図9(f)のようにスロットライン15の外側を円弧状に取り除くことにより、スロットライン15を回り込む電磁界を制御し、スロットライン15からのサイド方向への放射を低減することができる。図9(g)のようにスロットライン15の幅を徐々に広げることにより、図(b),(c)と同様に広帯域性が得られる。本発明は、図9(h)のように金属膜13の形状が異なる場合でも適用可能である。
By forming the
10…平面アンテナ
11…誘電体基板
12,15,16…スロットライン
12a…給電部
12b…モード変換部
12c…開口部
13,14…金属膜
16a…給電部
16c…開口部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
給電部から開口部にかけてスロット幅が広がるように形成された第1のテーパースロットラインと、
前記第1のテーパースロットラインの両外側それぞれに形成されたスロットラインと、
前記第1のテーパースロットラインの開口部と前記スロットラインの端部とを給電部に含み、当該給電部から開口部にかけてスロット幅が広がるように形成された第2のテーパースロットラインと、
を有することを特徴とする平面アンテナ。 A planar antenna having slot lines formed in a metal film provided on a dielectric substrate,
A first tapered slot line formed so that the slot width is widened from the power feeding portion to the opening;
Slot lines formed on both outer sides of the first tapered slot line;
A second tapered slot line that includes an opening portion of the first tapered slot line and an end portion of the slot line in a power feeding portion, and is formed so that a slot width increases from the power feeding portion to the opening portion;
A planar antenna comprising:
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