JP2012044484A

JP2012044484A - アンテナ構造体およびアレイアンテナ

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Publication number: JP2012044484A
Application number: JP2010184438A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Sugimoto; 好正杉本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: JP5557652B2

Abstract

【課題】比較的周波数が高い高周波信号を用いる場合にアンテナ特性を向上させることが可能なアンテナ構造体およびアレイアンテナを提供する。
【解決手段】アンテナ構造体１は、誘電体基板２、表面導体層３、貫通導体４、内部導体層５、給電スロット層６および給電線路７を備える。表面導体層３は、一対の帯状導体３ａと帯状導体３ａの両端部同士を接続する一対の接続導体３ｂとからなり、帯状導体３ａと接続導体３ｂとによって矩形状の開口３ｃが規定される。帯状導体３ａは、送受信する高周波信号の磁界（Ｈ）方向に平行に延び、電界（Ｅ）方向の長さ、すなわち幅寸法Ｗａが、送受信する高周波信号の自由空間波長の１／２未満である。幅寸法Ｗａを送受信する高周波信号の自由空間波長の１／２未満とすることで、送受信する高周波信号の進行方向の利得（ゲイン）の低下を抑えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波を用いた通信システムおよびレーダーシステムに用いられるアンテナ構造体およびアレイアンテナに関するものである。

近年、高度情報化時代を迎え、情報伝達に用いられる電波の周波数は、１ＧＨｚ〜３０ＧＨｚのマイクロ波領域から、さらに３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのミリ波領域まで活用することが検討されており、たとえば、周波数が６０ＧＨｚの電波を用いた家庭内高速無線伝送システム（無線ＰＡＮ：Personal Area Network）のような応用システムも提案されるようになっている。

このような応用システムにおいて、特に周波数が６０ＧＨｚなどと高くなると、電波の減衰が大きくなり、また指向性も生じてくる。そのため、無線通信システムにおいて、電波を放射するアンテナ素子の特性改善が必要となる。たとえば、アンテナ素子を平面方向に多数配列したアレイ状にすることで、アンテナの利得を稼いでより遠方に電波が伝播するようにしたアレイアンテナや、さらにアレイ状にしたアンテナに入力する信号の位相を変化させることで、機械的な機構を用いずに走査することが可能で、放射パターンに指向性がある場合でも、広い領域で伝搬が可能であるフェーズドアレーアンテナが実用化されている。

また、周波数が６０ＧＨｚの電波を用いた無線ＰＡＮにおいては、ハイビジョン動画といった大容量のデータを伝送するために、広い周波数帯域を用いた通信が検討されており、その実現のために、アンテナにおいても広帯域特性が要求されている。

広帯域特性を有するアンテナとして、特許文献１のような誘電体共振器アンテナが検討されている。

特許文献１記載の誘電体共振器アンテナにおいては、送信の際、高周波回路２１からの高周波信号がスロット９を介して空間（誘電体）共振器部８に入力され、開口部４から電波が放射される。誘電体共振器８が、高周波回路２１およびスロット９と、開口部４の上の空間との（インピーダンス）整合器として働き、高周波信号の空間への放射が良好となり、周波数特性が広帯域となる。

特開平１１−２３９０１７号公報

しかしながら、放射する高周波信号の周波数が６０ＧＨｚなど高くなると、特許文献１記載の開口面アンテナでは、上部主導体層３の影響により、アンテナから放射される高周波信号の利得が低下するなどアンテナ特性が劣化してしまう。

本発明の目的は、比較的周波数が高い高周波信号を用いる場合にアンテナ特性を向上させることが可能なアンテナ構造体およびアレイアンテナを提供することである。

本発明は、複数の誘電体層からなる誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方主面に設けられる、高周波信号を送受信するための矩形状の開口が形成された表面導体層であって、送受信する前記高周波信号の磁界方向に平行に延び、電界方向長さである幅寸法が、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の１／２未満である一対の帯状導体と、前記一対の帯状導体の近接する端部同士を接続する一対の接続導体とによって前記開口が規定される表面導体層と、
前記誘電体層を厚み方向に貫通する複数の貫通導体であって、前記表面導体層と電気的に接続し、前記開口に沿って周状に所定の間隔を空けて設けられる貫通導体と、
前記貫通導体によって囲まれる領域であって、前記高周波信号が共振するように形成される共振領域に臨むスロットが形成され、前記表面導体層とは反対側で前記貫通導体と電気的に接続する給電スロット層と、
前記スロットと電磁気的に結合し、前記共振領域に給電するための高周波信号を伝送する給電線路と、を備えることを特徴とするアンテナ構造体である。

また本発明は、前記帯状導体の幅寸法が、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の１／４以下であることを特徴とする。

また本発明は、前記貫通導体は、複数の誘電体層に設けられており、
異なる誘電体層に設けられた貫通導体を厚み方向に接続するとともに、同じ誘電体層に設けられた貫通導体を面方向に接続する内部導体層であって、前記表面導体層に形成された前記開口と同様の開口が形成される内部導体層をさらに備えることを特徴とする。

また本発明は、上記のアンテナ構造体を複数有し、
前記アンテナ構造体をアレイ状に配置したことを特徴とするアレイアンテナである。

本発明によれば、表面導体層が、誘電体基板の一方主面に設けられており、この表面導体層には、外部空間に高周波信号を送信するとともに外部空間から高周波信号を受信するための矩形状の開口が形成される。また、開口は、一対の帯状導体と、帯状導体の端部を接続する接続導体とによって規定される。

一対の帯状導体は、前記開口で送受信する高周波信号の磁界方向に平行に延び、電界方向長さである幅寸法が、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の１／２未満である。

これにより、比較的周波数が高い高周波信号を用いる場合に、送受信する高周波信号の進行方向における利得の低下を抑制し、アンテナ特性を向上させることができる。

また本発明によれば、前記帯状導体の幅寸法を、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の１／４以下とすることで、サイドローブの発生を抑えることができる。特にアンテナ構造体を複数備えるアレイアンテナにおいては、サイドローブが隣接するアンテナ構造体のアンテナ特性に影響を与えるので、サイドローブの発生を抑えることで、アンテナ構造体同士の距離を短くすることができ、アレイアンテナを小型化できる。

また本発明によれば、前記貫通導体は、複数の誘電体層に設けられており、異なる誘電体層に設けられた貫通導体を厚み方向に接続するとともに、同じ誘電体層に設けられた貫通導体を面方向に接続する内部導体層を備える。この内部導体層には、前記表面導体層に形成された前記開口と同様の開口が形成される。

これにより、貫通導体同士を確実に接続し、共振領域で共振する高周波信号の漏れを抑制することができる。

また本発明によれば、上記のアンテナ構造体を複数有し、前記アンテナ構造体がアレイ状に配置されたアレイアンテナである。これにより、利得の低下が抑えられたアンテナ特性に優れたアレイアンテナを提供することができる。特に前記帯状導体の幅寸法を、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の１／４以下とした場合、サイドローブの発生が抑えられるので、より小型化が可能となる。

本発明の実施形態であるアンテナ構造体１の構成を示す断面図である。アンテナ構造体１の平面図である。アレイアンテナ１０の平面図である。シミュレーションによって得られた放射パターンの一例を示す図である。Ｗａを変化させたときの放射方向の利得とサイドローブに与える影響を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態であるアンテナ構造体１の構成を示す断面図である。図２は、アンテナ構造体１の平面図である。

アンテナ構造体１は、誘電体基板２、表面導体層３、貫通導体４、内部導体層５、給電スロット層６および給電線路７を備える。

アンテナ構造体１が電波を送信する場合は、たとえば高周波用半導体素子から出力された高周波信号が、給電線路７を伝搬し、給電スロット層６に設けられたスロットを介して、表面導体層３、貫通導体４、内部導体層５、給電スロット層６で囲まれた共振領域を伝送して表面導体層３に形成された開口から放射される。なお、電波を受信する場合は、表面導体層３に形成された開口で電波を受信し、送信の場合とは逆の流れで高周波信号が給電線路７に到達する。

誘電体基板２は、複数の誘電体層２ａからなり、一方の主面上に表面導体層３が形成され、他方の主面上に給電線路７が形成され、複数の誘電体層２ａ間に内部導体層５、給電スロット層６が形成され、誘電体層２ａを貫通するように貫通導体４が形成される。

表面導体層３は、矩形状の導体パターンの中央に矩形状の開口が形成され、所定の幅を有する一対の帯状導体３ａと帯状導体３ａの両端部同士を接続する一対の接続導体３ｂとからなる。表面導体層３について、詳細は後述するが、本実施形態のアンテナ構造体１において、帯状導体３ａの幅寸法Ｗａを規定することが重要である。

また、表面導体層３に形成された開口は、本実施形態のアンテナ構造体１における放射部となり、たとえば縦寸法がａで横寸法がｂの開口である。この開口寸法は、送受信しようとする高周波信号の周波数に応じて決定される。

貫通導体４は、表面導体層３と接続され、複数の誘電体層２ａを貫通し、給電スロット層６と接続される。貫通導体４は、開口に沿って周状に所定の間隔を空けて設けられる。貫通導体４の間隔は、共振する高周波信号が漏れないように、共振する高周波信号の実効波長の１／２未満とし、好ましくは実効波長の１／４以下とする。

内部導体層５は、誘電体層２ａ間に設けられ、異なる誘電体層２ａに設けられた貫通導体４を厚み方向に接続するとともに、同じ誘電体層２ａに設けられた貫通導体４を面方向に接続する。内部導体層５には、表面導体層３に形成された開口と同じ寸法（ａ×ｂ）の開口が形成され、誘電体層２ａの各層間に設けられる。したがって、表面導体層３から給電スロット層６までの距離、すなわち表面導体層３と給電スロット層６との間の誘電体層２ａの厚みをｃとすると、ａ×ｂ×ｃの共振領域Ａが形成される。

ここで、厚みｃは、共振領域Ａを伝送する高周波信号の実効波長の１／４となるように設定すればよい。開口３ｃの縦寸法ａについては、伝送する高周波信号の自由空間における波長の１／４〜３／４とすることが好ましい。

給電スロット層６は、共振空間に臨むスロット６ａが形成された導体層であり、このスロット６ａが誘電体層２ａを挟んで給電線路７の端部と電磁気的に結合する。給電線路７を伝送した高周波信号は、電磁気的に結合したスロット６ａを介して共振領域Ａに給電され、この共振領域Ａで共振し表面導体層３の開口から外部空間へと放射される。

給電スロット層６に形成されたスロット６ａは、給電線路７および共振領域Ａと電磁気的に結合するように設ければよく、たとえば、スロット６ａの形状は、長手方向が給電線路７および共振領域Ａを伝送する高周波信号の磁界方向に平行となる矩形状であり、上面透視した際に、スロット６ａが開口３ｃの内側に位置するように設けられる。スロット６ａの長手方向寸法は、伝送する高周波信号の誘電体層２ａにおける実効波長の１／２以上、伝送する高周波信号の自由空間における波長の１／２以下とすることが好ましい。

給電線路７は、共振領域Ａに給電するための高周波信号を伝送する伝送線路であり、ストリップ線路、マイクロストリップ線路、中空導波管および誘電体積層導波管などの各種伝送線路を用いることができる。本実施形態では、給電スロット層６の一部を接地導体とし、裏面側の表面に設けた信号線路を伝送するマイクロストリップ線路を構成している。

表面導体層３について以下に詳細に説明する。上記のように、表面導体層３は、一対の帯状導体３ａと帯状導体３ａの両端部同士を接続する一対の接続導体３ｂとからなり、帯状導体３ａと接続導体３ｂとによって矩形状の開口３ｃが規定される。

帯状導体３ａは、送受信する高周波信号の磁界（Ｈ）方向に平行に延び、電界（Ｅ）方向の長さ、すなわち幅寸法Ｗａが、送受信する高周波信号の自由空間波長の１／２未満である。幅寸法Ｗａを送受信する高周波信号の自由空間波長の１／２未満とすることで、送受信する高周波信号の進行方向の利得（ゲイン）の低下を抑えることができる。

特許文献１記載のアンテナなど従来の誘電体共振器を利用したアンテナ構造体では、特に周波数が６０ＧＨｚを超えるような比較的高い周波数の場合、ゲインが低下するという問題があった。本願発明者らは、このゲインの低下が表面導体層によるものであることを突き止め、上記のように帯状導体３ａの幅寸法Ｗａを規定することでゲインの低下を抑制できることを見出した。

またさらに、幅寸法Ｗａを送受信する高周波信号の自由空間波長の１／４以下とすることが好ましく、これにより、サイドローブの発生を抑えることができる。サイドローブの発生は、放射エネルギの損失となるだけでなく、アレイアンテナにおいては、隣接するアンテナに影響を与え、アンテナ特性を劣化させる原因となる。したがって、サイドローブが発生する場合は、隣接するアンテナ間の距離を、サイドローブの影響が小さくなるような距離まで離す必要がある。

本実施形態のアンテナ構造体１を複数並べてアレイアンテナを構成する場合、サイドローブの発生が抑えられているので、隣接するアンテナ間の距離を短くすることができ、アレイアンテナを小型化することができる。

図３は、アレイアンテナ１０の平面図である。アレイアンテナ１０は、アンテナ構造体１を平面方向に規則的に複数並べて配置した構成であり、たとえば、図３に示すようにアンテナ構造体１を格子状に配置する。アンテナ構造体１において、帯状導体３ａの幅寸法Ｗａを、送受信する高周波信号の自由空間波長の１／４以下とすることで、隣接するアンテナ構造体１間の距離が短くなり、より小型化したアレイアンテナ１０を実現できる。

また、帯状導体３ａの幅寸法Ｗａは、たとえば、貫通導体４の直径よりも大きくすることが好ましい。貫通導体４と帯状導体３ａとは電気的に接続する必要があるので、幅寸法Ｗａを貫通導体４の直径以下とすると、接続が不十分となるなど製造上の問題が生じ、アンテナ特性に影響を与えることになるので、幅寸法Ｗａを貫通導体４の直径よりも大きくすることで、アンテナ特性の劣化を抑えることができる。

接続導体３ｂは、帯状導体３ａに直交して延び、一対の帯状導体３ａの近接する端部同士を接続する。送受信する高周波信号の磁界（Ｈ）方向の長さである幅寸法Ｗｂは、アンテナ構造体１のアンテナ特性に影響を与えないことが確認されており、特に規定する必要はないが、アレイアンテナを構成した場合の小型化を考慮すると、Ｗｂはなるべく小さい方が好ましい。貫通導体４との接続も考慮し、接続導体３ｂの幅寸法Ｗｂは、たとえば、貫通導体４の直径以上、帯状導体３ａの幅寸法Ｗａ以下とする。

本実施形態のアンテナ構造体１において、誘電体層２ａの材質としては、有機樹脂材料、セラミックス材料、樹脂とセラミックスとの混合材料などを用いることができる。有機樹脂材料としては、たとえば、エポキシ樹脂およびポリイミド樹脂などを用いることができる。セラミックス材料としては、アルミナなどの金属酸化物、窒化ケイ素などの窒化物、炭化ケイ素などの炭化物、およびガラス材料などを用いることができる。

表面導体層３、貫通導体４などの各導体材料は、用いる誘電体層２ａの材料に応じて適宜選択すればよく、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗなどの金属材料を用いることができる。

本実施形態のアンテナ構造体１は、たとえば次のようにして作製することができる。まず、セラミック原料粉末に適当な有機溶剤などを添加し、これらを混合して泥漿を作製するとともに、ドクターブレード法によって所定厚みのセラミックグリーンシートを形成する。

次に、得られたセラミックグリーンシートにパンチングマシーンなどを用いて貫通導体を形成するための貫通孔を形成し、Ｃｕ、Ｗなどの導電材料を含む導体ペーストを充填する。また、セラミックグリーンシートの表面には、印刷法を用いて前述したのと同様の導体ペーストを塗布して導体ペースト付きセラミックグリーンシートを作製する。次に、これらの導体ペースト付きセラミックグリーンシートを所定の順序で積層し、ホットプレス装置を用いて圧着し、誘電体層２ａの材料に応じて８００℃〜１６００℃程度のピーク温度で焼成することにより作製される。

本実施形態のアンテナ構造体１のアンテナ特性については、シミュレーションにより得られた放射パターンに基づいて評価した。シミュレーションに用いたアンテナ構造体のモデルは、以下の通りである。

誘電体基板２は、誘電体層２ａの材質をアルミナと想定し、比誘電率を約９とした。誘電体層２ａの厚みは、０．１ｍｍとし、誘電体層２ａを５層積層した。

各導体材料は、材質をタングステン合金と想定し、導電率を約１０×１０^６[Ｓ／ｍ]とした。

表面導体層３は、帯状導体３ａの幅寸法Ｗａを０．１５ｍｍ〜３ｍｍに変化させ、接続導体３ｂの幅寸法Ｗｂを０．１５ｍｍとした。表面導体層３の外形寸法は、帯状導体３ａの幅寸法Ｗａが０．１５ｍｍのとき、縦３．３ｍｍ、横１．８ｍｍであり、開口３ｃの開口寸法は、縦３ｍｍ、横１．５ｍｍとした。

給電スロット層６のスロット６ａは、縦１．３ｍｍ、横０．２ｍｍとし、貫通導体４の直径は０．１ｍｍとした。

給電線路７は、線幅を０．１ｍｍとし、伝送する高周波信号は、周波数が６１．５ＧＨｚであり、線路導体７および給電スロット層６がそれぞれ両面に設けられた誘電体層２ａの厚みを０．１ｍｍとした。

図４は、シミュレーションによって得られた放射パターンの一例を示す図である。図４（ａ）は、Ｗａを１．０ｍｍとしたときの放射パターンを示し、図４（ｂ）は、Ｗａを１．５ｍｍとしたときの放射パターンを示す。周波数６１．５ＧＨｚの高周波信号の自由空間での波長は、約４．８８ｍｍであるので、Ｗａが１．０ｍｍの場合は、Ｗａが自由空間波長の１／４以下であり、Ｗａが１．５ｍｍの場合は、Ｗａが自由空間波長の１／４を超え、１／２未満である。半径方向は、放射エネルギ強度を示し、円周方向は角度（０°が電波の放射方向）を示す。したがって、０°での値が放射方向での利得を示し、±９０°付近での値がサイドローブを示す。

放射方向の利得については、Ｗａの変化による影響は見られないが、サイドローブについては、Ｗａを１．５ｍｍから１．０ｍｍにすることで明らかに小さくなっている。

図５は、Ｗａを変化させたときの放射方向の利得とサイドローブに与える影響を示すグラフである。図５（ａ）は、横軸がＷａ［ｍｍ］を示し、縦軸が放射方向の利得［ｄＢ］を示し、図５（ｂ）は、横軸がＷａ［ｍｍ］を示し、縦軸がサイドローブ量［ｄＢ］を示す。サイドローブ量は、放射方向の利得からサイドローブの利得を差し引いた値である。放射方向の利得は、値が大きいほどアンテナ特性が良好であり、サイドローブ量は、値が小さいほどアンテナ特性が良好である。

図５（ａ）のグラフからわかるように、Ｗａが２ｍｍの場合に比べて２．４４ｍｍの場合に利得が大きく低下している。すなわち、Ｗａが自由空間波長の２／５では利得が低下せず、Ｗａが自由空間波長の１／２では利得が低下した。このことから、帯状導体３ａの幅寸法Ｗａは、自由空間波長の１／２未満とすることが好ましい。また、Ｗａが２ｍｍ以下では、利得はほぼ一定の値であった。

図５（ｂ）のグラフからわかるように、Ｗａが高周波信号の自由空間波長の１／４である１．２２ｍｍを超えると、Ｗａが大きくなるにつれてサイドローブ量が大きくなり、Ｗａが高周波信号の自由空間波長の１／４以下では、サイドローブ量がほぼ一定で小さく抑えられる。

１アンテナ構造体
２誘電体基板
２ａ誘電体層
３表面導体層
３ａ帯状導体
３ｂ接続導体
３ｃ開口
４貫通導体
５内部導体層
６給電スロット層
６ａスロット
７給電線路
１０アレイアンテナ

Claims

複数の誘電体層からなる誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方主面に設けられる、高周波信号を送受信するための矩形状の開口が形成された表面導体層であって、送受信する前記高周波信号の磁界方向に平行に延び、電界方向長さである幅寸法が、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の１／２未満である一対の帯状導体と、前記一対の帯状導体の近接する端部同士を接続する一対の接続導体とによって前記開口が規定される表面導体層と、
前記誘電体層を厚み方向に貫通する複数の貫通導体であって、前記表面導体層と電気的に接続し、前記開口に沿って周状に所定の間隔を空けて設けられる貫通導体と、
前記貫通導体によって囲まれる領域であって、前記高周波信号が共振するように形成される共振領域に臨むスロットが形成され、前記表面導体層とは反対側で前記貫通導体と電気的に接続する給電スロット層と、
前記スロットと電磁気的に結合し、前記共振領域に給電するための高周波信号を伝送する給電線路と、を備えることを特徴とするアンテナ構造体。
前記帯状導体の幅寸法が、送受信する前記高周波信号の自由空間波長の１／４以下であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ構造体。
前記貫通導体は、複数の誘電体層に設けられており、
異なる誘電体層に設けられた貫通導体を厚み方向に接続するとともに、同じ誘電体層に設けられた貫通導体を面方向に接続する内部導体層であって、前記表面導体層に形成された前記開口と同様の開口が形成される内部導体層をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載のアンテナ構造体。
請求項１〜３のいずれか１つに記載のアンテナ構造体を複数有し、
前記アンテナ構造体をアレイ状に配置したことを特徴とするアレイアンテナ。