JP2012156871A

JP2012156871A - アンテナ構造体およびアレイアンテナ

Info

Publication number: JP2012156871A
Application number: JP2011015429A
Authority: JP
Inventors: Yoshimasa Sugimoto; 好正杉本
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2012-08-16

Abstract

【課題】アンテナ構造体から放射または受信される電磁波の損失を低減すること。
【解決手段】アンテナ構造体は、誘電体基板１と、表面導体層２と、複数のビア導体３と、給電スロット層４と、給電線路５とを含んでいる。表面導体層２は、電磁波が放射または入射される開口部21を有している。複数のビア導体３は、平面透視において環状に配置されている。給電スロット層４は、表面導体層２との間に複数のビア導体３が介在するように設けられており、平面透視において複数のビア導体によって囲まれた共振領域31に重なるように設けられたスロット41を有している。給電線路５は、共振領域31との間にスロット41が設けられるように誘電体基板１の下面または内部に設けられている。表面導体層２の開口部21の縁21ａは、平面透視において、複数のビア導体３のうち隣り合うビア導体３のそれぞれの中心部を結ぶ線３ａに沿って設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を放射または受信するアンテナ構造体、および複数のアンテナ構造体を有するアレイアンテナに関するものである。

例えば移動体通信または車載レーダ等の分野において、電磁波を放射または受信するアンテナ構造体について開発が進められている。アンテナ構造体は、誘電体基板と、その誘電体基板の表面に形成されており開口部を有している表面導体層と、誘電体基板の内部に設けられており実質的に導体壁となる複数のビア導体とを含んでいる。電磁波は、複数のビア導体に囲まれた共振領域を伝送されて表面導体層の開口部から放射されるか、または、表面導体層の開口部に入射されて共振領域を伝送される。

特開平11−239017号公報

アンテナ構造体における放射特性または受信特性を向上させるためには、表面導体層の開口部から放射される電磁波の損失または開口部に入射される電磁波の損失を低減させる必要がある。

本発明の一つの態様によれば、アンテナ構造体は、誘電体基板と、誘電体基板の上面に設けられた表面導体層と、誘電体基板の内部において上下方向に設けられた複数のビア導体と、誘電体基板の内部に設けられた給電スロット層と、誘電体基板の下面または内部に設けられた給電線路とを含んでいる。表面導体層は、電磁波が放射または入射される開口部を有している。複数のビア導体は、平面透視において環状に配置されており、表面導体層に電気的に接続されている。給電スロット層は、表面導体層との間に複数のビア導体が介在するように誘電体基板の内部に設けられており、複数のビア導体に電気的に接続されている。給電スロット層は、平面透視において複数のビア導体によって囲まれた共振領域に重なるように設けられたスロットを有している。給電線路は、共振領域との間にスロットが設けられるように誘電体基板の下面または内部に設けられており、スロットと電磁気的に結合されている。表面導体層の開口部の縁は、平面透視において、複数のビア導体のうち隣り合うビア導体のそれぞれの中心部を結ぶ線に沿って設けられている。

本発明の他の態様によれば、アレイアンテナは、上記のアンテナ構造体を複数有しており、複数のアンテナ構造体がアレイ状に配置されている。

本発明の一つの態様によるアンテナ構造体において、表面導体層の開口部の縁は、平面透視において、複数のビア導体のうち隣り合うビア導体のそれぞれの中心部を結ぶ線に沿って設けられていることによって、表面導体層の開口部から放射される電磁波の損失または開口部に入射される電磁波の損失を低減させることができる。

本発明の他の態様によるアレイアンテナは、上記のアンテナ構造体を複数有しており、複数のアンテナ構造体がアレイ状に配置されていることによって、複数のアンテナ構造体
における電磁波の損失を低減させることができる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態におけるアンテナ構造体を示す平面透視図であり、（ｂ）は（ａ）に示されたアンテナ構造体のＡ−Ａにおける縦断面図である。（ａ）は本発明の第２の実施形態におけるアンテナ構造体を示す平面透視図であり、（ｂ）は（ａ）に示されたアンテナ構造体のＡ−Ａにおける縦断面図である。本発明の実施例におけるアンテナ構造体を示す平面透視図である。比較例におけるアンテナ構造体を示す平面透視図である。（ａ）は本発明の実施例におけるアンテナ構造体の反射係数および周波数の関係を示しており、（ｂ）は比較例におけるアンテナ構造体の反射係数および周波数の関係を示している。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）および（ｂ）に示されているように、本発明の第１の実施形態におけるアンテナ構造体は、誘電体基板１と、誘電体基板１の上面に設けられた表面導体層２と、誘電体基板１の内部に設けられた複数のビア導体３および給電スロット層４と、誘電体基板１の下面または内部に設けられた給電線路５とを含んでいる。図１（ａ）および（ｂ）に示された構造において、給電線路５は、誘電体基板１の下面に設けられている。図１（ａ）において、表面導体層２および複数のビア導体３が、それぞれドット模様によって示されている。複数のビア導体３のそれぞれにおいて表面導体層２によって隠れている部分が、破線によって示されている。給電スロット層４および給電線路５が、誘電体基板１等を透視した状態で破線によって示されている。

誘電体基板１は、複数の誘電体層から成り、誘電体層を形成する誘電体材料は、例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素またはムライト等を主成分とするセラミック材料である。

表面導体層２は、電磁波が放射または入射される開口部21を有しており、全体的に環状形状を有している。図１（ａ）に示された構造において、表面導体層２は、矩形状の外形を有している。

複数のビア導体３は、誘電体基板１の内部において上下方向に設けられており、平面透視において環状に配置されている。図１（ａ）に示された構造において、複数のビア導体３は、矩形状に配置されている。複数のビア導体３は、表面導体層２に接合されており、表面導体層２に電気的に接続されている。複数のビア導体３は、所定の間隔を空けて設けられている。複数のビア導体３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。

給電スロット層４は、表面導体層２との間に複数のビア導体３が介在するように誘電体基板１の内部に設けられている。給電スロット層４は、複数のビア導体３に接合されており、複数のビア導体３に電気的に接続されている。給電スロット層４は、平面透視において複数のビア導体３によって囲まれた共振領域31に重なるように設けられたスロット41を有している。

給電線路５は、共振領域31との間にスロット41が設けられるように誘電体基板１の下面または内部に設けられており、スロット41と電磁気的に結合されている。図１（ａ）およ
び（ｂ）に示された構造において、給電線路５は、誘電体基板１の下面に設けられている。

再び表面導体層２について説明する。表面導体層２の開口部21の縁21ａは、平面透視において、複数のビア導体３のうち隣り合うビア導体３のそれぞれの中心部を結ぶ線３ａに沿って設けられている。図１（ａ）の部分拡大図において、中心部を結ぶ線３ａが、二点鎖線によって仮想的に示されている。中心部を結ぶ線３ａは直線であり、図１（ａ）に示された構造において、開口部21は矩形状を有しており、開口部21の縁21ａは隣り合うビア導体３の中心部を結ぶ線３ａに重なっている。

アンテナ構造体における電磁波の放射は、例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５を伝搬し、給電スロット層４に設けられたスロット41を介して、高周波信号が電磁波として共振領域31を伝送されて表面導体層２の開口部21から放射されることによって行なわれる。アンテナ構造体における電磁波の受信は、表面導体層２の開口部21に入射された電磁波が共振領域31を伝送されて、給電スロット層４に設けられたスロット41を介して、給電線路５を伝搬することによって行なわれる。

平面透視において複数のビア導体３の中心部を結ぶ線３ａで示される部分が電磁波を閉じ込める実質的な導体壁となるため、複数のビア導体３によって囲まれた共振領域31において、電磁波の伝送特性は、複数のビア導体３の中心部を結ぶ線３ａによって囲まれた領域の形状および大きさと誘電体基板１の誘電率とによって規定される。

本実施形態のアンテナ構造体において、表面導体層２の開口部21の縁21ａが、平面透視において、複数のビア導体３のうち隣り合うビア導体３のそれぞれの中心部を結ぶ線３ａに沿って設けられていることによって、共振領域31の実質的な導体壁と表面導体層２の開口部21の形状とが一致して、共振領域31に伝送された電磁波をスムーズに空間に放射でき、または、空間から表面導体層２の開口部21に入射される電磁波を共振領域31にスムーズに伝送することができる。このように、本実施形態におけるアンテナ構造体は、表面導体層２の開口部21から放射される電磁波の損失または開口部21に入射される電磁波の損失を低減させることができる。

本実施形態におけるアレイアンテナは、上述のアンテナ構造体を複数有しており、これら複数のアンテナ構造体がアレイ状に配置されていることによって、複数のアンテナ構造体における電磁波の損失を低減させることができる。

（第２の実施形態）
図２（ａ）および（ｂ）を参照して本発明の第２の実施形態におけるアンテナ構造体について説明する。第２の実施形態のアンテナ構造体において、第１の実施形態におけるアンテナ構造体と異なる構造は、表面導体層２の開口部21の縁21ｂの形状である。その他の構造は、第１の実施形態におけるアンテナ構造体と同様である。

開口部21の縁21ｂは、第１の実施形態における縁21ａと同様に平面透視において複数のビア導体３のうち隣り合うビア導体３のそれぞれの中心部を結ぶ線３ａに沿って設けられており、さらに、平面透視において部分的に複数のビア導体３の形状に沿った形状を有している。図２（ａ）の部分拡大図に示されているように、開口部21の縁21ｂは、複数のビア導体３に対応する部分21ｃにおいてビア導体３の形状に沿った形状を有している。平面透視において、ビア導体３が円形状を有している場合、縁21ｂはビア導体３の形状に沿って部分的に半円の形状を有している。本実施形態において、縁21ｂが中心部を結ぶ線３ａに沿っている構造とは、隣り合うビア導体３の間においては中心部を結ぶ線３ａに重なっており、複数のビア導体３のそれぞれに対応する部分21ｃにおいてのみビア導体３の上面
の縁に重なっている構造を含むものである。

本実施形態におけるアンテナ構造体は、上述の第１の実施形態におけるアンテナ構造体と同様に、表面導体層２の開口部21の縁21ｂが、平面透視において、複数のビア導体３のうち隣り合うビア導体３のそれぞれの中心部を結ぶ線３ａに沿って設けられていることによって、共振領域31の実質的な導体壁と表面導体層２の開口部21の形状とが一致して、共振領域31に伝送された電磁波を表面導体層２の開口部21から空間へスムーズに放射でき、または、空間から表面導体層２の開口部21に入射される電磁波を共振領域31にスムーズに伝送することができる。このように、本実施形態におけるアンテナ構造体は、表面導体層２の開口部21から放射される電磁波の損失または開口部21に入射される電磁波の損失を低減させることができる。

本実施形態のアンテナ構造体において、開口部21の縁21ｂが、平面透視において、複数のビア導体３に対応する部分21ｃにおいてビア導体３の形状に沿った形状を有していることによって、本実施形態におけるアンテナ構造体は、表面導体層２と複数のビア導体３との接合状態に関して向上されている。

上述の第１および第２の実施形態におけるアンテナ構造体のアンテナ特性を、シミュレーションによって得られた反射係数Ｓ11および周波数の関係を示すグラフ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。第１および第２の実施形態におけるアンテナ構造体は同様のアンテナ特性が得られるため、ここでは、第２の実施形態のアンテナ構造体における実施例のシミュレーション結果について説明する。

本発明の実施例において、誘電体基板１は、材質をアルミナと想定し、比誘電率を約６とした。誘電体基板１の厚みのうち給電スロット層４および給電線路５の間の誘電体層の厚みを約0.1ｍｍとして、表面導体層２および給電スロット層４の間の誘電体層の厚みを
約0.5ｍｍとした。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。図３に示されているように、表面導体層２の外形寸法は、横方向の長さ２_Ｌ１を1.8ｍｍ、縦方向の長さ２_Ｌ２を2.7ｍｍとし、開口部21の開口寸法は、横方向の長さ21_Ｌ１を1.5ｍｍ、縦方向の長さ21_Ｌ２を2.4ｍｍとした。給電スロット層４のスロット41は、横方向の長さ41_Ｌ１を0.2ｍｍ、縦方向の長さ41_Ｌ２を1.7ｍｍとし、貫通導体３の直径は0.1ｍｍとした。給電線路５は、線幅５_Ｗ１を0.13ｍｍとした。表面導体層２
、共振領域31およびスロット４のそれぞれの中心点が一致しており、給電線路５は、スロット４の中心点に重なりかつスロット４に直交するように配置されている。スロット４の中心点から給電線路５の先端までの長さ５_Ｌ１は0.6ｍｍである。伝送される高周波信号
は、周波数が61.5ＧＨｚである。

図４に比較例におけるアンテナ構造体を示している。比較例において、表面導体層２の開口部21の縁は、平面透視において、複数のビア導体３のうち隣り合うビア導体３のそれぞれの中心部を結ぶ線よりも内側に設けられている。比較例において、開口部21の開口寸法は、横方向の長さ21_Ｌ３を1.34ｍｍ、縦方向の長さ21_Ｌ４を2.24ｍｍとした。比較例におけるその他の構成は、本発明における実施例と同様である。

図５は、シミュレーションによって得られた反射係数Ｓ11および周波数の関係を示すグ
ラフである。図５（ａ）は、図３に示された本発明の実施例におけるアンテナ構造体のシミュレーション結果を示しており、図５（ｂ）は、図４に示された比較例におけるアンテナ構造体のシミュレーション結果を示している。図５（ａ）および図５（ｂ）において、縦軸が反射係数Ｓ11［ｄＢ］を示しており、横軸が周波数［ＧＨｚ］を示している。図５（ａ）に示されているように、本発明の実施例において、反射係数Ｓ11が−10ｄＢ以下における帯域幅ＢＷは、21.4ＧＨｚである。これに対して、図５（ｂ）に示されているように、比較例において、反射係数Ｓ11が−10ｄＢ以下における帯域幅ＢＷは、20.7ＧＨｚである。このように、本発明の実施例は、比較例に比べて、反射係数Ｓ11が−10ｄＢ以下における帯域幅ＢＷが広く、放射または受信される電磁波の損失が低減されている。

１誘電体基板
２表面導体層
21 開口部
３ビア導体
31 共振領域
４給電スロット層
41 スロット
５給電線路

Claims

誘電体基板と、
該誘電体基板の上面に設けられており、電磁波が放射または入射される開口部を有している表面導体層と、
前記誘電体基板の内部において上下方向に設けられており、平面透視において環状に配置されており、前記表面導体層に電気的に接続されている複数のビア導体と、
前記表面導体層との間に前記複数のビア導体が介在するように前記誘電体基板の内部に設けられており、前記複数のビア導体に電気的に接続されており、平面透視において前記複数のビア導体によって囲まれた共振領域に重なるように設けられたスロットを有している給電スロット層と、
前記共振領域との間に前記スロットが設けられるように前記誘電体基板の下面または内部に設けられており、前記スロットと電磁気的に結合されている給電線路とを備えており、前記表面導体層の前記開口部の縁が、平面透視において、前記複数のビア導体のうち隣り合うビア導体のそれぞれの中心部を結ぶ線に沿って設けられていることを特徴とするアンテナ構造体。
前記開口部の前記縁が、平面透視において、前記複数のビア導体に対応する部分において前記ビア導体の形状に沿った形状を有していることを特徴とする請求項１記載のアンテナ構造体。
請求項１または請求項２に記載されたアンテナ構造体を複数有しており、前記複数のアンテナ構造体がアレイ状に配置されていることを特徴とするアレイアンテナ。