JP2015041807A

JP2015041807A - アンテナ

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Publication number: JP2015041807A
Application number: JP2013170662A
Authority: JP
Inventors: 亮平細野; Ryohei Hosono; 官　寧; Yasushi Kan; 寧官; 昌浩岩村; Masahiro Iwamura; 祐介中谷; Yusuke Nakatani
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-08-20
Filing date: 2013-08-20
Publication date: 2015-03-02
Anticipated expiration: 2033-08-20
Also published as: WO2015025566A1; US20160190703A1; JP5586755B1; US9509057B2

Abstract

【課題】優れた反射特性及び放射特性を有するアンテナを実現する。
【解決手段】誘電体基板１１、アンテナ導体１２、グランド導体１３、導波管１４、遮蔽体１５、及び短絡部１６を備えたアンテナ１において、遮蔽体１５に、奥に入るほど幅が広くなる逆テーパー形の切り込み１５ａを形成すると共に、切り込み１５ａを除く遮蔽体１５の外周全体に短絡部１６を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、コムライン型のマイクロストリップアンテナに導波管を付加したアンテナに関する。

無線通信の高速化及び大容量化、並びに、無線機器の小型化の進展に伴い、ミリ波帯（３０ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下）で動作するアンテナに対する需要が高まっている。周波数が高くなるほど導体損及び誘電体損が大きくなるので、ミリ波帯で動作するアンテナにおいては、導体損及び誘電体損を抑える設計が重要になる。

ミリ波帯の電磁波を伝送する伝送路としては、導波管が好適である。また、ミリ波帯の電磁波を放射するアンテナとしては、コムライン型のマイクロストリップアンテナが好適である。

特許文献１には、コムライン型のマイクロストリップアンテアが開示されている。また、特許文献２には、コムライン型のマイクロストリップアンテナに導波管を付加したアンテナが開示されている。

特開２００９−１８８６８３号（公開日：２００９年８月２０日）特開２０１１−２２３０５０号（公開日：２０１１年１１月４日）

アンテナにおいては、一般に、優れた反射特性及び放射特性が求められる。反射特性に関しては、例えば、動作帯域における反射係数が−１０ｄＢ以下であることが求められる。また、放射特性に関しては、例えば、最大利得が１０ｄＢｉ以上であること、及び、サイドローブレベルが１０ｄＢ以上であることが求められる。

特許文献１〜２に記載のアンテナには、優れた反射特性及び放射特性を得るうえでその構造を改善する余地が残されていた。

本発明の目的は、コムライン型のマイクロストリップアンテナに導波管を付加したアンテナにおいて、従来よりも優れた反射特性及び放射特性が得られるアンテナを実現することにある。

本発明に係るアンテナは、誘電体基板と、上記誘電体基板の表面に形成されたアンテナ導体であって、給電線路とスタブとを有するコムライン型のアンテナ導体と、上記誘電体基板の裏面に形成されたグランド導体であって、上記給電線路の入力端と対向する領域に開口が形成されたグランド導体と、上記誘電体基板の裏面に接合された導波管であって、管軸が上記誘電体基板の裏面に直交し、管壁の端面が上記開口を取り囲む導波管と、上記誘電体基板の表面に形成された遮蔽体であって、上記給電線路の入力端が挿入される切り込みが形成された遮蔽体と、上記グランド導体と上記遮蔽体とを短絡する短絡部であって、上記誘電体基板を貫通する短絡部とを備えており、上記短絡部は、上記切り込みを除く上記遮蔽体の外周全体に沿って形成されており、上記切り込みは、奥に入るほど幅が広くなる逆テーパー形である、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、従来よりも優れた反射特性及び放射特性を有するアンテナを実現することができる。

本発明に係るアンテナにおいて、上記遮蔽体に形成された上記切り込みの入口部及び最奥部における幅をｘ０及びｘ１として、比ｘ１／ｘ０は、２．５以下である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記誘電体基板、上記アンテナ導体、及び上記グランド導体により構成されるマイクロストリップアンテナの共振周波数において、最大利得を概ね１０ｄＢｉ以上にすることができる。

本発明に係るアンテナにおいて、上記比ｘ１／ｘ０は、１．０以上２．０以下である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記マイクロストリップアンテナの共振周波数において、最大利得を概ね１０ｄＢｉ以上、反射係数を概ね−１０ｄＢ以下にすることができる。

本発明に係るアンテナにおいて、上記比ｘ１／ｘ０は、１．０以上１．５以下である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記マイクロストリップアンテナの共振周波数において、最大利得を概ね１０ｄＢｉ以上、反射係数を概ね−１０ｄＢ以下、サイドローブレベルを概ね１０ｄＢ以上にすることができる。

本発明に係るアンテナにおいて、上記比ｘ１／ｘ０は、１．３５以上１．４５以下である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記マイクロストリップアンテナの共振周波数において、最大利得を概ね１０ｄＢｉ以上、反射係数を−１５ｄＢ以下、サイドローブレベルを概ね１０ｄＢ以上にすることができる。

本発明に係るアンテナにおいて、上記切り込みの入口部から上記給電線路の先端までの長さをＬｙ、上記誘電体基板、上記アンテナ導体、及び上記グランド導体により構成されるマイクロストリップアンテナの共振波長をλとして、Ｌｙ／λは、０．２８以上０．３１以下である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記マイクロストリップアンテナの共振周波数において、反射係数を−１０ｄＢ以下に抑えることができる。

本発明に係るアンテナにおいて、上記スタブは、上記給電線路と直交する方向に伸び、上記スタブの根元には、上記給電線路の出力端側から上記給電線路の入力端側に向かう切り込みが形成されている、ことが好ましい。

本発明に係るアンテナにおいて、上記スタブの幅をＷｍｓｌ、上記スタブの根元に形成された上記切り込みの幅及び深さをＷｓｔ及びＬｓｔとして、Ｗｓｔ／Ｗｍｓｌ及びＬｓｔ／Ｗｍｓｌは、それぞれ０．２３以上０．４５以下である、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記マイクロストリップアンテナの共振周波数において、反射係数｜Ｓ１１｜を−１０ｄＢ以下、最大利得を１０ｄＢｉ以上、サイドローブレベルを１０ｄＢ以上とすることができる。

本発明によれば、従来よりも優れた反射特性及び放射特性を有するアンテナを実現することができる。

（ａ）は、実施形態に係るアンテナの平面図であり、（ｂ）は、同アンテナの側面図であり、（ｃ）は、同アンテナの底面図であり、（ｄ）は、同アンテナの正面図である。実施形態に係るアンテナのＡＡ’線断面図である。実施例に係るアンテナの各部の寸法を示す平面図である。実施例に係るアンテナの各部の寸法を示す底面図である。実施例に係るアンテナの反射特性を示すグラフである。実施例に係るアンテナの放射特性を示すグラフである。（ａ）〜（ｅ）は、比較例に係るアンテナの平面図であり、（ｆ）は、実施例に係るアンテナの平面図である。各比較例に係るアンテナは、実施例に係るアンテナにおいて、遮蔽体の切り込み部を変形することによって、あるいは、短絡部を省略することによって得られたものである。図７の（ａ）〜（ｆ）に示すアンテナの反射特性を示すグラフである。（ａ）は、図７の（ａ）及び（ｂ）に示すアンテナの反射特性を示すグラフであり、（ｂ）は、図７の（ｃ）及び（ｄ）に示すアンテナの反射特性を示すグラフであり、（ｃ）は、図７の（ｅ）及び（ｆ）に示すアンテナの反射特性を示すグラフである。（ａ）は、図７の（ｂ）に示すアンテナにおいて遮蔽体に形成される電流分布を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、図７の（ｄ）に示すアンテナにおいて遮蔽体に形成される電流分布を模式的に示す平面図であり、（ｃ）は、図７の（ｆ）に示すアンテナにおいて遮蔽体に形成される電流分布を模式的に示す図である。（ａ）は、図７の（ａ）〜（ｆ）に示すアンテナの放射特性（ｚｘ平面）を示すグラフであり、（ｂ）は、その拡大図であり、（ｃ）は、図７の（ａ）〜（ｆ）に示すアンテナの放射特性（ｙｚ平面）を示すグラフであり、（ｄ）は、その拡大図である。実施例に係るアンテナの平面図であり、入口部における切り込みの幅ｘ０、及び、最奥部における切り込みの幅ｘ１の定義を示す。比ｘ１／ｘ０を１．０７，１．３１，１．５５，１．７９，２．０２，２．２６としたときに得られる、実施例に係るアンテナの反射特性を示すグラフである。（ａ）は、実施例に係るアンテナの６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜が比ｘ１／ｘ０にどのように依存するかを示すグラフであり、（ｂ）及び（ｃ）は、その拡大図である。比ｘ１／ｘ０を１．０５，１．１８，１．３３，１．５４，１．８２としたときに得られる、実施例に係るアンテナの放射特性（ｙｚ平面）を示すグラフである。実施例に係るアンテナの最大利得及びサイドローブレベルが比ｘ１／ｘ０にどのように依存するかを示すグラフである。実施例に係るアンテナの平面図であり、給電線路の挿入長Ｌｙの定義を示す。（ａ）は、規格化挿入長Ｌｙ／λを０．２から０．４まで０．０２刻みで変化させたとしたときに得られる、実施例に係るの反射特性を示すグラフである。（ｂ）は、実施例に係るアンテナの６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜が規格化挿入長Ｌｙ／λにどのように依存するかを示すグラフである。（ａ）〜（ｅ）は、比較例に係るアンテナの平面図であり、（ｆ）は、実施例に係るアンテナの平面図である。各比較例に係るアンテナは、実施例に係るアンテナにおいて、何れかの短絡部を省略することによって得られたものである。図１９の（ａ）〜（ｆ）に示すアンテナの反射特性を示すグラフである。（ａ）は、図１９の（ａ）〜（ｆ）に示すアンテナの放射特性（ｙｚ平面）を示すグラフであり、（ｂ）は、図１９の（ａ）〜（ｆ）に示すアンテナの放射特性（ｚｘ平面）を示すグラフである。（ａ）は、実施例に係るアンテナの平面図であり、（ｂ）は、比較例に係るアンテナの平面図である。比較例に係るアンテナは、実施例に係るアンテナにおいて、スタブの根元に形成される切り込みを省略したものである。（ａ）は、図２２の（ａ）〜（ｂ）に示すアンテナの反射特性を示すグラフであり、（ｂ）は、図２２の（ａ）〜（ｂ）に示すアンテナの放射特性（ｙｚ平面）を示すグラフである。実施例に係るアンテナの平面図であり、スタブの根元に形成される切り込みの幅Ｗｓｔ及び深さＬｓｔ、並びに、スタブの幅Ｗｍｓｌの定義を示す。スタブの根元に形成される切り込みの形状を正方形（Ｗｎｏｒｍ＝Ｌｎｏｒｍ）とした場合、実施例に係るアンテナの６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜、最大利得、及びサイドローブレベルが、Ｗｎｏｒｍにどのように依存するかを示すグラフである。実施例に係るアンテナの６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜がＷｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍにどのように依存するかを示すグラフである。実施例に係るアンテナの６０ＧＨｚにおける最大利得がＷｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍにどのように依存するかを示すグラフである。実施例に係るアンテナの６０ＧＨｚにおけるサイドローブレベルがＷｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍにどのように依存するかを示すグラフである。スタブの根元に２つの切り込みが形成されたアンテナの平面図である。スタブの根元に形成される２つの切り込みの形状を正方形（Ｗｎｏｒｍ＝Ｌｎｏｒｍ）とした場合、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜、最大利得、及びサイドローブレベルが、Ｗｎｏｒｍにどのように依存するかを示すグラフである。

〔アンテナの構成〕
本発明の一実施形態に係るアンテナ１の構成について、図１を参照して説明する。図１において、（ａ）は、アンテナ１の平面図であり、（ｂ）は、アンテナ１の側面図であり、（ｃ）は、アンテナ１の底面図であり、（ｄ）は、アンテナ１の正面図である。

アンテナ１は、誘電体基板１１、アンテナ導体１２、グランド導体１３、導波管１４、遮蔽体１５、及び短絡部１６を備えている。アンテナ１は、誘電体基板１１、アンテナ導体１２、及びグランド導体１３により構成されるマイクロストリップアンテアに、導波管１４、遮蔽体１５、及び短絡部１６を付加したものである。

誘電体基板１１は、長方形の主面を有する板状の部材であり、樹脂等の誘電体からなる。本実形態においては、液晶ポリマーからなるＬＣＰ（Liquid Crystal Polymer）基板を、誘電体基板１１として用いる。

なお、本明細書においては、誘電体基板１１の表面（ひょうめん）を構成する６つの面のうち、最大の面積を有する２つの面を「主面」と呼び、その他４つの面を「端面」と呼ぶ。また、誘電体基板１１の２つの主面を区別する必要があるときには、一方の主面を「表面」（おもてめん）と呼び、他方の主面を「裏面」と呼ぶ。また、本明細書においては、誘電体基板１１の主面の短辺と平行な軸をｘ軸、誘電体基板１１の主面の長辺と平行な軸をｙ軸、誘電体基板１１の主面と直交する軸をｚ軸とする座標系を用いる。

アンテナ導体１２は、誘電体基板１１の表面に形成された箔状部材であり、金属などの導体からなる。本実施形態においては、誘電体基板１１の表面に形成された銅箔を、アンテナ導体１２として用いる。

アンテナ導体１２は、給電線路１２ａに複数のオープンスタブ（以下、単に「スタブ」と記載）１２ｂ１〜１２ｂ１１を付加したコムライン型のアンテナ導体である。

給電線路１２ａは、アンテナ導体１２の幹となる帯状導体であり、ｙ軸と平行に伸びる。給電線路１２ａは、誘電体基板１１を介して対向するグランド導体１３と共にマイクロストリップラインを構成する。給電線路１２ａの入力端（ｙ軸負方向側の端部）に入射した電磁波は、このマイクロストリップライン内を給電線路１２ａの出力端（ｙ軸正方向側の端部）に向かって伝播する。

スタブ１２ｂ１〜１２ｂ１１は、アンテナ導体１２の枝となる帯状導体であり、ｘ軸と平行に伸びる。スタブ１２ｂ１〜１２ｂ１１には、給電線路１２ａからｘ軸負方向に向かって伸びるもの（符号の末尾が奇数のもの）と、給電線路１２ａからｘ軸正方向に向かって伸びるもの（符号の末尾が偶数のもの）とがあり、給電線路１２ａに沿って前者と後者とが交互に配置される。スタブ１２ｂ１〜１２ｂ１０の根元には、給電線路１２ａの出力端側から入力端側に向かう切り込み１２ｃが形成されている。給電線路１２ａとグランド導体１３とによって構成されるマイクロストリップライン内を伝播した電磁波は、スタブ１２ｂ１〜１２ｂ１１の各々から外部に放射される。

グランド導体１３は、誘電体基板１１の裏面に形成された箔状部材であり、金属などの導体からなる。本実施形態においては、誘電体基板１１の裏面に形成された銅箔を、グランド導体１３として用いる。

グランド導体１３には、開口１３ａが形成されている。開口１３ａは、長辺がｘ軸と平行な長方形状であり、誘電体基板１１の裏面において給電線路１２ａの入力端と重なり合う領域に形成される。グランド導体１３は、この領域を除き誘電体基板１１の裏面全体を覆う。

導波管１４は、両端が開放した管状部材であり、金属などの導体からなる。導波管１４の内部に形成された空洞１４ｂの横断面（管軸に直交する断面）は、長方形である。導波管１４は、管軸がｚ軸と平行になるように、かつ、空洞１４ｂの横断面の長手軸がｘ軸と平行になるように配置され、管壁１４ａのｚ軸正方向側の端面がグランド導体１３に接合される。空洞１４ｂのｘｙ平面への正射影は、開口１３ａのｘｙ平面への正射影を包含する。

遮蔽体１５は、誘電体基板１１の表面に形成された箔状部材であり、金属などの導体からなる。本実施形態においては、誘電体基板１１の表面に形成された銅箔を、遮蔽体１５として用いる。

遮蔽体１５は、長辺がｘ軸と平行な長方形にｙ軸正方向側の長辺からｙ軸負方向に向かう切り込み１５ａを入れた形状であり、この切り込み１５ａに給電線路１２ａの入力端が入り込むように配置される。この切り込み１５ａが存在しないものとすると、遮蔽体１５のｘｙ平面への正射影は、空洞１４ｂのｘｙ平面への正射影を包含する。

遮蔽体１５は、誘電体基板１１を貫通する複数の短絡部１６によって、グランド導体１３と短絡される。これらの短絡部１６は、切り込み１５ａを除く遮蔽体１５の外周全体に沿って配置され、誘電体基板１１の内部において開口１３ａと重なる領域を取り囲む柵を構成する。

アンテナ１には、導波管１４を介して電磁波が入力される。導波管１４をｚ軸正方向に向かって伝播するＴＥ０１モードの電磁波は、グランド導体１３の開口１３ａを介して誘電体基板１１の内部に進入する。誘電体基板１１の内部において開口１３ａと重なる領域は、短絡部１６によって側方を取り囲まれ、遮蔽体１３によって上方を覆われている。このため、グランド導体１３の開口を介して誘電体基板１１の内部に進入した電磁波は、周囲に散逸することなく給電線路１２ａの入力端に入射する。

アンテナ１において特徴的な点は、遮蔽体１５に形成する切り込み１５ａの形状を、奥に入るほど幅が広くなる逆テーパー形としていることである。切り込み１５ａの形状を逆テーパー形とすることによって、アンテナ１の反射特性及び放射特性を改善することができる。

なお、本実施形態においては、切り込み１５ａの形状を、長手方向の位置を変数としたネイピア数eの指数関数テーパー形としている。ただし、切り込み１５の形状は、これに限定されない。すなわち、切り込み１５の形状は、その幅が入口からの距離に比例する線形テーパー形であってもよいし、その幅が入口からの距離の平方根に比例する放物線テーパー形であってもよい。

短絡部１６の構造について、図２を参照して補足する。図２は、アンテナ１のＡＡ’線断面図である。

遮蔽体１５には、図２に示すように、開口１５ｂが形成されている。また、誘電体基板１１には、図２に示すように、開口１５ｂに連通する貫通孔１１ａが形成されている。

開口１５ｂ及び貫通孔１１ａには、半田などの導体が充填される。開口１５ｂ及び貫通孔１１ａに充填された導体は、遮蔽体１５及びグランド導体１３の双方と接触し、遮蔽体１５とグランド導体１３とを短絡する。短絡部１６とは、このようにして開口１５ｂ及び貫通孔１１ａに充填された導体のことに他ならない。

〔実施例〕
次に、図１に示すアンテナ１の一実施例について、図３〜図６を参照して説明する。

本実施例に係るアンテナ１は、６０ＧＨｚで動作するマイクロストリップアンテナ（誘電体基板１１、アンテナ導体１２、及びグランド導体１３により構成される）に、導波路１４、遮蔽体１５、及び短絡部１６を付加したものである。具体的には、図１に示すアンテナ１の各部の寸法を、図３及び図４に示すように定めたものである。

図３は、本実施例に係るアンテナ１の各部の寸法（ｍｍ単位）を示す平面図であり、図４は、本実施例に係るアンテナ１の各部の寸法（ｍｍ単位）を示す底面図である。なお、本実施例に係るアンテナ１において、誘電体基板１１の厚みは、０．１７５ｍｍであり、導波管１４の長さは、２.００ｍｍである。また、本実施例に係るアンテナ１において、誘電体基板１１の比誘電率は３．０であり、誘電体基板１１の誘電正接は、０．００２５である。

図５は、本実施例に係るアンテナ１の反射特性（反射係数｜Ｓ１１｜の周波数依存性）を示すグラフである。図５によれば、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜の値が−１４．５ｄＢとなり、設計目標値である−１０ｄＢを下回ることが確かめられる。

図６は、６０ＧＨｚにおけるアンテナ１の放射特性（ｙｚ平面及びｚｘ平面における利得の方向依存性）を示すグラフである。図６によれば、（１）最大利得が１３．０ｄＢｉとなり、設計目標値である１０ｄＢｉを上回ること、及び、（２）サイドローブレベルが９．９７ｄＢｉとなり、設計目標値である１０ｄＢｉと同程度になることが確かめられる。

〔切り込みの変形、及び、短絡部の省略が特性に及ぼす影響〕
次に、本実施例に係るアンテナ１において、切り込み１５ａの変形、及び、短絡部１６の省略が反射特性及び放射特性に及ぼす影響について、図７〜図１１を参照して説明する。

ここでは、以下に列挙した一群のアンテナについて、その特性を比較する。

アンテナＡ：図７（ａ）に示すように、本実施例に係るアンテナ１において、切り込み１５ａの形状を、幅０．８４ｍｍの長方形とし、短絡部１６を一部省略したもの。

アンテナＢ：図７（ｂ）に示すように、本実施例に係るアンテナ１において、切り込み１５ａの形状を、幅０．８４ｍｍの長方形としたもの。

アンテナＣ：図７（ｃ）に示すように、本実施例に係るアンテナ１において、切り込み１５ａの形状を、入口部の幅ｘ０が１．１ｍｍ、最奥部の幅ｘ１が０．８４ｍｍのテーパー形とし、短絡部１６を一部省略したもの。

アンテナＤ：図７（ｄ）に示すように、本実施例に係るアンテナ１において、切り込み１５ａの形状を、入口部の幅ｘ０が１．１ｍｍ、最奥部の幅ｘ１が０．８４ｍｍのテーパー形としたもの。

アンテナＥ：図７（ｅ）に示すように、本実施例に係るアンテナ１において、切り込み１５ａの形状を、入口部の幅ｘ０が０．８４ｍｍ、最奥部の幅ｘ１が１．２ｍｍの逆テーパー形とし、短絡部１６を一部省略したもの。

アンテナＦ：本実施例に係るアンテナ１そのもの（図７（ｆ）参照）。

図８は、これらのアンテナＡ〜Ｆの反射特性を示すグラフである。

図８において、アンテナＢ，Ｄ，Ｆの反射特性を比較すると、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜の値が設計目標値である−１０ｄＢを下回るのは、アンテナＦ（本実施例に係るアンテナ１）のみであることが確かめられる。すなわち、６０ＨＨｚにおいて優れた反射特性を得るためには、本実施例に係るアンテナ１のように、切り込み１５ａの形状を逆テーパー形とすることが好ましい。

図９において、（ａ）は、アンテナＡ，Ｂの反射特性を示すグラフであり、（ｂ）は、アンテナＣ，Ｄの反射特性を示すグラフであり、（ｃ）は、アンテナＥ，Ｆの反射特性を示すグラフである。

図９（ａ）において、アンテナＡ，Ｂの反射特性を比較すると、短絡部１６を省略することによって、反射特性が悪化する（６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜の値が大きくなる）ことが確かめられる。

図９（ｂ）において、アンテナＣ，Ｄの反射特性を比較すると、短絡部１６を省略することによって、反射特性が悪化する（６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜の値が大きくなる）ことが確かめられる。

図９（ｃ）において、アンテナＥ，Ｆの反射特性を比較すると、短絡部１６を省略することによって、反射特性が悪化する（６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜の値が大きくなる）ことが確かめられる。

すなわち、６０ＧＨｚにおいて優れた反射特性を得るためには、短絡部１６を省略しないこと、すなわち、切り込み１５ａを除く遮蔽体１５の外周全体に沿って短絡部１６を配置することが好ましい。

図１０は、切り込み１５ａの形状を逆テーパー形とすることによって、優れた反射特性が得られる理由を説明する図である。図１０において、（ａ）は、長方形の切り込み１５ａを有する遮蔽体１５に形成される電流分布を模式的に示す図であり、（ｂ）は、テーパー形の切り込み１５ａを有する遮蔽体１５に形成される電流分布を模式的に示す図であり、（ｃ）は、逆テーパー形の切り込み１５ａを有する遮蔽体１５に形成される電流分布を模式的に示す図である。

切り込み１５ａの形状を長方形又はテーパー形とした場合、切り込み１５ａの縁に図１０の（ａ）及び（ｂ）に白抜きの矢印で示すような電流が流れる。切り込み１５ａの形状を長方形又はテーパー形とした場合に生じる反射特性の悪化は、このような電流により再放射された電磁波が導波管１４を逆流することによる反射電力の増大が原因であると考えられる。

図１１において、（ａ）は、アンテナＡ〜Ｆの６０ＧＨｚにおける放射特性（ｚｘ平面）を示すグラフであり、（ｂ）は、その拡大図であり、（ｃ）は、アンテナＡ〜Ｆの６０ＧＨｚにおける放射特性（ｙｚ平面）を示すグラフであり、（ｄ）は、その拡大図である。

図１１において、アンテナＡ〜Ｆの最大利得を比較すると、アンテナＦの最大利得が最も大きいことが確かめられる。すなわち、６０ＧＨｚにおいて最も良好な反射特性を得ることができるアンテナＦは、同時に、６０ＧＨｚにおいて最も大きい最大利得が得られるアンテナでもある。

このような結果が得られる原因としては、切り込み１５ａの形状を逆テーパーとすることによって、スタブ１２ｂ１〜１２ｂ１１から放射された電磁波に導波管１４から放射された電磁波が合成されることが挙げられる。

〔切り込みのテーパー率が特性に及ぼす影響〕
次に、本実施例に係るアンテナ１において、切り込み１５ａのテーパー率が反射特性及び放射特性に及ぼす影響について、図１２〜図１６を参照して説明する。

ここでは、本実施例に係るアンテナ１において、比ｘ１／ｘ０を変更することによって得られる一群のアンテナについて、その特性を比較する。ここで、図１２に示すように、ｘ０［ｍｍ］は、切り込み１５ａの入口部における幅であり、ｘ１［ｍｍ］は、切り込み１５ａの最奥部における幅である。なお、切り込み１５ａの深さは１．７ｍｍなので、テーパー率は（ｘ１−ｘ０）／１．７により与えられる。

図１３は、ｘ０を０．８４に固定したうえで、比ｘ１／ｘ０を１．０７，１．３１，１．５５，１．７９，２．０２，２．２６としたときに得られる、アンテナ１の反射特性を示すグラフである。

図１４において、（ａ）は、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜が比ｘ１／ｘ０にどのように依存するかを示すグラフであり、（ｂ）及び（ｃ）は、その拡大図である。

図１４によれば、比ｘ１／ｘ０は、１．０以上２．０以下とすることが好ましいことが分かる。何故なら、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜を概ね−１０ｄＢ以下に抑えることができるからである。また、図１４によれば、比ｘ１／ｘ０は、１．３５以上１．４５以下、又は、１．８７以上１．９３以下であることが更に好ましいことが分かる。何故なら、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜を−１５ｄＢ以下に抑えることができるからである。

図１５は、ｘ０を０．８４に固定したうえで、比ｘ１／ｘ０を１．０５，１．１８，１．３３，１．５４，１．８２としたときに得られる、アンテナ１の６０ＧＨｚにおける放射特性（ｙｚ平面）を示すグラフである。

図１６は、最大利得及びサイドローブレベルが比ｘ１／ｘ０にどのように依存するかを示すグラフである。

図１６によれば、比ｘ１／ｘ０を２．５以下とすることが好ましいことが分かる。何故なら、最大利得を概ね１０ｄＢｉ以上とすることができるからである。また、図１６によれば、比ｘ１／ｘ０は、１．５以下とすることが更に好ましいことが分かる。何故なら、サイドローブレベルを概ね１０ｄＢ以上とすることができるからである。

〔給電線路の挿入長が特性に及ぼす影響〕
次に、本実施例に係るアンテナ１において、給電線路１２ａの挿入長Ｌｙが反射特性及び放射特性に及ぼす影響について、図１７〜図１８を参照して説明する。ここで、給電線路１２ａの挿入長Ｌｙとは、図１７に示すように、切り込み１５ａの入口から給電線路１２ａの先端までの長さのことである。

図１８（ａ）は、マイクロストリップアンテナの共振波長λ（本実施例においては５ｍｍ）により規格化された規格化挿入長Ｌｙ／λを０．２から０．４まで０．０２刻みで変化させたとしたときに得られる、アンテナ１の反射特性を示すグラフである。図１８（ｂ）は、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜の規格化挿入長Ｌｙ／λ依存性を示すグラフである。

図１８によれば、規格化挿入長Ｌｙ／λが０．２８以上０．３１以下であるときに、反射係数｜Ｓ１１｜が−１０ｄＢ以下となることが分かる。また、規格化挿入長Ｌｙ／λを０．３としたときに、すなわち、挿入長Ｌｙを１．５ｍｍとしたときに、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜の値が最も小さくなることが分る。

〔短絡部の配置が特性に及ぼす影響〕
次に、本実施例に係るアンテナ１において、短絡部１６の配置が反射特性及び放射特性に及ぼす影響について、図１９〜図２１を参照して説明する。

ここでは、本実施例に係るアンテナ１において、短絡部１６の配置を以下のものとしたときに得られる特性を比較する。

配置Ａ１：図１９（ａ）に示すように、遮蔽体１５の両短辺に沿う短絡部１６を省略したもの。すなわち、短絡部１６が遮蔽体１５の両長辺のみに沿って配置されているもの。

配置Ａ２：図１９（ｂ）に示すように、遮蔽体１５の切り込み側と反対側の長辺に沿う短絡部１６を省略したもの。すなわち、短絡部１６が遮蔽体１５の両短辺及び切り込み側の長辺のみに沿って配置されているもの。

配置Ａ３：図１９（ｃ）に示すように、遮蔽体１５の両短辺及び切り込み側と反対側の長辺に沿う短絡部１６を省略したもの。すなわち、短絡部１６が遮蔽体１５の切り込み側の長辺のみに沿って配置されているもの。

配置Ａ４：図１９（ｄ）に示すように、遮蔽体１５の両短辺及び両長辺に沿う短絡部１６を省略したもの。すなわち、短絡部１６が存在しないもの。

配置Ａ５：図１９（ｅ）に示すように、遮蔽体１５の切り込み側の長辺に沿う短絡部１６を省略したもの。すなわち、短絡部１６が遮蔽体１５の両短辺及び切り込み側と反対側の長辺のみに沿って配置されているもの。

配置Ａ６：本実施例に係るアンテナ１における短絡部１６の配置。すなわち、図１９（ｆ）に示すように、短絡部１６が切り込み１５ａを除く遮蔽体１５の外周全体に沿って配置されているもの。

図２０は、短絡部１６の配置を配置Ａ１〜Ａ６としたきに得られる、アンテナ１の反射特性を示すグラフである。

図２０によれば、短絡部１６を省略すると反射係数｜Ｓ１１｜を最小化する周波数がシフトすることが確かめられる。マイクロストリップアンテナの設計共振周波数である６０ＧＨｚにおいて反射係数｜Ｓ１１｜が最小になるのは、短絡部１６の配置を配置Ａ６とした場合、すなわち、切り込み１５ａを除く遮蔽体１５の外周全体に沿って短絡部１６を配置した場合であることが確かめられる。

図２１において、（ａ）は、短絡部１６の配置を配置Ａ１〜Ａ６としたきに得られる、６０ＧＨｚにおけるアンテナ１の放射特性（ｙｚ平面）を示すグラフであり、（ｂ）は、短絡部１６の配置を配置Ａ１〜Ａ６としたきに得られる、６０ＧＨｚにおけるアンテナ１の放射特性（ｚｘ平面）を示すグラフである。

図２１によれば、短絡部１６の配置を配置Ａ４とした場合、すなわち、短絡部１６が存在しない場合に、天頂方向において十分な利得が得られないことが確かめられる。また、図２１によれば、短絡部１６の配置を配置Ａ５又は配置Ａ６とした場合、すなわち、短絡部１６を少なくとも遮蔽体１５の両短辺及び切り込み側と反対側の長辺に沿って配置した場合に、最大利得が１０ｄＢを上回ることが確かめられる。

〔スタブに形成された切り込みの省略が特性に及ぼす影響〕
次に、本実施例に係るアンテナ１において、スタブ１２ｂ１〜１２ｂ１０に形成された切り込み１２ｃの省略が反射特性及び放射特性に及ぼす影響について、図２２〜図３０を参照して説明する。

ここでは、本実施例に係るアンテナ１において、切れ込み１２ｃを省略することによって得られるアンテナを比較例とする。図２２において、（ａ）は、本実施例に係るアンテナ１の平面図であり、（ｂ）は、比較例に係るアンテナの平面図である。

図２３において、（ａ）は、本実施例に係るアンテナ１及び比較例に係るアンテナの反射特性を示すグラフであり、（ｂ）は、本実施例に係るアンテナ１及び比較例に係るアンテナの放射特性（ｙｚ平面）を示すグラフである。

図２３によれば、切り込み１２ｃを形成することによって、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜が低下すると共に、６０ＧＨｚにおける最大利得が上昇することが確かめられる。すなわち、切り込み１２ｃを形成することによって、反射特性及び放射特性が改善することが確かめられる。

切り込み１２ｃを省略した場合、図２２（ｂ）に黒塗りの矢印で示すように、スタブ１２ｂの根元に電流が流れる。切り込み１２ｃを省略することによって反射特性が悪化するのは、スタブ１２ｂの根元を流れる電流が給電線路１２ａの入力端に向かう成分をもつためであると考えられる。また、切り込み１２ｃを省略することによって放射特性が悪化するのは、スタブ１２ｂの根元を流れる電流により形成される電磁波がスタブ１２ｂを流れる電流により形成される電磁波と破壊的に干渉するためであると考えられる。切り込み１２ｃを形成した場合、図２２（ａ）に白抜きの矢印で示すように、切り込み１２ｃを介して対向する辺に互いに逆向きの電流が流れる。このため、切り込み１２ｃを省略した場合に生じるような反射特性及び放射特性の悪化が生じることはない。

〔スタブに形成された切り込みの形状が特性に及ぼす影響〕
次に、本実施例に係るアンテナ１において、スタブ１２ｂ１〜１２ｂ１０に形成された切り込み１２ｃの形状が反射特性及び放射特性に及ぼす影響について、図２４〜図２８を参照して説明する。

ここでは、本実施例に係るアンテナ１において、切り込み１２ｃの幅Ｗｓｔ、及び、切り込み１２ｃの深さＬｓｔを変更することによって得られる一群のアンテナについて、その特性を比較する。切り込み１２ｃの幅Ｗｓｔ、及び、切り込み１２ｃの深さＬｓｔの定義については、図２４を参照されたい。なお、以下では、切り込み１２ｃの幅Ｗｓｔそのものではなく、これをスタブ１２ｂの幅Ｗｍｓｌで規格化した規格化幅Ｗｎｏｒｍ＝Ｗｓｔ／Ｗｍｓｌを用いる。また、切り込み１２ｃの深さＬｓｔそのものではなく、これをスタブ１２ｂの幅Ｗｍｓｌで規格化した規格化深さＬｎｏｒｍ＝Ｌｓｔ／Ｗｍｓｌを用いる。

図２５は、切り込み１２ｃの形状を正方形（Ｗｎｏｒｍ＝Ｌｎｏｒｍ）とした場合、本実施例に係るアンテナ１の６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜、最大利得、及びサイドローブレベルが、Ｗｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍにどのように依存するかを示すグラフである。

図２５によれば、Ｗｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍが０．２以上０．５以上であれば、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜が−１０ｄＢ以下、最大利得が１０ｄＢｉ以上、サイドローブレベルが１０ｄＢ以上となることが確かめられる。

図２６は、本実施例に係るアンテナ１の６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜がＷｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍにどのように依存するかを示すグラフである。

図２６によれば、Ｗｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍがそれぞれ０．２３以上０．４５以上であれば、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜が−１０ｄＢ以下となることが確かめられる。

図２７は、本実施例に係るアンテナ１の６０ＧＨｚにおける最大利得がＷｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍにどのように依存するかを示すグラフである。

図２７によれば、Ｗｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍがそれぞれ０．２３以上０．４５以上であれば、６０ＧＨｚにおける最大利得が１０ｄＢｉ以上となることが確かめられる。

図２８は、本実施例に係るアンテナ１の６０ＧＨｚにおけるサイドローブレベルがＷｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍにどのように依存するかを示すグラフである。

図２８によれば、Ｗｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍがそれぞれ０．２３以上０．４５以上であれば、６０ＧＨｚにおけるサイドローブレベルが１０ｄＢ以上となることが確かめられる。

最後に、本実施例に係るアンテナ１において、スタブ１２ｂの根元に給電線路１２ａの入力端側から出力端側に向かう切り込み１２ｄ（図２９参照）を付加した場合の特性を、図３０を参照して説明する。

図３０は、切り込み１２ｃ及び切り込み１２ｄの形状を正方形（Ｗｎｏｒｍ＝Ｌｎｏｒｍ）とした場合、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜、最大利得、及びサイドローブレベルが、Ｗｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍにどのように依存するかを示すグラフである。

図３０によれば、Ｗｎｏｒｍ及びＬｎｏｒｍが０．３以下であれば、６０ＧＨｚにおける反射係数｜Ｓ１１｜が−１０ｄＢ以下、最大利得が１０ｄＢｉ以上、サイドローブレベルが概ね１０ｄＢ以上となることが確かめられる。

〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態（実施例）に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、例えば、ミリ波帯で動作するアンテナとして好適に利用することができる。

１アンテナ
１１誘電体基板
１２アンテナ導体
１２ａ給電線路
１２ｂ１〜１２ｂ１１スタブ
１２ｃ切り込み
１３グランド導体
１３ａ開口
１４導波管
１４ａ管壁
１４ｂ空洞
１５遮蔽体
１５ａ切り込み
１６短絡部

Claims

誘電体基板と、
上記誘電体基板の表面に形成されたアンテナ導体であって、給電線路とスタブとを有するコムライン型のアンテナ導体と、
上記誘電体基板の裏面に形成されたグランド導体であって、上記給電線路の入力端と対向する領域に開口が形成されたグランド導体と、
上記誘電体基板の裏面に接合された導波管であって、管軸が上記誘電体基板の裏面に直交し、管壁の端面が上記開口を取り囲む導波管と、
上記誘電体基板の表面に形成された遮蔽体であって、上記給電線路の入力端が挿入される切り込みが形成された遮蔽体と、
上記グランド導体と上記遮蔽体とを短絡する短絡部であって、上記誘電体基板を貫通する短絡部とを備えており、
上記短絡部は、上記切り込みを除く上記遮蔽体の外周全体に沿って形成されており、上記切り込みは、奥に入るほど幅が広くなる逆テーパー形である、ことを特徴とするアンテナ。
上記遮蔽体に形成された上記切り込みの入口部及び最奥部における幅をｘ０及びｘ１として、比ｘ１／ｘ０は、２．５以下である、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
上記比ｘ１／ｘ０は、１．０以上２．０以下である、ことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
上記比ｘ１／ｘ０は、１．０以上１．５以下である、ことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
上記比ｘ１／ｘ０は、１．３５以上１．４５以下である、ことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
上記切り込みの入口部から上記給電線路の先端までの長さをＬｙ、上記誘電体基板、上記アンテナ導体、及び上記グランド導体により構成されるマイクロストリップアンテナの共振波長をλとして、Ｌｙ／λは、０．２８以上０．３１以下である、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のアンテナ。
上記スタブは、上記給電線路と直交する方向に伸び、
上記スタブの根元には、上記給電線路の出力端側から上記給電線路の入力端側に向かう切り込みが形成されている、ことを特徴とする請求項１〜６までの何れか１項に記載のアンテナ。
上記スタブの幅をＷｍｓｌ、上記スタブの根元に形成された上記切り込みの幅及び深さをＷｓｔ及びＬｓｔとして、Ｗｓｔ／Ｗｍｓｌ及びＬｓｔ／Ｗｍｓｌは、それぞれ０．２３以上０．４５以下である、ことを特徴とする請求項７に記載のアンテナ。