JP2018198349A - Antenna element and array antenna - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばマイクロ波、ミリ波、及びテラヘルツ波などの無線通信システムにおいて利用される広帯域のアンテナ素子等に関する。 The present invention relates to a broadband antenna element used in a wireless communication system such as a microwave, a millimeter wave, and a terahertz wave.
テラヘルツ波は300GHz(0.3THz)から3THzの周波数領域に位置する電磁波である。300GHz以上の周波数帯における超高速通信が検討されているが、使用周波数に関する法制度は整っていない。しかしながら、光ファイバによる通信に匹敵する100Gbps以上の大容量データをテラヘルツ波無線により実現することができれば、光ファイバの設置が困難な離島や海上などにおいて、ハイビジョンテレビの受信や、高画質動画の非圧縮または低圧縮でのやり取りが可能となる。また、地震や火山の噴火等により、光ファイバ網が切断された場合の代替としての応用も可能となる。 A terahertz wave is an electromagnetic wave located in a frequency range from 300 GHz (0.3 THz) to 3 THz. Although ultra-high-speed communication in the frequency band of 300 GHz or higher is being studied, there is no legal system regarding the frequency used. However, if large-capacity data of 100 Gbps or more comparable to optical fiber communication can be realized by terahertz wave radio, high-definition television reception and high-quality video non-reception will be possible on remote islands and the sea where optical fiber installation is difficult. It is possible to exchange with compression or low compression. In addition, it can be applied as an alternative when the optical fiber network is cut due to an earthquake or volcanic eruption.
100Gbpsのデータをワイヤレスで伝送するためには少なくとも100GHz以上の帯域が必要である。また、光信号のTHz信号への変換損失を低減するため、集積回路基板上に、光−テラヘルツ波変換素子(Uni−traveling−carrier Photodiode、UTC−PD)を作成し、さらに同一の集積回路基板上にアンテナを作成する必要がある。これまで、非特許文献1に記載のボウタイアンテナを用いた素子が開示されているが、ボウタイアンテナは両面への放射指向性を持つため、変換素子基板内部へ電磁波が吸収され、良好な放射特性が得られなかった。したがって、変換素子基板内部(集積回路基板内部)への放射が無いアンテナが必要である。 In order to transmit 100 Gbps data wirelessly, a band of at least 100 GHz or more is required. Moreover, in order to reduce the conversion loss of the optical signal to the THz signal, an optical-terahertz-wave converter (Uni-traveling-carrier Photodiode, UTC-PD) is created on the integrated circuit substrate, and the same integrated circuit substrate It is necessary to create an antenna on top. So far, an element using the bow tie antenna described in Non-Patent Document 1 has been disclosed. However, since the bow tie antenna has radiation directivity on both sides, electromagnetic waves are absorbed into the conversion element substrate and good radiation characteristics are obtained. Was not obtained. Therefore, an antenna that does not emit radiation into the conversion element substrate (inside the integrated circuit substrate) is required.
また、長距離通信のため、鋭い放射ビーム(高い指向性利得)を形成する必要がある。通常、同じ動作周波数のアンテナ素子を複数個並べてアレイ化し、高い指向性利得を得る。この場合、アンテナの動作周波数は1周波数であり、広帯域に渡る信号の送信ができない。 In addition, for long-distance communication, it is necessary to form a sharp radiation beam (high directivity gain). Usually, a plurality of antenna elements having the same operating frequency are arrayed to obtain a high directivity gain. In this case, the operating frequency of the antenna is one frequency, and a signal over a wide band cannot be transmitted.
発明者らは、集積回路基板上に300GHz帯で動作する単方向スロットアレイアンテナを提案している。非特許文献2記載のアンテナは、インジウムリン基板上で構成され、インジウムリン基板103の一部を掘り込み、その上に他の回路と電気的な接続がないフローティングメタル層102を積層し、その上にポリイミド104を積層し、さらにアンテナ面となるメタル層101を積層する構造となっている。フローティングメタル層102により集積回路基板内部への放射が遮断される。アンテナ面のメタル層101には、アンテナ素子10が4x4=16素子配置され、各々、300GHzの信号を同位相で給電することで高い指向性利得を得ている。なお、アンテナ素子10の形状は、特許文献1に記載されている。 The inventors have proposed a unidirectional slot array antenna that operates in the 300 GHz band on an integrated circuit substrate. The antenna described in Non-Patent Document 2 is configured on an indium phosphide substrate, a part of the indium phosphide substrate 103 is dug, and a floating metal layer 102 that is not electrically connected to other circuits is stacked thereon, The structure is such that polyimide 104 is laminated thereon, and further, a metal layer 101 serving as an antenna surface is laminated. The floating metal layer 102 blocks radiation into the integrated circuit board. 4 × 4 = 16 antenna elements 10 are arranged on the metal layer 101 on the antenna surface, and a high directivity gain is obtained by feeding a 300 GHz signal in the same phase. The shape of the antenna element 10 is described in Patent Document 1.
図7は、非特許文献2に記載のアンテナ素子を動作周波数が600GHzとなるように設計した場合の平面図と断面図である。アンテナはメタル層101にレイアウトされる。フローティングメタル層102は、メタル層101及び他の配線とは接続されていない。アレイアンテナの信号入力部は信号線と接地面の両方がアンテナ面101に存在するコプレーナ構造であるので、光−テラヘルツ波変換素子の信号線をコプレーナ線路の信号線に、接地導体をコプレーナ線路の接地面に、それぞれ同一のメタル層101で接続する。 7A and 7B are a plan view and a cross-sectional view in the case where the antenna element described in Non-Patent Document 2 is designed so that the operating frequency is 600 GHz. The antenna is laid out on the metal layer 101. The floating metal layer 102 is not connected to the metal layer 101 and other wirings. Since the signal input section of the array antenna has a coplanar structure in which both the signal line and the ground plane exist on the antenna plane 101, the signal line of the optical-terahertz wave conversion element is the signal line of the coplanar line, and the ground conductor is the coplanar line. The same metal layer 101 is connected to the ground plane.
図8は図7のアンテナ素子10を12個用い、2−4−4−2列で配置した場合の平面図である。通常、半導体ウエハは円形であるので、4つの角にアンテナ素子は配置できない。この場合、最大利得=12.07dBi、帯域(3dB帯域:利得が半分になる帯域)=30GHzである。 FIG. 8 is a plan view when twelve antenna elements 10 of FIG. 7 are used and arranged in a 2-4-2-2 row. Usually, since a semiconductor wafer is circular, antenna elements cannot be arranged at four corners. In this case, the maximum gain = 12.07 dBi and the band (3 dB band: a band in which the gain is halved) = 30 GHz.
しかしながら、図7や図8に示す技術は、動作周波数をテラヘルツ波で行うことができるものの、帯域が不足しており実用性に乏しいものとなってしまう。 However, although the techniques shown in FIG. 7 and FIG. 8 can perform the operation frequency with a terahertz wave, the band is insufficient and the practicality is poor.
本発明は、単一のアンテナ素子で複数の共振条件を実現しつつ、相対的に高周波数のアンテナ素子と低周波数のアンテナ素子とを配設することで、テラヘルツ波での広帯域化を実現するアンテナ素子及びアレイアンテナを提供する。 The present invention realizes a wide band of terahertz waves by arranging a relatively high frequency antenna element and a low frequency antenna element while realizing a plurality of resonance conditions with a single antenna element. An antenna element and an array antenna are provided.
本発明に係るアンテナ素子は、単方向スロットアンテナの開放端を湾曲させたものであり、平面状の第1金属板と、第1金属板の平面に対して絶縁材料を介して対向して配設される第2金属板と、第1金属板に給電する給電部とを備え、第1金属板に、第1の方向に延在する直線状の第1スロットと、第1の方向と反対の第2の方向に延在する直線状の第2スロットとを有し、第1スロットの直線に対向する第1金属板の縁部が湾曲し、第2スロットの直線に対向する第1金属板の縁部が湾曲しているものである。 An antenna element according to the present invention has a curved open end of a unidirectional slot antenna, and is arranged so as to face a planar first metal plate with an insulating material facing the plane of the first metal plate. A second metal plate provided; and a power feeding unit that feeds power to the first metal plate. The first metal plate has a linear first slot extending in the first direction and is opposite to the first direction. The first metal plate has a straight second slot extending in the second direction, the edge of the first metal plate facing the straight line of the first slot is curved, and the first metal facing the straight line of the second slot The edge of the plate is curved.
このように、本発明に係るアンテナ素子においては、単方向スロットアンテナの開放端を湾曲させることで、複数の共振条件を実現して広帯域化することができるという効果を奏する。 Thus, in the antenna element according to the present invention, by bending the open end of the unidirectional slot antenna, there is an effect that a plurality of resonance conditions can be realized and a wide band can be achieved.
本発明に係るアレイアンテナは、上記アンテナ素子を用いたアレイアンテナであって、複数の異なる周波数を持つアンテナを同位相で接続するものであり、第1スロット及び第2スロットから、湾曲している前記第1金属板の縁部までの距離が相対的に長い複数の第1アンテナ素子と、相対的に短い複数の第2アンテナ素子とが格子状に複数配列されたものである。 An array antenna according to the present invention is an array antenna using the above-described antenna element, which connects a plurality of antennas having different frequencies in the same phase, and is curved from the first slot and the second slot. A plurality of first antenna elements having a relatively long distance to the edge of the first metal plate and a plurality of relatively short second antenna elements are arranged in a lattice pattern.
このように、本発明に係るアレイアンテナにおいては、複数の異なる周波数を持ち、相対的に高周波数のアンテナ素子と、相対的に低周波数のアンテナ素子とを同位相で接続することで、広帯域且つ高い指向性利得を持つアレイアンテナを実現することができるという効果を奏する。 As described above, in the array antenna according to the present invention, a plurality of different frequencies and a relatively high frequency antenna element and a relatively low frequency antenna element are connected in the same phase, so that a wide band and There is an effect that an array antenna having a high directivity gain can be realized.
以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。 Embodiments of the present invention will be described below. Also, the same reference numerals are given to the same elements throughout the present embodiment.
本実施形態に係るアンテナ素子及びアレイアンテナについて、図1ないし図6を用いて説明する。図1は、本実施形態に係るアンテナ素子の平面図である。図1のアンテナ素子10の断面形状は、図7に示すものと同じであり、インジウムリン基板103上で構成され、インジウムリン基板103の一部を掘り込み、その上に他の回路と電気的な接続がないフローティングメタル層102を積層し、その上にメタル層(裏面)101bを積層し、その上にポリイミド104を積層し、さらにアンテナ面となるメタル層(表面)101aを積層する構造となっている。フローティングメタル層102により集積回路基板内部への放射が遮断される。 An antenna element and an array antenna according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a plan view of an antenna element according to the present embodiment. The cross-sectional shape of the antenna element 10 in FIG. 1 is the same as that shown in FIG. 7, and is configured on the indium phosphide substrate 103. A part of the indium phosphide substrate 103 is dug, and other circuits are electrically connected thereto. A structure in which a floating metal layer 102 having no connection is laminated, a metal layer (back surface) 101b is laminated thereon, polyimide 104 is laminated thereon, and a metal layer (front surface) 101a serving as an antenna surface is laminated. It has become. The floating metal layer 102 blocks radiation into the integrated circuit board.
また、本実施形態に係るアンテナ素子10の平面形状は、図1に示すように、図7のアンテナ形状に対して、前部開放端を湾曲させ、半波長の距離を変更させることで、各アンテナ素子10自体に複数の共振条件を実現している。より具体的には、平面状のメタル層(裏面)101b(図1には図示しない)と、メタル層(裏面)101bの平面に対して絶縁材料であるポリイミド104を介して対向して配設されるメタル層(表面)101aと、メタル層(表面)101aに給電する給電電極105とを備えている。 Further, as shown in FIG. 1, the planar shape of the antenna element 10 according to the present embodiment is such that the front open end is curved with respect to the antenna shape of FIG. A plurality of resonance conditions are realized in the antenna element 10 itself. More specifically, the planar metal layer (back surface) 101b (not shown in FIG. 1) and the plane of the metal layer (back surface) 101b are arranged to face each other through polyimide 104 which is an insulating material. A metal layer (front surface) 101a and a power supply electrode 105 for supplying power to the metal layer (front surface) 101a.
メタル層(表面)101aには、第1の方向aに延在する直線状の第1スロット106と、第1の方向aと反対の第2の方向bに延在する直線状の第2スロット107とを有しており、第1スロット106の直線に対向するメタル層(表面)101aの縁部108が湾曲し、第2スロット107の直線に対向するメタル層(表面)101aの縁部109が湾曲している。 The metal layer (surface) 101a has a linear first slot 106 extending in the first direction a and a linear second slot extending in the second direction b opposite to the first direction a. 107, the edge 108 of the metal layer (surface) 101a facing the straight line of the first slot 106 is curved, and the edge 109 of the metal layer (surface) 101a facing the straight line of the second slot 107 is curved. Is curved.
すなわち、第1スロット106から縁部108まで異なる複数の距離を有する形状となっており、第2スロット107から縁部109までも異なる複数の距離を有する形状となっていることから、複数の共振条件を実現し、複数の周波数での信号の放射を行い、広帯域化を実現することが可能となっている。 That is, since the first slot 106 has a shape having a plurality of different distances from the edge 108 and the second slot 107 has a shape having a plurality of different distances, a plurality of resonances. It is possible to realize a broad band by realizing conditions and emitting signals at a plurality of frequencies.
次に、上記のアンテナ素子10を利用して、別々の周波数帯で動作するアンテナ素子を設計する。図2は、本実施形態に係るアレイアンテナに用いるそれぞれのアンテナ素子の平面図である。本実施形態に係るアレイアンテナは、図2に示す異なる周波数帯で動作するアンテナ素子10をアレイ上に並設することで実現する。図2(A)は、相対的に低周波数である低周波アンテナ素子10aであり、図2(B)は、相対的に高周波数である高周波アンテナ素子10bである。それぞれのアンテナ素子10a、10bの違いは、第1スロット106及び第2スロット107から、それぞれの対向する縁部108及び109までの距離が異なる点である。すなわち、図2に示すように、相対的に低周波のアンテナ素子10aに比べて、相対的に高周波のアンテナ素子10bの方が、第1スロット106及び第2スロット107から、それぞれの対向する縁部108及び109までの距離が短くなっている。つまり、送受信する周波数がそれぞれで異なる帯域となっている。 Next, antenna elements that operate in different frequency bands are designed using the antenna element 10 described above. FIG. 2 is a plan view of each antenna element used in the array antenna according to the present embodiment. The array antenna according to the present embodiment is realized by arranging antenna elements 10 operating in different frequency bands shown in FIG. 2 in parallel on the array. 2A shows a low frequency antenna element 10a having a relatively low frequency, and FIG. 2B shows a high frequency antenna element 10b having a relatively high frequency. The difference between the antenna elements 10a and 10b is that the distances from the first slot 106 and the second slot 107 to the opposing edges 108 and 109 are different. That is, as shown in FIG. 2, the relatively high frequency antenna element 10 b has the opposite edges from the first slot 106 and the second slot 107 as compared to the relatively low frequency antenna element 10 a. The distance to the parts 108 and 109 is shortened. That is, the frequency to be transmitted and received is a different band.
図3は、図2のアンテナ素子を用いた広帯域のアレイアンテナの平面図である。アレイアンテナ20は、相対的に低周波のアンテナ素子10aを4素子、相対的に高周波のアンテナ素子10bを8素子用いることで、2−4−4−2列を形成した全部で12素子のアレイアンテナ20を実現する。 FIG. 3 is a plan view of a broadband array antenna using the antenna element of FIG. The array antenna 20 uses 12 elements of relatively low frequency antenna elements 10a and 8 elements of relatively high frequency antenna elements 10b, thereby forming an array of 12 elements in total in a 2-4-2-2 row. The antenna 20 is realized.
なお、各アンテナ素子同士は結合が生じるので、アンテナ素子の組み合わせ方法には最適化が必要である。例えば、アレイアンテナ20におけるアンテナ素子10の数は12要素に限定するものではなく、いくつでもよい。また、アンテナ素子10aとアンテナ素子10bとの配置は、アンテナ素子10a同士が隣接状態で配置され、アンテナ素子10b同士が隣接状態で配置されることが望ましい。さらに、アンテナ素子10aとアンテナ素子10bとの素子数の割合は、1:1でもよいし、偏り(非対称である)を生じさせてもよい。 In addition, since each antenna element couple | bonds together, the combination method of an antenna element needs optimization. For example, the number of antenna elements 10 in the array antenna 20 is not limited to 12 elements, and may be any number. The antenna element 10a and the antenna element 10b are preferably arranged so that the antenna elements 10a are adjacent to each other and the antenna elements 10b are adjacent to each other. Furthermore, the ratio of the number of elements of the antenna element 10a and the antenna element 10b may be 1: 1 or may cause a bias (asymmetrical).
図4は、本実施形態に係るアンテナ素子の単体での利得の周波数特性である。アンテナ素子10a及びアンテナ素子10bの最大利得はそれぞれ、2.23dBi、及び3.28dBiであり、帯域はどちらも100GHzである。 FIG. 4 shows frequency characteristics of the gain of the antenna element according to this embodiment. The maximum gains of the antenna element 10a and the antenna element 10b are 2.23 dBi and 3.28 dBi, respectively, and the bands are both 100 GHz.
図5は、本実施形態に係るアレイアンテナにおける利得の周波数特性である。最大利得は12.73dBiであり、帯域は120GHzである。 FIG. 5 shows frequency characteristics of gain in the array antenna according to the present embodiment. The maximum gain is 12.73 dBi and the band is 120 GHz.
図6は、本実施形態に係るアレイアンテナにおける600GHzでの放射パターンを示す図である。図6に示すように、0度方向(集積回路基板内部と反対の方向)に良好な指向性が得られている。 FIG. 6 is a diagram showing a radiation pattern at 600 GHz in the array antenna according to the present embodiment. As shown in FIG. 6, good directivity is obtained in the 0 degree direction (the direction opposite to the inside of the integrated circuit board).
以上のことから、本実施形態に係るアンテナ素子及びアレイアンテナが、複数の共振条件を実現して広帯域化することができ、高い指向性利得を持つことが明らかとなった。 From the above, it has been clarified that the antenna element and the array antenna according to the present embodiment can achieve a wide band by realizing a plurality of resonance conditions and have a high directivity gain.
なお、上記の説明では、600GHzの場合について示したが、設計に用いるパラメータは波長に対する比によって決まるので、他のマイクロ波周波数、ミリ波周波数、及びテラヘルツ波周波数帯で特にその性能を発揮することができる。 In the above description, the case of 600 GHz is shown, but the parameters used for the design are determined by the ratio to the wavelength, so that the performance is particularly exhibited in other microwave frequencies, millimeter wave frequencies, and terahertz wave frequency bands. Can do.
また、アンテナ素子10a及び10bの前部開放端を湾曲としたが、例えば、三角形のテーパー構造や、波線のような構造であっても良い。 Further, although the front open ends of the antenna elements 10a and 10b are curved, for example, a triangular taper structure or a wavy line structure may be used.
さらに、アンテナの素子数は12としたが、集積回路基板の面積が大きい場合は、各アンテナ素子同士の結合を考慮した組み合わせにより、素子数を増やすことができる。 Further, although the number of antenna elements is 12, when the area of the integrated circuit board is large, the number of elements can be increased by a combination that takes into account the coupling between the antenna elements.
さらにまた、アンテナ素子10は、相対的に低周波数のアンテナ素子10a、および相対的に高周波数のアンテナ素子10bの2種類としたが、例えば上記以外に「中心周波数のアンテナ素子」や、アンテナ素子10bよりさらに低周波側のアンテナ素子や、アンテナ素子10aよりさらに高周波側のアンテナ素子を追加して、広帯域化を図ることができる。 Furthermore, the antenna element 10 has two types, a relatively low frequency antenna element 10a and a relatively high frequency antenna element 10b. For example, in addition to the above, “center frequency antenna element” or antenna element By adding an antenna element on the lower frequency side than 10b and an antenna element on the higher frequency side than the antenna element 10a, the bandwidth can be increased.
10(10a,10b) アンテナ素子
20 アレイアンテナ
102 フローティングメタル層
103 インジウムリン基板
104ポリイミド
105 給電電極
106 第1スロット
107 第2スロット
108,109 縁部
10 (10a, 10b) Antenna element 20 Array antenna 102 Floating metal layer 103 Indium phosphide substrate 104 Polyimide 105 Feed electrode 106 First slot 107 Second slot 108, 109 Edge
Claims (4)
平面状の第1金属板と、
第1金属板の平面に対して絶縁材料を介して対向して配設される第2金属板と、
第1金属板に給電する給電部とを備え、
第1金属板に、第1の方向に延在する直線状の第1スロットと、第1の方向と反対の第2の方向に延在する直線状の第2スロットとを有し、第1スロットの直線に対向する第1金属板の縁部が湾曲し、第2スロットの直線に対向する第1金属板の縁部が湾曲しているアンテナ素子。 The antenna element according to claim 1, wherein
A planar first metal plate;
A second metal plate disposed opposite to the plane of the first metal plate via an insulating material;
A power feeding unit for feeding power to the first metal plate,
The first metal plate has a linear first slot extending in a first direction and a linear second slot extending in a second direction opposite to the first direction, An antenna element in which the edge of the first metal plate facing the straight line of the slot is curved and the edge of the first metal plate facing the straight line of the second slot is curved.
複数の異なる周波数を持つアンテナを同位相で接続するアレイアンテナ。 An array antenna using the antenna element according to claim 1 or 2,
An array antenna that connects multiple antennas with different frequencies in the same phase.
第1スロット及び第2スロットから、湾曲している前記第1金属板の縁部までの距離が相対的に長い複数の第1アンテナ素子と、相対的に短い複数の第2アンテナ素子とが格子状に複数配列されたアレイアンテナ。 The multi-antenna according to claim 3,
A plurality of first antenna elements having relatively long distances from the first slot and the second slot to the edge of the curved first metal plate and a plurality of relatively short second antenna elements are latticed. Array antennas arranged in multiple shapes.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Written amendment |
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