JP3682371B2

JP3682371B2 - Tapered slot antenna and antenna array

Info

Publication number: JP3682371B2
Application number: JP13192098A
Authority: JP
Inventors: 悟菅原; 皓司水野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2018-05-14
Also published as: JPH11330846A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は移動体通信機器や小型情報端末、その他平面アンテナを内蔵する無線装置へ応用可能なテーパードスロットアンテナおよびアンテナアレイに関し、より詳細には、テーパードスロットアンテナの指向性の向上と小型化とを容易に達成することができるようにすると共に、テーパードスロットアンテナのＥ面およびＨ面の指向性を独立に、かつ、連続的に変化させることができるようにしたテーパードスロットアンテナおよびアンテナアレイに関する。
【０００２】
【従来の技術】
平面アンテナの一形態であるテーパードスロットアンテナは、スロットラインのスロット幅が傾きを持って（テーパー状に）広くなる構造を備え、アンテナ面に対して平行な方向（スロットラインの進行方向）に電磁波を放射するものである。以下では、テーパードスロットアンテナのことを単に平面アンテナと記述することにする。
【０００３】
図１８は、従来の平面アンテナの一例を示す上面図である。図１８に示す平面アンテナ９０は、誘電体からなる基板１１と、基板１１上に形成され、電磁波を放射または入射するテーパー状スロット部１３を有する導体部１２とを用いて構成されている。テーパー状スロット部１３は、入力部１３ａと、曲線部１３ｂと、開口部１３ｃとから構成される。この平面アンテナ１０のアンテナ長は４波長、開口部１３ｃの幅は１波長、開口部１３ｃの端部（アンテナ開口端）とアンテナ端との間の長さＤ₁，Ｄ₂はそれぞれ２波長である。なお、図１８において、１６は、コプレーナー線路の給電線１７にモード変換するバランを示している。
【０００４】
この平面アンテナ９０は、構造がスロットラインと同様であるため、マイクロストリップラインのように裏面に接地導体を必要とせず、ユニプレーナー構造の給電線や整合回路と容易に一体化させることができるという特徴を有している。
【０００５】
ところが、平面アンテナ９０は、アンテナの大きさ、特にアンテナの幅について次のような制限がある。一般に、平面アンテナ９０の開口部１３ｃの幅は１波長程度であるが、開口部１３ｃの端部からアンテナ端部までの長さＤ₁，Ｄ₂はそれぞれ２波長程度必要であるといわれている。もし、開口部１３ｃの端部からアンテナ端部までの長さＤ₁，Ｄ₂を２波長より短くした場合には、平面アンテナ９０の指向性が劣化するといわれている。
【０００６】
例えば、Ramakrishna Janaswamy and Daniel H. Schaubert,“Analysis of the Tapered Slot Antenna IEEE" Trans on Antennas and Propagation, Vol. AP-35, No.9, 1987 p.1058-1065には、上述したように、開口部１３ｃの端部からアンテナ端までの長さを短くしていくと、平面アンテナ９０の指向性が劣化するという例が開示されている。また、この論文によれば、開口部１３ｃの端部からアンテナ端までの長さを一定に保った状態で、アンテナの中心からアンテナ端までの長さが３波長以上あれば、アンテナ端の影響は無視でき、アンテナの指向性を良好に保つことができる旨が開示されている。
【０００７】
このように、従来の平面アンテナでは、開口部１３ｃの幅は１波長程度であるが、開口部１３ｃの端部からアンテナ端部までの長さＤ₁，Ｄ₂はそれぞれ２波長程度必要であるため、平面アンテナ全体の幅が５波長程度と大きなものになっていた。換言すれば、指向性を維持することを考慮すると、平面アンテナの小型化を図ることは困難であった。
【０００８】
そのため、導体部１２の電磁波の放射方向に平行な両側端にコルゲート構造を設けた平面アンテナが提案されている(Satoru Sugawara, Yutaka Maita, Kazuhiko Adachi, Koji Mori, and Koji Mizuno,“A MM-WAVE TAPERED SLOT ANTENNA WITH IMPROVED RADIATION PATTERN" IEEE 1997 MTT-S IMS Digest pp.959)。このように、導体部１２にコルゲート構造を設けることにより、平面アンテナの開口部１３ｃの端部からアンテナ端までの長さＤ₁，Ｄ₂を短くした場合であっても、指向性が劣化しないアンテナが実現可能となる。
【０００９】
以上では、平面アンテナのサイズと指向性との関係について説明したが、以下では、平面アンテナの指向性を制御するための従来の方法について説明する。平面アンテナの指向性を変える（制御する）ための方法としては以下の３つが知られている。
【００１０】
第１の方法は、平面アンテナのテーパー状スロット部の形状を変えることにより指向性を変えるというものである。標準的な平面アンテナとして知られている図１９に示すＬＴＳＡ(Linearly Tapered Slot Antenna) と比較した場合、図２０に示すｖｉｖａｌｄｉ(exponentially tapered slot antenna)はより広い指向性を持つ傾向があることが知られており、また、図２１に示すＣＷＳＡ(Constant Width Slot Antenna) はより狭い指向性を持つ傾向があることが知られている。
【００１１】
また、第２の方法は、平面アンテナのアンテナ長を変えることにより指向性を変えるというものである。平面アンテナのアンテナ長を変えることにより指向性を変えるということは、平面アンテナが進行波型のアンテナであることに由来するものである。
【００１２】
さらに、第３の方法は、平面アンテナの基板幅を短くすることにより、指向性を変えるというものである。すなわち、この第３の方法は、平面アンテナの基板幅を短くすると、Ｅ面の指向性が狭くなるという傾向を利用するものである。なお、平面アンテナの基板幅とＥ面の指向性との関係については、上記論文において、ＪａｎａｓｗａｍｙおよびＳｃｈａｕｂｅｒｔによって指摘されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記コルゲート構造を有する平面アンテナにおいては、平面アンテナの開口部の端部からアンテナ端までの長さをそれぞれ短くした場合であっても、指向性が劣化しないアンテナが実現可能であるというものの、どのようなコルゲート構造を形成すれば指向性の劣化を効果的に防止することができるのかが未だ明らかにされていないため、コルゲート構造を有する平面アンテナを容易に製造することができず、平面アンテナの小型化を図ることは困難であるという問題点があった。そのため、複数の平面アンテナを配列して構成したアンテナアレイについても、コルゲート構造を設けて小型化を図ることは困難であった。
【００１４】
また、平面アンテナの指向性を変えるための第１の方法にあっては、大まかに指向性を変えることができるものの、指向性を連続的に変化させることは非常に困難であるため、所望の指向性を有する平面アンテナを得ることは困難であるという問題点があった。
【００１５】
また、平面アンテナの指向性を変えるための第２の方法にあっては、指向性を連続的に変化させることは可能であるが、Ｅ面およびＨ面の指向性が同時に変化してしまうため、Ｅ面およびＨ面のいずれか一方の指向性を独立して制御することはできないという問題点があった。加えて、指向性を狭くするためには平面アンテナのアンテナ長を長くしなければならないため、平面アンテナの小型化を図ることが困難となるという問題点があった。
【００１６】
さらに、平面アンテナの指向性を変えるための第３の方法にあっては、基板幅を狭くすることによってＥ面のみの指向性を狭くすることができるものの、それに伴ってＥ面およびＨ面のサイドロブレベルが高くなるため、この方法を実際に利用することは困難であるという問題点があった。
【００１７】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、指向性の劣化を効果的に防止することができるコルゲート構造がどのようなものかを明らかにすることにより、平面アンテナおよびアンテナアレイの小型化を容易に達成し、小型の平面アンテナおよびアンテナアレイを容易に製造することができるようにすることを第１の目的とする。
【００１８】
また、本発明は上記に鑑みてなされたものであって、平面アンテナのテーパードスロット部の形状や平面アンテナ自身の大きさを変化させることなく、平面アンテナのＥ面およびＨ面の指向性を独立に、かつ、連続的に変化させることができるようにして、所望の指向性を有する平面アンテナおよびアンテナアレイを容易に製造することができるようにすることを第２の目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる発明は、導体部を備え、前記導体部は、電磁波を放射または入射するテーパー状スロット部を有し、前記テーパー状スロット部は、電磁波が放射または入射する側に開口する開口部を有し、前記開口部に向かってスロットラインのスロット幅が広くなるように形成されたテーパードスロットアンテナにおいて、前記導体部は、さらに電磁波の放射方向に平行な両側端の導体を周期的に矩形状に取り除いた複数の溝からなるコルゲート構造を備え、前記導体部における前記テーパー状スロット部の開口部の端部から前記導体部の端部までの長さは、前記テーパー状スロット部の開口部の端部から前記導体部の端部までの長さをＤ、自由空間での電磁波の波長をλ ₀ とした場合に、Ｄ≦２λ ₀ の関係で形成され、前記コルゲート構造の溝の深さは、前記コルゲート構造の溝の深さをＣＬとした場合に、０．０５λ ₀ ≦ＣＬの関係で形成されること、を特徴とする。
【００２０】
また、請求項２にかかる発明は、請求項１に記載のテーパードスロットアンテナにおいて、前記コルゲート構造の溝の深さは、さらに０．０５λ ₀ ≦ＣＬ≦０．１５λ ₀ の関係で形成されることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項３にかかる発明は、請求項１または２に記載のテーパードスロットアンテナにおいて、前記導体部における前記テーパー状スロット部の開口部の端部から前記導体部の端部までの長さおよび前記コルゲート構造の溝の深さは、さらにＤ−ＣＬ≧０．１λ ₀ の関係で形成されることを特徴とする。
【００２２】
さらに、請求項４にかかる発明は、請求項１〜３のいずれか一つに記載のテーパードスロットアンテナを同一平面上に複数配列して構成したことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るテーパードスロットアンテナおよびアンテナアレイの実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２４】
〔実施の形態１〕
実施の形態１においては、平面アンテナについて説明する。図１は、実施の形態１に係る平面アンテナの上面図である。図１に示す平面アンテナ１０は、誘電体からなる基板１１と、基板１１上に形成され、電磁波を放射または入射するテーパー状スロット部１３を有する導体部１２とを用いて構成されている。テーパー状スロット部１３は、入力部１３ａと、曲線部１３ｂと、開口部１３ｃとから構成される。また、導体部１２の電磁波の放射方向に平行な両側端には、導体部１２を周期的に矩形状に取り除いて形成された複数の溝からなるコルゲート構造部１４が設けられている。なお、図１において、１６は、コプレーナー線路の給電線１７にモード変換するバランを示している。
【００２５】
図２は、図１中の領域Ａの拡大図であり、コルゲート構造部１４を説明するためのものである。図２において、２０は基板１１上の導体部１２を周期的に矩形状に取り除くことによって形成されたコルゲート構造部１４を構成する溝を示し、ＣＬ(Corrugation Length)は溝２０の深さを、ＣＷ(Corrugation Width) は溝２０の幅をそれぞれ示している。
【００２６】
つぎに、コルゲート構造部１４をどのように構成するかについて詳細に説明する。本発明の発明者は、コルゲート構造部１４をどのように構成することが平面アンテナ１０の指向性の向上を図るために効果的かを確認するため、コルゲート構造部１４を構成する溝２０の深さＣＬおよび幅ＣＷの寸法がそれぞれ異なる複数の平面アンテナ１０を作製し、それぞれの特性を調べる実験を行った。以下に、（１）溝２０の深さＣＬを変化させた場合の実験結果，（２）溝２０の幅ＣＷを変化させた場合の実験結果，（３）結論の順で本発明の発明者が行った実験について詳細に説明することにより、コルゲート構造部１４の構成について説明する。
【００２７】
（１）溝２０の深さＣＬを変化させた場合の実験結果
▲１▼ ＣＬ実験１
本実験に使用した平面アンテナは、図１および図２に示したものと同様の形状であり、厚さ５０μｍのポリイミド（カプトン）からなる基板１１と、基板１１上に積層された厚さ５μｍの銅のパターン（導体部１２）とで形成されている。寸法については、設計周波数６０ＧＨｚの自由空間での波長５ｍｍをλ₀とし、平面アンテナ全体の長さを５λ₀，幅を２λ₀とし、テーパー状スロット部１３の長さを４λ₀，開口部１３ｃの幅をλ₀，開口端から基板端までの長さＤ₁およびＤ₂をそれぞれ０．５λ₀とした（この場合において、λ₀は５ｍｍに該当する）。なお、以下の説明において、平面アンテナの寸法について特に明示しない寸法は上記寸法と同一である。
【００２８】
ここでは、コルゲート構造部１４における溝２０の幅ＣＷを０．０４λ₀とし、溝２０の深さＣＬについて自由空間での波長λ₀の０〜０．４倍の範囲で異なるように作製した各平面アンテナの指向性をそれぞれ測定し、溝２０の深さＣＬを自由空間での波長λ₀の０〜０．４（一部０〜０．２５倍）倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化について検討した。なお、ＣＬが自由空間での波長λ₀の０倍の平面アンテナとは、コルゲート構造部１４がない平面アンテナを意味する。
【００２９】
図３〜図６は、アンテナ指向性についての測定結果の例を示すグラフである。ここで、図３はＣＬ＝０λ₀の場合を、図４はＣＬ＝０．０２λ₀の場合を、図５はＣＬ＝０．０８λ₀の場合を、図６はＣＬ＝０．２λ₀の場合をそれぞれ示し、各図において、（ａ）はＥ面についての測定結果を、（ｂ）はＨ面についての測定結果をそれぞれ示している。
【００３０】
図７は、指向性の測定結果から得たＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。この図７より、０．１５λ₀≦ＣＬでは１０ｄＢビーム幅はほぼ一定の値となり、一方、ＣＬ≦０．１５λ₀ではＥ面の１０ｄＢビーム幅が大きく変化しており、ＣＬの寸法を変化させることによりＥ面の指向性を制御することが可能であることがわかる。
【００３１】
▲２▼ ＣＬ実験２
ここでは、コルゲート構造部１４における溝２０の幅ＣＷを０．０８λ₀とし、溝２０の深さＣＬについて自由空間での波長λ₀の０〜０．４倍の範囲で異なるように作製した各平面アンテナの指向性をそれぞれ測定し、溝２０の深さＣＬを自由空間での波長λ₀の０〜０．４倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化について検討した。
【００３２】
図８は、ＣＬ実験２のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。この図８においても、図７の場合と同様に、０．１５λ₀≦ＣＬでは１０ｄＢビーム幅はほぼ一定の値となり、一方、ＣＬ≦０．１５λ₀ではＥ面の１０ｄＢビーム幅が大きく変化しており、ＣＬの寸法を変化させることによりＥ面の指向性を制御することが可能であることがわかる。
【００３３】
▲３▼ ＣＬ実験３
ここでは、平面アンテナの開口端から基板端までの長さＤ₁およびＤ₂をそれぞれ０．４λ₀、コルゲート構造部１４における溝２０の幅ＣＷを０．０４λ₀とし、溝２０の深さＣＬについて自由空間での波長λ₀の０〜０．２５倍の範囲で異なるように作製した各平面アンテナの指向性をそれぞれ測定し、溝２０の深さＣＬを自由空間での波長λ₀の０〜０．２５倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化について検討した。
【００３４】
図９は、ＣＬ実験３のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。この図９においても、図７および図８の場合と同様に、０．１５λ₀≦ＣＬでは１０ｄＢビーム幅はほぼ一定の値となり、一方、ＣＬ≦０．１５λ₀ではＥ面の１０ｄＢビーム幅が大きく変化しており、ＣＬを変化させることによりＥ面の指向性を制御することが可能であることがわかる。また、平面アンテナの開口端から基板端までの長さＤ₁およびＤ₂の寸法を変化させても、Ｅ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化に対する影響がほとんどないことがわかる。
【００３５】
▲４▼ ＣＬ実験４
ここでは、平面アンテナのテーパー状スロット部１３の長さを５λ₀、コルゲート構造部１４の溝２０の幅ＣＷを０．０４λ₀とし、溝２０の深さＣＬについて自由空間での波長λ₀の０〜０．４倍の範囲で異なるように作製した各平面アンテナの指向性をそれぞれ測定し、溝２０の深さＣＬを自由空間での波長λ₀の０〜０．４倍に変化させた場合におけるＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化について検討した。
【００３６】
図１０は、ＣＬ実験４のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。この図１０においても、図７〜図９の場合と同様に、０．１５λ₀≦ＣＬでは１０ｄＢビーム幅はほぼ一定の値となり、一方、ＣＬ≦０．１５λ₀ではＥ面の１０ｄＢビーム幅が大きく変化しており、ＣＬを変化させることによりＥ面の指向性を制御することが可能であることがわかる。また、平面アンテナのテーパー状スロット部１３の長さの寸法を変化させても、Ｅ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化に対する影響がほとんどないことがわかる。
【００３７】
▲５▼ ＣＬ実験１〜４のまとめ
ＣＬ実験１〜４において、様々な条件の下、溝２０の深さＣＬの寸法を変化させてＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化を検討した結果、いずれの場合においてもほぼ同様の変化を示し、Ｅ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化は溝２０の深さＣＬの寸法に依存することがわかった。
【００３８】
また、図１１は、上記実験に用いた平面アンテナの指向性のサイドロブレベルをまとめて示したグラフであり、図１１（ａ）はＥ面におけるサイドロブレベルを、図１１（ｂ）はＨ面におけるサイドロブレベルをそれぞれ示している。この図１１より、ＣＬ≦０．０５λ₀の場合、Ｅ面のサイドロブレベルが非常に高くなることがわかる。
【００３９】
したがって、以上の実験結果より、
▲１▼ ＣＬ≦０．０５λ₀
Ｅ面のサイドロブレベルが非常に高くなってしまう領域
▲２▼ ０．０５λ₀≦ＣＬ≦０．１５λ₀
Ｅ面のサイドロブレベルが低く、Ｅ面の指向性をＣＬにより制御可能である領域
▲３▼ ０．１５λ₀≦ＣＬ
Ｅ面のサイドロブレベルが低く、Ｅ面の指向性がほぼ一定の領域
ということがわかる。
【００４０】
（２）溝２０の幅ＣＷを変化させた場合の実験結果
▲１▼ ＣＷ実験１
ここでは、コルゲート構造部１４の溝２０の深さＣＬをＣＬ＝０．２λ₀とし、溝２０の幅ＣＷについて自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍の範囲で異なるように作製した各平面アンテナの指向性を測定し、溝２０の幅ＣＷを自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化について検討した。
【００４１】
図１２は、ＣＷ実験１のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。この図１２により、溝２０の幅ＣＷに対するＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の依存性はほとんど認められないことがわかる。
【００４２】
▲２▼ ＣＷ実験２
ここでは、コルゲート構造部１４の溝２０の深さＣＬをＣＬ＝０．１５λ₀とし、溝２０の幅ＣＷについて自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍の範囲で異なるように作製した各平面アンテナの指向性を測定し、溝２０の幅ＣＷを自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化について検討した。
【００４３】
図１３は、ＣＷ実験２のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。この図１３においても、図１２と同様に、溝２０の幅ＣＷに対するＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の依存性はほとんど認められないことがわかる。
【００４４】
▲３▼ ＣＷ実験３
ここでは、平面アンテナの開口端から基板端までの長さＤ₁およびＤ₂をそれぞれ０．４λ₀、コルゲート構造部１４の溝２０の深さＣＬをＣＬ＝０．２λ₀とし、溝２０の幅ＣＷについて自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍の範囲で異なるように作製した各平面アンテナの指向性を測定し、溝２０の幅ＣＷを自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化について検討した。
【００４５】
図１４は、ＣＷ実験３のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。この図１４においても、図１２および図１３と同様に、溝２０の幅ＣＷに対するＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の依存性はほとんど認められないことがわかる。
【００４６】
▲４▼ ＣＷ実験４
ここでは、平面アンテナのテーパー状スロット部１３の長さを５λ₀、コルゲート構造部１４の溝２０の深さＣＬをＣＬ＝０．２λ₀とし、溝２０の幅ＣＷについて自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍の範囲で異なるように作製した各平面アンテナの指向性を測定し、溝２０の幅ＣＷを自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化について検討した。
【００４７】
図１５は、ＣＷ実験４のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。この図１５においても、図１２〜図１５と同様に、溝２０の幅ＣＷに対するＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の依存性はほとんど認められないことがわかる。
【００４８】
▲５▼ ＣＷ実験１〜４のまとめ
図１６は、ＣＷ実験１〜４で用いた平面アンテナの指向性のサイドロブレベルをまとめて示したグラフであり、図１６（ａ）はＥ面におけるサイドロブレベルを、図１６（ｂ）はＨ面におけるサイドロブレベルをそれぞれ示している。図１２〜図１５に示した１０ｄＢビーム幅および図１６に示したサイドロブレベルともに、溝２０の幅ＣＷに依存して変化するという明らかな傾向は認められないことがわかった。
【００４９】
（３）結論
以上の実験結果より、溝２０の深さＣＬを（１）０．０５λ₀≦ＣＬ（より好ましくは０．１５λ₀≦ＣＬ）とすることにより、Ｅ面のサイドロブレベルを低く抑えることができ、また、（２）０．０５λ₀≦ＣＬ≦０．１５λ₀とすることにより、Ｅ面のサイドロブレベルを低く押さえつつ、Ｅ面の指向性をＣＬにより制御することが可能であるという結論を得ることができた。この（２）の結論は、図５（ａ）および図６（ａ）を比較すると良く理解することができる。ここで図５（ａ）はＣＬ＝０．０８λ₀、図６（ａ）はＣＬ＝０．２λ₀の場合の平面アンテナのＥ面における指向性をそれぞれ示しており、図５（ａ）の場合が上記（２）の結論を満たす平面アンテナに該当する。両方の図を比較すると、ＣＬ＝０．０８λ₀（図５（ａ））にした平面アンテナのＥ面の指向性は、ＣＬ＝０．２λ₀（図６（ａ））のものと比べて狭くなっており、ＣＬでＥ面の指向性を制御可能であることが明確に理解できる。また、平面アンテナの指向性はＣＬのみに依存し、平面アンテナの他の部分の寸法には影響を受けないという結論も得ることができた。
【００５０】
ただし、溝２０の深さＣＬの寸法は、平面アンテナ本来の機能を考えると、当然のことながら開口端から基板端までの長さＤ₁およびＤ₂より長くすることはできない。そのため、溝２０がアンテナ本来の機能を妨げないようにするためには、少なくともＤ−ＣＬ≧０．１λ₀（ＤはＤ₁およびＤ₂を指す）程度の寸法的な余裕が必要となる。
【００５１】
このように、実施の形態１に係る平面アンテナによれば、コルゲート構造部１４における溝２０の深さＣＬを０．０５λ₀≦ＣＬとすることにより、Ｅ面のサイドロブレベルを低く抑えることができるため、平面アンテナ１０の指向性の劣化を防止することができる。換言すれば、コルゲート構造部１４における溝２０の深さＣＬが０．０５λ₀≦ＣＬとなるように平面アンテナ１０を作製することにより、指向性を劣化させることなく平面アンテナ１０の開口部１３ｃからアンテナ端の長さＤ₁，Ｄ₂を短くして小型化した平面アンテナ１０を容易に製造することができる。
【００５２】
また、コルゲート構造部１４における溝２０の深さＣＬを０．０５λ₀≦ＣＬ≦０．１５λ₀とすることにより、Ｈ面の指向性に影響を与えることなく、Ｅ面の指向性のみを連続的に変化させることができる。したがって、所望の指向性を有する平面アンテナを容易に製造することができる。加えて、コルゲート構造部１４における溝２０の深さＣＬを０．０５λ₀≦ＣＬ≦０．１５λ₀とすることにより、Ｅ面のサイドロブレベルを低く抑えることができるため、平面アンテナ１０の指向性の劣化を防止することができる。
【００５３】
なお、上述した実施の形態１に係る平面アンテナ１０において、コルゲート構造部１４における溝２０の深さＣＬは、アンテナ両側端で同一でなくても良い。すなわち、コルゲート構造部１４の形状は、非対象的な関係であっても良い。こうすることにより、様々な特性を有する平面アンテナ１０を得ることができる。
【００５４】
〔実施の形態２〕
本発明の実施の形態２においては、実施の形態１で説明したコルゲート構造部を有する平面アンテナ１０を適用したアンテナアレイについて説明する。
【００５５】
図１７は、実施の形態２に係るアンテナアレイの上面図である。図１７に示すアンテナアレイ８０は、同一基板上に実施の形態１で説明したコルゲート構造部を有する平面アンテナ１０が複数形成されたものである。すなわち、誘電体からなる基板８１と、基板８１上に形成され、電磁波を放射または入射する複数のテーパー状スロット部８２を有する導体部８２とによって、複数の平面アンテナ１０が形成されたものである。また、導体部８２における各平面アンテナ１０の間には、コルゲート構造部８４が設けられたスリット８３が形成されている。
【００５６】
図１７に示すアンテナアレイ８０は、厚さ５０μｍのカプトンからなる基板８１と、基板８１上に積層された厚さ５μｍの銅からなる導体部８２とを用いて形成されている。各平面アンテナ１０の設計周波数を６０ＧＨｚとし、アンテナ長は２０ｍｍ（４λ₀）、開口部８５の幅は５ｍｍ（λ₀）、隣接する平面アンテナの開口部８５の端部間の長さＤ₃は５ｍｍ（λ₀）である。さらに、各平面アンテナ１０間に設けられたスリット８３は、幅が２００μｍ（０．０４λ₀）、長さが２０ｍｍ（４λ₀）であって、スリット８３の両側に設けられたコルゲート構造部８４は、幅ＣＷが０．２ｍｍ（０．０４λ₀）で深さＣＬが０．４ｍｍ（０．０８λ₀）の溝を０．４ｍｍ（０．０８λ₀）周期で配列することによって構成されている。
【００５７】
なお、図１７中のアンテナアレイ８０が備える平面アンテナ１０は４つであるが、平面アンテナの数を３つに限定するものではない。また、上記アンテナアレイの寸法は一例を示すものであって、実施の形態１で説明したコルゲート構造部の寸法の条件に従ってアンテナアレイ８０の寸法を変化させることが可能である。
【００５８】
このように、実施の形態２に係るアンテナアレイ８０によれば、実施の形態１に係る平面アンテナ１０を用いたことにより、隣接する平面アンテナ１０の開口部８５の端部間の長さＤ₃を短くした場合であっても、各平面アンテナ１０の指向性が劣化することを防止することができる。すなわち、コルゲート構造部８４の溝の深さＣＬが０．０５λ₀≦ＣＬとなるようにアンテナアレイ８０を形成することにより、隣接する平面アンテナ１０の開口部８５の端部間の長さＤ₃を短くした場合であっても、各平面アンテナ１０の指向性が劣化しないようにすることができ、アンテナアレイの小型化を容易に達成することができる。
【００５９】
また、コルゲート構造部８４における溝の深さＣＬを０．０５λ₀≦ＣＬ≦０．１５λ₀の範囲で変化させることにより、各平面アンテナ１０について、Ｈ面の指向性に影響を与えることなく、Ｅ面の指向性をのみを制御することができる。したがって、所望の指向性を有するアンテナアレイを容易に製造することができる。
【００６０】
なお、本発明に係る平面アンテナおよびアンテナアレイは、実施の形態１および２で説明した構成に限定されるものではなく、アンテナ形状や材質、動作周波数等、用途によって適宜変更可能なものである。また、実施の形態１および２においては、矩形の溝でコルゲート構造部を構成することにしているが、指向性の劣化を防止する機能を有する形状であれば、矩形以外の形状の溝でコルゲート構造部を構成しても良いことは明らかである。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１にかかる発明によれば、導体部におけるテーパー状スロット部の開口部の端部から導体部の端部までの長さは、テーパー状スロット部の開口部の端部から導体部の端部までの長さをＤ、自由空間での電磁波の波長をλ ₀ とした場合に、Ｄ≦２λ ₀ の関係で形成され、コルゲート構造の溝の深さは、コルゲート構造の溝の深さをＣＬとした場合に、０．０５λ ₀ ≦ＣＬの関係で形成されることにより、テーパードスロットアンテナの開口部からアンテナ端の長さを短くしてもテーパードスロットアンテナの指向性の劣化を防止することができるため、小型のテーパードスロットアンテナを容易に製造することができる。
【００６２】
また、請求項２にかかる発明によれば、コルゲート構造の溝の深さは、さらに０．０５λ ₀ ≦ＣＬ≦０．１５λ ₀ の関係で形成されることにより、Ｈ面の指向性に影響を与えることなく、Ｅ面の指向性のみを連続的に変化させることができるため、所望の指向性を有するテーパードスロットアンテナを容易に製造することができ、また、テーパードスロットアンテナの開口部からアンテナ端の長さを短くしてもテーパードスロットアンテナの指向性の劣化を防止することができるため、小型のテーパードスロットアンテナを容易に製造することができる。
【００６３】
また、請求項３にかかる発明によれば、導体部におけるテーパー状スロット部の開口部の端部から導体部の端部までの長さおよびコルゲート構造の溝の深さは、さらにＤ−ＣＬ≧０．１λ ₀ の関係で形成されることにより、コルゲート構造を設けたことを原因としてアンテナ本来の機能を妨げることを防止することができる。
【００６４】
さらに、請求項４にかかる発明によれば、請求項１〜３のいずれか一つに記載のテーパードスロットアンテナを同一平面上に複数配列して構成したことにより、小型のアンテナアレイを容易に製造することができると共に、各テーパードスロットアンテナについて、Ｈ面の指向性に影響を与えることなく、Ｅ面の指向性をのみを変化させたアンテナアレイを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナの上面図である。
【図２】図１中の領域Ａの拡大図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＬ実験１におけるアンテナ指向性についての測定結果の例を示すグラフである（ＣＬ＝０λ₀）。
【図４】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＬ実験１におけるアンテナ指向性についての測定結果の例を示すグラフである（ＣＬ＝０．０２λ₀）。
【図５】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＬ実験１におけるアンテナ指向性についての測定結果の例を示すグラフである（ＣＬ＝０．０８λ₀）。
【図６】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＬ実験１におけるアンテナ指向性についての測定結果の例を示すグラフである（ＣＬ＝０．２λ₀）。
【図７】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＬ実験１において、溝の深さＣＬを自由空間での波長λ₀の０〜０．４倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＬ実験２において、溝の深さＣＬを自由空間での波長λ₀の０〜０．４倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＬ実験３において、溝の深さＣＬを自由空間での波長λ₀の０〜０．２５倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＬ実験４において、溝の深さＣＬを自由空間での波長λ₀の０〜０．４倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＬ実験１〜４で用いた各平面アンテナの指向性のサイドロブレベルを示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＷ実験１において、溝の深さＣＷを自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。
【図１３】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＷ実験２において、溝の深さＣＷを自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＷ実験３において、溝の深さＣＷを自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。
【図１５】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＷ実験４において、溝の深さＣＷを自由空間での波長λ₀の０．０４〜０．２倍に変化させた場合のＥ面およびＨ面における１０ｄＢビーム幅の変化の様子を示すグラフである。
【図１６】本発明の実施の形態１に係る平面アンテナのコルゲート構造の構成を特定するために行ったＣＷ実験１〜４で用いた各平面アンテナの指向性のサイドロブレベルを示すグラフである。
【図１７】本発明の実施の形態２に係るアンテナアレイの上面図である。
【図１８】従来の平面アンテナの一例を示す上面図である。
【図１９】従来の平面アンテナ（ＬＴＳＡ）の上面図である。
【図２０】従来の平面アンテナ（ｖｉｖａｌｄｉ）の上面図である。
【図２１】従来の平面アンテナ（ＣＷＳＡ）の上面図である。
【符号の説明】
１０，９０平面アンテナ
１１，８１基板
１２，８２導体部
１３テーパー状スロット部
１３ｃ開口部
１４，８４コルゲート構造部
２０溝
８０アンテナアレイ
８３スリット[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
  The present invention can be applied to mobile communication devices, small information terminals, and other wireless devices incorporating a flat antenna.Tapered slot antennaAnd more about antenna arrays,Tapered slot antennaIn addition to making it easier to achieve improved directivity and downsizing,Tapered slot antennaThe directivity of the E and H planes can be changed independently and continuously.Tapered slot antennaAnd an antenna array.
[0002]
[Prior art]
A tapered slot antenna, which is one form of a planar antenna, has a structure in which the slot width of the slot line is widened with an inclination (in a tapered shape), and electromagnetic waves are parallel to the antenna surface (direction of travel of the slot line). Is radiated. Hereinafter, the tapered slot antenna is simply referred to as a planar antenna.
[0003]
FIG. 18 is a top view showing an example of a conventional planar antenna. A planar antenna 90 shown in FIG. 18 includes a substrate 11 made of a dielectric and a conductor portion 12 formed on the substrate 11 and having a tapered slot portion 13 that radiates or enters an electromagnetic wave. The tapered slot portion 13 includes an input portion 13a, a curved portion 13b, and an opening portion 13c. The planar antenna 10 has an antenna length of four wavelengths, a width of the opening 13c of one wavelength, and a length D between the end of the opening 13c (antenna opening end) and the antenna end.₁, D₂Are each two wavelengths. In FIG. 18, reference numeral 16 denotes a balun that performs mode conversion to the feeder line 17 of the coplanar line.
[0004]
Since the planar antenna 90 has the same structure as the slot line, it does not require a ground conductor on the back surface unlike the microstrip line, and can be easily integrated with a uniplanar structure feeder line and matching circuit. It has characteristics.
[0005]
However, the planar antenna 90 has the following restrictions on the size of the antenna, particularly the width of the antenna. In general, the width of the opening 13c of the planar antenna 90 is about one wavelength, but the length D from the end of the opening 13c to the end of the antenna is D.₁, D₂It is said that each needs about two wavelengths. If the length D from the end of the opening 13c to the end of the antenna is D₁, D₂Is shorter than two wavelengths, the directivity of the planar antenna 90 is said to deteriorate.
[0006]
For example, Ramakrishna Janaswamy and Daniel H. Schaubert, “Analysis of the Tapered Slot Antenna IEEE” Trans on Antennas and Propagation, Vol. AP-35, No. 9, 1987 p.1058-1065 An example is disclosed in which the directivity of the planar antenna 90 deteriorates as the length from the end of the portion 13c to the end of the antenna is shortened. Further, according to this paper, if the length from the end of the opening 13c to the antenna end is kept constant and the length from the center of the antenna to the antenna end is 3 wavelengths or more, the influence of the antenna end Is negligible, and it is disclosed that the directivity of the antenna can be kept good.
[0007]
Thus, in the conventional planar antenna, the width of the opening 13c is about one wavelength, but the length D from the end of the opening 13c to the antenna end is D.₁, D₂Each requires about 2 wavelengths, so the width of the entire planar antenna is as large as about 5 wavelengths. In other words, it is difficult to reduce the size of the planar antenna in consideration of maintaining directivity.
[0008]
For this reason, planar antennas having corrugated structures at both ends parallel to the electromagnetic wave radiation direction of the conductor 12 have been proposed (Satoru Sugawara, Yutaka Maita, Kazuhiko Adachi, Koji Mori, and Koji Mizuno, “A MM-WAVE”). TAPERED SLOT ANTENNA WITH IMPROVED RADIATION PATTERN "IEEE 1997 MTT-S IMS Digest pp.959). Thus, by providing the conductor portion 12 with a corrugated structure, the length D from the end portion of the opening portion 13c of the planar antenna to the antenna end is set.₁, D₂Even when the length is shortened, it is possible to realize an antenna whose directivity does not deteriorate.
[0009]
Although the relation between the size of the planar antenna and the directivity has been described above, a conventional method for controlling the directivity of the planar antenna will be described below. The following three methods are known for changing (controlling) the directivity of a planar antenna.
[0010]
The first method is to change the directivity by changing the shape of the tapered slot portion of the planar antenna. When compared with the LTSA (Linearly Tapered Slot Antenna) shown in FIG. 19, which is known as a standard planar antenna, it is known that the vitaldi (exponentially tapered slot antenna) shown in FIG. 20 tends to have a wider directivity. Further, it is known that CWSA (Constant Width Slot Antenna) shown in FIG. 21 tends to have narrower directivity.
[0011]
The second method is to change the directivity by changing the antenna length of the planar antenna. Changing the directivity by changing the antenna length of the planar antenna is derived from the fact that the planar antenna is a traveling wave type antenna.
[0012]
Furthermore, the third method is to change the directivity by shortening the substrate width of the planar antenna. That is, this third method uses the tendency that the directivity of the E plane becomes narrower when the substrate width of the planar antenna is shortened. Note that the relationship between the substrate width of the planar antenna and the directivity of the E plane has been pointed out by Janswamy and Schaubert in the above paper.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the planar antenna having the corrugated structure, it is possible to realize an antenna in which directivity does not deteriorate even when the length from the end of the opening of the planar antenna to the antenna end is shortened. However, since it has not yet been clarified what corrugated structure can be used to effectively prevent the deterioration of directivity, a planar antenna having a corrugated structure cannot be easily manufactured. There is a problem that it is difficult to reduce the size of the antenna. Therefore, it has been difficult to reduce the size of an antenna array configured by arranging a plurality of planar antennas by providing a corrugated structure.
[0014]
Further, in the first method for changing the directivity of the planar antenna, although the directivity can be roughly changed, it is very difficult to continuously change the directivity. There is a problem that it is difficult to obtain a planar antenna having directivity.
[0015]
In the second method for changing the directivity of the planar antenna, the directivity can be continuously changed, but the directivity of the E plane and the H plane changes simultaneously. There is a problem that the directivity of any one of the E plane and the H plane cannot be controlled independently. In addition, since the antenna length of the planar antenna has to be increased in order to narrow the directivity, there is a problem that it is difficult to reduce the size of the planar antenna.
[0016]
Furthermore, in the third method for changing the directivity of the planar antenna, the directivity of only the E plane can be narrowed by narrowing the substrate width. Since the side lobe level is high, there is a problem that it is difficult to actually use this method.
[0017]
The present invention has been made in view of the above, and by clarifying what the corrugated structure can effectively prevent the deterioration of directivity, the planar antenna and the antenna array can be miniaturized. It is a first object of the present invention to easily achieve a small planar antenna and an antenna array.
[0018]
In addition, the present invention has been made in view of the above, and the directivity of the E plane and the H plane of the planar antenna can be made independent without changing the shape of the tapered slot portion of the planar antenna or the size of the planar antenna itself. In addition, a second object of the present invention is to make it possible to easily manufacture a planar antenna and an antenna array having desired directivity so that they can be continuously changed.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, claim 1 is provided.The invention further includes a conductor portion, the conductor portion having a tapered slot portion that radiates or enters an electromagnetic wave, and the tapered slot portion has an opening portion that opens to a side where the electromagnetic wave is radiated or incident. In the tapered slot antenna formed so that the slot width of the slot line becomes wider toward the opening, the conductor further has a rectangular shape in which the conductors at both ends parallel to the radiation direction of the electromagnetic wave are periodically rectangular. A corrugated structure comprising a plurality of removed grooves, and the length from the end of the opening of the tapered slot portion to the end of the conductor in the conductor is the end of the opening of the tapered slot. D to the end of the conductor part and the wavelength of the electromagnetic wave in free space λ ₀ In this case, D ≦ 2λ ₀ The depth of the corrugated structure groove is 0.05λ when the depth of the corrugated structure groove is CL. ₀ ≦ CL is formed.
[0020]
  Claim 2The tapered slot antenna according to claim 1, wherein the groove depth of the corrugated structure is further 0.05λ. ₀ ≦ CL ≦ 0.15λ ₀ It is formed by the relationship of this.
[0021]
  Claim 3The tapered slot antenna according to claim 1 or 2, wherein the length of the conductor portion from the end of the tapered slot portion to the end of the conductor portion and the groove of the corrugated structure are defined in the tapered slot antenna. The depth of D-CL ≧ 0.1λ ₀ It is formed by the relationship of this.
[0022]
  Furthermore, claim 4The invention according to the present invention is characterized in that a plurality of tapered slot antennas according to any one of claims 1 to 3 are arranged on the same plane.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, according to the present inventionTapered slot antennaEmbodiments of the antenna array will be described in detail with reference to the drawings.
[0024]
[Embodiment 1]
In Embodiment 1, a planar antenna will be described. FIG. 1 is a top view of the planar antenna according to the first embodiment. A planar antenna 10 shown in FIG. 1 includes a substrate 11 made of a dielectric and a conductor portion 12 formed on the substrate 11 and having a tapered slot portion 13 that radiates or enters an electromagnetic wave. The tapered slot portion 13 includes an input portion 13a, a curved portion 13b, and an opening portion 13c. Further, corrugated structure portions 14 each including a plurality of grooves formed by periodically removing the conductor portions 12 in a rectangular shape are provided at both side ends parallel to the electromagnetic wave radiation direction of the conductor portions 12. In FIG. 1, reference numeral 16 denotes a balun that performs mode conversion to the feeder line 17 of the coplanar line.
[0025]
FIG. 2 is an enlarged view of the region A in FIG. 1 and is for explaining the corrugated structure portion 14. In FIG. 2, reference numeral 20 denotes a groove constituting the corrugated structure portion 14 formed by periodically removing the conductor portion 12 on the substrate 11 into a rectangular shape, and CL (Corrugation Length) denotes the depth of the groove 20. CW (Corrugation Width) indicates the width of the groove 20.
[0026]
Next, how the corrugated structure portion 14 is configured will be described in detail. The inventor of the present invention confirms how the configuration of the corrugated structure portion 14 is effective for improving the directivity of the planar antenna 10, in order to confirm the depth of the groove 20 forming the corrugated structure portion 14. A plurality of planar antennas 10 having different dimensions of the width CL and the width CW were produced, and an experiment was conducted to examine the characteristics of each. The inventors of the present invention are (1) the experimental result when the depth CL of the groove 20 is changed, (2) the experimental result when the width CW of the groove 20 is changed, and (3) the order of conclusion. The structure of the corrugated structure portion 14 will be described by describing in detail the experiments performed by the above.
[0027]
(1) Experimental results when the depth CL of the groove 20 is changed
(1) CL experiment 1
The planar antenna used in this experiment has the same shape as that shown in FIGS. 1 and 2, and a substrate 11 made of polyimide (kapton) having a thickness of 50 μm and a thickness of 5 μm stacked on the substrate 11. It is formed with a copper pattern (conductor portion 12). Regarding the dimensions, a wavelength of 5 mm in a free space with a design frequency of 60 GHz is λ.₀And the length of the entire planar antenna is 5λ.₀, Width 2λ₀And the length of the tapered slot 13 is 4λ.₀, The width of the opening 13c is λ₀, Length D from opening edge to substrate edge₁And D₂Each 0.5λ₀(In this case, λ₀Corresponds to 5 mm). In the following description, the dimensions that are not particularly specified for the dimensions of the planar antenna are the same as the above dimensions.
[0028]
Here, the width CW of the groove 20 in the corrugated structure 14 is set to 0.04λ.₀And the wavelength λ in free space for the depth CL of the groove 20₀The directivity of each planar antenna produced so as to be different in the range of 0 to 0.4 times is measured, and the depth CL of the groove 20 is set to the wavelength λ in free space.₀The change of the 10 dB beam width on the E plane and the H plane when the ratio was changed to 0 to 0.4 times (partially 0 to 0.25 times) was studied. Note that CL is the wavelength λ in free space.₀A planar antenna that is 0 times larger than that means a planar antenna without the corrugated structure 14.
[0029]
3 to 6 are graphs showing examples of measurement results for antenna directivity. Here, FIG. 3 shows CL = 0λ.₀FIG. 4 shows CL = 0.02λ.₀FIG. 5 shows CL = 0.08λ.₀FIG. 6 shows CL = 0.2λ.₀In each figure, (a) shows the measurement result for the E plane, and (b) shows the measurement result for the H plane.
[0030]
FIG. 7 is a graph showing changes in the 10 dB beam width on the E and H planes obtained from the directivity measurement results. From FIG. 7, 0.15λ₀For ≦ CL, the 10 dB beam width is almost constant, while CL ≦ 0.15λ.₀Then, it can be seen that the 10 dB beam width of the E plane changes greatly, and the directivity of the E plane can be controlled by changing the dimension of CL.
[0031]
(2) CL experiment 2
Here, the width CW of the groove 20 in the corrugated structure 14 is set to 0.08λ.₀And the wavelength λ in free space for the depth CL of the groove 20₀The directivity of each planar antenna produced so as to be different in the range of 0 to 0.4 times is measured, and the depth CL of the groove 20 is set to the wavelength λ in free space.₀The change of the 10 dB beam width on the E plane and the H plane when the ratio was changed to 0 to 0.4 times as large as.
[0032]
FIG. 8 is a graph showing changes in the 10 dB beam width on the E and H planes in CL experiment 2. In this FIG. 8, as in the case of FIG.₀For ≦ CL, the 10 dB beam width is almost constant, while CL ≦ 0.15λ.₀Then, it can be seen that the 10 dB beam width of the E plane changes greatly, and the directivity of the E plane can be controlled by changing the dimension of CL.
[0033]
(3) CL experiment 3
Here, the length D from the open end of the planar antenna to the end of the substrate D₁And D₂0.4λ each₀The width CW of the groove 20 in the corrugated structure 14 is 0.04λ.₀And the wavelength λ in free space for the depth CL of the groove 20₀The directivity of each planar antenna produced so as to be different in the range of 0 to 0.25 times is measured, and the depth CL of the groove 20 is set to the wavelength λ in free space.₀The change of the 10 dB beam width on the E plane and the H plane when the ratio was changed to 0 to 0.25 times as large as.
[0034]
FIG. 9 is a graph showing changes in the 10 dB beam width on the E and H planes in CL experiment 3. Also in FIG. 9, as in the case of FIGS.₀For ≦ CL, the 10 dB beam width is almost constant, while CL ≦ 0.15λ.₀Then, it can be seen that the 10 dB beam width of the E plane changes greatly, and the directivity of the E plane can be controlled by changing CL. Also, the length D from the open end of the planar antenna to the end of the substrate₁And D₂It can be seen that there is almost no influence on the change of the 10 dB beam width on the E plane and the H plane even if the dimensions are changed.
[0035]
▲ 4 ▼ CL experiment 4
Here, the length of the tapered slot portion 13 of the planar antenna is 5λ.₀The width CW of the groove 20 of the corrugated structure 14 is 0.04λ.₀And the wavelength λ in free space for the depth CL of the groove 20₀The directivity of each planar antenna produced so as to be different in the range of 0 to 0.4 times is measured, and the depth CL of the groove 20 is set to the wavelength λ in free space.₀The change of the 10 dB beam width on the E plane and the H plane when the ratio was changed to 0 to 0.4 times the above was investigated.
[0036]
FIG. 10 is a graph showing changes in the 10 dB beam width on the E and H planes in CL experiment 4. Also in FIG. 10, as in the case of FIGS.₀For ≦ CL, the 10 dB beam width is almost constant, while CL ≦ 0.15λ.₀Then, it can be seen that the 10 dB beam width of the E plane changes greatly, and the directivity of the E plane can be controlled by changing CL. It can also be seen that changing the length dimension of the tapered slot portion 13 of the planar antenna has almost no effect on the change in the 10 dB beam width on the E and H planes.
[0037]
(5) Summary of CL experiments 1 to 4
In the CL experiments 1 to 4, the change in the depth CL of the groove 20 under various conditions and the change in the 10 dB beam width on the E plane and the H plane were examined. It was found that the change of the 10 dB beam width in the E plane and the H plane depends on the dimension of the depth CL of the groove 20.
[0038]
FIG. 11 is a graph collectively showing the side lobe level of the directivity of the planar antenna used in the experiment. FIG. 11A shows the side lobe level on the E plane, and FIG. Each side lobe level in the plane is shown. From FIG. 11, CL ≦ 0.05λ.₀In the case of, it can be seen that the side lobe level of the E surface becomes very high.
[0039]
Therefore, from the above experimental results,
(1) CL ≦ 0.05λ₀
Area where the side lobe level on the E surface becomes very high
(2) 0.05λ₀≦ CL ≦ 0.15λ₀
Area where the side lobe level on the E plane is low and the directivity of the E plane can be controlled by CL
(3) 0.15λ₀≦ CL
Area where the side lobe level on the E surface is low and the directivity on the E surface is almost constant
I understand that.
[0040]
(2) Experimental results when the width CW of the groove 20 is changed
▲ 1 ▼ CW Experiment 1
Here, the depth CL of the groove 20 of the corrugated structure portion 14 is set to CL = 0.2λ.₀And the wavelength λ in free space for the width CW of the groove 20₀The directivity of each planar antenna produced so as to be different in the range of 0.04 to 0.2 times the same is measured, and the width CW of the groove 20 is set to the wavelength λ in free space.₀The change in the 10 dB beam width on the E plane and the H plane when the ratio was changed to 0.04 to 0.2 times the above was investigated.
[0041]
FIG. 12 is a graph showing how the 10 dB beam width changes on the E and H planes of CW Experiment 1. FIG. From FIG. 12, it can be seen that the dependence of the 10 dB beam width in the E plane and the H plane on the width CW of the groove 20 is hardly recognized.
[0042]
▲ 2 ▼ CW Experiment 2
Here, the depth CL of the groove 20 of the corrugated structure portion 14 is set to CL = 0.15λ.₀And the wavelength λ in free space for the width CW of the groove 20₀The directivity of each planar antenna produced so as to be different in the range of 0.04 to 0.2 times the same is measured, and the width CW of the groove 20 is set to the wavelength λ in free space.₀The change in the 10 dB beam width on the E plane and the H plane when the ratio was changed to 0.04 to 0.2 times the above was investigated.
[0043]
FIG. 13 is a graph showing changes in the 10 dB beam width on the E and H planes of CW experiment 2. Also in FIG. 13, as in FIG. 12, it can be seen that the dependence of the 10 dB beam width on the E plane and the H plane with respect to the width CW of the groove 20 is hardly recognized.
[0044]
▲ 3 ▼ CW Experiment 3
Here, the length D from the open end of the planar antenna to the end of the substrate D₁And D₂0.4λ each₀And the depth CL of the groove 20 of the corrugated structure 14 is CL = 0.2λ.₀And the wavelength λ in free space for the width CW of the groove 20₀The directivity of each planar antenna produced so as to be different in the range of 0.04 to 0.2 times the same is measured, and the width CW of the groove 20 is set to the wavelength λ in free space.₀The change in the 10 dB beam width on the E plane and the H plane when the ratio was changed to 0.04 to 0.2 times the above was investigated.
[0045]
FIG. 14 is a graph showing changes in the 10 dB beam width on the E and H planes of CW Experiment 3. Also in FIG. 14, as in FIGS. 12 and 13, it can be seen that the dependence of the 10 dB beam width on the E plane and the H plane with respect to the width CW of the groove 20 is hardly recognized.
[0046]
▲ 4 ▼ CW Experiment 4
Here, the length of the tapered slot portion 13 of the planar antenna is 5λ.₀And the depth CL of the groove 20 of the corrugated structure 14 is CL = 0.2λ.₀And the wavelength λ in free space for the width CW of the groove 20₀The directivity of each planar antenna produced so as to be different in the range of 0.04 to 0.2 times the same is measured, and the width CW of the groove 20 is set to the wavelength λ in free space.₀The change in the 10 dB beam width on the E plane and the H plane when the ratio was changed to 0.04 to 0.2 times the above was investigated.
[0047]
FIG. 15 is a graph showing how the 10 dB beam width changes in the E and H planes of CW experiment 4. Also in FIG. 15, as in FIGS. 12 to 15, it can be seen that the dependence of the 10 dB beam width on the E plane and the H plane with respect to the width CW of the groove 20 is hardly recognized.
[0048]
(5) Summary of CW Experiments 1-4
FIG. 16 is a graph summarizing the directivity side lobe levels of the planar antennas used in CW Experiments 1 to 4. FIG. 16A shows the side lobe level on the E plane, and FIG. The side lobe levels on the H plane are shown. It has been found that there is no obvious tendency that both the 10 dB beam width shown in FIGS. 12 to 15 and the side lobe level shown in FIG. 16 change depending on the width CW of the groove 20.
[0049]
(3) Conclusion
From the above experimental results, the depth CL of the groove 20 is (1) 0.05λ.₀≦ CL (more preferably 0.15λ₀≦ CL), the side lobe level of the E surface can be kept low, and (2) 0.05λ₀≦ CL ≦ 0.15λ₀As a result, it was possible to obtain a conclusion that the directivity of the E surface can be controlled by CL while keeping the side lobe level of the E surface low. The conclusion of (2) can be better understood by comparing FIG. 5 (a) and FIG. 6 (a). Here, FIG. 5A shows CL = 0.08λ.₀FIG. 6A shows CL = 0.2λ.₀The directivity on the E plane of the planar antenna in the case of Fig. 5 is shown, and the case of Fig. 5A corresponds to the planar antenna satisfying the conclusion of the above (2). Comparing both figures, CL = 0.08λ₀The directivity of the E plane of the planar antenna shown in FIG. 5A is CL = 0.2λ.₀It can be clearly understood that the directivity on the E plane can be controlled by CL. It was also concluded that the directivity of the planar antenna depends only on CL and is not affected by the dimensions of other parts of the planar antenna.
[0050]
However, the dimension of the depth CL of the groove 20 is, as a matter of course, the length D from the opening end to the substrate end considering the original function of the planar antenna.₁And D₂It cannot be longer. Therefore, in order to prevent the groove 20 from interfering with the original function of the antenna, at least D−CL ≧ 0.1λ.₀(D is D₁And D₂It is necessary to have a dimensional margin.
[0051]
Thus, according to the planar antenna according to the first embodiment, the depth CL of the groove 20 in the corrugated structure portion 14 is set to 0.05λ.₀By setting ≦ CL, the side lobe level of the E plane can be kept low, so that the directivity of the planar antenna 10 can be prevented from deteriorating. In other words, the depth CL of the groove 20 in the corrugated structure 14 is 0.05λ.₀By producing the planar antenna 10 so as to satisfy ≦ CL, the length D of the antenna end from the opening 13c of the planar antenna 10 without deteriorating the directivity.₁, D₂It is possible to easily manufacture a planar antenna 10 that is shortened and reduced in size.
[0052]
Further, the depth CL of the groove 20 in the corrugated structure 14 is set to 0.05λ.₀≦ CL ≦ 0.15λ₀Thus, only the directivity of the E plane can be continuously changed without affecting the directivity of the H plane. Therefore, a planar antenna having desired directivity can be easily manufactured. In addition, the depth CL of the groove 20 in the corrugated structure 14 is set to 0.05λ.₀≦ CL ≦ 0.15λ₀By doing so, the side lobe level of the E plane can be kept low, and the directivity of the planar antenna 10 can be prevented from deteriorating.
[0053]
In the planar antenna 10 according to the first embodiment described above, the depth CL of the groove 20 in the corrugated structure 14 may not be the same at both ends of the antenna. That is, the shape of the corrugated structure portion 14 may be a non-target relationship. By doing so, the planar antenna 10 having various characteristics can be obtained.
[0054]
[Embodiment 2]
In the second embodiment of the present invention, an antenna array to which the planar antenna 10 having the corrugated structure portion described in the first embodiment is applied will be described.
[0055]
FIG. 17 is a top view of the antenna array according to the second embodiment. 17 includes a plurality of planar antennas 10 each having the corrugated structure described in the first embodiment on the same substrate. That is, a plurality of planar antennas 10 are formed by a substrate 81 made of a dielectric and a conductor portion 82 formed on the substrate 81 and having a plurality of tapered slot portions 82 that radiate or enter electromagnetic waves. . A slit 83 provided with a corrugated structure portion 84 is formed between the planar antennas 10 in the conductor portion 82.
[0056]
The antenna array 80 shown in FIG. 17 is formed using a substrate 81 made of Kapton having a thickness of 50 μm and a conductor portion 82 made of copper having a thickness of 5 μm stacked on the substrate 81. The design frequency of each planar antenna 10 is 60 GHz, and the antenna length is 20 mm (4λ₀), And the width of the opening 85 is 5 mm (λ₀), The length D between the ends of the openings 85 of adjacent planar antennas_ThreeIs 5 mm (λ₀). Further, the slit 83 provided between the planar antennas 10 has a width of 200 μm (0.04λ).₀), 20mm in length (4λ₀The corrugated structure 84 provided on both sides of the slit 83 has a width CW of 0.2 mm (0.04λ).₀) And depth CL is 0.4 mm (0.08λ)₀) Groove of 0.4 mm (0.08λ)₀) It is configured by arranging in a cycle.
[0057]
Although the antenna array 80 in FIG. 17 includes four planar antennas 10, the number of planar antennas is not limited to three. Further, the dimensions of the antenna array are merely examples, and the dimensions of the antenna array 80 can be changed according to the dimensions of the corrugated structure described in the first embodiment.
[0058]
As described above, according to the antenna array 80 according to the second embodiment, by using the planar antenna 10 according to the first embodiment, the length D between the end portions of the opening 85 of the adjacent planar antenna 10 is determined._ThreeEven if it is shortened, it can prevent that the directivity of each planar antenna 10 deteriorates. That is, the depth CL of the groove of the corrugated structure 84 is 0.05λ.₀By forming the antenna array 80 so that ≦ CL, the length D between the ends of the openings 85 of the adjacent planar antennas 10_ThreeEven when the length is shortened, the directivity of each planar antenna 10 can be prevented from deteriorating, and the antenna array can be easily downsized.
[0059]
Further, the groove depth CL in the corrugated structure 84 is set to 0.05λ.₀≦ CL ≦ 0.15λ₀By changing within the range, only the directivity of the E plane can be controlled for each planar antenna 10 without affecting the directivity of the H plane. Therefore, an antenna array having desired directivity can be easily manufactured.
[0060]
Note that the planar antenna and the antenna array according to the present invention are not limited to the configurations described in the first and second embodiments, and can be appropriately changed depending on applications such as the antenna shape, material, and operating frequency. Further, in Embodiments 1 and 2, the corrugated structure portion is configured by a rectangular groove. However, the corrugated groove having a shape other than the rectangle can be used as long as the shape has a function of preventing the deterioration of directivity. Obviously, the structure may be constructed.
[0061]
【The invention's effect】
  As explained above,According to the first aspect of the present invention, the length from the end of the opening of the tapered slot in the conductor to the end of the conductor is from the end of the opening of the tapered slot to the end of the conductor. D is the length to the part, and λ is the wavelength of the electromagnetic wave in free space. ₀ In this case, D ≦ 2λ ₀ The depth of the corrugated groove is 0.05λ when the depth of the corrugated groove is CL. ₀ ≦ Formed in relation of CLByTapered slot antennaEven if the antenna end is shortened from the opening ofTapered slot antennaCan reduce the directivity of theTapered slot antennaCan be easily manufactured.
[0062]
  Also,According to the invention of claim 2, the depth of the groove of the corrugated structure is further 0.05λ. ₀ ≦ CL ≦ 0.15λ ₀ Formed by the relationshipThus, only the directivity of the E plane can be continuously changed without affecting the directivity of the H plane, so that it has a desired directivity.Tapered slot antennaCan be easily manufactured,Tapered slot antennaEven if the antenna end is shortened from the opening ofTapered slot antennaCan reduce the directivity of theTapered slot antennaCan be easily manufactured.
[0063]
  Also,According to the invention of claim 3, the length from the end of the opening of the tapered slot portion to the end of the conductor in the conductor and the depth of the groove of the corrugated structure are further set to D-CL ≧ 0. 1λ ₀ By being formed in relation toFurther, it is possible to prevent the original function of the antenna from being hindered due to the provision of the corrugated structure.
[0064]
  further,According to a fourth aspect of the present invention, a plurality of tapered slot antennas according to any one of the first to third aspects are arranged on the same plane.Makes it possible to easily manufacture a small antenna array andTapered slot antennaThus, an antenna array in which only the directivity of the E plane is changed can be easily manufactured without affecting the directivity of the H plane.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of a planar antenna according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a region A in FIG.
FIG. 3 is a graph showing an example of a measurement result of antenna directivity in CL experiment 1 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention (CL = 0λ).₀).
FIG. 4 is a graph showing an example of a measurement result of antenna directivity in CL experiment 1 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention (CL = 0. 02λ₀).
FIG. 5 is a graph showing an example of a measurement result of antenna directivity in CL experiment 1 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention (CL = 0. 08λ₀).
FIG. 6 is a graph showing an example of a measurement result of antenna directivity in CL experiment 1 performed to identify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention (CL = 0. 2λ₀).
FIG. 7 shows the groove depth CL as a wavelength λ in free space in CL experiment 1 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention;₀It is a graph which shows the mode of a change of 10 dB beam width in the E surface and the H surface at the time of changing to 0 to 0.4 times.
FIG. 8 shows the groove depth CL as a wavelength λ in free space in CL experiment 2 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention.₀It is a graph which shows the mode of a change of 10 dB beam width in the E surface and the H surface at the time of changing to 0 to 0.4 times.
9 shows a CL experiment 3 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention.₀It is a graph which shows the mode of a change of 10 dB beam width in E surface and H surface at the time of changing to 0 to 0.25 times.
10 shows a CL experiment 4 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention. The depth CL of the groove is a wavelength λ in free space.₀It is a graph which shows the mode of a change of 10 dB beam width in the E surface and the H surface at the time of changing to 0 to 0.4 times.
FIG. 11 is a graph showing the side lobe level of directivity of each planar antenna used in CL experiments 1 to 4 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention. .
FIG. 12 shows the groove depth CW as a wavelength λ in free space in CW experiment 1 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention;₀It is a graph which shows the mode of a change of 10 dB beam width in E surface and H surface at the time of changing to 0.04 to 0.2 time.
FIG. 13 shows the groove depth CW as a wavelength λ in free space in CW experiment 2 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention.₀It is a graph which shows the mode of a change of 10 dB beam width in E surface and H surface at the time of changing to 0.04 to 0.2 time.
FIG. 14 shows the groove depth CW as a wavelength λ in free space in CW experiment 3 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention.₀It is a graph which shows the mode of a change of 10 dB beam width in E surface and H surface at the time of changing to 0.04 to 0.2 time.
FIG. 15 shows the groove depth CW as a wavelength λ in free space in CW experiment 4 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention;₀It is a graph which shows the mode of a change of 10 dB beam width in E surface and H surface at the time of changing to 0.04 to 0.2 time.
FIG. 16 is a graph showing the side lobe level of directivity of each planar antenna used in CW experiments 1 to 4 performed to specify the configuration of the corrugated structure of the planar antenna according to the first embodiment of the present invention. .
FIG. 17 is a top view of the antenna array according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a top view showing an example of a conventional planar antenna.
FIG. 19 is a top view of a conventional planar antenna (LTSA).
FIG. 20 is a top view of a conventional planar antenna (vivaldi).
FIG. 21 is a top view of a conventional planar antenna (CWSA).
[Explanation of symbols]
10,90 Planar antenna
11,81 substrate
12,82 conductor part
13 Tapered slot
13c opening
14,84 Corrugated structure
20 grooves
80 Antenna array
83 slit

Claims

A conductor portion, wherein the conductor portion has a tapered slot portion that radiates or enters electromagnetic waves, and the tapered slot portion has an opening portion that opens to a side where electromagnetic waves are radiated or incident; In the tapered slot antenna formed so that the slot width of the slot line becomes wider toward
  The conductor portion further includes a corrugated structure composed of a plurality of grooves in which the conductors on both side ends parallel to the radiation direction of the electromagnetic wave are periodically removed in a rectangular shape,
  The length from the end of the opening of the tapered slot portion to the end of the conductor in the conductor is the length from the end of the opening of the tapered slot to the end of the conductor. D, the wavelength of the electromagnetic wave in free space λ ₀₀ In this case, D ≦ 2λ ₀₀ Formed in relation to
  The depth of the corrugated structure groove is 0.05λ when the depth of the corrugated structure groove is CL. ₀₀ ≦ CL is formed,
  A tapered slot antenna.

The groove depth of the corrugated structure is further 0.05λ. _{0 0} ≦ CL ≦ 0.15λ _{0 0} The tapered slot antenna according to claim 1, wherein the tapered slot antenna is formed by the following relationship.

The length from the end of the opening of the tapered slot in the conductor to the end of the conductor and the depth of the groove of the corrugated structure are further given by D-CL ≧ 0.1λ _{0 0} The tapered slot antenna according to claim 1, wherein the tapered slot antenna is formed by the following relationship.

An antenna array comprising a plurality of tapered slot antennas according to claim 1 arranged on the same plane.