JP4009230B2 - 円偏波アレーアンテナおよびそれを用いたアンテナ付き基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波帯等の高周波信号を用いる無線通信に適した円偏波アレーアンテナおよびそれを具備したアンテナ付き基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
ミリ波等の高周波信号の電波を放射する放射素子としては、スロットアンテナ、パッチアンテナ等がある。これらは構造が簡単なため広く用いられており、給電線にマイクロストリップ線路、導波管線路等を用いたものが提案されている。
【０００３】
また、複数個の放射素子を並べたアレーアンテナの給電方式には並列給電と直列給電方式とがあるが、周波数が高くなると給電線の伝送損失が問題となるため、多くの場合、直列給電方式が採用されている。並列給電方式の場合、スロットアンテナやパッチアンテナの素子は最大の放射が得られるようにスロットやパッチが共振サイズに設定されるが、直列給電方式の場合には、給電端側から徐々に電磁波が放射されるようにするために、スロットやパッチを共振サイズより小さくまたは大きく設定して放射量が調整される。
【０００４】
さらに、偏波技術としては、直線偏波と円偏波とがあるが、無線通信装置の場合、壁等からの反射波の影響を抑えるために、円偏波アンテナが多用されている。これは、直線偏波の場合、反射波をまともに拾ってしまうのに対し、円偏波の場合には、例えば、右旋円偏波を放射した場合には反射波は左旋円偏波となるため、壁等からの一次反射波を拾うことがないためである。
【０００５】
円偏波を放射する技術には次のようなものがある。スロットアンテナは、例えば導波管タイプの給電線における導体壁に電磁波の進行方向と平行及び直交方向にスロットを形成することにより実現されている。またパッチアンテナは、長方形型や楕円型のパッチによって実現されている。
【０００６】
また最近では、これらのアンテナをセラミック基板で作製することが検討されている。従来、多くは良好なアンテナ特性を得るために、比誘電率の低い樹脂製の基板が用いられてきたが、基板の熱膨張率が大きいためにＭＭＩＣ等を封止したパッケージを直接実装できず、コストアップにつながっていた。
【０００７】
これに対して、アンテナを熱膨張の比較的小さいセラミック基板で作ることにより、直接パッケージ等を実装したり形成したキャビティ中に半導体素子を収納することが可能となり、高信頼性化及び低コスト化が可能となる。
【０００８】
そこで、本出願人は、先に図１１に示すように、円柱型誘電体の側面の全部または一部が電磁波遮蔽体で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための開口部を有する円柱型誘電体共振器１１０と円柱型誘電体共振器１１０に給電するための導波管または誘電体導波管１２０とを具備し、導波管または誘電体導波管１２０のＨ面導体表面に円柱型誘電体共振器１１０を搭載するとともに、導波管または誘電体導波管１２０のＨ面導体内の円柱型誘電体共振器１１０の開口部の中心と対向する位置に略円形または多角形状の結合孔１２１を形成し、結合孔１２１を介して高周波信号を導波管または誘電体導波管１２０から円柱型誘電体共振器１２０に給電してなる開口面アンテナをアレー状に配置したアレーアンテナを提案した（特開２００２−３５３７２７号）。
【０００９】
このアレーアンテナは円偏波だけでなく、給電線と放射素子との結合位置を変えることにより、直線偏波にすることもでき、低コストで製造できるものである。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−３５３７２７号
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、アレーアンテナの場合、放射素子間には相互結合が発生している。偏波特性が、直線偏波の場合は、相互結合による影響は気にならないが、円偏波の場合は、その軸比を劣化させる要因となる。特に放射素子間の間隔が、水平方向と垂直方向とで異なる場合には軸比の劣化が大きい。例えば、放射素子単体では軸比が０となるアンテナを並べているにもかかわらず、全体としては楕円偏波となっている。
【００１２】
図１２は、放射素子単体で軸比が０になるように設計した素子を垂直方向に３つ並べたもの、すなわち、３×１のアレーアンテナのシミュレーション結果である。左から準に、位相が０°、３０°、６０°、９０°のときの、電界ベクトル変化を示している。この図１２を見て分るように、放射素子単体では軸比が０となるアンテナを並べているにもかかわらず、明らかに楕円偏波となっていることがわかる。また、中央の素子は、両側の素子からの影響を受け、特にその軸比の劣化が大きい。
【００１３】
本発明はかかる従来の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、放射素子間に相互結合がある場合でも、アレーアンテナ全体として、良好な軸比特性を得ることのできる円偏波アレーアンテナおよびアンテナ付き基板を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題点に対して検討を重ねた結果、放射素子間の相互結合による軸比のずれを打ち消すように、放射素子から放射される偏波を楕円偏波とすることで、アレーアンテナ全体で円偏波として良好な軸比特性が得られることを見出した。また、上記放射素子を円柱型誘電体共振器とし、その開口部を楕円形状とすることで、放射素子の軸比およびその軸の傾きを容易に調整できる構造とすることができることを見出した。
【００１５】
即ち、本発明の円偏波アレーアンテナは、所定の基板表面に、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部を有する円柱状誘電体共振器からなる複数の放射素子をアレー状に配列形成してなる円偏波アレーアンテナであって、前記放射素子個々の偏波特性が楕円偏波であり、全体の軸比が３ｄＢ以下であることを特徴とするものである。かかる円偏波アレーアンテナによれば、放射素子の軸比およびその軸の傾きを容易に調整できるので、放射素子間の相互作用による軸比のずれを打ち消すように放射素子の偏波特性を調整することで、アレーアンテナ全体の軸比を良好にすることができる。つまり、前記個々の放射素子が、楕円偏波の軸比およびその軸の傾きが所定の値に設計され、全体として円偏波となるように設計されている。
【００１７】
またさらに、前記アレーアンテナの給電線を、導波管または誘電体導波管でおこなうことによって、低損失のアンテナを提供することができる。
【００１８】
一方、本発明のアンテナ付き基板は、誘電体基板と、該誘電体基板内に設けられた高周波信号を伝送可能な給電線と、該給電線と接続された複数の放射素子がアレー状に配列形成された円偏波アレーアンテナを具備するアンテナ付き基板において、前記放射素子が、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部を有する円柱状誘電体共振器からなり、前記放射素子個々の偏波特性が楕円偏波であり、全体の軸比が３ｄＢ以下であることを特徴とするものである。また、前記給電線を、誘電体を挟んで形成された上部主導体層および下部主導体層と、該上部主導体層および前記下部主導体層間を電気的に接続する二列の貫通導体群から成る導体壁とで囲まれた誘電体導波管によって形成し、さらに前記二列の貫通導体群がそれぞれ上部主導体層と下部主導体層間において該主導体層と平行に設けられた副導体層によって電気的に接続されてなるものとすることによって、従来から知られる多層化技術によって容易に形成することができる。
【００１９】
またさらに、前記放射素子は、誘電体基板の表面に形成された楕円型開口部を有する上部主導体層と、該上部主導体層と対向する位置に形成された下部主導体層と、前記楕円型開口部周囲の前記誘電体基板内に形成され、所定間隔をもって前記上部主導体層および前記下部主導体層間を電気的に接続する複数の貫通導体を具備するアンテナ導体壁とで囲まれてなる円柱状誘電体共振器であることによって、前記誘電体導波管からなる給電線とともに、アンテナを多層化技術を用いて一体的に形成することができる。
【００２０】
またさらに、前記誘電体基板の裏面に、少なくとも１つの信号増幅器や、少なくとも１つのスイッチまたはサーキュレータまたはダイプレクサが実装されてなることを特徴とするものである。また、前記誘電体基板の裏面に、半導体素子を収納するためのキャビティが形成されて成ることを特徴とするのものである。これにより円偏波アレーアンテナと他の素子と基板に一体的に設けることができるために、小型のアンテナ一体型モジュールを実現できる。
【００２１】
また、前記誘電体基板が低温焼成セラミックスからなり、前記上部主導体層および下部主導体層がそれぞれ銀、または銅を主成分とする導体材料によって形成されていることによって、低損失化を図ることができ、アンテナ特性を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図を参照して説明する。
【００２３】
図１は、軸比調整の原理を示す図である。図１（ａ）は、放射素子の相互結合により偏波特性がずれたものを示す図である。放射素子間の相互結合により、軸比がＡｒ、その楕円偏波の長軸の傾きがθにずれた場合（ａ）、放射素子の軸比をＡｒ、その楕円偏波の長軸の傾きをθ＋９０°になるようにする（ｂ）と、その合成された偏波は円偏波となることがわかる（ｃ）。
【００２４】
図２は、本発明で用いられる放射素子の一例の基本構造を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図を示すものである。図２において、１は円柱状誘電体共振器であり、円柱状誘電体１ａの側面および上面が金属層１ｂで覆われ、上面には高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部１ｃが設けられている。２は導波管または誘電体導波管の導波管型給電線路であり、図２によれば、誘電体２ａの上面、下面および側面が導体２ｂによって被覆されている。導波管型給電線路２の上に円柱状誘電体共振器１が配置され、円柱状誘電体共振器１の下面の導体と、導波管型給電線路２の上面とは共有化されている。そして、共有化された導体には、円柱状誘電体共振器１と導波管型給電線路２とを結合するための結合孔３が設けられている。
【００２５】
このとき、結合孔３と円柱状誘電体共振器１の最低次の結合モードは、図１のように導体層が結合孔３を円形状に取り囲んでいるので、その誘電体が満たされた空間には１／４誘電体円柱共振器の共振モード（ＴＥ１１１）と類似したモードが発生し、そのモードの最低次の共振周波数は下記数１で与えられるものとなる。
【００２６】
【数１】
ｆ＝１５０／ε１／２×｛（１．８４１／πｄ）２＋（１／２ｔ）２｝１／２
ここで、ｆは共振周波数（ＧＨｚ）、ｄは誘電体共振器の直径（ｍｍ）、ｔは誘電体共振器の厚み（ｍｍ）、εは比誘電率である。
【００２７】
ただし、円柱状誘電体共振器１には結合孔３から給電しているので、共振周波数はこの結合孔３のサイズに影響を受ける。
【００２８】
また、本発明の実施の形態では、上記の誘電体が満たされた空間を誘電体共振器１として作用させるので、その厚みｔは高周波信号の信号波長λに対して、λ／８〜λ／２の範囲内に設定することが望ましい。
【００２９】
通常の円偏波アンテナは、放射素子から放射される偏波の軸比が０となるように設計される。つまり、図２の円柱状誘電体共振器１からなる放射素子においては、開口部１ｃは円形をなしている。
【００３０】
しかし、本発明では、放射素子間の相互結合を打ち消すために、放射素子から放射される偏波を楕円偏波とする。したがって、本発明に用いられる放射素子の構造は、容易に軸比が調整でき、しかもその楕円偏波の長軸の傾きを任意に変更できる構造であることが必要である。また、軸比の調整により、アンテナから放射される電力がほとんど変わらないことが望ましい。
【００３１】
図１の円柱状誘電体共振器１からなる放射素子はこの要件を満たすものである。即ち、円柱状誘電体共振器１の開口部１ｃを楕円型とすることで、設計段階で、アンテナの軸比が調整可能であり、さらに、その楕円の回転角を変えることにより、楕円偏波の長軸の傾きを自在に変更できる。また、楕円型開口部１ｃの面積を一定にすることで、アンテナから放射される電力をほとんど変えずに調整できる。
【００３２】
放射素子が導波管スロットアンテナの場合、あえて楕円偏波にすることは可能ではあるが、それから放射される偏波の長軸を調整することはできない。このため、本発明のように軸比を調整することは困難である。
【００３３】
図３は、図１の放射素子を用いた円偏波アレーアンテナの一例を示す斜視図である。１は放射素子となる円柱状誘電体共振器、２は導波管型給電線路、１ｃは開口部、３は円柱状誘電体共振器１と導波管型給電線路２とを結合する結合孔、６は複数の導波管型第一給電線路２群に給電するための導波管型第二給電線路であり、６１は前記導波管型第二給電線路６と導波管型給電線路２とを結合するためのスロットであり、６２は前記導波管型第二給電線路６の端部に作られたアンテナポートである。
【００３４】
この図３において、アンテナポート６２より入力された高周波信号は、分岐を繰り返し、スロット６１群で６つの導波管型給電線路２群の中央で給電される。導波管型第一給電線路２の中央で結合された高周波信号は左右に分岐し、５個（左右で計１０個）の円柱状誘電体共振器１群と結合する。その後、円柱状誘電体共振器１の開口部１ｃから、直線偏波または円偏波が放射される。この場合、放射パターンを制御するために、各円柱状誘電体共振器１と導波管型給電線路２との結合量を調整する必要がある。この調整は、結合孔３のサイズ、誘電体共振器１上部の開口部１ｃの径または円柱状誘電体共振器１の径ｄを変えることにより調整することができる。
【００３５】
本発明によれば、図３のように、各円柱状誘電体共振器１のうちの一部またはすべての放射素子を図２に示したような開口部１ｃが楕円型の円柱状誘電体共振器を配置して楕円偏波を放射させることによって、全体の軸比が３ｄＢ以下、特に中心周波数で１．５ｄＢ以下にするものである。なおこの軸比が３ｄＢよりも大きいと、受信で考えると、逆偏波成分の受信エネルギーが増大し、円偏波のメリットが小さくなる。
【００３６】
図４は、本発明の円偏波アレーアンテナ放射素子を誘電体基板内に形成したアンテナ付き基板の一例を示すもので、（ａ）は１つの放射素子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は、（ａ）（ｂ）のアンテナ付き基板の全体の断面図である。
【００３７】
図４において、１は放射素子となる誘電体共振器、２は導波管型給電線路、１ｃは開口部、３は誘電体共振器１と導波管型給電線路２とを結合する結合孔である。
【００３８】
図４のアンテナ付き基板によれば、放射素子となる誘電体共振器１は、誘電体層５１ａ、５１ｂを積層してなる共振器部誘電体基板５１に形成されている。誘電体基板５１の上面には、上部主導体層１１が形成され、下面には下部主導体層１３が形成されている。
【００３９】
また、導波管型給電線路２は、誘電体層５２ａ、５２ｂを積層してなる給電部誘電体基板５２に形成されている。誘電体基板５２の上面には、上部主導体層２１が形成され、下面には下部主導体層２３が形成されている。
【００４０】
なお、図中では、共振器部下部主導体層１３と給電部上部主導体層２１とは共用して用いられている。
【００４１】
開口部１ｃは共振器部上部主導体層１１に導体非形成部を設けることにより形成されており、結合孔３は共振器部下部主導体層１３に導体非形成部を設けることにより形成されている。
【００４２】
１４は、開口部１ｃ周辺の共振器部誘電体基板５１内に形成され、所定間隔を持って共振器部上部主導体層１１および共振器部下部主導体層１３間を電気的に接続するように形成された複数の共振器部貫通導体である。この複数の共振器部貫通導体１４は、高周波信号の信号波長の２分の１未満の繰り返し間隔で配設されている。なお、この繰り返し間隔は、必ずしも一定の値であることに限られず、信号波長の２分の１未満で種々の値を組合わせて設定しても良い。また、２重、３重と配設されても良い。
【００４３】
１２は、共振器部上部主導体層１１および共振器部下部主導体層１３に平行に共振器部誘電体層５１ａ、５１ｂ間に形成され、複数の共振器部貫通導体１４を共振器部誘電体層５１ａ、５１ｂ間で電気的に接続する共振器部副導体層である。この共振器部副導体層１２には開口部１ｃと相似形状の導体非形成部を設け、単層または必要に応じて複数層形成されて、複数の共振器部貫通導体１４と共に共振器部誘電体基板５１内に格子状の共振器導体側壁を形成する。そして、共振器部上部主導体層１１と共振器部下部主導体層１３と複数の共振器部貫通導体１４および共振器部副導体層１２から成る格子状の共振器導体壁とで囲まれ、誘電体で満たされた空間により、共振器部誘電体基板５１内に、誘電体共振器１を形成している。
【００４４】
２４ａ、２４ｂは給電部誘電体基板５２内に形成され、所定間隔を持って給電部上部主導体層２１（給電部下部主導体層１３）および給電部部下部主導体層２３間を電気的に接続するように形成された複数の給電部貫通導体である。この複数の給電部貫通導体２４ａ、２４ｂは、高周波信号の誘電体基板中の信号波長をλとしたとき、λ／２未満の繰り返し間隔で配設されている。なお、この繰り返し間隔は、必ずしも一定の値であることに限られず、信号波長の２分の１未満で種々の値を組合わせて設定しても良い。また、図中では１列に形成されているが、複数列で形成しても良い。
【００４５】
２２は、給電部上部主導体層２１および給電部下部主導体層２３に平行に給電部誘電体層５２ａ、５２ｂ間に形成され、複数の給電部貫通導体２４ａ・２４ｂを給電部誘電体層５２ａ、５２ｂ間で電気的に接続する給電部副導体層である。この給電部副導体層２２は給電部貫通導体群２４ａ、２４ｂ間には形成されず、単層または必要に応じて複数層形成されて、給電部貫通導体２４ａ、２４ｂと共に給電部誘電体基板５２内に導体壁を形成する。そして、給電部上部主導体層２１と給電部下部主導体層２３と複数の給電部貫通導体２４ａ、２４ｂおよび給電部副導体層２２から成る格子状の導体壁とで囲まれ、誘電体で満たされた空間により、給電部誘電体基板５２内に、断面が矩形状の誘電体導波管を形成している。特に、この誘電体導波管をシングルモードで用いる場合には、給電部貫通導体群２４ａと２４ｂとの間隔ｗは、λ／２＜ｗ＜λで配設される。なお、給電部誘電体層５２は単層であっても良く、この場合には、給電部副導体層２２は形成されない。
【００４６】
共振器部上部主導体層１１の開口部１ｃの周囲の共振器部誘電体基板５１内に形成された共振器部貫通導体１４と共振器部副導体層１２とが格子状に並ぶことにより、誘電体共振器１の側壁を構成する導体壁が形成され、これにより、電気的な壁が結合孔３を取り囲むようにして共振器部誘電体基板５１内に配置される。そして、これら開口部１ｃを有する共振器部上部導体層１１と結合孔３を有する共振器部下部主導体層１３と複数の共振器部貫通導体１４および共振器部副導体層１２により開口部１ｃ周囲に形成される共振器部導体側壁とにより囲まれる円柱状の誘電体が満たされた空間により誘電体共振器１が形成され、これにより放射素子としての円柱状の誘電体共振器１が誘電体基板５１内に形成される。
【００４７】
また、給電部上部主導体層２１（または共振器部下部主導体層１３）と給電部下部主導体層２３、給電部誘電体基板５２内に形成された給電部貫通導体２４ａ、２４ｂおよび給電部副導体層２２とが格子状に並ぶことにより導体壁が形成され、矩形状の誘電体導波管２が誘電体基板５２内に形成される。
【００４８】
そして、導波管型給電線路２から結合孔３を通して開口部１ｃ側に放射された高周波信号の電磁波は、誘電体共振器１があることにより、その空間より外側の一対の主導体層１１、１３間を伝播することなく、開口部１ｃから自由空間に放射される。
【００４９】
本発明のアンテナ付き基板は、図３の配置に基づき、誘電体基板５１、５２の内部において、導波管型第1給電線路２上に、複数の誘電体共振器１からなる放射素子がアレー状に配列され、導波管型第1給電線路２は導波管型第２給電線路６と接続されて、図３に示した構造の円偏波アレーアンテナが形成される。
【００５０】
図５は図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した一例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＺ１−Ｚ１断面図である。
【００５１】
図５において、８１はアンテナポート６２と表面回路とを結合する接続部、７１は信号増幅器、７２はフィルター、７３はミキサ、７４は高周波信号発生器、８２はＩＦ信号のＩＦポートである。
【００５２】
例えば、ＩＦポート８２から入力されたＩＦ信号は高周波信号発生器７４で生成された搬送信号とミキサ７３でミキシングされ、フィルター７２で帯域外の高調波等の高周波成分がカットされた後、信号増幅器７１で増幅され、接続部８１を介してアンテナ基板に入力される。７１〜７４の全ての能動素子がアンテナ基板５に実装される必要はないが、少なくとも信号増幅器７１がアンテナ基板５に実装されたアンテナモジュールの形態は、特に信号波長がミリ波帯を用いる場合、伝送損失の観点でメリットが大きい。
【００５３】
図６は、図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した他の例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＺ２−Ｚ２断面図である。図５に示したものと同様の個所には同じ符号を付してある。
【００５４】
図６において、７５はスイッチまたはサーキュレータまたはダイプレクサ等の信号切替え器、８２ａはＩＦ入力ポート、８２ｂはＩＦ出力ポートである。
【００５５】
ＩＦ入力ポート８２ａから入力されたＩＦ信号は高周波信号発生器７４で生成された搬送信号とミキサ７３ａでミキシングされ、フィルター７２ａで帯域外の高調波等の高周波成分がカットされた後、高出力信号増幅器７１ａで増幅され、スイッチやサーキュレータまたはダイプレクサ等の信号切り替え器７５により、接続部８１方向のみに信号が送られ、アンテナ基板５に入力される。一方、アンテナ基板５で受信して接続部８１に到達した信号は、信号切り替え器７５により、低雑音信号増幅器７１ｂのみに信号が送られ、フィルター７２ｂで帯域外の信号をカットされた後、高周波信号発生器７４で生成された信号とキクサ７３ｂでミキシングされ、ＩＦ信号のみ取り出される。その後、ＩＦ出力ポート８２ｂより出力される。
【００５６】
このように、信号切り替え器７５を配設することにより、送受共用のアンテナモジュールとすることができる。
【００５７】
図７は、図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に半導体素子をキャビティ内に実装した一例を示すもので、（ａ）は、斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＺ３−Ｚ３断面図である。図６に示したものと同様の個所には同じ符号を付してある。図７において、７は半導体素子、９はキャビティである。なお、半導体素子７はスイッチまたは信号増幅器等の単一機能を持つものであっても、図５または図７に示した機能素子群を集積化したものであっても良い。
【００５８】
このように、アンテナ付き基板の裏面にキャビティ９を形成することにより、キャビティ９内に半導体素子７を収納することができるので、特性が高く、低コストのアンテナモジュールが実現できる。
【００５９】
以上の実施の形態の例における誘電体基板５１および５２は、セラミックス、または合成樹脂、またはセラミックス−合成樹脂の複合材料を絶縁材料として形成することができるが、特に信頼性の点でセラミックスからなることが望ましく、セラミックスとしては、アルミナ、ＡｌＮ、窒化ケイ素、ガラスセラミックスなどが挙げられる。また、共振部上部主導体層１１、共振部下部主導体層１３（給電部上部主導体層２１）、共振部副導体層１２、給電部下部主導体層２３、給電部副導体層２２等の導体層およびビア導体やスルーホール導体は、銅、銀、タングステン、モリブデンなどの導体材料によって形成される。
【００６０】
これらは、いずれも周知の多層基板の製造技術に従い、上記の絶縁材料をシート化した後、シート表面に上記導体材料のペーストや金属箔をパターン化して形成し、ビア導体やスルーホール導体は、シートに貫通穴を形成し、導体ペーストを充填したり、メッキ処理を施すことによって形成され、複数のシートを積層する。その後、セラミックスの場合には、所定温度に焼成し、合成樹脂を含む場合には熱硬化させることで多層構造のアンテナ付き基板を作製することができる。
【００６１】
特に、誘電体材料として、銅、銀、金等の低抵抗のメタライズ層を用いることができる低温焼成セラミックスを用いることにより、伝送損失が小さくなりアンテナ特性が向上する。
【００６２】
低温焼成セラミックスとしては、１０００℃以下で焼成可能なセラミックスであれば、特に材質を特定するものではないが、例えば、ホウ珪酸系ガラスに、アルミナ、シリカ、石英、フォルステライト、ムライト、ディオプサイド、などのセラミックフィラーを３０〜８０質量％の割合で添加した組成物が挙げられる。
【００６３】
【実施例】
次に、本発明の円偏波アレーアンテナの具体例について説明する。
【００６４】
図８は放射素子の開口部を楕円にしたときの軸比と放射される偏波の長軸の傾きを示す一例である。
【００６５】
誘電体層５１、５２には比誘電率４．９のホウケイ酸ガラス−シリカ系のガラスセラミック材料を用い、誘電体共振器１の厚みｔを０．６ｍｍ、誘電体共振器１の径ｄをφ２．１２ｍｍ、導波管型給電線路２のサイズを（ｗ、ｈ）＝（１．８２ｍｍ、０．６ｍｍ）、楕円型結合孔３の中心位置を導波管型給電線路２の導体壁２４ａから０．５２ｍｍとした。
【００６６】
ここで、楕円型開口部１ｃの面積は２．６６ｍｍ２で一定としている。周波数は６２．５ＧＨｚで評価した。図中の黒丸は軸比、白丸は楕円偏波における長軸の傾きを示している。この図８から、ａの値を０．８８ｍｍから０．９６ｍｍまで変化させることにより、軸比を０〜４まで変化させることができることがわかる。なお、ａ＝０．９２のときは開口部は真円になっており、軸比も０になる。
【００６７】
図９は、６×８素子のアレーアンテナに本発明で説明した手法を適用しない場合の特性図、図１０は本発明に従い軸比の補正をした場合の特性図である。
【００６８】
まず、放射素子の全てを、軸比０に調整した上で、アレーを設計し、ＦＤＴＤ法によるシミュレーションを用いて、放射パターンを計算した。このときの軸比は図９に示すとおり４．９ｄＢ、また、そのときの偏波の長軸の傾きは−４０°であった。そこで、放射素子の軸比を４．９ｄＢ、長軸の傾きを＋５０になるように設定し、再度シミュレーションを行って得た結果が図１０である。この結果、軸比は１．２ｄＢに改善されている。また、サイドローブレベルも３ｄＢ程度改善された結果が得られた。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、本発明の円偏波アレーアンテナは、放射素子を円柱型共振器とし、その開口部を楕円にすることにより、軸比の調整および放射される楕円偏波の長軸の傾きを自在に変えることができるものとし、放射素子の相互結合による軸比のズレを打ち消すように、放射素子個々の偏波特性を楕円偏波とすることにより、アレーアンテナ全体の偏波特性を良好なものとすることができるものとなる。
【００７１】
またさらに、誘電体基板内に、高周波信号を伝送可能な誘電体導波管と、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための開口部を有する円柱状誘電体共振器とが形成され，誘電体導波管のＨ面導体内の前記円柱型誘電体共振器の開口部の中心と対向する位置に結合孔を形成し、該結合孔を介して高周波信号を前記誘電体導波管から円柱型誘電体共振器に給電してなるものとしたことにより、誘電体基板の裏面に能動素子や信号切り替え器を直接実装またはキャビティを形成しその中に内蔵することが可能となり、小型で信頼性が高く、低コストのアンテナ付き基板とすることができる。
【００７２】
またさらに、アンテナ基板を形成する誘電体基板を低温焼成セラミックスとすることによって、銅、銀等の低抵抗のメタライズ層を用いることができ、伝送損失が小さくなりアンテナ特性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の円偏波アレーアンテナにおける放射素子間の相互結合によるアンテナの軸比補正の原理を示す図である。
【図２】本発明で用いられる放射素子の一例の基本構造を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図を示す。
【図３】図１の放射素子を用いた円偏波アレーアンテナの一例と、その給電構造を説明するために一例の斜視図を示す。
【図４】本発明の円偏波アレーアンテナ放射素子を誘電体基板内に形成したアンテナ付き基板の一例を示すもので、（ａ）は１つの放射素子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は、（ａ）（ｂ）のアンテナ付き基板の全体の断面図である。
【図５】図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した一例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＺ１−Ｚ１断面図である。
【図６】図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した他の例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＺ２−Ｚ２断面図である。
【図７】図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に半導体素子をキャビティ内に実装した一例を示すもので、（ａ）は、斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＺ３−Ｚ３断面図である。
【図８】放射素子の開口部を楕円にしたときの軸比と放射される偏波の長軸の傾きの関係を示す図である。
【図９】従来の６×８素子のアレーアンテナの特性図を示す。
【図１０】本発明に基づき、軸比の補正をした６×８素子のアレーアンテナの特性図を示す。
【図１１】従来の円偏波アレーアンテナとその給電構造を説明するための斜視図である。
【図１２】従来の円偏波アレーアンテナの偏波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 誘電体共振器
１１ 共振器部上部主導体層
１２ 共振器部副導体層
１３ 共振器部下部主導体層
１４ 共振器部貫通導体
２ 導波管型給電線路
２１ 給電部上部主導体層
２２ 給電部副導体層
２３ 給電部下部主導体層
２４ 給電部貫通導体
１ｃ 開口部
３ 結合孔
５ アンテナ基板
５１ 共振器部誘電体基板
５２ 給電部誘電体基板
６ 導波管型第二給電線路
６１ スロット
６２ アンテナポート
７ 半導体素子
７１ 信号増幅器
７２ フィルター
７３ ミキサ
７４ 高周波信号発生器
７５ 信号切り替え器
８１ 接続部
８２ ＩＦポート
９ キャビティ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波帯等の高周波信号を用いる無線通信に適した円偏波アレーアンテナおよびそれを具備したアンテナ付き基板に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
ミリ波等の高周波信号の電波を放射する放射素子としては、スロットアンテナ、パッチアンテナ等がある。これらは構造が簡単なため広く用いられており、給電線にマイクロストリップ線路、導波管線路等を用いたものが提案されている。
【０００３】
また、複数個の放射素子を並べたアレーアンテナの給電方式には並列給電と直列給電方式とがあるが、周波数が高くなると給電線の伝送損失が問題となるため、多くの場合、直列給電方式が採用されている。並列給電方式の場合、スロットアンテナやパッチアンテナの素子は最大の放射が得られるようにスロットやパッチが共振サイズに設定されるが、直列給電方式の場合には、給電端側から徐々に電磁波が放射されるようにするために、スロットやパッチを共振サイズより小さくまたは大きく設定して放射量が調整される。
【０００４】
さらに、偏波技術としては、直線偏波と円偏波とがあるが、無線通信装置の場合、壁等からの反射波の影響を抑えるために、円偏波アンテナが多用されている。これは、直線偏波の場合、反射波をまともに拾ってしまうのに対し、円偏波の場合には、例えば、右旋円偏波を放射した場合には反射波は左旋円偏波となるため、壁等からの一次反射波を拾うことがないためである。
【０００５】
円偏波を放射する技術には次のようなものがある。スロットアンテナは、例えば導波管タイプの給電線における導体壁に電磁波の進行方向と平行及び直交方向にスロットを形成することにより実現されている。またパッチアンテナは、長方形型や楕円型のパッチによって実現されている。
【０００６】
また最近では、これらのアンテナをセラミック基板で作製することが検討されている。従来、多くは良好なアンテナ特性を得るために、比誘電率の低い樹脂製の基板が用いられてきたが、基板の熱膨張率が大きいためにＭＭＩＣ等を封止したパッケージを直接実装できず、コストアップにつながっていた。
【０００７】
これに対して、アンテナを熱膨張の比較的小さいセラミック基板で作ることにより、直接パッケージ等を実装したり形成したキャビティ中に半導体素子を収納することが可能となり、高信頼性化及び低コスト化が可能となる。
【０００８】
そこで、本出願人は、先に図１１に示すように、円柱型誘電体の側面の全部または一部が電磁波遮蔽体で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための開口部を有する円柱型誘電体共振器１１０と円柱型誘電体共振器１１０に給電するための導波管または誘電体導波管１２０とを具備し、導波管または誘電体導波管１２０のＨ面導体表面に円柱型誘電体共振器１１０を搭載するとともに、導波管または誘電体導波管１２０のＨ面導体内の円柱型誘電体共振器１１０の開口部の中心と対向する位置に略円形または多角形状の結合孔１２１を形成し、結合孔１２１を介して高周波信号を導波管または誘電体導波管１２０から円柱型誘電体共振器１２０に給電してなる開口面アンテナをアレー状に配置したアレーアンテナを提案した（特開２００２−３５３７２７号）。
【０００９】
このアレーアンテナは円偏波だけでなく、給電線と放射素子との結合位置を変えることにより、直線偏波にすることもでき、低コストで製造できるものである。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−３５３７２７号
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、アレーアンテナの場合、放射素子間には相互結合が発生している。偏波特性が、直線偏波の場合は、相互結合による影響は気にならないが、円偏波の場合は、その軸比を劣化させる要因となる。特に放射素子間の間隔が、水平方向と垂直方向とで異なる場合には軸比の劣化が大きい。例えば、放射素子単体では軸比が０となるアンテナを並べているにもかかわらず、全体としては楕円偏波となっている。
【００１２】
図１２は、放射素子単体で軸比が０になるように設計した素子を垂直方向に３つ並べたもの、すなわち、３×１のアレーアンテナのシミュレーション結果である。左から準に、位相が０°、３０°、６０°、９０°のときの、電界ベクトル変化を示している。この図１２を見て分るように、放射素子単体では軸比が０となるアンテナを並べているにもかかわらず、明らかに楕円偏波となっていることがわかる。また、中央の素子は、両側の素子からの影響を受け、特にその軸比の劣化が大きい。
【００１３】
本発明はかかる従来の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、放射素子間に相互結合がある場合でも、アレーアンテナ全体として、良好な軸比特性を得ることのできる円偏波アレーアンテナおよびアンテナ付き基板を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題点に対して検討を重ねた結果、放射素子間の相互結合による軸比のずれを打ち消すように、放射素子から放射される偏波を楕円偏波とすることで、アレーアンテナ全体で円偏波として良好な軸比特性が得られることを見出した。また、上記放射素子を円柱型誘電体共振器とし、その開口部を楕円形状とすることで、放射素子の軸比およびその軸の傾きを容易に調整できる構造とすることができることを見出した。
【００１５】
即ち、本発明の円偏波アレーアンテナは、所定の基板表面に、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部を有する円柱状誘電体共振器からなる複数の放射素子をアレー状に配列形成してなる円偏波アレーアンテナであって、前記放射素子個々の偏波特性が楕円偏波であり、全体の軸比が３ｄＢ以下であることを特徴とするものである。かかる円偏波アレーアンテナによれば、放射素子の軸比およびその軸の傾きを容易に調整できるので、放射素子間の相互作用による軸比のずれを打ち消すように放射素子の偏波特性を調整することで、アレーアンテナ全体の軸比を良好にすることができる。つまり、前記個々の放射素子が、楕円偏波の軸比およびその軸の傾きが所定の値に設計され、全体として円偏波となるように設計されている。
【００１７】
またさらに、前記アレーアンテナの給電線を、導波管または誘電体導波管でおこなうことによって、低損失のアンテナを提供することができる。
【００１８】
一方、本発明のアンテナ付き基板は、誘電体基板と、該誘電体基板内に設けられた高周波信号を伝送可能な給電線と、該給電線と接続された複数の放射素子がアレー状に配列形成された円偏波アレーアンテナを具備するアンテナ付き基板において、前記放射素子が、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部を有する円柱状誘電体共振器からなり、前記放射素子個々の偏波特性が楕円偏波であり、全体の軸比が３ｄＢ以下であることを特徴とするものである。また、前記給電線を、誘電体を挟んで形成された上部主導体層および下部主導体層と、該上部主導体層および前記下部主導体層間を電気的に接続する二列の貫通導体群から成る導体壁とで囲まれた誘電体導波管によって形成し、さらに前記二列の貫通導体群がそれぞれ上部主導体層と下部主導体層間において該主導体層と平行に設けられた副導体層によって電気的に接続されてなるものとすることによって、従来から知られる多層化技術によって容易に形成することができる。
【００１９】
またさらに、前記放射素子は、誘電体基板の表面に形成された楕円型開口部を有する上部主導体層と、該上部主導体層と対向する位置に形成された下部主導体層と、前記楕円型開口部周囲の前記誘電体基板内に形成され、所定間隔をもって前記上部主導体層および前記下部主導体層間を電気的に接続する複数の貫通導体を具備するアンテナ導体壁とで囲まれてなる円柱状誘電体共振器であることによって、前記誘電体導波管からなる給電線とともに、アンテナを多層化技術を用いて一体的に形成することができる。
【００２０】
またさらに、前記誘電体基板の裏面に、少なくとも１つの信号増幅器や、少なくとも１つのスイッチまたはサーキュレータまたはダイプレクサが実装されてなることを特徴とするものである。また、前記誘電体基板の裏面に、半導体素子を収納するためのキャビティが形成されて成ることを特徴とするのものである。これにより円偏波アレーアンテナと他の素子と基板に一体的に設けることができるために、小型のアンテナ一体型モジュールを実現できる。
【００２１】
また、前記誘電体基板が低温焼成セラミックスからなり、前記上部主導体層および下部主導体層がそれぞれ銀、または銅を主成分とする導体材料によって形成されていることによって、低損失化を図ることができ、アンテナ特性を向上させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図を参照して説明する。
【００２３】
図１は、軸比調整の原理を示す図である。図１（ａ）は、放射素子の相互結合により偏波特性がずれたものを示す図である。放射素子間の相互結合により、軸比がＡｒ、その楕円偏波の長軸の傾きがθにずれた場合（ａ）、放射素子の軸比をＡｒ、その楕円偏波の長軸の傾きをθ＋９０°になるようにする（ｂ）と、その合成された偏波は円偏波となることがわかる（ｃ）。
【００２４】
図２は、本発明で用いられる放射素子の一例の基本構造を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図を示すものである。図２において、１は円柱状誘電体共振器であり、円柱状誘電体１ａの側面および上面が金属層１ｂで覆われ、上面には高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部１ｃが設けられている。２は導波管または誘電体導波管の導波管型給電線路であり、図２によれば、誘電体２ａの上面、下面および側面が導体２ｂによって被覆されている。導波管型給電線路２の上に円柱状誘電体共振器１が配置され、円柱状誘電体共振器１の下面の導体と、導波管型給電線路２の上面とは共有化されている。そして、共有化された導体には、円柱状誘電体共振器１と導波管型給電線路２とを結合するための結合孔３が設けられている。
【００２５】
このとき、結合孔３と円柱状誘電体共振器１の最低次の結合モードは、図１のように導体層が結合孔３を円形状に取り囲んでいるので、その誘電体が満たされた空間には１／４誘電体円柱共振器の共振モード（ＴＥ１１１）と類似したモードが発生し、そのモードの最低次の共振周波数は下記数１で与えられるものとなる。
【００２６】
【数１】
ｆ＝１５０／ε１／２×｛（１．８４１／πｄ）２＋（１／２ｔ）２｝１／２
ここで、ｆは共振周波数（ＧＨｚ）、ｄは誘電体共振器の直径（ｍｍ）、ｔは誘電体共振器の厚み（ｍｍ）、εは比誘電率である。
【００２７】
ただし、円柱状誘電体共振器１には結合孔３から給電しているので、共振周波数はこの結合孔３のサイズに影響を受ける。
【００２８】
また、本発明の実施の形態では、上記の誘電体が満たされた空間を誘電体共振器１として作用させるので、その厚みｔは高周波信号の信号波長λに対して、λ／８〜λ／２の範囲内に設定することが望ましい。
【００２９】
通常の円偏波アンテナは、放射素子から放射される偏波の軸比が０となるように設計される。つまり、図２の円柱状誘電体共振器１からなる放射素子においては、開口部１ｃは円形をなしている。
【００３０】
しかし、本発明では、放射素子間の相互結合を打ち消すために、放射素子から放射される偏波を楕円偏波とする。したがって、本発明に用いられる放射素子の構造は、容易に軸比が調整でき、しかもその楕円偏波の長軸の傾きを任意に変更できる構造であることが必要である。また、軸比の調整により、アンテナから放射される電力がほとんど変わらないことが望ましい。
【００３１】
図１の円柱状誘電体共振器１からなる放射素子はこの要件を満たすものである。即ち、円柱状誘電体共振器１の開口部１ｃを楕円型とすることで、設計段階で、アンテナの軸比が調整可能であり、さらに、その楕円の回転角を変えることにより、楕円偏波の長軸の傾きを自在に変更できる。また、楕円型開口部１ｃの面積を一定にすることで、アンテナから放射される電力をほとんど変えずに調整できる。
【００３２】
放射素子が導波管スロットアンテナの場合、あえて楕円偏波にすることは可能ではあるが、それから放射される偏波の長軸を調整することはできない。このため、本発明のように軸比を調整することは困難である。
【００３３】
図３は、図１の放射素子を用いた円偏波アレーアンテナの一例を示す斜視図である。１は放射素子となる円柱状誘電体共振器、２は導波管型給電線路、１ｃは開口部、３は円柱状誘電体共振器１と導波管型給電線路２とを結合する結合孔、６は複数の導波管型第一給電線路２群に給電するための導波管型第二給電線路であり、６１は前記導波管型第二給電線路６と導波管型給電線路２とを結合するためのスロットであり、６２は前記導波管型第二給電線路６の端部に作られたアンテナポートである。
【００３４】
この図３において、アンテナポート６２より入力された高周波信号は、分岐を繰り返し、スロット６１群で６つの導波管型給電線路２群の中央で給電される。導波管型第一給電線路２の中央で結合された高周波信号は左右に分岐し、５個（左右で計１０個）の円柱状誘電体共振器１群と結合する。その後、円柱状誘電体共振器１の開口部１ｃから、直線偏波または円偏波が放射される。この場合、放射パターンを制御するために、各円柱状誘電体共振器１と導波管型給電線路２との結合量を調整する必要がある。この調整は、結合孔３のサイズ、誘電体共振器１上部の開口部１ｃの径または円柱状誘電体共振器１の径ｄを変えることにより調整することができる。
【００３５】
本発明によれば、図３のように、各円柱状誘電体共振器１のうちの一部またはすべての放射素子を図２に示したような開口部１ｃが楕円型の円柱状誘電体共振器を配置して楕円偏波を放射させることによって、全体の軸比が３ｄＢ以下、特に中心周波数で１．５ｄＢ以下にするものである。なおこの軸比が３ｄＢよりも大きいと、受信で考えると、逆偏波成分の受信エネルギーが増大し、円偏波のメリットが小さくなる。
【００３６】
図４は、本発明の円偏波アレーアンテナ放射素子を誘電体基板内に形成したアンテナ付き基板の一例を示すもので、（ａ）は１つの放射素子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は、（ａ）（ｂ）のアンテナ付き基板の全体の断面図である。
【００３７】
図４において、１は放射素子となる誘電体共振器、２は導波管型給電線路、１ｃは開口部、３は誘電体共振器１と導波管型給電線路２とを結合する結合孔である。
【００３８】
図４のアンテナ付き基板によれば、放射素子となる誘電体共振器１は、誘電体層５１ａ、５１ｂを積層してなる共振器部誘電体基板５１に形成されている。誘電体基板５１の上面には、上部主導体層１１が形成され、下面には下部主導体層１３が形成されている。
【００３９】
また、導波管型給電線路２は、誘電体層５２ａ、５２ｂを積層してなる給電部誘電体基板５２に形成されている。誘電体基板５２の上面には、上部主導体層２１が形成され、下面には下部主導体層２３が形成されている。
【００４０】
なお、図中では、共振器部下部主導体層１３と給電部上部主導体層２１とは共用して用いられている。
【００４１】
開口部１ｃは共振器部上部主導体層１１に導体非形成部を設けることにより形成されており、結合孔３は共振器部下部主導体層１３に導体非形成部を設けることにより形成されている。
【００４２】
１４は、開口部１ｃ周辺の共振器部誘電体基板５１内に形成され、所定間隔を持って共振器部上部主導体層１１および共振器部下部主導体層１３間を電気的に接続するように形成された複数の共振器部貫通導体である。この複数の共振器部貫通導体１４は、高周波信号の信号波長の２分の１未満の繰り返し間隔で配設されている。なお、この繰り返し間隔は、必ずしも一定の値であることに限られず、信号波長の２分の１未満で種々の値を組合わせて設定しても良い。また、２重、３重と配設されても良い。
【００４３】
１２は、共振器部上部主導体層１１および共振器部下部主導体層１３に平行に共振器部誘電体層５１ａ、５１ｂ間に形成され、複数の共振器部貫通導体１４を共振器部誘電体層５１ａ、５１ｂ間で電気的に接続する共振器部副導体層である。この共振器部副導体層１２には開口部１ｃと相似形状の導体非形成部を設け、単層または必要に応じて複数層形成されて、複数の共振器部貫通導体１４と共に共振器部誘電体基板５１内に格子状の共振器導体側壁を形成する。そして、共振器部上部主導体層１１と共振器部下部主導体層１３と複数の共振器部貫通導体１４および共振器部副導体層１２から成る格子状の共振器導体壁とで囲まれ、誘電体で満たされた空間により、共振器部誘電体基板５１内に、誘電体共振器１を形成している。
【００４４】
２４ａ、２４ｂは給電部誘電体基板５２内に形成され、所定間隔を持って給電部上部主導体層２１（給電部下部主導体層１３）および給電部部下部主導体層２３間を電気的に接続するように形成された複数の給電部貫通導体である。この複数の給電部貫通導体２４ａ、２４ｂは、高周波信号の誘電体基板中の信号波長をλとしたとき、λ／２未満の繰り返し間隔で配設されている。なお、この繰り返し間隔は、必ずしも一定の値であることに限られず、信号波長の２分の１未満で種々の値を組合わせて設定しても良い。また、図中では１列に形成されているが、複数列で形成しても良い。
【００４５】
２２は、給電部上部主導体層２１および給電部下部主導体層２３に平行に給電部誘電体層５２ａ、５２ｂ間に形成され、複数の給電部貫通導体２４ａ・２４ｂを給電部誘電体層５２ａ、５２ｂ間で電気的に接続する給電部副導体層である。この給電部副導体層２２は給電部貫通導体群２４ａ、２４ｂ間には形成されず、単層または必要に応じて複数層形成されて、給電部貫通導体２４ａ、２４ｂと共に給電部誘電体基板５２内に導体壁を形成する。そして、給電部上部主導体層２１と給電部下部主導体層２３と複数の給電部貫通導体２４ａ、２４ｂおよび給電部副導体層２２から成る格子状の導体壁とで囲まれ、誘電体で満たされた空間により、給電部誘電体基板５２内に、断面が矩形状の誘電体導波管を形成している。特に、この誘電体導波管をシングルモードで用いる場合には、給電部貫通導体群２４ａと２４ｂとの間隔ｗは、λ／２＜ｗ＜λで配設される。なお、給電部誘電体層５２は単層であっても良く、この場合には、給電部副導体層２２は形成されない。
【００４６】
共振器部上部主導体層１１の開口部１ｃの周囲の共振器部誘電体基板５１内に形成された共振器部貫通導体１４と共振器部副導体層１２とが格子状に並ぶことにより、誘電体共振器１の側壁を構成する導体壁が形成され、これにより、電気的な壁が結合孔３を取り囲むようにして共振器部誘電体基板５１内に配置される。そして、これら開口部１ｃを有する共振器部上部導体層１１と結合孔３を有する共振器部下部主導体層１３と複数の共振器部貫通導体１４および共振器部副導体層１２により開口部１ｃ周囲に形成される共振器部導体側壁とにより囲まれる円柱状の誘電体が満たされた空間により誘電体共振器１が形成され、これにより放射素子としての円柱状の誘電体共振器１が誘電体基板５１内に形成される。
【００４７】
また、給電部上部主導体層２１（または共振器部下部主導体層１３）と給電部下部主導体層２３、給電部誘電体基板５２内に形成された給電部貫通導体２４ａ、２４ｂおよび給電部副導体層２２とが格子状に並ぶことにより導体壁が形成され、矩形状の誘電体導波管２が誘電体基板５２内に形成される。
【００４８】
そして、導波管型給電線路２から結合孔３を通して開口部１ｃ側に放射された高周波信号の電磁波は、誘電体共振器１があることにより、その空間より外側の一対の主導体層１１、１３間を伝播することなく、開口部１ｃから自由空間に放射される。
【００４９】
本発明のアンテナ付き基板は、図３の配置に基づき、誘電体基板５１、５２の内部において、導波管型第1給電線路２上に、複数の誘電体共振器１からなる放射素子がアレー状に配列され、導波管型第1給電線路２は導波管型第２給電線路６と接続されて、図３に示した構造の円偏波アレーアンテナが形成される。
【００５０】
図５は図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した一例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＺ１−Ｚ１断面図である。
【００５１】
図５において、８１はアンテナポート６２と表面回路とを結合する接続部、７１は信号増幅器、７２はフィルター、７３はミキサ、７４は高周波信号発生器、８２はＩＦ信号のＩＦポートである。
【００５２】
例えば、ＩＦポート８２から入力されたＩＦ信号は高周波信号発生器７４で生成された搬送信号とミキサ７３でミキシングされ、フィルター７２で帯域外の高調波等の高周波成分がカットされた後、信号増幅器７１で増幅され、接続部８１を介してアンテナ基板に入力される。７１〜７４の全ての能動素子がアンテナ基板５に実装される必要はないが、少なくとも信号増幅器７１がアンテナ基板５に実装されたアンテナモジュールの形態は、特に信号波長がミリ波帯を用いる場合、伝送損失の観点でメリットが大きい。
【００５３】
図６は、図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した他の例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＺ２−Ｚ２断面図である。図５に示したものと同様の個所には同じ符号を付してある。
【００５４】
図６において、７５はスイッチまたはサーキュレータまたはダイプレクサ等の信号切替え器、８２ａはＩＦ入力ポート、８２ｂはＩＦ出力ポートである。
【００５５】
ＩＦ入力ポート８２ａから入力されたＩＦ信号は高周波信号発生器７４で生成された搬送信号とミキサ７３ａでミキシングされ、フィルター７２ａで帯域外の高調波等の高周波成分がカットされた後、高出力信号増幅器７１ａで増幅され、スイッチやサーキュレータまたはダイプレクサ等の信号切り替え器７５により、接続部８１方向のみに信号が送られ、アンテナ基板５に入力される。一方、アンテナ基板５で受信して接続部８１に到達した信号は、信号切り替え器７５により、低雑音信号増幅器７１ｂのみに信号が送られ、フィルター７２ｂで帯域外の信号をカットされた後、高周波信号発生器７４で生成された信号とキクサ７３ｂでミキシングされ、ＩＦ信号のみ取り出される。その後、ＩＦ出力ポート８２ｂより出力される。
【００５６】
このように、信号切り替え器７５を配設することにより、送受共用のアンテナモジュールとすることができる。
【００５７】
図７は、図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に半導体素子をキャビティ内に実装した一例を示すもので、（ａ）は、斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＺ３−Ｚ３断面図である。図６に示したものと同様の個所には同じ符号を付してある。図７において、７は半導体素子、９はキャビティである。なお、半導体素子７はスイッチまたは信号増幅器等の単一機能を持つものであっても、図５または図７に示した機能素子群を集積化したものであっても良い。
【００５８】
このように、アンテナ付き基板の裏面にキャビティ９を形成することにより、キャビティ９内に半導体素子７を収納することができるので、特性が高く、低コストのアンテナモジュールが実現できる。
【００５９】
以上の実施の形態の例における誘電体基板５１および５２は、セラミックス、または合成樹脂、またはセラミックス−合成樹脂の複合材料を絶縁材料として形成することができるが、特に信頼性の点でセラミックスからなることが望ましく、セラミックスとしては、アルミナ、ＡｌＮ、窒化ケイ素、ガラスセラミックスなどが挙げられる。また、共振部上部主導体層１１、共振部下部主導体層１３（給電部上部主導体層２１）、共振部副導体層１２、給電部下部主導体層２３、給電部副導体層２２等の導体層およびビア導体やスルーホール導体は、銅、銀、タングステン、モリブデンなどの導体材料によって形成される。
【００６０】
これらは、いずれも周知の多層基板の製造技術に従い、上記の絶縁材料をシート化した後、シート表面に上記導体材料のペーストや金属箔をパターン化して形成し、ビア導体やスルーホール導体は、シートに貫通穴を形成し、導体ペーストを充填したり、メッキ処理を施すことによって形成され、複数のシートを積層する。その後、セラミックスの場合には、所定温度に焼成し、合成樹脂を含む場合には熱硬化させることで多層構造のアンテナ付き基板を作製することができる。
【００６１】
特に、誘電体材料として、銅、銀、金等の低抵抗のメタライズ層を用いることができる低温焼成セラミックスを用いることにより、伝送損失が小さくなりアンテナ特性が向上する。
【００６２】
低温焼成セラミックスとしては、１０００℃以下で焼成可能なセラミックスであれば、特に材質を特定するものではないが、例えば、ホウ珪酸系ガラスに、アルミナ、シリカ、石英、フォルステライト、ムライト、ディオプサイド、などのセラミックフィラーを３０〜８０質量％の割合で添加した組成物が挙げられる。
【００６３】
【実施例】
次に、本発明の円偏波アレーアンテナの具体例について説明する。
【００６４】
図８は放射素子の開口部を楕円にしたときの軸比と放射される偏波の長軸の傾きを示す一例である。
【００６５】
誘電体層５１、５２には比誘電率４．９のホウケイ酸ガラス−シリカ系のガラスセラミック材料を用い、誘電体共振器１の厚みｔを０．６ｍｍ、誘電体共振器１の径ｄをφ２．１２ｍｍ、導波管型給電線路２のサイズを（ｗ、ｈ）＝（１．８２ｍｍ、０．６ｍｍ）、楕円型結合孔３の中心位置を導波管型給電線路２の導体壁２４ａから０．５２ｍｍとした。
【００６６】
ここで、楕円型開口部１ｃの面積は２．６６ｍｍ２で一定としている。周波数は６２．５ＧＨｚで評価した。図中の黒丸は軸比、白丸は楕円偏波における長軸の傾きを示している。この図８から、ａの値を０．８８ｍｍから０．９６ｍｍまで変化させることにより、軸比を０〜４まで変化させることができることがわかる。なお、ａ＝０．９２のときは開口部は真円になっており、軸比も０になる。
【００６７】
図９は、６×８素子のアレーアンテナに本発明で説明した手法を適用しない場合の特性図、図１０は本発明に従い軸比の補正をした場合の特性図である。
【００６８】
まず、放射素子の全てを、軸比０に調整した上で、アレーを設計し、ＦＤＴＤ法によるシミュレーションを用いて、放射パターンを計算した。このときの軸比は図９に示すとおり４．９ｄＢ、また、そのときの偏波の長軸の傾きは−４０°であった。そこで、放射素子の軸比を４．９ｄＢ、長軸の傾きを＋５０になるように設定し、再度シミュレーションを行って得た結果が図１０である。この結果、軸比は１．２ｄＢに改善されている。また、サイドローブレベルも３ｄＢ程度改善された結果が得られた。
【００６９】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、本発明の円偏波アレーアンテナは、放射素子を円柱型共振器とし、その開口部を楕円にすることにより、軸比の調整および放射される楕円偏波の長軸の傾きを自在に変えることができるものとし、放射素子の相互結合による軸比のズレを打ち消すように、放射素子個々の偏波特性を楕円偏波とすることにより、アレーアンテナ全体の偏波特性を良好なものとすることができるものとなる。
【００７１】
またさらに、誘電体基板内に、高周波信号を伝送可能な誘電体導波管と、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための開口部を有する円柱状誘電体共振器とが形成され，誘電体導波管のＨ面導体内の前記円柱型誘電体共振器の開口部の中心と対向する位置に結合孔を形成し、該結合孔を介して高周波信号を前記誘電体導波管から円柱型誘電体共振器に給電してなるものとしたことにより、誘電体基板の裏面に能動素子や信号切り替え器を直接実装またはキャビティを形成しその中に内蔵することが可能となり、小型で信頼性が高く、低コストのアンテナ付き基板とすることができる。
【００７２】
またさらに、アンテナ基板を形成する誘電体基板を低温焼成セラミックスとすることによって、銅、銀等の低抵抗のメタライズ層を用いることができ、伝送損失が小さくなりアンテナ特性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の円偏波アレーアンテナにおける放射素子間の相互結合によるアンテナの軸比補正の原理を示す図である。
【図２】本発明で用いられる放射素子の一例の基本構造を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ断面図を示す。
【図３】図１の放射素子を用いた円偏波アレーアンテナの一例と、その給電構造を説明するために一例の斜視図を示す。
【図４】本発明の円偏波アレーアンテナ放射素子を誘電体基板内に形成したアンテナ付き基板の一例を示すもので、（ａ）は１つの放射素子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は、（ａ）（ｂ）のアンテナ付き基板の全体の断面図である。
【図５】図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した一例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＺ１−Ｚ１断面図である。
【図６】図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した他の例を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＺ２−Ｚ２断面図である。
【図７】図４の円偏波アレーアンテナを具備する基板に半導体素子をキャビティ内に実装した一例を示すもので、（ａ）は、斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＺ３−Ｚ３断面図である。
【図８】放射素子の開口部を楕円にしたときの軸比と放射される偏波の長軸の傾きの関係を示す図である。
【図９】従来の６×８素子のアレーアンテナの特性図を示す。
【図１０】本発明に基づき、軸比の補正をした６×８素子のアレーアンテナの特性図を示す。
【図１１】従来の円偏波アレーアンテナとその給電構造を説明するための斜視図である。
【図１２】従来の円偏波アレーアンテナの偏波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 誘電体共振器
１１ 共振器部上部主導体層
１２ 共振器部副導体層
１３ 共振器部下部主導体層
１４ 共振器部貫通導体
２ 導波管型給電線路
２１ 給電部上部主導体層
２２ 給電部副導体層
２３ 給電部下部主導体層
２４ 給電部貫通導体
１ｃ 開口部
３ 結合孔
５ アンテナ基板
５１ 共振器部誘電体基板
５２ 給電部誘電体基板
６ 導波管型第二給電線路
６１ スロット
６２ アンテナポート
７ 半導体素子
７１ 信号増幅器
７２ フィルター
７３ ミキサ
７４ 高周波信号発生器
７５ 信号切り替え器
８１ 接続部
８２ ＩＦポート
９ キャビティ
Claims (11)
- 所定の基板表面に、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部を有する円柱状誘電体共振器からなる複数の放射素子をアレー状に配列形成してなる円偏波アレーアンテナであって、前記放射素子個々の偏波特性が楕円偏波であり、全体の軸比が３ｄＢ以下であることを特徴とする円偏波アレーアンテナ。
- 前記個々の放射素子の、楕円偏波の軸比およびその軸の傾きを調整し、全体として円偏波となるように設計されていることを特徴とする請求項１記載の円偏波アレーアンテナ。
- 前記放射素子に対して、導波管または誘電体導波管によって給電されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の円偏波アレーアンテナ。
- 誘電体基板と、該誘電体基板内に設けられた高周波信号を伝送可能な給電線と、該給電線と接続された複数の放射素子がアレー状に配列形成された円偏波アレーアンテナを具備するアンテナ付き基板において、前記放射素子が、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部を有する円柱状誘電体共振器からなり、前記放射素子個々の偏波特性が楕円偏波であり、全体の軸比が３ｄＢ以下であることを特徴とするアンテナ付き基板。
- 前記給電線が、誘電体を挟んで形成された上部主導体層および下部主導体層と、該上部主導体層および前記下部主導体層間を電気的に接続する二列の貫通導体群から成る導体壁とで囲まれた誘電体導波管からなることを特徴とする請求項４記載のアンテナ付き基板。
- 前記二列の貫通導体群がそれぞれ上部主導体層と下部主導体層間において該主導体層と平行に設けられた副導体層によって電気的に接続されてなることを特徴とする請求項５記載のアンテナ付き基板。
- 前記放射素子は、誘電体基板の表面に形成された楕円型開口部を有する上部主導体層と、該上部主導体層と対向する位置に形成された下部主導体層と、前記楕円型開口部周囲の前記誘電体基板内に形成され、所定間隔をもって前記上部主導体層および前記下部主導体層間を電気的に接続する複数の貫通導体を具備するアンテナ導体壁とで囲まれてなる円柱状誘電体共振器であることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれか記載のアンテナ付き基板。
- 前記誘電体基板の裏面に、少なくとも１つの信号増幅器を実装してなることを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか記載のアンテナ付き基板。
- 前記誘電体基板の裏面に、少なくとも１つのスイッチまたはサーキュレータまたはダイプレクサを実装してなることを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか記載のアンテナ付き基板。
- 前記誘電体基板の裏面に、半導体素子を収納するためのキャビティが形成してなることを特徴とする請求項４乃至請求項９のいずれか記載のアンテナ付き基板。
- 前記誘電体基板が低温焼成セラミックスからなり、前記上部主導体層および下部主導体層がそれぞれ銀、または銅を主成分とする導体材料によって形成されていることを特徴とする請求項４乃至請求項１０のいずれか記載のアンテナ付き基板。
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