JP4408405B2 - 平面アンテナおよび無線装置 - Google Patents

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Description

本発明は一般に無線装置に係り、特に回路基板上に形成された平面アンテナ、およびかかる平面アンテナを有する無線装置に関する。
回路基板上に一体的に形成された平面アンテナは、ミリ波帯域のレーダ装置に関連して研究がなされている。一方、かかる平面アンテナは、電波天文学の分野においても重要である。
従来、ミリ波帯域の受信には、導波管を使った高性能アンテナが使われている。しかし、このような導波管を使ったアンテナは立体回路を構成するため重量があり、費用が高い問題を有している。さらにこのような導波管を使ったアンテナは、回路基板上に設けられた半導体集積回路装置と直接に接続できない問題を有している。
このような事情で、従来より、特にミリ波帯域のレーダ装置に関連して、回路基板上に金属膜をパターニングすることにより、平面アンテナを形成する研究がなされている。
特開2001−320228号公報 特開2000−307334号公報 特許第3462959号 2003年度電子情報通信学会総合大会予稿集C−2−103
図1は、かかる回路基板10上に形成された金属パターンよりなる最も簡単なパッチ型アンテナ11の例を示す。
図1を参照するに、前記パッチ型アンテナ11は金属パターンよりなる主部11Aと、前記主部11Aから前記回路基板10上を半導体集積回路装置(図示せず)まで延在する配線パターン11Bとよりなり、前記主部11Aは1/2波長の大きさを有している。
このようなパッチ型アンテナ11は構成が簡単で面積も小さく、設計が容易である利点を有しているが、当然ながらアンテナ利得が低く、アンテナ面内では無指向性であり、高いアンテナ利得が要求される用途には不適当である。
一方、前記特許文献3には、図2に示すような利得を向上させたテーパスロット型平面アンテナ21の構成が記載されている。
図2を参照するに、前記平面アンテナ21は基本的には回路基板20上の導体パターン21A中に形成されたスロット線路21Bよりなり、前記スロット線路21Bの幅Wをアンテナ端部に向かって、フェルミ・ディラック関数に従って増大させ、アンテナ端部におけるインピーダンスの最適化を試みている。
しかしながら、図2の構成の平面アンテナ21では、高いアンテナ利得を実現しようとすると、前記インピーダンスの最適化がなされるアンテナ端部において4波長分の長さが必要であり、これは例えば波長が3mmのミリ波の場合、少なくとも12mmのアンテナ長が必要になることを意味している。
このように、前記特許文献3の技術によれば、特に高いアンテナ利得を求めた場合、回路基板上のアンテナ面積が必然的に増大してしまい、大きな回路基板が必要になる、あるいは回路基板表面の利用効率が低下してしまう問題が生じてしまう。
本発明は一の観点において、回路基板と、前記回路基板上に形成され、軸方向に電磁波を導波するスロット線路を形成し、前記スロット線路の端部において前記電磁波を放射する平面アンテナであって、前記端部は前記軸方向上、前記電磁波の波長の約1/4の距離だけ離間した位置に焦点を有するような湾曲形状を有し、前記焦点には、一対の導体パターンよりなる幅が1/2波長の共振器が、前記軸に対して対称的に、前記電磁波の波長の1/100〜1/10程度の隙間を隔てて形成されていることを特徴とする平面アンテナを提供する。
本発明は他の観点において、回路基板と、前記回路基板上に形成され、軸方向に電磁波を導波するスロット線路を形成し、前記スロット線路の端部において前記電磁波を放射する平面アンテナと、前記回路基板上に、前記平面アンテナに接続して形成された半導体装置とよりなる無線装置であって、前記端部は前記軸方向上、前記電磁波の波長の約1/4の距離だけ離間した位置に焦点を有するような湾曲形状を有し、前記焦点には、一対の導体パターンよりなる幅が1/2波長の共振器が、前記軸に対して対称的に、前記電磁波の波長の1/100〜1/10程度の隙間を隔てて形成されていることを特徴とする無線装置を提供する。
本発明によれば、前記回路基板上に形成され、軸方向に電磁波を導波するスロット線路を形成し、前記スロット線路の端部において前記電磁波を放射する導体パターンよりなる平面アンテナにおいて、前記端部を、前記軸方向上、前記電磁波の波長の約1/4の距離だけ離間した位置に焦点を有するような湾曲形状に形成し、前記焦点に、前記電磁波の波長の約1/2の長さの導体パターンを形成することにより、非常に小型の高利得アンテナを実現することができる。また、かかる小型の高利得アンテナを無線装置に使うことにより、前記アンテナが形成される回路基板上の面積を有効に使うことが可能になり、また無線装置を小型化することが可能になる。
[第1実施例]
図3(A)は、本発明の第1実施例による平面アンテナ40の構成を示す平面図、図3(B)は図3(A)中、線A−A‘に沿った断面図を示す。
図3(A),(B)を参照するに前記平面アンテナ40は、セラミックや石英ガラス、あるいは樹脂よりなる低損失回路基板41上に、AuやCuなどの導体パターン42A,42Bによりスロット線路42が形成されており、前記スロット線路42は、前記導体パターン42A,42Bの間に、典型的には周波数が100GHz台の電磁波(ミリ波)を、矢印Bで示すように軸方向40xに導波するスロット42Cを含んでいる。
前記スロット線路42の端部42aは、図示の例では略放物線状の湾曲形状に形成されており、前記端部42aは、放物線の焦点が、前記軸40x上において前記端部42aから、前記電磁波の波長の約1/4の距離に位置するように、前記湾曲形状が設定されている。
さらに前記回路基板41上には、前記焦点に対応して前記軸40x上で前記端部42aから1/4波長離間した位置に、前記軸40xに直交するように、一対の導体パターン43A,43Bよりなる幅が1/2波長の共振器43が、前記軸40xに対して対称的に、前記電磁波の波長の1/100〜1/10程度の隙間を隔てて形成されている。
そこで、前記共振器43から見ると、前記スロット線路42は前記電磁波の波長の1/4だけ離間した位置に、前記端部42aにおいて前記電磁波の波長の1/2よりも大きな幅で、前記軸40xの左右に延在し、誘導性の反射器を形成する。
さらに前記軸40x上、前方には、前記共振器43から約1/4波長離間した位置に、前記共振器43よりも短い導体パターン44により、容量性の導波器が形成されており、さらに前記軸40x上、前記導波器44のさらに前方には、前記導波器44から約1/4波長離間した位置に、前記導波器44よりもさらに短い導体パターン45よりなる導波器が形成されている。
そこで、図3(A),(B)の平面アンテナ40は、前記軸40x方向にせいぜい3/4波長分程度の大きさを有するにすぎないにもかかわらず、前記軸方向から入来する電磁波を前記導波器45および44、および前記反射器42aの作用により前記共振器43に効率的に集中させ、またその結果、このようにして集中された電磁波を、前記共振器43からスロット線路42へと効率的に注入することが可能となる。また同様に、図3(A),(B)の平面アンテナ40は、前記スロット線路42に供給した電磁波を前記共振器43から、前記反射器42aおよび導波器44,45を介して効率的に放射することが可能である。
図4(A)は、図3(A),(B)の平面アンテナ40を、波長が3mmの電磁波に対して適合した場合の、アンテナ利得と放射角度との関係をシミュレーションで求めた結果を示す図、図4(B)は図2に示した従来の平面アンテナ20を、波長が3mmの電磁波に対して適合した場合の、同様なアンテナ利得と放射角度との関係を同様にシミュレーションで求めた結果を示す図である。
図4(A),(B)を参照するに、本発明の平面アンテナ40は、その軸方向への全長が、スロット線路端部から計ってせいぜい3/4波長に過ぎないにもかかわらず、4波長分の長さを有する従来の平面アンテナ20と、ほぼ同等な利得および指向性を有することがわかる。

[第2実施例]
図5は、本発明の第2実施例による、前記平面アンテナ40を使った無線装置50の構成を示す。ただし図5中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図5を参照するに、無線装置50は、入来する微弱なミリ波を検出するパッシブレーダなどの受信装置であり、前記回路基板41上に形成されており、前記平面アンテナ40を構成する導体パターン42A,42B上にフリップチップ実装された半導体チップ51を含む。前記半導体チップ51は低雑音増幅器を含んでおり、前記平面アンテナ40で収集されスロット線路42に注入された電磁波を高い利得で増幅する。
図5の構成では、図7で説明するように、前記平面アンテナ40が形成されたスロット線路42に連続して、コプレーナ線路421が形成されており、前記半導体チップ51は、かかるコプレーナ線路421に形成されている。また前記スロット線路42とコプレーナ線路421との間には、図7で説明する線路変換部52が形成されている。
また前記導体パターン42A,42Bの外周には、図10で詳細に説明するチョーク構造42c、42dが、表面波遮断のために設けられている。
そこで図5の無線装置50では、図中に矢印で示したミリ波が入来すると、入来したミリ波は前記高利得平面アンテナ40により収集され、前記スロット線路42に注入される。前記スロット線路42に注入された電磁波は、前記変換部52を介して前記コプレーナ線路421に導入され、前記半導体チップ51により処理される。
さらに前記無線装置50は、もちろんミリ波の送信装置、あるいはアクティブレーダなどの送受信装置として使うことも可能である。その場合は、前記半導体チップ51として、高出力送信チップあるいは送受信チップないしモジュールを使えばよい。
図6(A)は、図5の無線装置50において使われる平面アンテナ40のうち、反射器42aの形状を詳細に示す。
図6(A)を参照するに、本実施例では前記スロット線路42中のスロット42Cと、前記反射器42aを構成する放物線とを、例えば図6(B)に示すような関数に従って、滑らかに接続し、この部分におけるインピーダンスの急変を抑制する。
図6(B)を参照するに、関数g(x)は前記反射器42aを規定する放物線を示し、関数f(x)は、前記スロット42Cの形状を規定する直線を示している。
図6(B)に示すように、本実施例では関数f(x)と関数g(x)との接続部に対応する区間x1〜x2をnの小区間に分割し、それぞれの小区間を、kを重みとした関数
Figure 0004408405

により接続している。
もちろん、前記関数g(x)とf(x)の接続は、このような特定の関数に限定されるものではなく、インピーダンスの急減を抑制できる滑らかな関数であれば、他のものを使うことも可能である。
図7は、前記線路変換部52の構成を示す。
図7を参照するに、前記線路変換部52は前記スロット線路42を構成する導体パターン42A,42Bにより構成されているが、前記スロット線路42においてはスロット42Cのみが形成されているのに対し、前記コプレーナ線路421を構成する部分では前記スロット42Cに平行に、もう一つのスロット42Dが形成されている。
そこで図5の構成において前記半導体チップ51を実装する場合、前記導体パターン42Bのうちスロット42Cと42Dとの間の信号領域、すなわち信号パターンSには信号パッドが、また前記導体パターン42Aおよび前記導体パターン42Bのうち、前記スロット42Dの外側に位置する接地領域Gには接地パッドがコンタクトように実装を行う。
図示の例では前記スロット42Dの先端には前記線路変換部52を構成する、行路長が約1/4波長のT字型終端部が形成されており、これにより、前記スロット線路42中を前記スロット42Cに沿って導波されてきた電磁波は、前記スロット42Cと42Dとの間の信号パターンS中を導波され、前記半導体チップ51の信号パッドに導かれる。
また前記半導体チップ51からミリ波帯域の電磁波を平面アンテナ40に供給する場合には前記信号パターンSに供給された電磁エネルギが、前記線路変換部52の作用により実質的に前記スロット42Cに移り、このようにして移った電磁エネルギが前記スロット線路42中を前記スロット42Cに沿って前記アンテナ40へと導波される。
図7(B)は、図7(A)の線路変換部52の変換損失を、従来のものと比較して示す図である。
図7(B)を参照するに、本実施例により、85〜100GHz帯域において変換損失をおよそ1dB程度、あるいはそれ以下に抑制できることがわかる。そこで、図5の無線装置50において、このような線路変換機52をスロット線路42とコプレーナ線路42との間に使うことにより、前記平面アンテナ40で収集された微弱な電磁波を、処理回路を構成する半導体チップ51へと、供給することが可能になる。
図8は、図7(A)の線路変換部52の別の実施例52Aを示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図8を参照するに、本実施例では前記スロット42D先端の週端部がT字型の代わりに行路長が約1/4波長のリング状とされている。
8の実施例においても、前記スロット線路42においてスロット42Cに沿って導波された電磁エネルギは、前記リング状終端部を含む線路変換部52Bの作用により前記信号パターンSに移り、これに沿って半導体チップ51の信号電極パッドへと導かれる。
図9は、図7(A)の線路変換部52のさらに別の実施例52Bを示す。ただし図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図9の実施例では前記線路変換部52Bにおいて前記スロット42Dが前記スロット42Cと接続されており、その際、前記線路変換部52Bは前記スロット42Cに1/4波長分の行路長を設定し、前記スロット42Dに3/4波長分の行路長を設定する。このような構成においても、前記スロット線路42とコプレーナ線路421との間において損失の少ない接続を実現することができる。
図10は、図5に示されているチョーク構造42cおよび42dをより詳細に示す図である。
図10を参照するに、前記チョーク構造42cおよび42dは前記導体パターン42Aあるいは42Bの側縁部に繰り返し周期的に形成された、各々全長が約1/4波長のL字型パターンよりなる。このようなチョーク構造42cおよび42dを設けることにより、前記導体パターン42A,42Bの端部に沿った表面波の伝播、およびこれに伴う電磁化の放射を抑制することができる。
図11は、図3(A)の平面アンテナの一変形例を示す。ただし図11中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図11を参照するに、本実施例では前記スロット線路42の端部が前記42Cに沿って軸方向に延在しており、その結果、前記共振器43を構成する導体パターン43Aは導体パターン42Aと導体パターン43eで接続されており、また導体パターン43Bは導体パターン42Bと導体パターン43fにより接続されている。
かかる構成によれば、前記スロット42Cは前記共振器43まで延在し、前記共振器43に集められた電磁波を直接にスロット42C中に注入することが可能になる。
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
(付記1)
回路基板と、
前記回路基板上に形成され、軸方向に電磁波を導波するスロット線路を形成し、前記スロット線路の端部において前記電磁波を放射する平面アンテナであって、
前記端部は前記軸方向上、前記電磁波の波長の約1/4の距離だけ離間した位置に焦点を有するような湾曲形状を有し、
前記焦点には、前記電磁波の波長の約1/2の長さの導体パターンが形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
(付記2)
前記端部は、放物線、双曲線および楕円のいずれかにより記述される曲線形状を有することを特徴とする付記1記載の平面アンテナ。
(付記3)
前記軸方向上、前記導体パターンの先には、前記電磁波の波長の約1/4の距離だけ離間した位置に、前記導体パターンよりも短い一または複数の別の導体パターンが設けられていることを特徴とする付記1または2記載の平面アンテナ。
(付記4)
前記スロット線路は、前記軸方向に延在するように形成されたスロットを含み、前記スロットは前記端部において電磁波を放射する放射点を形成することを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の平面アンテナ。
(付記5)
前記放射点において前記スロットは、前記端面の湾曲形状に滑らかに移行することを特徴とする付記4記載の平面アンテナ。
(付記6)
前記スロット線路は、前記端面から前記導体パターンまで前記軸上を延在する延在部を含むことを特徴とする付記1〜3のうち、いずれか一項記載の平面アンテナ。
(付記7)
前記スロット線路の側縁部には、前記電磁波の波長の1/4の間隔で、前記スロット線路に沿って周期的に繰り返されるチョーク構造が形成されていることを特徴とする付記1〜6のうち、いずれか一項記載の平面アンテナ。
(付記8)
前記スロット線路は前記回路基板上において、第1のスロットと第2のスロットとを有するコプレーナ線路に、線路変換部を介して接続され、前記線路変換部は、前記第1のスロットを前記スロット線路中のスロットに、前記電磁波の1/4波長の行路長で接続し、前記第2のスロットを前記スロット線路中のスロットに、前記電磁波の3/4波長の行路長で接続することを特徴とする付記1〜7のうち、いずれか一項記載の平面アンテナ。
(付記9)
前記スロット線路は前記回路基板上において、第1のスロットと第2のスロットとを有するコプレーナ線路に、線路変換部を介して接続され、前記線路変換部は、前記第1のスロットを前記スロット線路中のスロットに接続し、前記第2のスロットを、前記導体パターン中に形成された終端構造に接続することを特徴とする付記1〜7のうち、いずれか一項記載の平面アンテナ。
(付記10)
回路基板と、
前記回路基板上に形成され、軸方向に電磁波を導波するスロット線路を形成し、前記スロット線路の端部において前記電磁波を放射する平面アンテナと、
前記回路基板上に、前記平面アンテナに接続して形成された半導体装置とよりなる無線装置であって、
前記端部は前記軸方向上、前記電磁波の波長の約1/4の距離だけ離間した位置に焦点を有するような湾曲形状を有し、
前記焦点には、前記電磁波の波長の約1/2の長さの導体パターンが形成されていることを特徴とする無線装置。
(付記11)
前記端部は、放物線、双曲線および楕円のいずれかにより記述される曲線形状を有することを特徴とする付記10記載の無線装置。
(付記12)
前記軸方向上、前記導体パターンの先には、前記電磁波の波長の約1/4の距離だけ離間した位置に、前記導体パターンよりも短い一または複数の別の導体パターンが設けられていることを特徴とする付記10または11記載の無線装置。
(付記13)
前記スロット線路は、前記軸方向に延在するように形成されたスロットを含み、前記スロットは前記端部において電磁波を放射する放射点を形成することを特徴とする付記10〜12のうち、いずれか一項記載の無線装置。
(付記14)
前記放射点において前記スロットは、前記端面の湾曲形状に滑らかに移行することを特徴とする付記13記載の無線装置。
(付記15)
前記スロット線路は、前記端面から前記導体パターンまで前記軸上を延在する延在部を含むことを特徴とする付記10〜12のうち、いずれか一項記載の無線装置。
(付記16)
前記スロット線路の側縁部には、前記電磁波の波長の1/4の間隔で、前記導体パターンに沿って周期的に繰り返されるチョーク構造が形成されていることを特徴とする付記10〜15のうち、いずれか一項記載の無線装置。
(付記17)
前記スロット線路は前記回路基板上において、第1のスロットと第2のスロットとを有するコプレーナ線路に、線路変換部を介して接続され、前記線路変換部は、前記第1のスロットを前記スロット線路中のスロットに、前記電磁波の1/4波長の行路長で接続し、前記第2のスロットを前記スロット線路中のスロットに、前記電磁波の3/4波長の行路長で接続することを特徴とする付記10〜16のうち、いずれか一項記載の無線装置。
(付記18)
前記スロット線路は前記回路基板上において、第1のスロットと第2のスロットとを有するコプレーナ線路に、線路変換部を介して接続され、前記線路変換部は、前記第1のスロットを前記スロット線路中のスロットに接続し、前記第2のスロットを、前記導体パターン中に形成された終端構造に接続することを特徴とする付記10〜16のうち、いずれか一項記載の無線装置。
(付記19)
前記無線装置は受信装置であることを特徴とする付記10〜18のうち、いずれか一項記載の無線装置。
(付記20)
前記無線装置は送信装置であることを特徴とする付記10〜18のうち、いずれか一項記載の無線装置。
従来のパッチ型平面アンテナの構成を示す図である。 従来のテーパスロット型アンテナの構成を示す図である。 (A),(B)は本発明の第1実施例による平面アンテナの構成を示す図である。 (A),(B)は、本発明の第1実施例による平面アンテナの放射特性と、図2のテーパスロット型アンテナの放射特性とを示す図である。 本発明の第2実施例による無線装置の構成を示す図である。 (A),(B)は、図5の無線装置で使われる平面アンテナの一部を示す図である。 (A),(B)は、図5無線装置で使われる線路変換部の構成およびその変換特性を示す図である。 図7の線路変換部の別の例を示す図である。 図7の線路変換部の別の例を示す図である。 図5の無線装置で使われるチョーク構造の例を示す図である。 本発明の平面アンテナのさらに別の構成例を示す図である。
符号の説明
10,20,41 回路基板
11,21,40 平面アンテナ
11A,11B,21A,42A,42B 導体パターン
21B,42 スロット線路
40x 軸
42C,42D スロット
42a 反射器
42c,42d チョーク構造
43A,43B 共振器
44,45 導波器
50 無線装置
51 半導体チップ
52 線路変換部

Claims (10)

  1. 回路基板と、
    前記回路基板上に形成され、軸方向に電磁波を導波するスロット線路を形成し、前記スロット線路の端部において前記電磁波を放射する平面アンテナであって、
    前記端部は前記軸方向上、前記電磁波の波長の約1/4の距離だけ離間した位置に焦点を有するような湾曲形状を有し、
    前記焦点には、一対の導体パターンよりなる幅が1/2波長の共振器が、前記軸に対して対称的に、前記電磁波の波長の1/100〜1/10程度の隙間を隔てて形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
  2. 前記端部は、放物線、双曲線および楕円のいずれかにより記述される曲線形状を有することを特徴とする請求項1記載の平面アンテナ。
  3. 前記軸方向上、前記導体パターンの先には、前記電磁波の波長の約1/4の距離だけ離間した位置に、前記導体パターンよりも短い一または複数の別の導体パターンが設けられていることを特徴とする請求項1または2記載の平面アンテナ。
  4. 前記スロット線路は、前記軸方向に延在するように形成されたスロットを含み、前記スロットは前記端部において電磁波を放射する放射点を形成することを特徴とする請求項1〜3のうち、いずれか一項記載の平面アンテナ。
  5. 前記放射点において前記スロットは、前記端面の湾曲形状に滑らかに移行することを特徴とする請求項4記載の平面アンテナ。
  6. 前記スロット線路は、前記端面から前記導体パターンまで前記軸上を延在する延在部を含むことを特徴とする請求項1〜3のうち、いずれか一項記載の平面アンテナ。
  7. 前記スロット線路の側縁部には、前記電磁波の波長の1/4の間隔で、前記スロット線路に沿って周期的に繰り返されるチョーク構造が形成されていることを特徴とする請求項1〜6のうち、いずれか一項記載の平面アンテナ。
  8. 前記スロット線路は、前記回路基板上において、第1のスロットと第2のスロットとを有するコプレーナ線路に、線路変換部を介して接続され、前記線路変換部は、前記第1のスロットを前記スロット線路中のスロットに、前記電磁波の1/4波長の行路長で接続し、前記第2のスロットを前記スロット線路中のスロットに、前記電磁波の3/4波長の行路長で接続することを特徴とする請求項1〜7のうち、いずれか一項記載の平面アンテナ。
  9. 前記スロット線路は前記回路基板上において、第1のスロットと第2のスロットとを有するコプレーナ線路に、線路変換部を介して接続され、前記線路変換部は、前記第1のスロットを前記スロット線路中のスロットに接続し、前記第2のスロットを、前記導体パターン中に形成された終端構造に接続することを特徴とする請求項1〜7のうち、いずれか一項記載の平面アンテナ。
  10. 回路基板と、
    前記回路基板上に形成され、軸方向に電磁波を導波するスロット線路を形成し、前記スロット線路の端部において前記電磁波を放射する平面アンテナと、
    前記回路基板上に、前記平面アンテナに接続して形成された半導体装置とよりなる無線装置であって、
    前記端部は前記軸方向上、前記電磁波の波長の約1/4の距離だけ離間した位置に焦点を有するような湾曲形状を有し、
    前記焦点には、一対の導体パターンよりなる幅が1/2波長の共振器が、前記軸に対して対称的に、前記電磁波の波長の1/100〜1/10程度の隙間を隔てて形成されていることを特徴とする無線装置。
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