JP4480570B2 - 誘電体共振器アンテナおよび配線基板ならびに電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波を用いた通信やレーダーに使用されるアンテナに関するもので、単素子で指向性利得が大きく薄型化が可能な誘電体共振器アンテナおよびそれを用いた配線基板ならびに電子装置関するものである。

マイクロ波やミリ波等の電磁波を効率良く放射するアンテナとして導波管を用いたホーンアンテナが知られている。ホーンアンテナは導波管内を伝送してきた高周波信号を空間に放射するアンテナである。導波管内部は空間と同じ誘電率（一般的には空気の誘電率）であり、そのインピーダンスは空間のインピーダンスに近くなっている。また導波管内を伝送する高周波信号の電磁場モードは空間を伝送する高周波信号の電磁場モードに類似しており、導波管を伝送してきた高周波信号の電磁場モードはホーン近傍の空間で空間を伝送する高周波信号の電磁場モードに容易に変化できる。これらの理由よりホーンアンテナはインピーダンスや電磁場モードのミスマッチによる反射が小さく、高効率で比較的広帯域であることが知られている。またホーンの開口面積を大きくすることにより指向性利得を大きくできることが知られている。

一方一般にマイクロ波やミリ波を用いた通信やレーダーに用いられる回路はマイクロストリップ線路やコプレーナ線路を用いた平面回路である。この場合、回路とホーンアンテナを接続するには平面回路を導波管に変換する変換器が必要になり、変換器を使用することによるコストアップや反射等の性能劣化が生じる場合がある。平面回路から空間に直接電磁波を放射するアンテナの１つとしてパッチアンテナが知られている。パッチアンテナは比較的インピーダンスが小さい平面回路と、比較的インピーダンスが大きい空間とをパッチの共振を使って整合している。共振による整合では共振器のインピーダンスが帯域に影響する。帯域を広くするためにパッチのインピーダンスを大きくしようとするとパッチ幅を小さくする必要があり放射効率が下がる。放射効率を上げるためにパッチ幅を大きくするとパッチのインピーダンスが小さくなり帯域が狭くなる傾向がある。パッチアンテナの設計では高周波信号を効率良く空間に放射することが第１条件であり、そのため帯域を犠牲にして、帯域が狭くなっている場合が多い。

この問題を解決するために共振器としてインピーダンスが大きい誘電体共振器を用いた積層型開口面アンテナが提案されている。この積層型開口面アンテナでは平面回路を形成する誘電体基板内部に誘電体共振器を構成し、広帯域なアンテナを実現している。
特開２００１−０１６０２７号公報

しかしながら、積層型開口面アンテナの誘電体共振器の開口面積は一般にパッチアンテナのパッチ面積より小さくなるため、単素子で見た場合の指向性利得も小さくなってしまう傾向がある。これは誘電体共振器中の実効誘電率がほぼ誘電体の誘電率であるのに対し、パッチ上の実効誘電率は空気と誘電体の中間的誘電率になり、誘電体の誘電率よりも小さくなるためである。これらは半波長共振を基本にした共振器であり、同じ半波長に対してより実効誘電率が大きい誘電体共振器の開口面積の方が、実効誘電率が小さいパッチアンテナのパッチ面積より小さくなる。開口面アンテナの指向性利得は開口面積が大きくなるほど大きくなる性質があり、損失を無視して考えると開口面積が２倍になると指向性利得も２倍に大きく（３ｄＢｉ増加）する。指向性利得を大きくする手段としてアンテナ素子を並べてアレイアンテナにすることが考えられるが、その場合、反射損が小さい給電線の分岐、位相差を波長の整数倍にするための給電線長さの調整、引き回しが必要となり、場合によっては設計できなくなるという問題があった。

従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、広帯域な誘電体共振器アンテナにおいて、アレイ化せずに指向性利得を大きくできる誘電体共振器アンテナとその誘電体共振器を具備する配線基板を提供することにある。

本発明の誘電体共振器アンテナは、誘電体層の上面に形成され、一端がグランド層に電気的に接続されて短絡端を形成している線路導体と前記誘電体層の下面に形成された前記グランド層とからなる高周波線路の前記グランド層に、前記高周波線路と電磁的に結合するスロットを形成した、前記高周波線路を伝送する信号を前記スロットを介して空間に放射するアンテナに対して、前記グランド層の下面に前記スロットを覆うように誘電体板からなる誘電体共振器を取着し、該誘電体共振器の内部あるいは下面に、平面透視して前記スロットと重なるとともに前記誘電体共振器の側面と離間した仕切り導体を配したことを特徴とする。

本発明の誘電体共振器アンテナは、誘電体層の上面に形成され、一端がグランド層に電気的に接続されて短絡端を形成している線路導体と前記誘電体層の下面に形成された前記グランド層とからなる高周波線路の前記グランド層に、前記高周波線路と電磁的に結合するスロットを形成した、前記高周波線路を伝送する信号を前記スロットを介して空間に放射するアンテナに対して、前記グランド層の下面に前記スロットを覆うように誘電体板からなる誘電体共振器を取着し、該誘電体共振器の内部あるいは表面に、平面透視して前記スロットと重なる空洞あるいは凹部を形成したことを特徴とする。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、前記誘電体共振器の側面に導体層を形成したことを特徴とする。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、前記誘電体板の内部に、平面透視して前記スロットを取り囲むように複数のシールド導体を配列し、該複数のシールド導体からなるシールド導体群のシールド導体群の内側領域を前記誘電体共振器としたことを特徴とする。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、前記誘電体共振器の比誘電率が３以上１０以下であることを特徴とする。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、前記線路導体の上に上部誘電体層および上部グランド層を順次積層したことを特徴とする。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、前記線路導体の一端が開放され、前記スロットと交差する部位の中心と前記線路導体の一端との距離を、前記線路導体を伝送する高周波信号の波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）にしたことを特徴とする。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、前記線路導体の一端部を前記グランド層と電気的に接続したことを特徴とする。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、前記線路導体が前記スロットと交差する部位の中心と前記一端部との距離を、前記線路導体を伝送する高周波信号の波長のｎ／２倍（ｎは自然数）にしたことを特徴とする。

本発明の配線基板は、電子部品の搭載部を有する配線基板に、上記本発明の誘電体共振器アンテナを、前記搭載部と前記線路導体とが近接するように形成したことを特徴とする。

本発明の電子装置は、上記本発明の配線基板に電子部品を搭載するとともに、該電子部品の電極と前記線路導体とを電気的に接続したことを特徴とする。

本発明の誘電体共振器アンテナによれば、誘電体層の上面に形成され、一端がグランド層に電気的に接続されて短絡端を形成している線路導体と前記誘電体層の下面に形成されたグランド層とからなる高周波線路のグランド層に、平面透視して線路導体に直交するとともに高周波線路と電磁的に結合するスロットを形成した、高周波線路を伝送する信号をスロットを介して空間に放射するアンテナに対して、グランド層の下面にスロットを覆うように誘電体板からなる誘電体共振器を取着し、誘電体共振器の内部あるいは下面に、平面透視してスロットと重なるとともに誘電体共振器の側面と離間した仕切り導体を配したことから、仕切り導体によって誘電体共振器内に複数の共振現象を発生させるので、誘電体共振器の開口面積を大きくすることができ、指向性利得が大きいアンテナを提供することができる。

本発明の誘電体共振器アンテナによれば、誘電体層の上面に形成され、一端がグランド層に電気的に接続されて短絡端を形成している線路導体と誘電体層の下面に形成されたグランド層とからなる高周波線路のグランド層に、高周波線路と電磁的に結合するスロットを形成した、高周波線路を伝送する信号をスロットを介して空間に放射するアンテナに対して、グランド層の下面にスロットを覆うように誘電体板からなる誘電体共振器を取着し、誘電体共振器の内部あるいは表面に、平面透視してスロットと重なる空洞あるいは凹部を形成したことから、空洞あるいは凹部によって誘電体共振器内に複数の共振現象を発生させるので、誘電体共振器の開口面積を大きくすることができ、指向性利得が大きいアンテナを提供することができる。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、誘電体共振器の側面に導体層を形成したことから、アンテナ特性が誘電体共振器周辺の部材等の影響を受けにくく、安定した性能の誘電体共振器アンテナを提供できる。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、誘電体板の内部に、平面透視してスロットを取り囲むように複数のシールド導体を配列し、複数のシールド導体からなるシールド導体群の内側領域を誘電体共振器としたことから、積層技術を用いることにより誘電体共振器を高周波線路と一体に構成することができ、誘電体共振器の高周波線路への接合ずれがなくなり、安定した性能の誘電体共振器アンテナを提供できる。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、誘電体共振器の比誘電率が３以上１０以下であることから、誘電体共振器が空間と接する界面で比誘電率の比が３以上と大きくなり一部の電磁波が反射し、共振器としての機能を発現することができる。また誘電体共振器の比誘電率が10以下であることから誘電体共振器が小さくなり過ぎず、必要な指向性利得を得ることができ、高効率で指向性利得が高い誘電体共振器アンテナを提供できる。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、線路導体の上に上部誘電体層および上部グランド層を順次積層したことから、高周波線路から誘電体共振器と反対の方向への信号のわずかな洩れを抑制することができ、高効率な誘電体共振器アンテナを提供できる。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、線路導体の一端を開放し、線路導体がスロットと交差する部位の中心と線路導体の一端との距離を、線路導体を伝送する高周波信号の波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）にしたことから、たとえばｎが１の場合、線路導体の開放端とスロットの中心との間の距離は高周波信号の波長の１／４倍になる。開放端の電流は０であり、開放端から高周波信号の波長の１／４倍離れた位置すなわちスロット中心で線路導体の電流が最大になり、線路導体の電流による磁界で効率よくスロットを励振することができ、結果として効率が良い誘電体共振器アンテナを提供できる。ｎが２の場合には開放端とスロットの中心との間の距離は高周波信号の波長の３／４倍になりｎが１の場合と同様スロットの中心で線路導体の電流が最大になり、効率が良い誘電体共振器アンテナを提供できる。ｎが３以上の自然数の場合も同様にスロットの中心で線路導体の電流が最大になり、効率が良い誘電体共振器アンテナを提供できる。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、線路導体の一端部をグランド層と電気的に接続したことから、スロット縁部において線路導体に短絡による最大電流が流れ、線路導体の電流による磁界で効率よくスロットを励振することができ、結果として効率が良い誘電体共振器アンテナを提供できる。

本発明の誘電体共振器アンテナにおいて、好ましくは、線路導体がスロットと交差する部位の中心と一端部との距離を、線路導体を伝送する高周波信号の波長のｎ／２倍（ｎは自然数）にしたことから、短絡端から高周波信号の波長の１／４倍だけ離れる毎に電流０、電流最大を繰り返す定在波が発生し、高周波信号の波長ｎ／２倍だけ離れた位置で電流最大になるのでこの電流による磁界でスロットを効率よく励振することができ、結果として効率が良い誘電体共振器アンテナを提供できる。

本発明の配線基板は、電子部品の搭載部を有する配線基板に、上記本発明の誘電体共振器アンテナを、搭載部と線路導体とが近接するように形成したことから、誘電体共振器の内部あるいは表面に仕切り導体を配して誘電体共振器内に複数の共振現象を発生させるので、誘電体共振器の開口面積を大きくすることができ、指向性利得が大きいアンテナを具備する配線基板を提供することができる。

本発明の電子装置は、上記本発明の配線基板に電子部品を搭載するとともに、電子部品の電極と線路導体とを電気的に接続したことから、指向性利得が大きいアンテナを具備する電子装置を提供することができる。

本発明の誘電体共振器アンテナを図面に基づき詳述する。図１は、本発明の誘電体共振器アンテナの一例を説明するための概略図であり（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−ＡＡ断面図、（ｃ）はＢ−ＢＢ断面図である。

図１において、１は誘電体層、２は線路導体、３はグランド層、４は高周波線路、５は開放端、６はスロット、７は誘電体共振器、８は仕切り導体、Ｈ１はスロットに結合した高周波信号の磁界、Ｈ２は誘電体共振器中の共振現象の磁界である。

この本発明の誘電体共振器アンテナの例では、誘電体層１と、誘電体層１の上面に形成された線路導体２と、誘電体層１の下面に形成されたグランド層３からマイクロストリップ線路型の高周波線路４が構成されている。線路導体２の先端は開放端５になっている。この開放端５と対峙するグランド層３にスロット６が形成されており、高周波線路４とスロット６とが高周波的に結合してＨ１で示す磁界が発生する。スロット６には誘電体による誘電体共振器７が装荷されて、スロット６に結合した高周波信号を空間に効率よく放射できるようになっている。このとき誘電体共振器７には仕切り導体８が形成されているので、誘電体共振器７内部にはＨ２で磁界を示すような２つの共振現象が仕切り導体８をはさむように発生する。この２つの共振現象は位相が同じであり、スロット６に結合している高周波信号Ｈ１を効率よく空間に放射することができ、結果として効率が良い誘電体共振器アンテナを提供できる。そして仕切り導体８がなく共振現象が１つのときより誘電体共振器７を大きくすることができるので、アンテナとしての開口面積を大きくすることができ、結果として指向性利得が大きい誘電体共振器アンテナを提供できる。このとき開放端５とスロット６の中心との距離Ｌｏを高周波線路４を伝送する高周波信号の波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）にすることにより 高周波線路４とスロット６との結合効率を高めることができる。たとえばｎが１の場合、線路導体２の開放端５とスロット６の中心との間の距離Ｌｏは高周波信号の波長の１／４倍になる。高周波信号は開放端５で全反射し高周波線路４上に定在波を発生させる。この定在波の電流は開放端５で０であり、開放端５から高周波信号の波長の１／４倍離れた位置すなわちスロット６中心で最大になり、線路導体２の電流による磁界で効率よくスロット６を励振することができる。ｎが２の場合にはＬｏは高周波信号の波長の３／４倍になる。定在波の電流は開放端５で０、開放端５から高周波信号の波長の１／４倍離れた位置で最大、２／４倍離れた位置で０、３／４倍離れた位置すなわちスロット６中心で再び最大になり、線路導体２の電流による磁界で効率よくスロット６を励振することができる。ｎが３以上の場合も同様に定在波の電流はスロット６中心で最大になり、線路導体２の電流による磁界で効率よくスロット６を励振することができる。

図２は、本発明の誘電体共振器アンテナの別の一例を説明するための概略図であり（ａ）は上面図、（ｂ）はＣ−ＣＣ断面図、（ｃ）はＤ−ＤＤ断面図である。

図２において、図１と同じ部位には図１と同じ記号を付けており、９は短絡導体、10は短絡端、11は凹部、Ｌｓは短絡端長さである。

この本発明の誘電体共振器アンテナの例は図１の例と比較すると、図１の例では線路導体２の一端が開放され開放端５を形成しているのに対しこの例では線路導体２の一端が短絡導体９でグランド層３に電気的に接続され短絡端10を形成している部分と、図１の例では誘電体共振器７が仕切り導体８で２つに分割されているのに対しこの例では誘電体共振器７が凹部11で２つに分割されている部分である。高周波線路４の短絡端10は短絡端10とスロット６中心との距離を調整することにより、開放端５の場合と同様に高周波線路４を伝送する高周波信号をスロット６に高周波的に結合させることができる。また誘電体共振器７は図１の例のように仕切り導体８で分割することもできるが相対的に誘電率が低い凹部11で分割することもできる。したがって図１の例と同様、効率が良く指向性利得が大きい誘電体共振器アンテナを提供できる。この例では線路導体２がスロット６直上を交差した後スロット６の縁部に短絡すると、短絡端10で電流が最大になり、スロット６内にこの最大電流による最大磁界が発生してスロット６に効率よく結合することがでる。また短絡端10とスロット６中心との距離Ｌｓが高周波信号の波長のｎ／２倍（ｎは自然数）の場合は、Ｌｓはそれぞれ高周波信号の波長の１／２倍（ｎ＝１）、１倍（ｎ＝２）になる。高周波線路４の先端が短絡されている場合、高周波信号は短絡端10で全反射し高周波線路４に定在波が発生する。この定在波の電流は短絡端10で最大で、短絡端10から高周波信号の波長の１／４倍だけ離れる毎に電流０、電流最大を繰り返す。したがって短絡端10から高周波信号の波長の２／４倍の整数倍だけ離れた位置にスロット６を形成すれば高周波線路４とスロット６とを効率よく結合させることができ、結果として放射効率が良い誘電体共振器アンテナを提供できる。また凹部11で誘電体共振器７を分割し１つ１つの誘電体共振器７を大きくすれば誘電体共振器７全体が大きくなり、アンテナとしての開口面積が大きくなって、結果として指向性利得が大きな誘電体共振器アンテナを提供できる。

図３は、本発明の配線基板の一例を説明するための概略図であり（ａ）は上面図、（ｂ）はＥ−ＥＥ断面図である。

図３において、図１と同じ部位には図１と同じ記号を付けており、12は側面導体群、13は上部誘電体層、14は上部導体層、15は接続導体、16は高周波素子、17はボンディングワイヤー、18は蓋体である。この本発明の例では、誘電体層１の内部にグランド層３が形成され、このグランド層３の下部にスロット６を取り囲むように側面導体群12を形成して誘電体共振器７が構成されている。誘電体層１の上部には上部誘電体層13が形成され、上部誘電体層13の上部には上部導体層14が形成されている。上部導体層14は接続導体15でグランド層３と電気的に接続されている。線路導体２の一端はスロット６と高周波的に結合するために開放端５になっており他方の一端は高周波素子16とボンディングワイヤー17によって接続されている。高周波素子16は上部導体層14に接合された蓋体18によって気密に封止されている。このような構成にすることによって、誘電体共振器７を誘電体層１の一部に一体的に構成することができ、誘電体共振器アンテナの作製を容易にすることができるとともに、誘電体層１のアンテナ放射面と反対の面に高周波素子16を実装することができるので装置の小型化を実現できる。またこの例においては、誘電体層１の上部に上部誘電体層13を配し、上部誘電体層13の上面に上部導体層14を配するので、スロット６から上側への電磁波の漏れを抑制し、放射効率が良い誘電体共振器アンテナを提供できる。

なお、本発明は、以上の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。

本発明の誘電体共振器アンテナの一例を説明するための概略図であり（ａ）は上面図、（ｂ）はＡ−ＡＡ断面図、（ｃ）はＢ−ＢＢ断面図である。 本発明の誘電体共振器アンテナの別の一例を説明するための概略図であり（ａ）は上面図、（ｂ）はＣ−ＣＣ断面図、（ｃ）はＤ−ＤＤ断面図である。 本発明の配線基板の一例を説明するための概略図であり（ａ）は上面図、（ｂ）はＥ−ＥＥ断面図である。

符号の説明

１：誘電体層
２：線路導体
３：グランド層
４：高周波線路
５：開放端
６：スロット
７：誘電体共振器
８：仕切り導体
９：短絡導体
10：短絡端
11：凹部
12：側面導体群
13：上部誘電体層
14：上部導体層
15：接続導体
16：高周波素子
17：ボンディングワイヤー
18：蓋体
Ｈ１：スロットにおける磁界
Ｈ２：誘電体共振器における磁界
Ｌｏ：開放端からスロット中心までの距離
Ｌｓ：短絡端からスロット中心までの距離

Claims (11)

1. 誘電体層の上面に形成され、一端がグランド層に電気的に接続されて短絡端を形成している線路導体と前記誘電体層の下面に形成された前記グランド層とからなる高周波線路の前記グランド層に、平面透視して前記線路導体に直交するとともに前記高周波線路と電磁的に結合するスロットを形成した、前記高周波線路を伝送する信号を前記スロットを介して空間に放射するアンテナに対して、前記グランド層の下面に前記スロットを覆うように誘電体板からなる誘電体共振器を取着し、該誘電体共振器の内部あるいは下面に、平面透視して前記スロットと重なるとともに前記誘電体共振器の側面と離間した仕切り導体を配したことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
2. 誘電体層の上面に形成され、一端がグランド層に電気的に接続されて短絡端を形成している線路導体と前記誘電体層の下面に形成された前記グランド層とからなる高周波線路の前記グランド層に、前記高周波線路と電磁的に結合するスロットを形成した、前記高周波線路を伝送する信号を前記スロットを介して空間に放射するアンテナに対して、前記グランド層の下面に前記スロットを覆うように誘電体板からなる誘電体共振器を取着し、該誘電体共振器の内部あるいは表面に、平面透視して前記スロットと重なる空洞あるいは凹部を形成したことを特徴とする誘電体共振器アンテナ。
3. 前記誘電体共振器の側面に導体層を形成したことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の誘電体共振器アンテナ。
4. 前記誘電体板の内部に、平面透視して前記スロットを取り囲むように複数のシールド導体を配列し、該複数のシールド導体からなるシールド導体群の内側領域を前記誘電体共振器としたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の誘電体共振器アンテナ。
5. 前記誘電体共振器の比誘電率が３以上１０以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の誘電体共振器アンテナ。
6. 前記線路導体の上に上部誘電体層および上部グランド層を順次積層したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の誘電体共振器アンテナ。
7. 前記線路導体の一端が開放され、前記スロットと交差する部位の中心と前記線路導体の一端との距離を、前記線路導体を伝送する高周波信号の波長の（２ｎ−１）／４倍（ｎは自然数）にしたことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の誘電体共振器アンテナ。
8. 前記線路導体の一端部を前記グランド層と電気的に接続したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の誘電体共振器アンテナ。
9. 前記線路導体が前記スロットと交差する部位の中心と前記一端部との距離を、前記線路導体を伝送する高周波信号の波長のｎ／２倍（ｎは自然数）にしたことを特徴とする請求項８記載の誘電体共振器アンテナ。
10. 電子部品の搭載部を有する配線基板に、請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の誘電体共振器アンテナを、前記搭載部と前記線路導体とが近接するように形成したことを特徴とする配線基板。
11. 請求項１０記載の配線基板に電子部品を搭載するとともに、該電子部品の電極と前記線路導体とを電気的に接続したことを特徴とする電子装置。

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