JP4519086B2 - パッチアンテナおよび高周波デバイス - Google Patents
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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、単素子で放射効率が高く帯域が広いパッチアンテナおよびそれを用いた高周波デバイスに関するものである。
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。
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必要条件であり、そのため帯域を犠牲にして、帯域が狭くなる場合がある。
この問題を解決するためにパッチ導体に抵抗体を接続したパッチアンテナが提案されている。このパッチアンテナでは抵抗体の導体損によってアンテナのＱを下げることにより帯域幅を広げ、広帯域なアンテナを実現している。
特開２００４−８８１３６号公報
しかしながら、このパッチアンテナでは帯域を広げるために抵抗体を用いることから放射効率が低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、放射効率が高く、かつ広帯域なパッチアンテナとそのパッチアンテナを用いた高周波デバイスを提供することにある。
本発明のパッチアンテナは、複数の層からなる誘電体基板と、誘電体基板の第１の面に形成された信号導体と、誘電体基板内に信号導体と所定の間隔をもって形成されたグランド層とからなる高周波線路と、グランド層に形成されており、高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、誘電体基板の第２の面にスロットと対向して形成されたパッチ電極と、誘電体基板のグランド層と第２の面との間の層に形成されており、第２の面においてパッチ電極を囲むように配置されているとともに、基準電位に固定される複数のビア導体とを備えており、グランド層と第２の面との距離が信号波長の１／４であることを特徴とする。
本発明のパッチアンテナにおいて、好ましくは、基準電位が接地電位であることを特徴とする。
本発明のパッチアンテナにおいて、好ましくは、パッチ電極の高周波線路の高周波伝送方向の長さが信号波長の１／２であることを特徴とする。
本発明のパッチアンテナにおいて、好ましくは、グランド層と第２の面との間の層に形成された接地導体層を備えていることを特徴とする。
本発明の高周波デバイスは、複数の層からなる誘電体基板と、誘電体基板の第１の面に形成された信号導体と、誘電体基板内に信号導体と所定の間隔をもって形成されたグランド層とからなる高周波線路と、グランド層に形成されており、高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、誘電体基板の第２の面に形成されたパッチ電極と、誘電体基板のグランド層と第２の面との間の層に形成されており、第２の面においてパッチ電極を囲むように配置されているとともに、基準電位に固定される複数のビア導体とからなり、グランド層と第２の面との距離が信号波長の１／４であるパッチアンテナを備える配線基板に、高周波線路と接続するように高周波部品を搭載したことを特徴とする。
本発明のパッチアンテナは、誘電体基板と、誘電体基板の第１の面に形成された信号導体と、誘電体基板内に信号導体と所定の間隔をもって形成されたグランド層とからなる高周波線路と、グランド層に形成されており、高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、誘電体基板の第２の面にスロットと対向して形成されたパッチ電極と、誘電体基板のグランド層と第２の面との間の層に形成されており、スロットと第２の面との間に発生する表面波を抑制する複数のビア導体とを備えており、グランド層と第２の面との距離が信号波長の１／４であることを特徴とする。
本発明の高周波デバイスは、誘電体基板と、誘電体基板の第１の面に形成された信号導体と、誘電体基板内に信号導体と所定の間隔をもって形成されたグランド層とからなる高周波線路と、グランド層に形成されており、高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、誘電体基板の第２の面にスロットと対向して形成されたパッチ電極と、誘電体基板のグランド層と第２の面との間の層に形成されており、スロットと第２の面との間に発生する表面波を抑制する複数のビア導体とからなり、グランド層と第２の面との距離が信号波長の１／４であるパッチアンテナを備える配線基板に、高周波線路に接続するように高周波部品を搭載したことを特徴とする。
本発明のパッチアンテナによれば、複数の層からなる誘電体基板と、誘電体基板の第１の面に形成された信号導体と、誘電体基板内に信号導体と所定の間隔をもって形成されたグランド層とからなる高周波線路と、グランド層に形成されており、高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、誘電体基板の第２の面にスロットと対向して形成されたパッチ電極と、誘電体基板のグランド層と第２の面との間の層に形成されており、第２の面においてパッチ電極を囲むように配置されているとともに、基準電位に固定される複数のビア導体とを備えており、グランド層と第２の面との距離が信号波長の１／４であることから、抵抗体を使用していないので放射効率が高く、またグランド層と第２の面との距離を長くして広帯域化してもグランド層と第２の面との間に表面波が発生することがないので放射効率が高く、広帯域なパッチアンテナを提供することができる。また、パッチ電極から誘電体基板内部に放射された電磁波はグランド層で反射され、再びパッチ電極に戻ってきたとき、伝送路長が信号波長の１／２ずれて位相が反転し、グランド層で反射するときの位相反転と相まってパッチ電極から空間に放射される電磁波と同位相になり、効率よく電磁波を空間に放射することができ、放射効率が高いパッチアンテナを提供することができる。
本発明のパッチアンテナにおいて、好ましくは、基準電位が接地電位であることから、第２の面におけるパッチ電極周囲の電位を接地電位に保つことにより表面波を効率よく抑制し、安定した性能のパッチアンテナを提供できる。
本発明のパッチアンテナにおいて、好ましくは、パッチ電極の高周波線路の高周波伝送方向の長さが信号波長の１／２であることから、パッチ電極において高周波信号が効率よく共振し、放射効率が高いパッチアンテナを提供することができる。
本発明のパッチアンテナにおいて、好ましくは、グランド層と第２の面との間の層にビア導体どうしを接続する接地導体層を備えていることから、ビア導体を接地電位にすることができ、第２の面におけるパッチ電極周囲の電位を接地電位に保つことにより表面波を効率よく抑制し、安定した性能のパッチアンテナを提供できる。
本発明の高周波デバイスは、複数の層からなる誘電体基板と、誘電体基板の第１の面に形成された信号導体と、誘電体基板内に信号導体と所定の間隔をもって形成されたグランド層とからなる高周波線路と、グランド層に形成されており、高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、誘電体基板の第２の面に形成されたパッチ電極と、誘電体基板のグランド層と第２の面との間の層に形成されており、第２の面においてパッチ電極を囲むように配置されているとともに、基準電位に固定される複数のビア導体とからなり、グランド層と第２の面との距離が信号波長の１／４であるパッチアンテナを備える配線基板に、高周波線路と接続するように高周波部品を搭載したことから、高周波部品とアンテナが直接接続され、高周波部品とアンテナとの接続において高周波信号の反射や損失が小さい高周波デバイスを提供することができる。
本発明のパッチアンテナによれば、誘電体基板と、誘電体基板の第１の面に形成された信号導体と、誘電体基板内に信号導体と所定の間隔をもって形成されたグランド層とからなる高周波線路と、グランド層に形成されており、高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、誘電体基板の第２の面にスロットと対向して形成されたパッチ電極と、誘電体基板のグランド層と第２の面との間の層に形成されており、スロットと第２の面との間に発生する表面波を抑制する複数のビア導体とを備えており、前記グランド層と前記第２の面との距離が信号波長の１／４であることから、抵抗体を使用していないので放射効率が高く、またグランド層と第２の面との距離を長くして広帯域化してもグランド層と第２の面との間に表面波が発生することがないので放射効率が高く、広帯域なパッチアンテナを提供することができる。また、パッチ電極から誘電体基板内部に放射された電磁波はグランド層で反射され、再びパッチ電極に戻ってきたとき、伝送路長が信号波長の１／２ずれて位相が反転し、グランド層で反射するときの位相反転と相まってパッチ電極から空間に放射される電磁波と同位相になり、効率よく電磁波を空間に放射することができ、放射効率が高いパッチアンテナを提供することができる。
本発明の高周波デバイスによれば、誘電体基板と、誘電体基板の第１の面に形成された信号導体と、誘電体基板内に信号導体と所定の間隔をもって形成されたグランド層とからなる高周波線路と、グランド層に形成されており、高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、誘電体基板の第２の面にスロットと対向して形成されたパッチ電極と、誘電体基板のグランド層と第２の面との間の層に形成されており、スロットと第２の面との間に発生する表面波を抑制する複数のビア導体とからなり、グランド層と第２の面との距離が信号波長の１／４であるパッチアンテナを備える配線基板に、高周波線路に接続するように高周波部品を搭載したことから、高周波部品とアンテナが直接接続され、高周波部品とアンテナとの接続において高周波信号の反射や損失が小さい高周波デバイス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、本発明のパッチ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断面図である。
図１において、１は誘電体基板、２は信号導体、３はグランド層、４は高周波線路、５はスロット、６はパッチ電極、７はビア導体、Tはグランド層３とパッチ電極７との距離である。
この本発明のパッチアンテナの例では、誘電体基板１と、誘電体基板１の第１の面に形成された信号導体２と、誘電体基板１の内部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。グランド層３には高周波線路４と電磁気的に結合するスロット５が形成されている。誘電体基板１の第２の面にはスロット５と対向するようにパッチ電極６が形成され、グランド層３と第２の面との間の層においてパッチ電極６を囲むようにビア導体７が形成されている。高周波線路４は先端が開放され、高周波線路４とスロット５は先端開放により電磁気的に結合されている。パッチアンテナの帯域は一般にグランド層３と誘電体基板１の第２の面との距離Ｔを大きくすると広くなることが知られている。しかし従来のパッチアンテナではＴを大きくし信号波長の１／４に近くなるとグランド層７と誘電体基板１の第２の面との間に表面波が発生し、この表面波は誘電体基板１の第２の面に沿って周囲に散逸してしまうため、高周波信号は空間に放射できなくなる。したがってパッチアンテナの帯域を十分に広くすることができなかった。本発明のパッチアンテナは、グランド層３と誘電体基板１の第２の面との間の層においてパッチ電極を囲むようにビア導体７が形成されているため、Ｔを信号波長の１／４以上にしても表面波が発生しないため、パッチアンテナの帯域を広くすることができる。図ではビア導体７はグランド層３に接続され接地電位になってぎるが、表面波を抑制するには必ずしも接地電位である必要はなく、表面波が誘電体基板１の第２の面に沿って伝送するのを妨げるよう、波長に対して十分短い間隔で導体が並んでいればよい。
ビア導体７の電位を接地電位にすると、第２の面におけるパッチ電極周囲の電位を接地電位に保つことにより表面波を効率よく抑制し、安定した性能のパッチアンテナを提供できる。
パッチ電極６の高周波線路４における高周波伝送方向の長さが信号波長の１／２である場合、パッチ電極６においてパッチ電極６の一方の端で最大電位、他方の端で逆位相の最大電位、パッチ電極６中央で０電位となる定在波が発生し、高周波信号が効率よく共振し、パッチ電極６の一方の最大電位による電界と、パッチ電極６の他方の端の逆位相の最大電位による電界から電磁波が効率よく放射され放射効率が高いパッチアンテナを提供することができる。このときパッチ電極６の長さは信号波長の１／２でも良いが、信号波長の１／２の奇数倍であっても良い。この場合もパッチ電極６の両端に位相が反対の最大電位が発生し、パッチ電極６中央で０電位になり、電磁波を効率よく放射する様子は同じである。
グランド層３と第２の面との距離を信号波長の１／４にしており、パッチ電極６から誘電体基板１内部に放射された電磁波はグランド層３で反射され、再びパッチ電極６に戻ってきたとき、伝送路長が信号波長の１／２ずれて位相が反転する。グランド層３での反射はグランド層３が導体であることから電磁波は全反射し、そのときグランド層７の表面電位を０にするようにグランド層７に対する入射波と反射波の電位は逆位相になる。伝送路長による位相反転と、グランド層７における反射の際の位相逆転が相まってパッチ電極６から誘電体基板１内部に放射され、グランド層３で反射した電磁波と、パッチ電極６から空間に放射される電磁波は同位相になり、効率よく電磁波を空間に放射することができ、放射効率が高いパッチアンテナを提供することができる。
グランド層３と第２の面との間の層にビア導体７どうしを接続する接地導体層（図示せず）を備えると、ビア導体７を接地電位にすることができ、第２の面におけるパッチ電極６周囲の電位を接地電位に保つことにより表面波を効率よく抑制し、安定した性能のパッチアンテナを提供できる。
図２は、本発明の高周波デバイスの一例を説明するための概略図であり（ａ）は上面図、（ｂ）はＢ−Ｂ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、８は接地導体層、９は高周波部品、10はワイヤーボンディング、11は蓋体である。
この本発明の高周波デバイスの例は図１の例のアンテナを備えた誘電体基板１の高周波線路４に接続するように高周波部品９を搭載したものである。高周波線路４と高周波部品９はワイヤーボンディング１０で接続されている。高周波線路４とパッチ電極６は誘電体基板１の互いに逆の面にあるので、高周波線路４と高周波部品９をおおうように蓋体１１を実装すると高周波部品９を封止することができる。この高周波デバイスの場合、高周波部品９とパッチアンテナに給電する高周波線路４が直接接続され、高周波部品９とパッチアンテナとの接続において高周波信号の反射や損失が小さい高周波デバイスを提供することができる。
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。
１：誘電体基板
２：信号導体
３：グランド層
４：高周波線路
５：スロット
６：パッチ電極
７：ビア導体
８：接地導体層
９：高周波部品
10：ワイヤーボンディング
11：蓋体
12：開口
13：反射導体層
Ｔ：グランド層と誘電体基板の第２の面との距離
２：信号導体
３：グランド層
４：高周波線路
５：スロット
６：パッチ電極
７：ビア導体
８：接地導体層
９：高周波部品
10：ワイヤーボンディング
11：蓋体
12：開口
13：反射導体層
Ｔ：グランド層と誘電体基板の第２の面との距離
Claims (7)
- 複数の層からなる誘電体基板と、該誘電体基板の第１の面に形成された信号導体と、前記誘電体基板内に前記信号導体と所定の間隔をもって形成されたグランド層とからなる高周波線路と、前記グランド層に形成されており、前記高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、前記誘電体基板の第２の面に前記スロットと対向して形成されたパッチ電極と、前記誘電体基板の前記グランド層と前記第２の面との間の層に形成されており、前記第２の面において前記パッチ電極を囲むように配置されている複数のビア導体とを備えており、前記グランド層と前記第２の面との距離が信号波長の１／４であることを特徴とするパッチアンテナ。
- 前記複数のビア導体に接地電位が供給されることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
- 前記パッチ電極の前記高周波線路の高周波伝送方向の長さが信号波長の１／２であることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
- 前記誘電体基板の前記グランド層と前記第２の面との間の層に前記ビア導体どうしを接続する接地導体層を備えていることを特徴とする請求項１記載のパッチアンテナ。
- 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のパッチアンテナを備える配線基板に、前記高周波線路と電気的に接続された高周波部品が搭載されていることを特徴とする高周波デバイス。
- 誘電体基板と、該誘電体基板の第１の面に形成された信号導体と、前記誘電体基板内に前記信号導体と所定の間隔をもって形成されたグランド層とからなる高周波線路と、前記グランド層に形成されており、前記高周波線路に電磁気的に結合されたスロットと、前記誘電体基板の第２の面に前記スロットと対向して形成されたパッチ電極と、前記誘電体基板の前記グランド層と前記第２の面との間の層に形成されており、前記スロットと前記第２の面との間に発生する表面波を抑制する複数のビア導体とを備えており、前記グランド層と前記第２の面との距離が信号波長の１／４であることを特徴とするパッチアンテナ。
- 請求項６に記載のパッチアンテナを備える配線基板に、前記高周波線路に電気的に接続された高周波部品が搭載されていることを特徴とする高周波デバイス。
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