JP4713367B2

JP4713367B2 - 開口面アンテナ

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Publication number: JP4713367B2
Application number: JP2006048315A
Authority: JP
Inventors: 隆行白崎
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-02-24
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2026-02-24
Also published as: JP2007228359A

Description

本発明は、マイクロ波やミリ波を用いた通信システムやレーダーシステムに用いられるアンテナに関するもので、帯域が広く薄型化が可能な開口面アンテナ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容易に空間を伝送する高周波信号の電磁場モードに変化できる。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システムやレーダーシステム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空洞共振器を用いた開口面アンテナが提案されている。この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が充填された空洞共振器を構成し、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、このような従来の開口面アンテナは、電磁波の放射面において共振が生じ、放射効率が低下する可能性があるという問題があった。

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、開口面アンテナにおいて、放射効率が高く、かつ、放射特性のばらつきの小さい開口面アンテナを提供することにある。

本発明の開口面アンテナは、第１および第２の面を有する誘電体層と、該誘電体層の前記第１の面に形成されており、線路導体と該線路導体の端部を取り囲む第１の接地導体層とからなる高周波線路と、前記誘電体層の前記第１の面に前記線路導体と交差して形成されたスロットと、前記誘電体層の内部に形成されており、前記スロットに対向している開
口を有する複数の内部接地導体層と、前記誘電体層の前記第２の面に形成されており、前記スロットに対向している開口を有する第２の接地導体層とを備え、平面透視において、前記第２の接地導体層の外縁が、前記内部接地導体層の外縁の内側に位置することを特徴とするものである。

また、本発明の開口面アンテナは、前記第２の接地導体層の形状が正方形であり、前記第２の接地導体層の一辺の長さが、前記第２の接地導体層の前記開口から放射される高周波信号の波長の３／４〜３／２倍であることを特徴とするものである。

また、本発明の開口面アンテナは、前記第２の接地導体層の形状が円形であり、前記第２の接地導体層の直径が、前記第２の接地導体層の前記開口から放射される高周波信号の波長の４／５〜８／５倍であることを特徴とするものである。

また、本発明の開口面アンテナは、前記第２の接地導体層と前記内部接地導体層との距離が、前記第２の接地導体層の前記開口から放射される高周波信号の前記誘電体内部における実効波長の１／５倍以上であることを特徴とするものである。

本発明の開口面アンテナは、誘電体層の第１の面に形成されており、線路導体と線路導体の端部を取り囲む第１の接地導体層とからなる高周波線路と、誘電体層の内部に形成されており、スロットに対向している開口を有する複数の内部接地導体層と、誘電体層の第２の面に形成されており、スロットに対向している開口を有する第２の接地導体層とを備え、平面透視において、第２の接地導体層の外縁が、内部接地導体層の外縁の内側に位置することにより、放射に影響を与える第２の接地導体層での共振などを低減させることができるため、放射効率を向上させることができる。また、このような構成により、第２の接地導体層により放射特性を規定することにより、内部接地導体層を含むそれより第１の面側に位置する接地導体層の設計自由度を向上させることができ、安定したグランドを得ることが可能となる。

また、本発明の開口面アンテナは、第２の接地導体層の形状が正方形であり、第２の接地導体層の一辺の長さが、第２の接地導体層の開口から放射される高周波信号の波長の３／４〜３／２倍である。また、本発明の開口面アンテナは、第２の接地導体層の形状が円形であり、第２の接地導体層の直径が、第２の接地導体層の開口から放射される高周波信号の波長の４／５〜８／５倍である。このような構成により、開口部から放射された高周波信号が第２の接地導体層によって共振することを抑制することができ、かつ、できるだけアンテナサイズを大きくすることができるので、その結果、放射効率の向上を図ることができる。

また、本発明の開口面アンテナは、第２の接地導体層と内部接地導体層との距離が、第２の接地導体層の開口から放射される高周波信号の誘電体内部における実効波長の１／５倍以上であることにより、開口部から放射された高周波信号が、内部接地導体層から受ける影響を低減させることができ、放射効率の向上を図ることができる。

本発明の開口面アンテナについて図面を参照して詳述する。図１は、本発明の開口面アンテナの一例を示す概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）に示した構成のＸ−Ｘ’線における断面図、（ｃ）は下面図、（ｄ）は内部接地導体層４が形成された層の平面図である。

本発明の開口面アンテナは、誘電体層１と、誘電体層１の第１の面（上面）１ａに形成された高周波線路２およびスロット３と、誘電体層１の内部に形成された内部接地導体層４と、誘電体層１の第２の面（下面）１ｂに形成された第２の接地導体層（下面接地導体層）５とを備えている。図１には、複数の層が積層された開口面アンテナを示している。

誘電体層１は、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，窒化珪素，ムライト等を主成分とするセラミック材料、ガラス、あるいはガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成して形成されたガラスセラミック材料、エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，四フッ化エチレン樹脂を始めとするフッ素系樹脂等の有機樹脂系材料、有機樹脂−セラミック（ガラスも含む）複合系材料等の誘電体材料からなる。

特に、開口面アンテナが配線基板に内蔵される場合、誘電体層１を形成する誘電体材料としては、誘電正接が小さく、かつ気密封止が可能であるものが望ましい。このような誘電体材料としては、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，ガラスセラミック材料の群から選ばれる少なくとも１種の無機材料が挙げられる。このような硬質系材料で誘電体層１を構成すれば、誘電正接が小さく、かつ搭載された高周波部品を気密に封止することができるため、搭載された高周波部品の信頼性を向上させることができる。

高周波線路２は、線路導体６と、線路導体６の端部６ａを取り囲む第１の接地導体層（同一面接地導体層）７とからなる。図１に示した実施の形態においては、誘電体層１と、誘電体層１の上面１ａに配された線路導体６と、線路導体６と同一面（誘電体層１の上面１ａ）に配された同一面接地導体層７とによって、コプレーナ線路が形成されている。

線路導体６は、誘電体層１の上面１ａの端部と誘電体層１の上面１ａの中央部との間に直線的に形成されている。同一面接地導体層７は、線路導体６の端部６ａにスロット３が形成されるように、誘電体層１の上面１ａに線路導体６と所定の間隔をもって形成されている。線路導体６の端部６ａと同一面接地導体層７とは短絡している。

スロット３は、誘電体層１の上面１ａに、線路導体６と交差して形成されている。図１に示した実施の形態において、スロット３は線路導体６に直交している。スロット３は、高周波線路２の端部６ａと電磁気的に結合されている。この構成により、高周波線路２に伝送された高周波信号は、スロット３から、誘電体層１の下面１ｂ側に電磁波として放射される。

内部接地導体層４は、誘電体層１の内部に形成されており、スロット３に対向する開口４ａを有する。図１（ｄ）に示すように、内部接地導体層４の開口４ａは、スロット３の面積より大きく形成されている。図１に示した開口面アンテナにおいて、内部接地導体層４は、開口４ａを有して誘電体層１の内層の全面に形成されている。

下面接地導体層５は、誘電体層１の下面１ｂに形成されており、スロット３に対向する開口５ａを有している。図１（ｃ）に示すように、下面接地導体層５の開口５ａは、スロット３の面積より大きく形成されている。

下面接地導体層５は、内部接地導体層４より小さく形成されている。すなわち、図１に示した開口面アンテナの平面透視（上面１ａまたは下面１ｂからの透視）において、下面接地導体層５の外縁は、誘電体層１の外縁より内側に位置するように形成されている。

このような構成により、放射に影響を与える下面接地導体層５での共振などを低減させることができ、放射効率を向上させることが可能となる。

すなわち、本発明の開口面アンテナは、内部接地導体層４の開口４ａから放射された電磁波が、下面接地導体層５の影響により、アンテナの放射方向以外（図中、矢印Ｄで示す）の方向に放射される可能性を低減させ、アンテナの放射方向（矢印Ｄ）への電磁波の放射特性を向上させることができる。

また、本発明の開口面アンテナは、内部接地導体層４が下面接地導体層５より大きい（すなわち、平面透視において、内部接地導体層４の外縁が下面接地導体層５の外縁より外側に位置する）ことにより、内部接地導体層４の開口４ａから放射された電磁波が、アンテナの放射方向（矢印Ｄ）とは反対側に回り込む可能性を低減させ、アンテナの放射方向（矢印Ｄ）への電磁波の放射特性を向上させることができる。

また、下面接地導体層５により放射特性を規定することにより、内部接地導体層４を含むそれより上面側に位置する接地導体層の設計自由度を向上させることができ、安定したグランドを得ることが可能となる。

図１に示した実施の形態において、誘電体層１の内部に、スロット３と下面接地導体層５の開口５ａとの間の領域を囲む複数のシールド導体８が形成されている。複数のシールド導体８は、同一面接地導体層７に電気的に接続されており、接地電位に固定される。

線路導体６の端部６ａおよびスロット３を取り囲むようにして、誘電体層１の内部にシールド導体８が形成されており、スロット３と下面接地導体層５の開口５ａとの間の領域がシールドされていることにより、スロット３から誘電体層１に放射された電磁波および誘電体層１と外部空間との境界で反射した電磁波が漏れ出すことを低減させ、放射効率を向上させることができる。シールド導体８は、複数のシールド用貫通導体または金属ブロックなどである。

複数のシールド導体８は、誘電体層１の内部に配された複数のシールド用貫通導体により構成されているとよい。このようにシールド導体８が複数のシールド用貫通導体で形成されていると、誘電体層１のシールド導体８で囲まれた領域の形状を任意に設計することができるので、たとえば誘電体層１のシールド導体８で囲まれた領域に不要な共振が発生する場合に、シールド導体８の配置を調整して、不要共振を信号変換の帯域外にシフトさせることが可能となる。

シールド用貫通導体同士の隙間（Ｇで示す）は、信号波長の１／２未満にすることが望ましい。これは、信号波長の１／２未満とすることにより、電磁波が複数のシールド用貫通導体間から漏れにくくなるので、シールド効果を高めることができるからである。

なお、シールド導体８を構成するシールド用貫通導体は、貫通孔の内壁に導体層が被着されたいわゆるスルーホール導体であってもよく、貫通孔の内部が導体で充填されたいわゆるビア導体であってもよい。

内部接地導体層４、下面接地導体層５、線路導体６、同一面接地導体層７、シールド導体８をは、タングステン，モリブデン，金，銀，銅等を主成分とするメタライズ、あるいは金，銀，銅，アルミニウム等を主成分とする金属箔等が用いられる。

また、図１（ｃ）に示すように、下面接地導体層５が正方形の場合、図中にＬで示す一辺の長さは、信号波長の３／４〜１．５倍であることが好ましい。また、下面接地導体層５が円形の場合、直径が信号波長の４／５〜１．６倍であることが好ましい。これにより、開口部４ａから放射された高周波信号が下面接地導体層５によって共振することを抑制することができ、かつ、できるだけアンテナサイズを大きくすることができるので、その結果、放射効率の向上を図ることができる。

更に、内部接地導体層４と下面接地導体層５との距離（Ｈで示す）が、信号実効波長の１／５倍以上であることが好ましい。これにより、開口部４ａから放射された高周波信号における内部接地導体層４による影響がより小さくなることにより、その結果、更なる放射効率の向上を図ることができる。

本発明の開口面アンテナは以下のようにして作製される。例えば誘電体材料に酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合であれば、まず酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してスラリー状にし、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製する。また、タングステンやモリブデン等の高融点金属，酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してメタライズペーストを作製する。

次に、セラミックグリーンシートに、例えば打ち抜き法によりシールド導体８としての貫通導体を形成するための貫通孔を形成し、例えば印刷法により、その貫通孔にメタライズペーストを埋め込み、続いて線路導体６、スロット３を有する同一面接地導体層７の形状にメタライズペーストを印刷する。誘電体層１が複数の誘電体層の積層構造からなる場合には、これら導体が埋め込み，印刷されたセラミックグリーンシートを積層し、加圧して圧着し、高温（約1600℃）で焼成する。さらに、線路導体６、同一面接地導体層７等の表面に露出する導体の表面には、ニッケルめっきおよび金めっきを被着させる。

シールド導体８は、線路導体６の端部６ａおよびスロット３を取り囲むように誘電体層１の側面または内部に配され、同一面接地導体層７に電気的に接続されて接地される。

本発明の開口面アンテナの実施例を以下に説明する。

比誘電率が8.6からなるアルミナセラミックスから成り、厚みが0.45ｍｍの誘電体層１の内部に高周波線路２として特性インピーダンスが50Ωとなるような線路導体６および同一面接地導体層７を形成した。さらに、同一面接地導体層７に線路導体６に直交するように、線路導体６の線路方向の長さが0.12ｍｍ、線路導体６に直交する方向の長さが0.68ｍｍのスロット３を形成した。

ここで、高周波3次元構造シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳ）を用いて76.5ＧＨｚにおける放射特性のシミュレーションを以下の条件で行った。

（実施例１）図１に示すように、下面接地導体層５を正方形とし、一辺の長さＬを2.5〜10ｍｍの範囲で変化させた。この実施例１の放射利得（ｄＢｉ）のシミュレーション結果を図３に示す。図３は、正方形の下面接地導体層５の一辺の長さＬと放射利得（ｄＢｉ）との関係を示すシミュレーション結果である。

マイクロ波やミリ波を用いた通信システムやレーダーシステムにおいて求められている特性や、アンテナ，フィルタにおける半値幅，バンド幅などから、一般的に、放射利得ピーク値との差が３dB以内の範囲が、有効な放射利得範囲とされている。従って、このシミュレーション結果において、放射利得ピーク値との差が３dB以内である長さＬの範囲を有効な範囲としている。

図３に示すように、長さLの有効な範囲は、３mm〜６mmであり、この範囲は、高周波信号（76.5ＧＨｚ）の波長（3.92mm）の３／４〜３／２倍に相当する。

（実施例２）図２に示すように、下面接地導体層５を円形とし、直径Ｒを３〜10ｍｍの範囲で変化させた。この実施例２の放射利得（ｄＢｉ）のシミュレーション結果を図４に示す。図４は、円形の下面接地導体層５の直径Ｒと放射利得（ｄＢｉ）との関係を示すシミュレーション結果である。

このシミュレーション結果において、実施例１と同様、放射利得ピーク値との差が３dB以内である直径Ｒの範囲を有効な範囲としている。図４に示すように、直径Ｒの有効な範囲は、３．５mm〜６．５mmであり、この範囲は、高周波信号（76.5ＧＨｚ）の波長（3.92mm）の４／５〜８／５倍に相当する。

（実施例３）図２に示すように、下面接地導体層５を直径が４ｍｍの円形とし、下面接地導体層５と内部接地導体層４との距離Ｈを0.15〜0.45ｍｍの範囲で変化させた。この実施例３の放射利得（ｄＢｉ）のシミュレーション結果を図５に示す。図５は、下面接地導体層５と内部接地導体層４との距離Ｈと、放射利得（ｄＢｉ）との関係を示すシミュレーション結果である。

このシミュレーション結果において、実施例１と同様、放射利得ピーク値との差が３dB以内である直径Ｒの範囲を有効な範囲としている。図５に示すように、距離Ｈの有効な範囲は、０．２６mm〜であり、この範囲は、高周波信号（76.5ＧＨｚ）の誘電体内部における実効波長（1.337mm）の１／５倍以上に相当する。

なお、図１では内部接地導体層４が１層の場合の例を示したが、本発明では図６に示す様に、内部接地導体層４が複数形成されており、下面接地導体層５と内部接地導体層４との距離Ｈとは、平面視における面積が最も大きい内部接地導体層４と下面接地導体層５との距離を指す。

また、本発明は以上の実施の形態の例および実施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であれば、種々の変更を行なっても差し支えない。

例えば、図１では内部接地導体層４および下面接地導体層５の開口を矩形の場合の例を示したが、円形、楕円形、多角形であっても構わない。

本発明の開口面アンテナの一例を示す概略図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は（ａ）に示した構成のＸ−Ｘ’線における断面図、（ｃ）は下面図、（ｄ）は内部接地導体層４が形成された層の平面図である。開口面アンテナの実施例２における下面図である。正方形の下面接地導体層５の一辺の長さＬと放射利得（ｄＢｉ）との関係を示すシミュレーション結果である。円形の下面接地導体層５の直径Ｒと放射利得（ｄＢｉ）との関係を示すシミュレーション結果である。下面接地導体層５と内部接地導体層４との距離Ｈと、放射利得（ｄＢｉ）との関係を示すシミュレーション結果である。本発明の開口面アンテナの他の例である。

符号の説明

１誘電体層
２高周波線路
３スロット
４内部接地導体層
５第２の接地導体層（下面接地導体層）
６線路導体
７第１の接地導体層（同一面接地導体層）
８シールド導体

Claims

第１および第２の面を有する誘電体層と、
該誘電体層の前記第１の面に形成されており、線路導体と該線路導体の端部を取り囲む第１の接地導体層とからなる高周波線路と、
前記誘電体層の前記第１の面に前記線路導体と交差して形成されたスロットと、
前記誘電体層の内部に形成されており、前記スロットに対向している開口を有する複数の内部接地導体層と、
前記誘電体層の前記第２の面に形成されており、前記スロットに対向している開口を有する第２の接地導体層とを備え、
平面透視において、前記第２の接地導体層の外縁が、前記内部接地導体層の外縁の内側に位置することを特徴とする開口面アンテナ。
前記第２の接地導体層の形状が正方形であり、前記第２の接地導体層の一辺の長さが、前記第２の接地導体層の前記開口から放射される高周波信号の波長の３／４〜３／２倍であることを特徴とする請求項１記載の開口面アンテナ。
前記第２の接地導体層の形状が円形であり、前記第２の接地導体層の直径が、前記第２の接地導体層の前記開口から放射される高周波信号の波長の４／５〜８／５倍であることを特徴とする請求項１記載の開口面アンテナ。
前記第２の接地導体層と前記内部接地導体層との距離が、前記第２の接地導体層の前記開口から放射される高周波信号の前記誘電体内部における実効波長の１／５倍以上であることを特徴とする請求項２または請求項３記載の開口面アンテナ。