JP4749234B2

JP4749234B2 - 開口面アンテナ

Info

Publication number: JP4749234B2
Application number: JP2006149686A
Authority: JP
Inventors: 貴司木村; 義信澤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-05-30
Also published as: JP2007324683A

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、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、開口面アンテナでは空洞共振器を誘電体基板内部に構成する必要があるため、パッチアンテナと比較すると誘電体基板が厚くなる場合がある。特にこのアンテナの1次放射器であるスロットへの給電に積層型導波管やマイクロストリップ線路等の給電線を用いた場合、給電線を構成するためにスロットの上にさらに誘電体層を設ける必要があり誘電体基板の厚さが空洞共振器の厚さよりも更に厚くなって、装置が大型化す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、広帯域な開口面アンテナにおいて、誘電体基板の厚さを厚くせずに給電線を構成でき、放射効率が高く、放射特性のばらつきが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、線路導体および該線路導体の端部を取り囲む第１の接地導体層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ており、前記線路導体に電磁的に結合されたスロットと、前記誘電体層の内層または前記第２の面に形成されており、前記スロットに対向する開口を有する第２の接地導体層と、平面視でスロットを取り囲むように配置されて前記誘電体層の内部に形成されており、前記第１の接地導体層および前記第２の接地導体層を電気的に接続する複数のシールド導体とを備え、平面視で該シールド導体の前記スロット側の端が前記開口の開口端より前記開口の開口中心側に位置しており、前記第２の接地導体層の前記開口端と前記シールド
導体との接続領域が、前記開口に突出する形状で前記複数のシールド導体に対応して複数設けられてい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、前記第２の接地導体層の前記開口の形状が、前記スロットと相似形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によれば、平面視で該シールド導体のスロット側の端が開口の開口端より開口の開口中心側に位置しており、第２の接地導体層の開口端とシールド導体との接続領域が、開口に突出する形状で複数のシールド導体に対応して複数設けられていることにより、線路導体とスロットとが同一平面にて電磁的に結合するので、誘電体基板の厚さを厚くせずに給電線を構成でき、薄型の開口面アンテナを提供できる。

本発明の開口面アンテナを図面に基づき詳述する。図１は、本発明の開口面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は高周波線路、２は誘電体層、３は線路導体、４は同一面接地導体層、５は同一面接地導体層４に形成されたスロット、６はシールド導体、８は接地導体層である。

高周波線路１は、誘電体層２の上面（第１の面）に形成された線路導体３と、線路導体３を取り囲むように形成された同一面接地導体層（第１の接地導体層）４とによってコプレーナ線路状に形成されている。また、誘電体層２の上面の同一面接地導体層４にはスロット５が設けられており、線路導体３の一端と電磁的に結合されている。これにより、高周波線路１に伝送された高周波信号は、スロット５から誘電体層２の下面（第２の面）側に電磁波として放射される。

また、高周波線路１とスロット５とが同一面内に形成されることとなり、その結果、両者の相対的な位置関係が変動しにくく、スロットに対する高周波線路の突出部分であるスタブの長さのばらつきを小さくすることができるため、電磁結合の特性のばらつきを小さくすることができ、かつ、誘電体層２の厚さを厚くせずに給電線を構成でき、薄型の開口面アンテナを提供できる。

線路導体３は先端が、図１に示すように同一面接地導体層４と短絡して短絡端となっていてもよく、短絡されずに開放端となっていてもよい。

また、誘電体層２は、その側面に形成された側面導体または図１のような誘電体層２の内部に配された貫通導体から成るシールド導体６によりシールドされており、スロット５から誘電体層２中に放射された電磁波や誘電体層２の下面と導波管６内部との界面で反射した電磁波が漏れ出すことを防ぎ、変換効率が低下することを防止している。なお、シールド導体６は、平面透視してスロット５を取り囲むように一定間隔（高周波線路１を伝送する信号の波長の１／４倍以下、図中Ｇで示す）を空けて形成されている。

また、誘電体層２の内層や下面には平面透視してスロット５を取り囲むように形成された枠状の接地導体層(第２の接地導体層)８が配され、この同一面接地導体層４と接地導体層８がシールド導体６で接続されている。

そして本発明の開口面アンテナは、接地導体層８の開口端に突出した部分を設け、突出部にシールド導体６を設置したことから、開口端よりシールド導体６が開口中心側にあり、インピーダンスを段階的に大きくすることができ、反射損失を抑制して開口面アンテナの放射効率を高めることができる。

誘電体層２を形成する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，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、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）複合系材料等が用いられる。

線路導体３，同一面接地導体層４，貫通導体等のシールド導体６，接地導体層８、ならびに下部接地導体層１１を形成する導体材料としては、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。

特に、開口面アンテナを、高周波部品を搭載する配線基板に内蔵する場合は、誘電体層２を形成する誘電体材料として、誘電正接が小さく、かつ気密封止が可能であることが望ましい。このような誘電体材料としては、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体などのセラミックスやガラスセラミック材料が挙げられる。このような硬質系材料で構成すれば、誘電正接が小さく、かつ搭載した高周波部品を気密に封止することができるので、搭載した高周波部品の信頼性を高める上で好ましい。この場合、導体材料としては、誘電体材料との同時焼成が可能なメタライズ導体を用いることが、気密封止性と生産性を高める上で望ましい。

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、誘電体層２となるセラミックグリーンシートに、例えば打ち抜き法により貫通導体であるシールド導体６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３や同一面接地導体層４，接地導体層８の形状にメタライズペーストを印刷する。また、誘電体層２が複数の誘電体層の積層構造からなる場合には、同様にメタライズペーストが表面に印刷されるとともに貫通孔に埋め込まれたセラミックグリーンシートを積層し、加圧して圧着してもよい。

そして、これらの誘電体層２となるセラミックグリーンシートを高温（約１６００℃）で焼成する。さらに、必要に応じて、線路導体３や同一面接地導体層４，下部接地導体層１１等のように上下面に露出する導体の表面に、例えば、ニッケルめっきおよび金めっきを被着させ、下部接地導体層１１の外周部に導波管６を接続することにより開口面アンテナが完成する。

本発明のシールド導体６は、スロット５を取り囲むよう誘電体層２の側面または内部に配され、同一面接地導体層４と接地導体層８と下部接地導体層１１とを電気的に接続している。

なお、シールド導体６は、同一面接地導体層４と接地導体層８と下部接地導体層１１とを電気的に接続できれば良く、側面導体や貫通導体等、種々の手段が用いられる。例えば
、誘電体層２の側面に被着された導体や、誘電体層２の側面の切り欠き部の内壁に導体層が被着されたいわゆるキャスタレーション導体、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、貫通孔の内部が導体で充填されたいわゆるビア導体などが挙げられる。

また、スロット５の線路導体３に直交する方向の長さは、高周波線路１を伝送する信号の波長以下であるのがよい。また、スロット５の線路導体３に平行な方向の幅は、高周波線路１を伝送する信号の波長の１／２倍以下であるのがよい。これにより、高周波線路１から導波管６へ電磁波を良好に放射することができる。

また、接地導体層８が誘電体層２の内部になく下面にある場合、誘電体層２の厚み、すなわち、高周波線路１と接地導体層８との間の間隔は、高周波線路１を伝送する信号の波長の１／２倍以下であるのがよい。これにより、スロット５から放射されて、誘電体層２の下面と電磁波が放射される空間との界面で反射し、誘電体層２の上面で再度反射して再び誘電体層２の下面と電磁波が放射される空間との界面に戻ってきた反射波と、スロット５から直接誘電体層２の下面と電磁波が放射される空間との界面まで伝送してきた直接波とを同位相にすることができ、反射波と直接波とが強め合うために高周波線路１から電磁波が放射される空間への変換効率をより高めることができる。

また、誘電体層２の内部に接地導体層８が一層ある場合、下側の誘電体層２の厚み、すなわち、接地導体層４と誘電体層２の下面との間の間隔は、高周波線路１を伝送する信号の波長の１／２倍以下であるのがよい。これにより、スロット５から放射されて、誘電体層２の下面と電磁波が放射される空間との界面で反射し、内部の接地導体層８で再度反射して再び誘電体層２の下面と電磁波が放射される空間との界面に戻ってきた反射波と、スロット５から直接誘電体層２の下面と電磁波が放射される空間との界面まで伝送してきた直接波とを同位相にすることができ、反射波と直接波とが強め合うために高周波線路１から電磁波が放射される空間への変換効率をより高めることができる。

また、接地導体層８の開口８ａの形状は、スロット５と相似形であるのがよく、接地導体層８の開口８ａの面積はスロット５の開口面積の５〜３０倍であるのがよい。これにより、高周波線路１から導波管６へのインピーダンスの急激な変化を緩和して、電磁波を良好に伝送することができる。

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であれば、種々の変更を行なっても差し支えない。

本発明の開口面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。

符号の説明

１・・・・・高周波線路
２・・・・・誘電体層
３・・・・・線路導体
４・・・・・同一面接地導体層
５・・・・・スロット
６・・・・・シールド導体
８・・・・・接地導体層

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、線路導体および該線路導体の端部を取り囲む第１の接地導体層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ており、前記線路導体に電磁的に結合されたスロットと、
前記誘電体層の内層または前記第２の面に形成されており、前記スロットに対向する開口を有する第２の接地導体層と、
平面視でスロットを取り囲むように配置されて前記誘電体層の内部に形成されており、前記第１の接地導体層および前記第２の接地導体層を電気的に接続する複数のシールド導体とを備え、
平面視で該シールド導体の前記スロット側の端が前記開口の開口端より前記開口の開口中心側に位置しており、前記第２の接地導体層の前記開口端と前記シールド導体との接続領域が、前記開口に突出する形状で前記複数のシールド導体に対応して複数設けられていることを特徴とする開口面アンテナ。
前記第２の接地導体層の前記開口の形状が、前記スロットと相似形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。