JP4756061B2 - 平面アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、移動体通信、衛星通信、放送、天文、センサ、レーダ、計測などで使用されるアンテナに関する。

ミリ波・マイクロ波帯において動作可能な進行波型アンテナの代表としてテーパードスロットアンテナ（ＴＳＡ：Tapered Slot Antenna）がある。ＴＳＡは誘電体基板とその基板上の金属膜により構成され、スロット幅が滑らかに広がるテーパ形状を有するスロットラインが金属膜上に形成された平面構造アンテナである。ＴＳＡは進行波型アンテナ特有の広帯域に渡る高利得・高指向性を有しているため、地球観測、生体内部観測、コンクリート構造物耐震性検査、および地中探査などのイメージング技術へ適用されている。

特に、物体の内部構造の奥行き方向に関して高い空間分解能で観測するためには、時間的に短いパルス状の電磁波（パルス波）を用いる必要がある。受信パルス波の時間遅れが物体の奥行き方向の情報を持つため、時間的に短いパルス波を用いるほど時間遅れの識別分解能が向上する。短いパルス波を空間に伝搬させるためには、超広帯域なアンテナが必要不可欠となる。また、物体の多くは損失性媒体であり、電磁波の伝搬損失は非常に大きい。物体内部を観測するためには、出力電力を効率的に物体へ照射できる高い放射効率が求められ、局所的に照射できる指向性、かつ高いアンテナ利得を有する広帯域なアンテナが望まれる。

ＴＳＡの動作周波数帯域、指向性、アンテナ利得やターゲットへの放射効率などのアンテナ特性に影響を与える設計パラメータとしては、アンテナ長、アンテナ開口幅、基板幅、基板厚、金属膜厚やテーパードスロット形状などの構造パラメータと、基板、金属などの電気的な材料特性がある（非特許文献１，２参照）。これらの設計パラメータは相互に影響し合うため、ＴＳＡ設計の多くは電磁界数値解析もしくは電磁界数値シミュレーションを用いて行われている。

一般に、ＴＳＡの動作する最低周波数はアンテナ開口幅により決定される。最低周波数以下では指向性およびアンテナ利得が大幅に劣化し、ターゲットへの放射効率が下がるため、実用的な利用ができなくなる。また、ＴＳＡは自由空間との整合を取るためにスロット幅が滑らかに広がるテーパースロット形状を有することを特徴としている。例えば、設計周波数を低域側へシフトする場合、アンテナ開口幅は広く設計され、これに伴いスロット形状の滑らかさを維持するために、アンテナ長は長く設計される。
R. Janaswamy, et. al, "Analysis of the patered slot antenna", IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. AP-35, No. 9, p.1058-1065 S. Sugawara, et. al, "A mm-wave tapered slot antenna with improved radiation pattern", IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Vol. 2, p.959-962

しかしながら、誘電体基板に誘電損失がある場合、誘電損失は材質によってその大きさが異なるが、一般には高い周波数ほどその損失が大きくなり、また、伝搬距離が長いほどその損失は大きくなる。すなわち、アンテナ長が長くなると電磁波の高周波成分は誘電損失により大幅に減衰し、伝搬できなくなり、アンテナの動作周波数帯域が狭くなる。よって、広帯域化を行うために動作周波数を低域側へ拡張した場合、高周波側の電磁波が伝搬できなくなるため、アンテナの動作周波数帯域の広帯域化は困難となる。以上のように、ＴＳＡの動作周波数帯はアンテナ構造と基板材料特性により制限され、これまでに考えられてきたアンテナ構造および基板材料を用いた設計では動作周波数の広帯域化が困難であるという問題があった。

また、実用的な利用を考えた場合のＴＳＡは小型であることが望ましいことから、一般にはＴＳＡ基板幅は有限となる。このため、基板に給電された電磁波はスロット部および基板両端部を伝搬することになる。また、スロット内を伝搬する電磁波のうち、アンテナ開口部から前方へ放射されずに基板両端部へ回り込む電磁波も生じてしまう。この回り込む電磁波は開口部から給電部へ向かって基板両端部を伝搬する。これらの基板両端部を伝搬する電磁波は進行方向とは異なる方向の空間へも伝搬してしまう。これにより、ＴＳＡのサイドローブレベルが高くなってしまい指向性が劣化する。さらに、給電された電磁波エネルギーの一部がサイドローブに使用されるため、進行方向へ伝搬するエネルギーが減少し、アンテナ利得が低下してしまい、ターゲットへの放射効率も低くなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、平面アンテナにおいて、指向性、アンテナ利得や放射効率を広域に渡り改善することで広帯域な動作周波数帯域を得ることにある。

本発明に係る平面アンテナは、誘電体基板上に設けられた金属膜にスロットラインを形成した平面アンテナであって、給電部から開口部にかけてスロット幅が広がるように形成された第１のテーパースロットラインと、第１のテーパースロットラインの両外側それぞれに形成されたスロットラインと、第１のテーパースロットラインの開口部とスロットラインの端部とを給電部に含み、当該給電部から開口部にかけてスロット幅が広がるように形成された第２のテーパースロットラインと、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、第１のテーパースロットラインの両外側にスロットラインを形成し、第１のテーパースロットラインの開口部に第２のスロットラインを形成する。これにより、従来の平面アンテナにおいて端部を伝搬していた電磁波が両外側に形成したスロットライン上に集中して伝搬する。その結果、アンテナ両側端部から空間へ不要に放射されていた電磁波を抑制し、指向性のサイドローブを低減することができる。また、従来の平面アンテナの開口部から回り込んでいた電磁波は、第２のテーパースロットラインを励起し、平面アンテナ前方へと伝搬する。よって、電磁波の回り込みによるサイドローブレベルの劣化を防ぐことができる。第２のテーパースロットラインは第１のテーパースロットラインと比較して開口部が広いため、より低い周波数成分の電磁波を効率的にアンテナ前方へと放射することができる。

第１のテーパースロットラインの両外側に形成したスロットラインにより、第１のテーパースロットラインを構成する金属膜と第２のテーパースロットラインを構成する金属膜とは物理的に分離している。これにより、第１のテーパースロットラインが有するアンテナ特性を維持したまま、サイドローブの低減および低域周波数側の指向性、アンテナ利得の改善ならびにターゲットへの放射効率の向上を付加することができる。

上記平面アンテナにおいて、第２のテーパースロットラインは、スロットラインと滑らかに接続していることを特徴とする。

本発明によれば、平面アンテナにおいて、指向性、アンテナ利得や放射効率を広域に渡り改善することで広帯域な動作周波数帯域を得ることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態における平面アンテナの構成を示す平面図である。同図に示す平面アンテナ１０は、誘電体基板１１と、誘電体基板１１上に設けられた金属膜１３，１４と、金属膜１３間にテーパ状に広がるスロットライン１２と、金属膜１３，１４間のスロットライン１５と、金属膜１４間にテーパ状に広がるスロットライン１６とを備える。スロットライン１２は、電磁波給電部１２ａと、電磁波をスロットラインモードから自由空間モードへと変換するモード変換部１２ｂと、電磁波をその進行方向であるアンテナ前方に放射する開口部１２ｃで構成される。スロットライン１６は、スロットライン１２の開口部１２ｃとスロットライン１５の端部とを含む電磁波給電部１６ａと、電磁波をアンテナ前方へ放射する開口部１６ｃで構成される。つまり、平面アンテナ１０は、金属膜１３とスロットライン１２で構成された従来の平面アンテナのスロットライン１２の両側にスロットライン１５を設け、スロットライン１２の開口部１２ｃの後段にスロットライン１６をつなげたものである。

スロットライン１２、スロットライン１５およびスロットライン１６は、エンドミル加工などにより金属膜を切削して形成される。もちろん、エッチングなど他の手段により形成してもよい。

図２は、図１に示す平面アンテナ１０のＡ−Ａ部における断面図である。図中の矢印はスロットライン１２，１５を伝搬する電界を示している。図２で示すＡ−Ａ部における断面では、金属膜１３の両外側にスロットライン１５を介して金属膜１４が存在するため、金属膜１３の両外側端部の電界は金属膜１４へと向かう。よって、金属膜１３と金属膜１４とで挟まれたスロットライン１５に電界が集中し、空間へは伝搬しなくなる。その結果、金属膜１３の両端からの不要放射を抑圧することができ、放射指向性のサイドローブを低減することができる。

図３は、図１に示す平面アンテナ１０のＢ−Ｂ部における断面図である。図中の矢印はスロットライン１６を伝搬する電界を示している。スロットライン１６における電界は、同図の矢印のようになり、テーパードスロットアンテナとして動作する。スロットライン１６の開口部１６ｃは、スロットライン１２の開口部１２ｃと比較して広いため、スロットライン１２では放射できなかった低い周波数の電磁波をアンテナ前方の空間へと伝搬させることができる。また、開口部１２ｃの前面にスロットライン１６があるので、従来ではアンテナ前方へ放射せず基板端部へ回り込み、基板端部を開口部１２ｃから給電部１２ａに向かって伝搬しながら不要放射していた電磁波をスロットライン１６内に閉じ込めることができ、回り込んでいたエネルギーをアンテナ前方の空間へと伝搬させることができる。これにより、サイドローブレベルを低減するとともにターゲットへの放射効率が改善される。

次に、比較例の平面アンテナを伝搬する電界について説明する。比較例の平面アンテナは、基板幅を平面アンテナ１０の金属膜１３と一致させた従来の平面アンテナである。図４は、比較例の平面アンテナにおける図２と対応する箇所の断面図である。図中の矢印は電界の様子を示している。図４に示すように、比較例の平面アンテナに給電された電磁波は平面アンテナ中央部のスロットラインおよび平面アンテナの両側の端部を伝搬する。金属で挟まれた形態であるスロットラインは安定して電磁波を伝搬することができる。一方、両端部のように開放された空間に接する金属端部を伝搬する電磁波は安定しないため、両側端部から空間へと電界が広がり、一部の電界が空間へと伝搬する。また、アンテナ開口部から前方へ放射されずに回り込む電磁波もまた、空間に接する金属端部を伝搬しながら伝搬方向以外へと放射する。その結果、指向性のサイドローブレベルが高くなり、それに伴いアンテナ前方へ伝搬するエネルギーが減少し、アンテナ利得およびターゲットへの放射効率が劣化する。

次に、本発明の実施例である、図５に示す本発明に係る平面アンテナのアンテナ特性を数値シミュレーションした結果について説明する。比較例として、図６に示す従来の平面アンテナの数値シミュレーション結果も示す。

図７は、図５，６に示した実施例および比較例の平面アンテナのアンテナ特性を数値シミュレーションした結果を示すグラフである。横軸は周波数を、縦軸はアンテナ利得を示す。比較例の平面アンテナに比べて実施例の平面アンテナのアンテナ利得は、広帯域に渡り向上していることがわかる。低域側の利得が大幅に改善され、実施例の平面アンテナは、比較例の平面アンテナよりも広帯域に利用できることがわかる。

図８（ａ）は、実施例の平面アンテナと比較例の平面アンテナに４ＧＨｚの電磁波を伝搬させた場合のＥ面についての数値計算結果であり、図８（ｂ）は、Ｈ面についての数値計算結果である。それぞれのグラフにおいて、横軸は放射角度、縦軸は相対強度を示し、実施例の平面アンテナの指向性を実線で、比較例の平面アンテナの指向性を点線で示した。図８（ａ），（ｂ）のグラフを参照すると、実施例の平面アンテナは、Ｅ面、Ｈ面ともに、比較例の平面アンテナと比べて、サイドローブレベルが低減され、さらにビーム幅が狭くなっており、指向性が改善されていることがわかる。

したがって、本実施の形態によれば、スロットライン１２の外側にスロットライン１５を形成し、さらに、スロットライン１２，１５につながり、テーパ状に広がるスロットライン１６を備えることにより、誘電体基板１１上を伝搬する電磁波を基板内に閉じ込めながら進行方向に導波させることができるので、サイドローブが低減し、アンテナ利得およびターゲットへの放射効率が向上する。特に、高域側のアンテナ特性を劣化させることなく、低域側のアンテナ特性を大幅に改善することができるため、アンテナ動作周波数の広帯域化を実現することができる。

図９（ａ）〜（ｈ）に、本発明を適用した様々な平面アンテナを示す。金属膜１４はテーパ状に広がる形状であればよいので、図９（ａ）〜（ｅ）に示すように、直線、曲線、または直線と曲線の組み合わせで構成されるテーパ形状であってもよい。また、図９（ｆ）に示すように、金属膜１４の外側端部は直線以外の形状であってもよい。さらに、図９（ｇ）に示すように、金属膜１４の内側輪端部は曲線で構成されてもよく、金属膜１３の端部と平行でなくてもよい。さらに、図９（ｈ）に示すように、金属膜１３の端部が電磁波の進行方向に対して傾きを持ってもよく、直線でなく曲線で構成されてもよい。

図９（ｂ），（ｃ）のように滑らかな曲線でスロットライン１６を構成することにより、広帯域に渡る改善効果が得られる。図９（ｄ）のように直線と曲線を複合させたり、図９（ｅ）のように先端部を円弧状にして先端部のエッジを取り除くことにより、先端部での散乱を防ぎ、その結果、広帯域性が得られる。図９（ｆ）のようにスロットライン１５の外側を円弧状に取り除くことにより、スロットライン１５を回り込む電磁界を制御し、スロットライン１５からのサイド方向への放射を低減することができる。図９（ｇ）のようにスロットライン１５の幅を徐々に広げることにより、図（ｂ），（ｃ）と同様に広帯域性が得られる。本発明は、図９（ｈ）のように金属膜１３の形状が異なる場合でも適用可能である。

一実施の形態における平面アンテナの構成を示す平面図である。 上記平面アンテナのＡ−Ａ部における断面図である。 上記平面アンテナのＢ−Ｂ部における断面図である。 従来の平面アンテナの断面図である。 実施例の平面アンテナの斜視図である。 比較例の平面アンテナの斜視図である。 実施例の平面アンテナと比較例の平面アンテナのアンテナ特性を示すグラフである。 実施例の平面アンテナと比較例の平面アンテナの指向性を示す図であり、図８（ａ）はＥ面における指向性を示し、図８（ｂ）はＨ面における指向性を示す。 図９（ａ）〜（ｈ）は平面アナテナのバリエーションを示す平面図である。

符号の説明

１０…平面アンテナ
１１…誘電体基板
１２，１５，１６…スロットライン
１２ａ…給電部
１２ｂ…モード変換部
１２ｃ…開口部
１３，１４…金属膜
１６ａ…給電部
１６ｃ…開口部

Claims (2)

1. 誘電体基板上に設けられた金属膜にスロットラインを形成した平面アンテナであって、
   給電部から開口部にかけてスロット幅が広がるように形成された第１のテーパースロットラインと、
   前記第１のテーパースロットラインの両外側それぞれに形成されたスロットラインと、
   前記第１のテーパースロットラインの開口部と前記スロットラインの端部とを給電部に含み、当該給電部から開口部にかけてスロット幅が広がるように形成された第２のテーパースロットラインと、
   を有することを特徴とする平面アンテナ。
2. 前記第２のテーパースロットラインは、前記スロットラインと滑らかに接続していることを特徴とする請求項１記載の平面アンテナ。

Images