JP4942586B2

JP4942586B2 - スロットアンテナ

Info

Publication number: JP4942586B2
Application number: JP2007222977A
Authority: JP
Inventors: 健太郎宮里; 弘志内村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2027-08-29
Also published as: JP2009055575A

Description

本発明は、ミリ波等の高周波帯で多く用いられるスロットアンテナに関するものであり、特に差動信号をそのまま給電することが可能な小型のスロットアンテナに関するものである。

ミリ波等の高周波帯で多く用いられるスロットアンテナに関しては、従来から様々な構造が提案されており、例えば、方形導波管の管壁に形成したスロットから電磁波を放射するタイプのものが知られている。しかしながら、この方形導波管を使用するタイプのスロットアンテナは小型化が困難であるため、誘電体基板の一方主面に形成したスロットに誘電体基板の他方主面に形成したマイクロストリップラインによって給電するタイプのスロットアンテナが提案されている。このタイプのスロットアンテナでは、誘電体基板を介してスロットに対向し、かつ平面視した際にスロットの長辺に直交するようにマイクロストリップラインを配置して、マイクロストリップラインの周囲に発生する磁界をスロット内部に進入させることによってスロットに給電していた（例えば、特許文献１を参照。）。
特開平９−116311号公報

しかしながら、特許文献１にて提案された従来のスロットアンテナでは、スロットに磁界を介して結合するマイクロストリップラインは１本に限られるため、差動線路を直接スロットに接続して差動信号をそのままスロットに給電することはできなかった。差動線路は、外部からのノイズの影響が小さく、かつ外部へのノイズの放射も少ない優れた特性を有しており、ＩＣの入出力部等に多用されているが、このような差動線路をスロットに接続する場合には、差動線路をラットレース回路等の平衡−不平衡変換回路へ接続して一本の不平衡線路に変換した後にスロットに接続する必要があり、差動線路から不平衡線路への変換ロスが発生するという問題や、不平衡線路において外部からのノイズの混入や外部へのノイズの放射が発生するという問題があった。また、ラットレース回路等の平衡−不平衡変換回路が必要であるため、回路が大型化してしまうという問題があった。

本発明はこのような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、差動信号をそのまま給電することが可能な小型のスロットアンテナを提供することにある。

本発明のスロットアンテナは、誘電体基板と、該誘電体基板の一方主面または内部に配置された、差動信号が伝送される一対の線路導体と、前記誘電体基板の他方主面に配置され、矩形状のスロットが形成された接地導体と、前記一対の線路導体のそれぞれの一方端部を前記スロットの一対の長辺の中央部近傍の前記接地導体にそれぞれ接続する一対の貫通導体とを備えており、前記一対の線路導体が前記スロットの一対の長辺にそれぞれ平行に配置されていることを特徴とするものである。

本発明のスロットアンテナによれば、誘電体基板と、誘電体基板の一方主面または内部に配置された、差動信号が伝送される一対の線路導体と、誘電体基板の他方主面に配置され、矩形状のスロットが形成された接地導体と、一対の線路導体のそれぞれの一方端部をスロットの一対の長辺の中央部近傍の接地導体にそれぞれ接続する一対の貫通導体とを備えることから、差動信号を不平衡信号に変換することなく、差動信号のままでスロットに直接給電することができる。これにより、差動線路とスロットとの接続に際して、従来のように差動線路をラットレース回路等の平衡−不平衡変換回路へ接続して一本の不平衡線路に変換した後にスロットに接続する必要がなくなるので、差動線路から不平衡線路への変換に伴う損失が発生するという問題や、不平衡線路において外部からのノイズの混入や外部へのノイズの放射が発生するという問題を解消することができる。また、ラットレース回路等の平衡−不平衡変換回路が不要になるので回路を小型化することができる。なお、差動線路とは、差動信号が伝送される一対の線路導体からなる伝送線路のことである。

本発明のスロットアンテナにおいて、スロットから電磁波が放射されてスロットアンテナとして機能するメカニズムとしては、一対の線路導体を流れる差動信号が一対の貫通導体を介してスロットの一対の長辺の中央部近傍の接地導体に供給されることによって、スロットの一対の長辺の中央部の間にスロットを横断する振動電界が発生し、この振動電界によって発生する電磁波が周囲に放射されるためではないかと考えられる。

また、本発明のスロットアンテナによれば、一対の線路導体がスロットの一対の長辺にそれぞれ平行に配置されていることから、一対の線路導体の周囲に発生する磁界とスロットの長辺とが直交するので、一対の線路導体の周囲に発生する磁界が直接スロットに進入するのを最小限に抑制することができる。これにより、一対の線路導体の周囲に発生する磁界がスロットに進入し、スロットの一対の長辺の中央部の間に生じるスロットを横断する振動電界によって発生する電磁波と干渉するのを防止できるので、スロットから放射される電磁波の乱れを防止することが可能となる。

以下、本発明のスロットアンテナを添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明のスロットアンテナの実施の形態の一例を模式的に示す斜視図である。図２は図１に示すスロットアンテナを模式的に示す上から見た透視図である。図３は図１のＸ−Ｘ’線断面図である。

本発明のスロットアンテナは、図１〜図３に示すように、誘電体基板21と、誘電体基板21の一方主面に配置された、差動信号が伝送される一対の線路導体23ａ，23ｂと、誘電体基板21の他方主面に配置され、矩形状のスロット30が形成された接地導体22と、一対の線路導体23ａ，23ｂのそれぞれの一方端部をスロット30の一対の長辺31ａ，31ｂの中央部近傍の接地導体22にそれぞれ接続する一対の貫通導体24ａ，24ｂとを備えている。また、一対の線路導体23ａ，23ｂは、スロット30の一対の長辺31ａ，31ｂにそれぞれ平行に配置されている。

このような構造を有する本発明のスロットアンテナにおいては、差動線路を構成する一対の線路導体23ａ，23ｂを流れる差動信号が一対の貫通導体24ａ，24ｂを介してスロット30の一対の長辺31ａ，31ｂの中央部近傍の接地導体22に供給されることによって、スロット30の一対の長辺31ａ，31ｂの中央部同士の間にスロット30を横断する振動電界が発生し、この振動電界によって電磁波を発生させて外部に放射することができると考えられ、スロットアンテナとして機能する。

本発明のスロットアンテナにおいて、誘電体基板21の材質としては、高周波信号の伝送を妨げることのない特性を有するものであればよく、ガラスエポキシ等の樹脂を使用することも可能であるが、伝送線路を形成する際の精度および製造の容易性の点からは誘電体セラミックスを使用することが望ましく、その比誘電率は、例えば、２〜20程度とされる。このような誘電体基板21は、例えば、ガラスセラミックス、アルミナ質セラミックスや窒化アルミニウム質セラミックス等を用いることができ、各種セラミック原料粉末に適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して泥漿状にした後に、ドクターブレード法やカレンダーロール法等によってシート状にすることによって複数のセラミックグリーンシートを作製し、しかる後に、これらセラミックグリーンシートの各々に適当な打ち抜き加工を施すとともにこれらを積層し、ガラスセラミックスの場合は850℃〜1000℃程度、アルミナ質セラミックスの場合は1500℃〜1700℃程度、窒化アルミニウム質セラミックスの場合は1600℃〜1900℃程度のピーク温度で焼成することによって作製される。また、誘電体基板21の厚みは、例えば、0.02ｍｍ〜１ｍｍ程度とされる。

接地導体22および一対の線路導体23ａ，23ｂは、良導電性の金属からなり、その厚みは、例えば、３μｍ〜50μｍ程度とされる。このような接地導体22および一対の線路導体23ａ，23ｂは、例えば、金属粉末に適当なアルミナ，シリカ，マグネシア等の酸化物や有機溶剤等を添加混合してペースト状にしたものを厚膜印刷法によりセラミックグリーンシート上に印刷した後に、1600℃程度のピーク温度で焼成することによって形成することができる。なお、金属粉末としては、誘電体基板21がガラスセラミックスの場合には銅，金または銀が、誘電体基板21がアルミナ質セラミックスまたは窒化アルミニウム質セラミックスの場合にはタングステンまたはモリブデンが好適である。なお、一対の線路導体23ａ，23ｂのそれぞれの線路の幅は、例えば、0.05ｍｍ〜１ｍｍ程度とされ、線路同士の間隔は、例えば、0.05ｍｍ〜0.5ｍｍ程度とされる。

スロット30は、接地導体22を貫通するように、矩形状に形成される。また、スロット30の一対の長辺31ａ，31ｂが一対の線路導体23ａ，23ｂの長さ方向に平行になるように形成する。このようなスロット30は、放射する電磁波の周波数に応じて、例えば、幅が0.05ｍｍ〜0.5ｍｍ程度、長さが0.3ｍｍ〜４ｍｍ程度の矩形状に形成される。

一対の貫通導体24ａ，24ｂは、スロット30の一対の長辺31ａ，31ｂの中央部に極力近い部分に接続されるのが望ましく、スロット30の端部からの距離は、例えば、0.02ｍｍ〜0.5ｍｍ程度とされる。また、一対の貫通導体24ａ，24ｂの直径は、例えば0.05ｍｍ〜0.5ｍｍ程度とされる。このような一対の貫通導体24ａ，24ｂとしては、接地導体22および一対の線路導体23ａ，23ｂと同様の金属材料からなるビアホールやスルーホールを用いることができ、例えば、誘電体基板21となるセラミックグリーンシートの各々に適当な打ち抜き加工を施した後に、厚膜印刷法等によってペースト状にした金属材料を充填し、その後にセラミックグリーンシートとともに1600℃程度のピーク温度で焼成することによって形成することができる。

本発明のスロットアンテナによれば、誘電体基板21と、誘電体基板21の一方主面または内部に配置された、差動信号が伝送される一対の線路導体23ａ，23ｂと、誘電体基板21の他方主面に配置され、矩形状のスロット30が形成された接地導体22と、一対の線路導体23ａ，23ｂのそれぞれの一方端部をスロット30の一対の長辺31ａ，31ｂの中央部近傍の接地導体22にそれぞれ接続する一対の貫通導体24ａ，24ｂとを備えることから、差動信号を不平衡信号に変換することなく、差動信号のままでスロット30に直接給電することができる。これにより、差動線路とスロット30との接続に際して、従来のように差動線路をラットレース回路等の平衡−不平衡変換回路へ接続して一本の不平衡線路に変換した後にスロット30に接続する必要がなくなるので、差動線路から不平衡線路への変換に伴う損失が発生するという問題や、不平衡線路において外部からのノイズの混入や外部へのノイズの放射が発生するという問題を解消することができる。また、ラットレース回路等の平衡−不平衡変換回路が不要になるので回路を小型化することができる。

また、本発明のスロットアンテナによれば、一対の線路導体23ａ，23ｂがスロット30の一対の長辺31ａ，31ｂにそれぞれ平行に配置されて形成されていることから、一対の線路導体23ａ，23ｂの周囲に発生する磁界とスロット30の長辺とが直交するので、一対の線路導体23ａ，23ｂの周囲に発生する磁界が直接スロット30に進入するのを最小限に抑制することができる。これにより、一対の線路導体23ａ，23ｂの周囲に発生する磁界がスロット30に進入し、スロット30の一対の長辺31ａ，31ｂの中央部の間に生じるスロット30を横断する振動電界によって発生する電磁波と干渉するのを防止できるので、スロット30から放射される電磁波の乱れを防止することが可能となる。

（変形例）
本発明は前述した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において種々の変更および改良が可能である。

例えば、前述した実施の形態の例においては、誘電体基板21の一方主面に一対の線路導体23ａ，23ｂが配置され、他方主面に接地導体22が配置された例を示したが、一対の線路導体23ａ，23ｂが誘電体基板21の内部に配置されるようにしても構わない。このような構成のスロット30においても、前述した実施の形態の例のスロットアンテナと同様の効果を得ることができる。

また、一対の線路導体23ａ，23ｂが誘電体基板21の内部に配置されるようにした上で、誘電体基板21の一方主面にさらに別の接地導体が配置されるようにしてもよい。これにより、外部からの不要な電磁波が一対の線路導体23ａ，23ｂを流れる差動信号に混入するのを防止することができるので、外部からのノイズに対して更に強いスロットアンテナを得ることができる。また、スロット30から誘電体基板21の一方主面側へ向けて放射される電磁波を遮断することもできる。さらに、誘電体基板21の側面も他の接地導体で覆うことにより、外部からのノイズに対する耐性をさらに高めることができるとともに、スロット30から誘電体基板21の一方主面側へ向けて放射される電磁波をさらに高い割合で遮断することが可能になる。

また、前述した実施の形態の例においては、誘電体基板21の他方主面にスロット30が１つだけ形成された例を示したが、スロット30を複数個形成され、複数のスロット30のそれぞれに一対の貫通導体24ａ，24ｂを介して一対の線路導体23ａ，23ｂが接続されたスロットアンテナアレイを構成しても構わないことは言うまでもない。

次に、本発明のスロットアンテナの具体例について説明する。

図１〜図３に示した構造を有する本発明のスロットアンテナにおける電気特性を有限要素法を用いた電磁場解析によりシミュレーションした。スロットアンテナの各部の具体的な形状寸法としては、誘電体基板21の厚みを0.15ｍｍとし、誘電体基板21の他方主面に配置される接地導体22の厚みを0.01ｍｍとした。誘電体基板21の一方主面に配置される一対の線路導体23ａ，23ｂの間の間隔を0.26ｍｍ，それぞれの幅を0.12ｍｍ，それぞれの厚みを0.01ｍｍとした。一対の線路導体23ａ，23ｂの一方端部に接続される一対の貫通導体24ａ，24ｂのそれぞれの直径を0.1ｍｍ，長さを0.15ｍｍとした。接地導体22に形成されたスロット30の寸法は、幅が0.14ｍｍ，長さが0.835ｍｍとし、スロット30の一対の長辺31ａ，31ｂが一対の線路導体23ａ，23ｂの長さ方向に平行になるように形成した。そして、スロット30の一対の長辺31ａ，31ｂの中央部からスロット30の幅方向の両側に0.07ｍｍ離れた位置に一対の貫通導体24ａ，24ｂが接続されるようにした。

そして、一対の線路導体23ａ，23ｂの他方端をポート１として、ポート１から差動信号を入力したときの反射特性（Ｓ11）をシミュレーションした。図４はその結果を示すグラフであり、横軸は周波数を表し、縦軸は利得を表している。

図４に示すグラフによれば、76.5ＧＨｚ付近においてＳ11は−25ｄＢを超えており、インピーダンスが良好に整合して、一対の線路導体23ａ，23ｂの他方端に入力した電気信号がスロット30から電磁波となって放射されていることがわかる。このときのスロット30付近の電界の分布を図５に示す。図５では、ある瞬間におけるそれぞれの場所の電界の向きと強度が矢印の向きと長さで表されており、スロット30から周囲に向かって電磁波が放射されていることがわかる。これにより、本発明のスロットアンテナによれば、差動信号をそのまま給電することが可能な小型のスロットアンテナが得られることがわかり、本発明の有効性が確認できた。

本発明のスロットアンテナの実施の形態の一例を模式的に示す斜視図である。図１に示すスロットアンテナを模式的に示す上から見た透視図である。図１のＸ−Ｘ’線断面図である。本発明のスロットアンテナの電気特性のシミュレーション結果を示す図である。本発明のスロットアンテナのスロット付近における電界強度分布のシミュレーション結果を示す図である。

符号の説明

21：誘電体基板
22：接地導体
23ａ，23ｂ：一対の線路導体
24ａ，24ｂ：一対の貫通導体
30：スロット
31ａ，31ｂ：一対の長辺

Claims

誘電体基板と、
該誘電体基板の一方主面または内部に配置された、差動信号が伝送される一対の線路導体と、
前記誘電体基板の他方主面に配置され、矩形状のスロットが形成された接地導体と、
前記一対の線路導体のそれぞれの一方端部を前記スロットの一対の長辺の中央部近傍の前記接地導体にそれぞれ接続する一対の貫通導体とを備えており、
前記一対の線路導体が前記スロットの一対の長辺にそれぞれ平行に配置されていることを特徴とするスロットアンテナ。