JP5007281B2 - 誘電体導波管スロットアンテナ - Google Patents
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本発明は、誘電体の一表面に誘電体が露出する直線状のスロットを備え、そのスロットに対向する位置にそのスロットの幅よりも幅の長い貫通孔を備えた導体板が接合される誘電体導波管スロットアンテナの構造に係るもので、貫通孔の幅を短くすることによって複数のアンテナ素子を近接して配置できる誘電体導波管スロットアンテナに関するものである。
誘電体導波管スロットアンテナの基本構造を図６に示す。これは先に出願し特許第3824998号として成立したものと同じである。誘電体導波管スロットアンテナは、誘電体導波管の61の表面に誘電体が露出するスロット62を設け、このスロット62に貫通孔65を備えた放射板と呼ばれる導体板66を組み合わせ、その貫通孔65をインピーダンス変換器として動作させることによりアンテナを実現するものである。
放射板に設けられた貫通孔65は特性インピーダンスの低い導波管線路と見なすことができ、これが誘電体導波管のスロットと自由空間の特性インピーダンスの間でインピーダンス変換器として動作するので、貫通孔から電磁波が放射できるようになる。この場合、このアンテナが動作する周波数の物理的下限は放射板の貫通孔を導波管線路として見た場合の、その遮断周波数によって決められてしまう。今、貫通孔の幅寸法をａとした場合、その遮断波長はλｃ＝２ａとなる。すなわち、このアンテナを動作させる波長の下限をλｃとした場合、ａ≧（λｃ／２）であり、貫通孔の幅は少なくとも動作波長の半分以上にしなくてはならないことになる。現実的には貫通孔の幅は使用波長に対して0.6波長から1波長の間で設計される。
以上のことから、このアンテナを複数配置して用いる場合、横方向の配置間隔は半波長以下にできないことになる。
特開2004−221714号公報
特開2005−217865号公報
特開2005−341488号公報
本発明は、誘電体導波管スロットアンテナの貫通孔の幅寸法を短縮し、これにより複数のアンテナ素子を近接配置できるようにするものである。
本発明は、アンテナ開口部の貫通孔の形状を従来の一直線状から、Ｈ型に変形することによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、誘電体の一表面に誘電体が露出するスロットを備え、そのスロットに対向する位置にそのスロットよりも大きい貫通孔を備えた導体板が接合される誘電体導波管スロットアンテナにおいて、導体板に形成される貫通孔は、導体板表面においてＨ形の開口となるように形成されていることに特徴を有するものである。
本発明の効果を列挙すると以下のようになる。
（１）Ｈ型の貫通孔を採用することで、貫通孔の幅を狭くできる。すなわち、貫通孔を中空導波管線路と考えた場合、Ｈ型の断面とすることで、貫通孔の遮断周波数を下げることができる。これはリッジ導波管の原理と同じである。
（２）誘電体導波管スロットアンテナを近接配置できるようになる。これは、貫通孔の長手方向サイズが小さくなるためである。
（３）貫通孔の長手方向を含む面（Ｈ面）内の指向性を広げられる。貫通孔の幅が狭くなるということは、より点波源に近い動作をすることになり、電磁波を広い範囲に放射しやすくなるためである。
（１）Ｈ型の貫通孔を採用することで、貫通孔の幅を狭くできる。すなわち、貫通孔を中空導波管線路と考えた場合、Ｈ型の断面とすることで、貫通孔の遮断周波数を下げることができる。これはリッジ導波管の原理と同じである。
（２）誘電体導波管スロットアンテナを近接配置できるようになる。これは、貫通孔の長手方向サイズが小さくなるためである。
（３）貫通孔の長手方向を含む面（Ｈ面）内の指向性を広げられる。貫通孔の幅が狭くなるということは、より点波源に近い動作をすることになり、電磁波を広い範囲に放射しやすくなるためである。
導波管線路の遮断周波数を下げる構造として、リッジ導波管という導波管構造が知られている。これは方形導波管のＥ面中央部の高さを低くした断面形状を持つ導波管で、通常の矩形導波管に比べ遮断周波数を下げられることが知られている。本発明は、リッジ導波管の断面構造を放射板の貫通孔に適用することにより、その貫通孔の遮断周波数を低くして貫通孔の幅寸法を狭くすることを可能としたものである。
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図１は、本発明の実施例を示す分解斜視図である。誘電体導波管スロットアンテナの基本構造は前記と同じで、誘電体導波管の11の表面に誘電体が露出するスロット12を設け、このスロット12に貫通孔15を備えた放射板と呼ばれる導体板16を組み合わせ、その貫通孔15をインピーダンス変換器として動作させることによりアンテナを実現するものである。
この構造において、例えば動作周波数範囲を25GHzから28GHzとして設計したアンテナの設計例を示す。従来の、直線状の貫通孔を用いる場合、放射板の貫通孔の寸法は、7.6mm × 1.5mm × 2.9mmとなり、この貫通孔は25GHzの自由空間での波長12mmに対し0.63の幅を持つことになる。これを図１のように放射板の貫通孔の中央部の高さが低くなったH型にした場合、同じ動作周波数範囲である25GHz〜28GHzのアンテナを設計した一例を示すと、貫通孔の寸法は4.7mm × 6.1mm × 2.9mmとなり、貫通孔の幅寸法は25GHzの自由空間波長12mmに対し0.39となり、半波長以下の幅寸法にすることが可能となった。
図２と図３に、放射板の貫通孔を基本的な横一直線の形状で設計した場合と貫通孔をＨ型にした場合の、利得とリターンロスの周波数特性を電磁界シミュレータで計算した例をそれぞれ示す。図２は貫通孔を直線とした場合、図３は貫通孔をH形とした場合を示した。貫通孔の形状をＨ型にした場合でも、通常のアンテナとほぼ同等の周波数特性が得られていることが分かる。
放射板の貫通孔の形状をＨ型にすることによる副次的な効果として、アンテナの指向性が広角化されることが挙げられる。図４は26GHzにおけるアンテナのＨ面内指向性を電磁界シミュレータにより計算した結果である。通常の単純な貫通孔の形状よりもＨ型の貫通孔にした場合の指向性が広がっていることが分かる。電力半値幅を計算すると単純な貫通孔形状の場合は54.4度であるのに対し、貫通孔形状をＨ型にした場合は63.0度となっており、指向性が１６％広角化されている。
これは、貫通孔形状をＨ型にすることにより、電界が貫通孔中央部に集中することになり、アンテナ開口部がより点波源に近い形で動作するため、電磁波の放射範囲が広くなるためである。
なお、本発明は、図５に示したように、2つの導波管を近接して配置する場合に有益である。この例では、放射板となる導体板を1枚として2個のH形の貫通孔を形成し、ビアホールを形成したプリント基板を介在させて組み立てている。誘電体導波管を直接導体板に接着すると強度や信頼性の問題が生じるが、プリント基板が介在しているので熱膨張率の差を吸収できる効果などがある。また、導体板の貫通孔は誘電体導波管から離れるにしたがって広がるように形成してもよい。導体板は金属板を用いても、表面に導体層を形成した樹脂基板等を用いてもよい。
本発明は、誘電体導波管スロットアンテナ全般に応用でき、広い周波数帯域で使用するアンテナに適用可能である。
11、61：誘電体導波管
12、62：スロット
15、65：貫通孔
16、66：導体板
12、62：スロット
15、65：貫通孔
16、66：導体板
Claims (3)
- 誘電体の一表面に誘電体が露出する直線状のスロットを備え、そのスロットに対向する位置にそのスロットの幅よりも幅の長い貫通孔を備えた導体板が接合される誘電体導波管スロットアンテナにおいて、
導体板に形成される貫通孔は、導体板表面においてその幅が半波長以下となるＨ形の開口となるように形成されていることを特徴とする誘電体導波管スロットアンテナ。 - 誘電体の一表面に誘電体が露出する直線状のスロットを備え、そのスロットに対向する位置にそのスロットの幅よりも幅の長い貫通孔を備えた導体板が、直線状のビアホールを具えたプリント基板を介して接合される誘電体導波管スロットアンテナにおいて、
導体板に形成される貫通孔は、導体板表面においてその幅が半波長以下となるＨ形の開口となるように形成されていることを特徴とする誘電体導波管スロットアンテナ。 - 間隔を置いて並べられた複数の誘電体のそれぞれの一表面に誘電体が露出する直線状のスロットを備え、そのスロットに対向する位置にそれぞれそのスロットの幅よりも幅の長い貫通孔を備えた導体板が接合される誘電体導波管スロットアンテナにおいて、
導体板に形成される貫通孔は、それぞれ導体板表面においてその幅が半波長以下となるＨ形の開口となるように複数並べられて形成されていることを特徴とする誘電体導波管スロットアンテナ。
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