JP5429459B2 - ミリ波アンテナ - Google Patents

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本発明は、ミリ波帯で広帯域で低損失であり高利得という特徴を持ったミリ波アンテナで、特にポスト壁H面扇型ホーンアンテナにテーパスロットアンテナ(TSA:Tapered Slot Antenna)を組み合わせたミリ波アンテナに関するものである。
ミリ波帯で高性能なアンテナとしては、ホーンアンテナが知られている。一般に、ホーンアンテナは、低損失であり、広帯域性を有し、開口の拡大により高利得化の実現しやすいアンテナである。このため、マイクロ波帯からミリ波帯に数多く利用されている。しかし、金属板を加工して製作するため、重く高価であり、民生用端末アンテナには適さない。マイクロストリップアンテナは、プリント基板をエッチング加工することで製作可能であるため、量産性がよく低コストで製造できるため、マイクロ波帯では広く利用されているが、ミリ波帯では損失が大きくなるので、効率が良くないという問題がある。
ホーンアンテナとマイクロストリップアンテナの両方の特徴を備えたテーパスロットアンテナは、広帯域な周波数特性を有し、また、放射特性は単方向指向性を示すことが知られている。
例えば、特許文献1(米国特許第6239761号明細書)には、誘電体上の金属層にテーパスロットアンテナを形成するが、スロットから外延する露出した誘電体部を備えるものが記載されている。また特許文献2(米国特許第6239761号明細書)には、テーパスロットラインが指数関数型のテーパスロットアンテナが、また、特許文献3(米国特許第6008770号明細書)には、テーパスロットラインがフェルミ−ディラック分布関数形状のテーパスロットアンテナが、また特許文献4(米国特許第6043785号明細書)には、円弧形状のテーパスロットラインをもったテーパスロットアンテナが記載されている。
非特許文献(2009年 電子情報通信学会総合大会 通信講演論文集1 B-1-95 95頁)には、ポスト壁導波路型ミリ波アンテナとポスト壁ホーン型ミリ波アンテナが記載されている。
しかし、上記のテーパスロットアンテナや上記のポスト壁ホーン型ミリ波アンテナでは、指向性を変えづらいという問題があった。
米国特許第6239761号明細書 米国特許第6239761号明細書 米国特許第6008770号明細書 米国特許第6043785号明細書
2009年 電子情報通信学会総合大会 通信講演論文集1 B-1-95 95頁.
広帯域にわたって高利得であって、しかも必要に応じて簡単に縦横の指向性を変えることができるミリ波アンテナを実現する。
本発明のミリ波アンテナは、ホーン型放射器と、該ホーン型放射器からの給電を受ける複数のテーパスロットを備え、上記ホーン型放射器は、絶縁体を挟んで接近して並行する2枚の導電体膜と該導電体膜間に設けたポスト壁によって、ミリ波帯において広帯域にわたって低損失で高利得であるという構成にしたものである。
上記テーパスロットは、該テーパスロット開口部からの距離が増大するに従って該開口部の長手方向のサイズが減少する突起を持ち該テーパスロット開口部に設けた誘電体整合器と、を備えるものである。
複数の誘電体整合器のそれぞれのサイズを変えることで、ミリ波アンテナの放射特性を改変することができる。このためには、少なくとも2つは、異なるサイズの誘電体整合器とする。
また、上記テーパスロットは、放射面側に、ポスト壁で構成したテーパスロット状の境界壁を設けることで、テーパスロットに用いる電極サイズを調整することができる。
上記誘電体整合器は、上記誘電体整合器は、誘電体アンテナとして動作するものである、例えば、上記ホーン型放射器の開口部のサイズより大きなものであってもよい。
また、上記ホーン型放射器に連続して構成したポスト壁型導波路を備えるものである。
また、上記ホーン型放射器と上記テーパスロットとの接続は、上記テーパスロットの導波路部にホーン型放射器を嵌め込むことで行う。
ホーン型放射器に取り付けられたテーパスロットと誘電体整合器を入れ替えることによって、指向性を容易に変えることができるミリ波アンテナを実現できる。
(a)平面形状のポスト壁ホーン型放射器、(b)誘電体ロッドをそのH面扇型ホーンアンテナ1の開口部に誘電体整合器2としてつなげた構造、を示す図である。 (a)表裏に銅伯のついたプリント基板4にポスト壁5を設けて、形成した導波路と誘電体整合器つきホーン型放射器、(b)計算機シミュレーションに際して計算負荷を低減するために(a)のポスト壁部分を置き換えた構造を示す図である。 (a)、(b)のそれぞれは、図2(a)、(b)の構造に対して60GHzにおける動作利得指向性の計算機シミュレーションの結果の3次元表示を示し、(c)、(d)のそれぞれは、その最大動作利得とリターンロスの周波数特性を示す図である。 複数のテーパスロット設けたポスト壁H面扇型ホーンアンテナで、(a)誘電体整合器なしの場合、(b)誘電体整合器ありの場合、を示す図であり、(c)および(d)は、上記構造体の形成方法を示す図である。 (a)、(b)のそれぞれは、図4(a)、(b)に対応した60GHzにおける動作利得指向性の3次元表示を示す図である。 (a)、(b)のそれぞれは、図4(a)、(b)に対応した最大動作利得とリターンロスの周波数特性を示す図である。 7枚のプリント基板で構成したテーパスロット設けたポスト壁H面扇型ホーンアンテナで、(a)切代なしの場合、(b)切代ありの場合、を示す図である。 (a)、(b)のそれぞれは、図7(a)、(b)に対応した最大動作利得とリターンロスの周波数特性を示す図である。 (a)、(b)のそれぞれは図7(a)、(b)に対応した60GHzにおける動作利得指向性の3次元表示を示す図である。 (a)、(b)のそれぞれは、図7(a)、(b)に対応したE面(Z方向)とH面(y方向)の動作利得指向性を示す図である。
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
本発明のミリ波アンテナでは、広帯域で高利得なH面扇型ホーンアンテナと類似な構造をもったホーン型放射器を、例えば、プリント基板を組み合わせて形成する。まず磁界方向にビームを絞るために、そのプリント基板に複数のスルーホールを形成してとポスト壁を構成する。さらに、電界方向にビームを絞るため、前記ホーン型放射器の先端に複数のテーパスロットを接続して、前記ホーン型放射器から給電する。このポスト壁を用いたホーン型放射器の電場は、概略、上記プリント基板の法線方向である。また、上記テーパスロットの電場は、テーパスロットの2つの導電体を結ぶ方向である。このため、上記ホーン型放射器の長手方向と上記テーパスロットの長手方向とは直交して接続する。
上記テーパスロットはプリント基板をエッチングして形成することができる。また、平面形状の上記ホーン型放射器と上記テーパスロットの接続のために、上記テーパスロットに切れ込みを切削により作成し、この切れ込みに上記ホーン型放射器をはめ込む。必要であれば、銀ペーストなどにより両者の電気的、機械的接続を補強する。以上のように、磁界方向にはH面扇型ホーンアンテナ構造により、また電界方向にはテーパスロット構造により、ビームを絞ることで高利得化を実現する。また、このホーン構造は、プリント基板にスルーホールを形成して、またこのテーパスロット構造はプリント基板のエッチングと切削により加工可能であるので、容易に製造でき、製作コストを抑えることができる。本構成では誘電体の厚さを、用いる電磁波の4分の1波長オーダにすることが望ましく、ミリ波では、厚さ数ミリの通常のプリント基板が適合する。一方、本構成をマイクロ波帯で実現するためには、多量の誘電体材料を使用することになり、重量コストの面で適さない。すなわち、本アンテナはミリ波帯に適した構成である。
構成法の拡張としては、テーパスロットの前面に誘電体を自由空間との整合器として残すことにより更なる高利得化を実現することができる。また、テーパスロットの外側に、銅箔の無い誘電体部を形成することにより、誘電体の切削加工時に金属のバリを残さないようにすると同時に、利得改善効果を得ることができる。
一般に、ミリ波帯では、マイクロストリップ構造より共振空間の比率を大きくできる導波管が効率の面で有利になる。しかし、通常の導波管を民生用に用いることはコスト的、サイズ的に不利である。そこで、プリント基板にポスト壁を並べ、導波管構造を形成するポスト壁導波路が用いられている。中空の導波管に比べ、誘電体損が充填されているので、誘電体損があるが、MSL(マイクロストリップライン)に比べ高さを大きくできるので、低損失に構成でき、また、スルーホール作製技術により量産性も良い。
また、導波管をテーパー状に広げたH面扇型ホーンアンテナは、広帯域に高利得な特性を得ることのできる基本的なアンテナである。そこで、ポスト壁導波路もテーパー状に開口を広げ、つまり、図1(a)のような平面形状のホーン型放射器を、表裏に銅伯のついたプリント基板4にポスト壁5を設けて、導波路とホーン型放射器を形成する(case a)。通常のホーンアンテナと異なり、開口部で誘電体と自由空間の段差があるため、反射が発生すと考えられるので、開口部での自由空間との整合を改善するように、図1(b)のような誘電体ロッドをそのH面扇型ホーンアンテナ1の開口部に誘電体整合器2としてつなげた構造(case b)とする。このH面扇型ホーンアンテナ1への給電は、導波路3を通じて行なう。
この誘電体ロッド部はH面扇型ホーンアンテナ部と同じプリント基板をエッチングにより構成し、形状は切断により形成可能なので、ミリ波帯でも制作は容易である。この様に、プリント基板を用いる場合は、プリントとエッチング加工、およびその組み立て工程だけのよく知られた製造方法で製造することができる。
上記の構成の場合の計算機シミュレーション結果を以下に説明する。ここで、計算負荷を低減する目的で、図2(a)のポスト壁部分を図2(b)のように導体壁に置き換え、有限要素法プログラムHFSSを用いてアンテナ特性を計算した。誘電体は比誘電率2.17、tanδ=0.0006とした。
図1(a)、(b)の構造に対して60GHzにおける動作利得指向性の計算機シミュレーションの結果の3次元表示を図3(a)、(b)に示す。ホーン構造によりH面方向(y方向)にビームが絞られていることがわかる。また、誘電体ロッドにより、E面(z方向)にもビームが絞られ、高利得化が実現できていることが分かる。また、最大動作利得(Gw)とリターンロス(S11)の周波数特性を、上記のそれぞれの場合について図3(c)、(d)に示す。周波数が高くなるほど利得が高くなる傾向があるが、これは、波長に対して開口が大きくなるためと考えられる。整合はリターンロス−6dB(不整合損約1.26dB)程度の整合が得られている。
整合に対する効果は誘電体ロッド付加により、広帯域にわたっては利得が改善できている。しかし、利得は約11dBiに止まっており、更なる利得向上にはE面の方向に開口面積を大きくすることが望ましい。
そこで、E面(z方向)にビームを絞るために、テーパスロット6を用いる。一般に、テーパスロットアンテナはE面にビームを絞る効果を有し、広帯域なアンテナである。図4(c)のように、切込みを入れたテーパスロットを複数並べ、その給電用導波路部に切り込みを設け、ポスト壁H面扇型ホーンアンテナを該切り込みに差し込み、図4(a)のような構成とする。また、開口部における誘電体と自由空間の整合を改善する目的で図4(b)のような、誘電体整合器を付加した構造も比較検討する。つまり、図4(d)の場合は、先端に誘電体整合器が付加したテーパスロットに上記のような切れ込みを設け、ポスト壁ホーン型放射器を嵌め込む。図4のような構成は、マイクロ波帯では多くの誘電体基板を要し、その重量も大きくなるが、ミリ波帯では全体が小さくなるので、実現可能な構造といえる。また、基板の厚さは、ミリ波の場合は、4分の1波長オーダの1mmや2mmの基板は一般的に存在し、重ねる枚数も少なくてよい。なお、テーパスロットと、ポスト壁H面扇型ホーンアンテナの導体との導通性は、銀ペーストなどで対応可能である。
60GHzにおける動作利得指向性の3次元表示を、図4(a)、(b)に対応して図5(a)、(b)に示す。テーパスロット6により、平面形状のH面扇型ホーンアンテナ単体より、E面の指向性が絞られ、高利得化が実現できていることが分かる。また、それぞれの最大動作利得とリターンロス(S11)の周波数特性を図6(a)、(b)に示す。テーパスロットにより(case c)、14dBi程度の動作利得が実現できていることが分かる。さらに誘電体ロッドを付加すると(case d)、約4dB利得が改善し17dBi程度の利得が広帯域にほぼフラットな特性で確保できている。誘電体ロッドが有効であることが確認できる。リターンロスも約−10dB(不整合損失約0.46dB)以下に改善されている。
テーパスロット部としては、1mmの基板を14枚重ね合わせて形成している。1mmは自由空間波長の約4分の1に相当する。工程の簡略化と低コスト化のために、図7(a)のように2mmの基板を7枚重ね合わせて形成する場合(case e)を検討する。さらに、誘電体と導体の境界が一致していると、切断のときにバリが生じるので、図7(b)のように切代7を1mm設けた場合(case f)を検討する。
動作利得とリターンロスの周波数特性を図8に示す。14枚の場合に比べて、リターンロスが約−9dBに整合が劣化している。また、利得も14枚の場合に比べ劣化している。特に高周波数になるほど劣化が大きいことが分かる。これは、テーパスロットの間隔が波長に比べて大きくなるため、テーパスロット間への漏洩が多くなるためと考えられる。
また、切代7を付加した場合の方が、約1dB程度利得が改善していることが分かる。切代は約4分の1波長なのでチョーク的に作用しているものと考えられる。51−70GHzの広帯域にわたり、15dBi以上の動作利得が得られている。
図7(a)、(b)の切代がない場合とある場合のE面とH面の動作利得指向性3次元表示を図9(a)、(b)に示す。また、図10(a)、(b)に、切代が有る場合のH面とE面の56、58、60、62、64、66GHzでの相対指向性(正面方向で規格化)を示す。本アンテナを向きを変えて複数並べることにより、10dBi以上の動作利得をセクタアンテナで実現するためには、E面で約18度間隔、H面に約24度間隔で提案アンテナを配置することが望ましい。また、この構成によって広帯域に主ビーム近傍のパターンが保持される。
上記のように、テーパスロットを付加することにより、整合が改善し、E面にビームが絞られ高利得化が可能である。また、開口部にプリント基板の誘電体部を残してロッドを構成することにより、高利得化が可能で有る。また、比誘電率2.17の基板の場合、テーパスロットの間隔を1mmから2mmに広くすると、利得が低下する。その傾向は高周波ほど強い。ここで、テーパスロットに切代を設けることにより、約1dBの利得改善効果が得られることが分かった。本アンテナを素子として、E面に約18度、H面に約24度の間隔で配置し、セクタアンテナを形成することにより、サービスエリアを約10dBi以上の動作利得でカバーできる。
上記のテーパスロット部は、同形のものを積層したものであるが、個々のテーパスロットの基板や電極のサイズ等を調整することによって、アンテナに要求される種々の指向性を実現することができる。
また、テーパスロットの極端な場合として、テーパスロット部の電極を無くし、積層した誘電体のみを残すようにしてもよい。さらに、積層した誘電体を、ひと塊で同じ形状の誘電体で置き換えてもよい。
ミリ波帯は伝播損失が大きいため、高利得化が必要である。高利得化に伴いビーム幅が狭くなるので、半固定の利用形態ではビーム方向を可変とする必要がある。ビーム可変技術としてマイクロ波帯などで利用されているフェーズドアレーアンテナは、ビーム方向が周波数により変化するため、広帯域性が必要とされる場合には課題がある。周波数によるビーム方向の変化がない構成法として、複数のビームアンテナを向きを変えて配置し、送受信機に接続される素子アンテナを切り替えるというものが考えられるが、この方法は複数の高利得アンテナを配置するものなので、スペース効率が悪い。しかしミリ波ではアンテナが小さくなるためスペース的な制約が弱くなるので、実現性があると考えられる。そこで、このようなミリ波セクタアンテナの素子アンテナとしての利用が考えられる。
1 H面扇型ホーンアンテナ
2 誘電体整合器
3 導波路
4 プリント基板
5 ポスト壁
6 テーパスロット
7 切代

Claims (6)

  1. ホーン型放射器と、該ホーン型放射器からの給電を受ける複数のテーパスロットを備え、
    上記ホーン型放射器は、絶縁体を挟んで接近して並行する2枚の導電体膜と該導電体膜間に設けたポスト壁によって構成したミリ波アンテナであって、
    上記テーパスロットは、該テーパスロット開口部からの距離が増大するに従って該開口部の長手方向のサイズが減少する突起を持ち該テーパスロット開口部に設けた誘電体整合器を備えることを特徴とするミリ波アンテナ。
  2. 上記誘電体整合器の少なくとも2つは、異なるサイズの誘電体整合器とすることで、放射特性を改変したものであることを特徴とする請求項1に記載のミリ波アンテナ。
  3. 上記テーパスロットは、放射面側に、ポスト壁で構成したテーパスロット状の境界壁を設けたものであることを特徴とする請求項1又は2に記載のミリ波アンテナ。
  4. 上記誘電体整合器は、誘電体アンテナとして動作するものであることを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載のミリ波アンテナ。
  5. 上記ホーン型放射器に連続して構成したポスト壁型導波路を備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載のミリ波アンテナ。
  6. 上記ホーン型放射器と上記テーパスロットとの接続は、上記テーパスロットの導波路部にホーン型放射器を嵌合したものであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載のミリ波アンテナ。
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