JP5509220B2 - 線路変換構造およびそれを用いたアンテナ - Google Patents
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Description
本発明の線路変換構造の効果を確認するためのシミュレーションを図4A〜図4Cに示す例をシミュレーションモデルとして用いて行なった。マイクロストリップ線路1から入力した信号が、誘電体層2下面の出力用マイクロストリップ線路13に出力されるまでの損失をシミュレーションすることにより、マイクロストリップ線路1からスロット線路5への変換損失を見積もった。誘電体層2内部のグランド層4には、スロット線路5と出力用マイクロストリップ線路13との結合のために第1の開口4aが設けられている。誘電体層2としてアルミナを想定して比誘電率を8.6に、導体の導電率を6.6×106(S/m)に、信号周波数を60GHzにそれぞれ設定した。誘電体層2および下側誘電体層2aの厚さは0.15mmとし、マイクロストリップ線路1および出力用マイクロストリップ線路13のインピーダンスを50Ωにするために、信号導体3および出力用信号導体12の幅は0.14mmとした。この場合、マイクロストリップ線路1と出力用マイクロストリップ線路13の実効誘電率は6.3となり、60GHzにおける信号の波長は2.0mmとなった。貫通導体6の直径は0.1mmとした。スロット9はその幅(スロットグランド導体7とスロット信号導体8との間隔)を0.1mmとし、長さSLを1.4mmとした。また、出力用マイクロストリップ線路13のスタブ長さMLは0.4mmとした。第1の開口4aは、1.8mm×0.35mmの長方形とし、上面視でスロット9が第1の開口4a内の中心に位置するように配置した。
上記シミュレーションモデルの信号導体3に平行な部分に最も近接している貫通導体6と信号導体3との間隔D(以下、単に間隔Dという)を、信号の波長の0.075倍(0.15mm)、0.1倍(0.2mm)、0.188倍(0.375mm)、0.25倍(0.5mm)および0.375倍(0.75mm)としてシミュレーションを行なった。その結果をまとめて図10に示す。図10は、60GHzにおける損失と、信号導体3と貫通導体6との間隔Dの関係を示すグラフである。信号導体3と貫通導体6との間隔Dは、マイクロストリップ線路1を伝送する60GHz信号の波長で規格化して(間隔Dと波長の比率にして)示している。図10より、間隔Dが波長の0.13倍以下の場合、損失は約1.1dBと小さいが、間隔Dが波長の0.13倍を越えると、損失が急激に大きくなることが分かる。間隔Dが波長の0.25倍のとき特に損失が大きくなっているのは、上記と同様に共振の影響であり、同様に0.25n倍(nは正の整数)のときは共振の影響によって損失が大きくなる。間隔Dが波長の0.38倍のときは共振の影響はないが、損失は約2.1dBと、間隔Dが波長の0.13倍以下の場合より1dB程度大きくなっている。これはマイクロストリップ線路1の信号導体3の直下のグランド層4の電位が貫通導体6を通ってスロットグランド導体7に伝送するにあたり、その伝送経路の長さが増すことによる損失のためと考えられる。
本発明のアンテナの効果を確認するためのシミュレーションを、図6A〜図6Cに示す例をシミュレーションモデルとして用いて行なった。マイクロストリップ線路1から入力した信号の反射特性からアンテナの帯域を見積もった。誘電体層2下面のグランド層4には、スロット線路5と誘電体整合器との結合のために第1の開口4aが設けられている。誘電体層2、下側誘電体層2aとしてアルミナを想定して比誘電率を8.6に、導体の導電率を6.6×106(S/m)に、信号周波数を60GHzにそれぞれ設定した。誘電体層2の厚さは0.15mm、下側誘電体層2aの厚さは0.4mmとし、マイクロストリップ線路1のインピーダンスを50Ωにするために、信号導体3の幅は0.14mmとした。貫通導体6およびシールド導体15の直径は0.1mmとした。スロット9はその幅(スロットグランド導体7とスロット信号導体8との間隔)を0.1mmとし、長さSLを1.4mmとした。第1の開口4aは、1.8mm×0.35mmの長方形とし、上面視でスロット9が第1の開口4a内の中心に位置するように配置した。シールド導体15は3.6mm×1.5mmの長方形の辺上に中心位置がくるように0.3mmピッチで配列した。第2の開口14aも3.6mm×1.5mmの長方形とした。シールド導体15を結ぶ長方形および第2の開口14aの中心も第1の開口4aの中心に合わせて配置した。
アンテナのゲインの低下抑制効果を確認するためのシミュレーションを、図7A〜図7Cに示す例をシミュレーションモデルとして用いて行った。
(試験例1)
誘電体層2下面のグランド層4には、スロット線路5と誘電体整合器との結合のために第1の開口4aが設けられている。上側誘電体層16、誘電体層2および下側誘電体層2aとしてアルミナを想定して比誘電率を9.2に、導体の導電率をタングステンメタライズを想定して6.6×106(S/m)に、信号周波数を60GHzにそれぞれ設定した。上側誘電体層16および誘電体層2の厚さは0.125mm、下側誘電体層2aの厚さは0.4mmとし、ストリップ線路18の信号導体3の幅は0.1mmとした。スロットグランド導体7と信号導体3との間隙は0.1mmとした。貫通導体6およびシールド導体15の直径は0.1mm、貫通導体6と信号導体3との間隔Dは0.23mmとした。スロット9はその幅(スロットグランド導体7とスロット信号導体8との間隔)を0.1mmとし、長さSLを0.8mmとした。またスロット信号導体8の幅は0.205mmとした。そして、スロット9の両方の端部を閉じるように、2つのスロットパターン導体9aを誘電体層2の上面に配置し、スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)は、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.35倍(0.577mm)とした。なお、試験例1では、グランド強化導体6aおよび上側グランド強化導体6bが形成されていないものとしてシミュレーションを行った。
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.3倍(0.495mm)としたこと以外は試験例1と同様にして、試験例2のシミュレーションを行った。
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.25倍(0.412mm)としたこと以外は試験例1と同様にして、試験例3のシミュレーションを行った。
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.2倍(0.33mm)としたこと以外は試験例1と同様にして、試験例4のシミュレーションを行った。
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.15倍(0.247mm)としたこと以外は試験例1と同様にして、試験例5のシミュレーションを行った。
(試験例6)
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.25倍(0.412mm)とし、スロット9の各端部から信号導体3にそれぞれ離反する方向に、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.25倍(スロット9の端部からの離間距離が波長の0.25倍)の位置に、スロット9の各端部にそれぞれ対応してグランド強化導体6aを配置したこと以外は試験例1と同様にして、試験例6のシミュレーションを行った。なお、試験例6では、上側グランド強化導体6bが形成されていないものとしてシミュレーションを行った。
グランド強化導体6aのスロット9の端部からの離間距離が波長の0.125倍としたこと以外は試験例6と同様にして、試験例7のシミュレーションを行った。
グランド強化導体6aのスロット9の端部からの離間距離が波長の0倍、すなわち、グランド強化導体6aの中心位置がスロット9の端部位置に一致するようにしたこと以外は試験例6と同様にして、試験例8のシミュレーションを行った。
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.15倍(0.247mm)とし、グランド強化導体6aのスロット9の端部からの離間距離が波長の0.15倍としたこと以外は試験例6と同様にして、試験例9のシミュレーションを行った。
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.15倍(0.247mm)とし、グランド強化導体6aのスロット9の端部からの離間距離が波長の0倍、すなわち、グランド強化導体6aの中心位置がスロット9の端部位置に一致するようにしたこと以外は試験例6と同様にして、試験例10のシミュレーションを行った。
(試験例11)
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.25倍(0.412mm)とし、グランド強化導体6aがスロット信号導体8とグランド層4とを接続するように、グランド強化導体6aを信号導体3の延長線上に設けたこと以外は試験例1と同様にして、試験例11のシミュレーションを行った。
(試験例12)
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.15倍(0.247mm)とし、スロット9の一方の端部から信号導体3に離反する方向に、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.15倍(スロット9の端部からの離間距離が波長の0.15倍)の位置に、スロット9の一方の端部のみに対応してグランド強化導体6aを配置したこと以外は試験例1と同様にして、試験例12のシミュレーションを行った。
(試験例13)
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.15倍(0.247mm)とし、スロット9の一方の端部から信号の波長の0.15倍(スロット9の端部からの離間距離が波長の0.15倍)の位置、スロット9の他方の端部から信号の波長の0倍(グランド強化導体6aの中心位置がスロット9の端部位置に一致)の位置に、2つのグランド強化導体6aを配置したこと以外は試験例1と同様にして、試験例13のシミュレーションを行った。すなわち、試験例13では、2つのグランド強化導体6aの配置位置は、信号導体3に関して非対称である。
(試験例14)
スロットパターン導体9aの信号導体3に垂直な部分の長さ(スロットパターン幅SW)を、ストリップ線路18を伝送する信号の波長の0.15倍(0.247mm)とし、スロット9の各端部から信号導体3にそれぞれ離反する方向に、信号の波長の0.15倍(スロット9の端部からの離間距離が波長の0.15倍)の位置に、スロット9の各端部にそれぞれ対応してグランド強化導体6aを配置し、さらに、スロット9の各端部から信号導体3にそれぞれ離反する方向に、信号の波長の0.15倍(スロット9の端部からの離間距離が波長の0.15倍)の位置に、スロット9の各端部にそれぞれ対応して上側グランド強化導体6bを配置したこと以外は試験例1と同様にして、試験例14のシミュレーションを行った。
上側グランド強化導体6bを、スロット9の各端部から信号導体3にそれぞれ離反する方向に、信号の波長の0倍(上側グランド強化導体6bの中心位置がスロット9の端部位置に一致)の位置に、スロット9の各端部にそれぞれ対応して上側グランド強化導体6bを配置したこと以外は試験例14と同様にして、試験例15のシミュレーションを行った。すなわち、試験例15では、上側グランド強化導体6bは、グランド強化導体6aに対してずれた位置に配置されている。
2 誘電体層
2a 下側誘電体層
3 信号導体
4 グランド層
4a 第1の開口
5 スロット線路
6 貫通導体
6a グランド強化導体
6b 上側グランド強化導体
7 スロットグランド導体
8 スロット信号導体
9 スロット
9a スロットパターン導体
10,16 上側誘電体層
11,17 上側グランド層
12 出力用信号導体
13 出力用マイクロストリップ線路
14 下側グランド層
14a 第2の開口
15 シールド導体
18 ストリップ線路
Claims (10)
- 高周波伝送線路をスロット線路に変換する線路変換構造であって、
誘電体層と該誘電体層の上面に配置された信号導体と前記誘電体層の下面に配置されたグランド層とを含む、高周波伝送線路と、
前記誘電体層の上面に配置され、前記グランド層に前記誘電体層を貫通する貫通導体で接続されたスロットグランド導体と、前記誘電体層の上面に配置されたスロット信号導体と、前記スロットグランド導体と前記スロット信号導体との間に配置されたスロットとを含む、スロット線路とを含み、
前記高周波伝送線路の前記信号導体は、前記スロットグランド導体との間に間隙を設けて前記スロットグランド導体および前記スロットと直交し、先端が前記スロット信号導体に接続されており、
前記スロットグランド導体の前記間隙を挟んで前記信号導体に平行な部分の長さが、前記高周波伝送線路を伝送する信号の波長の0.25倍以下であることを特徴とする線路変換構造。 - 前記スロットグランド導体の前記間隙を挟んで前記信号導体に平行な部分に最も近接している前記貫通導体と前記信号導体との間隔が、前記高周波伝送線路を伝送する信号の波長の0.13倍以下であることを特徴とする請求項1記載の線路変換構造。
- 前記信号導体の前記スロット線路と直交する部分および前記間隙ならびに前記スロット線路の前記間隙と前記スロット信号導体との間の部分を覆うように、上側誘電体層を介して上側グランド層が形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の線路変換構造。
- 前記誘電体層の上面に、前記スロットの少なくとも一方の端部を閉じるスロットパターン導体が配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の線路変換構造。
- 前記スロットの両方の端部を閉じるように、2つの前記スロットパターン導体が前記誘電体層の上面に配置され、
前記スロットパターン導体の前記信号導体に垂直な部分の長さが、前記高周波伝送線路を伝送する信号の波長の0.25倍以下であり、
前記スロットの端部から前記信号導体に離反する方向に、前記高周波伝送線路を伝送する信号の波長の0.25倍以内の領域に、前記誘電体層を貫通し、前記スロットグランド導体と前記グランド層とを接続するグランド強化導体が形成されていることを特徴とする請求項4に記載の線路変換構造。 - 高周波伝送線路をスロット線路に変換する線路変換構造であって、
誘電体層と、前記誘電体層の上面に配置された信号導体と、前記誘電体層の下面に配置されたグランド層と、前記誘電体層の上面に形成された上側誘電体層と、前記上側誘電体層の上面に形成された上側グランド層とを含む、高周波伝送線路と、
前記誘電体層の上面に配置され、前記グランド層に前記誘電体層を貫通する貫通導体で接続されたスロットグランド導体と、前記誘電体層の上面に配置されたスロット信号導体と、前記スロットグランド導体と前記スロット信号導体との間に配置されたスロットとを含む、スロット線路とを含み、
前記高周波伝送線路の前記信号導体は、前記スロットグランド導体との間に間隙を設けて前記スロットグランド導体および前記スロットと直交し、先端が前記スロット信号導体に接続されており、
前記スロットグランド導体の前記間隙を挟んで前記信号導体に平行な部分の長さが、前記高周波伝送線路を伝送する信号の波長の0.25倍以下であり、
前記スロットの両方の端部を閉じるように、2つのスロットパターン導体が前記誘電体層の上面に配置され、
前記スロットパターン導体の前記信号導体に垂直な部分の長さが、前記高周波伝送線路を伝送する信号の波長の0.25倍以下であり、
前記スロットの端部から前記信号導体に離反する方向に、前記高周波伝送線路を伝送する信号の波長の0.25倍以内の領域に、前記誘電体層を貫通し、前記スロットグランド導体と前記グランド層とを接続するグランド強化導体が形成されていることを特徴とする線路変換構造。 - 前記スロットグランド導体の前記間隙を挟んで前記信号導体に平行な部分に最も近接している前記貫通導体と前記信号導体との間隔が、前記高周波伝送線路を伝送する信号の波長の0.13倍以下であることを特徴とする請求項6記載の線路変換構造。
- 前記グランド強化導体は、前記上側誘電体層を貫通し、前記スロットグランド導体と前記上側グランド層とを接続するように設けられることを特徴とする請求項6または7に記載の線路変換構造。
- 前記スロットの両方の端部が閉じている請求項1〜8のいずれか1つに記載の線路変換構造と、
前記誘電体層の下面に形成された下側誘電体層と、
該下側誘電体層の下面に形成された下側グランド層と、
前記グランド層の前記スロットに対向する部分に形成された第1の開口と、
前記下側グランド層の前記スロットに対向する部分に形成された第2の開口と、
平面視で前記第1の開口および前記第2の開口を囲むように配列され、前記グランド層および前記下側グランド層を接続する複数のシールド導体とを含むことを特徴とするアンテナ。 - 前記第1の開口は前記第2の開口よりも前記信号導体に平行な方向の長さが短いことを特徴とする請求項9に記載のアンテナ。
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