JP5606238B2 - 誘電体導波管スロットアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波帯やミリ波帯において誘電体導波管によって給電されるスロットアンテナに係るもので、簡便な構造で円偏波を放射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。

伝送線路の一種の誘電体導波管を利用したアンテナとして、誘電体導波管スロットアンテナが提案されている。誘電体導波管スロットアンテナは、マイクロ波帯やミリ波帯に適している。図９に従来の誘電体導波管スロットアンテナの分解斜視図を示す。
図９に示すように、従来の誘電体導波管スロットアンテナは、誘電体導波管１００の底面に誘電体が露出するスロット１１０を具え、そのスロット１１０に対向する位置にスロット１１０と略同じ形状のビアホール２１０が形成されたプリント基板２００に搭載され、そのビアホール２１０に対向する位置に第１の貫通孔３１０を具えた導体板３００が接合されている。

図９に示した従来の誘電体導波管スロットアンテナは、構造が簡単で、単一のスロットでも広帯域特性が得られるので、有用性が高い。

特開２００４−２２１７１４公報 特開平３−１７３２０４号公報

一般的に、受信感度は直線偏波よりも円偏波の方が偏波に依存しにくいので、移動体通信端末のように常に受信する位置が変わるような用途では、直線偏波より円偏波を利用することが望まれる。しかし、図９に示した誘電体導波管スロットアンテナは、直線偏波しか放射できないという制約があった。
スロットアンテナを円偏波化する方法として、偏波の方向と位相の異なる２つ以上のアンテナを組み合わせたり、導波管に複数のスロットを設けたりする方法が知られている。

上記の方法は、分岐回路等の給電回路の形成に伴うアンテナシステムの大型化や、構造の複雑化に伴う量産コストの上昇や、アンテナのアレー化による導波管の大型化などの問題を招くため、移動体通信端末のように、軽量・薄型化や低価格化が要求される用途への適用が難しく、これが導波管型円偏波アンテナの普及の妨げになっていた。
本発明は、簡単な構造で円偏波放射が可能な誘電体導波管スロットアンテナを提供するものである。

上記の問題を解決するために、本発明の誘電体導波管スロットアンテナは、
表面の導電膜の一部に誘電体が露出したスロットを具えた誘電体導波管と、
前記スロットに対向する位置に前記スロットと略同形状のビアホールが形成されたプリント基板と、
前記ビアホールに対向する位置に前記ビアホールと略同形状の第１の貫通孔と前記第１の貫通孔の近傍に一対の第２の貫通孔とを具えた導体板と、
からなる誘電体導波管スロットアンテナであって、
前記誘電体導波管と前記プリント基板と前記導体板とが、前記スロット、前記ビアホールおよび前記第１の貫通孔の位置を合わせて接合され、
前記プリント基板は、前記第２の貫通孔と対峙する位置に導体層を有し、
前記第２の貫通孔は、前記第１の貫通孔の中心点から使用する周波数の半波長より短い距離に、前記第１の貫通孔の中心点に対して点対称かつ、前記第１の貫通孔の長手方向に対して前記第２の貫通孔の長手方向が傾いて配置されたことを特徴とする。

本発明の誘電体導波管スロットアンテナは、誘電体導波管とプリント基板と導体板とを積み重ねて、導体板に複数の貫通孔を形成するだけで、円偏波を放射することができるので、移動体通信端末のように軽量・薄型化が要求される用途に提供できる。

本発明の誘電体導波管スロットアンテナの構造を示す分解斜視図である。 本発明の誘電体導波管スロットアンテナの動作を説明する図である。 第１の貫通孔と第２の貫通孔を説明する平面図である。 本発明の実施例において第２の貫通孔の回転角度θ２による正面方向軸比軸比を示すグラフである。 本発明の実施例において第１の貫通孔と第２の貫通孔の距離Ｄによる正面方向軸比を示すグラフである。 本発明の実施例において第２の貫通孔の長さＬ２による正面方向軸比を示すグラフである。 本発明の誘電体導波管スロットアンテナの放射特性を示すグラフである。 本発明の別の実施例を示す図である。 従来の誘電体導波管スロットアンテナの分解斜視図である。

以下、本発明の誘電体導波管スロットアンテナについての一実施例を用いて説明する。
図１は本発明の誘電体導波管スロットアンテナの分解斜視図である。図１に示すように、１０は誘電体導波管、２０はプリント基板、３０は導体板の構成である。
誘電体の表面に導電膜を形成し、その導電膜の一部に誘電体が露出したスロット１１を具えた誘電体導波管１０が、前記スロット１１に対向する位置に前記スロット１１と略同形状のビアホール２１が形成されたプリント基板２０に搭載され、前記ビアホール２１に対向する位置に前記ビアホール２１と略同形状の第１の貫通孔３１と前記第１の貫通孔３１の近傍に一対の第２の貫通孔３２、３２とを具えた導体板３０と接合されている。

スロット１１の長手方向は、誘電体導波管の長手方向（電波の伝搬方向）に対して垂直方向に設けてある。
ビアホール２１と第１の貫通孔３１は、スロット１１と略同形状であるが、自由空間への放射効率を高めるためには、スロット１１の長手方向の長さよりビアホール２１の長手方向の長さが長く、ビアホール２１の長手方向の長さより第１の貫通孔３１の長手方向の長さが長い方がよい。

一対の第２の貫通孔３２は直線状の長穴であり、前記第１の貫通孔３１の中心点に点対称に配置する。前記第２の貫通孔３２の長手方向は、前記第１の貫通孔３１の長手方向に対して略４５°傾いていて、第１の貫通孔３１の中心と第２の貫通孔３２の中心との距離は使用する周波数の半波長より短い。

スロット１１とビアホール２１と第１の貫通孔３１との中心位置と長手方向とが同じになるように前記誘電体導波管１０と前記プリント基板２０と前記導体板３０とを積み重ねて接合されている。
プリント基板２０は、第２の貫通孔と対峙する位置に導体層２２を備えている。

図２は、本発明の誘電体導波管スロットアンテナの動作原理を説明する図である。図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は模式断面図である。

スロット１１の近傍に貫通孔３１、３２、３２がある場合、図２（ｂ）に示すように、第１の貫通孔３１から直接放射される直接波５ａと、直接波５ａの一部がプリント基板２０の表面に設けられた導体層２２によって第２の貫通孔３２、３２から再放射される間接波５ｂを合成して指向性を制御していると考えられる。

通常は、直接波５ａと間接波５ｂの偏波の向きを揃えて、直接波５ａと間接波５ｂが干渉しやすいように、第２の貫通孔３２とスロット１１の長手方向を平行に配置する。しかし、本発明の誘電体導波管スロットアンテナでは、図２（ａ）に示すように、第２の貫通孔３２の長手方向を第１の貫通孔３１の長手方向に対して回転角θ２回転して配置している。

第２の貫通孔３２の長手方向と第１の貫通孔３１の長手方向が平行でない場合、第２の貫通孔３２から再放射される間接波５ｂは、直接波５ａの偏波に対して平行な成分と、直接波５ａの偏波に対して垂直な成分に分解して考える。合成波は、
（ａ）「間接波に含まれる直接波の偏波に平行な成分」と「直接波」との合成波
（ｂ）「間接波に含まれる直接波の偏波に垂直な成分」
の２つから構成される。（ａ）と（ｂ）とは直交しているため、（ａ）と（ｂ）とが同じ振幅かつ位相差が９０°となるように設計することで、合成波を最適な円偏波とすることができる。間接波５ｂの振幅および位相は、第２の貫通孔３２の形状や位置などで調節する。
第１の貫通孔３１の長手方向と第２の貫通孔３２の長手方向とが直交する場合（θ２＝−９０°または９０°）と平行な場合（θ２＝０°）とは、間接波に含まれる直接波の偏波に平行な成分または間接波に含まれる直接波の偏波に垂直な成分がないので、合成波は円偏波にはならない。θ２＝４５°または−４５°とするのが好適である。

円偏波の回転方向は、第２の貫通孔３２の回転角θ２の方向によって決まる。放射方向から導体板３０を見たときに時計回りを正、−９０°＜θ２＜９０°とした場合、θ２＞０の場合は右旋円偏波となり、θ２＜０の場合は左旋円偏波となる。

図３は、導体板３０に配置された第１の貫通孔３１と第２の貫通孔３２、３２との位置を説明する平面図である。
図３に示すように、第１の貫通孔３１の中心点に対して一対の第２の貫通孔３２、３２が点対称に配置されている。第１の貫通孔３１は長さＬ１×幅Ｗ１の直線状の長穴であり、第２の貫通孔３２、３２は、長さＬ２×幅Ｗ２の直線状の長穴である。そして、第２の貫通孔３２の中心点は、第１の貫通孔３１の長手方向から回転角θ１回転していて、第１の貫通孔３１の中心点と第２の貫通孔３２、３２の中心点との距離Ｄ離れている。さらに、第２の貫通孔３２は、第２の貫通孔３２の中心点を中心に第１の貫通孔３１の長手方向から回転角θ２回転している。

（実験１）
誘電体導波管１０は、幅２．５ｍｍ×高さ１．２ｍｍ×長さ１０ｍｍ、
誘電体材料の比誘電率εｒ＝２．３１、
誘電体導波管の端から１．８ｍｍの位置にスロット１１が設けられ、
スロット１１は、長さ２．１ｍｍ×幅１．０ｍｍ、
導体板３０は、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ１．０ｍｍ、
プリント基板２０は、縦２０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．２ｍｍ、
第１の貫通孔３１は、Ｌ１×Ｗ１＝２．７ｍｍ×１．０ｍｍ、
第２の貫通孔３２は、Ｌ２×Ｗ２＝３．８ｍｍ×１ｍｍ、
第２の貫通孔３２の第１の貫通孔３１に対する回転角θ１＝４５°、
第２の貫通孔３２と第１の貫通孔３１の距離Ｄ＝１．９５ｍｍ、
とした場合、図４は第２の貫通孔３２の回転角θ２を変化させた時の、正面方向軸比を電磁界シミュレータで計算した結果である。図４において、横軸は回転角θ２、縦軸は正面方向軸比［ｄＢ］を表す。使用した周波数は６１ＧＨｚである。
図４より、θ２＝４５°付近の時に、軸比最適値な右旋円偏波が得られた。

（実験２）
図５は、実験１において、第２の貫通孔３２の回転角θ２＝４５°とし、第２の貫通孔３２の第１の貫通孔３１に対する距離Ｄを変化させた時の、正面方向軸比を電磁界シミュレータで計算した結果である。その他の条件は、実験１の場合と同様である。図において、横軸は距離Ｄ／波長λ、縦軸は正面方向軸比［ｄＢ］を表す。
図５より、第２の貫通孔３２の第１の貫通孔３１に対する距離Ｄが使用する周波数の波長λの０．５倍より大きくなると軸比特性が急激に劣化することがわかる。

（実験３）
図６は、実験１において、第２の貫通孔３２の回転角θ２＝４５°とし、第２の貫通孔３２の長さＬ２を変化させた時の、正面方向軸比を電磁界シミュレータで計算した結果である。その他の条件は、実験１の場合と同様である。図において、横軸は、第２の貫通孔３２の長手方向の長さＬ２／第１の貫通孔３１の長手方向の長さＬ１、縦軸は正面方向軸比［ｄＢ］を表す。
図６より第２の貫通孔の長手方向の長さＬ２は、第１の貫通孔３１の長手方向の長さＬ１の略１．４倍の場合に、最適な軸比が得られることがわかる。

（実験４）
図７は、実験１において、第２の貫通孔３２の回転角θ２＝４５°とし、第２の貫通孔３２の回転角θ２を変化させた時の、放射特性を電磁界シミュレータで計算した結果である。その他の条件は、実験１の場合と同様である。
図７（ａ）は、ＸＺ平面における右旋円偏波（ＲＨＣＰ）と左旋円偏波（ＬＨＣＰ）を示し、図７（ｂ）は、ＹＺ平面における右旋円偏波（ＲＨＣＰ）と左旋円偏波（ＬＨＣＰ）を示す。ただし、導体板３０の表面をＸＹ平面とし、第１の貫通孔３１の長手方向をＸ軸方向、電波の放射方向をＺ軸方向とする。
図７より、極めて良好な円偏波が得られることがわかる。

実験１〜４の結果より、第２の貫通孔３２を、
第１の貫通孔３１の中心点に対して点対称かつ、
第１の貫通孔３１の長手方向に対して略４５°回転し、
第１の貫通孔３１の中心点から第２の貫通孔３２の距離は、使用する周波数の半波長より短い距離に配置し、
第１の貫通孔３１の長手方向の長さは、使用する周波数の波長の略１．４倍にすることにより、最適な円偏波を得られる誘電体導波管スロットアンテナとすることができる。

なお、実験１〜４において第２の貫通孔３２は、θ２＝４５°に配置したので右旋円偏波が得られた。第２の貫通孔３２をθ２＝−４５°に配置すれば左旋円偏波が得られる。

第２の貫通孔の形状は直線状の長穴に限定されるものではなく、円弧状や折れ曲がった形状の長穴でも良い。図８は本発明の他の実施例である。
図８（ａ）に示すように、円弧状の第２の貫通孔３２ａや、図８（ｂ）に示すように、くの字の第２の貫通孔３２ｂとすれば、導体板上の第２の貫通孔の占有する面積を減らすことが可能となる。また、図８（ｃ）に示すように、誘電体導波管１０ｃに複数のスロット１１ｃを設け、導体板３０ｃに第１の貫通孔３１ｃと第２の貫通孔３２ｃをアレー状に配置にすれば、誘電体導波管スロットアンテナの利得や指向性を高めることができる。

導体板はプリント基板や金属メッキした樹脂等に置き換えても良い。また、第２の貫通孔は導体板を貫通していない溝でもよい。間接波は、溝の底部で反射するので、合成波を円偏波とすることができる。

また、本発明の誘電体導波管スロットアンテナは、従来の誘電体導波管スロットアンテナの導体板の構造を変更するだけなので、従来の誘電体導波管を使用できる。したがって、直線偏波用の誘電体導波管とは別に、円偏波用の誘電体導波管を設計する必要はなく、生産コストを抑えた円偏波用の誘電体導波管スロットアンテナを提供できる。

１０、１００ 誘電体導波管
１１、１１ｃ、１１０ スロット
２０、２００ プリント基板
２１、２１０ ビアホール
２２ 導体層
３０、３０ａ〜３０ｃ、３００ 導体板
３１、３１０ 第１の貫通孔
３２、３２ａ〜３２ｃ 第２の貫通孔
５ａ 直接波
５ｂ 反射波

Claims (8)

1. 表面の導電膜の一部に誘電体が露出したスロットを具えた誘電体導波管と、
   前記スロットに対向する位置に前記スロットと略同形状のビアホールが形成されたプリント基板と、
   前記ビアホールに対向する位置に前記ビアホールと略同形状の第１の貫通孔と前記第１の貫通孔の近傍に一対の第２の貫通孔とを具えた導体板と、
   からなる誘電体導波管スロットアンテナであって、
   前記誘電体導波管と前記プリント基板と前記導体板とが、前記スロット、前記ビアホールおよび前記第１の貫通孔の位置を合わせて接合され、
   前記プリント基板は、前記第２の貫通孔と対峙する位置に導体層を有し、
   前記第２の貫通孔は、前記第１の貫通孔の中心点から使用する周波数の半波長より短い距離に、前記第１の貫通孔の中心点に対して点対称かつ、前記第１の貫通孔の長手方向に対して前記第２の貫通孔の長手方向が傾いて配置されたことを特徴とする誘電体導波管スロットアンテナ。
2. 前記第２の貫通孔の長手方向と前記第１の貫通孔の長手方向のなす角は、略４５°であることを特徴とする請求項１記載の誘電体導波管スロットアンテナ。
3. 前記第２の貫通孔の長手方向の長さは、前記第１の貫通孔の長手方向の長さの略１．４倍であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の誘電体導波管スロットアンテナ。
4. 前記ビアホールの長手方向の長さは前記スロットの長手方向の長さより長く、前記第１の貫通孔の長手方向の長さは前記ビアホールの長手方向の長さより長いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の誘電体導波管スロットアンテナ。
5. 表面の導電膜の一部に誘電体が露出したスロットを具えた誘電体導波管と、
   前記スロットに対向する位置に前記スロットと略同形状のビアホールが形成されたプリント基板と、
   前記ビアホールに対向する位置に前記ビアホールと略同形状の貫通孔と、前記貫通孔の近傍に一対の溝とを具えた導体板と、
   からなる誘電体導波管スロットアンテナであって、
   前記誘電体導波管と前記プリント基板と前記導体板とが、前記スロット、前記ビアホールおよび前記貫通孔の位置を合わせて接合され、
   前記溝は、前記貫通孔の中心点から使用する周波数の半波長より短い距離に、前記貫通孔の中心点に対して点対称かつ、前記貫通孔の長手方向に対して前記溝の長手方向が傾いて配置されたことを特徴とする誘電体導波管スロットアンテナ。
6. 前記溝の長手方向と前記貫通孔の長手方向のなす角は、略４５°であることを特徴とする請求項５に記載の誘電体導波管スロットアンテナ。
7. 前記溝の長手方向の長さは、前記貫通孔の長手方向の長さの略１．４倍であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の誘電体導波管スロットアンテナ。
8. 前記ビアホールの長手方向の長さは前記スロットの長手方向の長さより長く、前記貫通孔の長手方向の長さは前記ビアホールの長手方向の長さより長いことを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の誘電体導波管スロットアンテナ。

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