JP5753294B1

JP5753294B1 - コルゲートホーン

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Publication number: JP5753294B1
Application number: JP2014065397A
Authority: JP
Inventors: 卓郎田島; ホジンソン; 信矢板; 久々津　直哉; 直哉久々津
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-03-27
Filing date: 2014-03-27
Publication date: 2015-07-22
Anticipated expiration: 2034-03-27
Also published as: JP2015188188A

Abstract

【課題】高い特性が得られるコルゲートホーンを提供する。【解決手段】誘電体層ブロック１Ａの導体柱２００までの離間距離Ｄ１、誘電体層ブロック２Ａの導体柱２００までの離間距離Ｄ２、誘電体層ブロック３Ａの導体柱２００までの離間距離Ｄ３は、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係にある。【選択図】図３

Description

本発明は、コルゲートホーンの特性を高める技術に関するものである。

従来におけるホーンアンテナの作成方法としては、金属切削により円錐又は角錐状のホーンフレアを作成する方法、錐体を形成した後に電鋳により作成する方法などがある。

ホーン内壁に溝を形成するホーンアンテナ（コルゲートホーンという）の作製法としては、スペース層とフィン層を交互に積み重ねて、メッキする方法がある。その他には、金属切削によりコルゲート溝を作成する方法、溝の型を形成した後に電鋳により作成する方法等があり、いずれも高い寸法精度が求められる（特許文献１参照）。

テラヘルツ波帯では波長がサブミリのオーダとなるため、ホーンアンテナとともに用いられる導波管も同等のサイズとなる他、コルゲートホーンの場合は、溝の深さが浅くなり、ピッチ間隔が狭くなる。そのようなコルゲートホーンを製造するには、数十ミクロンオーダの高い寸法精度が求められるため、低コストに製造するのは困難である。

一方、図９は、誘電体層を積層して作製する従来のホーンアンテナを示す図である。
ホーンアンテナのフレア部１Ｆにおいては、最小の貫通孔１０１が形成された誘電体層１００から最大の貫通孔１０６が形成された誘電体層１００までの複数の誘電体層１００が貫通孔の大きさの順に積層される。貫通孔により、中空のキャビティ６（フレア部）が形成される。ホーンアンテナの給電部１Ｐとなる部分においては、例えば貫通孔のない誘電体層１００が積層される。

キャビティ６を構成する誘電体層内部においてはキャビティ６を囲むように導体柱２００が形成される。給電部１Ｐを構成する誘電体層内部においては給電部１Ｐを囲むように導体柱２００が形成される。

各誘電体層１００においては、キャビティ６や給電部１Ｐを中心として、導体柱２００よりも外側に導体層１０００が形成される。

このように、従来のホーンアンテナは、誘電体層を積層することで製造するので、コストを削減できる。特にテラヘルツ波帯では波長が短いので、ホーン長が短くてもアンテナ利得を高められ、よって、ホーンアンテナをこのような積層プロセスにより形成することができる。

特開昭５９−１４８４０８号公報特許第３４２０４７４号公報

しかし、図９に示す構造のホーンアンテナでは、キャビティ６から導体柱２００までの誘電体層の部分が、アンテナの利得を高周波域で低下させる。これを防ぐには、導体柱２００までの離間距離を波長に対して十分短くする必要がある。しかしながら、極端に短くすると誘電体層が破断する可能性が高まるので、製造上、困難であった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高い特性が得られるコルゲートホーンを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のコルゲートホーンは、最小の貫通孔が形成された１以上の誘電体層からなる最小貫通孔の誘電体層ブロックから最大の貫通孔が形成された１以上の誘電体層からなる最大貫通孔の誘電体層ブロックまでの複数の誘電体層ブロックが貫通孔の大きさの順に積層され、前記各誘電体層の表面における貫通孔の周囲に貫通孔に達するまで導体層が形成され、前記各誘電体層の貫通孔周囲領域において貫通孔から所定の離間距離を空けて誘電体層内部に複数の導体柱が形成され、前記最小貫通孔の誘電体層ブロックから前記最大貫通孔の誘電体層ブロックにかけて前記離間距離が次第に短くなっていることを特徴とする。

本発明によれば、最小貫通孔の誘電体層ブロックから最大貫通孔の誘電体層ブロックにかけて導体柱までの離間距離を次第に短くすることで、コルゲートホーンの特性を高めることができる。

本実施の形態に係るコルゲートホーンの上面図である。図１のＡＡ線矢視図である。図２の部分Ｂの拡大図である。本実施の形態と比較例に係るコルゲートホーンについての利得の周波数特性を示す図である。本実施の形態と比較例に係るコルゲートホーンについての利得の対称性を示す図である。本実施の形態のコルゲートホーンにおいて誘電体層ブロックの厚さｈを変えた場合の利得の周波数特性を示す図である。離間距離Ｄの変化の態様を示す図である。本実施の形態のコルゲートホーンの実装についての一態様を示す図である。従来のホーンアンテナを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態に係るコルゲートホーンの上面図であり、図２は、図１のＡＡ線矢視図であり、図３は、図２の部分Ｂの拡大図である。なお、図１では、後述の導体柱２００を模式的に示し、図２では、後述の導体層１０００および導体柱２００を図示省略する。

本実施の形態に係るコルゲートホーン（コルゲート構造を有するホーンアンテナ）１においては、最小の貫通孔１０１が形成された１以上の誘電体層からなる最小貫通孔の誘電体層ブロック１Ａから最大の貫通孔１０８が形成された１以上の誘電体層からなる最大貫通孔の誘電体層ブロック８Ａまでの複数の誘電体層ブロック１Ａ〜８Ａが貫通孔の大きさの順に積層される。層数は、この例に限らず、例えば、１０〜４０層程度の範囲で変えてもよい。

本例の場合、具体的には、誘電体層ブロック１Ａは、最小の貫通孔１０１が形成された６層の誘電体層１００からなる。誘電体層ブロック２Ａは、２番目に小さい貫通孔１０２が形成された３層の誘電体層１００からなる。誘電体層ブロック３Ａは、３番目に小さい貫通孔１０３が形成された３層の誘電体層からなる。誘電体層ブロック４Ａは、４番目に小さい貫通孔１０４が形成された３層の誘電体層１００からなる。誘電体層ブロック５Ａは、５番目に小さい貫通孔１０５が形成された３層の誘電体層１００からなる。誘電体層ブロック６Ａは、６番目に小さい貫通孔１０６が形成された３層の誘電体層１００からなる。誘電体層ブロック７Ａは、２番目に大きい貫通孔１０７が形成された３層の誘電体層１００からなる。誘電体層ブロック８Ａは、最大の貫通孔１０８が形成された３層の誘電体層１００からなる。各貫通孔の中心は、同一の軸上に配置される。

貫通孔は、例えば長方形である。これにより、開口面積が次第に増加する角錐形のコルゲートホーン１が得られる。なお、貫通孔は正方形、円形、楕円形などでもよい。円形とすれば、円錐形のコルゲートホーン１が得られる。貫通孔により、中空のキャビティ６が形成される。

誘電体層１００の層厚は例えば数十〜数百μｍ（ミクロン）である。誘電体層１００を多くすればホーン長が長くなり、コルゲートホーン１の利得を高くできる。

誘電体層１００の材料はセラミックスやガラスフィラーを混入したセラミックス混合材料、ポリイミド等のポリマー材料でもよいが、誘電損失が小さい材料であることが望ましい。

１つの誘電体層ブロックでの誘電体層１００の数は、例えば、１層、２層、４層、５層でもよく、７層以上でもよい。なお、誘電体層ブロックを多層とした場合は、各誘電体層を加工するためのマスクを共通に使うことができる。
例えば、１つの誘電体層ブロックを３層とした場合、その厚さｈは、およそ誘電体層１００の３層分となる。

また、各誘電体層１００における貫通孔の領域を包含する領域（例えば、全領域）から貫通孔の領域を除いた領域（貫通孔周囲領域という）の表面に導体層１０００が形成される。図３では、例として、誘電体層ブロック３Ａを構成する誘電体層１００の貫通孔周囲領域を符号１００３で示す。すなわち導体層１０００は誘電体層１００におけるキャビティ６側の端面まで設けられる。導体層１０００は、誘電体層１００をその表裏において、キャビティ６側の端部までを覆うことができる。

導体層１０００の層厚は数〜数十μｍであり、シルクスクリーン印刷やメッキ処理により形成される。導体層１０００の材料は金、銀、タングステン、銅などである。

また、各誘電体層の貫通孔周囲領域において貫通孔から所定の離間距離（以下、離間距離Ｄという）を空けて貫通孔を囲むように誘電体層内部に複数の導体柱２００（ビア）が形成される。貫通孔周囲領域には導体層１０００が形成されるので、導体層と導体柱により、コルゲート構造が形成される。離間距離Ｄはコルゲート溝の深さに相当する。また、導体柱２００は導体層１０００に接し、よって、キャビティ６の内壁を同電位とすることができる。

また、最小貫通孔の誘電体層ブロック１Ａから最大貫通孔の誘電体層ブロック８Ａにかけて離間距離Ｄが次第に短くなっている。

誘電体層ブロック１Ａの離間距離ＤであるＤ１、誘電体層ブロック２Ａの離間距離ＤであるＤ２、誘電体層ブロック３Ａの離間距離ＤであるＤ３は、Ｄ１＞Ｄ２＞Ｄ３の関係にある。

離間距離Ｄすなわちコルゲート溝の深さは、そのローパスフィルタ特性により定まる透過帯域の広さに影響し、誘電体層ブロック１Ａから誘電体層ブロック８Ａにかけて離間距離Ｄを次第に短くすることで、透過帯域を高周波化できる。

また、導体柱２００よりも貫通孔から遠い位置には、導体柱２００と同様の導体柱が形成される。

導体柱２００および他の導体柱は例えば、金属材料の円柱であり、等間隔に配置される。導体柱は、誘電体層における導体柱の位置に設けた孔に金属を充填することにより形成される。なお、導体柱は四角柱でもよく、また、等間隔でなくてもよい。導体柱は、貫通孔から誘電体層に進入した電磁波を反射する反射領域として機能する。その目的から、コルゲートホーン１を通過する電磁波の波長をλとした場合、導体柱の間隔は、λ／１０以下であることが望ましい。

金属導波管１０は、誘電体層ブロック１Ａを誘電体層ブロック２Ａとで挟むように配置され、貫通孔１０１に連通する。例えば、誘電体層ブロック１Ａにおける金属導波管１０側の３層を給電部１Ｐという。給電部１Ｐ以外の部分をフレア部１Ｆという。

金属導波管１０と給電部１Ｐとのインピーダンスを整合させるためには、離間距離Ｄ１をλ／２とするのが好ましい。また、離間距離Ｄ１は、誘電体層の機械的特性（強度）にも影響するので、所望の強度が得られ、また、製造上の問題がないような離間距離Ｄとすることが好ましい。

また、最大貫通孔の誘電体層ブロック（８Ａ）における離間距離Ｄは、λ／４とするのが好ましい。離間距離Ｄをλ／４とすると、コルゲート構造が容量性となり、最大貫通孔の誘電体層ブロックにおける電界分布がＥ面、Ｈ面で対称となるので、放射特性を対称化できる。

また、誘電体層の誘電率ε_ｒとした場合、離間距離Ｄは、λｇ／２〜λｇ／３程度で変化させることが好ましい。ここで、λｇ＝λ／ε_ｒである。

実際には電磁波の実効的な反射点は導体柱の間隔や径に依存する。ここで、最適な離間距離Ｄを数値計算により計算する。例えば、誘電体層の誘電率ε_ｒを６．８、誘電体層の層厚と導体柱の径を１００μｍ、電磁波の中心周波数を３００ＧＨｚとすると、誘電体層の実効誘電率ε_ｅｆｆ=（１+ε_ｒ）／２であり、誘電体層中の波長λ_ｅｆｆ=λ／ε_ｅｆｆ ^０．５であるから、離間距離Ｄは２５０μｍとなる。

ステップ幅Ｌは、所望のアンテナ利得を得るための設計パラメータであるフレア角（フレア部の角度）に応じて定められ、例えば、Ｌ＝１５０μｍである。なお、Ｌは、所望の放射パターンや帯域特性が得られるように適宜調整するパラメータであり、必ずしも全ての層で一定である必要はない。

図４は、コルゲートホーン１（実線）と比較例（破線）について利得の周波数特性（計算結果）を示す図である。

コルゲートホーン１（実線）では、離間距離Ｄ１を１８０μｍとし、離間距離を次第に短くし、最大貫通孔の誘電体層ブロックの離間距離Ｄを１５０μｍとした。また、誘電体層の総数を３０層とした。

一方、比較例（破線）のコルゲートホーンでは、全ての誘電体層ブロックで離間距離Ｄを１８０μｍとし、その他は、コルゲートホーン１（実線）と同じとした。

図４に示すように、比較例（破線）のコルゲートホーンでは、２７０ＧＨｚ以上の高周波帯域で利得の低下が見られるが、コルゲートホーン１（実線）では、そのような利得低下がなく、高周波特性の改善が見られる。

図５は、コルゲートホーン１（実線）と比較例（破線）について利得の対称性（計算結果）を示す図である。誘電体層の総数は３０層である。

コルゲートホーン１（実線）では、符号Ｅで示すＥ面のサイドロープが低下し、Ｅ面ならびに符号Ｈで示すＨ面の軸対称性が改善している。すなわち、コルゲートホーン１（実線）では、放射パターンにおける優れた軸対称性およびサイドロープ特性が得られる。

図６は、コルゲートホーン１において誘電体層ブロックの厚さｈを変えた場合の利得の周波数特性を示す図である。

ｈ＝λ／１０とした場合（実線）が最も良く、ｈ＝λ／５とした場合（破線）で若干の利得低下が見られる。ｈ＝λ／３とした場合（一点鎖線）では、約３２５ＧＨｚの周波数より高い領域で急激な利得低下が見られる。ｈ＝λ／２．５とした場合（二点鎖線）では、約２９０ＧＨｚの周波数より高い領域で急激な利得低下が見られる。よって、各誘電体層ブロックの厚さｈはλ／１０以下であることが好ましい。

図７は、離間距離Ｄの変化の態様を示す図である。
フレア部１Ｆの離間距離Ｄは、実線で示すように、最小貫通孔の誘電体層ブロックから最大貫通孔の誘電体層ブロックにかけて線形（直線的に）に変化させてもよいし、また、破線で示すように、例えば、２次関数や３次関数を用い、非線形（曲線的に）に変化させてもよい。すなわち、離間距離Ｄは、所望の放射パターンや帯域特性が得られるように調整すればよい。また、離間距離Ｄは、最小貫通孔の誘電体層ブロックから最大貫通孔の誘電体層ブロックにかけて、コルゲート構造のインピーダンス変化が最小となって反射が最小化するように定めるのが好ましい。

図８は、コルゲートホーン１の実装についての一態様を示す図である。
コルゲートホーン１は、一点鎖線で囲まれた部分に構成される。例えば、高周波集積回路（MMIC）２０を実装するために積層された複数の配線基板１１（全体としてLTCC基板１１Ａという）および各配線基板１１の表面に設けた導体層（図示せず）が誘電体層１００および導体層１０００となる。

MMIC２０は、電磁波の送受信に用いる増幅器等を含み、キャビティ６と高効率に結合するように構成されたカプラ１３に接続される。MMIC２０は、金属などの蓋１４で被われる。このように、MMICをLTCC基板上に実装し、コルゲートホーン１と組み合わせてモジュール化してもよい。

１…コルゲートホーン
１Ａ〜８Ａ…誘電体層ブロック
１Ｐ…給電部
１Ｆ…フレア部
６…キャビティ
１０…金属導波管
１１…配線基板
１１Ａ…LTCC基板
１３…カプラ
１４…蓋
２０…MMIC
１００…誘電体層
１０１〜１０８…貫通孔
２００…導体柱
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３…離間距離（コルゲート溝の深さ）
ｈ…誘電体層ブロックの厚さ
Ｌ…ステップ幅

Claims

最小の貫通孔が形成された１以上の誘電体層からなる最小貫通孔の誘電体層ブロックから最大の貫通孔が形成された１以上の誘電体層からなる最大貫通孔の誘電体層ブロックまでの複数の誘電体層ブロックが貫通孔の大きさの順に積層され、前記各誘電体層の表面における貫通孔の周囲に貫通孔に達するまで導体層が形成され、前記各誘電体層の貫通孔周囲領域において貫通孔から所定の離間距離を空けて誘電体層内部に複数の導体柱が形成され、前記最小貫通孔の誘電体層ブロックから前記最大貫通孔の誘電体層ブロックにかけて前記離間距離が次第に短くなっていることを特徴とするコルゲートホーン。
前記コルゲートホーンを通過する電磁波の波長をλとした場合、
前記最小貫通孔の誘電体層ブロックの離間距離はλ／２である
ことを特徴とする請求項１記載のコルゲートホーン。
前記コルゲートホーンを通過する電磁波の波長をλとした場合、
前記最大貫通孔の誘電体層ブロックの離間距離はλ／４である
ことを特徴とする請求項１または２記載のコルゲートホーン。
前記コルゲートホーンを通過する電磁波の波長をλとした場合、
前記各誘電体層ブロックの厚さはλ／１０以下である
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のコルゲートホーン。