JP6313812B2

JP6313812B2 - 給電装置

Info

Publication number: JP6313812B2
Application number: JP2016117105A
Authority: JP
Inventors: 亮平細野; 官　寧; 寧官; 祐介中谷
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2016-06-13
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2018-04-18
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: JP2017224887A

Description

本発明は、アンテナの給電装置に関する。

近年、無線通信が多用され、通信の高速化及びそれを行う電子機器に対する高性能化が求められている。また、携帯のし易さ等から、電子機器の小型化が急進している。また、近年、無線による通信容量が急激に大容量化し、それに伴う伝送信号の使用周波数の広帯域化、高周波化が急速に進行している。そのため、従来使用されてきたマイクロ波帯（例えば０．３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）だけでは対応できず、電子機器の使用周波数帯はミリ波帯（例えば３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）まで拡大されつつある。そのような背景から電子機器に搭載されるアンテナヘの高性能化が強く求められている。また、搭載されるアンテナ前段の回路素子、例えば増幅器、フィルタ、スイッチ、電力分配器などに対しても同様に高い特性が求められている。とりわけ、周波数が高くなるにつれて導体損や誘電体損が顕著に素子の特性に影響してくるため、低損失化が強く求められる。そのため、真空中を伝搬する導波管のような伝送媒体が求められることがある。また、ミリ波の場合、ビームに指向性があるためビームの角度ずれが一つの問題になっている。そのような観点から周波数によってビームが変化しない並列給電型のアンテナが検討されている。

例えば非特許文献１では６０ＧＨｚ帯向けに導波管から並列給電型のマイクロストリップアンテナに遷移する構造が報告されている。また、特許文献１に記載されているように、トリプレート線路を用い広帯域かつ低損失な並列給電型のアンテナが報告されている。

特開平４−３７２０４号公報

Wideband 4×8 Array Antennas with Aperture Coupled Patch Antenna Elements on LTCC、Dong Suk Jun、Alexander Bondarik、Hong-Yeol Lee、Han-Cheol Ryu、Mun Cheol Paek、Kwang-Yong Kang、Ik Guen Choi、Journal of the Korean Institute of Electromagnetic Engineering and science, Vol.10, No.3, Sep.2010 JKIEES 2010-10-3-12

しかしながら非特許文献１では、所望の特性を得るために、導波管から並列給電型のマイクロストリップアンテナへの給電の経路に、多層の積層基板が必要になる。また、非特許文献１では、基板の他に、導体キャップの加工が必要となり、工数やコストの増大も招いている。また、特許文献１の場合にも、多層に構成するため工数やコストの憎大を招いている。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、導波管からマイクロストリップアンテナへの給電を行う際に、工数やコストの削減を図れるようにした給電装置を提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る給電装置（給電部２０）は、開口領域（４１）と前記開口領域を囲むポスト壁（４２ａ〜４２ｄ）とを有し、導波管が装着されるポスト壁導波路（５０）と、前記ポスト壁導波路とマイクロストリップラインの給電線との間に設けられ、導波管の伝搬モードをマイクロストリップラインの伝搬モードに変換するモード変換領域（４９）とを備え、更に、前記モード変換領域を分離するスリット（４７ａ及び４７ｂ）、及び前記開口領域からの電磁波の伝搬方向に前記導波管に近接して設けられたポスト（４６ａ及び４６ｂ）のうち少なくとも１つを備える。

［２］また、本発明の一態様に係る給電装置において、前記スリットは、Ｌ字形の形状であるようにしてもよい。

［３］また、本発明の一態様に係る給電装置において、前記ポストは、少なくとも２個配設されるようにしてもよい。

［４］また、本発明の一態様に係る給電装置において、前記開口領域を囲むポスト壁のうち、電磁波の進行方向に対して背面側にあるポスト壁は、複数列に形成されるようにしてもよい。

［５］また、本発明の一態様に係る給電装置において、前記ポスト壁導波路の側面に、ポスト壁からなるキャビティを設けるようにしてもよい。

本発明によれば、工数やコストの増大を招くことなく、導波管の伝搬モードをマイクロストリップラインの伝搬モードに変換して、効率的に給電を行うことができる。

第１実施形態に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図及び断面図である。第１実施形態に係るアレーアンテナにおける第１の誘電体基板及び第２の誘電体基板の構成を示す平面図である。第１実施形態に係るアレーアンテナにおける地導体板の構成を示す平面図である。第１実施形態に係るアレーアンテナの説明に用いる分解斜視図である。第１実施形態に係るアレーアンテナにおける給電部の構成を示す平面図である。第１実施形態に係るアレーアンテナの反射特性を示すグラフである。第１実施形態に係るアレーアンテナの７２ＧＨｚにおける放射特性を示すグラフである。スリットがある場合とスリットがない場合とで、反射特性を比較したグラフである。ポストがある場合とポストがない場合とで、反射特性を比較したグラフである。電磁波の進行方向に対して背面側にあるポスト壁の配列数を変えた場合の反射特性を比較したグラフである。電磁波の進行方向に対して背面側にあるポスト壁の配列数を変えた場合の放射特性を比較したグラフである。第２実施形態に係るアレーアンテナにおける給電部の構成を示す平面図である。キャビティを設けた場合と、キャビティがない場合とで、反射特性を比較したグラフである。直列給電の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図及び断面図である。図１（Ａ）は第１実施形態に係るアレーアンテナ１の構成を示す斜視図であり、図１（Ｂ）はその断面図である。なお、図１において、基板１０の短手方向に平行な方向をＸ方向、基板１０の長手方向に平行な方向をＹ方向、基板１０の面方向に垂直な方向をＺ方向とする。

図１（Ａ）に示すように、第１実施形態に係るアレーアンテナ１は、基板１０に複数の放射素子２１を配設した平面アンテナである。図１（Ｂ）に示すように、基板１０は、第１の誘電体基板１１と、第２の誘電体基板１２とを、地導体板１３を介して積層して構成される。第１の誘電体基板１１及び第２の誘電体基板１２としては、例えばＬＣＰ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＰｏｌｙｍｅｒ；液晶ポリマー）基板が用いられる。ＬＣＰ基板の比誘電率は例えば２．９であり、誘電正接は例えば０．００２５であり、高い周波数で用いることが可能である。第１の誘電体基板１１及び第２の誘電体基板１２の厚さは例えば０．１ｍｍである。第１の誘電体基板１１及び第２の誘電体基板１２には、銅箔の導電パターン１４及び１５を形成することができる。

図２は、第１実施形態に係るアレーアンテナにおける第１の誘電体基板及び第２の誘電体基板の構成を示す平面図である。図２（Ａ）は第１の誘電体基板１１の構成を示す平面図であり、図２（Ｂ）は第２の誘電体基板１２の構成を示す平面図である。また、図３は、第１実施形態に係るアレーアンテナにおける地導体板の構成を示す平面図である。

図２（Ａ）に示すように、第１の誘電体基板１１には、複数の放射素子２１が導電パターン１４により形成されている。この例では、第１の誘電体基板１１には、例えば（１．０５ｍｍ×１．０５ｍｍ）の正方形の放射素子２１が、（４行×４列）に二次元状に配設されている。各放射素子２１の間隔は、例えば２．９ｍｍである。このように、複数の放射素子２１が配設された第１の誘電体基板１１を地導体板１３と対向して配置することにより、放射素子２１は、マイクロストリップアンテナ（パッチアンテナとも称される）として機能する。

図２（Ｂ）に示すように、第２の誘電体基板１２には、給電線２２が導電パターン１５により形成されている。給電線２２が配設された第２の誘電体基板１２を地導体板１３と対向して配置することにより、給電線２２は、マイクロストリップラインとして機能する。給電線２２は、給電部２０（給電装置）からの電磁波を放射素子２１に給電するための給電回路２５を形成している。この例では、給電線２２は、各放射素子２１に対して同一の線路長となるように、並列給電を行っている。

図３に示すように、地導体板１３には、放射素子２１に対応する位置に、複数のスロット２３が形成されている。第１の誘電体基板１１と第２の誘電体基板１２とを地導体板１３を介して積層することで、第１の誘電体基板１１の各放射素子２１は、それぞれ、地導体板１３のスロット２３を介して、第２の誘電体基板１２の各給電線２２の先端と結合される。

このように、第１実施形態に係るアレーアンテナ１では、給電部２０からの電磁波を、マイクロストリップラインの給電線２２を介して、複数の放射素子２１へ並列給電している。並列給電では、各放射素子２１への線路長が等距離となるように、給電線２２の長さが設定される。このような並列給電では、各放射素子２１への給電経路がパワーや周波数によらずに同一となる。このため、各放射素子２１からの同一方向にビームが形成され、各放射素子２１からの電磁波のビームずれが生じないため、良好な特性が得られる。

次に、第１実施形態に係るアレーアンテナ１における給電部２０について説明する。

図４は、第１実施形態に係るアレーアンテナ１の説明に用いる分解斜視図である。給電部２０には、図４に示すように、導波管３１が取り付けられる。導波管３１としては、例えばＷＲ−１２（ＥＩＡＪ規格）が用いられる。ＷＲ−１２は、６０ＧＨｚから９０ＧＨｚの伝搬に用いられる方形導波管で、内径寸法が（３．１ｍｍ×１．５５ｍｍ）のものである。導波管３１は、直径２０ｍｍのフランジ部３３を有している。

マイクロストリップラインの給電線２２は開放系であることから、電磁結合の影響を受けやすい。そこで、本実施形態では、給電部２０から給電回路２５までの給電線２２の長さを、導波管３１のフランジ部３３の影響を受けないように十分長くしている。この例では、導波管３１のフランジ部３３の直径が２０ｍｍであることを考慮して、給電部２０から点Ｐ１までの給電線２２の長さを１０ｍｍ確保している。

図５は、第１実施形態に係るアレーアンテナにおける給電部２０の構成を示す平面図である。図５に示すように、給電部２０には、導電パターン４０が一体的に形成されており、この導電パターン４０の中に、導電パターンが除かれた部分が形成されている。この導電パターンが除かれた部分が開口領域４１とされている。図４に示す導波管３１の先端の開口は、この開口領域４１に対向して装着される。また、開口領域４１の中心には、反射特性を改善するために方形の導電パターン４３が設けられる。そして、開口領域４１を囲むように、ポスト壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄが形成されている。

ポスト壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄは、スルーホールのポスト４５を並べることで形成される。ポスト４５は、導電パターン４０と地導体板１３とを電気的に接続している。この例では、ポスト４５のピッチＰは、例えば、ポスト４５の半径をｒとすると、（Ｐ＝４ｒ）となるように設定している。

図５において、開口領域４１と、ポスト壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄとにより、ポスト壁導波路５０が実現される。すなわち、開口領域４１が導波管の開口を擬似的に実現し、ポスト壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄは導波管の管壁を擬似的に実現している。

また、開口領域４１の伝搬方向の近傍に、２つのスルーホールのポスト４６ａ及び４６ｂが設けられる。また、給電部２０の上縁には、左右のＬ字形のスリット４７ａ及び４７ｂにより分離されたモード変換領域４９が形成される。このモード変換領域４９に、給電線２２の先端部２２ａが接続されている。給電線２２の先端部２２ａはテーパ状になっており、マイクロストリップラインの給電線２２となる。

導波管３１から伝搬されてきた電磁波は、開口領域４１に送られ、ポスト壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄにより反射される。ポスト壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄにより反射された電磁波は、モード変換領域４９に集められる。そして、この電磁波は、モード変換領域４９で、伝搬モードをＴＥ_１０モードから準ＴＥＭモードに変換されて、先端部２２ａからマイクロストリップラインの給電線２２に送られる。

ここで、ポスト壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄのうちポスト壁４２ａは、電磁波の進行方向に対して背面側にあり、電磁波の進行方向に対して垂直に配設される。このような位置にあるポスト壁では、電磁波の進行方向に対して平行に配設されるポスト壁４２ｂ、４２ｄに比べて、特性に強い影響を与えると考えられる。そこで、ポスト壁４２ａは、複数列、例えば３列にポスト４５が形成されている。また、この例では、ポスト壁４２ａは、複数のポスト４５が入れ子となるように配置されている。これにより、進行方向と反対側に進む電磁波の漏れを軽減できる。

また、導波管３１が装着される開口領域４１の伝搬方向の近傍に、２つのスルーホールのポスト４６ａ及び４６ｂが設けられる。この２つのポスト４６ａ及び４６ｂにより、導波管３１とポスト壁導波路５０との不連続で生じる反射が低減される。

また、モード変換領域４９は、Ｌ字形のスリット４７ａ及び４７ｂにより分離されている。これにより、導波管のＴＥ_１０モードからマイクロストリップラインの準ＴＥＭモードに変換する部分での反射が低減できる。なお、スリットの形状をＬ字形にし、Ｌ字の長手の上側にスルーホールを配置することで、伝搬される信号をスリットに回り込ませてスルーホールで反射させている。なお、Ｌ字の長手方向の長さは、例えば半波長程度である。

第１実施形態に係るアレーアンテナ１の効果を検証するために、反射特性及び放射特性を計測した。この計測結果について以下に説明する。

図６は、第１実施形態に係るアレーアンテナ１の反射特性を示すグラフである。ここでは、放射素子２１として、（１．０５ｍｍ×１．０５ｍｍ）の正方形のものを用い、放射素子２１を２．９ｍｍの間隔で、（８×８＝１６）個だけ配設したものを用いた。また、給電部２０は、Ｘ方向に４ｍｍ、Ｙ方向に４．５ｍｍの領域を確保し、０．１ｍｍの径のスルーホールを０．２ｍｍの間隔で配置して、ポスト壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄを形成した。また、Ｌ字形のスリット４７ａ及び４７ｂの大きさは、Ｙ方向に０．４ｍｍ、Ｘ方向に０．４５ｍｍとした。ポスト壁４２ｄは、３列とした。

図６において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの反射特性｜Ｓ１１｜を示している。図６に示すように、周波数帯７０ＧＨｚから７２．５ＧＨｚにおいて、定在波比ＶＳＷＲが２．５に相当する（Ｓ１１＝−７．５ｄＢ）以下の特性が得られていることが確認できる。

また、図７は、第１実施形態に係るアレーアンテナ１の７２ＧＨｚにおける放射特性を示すグラフである。図７において、横軸は角度を示し、縦軸は利得を示す。ここでは、ＺＸ平面での放射特性と、ＹＺ平面での放射特性が示されている。図７に示すように、第１実施形態に係るアレーアンテナ１では、天頂方向に１０ｄＢｉ程度の利得が得られることが確認できる。

次に、モード変換領域４９のＬ字形のスリット４７ａ及び４７ｂの効果を確認するために、Ｌ字形のスリット４７ａ及び４７ｂがある場合とＬ字形のスリット４７ａ及び４７ｂがない場合とで反射特性の比較を行った。

図８は、スリット４７ａ及び４７ｂがある場合とスリット４７ａ及び４７ｂがない場合とで、反射特性を比較したグラフである。なお、基本的な形状や大きさ等のパラメータは、前述と同様である。図８において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの反射特性｜Ｓ１１｜を示している。また、実線で示す特性がスリット４７ａ及び４７ｂがある場合であり、破線で示す特性がスリット４７ａ及び４７ｂがない場合である。図８に示す特性から、Ｌ字形のスリット４７ａ及び４７ｂを設けることで、ポスト壁導波路５０の開放端で生じる反射が低減されることが確認できる。

次に、開口領域４１の伝搬方向の近傍に設けた２つのポスト４６ａ及び４６ｂの効果を確認するために、ポスト４６ａ及び４６ｂがある場合とポスト４６ａ及び４６ｂがない場合とで、反射特性の比較を行った。

図９は、ポスト４６ａ及び４６ｂがある場合とポスト４６ａ及び４６ｂがない場合とで、反射特性を比較したグラフである。なお、基本的な形状や大きさ等のパラメータは、前述と同様である。図９において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの反射特性｜Ｓ１１｜を示している。また、実線で示す特性がポスト４６ａ及び４６ｂがある場合であり、破線で示す特性がポスト４６ａ及び４６ｂがない場合である。図９に示す特性から、ポスト４６ａ及び４６ｂを設けることで、導波管・ポスト壁導波路の不連続で生じる反射が低減されることが確認できる。

次に、電磁波の進行方向に対して背面側にあるポスト壁４２ａを複数列にしたことの効果を確認するために、ポスト壁４２ａを１列とした場合と、２列にした場合と、３列にした場合とで、反射特性の比較と放射特性の比較を行った。

図１０は、電磁波の進行方向に対して背面側にあるポスト壁４２ａの配列数を変えた場合の反射特性を比較したグラフである。なお、基本的な形状や大きさ等のパラメータは、前述と同様である。図１０において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの反射特性｜Ｓ１１｜を示している。また、点線で示す特性がポスト壁が１列の場合を示し、破線で示す特性がポスト壁が２列の場合を示し、実線で示す特性がポスト壁が３列の場合を示している。図１０に示す特性から、ポスト壁４２ａの配列数が増えるに従って、帯域が拡大することが確認できる。

図１１は、電磁波の進行方向に対して背面側にあるポスト壁４２ａの配列数を変えた場合の放射特性を比較したグラフである。なお、基本的な形状や大きさ等のパラメータは、前述と同様である。図１１において、横軸は角度を示し、縦軸は利得を示す。ここでは、ＺＸ平面での放射特性と、ＹＺ平面での放射特性が示されている。また、点線で示す特性がポスト壁が１列の場合を示し、破線で示す特性がポスト壁が２列の場合を示し、実線で示す特性がポスト壁が３列の場合を示している。図１１に示す特性から、ポスト壁４２ａの配列数が増えるに従って、利得が増大することが確認できる。また、これは、伝搬方向と垂直に配列するポスト壁が電磁波漏れに大きく影響していることを示している。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。図１２は、第２実施形態に係るアレーアンテナにおける給電部の構成を示すものである。なお、図１２において、第１実施形態と同様の部分については、同一符号を付して、説明を省略する。

図１２に示すように、第２実施形態では、ポスト壁４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄによるポスト壁導波路の側面に、ポスト壁１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃによるキャビティ１４０が形成される。このキャビティ１４０で定在波による共振が生じることで、反射を低減させている。定在波の周波数は、キャビティ１４０の長さにより決まる。ここでは、ＬＣＰ基板による実行誘電率を考慮して、キャビティ１４０の長さは、周波数７１ＧＨｚで半波長となる長さ１．３ｍｍとしている。

図１３は、キャビティ１４０を設けた場合と、キャビティ１４０がない場合とで、反射特性を比較したグラフである。図１３において、横軸は周波数を示し、縦軸はＳパラメータの反射特性｜Ｓ１１｜を示している。また、実線で示す特性がキャビティ１４０がある場合であり、破線で示す特性がキャビティ１４０がない場合である。図１３に示す特性から、キャビティ１４０を設けることで、反射が低減されることが確認できる。

＜変形例＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

まず、上述の実施形態では、給電部２０から各放射素子２１に、マイクロストリップラインの給電線２２により並列給電を行っているが、本発明は、図１４に示すように、直列給電を行う場合にも、適用できる。図１４は、直列給電の例を示す図である。この例では、給電線が、各放射素子に対して直列給電を行っている。この直列のアンテナは、例えば図２（Ａ）の並列アンテナの代わりに給電線２２を介して給電部２０に接続される。

また、上述の実施形態では、モード変換領域４９のＬ字形のスリット４７ａ及び４７ｂを形成しているが、スリットの形状は、Ｌ字系に限定されるものではない。直線上のスリットや、曲線のスリットでもよい。また、スリット４７ａ及び４７ｂは、基板を打ち抜いて形成しても良いし、スリットの部分の導電パターンを除去して形成してもよい。

また、上述の実施形態では、開口領域４１の伝搬方向の近傍に２つのポスト４６ａ及び４６ｂを形成しているが、ポストの数は２つに限定されるものではない。開口領域４１の伝搬方向の近傍に２以上のポストを配設してもよい。また、ポスト４６ａ及び４６ｂにＹ方向に並べて、複数のポストを配設してもよい。

また、上述の実施形態では、電磁波の進行方向に対して背面側にあるポスト壁４２ａを複数列にしているが、他のポスト壁４２ｂから４２ｄについても、複数列のポストからなるポスト壁としてもよい。

以上のように、実施形態によれば、モード変換領域を分離するスリット、及び開口領域からの電磁波の伝搬方向に近接して設けられたポストの何れかを備えることで、ローコストで、良好な特性を得ることができる。
また、実施形態によれば、ポスト壁導波路の開放端で生じる反射が低減され、良好な特性を得ることができる。
また、実施形態によれば、導波管・ポスト壁導波路の不連続で生じる反射が低減され、良好な特性得ることができる。
また、実施形態によれば、伝搬方向と垂直に配列するポスト壁が電磁波漏れを軽減し、良好な特性を得ることができる。
また、実施形態によれば、キャビティによる定在波で共振が生じることで、反射を低減し、良好な特性を得ることができる。

１：アレーアンテナ，１０：基板，２０：給電部，２１：放射素子，２２：給電線，２５：給電回路，３１：導波管，３３：フランジ部，４０：導電パターン，４１：開口領域，４２ａ〜４２ｄ：ポスト壁，４５，４６ａ，４６ｂ：ポスト，４７ａ，４７ｂ：Ｌ字形のスリット，４９：モード変換領域，１４０：キャビティ

Claims

開口領域と前記開口領域を囲むポスト壁とを有し、導波管が装着されるポスト壁導波路と、
前記ポスト壁導波路とマイクロストリップラインの給電線との間に設けられ、導波管の伝搬モードをマイクロストリップラインの伝搬モードに変換するモード変換領域とを備え、
更に、前記モード変換領域を分離するスリット、及び前記開口領域からの電磁波の伝搬方向に前記導波管に近接して設けられたポストのうち少なくとも１つを備え、
前記ポスト壁導波路の側面に、ポスト壁からなるキャビティを設ける給電装置。
前記スリットは、Ｌ字形の形状である、請求項１に記載の給電装置。
前記ポストは、少なくとも２個配設される、請求項１または請求項２に記載の給電装置。
前記開口領域を囲むポスト壁のうち、電磁波の進行方向に対して背面側にあるポスト壁は、複数列に形成される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の給電装置。