JP6313813B2

JP6313813B2 - 給電装置

Info

Publication number: JP6313813B2
Application number: JP2016117114A
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: JP2017224889A

Description

本発明は、アンテナへの給電を行う給電装置に関する。

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

マイクロストリップラインは、開放系であることから、外部の電磁結合の影響を受けやすい。しかしながら、特許文献１または非特許文献１に記載の技術では、ミリ波帯のマイクロストリップアンテナで、導波管から給電を行う場合、導波管のフランジ部分とマイクロストリップラインとの間に電磁結合が生じると、特性に大きな影響を及ぼす。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、導波管のフランジ部分の電磁結合等の影響を受けず、良好な特性が得られる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（２）は、導波管が装着される給電部（２０）と、その先端が前記給電部内に延伸されるマイクロストリップラインの給電線（２２）と、前記給電部と前記給電線との間に介装されるスペーサ（３２）とを備える。

［２］また、本発明の一態様に係る給電装置において、更に、前記マイクロストリップラインの給電線からなる給電回路を覆う導体板を備え、前記給電回路と前記導体板とを空隙を介して配置するようにしてもよい。

［３］また、本発明の一態様に係る前記マイクロストリップラインの給電線の先端は、前記給電部の導電パターンと接続されるようにしてもよい。

［４］また、本発明の一態様に係る前記マイクロストリップラインの給電線の先端と、前記給電部の導電パターンとの間に、ギャップが設けられるようにしてもよい。

本発明によれば、導波管のフランジ部分の電磁結合等の影響を受けず、良好な特性が得ることができる。

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におけるスペーサの一例の平面図である。第１実施形態に係るアレーアンテナにおいて基板にスペーサを配置したときの説明図である。第１実施形態に係るアレーアンテナにおける給電部の付近の構成を示す断面図である。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７３ＧＨｚにおける放射特性を示すグラフである。異なる３種類の切欠を有するスペーサの説明図である。切欠の形状の異なる３種類のスペーサ３２を使用した場合の反射特性を比較したグラフである。導体板がある場合とない場合とで、反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。給電線の先端部と導電パターンとの間にギャップがある場合と、ギャップがない場合とで、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、紙面の縦方向をＸ方向、横方向を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１３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からの電磁波を放射素子２１に給電するための給電回路３５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。
第１実施形態に係るアレーアンテナ１では、給電部２０に、導波管から電磁波を給電している。すなわち、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。図４に示すように、第２の誘電体基板１２には、給電部２０が設けられる。給電部２０には、スペーサ３２を介して、導波管３１が取り付けられる。また、第２の誘電体基板１２には、給電回路３５を覆うように、導体板３４が配置される。また、給電装置２は、基板１０上に給電部２０、給電線２２、スペーサ３２、および導体板３４を備える。

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の伝送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。方形の導波管では、基本モードであるＴＥ_１０モードで電磁波が伝搬される。導波管３１は、フランジ部３３を有している。フランジ部３３の直径は２０ｍｍである。

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の部分には、開口領域４１と、開口領域４１を囲むポスト壁４２が設けられる。すなわち、給電部２０の部分には、導電パターン４０が一体に設けられており、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。そして、開口領域４１を囲むように、複数のスルーホールのポスト４３を並べて、ポスト壁４２が形成されている。ポスト４３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。また、給電線２２の先端部２２ａは開口領域４１内に延伸され、導電パターン４０に接続されている。

図４における導波管３１の先端の開口は、開口領域４１に対応した位置に装着され、導波管３１から伝搬されてきた電磁波は、開口領域４１に送られる。ここで、開口領域４１の周囲には、ポスト壁４２が設けられ、ポスト壁導波路５０が形成されている。このため、導波管３１からの電界は、ポスト壁４２により反射される。これにより、電磁波の漏洩が防止される。そして、導波管３１からのＴＥ_１０モードの電磁波は、準ＴＥＭモードに変換されて、開口領域４１内に延出された給電線２２の先端部２２ａから、マイクロストリップラインの給電線２２を介して導出される。

このように、第１実施形態に係るアレーアンテナ１では、開口領域４１を囲むように、ポスト壁４２が設けられ、ポスト壁導波路５０が形成される。そして、給電線２２の先端部２２ａを開口領域４１内に延出させることで、導波管３１からポスト壁導波路５０を介して伝搬されてきたＴＥ_１０モードの電磁波は、準ＴＥＭモードに変換され、マイクロストリップラインの給電線２２に伝送される。

ここで、マイクロストリップラインの給電線２２からなる給電回路３５は、開放系の線路であり、電磁結合による影響を受けやすい。導波管３１にはフランジ部３３が設けられており、導波管３１を給電部２０に装着すると、フランジ部３３が給電回路３５と電磁結合し、影響をおよぼす。

そこで、本実施形態では、導波管３１と、第２の誘電体基板１２の給電部２０との間に、金属製のスペーサ３２を介装させ、給電部２０と導波管３１のフランジ部３３とを分離させている。また、本実施形態では、第２の誘電体基板１２の給電回路３５全体を、導体板３４で覆うようにしている。

図６は、第１実施形態に係るアレーアンテナにおけるスペーサ３２の一例の平面図である。図６に示すように、スペーサ３２には、切欠５１が形成されている。切欠５１は、導波管３１の中心の開口と対応する形状とされている。また、この例では、切欠５１は、縁側の長さＬ１が内側の長さＬ２より狭くなるような、逆Ｔ字の形状となっている。

図７は、第１実施形態に係るアレーアンテナにおいて基板にスペーサを配置したときの説明図である。図７において、領域Ａ１で示す位置に、導波管３１の中心の開口が位置する。図７に示すように、切欠５１を有するスペーサ３２を用いることで、給電部２０のポスト壁導波路５０の付近は、スペーサ３２で遮蔽されることになる。

図８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の付近の構成を示す断面図である。図８に示すように、給電部２０の開口領域４１の位置には、スペーサ３２を介して、導波管３１が取り付けられる。このように、基板１０にスペーサ３２を介して導波管３１を取り付けると、導波管３１のフランジ部３３と給電部２０との間がスペーサ３２により遮蔽される。また、基板１０には、例えば０．５ｍｍの間隙を介して、給電回路３５を覆うように、導体板３４が配置される。これにより、導波管３１のフランジ部３３による給電回路３５への影響が軽減される。

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９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と導波管３１との間には、図９（Ａ）に示すような逆Ｔ字形のスペーサ３２を配置した。また、給電回路３５は、例えば０．５ｍｍの空隙を介して、導体板３４で覆った。

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。図９に示すように、周波数帯７０ＧＨｚから７６．５ＧＨｚ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１０は、第１実施形態に係るアレーアンテナ１の７３ＧＨｚにおける放射特性を示すグラフである。図１０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１０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８ｄＢｉ程度の利得が得られることが確認できる。

次に、スペーサ３２の切欠５１の形状の違いによる特性の変化を確認するために、図１１（Ａ）から図１１（Ｃ）に示すように、切欠５１の形状の異なる３種類のスペーサを使って、反射特性の比較を行った。図１１は、異なる３種類の切欠を有するスペーサの説明図である。

図１２は、切欠５１の形状の異なる３種類のスペーサ３２を使用し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、実線で示す特性が逆Ｔ字形（図１１（Ａ））、破線で示す特性がＩ字形（図１１（Ｂ））、点線で示す特性がＴ字形（図１１（Ｂ））である。図１２に示す特性から、スペーサ３２としては、逆Ｔ字形（図１１（Ａ））の切欠５１を有するものを用いると、最も広帯域の特性が得られることが確認できる。

次に、給電回路３５を覆う導体板３４の効果を確認するために、導体板３４がある場合と導体板３４がない場合とで、反射特性の比較を行った。

図１３は、導体板３４がある場合と導体板３４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、実線で示す特性が導体板３４がある場合であり、破線で示す特性が導体板３４がない場合である。図１３に示す特性から、給電回路３５を覆う導体板３４を設けることで、広帯域動作を行えることが確認できる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。図１４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平面図である。なお、図１４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。

前述の第１実施形態では、開口領域４１を囲むようにポスト壁４２を形成し、給電線２２の先端部２２ａを導電パターン４０に接続させている。これに対して、この第２実施形態では、給電線２２の先端部２２ａと導電パターン４０との間にギャップを設けている。

図１５は、給電線２２の先端部２２ａと導電パターン４０との間にギャップがある場合と、ギャップがない場合とで、反射特性を比較したグラフである。ギャップは、０．１ｍｍとしている。図１５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、実線で示す特性がギャップがない場合であり、破線で示す特性がギャップがある場合である。図１５に示す特性から、ギャップがある場合、反射量が増加し、帯域が低周波側にシフトするとともに、わずかに帯域が縮小する。Ｓパラメータの反射特性｜Ｓ１１｜が−７．５ｄＢ以下の帯域で比較すると、ギャップがある場合には７．６％であるのに対して、ギャップがない場合には９．０％となり、帯域が広くなる。

＜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１６に示すように、直列給電を行う場合にも、適用できる。図１６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、スペーサ３２の切欠５１の形状を逆Ｔ字形としてるが、切欠５１の形状は、これに限定されるものではない。上述したように、スペーサ３２の切欠５１の形状は、Ｉ字形やＴ字形であってもよい。

以上のように実施形態によれば、給電部と給電線との間にスペーサを介装させることで、給電部における導波管のフランジ部分の電磁結合の影響を軽減できる。
また、実施形態によれば、給電回路と前記導体板とを空隙を介して配置することで、給電回路における導波管のフランジ部分の電磁結合の影響を軽減できる。
また、実施形態によれば、マイクロストリップラインの給電線の先端を給電部の導電パターンと接続させることで、広帯域の特性が得られる。

１…アレーアンテナ、２…給電装置、１０…基板、２０…給電部、２１…放射素子、２２…給電線、３１…導波管、３２…スペーサ、３３…フランジ部、３４…導体板、３５…給電回路、４０…導電パターン、４１…開口領域、４２…ポスト壁、５１…切欠

Claims

給電部と導波管と、
を備え、
その先端が前記給電部内に延伸されるマイクロストリップラインの給電線と、
前記給電部と前記導波管との間に介装されるスペーサと、
前記マイクロストリップラインの給電線からなる給電回路を覆い、前記給電線が設けられている面に対して前記スペーサと同じ側に配置される導体板と、
を更に備え、
前記給電部は、前記スペーサを介して前記導波管が装着される給電装置。
前記スペーサは、前記給電部側の縁側の長さが前記給電部側の内側の長さより狭くなる逆Ｔ字の形状の切欠が形成されている、請求項１に記載の給電装置。
前記給電回路と前記導体板とを空隙を介して配置する、請求項１または請求項２に記載の給電装置。
前記マイクロストリップラインの給電線の先端は、前記給電部の導電パターンと接続される、請求項１または請求項２に記載の給電装置。
前記マイクロストリップラインの給電線の先端と、前記給電部の導電パターンとの間に、ギャップが設けられた、請求項１または請求項２に記載の給電装置。