JP6505582B2 - 共振器アンテナ装置 - Google Patents
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(1)励振用開口が形成された第1広壁、前記第1広壁に対向する第2広壁、及び、前記第1広壁と前記第2広壁とに挟まれた空間を直方体の空間とする側壁となる狭壁を有し、前記空間内で発生する電磁波を放射する放射用開口が、前記第1広壁または前記第2広壁に形成された共振器部と、
(2)前記第2広壁から前記第1広壁に垂直に向かう方向(Y)に沿って、前記第1広壁、前記励振用開口を覆う誘電体層及び給電線路がこの順に積層され、前記給電線路に接続された、前記誘電体層を貫通する励振用電極であって、前記第1広壁に接触することなく、前記励振用開口を介して前記空間内に進入した励振用電極を有し、前記空間内の電磁界を励振することによって前記空間内に特定モードの電磁波を発生させる励振部と、を備え、
(3)前記放射用開口は、第1の放射用開口及び第2の放射用開口を含み、
(4)前記方向(Y)に垂直で前記共振器部の共振器幅に平行な方向(X)、該方向(X)に垂直で前記共振器部の共振器長に平行な方向(Z)を定め、該方向(Z)に垂直な平面によって前記空間を第1半空間と第2半空間とに分割したとき、前記第1の放射用開口は前記第1半空間側にて方向(Z)に沿って細長い形状を有している一方、前記第2の放射用開口は前記第2半空間側にて方向(Z)に沿って細長い形状を有し、
(5)前記第1の放射用開口の前記方向(Z)に沿って対峙する両端部のうち、前記平面に近い方の端部である第1の端部と、前記第2の放射用開口の前記方向(Z)に沿って対峙する両端部のうち、前記平面に近い方の端部である第2の端部とを、前記方向(Y)に沿って平面視した場合の位置関係 は、前記第1広壁または前記第2広壁と前記平面との交差線の中心に対して、実質的に点対称 になっている、ことを特徴とする。
(アンテナ装置の構成)
本発明の第1の実施形態に係る共振器アンテナ装置1の構成について、図1及び図2を参照して説明する。図1は、本実施形態に係る共振器アンテナ装置1の構成を示す分解斜視図である。図2は、図1に示すA−B−C−D線に沿う矢視断面図である。A−B−C−D線と共振器アンテナ装置1との位置関係については後述する。
共振器部10は、複数の導体層によって構成されており、その複数の導体層として、X−Z面に平行をなす第1広壁11、第1広壁11に対向する第2広壁12、及び第1広壁11と第2広壁12とに挟まれた空間を四方から取り囲む狭壁13を備えている。第1広壁11、第2広壁12及び狭壁13によって、その内部に直方体の空間が形成されており、狭壁13は、その直方体におけるY軸に平行な4つの側壁131〜134(第1側壁〜第4側壁)によって構成されている。
ここで、スロット15及びスロット16の形成位置について説明する。まず、図1に示すように、前記空間をX−Y面に平行な平面Pで二等分し、側壁134を含む第1半空間S1と、側壁131を含む第2半空間S2とに分ける。励振用開口14は、第1半空間S1に臨む第1広壁11の領域の中央付近に設けられているので、スロット15は、第1半空間S1に対して開口するように、かつ励振用開口14からX軸の負方向に離間するように設けられている。なお、スロット15を、励振用開口14からX軸の正方向に離間するように設けることもできる。一方、スロット16は、第2半空間S2に対して開口するように設けられている。
初めに、図2の断面図を得るのに用いた図1のA−B−C−D線について説明する。A−B線は、Z軸に平行であり、共振器アンテナ装置1の幅(X軸に平行)を二等分する二等分線を含む平面に含まれており、BのXZ座標は、中心RのXZ座標と一致する。B−C線は、前記交差線を含む平面に含まれている。C−D線は、Z軸に平行であり、スロット16の幅(X軸に平行)を二等分する二等分線を含む平面に含まれている。B−C−D線は、図2に、スロット16の断面を描くために設定されている。
第1の実施形態、及び後述する第3での実施形態では、スロット15の開口部分の少なくとも一部が誘電体層21によって覆われている。しかし、スロット15の開口部分に誘電体層21がかからないように、誘電体層21を形成する領域をパターニングすることもできる。あるいは、スロット15の開口部分の一部を誘電体層21によって覆うと共に、スロット16の開口部分の一部を同様に、誘電体層21と同じ材料によって覆ってもよい。さらに、スロット15、16の各開口部分の全部に、誘電体を充填してもよい。これにより、該開口部分に誘電体を充填していない共振器アンテナ装置に比べて、長方形状のスロットの長辺の長さ(スロット長)を変えることなく、使用可能な周波数帯域の中心周波数を低くするなど、使用可能な周波数帯域を用途に合わせて変化させることができる。なお、フォトリソグラフィによって、誘電体層21を形成する領域をパターニングすることができる。
上記の構成において、高周波電流が、給電部24からマイクロストリップ線路22及びブラインドビア23に供給される。その結果、ブラインドビア23の周りに磁界が発生する。その磁界は主にXZ面に平行な面内で、ブラインドビア23を中心とする時計回りおよび反時計回りの向きを持つように、1周期内で変動する。こうして、共振器部10内の電磁界が励振部20によって励振され、共振器部10内の前記空間において電磁波が発生する。
(ただし、W:共振器幅、H:共振器の高さ、L:共振器長)
本実施形態では、共振器部10内にTE102モードの電磁波を定在させる。
前記空間に定在する電磁波は、スロット15及びスロット16から共振器アンテナ装置1の外部へ放射される。スロット15、16から放射される電磁波の強度を高めるためには、XZ面内でブラインドビア23の周りに発生した磁界の向きと、スロット15、16の各長手方向とを一致させるとよい。前記磁界の向きは、上述したように、ブラインドビア23を中心とする時計回りおよび反時計回りの向きとなるがゆえに、前記磁界は、X軸方向またはZ軸方向に平行な成分を強く持つことになる。したがって、スロット15、16を、図1に示すように、Z軸方向を長手方向とするように形成することによって、スロット15、16から効率的に電磁波を放射させることができる。
共振器アンテナ装置1の上記構成によれば、共振器部10内の空間は、第1広壁11に形成された励振用開口14を除くと、第1広壁11と第2広壁12と狭壁13とで囲まれた閉空間になっている。この閉空間に、励振用電極としてのブラインドビア23が励振用開口14を介して挿入されている。したがって、この閉空間内で、ブラインドビア23の周りに発生した電磁波を定在させるのに適した閉空間を形成することができる。この結果、共振器アンテナ装置1の使用可能な帯域を広げやすくなるという効果が得られる。この効果については、後述する実施例において、反射損失特性のグラフに基づいて具体的に説明する。
共振器アンテナ装置1では、第1広壁11の第2短辺11bのZ座標と、側壁131の外面のZ座標とが同じになっている。しかし、図1に示すように、第2短辺11bのZ座標を、Z軸の正方向にβだけ増やしてもよい。第2広壁12も第1広壁11と同じサイズにする。すなわち、第1広壁11及び第2広壁12のZ軸に平行な長さをβだけ延ばしてもよい。なお、スロット15の形成には、スロット16を第2短辺11bにできるだけ近づけて形成するときの製造限界の問題が伴わないので、スロット16を(1/2)Lの長さで形成できない場合でも、スロット15は(1/2)Lの長さで形成してもよい。
〔アンテナ装置の構成〕
本発明の第2の実施形態に係る共振器アンテナ装置1Aの構成について、図3及び図4を参照して説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
共振器アンテナ装置1Aは、図4に示すように、アンテナモジュール3に組み込んだ際に、共振器アンテナ装置1では得られない特有の効果を生む。この点について説明する。
ここまで説明した例では、2つのスロットの両方を、第1広壁11または第2広壁12に形成した。しかし、この例に限られず、2つのスロットの一方を第1広壁11に設け、他方を第2広壁12に設けてもよい。ただし、共振器アンテナ装置をY軸の正方向から負方向へ平面視した場合に、中心線Nに対する2つのスロットのオフセット量は同一であり、中心Rに対して点対称に配置される条件は満たされている。
本発明の第3の実施形態に係る共振器アンテナ装置1Bの構成について、図5及び図6を参照して説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
前記共振器アンテナ装置1、1Aと共振器アンテナ装置1Bとの主要な相違点は、次の2点である。
第1広壁11と第2広壁12とに挟まれた空間を四方から取り囲む狭壁13Bが、狭壁13のように連続した導体壁ではなく、Y方向に細長い円筒形状または円柱状の導体柱の配列によって形成されている。この導体柱のことをポスト(導電性ビア)と呼び、図5では、ポスト13bとして図示している。また、狭壁13Bのことを以下ではポスト壁13Bと言い換えることにする。
共振器アンテナ装置1、1Aでは、共振器部10内の空間は、空気または固体の誘電体で満たされていれば良いが、共振器アンテナ装置1Bでは、ポスト壁13Bを形成するために、前記空間を固体の誘電体で満たしている。その誘電体を図5では誘電体基板としての誘電体層17として示している。
共振器アンテナ装置1Bの構成についてさらに説明する。共振器アンテナ装置1Bは、共振器部10Bと励振部20Bとを備えている。
共振器部10Bと共振器部10との相違点は、ポスト壁13Bが形成された誘電体層17を共振器部10Bが新たに備えている点である。第1広壁11は、誘電体層17のY軸の方向に対向する2つの主面のうち、Y軸の正方向側の主面上に積層され、第2広壁12は、Y軸の負方向側の主面上に積層されている。また、図5では、直方体形状をした誘電体層17のZX軸にそれぞれ平行な縦横の長さが、長方形状の第1広壁11及び第2広壁12の長辺及び短辺より長く設定されている。しかし、誘電体層17のサイズは、この形態に限定されない。例えば、誘電体層17の前記縦横の長さが、第1広壁11及び第2広壁12の長辺及び短辺の長さと一致していてもよい。
励振部20Bは、円柱状のブラインドビア23を円筒状のブラインドビア23Bに代えた点において、励振部20と異なっている。ブラインドビア23Bも、ポスト13bと同様に、図6に示すように中空の円筒状の導体とすることが作製の容易さの観点で好ましい。
前記第1の実施形態に属する実施例に係る共振器アンテナ装置1aについて、図7及び図8を参照して説明する。図7は、共振器アンテナ装置1aの平面図であり、図8は、共振器アンテナ装置1aの反射損失特性を示すグラフである。
図7に示すように、共振器アンテナ装置1aの共振器長Lを3700μm、共振器幅Wを1900μmに設定した。また、第1広壁11、第2広壁12及び狭壁13によって囲まれた前記直方体形状の空間に、誘電体の一例であるシリカガラス(比誘電率ε=3.823)を充填した。そのシリカガラスの厚み、すなわち高さHを520μmに設定した。共振器部10で発生した電磁波が共振する前記空間のサイズが、これら3つの値により定まる。特に、TE102モードの共振を発生させた場合、前述した共振波長λ102=[{1/(2W)}2+(1/L)2]−1/2に基づいて求めると、共振波長λ102は約2.65mmとなり、共振周波数fは、f=光速/(λ・ε1/2)に基づいて求めると、約57.9GHzとなる。したがって、共振器アンテナ装置1aは、近接又は近距離通信に適した無線通信規格であるWiGig/IEEE802.11adにおいて想定されている、60GHz帯(57GHz以上66GHz以下)への使用に適している。
次に、マイクロストリップ線路22を共振器幅Wの中央(第1広壁11の長辺から950μmの位置)においてZ軸に平行に配置した。マイクロストリップ線路22の幅(X軸に平行)を35μmに設定するとともに、オープンスタブ22bの長さ(マイクロストリップ線路22からの突出長さ)について、X軸の正方向に突出したオープンスタブ22bの長さQ1を292.5μm、X軸の負方向に突出したオープンスタブ22bの長さQ2を142.5μmに設定した。マイクロストリップ線路22の厚み(Y軸に平行)を10μmに設定した。誘電体層21の厚み(Y軸に平行)を16μmに設定し、誘電体層21の比誘電率εをε=3.4に設定した。
以上のように設計した共振器アンテナ装置1aの反射損失特性を図8のグラフにて示す。無線通信に使用可能な帯域として、例えば反射損失が−10dBより小さい帯域が好ましいとされている。そこで、グラフから−10dBより小さい帯域を読み取ると、約58.7GHz〜65.7GHzが使用可能な帯域となっていることがわかる。また、比帯域幅(使用可能な帯域の幅の中心周波数に対する、その帯域の幅のパーセンテージ)は、約11.3%と求まるので、60GHz帯における広い帯域を共振器アンテナ装置1aがカバーできているといえる。
10、10B 共振器部
11 第1広壁
12 第2広壁
13 狭壁
13b ポスト(導電性ビア)
13B ポスト壁(狭壁)
14 励振用開口
15、15A スロット(放射用開口)
17 誘電体層(誘電体基板)
20、20B 励振部
21 誘電体層
22 マイクロストリップ線路(給電線路)
22b オープンスタブ
23、23B ブラインドビア(励振用電極)
131 側壁(第1側壁)
132 側壁(第2側壁)
133 側壁(第3側壁)
134 側壁(第4側壁)
H 高さ
L 共振器長
S1 第1半空間
S2 第2半空間
W 共振器幅
Claims (12)
- 励振用開口が形成された第1広壁、前記第1広壁に対向する第2広壁、及び、前記第1広壁と前記第2広壁とに挟まれた空間を直方体の空間とする側壁となる狭壁を有し、前記空間内で発生する電磁波を放射する放射用開口が、前記第1広壁または前記第2広壁に形成された共振器部と、
前記第2広壁から前記第1広壁に垂直に向かう方向(Y)に沿って、前記第1広壁、前記励振用開口を覆う誘電体層及び給電線路がこの順に積層され、前記給電線路に接続された、前記誘電体層を貫通する励振用電極であって、前記第1広壁に接触することなく、前記励振用開口を介して前記空間内に進入した励振用電極を有し、前記空間内の電磁界を励振することによって前記空間内に特定モードの電磁波を発生させる励振部と、を備え、
前記放射用開口は、第1の放射用開口及び第2の放射用開口を含み、
前記方向(Y)に垂直で前記共振器部の共振器幅に平行な方向(X)、該方向(X)に垂直で前記共振器部の共振器長に平行な方向(Z)を定め、該方向(Z)に垂直な平面によって前記空間を第1半空間と第2半空間とに分割したとき、前記第1の放射用開口は前記第1半空間側にて方向(Z)に沿って細長い形状を有している一方、前記第2の放射用開口は前記第2半空間側にて方向(Z)に沿って細長い形状を有し、
前記第1の放射用開口の前記方向(Z)に沿って対峙する両端部のうち、前記平面に近い方の端部である第1の端部と、前記第2の放射用開口の前記方向(Z)に沿って対峙する両端部のうち、前記平面に近い方の端部である第2の端部とを、前記方向(Y)に沿って平面視した場合の位置関係は、前記第1広壁または前記第2広壁と前記平面との交差線の中心に対して、実質的に点対称になっている、
ことを特徴とする共振器アンテナ装置。 - 前記第1の放射用開口と前記第2の放射用開口とは互いに実質的に合同の形状を有し、
前記交差線の中心に対して、前記第1の放射用開口と前記第2の放射用開口とは実質的に点対称に配置されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の共振器アンテナ装置。 - 前記中心は、前記第1広壁と前記平面との交差線の中心であり、
前記励振用電極は、前記中心を通って前記方向(Z)に平行な中心線上に配置されている、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の共振器アンテナ装置。 - 前記特定モードは、TE102モードである、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の共振器アンテナ装置。 - 前記第1の放射用開口及び前記第2の放射用開口の方向(Z)に平行なそれぞれの長さは、前記空間内で発生して定在する電磁波の波長の1/2に実質的に等しい、ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の共振器アンテナ装置。
- 前記第1の放射用開口は、前記第1半空間のみに設けられ、前記第2の放射用開口は、前記第2半空間のみに設けられている、
ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の共振器アンテナ装置。 - 前記第1広壁および前記第2広壁は、前記直方体の前記側壁としての前記狭壁を挟む頂壁および底壁として設けられ、
前記側壁は、第1側壁、第2側壁、第3側壁及び第4側壁から成り、前記第1側壁から前記第4側壁のうち、少なくとも隣り合う3つの側壁に対応した外側は、前記空間を埋める誘電体と同じ材料の誘電体によって囲まれている、
ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の共振器アンテナ装置。 - 前記放射用開口は、全て前記第2広壁に形成されている、
ことを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の共振器アンテナ装置。 - 前記第1広壁側に配置され、前記給電線路に接続された集積回路を更に備えている、
ことを特徴とする請求項8に記載の共振器アンテナ装置。 - 前記給電線路には、オープンスタブが付加されている、
ことを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の共振器アンテナ装置。 - 前記共振器部は、誘電体基板を更に有し、
前記第1広壁は、前記誘電体基板の一方の主面に形成された導体層であり、
前記第2広壁は、前記誘電体基板の他方の主面に形成された導体層であり、
前記狭壁は、前記誘電体基板を貫通する複数の導電性ビアからなるポスト壁であり、
前記励振用電極は、前記誘電体層を貫通すると共に、前記誘電体基板内に進入したブラインドビアである、
ことを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載の共振器アンテナ装置。 - 前記放射用開口の少なくとも一部に、誘電体が充填されている、
ことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載の共振器アンテナ装置。
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