JP6704169B2 - 誘電体基板及びアンテナ装置 - Google Patents

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Description

本開示は、誘電体基板及びアンテナ装置に関する。
導体に電流が流れると電磁波が放射される。特に、誘電体基板上のアンテナ又は伝送線路に電流が流れる場合、意図しない電磁波が放射（不要輻射）され、その電磁波が誘電体基板表面を伝搬することにより、アンテナ指向性におけるヌルの発生、又は、クロストークノイズとして混信を起こすという問題がある。
この問題に対して、特許文献１には、誘電体上において、六角形の銅箔パターンと導電性ビアとを一つの要素とし、複数の要素を２次元メッシュ状に周期的に配置することで、誘電体基板表面を伝搬する電磁波を抑圧する技術が開示されている。また、特許文献２には、誘電体上に形成された送信アンテナと受信アンテナとの間を遮る立ち壁付きのレドームを配置することで、誘電体基板表面を送信アンテナ側から受信アンテナ側へ伝搬する電磁波を抑圧する技術が開示されている。
特表２００２−５１０８８６号公報 特開２０１２−９３３０５号公報
しかしながら、特許文献１では、誘電体基板の表面に導電性ビアを配置する必要があるため、誘電体基板の裏面に制御回路等を実装する場合、導電性ビア２５０３の配置によって、制御回路を構成可能な領域が制限され、誘電体基板及び制御回路を含むモジュールとして構成する場合、モジュールサイズが大きくなるという課題がある。また、特許文献２では、誘電体基板以外にレドームという追加部材が必要であり、構成が大型化し、かつコストが増大する。
本開示の一態様は、構成の大型化を回避しつつ、誘電体基板を伝搬する電磁波を抑圧することができる誘電体基板及びアンテナ装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る誘電体基板は、周波数f0の信号を伝送する誘電体基板であって、誘電体と、前記誘電体の第１面に配置された銅箔パターンと、を具備し、前記第１面を伝搬する周波数f0の電磁波の伝搬方向に対して平行な方向の前記銅箔パターンの長さＬは、式（１）で表され、前記第１面において、前記銅箔パターンが複数個配置され、前記複数の銅箔パターンにはそれぞれの前記長さＬが互いに異なる銅箔パターンが含まれ、前記電磁波の伝搬方向において、前記複数の銅箔パターン間の間隔は、λ 0 以内である。
本開自の一態様に係るアンテナ装置は、周波数f0の信号を放射するアンテナと、誘電体と、前記誘電体の第１面に配置された銅箔パターンとを備え、前記信号を伝送する誘電体基板と、を具備し、前記第１面を伝搬する周波数f0の電磁波の伝搬方向に対して平行な方向の前記銅箔パターンの長さＬは、式（１）で表され、前記第１面において、前記銅箔パターンが複数個配置され、前記複数の銅箔パターンにはそれぞれの前記長さＬが互いに異なる銅箔パターンが含まれ、前記電磁波の伝搬方向において、前記複数の銅箔パターン間の間隔は、λ 0 以内である。
本開示によれば、構成の大型化を回避しつつ、誘電体基板を伝搬する電磁波を抑圧することができる。
実施の形態１に係る誘電体基板を示す斜視図 実施の形態１に係る誘電体基板を示す正面視図 実施の形態１に係る誘電体基板を示す横断面図 実施の形態１に係る誘電体基板を電磁波が伝搬する経路を示す図 実施の形態１に係る誘電体基板を伝搬する電磁波の減衰量解析した電磁界シミュレーション結果を示す図 実施の形態１に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図 実施の形態１に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図 実施の形態１に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図 実施の形態１に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図 実施の形態１に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図 実施の形態１に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図 実施の形態２に係る誘電体基板を示す斜視図 実施の形態２に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図 実施の形態２に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図 実施の形態３に係る誘電体基板の一例を示す正面視図 実施の形態３に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図 実施の形態３に係るアンテナの一例を示す図 実施の形態３に係るアンテナの一例を示す図 実施の形態３に係るアンテナの一例を示す図 実施の形態４に係る誘電体基板の一例を示す正面視図 実施の形態５に係る誘電体基板の一例を示す正面視図 実施の形態５に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図 実施の形態６に係る誘電体基板の一例を示す正面視図 実施の形態６に係る誘電体基板の他の例を示す正面視図
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は一例であり、本開示はこれらの実施の形態により限定されるものではない。また、以下の説明では、同様の構成要素には同一の符号を用いる。
（実施の形態１）
図１は、本開示の実施の形態１に係る誘電体基板１０の構成を示す斜視図である。図２は、本開示の実施の形態１に係る誘電体基板１０の正面視図である。図３は、図１に示す誘電体基板１０のＡ−Ａ’の断面図を示す。
本実施の形態に係る誘電体基板１０は、周波数f0の信号を伝送する。また、誘電体基板１０は、誘電体１０１と、銅箔パターン１０２とを有する。誘電体基板１０は、例えば、レーダ装置に用いられてもよい。
図１に示すように、銅箔パターン１０２は、誘電体１０１の表面（第１面に相当）に配置される。また、銅箔パターン１０２は、誘電体基板１０の表面を伝搬する周波数f0の電磁波の伝搬方向１０３（図１〜図３ではＸ軸方向）に対して平行な方向に長さＬを有するように配置されている。この周波数f0の電磁波は、例えば、誘電体基板１０と接続された（又は、誘電体基板１０上の）アンテナ又は伝送線路に電流が流れる場合に放射される電磁波（不要輻射）である。
銅箔パターン１０２の長さＬは、次式で表される。
Figure 0006704169
式（１）において、εrは誘電体１０１の比誘電率を表し、ｋは0.15〜0.70の範囲の定数を表し、λ0は誘電体基板１０上を伝送される信号の自由空間波長を表す。
つまり、本実施の形態では、銅箔パターン１０２の長さＬは、誘電体基板１０で伝送される信号の周波数f0、及び、誘電体１０１の比誘電率εrによって定まる。
図４は、誘電体基板１０の表面を伝搬する電磁波が銅箔パターン１０２を通過する際の伝搬経路を示す。図４に示すように、誘電体基板１０の表面上の一つの経路４０１を伝搬する電磁波は、銅箔パターン１０２を通過する際、銅箔パターン１０２の上部の経路４０２と、銅箔パターン１０２の下部の経路４０３とに分かれて伝搬する。そして、銅箔パターン１０２を通過すると、電磁波は、再び、誘電体基板１０の表面上の一つの経路４０４を伝搬する。
このとき、銅箔パターン１０２の電磁波の伝搬方向１０３の長さＬを式（１）の値にすることで、経路４０２及び経路４０３をそれぞれ伝搬した電磁波は、互いに逆位相となる。よって、経路４０２及び経路４０３をそれぞれ伝搬した電磁波が再び一つの経路４０４を伝搬する際には互いに打ち消しあう。このため、経路４０４では、誘電体基板１０の表面を伝搬する電磁波が減衰される。このようにして、誘電体１０１上を伝搬する電磁波は、銅箔パターン１０２によって抑圧される。
本発明者らは、有限積分法を用いた電磁界シミュレーションによって、図１に示す誘電体基板１０の表面を伝搬する電磁波の減衰量を解析した。なお、電磁界シミュレーションは、３種類の実在する誘電体１０１（PTFE, PPE, LTCC）を想定し、３種類の比誘電率（εr=2.0, 3.4, 7.0）に対して行った。
図５は、電磁界シミュレーション結果を示す図である。図５において、横軸は定数ｋを示し、縦軸は誘電体基板１０の表面を伝搬する電磁波の減衰量［dB］を示す。また、図５において、特性５０１は比誘電率εr=2.0の場合の減衰量の特性を示し、特性５０２は比誘電率εr=3.4の場合の減衰量の特性を示し、特性５０３は比誘電率εr=7.0の場合の減衰量の特性を示す。
図５では、ｋ＝0.15〜0.70の範囲において誘電体基板１０の表面を伝搬する電磁波の減衰量が急峻に増加していることが示されている。なお、比誘電率εrの値によって減衰量が大きくなるｋの値が異なるのは、フリンジング効果によって実効的なＬの値が異なるためである。
また、図５の電磁界シミュレーション結果において、ｋ＝0.15〜0.70の範囲内でも、ｋ=0.3付近などでは減衰量の改善効果が少なくなっている。これは、電磁界シミュレーションでは３種類の比誘電率（εr=2.0, 3.4, 7.0）のみを一例として用いて解析を行っているためであり、比誘電率εr=2.0〜7.0の間には、例えば、k=0.3付近での減衰量が増加する他の比誘電率が存在する。換言すると、ｋ＝0.15及びｋ＝0.7は、銅箔パターン１０２によって電磁波の減衰量の増加の効果が得られる定数ｋの最小値及び最大値であり、誘電体１０１の比誘電率εrに応じて、ｋ＝0.15〜0.70の範囲で電磁波の減衰量が増加（改善）する特性が得られる。
また、図５では、ｋ＝0.15〜0.70の範囲外においても減衰量の改善効果が示されているが、これは、銅箔パターン１０２を配置したことによる改善効果であって、本実施の形態のように経路４０２及び経路４０３の各々を通過した２つの電磁波の位相差を利用したことによる改善効果ではない。
このように、図５では、k=0.15〜0.70の範囲では、伝搬方向１０３において長さＬを有する銅箔パターン１０２による電磁波の抑圧効果が得られることが分かる。
以上のように、本実施の形態では、誘電体基板１０は、誘電体基板１０の表面に銅箔パターン１０２を設ける。また、誘電体基板１０の表面の電磁波の伝搬方向１０３の銅箔パターン１０２の長さＬは、誘電体基板１０を伝搬する電磁波の周波数f0（つまり、波長λ0）に応じて式（１）に従って設定される。具体的には、銅箔パターン１０２の上部の経路４０２と下部の経路４０３とに分かれて伝搬される電磁波の位相が、経路４０４において逆位相になるように、長さＬが設定される。
こうすることで、誘電体基板１０は、基板表面を伝搬する電磁波を抑圧することができる。よって、例えば、本実施の形態に係る誘電体基板１０において、アンテナ又は伝送線路の周囲に銅箔パターン１０２を設けることにより、アンテナ又は伝送線路からの不要な電磁波（不要輻射）を抑圧することができる。または、本実施の形態に係る誘電体基板１０において、複数のアンテナ及び伝送線路間に銅箔パターン１０２を設けることにより、アンテナ及び伝送線路間のアイソレーションを改善することができる。
また、本実施の形態によれば、誘電体基板１０は、銅箔パターン１０２を設けた基板表面の構成のみで、基板表面を伝搬する不要な電磁波を抑圧することができる。つまり、本実施の形態に係る誘電体基板１０では、電磁波の抑圧のために、特許文献１のような導電性ビア、又は、特許文献２のようなレドームなどの追加部材を備える必要がない。このため、例えば、誘電体基板１０の裏面に制御回路等を実装する場合でも、制御回路を構成する領域を制限なく確保することができる。よって、本実施の形態によれば、誘電体基板１０を含むモジュールを構成する場合でも、モジュールの小型化を図ることができ、かつ、コストを抑え、安価に生産できるという効果も有する。
以上より、本実施の形態によれば、誘電体基板１０は、構成の大型化を回避しつつ、誘電体基板１０の表面を伝搬する電磁波を抑圧することができる。
（実施の形態１のバリエーション）
本実施の形態に係る誘電体基板１０は、図６に示すように、グランドパターン６０１を備え、銅箔パターン１０２を周囲のグランドパターン６０１と接続させた構成でもよい。図６に示す構成でも、本実施の形態と同様の効果が得られる。
また、本実施の形態に係る誘電体基板１０では、電磁波の伝搬方向１０３に対して垂直な方向（Ｙ軸方向）の銅箔パターン１０２の長さＷ（幅）は、誘電体１０１と同等の長さである場合（例えば、図２を参照）に限定されない。例えば、銅箔パターン１０２の幅Ｗは、図７に示すように、Ｗ＞0.5λ0、つまり、周波数f0の信号の半波長より長いという条件を満たせば何れの長さでもよい。
また、本実施の形態に係る誘電体基板１０では、図８に示すように、銅箔パターン１０２を複数個に分割して配置してもよい。例えば、誘電体基板１０の表面を伝搬する電磁波が集中する箇所に複数個の銅箔パターン１０２を配置させてもよい。図８では、図７と同様、各銅箔パターン１０２のＹ軸方向の長さＷは、Ｗ＞0.5λ0を満たせばよい。
また、本実施の形態に係る誘電体基板１０では、図９又は図１０に示すように、電磁波の伝搬方向１０３における銅箔パターン１０２の長さが不均一でもよい。こうすることで、電磁波の伝搬方向１０３における銅箔パターン１０２の長さとして採る値の範囲に応じて、誘電体基板１０は、異なる周波数f0（波長λ0）の信号に対して電磁波を抑圧することができる。つまり、誘電体基板１０では、電磁波の抑圧効果が得られる周波数帯域を広げることができる。
また、本実施の形態に係る誘電体基板１０では、銅箔パターン１０２は、図２のように電磁波の伝搬方向１０３（Ｘ軸方向）と垂直方向（Ｙ軸方向）に延びる構成に限定されず、例えば、図１１に示すように、斜めに延びる構成でもよい。
（実施の形態２）
図１２は、本開示の実施の形態２に係る誘電体基板１０の構成を示す斜視図である。
図１２において、実施の形態１（図１など）と相違する点は、誘電体１０１の表面に複数の銅箔パターン１０２（図１２では２つの銅箔パターン１０２Ａ、１０２Ｂ）が配置される点である。
また、電磁波の伝搬方向１０３において、銅箔パターン１０２Ａと銅箔パターン１０２Ｂとの間の配置間隔１２０１は、λ0以内である。また、銅箔パターン１０２Ａ及び銅箔パターン１０２Ｂの電磁波の伝搬方向１０３（Ｘ軸方向）における長さＬは式（１）を満たすものとする。
この構成により、誘電体基板１０の表面に配置された複数の銅箔パターン１０２の各々において電磁波を抑圧することができるので、誘電体基板１０の表面を伝搬する電磁波の抑圧効果を、実施の形態１よりも高めることができる。
なお、各銅箔パターン１０２の形状は同一である必要は無い。例えば、図１３に示すように、電磁波の伝搬方向１０３における、各銅箔パターン１０２Ａ、１０２Ｂの長さLA、LBの値が異なってもよい。又は、図１４に示すように、電磁波の伝搬方向１０３における長さが均一な銅箔パターン１０２Ａと、電磁波の伝搬方向１０３における長さが不均一な銅箔パターン１０２Ｂとを組み合わせて配置してもよい。こうすることで、複数の銅箔パターン１０２の各々の電磁波の伝搬方向１０３における長さに応じて、複数の周波数の電磁波を抑圧することができる。つまり、誘電体基板１０は、電磁波の抑圧効果が得られる周波数帯域を広げることができる。
（実施の形態３）
図１５は、本開示の実施の形態３に係る誘電体基板１０の正面視図である。
図１５において、実施の形態１（図２など）と相違する点は、誘電体１０１の表面に、銅箔パターン１０２に加え、アンテナ１５０１が配置されている点である。
アンテナ１５０１は、周波数f0の信号（電波）を放射する。また、アンテナ１５０１と、銅箔パターン１０２との間の配置間隔１５０２（図１５のＸ軸方向の配置間隔）は、2λ0以内である。
この構成により、図１５のＸ軸方向（図２の電磁波の伝搬方向１０３に相当）において、銅箔パターン１０２によって、アンテナ１５０１から放射される不要輻射を抑圧することができる。
なお、本実施の形態に係る誘電体基板１０では、例えば、図１６に示すように、複数の銅箔パターン１０２間に、アンテナ１５０１を配置してもよい。こうすることで、Ｘ軸の正方向及び負方向の双方において、アンテナ１５０１から放射される不要輻射を抑圧することができる。
また、本実施の形態に係る誘電体１０１上に配置されるアンテナは、図１５に示す構成に限定されない。例えば、図１７、図１８、図１９のように、銅箔で形成される構成であればアンテナの構成は問わない。
（実施の形態４）
図２０は、本開示の実施の形態４に係る誘電体基板１０の正面視図である。
図２０において、実施の形態３（図１５など）と相違する点は、誘電体１０１の表面に、銅箔パターン１０２に加え、伝送線路２００１が配置される点である。
伝送線路２００１は、周波数f0の信号を伝送する。また、伝送線路２００１と、銅箔パターン１０２との間の配置間隔２００２（図２０のＸ軸方向の配置間隔）は、2λ0以内である。
この構成により、図２０のＸ軸方向（図２の電磁波の伝搬方向１０３に相当）において、銅箔パターン１０２によって、伝送線路２００１から放射される不要輻射を抑圧することができる。
（実施の形態５）
図２１は、本開示の実施の形態５に係る誘電体基板１０の正面視図である。
図２１において、実施の形態３（図１５など）と相違する点は、誘電体１０１の表面に、複数のアンテナ１５０１Ａ、１５０１Ｂが配置され、アンテナ間に銅箔パターン１０２が配置される点である。
例えば、アンテナ１５０１Ａを送信アンテナとし、アンテナ１５０１Ｂを受信アンテナとして用いてもよい。この場合、図２１のＸ軸方向において、アンテナ１５０１Ａと、銅箔パターン１０２との配置間隔１５０２Ａは2λ0（ただし、λ0は、アンテナ１５０１Ａから放射される信号の自由空間波長）以内である。こうすることで、アンテナ１５０１Ａから放射される不要輻射を銅箔パターン１０２によって抑圧でき、アイソレーションの改善ができる。なお、アンテナ１５０１Ａを受信アンテナとし、アンテナ１５０１Ｂを送信アンテナとして用いる場合も同様にして、アンテナ１５０１Ｂから放射される信号の自由空間波長に応じて配置間隔１５０２Ｂを設定すればよい。
なお、本実施の形態では、図２２のように、銅箔パターン１０２を複数配置してもよい。こうすることで、銅箔パターン１０２によるアイソレーションの改善効果を高めることができる。
（実施の形態６）
図２３は、本開示の実施の形態６に係る誘電体基板１０の正面視図である。
図２３において、実施の形態５（図２１など）と相違する点は、誘電体１０１上に、複数の伝送線路２００１Ａ、２００１Ｂが配置され、伝送線路間に銅箔パターン１０２が配置される点である。なお、図２０と同様に、伝送線路２００１Ａ，Ｂの各々と、銅箔パターン１０２との間の配置間隔２００２Ａ，Ｂ（図２３のＸ軸方向の配置間隔）は、2λ0以内であってもよい。
例えば、伝送線路２００１Ａと伝送線路２００１Ｂとで異なる信号を伝送する場合、各伝送線路２００１Ａ，２００１Ｂから放射される不要輻射を銅箔パターン１０２によって抑圧でき、クロストークノイズを減少させることができる。
この際、銅箔パターン１０２のＸ軸方向の長さＬは、伝送線路２００１Ａ又は伝送線路２００１Ｂの何れか一方で伝送される信号の周波数f0によって定まる（例えば、式（１）を参照）。例えば、伝送線路２００１Ａで周波数f0の信号が伝送され、伝送線路２００１Ｂで周波数f1の信号が伝送される場合には、伝送線路２００１Ａから放射される不要輻射を銅箔パターン１０２によって抑圧することができる。
なお、本実施の形態では、図２４のように、銅箔パターン１０２を複数配置してもよい。こうすることで、銅箔パターン１０２によるクロストークノイズの減少効果を高めることができる。
本開示の一態様は、周波数f0の信号を伝送する誘電体基板であって、表面を伝搬する電磁波を抑圧する誘電体基板に用いるのに好適である。
１０ 誘電体基板
１０１ 誘電体
１０２ 銅箔パターン
６０１ グランドパターン
１５０１ アンテナ
２００１ 伝送線路

Claims (9)

  1. 周波数f0の信号を伝送する誘電体基板であって、
    誘電体と、
    前記誘電体の第１面に配置された銅箔パターンと、
    を具備し、
    前記第１面を伝搬する前記周波数f0の電磁波の伝搬方向に対して平行な方向の前記銅箔パターンの長さＬは、式（１）で表され、
    前記第１面において、前記銅箔パターンが複数個配置され、
    前記複数の銅箔パターンにはそれぞれの前記長さＬが互いに異なる銅箔パターンが含まれ、
    前記電磁波の伝搬方向において、前記複数の銅箔パターン間の間隔は、λ 0 以内である、
    誘電体基板。
    Figure 0006704169
     式（１）において、εrは前記誘電体の比誘電率を表し、ｋは0.15〜0.70の範囲の定数を表し、λ0は前記信号の自由空間波長を表す。
  2. 前記第１面に、前記周波数f0の信号を放射するアンテナが配置され、
    前記電磁波の伝搬方向において、前記アンテナと前記銅箔パターンとの間の間隔は、2λ0以内である、
    請求項１に記載の誘電体基板。
  3. 前記第１面に前記アンテナが複数個配置され、
    前記複数のアンテナ間に、前記銅箔パターンが配置される、
    請求項２に記載の誘電体基板。
  4. 前記誘電体基板は、レーダ装置に用いられる、
    請求項３に記載の誘電体基板。
  5. 前記第１面に、前記周波数f0の信号を伝送する伝送線路が配置され、
    前記電磁波の伝搬方向において、前記伝送線路と前記銅箔パターンとの間の間隔は、2λ0以内である、
    請求項１に記載の誘電体基板。
  6. 前記第１面に前記伝送線路が複数個配置され、
    前記複数の伝送線路間に、前記銅箔パターンが配置される、
    請求項５に記載の誘電体基板。
  7. 前記誘電体基板は、レーダ装置に用いられる、
    請求項５に記載の誘電体基板。
  8. 前記第１面を伝搬する電磁波の伝搬方向に対して垂直な方向の前記銅箔パターンの長さは、λ0/2より長い、
    請求項１に記載の誘電体基板。
  9. 周波数f0の信号を放射するアンテナと、
    誘電体と、前記誘電体の第１面に配置された銅箔パターンとを備え、前記信号を伝送する誘電体基板と、
    を具備し、
    前記第１面を伝搬する前記周波数f0の電磁波の伝搬方向に対して平行な方向の前記銅箔パターンの長さＬは、式（１）で表され、
    前記第１面において、前記銅箔パターンが複数個配置され、
    前記複数の銅箔パターンにはそれぞれの前記長さＬが互いに異なる銅箔パターンが含まれ、
    前記電磁波の伝搬方向において、前記複数の銅箔パターン間の間隔は、λ 0 以内である、
    アンテナ装置。
    Figure 0006704169
     式（１）において、εrは前記誘電体の比誘電率を表し、ｋは0.15〜0.70の範囲の定数を表し、λ0は前記信号の自由空間波長を表す。
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