JP6809702B2

JP6809702B2 - スロットアレーアンテナ

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Publication number: JP6809702B2
Application number: JP2016219695A
Authority: JP
Inventors: 廣川　二郎; 二郎廣川
Original assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2016-11-10
Filing date: 2016-11-10
Publication date: 2021-01-06
Anticipated expiration: 2036-11-10
Also published as: JP2018078483A; WO2018088106A1

Description

本発明は、スロットアレーアンテナの構造に関する。

近年、ミリ波帯の電波を利用した超高速無線通信技術の研究開発が進められている。指向性の高いミリ波を放射するアンテナとして、アンテナ素子が平面上に多数配列されたアレーアンテナが用いられる。例えば、特許文献１には、信号電力を分配する給電回路と、分配された信号電力が給電される給電スロットと、給電スロットからの電力を励振するキャビティと、キャビティで励振された電磁波から偏波を放射する放射スロットとを有するスロットアレーアンテナが記載されている。このスロットアレーアンテナにおいて上記の各構成は金属導体板の積層により形成されている。このスロットアレーアンテナでは、それぞれの金属導体板が互いに拡散接合を用いて接合されている。

拡散接合は、母材を密着させ、母材の融点以下の温度条件で，塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して、接合面間に生じる原子の拡散を利用して母材同士を接合する方法である。拡散接合を用いると、金属導体板と金属導体板との間を隙間なく接合できる。仮に接合された金属導体板と金属導体板との間に隙間があると、この隙間がスロットアンテナの役目をし、意図しない電磁ノイズを放射する一方、特定の周波数帯域の電磁ノイズを受信する場合がある。従って関連する技術では、スロットアレーアンテナの製造に、金属導体板と金属導体板との間に隙間ができない拡散接合が用いられる。

特開２０１４−１７０９８９号公報

特許文献１に係るスロットアレーアンテナの製造過程で用いられる拡散接合は、製造時において時間を要するため生産性が悪化する。また、拡散接合を用いないでスロットアレーアンテナを構成しようとすると、意図しない電磁ノイズが発生するという問題やスロットアレーアンテナの所望の特性を得られないという問題が生じる。

本発明は、構造を簡略化しつつも所望の特性を得ることができるスロットアレーアンテナを提供することを目的とする。

本発明に係るスロットアレーアンテナは、
信号電力が給電される複数の給電スロットを有する給電部と、
前記給電部に対向して配置され、前記複数の給電スロットから給電されて生じる電磁波を放射するための複数の放射スロットを有する放射部と、
前記放射部と前記給電部との間に形成され、前記給電部から給電されて前記放射部と前記給電部との間に生じる平面波を遅波して前記放射部と前記給電部との間に定在波を発生させる遅波層と、
を備える。

前記遅波層は、前記複数の放射スロットに同振幅かつ同位相で給電するよう前記定在波を発生させるよう構成されていてもよい。

前記遅波層は、前記放射部と前記給電部との間に生じる前記平面波を遅波する誘電体を有するよう構成されていてもよい。

前記誘電体は、異なる比誘電率を有する複数の誘電体が組み合わされて形成されているよう構成されていてもよい。

また、前記遅波層は、前記定在波を発生させるよう前記放射部と前記給電部との間に生じる前記平面波を遅波するコルゲーション構造を有するよう構成されていてもよい。

前記コルゲーション構造は、前記給電スロットの周囲を囲むように形成された複数の突起部を有するよう構成されていてもよい。

本発明は、上記構成により、放射部と給電部との間に設けられた遅波層が放射部と給電部との間の拡散接合を不要としつつ、定在波Ｗを発生させることで放射スロットに同振幅かつ同位相で給電することができる。

本発明に係るスロットアレーアンテナによると、構造を簡略化しつつも所望の特性を得ることができる。

第１実施形態に係るスロットアレーアンテナの構成を示す斜視図である。スロットアレーアンテナの一部の要素を解析モデルとして示す斜視図である。スロットアレーアンテナの一部の要素を解析モデルとして示す斜視図である。遅波層内で分布する定在波を示す断面図である。スロットアレーアンテナの特性についてのシミュレーション結果を示すグラフである。スロットアレーアンテナの特性についてのシミュレーション結果を示すグラフである。スロットアレーアンテナを高機能化するスロット層を示す斜視図である。スロットアレーアンテナを高機能化するスロット層を示す斜視図である。スロットアレーアンテナを高機能化するスロット層を示す斜視図である。第２実施形態に係るスロットアレーアンテナの構成を示す断面図である。スロットアレーアンテナの突起部を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態に係るスロットアレーアンテナについて説明する。

［第１実施形態］
図１に示されるように、スロットアレーアンテナ１は、複数のアンテナ素子がマトリクス状に配置された平面アンテナである。図１には、１６×１６のアンテナ素子を有するスロットアレーアンテナ１の８×８のアンテナ素子の要素が切り出されている。つまり、スロットアレーアンテナ１の１／４の部分が示されている。この１／４の部分を繋ぎ合わせるとスロットアレーアンテナ１が構成される。以下、スロットアレーアンテナ１の１／４の部分について説明するが、構造の対称性と偏波の性質を考慮して便宜上この１／４の部分をスロットアレーアンテナ１として説明する。

スロットアレーアンテナ１は、信号電力を給電するための給電部２と、給電部２から給電された信号電力を放射するための放射部１０と、給電部２と放射部１０との間に設けられた遅波層２０とを有する。図１では遅波層２０と給電部２との間が離間して示されているが、実際には放射部１０とは隙間なく積み重ねられている。

給電部２は、矩形の板状の導体板３からなる。導体板３は、例えば金属板が用いられる。導体板３には、電磁波が給電される複数の給電スロット４が設けられている。給電スロット４は、矩形の貫通孔である。複数の給電スロット４は、例えば導体板３の平面にマトリクス状に配置されている。複数の給電スロット４は、４×４の配置で計１６個設けられており、２次元の２方向（ｘ軸、ｙ軸方向）にそれぞれ等間隔で配置されている。２方向の間隔は、必ずしも同じである必要はないが、１自由空間波長（λ_０）以上２自由空間波長（２λ_０）未満の長さの範囲で調整されている。給電部２の上方（＋ｚ軸方向）には、放射部１０が配置されている。

放射部１０は、給電部２の上方（＋ｚ方向）に対向して平行に配置されている。放射部１０は、矩形の板状の導体板１１からなる。導体板１１は、例えば金属板が用いられる。導体板１１には、電磁波を放射する複数の放射スロット１２が設けられている。放射スロット１２は、複数の給電スロット４から給電されて励振された電磁波を放射するアンテナ素子である。放射スロット１２は、矩形の貫通孔である。複数の放射スロット１２は、例えば導体板１１の平面にマトリクス状に配置されている。複数の放射スロット１２は、２次元の２方向（ｘ軸、ｙ軸方向）にそれぞれ等間隔で配置されている。

これらの２方向の隣接する２個の放射スロット１２の相互の間隔は、隣接する２個の給電スロット４の相互の間隔の半分になっている。即ち、隣接する放射スロット１２の相互の間隔は、０．５自由空間波長（０．５λ_０）以上１自由空間波長（λ_０）未満である。ｚ軸方向から見て２×２で配置された４個の放射スロット１２の中心に１個の給電スロット４が位置するように複数の放射スロット１２が配置されている。放射部１０と給電部２との間には、遅波層２０が設けられている。

遅波層２０は、誘電率を有する材料で形成された板状の誘電体２１を有する。誘電体２１は、例えばテフロン（登録商標）やポリエチレン等の樹脂製の発砲体から成型される。誘電体２１は、１種類の材料で形成されてもよいし、異なる比誘電率の複数の誘電体が組み合わされて形成されていてもよい。例えば、遅波層２０は、異なる比誘電率の複数の誘電体が積層されて形成されていてもよい。そして複数の誘電体の層の中には、空気の層が含まれていてもよい。誘電体の層の中に空気の層が含まれる場合、放射部１０と給電部２との間の距離を保つ構造（不図示）が設けられる。

誘電体２１の上面２１ａ及び下面２１ｂは、それぞれ放射部１０と給電部２に隙間なく接触している。誘電体２１と放射部１０及び給電部２とは、例えば接着剤で接合される。これによりスロットアレーアンテナ１は、放射部１０と給電部２とで形成された平行平板構造となる。遅波層２０は、給電スロット４から給電され、給電部２と放射部１０との間に発生した平面波を誘電体２１によって遅波させる。遅波層２０は、遅波した平面波によって給電部２と放射部１０との間に定在波Ｗを発生させる。定在波Ｗについては、後に詳述する。

以下、スロットアレーアンテナ１の動作原理について説明する。

図２には、スロットアレーアンテナ１の放射部の１／６４の要素Ｍが解析モデルとして示されている。解析モデルは、スロットアレーアンテナ１の複数の放射スロット１２が２×２で配置された部分を１個の要素Ｍとしている。図２には、誘電体２１が設けられた放射部１０と給電部２との間に給電スロット４が見えるように空間が示されているが、実際には放射部１０、誘電体２１、及び給電部２は隙間なく重ねられている。解析モデルは、放射部１０と給電部２とで形成された平行平板構造である。給電スロット４の下方（−ｚ方向）には、給電用の方形導波管６が設けられている。

無数の要素Ｍがｘｙの２次元平面上で無限に配列された一様励振２次元無限アレーを考える。要素Ｍの相互結合と放射される偏波の特性とを考慮すると、要素Ｍの周囲の境界には完全電気導体Ｅと完全磁気導体Ｇとが適切に設定される。具体的には、要素Ｍのｘ軸方向の両側面には完全電気導体Ｅが設定され、要素Ｍのｙ軸方向の両側面には完全磁気導体Ｇが設定される。また、放射スロット１２上方の外部領域には放射境界Ｈが設定される。なお、給電スロット４の間隔は例えば１．７２自由空間波長で設定され、放射スロット１２の間隔はその半分の０．８６自由空間波長で設定されている。

図３には、解析モデルの要素Ｍを繋ぎ合わせて、スロットアレーアンテナ１の８×８の放射スロット１２を有する１／４の部分の解析モデルが示されている。図３も図２と同様に、誘電体２１が設けられた放射部１０と給電部２との間に給電スロット４が見えるように空間が示されているが、実際には放射部１０、誘電体２１、及び給電部２は隙間なく重ねられている。図２と同様に、解析モデルのｘ軸方向の両側面には完全電気導体Ｅが設定され、ｙ軸方向の両側面には完全磁気導体Ｇが設定されている。また，放射スロット１２上方の外部領域には放射境界Ｈが設定される。

複数の給電スロット４には、方形導波管６からなる導波回路（不図示）の終端が接続されている。導波回路は、例えば１個の入口から等長に分岐した方形導波管６からなり、分岐した導波管の終端にそれぞれ複数の給電スロット４が接続されている。図３の解析モデルでは、合計１６個の給電用方形導波管が設けられている。これにより、複数の給電スロット４に同時に同振幅かつ同位相で給電できる。複数の給電スロット４に給電する給電回路としては、例えば、方形導波管からなるＨ面分岐並列給電回路や、方形導波管からなるＥ面分岐並列給電回路などがある。これらの給電回路は、給電部２との間に隙間がある隙間ギャップ導波路構造などにより、給電部２と非接触で設けられていてもよい。

導波回路の入口から信号電力が入力されると、導波回路によって電磁波が導波され、給電部２の下面側３ｂから、複数の給電スロット４に対してほぼ等しい振幅、ほぼ等しい位相で信号電力が入力される。これにより、複数の給電スロット４からそれぞれ偏波が励振される。ここで、給電部２の給電スロット４だけで偏波を放射すると、隣接する給電スロット４の相互の間隔が１自由空間波長以上、かつ、２自由空間波長未満であるため、所望する正面方向（ｚ軸方向）へ電磁波が放射される以外に、他の方向にも電磁波が放射され、不要なグレーティングローブが発生する。

そこで、給電部２の上方（＋ｚ方向）に放射部１０を設ける。放射部１０の放射スロット１２の間隔は給電スロット４の間隔の半分の０．５自由空間波長以上かつ１自由空間波長未満であるため、グレーティングローブが抑圧される。また、複数の放射スロット１２に同時に同振幅かつ同位相で電磁波を給電して偏波を励振するために、放射部１０と給電部２との平行平板の間に定在波を発生させる。そのため、給電部２と放射部１０との間に誘電体２１を挟んで遅波層２０を設ける。

定在波Ｗは、放射部１０と給電部２との間に設けられた遅波層２０が放射部１０と給電部２との間に生じる平面波を遅波することによって発生させる。定在波Ｗを発生させるために、放射スロット１２の位置、幅ｗ_ｒ、長さｌ_ｒ、誘電体２１の厚さｔ_ｄ、及び誘電体２１の比誘電率ε_ｒの各条件が調整される。

これらの値を調整することにより、放射部１０と給電部２とで構成される平行平板構造での平面波の波長を適切に短くする。具体的には、給電スロット４間の間隔が実行的に遅波層２０内で導波される平面波の波長の２倍になるように上記の各値が調整される。放射部１０と給電部２との間の遅波層２０に生じる平面波（定在波Ｗ）の波長λ_εは、平行平板中の波長λ_０、誘電体２１の比誘電率をε_ｒ、とすると、
λ_ε＝λ_０／√（ε_ｒ）…（１）
と表される。

図４に示されるように、放射部１０と給電部２との間の遅波層２０で遅波された平面波の波長λ_εは、放射スロット１２間の間隔と一致し、平面波の波長λ_εの２倍の値が給電スロット４間の間隔に一致する。この平面波は、遅波層２０内で一様な定在波Ｗとして分布する。定在波Ｗの波長λ_εが放射スロット１２間の間隔に一致しており、定在波Ｗの波頭の位置は、放射スロット１２の位置と一致する。従って、定在波Ｗによって放射スロット１２に同振幅かつ同位相で電力が給電され偏波が励振される。

遅波層２０内で定在波Ｗが一様に分布しているため、実際に製作されるアンテナ構造において完全磁気導体Ｇについての境界条件は、ほぼ図４に示す境界の位置で平行平板構造を打ち切ってよい。そして、完全電気導体Ｅについての境界条件は、図４に示す境界の位置から１／４波長λ_εの位置で平行平板構造を打ち切ってよい。

以下、スロットアレーアンテナ１の特性についてのシミュレーション結果を示す。

図５には、遅波層２０の誘電体２１の比誘電率ε_ｒが１．０、すなわち遅波層２０が空気になっている場合のスロットアレーアンテナ１の反射の周波数特性を示す。遅波層２０の設計周波数は、６１．５ＧＨｚである。放射スロット１２の長さｌ_ｒ、幅ｗ_ｒ、誘電体２１（空気層）の厚さｔ_ｄの各条件（図２参照）は、例えばｌ_ｒ＝２．２０ｍｍ（＝０．４５λ_０）、ｗ_ｒ＝１．６０ｍｍ（＝０．３２λ_０）、ｔ_ｄ＝０．９８（＝０．２０λ_０）で設定される。点線は、図２の解析モデルでの給電用の方形導波管６からの反射を表している。

１６本の実線は、図３の解析モデルにおいて、１６本の給電用の方形導波管６から同振幅かつ同位相で給電スロット４に信号電力を入力した場合の各給電用の方形導波管６の反射を表している。１６本の実線はそれぞれ別の反射特性を示し、点線の結果とも一致していない。これは、遅波層２０の誘電体２１が空気の場合には、８×８の放射スロット１２の励振強度が一様に揃っていないことを示している。

図６には、遅波層２０の誘電体２１の比誘電率ε_ｒが１．２８の場合のスロットアレーアンテナ１の反射の周波数特性を示す。遅波層２０の設計周波数は、６１．５ＧＨｚである。放射スロット１２の長さｌ_ｒ、幅ｗ_ｒ、誘電体２１の厚さｔ_ｄの各条件（図２参照）は、例えばｌ_ｒ＝１．８０ｍｍ（＝０．３７λ_０）、ｗ_ｒ＝１．７５ｍｍ（＝０．３６λ_０）、ｔ_ｄ＝１．６０（＝０．３３λ_０）で設定される。

１６本の実線の周波数特性は、ほぼ重なっており、それらは点線の周波数特性ともほぼ一致している。１６本の実線は、誘電体２１の比誘電率ε_ｒ、誘電体２１の厚さｔ_ｄ、放射スロット１２の形状（長さｌ_ｒ、幅ｗ_ｒ）、の各条件（図２参照）を適切に選ぶことで、従来のように給電スロット４ごとに金属壁を設けなくてもすべての放射スロット１２が一様に励振されていることを示している。

上述したスロットアレーアンテナ１（図１参照）は、放射部１０の上部（＋ｚ方向）に別のスロット層を設けることで多機能化することができる。図７に示されるように、例えば広帯域化のための無給電スロット層３０をスロットアレーアンテナ１に追加してもよい。図７には、無給電スロット層３０の１／６４の要素が記載されている。無給電スロット層３０は、方形の導体板３１と、導体板３１に設けられた無給電スロット３２とを有する。

また、図８に示されるように、直線偏波の角度を４５°変化させる４５度スロット層３３をスロットアレーアンテナ１に追加してもよい。図８には、４５度スロット層３３の１／６４の要素が記載されている。４５度スロット層３３は、方形の導体板３４と、導体板３４にｙ軸に対して４５度傾けて設けられた４５度スロット３５とを有する。

更に、図９に示されるように、円偏波を放する円偏波スロット層３６をスロットアレーアンテナ１に追加してもよい。図９には、円偏波スロット層３６の１／６４の要素が記載されている。円偏波スロット層３６は、方形の導体板３７と、導体板３７に設けられ円偏波を励振する円偏波スロット３８とを有する。上記の各スロット層を用いることにより、スロットアレーアンテナ１は高機能化することができる。

上述したようにスロットアレーアンテナ１によると、放射部１０と給電部２との間の遅波層２０の電磁界分布が定在波Ｗとなるため、従来のように給電スロット４ごとに金属壁を設ける必要がなくなり、平行平板構造の周囲からもれる電力を極力抑えられる。そして、遅波層２０は、放射部１０及び給電部２と拡散接合する必要が無く、構造を簡略化することができる。更にスロットアレーアンテナ１によると、構造を簡略化しても性能を低下させることなく所望の利得を得ることができる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、スロットアレーアンテナ１は、遅波層２０に誘電体２１を用いて放射部１０と給電部２との間に導波される平面波を遅波して定在波Ｗを発生させていた。第２実施形態では、スロットアレーアンテナ１は、遅波層２０に平面波を遅波させるコルゲーション構造を用いて定在波Ｗを発生させる。以下の説明では、第１実施形態と同一の構成については同一の符号を用い、重複する説明については省略する。

図１０及び図１１に示されるように、放射部１０と給電部２との間は離間して空気層Ａがあり、給電部２の導体板３は、上面３ａに設けられた突起部Ｑを有する。突起部Ｑは、複数の突起Ｑ１，…，Ｑｎ（ｎは自然数）を有する。複数の突起Ｑ１，…，Ｑｎは、給電部２の上面３ａから上方（＋ｚ方向）に向かって突出して形成されている。そして、複数の突起Ｑ１，…，Ｑｎは、例えばそれぞれが給電スロット４の周囲を囲むように形成されている。これにより、複数の突起Ｑ１，…，Ｑｎからなるコルゲーション構造によって遅波層２０が形成される。突起部Ｑは、放射スロット１２の周囲に設けられていてもよい。

放射部１０と給電部２との間に導波される平面波は、突起部Ｑによって遅波される。そして、複数の突起Ｑ１，…，Ｑｎの数、突起の高さ及び間隔等を調整することにより、遅波層２０で定在波Ｗが発生する。実際にこの構造を用いてスロットアレーアンテナ１を構築する場合は、放射部１０と給電部２との間を一定の距離で支える構造（不図示）が用いられる。

上述したように第２実施形態に係るスロットアレーアンテナ１によると、複数の突起Ｑ１，…，Ｑｎからなるコルゲーション構造によって遅波層２０が形成され、放射部１０と給電部２との間に定在波Ｗを発生させることができる。第２実施形態に係るスロットアレーアンテナ１によると、誘電体２１を用いずに遅波層２０を構成するため、装置構成を簡略化することができる。

１…スロットアレーアンテナ、２…給電部、３…導体板、４…給電スロット、６…方形導波管、１０…放射部、１１…導体板、１２…放射スロット、２０…遅波層、２１…誘電体、３０…無給電スロット層、３１…導体板、３２…無給電スロット、３３…４５度スロット層、３４…導体板、３５…４５度スロット、３６…円偏波スロット層、３７…導体板、３８…円偏波スロット、Ａ…空気層、Ｅ…完全電気導体、Ｇ…完全磁気導体、Ｈ…放射境界、Ｍ…要素、Ｑ…突起部、Ｑ１〜Ｑｎ…突起、Ｗ…定在波

Claims

信号電力が給電される複数の給電スロットを有する給電部と、
前記給電部に対向して配置され、前記複数の給電スロットから給電されて生じる電磁波を放射するための複数の放射スロットを有する放射部と、
前記放射部と前記給電部との間に形成され、前記給電部から給電されて前記放射部と前記給電部との間に生じる平面波を遅波して前記放射部と前記給電部との間に定在波を発生させる遅波層と、
を備える、
スロットアレーアンテナ。
前記遅波層は、前記複数の放射スロットに同振幅かつ同位相で給電するよう前記定在波を発生させる、
請求項１に記載のスロットアレーアンテナ。
前記遅波層は、前記放射部と前記給電部との間に生じる前記平面波を遅波する誘電体を有する、
請求項１または２に記載のスロットアレーアンテナ。
前記誘電体は、異なる比誘電率を有する複数の誘電体が組み合わされて形成されている、
請求項３に記載のスロットアレーアンテナ。
前記遅波層は、前記定在波を発生させるよう前記放射部と前記給電部との間に生じる前記平面波を遅波するコルゲーション構造を有する、
請求項１または２に記載のスロットアレーアンテナ。
前記コルゲーション構造は、前記給電スロットの周囲を囲むように形成された複数の突起部を有する、
請求項５に記載のスロットアレーアンテナ。