JP6983613B2 - Microwave band antenna - Google Patents
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Description
本発明は、グラフェンをアンテナエレメントとして用いたマイクロ波帯アンテナに関する。 The present invention relates to a microwave band antenna using graphene as an antenna element.
透明な基板上に、透明導電膜からなるアンテナエレメントを形成した透明なアンテナが知られている。現在、透明導電膜として主流であるITO(indium tin oxide)は、レアメタルを含有していることや、可塑性が低いといった問題があり、ITOに代わる透明導電膜が求められている。 A transparent antenna in which an antenna element made of a transparent conductive film is formed on a transparent substrate is known. At present, ITO (indium tin oxide), which is the mainstream as a transparent conductive film, has problems such as containing a rare metal and low plasticity, and a transparent conductive film replacing ITO is required.
特許文献1には、グラフェンベースの層を含む各種電子デバイスが提案され、電子デバイスの1つとしてアンテナが例示されている。特許文献1では、グラフェンベースの層を基板に支持させ、グラフェンベースの層の一部をエッチングし、グラフェンベースの層の他部と比較して薄くしてアンテナとしている。 Patent Document 1 proposes various electronic devices including a graphene-based layer, and an antenna is exemplified as one of the electronic devices. In Patent Document 1, a graphene-based layer is supported on a substrate, a part of the graphene-based layer is etched, and the graphene-based layer is made thinner than other parts to form an antenna.
しかしながら、特許文献1のアンテナは具体的構造が不明であり、当業者によりこのアンテナを作ることができるようには記載されていない。また、グラフェンをアンテナエレメントに使用した際に、アンテナとして利用可能な帯域などは一切明らかにされていない。本願発明者らはグラフェンのアンテナエレメントへの適用について鋭意研究を重ねていた。 However, the specific structure of the antenna of Patent Document 1 is unknown, and it is not described so that a person skilled in the art can make this antenna. Moreover, when graphene is used as an antenna element, the band that can be used as an antenna has not been clarified at all. The inventors of the present application have been diligently studying the application of graphene to antenna elements.
本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、グラフェンをアンテナエレメントとして使用したアンテナを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an antenna using graphene as an antenna element.
前記目的を達成するため、本発明では、基体と、前記基体上に形成され、単層のグラフェン又は複数層に積層したグラフェンからなる透明なアンテナエレメントと、を有するマイクロ波帯アンテナが提供される。本願発明者らは、グラフェンがマイクロ波帯アンテナのアンテナエレメントとして動作することを実験的に確認した。 In order to achieve the above object, the present invention provides a microwave band antenna having a substrate and a transparent antenna element formed on the substrate and composed of graphene having a single layer or graphene laminated in a plurality of layers. .. The inventors of the present application have experimentally confirmed that graphene operates as an antenna element of a microwave band antenna.
上記マイクロ波帯アンテナにおいて、前記基体は、透明であってもよい。 In the microwave band antenna, the substrate may be transparent.
上記マイクロ波帯アンテナにおいて、前記アンテナエレメントは、単層のグラフェンからなってもよい。 In the microwave band antenna, the antenna element may be made of a single layer of graphene.
上記マイクロ波帯アンテナにおいて、前記マイクロ波帯アンテナは、ダイポールアンテナであってもよい。 In the microwave band antenna, the microwave band antenna may be a dipole antenna.
本発明によれば、グラフェンをマイクロ波帯アンテナのアンテナエレメントとして使用することができる。 According to the present invention, graphene can be used as an antenna element for a microwave band antenna.
図1及び図2は本発明の一実施形態を示すものであり、図1はマイクロ波帯アンテナの平面図、図2はマイクロ波帯アンテナの製造過程を示す説明図である。尚、図1及び図2では、理解を容易とするため、透明なグラフェンの部分をハニカム模様で示している。 1 and 2 show an embodiment of the present invention, FIG. 1 is a plan view of a microwave band antenna, and FIG. 2 is an explanatory view showing a manufacturing process of the microwave band antenna. In FIGS. 1 and 2, the transparent graphene portion is shown in a honeycomb pattern for easy understanding.
図1に示すように、マイクロ波帯アンテナ1は、基体としての基板2と、基板2上に形成されたアンテナエレメント3及び給電線4と、を有する。本実施形態のマイクロ波帯アンテナ1は、ダイポールアンテナである。
As shown in FIG. 1, the microwave band antenna 1 has a
基板2は、平面視矩形状の透明材料からなる。本実施形態においては、基板2は石英ガラスからなる。本明細書中で「透明」とは透過率が80%以上であることをいうものとする。尚、基板2を石英ガラス以外のガラス材料としてもよい。さらに、基板2を、例えばポリエチレンテレフタラートのような透明な樹脂材料とする等、ガラス材料以外の透明材料とすることもできる。本実施形態においては、基板2の表面の算術平均表面粗さ(Ra)は、2.0nm以下である。それは、基板2の表面のRaが2.0nmを超えると、グラフェンからなるアンテナエレメント3の電気的特性が損なわれるおそれがあるからである。アンテナエレメント3のアンテナとしての電気的特性を考慮すると、基板2の表面のRaは、好ましくは1.0nm以下であり、より好ましくは0.8nm以下である。
The
アンテナエレメント3は、透明であり、単層のグラフェン又は複数層に積層したグラフェンからなる。本願発明者らは、グラフェンがマイクロ波帯アンテナ1のアンテナエレメント3として動作することを実験的に確認した。グラフェンが形成される基板2上の表面は、グラフェンの基板2への良好な固着を実現するため、親水性であることが好ましい。アンテナエレメント3は、基板2上の仮想線21について対称に設けられた2つの直線部31を有する。本実施形態においては、2つの直線部31が仮想線を挟んで長手方向に並んで形成されている。グラフェンの透過率T(%)は、層数をNとすると、T(%)=100−2.3Nとなる。従って、例えば、アンテナエレメント3の透過率を80%以上とするには8層以下に積層されたグラフェンとすればよいし、90%以上とする場合は4層以下に積層されたグラフェンとすればよい。本実施形態においては、アンテナエレメント3は単層のグラフェンであり、透過率は97.7%である。
The
給電線4は、導電材料からなり、アンテナエレメント3に高周波電力を伝送するため、及び/又は、アンテナエレメント3から高周波電力が伝送されるために用いられる。本実施形態においては、給電線4はAu/グラフェンからなる。本実施形態においては、給電線4は、コプレーナ線部41と、コプレーナ線部41及びアンテナエレメント3を接続する伝送線部42と、を有する。コプレーナ線路41は、信号線41aと、信号線41aと間隔をおいて形成される一対の接地線41bとから構成される。本実施形態においては、伝送線部42は、コプレーナ線路41の信号線41aと、一方の接地線41bと、をアンテナエレメント3側へ延長することにより構成される。
The feeder line 4 is made of a conductive material and is used for transmitting high frequency power to and / or for transmitting high frequency power from the
次に、本実施形態のマイクロ波帯アンテナ1の製造方法について、図2を参照して説明する。
まず、図2(a)に示すように、銅箔101上に単層のグラフェン膜103を、化学気相成長法(CVD法)により作製する。次いで、図2(b)に示すように、作製されたグラフェン膜103を基板2上へ転写する。具体的に、転写は、例えば、樹脂材料からなる支持層を銅箔101上に形成し、銅箔101を酸等により除去してグラフェン膜103と支持層からなる積層体とした後、基板2上に積層体を載置して支持層を溶融させることにより行われる。ここで、基板2は石英ガラスからなり、転写に先立って親水性となるよう予め表面処理が施されている。
Next, a method of manufacturing the microwave band antenna 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG.
First, as shown in FIG. 2A, a single-
この後、図2(c)に示すように、グラフェン膜103上にAu膜104を蒸着する。そして、図2(d)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により、Au膜104にアンテナエレメント3及び給電線4のパターニングを行い、Au膜104の不要な部分を除去する。さらに、図2(e)に示すように、露出しているグラフェン膜103をUV−オゾン処理により除去する。そして、図2(f)に示すように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により、Au膜104に給電線4のパターニングを行い、アンテナエレメント3上のAu膜104を除去して、マイクロ波帯アンテナ1が完成する。
After that, as shown in FIG. 2C, the Au
以上のように構成されたマイクロ波帯アンテナ1によれば、アンテナエレメント3をグラフェンとしたので、ITOのようにレアメタルを用いることなく透明なアンテナエレメント3を実現することができる。また、グラフェンはITOと比較して可塑性に富んでいることから、平坦面だけでなく湾曲面にアンテナエレメント3を形成することも可能となる。さらに、基板2を可撓性を有する樹脂材料とした場合にも、アンテナエレメント3を基板2の変形に追従させることができ、アンテナ全体に可撓性を付与することができる。
According to the microwave band antenna 1 configured as described above, since the
尚、前記実施形態においては、ダイポールアンテナとして構成したマイクロ波帯アンテナ1を示したが、アンテナエレメント3の形状、配置等を変更すれば、例えばモノポールアンテナ、ループアンテナ、ログペリオディックアンテナのようなダイポールアンテナ以外の線状アンテナとすることも可能である。さらには、例えばパッチアンテナのような平面アンテナとしてもよく、アンテナの種類は特に限定されるものではない。
In the above embodiment, the microwave band antenna 1 configured as a dipole antenna is shown, but if the shape, arrangement, etc. of the
また、前記実施形態においては、基板2上に給電線4を形成したものを示したが、基板2上に給電線4を形成せずに、アンテナ外部から非接触でアンテナエレメント3に給電するよう構成してもよい。この場合、透明な基板2及び透明なアンテナエレメント3からなるマイクロ波帯アンテナ1を全体的に透明とすることができる。尚、給電線4が不透明であっても、給電線4を基板2の外縁付近に配置することによって、給電線4を目立たないようにすることは可能である。
Further, in the above-described embodiment, the feeding line 4 is formed on the
また、前記実施形態においては、基板2上にアンテナエレメント3が形成されたものを示したが、基板2以外の基体にアンテナエレメント3を形成してマイクロ波帯アンテナ1とすることも可能である。さらに、基板2が透明であるものを示したが、基板2は不透明であってもよい。
Further, in the above-described embodiment, the
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments described above do not limit the invention according to the claims. It should also be noted that not all combinations of features described in the embodiments are essential to the means for solving the problems of the invention.
実施例として実際に図1に示すマイクロ波帯アンテナ1を作製し、マイクロ波帯アンテナ1の入力電力に対する反射特性及び放射特性を測定した。 As an example, the microwave band antenna 1 shown in FIG. 1 was actually manufactured, and the reflection characteristics and the radiation characteristics with respect to the input power of the microwave band antenna 1 were measured.
マイクロ波帯アンテナ1の作製にあたり、まず、銅箔101上に単層のグラフェン膜103を化学気相成長法(CVD法)により作製した。グラフェンの成長は、温度を1000℃、圧力を1500Paとし、2sccmのCH4ガス及び20sccmのH2ガスを30分流通させて行った。そして、このグラフェン膜103を、ポリメタルクリル酸メチルの支持層を用いて、石英ガラスの基板2上へ転写した。転写後のグラフェン膜103のラマンスペクトルを測定したところ、2DバンドとGバンドの強度比が3.5であり、2Dバンドがローレンツ関数でフィッティング可能であったことから、単層のグラフェンであることが確認された。
In producing the microwave band antenna 1, first, a single-
続いて、電子ビーム蒸着法を用いて、グラフェン膜103上へ700nmのAu膜104を形成した。そして、フォトリソグラフィによりAu膜104にアンテナエレメント3及び給電線4のパターニングを行い、KI水溶液を用いて60℃でAu膜104のエッチングを行った。さらに、露出しているグラフェン膜103を、300sccmのO2ガスを流通させて120℃でUV−オゾン処理により除去した。そして、フォトリソグラフィによりAu膜104に給電線4のパターニングを行い、KI水溶液を用いて60℃でアンテナエレメント3上のAu膜104を除去した。このように作製されたマイクロ波帯アンテナ1における、基板2上のグラフェンの存在領域をラマンイメージングにより確認したところ、設計上のアンテナエレメント3の領域とほぼ一致した。
Subsequently, an
具体的なアンテナエレメント3の寸法は、2つの直線部を含めた全体の長手方向寸法を10.7mm、幅方向寸法を1.0mmとした。また、給電部4のコプレーナ線部41の特性インピーダンスは、50Ωとした。
The specific dimensions of the
また、比較例として、図3に示すような、石英ガラスの基板202上のアンテナエレメント203にAuを使用したマイクロ波帯アンテナ201を作製した。図3に示すように、比較例のアンテナエレメント203のパターンは、実施例と同様に、2つの直線部231を有する。比較例の給電部204のパターンは、実施例と同様に、コプレーナ線部241と、コプレーナ線部241及びアンテナエレメント203を接続する伝送線部242と、を有する。アンテナエレメント203及び給電部204の材質は、Au/Cr(700nm/50nm)とし、電子ビーム蒸着法及び熱蒸着法を用いて作製した。
Further, as a comparative example, a
図4は、実施例及び比較例の反射特性の測定結果を示すグラフである。図4では、横軸を周波数、縦軸を反射係数としている。具体的に、給電部4,204への入力電力を0.32mWとし、100MHzから30GHzの周波数で反射係数を測定した。
FIG. 4 is a graph showing the measurement results of the reflection characteristics of Examples and Comparative Examples. In FIG. 4, the horizontal axis is the frequency and the vertical axis is the reflection coefficient. Specifically, the input power to the
図4に示すように、実施例のアンテナでは、反射損失が最小となる動作周波数は20.7GHzであることが確認された。尚、比較例のアンテナでは、動作周波数は9.2GHzであった。また、実施例においても比較例においても、動作周波数において−10dBを下回っていることから、90%以上の電力が給電されていることが確認された。 As shown in FIG. 4, it was confirmed that in the antenna of the example, the operating frequency at which the reflection loss is minimized is 20.7 GHz. In the antenna of the comparative example, the operating frequency was 9.2 GHz. Further, in both the examples and the comparative examples, since the operating frequency was lower than -10 dB, it was confirmed that 90% or more of the electric power was supplied.
図5は、実施例の反射特性の測定結果に、実施例の放射特性の測定結果を重ねて示したグラフである。放射特性は、アンテナエレメント3に対して水平な主偏波と、垂直な交差偏波を別個に測定した。図5では、横軸を周波数、縦軸を反射係数及び透過係数としている。
FIG. 5 is a graph showing the measurement results of the reflection characteristics of the examples and the measurement results of the radiation characteristics of the examples superimposed. For the radiation characteristics, the main polarization horizontal to the
図5に示すように、実施例のアンテナは、動作周波数帯における主偏波の放射量が他の周波数帯より比較的大きいため、アンテナからマイクロ波が放射されていることが理解される。特に、動作周波数帯において、主偏波の放射量は交差偏波と比べて約20dB大きいため、アンテナがダイポールアンテナとして動作していることが示された。 As shown in FIG. 5, in the antenna of the embodiment, since the amount of radiation of the main polarization in the operating frequency band is relatively larger than that of the other frequency bands, it is understood that microwaves are radiated from the antenna. In particular, in the operating frequency band, the radiation amount of the main polarization is about 20 dB larger than that of the cross polarization, so that it is shown that the antenna operates as a dipole antenna.
1 マイクロ波帯アンテナ
2 基板
3 アンテナエレメント
4 給電部
21 仮想線
31 直線部
41 コプレーナ線部
41a 信号線
41b 接地線
42 伝送線部
101 銅箔
103 グラフェン膜
104 Au膜
201 マイクロ波帯アンテナ
202 基板
203 アンテナエレメント
204 給電部
231 直線部
241 コプレーナ線部
242 伝送線部
1
Claims (4)
前記基体上に形成され、単層のグラフェン又は複数層に積層したグラフェンからなる透明なアンテナエレメントと、を有するマイクロ波帯アンテナ。 With the substrate
A microwave band antenna having a transparent antenna element formed on the substrate and composed of graphene having a single layer or graphene laminated in a plurality of layers.
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