JP7460100B2

JP7460100B2 - メタサーフェスユニットに基づく新規なｈ面ｓｉｗホーンアンテナ

Info

Publication number: JP7460100B2
Application number: JP2023503493A
Authority: JP
Inventors: 鋒許; 培財高
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2022-10-13
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2042-10-13
Also published as: JP2023554209A; WO2023087984A1; CN113922079A; CN113922079B

Description

本発明は、ホーンアンテナ技術の分野に関し、具体的には、メタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナに関するものである。

現在、ホーンアンテナは、構造が簡単で、利得が高く、電力容量が大きく、加工が簡単などの利点から、レーダー、遠隔感知、衛星通信、電波天文などの分野で広く使用されている。しかし、従来の金属製ホーンアンテナは、体積が大きく、重量が重く、平面回路との集積が容易ではい。近年提案されている基板集積導波路は、小型、低コスト、軽量、加工と集積が容易であるという利点があり、基板集積導波路に基づいて設計されたホーンアンテナは、従来の金属製ホーンアンテナの利点に加え、小型で集積化が容易であるという利点がある。しかし、Ｋａバンドで薄い誘電体基板を使用すると、ホーンアンテナのインピーダンス帯域幅は狭くなり、これはホーン口と自由空間のインピーダンス整合が不良であるために生じる欠点である。また、Ｈ面ホーンアンテナ構造の固有特性により、薄い基板を使用すると、Ｅ面の半電力ビーム幅と高サイドローブレベルは常に悪くなる。広いインピーダンス帯域幅と良好な放射特性を得るために、従来の技術では、ホーン口の前に形状の異なる誘電体基板を搭載したり、追加で搭載された誘電体基板を金属パッチで覆ったりするが、これらの技術では、アンテナ全体の構造寸法を増加させ、アンテナの寸法が大きくなると、アンテナとシステムとの集積度が低下し、システムの小型化と集積化の傾向に合わない。従来技術ＣＮ１０６０９９３７５Ａに開示されるメタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナは、具体的には、ホーン口を含み、ホーン開口部の外側に位置する誘電体基板に、アンテナの放射方向に沿って配置された空気孔が開けられ、アンテナ全体の構造寸法が大きくなる。

上記のように、従来技術では、ホーン開口部の前に追加の誘電体基板を搭載して、ホーン口と自由空間のインピーダンス整合を実現し、良好な放射性能を得るが、このような技術がアンテナ全体の構造寸法を増大させるという問題点がある。

上記の技術的問題を解決するためには、以下の難しさがある。ホーン開口部の寸法が一定であるという前提で、ホーンアンテナが最も広いインピーダンス帯域幅と最大の利得を持つことを確保するために、ホーンの縦方向の寸法は最適なホーン設計基準を満たす必要がある。ホーンの小型化を実現し、システムの集積度を向上させるためには、ホーンの縦方向の寸法を小さくする必要があるが、縦方向の寸法を小さくすると、インピーダンス帯域幅が減少し、アンテナの利得が低下するという影響をもたらす。ホーン開口部の前に追加の誘電体基板を搭載すると、この問題を解決できるが、アンテナ全体の寸法が大きくなる。従って、上記の技術的問題を解決する難しさは、追加の誘電体基板を必要とせずに、ホーンアンテナのインピーダンス帯域幅と放射性能を一定またはそれ以上に維持するという前提で、ホーンの縦方向の長さを縮小することである。

上記の技術的問題を解決することには、以下の意義がある。上記の技術的問題を解決することは、システムの送受信性能を低下させることなく、アンテナとして本発明を採用する通信システムの小型化及び集積化を実現するのに有益である。

上記の問題を解決するために、本発明は、送受信性能を確保しつつホーンの小型化を実現できる、メタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナを提供する。

上記の目的を達成するために、本発明は以下の技術的手段によって実現される。

本発明は、上部金属層、中間誘電体基板、下部金属層、及び複数の金属円柱を含み、金属円柱が、中間誘電体基板を貫通し、上部金属層及び下部金属層に接続される、Ｈ面ＳＩＷホーンアンテナであって、
Ｈ面ＳＩＷホーンアンテナが、同軸給電構造、中間誘電体基板に集積化されたＳＩＷ伝送線部分及びＳＩＷホーンフレア角部分で構成され、
同軸給電構造が金属内導体と金属外導体を含み、金属内導体が円柱形であり、ＳＩＷ伝送線部分の下部金属層と中間誘電体基板を順に貫通し、ＳＩＷ伝送線部分の上部金属層に到達し、金属内導体の頂部断面が、上部金属層に対して水平であり、上部金属層との境界に環状溝が設けられ、
中間誘電体基板を貫通し、上下部金属層に接続される金属円柱が、ＳＩＷ伝送線の３つの面に分布し、空いている面がホーンアンテナのホーン口に面しており、
ＳＩＷホーンフレア角部分の上部金属層、下部金属層には、位置が対称の等脚台形ノッチがあり、２つの等脚台形ノッチの底辺がホーンアンテナのホーン口に面しており、中間誘電体基板の上下両側の等脚台形ノッチが、それぞれ矩形のメタサーフェスユニットの層で覆われ、２つのメタサーフェスユニットの位置が対称であることを特徴とする、メタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナである。

本発明のさらなる改良として、メタサーフェスユニットは６列であり、狭端から広端にかけて、隣接する２列ごとに１組とし、各組の２列のメタサーフェスユニットの数は同じであり、隣接する２組のうち広端にある１組の各列のメタサーフェスユニットの数は、狭端にある１組の各列のメタサーフェスユニットの数よりも２つ多い。

本発明のさらなる改良として、メタサーフェスユニットの幅は２．１２ｍｍ、長さは２．７ｍｍ、ユニットの幅辺に沿った周期は２．４ｍｍ、ユニットの長辺に沿った周期は２．９ｍｍである。

本発明のさらなる改良として、ＳＩＷ伝送線部分とＳＩＷホーンフレア角部分との境界における上部金属層及び下部金属層に、金属インターデジタル結合構造が設けられ、金属インターデジタルの長さは０．６ｍｍ、幅は０．３ｍｍ、ギャップは０．１８ｍｍである。

本発明のさらなる改良として、中間誘電体基板としては、比誘電率２．２、損失正接０．０００９、厚さ１．５７ｍｍのＲｏｇｅｒｓ５８８０高周波プレートが使用される。

本発明のさらなる改良として、同軸給電構造の金属内導体の半径は０．６３５ｍｍ、金属外導体の半径は１．４６ｍｍ、環状溝９の外周半径は０．８５５ｍｍである。

本発明のさらなる改良として、ＳＩＷ伝送線の幅は８．２ｍｍ、長さは８．４ｍｍである。

本発明のさらなる改良として、ＳＩＷ伝送線の両側壁における隣接する２つの金属円柱間の距離は１．４ｍｍ、金属円柱の直径は０．８ｍｍである。

本発明は、以下の有益な効果を有する。本発明では、ホーンフレア角部分の上下２つの広い壁に等脚台形ノッチを形成し、ノッチに矩形のメタサーフェスユニットを覆うことで、給電源と自由空間との間のインピーダンス整合が良好となり、広いインピーダンス帯域幅が得られるとともに、メタサーフェスユニットにより、フレア角部分の誘電体基板の実効屈折率が大きくなり、波がホーンアンテナの中心に集中し、ホーンアンテナのＥ面の半電力ビーム幅が減少し、ホーンアンテナの利得が向上する。最後に、アンテナの利得を一定またはそれ以上に維持しながら、広いインピーダンス帯域幅が得られ、ホーンの縦方向の長さが短くなる。

本発明のＨ面ＳＩＷホーンアンテナの立体構造概略図である。本発明の正面構造を示す概略図である。本発明の背面構造を示す概略図である。本発明のＨ面ＳＩＷホーンアンテナのＳ１１パラメータのグラフである。本発明のＨ面ＳＩＷホーンアンテナの利得を示すグラフである。本発明のＨ面ＳＩＷホーンアンテナの２５ＧＨｚにおけるＥ面の正規化パターンである。本発明のＨ面ＳＩＷホーンアンテナの２５ＧＨｚにおけるＨ面の正規化パターンである。

以下、本発明の利点及び特徴が当業者により容易に理解され、本発明の保護範囲がより明確に定義されるように、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。しかし、これらの実施形態は例示的であり、本発明を具体的に説明するためにのみ使用され、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

本発明のメタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナは、上部金属層、中間誘電体基板、下部金属層、及び複数の金属円柱を含み、中間誘電体基板２としては、比誘電率２．２、損失正接０．０００９、厚さ１．５７ｍｍのＲｏｇｅｒｓ５８８０高周波プレートが使用される。金属円柱は中間誘電体基板を貫通し、上部金属層及び下部金属層に接続され、最終的にＨ面ＳＩＷホーンアンテナが形成される。

Ｈ面ＳＩＷホーンアンテナは、同軸給電構造、誘電体基板上に集積化されたＳＩＷ伝送線部分及びＳＩＷホーンフレア角部分の３つの部分で構成される。

同軸給電構造は、同軸上に配置された金属内導体７と金属外導体１０で構成され、金属内導体７は円柱形であり、ＳＩＷ伝送線部分の下部金属層３と中間誘電体基板２を順に貫通し、最後にＳＩＷ伝送線部分の上部金属層１に到達する。また、金属内導体７の頂部断面は、上部金属層１に対して水平であり、上部金属層との境界には円環状の溝、すなわち、環状溝がある。金属内導体７の半径は０．６３５ｍｍ、金属外導体１０の半径は１．４６ｍｍ、同軸の特性インピーダンスは５０オームである。上部金属層１において同軸の内導体の周りの環状溝９の外周半径は０．８５５ｍｍであり、外周半径の大きさは、アンテナのＳ１１パラメータが最適となることによって決定される。

ＳＩＷ伝送線部分の上部金属層１と下部金属層３は完全であり、中間誘電体基板２を貫通し、上下部金属層１、３に接続される金属円柱４は、ＳＩＷ伝送線の３つの面に分布し、空いている面はホーンアンテナのホーン口に面している。ＳＩＷ伝送線部分のホーン口に面する一端は、ＳＩＷホーンフレア角部分に接続され、同軸給電構造は閉鎖端の内側に位置し、金属内導体７の中心と閉鎖端との間の距離は２．７ｍｍ、ＳＩＷ伝送線の幅は８．２ｍｍ、長さは８．４ｍｍ、伝送線の両側壁における隣接する２つの金属円柱間の距離は１．４ｍｍ、金属円柱４の直径は０．８ｍｍである。

ＳＩＷホーンフレア角部分の上部金属層１と下部金属層３には、等脚台形ノッチ５が設けられ、２つの等脚台形ノッチ５は対称に配置され、その底辺がホーンアンテナのホーン口に面しており、等脚台形ノッチ５に対応する中間誘電体基板２の上下面は、矩形のメタサーフェスユニット６の層で覆われ、上下のメタサーフェスユニットの位置は対称である。ＳＩＷホーンフレア角部分の長さは１７．６ｍｍであり、アンテナの中心軸に対するフレア角は２２度である。フレア角の大きさは、アンテナのＨ面の半電力ビーム幅が最小となることによって決定される。メタサーフェスユニット６の配置数及び各列のメタサーフェスユニット６の数は、等脚台形ノッチの大きさによって決定され、好ましくは、合計６列のメタサーフェスユニットがあり、狭端から広端にかけて、隣接する２列ごとに１組とし、各組の２列のメタサーフェスユニットの数は同じであり、狭端にある各列のメタサーフェスユニット６の数は、広端にある各列のメタサーフェスユニット６の数よりも２つ少なく、メタサーフェスユニット６の幅は２．１２ｍｍ、長さは２．７ｍｍ、ユニットの幅辺に沿った周期は２．４ｍｍ、ユニットの長辺に沿った周期は２．９ｍｍである。メタサーフェスユニット６の大きさ及び周期は、アンテナのＳ１１パラメータ及び利得が最適となることによって決定することができる。

ＳＩＷ伝送線部分とＳＩＷホーンフレア角部分との境界における上部金属層及び下部金属層に、金属インターデジタル結合構造８が設けられ、金属インターデジタルの長さは０．６ｍｍ、幅は０．３ｍｍ、ギャップは０．１８ｍｍであり、インターデジタルの長さ、幅及びギャップは、アンテナのＳ１１パラメータが最適となることによって決定される。

本実施形態のＨ面ＳＩＷホーンアンテナのシミュレーション及び測定結果は、図４～図７に示され、ここで、Ｓ１１パラメータが－１０ｄＢ未満のシミュレーション帯域幅は２２．３ＧＨｚ～２８．６ＧＨｚ（２４．８％）、測定帯域幅２１．５ＧＨｚ～２８ＧＨｚ（２６．３％）である。動作帯域幅内で、利得のシミュレーション値は８．６ｄＢｉ～１１ｄＢｉ、測定値は７．９ｄＢｉ～１０．７ｄＢｉである。Ｅ面の半電力ビーム幅のシミュレーション値は７０度、測定値は７２度である。Ｈ面の半電力ビーム幅のシミュレーション値は４４度、測定値は６０度である。上記のシミュレーション及び測定結果から分かるように、本発明の構造によって、追加の誘電体基板を必要とせずに、アンテナのインピーダンス帯域幅を広げ、アンテナの放射性能を向上させ、ホーンアンテナの縦方向の長さを小さくすることを実現した。

上記は、本発明の好ましい実施形態に過ぎず、当業者にとって、本発明の原理から逸脱することなく、いくつかの改良及び修正を行うことができ、これらの改良及び修正も本発明の保護範囲と見なされるべきである。

１－上部金属層、２－中間誘電体基板、３－下部金属層、４－金属円柱、５－等脚台形ノッチ、６－メタサーフェスユニット、７－金属内導体、８－金属インターデジタル結合構造、９－環状溝、１０－金属外導体。

Claims

上部金属層、中間誘電体基板、下部金属層、及び複数の金属円柱を含み、前記金属円柱が、前記中間誘電体基板を貫通し、前記上部金属層及び下部金属層に接続される、Ｈ面ＳＩＷホーンアンテナであって、
前記Ｈ面ＳＩＷホーンアンテナは、同軸給電構造、前記中間誘電体基板に集積されたＳＩＷ伝送線部分及びＳＩＷホーンフレア角部分で構成され、
前記同軸給電構造は金属内導体と金属外導体を含み、金属内導体は円柱形であり、前記ＳＩＷ伝送線部分の下部金属層と中間誘電体基板を順に貫通し、前記ＳＩＷ伝送線部分の上部金属層に到達し、前記金属内導体の頂部断面は、前記上部金属層に対して水平であり、上部金属層との境界に環状溝が設けられ、
中間誘電体基板を貫通し、上下部金属層に接続される金属円柱は、ＳＩＷ伝送線の３つの面に分布し、空いている面はホーンアンテナのホーン口に面しており、
前記ＳＩＷホーンフレア角部分の上部金属層、下部金属層には、位置が対称の等脚台形ノッチがあり、２つの等脚台形ノッチの底辺はホーンアンテナのホーン口に面しており、中間誘電体基板の上下両側の等脚台形ノッチは、それぞれ矩形のメタサーフェスユニットの層で覆われ、２つのメタサーフェスユニットの位置は対称であることを特徴とする、メタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナ。
前記メタサーフェスユニットは６列であり、狭端から広端にかけて、隣接する２列ごとに１組とし、各組の２列の前記メタサーフェスユニットの数は同じであり、隣接する２組のうち広端にある１組の各列の前記メタサーフェスユニットの数は、狭端にある１組の各列の前記メタサーフェスユニットの数よりも２つ多いことを特徴とする、請求項１に記載のメタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナ。
前記メタサーフェスユニットの幅は２．１２ｍｍ、長さは２．７ｍｍ、ユニットの幅辺に沿った周期は２．４ｍｍ、ユニットの長辺に沿った周期は２．９ｍｍであることを特徴とする、請求項２に記載のメタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナ。
前記中間誘電体基板としては、比誘電率２．２、損失正接０．０００９、厚さ１．５７ｍｍのＲｏｇｅｒｓ５８８０高周波プレートが使用されることを特徴とする、請求項１に記載のメタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナ。
前記同軸給電構造の前記金属内導体の半径は０．６３５ｍｍ、前記金属外導体の半径は１．４６ｍｍ、環状溝９の外周半径は０．８５５ｍｍ、同軸の特性インピーダンスは５０オームであることを特徴とする、請求項１に記載のメタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナ。
前記ＳＩＷ伝送線の幅は８．２ｍｍ、長さは８．４ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のメタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナ。
前記ＳＩＷ伝送線の両側壁における隣接する２つの金属円柱間の距離は１．４ｍｍ、金属円柱の直径は０．８ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のメタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナ。
ＳＩＷ伝送線部分とＳＩＷホーンフレア角部分との境界における上部金属層及び下部金属層に、金属インターデジタル結合構造が設けられ、金属インターデジタルの長さは０．６ｍｍ、幅は０．３ｍｍ、ギャップは０．１８ｍｍであることを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載のメタサーフェスユニットに基づく新規なＨ面ＳＩＷホーンアンテナ。