JPH10173432A - 平面アンテナおよびアンテナアレイ - Google Patents

平面アンテナおよびアンテナアレイ

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JPH10173432A
JPH10173432A JP34038796A JP34038796A JPH10173432A JP H10173432 A JPH10173432 A JP H10173432A JP 34038796 A JP34038796 A JP 34038796A JP 34038796 A JP34038796 A JP 34038796A JP H10173432 A JPH10173432 A JP H10173432A
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antenna
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corrugated structure
opening
substrate
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンテナ開口部の端部とアンテナ端との間の
距離を短くした場合であっても、指向性が劣化しないよ
うにすること。 【解決手段】 本発明の平面アンテナは、スロットライ
ンのスロット幅がテーパー状に広がった構造を備え、ス
ロットラインの進行方向に電磁波を放射するものであっ
て、スロットラインを有すると共に、電磁波の放射方向
と平行な端部にそれぞれコルゲート構造14を有する導
体部12を備えるものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は移動体通信機器や小
型情報端末、その他平面アンテナを内蔵する無線装置へ
応用可能な平面アンテナおよびアンテナアレイに関し、
より詳細には、平面アンテナ、特にテーパードスロット
アンテナの指向性の向上を図った平面アンテナおよびア
ンテナアレイに関する。
【0002】
【従来の技術】平面アンテナの一形態であるテーパード
スロットアンテナは、スロットラインのスロット幅が傾
きを持って(テーパー状に)広くなる構造を備え、アン
テナ面に対して平行な方向(スロットラインの進行方
向)に電磁波を放射するものである。このテーパードス
ロットアンテナは、構造がスロットラインと同様である
ためマイクロストリップラインのように裏面に接地導体
を必要とせず、ユニプレーナー構造の給電線や整合回路
と容易に一体化させることができる。なお、以下では、
上記テーパードスロットアンテナのことを単に平面アン
テナと呼ぶことにする。
【0003】図6は、従来の平面アンテナを示す平面図
である。図6に示す平面アンテナ60は、誘電体からな
る基板11と、基板11上に形成され、電磁波を放射ま
たは入射するテーパー状スロット部13を有する導体部
12とを備えている。テーパー状スロット部13は、入
力部13aと、曲線部13bと、開口部13cとから構
成される。この平面アンテナ60のアンテナ長は4波長
であり、開口部13cの幅は1波長であり、開口部13
cの端部(アンテナ開口端)とアンテナ端との間の距離
1 ,D2 はそれぞれ2波長である。
【0004】平面アンテナ60は、上記のような特徴が
あるものの、アンテナの大きさ、特にアンテナの幅につ
いて以下のような制限がある。一般に、平面アンテナ6
0の開口部13cの幅は1波長程度であるが、開口部1
3cの端部とアンテナ端との間の距離D1 ,D2 はそれ
ぞれ2波長程度必要である。もし、開口部13cの端部
とアンテナ端との間の距離D1 ,D2 を2波長より短く
すると、平面アンテナ60の指向性が劣化するといわれ
ている。
【0005】例えば,RAMAKRISHNA JAN
ASWAMY and DANIEL H. SCHA
UBERT, IEEE Trans on Ante
nnas and Propagation, Vo
l, AP−35, No.9, 1987 p.10
58−1065 ”Analysis of theT
apered Slot Antenna” には、上
述したように、開口部の端部とアンテナ端との間の距離
を短くしていくと、平面アンテナの指向性が劣化すると
いう例が開示されている。また、この論文によれば、開
口部の端部とアンテナ端との間の距離を一定に保った状
態で、アンテナの中心からアンテナ端までの距離が3波
長以上あれば、アンテナの指向性を良好に保つことがで
きる旨が開示されている。
【0006】以下に、平面アンテナにおける開口部13
cの端部とアンテナ端との間の距離と、アンテナ指向性
との関係についての実験結果を示す。
【0007】図7(a)および図7(b)は、図6に示
す平面アンテナ60(開口部13cの端部とアンテナ端
との間の距離D1 ,D2 が2波長)の指向性を測定した
結果を示しており、図7(a)はE面についての測定結
果であり、図7(b)はH面についての測定結果であ
る。
【0008】図7(a)および図7(b)を見ると、図
6に示す平面アンテナ60は、開口部13cの端部とア
ンテナ端との間の距離D1 ,D2 が2波長であるため、
良好な指向性を有していることがわかる。
【0009】一方,図8は、従来の平面アンテナの他の
例を示す平面図である。図8に示す平面アンテナ80
は、開口部13cの端部とアンテナ端との間の距離
1 ,D2が0.5波長であるものである。また、図9
(a)および図9(b)は、図8に示す平面アンテナ8
0の指向性を測定した結果を示しており、図9(a)は
E面についての測定結果であり、図9(b)はH面につ
いての測定結果である。
【0010】図9(a)に示すE面の指向性は、図7
(a)と比較して、メインロブが割れてサイドロブレベ
ルが高くなっている。また、図9(b)に示すH面の指
向性は、図7(b)と比較して、ややブロードになって
いる。
【0011】このように、図6に示す開口部13cの端
部とアンテナ端との間の距離D1 ,D2 が2波長の平面
アンテナ60と、図8に示す開口部13cの端部とアン
テナ端との間の距離D1 ,D2 が0.5波長の平面アン
テナ80との指向性を比較した結果、開口部13cの端
部とアンテナ端との間の距離D1 ,D2 を短くした場合
は、平面アンテナの指向性が劣化する傾向があるという
事実を確認することができた。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の平面アンテナにおいては、アンテナ開口部の幅は1波
長程度であるが、平面アンテナの指向性を良好に維持す
るためには、アンテナ開口部の端部とアンテナ端との間
の距離がそれぞれ2波長程度必要であり、その結果、ア
ンテナ幅が5波長程度となってしまう。すなわち、指向
性を維持することを考慮すると、平面アンテナの小型化
を図ることは困難であり、そのことが実用化の妨げとな
るという問題があった。
【0013】また、複数の平面アンテナを同一平面上に
形成することによってアンテナアレイを構成した場合に
おいても、各アンテナ間の距離を近づけていくと、同様
に指向性が劣化したり、隣接するアンテナ間のクロスト
ークが大きくなってしまう傾向があり、アンテナアレイ
を構成する個々の平面アンテナ間の距離をあまり近づけ
ることができなかった。したがって、個々の平面アンテ
ナを近接させた状態で構成されたアンテナアレイは、所
望の特性を得ることができず、一方、個々の平面アンテ
ナの特性を維持したままでは、アンテナ間の距離を短く
することができないため、アンテナアレイの小型化を図
ることは困難であり、アンテナアレイの用途が限られて
しまうという問題があった。
【0014】本発明は上記に鑑みてなされたものであっ
て、アンテナ開口部の端部とアンテナ端との間の距離を
短くした場合であっても、指向性が劣化しないようにす
ることを第1の目的とする。
【0015】また、アンテナアレイを構成する個々の平
面アンテナ間の距離を短くし、個々のアンテナを近接さ
せた場合であっても、各平面アンテナの特性が劣化しな
いようにすることを第2の目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】平面アンテナのアンテナ
開口部の端部とアンテナ端との間の距離が2波長程度必
要であるとされる理由は、現在のところ完全に明らかに
されてはいないが、概念的には以下の理由によるものと
考えられる。
【0017】平面アンテナは、進行波型アンテナであ
り、この平面アンテナにおいては、スロットラインを伝
搬する電磁波がテーパー部分を伝搬するうちに、自由空
間を伝搬するモードに移り変わっていくことで電磁波が
放射される。その過程で、スロットラインから自由空間
へのモードの不連続を補うために、基板表面を伝わる表
面波モードが励振される。ここでアンテナ開口部の端部
とアンテナ端との間の距離が十分に長ければ、この表面
波はアンテナから遠ざかる方向に伝搬されるのみである
ため、この影響を無視することができるが、アンテナ開
口部の端部とアンテナ端との間の距離が短い場合、この
表面波がアンテナ端で反射されてアンテナ部まで戻り、
再びスロットラインや自由空間を伝搬する電磁波と相互
作用を起こしてしまう。このように、アンテナ開口部の
端部とアンテナ端との間の距離が短いほど、アンテナ端
で反射されて戻ってくる表面波の強度が強いため、平面
アンテナの特性が劣化することになると考えられる。
【0018】そこで、本発明の発明者は、アンテナ端で
反射されて戻ってくる表面波の強度を弱めることができ
れば、アンテナ開口部の端部とアンテナ端との間の距離
を短くしても、アンテナの特性の劣化を防ぐことができ
るという点に着目し、アンテナ端で反射されて戻ってく
る表面波が波であることを利用して、反射波の一部がπ
程度の位相差を持つようにしてそれぞれ重ね合わせるこ
とにより、反射波同士を打ち消し合わせることができる
ということを見出した。
【0019】すなわち、本発明の請求項1の平面アンテ
ナは、スロットラインのスロット幅がテーパー状に広が
った構造を備え、前記スロットラインの進行方向に電磁
波を放射する平面アンテナにおいて、前記スロットライ
ンを有すると共に、前記電磁波の放射方向と平行な端部
にそれぞれコルゲート構造を有する導体部を備えるもの
である。
【0020】また、本発明の請求項2のアンテナアレイ
は、スロットラインのスロット幅がテーパー状に広がっ
た構造を備え、前記スロットラインの進行方向に電磁波
を放射する平面アンテナを同一平面上に複数備えたアン
テナアレイにおいて、前記スロットラインを複数有する
と共に、前記各スロットラインの間にコルゲート構造が
設けられたスリットを有する導体部を備えるものであ
る。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る平面アンテナ
およびアンテナアレイについて、〔実施の形態1〕,
〔実施の形態2〕,〔実施の形態3〕の順で図面を参照
しつつ詳細に説明する。
【0022】〔実施の形態1〕図1は、実施の形態1の
平面アンテナの平面図である。図1に示す平面アンテナ
10は、誘電体からなる基板11と、基板11上に形成
され、電磁波を放射または入射するテーパー状スロット
部13を有する導体部12とを備えている。テーパー状
スロット部13は、入力部13aと、曲線部13bと、
開口部13cとから構成される。また、導体部12の電
磁波の放射方向に平行な端部には、それぞれ基板11上
の導体部12を周期的に矩形状に取り除くことによって
形成されたコルゲート構造部14が設けられている。な
お、図1において、16はコプレーナー線路にモード変
換するバランを示している。
【0023】実施の形態1の平面アンテナ10におい
て、基板11は、厚さが50μmのカプトンからなる。
導体部12は、基板11上に厚さ5μmの銅が積層され
て形成されている。また、テーパー状スロット部13
は、導体部12をエッチング等で除去して形成される。
また、平面アンテナ10の設計周波数は60GHzであ
り、アンテナ長は20mmであり、開口部13cの幅は
5mmであり、開口部13cの端部とアンテナ端との間
の距離D1 ,D2 はそれぞれ2.5mmである。さら
に、コルゲート構造部14は、導体部12を0.8mm
周期で0.4mm×1mmの矩形状に取り除くことによ
って形成されている。
【0024】図2は、図1中の領域Aの拡大図である。
以下に、この図2を用いて、平面アンテナ10の導体部
12に設けられたコルゲート構造部14の作用を説明す
る。
【0025】既に説明したように、コルゲート構造部1
4は、導体部12の電磁波の放射方向に平行な端部に形
成されたものであって、基板11上の導体部12を周期
的に矩形状に取り除くことによって形成されたものであ
る。図2において、14aは、基板11上に積層されて
形成された導体部12が周期的に矩形状に取り除かれた
領域を示しており、この領域には、基板11しか存在し
ない。
【0026】上述したように、平面アンテナ10では、
スロットラインを伝搬する電磁波がテーパー部分を伝搬
するうちに、自由空間を伝搬するモードに移り変わって
いくことで電磁波が放射される。その過程で、スロット
ラインから自由空間へのモードの不連続を補うために、
基板表面を伝わる表面波モードが励振される。ここで開
口部13cの端部とアンテナ端との間の距離D1 ,D2
が十分に長ければ、この表面波はアンテナから遠ざかる
方向に伝搬されるのみであるため、この影響を無視する
ことができるが、開口部13cの端部とアンテナ端との
間の距離D1 ,D2 が短い場合、この表面波がアンテナ
端部で反射されてアンテナ部まで戻り、再びスロットラ
インや自由空間を伝搬する電磁波と相互作用を起こして
しまう。
【0027】図2において、15は、アンテナ部で生じ
た表面波を示しており、この表面波は、コルゲート構造
部14の端部14b,14cで反射される。コルゲート
構造部14の端部14b,14cで反射された表面波
は、再びアンテナ部に向かって伝搬されることになる
が、コルゲート構造部14の作用によって表面波は互い
に打ち消し合い、アンテナ部に戻って行く表面波の強度
が弱められる。すなわち、コルゲート構造部14を導体
部12の端部に設けることにより、導体端部には凹凸が
形成される。その結果、図2に示すコルゲート構造部1
4の端部14b,14cの位置が異なるため、アンテナ
部からの表面波が反射される位置が異なることになる。
したがって、コルゲート構造部14の端部14b,14
cで反射された表面波は、光路長の違いによって互いに
位相がずれることになり、互いに打ち消し合い、その強
度が弱められることになる。
【0028】したがって、開口部13cの端部とアンテ
ナ端との間の距離D1 ,D2 を短くした場合であって
も、コルゲート構造部14を設けることによって、平面
アンテナ10の特性が劣化しないようにすることができ
る。
【0029】次に、実施の形態1の平面アンテナ10の
指向性を測定した結果を説明する。図3(a)および図
3(b)は、図1に示す平面アンテナ10の指向性を6
0GHzで測定した結果を示しており、図3(a)はE
面についての測定結果であり、図3(b)はH面につい
ての測定結果である。
【0030】従来の平面アンテナにおいて、開口部13
cの端部とアンテナ端との間の距離D1 ,D2 を短くし
た場合は、E面の指向性のメインロブが割れてサイドロ
ブレベルが高くなり(図9(a)参照)、H面の指向性
がややブロードになる(図9(b)参照)という問題が
あった。ところが、図3(a)および図3(b)を見る
と、実施の形態1の平面アンテナ10では、上記問題が
明らかに改善されていることがわかり、コルゲート構造
部14を設けることの有効性を示す結果を得ることがで
きた。
【0031】このように、実施の形態1の平面アンテナ
10によれば、導体部12の電磁波の放射方向と平行な
端部にそれぞれコルゲート構造部14を設けたため、た
とえ開口部13cの端部とアンテナ端との間の距離
1 ,D2 が短い場合であっても、アンテナ端で反射さ
れた表面波の強度を弱めることができ、平面アンテナの
指向性が劣化することを防止することができる。
【0032】〔実施の形態2〕図4は、実施の形態2の
アンテナアレイの平面図である。図4に示すアンテナア
レイ40は、同一平面上に複数の平面アンテナ43〜4
5が形成されたものであって、誘電体からなる基板41
(図示せず)と、基板41上に形成され、電磁波を放射
または入射する複数のテーパー状スロット部43a〜4
5aを有する導体部42とを備えている。また、導体部
42の各平面アンテナ43〜45間には、コルゲート構
造が設けられたスリット46〜49が形成されている。
【0033】実施の形態2のアンテナアレイにおいて、
基板41は、厚さ50μmのカプトンからなり、導体部
42は、基板41上に厚さ5μmの銅が積層されて形成
されている。各平面アンテナ43〜45は、上記基板4
1上に形成されており、設計周波数は60GHzであ
り、アンテナ長は20mmであり、開口部43b〜45
bの幅は5mmであり、開口部43b〜45bの端部間
の距離D3 は5mmである。さらに、各アンテナ43〜
45間に設けられたスリット46〜49は、幅100μ
m、長さ20mmであって、スリット46〜49の両側
に0.4mm×1mmのコルゲートが0.8mm周期で
形成されている。
【0034】次に、実施の形態2のアンテナアレイ40
において、コルゲート構造を有するスリット46〜49
の作用を説明する。
【0035】上述したように、同一平面に複数の平面ア
ンテナを備えたアンテナアレイにおいて、各平面アンテ
ナ間の距離を短くした場合には、隣接するアンテナ間の
クロストークと各アンテナの指向性の劣化が問題とな
る。ここで、隣接するアンテナ間のクロストークを低減
させるには、各アンテナ間にスリットを設けるのみで良
い。ところが、各アンテナ間にスリットを設けた場合に
は、このスリット部分で、上述したアンテナ部からの表
面波が反射され、反射された表面波が再びアンテナ部に
戻ることによって各アンテナの指向性を劣化させること
になってしまう。
【0036】そこで、実施の形態2のアンテナアレイ4
0においては、各平面アンテナ43〜45間にスリット
46〜49を設けると共に、各スリット46〜49にコ
ルゲート構造を持たせることにより、スリット46〜4
9で反射された表面波が互いに打ち消し合うようにし、
表面波の強度を弱めることを可能にしている。すなわ
ち、コルゲート構造をスリット46〜49に設けること
により、スリット46〜49の端部には凹凸が形成され
る。したがって、コルゲート構造による凹凸部分で反射
された表面波は、光路長の違いによって互いに位相がず
れ、互いに打ち消し合い、その結果、その強度が弱めら
れることになる。
【0037】また、スリット46〜49を設けたため、
隣接する平面アンテナ43〜45間のクロストークを低
減させることができる。
【0038】このように、実施の形態2のアンテナアレ
イによれば、コルゲート構造を有するスリット46〜4
9を設けたため、各平面アンテナ43〜45間の距離を
短くし、各平面アンテナ43〜45を近接させたとして
も、アンテナ端で反射された表面波の強度を弱めること
ができ、隣接するアンテナ間のクロストークを低減する
と共に、各アンテナの指向性が劣化することを防止する
ことができる。その結果、アンテナアレイを構成する個
々の平面アンテナの特性が劣化することを防止すること
ができる。
【0039】なお、図4中のアンテナアレイ40が備え
る平面アンテナは3つであるが、平面アンテナの数を3
つに限定するものではない。
【0040】〔実施の形態3〕図5は、実施の形態3の
アンテナアレイの平面図である。図5に示すアンテナア
レイ50は、同一平面上に複数の平面アンテナ53〜5
5が形成されたものであって、誘電体からなる基板51
(図示せず)と、基板51上に形成され、電磁波を放射
または入射する複数のテーパー状スロット部53a〜5
5aを有する導体部52とを備えている。また、導体部
52の各平面アンテナ53〜55間には、コルゲート構
造が設けられたスリット56〜59が形成されている。
なお、スリット56〜59に設けられたコルゲート構造
は、実施の形態2のコルゲート構造とは異なり、入れ子
構造となっている。このように入れ子構造とすることに
より、実施の形態2のスリット46〜49に比べて、ス
リット56〜59の幅を狭くすることができる。
【0041】実施の形態3のアンテナアレイ50におい
て、基板51は、厚さ50μmのカプトンからなり、導
体部52は、基板51上に厚さ5μmの銅が積層されて
形成されている。各平面アンテナ53〜55は、上記基
板51上に形成されており、設計周波数は60GHzで
あり、アンテナ長は20mmであり、開口部53b〜5
5bの幅は5mmであり、開口部53b〜55bの端部
間の距離D3 は5mmである。さらに、各アンテナ53
〜55間に設けられたスリット56〜59は、幅が10
0μmであって、0.3mm×1mmのコルゲートが
0.8mm周期で並べられるように蛇行しつつ進んでい
く構成となっている。
【0042】なお、実施の形態3のアンテナアレイ50
において、コルゲート構造を有するスリット56〜59
の作用については、実施の形態2で説明した通りである
ため、ここでは説明を省略する。
【0043】このように、実施の形態3のアンテナアレ
イによれば、コルゲート構造を有するスリット56〜5
9を設けたため、各平面アンテナ53〜55間の距離を
短くし、各平面アンテナ53〜55を近接させたとして
も、アンテナ端で反射された表面波の強度を弱めること
ができ、隣接するアンテナ間のクロストークを低減する
と共に、各アンテナの指向性が劣化することを防止する
ことができる。その結果、アンテナアレイを構成する個
々の平面アンテナの特性が劣化することを防止すること
ができる。
【0044】なお、図5中のアンテナアレイ50が備え
る平面アンテナは3つであるが、平面アンテナの数を3
つに限定するものではない。
【0045】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る平面
アンテナ(請求項1)によれば、スロットラインを有す
ると共に、電磁波の放射方向と平行な端部にそれぞれコ
ルゲート構造を有する導体部を備えるため、たとえ開口
部の端部とアンテナ端との間の距離が短い場合であって
も、アンテナ端で反射された表面波の強度を弱めること
ができ、平面アンテナの指向性が劣化することを防止す
ることができる。
【0046】また、本発明に係るアンテナアレイ(請求
項2)によれば、スロットラインを複数有すると共に、
各スロットラインの間にコルゲート構造が設けられたス
リットを有する導体部を備えるため、各平面アンテナ間
の距離を短くし、各平面アンテナを近接させたとして
も、アンテナ端で反射された表面波の強度を弱めること
ができ、隣接するアンテナ間のクロストークを低減する
と共に、各アンテナの指向性が劣化することを防止する
ことができる。その結果、アンテナアレイを構成する個
々の平面アンテナの特性が劣化することを防止すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1の平面アンテナの平面図である。
【図2】図1中の領域Aの拡大図である。
【図3】図1に示す平面アンテナの指向性を測定した結
果を示しており、(a)はE面についての測定結果であ
り、(b)はH面についての測定結果である。
【図4】実施の形態2のアンテナアレイの平面図である
【図5】実施の形態3のアンテナアレイの平面図であ
る。
【図6】従来の平面アンテナを示す平面図である。
【図7】図6に示す平面アンテナの指向性を測定した結
果を示す説明図であり、(a)はE面についての測定結
果であり、(b)はH面についての測定結果である。
【図8】従来の平面アンテナの他の例を示す平面図であ
る。
【図9】図8に示す平面アンテナの指向性を測定した結
果を示す説明図であり、(a)はE面についての測定結
果であり、(b)はH面についての測定結果である。
【符号の説明】
10,60,80,43〜45,53〜55 平面
アンテナ 11,41,51 基板 12,42,52 導体部 13,43a〜45a,53a〜55a テーパー
状スロット部 13a 入力部 13b 曲線部 13c,43b〜45b,53b〜56b 開口部 14 コルゲート構造部 16 バラン 40,50 アンテナアレイ 46〜49,56〜59 スリット

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スロットラインのスロット幅がテーパー
    状に広がった構造を備え、前記スロットラインの進行方
    向に電磁波を放射する平面アンテナにおいて、 前記スロットラインを有すると共に、前記電磁波の放射
    方向と平行な端部にそれぞれコルゲート構造を有する導
    体部を備えることを特徴とする平面アンテナ。
  2. 【請求項2】 スロットラインのスロット幅がテーパー
    状に広がった構造を備え、前記スロットラインの進行方
    向に電磁波を放射する平面アンテナを同一平面上に複数
    備えたアンテナアレイにおいて、 前記スロットラインを複数有すると共に、前記各スロッ
    トラインの間にコルゲート構造が設けられたスリットを
    有する導体部を備えることを特徴とするアンテナアレ
    イ。
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