JPH11191707A

JPH11191707A - 平面アレーアンテナ

Info

Publication number: JPH11191707A
Application number: JP9356926A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Uchimura; 弘志内村; Takeshi Takenoshita; 健竹之下
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 1999-07-13

Abstract

(57)【要約】【課題】高周波用の平面アレーアンテナにおいて、損失
が小さく、アンテナ素子以外の不要放射もなく、低コス
トで自由に回路設計できる給電回路を具備する平面アレ
イアンテナを提供する。【解決手段】誘電体基板４０と、誘電体基板４０の表面
にアレー状に形成された複数のアンテナ素子２と、給電
回路を具備し、この給電回路を誘電体基板４０中に構成
された信号波長の１／２未満の間隔で平行に配列された
一対のビアホール導体列と導体層とで囲まれた誘電体導
波路１により形成し、さらに、給電回路がｎ分岐部を有
し、分岐部中心に給電ピンを有し、給電ピンを中心とし
て３６０／ｎ度毎に誘電体導波路を放射状に形成して回
路の設計の自由度を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主にマイクロ波及
びミリ波等の高周波信号を放射するための平面アレーア
ンテナの給電回路に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来より、マイクロ波やミリ波等の高周波
信号を放射するための平面アレーアンテナの給電回路と
しては、様々なものが用いられてきた。例えば、パッチ
アンテナを例に取ると、以下の方法が知られている。

【０００３】ａ）誘電体基板の表面に設けられたパッチ
アンテナに対して、基板表面に形成したマイクロストリ
ップ線路やコプレーナ線路により同一平面上でアンテナ
給電する方法。ｂ）誘電体基板内部にマイクロストリップ線路で給電回
路を形成し、グランド層に空けたスロットによる電磁結
合、またはグランド層に穴を形成しその穴に給電ピンを
差し込んでグランド層の反対面にあるパッチアンテナに
給電する。ｃ）ｂ）において、給電回路をストリップ線路で形成す
る。ｄ）導波管により給電回路を形成し、グランド層に空け
たスロットによる電磁結合、またはグランド層に穴を形
成し、その穴に給電ピンを差し込んでパッチアンテナに
給電する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般的に高周波の領域
では、線路における信号強度の減衰が大きいので、伝送
線路には低損失であることが要求される。特にアレーア
ンテナの場合は必要な利得を稼ぐために多くのアンテナ
素子を配列するので、給電回路の長さもこれにともない
長くなるため、特に低損失であることが要求される。ま
た、アンテナ素子以外からの不要放射をできるだけ低減
すること、および低コストで作製できることが重要とな
る。

【０００５】ところが、前記ａ）の場合、マイクロスト
リップ線路のコーナー部および分岐部で電磁波の不要放
射が発生する。ｂ）の場合、ａ）の時のような不要放射
は無くなるが、給電ピンおよび電磁結合部による損失が
発生する。また、スロットによる場合、アンテナ素子が
配列された裏面にも電磁波が放射される。ｃ）の場合、
ｂ）の場合のようなアンテナ裏面への放射は無くなる
が、給電回路のコーナー部や分岐部でパラレルプレート
モードが発生し、アンテナ素子への給電効率が劣化す
る。ｄ）の場合、給電回路に導波管を用いるので、低損
失でありしかも線路からの不要放射が無いので、非常に
高効率のアレーアンテナを作製できる。しかし、導波管
そのものが厚いためアンテナ全体の厚みが厚くなり、製
作にコストがかかるという問題点がある。

【０００６】従って、本発明は、高周波用の平面アレー
アンテナにおいて、損失が小さく、アンテナ素子以外の
不要放射もなく、低コストで自由に回路設計できる給電
回路を具備する平面アレーアンテナを提供することを目
的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記の課
題に関して検討を重ねた結果、積層化技術に基づき、ビ
アホール導体と導体層との組み合わせによって形成され
た誘電体導波路を給電回路として形成することにより、
損失が小さくアンテナ素子以外の不要放射もなく、低コ
ストで作製可能な平面アレーアンテナを作製できること
を見いだした。

【０００８】即ち、本発明の平面アレーアンテナは、誘
電体基板と、該誘電体基板の表面にアレー状に形成され
た複数のアンテナ素子と、前記誘電体基板中に構成され
た信号波長の１／２未満の間隔で平行に配列された一対
のビアホール導体列と導体層とで囲まれた積層型誘電体
導波路からなる給電回路を具備することを特徴とするも
のである。

【０００９】また、前記給電回路がｎ分岐部を有し、該
分岐部中心に給電ピンを有し、該給電ピンを中心として
３６０／ｎ度毎に前記積層型誘電体導波路が放射状に形
成されていること、前記アンテナ素子と前記積層型誘電
体導波路とが、給電ピンまたは導体層に設けられたスロ
ットを介した電磁結合によって接続されていること、さ
らには、前記アンテナ素子が、逆Ｌアンテナ、プリント
ダイポールアンテナ、ループアンテナ、スパイラルアン
テナのうちの１種であることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の平面アレーアンテ
ナについて図面を用いて説明する。まず、図９は、シー
ト積層化技術により作製される誘電体導波路の基本構造
の一例を示す斜視図である。図９によれば、厚みａの誘
電体基板４０の導波管形成部の上下面に一対の主導体層
４１、４２が被着形成されている。そして、主導体層４
１、４２間を電気的に接続するように、一対のビアホー
ル導体列４３、４４が間隔ｂをもって、平行に導波管形
成方向にビアホール導体間隔ｃで形成されている。

【００１１】なお、前記列間隔ｂに対する制限は特には
ないが、シングルモードで用いる場合には、ａ／２程度
または２ａ程度とすることが良く、ビアホール導体間隔
ｃは、伝送信号波長の１／２未満の間隔に設定されるこ
とで電気的な壁を形成している。この構成によれば、主
導体層４１、４２および多数のビアホール導体列４３、
４４群によって囲まれたａ×ｂのサイズの断面領域が誘
電体導波路となる。

【００１２】また、上記の主導体層４１、４２間のａ×
ｂ断面領域を挟持するようにその両側には、主導体層と
平行に副導体層４５が形成されている。この副導体層４
５を形成することにより、ビアホール導体列４３、４４
からの電磁波の漏れを防止することができる。また上記
間隔ｂをａ／２程度とし、ＴＥ１０モードで用いる場合
には側面が磁界に平行なＨ面となるので副導体層４５が
ないと信号が伝播しない。

【００１３】この図９の誘電体導波路は、主導体層４
１、４２の上下面にさらに誘電体層を積層すれば、誘電
体導波路を誘電体基板内に埋設して内部回路として形成
することができる。

【００１４】次に、図９の誘電体導波路を用いた本発明
の平面アレーアンテナの例を図１に示す。１は誘電体導
波路（点線で示す部分）、２はアンテナ素子、３は導波
路給電部、４は導波路コーナー部、５は導波路Ｔ分岐
部、４０は誘電体基板である。

【００１５】まず、アンテナ素子２形成面の裏面から給
電部３を通して誘電体導波路１に信号が給電される。給
電部３はピンでも良いし、またスロットを用いた電磁結
合であっても良い。その後、信号は導波路Ｔ分岐５によ
り分配され、導波路コーナー部を通ってそれぞれのアン
テナ素子２の直下まで導かれる。

【００１６】図２は、本発明の平面アレーアンテナにお
ける誘電体導波路１からアンテナ素子２への給電構造を
説明するための断面図である。図２によれば、アンテナ
素子２は、上記積層型誘電体導波路１による給電回路の
上部に誘電体シート６を形成し、その上部に例えばプリ
ント型のアンテナ素子２が形成される。アンテナ素子２
としては、逆Ｌアンテナ、プリントダイポールアンテ
ナ、ループアンテナ、スパイラルアンテナ等の周知のア
ンテナ素子を用いることができる。そして、誘電体導波
路１からアンテナ素子２への給電は、誘電体導波路１の
アンテナ素子２形成側に位置する主導体層４１に開口部
７を形成し、その開口部７の中心にアンテナ素子２と電
気的に接続した給電ピン８を埋設するか、あるいは主導
体層４１にスロットを形成して、そのスロットを介して
両者を電磁結合させて給電する事ができる。

【００１７】本実施形態では、全てのアンテナ素子の給
電は並列給電方式である。この方式によれば、導波管給
電部３から各アンテナ素子２までの線路長が等しいので
線路による周波数帯域の制限は少ないため設計しやす
い。もちろん直列給電方式を用いることもできる。この
場合、長線路効果により周波数帯域が狭くなり、またア
ンテナ素子２との結合量を制御する必要があり設計が複
雑になるが、給電線路長を並列給電方式に比べ短くする
ことができるため、給電回路による損失を低減すること
ができる。

【００１８】さらに、直列給電方式を用いる場合、ある
いは、円偏波を発生させるために、位相を制御する必要
がある場合がある。このようなとき、従来は、給電回路
の長さを変えることによって調整している。このため、
不必要に線路を曲げたりすることがあるが、本発明のよ
うに、積層型誘電体導波路を用いると、導波路の幅を変
えることにより導波路内波長を調整できるので、従来の
ような問題を避けることが可能である。

【００１９】図３は、誘電体導波路における導波路コー
ナー部４のビアホール導体の配列の一例を説明するため
の斜視図である。なお、説明のため上面の主導体層およ
び誘電体を省略した。図３は、９０°に屈曲した導波路
であるが、この場合、コーナー内側のビアホール導体列
１０は、直角に屈曲するように形成され、コーナー外側
のビアホール導体列１１がコーナー内側の角部のビアホ
ール導体１０ａを中心とする半径ｒ₁の円弧状に配列さ
れている。

【００２０】また、図４は、誘電体導波路における導波
路Ｔ分岐部５のビアホール導体の配列の一例を説明する
ための斜視図である。なお、説明のため上面の主導体層
および誘電体は省略した。図４においては、各コーナー
内側に位置するビアホール導体列１２、１３と、コーナ
ー外側に位置するビアホール導体列１４により構成さ
れ、コーナー外側のビアホール導体列１４は、コーナー
内側の角部のビアホール導体１２ａおよび１３ａを中心
とする半径ｒ₂の円弧状に配列されている。

【００２１】図３、図４のように、コーナー外側のビア
ホール導体列をコーナー内側の角部のビアホール導体を
中心とする円弧状に配列することにより、電磁波の伝播
をなめらかにし、その結果、反射を小さく抑えることが
できる。このように、図３、４の分岐構造をもって、図
８に示したような積層型誘電体導波路を誘電体基板内の
平面内で自由に給電回路を引き回すことができる。

【００２２】また、従来、分岐はＴ分岐回路、つまり２
分岐回路が主に用いられてきたが、積層型誘電体導波路
を用いる場合、４分岐回路を形成することができる点も
大きな特徴である。そこで、図５に、誘電体導波路にお
ける４分岐部のビアホール導体の配列の一例を説明する
ための斜視図を示す。なお、説明のため上面の主導体層
および誘電体は省略した。図５によれば、分岐点に給電
ピン１５を中心として、３６０／４＝９０°毎に放射状
に誘電体導波路１６，１７，１８，１９を形成すること
により４分岐回路が容易に実現できる。

【００２３】図６は、図５の４分岐部を有する誘電体導
波路を用いた給電回路の一例を示すものである。この構
造では、給電回路が２層構造となっており、点線で描い
た部分が下層回路、実線で描いた部分が上層回路であ
る。即ち、下層において給電ピン２０から４分岐回路に
よって放射状に４つの導波路２１が形成され、さらに各
導波路の終端部において上層の４分岐回路に対して給電
ピン２２によって給電され、さらに４分岐回路によって
放射状に４つの導波路２３が形成され、その終端部はそ
れぞれアンテナ素子（図示せず）に給電ピン２４によっ
て給電される。

【００２４】この実施例によれば、１６個のアンテナ素
子に対して、２つの４分岐回路で給電できる。また、図
１の２分岐回路を用いたものでは、給電回路長はアンテ
ナ素子間隔の３倍必要であるが、図６の場合は、給電回
路長はアンテナ素子間隔の３／２^1/2倍に短縮する事が
でき、その結果給電回路による損失を低減することがで
きる。

【００２５】図７は、誘電体導波路における３分岐部の
ビアホール導体の配列の一例を説明するための斜視図で
ある。なお、説明のため上面の主導体層および誘電体を
省略した。図７によれば、分岐点の中央に給電ピン２５
が設けられ、この給電ピン２５を中心として、３６０／
３＝１２０°毎に放射状に導波路２６、２７、２８が形
成されている。

【００２６】さらに、図８は、図７の３分岐部を有する
誘電体導波路を用いた給電回路の一例である。この場合
も、給電回路は２層構造となっており、点線で描いた部
分が下層回路、実線で描いた部分が上層回路である。即
ち、下層において給電ピン２９から２つの導波路３０が
形成され、Ｔ分岐部５を経由して、さらに２つの導波路
３１に分岐され、各導波路の終端部において上層の３分
岐回路に対して給電ピン３２によって給電され、さらに
３分岐回路によって放射状に３つの導波路３３が形成さ
れ、その終端部はそれぞれアンテナ素子（図示せず）に
給電ピン３４によって給電される。この実施例によれば
１２個のアンテナ素子に容易に並列給電できる。

【００２７】本発明によれば、平面アレーアンテナを積
層型誘電体導波路により給電することにより、積層型誘
電体導波管を形成する誘電体材料に誘電正接の小さいも
のを用いれば、非常に低損失の給電回路が形成でき、ま
た、パラレルプレートモード等の不要放射が発生しない
ので、効率の高い平面アレーアンテナを得ることができ
る。

【００２８】また、積層型誘電体導波路はシート積層化
技術を用いて作製できるので、生産性に優れ、その結果
低コストで作製可能である。

【００２９】さらに、積層型誘電体導波路は平面内で自
由に回路形成でき、また、給電ピンを用いれば複数の層
にわたって形成できるため、給電回路形成において高い
自由度を持ち、さらに、積層型誘電体導波路は容易に線
路幅を調整できるので、これにより線路長を変えること
無く導波路内波長を調整する事もできる。その結果、回
路設計が非常に容易となる。

【００３０】さらに、積層型誘電体導波路は従来の導波
管に比べて、導体厚みが不要で、導波管サイズも従来の
サイズの１／ε^1/2（εは比誘電率）に小さくできるの
で、これを用いた平面アレーアンテナも薄くする事がで
きる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の平面アレ
ーアンテナによれば、積層型誘電体導波路によって給電
回路を形成することにより、導波路によるマイクロスト
リップ線路やストリップ線路等に比較して伝送損失が小
さく、またアンテナ素子以外の不要放射を低減するとと
もに、従来のシート積層化技術を用いて形成できること
から、低コストで自由に回路設計できる給電回路を具備
する平面アレーアンテナを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の誘電体導波路からなる給電回路を具備
する平面アレーアンテナの一例を示す平面図である。

【図２】本発明の平面アレーアンテナにおける誘電体導
波路からアンテナ素子への給電構造を説明するための断
面図である。

【図３】誘電体導波路における導波路コーナー部のビア
ホール導体の配列の一例を説明するための斜視図であ
る。

【図４】誘電体導波路における導波路Ｔ分岐部５のビア
ホール導体の配列の一例を説明するための斜視図であ
る。

【図５】誘電体導波路における４分岐部のビアホール導
体の配列の一例を説明するための斜視図である。

【図６】図５の４分岐部を有する誘電体導波路を用いた
給電回路の一例を示す平面図である。

【図７】誘電体導波路における３分岐部のビアホール導
体の配列の一例を説明するための斜視図である。

【図８】図７の３分岐部を有する誘電体導波路を用いた
給電回路の一例を示す平面図である。

【図９】本発明における誘電体導波路の基本構造を説明
するための斜視図である。

【符号の説明】

１誘電体導波路２アンテナ素子３導波路給電部４導波路コーナー部５導波路Ｔ分岐部４０誘電体基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】誘電体基板と、該誘電体基板の表面にアレ
ー状に形成された複数のアンテナ素子と、前記誘電体基
板中に構成された信号波長の１／２未満の間隔で平行に
配列された一対のビアホール導体列と導体層とで囲まれ
た積層型誘電体導波路からなる給電回路を具備すること
を特徴とする平面アレーアンテナ。
【請求項２】前記給電回路がｎ分岐部を有し、該分岐部
中心に給電ピンを有し、該給電ピンを中心として３６０
／ｎ度毎に前記積層型誘電体導波路が放射状に形成され
ていることを特徴とする請求項１記載の平面アレーアン
テナ。
【請求項３】前記アンテナ素子と前記積層型誘電体導波
路とが、給電ピンまたは導体層に設けられたスロットを
介した電磁結合によって接続されていることを特徴とす
る請求項１の平面アレーアンテナ。
【請求項４】前記アンテナ素子が、逆Ｌアンテナ、プリ
ントダイポールアンテナ、ループアンテナ、スパイラル
アンテナのうちの１種であること特徴とする請求項１の
平面アレーアンテナ。