JP2009200719A - 平面マイクロ波アンテナ、一次元マイクロ波アンテナ及び二次元マイクロ波アンテナアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】高指向性を有し、高周波数にも対応できるとともに広帯域性に優れた平面マイクロ波アンテナ、一次元マイクロ波アンテナ及び二次元マイクロ波アンテナアレイを提供する。
【解決手段】
平面マイクロ波アンテナＡｎは、誘電体からなる基板２０の両面に、ダイポール２１，２２と該ダイポール２１，２２に給電するマイクロストリップライン２３，２４がプリントされている。基板２０の両面のうち、第１の面に該ダイポール２１と離間する導波器２７及び反射器２８がプリントされ、導波器２７、反射器２８及びダイポール２１，２２により平面八木宇田アンテナが構成される。基板２０の第２の面には第２の面のマイクロストリップライン２４に接続されるテーパ形バラン２６及びテーパ形バラン２６に接続される地導体２５がプリントされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面マイクロ波アンテナ、一次元マイクロ波アンテナ及び二次元マイクロ波アンテナアレイに関する。

二次元マイクロ波アンテナアレイとして、テーパースロットアンテナを用いた二次元ミリ波撮像素子が実用化されている（非特許文献１）。一方、平面八木宇田アンテナも二次元配列可能な素子として注目されている（非特許文献２）。

前記テーパースロットアンテナは広帯域であるが、大きいため多数並べて撮像素子にしたとき空間分解能が悪い。実用例では、テーパースロットアンテナは波長の短いミリ波の撮像素子として用いられている。一方、平面八木宇田アンテナは理論的には半波長まで近接できるので空間分解能がよく、撮像素子を小型化できる可能性がある。

従来は、平面八木宇田アンテナは、平衡系のアンテナ部分から非平衡系の増幅回路部分を結合するために、図２に示すように、遅延線タイプのバラン１３を用いている。これは非平衡系の心線を２つに分け、一方を半波長遅延させて放射器ダイポール１２の片側半分に結合することで、位相を反転させるものである。なお、図２において、基板１０の表面に導波器１１、及びマイクロストリップライン１４が設けられ、基板１０の裏面には反射器１５が設けられている。
ケイ・シグフリッド・ユングヴェソン（K. Sigfrid Yngvesson）他（et al.）、「ザ テーパード スロット アンテナ − ア ニュー インテグレーテッド エレメント フォー ミリメータ−ウェーブ アプリケーションズ（The Tapered Slot Antenna - A New Integrated Element for Millimeter-wave Applications）」、the IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.37, pp.365-374 (1989) ダヴリュー・アール・デール（W.R.Deal）、他（et al.）、「ア ニュー クウォジ−ヤギ アンテナ フォー プラナー アクティブ アンテナ アレイ（A new quasi-Yagi antenna for planar active antenna array）」、the IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol.48, pp.910-918 (2000)

ところが、従来の平面八木宇田アンテナは、周波数が高くなると、波長が短くなることから、遅延線タイプのバランの線長が線幅より短くなるなど実現不可能となる。また、マッチング周波数から外れると、放射器ダイポール１２の位相がπからずれるので、放射方向が正面を向かないという欠点を有する。

本発明の目的は、上記従来の技術の問題点を解消して、高指向性を有し、高周波数にも対応できるとともに広帯域性に優れた平面マイクロ波アンテナ、一次元マイクロ波アンテナ及び二次元マイクロ波アンテナアレイを提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、誘電体からなる基板の両面に、ダイポールと該ダイポールに給電する給電線がプリントされ、前記基板の両面のうち、少なくとも一方の面に前記ダイポールと離間する導波器がプリントされ、反射器が前記基板の面あるいは別導体で設置され、前記導波器、反射器及びダイポールにより平面八木宇田アンテナが構成され、前記基板の他方の面には、該他方の面の給電線に接続されるテーパ形バラン及び該テーパ形バランに接続される地導体がプリントされていることを特徴とする平面マイクロ波アンテナを要旨とするものである。

請求項２の発明は、請求項１において、前記基板には、前記ダイポールで受信した電磁波を選択処理する処理回路が設けられていることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項２において、前記処理回路が、前記ダイポールで受信したマイクロ波及び局部発振周波数を有する信号を混合することで中間周波を発生するミクサを含むことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２において、前記処理回路が、前記ミクサへのバイアス回路を含むことを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項３において、前記処理回路が、前記ミクサで得られた中間周波の増幅回路を含むことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項３において、前記処理回路が、前記ミクサで得られた中間周波の周波数フィルタ回路を含むことを特徴とする。
請求項７の発明は、請求項３において、前記処理回路が、前記ミクサで得られた中間周波のうち所定の中間周波を通過する周波数フィルタ回路と、前記周波数フィルタ回路から出力された中間周波を増幅する中間周波増幅回路を含むことを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７のうちいずれか１項の平面マイクロ波アンテナが、共通の基板上に複数個並列に配置されていることを特徴とする一次元マイクロ波アンテナを要旨とするものである。

請求項９の発明は、請求項８の一次元マイクロ波アンテナが、複数個互いに重なるように配置されていることを特徴とする二次元マイクロ波アンテナアレイを要旨とするものである。

請求項１の発明によれば、高指向性を有し、高周波数にも対応できるとともに広帯域性に優れた平面マイクロ波アンテナを提供できる。
請求項２の発明によれば、基板にダイポールで受信した電磁波を選択処理する処理回路が設けられていることにより、電磁波を選択処理することができる平面マイクロ波アンテナを提供できる。

請求項３の発明によれば、処理回路が、ダイポールで受信したマイクロ波及び局部発振周波数を有する信号をミクサで混合することで中間周波を発生することにより、電磁波を選択処理することができる。

請求項４の発明によれば、前記局部発振周波数のパワーが弱い場合でも、処理回路が、前記ミクサでの最適な動作点で前記信号の混合をすることができる。
請求項５の発明によれば、選択処理された中間周波を、処理回路に含まれたＩＦ増幅回路により増幅できる。

請求項６の発明によれば、処理回路に含まれる周波数フィルタ回路が、ミクサで得られた中間周波のうち所定の中間周波を通過することにより、電磁波を選択処理することができる。

請求項７の発明によれば、処理回路が、同ミクサで混合された信号のうち所定の中間周波を通過する周波数フィルタ回路と、同周波数フィルタ回路から出力された中間周波を増幅する中間周波増幅回路を含むことにより、電磁波を選択処理することができる。

請求項８の発明によれば、高指向性を有し、高周波数にも対応できるとともに広帯域性に優れた一次元マイクロ波アンテナを提供できる。
請求項９の発明によれば、高指向性を有し、高周波数にも対応できるとともに広帯域性に優れた二次元マイクロ波アンテナアレイを提供できる。

以下、本発明の平面マイクロ波アンテナを具体化した一実施形態を図１，３、４を参照して説明する。
図１に示すように、平面マイクロ波アンテナＡｎは、誘電体からなる基板２０の第１面及び第２面に、ダイポール２１，２２と、ダイポール２１，２２に給電する平行なマイクロストリップライン２３，２４がプリントされている。マイクロストリップライン２３，２４は給電線に相当する。ダイポール２１，２２の合計長さは、受信したい電磁波の波長λの約１／２に設定されている。ここで、第１面と第２面は、基板２０の表裏面に相当する面である。基板２０は、例えば、テフロン（登録商標）、アルミナ、エポキシ等にて構成されている。基板２０の第２面において、長手方向において中央から基端部寄りの領域全面には地導体２５がプリントされている。ダイポール２２の給電点は、地導体２５に対して、マイクロストリップライン２４及び第２面にプリントされて地導体２５から延出されたテーパ形バラン２６を介して電気的に接続されている。前記テーパ形バラン２６は、図１に示すように、直線状に延びるマイクロストリップライン２３を基準として線対称状に形成されている。

基板２０の第１面及び第２面には、ダイポール２１と離間して、基板２０の先端には導波器２７がプリントされている。又、基板２０の第１面及び第２面において、ダイポール２１よりも基板２０の基端側には一対の反射器２８が、それぞれプリントされている。なお、説明の便宜上、図１では片方の面、すなわち、第１面側の導波器２７と反射器２８のみが図示されている。導波器２７は、ダイポール２１，２２の合計長さ（すなわち、λ／２）よりも若干短く設定されている。一方、一対の反射器２８は、マイクロストリップライン２３とは離間して配置され、その合計長さは、ダイポール２１，２２の合計長さ（すなわち、λ／２）より長くなるように設定されている。又、導波器２７とダイポール２１の離間距離、及び反射器２８とダイポール２１の離間距離は、共に約λ／４に設定されている。上記のように構成された平面マイクロ波アンテナＡｎの地導体２５は、図示しない同軸ケーブルの網線に接続され、マイクロストリップライン２３は該同軸ケーブルの芯線に接続される。基板２０に設けられたダイポール２１、導波器２７、及び反射器２８とにより、平面八木宇田アンテナが構成されている。

なお、反射器を基板２０に直接設ける代わりに、基板２０外の別の導体（すなわち、別導体）で立体的な反射鏡を構成し、基板に近接して図１に示す反射器２８の位置に設置して反射器としても良い。

ここで、本発明の平面マイクロ波アンテナと、従来型平面マイクロ波アンテナ（非特許文献２）との放射特性の比較を図３、図４に示す。すなわち、図３、図４は、マイクロウェーブ オフィス（ＡＷＲ（Applied Wave Research）社製）でシミュレーションした結果であり、チューニングがずれた場合の放射特性を表わしている。シミュレーションの条件は下記の通りである。

なお、シミュレーションした平面マイクロ波アンテナＡｎ１は、図に示すように、導波器２７が３個設けられた平面マイクロ波アンテナであって、導波器２７が３個設けられている以外の構成は、図１の平面マイクロ波アンテナＡｎと同様に構成されている。

図５には、シミュレーションで使用した本発明の平面マイクロ波アンテナＡｎ１の寸法が示されており、同図において、Ａ〜Ｍは、下記の長さを有している。
Ａ；35.5mm、Ｂ；10.0mm、Ｃ；7.0mm、Ｄ；7.4mm、Ｅ；1.0mm、Ｆ；6.5mm、Ｇ；5.3mm、Ｈ；3.7mm、Ｉ；0.4mm、Ｊ；5.3mm、Ｋ；2.9mm、Ｌ；2.6mm、Ｍ；0.8mm
又、図６には、シミュレーションで使用した従来型平面マイクロ波アンテナにおいて、ａ〜ｕは下記の長さを有している。

ａ；2.3mm、ｂ；3.3mm、ｃ；0.8mm、ｄ；0.4mm、ｅ；0.3mm、ｆ；4.2mm、ｇ；0.8mm、ｈ；3.5mm、ｉ；1.1mm、ｊ；0.8mm、ｋ；0.8mm、ｌ；1.0mm、ｍ；0.8mm、ｎ；0.85mm、ｏ；4.5mm、ｐ；1.1mm、ｑ；2.9mm、ｒ；2.1mm、ｓ；0.8mm、ｔ；1.1mm、ｕ；1.6mm
上記のシミュレーションの結果から、遅延線タイプのバランを有する平面八木宇田アンテナは、チューニング（線幅や線長）が正しい値からわずかにずれた場合、放射方向が図４に示すように正面方向から外れるのに対して、本発明の具体的な実施例では広帯域にわたって正面方向を向くという素直な放射特性をもつ（図３参照）。

本実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
（１） 本実施形態の平面マイクロ波アンテナＡｎは、誘電体からなる基板２０の両面に、ダイポール２１，２２と該ダイポール２１，２２に給電するマイクロストリップライン２３，２４（給電線）がプリントされている。又、基板２０の両面のうち、第１の面に前記ダイポール２１と離間する導波器２７及び反射器２８がプリントされて、導波器２７、反射器２８及びダイポール２１，２２により平面八木宇田アンテナが構成されている。そして、基板２０の第２の面には、第２の面のマイクロストリップライン２４（給電線）に接続されるテーパ形バラン２６及びテーパ形バラン２６に接続される地導体２５がプリントされている。この結果、高指向性を有し、高周波数にも対応できるとともに広帯域性に優れた平面マイクロ波アンテナとすることができる。

（平面マイクロ波アンテナＡｎの他の実施形態）
次に、平面マイクロ波アンテナＡｎの他の実施形態について説明する。
平面マイクロ波アンテナＡｎを受信機とする場合、図７に示すようにマイクロストリップライン２３に対し、電磁波（マイクロ波）を受信して特定の電磁波（マイクロ波）を選択処理するための処理回路３０が接続される。処理回路３０は、マイクロストリップライン２３に接続されたミクサ３２と、ミクサ３２にバイアスを付与するバイアス回路３２ａと、ミクサ３２に接続された周波数フィルタ回路としてのＩＦ選択回路３４と、ＩＦ選択回路３４に接続されたＩＦ増幅回路３６を含む。図７の説明では、説明の便宜上、マイクロストリップライン２３上に設けた構成では図示されていないが、この処理回路３０は、半導体やフィルタ、コンデンサ、インダクタ、抵抗器などで構成して、マイクロストリップライン２３上（すなわち、基板２０上）に設けられる。

上記のように構成された平面マイクロ波アンテナＡｎは、図示しない局部発振器が発信した局部発振周波数の信号と電磁波（マイクロ波）を、ともに平面マイクロ波アンテナＡｎにより受信し、ミクサ３２にて混合して周波数変換する。バイアス回路３２ａは、ミクサ３２にバイアスを付与することにより、局部発振周波数のパワーが弱い場合でも、ミクサ３２での最適な動作点で前記信号の混合をする。ＩＦ選択回路３４は、周波数変換された信号のうち、必要な中間周波（すなわち、所定の中間周波）を選択（濾は）する。ＩＦ選択回路３４は、バンドパスフィルタ、ローパスフィルタ、或いはハイパスフィルタのうちいずれかあるいはそれらの組み合わせで構成される。

ＩＦ増幅回路３６は、得られた中間周波を増幅して図示しない同軸ケーブルの芯線を介して出力する。
さて、上記のように構成された実施形態では、下記の効果を奏する。

（１） 本実施形態の平面マイクロ波アンテナＡｎの基板２０に、ダイポール２１，２２で受信した電磁波（マイクロ波）を選択処理する処理回路３０が設けられていることにより、電磁波（マイクロ波）を選択処理することができる平面マイクロ波アンテナＡｎを提供できる。 （２） 本実施形態の平面マイクロ波アンテナＡｎの処理回路３０は、ダイポールで受信したマイクロ波及び局部発振周波数を有する信号をミクサ３２で混合することで中間周波を発生することにより、電磁波を選択処理することができる。

（３） 本実施形態の平面マイクロ波アンテナＡｎの処理回路３０は、ミクサ３２へのバイアスを付与するバイアス回路により局部発振周波数のパワーが弱い場合でも、処理回路が、前記ミクサでの最適な動作点で前記信号の混合をすることができる。

（４） 本実施形態の平面マイクロ波アンテナＡｎの処理回路３０では、選択処理された中間周波を、処理回路３０に含まれたＩＦ増幅回路３６により増幅できる。
（５） 本実施形態の平面マイクロ波アンテナＡｎの処理回路３０に含まれるＩＦ選択回路３４が、ミクサ３２で得られた中間周波のうち所定の中間周波を通過することにより、電磁波を選択処理することができる。

（６） 本実施形態では、処理回路３０がダイポール２１，２２で受信したマイクロ波及び局部発振周波数を有する信号を混合するミクサ３２、混合された信号のうち所定の中間周波を通過するＩＦ選択回路３４と、前記中間周波を増幅するＩＦ増幅回路３６（中間周波増幅回路）を含むことにより、マイクロ波を選択処理することができる。

（他の実施形態）
次に複数の平面マイクロ波アンテナＡｎを使用して一次元マイクロ波アンテナＢｎ及び二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎに構成した実施形態を図８を参照して説明する。なお、前記各実施形態で説明した各構成に相当する構成については、同一符号を付して、その説明を省略する。

一次元マイクロ波アンテナＢｎは、共通の基板２０に複数の平面マイクロ波アンテナＡｎが並列に配置されることにより構成されている。互いに隣接する平面マイクロ波アンテナＡｎの地導体２５同士は接続されている。又、互いに隣接する平面マイクロ波アンテナＡｎの反射器２８（図８において符号２９も付されている）の長さは、受信したい電磁波の波長λよりも若干長くされ、基板１０の幅方向（図８において、上下方向）の両側部に位置する反射器２８は、受信したい電磁波の波長λの１／２よりも長く設定されている。

又、図８に示すように上記のように構成された一次元マイクロ波アンテナＢｎが複数個互いに所定のスペースを空けて重なり合うように、すなわち、平面マイクロ波アンテナＡｎが並列にして配置された方向（並列方向）とは直交する方向に配置されることにより、二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎが構成されている。

二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎの前方には、レンズ４０などの結像光学手段が配置することが好ましい。前記レンズ４０としては、例えば、テフロン（登録商標）レンズを挙げることができる。

このことにより、物体からの電磁波（マイクロ波）ＲＦを結像光学手段により、二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎ上に結像される。
又、結像光学手段の前方には、ハーフミラー５０が配置されることが好ましい。ハーフミラー５０は、電磁波（マイクロ波）ＲＦを透過させて結像光学手段に向かわさせるとともに、局部発振器が発信した局部発振周波数の信号LOを反射させて、光学的に局部発振周波数の信号LOと電磁波（マイクロ波）ＲＦとが混合されて前記結像光学手段に指向させる。このように構成することにより、二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎに結像された電磁波（マイクロ波）ＲＦと局部発振周波数の信号LOは、二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎを構成する各平面マイクロ波アンテナＡｎに受信されて、処理回路３０により処理することができる。

あるいは、局部発振周波数の信号LOをマイクロストリップラインを用いて基板上でミクサに供給しても良い。
このように、二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎとすることにより、マイクロ波イメージングが可能となる。マイクロ波イメージングは、非破壊検査、医療診断、定温に感度のある温度イメージングなど幅広い分野があり、この二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎの適用が可能である。

（測定結果）
以下には、二次元マイクロ波アンテナアレイによりマイクロ波を測定した結果を説明する。ここでの二次元マイクロ波アンテナアレイは、図８で示す二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎの構成中、各平面マイクロ波アンテナＡｎの導波器２７を３素子にして、アンテナゲインを上げた構成とした。又、受信機としての処理回路３０は、２０GHzのマイクロ波受信ができる構成とした。この二次元マイクロ波アンテナアレイで、TPE-RXプラズマによって反射されたマイクロ波、すなわち、反射マイクロ波信号波形を測定した。

図９は前記二次元マイクロ波アンテナアレイで測定した産業技術総合研究所のRFP装置TPE-RXプラズマからの反射マイクロ波信号波形が示されている。同図によれば、２つの異なったチャンネルでの反射マイクロ波信号は、小刻みな波形（短い波長の波形）と大きな波形（長い波長を有する波形）が測定されており、大きな波形についてほぼ同位相であることが分かる。

なお、RFP装置は、コンデンサに充電した電気を瞬時に放電して生成するので、大変に電磁雑音が多いが、図９で示す同位相のきれいな信号はこのような電磁雑音の多い環境であっても、具体化した二次元マイクロ波アンテナアレイが使用可能であることが示されている。

なお、前記実施形態を次のように変更して構成することもできる。
○ 処理回路３０は、前記実施形態では、マイクロストリップライン２３に接続されたミクサ３２と、ミクサ３２に接続されたバイアス回路３２ａ及びＩＦ選択回路３４と、ＩＦ選択回路３４に接続されたＩＦ増幅回路３６を含むようにした。この構成に、さらに、検波器やビデオアンプを組み込みしてＤＣ出力する処理回路とするようにしてもよい。

○ 前記実施形態では、導波器が基板２０の両面（すなわち、第１面と第２面）に設けられていたが、導波器を基板２０の第１面又は第２面のうち一方の面に導波器が設けられていても良い。

○ 前記実施形態では、平面マイクロ波アンテナＡｎの導波器２７の数は限定されるものではなく、適宜複数個設けても良い。このように導波器２７を複数個設けると、アンテナゲイン（受信感度）を上げることができる。

○ 前記実施形態では、反射器２８は基板２０の面上に設けられていたが、基板２０を並列に配置するための金属スペーサーで代用しても良い。この場合、前記金属スペーサーのダイポール２１側の面を整形することで感度向上を図ることができる。

本発明を具体化した一実施形態の平面マイクロ波アンテナＡｎの概略図。 従来型の平面八木宇田アンテナの概略図。 本実施形態の具体例の平面八木宇田アンテナにおいて、チューニングがずれた場合の放射特性図。 従来型の平面八木宇田アンテナにおいて、チューニングがずれた場合の放射特性図。 シミュレートのための具体例の平面八木宇田アンテナの概略図。 シミュレートのための従来例の平面八木宇田アンテナの概略図。 平面マイクロ波アンテナＡｎの処理回路の電気ブロック図。 二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎの概略図。 本発明を具体化した二次元マイクロ波アンテナアレイＣｎで測定した、TRE-RXプラズマからの反射マイクロ波信号波形図。

符号の説明

２０…基板、２１，２２…ダイポール、
２３，２４…マイクロストリップライン（給電線）、２５…地導体、
２６…テーパ形バラン、２７…導波器、２８…反射器、３０…処理回路、
３２…ミクサ、３２ａ…バイアス回路、
３４…ＩＦ選択回路（周波数フィルタ回路）、
３６…ＩＦ増幅回路（中間周波増幅回路）、
Ａｎ，Ａｎ１…平面マイクロ波アンテナ、
Ｂｎ…一次元マイクロ波アンテナ、
Ｃｎ…二次元マイクロ波アンテナアレイ。

Claims (9)

1. 誘電体からなる基板の両面に、ダイポールと該ダイポールに給電する給電線がプリントされ、
   前記基板の両面のうち、少なくとも一方の面に前記ダイポールと離間する導波器がプリントされ、反射器が前記基板の面あるいは別導体で設置されて、前記導波器、反射器及びダイポールにより平面八木宇田アンテナが構成され、
   前記基板の他方の面には、該他方の面の給電線に接続されるテーパ形バラン及び該テーパ形バランに接続される地導体がプリントされていることを特徴とする平面マイクロ波アンテナ。
2. 前記基板には、前記ダイポールで受信した電磁波を選択処理する処理回路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の平面マイクロ波アンテナ。
3. 前記処理回路が、前記ダイポールで受信したマイクロ波及び局部発振周波数を有する信号を混合することで中間周波を発生するミクサを含むことを特徴とする請求項２に記載の平面マイクロ波アンテナ。
4. 前記処理回路が、ミクサのバイアス回路を含むことを特徴とする請求項２に記載の平面マイクロ波アンテナ。
5. 前記処理回路が、前記ミクサで得られた中間周波の増幅回路を含むことを特徴とする請求項３に記載の平面マイクロ波アンテナ。
6. 前記処理回路が、前記ミクサで得られた中間周波の周波数フィルタ回路を含むことを特徴とする請求項３に記載の平面マイクロ波アンテナ。
7. 前記処理回路が、前記ミクサで混合された中間周波のうち所定の中間周波を通過する周波数フィルタ回路と、前記周波数フィルタ回路から出力された中間周波を増幅する中間周波増幅回路を含むことを特徴とする請求項３に記載の平面マイクロ波アンテナ。
8. 請求項１乃至請求項７のうちいずれか１項に記載の平面マイクロ波アンテナが、共通の基板上に複数個並列に配置されていることを特徴とする一次元マイクロ波アンテナ。
9. 請求項８の一次元マイクロ波アンテナが、複数個互いに重なるように配置されていることを特徴とする二次元マイクロ波アンテナアレイ。

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