JP7117953B2 - 導波管スロットアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、導波管に複数のスロット及び給電部を設けた導波管スロットアンテナに関するものである。

従来から、マイクロ波帯やミリ波帯の高周波信号を用いた無線通信において、導波管に複数のスロットを形成し、給電部から給電された高周波信号を導波管に伝搬させて複数のスロットから電磁波として放射する導波管スロットアンテナが知られている。近年では、導波管スロットアンテナの小型軽量化や加工の容易性に鑑み、導波管として誘電体基板を用い、誘電体基板を取り囲むように上下の導体層や側面のビア導体群を形成し、導体層の一部に複数のスロットを形成した構造を有する導波管スロットアンテナが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。例えば、特許文献１に開示された導波管スロットアンテナは、信号の伝送方向に沿って複数のスロットが互いに所定間隔で配列され、それぞれのスロットが同一の長さに形成されている。また、特許文献２に開示された導波管スロットアンテナは、信号の伝送方向に沿って主スロットとその両端の副スロットが配列され、各スロットの長手方向に対して給電線路の方向が交差するように配置されている。

特許第３４６４１０７号公報 特許第３００４０８２号公報

マイクロ波帯やミリ波帯に用いる導波管スロットアンテナは、できるだけ広帯域の周波数特性を有することが望ましい。一般に、導波管スロットアンテナの周波数特性は、複数のスロットの長さに依存して定まる。しかし、特許文献１の構造のように、各々のスロットの長さが同一である場合、複数のスロットからの信号を合成して得られる全体の周波数特性は、スロットが１つの場合と同様となり、全体的に帯域が狭くなる点が問題となる。また、特許文献２の構造のように、主スロットと副スロットの長さが異なる場合であっても、各スロットの長手方向と給電線路の方向を交差させる場合は、各スロットからの放射と給電線路を流れる電流による電界が干渉することにより、無線性能が劣化する点が問題となる。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、良好な無線性能を保ちつつ、複数のスロットを合成した周波数特性を十分に広帯域化することが可能な導波管スロットアンテナを提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明の導波管スロットアンテナは、誘電体基板（１０）と当該誘電体基板を取り囲む金属部材とにより構成された導波管に、複数のスロット（１４）と前記導波管への入力信号を給電する給電部（１５）とを設けた導波管スロットアンテナであって、前記金属部材は、前記誘電体基板の一方の表面の第１導体層（１１）及び他方の表面の第２導体層（１２）を含み、前記複数のスロットは、前記導波管の管軸方向である第１の方向（Ｘ）に沿って前記第１導体層に所定間隔で形成され、前記給電部は、前記一方の表面に垂直な前記導波管の高さ方向である第２の方向（Ｚ）から見た平面視で前記複数のスロットと重ならない位置のうち前記誘電体基板の表面又は前記誘電体基板の内部の少なくとも一方に配置され、前記複数のスロットは、前記第１の方向に沿って前記給電部に近いスロットほど前記第１の方向の長さが短いことを特徴としている。

本発明の導波管スロットアンテナによれば、給電部を介して入力された高周波信号は、誘電体基板とそれを取り囲む金属部材とにより構成された導波管を伝搬し、誘電体基板の一方の表面の第１導体層に形成された複数のスロットから放射される。このとき、複数のスロットは、少なくとも１つのスロットの第１の方向（導波管の管軸方向）の長さが他のスロットと異なるので、スロットの長さに依存する少なくとも２つの共振周波数が存在することになるので、全てのスロットを同じ長さにする場合に比べ、導波管スロットアンテナ全体の周波数特性を広帯域化することができる。また、第２の方向から見た平面視で給電部が複数のスロットと重ならない配置となるので、複数のスロットから放射される電磁波と給電部を流れる電流との干渉に起因するアンテナ特性の劣化を防止することができる。

本発明の複数のスロットは、第１の方向のそれぞれの長さが互いに異なるように設定することができる。これにより、互いに異なる複数の共振周波数を含む範囲内の周波数特性を得ることができ、導波管スロットアンテナ全体の一層の広帯域化が可能となる。

本発明の金属部材は多様な構造で形成することができる。例えば、金属部材を、第１導体層と第２導体層との間をそれぞれ接続する複数のビア導体を含めて構成し、複数のビア導体が第２の方向から見た平面視で少なくとも第１の方向に沿った導波管の２辺を画定する構造としてもよい。この場合、複数のビア導体は、第２の方向から見た平面視で誘電体基板を取り囲む環状に構成してもよい。このように複数のビア導体を金属部材の一部として用いることで、誘電体基板を作製する際に積層技術を適用する場合、所望の形状を有する導波管の側壁を容易に形成することができる。

本発明の複数のスロットは多様な位置に配列することができる。例えば、複数のスロットを、第２の方向から見た平面視で第３の方向における第１導体層の中心位置から偏移した位置に配列してもよい。また、例えば、複数のスロットを、第１の方向に沿って２列以上で配列してもよい。なお、複数のスロットを配置する第３の方向上の位置は、導波管スロットアンテナの電界分布に応じて定めることが望ましい。

本発明によれば、導波管スロットアンテナに複数のスロットを設け、そのうち少なくとも１つのスロットの第１の方向（導波管の管軸方向）の長さが他のスロットと異なるように設定したので、それぞれのスロットの周波数特性を合成した導波管スロットアンテナ全体の周波数特性を十分に広帯域化することができる。また、第２の方向（導波管の高さ方向）から見た平面視で給電部が複数のスロットと重ならないように配置したので、複数のスロットから放射される電磁波と給電部を流れる電流との干渉に起因するアンテナ特性の劣化を防止することができる。

本発明を適用した導波管スロットアンテナの構造例について示す図であり、図１（Ａ）は導波管スロットアンテナを上方から見た上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の導波管スロットアンテナのＡ－Ａ断面における断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の導波管スロットアンテナを下方から見た下面図である。 図１の４つのスロット１４（１）、１４（２）、１４（３）、１４（４）の各々が単体で存在する場合のそれぞれの周波数特性を重ねて模式的に示す図である。 図１の４つのスロット１４（１）、１４（２）、１４（３）、１４（４）の個々の周波数特性を合成して得られた周波数特性を示す図である。 本実施形態との対比のための比較例において、図１の導波管スロットアンテナの４つのスロット１４がいずれもＸ方向に沿って同一の長さＬである場合に関し、図１（Ａ）に対応する構造を示す上面図である。 図４の構造を有する導波管スロットアンテナに想定される周波数特性を示す図である。 複数のスロット１４の構造及び配置のバリエーションを示す第１の図である。 複数のスロット１４の構造及び配置のバリエーションを示す第２の図である。 本実施形態の導波管スロットアンテナの作製方法の概要を説明する図である。

以下、本発明を適用した導波管スロットアンテナの好適な実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を具体化した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。

まず、図１を用いて、本発明を適用した導波管スロットアンテナの構造例について説明する。図１（Ａ）は、本実施形態の導波管スロットアンテナを上方から見た上面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の導波管スロットアンテナのＡ－Ａ断面における断面図であり、図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の導波管スロットアンテナを下方から見た下面図である。なお、図１においては、説明の便宜のため、互いに直交するＸ方向（本発明の第１の方向）、Ｙ方向（本発明の第３の方向）、Ｚ方向（本発明の第２の方向）をそれぞれ矢印にて示している。

本実施形態の導波管スロットアンテナは、セラミック等の誘電体材料からなる誘電体基板１０と、誘電体基板１０の上面に形成された導電材料からなる導体層１１（本発明の第１導体層）と、誘電体基板１０の下面に形成された導電材料からなる導体層１２（本発明の第２導体層）と、上下の導体層１１、１２の間を接続する複数のビア導体１３と、上面の導体層１１に形成された複数のスロット１４と、下面の導体層１２を貫いて形成された給電部１５とを備えている。

誘電体基板１０は、Ｘ方向を長尺方向とする直方体の外形形状を有し、複数の誘電体層を積層して形成される。誘電体基板１０の周囲のうち、上下（Ｚ方向の両側）は前述の１対の導体層１１、１２で覆われ、４つの側面（Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの両側）は前述の複数のビア導体１３で取り囲まれている。このような構造により、誘電体基板１０は、１対の導体層１１、１２及び複数のビア導体１３からなる金属部材により取り囲まれた導波管として機能する。この導波管は、Ｘ方向を管軸方向（信号の伝送方向）として、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、Ｚ方向に高さａ及びＹ方向に幅ｂの矩形断面（ＹＺ断面）を有している。一般には、ｂ≒２ａの関係に設定されるが、このような設定により導波管の上下面をＨ面とするＴＥ１０を主モードとして伝搬させることができる。

複数のビア導体１３は、それぞれ誘電体基板１０を貫く複数の貫通孔に導電材料を充填した柱状導体であり、隣接するビア導体１３の間隔（ビアピッチ）が伝送信号の波長よりも小さく設定されている。このような構造の複数のビア導体１３は上下の導体層１１、１２と電気的に接続されるので、誘電体基板１０からなる導波管の４つの側壁として機能する。なお、複数のビア導体１３は外部に露出することなく、その外周が誘電体基板１０で覆われている。

なお、図１の例では、複数のビア導体１３をＸ方向の両側とＹ方向の両側の４辺に配置しており、複数のビア導体１３が導波管を環状に取り囲んでいるが、実際には複数のビア導体１３をＹ方向の両側にのみ配置し、複数のビア導体１３が導波管の２辺を画定するようにしてもよい。あるいは、複数のビア導体１３に代わり、誘電体基板１０の側面に導体材料からなる側壁を形成してもよい。

複数のスロット１４は、管軸方向であるＸ方向に沿って導体層１１を所定のピッチで配列されている。図１（Ｂ）からわかるように、各々のスロット１４の位置では、導体層１１が開口されており下側の誘電体基板１０が部分的に露出している。図１の例では、Ｙ方向の中心位置から偏移した位置において、Ｘ方向の左側から順に４つのスロット１４（１）、１４（２）、１４（３）、１４（４）が配列されている。本実施形態では、複数のスロット１４のＸ方向の長さが互いに異なる点が特徴的である。すなわち、図１の例では、スロット１４（１）が長さＬ１、スロット１４（２）が長さＬ２、スロット１４（３）が長さＬ３、スロット１４（４）が長さＬ４であり、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４の関係を満たしている。なお、Ｙ方向に関しては、４つのスロット１４が同一の幅に形成される。

給電部１５は、図１（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、導体層１２の周囲の導体パターンから分離した導体部１５ａと、誘電体基板１０の内部に形成された導体部１５ｂと、これらの導体部１５ａと導体部１５ｂとを電気的に接続するビア導体１５ｃとにより構成される。外部からの伝送信号は、導体部１５ａを介して給電され、それがビア導体１５ｃから内部の導体部１５ｂを経て、前述の導波管に伝送される。給電部１５はＹ方向の中心位置に配置されるが、Ｚ方向から見た平面視では、複数のスロット１４と重ならない位置に配置されている。

本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、導体部１５ａ、１５ｂ及びビア導体１５ｃからなる給電部１５が導体層１２を貫く断面構造を有するが、実際には多様な構造の給電部１５を設けることができる。すなわち、給電部１５がＺ方向から見た平面視で複数のスロット１４と重ならない配置であることを前提に、例えば、導体部１５ａ、１５ｂの一方のみを有する構造の給電部１５を設けてもよいし、あるいは給電部１５を下側の導体層１２の側ではなく上側の導体層１１の側に設けてもよい。

図１の導波管スロットアンテナの寸法パラメータの具体例としては、例えば、導波管断面がａ＝１．６ｍｍ、ｂ＝３．２ｍｍ、各スロット１４のＹ方向の幅が０．３ｍｍ、複数のビア導体１３のビア径が０．１ｍｍかつビアピッチが０．２ｍｍを挙げることができる。なお、複数のスロット１４のＸ方向の長さＬ１～Ｌ４は、後述するように、周波数特性における共振周波数との関係で適切に設定される。

以下、図２～図５を参照して、本実施形態の導波管スロットアンテナに対するシミュレーションに基づき、本発明の作用効果について検証する。図２は、図１に示す４つのスロット１４（１）、１４（２）、１４（３）、１４（４）の各々が単体で存在する場合のそれぞれの周波数特性（所定の周波数範囲におけるＳパラメータＳ１１の変化）を重ねて模式的に示す図である。また、図３は、図２に示す４つのスロット１４（１）、１４（２）、１４（３）、１４（４）の個々の周波数特性を合成して得られた周波数特性を示す図である。図２及び図３のシミュレーションは、周波数の範囲を２６ＧＨｚ～３０ＧＨｚについて、誘電体基板１０の比誘電率ε_ｒ＝５．８、誘電損失ｔａｎδ＝０．００２２とし、かつ、導体層１１、１２及び複数のビア導体１３が完全導体と仮定して実行した。

まず、図２においては、前述したように、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４の関係があることから、それぞれのスロット１４の各波形の減衰極に対応する共振周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４は、それぞれのＸ方向の長さがＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４が増加するにつれ、それぞれの共振周波数同じ順でｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４が低くなっていく（ｆ４＜ｆ３＜ｆ２＜ｆ１）。そして、それぞれのスロット１４は、共振周波数ｆ４、ｆ３、ｆ２、ｆ１を中心として所定の帯域Ｂ４、Ｂ３、Ｂ２、Ｂ１を有し、各帯域Ｂ４～Ｂ１が重なりながら順次低周波側にずれていく。本シミュレーションでは、各スロット１４の共振周波数ｆ１～ｆ４が、ｆ４＝２７．５ＧＨｚ、ｆ３＝２８ＧＨｚ、ｆ２＝２８．５ＧＨｚ、ｆ１＝２９ＧＨｚとなるように、それぞれの長さＬ１～Ｌ４を適切に調整したものである。

一方、図３においては、４つのスロット１４（１）～１４（４）の個々の周波数特性の波形を合成した結果、導波管スロットアンテナの全体としての広帯域の周波数特性が得られた。すなわち、周波数２７ＧＨｚ～２９ＧＨｚの範囲内では、複数個所の減衰極が見られ、反射係数Ｓ１１は概ね－１１～－２７ｄＢの範囲で変化している。図２の各スロット１４の個々の周波数特性と比べると、図３は周波数帯域が格段に広帯域化していることがわかる。

ここで、図４及び図５は、本実施形態との対比のための比較例を示している。まず、図４は、図１の導波管スロットアンテナの４つのスロット１４がいずれもＸ方向に沿って同一の長さＬである場合に関し、図１（Ａ）に対応する構造を示す上面図である。また、図５は、図４の構造を有する導波管スロットアンテナに想定される周波数特性を示す図である。図４の比較例の構造のうち、各スロット１４が長さＬである以外の点は図１と共通であるものとする。

図５に示すように、比較例の周波数特性によれば、波形の減衰極に対応する共振周波数ｆを中心として比較的狭い帯域Ｂを有している。図５の周波数特性は、実質的には図２の個々のスロット１４の場合と同程度の広さの周波数帯域であって、４つのスロット１４が存在する分だけ減衰極が深くなっている。図５の周波数特性を図３と比べると、比較例の帯域Ｂが格段に狭くなっていることは明らかである。以上のように、本実施形態の導波管スロットの構造を採用し、複数のスロット１４を互いに異なるＸ方向の長さに設定すると、周波数特性の広帯域化という効果を得ることができる。なお、かかる効果は、複数のスロット１４のうち少なくとも１つのスロット１４を他のスロット１４と異なるＸ方向の長さに設定する場合であっても得ることができるが、この場合の配置については後述する。

次に、本実施形態の導波管スロットアンテナのうち、給電部１５の配置に関連する効果について説明する。前述したように、給電部１５はＺ方向から見た平面視で複数のスロット１４と重ならない位置に配置されている。また、給電部１５の端部にある導体部１５ａは長手方向がＸ方向であり各スロット１４の長手方向と一致する。これに対し、仮に特許文献２の構造のように、給電部１５が複数のスロット１４とＺ方向から見た平面視で交差するように重なって配置される場合には、複数のスロット１４から放射される電磁波と、給電部１５を流れる電流とが干渉することになる。従って、本実施形態の給電部１５の配置を採用することにより前述の干渉に起因する導波管スロットアンテナのアンテナ特性の劣化を防止する効果がある。

本実施形態において、複数のスロット１４の構造及び配置は図１には限定されず、本発明の効果を奏することを前提に、多様なバリエーションがある。まず、複数のスロット１４は、図１に示すように、互いに異なるＸ方向の長さに設定する場合には限られず、少なくとも１つのスロット１４のＸ方向の長さが他のスロット１４と異なるように設定すればよい。例えば、図１（Ａ）に対応する図６（Ａ）に示すように、１つのスロット１４を長さＬ１に設定し、他の３つのスロット１４を長さＬ２（Ｌ１＜Ｌ２）に設定してもよい。このような構造を採用したとしても、比較例の図３と比べれば、２つの異なる共振周波数に跨る範囲内で周波数特性を広帯域化することが可能である。

また例えば、図６（Ｂ）に示すように、長さＬ１のスロット１４と長さＬ２のスロット１４とを交互に配列してもよい。また、複数のスロット１４の個数は２個以上であればよく、例えば、図６（Ｃ）に示すように、長さＬ１の１つのスロット１４と長さＬ２のスロット１４の２つのスロット１４のみを配列してもよい。なお、図１及び図６において、長さの異なる複数のスロット１４の配列順を自在に入れ替えることができることは当然である。さらに、複数のスロット１４の個数は、誘電体基板１０のサイズの制約の範囲内で、例えば、５個以上など自在に増やすことができる。ただし、複数のスロット１４をＸ方向に並べて配置する際、前述したように給電部１５とＺ方向から見た平面視で重なる位置を避ける必要がある。

一方、複数のスロット１４は、図１に示すように、Ｙ方向の中心位置から偏移した位置
において１列で配列する場合に限られない。例えば、図７に示すように、複数のスロット１４をＹ方向の中心位置から偏移した２つの位置に２列を形成するように配列してもよい。図７の例では、複数のスロット１４が、Ｙ方向の中心位置を跨いで交互に配置されている。一般に、導波管スロットアンテナの電界分布は、Ｙ方向の中心位置で強くなるとは限らないので、Ｙ方向の電界分布に応じて複数のスロット１４のＹ方向の位置を定めることが望ましい。

次に、本実施形態の導波管スロットアンテナの作製方法の概要について、図８を参照しつつ説明する。まず、誘電体基板１０を構成する複数の誘電体層として、例えば、ドクターブレード法により形成した低温焼成用の複数のセラミックグリーンシート２０を用意する。そして、図８（Ａ）に示すように、それぞれのセラミックグリーンシート２０の所定位置に打ち抜き加工を施して、複数のビアホール２１を開口する。なお、各セラミックグリーンシート２０における各ビアホール２１の位置及び個数は、導波管の側壁となる複数のビア導体１３の配置に対応するように設定されるが、例えば、図１に示すように、平面視で誘電体基板１０を取り囲む４辺（環状）に配置される。

次に、図８（Ｂ）に示すように、それぞれのセラミックグリーンシート２０に開口された複数のビアホール２１のそれぞれに、Ｃｕを含む導電性ペーストをスクリーン印刷により充填することにより、複数のビア導体１３を形成する。このとき、同様の加工で、給電部１５のビア導体１５ｃも形成される。続いて、図８（Ｃ）に示すように、最上層のセラミックグリーンシート２０の上面に、Ｃｕを含む導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布することにより、複数のスロット１４を有する導体層１１を形成する。同様に、最下層のセラミックグリーンシート２０の下面に、Ｃｕを含む導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布することにより、給電部１５の導体部１５ａと導体層１２を形成する。このとき、同様の加工で内層のセラミックグリーンシート２０に給電部１５の導体部１５ｂも形成される。

そして、図８（Ｄ）に示すように、複数のセラミックグリーンシート２０を順に積層した上で、加熱加圧することにより積層体を形成する。その後、図８（Ｄ）で得られた積層体を脱脂、焼成することにより、図１を用いて既に説明したように、誘電体基板１０に構成された導波管スロットアンテナが完成する。

本実施形態の導波管スロットアンテナの構造を採用すれば、前述したような周波数特性の広帯域化の効果に加えて、導波管スロットアンテナによる最大ビーム方向の制御を行うという効果を得られる。例えば、図４のように４つのスロット１４が同一の長さを有する場合は、４つのスロット１４からの各ビームを合成したビーム強度はＺ方向で最大となるのに対し、図１（Ａ）のように４つのスロット１４の長さが異なる場合は、４つのスロット１４を合成したビーム強度が最大となる方向はＺ方向から若干傾くことが確認された。よって、導波管スロットアンテナを設計する際、所望の方向でビーム強度を最大化するようにスロット１４の寸法パラメータを適宜に調整することが可能となる。

以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。この場合、図１の構造例は１例であって、本発明の作用効果を得られる限り、他の構造や材料を用いた多様な導波管スロットアンテナに対して広く本発明を適用することができる。さらに、その他の点についても上記実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。

１０…誘電体基板
１１、１２…導体層
１３…ビア導体
１４…スロット
１５…給電部
２０…セラミックグリーンシート
２１…ビアホール

Claims (6)

1. 誘電体基板と当該誘電体基板を取り囲む金属部材とにより構成された導波管に、複数のスロットと前記導波管への入力信号を給電する給電部とを設けた導波管スロットアンテナであって、
   前記金属部材は、前記誘電体基板の一方の表面の第１導体層及び他方の表面の第２導体層を含み、
   前記複数のスロットは、前記導波管の管軸方向である第１の方向に沿って前記第１導体層に所定間隔で形成され、
   前記給電部は、前記一方の表面に垂直な前記導波管の高さ方向である第２の方向から見た平面視で前記複数のスロットと重ならない位置のうち前記誘電体基板の表面又は前記誘電体基板の内部の少なくとも一方に配置され、
   前記複数のスロットは、前記第１の方向に沿って前記給電部に近いスロットほど前記第１の方向の長さが短い、
   ことを特徴とする導波管スロットアンテナ。
2. 前記複数のスロットは、前記第１の方向のそれぞれの長さが互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の導波管スロットアンテナ。
3. 前記金属部材は、前記第１導体層と前記第２導体層との間をそれぞれ接続する複数のビア導体を含み、前記複数のビア導体は、前記第２の方向から見た平面視で少なくとも前記第１の方向に沿った前記導波管の２辺を画定することを特徴とする請求項１に記載の導波管スロットアンテナ。
4. 前記複数のビア導体は、前記第２の方向から見た平面視で前記誘電体基板を取り囲む環状に配列されることを特徴とする請求項３に記載の導波管スロットアンテナ。
5. 前記複数のスロットは、前記第２の方向から見た平面視で前記第１の方向に垂直な幅方向である第３の方向における前記第１導体層の中心位置から偏移した位置に配列されることを特徴とする請求項１に記載の導波管スロットアンテナ。
6. 前記複数のスロットは、前記第１の方向に沿って２列以上で配列されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載に記載の導波管スロットアンテナ。
   

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