(57)【要約】【課題】広帯域に高利得であって、しかも必要に応じて簡単に縦横の指向性を変えることができるミリ波アンテナを提供する。【解決手段】ホーン型放射器と、それからの給電を受ける複数のテーパスロットを備え、ホーン型放射器は、絶縁体を挟んで接近して並行する２枚の導電体膜と該導電体膜間に設けたポスト壁によって構成する。広帯域で高利得なホーン型放射器で、プリント基板に複数のスルーホールを形成したポスト壁で磁界方向のビームを絞る。さらに、前記ホーン型放射器の先端に複数のテーパスロットを接続して、電界方向のビームを絞る。このポスト壁を用いたホーン型放射器の電場は、プリント基板の法線方向であり、上記テーパスロットの電場は、テーパスロットの２つの導電体を結ぶ方向である。このため、それぞれの長手方向は直交する。それらの接続は、テーパスロットの導波路部にホーン型放射器を嵌め込むことで行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホーン型放射器と、該ホーン型放射器からの給電を受ける複数のテーパスロットを備え、
上記ホーン型放射器は、絶縁体を挟んで接近して並行する２枚の導電体膜と該導電体膜間に設けたポスト壁によって構成したものであることを特徴とするミリ波アンテナ。
【請求項２】
上記テーパスロットは、該テーパスロット開口部からの距離が増大するに従って該開口部の長手方向のサイズが減少する突起を持ち該テーパスロット開口部に設けた誘電体整合器を備えることを特徴とする請求項１に記載のミリ波アンテナ。
【請求項３】
上記誘電体整合器の少なくとも２つは、異なるサイズの誘電体整合器とすることで、放射特性を改変したものであることを特徴とする請求項２に記載のミリ波アンテナ。
【請求項４】
上記テーパスロットは、放射面側に、ポスト壁で構成したテーパスロット状の境界壁を設けたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のミリ波アンテナ。
【請求項５】
上記誘電体整合器は、誘電体アンテナとして動作するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のミリ波アンテナ。
【請求項６】
上記ホーン型放射器に連続して構成したポスト壁型導波路を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のミリ波アンテナ。
【請求項７】
上記ホーン型放射器と上記テーパスロットとの接続は、上記テーパスロットの導波路部にホーン型放射器を嵌合したものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載のミリ波アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ミリ波帯で広帯域で低損失であり高利得という特徴を持ったミリ波アンテナで、特にポスト壁Ｈ面扇型ホーンアンテナにテーパスロットアンテナ（ＴＳＡ：Tapered Slot Antenna）を組み合わせたミリ波アンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波帯で高性能なアンテナとしては、ホーンアンテナが知られている。一般に、ホーンアンテナは、低損失であり、広帯域性を有し、開口の拡大により高利得化の実現しやすいアンテナである。このため、マイクロ波帯からミリ波帯に数多く利用されている。しかし、金属板を加工して製作するため、重く高価であり、民生用端末アンテナには適さない。マイクロストリップアンテナは、プリント基板をエッチング加工することで製作可能であるため、量産性がよく低コストで製造できるため、マイクロ波帯では広く利用されているが、ミリ波帯では損失が大きくなるので、効率が良くないという問題がある。
【０００３】
ホーンアンテナとマイクロストリップアンテナの両方の特徴を備えたテーパスロットアンテナは、広帯域な周波数特性を有し、また、放射特性は単方向指向性を示すことが知られている。
【０００４】
例えば、特許文献１（米国特許第６２３９７６１号明細書）には、誘電体上の金属層にテーパスロットアンテナを形成するが、スロットから外延する露出した誘電体部を備えるものが記載されている。また特許文献２（米国特許第６２３９７６１号明細書）には、テーパスロットラインが指数関数型のテーパスロットアンテナが、また、特許文献３（米国特許第６００８７７０号明細書）には、テーパスロットラインがフェルミ−ディラック分布関数形状のテーパスロットアンテナが、また特許文献４（米国特許第６０４３７８５号明細書）には、円弧形状のテーパスロットラインをもったテーパスロットアンテナが記載されている。
【０００５】
非特許文献（２００９年  電子情報通信学会総合大会  通信講演論文集１  B-1-95  ９５頁）には、ポスト壁導波路型ミリ波アンテナとポスト壁ホーン型ミリ波アンテナが記載されている。
【０００６】
しかし、上記のテーパスロットアンテナや上記のポスト壁ホーン型ミリ波アンテナでは、指向性を変えづらいという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６２３９７６１号明細書
【特許文献２】米国特許第６２３９７６１号明細書
【特許文献３】米国特許第６００８７７０号明細書
【特許文献４】米国特許第６０４３７８５号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】２００９年  電子情報通信学会総合大会  通信講演論文集１  B-1-95  ９５頁.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
広帯域にわたって高利得であって、しかも必要に応じて簡単に縦横の指向性を変えることができるミリ波アンテナを実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のミリ波アンテナは、ホーン型放射器と、該ホーン型放射器からの給電を受ける複数のテーパスロットを備え、上記ホーン型放射器は、絶縁体を挟んで接近して並行する２枚の導電体膜と該導電体膜間に設けたポスト壁によって、ミリ波帯において広帯域にわたって低損失で高利得であるという構成にしたものである。
【００１１】
上記テーパスロットは、該テーパスロット開口部からの距離が増大するに従って該開口部の長手方向のサイズが減少する突起を持ち該テーパスロット開口部に設けた誘電体整合器と、を備えるものである。
【００１２】
複数の誘電体整合器のそれぞれのサイズを変えることで、ミリ波アンテナの放射特性を改変することができる。このためには、少なくとも２つは、異なるサイズの誘電体整合器とする。
【００１３】
また、上記テーパスロットは、放射面側に、ポスト壁で構成したテーパスロット状の境界壁を設けることで、テーパスロットに用いる電極サイズを調整することができる。
【００１４】
上記誘電体整合器は、上記誘電体整合器は、誘電体アンテナとして動作するものである、例えば、上記ホーン型放射器の開口部のサイズより大きなものであってもよい。
【００１５】
また、上記ホーン型放射器に連続して構成したポスト壁型導波路を備えるものである。
【００１６】
また、上記ホーン型放射器と上記テーパスロットとの接続は、上記テーパスロットの導波路部にホーン型放射器を嵌め込むことで行う。
【発明の効果】
【００１７】
ホーン型放射器に取り付けられたテーパスロットと誘電体整合器を入れ替えることによって、指向性を容易に変えることができるミリ波アンテナを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）平面形状のポスト壁ホーン型放射器、（ｂ）誘電体ロッドをそのＨ面扇型ホーンアンテナ１の開口部に誘電体整合器２としてつなげた構造、を示す図である。
【図２】（ａ）表裏に銅伯のついたプリント基板４にポスト壁５を設けて、形成した導波路と誘電体整合器つきホーン型放射器、（ｂ）計算機シミュレーションに際して計算負荷を低減するために（ａ）のポスト壁部分を置き換えた構造を示す図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）のそれぞれは、図２（ａ）、（ｂ）の構造に対して６０ＧＨｚにおける動作利得指向性の計算機シミュレーションの結果の３次元表示を示し、（ｃ）、（ｄ）のそれぞれは、その最大動作利得とリターンロスの周波数特性を示す図である。
【図４】複数のテーパスロット設けたポスト壁Ｈ面扇型ホーンアンテナで、（ａ）誘電体整合器なしの場合、（ｂ）誘電体整合器ありの場合、を示す図であり、（ｃ）および（ｄ）は、上記構造体の形成方法を示す図である。
【図５】（ａ）、（ｂ）のそれぞれは、図４（ａ）、（ｂ）に対応した６０ＧＨｚにおける動作利得指向性の３次元表示を示す図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）のそれぞれは、図４（ａ）、（ｂ）に対応した最大動作利得とリターンロスの周波数特性を示す図である。
【図７】７枚のプリント基板で構成したテーパスロット設けたポスト壁Ｈ面扇型ホーンアンテナで、（ａ）切代なしの場合、（ｂ）切代ありの場合、を示す図である。
【図８】（ａ）、（ｂ）のそれぞれは、図７（ａ）、（ｂ）に対応した最大動作利得とリターンロスの周波数特性を示す図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）のそれぞれは図７（ａ）、（ｂ）に対応した６０ＧＨｚにおける動作利得指向性の３次元表示を示す図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）のそれぞれは、図７（ａ）、（ｂ）に対応したＥ面（Ｚ方向）とＨ面（ｙ方向）の動作利得指向性を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【００２０】
本発明のミリ波アンテナでは、広帯域で高利得なＨ面扇型ホーンアンテナと類似な構造をもったホーン型放射器を、例えば、プリント基板を組み合わせて形成する。まず磁界方向にビームを絞るために、そのプリント基板に複数のスルーホールを形成してとポスト壁を構成する。さらに、電界方向にビームを絞るため、前記ホーン型放射器の先端に複数のテーパスロットを接続して、前記ホーン型放射器から給電する。このポスト壁を用いたホーン型放射器の電場は、概略、上記プリント基板の法線方向である。また、上記テーパスロットの電場は、テーパスロットの２つの導電体を結ぶ方向である。このため、上記ホーン型放射器の長手方向と上記テーパスロットの長手方向とは直交して接続する。
【００２１】
上記テーパスロットはプリント基板をエッチングして形成することができる。また、平面形状の上記ホーン型放射器と上記テーパスロットの接続のために、上記テーパスロットに切れ込みを切削により作成し、この切れ込みに上記ホーン型放射器をはめ込む。必要であれば、銀ペーストなどにより両者の電気的、機械的接続を補強する。以上のように、磁界方向にはＨ面扇型ホーンアンテナ構造により、また電界方向にはテーパスロット構造により、ビームを絞ることで高利得化を実現する。また、このホーン構造は、プリント基板にスルーホールを形成して、またこのテーパスロット構造はプリント基板のエッチングと切削により加工可能であるので、容易に製造でき、製作コストを抑えることができる。本構成では誘電体の厚さを、用いる電磁波の４分の１波長オーダにすることが望ましく、ミリ波では、厚さ数ミリの通常のプリント基板が適合する。一方、本構成をマイクロ波帯で実現するためには、多量の誘電体材料を使用することになり、重量コストの面で適さない。すなわち、本アンテナはミリ波帯に適した構成である。
【００２２】
構成法の拡張としては、テーパスロットの前面に誘電体を自由空間との整合器として残すことにより更なる高利得化を実現することができる。また、テーパスロットの外側に、銅箔の無い誘電体部を形成することにより、誘電体の切削加工時に金属のバリを残さないようにすると同時に、利得改善効果を得ることができる。
【実施例１】
【００２３】
一般に、ミリ波帯では、マイクロストリップ構造より共振空間の比率を大きくできる導波管が効率の面で有利になる。しかし、通常の導波管を民生用に用いることはコスト的、サイズ的に不利である。そこで、プリント基板にポスト壁を並べ、導波管構造を形成するポスト壁導波路が用いられている。中空の導波管に比べ、誘電体損が充填されているので、誘電体損があるが、ＭＳＬ（マイクロストリップライン）に比べ高さを大きくできるので、低損失に構成でき、また、スルーホール作製技術により量産性も良い。
【００２４】
また、導波管をテーパー状に広げたＨ面扇型ホーンアンテナは、広帯域に高利得な特性を得ることのできる基本的なアンテナである。そこで、ポスト壁導波路もテーパー状に開口を広げ、つまり、図１（ａ）のような平面形状のホーン型放射器を、表裏に銅伯のついたプリント基板４にポスト壁５を設けて、導波路とホーン型放射器を形成する（case a）。通常のホーンアンテナと異なり、開口部で誘電体と自由空間の段差があるため、反射が発生すと考えられるので、開口部での自由空間との整合を改善するように、図１（ｂ）のような誘電体ロッドをそのＨ面扇型ホーンアンテナ１の開口部に誘電体整合器２としてつなげた構造(case b)とする。このＨ面扇型ホーンアンテナ１への給電は、導波路３を通じて行なう。
【００２５】
この誘電体ロッド部はＨ面扇型ホーンアンテナ部と同じプリント基板をエッチングにより構成し、形状は切断により形成可能なので、ミリ波帯でも制作は容易である。この様に、プリント基板を用いる場合は、プリントとエッチング加工、およびその組み立て工程だけのよく知られた製造方法で製造することができる。
【００２６】
上記の構成の場合の計算機シミュレーション結果を以下に説明する。ここで、計算負荷を低減する目的で、図２（ａ）のポスト壁部分を図２（ｂ）のように導体壁に置き換え、有限要素法プログラムＨＦＳＳを用いてアンテナ特性を計算した。誘電体は比誘電率２．１７、ｔａｎδ＝０．０００６とした。
【００２７】
図１（ａ）、（ｂ）の構造に対して６０ＧＨｚにおける動作利得指向性の計算機シミュレーションの結果の３次元表示を図３（ａ）、（ｂ）に示す。ホーン構造によりＨ面方向（ｙ方向）にビームが絞られていることがわかる。また、誘電体ロッドにより、Ｅ面（ｚ方向）にもビームが絞られ、高利得化が実現できていることが分かる。また、最大動作利得（Ｇｗ）とリターンロス（Ｓ11）の周波数特性を、上記のそれぞれの場合について図３（ｃ）、（ｄ）に示す。周波数が高くなるほど利得が高くなる傾向があるが、これは、波長に対して開口が大きくなるためと考えられる。整合はリターンロス−６ｄＢ（不整合損約１．２６ｄＢ）程度の整合が得られている。
【００２８】
整合に対する効果は誘電体ロッド付加により、広帯域にわたっては利得が改善できている。しかし、利得は約１１ｄＢｉに止まっており、更なる利得向上にはＥ面の方向に開口面積を大きくすることが望ましい。
【実施例２】
【００２９】
そこで、Ｅ面（ｚ方向）にビームを絞るために、テーパスロット６を用いる。一般に、テーパスロットアンテナはＥ面にビームを絞る効果を有し、広帯域なアンテナである。図４（ｃ）のように、切込みを入れたテーパスロットを複数並べ、その給電用導波路部に切り込みを設け、ポスト壁Ｈ面扇型ホーンアンテナを該切り込みに差し込み、図４（ａ）のような構成とする。また、開口部における誘電体と自由空間の整合を改善する目的で図４（ｂ）のような、誘電体整合器を付加した構造も比較検討する。つまり、図４（ｄ）の場合は、先端に誘電体整合器が付加したテーパスロットに上記のような切れ込みを設け、ポスト壁ホーン型放射器を嵌め込む。図４のような構成は、マイクロ波帯では多くの誘電体基板を要し、その重量も大きくなるが、ミリ波帯では全体が小さくなるので、実現可能な構造といえる。また、基板の厚さは、ミリ波の場合は、４分の１波長オーダの１ｍｍや２ｍｍの基板は一般的に存在し、重ねる枚数も少なくてよい。なお、テーパスロットと、ポスト壁Ｈ面扇型ホーンアンテナの導体との導通性は、銀ペーストなどで対応可能である。
【００３０】
６０ＧＨｚにおける動作利得指向性の３次元表示を、図４（ａ）、（ｂ）に対応して図５（ａ）、（ｂ）に示す。テーパスロット６により、平面形状のＨ面扇型ホーンアンテナ単体より、Ｅ面の指向性が絞られ、高利得化が実現できていることが分かる。また、それぞれの最大動作利得とリターンロス（Ｓ11）の周波数特性を図６（ａ）、（ｂ）に示す。テーパスロットにより（case c）、１４ｄＢｉ程度の動作利得が実現できていることが分かる。さらに誘電体ロッドを付加すると(case d)、約４ｄＢ利得が改善し１７ｄＢｉ程度の利得が広帯域にほぼフラットな特性で確保できている。誘電体ロッドが有効であることが確認できる。リターンロスも約−１０ｄＢ（不整合損失約０．４６ｄＢ）以下に改善されている。
【実施例３】
【００３１】
テーパスロット部としては、１ｍｍの基板を１４枚重ね合わせて形成している。１ｍｍは自由空間波長の約４分の１に相当する。工程の簡略化と低コスト化のために、図７（ａ）のように２ｍｍの基板を７枚重ね合わせて形成する場合（case e）を検討する。さらに、誘電体と導体の境界が一致していると、切断のときにバリが生じるので、図７（ｂ）のように切代７を１ｍｍ設けた場合(case f)を検討する。
【００３２】
動作利得とリターンロスの周波数特性を図８に示す。１４枚の場合に比べて、リターンロスが約−９ｄＢに整合が劣化している。また、利得も１４枚の場合に比べ劣化している。特に高周波数になるほど劣化が大きいことが分かる。これは、テーパスロットの間隔が波長に比べて大きくなるため、テーパスロット間への漏洩が多くなるためと考えられる。
【００３３】
また、切代７を付加した場合の方が、約１ｄＢ程度利得が改善していることが分かる。切代は約４分の１波長なのでチョーク的に作用しているものと考えられる。５１−７０ＧＨｚの広帯域にわたり、１５ｄＢｉ以上の動作利得が得られている。
【００３４】
図７（ａ）、（ｂ）の切代がない場合とある場合のＥ面とＨ面の動作利得指向性３次元表示を図９（ａ）、（ｂ）に示す。また、図１０（ａ）、（ｂ）に、切代が有る場合のＨ面とＥ面の５６、５８、６０、６２、６４、６６ＧＨｚでの相対指向性（正面方向で規格化）を示す。本アンテナを向きを変えて複数並べることにより、１０ｄＢｉ以上の動作利得をセクタアンテナで実現するためには、Ｅ面で約１８度間隔、Ｈ面に約２４度間隔で提案アンテナを配置することが望ましい。また、この構成によって広帯域に主ビーム近傍のパターンが保持される。
【００３５】
上記のように、テーパスロットを付加することにより、整合が改善し、Ｅ面にビームが絞られ高利得化が可能である。また、開口部にプリント基板の誘電体部を残してロッドを構成することにより、高利得化が可能で有る。また、比誘電率２．１７の基板の場合、テーパスロットの間隔を１ｍｍから２ｍｍに広くすると、利得が低下する。その傾向は高周波ほど強い。ここで、テーパスロットに切代を設けることにより、約１ｄＢの利得改善効果が得られることが分かった。本アンテナを素子として、Ｅ面に約１８度、Ｈ面に約２４度の間隔で配置し、セクタアンテナを形成することにより、サービスエリアを約１０ｄＢｉ以上の動作利得でカバーできる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
上記のテーパスロット部は、同形のものを積層したものであるが、個々のテーパスロットの基板や電極のサイズ等を調整することによって、アンテナに要求される種々の指向性を実現することができる。
【００３７】
また、テーパスロットの極端な場合として、テーパスロット部の電極を無くし、積層した誘電体のみを残すようにしてもよい。さらに、積層した誘電体を、ひと塊で同じ形状の誘電体で置き換えてもよい。
【００３８】
ミリ波帯は伝播損失が大きいため、高利得化が必要である。高利得化に伴いビーム幅が狭くなるので、半固定の利用形態ではビーム方向を可変とする必要がある。ビーム可変技術としてマイクロ波帯などで利用されているフェーズドアレーアンテナは、ビーム方向が周波数により変化するため、広帯域性が必要とされる場合には課題がある。周波数によるビーム方向の変化がない構成法として、複数のビームアンテナを向きを変えて配置し、送受信機に接続される素子アンテナを切り替えるというものが考えられるが、この方法は複数の高利得アンテナを配置するものなので、スペース効率が悪い。しかしミリ波ではアンテナが小さくなるためスペース的な制約が弱くなるので、実現性があると考えられる。そこで、このようなミリ波セクタアンテナの素子アンテナとしての利用が考えられる。
【符号の説明】
【００３９】
１  Ｈ面扇型ホーンアンテナ
２  誘電体整合器
３  導波路
４  プリント基板
５  ポスト壁
６  テーパスロット
７  切代
【図１】
2010278976.tif 000003
【図２】
2010278976.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010278976.tif 000011
【図１０】
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