(57)【要約】【課題】  放射効率が高く、放射特性のばらつきが小さいアンテナを提供すること。【解決手段】  誘電体層１の上面に形成された線路導体３および線路導体３の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層４から成る高周波線路２と、同一面接地導体層４に線路導体３と直交するように形成されたスロット５と、スロット５を取り囲むように誘電体層１の内部に形成された複数のシールド導体６とを具備するアンテナであって、線路導体３の上側または下側に接地導体層を形成するとともに線路導体３と接地導体層との間隔を誘電体層１の外周側に比しスロット５との接合部近傍Ｘで狭くするか、あるいは線路導体３の上側における接合部近傍Ｘの直上のみまたは線路導体３の下側における接合部近傍Ｘの直下のみに接地導体層７を形成した。【選択図】  図１
2006270761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層の上面に形成された線路導体および該線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層から成る高周波線路と、前記同一面接地導体層に前記線路導体と直交するように形成されたスロットと、前記スロットを取り囲むように前記誘電体層の内部に形成された複数のシールド導体とを具備するアンテナであって、前記線路導体の上側または下側に接地導体層を形成するとともに前記線路導体と前記接地導体層との間隔を前記誘電体層の外周側に比し前記スロットとの接合部近傍で狭くするか、あるいは前記線路導体の上側における前記接合部近傍の直上のみまたは前記線路導体の下側における前記接合部近傍の直下のみに前記接地導体層を形成したことを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
前記接合部近傍の長さをＬとし、前記線路導体により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、λ／８≦Ｌ≦λ／４であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波やミリ波を用いた通信やレーダーに使用されるアンテナに関するもので、帯域が広く薄型化が可能なアンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波やミリ波等の電磁波を効率良く放射するアンテナとして導波管を用いたホーンアンテナが知られている。ホーンアンテナは導波管内を伝送してきた高周波信号を空間に放射するアンテナである。導波管内部は空間と同じ誘電率（一般的には空気の誘電率）であり、そのインピーダンスは空間のインピーダンスに近くなっている。また導波管内を伝送する高周波信号の電磁場モードは空間を伝送する高周波信号の電磁場モードに類似しており、導波管を伝送してきた高周波信号の電磁場モードはホーン近傍の空間で容易に空間を伝送する高周波信号の電磁場モードに変化できる。これらの理由よりホーンアンテナはインピーダンスやモードのミスマッチによる反射が小さく、高効率で比較的広帯域であることが知られている。
【０００３】
一方一般にマイクロ波やミリ波を用いた通信やレーダーに用いられる回路はマイクロストリップ線路やコプレーナ線路を用いた平面回路である。この場合、回路とホーンアンテナを接続するには平面回路を導波管に変換する変換器が必要になり、変換器を使用することによるコストアップや反射等の性能劣化が生じる場合がある。
【０００４】
また、平面回路から空間に直接電磁波を放射するアンテナの１つとしてパッチアンテナが知られている。パッチアンテナは比較的インピーダンスが小さい平面回路と、比較的インピーダンスが大きい空間とをパッチの共振を使って整合している。
【０００５】
このような共振による整合では共振器のインピーダンスが帯域に影響する。帯域を広くするためにパッチのインピーダンスを大きくしようとするとパッチ幅を小さくする必要があり放射効率が下がる。放射効率を上げるためにパッチ幅を大きくするとパッチのインピーダンスが小さくなり帯域が狭くなる傾向がある。パッチアンテナの設計では高周波信号を効率良く空間に放射することが第１条件であり、そのため帯域を犠牲にして、帯域が狭くなっている場合が多い。
【０００６】
この問題を解決するために共振器としてインピーダンスが大きい空洞共振器を用いた積層型開口面アンテナが提案されている。この積層型開口面アンテナでは平面回路を形成する誘電体基板内部に誘電体が充填された空洞共振器を構成し、広帯域なアンテナを実現している。
【特許文献１】特開２００１−０１６０２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、積層型開口面アンテナでは空洞共振器を誘電体基板内部に構成する必要があるため、パッチアンテナと比較すると誘電体基板が厚くなるという問題がある。特にこのアンテナの1次放射器であるスロットへの給電に積層型導波管やマイクロストリップ線路等の給電線を用いた場合、給電線を構成するためにスロットの上にさらに誘電体層を設ける必要があり誘電体基板の厚さが空洞共振器の厚さよりも更に厚くなって、装置が大型化するという問題があった。
【０００８】
従って、本発明は、上記従来の問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、広帯域なアンテナにおいて、誘電体基板の厚さを厚くせずに給電線を構成でき、放射効率が高く、放射特性のばらつきが小さいアンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のアンテナは、誘電体層の上面に形成された線路導体および該線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層から成る高周波線路と、前記同一面接地導体層に前記線路導体と直交するように形成されたスロットと、前記スロットを取り囲むように前記誘電体層の内部に形成された複数のシールド導体とを具備するアンテナであって、前記線路導体の上側または下側に接地導体層を形成するとともに前記線路導体と前記接地導体層との間隔を前記誘電体層の外周側に比し前記スロットとの接合部近傍で狭くするか、あるいは前記線路導体の上側における前記接合部近傍の直上のみまたは前記線路導体の下側における前記接合部近傍の直下のみに前記接地導体層を形成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明のアンテナにおいて、好ましくは、前記接合部近傍の長さをＬとし、前記線路導体により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、λ／８≦Ｌ≦λ／４であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のアンテナは、誘電体層の上面に形成された線路導体および線路導体の一端部を取り囲むように形成された同一面接地導体層から成る高周波線路と、同一面接地導体層に線路導体と直交するように形成されたスロットと、スロットを取り囲むように誘電体層の内部に形成された複数のシールド導体とを具備していることから、線路導体とスロットとが同一平面にて電磁的に結合するので、誘電体基板の厚さを厚くせずに給電線を構成でき、薄型のアンテナを提供できる。
【００１２】
また、線路導体の上側または下側に接地導体層を形成するとともに線路導体と接地導体層との間隔を誘電体層の外周側に比しスロットとの接合部近傍で狭くするか、あるいは線路導体の上側における接合部近傍の直上のみまたは線路導体の下側における接合部近傍の直下のみに接地導体層を形成したことから、この接合部近傍が高周波線路とスロットとのインピーダンス整合部として作用し、高周波線路とスロットとのインピーダンスの差を緩和することができる。よって、高周波線路とスロット間での反射損失を抑えることができ、アンテナの放射効率を高めることができる。
【００１３】
本発明のアンテナにおいて好ましくは、接合部近傍の長さをＬとし、線路導体により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、λ／８≦Ｌ≦λ／４であることから、伝送される高周波信号の周波数帯域において、高周波線路とスロット間での反射損失を効果的に抑えることができ、更にアンテナの変換効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のアンテナを図面に基づき詳述する。図１は、本発明のアンテナの一例を説明するための概略図であり（ａ）は平面透視図、（ｂ）はＡ−ＡＡ断面図である。
【００１５】
図１において、１は誘電体層、２は高周波線路、３は線路導体、４は同一面接地導体層、５は同一面接地導体層４に形成されたスロット、６はシールド導体、７は接地導体層、８は内部接地導体層である。
【００１６】
本発明のアンテナの例においては、誘電体層１と、誘電体層１の上面に配された線路導体３と、線路導体３の一端部を取り囲むように同一面（誘電体層１の上面）に配された同一面接地導体層４とによって高周波線路２としてのコプレーナ線路が形成されている。また、誘電体層１の上面の同一面接地導体層４には線路導体３の一端部と直交するように形成されたスロット５が配されており、高周波線路２の一端と電磁気的に結合されている。これにより、高周波線路２に伝送された高周波信号は、スロット５から、誘電体層１の下面側に電磁波として放射される。
【００１７】
誘電体層１の側面方向は、線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むようにして、図１の例に示すように誘電体層１の内部に配されたシールド導体６によりシールドされており、スロット５から誘電体層１に放射された電磁波および誘電体層１と外部空間との境界で反射した電磁波が漏れ出すことを防ぎ、放射効率が低下することを防止している。
【００１８】
また、高周波線路２とスロット５とが同一面内に形成されることとなり、その結果、両者の相対的な位置関係が変動しにくく、スロットに対する高周波線路の突出部分であるスタブの長さのばらつきを小さくすることができるため、電磁結合の特性のばらつきを小さくすることができ、かつ、誘電体層１の厚さを厚くせずに給電線を構成でき、薄型のアンテナを提供できる。
【００１９】
更に本発明では、図２に示すように線路導体３の上側に接地導体層７（以下、上側接地導体層７という）を形成するか、または線路導体３の下側に接地導体層７’（以下、下側接地導体層７’という）を形成し、さらに線路導体３と接地導体層７，７’との間隔を誘電体層１の外周側に比しスロット５との接合部近傍Ｘで狭くしている。これにより、高周波線路２とスロット５とのインピーダンス整合部を設けることにより、高周波線路２とスロット５間での反射損失を抑えることができ、アンテナの放射効率を高めることができる。
【００２０】
あるいは、図１に示すように線路導体３の上側における接合部近傍Ｘの直上のみに接地導体層７（上側接地導体層７）を形成するか、または線路導体３の下側における接合部近傍Ｘの直下のみに接地導体層７’（下側接地導体層７’）を形成してもよい。この構成によっても同様に高周波線路２とスロット５とのインピーダンス整合部を設けることにより、高周波線路２とスロット５間での反射損失を抑えることができ、アンテナの放射効率を高めることができる。
【００２１】
このような上側接地導体層７は、例えば、線路導体３の上面に積層した誘電体１’上に形成されたり、半円筒状の金属板等で線路導体３の上側を覆うようにして形成される。また、下側接地導体層７’は、例えば、誘電体層１の内層に形成される。
【００２２】
誘電体層１や誘電体１’を形成する誘電体材料としては、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，窒化珪素，ムライト等を主成分とするセラミック材料，ガラス，あるいはガラスとセラミックフィラーとの混合物を焼成して形成されたガラスセラミック材料，エポキシ樹脂，ポリイミド樹脂，四フッ化エチレン樹脂を始めとするフッ素系樹脂等の有機樹脂系材料，有機樹脂−セラミック（ガラスも含む）複合系材料等が用いられる。
【００２３】
線路導体３，同一面接地導体層４，貫通導体等から成るシールド導体６，接地導体層７，７’を形成する導体材料としては、タングステン，モリブデン，金，銀，銅等を主成分とするメタライズ、あるいは金，銀，銅，アルミニウム等を主成分とする金属箔等が用いられる。
【００２４】
特に、アンテナを、高周波部品を搭載する配線基板に内蔵する場合は、誘電体層１を形成する誘電体材料としては、誘電正接が小さく、かつ気密封止が可能であることが望ましい。特に望ましい誘電体材料としては、酸化アルミニウム，窒化アルミニウム，ガラスセラミック材料の群から選ばれる少なくとも１種の無機材料が挙げられる。このような硬質系材料で構成すれば、誘電正接が小さく、かつ搭載した高周波部品を気密に封止することができるので、搭載した高周波部品の信頼性を高める上で好ましい。この場合、導体材料としては、誘電体材料との同時焼成が可能なメタライズ導体を用いることが、気密封止性と生産性の上で望ましい。
【００２５】
本発明のアンテナは以下のようにして作製される。例えば誘電体材料に酸化アルミニウム質焼結体を用いる場合であれば、まず酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してスラリー状にし、これを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法によりシート状に成形してセラミックグリーンシートを作製する。また、タングステンやモリブデン等の高融点金属，酸化アルミニウム，酸化珪素，酸化マグネシウム，酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤，溶媒を添加混合してメタライズペーストを作製する。
【００２６】
次に、セラミックグリーンシートに、例えば打ち抜き法によりシールド導体６としての貫通導体を形成するための貫通孔を形成し、例えば印刷法により、その貫通孔にメタライズペーストを埋め込み、続いて線路導体３、スロット５を有する同一面接地導体層４の形状にメタライズペーストを印刷する。誘電体層１が複数の誘電体層の積層構造からなる場合には、これら導体が埋め込み，印刷されたセラミックグリーンシートを積層し、加圧して圧着し、高温（約1600℃）で焼成する。さらに、線路導体３、同一面接地導体層４等の表面に露出する導体の表面には、ニッケルめっきおよび金めっきを被着させる。
【００２７】
シールド導体６は線路導体３の一端部およびスロット５を取り囲むように誘電体層１の側面または内部に配され、同一面接地導体層４に電気的に接続されて接地される。
【００２８】
シールド導体６は、誘電体層１の内部に配された複数のシールド用貫通導体により構成するとよい。このようにシールド導体６を複数のシールド用貫通導体で形成すると、誘電体層１のシールド導体６で囲まれた領域の形状を任意に設計することができるので、たとえば誘電体層１のシールド導体６で囲まれた領域に不要な共振が発生する場合に、シールド導体６の配置を調整して、不要共振を信号変換の帯域外にシフトさせることが可能となる。
【００２９】
シールド用貫通導体同士の隙間（図１においてＧで示す）は、信号波長の１／４未満にすることが望ましい。これは、信号波長の１／４未満とすることにより電磁波がシールド用貫通導体間の隙間から漏れにくくなるので、シールド効果を高めることができるからである。
【００３０】
なお、シールド導体６を構成するシールド用貫通導体は、貫通孔の内壁に導体層が被着されたいわゆるスルーホール導体であってもよく、貫通孔の内部が導体で充填されたいわゆるビア導体であってもよい。
【００３１】
また、好ましくは、図１や図２に示すように誘電体層１の内層に平面透視してスロット５と重なるとともに、スロット５と同じかスロット５よりも大きい開口が形成された内部接地導体層８を形成してもよい。これにより、線路導体３の接地電位をより強化することができ、伝送性をより向上できる。
【００３２】
また、図１に示すように、本発明のアンテナは、好ましくは、接合部近傍Ｘの長さをＬとし、高周波線路２により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときに、λ／８≦Ｌ≦λ／４であるのがよい。これにより、伝送される高周波信号の周波数帯域において、高周波線路２とスロット５間での反射損失を効果的に抑えることができ、更にアンテナの変換効率を高めることができる。
【００３３】
接合部近傍Ｘの長さＬがλ／８未満であると、波長に対して短かすぎるため、高周波線路とスロットとのインピーダンス整合部として機能しにくくなる。また、接合部近傍Ｘの長さＬがλ／４を超えると、接合部が周波数特性を持ち、高周波線路２からスロット５への変換を妨げやすくなる。
【００３４】
また、線路導体３の上側または下側に接地導体層７，７’を形成するとともに線路導体３と接地導体層７，７’との間隔を誘電体層１の外周側に比しスロット５との接合部近傍Ｘで狭くした場合、接合部近傍Ｘと接地導体層７，７’との間隔は、誘電体層２の外周側（図２の線路導体３の一端部のスロット５の外側に位置する部位における線路導体３の接合部近傍Ｘ以外の部位）と接地導体層７，７’との間隔の0.2〜0.8倍であるのがよい。0.2倍未満であると、間隔が急激に変化することにより高周波信号の伝播モードが乱れ、高周波線路１からスロット５への変換を妨げやすくなる。また、0.8倍を超えると、間隔の変化が小さいことから、インピーダンス整合部として機能しにくくなる。
【実施例】
【００３５】
本発明のアンテナの実施例を以下に説明する。
【００３６】
まず、比誘電率が8.6からなるアルミナセラミックスから成り、厚みが1.52ｍｍの誘電体層１の内部に高周波線路２として特性インピーダンスが50Ωとなるような線路導体３および同一面接地導体層４を形成した。さらに、同一面接地導体層４に線路導体３に直交するように、線路導体３の線路方向の長さが0.1ｍｍ、線路導体３に直交する方向の長さが3.0ｍｍのスロット５を形成した。
【００３７】
また、線路導体３とスロット５との接合部近傍Ｘおよびスロット５を覆うように、厚みが0.38ｍｍの誘電体１’（図１参照）を積層し、その上面に上側接地導体層７を形成した。
【００３８】
ここで、高周波３次元構造シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳ）を用いて24ＧＨｚを中心周波数として設計した。
【００３９】
その結果、24ＧＨｚにおける反射損失Ｓ11は-20ｄＢ以下であり、実用的なアンテナとして十分に小さい反射損失であることが確認された。
【００４０】
次に、線路導体３の接合部近傍Ｘの長さＬを0.3ｍｍ〜1.2ｍｍの範囲で変化させた場合の反射損失Ｓ11を高周波３次元構造シミュレータ（Ａｎｓｏｆｔ社製ＨＦＳＳ）を用いてシミュレーションした。
【００４１】
その結果、接合部近傍Ｘのインピーダンス整合部の長さをＬとし、高周波線路２により伝送される高周波信号の実効波長をλとしたときにλ／８≦Ｌ≦λ／４に相当する0.5ｍｍ〜１ｍｍの範囲において、反射損失Ｓ11≦-10ｄＢとアンテナとして十分に実用的な反射損失が得られることが確認された。
【００４２】
なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更を行なっても差し支えない。
【００４３】
例えば、図１では、線路導体３の上側に配した接地導体層７を接合部近傍Ｘの直上のみに形成した場合の例を示したが、誘電体層１の外周側の線路導体３の上側に接地導体層を設けてもよく、その場合、誘電体層１の外周側の線路導体３の上側の接地導体層と線路導体３との距離を接合部近傍Ｘの直上の接地導体層と接合部近傍Ｘとの距離よりも大きくすればよい。
【００４４】
また、図１ではシールド導体６は複数の貫通導体の場合の例を示したが、誘電体層１を小さくし側面に導体層を形成しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】（ａ）は本発明のアンテナの実施の形態の一例を示す平面透視図、（ｂ）は（ａ）のアンテナのＡ−ＡＡ線における断面図である。
【図２】（ａ）は本発明のアンテナの実施の形態の他の例を示す平面透視図、（ｂ）は（ａ）のアンテナのＢ−ＢＢ線における断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：誘電体層
２：高周波線路
３：線路導体
４：同一面接地導体層
５：スロット
６：シールド導体
７：接地導体層（上側接地導体層）
７’：接地導体層（下側接地導体層）
【図１】
2006270761.tif 000003
【図２】
2006270761.tif 000004