(57)【要約】【課題】  マイクロ波、ミリ波、及びテラヘルツ波等を用いた無線通信システムにおいて利用される広帯域アレイアンテナを、集積回路基板上に提供する。【解決手段】  中心周波数の異なる広帯域スロットアンテナ素子１０ａを４素子、アンテナ素子１０ｂを８素子用いて、アンテナ素子同士の結合を考慮した組み合わせにより２−４−４−２列に配置した構成よりなる広帯域スロットアレイアンテナ。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単方向スロットアンテナの開放端を湾曲させたアンテナ素子。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナ素子において、
平面状の第１金属板と、
第１金属板の平面に対して絶縁材料を介して対向して配設される第２金属板と、
第１金属板に給電する給電部とを備え、
第１金属板に、第１の方向に延在する直線状の第１スロットと、第１の方向と反対の第２の方向に延在する直線状の第２スロットとを有し、第１スロットの直線に対向する第１金属板の縁部が湾曲し、第２スロットの直線に対向する第１金属板の縁部が湾曲しているアンテナ素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のアンテナ素子を用いたアレイアンテナであって、
複数の異なる周波数を持つアンテナを同位相で接続するアレイアンテナ。
【請求項４】
請求項３に記載のマルチアンテナにおいて、
第１スロット及び第２スロットから、湾曲している前記第１金属板の縁部までの距離が相対的に長い複数の第１アンテナ素子と、相対的に短い複数の第２アンテナ素子とが格子状に複数配列されたアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばマイクロ波、ミリ波、及びテラヘルツ波などの無線通信システムにおいて利用される広帯域のアンテナ素子等に関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ波は３００ＧＨｚ(０．３ＴＨｚ)から３ＴＨｚの周波数領域に位置する電磁波である。３００ＧＨｚ以上の周波数帯における超高速通信が検討されているが、使用周波数に関する法制度は整っていない。しかしながら、光ファイバによる通信に匹敵する１００Ｇｂｐｓ以上の大容量データをテラヘルツ波無線により実現することができれば、光ファイバの設置が困難な離島や海上などにおいて、ハイビジョンテレビの受信や、高画質動画の非圧縮または低圧縮でのやり取りが可能となる。また、地震や火山の噴火等により、光ファイバ網が切断された場合の代替としての応用も可能となる。
【０００３】
１００Ｇｂｐｓのデータをワイヤレスで伝送するためには少なくとも１００ＧＨｚ以上の帯域が必要である。また、光信号のＴＨｚ信号への変換損失を低減するため、集積回路基板上に、光−テラヘルツ波変換素子（Ｕｎｉ−ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−ｃａｒｒｉｅｒ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ、ＵＴＣ−ＰＤ）を作成し、さらに同一の集積回路基板上にアンテナを作成する必要がある。これまで、非特許文献１に記載のボウタイアンテナを用いた素子が開示されているが、ボウタイアンテナは両面への放射指向性を持つため、変換素子基板内部へ電磁波が吸収され、良好な放射特性が得られなかった。したがって、変換素子基板内部（集積回路基板内部）への放射が無いアンテナが必要である。
【０００４】
また、長距離通信のため、鋭い放射ビーム（高い指向性利得）を形成する必要がある。通常、同じ動作周波数のアンテナ素子を複数個並べてアレイ化し、高い指向性利得を得る。この場合、アンテナの動作周波数は１周波数であり、広帯域に渡る信号の送信ができない。
【０００５】
発明者らは、集積回路基板上に３００ＧＨｚ帯で動作する単方向スロットアレイアンテナを提案している。非特許文献２記載のアンテナは、インジウムリン基板上で構成され、インジウムリン基板１０３の一部を掘り込み、その上に他の回路と電気的な接続がないフローティングメタル層１０２を積層し、その上にポリイミド１０４を積層し、さらにアンテナ面となるメタル層１０１を積層する構造となっている。フローティングメタル層１０２により集積回路基板内部への放射が遮断される。アンテナ面のメタル層１０１には、アンテナ素子１０が４ｘ４＝１６素子配置され、各々、３００ＧＨｚの信号を同位相で給電することで高い指向性利得を得ている。なお、アンテナ素子１０の形状は、特許文献１に記載されている。
【０００６】
図７は、非特許文献２に記載のアンテナ素子を動作周波数が６００ＧＨｚとなるように設計した場合の平面図と断面図である。アンテナはメタル層１０１にレイアウトされる。フローティングメタル層１０２は、メタル層１０１及び他の配線とは接続されていない。アレイアンテナの信号入力部は信号線と接地面の両方がアンテナ面１０１に存在するコプレーナ構造であるので、光−テラヘルツ波変換素子の信号線をコプレーナ線路の信号線に、接地導体をコプレーナ線路の接地面に、それぞれ同一のメタル層１０１で接続する。
【０００７】
図８は図７のアンテナ素子１０を１２個用い、２−４−４−２列で配置した場合の平面図である。通常、半導体ウエハは円形であるので、４つの角にアンテナ素子は配置できない。この場合、最大利得＝１２．０７ｄＢｉ、帯域（３ｄＢ帯域：利得が半分になる帯域）＝３０ＧＨｚである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第４８１１８０７号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｒ．  Ｙａｎｏ，  Ｈ．  Ｇｏｔｏｈ，  Ｙ．  Ｈｉｒａｙａｍａ，  “Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  ｗａｖｅ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  ａｎｔｅｎｎａｓ：  Ｒｏｌｅ  ｏｆ  ａｎｔｅｎｎａ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ａｎｄ  ｇａｔｅ  ｐｕｌｓｅ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ”，  Ｊ．  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ９７，  １０３１０３  （２００５）．
【非特許文献２】４ｘ４  ｐｌａｎａｒ  ａｒｒａｙ  ａｎｔｅｎｎａ  ｏｎ  ｉｎｄｉｕｍ  ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ  ｆｏｒ  ０．３−ＴＨｚ  ｂａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ、  Ｈ．  ＫＡＮＡＹＡ，  Ｍ．  ＫＯＧＡ，  Ｋ．  ＴＳＵＧＡＭＩ，  Ｇ．  ＣＨＡＩ  ＥＵ，  Ｋ．  ＫＡＴＯ、  Ｐｒｏｃ．  ＳＰＩＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｗｅｓｔ  ２０１７，  １０１０３１Ｎ，  ２０１７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図７や図８に示す技術は、動作周波数をテラヘルツ波で行うことができるものの、帯域が不足しており実用性に乏しいものとなってしまう。
【００１１】
本発明は、単一のアンテナ素子で複数の共振条件を実現しつつ、相対的に高周波数のアンテナ素子と低周波数のアンテナ素子とを配設することで、テラヘルツ波での広帯域化を実現するアンテナ素子及びアレイアンテナを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るアンテナ素子は、単方向スロットアンテナの開放端を湾曲させたものであり、平面状の第１金属板と、第１金属板の平面に対して絶縁材料を介して対向して配設される第２金属板と、第１金属板に給電する給電部とを備え、第１金属板に、第１の方向に延在する直線状の第１スロットと、第１の方向と反対の第２の方向に延在する直線状の第２スロットとを有し、第１スロットの直線に対向する第１金属板の縁部が湾曲し、第２スロットの直線に対向する第１金属板の縁部が湾曲しているものである。
【００１３】
このように、本発明に係るアンテナ素子においては、単方向スロットアンテナの開放端を湾曲させることで、複数の共振条件を実現して広帯域化することができるという効果を奏する。
【００１４】
本発明に係るアレイアンテナは、上記アンテナ素子を用いたアレイアンテナであって、複数の異なる周波数を持つアンテナを同位相で接続するものであり、第１スロット及び第２スロットから、湾曲している前記第１金属板の縁部までの距離が相対的に長い複数の第１アンテナ素子と、相対的に短い複数の第２アンテナ素子とが格子状に複数配列されたものである。
【００１５】
このように、本発明に係るアレイアンテナにおいては、複数の異なる周波数を持ち、相対的に高周波数のアンテナ素子と、相対的に低周波数のアンテナ素子とを同位相で接続することで、広帯域且つ高い指向性利得を持つアレイアンテナを実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態に係るアンテナ素子の平面図である。
【図２】第１の実施形態に係るアレイアンテナに用いる各アンテナ素子の平面図である。
【図３】第１の実施形態に係るアレイアンテナの平面図である。
【図４】図２の２つのアンテナ素子における利得の周波数特性を示す図である。
【図５】図３のアレイアンテナにおける利得の周波数特性を示す図である。
【図６】図３のアレイアンテナにおける放射パターンを示す図である。
【図７】従来の設計方法による６００ＧＨｚで動作するアンテナ素子の平面図と断面図である。
【図８】図７のアンテナ素子を２-４-４-２列で配置したアレイアンテナの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。
【００１８】
本実施形態に係るアンテナ素子及びアレイアンテナについて、図１ないし図６を用いて説明する。図１は、本実施形態に係るアンテナ素子の平面図である。図１のアンテナ素子１０の断面形状は、図７に示すものと同じであり、インジウムリン基板１０３上で構成され、インジウムリン基板１０３の一部を掘り込み、その上に他の回路と電気的な接続がないフローティングメタル層１０２を積層し、その上にメタル層（裏面）１０１ｂを積層し、その上にポリイミド１０４を積層し、さらにアンテナ面となるメタル層（表面）１０１ａを積層する構造となっている。フローティングメタル層１０２により集積回路基板内部への放射が遮断される。
【００１９】
また、本実施形態に係るアンテナ素子１０の平面形状は、図１に示すように、図７のアンテナ形状に対して、前部開放端を湾曲させ、半波長の距離を変更させることで、各アンテナ素子１０自体に複数の共振条件を実現している。より具体的には、平面状のメタル層（裏面）１０１ｂ（図１には図示しない）と、メタル層（裏面）１０１ｂの平面に対して絶縁材料であるポリイミド１０４を介して対向して配設されるメタル層（表面）１０１ａと、メタル層（表面）１０１ａに給電する給電電極１０５とを備えている。
【００２０】
メタル層（表面）１０１ａには、第１の方向ａに延在する直線状の第１スロット１０６と、第１の方向ａと反対の第２の方向ｂに延在する直線状の第２スロット１０７とを有しており、第１スロット１０６の直線に対向するメタル層（表面）１０１ａの縁部１０８が湾曲し、第２スロット１０７の直線に対向するメタル層（表面）１０１ａの縁部１０９が湾曲している。
【００２１】
すなわち、第１スロット１０６から縁部１０８まで異なる複数の距離を有する形状となっており、第２スロット１０７から縁部１０９までも異なる複数の距離を有する形状となっていることから、複数の共振条件を実現し、複数の周波数での信号の放射を行い、広帯域化を実現することが可能となっている。
【００２２】
次に、上記のアンテナ素子１０を利用して、別々の周波数帯で動作するアンテナ素子を設計する。図２は、本実施形態に係るアレイアンテナに用いるそれぞれのアンテナ素子の平面図である。本実施形態に係るアレイアンテナは、図２に示す異なる周波数帯で動作するアンテナ素子１０をアレイ上に並設することで実現する。図２（Ａ）は、相対的に低周波数である低周波アンテナ素子１０ａであり、図２（Ｂ）は、相対的に高周波数である高周波アンテナ素子１０ｂである。それぞれのアンテナ素子１０ａ、１０ｂの違いは、第１スロット１０６及び第２スロット１０７から、それぞれの対向する縁部１０８及び１０９までの距離が異なる点である。すなわち、図２に示すように、相対的に低周波のアンテナ素子１０ａに比べて、相対的に高周波のアンテナ素子１０ｂの方が、第１スロット１０６及び第２スロット１０７から、それぞれの対向する縁部１０８及び１０９までの距離が短くなっている。つまり、送受信する周波数がそれぞれで異なる帯域となっている。
【００２３】
図３は、図２のアンテナ素子を用いた広帯域のアレイアンテナの平面図である。アレイアンテナ２０は、相対的に低周波のアンテナ素子１０ａを４素子、相対的に高周波のアンテナ素子１０ｂを８素子用いることで、２−４−４−２列を形成した全部で１２素子のアレイアンテナ２０を実現する。
【００２４】
なお、各アンテナ素子同士は結合が生じるので、アンテナ素子の組み合わせ方法には最適化が必要である。例えば、アレイアンテナ２０におけるアンテナ素子１０の数は１２要素に限定するものではなく、いくつでもよい。また、アンテナ素子１０ａとアンテナ素子１０ｂとの配置は、アンテナ素子１０ａ同士が隣接状態で配置され、アンテナ素子１０ｂ同士が隣接状態で配置されることが望ましい。さらに、アンテナ素子１０ａとアンテナ素子１０ｂとの素子数の割合は、１：１でもよいし、偏り（非対称である）を生じさせてもよい。
【００２５】
図４は、本実施形態に係るアンテナ素子の単体での利得の周波数特性である。アンテナ素子１０ａ及びアンテナ素子１０ｂの最大利得はそれぞれ、２．２３ｄＢｉ、及び３．２８ｄＢｉであり、帯域はどちらも１００ＧＨｚである。
【００２６】
図５は、本実施形態に係るアレイアンテナにおける利得の周波数特性である。最大利得は１２．７３ｄＢｉであり、帯域は１２０ＧＨｚである。
【００２７】
図６は、本実施形態に係るアレイアンテナにおける６００ＧＨｚでの放射パターンを示す図である。図６に示すように、０度方向（集積回路基板内部と反対の方向）に良好な指向性が得られている。
【００２８】
以上のことから、本実施形態に係るアンテナ素子及びアレイアンテナが、複数の共振条件を実現して広帯域化することができ、高い指向性利得を持つことが明らかとなった。
【００２９】
なお、上記の説明では、６００ＧＨｚの場合について示したが、設計に用いるパラメータは波長に対する比によって決まるので、他のマイクロ波周波数、ミリ波周波数、及びテラヘルツ波周波数帯で特にその性能を発揮することができる。
【００３０】
また、アンテナ素子１０ａ及び１０ｂの前部開放端を湾曲としたが、例えば、三角形のテーパー構造や、波線のような構造であっても良い。
【００３１】
さらに、アンテナの素子数は１２としたが、集積回路基板の面積が大きい場合は、各アンテナ素子同士の結合を考慮した組み合わせにより、素子数を増やすことができる。
【００３２】
さらにまた、アンテナ素子１０は、相対的に低周波数のアンテナ素子１０ａ、および相対的に高周波数のアンテナ素子１０ｂの２種類としたが、例えば上記以外に「中心周波数のアンテナ素子」や、アンテナ素子１０ｂよりさらに低周波側のアンテナ素子や、アンテナ素子１０ａよりさらに高周波側のアンテナ素子を追加して、広帯域化を図ることができる。
【符号の説明】
【００３３】
１０（１０ａ，１０ｂ）  アンテナ素子
２０  アレイアンテナ
１０２  フローティングメタル層
１０３  インジウムリン基板
１０４ポリイミド
１０５  給電電極
１０６  第１スロット
１０７  第２スロット
１０８，１０９  縁部
【図１】
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【図２】
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【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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