(57)【要約】【課題】導波管による給電構造を有し、生産性が良く、良好な特性を容易に得ることが可能な平面アンテナを提供する。【解決手段】平板形状を有しその一方の面が電磁波を放射するための放射面として形成された平面アンテナ本体２と、放射面に対して電磁波を給電するために放射面の裏面の給電面側に配置されたアンテナ給電部６と、電磁波を伝送する導波管８とアンテナ給電部との間を接続する導波路４とを備える。導波路は、その少なくとも一面が開放面として形成され導電性の内壁面を有する導波管溝部４ａが形成された導波路部材３と、平面アンテナ本体の給電面側に設けられた導電体との組合せにより構成され、導波管溝部の開放面が導電体により遮蔽されて、密閉された導波管構造が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板形状を有しその一方の面が電磁波を放射するための放射面として形成された平面アンテナ本体と、
前記放射面に対して電磁波を給電するために前記放射面の裏面の給電面側に配置されたアンテナ給電部と、
電磁波を伝送する導波管と前記アンテナ給電部との間を接続する導波路とを備えた平面アンテナにおいて、
前記導波路は、その少なくとも一面が開放面として形成され導電性の内壁面を有する導波管溝部が形成された導波路部材と、前記平面アンテナ本体の前記給電面側に設けられた導電体との組合せにより構成され、前記導波管溝部の開放面が前記導電体により遮蔽されて、密閉された導波管構造が形成されていることを特徴とする平面アンテナ。
【請求項２】
前記アンテナ給電部は、給電用パターンとして前記平面アンテナ本体に設けられた結合回路パターンを備えている請求項１に記載の平面アンテナ。
【請求項３】
前記平面アンテナ本体は円盤形状を成しており、その円盤形状の中心部に前記アンテナ給電部が設けられ、前記導波路は、前記アンテナ給電部に対向する位置に給電するように構成された請求項１に記載の平面アンテナ。
【請求項４】
前記導波路部材は少なくとも表面が導電性を有する導電ベース部により形成され、
前記導電ベース部はその上面に凹部を有して、当該凹部に前記平面アンテナ本体が前記放射面を開放させて装着され、
前記導波管溝部は、前記導電ベース部における前記凹部の底面から更に窪ませて形成されている請求項１に記載の平面アンテナ。
【請求項５】
前記平面アンテナ本体の前記放射面には、電磁波入出力スロットパターンが形成され、
前記平面アンテナ本体は、前記アンテナ給電部と前記スロットパターンを除き導電体で覆われている請求項４に記載の平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板面に電磁波の放射面が構成された平面アンテナに関し、特に、導波管を用いた給電構造を有する平面アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波やミリ波領域を使用した無線通信システムにおいて、平面アンテナは短波長無線システムの入出力装置として好適であり、例えば、無線ＬＡＮや自動車における衝突防止用レーダのような分野での応用が期待されている。
【０００３】
平面アンテナでは、アンテナ本体を構成する基板の一方の面に電磁波の放射面が形成され、その放射面による電磁波の送受信がアンテナ給電口を介して行われる。例えば、放射電磁波の中心ビームを放射面に対して垂直に放射させる場合には、アンテナ給電口は、放射面の裏面における平面アンテナの中心に配置される。平面アンテナを駆動するためには、給電伝送路によりアンテナ給電口まで電磁波を伝送する構成が必要である。
【０００４】
給電伝送路としては、導波管構造が好適である。導波管は密閉構造のため、伝送損失は導体壁の導電率と導波管内媒質の誘電体損でほぼ決まることから、伝送損失の小さい伝送路として使われる。導波管はまた、開放型伝送路であるマイクロストリップラインに比べると放射損がなく導体損が少ない分、有利であり、周波数の高いミリ波領域では特性に大きな違いがでる。このように、ミリ波用アンテナとして効率良いアンテナを設計するには、導波管を伝送路とした平面アンテナが有望である。
【０００５】
給電伝送路だけではなく、アンテナ自身も導波管給電の構成を取り入れることで、全体のアンテナ効率を高くすることができる。導波管は空気媒質の場合はほぼ損失が無いが、平面アンテナを導波管構成とする場合には、構造体として有機樹脂材料を用い媒質として機能させることができる。また、給電伝送路としての導波管構造においても、通常は媒質として空気が使用されるが、有機樹脂材料を使用することも可能である。
【０００６】
一方、例えば導波管給電用に一般に標準化された導波管（例えば、ＷＲ−１５等）と、平面アンテナのアンテナ給電口をどのように接続するかが問題である。互いに整合させた状態で接続するための様々な工夫がなされているが、例えば、Ｅベンド部を形成して接続することが考えられる。すなわち、Ｅベンド部の一端部をアンテナ給電口と接続し、他端を標準化された導波管インターフェイスと接続した構造を採用する。
【０００７】
Ｅベンド部も導波管の一種であり、従来の導波管の製造方法によれば、アルミや黄銅等の金属をロウ付け加工して密閉構造とすることにより、Ｅベンド部を形成する。またアンテナ給電部にパターンを必要とするため、給電パターンを設けた導体板を導波管の一部に設ける必要がある。そのような給電パターンは、精度良い配置とパターン寸法が要求されることから、導波管とは別工程で作成したものを後工程で繋ぐため、ロウ付けが必須であった。
【０００８】
しかし、ロウ付けにより導波管の寸法精度を確保することは困難であり、歩留まりが悪い。従って、精度の良いものを得るためには、複数個の導波管を作製して、その中から精度の良いものを選択するようにしていた。その結果、生産性が悪く、製造コストも高くなるため、導波管を使用して安価なアンテナを提供することは困難であった。
【０００９】
そこで、ロウ付けが不要な構成について検討すると、導波管の作成に必ずしもロウ付けは必要ではなく、その形態と位置ずれを保証できれば、電気的には適切な機能が得られることがわかる。つまりロウ付けしなくても、構造上、安定した構成が取れるならば導波管回路は作成できることから、ロウ付け無しで接触させるだけで密閉構造とした導波管路を形成可能である。
【００１０】
例えば特許文献１には、平面アンテナ本体が、放射導波管を有する底部と、放射スロットが形成された蓋部とからなる構成が開示されている。底部と蓋部を組合わせることにより、放射導波管により伝送された電磁波が放射スロットから放射される。更に、底部の端部には、放射導波管の端部に接続されるように溝部が設けられ、蓋部で遮蔽されることにより密閉構造の給電導波管が形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−３５７９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、アンテナの放射面に対する十分な給電機能を得るためには、給電回路を構成する導波管とアンテナ給電口との整合が重要であり、単に接触した状態を維持するだけでは十分な給電機能を得ることができない。すなわち、アンテナの特性を十分に得るためには、導波管が安定して動作することが必要であり、アンテナとの相対関係も安定にする必要がある。
【００１３】
従って本発明は、上記の課題を解決して、導波管による給電構造を有し、生産性が良く、良好な特性を容易に得ることが可能な平面アンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の平面アンテナは、平板形状を有しその一方の面が電磁波を放射するための放射面として形成された平面アンテナ本体と、前記放射面に対して電磁波を給電するために前記放射面の裏面の給電面側に配置されたアンテナ給電部と、電磁波を伝送する導波管と前記アンテナ給電部との間を接続する導波路とを備え、前記導波路は、その少なくとも一面が開放面として形成され導電性の内壁面を有する導波管溝部が形成された導波路部材と、前記平面アンテナ本体の前記給電面側に設けられた導電体との組合せにより構成され、前記導波管溝部の開放面が前記導電体により遮蔽されて、密閉された導波管構造が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成によれば、給電回路を構成する導波管構造の構成と、アンテナ給電部に対する導波管構造の位置合せとを、導波路部材と平面アンテナ本体を組合わせることにより同時に行なうことができる。従って、導波管構造はアンテナ給電部に対して高精度かつ容易に整合させることができるので、生産性が良く、良好な特性を容易に得ることが可能な平面アンテナを実現できる。また、構成部品点数が少ないので、安価に製造することが可能である。
【００１６】
さらに、導波管溝部は切削加工あるいは成形により作製することができるので、ロウ付けにより空洞を形成する場合に比べて、簡単に短時間で加工可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】本発明の一実施の形態における平面アンテナの構造を示す平面図
【図１Ｂ】同平面アンテナの構造を一部断面で示す正面図
【図２】同平面アンテナの一部を拡大して示す断面図
【図３】同平面アンテナを構成する平面アンテナ本体を示す斜視図
【図４】同平面アンテナを構成する平面アンテナ本体の断面図
【図５】同平面アンテナの実施例の指向性特性を示す図
【図６】同平面アンテナの構造を電磁波の伝播路として説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の平面アンテナは上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。
【００１９】
すなわち、前記アンテナ給電部は、給電用パターンとして前記平面アンテナ本体に設けられた結合回路パターンを備えた構成とすることができる。それにより、アンテナの放射パターンと表裏一体に給電用パターンが形成されるので、アンテナ給電口と放射パターンの相対位置ずれの発生を回避できる。
【００２０】
また、前記平面アンテナ本体は円盤形状を成しており、その円盤形状の中心部に前記アンテナ給電部が設けられ、前記導波路は、前記アンテナ給電部に対向する位置に給電するように構成することができる。
【００２１】
また、前記導波路部材は少なくとも表面が導電性を有する導電ベース部により形成され、前記導電ベース部はその上面に凹部を有して、当該凹部に前記平面アンテナ本体が前記放射面を開放させて装着され、前記導波管溝部は、前記導電ベース部における前記凹部の底面から更に窪ませて形成された構成とすることができる。
【００２２】
これにより、アンテナへの給電用導波管構造を切削加工により形成し、アンテナ組立時に開放面を塞ぎ密閉導波管として構成することができる。切削加工は空洞を作るより簡単に短時間で加工可能である。また切削によらず成形で加工することも可能になる。たとえば、成形で溝を形成し、表面が導電性で無ければ、メタライズして切削と同様な構造を得ることができる。成形方法で作成すれば、切削より更に安価で製造することが可能である。
【００２３】
また、前記平面アンテナ本体の前記放射面には、電磁波入出力スロットパターンが形成され、前記平面アンテナ本体は、前記アンテナ給電部と前記スロットパターンを除き導電体で覆われている構成とすることができる。このように、開放した導波管の面は導体で覆う必要があるが、平面アンテナの面を使用して覆うことが可能である。平面アンテナの給電面側を給電口を除き導電体で覆うことにより、その給電側導体面で導波管の一面を構成する。
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２５】
（実施の形態１）
図１Ａは、実施の形態１における平面アンテナ１の平面図を示す。この平面アンテナ１の正面断面図を図１Ｂに示す。平面アンテナ１は、円盤状の平面アンテナ本体２が、導電ベース部３に形成された円盤状の凹部３ａ内に装着された構造を有する。なお、図１Ｂにおいて、平面アンテナ本体２は、図示の便宜上外形線のみが示され、断面の構造は示されていない。
【００２６】
導電ベース部３の凹部３ａの底面部には、底面を更に窪ませた溝状の導波管溝部４ａが形成され、Ｅベンド導波管部４の一部を構成している。従って、導電ベース部３は導波路部材として機能する。導波管溝部４ａは、円盤形状の中心から周縁に向かって径方向に延在している。導電ベース部３は、金属基板により形成されて、その金属基板を切削して導波管溝部４ａを設けた構造とすることができる。あるいは、平板状の樹脂基板に凹部３ａ及び導波管溝部４ａを設けた構造を樹脂成形した後に、導体メッキ等により樹脂表面を導電体で覆った構造としてもよい。
【００２７】
平面アンテナ本体２の円盤形状周縁側におけるＥベンド導波管部４の端部に対応する位置に、導波管給電口５が配置されている。導波管給電口５は、Ｅベンド導波管部４の底面から導電ベース部３の下面へ貫通するように形成されている。また、平面アンテナ本体２の裏面側であって、その円盤形状中央側おけるＥベンド導波管部４の端部に対応する位置には、アンテナ給電部６（図１Ａにのみ図示）が配置されている。
【００２８】
図２は、図１Ａの導波管給電口５とアンテナ給電部６の中心を通る線に沿った図１Ｂの断面図における、導波管給電口５の近傍を拡大した断面図である。平面アンテナ本体２は、中央部のみが断面で示されている。平面アンテナ本体２は導電ベース部３の凹部３ａに嵌め込まれることにより、その放射面は、導電ベース部３の表面と同一平面上に位置する状態に格納されている。導電ベース部３は、平面アンテナ本体２を格納する機能と、Ｅベンド導波管部４を形成して放射電力を給電する機能を併せて備え、平面アンテナ本体２と導電ベース部３が一体となり、平面アンテナ１として機能する。
【００２９】
導電ベース部３の下面には、導波管接続部７が結合している。導波管接続部７の下部には、導波管インターフェース８が結合している。導波管接続部７には、導波管インターフェース８の導波管９と連通させて貫通孔７ａが形成されている。導波管接続部７の貫通孔７ａは導電ベース部３の導波管給電口５に対応している。導波管接続部７は、導電ベース部３と同様の材質により作成することができる。
【００３０】
平面アンテナ本体２の外観を、図３に概略斜視図で示す。また、平面アンテナ本体２の断面構造を図４に示す。なお、図３、図４においては、平面アンテナ本体２の構造を判り易く示すために、各部の形状はその大きさが誇張され、かつ一部省略して描かれており、図１Ａ、１Ｂに示された寸法とは対応しない。このような構造のアンテナはＲＬＳＡ(Radial Line Slot Antenna)と呼ばれ、図４に示すように、平面アンテナ本体２の内部は誘電体基板１０で構成され、その表面が導電層１１で被覆された形態を有する。
【００３１】
円盤形状の上面には放射スロツト２ａが、導電層１１を欠如させて誘電体基板１０を露出させたパターンとして設けられ、電磁波を放射するための放射面を形成する。放射面の裏面には、アンテナ給電部６を構成する給電用スロツトパターン６ａが、導電層１１を欠如させたパターンにより形成されている。
【００３２】
図３に示すように、放射スロツト２ａの一対（スロットペア）を一組として、複数組のスロットペアが、円盤の中心部から同心円状に配列されている。この構造においては、中心部から放射状に伝播する導波管モードで電磁波が伝播する。その伝播途中の放射スロット２ａから、電磁波を放射あるいは入射させるように構成されている。放射スロット２ａは伝播波長間隔で設けられており、位相合成により放射面内で同一位相が保たれるように設計される。アンテナとして機能するのは放射面であり、側面は導体で覆われている。
【００３３】
アンテナに給電する方法として、平面アンテナではその接続性からマイクロストリツプラインを用いることも多いが、線路が開放型であり、導体損失に加え意図しない放射による損失も多い。特に、それらの損失はより高周波になるにつれ顕著となる。従って、ミリ波領域では導波管給電が損失の点で有利である。
【００３４】
そのため、本実施の形態の平面アンテナ１は、導波管モードで伝播して放射スロット２ａを励振するスロットアンテナとして構成される。なお、本質的にアンテナは送受通信に用いられる双方向デバイスであるため、以降の説明では送信の場合について述べるが、受信の場合も同様に機能する。
【００３５】
Ｅベンド導波管部４は、本実施の形態では、導電ベース部３の凹部３ａ内に形成された導波管溝部４ａと、平面アンテナ本体２の下面により形成されている。導波管溝部４ａは、導電ベース部３における凹部３ａの底面部を窪ませて形成され、導波管の一面が除去されて開放面となった構造を有する。この導波管溝部４ａは、アンテナ組立時に開放面が塞がれて、密閉導波管として機能する。すなわち、導波管溝部４ａの開放面は、平面アンテナ本体２の下面に形成された導電層に１１より閉塞されて、密閉導波管が形成される。このように導電ベース部３は、平面アンテナ本体２を保持するだけでなく、Ｅベンド導波管部４を形成するための導波路部材としても機能する。
【００３６】
ＲＬＳＡアンテナでは放射させる電磁波を、放射面と対向する裏面に設けたアンテナ給電部６から給電する。図２示したように、本実施の形態においてアンテナ給電部６は、給電用スロツトパターン６ａにより形成されるが、給電用スロツトパターン６ａは、給電に必要な機能的な構造を有するように設けられる場合と、単なる給電窓口として設けられる場合とがある。給電に必要な機能的な構造とは、給電部において共振するスロツトアンテナを設けた構造、あるいはインピーダンス整合するための構造である。単なる給電窓口とは、そのような共振や整合部をアンテナ裏面に持たず、平面アンテナ本体２では導電層に覆われていない、例えば円形窓として形成される。図１Ａにおけるアンテナ給電部６は、給電構造を示さずに給電口位置を示すため、破線の楕円のみで示されている。
【００３７】
アンテナ給電部６は、放射スロット２ａの同心円状の配列中心（アンテナ中心Ｃ；図２）に対応させて配置され、給電パターンあるいは給電窓口として形成される。アンテナ給電部６の給電パターンあるいは給電窓口は、スロット形状あるいは導電部材で覆われない開口部として設けられる。アンテナ給電部６の位置が放射面中心位置からずれると、放射面に対して垂直方向に放射ビームは形成されない。すなわち、中心ビームが放射面に対して垂直となるようにするためには、必ず平面アンテナ本体２を構成する円盤の中心にアンテナ給電部６を位置させる必要がある。
【００３８】
また、アンテナ給電部６を介して放射スロット２ａに給電するためには、アンテナ外部からアンテナ給電部６までの給電回路が必要である。給電回路は、標準化された導波管インターフェース８と接続されて平面アンテナ本体２を駆動する機能を有する。
【００３９】
ここで、上述の平面アンテナ１の一実施例の放射指向性を図５に示す。この平面アンテナは、６０ｍｍ径で５９ＧＨｚで動作し、２８ｄＢｉの指向性利得を得ている。サイドビームも小さく設計どおりの特性が実現できる。なお、平面アンテナ１は円偏波アンテナである。このアンテナを効率よく駆動するためには、伝送路の損失を少なくしなければならないが、ミリ波のように高い周波数領域では一般に損失が少ない伝送路として導波管、例えばＷＲ−１５導波管が用いられる。
【００４０】
平面アンテナ本体２に放射電磁波を供給する伝送路としては、一般的な導波管を使用するが、アンテナ給電部６への給電は、アンテナとの整合を採るために、Ｅベンド導波管と称する導波管を用いて、平面アンテナ本体２の中心部に放射電磁波を導くことにより行われる。Ｅベンド導波管は導体で覆われた構造を有し、内部は空気等の誘電体で満たされている。本実施の形態では、Ｅベンド導波管は、Ｅベンド導波管部４として設けられている。
【００４１】
Ｅベンド導波管部４とその端部に配置された導波管インターフェース８とは、両者を接続する導波管給電口５に接するように設けられるが、導波管９の幅と導波管給電口５の幅とは必ずしも一致しない。また、導波管給電口５は、Ｅベンド導波管部４の周縁側端面４ｂから一定距離ｄ１だけ離れた位置に設けられる。Ｅベンド導波管部４のアンテナ給電口６も、中心側端面４ｃから一定距離ｄ２だけ離れたＥベンド導波管部４の中間に設けられる。これらの配置により平面アンテナ本体２への給電整合状態は異なってくる。最適に整合できるようにその配置位置は設定される。
【００４２】
平面アンテナ本体２を導電ベース部３に収納した状態で、導電ベース部３に設けられたＥベンド導波管部４を介して放射電磁波を給電する。アンテナ給電部６と放射スロット２ａを除く平面アンテナ本体２の表面と導電ベース部３は共に、導電性を有する導体に覆われている。これにより、導電ベース部３から平面アンテナ本体２に給電するためのシールドが確保される。
【００４３】
平面アンテナ本体２の反りは、導電ベース部３と平面アンテナ本体２との間に隙間を生じさせるため、給電の際に障害を与えることがある。平面アンテナ本体２の裏面に導電層が付設されていると、導電ベース部３との間に隙間が発生してこの隙間幅が１／４波長以上の場合に、スリット回路を構成するため、意図しない回路による影響を無視できない場合がある。
【００４４】
上述のとおり、導電ベース部３は金属を切削して作成、あるいは樹脂成形した後に導体メッキ等により表面を導電体で覆って作成することができるが、その際に平面アンテナ本体２に接する面は平滑にしなければならない。但し、平面アンテナ本体２の導電ベース部３に接する面が導電性を有しない場合は、平面アンテナ本体２の導電ベース部３に接触する面の誘電体表面は必ずしも平滑である必要はない。
【００４５】
なお、導電ベース部３に平面アンテナ本体２を格納するための凹部３ａは、平面アンテナ本体２の側面が略接触する程度に調整されており、その隙間がアンテナ中心と給電中心の位置関係を決める。平面アンテナ本体２の裏面に給電パターンが設置されている場合は、平面アンテナ本体２と導電ベース部３の間の隙間が特性に影響を与えることは少なくなる。
【００４６】
図６は、導波管９と平面アンテナ１の関係をより明確に示すものであり、電磁界解析ソフトで整合を最適化するように設定した例を示す。アンテナ給電部６としては、平面アンテナ本体２を駆動するためスロツト部が形成されるが、各部寸法の最適条件を求めることで、導波管９から平面アンテナに、放射電力を損失無く供給することが可能になる。
【００４７】
以上説明したように、平面アンテナ本体２への給電回路を構成するＥベンド導波管部４は、導波管の一面を除去して開放面とした形状の導波管溝部４ａを用いて構成される。導波管溝部４ａは、導電ベース部３を金属により形成する場合であれば、導電ベース部３の上面部を切削加工することにより作成することができる。切削加工は、空洞を作るより簡単に短時間で加工可能である。また、切削によらず成形で加工することも可能である。導電ベース部３を成形する際に導波管溝部４ａを形成し、成形品の表面に導電性が無ければ、メタライズして切削と同様な構造を得ることができる。このような成形方法で作成すれば、切削より更に安価に製造することが可能である。
【００４８】
開放された導波管溝部４ａの上面は導体で覆う必要があるが、上述のとおり、平面アンテナ本体２の面を使用して覆うことが可能である。平面アンテナ本体２の給電面側は、アンテナ給電部６を除き導電体で覆うことができ、その給電側導体面によりＥベンド導波管部４の一面を構成する。こうすることで、Ｅベンド導波管部４の構成とアンテナ給電部６の位置合せが、平面アンテナ本体２と導電ベース部３を組合わせることにより、同時に行なわれる。これにより、構成部品点数が少なく、また必要な実装位置精度が確保できる利点が得られる。
【００４９】
以上の通り、本実施の形態によれば、製造方法が簡便で、しかも特性的に安定した平面アンテナを提供することが可能である。
【００５０】
なお、以上の説明では、ミリ波のように周波数の高い領域で機能するアンテナを例として説明したが、本発明は、導波管による給電方法を用いる他の機器にも適用可能である。例えば、モジュールとして平面回路に実装する半導体素子を駆動するためのモード変換回路や、平面回路で構成されるフィルタや位相回路などに適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の平面アンテナによれば、生産性が良く、良好な特性を容易に得ることが可能であり、通信分野や民生分野で利用されるミリ波アンテナ等に有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１  平面アンテナ
２  平面アンテナ本体
２ａ  放射スロツト
３  導電ベース部
３ａ  凹部
４  Ｅベンド導波管部
４ａ  導波管溝部
４ｂ  周縁側端面
４ｃ  中心側端面
５  導波管給電口
６  アンテナ給電部
７  導波管接続部
８  導波管インターフェース
９  導波管
１０  誘電体基板
１１  導電層
Ｃ  アンテナ中心
【図１Ａ】
2011234106.tif 000003
【図１Ｂ】
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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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