(57)【要約】【課題】マイクロ波やミリ波帯で用いられる広帯域アンテナを提供する。【解決手段】誘電体基板と、該誘電体基板表面に形成されたスロット給電孔を有するベース導体層と、該スロット給電孔の上に、λ／４〜λ／２（λは、中心周波数における誘電体中の自由空間波長）の厚みで形成された誘電体層と、前記スロット給電孔の直上の該誘電体層表面または誘電体層内部に形成され、前記スロット給電孔の直上の部分に開口部を有する単一または複数の開口導体層とを具備する共振器を形成してなり、該共振器から前記誘電体基板表面と平行な方向の電界の電磁波を放射する誘電体アンテナであって、前記ベース導体層と前記開口導体層とに挟まれた誘電体層のうちの少なくも１層の誘電体層の開口部周囲に垂直導体を形成しないか、またはλ／２よりも大きい間隔で垂直導体を形成したことを特徴とする。【選択図】図１
2005341320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、該誘電体基板表面に形成されたスロット給電孔を有するベース導体層と、該スロット給電孔の上に、λ／４〜λ／２（λは、中心周波数における誘電体中の自由空間波長）の厚みで形成された誘電体層と、前記スロット給電孔の直上の該誘電体層表面または誘電体層内部に形成され、前記スロット給電孔の直上の部分に開口部を有する単一または複数の開口導体層とを具備する共振器を形成してなり、該共振器から前記誘電体基板表面と平行な方向の電界の電磁波を放射する誘電体アンテナであって、前記ベース導体層と前記開口導体層とに挟まれた誘電体層のうちの少なくも１層の誘電体層の開口部周囲に垂直導体を形成しないか、またはλ／２よりも大きい間隔で垂直導体を形成したことを特徴とする誘電体アンテナ。
【請求項２】
複数の開口導体層を具備してなり、最表面に形成された開口導体層と、該最表面の開口導体層に隣接する開口導体層との間に位置する誘電体層の開口部周囲に垂直導体を形成しないか、またはλ／２以上の間隔で垂直導体を形成したことを特徴とする請求項１記載の誘電体アンテナ。
【請求項３】
複数の開口導体層を具備してなり、前記ベース導体層と、該ベース導体層に最も隣接した開口導体層と間の誘電体層に、当該開口部を取り囲むようにλ／２未満の間隔で複数の垂直導体を設けてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の誘電体アンテナ。
【請求項４】
前記スロット給電孔がマイクロストリップ線路で給電されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の誘電体アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ波またはミリ波帯の広帯域に対応可能な誘電体アンテナに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、マイクロ波やミリ波帯で利用される平面アンテナとしては、グランド面にスロットを形成し、該スロットから電磁波を放射するスロットアンテナや、グランド面が形成された誘電体層の他面にλ／２の長さの導体パターンを形成したマイクロストリップアンテナが知られている。
【０００３】
上記スロットアンテナやマイクロストリップアンテナは構造が簡単な平面アンテナではあるが、その周波数帯域は２〜３％と狭く、特にミリ波の領域ではアンテナサイズが小さくなるため、高い寸法精度が要求される。その結果、製造上で歩留りが低いという問題点がある。
【０００４】
そこで、本出願人は、先に図８に示すような構造の共振器アンテナを提案した（特許文献１）。この共振器アンテナは、誘電体層１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１５を積層してなる誘電体基板１１内に、スロット１６を形成したベース導体層１４ａ、開口部１７を形成した導体層１４ｂ、導体層１４ｃを形成するとともに、開口部１７の周囲に導体層１４ａ、１４ｂ、１４ｃを接続する垂直導体１８ｂ、１８ｃを形成したもので、スロット１６上に、垂直導体１８ｂ、１８ｃ、導体層１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび開口部１７からなる誘電体共振器を形成したものである。
【０００５】
この共振器アンテナは、図９に示すような反射特性を持つ。アンテナの周波数帯域を、Ｓ１１＜−９．５ｄＢ（ＶＳＲＷ＜２）を満たす周波数範囲の中心周波数に対する割合と定義すれば、このアンテナの周波数帯域は６〜８％程度となり、マイクロストリップアンテナと比べて倍以上の広帯域特性を持つことが分る。
【特許文献１】特開１９９９−２３９０１７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、アンテナがより広帯域な特性を持つことによって、アンテナ構造に要求される寸法精度が緩和され、製造上のバラツキが発生しても、そのばらつきを十分に吸収して安定な特性が得られる結果、アンテナ製造時の歩留まりが向上して低コスト化につながる。
【０００７】
一方、近年、ＵＷＢ（Ultra Wide Band )という伝送方式が民生用に開放されたが、この方式は、２５％以上の超広帯域を用いるもので、当然アンテナ特性にも超広帯域特性が要求されているが、このような特性に整合したアンテナの開発は充分に行われていないのが現状である。
【０００８】
従って、本発明は、かかる従来の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、広帯域特性を持つ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】
本発明者は、上記の問題点に対して検討を重ねた結果、先に本出願人が提案した共振器アンテナにおける誘電体共振器の垂直導体の一部または全部を取り除くことにより、広帯域化を図ることができることを見出した。
【００１０】
即ち、本発明の誘電体アンテナは、誘電体基板と、該誘電体基板表面に形成されたスロット給電孔を有するベース導体層と、該スロット給電孔の上に、λ／４〜λ／２（λは、中心周波数における誘電体中の自由空間波長）の厚みで形成された誘電体層と、前記スロット給電孔の直上の該誘電体層表面または誘電体層内部に形成され、前記スロット給電孔の直上の部分に開口部を有する単一または複数の開口導体層とを具備する共振器を形成してなり、該共振器から前記誘電体基板表面と平行な方向の電界の電磁波を放射する誘電体アンテナであって、前記ベース導体層と前記開口導体層とに挟まれた誘電体層のうちの少なくも１層の誘電体層の開口部周囲に垂直導体を形成しないか、またはλ／２よりも大きい間隔で垂直導体を形成したことを特徴とする。
【００１１】
また、上記の誘電体アンテナによれば、複数の開口導体層を具備してなり、最表面に形成された開口導体層と、該最表面の開口導体層に隣接する開口導体層との間に位置する誘電体層の開口部周囲に垂直導体を形成しないか、またはλ／２以上の間隔で垂直導体を形成したことを特徴とする。
【００１２】
さらに、複数の開口導体層を具備してなり、前記ベース導体層と、該ベース導体層に最も隣接した開口導体層と間の誘電体層に、当該開口部を取り囲むようにλ／２未満の間隔で複数の垂直導体を設けることができる。
【００１３】
さらに、前記スロット給電孔がマイクロストリップ線路で給電されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の誘電体アンテナによれば、広帯域な周波数特性を持つアンテナが得られることによって、製造上のバラツキを十分吸収して安定な特性が得られ、その結果、歩留まりが向上して低コスト化につなげる事ができる。さらに、近年民生用に開放されたＵＷＢ伝送方式にも利用可能な、２５％以上の超広帯域特性を持つアンテナを作ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の誘電体アンテナについて、図を参照して説明する。図１は本発明の誘電体アンテナの実施の形態の一例を示す概略斜視図（ａ）およびＡ−Ａ断面図（ｂ）である。図１において、１はアンテナ基板、２ａ、２ｂ、２ｃは誘電体層、３はマイクロストリップ線路からなる給電回路、４ａはベース導体層、４ｂ、４ｃはアンテナ開口部７を有する開口導体層、６はベース導体層４ａに形成されたスロット給電孔、ａ１は誘電体アンテナ全体を示す。
【００１６】
本発明の誘電体アンテナａ１は、ベース導体層４ａ、開口部７およびそれらに囲まれた誘電体層２ｂ、２ｃから形成されている。給電回路３を伝播してきた高周波信号は、スロット６を介して誘電体アンテナａ１と結合し、最上層の開口部７から放射される。
【００１７】
この誘電体アンテナａ１は、Ｑが低い共振器構造を応用したもので、１／４誘電体円柱共振器の共振モード（ＴＥ１１１）と類似したモードを発生させ、アンテナとして機能させたものである。従って、誘電体アンテナａ１を形成する誘電体（誘電体層２ｂ、２ｃの全体厚みは、中心周波数における誘電体中の自由空間波長をλとすると、λ／４〜λ／２程度必要となり、中心周波数はこの厚みと開口部７で基本的に決まる。ただし、スロット６の形状によっても中心周波数は変化する。
【００１８】
また、このときの電界の方向はアンテナ基板１に平行な方向となる。従って、誘電体アンテナａ１の厚みは、λ／２以下であるので、電磁界は基板内を伝播することなく、最上層の開口部７から放出される。図１では開口部７とベース導体層４ａの間に、開口部７を有する導体層４ｂを設けたものを示したが、この導体層４ｂおよび導体層４ｂに形成された開口部７は必ずしも必要とするものではないが、ベース導体層４ａ上に、開口部を有する導体層が２層以上形成されていた方が、アンテナ基板１と平行な方向への電磁界の閉じ込めが効果的になる。
【００１９】
また、本出願人が先に提案した図８の共振器アンテナの場合、ベース導体層１４ａ、導体層１４ｂ、導体層１４ｃの開口部１７を取り囲む位置に、垂直導体１８ｂ，１８ｃを形成することで共振器を形成していたが、図１の本発明によれば、ベース導体層４ａと開口導体層４ｂ、４ｃとに挟まれた誘電体層２ｂ、２ｃのうちの少なくも１層の誘電体層が、開口部周囲に垂直導体を形成しないか、またはλ／２よりも大きい間隔で垂直導体を形成したことを特徴とする。
【００２０】
このように、少なくも１層の誘電体層が、開口部周囲に垂直導体を形成しないか、またはλ／２よりも大きい間隔で垂直導体を形成することによって、電磁波を閉じ込める力が弱められる結果、広帯域化を図ることができる。
【００２１】
なお、導体層４ｃは、基板表面に露出していてもよいが、信頼性向上の観点から、導体層４ｃの表面には、誘電体層５を設け、導体層４ｃを保護することが望ましい。この場合、アンテナは、誘電体層５も含めたサイズとして、設計を行う必要がある。
【００２２】
図２は、本発明の誘電体アンテナの他の実施の形態の一例を示す概略斜視図（ａ）および概略断面図（ｂ）で、この誘電体アンテナａ２は、ベース導体層４ａ上に、開口７を有する開口導体層４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅの４層を積層形成したものである。このように、開口導体層の数は３層以上であっても同様な効果が得られ、特に４層以上積層することによってさらに特性の改善が見られた。
【００２３】
図１、２の例では、ベース導体層４ａと開口導体層４ｂとの間、および開口導体層４ｂと開口導体層４ｃとの間の誘電体層２ｂ、２ｃの２層ともに、垂直導体を全く形成しなかったが、電磁波を開放できる誘電体層が１層のみでも本発明の効果は少なからず発揮できる。
【００２４】
図３は、本発明の誘電体アンテナの他の実施の形態の一例を示す概略斜視図（ａ）および概略断面図（ｂ）で、この誘電体アンテナａ３は、垂直導体を全く設けない誘電体層を１層のみとしたものである。この誘電体アンテナａ３では、ベース導体層４ａとこれに隣接する開口導体層４ｂとの間に位置する誘電体層２ｂに対して、開口部７を取り囲むように、複数の垂直導体８が形成されている。
【００２５】
上述したように誘電体アンテナａ１、ａ２、ａ３におけるアンテナ内部の電界は、基本的にはアンテナ基板１と平行な方向であるが、誘電体アンテナａ１，ａ２，ａ３と給電回路３とを結合させているスロット６の近傍では、アンテナ基板１と垂直な電界成分が若干発生する。このアンテナ基板１に垂直な電界成分は、導体層間を平行平板モードとして伝播することが可能なため、基板水平方向に電磁界がもれることになる。垂直導体８は、この漏れを防ぐ機能を有し、これにより電磁波が不要な方向への放射されるのを防止することができる。この垂直導体８の間隔は、λ／２未満であり、望ましくはλ／４以下が良い。
【００２６】
また、図３では、垂直導体を全く設けない誘電体層が１層存在するものであったが、垂直導体を設ける場合であっても、図４に示すように、その幅が垂直導体間の間隔が、λ／２以上の大きい間隔であれば、垂直導体によって電磁波を閉じ込める力が小さくなることによって、同様な効果が得られる。この図４によれば、誘電体層２ｂにおいては、垂直導体８ｂが、λ／２未満の間隔で設けられているのに対して、誘電体層２ｃにおいては、λ／２以上の大きい間隔で形成されている。これによって、誘電体層２ｃにおける電磁波を閉じ込める力が小さくなっている。
【００２７】
なお、アンテナ基板１を形成する誘電体は、伝送損失の観点及び要求される作製精度の観点から考慮すると、できるだけ誘電率の低い誘電体材料により構成するのが望ましい。具体的には、あらゆる厚みにシート化が可能で、あらゆる部分に導体層や垂直導体を形成することができ、かつ密着積層できる誘電体材料であればよく、Ａｌ２Ｏ３、コージェライト、ムライト、フォルステライト、などのセラミック、ガラス、ガラスとセラミックとの混合物からなるガラスセラミック、樹脂または樹脂とセラミックとの混合物でもよい。またできるだけ伝送損失を低減するために、誘電体材料の誘電損失は小さい方がよく、使用する周波数で０．００１以下が望ましい。
【００２８】
また導体層は低抵抗導体で構成されることが望ましく、具体的には少なくとも金、銀、銅の何れか一つを主成分とするのがよい。
【実施例】
【００２９】
本発明の誘電体アンテナの反射特性を解析した結果を図５乃至図７に示す。
【００３０】
図５は図１に示した実施の形態の誘電体アンテナａ１において、以下のようなサイズとしたときの反射特性を示したものである。誘電体層の厚みは、２ａ：０．１０ｍｍ、２ｂ：０．３０ｍｍ、２ｃ：０．３０ｍｍ、５：０．１０ｍｍで、比誘電率は４．９とした。
【００３１】
給電回路３はマイクロストリップ線路とし、線路幅を０．１６ｍｍとして、特性インピーダンスを５０Ω程度にした。マイクロストリップ線路３のスタブ（スロット中心からマイクロストリップ線路端までの長さ）は０．５５ｍｍとした。スロットサイズは、０．２０ｍｍ×１．７０ｍｍ、開口部７は共にφ２．２０ｍｍの円形とした。
【００３２】
図５から分るように、Ｓ１１＜−９．５ｄＢ（ＶＳＲＷ＜２）を満たす周波数範囲は、６３ＧＨｚ〜８７ＧＨｚの２４ＧＨｚであり、３２％の広帯域特性を持つことが分る。
【００３３】
一方、図６は図２に示した実施の形態の誘電体アンテナａ２において、誘電体層２ｂ〜２ｅをそれぞれ厚さ０．１５ｍｍの４層によって構成し、誘電体層２、誘電体層５は０．１０ｍｍとした。図６から分るように、Ｓ１１＜−９．５ｄＢ（ＶＳＲＷ＜２）を満たす周波数範囲は、６３ＧＨｚ〜８６ＧＨｚの２３ＧＨｚであり、３１％の広帯域特性を持つことが分る。またこの場合、図５に示した場合より、全体的な反射量が減り、特性が改善されていることが分る。
【００３４】
図７は図３に示した他の実施の形態の誘電体アンテナａ３において、以下のようなサイズとしたときの反射特性を示したものである。垂直導体８の直径は０．２０ｍｍで、φ２．２０ｍｍの開口部７の周りに、均等に８個形成した。その他のサイズについては、図３の場合と同じである。図７からも分るように、周波数特性は図５および図６の場合と比べると、高周波側にずれているが、Ｓ１１＜−９．５ｄＢ（ＶＳＲＷ＜２）を満たす周波数範囲は、７３ＧＨｚ〜９１ＧＨｚの１８ＧＨｚであり、２２％の広帯域特性を持つことが分る。８０ＧＨｚ付近の反射特性はそれほど良くないが、これは開口部７、スロット及びマイクロストリップ線路３のスタ長などによって調整可能なレベルである。
【００３５】
図８に示した従来の共振器アンテナの周波数特性を図９に示した。導体層１４ａ、１４ｂ、
１４ｃ間に垂直導体１８ｂ、１８ｃを形成した場合、Ｓ１１＜−９．５ｄＢ（ＶＳＲＷ＜２）を満たす周波数範囲は、８４ＧＨｚ〜９１ＧＨｚの７ＧＨｚであり、８％の狭帯域の特性しか得られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明における誘電体アンテナの実施の形態の一例を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図２】本発明における誘電体アンテナの他の実施の形態の一例を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図３】本発明における誘電体アンテナのさらに他の実施の形態の一例を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図４】本発明における誘電体アンテナのさらに他の実施の形態の一例を示す斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図５】本発明における図１の誘電体アンテナの実施例の周波数特性である。
【図６】本発明における図２の誘電体アンテナの実施例の周波数特性である。
【図７】本発明における図３の誘電体アンテナの他の実施例の周波数特性である。
【図８】従来の誘電体アンテナの斜視図（ａ）および断面図（ｂ）である。
【図９】図８の誘電体アンテナの周波数特性である。
【符号の説明】
【００３７】
１  アンテナ基板
２ａ〜２ｅ  誘電体層
３  給電回路
４ａ  ベース導体層
４ｂ〜４ｅ  開口導体層
５  保護層
６  スロット給電孔
７  開口
８  垂直導体
【図１】
2005341320.tif 000003
【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】
2005341320.tif 000008
【図７】
2005341320.tif 000009
【図８】
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【図９】
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