(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の高周波信号を増幅して空間に放射するアクティブアンテナであって、
前記高周波信号を入力する入力端子と、
前記入力端子から出力される高周波信号を伝播させるための給電用マイクロストリップ線路と、
前記給電用マイクロストリップ線路を伝播する高周波信号を電磁結合させて伝播させるための第１のマイクロストリップ線路と、
前記第１のマイクロストリップ線路を伝播する高周波信号を増幅するための増幅器と、
前記増幅器により増幅した高周波信号を伝播させるための第２のマイクロストリップ線路と、
前記入力端子及び前記給電用マイクロストリップ線路と、前記第１のマイクロストリップ線路、前記増幅器及び前記第２のマイクロストリップ線路とを、物理的に分離するとともに、前記第１のマイクロストリップ線路、前記増幅器及び前記第２のマイクロストリップ線路を保持するための溝が形成されている金属板と、
前記第２のマイクロストリップ線路を伝播する高周波信号を空間に放射するための放射用スロット付き金属板と、
前記放射用スロット付き金属板の電磁波放射側の面に設けられる第１の誘電体基板とを備え、
前記給電用マイクロストリップ線路は、前記入力端子と接続される第１のストリップ導体、前記金属板、及び前記第１のストリップ導体と前記金属板との間に設けられる第２の誘電体基板から構成されており、
前記第１のマイクロストリップ線路は、前記増幅器の入力部に接続される第２のストリップ導体、前記金属板、及び前記第２のストリップ導体と前記金属板との間に設けられる第３の誘電体基板から構成されており、
前記第２のマイクロストリップ線路は、前記増幅器の出力部に接続される第３のストリップ導体、前記金属板、及び前記第３のストリップ導体と前記金属板との間に設けられる第４の誘電体基板から構成されており、
前記金属板は、前記給電用マイクロストリップ線路を伝播する高周波信号を電磁結合により前記第１のマイクロストリップ線路に伝播させるための給電用スロットを有し、
前記放射用スロット付き金属板は、前記第２のマイクロストリップ線路に対して略直交する方向に延在する、前記第２のマイクロストリップ線路を伝播する高周波信号を電磁結合により空間に放射させるための放射用スロットを有することを特徴とするアクティブアンテナ。
【請求項２】
請求項１記載のアクティブアンテナにおいて、前記第３のストリップ導体と前記放射用スロット付き金属板との間の距離が、少なくとも前記第３のストリップ導体と前記放射用スロットとが空間的に交差する位置で、前記増幅器と前記放射用スロット付き金属板との間の距離より短くなるように構成されていることを特徴とするアクティブアンテナ。
【請求項３】
請求項１または２記載のアクティブアンテナを金属平面板上にアレイ化して構成させた構造を有することを特徴とするアクティブアレイアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はアンテナ素子と半導体デバイスを一体化して構成したアクティブアンテナに関するもので、特に電子追尾機能を持つ移動体からの情報伝送装置、マルチビームや空間的にビーム操作可能な衛星放送受信用アンテナ、または衛星搭載用の送受信アンテナなどにに使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
図4 、図5 は従来のアクティブアンテナの構造を示した図である。それぞれの図において、(a),(b) はそれぞれのアクティブアンテナ構造の側断面図および上からみた平面図を示している。第１の従来例としてはマイクロストリップ給電によるスロットアンテナにＭＭＩＣ(Monolithic Microwave Integrated Circuit)増幅回路が実装されている例である（文献：信学会’99ソサイエティ大会C −2−１４）。図４に示されているように、ＭＭＩＣ増幅器41の入出力側に接続されているストリップ導体42および誘電体基板43およびグランド44から構成されるマイクロストリップ線路から電磁結合によりスロットアンテナ45に給電している。またアンテナの放射効率を上げるために誘電体基板46を積層している。この構造ではマイクロストリップ線路のグランド面をスロットアンテナとしているため増幅器回路とアンテナな面が一体化されて非常に薄型にアクティブアンテナを構成できる。
【０００３】
第２の従来例としては、トリプレート線路を用いた電磁結合型マイクロストリップアンテナにＭＭＩＣ増幅器回路51が実装されている例である（文献：信学会’99ソサイエティ大会B −1 −109 ）。図５に示されているように、アンテナヘ給電するトリプレート線路はストリップ導体52および誘電休基板53およびグランド54，59で構成されており、スロット55を経由して金属パッチ56および誘電体基板57およびグランド面54から構成されるマイクロストリップパッチアンテナ56に電磁結合させることによりアンテナヘ給電している。
【０００４】
またスロット部で発生するパラレルプレートモード（不要モード）を抑圧するためにビアーホール58を用いて両地板面間を接続している。この構造においてもＭＭＩＣを一体化することで非常に薄型なアクティブアンテナが構成でき、また送信用増幅器の場合、グランド面に放熱機構も配置することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
第１の従来例（図４参照）では増幅器がケースに入っていないため動作が不安定になる。また、送信用アクティブアンテナの場合、放熱機構は増幅器回路のグランド面に配置する必要がある。しかし、この構造ではアンテナ面がマイクロストリップ線のグランド面と同一面上あるので放熱機構をこの面に配置することができないという問題もある。
第２の従来例（図５参照）ではグランド面に放熱機構を配置することができるが、第１の従来例と同様にアンテナが多層基板で構成されているため、増幅回路とアンテナを簡単に一体化実装できないという問題点がある。また、パラレルプレートモードを抑制するために多層基板にビアホールを製作しなければならないという問題点もあり、平面上にアレーとして配列する場合、製作上複雑な工程が必要となりコストがかかることになる。
そこで本発明の目的は、低価格の、周波数の高い場合でも簡単な調整で特性が精度よく得られる薄型のアクティブアンテナを提供せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明のアクティブアンテナは、所定の高周波信号を増幅して空間に放射するアクティブアンテナであって、前記高周波信号を入力する入力端子と、前記入力端子から出力される高周波信号を伝播させるための給電用マイクロストリップ線路と、前記給電用マイクロストリップ線路を伝播する高周波信号を電磁結合させて伝播させるための第１のマイクロストリップ線路と、前記第１のマイクロストリップ線路を伝播する高周波信号を増幅するための増幅器と、前記増幅器により増幅した高周波信号を伝播させるための第２のマイクロストリップ線路と、前記入力端子及び前記給電用マイクロストリップ線路と、前記第１のマイクロストリップ線路、前記増幅器及び前記第２のマイクロストリップ線路とを、物理的に分離するとともに、前記第１のマイクロストリップ線路、前記増幅器及び前記第２のマイクロストリップ線路を保持するための溝が形成されている金属板と、前記第２のマイクロストリップ線路を伝播する高周波信号を空間に放射するための放射用スロット付き金属板と、前記放射用スロット付き金属板の電磁波放射側の面に設けられる第１の誘電体基板とを備え、前記給電用マイクロストリップ線路は、前記入力端子と接続される第１のストリップ導体、前記金属板、及び前記第１のストリップ導体と前記金属板との間に設けられる第２の誘電体基板から構成されており、前記第１のマイクロストリップ線路は、前記増幅器の入力部に接続される第２のストリップ導体、前記金属板、及び前記第２のストリップ導体と前記金属板との間に設けられる第３の誘電体基板から構成されており、前記第２のマイクロストリップ線路は、前記増幅器の出力部に接続される第３のストリップ導体、前記金属板、及び前記第３のストリップ導体と前記金属板との間に設けられる第４の誘電体基板から構成されており、前記金属板は、前記第２のマイクロストリップ線路に対して略直交する方向に延在する、前記給電用マイクロストリップ線路を伝播する高周波信号を電磁結合により前記第１のマイクロストリップ線路に伝播させるための給電用スロットを有し、前記放射用スロット付き金属板は、前記第２のマイクロストリップ線路を伝播する高周波信号を電磁結合により空間に放射させるための放射用スロットを有することを特徴とする。
また、本発明のアクティブアンテナにおいて、前記第３のストリップ導体と前記放射用スロット付き金属板との間の距離が、少なくとも前記第３のストリップ導体と前記放射用スロットとが空間的に交差する位置で、前記増幅器と前記放射用スロット付き金属板との間の距離より短くなるように構成されていることを特徴とする。
更に、アクティブアンテナを金属平面板上にアレイ化して構成させた構造を有するアクティブアレイアンテナとしても特徴付けられる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
移動体用の素材伝送装置や衛星搭載用などのアクティブアレーアンテナはなるべく小型・軽量でコストパフォーマンスがよく、周波数が高くなっても精度よく製作できる必要がある。本発明では、平面金属板上に長方形の溝を製作し、その中に増幅旋回路を実装する。溝の上側にはスロット付きの金属板を、下側には給電線基板を配置するだけで、増幅器回路に給電線路とスロットアンテナ素子を電磁結合により接続することができるため、簡単に一体化実装できる。また増幅器回路の側壁の間隔を適当に選べば、パラレルプレートモード（不要モード）も抑圧できる。さらに、増幅器回路の出力線路の長さやスロットの位置を適当に選ぶことでアンテナの特性が精度よく得られる。
【０００８】
【実施例】
以下添付図面を参照し実施例により本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明の第１の実施例に係るアクティブアンテナ構造例を図1 に示す。図1 (a) はアクティブアンテナを分解して示した側断面図で、上からそれぞれ放射アンテナ部、増幅回路部および給電線路部を示し、図1 (b) はこれらを一体化して示した側断面図、図1 (c) は前記放射アンテナ部を取り除いたアクティブアンテナの上から見た平面図を示す。唯し、金属板8 の放射用スロット7 の相対位置は記載してある。
図１図示構造例は、増幅器回路を固定する溝付きの金属板（グランド）6 と、ストリップ導体10および誘電体基板11およびグランド6 から構成される給電用マイクロストリップ線路15と、増幅器回路に電磁結合するための金属板6 に開けられた給電用スロット12と、電力を増幅するＭＭＩＣ送信用電力増幅器1 と、増幅器の入力線路で使用されるストリップ導体4 およびアルミナ基板5 およびグランド6 で構成されるマイクロスリップ線路13と、増幅器の出力線路で使用されるストリップ導体2 およびアルミナ基板3 およびグランド6 から構成されるマイクロストリップ線路14と、電磁波を放射する放射用スロット7 付き金属板8 と、スロット長Ｌを増幅器回路の側壁の間隔Ｗよりも短くするための誘電体基板9 とから構成されている。
【０００９】
以下信号の流れを説明する。入力端子Ｔから入力された高周波信号は給電用マイクロストリップ線路15を伝送し、金属板に開けられた給電用スロット12を経由して入力側のマイクロストリップ線路13に電磁結合する。結合された高周波信号はマイクロストリップ線路13を伝送してＭＭＩＣ増幅器1 に入力される。増幅器1 で増幅された信号は出力側のマイクロストリップ線路14を伝送し、放射用スロット7 に電磁結合して空間へ放射される。これはＭＭＩＣチップの電力増幅器を使用したアクティブアンテナの例である。
【００１０】
増幅器回路の出力線路用基板3 は通常アルミナ基板を使用している。アルミナ基板のような高誘電率材料は、電磁波のエネルギが基板の中に閉じ込められて放射効率が悪くなるのであまりアンテナの回路には使用されない。ただ、ＭＭＩＣ増幅器のように高さが非常に小さい場合は、放射用スロット面を出力線路のストリップ面に近づけることができるので、高誘電率基板から構成されるマイクロストリップ線路14を伝送する電磁波をスロットに効率よく結合させることができる。また、溝の側壁の間隔Ｗ（図１(c) 参照）をマイクロストリップ線路のドミナントモードのみを伝送するように選ぶことで、パラレルプレートモード（不要モード）を抑圧することができる。
【００１１】
本発明の第２の実施例に係るアクティブアンテナの構造例を図２に示す。図２において、図１と同一部品には同一の参照番号を付し、さらに図１と同じく図２(a) はアクティブアンテナを分解して示した側断面図で、上からそれぞれ放射アンテナ部、増幅回路部および給電線路部を示し、図２(b) はこれらを一体化して示した側断面図、図２(c) は前記放射アンテナ部を取り除いたアクティブアンテナの上から見た平面図を示す。唯し、金属板8 の放射用スロット7 の相対位置は記載してある。
第２の実施例に係るアクティブアンテナの構造例は増幅器回路を固定する溝付きの金属板（グランド）6 と、ストリップ導体10および誘電体基板11およびグランド6 から構成される給電用マイクロストリップ線路15と、増幅器回路と電磁結合するための金属板6 に開けられた給電用スロット12と、電力を増幅するパッケージタイプの送信用電力増幅器1 と、増幅器の入力線路で使用するストリップ導体4 およびアルミナ基板5 およびグランド6 から構成されたマイクロスリップ線路13と、増幅器の出力線路で使用するストリップ導体2 およびアルミナ基板3 およびグランド6 から構成されるマイクロストリップ線路14と、ストリップ導体16およびマイクロストリップ線路14の基板よりも厚みの厚い低誘電率基板17およびグランド6 から構成されるマイクロストリップ線路18と、電磁波を放射する放射線スロット7 付き金属板8 と、スロット長Ｌを増幅器回路の側壁の間隔Ｗよりも短くするための誘電体基板9 から成る。
【００１２】
以下信号の流れを第２の実施例において説明する。入力端子Ｔから入力された高周波信号は給電用マイクロストリップ線路15を伝送して金属板に開けられた給電用スロット12を経由して入力側のマイクロストリップ線路13に電磁結合される。結合された高周波信号はマイクロストリップ線路13を伝送してパッケージタイブの増幅器１に入力される。増幅された信号は出力側のマイクロストリップ線路14からマイクロストリップ線路18に変換され、放射用スロット7 に電磁結合して空間へ放射される。これはパッケージタイブの電力増幅器を使ったアクティブアンテナの例である。パッケージタイプの増幅器はＭＭＩＣ増幅器に比べて厚みがあり、第１実施例のアンテナよりも放射用スロット面を出力側のマイクロストリップ線路14のストリップ面に近づけることができないので、結合効率があまり良くない。
【００１３】
そこで、マイクロストリップ線路14から、ストリップ面を放射用スロット面に近づけられるように基板の厚みを厚くマイクロストリップ線路18に変換する。このような構成により、放射用スロット面が増幅器の厚みにより出力線路のストリップ面に近づけることができない場合でも効率よく放射用スロットに結合することができる。
【００１４】
本発明の第３の実施例に係るアクティブアンテナの構造例を図３に示す。図３で(a) はこの構造例の側断面図を、(b) はその平面図を示す。この構造例は、２次元平面にアレイ状に配列された溝の付いた増幅器回路を固定する金属板30と、溝の中に配置された第１の実施例あるいは第２の実施例で示した増幅器31と、各増幅器回路から電磁波を放射させるための放射用スロットアレイ32付き金属板39と、スロット長Ｌを増幅器回路の側壁の間隔Ｗよりも短くするための誘電体基板33と、ストリップ導体34および誘電体基板35およびグランド30から構成される給電用マイクロストリップ線路37をアレイ状に配列した基板38と、増幅器回路と電磁結合するために金属板30にアレイ状に開けられた給電用スロット36から構成される。各溝の中に配置されている増幅器回路から電磁結合によって各スロットから電磁波が放射される16素子の平面アクティブアレーアンテナとして動作させる例である。
【００１５】
以上のように金属板に掘った溝の中に増幅器回路を固定して、スロット付きの金属板を増幅器回路の上側に、給電線基板を下側に配置することにより、簡単に増幅器回路とアンテナが一体化実装できる。送信用の場合の放熱機構はグランド面30の裏側に簡単に取り付けることができる。また溝の大きさを適当に取ることによってスロットの不連続により発生するパラレルプレートモード（不要モード）の発生も簡単に抑えることができる。さらに、増幅器回路の出力線路の長さやスロットの位置を適当に選ぶことでアンテナの特性が精度よく得られる。  第１の実施例、第２の実施例および第３の実施例は送信用アクティブアンテナの場合であるが、受信用の場合は増幅器を逆向きに構成すればよい。
以上いくつかの実施例により本願発明の実施の形態について説明してきたが、本願発明はこれらに限定されることなく、特許請求の範囲に規定された発明の要旨内で各種の変形、変更の可能なことは自明であろう。
【００１６】
【発明の効果】
本発明アクティブアンテナによれば、増幅器回路とアンテナ回路が簡単に一体化実装できるので、アクティブアレイアンテナの製作工程が簡単になり低価格のアクティブアレイアンテナが実現できる。また、構造が簡単であるため、給電線路の長さやスロットの位置を適当に選ぶことでアンテナの特性が精度よく得られるし、増幅器回路の配置されている金属溝の間隔を適当に取ることで従来技術で問題であったパラレルプレートモードの発生を抑圧することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明アクティブアンテナ第１の実施例に係る構造図
【図２】  本発明アクティブアンテナ第２の実施例に係る構造図
【図３】  本発明アクティブアンテナ第３の実施例に係る構造図
【図４】  アクティブアンテナ第１の従来例構成を示す図
【図５】  アクティブアンテナ第２の従来例構成を示す図
【符号の説明】
1,31,41,51  送信用電力増幅器
2,4,10,16,34,42,52  ストリップ導体
3,5 アルミナ基板
6,30  溝付きの金属板
7,45,55   放射用スロット
8,54  放射用スロット付き金属板
3,5,9,11,17,33,35,43,46,53,57 誘電体基板
12,36 給電用スロット
13,14,15,18,37  マイクロストリップ線路
32  放射用スロットアレイ
38  給電用マイクロストリップ線路をアレイ状に配列した基板
39  放射用スロットアレイ付き金属板
56  放射用金属パッチ
58  ビアーホール
44, 59  グランド用金属板
【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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