(57)【要約】【課題】広い周波数帯でアンテナ特性を向上できる平面アンテナを提供する。【解決手段】コルゲート構造１２Ｅは、溝部１３を複数有しかつ溝部１３同士で幅および長さが等しくかつピッチが同一なパターン構造を複数重畳させたものであり、パターン構造の溝部のピッチ、幅および長さの少なくとも１つが当該パターン構造を含むコルゲート構造内の他のパターン構造のものに対して異なるものとしたことで、アンテナ利得および放射指向性といったアンテナ特性を低下させる要因である端部での電磁波の反射を広帯域に渡り打ち消す効果が得られ、よって、広帯域に渡りアンテナ特性を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体基板と、
前記誘電体基板上に形成された金属膜の端部間を横切るようなテーパ状のスロットラインを有するとともに当該スロットラインを軸として対称的となるように前記各端部にコルゲート構造を有する導体部とを備え、
前記コルゲート構造は、溝部を複数有しかつ溝部同士で幅および長さが等しくかつピッチが同一なパターン構造を複数重畳させたものであり、
前記パターン構造の溝部のピッチ、幅および長さの少なくとも１つが当該パターン構造を含むコルゲート構造内の他のパターン構造のものに対して異なる
ことを特徴とする平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体通信、衛星通信、放送、天文、センサ、レーダ、計測などで使用される平面アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
テーパードスロットアンテナ（ＴＳＡ）は、誘電体基板とその上の金属膜により構成され、金属膜上にテーパ状のスロットラインを有する平面アンテナである。スロットラインの幅が給電部からアンテナ開口にかけて滑らかに広がるテーパ形状であるため、スロットラインの特性インピーダンスが徐々に変化し空間の特性インピーダンスと整合を取ることができる。また、電磁波はテーパ状のスロットラインを伝搬することによりスロットラインモードから自由空間モードへとモード変換され、伝搬方向の自由空間へと放射される。よって、ＴＳＡは、広帯域な動作周波数帯域、かつ、指向性を有することを特徴とする。  このような特徴を有するＴＳＡは、パルスレーダ用アンテナとして動作し、時間的に短いパルス電磁波をアンテナ前方へと放射することができる。そのため、地球観測、生体内部観測、コンクリート構造物耐震性検査、地中探査などのイメージング技術へ適用されている。
【０００３】
ＴＳＡの一般設計技術では、アンテナの放射指向性を良好に維持するためにアンテナ開口幅は１波長程度、基板幅は５波長程度を必要とする。そのため、サイズが大きくなり、ＴＳＡの実用的な利用が困難となっていた。この問題を解決すべく、ＴＳＡを小型化する手段として、コルゲート構造をＴＳＡに設ける方法が提案されている。
【０００４】
図６は、コルゲート構造を設けた従来のテーパードスロットアンテナの平面図である。コルゲート構造は、誘電体基板の各端部１２Ａ、１２Ｃに設けられ、溝部１３を複数有しかつ溝部１３同士で幅および長さが等しくかつピッチが同一なものである。溝部１３での電磁波の反射点をずらすことで、反射波の位相が整合し、溝部での反射波の影響が低減される。また、反射に伴い生じる空間への電磁波放射についても同様の原理で低減される。
【０００５】
こうして誘電体基板の端部にコルゲート構造を設けることにより、端部から反射波を低減することができ、放射指向性の劣化を防ぐ効果が得られる。よって、平面アンテナを小型化でき、その実用が可能となる。
【０００６】
より詳述すると、コルゲート構造は、端部での電磁波反射を低減するため、放射指向性のサイドローブレベルを低減できる。また、コルゲート構造は、電磁波の進行方向と平行に形成されるため、その構造に誘起される電磁界成分とアンテナ前方へ電磁波を放射する電磁界成分とが一致し、アンテナ利得を向上させることができる。
【０００７】
このように、コルゲート構造を設けることにより、放射指向性およびアンテナ利得のアンテナ特性を大幅に改善することができる。
【０００８】
こうした平面アンテナにより送出される電磁波パルスを用いて対象物の断面像を得るイメージングでは、スキャン方向と深さ方向の２次元データの取得が必要となる。高解像度な画像を得るためにアンテナに要求される仕様は、スキャン方向に対して放射指向性が高いこと、および、深さ方向に対しては短いパルス電磁波を空間に放射することができる広帯域な動作周波数を有することである。また、対象物の媒質内部での電磁波エネルギーの損失が大きい場合については、受信信号のＳＮ比の確保が重要となり、広帯域な周波数帯において放射指向性の改善による信号強度の向上や不要放射抑圧による雑音強度の低減が必要不可欠となる。
【特許文献１】特開平１０−１７３４３２号公報
【非特許文献１】佐藤弘康、「コルゲート構造付きフェルミアンテナの広帯域ＦＤＴＤ解析」、電子情報通信学会論文誌Ｂ分冊、Ｖｏｌ．Ｊ８８・Ｂ、Ｎｏ．９、ｐｐ．１６８２−１６９２、２００５．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、コルゲート構造の設計は波長に依存するため、従来のコルゲート構造では広帯域に渡って高いアンテナ特性を得るのが難しい。非特許文献１によれば、溝部の長さは０．１４波長以上、溝部の幅は０．０５波長以下、溝部のピッチは０．２５波長以上を満足することで良好なアンテナ特性が得られると報告している。しかし、例えば、適用周波数を１０ＧＨｚ〜３０ＧＨｚとした場合、低い周波数と高い周波数とでは、周波数の比が３倍にもなり、結果として広帯域に渡り十分な効果を得ることができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広い周波数帯でアンテナ特性を向上できる平面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】
【００１１】
本発明は、誘電体基板と、前記誘電体基板上に形成された金属膜の端部間を横切るようなテーパ状のスロットラインを有するとともに当該スロットラインを軸として対称的となるように前記各端部にコルゲート構造を有する導体部とを備え、前記コルゲート構造は、溝部を複数有しかつ溝部同士で幅および長さが等しくかつピッチが同一なパターン構造を複数重畳させたものであり、前記パターン構造の溝部のピッチ、幅および長さの少なくとも１つが当該パターン構造を含むコルゲート構造内の他のパターン構造のものに対して異なることを特徴とする平面アンテナをもって解決手段とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る平面アンテナによれば、誘電体基板と、誘電体基板上に形成された金属膜の端部間を横切るようなテーパ状のスロットラインを有するとともに当該スロットラインを軸として対称的となるように各端部にコルゲート構造を有する導体部とを備え、コルゲート構造は、溝部を複数有しかつ溝部同士で幅および長さが等しくかつピッチが同一なパターン構造を複数重畳させたものであり、パターン構造の溝部のピッチ、幅および長さの少なくとも１つが当該パターン構造を含むコルゲート構造内の他のパターン構造のものに対して異なるものとしたことで、アンテナ利得および放射指向性といったアンテナ特性を低下させる要因である端部での電磁波の反射を広帯域に渡り打ち消す効果が得られ、よって、広帯域に渡りアンテナ特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本実施の形態に係る平面アンテナの平面図である。
【００１５】
平面アンテナ１は、誘電体を含んでなる誘電体基板１１と、誘電体基板１１上に形成された導体部１２とを備える。導体部１２は、誘電体基板１１上に形成された金属膜１２Ａの端部１２Ｂ、１２Ｃ間を横切るようなテーパ状のスロットライン１２Ｄを有するとともに当該スロットライン１２Ｄを軸として対称的となるように各端部１２Ｂ、１２Ｃにコルゲート構造１２Ｅ、１２Ｅを有する。スロットライン１２Ｄは、導体部１２で挟まれた空隙である。
【００１６】
スロットライン１２Ｄおよびコルゲート構造１２Ｅ、１２Ｅは、エンドミル加工などにより金属膜１２Ａを切削して形成される。
【００１７】
コルゲート構造１２Ｅは、端部１２Ｂをエンドミル加工などで切削して形成された溝部１３を複数有しかつ溝部１３同士で幅および長さが等しくかつピッチが同一なパターン構造を複数重畳させたものである。
【００１８】
パターン構造の溝部のピッチ、幅および長さの少なくとも１つは、当該パターン構造を含むコルゲート構造内の他のパターン構造のものに対して異なる。図１では、溝部１３の長さを異ならせた３つのパターン構造を例示する。
【００１９】
スロットライン１２Ｄの最も幅の広い部分は、開口している。この部分を電磁波放射部１２１という。
【００２０】
電磁波は、スロットライン１２Ｄの最も幅の狭い部分である電磁波供給部１２２に供給され、スロットライン１２Ｄを伝搬し、電磁波放射部１２１から前方へ放射する。
【００２１】
その際、供給された電磁波の一部は、端部１２Ｂ、１２Ｃへ向かったのち、端部１２Ｂ、１２Ｃに沿って伝搬し、電磁波放射部１２１から前方へ放射する。
【００２２】
従来のコルゲート構造は、上記のように定義したパターン構造を１つのみ含むものである。つまり、コルゲート構造はパターン構造そのものである。そのコルゲート構造が単位構造の繰り返しであると定義した場合、単位構造は溝部におけるスロットライン側の端部と金属膜の端部とに反射点を有する。そして、その２つの反射点からの反射波の位相差を利用して反射波が相殺される。また、空間へ放射する電磁波についても同様に相殺される。しかし、２つの反射点では、相殺できる反射波の周波数帯が狭い。
【００２３】
図２は、平面アンテナ１におけるコルゲート構造１２Ｅ、１２Ｅでの電磁波の反射の様子を示す図である。矢印は、電磁波の伝搬の方向を示している。
【００２４】
コルゲート構造１２Ｅは、上記のように定義したパターン構造を複数重畳させたものである。非特許文献１によれば、従来のコルゲート構造における溝部の幅はピッチの１／５より小さく、溝部間の長さは幅の４倍より大きい。よって、その長さの部分に溝部を形成できる、すなわち、パターン構造を重複させることができるのである。
【００２５】
コルゲート構造１２Ｅが単位構造の繰り返しであると定義した場合、単位構造は溝部１３におけるスロットライン側の端部と金属膜１２Ａの端部１２Ｂなどとに反射点を有し、その数は、３以上となる。そして、その３以上の反射点からの反射波の位相差を利用して反射波が相殺される。よって、３以上の反射点により、相殺できる反射波の周波数帯を広くすることができる。なお、上記のように、コルゲート構造１２Ｅは単位構造の繰り返しであり、つまりは、コルゲート構造の設計条件を満足していることになる。
【００２６】
すなわち、溝部間に幅、長さの異なる溝部を形成しても、コルゲート構造において重要な条件である単位構造の繰り返しを維持することができ、しかも、各パターン構造の効果を同時に得ることができる。
【００２７】
平面アンテナ１のようにパターン構造を重畳させると、あるパターン構造における一部の溝部の位置が他のパターン構造における一部の溝部の位置に重なることがあるが、上記のようにピッチ、幅および長さの少なくとも１つを異ならせることで、例えば、残りの溝部の位置を重ならなくでき、よって、各パターン構造の効果を同時に得ることができる。  次に、平面アンテナ１などのアンテナ利得と放射指向性を数値でシミュレーションした結果を説明する。
【００２８】
図３は、このシミュレーションで用いた平面アンテナにおける金属膜の端部を部分的に示す平面図である。図３（ａ）は、コルゲート構造を有しない平面アンテナ（ＢＡＳＩＣモデルという）の端部を示す。図３（ｂ）は、端部に１つのパターン構造を有する平面アンテナであって溝部１３の長さおよびピッチが比較的長くもの（Ｌ１モデルという）の端部を示す。図３（ｃ）は、端部に１つのパターン構造を有する平面アンテナであって溝部１３の長さおよびピッチが比較的短いもの（Ｌ２モデルという）の端部を示す。図３（ｄ）は、平面アンテナ１であって、Ｌ１モデルのパターン構造とＬ２モデルのパターン構造の２つを有するもの（Ｌ１Ｌ２モデルという）の端部を示す。
【００２９】
図４は、図３で説明した各モデルのアンテナ利得についての周波数特性を示す図である。縦軸は、ＢＡＳＩＣモデルのアンテナ利得を基準とした相対利得を示し、横軸は、周波数を示す。
【００３０】
８ＧＨｚ帯では、Ｌ１モデルとＬ１Ｌ２モデルの利得が、１７ＧＨｚ帯では、Ｌ２モデルとＬ１Ｌ２モデルの利得がそれぞれ向上している。逆に８ＧＨｚ帯では、Ｌ２モデルの利得が、１７ＧＨｚ帯では、Ｌ１モデルの利得がそれぞれ小さくなっている。
【００３１】
このことから、Ｌ１Ｌ２モデルは、Ｌ１モデルで利得改善できる周波数帯とＬ２モデルで利得改善できる周波数帯とを含む広い周波数帯で利得改善できることがわかる。
【００３２】
図５（ａ）は、各モデルの８ＧＨｚ帯での放射指向性を示す図であり、図５（ｂ）は、各モデルの１７ＧＨｚ帯での放射指向性を示す図である。各図とも、縦軸は、各モデルごとにアンテナ利得を最大値で規格化した相対利得を示し、横軸は、平面アンテナを含む平面内における放射角を示す。平面アンテナの前方の放射角は９０度である。
【００３３】
８ＧＨｚ帯では、Ｌ１モデルとＬ１Ｌ２モデルの放射指向性が、１７ＧＨｚ帯では、Ｌ２モデルとＬ１Ｌ２モデルの放射指向性がそれぞれ鋭くなっている。逆に８ＧＨｚ帯では、Ｌ１モデル、Ｌ２モデルの放射指向性がそれぞれＢＡＳＩＣモデルのものと同等になっている。
【００３４】
このことから、Ｌ１Ｌ２モデルは、Ｌ１モデルで放射指向性を鋭くできる周波数帯とＬ２モデルで放射指向性を鋭くできる周波数帯とを含む広い周波数帯で放射指向性を鋭くできることがわかる。
【００３５】
以上説明したように、平面アンテナ１によれば、誘電体基板１１と、誘電体基板１１上に形成された金属膜１２Ａの端部１２Ｂ、１２Ｃ間を横切るようなテーパ状のスロットライン１２Ｄを有するとともに当該スロットライン１２Ｄを軸として対称的となるように各端部１２Ｂ、１２Ｃにコルゲート構造１２Ｅを有する導体部１２とを備え、コルゲート構造１２Ｅは、溝部１３を複数有しかつ溝部１３同士で幅および長さが等しくかつピッチが同一なパターン構造を複数重畳させたものであり、パターン構造の溝部のピッチ、幅および長さの少なくとも１つが当該パターン構造を含むコルゲート構造内の他のパターン構造のものに対して異なるものとしたことで、アンテナ利得および放射指向性といったアンテナ特性を低下させる要因である端部での電磁波の反射を広帯域に渡り打ち消す効果が得られ、よって、広帯域に渡りアンテナ特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本実施の形態に係る平面アンテナの平面図である。
【図２】図１に示すコルゲート構造での電磁波の反射の様子を示す図である。
【図３】シミュレーションで用いた平面アンテナにおける金属膜の端部を部分的に示す平面図である。
【図４】図３で説明した各モデルのアンテナ利得についての周波数特性を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、各モデルの８ＧＨｚ帯での放射指向性を示す図であり、図５（ｂ）は、各モデルの１７ＧＨｚ帯での放射指向性を示す図である。
【図６】従来の平面アンテナの平面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  平面アンテナ
１１  誘電体基板
１２  導体部
１２Ａ  金属膜
１２Ｂ、１２Ｃ  端部
１２Ｄ  スロットライン
１２Ｅ  コルゲート構造
１３  溝部
１２１  電磁波放射部
１２２  電磁波供給部
【図１】
2009130433.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009130433.tif 000005
【図４】
2009130433.tif 000006
【図５】
2009130433.tif 000007
【図６】
2009130433.tif 000008