JP2002271133A

JP2002271133A - 高周波アンテナおよび高周波通信装置

Info

Publication number: JP2002271133A
Application number: JP2001065888A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Amano; 義久天野; Eiji Suematsu; 英治末松
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2002-09-20

Abstract

(57)【要約】【課題】誘電体基板上にマイクロストリップ線路等を
利用して形成された平面型のアレーアンテナにおいて、
アンテナから誘電体基板内部方向への不要放射を低減す
る構造を、安価で簡単な手段で実現する。【解決手段】給電線路にはマイクロストリップ線路等
の開放系線路を用い、放射を行うアンテナ素子はシール
ドされた閉構造にする。閉構造としては、誘電体基板下
部のグランド面と、誘電体基板上の導体パターンと、そ
の両者の間を短絡接続するＶＩＡホールとで形成する。
閉構造内部は、基板と水平方向に対して、片面開放・片
面短絡の小型かつ薄型のλ／４共振器を構成する。アン
テナ素子からの放射は、前記導体パターンに設けたスロ
ット状の開口部から行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロ波帯やミ
リ波帯等の高周波帯で用いられる、誘電体基板の上に形
成された平面アンテナの構造、および高周波通信装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】誘電体基板上に形成された高周波帯の平
面アンテナ素子としては、パッチ型アンテナとスロット
型アンテナとに大別される。それぞれ構造の概略を、図
１３と図１４に示す。

【０００３】図１３のパッチ型アンテナにおいては、１
６は誘電体基板、１７はその裏面でグランドの働きをす
るメタルパターン（以下、グランドパターンと称す
る）、１８はマイクロストリップ線路で形成された給電
線路、１９は電波を放射するパッチ状のメタルパターン
である。

【０００４】図１４のスロット型アンテナにおいては、
１と２は誘電体基板、３はグランドパターン、４は誘電
体基板１と２の間に挟み込まれたマイクロストリップ線
路で形成された給電線路、９はその給電線路４のオープ
ン端、２３はメタルパターン、２４はメタルパターン２
３に設けられた電波を放射するスロット状の抜きパター
ンである。なお、グランドパターン３がある構造と無い
構造の両方が知られている。

【０００５】これら図１３や図１４に示したような従来
のアンテナ素子は、単体で使われるだけでなく、複数の
アンテナ素子をアレー化して使うことが多い。一例とし
て、図１５に、図１３のパッチ型アンテナを４素子アレ
ー化した例を示した。図１５は基板を上から見た平面図
であり、１４はアレーアンテナ全体の入力ポート、１５
は整合回路付きの２分岐部、２２は従来のアンテナ素子
である。２分岐部１５の構造の詳細を、図１６に示し
た。５０Ω系であるポート１から入った電気信号は、同
じく５０Ω系であるポート２とポート３に２分配され
る。その際、７１Ω系の長さλ／４の線路を図１６のよ
うに挿入すると、インピーダンス整合が取れて信号が反
射しないことが知られている。このような２分岐部の設
計方法は、例えば文献ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏ
ｎｓｏｎＡｎｔｅｎｎａｓａｎｄＰｒｏｐａｇ
ａｔｉｏｎ，Ｊａｎ，１９７４，ｐｐ．７５等で紹介さ
れている。

【０００６】上記のパッチ型アンテナとスロット型アン
テナ以外に、特開平１１−２３９０１７号公報には、図
１７の構造の積層型開口面アンテナが開示されている。
１、２、２９、および３０は誘電体基板、４は誘電体基
板１と２の間に印刷された給電線路、３１は誘電体基板
２９の上のリング型メタルパターン、３２は誘電体基板
３０の上のリング型メタルパターン、３３は誘電体基板
１の上のリング型メタルパターン、３４は誘電体基板２
の上のコの字型メタルパターン、３はグランドパターン
である。３６は、リング型メタルパターン３１、３２、
３３とコの字型メタルパターン３４とグランドパターン
３とを全て短絡する貫通導体の列（以下、ＶＩＡホール
列と略す）であり、波長λに対して十分に小さい間隔で
配置されている。３７は、リング型メタルパターン３
１、３２、３３を全て短絡するＶＩＡホール列であり、
波長λに対して十分に小さい間隔で配置されている。３
５は、リング型メタルパターン３１の中央の抜きパター
ン部で、電波の放射が行われる放射用開口部である。

【０００７】図１７の構造は、公知技術である導波管ホ
ーンアンテナに近い構造で、従来は金属ブロックの切削
加工でしか作れなかったホーンアンテナを、ＶＩＡホー
ル列３６と３７を活用することで、セラミック等の誘電
体基板の内部に擬似的に実現したことに特徴がある。

【０００８】図１７のリング型メタルパターン３１、３
２、３３とコの字型メタルパターン３４とグランドパタ
ーン３、およびＶＩＡホール列３６と３７は、シールド
された閉構造（キャビティ）を形成しており、電波の共
振器として機能する。図１７の共振器は、片面短絡・片
面開放の１／４波長空間共振器であり、放射用開口部３
５は共振器の開放面として機能し、基板裏面のグランド
パターン３は短絡面として機能する。即ち放射用開口部
３５と基板裏面のグランドパターンとの距離がλｇ／４
に相当する周波数において電波が共振を起こす。ここで
言うλｇとは、キャビティを方向Ｄに対する導波管構造
と見なした場合の、管内波長である。このように、図１
７の構造においては、主に誘電体基板と垂直方向に対す
る共振モードを利用することに特徴がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１３のパッチ型アン
テナでは、ミリ波帯等の超高周波では不完全な伝搬モー
ドであるＬｅａｋｙＷａｖｅが現れ、電磁界エネルギ
ーが伝送線路周辺に漏れ出す。また、図１４のスロット
型アンテナでは、上下２枚の導体板で挟まれた構造が伝
送線路として機能し、平行平板モードのＧｕｉｄｅｄ
Ｗａｖｅが発生し基板内部のＡ〜Ｃ方向に放射される。

【００１０】本来の電波の放射方向は、図中の基板と垂
直な方向すなわち空気方向Ｄである。しかし、このよう
に従来のパッチ型アンテナやスロット型アンテナでは、
その他の基板と平行な方向、すなわち基板内部方向Ａ〜
Ｃに対しても電波の放射が起こり得ることが分かる。こ
れらは不要放射である。

【００１１】アンテナから基板内部方向への不要放射が
起こると、アンテナの放射効率やゲインが劣化する、ま
た、アンテナの放射パターンや指向性が劣化する、さら
に、装置全体の周波数特性において不要共振や不要発振
を引き起こす、等々の理由で、アンテナの性能が劣化す
るという問題が生じる。

【００１２】図１７の構造の積層型開口面アンテナで
は、基板内部方向への不要放射は起こらないが、以下に
述べるような別の問題が発生する。

【００１３】前述のように、基板に対して垂直方向のλ
ｇ／４共振モードを用いているため、誘電体基板の総厚
み寸法がλｇ／４と決まってしまっており、この厚みを
実現するためには、多層基板の層数を大きく設計する必
要がある。

【００１４】このように厚み寸法が大きくなる問題に関
しては、特開平１１−２３９０１７号公報にも開示され
ているように、導波管の断面積（前記公報では寸法ａと
ｂ）を大きくすることで管内波長λｇを縮める方法があ
る。しかし、このような方法による寸法短縮化にも限界
がある。

【００１５】一例として以下は、前記公報において７７
ＧＨｚ帯アンテナの設計寸法として書かれている数値
を、本発明が念頭においている６０ＧＨｚ帯での設計寸
法に換算した数値である。基板材料の比誘電率は、上記
公報と同じく５とする。図１７におけるリング型メタル
パターン３１の寸法が４．４ｍｍ×１．７ｍｍであり、
それに対し、必要な基板厚みは０．６４ｍｍとなる。即
ち、前記の管内波長λｇを短縮する設計法を活用して
も、厚み寸法の短縮はこの程度が限界であり、また当然
ながら周波数が例えば５０ＧＨｚ帯等に下がれば更に寸
法が増大する。ちなみに、ミリ波帯回路でこのような基
板厚みを実現するためには、厚み０．１５ｍｍか０．２
ｍｍの誘電体基板を４層程度は積層する必要がある。

【００１６】多くの層数の基板に多数のＶＩＡホールを
形成し互いを金属板で接続するこのような構造は、生産
性が悪く、製造コストが高く、サイズが大きいなどの問
題がある。

【００１７】本発明の目的は、上記のような問題を解決
し、小型、構造簡便さ、低コスト性を損うことなく、基
板内部方向への不要放射を最小に抑える高周波アンテナ
を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の高周波アンテナ
は、積層された誘電体基板上あるいは内部に、導体材料
をパターニングすることによって形成された共振器を有
する高周波アンテナにおいて、前記共振器は、シールド
で囲われた閉構造に給電用開口部と放射用開口部を有す
る構造であり、前記誘電体基板と平行な方向に共振を起
こし、前記誘電体基板と垂直な方向に電波放射を行うこ
とを特徴とする。

【００１９】また、本発明の高周波アンテナは、積層さ
れた誘電体基板上あるいは内部に、導体材料をパターニ
ングすることによって形成された共振器を有する高周波
アンテナにおいて、前記共振器は前記誘電体基板と垂直
な対向する二面からなる共振面を有し、前記共振面の一
面は実質シールドされた短絡面で他面はシールドされな
い開放面であり、前記共振器のうちの前記誘電体基板と
平行な一面は電波放射用の開口部が設けられた導体材料
パターンからなる電波放射面であり、前記共振器の前記
共振面および前記電波放射面以外の面は導体材料で実質
シールドされたことを特徴とする。

【００２０】前記共振器に給電するための給電線路は、
誘電体基板上に形成され、前記共振器に前記共振器の開
放面側から接続されることが好ましい。

【００２１】また、本発明の高周波アンテナは、前記共
振器の短絡面が前記ＶＩＡホール列であることを特徴と
する。

【００２２】本発明の高周波通信装置は、積層された誘
電体基板の片面に高周波回路が集積され、反対の面には
上記本発明の高周波アンテナが集積され、その両者の間
を電磁結合またはＶＩＡホールによって電気的に接続さ
れたことを特徴とする。

【００２３】誘電体基板としては、セラミック、テフロ
ン（登録商標）、ガラス、ガラセラ等を用いることがで
きる。

【００２４】共振器の対向する共振面が基板と垂直であ
るため、電波の共振が、基板の厚み方向ではなく、水平
方向に対して起こる。このため、共振器の共振周波数
は、基板と水平方向の寸法には依存するが、基板の厚み
方向の寸法には依存しない。したがって基板の厚みを薄
くでき層数を少なくできる。なお、効率的に共振を起こ
すためには共振面の間隔は、λｇ／４であることが好ま
しい。但し、λｇは、共振器を基板と平行方向の導波管
構造と見なした場合の、管内波長である。

【００２５】共振器はシールドで囲われた閉構造の共振
器を用いるため、基板内部方向への放射等の不要放射を
抑えることができる。ただし、閉構造の共振器には開口
部が２つあり、一方の開口部は電波を放射するための開
口部であり、もう一方の開口部は給電線路から給電を行
うための開口部である。給電のための開口部からの不要
放射は、給電線路と共振器とのインピーダンス整合を取
ることにより防ぐことが可能である。

【００２６】実質シールドされた面とは、連続導体面で
あっても、またＶＩＡホール列などの不連続な導体列で
あってもよい。導体列の場合には波長λに対して十分に
小さい間隔で配置されているのが好ましい。より好まし
くは、その間隔が、λ／４以下であることが好ましい。
これにより波長が、λ以上の信号に対してほぼ完全にシ
ールドすることができる。但し、λは電波の波長であ
る。

【００２７】給電線路としては、シールドが無い開放系
の伝送線路、例えば、マイクロストリップ線路、コプレ
ナー線路等を用いることができるが、配線の容易さから
はマイクロストリップ線路の方が好ましい。給電線路か
ら共振器への接続方法は、給電線路を共振器に直接接触
させる方式でも、電磁結合のように非接触で行う方式で
も可能である。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を用いてさらに具体的に詳細に説明する。（実施の形態１）図１は、本発明の高周波アンテナの構
造例を示す斜視透視図で、基板内部の構造が分かるよう
に描かれている。図２（ａ）はその平面図であり、図２
（ｂ）は、図２（ａ）におけるＡＢ間の断面図である。
誘電体基板１と２が積層され、その底面にグランドパタ
ーン３が、上面にはメタルパターン５が設けられ、誘電
体基板１と２の間に給電線路４が配置されている。メタ
ルパターン５とグランドパターン３とはＶＩＡホール列
７によって短絡され、メタルパターン５と給電線路４と
はＶＩＡホール８によって短絡されている。上面のメタ
ルパターン５には放射用開口部６が開けられており、こ
こから電波が放射される。放射用開口部６の形状は、図
ではスロット状であるが、その他の形状でも電波の放射
は可能である。スロット状の放射用開口部６への給電
は、給電線路４からＶＩＡホール８と電波放射部のメタ
ルパターン５を通じて直接に給電される。

【００２９】図３は、図１の構造の原理が分かり易いよ
うに描いた模式図である。メタルパターン５やＶＩＡホ
ール列７は、シールドされた閉構造（キャビティ）を形
成しており、そのキャビティには２つの開口部がある。
一つは電気信号の入力ポートである給電用開口部であ
り、もう一つは電波の出力ポートである放射用開口部で
ある。シールドされたキャビティは電波の共振器として
機能するが、本発明においては、主に誘電体基板と水平
方向での共振モードを利用することに特徴がある。即
ち、給電用開口部は開放面として機能し、キャビティ壁
の給電用開口部と反対側の面は短絡面として機能するた
め、両者の距離がλｇ／４に相当する周波数において電
波が共振を起こす。ここで言うλｇとは、キャビティを
方向Ａに対するＴＥ１０モード導波管構造と見なした場
合の、管内波長である。また、開放面と短絡面の間の距
離は、ｎを自然数として、λｇ（１／４＋ｎ／２）の時
にも周期的に共振を起こす。小型化、低コストの点から
はｎが０、すなわちλｇ／４に設計するのが好ましい。

【００３０】図３から明らかなように、図１のアンテナ
素子は、シールドされたキャビティ構造であるため、電
磁波の流れる方向のコントロールが容易である。出力ポ
ートである放射用開口部は、誘電体基板の外の空気層に
直面しているため、ここから放射される電波は方向Ｄの
みに向かい、基板内部方向Ａ〜Ｃへの不要放射は全く発
生しない。もう一方の、入力ポートである給電用開口部
については、以下詳細に述べるような手段によってイン
ピーダンス整合さえ取れていれば、電気信号（電波）は
一方的に入って来るだけであり、反射してキャビティの
外に漏れ出て行くことが無く、従って基板内部方向への
不要放射は発生しない。

【００３１】また、図３から明らかなように、キャビテ
ィの共振周波数は、キャビティの寸法のうち、基板と水
平方向の寸法には依存するが、基板の厚み方向の寸法に
は依存しない。この点が、従来技術である特開平１１−
２３９０１７号公報との大きな違いである。特開平１１
−２３９０１７号公報の構造では、共振させたい周波数
によって基板厚みがある程度決まってしまい、その厚み
寸法を実現するためには誘電体基板を３〜１０層も積層
する必要に迫られ、その結果コストの増加を招いてい
た。それに対し本発明では、基板厚みを大幅に薄くする
ことが可能であり、１〜２層の誘電体基板しか必要でな
く、そのためコストを抑えることができる。

【００３２】次に、図１のアンテナ構造におけるインピ
ーダンス整合方法について説明する。図１のアンテナ構
造においては、閉構造（キャビティ）と開構造（給電線
路４）という、相反する構造の間でインピーダンス整合
を取る必要がある。これは一般的には困難なように思わ
れるが、しかし、実際には、従来技術におけるインピー
ダンス整合方法がそのまま流用可能であることが分かっ
た。例えば、図４の平面図は、パッチアンテナのインピ
ーダンス整合方法を流用した例を示し、ここでは３つの
整合方法が示されている。第１の整合方法は、λ／４線
路による整合回路１０である。第２の整合方法は切り欠
き部１１であり、給電線路４がメタルパターン５に給電
する位置を、端から中心方向へオフセットすることを目
的としている。第３の整合方法は、メタルパターン５の
幅Ｗを微調整する方法である。本実施の形態では、イン
ピーダンス整合方法として、前述の第２の方法と第３の
方法を用いた。

【００３３】誘電体基板１の材料としては、εｒ＝８．
６の高誘電率材料であるアルミナセラミックを用いた。
誘電体基板１と２の厚みは、それぞれ０．１５ｍｍとし
た。ＶＩＡホールはφ１００のものを計８個用いた。Ｖ
ＩＡホールの間隔は、ここでは０．３５〜０．５ｍｍと
した。メタルパターン５のサイズは０．９ｍｍ×１．２
ｍｍ、放射用開口部６のサイズは０．２ｍｍ×０．５ｍ
ｍ、給電線路４の線幅は０．１ｍｍ程度である。

【００３４】管内波長λｇを計算する上で、重要なのは
導波管の断面寸法だけである。ＴＥ１０モードと呼ばれ
るモードを想定して、上記寸法より６０ＧＨｚでのλｇ
／４を計算すると、λｇ／４＝０．８１５ｍｍとなる。
ＶＩＡホールの間隔はこれよりも短いのでＶＩＡホール
列によりシールドされている。これに対して、共振方向
のキャビティ内部の設計寸法を、０．８ｍｍにした。設
計寸法がぴったりλｇ／４になっていない主な理由は、
本発明の構造が実際には理想的な導波管構造ではないた
めである。

【００３５】以上の構成と整合方法によって、図１のア
ンテナ構造がどれほどインピーダンス整合が取れるか
を、市販の電磁界シミュレータ（モーメント法）を用い
て検討した。実測結果ではなくシミュレーション結果を
示した理由は、特に６０ＧＨｚ帯のようなミリ波帯のア
ンテナ回路は測定が難しく、現状の測定技術では高い測
定精度が得にくく、学会で実績があり信頼できる電磁界
シミュレーション原理を用いた方が、構造の微妙な優劣
を議論し易いためである。実際に６０ＧＨｚ帯で設計を
行い、給電用開口部における反射係数（Ｓ１１パラメー
タ）のシミュレーション結果を示した実例が、図５のグ
ラフである。

【００３６】εｒ＝８．６にもなる高誘電率材料は、一
般的にはアンテナ設計には非常に不向きと考えられてい
る。例えば図１３のような従来技術のパッチ型アンテナ
に用いた場合は、電波が放射されにくい、従って入力イ
ンピーダンスの整合が取りにくいと考えられている。し
かし、図５のグラフを見ると、本実施の形態のアンテナ
においては、反射係数Ｓ１１が抑えられて良好なインピ
ーダンス整合が実現できている。３５ＧＨｚもの帯域幅
に渡ってＳ１１＝−１０ｄＢであり、更に１０ＧＨｚも
の帯域幅に渡ってＳ１１＝―２０ｄＢである。図３で説
明したように、本発明のアンテナ素子はシールドされた
キャビティ構造であるため、このように給電用開口部に
おける信号反射が無いということは、入って来た電気信
号は全て電波となって放射用開口部６から方向Ｄへ放射
されていることを意味する。基板内部方向Ａ〜Ｃへの放
射は、原理的に発生しない。

【００３７】本実施の形態のアンテナ素子を多数設ける
ことも可能である。図６は、図１のアンテナ素子を４素
子アレー化した一例である。図において、１４はアレー
アンテナ全体の入力ポート、１３は図１の本発明のアン
テナ素子、１５は整合回路付きの２分岐部である。本発
明の特徴であるが、アンテナ素子部分はシールドされた
閉構造であるにもかかわらず、給電線路部分は開放系の
マイクロストリップ線路等を用いているため、アレー化
に際しては、困難が全く生じない。図６の例では、図１
５の従来技術と同様に、マイクロストリップ線路等の印
刷配線を引き回すだけで良い。２分岐部１５も、図１６
の原理で線幅を調整した配線を印刷形成するだけで良
い。（実施の形態２）実施の形態１では、直接接触方式で給
電を行う場合の例について述べたが、実施の形態２で
は、非接触方式で給電を行う場合の例について述べる。

【００３８】図７は、その構造例を示す斜視透視図で、
基板内部の構造が分かるように描かれている。図８
（ａ）はその平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）
におけるＡＢ間の断面図である。基板およびＶＩＡホー
ルの材料や寸法等は、図１および図２とほぼ同じであ
り、同じものには同一番号を付している。メタルパター
ン５のサイズは０．７ｍｍ×１．３ｍｍ、放射用開口部
６のサイズは０．１ｍｍ×０．５ｍｍ程度である。実施
の形態１と大きく異なる点は、給電線路４がメタルパタ
ーン５に接触しておらず、その終端がオープン端９にな
っている点である。スロット状の放射用開口部６への給
電は、給電線路４のオープン端９の近傍から、非接触で
電磁界結合によって行われる。すなわち、アンテナ構造
の原理は、給電方式が接触か非接触かという違い以外
は、図１および図２のアンテナ素子と同じである。図７
の構造の原理を模式図で描けば、図１の場合と同じく図
３になる。

【００３９】次に、図７のアンテナ構造におけるインピ
ーダンス整合方法について説明する。図７のアンテナ構
造においては、閉構造（キャビティ）と開構造（給電線
路４）という、相反する構造の間でインピーダンス整合
を取る必要がある。しかし、実際には、従来技術におけ
るインピーダンス整合方法がそのまま流用可能である。

【００４０】図９は、本実施の形態のインピーダンス整
合方法を説明するための平面図である。パッチ型アンテ
ナのインピーダンス整合方法と、更に図１４におけるス
ロット型アンテナのインピーダンス整合方法を流用した
例である。第１の整合方法は、給電線路４のオープン端
９の位置を、スロット状の放射用開口部６に対して手前
や奥へと調整する方法である。第２の整合方法は、メタ
ルパターン５の幅Ｗを微調整する方法である。第３の方
法として、図中１２のように、給電線路４のオープン端
９の周辺の線幅や形状を変える方法もある。図９では、
これら第１〜３の方法を全て用いてインピーダンス整合
を取っている。

【００４１】以上の方法によって図７のアンテナ構造が
どれほどインピーダンス整合が取れるかを市販の電磁界
シミュレータ（モーメント法）を用いて検討した。実際
に６０ＧＨｚ帯で設計を行い、給電用開口部における反
射係数（Ｓ１１パラメータ）のシミュレーション結果を
示した実例が、図１０のグラフである。図１０を見る
と、実施の形態１と同様に、良好なインピーダンス整合
が実現されていることが分かる。（実施の形態３）以上実施例で示してきたように、本発
明のアンテナ構造は、基板材料がガラセラやアルミナ等
の高誘電率材料であっても、アンテナの中心周波数がミ
リ波帯のような超高周波帯においても、比較的良好な性
能が得られる。しかも、このような超高周波帯で現れる
不要放射であるＬｅａｋｙＷａｖｅ等が発生し易い悪
条件下でも、シールド閉構造を採用しているために、ア
ンテナ素子から基板内部方向への不要放射が起こりにく
い。したがって、小型のアンテナ一体化通信回路装置に
用いるのには最適な構造である。以下では、本発明のア
ンテナを用いた例として、アンテナ一体型の小型ミリ波
無線通信モジュールについて述べる。

【００４２】図１１（ａ）にその基板上面側の透視図
を、図１１（ｂ）にその基板裏面側の透視図を示す。セ
ラミック基板の片面に形成された各種回路素子４０から
なる電子回路に低周波信号が入力され、周波数上昇変換
されて出力されたミリ波帯電気信号が、スロット型の電
磁界結合４１を通して、同じセラミック基板の裏面に印
刷形成されたアレーアンテナ４２に給電される。アレー
アンテナからはミリ波電波が図１２（ｂ）の下方に放射
される。なお、基板上面側の電子回路は気密封止ケース
４３により封止されている。

【００４３】個々のアンテナ構造は図１と同様であるが
寸法は若干変更した。基板材料としては、εｒ＝５．７
程度のガラセラを用い、０．１５ｍｍ厚のガラセラ基板
を２枚積層した。図１における、メタルパターン５のサ
イズは１．２ｍｍ×１．８ｍｍ、放射用開口部６のサイ
ズは０．２４ｍｍ×０．４８ｍｍ、給電線路４の幅は
０．１６ｍｍ程度である。このようなアンテナ素子を、
図１１のような配置で８×８＝６４素子、０．３４ｍｍ
間隔で並べてアレー化した。ただし、図１１では１６素
子のみ記載し、他は省略している。実際の測定サンプル
は、図１１の構造において、スロット型電磁界結合から
先の、アレーアンテナ部分のみを抜き出して作成した。
この測定サンプルの全基板サイズは、アレーアンテナ周
囲の空きスペースまで含めて３０ｍｍ×２６ｍｍであ
り、非常にコンパクトであった。

【００４４】この図１１のモジュール構造を想定して、
本発明によるアレーアンテナを実際に試作して、アンテ
ナゲインを測定した結果を、図１２のグラフに示す。

【００４５】アンテナゲインは、以下のような一般的な
方法で測定した。即ち、適当な６０ＧＨｚ帯電波源から
放射された電波を、試作したアンテナで受信し、その電
力を測定した。電波源としては、６０ＧＨｚ帯の市販信
号源と適当なホーンアンテナを用いた。受信電力の測定
には、６０ＧＨｚ帯のスペアナを用いた。アンテナゲイ
ンは、本試作アンテナの受信電力を、アンテナゲインが
既知の市販ホーンアンテナの受信電力とを相対比較する
ことで計算した。

【００４６】図１２を見ると、中心周波数６０ＧＨｚで
設計したが、少し高域側にずれている。それでもこのグ
ラフからは、１９ｄＢｉ程度のアンテナゲインが得られ
ることが確認できた。これは、６０ＧＨｚ帯でかつεｒ
＝５．７という高誘電率材料を用いていることを考慮す
れば、６４素子アレーアンテナとしては良好な実用レベ
ルの特性と言える。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、アンテナ素子部におい
ては、シールドされた閉構造を採用することによって、
基板内部方向への放射等の不要放射を抑えることができ
る。その一方で、給電線路の部分では、マイクロストリ
ップ線路等の開放系の伝送線路を用いることによって、
柔軟性・コスト・設計容易性に優れた給電回路を構成で
きる。

【００４８】また、共振器と給電回路との間の接続部で
は、閉構造と開構造という相反する構造間の接続である
にもかかわらず、インピーダンス整合を取ることにより
単純かつコンパクトな構造によって良好な反射係数、す
なわちリターンロスを実現することができる。

【００４９】また、共振器を構成する閉構造は、基板と
水平方向に対してλ／４共振器を構成しているため、ア
ンテナは薄型化および小型化が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す斜視透視図であ
る。

【図２】本発明の第１の実施形態を示す平面図および断
面図である。

【図３】本発明のアンテナ構造の原理を説明するための
模式図である。

【図４】本発明の第１の実施形態におけるインピーダン
ス整合方法を説明するための平面図である。

【図５】本発明の第１の実施形態における反射係数（Ｓ
１１パラメータ）を示すグラフである。

【図６】本発明のアンテナ素子をアレー化した例であ
る。

【図７】本発明の第２の実施形態を示す斜視透視図であ
る。

【図８】本発明の第２の実施形態を示す平面図および断
面図である。

【図９】本発明の第２の実施形態におけるインピーダン
ス整合方法を説明するための平面図である。

【図１０】本発明の第２の実施形態における反射係数
（Ｓ１１パラメータ）を示すグラフである。

【図１１】本発明の第３の実施形態である、アンテナ一
体型の小型ミリ波無線通信モジュールを示す斜視透視図
である。

【図１２】本発明の第３の実施形態における、６４素子
アレーアンテナのゲインを示すグラフである。

【図１３】従来のパッチ型アンテナを示す斜視図であ
る。

【図１４】従来のスロット型アンテナを示す斜視図であ
る。

【図１５】従来のパッチ型アンテナをアレー化した例で
ある。

【図１６】従来のアレーアンテナの給電網における２分
岐部の等価回路図である。

【図１７】従来のシールド型アンテナを示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

１、２…誘電体基板３…グランドパターン４…給電線路５…メタルパターン６…放射用開口部７…ＶＩＡホール列（２層貫通）８…ＶＩＡホール（１層貫通）９…オープン端１０…λ／４線路による整合回路１１…切り欠き部１２…線幅が異なる線路１３…本発明のアンテナ素子１４…アレーアンテナ全体の入力ポート１５…２分岐部１６…誘電体基板１７…グランドパターン１８…給電線路１９…メタルパターン２２…従来のアンテナ素子２３…メタルパターン２４…抜きパターン２９、３０…誘電体基板３１、３２、３３…リング型メタルパターン３４…コの字型メタルパターン３５…放射用開口部３６、３７…ＶＩＡホール列４０…回路素子４１…スロット型電磁界結合４２…アレー化アンテナ４３…気密封止ケース

フロントページの続きＦターム(参考） 5J021 AA05 AA09 AA11 AB05 FA32 HA05 JA07 JA08 5J045 AA06 AB05 BA01 DA06 EA08 FA02 HA03 JA04 MA07 NA01 5J046 AA07 AA19 AB08 PA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】積層された誘電体基板上あるいは内部
に、導体材料をパターニングすることによって形成され
た共振器を有する高周波アンテナにおいて、前記共振器
は、シールドで囲われた閉構造に給電用開口部と放射用
開口部を有する構造であり、前記誘電体基板と平行な方
向に共振を起こし、前記誘電体基板と垂直な方向に電波
放射を行うことを特徴とする高周波アンテナ。
【請求項２】積層された誘電体基板上あるいは内部
に、導体材料をパターニングすることによって形成され
た共振器を有する高周波アンテナにおいて、前記共振器
は前記誘電体基板と垂直な対向する二面からなる共振面
を有し、前記共振面の一面は実質シールドされた短絡面
で他面はシールドされない開放面であり、前記共振器の
うちの前記誘電体基板と平行な一面は電波放射用の開口
部が設けられたメテルパターンからなる電波放射面であ
り、前記共振器の前記共振面および前記電波放射面以外
の面は導体材料で実質シールドされたことを特徴とする
高周波アンテナ。
【請求項３】前記共振器に給電するための給電線路が
誘電体基板上に形成され、前記給電線路が前記共振器に
前記共振器の開放面側から接続されたことを特徴とする
請求項２記載の高周波アンテナ。
【請求項４】前記共振器の短絡面が前記ＶＩＡホール
列であることを特徴とする請求項２記載の高周波アンテ
ナ。
【請求項５】積層された誘電体基板の片面に高周波回
路が集積され、反対の面には請求項１から４のいずれか
に記載の高周波アンテナが集積され、その両者の間を電
磁結合またはＶＩＡホールによって電気的に接続された
ことを特徴とする、高周波通信装置。