JP2003078341A - 積層アンテナ - Google Patents

積層アンテナ

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JP2003078341A
JP2003078341A JP2001265086A JP2001265086A JP2003078341A JP 2003078341 A JP2003078341 A JP 2003078341A JP 2001265086 A JP2001265086 A JP 2001265086A JP 2001265086 A JP2001265086 A JP 2001265086A JP 2003078341 A JP2003078341 A JP 2003078341A
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JP
Japan
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antenna
pbg
layer
laminated
circuit
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JP2001265086A
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English (en)
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Shigeo Kawasaki
繁男 川崎
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Tokai University
Original Assignee
Tokai University
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00Auxiliary devices
    • H01P1/20Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/2005Electromagnetic photonic bandgaps [EPB], or photonic bandgaps [PBG]

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信号の漏れを無くし、信号の伝達効率を上
げ、且つ利得を上げること。 【解決手段】 信号を電磁波として放射する回路・アン
テナ層10と、格子状に2次元配列のフォトニックバン
ドギャップ構造としたPBG構造基板層20とを備えて
いること。前記各層を積層構造としてなること。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、信号の漏れを無く
し、信号の伝達効率を上げ、且つ利得を上げることがで
きる積層アンテナに関する。
【0002】
【従来の技術】近時、マイクロ波・ミリ波領域におい
て、平面回路やアンテナに誘電体基板を用いる場合、表
面波による有限基板のエッジからの不要放射や、低利得
などの制限が現れる。そこで、効率の良いマイクロ波、
ミリ波あるいは光信号の伝達を、フォトニックバンドギ
ャップ(Photonic Band Gap)(以下「PBG」とい
う。)と呼ばれる新しい技術により行うという研究が盛
んに進められている。
【0003】そのPBG構造とは、ある周波数域の電磁
波の伝搬を許さない人工結晶である。これは、固体物性
学に見られる結晶配列・バンド理論に対応付けられるな
ど、それらの類似性が議論され、以来新しい技術として
提唱されてきた。PBG構造の代表例としてさらに、3
次元構造として球を周期配列したものを図10に、3次
元構造として誘電体にある特定の角度を持たせて空孔を
設けたものを図11にそれぞれ図示した。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】これらのPBG構造は
主にマイクロ波・ミリ波平面回路・アンテナに適用する
ことができる。マイクロ波・ミリ波領域において、平面
回路やアンテナは有限基板で製造されるため、表面波に
よる不要放射の影響による低利得化や特性劣化が問題と
なる。PBG構造はこの問題に対して極めて有効な技術
であると考えられ、現在では様々な応用例が報告されて
いる。しかしながら、従来のPBG構造は、誘電体に周
期的な空孔を設けるが、光の領域ではその波長の短さか
ら極めて精密な工作技術が必要など、製造の困難さが指
摘されてきた。何れにしても、信号の漏れを無くし、信
号の伝達効率を上げるアンテナ等が要望されている。
【0005】
【課題を解決するための手段】そこで、発明者は上記課
題を解決すべく鋭意,研究を重ねた結果、本発明を、信
号を電磁波として放射する回路・アンテナ層と、格子状
に2次元配列のフォトニックバンドギャップ構造とした
PBG構造基板層とを備え、前記各層を積層構造として
なる積層アンテナとしたことにより、信号の漏れを無く
し、必要な周波数の電波のみを放射して、信号の伝達効
率を上げ、且つ利得を上げることができ、前記課題を解
決したものである。
【0006】また、前述の構成において、前記PBG構
造基板層を前記回路・アンテナ層の上下,上側又は下側
に複数積層して3次元PBGとしてなる積層アンテナと
したことにより、より一層、信号の伝達効率を上げ且つ
利得を上げることができる前記課題を解決したものであ
る。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面に基づいて説明すると、図1(A)は積層アンテナ
であって、3層からなる分解構造図である。上側に、回
路・アンテナ層10が設けられている。該回路・アンテ
ナ層10の下側には、PBG構造基板層20が単数又は
複数設けられている。
【0008】前記回路・アンテナ層10は、図1(A)
〜(D)に示すように、誘電体基板11と、該誘電体基
板11の上側に設けた皮膜金属部12とからなる。該皮
膜金属部12に、回路部12bと、該回路部12bの端
部箇所のアンテナ部12aとがエッチッグ処理されてい
る。また、前記回路・アンテナ層10には、前記回路部
12bに接続する給電入力部12cが設けられている。
また、前記回路部12bには増幅部12d及び発振回路
12eが設けられることもある。また、前記皮膜金属部
12を剥離,溶解又は除去等することができれば、その
エッチング処理には限定されずいかなる手段でも形成す
ることができる。
【0009】前記PBG構造基板層20は、図1(A)
及び図2(A)に示すように、誘電体21の上面の皮膜
金属22は格子状にエッチング処理されて構成されてい
る。特に、同図に示したものは、PBG構造基板層20
を構成する誘電体21の上面の皮膜金属22が碁盤の目
のように形成されている。この場合、碁盤の目の単位構
成としては、解析モデルMである。該解析モデルMとし
ては、図2(B)に示すように、誘電体21の上に、エ
ッチング処理にて十字型となった皮膜金属22が設けら
れている。解析モデルMの単位構成は、皮膜金属22が
十字型となっているが、これを前後左右に連続形成し
て、境界を囲むようにしたことで、碁盤の目のように構
成されるものである。前記皮膜金属22についても、そ
の他の部分を剥離,溶解又は除去等することができれ
ば、そのエッチング処理には限定されない。
【0010】前記PBG構造基板層20は、少なくとも
2層が、前記回路・アンテナ層10の下面側のみに積層
構成されていたり、或いは、図示しないが、前記回路・
アンテナ層10の上面に1層、下面に1層が積層されて
いたり、さらに図示しないが、前記回路・アンテナ層1
0の上面のみに、2層が積層されている。また、図示し
ないが、前記PBG構造基板層20については、前記回
路・アンテナ層10の下面側又は上面側に1層のみが設
けられることもある。
【0011】
【実施例】図1(A)に示したものは、エッチング処理
による2次元PBG構造を周期的に積層化させた3次元
PBG構造の積層アンテナである。前記PBG構造基板
層20を2枚重ねて2層とすることで3次元PBGを達
成している。この積層アンテナの回路・アンテナ層10
に増幅器が設けられて、ミリ波アクティブ集積アンテナ
として構成されている。該ミリ波アクティブ集積アンテ
ナは、ミリ波の信号を得るためにMMIC発振器の非線形性
より生ずる第二高調波を利用している。使用した基板は
アルミナセラミック基板(比誘電率10.3、誘電体厚0.63
5[mm] 、圧延銅箔:0.005[mm] )である。PBG構造と
して使用した基板(誘電体基板11及び皮膜金属22)
はソフト基板(25NG0310CSSA:比誘電率3.25、誘電体厚
0.787[mm] 、圧延銅箔:0.018[mm] 、tan δ0.0025)で
ある。また、PBG構造基板層20の解析モデル〔図2
(B)〕のパラメータとして、a=3.0[mm] 、b=1.4
[mm] 、g=0.2[mm] としたものである。
【0012】本実施例のPBG構造は、基本波の周波数
帯21.8[GHz] にバンドギャップを持っており、MMICから
生ずる基本波を抑制することによりアクティブ集積アン
テナの性能を向上させることができる。このアクティブ
集積アンテナのアンテナパターンの測定結果を図3に示
した。測定値(Experiment)と理論値(Computed)がよく一
致していることが確認できる。また、PBGの効果を確
認するために、MMIC動作周波数である21.8[GHz] にPB
Gを持たないPBG構造を用意し、比較を行った。通常
構造、3次元プリント型PBGを付加した場合、MMIC動
作周波数外にPBGを持つ3次元プリント型PBG を付加
した場合の3種類に対して比較を行うため、アンテナパ
ターンを測定した。これを図5に示した。また、利得の
比較表を図4に示した。この比較により、基本波におい
て、3次元プリント型PBGの効果により基本波が抑え
られ、第2高調波においてはサイドローブが抑えられて
いる。結果的に、3次元プリント型PBG構造はアンテ
ナパターン全体の改善に寄与していることが判る。
【0013】
【解析モデルの実施例1】図6(A)に示したものは、
前記PBG構造基板層20の解析モデルMの単位構成で
あって、十字型となった金属部(皮膜金属22)が正方
形の誘電体21上に設けられたものである。このような
解析モデルMが図6(B)に示すように、上下が垂直状
に揃って3層構造をなしている。この場合のパラメータ
として、a=6.0[mm] 、b=2.8[mm] 、g=0.4[mm] と
し、誘電体21の基板厚h(誘電体厚)0.751[mm] 、比
誘電率3.25とした。このように構成した場合をシュミレ
ーションによる解析をした結果、六方昌系におけるTE
波,TM波のバンド図を図7(A),(B)に示した。
これによれば、周波数帯域として10.97[GHz]〜12.71[GH
z]については3次元的に一切の漏れがないことが判る。
【0014】
【解析モデルの実施例2】図8(A)に示したものは、
前記解析モデルの実施例1と同一の解析モデルMであっ
て、この解析モデルMが図8(B)に示すように、3層
の内の真ん中の解析モデルMが、この半分(a/2)ず
れて、1層と3層とが垂直状に揃って全体として3層構
造をなしている。このように構成した場合をシュミレー
ションによる解析をした結果、六方昌系におけるTE
波,TM波のバンド図を図9(A),(B)に示した。
これによれば、周波数帯域として 7.23[GHz]〜8.26[GH
z] については3次元的に一切の漏れがないことが理解
できる。
【0015】
【発明の効果】本発明における積層アンテナにおいて
は、アンテナパターン全体の改善を図ることができ、不
要電波を縦横に対して逃げないようにすることができ、
ひいては信号の伝達効率を上げ、且つ利得を上げること
ができる。特に、3次元的に横方向や縦方向に対しての
信号漏れを防止し、所望の信号のみを効率的に伝達する
ことができる最大の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明の分解斜視図 (B)はアンテナ部の拡大斜視図 (C)は(A)のX−X矢視断面図 (D)は(A)のY−Y矢視断面図
【図2】(A)はPBG構造基板層の斜視図 (B)は(A)の一部平面図
【図3】(A)は第2高調波によるアンテナパターンの
測定結果表 (B)は基本波によるアンテナパターンの測定結果表
【図4】利得の比較表
【図5】(A)は第2高調波によるアンテナパターンの
測定結果表 (B)は基本波によるアンテナパターンの測定結果表
【図6】(A)はPBG構造基板層の解析モデルの平面
図 (B)は3層としたPBG構造基板層の解析モデルの斜
視図
【図7】(A)はTE波のバンド図 (B)はTM波のバンド図
【図8】(A)はPBG構造基板層の解析モデルを3層
とした別の実施例の平面図 (B)は(A)の斜視図
【図9】(A)はTE波のバンド図 (B)はTM波のバンド図
【図10】従来技術のPBG構造の3次元構造として球
を周期配列した斜視図
【図11】従来技術のPBG構造の3次元構造として誘
電体にある特定の角度を持たせて空孔を設けた斜視図
【符号の説明】 10…回路・アンテナ層 20…PBG構造基板層

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 信号を電磁波として放射する回路・アン
    テナ層と、格子状に2次元配列のフォトニックバンドギ
    ャップ構造としたPBG構造基板層とを備え、前記各層
    を積層構造としてなることを特徴とする積層アンテナ。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記PBG構造基板
    層を前記回路・アンテナ層の上下,上側又は下側に複数
    積層して3次元PBGとしてなることを特徴とする積層
    アンテナ。
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