JP3934341B2 - 無線通信装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
この発明は、準ミリ波帯およびミリ波帯用無線通信装置に関し、アンテナと高周波装置を一体化した小型無線通信装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
従来、マイクロ波帯以下の周波数領域での無線通信装置は、周波数変換回路,局部発振回路,増幅回路等で形成される高周波装置とアンテナをそれぞれ独立して設計および作製し、それらをコネクタで接続、あるいは同一基板上に実装することによりそれぞれを接続して用いられていた。しかしながら、さらに周波数の高い準ミリ波帯,ミリ波帯等の領域になると、高周波装置およびアンテナ間の給電線や接続部における損失が急速に増加し、実用的な効率の良い装置を実現する上での大きな問題となっていた。
【０００３】
この問題を解決するため、準ミリ波およびミリ波帯以上の周波数では、アンテナと高周波装置を一体化した構成技術が必要となっている。ここでアンテナ素子とアンテナは同義語である。
【０００４】
これらの問題に具体的に対処する試みとして、アンテナと高周波装置を同一パッケージ内に納めた無線通信装置の一例が、特開平１０−７９６２３号公報に開示されている。
【０００５】
特開平１０−７９６２３号公報では、アンテナ素子および高周波装置を同一面側に形成した基板と、上記基板上に形成された上記アンテナ素子、上記高周波装置を共通の空間内に気密封止するパッケージ導体を有し、上記パッケージ導体のアンテナ素子に対向する一部領域が非導電性となっている。
【０００６】
また、特開平１０−７９６２３号公報の図７に示されている別の例においては高周波装置とアンテナ素子との間に、それらの電磁的相互干渉を阻止する導電性遮蔽板を備えている。
【０００７】
また、ＮＲＤガイド((nonradiative dielectric waveguide)非放射性誘電体線路)、誘電体共振器および誘電体レンズを組み合わせた例が、１９９６年電子情報通信学会総合大会Ｃ−１７２に開示されている。ＮＲＤガイドの伝搬モードであるＬＳＭ０１モードを誘電体共振器のＨＥ１１モードに変換し、更に共振器上のスロットを励振させることでＮＲＤ回路面から垂直方向へ放射させ、誘電体レンズによりビーム成形を行なっている。誘電体共振器にＱ値の高いものを使用している点と、伝送損が非常に少ないことを特長とするＮＲＤガイドを用いることにより、高周波装置とアンテナ間の損失を抑えることができる。ＮＲＤガイドを用いたシステムは、ミリ波帯の通信システムでしばしば使われる。
【０００８】
また、マルチスロットアンテナと周波数変換装置を一体型した一例が、１９９８年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２−５２に開示されている。これは誘電体基板上に、マルチスロットアンテナとマルチスロットアンテナ接続したコプレーナ伝送線路がパターン形成され、コプレーナ伝送線路の他方の端子に周波数変換回路が形成したものである。マルチスロットアンテナで受信されたＲＦ信号は、コプレーナ伝送線路を通り、周波数変換回路に入力され、一方ＬＯ端子から局部発振信号が入力される。ＲＦ信号は周波数変換回路で局部発振信号と混合されて周波数変換され、ＩＦ信号としてＩＦ端子から出力される。
【０００９】
マルチスロットアンテナはスロット数を調整することにより整合が容易であることと、パッチアンテナ等と比較して帯域が広くとれることから、広帯域性を特長とするミリ波帯通信に向いている。
【００１０】
ところで、従来、マイクロ波帯以下の周波数領域での無線通信装置は、周波数変換回路,局部発振回路,増幅回路等で形成される高周波装置とアンテナをそれぞれ独立して設計および製作し、それらをコネクタで接続、あるいは同一基板上に実装することによって、それぞれを接続して用いられていた。
【００１１】
しかしながら、さらに周波数の高い準ミリ波帯やミリ波帯等の領域になると、高周波装置およびアンテナ間の給電線路おける損失が急速に増加するため、実用的な効率の良い無線通信装置を実現する上で高周波回路部とアンテナを一体化することが重要な課題となっていた。
【００１２】
高周波半導体デバイス技術の進歩により、最近ではマイクロ波からミリ波帯の装置が集積回路(ＭＭＩＣ(モノリシック・マイクロ波集積回路))の形で実現できる様になっている。マイクロ波帯では、各種の平面アンテナの技術が開発されており、実用上必要なアンテナの高利得化に対応したアレーアンテナの技術が実現されているのに対し、更に高い周波数の準ミリ波帯,ミリ波帯では、マイクロ波帯と同様なアレーアンテナを用いる方法によっては、周波数と共に急速に増加する給電線路や接続部における損失のため、効率の良い高利得アンテナの実現が困難である。
【００１３】
ミリ波帯技術の一般への普及を実現する為に、小形軽量で量産による低コスト化が可能な新しいアンテナ技術の開発が必要になっていた。
【００１４】
一方、ミリ波よりさらに波長の短い遠赤外光やサブミリ波帯では、電波天文学等の科学研究用の受信機技術として、光学的手法として誘電体レンズアンテナを用いた準光学技術が実用されてきた。
【００１５】
「“A Monolithic ２５０ GHz Schottky-Diode Receiver” IEEE TRANSACTIONS ON THEORY AND TECHNIQUES、VOL．４２、NO.１２、DECEMBER １９９４」に、幾何光学的設計手法に基づいて構成された薄膜検出素子とレンズの組み合わせを用いる例が示されている。このアンテナと高周波検出素子とを一体化した受信装置は、図１９に示すように、高抵抗シリコンレンズ９０,ポリエチレンマッチングキャップ９１,シリコン基板９２,砒化ガリウム基板９３上に形成された受信機９４で構成されている。通常、光学技術に基づく設計では、レンズの直径および、レンズおよび集光面との距離はいずれも１０波長程度以上が必要であり、そのため、上記技術報告の例においては、延長半球レンズの直径は、空気中の波長に対して約１１波長を用いている。さらに、半球の中心から基板までの距離がレンズ材料で延長されており、基本的に立体構造のアンテナとなっている。上記の準光学レンズ技術を用いた場合、近い将来の実用化が期待される１００ＧＨｚ以下の周波数のミリ波では、レンズのサイズの実寸は大きく、かつ重い上に立体的構造であり量産化に不向であり、高コストの大きな構造となる。また、電波天文学や衛星通信用地上局等で一般化している反射鏡を用いるパラボラアンテナは、同様に立体的機械構造の装置となり、将来的に広く普及する技術とは考えられず、全く新しい概念のアンテナ装置技術が、ミリ波無線通信装置の高性能化と低コスト化を実現するために強く求められていた。
【００１６】
【発明の開示】
上記従来の特開平１０−７９６２３号公報に開示されている技術では、以下の（１）〜（４）の問題がある。
【００１７】
（１） 気密封止のためのパッケージに非導電性の電磁波窓を設ける必要があるので、気密封止に特別な工夫が必要となり、コストが高くなる。
【００１８】
（２） アンテナ基板と半導体基板を導電性基板上に並べるので、アンテナと半導体基板を金属ワイヤあるいは金属リボンで接続する必要があり、接続点での損失が大きい。
【００１９】
（３） 高いアンテナ利得を実現する方法として、複数のアンテナ素子をアレー状にならべ、実効開口を大きくする必要がある。この場合、パッケージサイズが大きくなるので、パッケージ内部が導波管として作用する効果によって、不要な電磁波モードが発生し、アンテナおよび高周波装置の動作に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００２０】
（４） アンテナと高周波装置の間に導電性遮蔽板を設けた場合、アンテナの放射波の一部が遮蔽板に反射しアンテナパタンが非対称性になり、不要なサイドローブが発生し、アンテナ効率が低下する等の課題がある。
【００２１】
また、１９９６年電子情報通信学会総合大会Ｃ−１７２に開示のＮＲＤガイドを用いた技術では、ＮＲＤガイド自身に優れた低損失伝送路特性を持つ反面、立体回路としての構成上の問題があり、装置の小形化には限度があり、量産性にも乏しい。
【００２２】
１９９８年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２−５２に開示の技術では、マルチスロットアンテナと周波数変換回路が電磁気的に分離されてないので、お互いに干渉する問題があり、安定な動作を確保するための具体的な対策がなされていない。
【００２３】
そこで、この発明の目的は、上記従来例の問題に鑑み、量産性に優れたミリ波および準ミリ波に適したアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールで構成された無線通信装置を提供することにある。
【００２４】
また、この発明のさらなる目的は、準ミリ波からミリ波帯の効果的な利用を実現するために、平面集積回路技術に基づく高周波装置とアンテナとを一体化し、高性能で小型軽量、さらに量産化による低コスト化可能な新しい無線通信装置技術を提洪することにある。
【００２５】
中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置の一参考例の構成は、上面に導体からなるマルチスロットアンテナとコプレーナ伝送線路と電源供給線等が形成された誘電体基板に、高周波装置を配置し上記コプレーナ伝送線路によりマルチスロットアンテナに結合されており、且つ、導体パッケージと上記誘電体基板とで気密封止し、上記誘電体基板下面は電磁波の通過用の開口を持つ導体板が取付けられている。これにより、気密封止方法の改善により量産性を確保することができる。
【００２６】
また、一参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、導体パッケージと誘電体基板の間隔が上記電磁波の４分の１であり、導体パッケージからの反射波を１波長の位相差で合成し、単一指向性化による高利得化を実現している。
【００２７】
また、他の参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記誘電体基板上のマルチスロットアンテナの両側にそれぞれ電磁波遮蔽板を有し、コプレーナ伝送線路上に配置される部分において電磁波遮蔽板に切り込みが入れられており、アンテナからの放射電波の高周波装置側への漏洩を低減している。
【００２８】
また、一参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記電磁波通過用の開口の外側に集束効果を持つ誘電体レンズを有しており、その集束効果により、電波を特定の限られた角度方向へ放射あるいは特定の限られた角度方向からの電波を受信することができ、通信距離を拡大できる。
【００２９】
また、他の参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記集束効果を持つ誘電体レンズがゾーニングされて同じ集束効果を持つ薄型レンズであり、通信距離が拡大すると同時に、アンテナ一体型無線通信装置の薄型化および軽量化が可能となる。
【００３０】
また、一参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記誘電体基板と上記誘電体レンズの間に誘電体導波部が配置されており、これにより上記集束効果をさらに増大することができる。
【００３１】
また、他の参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記誘電体基板の上面側で、上記誘電体基板と上記導体パッケージの間に誘電体導波部が配置されている。これにより、上記漏洩防止効果および上記集束効果をさらに増大できる。
【００３２】
また、一参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記誘電体基板の上面側で、上記誘電体基板と上記導体パッケージの間に集束効果を持つ反射鏡が配置されている。これにより、上記漏洩防止効果および上記集束効果をさらに増大できる。
【００３３】
また、この発明の目的を実現する発明の無線通信装置は、準ミリ波帯あるいはミリ波帯の無線通信装置において、上記無線通信装置のアンテナ部が、送受信機回路部または送信機回路部もしくは受信機回路部と接続する電磁波放射構造と、誘電体とからなり、上記誘電体は、上記電磁波放射構造と近接して配置され、かつ、中央領域で厚く辺縁部で薄い構造を有し、
上記誘電体の中央領域の厚さが、所望電磁波の誘電体内での実効波長の略(１／２)×ｍ倍(ｍは整数)であり、上記略 ( １／２ ) ×ｍ倍におけるｍは、４以下であり、上記誘電体の直径が、所望電磁波の空気中での波長の１倍から６倍の範囲である。これにより、誘電体の二表面で繰り返される多重反射波の干渉の結果、誘電体へ入射する電磁波の反射波が弱められると同時に、透過波が強められ、誘電体を近接させた効果と誘電体内に結合した電磁波の繰り返し反射による誘電体内電磁界の広がりによって、実効開口が拡大した電磁波源として再放射(または、電磁波放射構造に結合し受信)され、アンテナ利得が向上する。
【００３４】
また、一実施形態の無線通信装置は、準ミリ波帯あるいはミリ波帯無線通信装置において、上記無線通信装置のアンテナ部が、送受信機回路部または送信機回路部もしくは受信機回路部と接続する電磁波放射構造と、誘電体とからなり、上記誘電体は、上記電磁波放射構造と近接して配置され、かつ、中央領域で誘電率が高く辺縁部で誘電率が低い平行平板状の集束媒質であり、上記誘電体の中央領域の厚さが、所望電磁波の誘電体内での実効波長の略(１／２)×ｍ倍(ｍは整数)であり、
上記略 ( １／２ ) ×ｍ倍におけるｍは、４以下であり、
上記誘電体の直径が、所望電磁波の空気中での波長の１倍から６倍の範囲である。これにより、誘電体の二表面で繰り返される多重反射波の干渉の結果、誘電体へ入射する電磁波の反射波が弱められると同時に、透過波が強められ、誘電体を近接させた効果と誘電体内に結合した電磁波の繰り返し反射による誘電体内電磁界の広がりによって、実効開口が拡大した電磁波源として再放射(または、電磁波放射構造に結合し受信)され、アンテナ利得が向上する。
【００３５】
また、この発明および上記実施形態の無線通信装置は、上記整数ｍが４以下となっている。これにより、より効率的に電磁波を誘電体内に蓄えることができ、アンテナ利得を向上できる。
【００３６】
また、この発明および上記実施形態のアンテナ一体型無線通信装置は、上記誘電体の直径が、所望電磁波の空気中での波長の１倍から６倍の範囲となっている。これにより、さらにより効果的に電磁波を誘電体内に蓄えることができ、アンテナ利得をさらに向上できる。
【００３７】
また、他の実施形態の無線通信装置は、上記送受信機回路部または送信機回路部もしくは受信機回路部に接続する電磁波導波路に接合する電磁波放射構造が同一平面上に複数配置されている。これにより、さらに高いアンテナ利得が得られる。
【００３８】
また、一実施形態の無線通信装置は、上記誘電体と上記電磁波放射構造との距離が、所望電滋波の空気中での波長の略(１／２)×ｎ倍となっている。これにより、さらにより効果的に電磁波が誘電体内に蓄えられるので、アンテナ利得が向上する。
【００３９】
また、他の実施形態の無線通信装置は、上記整数ｎが４以下となっている。これにより、さらにより効果的に電磁波が誘電体内に蓄えられるので、アンテナ利得が向上する。
【００４０】
また、一実施形態の無線通信装置は、上記電磁波放射構造が、スロットアンテナ構造,マルチスロットアンテナ構造,導体パッチ構造,平面スパイラルアンテナ構造,ボータイアンテナ構造の何れかとなっている。
【００４１】
また、他の実施形態の無線通信装置は、上記電磁波導波路が、マイクロストリップ伝送路,コプレーナ型伝送路(ＣＰＷ),導体板で裏打ちされたコプレーナ型伝送路(ＧＣＰＷ),スロット型導波路,イメージ導波路,ＮＲＤ誘電体導波路,同軸線路,金属導波管のいずれかとなっている。
【００４２】
【発明を実施するための最良の形態】
（第１参考例）
図１Ａは、この発明の無線通信装置の第１参考例の断面図である。
【００４３】
マルチスロットアンテナ１０１およびコプレーナ伝送線路１０２がパターン形成された誘電体基板１０３上に、高周波装置を構成するＭＭＩＣ１０４がフリップチップ接続されている。ＭＭＩＣ１０４およびマルチスロットアンテナ１０１およびコプレーナ伝送線路１０２がパターン形成された基板１０３上面は電磁波の反射板を兼ねた導体パッケージ１０５により気密封止されている。誘電体基板１０３と導体パッケージ１０５の間隔Ｄ１は、所望電磁波の波長の４分の１となっている。
【００４４】
また、基板１０３下部は、電磁波通過用開口１０６が形成された導体板１０７で覆われている。この導体板１０７は、電磁波に対するシールドの役割を果たすが、気密封止する必要はない。符号１０８は、中間周波数(ＩＦ)処理装置である。
【００４５】
次に、この構造で、送信機を構成した場合の動作原理を示す。まず、高周波装置として動作するＭＭＩＣ１０４の構成の一例のブロックダイヤグラムを図１Ｂに示す。このＭＭＩＣ１０４は、中間周波数(ＩＦ)信号増幅器１０９,周波数変換器１１０,高周波信号(ＲＦ)信号増幅器１１１および局部信号発生装置１１２からなる。図１Ｂでは、これらの機能を一つのチップにまとめた例を示しているが、いくつかのチップに分割することも可能である。
【００４６】
IＦ信号処理装置１０８で発生したＩＦ信号１１３が、ＭＭＩＣ１０４に入力され、ＭＭＩＣ１０４において、ＩＦ信号増幅器１０９で増幅され、周波数変換器１１０で局部信号発信器１１２からの局部信号と混合され、ＲＦ信号に変換され、ＲＦ信号増幅器１１１で増幅される。ＭＭＩＣ１０４から出力されたＲＦ信号１１４は、マルチスロットアンテナ１０１に入力し、上下に放射される。上面に放射された上方放射電磁波１１８は、導体パッケージ１０５で反射されて、基板１０３の下部から放射された出力放射電磁波１１９と重畳されて放射される。ここで、反射板を兼ねている誘電体基板１０３上部の導体パッケージ１０５には特別な工夫が必要なく、従来からのマイクロ波素子の気密封止技術およびパッケージ材料をそのまま用いることができる。また、誘電体基板１０３下部の導体板１０７は、電磁波に対するシールドの役割を果たすが、気密封止する必要はない。
【００４７】
また、ここでは、ＩＦ信号１１３をＲＦ信号１１４に変換して放射する送信機の例を示しているが、ＭＭＩＣの構成を変えることにより他の部分については全く同じ構成のままで、ＲＦ信号を受信してＩＦ信号に変換する受信機を構成することが可能である。
【００４８】
また、図１Ｃに、図１Ａに示したマルチスロットアンテナ１０１およびコプレーナ伝送線路がパターン形成された誘電体基板の平面図を示す。１１５および１１６は、ＭＭＩＣ１０４に、直流(ＤＣ)バイアスを印加するための配線であり、１１７はＩＦ入力端子である。
【００４９】
この第１参考例では、誘電体基板１０３に配置された高周波装置１０４,アンテナ１０１およびコプレーナ伝送線路１０２とを電磁波通過用開口のないパッケージ１０５と誘電体基板１０３とで気密封止し、電磁波は誘電体基板１０３を通して、基板１０３反対に取付けた導体板１０７に設けた電磁波通過用開口１０６から取り出す。これより、準ミリ波およびミリ波伝送における小型で量産性に優れた、アンテナ一体型無線通信装置の実現が可能になった。
【００５０】
（第２参考例）
図２は、無線通信装置に係る第２参考例の断面図である。上記第１参考例と異なる点は、電磁波通過用の開口１０６の外側に、凸レンズ２０１を設けた点だけで、その他の構成は第１参考例と同一である。第１参考例と同じ原理で放出された出力放射電磁波１１９は、凸レンズ２０１で屈折して集束されるので、アンテナ利得が上がる。この凸レンズ２０１の直径は、所望波の実効波長の５倍程度にする。また、凸レンズ２０１の曲率半径を最適化することによって、所望のアンテナ利得を得ることができる。この凸レンズ２０１は、石英,ガラスの他,ポリメチルメタクリレート,スチレンアクリロニトリル,ポリカーボネイト,ポリスチレン,エポキシ,ポリメチルペンテン、ポリテトラフロロエチレン,ポリエチレン,テフロン等の材料を機械的な削り出し、あるいは金型で成形して作製する。集束効果のあるレンズとしては、図２では、平凸レンズの場合を示しているが、もちろん、両凸レンズでも置き換えは可能である。また、この凸レンズ２０１の中心付近の厚みは、レンズ内実効波長の約１／２波長の整数倍とすることによって、レンズと空気との境界面での電磁波の反射を低減することができる。
【００５１】
なお、ここでは、凸レンズ２０１を、凸レンズ状の誘電体と同じ意味として用いている。また、凸レンズ２０１の直径を、所望波の実効波長の５倍程度にしたが、この実効波長の５倍程度は、空気中の波長では約１波長〜４波長程度となり、凸レンズの誘電率による。
【００５２】
また、この参考例では、電磁波放射構造としてマルチスロットアンテナ１０１を用い、電磁波導波路としてコプレーナ線路１０２を用いているが、これらに特定されるものではなく、それぞれ他の構造のものを用いても、誘電体と電磁波放射構造を近接させた効果は変わらない。
【００５３】
（第３参考例）
図３は、無線通信装置に係る第３参考例を示す断面図である。この第３参考例が、第２参考例と異なる点は、凸レンズ２０１を電磁波通過用開口１０６から離した点だけである。すなわち、スペーサ２０７を凸レンズ２０１と導体板１０７との間に介在させることで、マルチスロットアンテナ１０１とレンズ中心との距離は、レンズ焦点距離内であるが、その距離を調整し最適化することによって所望のアンテナ利得を得ることができる。
【００５４】
（第４参考例）
図４は、無線通信装置に係る第４参考例を示す断面図である。この第４参考例が、第２参考例と異なる点は、平凸レンズ２０１をゾーニングしたレンズ２０３を用いた点である。このゾーニングしたレンズ２０３を用いたことで、電磁波の屈折効果を損なうことなく、レンズの体積を減少させることができ、無線通信装置のより小型化,軽量化が可能となる。
【００５５】
（第５参考例）
図５Ａは、無線通信装置に係る第５参考例を示す断面図である。この第５参考例は、上記第２参考例とは、誘電体基板１０３とパッケージ１０５との間でマルチスロットアンテナ１０１の両側に、遮蔽板５０１ａ，５０１ｂを入れた点が異なるだけである。
【００５６】
図５Ｂにその平面図を示す。また、図５Ｂの(Ａ−Ａ’)断面を図５Ｃに示す。ＭＭＩＣ１０４とマルチスロットアンテナ１０１を接続するコプレーナ線路１０２上に、準ＴＥＭモードでＲＦ信号を伝送し、導波管モードのＲＦ信号を遮断させるために、コプレーナ伝送線路１０２の上部において、遮蔽板５０１ａに切り込み５０２が入れてある。図５Ｃに示す切り込み５０２の長さaおよびｂを、所望電磁波の波長の１／２以下とすることによって、不要な導波管モードを遮断でき、マルチスロットアンテナ１０１と高周波装置１０４との間でお互いに影響をなくすことが可能となる。また、図５Ｂに示すように、遮蔽板５０１ａおよび遮蔽板５０１ｂとマルチスロットアンテナ１０１の中心の距離ｃを、所望電磁波の波長の１／４とした場合に、不要な反射がキャンセルされ、アンテナ効率が最大となる。
【００５７】
この第５参考例によれば、マルチスロットアンテナ１０１に遮蔽板５０１ａ，５０１ｂを取付けることにより、通信距離の拡大や信号伝送誤りの低減が図れ、準ミリ波,ミリ波伝送の実用化が可能となった。
【００５８】
なお、上記遮蔽板５０１ａの切り込み５０２は長方形であったが、図５ＤおよびＥに示すように、三角形状の切り込み５０５や半円形状の切り込み５０６を採用してもよい。 図５Ｆは、図５Ｂの(Ｂ−Ｂ')断面図である。
【００５９】
（第６参考例）
図６は、無線通信装置に係る第６参考例を示す断面図である。この第６参考例は、凸型レンズ２０１と誘電体基板１０３間を誘電体導波部６０１で接続している点だけが、第２参考例と異なる。
【００６０】
この第６参考例では、マルチスロットアンテナ１０１から放射された電磁波は、誘電体導波部６０１によって凸型レンズ２０１に導かれる。また、誘電体導波部６０１によって、凸型レンズ２０１とマルチスロットアンテナ１０１間に空気の層が介在しないから、凸型レンズ２０１とマルチスロットアンテナ１０１間の不要な反射を抑制することができる。
【００６１】
上記誘電体導波部６０１は、凸型レンズ２０１と同じく、石英,ガラスの他、ポリメチルメタクリレート,スチレンアクリロニトリル,ポリカーボネイト,ポリスチレン,エポキシ,ポリメチルペンテン,ポリテトラフロロエチレン,ポリエチレン,テフロン等の材料を機械的な削り出し、あるいは金型で成形して作製する。凸型レンズ２０１と誘電体導波部６０１の材質は必ずしも同じである必要はないが、それぞれの誘電率が近いほうが望ましい。また、凸型レンズ２０１と誘電体導波部６０１とを同じ材料で金型で同時に成形して作製することも可能である。
【００６２】
（第７参考例）
図７は、無線通信装置に係る第７参考例を示す断面図である。この第７参考例が前述の第６参考例と異なる点は、誘電体基板１０３の上面とパッケージ１０５との間に誘電体導波部７０１が入っている点、および誘電体基板１０３上部とパッケージ１０５上部の距離が誘電体導波部７０１中における電波の実効波長の１／４としている点である。
【００６３】
マルチスロットアンテナ１０１の上部に放射された電磁波のビーム幅は誘電体導波部７０１によって狭められて反射し、更に、誘電体導波部７０１および凸型レンズ２０１を経て放射電波７０２が空間に放射される。誘電体導波部７０１は、マルチスロットアンテナ１０１からの放射波のガイドとして働き、電磁波がパッケージ内で不要な伝送をするのを防ぐ効果もある。
【００６４】
この誘電体導波部７０１は、凸型レンズ２０１および誘電体導波部６０１と同じく、石英,ガラスの他、ポリメチルメタクリレート,スチレンアクリロニトリル,ポリカーボネイト,ポリスチレン,エポキシ,ポリメチルペンテン,ポリテトラフロロエチレン,ポリエチレン,テフロン等の材料を機械的な削り出し、あるいは金型で成形して作製する。
【００６５】
（第８参考例）
図８Ａは、この発明に従う無線通信装置に係る第８参考例を示す断面図である。この第８参考例は、誘電体基板１０３上面の導体パッケージ１０５の内側に、集束効果を持つ反射鏡８０１を設けた点だけが、第２参考例と異なる。この集束効果を持つ反射鏡８０１を備えたことで、集束効果を持つ反射鏡８０１がない場合に比べて、マルチスロットアンテナ１０１から上部に放射した電磁波８０２を、マルチスロットアンテナ側に放射波の幅を狭めて反射波８０３として反射するとともに、導体パッケージ１０５内で不要な方向に電磁波が伝搬するのを防ぐ役目をする。
【００６６】
集束効果を持つ反射鏡８０１は、アルミ,金,銅等の材料で形成する。また、あらかじめ集束効果を持つ反射鏡８０１と導体パッケージ１０５を同時に作製してもよい。
【００６７】
なお、図８Ｂには、一部を窪ませた凹面８０４ａを有するパッケージ８０４によって、集束効果を持つ反射鏡を実現した別の一例を示す。この一例では、図８Ａを用いて説明した参考例と同様の効果がある。また、図８Ｃには、凸型誘電体８０５により、等価的に集束効果を持つ反射鏡を実現した別の一例を示す。この一例によっても、図８Ａを用いて説明した参考例と同様の効果がある。また、図８Ｄには、径の異なる複数の円形誘電体板８０６で、図８Ｃにおける凸型誘電体８０５と同等な機能を等価的に実現した例であり、図８Ａを用いて説明した例と同様の効果がある。
【００６８】
（第９参考例）
図９は、無線通信装置に係る第９参考例を示す断面図である。この第９参考例は、第８参考例とは、平凸レンズ２０１と誘電体基板１０３との間を誘電体導波部６０１で接続している点で異なっているだけである。誘電体導波部６０１の役割については、第６参考例で説明したものと同じなのでここでは繰返さない。
【００６９】
（第１実施例）
図１０は、この発明に従う無線通信装置に係る第１実施例の断面図である。この第１実施例は、誘電体１と、電磁波放射構造２と、電磁波導波路３と、高周波装置４と誘電体基板７とで構成されている。ここでは、高周波装置４は、増幅器,周波数変換装置,フィルター等で構成される一般的な高周波装置である。
【００７０】
誘電体１は、中央で厚く周辺部で薄くなる形状を持ち、電磁波放射構造２に近接して、距離Ｌを隔てて配置されている。また、誘電体１の中央部１ａの厚さｔを、誘電体１内での所定電磁波の波長に対して、約０.５波長に設定した。なお、この中央部１ａの厚さｔは、誘電体１内での上記所定電磁波の波長に対して、約１.０波長，約１.５波長，約２波長のいずれかに設定してもよい。
【００７１】
高周波装置４には、電磁波導波路３が接続されており、この電磁波導波路３は電磁波放射構造２に接続されている。この電磁波放射構造２に対向して、誘電体１が配置されている。この誘電体１は、平坦な底面６が電磁波放射構造２に対向しており、凸面５が空間方向を向いている。この誘電体１は、上述したように、その底面６が電磁波放射構造２に対して距離Ｌを隔てている。
【００７２】
この第１実施例では、電磁波放射構造２から放射された電磁波の一部が、誘電体１の凸面５と底面６で反射し、電磁波放射構造２に向って進む。しかしながら、凸面５と底面６で反射した２波の経路差は、１波長であり、さらに、底面６で反射した電磁波は、反射時に位相が反転しているので、この２波の位相差は１８０゜となり、お互いに弱め合う。
【００７３】
したがって、電磁波放射構造２から放射された電磁波の内、近接配置された誘電体１に入射した成分は、誘電体１の底面６と凸面５で繰り返し反射し、誘電体１の厚さが略０.５波長の整数倍であるため共振し、誘電体１への入射電磁波の透過波が強められ、これに対し反射波が弱められる。誘電体１内の繰り返し反射により電磁界の分布が誘電体１の内部に広がり、実開口の広がったアンテナとして作用し、アンテナ利得が向上する。
【００７４】
さらに、誘電体１の空間への開口部となる凸面５の直径Ｄが、空気中波長での所望電磁波の波長の１倍〜６倍程度の範囲に設定した場合に、電磁波放射構造２から放射された電磁波エネルギーの多くの部分が効率良く誘電体１内に引き込まれる。この誘電体１内に蓄積された電磁波エネルギーは、誘電体１からの再放射波として空間に放射されるので、アンテナ利得が向上する。
【００７５】
さらに、誘電体１と電磁波放射源２の距離を、空気中の波長換算において略０.５波長,略１波長,略１.５波長,略２波長のいずれかに設定した場合、底面６と電磁波放射構造２の間で、電磁波が共振して、さらに効率良く誘電体１内に引き込まれるので、アンテナ利得を向上できる。
【００７６】
ここで、この発明の第１実施例によって、アンテナ利得が向上する効果を具体的に確認するために、比誘電率３.８の平凸状の誘電体１を、電磁波放射構造の１種であるマルチスロット２に近接させて、アンテナ利得を測定した。このアンテナ利得の測定結果を、図１１に示す。図１１では、縦軸が、アンテナゲイン(ｄＢi)を表し、横軸が、誘電体１の空間への開口部となる凸面５の直径Ｄが、２５ＧＨｚの電磁波の空気中での波長λ０に対する倍数を表す。
【００７７】
この測定では、誘電体１の中央部１ａの厚さｔを誘電体１内での実効波長で約２波長となるように選んで、誘電体１での反射を抑えて、透過率が最大になるようにしている。また、図１１では、比較のために、誘電体１を仮想的な幾何光学レンズと見立て、便宜的に幾何光学レンズの式によって、求めたアンテナ利得を実線で記載している。図１１に示すように、この測定における誘電体１の直径Ｄは、空気中の波長に対して２.５波長〜４波長であり、幾何光学設計の前提条件となる１０波長以上の寸法条件よりもはるかに小さい。また、電磁波放射構造(マルチスロット)２と誘電体１との間隔Ｌは、上記空気中の波長程度と極めて近接した配置であり、幾何光学条件とは大きく隔たっている。
【００７８】
この第１実施例の構成によれば、電磁波放射構造２からの電磁波エネルギーは、誘電体１内で広がり、実質的に幾何光学設計で得られるアンテナ利得よりも大きな利得が得られ、アンテナ利得を向上させる上で大きな効果があることが実験的に確認された。この実験では、誘電体１の直径Ｄは、空気中での所定電磁波の波長に対して２.５波長〜４波長に選んでいるが、上記誘電体１の直径Ｄを、上記波長の１〜６波長程度に選定した場合にも同様のアンテナゲイン向上効果がある。
【００７９】
次に、図１２に、誘電体１の空間への開口部をなす凸面５の直径Ｄを所望電磁波の空気中波長の２.５倍とした場合において、誘電体１と電磁波放射構造２との間の距離Ｌとアンテナ利得との関係を示す。図１２に示すように、この距離Ｌが、空気中の波長λ０に対して０.５波長、および１波長のときに、アンテナ利得がピークを示している。この測定結果においても、幾何光学設計から推測される結果とは大きく異なっている。すなわち、上記距離Ｌを、上記波長λ０/２あるいは波長λ０に設定した場合に、誘電体１と電磁波放射構造２との間の共振によって、上記所望電磁波が誘電体１内に更に効率良く引き込まれて、アンテナ利得が向上することが、これらの測定結果によって確認できた。なお、誘電体１と電磁波放射構造２との間の距離Ｌを、１.５波長(１.５λ０)、または２波長(２λ０)程度に設定した場合にも、アンテナ利得が向上する実質的に同様な効果がある。
【００８０】
以上の実験結果は、この発明が、従来の幾何光学レンズの働きとは明らかに異なっていることを示している。誘電体を組合せたことによる利得の増加は、レンズ状誘電体１の直径Ｄに対応している。これは、電磁波放射構造２から放射された電磁波エネルギーの多くの部分が、電磁波放射構造２に距離Ｌを隔てて近接して配置された誘電体１の近接効果によって、誘電体１内に引き込まれ、さらに、当該微小サイズの平凸状の誘電体１を波源とする再放射が行われることによって実効的な高利得化が達成されているものと理解できる。誘電体１表面６と電磁波放射構造２との間の反射波は、その間隔Ｌが、１／２波長の整数倍に近いときに効果的に再合成され、効率良く空間へ放射されることを実験結果は示している。
【００８１】
なお、ここでは、実施例として送信機の例を示したが、誘電体１と電磁波放射構造２の作用は、可逆作用により受信装置としても同じアンテナ利得となり、高周波装置４の構成を変更することにより、受信機も構成できる。
【００８２】
また、誘電体１は、平凸状の形状に限定されるものではなく、図１３Ａに示すように、放射空間側の面が平坦面とその周囲の湾曲面とで構成された誘電体４１としてもよい。さらには、図１３Ｂに示すように、台形状の誘電体４２としてもよく、図１３Ｃに示すように、直径が順次小さく設定された複数の円板を積層した構造の誘電体４３としてもよい。
【００８３】
また、電磁波放射構造２は、特定の構造に限定されるものではなく、図１４Ａに示すように、スロット５１ａを有するスロットアンテナ構造５１としてもよく、図１４Ｂに示すように、開口部５２ａ内に複数のストリップ片５２ｂが設けられたマルチスロットアンテナ構造５２としてもよい。さらには、図１４Ｃに示すように、導体パッチ構造５３としてもよく、図１４Ｄに示すように、ボータイアンテナ構造５４としてもよい。さらには、平面スパイラル、さらにはフランジ構造を有す導波管スロット等も用いることができる。
【００８４】
なお、図１４Ｃに示す電磁波放射構造２の一例である導体パッチ構造の同一面の周辺が、導体の無いギャップ領域をへだてた導体面であってもよい。同様に、図１４Ｄに示す電磁波構造２の一例であるボータイアンテナ構造の同一面の周辺が、導体の無いギャップ領域を隔てた導体面であってもよい。
【００８５】
さらには、電磁波導波路３も、特定の構造に限定されるものではなく、図１５Ａに示すように、誘電体６１ａを導体６１ｂと６１ｃとで挟んだマイクロストリップ伝送路６１であってもよく、図１５Ｂに示すように、誘電体６２ａ上に導体６２ｂが形成され、この導体６２ｂの開口部にストライプ状導体６２ｃが形成されたコプレーナ型伝送路(ＣＰＷ)６２であってもよい。さらには、図１５Ｃに示すように、導体板６３Ａで裏打ちされたコプレーナ型伝送路(ＧＣＰＷ)６３であってもよい。さらにまた、図１５Ｄに示すように、誘電体６４ａ上の導体にスロット６４ｂが形成されたスロット型導波路６４であってもよく、図１５Ｅに示すように、誘電体６５ａを導体６５ｂと６５ｃとで挟んだ構造のＮＲＤ誘電体導波路６５であってもよく、図１５Ｆに示すような同軸線路６６であってもよく、図１５Ｇに示すような金属導波管６７等も用いることができる。要は、図１４Ａ〜Ｄに一例が示されている電磁波放射構造に適切に接合するものであれば何でもよい。
【００８６】
（第２実施例）
図１６は、この発明に従う無線通信装置に係る第２実施例の断面図である。
【００８７】
この第２実施例は、第１実施例の誘電体１に替えて、図１６に示す平行平板状の集束媒質からなる誘電体８を備えた点だけが、前述の第１実施例と異なる。
【００８８】
この誘電体８は、中央領域８Ａで誘電率が高く、辺縁部８Ｂ,８Ｃで誘電率が低い平行平板状の集束媒質となっており、上記誘電体８の中央領域８Ａの厚さが所望電磁波の誘電体８内での実効波長の約０.５波長，約１波長，約１.５波長，約２波長のいずれかとなっている。この誘電体８は、実質的に第１実施例における誘電体１と等価であり、第１実施例と同様の効果が得られる。この第２実施例においては、第１実施例と異なるのは誘電体８の構造のみであり、その他の誘電体８の直径Ｄ，誘電体８と電磁波放射構造２との距離Ｌ，電磁波放射構造２の種類，電磁波導波路３の種類等は、第１実施例で説明した通りであるので、ここでは繰り返さない。上記誘電体８における比誘電率は、中心部８Ａで高く、周辺部８Ｂ,８Ｃで低い分布なっていればよい。たとえば、この誘電体８の比誘電率の分布は、図１７Ａに示すように、階段状の分布になっていてもよく、図１７Ｂに示すように、角が面取りされた長方形状の分布になっていてもよい。さらには、図１７Ｃに示すように、角が湾曲した長方形状の分布になっていてもよく、図１７Ｄに示すように、すそが広がった釣鐘形状になっていてもよい。
【００８９】
（第３実施例）
図１８は、この発明に従う無線通信装置に係る第３実施例の断面図である。この第３実施例が、第１実施例あるいは第２実施例と異なるのは、電磁波放射構造を２素子以上のアレイ状に配置している点と、誘電体７１の直径Ｄを、空気中での所望電磁波の波長の４倍〜２０倍としている点である。
【００９０】
誘電体基板７７上に形成されている各電磁波放射構造７２と７３には、それぞれ誘電体導波路７５が接続されており、従来のアレイアンテナの給電導波路と全く同様に他端で合成されて、高周波装置７６に接続されている。電磁波放射構造７２,７３を２素子以上のアレイ状に配置して、直径Ｄが空気中での所望電磁波の波長の４倍〜２０倍の誘電体７１を近接して配置した場合、３０ｄＢｉ等の非常に高いアンテナ利得が得られる。なお、図１８においては、２素子のアレイの例を示しているが、さらに多数の素子のアレイからなる電磁放射構造に対してもアンテナ利得を向上させる効果がある。
【００９１】
また、図２１の平面図に示すように、上記誘電体７１を長楕円形状としてもよい。この場合には、図２１における誘電体７１の楕円形状と９０゜だけずれた方向に指向性を有する扁平な電磁波ビームを放射できる。また、上記誘電体７１が円形の場合には、軸対称に近い放射パターンになる。
【００９２】
（第４実施例）
次に、図２０に、この発明の第４実施例の断面を示す。この第４実施例は、図１０の第１実施例の変形例に相当する。この第４実施例は、ＩＦ信号処理装置１０８に電磁波導波路３が接続され、この電磁波導波路３は、高周波装置４および電磁波放射構造２に接続されている。また、この電磁波導波路３は、誘電体基板７の表面に密接しており、この誘電体基板７の裏面には、バックプレート３’が密接されている。このバックプレート３’と電磁波導波路３とで電磁波導波構造をなしている。
【００９３】
また、この第４実施例では、上記電磁波導波構造,誘電体基板７,高周波装置４は、導体パッケージ１０５内に収容されていて、この導体パッケージ１０５に形成された開口部に、誘電体８１が嵌め込まれている。この誘電体８１は、凸面８５が外側空間に面し、底面８６が電磁波放射構造２に対向している。この底面８６と電磁波放射構造２との距離Ｌは、上記第１実施例と同様に設定される。また、上記誘電体８１の最大厚さｔも、第１実施例と同様に設定される。また、この第４実施例においても、誘電体８１の直径Ｄは、第１実施例と同様に設定される。これにより、この第４実施例においても、第１実施例と同様のアンテナゲインが向上する効果が得られるが、この第４実施例では、導体パッケージ１０５の開口部と誘電体８１が実質的に同径になっているので、さらなるアンテナ利得の向上を図れる。
【００９４】
なお、この第４実施例の電磁波導波構造としては、図１５Ａや図１５Ｃや図１５Ｅに示した導波構造を適用できる。
【００９５】
【産業上の利用の可能性】
この発明は、準ミリ波からミリ波帯の無線通信装置に適用でき、低コストでアンテナゲインが高く、高性能で小型,軽量なアンテナ一体型無線通信装置を実現するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａはこの発明のアンテナ一体型無線通信装置の第１参考例の断面図であり、図１Ｂは上記第１参考例の高周波装置であるＭＭＩＣ１０４の構成を示すブロックダイヤグラムであり、図１Ｃは上記第１参考例の誘電体基板の平面図である。
【図２】 図２はこの発明の第２参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図３】 図３はこの発明の第３参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図４】 図４はこの発明の第４参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図５】 図５Ａはこの発明の第５参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図であり、図５Ｂは上記第５参考例の誘電体基板の平面図であり、図５Ｃは上記第５参考例の誘電体基板のＡ−Ａ'断面図であり、図５Ｄは上記第５参考例の変形例であり、図５Ｅは上記第５参考例のもう１つの変形例であり、図５Ｆは図５ＢのＢ-Ｂ'断面図である。
【図６】 図６はこの発明の第６参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図７】 図７はこの発明の第７参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図８】 図８Ａはこの発明の第８参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図であり、図８Ｂは上記第８参考例の変形例の断面図であり、図８Ｃは上記第８参考例のもう１つの変形例の断面図であり、図８Ｄは上記第８参考例のさらにもう１つの変形例の断面図である。
【図９】 図９はこの発明の第９参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図１０】 図１０はこの発明の第１実施例の断面図である。
【図１１】 図１１はアンテナゲインと(誘電体１の直径Ｄ/空気中での電磁波の波長λ０)との関係を示す特性図である。
【図１２】 図１２は上記誘電体と電磁波放射構造との間の距離とアンテナゲインとの関係を示す特性図である。
【図１３】 図１３Ａは上記第１実施例における誘電体１の変形例を示す図であり、図１３Ｂは上記誘電体１のもう１つの変形例を示す図であり、図１３Ｃは上記誘電体１のさらにもう１つの変形例を示す図である。
【図１４】 図１４Ａは上記第１実施例における電磁波放射構造２の一例を示すスロットアンテナ構造を示す図であり、図１４Ｂは上記電磁波放射構造２の一例としてのマルチスロットアンテナ構造を示す図であり、図１４Ｃは上記電磁波放射構造２の一例としての導体パッチ構造を示す図であり、図１４Ｄは上記電磁波放射構造２の一例としてのボータイアンテナ構造を示す図である。
【図１５】 図１５Ａは上記第１実施例における電磁波導波路３の一例としてのマイクロストリップ伝送路を示す図であり、図１５Ｂは上記電磁波導波路３の一例としてのコプレーナ型伝送路(ＣＰＷ)を示す図であり、図１５Ｃは上記電磁波導波路３の一例としての導体板で裏打ちされたコプレーナ型伝送路(ＧＣＰＷ)を示す図であり、図１５Ｄは上記電磁波導波路３の一例としてのスロット型導波路を示す図であり、図１５Ｅは上記電磁波導波路３の一例としてのＮＲＤ誘電体導波路を示す図であり、図１５Ｆは上記電磁波導波路３の一例としての同軸線路を示す図であり、図１５Ｇは上記電磁波導波路３の一例としての金属導波管を示す図である。
【図１６】 図１６はこの発明の第２実施例の無線通信装置の断面図である。
【図１７】 図１７Ａは上記第２実施例における誘電体８の比誘電率の分布の一例を示す特性図であり、図１７Ｂは上記誘電体８の比誘電率の分布の他の一例を示す特性図であり、図１７Ｃは上記誘電体８の比誘電率の分布のさらに他の一例を示す特性図であり、図１７Ｄは上記誘電体８の比誘電率の分布のさらにまた他の一例を示す特性図である。
【図１８】 図１８は、この発明の第３実施例の無線通信装置の断面図である。
【図１９】 図１９は、従来の無線通信装置の断面図である。
【図２０】 図２０は、この発明の第４実施例の無線通信装置の断面図である。
【図２１】 図２１は、上記第３実施例の無線通信装置の平面図である。
【技術分野】
この発明は、準ミリ波帯およびミリ波帯用無線通信装置に関し、アンテナと高周波装置を一体化した小型無線通信装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
従来、マイクロ波帯以下の周波数領域での無線通信装置は、周波数変換回路,局部発振回路,増幅回路等で形成される高周波装置とアンテナをそれぞれ独立して設計および作製し、それらをコネクタで接続、あるいは同一基板上に実装することによりそれぞれを接続して用いられていた。しかしながら、さらに周波数の高い準ミリ波帯,ミリ波帯等の領域になると、高周波装置およびアンテナ間の給電線や接続部における損失が急速に増加し、実用的な効率の良い装置を実現する上での大きな問題となっていた。
【０００３】
この問題を解決するため、準ミリ波およびミリ波帯以上の周波数では、アンテナと高周波装置を一体化した構成技術が必要となっている。ここでアンテナ素子とアンテナは同義語である。
【０００４】
これらの問題に具体的に対処する試みとして、アンテナと高周波装置を同一パッケージ内に納めた無線通信装置の一例が、特開平１０−７９６２３号公報に開示されている。
【０００５】
特開平１０−７９６２３号公報では、アンテナ素子および高周波装置を同一面側に形成した基板と、上記基板上に形成された上記アンテナ素子、上記高周波装置を共通の空間内に気密封止するパッケージ導体を有し、上記パッケージ導体のアンテナ素子に対向する一部領域が非導電性となっている。
【０００６】
また、特開平１０−７９６２３号公報の図７に示されている別の例においては高周波装置とアンテナ素子との間に、それらの電磁的相互干渉を阻止する導電性遮蔽板を備えている。
【０００７】
また、ＮＲＤガイド((nonradiative dielectric waveguide)非放射性誘電体線路)、誘電体共振器および誘電体レンズを組み合わせた例が、１９９６年電子情報通信学会総合大会Ｃ−１７２に開示されている。ＮＲＤガイドの伝搬モードであるＬＳＭ０１モードを誘電体共振器のＨＥ１１モードに変換し、更に共振器上のスロットを励振させることでＮＲＤ回路面から垂直方向へ放射させ、誘電体レンズによりビーム成形を行なっている。誘電体共振器にＱ値の高いものを使用している点と、伝送損が非常に少ないことを特長とするＮＲＤガイドを用いることにより、高周波装置とアンテナ間の損失を抑えることができる。ＮＲＤガイドを用いたシステムは、ミリ波帯の通信システムでしばしば使われる。
【０００８】
また、マルチスロットアンテナと周波数変換装置を一体型した一例が、１９９８年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２−５２に開示されている。これは誘電体基板上に、マルチスロットアンテナとマルチスロットアンテナ接続したコプレーナ伝送線路がパターン形成され、コプレーナ伝送線路の他方の端子に周波数変換回路が形成したものである。マルチスロットアンテナで受信されたＲＦ信号は、コプレーナ伝送線路を通り、周波数変換回路に入力され、一方ＬＯ端子から局部発振信号が入力される。ＲＦ信号は周波数変換回路で局部発振信号と混合されて周波数変換され、ＩＦ信号としてＩＦ端子から出力される。
【０００９】
マルチスロットアンテナはスロット数を調整することにより整合が容易であることと、パッチアンテナ等と比較して帯域が広くとれることから、広帯域性を特長とするミリ波帯通信に向いている。
【００１０】
ところで、従来、マイクロ波帯以下の周波数領域での無線通信装置は、周波数変換回路,局部発振回路,増幅回路等で形成される高周波装置とアンテナをそれぞれ独立して設計および製作し、それらをコネクタで接続、あるいは同一基板上に実装することによって、それぞれを接続して用いられていた。
【００１１】
しかしながら、さらに周波数の高い準ミリ波帯やミリ波帯等の領域になると、高周波装置およびアンテナ間の給電線路おける損失が急速に増加するため、実用的な効率の良い無線通信装置を実現する上で高周波回路部とアンテナを一体化することが重要な課題となっていた。
【００１２】
高周波半導体デバイス技術の進歩により、最近ではマイクロ波からミリ波帯の装置が集積回路(ＭＭＩＣ(モノリシック・マイクロ波集積回路))の形で実現できる様になっている。マイクロ波帯では、各種の平面アンテナの技術が開発されており、実用上必要なアンテナの高利得化に対応したアレーアンテナの技術が実現されているのに対し、更に高い周波数の準ミリ波帯,ミリ波帯では、マイクロ波帯と同様なアレーアンテナを用いる方法によっては、周波数と共に急速に増加する給電線路や接続部における損失のため、効率の良い高利得アンテナの実現が困難である。
【００１３】
ミリ波帯技術の一般への普及を実現する為に、小形軽量で量産による低コスト化が可能な新しいアンテナ技術の開発が必要になっていた。
【００１４】
一方、ミリ波よりさらに波長の短い遠赤外光やサブミリ波帯では、電波天文学等の科学研究用の受信機技術として、光学的手法として誘電体レンズアンテナを用いた準光学技術が実用されてきた。
【００１５】
「“A Monolithic ２５０ GHz Schottky-Diode Receiver” IEEE TRANSACTIONS ON THEORY AND TECHNIQUES、VOL．４２、NO.１２、DECEMBER １９９４」に、幾何光学的設計手法に基づいて構成された薄膜検出素子とレンズの組み合わせを用いる例が示されている。このアンテナと高周波検出素子とを一体化した受信装置は、図１９に示すように、高抵抗シリコンレンズ９０,ポリエチレンマッチングキャップ９１,シリコン基板９２,砒化ガリウム基板９３上に形成された受信機９４で構成されている。通常、光学技術に基づく設計では、レンズの直径および、レンズおよび集光面との距離はいずれも１０波長程度以上が必要であり、そのため、上記技術報告の例においては、延長半球レンズの直径は、空気中の波長に対して約１１波長を用いている。さらに、半球の中心から基板までの距離がレンズ材料で延長されており、基本的に立体構造のアンテナとなっている。上記の準光学レンズ技術を用いた場合、近い将来の実用化が期待される１００ＧＨｚ以下の周波数のミリ波では、レンズのサイズの実寸は大きく、かつ重い上に立体的構造であり量産化に不向であり、高コストの大きな構造となる。また、電波天文学や衛星通信用地上局等で一般化している反射鏡を用いるパラボラアンテナは、同様に立体的機械構造の装置となり、将来的に広く普及する技術とは考えられず、全く新しい概念のアンテナ装置技術が、ミリ波無線通信装置の高性能化と低コスト化を実現するために強く求められていた。
【００１６】
【発明の開示】
上記従来の特開平１０−７９６２３号公報に開示されている技術では、以下の（１）〜（４）の問題がある。
【００１７】
（１） 気密封止のためのパッケージに非導電性の電磁波窓を設ける必要があるので、気密封止に特別な工夫が必要となり、コストが高くなる。
【００１８】
（２） アンテナ基板と半導体基板を導電性基板上に並べるので、アンテナと半導体基板を金属ワイヤあるいは金属リボンで接続する必要があり、接続点での損失が大きい。
【００１９】
（３） 高いアンテナ利得を実現する方法として、複数のアンテナ素子をアレー状にならべ、実効開口を大きくする必要がある。この場合、パッケージサイズが大きくなるので、パッケージ内部が導波管として作用する効果によって、不要な電磁波モードが発生し、アンテナおよび高周波装置の動作に悪影響を及ぼす可能性がある。
【００２０】
（４） アンテナと高周波装置の間に導電性遮蔽板を設けた場合、アンテナの放射波の一部が遮蔽板に反射しアンテナパタンが非対称性になり、不要なサイドローブが発生し、アンテナ効率が低下する等の課題がある。
【００２１】
また、１９９６年電子情報通信学会総合大会Ｃ−１７２に開示のＮＲＤガイドを用いた技術では、ＮＲＤガイド自身に優れた低損失伝送路特性を持つ反面、立体回路としての構成上の問題があり、装置の小形化には限度があり、量産性にも乏しい。
【００２２】
１９９８年電子情報通信学会総合大会Ｃ−２−５２に開示の技術では、マルチスロットアンテナと周波数変換回路が電磁気的に分離されてないので、お互いに干渉する問題があり、安定な動作を確保するための具体的な対策がなされていない。
【００２３】
そこで、この発明の目的は、上記従来例の問題に鑑み、量産性に優れたミリ波および準ミリ波に適したアンテナ素子を内蔵する半導体モジュールで構成された無線通信装置を提供することにある。
【００２４】
また、この発明のさらなる目的は、準ミリ波からミリ波帯の効果的な利用を実現するために、平面集積回路技術に基づく高周波装置とアンテナとを一体化し、高性能で小型軽量、さらに量産化による低コスト化可能な新しい無線通信装置技術を提洪することにある。
【００２５】
中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置の一参考例の構成は、上面に導体からなるマルチスロットアンテナとコプレーナ伝送線路と電源供給線等が形成された誘電体基板に、高周波装置を配置し上記コプレーナ伝送線路によりマルチスロットアンテナに結合されており、且つ、導体パッケージと上記誘電体基板とで気密封止し、上記誘電体基板下面は電磁波の通過用の開口を持つ導体板が取付けられている。これにより、気密封止方法の改善により量産性を確保することができる。
【００２６】
また、一参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、導体パッケージと誘電体基板の間隔が上記電磁波の４分の１であり、導体パッケージからの反射波を１波長の位相差で合成し、単一指向性化による高利得化を実現している。
【００２７】
また、他の参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記誘電体基板上のマルチスロットアンテナの両側にそれぞれ電磁波遮蔽板を有し、コプレーナ伝送線路上に配置される部分において電磁波遮蔽板に切り込みが入れられており、アンテナからの放射電波の高周波装置側への漏洩を低減している。
【００２８】
また、一参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記電磁波通過用の開口の外側に集束効果を持つ誘電体レンズを有しており、その集束効果により、電波を特定の限られた角度方向へ放射あるいは特定の限られた角度方向からの電波を受信することができ、通信距離を拡大できる。
【００２９】
また、他の参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記集束効果を持つ誘電体レンズがゾーニングされて同じ集束効果を持つ薄型レンズであり、通信距離が拡大すると同時に、アンテナ一体型無線通信装置の薄型化および軽量化が可能となる。
【００３０】
また、一参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記誘電体基板と上記誘電体レンズの間に誘電体導波部が配置されており、これにより上記集束効果をさらに増大することができる。
【００３１】
また、他の参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記誘電体基板の上面側で、上記誘電体基板と上記導体パッケージの間に誘電体導波部が配置されている。これにより、上記漏洩防止効果および上記集束効果をさらに増大できる。
【００３２】
また、一参考例の中間周波数(ＩＦ)信号処理装置を接続したアンテナ一体型無線通信装置は、上記誘電体基板の上面側で、上記誘電体基板と上記導体パッケージの間に集束効果を持つ反射鏡が配置されている。これにより、上記漏洩防止効果および上記集束効果をさらに増大できる。
【００３３】
また、この発明の目的を実現する発明の無線通信装置は、準ミリ波帯あるいはミリ波帯の無線通信装置において、上記無線通信装置のアンテナ部が、送受信機回路部または送信機回路部もしくは受信機回路部と接続する電磁波放射構造と、誘電体とからなり、上記誘電体は、上記電磁波放射構造と近接して配置され、かつ、中央領域で厚く辺縁部で薄い構造を有し、
上記誘電体の中央領域の厚さが、所望電磁波の誘電体内での実効波長の略(１／２)×ｍ倍(ｍは整数)であり、上記略 ( １／２ ) ×ｍ倍におけるｍは、４以下であり、上記誘電体の直径が、所望電磁波の空気中での波長の１倍から６倍の範囲である。これにより、誘電体の二表面で繰り返される多重反射波の干渉の結果、誘電体へ入射する電磁波の反射波が弱められると同時に、透過波が強められ、誘電体を近接させた効果と誘電体内に結合した電磁波の繰り返し反射による誘電体内電磁界の広がりによって、実効開口が拡大した電磁波源として再放射(または、電磁波放射構造に結合し受信)され、アンテナ利得が向上する。
【００３４】
また、一実施形態の無線通信装置は、準ミリ波帯あるいはミリ波帯無線通信装置において、上記無線通信装置のアンテナ部が、送受信機回路部または送信機回路部もしくは受信機回路部と接続する電磁波放射構造と、誘電体とからなり、上記誘電体は、上記電磁波放射構造と近接して配置され、かつ、中央領域で誘電率が高く辺縁部で誘電率が低い平行平板状の集束媒質であり、上記誘電体の中央領域の厚さが、所望電磁波の誘電体内での実効波長の略(１／２)×ｍ倍(ｍは整数)であり、
上記略 ( １／２ ) ×ｍ倍におけるｍは、４以下であり、
上記誘電体の直径が、所望電磁波の空気中での波長の１倍から６倍の範囲である。これにより、誘電体の二表面で繰り返される多重反射波の干渉の結果、誘電体へ入射する電磁波の反射波が弱められると同時に、透過波が強められ、誘電体を近接させた効果と誘電体内に結合した電磁波の繰り返し反射による誘電体内電磁界の広がりによって、実効開口が拡大した電磁波源として再放射(または、電磁波放射構造に結合し受信)され、アンテナ利得が向上する。
【００３５】
また、この発明および上記実施形態の無線通信装置は、上記整数ｍが４以下となっている。これにより、より効率的に電磁波を誘電体内に蓄えることができ、アンテナ利得を向上できる。
【００３６】
また、この発明および上記実施形態のアンテナ一体型無線通信装置は、上記誘電体の直径が、所望電磁波の空気中での波長の１倍から６倍の範囲となっている。これにより、さらにより効果的に電磁波を誘電体内に蓄えることができ、アンテナ利得をさらに向上できる。
【００３７】
また、他の実施形態の無線通信装置は、上記送受信機回路部または送信機回路部もしくは受信機回路部に接続する電磁波導波路に接合する電磁波放射構造が同一平面上に複数配置されている。これにより、さらに高いアンテナ利得が得られる。
【００３８】
また、一実施形態の無線通信装置は、上記誘電体と上記電磁波放射構造との距離が、所望電滋波の空気中での波長の略(１／２)×ｎ倍となっている。これにより、さらにより効果的に電磁波が誘電体内に蓄えられるので、アンテナ利得が向上する。
【００３９】
また、他の実施形態の無線通信装置は、上記整数ｎが４以下となっている。これにより、さらにより効果的に電磁波が誘電体内に蓄えられるので、アンテナ利得が向上する。
【００４０】
また、一実施形態の無線通信装置は、上記電磁波放射構造が、スロットアンテナ構造,マルチスロットアンテナ構造,導体パッチ構造,平面スパイラルアンテナ構造,ボータイアンテナ構造の何れかとなっている。
【００４１】
また、他の実施形態の無線通信装置は、上記電磁波導波路が、マイクロストリップ伝送路,コプレーナ型伝送路(ＣＰＷ),導体板で裏打ちされたコプレーナ型伝送路(ＧＣＰＷ),スロット型導波路,イメージ導波路,ＮＲＤ誘電体導波路,同軸線路,金属導波管のいずれかとなっている。
【００４２】
【発明を実施するための最良の形態】
（第１参考例）
図１Ａは、この発明の無線通信装置の第１参考例の断面図である。
【００４３】
マルチスロットアンテナ１０１およびコプレーナ伝送線路１０２がパターン形成された誘電体基板１０３上に、高周波装置を構成するＭＭＩＣ１０４がフリップチップ接続されている。ＭＭＩＣ１０４およびマルチスロットアンテナ１０１およびコプレーナ伝送線路１０２がパターン形成された基板１０３上面は電磁波の反射板を兼ねた導体パッケージ１０５により気密封止されている。誘電体基板１０３と導体パッケージ１０５の間隔Ｄ１は、所望電磁波の波長の４分の１となっている。
【００４４】
また、基板１０３下部は、電磁波通過用開口１０６が形成された導体板１０７で覆われている。この導体板１０７は、電磁波に対するシールドの役割を果たすが、気密封止する必要はない。符号１０８は、中間周波数(ＩＦ)処理装置である。
【００４５】
次に、この構造で、送信機を構成した場合の動作原理を示す。まず、高周波装置として動作するＭＭＩＣ１０４の構成の一例のブロックダイヤグラムを図１Ｂに示す。このＭＭＩＣ１０４は、中間周波数(ＩＦ)信号増幅器１０９,周波数変換器１１０,高周波信号(ＲＦ)信号増幅器１１１および局部信号発生装置１１２からなる。図１Ｂでは、これらの機能を一つのチップにまとめた例を示しているが、いくつかのチップに分割することも可能である。
【００４６】
IＦ信号処理装置１０８で発生したＩＦ信号１１３が、ＭＭＩＣ１０４に入力され、ＭＭＩＣ１０４において、ＩＦ信号増幅器１０９で増幅され、周波数変換器１１０で局部信号発信器１１２からの局部信号と混合され、ＲＦ信号に変換され、ＲＦ信号増幅器１１１で増幅される。ＭＭＩＣ１０４から出力されたＲＦ信号１１４は、マルチスロットアンテナ１０１に入力し、上下に放射される。上面に放射された上方放射電磁波１１８は、導体パッケージ１０５で反射されて、基板１０３の下部から放射された出力放射電磁波１１９と重畳されて放射される。ここで、反射板を兼ねている誘電体基板１０３上部の導体パッケージ１０５には特別な工夫が必要なく、従来からのマイクロ波素子の気密封止技術およびパッケージ材料をそのまま用いることができる。また、誘電体基板１０３下部の導体板１０７は、電磁波に対するシールドの役割を果たすが、気密封止する必要はない。
【００４７】
また、ここでは、ＩＦ信号１１３をＲＦ信号１１４に変換して放射する送信機の例を示しているが、ＭＭＩＣの構成を変えることにより他の部分については全く同じ構成のままで、ＲＦ信号を受信してＩＦ信号に変換する受信機を構成することが可能である。
【００４８】
また、図１Ｃに、図１Ａに示したマルチスロットアンテナ１０１およびコプレーナ伝送線路がパターン形成された誘電体基板の平面図を示す。１１５および１１６は、ＭＭＩＣ１０４に、直流(ＤＣ)バイアスを印加するための配線であり、１１７はＩＦ入力端子である。
【００４９】
この第１参考例では、誘電体基板１０３に配置された高周波装置１０４,アンテナ１０１およびコプレーナ伝送線路１０２とを電磁波通過用開口のないパッケージ１０５と誘電体基板１０３とで気密封止し、電磁波は誘電体基板１０３を通して、基板１０３反対に取付けた導体板１０７に設けた電磁波通過用開口１０６から取り出す。これより、準ミリ波およびミリ波伝送における小型で量産性に優れた、アンテナ一体型無線通信装置の実現が可能になった。
【００５０】
（第２参考例）
図２は、無線通信装置に係る第２参考例の断面図である。上記第１参考例と異なる点は、電磁波通過用の開口１０６の外側に、凸レンズ２０１を設けた点だけで、その他の構成は第１参考例と同一である。第１参考例と同じ原理で放出された出力放射電磁波１１９は、凸レンズ２０１で屈折して集束されるので、アンテナ利得が上がる。この凸レンズ２０１の直径は、所望波の実効波長の５倍程度にする。また、凸レンズ２０１の曲率半径を最適化することによって、所望のアンテナ利得を得ることができる。この凸レンズ２０１は、石英,ガラスの他,ポリメチルメタクリレート,スチレンアクリロニトリル,ポリカーボネイト,ポリスチレン,エポキシ,ポリメチルペンテン、ポリテトラフロロエチレン,ポリエチレン,テフロン等の材料を機械的な削り出し、あるいは金型で成形して作製する。集束効果のあるレンズとしては、図２では、平凸レンズの場合を示しているが、もちろん、両凸レンズでも置き換えは可能である。また、この凸レンズ２０１の中心付近の厚みは、レンズ内実効波長の約１／２波長の整数倍とすることによって、レンズと空気との境界面での電磁波の反射を低減することができる。
【００５１】
なお、ここでは、凸レンズ２０１を、凸レンズ状の誘電体と同じ意味として用いている。また、凸レンズ２０１の直径を、所望波の実効波長の５倍程度にしたが、この実効波長の５倍程度は、空気中の波長では約１波長〜４波長程度となり、凸レンズの誘電率による。
【００５２】
また、この参考例では、電磁波放射構造としてマルチスロットアンテナ１０１を用い、電磁波導波路としてコプレーナ線路１０２を用いているが、これらに特定されるものではなく、それぞれ他の構造のものを用いても、誘電体と電磁波放射構造を近接させた効果は変わらない。
【００５３】
（第３参考例）
図３は、無線通信装置に係る第３参考例を示す断面図である。この第３参考例が、第２参考例と異なる点は、凸レンズ２０１を電磁波通過用開口１０６から離した点だけである。すなわち、スペーサ２０７を凸レンズ２０１と導体板１０７との間に介在させることで、マルチスロットアンテナ１０１とレンズ中心との距離は、レンズ焦点距離内であるが、その距離を調整し最適化することによって所望のアンテナ利得を得ることができる。
【００５４】
（第４参考例）
図４は、無線通信装置に係る第４参考例を示す断面図である。この第４参考例が、第２参考例と異なる点は、平凸レンズ２０１をゾーニングしたレンズ２０３を用いた点である。このゾーニングしたレンズ２０３を用いたことで、電磁波の屈折効果を損なうことなく、レンズの体積を減少させることができ、無線通信装置のより小型化,軽量化が可能となる。
【００５５】
（第５参考例）
図５Ａは、無線通信装置に係る第５参考例を示す断面図である。この第５参考例は、上記第２参考例とは、誘電体基板１０３とパッケージ１０５との間でマルチスロットアンテナ１０１の両側に、遮蔽板５０１ａ，５０１ｂを入れた点が異なるだけである。
【００５６】
図５Ｂにその平面図を示す。また、図５Ｂの(Ａ−Ａ’)断面を図５Ｃに示す。ＭＭＩＣ１０４とマルチスロットアンテナ１０１を接続するコプレーナ線路１０２上に、準ＴＥＭモードでＲＦ信号を伝送し、導波管モードのＲＦ信号を遮断させるために、コプレーナ伝送線路１０２の上部において、遮蔽板５０１ａに切り込み５０２が入れてある。図５Ｃに示す切り込み５０２の長さaおよびｂを、所望電磁波の波長の１／２以下とすることによって、不要な導波管モードを遮断でき、マルチスロットアンテナ１０１と高周波装置１０４との間でお互いに影響をなくすことが可能となる。また、図５Ｂに示すように、遮蔽板５０１ａおよび遮蔽板５０１ｂとマルチスロットアンテナ１０１の中心の距離ｃを、所望電磁波の波長の１／４とした場合に、不要な反射がキャンセルされ、アンテナ効率が最大となる。
【００５７】
この第５参考例によれば、マルチスロットアンテナ１０１に遮蔽板５０１ａ，５０１ｂを取付けることにより、通信距離の拡大や信号伝送誤りの低減が図れ、準ミリ波,ミリ波伝送の実用化が可能となった。
【００５８】
なお、上記遮蔽板５０１ａの切り込み５０２は長方形であったが、図５ＤおよびＥに示すように、三角形状の切り込み５０５や半円形状の切り込み５０６を採用してもよい。 図５Ｆは、図５Ｂの(Ｂ−Ｂ')断面図である。
【００５９】
（第６参考例）
図６は、無線通信装置に係る第６参考例を示す断面図である。この第６参考例は、凸型レンズ２０１と誘電体基板１０３間を誘電体導波部６０１で接続している点だけが、第２参考例と異なる。
【００６０】
この第６参考例では、マルチスロットアンテナ１０１から放射された電磁波は、誘電体導波部６０１によって凸型レンズ２０１に導かれる。また、誘電体導波部６０１によって、凸型レンズ２０１とマルチスロットアンテナ１０１間に空気の層が介在しないから、凸型レンズ２０１とマルチスロットアンテナ１０１間の不要な反射を抑制することができる。
【００６１】
上記誘電体導波部６０１は、凸型レンズ２０１と同じく、石英,ガラスの他、ポリメチルメタクリレート,スチレンアクリロニトリル,ポリカーボネイト,ポリスチレン,エポキシ,ポリメチルペンテン,ポリテトラフロロエチレン,ポリエチレン,テフロン等の材料を機械的な削り出し、あるいは金型で成形して作製する。凸型レンズ２０１と誘電体導波部６０１の材質は必ずしも同じである必要はないが、それぞれの誘電率が近いほうが望ましい。また、凸型レンズ２０１と誘電体導波部６０１とを同じ材料で金型で同時に成形して作製することも可能である。
【００６２】
（第７参考例）
図７は、無線通信装置に係る第７参考例を示す断面図である。この第７参考例が前述の第６参考例と異なる点は、誘電体基板１０３の上面とパッケージ１０５との間に誘電体導波部７０１が入っている点、および誘電体基板１０３上部とパッケージ１０５上部の距離が誘電体導波部７０１中における電波の実効波長の１／４としている点である。
【００６３】
マルチスロットアンテナ１０１の上部に放射された電磁波のビーム幅は誘電体導波部７０１によって狭められて反射し、更に、誘電体導波部７０１および凸型レンズ２０１を経て放射電波７０２が空間に放射される。誘電体導波部７０１は、マルチスロットアンテナ１０１からの放射波のガイドとして働き、電磁波がパッケージ内で不要な伝送をするのを防ぐ効果もある。
【００６４】
この誘電体導波部７０１は、凸型レンズ２０１および誘電体導波部６０１と同じく、石英,ガラスの他、ポリメチルメタクリレート,スチレンアクリロニトリル,ポリカーボネイト,ポリスチレン,エポキシ,ポリメチルペンテン,ポリテトラフロロエチレン,ポリエチレン,テフロン等の材料を機械的な削り出し、あるいは金型で成形して作製する。
【００６５】
（第８参考例）
図８Ａは、この発明に従う無線通信装置に係る第８参考例を示す断面図である。この第８参考例は、誘電体基板１０３上面の導体パッケージ１０５の内側に、集束効果を持つ反射鏡８０１を設けた点だけが、第２参考例と異なる。この集束効果を持つ反射鏡８０１を備えたことで、集束効果を持つ反射鏡８０１がない場合に比べて、マルチスロットアンテナ１０１から上部に放射した電磁波８０２を、マルチスロットアンテナ側に放射波の幅を狭めて反射波８０３として反射するとともに、導体パッケージ１０５内で不要な方向に電磁波が伝搬するのを防ぐ役目をする。
【００６６】
集束効果を持つ反射鏡８０１は、アルミ,金,銅等の材料で形成する。また、あらかじめ集束効果を持つ反射鏡８０１と導体パッケージ１０５を同時に作製してもよい。
【００６７】
なお、図８Ｂには、一部を窪ませた凹面８０４ａを有するパッケージ８０４によって、集束効果を持つ反射鏡を実現した別の一例を示す。この一例では、図８Ａを用いて説明した参考例と同様の効果がある。また、図８Ｃには、凸型誘電体８０５により、等価的に集束効果を持つ反射鏡を実現した別の一例を示す。この一例によっても、図８Ａを用いて説明した参考例と同様の効果がある。また、図８Ｄには、径の異なる複数の円形誘電体板８０６で、図８Ｃにおける凸型誘電体８０５と同等な機能を等価的に実現した例であり、図８Ａを用いて説明した例と同様の効果がある。
【００６８】
（第９参考例）
図９は、無線通信装置に係る第９参考例を示す断面図である。この第９参考例は、第８参考例とは、平凸レンズ２０１と誘電体基板１０３との間を誘電体導波部６０１で接続している点で異なっているだけである。誘電体導波部６０１の役割については、第６参考例で説明したものと同じなのでここでは繰返さない。
【００６９】
（第１実施例）
図１０は、この発明に従う無線通信装置に係る第１実施例の断面図である。この第１実施例は、誘電体１と、電磁波放射構造２と、電磁波導波路３と、高周波装置４と誘電体基板７とで構成されている。ここでは、高周波装置４は、増幅器,周波数変換装置,フィルター等で構成される一般的な高周波装置である。
【００７０】
誘電体１は、中央で厚く周辺部で薄くなる形状を持ち、電磁波放射構造２に近接して、距離Ｌを隔てて配置されている。また、誘電体１の中央部１ａの厚さｔを、誘電体１内での所定電磁波の波長に対して、約０.５波長に設定した。なお、この中央部１ａの厚さｔは、誘電体１内での上記所定電磁波の波長に対して、約１.０波長，約１.５波長，約２波長のいずれかに設定してもよい。
【００７１】
高周波装置４には、電磁波導波路３が接続されており、この電磁波導波路３は電磁波放射構造２に接続されている。この電磁波放射構造２に対向して、誘電体１が配置されている。この誘電体１は、平坦な底面６が電磁波放射構造２に対向しており、凸面５が空間方向を向いている。この誘電体１は、上述したように、その底面６が電磁波放射構造２に対して距離Ｌを隔てている。
【００７２】
この第１実施例では、電磁波放射構造２から放射された電磁波の一部が、誘電体１の凸面５と底面６で反射し、電磁波放射構造２に向って進む。しかしながら、凸面５と底面６で反射した２波の経路差は、１波長であり、さらに、底面６で反射した電磁波は、反射時に位相が反転しているので、この２波の位相差は１８０゜となり、お互いに弱め合う。
【００７３】
したがって、電磁波放射構造２から放射された電磁波の内、近接配置された誘電体１に入射した成分は、誘電体１の底面６と凸面５で繰り返し反射し、誘電体１の厚さが略０.５波長の整数倍であるため共振し、誘電体１への入射電磁波の透過波が強められ、これに対し反射波が弱められる。誘電体１内の繰り返し反射により電磁界の分布が誘電体１の内部に広がり、実開口の広がったアンテナとして作用し、アンテナ利得が向上する。
【００７４】
さらに、誘電体１の空間への開口部となる凸面５の直径Ｄが、空気中波長での所望電磁波の波長の１倍〜６倍程度の範囲に設定した場合に、電磁波放射構造２から放射された電磁波エネルギーの多くの部分が効率良く誘電体１内に引き込まれる。この誘電体１内に蓄積された電磁波エネルギーは、誘電体１からの再放射波として空間に放射されるので、アンテナ利得が向上する。
【００７５】
さらに、誘電体１と電磁波放射源２の距離を、空気中の波長換算において略０.５波長,略１波長,略１.５波長,略２波長のいずれかに設定した場合、底面６と電磁波放射構造２の間で、電磁波が共振して、さらに効率良く誘電体１内に引き込まれるので、アンテナ利得を向上できる。
【００７６】
ここで、この発明の第１実施例によって、アンテナ利得が向上する効果を具体的に確認するために、比誘電率３.８の平凸状の誘電体１を、電磁波放射構造の１種であるマルチスロット２に近接させて、アンテナ利得を測定した。このアンテナ利得の測定結果を、図１１に示す。図１１では、縦軸が、アンテナゲイン(ｄＢi)を表し、横軸が、誘電体１の空間への開口部となる凸面５の直径Ｄが、２５ＧＨｚの電磁波の空気中での波長λ０に対する倍数を表す。
【００７７】
この測定では、誘電体１の中央部１ａの厚さｔを誘電体１内での実効波長で約２波長となるように選んで、誘電体１での反射を抑えて、透過率が最大になるようにしている。また、図１１では、比較のために、誘電体１を仮想的な幾何光学レンズと見立て、便宜的に幾何光学レンズの式によって、求めたアンテナ利得を実線で記載している。図１１に示すように、この測定における誘電体１の直径Ｄは、空気中の波長に対して２.５波長〜４波長であり、幾何光学設計の前提条件となる１０波長以上の寸法条件よりもはるかに小さい。また、電磁波放射構造(マルチスロット)２と誘電体１との間隔Ｌは、上記空気中の波長程度と極めて近接した配置であり、幾何光学条件とは大きく隔たっている。
【００７８】
この第１実施例の構成によれば、電磁波放射構造２からの電磁波エネルギーは、誘電体１内で広がり、実質的に幾何光学設計で得られるアンテナ利得よりも大きな利得が得られ、アンテナ利得を向上させる上で大きな効果があることが実験的に確認された。この実験では、誘電体１の直径Ｄは、空気中での所定電磁波の波長に対して２.５波長〜４波長に選んでいるが、上記誘電体１の直径Ｄを、上記波長の１〜６波長程度に選定した場合にも同様のアンテナゲイン向上効果がある。
【００７９】
次に、図１２に、誘電体１の空間への開口部をなす凸面５の直径Ｄを所望電磁波の空気中波長の２.５倍とした場合において、誘電体１と電磁波放射構造２との間の距離Ｌとアンテナ利得との関係を示す。図１２に示すように、この距離Ｌが、空気中の波長λ０に対して０.５波長、および１波長のときに、アンテナ利得がピークを示している。この測定結果においても、幾何光学設計から推測される結果とは大きく異なっている。すなわち、上記距離Ｌを、上記波長λ０/２あるいは波長λ０に設定した場合に、誘電体１と電磁波放射構造２との間の共振によって、上記所望電磁波が誘電体１内に更に効率良く引き込まれて、アンテナ利得が向上することが、これらの測定結果によって確認できた。なお、誘電体１と電磁波放射構造２との間の距離Ｌを、１.５波長(１.５λ０)、または２波長(２λ０)程度に設定した場合にも、アンテナ利得が向上する実質的に同様な効果がある。
【００８０】
以上の実験結果は、この発明が、従来の幾何光学レンズの働きとは明らかに異なっていることを示している。誘電体を組合せたことによる利得の増加は、レンズ状誘電体１の直径Ｄに対応している。これは、電磁波放射構造２から放射された電磁波エネルギーの多くの部分が、電磁波放射構造２に距離Ｌを隔てて近接して配置された誘電体１の近接効果によって、誘電体１内に引き込まれ、さらに、当該微小サイズの平凸状の誘電体１を波源とする再放射が行われることによって実効的な高利得化が達成されているものと理解できる。誘電体１表面６と電磁波放射構造２との間の反射波は、その間隔Ｌが、１／２波長の整数倍に近いときに効果的に再合成され、効率良く空間へ放射されることを実験結果は示している。
【００８１】
なお、ここでは、実施例として送信機の例を示したが、誘電体１と電磁波放射構造２の作用は、可逆作用により受信装置としても同じアンテナ利得となり、高周波装置４の構成を変更することにより、受信機も構成できる。
【００８２】
また、誘電体１は、平凸状の形状に限定されるものではなく、図１３Ａに示すように、放射空間側の面が平坦面とその周囲の湾曲面とで構成された誘電体４１としてもよい。さらには、図１３Ｂに示すように、台形状の誘電体４２としてもよく、図１３Ｃに示すように、直径が順次小さく設定された複数の円板を積層した構造の誘電体４３としてもよい。
【００８３】
また、電磁波放射構造２は、特定の構造に限定されるものではなく、図１４Ａに示すように、スロット５１ａを有するスロットアンテナ構造５１としてもよく、図１４Ｂに示すように、開口部５２ａ内に複数のストリップ片５２ｂが設けられたマルチスロットアンテナ構造５２としてもよい。さらには、図１４Ｃに示すように、導体パッチ構造５３としてもよく、図１４Ｄに示すように、ボータイアンテナ構造５４としてもよい。さらには、平面スパイラル、さらにはフランジ構造を有す導波管スロット等も用いることができる。
【００８４】
なお、図１４Ｃに示す電磁波放射構造２の一例である導体パッチ構造の同一面の周辺が、導体の無いギャップ領域をへだてた導体面であってもよい。同様に、図１４Ｄに示す電磁波構造２の一例であるボータイアンテナ構造の同一面の周辺が、導体の無いギャップ領域を隔てた導体面であってもよい。
【００８５】
さらには、電磁波導波路３も、特定の構造に限定されるものではなく、図１５Ａに示すように、誘電体６１ａを導体６１ｂと６１ｃとで挟んだマイクロストリップ伝送路６１であってもよく、図１５Ｂに示すように、誘電体６２ａ上に導体６２ｂが形成され、この導体６２ｂの開口部にストライプ状導体６２ｃが形成されたコプレーナ型伝送路(ＣＰＷ)６２であってもよい。さらには、図１５Ｃに示すように、導体板６３Ａで裏打ちされたコプレーナ型伝送路(ＧＣＰＷ)６３であってもよい。さらにまた、図１５Ｄに示すように、誘電体６４ａ上の導体にスロット６４ｂが形成されたスロット型導波路６４であってもよく、図１５Ｅに示すように、誘電体６５ａを導体６５ｂと６５ｃとで挟んだ構造のＮＲＤ誘電体導波路６５であってもよく、図１５Ｆに示すような同軸線路６６であってもよく、図１５Ｇに示すような金属導波管６７等も用いることができる。要は、図１４Ａ〜Ｄに一例が示されている電磁波放射構造に適切に接合するものであれば何でもよい。
【００８６】
（第２実施例）
図１６は、この発明に従う無線通信装置に係る第２実施例の断面図である。
【００８７】
この第２実施例は、第１実施例の誘電体１に替えて、図１６に示す平行平板状の集束媒質からなる誘電体８を備えた点だけが、前述の第１実施例と異なる。
【００８８】
この誘電体８は、中央領域８Ａで誘電率が高く、辺縁部８Ｂ,８Ｃで誘電率が低い平行平板状の集束媒質となっており、上記誘電体８の中央領域８Ａの厚さが所望電磁波の誘電体８内での実効波長の約０.５波長，約１波長，約１.５波長，約２波長のいずれかとなっている。この誘電体８は、実質的に第１実施例における誘電体１と等価であり、第１実施例と同様の効果が得られる。この第２実施例においては、第１実施例と異なるのは誘電体８の構造のみであり、その他の誘電体８の直径Ｄ，誘電体８と電磁波放射構造２との距離Ｌ，電磁波放射構造２の種類，電磁波導波路３の種類等は、第１実施例で説明した通りであるので、ここでは繰り返さない。上記誘電体８における比誘電率は、中心部８Ａで高く、周辺部８Ｂ,８Ｃで低い分布なっていればよい。たとえば、この誘電体８の比誘電率の分布は、図１７Ａに示すように、階段状の分布になっていてもよく、図１７Ｂに示すように、角が面取りされた長方形状の分布になっていてもよい。さらには、図１７Ｃに示すように、角が湾曲した長方形状の分布になっていてもよく、図１７Ｄに示すように、すそが広がった釣鐘形状になっていてもよい。
【００８９】
（第３実施例）
図１８は、この発明に従う無線通信装置に係る第３実施例の断面図である。この第３実施例が、第１実施例あるいは第２実施例と異なるのは、電磁波放射構造を２素子以上のアレイ状に配置している点と、誘電体７１の直径Ｄを、空気中での所望電磁波の波長の４倍〜２０倍としている点である。
【００９０】
誘電体基板７７上に形成されている各電磁波放射構造７２と７３には、それぞれ誘電体導波路７５が接続されており、従来のアレイアンテナの給電導波路と全く同様に他端で合成されて、高周波装置７６に接続されている。電磁波放射構造７２,７３を２素子以上のアレイ状に配置して、直径Ｄが空気中での所望電磁波の波長の４倍〜２０倍の誘電体７１を近接して配置した場合、３０ｄＢｉ等の非常に高いアンテナ利得が得られる。なお、図１８においては、２素子のアレイの例を示しているが、さらに多数の素子のアレイからなる電磁放射構造に対してもアンテナ利得を向上させる効果がある。
【００９１】
また、図２１の平面図に示すように、上記誘電体７１を長楕円形状としてもよい。この場合には、図２１における誘電体７１の楕円形状と９０゜だけずれた方向に指向性を有する扁平な電磁波ビームを放射できる。また、上記誘電体７１が円形の場合には、軸対称に近い放射パターンになる。
【００９２】
（第４実施例）
次に、図２０に、この発明の第４実施例の断面を示す。この第４実施例は、図１０の第１実施例の変形例に相当する。この第４実施例は、ＩＦ信号処理装置１０８に電磁波導波路３が接続され、この電磁波導波路３は、高周波装置４および電磁波放射構造２に接続されている。また、この電磁波導波路３は、誘電体基板７の表面に密接しており、この誘電体基板７の裏面には、バックプレート３’が密接されている。このバックプレート３’と電磁波導波路３とで電磁波導波構造をなしている。
【００９３】
また、この第４実施例では、上記電磁波導波構造,誘電体基板７,高周波装置４は、導体パッケージ１０５内に収容されていて、この導体パッケージ１０５に形成された開口部に、誘電体８１が嵌め込まれている。この誘電体８１は、凸面８５が外側空間に面し、底面８６が電磁波放射構造２に対向している。この底面８６と電磁波放射構造２との距離Ｌは、上記第１実施例と同様に設定される。また、上記誘電体８１の最大厚さｔも、第１実施例と同様に設定される。また、この第４実施例においても、誘電体８１の直径Ｄは、第１実施例と同様に設定される。これにより、この第４実施例においても、第１実施例と同様のアンテナゲインが向上する効果が得られるが、この第４実施例では、導体パッケージ１０５の開口部と誘電体８１が実質的に同径になっているので、さらなるアンテナ利得の向上を図れる。
【００９４】
なお、この第４実施例の電磁波導波構造としては、図１５Ａや図１５Ｃや図１５Ｅに示した導波構造を適用できる。
【００９５】
【産業上の利用の可能性】
この発明は、準ミリ波からミリ波帯の無線通信装置に適用でき、低コストでアンテナゲインが高く、高性能で小型,軽量なアンテナ一体型無線通信装置を実現するのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１Ａはこの発明のアンテナ一体型無線通信装置の第１参考例の断面図であり、図１Ｂは上記第１参考例の高周波装置であるＭＭＩＣ１０４の構成を示すブロックダイヤグラムであり、図１Ｃは上記第１参考例の誘電体基板の平面図である。
【図２】 図２はこの発明の第２参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図３】 図３はこの発明の第３参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図４】 図４はこの発明の第４参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図５】 図５Ａはこの発明の第５参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図であり、図５Ｂは上記第５参考例の誘電体基板の平面図であり、図５Ｃは上記第５参考例の誘電体基板のＡ−Ａ'断面図であり、図５Ｄは上記第５参考例の変形例であり、図５Ｅは上記第５参考例のもう１つの変形例であり、図５Ｆは図５ＢのＢ-Ｂ'断面図である。
【図６】 図６はこの発明の第６参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図７】 図７はこの発明の第７参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図８】 図８Ａはこの発明の第８参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図であり、図８Ｂは上記第８参考例の変形例の断面図であり、図８Ｃは上記第８参考例のもう１つの変形例の断面図であり、図８Ｄは上記第８参考例のさらにもう１つの変形例の断面図である。
【図９】 図９はこの発明の第９参考例のアンテナ一体型無線装置の断面図である。
【図１０】 図１０はこの発明の第１実施例の断面図である。
【図１１】 図１１はアンテナゲインと(誘電体１の直径Ｄ/空気中での電磁波の波長λ０)との関係を示す特性図である。
【図１２】 図１２は上記誘電体と電磁波放射構造との間の距離とアンテナゲインとの関係を示す特性図である。
【図１３】 図１３Ａは上記第１実施例における誘電体１の変形例を示す図であり、図１３Ｂは上記誘電体１のもう１つの変形例を示す図であり、図１３Ｃは上記誘電体１のさらにもう１つの変形例を示す図である。
【図１４】 図１４Ａは上記第１実施例における電磁波放射構造２の一例を示すスロットアンテナ構造を示す図であり、図１４Ｂは上記電磁波放射構造２の一例としてのマルチスロットアンテナ構造を示す図であり、図１４Ｃは上記電磁波放射構造２の一例としての導体パッチ構造を示す図であり、図１４Ｄは上記電磁波放射構造２の一例としてのボータイアンテナ構造を示す図である。
【図１５】 図１５Ａは上記第１実施例における電磁波導波路３の一例としてのマイクロストリップ伝送路を示す図であり、図１５Ｂは上記電磁波導波路３の一例としてのコプレーナ型伝送路(ＣＰＷ)を示す図であり、図１５Ｃは上記電磁波導波路３の一例としての導体板で裏打ちされたコプレーナ型伝送路(ＧＣＰＷ)を示す図であり、図１５Ｄは上記電磁波導波路３の一例としてのスロット型導波路を示す図であり、図１５Ｅは上記電磁波導波路３の一例としてのＮＲＤ誘電体導波路を示す図であり、図１５Ｆは上記電磁波導波路３の一例としての同軸線路を示す図であり、図１５Ｇは上記電磁波導波路３の一例としての金属導波管を示す図である。
【図１６】 図１６はこの発明の第２実施例の無線通信装置の断面図である。
【図１７】 図１７Ａは上記第２実施例における誘電体８の比誘電率の分布の一例を示す特性図であり、図１７Ｂは上記誘電体８の比誘電率の分布の他の一例を示す特性図であり、図１７Ｃは上記誘電体８の比誘電率の分布のさらに他の一例を示す特性図であり、図１７Ｄは上記誘電体８の比誘電率の分布のさらにまた他の一例を示す特性図である。
【図１８】 図１８は、この発明の第３実施例の無線通信装置の断面図である。
【図１９】 図１９は、従来の無線通信装置の断面図である。
【図２０】 図２０は、この発明の第４実施例の無線通信装置の断面図である。
【図２１】 図２１は、上記第３実施例の無線通信装置の平面図である。
Claims (7)
- 準ミリ波帯あるいはミリ波帯の無線通信装置において、
上記無線通信装置のアンテナ部が、送受信機回路部または送信機回路部もしくは受信機回路部と接続する電磁波放射構造と、誘電体とからなり、
上記誘電体は、上記電磁波放射構造と近接して配置され、かつ、中央領域で厚く辺縁部で薄い構造を有し、
上記誘電体の中央領域の厚さが、所望電磁波の誘電体内での実効波長の略(１／２)×ｍ倍(ｍは整数)であり、
上記略 ( １／２ ) ×ｍ倍におけるｍは、４以下であり、
上記誘電体の直径が、所望電磁波の空気中での波長の１倍から６倍の範囲であることを特徴とする無線通信装置。 - 準ミリ波帯あるいはミリ波帯無線通信装置において、
上記無線通信装置のアンテナ部が、送受信機回路部または送信機回路部もしくは受信機回路部と接続する電磁波放射構造と、誘電体とからなり、
上記誘電体は、上記電磁波放射構造と近接して配置され、かつ、中央領域で誘電率が高く辺縁部で誘電率が低い平行平板状の集束媒質であり、上記誘電体の中央領域の厚さが、所望電磁波の誘電体内での実効波長の略(１／２)×ｍ倍(ｍは整数)であり、
上記略 ( １／２ ) ×ｍ倍におけるｍは、４以下であり、
上記誘電体の直径が、所望電磁波の空気中での波長の１倍から６倍の範囲であることを特徴とする無線通信装置。 - 請求項１または２に記載の無線通信装置において、
上記送受信機回路部または送信機回路部もしくは受信機回路部に接続する電磁波導波路に接合する電磁波放射構造が同一平面上に複数配置されていることを特徴とする無線通信装置。 - 請求項１乃至３のいずれか１つに記載の無線通信装置において、
上記誘電体と上記電磁波放射構造との距離が、所望電磁波の空気中での波長の略(１／２)×ｎ倍(ｎは整数)となっていることを特徴とする無線通信装置。 - 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の無線通信装置において、
上記波長の略(１／２)×ｎ倍におけるｎは、４以下であることを特徴とする無線通信装置。 - 請求項１乃至５のいずれか１つに記載の無線通信装置において、
上記電磁波放射構造が、スロットアンテナ構造,マルチスロットアンテナ構造,導体パッチ構造,平面スパイラルアンテナ構造,ボータイアンテナ構造のうちのいずれかであることを特徴とする無線通信装置。 - 請求項１乃至６のいずれか１つに記載の無線通信装置において、
上記電磁波導波路が、マイクロストリップ伝送路,コプレーナ型伝送路(ＣＰＷ),導体板で裏打ちされたコプレーナ型伝送路(ＧＣＰＷ),スロット型導波路,イメージ導波路,非放射性誘電体線路,同軸線路,金属導波管のうちのいずれかであることを特徴とする無線通信装置。
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