JP4181085B2 - 誘電体導波管アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波帯およびミル波帯で用いられる誘電体材料により小型化された導波管で構成される誘電体導波管アンテナに係るもので、特にその電波放射部分の構造に関するものである。

空洞導波管を給電線路として用いたアンテナがマイクロ波帯やミリ波帯において広く使用されている。中でも導波管ホーンアンテナは最も広く用いられているものである。また、導波管の金属の壁面にスロットを設けてそこから導波管内の電磁波を漏洩させるスロットアンテナも数多く使用されている。

誘電体材料の表面に導体膜を形成して作製される誘電体導波管を空洞導波管に代えて使用することが実用化段階にはいっている。この誘電体導波管は、誘電体材料による電磁波の短縮効果があり、肉厚な金属壁を必要としないため、空洞導波管と比べると大幅な小型化が可能となる。誘電体導波管を給電回路（線路）として用いれば、従来の空洞導波管を用いたアンテナの給電構造の小型化、軽量化が可能となり、マイクロ波帯およびミリ波帯の通信機器の小型化と低廉化が可能となる。

しかし、誘電体導波管に用いる誘電体材料と空気とは誘電率に大きな違いがある。そのため、導波管の材料に誘電体を用いると導波管の開口（スロット）部と空気との間に大きなインピーダンスの不整合が生じることになるので、電磁波が放射されにくくなってしまう。このことが、誘電体導波管アンテナを実用化するうえでの大きな妨げとなっている。
特開２０００−２７４５４１号公報

本発明は、給電線路およびアンテナ素子として誘電体導波管を用いて、小型化されたスロットアンテナとなる誘電体導波管アンテナを提供するものである。

本発明は、誘電体導波管のスロットに導体板の貫通孔等を組み合わせることによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、誘電体の１表面に誘電体が露出するスロットを具えた誘電体導波管アンテナにおいて、その誘電体が、そのスロットに対向する位置にアンテナ開口部となる導体壁を具えた導波路に接続されたことに特徴を有するものである。

本発明によれば、誘電体を用いて波長短縮が行われるとともに肉厚の導波管壁が不要となるので、誘電体スロットアンテナの小型化が可能になり、また、誘電体スロットアレーアンテナの小型化が可能となる。プリント配線基板を介してあるいは直接に取り付けることによって、通信機器の筐体の外壁をアンテナ開口部として利用でき、アンテナと通信機器との一体化も容易となる。

本発明による誘電体導波管アンテナの構成要素は以下のものとなる。
（１）スロットを具えた誘電体導波管：スロットが導体板等の貫通孔と対向するように直接あるいは接着層を介して固定される。
（２）導体板または絶縁板：貫通孔がスロットに対向する。絶縁板の貫通孔の壁面には導体膜が形成されるいわゆるビアホール構造とする。貫通孔はスロットの反対側が広くなるように階段状あるいはテーパ状としてもよい。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図１は、本発明の実施例を示す分解斜視図である。導体板17の上面に誘電体導波管11をはんだ付けなどで固定して密着させる。誘電体導波管11の底面には、一部の導体膜を除去して形成したスロット12が設けられており、導体板17には貫通孔18が設けられている。この例では貫通孔18の形状は途中で変えられており、スロット12側にはスロットとほぼ同じサイズの部分18（a）が形成され、反対側にはサイズの大きい部分18(b)が形成される。この構造によって、誘電体導波管11から放射される電磁界は導体板17の貫通孔18を通じて自由空間に放射される。

誘電体導波管にスロットを設けただけでは、誘電体と空気の誘電率の差による特性インピーダンスの大きな違いから、誘電体導波管中の電磁波は空気中に放射されない。しかし、導体板17に設けられた貫通孔18は短辺の寸法を小さくしたので、特性インピーダンスの低くなった空洞導波管と考えることができる。この貫通孔18の部分が誘電体導波管11のスロット12と自由空間とのインピーダンス整合回路として動作し、誘電体導波管11から電磁波が自由空間に放射されることになる。

導体板17を通信機器の筐体の外壁とすれば、その通信機器の筐体に貫通孔を形成してその導体板の筐体に誘電体導波管11を取り付けて設置することで、通信機器の筐体がそのままアンテナとして動作することになる。その結果、何も他の部品を追加することもなくアンテナを構成でき、通信機器と一体化できるので通信機器の小型化と低廉化が可能となる。なお、導体板に代えて貫通孔を形成した絶縁基板を用いてその貫通孔内の壁面を導体膜で覆うようにしてもよい。

誘電体導波管に用いられる誘電体と金属とは、通常、熱膨張率が大きく異なる。そのため、誘電体導波管を直接金属板に接合すると温度変化によって接合部にストレスがかかり、信頼性の問題が生じる。それを防ぐために、誘電体導波管と金属板との間に熱膨張率の差を吸収する緩衝材層を設けてもよい。この緩衝材層の表面に導体膜を形成すれば、スロットと貫通孔の大きさの違いによって生じる隙間からの電磁波のもれを防ぐ役割も果たす。なお、スロットの形状と貫通孔の形状は厳密に一致させる必要はなく、電磁波が漏洩する隙間を生じさせないようにすればよい。

図２は誘電体導波管21から自由空間に放射される磁界を模式的に描いたものである。誘電体導波管21のスロットには貫通孔の狭い部分28（a）と貫通孔の広い部分28(b)による空間が接続されている。誘電体導波管にスロットを設ける位置を誘電体導波管の短絡端面から管内波長の１／２弱とすると、スロット位置での磁界強度が強くなり、アンテナの効率が高くなる。

アンテナの利得や指向性を高めたい場合には、貫通孔の開放面にさらに広い開口面の貫通孔を有した導体板を配置することによっても実現できる。図３は本発明の他の実施例を示す正面断面図で、導体板37（a）、37(b)を2枚重ねて貫通孔の開口を段階的に大きくすることで、開口部をホーンと同様に動作させることができる。なお、この例では誘電体導波管と導体板との間に緩衝材を配置している。図４、図５はアレー構成の例を示すものである。導波管に複数のスロットを配置するスロットアレーアンテナは、アンテナの指向性と利得を強める効果があることが知られている。誘電体導波管41に設けたスロット列に対向した貫通孔を設けることで、簡単にアレー構成を実現でき、指向性と利得を向上させることができる。

本発明は、小型化、軽量化の要求の多い移動体通信機器等のアンテナとして特に有用である。

本発明の実施例を示す斜視図 その動作の説明図 本発明の他の実施例を示す正面断面図 本発明の他の実施例を示す分解斜視図 その（A）平面図と（B）正面断面図

符号の説明

11、21、31．41：誘電体導波管
12、22：スロット
17、37、47：導体板
18、28、38：貫通孔

Claims (4)

1. 誘電体の１表面に誘電体が露出するスロットを具えた誘電体導波管アンテナにおいて、
   その誘電体のスロットが、そのスロットに対向する位置に、その誘電体側の開口面積がそのスロットよりも大きく、その誘電体と反対側の開口面積が誘電体側よりも大きく形成された、アンテナ開口部となる導体壁を具えた導波路に接続されたことを特徴とする誘電体導波管アンテナ。
2. 誘電体の１表面に誘電体が露出するスロットを具えた誘電体導波管アンテナにおいて、
   その誘電体のスロットが、そのスロットに対向する位置に、その誘電体側の開口面積がそのスロットよりも大きく、その誘電体と反対側の開口面積が誘電体側よりも大きく形成された、アンテナ開口部となる貫通孔を具えた導体板の貫通孔に接続されたことを特徴とする誘電体導波管アンテナ。
3. 誘電体の１表面に誘電体が露出するスロットを具えた誘電体導波管アンテナにおいて、
   その誘電体のスロットが、そのスロットに対向する位置に、その誘電体側の開口面積がそのスロットよりも大きく、その誘電体と反対側の開口面積が誘電体側よりも大きく形成された、アンテナ開口部となる貫通孔を具え、その貫通孔の壁面に導体膜が形成された基板の貫通孔に接続されたことを特徴とする誘電体導波管アンテナ。
4. 誘電体の１表面に誘電体が露出するスロットを具えた誘電体導波管アンテナにおいて、
   その誘電体のスロットが、そのスロットに対向する位置に、その誘電体側の形状がそのスロットとほぼ同じ形状で、その反対側の形状がそれよりも大きく形成された、アンテナ開口部となる導体壁を具えた導波路に接続されたことを特徴とする誘電体導波管アンテナ。

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