JP5712639B2 - ダイポールアンテナおよびアレーアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板に形成されたダイポールアンテナ、およびダイポールアンテナを複数配列したアレーアンテナに関するものである。

プリント基板に形成されたダイポールアンテナ（以下、プリント化ダイポールアンテナ）として、特許文献１や非特許文献１に記載されたものが知られている。このプリント化ダイポールアンテナは、一般的にマイクロストリップ線路からテーパバランを介して平行２線に変換した給電構造を持つ。プリント化ダイポールアンテナの素子アンテナを反射板の上方略１／４波長の高さに設置して利用する場合、給電線路が反射板と接触しないように、反射板にスロット状の穴を開ける。この反射板裏側には、給電回路が設けられるのが通例である。また、アクティブフェーズドアレーの素子アンテナとして用いる場合には、給電回路の他に、送受信モジュール、制御回路、電源等が反射板の裏側に配置されることとなる。

特開平０６−２６８４３３（図１）

電子情報通信学会編、アンテナ工学ハンドブック、Ｐ．４２、図１・１０

図４は、従来のプリント化ダイポールアンテナの概略構成を示す図である。図において、プリント化ダイポールアンテナは、誘電体基板１、放射部２、給電回路３、およびテーパバラン４と、反射板５から構成される。ダイポールアンテナの放射部２、給電回路３およびテーパバラン４は、プリント加工にて誘電体基板１上に構成される。放射部２とテーパバラン４は給電回路３によって接続される。反射板５はスロット穴６が形成されており、このスロット穴６から誘電体基板１が差し込まれて、放射部２および給電回路３が反射板５より上方に飛び出した構造となっている。

ここで、従来のプリント化ダイポールアンテナの動作について説明する。アンテナは送信と受信の関係が可逆であるため、ここではアンテナから電波が放射される送信の場合を例に説明する。誘電体基板１上のマイクロストリップ線路（図に記載なし）に入力された送信信号は、平衡不平衡変換器であるテーパバラン４を介して平行２線である給電回路３に伝搬される。給電回路３が正常に動作するには反射板５との干渉を避ける必要があり、給電回路３が反射板５上に設けられたスロット穴６とは接触しないように隙間がとられている。その後、送信信号は給電回路３を伝わり放射部２に到達し、ダイポールアンテナが給電され、送信波が放射部２から空間に放射される。

図に示すように配置された放射部２からは、送信方向（反射板５の法線方向でありこれを直接波と呼ぶ）と反対方向の反射板５に向かう方向にも、同量放射する（これを反射波と呼ぶ）。図４に示した従来のプリント化ダイポールアンテナでは、反射波がスロット穴６を通過して反射板５裏側に不要波として漏洩する。この漏洩波により、テーパバラン６を含む給電回路、送受信モジュール、制御回路、電源等の反射板５裏側に装備された各コンポーネントが、性能劣化や誤動作を生じるという問題があった。

本発明は係る課題を解決するためになされたものであり、プリント基板に形成されたダイポールアンテナの周辺に設けられた反射板の隙間を通じて漏洩する、反射波の影響を抑制することを目的とする。

本発明によるダイポールアンテナは、誘電体両面の表層に形成されたアンテナ放射部、前記誘電体両面の表層に形成され、前記アンテナ放射部が接続される地導体、前記地導体に挟まれた誘電体内層に形成され、前記アンテナ放射部に給電するトリプレート線路、がそれぞれ形成されたアンテナ基板と、前記アンテナ基板の地導体に電気的に接続され、前記アンテナ基板から立設した反射板と、を備えたものである。

また、前記ダイポールアンテナが、複数配列されてアレーアンテナを構成してもよい。

本発明によれば、ダイポールアンテナを形成する誘電体基板と反射板との間に生じる隙間をなくし、反射板方向へのダイポールアンテナの放射波が不要波として反射板裏側に漏洩することを抑圧することができる。

本発明に係る実施の形態１によるプリント化ダイポールアンテナの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態１によるプリント化ダイポールアンテナのスルーホールの接続構造を示す図である。 本発明に係る実施の形態２によるプリント化ダイポールアンテナアレーの構成を示す断面図である。 従来のプリント化ダイポールアンテナの概略構成を示す図である。

実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１によるプリント化ダイポールアンテナの概略構成を示す図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面線ＡＡ’の断面図である。プリント化ダイポールアンテナ１０は、アンテナ基板を構成する誘電体多層基板１１と、反射板１８から構成される。誘電体多層基板１１は、一方の誘電体基板１１ａと、他方の誘電体基板１１ｂから構成され、一方の誘電体基板１１ａと他方の誘電体基板１１ｂとを積層して、１枚の誘電体多層基板１１を形成する。

地導体１２は、誘電体多層基板１１における一方の端部側の両表面（両面の表層）に形成されている。放射部１３は、誘電体多層基板１１における他方の端部側で両表面（両面の表層）に形成された一対のストリップ導体線路から構成されている。給電部１４は、誘電体多層基板１１の両表面にそれぞれ形成された１対の放射部１３にそれぞれ接続される、１対のストリップ導体線路から構成される。放射部１３、給電部１４は、いずれも誘電体多層基板１１の両表面上の地導体１２をエッチングするプリント加工によって形成されている。また、誘電体多層基板１１の同一表面上の１対のストリップ導体線路からなる給電部１４は、スロット線路１５を構成している。

給電部１４は、誘電体多層基板１１の同一表面上の１対の２つのストリップ導体線路が地導体１２の端部ラインから垂直に突き出して、地導体１２に接続されている。給電部１４は、地導体１２の端部ラインから垂直に突き出した後、第１の屈曲部で直角に屈曲してから、再び地導体１２の端部ラインに対し第２の屈曲部で垂直な方向に直角に屈曲する、二段階の折れ曲がり形状をなしている。また、放射部１３は、給電部１４に対し接続部から直角に折れ曲がって接続され、その長手方向が地導体１２の端部ラインに平行な方向となるように配置されている。このとき、給電部１４を構成する２つのストリップ導体線路は、給電部１４の第２の屈曲部と放射部１３との間で、互いに近接してスロット線路１５を形成する平行２線を構成するように、第１、第２の屈曲部で２つのストリップ導体線路が近付くように折れ曲がる。また、誘電体多層基板１１の同一表面上で放射部１３を構成する１対のストリップ導体は、スロット線路１５を構成する１対のストリップ導体線路の一方の端部に各々接続される。１対の放射部１３は、２つのストリップ導体がそれぞれ同一直線上で反対方向を向き、スロット線路１５との接続部から相互に離れる方向に延伸して配置される。この１対の放射部１３は、２つの放射部１３の最外端同士の距離が、誘電体多層基板１１の電気長で入力信号の略１／２波長となるように配置される。スロット線路１５を構成する１対のストリップ導体線路の他方の端部は、前記第１、第２の屈曲部で折れ曲がることで、ロの字形状をなしており、端部が変形してスロット幅が広がった形状のスロット線路を構成している。

トリプレート線路１６は、誘電体多層基板１１の内層において、誘電体基板１１ａと誘電体基板１１ｂの間に形成される。トリプレート線路１６は、ストリップ導体線路が誘電体多層基板１１の両表面に等しく構成された地導体１２に挟まれてトリプレート線路を形成している。また、トリプレート線路１６は、ストリップ導体線路が誘電体多層基板１１の両表面に等しく構成された給電部１４に挟まれてトリプレート線路を形成している。トリプレート線路１６は、給電部１４から構成されるスロット線路１５に対して、直交して交差するように配置される。スルーホール１７はトリプレート線路１６の端部に設けられる。スルーホール１７は、トリプレート線路１６の端部を、前記第２の屈曲部の近辺で誘電体多層基板１１の両表面に設けられた給電部１４にそれぞれ短絡している。このとき、誘電体多層基板１１の同一表面上で給電部１４を構成する２つのストリップ導体線路のうち、一方の線路にスルーホール１７が接続される。給電部１４とスルーホール１７の接続部では、給電部１４を構成する２つのストリップ導体線路が近接して配置されている。すなわち、スルーホール１７は、トリプレート線路１６がスロット線路１５と交差した直後に設けられる。
放射部１３からスロット線路１５までの導体線路は、誘電体多層基板１１の両表面に、同形状で構成されている。

反射板１８は、金属板または誘電体基板の表面全面に導体膜が付着して構成される導電板からなる。反射板１８は、誘電体多層基板１１の板に垂直な法線が反射板１８の板に垂直な法線と直交するように、誘電体多層基板１１から立設して配置される。誘電体多層基板１１は、放射部１３および給電部１４が反射板１８より上方に飛び出している。反射板１８は、放射部１３から入力信号の略１／４波長（空気の電気長）離れた位置に配置される。このとき、誘電体多層基板１１の地導体１２は、反射板１８と導通するように、反射板１８の端面に密着して接続される。これによって、反射板１８と地導体１２（あるいは給電部１４）の間に隙間が介在しなくなる。また、反射板１８と地導体１２の接触面は、導通が得られるように導電性接着剤を介して密着させてもよい。また、反射板１８は、例えばＬ字形状に曲げた接触面を設けて、同接触面を介して誘電体多層基板１１に取り付けられてもよい。

なお、反射板１８は、板の厚み方向に貫通した溝状の貫通穴（スロット）を形成してもよい。この場合、誘電体多層基板１１は、反射板１８の貫通穴に差し込まれて反射板１８を貫通するように配置される。このときの反射板１８における溝状の貫通穴の溝幅は、誘電体多層基板１１の地導体１２を含めた厚みよりも僅かに小さいか同じ大きさとなり、誘電体多層基板１１が反射板１８に圧入されることとなる。また、製造上の寸法公差により、反射板１８における溝状の貫通穴の溝幅が誘電体多層基板１１の厚みよりも僅かに大きくなる場合は、反射板１８の貫通穴と誘電体多層基板１１の地導体１２との間に若干の隙間を生じるので、その隙間を埋めるように導電性接着剤を充填して、反射板１８と地導体１２の導通を取ってもよい。いずれにしても、地導体１２と反射板１８を隙間無く直接導通接続できることが構造的な特長である。

次に、本実施の形態１に係るプリント化ダイポールアンテナの動作について、送信の場合を例に説明する。アンテナは送信と受信の関係が可逆であるため、ここではアンテナから電波が放射される送信の場合を例に説明する。
図１の入力端から入力される入力信号としての送信信号は、トリプレート線路１６を伝搬し、スロット線路１５との交差点にて電磁結合によりスロット線路１５側に伝搬する。

ここで、給電部１４は地導体１２と導通している。トリプレート線路１６は、スロット線路１５と交差した直後にスルーホール１７にて誘電体多層基板１１の両表面上にある給電部１４と導通する構造としているので、トリプレート線路１６はスロット線路１５との交差点で短絡状態となる。

これにより、交差点ではトリプレート線路１６上に電流が最大で流れるためスロット１５側に効率よく電磁結合できる。また、この構造をとることで、従来のプリント化ダイポールアンテナに設けられたスタブ（整合回路）は必要なく、設計および構成が容易で、かつ、ダイポールアンテナの反射特性を広帯域化できる。また、トリプレート線路１６との交差点近傍のスロット線路１５の端部形状はスロット線路１５における、交差点から端部を見た場合が開放状態となる範囲内で任意に選択できる。この形状、大きさによってプリント化ダイポールアンテナ１０の反射特性を制御でき、広帯域化も実現できる。

また、入力信号は、給電部１４内のスロット線路１５上を伝搬し、放射部１３に到達して、放射部１３を給電する。その後、給電された放射部１３上に電流が流れ、放射部１３が励振して、プリント化ダイポールアンテナ１０からの送信波が空間に放射される。一般に、ダイポールアンテナの特性上、送信波は反射板１８の法線方向（これを直接波と呼ぶ）のほかに、反射板１８に向かう側にも同じ大きさで放射される（これを反射波と呼ぶ）。前述の通り、反射板１８は放射部１３から入力信号の略１／４波長（空気の電気長）離れているので、反射波は反射板１８で反射して同相で直接波に重畳し、アンテナ正面方向で利得が２倍となる。

反射波が反射板１８で反射する際、プリント化ダイポールアンテナ１０の本体（給電部１４）と反射板１８との間に隙間が存在しないので、反射板１８裏側に不要波として漏洩しない。このため、反射板１８裏側に配置されたコンポーネントが性能劣化を生じない。すなわち、実施の形態１のアンテナ構造を構成することによって、高アイソレーションの下で反射板１８の裏側に、給電回路、送受信モジュール、制御回路、電源等のコンポーネントを組み込むことができる。また、このように構成することで、プリント化ダイポールアンテナ１０とコンポーネントを、電波漏洩の影響を受けない同軸コネクタによって接続する必要がなく、コネクタレスにてプリント化ダイポールアンテナ１０とコンポーネントを一体化する構成が可能となる。

次に、プリント化ダイポールアンテナ１０の基板内層の詳細構造について説明する。図２は、プリント化ダイポールアンテナ１０のスルーホールの接続構造を示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）はＢＢ’断面図である。図において、スルーホール１９は、反射板１８の裏側近傍で誘電体多層基板１１の両表面の地導体１２に接続され、地導体１２と導通を取る。このスルーホール１９は、地導体１２の端部ラインと平行に反射板１８に沿って、使用周波数における波長に対して短い（例えば、略１／８以下）間隔で複数配置される。また、スルーホール２１は、誘電体多層基板１１の両表面の地導体１２に接続され、地導体１２と導通を取る。このスルーホール２１は、反射板１８の裏側近傍でトリプレート線路１６に沿って、使用周波数における波長に対して短い（例えば、略１／８以下）間隔で、トリプレート線路１６の両側近傍（両脇）に複数個配列される。

プリント化ダイポールアンテナ１０と反射板１８とは導通を保って接続されており、空間中および給電部１４上を伝搬する不要波は反射板裏側には漏洩しないが、誘電体多層基板１１中に発生した不要波は、反射板１８のみでは裏側への漏洩を防げない。スルーホール１９は、波長に対して十分に短い間隔で複数配置することで、前記誘電体多層基板１１内を伝播する不要波について、反射板１８裏側への漏洩を抑える効果がある。

また、スルーホール２１は、トリプレート線路１６の両脇に設けられている。スルーホール１９と同じように波長に対して十分に短い間隔で複数配置することで、たとえトリプレート線路１６からの不要波が発生しても、誘電体多層基板１１内の伝播を抑えて他部に影響を与えないようにすることができる。

また、図２において、スルーホール２０は、誘電体多層基板１１の両表面における放射部１３および給電部１４に接続され、放射部１３および給電部１４と導通を保って配置されている。前述の通り、放射部１３および給電部１４は同形状をなし、誘電体多層基板１１の両表面に構成され、地導体１２と接続されている。このため、両者は同電位０となり、両者を導通するスルーホール２０を設けてもプリント化ダイポールアンテナ１０の特性に悪影響を及ぼすものではない。このスルーホール２０を所望の位置に配置することで、誘電体多層基板１１内で生じる不要共振を抑えることが期待できる。

なお、図１、２において、スロット線路１５の一方の端部がロの字形状を構成しているが、２つのストリップ導体線路の間隔を維持したまま直線形状をなすように、スロット線路１５を構成してもよい（この場合スロット線路１５端部の直線形状部の長さは電気長で略１／４波長となる）。

また、図１、２において、スルーホール１７を介してトリプレート線路１６の端部が給電部１４と短絡するように構成しているが、トリプレート線路１６の端部位置を延長してオープンスタブ（電気長で略１／４波長）を構成することで、スルーホール１７を除去するように構成してもよい。

以上説明した通り、実施の形態１によるプリント化ダイポールアンテナは、ダイポールアンテナを形成する誘電体基板と反射板との間に生じる隙間をなくしたことにより、反射板方向へのダイポールアンテナの放射波が不要波として反射板裏側に漏洩することを抑圧することができる。
また、ダイポールアンテナの反射特性において、広帯域化が図れる特長もある。

実施の形態２．
図３は、本発明に係る実施の形態２に係るプリント化ダイポールアンテナアレーの構成を示す図である。実施の形態２のプリント化ダイポールアンテナアレーは、実施の形態１のプリント化ダイポールアンテナを素子アンテナとして、フェーズドアレーアンテナを構成している。図３（ａ）はプリント化ダイポールアンテナの１次元配列のアレー構成を示す斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の矢印方向からみた側面図である。図３（ａ）に示す１次元配列アレーを構成する基板が、２次元状に配列されて２次元配列のアレーを構成する。以下では、このフェーズドアレーアンテナが、アクティブフェーズドアレーアンテナを構成する場合を例に説明する。なお、実施の形態１と同符号のものは、同一のものを示す。

図３において、アンテナ基板３０は、実施の形態１で説明した複数のプリント化ダイポールアンテナ１０が、誘電体多層基板上に直線的に一元配列されて、一体的に構成されている。これによって、プリント化ダイポールアンテナ１０が一次元アンテナアレーを構成する。反射板３１は、実施の形態１で説明した反射板１８から構成されている。反射板３１は、アンテナ基板３０に形成される実施の形態１の地導体１２（図３に図示せず）と接触して、導通が得られるように、アンテナ基板３０から立設している。また、アンテナ基板３０は、冷却構造体３３と送受信モジュール３４が装荷されている。冷却構造体３３と送受信モジュール３４は、反射板３１を間に挟んでプリント化ダイポールアンテナ１０の設けられていない裏面側に配置される。送受信モジュール３４と冷却構造体３３は、アンテナ基板３０を間に挟むように配置される。

送受信モジュール３４は、金属シャーシ、または外周全面が導電性金属により被覆された誘電体多層基板パッケージから構成される。送受信モジュール３４の内部には、増幅器、移相器、ミキサ、サーキュレータなどの高周波回路が収納されている。送受信モジュール３４の外周表面は、アンテナ基板３０と導通が取られている。冷却構造体３３は、内部に循環する冷媒や高熱伝導性の部材が設けられている。冷却構造体３３は、送受信モジュール３４で発生する熱を冷却する。反射板３１は、裏面が冷却構造体３３の側面に接触し、ねじ３２によって冷却構造体３３に締結され、固定される。アンテナ基板３０は所定の間隔を設けて、アンテナ基板３０の板厚方向に複数個配列される。これによって、プリント化ダイポールアンテナ１０が二次元アンテナアレーを構成する。また、反射板３１は、隣接するアンテナ基板３０に装着された送受信モジュール３４の外周上（図３（ｂ）の上面）に配置される。このとき、反射板３１は、ガスケット３５を介して、隣接するアンテナ基板３０の送受信モジュール３４と導通が取れている。

次に、本実施の形態２によるプリント化ダイポールアンテナアレーの動作について説明する。図示しないアンテナアレーの入力端から入力される送信信号は、分配回路を介して各素子単位に伝達されて、各素子アンテナ（プリント化ダイポールアンテナ１０）に装荷されている送受信モジュール２４に伝達される。送受信モジュール２４に伝達した送信信号は、増幅、位相制御等されて、素子アンテナ（プリント化ダイポールアンテナ１０）の入力端（図１（ａ）参照）に伝わる。この入力端への入力以降の動作は、前記実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を省略する。各素子アンテナ（プリント化ダイポールアンテナ１０の放射部１３）から放射された送信波は、空間合成されて所望の放射特性を実現する。

実施の形態２に係るプリント化ダイポールアンテナアレーは、実施の形態１のプリント化ダイポールアンテナ１０を適用しているので、アンテナ基板３０と反射板３１との間に隙間は存在しない。このため、反射板裏側への不要波漏洩は起こらず、アンテナ後段に装備された給電回路、送受信モジュール、制御回路、電源等の各コンポーネントが、この不要波の漏洩による性能劣化や誤動作などを、発生しない。

また、反射板３１は隣接アンテナ基板３０との間で導通取るために、図３（ｂ）に示すように、反射板３１と、隣接アンテナ基板３０に導通している例えば隣接の送受信モジュール３４の外表面との間に、ガスケット３５を設ける。ガスケット３５は、導電性フィラーの含浸されたゴム状弾性体であっても、導電性接着剤であってもよい。

加えて、反射板３１を前面からネジ３２で、隣接の冷却構造体３３に留める構造とする。これにより、隣接するアンテナ基板３０間に隙間を生じない構成とすることができる。また、アンテナアレーを構成した状態でも、反射板裏側に不要波を漏洩させない効果を得ることができる。

なお、ガスケット３５を設ける代わりに、反射板３１の端部をフィンガー状に折り曲げて弾力性を持たせることで、隣接する送受信モジュール３４の外周表面に付勢して接触させる構造としてもよい。また、反射板３１と送受信モジュール３４を、ガスケット３５を介して導通を取ることについて説明したが、反射板３１と隣接するアンテナ基板３０に装荷された冷却構造体３３との間で、ガスケット３５を介して導通を確保する構成でもかまわない。また、前記の説明のように、直接送受信モジュール３４や冷却構造体３３に反射板３１を接続するのではなく、金属ブロックやその他の導電体を介して、反射板３１を接続する構成であってもよく、要するに反射板３１が隣接するアンテナ基板３０に対して導通を確保できればよい。

本実施の形態２によれば、反射板３１を隣接するアンテナ基板３０に導通させて固定することを特徴とする。これにより、複数のアンテナ基板３０が所定の間隔で複数個配列されて構成されるアンテナアレーにおいて、個々のアンテナ基板３０の構成単位で、アンテナ前面から容易にアンテナ基板３０を挿抜することが可能となる。これにより、反射板３１の裏側に装荷された、あるコンポーネントで故障がある場合も、一体化したアンテナ基板単位で容易に取り外し、交換することが可能である。

ところで、反射板３１の代わりにアンテナ基板３０が貫通できる穴が開いている一体化反射板を用いてもよい。この場合、アンテナ基板３０と一体化反射板の穴との間、および一体化反射板と冷却構造体や送受信モジュールの外表面などとの間に、ガスケットを塗布するなどして導通を確保することは言うまでもない。

本実施の形態１によるプリント化ダイポールアンテナは、例えば各種レーダ用アレーアンテナ（固定局、移動局問わず）の素子アンテナとして用いられ、レーダ、通信等幅広い用途に用いることができる。

１０ プリント化ダイポールアンテナ、１１ 誘電体多層基板、１２ 地導体、１３ 放射部、１４ 給電部、１５ スロット線路、１６ トリプレート線路、１７ スルーホール、１８ 反射板、１９ スルーホール、２０ 放射部、２１ スルーホール、３０ アンテナ基板、３１ 反射板、３３ 冷却構造体、３４ 送受信モジュール、３５ ガスケット。

Claims (5)

1. 誘電体の対向する表層にそれぞれ形成され、所定間隔の隙を有してそれぞれ配置された第１の放射導体及び第２の放射導体からなるアンテナ放射部、
   前記誘電体両面の表層にそれぞれ形成され、前記アンテナ放射部がそれぞれ接続される地導体、
   前記地導体及び前記アンテナ放射部の一部に挟まれた誘電体内層に形成され、前記アンテナ放射部に給電するトリプレート線路、
   および前記アンテナ放射部の第１の放射導体と第２の放射導体間の隙によって形成され、前記アンテナ放射部の先端部と前記地導体の間に配置されたスロット線路、
   がそれぞれ形成されたアンテナ基板と、
   前記アンテナ基板の地導体に電気的に接続され、前記アンテナ基板から立設した反射板と、
   を備え、
   前記トリプレート線路は、前記スロット線路と交差して前記スロット線路に電磁結合され、
   前記トリプレート線路の先端部が前記スロット線路と交差した直後の位置で、前記トリプレート線路をスルーホールにて前記スロット線路の一部に短絡し、
   前記スロット線路は、前記地導体との接続部周辺でスロット幅が広がっている
   ことを特徴とするダイポールアンテナ。
2. 前記反射板の周囲において、前記誘電体両面の地導体に接続されたスルーホールを備えた請求項１に記載のダイポールアンテナ。
3. 前記アンテナ基板は、前記請求項１または請求項２に記載されたアンテナ放射部およびトリプレート線路が複数配列されたアレーアンテナ。
4. 前記請求項１から請求項３の何れか１項のアンテナ基板が所定の間隔をなして複数配列され、反射板が導電体を介して隣接するアンテナ基板に接触して導通したアレーアンテナ。
5. 前記請求項１から請求項４の何れか１項のアンテナ基板が所定の間隔をなして複数配列され、弾性を有した反射板が隣接するアンテナ基板に接触して導通したアレーアンテナ。

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