JP4243013B2

JP4243013B2 - 平面アンテナ基板

Info

Publication number: JP4243013B2
Application number: JP2000363693A
Authority: JP
Inventors: 弘志内村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: JP2002171119A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にマイクロ波及びミリ波用のアンテナ基板に関するもので、特にレンズを利用したアレーアンテナの給電部回路にに関する。
【０００２】
【従来技術】
マイクロ波及びミリ波を用いた通信などのシステムでは、電磁波を外部に放射するためにアンテナが必要となり、そこに要求されるアンテナ特性もシステムに応じて様々なものが要求されている。
【０００３】
その要求に答えるために、複数のアンテナを用いたアレーアンテナが一般に用いられる。送信系で考えると、一般にアンテナの入力ポートは１つであるため、複数のアンテナ素子に給電するための分配構造が必要となる。アレーアンテナにおける分配構造では、電力の分配と位相の調整が重要となる。多くの場合、等電力等位相で分配される。
【０００４】
このような分配構造の最も簡単な構造として２分岐法がよく知られている。この分配構造の利点は、基本的に同じ構造で対称的に分岐部を配置すれば、自動的に等電力等位相が容易に実現できることである。また、設計値に対して周波数や全体的なサイズがずれた場合でも上記等電力等位相は補償されるため、アンテナの給電回路による周波数帯域の狭帯域化がなく、また製造上のバラツキも緩和される利点がある。また、欠点としては、大きなアレーアンテナでは給電線が長くなり、給電過程での伝送損失が大きくなること及びアレー数が２のｎ乗（ｎは整数）に制限されることである。
【０００５】
また、直列構造による分配方法も知られている。これは、１本の給電線に複数のアンテナ素子を直列的に結合させたものである。この分配方法の利点は、給電構造が簡単で、給電線の長さが短くなるため、伝送損失が小さく抑えられることにある。しかし、各アンテナ素子に順次電力を分配するため、給電線と各アンテナ素子との結合量を調整しなければならない欠点がある。また、各アンテナから放射される電磁波を同相にするためには、給電線の１伝播波長の間隔でアンテナ素子を結合させる必要がある。このため、設計値に対して周波数やサイズがずれた場合、大きく特性にずれが生じる欠点がある。
【０００６】
さらに他の方法としては、例えば実開平０２−５９１６号にて提案されているように、誘電体レンズを用いた分配構造もある。図６に誘電体レンズを用いたアンテナの一例を示す。１１は誘電体レンズ、１２は入力ポート、１３はアンテナ素子への出力ポート、１４はホーン型導波路、及び１５は導波路、１６はアンテナ素子（スロット）である。入力ポート１２から入力された電磁波は、ホーン型導波路１４を平行平板モードで2次元の球面波状に伝播し、誘電体レンズ１１により2次元の平面波に変換される。この平面波は出力ポート１３を通り導波路１５に給電され、多数のアンテナ素子１６から徐々に放射される。
【０００７】
この方式は給電系が非常に簡単で、給電経路が短いため高いアンテナ効率を実現できる。このアンテナにおいて、ｘ方向の電力配分は導波路１５における直列給電方式を用いたものであり、前述のような問題点はあるものの、ｙ方向の給電はレンズを用いた給電方式であり、寸法バラツキに強いのが特徴である。
【０００８】
また、特開平０４−１８６９０３号に報告されているものは、図６の誘電体レンズ１１とホーン型給電路１４を裏面に折り返し、アンテナサイズの縮小化を計っている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
誘電体レンズを用いた構造のアンテナは、上述のように高い特性が期待できるが、従来例である図６に示したアンテナの場合、構造は簡単であるが、アンテナ面積が大きく大型化するという欠点がある。一方、誘電体レンズ１１とホーン型導波路１４を用いた給電路を裏面に折り返したアンテナ構造の場合、上記問題点が解決できるが、２層構造となるため、金属によって導波路により作るのは、溶接時のひずみ等の問題が有り難しい。
【００１０】
一方、このような構造を多層基板により製造することも可能であるが、レンズ部分の誘電率をその他の領域に対して変える必要がある。このため、例えば誘電体基板にレンズ状の孔を空けた後、その孔に異種材料を流し込み、さらにメタライズペーストを塗ってこの孔を塞ぐことにより製造可能であろうが、レンズ部の面積が基板厚みに比べて非常に大きいため、加工性やコスト的な問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題に対して検討を重ねた結果、誘電体基板の一部に多数の孔を空け、この孔内に誘電体基板とは異なる誘電率を有する誘電体を埋め込むことにより、低コストで容易に製造可能な平面アンテナ基板が得られることを見出し、本発明に至った。
【００１２】
即ち、本発明の平面アンテナ基板は、第１の誘電体で形成された１層以上の誘電体層と、少なくとも該誘電体層の上下面に設けられたグランド層とからなる高周波信号伝播領域の一部に、直径が信号波長の１／２未満の孔内に前記第１の誘電体とは異なる誘電率を有する第２の誘電体を充填してなる複数の誘電体ビアを形成してなり、該誘電体ビアの集合体により平面型レンズが形成されてなることを特徴とするものである。
【００１３】
また、前記高周波信号伝播領域内の前記誘電体ビアの形成密度を連続的または段階的に変える、あるいは前記高周波信号伝播領域内の前記誘電体ビアの誘電体の誘電率を部分的に変えることにより、実効誘電率を変化させることができる。
【００１４】
なお、前記第１の誘電体の誘電率が前記第２の誘電体よりも高いことによって、実効誘電率を高めレンズの性能を高めることができる。
【００１５】
なお、前記誘電体層および前記誘電体ビアを構成する第１および第２の誘電体がいずれもセラミックスからなり、同時焼成によって形成されてなることが望ましい。特に、前記第１および第２の誘電体が、低温焼成セラミックスからなり、前記グランド層が銅または銀を主体とする導体材料からなることが望ましい。
【００１６】
本発明のかかる平面アンテナ基板によれば、高周波信号伝播領域の一部に形成する平面型レンズを、直径が信号波長の１／２未満の孔内に前記第１の誘電体とは異なる誘電率を有する第２の誘電体を充填してなる複数の誘電体ビアを配列することによって形成することによって、容易かつ低コストでアンテナ基板を作製することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の平面アンテナ基板の一例を図１乃至図５をもとに説明する。
図１は、本発明の平面アンテナ基板におけるアンテナ素子群（図示せず）への給電部の（ａ）平面図及び（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図である。ここで、１は誘電体基板、２は誘電体ビア、３は導体ビア、４はメタライズ層、５は平面型レンズ、６は導波路である。また、７は入力ポート（一次放射器）、８は出力ポートである。
【００１８】
図１によれば、本発明の平面アンテナ基板は、２つのメタライズ層４、４に挟まれた誘電体基板１中に平面型レンズ５と導波路６とを形成するものであり、導波路６はメタライズ層４と導体ビア３とにより形成され、平面型レンズ５は誘電体ビア２の集合体により形成されている。平面型レンズ５と入力ポート７との間の導波路６は、図１（ａ）に示すように、導体ビア３の間隔が徐々に間隔が広がるようにしてホーン型に形成されており、ホーンの先端は平面型レンズ５の焦点距離近傍となるように設定される。
【００１９】
入力ポート７から入力された電磁波は、２次元的な球面波としてホーン型の導波路６内に放射されるが、ホーン先端はレンズの焦点距離近傍となるように配置されているので、平面型レンズ５を通過した電磁波は２次元的な平面波に変換される。
【００２０】
この平面型レンズ５は次のように形成される。図３に示すように、誘電体基板１に、孔加工を施し、そこに誘電体基板１を構成する第１の誘電体とは誘電率の異なる第２の誘電体を埋め込む。この孔加工は、例えばピンによる加工やレーザによる加工で行われる。またこの第２の誘電体は、樹脂であっても、セラミックスラリーであっても良い。適当に粘度調整を行い、印刷または圧入により埋め込む。印刷により埋め込む場合、孔径は誘電体基板１の厚みの２倍以下にすることが望ましい。これは、孔が大きいと、埋め込んでも脱落してしまうためである。このように、誘電率の異なる材料を孔内に埋め込むことにより、局部的に誘電率を変えることが可能となる。
【００２１】
図４は、誘電体基板１に直径ａの誘電体ビア２を三角格子状に配置したものである。このときの格子定数はｄである。このような空間を電磁波が伝播するとき、誘電体ビア径ａがおおむね信号の伝播波長の１／２未満であれば、単一誘電体ビアでの共振現象は発生せず、電磁波の感受する誘電率はその平均になる。ここで、誘電体基板１の誘電率をε₀、孔内に埋め込まれた第２の誘電体の誘電率をε₁とすると、図４のように配置された部分の実効的な誘電率εｅは次のようになる。
【００２２】
εｅ＝ε₀ ＋（πａ²／２√３ｄ²）・（ε₁−ε₀）
従って、誘電体基板１を形成する第１の誘電体より高い誘電率を有する第２の誘電体を埋め込むことによって、誘電体基板内の一部に高誘電率部を形成することができる。また、逆に基板内の一部に低誘電率部を形成することもできる。
【００２３】
なお、埋め込む誘電体の誘電率は、誘電体基板１の誘電率ε₀との差が大きすぎると反射が大きくなるので、ε₀／１０〜１０・ε₀、特に１．５・ε₀〜１０・ε₀が望ましい。
【００２４】
図１の例では高い誘電率を有する第２の誘電体を埋め込んだ場合の例で、この場合、平面型レンズ５は凸形状であるが、低誘電率材料を用いた場合は、凹形状の平面型レンズを用いれば同様な効果が得られる。
【００２５】
さらに、この実効誘電率は、埋め込み誘電体の誘電率や、その幾何学的な配置により変化させることもできる。例えば、図５は、本発明の手法を用いて、誘電率を徐々に変化させた例を示したものである。（ａ）は、誘電体ビア２の形成密度を左側に徐々に密になるように変化させたもの、（ｂ）は誘電体ビア２の幾何学的な配置はすべて同じであるが、誘電体ビア２中の埋め込まれている誘電体の誘電率を左側に徐々に大きくなるように変化させたもの、（ｃ）は誘電体基板１を複数の誘電体層１−１〜１〜５によって形成し、各誘電体層での誘電体ビアの形成する箇所を１−１から１−５に従って徐々に形成領域を拡大したものである。また、このような手法を相互に組み合わせることによっても誘電率を変えることができる。図２は、上記の手法のうち、図５（ａ）の誘電体ビアの形成密度を徐々に変化させることによって、誘電率を徐々に変えたものである。
【００２６】
本発明の平面型アンテナ基板において、誘電体基板１は、有機樹脂、セラミックスのいずれでも良いが、特に低温焼成セラミック材料を用いると良い。これは、導体ビア３、メタライズ層４として導体損失の小さい銅や銀のメタライズが使用可能である点で有利である。また、焼成温度が低いため、母材の誘電体基板材料と誘電体ビア材料との反応を極力避けることができるために、誘電体ビアの材料として多種のものが利用できる。さらに、このような低温焼結セラミック材料を用いることにより、さまざまな配線との一体化や半導体素子のパッケージとしても用いることができる。
【００２７】
なお、本発明の平面アンテナ基板によれば、図１、図２に記載の高周波信号伝播領域の出力ポート８は、そのままアンテナ面として用いてもよいが、図６に示したようなメタライズ層にアンテナ素子群（スロットアンテナ）１６を形成した誘電体基板の端面と一体的に接続することによっても平面アンテナ基板を形成できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の平面アンテナ基板は、信号波長に比べ十分に小さい孔に誘電率の異なる材料を埋め込むことにより局部的にしかも容易に誘電率を変えることが可能となるので、平面型レンズが基板内に容易に作成でき、この結果、安価で良好な特性のアンテナ基板を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平面型アンテナ基板の一例を説明するための（ａ）平面図と（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の平面型アンテナ基板の他の例を説明するための（ａ）平面図と（ｂ）Ｂ−Ｂ断面図である。
【図３】本発明における平面型レンズの構造を説明するための概略斜視図である。
【図４】本発明における平面型レンズの実効誘電率を計算するためのモデルを示す図である。
【図５】本発明における実効誘電率を徐々に変化させるための種々の手法を説明するための断面図である。
【図６】従来のレンズを用いた平面型アンテナ基板の概略斜視図である。
【符号の説明】
１誘電体基板
２誘電体ビア
３導体ビア
４メタライズ層
５平面型レンズ
６導波路
７入力ポート
８出力ポート

Claims

第１の誘電体で形成された１層以上の誘電体層と、少なくとも該誘電体層の上下面に設けられたグランド層とからなり、高周波信号伝播領域の一部に、直径が信号波長の１／２未満の孔内に前記第１の誘電体とは異なる誘電率を有する第２の誘電体を充填してなる複数の誘電体ビアを形成してなり、該誘電体ビアの集合体により平面型レンズが形成されてなることを特徴とする平面アンテナ基板。
前記高周波信号伝播領域内の前記誘電体ビアの形成密度を連続的または段階的に変えることにより実効誘電率を変化させてなる請求項１の平面アンテナ基板。
前記高周波信号伝播領域内の前記誘電体ビアの誘電体の誘電率を部分的に変えることにより実効誘電率を変化させてなる請求項１の平面アンテナ基板。
前記誘電体層および前記誘電体ビアを構成する第１および第２の誘電体が、同時焼成によって形成されてなる請求項１乃至３のいずれか記載の平面アンテナ基板。
前記第１の誘電体の誘電率が前記第２の誘電体よりも高いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載の平面アンテナ基板。
前記第１および第２の誘電体が、低温焼成セラミックスからなり、前記グランド層が、銅あるいは銀を主体とする導体材料からなることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか記載の平面アンテナ基板。