JP5016014B2 - Tapered slot antenna - Google Patents
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Description
本発明は、携帯型情報端末等の無線装置に内蔵可能な平面アンテナのうち、特にテーパードスロットアンテナ（Tapered Slot Antenna、以後ＴＳＡと略記）に関し、更に詳しくは、Ｅ面におけるアンテナ放射パターンのサイドロブレベルを低減することが可能なＴＳＡに関するものである。 The present invention relates to a tapered slot antenna (Tapered Slot Antenna, hereinafter abbreviated as TSA) among planar antennas that can be built in a wireless device such as a portable information terminal, and more specifically, a side lobe of an antenna radiation pattern on the E plane. The present invention relates to a TSA capable of reducing the level.
ＴＳＡは、進行波型平面アンテナの一種であり、誘電体基板上に形成された金属導体薄膜によって構成されるスロットの幅が、当該線路の伸長方向に沿って徐々に広がったテーパー形状を有するアンテナである。このような構造を有するＴＳＡは、スロットに強く束縛されて伝搬する信号（電磁エネルギー）がテーパー部分を伝搬するうちに自由空間を伝搬するモードに遷移することで基板端からスロットの伸長方向（すなわちテーパーが広がる方向）に電磁波が放射される、いわゆるエンドファイア型のアンテナである。 The TSA is a kind of traveling wave type planar antenna, and an antenna having a tapered shape in which the width of a slot formed by a metal conductor thin film formed on a dielectric substrate gradually widens along the extending direction of the line. It is. In the TSA having such a structure, the signal (electromagnetic energy) that is strongly bound to the slot and propagates in the taper portion changes to a mode in which it propagates in free space, so that the slot extending direction from the substrate edge (that is, This is a so-called endfire antenna in which electromagnetic waves are radiated in the direction in which the taper spreads.
ＴＳＡは、誘電体基板上の導体のみで構成され、フォトリソグラフィー技術によって簡単に作製可能であり、軽量、薄型で、かつコプレーナ線路等から成る回路との集積化も容易であるため、マイクロ波からミリ波の周波数帯まで通信用、計測用などさまざまな用途に利用されている。 TSA is composed only of a conductor on a dielectric substrate, can be easily manufactured by photolithography technology, is lightweight, thin, and easy to integrate with a circuit composed of a coplanar line, etc. It is used for various purposes such as communication and measurement up to the millimeter-wave frequency band.
ＴＳＡの放射パターンはＴＳＡを構成するテーパー形状によって制御され、これまでにも様々なテーパー形状を有するＴＳＡが報告されている。例えば、非特許文献１には、代表的なＴＳＡである、テーパー形状が直線状に形成されたＬＴＳＡ（Linearly-Tapered Slot Antenna）の放射パターンとともに、テーパー形状が異なる幾つかのＴＳＡに関する放射パターンについて報告されている。
The radiation pattern of TSA is controlled by the taper shape constituting TSA, and TSA having various taper shapes has been reported so far. For example, Non-Patent
また、非特許文献１では、テーパー形状がフェルミ・ディラック関数曲線で規定される、いわゆるフェルミアンテナの放射パターンについても報告されており、テーパー形状をフェルミ・ディラック関数曲線で構成することによりＬＴＳＡと比較して、Ｈ面における第１サイドロブレベルが５ｄＢ程度低減されることが開示されている。
Non-Patent
一般に、サイドロブレベルは、スピルオーバーの観点からなるべく低いレベルに抑えられることが望ましい。例えば送信アンテナを考えた場合、スピルオーバーがあると放射電力が無駄になるばかりでなく、他の通信などに対する妨害にもなる。また、受信アンテナを考えた場合、サイドロブレベルが高いと本来受信すべき主ロブ方向からの到来電磁波信号以外にサイドロブ方向からの余分な信号をも受信してしまい、結局ノイズ成分が大きくなってしまう。 In general, the side lobe level is desirably kept as low as possible from the viewpoint of spillover. For example, when considering a transmitting antenna, spillover not only wastes radiated power but also interferes with other communications. In addition, when considering the receiving antenna, if the side lobe level is high, in addition to the incoming electromagnetic signal from the main lob direction that should be received, extra signals from the side lob direction are also received, resulting in a large noise component. End up.
前述のように、非特許文献１によれば、ＴＳＡのテーパー形状がフェルミ・ディラック関数曲線で規定されるフェルミアンテナにおいては、通常のＬＴＳＡと比較してＨ面における第１サイドロブレベルを抑圧することが可能である。
しかしながら、Ｅ面のサイドロブレベルを比較すると、ＬＴＳＡとフェルミアンテナとで顕著な差異は認められない。非特許文献１には、Ｅ面のサイドロブレベルを抑圧する手段は開示されていない。
As described above, according to Non-Patent
However, when the side lobe levels on the E plane are compared, there is no significant difference between the LTSA and the Fermi antenna. Non-Patent
本発明の目的は、ＴＳＡの放射パターンにおいて、Ｅ面の第１サイドロブレベルを、例えばＬＴＳＡと比較して低減することが可能な手段を提供することにある。 An object of the present invention is to provide means capable of reducing the first side lobe level of the E plane in the radiation pattern of TSA as compared with, for example, LTSA.
本発明のテーパードスロットアンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板上に形成された導体と、この導体に形成されたスロットと、前記導体に形成され、前記スロットの一端と連続し、かつ前記スロットの伸長方向に沿ってスロット幅が漸次拡大する切欠きからなるテーパー部とを備え、前記スロットの伸長方向と垂直な方向の座標をｘ、前記スロットの伸長方向と平行な方向の座標をｙとしたとき、前記誘電体基板と平行な平面上における前記導体と前記テーパー部との境界線の座標（ｘ，ｙ）は、ｘ＝ａ［ｔａｎｈ（ｂｙ＋ｃ）＋ｄ］＋ｏｆｆｓｅｔ（ａ，ｃ，ｄは任意の定数、ｂは正の値を持つ任意の定数、ｏｆｆｓｅｔはオフセット量）で記述される双曲線正接関数曲線により規定されることを特徴とするものである。 The tapered slot antenna according to the present invention includes a dielectric substrate, a conductor formed on the dielectric substrate, a slot formed in the conductor, a conductor formed on the conductor, and continuous with one end of the slot. and a tapered portion consisting of notch slot width is gradually enlarged along the extending direction of the slot, the extension direction perpendicular to the direction of the coordinates before Symbol slot x, the direction of elongation parallel to the direction of the coordinates of the slot When y is set, the coordinate (x, y) of the boundary line between the conductor and the tapered portion on a plane parallel to the dielectric substrate is x = a [tanh (by + c) + d] + offset (a , c , d is an arbitrary constant, b is an arbitrary constant having a positive value, offset is an offset amount) , and is defined by a hyperbolic tangent function curve .
本発明によれば、テーパードスロットアンテナを構成するテーパー部の形状を双曲線正接関数（ｔａｎｈ；ハイパボリックタンジェント）曲線で規定することにより、テーパードスロットアンテナの放射パターンにおいてＥ面の第１サイドロブレベルを、従来のテーパードスロットアンテナと比較して抑圧することが可能となる。 According to the present invention, by defining the shape of the tapered portion constituting the tapered slot antenna by a hyperbolic tangent function (tanh; hyperbolic tangent) curve, the first side lobe level of the E plane in the radiation pattern of the tapered slot antenna is obtained. It becomes possible to suppress compared with the conventional tapered slot antenna.
以下、本発明の実施の形態に係るＴＳＡについて図面を参照しながら詳細に説明する。先ずＴＳＡの典型的な構造を示すために、図１に従来の代表的なＴＳＡであるＬＴＳＡ（Linearly-Tapered Slot Antenna）の模式図を示す。誘電体基板１上に形成された金属薄膜２には、スロット（溝）３が設けられてスロット線路を形成している。また、金属薄膜２には、スロット３の一端と連続し、かつスロット３の伸長方向（図中、ｙ軸正方向）に沿ってスロット幅が直線状に拡大する切欠きからなるテーパー部４が設けられている。ここで、誘電体基板１は、例えばアルミナやポリイミドといった材料から成る。金属薄膜２には、例えば銅箔や金箔が用いられる。スロット３やテーパー部４は、誘電体基板１が露出するまで金属薄膜２にエッチング等を施すことにより容易に作製できる。
Hereinafter, a TSA according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, in order to show a typical structure of a TSA, FIG. 1 shows a schematic diagram of an LTSA (Linearly-Tapered Slot Antenna) which is a conventional typical TSA. A slot (groove) 3 is provided in the metal
スロット３にｙ軸負方向から入力された信号は、当該線路に沿ってｙ軸正方向に伝搬するうちに、テーパー部４において自由空間を伝搬するモードに遷移し、最終的に基板端からｙ軸正方向に電磁波（スロット３に対して垂直方向に電界が生じる直線偏波）として放射される。なお、放射パターンにおけるＥ面とは、図１に示す座標系ではｘｙ面であり、Ｈ面はｙｚ面である。
While the signal input to the
図２は、本発明の実施の形態に係るＴＳＡの平面図である。図２の座標系の設定は図１と同じであり、図２はｚ軸正方向からＴＳＡを見た図である。なお、図２に示すＴＳＡにおいて、図１と同じ構成要素については、図１と同一の符号を付して表している。図２中、Ｌはスロット３の長さ、ＡＬはテーパー部４ａの長さ、ＡＡはアンテナ開口長、Ｄはアンテナ開口端と基板端との距離、を表す。ＬＴＳＡの場合と同様に、スロット３やテーパー部４ａは、金属薄膜２にエッチング等を施すことにより容易に作製できる。
FIG. 2 is a plan view of the TSA according to the embodiment of the present invention. The setting of the coordinate system in FIG. 2 is the same as that in FIG. 1, and FIG. 2 is a view of TSA viewed from the positive z-axis direction. In the TSA shown in FIG. 2, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. In FIG. 2, L represents the length of the
図１に示すＬＴＳＡと図２に示す本実施の形態のＴＳＡとで特徴的に異なる点は、テーパー部の形状である。図１に示すＬＴＳＡでは、テーパー部４は直線状に形成されているのに対し、図２に示す本実施の形態のＴＳＡでは、テーパー部４ａは双曲線正接関数（ｔａｎｈ；ハイパボリックタンジェント）曲線に従って形成されている。当該双曲線正接関数は、具体的には以下の数式で記述される。
ｘ＝ａ［ｔａｎｈ（ｂｙ＋ｃ）＋ｄ］＋ｏｆｆｓｅｔ ・・・（１）
ここで、ａ，ｂ，ｃ，ｄは任意の定数であり、ｏｆｆｓｅｔは座標原点の採り方に伴う定数であるオフセット量である。式（１）における座標（ｘ，ｙ）は、図２に示すｘｙ面上における金属薄膜２とテーパー部４ａとの境界線の座標を表す。
A characteristic difference between the LTSA shown in FIG. 1 and the TSA of the present embodiment shown in FIG. 2 is the shape of the tapered portion. In the LTSA shown in FIG. 1, the
x = a [tanh (by + c) + d] + offset (1)
Here, a, b, c, and d are arbitrary constants, and offset is an offset amount that is a constant according to how to set the coordinate origin. Coordinates (x, y) in Equation (1) represent the coordinates of the boundary line between the metal
以下では、本実施の形態のＴＳＡの放射パターンと従来のＬＴＳＡの放射パターンとを、電磁界シミュレーション結果に基づいて比較し、本実施の形態の効果を確認する。なお、比較対象としてのＬＴＳＡの平面図は図３に示すとおりである。 Hereinafter, the radiation pattern of the TSA of the present embodiment and the radiation pattern of the conventional LTSA are compared based on the electromagnetic field simulation result, and the effect of the present embodiment is confirmed. In addition, the top view of LTSA as a comparison object is as showing in FIG.
電磁界シミュレーションにおいては、図２に示す本実施の形態のＴＳＡおよび図１、図３に示すＬＴＳＡともに、誘電体基板１を厚さ５０μｍのポリイミド（比誘電率３．５）からなるものとし、金属薄膜２を厚さ３μｍの金（Ａｕ）からなるものとしている。また、それぞれのアンテナの寸法は、Ｌ＝２．４ｍｍ、ＡＬ＝９．６ｍｍ、ＡＡ＝Ｄ＝２．４ｍｍとすべて同一とし、また、スロット３のギャップ（スロット幅）も両アンテナで５０μｍと同一としている。したがって、図２に示す本実施の形態のＴＳＡと図１、図３に示すＬＴＳＡにおける唯一の違いはテーパー部の形状のみである。本実施の形態のＴＳＡのテーパー部４ａの形状は、前述したように、式（１）の双曲線正接関数曲線によって規定される。
In the electromagnetic field simulation, both the TSA of the present embodiment shown in FIG. 2 and the LTSA shown in FIGS. 1 and 3 are such that the
以下の電磁界シミュレーションにおいては、ｘｙ面の原点Ｏを図２のように設定する。すなわち、図２中のｙ軸の原点をスロット３とテーパー部４ａの接続点（“Ｌ”と“ＡＬ”の切り替わり点）とし、ｘ軸の原点をスロット３の中心線Ｃ上にあるものとする。式（１）中の任意定数をそれぞれ、ａ＝０．６４９１ｍｍ、ｂ＝０．３１２５ｍｍ-1、ｃ＝−１．５、ｄ＝０．９０５２と設定した。また、式（１）中のｏｆｆｓｅｔは２５μｍである。なお、図２中のテーパー部４ａを構成する２本の双曲線正接関数曲線は、ｙ軸と平行なスロット３の中心線Ｃに関して完全に対称となっている。
In the following electromagnetic field simulation, the origin O of the xy plane is set as shown in FIG. That is, the origin of the y-axis in FIG. 2 is the connection point between the
図２に示す本実施の形態のＴＳＡおよび図１、図３に示すＬＴＳＡの２つのアンテナにおいて、上述のように寸法および形状を設定した場合の、周波数１２５ＧＨｚにおける放射パターンの電磁界シミュレーション結果を図４および図５に示す。図４はＥ面における放射パターンを示し、図５はＨ面における放射パターンを示している。図４、図５において、横軸は放射角、縦軸は放射強度である。また、図４、図５では、ＬＴＳＡの放射パターンを実線で示し、本実施の形態のＴＳＡ（図４、図５のｔａｎｈ−ＴＳＡ）の放射パターンを破線で示している。 2 shows the electromagnetic field simulation results of the radiation pattern at a frequency of 125 GHz when the dimensions and shape are set as described above for the two antennas of the TSA of the present embodiment shown in FIG. 2 and the LTSA of FIGS. 4 and FIG. 4 shows the radiation pattern on the E plane, and FIG. 5 shows the radiation pattern on the H plane. 4 and 5, the horizontal axis represents the radiation angle, and the vertical axis represents the radiation intensity. 4 and 5, the radiation pattern of LTSA is indicated by a solid line, and the radiation pattern of the TSA of the present embodiment (tanh-TSA in FIGS. 4 and 5) is indicated by a broken line.
なお、図４および図５に示した放射パターンは、主偏波成分および交差偏波成分すべてを含むものであるが、Ｅ面、Ｈ面とも交差偏波成分は−１５ｄＢから−２０ｄＢ程度あるいはそれ以下と充分に小さい。したがって、図４および図５に示した放射パターンは、ほぼ主偏波成分のみによって形成されている。 Note that the radiation patterns shown in FIGS. 4 and 5 include all of the main polarization component and the cross polarization component, but the cross polarization components of the E plane and the H plane are about −15 dB to −20 dB or less. Small enough. Therefore, the radiation patterns shown in FIGS. 4 and 5 are formed only by the main polarization component.
図４に示すＥ面における放射パターンを見ると、放射角が±５０度の近傍においてＬＴＳＡの放射パターンには第１サイドロブが現れているが、本実施の形態のＴＳＡでは第１サイドロブがほとんど消失しており、ＬＴＳＡと比較して最大でおよそ１０ｄＢ程度の第１サイドロブの低減効果があることが確認できる。 Looking at the radiation pattern on plane E shown in FIG. 4, the first side lob appears in the radiation pattern of LTSA near the radiation angle of ± 50 degrees, but the first side lob almost disappears in the TSA of the present embodiment. Therefore, it can be confirmed that there is a reduction effect of the first side lobe of about 10 dB at the maximum as compared with LTSA.
また、図５に示すＨ面における放射パターンを見ると、ＬＴＳＡと本実施の形態のＴＳＡとを比較した場合、本実施の形態のＴＳＡでは、僅かながらサイドロブレベルが低減されているが、Ｅ面ほどには顕著な差は見られない。しかしながら、少なくとも本実施の形態のＴＳＡを用いることによってＨ面におけるサイドロブレベルが極端に増大してしまうといったデメリットが無いことが確認できる。 Further, when the radiation pattern on the H plane shown in FIG. 5 is compared, when the LTSA and the TSA of the present embodiment are compared, the side lobe level is slightly reduced in the TSA of the present embodiment. There is no noticeable difference as much as the surface. However, it can be confirmed that there is no demerit that the side lobe level on the H plane is extremely increased by using at least the TSA of the present embodiment.
以上、詳細に説明したように、本実施の形態のＴＳＡによれば、アンテナのテーパー部を双曲線正接関数（ｔａｎｈ）曲線で規定することにより、Ｅ面におけるサイドロブレベルを低減あるいは抑圧することが可能となる。これは、アンテナのテーパー部をフェルミ・ディラック関数曲線で規定する、いわゆるフェルミアンテナにおいて、Ｈ面のサイドロブレベルが低減あるいは抑圧されるという点と極めて対照的であり、本実施の形態独自の効果である。 As described above in detail, according to the TSA of the present embodiment, the side lobe level on the E plane can be reduced or suppressed by defining the tapered portion of the antenna with a hyperbolic tangent function (tanh) curve. It becomes possible. This is in sharp contrast to the so-called Fermi antenna in which the taper portion of the antenna is defined by a Fermi-Dirac function curve, and the side lobe level of the H plane is reduced or suppressed. It is.
本発明は、テーパードスロットアンテナに適用することができる。 The present invention can be applied to a tapered slot antenna.
１…誘電体基板、２…金属薄膜、３…スロット、４ａ…テーパー部。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
この誘電体基板上に形成された導体と、
この導体に形成されたスロットと、
前記導体に形成され、前記スロットの一端と連続し、かつ前記スロットの伸長方向に沿ってスロット幅が漸次拡大する切欠きからなるテーパー部とを備え、
前記スロットの伸長方向と垂直な方向の座標をｘ、前記スロットの伸長方向と平行な方向の座標をｙとしたとき、前記誘電体基板と平行な平面上における前記導体と前記テーパー部との境界線の座標（ｘ，ｙ）は、ｘ＝ａ［ｔａｎｈ（ｂｙ＋ｃ）＋ｄ］＋ｏｆｆｓｅｔ（ａ，ｃ，ｄは任意の定数、ｂは正の値を持つ任意の定数、ｏｆｆｓｅｔはオフセット量）で記述される双曲線正接関数曲線により規定されることを特徴とするテーパードスロットアンテナ。 A dielectric substrate;
A conductor formed on the dielectric substrate;
A slot formed in this conductor;
A tapered portion formed in the conductor, continuous with one end of the slot, and formed of a notch whose slot width gradually increases along the extending direction of the slot;
The boundary between the conductor and the tapered portion on a plane parallel to the dielectric substrate, where x is a coordinate perpendicular to the extension direction of the slot and y is a coordinate parallel to the extension direction of the slot. The coordinates (x, y) of the line are described by x = a [tanh (by + c) + d] + offset (a, c, d are arbitrary constants, b is an arbitrary constant having a positive value, and offset is an offset amount). A tapered slot antenna defined by a hyperbolic tangent function curve .
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