JP6379072B2

JP6379072B2 - ビームスキャナ

Info

Publication number: JP6379072B2
Application number: JP2015124462A
Authority: JP
Inventors: 卓郎田島; 昌人中村; 大祐来山
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; NTT Inc USA
Current assignee: NTT Inc; NTT Inc USA
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2035-06-22
Also published as: JP2017011468A

Description

本発明は、ビームスキャナの製造を容易にする技術に関する。

従来、漏れ波ビームスキャナは、周波数可変によりスキャニング角を広くとるために、広帯域の周波数帯を使用する必要があった。近年、伝送路アプローチによる左手系メタマテリアルの進展により、複合右手／左手系の概念から、バックファイアとエンドファイアの両方への偏角を実現した漏れ波アンテナが報告されている。また、メタマテリアルを利用したビームスキャナは、伝送路アプローチによりバラクタダイオードを用いた電気的な掃引を用いた漏れ波ビームスキャナ（非特許文献１）や周波数掃引による導波管型の漏れ波ビームスキャナ（非特許文献２）がある。

図９に周波数掃引による漏れ波導波管型ビームスキャナを示す。このようなビームスキャナは金属切削により導波管や周期的なショートスタブを作成する方法、もしくは導波管やショートスタブを形成した後に電鋳により作成する方法が挙げられる。また周期的なアイリスの作製法としては、別途作成したアイリス層をスタブと交互に配置する方法がある。その他には、金属切削により周期的なアイリスを作成する方法、周期的なアイリスの型を形成した後に電鋳により作成する方法等があり、いずれもショートスタブやアイリスの互いの位置関係やサイズに高い寸法精度が求められる。特に、スロットをミリ波やテラヘルツ波帯では波長がサブミリのオーダとなるため、導波管も同等のサイズとなる他、スタブの場合は、溝の深さが浅くなり、ピッチ間隔が狭くなる。そのような漏れ波導波管型アンテナを製造するには、数十μｍオーダの高い寸法精度が求められる。

Sungjoon Lim, Christophe Caloz, and Tatsuo Itoh, "Metamaterial-Based Electronically Controlled Transmission-Line Structure as a Novel Leaky-Wave Antenna With Tunable Radiation Angle and Beamwidth", IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 53, NO. 1, JANUARY 2005 Takaoki Ikeda, Kunio Sakakibara, Toru Matsui, Nobuyoshi Kikuma, and Hiroshi Hirayama, "Beam-Scanning Performance of Leaky-Wave Slot-Array Antenna on Variable Stub-Loaded Left-Handed Waveguide", IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, VOL. 56, NO. 12, DECEMBER 2008

しかしながら、ビームスキャナの周期的なスタブやアイリスを構成するには、高度な位置精度を要する製造技術が必要なため、製造が難しく安価に製造できなかった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、製造の容易なビームスキャナを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のビームスキャナは、導波路を形成するための孔を有する誘電体基板が積層されたビームスキャナであって、前記導波路の周方向における第１部分においては、複数のビアが貫通する１以上の前記誘電体基板とビアが貫通しない１以上の前記誘電体基板が交互に積層されており、前記第１部分以外の第２部分においては、積層された前記誘電体基板を複数のビアが貫通しており、前記ビアが貫通する前記各誘電体基板には導体層が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ビアが貫通しない誘電体基板がスロットとして機能し、誘電体基板の積層技術を用いて製造できるので、ビームスキャナを容易に製造できる。

本実施の形態に係わるビームスキャナの斜視図である。図１のＡ線における断面を示す斜視図である。図１のＡ線における断面図である図３の符号Ｍの方向を見た図である。図３の符号Ｎの方向に見た図である。変形例のビームスキャナについて、図３の符号Ｎの方向に見た図である。ビームスキャナにおけるアンテナ利得(Directivity(dBi))の分布についての周波数依存性の一例を示す図である。スロット／漏れ波導波路層の周期pと１つのスロット／漏れ波導波路層における誘電体基板１の層数slotとアンテナ偏向角（Direction)に対するアンテナ利得(Directivity(dBi))を示す図である。従来の周波数掃引による漏れ波導波管型ビームスキャナを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係わるビームスキャナの斜視図である。図２は、図１のＡ線における断面を示す斜視図である。図３は、図１のＡ線における断面図である。

ビームスキャナは、誘電体基板１を積層したものであり、積層方向に導波路２が貫通する。導波路２の開口形状は長方形であり、最も手前の誘電体基板１には、図示しない導波管を導波路２と接続するための導波管接続口２１が取り付けられている。

誘電体基板１の材料はセラミックスやガラスフィラーを混入したセラミックス混合材料、ポリイミド等のポリマー材料でも良いが、誘電損失が小さい材料が望ましい。

誘電体基板１の総数は、例えば、１０〜４０層程度である。これを多くすることで、導波路２を長くできる。

導波路２の高さＨは、例えば、２５０μｍあり、幅Ｗは、例えば、５００μｍである。導波管接続口２１の縦の長さは、例えば、８６４μｍ、横幅は、例えば、４３２μｍである。

ビームスキャナは，太線で示す導体層３が形成された誘電体基板１をz方向に積層することにより形成する。誘電体基板１の厚さは、例えば、数十〜数百μｍである。誘電体基板１には、導波路２の開口形状と同じサイズの孔が予め形成され、積層することにより、開口面積と形状が一定の導波路２を形成する。

ビームスキャナは、導波路２の中心軸周りの方向（周方向）における第１部分１Ａと、残りの第２部分１Ｂとに分かれる。

（第１部分１Ａ）
第１部分１Ａは、例えば、導波路２の２つの長辺のうちの１つとビームスキャナの外部空間に接する。第１部分１Ａは、例えば、導波路２の一方端から他方端に渡り設けられる。

第１部分１Ａでは、複数のビア４が貫通する１以上の誘電体基板１とビア４が貫通しない１以上の誘電体基板１が交互に積層されている。ビア４が貫通しない１以上の誘電体基板１の部分を漏れ波導波路層（符号１ａ）という。

ビア４は、金属が充填されたものであり、例えば、円柱状であり、所定の間隔をもって複数配置される。なお、ビア４の形状は四角柱等でも良く、間隔は必ずしも同一である必要はない。以下、ビア４について同様である。

導波路２に導入された電磁波の一部は、漏れ波導波路層１ａを通り、外部に放出する。すなわち、この部分は、スロットとして機能する。

誘電体基板１の総数を多くすることで、スロットも多くなり、アンテナ利得を高くできる。

一方、導波路２に導入された電磁波の一部は、ビア４が貫通する誘電体基板１の部分に進入するがビア４、導体層３によって反射し、導波路２に戻る。

ビア４の間から電磁波が漏れるのを抑制するため、ビア４の間隔は、所望帯域の周波数から決まる波長の１／４以下であることが望ましい。

図では、ビア４が貫通する１層の誘電体基板１と漏れ波導波路層１ａが交互に積層されている。ビア４が貫通する誘電体基板１の数は２層以上でもよい。例えば、図３の最も左側の誘電体基板１は２層であり、最も右側も２層であり、このように部分的に層数を変えてもよい。漏れ波導波路層１ａにおける誘電体基板１の数は、１層又は３層以上でもよい。

第１部分１Ａにおいて、ビア４が貫通する各誘電体基板１の一方の表面には、ビア４の位置を除き全面に導体層３（太線）が形成される。その裏面（導体層３がない面）に対向する、漏れ波導波路層１ａの誘電体基板１の表面にも全面に渡り、導体層３（太線）が形成される。一方、漏れ波導波路層１ａの誘電体基板１間には導体層３は形成されない。

導体層３の厚さは、例えば、数〜数十μｍであり、シルクスクリーン印刷やメッキ処理により形成する。導体層３の材料は、金、銀、タングステン、銅でも良い。導体層３は、誘電体基板１の表や裏の面において、ビア４から導波路２までを覆うことで、導波路２の内壁を同電位とするだけでなく、波長以下のコルゲート構造を実効的に形成することができる。

漏れ波導波路層１ａの厚さ（誘電体基板１の合計の厚さ）は、短いほど誘電損の影響を受けないので、可能な限り短くすることが好ましい。例えば、合計の厚さは１０００μｍ（１ｍｍ）である。

（第２部分１Ｂ）
第２部分１Ｂは、導波路２の残りの長辺及び２つの短辺とビームスキャナの外部空間に接する。第２部分１Ｂは、例えば、導波路２の一方端から他方端にまで渡り設けられる。

第２部分１Ｂでは、積層された誘電体基板１を複数のビア４が貫通し、その各誘電体基板１には一方の表面全面に渡り、導体層３が形成されている。

導波路２に導入された電磁波の一部は、第２部分１Ｂの誘電体基板１に進入するがビア４や導体層３によって反射し、導波路２に戻る。

よって、ビア４の間隔は、所望帯域の周波数から決まる波長の１／４以下であることが望ましい。

導波路２に最も近いビア４から導波路２までの誘電体基板１の部分は、スタブ（後述する図４の符号２Ａ）やアイリス（後述する図４の符号２Ｂ）として機能し、容量性または誘導性インピーダンスを生じる。そのため、アンテナ特性の設計に重要な因子であるため、所望の帯域や偏向角に対して所望の距離に設定する必要がある。

例えば、一般に金属導波管と誘電体積層基板による給電部におけるインピーダンス整合のためには、導波路２に最も近いビア４の中心から導波路２の内壁までの距離は、所定の中心周波数に対応する波長の１／２に設定する。この距離は、コルゲート構造の溝深さに等価的に対応すると考えられる。

実際には、電磁波の実効的な反射点はビア４の間隔やビア４の径にも依存しており、数値計算によって距離を計算する。

例えば、誘電体基板１の誘電率が６．８で、厚さが１００μｍ、ビア４の径が１００μｍの場合、中心周波数を３００ＧＨｚとすると、誘電体基板１の実効誘電率は、ε_eff=(1+ε_r)/2、誘電体基板１の中の波長は、λ_eff=λ/ε_eff ^0.5であるから、スタブにおけるビア４の中心から導波路２の内壁までの距離は、λ_eff/2よりも若干大きく、２５０μｍ程度である。

導波路２に最も近いビア４の中心から導波路２の内壁までの最短距離は、誘電体基板１の機械的特性（強度）に鑑み、製造上適した距離に決定される。バックファイアとエンドファイアの両方への偏角を実現した漏れ波アンテナを構成するために、所望の周波数帯域において、実効的な位相定数が正負反転（複合右手／左手系の構成）となるように、スタブにおけるビア４の中心から導波路２の内壁までの距離を設定する。

図４は、図３の符号Ｍの方向を見た図であり、図５は、図３の符号Ｎの方向に見た図である。図４において、スタブは符号２Ａ、アイリスは符号２Ｂで示す。

図４においては、第１部分１Ａの誘電体基板１は見えておらず、導体層３が見えているのに対し、図５においては、第１部分１Ａの誘電体基板１の部分が見えている。第１部分１Ａにおける導波路２から外部空間までの長さＬが短いほど誘電損の影響を少なくでき、好ましい。長さＬは、例えば、１０００μｍ（１ｍｍ）である。

（変形例）
図５は、変形例のビームスキャナについて、図３の符号Ｎの方向に見た図である。

第１部分１Ａにおいて、ビア４が貫通しない誘電体基板１（漏れ波導波路層／スロット）には空気孔５が形成されており、空気孔５には誘電体基板１の材料が存在しない。これにより、誘電体基板１の材料による誘電損をより低減できる。

本実施の形態に係わるビームスキャナによれば、課題すなわち、高周波において誘電体基板１の材料の誘電損失が増大し、伝搬損失が大きくなり、アンテナ効率が低下するという課題を解決できる。

そのためには、例えば上記のように、導波路２の高さＨを２５０μｍ、幅Ｗを５００μｍとする。例えば、スタブを１１０μｍ、アイリスを１００μｍとする。スタブやアイリスは、所望の電磁波放射パターンや帯域特性が得られるように適宜調整するパラメータであり、必ずしも全ての誘電体基板１の層で一定である必要はない。

本実施の形態に係わるビームスキャナの効果を図表を用いて解説する。上記のように、導波路２の高さＨを２５０μｍ、幅Ｗを５００μｍ、スタブを１１０μｍ、アイリスを１００μｍ、誘電体基板１の総数を３０層とする。

図７は、このようなビームスキャナにおけるアンテナ利得(Directivity(dBi))の分布についての周波数依存性を示す図である。この分布は計算により求めた結果である。図に示すように、２５０ＧＨｚ〜３４０ＧＨｚで±３０度以上の偏向特性が得られていることが分かる。

また、図８は、スロット／漏れ波導波路層の周期ｐと１つのスロット／漏れ波導波路層における誘電体基板１の層数slotとアンテナ偏向角（Direction)に対するアンテナ利得(Directivity)を示す図である。図に示すように、１つのスロット／漏れ波導波路層における誘電体基板１の層数slotを多く設計することで、どの周期ｐ、どのアンテナ偏向角であっても、高いアンテナ利得を得ることができる。

本実施の形態に係わるビームスキャナは、基本的には、誘電体基板の積層技術で製造でき、導波路２、スタブ、アイリス、スロット等の構成部品を一括で容易に製造できる。よって、ビームスキャナを安価に製造できる。

また、誘電体基板１に予め形成した孔により導波路２を形成することで、高周波における誘電体基板１の材料の誘電損失を低減し、アンテナ利得を向上させることができる。

また、ビア４が貫通する誘電体基板１の部分において、導波路２に最も近いビア４の中心と導波路２の内壁の距離を所定の距離にすることで、ビームスキャナに接続される外部の金属導波管とのインピーダンス整合を行い、所望の通過帯域を中心帯域として合わせることができる。

また、漏れ波導波路層１ａを周期的に設けることで、周期的なスロットを構成でき、ビームスキャナの利得特性を広帯域化できる。

１誘電体基板
２導波路
３導体層
４ビア
１Ａ（ビームスキャナの）第１部分
１Ｂ（ビームスキャナの）第２部分
１ａ漏れ波導波路層（スロット）

Claims

導波路を形成するための孔を有する誘電体基板が積層されたビームスキャナであって、
前記導波路の周方向における第１部分においては、複数のビアが貫通する１以上の前記誘電体基板とビアが貫通しない１以上の前記誘電体基板が交互に積層されており、
前記第１部分以外の第２部分においては、積層された前記誘電体基板を複数のビアが貫通しており、
前記ビアが貫通する前記各誘電体基板には導体層が形成されている
ことを特徴とするビームスキャナ。
前記ビアが貫通しない前記各誘電体基板には空気孔が形成されている
ことを特徴とする請求項１記載のビームスキャナ。