特許 7409778 導波管スロットアンテナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-25

(45)【発行日】2024-01-09

(54)【発明の名称】導波管スロットアンテナ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 13/10 20060101AFI20231226BHJP

【ＦＩ】

H01Q13/10

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019051289

(22)【出願日】2019-03-19

(65)【公開番号】P2020155870

(43)【公開日】2020-09-24

【審査請求日】2022-02-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110881

【弁理士】

【氏名又は名称】首藤 宏平

(72)【発明者】

【氏名】高橋 裕之

(72)【発明者】

【氏名】平野 聡

(72)【発明者】

【氏名】森 奈緒子

(72)【発明者】

【氏名】青木 生朗

(72)【発明者】

【氏名】安達 拓也

【審査官】岸田 伸太郎

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１５／１６２９９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭５８－１５１７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５２４５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００５６５４１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ １３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘電体基板を用いて形成された導波管を具備する導波管スロットアンテナであって、
前記誘電体基板の下面に形成され、前記導波管の下壁を構成する第１導体層と、
前記誘電体基板の上面に形成され、前記導波管の上壁を構成する第２導体層と、
前記第１導体層と前記第２導体層との間を電気的に接続し、前記導波管の両側の側壁を構成する１対の側壁部と、
前記第１導体層と前記第２導体層との間を電気的に接続し、前記導波管の信号伝送方向である第１の方向に対向する短絡面となる１対の短絡壁部と、
前記第２導体層に設けられ、前記第１の方向に沿って隣接して配置される少なくとも２個のスロットと、
を備え、
前記１対の側壁部のそれぞれには、前記第１導体層と前記第２導体層との間を電気的に接続し、前記第２導体層に直交する第２の方向から見た平面視で前記導波管の前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向における中心側に突出する少なくとも１対の導体突出部が形成され、
前記１対の導体突出部は、前記第２の方向から見た平面視で前記２個のスロットの間の領域のうち前記第１の方向に沿って延在する所定領域を挟んで配置され、
前記１対の導体突出部の間の前記第３の方向に沿った距離Ｄは、前記１対の側壁部の前記第３の方向に沿った間隔Ｗに対し、
７Ｗ／１６ ≦ Ｄ ≦ ５Ｗ／８
の関係を満たすことを特徴とする導波管スロットアンテナ。

【請求項2】

前記１対の短絡壁部の間隔は、前記導波管の管内波長のＮ／２倍（Ｎは２以上の整数）に設定されることを特徴とする請求項１に記載の導波管スロットアンテナ。

【請求項3】

前記第１の方向に沿って、前記２個のスロットを含むＮ個のスロットと、前記１対の導体突出部を含むＮ－１対の導体突出部とが交互に配置されることを特徴とする請求項２に記載に導波管スロットアンテナ。

【請求項4】

前記２個のスロットの前記第１の方向に沿った間隔は前記管内波長の１／２倍に相当し、前記１対の導体突出部は前記２個のスロットの間の前記第１の方向に沿った中心位置に配置されることを特徴とする請求項２又は３に記載の導波管スロットアンテナ。

【請求項5】

前記誘電体基板には、前記第２導体層の上部に配置され、少なくとも前記２個のスロットを充填する誘電体層が形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の導波管スロットアンテナ。

【請求項6】

前記１対の導体突出部を含む前記１対の側壁部と前記１対の短絡壁部とは、前記第１導体層と前記第２導体層との間をそれぞれ接続する複数のビア導体からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の導波管スロットアンテナ。

【請求項7】

前記２個のスロットは、前記第２の方向から見た平面視で、前記第３の方向における前記１対の側壁部の間の中心位置から偏移した位置に配列されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の導波管スロットアンテナ。

【請求項8】

前記導波管に入力信号を給電する給電部を更に備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の導波管スロットアンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘電体基板を用いて構成した導波管に一又は複数のスロットを設けた導波管スロットアンテナに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、マイクロ波帯やミリ波帯の高周波信号を用いた無線通信において、導波管に複数のスロットを形成し、給電部から給電された高周波信号を導波管に伝搬させて複数のスロットから電磁波として放射する導波管スロットアンテナが知られている。近年では、小型軽量化や加工の容易性に鑑み、誘電体基板とそれを取り囲む金属部材により構成した導波管スロットアンテナが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、このような構造を有する導波管スロットアンテナに関し、導波管の信号伝送方向に沿って複数のスロットを規則的に配置し、隣接するスロット同士の間隔を管内波長λｇの１／２に設定した構造が提案されている（特許文献２参照）。この特許文献の図５には、隣接するスロットの間に、導波管の中空内部側（内側）に所謂アイリス（導体突出部）を設けた構造が開示されており、アイリスを設けたことで、各スロットから放射される電界の方向が揃う旨が述べられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平１０－１９０３４９号公報

【文献】特開２００８－１６７２４６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

一般に、導波管内には前述の管内波長λｇに応じて周期的に繰り返す定在波が発生する。一方、導波管スロットアンテナの小型化を図るには、スロットの個数をできるだけ少なくし（例えば、２個）、信号伝送方向に沿って各スロットの中心を定在波の電界が最大となる位置に合致させる構造が望ましい。しかし、このように小型化を図った導波管スロットアンテナは、一般に周波数帯域を広くすることが難しいという課題がある。この場合、特許文献２に開示される構造のアイリスを隣接するスロットの間に設けたとしても、単に各スロットから放射される電界の方向が揃うのみであって、周波数帯域を拡大する効果は得られないことは明らかである。

【0005】

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、簡単な構造で周波数特性を広帯域化することが可能な導波管スロットアンテナを実現するものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明の導波管スロットアンテナは、誘電体基板（１０）を用いて形成された導波管を具備する導波管スロットアンテナであって、前記誘電体基板の下面に形成され、前記導波管の下壁を構成する第１導体層（１１）と、前記誘電体基板の上面に形成され、前記導波管の上壁を構成する第２導体層（１２）と、前記第１導体層と前記第２導体層との間を電気的に接続し、前記導波管の両側の側壁を構成する１対の側壁部（２０、２１）と、前記第１導体層と前記第２導体層との間を電気的に接続し、前記導波管の信号伝送方向である第１の方向（Ｘ）に対向する短絡面となる１対の短絡壁部（２４、２５）と、前記第２導体層に設けられ、前記第１の方向に沿って隣接して配置される少なくとも２個のスロット（１４）とを備え、前記１対の側壁部のそれぞれには、前記第１導体層と前記第２導体層との間を電気的に接続し、前記第２導体層に直交する第２の方向（Ｚ）から見た平面視で前記導波管の前記第１の方向及び前記第２の方向に直交する第３の方向（Ｙ）における中心側に突出する少なくとも１対の導体突出部（２２、２３）が形成され、前記１対の導体突出部は、前記第２の方向から見た平面視で前記２個のスロットの間の領域のうち前記第１の方向に沿って延在する所定領域を挟んで配置されることを特徴としている。

【0007】

本発明の導波管スロットアンテナによれば、誘電体基板に構成される導波管の１対の側壁部に、第３の方向の中心側に突出する１対の導体突出部を形成し、この１対の導体突出部と２個のスロットとの適切な位置関係を設定することで、導波管内には、基本構造に基づく第１のモードの定在波に加え、１対の導体突出部の構造に基づく第２のモードの定在波が発生する。よって、それぞれのモードの共振周波数が異なるため、導波管スロットアンテナの全体では２つの周波数特性を合成した広い周波数特性を得ることができる。

【0008】

本発明の１対の短絡壁部の間隔は、導波管の管内波長のＮ／２倍（Ｎは２以上の整数）に設定することが望ましい。これにより、第１の方向に沿って導波管内の１対の短絡壁部の位置を定在波の節に設定し、各スロットと１対の導体突出部をそれぞれ定在波の所望の位置に容易に設定することができる。この場合、第１の方向に沿って、２個のスロットを含むＮ個のスロットと、１対の導体突出部を含むＮ－１対の導体突出部とを交互に配置してもよい。これにより、スロットの個数及び１対の導体突出部の個数を増加させた大型の導波管スロットアンテナを構成することができる。

【0009】

本発明において、２個のスロットの第１の方向に沿った間隔は管内波長の１／２倍とし、１対の導体突出部は２個のスロットの間の第１の方向に沿った中心位置に配置することができる。これにより、第１の方向に対して２個のスロット及び１対の導体突出部を対称的な配置とし、導波管に発生する定在波の電界分布に適合させることができる。

【0010】

本発明において、１対の導体突出部の間の第３の方向に沿った距離Ｄは、前記１対の側壁部の前記第３の方向に沿った間隔Ｗに対し、７Ｗ／１６ ≦ Ｄ ≦ ５Ｗ／８の関係を満たすことが望ましい。この関係を逸脱する場合には（Ｄ＜７Ｗ／１６又は５Ｗ／８＜Ｄ）、周波数特性の２つの共振周波数が現れず（図５参照）、導波管内に前述の２つのモードが発生しないと推認される。

【0011】

本発明の誘電体基板には、第２導体層の上部に配置され、少なくとも２個のスロットを充填する誘電体層を形成してもよい。これにより、上層の誘電体層を設けたことで各スロットの近傍の誘電率を高くすることでき、導波管スロットアンテナを小型化した場合であっても所望の周波数特性の実現が容易となる。

【0012】

本発明において、１対の導体突出部を含む１対の側壁部と１対の短絡壁部とは、第１導体層と第２導体層との間をそれぞれ接続する複数のビア導体で構成することができる。これにより、誘電体基板を作製する際に積層技術を適用する場合、導波管の周囲の導体部分を所望の形状で容易に形成することができる。

【0013】

本発明の２個のスロットは、第２の方向から見た平面視で、第３の方向における１対の側壁部の間の中心位置から偏移した位置に配列してもよい。これにより、導波管内の定在波のうち主に磁界分布に対応して、各々のスロットを最適な位置に配置することができる。

【0014】

本発明は、導波管に入力信号を給電する給電部を更に備えて構成してもよい。例えば、第２の方向から見た平面視で、第２の方向に延びるビア導体を含む給電部を構成することができる。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、誘電体基板を用いて形成された導波管のうち１対の側壁部にそれぞれ１対の導体突出部を形成し、これにより導波管内に２つのモードを発生させる構造としたので、小型かつ簡単な構造で、各モードの異なる共振周波数に応じて周波数特性の広帯域化を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明を適用した一実施例に係る導波管スロットアンテナの構造を示す図であって、図１（Ａ）は導波管スロットアンテナを上方から見た上面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の導波管スロットアンテナのＡ－Ａ断面における断面図であり、図１（Ｃ）は図１（Ａ）の導波管スロットアンテナのＢ－Ｂ断面における断面図である。

【図2】本実施形態との対比のための比較例であり、図１（Ａ）の構造を有する導波管スロットアンテナから１対の導体突出部２２、２３を除去した構造を示す上面図である。

【図3】図２の比較例に関し、導波管のＸ方向に沿った電界強度の分布を模式的に示す図である。

【図4】図１の構造を有する本実施形態の導波管スロットアンテナに関し、図３と同様の電界強度の分布を模式的に示す図である。

【図5】モードＭ１とモードＭ２に対応する周波数特性について説明する図であって、図５（Ａ）はモードＭ１に対応する周波数特性を示す図であり、図５（Ｂ）はモードＭ２に対応する周波数特性を示す図である。

【図6】本実施形態の導波管スロットアンテナに対するシミュレーションに基づく周波数特性の検証結果について説明する図であって、図６（Ａ）はＤ＝１．２ｍｍ、１．４ｍｍ、１．６ｍｍの場合の３つの周波数特性を重ねて示す図であり、図６（Ｂ）はＤ＝１．８ｍｍ、２．０ｍｍ、２．２ｍｍの場合の３つの周波数特性を重ねて示す図である。

【図7】図１（Ａ）の構造のうち、スロット１４の個数及び導体突出部２２、２３の個数を増加させた場合の変形例を示す図である。

【図8】本実施形態の導波管スロットアンテナの作製方法の概要を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に述べる実施形態は本発明の技術思想を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。

【0018】

まず、図１を用いて、本発明を適用した一実施例に係る導波管スロットアンテナの構造について説明する。図１（Ａ）は本実施形態の導波管スロットアンテナを上方から見た上面図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の導波管スロットアンテナのＡ－Ａ断面における断面図であり、図１（Ｃ）は図１（Ａ）の導波管スロットアンテナのＢ－Ｂ断面における断面図である。図１においては、説明の便宜のため、互いに直交するＸ方向（本発明の第１の方向）、Ｙ方向（本発明の第３の方向）、Ｚ方向（本発明の第２の方向）をそれぞれ矢印にて示している。

【0019】

本実施形態の導波管スロットアンテナは、セラミック等の誘電体材料からなる誘電体基板１０と、誘電体基板１０の下面に形成された導電材料からなる導体層１１（本発明の第１導体層）と、誘電体基板１０の上面に形成された導電材料からなる導体層１２（本発明の第２導体層）と、上下の導体層１１、１２の間を電気的に接続する複数のビア導体１３と、上面の導体層１２に形成された２個のスロット１４（１４ａ、１４ｂ）と、導体層１２を挟んで誘電体基板１０の上部に配置された誘電体層１５とを備えている。なお、図１（Ａ）では、複数のビア導体１３と２個のスロット１４とを、誘電体層１５及び導体層１２の側から透視した状態を示している。

【0020】

誘電体基板１０は、Ｘ方向を長尺方向とする直方体の外形形状を有する。図１（Ｂ）に示すように、誘電体基板１０は、導体層１１、１２に挟まれた複数の誘電体層を積層してなる。誘電体基板１０の周囲には導波管が形成されており、下側の導体層１１が導波管の下壁として機能し、上側の導体層１２が導波管の上壁として機能し、複数のビア導体１３のうちＸ方向に沿って並ぶ２列が導波管の１対の側壁（後述の側壁部２０、２１）として機能する。この導波管は、Ｘ方向を信号伝送方向として、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、短辺の長さがＺ方向にＴ１及び長辺の長さがＹ方向にＷの矩形断面（ＹＺ断面）を有している。一般に、Ｗ≒２Ｔ１の関係の断面形状を設定することにより、導波管の上下面をＨ面とするＴＥ１０を主モードとして伝搬させることができる。

【0021】

複数のビア導体１３は、それぞれ誘電体基板１０を貫く複数の貫通孔に導電材料を充填した複数の柱状導体である。複数のビア導体１３の各々は、下端が導体層１１と接続され、上端が導体層１２と接続され、その柱状導体の側面が外部に露出することなく誘電体基板１０で覆われている。図１（Ａ）に示すように、複数のビア導体１３は、Ｚ方向から見た平面視で、Ｘ方向に２列で並ぶ前述の１対の側壁部２０、２１と、この１対の側壁部２０、２１のＸ方向の中央から導波管の中心側に突出する１対の導体突出部２２、２３と、Ｙ方向に２列で並ぶ１対の短絡壁部２４、２５とに区分される。１対の短絡壁部２４、２５は、導波管のＸ方向の両側の短絡面として機能する。なお、１対の導体突出部２２、２３の機能については後述する。１対の側壁部２０、２１と１対の導体突出部２２、２３と１対の短絡壁部２４、２５とを構成する複数のビア導体１３において、隣接するビア導体１３の間隔が、いずれも導波管の遮断波長の半分以下になるように設定されている。

【0022】

導体層１２には、２個のスロット１４ａ、１４ｂが設けられている。スロット１４ａ、１４ｂの各々は、Ｚ方向から見た平面視で、Ｘ方向の所定のスロット長とＹ方向の所定の幅とを有する矩形の形状を有する。図１（Ｂ）からわかるように、２個のスロット１４ａ、１４ｂの位置では、導体層１２が開口されており、開口の内部が誘電体層１５で充填されている。また、図１（Ａ）に示すように、スロット１４ａ、１４ｂは、１対の側壁部２０、２１の間のＹ方向の中心位置から互いに対称的な位置に偏移した配置となっている。２個のスロット１４ａ、１４ｂのＹ方向の偏移量は、主に導波管内の磁界分布に対してアンテナ特性を最適化するように設定される。

【0023】

ここで、図１（Ａ）（Ｂ）において、２個のスロット１４ａ、１４ｂと、１対の短絡壁部２４、２５と、１対の導体突出部２２、２３とに関し、Ｘ方向に沿った配置及びサイズの関係を説明する。なお、スロット１４ａ、１４ｂの位置と複数のビア導体１３の位置については、各々のＸ方向の中央位置を基準とする。まず、導波管の管内波長λｇに対し、両端の１対の短絡壁部２４、２５の間隔は、λｇに一致する。また、左側の短絡壁部２４と左側のスロット１４ａの間の距離、及び右側の短絡壁部２５と右側のスロット１４ｂの間の距離は、いずれもλｇ／４となっている。従って、２個のスロット１４ａ、１４ｂの間隔は、λｇ／２に一致する。なお、スロット１４ａ、１４ｂの間隔は、スロット１４ａ、１４ｂの信号伝送方向（Ｘ）の中心間距離として定めるものとする。また、１対の導体突出部２２、２３は、導波管のＸ方向の中央位置に配置されており、１対の短絡壁部２４、２５との間の距離がλｇ／２に一致する。

【0024】

また、図１（Ａ）（Ｃ）において、１対の側壁部２０、２１と１対の導体突出部２２、２３とのＹ方向に沿った配置及びサイズの関係を説明する。１対の側壁部２０、２１は、間隔Ｗに設定されている。一方、１対の導体突出部２２、２３の各々は、いずれも１対の側壁部２０、２１の中央位置から導波管の中心側に突出する１個のビア導体であり、１対の導体突出部２２、２３の間がＹ方向に沿って距離Ｄだけ離れている。すなわち、１対の側壁部２０、２１の間隔Ｗに比べ、１対の導体突出部２２、２３の間の距離Ｄは小さい（Ｄ＜Ｗ）ことは明らかであるが、これらの間隔Ｗ及び距離Ｄは、導波管スロットアンテナの性能向上の観点から、次の（１）式の関係を満たすように設定することが望ましい。
７Ｗ／１６ ≦ Ｄ ≦ ５Ｗ／８ （１）
なお、導波管スロットアンテナの性能と（１）式の関係については後述する。
本実施形態の導波管スロットアンテナにおいて、図１（Ａ）に示すように、寸法パラメータＷ、Ｄ、λｇのそれぞれの始点及び終点の位置は、いずれもビア導体１３の中心点に定めるものとする。

【0025】

また、図１（Ｂ）（Ｃ）において、誘電体基板１０と１対の導体層１１、１２と誘電体層１５とのＺ方向に沿った構造及びサイズの関係を説明する。前述したように、Ｚ方向に沿って、誘電体基板１０は前述の厚さＴ１に形成され、導体層１２を挟んで誘電体基板１０の上部に積層された誘電体層１５は厚さＴ２に形成され、Ｔ２＜Ｔ１の関係を満たしている。誘電体層１５は、前述したように、導体層１２に開口された２個のスロット１４ａ、１４ｂを充填し、かつ導体層１２の上部を覆っている。一般的なスロットは外部に露出した構造を採用することが多いが、本実施形態では、２個のスロット１４ａ、１４ｂの近傍の誘電率を高くするために誘電体層１５を設けたものである。誘電体層１５に基づく効果については後述する。なお、誘電体基板１０と誘電体層１５は、同一の誘電体材料を用いて形成するのが通常であるが、異なる誘電体材料を用いて形成してもよい。

【0026】

図１には示されないが、本実施形態の導波管スロットアンテナにおいて入力信号を給電するための給電部を設けることができる。例えば、Ｚ方向から見た平面視で、２個のスロット１４ａ、１４ｂと重ならない所定位置に、Ｚ方向に延びるビア導体を含む給電部を構成してもよい。給電部を介して給電した入力信号は、導波管を伝搬して２個のスロット１４ａ、１４ｂから外部に放射される。

【0027】

なお、本実施形態の導波管スロットアンテナにおいて、図１の構造に限定されることなく、多様な構造を採用することができる。例えば、図１のうち１対の側壁部２０、２１と１対の導体突出部２２、２３と１対の短絡壁部２４、２５は、複数のビア導体１３を用いて構成する場合に限らず、ベタ状の導体壁を用いて構成してもよい。この場合、Ｚ方向から見た平面視で、誘電体基板１０を取り囲む矩形の導体壁により１対の側壁部２０、２１及び１対の短絡壁部２４、２５を構成し、この矩形の導体壁に対して導波管の中心側に突出するＹＺ平面の導体壁を接続することで、１対の導体突出部２２、２３を構成することができる。

【0028】

また、図１の構造において、１対の導体突出部２２、２３は、１対の短絡壁部２４、２５の間のＸ方向の中心位置に配置される場合に限らず、Ｘ方向に沿って２個のスロット１４ａ、１４ｂの間の所定領域を挟んで配置することができる。この場合、一方の導体突出部２２のＸ方向の位置が、他方の導体突出部２３のＸ方向の位置と若干ずれている配置も採用可能である。ただし、１対の導体突出部２２、２３のＸ方向の位置が２個のスロット１４ａ、１４ｂのいずれかのＸ方向の位置に重なる配置は、互いの干渉によりアンテナ特性に悪影響を与えるので望ましくない。

【0029】

また、図１の構造において、１対の導体突出部２２、２３の各々は、１対の側壁部２０、２１に隣接する１個のビア導体１３（計２個のビア導体１３）からなるが、より多数のビア導体１３を用いて１対の導体突出部２２、２３の各々を構成することができる。この場合においても、前述の（１）式の関係を満たすことが望ましい。なお、多数のビア導体１３を用いて１対の導体突出部２２、２３を構成する場合であっても、隣接するビア導体１３の間隔が前述の遮断波長の半分以下になるように設定する必要がある。

【0030】

本実施形態において、１対の導体突出部２２、２３の主な役割は、導波管スロットアンテナの周波数帯域（以下、単に「帯域」という）を広げることにある。発明者らの検証の結果、図１の構造を有する導波管スロットアンテナにおいて、１対の導体突出部２２、２３を設けない場合は、導波管内に１つのモードの定在波のみが存在するのに対し、１対の導体突出部２２、２３を設けた場合は、導波管内に２つのモードの定在波が存在することが確認された。以下、図２～図６を参照して、本実施形態における導波管内の定在波分布と導波管スロットアンテナの周波数特性に関し、１対の導体突出部２２、２３の有無に基づく効果の相違を説明する。

【0031】

図２は、本実施形態との対比のための比較例であり、図１（Ａ）の構造を有する導波管スロットアンテナから１対の導体突出部２２、２３を除去した構造の上面図を示している。また、図３は、図２の比較例に関し、導波管のＸ方向に沿った電界強度（電圧定在波）の分布を模式的に示している。矩形の導波管にはＺ方向に沿う電界成分が伝搬するが、１対の短絡壁部２４、２５はＹＺ平面の短絡面であるため、その位置（０、λｇ）で電界成分は常にゼロになる。図２の導波管スロットアンテナにおいては、実線で示すように、Ｘ方向に沿って第１のモードであるモードＭ１の定在波が発生する。第１のモードＭ１では、Ｘ方向に沿って、１対の短絡壁部２４、２５及び両者の中央位置（０、λｇ／２、λｇ）が定在波の節に相当し、それぞれ電界が０となり、定在波の隣接する節の間の位置（λｇ／４、３λｇ／４）で、それぞれ電界がピークとなる。

【0032】

これに対し、図４は、図１の構造を有する本実施形態の導波管スロットに関し、図３と同様の電界強度の分布を模式的に示している。そして、本実施形態の導波管スロットアンテナにおいては、前述の第１のモードＭ１に加えて、図４の破線で示すように、第２のモードであるモードＭ２の定在波が発生する。第２のモードＭ２では、Ｘ方向に沿って、１対の短絡壁部２４、２５の位置（０、λｇ）のみ電界が０である定在波の節に相当し、両者の中央位置（λｇ／２）のみで電界が１つのピークとなる。

【0033】

一般に、導波管スロットアンテナの周波数特性は、導波管内の定在波分布の態様に依存する。以下、図５を用いて、前述のモードＭ１とモードＭ２にそれぞれ対応する周波数特性について説明する。まず、図５（Ａ）に実線で示すように、モードＭ１に対応する周波数特性は、反射係数Ｓ１１が最小となる共振周波数ｆ１と、この共振周波数ｆ１を中心として反射係数Ｓ１１が所定値Ｓａより低い範囲である帯域Ｂ１を有する。一方、図５（Ａ）に破線で示すように、モードＭ２に対応する周波数特性は、反射係数Ｓ１１が最小となる共振周波数ｆ２と、この共振周波数ｆ２を中心として反射係数Ｓ１１が所定値Ｓａより低い範囲である帯域Ｂ２を有する。図５（Ａ）から明らかなように、モードＭ２の共振周波数ｆ２は、モードＭ１の共振周波数ｆ１に比べて低い周波数になる。

【0034】

本実施形態の導波管スロットアンテナの全体では、図５（Ａ）におけるモードＭ１に対応する周波数特性とモードＭ２に対応する周波数特性とを合成した周波数特性として、図５（Ｂ）に示す周波数特性が得られる。図５（Ｂ）の周波数特性においては、前述の２つの共振周波数ｆ１、ｆ２を含む広い範囲にわたって反射係数Ｓ１１が低くなり、十分に広い帯域Ｂを得られることがわかる。これに対し、図２の構造の比較例の場合、１つのモードＭ１のみに対応して、例えば、図５（Ａ）の実線のような狭い帯域Ｂ１しか得られない。従って、本実施形態の導波管スロットアンテナによれば、１対の導体突出部２２、２３を設けることで、図５（Ｂ）の帯域Ｂのように周波数特性の広帯域化を図る効果を得ることができる。

【0035】

さらに、本実施形態の導波管スロットアンテナにおいては、１対の導体突出部２２、２３に基づく効果に加えて、図１（Ｂ）に示す誘電体層１５に基づく効果を得ることができる。すなわち、導波管スロットアンテナの薄型化のためには、一般に誘電体基板を薄く形成する必要があるが、導波管スロットアンテナの誘電体基板を薄くすると、共振周波数が高域側にシフトすることになる。この場合、共振周波数を低域側に戻すために、例えば、スロット長を長くする手法があるが、これは隣接するスロット同士が接近して互いの干渉を招くため、有効な手法ではない。これに対し、本実施形態の導波管スロットアンテナは、導体層１２の上部に誘電体層１５を配置してスロット１４の近傍の誘電率を高くしたので、誘電体基板１０を薄く形成しつつ、共振周波数が高域側にシフトすることを防止する効果を得ることができる。なお、導波管スロットアンテナにおいて高域側の共振周波数を用いる場合、あるいは薄型化が不要である場合は、誘電体層１５を配置しない構造を採用してもよい。

【0036】

次に、図６を用いて、本実施形態の導波管スロットアンテナに対するシミュレーションに基づく周波数特性の検証結果について説明する。図６のシミュレーションでは、図１の構造において、寸法パラメータとして、Ｗ＝３．２ｍｍ、Ｔ１＝０．４ｍｍ、Ｔ２＝０．２ｍｍ、λｇ／２＝２．９５ｍｍとし、比誘電率εとして、ε＝５．８とし、１対の導体突出部２２、２３の間の距離Ｄを変化させた場合の周波数特性の変化を検証したものである。図６（Ａ）には、Ｄ＝１．２ｍｍ、１．４ｍｍ、１．６ｍｍの場合の３つの周波数特性を重ねて示すとともに、図６（Ｂ）には、Ｄ＝１．８ｍｍ、２．０ｍｍ、２．２ｍｍの場合の３つの周波数特性を重ねて示している。

【0037】

図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、６つの周波数特性のうち、距離Ｄが１．２ｍｍ、２．２ｍｍの第１のケースでは、２６～３０ＧＨｚの周波数範囲でＳ１１が極小値となる１つの共振周波数のみが現れ、それ以外の距離Ｄが１．４ｍｍ、１．６ｍｍ、１．８ｍｍ、２．０ｍｍの第２のケースでは、２６～３０ＧＨｚの周波数範囲でＳ１１が極小値となる２つの共振周波数が現れる。図４及び図５の関係性を考慮すると、第１のケースでは導波管に１つのモードＭ１の定在波のみが発生し、第２のケースでは導波管に２つのモードＭ１、Ｍ２の定在波が発生していると推認できる。

【0038】

図６のシミュレーションにより、導波管スロットアンテナのモードＭ１、Ｍ２に基づいて帯域を広げる観点から、距離Ｄが１．２ｍｍ、２．２ｍｍの設定は望ましくないのに対し、距離Ｄが１．４ｍｍ以上かつ２．０ｍｍ以下の設定が望ましいと判断できる。よって、この判断結果は前述の（１）式に合致することから、寸法パラメータの設定条件として（１）式が適切であることがわかる。なお、図６（Ａ）（Ｂ）のそれぞれの帯域は、（１）式を保ったまま寸法パラメータを変更したり、あるいは誘電体基板１０や誘電体の誘電率及び厚さＴ１、Ｔ２を変更することで、調整することができる。

【0039】

本実施形態の導波管スロットアンテナには多様な変形例がある。図７は、図１（Ａ）の構造のうち、スロット１４の個数及び導体突出部２２、２３の個数を増加させた場合の変形例である。すなわち、図１（Ａ）においては１対の短絡壁部２４、２５のＸ方向の間隔がλｇであるのに対し、図７においては１対の短絡壁部２４、２５のＸ方向の間隔を２λｇまで延長することで、４個のスロット１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ及び３対の導体突出部２２、２３を設けている。図７の構造は、図１の構造をＸ方向に沿って繰り返し配置したものであり、各構成要素の寸法や互いの距離は図１と共通である。

【0040】

また、図７の構造を更にＸ方向に延長することも可能である。すなわち、１対の短絡壁部２４、２５の間隔をＮλg／２（Ｎは２以上の整数）に設定し、Ｎ個のスロット１４と、Ｎ－１対の導体突出部２２、２３とを交互に配置した構造に対しても本発明の適用が可能である。例えば、１対の短絡壁部２４、２５の間隔を３λg／２とし、３個のスロット１４と２対の導体突出部２２、２３を配置することができる。

【0041】

次に、本実施形態の導波管スロットアンテナの作製方法の概要について、図８を参照しつつ説明する。まず、誘電体基板１０及びその上部の誘電体層１５を構成する複数の誘電体層として、例えば、ドクターブレード法により形成した低温焼成用の複数のセラミックグリーンシート３０を用意する。そして、図８（Ａ）に示すように、それぞれのセラミックグリーンシート３０の所定位置に打ち抜き加工を施して、複数のビアホール３１を開口する。なお、各セラミックグリーンシート３０における各ビアホール３１の位置及び個数は、図１の複数のビア導体１３（１対の側壁部２０、２１、１対の導体突出部２２、２３、１対の短絡壁部２４、２５）の配置に対応して設定される。

【0042】

次に、図８（Ｂ）に示すように、それぞれのセラミックグリーンシート３０に開口された複数のビアホール３１のそれぞれに、Ｃｕを含む導電性ペーストをスクリーン印刷により充填することにより、複数のビア導体１３を形成する。続いて、図８（Ｃ）に示すように、最下層のセラミックグリーンシート３０の下面に、Ｃｕを含む導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布することにより、導体層１１を形成する。また、誘電体基板１０のうち最上層のセラミックグリーンシート３０の上面（誘電体層１５のセラミックグリーンシート３０の直下）に、Ｃｕを含む導電性ペーストをスクリーン印刷により塗布することにより、スロット１４となる開口部を含む導体層１２を形成する。なお、所定のセラミックグリーンシート３０に、給電部の一部である給電端子も形成する。

【0043】

そして、複数のセラミックグリーンシート３０を順に積層した上で、加熱加圧することにより積層体を形成する。その後、得られた積層体を脱脂、焼成することにより、図１を用いて既に説明したように、誘電体基板１０に構成された導波管スロットアンテナが完成する。

【0044】

以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、本実施形態の図１の構造例は１例であって、本発明の作用効果を得られる限り、他の構造や材料を用いた多様な導波管スロットアンテナに対して広く本発明を適用することができる。さらに、その他の点についても上記実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、上記実施形態に開示した内容には限定されることなく適宜に変更可能である。

【符号の説明】

【0045】

１０…誘電体基板
１１、１２…導体層
１３…ビア導体
１４…スロット
１５…誘電体層
２０、２１…側壁部
２２、２３…導体突出部
２４、２５…短絡壁部
３０…セラミックグリーンシート
３１…ビアホール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】