部分並列給電回路を下層に設けた二層構造導波管スロットアンテナの設計と積層薄板の拡散接合による38GHz帯試作

摘要

Introducing diffusion bonding technique to the fabrication of slotted waveguide array highlights thernpotential of high-performance antenna with multi-layer structure. A process with low cost is prospective even for a double-layer antenna, because the number of etching patterns for metal thin plates is only five. In this report, a wideband antenna with 4-by-4 sub-arrays is to be realized by installing the partially-corporate feed circuits in the lower layer below the radiating waveguides. The five-element sub-arrays in both feeding and radiating parts are designed first. The strong coupling between H-plane T-junction and neighboring slot couplers is taken into consideration during the design. And a new structure for the terminating slot coupler is proposed, where the short position will not lead to extra blockage when assembling the sub-arrays together. The full-structure analysis of the whole antenna is conducted by applying the FEM-based simulator HFSS. The maximum gain at 35.0dB with the efficiency of 94.0% is realized. The sidelobe level in both H and E-plane are -12.5dB and -11.5dB, respectively. And the half-power beamwidths are 3.0 and 3.S degrees for H and E-planes, respectively. At last, the test antenna made of oxygen free high conductivity copper is fabricated by diffusion bonding. As the measurement results, a very high aperture efficiency of 87.5% with the directivity of 34.7dB is realized for the first-time manufacture. The maximum antenna gain is 33.9dBi at 38.55GHz, where the corresponding antenna efficiency is 73.2%.%導波管スロットアンテナの製作に拡散接合技術を導入することで、多層構造で高機能なアンテナ給電構造の実現性が高い。二層構造の場合、エッチングする金属薄板のパターンも5種類にとどまるため、安価なプロセスであると期待できる。本稿では、部分並列給電型のアンテナ給電回路を放射部の下層に配置し、アンテナ全体を4×4分割でサブアレー化する上で広帯域化を目指す。まず、38GHz帯で5素子サブアレーの給電部と放射部を設計した上で、全体を組み立てる際に二層構造と部分並列給電構造特有の課題としてH面T分岐と隣接するスロット結合器間の高次モードによる強結合や給電回路終端位置の短縮を考慮した。次に、有限要素法電磁界シミュレータHFSSによる全構造解析を行い、設計結果として最大アンテナ利得35.0dB、効率94.0％を得られた。放射指向性でH面およびE面のサイドロープレベルはそれぞれ一12.5dBと-11.5dBであり、3dBビーム幅はそれぞれ3.0度と3.5度であった。最後に、38GHz帯で無酸素銅の薄板を用いた拡散接合による試作を行った。測定結果として、アンテナ指向性利得が34.7曲で、初めての試作にして87.5％という高い開口効率を実現し、33.550Hzで最大アンテナ利得が33.9d以、アンテナ効率73.2％を得られた。