300GHz帯オンチップ型スロットアレイアンテナ

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(1)第 32 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会. 7A4-2. 300GHz 帯オンチップ型スロットアレイアンテナ 300GHz planar slot array antenna on chip 津上晃多 Kota Tsugami. 加藤和利. 金谷晴一. Kazutoshi Kato. Haruichi Kanaya. 九州大学システム情報科学府 Grad. School of ISEE, Kyushu University. 1.. はじめに近年、通信技術の発展が著しく、それに伴う大容量コンテンツの増加によりデータトラフィック量の爆発的な増大が問題となっている。大容量コンテンツのデータを瞬時に送信するためには、 100Gbps に迫る高い伝送速度が要求される。伝送速度は周波数に比例して増加することから、無線通信において高い伝送速度を実現する技術としてテラヘルツ波の利用が注目されている。テラヘルツ領域の中でも 300GHz 帯は大気による減衰率が比較的小さく、次世代の高速無線通信用周波数帯として期待されている。そこで本研究では、300GHz 帯で動作するアレイアンテナをテラヘルツデバイスとオンチップ接続が可能な InP 基板上に実現し、位相差給電によるビームチルトを確認した。. 図 1．アレイアンテナ素子のアンテナ構造. 2.. アンテナ構造テラヘルツ波は、マイクロ波やミリ波よりも周波数が高く、波長が短い電磁波であるため、InP などの高い誘電率を持つ誘電体により波長の減衰を受け、誘電体に電波が引き込まれる現象が起こる [1]。そのため、放射方向が基板表面のオンチップ型アンテナには単方向指向性が必要不可欠である。図 1 にアレイアンテナ素子のアンテナ構造を示す。本アンテナでは、従来型のスロットアンテナの裏面に電気的に接続のないフローティングメタルを配置している。そして、表面メタルのスロットからメタルの端の長さを 2 分の 1 管内波長とすることで、図 2 に示すように表面にのみ電界の定在波が生じ、単方向指向性を実現することができる。また、誘電体基板の厚さによる影響がマイクロストリップアンテナより小さく、薄型に設計することが可能である。以上 2 つの理由から、本スロットアンテナは積層構造である集積デバイスと一体化するアンテナに適している。本アレイアンテナ素子を 1 次元的に 4 個配置し (1×4 アレイ)、各素子への給電にはコプレーナ分岐線路を用いた[2]。本 1×4 アレイアンテナを 2 次元的に 4 つ並べることで 4×4 アレイとした。図 3 にアンテナ構造を示す。. 図 2. アレイアンテナ素子の電界分布. 図 3.アレイアンテナのアンテナ構造. 128.

(2) 第 32 回エレクトロニクス実装学会春季講演大会. 3.. 設計結果電磁界シミュレータ HFSS を用いて設計を行った。図 4 に 300GHz での放射パターンを示す。図 4 より、+Z 方向に強く放射し、最大利得は 12.7dBi であった。また、FB 比(Front to Back ratio)は 14.3dB であり、良好な単方向指向性を得た。図 5 に YZ 平面でのビームパターンを示す。各入力ポート間に位相差 45°で給電することにより、走査角 15°のビームパターンが得られた。. 4x4 array 2x4 array 1x4 array. 15. Relative power (dB). 10. 5. 0. -5 250. 260. 270 280 290 300 Frequency (GHz). 310. 320. 図 7. 受信電圧の測定結果 5.. まとめ本研究では、テラヘルツ周波数帯である 300GHz 帯で動作する平面型アレイアンテナを InP 基板上に実現し、最大利得 12.7dBi、FB 比 14.3dB の良好な設計結果が得られた。また、アンテナの試作・測定を行い、アンテナのアレイ化によるテラヘルツ波強度の増大が確認された。. 図 4. アレイアンテナの放射パターン(300GHz). 謝辞本研究の一部は、JST 産学共想創基礎基板研究プログラムの援助を受けています。. 図 5. ビームパターン(YZ 平面) 4.. アンテナの試作・測定結果図 6 に試作アンテナの写真を、図 7 にテラヘルツ波強度測定系による受信電圧の測定結果を示す。アンテナ素子数を 1×4 の 4 素子から 4×4 の 16 素子にすることで受信電圧の増加が確認された。. 参考文献 [1] Masami Inoue, Masayuki Hodono, Shogo Horiguchi, Kazuki Arakawa, Masayuki Fujita, Tadao Nagatsuma, “UltraBroadband Terahertz Receivers Using Polymer Substrate,” IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, March. 2014, Vol.4, No.2, pp.225-231 [2] H. Kanaya, et al., “4x4 planar array antenna on indium phosphide substrate for 0.3-THz band application”, Proc. SPIE Photonics West 2017, pp.101031N1101031N6, 2017.. 連絡先：〒819-0395 福岡市西区元岡 744 九州大学大学院システム情報科学府津上晃多 Tel:092-802-3721 図 6. 試作アンテナの写真. 129.

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