JPWO2020090672A1 - アンテナ装置、アンテナモジュール、通信装置およびレーダ装置 - Google Patents

Abstract

アンテナ装置（１）は、基板（２）、第１グランド層（６）、放射電極（１２）および導波管構造体（１４）を備えている。導波管構造体（１４）は、放射電極（１２）の電界方向に位置して第１グランド層（６）に設けられたスリット（１５）と、スリット（１５）を取り囲んで基板（２）の厚さ方向に延びた導体壁（１６）とによって構成されている。平面視で磁界方向の導波管構造体（１４）の寸法（Ｗ）は、基板（２）の媒質での放射電極（１２）が放射する電波の波長（λa）の１／２よりも大きくなっている。スリット（１５）から導波管構造体（１４）の終端部（１４Ａ）までの長さ寸法（Ｌ）は、導波管構造体（１４）の内部における放射電極（１２）が放射する電波の波長の略１／４になっている。

Description

本開示は、例えばマイクロ波、ミリ波等の高周波の電波に用いて好適なアンテナ装置、アンテナモジュール、通信装置およびレーダ装置に関する。

特許文献１には、表面波の伝搬を抑制してアンテナ利得を向上させるために、パッチアンテナの周囲にAMC素子(Artificial Magnetic Conductor)を配置したアンテナ装置が記載されている。

特開２００９−１７５１５号公報

ところで、特許文献１に記載されたアンテナ装置では、表面波伝搬を十分に抑制するためには、一定数のAMC素子が必要になる。このため、アンテナ装置が大型化するという問題がある。

本発明の一実施形態の目的は、アンテナ利得の向上と小型化が可能なアンテナ装置、アンテナモジュール、通信装置およびレーダ装置を提供することにある。

本発明の一実施形態は、複数の絶縁層が積層された基板と、前記基板に設けられたグランド電極と、前記基板に設けられた放射電極とを備えたアンテナ装置であって、平面視で前記放射電極の電界方向に位置して前記グランド電極に設けられたスリットと、前記スリットを取り囲んで前記基板の厚さ方向に延びた導体壁とからなる導波管構造体を備え、平面視で前記放射電極の磁界方向の前記導波管構造体の寸法は、前記基板の媒質での前記放射電極が放射する電波の波長の１／２よりも大きくなっており、平面視で前記スリットから前記導波管構造体の前記放射電極の電界方向の終端部までの長さ寸法は、前記導波管構造体の内部における前記放射電極が放射する電波の波長の略１／４であることを特徴としている。

本発明の一実施形態によれば、表面波の伝搬を抑制してアンテナ利得を向上することができるのに加え、装置全体を小型化することができる。

第１の実施形態によるアンテナ装置を示す平面図である。 図１中のＡ部を拡大して示す拡大平面図である。 アンテナ装置を図２中の矢示III−III方向からみた断面図である。 図２中のアンテナ装置を分解して示す分解斜視図である。 パッチアンテナの放射角度とアンテナ利得との関係を示す特性線図である。 放射電極からスリットまでの間隔寸法とアンテナ利得との関係を示す特性線図である。 第２の実施形態によるアンテナ装置を示す図２と同様位置の拡大平面図である。 アンテナ装置を図７中の矢示VIII−VIII方向からみた断面図である。 第３の実施形態によるアンテナ装置を示す図２と同様位置の拡大平面図である。 アンテナ装置を図９中の矢示Ｘ−Ｘ方向からみた断面図である。 変形例によるアンテナ装置を示す図１０と同様な位置の断面図である。 第４の実施形態によるアンテナ装置を示す図２と同様位置の拡大平面図である。 アンテナ装置を図１２中の矢示XIII−XIII方向からみた断面図である。 図１３中の導波管構造体を示す拡大断面図である。 第５の実施形態による通信装置を示すブロック図である。 第６の実施形態によるレーダ装置を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態によるアンテナ装置、アンテナモジュール、通信装置およびレーダ装置について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１ないし図４は第１の実施形態によるアンテナ装置１を示している。アンテナ装置１は、基板２、第１グランド層６（図３参照）、放射電極１２、導波管構造体１４を備えている。アンテナ装置１は、例えば通信装置が送受信する波長の電波として、ミリ波の電波を放射する。

基板２は、誘電体基板であって、互いに直交するＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向のうち例えばＸ軸方向およびＹ軸方向に対して平行に広がる平板状に形成されている。基板２は、Ｙ軸方向に対して例えば数ｍｍ程度の長さ寸法を有し、Ｘ軸方向に対して例えば数ｍｍ程度の長さ寸法を有すると共に、厚さ方向となるＺ軸方向に対して例えば数百μｍ程度の厚さ寸法を有している。

また、基板２は、例えば低温同時焼成セラミックス多層基板（ＬＴＣＣ多層基板）のような多層基板によって形成され、第１面２Ａ側（第１主面側）から第２面２Ｂ側（第２主面側）に向けてＺ軸方向に積層した３層の絶縁層３〜５を有している（図３、図４参照）。各絶縁層３〜５は、１０００℃以下の低温で焼成可能な絶縁性のセラミックス材料からなり、薄い層状に形成されている。

なお、基板２は、絶縁性のセラミックス材料を用いたセラミックス多層基板に限らず、絶縁性の樹脂材料を用いた樹脂多層基板を用いて形成してもよい。基板２は、より低い誘電率を有する液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymer：ＬＣＰ）から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板でもよい。基板２は、フッ素系樹脂から構成される樹脂層を複数積層して形成された多層樹脂基板でもよい。基板２は、ＬＴＣＣ多層基板以外のセラミックス多層基板でもよい。さらに、基板２は、可撓性を有するフレキシブル基板でもよく、熱可塑性を有するリジッド基板でもよい。

第１グランド層６、第２グランド層７および第３グランド層８は、例えば銅、銀等の導電性の金属薄膜によって形成され、外部のグランドに接続されている。なお、第１グランド層６、第２グランド層７および第３グランド層８は、アルミニウム、金またはこれらの合金を主成分とする金属材料によって形成してもよい。

第１グランド層６は、グランド電極となっている。第１グランド層６は、パッチアンテナの地導体板を構成している。第１グランド層６は、絶縁層３と絶縁層４との間に位置している。このため、第１グランド層６は、基板２の内部に設けられている。第２グランド層７は、絶縁層４と絶縁層５との間に位置している。第３グランド層８は、基板２の第２面２Ｂ（絶縁層５のうち絶縁層４とは反対側の第２面）に位置している。第１グランド層６、第２グランド層７および第３グランド層８は、いずれも基板２の略全面を覆っている。

第１グランド層６は、第２グランド層７および第３グランド層８と対面している。第１グランド層６は、絶縁層３を挟んで放射電極１２と対面し、放射電極１２と絶縁された状態で基板２の内部に配置されている。第１グランド層６および第２グランド層７は、複数のビア１１によって第３グランド層８に電気的に接続されている。また、第２グランド層７には、線状導体１０を取囲んで、金属薄膜が省かれた空隙部７Ａが設けられている。この空隙部７Ａによって、第２グランド層７と線状導体１０との間は絶縁されている。

トリプレート線路９は、放射電極１２に対する給電を行う給電線路を構成している。トリプレート線路９は、絶縁層４と絶縁層５との間に設けられた線状導体１０と、線状導体１０を厚さ方向（Ｚ軸方向）で挟む第１グランド層６および第３グランド層８とによって構成されている。線状導体１０は、例えば第２グランド層７と同様の導電性金属材料からなり、細長い帯状に形成されている。また、線状導体１０の先端は、放射電極１２のうちＸ軸方向の中心位置と端部位置との間の途中位置（給電点）に接続されている。トリプレート線路９は、放射電極１２から放射する電波に応じた高周波信号を伝送すると共に、放射電極１２のＸ軸方向に電流Ｉが流れるように、放射電極１２に給電する（図４参照）。なお、図４は、トリプレート線路９（線状導体１０）は、平面視でＬ字状に屈曲した場合を例示した。本発明はこれに限らず、トリプレート線路は、直線状でもよく、折れ曲がりが多い形状でもよい。

ビア１１は、線状導体１０に沿って基板２に複数設けられている。ビア１１は、基板２の絶縁層４，５を貫通した貫通孔に例えば銅、銀等の導電性金属材料を設けることによって柱状の導体として形成されている。また、ビア１１は、Ｚ軸方向に延びて、第１グランド層６、第２グランド層７および第３グランド層８に接続されている。このとき、隣合う２つのビア１１の間隔寸法は、電気長で例えば使用する電波の１／４波長よりも小さい値に設定されている。そして、複数のビア１１は、空隙部７Ａを取囲むと共に、空隙部７Ａの縁部に沿って配置されている。

放射電極１２は、パッチアンテナの放射素子を構成している。放射電極１２および第１グランド層６は、パッチアンテナを構成している。放射電極１２は、例えば第１グランド層６と同様の導電性金属材料を用いて略四角形状に形成されている。放射電極１２は、第１グランド層６と間隔をもって対面している。具体的には、放射電極１２は、基板２の第１面２Ａ（絶縁層３のうち絶縁層４とは反対側の第１面）に位置している。即ち、放射電極１２は、第１グランド層６の第１面側に位置して絶縁層３を介して積層されている。このため、放射電極１２は、第１グランド層６と絶縁された状態で、第１グランド層６と対面している。

放射電極１２は、Ｘ軸方向に例えば数百μｍから数ｍｍ程度の長さ寸法を有すると共に、Ｙ軸方向に例えば数百μｍから数ｍｍ程度の長さ寸法を有している。放射電極１２のＸ軸方向の長さ寸法は、電気長で例えば放射する電波の半波長となる値に設定されている。

さらに、放射電極１２には、Ｘ軸方向の途中位置にビア１３が接続されると共に、ビア１３を介してトリプレート線路９が接続されている。即ち、線状導体１０の端部は、接続線路としてのビア１３を介して放射電極１２に接続されている。放射電極１２には、トリプレート線路９からの給電によって、Ｘ軸方向に向けて電流Ｉが流れる。

ビア１３は、ビア１１とほぼ同様に柱状の導体として形成されている。ビア１３は、絶縁層３，４を貫通して形成され、Ｚ軸方向に延びている。ビア１３の両端は、放射電極１２と線状導体１０にそれぞれ接続されている。ビア１３は、放射電極１２とトリプレート線路９との間を接続する接続線路となっている。ビア１３は、放射電極１２のうちＸ軸方向の中心位置と端部位置との間の途中位置に接続されている。

導波管構造体１４は、平面視で放射電極１２の電界方向（Ｅ面方向、図面のＸ軸方向）に位置して第１グランド層６に設けられたスリット１５と、スリット１５を取り囲んで基板２の厚さ方向に延びた導体壁１６とによって構成されている。導波管構造体１４は、放射電極１２を挟んで放射電極１２に流れる電流Ｉの方向（Ｘ軸方向）の両側に位置している（図１参照）。２つの導波管構造体１４は、放射電極１２を中心として線対称な形状となっている。なお、電界方向・Ｅ面方向とは、電界のベクトルが発生する方向をいう。

スリット１５は、第１グランド層６に形成された細長い隙間によって形成されている（図２、図４参照）。スリット１５は、放射電極１２の電流Ｉと直交するＹ軸方向に延びている。平面視で放射電極１２とスリット１５との間の間隔寸法Ｄは、自由空間における電波（放射電極１２から放射する電波）の波長λ0の０．４倍以上０．８倍以下の値に設定されている（図１参照）。このとき、間隔寸法Ｄは、放射電極１２の中心位置からスリット１５までの離間寸法である。具体的には、間隔寸法Ｄは、放射電極１２の中心から、スリット１５の磁界方向（Ｈ面方向、図面のＹ軸方向）における中心線Ｃまでの距離寸法である。スリット１５の電界方向（Ｘ軸方向）の幅寸法Ｇは、自由空間における電波の波長の１／１０以下の値に設定されている（図２参照）。

導体壁１６は、スリット１５を取り囲んだ四角形の枠状に形成されている。導体壁１６は、複数のビア１７によって構成されている。ビア１７は、ビア１１とほぼ同様に柱状の導体として形成されている。ビア１７は、絶縁層４を貫通して形成され、Ｚ軸方向に延びている（図３参照）。ビア１７の両端は、第１グランド層６と第２グランド層７にそれぞれ接続されている。隣合う２つのビア１７の間隔寸法は、電気長で例えば使用する電波の１／４波長よりも小さい値に設定されている。導波管構造体１４は、Ｘ軸方向に延びる矩形導波管を形成している。このため、Ｙ軸方向に導波管構造体１４の中心で切断した断面は、Ｘ軸方向から見たときに、矩形である。なお、導体壁１６は、絶縁層４と絶縁層５とを貫通して、グランド層６とグランド層８とに接続されてもよい。

平面視で磁界方向（Ｈ面方向、Ｙ軸方向）の導波管構造体１４の寸法Ｗは、基板２の媒質での放射電極１２から放射する電波の中心周波数の波長λaの１／２よりも大きく（Ｗ＞λa／２）なっている（図２参照）。このとき、寸法Ｗは、導波管構造体１４の磁界方向の第１端側に位置するビア１７の中心から導波管構造体１４の磁界方向の第２端側に位置するビア１７の中心までの距離寸法である。好ましくは、寸法Ｗは、波長λaの１／２よりも大きく、波長λaよりも小さい値になっている（λa／２＜Ｗ＜λa）。平面視でスリット１５から導波管構造体１４の終端部１４Ａまでの長さ寸法Ｌは、導波管構造体１４の内部における放射電極１２から放射する電波の中心周波数の波長λgの略１／４となっている（図３参照）。一例を挙げると、放射電極１２が７９ＧＨｚの中心周波数の電波を放射し、基板２の比誘電率が２．２で導波管構造体１４のＹ軸方向の寸法Ｗが２．５ｍｍである場合、波長λaは２．５６ｍｍとなり、波長λgは２．９８ｍｍとなる。

このとき、導波管構造体１４の終端部１４Ａは、スリット１５から入射された電波が導波管構造体１４内で反射してスリット１５に戻る反射波が生じる部位である。具体的には、導波管構造体１４の終端部１４Ａは、導波管構造体１４の伝搬方向（Ｘ軸方向）の終端位置に位置する導体壁１６である。このため、長さ寸法Ｌは、スリット１５から導波管構造体１４の終端部１４Ａまでの伝搬路長である。具体的には、長さ寸法Ｌは、スリット１５の中心位置から導波管構造体１４のうちＸ軸方向の終端に位置する導体壁１６（ビア１７の中心位置）までの離間寸法である。なお、スリット１５の中心位置は、スリット１５の長手方向（Ｙ軸方向）の中心線Ｃの位置である（図１参照）。平面視で円形状のビア１７の場合、ビア１７の中心位置は、円の中心点付近の位置である。但し、ビア１７の中心位置は、実質的に円の中心であればよく、正確な円の中心である必要はない。なお、磁界方向・Ｈ面方向とは、磁界のベクトルが発生する方向をいう。

このとき、基板２の媒質（絶縁層３〜５）での電波の波長λaは、自由空間での電波の波長λ0と、基板２の媒質の比誘電率ε_rとに基づいて、以下の数１の式で表される。このとき、比誘電率は、例えば、JIS R1660-2に規定された測定方法に基づいて測定される。

また、導波管構造体１４の内部における電波の波長λgは、導波管構造体１４の磁界方向（Ｙ軸方向）の長さ寸法Ｗに基づいて、以下の数２の式で表される。

かくして、第１の実施形態では、アンテナ装置１は、複数の絶縁層３〜５が積層された基板２と、基板２に設けられた第１グランド層６（グランド電極）と、基板２に設けられた放射電極１２とを備えている。このとき、トリプレート線路９から放射電極１２に向けて給電を行うと、放射電極１２には、Ｘ軸方向に向けて電流Ｉが流れる。これにより、アンテナ装置１は、放射電極１２のＸ軸方向の長さ寸法に応じた電波を送信または受信する。

また、アンテナ装置１には、基板２の放射電極１２の周囲で表面波が伝搬する傾向がある。これに対し、アンテナ装置１は、平面視で放射電極１２の電界方向に位置して第１グランド層６に設けられたスリット１５と、スリット１５を取り囲んで基板２の厚さ方向に延びた導体壁１６とからなる導波管構造体１４を備えている。

このとき、平面視で磁界方向の導波管構造体１４の寸法Ｗは、基板２の媒質での電波の波長の１／２よりも大きくなっている。このため、放射電極１２から放射される電波の周波数は、導波管構造体１４のカットオフ周波数よりも高くなり、導波管構造体１４の内部を電波が伝搬可能となる。

これに加え、平面視でスリット１５から導波管構造体１４の終端部１４Ａまでの長さ寸法Ｌは、導波管構造体１４の内部における電波の波長λgの略１／４となっている。このとき、導波管構造体１４は、１／４波長の長さ寸法を有するショートスタブとして機能する。このため、スリット１５から導波管構造体１４内に進入した電波は、終端部１４Ａで反射して反射波を発生させる。反射波はスリット１５の位置でスリット１５に進入する電波と逆位相となるから、スリット１５で電波が打ち消される。これにより、スリット１５は、ほぼオープン（開放）に近い状態になる。このため、第１グランド層６に流れる表面波の電流は、スリット１５によって遮断（カット）されるから、表面波伝搬によるパッチアンテナの指向性の乱れを抑制することができる。

この効果を確認するために、導波管構造体１４を設けた場合（第１の実施形態）と導波管構造体１４を省いた場合（比較例）について、電界方向の指向性を求めた。その結果を図５に示す。図５に示すように、比較例に比べて、第１の実施形態では、角度（電波の放射角度）が０°となる方向、即ち放射電極１２と直交する方向（Ｚ軸方向）でアンテナ利得が向上している。

また、放射電極１２とスリット１５とが近付きすぎると、スリット１５の影響によって、アンテナ利得が低下する。一方、放射電極１２とスリット１５とが遠すぎると、表面波の抑制効果が低下して、アンテナ利得が低下する。そこで、放射電極１２とスリット１５との間の間隔寸法Ｄとアンテナ利得との関係を求めた。その結果を図６に示す。平面視で放射電極１２とスリット１５との間の間隔寸法Ｄが、自由空間における放射電極１２が放射する電波の波長λ0の０．４倍未満の場合には、パッチアンテナの電流を妨げる。一方、平面視で放射電極１２とスリット１５との間の間隔寸法Ｄが、自由空間における放射電極１２が放射する電波の波長λ0の０．８倍を超える場合には、パッチアンテナとスリット１５との間で、定在波が発生して、アンテナ利得が劣化する。これに対し、図６に示すように、平面視で放射電極１２とスリット１５との間の間隔寸法Ｄは、自由空間における放射電極１２が放射する電波の波長λ0の０．４倍以上０．８倍以下の値になる場合には、パッチアンテナの電流を妨げず、定在波も発生しない。この結果、アンテナ利得は向上する。

また、スリット１５の電界方向の幅寸法Ｇは、０よりも大きい値であって、自由空間における放射電極１２が放射する電波の波長λ0の１／１０以下の値になっている（０＜Ｇ≦λ0／１０）。幅寸法Ｇを波長λ0の１／１０以下にする理由は、スリット１５のＹ軸方向における両端部で、位相をほぼ同じにして、電気特性を同じにするためである。これにより、スリット１５の全体がほぼ開放端になる。

さらに、放射電極１２は、基板２の第１面２Ａに配置されており、導波管構造体１４は、基板２の内部に配置されている。これにより、基板２の内部に設けられた第１グランド層６（グランド電極）に表面波が伝搬するときに、第１グランド層６を伝搬する表面波を導波管構造体１４によって抑制することができる。

次に、図７および図８は本発明の第２の実施形態を示している。そして、第２の実施形態の特徴は、放射電極が設けられた基板の第１面の絶縁層の比誘電率は、導波管構造体が設けられた基板の内部の絶縁層の比誘電率に比べて低い値になっていることにある。なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

第２の実施形態によるアンテナ装置２１は、第１の実施形態によるアンテナ装置１とほぼ同様に構成されている。アンテナ装置２１は、基板２２、第１グランド層６、放射電極１２、導波管構造体１４を備えている。

基板２２は、第１の実施形態による基板２とほぼ同様に形成され、第１面２２Ａ側（第１主面側）から第２面２２Ｂ側（第２主面側）に向けてＺ軸方向に積層した３層の絶縁層２３〜２５を有している。但し、基板２２の第１面２２Ａの絶縁層２３の比誘電率ε1は、導波管構造体１４が設けられた基板２２の内部の絶縁層２４の比誘電率ε2に比べて低い値になっている（ε1＜ε2）。絶縁層２５は、例えば絶縁層２４と同じ材料によって形成されている。このため、絶縁層２５は、絶縁層２４と同じ比誘電率ε2を有している。なお、絶縁層２５は、絶縁層２３と同じ比誘電率ε1を有してもよく、絶縁層２３，２４と異なる比誘電率を有していてもよい。

放射電極１２は、基板２２の第１面２２Ａ（絶縁層２３のうち絶縁層２４とは反対側の第１面）に配置されている。導波管構造体１４は、第１グランド層６に設けられたスリット１５と、スリット１５を取り囲んで基板２２の厚さ方向に延びた導体壁１６とによって構成されている。導体壁１６は、スリット１５を取り囲んで形成された複数のビア１７によって構成されている。ビア１７は、ビア１１とほぼ同様に柱状の導体として形成されている。ビア１７は、絶縁層２４を貫通して形成され、Ｚ軸方向に延びている。ビア１７の両端は、第１グランド層６と第２グランド層７にそれぞれ接続されている。これにより、導波管構造体１４は、基板２２の内部に配置されている。

かくして、第２の実施形態でも、スリット１５は、ほぼオープン（開放）に近い状態になる。このため、第１グランド層６に流れる表面波の電流は、スリット１５によって遮断（カット）される。この結果、表面波の伝搬を抑制してアンテナ利得を向上することができるのに加え、装置全体を小型化することができる。また、第２の実施形態では、放射電極１２が設けられた絶縁層２３の比誘電率ε1が基板２２の内部の絶縁層２４の比誘電率ε2に比べて低い値になっている。このため、アンテナ利得の向上が可能であるのに加え、アンテナ装置２１の広帯域化を図ることができる。また、導波管構造体１４が設けられた基板２２の内部の絶縁層２４の比誘電率ε2は、基板２２の第１面２２Ａの絶縁層２３に比べて高い値になっている。このため、導波管構造体１４の内部における電波の波長λgを短くすることができ、導波管構造体１４を小型化することができる。

次に、図９および図１０は本発明の第３の実施形態を示している。そして、第３の実施形態の特徴は、放射電極は、基板の第１面に配置されており、導波管構造体は、基板の第１面に露出するように設けられていることにある。なお、第３の実施形態では、第１の実施形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

第３の実施形態によるアンテナ装置３１は、第１の実施形態によるアンテナ装置１とほぼ同様に構成されている。アンテナ装置３１は、基板２、第１グランド層６、放射電極１２、導波管構造体３３を備えている。

これに加え、アンテナ装置３１は、基板２の第１面２Ａに設けられた第４グランド層３２を備えている。第４グランド層３２は、グランド電極となっている。第４グランド層３２は、例えば放射電極１２と同じ材料からなる導電性の金属薄膜によって形成されている。第４グランド層３２は、放射電極１２の周囲を除いて基板２の略全面を覆っている。このため、第４グランド層３２には、放射電極１２を取囲んで、金属薄膜が省かれた空隙部３２Ａが設けられている。これにより、第４グランド層３２は、放射電極１２と絶縁された状態で基板２の第１面２Ａに配置されている。

導波管構造体３３は、平面視で放射電極１２の電界方向（Ｘ軸方向）に位置して第４グランド層３２に設けられたスリット３４と、スリット３４を取り囲んで基板２の厚さ方向に延びた導体壁３５とによって構成されている。導波管構造体３３は、放射電極１２を挟んでＸ軸方向の両側に位置している（一方のみ図示）。

スリット３４は、第１の実施形態によるスリット１５と同様に構成されている。このため、スリット３４は、第４グランド層３２に形成された細長い隙間によって形成されている。スリット３４は、放射電極１２の電流と直交するＹ軸方向に延びている。

導体壁３５は、スリット３４を取り囲んで形成された複数のビア３６によって構成されている。ビア３６は、絶縁層３を貫通して形成され、Ｚ軸方向に延びている。ビア３６の両端は、第４グランド層３２と第１グランド層６にそれぞれ接続されている。平面視でスリット３４から導波管構造体３３の終端部３３Ａまでの長さ寸法は、導波管構造体３３の内部における電波の波長λgの略１／４となっている。なお、導体壁３５は、絶縁層３と絶縁層４とを貫通して、グランド層３２とグランド層７とに接続されてもよく、絶縁層３、絶縁層４および絶縁層５を貫通して、グランド層３２とグランド層８とに接続されてもよい。

かくして、第３の実施形態でも、表面波の伝搬を抑制してアンテナ利得を向上することができるのに加え、装置全体を小型化することができる。また、第３の実施形態では、放射電極１２は、基板２の第１面２Ａに配置されており、導波管構造体３３は、基板２の第１面２Ａに露出するように設けられている。このため、基板２の第１面２Ａに配置された第４グランド層３２（グランド電極）に流れる表面波の電流は、スリット３４によって遮断（カット）される。これにより、表面波伝搬によるパッチアンテナの指向性の乱れを抑制することができる。

なお、第３の実施形態では、放射電極１２と第４グランド層３２は、基板２の厚さ方向で同じ位置（同じ層）に配置されるものとした。本発明はこれに限らず、図１１に示す変形例によるアンテナ装置４１のように、放射電極１２と第４グランド層３２とが、基板２の厚さ方向で異なる位置（異なる層）に配置されてもよい。アンテナ装置４１は、例えば４層の絶縁層４３〜４６を有する基板４２を備えている。絶縁層４３〜４６は、第１面４２Ａ側から第２面４２Ｂ側に向けてＺ軸方向に積層されている。絶縁層４３は、第４グランド層３２を覆っている。第４グランド層３２は、絶縁層４３と絶縁層４４との間に配置されている。放射電極１２は、基板４２の第１面４２Ａに設けられている。放射電極１２と第４グランド層３２との間に絶縁層４３が配置されている。

次に、図１２ないし図１４は本発明の第４の実施形態を示している。そして、第４の実施形態の特徴は、導波管構造体が基板の厚さ方向で折り返した形状となっていることにある。なお、第４の実施形態では、第１の実施形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

第４の実施形態によるアンテナ装置５１は、第１の実施形態によるアンテナ装置１とほぼ同様に構成されている。アンテナ装置５１は、基板５２、第１グランド層６、放射電極１２、導波管構造体５８を備えている。

基板５２は、第１面５２Ａ側（第１主面側）から第２面５２Ｂ側（第２主面側）に向けてＺ軸方向に積層した４層の絶縁層５３〜５６を有している（図１３参照）。第１グランド層６は、絶縁層５４と絶縁層５５との間に位置している。第２グランド層７は、絶縁層５５と絶縁層５６との間に位置している。第３グランド層８は、基板５２の第２面５２Ｂ（絶縁層５６のうち絶縁層５５とは反対側の第２面）に位置している。第４グランド層５７は、基板５２の第１面５２Ａ（絶縁層５３のうち絶縁層５４とは反対側の第１面）に位置している。第１グランド層６、第２グランド層７、第３グランド層８および第４グランド層５７は、導電性の金属材料によって形成され、いずれも基板５２の略全面を覆っている。

第４グランド層５７は、グランド電極となっている。第４グランド層５７には、放射電極１２を取囲んで、金属薄膜が省かれた空隙部５７Ａが設けられている。これにより、第４グランド層５７は、放射電極１２と絶縁された状態で基板５２の第１面５２Ａに配置されている。

導波管構造体５８は、平面視で放射電極１２の電界方向に位置して第４グランド層５７に設けられたスリット５９と、スリット５９を取り囲んで基板５２の厚さ方向に延びた導体壁６０とを備えている。導波管構造体５８は、放射電極１２を挟んでＸ軸方向の両側に位置している（一方のみ図示）。

スリット５９は、第１の実施形態によるスリット１５と同様に構成されている。このため、スリット５９は、第４グランド層５７に形成された細長い隙間によって形成されている。スリット５９は、放射電極１２の電流と直交するＹ軸方向に延びている。

導体壁６０は、スリット５９を取り囲んだ四角形の枠状に形成されている。導体壁６０は、複数のビア６１によって構成されている。ビア６１は、柱状の導体として形成されている。ビア６１は、絶縁層５３，５４を貫通して形成され、Ｚ軸方向に延びている。ビア６１の両端は、第４グランド層５７と第１グランド層６にそれぞれ接続されている。なお、導体壁６０は、絶縁層５３、絶縁層５４および絶縁層５５を貫通して、グランド層５７とグランド層７とに接続されてもよく、絶縁層５３、絶縁層５４、絶縁層５５および絶縁層５６を貫通して、グランド層５７とグランド層８とに接続されてもよい。

導波管構造体５８は、中間壁６２をさらに備えている。基板５２には、導体壁６０の内部に位置して中間壁６２が設けられている。中間壁６２は、導体壁６０のＸ軸方向の間に位置している。中間壁６２は、複数のビア６３によって構成されている。ビア６３は、柱状の導体として形成されている。ビア６３は、絶縁層５３を貫通して形成され、Ｚ軸方向に延びている。このため、中間壁６２は、基板５２の第１面５２Ａから導体壁６０の厚さ方向の途中位置まで延びている。即ち、中間壁６２は、絶縁層５３を貫通して形成されている。このため、中間壁６２は、導体壁６０よりも短い深さ寸法（厚さ寸法）を有している。中間壁６２は、枠状の導体壁６０のＹ軸方向の全長に亘って設けられている。これにより、導波管構造体５８は、基板５２の厚さ方向（Ｚ軸方向）で折り返した矩形導波管を形成している。折り返した矩形導波管とは、側面から見て、Ｘ軸方向の第１端側の導体壁６０と、第１グランド層６と、Ｘ軸方向の第２端側の導体壁６０と、第４グランド層５７と、中間壁６２とが、角を有する渦巻状に配置された導波管をいう。

平面視で磁界方向の導波管構造体５８の寸法Ｗは、基板５２の媒質での電波の波長λaの１／２よりも大きくなっている。スリット５９から導波管構造体５８の終端部５８Ａまでの長さ寸法Ｌaは、導波管構造体５８の内部における電波の波長λgの略１／４となっている。このとき、導波管構造体５８の終端部５８Ａは、スリット５９から入射された電波が導波管構造体５８内で反射してスリット５９に戻る反射波が生じる部位である。これに加え、導波管構造体５８は、基板５２の厚さ方向（Ｚ軸方向）で折り返した構造となっている。このため、導波管構造体５８の終端部５８Ａは、Ｚ軸方向で折り返した導波管構造体５８の終端位置に位置する第４グランド層５７である。このため、長さ寸法Ｌaは、スリット５９から導波管構造体５８の終端部５８Ａまでの伝搬路長である。具体的には、長さ寸法Ｌaは、中間壁６２の絶縁層５４側端部とグランド層６の表面との中間位置を通り、スリット５９から導波管構造体５８の終端部５８Ａに至るまでの長さ寸法である。

かくして、第４の実施形態でも、表面波の伝搬を抑制してアンテナ利得を向上することができるのに加え、装置全体を小型化することができる。また、第４の実施形態では、導波管構造体５８は、基板５２の厚さ方向で折り返した形状となっている。このため、第１の実施形態に比べて、導波管構造体５８のＸ軸方向の寸法を小さくすることができ、導波管構造体５８を小型化することができる。

なお、第４の実施形態では、導波管構造体５８は、基板５２の厚さ方向で１回折り返した構造とした。本発明はこれに限らず、導波管構造体は、基板の厚さ方向で複数回折り返した構造でもよい。

次に、図１５を用いて、本発明の第５の実施形態について説明する。第５の実施形態の特徴は、本発明のアンテナ装置をアンテナモジュールおよび通信装置に適用したことにある。なお、第５の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１５は第５の実施形態に係る通信装置７１の構成を示すブロック図である。通信装置７１は、アンテナ装置１、フロントエンド回路７２、ＲＦＩＣ７３、およびベースバンドＩＣ７４を備え、電波を送受信する。アンテナモジュール７５は、アンテナ装置１、フロントエンド回路７２、およびＲＦＩＣ７３を備えている。なお、フロントエンド回路７２は、ＲＦＩＣ７３と一体化されてもよい。即ち、ＲＦＩＣ７３は、フロントエンド回路７２を含んでいてもよい。

フロントエンド回路７２は、ＲＦＩＣ７３で生成された送信ＲＦ信号を電力増幅回路（図示せず）により増幅し、デュプレクサ（図示せず）を介してアンテナ装置１へ供給する。また、フロントエンド回路７２は、アンテナ装置１で受信された受信ＲＦ信号を、デュプレクサを介して低雑音増幅回路（図示せず）により増幅し、ＲＦＩＣ７３へ供給する。

ＲＦＩＣ７３は、ベースバンドＩＣ７４で生成された送信信号を送信ＲＦ信号に変換し、フロントエンド回路７２へ供給する。当該変換は、信号の変調およびアップコンバートを含んでもよい。また、ＲＦＩＣ７３は、フロントエンド回路７２から受信した受信ＲＦ信号を受信信号に変換し、ベースバンドＩＣ７４へ供給する。当該変換は、信号の復調およびダウンコンバートを含んでもよい。

ベースバンドＩＣ７４は、送信データを送信信号に変換し、ＲＦＩＣ７３へ供給する。当該変換は、データの圧縮、多重化、誤り訂正符号の付加を含んでもよい。また、ベースバンドＩＣ７４は、ＲＦＩＣ７３から受信した受信信号を受信データに変換する。当該変換は、データの伸長、多重分離、誤り訂正を含んでもよい。

かくして、このように構成された第５の実施形態においても、表面波の伝搬を抑制してアンテナ利得を向上することができるのに加え、装置全体を小型化することができる。また、第５の実施形態では、アンテナ装置１を小型化することができるため、通信装置７１およびアンテナモジュール７５を小型化することができる。

なお、前記第５の実施形態では、第１の実施形態によるアンテナ装置１を通信装置７１およびアンテナモジュール７５に適用するものとしたが、第２ないし第４のいずれかの実施形態によるアンテナ装置２１，３１，５１を通信装置およびアンテナモジュールに適用してもよい。

次に、図１６を用いて、本発明の第６の実施形態について説明する。第６の実施形態の特徴は、本発明のアンテナ装置をレーダ装置に適用したことにある。なお、第６の実施形態において、第１の実施形態と同一の構成要素は同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１６は第６の実施形態によるレーダ装置８１を示している。レーダ装置８１は、ＴＤＭＡ（Time Division Multiple Access）、ＦＭＣＷ（Frequency Modulated Continuous Wave）およびＭＩＭＯ（Multiple-Input Multiple-Output）の機能を有するレーダ装置である。

レーダ装置８１は、送信アンテナ８２Ａ，８２Ｂと、受信アンテナ８３Ａ，８３Ｂと、ＲＦモジュール８４と、信号処理回路９１と、を備えている。

送信アンテナ８２Ａ，８２Ｂは、それぞれ、ＲＦモジュール８４から出力されたローカル信号ＳLを、送信信号Ｓtとして空中に放射する。受信アンテナ８３Ａ，８３Ｂは、ターゲット（物標）が送信信号Ｓtを反射したときに、ターゲットから反射して戻ってくるエコー信号Ｓeを受信する。送信アンテナ８２Ａ，８２Ｂおよび受信アンテナ８３Ａ，８３Ｂは、いずれも第１の実施形態によるアンテナ装置１によって構成されている。

ＲＦモジュール８４は、ローカル発振器８５と、送信部８６と、受信部８９と、を備えている。

ローカル発振器８５は、ローカル信号ＳLを発振する。ローカル発振器８５は、信号処理回路９１からのチャープ制御信号Ｓcに基づいて、時間と共に周波数が線形に増加または減少するチャープ波形となったローカル信号ＳLを出力する。ローカル発振器８５は、生成したローカル信号ＳLを送信部８６および受信部８９に出力する。

送信部８６は、ローカル発振器８５から出力されたローカル信号ＳLを、送信アンテナ８２Ａ，８２Ｂから送信信号Ｓtとして送信する。送信部８６は、スイッチ８７Ａ，８７Ｂと、パワーアンプ８８Ａ，８８Ｂと、を含んでいる。スイッチ８７Ａ，８７Ｂは、信号処理回路９１からのスイッチング制御信号Ｓsに基づいて、オン、オフする。スイッチ８７Ａ，８７Ｂがオンされていると、ローカル信号ＳLはパワーアンプ８８Ａ，８８Ｂに送られる。パワーアンプ８８Ａ，８８Ｂは、ローカル発振器８５から送られたローカル信号ＳLの電力を増幅し、送信アンテナ８２Ａ，８２Ｂに出力する。

受信部８９は、受信アンテナ８３Ａ，８３Ｂが受信した、送信信号Ｓtのターゲットでの反射によるエコー信号Ｓeと、ローカル信号ＳLとから、ビート信号Ｓbを出力する。具体的には、受信部８９は、受信アンテナ８３Ａ，８３Ｂが受信したエコー信号Ｓeと、ローカル発振器８５が出力したローカル信号ＳLとを乗算してビート信号Ｓbを生成する。受信部８９は、エコー信号Ｓeと、ローカル信号ＳLとを乗算するミキサ９０Ａ，９０Ｂを備えている。

信号処理回路９１は、ビート信号Ｓbに対する信号処理を行う。信号処理回路９１は、例えばＡＤコンバータ、マイクロコンピュータ等を備えている。

信号処理回路９１は、ローカル発振器８５に対してチャープ制御信号Ｓcを出力する。信号処理回路９１は、送信部８６に対して送信信号Ｓtの出力を制御するスイッチング制御信号Ｓsを出力する。また、信号処理回路９１は、受信部８９から出力されるビート信号Ｓbを用いてターゲットまでの距離測定（測距）と方位測定を行う。なお、本発明は、ＦＭＣＷ方式のレーダ装置８１に限らず、他の方式のレーダ装置にも適用することができる。

かくして、このように構成された第６の実施形態においても、表面波の伝搬を抑制してアンテナ利得を向上することができるのに加え、装置全体を小型化することができる。また、第６の実施形態では、送信アンテナ８２Ａ，８２Ｂおよび受信アンテナ８３Ａ，８３Ｂを小型化することができるため、レーダ装置８１を小型化することができる。

なお、前記第６の実施形態では、第１の実施形態によるアンテナ装置１をレーダ装置８１に適用するものとしたが、第２ないし第４のいずれかの実施形態によるアンテナ装置２１，３１，５１をレーダ装置に適用してもよい。

前記各実施形態では、放射電極１２はトリプレート線路９によって給電されるものとした。本発明はこれに限らず、放射電極はマイクロストリップ線路によって給電されてもよく、コプレーナ線路によって給電されてもよい。

前記各実施形態では、放射電極１２は四角形状に形成するものとしたが、例えば円形状のように他の形状でもよい。

前記各実施形態では、導波管構造体１４，３３，５８の導体壁１６，３５，６０はビア１７，３６，６１によって形成するものとした。本発明はこれに限らず、例えば基板に埋設された導体板によって導体壁を形成してもよい。

前記各実施形態では、ミリ波に用いるアンテナ装置１，２１，３１，５１を例に挙げて説明したが、ミリ波に限らず、例えばマイクロ波に用いるアンテナ装置に適用してもよい。

前記各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。

次に、上記実施形態に含まれるアンテナ装置、アンテナモジュール、通信装置およびレーダ装置として、例えば、以下に述べる態様のものが考えられる。

第１の態様としては、複数の絶縁層が積層された基板と、前記基板に設けられたグランド電極と、前記基板に設けられた放射電極とを備えたアンテナ装置であって、平面視で前記放射電極の電界方向に位置して前記グランド電極に設けられたスリットと、前記スリットを取り囲んで前記基板の厚さ方向に延びた導体壁とからなる導波管構造体とを備え、平面視で前記放射電極の磁界方向の前記導波管構造体の寸法は、前記基板の媒質での前記放射電極が放射する電波の波長の１／２よりも大きくなっており、平面視で前記スリットから前記導波管構造体の前記放射電極の電界方向の終端部までの長さ寸法は、前記導波管構造体の内部における前記放射電極が放射する電波の波長の略１／４であることを特徴としている。

第１の態様によれば、スリットは、ほぼオープンに近い状態になる。このため、グランド電極に流れる表面波の電流は、スリットによって遮断されるから、表面波伝搬によるアンテナ装置の指向性の乱れを抑制することができる。このため、パッチアンテナの周囲に一定数のAMC素子を設ける必要がなく、アンテナ装置の小型化が可能である。

第２の態様としては、第１の態様において、平面視で前記放射電極と前記スリットとの間の間隔寸法は、自由空間における前記放射電極が放射する電波の波長の０．４倍以上０．８倍以下の値になっていることを特徴としている。これにより、アンテナ利得を向上させることができる。

第３の態様としては、第１または第２の態様において、前記スリットの電界方向の幅寸法は、自由空間における前記放射電極が放射する電波の波長の１／１０以下の値になっていることを特徴としている。

第３の態様によれば、スリットの全体がほぼオープンになるのに加え、スリットが不必要に大きくなることがなく、導波管構造体を小型化することができる。

第４の態様としては、第１ないし第３のいずれかの態様において、前記放射電極は、前記基板の第１面に配置されており、前記導波管構造体は、前記基板の内部に配置されていることを特徴としている。

第４の態様によれば、基板の内部に設けられたグランド電極に表面波が伝搬するときに、グランド電極を伝搬する表面波を導波管構造体によって抑制することができる。

第５の態様としては、第１ないし第３のいずれかの態様において、前記放射電極は、前記基板の第１面に配置されており、前記導波管構造体は、前記基板の第１面に露出するように設けられていることを特徴としている。

第５の態様によれば、基板の第１面の設けられたグランド電極に表面波が伝搬するときに、グランド電極を伝搬する表面波を導波管構造体によって抑制することができる。

第６の態様としては、第１ないし第３のいずれかの態様において、前記放射電極は、前記基板の第１面に配置されており、前記導波管構造体は、中間壁をさらに備え、前記基板の厚さ方向で折り返した形状となっていることを特徴としている。これにより、導波管構造体を小型化することができる。

第７の態様としては、第１ないし第３のいずれかの態様において、前記放射電極は、前記基板の第１面に配置されており、前記導波管構造体は、前記基板の内部に配置されており、前記放射電極が設けられた前記基板の第１面の前記絶縁層の比誘電率は、前記導波管構造体が設けられた前記基板の内部の前記絶縁層の比誘電率に比べて低い値になっていることを特徴としている。

第７の態様によれば、放射電極が設けられた絶縁層の比誘電率が低い値になっているから、アンテナ利得の向上が可能であるのに加え、アンテナ装置の広帯域化を図ることができる。また、導波管構造体が設けられた基板の内部の絶縁層の比誘電率が高い値になっているから、導波管構造体を小型化することができる。

第８の態様のアンテナモジュールは、第１ないし第７のいずれかの態様によるアンテナ装置と、ＲＦＩＣとを備えている。

第９の態様の通信装置は、第１ないし第７のいずれかの態様によるアンテナ装置と、ＲＦＩＣと、ベースバンドＩＣとを備え、電波を送受信する。これにより、通信装置の小型化を図ることができる。

第１０の態様のレーダ装置は、第１ないし第７のいずれかの態様によるアンテナ装置と、ＲＦモジュールと、信号処理回路とを備えている。これにより、レーダ装置の小型化を図ることができる。

１，２１，３１，４１，５１ アンテナ装置
２，２２，４２，５２ 基板
２Ａ，２２Ａ，４２Ａ，５２Ａ 第１面
６ 第１グランド層（グランド電極）
１２ 放射電極
１４，３３，５８ 導波管構造体
１４Ａ，３３Ａ，５８Ａ 終端部
１５，３４，５９ スリット
１６，３５，６０ 導体壁
３２，５７ 第４グランド層（グランド電極）
６２ 中間壁
７１ 通信装置
７３ ＲＦＩＣ
７４ ベースバンドＩＣ
７５ アンテナモジュール
８１ レーダ装置
８２Ａ，８２Ｂ 送信アンテナ（アンテナ装置）
８３Ａ，８３Ｂ 受信アンテナ（アンテナ装置）
８４ ＲＦモジュール

本発明の一実施形態は、複数の絶縁層が積層された基板と、前記基板に設けられたグランド電極と、前記基板に設けられた放射電極とを備えたアンテナ装置であって、平面視で前記放射電極の電界方向に位置して前記グランド電極に設けられたスリットと、前記スリットを取り囲んで前記基板の厚さ方向に延びた導体壁とからなる導波管構造体を備え、前記放射電極と前記スリットは平面視で異なる位置に配置されており、平面視で前記放射電極の磁界方向の前記導波管構造体の寸法は、前記基板の媒質での前記放射電極が放射する電波の波長の１／２よりも大きくなっており、平面視で前記スリットから前記導波管構造体の前記放射電極の電界方向の終端部までの長さ寸法は、前記導波管構造体の内部における前記放射電極が放射する電波の波長の略１／４であることを特徴としている。

Claims (10)

1. 複数の絶縁層が積層された基板と、前記基板に設けられたグランド電極と、前記基板に設けられた放射電極とを備えたアンテナ装置であって、
   平面視で前記放射電極の電界方向に位置して前記グランド電極に設けられたスリットと、前記スリットを取り囲んで前記基板の厚さ方向に延びた導体壁とからなる導波管構造体を備え、
   平面視で前記放射電極の磁界方向の前記導波管構造体の寸法は、前記基板の媒質での前記放射電極が放射する電波の波長の１／２よりも大きくなっており、
   平面視で前記スリットから前記導波管構造体の前記放射電極の電界方向の終端部までの長さ寸法は、前記導波管構造体の内部における前記放射電極が放射する電波の波長の略１／４であることを特徴とするアンテナ装置。
2. 平面視で前記放射電極と前記スリットとの間の間隔寸法は、自由空間における前記放射電極が放射する電波の波長の０．４倍以上０．８倍以下の値になっていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記スリットの電界方向の幅寸法は、自由空間における前記放射電極が放射する電波の波長の１／１０以下の値になっていることを特徴とする請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記放射電極は、前記基板の第１面に配置されており、
   前記導波管構造体は、前記基板の内部に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記放射電極は、前記基板の第１面に配置されており、
   前記導波管構造体は、前記基板の第１面に露出するように設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. 前記放射電極は、前記基板の第１面に配置されており、
   前記導波管構造体は、中間壁をさらに備え、前記基板の厚さ方向で折り返した形状となっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のアンテナ装置。
7. 前記放射電極は、前記基板の第１面に配置されており、
   前記導波管構造体は、前記基板の内部に配置されており、
   前記放射電極が設けられた前記基板の第１面の前記絶縁層の比誘電率は、前記導波管構造体が設けられた前記基板の内部の前記絶縁層の比誘電率に比べて低い値になっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のアンテナ装置。
8. 前記請求項１ないし７のいずれかに記載のアンテナ装置と、ＲＦＩＣとを備えたアンテナモジュール。
9. 前記請求項１ないし７のいずれかに記載のアンテナ装置と、ＲＦＩＣと、ベースバンドＩＣとを備え、電波を送受信する通信装置。
10. 前記請求項１ないし７のいずれかに記載のアンテナ装置と、ＲＦモジュールと、信号処理回路とを備えたレーダ装置。

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