JP2004242168A

JP2004242168A - Antenna device

Info

Publication number: JP2004242168A
Application number: JP2003030975A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Seki; 智弘関; Kenjiro Nishikawa; 健二郎西川; Naoki Honma; 尚樹本間; Keizo Cho; 敬三長
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-02-07
Also published as: JP3982694B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the gain of an antenna device that uses parasitic elements for an array configuration. <P>SOLUTION: A first parasitic element layer 20 having a parasitic element 21 and a second parasitic element layer 30 having a parasitic element 31 are provided. This can make an element formation area 31S on the uppermost layer wider than in the conventional practice while securing electromagnetic field coupling enough between a feeding element 11 and the parasitic element 21, and between the parasitic elements 21 and 31. Since the wider is the element formation area of the uppermost layer, the higher a gain becomes, the gain of the antenna device using the parasitic elements for the array configuration can be improved more than in the conventional practice. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレー構成を有するアンテナ装置に関し、特に、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の放射素子を配列したアレーアンテナでは、放射素子のそれぞれに給電するために、給電線路をトーナメント状に分岐した給電回路が用いられている。しかし、給電線路により構成される給電回路では給電線路で損失が発生するため、アンテナの実効利得（動作利得）が低下するという問題があった。
この問題を解決するものとして、無給電素子アレーを用いたアンテナ装置が提案されている。図９は、この従来のアンテナ装置の構成を示す図である。この図において、（ａ）はアンテナ装置を上側から見た透視図、（ｂ）はアンテナ装置の縦断面構成を示す概念図である。
【０００３】
図９に示すアンテナ装置は、誘電体基板１５１上面に形成された給電素子１１１と、誘電体基板１５１の上に配置された誘電体基板１５２の上面に形成された４個の無給電素子１２１と、誘電体基板１５１の下面に形成された地板１４１とから構成されている。ここで、無給電素子とは、少なくとも電磁界的な結合により励振される素子をいう。
給電素子１１１および４個の無給電素子１２１は方形パッチであり、給電素子１１１の四隅が４個の無給電素子１２１の一隅とそれぞれ対向するように配置されている。また、給電素子１１１は給電線路１１２を介して高周波信号源１１３に接続されている。
【０００４】
給電素子１１１に給電し給電素子１１１を励振すると、給電素子１１１と４個の無給電素子１２１とが電磁界的に結合することにより４個の無給電素子１２１を励振し、アレー動作させることができる。よって、この４個の無給電素子１２１がアレーアンテナの素子アンテナとして作用する。
このアンテナ装置では、給電素子１１１と４個の無給電素子１２１との間で給電線路が不要となり、高周波信号源１１３と給電素子１１１との間に給電線路１１２を設ければよいだけなので、給電回路を構成する給電線路の総延長を短くし、線路損失に基づく実効利得の低下を抑制することができる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｈ．ＬｅｇａｙａｎｄＬ．Ｓｈａｆａｉ，“Ｎｅｗｓｔａｃｋｅｄｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐａｎｔｅｎｎａｗｉｔｈｌａｒｇｅｂａｎｄｗｉｄｔｈａｎｄｈｉｇｈｇａｉｎ，”ＩＥＥＰｒｏｃ．−Ｍｉｃｒｏｗ．ＡｎｔｅｎｎａｓＰｒｏｐａｇ．，Ｖｏｌ，１４１，Ｎｏ．３，ｐｐ．１９９−２０４，Ｊｕｎｅ１９９４．
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
複数の無給電素子を用いる場合、これらの無給電素子が形成される領域の面積が広いほど、指向性利得を高めることができる。しかし、図９に示した従来のアンテナ装置では、指向性利得に影響を与える素子形成領域１２１Ｓの面積を広くするために、無給電素子１２１同士の間隔を広げすぎると、給電素子１１１と無給電素子１２１との電磁界的な結合が不十分となり、無給電素子１２１を励振できなくなる。よって、従来のアンテナ装置には、高利得化に限界があるという問題があった。
【０００７】
また、従来のアンテナ装置では、１個の給電素子１１１で励振可能な無給電素子１２１の数には限りがある。このため、４素子より多素子のアレーアンテナを構成するには、４個の無給電素子１２１を励振する給電素子１１１を複数設け、それぞれの給電素子１１１に給電回路を用いて分配給電する必要がある。この場合、給電線路をトーナメント状に分岐した給電回路が用いられるので、線路損失により実効利得が低下するという問題があった。
【０００８】
また、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置では、ＧａＡｓなど電子移動度が大きい半導体基板上に、給電素子１１１のほか増幅回路や変復調回路などを作り込むことにより、高速な通信処理が可能となる。しかし、電子移動度が大きい半導体は高価であり、無給電素子１２１が形成される基板１５１，１５２と同程度の大面積の基板を電子移動度が大きい半導体で形成するとなると、基板の製造コストが増大してしまう。したがって、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化には多大なコストが必要となるという問題があった。
さらに、従来のアンテナ装置は、固定の指向特性を実現するものである。すなわち、放射ビームは固定されており、それを走査することができないという問題があった。
【０００９】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置の利得を、従来より更に向上させることにある。
また、他の目的は、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化に要するコストを低減することにある。
また、他の目的は、上記アンテナ装置のビーム走査を可能にすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明のアンテナ装置は、給電素子を有する給電素子層と、この給電素子層上に配置され無給電素子を有する無給電素子層とを備え、無給電素子層が、無給電素子を少なくとも２素子有する層を少なくとも２層有し、無給電素子層の最下層の無給電素子が、給電素子と電磁界的に結合することにより励振され、無給電素子層の最下層を除く層の無給電素子が、その層の下層の無給電素子と電磁界的に結合することにより励振されることを特徴とする。
【００１１】
給電素子および無給電素子には指向特性に広がりがあるので、給電素子と無給電素子層最下層の無給電素子との間、および、無給電素子層の上層と下層の無給電素子同士の間の電磁界的な結合を十分とりつつ、無給電素子が形成される領域の面積を下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることが可能となる。
また、無給電素子が形成される領域の面積を下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることにより、無給電素子の数を下層から上層へ行くにしたがって徐々に増やし、素子間隔を短くすることが可能となる。
【００１２】
ここで、無給電素子層のうちの一の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離と、無給電素子層のうちの前記一の層よりも上の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離とを、略１：２としてもよい。
無給電素子をこのように配置することにより、指向性利得は最大となる。
【００１３】
また、給電素子層が形成された半導体基板と、無給電素子層が形成された複数の誘電体基板とを備え、これらの半導体基板と誘電体基板とが積層されたものであってもよい。
上述したアンテナ装置では、１個の給電素子で複数の無給電素子をアレー動作させることができるので、給電素子層が形成される半導体基板の面積は無給電素子層が形成される誘電体基板の面積よりも小さくてよい。よって、給電素子層が形成される半導体基板を電子移動度が大きい材料で形成しても、半導体基板の製造コスト上昇が抑制される。
【００１４】
また、無給電素子の少なくとも１つに接続されインピーダンスが変化するインピーダンス可変デバイスと、このインピーダンス可変デバイスに接続されインピーダンス可変デバイスのインピーダンス変化を制御する制御装置とを備えるものであってもよい。
インピーダンス可変デバイスのインピーダンスにより、無給電素子の共振周波数が変化し、励振位相が変化する。無給電素子は励振位相に応じた位相の放射をするので、それぞれの無給電素子による放射が等位相面を形成するようにインピーダンス可変デバイスのインピーダンスを制御することにより、この等位相面と直交する方向に放射ビームを形成することができる。また、インピーダンス可変デバイスのインピーダンスを変化させることにより、放射ビームを走査することができる。
【００１５】
なお、無給電素子の配置を、無給電素子の形状および数、並びに、無給電素子層の各層の間に配置される基板の厚みおよび材料の少なくとも１つに基づき決定するようにしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。
この図に示すアンテナ装置は、給電素子１１を有する給電素子層１０と、この給電素子層１０の上に配置され、無給電素子２１，３１を有する無給電素子層とから構成されている。ここで、無給電素子層は二層構成を有し、下層である第１の無給電素子層２０は４個の無給電素子２１を有し、上層である第２の無給電素子層３０は４個の無給電素子３１を有している。
【００１７】
より具体的には、給電素子１１は誘電体基板５１の上面に形成され、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１は、誘電体基板５１の上に配置された誘電体基板５２の上面に形成され、第２の無給電素子層３０の４個の素子３１は、誘電体基板５２の上に配置された誘電体基板５３の上面に形成されている。誘電体基板５１の下面には、地板４１が形成されている。
【００１８】
給電素子１１はマイクロストリップアンテナからなり、誘電体基板５１の上面に形成されたマイクロストリップ線路からなる給電線路１２を介して高周波信号源（図示せず）に接続されている。第１の無給電素子層２０の４個の素子２１は、誘電体基板５２を挟んで、給電素子１１と電磁界的な結合が十分得られる位置に配置される。また、第２の無給電素子の４個の素子３１のそれぞれは、誘電体基板５３を挟んで、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１のいずれかと電磁界的な結合が十分得られる位置に配置される。
【００１９】
給電線路１２を介して給電素子１１に給電し、給電素子１１を励振すると、給電素子１１と第１の無給電素子層２０の４個の素子２１とが電磁界的に結合することにより素子２１が励振される。そして、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１と第２の無給電素子層３０の４個の素子３１とが電磁界的に結合することにより素子３１が励振される。よって、第２の無給電素子層３０の４個の素子３１をアレー動作させることができる。
【００２０】
本実施の形態では、給電素子１１の指向特性には広がりがあるので、給電素子１１と第１の無給電素子層２０の素子２１との電磁界的な結合を十分とりつつ、給電素子１１との対向領域よりも広い領域２１Ｓに４個の素子２１を配置することができる。同様に、第１の無給電素子層２０の素子２１の指向特性には広がりがあるので、第１の無給電素子層２０の素子２１と第２の無給電素子層３０の素子３１との電磁界的な結合を十分とりつつ、素子２１の形成領域２１Ｓよりも更に広い領域３１Ｓに４個の素子３１を配置することができる。
【００２１】
よって、直接的には給電素子１１との電磁界的結合が不十分となる広範囲の領域３１Ｓに配置された無給電素子３１であっても、その素子３１の層３０と給電素子１１の層１０との間に新たに無給電素子２１の層２０を介在させることにより、上記の領域３１Ｓに配置された無給電素子３１を間接的に給電素子１１と電磁界的に結合させることが可能となる。
無給電素子の形成領域が広いほど、最も外側の無給電素子同士の間隔が広くなるので、アレーアンテナの指向特性が鋭くなり、指向性利得が高まる。よって、第２の無給電素子層３０の素子形成領域３１Ｓを第１の無給電素子層２０の素子形成領域２１Ｓよりも広くすることにより、従来よりも指向性利得を高めることができる。
【００２２】
なお、第２の無給電素子層３０の素子３１には、無給電素子層２０と３０との間の電磁界を引き寄せる作用があるので、第２の無給電素子層３０の素子３１の配置を調整することにより、実効利得の低下を抑制することも可能である。
【００２３】
次に、本実施の形態に係るアンテナ装置の指向特性の一例を示す。図２は、指向特性の解析に用いたアンテナ装置の各部の寸法を示す図である。この図において、（ａ）はアンテナ装置を上側から見た透視図、（ｂ）はアンテナ装置を側方から見た透視図である。
【００２４】
給電素子層１０と地板４１との間の誘電体基板５１の厚さは０．１ｍｍ、給電素子層１０と第１の無給電素子層２０との間の誘電体基板５２の厚さは０．３ｍｍ、第１の無給電素子層２０と第２の無給電素子層３０との間の誘電体基板５３の厚さは０．２ｍｍである。誘電体基板５３の上には、第２の無給電素子層３０を保護する厚さ０．１ｍｍの誘電体基板５４が装荷されている。なお、誘電体基板５１〜５４には、比誘電率εｒ＝７．７の低温焼成セラミック基板が用いられているものとする。
また、給電素子１１は１．７ｍｍの方形パッチ、第１の無給電素子層２０の素子２１は１．８４ｍｍの方形パッチ、第２の無給電素子層３０の素子３１は１．８ｍｍの方形パッチである．第２の無給電素子層３０の素子間隔（図２（ａ）において横方向または縦方向に隣り合う２素子の中心間距離）は、０．３７λ_０（λ_０は自由空間における波長）である。
【００２５】
このようなアンテナ装置の指向特性をモーメント法により解析した。図３は、その解析結果を示すグラフである。横軸は放射角度（Ａｎｇｌｅ）［ｄｅｇ］、縦軸は相対電力（Ｒｅｌａｔｉｖｅｐｏｗｅｒ）［ｄＢ］である。このグラフでは、第２の無給電素子層３０（２−ｌａｙｅｒ）の放射を実線で示している。これに加えて、誘電体基板５３より上の層がなかった場合の第１の無給電素子層２０（１−ｌａｙｅｒ）の放射を一点鎖線で、また誘電体基板５２より上の層がなかった場合の給電素子層１０（Ｎｏｒｍａｌ）の放射を点線で示している。このグラフから、第２の無給電素子層３０を設けることにより指向特性が鋭くなると同時に、指向性利得が約３ｄＢ向上することがわかる。
なお、誘電体基板５１〜５４の厚さおよび材料（εｒ）、給電素子１１の形状および寸法、無給電素子２１，３１の形状、寸法、数および配置によりアンテナ装置の特性が変化するので、アンテナ装置はこれらをパラメータにして設計される。
【００２６】
本実施の形態では、無給電素子層を２層有する例を示したが、３層以上有するものであってもよい。無給電素子層を３層以上有する場合には、最下層の無給電素子が、給電素子１１と電磁界的な結合が十分得られる位置に配置され、それ以外の層の無給電素子が、それぞれの層の下層の無給電素子と電磁界的な結合が十分得られる位置に配置される。この場合も、各層の素子形成領域を、下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げ、最も外側の無給電素子同士の間隔を広げることができる。
また、無給電素子層を構成する各層がそれぞれ無給電素子を４個有する例を示したが、各層はそれぞれ無給電素子を２個以上有していればよい。なお、各層で素子数が異なっていてもよい。
【００２７】
また、図２には、放射素子１１および無給電素子２１，３１が方形パッチである例を示したが、パッチの形状は五角形などの多角形または円形であってもよい。さらに、給電素子１１と無給電素子２１、または無給電素子２１と無給電素子３１とがそれぞれの隅で対向する例を示したが、必ずしもそれぞれの隅で対向していなくてもよい。
以上のことは、これから説明する他の実施の形態でも同様に言えることである。
【００２８】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態で挙げたパラメータのうち無給電素子２１，３１の配置を調整することにより最大利得を得るアンテナ装置の構成法について説明する。図４は、このアンテナ装置の構成法に用いるパラメータを示す図である。この図において、（ａ）はアンテナ装置を上側から見た透視図、（ｂ）はアンテナ装置を側方から見た透視図である。説明の都合上、（ａ）には給電素子１１の中心を原点Ｏとするｘｙ座標を記載している。なお、図４では、図２に示した部材と同一部材に対しては、図２と同一符号で示している。
【００２９】
図４（ａ）に示すように、給電素子１１の中心Ｏから放射方向に、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１および第２の無給電素子層３０の４個の素子３１が配置されているものとする。ここで、１つの無給電素子２１の中心の座標を（ｗ１，ｗ１）、１つの無給電素子３１の中心の座標を（ｗ２，ｗ２）とする。ただし、０＜ｗ１＜ｗ２である。
このｗ１およびｗ２をパラメータとして、アンテナ装置の指向特性をモーメント法により解析した。ここで、その他の条件は第１の実施の形態で説明した解析と同じとした。
【００３０】
図５は、その解析結果を示す図である。横軸はｗ２［×λ_０］であり、縦軸はｗ１［×λ_０］または最大利得（Ａｂｓｏｌｕｔｅｇａｉｎ）［ｄＢｉ］である。最大利得の値とそのときのｗ２の値との関係を点線で示し、最大利得が得られるｗ２の値とそのときのｗ１の値との関係を実線で示している。
このグラフから、ｗ２がｗ１の略２倍のときに最大利得が得られると言える。よって、この関係を満たすように無給電素子２１，３１を配置することにより、アンテナ装置の指向性利得を高めることができる。
また、アンテナ装置の設計にかかるパラメータから無給電素子２１，３１の配置を削除することができる。これにより、パラメータの数が少なくなるので、目的の特性に応じたアンテナ装置を短時間で設計することができ、アンテナ装置の新規開発に要する設計コストを削減することができる。
【００３１】
本実施の形態では、無給電素子２１，３１の配置のパラメータとしてｗ１，ｗ２を用いた例を示したが、第１の無給電素子層２０の素子２１の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子１１の中心との距離ｄ１と、第２の無給電素子層３０の素子３１の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子の中心との距離ｄ２とを用いてもよい。この場合も同様に、ｄ２をｄ１の略２倍としてときにアンテナ装置の指向性利得を最大にすることができる。
【００３２】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置は、第１の実施の形態に係るアンテナ装置において、無給電素子層の上層の素子数を下層の素子数より増やしたものである。図６は、このアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。この図では、図１に示した部材と同一部材に対しては、図１と同一符号で示している。
図６に示すアンテナ装置では、下層である第１の無給電素子層２０は４個の無給電素子２１を有し、上層である第２の無給電素子層３０は１６個の無給電素子３１を有している。第１の実施の形態で説明したように、第２の無給電素子層３０では第１の無給電素子層２０よりも素子形成領域を広くとれるので、第２の無給電素子層３０の素子数を第１の無給電素子層２０の素子数より増やしても、第２の無給電素子層３０の素子３１を重ならないように配置することができる。そして、第２の無給電素子層３０の素子数を増やして素子間隔を短くすることにより、グレーティングローブの発生を抑えることができる。
【００３３】
本実施の形態では、給電素子１１へは給電線路１２を用いて給電しているものの、アレーアンテナの素子アンテナとして作用する第２の無給電素子層３０の素子３１へは、第１の無給電素子層２０の素子２１を介する電磁界的な結合により給電を行っている。電磁界的な結合による給電は給電線路を用いた給電よりも低損失であるので、多素子のアレーアンテナを構成する場合の実効利得の低下を抑制することができる。
【００３４】
本実施の形態でも、無給電素子層を３層以上にしてもよい。この場合も、各層の無給電素子の数を下層から上層へ行くにしたがって徐々に増やすことができる。
また、本実施の形態でも、第２の実施の形態と同様にしてアンテナ装置の指向性利得を最大にすることができる。ただし、指向特性に影響を与えるのは各層の最も外側の無給電素子であるから、一の層で最も外側の無給電素子の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子１１の中心との距離をｄ１とし、その上層で最も外側の無給電素子の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子１１の中心との距離をｄ２とする。そして、ｄ２をｄ１の略２倍としたときに、アンテナ装置の指向性利得を最大にすることができる。
【００３５】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置は、給電素子１１をチップモジュールで構成したものである。図７は、このアンテナ装置の構成を示す図である。この図において、（ａ）は斜視透視図、（ｂ）は部分縦断面図である。なお、図７では、図１，図６に示した部材と同一部材に対しては、図１，図６と同一符号で示している。
【００３６】
このアンテナ装置では、チップモジュール１４が用いられている。このチップモジュール１４は、ＧａＡｓなど電子移動度が大きい材料からなる半導体基板上に、増幅回路や変復調回路などとともに、給電素子１１となるアンテナを一体形成したＭＭＩＣ（ＭｏｎｏｌｉｔｈｉｃＭｉｃｒｏｗａｖｅＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）である。
誘電体基板５１およびその下面に形成された地板４１は一部が刳り抜かれ、キャビティ５１Ａが形成されている。このキャビティ５１Ａにチップモジュール１４の給電素子１１側を上にして配置することにより、無給電素子２１，３１が形成された誘電体基板５２，５３にチップモジュール１４が実装される。その結果、チップモジュール１４の半導体基板と誘電体基板５２，５３とが積層された構成となる。なお、チップモジュール１４が配置されたキャビティ５１Ａは、蓋４２により塞がれる。
【００３７】
このように、電子移動度が大きい半導体基板に形成されたＭＭＩＣを用いることにより、準ミリ波帯以上の周波数帯であっても高速な通信処理が可能となる。
また、このアンテナ装置では、１個の給電素子１１で多数の無給電素子３１をアレー動作させることができるので、給電素子１１が形成される半導体基板の面積は無給電素子３１が形成される誘電体基板５３の面積よりも遙かに小さくてよい。よって、半導体基板の材料が高価であっても、半導体基板の製造コスト上昇を抑制することができる。よって、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化に要するコストを削減することができる。
【００３８】
なお、チップモジュール１４は、上記半導体基板上に増幅回路や変復調回路などを形成したＭＭＩＣのモジュールと、給電素子１１となるアンテナのモジュールとを組み合わせたものであってもよい。
また、図７では、第３の実施の形態に係るアンテナ装置の給電素子１１としてチップモジュール１４を用いる例を示したが、第１または第２の実施の形態に係るアンテナ装置にチップモジュール１４を用いてもよいことは言うまでもない。
【００３９】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係るアンテナ装置は、放射ビームの走査を可能にするものである。図８は、このアンテナ装置の第２の無給電素子層の構成を示す図である。なお、図８では、図６，図７に示した部材と同一部材に対しては、図６，図７と同一符号で示している。
【００４０】
誘電体基板５３の上面には、第２の無給電素子層３０を構成する無給電素子３１が格子配列されている。すべての無給電素子３１は接地されるとともに、それぞれインピーダンス可変デバイス３２の一端に接続されている。インピーダンス可変デバイス３２の他端には制御線３３を介して制御装置６１が接続されている。なお、制御装置６１は誘電体基板５３上に実装される必要はない。
インピーダンス可変デバイス３２は、制御装置６１より印加される制御信号によりインピーダンスが変化するデバイスである。インピーダンス可変デバイス３２としては、例えばｐｉｎダイオード、バラクタダイオード、バリキャップダイオード、トランジスタ回路またはＦＥＴ回路などを使用することができる。
【００４１】
インピーダンス可変デバイス３２のインピーダンスにより、無給電素子３１の共振周波数が変化し、励振位相が変化する。無給電素子３１は励振位相に応じた位相の放射をするので、それぞれの無給電素子３１による放射が等位相面を形成するようにインピーダンス可変デバイス３２のインピーダンスを制御することにより、この等位相面と直交する方向に放射ビームを形成することができる。また、インピーダンス可変デバイス３２のインピーダンスを変化させることにより、放射ビームを走査することができる。よって、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置で、フェーズドアレーアンテナを実現することができる。
【００４２】
なお、第２の無給電素子層３０の素子３１のすべてにインピーダンス可変デバイス３２を接続する例を説明したが、素子３１の少なくとも１個にインピーダンス可変デバイス３２を接続することによりフェーズドアレーアンテナを実現できる場合もある。
また、本実施の形態は、上述したいずれの実施の形態にも適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアンテナ装置では、無給電素子層に、無給電素子を少なくとも２素子有する層を少なくとも２層設ける。よって、給電素子と無給電素子層最下層の無給電素子との間、および、無給電素子層の上層と下層の無給電素子同士の間の電磁界的な結合を十分とりつつ、無給電素子が形成される領域の面積を、下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることが可能となる。よって、従来より更に利得を向上させることができる。
【００４４】
また、無給電素子が形成される領域の面積を下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることにより、無給電素子の数を下層から上層へ行くにしたがって徐々に増やすことが可能になる。これにより、素子間隔が短くなるので、グレーティングローブの発生を抑制することができる。この際、最上層の無給電素子へは電磁界的な結合により給電が行われる。電磁界的な結合による給電は給電線路を用いた給電よりも低損失である。よって、給電線路をトーナメント状に分岐した給電回路を必要とした従来の多素子アレーアンテナよりも、線路損失による利得の低下を抑制することができる。
【００４５】
また、無給電素子層のうちの一の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離と、無給電素子層のうちの前記一の層よりも上の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離とを、略１：２とする。これにより、最大利得を得ることができる。
【００４６】
また、給電素子層が形成された半導体基板と、無給電素子層が形成された誘電体基板を積層して、アンテナ装置を構成する。このアンテナ装置では、１個の給電素子で複数の無給電素子をアレー動作させることができるので、給電素子層が形成される半導体基板の面積は無給電素子層が形成される誘電体基板の面積よりも小さくてよい。よって、準ミリ波帯以上の周波数帯での通信処理の高速化を図るため、給電素子層が形成される半導体基板を電子移動度が大きく高価な材料で形成しても、半導体基板の製造コスト上昇を抑制することができる。よって、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化に要するコストを削減することができる。
【００４７】
また、無給電素子に接続されたインピーダンス可変デバイスと、このインピーダンス可変デバイスのインピーダンス変化を制御する制御装置とを設ける。インピーダンス可変デバイスのインピーダンス変化を制御することにより、放射ビームを走査することができる。よって、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置で、フェーズドアレーアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。
【図２】指向特性の解析に用いたアンテナ装置の各部の寸法を示す図である。
【図３】指向特性の解析結果を示すグラフである。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置の構成法に用いるパラメータを示す図である。
【図５】最大利得の値とそのときのパラメータｗ１，ｗ２の値との関係を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係るアンテナ装置の第２の無給電素子層の構成を示す図である。
【図９】無給電素子アレーを用いた従来のアンテナ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…給電素子層、１１…給電素子、１２…給電線路、１４…チップモジュール、２０…第１の無給電素子層、２１，３１…無給電素子、３２…インピーダンス可変デバイス、３３…制御線、２１Ｓ，３１Ｓ…素子形成領域、３０…第２の無給電素子層、４１…地板、４２…蓋、５１〜５４…誘電体基板、５１Ａ…キャビティ、６１…制御装置。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an antenna device having an array configuration, and more particularly, to an antenna device using a parasitic element in the array configuration.
[0002]
[Prior art]
In an array antenna in which a plurality of radiating elements are arranged, a feeding circuit in which a feeding line is branched into a tournament is used to feed power to each of the radiating elements. However, in a power supply circuit including a power supply line, there is a problem that a loss occurs in the power supply line, so that the effective gain (operating gain) of the antenna is reduced.
To solve this problem, an antenna device using a parasitic element array has been proposed. FIG. 9 is a diagram showing a configuration of this conventional antenna device. In this figure, (a) is a perspective view of the antenna device viewed from above, and (b) is a conceptual diagram showing a vertical cross-sectional configuration of the antenna device.
[0003]
The antenna device shown in FIG. 9 includes a feed element 111 formed on the upper surface of a dielectric substrate 151 and four parasitic elements 121 formed on the upper surface of a dielectric substrate 152 disposed on the dielectric substrate 151. And a ground plate 141 formed on the lower surface of the dielectric substrate 151. Here, the parasitic element refers to an element that is excited by at least electromagnetic coupling.
The feeding element 111 and the four parasitic elements 121 are rectangular patches, and are arranged such that the four corners of the feeding element 111 face one corner of the four parasitic elements 121, respectively. The feed element 111 is connected to a high-frequency signal source 113 via a feed line 112.
[0004]
When the power is supplied to the power supply element 111 and the power supply element 111 is excited, the power supply element 111 and the four parasitic elements 121 are electromagnetically coupled to each other to excite the four parasitic elements 121 to perform an array operation. it can. Therefore, these four parasitic elements 121 function as element antennas of the array antenna.
In this antenna device, a feed line is not required between the feed element 111 and the four parasitic elements 121, and only the feed line 112 needs to be provided between the high-frequency signal source 113 and the feed element 111. It is possible to shorten the total length of the feeder line constituting the circuit and suppress a decrease in the effective gain due to the line loss (for example, see Non-Patent Document 1).
[0005]
[Non-patent document 1]
H. Legay and L.M. Shafai, "New Stacked Microstrip Antenna with Large Bandwidth and High Gain," IEEE Proc. -Microw. Antennas Propag. Vol. 3, pp. 199-204, June 1994.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When a plurality of parasitic elements are used, the larger the area of the region where these parasitic elements are formed, the higher the directivity gain can be. However, in the conventional antenna device shown in FIG. 9, if the distance between the parasitic elements 121 is too large in order to increase the area of the element forming region 121S that affects the directivity gain, the parasitic element 111 and the parasitic element Electromagnetic coupling with the element 121 becomes insufficient, and the parasitic element 121 cannot be excited. Therefore, the conventional antenna device has a problem that there is a limit in increasing the gain.
[0007]
In the conventional antenna device, the number of parasitic elements 121 that can be excited by one feed element 111 is limited. Therefore, in order to configure an array antenna having more than four elements, it is necessary to provide a plurality of feed elements 111 for exciting four parasitic elements 121 and to distribute and feed each feed element 111 using a feed circuit. is there. In this case, a feeder circuit in which the feeder line is branched into a tournament is used, so that there is a problem that the line gain causes the effective gain to decrease.
[0008]
Further, in an antenna device used in a frequency band equal to or higher than the quasi-millimeter wave band, high-speed communication is achieved by forming an amplification circuit and a modulation / demodulation circuit in addition to the feed element 111 on a semiconductor substrate such as GaAs having a high electron mobility. Processing becomes possible. However, a semiconductor having a high electron mobility is expensive. If a substrate having a large area similar to the substrates 151 and 152 on which the parasitic element 121 is formed is formed of a semiconductor having a high electron mobility, the manufacturing cost of the substrate is high. Will increase. Therefore, in an antenna device used in a frequency band equal to or higher than the quasi-millimeter wave band, there has been a problem that a large cost is required to speed up communication processing.
Further, the conventional antenna device realizes fixed directional characteristics. That is, there is a problem that the radiation beam is fixed and cannot be scanned.
[0009]
The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to further improve the gain of an antenna device using a parasitic element in an array configuration as compared with the related art.
Another object is to reduce the cost required for speeding up communication processing in an antenna device used in a frequency band higher than the quasi-millimeter wave band.
Another object is to enable beam scanning of the antenna device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, an antenna device according to the present invention includes a feed element layer having a feed element, and a parasitic element layer having a parasitic element disposed on the feed element layer. The layer has at least two layers each having at least two parasitic elements, and the lowermost parasitic element of the parasitic element layer is excited by being electromagnetically coupled to the feeding element to form a parasitic element layer. The parasitic element of the layer except for the lowermost layer is excited by being electromagnetically coupled to the parasitic element of the lower layer of the layer.
[0011]
Since the directional characteristics of the feed element and the parasitic element have a spread, between the feed element and the parasitic element at the lowermost layer of the parasitic element layer, and between the upper and lower parasitic elements of the parasitic element layer. , The area of the region where the parasitic element is formed can be gradually increased from the lower layer to the upper layer.
Also, by gradually increasing the area of the region where the parasitic element is formed from the lower layer to the upper layer, the number of the parasitic element is gradually increased from the lower layer to the upper layer, and the element interval can be shortened. It becomes possible.
[0012]
Here, the distance between the center of the feeder element and the foot lowered from the center of the parasitic element arranged at the outermost position in one of the parasitic element layers to the feeder element layer, The distance between the center of the feeder element and the foot lowered from the center of the parasitic element disposed on the outermost layer above the one layer to the feeder element layer may be approximately 1: 2.
By arranging the parasitic element in this way, the directivity gain is maximized.
[0013]
Further, a semiconductor substrate on which a feeder element layer is formed and a plurality of dielectric substrates on which a parasitic element layer is formed may be provided, and the semiconductor substrate and the dielectric substrate may be stacked.
In the above-described antenna device, a plurality of parasitic elements can be operated in an array by one feed element. Therefore, the area of the semiconductor substrate on which the feed element layer is formed is smaller than the area of the dielectric substrate on which the parasitic element layer is formed. It may be smaller than the area. Therefore, even when the semiconductor substrate on which the power supply element layer is formed is formed of a material having high electron mobility, an increase in the manufacturing cost of the semiconductor substrate is suppressed.
[0014]
Further, the variable impedance device may include a variable impedance device connected to at least one of the parasitic elements and having a variable impedance, and a control device connected to the variable impedance device and controlling a change in impedance of the variable impedance device.
Due to the impedance of the variable impedance device, the resonance frequency of the parasitic element changes, and the excitation phase changes. Since the parasitic element radiates a phase according to the excitation phase, by controlling the impedance of the impedance variable device so that the radiation from each parasitic element forms an equiphase plane, the parasitic element is orthogonal to the isophase plane. A beam of radiation can be formed in any direction. In addition, the radiation beam can be scanned by changing the impedance of the variable impedance device.
[0015]
The arrangement of the parasitic element may be determined based on at least one of the shape and number of the parasitic element, and the thickness and material of the substrate disposed between each of the parasitic element layers.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(First Embodiment)
FIG. 1 is a perspective perspective view showing the configuration of the antenna device according to the first embodiment of the present invention.
The antenna device shown in FIG. 1 includes a feed element layer 10 having a feed element 11 and a parasitic element layer disposed on the feed element layer 10 and having parasitic elements 21 and 31. Here, the parasitic element layer has a two-layer configuration, the lower first parasitic element layer 20 has four parasitic elements 21, and the upper second parasitic element layer 30 It has four parasitic elements 31.
[0017]
More specifically, the power supply element 11 is formed on the upper surface of the dielectric substrate 51, and the four elements 21 of the first parasitic element layer 20 are formed of a dielectric substrate 52 disposed on the dielectric substrate 51. The four elements 31 of the second parasitic element layer 30 are formed on the upper surface of a dielectric substrate 53 disposed on the dielectric substrate 52. On the lower surface of the dielectric substrate 51, a ground plate 41 is formed.
[0018]
The feed element 11 includes a microstrip antenna, and is connected to a high-frequency signal source (not shown) via a feed line 12 formed of a microstrip line formed on the upper surface of the dielectric substrate 51. The four elements 21 of the first parasitic element layer 20 are arranged at positions where the electromagnetic coupling with the feed element 11 is sufficiently obtained with the dielectric substrate 52 interposed therebetween. Further, each of the four elements 31 of the second parasitic element is sufficiently electromagnetically coupled to any of the four elements 21 of the first parasitic element layer 20 with the dielectric substrate 53 interposed therebetween. It is placed in the position where it can be obtained.
[0019]
When power is supplied to the power supply element 11 via the power supply line 12 and the power supply element 11 is excited, the power supply element 11 and the four elements 21 of the first parasitic element layer 20 are electromagnetically coupled to each other, so that the element 21 Is excited. Then, the four elements 21 of the first parasitic element layer 20 and the four elements 31 of the second parasitic element layer 30 are electromagnetically coupled to excite the element 31. Therefore, the four elements 31 of the second parasitic element layer 30 can be operated in an array.
[0020]
In the present embodiment, since the directional characteristics of the feed element 11 are broad, the electromagnetic field coupling between the feed element 11 and the element 21 of the first parasitic element layer 20 is sufficiently secured, and Four elements 21 can be arranged in an area 21S wider than the opposing area. Similarly, since the directional characteristics of the element 21 of the first parasitic element layer 20 are broad, the electromagnetic characteristics of the element 21 of the first parasitic element layer 20 and the element 31 of the second parasitic element layer 30 are different. The four elements 31 can be arranged in a region 31S wider than the formation region 21S of the element 21 while securing sufficient field coupling.
[0021]
Therefore, even if the parasitic element 31 is directly disposed in the wide area 31S where the electromagnetic coupling with the feed element 11 is insufficient, the layer 30 of the element 31 and the layer 10 of the feed element 11 And a new layer 20 of the parasitic element 21 is interposed between the parasitic element 21 and the parasitic element 31 disposed in the region 31S can be indirectly electromagnetically coupled to the feed element 11. .
As the area where the parasitic element is formed is larger, the interval between the outermost parasitic elements is wider, so that the directional characteristics of the array antenna are sharper and the directional gain is higher. Therefore, by making the element formation region 31S of the second parasitic element layer 30 wider than the element formation region 21S of the first parasitic element layer 20, the directivity gain can be increased as compared with the related art.
[0022]
Since the element 31 of the second parasitic element layer 30 has an action of attracting an electromagnetic field between the parasitic element layers 20 and 30, the arrangement of the element 31 of the second parasitic element layer 30 is changed. By adjusting, it is also possible to suppress a decrease in the effective gain.
[0023]
Next, an example of the directional characteristics of the antenna device according to the present embodiment will be described. FIG. 2 is a diagram showing dimensions of each part of the antenna device used for analyzing the directivity characteristics. In this figure, (a) is a perspective view of the antenna device viewed from above, and (b) is a perspective view of the antenna device viewed from the side.
[0024]
The thickness of the dielectric substrate 51 between the feed element layer 10 and the ground plane 41 is 0.1 mm, and the thickness of the dielectric substrate 52 between the feed element layer 10 and the first parasitic element layer 20 is 0.1 mm. 3 mm, and the thickness of the dielectric substrate 53 between the first parasitic element layer 20 and the second parasitic element layer 30 is 0.2 mm. On the dielectric substrate 53, a 0.1 mm-thick dielectric substrate 54 that protects the second parasitic element layer 30 is loaded. It is assumed that a low-temperature fired ceramic substrate having a relative dielectric constant εr = 7.7 is used for the dielectric substrates 51 to 54.
The feeding element 11 is a 1.7 mm square patch, the element 21 of the first parasitic element layer 20 is a 1.84 mm square patch, and the element 31 of the second parasitic element layer 30 is a 1.8 mm square patch. . The element interval (the center-to-center distance between two elements adjacent in the horizontal or vertical direction in FIG. 2A) of the second parasitic element layer 30 is 0.37λ. ₀ (Λ ₀ Is the wavelength in free space).
[0025]
The directional characteristics of such an antenna device were analyzed by the moment method. FIG. 3 is a graph showing the analysis result. The horizontal axis is the radiation angle (Angle) [deg], and the vertical axis is the relative power (Relative power) [dB]. In this graph, the radiation of the second parasitic element layer 30 (2-layer) is indicated by a solid line. In addition, when there is no layer above the dielectric substrate 53, the radiation of the first parasitic element layer 20 (1-layer) is indicated by a dashed line, and there is no layer above the dielectric substrate 52. Radiation of the feed element layer 10 (Normal) in the case is shown by a dotted line. From this graph, it can be seen that the provision of the second parasitic element layer 30 sharpens the directivity characteristics and improves the directivity gain by about 3 dB.
Since the characteristics of the antenna device change depending on the thickness and material (εr) of the dielectric substrates 51 to 54, the shape and size of the feed element 11, and the shape, size, number, and arrangement of the parasitic elements 21 and 31, The device is designed using these as parameters.
[0026]
In this embodiment, an example having two parasitic element layers has been described; however, three or more layers may be used. When three or more parasitic element layers are provided, the lowermost parasitic element is arranged at a position where electromagnetic coupling with the feed element 11 is sufficiently obtained, and the other parasitic elements are respectively arranged. Is disposed at a position where electromagnetic coupling with the parasitic element below the layer can be sufficiently obtained. Also in this case, the element formation region of each layer can be gradually expanded from the lower layer to the upper layer, and the interval between the outermost parasitic elements can be increased.
In addition, although an example has been described in which each of the layers constituting the parasitic element layer has four parasitic elements, each layer may have two or more parasitic elements. Note that the number of elements may be different in each layer.
[0027]
FIG. 2 shows an example in which the radiating element 11 and the parasitic elements 21 and 31 are square patches, but the shape of the patch may be a polygon such as a pentagon or a circle. Furthermore, although the feed element 11 and the parasitic element 21 or the parasitic element 21 and the parasitic element 31 face each other at the respective corners, they do not necessarily have to face each other at each corner.
The same can be said for the other embodiments to be described below.
[0028]
(Second embodiment)
In the second embodiment of the present invention, a description will be given of a configuration method of an antenna device that obtains the maximum gain by adjusting the arrangement of the parasitic elements 21 and 31 among the parameters described in the first embodiment. FIG. 4 is a diagram showing parameters used in the configuration method of the antenna device. In this figure, (a) is a perspective view of the antenna device viewed from above, and (b) is a perspective view of the antenna device viewed from the side. For convenience of explanation, (a) shows xy coordinates with the center of the feed element 11 as the origin O. In FIG. 4, the same members as those shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0029]
As shown in FIG. 4A, the four elements 21 of the first parasitic element layer 20 and the four elements 31 of the second parasitic element layer 30 extend in the radial direction from the center O of the feed element 11. Shall be arranged. Here, the coordinates of the center of one parasitic element 21 are (w1, w1), and the coordinates of the center of one parasitic element 31 are (w2, w2). However, 0 <w1 <w2.
Using w1 and w2 as parameters, the directional characteristics of the antenna device were analyzed by the moment method. Here, the other conditions are the same as the analysis described in the first embodiment.
[0030]
FIG. 5 is a diagram showing the analysis result. The horizontal axis is w2 [× λ ₀ ], And the vertical axis is w1 [× λ ₀ ] Or Absolute gain [dBi]. The relationship between the value of the maximum gain and the value of w2 at that time is indicated by a dotted line, and the relationship between the value of w2 at which the maximum gain is obtained and the value of w1 at that time is indicated by a solid line.
From this graph, it can be said that the maximum gain is obtained when w2 is approximately twice w1. Therefore, by arranging the parasitic elements 21 and 31 so as to satisfy this relationship, the directivity gain of the antenna device can be increased.
Further, the arrangement of the parasitic elements 21 and 31 can be eliminated from parameters related to the design of the antenna device. As a result, the number of parameters is reduced, so that it is possible to design the antenna device according to the target characteristic in a short time, and it is possible to reduce the design cost required for newly developing the antenna device.
[0031]
In the present embodiment, an example is shown in which w1 and w2 are used as the parameters of the arrangement of the parasitic elements 21 and 31. However, the first passive element layer 20 is dropped from the center of the element 21 to the feed element layer 10. The distance d1 between the foot and the center of the feed element 11 and the distance d2 between the foot lowered from the center of the element 31 of the second parasitic element layer 30 to the feed element layer 10 and the center of the feed element may be used. . Also in this case, similarly, it is possible to maximize the directivity gain of the antenna device when d2 is set to approximately twice d1.
[0032]
(Third embodiment)
The antenna device according to the third embodiment of the present invention is different from the antenna device according to the first embodiment in that the number of elements in the upper layer of the parasitic element layer is larger than the number of elements in the lower layer. FIG. 6 is a perspective perspective view showing the configuration of the antenna device. In this figure, the same members as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
In the antenna device shown in FIG. 6, the lower first parasitic element layer 20 has four parasitic elements 21, and the upper second parasitic element layer 30 has 16 parasitic elements 31. have. As described in the first embodiment, the element formation area of the second parasitic element layer 30 can be made wider than that of the first parasitic element layer 20, so that the number of elements of the second parasitic element layer 30 can be increased. Can be arranged so that the elements 31 of the second parasitic element layer 30 do not overlap even if the number of elements is larger than the number of elements of the first parasitic element layer 20. Then, by increasing the number of elements of the second parasitic element layer 30 to shorten the element interval, it is possible to suppress the occurrence of grating lobes.
[0033]
In the present embodiment, power is supplied to the feed element 11 using the feed line 12, but the first parasitic element is supplied to the element 31 of the second parasitic element layer 30 that functions as an element antenna of the array antenna. Power is supplied by electromagnetic coupling through the element 21 of the element layer 20. Power feeding by electromagnetic coupling is lower in loss than power feeding using a feed line, so that a decrease in effective gain when a multi-element array antenna is configured can be suppressed.
[0034]
Also in the present embodiment, the number of parasitic element layers may be three or more. Also in this case, the number of parasitic elements in each layer can be gradually increased from the lower layer to the upper layer.
Also in the present embodiment, the directional gain of the antenna device can be maximized in the same manner as in the second embodiment. However, since it is the outermost parasitic element in each layer that affects the directional characteristics, the foot lowered from the center of the outermost parasitic element in one layer to the feeding element layer 10 and the center of the feeding element 11 Is distance d1, and the distance between the center of the power feeding element 11 and the foot lowered from the center of the outermost parasitic element in the upper layer to the power feeding element layer 10 is d2. When d2 is approximately twice d1, the directional gain of the antenna device can be maximized.
[0035]
(Fourth embodiment)
In the antenna device according to the fourth embodiment of the present invention, the feed element 11 is configured by a chip module. FIG. 7 is a diagram showing the configuration of this antenna device. In this figure, (a) is a perspective perspective view, and (b) is a partial longitudinal sectional view. In FIG. 7, the same members as those shown in FIGS. 1 and 6 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS.
[0036]
In this antenna device, a chip module 14 is used. The chip module 14 is an MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) in which an antenna serving as the feed element 11 is integrally formed on a semiconductor substrate made of a material having a high electron mobility such as GaAs, along with an amplification circuit and a modulation / demodulation circuit.
The dielectric substrate 51 and the base plate 41 formed on the lower surface thereof are partially hollowed to form a cavity 51A. By disposing the chip module 14 with the feed element 11 side facing up in the cavity 51A, the chip module 14 is mounted on the dielectric substrates 52 and 53 on which the parasitic elements 21 and 31 are formed. As a result, a configuration is obtained in which the semiconductor substrate of the chip module 14 and the dielectric substrates 52 and 53 are stacked. The cavity 51A in which the chip module 14 is arranged is closed by the lid 42.
[0037]
As described above, by using the MMIC formed on the semiconductor substrate having high electron mobility, high-speed communication processing can be performed even in a frequency band equal to or higher than the quasi-millimeter wave band.
Also, in this antenna device, since a large number of parasitic elements 31 can be operated in an array by one feed element 11, the area of the semiconductor substrate on which the feed element 11 is formed is limited by the dielectric area on which the parasitic element 31 is formed. The area may be much smaller than the area of the body substrate 53. Therefore, even if the material of the semiconductor substrate is expensive, an increase in the manufacturing cost of the semiconductor substrate can be suppressed. Therefore, in an antenna device used in a frequency band equal to or higher than the quasi-millimeter wave band, it is possible to reduce the cost required for speeding up communication processing.
[0038]
Note that the chip module 14 may be a combination of an MMIC module in which an amplification circuit, a modulation / demodulation circuit, and the like are formed on the semiconductor substrate, and an antenna module serving as the feed element 11.
FIG. 7 shows an example in which the chip module 14 is used as the feed element 11 of the antenna device according to the third embodiment. However, the chip module 14 is used in the antenna device according to the first or second embodiment. It goes without saying that it may be used.
[0039]
(Fifth embodiment)
An antenna device according to a fifth embodiment of the present invention enables scanning of a radiation beam. FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a second parasitic element layer of the antenna device. In FIG. 8, the same members as those shown in FIGS. 6 and 7 are denoted by the same reference numerals as those in FIGS.
[0040]
On the upper surface of the dielectric substrate 53, the parasitic elements 31 constituting the second parasitic element layer 30 are arranged in a lattice. All the parasitic elements 31 are grounded and connected to one end of the variable impedance device 32, respectively. A control device 61 is connected to the other end of the variable impedance device 32 via a control line 33. Note that the control device 61 does not need to be mounted on the dielectric substrate 53.
The variable impedance device 32 is a device whose impedance changes according to a control signal applied from the control device 61. As the variable impedance device 32, for example, a pin diode, a varactor diode, a varicap diode, a transistor circuit or an FET circuit can be used.
[0041]
Due to the impedance of the variable impedance device 32, the resonance frequency of the parasitic element 31 changes, and the excitation phase changes. Since the parasitic element 31 radiates a phase corresponding to the excitation phase, by controlling the impedance of the impedance variable device 32 such that the radiation from each parasitic element 31 forms an equiphase plane, The radiation beam can be formed in a direction perpendicular to the direction. Further, by changing the impedance of the impedance variable device 32, the radiation beam can be scanned. Therefore, a phased array antenna can be realized with an antenna device using a parasitic element in the array configuration.
[0042]
Although the example in which the variable impedance device 32 is connected to all the elements 31 of the second parasitic element layer 30 has been described, a phased array antenna is realized by connecting the variable impedance device 32 to at least one of the elements 31. Sometimes you can.
This embodiment can be applied to any of the above-described embodiments.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, in the antenna device of the present invention, at least two layers having at least two parasitic elements are provided in the parasitic element layer. Therefore, while sufficiently securing electromagnetic coupling between the feeder element and the parasitic element in the lowermost layer of the parasitic element layer and between the upper and lower parasitic elements in the parasitic element layer, the parasitic element Can be gradually increased from the lower layer to the upper layer. Therefore, the gain can be further improved as compared with the related art.
[0044]
Also, by gradually increasing the area of the region where the parasitic element is formed from the lower layer to the upper layer, it is possible to gradually increase the number of parasitic elements from the lower layer to the upper layer. As a result, the element interval becomes shorter, so that generation of grating lobes can be suppressed. At this time, power is supplied to the uppermost parasitic element by electromagnetic coupling. Power supply by electromagnetic coupling is lower in loss than power supply using a power supply line. Therefore, a decrease in gain due to line loss can be suppressed as compared with a conventional multi-element array antenna which requires a feeder circuit in which a feeder line is branched in a tournament shape.
[0045]
In addition, the distance between the center of the feeder element and a foot lowered from the center of the parasitic element arranged on the outermost side in one of the parasitic element layers to the feed element layer, The distance between the center of the feeder element and the foot lowered from the center of the outermost parasitic element in the layer above one layer to the feeder element layer is approximately 1: 2. Thereby, the maximum gain can be obtained.
[0046]
Further, an antenna device is formed by stacking a semiconductor substrate having a feed element layer formed thereon and a dielectric substrate having a parasitic element layer formed thereon. In this antenna device, since a plurality of parasitic elements can be operated in an array with one feed element, the area of the semiconductor substrate on which the feed element layer is formed is equal to the area of the dielectric substrate on which the parasitic element layer is formed. May be smaller than Therefore, in order to increase the speed of communication processing in a frequency band equal to or higher than the quasi-millimeter wave band, even if the semiconductor substrate on which the power supply element layer is formed is made of an expensive material having high electron mobility, the manufacturing cost of the semiconductor substrate is reduced. The rise can be suppressed. Therefore, in an antenna device used in a frequency band equal to or higher than the quasi-millimeter wave band, it is possible to reduce the cost required for speeding up communication processing.
[0047]
Further, there is provided a variable impedance device connected to the parasitic element, and a control device for controlling a change in impedance of the variable impedance device. By controlling the impedance change of the variable impedance device, the radiation beam can be scanned. Therefore, a phased array antenna can be realized with an antenna device using a parasitic element in the array configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective perspective view showing a configuration of an antenna device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing dimensions of each part of the antenna device used for analyzing the directivity characteristics.
FIG. 3 is a graph showing an analysis result of directivity characteristics.
FIG. 4 is a diagram showing parameters used for a method of configuring an antenna device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a value of a maximum gain and values of parameters w1 and w2 at that time.
FIG. 6 is a perspective perspective view showing a configuration of an antenna device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of an antenna device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a second parasitic element layer of an antenna device according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a conventional antenna device using a parasitic element array.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Feeding element layer, 11 ... Feeding element, 12 ... Feeding line, 14 ... Chip module, 20 ... First parasitic element layer, 21, 31 ... Parasitic element, 32 ... Impedance variable device, 33 ... Control line, 21S, 31S: Element formation region, 30: Second parasitic element layer, 41: Ground plate, 42: Lid, 51 to 54: Dielectric substrate, 51A: Cavity, 61: Control device.

Claims

In an antenna device including a feed element layer having a feed element and a parasitic element layer provided on the feed element layer and having a parasitic element,
The parasitic element layer has at least two layers having at least two elements of the parasitic element,
The lowermost parasitic element of the parasitic element layer is excited by being electromagnetically coupled to the feeder element,
An antenna device, wherein a parasitic element of a layer other than the lowermost layer of the parasitic element layer is excited by being electromagnetically coupled to a parasitic element below the layer.

The antenna device according to claim 1,
An antenna device, wherein in each of the layers constituting the parasitic element layer, an area of a region where the parasitic element is formed increases from a lower layer to an upper layer.

The antenna device according to claim 2,
The antenna device according to claim 1, wherein the number of the parasitic elements increases from a lower layer to an upper layer in each layer constituting the parasitic element layer.

The antenna device according to any one of claims 1 to 3,
The distance between the center of the feeder element and the foot lowered from the center of the parasitic element arranged on the outermost side in one of the parasitic element layers to the feeder element layer; The distance between the center of the feeder element and the foot lowered from the center of the parasitic element disposed on the outermost layer above the one layer to the feeder element layer is approximately 1: 2. An antenna device characterized by the above-mentioned.

The antenna device according to any one of claims 1 to 4,
A semiconductor substrate on which the feed element layer is formed, and a plurality of dielectric substrates on which the parasitic element layer is formed;
An antenna device, wherein the semiconductor substrate and the dielectric substrate are stacked.

The antenna device according to any one of claims 1 to 5,
An impedance variable device that is connected to at least one of the parasitic elements and changes impedance;
A control device connected to the variable impedance device and controlling a change in impedance of the variable impedance device.