JP2004356880A - Circular polarization array antenna and board with antenna using the same - Google Patents

Circular polarization array antenna and board with antenna using the same Download PDF

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JP2004356880A JP2003151147A JP2003151147A JP2004356880A JP 2004356880 A JP2004356880 A JP 2004356880A JP 2003151147 A JP2003151147 A JP 2003151147A JP 2003151147 A JP2003151147 A JP 2003151147A JP 2004356880 A JP2004356880 A JP 2004356880A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a circular polarization array antenna and a board with an antenna which provides a good axial ratio characteristic on the whole of the array antenna, even if there is some mutual coupling between radiation elements. <P>SOLUTION: The circular polarization array antenna has a plurality of radiation elements formed in array on a specified board surface. A part of the radiation elements or all of them have each an elliptic polarization characteristic. The elliptic polarization characteristics of the radiation elements are adjusted to cancel the deviation of the axial ratio due to the interaction between the radiation elements, thereby reducing the axial ratio of the entire array antenna below 3 dB. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミリ波帯等の高周波信号を用いる無線通信に適した円偏波アレーアンテナおよびそれを具備したアンテナ付き基板に関するものである。
【0002】
【従来技術】
ミリ波等の高周波信号の電波を放射する放射素子としては、スロットアンテナ、パッチアンテナ等がある。これらは構造が簡単なため広く用いられており、給電線にマイクロストリップ線路、導波管線路等を用いたものが提案されている。
【0003】
また、複数個の放射素子を並べたアレーアンテナの給電方式には並列給電と直列給電方式とがあるが、周波数が高くなると給電線の伝送損失が問題となるため、多くの場合、直列給電方式が採用されている。並列給電方式の場合、スロットアンテナやパッチアンテナの素子は最大の放射が得られるようにスロットやパッチが共振サイズに設定されるが、直列給電方式の場合には、給電端側から徐々に電磁波が放射されるようにするために、スロットやパッチを共振サイズより小さくまたは大きく設定して放射量が調整される。
【0004】
さらに、偏波技術としては、直線偏波と円偏波とがあるが、無線通信装置の場合、壁等からの反射波の影響を抑えるために、円偏波アンテナが多用されている。これは、直線偏波の場合、反射波をまともに拾ってしまうのに対し、円偏波の場合には、例えば、右旋円偏波を放射した場合には反射波は左旋円偏波となるため、壁等からの一次反射波を拾うことがないためである。
【0005】
円偏波を放射する技術には次のようなものがある。スロットアンテナは、例えば導波管タイプの給電線における導体壁に電磁波の進行方向と平行及び直交方向にスロットを形成することにより実現されている。またパッチアンテナは、長方形型や楕円型のパッチによって実現されている。
【0006】
また最近では、これらのアンテナをセラミック基板で作製することが検討されている。従来、多くは良好なアンテナ特性を得るために、比誘電率の低い樹脂製の基板が用いられてきたが、基板の熱膨張率が大きいためにMMIC等を封止したパッケージを直接実装できず、コストアップにつながっていた。
【0007】
これに対して、アンテナを熱膨張の比較的小さいセラミック基板で作ることにより、直接パッケージ等を実装したり形成したキャビティ中に半導体素子を収納することが可能となり、高信頼性化及び低コスト化が可能となる。
【0008】
そこで、本出願人は、先に図11に示すように、円柱型誘電体の側面の全部または一部が電磁波遮蔽体で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための開口部を有する円柱型誘電体共振器110と円柱型誘電体共振器110に給電するための導波管または誘電体導波管120とを具備し、導波管または誘電体導波管120のH面導体表面に円柱型誘電体共振器110を搭載するとともに、導波管または誘電体導波管120のH面導体内の円柱型誘電体共振器110の開口部の中心と対向する位置に略円形または多角形状の結合孔121を形成し、結合孔121を介して高周波信号を導波管または誘電体導波管120から円柱型誘電体共振器120に給電してなる開口面アンテナをアレー状に配置したアレーアンテナを提案した(特開2002−353727号)。
【0009】
このアレーアンテナは円偏波だけでなく、給電線と放射素子との結合位置を変えることにより、直線偏波にすることもでき、低コストで製造できるものである。
【0010】
【特許文献1】
特開2002−353727号
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、アレーアンテナの場合、放射素子間には相互結合が発生している。偏波特性が、直線偏波の場合は、相互結合による影響は気にならないが、円偏波の場合は、その軸比を劣化させる要因となる。特に放射素子間の間隔が、水平方向と垂直方向とで異なる場合には軸比の劣化が大きい。例えば、放射素子単体では軸比が0となるアンテナを並べているにもかかわらず、全体としては楕円偏波となっている。
【0012】
図12は、放射素子単体で軸比が0になるように設計した素子を垂直方向に3つ並べたもの、すなわち、3×1のアレーアンテナのシミュレーション結果である。左から準に、位相が0°、30°、60°、90°のときの、電界ベクトル変化を示している。この図12を見て分るように、放射素子単体では軸比が0となるアンテナを並べているにもかかわらず、明らかに楕円偏波となっていることがわかる。また、中央の素子は、両側の素子からの影響を受け、特にその軸比の劣化が大きい。
【0013】
本発明はかかる従来の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、放射素子間に相互結合がある場合でも、アレーアンテナ全体として、良好な軸比特性を得ることのできる円偏波アレーアンテナおよびアンテナ付き基板を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記の問題点に対して検討を重ねた結果、放射素子間の相互結合による軸比のずれを打ち消すように、放射素子から放射される偏波を楕円偏波とすることで、アレーアンテナ全体で円偏波として良好な軸比特性が得られることを見出した。また、上記放射素子を円柱型誘電体共振器とし、その開口部を楕円形状とすることで、放射素子の軸比およびその軸の傾きを容易に調整できる構造とすることができることを見出した。
【0015】
即ち、本発明の円偏波アレーアンテナは、所定の基板表面に、複数の放射素子をアレー状に配列形成してなる円偏波アレーアンテナにおいて、前記放射素子の一部またはすべての放射素子個々の偏波特性が楕円偏波であり、全体の軸比が3dB以下であることを特徴とするものである。かかる円偏波アレーアンテナによれば、放射素子間の相互作用による軸比のずれを打ち消すように放射素子の偏波特性を調整することで、アレーアンテナ全体の軸比を良好にすることができる。つまり、前記個々の放射素子が、楕円偏波の軸比およびその軸の傾きが所定の値に設計され、全体として円偏波となるように設計されている。
【0016】
さらに、前記放射素子が、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部を有する円柱状誘電体共振器で形成されていることで、放射素子の軸比およびその軸の傾きを容易に調整できる。
【0017】
またさらに、前記アレーアンテナの給電線を、導波管または誘電体導波管でおこなうことによって、低損失のアンテナを提供することができる。
【0018】
一方、本発明のアンテナ付き基板は、誘電体基板と、該誘電体基板内に設けられた高周波信号を伝送可能な給電線と、該給電線と接続された複数の放射素子がアレー状に配列形成された円偏波アレーアンテナを具備するアンテナ基板において、前記放射素子の一部またはすべての放射素子個々の偏波特性が楕円偏波であり、全体の軸比が3dB以下であることを特徴とするものである。また、前記給電線を、誘電体を挟んで形成された上部主導体層および下部主導体層と、該上部主導体層および前記下部主導体層間を電気的に接続する二列の貫通導体群から成る導体壁とで囲まれた誘電体導波管によって形成し、さらに前記二列の貫通導体群がそれぞれ上部主導体層と下部主導体層間において該主導体層と平行に設けられた副導体層によって電気的に接続されてなることすることによって、従来から知られる多層化技術によって容易に形成することができる。
【0019】
またさらに、前記放射素子が、複数の誘電体層を積層して成る誘電体基板の表面に形成された開口部を有する上部主導体層と、前記開口部と対向する位置に形成された下部主導体層と、前記開口部周囲の前記誘電体基板内に形成され、所定間隔をもって前記上部主導体層および前記下部主導体層間を電気的に接続する複数の貫通導体を具備するアンテナ導体壁とで囲まれてなる誘電体共振器によって形成することによって、前記誘電体導波管からなる給電線とともに、アンテナを多層化技術を用いてともに、一体的に形成することができる。
【0020】
またさらに、前記誘電体基板の裏面に、少なくとも1つの信号増幅器や、少なくとも1つのスイッチまたはサーキュレータまたはダイプレクサが実装されてなることを特徴とするものである。また、前記誘電体基板の裏面に、半導体素子を収納するためのキャビティが形成されて成ることを特徴とするのものである。これにより円偏波アレーアンテナと他の素子と基板に一体的に設けることができるために、小型のアンテナ一体型モジュールを実現できる。
【0021】
また、前記誘電体基板が低温焼成セラミックスからなり、前記導体が銀、または銅を主成分とする導体材料によって形成することによって、低損失化を図るこができ、アンテナ特性を向上させることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、図を参照して説明する。
【0023】
図1は、軸比調整の原理を示す図である。図1(a)は、放射素子の相互結合により偏波特性がずれたものを示す図である。放射素子間の相互結合により、軸比がAr、その楕円偏波の長軸の傾きがθにずれた場合(a)、放射素子の軸比をAr、その楕円偏波の長軸の傾きをθ+90°になるようにする(b)と、その合成された偏波は円偏波となることがわかる(c)。
【0024】
図2は、本発明で用いられる放射素子の一例の基本構造を示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のX−X断面図を示すものである。図2において、1は円柱状誘電体共振器であり、円柱状誘電体1aの側面および上面が金属層1bで覆われ、上面には高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部1cが設けられている。2は導波管または誘電体導波管の導波管型給電線路であり、図2によれば、誘電体2aの上面、下面および側面が導体2bによって被覆されている。導波管型給電線路2の上に円柱状誘電体共振器1が配置され、円柱状誘電体共振器1の下面の導体と、導波管型給電線路2の上面とは共有化されている。そして、共有化された導体には、円柱状誘電体共振器1と導波管型給電線路2とを結合するための結合孔3が設けられている。
【0025】
このとき、結合孔3と円柱状誘電体共振器1の最低次の結合モードは、図1のように導体層が結合孔3を円形状に取り囲んでいるので、その誘電体が満たされた空間には1/4誘電体円柱共振器の共振モード(TE111)と類似したモードが発生し、そのモードの最低次の共振周波数は下記数1で与えられるものとなる。
【0026】
【数1】
f=150/ε1/2×{(1.841/πd)+(1/2t)1/2ここで、fは共振周波数(GHz)、dは誘電体共振器の直径(mm)、tは誘電体共振器の厚み(mm)、εは比誘電率である。
【0027】
ただし、円柱状誘電体共振器1には結合孔3から給電しているので、共振周波数はこの結合孔3のサイズに影響を受ける。
【0028】
また、本発明の実施の形態では、上記の誘電体が満たされた空間を誘電体共振器1として作用させるので、その厚みtは高周波信号の信号波長λに対して、λ/8〜λ/2の範囲内に設定することが望ましい。
【0029】
通常の円偏波アンテナは、放射素子から放射される偏波の軸比が0となるように設計される。つまり、図2の円柱状誘電体共振器1からなる放射素子においては、開口部1cは円形をなしている。
【0030】
しかし、本発明では、放射素子間の相互結合を打ち消すために、放射素子から放射される偏波を楕円偏波とする。したがって、本発明に用いられる放射素子の構造は、容易に軸比が調整でき、しかもその楕円偏波の長軸の傾きを任意に変更できる構造であることが必要である。また、軸比の調整により、アンテナから放射される電力がほとんど変わらないことが望ましい。
【0031】
図1の円柱状誘電体共振器1からなる放射素子はこの要件を満たすものである。即ち、円柱状誘電体共振器1の開口部1cを楕円型とすることで、設計段階で、アンテナの軸比が調整可能であり、さらに、その楕円の回転角を変えることにより、楕円偏波の長軸の傾きを自在に変更できる。また、楕円型開口部1cの面積を一定にすることで、アンテナから放射される電力をほとんど変えずに調整できる。
【0032】
放射素子が導波管スロットアンテナの場合、あえて楕円偏波にすることは可能ではあるが、それから放射される偏波の長軸を調整することはできない。このため、本発明のように軸比を軸比を調整することは困難である。
【0033】
図3は、図1の放射素子を用いた円偏波アレーアンテナの一例を示す斜視図である。1は放射素子となる円柱状誘電体共振器、2は導波管型給電回路、1c1cは開口部、3は円柱状誘電体共振器放射素子1と導波管型給電回路2とを結合する結合孔、6は複数の導波管型第一給電回路2群に給電するための導波管型第二給電回路であり、61は前記導波管型第二給電回路6と導波管型給電回路2とを結合するためのスロットであり、62は前記導波管型第二給電回路6の端部に作られたアンテナポートである。
【0034】
この図3において、アンテナポート62より入力された高周波信号は、分岐を繰り返し、スロット61群で6つの導波管型給電回路2群の中央で給電される。導波管型第一給電回路2の中央で結合された高周波信号は左右に分岐し、5個(左右で計10個)の円柱状誘電体共振器1群と結合する。その後、円柱状誘電体共振器1の開口部1cから、直線偏波または円偏波が放射される。この場合、放射パターンを制御するために、各円柱状誘電体共振器1と導波管型給電回路2との結合量を調整する必要がある。この調整は、結合孔3のサイズ、誘電体共振器1上部の開口部1cの径または円柱状誘電体共振器1の径dを変えることにより調整することができる。
【0035】
本発明によれば、図3のように、各円柱状誘電体共振器1のうちの一部またはすべての放射素子を図2に示したような開口部1cが楕円型の円柱状誘電体共振器を配置して楕円偏波を放射させることによって、全体の軸比が3dB以下、特に中心周波数で1.5dB以下にするものである。なおこの軸比が3dBよりも大きいと、受信で考えると、逆偏波成分の受信エネルギーが増大し、円偏波のメリットが小さくなる。
【0036】
図4は、本発明の円偏波アレーアンテナ放射素子を誘電体基板内に形成したアンテナ付き基板の一例を示すもので、(a)は1つの放射素子の平面図であり、(b)は(a)のX−X線断面図、(c)は、(a)(b)のアンテナ付き基板の全体の断面図である。
【0037】
図4において、1は放射素子となる誘電体共振器、2は導波管型給電回路、1c1cは開口部、3は誘電体共振器1と導波管型給電回路2とを結合する結合孔である。
【0038】
図4のアンテナ付き基板によれば、放射素子となる誘電体共振器1は、誘電体層51a、51bを積層してなる共振器部誘電体基板51に形成されている。誘電体基板51の上面には、上部主導体層11が形成され、下面には下部主導体層13が形成されている。
【0039】
また、導波管型給電線路2は、誘電体層52a、52bを積層してなる給電部誘電体基板52に形成されている。誘電体基板52の上面には、上部主導体層21が形成され、下面には下部主導体層23が形成されている。
【0040】
なお、図中では、共振器部下部主導体層13と給電部上部主導体層21とは共用して用いられている。
【0041】
開口部1cは共振器部上部主導体層11に導体非形成部を設けることにより形成されており、結合孔3は共振器部下部主導体層13に導体非形成部を設けることにより形成されている。
【0042】
14は、開口部1c周辺の共振器部誘電体基板51内に形成され、所定間隔を持って共振器部上部主導体層11および共振器部下部主導体層13間を電気的に接続するように形成された複数の共振器部貫通導体である。この複数の共振器部貫通導体14は、高周波信号の信号波長の2分の1未満の繰り返し間隔で配設されている。なお、この繰り返し間隔は、必ずしも一定の値であることに限られず、信号波長の2分の1未満で種々の値を組合わせて設定しても良い。また、2重、3重と配設されても良い。
【0043】
12は、共振器部上部主導体層11および共振器部下部主導体層13に平行に共振器部誘電体層51a、51b間に形成され、複数の共振器部貫通導体14を共振器部誘電体層51a、51b間で電気的に接続する共振器部副導体層である。この共振器部副導体層12には開口部1cと相似形状の導体非形成部を設け、単層または必要に応じて複数層形成されて、複数の共振器部貫通導体14と共に共振器部誘電体基板51内に格子状の共振器導体側壁を形成する。そして、共振器部上部主導体層11と共振器部下部主導体層13と複数の共振器部貫通導体14および共振器部副導体層12から成る格子状の共振器導体壁とで囲まれ、誘電体で満たされた空間により、共振器部誘電体基板51内に、誘電体共振器1を形成している。
【0044】
24a、24bは給電部誘電体基板52内に形成され、所定間隔を持って給電部上部主導体層21(給電部下部主導体層13)および給電部部下部主導体層23間を電気的に接続するように形成された複数の給電部貫通導体である。この複数の給電部貫通導体24a、24bは、高周波信号の誘電体基板中の信号波長をλとしたとき、λ/2未満の繰り返し間隔で配設されている。なお、この繰り返し間隔は、必ずしも一定の値であることに限られず、信号波長の2分の1未満で種々の値を組合わせて設定しても良い。また、図中では1列に形成されているが、複数列で形成しても良い。
【0045】
22は、給電部上部主導体層21および給電部下部主導体層23に平行に給電部誘電体層52a、52b間に形成され、複数の給電部貫通導体24a・24bを給電部誘電体層52a、52b間で電気的に接続する給電部副導体層である。この給電部副導体層22は給電部貫通導体群24a、24b間には形成されず、単層または必要に応じて複数層形成されて、給電部貫通導体24a、24bと共に給電部誘電体基板52内に導体壁を形成する。そして、給電部上部主導体層21と給電部下部主導体層23と複数の給電部貫通導体24a、24bおよび給電部副導体層22から成る格子状の導体壁とで囲まれ、誘電体で満たされた空間により、給電部誘電体基板52内に、断面が矩形状の誘電体導波管を形成している。特に、この誘電体導波管をシングルモードで用いる場合には、給電部貫通導体群24aと24bとの間隔wは、λ/2<w<λで配設される。なお、給電部誘電体層52は単層であっても良く、この場合には、給電部副導体層22は形成されない。
【0046】
共振器部上部主導体層11の開口部1cの周囲の共振器部誘電体基板51内に形成された共振器部貫通導体14と共振器部副導体層12とが格子状に並ぶことにより、誘電体共振器1の側壁を構成する導体壁が形成され、これにより、電気的な壁が結合孔3を取り囲むようにして共振器部誘電体基板51内に配置される。そして、これら開口部1cを有する共振器部上部導体層11と結合孔3を有する共振器部下部主導体層13と複数の共振器部貫通導体14および共振器部副導体層12により開口部1c周囲に形成される共振器部導体側壁とにより囲まれる円柱状の誘電体が満たされた空間により誘電体共振器1が形成され、これにより放射素子としての円柱状の誘電体共振器1が誘電体基板51内に形成される。
【0047】
また、給電部上部主導体層21(または共振器部下部主導体層13)と給電部下部主導体層23、給電部誘電体基板52内に形成された給電部貫通導体24a、24bおよび給電部副導体層22とが格子状に並ぶことにより導体壁が形成され、矩形状の誘電体導波管2が誘電体基板52内に形成される。
【0048】
そして、導波管型給電線路2から結合孔3を通して開口部1c側に放射された高周波信号の電磁波は、誘電体共振器1があることにより、その空間より外側の一対の主導体層11、13間を伝播することなく、開口部1cから自由空間に放射される。
【0049】
本発明のアンテナ付き基板は、図3の配置に基づき、誘電体基板51、52の内部において、導波管型第1給電線路2上に、複数の誘電体共振器1からなる放射素子がアレー状に配列され、導波管型第1給電線路2は導波管型第2給電線路6と接続されて、図3に示した構造の円偏波アレーアンテナが形成される。
【0050】
図5は図4の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した一例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のZ1−Z1断面図である。
【0051】
図5において、81はアンテナポート62と表面回路とを結合する接続部、71は信号増幅器、72はフィルター、73はミキサ、74は高周波信号発生器、82はIF信号のIFポートである。
【0052】
例えば、IFポート82から入力されたIF信号は高周波信号発生器74で生成された搬送信号とミキサ73でミキシングされ、フィルター72で帯域外の高調波等の高周波成分がカットされた後、信号増幅器71で増幅され、接続部81を介してアンテナ基板に入力される。71〜74の全ての能動素子がアンテナ基板5に実装される必要はないが、少なくとも信号増幅器71がアンテナ基板5に実装されたアンテナモジュールの形態は、特に信号波長がミリ波帯を用いる場合、伝送損失の観点でメリットが大きい。
【0053】
図6は、図4の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した他の例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のZ2−Z2断面図である。図5に示したものと同様の個所には同じ符号を付してある。
【0054】
図6において、75はスイッチまたはサーキュレータまたはダイプレクサ等の信号切替え器、82aはIF入力ポート、82bはIF出力ポートである。
【0055】
IF入力ポート82aから入力されたIF信号は高周波信号発生器74で生成された搬送信号とミキサ73aでミキシングされ、フィルター72aで帯域外の高調波等の高周波成分がカットされた後、高出力信号増幅器71aで増幅され、スイッチやサーキュレータまたはダイプレクサ等の信号切り替え器75により、接続部81方向のみに信号が送られ、アンテナ基板5に入力される。一方、アンテナ基板5で受信して接続部81に到達した信号は、信号切り替え器75により、低雑音信号増幅器71bのみに信号が送られ、フィルター72bで帯域外の信号をカットされた後、高周波信号発生器74で生成された信号とキクサ73bでミキシングされ、IF信号のみ取り出される。その後、IF出力ポート82bより出力される。
【0056】
このように、信号切り替え器75を配設することにより、送受共用のアンテナモジュールとすることができる。
【0057】
図7は、図4の円偏波アレーアンテナを具備する基板に半導体素子をキャビティ内に実装した一例を示すもので、(a)は、斜視図であり、(b)は(a)のZ3−Z3断面図である。図6に示したものと同様の個所には同じ符号を付してある。図7において、7は半導体素子、9はキャビティである。なお、半導体素子7スイッチまたは信号増幅器等の単一機能を持つものであっても、図5または図7に示した機能素子群を集積化したものであっても良い。
【0058】
このように、アンテナ付き基板の裏面にキャビティ9を形成することにより、キャビティ9内に半導体素子7を収納することができるので、特性が高く、低コストのアンテナモジュールが実現できる。
【0059】
以上の実施の形態の例における誘電体基板51および52は、セラミックス、または合成樹脂、またはセラミックス−合成樹脂の複合材料を絶縁材料として形成することができるが、特に信頼性の点でセラミックスからなることが望ましく、セラミックスとしては、アルミナ、AlN、窒化ケイ素、ガラスセラミックスなどが挙げられる。また、共振部上部主導体層11、共振部下部主導体層13(給電部上部主導体層21)、共振部副導体層12、給電部下部主導体層23、給電部副導体層22等の導体層およびビア導体やスルーホール導体は、銅、銀、タングステン、モリブデンなどの導体材料によって形成される。
【0060】
これらは、いずれも周知の多層基板の製造技術に従い、上記の絶縁材料をシート化した後、シート表面に上記導体材料のペーストや金属箔をパターン化して形成し、ビア導体やスルーホール導体は、シートに貫通穴を形成し、導体ペーストを充填したり、メッキ処理を施すことによって形成され、複数のシートを積層する。その後、セラミックスの場合には、所定温度に焼成し、合成樹脂を含む場合には熱硬化させることで多層構造のアンテナ付き基板を作製することができる。
【0061】
特に、誘電体材料として、銅、銀、金等の低抵抗のメタライズ層を用いることができる低温焼成セラミックスを用いることにより、伝送損失が小さくなりアンテナ特性が向上する。
【0062】
低温焼成セラミックスとしては、1000℃以下で焼成可能なセラミックスであれば、特に材質を特定するものではないが、例えば、ホウ珪酸系ガラスに、アルミナ、シリカ、石英、フォルステライト、ムライト、ディオプサイド、などのセラミックフィラーを30〜80質量%の割合で添加した組成物が挙げられる。
【0063】
【実施例】
次に、本発明の円偏波アレーアンテナの具体例について説明する。
【0064】
図8は放射素子の開口部を楕円にしたときの軸比と放射される偏波の長軸の傾きを示す一例である。
【0065】
誘電体層51、52には比誘電率4.9のホウケイ酸ガラス−シリカ系のガラスセラミック材料を用い、誘電体共振器1の厚みtを0.6mm、誘電体共振器1の径dをφ2.12mm、導波管型給電線路2のサイズを(w、h)=(1.82mm、0.6mm)、楕円型結合孔3の中心位置は導波管型給電線路2の導体壁24aから0.52mmである。
【0066】
ここで、楕円型開口部1cの面積は2.66mmで一定としている。周波数は62.5GHzで評価した。図中の黒丸は軸比、白丸は楕円偏波における長軸の傾きを示している。この図8から、aの値を0.88mmから0.96mmまで変化させることにより、軸比を0〜4まで変化させることができることがわかる。なお、a=0.92のときは開口部は真円になっており、軸比も0になる。
【0067】
図9は、6×8素子のアレーアンテナに本発明で説明した手法を適用しない場合の特性図、図10は本発明に従い軸比の補正をした場合の特性図である。
【0068】
まず、放射素子の全てを、軸比0に調整した上で、アレーを設計し、FDTD法によるシミュレーションを用いて、放射パターンを計算した。このときの軸比は図9に示すとおり4.9dB、また、そのときの偏波の長軸の傾きは−40°であった。そこで、放射素子の軸比を4.9dB、長軸の傾きを+50になるように設定し、再度シミュレーションを行って得た結果が図10である。この結果、軸比は1.2dBに改善されている。また、サイドローブレベルも3dB程度改善された結果が得られた。
【0069】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、本発明の円偏波アレーアンテナは、放射素子の相互結合による軸比のズレを打ち消すように、放射素子を楕円偏波とすることにより、アレーアンテナ全体の偏波特性を良好なものとすることができるものとなる。
【0070】
また、放射素子を円柱型共振器とし、その開口部を楕円にすることにより、軸比の調整および放射される楕円偏波の長軸の傾きを自在に変える事がことができるものとなる。
【0071】
またさらに、誘電体基板内に、高周波信号を伝送可能な誘電体導波管と、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための開口部を有する円柱状誘電体共振器とが形成され,誘電体導波管のH面導体内の前記円柱型誘電体共振器の開口部の中心と対向する位置に結合孔を形成し、該結合孔を介して高周波信号を前記誘電体導波管から円柱型誘電体共振器に給電してなるものとしたことにより、誘電体基板の裏面に能動素子や信号切り替え器を直接実装またはキャビティを形成しその中に内蔵することが可能となり、小型で信頼性が高く、低コストのアンテナ付き基板とすることができる。
【0072】
またさらに、アンテナ基板を形成する誘電体基板を低温焼成セラミックスとすることによって、銅、銀等の低抵抗のメタライズ層を用いることができ、伝送損失が小さくなりアンテナ特性に優れたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の円偏波アレーアンテナにおける放射素子間の相互結合によるアンテナの軸比補正の原理を示す図である。
【図2】本発明で用いられる放射素子の一例の基本構造を示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のX−X断面図を示す。
【図3】図1の放射素子を用いた円偏波アレーアンテナの一例と、その給電構造を説明するために一例の斜視図を示す。
【図4】本発明の円偏波アレーアンテナ放射素子を誘電体基板内に形成したアンテナ付き基板の一例を示すもので、(a)は1つの放射素子の平面図であり、(b)は(a)のX−X線断面図、(c)は、(a)(b)のアンテナ付き基板の全体の断面図である。
【図5】図4の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した一例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のZ1−Z1断面図である。
【図6】図4の円偏波アレーアンテナを具備する基板に能動素子を実装した他の例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は(a)のZ2−Z2断面図である。
【図7】図4の円偏波アレーアンテナを具備する基板に半導体素子をキャビティ内に実装した一例を示すもので、(a)は、斜視図であり、(b)は(a)のZ3−Z3断面図である。
【図8】放射素子の開口部を楕円にしたときの軸比と放射される偏波の長軸の傾きの関係を示す図である。
【図9】従来の6×8素子のアレーアンテナの特性図を示す。
【図10】本発明に基づき、軸比の補正をした6×8素子のアレーアンテナの特性図を示す。
【図11】従来の円偏波アレーアンテナとその給電構造を説明するための斜視図である。
【図12】従来の円偏波アレーアンテナの偏波特性のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
1 誘電体共振器
11 共振器部上部主導体層
12 共振器部副導体層
13 共振器部下部主導体層
14 共振器部貫通導体
2 導波管型給電線路
21 給電部上部主導体層
22 給電部副導体層
23 給電部下部主導体層
24 給電部貫通導体
1c 開口部
3 結合孔
5 アンテナ基板
51 共振器部誘電体基板
52 給電部誘電体基板
6 導波管型第二給電線路
61 スロット
62 アンテナポート
7 半導体素子
71 信号増幅器
72 フィルター
73 ミキサ
74 高周波信号発生器
75 信号切り替え器
81 接続部
82 IFポート
9 キャビティ
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a circularly polarized wave array antenna suitable for wireless communication using a high-frequency signal such as a millimeter wave band, and a substrate with the antenna provided with the same.
[0002]
[Prior art]
Examples of radiating elements that emit radio waves of high-frequency signals such as millimeter waves include slot antennas and patch antennas. These are widely used because of their simple structure, and those using a microstrip line, a waveguide line, or the like as a feed line have been proposed.
[0003]
In addition, there are two types of feeding methods for array antennas, in which a plurality of radiating elements are arranged: parallel feeding and series feeding.However, transmission loss of the feed line becomes a problem at higher frequencies. Has been adopted. In the case of the parallel feeding method, the slots and patches of the elements of the slot antenna and patch antenna are set to the resonance size so that the maximum radiation can be obtained.In the case of the series feeding method, the electromagnetic wave gradually increases from the feeding end side. In order to radiate the radiation, the radiation amount is adjusted by setting the slots and patches to be smaller or larger than the resonance size.
[0004]
Further, as the polarization technique, there are linear polarization and circular polarization. In the case of a wireless communication device, a circular polarization antenna is frequently used in order to suppress the influence of a reflected wave from a wall or the like. This means that in the case of linear polarization, the reflected wave is directly picked up, whereas in the case of circular polarization, for example, when radiating right-handed circularly polarized light, the reflected wave becomes left-handed circularly polarized light. This is because primary reflected waves from walls and the like are not picked up.
[0005]
There are the following techniques for emitting circularly polarized waves. The slot antenna is realized by, for example, forming a slot in a conductor wall of a waveguide type feeder line in a direction parallel to and perpendicular to a traveling direction of an electromagnetic wave. The patch antenna is realized by a rectangular or elliptical patch.
[0006]
Recently, it has been studied to manufacture these antennas on a ceramic substrate. Conventionally, in order to obtain good antenna characteristics, a resin substrate having a low relative dielectric constant has been used, but a package in which an MMIC or the like is sealed cannot be directly mounted due to a large thermal expansion coefficient of the substrate. , Which led to increased costs.
[0007]
On the other hand, by forming the antenna on a ceramic substrate having a relatively small thermal expansion, it becomes possible to directly mount a package or the like and house the semiconductor element in a formed cavity, thereby achieving higher reliability and lower cost. Becomes possible.
[0008]
Therefore, as shown in FIG. 11, the applicant of the present invention has proposed a columnar dielectric in which all or a part of the side surface of a cylindrical dielectric is covered with an electromagnetic wave shield and has an opening for emitting a high-frequency signal to space. Type dielectric resonator 110 and a waveguide or a dielectric waveguide 120 for supplying power to the cylindrical dielectric resonator 110, and the waveguide or the dielectric waveguide 120 has an H-plane conductor surface. A cylindrical dielectric resonator 110 is mounted, and a substantially circular or polygonal shape is provided at a position facing the center of the opening of the cylindrical dielectric resonator 110 in the H-plane conductor of the waveguide or the dielectric waveguide 120. An array antenna in which an aperture antenna formed by feeding a high-frequency signal from a waveguide or a dielectric waveguide 120 to a cylindrical dielectric resonator 120 through the coupling hole 121 is formed in an array shape. Proposed antenna No. -353,727).
[0009]
This array antenna is not only circularly polarized, but can also be made linearly polarized by changing the coupling position between the feed line and the radiating element, and can be manufactured at low cost.
[0010]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-353727
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
Generally, in the case of an array antenna, mutual coupling occurs between radiating elements. When the polarization characteristic is linear polarization, the influence of mutual coupling is not a concern. However, when the polarization characteristic is circular polarization, the axial ratio is degraded. In particular, when the distance between the radiating elements is different between the horizontal direction and the vertical direction, the axial ratio is greatly deteriorated. For example, the radiating element alone has elliptical polarization as a whole despite the fact that antennas having an axial ratio of 0 are arranged.
[0012]
FIG. 12 shows a simulation result of a vertical arrangement of three radiating elements designed to have an axial ratio of 0, that is, a 3 × 1 array antenna. The electric field vector changes when the phases are 0 °, 30 °, 60 °, and 90 ° are shown in order from the left. As can be seen from FIG. 12, the radiating element alone clearly has elliptical polarization despite the fact that antennas having an axial ratio of 0 are arranged. In addition, the element at the center is affected by the elements on both sides, and the axial ratio is particularly greatly deteriorated.
[0013]
The present invention has been devised to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to obtain a good axial ratio characteristic of the entire array antenna even when there is mutual coupling between radiating elements. An object of the present invention is to provide a circularly polarized array antenna and a substrate with an antenna.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has repeatedly studied the above-mentioned problems, and as a result, by making the polarization radiated from the radiating element an elliptical polarization so as to cancel the deviation of the axial ratio due to mutual coupling between the radiating elements. It has been found that good axial ratio characteristics can be obtained as circularly polarized waves in the entire array antenna. In addition, it has been found that, by forming the radiating element as a cylindrical dielectric resonator and making the opening thereof an elliptical shape, it is possible to easily adjust the axial ratio of the radiating element and the inclination of its axis.
[0015]
That is, in the circularly polarized array antenna of the present invention, in a circularly polarized array antenna in which a plurality of radiating elements are arranged in an array on a predetermined substrate surface, a part or all of the radiating elements are individually Is an elliptical polarization, and the overall axial ratio is 3 dB or less. According to such a circularly polarized array antenna, it is possible to improve the axial ratio of the entire array antenna by adjusting the polarization characteristics of the radiating element so as to cancel the deviation of the axial ratio due to the interaction between the radiating elements. it can. In other words, the individual radiating elements are designed such that the axis ratio of the elliptical polarization and the inclination of the axis are set to predetermined values, and are designed to be circularly polarized as a whole.
[0016]
Further, the radiating element is formed of a columnar dielectric resonator having all or a part of the side surface of the columnar dielectric covered with metal, and having an elliptical opening for radiating a high-frequency signal into space. Thus, the axial ratio of the radiating element and the inclination of the axis can be easily adjusted.
[0017]
Further, by providing a feed line of the array antenna with a waveguide or a dielectric waveguide, a low-loss antenna can be provided.
[0018]
On the other hand, a substrate with an antenna according to the present invention includes a dielectric substrate, a feed line provided in the dielectric substrate, which can transmit a high-frequency signal, and a plurality of radiating elements connected to the feed line arranged in an array. In the antenna substrate provided with the formed circularly polarized wave array antenna, it is required that the polarization characteristics of a part or all of the radiating elements are elliptically polarized, and the overall axial ratio is 3 dB or less. It is a feature. Further, the power supply line is formed from an upper main conductor layer and a lower main conductor layer formed with a dielectric material interposed therebetween, and two rows of through conductor groups electrically connecting the upper main conductor layer and the lower main conductor layer. A sub-conductor layer formed by a dielectric waveguide surrounded by a conductor wall comprising: a plurality of through-conductor groups in two rows provided between an upper main conductor layer and a lower main conductor layer in parallel with the main conductor layer. Can be easily formed by a conventionally known multi-layering technique.
[0019]
Still further, the radiating element includes an upper main conductor layer having an opening formed on a surface of a dielectric substrate formed by stacking a plurality of dielectric layers, and a lower main conductor layer formed at a position facing the opening. A body layer and an antenna conductor wall formed in the dielectric substrate around the opening and having a plurality of through conductors that electrically connect the upper main conductor layer and the lower main conductor layer at a predetermined interval. By forming the antenna by the surrounded dielectric resonator, the antenna can be integrally formed together with the feed line made of the dielectric waveguide by using a multilayer technique.
[0020]
Still further, at least one signal amplifier, at least one switch, circulator, or diplexer is mounted on the back surface of the dielectric substrate. Further, a cavity for accommodating a semiconductor element is formed on a back surface of the dielectric substrate. Thus, since the circularly polarized array antenna, other elements, and the substrate can be provided integrally, a compact antenna integrated module can be realized.
[0021]
Further, when the dielectric substrate is made of low-temperature fired ceramics and the conductor is made of a conductive material containing silver or copper as a main component, it is possible to reduce the loss and improve the antenna characteristics. .
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
[0023]
FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the axial ratio adjustment. FIG. 1A is a diagram showing a case where the polarization characteristics are shifted due to mutual coupling of the radiation elements. When the axial ratio is Ar and the inclination of the major axis of the elliptical polarization is shifted to θ due to mutual coupling between the radiating elements (a), the axial ratio of the radiating element is Ar and the inclination of the major axis of the elliptical polarization is Ar. When the angle is set to θ + 90 ° (b), it is understood that the combined polarization becomes a circular polarization (c).
[0024]
2A and 2B show a basic structure of an example of a radiating element used in the present invention. FIG. 2A is a perspective view, and FIG. 2B is a sectional view taken along line XX of FIG. In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a cylindrical dielectric resonator. The side surface and the upper surface of the cylindrical dielectric 1a are covered with a metal layer 1b, and the upper surface has an elliptical opening 1c for radiating a high-frequency signal into space. Is provided. Reference numeral 2 denotes a waveguide-type feed line of a waveguide or a dielectric waveguide. According to FIG. 2, the upper surface, the lower surface, and the side surface of the dielectric 2a are covered with the conductor 2b. The cylindrical dielectric resonator 1 is arranged on the waveguide type feed line 2, and the conductor on the lower surface of the cylindrical dielectric resonator 1 and the upper surface of the waveguide type feed line 2 are shared. . The shared conductor is provided with a coupling hole 3 for coupling the cylindrical dielectric resonator 1 and the waveguide type feed line 2.
[0025]
At this time, the lowest order coupling mode of the coupling hole 3 and the cylindrical dielectric resonator 1 is such that the conductor layer surrounds the coupling hole 3 in a circular shape as shown in FIG. Generates a mode similar to the resonance mode (TE111) of the 1/4 dielectric cylinder resonator, and the lowest-order resonance frequency of the mode is given by the following equation (1).
[0026]
(Equation 1)
f = 150 / ε 1/2 × {(1.841 / πd) 2 + (1 / 2t) 21/2 Here, f is the resonance frequency (GHz), d is the diameter (mm) of the dielectric resonator, t is the thickness (mm) of the dielectric resonator, and ε is the relative permittivity.
[0027]
However, since power is supplied to the cylindrical dielectric resonator 1 from the coupling hole 3, the resonance frequency is affected by the size of the coupling hole 3.
[0028]
Further, in the embodiment of the present invention, the space filled with the above-described dielectric material is used as the dielectric resonator 1, so that its thickness t is λ / 8 to λ / λ with respect to the signal wavelength λ of the high-frequency signal. It is desirable to set within the range of 2.
[0029]
An ordinary circularly polarized antenna is designed so that the axis ratio of polarized light radiated from the radiating element is zero. That is, in the radiation element including the cylindrical dielectric resonator 1 of FIG. 2, the opening 1c has a circular shape.
[0030]
However, in the present invention, in order to cancel the mutual coupling between the radiating elements, the polarization radiated from the radiating element is set to the elliptical polarization. Therefore, the structure of the radiating element used in the present invention needs to be a structure in which the axial ratio can be easily adjusted and the inclination of the major axis of the elliptical polarization can be arbitrarily changed. Further, it is desirable that the power radiated from the antenna hardly changes by adjusting the axial ratio.
[0031]
The radiating element composed of the cylindrical dielectric resonator 1 of FIG. 1 satisfies this requirement. That is, by making the opening 1c of the cylindrical dielectric resonator 1 elliptical, the axial ratio of the antenna can be adjusted at the design stage, and further, by changing the rotation angle of the ellipse, the elliptical polarization can be obtained. The inclination of the long axis can be changed freely. In addition, by making the area of the elliptical opening 1c constant, the power radiated from the antenna can be adjusted with little change.
[0032]
If the radiating element is a waveguide slot antenna, it is possible to make the polarization elliptical, but it is not possible to adjust the long axis of the polarization radiated therefrom. For this reason, it is difficult to adjust the axial ratio as in the present invention.
[0033]
FIG. 3 is a perspective view showing an example of a circularly polarized array antenna using the radiating element of FIG. 1 is a cylindrical dielectric resonator serving as a radiating element, 2 is a waveguide type feeding circuit, 1c1c is an opening, and 3 is a coupling between the cylindrical dielectric resonator radiating element 1 and the waveguide type feeding circuit 2. A coupling hole 6 is a waveguide-type second power supply circuit for supplying power to a plurality of waveguide-type first power supply circuits 2 and 61 is a waveguide-type second power supply circuit 6 and a waveguide-type second power supply circuit. A slot for coupling to the power supply circuit 2 is provided. Reference numeral 62 denotes an antenna port formed at an end of the waveguide type second power supply circuit 6.
[0034]
In FIG. 3, the high-frequency signal input from the antenna port 62 repeats branching, and power is supplied to the center of six waveguide-type power supply circuits 2 in the group of slots 61. The high-frequency signal coupled at the center of the waveguide-type first power supply circuit 2 branches right and left, and is coupled to one group of five (a total of ten left and right) cylindrical dielectric resonators. Thereafter, linearly polarized light or circularly polarized light is radiated from the opening 1c of the cylindrical dielectric resonator 1. In this case, in order to control the radiation pattern, it is necessary to adjust the amount of coupling between each of the cylindrical dielectric resonators 1 and the waveguide type feed circuit 2. This adjustment can be made by changing the size of the coupling hole 3, the diameter of the opening 1c above the dielectric resonator 1, or the diameter d of the cylindrical dielectric resonator 1.
[0035]
According to the present invention, as shown in FIG. 3, a part or all of the radiating elements in each of the cylindrical dielectric resonators 1 have an opening 1c as shown in FIG. By arranging the devices to emit elliptically polarized waves, the overall axial ratio is reduced to 3 dB or less, particularly to 1.5 dB or less at the center frequency. If this axis ratio is larger than 3 dB, the reception energy of the reverse polarization component increases when considering reception, and the merit of circular polarization decreases.
[0036]
FIGS. 4A and 4B show an example of a substrate with an antenna in which the circularly polarized array antenna radiating element of the present invention is formed in a dielectric substrate. FIG. 4A is a plan view of one radiating element, and FIG. (A) is a cross-sectional view taken along line XX, and (c) is a cross-sectional view of the entire antenna-equipped substrate of (a) and (b).
[0037]
In FIG. 4, reference numeral 1 denotes a dielectric resonator serving as a radiation element, 2 denotes a waveguide type feed circuit, 1c1c denotes an opening, and 3 denotes a coupling hole for connecting the dielectric resonator 1 and the waveguide type feed circuit 2. It is.
[0038]
According to the substrate with an antenna of FIG. 4, the dielectric resonator 1 serving as a radiating element is formed on the resonator portion dielectric substrate 51 formed by laminating the dielectric layers 51a and 51b. The upper main conductor layer 11 is formed on the upper surface of the dielectric substrate 51, and the lower main conductor layer 13 is formed on the lower surface.
[0039]
Further, the waveguide type feed line 2 is formed on a feed portion dielectric substrate 52 formed by laminating dielectric layers 52a and 52b. The upper main conductor layer 21 is formed on the upper surface of the dielectric substrate 52, and the lower main conductor layer 23 is formed on the lower surface.
[0040]
In the drawing, the resonator unit lower main conductor layer 13 and the feed unit upper main conductor layer 21 are used in common.
[0041]
The opening 1c is formed by providing a non-conductor-forming portion in the resonator portion upper main conductor layer 11, and the coupling hole 3 is formed by providing a conductor-free portion in the resonator portion lower main conductor layer 13. I have.
[0042]
Numeral 14 is formed in the resonator dielectric substrate 51 around the opening 1c so as to electrically connect the resonator upper main conductor layer 11 and the resonator lower main conductor layer 13 at a predetermined interval. Are formed in the plurality of resonator portion penetrating conductors. The plurality of through-cavity conductors 14 are arranged at a repetition interval of less than half the signal wavelength of the high-frequency signal. The repetition interval is not necessarily limited to a constant value, but may be set to a combination of various values that are less than half the signal wavelength. In addition, double and triple may be provided.
[0043]
Numeral 12 is formed between the resonator portion dielectric layers 51a and 51b in parallel with the resonator portion upper main conductor layer 11 and the resonator portion lower main conductor layer 13, and connects the plurality of resonator portion through conductors 14 to the resonator portion dielectric layer. A resonator sub-conductor layer that is electrically connected between the body layers 51a and 51b. The resonator sub-conductor layer 12 is provided with a conductor non-formed portion having a shape similar to that of the opening 1c, and is formed as a single layer or a plurality of layers as necessary. A lattice-shaped resonator conductor side wall is formed in the body substrate 51. Then, it is surrounded by a resonator portion upper main conductor layer 11, a resonator portion lower main conductor layer 13, a lattice-shaped resonator conductor wall composed of a plurality of resonator portion through conductors 14, and a resonator portion sub-conductor layer 12, The dielectric resonator 1 is formed in the resonator portion dielectric substrate 51 by the space filled with the dielectric.
[0044]
Reference numerals 24a and 24b are formed in the feeder dielectric substrate 52, and electrically connect the feeder upper main conductor layer 21 (feeder lower main conductor layer 13) and the feeder unit lower main conductor layer 23 at a predetermined interval. It is a plurality of feeder through conductors formed to be connected. The plurality of feed-through conductors 24a and 24b are arranged at a repetition interval of less than λ / 2, where λ is the signal wavelength of the high-frequency signal in the dielectric substrate. The repetition interval is not necessarily limited to a constant value, but may be set to a combination of various values that are less than half the signal wavelength. In addition, in the drawing, it is formed in one row, but it may be formed in a plurality of rows.
[0045]
22 is formed between the feeder dielectric layers 52a and 52b in parallel with the feeder upper main conductor layer 21 and the feeder lower main conductor layer 23, and connects the feeder through-conductors 24a and 24b to the feeder dielectric layer 52a. , 52b. The feeder sub-conductor layer 22 is not formed between the feeder feedthrough conductor groups 24a and 24b, but is formed as a single layer or a plurality of layers as necessary, and together with the feeder feedthrough conductors 24a and 24b. A conductor wall is formed therein. It is surrounded by the feeder upper main conductor layer 21, the feeder lower main conductor layer 23, and the lattice-shaped conductor wall including the feeder through conductors 24 a and 24 b and the feeder sub-conductor layer 22, and is filled with a dielectric. The space provided forms a dielectric waveguide having a rectangular cross section in the feeder dielectric substrate 52. In particular, when this dielectric waveguide is used in a single mode, the distance w between the feeder through-conductor groups 24a and 24b is set to λ / 2 <w <λ. In addition, the power supply part dielectric layer 52 may be a single layer, and in this case, the power supply part sub-conductor layer 22 is not formed.
[0046]
By arranging the resonator-unit through conductors 14 and the resonator-unit sub-conductor layer 12 formed in the resonator-unit dielectric substrate 51 around the opening 1c of the resonator-unit upper main conductor layer 11 in a lattice pattern, A conductor wall constituting a side wall of the dielectric resonator 1 is formed, and thereby, an electric wall is arranged in the resonator portion dielectric substrate 51 so as to surround the coupling hole 3. The opening 1c is formed by the resonator upper conductor layer 11 having the opening 1c, the resonator lower main conductor layer 13 having the coupling hole 3, the plurality of resonator penetrating conductors 14, and the resonator sub conductor layer 12. A dielectric resonator 1 is formed by a space filled with a columnar dielectric surrounded by a resonator portion conductor side wall formed around the dielectric resonator, and thereby the columnar dielectric resonator 1 as a radiating element is insulated. It is formed in the body substrate 51.
[0047]
In addition, the feeder upper main conductor layer 21 (or the resonator lower main conductor layer 13), the feeder lower main conductor layer 23, the feeder feedthrough conductors 24a and 24b formed in the feeder dielectric substrate 52, and the feeder A conductor wall is formed by arranging the sub-conductor layers 22 in a grid pattern, and the rectangular dielectric waveguide 2 is formed in the dielectric substrate 52.
[0048]
The electromagnetic wave of the high-frequency signal radiated from the waveguide-type feed line 2 to the opening 1 c through the coupling hole 3, due to the presence of the dielectric resonator 1, the pair of main conductor layers 11 outside the space, The light is radiated from the opening 1c to free space without propagating between the holes 13.
[0049]
In the substrate with an antenna of the present invention, based on the arrangement shown in FIG. 3, a radiation element including a plurality of dielectric resonators 1 is arrayed on the waveguide-type first feed line 2 inside the dielectric substrates 51 and 52. The waveguide-type first feeder line 2 is connected to the waveguide-type second feeder line 6 to form a circularly polarized array antenna having the structure shown in FIG.
[0050]
5A and 5B show an example in which active elements are mounted on a substrate having the circularly polarized array antenna of FIG. 4, wherein FIG. 5A is a perspective view, and FIG. 5B is a sectional view taken along line Z1-Z1 of FIG.
[0051]
In FIG. 5, reference numeral 81 denotes a connection part that couples the antenna port 62 to the surface circuit, 71 denotes a signal amplifier, 72 denotes a filter, 73 denotes a mixer, 74 denotes a high-frequency signal generator, and 82 denotes an IF signal IF port.
[0052]
For example, the IF signal input from the IF port 82 is mixed with the carrier signal generated by the high-frequency signal generator 74 by the mixer 73, and after the high-frequency components such as out-of-band harmonics are cut by the filter 72, the signal is amplified by the signal amplifier. The signal is amplified at 71 and input to the antenna substrate via the connection unit 81. It is not necessary that all the active elements 71 to 74 be mounted on the antenna substrate 5, but at least the form of the antenna module in which the signal amplifier 71 is mounted on the antenna substrate 5, particularly when the signal wavelength uses the millimeter wave band, The advantage is great in terms of transmission loss.
[0053]
6A and 6B show another example in which active elements are mounted on a substrate having the circularly polarized array antenna of FIG. 4, wherein FIG. 6A is a perspective view, and FIG. 6B is a sectional view of FIG. It is. Parts similar to those shown in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals.
[0054]
In FIG. 6, reference numeral 75 denotes a switch such as a switch, a circulator, or a diplexer; 82a, an IF input port; and 82b, an IF output port.
[0055]
The IF signal input from the IF input port 82a is mixed with the carrier signal generated by the high frequency signal generator 74 by the mixer 73a, and after the high frequency components such as harmonics outside the band are cut by the filter 72a, the high output signal The signal is amplified by the amplifier 71a, and a signal is sent only to the connection portion 81 by the signal switch 75 such as a switch, a circulator, or a diplexer, and is input to the antenna substrate 5. On the other hand, the signal received by the antenna substrate 5 and reaching the connection section 81 is sent to only the low noise signal amplifier 71b by the signal switch 75, and the signal outside the band is cut by the filter 72b. The signal generated by the signal generator 74 is mixed with the mixer 73b, and only the IF signal is extracted. Thereafter, the data is output from the IF output port 82b.
[0056]
By arranging the signal switch 75 in this way, an antenna module that can be used for both transmission and reception can be provided.
[0057]
7A and 7B show an example in which a semiconductor element is mounted in a cavity on a substrate provided with the circularly polarized array antenna of FIG. 4, wherein FIG. 7A is a perspective view, and FIG. 7B is a perspective view, and FIG. It is -Z3 sectional drawing. Parts similar to those shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals. In FIG. 7, 7 is a semiconductor element, and 9 is a cavity. The semiconductor element 7 may have a single function such as a switch or a signal amplifier, or may be an integrated version of the functional element group shown in FIG. 5 or FIG.
[0058]
By forming the cavity 9 on the back surface of the antenna-equipped substrate as described above, the semiconductor element 7 can be accommodated in the cavity 9, so that an antenna module with high characteristics and low cost can be realized.
[0059]
The dielectric substrates 51 and 52 in the example of the above embodiment can be formed of ceramics, synthetic resin, or a composite material of ceramics-synthetic resin as an insulating material. Preferably, the ceramics include alumina, AlN, silicon nitride, glass ceramics, and the like. Also, the resonance section upper main conductor layer 11, the resonance section lower main conductor layer 13 (feeding section upper main conductor layer 21), the resonance section sub-conductor layer 12, the feeding section lower main conductor layer 23, the feeding section sub-conductor layer 22, and the like. The conductor layer, the via conductor, and the through-hole conductor are formed of a conductor material such as copper, silver, tungsten, and molybdenum.
[0060]
These are all in accordance with a well-known multilayer substrate manufacturing technique, after forming the above-mentioned insulating material into a sheet, forming a paste or a metal foil of the above-mentioned conductive material on the sheet surface by patterning, and forming a via conductor or a through-hole conductor. A plurality of sheets are formed by forming through holes in a sheet, filling the sheet with a conductive paste, or performing plating. Thereafter, in the case of ceramics, it is baked to a predetermined temperature, and in the case of containing a synthetic resin, it is thermally cured, so that a substrate with an antenna having a multilayer structure can be manufactured.
[0061]
In particular, by using a low-temperature fired ceramic that can use a low-resistance metallized layer such as copper, silver, or gold as a dielectric material, transmission loss is reduced and antenna characteristics are improved.
[0062]
The material for the low-temperature fired ceramic is not particularly limited as long as it can be fired at a temperature of 1000 ° C. or less. And the like, in which a ceramic filler such as, is added at a ratio of 30 to 80% by mass.
[0063]
【Example】
Next, a specific example of the circularly polarized array antenna of the present invention will be described.
[0064]
FIG. 8 is an example showing the axial ratio when the aperture of the radiating element is made elliptical and the inclination of the major axis of the polarized light to be emitted.
[0065]
For the dielectric layers 51 and 52, a borosilicate glass-silica glass ceramic material having a relative dielectric constant of 4.9 is used. The thickness t of the dielectric resonator 1 is 0.6 mm, and the diameter d of the dielectric resonator 1 is φ2.12 mm, the size of the waveguide type feed line 2 is (w, h) = (1.82 mm, 0.6 mm), and the center position of the elliptical coupling hole 3 is the conductor wall 24 a of the waveguide type feed line 2. From 0.52 mm.
[0066]
Here, the area of the elliptical opening 1c is 2.66 mm. 2 Is constant. The frequency was evaluated at 62.5 GHz. In the figure, black circles indicate the axial ratio, and white circles indicate the inclination of the long axis in elliptical polarization. FIG. 8 shows that the axial ratio can be changed from 0 to 4 by changing the value of a from 0.88 mm to 0.96 mm. When a = 0.92, the opening is a perfect circle and the axial ratio is also 0.
[0067]
FIG. 9 is a characteristic diagram when the method described in the present invention is not applied to a 6 × 8 element array antenna, and FIG. 10 is a characteristic diagram when the axial ratio is corrected according to the present invention.
[0068]
First, all the radiating elements were adjusted to an axial ratio of 0, an array was designed, and a radiation pattern was calculated using simulation by the FDTD method. The axial ratio at this time was 4.9 dB as shown in FIG. 9, and the inclination of the long axis of the polarization at that time was −40 °. Therefore, FIG. 10 shows the result obtained by setting the axis ratio of the radiating element to 4.9 dB and setting the inclination of the major axis to +50, and performing the simulation again. As a result, the axial ratio has been improved to 1.2 dB. Further, the result that the side lobe level was improved by about 3 dB was obtained.
[0069]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, the circularly polarized array antenna of the present invention is configured such that the radiating element has an elliptical polarization so as to cancel the deviation of the axial ratio due to the mutual coupling of the radiating elements. Good polarization characteristics can be obtained as a whole.
[0070]
Further, by making the radiating element a cylindrical resonator and making its opening elliptical, the axial ratio can be adjusted and the inclination of the long axis of the elliptically polarized light to be radiated can be freely changed.
[0071]
Further, a dielectric waveguide capable of transmitting a high-frequency signal and an opening for covering all or a part of the side surface of the cylindrical dielectric with metal and radiating the high-frequency signal to a space are provided in the dielectric substrate. Forming a coupling hole in the H-plane conductor of the dielectric waveguide at a position facing the center of the opening of the cylindrical dielectric resonator; A high-frequency signal is supplied from the dielectric waveguide to the cylindrical dielectric resonator through the hole, so that an active element or a signal switch is directly mounted or a cavity is formed on the back surface of the dielectric substrate. In addition, a substrate with an antenna can be provided which is small, highly reliable, and low in cost.
[0072]
Furthermore, when the dielectric substrate forming the antenna substrate is made of low-temperature fired ceramics, a low-resistance metallized layer of copper, silver, or the like can be used, thereby reducing transmission loss and improving antenna characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the principle of antenna axial ratio correction by mutual coupling between radiating elements in a circularly polarized array antenna of the present invention.
FIGS. 2A and 2B show a basic structure of an example of a radiating element used in the present invention. FIG. 2A is a perspective view, and FIG. 2B is a sectional view taken along line XX of FIG.
FIG. 3 is a perspective view showing an example of a circularly polarized array antenna using the radiating element of FIG. 1 and an example for explaining a feeding structure thereof.
4A and 4B show an example of a substrate with an antenna in which a circularly polarized array antenna radiating element of the present invention is formed in a dielectric substrate. FIG. 4A is a plan view of one radiating element, and FIG. (A) is a cross-sectional view taken along line XX, and (c) is a cross-sectional view of the entire antenna-equipped substrate of (a) and (b).
5A and 5B show an example in which an active element is mounted on a substrate having the circularly polarized array antenna of FIG. 4; FIG. 5A is a perspective view, and FIG. 5B is a sectional view taken along line Z1-Z1 of FIG. .
6A and 6B show another example in which active elements are mounted on a substrate provided with the circularly polarized array antenna of FIG. 4, wherein FIG. 6A is a perspective view and FIG. 6B is a sectional view taken along line Z2-Z2 of FIG. It is.
7A and 7B show an example in which a semiconductor element is mounted in a cavity on a substrate provided with the circularly polarized array antenna of FIG. 4; FIG. 7A is a perspective view, and FIG. It is -Z3 sectional drawing.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the axial ratio when the aperture of the radiating element is made elliptical and the inclination of the major axis of the emitted polarized light.
FIG. 9 shows a characteristic diagram of a conventional 6 × 8 element array antenna.
FIG. 10 shows a characteristic diagram of a 6 × 8 element array antenna with an axial ratio corrected according to the present invention.
FIG. 11 is a perspective view for explaining a conventional circularly polarized array antenna and a feed structure thereof.
FIG. 12 is a diagram showing a simulation result of polarization characteristics of a conventional circularly polarized array antenna.
[Explanation of symbols]
1 Dielectric resonator
11 Resonator upper main conductor layer
12 Resonator sub-conductor layer
13 Lower main conductor layer of resonator part
14 Through-hole conductor
2 Waveguide feed line
21 Main conductor layer at upper part of power supply
22 Feeder sub-conductor layer
23 Lower conductor layer of power supply section
24 Feed-through conductor
1c Opening
3 coupling holes
5 Antenna board
51 Resonator dielectric substrate
52 feeder dielectric substrate
6. Waveguide-type second feed line
61 slots
62 antenna port
7 Semiconductor elements
71 signal amplifier
72 filters
73 mixer
74 high frequency signal generator
75 Signal switch
81 Connection
82 IF port
9 cavities

Claims (12)

所定の基板表面に、複数の放射素子をアレー状に配列形成してなる円偏波アレーアンテナにおいて、前記放射素子の一部またはすべての放射素子個々の偏波特性が楕円偏波であり、全体の軸比が3dB以下であることを特徴とする円偏波アレーアンテナ。On a predetermined substrate surface, in a circularly polarized array antenna in which a plurality of radiating elements are arrayed and formed in an array, the polarization characteristics of some or all of the radiating elements are elliptically polarized, A circularly polarized array antenna, wherein the entire axial ratio is 3 dB or less. 前記個々の放射素子の、楕円偏波の軸比およびその軸の傾きを調整し、全体として円偏波となるように設計されていることを特徴とする請求項1記載の円偏波アレーアンテナ。2. The circularly polarized array antenna according to claim 1, wherein the individual radiating elements are designed to adjust the axial ratio of the elliptical polarization and the inclination of the axis so that the individual radiating elements become circular polarization as a whole. . 前記放射素子が、円柱型誘電体の側面の全部または一部が金属で覆われ、かつ高周波信号を空間に放射するための楕円型開口部を有する円柱状誘電体共振器で形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2記載の円偏波アレーアンテナ。The radiating element is formed of a columnar dielectric resonator in which all or a part of the side surface of the columnar dielectric is covered with a metal and has an elliptical opening for radiating a high-frequency signal to a space. 3. The circularly polarized array antenna according to claim 1, wherein: 前記放射素子に対して、導波管または誘電体導波管によって給電されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか記載の円偏波アレーアンテナ。The circularly polarized array antenna according to any one of claims 1 to 3, wherein power is supplied to the radiating element by a waveguide or a dielectric waveguide. 誘電体基板と、該誘電体基板内に設けられた高周波信号を伝送可能な給電線と、該給電線と接続された複数の放射素子がアレー状に配列形成された円偏波アレーアンテナを具備するアンテナ基板において、前記放射素子の一部またはすべての放射素子個々の偏波特性が楕円偏波であり、全体の軸比が3dB以下であることを特徴とするアンテナ付き基板。A dielectric substrate, a feed line provided in the dielectric substrate and capable of transmitting high-frequency signals, and a circularly polarized array antenna in which a plurality of radiating elements connected to the feed line are arranged in an array. An antenna substrate according to claim 1, wherein the polarization characteristics of a part or all of the radiating elements are elliptically polarized, and the overall axial ratio is 3 dB or less. 前記給電線が、誘電体を挟んで形成された上部主導体層および下部主導体層と、該上部主導体層および前記下部主導体層間を電気的に接続する二列の貫通導体群から成る導体壁とで囲まれた誘電体導波管からなることを特徴とする請求項5記載のアンテナ付き基板。A conductor comprising an upper main conductor layer and a lower main conductor layer formed with a dielectric interposed therebetween, and two rows of through conductor groups electrically connecting the upper main conductor layer and the lower main conductor layer 6. The antenna-equipped substrate according to claim 5, comprising a dielectric waveguide surrounded by a wall. 前記二列の貫通導体群がそれぞれ上部主導体層と下部主導体層間において該主導体層と平行に設けられた副導体層によって電気的に接続されてなることを特徴とする請求項6記載のアンテナ付き基板。7. The two rows of through conductor groups are electrically connected between an upper main conductor layer and a lower main conductor layer by a sub-conductor layer provided in parallel with the main conductor layer. Substrate with antenna. 前記放射素子が、複数の誘電体層を積層して成る誘電体基板の表面に形成された開口部を有する上部主導体層と、前記開口部と対向する位置に形成された下部主導体層と、前記開口部周囲の前記誘電体基板内に形成され、所定間隔をもって前記上部主導体層および前記下部主導体層間を電気的に接続する複数の貫通導体を具備するアンテナ導体壁とで囲まれてなる誘電体共振器であることを特徴とする請求項5乃至請求項7のいずれか記載のアンテナ付き基板。The radiating element, an upper main conductor layer having an opening formed on the surface of a dielectric substrate formed by laminating a plurality of dielectric layers, and a lower main conductor layer formed at a position facing the opening And an antenna conductor wall formed in the dielectric substrate around the opening and having a plurality of through conductors electrically connecting the upper main conductor layer and the lower main conductor layer at a predetermined interval. The substrate with an antenna according to any one of claims 5 to 7, wherein the substrate is a dielectric resonator. 前記誘電体基板の裏面に、少なくとも1つの信号増幅器を実装してなることを特徴とする請求項5乃至請求項8のいずれか記載のアンテナ付き基板。The substrate with an antenna according to any one of claims 5 to 8, wherein at least one signal amplifier is mounted on a back surface of the dielectric substrate. 前記誘電体基板の裏面に、少なくとも1つのスイッチまたはサーキュレータまたはダイプレクサを実装してなることを特徴とする請求項5乃至請求項9のいずれか記載のアンテナ付き基板。The substrate with an antenna according to any one of claims 5 to 9, wherein at least one switch, circulator, or diplexer is mounted on the back surface of the dielectric substrate. 前記誘電体基板の裏面に、半導体素子を収納するためのキャビティが形成してなることを特徴とする請求項5乃至請求項10のいずれか記載のアンテナ付き基板。The substrate with an antenna according to any one of claims 5 to 10, wherein a cavity for accommodating a semiconductor element is formed on a back surface of the dielectric substrate. 前記誘電体基板が低温焼成セラミックスからなり、前記導体が銀、または銅を主成分とする導体材料によって形成してなることを特徴とする請求項5乃至請求項11のいずれか記載のアンテナ付き基板。The substrate with an antenna according to any one of claims 5 to 11, wherein the dielectric substrate is made of low-temperature fired ceramics, and the conductor is made of a conductive material containing silver or copper as a main component. .
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