JP2008061030A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】給電用線路の引き回しを必要とせず、損失の増加を抑えながら、高利得化を有効に実現することができるアンテナ装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係るアンテナ装置は、複数の絶縁層を積層してなる多層基板（１）と、前記多層基板をなす絶縁層に配置され、高周波信号が給電された給電素子（２）と、前記多層基板をなす絶縁層に前記給電素子に関して点対称に配置され、前記給電素子に対して従属的に磁気結合された複数の無給電素子（３１１〜３１４等）とを備え、前記複数の無給電素子のうち隣り合う２つの無給電素子が互いに異なる絶縁層に配置されたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、チップアンテナ等のアンテナ装置に関し、詳しくは、高利得なチップアンテナ等を実現するための技術に関し、特に、能動デバイスとアンテナを一体化した所謂システムオンパッケージを実現する際に有効に高利得化を実現するアンテナ装置に関する。

従来、給電線路を用いずにアレー構成を実現したアンテナ装置として、無給電素子アレーによる技術が提案されている（非特許文献１参照）。
図６に、上記従来技術によるアンテナ装置の構成を示す。同図において、２０は給電用マイクロストリップアンテナ、３０は無給電素子金属、４０は地板、５０はマイクロストリップ線路を示し、６０は高周波信号源を示している。

この従来技術に係るアンテナ装置は、給電素子である１個の給電用マイクロストリップアンテナ２０に対して４個の無給電素子金属３０を磁気的に結合させることにより一種のアレーアンテナとして動作し、これにより高利得化を実現している。
H.Legay and L.Shafai, "New stacked microstrip antenna with large bandwidth and high gain,"IEE Proc. -Microw. Antennas Propag., Vol.141, No3, pp.199-204, June 1994.

一般に、パッケージにアンテナ素子を配列してアレーアンテナを形成する場合、各アンテナ素子に給電するための給電用線路も形成する必要があり、その給電用線路の引き回しに起因して損失や不要輻射が増大するため、効果的に利得を増加できない。
このような問題について、上述の図６に示す無給電素子金属３０を用いた従来技術に係るアンテナ装置によれば、無給電素子金属３０は給電用マイクロストリップアンテナ２０から磁気的に給電されるため、給電用線路を必要とせず、この給電用線路の引き回しに起因した上述の問題を回避することができる。

しかしながら、図６に示す従来技術に係るアンテナ装置によれば、給電用マイクロストリップアンテナ２０に対して磁気的に結合可能な無給電素子金属３０の配置位置が限られるため、無給電素子金属３０の個数を有効に増やすことができず、従って有効に高利得化できないという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、給電用線路の引き回しを必要とせず、損失を抑えながら、高利得化を有効に実現することができるアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の構成を有する。
即ち、本発明は、複数の絶縁層を積層してなる多層基板（例えば図１に示す多層基板１に対応する要素）と、前記多層基板をなす絶縁層に配置され、高周波信号が給電された給電素子（例えば図１に示す給電素子２に対応する要素）と、前記多層基板をなす絶縁層に配置され、前記給電素子に対して従属的に磁気結合された複数の無給電素子（例えば図１に示す無給電素子３１１〜３１４，３２１〜３２４，３３１〜３３４，３４１〜３４４に対応する要素）とを備え、前記複数の無給電素子のうち隣り合う２つの無給電素子が互いに異なる絶縁層に配置されたことを特徴とするアンテナ装置の構成を有する。

この構成によれば、給電素子から放射されたエネルギーの一部が複数の無給電素子を励振させ、これら複数の無給電素子のそれぞれが電磁波を放射する。従って、給電素子に加えて複数の無給電素子から電磁波が放射されるため、実質的にアンテナの開口面積が拡大し、これにより高利得化される。また、複数の無給電素子が従属的に結合されているので、１個の給電素子に対して無給電素子の個数を有効に増加させることが可能になり、従って、アンテナの開口面積を増加し、効果的に高利得化を実現できる。

上記アンテナ装置において、例えば、前記複数の無給電素子は、前記給電素子に関して点対称に配置されたことを特徴とする。
上記アンテナ装置において、例えば、前記複数の無給電素子は、前記給電素子を基点として列状に配置されたことを特徴とする。
上記アンテナ装置において、例えば、前記給電素子を基点として等距離に位置する一群の無給電素子を１単位としたときに、複数単位の無給電素子を備えたことを特徴とする。
上記アンテナ装置において、例えば、少なくとも５単位以上の無給電素子を備えたことを特徴とする。
上記アンテナ装置において、例えば、前記列状に配置された複数の無給電素子を１組としたときに、複数組の無給電素子を備えたことを特徴とする。
上記アンテナ装置において、例えば、前記隣り合う２つの無給電素子が、前記多層基板をなす絶縁層を介して重なり領域を形成したことを特徴とする。

本発明によれば、給電素子に対し複数の無給電素子を従属的に電磁結合させたので、給電用線路の引き回しを必要とせず、損失を抑えながら、高利得化を有効に実現することができる。
また、本発明によれば、給電回路を用いることなく大面積のアレーアンテナを構成することができるため、ミリ波帯等においても低損失かつ高利得なアンテナを実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１〜図５は、本発明の実施形態を説明するための図である。
ここで、図１及び図２は、本実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図であり、図１は上視図、図２（ａ）は、図１のＡ−Ｂ線における断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す構成の変形例を示す図である。図１及び図２（ａ）において、符号１は多層基板、符号２は方形の給電用マイクロストリップアンテナからなる給電素子、３００番代の符号は方形の金属片からなる無給電素子を示す。符号４は地板、符号５は給電線を示す。

図１及び図２（ａ）に示すように、多層基板１は、誘電体基板（絶縁層）１Ａ，１Ｂを積層して構成され、この多層基板１の下層をなす誘電基板１Ａ上には１個の給電素子２が配置される。多層基板１の上層をなす誘電体基板１Ｂ上には、複数の無給電素子３１１，３１２，３１３，３１４，３３１，３３２，３３３，３３４が配置され、給電素子２と同一面上の誘電体基板１Ａ上には、複数の無給電素子３２１，３２２，３２３，３２４，３４１，３４２，３４３，３４４が配置される。

給電線５は、誘電体基板１Ａを貫通するように形成され、図示しない高周波信号源から給電線５を介して給電素子２に高周波信号が給電される。
なお、以下の説明では、複数の無給電素子３１１，３１２，３１３，３１４，３２１，３２２，３２３，３２４，３３１，３３２，３３３，３３４，３４１，３４２，３４３，３４４を総称するときは、無給電素子３００と称する。

ここで、複数の無給電素子３００は、給電素子２に関して点対称に配置されると共に、給電素子２に対して従属的に磁気結合されている。
具体的に説明すると、無給電素子３１１，３２１，３３１，３４１は、給電素子２を基点として列状に配置されると共に、これら複数の無給電素子３１１，３２１，３３１，３４１のうち、隣り合う２つの無給電素子が互いに異なる誘電体基板に交互に配置された構造となっている。

図１及び図２（ａ）に示す例では、隣り合う２つの無給電素子３１１と無給電素子３２１のうち、一方の無給電素子３１１が誘電体基板１Ｂ上に配置され、他方の無給電素子３２１が誘電体基板１Ａ上に配置されており、これら隣り合う２つの無給電素子は、誘電体基板１Ｂを介して重なり領域を形成している。その他の隣り合う２つの無給電素子についても同様に重なり領域を形成している。この重なり領域の面積は、例えば、隣り合う無給電素子間で伝送すべき電磁波のエネルギー量に応じて適切に設定され、あるいは、各無給電素子から放射される電磁波の位相が合うように設定される。ただし、この例に限定されることなく、必要とするアンテナ性能に応じて重なり面積を適切に設定すればよい。

なお、本実施形態では、「隣り合う２つの無給電素子」とは、磁気的結合関係が密接な２つの無給電素子を意味する。この点について、図１及び図２（ａ）に示す例では、厳密には、例えば無給電素子３１１と無給電素子３３１との間にも磁気的結合関係が存在するが、図１から理解されるように、上述の重なり領域を設けたことにより、無給電素子３１１と無給電素子３３１との間の対向面積に比べて、無給電素子３１１と無給電素子３２１との間の対向面積が圧倒的に大きくなるため、これら無給電素子３１１と無給電素子３２１との間の磁気的結合が密になる。従って無給電素子３１１に対しては無給電素子３２１が隣り合ったものとなる。他の隣り合う２つの無給電素子についても同様である。

また、上記複数の無給電素子３００のうち、無給電素子３１１，３２１，３３１，３４１は、給電素子２に対して従属的に磁気結合されている。即ち、給電素子２に対し無給電素子３１１が従属的に磁気結合され、この無給電素子３１１に対し無給電素子３２１が従属的に磁気結合され、この無給電素子３２１に対し無給電素子３４１が従属的に磁気結合されている。同様に、給電素子２に対し、無給電素子３１２，３２２，３３２，３４２と、無給電素子３１３，３２３，３３３，３４３と、無給電素子３１４，３２４，３３４，３４４とが、それぞれ給電素子２に対し従属的に磁気結合されている。

ここで、上述の図１及び図２（ａ）に示す本アンテナ装置の構成は、給電素子２を基点として等距離にあり且つ点対称な位置に配置された一群の無給電素子を１単位とすれば、複数単位の無給電素子を備えたものと言える。この例では、給電素子２の中心を基点とした点対称な４箇所の位置に配置された合計４個の無給電素子が１単位と定義される。具体的には、給電素子２に磁気結合された４個の無給電素子３１１，３１２，３１３，３１４は給電素子２から最短の等距離にあり、これら４個の無給電素子が１単位分の無給電素子を構成する。同様に、４個の無給電素子３２１，３２２，３２３，３２４と、４個の無給電素子３３１，３３２，３３３，３３４と、４個の無給電素子３４１，３４２，３４３，３４４とが、それぞれ１単位分の無給電素子を構成する。従って、図１に示す本アンテナ装置は、合計４単位の無給電素子を備えた構成例である。

また、上述の図１及び図２（ａ）に示す本アンテナ装置の構成は、次のように言い換えることができる。即ち、本アンテナ装置の構成は、給電素子２に対して従属的に磁気結合された１列分の複数の無給電素子３１１，３２１，３３１，３４１を１組とすれば、４組の無給電素子を備えたものであり、この４組の無給電素子が、前記給電素子に関して点対称に配置されたものと言える。

この例では、４組の無給電素子が十字状に点対称に配置されているが、これに限定されることなく、１個の給電素子２に対して、１列分に相当する１組の無給電素子（例えば無給電素子３１１，３２１，３３１，３４１）のみを備えるものとしてもよく、また、４組に限定されることなく、必要とするアンテナ性能に応じて任意の複数組の無給電素子を備えるものとすることもできる。また、１組を構成する無給電素子の個数も、この例に限定されず、適切に設定すればよい。また、点対称性についても必要に応じて備えれば足り、必ずしも備える必要はない。

なお、図２（ａ）に示す構成例では、給電素子２と無給電素子３２１，３２３，３４１，３４３（図１では、無給電素子３２１，３２２，３２３，３２４，３４１，３４２，３４３，３４４）を下層の誘電体基板１Ａ上に配置し、無給電素子３１１，３１３，３３１，３３３（図１では、無給電素子３１１，３１２，３１３，３１４，３３１，３３２，３３３，３３４）を上層の誘電体基板１Ｂ上に配置したが、図２（ｂ）に示すように、給電素子２と無給電素子３２１，３２３，３４１，３４３を上層の誘電体基板１Ｂ上に配置し、無給電素子３１１，３１３，３３１，３３３を下層の誘電体基板１Ａ上に配置するものとしてもよい。

次に、本実施形態の作用（動作）を説明する。
図示しない高周波信号源から給電線５を介して給電素子２が給電されると、この給電素子２がマイクロストリップアンテナとして機能して電磁波を放射する。給電素子２から放射された電磁波の一部は、給電素子２と磁気結合された１単位目の無給電素子３１１，３１２，３１３，３１４を励振させ、これら無給電素子に高周波電流が誘導される。これにより、無給電素子３１１，３１２，３１３，３１４のそれぞれが電磁波を放射する。

また、１単位目の無給電素子３１１，３１２，３１３，３１４から放射された電磁波の一部は、これら無給電素子と磁気結合された２単位目の無給電素子３２１，３２２，３２３，３２４を励振させ、これら無給電素子に高周波電流が誘導される。これにより、無給電素子３２１，３２２，３２３，３２４のそれぞれが電磁波を放射する。同様にして、２単位目の無給電素子から放射された電磁波の一部により３単位目の無給電素子３３１，３３２，３３３，３３４が励振されて電磁波を放射し、３単位目の無給電素子から放射された電磁波の一部により４単位目の無給電素子３４１，３４２，３４３，３４４が励振されて電磁波を放射する。

よって、本実施形態によれば、給電素子２に対し複数単位の無給電素子３００を従属的に磁気結合させたので、給電用線路を用いることなく、各無給電素子に給電することが可能になる。また、給電素子２と各無給電素子３００がそれぞれ電磁波を放射するので、これら給電素子２と各無給電素子３００が一種のアレーアンテナ素子として機能するようになる。従って、実質的にアンテナの開口面積が拡大することとなり、これによりアンテナを高利得化することが可能になる。

また、本実施形態によれば、隣り合う２つの無給電素子を互いに異なる誘電体基板上に配置したので、前述の図６に示す従来技術に比較して、アレーアンテナ素子として機能する無給電素子の個数を飛躍的に増やすことが可能になる。よって、本実施形態によれば、アレーアンテナ素子として機能する複数の無給電素子３００に対する給電用線路の引き回しを不要とし、損失を抑えながら、アンテナ装置の高利得化を有効に実現できる。
また、本実施形態によれば、複数の無給電素子３００を点対称な位置に配置したので、前後方向および左右方向の各方向に対称な構造となり、そのため、水平偏波と垂直偏波の両偏波を同時に使用することが可能になる。

[実施例]
次に、本発明の実施例を説明する。
本実施例に係るアンテナ装置は、６０ＧＨｚ帯での適用を想定しており、誘電体基板１Ａ，１Ｂとして、ミリ波帯パッケージを製造するのに適した低温焼成セラミック基板（比誘電率εｒ＝７．７）を用いた。基板構成は、最下層に地板（グランド板）４を配置し、多層基板１の下層の誘電体基板１Ａの厚さを０．１ｍｍとし、上層の誘電体基板１Ｂの厚さを０．０５ｍｍとした。また、給電素子２としての給電用マイクロストリップアンテナの形状を、１辺が０．６５ｍｍの方形パッチ状とし、その給電個所（給電素子２と給電線５との接続箇所）を給電素子２の中央から０．２２ｍｍずらした点に設定した。これにより、給電素子２と給電線５との接続部におけるインピーダンスを整合させた。

また、給電素子２としての給電用マイクロストリップアンテナと同一面の誘電体基板１Ａ上に配置される各無給電素子の形状を、一辺が０．７０ｍｍの方形パッチ状とし、給電素子２の上層（誘電体基板１Ｂ上）に配置する各無給電素子の形状を、一辺が０．７３ｍｍの方形パッチ状とした。これにより、誘電体基板との間で形成される共振回路の共振周波数を整合させた。ちなみに、この共振周波数が整合されていないと、電磁結合の度合いが減少し、このため、損失が増加する傾向を示す。
なお、給電素子２及び無給電素子３００の形状は方形に限定されるものではなく、長方形、円形、楕円形など、他の形状を採用してもよい。

また、前述の図１に示すように、給電素子２の中心位置を原点としたｘｙ座標系を設定し、各無給電素子の金属片の中心位置をｙ軸からの距離で示すと、１単位目の無給電素子の中心位置ｗ１を０．６０ｍｍとし、２単位目の無給電素子の中心位置ｗ２を１．０５ｍｍとし、３単位目の無給電素子の中心位置ｗ３を１．５０ｍｍとし、４単位目の無給電素子の中心位置ｗ４を２．１０ｍｍとし、５単位目の無給電素子の中心位置ｗ５（図示なし）を２．７５ｍｍとした。このように給電素子２を基準として各無給電素子の中心位置を設定することにより、隣り合う無給電素子間の重なり領域の面積を調整した。

図３に、５単位分の無給電素子３００を配置した場合のアンテナの指向特性の解析結果を示す。即ち、この解析例は、図１に示す構成において、４単位目の４個の無給電素子３４１，３４２，３４３，３４４のそれぞれに対して磁気結合された４個の無給電素子（図示なし）を更に備えた構成のものである。図３において、実線はＨ面の特性を示し、点線はＥ面の特性を示している。図３から理解されるように、本実施例によれば、３ｄＢビーム幅は放射角度にしてＨ面およびＥ面共に４０度以下であり、アンテナ利得は１０．３ｄＢｉを実現している。

図４に、各アンテナ素子（給電素子２および無給電素子３００）上の電流分布の解析結果を示す。同図から理解されるように、端部に位置する無給電素子まで電流が分布しており、本アンテナ装置がアレーアンテナを実現する上で有用であることがわかる。
図５は、無給電素子の単位数を変えた場合のアンテナ利得の変化を示す。同図から理解されるように、ミリ波帯において近距離通信に適用可能なアンテナ利得として１０ｄＢｉ以上の性能を満足するアンテナ装置を実現するためには、５単位以上の無給電素子を備えることが有効である。

以上、上述の実施形態によれば、下層に地板を有する誘電体基板上に高周波信号を給電された給電用マイクロストリップアンテナを有し、かつ少なくとも電磁的に結合させることにより励振される無給電素子金属を有するアンテナ装置において、上記給電用マイクロストリップアンテナの上層もしくは下層に少なくとも１層以上の誘電体層を介して無給電素子金属を配置し、上記無給電素子の金属片を少なくとも異なる２層の誘電体基板上に交互に配置し、電磁結合によりアレーアンテナを構成することにより、給電回路を要することなく、アレーアンテナを構成することができ、これにより、低損失なアンテナ装置を実現できる。よって、ミリ波帯等においても高利得なアンテナを提供できる。

また、上記誘電体基板にセラミック基板を用い、前記無給電素子金属を給電素子の点対称な位置４箇所に４個づつ配置することを１単位と定義した場合、少なくとも５単位以上の無給電素子を備えることにより、層数の少ない薄い基板のみでアンテナ装置を構成できる。よって、低コストで高利得を実現できるアンテナを提供できる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述の実施形態では、絶縁層として誘電体基板１Ａ，１Ｂを用いたが、これに限定されることなく、空気層により絶縁層を形成してもよい。

また、上述の実施形態では、誘電体基板１Ａと誘電体基板１Ｂに無給電素子を交互に配置するものとしたが、これに限定されることなく、３層以上の誘電体基板に無給電素子を配置するものとしてもよく、隣り合う２つの無給電素子が互いに異なる誘電体基板に配置されることを限度として、どのよう基板構成してもよい。

本発明の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す上視図である。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置のアンテナ特性（指向特性）を示す特性図である。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置における各素子上の電流分布を示す図である。 本発明の実施形態に係るアンテナ装置の無給電素子の単位数とアンテナ利得との関係を示す特性図である。 従来の無給電素子アレーの構成を示す図である。

符号の説明

１…多層基板
１Ａ，１Ｂ…誘電体基板（絶縁層）
２…給電素子
４…地板
５…給電線
３１１〜３１４，３２１〜３２４，３３１〜３３４，３４１〜３４４…無給電素子

Claims (7)

1. 複数の絶縁層を積層してなる多層基板と、
   前記多層基板をなす絶縁層に配置され、高周波信号が給電された給電素子と、
   前記多層基板をなす絶縁層に配置され、前記給電素子に対して従属的に磁気結合された複数の無給電素子とを備え、
   前記複数の無給電素子のうち隣り合う２つの無給電素子が互いに異なる絶縁層に配置されたことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記複数の無給電素子は、前記給電素子に関して点対称に配置されたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記複数の無給電素子は、前記給電素子を基点として列状に配置されたことを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記給電素子を基点として等距離に位置する一群の無給電素子を１単位としたときに、複数単位の無給電素子を備えたことを特徴とする請求項１または２の何れか１項記載のアンテナ装置。
5. 少なくとも５単位以上の無給電素子を備えたことを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
6. 前記列状に配置された複数の無給電素子を１組としたときに、複数組の無給電素子を備えたことを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
7. 前記隣り合う２つの無給電素子が、前記多層基板をなす絶縁層を介して重なり領域を形成したことを特徴とする請求項１ないし６の何れか１項記載のアンテナ装置。
   
   

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