JP2012235351A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波回路の小型化を図るとともにアンテナの特性を向上可能なアンテナ装置を提供する。
【解決手段】多層基板３０は、４層の絶縁層４１−４４を介して層の配線層５１−５５が積層されている。最も外側に位置する一方の配線層５５には、マイクロストリップライン６３を有する回路部６７が形成されている。最も外側に位置する他方の配線層５５には、回路部６７から供給された電力を放射するパッチアンテナ６１が形成されている。多層基板３０の積層方向において、パッチアンテナ６１に対向する位置には、パッチアンテナ６１から離れて無給電素子７１が形成されている。無給電素子７１は、パッチアンテナ６１から電波が放射されることにより励振されて、電波を放射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロストリップラインおよびマイクロストリップアンテナが一体に形成された多層基板を備えるアンテナ装置に関する。

近年、ＡＣＣ（Ａｕｔｏ Ｃｒｕｉｓｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ）および衝突防止システム技術の進展に伴い、例えば、障害物や先行車両を検出する車載レーダの様に、ミリ波やマイクロ波を利用した様々な装置や応用システムが提案されている。

これらのミリ波やマイクロ波を扱うアンテナ装置では、アンテナとして、導波管スロットアンテナ、トリプレートアンテナ、マイクロストリップアンテナなどが用いられている。なかでも、集積回路技術またはプリント配線技術を用いて基板上に平面的に形成でき、量産性、経済性に優れたマイクロストリップアンテナが多用されている。

また、小型化のため、多層化した基板の一方の表面にマイクロストリップアンテナを設け、他方の表面にマイクロストリップラインを含むミリ波回路およびマイクロ波回路（以下では「ミリ波回路およびマイクロ波回路」を「高周波回路」という）を形成したアンテナ装置が提案されている（特許文献１参照）。

マイクロストリップラインおよびマイクロストリップアンテナは、図７に示すように、基板９０すなわち絶縁層の一方の面にグランド層９２が形成され、他方の面にストリップ導体９４が形成されている。一般に、マイクロストリップラインでは、絶縁層の厚さｈ０が薄いほど線路幅Ｗ０、ひいては回路面積を小さくでき、一方、マイクロストリップアンテナでは、絶縁層の厚さｈ０が厚いほどアンテナ利得が向上することが知られている。

例えば、特許文献１に記載の多層基板は、マイクロストリップアンテナが形成されている絶縁層の厚さをマイクロストリップライン等の高周波回路が形成されている絶縁層の厚さよりも厚く形成することにより、マイクロストリップアンテナの高利得化を図っている。

特開２００１−３３２８６１号公報

しかしながら、絶縁層の厚さが非対称に形成された上記多層基板は、温度変化によって反りが生じることが懸念されている。多層基板に反りが生じた場合、アンテナ指向性や周波数帯域といったアンテナの特性に変動が生じる虞がある。

このように従来のアンテナ装置では、高周波回路の小型化とアンテナの特性向上という二つの課題をいずれも両立させて解決することは困難であった。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、高周波回路の小型化を図るとともにアンテナの特性を向上可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた発明である請求項１に記載のアンテナ装置は、ｎ（ｎは２以上の整数）層の絶縁層を介して積層されたｎ＋１層の配線層を有する多層基板と、多層基板の最も外側に位置する配線層の一方に形成され、少なくともマイクロストリップラインを有する回路部とを備える。また、当該アンテナ装置は、多層基板の最も外側に位置する配線層の他方に形成され、回路部から供給された電力を放射する少なくとも一つの放射素子と、多層基板の積層方向において、放射素子に対向する位置に放射素子から離れて形成され、放射素子から電波が放射されることにより励振されて電波を放射する無給電素子とを備える。

このように構成された本発明のアンテナ装置では、無給電素子を備えることにより、多層基板の絶縁層の厚みと放射素子および無給電素子の間隔とを独立に設定でき、放射素子と無給電素子の間隔を広く確保できるため、多層基板を非対称に形成することなく高利得化を図ることができる。また、マイクロストリップライン等の高周波回路の小型化に適した厚さに絶縁層を形成し、多層基板を対称に形成することができるため、温度変化による基板の反りが生じにくくなり、アンテナの特性の変動が抑制される。結果として、本発明のアンテナ装置では、高周波回路の小型化を図るとともにアンテナの特性を向上させることができる。なお、周知のアンテナの可逆性により、本発明のアンテナ装置は、電波の放射に限られるものではなく、電波の受信にも適用される。

また、高周波回路では、誘電率および誘電損失が小さい材質、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）や液晶ポリマー等により形成された基板（以下では「高周波用基板」という）の使用が適している。しかしながら、このような高周波用基板は一般のＦＲ４基板に比べて高価であるため、従来のようにマイクロストリップアンテナが形成される絶縁層を厚くした多層基板は、価格が高くなる傾向にあった。

これに対して、本発明のアンテナ装置では、マイクロストリップアンテナが形成される絶縁層を厚くする必要が無いため、高周波用基板により多層基板を製作した場合の多層基板の価格を抑えることができ、経済性にも優れている。

本発明のアンテナ装置は、具体的には請求項２に記載のように、内部に収容空間が形成されている有底筒状のハウジングと、誘電体により形成され、ハウジングの開口部を覆うカバーとを備えていてもよい。この場合、多層基板が収容空間に収容され、カバーと平行となるようにハウジングに固定され、カバーの多層基板と向かい合う側に無給電素子が形成されていてもよい。なお、ここでいう「筒状」とは、円筒に限られるものではない。

このように構成された本発明のアンテナ装置では、簡易な構成で、放射素子と向かい合う位置に放射素子から離して無給電素子を形成することができる。
ところで、本発明のアンテナ装置では、放射素子と無給電素子との間隔により、アンテナの利得特性および帯域特性が決定される。ここで、請求項２に記載のアンテナ装置において、内部が気密に保たれている場合、アンテナ装置の外部と内部との間に温度差が生じて収容空間の圧力が変化すると、カバーが撓むことが考えられる。カバーが撓むと、放射素子と無給電素子との間隔が変化するため、アンテナの利得特性および帯域特性に変動が生じる虞がある。

撓みを抑制するためにはカバーを厚く形成することが考えられるが、この場合、カバーによる損失の増加や外形寸法が大きくなることが懸念される。また、外形寸法を大きくせずカバーを厚く形成する場合、カバーと多層基板との間隔が狭くなり、良好な利得特性および帯域特性を得るために必要な放射素子と無給電素子との間隔を確保できないことが懸念される。

そこで、本発明のアンテナ装置においては、請求項３に示すように、無給電素子はカバーに埋設されるように形成されてもよい。
このように構成された本発明のアンテナ装置によると、良好な利得特性および帯域特性を得るために必要な放射素子と無給電素子との間隔を確保することができるため、外形寸法を大きくすることなくカバーをより厚く形成することができる。結果として、本発明のアンテナ装置では、外部と内部との間に温度差が生じることによる利得特性および帯域特性の変動が抑制される。

また、良好な利得特性および帯域特性を得るために必要な放射素子と無給電素子との間隔を確保するために、本発明のアンテナ装置においては、請求項４に示すように、無給電素子が形成されている側から多層基板に向けて突出する突出部がカバーに形成されていてもよい。

このように構成された本発明のアンテナ装置では、アンテナ装置の外部と内部との間に温度差が生じて収容空間における圧力が変化し、仮にカバーが多層基板側に撓んだとしても、突出部により必要な放射素子と無給電素子との間隔が保持される。結果として、温度差が生じることによる利得特性および帯域特性の変動が抑制される。

なお、本発明のアンテナ装置では、請求項５に記載のように、ハウジングは、外部環境に曝されない位置に当該ハウジングの内部と外部とを連通する連通孔を有していてもよい。ここでいう「外部環境に曝されない位置」とは、例えば、雨や風などの外部環境に曝されない位置をいう。また、連通孔には、通気性は有するが水分は通さない材質により形成される呼吸フィルタを組みつけても良い。

このように構成された本発明のアンテナ装置では、アンテナ装置の外部と内部との間に温度差が生じた場合、収容空間における圧力の変動が抑制される。結果として、温度差が生じることによる利得特性および帯域特性の変動が抑制される。

第１実施形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。 （ａ）はシミュレーションのためのアンテナ装置の構成を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）図におけるＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は図２の構成において一次放射器および無給電素子の間隔ｈｇと無給電素子のアンテナ放射利得との関係（利得特性）を示すグラフであり、（ｂ）は図２の構成において間隔ｈｇを変化させたときの周波数と規格化利得との関係（帯域特性）を示すグラフである。 第２実施形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。 第３実施形態のアンテナ装置の構成を示す模式図である。 （ａ）は第１実施形態に第４実施形態の構成を適用したアンテナ装置の構成を示す模式図であり、（ｂ）は第２実施形態に第４実施形態の構成を適用したアンテナ装置の構成を示す模式図であり、（ｃ）は第３実施形態に第４実施形態の構成を適用したアンテナ装置の構成を示す模式図である。 従来のマイクロストリップアンテナの構成を示す斜視図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。本発明のアンテナ装置は、ミリ波やマイクロ波を用いる装置等に適用される。
[第１実施形態]
本発明が適用されたアンテナ装置の構成を図１に示す。本実施形態のアンテナ装置１は、ミリ波を用いる装置に適用される。

[構成]
図１に示すように、アンテナ装置１は、加工が容易な金属（例えば、アルミニウム）を有底筒状に形成することにより内部に収容空間が形成されているハウジング１１と、電波を透過させる材質で形成され、ハウジング１１の開口部を覆うカバー２１と、ハウジング１１の収容空間１２に収容されている多層基板３０とを備えている。

多層基板３０は、カバー２１と平行になるように、ネジ留めによりハウジング１１に固定されている。多層基板３０は、ミリ波の電波を送受する送受信器や、送受信器を制御する制御回路等を構成する回路素子が組みつけられるものである。多層基板３０は、誘電体物質（例えば、比誘電率εｒが２．２−３．５）からなる４つの絶縁層４１、４２、４３、４４を介して、薄膜導体からなる５つの配線層５１、５２、５３、５４、５５が積層された５層基板として構成されている。

このうち、最も外側に位置する一方の配線層である配線層５１には送受すべき周波数帯に応じた大きさ、例えば一辺の長さがＬ１ｍｍの正方形（以下、パッチ形状という）のパッチアンテナ６１が、また配線層５２にはパッチアンテナ６１に給電するための構造を除く大半の部分がグランド層として形成され、絶縁層４１を介してマイクロストリップアンテナを構成している。

また、絶縁層４４および絶縁層４４を挟んで積層された配線層５４、５５には、パッチアンテナ６１を介して送受されるミリ波の信号を、伝送し処理するための回路部６７を構成するマイクロストリップライン６３が形成されている他、上述の送受信器や制御回路を構成するアナログ回路の回路素子６５および図示しないデジタル回路の回路素子を組み付けるための電極パタンや電極間の配線パタン等が形成されている。回路素子は、パッケージＩＣのリフロー実装、ベアチップのフリップチップ実装、またはワイヤボンディングを用いたフェイスアップ実装などの手法により実装される。

マイクロストリップライン６３は、最も外側に位置する他方の配線層である配線層５５側に線路が形成され、当該線路と対向した配線層５４側の所定範囲にグランド層が形成されている。絶縁層４４の層厚ｈ４４は、配線層５４、５５に形成されたマイクロストリップライン６３が配線層５５に形成された他のアナログ回路の配線パタンとの整合が取りやすく且つ十分に小さい線路幅となるときの値に設定されている。

なお、絶縁層４１−４４の層厚ｈ４１−ｈ４４は、いずれも同じ厚さ（例えば、０．３ｍｍ）に形成されている。すなわち、多層基板３０は積層方向に対称に形成されている。
カバー２１は、電波を透過させる材質としてＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）を使用している。

ここで特に本実施形態では、多層基板３０と向かい合う側であるカバー２１の内側面２３のうち、多層基板３０に設けられたパッチアンテナ６１に対向した位置に、当該パッチアンテナ６１から間隔ｈ１だけ離れた位置に無給電素子７１が形成されている。この無給電素子７１とパッチアンテナ６１との間隔ｈ１は、上述のようにカバー２１と平行になるように多層基板３０をハウジング１１に固定されることにより保持されている。無給電素子７１は、カバー２１の内側面２３に、印刷、メッキ、転写などにより、パッチアンテナ６１と同じ大きさになるように形成されている。

ここで、パッチ形状に形成されているパッチアンテナ６１の一辺の長さＬ１、およびパッチアンテナ６１と無給電素子７１との間隔ｈ１は、各々次のように設定される。
パッチアンテナ６１の一辺の長さＬ１は、次式により設定される。

λは使用周波数の波長であり、εｒは多層基板３０の絶縁層（絶縁層４１）の比誘電率である。本実施形態では、使用周波数が２６ＧＨｚであり、式（１）より、パッチアンテナ６１は一辺の長さＬ１が約３ｍｍの正方形に形成され、同様に、無給電素子７１は一辺の長さＬ３が約３ｍｍの正方形に形成されている。

パッチアンテナ６１と無給電素子７１との間隔ｈ１は、シミュレーションにより算出されたアンテナの特性、すなわち無給電素子７１の利得特性および帯域特性に基づき、無給電素子７１の放射利得が大きくかつ帯域が広くなるように設定される。以下では、使用周波数が２６ＧＨｚのときを例として説明する。

図２にシミュレーションを行ったアンテナ装置８０の構成を示す。シミュレーションを行ったアンテナ装置８０は、簡単のため、三層基板８７の一方の表面にスリット型一次放射器８１が形成され、スリット型一次放射器８１の上部に空気層８５を介して無給電素子８３が形成された構成としている。

図３（ａ）は、スリット型一次放射器８１および無給電素子８３の間隔ｈｇと無給電素子８３の放射利得との関係（利得特性）を示したグラフである。図３（ｂ）は、間隔ｈｇを変化させたときの周波数と無給電素子８３の規格化利得との関係（帯域特性）を示したグラフである。ここでいう規格化利得とは、帯域を比較し易くするために、２６ＧＨｚのときの利得を０ｄＢとして規格化した利得をいう。

図３（ａ）より、ｈｇが大きいほど放射利得が向上することがわかる。ただし、ｈｇが１ｍｍ以上となると放射利得は減少する傾向にある。また、図３（ｂ）より、ｈｇが大きいほど広帯域化を図れることがわかる。したがって、使用周波数が２６ＧＨｚの場合、無給電素子８３の放射利得を大きく、かつ帯域を広くするためには、間隔ｈｇを０．８ｍｍ付近の値に設定することが適当であると考えられる。本実施形態では、使用周波数が２６ＧＨｚのときに、間隔ｈ１を０．８ｍｍに設定している。

［作用］
このように構成されたアンテナ装置１では、回路部６７から供給された電力がパッチアンテナ６１より放射され、パッチアンテナ６１から電波が放射されることにより当該パッチアンテナ６１と対向する位置に形成されている無給電素子７１が励振され、無給電素子７１からアンテナ装置１の外部へ向かって電波が放射される。

[効果]
以上説明したように、本実施形態のアンテナ装置１では、無給電素子７１を備えることにより、高利得化を図ることができる。すなわち、マイクロストリップライン等の高周波回路の小型化に適した厚さに絶縁層を形成するとともに、多層基板を対称に形成することができる。これにより、従来問題となっていた非対称に形成された多層基板の温度変化による反りが生じにくくなり、アンテナの特性の変動が抑制される。結果として、本実施形態では、高周波回路の小型化を図るとともにアンテナの特性を向上させることができる。

また、本実施形態では、無給電素子７１を備えることにより、高利得化を図るだけでなく、同時に、広帯域化を図ることができる。
さらにまた、本実施形態では、パッチアンテナ６１の絶縁層４１を厚く形成する必要が無いため、多層基板の価格を抑えることができ、経済性にも優れている。

また、本実施形態では、温度変化による多層基板の反りが生じにくくなるため、例えば半田リフローなどで多層基板３０に回路部６７の部品を実装する場合、実装不良の発生や半田接合部の接続不良の発生などが抑制される。

［発明との対応］
本実施形態におけるパッチアンテナ６１が特許請求の範囲における「放射素子」に相当する。

[第２実施形態]
次に第２実施形態について説明する。本実施形態では、カバーの構成が第１実施形態のものとは一部異なるだけであるため、この構成の異なる点を中心に説明する。図４に示すように、本実施形態のアンテナ装置２では、カバー２１の内側面２３に突出部２５が形成されている。突出部２５は、カバー２１の内側面２３から多層基板３０に向けて突出するように形成されている。

これにより、本実施形態では、アンテナ装置２の外部と内部との間に温度差が生じて収容空間１２における圧力が変化し、仮にカバー２１が多層基板３０側に撓んだとしても、パッチアンテナ６１と無給電素子７１との間隔ｈ１は、突出部２５により保持される。上述のように、アンテナの利得特性および帯域特性は、パッチアンテナ６１と無給電素子７１との間隔ｈ１により決定される。

したがって、本実施形態では、アンテナ装置２の外部と内部との間に温度差が生じることによる利得特性および帯域特性の変動が抑制される。
[第３実施形態]
次に第３実施形態について説明する。本実施形態では、カバーの構成が第１実施形態のものとは一部異なるだけであるため、この構成の異なる点を中心に説明する。図５に示すように、本実施形態のアンテナ装置３では、カバー２７は、第１実施形態のカバー２１より厚く形成されている。カバー２７の中には、無給電素子７１が埋設されている。

これにより、本実施形態では、アンテナ装置３の外部と内部との間に温度差が生じることにより仮に収容空間１２の圧力が変化したとしても、カバー２７は厚く形成されているため、カバー２７の撓みが抑制される。すなわち、パッチアンテナ６１と無給電素子７１との間隔ｈ２の変化が抑制される。

結果として、本実施形態では、アンテナ装置３の外部と内部との間に温度差が生じることによる利得特性および帯域特性の変動が抑制される。
さらに、本実施形態によると、無給電素子７１がカバー２７に埋設されているため、良好な利得特性および帯域特性を得るために必要なパッチアンテナ６１と無給電素子７１との間隔ｈ２を、外形寸法を大きくすることなく確保することができる。

[第４実施形態]
次に第４実施形態について説明する。本実施形態では、ハウジングの構成が上述の実施形態のものとは一部異なるだけであるため、この構成の異なる点を中心に説明する。

図６（ａ）に示すように、本実施形態のアンテナ装置４では、ハウジング１１の底部に、ハウジング１１の内部と外部とを連通する連通孔１５が形成されている。なお、連通孔１５は、雨や風などの外部環境に曝されない位置に設けられている。連通孔１５は、図６（ｂ）に示すアンテナ装置５および図６（ｃ）に示すアンテナ装置６のように、上述の実施形態のハウジング１１のいずれに設けられていても良い。

また、連通孔には、通気性は有するが水分は通さない材質（例えば、ゴアテックス（ＧＯＲＥ−ＴＥＸ）（登録商標）のような微孔シート）により形成される呼吸フィルタを組みつけても良い。

これにより、本実施形態では、アンテナ装置４の外部と内部との間に温度差が生じたとしても、収容空間１２における圧力の変動が抑制される。結果として、アンテナ装置４の外部と内部との間に温度差が生ることによる利得特性および帯域特性の変動が抑制される。

［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲にて様々な態様で実施することが可能である。

（イ）上記実施形態では、放射素子としてのパッチアンテナは正方形に形成されていたが、放射素子の形状はこれに限られるものではない。例えば、長方形やスリット形状であっても良い。

（ロ）上記実施形態では、カバーはＰＢＴで形成されていたが、カバーの材質はこれに限られるものではない。例えば、カバーはＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）やＳＰＳ（シンジオタクチックポリスチレン）により形成されてもよい。

（ハ）上記実施形態では、多層基板は誘電体物質（例えば、比誘電率εｒが２．２−３．５）からなる絶縁層を介して薄膜導体からなる配線層が積層された多層基板として構成されていたが、多層基板の材質および層構成はこれに限られるものではない。

１−６：アンテナ装置、３０：多層基板、６１：パッチアンテナ、６３：マイクロストリップライン、６７：回路部、７１：無給電素子

Claims (5)

1. ｎ（ｎは２以上の整数）層の絶縁層を介して積層されたｎ＋１層の配線層を有する多層基板と、
   前記多層基板の最も外側に位置する配線層の一方に形成され、少なくともマイクロストリップラインを有する回路部と、
   前記多層基板の最も外側に位置する配線層の他方に形成され、前記回路部から供給された電力を放射する少なくとも一つの放射素子と、
   前記多層基板の積層方向において、前記放射素子に対向する位置に前記放射素子から離れて形成され、前記放射素子から電波が放射されることにより励振される電波を放射する無給電素子と、
   を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 内部に収容空間が形成されている有底筒状のハウジングと、
   誘電体により形成され、前記ハウジングの開口部を覆うカバーと、
   を備え、
   前記多層基板は、前記空間に収容され、前記カバーと平行となるように前記ハウジングに固定され、
   前記無給電素子は、前記カバーの前記多層基板と向かい合う側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 内部に収容空間が形成されている有底筒状のハウジングと、
   誘電体により形成され、前記ハウジングの開口部を覆うカバーと、
   を備え、
   前記多層基板は、前記空間に収容され、前記カバーと平行となるように前記ハウジングに固定され、
   前記無給電素子は、前記カバーに埋設されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記カバーには、前記無給電素子が形成されている側から前記多層基板に向けて突出する突出部が形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載のアンテナ装置。
5. 前記ハウジングは、外部環境に曝されない位置に当該ハウジングの内部と外部とを連通する連通孔を有していることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。

Images