JP2021184537A - アンテナ装置及びアンテナモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】アレイ状に配置される複数のアンテナ素子の放射特性を改善したアンテナ装置及びアンテナモジュールを提供する。【解決手段】アンテナ装置は、基板と、前記基板の第１面又は内層に設けられるグランド層と、前記基板の第２面にアレイ状に配置され、複数のパッチアンテナをそれぞれ構築する複数のアンテナ素子と、平面視で前記複数のアンテナ素子の周囲に配置され、前記基板を厚さ方向に貫通し導電性を有する導電貫通部によって前記グランド層に接続される複数のダミーアンテナ素子とを含み、前記ダミーアンテナ素子に対する平面視での前記導電貫通部の位置は、前記ダミーアンテナ素子で円偏波を発生させる場合の２つの給電点と前記ダミーアンテナ素子の中心とを結び互いに直交する２本の直線の間の角度を二等分する直線上の位置、又は、当該位置の近傍の位置である。【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置及びアンテナモジュールに関する。

従来より、給電素子と、その周囲に配置された少なくとも１つの無給電素子と、を有し、前記無給電素子に誘起された電流を前記無給電素子に設けられた短絡線を介して接地することによって電磁波の放射強度分布を制御する指向性アンテナがある。前記給電素子は、主共振と、高次共振と、を選択して実行することを特徴とする（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２３８２９４号公報

ところで、従来の指向性アンテナは、アレイ状に配列される複数のアンテナ素子のうちの最も外側に配置されるアンテナ素子の放射特性の改善を行うものではない。

そこで、アレイ状に配置される複数のアンテナ素子の放射特性を改善したアンテナ装置及びアンテナモジュールを提供することを目的とする。

本発明の実施形態のアンテナ装置は、基板と、前記基板の第１面又は内層に設けられるグランド層と、前記基板の第２面にアレイ状に配置され、複数のパッチアンテナをそれぞれ構築する複数のアンテナ素子と、平面視で前記複数のアンテナ素子の周囲に配置され、前記基板を厚さ方向に貫通し導電性を有する導電貫通部によって前記グランド層に接続される複数のダミーアンテナ素子とを含み、前記ダミーアンテナ素子に対する平面視での前記導電貫通部の位置は、前記ダミーアンテナ素子で円偏波を発生させる場合の２つの給電点と前記ダミーアンテナ素子の中心とを結び互いに直交する２本の直線の間の角度を二等分する直線上の位置、又は、当該位置の近傍の位置である。

アレイ状に配置される複数のアンテナ素子の放射特性を改善したアンテナ装置及びアンテナモジュールを提供することができる。

実施形態のアンテナ装置１００Ａを含むアンテナモジュール１００を示す図である。 実施形態のアンテナ装置１００Ａを含むアンテナモジュール１００を示す図である。 １つのアンテナ素子１２０Ａに対応する部分を示す図である。 １つのダミーアンテナ素子１２０Ｄに対応する部分を示す図である。 図１におけるＡ−Ａ矢視断面を示す図である。 図５に示す構成の変形例を示す図である。 比較用のアンテナモジュール１０の断面構成を示す図である。 シミュレーションモデルを示す図である。 図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すシミュレーションモデルで得られたゲインの角度特性を示す図である。 シミュレーションモデルで得られたゲインの角度特性を示す。 比較用のダミーアンテナ素子１２０ＤＲを含む３つの素子のうちの中央のアンテナ素子１２０Ａから電波を放射した場合の電流分布を示す図である。 ダミーアンテナ素子１２０Ｄを含む３つの素子のうちの中央のアンテナ素子１２０Ａから電波を放射した場合の電流分布を示す図である。 比較用のシミュレーションモデルにおける電流分布を示す図である。 比較用のシミュレーションモデルにおける電流分布を示す図である。 比較用のシミュレーションモデルにおける電流分布を示す図である。 比較用のシミュレーションモデルにおける電流分布を示す図である。 実施形態の変形例によるダミーアンテナ素子１２０Ｄ１を示す図である。 実施形態の変形例によるダミーアンテナ素子１２０Ｄ２を示す図である。

以下、本発明のアンテナ装置及びアンテナモジュールを適用した実施形態について説明する。

＜実施形態＞
図１及び図２は、実施形態のアンテナ装置１００Ａを含むアンテナモジュール１００を示す図である。以下では、ＸＹＺ座標系を定義して説明する。また、以下では、平面視とはＸＹ面視のことであり、説明の便宜上、−Ｚ方向側を下側又は下、＋Ｚ方向側を上側又は上と称すが、普遍的な上下関係を表すものではない。図１にはアンテナモジュール１００の上面側を示し、図２にはアンテナモジュール１００の下面側を示す。

アンテナモジュール１００は、基板１１０、アンテナ素子１２０Ａ、ダミーアンテナ素子１２０Ｄ、グランド層１３０、及びＩＣ(Integrated Circuit：集積回路)１５０を示す。アンテナモジュール１００は、一例として５Ｇ(Fifth Generation)での通信を行うアンテナ装置１００Ａを含む。アンテナ装置１００Ａは、基板１１０、アンテナ素子１２０Ａ、ダミーアンテナ素子１２０Ｄ、及びグランド層１３０を含む。このため、基板１１０、アンテナ素子１２０Ａ、ダミーアンテナ素子１２０Ｄ、及びグランド層１３０には括弧書きで符号１００Ａを付す。

アンテナ装置１００Ａの通信周波数は、一例として、３．７ＧＨｚ帯、４．５ＧＨｚ帯、又は２８ＧＨｚ帯である。ここでは、一例としてアンテナ装置１００Ａの通信周波数が２８ＧＨｚ帯に属する周波数である形態について説明する。

以下では、図１及び図２に加えて、図３及び図４を用いて説明を行う。図３は、アンテナモジュール１００に含まれる１つのアンテナ素子１２０Ａに対応する部分を示す図である。図４は、アンテナモジュール１００に含まれる１つのダミーアンテナ素子１２０Ｄに対応する部分を示す図である。図３（Ａ）及び図４（Ａ）には平面視における構成を示し、図３（Ａ）及び図４（Ａ）にはＢ−Ｂ矢視断面及びＣ−Ｃ矢視断面における構成を示す。

基板１１０は、一例としてＦＲ４(Flame Retardant type 4)規格の配線基板であり、上面にアンテナ素子１２０Ａとダミーアンテナ素子１２０Ｄが設けられ、下面にグランド層１３０が設けられている。基板１１０の下面は第１面の一例であり、上面は第２面の一例である。

図１に破線で示す正方形は、複数のアンテナ素子１２０Ａが配列される領域と、複数のダミーアンテナ素子１２０Ｄが配列される領域との境界を示す。また、図３及び図４に示すように、基板１１０を厚さ方向に貫通するスルーホール１２１Ａ、１２１Ｄが設けられている。また、図２、図３、及び図４に示すように、グランド層１３０の下側にはＩＣ１５０が実装されている。ここでは、グランド層１３０に実装されるＩＣ１５０の構成を簡略化して示す。ＩＣ１５０は、複数のアンテナ素子１２０Ａに対して１つ（例えば、１６個のアンテナ素子１２０Ａに対して１つ）設けられていてもよく、各アンテナ素子１２０Ａに対して１つずつ設けられていてもよい。

アンテナ素子１２０Ａは、図１に示すように、基板１１０の上面にアレイ状に配列されており、一例として８×８の６４個のアンテナ素子１２０ＡがＸ方向及びＹ方向に等ピッチで配列されている。アンテナ素子１２０Ａの配列は、マトリクス状として捉えることもできる。アンテナ素子１２０Ａは、平面視で正方形であり、１辺の長さは通信周波数における波長の電気長の約１／２に設定されている。アンテナ素子１２０Ａが上面に配列される基板１１０の下面にはグランド層１３０があり、平面視ですべてのアンテナ素子１２０Ａとグランド層１３０は重なっているため、アンテナ素子１２０Ａ及びグランド層１３０は、パッチアンテナを構築する。

各アンテナ素子１２０Ａには、スルーホール１２１Ａと基板１１０の配線とを介して給電が行われる。図３に示すように、アンテナ素子１２０Ａにスルーホール１２１Ａが接続される点が給電点である。スルーホール１２１Ａは、Ｚ方向に平行に延在している。図３に示すように、平面視におけるスルーホール１２１Ａの位置は、アンテナ素子１２０Ａの平面視における中心から−Ｙ方向にオフセットした位置である。アンテナ素子１２０Ａの励振方向は、Ｙ方向である。複数のアンテナ素子１２０Ａから放射される電波の位相はＩＣ１５０で調整され、１つのビームを構築する。

ダミーアンテナ素子１２０Ｄは、図１に示すように、基板１１０の上面で複数のアンテナ素子１２０Ａを囲むように配列されている。ここでは、一例として８×８の６４個のアンテナ素子１２０Ａが配列されているため、一例として、Ｘ方向に１０個、Ｙ方向に１０個で合計３６個のダミーアンテナ素子１２０Ｄが配列されている。図１では、複数のアンテナ素子１２０Ａを囲むダミーアンテナ素子１２０Ｄは１列であるが、２列以上であってもよい。

ダミーアンテナ素子１２０Ｄは、平面視でアンテナ素子１２０Ａと等しい形状を有しており、サイズも等しい。このため、ダミーアンテナ素子１２０Ｄは、一例として平面視で正方形であり、１辺の長さは通信周波数における波長の電気長の約１／２に設定されており、アンテナ素子１２０Ａの１辺の長さと等しい。すべてのダミーアンテナ素子１２０Ｄは、アンテナ素子１２０Ａと同様に、平面視でグランド層１３０と重なっている。

Ｘ方向及びＹ方向におけるダミーアンテナ素子１２０Ｄのピッチと、ダミーアンテナ素子１２０ＤとＸ方向及びＹ方向における隣のアンテナ素子１２０Ａとのピッチとは、Ｘ方向及びＹ方向におけるアンテナ素子１２０Ａのピッチと等しい。このため、すべてのアンテナ素子１２０Ａと、すべてのダミーとは、Ｘ方向及びＹ方向に等ピッチで配置されている。なお、ピッチとはＸ方向、Ｙ方向における幅の中心同士の間隔である。

図４に示すように、各ダミーアンテナ素子１２０Ｄには、スルーホール１２１Ｄを介してグランド層１３０が接続されている。スルーホール１２１Ｄは、導電貫通部の一例であり、Ｚ方向に平行に延在している。ダミーアンテナ素子１２０Ｄにスルーホール１２１Ａが接続される位置は、図４に示すように、ダミーアンテナ素子１２０Ｄの正方形の対角線Ｄ上にあり、ダミーアンテナ素子１２０Ｄの正方形の中心から−Ｘ方向及び−Ｙ方向にオフセットしている。スルーホール１２１Ｄは、基板１１０にドリル加工等で貫通孔を形成し、めっき処理等で貫通孔の内部にスルーホール１２１Ｄを形成すればよい。

ダミーアンテナ素子１２０Ｄは、複数のアンテナ素子１２０Ａのうちの最も外側に配置されるアンテナ素子１２０Ａの放射特性を改善するために設けられている。ここでは、８×８の６４個のアンテナ素子１２０Ａが配列されるため、最も外側に配置されるアンテナ素子１２０Ａは２８個である。最も外側に配置される２８個のアンテナ素子１２０Ａよりも内側の３６個のアンテナ素子１２０Ａは、Ｘ方向及びＹ方向の両隣にアンテナ素子１２０Ａが存在するが、最も外側に配置される２８個のアンテナ素子１２０Ａは、Ｘ方向又はＹ方向の片側にしかアンテナ素子１２０Ａが存在しないため、内側の３６個のアンテナ素子１２０Ａとは放射特性が異なる。

このような最も外側に配置される２８個のアンテナ素子１２０Ａの放射特性を内側の３６個のアンテナ素子１２０Ａと同等にするために、最も外側に配置される２８個のアンテナ素子１２０Ａのさらに外側に、アンテナ素子１２０Ａと平面形状が等しい３６個のダミーアンテナ素子１２０Ｄを配列している。

ここで、ダミーアンテナ素子１２０Ｄのインピーダンス特性をアンテナ素子１２０Ａのインピーダンス特性と等しくするには、ダミーアンテナ素子１２０ＤにもＩＣ１５０と同様のダミーのＩＣを接続するか、又は、５０Ωの抵抗器で終端することが考えられる。しかしながら、ダミーのＩＣはスペースを取るだけで位相制御を行うためのものではなく、コストが高い。また、２８ＧＨｚのようなミリ波帯で利用可能な５０Ωの終端抵抗器は種類が限られていて、スペースを取る上にコストが高い。ダミーのＩＣと５０Ωの終端抵抗器は、基板１１０の内部に配置することはできないため、基板１１０の下面側に配置することになる。

そこで、実施形態では、ダミーのＩＣ又は５０Ωの終端抵抗器を用いずに、ダミーアンテナ素子１２０Ｄをスルーホール１２１Ｄでグランド層１３０に接続する。スルーホール１２１Ｄの位置は、ダミーアンテナ素子１２０Ｄに一点で給電して円偏波を生じさせる場合の給電点の位置である。このような給電点の位置は、正方形のダミーアンテナ素子１２０Ｄの２本の対角線のうちのいずれか一方の線上であり、正方形のダミーアンテナ素子１２０Ｄの中心からオフセットした位置である。このため、ここでは、図４に示すように、正方形のダミーアンテナ素子１２０Ｄの対角線Ｄ上で中心からオフセットした位置でスルーホール１２１Ｄを接続し、スルーホール１２１Ｄを介してダミーアンテナ素子１２０Ｄをグランド層１３０に接続している。このような位置にスルーホール１２１Ｄを接続したダミーアンテナ素子１２０Ｄの特性については、図９乃至図１６を用いて後述する。

なお、ダミーとは、本物の見掛けをしたものであり、換言すれば、本来の使用目的では用いずに、そのものが持っている特性を利用して本来の使用目的とは異なる目的で用いるものである。ダミーアンテナ素子１２０Ｄとは、電波の送信又は受信を行うアンテナ素子としては用いずに、アンテナ素子１２０Ａと同一形状の素子が有する電気的な特性を利用して、最も外側のアンテナ素子１２０Ａの放射特性を改善するために用いる素子である。また、上述したダミーＩＣとは、ＩＣとしての使用目的では用いずに、位相制御を行うＩＣ１５０と同等のインピーダンスを有する電子部品として用いるものである。

グランド層１３０は、基板１１０の下面に設けられている。グランド層１３０は、図１及び図２における基板１１０の下面の全面に設けられており、平面視ですべてのアンテナ素子１２０Ａと、すべてのダミーアンテナ素子１２０Ｄと重なっている。なお、アンテナ素子１２０Ａ及びダミーアンテナ素子１２０Ｄは、基板１１０の上面に設けられた金属箔をパターニングすることで作製可能であり、グランド層１３０は、基板１１０の下面に設けられた金属箔であってよい。このような金属箔は、一例として銅箔又はアルミニウム箔である。

ＩＣ１５０は、一例として、基板１１０に設けられる配線及びＢＧＡ(Ball Grid Array)とスルーホール１２１Ａとを介してすべてのアンテナ素子１２０Ａに接続されている。ＩＣ１５０は、すべてのアンテナ素子１２０Ａに給電する電力の位相を調整し、すべてのアンテナ素子１２０Ａから放射される電波によって構築される１本のビームの指向性を調整する。

図５は、図１におけるＡ−Ａ矢視断面を示す図である。アンテナモジュール１００は、スルーホール１２１Ｄを介してダミーアンテナ素子１２０Ｄをグランド層１３０に接続するため、グランド層１３０の下方の空間のうちのダミーアンテナ素子１２０Ｄの下側に位置する空間Ｅにはアンテナモジュール１００の構成要素は配置されない。このため、省スペース化を図ることができる。ダミーアンテナ素子１２０Ｄは３６個あるため、このような省スペース化の効果は大きく、空間Ｅに他の回路等を配置することが可能である。

図６は、図５に示す構成の変形例を示す図である。図６では、基板１１０はグランド層１３０Ｌ１及び１３０Ｌ２を有する。グランド層１３０Ｌ１は、図５に示すグランド層１３０と同様に基板１１０の下面に設けられているが、スルーホール１２１Ｄは接続されていない。図６に示す基板１１０は、内層としてグランド層１３０Ｌ２を有する。基板１１０は、このように内層を有していてもよい。

グランド層１３０Ｌ２は、アンテナ素子１２０Ａ及びダミーアンテナ素子１２０Ｄ用のグランド層であり、基板１１０の内層のうちの１つである。基板１１０は、グランド層１３０Ｌ２以外にも配線用の内層を含んでよい。グランド層１３０Ｌ２には、スルーホール１２１Ｄが接続される。このような構成の場合には、グランド層１３０Ｌ２の下方の空間のうちのダミーアンテナ素子１２０Ｄの下側に位置する空間Ｆにはアンテナモジュール１００の構成要素は配置されない。このため、さらに省スペース化を図ることができる。ダミーアンテナ素子１２０Ｄは３６個あるため、このような省スペース化の効果は非常に大きく、空間Ｆに他の回路等を配置することが可能である。

図７は、比較用のアンテナモジュール１０の断面構成を示す図である。比較用のアンテナモジュール１０は、アンテナモジュール１００のダミーアンテナ素子１２０Ｄ及びスルーホール１２１Ｄの代わりに、ダミーアンテナ素子１２０ＤＲとスルーホール１２１ＤＲを含み、さらにダミーのＩＣ１５０ＤＲを含む構成を有する。ダミーアンテナ素子１２０ＤＲは、ダミーアンテナ素子１２０Ｄと同様の構成を有するが、平面視におけるスルーホール１２１ＤＲの位置は、スルーホール１２１Ａと等しい。また、ダミーアンテナ素子１２０ＤＲは、スルーホール１２１ＤＲを介してダミーのＩＣ１５０ＤＲに接続されている。このような構成では、グランド層１３０の下方の空間のうちのダミーアンテナ素子１２０ＤＲの下側に位置の空間ＥにはダミーのＩＣ１５０ＤＲが配置されるため、スペースが取られる。また、ダミーのＩＣ１５０ＤＲを含むため、コストが増大する。これに対して、図５及び図６に示すアンテナモジュール１００では、省スペース化とコスト削減を図ることができる。

図８は、シミュレーションモデルを示す図である。図８（Ａ）には、Ｘ方向に配列される３つのアンテナ素子１２０Ａを示す。３つのうちの中央のアンテナ素子１２０Ａは、図１における６４個のアンテナ素子１２０Ａのうちの最も外側の２８個のアンテナ素子１２０Ａよりも内側にある３６個のアンテナ素子１２０Ａと同様に、両側にアンテナ素子１２０Ａが配置されている。シミュレーションでは、中央のアンテナ素子１２０Ａの放射特性を求める。

図８（Ｂ）には、図８（Ａ）から左端のアンテナ素子１２０Ａを取り除いたシミュレーションモデルを示す。シミュレーションでは、２つのうちの左側のアンテナ素子１２０Ａの放射を求める。すなわち、図８（Ｂ）のシミュレーションモデルでは、図８（Ａ）における中央のアンテナ素子１２０Ａについて、左側のアンテナ素子１２０Ａが存在しない場合の放射特性を求めることになる。

図８（Ｃ）には、図８（Ａ）における左端のアンテナ素子１２０Ａをダミーアンテナ素子１２０Ｄに置き換えたシミュレーションモデルを示す。シミュレーションでは、中央に位置するアンテナ素子１２０Ａ（ダミーアンテナ素子１２０Ｄの右隣のアンテナ素子１２０Ａ）の放射特性を求める。

図９は、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すシミュレーションモデルで得られたゲインの角度特性を示す図である。横軸の角度は、ＸＺ平面における角度であり、＋Ｚ方向が０度、＋Ｘ方向が９０度、−Ｘ方向が−９０度である。ただし、横軸には−８０度から＋８０度の範囲を示す。縦軸はゲイン（ｄＢ）である。このような特性は、３つのシミュレーションモデルの放射特性を求めることによって得られる特性である。また、図８（Ａ）のシミュレーションモデルの特性を破線で示し、図８（Ｂ）のシミュレーションモデルの特性を一点鎖線で示し、図８（Ｃ）のシミュレーションモデルの特性を実線で示す。

図９に示すように、実線で示す図８（Ｃ）のシミュレーションモデルの特性は、破線で示す図８（Ａ）のシミュレーションモデルの特性と同様の傾向を示している。実線で示す図８（Ｃ）のシミュレーションモデルの特性は、一点鎖線で示す図８（Ｂ）のシミュレーションモデル（ダミーアンテナ素子１２０Ｄなし）の特性と比べると、両側にアンテナ素子１２０Ａが配置される図８（Ａ）のシミュレーションモデルの特性に近づくように変化していることが分かる。このため、最も外側のアンテナ素子１２０Ａの外側にダミーアンテナ素子１２０Ｄを配置することによって、放射特性が改善されることを確認できた。このような改善は、図８（Ｂ）に示す中央のアンテナ素子１２０Ａの右側にあるグランド層１３０の影響を低減したものと捉えることもできる。

図１０は、シミュレーションモデルで得られたゲインの角度特性を示す図である。図９と同様に、横軸の角度は、ＸＺ平面における角度であり、＋Ｚ方向が０度、＋Ｘ方向が９０度、−Ｘ方向が−９０度である。図１０において、図８（Ａ）のシミュレーションモデルの特性を破線で示し、図８（Ｂ）のシミュレーションモデルの特性を一点鎖線で示す。これらは、図９に示す特性と同一である。

また、図１０に実線で示す特性は、図８（Ｃ）のシミュレーションモデルのダミーアンテナ素子１２０Ｄの代わりに、図７に示すダミーアンテナ素子１２０ＤＲを配置した場合の中央に位置するアンテナ素子１２０Ａ（ダミーアンテナ素子１２０ＤＲの右隣のアンテナ素子１２０Ａ）の放射特性で得られたものである。

図１０に示すように、実線で示す特性は、破線で示す図８（Ａ）のシミュレーションモデルの特性と同様の傾向を示しており、図９において実線で示す特性と略等しい。このため、ダミーアンテナ素子１２０Ｄを設けることによる放射特性の改善は、図７のダミーアンテナ素子１２０ＤＲを設けた場合の放射特性の改善度合と同等であることが確認できた。

図１１は、比較用のダミーアンテナ素子１２０ＤＲ（図７参照）、アンテナ素子１２０Ａ、アンテナ素子１２０ＡをＸ方向に配列し、３つの素子のうちの中央のアンテナ素子１２０Ａから電波を放射した場合の電流分布を示す図である。このような３つの素子の配置は、図８（Ｃ）におけるダミーアンテナ素子１２０Ｄを比較用のダミーアンテナ素子１２０ＤＲに置き換えた配置である。なお、ここでは電流分布をモノトーンで示し、明度が高い（白い）ほど流れる電流が多いことを示し、明度が低い（黒い）ほど流れる電流が少ないことを示す。

図１１に示すように、中央のアンテナ素子１２０Ａから電波を放射すると、左側の比較用のダミーアンテナ素子１２０ＤＲには、＋Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺と、−Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺とに電流が流れていることが分かる。このような電流分布は、３つの素子のうちの右端のアンテナ素子１２０Ａにも同様に表れており、３つの素子におけるＸ方向の電流分布が中央のアンテナ素子１２０Ａから見て左右均等であることが分かる。

図１２は、ダミーアンテナ素子１２０Ｄ、アンテナ素子１２０Ａ、アンテナ素子１２０ＡをＸ方向に配列し、３つの素子のうちの中央のアンテナ素子１２０Ａから電波を放射した場合の電流分布を示す図である。このような３つの素子の配置は、図８（Ｃ）に示す通りである。電流分布の表し方は、図１１と同一である。

図１２に示すように、ダミーアンテナ素子１２０Ｄには、＋Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺と、−Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺とに電流が流れるとともに、＋Ｙ方向側でＸ方向に延在する端辺と、−Ｙ方向側でＸ方向に延在する端辺とに電流が流れていることが分かる。すなわち、ダミーアンテナ素子１２０Ｄの四辺に電流が流れている。

このようにダミーアンテナ素子１２０Ｄの四辺に電流が流れているのは、スルーホール１２１Ｄを一点で給電して円偏波を生じさせる場合の給電点の位置に配置したことによって、円偏波による電流が発生したためと考えられる。そして、ダミーアンテナ素子１２０Ｄの＋Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺と、−Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺とに流れる電流は、図１１の比較用のダミーアンテナ素子１２０ＤＲの＋Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺と、−Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺とに流れる電流と同等であることが分かる。

このため、図１２では、３つの素子（ダミーアンテナ素子１２０Ｄ、アンテナ素子１２０Ａ、アンテナ素子１２０Ａ）におけるＸ方向の電流分布が中央のアンテナ素子１２０Ａから見て左右均等であることが分かる。このように、ダミーアンテナ素子１２０Ｄでは、ダミーのＩＣ１５０ＤＲにスルーホール１２１ＤＲを介して接続された比較用のダミーアンテナ素子１２０ＤＲと同等の電流分布が、＋Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺と、−Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺とに得られることが分かる。

比較用のダミーアンテナ素子１２０ＤＲでは、中央のアンテナ素子１２０Ａの放射によって生じる電流の一部は、ダミーのＩＣ１５０ＤＲによって消費される。これは、ダミーのＩＣ１５０ＤＲの代わりに５０Ωの終端抵抗器を接続した場合も同様である。これに対して、ダミーアンテナ素子１２０Ｄでは、中央のアンテナ素子１２０Ａの放射によって生じる電流は、＋Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺と−Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺に生じる電流（水平方向（Ｘ方向）の電流）と、＋Ｙ方向側でＸ方向に延在する端辺と−Ｙ方向側でＸ方向に延在する端辺とに生じる電流（垂直方向（Ｙ方向）の電流）とに分かれている。このような電流の分布は、正方形のパッチアンテナに一点で給電して円偏波を生じさせる場合の電流分布と同様である。

このように、ダミーアンテナ素子１２０Ｄの正方形の対角線上で中心からオフセットした位置にスルーホール１２１Ｄを接続することによってダミーアンテナ素子１２０Ｄに円偏波による電流を発生させている。そして、円偏波による電流を発生させることで、ダミーアンテナ素子１２０Ｄの＋Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺と−Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺とに、図１２における右側のアンテナ素子１２０Ａの＋Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺と−Ｘ方向側でＹ方向に延在する端辺とに流れる電流と同等の電流を発生させている。この結果、図１２に示すように、３つの素子（ダミーアンテナ素子１２０Ｄ、アンテナ素子１２０Ａ、アンテナ素子１２０Ａ）におけるＸ方向（水平方向）の電流分布を中央のアンテナ素子１２０Ａから見て左右均等にすることができている。

次に、図１３乃至図１６を用いて、スルーホール１２１Ｄの影響について検証する。図１３乃至図１６は、比較用のシミュレーションモデルにおける電流分布を示す図である。図１３乃至図１６には、図１２に示す３素子のうちの中央のアンテナ素子１２０Ａから電波を放射した場合における、図１２に示す３素子のうちの中央のアンテナ素子１２０Ａと、左側のダミーアンテナ素子１２０Ｄとの２素子に対応する部分の電流分布を示す。

図１３には、スルーホール１２１Ｄを取り除いたダミーアンテナ素子１２０Ｄの電流分布を示す。この場合のダミーアンテナ素子１２０Ｄは、電位的に浮遊しており、浮遊電位の無給電素子である。図１３では、ダミーアンテナ素子１２０Ｄに生じる電流が図１２に比べて多すぎて、Ｘ方向における電流分布の均等化を達成できないことが分かる。

図１４には、スルーホール１２１Ｄをダミーアンテナ素子１２０Ｄの平面視における中央に配置した場合の電流分布を示す。図１４では、ダミーアンテナ素子１２０Ｄに生じる電流が図１２に比べて多すぎて、Ｘ方向における電流分布の均等化を達成できないことが分かる。

図１５には、スルーホール１２１Ｄをダミーアンテナ素子１２０Ｄの−Ｙ方向でＸ方向に延在する端辺のＸ方向における中央に配置した場合の電流分布を示す。図１５では、ダミーアンテナ素子１２０Ｄに生じる電流が図１２に比べて多すぎて、Ｘ方向における電流分布の均等化を達成できないことが分かる。

図１６には、スルーホール１２１Ｄをダミーアンテナ素子１２０Ｄの−Ｘ方向でＹ方向に延在する端辺のＹ方向における中央に配置した場合の電流分布を示す。図１６では、ダミーアンテナ素子１２０Ｄに生じる電流が図１２に比べて少なすぎて、Ｘ方向における電流分布の均等化を達成できないことが分かる。

図１３乃至図１６のシミュレーション結果より、ダミーアンテナ素子１２０Ｄに接続されるスルーホール１２１Ｄの位置は、一点で給電して円偏波を生じさせることが可能な位置（図４に示すようにダミーアンテナ素子１２０Ｄの正方形の対角線上で中心からオフセットした位置）であることが重要である。このような位置にスルーホール１２１Ｄを配置することで、図１２に示すように、Ｘ方向における電流分布の均等化を達成することができる。

したがって、アレイ状に配置される複数のアンテナ素子の放射特性を改善したアンテナ装置１００Ａ及びアンテナモジュール１００を提供することができる。また、ダミーアンテナ素子１２０Ｄは、スルーホール１２１Ｄを介してグランド層１３０に接続されるため、ダミーのＩＣ１５０ＤＲ（図７参照）又は５０Ωの終端抵抗器を基板１１０の下面側に設ける必要がない。このため、基板１１０の下面側の省スペース化を図るとともに、コスト削減を実現可能なアンテナ装置１００Ａ及びアンテナモジュール１００を提供することができる。

また、ダミーアンテナ素子１２０Ｄは、アンテナ素子１２０Ａと平面視の形状及びサイズが等しいため、電流分布をより効率的に均等化できるとともに、製造が容易である。また、スルーホール１２１Ｄの位置は、ダミーアンテナ素子１２０Ｄの正方形の対角線上で中心からオフセットした位置であるため、スルーホール１２１Ｄの位置を特定しやすく、製造が容易である。

なお、以上では、アンテナモジュール１００が８×８の配列の６４個のアンテナ素子１２０Ａを含む形態について説明したが、アンテナ素子１２０Ａは複数あってアレイ状に配置されていればよいため、数及び配置は上述したものに限られない。また、以上では、スルーホール１２１Ｄが１つである形態について説明したが、２つの給電点を用いて９０度の位相差を有する電力を供給して円偏波を発生させる場合の２つの給電点の位置に、２つのスルーホール１２１Ｄを設けてグランド層１３０に接続してもよい。また、以上では、アンテナ装置１００Ａ及びアンテナモジュール１００が５Ｇでの通信を行う形態について説明したが、アンテナ装置１００Ａ及びアンテナモジュール１００の用途は５Ｇでの通信に限られるものではない。

また、以上では、ダミーアンテナ素子１２０Ｄが正方形である形態について説明したが、図１７又は図１８に示すような構成であってもよい。図１７及び図１８は、実施形態の変形例によるダミーアンテナ素子１２０Ｄ１及び１２０Ｄ２を示す図である。

図１７に示すダミーアンテナ素子１２０Ｄ１は、平面視で長方形である。長方形の場合は、励振方向（ここではＹ方向）の辺の長さが通信周波数における波長の電気長の約１／２であればよい。スルーホール１２１Ｄ１の位置は、ダミーアンテナ素子１２０Ｄ１で円偏波を発生させる場合の２つの給電点１２１ＤＡ、１２１ＤＢとダミーアンテナ素子１２０Ｄ１の中心とを結び互いに直交する２本の直線の間の角度を二等分する直線上の位置である。なお、このような位置は、図４に示すスルーホール１２１Ｄの位置についても同様である。また、平面視で長方形のダミーアンテナ素子１２０Ｄ１の場合は、スルーホール１２１Ｄ１の位置は、２つの給電点１２１ＤＡ、１２１ＤＢとダミーアンテナ素子１２０Ｄ１の中心とを結び互いに直交する２本の直線の間の角度を二等分する直線上に限らず、二等分する直線の近傍であってもよい。二等分する直線から少しずれていても、円偏波を発生させることができるからである。ここで、近傍とは、二等分する直線からのずれが円偏波の発生が可能な範囲内であることをいう。

図１８に示すダミーアンテナ素子１２０Ｄ２は、平面視で円形（正円）である。円形の場合は、直径が通信周波数における波長の電気長の約１／２であればよい。スルーホール１２１Ｄ２の位置は、正円形に外接する正方形の対角線上で正円の中心からオフセットした位置である。このようなスルーホール１２１Ｄ２の位置も、ダミーアンテナ素子１２０Ｄ２で円偏波を発生させる場合の２つの給電点とダミーアンテナ素子１２０Ｄ２の中心とを結び互いに直交する２本の直線の間の角度を二等分する直線上の位置である。

以上、本発明の例示的な実施形態のアンテナ装置及びアンテナモジュールについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）
基板と、
前記基板の第１面又は内層に設けられるグランド層と、
前記基板の第２面にアレイ状に配置され、複数のパッチアンテナをそれぞれ構築する複数のアンテナ素子と、
平面視で前記複数のアンテナ素子の周囲に配置され、前記基板を厚さ方向に貫通し導電性を有する導電貫通部によって前記グランド層に接続される複数のダミーアンテナ素子と
を含み、
前記ダミーアンテナ素子に対する平面視での前記導電貫通部の位置は、前記ダミーアンテナ素子で円偏波を発生させる場合の２つの給電点と前記ダミーアンテナ素子の中心とを結び互いに直交する２本の直線の間の角度を二等分する直線上の位置、又は、当該位置の近傍の位置である、アンテナ装置。
（付記２）
前記ダミーアンテナ素子は、平面視で前記アンテナ素子と等しい形状を有する、付記１に記載のアンテナ装置。
（付記３）
前記ダミーアンテナ素子は平面視で正方形であり、前記導電貫通部の位置は、前記正方形の対角線上の位置である、付記１又は２に記載のアンテナ装置。
（付記４）
前記ダミーアンテナ素子は平面視で正円形であり、前記導電貫通部の位置は、前記正円形に外接する正方形の対角線上の位置である、付記１又は２に記載のアンテナ装置。
（付記５）
前記導電貫通部は、前記ダミーアンテナ素子で円偏波を発生させる場合の２つの給電点の位置に設けられる２つの導電貫通部材である、付記１又は２に記載のアンテナ装置。
（付記６）
前記複数のアンテナ素子は、平面視における第１軸方向及び第２軸方向にＮ（Ｎは２以上の整数）個ずつ配列されるＮ×Ｎ個のアンテナ素子であり、
前記ダミーアンテナ素子は、前記Ｎ×Ｎ個のアンテナ素子の周囲において、前記第１軸方向及び前記第２軸方向に（Ｎ＋２）個設けられる、付記１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
（付記７）
前記複数のアンテナ素子及び前記複数のダミーアンテナ素子は、平面視における第１軸方向及び第２軸方向に等ピッチで設けられる、付記１乃至６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
（付記８）
複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置と、
前記複数のアンテナ素子で送信又は受信する電波の位相を制御する位相制御部と
を含む、アンテナモジュールであって、
前記アンテナ装置は、
基板と、
前記基板の第１面又は内層に設けられるグランド層と、
前記基板の第２面にアレイ状に配置され、複数のパッチアンテナをそれぞれ構築する前記複数のアンテナ素子と、
平面視で前記複数のアンテナ素子の周囲に配置され、前記基板を厚さ方向に貫通し導電性を有する導電貫通部によって前記グランド層に接続される複数のダミーアンテナ素子と
を有し、
前記ダミーアンテナ素子に対する平面視での前記導電貫通部の位置は、前記ダミーアンテナ素子で円偏波を発生させる場合の２つの給電点と前記ダミーアンテナ素子の中心とを結び互いに直交する２本の直線の間の角度を二等分する直線上の位置、又は、当該位置の近傍の位置である、アンテナモジュール。
（付記９）
前記位相制御部は、前記基板の前記第１面に実装される、付記８に記載のアンテナモジュール。

１００ アンテナモジュール
１００Ａ アンテナ装置
１１０ 基板
１２０Ａ アンテナ素子
１２０Ｄ、１２０Ｄ１、１２０Ｄ２ ダミーアンテナ素子
１２１Ｄ、１２１Ｄ１、１２１Ｄ２ スルーホール
１３０ グランド層

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板の第１面又は内層に設けられるグランド層と、
   前記基板の第２面にアレイ状に配置され、複数のパッチアンテナをそれぞれ構築する複数のアンテナ素子と、
   平面視で前記複数のアンテナ素子の周囲に配置され、前記基板を厚さ方向に貫通し導電性を有する導電貫通部によって前記グランド層に接続される複数のダミーアンテナ素子と
   を含み、
   前記ダミーアンテナ素子に対する平面視での前記導電貫通部の位置は、前記ダミーアンテナ素子で円偏波を発生させる場合の２つの給電点と前記ダミーアンテナ素子の中心とを結び互いに直交する２本の直線の間の角度を二等分する直線上の位置、又は、当該位置の近傍の位置である、アンテナ装置。
2. 前記ダミーアンテナ素子は、平面視で前記アンテナ素子と等しい形状を有する、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記ダミーアンテナ素子は平面視で正方形であり、前記導電貫通部の位置は、前記正方形の対角線上の位置である、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記ダミーアンテナ素子は平面視で正円形であり、前記導電貫通部の位置は、前記正円形に外接する正方形の対角線上の位置である、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
5. 前記導電貫通部は、前記ダミーアンテナ素子で円偏波を発生させる場合の２つの給電点の位置に設けられる２つの導電貫通部材である、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
6. 複数のアンテナ素子を有するアンテナ装置と、
   前記複数のアンテナ素子で送信又は受信する電波の位相を制御する位相制御部と
   を含む、アンテナモジュールであって、
   前記アンテナ装置は、
   基板と、
   前記基板の第１面又は内層に設けられるグランド層と、
   前記基板の第２面にアレイ状に配置され、複数のパッチアンテナをそれぞれ構築する前記複数のアンテナ素子と、
   平面視で前記複数のアンテナ素子の周囲に配置され、前記基板を厚さ方向に貫通し導電性を有する導電貫通部によって前記グランド層に接続される複数のダミーアンテナ素子と
   を有し、
   前記ダミーアンテナ素子に対する平面視での前記導電貫通部の位置は、前記ダミーアンテナ素子で円偏波を発生させる場合の２つの給電点と前記ダミーアンテナ素子の中心とを結び互いに直交する２本の直線の間の角度を二等分する直線上の位置、又は、当該位置の近傍の位置である、アンテナモジュール。

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