JP2022024435A - アレイアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】個々のアンテナ素子を電気的に分離する構造の改善が図られたアンテナアレイを提供する。【解決手段】アレイアンテナ１は、地導体２３、膜状の放射導体２１及び放射導体２１に接続された給電導体２４を有する複数のパッチアンテナ１０を備え、複数のパッチアンテナ１０が、電波の放射側を同一方向に向け、かつ、放射導体２１の膜面に沿った一軸方向又は二軸方向に配列される。そして、複数のパッチアンテナ１０のうち隣り合う２つのパッチアンテナ１０の間に位置し、地導体２３と非導通にされた長尺導体３１を備える。長尺導体３１は、長手方向が、膜面に沿った方向で、かつ、隣り合う２つのパッチアンテナ１０の配列方向と交差する方向を向き、配列方向から透視したときに、地導体２３から放射側の範囲内に位置する。【選択図】図１

Description

本開示は、アレイアンテナに関する。

アレイアンテナにおいて、個々のアンテナ素子を電気的に分離する構造が設けられることがある。上記の構造として、特許文献１には、地導体にスリットを有するアレイアンテナが示されている。また、特許文献２には、地導体に接地された分離壁を有するアレイアンテナが示されている。

国際公開第２０１８／０２１３１６号 国際公開第２０１９／０５４０９４号

個々のアンテナ素子を電気的に分離する従来の構造には改善の余地があった。例えば地導体にスリットを有する構造は、スリットを介して別の信号がアンテナ素子に伝播しやすいという課題がある。また、接地された分離壁は、分離壁で囲まれた領域に無線周波数に近い帯域の共振が生じやすいという課題がある。

本開示は、個々のアンテナ素子を電気的に分離する構造の改善が図られたアンテナアレイを提供することを目的とする。

本開示のアレイアンテナは、
地導体、膜状の放射導体及び前記放射導体に接続された給電導体を有する複数のパッチアンテナを備え、前記複数のパッチアンテナが、電波の放射側を同一方向に向け、かつ、前記放射導体の膜面に沿った一軸方向又は二軸方向に配列されたアレイアンテナであって、
前記複数のパッチアンテナのうち隣り合う２つのパッチアンテナの間に位置し、前記地導体と非導通にされた長尺導体を備え、
前記長尺導体は、長手方向が、前記膜面に沿った方向で、かつ、前記隣り合う２つのパッチアンテナの配列方向と交差する方向を向き、前記配列方向から透視したときに、前記地導体から前記放射側の範囲内に位置する。

本開示によれば、個々のアンテナ素子を電気的に分離する改善された構造を有するアンテナアレイを提供できる。

本開示の実施形態１に係るアレイアンテナを示す斜視図（Ａ）、平面図（Ｂ）及び側面図（Ｃ）である。 実施形態１のアレイアンテナの放射特性を示すグラフである。 （Ａ）～（Ｃ）は長尺導体の変形例１～３を示すアレイアンテナの平面図である。 （Ａ）～（Ｃ）は長尺導体の変形例４～６を示すアレイアンテナの平面図である。 実施形態２のアレイアンテナを示す斜視図（Ａ）、平面図（Ｂ）及び側面図（Ｃ）である。 （Ａ）、（Ｂ）は長尺導体の変形例７、８を示すアレイアンテナの平面図である。 長尺導体の変形例９を示すアレイアンテナの側面図（Ａ）及び斜視図（Ｂ）である。 長尺導体の変形例１０を示すアレイアンテナの側面図（Ａ）及び斜視図（Ｂ）である。 長尺導体の変形例１１を示すアレイアンテナの斜視図（Ａ）、平面図（Ｂ）及びＣ－Ｃ線における断面図（Ｃ）である。 長尺導体の変形例１２を示すアレイアンテナの斜視図である。 実施形態３のアレイアンテナを示す斜視図（Ａ）及びＢ－Ｂ線における断面図（Ｂ）である。

以下、本開示の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態１に係るアレイアンテナを示す斜視図（Ａ）、平面図（Ｂ）及び側面図（Ｃ）である。図１では、誘電体基板１１が透明であるものとして各部を描いている。図９（Ｃ）及び図１１（Ａ）、（Ｂ）を除いて、以下の図において同様である。

以下の説明では、アレイアンテナ１の各方向を、図示されたＸＹＺの三軸方向を用いて説明する。上記の三軸方向は互いに直交し、Ｚ方向は、放射導体２１の膜面に垂直で、電波の放射側を向く方向である。Ｘ方向とＹ方向は、隣り合う２つのアンテナが並ぶ方向である。－Ｙ方向は、給電導体２４と放射導体２１との接続点が放射導体２１の中心から偏心する方向であり、Ｙ方向はアンテナから放射される電波の偏波方向に相当する。Ｚ方向を高さ方向として説明する場合もある。

実施形態１のアレイアンテナ１は、Ｘ－Ｙの２軸方向に２行２列に配列された複数のアンテナ素子１０を有する。各アンテナ素子１０は、パッチアンテナであり、誘電体基板１１と、誘電体基板１１に位置する地導体２３と、膜状の放射導体２１と、給電導体２４とを有する。複数のアンテナ素子１０は、電波の放射方向を同一方向に向けて配列されている。

誘電体基板１１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミック焼結体、ムライト質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体などのセラミック材料から構成されてもよい。複数のアンテナ素子１０において、誘電体基板１１は単一の基板として一体化されている。

地導体２３は、Ｘ－Ｙ方向に拡がり放射導体２１に対向する平面を有する。地導体２３は、Ｘ－Ｙ方向に拡がる膜状の導体であってもよい。複数のアンテナ素子１０において、地導体２３は連続する導体として一体化されている。

放射導体２１は、Ｘ－Ｙ方向に拡がる膜状の導体であり、矩形又は正方形の平面形状を有していてもよい。実施形態１において放射導体２１は、誘電体基板１１の基板面上に位置する。

給電導体２４は、送信又は受信される信号が伝送される導体であり、Ｚ方向に延在し、放射導体２１に接続される。地導体２３は給電導体２４を非接触に通す貫通孔を有する。放射導体２１と給電導体２４との接続点は、放射導体２１の中央から－Ｙ方向に偏心している。

アレイアンテナ１は、さらに、Ｘ方向に隣り合う２つのアンテナ素子１０の間に位置する長尺導体３１を備える。長尺導体３１は、膜状で一方に長い導体であり、長手方向がＹ方向を向き、膜面がＸ－Ｙの２軸方向に拡がる。Ｙ方向は、放射導体２１の膜面に沿った方向で、かつ、長尺導体３１を挟んで隣り合う２つのアンテナ素子１０の配列方向と交差する。長尺導体３１は、Ｚ方向において、地導体２３から放射導体２１までの高さ範囲のいずれかの高さに位置する。すなわち、Ｘ方向（長尺導体３１を挟んで隣り合う２つのアンテナ素子１０の配列方向）から透視したとき、長尺導体３１は、地導体２３からアンテナ素子１０の放射側の範囲内に位置する。長尺導体３１は、地導体２３及び放射導体２１と非導通である。

ここでは、長尺導体３１の長手方向（Ｙ方向）を左右方向と呼んで説明する。長尺導体３１は、長尺導体３１と隣り合う放射導体２１の左端よりも左方の位置から、当該放射導体２１の右端よりも右方の位置にかけて延在する。隣り合う２つの長尺導体３１は、同一直線上に位置するが、端部間が離間している。

なお、長尺導体３１の長さ及び配置は、次のように変更されてもよい。図３（Ａ）～図３（Ｃ）は、長尺導体の変形例１～３をそれぞれ示すアレイアンテナの平面図である。図３（Ａ）は、同一直線上に隣り合う長尺導体３１、３１が連結された例である。長尺導体３１は、誘電体基板１１の端から端まで延在してもよい。図３（Ｂ）は、長尺導体３１が給電点寄りに位置する例である。詳細には、図３（Ｂ）の長尺導体３１は、隣り合う放射導体２１の左端よりも左方から当該放射導体２１の左端と右端との間までの範囲Ｗ１に延在する。図３（Ｃ）は、長尺導体３１が給電点から離れた位置に配置される例である。詳細には、図３（Ｃ）の長尺導体３１は、隣り合う放射導体２１の左端と右端との間からから当該放射導体の右端よりも右方までの範囲Ｗ２に延在する。給電点とは、放射導体２１と給電導体２４との接続点を意味する。

＜放射特性＞
図２は、実施形態１のアレイアンテナの放射特性を示すグラフである。図２のグラフは、実施形態１のアレイアンテナ１のシミュレーション結果であり、ＸＺ面の放射パターンとＹＺ面の放射パターンとを示す。角度０°はＺ方向に相当する。

パッチアンテナであるアンテナ素子１０は、Ｚ方向の放射において高い利得が得られる。一方、隣り合うアンテナ素子１０同士が干渉すると、放射導体２１の平面方向、特に偏波方向であるＹ方向の放射の利得が高くなり、その分、Ｚ方向の放射の利得が低下する。

しかし、実施形態１のアレイアンテナ１によれば、長尺導体３１を有することで、Ｘ方向に隣り合う２つのアンテナ素子１０同士のアイソレーション特性が向上し、図２のＹＺ面放射パターンに示すように、ＹＺ面９０°及び－９０°の利得が非常に低く、その分、Ｚ方向の放射の利得が向上する。

長尺導体３１が有るアレイアンテナ１と、長尺導体３１が無い比較例のアレイアンテナとについて、シミュレーションを行ったところ、上述の放射特性が確認された。ここで、比較例のアレイアンテナは、無線周波数に整合した構成とし、長尺導体３１を有するアレイアンテナ１は上記比較例のアレイアンテナに長尺導体３１を追加した構成とした。

なお、長尺導体３１のＺ方向の位置を、地導体２３の位置から放射導体２１の位置の間で変化させることで、アイソレーション特性は変化する。さらに、長尺導体３１の長さ変え、図３（Ａ）～（Ｃ）の変形例１～３のようにＹ方向の位置を変更することで、アイソレーション特性は変化する。そして、長尺導体３１のＺ方向の位置、及び、Ｙ方向の位置によっては、長尺導体３１を有する方が、比較例のアレイアンテナよりもＺ方向利得が低下することもある。しかし、長尺導体３１のＺ方向の位置、及び、Ｙ方向の位置を適宜選択することで、比較表１に示すように、アイソレーション特性が向上し、Ｚ方向の放射の利得が向上する。長尺導体３１の適宜な配置は、長尺導体３１のＺ方向の位置及びＹ方向の位置を変化させて複数通りのシミュレーションを行い、上記の利得を比較することで、容易に見つけることができる。

以上のように、実施形態１のアレイアンテナ１によれば、パッチアンテナである複数のアンテナ素子１０の間に、地導体２３及び放射導体２１と非導通にされた長尺導体３１が位置する。長尺導体３１の長手方向は、放射導体２１の膜面に沿った方向で、かつ、Ｙ方向（長尺導体３１を挟んで隣り合う２つのアンテナ素子１０の配列方向と交差する方向）を向く。さらに、長尺導体３１は、Ｘ方向（上記２つのアンテナ素子１０の配列方向）から見て、地導体２３から電波の放射側の範囲内の高さに位置する。このような条件の中から、シミュレーションで最適な特性を有する長尺導体３１の配置を見つけることで、個々のアンテナ素子１０のアイソレーション特性が向上したアレイアンテナ１を実現できる。

ここで、比較例として、個々のアンテナ素子１０のアイソレーション特性を向上するために、２つのアンテナ素子１０の間において地導体２３にスリットを設けた構成について検討する。この構成では、スリットを介して電界が通過するため、地導体２３の裏側のスリットの近傍に信号線を配置することができない。よって、信号線の配線の自由度が低下してしまう。一方、実施形態１のアレイアンテナ１によれば、地導体２３に電界を通すスリットを要さないので、地導体２３の裏側に信号線を自由に配置できるなど、配線の自由度を向上できる。

また、比較例として、個々のアンテナ素子１０の周囲に地導体２３に導通した接地壁を配置してアイソレーション特性を向上させる構成について検討する。この構成では、接地壁に囲まれた部分で電界の共振が生じる場合がある。さらに、Ｚ方向から見て、接地壁で囲まれた平面領域は放射導体２１の平面領域よりも少し大きい程度となるため、接地壁に囲まれた部分の電界の共振周波数が、放射導体２１から放射する電波の共振周波数に近づき、電波の放射特性に影響を及ぼしてしまうという課題を生じる。一方、実施形態１のアレイアンテナ１によれば、アイソレーション特性を向上させるための長尺導体３１が地導体２３と非導通であり、長尺導体３１の周囲に電界の共振が生じにくい。したがって、電界の共振によりアンテナ素子１０の放射特性に悪影響を及ぼすことが抑制される。

さらに、実施形態１のアレイアンテナ１によれば、アンテナ素子１０の給電点が、長尺導体３１の長手方向に偏心している。言い換えれば、長尺導体３１は、アンテナ素子１０が放射する電波の偏波方向と平行な方向に沿って延在するように配置される。このような配置により、放射導体２１の偏波方向に平行な方向おける放射の利得を下げるといったアイソレーション特性が得られる。偏波方向を有する個々のアンテナ素子が干渉すると偏波方向に平行な方向の放射の利得が上昇してしまい、その分、要求された放射方向の利得が低下してしまう。したがって、上記の長尺導体３１の作用により、偏波方向を有するアレイアンテナ１において、特に有効なアイソレーション特性が得られる。

（変形例４～６）
図４（Ａ）から図４（Ｃ）は、長尺導体の変形例４～６を示すアレイアンテナの平面図である。アレイアンテナ１は、Ｘ方向に隣り合う２つのアンテナ素子１０の間の長尺導体３１に加えて、Ｙ方向に隣り合う２つのアンテナ素子１０の間にも長尺導体３２を有してもよい。

長尺導体３２は、膜状で一方に長い導体であり、長手方向がＸ方向を向き、膜面がＸ－Ｙの２軸方向に拡がる。Ｘ方向は、放射導体２１の膜面に沿った方向で、かつ、長尺導体３２を挟んで隣り合う２つのアンテナ素子１０の配列方向と交差する。長尺導体３２は、地導体２３及び放射導体２１と非導通である。

長尺導体３２の長さ及びＸ方向の配置は、Ｚ方向から見て、長尺導体３２を挟んで隣り合う２つの放射導体２１の間に位置すれば、様々な長さ及び配置であってもよい。長尺導体３２のＹ方向の配置は、図４（Ａ）に示すように、隣接する２つの放射導体２１の中間としてもよいし、図４（Ｂ）に示すように、一方の放射導体２１に寄った配置としてもよい。さらに、逆方に寄った配置としてもよい。

図４（Ａ）に示すようなＸ方向に延在する長尺導体３２は、Ｙ方向に隣り合う２つのアンテナ素子１０に同一の送信信号が供給された場合に、２つのアンテナ素子１０の間で放射される電波の位相がずれるような作用を及ぼす。しかし、図４（Ｂ）に示すように、長尺導体３２のＹ方向の配置を調整することで、上記の位相のずれをゼロとしたり、好ましいずれ量に変更することができる。

２行２列に位置する４つの長尺導体３１、３１、３２、３２は、図４（Ｃ）に示すように、端部同士が連結されてもよい。このような結合により、２行２列の４つのアンテナ素子１０の中央における電界の結合を緩和し、個々のアンテナ素子１０のアイソレーション特性を向上できる。

長尺導体３２は、Ｚ方向において、地導体２３から放射導体２１までの高さ範囲のいずれかの高さに位置する。すなわち、Ｙ方向（長尺導体３２を挟んで隣り合う２つのアンテナ素子１０の配列方向）に透視したとき、長尺導体３２は、地導体２３からアンテナ素子１０の放射側の範囲内の高さに位置する。アイソレーション特性を向上する長尺導体３２のＺ方向の位置は、長尺導体３２のＺ方向の位置を変化させて複数通りのシミュレーションを行い、アイソレーション特性を比較することで、容易に見つけることができる。

図４（Ｂ）のアレイアンテナ１（長尺導体の追加、Ｙ方向の調整有り）、並びに、図４（Ｃ）のアレイアンテナ１（連結及び交差した長尺導体有り）について、シミュレーションにより得られた特性を比較表２に示す。比較表２には、長尺導体３１、３２を有さない比較例のアレイアンテナの特性も示す。比較例のアレイアンテナは無線周波数に整合した構成とし、実施形態のアレイアンテナ１は上記比較例のアレイアンテナに長尺導体３１、３２を追加し、長尺導体３１、３２の高さ、長さ及び配置のみを最適化した。

比較表２は、長尺導体３１、３２を有することで、Ｘ方向とＹ方向とに隣り合う４つのアンテナ素子１０同士のアイソレーション特性が向上し、干渉の放射が現れやすいＹＺ面９０°及び－９０°の利得が低下し、さらに、Ｚ方向の放射の利得が向上していることを示している。

以上のように、Ｙ方向に隣り合う２つのアンテナ素子１０の間にも長尺導体３２を追加することで、個々のアンテナ素子１０のアイソレーション特性を向上できる。さらに、Ｚ方向から見て２行２列のアンテナ素子１０の各行各列に位置する４つの長尺導体３１、３１、３２、３２を連結させても個々のアンテナ素子１０のアイソレーション特性を向上できる。

（実施形態２）
図５実施形態２のアレイアンテナを示す斜視図（Ａ）、平面図（Ｂ）及び側面図（Ｃ）である。実施形態２のアレイアンテナ１Ａは、アンテナ素子１０Ａに、無給電放射導体２２とエアキャビティ１５とが加わっている点が、実施形態１と異なる。さらに、長尺導体３１のＺ方向（高さ方向）の位置について実施形態１から拡張されている。その他の要素は、実施形態１と同様である。

無給電放射導体２２は、膜状であり、放射導体２１を挟んで地導体２３の反対側に位置する。無給電放射導体２２の膜面は、放射導体２１と同様にＸ－Ｙの２軸方向に広がる。無給電放射導体２２は、放射導体２１と電界結合し、給電導体２４の信号に基づき周囲の電界を変化させ無線を放射する。エアキャビティ１５は、誘電体基板１１に設けられた空洞であり、放射導体２１と無給電放射導体２２との間に位置する。エアキャビティ１５は、放射導体２１と無給電放射導体２２との電界結合を弱くしアンテナ素子１０Ａの共振周波数帯を広げ、利得を向上させる。Ｚ方向から見てエアキャビティ１５は無給電放射導体２２及び放射導体２１より大きく、無給電放射導体２２の全体に重なっていてもよい。

長尺導体３１は、Ｘ方向（長尺導体３１を挟んで隣り合う２つのアンテナ素子１０Ａの配列方向）から透視したとき、地導体２３から無給電放射導体２２までの範囲内の高さに位置する。アイソレーション特性を向上する長尺導体３１の高さ位置は、長尺導体３１のＺ方向の位置を変化させて複数通りのシミュレーションを行い、アイソレーション特性を比較することで、容易に見つけることができる。

実施形態２のアレイアンテナ１Ａについて、シミュレーションにより得られた特性を比較表３に示す。比較表３には、長尺導体３１を有さない比較例のアレイアンテナの特性も示す。比較例のアレイアンテナはエアキャビティと無給電放射導体とを有するパッチアンテナで、無線周波数に整合している。地導体２３から無給電放射導体２２までの誘電体基板１１の厚みが１ｍｍ、エアキャビティ１５の平面形状が４ｍｍ×４ｍｍの正方形、エアキャビティ１５の厚みが０．２ｍｍとした。さらに、エアキャビティ１５の上端と無給電放射導体２２との高さ方向の間隔が０．１ｍｍ、放射導体２１から無給電放射導体２２までの高さ方向の間隔が０．７ｍｍ、無線信号の周波数を２８ＧＨｚとした。実施形態２のアレイアンテナ１Ａは上記比較例のアレイアンテナに長尺導体３１を追加し、長尺導体３１、３２の高さ、長さ及び配置のみを最適化している。

比較表３は、長尺導体３１を有することで、アンテナ素子１０Ａのアイソレーション特性が向上し、隣り合うアンテナ素子１０Ａ同士の干渉による放射が現れやすいＹＺ面９０°及び－９０°の利得が低下し、さらに、Ｚ方向の放射の利得が向上していることを示している。

以上のように、実施形態２のアレイアンテナ１Ａによれば、各アンテナ素子１０Ａがエアキャビティ１５及び無給電放射導体２２を有していても、長尺導体３１が有ることで、個々のアンテナ素子１０Ａのアイソレーション特性を向上できる。

さらに、実施形態２のアレイアンテナ１Ａによれば、アイソレーション特性を向上するために、地導体２３に電界を通すスリットを要さないので、地導体２３の裏側に信号線を自由に配置できるなど、配線の自由度が向上する。

さらに、個々のアンテナ素子１０Ａを地導体２３に導通した接地壁で囲むことでアイソレーション特性を向上させる場合と比較して、長尺導体３１の周囲には無用な電界の共振が生じにくいので、電界の共振によりアンテナ素子１０Ａの放射特性に悪影響を及ぼすことが抑制される。

（変形例７、８）
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は長尺導体の変形例７、８を示すアレイアンテナの平面図である。変形例７、８は長尺導体３２が追加されており、その他の構成要素は、図５の実施形態２のアレイアンテナ１Ａと同様である。長尺導体３２は、高さ方向の配置条件が異なる他は、実施形態１の変形例４、５、６の長尺導体３２と同様である。長尺導体３２は、Ｙ方向（長尺導体３２を挟んで隣り合う２つのアンテナ素子１０Ａの配列方向）から透視したとき、地導体２３から無給電放射導体２２までの範囲内の高さに位置する。

変形例７のアレイアンテナ１Ａ（２行２列に長尺導体有り）と、変形例８のアレイアンテナ１Ａ（連結及び交差した長尺導体有り）とについて、シミュレーションにより得られた特性を比較表４に示す。比較表４には、長尺導体３１、３２を有さない比較例のアレイアンテナの特性も示す。比較例のアレイアンテナはエアキャビティと無給電放射導体とを有するパッチアンテナで、無線周波数に整合している。変形例７、８のアレイアンテナ１Ａは上記比較例のアレイアンテナに長尺導体３１、３２を追加し、長尺導体３１、３２の高さ、長さ及び配置のみを最適化している。

比較表４は、長尺導体３１、３２を有することで、アンテナ素子１０Ａのアイソレーション特性が向上し、隣り合うアンテナ素子１０Ａ同士の干渉による放射が現れやすいＹＺ面９０°及び－９０°の利得が低下し、さらに、Ｚ方向の放射の利得が向上していることを示している。

（変形例９、１０）
図７は、長尺導体の変形例９を示すアレイアンテナの側面図（Ａ）及び斜視図（Ｂ）である。変形例９では、長尺導体３１Ｊが、Ｚ方向に間隔を開けて積層された複数の膜状導体３１ａを有し、長尺導体３２Ｊが、Ｚ方向に間隔を開けて積層された複数の膜状導体３２ａを有する。複数の膜状導体３１ａ、３２ａが積層された長尺導体３１Ｊ、３２Ｊの配置及び長さの条件は、変形例７、８の長尺導体３１、３２の条件と同一である。その他の構成要素は、図５のアレイアンテナ１Ａと同様である。

積層される複数の膜状導体３１ａを１組の長尺導体３１Ｊ、積層される複数の膜状導体３２ａを１組の長尺導体３２Ｊと呼ぶ。このとき、各組の長尺導体３１Ｊにおいて、複数層の膜状導体３１ａは同じ長さ、同じ幅で、Ｚ方向から透視したときに全て重なる構成であってよい。各組の長尺導体３２Ｊにおいて、複数層の膜状導体３１ａは同じ長さ、同じ幅で、Ｚ方向から透視したときに全て重なる構成であってよい。

図７の例では、長尺導体３１Ｊ、３２Ｊは、３層の膜状導体３１ａ、３２ａを有し、より詳細には、各層は、放射導体２１とエアキャビティ１５との間の２つの高さと、エアキャビティ１５と重なる１つの高さに位置する。

図８は、長尺導体の変形例１０を示すアレイアンテナの側面図（Ａ）及び斜視図（Ｂ）である。変形例１０では、長尺導体３１Ｋ、３２Ｋが、放射導体２１又はエアキャビティ１５よりも大きな厚み（Ｚ方向における寸法）を有する。長尺導体３１Ｋ、３２Ｋの配置及び長さの条件は、変形例７、８の長尺導体３１、３２の条件と同一である。その他の構成要素は、図５のアレイアンテナ１Ａと同様である。

図８の例では、長尺導体３１Ｋ、３２Ｋは、エアキャビティ１５よりも厚く、Ｘ方向又はＹ方向から透視したときに、一部がエアキャビティ１５と重なる高さ範囲に位置する。詳細には、長尺導体３１Ｋ、３２Ｋの上端がエアキャビティ１５の上端と下端との間の高さに位置し、長尺導体３１Ｋ、３２Ｋの下端がエアキャビティ１５の下端と放射導体２１の上端との間の高さに位置する。

変形例９のアレイアンテナ１Ａ（２行２列に複数層の長尺導体有り）と、変形例１０のアレイアンテナ１Ａ（２行２列に厚い長尺導体有り）とについて、シミュレーションにより得られた特性を比較表５に示す。比較表５には、長尺導体を有さない比較例のアレイアンテナの特性も示す。比較例のアレイアンテナはエアキャビティと無給電放射導体とを有するパッチアンテナで、無線周波数に整合している。変形例９、１０のアレイアンテナ１Ａは上記比較例のアレイアンテナに長尺導体３１Ｊ、３２Ｊ又は長尺導体３１Ｋ、３２Ｋを追加し、その長さ及び配置のみを最適化している。

比較表５は、長尺導体３１Ｊ、３２Ｊ又は長尺導体３１Ｋ、３２Ｋを有することで、アンテナ素子１０Ａのアイソレーション特性が向上し、隣り合うアンテナ素子１０Ａ同士の干渉による放射が現れやすいＹＺ面９０°及び－９０°の利得が低下し、さらに、Ｚ方向の放射の利得が向上していることを示している。

なお、変形例９、１０の長尺導体３１Ｊ、３２Ｊ、３１Ｋ、３２Ｋ、のうち、電波の偏波方向（給電点が偏心する方向）と交差する方向に長手方向が向いた長尺導体３２Ｊ、３２Ｋが省略されてもよい。さらに、長尺導体３１Ｊ、３２Ｊが複数層の膜状導体を含む構成、並びに、長尺導体３２Ｋ、３２ＫがＺ方向に厚い構成は、実施形態１の長尺導体３１、３２に適用されてもよい。また、変形例９、１０の長尺導体３１Ｊ、３２Ｊ、３１Ｋ、３２Ｋは、中央で連結されてもよい。また、Ｚ方向に厚みを有する長尺導体３１Ｋ、３２Ｋは、λ／４（λは送受信電波の実効波長）以下の間隔であれば、長手方向の連なりを分断する間隙を有していてもよい。上記の間隙であれば電界の漏れが小さく、特性に影響を与えない。

（変形例１１、１２）
図９は、長尺導体の変形例１１を示すアレイアンテナの斜視図（Ａ）、平面図（Ｂ）及びＣ－Ｃ線における断面図（Ｃ）である。変形例１１の長尺導体３１Ｌ、３２Ｌは、Ｚ方向に厚みを有し、下端が地導体２３の高さに位置する。地導体２３は、長尺導体３１Ｌ、３２Ｌを避けるスリット２３ａを有し、長尺導体３１Ｌ、３２Ｌと導通しない。長尺導体３１Ｋ、３２Ｋの配置及び長さの条件は、変形例７、８の長尺導体３１、３２の条件と同一である。その他の構成要素は、図５のアレイアンテナ１Ａと同様である。

図９の例では、長尺導体３１Ｌ、３２Ｌは、Ｘ方向又はＹ方向から透視したとき、地導体２３、放射導体２１及びエアキャビティ１５に重なる。より詳細には、長尺導体３１Ｌ、３２Ｌの上端は、エアキャビティ１５の上端と下端との間の高さに位置する。

図１０は、長尺導体の変形例１２を示すアレイアンテナの斜視図である。変形例１２の長尺導体３１Ｍ、３２Ｍは、Ｘ－Ｙの２軸方向に膜面が広がる膜状の導体であり、地導体２３と同一の高さに位置する。地導体２３は、長尺導体３１Ｍ、３２Ｍを避けるスリット２３ａを有し、長尺導体３１Ｍ、３２Ｍと導通しない。長尺導体３１Ｍ、３２Ｍの配置及び長さの条件は、変形例７、８の長尺導体３１、３２の条件と同一である。その他の構成要素は、図５のアレイアンテナ１Ａと同様である。

変形例１１のアレイアンテナ１Ａ（２行２列に地導体の高さから厚い長尺導体有り）と、変形例１２のアレイアンテナ１Ａ（２行２列に地導体の高さに位置する膜状の長尺導体有り）とについて、シミュレーションにより得られた特性を比較表６に示す。変形例１１、１２のアレイアンテナ１Ａは、前述した比較表５の比較例のアレイアンテナに、地導体２３のスリット２３ａと、長尺導体３１Ｌ、３２Ｌ又は長尺導体３１Ｍ、３２Ｍとを追加し、長尺導体の長さ及び配置のみを最適化している。

比較表６は、長尺導体３１Ｌ、３２Ｌ又は長尺導体３１Ｍ、３２Ｍを有することで、アンテナ素子１０Ａのアイソレーション特性が向上し、隣り合うアンテナ素子１０Ａ同士の干渉による放射が現れやすいＹＺ面９０°及び－９０°の利得が低下し、さらに、Ｚ方向の放射の利得が向上していることを示している。

変形例１１、１２のアレイアンテナ１Ａは、地導体２３がスリット２３ａを有する。しかし、スリット２３ａ内には、長尺導体３１Ｌ、３２Ｌ、３１Ｍ、３２Ｍが位置するので、地導体２３の裏からスリット２３ａを介して電波の放射側に伝わる電界の強度は低減される。したがって、変形例１１、１２のアレイアンテナ１Ａにおいても、地導体２３の裏側に信号線を自由に配置できるなど、配線の自由度が低下しない。

なお、変形例１１、１２の長尺導体３１Ｌ、３２Ｌ、３１Ｍ、３２Ｍのうち、電波の偏波方向（給電点が偏心する方向）と交差する方向に長手方向が向いた長尺導体３２Ｌ、３２Ｍが省略されてもよい。また、Ｚ方向に厚みを有する長尺導体３１Ｌ、３２Ｌは、λ／４（λは送受信電波の実効波長）以下の間隔であれば、長手方向の連なりを分断する間隙を有していてもよい。上記の間隙であれば電界の漏れが小さく、特性に影響を与えない。さらに、地導体２３にスリット２３ａを有し、長尺導体３１Ｌ、３２Ｌ、３１Ｍ、３２Ｍがスリット２３ａ内に位置する構成は、実施形態１の長尺導体３１、３２に適用されてもよい。また、変形例１１、１２の長尺導体３１Ｌ、３２Ｌ、３１Ｍ、３２Ｍは、中央で連結されてもよい。

（実施形態３）
図１１は、実施形態３のアレイアンテナを示す斜視図（Ａ）及びＢ－Ｂ線における断面図（Ｂ）である。実施形態３のアレイアンテナ１Ｂは、地導体２３の裏側の信号線１２０を有する。信号線１２０は、地導体２３の貫通孔２３ｈを介して給電導体２４と繋がる。誘電体基板１１において、地導体２３、放射導体２１、エアキャビティ１５及び無給電放射導体２２が位置する層と、信号線１２０が位置する層とは、同一の素材であり、一体化されている。信号線１２０の他端は、半田等の接合材１３０を介して、送信信号又は受信信号を入出力する集積回路２００に接続される。

図１１の例では、各アンテナ素子１０Ａとして、実施形態２のアンテナ素子１０Ａが適用されている。隣り合う２つのアンテナ素子１０Ａの間には長尺導体３１が位置する。長尺導体３１により、個々のアンテナ素子１０Ａのアイソレーション特性を向上できる。

なお、アンテナ素子１０Ａは、実施形態１のアンテナ素子１０に代替されてもよいし、変形例１～１２の長尺導体３１、３２、３１Ｊ～３１Ｍ、３２Ｊ～３２Ｍが適用されてもよい。

アレイアンテナ１Ｂは、４行４列の１６個のアンテナ素子１０Ａが電波の放射側を同一方向に向けて配列されるが、実施形態１、２のように２行２列の４個のアンテナ素子１０Ａが配列された構成が適用されてもよいし、より多くのアンテナ素子１０Ａが配列された構成としてもよい。

以上、本開示の各実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、放射導体の給電点が１つの例を示したが、２つの直交する偏波方向の電波を送受信するアンテナ素子であれば、放射導体が２つの給電点を有し、２つの給電点が２方向（例えばＸ方向とＹ方向）にそれぞれ偏心して配置される。このような放射導体を有するアレイアンテナにおいては、Ｙ方向に長手方向が向いた長尺導体３１と、Ｘ方向に長手方向が向いた長尺導体３２との両方を有してもよい。両方を有することで、一方の給電点は一方の長尺導体３１の長手方向に偏心した給電点となり、他方の給電点は他方の長尺導体３２の長手方向に偏心した給電点となり、それぞれ２つの偏波方向の電波の干渉を抑制することができる。また、上記実施形態では、誘電体基板の素材など幾つかの細部を示した。しかし、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１、１Ａ、１Ｂ アレイアンテナ
１０、１０Ａ アンテナ素子
１１ 誘電体基板
１５ エアキャビティ
２１ 放射導体
２２ 無給電放射導体
２３ 地導体
２３ｈ 貫通孔
２３ａ スリット
２４ 給電導体
３１、３１Ｊ～３１Ｍ 長尺導体
３１ａ 膜状導体
３２、３２Ｊ～３２Ｍ 長尺導体
３２ａ 膜状導体
１２０ 信号線
２００ 集積回路

Claims (9)

1. 地導体、膜状の放射導体及び前記放射導体に接続された給電導体を有する複数のパッチアンテナを備え、前記複数のパッチアンテナが、電波の放射側を同一方向に向け、かつ、前記放射導体の膜面に沿った一軸方向又は二軸方向に配列されたアレイアンテナであって、
   前記複数のパッチアンテナのうち隣り合う２つのパッチアンテナの間に位置し、前記地導体と非導通にされた長尺導体を備え、
   前記長尺導体は、長手方向が、前記膜面に沿った方向で、かつ、前記隣り合う２つのパッチアンテナの配列方向と交差する方向を向き、前記配列方向から透視したときに、前記地導体から前記放射側の範囲内に位置する、
   アレイアンテナ。
2. 前記隣り合う２つのパッチアンテナは、前記給電導体の接続点が、前記放射導体の中央よりも、前記長尺導体の長手方向に偏心している、
   請求項１記載のアレイアンテナ。
3. 前記地導体は、前記隣り合う２つのパッチアンテナの間にスリットを有し、
   前記長尺導体の少なくとも一部が前記スリットに位置する、
   請求項１又は請求項２に記載のアレイアンテナ。
4. 前記放射導体の厚み方向において前記長尺導体の寸法が前記放射導体の厚みよりも大きい、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアレイアンテナ。
5. 前記長尺導体は、前記放射導体の膜面に垂直な方向に、間隔を開けて積層された複数の膜状導体を有する、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のアレイアンテナ。
6. 前記隣り合う２つのパッチアンテナの各々は、前記放射導体を挟んで前記地導体の反対側に位置する無給電放射導体と、前記放射導体と前記無給電放射導体との間に位置するエアキャビティとを有し、
   前記長尺導体は、前記配列方向から透視したときに、前記地導体から前記無給電放射導体までの範囲内に位置する、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアレイアンテナ。
7. 前記長尺導体は、前記配列方向から透視したときに、前記地導体、前記放射導体及び前記エアキャビティに重なる、
   請求項６記載のアレイアンテナ。
8. 前記複数のパッチアンテナは、前記放射側から見て、２行２列に配列された４つのパッチアンテナを含み、
   前記４つのパッチアンテナのうち、行方向に隣り合う２つのパッチアンテナの間と、列方向に隣り合う２つのパッチアンテナの間とに、それぞれ位置する複数の前記長尺導体を備える、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のアレイアンテナ。
9. 前記複数の長尺導体は、前記４つのパッチアンテナの２つの行及び２つの列にそれぞれ位置する４つの長尺導体を有し、
   前記４つの長尺導体が連結している、
   請求項８記載のアレイアンテナ。

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