JP2022164847A

JP2022164847A - アンテナユニット

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Publication number: JP2022164847A
Application number: JP2022138905A
Authority: JP
Inventors: 寛池松; Hiroshi Ikematsu; 智宏高橋; Tomohiro Takahashi; 直也野口; Naoya Noguchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2022-10-27
Anticipated expiration: 2039-08-21
Also published as: JP7325592B2

Abstract

【課題】互いに周波数帯の異なる無線通信信号を送受信できる小型のアンテナユニットを提供する。【解決手段】アンテナユニット１は、多層誘電体基板の第１の面に配列した、第１の周波数帯の信号に共振する複数の第１のアンテナ素子と、多層誘電体基板の第１の面、又は、第１の面と平行な第２の面に配列した、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯の信号に共振する複数の第２のアンテナ素子と、を備える。さらに、第１のアンテナ素子に入出力される第１の入出力信号と、第２のアンテナ素子に入出力される第２の入出力信号と、のどちらかを選択するスイッチと、スイッチで選択された信号を合成又は分配する合成／分配器と、を備える。多層誘電体基板の第１の面の延在方向に垂直の方向から見たときに、複数の第１のアンテナ素子のうち、少なくとも１の第１のアンテナ素子の実装領域を、１の第２のアンテナ素子の実装領域が内包する。【選択図】図１

Description

本発明は、アクティブアレイアンテナで複数の周波数帯の無線通信信号を送受信するアンテナユニットに関する。

複数の衛星と通信し、ゲートウェイ局としても機能する地上局は、複数の周波数帯に対応した送受信機と大型の反射鏡アンテナを用いることにより、単一の通信装置を異なる周波数帯で共用することができる。この場合、使用する周波数帯を時間的に切り替えることで、複数の周波数帯を用いた衛星通信を実現している。

一方、航空機を含む移動体が、異なる周波数帯を用いて複数の衛星と通信する場合、設置面積の制約があるため、広帯域の送受信機及び大型のアンテナを設け、周波数帯を切り替えて使用することは困難であった。また、周波数資源の逼迫に伴い、衛星通信回線の利用帯域が変化している。このため、既存の周波数帯の送受信機及びアンテナに加えて、新たに追加される帯域の利用のために送受信機とアンテナの追加を要する場合があるが、設置面積の制約により追加の設置が困難であった。

設置面積が小さい通信装置を実現するため、１つの誘電体基板上に２つのアンテナを実装する方法が提案されている。（例えば、特許文献１）。

特許文献１に記載のデュアルモードパッチアンテナは、誘電体基板上に、矩形の直線偏波用のパッチを形成し、このパッチに、四辺形の開口を設けて、開口内に、円偏波用の四辺形パッチを設けている。これにより、第１の周波数では直線偏波パッチアンテナとして動作し、第１の周波数より高い第２の周波数では円偏波パッチアンテナとして動作することができると説明されている。

特許第３３４４４６７号公報

衛星通信システムにおいて、多数のアンテナ素子を配列し、アンテナ素子と接続した増幅器と移相器を調整することにより、ビームの指向制御を行うと共に空間的に電力合成するアクティブアレイアンテナ（Active Array Antenna）が用いられている。

アクティブアレイアンテナを用いた衛星通信システムにおいて、限られた設置面積内で、周波数帯の異なるアンテナ素子を配列し、また、各アンテナでの送受信信号を増幅し、移相する送受信回路を設置する必要があり、小型化及び低コスト化の実現が困難であった。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、互いに周波数帯の異なる無線通信信号を送受信できる小型のアンテナユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のアンテナユニットは、２以上の実装面を有する多層誘電体基板と、多層誘電体基板の第１の面に配列したアンテナ素子であって、第１の周波数帯の信号に共振する複数の第１のアンテナ素子と、多層誘電体基板の第１の面、又は、第１の面と平行な第２の面に配列したアンテナ素子であって、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯の信号に共振する複数の第２のアンテナ素子と、を備える。また、アンテナユニットは、第１のアンテナ素子に入出力される第１の入出力信号と、第２のアンテナ素子に入出力される第２の入出力信号と、のどちらかを選択するスイッチと、スイッチで選択された信号を合成又は分配する合成／分配器と、を備える。多層誘電体基板の第１の面の延在方向に垂直の方向から見たときに、複数の第１のアンテナ素子のうち、少なくとも１の第１のアンテナ素子の実装領域を、１の第２のアンテナ素子の実装領域が内包することを特徴とする。

本発明によれば、互いに周波数帯の異なるアクティブアレイアンテナを、パッチアンテナの配列面方向において、重複して実装できるため、互いに周波数帯の異なる通信信号を送受信できるアンテナユニットを小型化することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係るアンテナユニットの外形図（ａ）上面図（ｂ）断面図本発明の実施の形態１に係るアンテナユニットのブロック図本発明の実施の形態２に係るアンテナユニットのブロック図本発明の実施の形態３に係るアンテナユニットの外形図（ａ）上面図（ｂ）断面図本発明の実施の形態４に係るアンテナユニットの外形図（ａ）上面図（ｂ）断面図本発明の実施の形態５に係るアンテナユニットの外形図（ａ）上面図（ｂ）断面図本発明の実施の形態６に係るアンテナユニットの外形図（ａ）上面図（ｂ）断面図

実施の形態１．
以下に、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係るアクティブアレイアンテナ（Active Array Antenna）を備えたアンテナユニット１の外形図である。（ａ）が上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ａにおける断面図である。また、図２は、アンテナユニット１のブロック図である。アンテナユニット１を備えた通信装置は、例えば、航空機に備えられ、人工衛星と無線信号の送受信を行う。

アンテナユニット１は、図１に示すように、多層誘電体基板３０と、多層誘電体基板３０の表面上に、沿面方向に一定の間隔をあけて配列した第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂと、第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂと、を含む。アンテナユニット１は、さらに、第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂと、第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂが送受信する信号を、増幅、移相する送受信回路４０ａ、４０ｂと、送受信する信号を合成又は分配する合成／分配器５０を多層誘電体基板３０の裏面に備える。

本実施の形態１において、第１のアンテナ素子１０ａ、１０ｂは、図１に示すように、円形のパッチアンテナである。また、第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂは、図１に示すように、４つの第１のアンテナ素子１０ａ、１０ｂを囲む環形状の平面アンテナである。

なお、図１（ａ），（ｂ）は、アンテナユニット１の一部を示したものである。第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂは、４個を正方格子点に配置したものを１セットとしてｎセットが多層誘電体基板３０の沿面方向に配列されている。また、第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂと、送受信回路４０ａ、４０ｂは、多層誘電体基板３０の沿面方向に各ｎ個配列されている。第１のアンテナ素子の記号は、１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎで表し、総称を第１のアンテナ素子１０とする。第２のアンテナ素子の記号は、２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎで表し、総称を第２のアンテナ素子２０とする。送受信回路の記号は、４０ａ、４０ｂ、・・・、４０ｎで表し、総称を送受信回路４０とする。

多層誘電体基板３０は、２以上の実装面を有する多層の誘電体基板である。第１の面である表面には、第１のアンテナ素子１０と、第２のアンテナ素子２０が配列されている。また、多層誘電体基板３０は、表面と裏面の間の第２の面である中間面に、地導体３１を有する。第３の面である裏面には送受信回路４０が実装されている。第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子２０と、対応する送受信回路４０と、は図１（ｂ）に示すように、表面と裏面を貫通する配線３２，３３により接続されている。なお、第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子２０は、中間面の地導体３１をグランドとして動作する。

第１のアンテナ素子１０は、第１の周波数帯の信号に共振する平面アンテナであり、第１の周波数帯の無線通信信号を送信し、又は受信する。第１の周波数帯は例えば２６～４０ＧＨｚのＫａ帯である。第１のアンテナ素子１０は、多層誘電体基板３０の表面上に２次元方向に配列している。本実施の形態では、第１のアンテナ素子１０ａ、１０ｂがそれぞれ４つ実装されている。

第２のアンテナ素子２０は、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯の信号に共振する平面アンテナであり、第２の周波数帯の無線通信信号を送信し、又は受信する。第２の周波数帯は、例えば８～１２ＧＨｚのＸ帯である。第２のアンテナ素子２０は、２以上の第１のアンテナ素子１０を囲んだ環形状を有している。図１では、第２のアンテナ素子２０ａが、４つの第１のアンテナ素子１０ａを囲んだ環形状の場合を示している。

図１に示すように、アンテナユニット１は、第２のアンテナ素子２０が複数の第１のアンテナ素子１０を囲み、２種類のアンテナが開口を共用した配置となっている。すなわち、多層誘電体基板３０の表面の延在方向に垂直の方向から見たときに、複数の第１のアンテナ素子１０の実装領域を、１の第２のアンテナ素子２０の実装領域が内包している。言い換えると、多層誘電体基板３０の沿面方向における、第１のアンテナ素子１０の設置位置と第２のアンテナ素子２０の設置位置とが重複した構成となっており、設置面積当たりのアンテナ配置効率を上げることができる。

例えば、Ｋａ帯とＸ帯では周波数が４倍程度異なるため、Ｋａ帯の第１のアンテナ素子１０を４つひとまとめにし、１つのＸ帯の第２のアンテナ素子２０で囲むことにより、Ｋａ帯とＸ帯をカバーしたアレイアンテナとして機能させることができる。

なお、第２のアンテナ素子２０で囲む第１のアンテナ素子１０の数は、２つの周波数帯の周波数比によって、任意に選択できる。例えば、第２のアンテナ素子２０で囲む第１のアンテナ素子１０の数を２素子又は８素子にしてもよい。この場合、環形状の第２のアンテナ素子２０は、図１のような正方形でなくてもよく、長方形でもよい。また第２のアンテナ素子２０は、方形でなくてもよく、円形又は楕円形を含む任意の環形状でもよい。第１のアンテナ素子１０の配列も任意であり、図１のような正方格子点の配列でなくでもよい。

送受信回路４０は、図２に示すように、増幅器４１、移相器４２、スイッチ４３を含む。送受信回路４０の数もｎであり、各々が第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子２０のそれぞれに対応している。つまり、送受信回路４０ａの増幅器４１ａ、移相器４２ａ、スイッチ４３ａは、第１のアンテナ素子１０ａ及び第２のアンテナ素子２０ａと直接的又は間接的に接続されている。ここで、増幅器の記号は、４１ａ、４１ｂ、・・・、４１ｎで表し、総称を増幅器４１とする。移相器の記号は、４２ａ、４２ｂ、・・・、４２ｎで表し、総称を移相器４２とする。スイッチの記号は、４３ａ、４３ｂ、・・・、４３ｎで表し、総称をスイッチ４３とする。

なお、増幅器４１、移相器４２は、第１の周波数帯及び第２の周波数帯をカバーする周波数特性を有してもよい。あるいは、増幅器４１、移相器４２は、第１の周波数帯をカバーする回路と、第２の周波数帯をカバーする回路を個別に有していてもよい。

送受信回路４０ａの増幅器４１ａは、第１のアンテナ素子１０ａ又は第２のアンテナ素子２０ａが受信した信号を増幅する。また、増幅器４１ａは、移相器４２ａから受け取った送信信号を増幅して、第１のアンテナ素子１０ａ又は第２のアンテナ素子２０ａに出力する。移相器４２ａは、第１のアンテナ素子１０ａの各素子の信号の位相をずらすことにより、第１のアンテナ素子１０が構成するアクティブアレイアンテナのアンテナ指向方向を予め定めた方向に向ける。スイッチ４３ａは、第１のアンテナ素子１０ａの入出力信号を増幅及び移相する第１の入出力信号と、第２のアンテナ素子２０ａの入出力信号を増幅及び移相する第２の入出力信号と、のどちらを選択するかを切り替える。他の送受信回路４０も同様の機能を有する。

ここで、スイッチ４３は、信号経路を切り替えるときに、給電経路も切り替えてもよい。これにより、第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子２０のいずれか一方の信号経路に接続しているとき、他方の給電を停止することができ、消費電力を低減させることができる。

合成／分配器５０は、各第１のアンテナ素子１０、及び、各第２のアンテナ素子２０が受信し、増幅し、移相した信号のいずれか一方を、各スイッチ４３で選択した信号を合成する。また、合成／分配器５０は、前段回路から受信し、各第１のアンテナ素子１０、又は、各第２のアンテナ素子２０から送信する信号を分配する。

以上のように構成したアンテナユニット１の動作について説明する。

第１の周波数帯の受信を行うときは、スイッチ４３は、第１のアンテナ素子１０側の入出力端子に接続されている。第１の周波数帯の信号を第１のアンテナ素子１０が受信したとき、受信信号は増幅器４１で増幅される。そして、移相器４２が各第１のアンテナ素子１０の受信信号の位相を互いにずらして、第１のアンテナ素子１０が構成するアクティブアレイアンテナの指向方向を予め定めた方向に向ける。

移相器４２で移相された受信信号は、スイッチ４３を介して合成／分配器５０に入力される。各送受信回路４０から入力された受信信号は、合成／分配器５０で合成されて、後段の信号処理回路に出力される。

第２の周波数帯の受信を行うときは、スイッチ４３は、第２のアンテナ素子２０側の入出力端子に接続されている。第２の周波数帯の信号を第２のアンテナ素子２０が受信したとき、受信信号は増幅器４１で増幅される。そして、移相器４２が各第２のアンテナ素子２０の位相を互いにずらして、第２のアンテナ素子２０が構成するアクティブアレイアンテナの指向方向を予め定めた方向に向ける。

第１の周波数帯の送信を行うときは、スイッチ４３は、第１のアンテナ素子１０側の入出力端子に接続されている。前段の信号処理回路から入力される送信信号は、合成／分配器５０で分配され、スイッチ４３を介して各移相器４２に入力される。移相器４２は、各第１のアンテナ素子１０に対応する信号の位相を互いにずらして、第１のアンテナ素子１０が構成するアクティブアレイアンテナの指向方向を予め定めた方向に向ける。

移相器４２で移相された送信信号は、増幅器４１で増幅され、第１のアンテナ素子１０から放射される。

第２の周波数帯の送信を行うときは、スイッチ４３は、第２のアンテナ素子２０側の入出力端子に接続されている。前段の信号処理回路から入力される送信信号は、合成／分配器５０で分配され、スイッチ４３を介して各移相器４２に入力される。移相器４２は、各第２のアンテナ素子２０に対応する信号の位相を互いにずらして、第２のアンテナ素子２０が構成するアクティブアレイアンテナの指向方向を予め定めた方向に向ける。

移相器４２で移相された送信信号は、増幅器４１で増幅され、第２のアンテナ素子２０から放射される。

以上説明したように本実施の形態に係るアンテナユニット１は、多層誘電体基板３０の表面に第１のアンテナ素子１０と、第２のアンテナ素子２０が配列し、裏面に送受信回路４０が実装されている。第２のアンテナ素子２０が複数の第１のアンテナ素子１０を囲む環形状を有することにより、第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子２０は、開口を共用する。これにより、互いに周波数帯の異なるアクティブアレイアンテナ及び送受信回路を、多層誘電体基板３０の沿面方向において、重複して実装できるため、アンテナユニット１を小型化することが可能となる。

実施の形態２．
以下に、本発明を実施するための実施の形態２について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態に係るアンテナユニット２は、実施の形態１と同様に複数の第１のアンテナ素子１０を囲む環形状の第２のアンテナ素子２０を備え、各アンテナ素子の配置は実施の形態１と同様である。送受信回路４０の構成が実施の形態１と異なるため、図３を用いて、送受信回路４０について説明する。図３は、本実施の形態２に係るアンテナユニット２のブロック図である。

アンテナユニット２は、第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂ，・・・１０ｎと、第２のアンテナ素子２０ａ，２０ｂ，・・・２０ｎが送受信する信号を、増幅、移相する送受信回路４０ａ，４０ｂ，・・・４０ｎと、送受信する信号を合成又は分配する合成／分配器５１と合成／分配器５２を備える。

送受信回路４０は、増幅器４１、移相器４２を含む。送受信回路４０の数はｎであり、各々が第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子２０のそれぞれに対応している。つまり、図３に示すように、送受信回路４０ａの増幅器４１ａ、移相器４２ａは、第１のアンテナ素子１０ａ及び第２のアンテナ素子２０ａと直接的又は間接的に接続されている。ここで、増幅器の記号は、４１ａ、４１ｂ、・・・、４１ｎで表し、総称を増幅器４１とする。移相器の記号は、４２ａ、４２ｂ、・・・、４２ｎで表し、総称を移相器４２とする。

送受信回路４０ａの増幅器４１ａは、第１のアンテナ素子１０ａ又は第２のアンテナ素子２０ａが受信した信号を増幅する。また、増幅器４１ａは、移相器４２ａから受け取った送信信号を増幅して、第１のアンテナ素子１０ａ又は第２のアンテナ素子２０ａに出力する。移相器４２ａは、第１のアンテナ素子１０ａの各素子の信号の位相をずらすことにより、第１のアンテナ素子１０が構成するアクティブアレイアンテナのアンテナ指向方向を予め定めた方向に向ける。

移相器４２ａの入出力端子のうち、第１のアンテナ素子１０ａの入出力信号が入出力する端子は、合成／分配器５１に接続されている。一方、移相器４２ａの入出力端子のうち、第２のアンテナ素子２０ａの入出力信号が入出力する端子は、合成／分配器５２に接続されている。他の第１のアンテナ素子１０、第２のアンテナ素子２０、送受信回路４０についても同様である。

合成／分配器５１は、各第１のアンテナ素子１０が受信し、増幅し、移相する第１の入出力信号を合成して後段の信号処理回路に出力する。また、合成／分配器５１は、前段の信号処理回路から入力される第１の入出力信号を、各第１のアンテナ素子１０から送信する信号に分配する。

また、合成／分配器５２は、各第２のアンテナ素子２０が受信し、増幅し、移相する第２の入出力信号を合成して後段の信号処理回路に出力する。また、合成／分配器５２は、前段の信号処理回路から入力される第２の入出力信号を、各第２のアンテナ素子２０から送信する信号に分配する。

以上のように構成したアンテナユニット２の動作について説明する。

第１の周波数帯の信号を第１のアンテナ素子１０が受信したとき、受信信号は、増幅器４１で増幅される。そして、移相器４２が各第１のアンテナ素子１０の受信信号の位相を互いにずらして、第１のアンテナ素子１０が構成するアクティブアレイアンテナの指向方向を予め定めた方向に向ける。

移相器４２で移相された受信信号は、合成／分配器５１に入力される。各送受信回路４０から入力された第１の周波数帯の受信信号は、合成／分配器５１で合成されて、後段の信号処理回路に出力される。

第２の周波数帯の信号を第２のアンテナ素子２０が受信したとき、受信信号は、増幅器４１で増幅される。そして、移相器４２が各第２のアンテナ素子２０の受信信号の位相を互いにずらして、第２のアンテナ素子２０が構成するアクティブアレイアンテナの指向方向を予め定めた方向に向ける。

移相器４２で移相された受信信号は、合成／分配器５２に入力される。各送受信回路４０から入力された第２の周波数帯の受信信号は、合成／分配器５２で合成されて、後段の信号処理回路に出力される。

第１の周波数帯の送信を行うときは、前段の信号処理回路から入力される送信信号が、合成／分配器５１で分配され、各移相器４２に入力される。移相器４２は、各第１のアンテナ素子１０に対応する信号の位相を互いにずらして、第１のアンテナ素子１０が構成するアクティブアレイアンテナの指向方向を予め定めた方向に向ける。

第２の周波数帯の送信を行うときは、前段の信号処理回路から入力される送信信号が、合成／分配器５２で分配され、各移相器４２に入力される。移相器４２は、各第２のアンテナ素子２０に対応する信号の位相を互いにずらして、第２のアンテナ素子２０が構成するアクティブアレイアンテナの指向方向を予め定めた方向に向ける。

以上説明したように本実施の形態に係るアンテナユニット２は、多層誘電体基板３０の表面に第１のアンテナ素子１０と、第２のアンテナ素子２０が配列し、裏面に送受信回路４０及び合成／分配器５１，５２が実装されている。第１のアンテナ素子１０で送受信する信号は、合成／分配器５１で合成され又は分配され、第２のアンテナ素子２０で送受信する信号は、合成／分配器５２で合成され又は分配される。これにより、小型化されたアンテナユニット２においても、互いに異なる周波数帯の通信を同時に実行することが可能となる。

実施の形態３．
以下に、本発明を実施するための実施の形態３について図面を参照して詳細に説明する。図４は、本実施の形態に係るアクティブアレイアンテナを備えたアンテナユニット３の外形図である。（ａ）が上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ａにおける断面図である。

アンテナユニット３は、図４に示すように、多層誘電体基板３０と、多層誘電体基板３０の表面に一定の間隔をあけて配列した第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂと、多層誘電体基板３０の中間面に一定の間隔をあけて配列した第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂと、を含む。アンテナユニット３は、さらに、第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂと、第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂが送受信する信号を、増幅、移相する送受信回路４０ａ、４０ｂと、送受信する信号を合成又は分配する合成／分配器５０又は合成／分配器５１，５２を多層誘電体基板３０の裏面に備える。

本実施の形態３において、第１のアンテナ素子１０ａ、１０ｂは、図４に示すように、円形のパッチアンテナである。また、第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂは、図４に示すように、４つの第１のアンテナ素子１０ａ、１０ｂの実装領域を内包する領域に形成したパッチアンテナである。

なお、図４（ａ），（ｂ）は、アンテナユニット３の一部を示したものであり、第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂは、４個を正方格子点に配置したものを１セットとしてｎセットが多層誘電体基板３０の沿面方向に配列されている。また、第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂと、送受信回路４０ａ、４０ｂは、多層誘電体基板３０の沿面方向に各ｎ個配列されている。第１のアンテナ素子の記号は、１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎで表し、総称を第１のアンテナ素子１０とする。第２のアンテナ素子の記号は、２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎで表し、総称を第２のアンテナ素子２０とする。送受信回路の記号は、４０ａ、４０ｂ、・・・、４０ｎで表し、総称を送受信回路４０とする。

多層誘電体基板３０は、３以上の実装面を有する多層の誘電体基板である。第１の面である表面には、第１のアンテナ素子１０が配列されている。多層誘電体基板３０は、表面と裏面の間の第２の面である中間面を有し、中間面に第２のアンテナ素子２０と地導体３１を備える。第２のアンテナ素子２０と地導体３１は互いに絶縁されている。第３の面である裏面には、送受信回路４０が実装されている。第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子２０と、対応する送受信回路４０と、は図４（ｂ）に示すように、表面、中間面、裏面を貫通する配線３２，３３により接続されている。

第１のアンテナ素子１０は、中間面の第２のアンテナ素子２０をグランドとして動作してもよい。あるいは、実施の形態１と同様に、第１のアンテナ素子１０は、地導体３１をグランドとして動作してもよい。第２のアンテナ素子２０は、中間面の地導体３１をグランドとして動作する。

第２のアンテナ素子２０は、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯の信号に共振する平面アンテナであり、第２の周波数帯の無線通信信号を送信し、又は受信する。第２の周波数帯は、例えば８～１２ＧＨｚのＸ帯である。第２のアンテナ素子２０は、多層誘電体基板３０の表面に垂直の方向から見たときに、２以上の第１のアンテナ素子１０の実装領域を内包する領域に広がっている。図４は、１つの第２のアンテナ素子２０の実装領域が４つの第１のアンテナ素子１０の実装領域を内包する場合を示している。

図４に示すように、アンテナユニット３は、第２のアンテナ素子２０が複数の第１のアンテナ素子１０を内包し、２種類のアンテナが開口を共用した配置となっている。すなわち、多層誘電体基板３０の表面の延在方向に垂直の方向から見たときに、複数の第１のアンテナ素子１０の実装領域を、１の第２のアンテナ素子２０の実装領域が内包している。言い換えると、多層誘電体基板３０の沿面方向における、第１のアンテナ素子１０の設置位置と第２のアンテナ素子２０の設置位置とが重複した構成となっており、設置面積当たりのアンテナ配置効率を上げることができる。

なお、第２のアンテナ素子２０が内包する第１のアンテナ素子１０の数は、２つの周波数帯の周波数比によって、任意に選択できる。例えば、第２のアンテナ素子２０で囲む第１のアンテナ素子１０の数を２素子又は８素子にしてもよい。この場合、第２のアンテナ素子２０は、図４のような正方形でなくてもよく、長方形でもよい。また第２のアンテナ素子２０は、方形でなくてもよく、円形又は楕円形を含む任意の形状でもよい。第１のアンテナ素子１０の配列も任意であり、図４のような正方格子点の配列でなくでもよい。

送受信回路４０及び合成／分配器５０，５１，５２の構成、及び、アンテナユニット３の全体の動作は、実施の形態１又は２と同様である。

以上説明したように本実施の形態に係るアンテナユニット３は、多層誘電体基板３０の表面に第１のアンテナ素子１０が配列し、多層誘電体基板３０の中間面に第２のアンテナ素子２０が配列し、多層誘電体基板３０の延在方向に垂直の方向から見たとき、複数の第１のアンテナ素子１０が、第２のアンテナ素子２０の実装領域に内包されることとした。これにより、互いに周波数帯の異なるアクティブアレイアンテナを、多層誘電体基板３０の沿面方向において、重複して実装できるため、アンテナユニット１を小型化することが可能となる。

実施の形態４．
以下に、本発明を実施するための実施の形態４について図面を参照して詳細に説明する。図５は、本実施の形態に係るアクティブアレイアンテナを備えたアンテナユニット４の外形図である。（ａ）が上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ａにおける断面図である。

アンテナユニット４は、図５に示すように、多層誘電体基板３０と、多層誘電体基板３０の表面に一定の間隔をあけて配列した第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂと、第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂと、を含む。アンテナユニット４は、さらに、第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂと、第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂが送受信する信号を、増幅、移相する送受信回路４０ａ、４０ｂと、送受信する信号を合成又は分配する合成／分配器５０又は合成／分配器５１，５２を多層誘電体基板３０の裏面に備える。

本実施の形態４において、第１のアンテナ素子１０ａ、１０ｂは、図５に示すように、円形のパッチアンテナである。また、第２のアンテナ素子２０ａ，２０ｂは、図５に示すように、４つの開口を有するパッチアンテナである。第１のアンテナ素子１０ａ、１０ｂは、第２のアンテナ素子２０ａ，２０ｂの開口の中に形成されている。

なお、図５（ａ），（ｂ）は、アンテナユニット４の一部を示したものであり、第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂは、４個を正方格子点に配置したものを１セットとしてｎセットが多層誘電体基板３０の沿面方向に配列されている。また、第２のアンテナ素子２０ａ、２０ｂと、送受信回路４０ａ、４０ｂは、多層誘電体基板３０の沿面方向に各ｎ個配列されている。第１のアンテナ素子の記号は、１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎで表し、総称を第１のアンテナ素子１０とする。第２のアンテナ素子の記号は、２０ａ、２０ｂ、・・・、２０ｎで表し、総称を第２のアンテナ素子２０とする。送受信回路の記号は、４０ａ、４０ｂ、・・・、４０ｎで表し、総称を送受信回路４０とする。

多層誘電体基板３０は、３以上の実装面を有する多層の誘電体基板である。第１の面である表面には、第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子２０が配列されている。また、多層誘電体基板３０は、表面と裏面の間の第２の面である中間面に、地導体３１を有する。第３の面である裏面には送受信回路４０が実装されている。第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子２０と、対応する送受信回路４０と、は図５（ｂ）に示すように、表面と裏面を貫通する配線３２，３３により接続されている。なお、第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子２０は、中間面の地導体３１をグランドとして動作する。

第２のアンテナ素子２０は、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯の信号に共振する平面アンテナであり、第２の周波数帯の無線通信信号を送信し、又は受信する。第２の周波数帯は、例えば８～１２ＧＨｚのＸ帯である。各第２のアンテナ素子２０は、２以上の円形の開口を有しており、その開口の中に第１のアンテナ素子１０が位置している。図５は、１つの第２のアンテナ素子２０の中に４つの円形の開口を有し、その中に第１のアンテナ素子１０が位置する場合を示している。

図５に示すように、アンテナユニット４は、第２のアンテナ素子２０が複数の第１のアンテナ素子１０を内包し、２種類のアンテナが開口を共用した配置となっている。すなわち、多層誘電体基板３０の表面の延在方向に垂直の方向から見たときに、複数の第１のアンテナ素子１０の実装領域を、１の第２のアンテナ素子２０の実装領域が内包している。言い換えると、多層誘電体基板３０の沿面方向における、第１のアンテナ素子１０の設置位置と第２のアンテナ素子２０の設置位置とが重複した構成となっており、設置面積当たりのアンテナ配置効率を上げることができる。

なお、第２のアンテナ素子２０内に形成する開口の数、及び、第２のアンテナ素子２０が内包する第１のアンテナ素子１０の数は、２つの周波数帯の周波数比によって、任意に選択できる。例えば、第２のアンテナ素子２０で囲む第１のアンテナ素子１０の数を２素子又は８素子にしてもよい。この場合、第２のアンテナ素子２０は、図５のような正方形でなくてもよく、長方形でもよい。また方形でなく、円形又は楕円形を含む任意の形状でもよい。第１のアンテナ素子１０の配列も任意であり、図５のような正方格子点の配列でなくでもよい。

送受信回路４０及び合成／分配器５０，５１，５２の構成、及び、アンテナユニット４の全体の動作は、実施の形態１又は２と同様である。

以上説明したように本実施の形態に係るアンテナユニット４は、多層誘電体基板３０の表面に第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子２０が配列し、第２のアンテナ素子２０が２以上の開口を有し、その開口の中に、第１のアンテナ素子１０が位置することで、第２のアンテナ素子２０の実装領域に第１のアンテナ素子１０が内包されることとした。これにより、互いに周波数帯の異なるアクティブアレイアンテナを、多層誘電体基板３０の沿面方向において、重複して実装できるため、アンテナユニット４を小型化することが可能となる。

実施の形態５．
以下に、本発明を実施するための実施の形態５について図面を参照して詳細に説明する。図６は、本実施の形態に係るアクティブアレイアンテナを備えたアンテナユニット５の外形図である。（ａ）が上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ａにおける断面図である。

アンテナユニット５は、図６に示すように、多層誘電体基板３０と、多層誘電体基板３０の表面に一定の間隔をあけて配列した第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂと、第２のアンテナ素子６０ａ、６０ｂと、を含む。アンテナユニット５は、さらに、第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂと、第２のアンテナ素子６０ａ、６０ｂが送受信する信号を、増幅、移相する送受信回路４０ａ、４０ｂと、送受信する信号を合成又は分配する合成／分配器５０又は合成／分配器５１，５２を多層誘電体基板３０の裏面に備える。

本実施の形態５において、第１のアンテナ素子１０ａ、１０ｂは、図６に示すように、円形のパッチアンテナである。また、第２のアンテナ素子６０ａ，６０ｂは、図６に示すように、多層誘電体基板３０の表面に設置した金属箔に形成された十字のスロットアンテナである。スロットアンテナの形成領域に設けた４つの開口の中に第１のアンテナ素子１０ａ、１０ｂが形成されている。

なお、図６（ａ），（ｂ）は、アンテナユニット５の一部を示したものであり、第１のアンテナ素子１０ａ，１０ｂは、４個を正方格子点に配置したものを１セットとしてｎセットが多層誘電体基板３０の沿面方向に配列されている。また、第２のアンテナ素子６０ａ、６０ｂと、送受信回路４０ａ、４０ｂは、多層誘電体基板３０の沿面方向に各ｎ個配列されている。第１のアンテナ素子の記号は、１０ａ、１０ｂ、・・・、１０ｎで表し、総称を第１のアンテナ素子１０とする。第２のアンテナ素子の記号は、６０ａ、６０ｂ、・・・、６０ｎで表し、総称を第２のアンテナ素子６０とする。送受信回路の記号は、４０ａ、４０ｂ、・・・、４０ｎで表し、総称を送受信回路４０とする。

多層誘電体基板３０は、３以上の実装面を有する多層の誘電体基板である。第１の面である表面には、第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子６０が配列されている。また、多層誘電体基板３０は、表面と裏面の間の第２の面である中間面に、地導体３１を有する。第３の面である裏面には送受信回路４０が実装されている。第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子６０と、対応する送受信回路４０と、は図６（ｂ）に示すように、表面、裏面を貫通する配線３２，３３により接続されている。第１のアンテナ素子１０及び第２のアンテナ素子６０は、中間面の地導体３１をグランドとして動作する。

第２のアンテナ素子６０は、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯の信号に共振するスロットアンテナであり、第２の周波数帯の無線通信信号を送信し、又は受信する。第２の周波数帯は、例えば８～１２ＧＨｚのＸ帯である。スロットアンテナである第２のアンテナ素子６０は、多層誘電体基板３０の表面に設置した金属箔に形成された十字の間隙である。図６（ａ）では、４つの第１のアンテナ素子１０ａの間に形成された十字の間隙が第２のアンテナ素子６０ａであり、同様のスロットアンテナである第２のアンテナ素子６０がｎ個形成されている。

図６に示すように、アンテナユニット５は、第２のアンテナ素子６０の実装領域が複数の第１のアンテナ素子１０を内包し、２種類のアンテナが設置位置を共用した配置となっている。すなわち、多層誘電体基板３０の表面の延在方向に垂直の方向から見たときに、複数の第１のアンテナ素子１０の実装領域を、１の第２のアンテナ素子６０の実装領域が内包している。言い換えると、多層誘電体基板３０の沿面方向における、第１のアンテナ素子１０の設置位置と第２のアンテナ素子６０の設置位置とが重複した構成となっており、設置面積当たりのアンテナ配置効率を上げることができる。

なお、第２のアンテナ素子６０の実装領域内に形成する第１のアンテナ素子１０の数は、２つの周波数帯の周波数比によって、任意に選択できる。例えば、第２のアンテナ素子６０の実装領域内に内包する第１のアンテナ素子１０の数を２素子又は８素子にしてもよい。この場合、第２のアンテナ素子６０の形状は十字でなくてもよく、他の形状でもよい。

送受信回路４０及び合成／分配器５０，５１，５２の構成、及び、アンテナユニット５の全体の動作は、実施の形態１又は２と同様である。

以上説明したように本実施の形態に係るアンテナユニット５は、多層誘電体基板３０の表面に第１のアンテナ素子１０と第２のアンテナ素子６０が配列し、第２のアンテナ素子６０は、多層誘電体基板３０の表面に設置した金属箔に形成されたスロットタイプのアンテナである。そして、第２のアンテナ素子６０の実装領域の中に、第１のアンテナ素子１０が内包されることとした。これにより、互いに周波数帯の異なるアクティブアレイアンテナを、多層誘電体基板３０の沿面方向において、重複して実装できるため、アンテナユニット１を小型化することが可能となる。

実施の形態６．
以下に、本発明を実施するための実施の形態６について図面を参照して詳細に説明する。図７は、本実施の形態に係るアクティブアレイアンテナを備えたアンテナユニット６の外形図である。（ａ）が上面図であり、（ｂ）は（ａ）の一点鎖線Ａにおける断面図である。

アンテナユニット６は、図７に示すように、多層誘電体基板３０と、多層誘電体基板３０の表面に一定の間隔をあけて配列した第１のアンテナ素子７０ａ，７０ｂと、第２のアンテナ素子８０ａ、８０ｂと、を含む。アンテナユニット６は、さらに、第１のアンテナ素子７０ａ，７０ｂと、第２のアンテナ素子８０ａ、８０ｂが送受信する信号を、増幅、移相する送受信回路４０ａ、４０ｂと、送受信する信号を合成又は分配する合成／分配器５０又は合成／分配器５１，５２を多層誘電体基板３０の裏面に備える。

本実施の形態６において、第２のアンテナ素子８０ａ，８０ｂは、多層誘電体基板３０の表面に設置した金属箔に形成した円環状のスロットアンテナである。また、第１のアンテナ素子７０ａ，７０ｂは、第２のアンテナ素子８０ａ，８０ｂと同じ中心を有する円環状のスロットアンテナである。

なお、図７（ａ），（ｂ）は、アンテナユニット５の一部を示したものであり、第１のアンテナ素子７０ａ，７０ｂと第２のアンテナ素子８０ａ，８０ｂは、多層誘電体基板３０の沿面方向に各ｎ個配列されている。また、送受信回路４０ａ、４０ｂは、多層誘電体基板３０の沿面方向にｎ個配列されている。第１のアンテナ素子の記号は、７０ａ、７０ｂ、・・・、７０ｎで表し、総称を第１のアンテナ素子７０とする。第２のアンテナ素子の記号は、８０ａ、８０ｂ、・・・、８０ｎで表し、総称を第２のアンテナ素子８０とする。送受信回路の記号は、４０ａ、４０ｂ、・・・、４０ｎで表し、総称を送受信回路４０とする。

多層誘電体基板３０は、３以上の実装面を有する多層の誘電体基板である。第１の面である表面には、第１のアンテナ素子７０と、第２のアンテナ素子８０が配列されている。また、多層誘電体基板３０は、表面と裏面の間の第２の面である中間面に、地導体３１を有する。第３の面である裏面には送受信回路４０が実装されている。第１のアンテナ素子７０及び第２のアンテナ素子８０と、対応する送受信回路４０と、は図７（ｂ）に示すように、表面、中間面、裏面を貫通する配線３２，３３により接続されている。なお、第１のアンテナ素子７０及び第２のアンテナ素子８０は、中間面の地導体３１をグランドとして動作する。

第１のアンテナ素子７０は、第１の周波数帯の信号に共振するスロットアンテナであり、第１の周波数帯の通信信号を送信し、又は受信する。第１の周波数帯は例えば１２～１８ＧＨｚのＫｕ帯である。第１のアンテナ素子７０は、多層誘電体基板３０の表面上に２次元方向に配列している。

第２のアンテナ素子８０は、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯の信号に共振するスロットアンテナであり、第２の周波数帯の通信信号を送信し、又は受信する。第２の周波数帯は、例えば８～１２ＧＨｚのＸ帯である。第１のアンテナ素子７０と第２のアンテナ素子８０は、中心が同じであり、半径の異なる円環状の間隙である。つまり、第２のアンテナ素子８０の内側の金属箔に第１のアンテナ素子７０が形成されている。

図７に示すように、アンテナユニット６は、第２のアンテナ素子８０の実装領域が第１のアンテナ素子７０を内包し、２種類のアンテナが設置位置を共用した配置となっている。すなわち、多層誘電体基板３０の表面の延在方向に垂直の方向から見たときに、第１のアンテナ素子７０の実装領域を、第２のアンテナ素子８０の実装領域が内包している。言い換えると、多層誘電体基板３０の沿面方向における、第１のアンテナ素子７０の設置位置と第２のアンテナ素子８０の設置位置とが重複した構成となっており、設置面積当たりのアンテナ配置効率を上げることができる。

送受信回路４０及び合成／分配器５０，５１，５２の構成、及び、アンテナユニット６の全体の動作は、実施の形態１又は２と同様である。

以上説明したように本実施の形態に係るアンテナユニット６は、多層誘電体基板３０の表面に円環状のスロットアンテナである第２のアンテナ素子８０を配列し、第２のアンテナ素子ぞれぞれの内側に、円環状のスロットアンテナである第１のアンテナ素子７０を備えることとした。これにより、半径が異なる円環状のスロットアンテナを含む、互いに周波数帯の異なるアクティブアレイアンテナを、多層誘電体基板３０の沿面方向において、重複して実装できるため、アンテナユニット６を小型化することが可能となる。

このように本発明は、アンテナユニットにおいて、２以上の実装面を有する多層誘電体基板の第１の面に第１の周波数帯の信号に共振する複数の第１のアンテナ素子を配列し、多層誘電体基板の第１の面、又は、第１の面と平行な第２の面に、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯の信号に共振する複数の第２のアンテナ素子とを配列する。アンテナユニットは、第１のアンテナ素子の入出力信号を増幅及び移相する第１の入出力信号と、第２のアンテナ素子の入出力信号を増幅及び移相する第２の入出力信号と、を選択するスイッチと、スイッチで選択された信号を合成又は分配する合成／分配器と、を備える。そして、多層誘電体基板の第１の面の延在方向に垂直の方向から見たときに、複数の第１のアンテナ素子のうち、少なくとも１の第１のアンテナ素子の実装領域を、１の第２のアンテナ素子の実装領域が内包することとした。これにより、小型のアンテナユニットで互いに周波数帯の異なる無線通信信号を送受信することが可能になる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の変更は勿論可能である。

例えば、上記実施の形態において、第１のアンテナ素子１０，７０及び第２のアンテナ素子２０，６０，８０に関して、パッチアンテナの形状、スロットアンテナの形状、アンテナの配列パターンの例を揚げたが、これらに限られず、２つの周波数帯の周波数比に応じて任意の形状及びパターンを選択してもよい。

また、上記実施の形態において、アンテナユニット１－６は、互いに異なる２つの周波数帯の信号を送受信する２つのアクティブアレイアンテナを含むとしたが、３以上の周波数帯の信号を送受信する３以上のアクティブアレイアンテナを含んでもよい。例えば、実施の形態５の十字のスロットアンテナと、実施の形態６の円環状のスロットアンテナ２つを組み合わせることにより、３つのアクティブアレイアンテナを含んでもよい。

１，２，３，４，５，６アンテナユニット、１０，７０第１のアンテナ素子、２０，６０，８０第２のアンテナ素子、３０多層誘電体基板、３１地導体、３２，３３配線、４０送受信回路、４１増幅器、４２移相器、４３スイッチ、５０，５１，５２合成／分配器。

Claims

２以上の実装面を有する多層誘電体基板と、
前記多層誘電体基板の第１の面に配列したアンテナ素子であって、第１の周波数帯の信号に共振する複数の第１のアンテナ素子と、
前記多層誘電体基板の前記第１の面、又は、前記第１の面と平行な第２の面に配列したアンテナ素子であって、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯の信号に共振する複数の第２のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子に入出力される第１の入出力信号と、前記第２のアンテナ素子に入出力される第２の入出力信号と、のどちらかを選択するスイッチと、
前記スイッチで選択された信号を合成又は分配する合成／分配器と、を備え、
前記多層誘電体基板の前記第１の面の延在方向に垂直の方向から見たときに、複数の前記第１のアンテナ素子のうち、少なくとも１の前記第１のアンテナ素子の実装領域を、１の前記第２のアンテナ素子の実装領域が内包する、
アンテナユニット。
２以上の実装面を有する多層誘電体基板と、
前記多層誘電体基板の第１の面に配列したアンテナ素子であって、第１の周波数帯の信号に共振する複数の第１のアンテナ素子と、
前記多層誘電体基板の前記第１の面、又は、前記第１の面と平行な第２の面に配列したアンテナ素子であって、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯の信号に共振する複数の第２のアンテナ素子と、
前記第１のアンテナ素子に入出力される第１の入出力信号を合成又は分配する第１の合成／分配器と、
前記第２のアンテナ素子に入出力される第２の入出力信号を合成又は分配する第２の合成／分配器と、を備え、
前記多層誘電体基板の前記第１の面の延在方向に垂直の方向から見たときに、複数の前記第１のアンテナ素子のうち、少なくとも１の前記第１のアンテナ素子の実装領域を、１の前記第２のアンテナ素子の実装領域が内包する、
アンテナユニット。