JP3982694B2 - アンテナ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレー構成を有するアンテナ装置に関し、特に、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の放射素子を配列したアレーアンテナでは、放射素子のそれぞれに給電するために、給電線路をトーナメント状に分岐した給電回路が用いられている。しかし、給電線路により構成される給電回路では給電線路で損失が発生するため、アンテナの実効利得（動作利得）が低下するという問題があった。
この問題を解決するものとして、無給電素子アレーを用いたアンテナ装置が提案されている。図９は、この従来のアンテナ装置の構成を示す図である。この図において、（ａ）はアンテナ装置を上側から見た透視図、（ｂ）はアンテナ装置の縦断面構成を示す概念図である。
【０００３】
図９に示すアンテナ装置は、誘電体基板１５１上面に形成された給電素子１１１と、誘電体基板１５１の上に配置された誘電体基板１５２の上面に形成された４個の無給電素子１２１と、誘電体基板１５１の下面に形成された地板１４１とから構成されている。ここで、無給電素子とは、少なくとも電磁界的な結合により励振される素子をいう。
給電素子１１１および４個の無給電素子１２１は方形パッチであり、給電素子１１１の四隅が４個の無給電素子１２１の一隅とそれぞれ対向するように配置されている。また、給電素子１１１は給電線路１１２を介して高周波信号源１１３に接続されている。
【０００４】
給電素子１１１に給電し給電素子１１１を励振すると、給電素子１１１と４個の無給電素子１２１とが電磁界的に結合することにより４個の無給電素子１２１を励振し、アレー動作させることができる。よって、この４個の無給電素子１２１がアレーアンテナの素子アンテナとして作用する。
このアンテナ装置では、給電素子１１１と４個の無給電素子１２１との間で給電線路が不要となり、高周波信号源１１３と給電素子１１１との間に給電線路１１２を設ければよいだけなので、給電回路を構成する給電線路の総延長を短くし、線路損失に基づく実効利得の低下を抑制することができる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
H.Legay and L.Shafai,“New stacked microstrip antenna with large bandwidth and high gain,"IEE Proc.-Microw.Antennas Propag.,Vol,141,No.3,pp.199-204,June 1994.
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
複数の無給電素子を用いる場合、これらの無給電素子が形成される領域の面積が広いほど、指向性利得を高めることができる。しかし、図９に示した従来のアンテナ装置では、指向性利得に影響を与える素子形成領域１２１Ｓの面積を広くするために、無給電素子１２１同士の間隔を広げすぎると、給電素子１１１と無給電素子１２１との電磁界的な結合が不十分となり、無給電素子１２１を励振できなくなる。よって、従来のアンテナ装置には、高利得化に限界があるという問題があった。
【０００７】
また、従来のアンテナ装置では、１個の給電素子１１１で励振可能な無給電素子１２１の数には限りがある。このため、４素子より多素子のアレーアンテナを構成するには、４個の無給電素子１２１を励振する給電素子１１１を複数設け、それぞれの給電素子１１１に給電回路を用いて分配給電する必要がある。この場合、給電線路をトーナメント状に分岐した給電回路が用いられるので、線路損失により実効利得が低下するという問題があった。
【０００８】
また、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置では、ＧａＡｓなど電子移動度が大きい半導体基板上に、給電素子１１１のほか増幅回路や変復調回路などを作り込むことにより、高速な通信処理が可能となる。しかし、電子移動度が大きい半導体は高価であり、無給電素子１２１が形成される基板１５１，１５２と同程度の大面積の基板を電子移動度が大きい半導体で形成するとなると、基板の製造コストが増大してしまう。したがって、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化には多大なコストが必要となるという問題があった。
さらに、従来のアンテナ装置は、固定の指向特性を実現するものである。すなわち、放射ビームは固定されており、それを走査することができないという問題があった。
【０００９】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置の利得を、従来より更に向上させることにある。
また、他の目的は、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化に要するコストを低減することにある。
また、他の目的は、上記アンテナ装置のビーム走査を可能にすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明のアンテナ装置は、給電素子を有する給電素子層と、この給電素子層上に配置され無給電素子を有する無給電素子層とを備え、無給電素子層が、方形の無給電素子を少なくとも２素子有する層を少なくとも２層有し、無給電素子を方形の素子形成領域の端に配置し、無給電素子層の最下層の無給電素子が、給電素子と電磁界的に結合することにより励振され、無給電素子層の最下層を除く層の無給電素子が、その層の下層の無給電素子と電磁界的に結合することにより励振され、無給電素子層のうちの一の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離と、無給電素子層のうちの一の層よりも上の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離とが、略１：２であることを特徴とする。
【００１１】
給電素子および無給電素子には指向特性に広がりがあるので、給電素子と無給電素子層最下層の無給電素子との間、および、無給電素子層の上層と下層の無給電素子同士の間の電磁界的な結合を十分とりつつ、無給電素子が形成される領域の面積を下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることが可能となる。
また、無給電素子が形成される領域の面積を下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることにより、無給電素子の数を下層から上層へ行くにしたがって徐々に増やし、素子間隔を短くすることが可能となる。
【００１３】
また、給電素子層が形成された半導体基板と、無給電素子層が形成された複数の誘電体基板とを備え、これらの半導体基板と誘電体基板とが積層されたものであってもよい。
上述したアンテナ装置では、１個の給電素子で複数の無給電素子をアレー動作させることができるので、給電素子層が形成される半導体基板の面積は無給電素子層が形成される誘電体基板の面積よりも小さくてよい。よって、給電素子層が形成される半導体基板を電子移動度が大きい材料で形成しても、半導体基板の製造コスト上昇が抑制される。
【００１４】
また、無給電素子の少なくとも１つに接続されインピーダンスが変化するインピーダンス可変デバイスと、このインピーダンス可変デバイスに接続されインピーダンス可変デバイスのインピーダンス変化を制御する制御装置とを備えるものであってもよい。
インピーダンス可変デバイスのインピーダンスにより、無給電素子の共振周波数が変化し、励振位相が変化する。無給電素子は励振位相に応じた位相の放射をするので、それぞれの無給電素子による放射が等位相面を形成するようにインピーダンス可変デバイスのインピーダンスを制御することにより、この等位相面と直交する方向に放射ビームを形成することができる。また、インピーダンス可変デバイスのインピーダンスを変化させることにより、放射ビームを走査することができる。
【００１５】
なお、無給電素子の配置を、無給電素子の形状および数、並びに、無給電素子層の各層の間に配置される基板の厚みおよび材料の少なくとも１つに基づき決定するようにしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。
この図に示すアンテナ装置は、給電素子１１を有する給電素子層１０と、この給電素子層１０の上に配置され、無給電素子２１，３１を有する無給電素子層とから構成されている。ここで、無給電素子層は二層構成を有し、下層である第１の無給電素子層２０は４個の無給電素子２１を有し、上層である第２の無給電素子層３０は４個の無給電素子３１を有している。
【００１７】
より具体的には、給電素子１１は誘電体基板５１の上面に形成され、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１は、誘電体基板５１の上に配置された誘電体基板５２の上面に形成され、第２の無給電素子層３０の４個の素子３１は、誘電体基板５２の上に配置された誘電体基板５３の上面に形成されている。誘電体基板５１の下面には、地板４１が形成されている。
【００１８】
給電素子１１はマイクロストリップアンテナからなり、誘電体基板５１の上面に形成されたマイクロストリップ線路からなる給電線路１２を介して高周波信号源（図示せず）に接続されている。第１の無給電素子層２０の４個の素子２１は、誘電体基板５２を挟んで、給電素子１１と電磁界的な結合が十分得られる位置に配置される。また、第２の無給電素子の４個の素子３１のそれぞれは、誘電体基板５３を挟んで、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１のいずれかと電磁界的な結合が十分得られる位置に配置される。
【００１９】
給電線路１２を介して給電素子１１に給電し、給電素子１１を励振すると、給電素子１１と第１の無給電素子層２０の４個の素子２１とが電磁界的に結合することにより素子２１が励振される。そして、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１と第２の無給電素子層３０の４個の素子３１とが電磁界的に結合することにより素子３１が励振される。よって、第２の無給電素子層３０の４個の素子３１をアレー動作させることができる。
【００２０】
本実施の形態では、給電素子１１の指向特性には広がりがあるので、給電素子１１と第１の無給電素子層２０の素子２１との電磁界的な結合を十分とりつつ、給電素子１１との対向領域よりも広い領域２１Ｓに４個の素子２１を配置することができる。同様に、第１の無給電素子層２０の素子２１の指向特性には広がりがあるので、第１の無給電素子層２０の素子２１と第２の無給電素子層３０の素子３１との電磁界的な結合を十分とりつつ、素子２１の形成領域２１Ｓよりも更に広い領域３１Ｓに４個の素子３１を配置することができる。
【００２１】
よって、直接的には給電素子１１との電磁界的結合が不十分となる広範囲の領域３１Ｓに配置された無給電素子３１であっても、その素子３１の層３０と給電素子１１の層１０との間に新たに無給電素子２１の層２０を介在させることにより、上記の領域３１Ｓに配置された無給電素子３１を間接的に給電素子１１と電磁界的に結合させることが可能となる。
無給電素子の形成領域が広いほど、最も外側の無給電素子同士の間隔が広くなるので、アレーアンテナの指向特性が鋭くなり、指向性利得が高まる。よって、第２の無給電素子層３０の素子形成領域３１Ｓを第１の無給電素子層２０の素子形成領域２１Ｓよりも広くすることにより、従来よりも指向性利得を高めることができる。
【００２２】
なお、第２の無給電素子層３０の素子３１には、無給電素子層２０と３０との間の電磁界を引き寄せる作用があるので、第２の無給電素子層３０の素子３１の配置を調整することにより、実効利得の低下を抑制することも可能である。
【００２３】
次に、本実施の形態に係るアンテナ装置の指向特性の一例を示す。図２は、指向特性の解析に用いたアンテナ装置の各部の寸法を示す図である。この図において、（ａ）はアンテナ装置を上側から見た透視図、（ｂ）はアンテナ装置を側方から見た透視図である。
【００２４】
給電素子層１０と地板４１との間の誘電体基板５１の厚さは０．１ｍｍ、給電素子層１０と第１の無給電素子層２０との間の誘電体基板５２の厚さは０．３ｍｍ、第１の無給電素子層２０と第２の無給電素子層３０との間の誘電体基板５３の厚さは０．２ｍｍである。誘電体基板５３の上には、第２の無給電素子層３０を保護する厚さ０．１ｍｍの誘電体基板５４が装荷されている。なお、誘電体基板５１〜５４には、比誘電率εr＝７．７の低温焼成セラミック基板が用いられているものとする。
また、給電素子１１は１．７ｍｍの方形パッチ、第１の無給電素子層２０の素子２１は１．８４ｍｍの方形パッチ、第２の無給電素子層３０の素子３１は１．８ｍｍの方形パッチである．第２の無給電素子層３０の素子間隔（図２（ａ）において横方向または縦方向に隣り合う２素子の中心間距離）は、０．３７λ0（λ0は自由空間における波長）である。
【００２５】
このようなアンテナ装置の指向特性をモーメント法により解析した。図３は、その解析結果を示すグラフである。横軸は放射角度（Angle）［ｄｅｇ］、縦軸は相対電力（Relative power）［ｄＢ］である。このグラフでは、第２の無給電素子層３０（2-layer）の放射を実線で示している。これに加えて、誘電体基板５３より上の層がなかった場合の第１の無給電素子層２０（1-layer）の放射を一点鎖線で、また誘電体基板５２より上の層がなかった場合の給電素子層１０（Normal）の放射を点線で示している。このグラフから、第２の無給電素子層３０を設けることにより指向特性が鋭くなると同時に、指向性利得が約３ｄＢ向上することがわかる。
なお、誘電体基板５１〜５４の厚さおよび材料（εr）、給電素子１１の形状および寸法、無給電素子２１，３１の形状、寸法、数および配置によりアンテナ装置の特性が変化するので、アンテナ装置はこれらをパラメータにして設計される。
【００２６】
本実施の形態では、無給電素子層を２層有する例を示したが、３層以上有するものであってもよい。無給電素子層を３層以上有する場合には、最下層の無給電素子が、給電素子１１と電磁界的な結合が十分得られる位置に配置され、それ以外の層の無給電素子が、それぞれの層の下層の無給電素子と電磁界的な結合が十分得られる位置に配置される。この場合も、各層の素子形成領域を、下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げ、最も外側の無給電素子同士の間隔を広げることができる。
また、無給電素子層を構成する各層がそれぞれ無給電素子を４個有する例を示したが、各層はそれぞれ無給電素子を２個以上有していればよい。なお、各層で素子数が異なっていてもよい。
【００２７】
また、図２には、放射素子１１および無給電素子２１，３１が方形パッチである例を示したが、パッチの形状は五角形などの多角形または円形であってもよい。さらに、給電素子１１と無給電素子２１、または無給電素子２１と無給電素子３１とがそれぞれの隅で対向する例を示したが、必ずしもそれぞれの隅で対向していなくてもよい。
以上のことは、これから説明する他の実施の形態でも同様に言えることである。
【００２８】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態で挙げたパラメータのうち無給電素子２１，３１の配置を調整することにより最大利得を得るアンテナ装置の構成法について説明する。図４は、このアンテナ装置の構成法に用いるパラメータを示す図である。この図において、（ａ）はアンテナ装置を上側から見た透視図、（ｂ）はアンテナ装置を側方から見た透視図である。説明の都合上、（ａ）には給電素子１１の中心を原点Ｏとするｘｙ座標を記載している。なお、図４では、図２に示した部材と同一部材に対しては、図２と同一符号で示している。
【００２９】
図４（ａ）に示すように、給電素子１１の中心Ｏから放射方向に、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１および第２の無給電素子層３０の４個の素子３１が配置されているものとする。ここで、１つの無給電素子２１の中心の座標を（ｗ１，ｗ１）、１つの無給電素子３１の中心の座標を（ｗ２，ｗ２）とする。ただし、０＜ｗ１＜ｗ２である。
このｗ１およびｗ２をパラメータとして、アンテナ装置の指向特性をモーメント法により解析した。ここで、その他の条件は第１の実施の形態で説明した解析と同じとした。
【００３０】
図５は、その解析結果を示す図である。横軸はｗ２［×λ0］であり、縦軸はｗ１［×λ0］または最大利得（Absolute gain）［ｄＢｉ］である。最大利得の値とそのときのｗ２の値との関係を点線で示し、最大利得が得られるｗ２の値とそのときのｗ１の値との関係を実線で示している。
このグラフから、ｗ２がｗ１の略２倍のときに最大利得が得られると言える。よって、この関係を満たすように無給電素子２１，３１を配置することにより、アンテナ装置の指向性利得を高めることができる。
また、アンテナ装置の設計にかかるパラメータから無給電素子２１，３１の配置を削除することができる。これにより、パラメータの数が少なくなるので、目的の特性に応じたアンテナ装置を短時間で設計することができ、アンテナ装置の新規開発に要する設計コストを削減することができる。
【００３１】
本実施の形態では、無給電素子２１，３１の配置のパラメータとしてｗ１，ｗ２を用いた例を示したが、第１の無給電素子層２０の素子２１の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子１１の中心との距離ｄ１と、第２の無給電素子層３０の素子３１の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子の中心との距離ｄ２とを用いてもよい。この場合も同様に、ｄ２をｄ１の略２倍としてときにアンテナ装置の指向性利得を最大にすることができる。
【００３２】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置は、第１の実施の形態に係るアンテナ装置において、無給電素子層の上層の素子数を下層の素子数より増やしたものである。図６は、このアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。この図では、図１に示した部材と同一部材に対しては、図１と同一符号で示している。図６に示すアンテナ装置では、下層である第１の無給電素子層２０は４個の無給電素子２１を有し、上層である第２の無給電素子層３０は１６個の無給電素子３１を有している。第１の実施の形態で説明したように、第２の無給電素子層３０では第１の無給電素子層２０よりも素子形成領域を広くとれるので、第２の無給電素子層３０の素子数を第１の無給電素子層２０の素子数より増やしても、第２の無給電素子層３０の素子３１を重ならないように配置することができる。そして、第２の無給電素子層３０の素子数を増やして素子間隔を短くすることにより、グレーティングローブの発生を抑えることができる。
【００３３】
本実施の形態では、給電素子１１へは給電線路１２を用いて給電しているものの、アレーアンテナの素子アンテナとして作用する第２の無給電素子層３０の素子３１へは、第１の無給電素子層２０の素子２１を介する電磁界的な結合により給電を行っている。電磁界的な結合による給電は給電線路を用いた給電よりも低損失であるので、多素子のアレーアンテナを構成する場合の実効利得の低下を抑制することができる。
【００３４】
本実施の形態でも、無給電素子層を３層以上にしてもよい。この場合も、各層の無給電素子の数を下層から上層へ行くにしたがって徐々に増やすことができる。
また、本実施の形態でも、第２の実施の形態と同様にしてアンテナ装置の指向性利得を最大にすることができる。ただし、指向特性に影響を与えるのは各層の最も外側の無給電素子であるから、一の層で最も外側の無給電素子の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子１１の中心との距離をｄ１とし、その上層で最も外側の無給電素子の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子１１の中心との距離をｄ２とする。そして、ｄ２をｄ１の略２倍としたときに、アンテナ装置の指向性利得を最大にすることができる。
【００３５】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置は、給電素子１１をチップモジュールで構成したものである。図７は、このアンテナ装置の構成を示す図である。この図において、（ａ）は斜視透視図、（ｂ）は部分縦断面図である。なお、図７では、図１，図６に示した部材と同一部材に対しては、図１，図６と同一符号で示している。
【００３６】
このアンテナ装置では、チップモジュール１４が用いられている。このチップモジュール１４は、ＧａＡｓなど電子移動度が大きい材料からなる半導体基板上に、増幅回路や変復調回路などとともに、給電素子１１となるアンテナを一体形成したＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）である。
誘電体基板５１およびその下面に形成された地板４１は一部が刳り抜かれ、キャビティ５１Ａが形成されている。このキャビティ５１Ａにチップモジュール１４の給電素子１１側を上にして配置することにより、無給電素子２１，３１が形成された誘電体基板５２，５３にチップモジュール１４が実装される。その結果、チップモジュール１４の半導体基板と誘電体基板５２，５３とが積層された構成となる。なお、チップモジュール１４が配置されたキャビティ５１Ａは、蓋４２により塞がれる。
【００３７】
このように、電子移動度が大きい半導体基板に形成されたＭＭＩＣを用いることにより、準ミリ波帯以上の周波数帯であっても高速な通信処理が可能となる。また、このアンテナ装置では、１個の給電素子１１で多数の無給電素子３１をアレー動作させることができるので、給電素子１１が形成される半導体基板の面積は無給電素子３１が形成される誘電体基板５３の面積よりも遙かに小さくてよい。よって、半導体基板の材料が高価であっても、半導体基板の製造コスト上昇を抑制することができる。よって、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化に要するコストを削減することができる。
【００３８】
なお、チップモジュール１４は、上記半導体基板上に増幅回路や変復調回路などを形成したＭＭＩＣのモジュールと、給電素子１１となるアンテナのモジュールとを組み合わせたものであってもよい。
また、図７では、第３の実施の形態に係るアンテナ装置の給電素子１１としてチップモジュール１４を用いる例を示したが、第１または第２の実施の形態に係るアンテナ装置にチップモジュール１４を用いてもよいことは言うまでもない。
【００３９】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係るアンテナ装置は、放射ビームの走査を可能にするものである。図８は、このアンテナ装置の第２の無給電素子層の構成を示す図である。なお、図８では、図６，図７に示した部材と同一部材に対しては、図６，図７と同一符号で示している。
【００４０】
誘電体基板５３の上面には、第２の無給電素子層３０を構成する無給電素子３１が格子配列されている。すべての無給電素子３１は接地されるとともに、それぞれインピーダンス可変デバイス３２の一端に接続されている。インピーダンス可変デバイス３２の他端には制御線３３を介して制御装置６１が接続されている。なお、制御装置６１は誘電体基板５３上に実装される必要はない。
インピーダンス可変デバイス３２は、制御装置６１より印加される制御信号によりインピーダンスが変化するデバイスである。インピーダンス可変デバイス３２としては、例えばｐｉｎダイオード、バラクタダイオード、バリキャップダイオード、トランジスタ回路またはＦＥＴ回路などを使用することができる。
【００４１】
インピーダンス可変デバイス３２のインピーダンスにより、無給電素子３１の共振周波数が変化し、励振位相が変化する。無給電素子３１は励振位相に応じた位相の放射をするので、それぞれの無給電素子３１による放射が等位相面を形成するようにインピーダンス可変デバイス３２のインピーダンスを制御することにより、この等位相面と直交する方向に放射ビームを形成することができる。また、インピーダンス可変デバイス３２のインピーダンスを変化させることにより、放射ビームを走査することができる。よって、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置で、フェーズドアレーアンテナを実現することができる。
【００４２】
なお、第２の無給電素子層３０の素子３１のすべてにインピーダンス可変デバイス３２を接続する例を説明したが、素子３１の少なくとも１個にインピーダンス可変デバイス３２を接続することによりフェーズドアレーアンテナを実現できる場合もある。
また、本実施の形態は、上述したいずれの実施の形態にも適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアンテナ装置では、無給電素子層に、方形の無給電素子を少なくとも２素子有する層を少なくとも２層設け、無給電素子を方形の素子形成領域の端に配置し、無給電素子層のうちの一の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離と、無給電素子層のうちの一の層よりも上の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離とを、略１：２とする。よって、給電素子と無給電素子層最下層の無給電素子との間、および、無給電素子層の上層と下層の無給電素子同士の間の電磁界的な結合を十分とりつつ、無給電素子が形成される領域の面積を、下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることが可能となるとともに、最大利得を得ることができる。よって、従来より更に利得を向上させることができる。
【００４４】
また、無給電素子が形成される領域の面積を下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることにより、無給電素子の数を下層から上層へ行くにしたがって徐々に増やすことが可能になる。これにより、素子間隔が短くなるので、グレーティングローブの発生を抑制することができる。この際、最上層の無給電素子へは電磁界的な結合により給電が行われる。電磁界的な結合による給電は給電線路を用いた給電よりも低損失である。よって、給電線路をトーナメント状に分岐した給電回路を必要とした従来の多素子アレーアンテナよりも、線路損失による利得の低下を抑制することができる。
【００４６】
また、給電素子層が形成された半導体基板と、無給電素子層が形成された誘電体基板を積層して、アンテナ装置を構成する。このアンテナ装置では、１個の給電素子で複数の無給電素子をアレー動作させることができるので、給電素子層が形成される半導体基板の面積は無給電素子層が形成される誘電体基板の面積よりも小さくてよい。よって、準ミリ波帯以上の周波数帯での通信処理の高速化を図るため、給電素子層が形成される半導体基板を電子移動度が大きく高価な材料で形成しても、半導体基板の製造コスト上昇を抑制することができる。よって、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化に要するコストを削減することができる。
【００４７】
また、無給電素子に接続されたインピーダンス可変デバイスと、このインピーダンス可変デバイスのインピーダンス変化を制御する制御装置とを設ける。インピーダンス可変デバイスのインピーダンス変化を制御することにより、放射ビームを走査することができる。よって、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置で、フェーズドアレーアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。
【図２】 指向特性の解析に用いたアンテナ装置の各部の寸法を示す図である。
【図３】 指向特性の解析結果を示すグラフである。
【図４】 本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置の構成法に用いるパラメータを示す図である。
【図５】 最大利得の値とそのときのパラメータｗ１，ｗ２の値との関係を示す図である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。
【図７】 本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図８】 本発明の第５の実施の形態に係るアンテナ装置の第２の無給電素子層の構成を示す図である。
【図９】 無給電素子アレーを用いた従来のアンテナ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…給電素子層、１１…給電素子、１２…給電線路、１４…チップモジュール、２０…第１の無給電素子層、２１，３１…無給電素子、３２…インピーダンス可変デバイス、３３…制御線、２１Ｓ，３１Ｓ…素子形成領域、３０…第２の無給電素子層、４１…地板、４２…蓋、５１〜５４…誘電体基板、５１Ａ…キャビティ、６１…制御装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレー構成を有するアンテナ装置に関し、特に、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の放射素子を配列したアレーアンテナでは、放射素子のそれぞれに給電するために、給電線路をトーナメント状に分岐した給電回路が用いられている。しかし、給電線路により構成される給電回路では給電線路で損失が発生するため、アンテナの実効利得（動作利得）が低下するという問題があった。
この問題を解決するものとして、無給電素子アレーを用いたアンテナ装置が提案されている。図９は、この従来のアンテナ装置の構成を示す図である。この図において、（ａ）はアンテナ装置を上側から見た透視図、（ｂ）はアンテナ装置の縦断面構成を示す概念図である。
【０００３】
図９に示すアンテナ装置は、誘電体基板１５１上面に形成された給電素子１１１と、誘電体基板１５１の上に配置された誘電体基板１５２の上面に形成された４個の無給電素子１２１と、誘電体基板１５１の下面に形成された地板１４１とから構成されている。ここで、無給電素子とは、少なくとも電磁界的な結合により励振される素子をいう。
給電素子１１１および４個の無給電素子１２１は方形パッチであり、給電素子１１１の四隅が４個の無給電素子１２１の一隅とそれぞれ対向するように配置されている。また、給電素子１１１は給電線路１１２を介して高周波信号源１１３に接続されている。
【０００４】
給電素子１１１に給電し給電素子１１１を励振すると、給電素子１１１と４個の無給電素子１２１とが電磁界的に結合することにより４個の無給電素子１２１を励振し、アレー動作させることができる。よって、この４個の無給電素子１２１がアレーアンテナの素子アンテナとして作用する。
このアンテナ装置では、給電素子１１１と４個の無給電素子１２１との間で給電線路が不要となり、高周波信号源１１３と給電素子１１１との間に給電線路１１２を設ければよいだけなので、給電回路を構成する給電線路の総延長を短くし、線路損失に基づく実効利得の低下を抑制することができる（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】
H.Legay and L.Shafai,“New stacked microstrip antenna with large bandwidth and high gain,"IEE Proc.-Microw.Antennas Propag.,Vol,141,No.3,pp.199-204,June 1994.
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
複数の無給電素子を用いる場合、これらの無給電素子が形成される領域の面積が広いほど、指向性利得を高めることができる。しかし、図９に示した従来のアンテナ装置では、指向性利得に影響を与える素子形成領域１２１Ｓの面積を広くするために、無給電素子１２１同士の間隔を広げすぎると、給電素子１１１と無給電素子１２１との電磁界的な結合が不十分となり、無給電素子１２１を励振できなくなる。よって、従来のアンテナ装置には、高利得化に限界があるという問題があった。
【０００７】
また、従来のアンテナ装置では、１個の給電素子１１１で励振可能な無給電素子１２１の数には限りがある。このため、４素子より多素子のアレーアンテナを構成するには、４個の無給電素子１２１を励振する給電素子１１１を複数設け、それぞれの給電素子１１１に給電回路を用いて分配給電する必要がある。この場合、給電線路をトーナメント状に分岐した給電回路が用いられるので、線路損失により実効利得が低下するという問題があった。
【０００８】
また、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置では、ＧａＡｓなど電子移動度が大きい半導体基板上に、給電素子１１１のほか増幅回路や変復調回路などを作り込むことにより、高速な通信処理が可能となる。しかし、電子移動度が大きい半導体は高価であり、無給電素子１２１が形成される基板１５１，１５２と同程度の大面積の基板を電子移動度が大きい半導体で形成するとなると、基板の製造コストが増大してしまう。したがって、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化には多大なコストが必要となるという問題があった。
さらに、従来のアンテナ装置は、固定の指向特性を実現するものである。すなわち、放射ビームは固定されており、それを走査することができないという問題があった。
【０００９】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置の利得を、従来より更に向上させることにある。
また、他の目的は、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化に要するコストを低減することにある。
また、他の目的は、上記アンテナ装置のビーム走査を可能にすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明のアンテナ装置は、給電素子を有する給電素子層と、この給電素子層上に配置され無給電素子を有する無給電素子層とを備え、無給電素子層が、方形の無給電素子を少なくとも２素子有する層を少なくとも２層有し、無給電素子を方形の素子形成領域の端に配置し、無給電素子層の最下層の無給電素子が、給電素子と電磁界的に結合することにより励振され、無給電素子層の最下層を除く層の無給電素子が、その層の下層の無給電素子と電磁界的に結合することにより励振され、無給電素子層のうちの一の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離と、無給電素子層のうちの一の層よりも上の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離とが、略１：２であることを特徴とする。
【００１１】
給電素子および無給電素子には指向特性に広がりがあるので、給電素子と無給電素子層最下層の無給電素子との間、および、無給電素子層の上層と下層の無給電素子同士の間の電磁界的な結合を十分とりつつ、無給電素子が形成される領域の面積を下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることが可能となる。
また、無給電素子が形成される領域の面積を下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることにより、無給電素子の数を下層から上層へ行くにしたがって徐々に増やし、素子間隔を短くすることが可能となる。
【００１３】
また、給電素子層が形成された半導体基板と、無給電素子層が形成された複数の誘電体基板とを備え、これらの半導体基板と誘電体基板とが積層されたものであってもよい。
上述したアンテナ装置では、１個の給電素子で複数の無給電素子をアレー動作させることができるので、給電素子層が形成される半導体基板の面積は無給電素子層が形成される誘電体基板の面積よりも小さくてよい。よって、給電素子層が形成される半導体基板を電子移動度が大きい材料で形成しても、半導体基板の製造コスト上昇が抑制される。
【００１４】
また、無給電素子の少なくとも１つに接続されインピーダンスが変化するインピーダンス可変デバイスと、このインピーダンス可変デバイスに接続されインピーダンス可変デバイスのインピーダンス変化を制御する制御装置とを備えるものであってもよい。
インピーダンス可変デバイスのインピーダンスにより、無給電素子の共振周波数が変化し、励振位相が変化する。無給電素子は励振位相に応じた位相の放射をするので、それぞれの無給電素子による放射が等位相面を形成するようにインピーダンス可変デバイスのインピーダンスを制御することにより、この等位相面と直交する方向に放射ビームを形成することができる。また、インピーダンス可変デバイスのインピーダンスを変化させることにより、放射ビームを走査することができる。
【００１５】
なお、無給電素子の配置を、無給電素子の形状および数、並びに、無給電素子層の各層の間に配置される基板の厚みおよび材料の少なくとも１つに基づき決定するようにしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。
この図に示すアンテナ装置は、給電素子１１を有する給電素子層１０と、この給電素子層１０の上に配置され、無給電素子２１，３１を有する無給電素子層とから構成されている。ここで、無給電素子層は二層構成を有し、下層である第１の無給電素子層２０は４個の無給電素子２１を有し、上層である第２の無給電素子層３０は４個の無給電素子３１を有している。
【００１７】
より具体的には、給電素子１１は誘電体基板５１の上面に形成され、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１は、誘電体基板５１の上に配置された誘電体基板５２の上面に形成され、第２の無給電素子層３０の４個の素子３１は、誘電体基板５２の上に配置された誘電体基板５３の上面に形成されている。誘電体基板５１の下面には、地板４１が形成されている。
【００１８】
給電素子１１はマイクロストリップアンテナからなり、誘電体基板５１の上面に形成されたマイクロストリップ線路からなる給電線路１２を介して高周波信号源（図示せず）に接続されている。第１の無給電素子層２０の４個の素子２１は、誘電体基板５２を挟んで、給電素子１１と電磁界的な結合が十分得られる位置に配置される。また、第２の無給電素子の４個の素子３１のそれぞれは、誘電体基板５３を挟んで、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１のいずれかと電磁界的な結合が十分得られる位置に配置される。
【００１９】
給電線路１２を介して給電素子１１に給電し、給電素子１１を励振すると、給電素子１１と第１の無給電素子層２０の４個の素子２１とが電磁界的に結合することにより素子２１が励振される。そして、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１と第２の無給電素子層３０の４個の素子３１とが電磁界的に結合することにより素子３１が励振される。よって、第２の無給電素子層３０の４個の素子３１をアレー動作させることができる。
【００２０】
本実施の形態では、給電素子１１の指向特性には広がりがあるので、給電素子１１と第１の無給電素子層２０の素子２１との電磁界的な結合を十分とりつつ、給電素子１１との対向領域よりも広い領域２１Ｓに４個の素子２１を配置することができる。同様に、第１の無給電素子層２０の素子２１の指向特性には広がりがあるので、第１の無給電素子層２０の素子２１と第２の無給電素子層３０の素子３１との電磁界的な結合を十分とりつつ、素子２１の形成領域２１Ｓよりも更に広い領域３１Ｓに４個の素子３１を配置することができる。
【００２１】
よって、直接的には給電素子１１との電磁界的結合が不十分となる広範囲の領域３１Ｓに配置された無給電素子３１であっても、その素子３１の層３０と給電素子１１の層１０との間に新たに無給電素子２１の層２０を介在させることにより、上記の領域３１Ｓに配置された無給電素子３１を間接的に給電素子１１と電磁界的に結合させることが可能となる。
無給電素子の形成領域が広いほど、最も外側の無給電素子同士の間隔が広くなるので、アレーアンテナの指向特性が鋭くなり、指向性利得が高まる。よって、第２の無給電素子層３０の素子形成領域３１Ｓを第１の無給電素子層２０の素子形成領域２１Ｓよりも広くすることにより、従来よりも指向性利得を高めることができる。
【００２２】
なお、第２の無給電素子層３０の素子３１には、無給電素子層２０と３０との間の電磁界を引き寄せる作用があるので、第２の無給電素子層３０の素子３１の配置を調整することにより、実効利得の低下を抑制することも可能である。
【００２３】
次に、本実施の形態に係るアンテナ装置の指向特性の一例を示す。図２は、指向特性の解析に用いたアンテナ装置の各部の寸法を示す図である。この図において、（ａ）はアンテナ装置を上側から見た透視図、（ｂ）はアンテナ装置を側方から見た透視図である。
【００２４】
給電素子層１０と地板４１との間の誘電体基板５１の厚さは０．１ｍｍ、給電素子層１０と第１の無給電素子層２０との間の誘電体基板５２の厚さは０．３ｍｍ、第１の無給電素子層２０と第２の無給電素子層３０との間の誘電体基板５３の厚さは０．２ｍｍである。誘電体基板５３の上には、第２の無給電素子層３０を保護する厚さ０．１ｍｍの誘電体基板５４が装荷されている。なお、誘電体基板５１〜５４には、比誘電率εr＝７．７の低温焼成セラミック基板が用いられているものとする。
また、給電素子１１は１．７ｍｍの方形パッチ、第１の無給電素子層２０の素子２１は１．８４ｍｍの方形パッチ、第２の無給電素子層３０の素子３１は１．８ｍｍの方形パッチである．第２の無給電素子層３０の素子間隔（図２（ａ）において横方向または縦方向に隣り合う２素子の中心間距離）は、０．３７λ0（λ0は自由空間における波長）である。
【００２５】
このようなアンテナ装置の指向特性をモーメント法により解析した。図３は、その解析結果を示すグラフである。横軸は放射角度（Angle）［ｄｅｇ］、縦軸は相対電力（Relative power）［ｄＢ］である。このグラフでは、第２の無給電素子層３０（2-layer）の放射を実線で示している。これに加えて、誘電体基板５３より上の層がなかった場合の第１の無給電素子層２０（1-layer）の放射を一点鎖線で、また誘電体基板５２より上の層がなかった場合の給電素子層１０（Normal）の放射を点線で示している。このグラフから、第２の無給電素子層３０を設けることにより指向特性が鋭くなると同時に、指向性利得が約３ｄＢ向上することがわかる。
なお、誘電体基板５１〜５４の厚さおよび材料（εr）、給電素子１１の形状および寸法、無給電素子２１，３１の形状、寸法、数および配置によりアンテナ装置の特性が変化するので、アンテナ装置はこれらをパラメータにして設計される。
【００２６】
本実施の形態では、無給電素子層を２層有する例を示したが、３層以上有するものであってもよい。無給電素子層を３層以上有する場合には、最下層の無給電素子が、給電素子１１と電磁界的な結合が十分得られる位置に配置され、それ以外の層の無給電素子が、それぞれの層の下層の無給電素子と電磁界的な結合が十分得られる位置に配置される。この場合も、各層の素子形成領域を、下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げ、最も外側の無給電素子同士の間隔を広げることができる。
また、無給電素子層を構成する各層がそれぞれ無給電素子を４個有する例を示したが、各層はそれぞれ無給電素子を２個以上有していればよい。なお、各層で素子数が異なっていてもよい。
【００２７】
また、図２には、放射素子１１および無給電素子２１，３１が方形パッチである例を示したが、パッチの形状は五角形などの多角形または円形であってもよい。さらに、給電素子１１と無給電素子２１、または無給電素子２１と無給電素子３１とがそれぞれの隅で対向する例を示したが、必ずしもそれぞれの隅で対向していなくてもよい。
以上のことは、これから説明する他の実施の形態でも同様に言えることである。
【００２８】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態では、第１の実施の形態で挙げたパラメータのうち無給電素子２１，３１の配置を調整することにより最大利得を得るアンテナ装置の構成法について説明する。図４は、このアンテナ装置の構成法に用いるパラメータを示す図である。この図において、（ａ）はアンテナ装置を上側から見た透視図、（ｂ）はアンテナ装置を側方から見た透視図である。説明の都合上、（ａ）には給電素子１１の中心を原点Ｏとするｘｙ座標を記載している。なお、図４では、図２に示した部材と同一部材に対しては、図２と同一符号で示している。
【００２９】
図４（ａ）に示すように、給電素子１１の中心Ｏから放射方向に、第１の無給電素子層２０の４個の素子２１および第２の無給電素子層３０の４個の素子３１が配置されているものとする。ここで、１つの無給電素子２１の中心の座標を（ｗ１，ｗ１）、１つの無給電素子３１の中心の座標を（ｗ２，ｗ２）とする。ただし、０＜ｗ１＜ｗ２である。
このｗ１およびｗ２をパラメータとして、アンテナ装置の指向特性をモーメント法により解析した。ここで、その他の条件は第１の実施の形態で説明した解析と同じとした。
【００３０】
図５は、その解析結果を示す図である。横軸はｗ２［×λ0］であり、縦軸はｗ１［×λ0］または最大利得（Absolute gain）［ｄＢｉ］である。最大利得の値とそのときのｗ２の値との関係を点線で示し、最大利得が得られるｗ２の値とそのときのｗ１の値との関係を実線で示している。
このグラフから、ｗ２がｗ１の略２倍のときに最大利得が得られると言える。よって、この関係を満たすように無給電素子２１，３１を配置することにより、アンテナ装置の指向性利得を高めることができる。
また、アンテナ装置の設計にかかるパラメータから無給電素子２１，３１の配置を削除することができる。これにより、パラメータの数が少なくなるので、目的の特性に応じたアンテナ装置を短時間で設計することができ、アンテナ装置の新規開発に要する設計コストを削減することができる。
【００３１】
本実施の形態では、無給電素子２１，３１の配置のパラメータとしてｗ１，ｗ２を用いた例を示したが、第１の無給電素子層２０の素子２１の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子１１の中心との距離ｄ１と、第２の無給電素子層３０の素子３１の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子の中心との距離ｄ２とを用いてもよい。この場合も同様に、ｄ２をｄ１の略２倍としてときにアンテナ装置の指向性利得を最大にすることができる。
【００３２】
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置は、第１の実施の形態に係るアンテナ装置において、無給電素子層の上層の素子数を下層の素子数より増やしたものである。図６は、このアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。この図では、図１に示した部材と同一部材に対しては、図１と同一符号で示している。図６に示すアンテナ装置では、下層である第１の無給電素子層２０は４個の無給電素子２１を有し、上層である第２の無給電素子層３０は１６個の無給電素子３１を有している。第１の実施の形態で説明したように、第２の無給電素子層３０では第１の無給電素子層２０よりも素子形成領域を広くとれるので、第２の無給電素子層３０の素子数を第１の無給電素子層２０の素子数より増やしても、第２の無給電素子層３０の素子３１を重ならないように配置することができる。そして、第２の無給電素子層３０の素子数を増やして素子間隔を短くすることにより、グレーティングローブの発生を抑えることができる。
【００３３】
本実施の形態では、給電素子１１へは給電線路１２を用いて給電しているものの、アレーアンテナの素子アンテナとして作用する第２の無給電素子層３０の素子３１へは、第１の無給電素子層２０の素子２１を介する電磁界的な結合により給電を行っている。電磁界的な結合による給電は給電線路を用いた給電よりも低損失であるので、多素子のアレーアンテナを構成する場合の実効利得の低下を抑制することができる。
【００３４】
本実施の形態でも、無給電素子層を３層以上にしてもよい。この場合も、各層の無給電素子の数を下層から上層へ行くにしたがって徐々に増やすことができる。
また、本実施の形態でも、第２の実施の形態と同様にしてアンテナ装置の指向性利得を最大にすることができる。ただし、指向特性に影響を与えるのは各層の最も外側の無給電素子であるから、一の層で最も外側の無給電素子の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子１１の中心との距離をｄ１とし、その上層で最も外側の無給電素子の中心から給電素子層１０に降ろした足と給電素子１１の中心との距離をｄ２とする。そして、ｄ２をｄ１の略２倍としたときに、アンテナ装置の指向性利得を最大にすることができる。
【００３５】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置は、給電素子１１をチップモジュールで構成したものである。図７は、このアンテナ装置の構成を示す図である。この図において、（ａ）は斜視透視図、（ｂ）は部分縦断面図である。なお、図７では、図１，図６に示した部材と同一部材に対しては、図１，図６と同一符号で示している。
【００３６】
このアンテナ装置では、チップモジュール１４が用いられている。このチップモジュール１４は、ＧａＡｓなど電子移動度が大きい材料からなる半導体基板上に、増幅回路や変復調回路などとともに、給電素子１１となるアンテナを一体形成したＭＭＩＣ（Monolithic Microwave Integrated Circuit）である。
誘電体基板５１およびその下面に形成された地板４１は一部が刳り抜かれ、キャビティ５１Ａが形成されている。このキャビティ５１Ａにチップモジュール１４の給電素子１１側を上にして配置することにより、無給電素子２１，３１が形成された誘電体基板５２，５３にチップモジュール１４が実装される。その結果、チップモジュール１４の半導体基板と誘電体基板５２，５３とが積層された構成となる。なお、チップモジュール１４が配置されたキャビティ５１Ａは、蓋４２により塞がれる。
【００３７】
このように、電子移動度が大きい半導体基板に形成されたＭＭＩＣを用いることにより、準ミリ波帯以上の周波数帯であっても高速な通信処理が可能となる。また、このアンテナ装置では、１個の給電素子１１で多数の無給電素子３１をアレー動作させることができるので、給電素子１１が形成される半導体基板の面積は無給電素子３１が形成される誘電体基板５３の面積よりも遙かに小さくてよい。よって、半導体基板の材料が高価であっても、半導体基板の製造コスト上昇を抑制することができる。よって、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化に要するコストを削減することができる。
【００３８】
なお、チップモジュール１４は、上記半導体基板上に増幅回路や変復調回路などを形成したＭＭＩＣのモジュールと、給電素子１１となるアンテナのモジュールとを組み合わせたものであってもよい。
また、図７では、第３の実施の形態に係るアンテナ装置の給電素子１１としてチップモジュール１４を用いる例を示したが、第１または第２の実施の形態に係るアンテナ装置にチップモジュール１４を用いてもよいことは言うまでもない。
【００３９】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態に係るアンテナ装置は、放射ビームの走査を可能にするものである。図８は、このアンテナ装置の第２の無給電素子層の構成を示す図である。なお、図８では、図６，図７に示した部材と同一部材に対しては、図６，図７と同一符号で示している。
【００４０】
誘電体基板５３の上面には、第２の無給電素子層３０を構成する無給電素子３１が格子配列されている。すべての無給電素子３１は接地されるとともに、それぞれインピーダンス可変デバイス３２の一端に接続されている。インピーダンス可変デバイス３２の他端には制御線３３を介して制御装置６１が接続されている。なお、制御装置６１は誘電体基板５３上に実装される必要はない。
インピーダンス可変デバイス３２は、制御装置６１より印加される制御信号によりインピーダンスが変化するデバイスである。インピーダンス可変デバイス３２としては、例えばｐｉｎダイオード、バラクタダイオード、バリキャップダイオード、トランジスタ回路またはＦＥＴ回路などを使用することができる。
【００４１】
インピーダンス可変デバイス３２のインピーダンスにより、無給電素子３１の共振周波数が変化し、励振位相が変化する。無給電素子３１は励振位相に応じた位相の放射をするので、それぞれの無給電素子３１による放射が等位相面を形成するようにインピーダンス可変デバイス３２のインピーダンスを制御することにより、この等位相面と直交する方向に放射ビームを形成することができる。また、インピーダンス可変デバイス３２のインピーダンスを変化させることにより、放射ビームを走査することができる。よって、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置で、フェーズドアレーアンテナを実現することができる。
【００４２】
なお、第２の無給電素子層３０の素子３１のすべてにインピーダンス可変デバイス３２を接続する例を説明したが、素子３１の少なくとも１個にインピーダンス可変デバイス３２を接続することによりフェーズドアレーアンテナを実現できる場合もある。
また、本実施の形態は、上述したいずれの実施の形態にも適用することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のアンテナ装置では、無給電素子層に、方形の無給電素子を少なくとも２素子有する層を少なくとも２層設け、無給電素子を方形の素子形成領域の端に配置し、無給電素子層のうちの一の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離と、無給電素子層のうちの一の層よりも上の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から給電素子層に降ろした足と給電素子の中心との距離とを、略１：２とする。よって、給電素子と無給電素子層最下層の無給電素子との間、および、無給電素子層の上層と下層の無給電素子同士の間の電磁界的な結合を十分とりつつ、無給電素子が形成される領域の面積を、下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることが可能となるとともに、最大利得を得ることができる。よって、従来より更に利得を向上させることができる。
【００４４】
また、無給電素子が形成される領域の面積を下層から上層へ行くにしたがって徐々に広げることにより、無給電素子の数を下層から上層へ行くにしたがって徐々に増やすことが可能になる。これにより、素子間隔が短くなるので、グレーティングローブの発生を抑制することができる。この際、最上層の無給電素子へは電磁界的な結合により給電が行われる。電磁界的な結合による給電は給電線路を用いた給電よりも低損失である。よって、給電線路をトーナメント状に分岐した給電回路を必要とした従来の多素子アレーアンテナよりも、線路損失による利得の低下を抑制することができる。
【００４６】
また、給電素子層が形成された半導体基板と、無給電素子層が形成された誘電体基板を積層して、アンテナ装置を構成する。このアンテナ装置では、１個の給電素子で複数の無給電素子をアレー動作させることができるので、給電素子層が形成される半導体基板の面積は無給電素子層が形成される誘電体基板の面積よりも小さくてよい。よって、準ミリ波帯以上の周波数帯での通信処理の高速化を図るため、給電素子層が形成される半導体基板を電子移動度が大きく高価な材料で形成しても、半導体基板の製造コスト上昇を抑制することができる。よって、準ミリ波帯以上の周波数帯で使用されるアンテナ装置において、通信処理の高速化に要するコストを削減することができる。
【００４７】
また、無給電素子に接続されたインピーダンス可変デバイスと、このインピーダンス可変デバイスのインピーダンス変化を制御する制御装置とを設ける。インピーダンス可変デバイスのインピーダンス変化を制御することにより、放射ビームを走査することができる。よって、アレー構成に無給電素子を用いるアンテナ装置で、フェーズドアレーアンテナを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。
【図２】 指向特性の解析に用いたアンテナ装置の各部の寸法を示す図である。
【図３】 指向特性の解析結果を示すグラフである。
【図４】 本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置の構成法に用いるパラメータを示す図である。
【図５】 最大利得の値とそのときのパラメータｗ１，ｗ２の値との関係を示す図である。
【図６】 本発明の第３の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視透視図である。
【図７】 本発明の第４の実施の形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。
【図８】 本発明の第５の実施の形態に係るアンテナ装置の第２の無給電素子層の構成を示す図である。
【図９】 無給電素子アレーを用いた従来のアンテナ装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…給電素子層、１１…給電素子、１２…給電線路、１４…チップモジュール、２０…第１の無給電素子層、２１，３１…無給電素子、３２…インピーダンス可変デバイス、３３…制御線、２１Ｓ，３１Ｓ…素子形成領域、３０…第２の無給電素子層、４１…地板、４２…蓋、５１〜５４…誘電体基板、５１Ａ…キャビティ、６１…制御装置。
Claims (5)
- 給電素子を有する給電素子層と、この給電素子層上に配置され、無給電素子を有する無給電素子層とを備えたアンテナ装置において、
前記無給電素子層は、方形の無給電素子を少なくとも２素子有する層を少なくとも２層有し、
前記無給電素子を方形の素子形成領域の端に配置し、
前記無給電素子層の最下層の無給電素子は、前記給電素子と電磁界的に結合することにより励振され、
前記無給電素子層の前記最下層を除く層の無給電素子は、その層の下層の無給電素子と電磁界的に結合することにより励振され、
前記無給電素子層のうちの一の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から前記給電素子層に降ろした足と前記給電素子の中心との距離と、前記無給電素子層のうちの前記一の層よりも上の層で最も外側に配置された無給電素子の中心から前記給電素子層に降ろした足と前記給電素子の中心との距離とは、略１：２である
ことを特徴とするアンテナ装置。 - 請求項１に記載されたアンテナ装置において、
前記無給電素子層を構成するそれぞれの層では、前記無給電素子が形成される領域の面積が下層から上層へ行くにしたがって広がっていることを特徴とするアンテナ装置。 - 請求項２に記載されたアンテナ装置において、
前記無給電素子層を構成するそれぞれの層では、前記無給電素子の数が下層から上層へ行くにしたがって増加することを特徴とするアンテナ装置。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載されたアンテナ装置において、
前記給電素子層が形成された半導体基板と、前記無給電素子層が形成された複数の誘電体基板とを備え、 前記半導体基板と前記誘電体基板とが積層されていることを特徴とするアンテナ装置。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載されたアンテナ装置において、
前記無給電素子の少なくとも１つに接続され、インピーダンスが変化するインピーダンス可変デバイスと、
このインピーダンス可変デバイスに接続され、前記インピーダンス可変デバイスのインピーダンス変化を制御する制御装置と
を備えたことを特徴とするアンテナ装置。
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