JP6195080B2 - アンテナ装置 - Google Patents

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Description

本開示は、アンテナ装置に関する。
従来のアンテナ装置として、図14(A)〜(C)に示すスロットアンテナが知られている(例えば、特許文献1参照)。図14(A)〜(C)は、従来のスロットアンテナにおける誘電体基板、導体層、及び反射板を示す斜視図である。
このスロットアンテナには、誘電体基板201の表面にマイクロストリップ線路202がされ、誘電体基板201の裏面に導体層203が配置されている。また、導体層203に複数のスロット204a〜204dが形成されている。この複数のスロット204a〜204dは、マイクロストリップ線路202を介して給電されることによって、誘電体基板201の水平方向(−X方向)への放射を実現している。また、複数のスロット204a〜204dに、しぼり加工部206を設けたキャビティ付き反射板205を配置することによって、FB比(Front Back Ratio)が良好なアンテナ性能を実現している。
日本国特開2001−094340号公報
特許文献1の技術では、アンテナの指向性を基板の水平方向からチルトさせることは困難であった。
本開示は、上記事情に鑑みてながされたものであって、アンテナの指向性を好適にチルトできるアンテナ装置を提供する。
本開示のアンテナ装置は、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面に配置された導体板と、給電線から給電され、使用周波数の略1/2波長の電気長を有し、前記導体板に形成された第1スロット素子と、前記第1スロット素子より長い電気長を有し、前記第1スロット素子から電気長略1/4波長の間隔を隔てて、前記第1スロット素子と略平行に前記導体板に形成された第2スロット素子と、前記導体板から所定の間隔を隔てて、前記導体板と略平行に配置された地導体と、を備え、前記導体板の1辺の長さは、当該アンテナ装置の使用周波数の1.47波長以上1.8波長以下の電気長を有する
本開示によれば、アンテナの指向性を好適にチルトできる。
実施形態におけるアンテナ装置の構造例を示す分解斜視図 (A)〜(D)実施形態における多層基板の各層におけるパターン構成例を示す平面図 実施形態におけるアンテナ装置の構造例を示すA−A断面図 (A)実施形態におけるアンテナ放射パターンの解析結果(垂直(XZ)面指向性)の一例を示す模式図、(B)実施形態におけるアンテナ放射パターンの解析結果(円錐面指向性(θ=58度))の一例を示す模式図 実施形態における長さL1とチルト角θとの関係の一例を示す模式図 実施形態における長さL1と利得(最大値により規格化)との関係の一例を示す模式図 (A)実施形態におけるL1=1.40λgの場合のアンテナ放射パターンの解析結果(垂直(XZ)面指向性)の一例を示す模式図、(B)実施形態におけるL1=1.80λgの場合のアンテナ放射パターンの解析結果(垂直(XZ)面指向性)の一例を示す模式図 (A)実施形態におけるアンテナ装置の電流分布特性(L1=1.40λg)の一例を示す模式図、(B)実施形態におけるアンテナ装置の電流分布特性(L1=1.51λg)の一例を示す模式図、(C)実施形態におけるアンテナ装置の電流分布特性(L1=1.80λg)の一例を示す模式図 実施形態における長さdx2とチルト角θとの関係の一例を示す模式図 実施形態におけるdx2=1.40λg,1.80λgの場合のアンテナ放射パターンの解析結果(垂直(XZ)面指向性)の一例を示す模式図 実施形態における長さdx1とサイドローブレベルとの関係の一例を示す模式図 実施形態におけるdx1=1.75λ,1.83λの場合のアンテナ放射パターンの解析結果(垂直(XZ)面指向性)の一例を示す模式図 実施形態における円錐面指向性を説明するための模式図 (A)〜(C)従来のスロットアンテナにおける誘電体基板、導体層、及び反射板を示す斜視図 携帯端末にアンテナ装置が搭載された場合に想定されるユースケースの一例を示す模式図 実施形態における通信の用途に適用されるアンテナ装置の構造例を示す分解斜視図
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。
(本開示の一形態を得るに至った経緯)
アンテナ装置を携帯端末に搭載する場合、例えば、図15に示すユースケースが想定される。図15では、携帯端末301を把持するユーザ302が、携帯端末を用いて例えばテレビ装置303に対して制御信号を送信する。この場合、携帯端末内の基板面方向304(基板面と平行な方向)から所定の角度チルト(傾斜)された方向305に指向性を有すると、ユーザの利便性が向上する。
以下の実施形態では、アンテナの指向性を好適にチルトできるアンテナ装置について説明する。
(実施形態)
本実施形態のアンテナ装置は、例えば、ミリ波帯域の高周波(例えば60GHz)の無線通信回路に用いられ、各種電子部品(例えばアンテナ、半導体チップ)を搭載する。アンテナ装置は、例えばスロットアンテナとして動作する。
図1は、実施形態におけるアンテナ装置110の構成例を示す分解斜視図である。図2(A)〜(D)は、アンテナ装置110の各層におけるパターン構成例を示す平面図である。図3は、図1に示すアンテナ装置110の構成例を示すA−A断面図である。図3では、各基板を組み合わせた状態を示している。
アンテナ装置110は、第1誘電体基板100、第2誘電体基板101、第3誘電体基板102、地導体103、パターン104、放射素子105、反射素子106、及び給電線107、を備える。つまり、アンテナ装置110は、多層基板を有する。また、パターン104の形状は、例えば平面視において略正方形の形状を有し、金属導体(例えば銅箔)によって構成される。
第1誘電体基板100、第2誘電体基板101、第3誘電体基板102は、比誘電率εr(例えば3.6)の基板である。また、第1誘電体基板100、第2誘電体基板101、及び第3誘電体基板102は、各々略平行に配置される。
図1では、第1誘電体基板100の厚みは、t12(例えば0.02λ)である。第2誘電体基板101の厚みは、t23(例えば0.03λ)である。第3誘電体基板102の厚みは、t34(例えば0.02λ)である。なお、「λ」は、アンテナ装置110の使用周波数に対応する自由空間波長を示す。
本実施形態では、第1誘電体基板100の一面側(+Z側)を第1層(L1層)と称し、第2誘電体基板101の一面側(+Z側)を第2層(L2層)と称する。また、第3誘電体基板102の一面側(+Z側)を第3層(L3層)と称し、第3誘電体基板102の他面側(−Z側)を第4層(L4層)と称する。
図1では、L1層に形成される銅箔パターンの厚みは、t1である。また、L2層に形成される銅箔パターンの厚みはt2である。また、L3層に形成される銅箔パターンの厚みはt3である。また、L4層に形成される銅箔パターンはt4である。銅箔パターンの厚みt1〜t4は、例えば0.004λである。
L1層では、第1誘電体基板100の一面側(+Z側)に、銅箔パターンにより形成された例えば略正方形のパターン104が配置される。パターン104には、スロット型にパターン104の一部が切削されて形成された放射素子105及び反射素子106が設けられる。放射素子105は、第1スロット素子の一例である。反射素子106は、第2スロット素子の一例である。
放射素子105と反射素子106とは、L1層において略平行に配置されている。また、反射素子106の方が放射素子105よりも長手方向(図1ではY方向)において長い。なお、反射素子106は、放射素子105に対して、所望のアンテナ放射方向(指向性を有する方向)とは反対側(図1では−X側)に配置される。このように、誘電体基板上の導体パターンによりスロットアンテナが形成されている。
放射素子105は、電波を放射する放射器として動作するため、スロット長(図1では放射素子105の長手方向長さ)L2が、略1/2λgに設定される。「λg」は、アンテナ装置110の使用周波数に対応する、基板内の波長短縮効果を考慮した波長を示す。
反射素子106は、反射器として動作するため、放射素子105と反射素子106との間隔dが略1/4λgに設定される。この間隔dが略1/4λgに設定されることで、アンテナの指向性を基板の水平方向(XY方向)又は垂直方向(Z方向)からチルトできる。また、反射素子106のスロット長(図1では反射素子106の長手方向長さ)L3は、放射素子105のスロット長L2より長く、放射素子105に平行する略正方形のパターン104の1辺の長さL1より短く設定される。
放射素子105から第1誘電体基板100における反射素子106側(−X側)の端辺までの長さは、dx1(例えば1.15λg)である。放射素子105から第1誘電体基板100における放射方向(+X側)の端辺までの長さは、dx2(例えば2.89λg)である。
L2層では、第2誘電体基板101の一面側(+Z側)に、給電線107が設けられる。給電線107は、放射素子105と電磁界的に結合するよう、XY平面の平面視において放射素子105と略直交する位置に配置される。
また、給電線107は、L2層からL3層のスルーホール108を介してL4層に延びており、給電部109に接続される。給電部109は、例えば図示しない外部の基板(例えばマザーボード)に配設されている。
このように、放射素子105は給電素子であり、反射素子106は無給電素子である。よって、給電線107は、図14(B)に示すように複数の放射素子に給電する必要が無く、放射素子105への給電を可能とする長さしか必要としないため、L2層における給電線107の長さを短縮化でき、給電線107による信号損失を抑制できる。
L3層では、第3誘電体基板102の一面側(+Z側)に、地導体103が配置される。地導体103は、第1誘電体基板100に配置されたパターン104と略平行に配置される。
L4層では、第3誘電体基板102の他面側(−Z側)に、電子部品が搭載されてもよい。L4層に電子部品(例えば半導体チップ)が搭載された場合、電子部品とアンテナとしての放射素子105又は反射素子106との間に地導体103が配置される。これにより、電子部品側もアンテナ側も相互に電気的に干渉することを防止でき、アンテナ装置110の信頼性が向上する。
第3誘電体基板102の他面側(−Z側)は、電子部品が実装される第2誘電体基板101の他方の面の一例である。
次に、アンテナ装置110のアンテナ放射パターンの解析例について説明する。
図4(A),(B)は、アンテナ装置110が先に例示した寸法に設計された場合に、有限積分法にて解析したアンテナ放射パターンの解析結果の一例を示す模式図である。図4(A),(B)の放射パターンは、主偏波である基板に対して垂直方向の偏波(Eθ成分)のみの放射パターンを記載している。
図4(A)は、基板垂直面(XZ面)の指向性を示す放射パターンを示している。図4(A)を参照すると、+Z方向を仰角(チルト角)θ=0度とした場合、θ=略58度であり、+Z方向から基板水平方向(XY方向)へチルトされていることを確認できる。
また、図4(B)は、円錐面指向性を示す放射パターンを示している。この円錐面指向性は、図13に示すように、ビームチルト方向(θ=58度)における基板水平方向(XY方向)に平行な面140における指向性を示す。図4(B)を参照すると、放射素子105から放射された電波は、基板水平方向(XY方向)において+X方向の成分を主に有していることが確認できる。
次に、長さL1を変化させた場合のアンテナ性能の変化例について説明する。
図5は、パターン104の1辺の長さL1を変化させた場合のチルト角の変化例を示す模式図である。図6は、パターン104の1辺の長さL1を変化させた場合の利得の変化例を示す模式図である。なお、図6の縦軸では、計測対象の利得を最大利得により除算することにより規格化しており、利得の相対値を示している。
図5を参照すると、長さL1が1.47λg以上1.8λg以下の範囲において、比較的大きな所定のチルト角(例えば50度〜60度)となることが確認できる。
また、図6を参照すると、L1=約1.51λgの場合に最大利得となることが確認できる。
図7(A)は、パターン104の1辺の長さL1=1.4λgの場合の放射パターンの一例を示す模式図である。図7(B)は、パターン104の1辺の長さL1=1.8λgの場合の放射パターンの一例を示す模式図である。
図7(A)を参照すると、L1=1.4λgの場合には、利得の最大方向が+Z方向であり、+Z方向から指向性がチルトされていないことが確認できる。一方、図7(B)を参照すると、L1=1.8λgの場合には、利得の最大方向が+Z方向から+X方向へ傾いており、Z方向から指向性がチルトされていることが確認できる。
このように、長さL1を1.47λg以上1.8λg以下に設定されることで、所望のチルト角を高精度に得ることができる。
次に、アンテナ装置110における電流分布について説明する。
図8(A)〜(C)は、アンテナ装置110における電流分布の一例を示す模式図である。図8(A)はL1=1.40λgの場合の電流分布特性の一例を示す。図8(B)はL1=1.51λgの場合の電流分布特性の一例を示す。図8(C)はL1=1.80λgの場合の電流分布特性の一例を示す。図8(A)〜(C)では、給電点120から給電した場合の電流分布を示し、白い部分は相対的に電流が大きく、黒い部分は相対的に電流が小さいことを示している。給電点120は、給電線107に含まれる所定点に対応する。
図8(A)〜(C)を参照すると、放射素子105、反射素子106、及びパターン104の周端部の付近において、相対的に大きな電流が分布していることが確認できる。従って、アンテナ装置110の放射パターンは、放射素子105、反射素子106、及びパターン104の周端部付近から放射される電波が合成されることによって形成されることが確認できる。また、パターン104の1辺の長さL1が変化した場合、パターン104の周端部付近における電流の節の位置117〜119が変化するので、例えば図7(A),(B)のように、アンテナ装置110の放射パターンが変化する。
従って、長さL1を調整することで、チルト角θを角度に調整できる。例えば、図15に示した携帯端末にアンテナ装置110を搭載した場合を想定し、所望のチルト角θを50〜60度とする。この場合、長さL1が1.47λg以上1.8λg以下に設定されることで、所望のチルト角を高精度に得ることができる。
次に、長さdx2を変化させた場合のアンテナ性能の変化例について説明する。
図9は、放射素子105から第1誘電体基板100における放射方向(+X側)の端辺までの長さdx2とチルト角θとの関係の一例を示す模式図である。図10は、dx2=1.40λ,1.80λの場合の放射パターンの一例を示す模式図である。
図9を参照すると、長さdx2が長くなる程、チルト角が大きくなることが確認できる。また、長さdx2が1.8λgより小さくなると、チルト角は50度以下となる。
図10を参照すると、長さdx2が1.40λの場合よりも、長さdx2が1.80λの場合の方が、アンテナの指向性が+Z方向から+X方向へチルトされていることを確認できる。
このように、長さdx2を調整することで、チルト角θを調整できる。例えば、図15に示した携帯端末にアンテナ装置110を搭載した場合を想定し、所望のチルト角θを50〜60度とする。この場合、長さdx2が1.8λg以上に設定されることで、所望のチルト角を高精度に得ることができる。
次に、長さdx1を変化させた場合のアンテナ性能の変化例について説明する。
図11は、放射素子105から第1誘電体基板100における反射素子106側(−X側)の端辺までの長さdx1とサイドローブレベルとの関係の一例を示す模式図である。図12は、dx1=1.75λg,1.83λgの場合の放射パターンの一例を示す模式図である。
ここで、メインローブは、指向性が最も強い方向の電波の放射成分を示す。サイドローブは、指向性が2番目以降に強い方向の電波の放射成分を示す。
図11では、メインローブレベル(メインローブの放射レベル)からサイドローブ(サイドローブの放射レベル)との差をデシベル(DB)表記している。図12では、メインローブを符号125により示し、サイドローブを符号126により示している。
図11を参照すると、長さdx1が長くなる程、サイドローブレベル126が大きくなることが確認できる。長さdx1が1.75λg以下の場合、サイドローブレベルは約−10dBとなる。図11におけるサイドローブレベルが小さい程、メインローブ125方向の利得が大きくなる。
図12では、長さdx2=1.75λg、1.83λgの場合における放射パターンを示す。図12を参照すると、長さdx2=1.83λgの場合に比べて1.75λgの場合のサイドローブが抑制されていること確認できる。
このように、長さdx1を調整することで、サイドローブレベルを調整できる。
アンテナ装置110によれば、アンテナの指向性を好適にチルトできる。また、例えば、基板垂直方向(Z方向)よりも基板水平方向(XY方向)に近いビームチルト(例えばチルト角50度〜60度)を実現できる。
また、放射素子105への電磁界的な結合により給電するので、給電線107を短くできる。従って、給電線107における伝送損失を低減でき、アンテナ性能を向上できる。更に、導体線路の長さによる影響は、高周波通信である程受けやすい。よって、アンテナ装置110をミリ波通信に適用することで、損失の少ない高周波通信を実現できる。
また、−Z方向への電波の放射を防止するために反射板として機能する地導体103を、多層基板内に設けることができる。従って、誘電体基板以外に別部材として反射板205(図14(C)参照)を設ける必要がなく、アンテナ装置110の構成が簡素化できる。
また、L4層に電子部品(例えばチップ部品、IC(Integrated Circuit))を実装することで、アンテナと電子部品との間にグランドとして機能する地導体103が配置される。これにより、アンテナと電子部品との電気的干渉を抑制することができる。従って、電気的な特性を良好に保ち、容易にモジュール化できる。
また、アンテナ装置110は、送信装置側ではなく、受信装置側に搭載されてもよい。
なお、本開示は、上記実施形態の構成に限られるものではなく、特許請求の範囲で示した機能、または本実施形態の構成が持つ機能が達成できる構成であればどのようなものであっても適用可能である。
例えば、上記実施形態では、パターン104において、放射素子105、反射素子106が形成されることを説明したが、更に導波素子が形成されてもよい。導波素子は、第3スロット素子の一例である。
導波素子は、放射素子105、反射素子106と同様に、スロット型にパターン104から切削されて形成される。また、導波素子は、放射素子105と略平行に、放射素子105から反射素子106と反対側(図1では+X側)に、放射素子105から所定の距離(例えば略1/4λg)隔てて配置される。また、導波素子の電気長は、放射素子105の電気長より短く形成される。また、反射素子106及び導波素子は、複数形成されてもよい。
導波素子を備えることで、基板水平方向(XY平面)における指向性を更に良好にできる。
本実施形態のアンテナ装置を、通信(送信及び受信を含む)の用途に適用した場合の構成例を図16に示す。図16では、図1と同部材によって構成される部分に対して、同じ番号を付している。第1の誘電体基板100に、送信用スロットアンテナ300と受信用スロットアンテナ400とが配置される。
送信用スロットアンテナ300は、放射素子105及び反射素子106が設けられたパターン104を含む。受信用スロットアンテナ400は、放射素子501及び反射素子502が設けられたパターン503を含む。受信用スロットアンテナ400の構成は、送信用スロットアンテナ300と同様の構成である。
送信用スロットアンテナ300は、給電線107を介して、送信機506に接続される。受信用スロットアンテナ400は、給電線504を介して、受信機507に接続される。
尚、図16では、送信用スロットアンテナ300と受信用スロットアンテナ400とが同じ形状であることを例示したが、必ずしも同形状にする必要は無い。
(本開示の一態様の概要)
本開示の第1のアンテナ装置は、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の一方の面に配置された導体板と、
給電線から給電され、使用周波数の略1/2波長の電気長を有し、前記導体板に形成された第1スロット素子と、
前記第1スロット素子より長い電気長を有し、前記第1スロット素子から電気長略1/4波長の間隔を隔てて、前記第1スロット素子と略平行に前記導体板に形成された第2スロット素子と、
前記導体板から所定の間隔を隔てて、前記導体板と略平行に配置された地導体と、
を備える。
また、本開示の第2のアンテナ装置は、第1のアンテナ装置であって、
前記給電線を備え、
前記給電線は、前記第1スロット素子と前記地導体との間に配置され、前記第1スロット素子に対して電磁界的に結合されて給電する。
また、本開示の第3のアンテナ装置は、第1または第2のアンテナ装置であって、
前記第1スロット素子より短い電気長を有し、前記第1スロット素子から前記第2スロット素子側とは反対側において所定の間隔を隔てて、前記第1スロット素子と略平行に前記導体板に形成された第3スロット素子と、を備える。
また、本開示の第4のアンテナ装置は、第1ないし第3のいずれか1つのアンテナ装置であって、
前記誘電体基板は、多層基板であり、
第1誘電体基板の一方の面に、前記導体板が配置され、
前記第1誘電体基板の他方の面側に配置された第2誘電体基板の一方の面に、前記地導体が配置され、
前記第2誘電体基板の他方の面に、電子部品が実装される。
また、本開示の第5のアンテナ装置は、第1ないし第4のいずれか1つのアンテナ装置であって、
前記導体板の1辺の長さは、当該アンテナ装置の使用周波数の1.47波長以上1.8波長以下の電気長を有する。
また、本開示の第6のアンテナ装置は、第1ないし第5のいずれか1つのアンテナ装置であって、
前記第1スロット素子は、前記第2スロット素子よりも前記第1スロット素子に近い前記地導体の端部から、当該アンテナ装置の使用周波数の1.8波長以上の電気長を隔てて配置されている。
また、本開示の第7のアンテナ装置は、第1または第2のアンテナ装置であって、
前記第2スロット素子は、前記第1スロット素子よりも前記第2スロット素子に近い前記地導体の端部から、当該アンテナ装置の使用周波数の1.75波長以下の電気長を隔てて配置されている。
本出願は、2012年12月28日出願の日本特許出願No.2012-289071に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本開示は、アンテナの指向性を基板の水平方向からチルトできるアンテナ装置等に有用である。
100 第1誘電体基板
101 第2誘電体基板
102 第3誘電体基板
103 地導体
104 パターン
105 放射素子
106 反射素子
107 給電線
108 スルーホール
109 給電部
110 アンテナ装置
117,118,119 電流の節の位置
120 給電点
300 送信用スロットアンテナ
400 受信用スロットアンテナ
501 放射素子
502 反射素子
503 パターン
504 給電線
505 スルーホール
506 送信機
507 受信機

Claims (6)

  1. アンテナ装置であって、
    誘電体基板と、
    前記誘電体基板の一方の面に配置された導体板と、
    給電線から給電され、使用周波数の略1/2波長の電気長を有し、前記導体板に形成された第1スロット素子と、
    前記第1スロット素子より長い電気長を有し、前記第1スロット素子から電気長略1/4波長の間隔を隔てて、前記第1スロット素子と略平行に前記導体板に形成された第2スロット素子と、
    前記導体板から所定の間隔を隔てて、前記導体板と略平行に配置された地導体と、
    を備え
    前記導体板の1辺の長さは、当該アンテナ装置の使用周波数の1.47波長以上1.8波長以下の電気長を有するアンテナ装置。
  2. アンテナ装置であって、
    誘電体基板と、
    前記誘電体基板の一方の面に配置された導体板と、
    給電線から給電され、使用周波数の略1/2波長の電気長を有し、前記導体板に形成された第1スロット素子と、
    前記第1スロット素子より長い電気長を有し、前記第1スロット素子から電気長略1/4波長の間隔を隔てて、前記第1スロット素子と略平行に前記導体板に形成された第2スロット素子と、
    前記導体板から所定の間隔を隔てて、前記導体板と略平行に配置された地導体と、
    を備え、
    前記第1スロット素子は、前記第2スロット素子よりも前記第1スロット素子に近い前記地導体の端部から、当該アンテナ装置の使用周波数の1.8波長以上の電気長を隔てて配置されたアンテナ装置。
  3. アンテナ装置であって、
    誘電体基板と、
    前記誘電体基板の一方の面に配置された導体板と、
    給電線から給電され、使用周波数の略1/2波長の電気長を有し、前記導体板に形成された第1スロット素子と、
    前記第1スロット素子より長い電気長を有し、前記第1スロット素子から電気長略1/4波長の間隔を隔てて、前記第1スロット素子と略平行に前記導体板に形成された第2スロット素子と、
    前記導体板から所定の間隔を隔てて、前記導体板と略平行に配置された地導体と、
    を備え、
    前記第2スロット素子は、前記第1スロット素子よりも前記第2スロット素子に近い前記地導体の端部から、当該アンテナ装置の使用周波数の1.75波長以下の電気長を隔てて配置されたアンテナ装置。
  4. 請求項1ないし3のいずれか1項に記載のアンテナ装置であって、更に、
    前記給電線を備え、
    前記給電線は、前記第1スロット素子と前記地導体との間に配置され、前記第1スロット素子に対して電磁界的に結合されて給電するアンテナ装置。
  5. 請求項1ないし4のいずれか1項に記載のアンテナ装置であって、更に、
    前記第1スロット素子より短い電気長を有し、前記第1スロット素子から前記第2スロット素子側とは反対側において所定の間隔を隔てて、前記第1スロット素子と略平行に前記導体板に形成された第3スロット素子と、を備えるアンテナ装置。
  6. 請求項1ないしのいずれか1項に記載のアンテナ装置であって、
    前記誘電体基板は、多層基板であり、
    第1誘電体基板の一方の面に、前記導体板が配置され、
    前記第1誘電体基板の他方の面側に配置された第2誘電体基板の一方の面に、前記地導体が配置され、
    前記第2誘電体基板の他方の面に、電子部品が実装されるアンテナ装置。
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