JP6690672B2 - パッチアンテナ及びこれを備えるアンテナモジュール - Google Patents

Description

本発明はパッチアンテナ及びこれを備えるアンテナモジュールに関し、特に、グランドパターンに設けられたスロットを介して給電を行うパッチアンテナ及びこれを備えるアンテナモジュールに関する。

グランドパターンに設けられたスロットを介して給電を行うタイプのパッチアンテナとしては、特許文献１に記載されたパッチアンテナが知られている。特許文献１に記載されたパッチアンテナは、放射導体と平行に配置された誘電体基板と、誘電体基板の上面に形成され、スロットを有するグランドパターンと、誘電体基板の下面に形成され、スロットを介して放射導体と電磁界結合するマイクロストリップ線路とを有している。

特開２００２−１１１３７６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたパッチアンテナは、アンテナ信号が供給されるフィードパターンがマイクロストリップ線路によって構成されているため、フィードパターンが誘電体基板の下面に露出した状態となる。このため、パッチアンテナの載置条件によってアンテナ特性が大きく変化してしまい、例えば、誘電体基板の下面側にフィルタ回路などを配置することは困難であった。

したがって、本発明は、載置条件にかかわらず所望のアンテナ特性を確保することが可能なパッチアンテナ及びこれを備えるアンテナモジュールを提供することを目的とする。

本発明によるパッチアンテナは、第１及び第２のグランドパターンに挟まれ、アンテナ信号が供給される第１のフィードパターンを有するフィード層と、第１のグランドパターンを介してフィード層に積層され、第１のフィードパターンと電磁界結合する放射導体を有するアンテナ層とを備え、第１のグランドパターンは、積層方向から見て、放射導体及び第１のフィードパターンと重なる第１のスロットを有することを特徴とする。

本発明によれば、放射導体と電磁界結合する第１のフィードパターンが２つのグランドパターンによって挟まれた、いわゆるストリップ線路を構成していることから、パッチアンテナの載置条件にかかわらず所望のアンテナ特性を確保することができる。したがって、本発明によるパッチアンテナにフィルタ回路を有する回路層を積層してアンテナモジュール１００を構成した場合であっても、フィルタ回路と第１のフィードパターンが第２のグランドパターンによって分離されることから、アンテナ特性が変化することがない。

本発明において、第１のフィードパターンと第１のグランドパターンの積層方向における距離は、第１のフィードパターンと第２のグランドパターンの積層方向における距離よりも近くても構わない。これによれば、第１のフィードパターンと放射導体を効率よく電磁界結合させることが可能となる。

本発明において、積層方向から見て第１のフィードパターンの全体が第２のグランドパターンに覆われていても構わない。これによれば、外部からの第１のフィードパターンへの影響を第２のグランドパターンによってより確実に遮断することが可能となる。

本発明において、フィード層は第２のフィードパターンをさらに有し、第１のグランドパターンは、積層方向から見て、放射導体及び第２のフィードパターンと重なる第２のスロットをさらに有するものであっても構わない。これによれば、例えば、第１のフィードパターンを用いて放射導体に水平偏波信号を給電し、第２のフィードパターンを用いて放射導体に垂直偏波信号を給電することができる。

本発明において、フィード層は、第１のフィードパターンが形成された第１の領域と第２のフィードパターンが形成された第２の領域の境界に沿って配列され、第１のグランドパターンと第２のグランドパターンを短絡する複数の第１のピラー導体をさらに有するものであっても構わない。これによれば、第１のフィードパターンと第２のグランドパターンの間のアイソレーション特性を向上させることが可能となる。

本発明において、第１のスロットは、積層方向から見て放射導体の第１の辺に沿って配置され、第２のスロットは、積層方向から見て放射導体の第１の辺と交差する第２の辺に沿って配置されていても構わない。これによれば、第１のフィードパターン及び第１のスリットからなる給電構造と、第２のフィードパターン及び第２のスリットからなる給電構造を対称形とすることができることから、第１及び第２のフィードパターンのインピーダンスを一致させることが可能となる。

本発明において、第１のスロットは、積層方向から見て放射導体の第１の辺に沿って配置され、第２のスロットは、積層方向から見て、放射導体の第１の辺と対向する第２の辺を横断するように配置されていても構わない。これによれば、第１のフィードパターンと第２のフィードパターンの距離を離しやすいため、第１のフィードパターンと第２のグランドパターンの間のアイソレーション特性を向上させることが可能となる。この場合、積層方向から見て、放射導体と第２のフィードパターンは重なりを有していなくても構わない。これによれば、第１のフィードパターンと第２のフィードパターンの距離をより離すことができることから、アイソレーション特性をより向上させることが可能となる。

本発明において、フィード層は、第１のフィードパターンの一端にアンテナ信号を供給する第２のピラー導体と、積層方向から見て第２のピラー導体の周囲に放射状に配置され、第１のグランドパターンと第２のグランドパターンを短絡する複数の第３のピラー導体をさらに有するものであっても構わない。これによれば、複数のフィードパターンが設けられている場合であっても、これらの間のアイソレーション特性を高めることが可能となる。

本発明において、アンテナ層は、積層方向から見て放射導体と重なる別の放射導体をさらに有するものであっても構わない。これによれば、より広帯域化することが可能となる。

本発明によるパッチアンテナは、放射導体、第１のフィードパターン及び第１のスリットからなる組がアレイ状に複数設けられているものであっても構わない。これによれば、いわゆるフェーズドアレイを構成することができる。

このように、本発明によれば、載置条件にかかわらず所望のアンテナ特性を確保することが可能なパッチアンテナ及びこれを備えるアンテナモジュールを提供することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるパッチアンテナ１の模式的な透視斜視図である。 図２は、パッチアンテナ１の模式的な透視平面図である。 図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。 図４は、アンテナモジュール１００の構成を説明するための模式図である。 図５は、複数のパッチアンテナ１をアレイ状にレイアウトしてなるパッチアンテナ１Ａの構成を説明するための略斜視図である。 図６は、本発明の第２の実施形態によるパッチアンテナ２の模式的な透視斜視図である。 図７は、パッチアンテナ２の模式的な透視平面図である。 図８は、本発明の第３の実施形態によるパッチアンテナ３の模式的な透視斜視図である。 図９は、パッチアンテナ３の模式的な透視平面図である。 図１０は、本発明の第４の実施形態によるパッチアンテナ４の模式的な透視斜視図である。 図１１は、パッチアンテナ４の模式的な透視平面図である。 図１２は、本発明の第５の実施形態によるパッチアンテナ５の模式的な透視平面図である。 図１３は、本発明の第６の実施形態によるパッチアンテナ６の略断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるパッチアンテナ１の模式的な透視斜視図である。また、図２はパッチアンテナ１の模式的な透視平面図であり、図３は図２に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。尚、図面の見やすさを考慮して、図３に示す断面はｚ方向に拡大されている。この点は、後述する図１３においても同様である。

本実施形態によるパッチアンテナ１は、ミリ波帯を利用して無線通信を行うことが可能なアンテナ装置であり、図１〜図３に示すように、上層に位置するアンテナ層１０と、下層に位置するフィード層２０とを備えている。アンテナ層１０は、誘電体層１２の内部又は表面に種々の導体パターンが形成された構成を有しており、フィード層２０は、誘電体層２４の内部又は表面に種々の導体パターンが形成された構成を有している。特に限定されるものではないが、誘電体層１２，２４の材料としてはＬＴＣＣなどのセラミック材料や樹脂材料を用いることができる。

アンテナ層１０は、放射導体１１を有する層である。放射導体１１は積層方向から見て（ｚ方向から見た平面視で）パッチアンテナ１の略中央部に設けられた矩形状の導体パターンである。放射導体１１は、他の導体パターンに接続されておらず、直流的にはフローティング状態である。アンテナ層１０の上面は開放されている一方、下面はグランドパターンＧ１で覆われている。グランドパターンＧ１は、後述するスロットＳＬ１などの一部を除いて、当該ｘｙ平面のほぼ全面に形成されており、これによりパッチアンテナの基準導体として機能する。

フィード層２０はアンテナ層１０の下層に位置し、アンテナ層１０側の表面にはグランドパターンＧ１が形成され、アンテナ層１０とは反対側の表面にはグランドパターンＧ２が形成されている。つまり、フィード層２０は、グランドパターンＧ１によってアンテナ層１０と分離され、グランドパターンＧ２によって外部と分離されている。グランドパターンＧ２は、後述する開口部Ｇ２ａなどの一部を除いて、当該ｘｙ平面のほぼ全面に形成されており、これにより外部に対する電磁気シールドとして機能する。また、グランドパターンＧ１とグランドパターンＧ２は、ｚ方向（積層方向）に延在する多数のピラー導体２１によって互いに短絡され、これによってグランド電位の安定化が図られている。

フィード層２０には、フィードパターンＦ１が設けられている。フィードパターンＦ１は、ｘ方向に延在する帯状の導体パターンであり、本実施形態においては、フィードパターンＦ１の大部分が放射導体１１と重なりを有している。フィードパターンＦ１の一端は、ピラー導体２２を介して、グランドパターンＧ２の開口部Ｇ２ａに設けられた外部端子２３に接続されている。フィードパターンＦ１は、グランドパターンＧ１，Ｇ２によって上下から挟まれていることから、いわゆるストリップ線路を構成する。ここで、フィードパターンＦ１は、グランドパターンＧ１側にオフセットして配置されており、これにより、フィードパターンＦ１とグランドパターンＧ１のｚ方向における距離は、フィードパターンＦ１とグランドパターンＧ２のｚ方向における距離よりも近い。

フィードパターンＦ１の先端部近傍は、ｚ方向から見て、グランドパターンＧ１に設けられたスロットＳＬ１と重なりを有している。スロットＳＬ１は、グランドパターンＧ１に設けられた切り欠き部であり、本実施形態においてはｙ方向を長手方向とする形状を有し、全体が放射導体１１と重なるよう、放射導体１１のｙ方向に延在する辺Ｅ１に沿って配置されている。

フィードパターンＦ１は、スロットＳＬ１を介して放射導体１１と電磁界結合する。これにより、外部端子２３及びピラー導体２２を介してフィードパターンＦ１に供給されたアンテナ信号は、スロットＳＬ１を介して放射導体１１に供給され、空間に放射される。このように、本実施形態においては、ピラー状の導体を用いて放射導体１１に直接給電するのではなく、スロットＳＬ１を介した電磁界結合によって給電していることから、アンテナ層１０の構成が非常にシンプルとなり、製造プロセスを簡素化することができる。

しかも、本実施形態によるパッチアンテナ１は、フィード層２０の下面がグランドパターンＧ２によって覆われていることから、フィード層２０の下部の状態によってアンテナ特性が変化することがない。このため、パッチアンテナ１の載置条件にかかわらず所望のアンテナ特性を確保することができる。このため、図４に示すように、フィード層２０の下部にフィルタ回路を有する回路層３０を設けることによって、回路層３０とアンテナ層１０でフィード層２０を挟み込む構成とした場合であっても、回路層３０とフィード層２０は、両者間に配置されたグランドパターンＧ２によって分離されることから、回路層３０の存在によってアンテナ特性が変化することがない。

図５は、複数のパッチアンテナ１をアレイ状にレイアウトしてなるパッチアンテナ１Ａの構成を説明するための略斜視図である。図５に示す例では、９個のパッチアンテナ１Ａがｘｙ平面にアレイ状にレイアウトされている。このように、複数のパッチアンテナ１をアレイ状にレイアウトすれば、いわゆるフェーズドアレイを構成することができ、ビームの方向を任意に変化させることが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図６は、本発明の第２の実施形態によるパッチアンテナ２の模式的な透視斜視図である。また、図７はパッチアンテナ２の模式的な透視平面図である。

図６及び図７に示すように、第２の実施形態によるパッチアンテナ２は、グランドパターンＧ１にスロットＳＬ２が設けられているとともに、フィード層２０にフィードパターンＦ２及びピラー導体２５，２６が設けられている点において、第１の実施形態によるパッチアンテナ１と相違している。フィードパターンＦ２の一端は、ピラー導体２５を介して、グランドパターンＧ２の開口部Ｇ２ｂに設けられた別の外部端子に接続されている。その他の構成は、第１の実施形態によるパッチアンテナ１と基本的に同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

フィードパターンＦ２は、ｙ方向に延在する帯状の導体パターンであり、本実施形態においては、フィードパターンＦ２の大部分が放射導体１１と重なりを有している。フィードパターンＦ２は、グランドパターンＧ１，Ｇ２によって上下から挟まれていることから、いわゆるストリップ線路を構成する。

フィードパターンＦ２の先端部近傍は、ｚ方向から見て、グランドパターンＧ１に設けられたスロットＳＬ２と重なりを有している。スロットＳＬ２は、グランドパターンＧ１に設けられた切り欠き部であり、本実施形態においてはｘ方向を長手方向とする形状を有し、全体が放射導体１１と重なるよう、放射導体１１のｘ方向に延在する辺Ｅ２に沿って配置されている。

フィードパターンＦ２は、スロットＳＬ２を介して放射導体１１と電磁界結合する。これにより、ピラー導体２５を介してフィードパターンＦ２に供給されたアンテナ信号は、スロットＳＬ２を介して放射導体１１に供給され、空間に放射される。このように、本実施形態によるパッチアンテナ２は、放射導体１１と電磁界結合する２つのフィードパターンＦ１，Ｆ２を備えており、且つ、これら２つのフィードパターンＦ１，Ｆ２が放射導体１１の互いに直交する辺Ｅ１，Ｅ２に沿って設けられていることから、２偏波アンテナとして機能する。例えば、フィードパターンＦ１を用いて放射導体１１に水平偏波信号を給電し、フィードパターンＦ２を用いて放射導体１１に垂直偏波信号を給電することができる。しかも、フィードパターンＦ１とフィードパターンＦ２は、給電位置が互いに９０°異なるのみであり、その他の構成は互いに一致していることから、フィードパターンＦ１，Ｆ２のインピーダンスが一致する。これにより、水平偏波信号と垂直偏波信号のバランスを容易に保つことができる。

また、本実施形態においては、グランドパターンＧ１とグランドパターンＧ２を短絡する複数のピラー導体２６がフィード層２０に設けられている。ピラー導体２６は、フィードパターンＦ１が形成された第１の領域Ａ１とフィードパターンＦ２が形成された第２の領域Ａ２の境界Ｂに沿って配列されている。このようなピラー導体２６を境界Ｂに沿って配置することにより、フィードパターンＦ１とフィードパターンＦ２のアイソレーション特性を高めることができる。しかも、境界Ｂが平面視で放射導体１１に対して４５°の傾きを有していることから、境界Ｂによって分離される第１の領域Ａ１と第２の領域Ａ２のパターン形状を一致させることができる。このため、フィードパターンＦ１及びこれに関連する部分のレイアウトと、フィードパターンＦ２及びこれに関連する部分のレイアウトを別個に設計する必要がなく、パターン設計が容易となる。

＜第３の実施形態＞
図８は、本発明の第３の実施形態によるパッチアンテナ３の模式的な透視斜視図である。また、図９はパッチアンテナ３の模式的な透視平面図である。

図８及び図９に示すように、第３の実施形態によるパッチアンテナ３は、フィードパターンＦ２、スロットＳＬ２及びこれらに関連する要素の位置が第２の実施形態によるパッチアンテナ２と相違している。その他の構成は、第２の実施形態によるパッチアンテナ２と基本的に同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、フィードパターンＦ２の全体が放射導体１１と重なりを有しており、放射導体１１のｙ方向に延在する辺Ｅ３に沿って配置されている。辺Ｅ３は、辺Ｅ１と対向する辺である。また、スロットＳＬ２は、長手方向がｘ方向であり、放射導体１１の辺Ｅ３を横断するよう配置されている。本実施形態においては、フィードパターンＦ１が形成された第１の領域Ａ１とフィードパターンＦ２が形成された第２の領域Ａ２の境界Ｂがｙ方向に延在しており、この境界Ｂに沿って複数のピラー導体２６が配列されている。

これにより、本実施形態によるパッチアンテナ３は、第２のパッチアンテナ２と同様、２偏波アンテナとして機能する。例えば、フィードパターンＦ１を用いて放射導体１１に水平偏波信号を給電し、フィードパターンＦ２を用いて放射導体１１に垂直偏波信号を給電することができる。しかも、本実施形態によるパッチアンテナ３は、フィードパターンＦ１とフィードパターンＦ２の距離をより離すことができることから、第２のパッチアンテナ２に比べて高いアイソレーション特性を得ることが可能となる。

＜第４の実施形態＞
図１０は、本発明の第４の実施形態によるパッチアンテナ４の模式的な透視斜視図である。また、図１１はパッチアンテナ４の模式的な透視平面図である。

図１０及び図１１に示すように、第４の実施形態によるパッチアンテナ４は、フィード層２０に複数のピラー導体２７〜２９が追加されている点において、第３の実施形態によるパッチアンテナ３と相違している。その他の構成は、第３の実施形態によるパッチアンテナ３と基本的に同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

ピラー導体２７〜２９は、いずれもグランドパターンＧ１とグランドパターンＧ２を短絡するものである。このうち、ピラー導体２７は、積層方向から見てピラー導体２２の周囲に放射状に配置され、ピラー導体２８は、積層方向から見てピラー導体２５の周囲に放射状に配置されている。また、ピラー導体２９は、ピラー導体２８と対称となる位置に配置されている。ピラー導体２７は、フィードパターンＦ１に対応するピラー導体２２の近傍のグランドレベルを安定化させる役割を果たし、ピラー導体２８は、フィードパターンＦ２に対応するピラー導体２５の近傍のグランドレベルを安定化させる役割を果たす。

ピラー導体２８は、ピラー導体２５の近傍のグランドレベルを安定化させ、反射特性を向上させる効果をもたらす一方、ピラー導体２８を設けることによって仮想線Ｃを軸としたｙ方向の対称性が低下すると、アイソレーション特性が低下する。これは、電磁界の強度分布が非対称であると、２つ偏波の直交性が低下するからである。仮想線Ｃとは、パッチアンテナ４のｙ方向における中心に沿ってｘ方向に延在する線である。しかしながら、本実施形態においては、仮想線Ｃを軸としてピラー導体２８と対称となる位置にピラー導体２９を配置していることから対称性が向上し、その結果、反射特性だけでなく、フィードパターンＦ１とフィードパターンＦ２の間のアイソレーション特性を高めることが可能となる。このように本実施形態においては、仮想線Ｃを軸として、グランドパターンＧ１，Ｇ２、スロットＳＬ１，ＳＬ２、ピラー導体２１，２５〜２９が対称形であり、これにより高いアイソレーション特性を実現している。

＜第５の実施形態＞
図１２は、本発明の第５の実施形態によるパッチアンテナ５の模式的な透視平面図である。

図１２に示すように、第５の実施形態によるパッチアンテナ５は、スロットＳＬ２、フィードパターンＦ２及びこれらに関連する要素の位置がｘ方向にシフトしている点において、第３の実施形態によるパッチアンテナ３と相違している。その他の構成は、第３の実施形態によるパッチアンテナ３と基本的に同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施形態においては、積層方向から見て、フィードパターンＦ２が放射導体１１と重なりを有していない。これにより、フィードパターンＦ１とフィードパターンＦ２の距離がよりいっそう離れることから、第３のパッチアンテナ３に比べてよりいっそう高いアイソレーション特性を得ることが可能となる。

＜第６の実施形態＞
図１３は、本発明の第６の実施形態によるパッチアンテナ６の略断面図である。

図１３に示すように、第６の実施形態によるパッチアンテナ６は、アンテナ層１０に別の放射導体１３が追加されている点において、第１の実施形態によるパッチアンテナ１と相違している。その他の構成は、第１の実施形態によるパッチアンテナ１と基本的に同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

放射導体１３は、放射導体１１と重なるよう、放射導体１３の下部に設けられた矩形状の導体パターンである。放射導体１３は、他の導体パターンに接続されておらず、直流的にはフローティング状態である。このように、アンテナ層１０に複数の放射導体１１，１３を形成すれば、アンテナ帯域をより拡大することが可能となる。図１３に示す例では、放射導体１１よりも放射導体１３のサイズが僅かに大きいが、放射導体１１，１３のサイズ、両者間の距離などは、要求されるアンテナ特性に応じて適宜調整すれば良い。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

１，１Ａ，２〜６ パッチアンテナ
１０ アンテナ層
１１，１３ 放射導体
１２ 誘電体層
２０ フィード層
２１，２２ ピラー導体
２３ 外部端子
２４ 誘電体層
２５〜２９ ピラー導体
３０ 回路層
１００ アンテナモジュール
Ａ１ 第１の領域
Ａ２ 第２の領域
Ｂ 境界
Ｃ 仮想線
Ｅ１〜Ｅ３ 放射導体の辺
Ｆ１，Ｆ２ フィードパターン
Ｇ１，Ｇ２ グランドパターン
Ｇ２ａ，Ｇ２ｂ 開口部
ＳＬ１，ＳＬ２ スロット

Claims (9)

1. 第１及び第２のグランドパターンに挟まれ、アンテナ信号が供給される第１及び第２のフィードパターンを有するフィード層と、
   前記第１のグランドパターンを介して前記フィード層に積層され、前記第１及び第２のフィードパターンと電磁界結合する放射導体を有するアンテナ層と、を備え、
   前記第１のグランドパターンは、積層方向から見て、前記放射導体及び前記第１のフィードパターンと重なる第１のスロットと、前記積層方向から見て、前記放射導体及び前記第２のフィードパターンと重なる第２のスロットを有し、
   前記第１のスロットは、前記積層方向から見て、前記放射導体の第１の辺に沿って配置され、
   前記第２のスロットは、前記積層方向から見て、前記放射導体の前記第１の辺と対向する第２の辺を横断するように配置されていることを特徴とするパッチアンテナ。
2. 前記積層方向から見て、前記放射導体と前記第２のフィードパターンが重なりを有していないことを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
3. 前記第１のフィードパターンと前記第１のグランドパターンの前記積層方向における距離は、前記第１のフィードパターンと前記第２のグランドパターンの前記積層方向における距離よりも近いことを特徴とする請求項１又は２に記載のパッチアンテナ。
4. 前記積層方向から見て、前記第１のフィードパターンの全体が前記第２のグランドパターンに覆われていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
5. 前記フィード層は、前記第１のフィードパターンが形成された第１の領域と前記第２のフィードパターンが形成された第２の領域の境界に沿って配列され、前記第１のグランドパターンと前記第２のグランドパターンを短絡する複数の第１のピラー導体をさらに有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
6. 前記フィード層は、前記第１のフィードパターンの一端に前記アンテナ信号を供給する第２のピラー導体と、前記積層方向から見て前記第２のピラー導体の周囲に放射状に配置され、前記第１のグランドパターンと前記第２のグランドパターンを短絡する複数の第３のピラー導体をさらに有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
7. 前記アンテナ層は、積層方向から見て前記放射導体と重なる別の放射導体をさらに有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
8. 前記放射導体、第１のフィードパターン及び第１のスリットからなる組がアレイ状に複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のパッチアンテナ。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載のパッチアンテナと、
   前記フィード層を介して前記アンテナ層に積層され、フィルタ回路を有する回路層と、を備えることを特徴とするアンテナモジュール。

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