JP6867274B2 - アレイアンテナ基板および通信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、例えばマイクロ波、ミリ波等の高周波信号を送受信するアレイアンテナ基板、および通信モジュールに関するものである。

近年、無線ＰＡＮ（Personal Area Network）や車載レーダーなどに、マイクロ波また
はミリ波等の高周波信号を送受信するアンテナ素子が用いられるようになっている。このようなアンテナ素子としては、誘電体共振器アンテナが知られており、ゲインを向上させる目的で、このようなアンテナ素子が１つの誘電体基板に平面方向に複数配列されたアレイアンテナ基板が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２を参照。）。

特開平１１−２３９０１７号公報 特開２０１２−４４４８４号公報

特許文献２記載のアレイアンテナ基板は、アンテナ素子における帯状導体の幅寸法を送受信する高周波信号の自由空間波長の１／４以下とすることで、サイドローブの発生を抑え、小型のアレイ基板とするものである。

しかしながら、アレイアンテナ基板にはさらなる小型化およびゲインの向上などのアンテナ特性のさらなる向上が要求されている。

本開示のアレイアンテナ基板は、複数の誘電体層が積層されてなり、第１の面および第２の面を有する誘電体基板と、該誘電体基板の第１の面に設けられ、高周波信号を送信または受信するための開口を有する表面導体、長さ方向が第１の方向であるスロットを有する接地導体、および長さ方向が前記第１の方向と直交する第２の方向である給電線路導体が、この順で、間に前記誘電体層を挟んで互いに対向して配置されており、前記開口に沿って周状に所定の間隔を空けて設けられ、前記誘電体層を貫通している複数の貫通導体によって、前記表面導体と前記接地導体とが電気的に接続されているアンテナ素子領域と、該アンテナ素子領域が、前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方に複数個接して配列されているアレイ部と、を備えており、前記表面導体は、前記開口を第２の方向に挟んで位置する一対の帯状導体と、前記開口を第１の方向に挟んで位置しており、前記一対の帯状導体の近接する端部同士を接続する一対の接続導体とによって前記開口が規定されており、前記高周波信号の自由空間波長をλとしたとき、前記アンテナ素子領域の配列のピッチはλ／２であり、前記表面導体の前記開口は一辺の長さがλ／２未満の正方形状であり、前記アレイ部における前記第２の方向の両端に位置する前記帯状導体の前記第２方向の幅はλ／８〜３λ／８であり、前記アレイ部における前記第１の方向の両端に位置する前記接続導体の前記第１の方向の幅はλ／８以下である。

本開示の１つの態様のアレイアンテナ基板によれば、上記構成であることから、小型でアンテナ特性が向上したものとなる。

アレイアンテナ基板の一例を示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は平面図である。 図１に示すアレイアンテナ基板におけるＡ部の一部を分解して示す分解斜視図である。 アレイアンテナ基板の他の例を示し、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ部を拡大して示す平面図である。 （ａ）および（ｂ）はいずれもアレイアンテナ基板の他の例における要部を拡大して示す平面図である。 通信モジュールの一例を示し、（ａ）は第１の面側からの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、（ｃ）は第２の面側からの斜視図である。 図５の通信モジュールにおけるアレイアンテナ基板の一部を分解して示す分解斜視図である。 （ａ）および（ｂ）は、アレイアンテナ基板の一部を示す平面図である。 （ａ）は帯状導体の幅とゲインの関係を示すグラフであり、（ｂ）は帯状導体の幅とサイドローブの関係を示すグラフである。 （ａ）は接続導体の幅とゲインの関係を示すグラフであり、（ｂ）は接続導体の幅とサイドローブの関係を示すグラフである。

アレイアンテナ基板について、添付の図面を参照して説明する。各図面には、説明の便宜上、ｘｙｚ直交座標を付しており、以下、ｚ方向の正側を上方として上面等の語を用いて説明する場合がある。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際にアレイアンテナ基板が使用されるときの上下を限定するものではない。図１は本開示のアレイアンテナ基板の一例を示し、図１（ａ）は第１の面（上面）側からの斜視図であり、図１（ｂ）は平面図（上面図）である。図２は図１に示すアレイアンテナ基板におけるＡ部の一部（アンテナ素子領域）を分解して示す分解斜視図である。図３はアレイアンテナ基板の他の例を示し、（ａ）は第１の面（上面）側からの斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ部を拡大して示す平面図（上面図）である。図４（ａ）および図４（ｂ）はいずれもアレイアンテナ基板の他の例における要部を拡大して示す平面図（上面図）である。図５は通信モジュールの一例を示し、図５（ａ）は第１の面（上面）側からの斜視図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図であり、図５（ｃ）は第２の面（下面）側からの斜視図である。図６は図５の通信モジュールにおけるアレイアンテナ基板の一部を分解して示す、第１の面（上面）側からの分解斜視図である。図７（ａ）および図７（ｂ）は、アレイアンテナ基板の一部を示す平面図である。

アレイアンテナ基板１００は、図１、図３および図５に示す例のように、第１の面１１および第２の面１２を有する誘電体基板１に、複数のアンテナ素子領域１０１が配列されたものである。言い換えれば、アレイアンテナ基板１００は、複数のアンテナ素子領域１０１が複数個配列されているアレイ部１０２を備えている。誘電体基板１は、図５に示す例のように、複数の誘電体層１ａが積層されてなるものである。図５に示す例では、誘電体基板１は７層の誘電体層１ａを有している。

アンテナ素子領域１０１は、図１〜図６に示す例のように、誘電体基板１の第１の面１１に設けられ、高周波信号を送信または受信するための開口２ａを有する表面導体２、長さ方向が第１の方向であるスロット３ａを有する接地導体３、および長さ方向が第１の方向と直交する第２の方向である給電線路導体４を有している。第１の方向は送受信する高周波信号の磁界方向である。図１〜図６に示す例においては、第１の方向はｘ方向であり、第２の方向はｙ方向である。各アンテナ素子領域１０１において、表面導体２、接地導
体３および給電線路導体４が、この順で、間に誘電体層１ａを挟んで互いに対向して配置されている。表面導体２と接地導体３とは、開口２ａに沿って周状に所定の間隔を空けて設けられ、誘電体層１ａを貫通している複数の貫通導体５によって、電気的に接続されている。言い換えれば、各アンテナ素子領域１０１は、誘電体共振器アンテナである。このような構成により、アンテナ素子領域１０１には誘電体共振器アンテナが構成されている。なお、貫通導体５は、図２においては破線で示しており、接続端である両端部は黒丸で示している。図２においては、見やすいように、４つのアンテナ素子領域１０１のうちの３つについては貫通導体５を省略している。また、図６においては、全ての貫通導体５を省略している。

アレイ部１０２において、複数のアンテナ素子領域１０１が、第１の方向および第２の方向の少なくとも一方に複数個接して配列されている。図１に示す例のアレイアンテナ基板１００は、第１の方向（ｘ方向）に４つ、第２の方向（ｙ方向）に２つのアンテナ素子領域１０１が配列されたアレイ部１０２を１つ備えている。図３に示す例のアレイアンテナ基板１００は、第１の方向（ｘ方向）に２つ、第２の方向（ｙ方向）に８つのアンテナ素子領域１０１が配列されたアレイ部１０２を２つ備えており、アレイ部１０２は第１の方向に配列されている。図５に示す例のアレイアンテナ基板１００は、第１の方向（ｘ方向）に８つ、第２の方向（ｙ方向）に２つのアンテナ素子領域１０１が配列されたアレイ部１０２を２つ備えており、アレイ部１０２は第２の方向に配列されている。なお、図１、図３および図５において、１つのアレイ部１０２は二点鎖線で囲んで示しており、アンテナ素子領域１０１の外縁を長破線で示している。

表面導体２は、開口２ａを第２の方向に挟んで位置する一対の帯状導体２１と、開口２ａを第１の方向に挟んで位置しており、一対の帯状導体２１の近接する端部同士を接続する一対の接続導体２２とによって開口２ａが規定されている。表面導体２の開口２ａは正方形状である。図１〜図６において、図４（ａ）以外は正方形である。図４（ａ）以外の例では、図３（ｂ）および図４（ｂ）に平面図で示すように、貫通導体５は、平面視で表面導体２の開口２ａより外側に位置しており、開口２ａの外側で表面導体２に接続している。これに対して図４（ａ）に示す例では、貫通導体５は、平面視で半分が開口２ａ内に位置して半分が開口２ａの外側に位置している。貫通導体５と表面導体２との接続性を高めるために、開口２ａの形状は、正方形の辺の一部が内側に突出した形状となっている。開口２ａの形状が正方形状であるとは、正方形だけでなくこのような形状を含んでいることを表している。

そして、開口２ａから送信または受信される高周波信号の自由空間波長をλとしたとき、アンテナ素子領域１０１の配列のピッチｐ１，ｐ２はλ／２であり、表面導体２の開口２ａは一辺の長さがλ／２未満の正方形状であり、アレイ部１０２における第２の方向の両端に位置する帯状導体２１の第２の方向の幅ｗ２はλ／８〜３λ／８であり、アレイ部１０２における第１の方向の両端に位置する接続導体２２の第１の方向の幅ｗ１はλ／８以下である。

このようなアレイアンテナ基板１００によれば、アンテナ素子領域１０１の配列のピッチｐ１，ｐ２はλ／２であるので、第１の方向および第２の方向に隣り合うアンテナ素子領域１０１から放射される電波の位相差が１８０°になり、第１の方向および第２の方向に放射する電波が相殺され、サイドローブが低減される。また、表面導体２の開口２ａは一辺の長さがλ／２未満の正方形状であるので、開口２ａの大きさを、ピッチｐ１、ｐ２がλ／２の時に最大にすることができるため、ゲインを向上できる。また、アレイ部１０２における第２方向の両端に位置する帯状導体２１の第２方向の幅ｗ２はλ／８〜３λ／８であるので、帯状導体２１の第２の方向の幅ｗ２がλ／８以上と広いことによって第２の方向（ｙ方向）と上方（ｚ方向）によるｙｚ面内のサイドローブを低くすることができ
るとともに、帯状導体２１の第２の方向の幅ｗ２が３λ／８以下であることによってゲインの低下を抑えることができる。また、アレイ部１０２における第１方向の両端に位置する接続導体２２の第１方向の幅ｗ１はλ／８以下であるので接続導体２２の幅が広いことによるゲインの低下と、サイドローブの増加を抑えることができる。

隣接する２つのアンテナ素子領域１０１の境界（図中の長破線）上に１列に貫通導体５を配列して、隣接する２つのアンテナ素子領域１０１間で共通の貫通導体５とすることもできる。これに対して、図３（ｂ）および図４に示す例のように、隣接する２つのアンテナ素子領域１０１の境界部、すなわち隣接する２つの開口２ａの間において、貫通導体５は、隣接するアンテナ素子領域１０１のそれぞれの開口２ａに沿って設けられて、平面透視で２列にすることができる。

貫通導体５を隣接するアンテナ素子領域１０１のそれぞれの開口２ａに沿って２列に設けることで、隣接する２つのアンテナ素子領域１０１間のアイソレーションを向上でき、アレイアンテナの動作性能を向上させることができる。

図３（ｂ）および図４（ａ）に示す例においては、２列に配列された貫通導体５は、第２の方向における位置が同じである。言い換えれば、２列に配列された貫通導体５は、第１の方向に側面視した場合に、互いに重なる位置にある。これに対して、図４（ｂ）に示す例では、２列に配列された貫通導体５は、第２の方向における位置が異なっており、第１の方向に側面視した場合に、互いに重なる位置にある。言い換えれば、貫通導体５は、隣接する２つのアンテナ素子領域１０１の境界部において平面透視で千鳥状配列とすることができる。

ゲインを大きくするために開口２ａをできるだけ大きくしようとすると、隣接するアンテナ素子領域１０１の開口２ａ間に配置された２列の貫通導体５の間の間隔が小さくなる。間隔が小さくなると隣接するアンテナ素子領域間のアイソレーションが劣化したり、誘電体基板の貫通導体５間にクラックが発生したりする場合がある。千鳥配列にすることで間隔を大きくすることができるので、隣接するアンテナ素子領域間のアイソレーションを維持でき、誘電体基板の貫通導体５間にクラックの発生する可能性を低減することができる。

図２に示す例のように、各アンテナ素子領域１０１の給電線路導体４には給電配線導体４ａが接続されている。各アンテナ素子領域１０１が電波を送信する場合は、たとえば高周波用半導体素子から出力された高周波信号が、給電配線導体４ａにより各給電線路導体４に伝送され、給電線路導体４と電磁気的に結合されている接地導体３のスロット３ａを介して、表面導体２、貫通導体５、接地導体３で囲まれた共振領域を伝送して表面導体２の開口２ａから放射される。なお、電波を受信する場合は、表面導体２の開口２ａで電波を受信し、送信の場合とは逆の流れで高周波信号が給電線路導体４に到達する。

アレイアンテナは同じ構造および寸法のアンテナを複数近接して配列することで、ゲインを高めようとするものである。複数のアンテナ素子領域１０１で送受信する高周波信号はその特性のばらつきが小さいことが望まれる。そのためには、各アンテナ素子領域１０１の給電線路導体４へ高周波信号を伝送する給電配線導体４ａの伝送ばらつきが小さい必要がある。この伝送ばらつきは、各アンテナ素子領域１０１の給電線路導体４までの給電配線導体４ａの伝送損失のばらつきが小さければ小さいものとなる。伝送損失のばらつきは伝送線路の長さおよび形状を同等にすることで小さくすることができる。

図５に示す例では１つのアレイ部１０２において第１の方向に８つのアンテナ素子領域１０１が配列され、第２の方向に２つのアンテナ素子領域１０１が配列されている。そし
て、図６に示す例のように、第１の方向に配列された８つのアンテナ素子領域１０１の給電線路導体４のそれぞれに接続された給電配線導体４ａが設けられている。この給電配線導体４ａは、１つの給電端４ｂから１列に配列された８つの給電線路導体４へ枝分かれしており、全体の形状はトーナメント表のような形状である。１つの給電端４ｂ側から各給電線路導体４へたどった場合の最初の分岐点から２つの２番目の分岐点までの部分は、給電端４ｂと分岐点との間の線路に対して線対称な形状である。第２の分岐点から２つの第３の分岐点までの部分および第３の分岐点から２つの給電線路導体４までの各部分についても同様で、それぞれの分岐点で線対称である。線対称であるので、線路の屈曲の角度や回数および長さが同じである。そのため、給電端４ｂから８つの給電線路導体４までの伝送損失は同程度となる。図６に示す例のアレイアンテナ基板１００においては、アンテナ素子領域１０１が第１の方向に配列された列を２つ備えるアレイ部１０２を２つ備えている。また、各列に１つずつ計４つの給電配線導体４ａを備えている。１つのアレイ部１０２における２つの給電配線導体４ａは全体の形状は異なるが、給電端４ｂから給電線路導体４までの間における線路の屈曲の角度や回数および長さは同じである。そして、２つのアレイ部１０２間において、アンテナ素子領域１０１および給電配線導体４ａの大きさおよび形状は同じである。この例のように、１つのアレイ部１０２において第１の方向および第２の方向の両方向に複数個のアンテナ素子領域１０１が配列されている場合は、配列されているアンテナ素子領域１０１の数が多い方向のものを給電配線導体４ａで接続すると、トーナメント表型の給電配線導体４ａで１つの給電端４ｂに集約するのが容易である。

このように、１つの給電端４ｂから１列に配列された複数のアンテナ素子領域１０１の各給電線路導体４までの間の伝送損失のばらつきを小さくするために、１つのアレイ部１０２において、アンテナ素子領域１０１は第１の方向および第２の方向に２のｎ乗個（ｎは正の整数）配列されているものとすることができる。これ以外の場合、例えば３つのアンテナ素子領域１０１が一列に配列されている場合は、１つの給電端４ｂから各給電線路導体４までの長さが同じである給電配線導体４ａとすることはできる。しかしながら、給電端４ｂから各給電線路導体４までの間の線路の形状、例えば屈曲する角度あるいは回数が異なるものとなってしまうので、伝送損失にばらつきが生じてしまう。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、図６における給電配線導体４ａが設けられている誘電体層１ａの平面図の他の例を示している。図６に示す例では、１つのアレイ部１０２に２８個のアンテナ素子領域１０１の列が２つあり、それぞれの列に１つの給電端４ｂから分岐を繰り返して８つの給電線路導体４に接続する給電配線導体４ａが設けられている。すなわち、１つのアレイ部１０２に２つの給電端４ｂがある。これに対して図７（ａ）に示す例では、この２つの給電端２４ｂを１つにまとめたような給電配線導体４ａである。１つの給電端４ｂから分岐した後の給電配線導体４ａの形状は、図６に示す例の給電配線導体４ａと同様である。１つのアレイ部１０２内の各アンテナ素子領域１０１の特性のばらつきが小さいものとなる。

図７（ｂ）に示す例の給電配線導体４ａは図６に示す例と同じであるが、給電配線導体４ａを囲むように黒丸で示す貫通導体が配列されている。この貫通導体は上方に位置する接地導体３に接続されている。貫通導体が電磁界シールドとなり、給電配線導体４ａ間のアイソレーション特性が向上する。アイソレーション特性が向上することで、給電配線導体４ａ間の影響が小さくなり、たとえば進行方向が逆向きの電磁界信号が打ち消されることが少なくなるため、アンテナから送受信される信号の劣化を防ぐことができる。よって、ゲインの高いアレイアンテナ基板１００となる。

以上のようなアレイアンテナ基板１００は、例えば誘電体基板１の第１の面１１とは反対側の第２の面１２に設けられた電極６を備えており、この電極を介して外部回路に接続
される。電極６は誘電体基板１に設けられた配線導体を介して接地導体３および給電配線導体４ａに電気的に接続されている。これにより外部回路、例えば外部回路基板に搭載された高周波用半導体素子とアンテナ素子領域１０１の給電線路導体４とが電気的に接続され、高周波信号が伝送される。

図５に示す例のアレイアンテナ基板１００のように、誘電体基板１の第１の面１１とは反対側の第２の面１２に半導体素子２０１の搭載部１０３を有しているアレイアンテナ基板１００とすることができる。そして、このようなアレイアンテナ基板１００の搭載部１０３に半導体素子を搭載することで通信モジュール２００とすることができる。外部回路基板に半導体素子２０１とアレイアンテナ基板を搭載して通信モジュールとする場合に比較して、半導体素子２０１とアンテナ素子領域１０１（の給電線路導体）との間の配線長が短くなるので、損失が小さく高周波信号の送信および受信の効率の良いものとなる。また、アレイアンテナ基板１００と半導体素子２０１とが重なって配置されるので、小型の通信モジュール１００となる。図５に示す例の通信モジュール２００のアレイアンテナ基板１００はアレイ部１０２を２つ備えているので、例えば、１つのアレイ部１０２を送信用とし、他の１つのアレイ部１０２を受信用とすることができる。このような通信モジュール２００は、例えば車間測定用の車載レーダー装置に用いることができる。

図５に示す例のアレイアンテナ基板１００における搭載部１０３は、誘電体基板１の第２の面１２の中央部に設けられた凹部であり、凹部の底面に設けられた接続パッド（不図示）と半導体素子２０１の電極（不図示）とが電気的に接続される。誘電体基板１の第２の面１２における凹部の周囲には電極６がある。電極６は誘電体基板１に設けられた配線導体（不図示）を介して接地導体３および接続パッドに電気的に接続されている。接続パッドはまた、誘電体基板１の内部に設けられた配線導体を介して給電配線導体４ａに接続されている。

誘電体基板１は凹部を有していない平板状であってもよいが、凹部を有していると半導体素子２０１がアレイアンテナ基板１００（誘電体基板１の第２の面１２）から突出していないので、半導体素子の保護が容易であり、また電極６と外部回路基板との接続が容易である。アレイアンテナ基板１００における搭載部１０３が誘電体基板１の第２の面１２に設けられた凹部である場合は、凹部内に封止樹脂を充填して半導体素子２０１を封止することもできる。

半導体素子２０１は、信号処理、増幅、送受切換、位相切換、周波数切換等をするための回路を備えており、この回路によりアレイアンテナ基板１００で送受信する信号が制御される。

誘電体基板１は、アレイアンテナ基板１００の基本的な構造部分であり、アレイアンテナ基板１００としての機械的な強度の確保、および複数の表面導体２と接地導体３との間等の導体間の絶縁性の確保等の機能を有している。誘電体基板１は、例えば上から見たときに（平面視において）正方形状または長方形状等の四角形状で、平板状である。誘電体基板１の寸法は、例えば、四角形の一辺の長さが３ｍｍ〜１００ｍｍで、厚みが０．３ｍｍ〜３ｍｍとすることができる。

誘電体基板１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、ムライト質焼結体または窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料から成る誘電体材料からなる複数の誘電体層１ａが積層されて形成されている。図５に示す例では誘電体層１ａは７層であるが、誘電体層１ａの層数はこれらに限られるものではない。

誘電体基板１は、例えばガラスセラミック焼結体からなる場合であれば、次のようにし
て製作することができる。まず、ガラス成分となる酸化ケイ素、酸化ホウ素およびフィラー成分となる酸化アルミニウム等の粉末を主成分とする原料粉末を、有機溶剤、バインダと混練してスラリーとするとともに、このスラリーをドクターブレード法またはリップコータ法等の成形方法でシート状に成形して誘電体基板１の誘電体層１ａとなるセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を作製する。次に、複数のグリーンシートを積層して積層体を作製する。その後、この積層体を約900〜1000℃程度の温度で焼
成することによって誘電体基板１を製作することができる。

誘電体基板１を含むアレイアンテナ基板１００は、このようなアレイアンテナ基板１００となる複数の基板領域が母基板に配列された多数個取り基板として製作することもできる。複数の基板領域を含む母基板を、基板領域毎に分割して複数のアレイアンテナ基板１００をより効率よく製作することもできる。この場合には、母基板のうち基板領域の境界に沿って分割用の溝が設けられていてもよい。

配線導体は、例えば、タングステン、モリブデン、マンガン、銅、銀、パラジウム、金、白金、ニッケルまたはコバルト等の金属、またはこれらの金属を含む合金の金属材料を導体材料として主に含むものである。このような金属材料は、メタライズ層またはめっき層等の金属層として誘電体基板１の表面に設けられている。この金属層は、１層でもよく、複数層でもよい。また、このような金属材料は、メタライズ層の金属層として誘電体基板１の内部に設けられている。

表面導体２、接地導体３、給電線路導体４、給電配線導体４ａ、層間導体５ａおよび電極６は、例えば、銅のメタライズ層である場合には、銅の粉末を有機溶剤および有機バインダと混合して作製した金属ペーストを誘電体層１ａとなるグリーンシートの所定位置にスクリーン印刷法等の方法で印刷してグリーンシートとともに焼成する方法で形成することができる。また、貫通導体５は、上記の金属ペーストの印刷に先駆けてグリーンシートの所定の位置に貫通孔を設け、上記と同様の金属ペーストをこの貫通孔に充填しておくことで形成することができる。

また、誘電体基板１の表面に設けられる表面導体２および電極６の露出表面には、電解めっき法または無電解めっき法等のめっき法でニッケルおよび金等のめっき層がさらに被着されていてもよい。この場合、前述したように多数個取り基板の形態でアレイアンテナ基板１００を製作する際に、複数の基板領域の配線導体を互いに電気的に接続させておけば、複数のアレイアンテナ基板１００の配線導体に一括してめっき層を被着させることもできる。

接地導体３の大きさは、アレイアンテナ基板１００に求められるアンテナ特性に応じて、また、誘電体層１ａの比誘電率および厚みによって、適宜設定することができる。また、接地導体３に設けられるスロット３ａおよび給電線路導体４の寸法についても同様である。１つのアレイ部１０２内における各アンテナ素子領域１０１の構成および寸法は同じものであるが、異なるアレイ部１０２間では、各部の寸法等が異なり、アンテナ特性が異なるものとすることができる。

アレイ部１０２間の間隔は、アンテナ素子の特性により、要求されるアイソレーションが確保できる間隔とすればよいが、例えば、１ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。

本実施形態のアレイアンテナ基板１００のアンテナ特性については、シミュレーションにより得られた放射パターンに基づいて評価した。シミュレーションに用いたアレイアンテナ基板１００のモデルは、以下の通りである。

誘電体基板１は、誘電体層１ａの材質をいわゆるガラスセラミックス等の低温焼成セラミックスを想定し、比誘電率を約６とした。誘電体層１ａの厚みは０．１ｍｍとし、誘電体層１ａを５層積層した誘電体基板１とした。

第１の方向および第２の方向ともに２つのアンテナ素子領域１０１を持つ、２×２のアレイ部１０２を１つ備えるアレイアンテナ構造にてシミュレーションを実施した。なお、周波数はミリ波レーダーに使用される７９ＧＨｚを用いた。７９ＧＨｚにおいて、自由空間波長λは約４ｍｍであり、λ／２は約２ｍｍとなる。アンテナのピッチｐ１、ｐ２は双方とも２ｍｍとし、開口２ａの１辺の長さは１．８ｍｍとした。

図８は、帯状導体２１の第２方向の幅ｗ２を０．１５ｍｍ〜２ｍｍに変化させ、接続導体２２の第１方向の幅ｗ１を０．１５ｍｍとしたときの帯状導体２１の第２方向の幅ｗ２に対するゲイン（図８（ａ））およびサイドローブ（図８（ｂ））の関係を示すシミュレーション結果によるグラフである。ゲイン、サイドローブのグラフにおいて、横軸が帯状導体２１の第２方向の幅ｗ２、縦軸がそれぞれゲイン（単位：ｄＢｉ）、サイドローブ（単位：ｄＢ）であり、データは左から、Ｗ２が０．１５ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍの結果を示している。

ゲインのグラフ（図８（ａ））において、帯状導体２１の第２方向の幅ｗ２が２ｍｍではゲインが大きく低下し、１．５ｍｍ以上ではゲインが高いことが確認できる。なお、今回シミュレーションに用いた周波数７９ＧＨｚにおいて、３λ／８が約１．４ｍｍであり、３λ／８以下であれば、ゲインを高く維持できる。

また、サイドローブのグラフ（図８（ｂ））において、帯状導体２１の第２の方向の幅ｗ２が０．５ｍｍ以上でサイドローブが低く、良好であることが確認できる。なお、今回シミュレーションに用いた周波数７９ＧＨｚにおいて、λ／８が約０．４ｍｍであり、λ／８以上であればサイドローブを低減できる。

以上より、帯状導体２１の第２の方向の幅ｗ２が３λ／８以下にすることによってゲインの低下を抑えることができるとともに、帯状導体２１の第２の方向の幅ｗ２がλ／８以上にすることによってサイドローブを低くすることができる。

一方、図９は、接続導体２２の第１方向の幅ｗ１を０．１５ｍｍ〜２ｍｍに変化させ、帯状導体２１の第２方向の幅ｗ２を０．１５ｍｍとしたときの接続導体２２の第１方向の幅ｗ１に対するゲイン（図９（ａ））およびサイドローブ（図９（ｂ））の関係を示すシミュレーション結果によるグラフである。ゲイン、サイドローブのグラフにおいて、横軸が帯状導体２１の第２方向の幅ｗ２、縦軸がそれぞれゲイン（単位：ｄＢｉ）、サイドローブ（単位：ｄＢ）であり、データは左から、Ｗ２が０．１５ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、２ｍｍの結果を示している。

ゲインのグラフ（図９（ａ））において、接続導体２２の第１方向の幅ｗ１が０．５ｍｍ以上ではゲインが低下し、０．１５ｍｍのときゲインが最大であることが確認できる。なお、今回シミュレーションに用いた周波数７９ＧＨｚにおいて、λ／８が約０．４ｍｍであり、λ／８以下であれば、ゲインを高く維持できる。

また、サイドローブのグラフ（図９（ｂ））において、接続導体２２の第１の方向の幅ｗ１が０．５ｍｍ以上でサイドローブが高くなり、劣化することが確認できる。なお、今回シミュレーションに用いた周波数７９ＧＨｚにおいて、λ／８が約０．４ｍｍであり、λ／８以下であればサイドローブを低く維持できる。

以上より、接続導体２１の第１の方向の幅ｗ１をλ／８以下にすることによってゲインの低下を抑えることができるとともに、サイドローブを低くすることができる。

１・・・誘電体基板
１ａ・・・誘電体層
１１・・・第１の面
１２・・・第２の面
２・・・表面導体
２ａ・・・開口
２１・・・帯状導体
２２・・・接続導体
３・・・接地導体
３ａ・・・スロット
４・・・給電線路導体
４ａ・・・給電配線導体
５・・・貫通導体
５ａ・・・層間導体
６・・・電極
１００・・・アレイアンテナ基板
１０１・・・アンテナ素子領域
１０２・・・アレイ部
１０３・・・搭載部
２００・・・ミリ波通信モジュール
２０１・・・半導体素子

Claims (6)

1. 複数の誘電体層が積層されてなり、第１の面および第２の面を有する誘電体基板と、
   該誘電体基板の第１の面に設けられ、高周波信号を送信または受信するための開口を有する表面導体、長さ方向が第１の方向であるスロットを有する接地導体、および長さ方向が前記第１の方向と直交する第２の方向である給電線路導体が、この順で、間に前記誘電体層を挟んで互いに対向して配置されており、前記開口に沿って周状に所定の間隔を空けて設けられ、前記誘電体層を貫通している複数の貫通導体によって、前記表面導体と前記接地導体とが電気的に接続されているアンテナ素子領域と、
   該アンテナ素子領域が、前記第１の方向および前記第２の方向の少なくとも一方に複数個接して配列されているアレイ部と、
   を備えており、
   前記表面導体は、前記開口を第２の方向に挟んで位置する一対の帯状導体と、前記開口を第１の方向に挟んで位置しており、前記一対の帯状導体の近接する端部同士を接続する一対の接続導体とによって前記開口が規定されており、
   前記高周波信号の自由空間波長をλとしたとき、
   前記アンテナ素子領域の配列のピッチはλ／２であり、
   前記表面導体の前記開口は一辺の長さがλ／２未満の正方形状であり、
   前記アレイ部における前記第２方向の両端に位置する前記帯状導体の前記第２方向の幅はλ／８〜３λ／８であり、
   前記アレイ部における前記第１方向の両端に位置する前記接続導体の前記第１方向の幅はλ／８以下である、
   アレイアンテナ基板。
2. 隣接する２つの前記アンテナ素子領域の境界部において、前記貫通導体は、隣接する前記アンテナ素子領域のそれぞれの開口に沿って設けられて、平面透視で２列になっている請求項１に記載のアレイアンテナ基板。
3. 前記貫通導体は、隣接する２つの前記アンテナ素子領域の境界部において平面透視で千鳥状配列である請求項２に記載のアレイアンテナ基板。
4. １つの前記アレイ部において、前記アンテナ素子領域は前記第１の方向および前記第２の方向に２のｎ乗個（ｎは正の整数）配列されている請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のアレイアンテナ基板。
5. 前記誘電体基板の前記第１の面とは反対側の第２の面に半導体素子の搭載部を有している請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のアレイアンテナ基板。
6. 請求項５に記載のアレイアンテナ基板の前記搭載部に半導体素子が搭載されている通信モジュール。
   

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