JP7264510B2

JP7264510B2 - パッチアンテナ、及びアレイアンテナ

Info

Publication number: JP7264510B2
Application number: JP2021007011A
Authority: JP
Inventors: 雅樹鈴木
Original assignee: NEC Platforms Ltd
Current assignee: NEC Platforms Ltd
Priority date: 2021-01-20
Filing date: 2021-01-20
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2041-01-20
Also published as: JP2022111531A

Description

本開示は、パッチアンテナ、及びアンテナアレイに関する。

５Ｇ（5th Generation）と呼ばれる無線通信方式では、ｓｕｂ－６と呼ばれる４ＧＨｚ帯と、ミリ波と呼ばれる２８ＧＨｚ帯が使用される。特に２８ＧＨｚ帯では、高利得を得るために複数のアンテナ素子を並べて利得の合成を行うため、指向性及び位相の制御がしやすいパッチアンテナが主流となっている。

関連技術として、特許文献１は、円偏波用ループアンテナを開示する。特許文献１に記載される円偏波用ループアンテナは、２周波共用アンテナであり、２つのアンテナ素子を有する。特許文献１において、２つのアンテナ素子は、マイクロストリップループアンテナとして構成される。特許文献１において、２つのループアンテナ素子は同心円状に配置され、同一給電ラインにより給電される。

特開平７－１８３７２１号公報

ミリ波帯（２８ＧＨｚ帯）においては、波長がλ≒１１ｍｍと非常に短いため、製造のしやすさと、ばらつきの少なさから、プリント基板を利用したパッチアンテナが使用されている。しかしながら、パッチアンテナは構造が単純なため、小型化が進んでいない。特許文献１に記載の円偏波用ループアンテナでは、アンテナ素子にループ素子が使用される。この場合、アンテナの小型化が可能である。しかしながら、パッチアンテナの更なる小型化が望まれる。

本開示は、上記事情に鑑み、小型化が可能なパッチアンテナ、及びアンテナアレイを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示は、接地電位が与えられるＧＮＤ面と、前記ＧＮＤ面と誘電体を介して対向するループ状のアンテナエレメントと、一端が前記アンテナエレメントに接続され、他端がビアを介して給電部に接続される給電線路と、前記ＧＮＤ面と前記アンテナエレメントとの間に、ビアを介して前記ＧＮＤ面に接続される面状の導体とを備え、前記面状の導体は、前記アンテナエレメントの一部及び前記給電線路の一部の少なくとも一方と容量結合されることでスプリットリング共振器として機能する、パッチアンテナを提供する。

本開示は、また、行列状に配列された複数のパッチアンテナを有し、複数のパッチアンテナのそれぞれは、接地電位が与えられるＧＮＤ面と、前記ＧＮＤ面と誘電体を介して対向するループ状のアンテナエレメントと、一端が前記アンテナエレメントに接続され、他端がビアを介して給電部に接続される給電線路と、前記ＧＮＤ面と前記アンテナエレメントとの間に、ビアを介して前記ＧＮＤ面に接続される面状の導体とを備え、前記面状の導体は、前記アンテナエレメントの一部及び前記給電線路の一部の少なくとも一方と容量結合されることでスプリットリング共振器として機能する、アレイアンテナを提供する。

本開示に係るパッチアンテナ、及びアンテナアレイは、小型化が可能である。

本開示においてパッチアンテナに用いられる基板を示す上面図。本開示においてパッチアンテナに用いられる基板を示す側面図。一般的なパッチアンテナを示す上面図。一般的なパッチアンテナを示す右側面図。一般的なパッチアンテナを示す下面図。ループ状のアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す上面図。ループ状のアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す右側面図。ループ状のアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す下面図。ループ状のアンテナエレメントを有するパッチアンテナのＡ－Ａ断面を示す断面図。ループ状のアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す斜視図。本開示の一実施形態に係るパッチアンテナを示す上面図。本開示の一実施形態に係るパッチアンテナを示す右側面図。本開示の一実施形態に係るパッチアンテナを示す下面図。パッチアンテナのＡ－Ａ断面を示す断面図。パッチアンテナを示す斜視図。パッチアンテナの断面に電気的な回路を追記した断面図。一般的なパッチアンテナのリターンロスの周波数特性を示すグラフ。一般的なパッチアンテナから放射される電波の指向性及び利得を示す極座標グラフ。ループ状のアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す上面図。ループ状のアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す右側面図。ループ状のアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す下面図。図１９－図２１に示されるパッチアンテナのリターンロスの周波数特性を示すグラフ。図６－図８に示されるパッチアンテナのリターンロスの周波数特性を示すグラフ。図６－図８に示されるパッチアンテナから放射される電波の指向性及び利得を示す極座標グラフ。本開示の一実施形態に係るパッチアンテナと同様な構成を有するパッチアンテナを示す上面図。本開示の一実施形態に係るパッチアンテナと同様な構成を有するパッチアンテナを示す右側面図。本開示の一実施形態に係るパッチアンテナと同様な構成を有するパッチアンテナを示す下面図。図２５－図２７に示されるパッチアンテナのリターンロスの周波数特性を示すグラフ。本開示の一実施形態に係るパッチアンテナのリターンロスの周波数特性を示すグラフ。本開示の一実施形態に係るパッチアンテナから放射される電波の指向性及び利得を示す極座標グラフ。一般的なパッチアンテナを用いて構成されるアレイアンテナを示す上面図。ループ状のアンテナエレメントが使用されるパッチアンテナを用いて構成されるアレイアンテナを示す上面図。ループ状のアンテナエレメントが使用され、かつスプリットリング共振構造を有するパッチアンテナを用いて構成されるアレイアンテナを示す上面図。円形ループアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す上面図。円形ループアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す右側面図。円形ループアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す下面図。円形ループアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す斜視図。

以下、本開示の実施の形態を詳細に説明する。図１及び図２は、本開示においてパッチアンテナに用いられる基板を示す。本実施形態において、パッチアンテナには、図１及び図２に示されるように、４層基板２０１が用いられることを想定する。４層基板２０１のサイズは、図１に示されるように５ｍｍ×５ｍｍであるとする。また、４層基板２０１の厚みは、図２に示されるように、１ｍｍであるとする。

図２に示されるように、４層基板２０１の誘電体２０３上には銅箔２０２が形成可能である。銅箔２０２の厚みは０．１ｍｍであり、誘電体２０３の厚みは０．２ｍｍであるとする。銅箔２０２及び誘電体２０３は、交互に重ねられる。４層基板２０１の各層は、ビア２０４を介して接続が可能である。誘電体２０３には、例えば低損失の基材であるＭｅｇｔｒｏｎ６が用いられる。

図３－図５は、一般的なパッチアンテナを示す３面図である。パッチアンテナ３００は、ＧＮＤ（接地面）３０１、アンテナエレメント３０２、及び誘電体３０３を有する。ＧＮＤ３０１は、４層基板２０１（図２を参照）の第４層に形成され、アンテナエレメント３０２は、４層基板２０１の第１層に形成される。アンテナエレメント３０２は、ビア３０４を介して給電部３０５から給電される。

図６－図８は、ループ状のアンテナエレメントを有するパッチアンテナを示す３面図である。また、図９は、ループ状のアンテナエレメントを有するパッチアンテナのＡ－Ａ断面を示す断面図であり、図１０は、パッチアンテナを示す斜視図である。パッチアンテナ４００は、ＧＮＤ４０１、アンテナエレメント４０２、給電線路４０３、及び誘電体４０４を有する。例えば図７及び図８に示されるように、ＧＮＤ４０１は、４層基板の第４層に形成される。アンテナエレメント４０２、及び給電線路４０３は、４層基板の第１層に形成される。

図６及び図１０に示されるように、パッチアンテナ４００において、アンテナエレメント４０２は、ループ状に形成される。給電線路４０３の一端は、ループ状のアンテナエレメント４０２の左右対称となる１点に接続される。給電線路４０３の他端は、図９に示されるように、ビア４０５を介して給電部４０６に接続される。給電線路４０３の長さＬは、長いほど、アンテナエレメントの小型化が可能である。ただし、給電線路４０３は、ビア４０５に接続される端部がループ状のアンテナエレメント４０２に接触しないように、その長さＬが決められる。

上記パッチアンテナ４００は、ループ状のアンテナエレメントが用いられることで、小型化が可能である。本実施形態は、パッチアンテナの更なる小型化を可能とするパッチアンテナを提供する。

図１１－図１３は、本開示の一実施形態に係るパッチアンテナの３面図である。また、図１４は、本実施形態に係るパッチアンテナのＡ－Ａ断面を示す断面図であり、図１５は、パッチアンテナを示す斜視図である。パッチアンテナ１００は、ＧＮＤ１０１、アンテナエレメント１０２、給電線路１０３、誘電体１０４、及び面パターン１０８を有する。例えば図１２－図１４に示されるように、ＧＮＤ（ＧＮＤ面）１０１は、４層基板の第４層の形成される。ＧＮＤ１０１には、接地電位が与えられる。アンテナエレメント１０２、及び給電線路１０３は、４層基板の第１層の形成される。面状の導体である面パターン１０８は、４層基板の第２層に形成される。ＧＮＤ１０１、アンテナエレメント１０２、給電線路１０３、及び面パターン１０８は、それぞれ銅箔などの導体を用いて形成される。

図１１及び図１５に示されるように、パッチアンテナ１００において、アンテナエレメント１０２は、ループ状に形成される。アンテナエレメント１０２は、誘電体１０４を介してＧＮＤ１０１と対向する。給電線路１０３の一端は、ループ状のアンテナエレメント１０２の左右対称となる１点に接続される。給電線路１０３の他端は、図１４及び１５に示されるように、ビア１０５を介して給電部１０６に接続される。アンテナエレメント１０２への給電は、図６－図１０に示されるパッチアンテナ４００におけるアンテナエレメント４０２への給電と同様である。

図１２、図１４、及び図１５に示されるように面パターン１０８は、ビア１０７を介してＧＮＤ１０１に接地される。面パターン１０８は、誘電体１０４を介してアンテナエレメントの一部、及び／又は給電線路１０３の一部と対向する。パッチアンテナ１００は、図６－図１０に示されるパッチアンテナ４００の構成に、面パターン１０８が追加された構成を有する。

図１６は、パッチアンテナ１００の断面に電気的な回路を追記した図である。図１６に示されるように、面パターン１０８は、ループ状のアンテナエレメント１０２の一部、及び／又は、給電線路１０３の一部と容量結合される。従って、給電部１０６、ビア１０５、給電線路１０３、アンテナエレメント１０２の一部、面パターン１０８、ビア１０７、及びＧＮＤ１０１によるスプリットリング共振構造（スプリットリング共振器）が構成される。

上記面パターン１０８及びビア１０７の位置は、給電線路１０３とループ状のアンテナエレメント１０２との交点から、給電部１０６の方向に移動することができる。面パターン１０８及びビア１０７の位置を移動することで、面パターン１０８と、アンテナエレメント１０２、及び給電線路１０３の少なくとも一方とが重なる部分の面積が変化し、パッチアンテナ１００における共振周波数を調整することが可能である。上記に加えて、又は代えて、面パターン１０８のサイズを変化させることで、共振周波数を調整することもできる。さらには、給電線路１０３の線路長Ｌを変化させることで、共振周波数を調整することができる。

続いて、電磁界シミュレータによるシミュレーション結果を用いてパッチアンテナの特性を説明する。図１７は、図３－図５に示されるパッチアンテナ３００のリターンロスの周波数特性を示すグラフである。図１７において、横軸は周波数を表し、縦軸はＳパラメータを表す。図１７に示されるように、パッチアンテナ３００において、共振周波数が２８ＧＨｚに調整されているとする。その場合、アンテナエレメント３０２のサイズは、図３に示されるように２．２ｍｍ×２．２ｍｍであり、その面積は４．８４ｍｍ^２であったとする。図１８は、共振周波数が２８ＧＨｚに調整されたパッチアンテナ３００から放射される電波の指向性及び利得を示す極座標グラフである。図１８に示されるように、パッチアンテナ３００の正面方向の利得は、約４．７ｄＢｉである。

図１９－図２１は、図６－図８に示されるパッチアンテナ３００と同様な構成を有するパッチアンテナを示す。図１９－図２１に示されるパッチアンテナ４００において、アンテナエレメント４０２のサイズは、パッチアンテナ３００において共振周波数が２．８ＧＨｚとなる２．２ｍｍ×２．２ｍｍである。

図２２は、図１９－図２１に示されるパッチアンテナ４００のリターンロスの周波数特性を示す。パッチアンテナ４００において、ループ状のアンテナエレメント４０２のサイズを、パッチアンテナ３００におけるアンテナエレメントのサイズと同じサイズにした場合、共振周波数は、図２２に示されるように、２２．５ＧＨｚとなる。アンテナエレメントのサイズがパッチアンテナ３００とパッチアンテナ４００とで同じ場合、共振周波数は低下する。これは、ループ状のアンテナエレメントが用いられる場合、アンテナエレメントの小型化が可能であることを示す。

パッチアンテナ４００において、共振周波数が２８ＧＨｚ付近に調整される場合、アンテナエレメント４０２のサイズは、図６に示されるように１．８ｍｍ×１．８ｍｍとなる。その場合、面積は、３．１４ｍ^２であり、ループ状のアンテナエレメントが用いられないパッチアンテナ３００におけるアンテナエレメント３０２の面積に対して３３％の小型化が可能である。

図２３は、共振周波数が２８ＧＨｚ付近に調整されたパッチアンテナ４００のリターンロスの周波数特性を示すグラフである。図２４は、共振周波数が２８ＧＨｚ付近に調整されたパッチアンテナ４００から放射される電波の指向性及び利得を示す極座標グラフである。図１７に示されるグラフと、図２３に示されるグラフとを比較すると、パッチアンテナ３００とパッチアンテナ４００とで、同等のリターンロスが得られていることがわかる。また、図１８に示されるグラフと図２４に示されるグラフとを比較すると、パッチアンテナ３００とパッチアンテナ４００とで、同等の放射特性が得られていることがわかる。

図２５－図２７は、本実施形態に係るパッチアンテナ１００と同様な構成を有するパッチアンテナを示す。図２５－図２７に示されるパッチアンテナ１００において、アンテナエレメント１０２のサイズは、パッチアンテナ４００において共振周波数が２．８ＧＨｚとなる１．８ｍｍ×１．８ｍｍである。

図２８は、図２５－図２７に示されるパッチアンテナ１００のリターンロスの周波数特性を示す。パッチアンテナ１００において、アンテナエレメント１０２のサイズを、パッチアンテナ４００におけるアンテナエレメント４０２のサイズと同じサイズにした場合、共振周波数は、図２８に示されるように、２４．７ＧＨｚとなる。スプリットリング共振構造を備えるパッチアンテナ１００は、スプリットリング共振構造を有しないパッチアンテナ４００に比べて、アンテナエレメントの小型化が可能である。

パッチアンテナ１００において、共振周波数が２８ＧＨｚ付近に調整される場合、アンテナエレメント１０２のサイズは、図１１に示されるように１．５ｍｍ×１．５ｍｍとなる。その場合、面積は、２．２５ｍ^２であり、ループ状のアンテナエレメントが用いられないパッチアンテナ３００におけるアンテナエレメント３０２の面積に対して約５４％の小型化が可能である。

図２９は、共振周波数が２８ＧＨｚ付近に調整されたパッチアンテナ１００のリターンロスの周波数特性を示すグラフである。図３０は、共振周波数が２８ＧＨｚ付近に調整されたパッチアンテナ１００から放射される電波の指向性及び利得を示す極座標グラフである。図２９に示されるグラフと図１７に示されるグラフとを比較すると、パッチアンテナ１００とパッチアンテナ３００とで、同等のリターンロスが得られていることがわかる。また、図２４に示されるグラフと図１８に示されるグラフとを比較すると、パッチアンテナ１００とパッチアンテナ３００とで、同等の放射特性が得られていることがわかる。

本実施形態では、パッチアンテナ１００は、ループ状のアンテナエレメント１０２を有する。また、本実施形態では、アンテナエレメント１０２に対し、ループの内側に延びる給電線路１０３から給電が行われる。さらに、本実施形態において、パッチアンテナ１００は、アンテナエレメント１０２の一部、及び給電線路１０３の一部の少なくとも一方と容量的に結合される面パターン１０８を有する。パッチアンテナ１００において、このような構造が採用されることで、アンテナエレメントの小型化が可能であり、パッチアンテナ１００を含む装置の小型化、軽量化、及び低コスト化が可能である。

続いて、パッチアンテナを含むアレイアンテナを説明する。図３１は、一般的なパッチアンテナを用いて構成されるアレイアンテナを示す。図３１に示されるアレイアンテナ３５０は、行列状に配列された複数のパッチアンテナ３００（アンテナエレメント３０２（図３及び４を参照））を有する。例えば、アンテナが例えば基地局において使用される場合、高利得が要求されるため、図３１に示されるように、８×８素子＝６４素子のアンテナエレメントを有するアレイアンテナ３５０が使用される。アレイアンテナが２８ＧＨｚ帯で使用される場合を考えた場合、アンテナエレメントは、信号波長の半分（λ／２（≒５ｍｍ））の間隔でアレイ状に配列される。その場合、アレイアンテナ３５０のサイズは５７．６ｍｍ×５７．６ｍｍとなり、面積は約３３１８ｍｍ^２となる。

図３２は、ループ状のアンテナエレメントが使用されるパッチアンテナを用いて構成されるアレイアンテナを示す。図３２に示されるアレイアンテナ４５０は、行列状に配列された複数のパッチアンテナ４００（アンテナエレメント４０２（図６－図１０を参照））を有する。アレイアンテナ４５０において、アンテナエレメントは、λ／２の間隔で配置される。アレイアンテナにループ状のアンテナエレメントが使用されるパッチアンテナ４００が用いられる場合、各パッチアンテナ４００の小型化が可能であるため、アレイアンテナ４５０のサイズは５４．４ｍｍ×５４．４ｍｍとなり、面積は約２９５９ｍｍ^２となる。アレイアンテナにパッチアンテナ４００が使用される場合、パッチアンテナ３００が使用される場合に比べて、約１１％の小型化が実現できる。

図３３は、ループ状のアンテナエレメントが使用され、かつスプリットリング共振構造を有するパッチアンテナを用いて構成されるアレイアンテナを示す。図３３に示されるアレイアンテナ１５０は、行列状に配列された複数のパッチアンテナ１００（アンテナエレメント１０２（図１１－図１５を参照））を有する。アレイアンテナ１５０において、アンテナエレメントは、λ／２の間隔で配置される。アレイアンテナに、パッチアンテナ１００が用いられる場合、各パッチアンテナ１００の小型化が可能であるため、アレイアンテナ１５０のサイズは５２ｍｍ×５２ｍｍとなり、面積は約２７０４ｍｍ^２となる。アレイアンテナにパッチアンテナ１００が使用される場合、パッチアンテナ３００が使用される場合に比べて、約１９％の小型化が実現できる。

なお、上記実施形態では、アンテナエレメントが方形ループアンテナエレメントとして構成される例を説明したが、本開示において、アンテナエレメントはループ状であればよく、その形状は特に方形には限定されない。図３３－図３６は、円形ループアンテナエレメントを有する変形例に係るパッチアンテナを示す３面図である。また、図３７は、パッチアンテナを示す斜視図である。変形例に係るパッチアンテナ１００ａは、ループ状のアンテナエレメント１０２ａの形状が円形である点において、図１１－図１３に示されるパッチアンテナ１００と相違する。この例のように、アンテナエレメントの形状が円形である場合でも、アンテナエレメントの小型化が可能である。アンテナエレメントの形状は、方形又は円形以外の形状であってもよい。

以上、本開示の実施形態を詳細に説明したが、本開示は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に対して変更や修正を加えたものも、本開示に含まれる。

１００：パッチアンテナ
１０１：ＧＮＤ
１０２：アンテナエレメント
１０３：給電線路
１０４：誘電体
１０５、１０７：ビア
１０６：給電部
１０８：面パターン
１５０：アレイアンテナ
２０１：４層基板
２０２：銅箔
２０３：誘電体
２０４：ビア
３００：パッチアンテナ
３０１：ＧＮＤ
３０２：アンテナエレメント
３０３：誘電体
３０４：ビア
３０５：給電部
３５０：アレイアンテナ
４００：パッチアンテナ
４０１：ＧＮＤ
４０２：アンテナエレメント
４０３：給電線路
４０４：誘電体
４０５：ビア
４０６：給電部
４５０：アレイアンテナ

Claims

接地電位が与えられるＧＮＤ面と、
前記ＧＮＤ面と誘電体を介して対向するループ状のアンテナエレメントと、
一端が前記アンテナエレメントに接続され、他端がビアを介して給電部に接続される給電線路と、
前記ＧＮＤ面と前記アンテナエレメントとの間に、ビアを介して前記ＧＮＤ面に接続される面状の導体とを備え、
前記面状の導体は、前記アンテナエレメントの一部及び前記給電線路の一部の少なくとも一方と容量結合されることでスプリットリング共振器として機能する、パッチアンテナ。
前記面状の導体は、前記アンテナエレメントの一部及び前記給電線路の一部の少なくとも一方と、誘電体を介して対向する請求項１に記載のパッチアンテナ。
前記面状の導体は、前記アンテナエレメントの一部及び前記給電線路の一部の少なくとも一方と、前記誘電体を介して容量結合される請求項２に記載のパッチアンテナ。
前記給電線路の長さを調整することで共振周波数が調整可能である、請求項１から３何れか１項に記載のパッチアンテナ。
前記面状の導体と、前記アンテナエレメント及び前記給電線路の少なくとも一方とが重なる部分の面積を調整することで、共振周波数が調整可能である請求項１から４何れか１項に記載のパッチアンテナ。
行列状に配列された複数のパッチアンテナを有し、
複数のパッチアンテナのそれぞれは、
接地電位が与えられるＧＮＤ面と、
前記ＧＮＤ面と誘電体を介して対向するループ状のアンテナエレメントと、
一端が前記アンテナエレメントに接続され、他端がビアを介して給電部に接続される給電線路と、
前記ＧＮＤ面と前記アンテナエレメントとの間に、ビアを介して前記ＧＮＤ面に接続される面状の導体とを備え、
前記面状の導体は、前記アンテナエレメントの一部及び前記給電線路の一部の少なくとも一方と容量結合されることでスプリットリング共振器として機能する、アレイアンテナ。
前記面状の導体は、前記アンテナエレメントの一部及び前記給電線路の一部の少なくとも一方と、誘電体を介して対向する請求項６に記載のアレイアンテナ。
前記面状の導体は、前記アンテナエレメントの一部及び前記給電線路の一部の少なくとも一方と、前記誘電体を介して容量結合される請求項７に記載のアレイアンテナ。
前記アンテナエレメントは、信号波長の半分の間隔でアレイ状に配列される請求項６から８何れか１項に記載のアレイアンテナ。