JPWO2014097846A1 - マルチバンド用アンテナ - Google Patents

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Abstract

多層基板（２）には、２個の高周波アンテナ（６）が設けられる。各高周波アンテナ（６）は、放射素子（７）、高周波給電線路（８）および高周波給電部（９）によって構成される。低周波アンテナ（１０）は、直列放射素子（１１）、低周波給電線路（１３）および低周波給電部（１４）によって構成される。直列放射素子（１１）は、放射素子接続線路（１２）によって接続された２個の放射素子（７）によって形成される。直列放射素子（１１）の一端側は、低周波給電線路（１３）を介して低周波給電部（１４）に接続される。放射素子接続線路（１２）および低周波給電線路（１３）には、高周波信号（ＳH）の伝送を遮断するオープンスタブ（１５）が接続される。高周波給電線路（８）には、低周波信号（ＳL）の伝送を遮断するショートスタブ（１６）が接続される。

Description

本発明は、周波数帯の異なる複数の信号に用いることができるマルチバンド用アンテナに関する。
特許文献１には、例えば波長に比べて薄い誘電体を挟んで互いに対向する放射素子と接地層を設けると共に、放射素子の放射面側に無給電素子を設けたマイクロストリップアンテナ（パッチアンテナ）が開示されている。また、特許文献２には、誘電体基板に設けられた励振素子に２点の給電点を設け、互いに直交した２種類の偏波が放射可能な平面アンテナ装置が開示されている。
特開昭５５−９３３０５号公報 特開２００４−２６６４９９号公報
ところで、特許文献１，２に記載されたアンテナは、いずれも高周波アンテナ単独の構成であり、単一バンドや近接バンドで使用するものである。一方、近年の通信では、周波数帯の異なる複数の帯域で使用可能なマルチバンド化が進む傾向があり、単一バンドや近接バンドのみの使用は非効率である。
本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、周波数帯の異なる複数の信号で使用可能なマルチバンド用アンテナを提供することにある。
（１）．上述した課題を解決するために、本発明によるマルチバンド用アンテナは、少なくとも２個の放射素子と、該放射素子のそれぞれに高周波信号を給電する高周波給電部と、前記放射素子を直列接続して直列放射素子を形成する放射素子接続線路と、前記直列放射素子の一端側に低周波給電線路を介して接続され、低周波信号を給電する低周波給電部と、前記放射素子接続線路および前記低周波給電線路に接続され、前記高周波信号の伝送を遮断する高周波遮断回路とを備え、各前記放射素子から前記高周波信号を放射し、前記直列放射素子から前記低周波信号を放射する。
本発明によれば、高周波給電部から放射素子に高周波信号を給電することによって、放射素子から高周波信号を放射することができる。一方、低周波給電部から直列放射素子に低周波信号を給電することによって、直列放射素子から低周波信号を放射することができる。
また、放射素子接続線路および低周波給電線路には高周波遮断回路を接続したから、放射素子接続線路および低周波給電線路における高周波信号の伝送を、高周波信号遮断回路によって遮断することができる。このとき、高周波信号の帯域では直列放射素子は不整合に見える。このため、放射素子を直列接続して直列放射素子を構成しても、これらを別個に機能させることができるから、周波数帯の異なる複数の信号に使用可能なマルチバンド用アンテナを構成することができる。
（２）．本発明では、各前記放射素子と前記高周波給電部とは高周波給電線路によって接続され、該高周波給電線路のそれぞれに、前記低周波信号の伝送を遮断する低周波信号遮断回路を接続している。
本発明によれば、高周波給電線路には低周波信号遮断回路を接続したから、高周波給電線路における低周波信号の伝送を、低周波信号遮断回路によって遮断することができる。このとき、低周波信号の帯域では高周波給電部は不整合に見えるから、低周波信号が高周波給電線路を通じて高周波給電部に到達することがなくなる。このため、複数個の放射素子を直列接続して、低周波信号に用いる直列放射素子を構成することができる。
（３）．本発明では、前記放射素子はパッチアンテナを構成している。
本発明によれば、放射素子はパッチアンテナを構成したから、小型のパッチアンテナを用いて高周波信号の送信または受信を行うことができる。
（４）．本発明では、前記直列放射素子の他端と前記低周波給電部との間を、前記低周波信号が複数のモードで共振する長さに設定し、前記直列放射素子から異なる波長の低周波信号を放射する。
本発明によれば、直列放射素子の他端と低周波給電部との間を、低周波信号が複数のモードで共振する長さに設定したから、これら複数のモードに対応した異なる波長の低周波信号を、直列放射素子から放射することができる。
（５）．本発明では、前記放射素子接続線路のいずれかに、前記高周波遮断回路の代わりに整合回路を少なくとも１つ設け、前記直列放射素子から異なる波長の低周波信号を放射する。
本発明によれば、放射素子接続線路のいずれかに、高周波遮断回路の代わりに整合回路を少なくとも１つ設けたから、直列放射素子は、整合回路と低周波給電部との間で低周波信号に共振すると共に、その全体でも別個の波長の低周波信号に共振する。このため、直列放射素子から異なる波長の低周波信号を放射することができる。
（６）．本発明によるマルチバンド用アンテナは、少なくとも２個の放射素子と、該放射素子のそれぞれに高周波信号を給電する高周波給電部と、各前記放射素子に対向して設けられた無給電素子と、該無給電素子を直列接続して直列無給電素子を形成する無給電素子接続線路と、前記直列無給電素子の一端側に低周波給電線路を介して接続され、低周波信号を給電する低周波給電部と、前記無給電素子接続線路および前記低周波給電線路に接続され、前記高周波信号の伝送を遮断する高周波遮断回路とを備え、各前記放射素子から前記高周波信号を放射し、前記直列無給電素子から前記低周波信号を放射する。
本発明によれば、高周波給電部から放射素子に高周波信号を給電することによって、放射素子から高周波信号を放射することができる。ここで、放射素子に対向して無給電素子を設けたから、無給電素子を省いた場合に比べて、高周波用のアンテナを広帯域化することができる。一方、低周波給電部から直列無給電素子に低周波信号を給電することによって、直列無給電素子から低周波信号を放射することができる。
また、無給電素子接続線路および低周波給電線路には高周波遮断回路を接続したから、無給電素子接続線路および低周波給電線路における高周波信号の伝送を、高周波信号遮断回路によって遮断することができる。このとき、高周波信号の帯域では直列無給電素子は不整合に見える。このため、無給電素子を直列接続して直列無給電素子を構成しても、これらを別個に機能させることができ、周波数帯の異なる複数の信号に使用可能なマルチバンド用アンテナを構成することができる。
（７）．本発明では、各前記放射素子と前記高周波給電部とは高周波給電線路によって接続され、該高周波給電線路のそれぞれに、前記低周波信号の伝送を遮断する低周波信号遮断回路を接続している。
本発明によれば、高周波給電線路には低周波信号遮断回路を接続したから、高周波給電線路における低周波信号の伝送を、低周波信号遮断回路によって遮断することができる。このとき、低周波信号の帯域では高周波給電部は不整合に見えるから、低周波信号が高周波給電線路を通じて高周波給電部に到達することがなくなる。このため、複数個の無給電素子を直列接続して、低周波信号用に直列無給電素子を構成することができる。
（８）．本発明では、各前記放射素子と前記直列無給電素子との間に絶縁層を設けている。
本発明によれば、放射素子と直列無給電素子との間に絶縁層を設けたから、絶縁層を挟んで放射素子と直列無給電素子を積層することができる。このため、多層基板に放射素子、直列無給電素子等を形成することができる。
（９）．本発明では、前記直列無給電素子の他端と前記低周波給電部との間を、前記低周波信号が複数のモードで共振する長さに設定し、前記直列無給電素子から異なる波長の低周波信号を放射する。
本発明によれば、直列無給電素子の他端と低周波給電部との間を、低周波信号が複数のモードで共振する長さに設定したから、これら複数のモードに対応した異なる波長の低周波信号を、直列無給電素子から放射することができる。
（１０）．本発明では、前記無給電素子接続線路のいずれかに、前記高周波遮断回路の代わりに整合回路を少なくとも１つ設け、前記直列無給電素子から異なる波長の低周波信号を放射する。
本発明によれば、無給電素子接続線路のいずれかに、高周波遮断回路の代わりに整合回路を少なくとも１つ設けたから、直列無給電素子は、整合回路と低周波給電部との間で低周波信号に共振すると共に、その全体でも別個の波長の低周波信号に共振する。このため、直列無給電素子から異なる波長の低周波信号を放射することができる。
第１の実施の形態によるマルチバンド用アンテナを示す分解斜視図である。 図１中のマルチバンド用アンテナを示す平面図である。 図１中の接地層を示す平面図である。 マルチバンド用アンテナを図２中の矢示IV−IV方向からみた断面図である。 第２の実施の形態によるマルチバンド用アンテナを示す分解斜視図である。 図５中のマルチバンド用アンテナを示す平面図である。 図５中の接地層を示す平面図である。 マルチバンド用アンテナを図６中の矢示VIII−VIII方向からみた断面図である。 第３の実施の形態によるマルチバンド用アンテナを示す分解斜視図である。 図９中のマルチバンド用アンテナを示す平面図である。 図９中の高周波アンテナの放射素子を示す平面図である。 図９中の接地層を示す平面図である。 マルチバンド用アンテナを図１０中の矢示XIII−XIII方向からみた断面図である。 第４の実施の形態によるマルチバンド用アンテナを示す分解斜視図である。 図１４中のマルチバンド用アンテナを示す平面図である。 図１５中のａ部を拡大して示す拡大平面図である。 マルチバンド用アンテナの要部を図１６中の矢示XVII−XVII方向からみた断面図である。 変形例によるマルチバンド用アンテナを示す分解斜視図である。 第５の実施の形態によるマルチバンド用アンテナを示す平面図である。 図１９中のｂ部を拡大して示す拡大平面図である。
以下、本発明の実施の形態によるマルチバンド用アンテナについて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１ないし図４に、第１の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ１を示す。マルチバンド用アンテナ１は、多層基板２、高周波アンテナ６、低周波アンテナ１０、オープンスタブ１５、ショートスタブ１６等を備えている。
多層基板２は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向のうち、ＸＹ平面に平行な平板状に形成される。この多層基板２は、表面２Ａ側から裏面２Ｂ側に向け、例えば、絶縁層として薄い絶縁性の樹脂層３，４を２層積層してなるプリント基板である。樹脂層３，４の間には、例えば、銅、銀等の導電性薄膜によって形成された接地層５が設けられ、この接地層５は外部のグランドに接続される。
なお、多層基板２として樹脂基板を例示するが、これに限られず、絶縁層として絶縁性のセラミックス層を積層したセラミックス多層基板でもよく、低温同時焼成セラミックス多層基板（ＬＴＣＣ多層基板）でもよい。
高周波アンテナ６は、例えばＷｉＧｉｇ（Wireless Gigabit）で使用される６０ＧＨｚ帯の高周波信号ＳHに用いられるダイポールアンテナである。高周波アンテナ６は、放射素子７、高周波給電線路８および高周波給電部９を備えている。
放射素子７は、例えばＸ軸方向に対して高周波信号ＳHの半波長の長さ寸法を有している。この放射素子７は、多層基板２の表面２Ａに設けられ、細長い帯状の導体パターン（金属薄膜）によって形成されている。放射素子７の中心部分には、多層基板２の厚さ方向（Ｚ軸方向）に貫通したビアからなる高周波給電線路８が接続されている。ここで、ビアは、内径が数十〜数百μｍ程度の貫通孔に、例えば、銅、銀等の導電性材料を設けた柱状の導体である。
また、高周波アンテナ６は、多層基板２に複数個（例えば２個）設けられている。これらの高周波アンテナ６の放射素子７は、Ｘ軸方向に並んで直線状に延びている。なお、高周波アンテナ６は、ダイポールアンテナに限らず、モノポールアンテナでもよく、他の形式の線状アンテナでもよい。
高周波給電部９は、高周波アンテナ６の放射素子７と対向した位置で多層基板２の裏面２Ｂに設けられている。高周波給電部９の個数は、高周波アンテナ６の個数と同数である。高周波給電部９は、例えば金属薄膜からなる電極パッドによって形成され、高周波給電線路８を介して放射素子７に電気的に接続されている。高周波給電部９は、高周波信号ＳHの入出力端子を構成し、高周波アンテナ６に対して６０ＧＨｚ帯の高周波信号ＳHを給電する。なお、高周波給電部９は、高周波信号ＳHを給電するものであればよく、その形式は問わない。このため、高周波給電部９は、コネクタ、プローブのように着脱可能なものでもよく、半田付け等によって接合されるものでもよく、高周波信号ＳHを生成する部品等でもよい。
低周波アンテナ１０は、高周波信号ＳHよりも低周波（例えば数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚ）の低周波信号ＳLに用いられるモノポールアンテナである。低周波アンテナ１０は、直列放射素子１１、低周波給電線路１３および低周波給電部１４を備えている。
直列放射素子１１は、多層基板２の表面２Ａに設けられ、複数個の放射素子７を直列接続することによって形成されている。このとき、隣合う２個の放射素子７の間は、放射素子接続線路１２によって接続されている。また、直列放射素子１１の一端側（図２中の直列放射素子１１の右端側）には、低周波給電線路１３を介して低周波給電部１４が接続されている。
放射素子接続線路１２および低周波給電線路１３は、多層基板２の表面２Ａに設けられ、細長い帯状の導体パターンによって形成されている。このとき、直列放射素子１１の他端と低周波給電部１４との間は、例えばＸ軸方向に対して低周波信号ＳLの１／４波長の長さ寸法に設定されている。
なお、図２では、直列放射素子１１が直線状に延びる場合を例示したが、屈曲していてもよく、湾曲していてもよい。また、低周波アンテナ１０は、モノポールアンテナに限らず、ダイポールアンテナでもよく、他の形式の線状アンテナでもよい。直列放射素子１１および低周波給電線路１３の形状や大きさは、低周波給電部１４の電流分布が最大になるように設計される。
低周波給電部１４は、例えば直列放射素子１１の一端の周囲に位置して、多層基板２の表面２Ａに設けられている。低周波給電部１４は、例えば金属薄膜からなる電極パッドによって形成され、直列放射素子１１および低周波給電線路１３に電気的に接続されている。低周波給電部１４は、低周波信号ＳLの入出力端子を構成し、低周波アンテナ１０に対して低周波信号ＳLを給電する。なお、低周波給電部１４は、低周波信号ＳLを給電するものであればよく、高周波給電部９と同様に、その形式は問わない。
オープンスタブ１５は、放射素子接続線路１２および低周波給電線路１３にそれぞれ接続され、高周波信号ＳHの伝送を遮断する高周波信号遮断回路を構成する。具体的には、オープンスタブ１５は、細長い帯状の導体パターンによって形成され、高周波信号ＳHの１／４波長の長さ寸法を有すると共に、その先端が開放されている。これにより、オープンスタブ１５は、低周波信号ＳLを通過させ、高周波信号ＳHを遮断する帯域阻害フィルタとして機能する。
なお、高周波信号遮断回路をオープンスタブによって構成した場合を例示したが、ショートスタブによって構成してもよく、共振回路やフィルタ回路によって構成してもよい。即ち、高周波信号遮断回路は、高周波信号ＳHを遮断して低周波信号ＳLを通過させるものであればよく、分布定数回路、集中定数回路のいずれで構成してもよく、受動回路、能動回路のいずれで構成してもよい。このため、高周波信号遮断回路は、基板線路や導体パターンによって構成してもよく、インダクタ、キャパシタ等からなる部品によって構成してもよい。但し、低周波信号ＳLを通過させるショートスタブを形成した場合、ショートスタブの長さ寸法を低周波信号ＳLの１／４波長程度に設定する必要があり、大型化する傾向がある。この点を考慮すると、高周波信号ＳHを遮断するオープンスタブ１５を適用するのが好ましい。
ショートスタブ１６は、高周波給電線路８に接続され低周波信号ＳLの伝送を遮断する低周波信号遮断回路を構成する。ショートスタブ１６は、樹脂層３，４の間に位置して、例えば先端が接地層５に接続されている。具体的には、ショートスタブ１６は、細長い帯状の導体パターンによって形成され、高周波信号ＳHの１／４波長の長さ寸法を有すると共に、その先端が短絡されている。これにより、ショートスタブ１６は、高周波信号ＳHを通過させ、低周波信号ＳLを遮断する帯域通過フィルタとして機能する。
なお、低周波信号遮断回路をショートスタブによって構成した場合を例示したが、オープンスタブによって構成してもよい。また、低周波信号遮断回路は、低周波信号ＳLを遮断して高周波信号ＳHを通過させるものであればよく、共振回路、フィルタ回路等によって構成してもよい。例えばＬＴＣＣ等のように部品が内蔵可能な基板を用いた場合には、基板内に設けた共振回路等によって低周波信号遮断回路を構成することもできる。但し、低周波信号ＳLを遮断するオープンスタブを形成した場合、オープンスタブの長さ寸法を低周波信号ＳLの１／４波長程度に設定する必要があり、大型化する傾向がある。この点を考慮すると、高周波信号ＳHを通過させるショートスタブ１６を適用するのが好ましい。
ミリ波ＩＣ１７は、各種の信号処理回路等を集積化したもので、高周波信号ＳHを生成する。このミリ波ＩＣ１７は、略平板状に形成され、その表面に高周波給電部９と対応した個数の電極パッド１７Ａを備える。そして、ミリ波ＩＣ１７は、多層基板２の裏面２Ｂ側に配置され、その電極パッド１７Ａが高周波給電部９に接合される。これにより、ミリ波ＩＣ１７は、高周波給電部９を介して高周波アンテナ６に電気的に接続され、高周波信号ＳHを放射素子７に供給すると共に、放射素子７によって受信した高周波信号ＳHに各種の信号処理を施す。
次に、本実施の形態によるマルチバンド用アンテナ１の作動について説明する。
高周波給電部９から放射素子７に向けて給電を行うと、放射素子７に電流が流れる。これにより、高周波アンテナ６は、放射素子７の長さ寸法に応じた高周波信号ＳHを多層基板２の表面２Ａから上方に向けて放射すると共に、高周波信号ＳHを受信する。
一方、低周波給電部１４から直列放射素子１１に向けて給電を行うと、直列放射素子１１に電流が流れる。これにより、低周波アンテナ１０は、直列放射素子１１の他端（図２中の直列放射素子１１の左端）と低周波給電部１４との間の長さ寸法に応じた低周波信号ＳLを多層基板２の表面２Ａから上方に向けて放射すると共に、低周波信号ＳLを受信する。
また、放射素子接続線路１２および低周波給電線路１３にはオープンスタブ１５を接続したから、オープンスタブ１５によって高周波信号ＳHの伝送を遮断することができる。このため、高周波信号ＳHが放射素子接続線路１２や低周波給電線路１３を通じて低周波給電部１４に到達することがなく、低周波アンテナ１０の特性や動作が安定する。このとき、高周波信号ＳHの帯域では低周波アンテナ１０は不整合に見えるため、高周波アンテナ６は低周波アンテナ１０とは独立して構成することができる。
これに加えて、高周波給電線路８にはショートスタブ１６を接続したから、ショートスタブ１６によって低周波信号ＳLの伝送を遮断することができる。このとき、低周波信号ＳLの帯域では高周波給電部９は不整合に見えるから、低周波信号ＳLが高周波給電線路８を通じて高周波給電部９に到達することがなく、高周波アンテナ６の特性や動作が安定する。
この結果、複数個の放射素子７を直列接続して直列放射素子１１を形成しても、これらを別個に機能させることができる。また、低周波アンテナ１０と高周波アンテナ６を同じ多層基板２に一緒に設けることができるから、これらを別個に設けた場合に比べて多層基板２におけるアンテナの実装面積を小さくすることができる。これに加えて、オープンスタブ１５によって２個の高周波アンテナ６も分離して動作させることができるから、２個の高周波アンテナ６の放射素子７を直列に接続して低周波アンテナ１０の直列放射素子１１を構成することができる。これにより、高周波アンテナ６および低周波アンテナ１０の実装効率をさらに高めることができるから、アンテナ６，１０を実装したモジュールの小型化やモジュールを装着する端末の省スペース化を図ることができる。
また、低周波アンテナ１０の直列放射素子１１には高周波アンテナ６の放射素子７を複数個接続したから、複数個の高周波アンテナ６によってアレーアンテナを構成することができる。このため、個々の高周波アンテナ６に供給する高周波信号ＳHの位相や振幅を調整することによって、高周波信号ＳHの指向性や利得を適宜調整することができる。
次に、図５ないし図８に、本発明の第２の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ２１を示す。マルチバンド用アンテナ２１の特徴は、高周波アンテナをパッチアンテナによって構成したことにある。なお、マルチバンド用アンテナ２１の説明に際し、第１の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
マルチバンド用アンテナ２１は、多層基板２、高周波アンテナ２３、低周波アンテナ１０、オープンスタブ１５、ショートスタブ１６等を備えている。
また、多層基板２の内部には、樹脂層３，４の間に位置して接地層２２が設けられる。この接地層２２は、例えば、銅、銀等の導電性薄膜によって形成され、樹脂層４の略全面を覆うと共に、外部のグランドに接続される。
高周波アンテナ２３は、例えば６０ＧＨｚ帯の高周波信号ＳHに用いられるパッチアンテナである。高周波アンテナ２３は、放射素子２４、高周波給電線路２５および高周波給電部２６を備えている。
放射素子２４は、例えばＸ軸方向に対して高周波信号ＳHの半波長の長さ寸法を有している。この放射素子２４は、多層基板２の表面２Ａに設けられ、略四角形の導体パターンによって形成されている。放射素子２４の中心からＸ軸方向に位置ずれしたＸ軸方向の途中位置には、多層基板２の厚さ方向に貫通したビアからなる高周波給電線路２５が接続されている。この高周波給電線路２５は、多層基板２の裏面２Ｂに設けられた高周波給電部２６に接続されると共に、その途中にはショートスタブ１６が接続されている。高周波給電線路２５を介して高周波信号ＳHが給電されると、放射素子２４にはＸ軸方向の電流が流れる。
また、高周波アンテナ２３は、多層基板２に複数個（例えば２個）設けられている。これらの高周波アンテナ２３の放射素子２４は、Ｘ軸方向に並んで直線状に延びている。そして、これらの放射素子２４は、放射素子接続線路１２によって接続されて、低周波アンテナ１０の直列放射素子１１を形成している。また、直列放射素子１１の一端側には、低周波給電線路１３を介して低周波給電部１４が接続されている。
高周波給電部２６は、高周波アンテナ２３の放射素子２４と対向した位置で多層基板２の裏面２Ｂに設けられている。高周波給電部２６の個数は、高周波アンテナ２３の個数と同数である。高周波給電部２６は、例えば金属薄膜からなる電極パッドによって形成され、高周波給電線路２５を介して放射素子２４に電気的に接続されている。高周波給電部２６は、例えば半田等の接合手段を用いてミリ波ＩＣ１７の電極パッド１７Ａに接合され、高周波アンテナ２３に対して６０ＧＨｚ帯の高周波信号ＳHを給電する。
かくして、マルチバンド用アンテナ２１においても、第１の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ１と同様の作用効果を得ることができる。また、高周波アンテナ２３を放射素子２４が平面状のパッチアンテナによって構成したから、小型のパッチアンテナを用いて高周波信号ＳHの送信または受信を行うことができる。さらに、低周波アンテナ１０にはパッチアンテナの放射素子２４を接続したから、放射素子２４に高周波信号ＳHが供給されるときでも、この高周波信号ＳHの伝送をオープンスタブ１５によって遮断することができ、低周波アンテナ１０と高周波アンテナ２３を別個に機能させることができる。
次に、図９ないし図１３に、本発明の第３の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ３１を示す。マルチバンド用アンテナ３１の特徴は、無給電素子を備えたスタック型パッチアンテナによって高周波アンテナを構成すると共に、複数個の無給電素子を直列接続して低周波アンテナの直列無給電素子を形成したことにある。なお、マルチバンド用アンテナ３１の説明に際し、第１の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
マルチバンド用アンテナ３１は、多層基板３２、高周波アンテナ３７、低周波アンテナ４２、オープンスタブ１５、ショートスタブ１６等を備えている。
多層基板３２は、第１の実施の形態による多層基板２とほぼ同様に、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向のうち、ＸＹ平面に平行な平板状に形成される。但し、多層基板３２は、表面３２Ａ側から裏面３２Ｂ側に向け、例えば、絶縁層としての樹脂層３３〜３５を３層積層してなるプリント基板である。そして、樹脂層３４，３５の間には、例えば、銅、銀等の導電性薄膜によって形成された接地層３６が略全面を覆って設けられ、この接地層３６は外部のグランドに接続される。
高周波アンテナ３７は、例えば６０ＧＨｚ帯の高周波信号ＳHに用いられるスタック型パッチアンテナである。高周波アンテナ３７は、放射素子３８、無給電素子３９、高周波給電線路４０および高周波給電部４１を備えている。
放射素子３８は、第２の実施の形態による放射素子２４とほぼ同様に構成され、例えばＸ軸方向に対して高周波信号ＳHの半波長の長さ寸法を有している。この放射素子３８は、多層基板３２の樹脂層３３，３４の間に設けられ、略四角形の導体パターンによって形成されている。放射素子３８の中心からＸ軸方向に位置ずれしたＸ軸方向の途中位置には、樹脂層３４，３５に貫通したビアからなる高周波給電線路４０が接続されている。この高周波給電線路４０は、多層基板３２の裏面３２Ｂに設けられた高周波給電部４１に接続されると共に、その途中にはショートスタブ１６が接続されている。このとき、ショートスタブ１６は、接地層３６と共に樹脂層３４，３５の間に設けられている。
無給電素子３９は、放射素子３８の表面に樹脂層３３を介して積層されている。この無給電素子３９は、多層基板３２の表面３２Ａ、即ち、樹脂層３３の表面に、放射素子３８と同じ略四角状に形成される。樹脂層３３を挟んで対向する放射素子３８と無給電素子３９との間には、電磁界結合が生じる。なお、図１０には、無給電素子３９が放射素子３８よりも小さい場合を例示したが、無給電素子３９のＸ軸方向とＹ軸方向の寸法は、例えば放射素子３８のＸ軸方向とＹ軸方向の寸法よりも大きくてもよく、小さくてもよい。放射素子３８および無給電素子３９の大小関係やこれらの具体的な形状は、高周波アンテナ３７の放射パターンや帯域等を考慮して適宜設定されるものである。
高周波アンテナ３７は、多層基板３２に複数個（例えば２個）設けられている。これらの高周波アンテナ３７の放射素子３８および無給電素子３９は、Ｘ軸方向に並んで直線状に延びている。
高周波給電部４１は、高周波アンテナ３７の放射素子３８と対向した位置で多層基板３２の裏面３２Ｂに設けられている。高周波給電部４１の個数は、高周波アンテナ３７の個数と同数である。高周波給電部４１は、例えば金属薄膜からなる電極パッドによって形成され、高周波給電線路４０を介して放射素子３８に電気的に接続されている。高周波給電部４１は、ミリ波ＩＣ１７の電極パッド１７Ａに接合され、高周波アンテナ３７に対して６０ＧＨｚ帯の高周波信号ＳHを給電する。
低周波アンテナ４２は、第１の実施の形態による低周波アンテナ１０とほぼ同様に構成され、高周波信号ＳHよりも低周波（例えば数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚ）の低周波信号ＳLに用いられるモノポールアンテナである。低周波アンテナ４２は、直列無給電素子４３、低周波給電線路４５および低周波給電部４６を備えている。
直列無給電素子４３は、多層基板３２の表面３２Ａに設けられ、複数個の無給電素子３９を直列接続することによって形成されている。このとき、隣合う２個の無給電素子３９の間は、無給電素子接続線路４４によって接続されている。また、直列無給電素子４３の一端側（図１０中の直列無給電素子４３の右端側）には、低周波給電線路４５を介して低周波給電部４６が接続されている。
無給電素子接続線路４４および低周波給電線路４５は、多層基板３２の表面３２Ａに設けられ、細長い帯状の導体パターンによって形成されている。このとき、直列無給電素子４３の他端と低周波給電部４６との間は、例えばＸ軸方向に対して低周波信号ＳLの１／４波長の長さ寸法に設定されている。また、無給電素子接続線路４４および低周波給電線路４５には、オープンスタブ１５が接続されている。
低周波給電部４６は、第１の実施の形態による低周波給電部１４とほぼ同様に構成される。この低周波給電部４６は、例えば直列無給電素子４３の一端の周囲に位置して、多層基板３２の表面３２Ａに設けられている。低周波給電部４６は、例えば金属薄膜からなる電極パッドによって形成され、低周波給電線路４５を介して直列無給電素子４３に電気的に接続されている。低周波給電部４６は、低周波信号ＳLの入出力端子を構成し、低周波アンテナ４２に対して低周波信号ＳLを給電する。
かくして、マルチバンド用アンテナ３１においても、第１の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ１と同様の作用効果を得ることができる。また、高周波アンテナ３７は放射素子３８の表面に無給電素子３９が対向して設けられたスタック型パッチアンテナによって構成したから、無給電素子３９を省いた場合に比べて、高周波アンテナ３７を広帯域化することができる。また、無給電素子３９を直列接続して低周波アンテナ４２の直列無給電素子４３を形成したから、低周波アンテナ４２と高周波アンテナ３７の放射素子３８との間は直接的に接続されることはなく、放射素子３８と無給電素子３９との間の容量を介して間接的に接続されることになる。このため、高周波給電部４１に向かう低周波信号ＳLを低減することができ、高周波アンテナ３７の特性や動作をさらに安定させることができる。
次に、図１４ないし図１７に、本発明の第４の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ５１を示す。マルチバンド用アンテナ５１の特徴は、直列無給電素子から異なる波長の低周波信号を放射することにある。なお、マルチバンド用アンテナ５１の説明に際し、第３の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ３１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
マルチバンド用アンテナ５１は、多層基板３２、高周波アンテナ３７、低周波アンテナ５２、オープンスタブ１５、ショートスタブ１６等を備えている。
高周波アンテナ３７は、多層基板３２にアレー状に並べて複数個設けられている。図１５は、４行８列のアレー状に合計２４個の高周波アンテナ３７を設けた場合を例示している。
低周波アンテナ５２は、高周波信号ＳHよりも低周波として例えばＷｉ−Ｆｉ（Wireless fidelity）で使用される５ＧＨｚ帯と２．４ＧＨｚ帯の２つの低周波信号ＳL1，ＳL2に用いられるモノポールアンテナである。低周波アンテナ５２は、直列無給電素子５３、低周波給電線路５５および低周波給電部５６を備えている。
直列無給電素子５３は、多層基板３２の表面３２Ａに設けられ、複数個（例えば２４個）の無給電素子３９を直列接続することによって形成されている。このとき、隣合う２個の無給電素子３９の間は、無給電素子接続線路５４によって接続されている。これにより、直列無給電素子５３は、例えばＸ軸方向に往復しながらミアンダ状に蛇行している。また、直列無給電素子５３の一端側（図１５中の直列無給電素子５３の右上端側）には、低周波給電線路５５を介して低周波給電部５６が接続されている。
無給電素子接続線路５４および低周波給電線路５５は、多層基板３２の表面３２Ａに設けられ、細長い帯状の導体パターンによって形成されている。無給電素子接続線路５４および低周波給電線路５５には、オープンスタブ１５が接続されている。
このとき、直列無給電素子５３の他端（図１５中の直列無給電素子５３の右下端）と低周波給電部５６との間は、例えば２．４ＧＨｚ帯の低周波信号ＳL2が複数のモードで共振する長さ寸法に設定されている。具体的には、直列無給電素子５３の他端と低周波給電部５６との間は、例えば２．４ＧＨｚ帯の低周波信号ＳL2の略１／４波長の長さ寸法に設定されている。このため、直列無給電素子５３および低周波給電線路５５は、２．４ＧＨｚ帯の低周波信号ＳL2に共振すると共に、２．４ＧＨｚ帯の２倍の高調波付近の信号として５ＧＨｚ帯の低周波信号ＳL1に共振する。これにより、直列無給電素子５３は、周波数の異なる２つの低周波信号ＳL1，ＳL2を放射する。
低周波給電部５６は、第１の実施の形態による低周波給電部１４とほぼ同様に構成される。この低周波給電部５６は、例えば直列無給電素子５３の一端の周囲に位置して、多層基板３２の表面３２Ａに設けられている。低周波給電部５６は、例えば金属薄膜からなる電極パッドによって形成され、低周波給電線路５５に介して直列無給電素子５３に電気的に接続されている。低周波給電部５６は、低周波信号ＳL1，ＳL2の入出力端子を構成し、低周波アンテナ５２に対して低周波信号ＳL1，ＳL2を給電する。
かくして、マルチバンド用アンテナ５１においても、第１，第３の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ１，３１と同様の作用効果を得ることができる。また、複数個の高周波アンテナ３７をＸ軸方向とＹ軸方向に広がる平面状に配置したから、高周波信号ＳHの放射方向をＸ軸方向に限らず、Ｙ軸方向にも走査することができ、高周波信号ＳHに対する指向性等の調整範囲を広げることができる。さらに、低周波アンテナ５２は周波数の異なる複数の低周波信号ＳL1，ＳL2に用いることができるから、高周波信号ＳHに加えて複数の低周波信号ＳL1，ＳL2に共用可能なマルチバンド用アンテナ５１を構成することができる。
なお、前記第４の実施の形態では、第３の実施の形態による高周波アンテナ３７を用いた場合を例示した。しかし、本発明はこれに限らず、図１８に示す変形例によるマルチバンド用アンテナ６１のように、第２の実施の形態による高周波アンテナ２３を用いてもよい。この場合、低周波アンテナ６２は、放射素子接続線路６４によって複数個の放射素子２４を直列接続して直列放射素子６３を形成すると共に、直列放射素子６３の一端側は低周波給電線路６５を介して低周波給電部６６に接続する。また、直列放射素子６３の他端と低周波給電部６６との間を、低周波信号が複数のモードで共振する長さに設定し、直列放射素子６３から異なる波長の低周波信号を放射する。この変形例は、第１の実施の形態による高周波アンテナ６を用いて構成してもよい。
次に、図１９および図２０に、本発明の第５の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ７１を示す。マルチバンド用アンテナ７１の特徴は、無給電素子接続線路のいずれかに、高周波遮断回路の代わりに整合回路を設けたことにある。なお、マルチバンド用アンテナ７１の説明に際し、第４の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ５１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。
マルチバンド用アンテナ７１は、多層基板３２、高周波アンテナ３７、低周波アンテナ７２、オープンスタブ１５、ショートスタブ１６等を備えている。
低周波アンテナ７２の無給電素子接続線路４４のいずれかには、オープンスタブ１５の代わりに、低周波側の低周波信号ＳL2に対する整合回路として例えばインダクタＬとキャパシタＣからなる直列共振回路７３を接続して設ける。
この直列共振回路７３は、例えば直列無給電素子４３のうち周波数の高い低周波信号ＳL1の１／４波長となる位置に配置される。このとき、低周波アンテナ７２のうち低周波給電部５６と直列共振回路７３との間が５ＧＨｚ帯の低周波信号ＳL1に共振し、低周波アンテナ７２の全体が２．４ＧＨｚ帯の低周波信号ＳL2に共振する。
この場合、直列共振回路７３のキャパシタＣのキャパシタンスを変化させることによって、使用する周波数の微調整を行うことができる。直列共振回路７３の整合ロスにより特性が劣化することがあるが、低周波信号ＳL1と低周波信号ＳL2とが高調波の関係にならない場合でも、低周波アンテナ７２を２つの低周波信号ＳL1，ＳL2に共振させることができる。
かくして、マルチバンド用アンテナ７１においても、第１，第３の実施の形態によるマルチバンド用アンテナ１，３１と同様の作用効果を得ることができる。
なお、整合回路は、直列共振回路７３に限らず、例えば各種の集中定数回路、分布定数回路によって構成することができる。また、第５の実施の形態では、１個のオープンスタブ１５を整合回路（直列共振回路７３）に代えた場合を例示したが、２個以上のオープンスタブ１５を整合回路に代えてもよい。この場合、複数個（例えば３個以上）の整合回路のそれぞれにスイッチ回路を並列に設け、スイッチ回路のＯＮとＯＦＦを適宜切換えることによって、低周波アンテナのアンテナ長を変化させてもよい。この結果、必要に応じて、複数の周波数を選択することができる。
第５の実施の形態は、第４の実施の形態に限らず、図１８に示す変形例にも適用することができ、第１の実施の形態による高周波アンテナ６を用いたものにも適用することができる。
また、前記第４および第５の実施の形態では、高周波アンテナ３７はＸ軸方向とＹ軸方向に広がる平面状に配置した場合を例示したが、第１ないし第３の実施の形態と同様に、１列に並んだ状態で直線状に配置してもよい。一方、第１ないし第３の実施の形態では、高周波アンテナ６，２３，３７を直線状に配置した場合を例示したが、第４および第５の実施の形態と同様に、平面状に配置してもよい。
また、前記各実施の形態では、高周波給電線路８，２５，４０に低周波信号遮断回路としてのショートスタブ１６を接続する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば第３ないし第５の実施の形態による高周波アンテナ３７のように、放射素子３８が低周波アンテナ４２，５２，７２に間接的に接続され、高周波アンテナ３７や高周波給電部９，２６，４１に対する低周波信号ＳLの影響が小さい場合には、ショートスタブ１６を省いてもよい。
また、前記各実施の形態では、複数個の高周波アンテナ６，２３，３７の放射素子７，２４，３８には、いずれもＸ軸方向の電流が流れる構成としたが、互いに異なる方向に電流が流れる構成としてもよい。即ち、複数個の高周波アンテナは、互いに同じ偏波でもよく、異なる偏波でもよい。
また、前記第１および第２の実施の形態では、２層の絶縁層をなす樹脂層３，４を積層した多層基板２を用い、第３ないし第５の実施の形態では、３層の絶縁層をなす樹脂層３３〜３５を積層した多層基板３２を用いたが、絶縁層の数は必要に応じて適宜変更することができる。
また、前記各実施の形態および変形例では、マルチバンド用アンテナ１，２１，３１，５１，６１，７１を多層基板２，３２に形成した場合を例に挙げて説明したが、単層の基板に形成してもよい。マルチバンド用アンテナは、基板を設けずに、金属板を曲げただけの構造でもよい。
さらに、例えば６０ＧＨｚ帯のミリ波に用いる高周波アンテナ６，２３，３７を例示したが、当然に、他の周波数帯のミリ波やマイクロ波等に用いてもよい。同様に、低周波アンテナ１０，４２，５２，６２，７２も前述した周波数帯に限らず、他の周波数帯のミリ波やマイクロ波等に用いてもよい。
１，２１，３１，５１，６１，７１ マルチバンド用アンテナ
２，３２ 多層基板
３，４，３３〜３５ 樹脂層（絶縁層）
５，２２，３６ 接地層
６，２３，３７ 高周波アンテナ
７，２４，３８ 放射素子
８，２５，４０ 高周波給電線路
９，２６，４１ 高周波給電部
１０，４２，５２，６２，７２ 低周波アンテナ
１１，６３ 直列放射素子
１２，６４ 放射素子接続線路
１３，４５，５５，６５ 低周波給電線路
１４，４６，５６，６６ 低周波給電部
１５ オープンスタブ（高周波信号遮断回路）
１６ ショートスタブ（低周波信号遮断回路）
１７ ミリ波ＩＣ
３９ 無給電素子
４３，５３ 直列無給電素子
４４，５４ 無給電素子接続線路
７３ 直列共振回路（整合回路）
上述した課題を解決するために、請求項１の発明によるマルチバンド用アンテナは、少なくとも２個の放射素子と、該放射素子のそれぞれに高周波信号を給電する高周波給電部と、各前記放射素子に対向して設けられた無給電素子と、該無給電素子を直列接続して直列無給電素子を形成する無給電素子接続線路と、前記直列無給電素子の一端側に低周波給電線路を介して接続され、低周波信号を給電する低周波給電部と、前記無給電素子接続線路および前記低周波給電線路に接続され、前記高周波信号の伝送を遮断する高周波遮断回路とを備え、各前記放射素子から前記高周波信号を放射し、前記直列無給電素子から前記低周波信号を放射する。
請求項２の発明では、各前記放射素子と前記高周波給電部とは高周波給電線路によって接続され、該高周波給電線路のそれぞれに、前記低周波信号の伝送を遮断する低周波信号遮断回路を接続している。
請求項３の発明では、各前記放射素子と前記直列無給電素子との間に絶縁層を設けている。
請求項４の発明では、前記直列無給電素子の他端と前記低周波給電部との間を、前記低周波信号が複数のモードで共振する長さに設定し、前記直列無給電素子から異なる波長の低周波信号を放射する。
請求項５の発明では、前記無給電素子接続線路のいずれかに、前記高周波遮断回路の代わりに整合回路を少なくとも１つ設け、前記直列無給電素子から異なる波長の低周波信号を放射する。
本発明は、以下に説明する複数の発明を包含する発明群に属する発明であり、以下に、その発明群の実施の形態として、第１ないし第５の実施の形態について説明するが、そのうち、第３ないし第５の実施の形態が、本出願人が特許請求の範囲に記載した発明に対応するものである。
以下、本発明の実施の形態によるマルチバンド用アンテナについて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
なお、前記第４の実施の形態では、第３の実施の形態による高周波アンテナ３７を用いた場合を例示した。図１８に示す変形例によるマルチバンド用アンテナ６１では、第２の実施の形態による高周波アンテナ２３を用いている。この場合、低周波アンテナ６２は、放射素子接続線路６４によって複数個の放射素子２４を直列接続して直列放射素子６３を形成すると共に、直列放射素子６３の一端側は低周波給電線路６５を介して低周波給電部６６に接続する。また、直列放射素子６３の他端と低周波給電部６６との間を、低周波信号が複数のモードで共振する長さに設定し、直列放射素子６３から異なる波長の低周波信号を放射する。この変形例は、第１の実施の形態による高周波アンテナ６を用いて構成してもよい。

Claims (10)

  1. 少なくとも２個の放射素子と、
    該放射素子のそれぞれに高周波信号を給電する高周波給電部と、
    前記放射素子を直列接続して直列放射素子を形成する放射素子接続線路と、
    前記直列放射素子の一端側に低周波給電線路を介して接続され、低周波信号を給電する低周波給電部と、
    前記放射素子接続線路および前記低周波給電線路に接続され、前記高周波信号の伝送を遮断する高周波遮断回路とを備え、
    各前記放射素子から前記高周波信号を放射し、
    前記直列放射素子から前記低周波信号を放射するマルチバンド用アンテナ。
  2. 各前記放射素子と前記高周波給電部とは高周波給電線路によって接続され、
    該高周波給電線路のそれぞれに、前記低周波信号の伝送を遮断する低周波信号遮断回路を接続してなる請求項１に記載のマルチバンド用アンテナ。
  3. 前記放射素子はパッチアンテナを構成する請求項１に記載のマルチバンド用アンテナ。
  4. 前記直列放射素子の他端と前記低周波給電部との間を、前記低周波信号が複数のモードで共振する長さに設定し、
    前記直列放射素子から異なる波長の低周波信号を放射する請求項１に記載のマルチバンド用アンテナ。
  5. 前記放射素子接続線路のいずれかに、前記高周波遮断回路の代わりに整合回路を少なくとも１つ設け、
    前記直列放射素子から異なる波長の低周波信号を放射する請求項１に記載のマルチバンド用アンテナ。
  6. 少なくとも２個の放射素子と、
    該放射素子のそれぞれに高周波信号を給電する高周波給電部と、
    各前記放射素子に対向して設けられた無給電素子と、
    該無給電素子を直列接続して直列無給電素子を形成する無給電素子接続線路と、
    前記直列無給電素子の一端側に低周波給電線路を介して接続され、低周波信号を給電する低周波給電部と、
    前記無給電素子接続線路および前記低周波給電線路に接続され、前記高周波信号の伝送を遮断する高周波遮断回路とを備え、
    各前記放射素子から前記高周波信号を放射し、
    前記直列無給電素子から前記低周波信号を放射するマルチバンド用アンテナ。
  7. 各前記放射素子と前記高周波給電部とは高周波給電線路によって接続され、
    該高周波給電線路のそれぞれに、前記低周波信号の伝送を遮断する低周波信号遮断回路を接続してなる請求項６に記載のマルチバンド用アンテナ。
  8. 各前記放射素子と前記直列無給電素子との間に絶縁層を設けた請求項６に記載のマルチバンド用アンテナ。
  9. 前記直列無給電素子の他端と前記低周波給電部との間を、前記低周波信号が複数のモードで共振する長さに設定し、
    前記直列無給電素子から異なる波長の低周波信号を放射する請求項６に記載のマルチバンド用アンテナ。
  10. 前記無給電素子接続線路のいずれかに、前記高周波遮断回路の代わりに整合回路を少なくとも１つ設け、
    前記直列無給電素子から異なる波長の低周波信号を放射する請求項６に記載のマルチバンド用アンテナ。
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