JPWO2016063758A1

JPWO2016063758A1 - アンテナモジュール

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Publication number: JPWO2016063758A1
Application number: JP2016555181A
Authority: JP
Inventors: 薫須藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-10-13
Also published as: JP6365680B2; US10153557B2; WO2016063758A1; US20170222325A1

Abstract

誘電体基板の第１の層に第１のダイポールアンテナが含まれ、第２の層に第１のダイポールアンテナで励振される偏波と直交する方向の偏波を励振する第２のダイポールアンテナが含まれる。第１の給電線路から第１のダイポールアンテナに給電される。第２の給電線路から第２のダイポールアンテナに給電される。第１のダイポールアンテナの動作周波数と、第２のダイポールアンテナの動作周波数とが同一である。第１のダイポールアンテナの２つの給電点の中間点から、第２のダイポールアンテナの２つの給電点の中間点までの距離が、動作周波数の実効波長以下である。第１の給電線路及び前記第２の給電線路の少なくとも一方がトリプレート構造を有する。動作周波数に対応する波長以下の間隔で２つのダイポールアンテナが基板に配置されても、給電線路に起因するアンテナ間の結合を低減することが可能なアンテナモジュールが提供される。

Description

本発明は、誘電体基板に、相互に直交する偏波を励振する２つのダイポールアンテナが形成されたアンテナモジュールに関する。

下記の特許文献１に、誘電体基板に配置されたプリンテッドダイポールアンテナが開示されている。ダイポールアンテナの一対の放射素子の一方が、誘電体基板の一方の面に形成され、他方の放射素子が他方の面に形成されている。この誘電体基板が、反射板に設けられた開口部を貫通する。誘電体基板の両側の面にそれぞれ端子が設けられている。この端子が、誘電体基板に設けられているスルーホールを介して導通する。

反射板の開口部の縁が、誘電体基板の端子に接続されることにより、スルーホール内の導体が反射板の一部として機能する。反射板の開口部の実質的な寸法が小さくなるため、開口部の共振を阻止することができる。

下記の特許文献２に、１枚の基板に２つのプリンテッドダイポールアンテナが形成されたエンドファイア多層アンテナが開示されている。２つのダイポールアンテナは、動作周波数に対応する波長に比べて十分離れて配置される。２つのダイポールアンテナ間の結合を低減する工夫がなされている。

特開２００４−２８２２６３号公報米国特許出願公開第２０１３／０３００６２４号明細書

特許文献１に開示された構造のアンテナでは、相互に直交する偏波を励振する２つのダイポールアンテナを１枚の基板上に配置することが困難である。特許文献２に開示されたエンドファイア多層アンテナにおいては、アンテナ間の距離が波長に比べて十分離れている。２つのアンテナを近づけた場合、２つのアンテナの給電線路に起因するアンテナ間の結合が、アンテナ特性を低下させる原因になり得る。

本発明の目的は、動作周波数に対応する波長程度、またはそれよりも狭い間隔で２つのダイポールアンテナが１枚の基板に配置されても、給電線路に起因するアンテナ間の結合を低減することが可能なアンテナモジュールを提供することである。

本発明の第１の観点によるアンテナモジュールは、
誘電体基板と、
前記誘電体基板の第１の層に含まれる第１のダイポールアンテナと、
前記誘電体基板の前記第１の層とは異なる第２の層に含まれ、前記第１のダイポールアンテナで励振される偏波と直交する方向の偏波を励振する第２のダイポールアンテナと、
前記第１の層に含まれ、前記第１のダイポールアンテナに給電する第１の給電線路と、
前記第２の層に含まれ、前記第２のダイポールアンテナに給電する第２の給電線路と、
を有し、
前記第１のダイポールアンテナの動作周波数と、前記第２のダイポールアンテナの動作周波数とが同一であり、
前記第１のダイポールアンテナの２つの給電点の中間点から、前記第２のダイポールアンテナの２つの給電点の中間点までの距離が、前記動作周波数の実効波長以下であり、
前記第１の給電線路及び前記第２の給電線路の少なくとも一方がトリプレート構造を有する。

第１の給電線路及び第２の給電線路の少なくとも一方がトリプレート構造を有するため、給電線路に起因するアンテナ間の結合を低減させることができる。

本発明の第２の観点によるアンテナモジュールは、第１の観点によるアンテナモジュールの構成に加えて、さらに、
前記第１の層に含まれ、前記第１のダイポールアンテナを１つのアンテナ素子として端部に含む第１のアレイアンテナと、
前記第２の層に含まれ、前記第２のダイポールアンテナを１つのアンテナ素子として端部に含む第２のアレイアンテナと
を有し、
前記第１のアレイアンテナのアンテナ素子が配列する方向と、前記第２のアレイアンテナのアンテナ素子が配列する方向とが、相互に直交する。

第１のアレイアンテナ及び第２のアレイアンテナが、誘電体基板に平行な方向の指向性を持つ。第１のアレイアンテナのメインローブが走査される方位角方向の範囲が、第２のアレイアンテナのメインローブが捜査される方位角方向の範囲に連続する。

本発明の第３の観点によるアンテナモジュールにおいては、第２の観点によるアンテナモジュールの構成に加えて、
前記第１のアレイアンテナ及び前記第２のアレイアンテナが、前記誘電体基板の相互に直交する辺に沿って配置され、前記誘電体基板に平行な方向に指向性を有し、
さらに、前記誘電体基板の、前記第１の層及び前記第２の層のいずれとも異なる第３の層に含まれるパッチアンテナを有し、
前記パッチアンテナは、平面視において、前記第１のアレイアンテナ及び前記第２のアレイアンテナよりも内側の領域に配置されている。

パッチアンテナが、誘電体基板の表面に法線方向（ボアサイト方向）に指向性を有する。

本発明の第４の観点によるアンテナモジュールにおいては、第３の観点によるアンテナモジュールの構成に加えて、
前記第１の給電線路及び前記第２の給電線路が、平面視において、前記パッチアンテナと重なっている。

第１の給電線路及び第２の給電線路の少なくとも一方がトリプレート構造を有するため、第１の給電線路または第２の給電線路に起因するパッチアンテナとダイポールアンテナとの結合を低減することができる。

本発明の第５の観点によるアンテナモジュールは、第２乃至第４の観点によるアンテナモジュールの構成に加えて、さらに、
前記誘電体基板に配置され、前記第１のアレイアンテナのアンテナ素子の各々と対を成す縦型ダイポールアンテナを有し、
前記縦型ダイポールアンテナの各々は、前記誘電体基板の厚さ方向に延びる一対の導体柱を含み、対応する前記第１のアレイアンテナのアンテナ素子とともに、クロスダイポールアンテナを構成する。

誘電体基板に垂直な偏波方向を持つ電波を、誘電体基板に平行な方向に放射することができる。

図１Ａ、実施例１によるアンテナモジュールの平断面図であり、図１Ｂは、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図である。図２Ａは、実施例２によるアンテナモジュールの平面図であり、図２Ｂは、図２Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図である。図３Ａは、実施例３によるアンテナモジュールの平面図であり、図３Ｂは、第１のダイポールアンテナ、及びそれと対を成す縦型ダイポールアンテナを拡大した平面図であり、図３Ｃは、図３Ｂの一点鎖線３Ｃ−３Ｃにおける断面図である。

［実施例１］
図１Ａに、実施例１によるアンテナモジュールの平断面図を示す。誘電体基板１０の表面に平行な面をｘｙ面とし、法線方向をｚ軸とするｘｙｚ直交座標系を定義する。ｘ軸の正の向きを方位角０°と定義する。ｙ軸の正の向きの方位角は９０°であり、ｘ軸の負の向きの方位角が１８０°であり、ｙ軸の負の向きの方位角が２７０°である。誘電体基板１０の平面形状は、ｘ軸またはｙ軸に平行な辺を持つ正方形または長方形である。

誘電体基板の、方位角９０°の方向を向く辺に沿って、第１のアレイアンテナ２１が配置されている。方位角１８０°の方向を向く辺に沿って、第２のアレイアンテナ２２が配置されている。方位角２７０°の方向を向く辺に沿って、第３のアレイアンテナ２３が配置されている。方位角０°の方向を向く辺に沿って、第４のアレイアンテナ２４が配置されている。

第１のアレイアンテナ２１は、対応する辺に沿って配列した複数のアンテナ素子を含む。第２のアレイアンテナ２２、第３のアレイアンテナ２３、及び第４のアレイアンテナ２４も、同様に、対応する辺に沿って配列した複数のアンテナ素子を含む。各アンテナ素子は、対応する辺に平行な放射素子からなるプリンテッドダイポールアンテナである。各アンテナ素子の動作周波数は同一である。

第１のアレイアンテナ２１の各ダイポールアンテナ、及び第３のアレイアンテナ２３の各ダイポールアンテナは、ｘ軸に平行な偏波を励振する。第２のアレイアンテナ２２の各ダイポールアンテナ、及び第４のアレイアンテナ２４の各ダイポールアンテナは、ｙ軸に平行な偏波を励振する。第１のアレイアンテナ２１、第２のアレイアンテナ２２、第３のアレイアンテナ２３、及び第４のアレイアンテナ２４は、誘電体基板１０に平行な方向に指向性を持つエンドファイアアンテナとして動作する。

第１のアレイアンテナ２１は、指向性パターンのメインローブを、方位角９０°の方向を中心として、方位角方向に走査することができる。第２のアレイアンテナ２２は、指向性パターンのメインローブを、方位角１８０°の方向を中心として、方位角方向に走査することができる。第３のアレイアンテナ２３は、指向性パターンのメインローブを、方位角２７０°の方向を中心として、方位角方向に走査することができる。第４のアレイアンテナ２４は、指向性パターンのメインローブを、方位角０°の方向を中心として、方位角方向に走査することができる。

第１のアレイアンテナ２１の、ｘ軸の負側の端部に配置されたダイポールアンテナ２１１（以下、「第１のダイポールアンテナ」という。）について説明する。平面視において、第１のダイポールアンテナ２１１から誘電体基板１０の内側に向かって、第１のバラン（平衡不平衡変換器）２１３及び第１の給電線路２１２が延びる。第１のバラン２１３及び第１の給電線路２１２は、第１のダイポールアンテナ２１１と同一の層の導体パターンで形成されている。高周波素子３０から、誘電体基板１０内の伝送線路、第１の給電線路２１２、及び第１のバラン２１３を経由して、第１のダイポールアンテナ２１１に給電される。高周波素子３０は、例えば誘電体基板１０の背面に実装される。

第２のアレイアンテナ２２の、ｙ軸の正側の端部に配置されたダイポールアンテナ２２１（以下、「第２のダイポールアンテナ」という。）にも、同様に、第２のバラン２２３及び第２の給電線路２２２が接続されている。他のダイポールアンテナも、第１のダイポールアンテナ２１１と同一の構成を有する。

第１のダイポールアンテナ２１１の２つの給電点の中間点Ｓ１から、第２のダイポールアンテナ２２１の２つの給電点の中間点Ｓ２までの距離Ｌが、動作周波数に対応する実効波長以下になるように、第１のダイポールアンテナ２１１及び第２のダイポールアンテナ２２１が配置されている。ここで、「実効波長」とは、着目する領域の誘電率を考慮した実際の波長を意味する。

第１のダイポールアンテナ２１１により励振される偏波の方向と、第２のダイポールアンテナ２２１により励振される偏波の方向とは、相互に直交する。このため、第１のダイポールアンテナ２１１と第２のダイポールアンテナ２２１との間の結合は弱い。

第１のアレイアンテナ２１及び第３のアレイアンテナ２３は同一の層に配置されている。第２のアレイアンテナ２２及び第４のアレイアンテナ２４は、第１のアレイアンテナ２１よりも下の、同一の層に配置されている。第１のダイポールアンテナ２１１と第２のダイポールアンテナ２２１とが近接して配置されているため、第１の給電線路２１２と第２の給電線路２２２とが、平面視において部分的に重なる。

厚さ方向に関して、第１のアレイアンテナ２１と第２のアレイアンテナ２２との間に、接地層４３が配置されている。接地層４３は、平面視において、各ダイポールアンテナに接続されたバランが配置された位置よりも内側の領域を覆う。接地層４３には、必要に応じて、層間接続導体を配置するための開口が設けられている。

図１Ｂに、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図を示す。一点鎖線１Ｂ−１Ｂは、点Ｐにおいて直角に折れ曲がっている。誘電体基板１０は多層構造を有し、誘電体基板１０内に複数の層１１〜１５が配置されている。図１Ａに示した平断面図は、上から２番目の層１２の位置におけるものである。

第１のダイポールアンテナ２１１、第１の給電線路２１２、及び第１のバラン２１３は、上から２番目の層１２に含まれる。同様に、第１のアレイアンテナ２１及び第３のアレイアンテナ２３の他のダイポールアンテナ、バラン、及び給電線路も、上から２番目の層１２に含まれる。第２のダイポールアンテナ２２１、第２の給電線路２２２、及び第２のバラン２２３は、上から４番目の層１４に含まれる。同様に、第２のアレイアンテナ２２及び第４のアレイアンテナ２４の他のダイポールアンテナ、バラン、及び給電線路も、上から４番目の層１４に含まれる。

最も上の層１１に接地層４１が含まれ、上から３番目の層１３に接地層４３が含まれ、上から５番目の層１５に接地層４５が含まれる。第１のバラン２１３の少なくとも一部分、及び第１の給電線路２１２は、接地層４１と接地層４３とで挟まれたトリプレート構造を有する。第２のバラン２２３の少なくとも一部分、及び第２の給電線路２２２は、接地層４３と接地層４５とで挟まれたトリプレート構造を有する。同様に、第１のアレイアンテナ２１、第２のアレイアンテナ２２、第３のアレイアンテナ２３、及び第４のアレイアンテナ２４の他のダイポールアンテナに接続されているバランの少なくとも一部分、及び給電線路も、トリプレート構造を有する。このため、給電線路に起因するアンテナ間の結合を低減することができる。アンテナ間の結合が低減されるため、アレイアンテナによる位相合成後の指向性パターンにおいても、結合による損失を低減することができる。

実施例１では、第１の給電線路２１２及び第２の給電線路２２２の両方をトリプレート構造としたが、一方のみをトリプレート構造とし、他方をマイクロストリップ線路としてもよい。第１の給電線路２１２及び第２の給電線路２２２の一方のみをトリプレート構造とすることによっても、アンテナ間の結合が低減される。

実施例１では、正方形または長方形の誘電体基板１０の４つの辺に、それぞれ第１のアレイアンテナ２１、第２のアレイアンテナ２２、第３のアレイアンテナ２３、及び第４のアレイアンテナ２４を配置した。その他の構成例として、３つの辺、または相互に直交する２つの辺に、それぞれアレイアンテナを配置し、その他の辺にはアレイアンテナを配置しない構成としてもよい。

［実施例２］
図２Ａ及び図２Ｂを参照して、実施例２によるアンテナモジュールについて説明する。以下、図１Ａ及び図１Ｂに示した実施例１によるアンテナモジュールとの相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図２Ａに、実施例２によるアンテナモジュールの平面図を示す。第１のアレイアンテナ２１、第２のアレイアンテナ２２、第３のアレイアンテナ２３、及び第４のアレイアンテナ２４に囲まれた領域に、複数のパッチアンテナ５０が配置されている。一例として、ｘ軸方向を行方向、ｙ軸方向を列方向と定義したとき、パッチアンテナ５０は、３行３列の行列状に配置されている。パッチアンテナ５０の平面形状は、ｘ軸またはｙ軸に平行な辺を持つ正方形である。

パッチアンテナ５０の各々に、第１の給電点５１及び第２の給電点５２が設けられている。第１の給電点５１は、パッチアンテナ５０の中心点からｘ軸方向にずれた位置に配置されている。第２の給電点５２は、パッチアンテナ５０の中心点からｙ軸方向にずれた位置に配置されている。第１の給電点５１からパッチアンテナ５０に給電すると、ｘ軸に平行な偏波が励振される。第２の給電点５２からパッチアンテナ５０に給電すると、ｙ軸に平行な偏波が励振される。

図２Ｂに、図２Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図を示す。一点鎖線２Ｂ−２Ｂは、点Ｐにおいて直角に折れ曲がっている。パッチアンテナ５０は、相互に電磁結合した給電素子５０１及び無給電素子５０２を含む。接地層４１よりも上に、給電素子５０１が配置され、その上に無給電素子５０２が配置されている。図２Ｂに示した断面図には現れていないが、給電線路５３から給電素子５０１に給電される。

厚さ方向に関して、第１のアレイアンテナ２１、第２のアレイアンテナ２２、第３のアレイアンテナ２３、及び第４のアレイアンテナ２４（図２Ａ）に接続された給電線路、例えば第１の給電線路２１２及び第２の給電線路２２２と、パッチアンテナ５０との間に、接地層４１が配置されている。このため、給電線路に起因するアンテナ間の結合を低減することができる。

パッチアンテナ５０は、ボアサイト用の二次元アレイアンテナとして動作する。第１の給電点５１からパッチアンテナ５０に給電を行うときに励振される偏波の方向は、第１のアレイアンテナ２１及び第３のアレイアンテナ２３により励振される偏波の方向と平行である。従って、パッチアンテナ５０から放射される電波と、第１のアレイアンテナ２１及び第３のアレイアンテナ２３から放射される電波とを位相合成することができる。同様に、第２の給電点５２からパッチアンテナ５０に給電すると、パッチアンテナ５０から放射される電波と、第２のアレイアンテナ２２及び第４のアレイアンテナ２４から放射される電波とを位相合成することができる。第１のアレイアンテナ２１、第２のアレイアンテナ２２、第３のアレイアンテナ２３、第４のアレイアンテナ２４、及びパッチアンテナ５０を位相制御して励振することにより、より広い範囲で、指向性を変化させることができる。

実施例２においても、実施例１と同様に、誘電体基板１０の３つの辺、または相互に直交する２つの辺に、それぞれアレイアンテナを配置し、その他の辺にはアレイアンテナを配置しない構成としてもよい。

［実施例３］
図３Ａ乃至図３Ｃを参照して、実施例３によるアンテナモジュールについて説明する。以下、図１Ａ及び図１Ｂに示した実施例１によるアンテナモジュールとの相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図３Ａに、実施例３によるアンテナモジュールの平面図を示す。第１のアレイアンテナ２１のダイポールアンテナの各々と対を成す縦型ダイポールアンテナ２５が配置されている。縦型ダイポールアンテナ２５に、バラン２６及び給電線路２７が接続されている。

図３Ｂに、第１のダイポールアンテナ２１１、及びそれと対を成す縦型ダイポールアンテナ２５を拡大した平面図を示す。縦型ダイポールアンテナ２５は、誘電体基板１０の厚さ方向に延びる一対の導体柱２５１、２５２により構成される。一方の導体柱２５１が、平面視において第１のダイポールアンテナ２１１の第１の平衡給電線路２１４と部分的に重なる。第１のダイポールアンテナ２１１の第１のバラン２１３及び第１の平衡給電線路２１４は、平面視において、縦型ダイポールアンテナ２５の平衡給電線路２８及びバラン２６と部分的に重なる。

図３Ｃに、図３Ｂの一点鎖線３Ｃ−３Ｃにおける断面図を示す。縦型ダイポールアンテナ２５の平衡給電線路２８は、第１のダイポールアンテナ２１１の第１の平衡給電線路２１４とは異なる層に配置されている。図３Ｃに示した例では、平衡給電線路２８が第１の平衡給電線路２１４よりも上に配置されている。一方の平衡給電線路２８から上方に向って導体柱２５１が延びる。他方の平衡給電線路２８から下方に向って導体柱２５２が延びる。導体柱２５１及び導体柱２５２により、縦型ダイポールアンテナ２５（図３Ａ）が構成される。

第１のダイポールアンテナ２１１、及びそれと対を成す縦型ダイポールアンテナ２５とにより、クロスダイポールアンテナが構成される。縦型ダイポールアンテナ２５の一方の導体柱２５１を、第１のダイポールアンテナ２１１の第１の平衡給電線路２１４と重ねることにより、第１のダイポールアンテナ２１１の２つの給電点の中間点Ｓ１と、縦型ダイポールアンテナ２５の２つの給電点の中間点Ｓ３とを、ｘ軸方向に近づけることができる。

実施例３においては、誘電体基板１０に対して垂直方向の偏波を、誘電体基板１０に平行な方向に放射することができる。

実施例３においても、図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例２のように、ボアサイト方向に指向性を持つパッチアンテナ５０を設けてもよい。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０誘電体基板
１１〜１５層
２１第１のアレイアンテナ
２２第２のアレイアンテナ
２３第３のアレイアンテナ
２４第４のアレイアンテナ
２５縦型ダイポールアンテナ
２６バラン
２７給電線路
２８平衡給電線路
３０高周波素子
４１、４３、４５接地層
５０パッチアンテナ
５１第１の給電点
５２第２の給電点
５３給電線路
２１１第１のダイポールアンテナ
２１２第１の給電線路
２１３第１のバラン
２１４第１の平衡給電線路
２２１第２のダイポールアンテナ
２２２第２の給電線路
２２３第２のバラン
２５１、２５２導体柱
５０１給電素子
５０２無給電素子
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３給電点の中間点

Claims

誘電体基板と、
前記誘電体基板の第１の層に含まれる第１のダイポールアンテナと、
前記誘電体基板の前記第１の層とは異なる第２の層に含まれ、前記第１のダイポールアンテナで励振される偏波と直交する方向の偏波を励振する第２のダイポールアンテナと、
前記第１の層に含まれ、前記第１のダイポールアンテナに給電する第１の給電線路と、
前記第２の層に含まれ、前記第２のダイポールアンテナに給電する第２の給電線路と、
を有し、
前記第１のダイポールアンテナの動作周波数と、前記第２のダイポールアンテナの動作周波数とが同一であり、
前記第１のダイポールアンテナの２つの給電点の中間点から、前記第２のダイポールアンテナの２つの給電点の中間点までの距離が、前記動作周波数の実効波長以下であり、
前記第１の給電線路及び前記第２の給電線路の少なくとも一方がトリプレート構造を有するアンテナモジュール。
さらに、
前記第１の層に含まれ、前記第１のダイポールアンテナを１つのアンテナ素子として端部に含む第１のアレイアンテナと、
前記第２の層に含まれ、前記第２のダイポールアンテナを１つのアンテナ素子として端部に含む第２のアレイアンテナと
を有し、
前記第１のアレイアンテナのアンテナ素子が配列する方向と、前記第２のアレイアンテナのアンテナ素子が配列する方向とが、相互に直交する請求項１に記載のアンテナモジュール。
前記第１のアレイアンテナ及び前記第２のアレイアンテナが、前記誘電体基板の相互に直交する辺に沿って配置され、前記誘電体基板に平行な方向に指向性を有し、
さらに、前記誘電体基板の、前記第１の層及び前記第２の層のいずれとも異なる第３の層に含まれるパッチアンテナを有し、
前記パッチアンテナは、平面視において、前記第１のアレイアンテナ及び前記第２のアレイアンテナよりも内側の領域に配置されている請求項２に記載のアンテナモジュール。
前記第１の給電線路及び前記第２の給電線路が、平面視において、前記パッチアンテナと重なっている請求項３に記載のアンテナモジュール。
さらに、前記誘電体基板に配置され、前記第１のアレイアンテナのアンテナ素子の各々と対を成す縦型ダイポールアンテナを有し、
前記縦型ダイポールアンテナの各々は、前記誘電体基板の厚さ方向に延びる一対の導体柱を含み、対応する前記第１のアレイアンテナのアンテナ素子とともに、クロスダイポールアンテナを構成する請求項２乃至４のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。