WO2019102988A1 - 平面アレイアンテナおよび無線通信モジュール - Google Patents

平面アレイアンテナおよび無線通信モジュール Download PDF

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WO2019102988A1
WO2019102988A1 PCT/JP2018/042810 JP2018042810W WO2019102988A1 WO 2019102988 A1 WO2019102988 A1 WO 2019102988A1 JP 2018042810 W JP2018042810 W JP 2018042810W WO 2019102988 A1 WO2019102988 A1 WO 2019102988A1
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WO
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conductor
radiation conductor
planar array
radiation
array antenna
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/042810
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English (en)
French (fr)
Inventor
高木　保規
林　健児
Original Assignee
日立金属株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart

Definitions

  • the present application relates to a planar array antenna and a wireless communication module.
  • the number of base stations close to the wireless communication terminal increases, and it is necessary to select a specific base station capable of high quality communication from among a plurality of close base stations. May be That is, there are cases where an antenna capable of emitting radiation and having a wide directivity and high directivity may be required.
  • Patent Document 1 discloses a diversity antenna for performing reception from the direction of strong radio waves.
  • the present application provides a planar array antenna and a wireless communication module that can emit radiation in a wide wavelength band and have high directivity and high directivity.
  • the planar array antenna of the present disclosure is a planar array antenna in which a plurality of antenna units are arranged in one or two dimensions, and each antenna unit is A strip conductor extending in a first direction, A radiation conductor fed in a contact or contactless manner from the strip conductor; At least one parasitic radiation conductor disposed adjacent to at least one of the pair of sides of the radiation conductor in a second direction orthogonal to the first direction; A ground conductor disposed below the radiation conductor and the at least one parasitic radiation conductor in a third direction orthogonal to the first and second directions; At least the ground conductor, and a dielectric positioned between the radiation conductor and the at least one non-feeding radiation conductor, The dielectric constant of the dielectric is greater than 1.15, and the wavelength in the dielectric at the center frequency of the carrier wave is ⁇ d, and the pair of sides of the radiation conductor and the at least one in the second direction Among the pair of sides of the parasitic radiation conductor, a distance W2 between the two outermost
  • the at least one non-feeding radiation conductor may be disposed adjacent to each of the pair of sides of the radiation conductor in the second direction.
  • the plurality of non-feeding radiation conductors may be included, and the plurality of non-feeding radiation conductors may be arranged in the second direction.
  • the plurality of non-feeding radiation conductors may be included, and the plurality of non-feeding radiation conductors may be arranged in the first direction.
  • the at least one parasitic radiation conductor and the radiation conductor may be located on the same plane.
  • Each antenna unit may include two of the non-feeding radiation conductors, and the at least one non-feeding radiation conductor and the radiation conductor may be located on different planes.
  • the distance W2 may satisfy (3/4) ⁇ d ⁇ W 2 ⁇ 2 ⁇ d .
  • the dielectric may cover the radiation conductor and the at least one parasitic radiation conductor.
  • the dielectric may be a ceramic multilayer body.
  • the first antenna unit is A first strip conductor extending in a first direction; A first radiation conductor fed in a contact or contactless manner from the first strip conductor; At least one first parasitic radiation conductor disposed adjacent to at least one of the pair of sides of the first radiation conductor in a second direction orthogonal to the first direction; A first ground conductor disposed below the first radiation conductor and the at least one first parasitic radiation conductor in a third direction orthogonal to the first and second directions; At least a first dielectric located between the first ground conductor and the first radiation conductor and the at least one first parasitic radiation conductor.
  • the second antenna unit is A second strip conductor extending in a second direction; A second radiation conductor fed in a contact or contactless manner from the second strip conductor; At least one second parasitic radiation conductor disposed adjacent to at least one of the pair of sides of the second radiation conductor in the first direction orthogonal to the second direction; A second ground conductor disposed below the second radiation conductor and the at least one second parasitic radiation conductor in a third direction orthogonal to the first and second directions; At least a second dielectric located between the second ground conductor and the second radiation conductor and the at least one second parasitic radiation conductor; The relative permittivity of the first and second dielectrics is greater than 1.15, Let ⁇ d be the wavelength in the first and second dielectrics at the center frequency of the carrier, Of the pair of sides of the first radiation conductor and the pair of sides of the at least one first parasitic radiation conductor in the second direction, the distance between the two outermost sides in the second direction W2 is Satisfy W2 ⁇ 2 ⁇ d , The
  • a wireless communication module of the present disclosure includes the planar array antenna according to any of the above and an active component electrically connected to the planar array antenna.
  • planar array antenna having a wide radiation direction and a high directivity
  • wireless communication module provided with the planar array antenna
  • FIG. 1A is a plan view of one embodiment of a planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the planar array antenna taken along line 1B-1B of FIG. 1A.
  • FIG. 1C is a schematic cross-sectional view of the planar array antenna taken along line 1C-1C of FIG. 1A.
  • FIG. 1D is a schematic cross-sectional view showing another form of the planar array antenna.
  • FIG. 2A is a plan view showing a radiation conductor and a non-feed radiation conductor.
  • FIG. 2B is a plan view showing a strip conductor.
  • FIG. 2C is a plan view showing a ground conductor.
  • FIG. 3 is a perspective view for explaining the operation of the planar array antenna.
  • FIG. 1A is a plan view of one embodiment of a planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the planar array antenna taken along line 1B-1
  • FIG. 4 is a plan view showing another form of the planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 5 is a plan view showing another form of the planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a plan view showing another form of the planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 7 is a plan view showing another form of the planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a plan view showing another form of the planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 9 is a plan view showing another form of the planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a plan view showing another form of the planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 11 is a plan view showing another form of the planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 12 is a plan view showing another form of the planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 13 is a plan view showing another form of the planar array antenna of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a multilayer ceramic substrate of the present disclosure.
  • FIG. 15A is a schematic bottom view showing an embodiment of the wireless communication module of the present disclosure.
  • FIG. 15B is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the wireless communication module of the present disclosure.
  • FIG. 16 is a schematic cross-sectional view showing another form of the wireless communication module of the present disclosure.
  • FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing another form of the wireless communication module of the present disclosure.
  • FIG. 18A shows the relationship between the width and the gain characteristic of a conventional patch antenna obtained by simulation.
  • FIG. 18B shows the relationship between the width and the gain characteristic of the antenna unit of the planar array antenna shown in FIG. 1 obtained by simulation.
  • the planar array antenna and the wireless communication module of the present disclosure can be used, for example, for wireless communication in the quasi-microwave, centimeter wave, quasi-millimeter wave, and millimeter wave band.
  • the radio communication in the quasi-microwave band has a wavelength of 10 cm to 30 cm, and uses radio waves with frequencies of 1 GHz to 3 GHz as carrier waves.
  • Wireless communication in the centimeter wave band has a wavelength of 1 cm to 10 cm, and uses radio waves with a frequency of 3 GHz to 30 GHz as a carrier wave.
  • Wireless communication in the millimeter wave band has a wavelength of 1 mm to 10 mm and uses radio waves with a frequency of 30 GHz to 300 GHz as a carrier wave.
  • the radio communication in the quasi-millimeter wave band has a wavelength of 10 mm to 30 mm, and radio waves with frequencies of 10 GHz to 30 GHz are used as carrier waves.
  • the size of the planar antenna is on the order of several centimeters to submillimeters.
  • the quasi-microwave / centimeter-wave / quasi-millimeter-wave / millimeter-wave wireless communication circuit is formed of a multilayer ceramic sintered substrate, it is possible to mount the multiaxial antenna of the present disclosure on the multilayer ceramic sintered substrate. Become.
  • the carrier frequency is 30 GHz and the carrier wavelength ⁇ is 10 mm as an example of the quasi-microwave, centimeter wave, quasi-millimeter wave, and millimeter wave carrier unless otherwise described.
  • a planar array antenna will be described by taking a certain case as an example.
  • a right-handed orthogonal coordinate system is used to describe the arrangement, orientation, and the like of components.
  • the right-handed orthogonal coordinate system has x, y and z axes orthogonal to one another.
  • the axes are given an alphabet of x, y and z, but these may be called first, second and third axes.
  • FIG. 1A is a schematic plan view showing a planar array antenna 101 of the present disclosure.
  • the planar array antenna 101 includes a plurality of antenna units 51 arranged in one or two dimensions.
  • the planar array antenna 101 includes antenna units 51 arranged in two dimensions in the x-axis and y-axis directions.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along line 1B-1B of planar array antenna 101 shown in FIG. 1A, and shows a yz cross section of each antenna unit 51.
  • FIG. 1C is a schematic cross-sectional view taken along line 1C-1C of the planar array antenna 101 shown in FIG. 1A, and shows the xz cross section of the antenna unit 51.
  • Each antenna unit 51 includes a strip conductor 11, a radiation conductor 12, at least one non-feed radiation conductor 13A, 13B, a ground conductor 14, and a dielectric 40.
  • FIG. 2A is a plan view of the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B
  • FIGS. 2B and 2C are plan views of the strip conductor 11 and the ground conductor 14, respectively.
  • the strip conductor 11 has a strip shape extending in the x-axis direction (first direction).
  • first direction when the center frequency of the carrier wave is 60 GHz, the width W11 in the y-axis direction (second direction) is about 0.05 mm to 1 mm, and the length L11 in the x-axis direction is 0. 0. 0. It is about 3 mm to 1.5 mm.
  • the strip conductor 11 functions as a transmission line that supplies power to each antenna unit 51.
  • the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A and 13B are planar radiation conductors, and are radiation elements that emit radio waves.
  • "Radial conductor” means an element to which power is supplied
  • "non-feed conductor” means an element to which power is not supplied.
  • the radiation conductor 12 is supplied with power from the strip conductor 11 in a contact or non-contact manner, and the non-feeding radiation conductors 13A, 13B do not receive the supply of power from the strip conductor 11.
  • a part of the strip conductor 11 overlaps the radiation conductor 12 when viewed from the z-axis direction (third direction), but the radiation conductor 12 and the strip conductor 11 are not in contact with each other. It is separated. Therefore, the radiation conductor 12 receives the supply of power from the strip conductor 11 in a noncontact manner.
  • the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A, 13B have shapes for obtaining the required radiation characteristics and impedance matching.
  • the antenna unit 51 includes the two parasitic radiation conductors 13A and 13B. However, as described later, the antenna unit 51 may include at least one parasitic radiation conductor.
  • the at least one non-feeding radiation conductor is disposed adjacent to at least one of the pair of sides of the radiation conductor 12 in the y-axis direction.
  • the non-feeding radiation conductors 13A and 13B are disposed adjacent to a pair of sides in the y direction of the radiation conductor 12, respectively.
  • the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A and 13B are disposed at the same height in the z direction. That is, the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A and 13B are located on the same plane.
  • the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A and 13B each have a rectangular shape in the present embodiment.
  • the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A and 13B may have other shapes such as a circle.
  • the lengths W12 and W13A and W13B of the radiation conductor 12 in the y-axis direction and in the y-axis direction of the parasitic radiation conductors 13A and 13B are D1 and D2, respectively.
  • the length is about 0.225 mm to 1.475 mm
  • the length L12 in the x-axis direction of the radiation conductor 12 and the lengths L13A and L13B in the x-axis direction of the parasitic radiation conductors 13A and 13B are 0. It is about .75 mm to 0.95 mm.
  • the distance D1 between the non-feed radiation conductor 13A and the radiation conductor 12 and the distance D2 between the non-feed radiation conductor 13B and the radiation conductor 12 in the y-axis direction are about 0 mm to 0.7 mm.
  • the non-feeding radiation conductors 13A and 13B be farther from the non-feeding radiation conductors 13A and 13B of the antenna unit 51 adjacent to the radiation conductor 12 in the same antenna unit 51. That is, the distance between the non-feeding radiation conductor 13A (or 13B) of each antenna unit 51 and the non-feeding radiation conductor 13B (or 13A) of the adjacent antenna unit 51 is larger than D1 and D2.
  • the wavelength in the dielectric 40 of the relative dielectric constant ⁇ r at the center frequency of the carrier wave is ⁇ d
  • y among the pair of sides of the radiation conductor 12 and the pair of sides of the non-feeding radiation conductors 13A and 13B in the y-axis direction
  • the distance W2 between the two outermost sides in the axial direction satisfies the following formula (1).
  • the distance W2 is the width of the antenna unit 51 in the y-axis direction.
  • ⁇ d ⁇ 0 / ⁇ r 1/2 .
  • the distance W2 more preferably satisfies the following formula (2).
  • the planar array antenna 101 can transmit and receive electromagnetic waves with a gain higher than that of the prior art. (3/4) ⁇ d ⁇ W 2 ⁇ 2 ⁇ d (2)
  • the arrangement pitch P (FIG. 1) of the antenna units 51 affects the strength of the main lobe and the side lobes in the gain characteristic.
  • the array pitch P becomes larger, the main lobe in the gain characteristics becomes larger, but the side lobes also become larger, and when the array pitch P is the wavelength ⁇ 0 in vacuum, the interference between the antennas becomes smaller, and the main at ⁇ 0 or more
  • the strength of the lobe is sufficiently large.
  • the side lobe becomes large, with different power phase input to each antenna unit 51 of the planar array antenna 101, the respective antenna units 51 for performing beamforming beam The scan angle that can be scanned also decreases.
  • the ground conductor 14 is a ground electrode connected to a reference potential, and is disposed in a region including the region under the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B in the z-axis direction.
  • the ground conductor 14 is located on a plane different from the plane on which the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B are disposed in the z-axis direction, and the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B Is larger than the provided area.
  • the ground conductor 14 is connected to the ground conductor 14 of the adjacent antenna unit 51 to form an integral ground conductor layer.
  • the strip conductor 11 is located between the radiation conductor 12 and the ground conductor 14 in the z-axis direction.
  • the distance H1 between the ground conductor 14 and the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B in the z-axis direction is 0.025 mm to 0.2 mm.
  • the distance H2 between the strip conductor 11 and the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B is about 0.025 mm to 0.2 mm.
  • Power feeding to the strip conductor 11 of the antenna unit 51 can be performed by connection by a conductor or electromagnetic field coupling by strip conductor, slot feeding or the like.
  • a hole 14c may be provided in the ground conductor 14, and one end of the conductor 15 disposed in the hole 14c may be connected to one end 11d of the strip conductor 11.
  • the other end of the conductor 15 is connected to, for example, a circuit pattern (not shown) formed below the ground conductor 14.
  • a dielectric 40 is disposed at least between the ground conductor 14 and the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B.
  • Strip conductor 11 is disposed in dielectric 40.
  • the ground conductor 14 is also disposed in the dielectric 40.
  • the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A and 13B are disposed on the top surface 40a of the dielectric 40 in the present embodiment. Since the radiation conductor 12 and the non-feeding radiation conductors 13A and 13B are elements that emit electromagnetic waves, the radiation conductor 12 and the non-feeding radiation conductors 13A and 13B are disposed on the upper surface 40a in terms of enhancing radiation efficiency. Is preferred. However, when the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B are exposed on the upper surface 40a, the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductor 13A are deformed by external force or the like or exposed to the external environment. , 13 B may cause oxidation, corrosion, etc. For this reason, as shown in FIG. 1D, the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A and 13B may be covered by the dielectric 40 and disposed in the dielectric 40.
  • the thickness t of the dielectric covering the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B is 70 ⁇ m or less, the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B are on the top surface 40a. It was found that radiation efficiency equal to or higher than that in the case of forming and forming an Au / Ni plated layer as a protective film can be realized.
  • the thickness t is preferably 5 ⁇ m or more. That is, the thickness t is more preferably 5 ⁇ m or more and 70 ⁇ m or less.
  • the thickness t Is preferably 5 ⁇ m or more and less than 20 ⁇ m.
  • the dielectric 40 has a relative dielectric constant greater than 1.15.
  • the relative permittivity of the dielectric 40 is preferably greater than 1.56, and more preferably greater than 2.25.
  • the dielectric 40 may be resin, glass, ceramic or the like.
  • dielectric 40 is a multilayer dielectric in which a plurality of layers made of resin, glass, ceramic or the like are stacked.
  • the dielectric 40 is, for example, a multilayer ceramic body provided with a plurality of ceramic layers, and the strip conductor 11 and the ground conductor 14 are provided between the plurality of ceramic layers, and the radiation conductor 12 and nothing are provided on the upper surface of the multilayer ceramic body. Feeding radiation conductors 13A, 13B are provided.
  • the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A, 13B may also be provided between the ceramic layers.
  • the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A and 13B are preferably arranged at the same position among the plurality of ceramic layers, but when the thickness of the ceramic layer is small, the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductor 13A , 13B may be disposed between different ceramic layers.
  • the distance between the elements in the z-axis direction of the antenna unit 51 such as the distance between the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductors 13A and 13B and the ground conductor 14, depends on the thickness and the number of ceramic layers disposed between the elements It can be adjusted.
  • Each component of the antenna unit 51 is formed of a material having electrical conductivity.
  • it is formed of a material containing a metal such as Au, Ag, Cu, Ni, Al, Mo, W or the like.
  • the planar array antenna 101 can be fabricated using known techniques, using the dielectrics and conductive materials of the materials described above. In particular, it can be suitably produced using a multilayer (laminated) substrate technology using resin, glass and ceramic. For example, when a multilayer ceramic body is used as the dielectric 40, it can be suitably used using a co-fired ceramic substrate technology. In other words, the planar array antenna 101 can be manufactured as a co-fired ceramic substrate.
  • the co-fired ceramic substrate constituting the planar array antenna 101 may be a low temperature co-fired ceramic (LTCC) substrate or a high temperature co-fired ceramic (HTCC) substrate. May be From the viewpoint of high frequency characteristics, it may be preferable to use a low temperature fired ceramic substrate.
  • LTCC low temperature co-fired ceramic
  • HTCC high temperature co-fired ceramic
  • a ceramic material and a conductive material are used according to the firing temperature, the application and the frequency of wireless communication.
  • the conductive paste for forming these elements and the green sheet for forming a multilayer ceramic body of the dielectric 40 are simultaneously fired (Co-fired).
  • ceramic materials and conductive materials which can be sintered in a temperature range of about 800 ° C. to 1000 ° C. are used.
  • the ceramic material to be used, the ceramic material containing Al, Mg, Si and Gd, and the ceramic material containing Al, Si, Zr and Mg are used.
  • a conductive material containing Ag or Cu is used.
  • the dielectric constant of the ceramic material is about 3 to 15.
  • a ceramic material containing Al as a main component and a conductive material containing W (tungsten) or Mo (molybdenum) can be used.
  • an LTCC material for example, a low dielectric constant (dielectric constant of 5 to 10) Al-Mg-Si-Gd-O based dielectric material, a crystalline phase composed of Mg 2 SiO 4 and a Si-Ba -La-B-O based dielectric materials such as glass, Al-Si-Sr-O based dielectric materials, Al-Si-Ba-O based dielectric materials, high dielectric constant (relative dielectric constant of 51 or more)
  • Various materials such as Bi)-Ca--Nb--O-based dielectric materials can be used.
  • Al-Si-Sr-O based dielectric material contains oxides of Al, Si, Sr and Ti as main components
  • Al 2 Si, Sr and Ti which are main components are respectively Al 2 O 3 , SiO 2 , SrO, TiO 2 , Al 2 O 3 : 10 to 60% by mass, SiO 2 : 25 to 60% by mass, SrO: 7.5 to 51% by mass, TiO 2 : 20% by mass or less
  • Bi, Na, K, 0.1 ⁇ 10 parts by weight in terms of Bi 2 O 3 at least one selected from the group of Co, Na 2 O in terms in 0.1 to 5 parts by weight, 0.1 to 5 parts by mass K 2 O in terms preferably contains 0.1 to 5 parts by terms of CoO, further, Cu, Mn, of the group of Ag It is preferable that at least one of 0.01 to 5 parts by mass in terms of CuO, 0.01 to 5 parts by mass in terms of Mn 3 O 4 and 0.01 to 5 parts by mass of Ag be contained. Other unavoidable impurities can also be contained.
  • the radiation conductor 12 when power is supplied to the strip conductor 11 of each antenna unit 51, the radiation conductor 12 has maximum strength in the direction perpendicular to the radiation conductor 12, that is, in the positive direction of the z-axis. Emits an electromagnetic wave having an intensity distribution F + z spread in the xz plane parallel to the direction in which Although power is not supplied to the non-feeding radiation conductors 13A and 13B, the radiation conductor 12 and the non-feeding radiation conductors 13A and 13B integrally emit electromagnetic waves by resonating with the electromagnetic waves emitted by the radiation conductor 12. . This enhances the intensity of the emitted electromagnetic waves. That is, the gain of each antenna unit 51 is increased.
  • each antenna unit 51 is provided with the parasitic radiation conductors 13A and 13B so that the width W2 is smaller than that of a flat antenna without the parasitic radiation conductors.
  • the intensity of the emitted electromagnetic waves can be increased. That is, in the case of realizing an antenna having the same gain, the width W2 can be made smaller than in the prior art. Therefore, when the planar array antenna 101 is configured by arranging a plurality of antenna units 51, the entire area of the planar array antenna 101 can be reduced. As described later, the gain can be further enhanced by reducing the intervals D1 and D2 between the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A and 13B.
  • the antenna unit 51 can be made smaller by the wavelength shortening effect in the dielectric. These two effects make it possible to narrow the pitch between the antenna units while suppressing unnecessary interference between the antenna units 51.
  • the adjacent antenna units 51 are adjacent to each other.
  • the interference can be increased to enhance the directivity, and an electromagnetic wave with higher directivity and a large gain can be emitted in a wide direction. That is, it is possible to realize a phased array antenna which can transmit and receive high gain electromagnetic waves with high directivity in a wide direction.
  • each antenna unit 51 can emit an electromagnetic wave with high gain at a wider angle by including the non-feeding radiation conductors 13A and 13B. Therefore, when forming the planar array antenna 101 and performing beam forming, it is possible to emit an electromagnetic wave having high directivity at a wide angle.
  • planar array antenna 101 in a planar antenna without a parasitic radiation conductor, when the carrier is constant and the width of the radiation conductor is changed, a null point occurs where the radiation intensity is significantly reduced.
  • the planar array antenna 101 of the present disclosure no null point occurs. Therefore, in designing the planar array antenna 101, the restriction on the size of the antenna unit 51 is reduced, and the degree of freedom in design can be enhanced.
  • planar array antenna 102 shown in FIG. 4 is a planar array antenna 101 in that in each antenna unit 52, the non-feeding radiation conductor 13A is disposed only on one of the pair of sides of the radiation conductor 12 located in the y direction. It is different from
  • Planar array antenna 103 shown in FIG. 5 is different from planar array antenna 101 in that a plurality of non-feeding radiation conductors are arranged on each of a pair of sides of radiation conductor 12 located in the y direction in each antenna unit 53. It is different.
  • the non-feeding radiation conductors 13C and 13D and the non-feeding radiation conductors 13E and 13F are disposed on each of a pair of sides of the radiation conductor 12 located in the y direction.
  • the parasitic radiation conductors 13C and 13D and the parasitic radiation conductors 13E and 13F are disposed in the y-axis direction.
  • the non-feeding radiation conductors 13G and 13H and the non-feeding radiation conductors 13I and 13J are arranged on each of a pair of sides of the radiation conductor 12 in the y direction. ing.
  • the parasitic radiation conductors 13G and 13H and the parasitic radiation conductors 13I and 13J are disposed in the x-axis direction.
  • Planar array antenna 105 shown in FIG. 7 differs from planar array antenna 101 in that antenna array 51 which is a plurality of first antenna units and antenna unit 51 ′ which is a plurality of second antenna units are provided.
  • the structure of the antenna unit 51 is the same as the antenna unit 51 of the planar array antenna 101.
  • the strip conductor 11 extends in the x direction.
  • the antenna unit 51 ' also has the same structure as the antenna unit 51, but the strip conductor 11 extends in the y-axis direction.
  • the plurality of antenna units 51 are one-dimensionally arranged in the y-axis direction, and the plurality of antenna units 51 'are one-dimensionally arranged in the x-axis direction.
  • the width W1 in the x-axis direction of the antenna unit 51 ′ satisfies the conditions of the equations (1) and (2) (where W2 in the equations (1) and (2) is replaced by W1) Is preferred.
  • the plurality of antenna units 51 and the plurality of antenna units 51 ' are formed on the same dielectric 40, and the ground conductors 14 of the plurality of antenna units 51 and the plurality of antenna units 51' are formed.
  • the ground conductor 14 is connected to each other.
  • the ground conductors 14 of the plurality of antenna units 51 and the ground conductors 14 of the plurality of antenna units 51 ' may not be connected but may be separated. Further, the plurality of antenna units 51 and the plurality of antenna units 51 ′ may be formed on the dielectrics 40 independent of each other.
  • a planar array antenna 105 is configured by preparing two planar array antennas in which only a plurality of antenna units 51 are formed in the dielectric 40 and arranging one of them in a direction rotated by 90 ° with respect to the other. It is also good.
  • the electromagnetic wave emitted from the antenna unit 51 has the maximum intensity in the positive direction of the z-axis, and has an intensity distribution spread in the xz plane parallel to the extending direction of the strip conductor 11.
  • the electromagnetic wave radiated from the antenna unit 51 ' has the maximum intensity in the positive direction of the z-axis, and has an intensity distribution spread in the yz plane parallel to the extending direction of the strip conductor 11.
  • the antenna unit 51 and the antenna unit 51 ' may be used simultaneously or selectively. When using the antenna unit 51 and the antenna unit 51 'simultaneously, it is preferable to provide a phase difference between the power supplied to the antenna unit 51 and the power supplied to the antenna unit 51'.
  • the interference between the electromagnetic wave radiated from the antenna unit 51 and the electromagnetic wave radiated from the antenna unit 51 ' is suppressed, and electromagnetic waves having directivity in a plurality of directions can be radiated. Further, when the antenna unit 51 and the antenna unit 51 'are selectively used, it is possible to switch the directivity of the radiated electromagnetic wave.
  • the planar array antenna may have a structure to suppress interference between antenna units.
  • the planar array antenna 106 includes a plurality of antenna units 51 arranged in two dimensions in the x-axis direction and the y-axis direction, and the ground conductors 14 of the plurality of antenna units are connected to each other It is not separated by a gap 16p extending parallel to the x-axis and a gap 16q parallel to the y-axis.
  • the ground conductor 14 is not located in the gaps 16p and 16q, and the dielectric 40 is disposed. That is, the ground conductors 14 of the plurality of antenna units 51 are electrically and spatially separated from each other by the gaps 16 p and 16 q.
  • mutual electromagnetic interference between the plurality of antenna units 51 is suppressed. For this reason, radio waves radiated from the radiation conductor 12 are optimized, and the radiation characteristics of the planar array antenna 106 are improved.
  • the ground conductors 14 of the plurality of antenna units 51 are separated in the x-axis direction and the y-axis direction, but any one of them may be used.
  • a plurality of antenna units 51 are separated in the y-axis direction by a gap 16p extending parallel to the x-axis.
  • the plurality of antenna units 51 are separated in the x-axis direction by the gap 16q extending in parallel to the y-axis.
  • the ground conductors 14 of the plurality of antenna units 51 are electrically and spatially separated in the x-axis direction or the y-axis direction by the gap 16p or the gap 16q. The electromagnetic interference between 51 is suppressed.
  • the ground conductors 14 of the plurality of antenna units 51 are connected to the ground conductors 14 of the adjacent antenna units 51 to form an integral ground conductor layer.
  • the ground conductor 14 has a plurality of holes 17 p and 17 q along the boundary of the adjacent antenna units 51 when viewed in a plan view, that is, in the z-axis direction.
  • the plurality of holes 17p are arranged in the x-axis direction, and the plurality of holes 17q are arranged in the y-axis direction.
  • the holes 17p and 17q are through holes, and the insides of the holes 17p and 17q may be hollow or the dielectric 40 may be disposed.
  • the holes 17 p and 17 q have a circular shape in the present embodiment, but may have other shapes such as a polygonal shape.
  • the diameter of the holes 17p and 17q is, for example, ⁇ d or less.
  • the electromagnetic interference between the antenna units 51 is suppressed by the holes 17p and 17q provided in the ground conductor 14. For this reason, the interference of the radio wave radiated from radiation conductor 12 is optimized, and the fall of radiation characteristics is also controlled.
  • the holes 17p and 17q are disposed between the plurality of antenna units 51 in the x-axis direction and the y-axis direction, but any one of them may be used.
  • a plurality of holes 17 q arranged in the y-axis direction are provided in the ground conductor 14.
  • the ground conductor 14 is provided with a plurality of holes 17 p extending in parallel to the x axis.
  • mutual electromagnetic interference between the plurality of antenna units 51 is suppressed by the holes 17p or the holes 17q. For this reason, radio waves radiated from the radiation conductor 30 are optimized, and radiation characteristics of the planar array antenna 109 are improved.
  • FIG. 14 shows a schematic cross section of the multilayer ceramic substrate 112 of the present embodiment.
  • the multilayer ceramic substrate 112 further includes a planar array antenna 101 composed of a multilayer ceramic body as the dielectric 40, and a plurality of ceramic layers below the ground conductor 14, and includes passive component patterns 71 and wiring patterns 72, and a plurality of ceramic layers. It further comprises a conductive via 73 provided in the ceramic layer.
  • the passive component pattern 71 is, for example, a conductive layer or a ceramic having a predetermined resistance value, and constitutes an inductor, a capacitor, a resistor, a coupler, a divider, a filter, a power supply or the like.
  • the conductive via 73 and the wiring pattern 72 are connected to the passive component pattern, the ground conductor, and the like to constitute a predetermined circuit.
  • an electrode 74 for connecting to an external substrate for example, an electrode 74 for connecting to an external substrate, an electrode 75 for connecting a passive component, and an electrode 76 for connecting an active component such as an integrated circuit are located.
  • the strip conductor 11 may be electrically connected to any of the electrodes 74, 75, 76 by a conductive via disposed at a position not shown.
  • a wireless communication circuit is configured by connecting the passive component, the integrated circuit, and the like to the plurality of electrodes of the wiring circuit described above.
  • the wireless communication module 113 includes the multilayer ceramic substrate 112 of the second embodiment, a solder bump 81, a passive component 82, and an active component 83.
  • the solder bumps 81 are provided on the electrodes 74 located on the lower surface 40 b of the multilayer ceramic substrate 112.
  • the passive component 82 is, for example, a chip capacitor, a chip inductor, a chip resistor or the like, and is joined to the electrode 75 by solder or the like.
  • the active component 83 is, for example, a chipset for wireless communication, and is a receiver circuit, a transmitter circuit, an A / D converter, a D / A converter, a baseband processor, a media access controller, etc. It is done.
  • the wireless communication module 113 is bonded to the circuit board 91 provided with the electrodes 92, for example, by face-down bonding such that the passive component 82 and the active component 83 face the circuit board 91 by face-to-face bonding.
  • the electrodes 92 of the circuit board 91 and the electrodes 74 of the multilayer ceramic substrate 112 are electrically connected by the solder bumps 81, whereby the multilayer ceramic substrate 112 is electrically connected to an external power supply circuit or another module.
  • the radiation conductor 12 and the non-feed radiation conductors 13A and 13B located on the upper surface 40a side of the multilayer ceramic substrate 112 are located on the opposite side to the lower surface 40b facing the circuit substrate 91. doing. Therefore, radio waves are radiated from radiation conductor 12 and parasitic radiation conductors 13A and 13B without being affected by passive components 82 and active components 83 or circuit board 91, and radio waves arriving from the outside are radiation conductors. 12 and the parasitic radiation conductors 13A, 13B. Therefore, a wireless communication module capable of beamforming at a wide radiation angle, having high gain and small size, and surface mounting can be realized.
  • the flexible wiring 68 is, for example, a flexible printed circuit board on which a wiring circuit is formed, a coaxial cable, a liquid crystal polymer substrate, or the like.
  • the liquid crystal polymer is excellent in high frequency characteristics, it can be suitably used as a wiring circuit to the planar array antenna 101.
  • a part of the plurality of electrodes 74 provided on the lower surface 40 b is electrically connected to the flexible wiring 69.
  • the strip conductor 11, the radiation conductor 12, the non-feed radiation conductors 13A and 13B, the ground conductor 14 and the like of the planar array antenna 101 are provided.
  • the strip conductor 11, the radiation conductor 12, the non-feed radiation conductors 13A and 13B, and the ground conductor 14 provided in the flexible wiring 69 are dielectrics by bending the flexible wiring 69.
  • the strip conductor 11, the radiation conductor 12, the non-feed radiation conductors 13A and 13B, and the ground conductor 14 provided in the antenna 40 can be disposed in different directions. Therefore, it is possible to transmit and receive electromagnetic waves in a wider direction.
  • the gain of the planar array antenna 101 was determined by calculation when the width W2 in the y-axis direction of the entire antenna unit 51 was changed by changing the widths W13A, 13B in the y-axis direction of the parasitic radiation conductors 13A, 13B. .
  • FIG. 18B shows the relationship between the width W2 and the gain.
  • the gain of the patch antenna in the case of changing the width W12 in the y-axis direction of the patch antenna having no parasitic radiation conductor was calculated by calculation.
  • FIG. 18A shows the relationship between the width W12 and the gain.
  • ⁇ is indicated with reference to the z-axis as shown in FIG.
  • the radiation intensity decreases in the vicinity of the width W12 of the radiation conductor of 1.8 mm and 3.9 mm. These lengths correspond to the effective wavelengths ⁇ d and 2 ⁇ ⁇ d when the carrier frequency is 60 GHz and the relative permittivity of the dielectric is 6.18.
  • FIG. 18B according to the planar array antenna 101, even if it changes width W 2 of the whole, it turns out that a null point is not produced.
  • the gain of the planar array antenna 101 is equal to or higher than that of the conventional patch antenna, and in the range of about 1.5 mm to 4 mm, the conventional patch antenna
  • the gain of the planar array antenna 101 is larger than that of FIG. Since the wavelength ⁇ d in the dielectric with a relative permittivity of 6.18 at 60 GHz is about 2 mm, these ranges can be converted to the wavelength ⁇ d as shown by the ranges shown in equations (1) and (2), respectively. It turns out that it becomes.
  • the radiation conductor 12 and the parasitic radiation conductor 13A when performing beamforming distance between 13B, D1, D2 is preferably less than (7/10) lambda 0.
  • the dielectric constant of the dielectric needs to be greater than 1.56 and 2.25, respectively.
  • planar array antenna and the wireless communication module of the present disclosure can be suitably used for wireless communication circuits including various high frequency wireless communication antennas and antennas, and in particular, quasi-microwave, centimeter wave, quasi-millimeter wave, It is suitably used for a millimeter wave band radio communication apparatus.

Abstract

複数のアンテナユニットが１次元または２次元に配列された平面アレイアンテナであって、各アンテナユニット５１は、第１方向に伸びるストリップ導体１１と、ストリップ導体から接触または非接触で給電される放射導体１２と、第１方向と直交する第２方向における放射導体の一対の辺のうち、少なくとも一方に隣接して配置された少なくとも１つの無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂと、第１および第２方向に直交する第３方向において、放射導体および少なくとも１つの無給電放射導体の下方に配置された地導体１４と、少なくとも、地導体と、放射導体および少なくとも１つの無給電放射導体との間に位置する誘電体４０とを備え、誘電体の比誘電率は、１．１５よりも大きく、搬送波の中心周波数における前記誘電体中での波長をλｄとし、第２方向における放射導体の一対の辺および少なくとも１つの無給電放射導体の一対の辺のうち、第２方向において、最も外側に位置する２つの辺の間の距離Ｗ２は、Ｗ２＜２λｄを満たしている。

Description

平面アレイアンテナおよび無線通信モジュール
　本願は、平面アレイアンテナおよび無線通信モジュールに関する。
　インターネット通信の拡大、高画質の映像技術の開発に伴い、無線通信に求められる通信速度も増大しており、より多くの情報が送受信可能な高周波の無線通信技術が求められている。搬送波の周波数が高くなると、電磁波の直進性が高まるため、無線端末との間で電波の送受信を行う基地局の通信可能なセル半径は小さくなる。このため、短波長の搬送波を用いる無線通信では、一般に、従来よりも高い密度で基地局が配置される。
　その結果、無線通信端末から、近い距離にある基地局の数は増えることになり、近接する複数の基地局のなかから、高品質で通信が可能な特定の基地局を選択することが必要となる場合がある。つまり、放射可能な方位が広く、かつ、指向性が高いアンテナが求められる場合がある。
　例えば、特許文献１は、電波の強度の強い方向から受信を行うためのダイバーシティ―アンテナを開示している。
特開２０１６－１４６５６４号公報
　本願は、短波長の帯域において、放射可能な方位が広く、かつ、指向性が高い平面アレイアンテナおよび無線通信モジュールを提供する。
　本開示の平面アレイアンテナは、複数のアンテナユニットが１次元または２次元に配列された平面アレイアンテナであって、各アンテナユニットは、
　第１方向に伸びるストリップ導体と、
　前記ストリップ導体から接触または非接触で給電される放射導体と、
　前記第１方向と直交する第２方向における前記放射導体の一対の辺のうち、少なくとも一方に隣接して配置された少なくとも１つの無給電放射導体と、
　前記第１および第２方向に直交する第３方向において、前記放射導体および前記少なくとも１つの無給電放射導体の下方に配置された地導体と、
　少なくとも、前記地導体と、前記放射導体および前記少なくとも１つの無給電放射導体との間に位置する誘電体と
を備え、
　前記誘電体の比誘電率は、１．１５よりも大きく、搬送波の中心周波数における前記誘電体中での波長をλｄとし、前記第２方向における前記放射導体の一対の辺および前記少なくとも１つの無給電放射導体の一対の辺のうち、前記第２方向において、最も外側に位置する２つの辺の間の距離Ｗ２は、Ｗ２＜２λｄを満たしている。
　前記第２方向における前記放射導体の前記一対の辺のそれぞれに隣接して前記少なくとも１つの無給電放射導体が配置されていてもよい。
　前記無給電放射導体を複数含み、前記複数の無給電放射導体は、前記第２方向に配列されていてもよい。
　前記無給電放射導体を複数含み、前記複数の無給電放射導体は、前記第１方向に配列されていてもよい。
　前記少なくとも１つの無給電放射導体と前記放射導体とは同じ平面上に位置していてもよい。
　各アンテナユニットは、前記無給電放射導体を２つ含み、前記少なくとも１つの無給電放射導体と前記放射導体とは異なる平面上に位置していてもよい。
　前記距離Ｗ２は、（３／４）λｄ＜Ｗ２＜２λｄを満たしていてもよい。
　前記誘電体は、前記放射導体および前記少なくとも１つの無給電放射導体を覆っていてもよい。
　前記誘電体はセラミック多層体であってもよい。
　本開示の他の平面アレイアンテナは、１次元または２次元にそれぞれ配列された、複数の第１アンテナユニットおよび複数の第２アンテナユニットを含み、
　前記第１アンテナユニットは、
　第１方向に伸びる第１ストリップ導体と、
　前記第１ストリップ導体から接触または非接触で給電される第１放射導体と、
　前記第１方向と直交する第２方向における前記第１放射導体の一対の辺のうち、少なくとも一方に隣接して配置された少なくとも１つの第１無給電放射導体と、
　前記第１および第２方向に直交する第３方向において、前記第１放射導体および前記少なくとも１つの第１無給電放射導体の下方に配置された第１地導体と、
　少なくとも、前記第１地導体と、前記第１放射導体および前記少なくとも１つの第１無給電放射導体との間に位置する第１誘電体と
を備え、
　前記第２アンテナユニットは、
　第２方向に伸びる第２ストリップ導体と、
　前記第２ストリップ導体から接触または非接触で給電される第２放射導体と、
　前記第２方向と直交する第１方向における前記第２放射導体の一対の辺のうち、少なくとも一方に隣接して配置された少なくとも１つの第２無給電放射導体と、
　前記第１および第２方向に直交する第３方向において、前記第２放射導体および前記少なくとも１つの第２無給電放射導体の下方に配置された第２地導体と、
　少なくとも、前記第２地導体と、前記第２放射導体および前記少なくとも１つの第２無給電放射導体との間に位置する第２誘電体と
を備え、
　前記第１および第２誘電体の比誘電率は、１．１５よりも大きく、
　搬送波の中心周波数における前記第１および第２誘電体中での波長をλｄとし、
　前記第２方向における前記第１放射導体の一対の辺および前記少なくとも１つの第１無給電放射導体の一対の辺のうち、前記第２方向において、最も外側に位置する２つの辺の間の距離Ｗ２は、
Ｗ２＜２λｄを満たし、
　前記第１方向における前記第２放射導体の一対の辺および前記少なくとも１つの第２無給電放射導体の一対の辺のうち、前記第１方向において、最も外側に位置する２つの辺の間の距離Ｗ１は、Ｗ１＜２λｄを満たしている。
　本開示の無線通信モジュールは上記いずれかに記載の平面アレイアンテナと、前記平面アレイアンテナと電気的に接続された能動部品とを備える。
　本開示によれば、放射可能な方位が広く、かつ、指向性が高い平面アレイアンテナ、および、この平面アレイアンテナを備えた、無線通信モジュールを実現することが可能である。
図１Ａは、本開示の平面アレイアンテナの一実施形態を示す平面図である。 図１Ｂは、図１Ａの１Ｂ－１Ｂ線における平面アレイアンテナの模式的断面図である。 図１Ｃは、図１Ａの１Ｃ－１Ｃ線における平面アレイアンテナの模式的断面図である。 図１Ｄは、平面アレイアンテナの他の形態を示す模式的断面図である。 図２Ａは、放射導体および無給電放射導体を示す平面図である。 図２Ｂは、ストリップ導体を示す平面図である。 図２Ｃは、地導体を示す平面図である。 図３は、平面アレイアンテナの動作を説明する斜視図である。 図４は、本開示の平面アレイアンテナの他の形態を示す平面図である。 図５は、本開示の平面アレイアンテナの他の形態を示す平面図である。 図６は、本開示の平面アレイアンテナの他の形態を示す平面図である。 図７は、本開示の平面アレイアンテナの他の形態を示す平面図である。 図８は、本開示の平面アレイアンテナの他の形態を示す平面図である。 図９は、本開示の平面アレイアンテナの他の形態を示す平面図である。 図１０は、本開示の平面アレイアンテナの他の形態を示す平面図である。 図１１は、本開示の平面アレイアンテナの他の形態を示す平面図である。 図１２は、本開示の平面アレイアンテナの他の形態を示す平面図である。 図１３は、本開示の平面アレイアンテナの他の形態を示す平面図である。 図１４は、本開示の多層セラミック基板の一実施形態を示す模式的断面図である。 図１５Ａは、本開示の無線通信モジュールの一実施形態を示す模式的底面図である。 図１５Ｂは、本開示の無線通信モジュールの一実施形態を示す模式的断面図である。 図１６は、本開示の無線通信モジュールの他の形態を示す模式的断面図である。 図１７は、本開示の無線通信モジュールの他の形態を示す模式的断面図である。 図１８Ａは、シミュレーションによって求めた従来のパッチアンテナにおける、幅とゲイン特性との関係を示す。 図１８Ｂは、シミュレーションによって求めた図１に示す平面アレイアンテナのアンテナユニットにおける、幅とゲイン特性との関係を示す。 図１９Ａは、シミュレーションによって求めたθ＝１８０°における図１に示す平面アレイアンテナのアンテナユニットおよび従来のパッチアンテナの幅とゲイン特性との関係を示す。 図１９Ｂは、シミュレーションによって求めたθ＝２７０°における図１に示す平面アレイアンテナのアンテナユニットおよび従来のパッチアンテナの幅とゲイン特性との関係を示す。
　本開示の平面アレイアンテナおよび無線通信モジュールは、例えば、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波帯域の無線通信に利用可能である。準マイクロ波帯域の無線通信は、波長が１０ｃｍ～３０ｃｍであり、１ＧＨｚから３ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。センチメートル波帯域の無線通信は、波長が１ｃｍ～１０ｃｍであり、３ＧＨｚから３０ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。ミリ波帯域の無線通信は、波長が１ｍｍ～１０ｍｍであり、３０ＧＨｚから３００ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。準ミリ波帯域の無線通信は、波長が１０ｍｍ～３０ｍｍであり、１０ＧＨｚから３０ＧＨｚの周波数の電波を搬送波として用いる。これらの帯域の無線通信では、平面アンテナのサイズは数センチからサブミリメートルのオーダーになる。例えば、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波無線通信回路を、多層セラミック焼結基板によって構成する場合、多層セラミック焼結基板に本開示の多軸アンテナを実装することが可能となる。以下、本実施形態では、特に他の説明をしない限り、準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波の搬送波の一例として、搬送波の周波数が３０ＧＨｚであり、搬送波の波長λが１０ｍｍである場合を例に挙げて、平面アレイアンテナを説明する。
　本開示において、構成要素の配置、方向等を説明するために、右手直交座標系を用いる。具体的には、右手直交座標系は互いに直交するｘ、ｙ、ｚ軸を有する。右手系座標の軸の順序を特定するために、軸に、ｘ、ｙ、ｚのアルファベットを与えるが、これらは、第１、第２、第３軸と呼んでもよい。
　（第１の実施形態）
　本開示の平面アレイアンテナの実施形態を説明する。図１Ａは本開示の平面アレイアンテナ１０１を示す模式的平面図である。平面アレイアンテナ１０１は１次元または２次元に配列された複数のアンテナユニット５１を含む。本実施形態では、平面アレイアンテナ１０１は、ｘ軸およびｙ軸方向の２次元に配列されたアンテナユニット５１を含む。
　図１Ｂは、図１Ａに示す平面アレイアンテナ１０１の１Ｂ－１Ｂ線における模式的断面図であり、各アンテナユニット５１のｙｚ断面を示す。また、図１Ｃは、図１Ａに示す平面アレイアンテナ１０１の１Ｃ－１Ｃ線における模式的断面図であり、アンテナユニット５１のｘｚ断面を示す。各アンテナユニット５１は、ストリップ導体１１と、放射導体１２と、少なくとも１つの無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂと、地導体１４と、誘電体４０を備える。図２Ａは、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂの平面図であり、図２Ｂおよび図２Ｃは、それぞれ、ストリップ導体１１および地導体１４の平面図である。
　ストリップ導体１１は、ｘ軸方向（第１方向）に伸びるストリップ形状を有している。ストリップ導体１１において、例えば、搬送波の中心周波数が６０ＧＨｚである場合、ｙ軸方向（第２方向）の幅Ｗ１１は、０．０５ｍｍから１ｍｍ程度であり、ｘ軸方向の長さＬ１１は、０．３ｍｍから１．５ｍｍ程度である。ストリップ導体１１は、各アンテナユニット５１に電力を供給する伝送線路として機能する。
　放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、平面状放射導体であり、電波を放射する放射素子である。「放射導体」は電力が供給される素子であることを意味し、無給電放射導体とは、電力が供給されない素子を意味する。より詳細には、放射導体１２は、ストリップ導体１１から接触または非接触で電力が供給され、無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、ストリップ導体１１から電力の供給を受けない。本実施形態では、ｚ軸方向（第３方向）からみて、ストリップ導体１１の一部が放射導体１２と重なっているが、放射導体１２とストリップ導体１１とは接触しておらず、ｚ方向に離間している。このため、放射導体１２は、ストリップ導体１１から非接触で電力の供給を受ける。
　放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、求められる放射特性およびインピーダンス整合を得るための形状を有している。本実施形態では、アンテナユニット５１は、２つの無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂを備えているが、後述するように、アンテナユニット５１は、少なくとも１つの無給電放射導体を備えていればよい。少なくとも１つの無給電放射導体は、ｙ軸方向における放射導体１２の一対の辺のうち、少なくとも一方に隣接して配置されている。本実施形態では、無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂが、放射導体１２のｙ方向における一対の辺にそれぞれ隣接して配置されている。また、本実施形態では、放射導体１２と無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂとはｚ方向において同じ高さに配置されている。つまり、放射導体１２と無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂとは同一平面上に位置している。
　放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、本実施形態では、それぞれ矩形形状を有する。放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは円形等他の形状を有していてもよい。例えば、６０ＧＨｚを中心周波数とするアンテナを設計する場合、放射導体１２のｙ軸方向の長さＷ１２、および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂのｙ軸方向の長さＷ１３Ａ、Ｗ１３Ｂは、Ｄ１およびＤ２が０．１ｍｍの場合、０．２２５ｍｍから１．４７５ｍｍ程度であり、放射導体１２のｘ軸方向の長さＬ１２、および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂのｘ軸方向の長さＬ１３Ａ、Ｌ１３Ｂは、０．７５ｍｍから０．９５ｍｍ程度である。また、ｙ軸方向における無給電放射導体１３Ａと放射導体１２との間隔Ｄ１および無給電放射導体１３Ｂと放射導体１２との間隔Ｄ２は、０ｍｍから０．７ｍｍ程度である。無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、同じアンテナユニット５１内の放射導体１２よりも隣接するアンテナユニット５１の無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂから離れていることが好ましい。つまり、Ｄ１、Ｄ２よりも、各アンテナユニット５１の無給電放射導体１３Ａ（または１３Ｂ）と、隣接するアンテナユニット５１の無給電放射導体１３Ｂ（または１３Ａ）との距離の方が大きい。
　搬送波の中心周波数における比誘電率εｒの誘電体４０中での波長をλｄとし、ｙ軸方向における放射導体１２の一対の辺および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂの一対の辺のうち、ｙ軸方向において、最も外側に位置する２つの辺の間の距離Ｗ２は、下記式（１）を満たしている。距離Ｗ２は、アンテナユニット５１のｙ軸方向の幅である。また、λｄ＝λ０／εｒ １/２である。
       Ｗ２＜２λｄ　　　　　　　　　　　　（１）
　距離Ｗ２は、より好ましくは、下記式（２）を満たしている。式（１）、（２）の関係を満たすことにより、平面アレイアンテナ１０１は、従来よりも、高いゲインで電磁波を送受信することが可能である。
       （３／４）λｄ＜Ｗ２＜２λｄ　　　　（２）
　アンテナユニット５１の配列ピッチＰ（図１）は、ゲイン特性におけるメインローブおよびサイドローブの強度に影響する。配列ピッチＰが大きくなると、ゲイン特性におけるメインローブが大きくなるが、サイドローブも大きくなり、配列ピッチＰが真空中の波長λ０である場合、アンテナ間の干渉が小さくなり、λ０以上でメインローブの強度が十分な大きさとなる。しかし、この場合（λ０以上の場合）、サイドローブも大きくなるため、平面アレイアンテナ１０１の各アンテナユニット５１に入力する電力の位相を異ならせ、ビームフォーミングを行う場合の各アンテナユニット５１がビームを走査し得るスキャン角度も小さくなる。発明者の検討によると、Ｐ＝７／１０λ０で各アンテナユニット５１のスキャン角は、±１０度であり、Ｐ＝６／１０λ０およびＰ＝５／１０λ０では、それぞれ、±２０度および±４５度となる。このため、平面アレイアンテナ１０１によって１８０度のカバレッジを達成しようとすると、アンテナユニット５１は、それぞれ１８個、９個、４個必要となる。これらのことから、アンテナユニット５１の数を減らすためには、配列ピッチＰは小さいほうが好ましい。
　一方、アンテナユニットの配列ピッチＰが小さくなるとメインローブのゲインは低下するため、例えば、平面アレイアンテナ１０１と電磁波の送受信を行うアクセスポイントや基地局の数は多くする必要がある。また、隣接するアンテナユニット間の相互干渉による影響が生じ得る。このように、平面アレイアンテナ１０１のゲインと、各アンテナユニット５１で走査させるスキャン角度とに応じて、例えば、式（４）～（６）および式（７）～（９）に示されるように、最適な配列ピッチＰが選択される。特に平面アレイアンテナ１０１の全体のｙ方向の幅を短くするためには、式（４）を満たしていることが好ましく、式（５）を満たしていることが好ましく、式（６）を満たしていることがさらに好ましい。また、ゲインを大きく保ち、かつ、アンテナユニット間の相互干渉による影響を低減するためには、式（７）を満たしていることが好ましく、式（８）を満たしていることがより好ましく、式（９）を満たしていることがさらに好ましい。
       Ｐ＜（７／１０）λ０　　　（４）
       Ｐ＜（６／１０）λ０　　　（５）
       Ｐ＜（５／１０）λ０　　　（６）
       Ｐ＞０．２５λ０　　　　　（７）
       Ｐ＞０．３λ０　　　　　　（８）
       Ｐ＞０．３５λ０　　　　　（９）
　地導体１４は基準電位に接続される接地電極であり、ｚ軸方向において、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂの下方の領域を含む領域に配置されている。言い換えると、地導体１４は、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂが配置されている面と、ｚ軸方向において異なる面に位置し、かつ、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂが設けられた領域よりも大きい。本実施形態では地導体１４は、隣接するアンテナユニット５１の地導体１４と接続され、一体的な地導体層を形成している。
　図１Ｂに示すように、ｚ軸方向において、ストリップ導体１１は、放射導体１２と地導体１４との間に位置している。例えは、誘電体４０の比誘電率が８である場合、ｚ軸方向における、地導体１４と、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂとの間隔Ｈ１は、０．０２５ｍｍから０．２ｍｍ程度であり、ストリップ導体１１と、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂとの間隔Ｈ２は、０．０２５ｍｍから０．２ｍｍ程度である。
　次に、アンテナユニット５１への給電を説明する。アンテナユニット５１のストリップ導体１１への給電は導体による接続、あるいは、ストリップ導体、スロット給電などによる電磁界結合によって行うことができる。図１Ｃに示すように、地導体１４に孔１４ｃを設け、孔１４ｃに配置された導電体１５の一端をストリップ導体１１の一端１１ｄと接続してもよい。導電体１５の他端は、たとえば、地導体１４の下方に形成された回路パターン（図示していない）と接続される。
　各アンテナユニット５１において、少なくとも、地導体１４と、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂとの間には誘電体４０が配置される。ストリップ導体１１は、誘電体４０内に配置される。また、地導体１４も、誘電体４０内に配置されている。
　放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、本実施形態では、誘電体４０の上面４０ａに配置されている。放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、電磁波を放出する素子であるため、放射効率を高めるという観点では、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、上面４０ａ上に配置されていることが好ましい。しかし、上面４０ａにおいて、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂが露出していると、外力等によって変形が生じたり、外部環境に曝されることによって、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂに酸化、腐食等が生じる可能性がある。このため、図１Ｄに示すように、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、誘電体４０に覆われており、誘電体４０内に配置されていてもよい。
　本願発明者の検討によれば、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂを覆う誘電体の厚さｔが７０μｍ以下であれば、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂを上面４０ａに形成し、さらに、保護膜としてＡｕ/Ｎｉメッキ層を形成する場合と同等以上の放射効率を実現することができることが分かった。放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂを覆う誘電体４０の厚さｔは小さいほど損失が少ないため、アンテナ特性の観点では、特に下限に制限はない。しかし、厚さｔが小さくなりすぎると、誘電体４０の形成方法によっては、厚さｔを均一にすることが困難になる場合がある。例えば、誘電体４０を多層セラミック体で構成するためには、例えば、厚さｔは、５μｍ以上であることが好ましい。つまり、厚さｔは５μｍ以上７０μｍ以下であることがより好ましい。特に誘電体４０として、比誘電率が５～１０程度の低比誘電率のセラミックを用いてもＡｕ/Ｎｉメッキを施した平面アンテナと同等以上の放射効率を実現するためには、厚さｔは５μｍ以上、２０μｍ未満であることが好ましい。
　誘電体４０は、１．１５より大きい比誘電率を有している。誘電体４０の比誘電率は、１．５６より大きいことが好ましく、２．２５より大きいことがより好ましい。誘電体４０は、樹脂、ガラス、セラミック等であってよい。好ましくは、誘電体４０は、樹脂、ガラス、セラミック等からなる複数の層が積層された多層誘電体である。誘電体４０は、例えば、複数のセラミック層を備えた多層セラミック体であり、複数のセラミック層間に、ストリップ導体１１と、地導体１４とが設けられ、多層セラミック体の上面に放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂが設けられる。あるいは、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂもセラミック層間に設けられていてもよい。放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、複数のセラミック層間の同じ位置に配置されていることが好ましいが、セラミック層の厚さが小さい場合には、放射導体１２と無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂとは、異なるセラミック層間に配置されていてもよい。放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂと、地導体１４との間隔等、アンテナユニット５１のｚ軸方向における各素子間の間隔は、各素子間に配置するセラミック層の厚さおよび数によって調節することができる。
　アンテナユニット５１の各構成要素は、電気伝導性を有する材料で形成されている。例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ等の金属を含む材料によって形成されている。
　平面アレイアンテナ１０１は、上述した材料の誘電体および導電性材料を用いて、公知の技術を用いて作製することが可能である。特に、樹脂、ガラス、セラミックを用いた多層（積層）基板技術を用いて好適に作製することができる。例えば、誘電体４０として多層セラミック体を用いる場合には、同時焼成セラミック基板技術を用いて好適に用いることができる。言い換えれば、平面アレイアンテナ１０１は、同時焼成セラミック基板として作製することができる。
　平面アレイアンテナ１０１を構成する同時焼成セラミック基板は、低温焼成セラミック（ＬＴＣＣ、Ｌｏｗ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏ－ｆｉｒｅｄ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板であってもよいし、高温焼成セラミック（ＨＴＣＣ、Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏ－ｆｉｒｅｄ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ）基板であってもよい。高周波特性の観点では、低温焼成セラミック基板を用いた方が好ましい場合がある。誘電体４０、ストリップ導体１１、放射導体１２、無給電放射導体１３および地導体１４には、焼成温度、用途等および無線通信の周波数等に応じたセラミック材料および導電性材料が用いられる。これらの素子を形成するための導電性ペーストと、誘電体４０の多層セラミック体を形成するためのグリーンシートが同時に焼成（Ｃｏ－ｆｉｒｅｄ）される。同時焼成セラミック基板が低温焼成セラミック基板である場合、８００℃から１０００℃程度の温度範囲で焼結することができるセラミック材料および導電性材料を用いる。例えばＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒを主成分とし、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｋを副成分とするセラミック材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｓｒを主成分とし、Ｃａ、Ｐｂ、Ｎａ、Ｋを副成分とするセラミック材料、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｇｄを含むセラミック材料、Ａｌ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｍｇを含むセラミック材料が用いられる。また、ＡｇまたはＣｕを含む導電性材料が用いられる。セラミック材料の誘電率は３～１５程度である。同時焼成セラミック基板が高温焼成セラミック基板である場合、Ａｌを主成分とするセラミック材料および、Ｗ（タングステン）またはＭｏ（モリブデン）を含む導電性材料を用いることができる。
　より具体的には、ＬＴＣＣ材料として、例えば、低誘電率（比誘電率５～１０）のＡｌ－Ｍｇ－Ｓｉ－Ｇｄ－Ｏ系誘電体材料、Ｍｇ2ＳｉＯ4からなる結晶相とＳｉ－Ｂａ－Ｌａ－Ｂ－Ｏ系からなるガラス等からなる誘電体材料、Ａｌ－Ｓｉ－Ｓｒ－Ｏ系誘電体材料、Ａｌ－Ｓｉ－Ｂａ－Ｏ系誘電体材料、高誘電率（比誘電率５１以上）のＢｉ－Ｃａ－Ｎｂ－Ｏ系誘電体材料等様々な材料を用いることができる。
　例えば、Ａｌ－Ｓｉ－Ｓｒ－Ｏ系誘電体材料は、主成分としてＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｉの酸化物を含む場合は、主成分であるＡｌ、Ｓｉ、Ｓｒ、ＴｉをそれぞれＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2、ＳｒＯ、ＴｉＯ2に換算したとき、Ａｌ2Ｏ3：１０～６０質量％、ＳｉＯ2：２５～６０質量％、ＳｒＯ：７．５～５１質量％、ＴｉＯ2：２０質量％以下（０を含む）を含有することが好ましい。また、その主成分１００質量部に対して、副成分として、Ｂｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｃｏの群のうちの少なくとも１種をＢｉ2Ｏ3換算で０．１～１０質量部、Ｎａ2Ｏ換算で０．１～５質量部、Ｋ2Ｏ換算で０．１～５質量部、ＣｏＯ換算で０．１～５質量部含有することが好ましく、更に、Ｃｕ、Ｍｎ、Ａｇの群のうちの少なくとも１種をＣｕＯ換算で０．０１～５質量部、Ｍｎ3Ｏ4換算で０．０１～５質量部、Ａｇを０．０１～５質量部含有することが好ましい。その他不可避不純物を含有することもできる。
　図３を参照しながら、平面アレイアンテナ１０１の動作を説明する。平面アレイアンテナ１０１において、各アンテナユニット５１のストリップ導体１１に電力を給電すると、放射導体１２は、放射導体１２に垂直な方向、つまり、ｚ軸の正方向に最大強度を有し、ストリップ導体１１の延びる方向に平行なｘｚ面に広がった強度分布Ｆ＋ｚを有する電磁波を放出する。無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂには、電力は供給されていないが、放射導体１２が放出する電磁波と共振することによって、放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂが一体的に電磁波を放出する。これにより、放出される電磁波の強度が高められる。つまり各アンテナユニット５１のゲインが高められる。
　以下の実施例で詳述するように、各アンテナユニット５１は、無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂを備えていることによって、無給電放射導体を備えない平面アンテナに比べて、幅Ｗ２が小さくても放出する電磁波の強度を高めることができる。つまり同等のゲインを備えたアンテナを実現する場合、従来に比べて幅Ｗ２を小さくすることができる。このため、アンテナユニット５１を複数配置して平面アレイアンテナ１０１を構成した場合、平面アレイアンテナ１０１全体の面積を小さくすることができる。後述するように放射導体１２と無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂとの間隔Ｄ１、Ｄ２を小さくすることによってよりゲインを高められる。
　また、本実施形態の平面アレイアンテナ１０１によれば、誘電体を用いることによって、誘電体中の波長短縮効果によってアンテナユニット５１を小さくできる。これら２つの効果によってアンテナユニット５１間の不要な干渉を抑制しつつ、アンテナユニット間のピッチを狭くすることが可能となる。
　このため、平面アレイアンテナ１０１において、各アンテナユニット５１に入力する電力の位相を調節し、各アンテナユニット５１から放出される電磁波を合成することによってビームフォーミングを行う場合に、隣接するアンテナユニット５１間での指向性を高める干渉を増大させ、より指向性が高く、ゲインの大きい電磁波を広い方位で放出することが可能となる。つまり、広い方位で指向性が高く、高ゲインの電磁波の送受信が可能なフェーズドアレイアンテナを実現することが可能となる。
　また、各アンテナユニット５１は、無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂを備えていることによって、より広い角度でゲインの高い電磁波を放出することが可能である。よって、平面アレイアンテナ１０１を構成して、ビームフォーミングを行う場合、広い角度で指向性の高い電磁波を放出させることが可能である。
　さらに、無給電放射導体を備えない平面アンテナでは、搬送波を一定にして、放射導体の幅を変化させる場合、放射強度が著しく低下するヌル点が生じる。これに対し、本開示の平面アレイアンテナ１０１によれば、ヌル点は生じない。このため、平面アレイアンテナ１０１を設計する上で、アンテナユニット５１のサイズに対する制約が少なくなり、設計の自由度を高められる。
　本開示の平面アレイアンテナには種々の改変が可能である。図４に示す平面アレイアンテナ１０２は、各アンテナユニット５２において、無給電放射導体１３Ａが放射導体１２のｙ方向に位置する一対の辺のうちの一方にのみ配置されている点で平面アレイアンテナ１０１と異なる。
　図５に示す平面アレイアンテナ１０３は、各アンテナユニット５３において、放射導体１２のｙ方向に位置する一対の辺のそれぞれにおいて、複数の無給電放射導体が配置されている点で平面アレイアンテナ１０１と異なる。図５に示す例では、アンテナユニット５３において、無給電放射導体１３Ｃ、１３Ｄおよび無給電放射導体１３Ｅ、１３Ｆが放射導体１２のｙ方向に位置する一対の辺のそれぞれに配置されている。無給電放射導体１３Ｃ、１３Ｄおよび無給電放射導体１３Ｅ、１３Ｆはそれぞれ、ｙ軸方向に配置されている。
　図６に示す平面アレイアンテナ１０４は、各アンテナユニット５４において、放射導体１２のｙ方向に位置する一対の辺のそれぞれにおいて、無給電放射導体１３Ｇ、１３Ｈおよび無給電放射導体１３Ｉ、１３Ｊが配置されている。無給電放射導体１３Ｇ、１３Ｈおよび無給電放射導体１３Ｉ、１３Ｊはそれぞれ、ｘ軸方向に配置されている。
　図７に示す平面アレイアンテナ１０５は、複数の第１アンテナユニットであるアンテナユニット５１および複数の第２アンテナユニットであるアンテナユニット５１’を備えている点で平面アレイアンテナ１０１と異なる。アンテナユニット５１の構造は平面アレイアンテナ１０１のアンテナユニット５１と同じである。各アンテナユニット５１において、ストリップ導体１１は、ｘ方向に伸びている。
　アンテナユニット５１’もアンテナユニット５１と同じ構造を備えているが、ストリップ導体１１は、ｙ軸方向に伸びている。複数のアンテナユニット５１は、ｙ軸方向に１次元に配列され、複数のアンテナユニット５１’は、ｘ軸方向に１次元に配列されている。この場合、アンテナユニット５１’のｘ軸方向の幅Ｗ１が式（１）および式（２）の条件を満たしている（式（１）および式（２）のＷ２をＷ１に差し替えた関係にある）ことが好ましい。
　図７に示す例では、複数のアンテナユニット５１および複数のアンテナユニット５１’は、同一の誘電体４０に形成されており、複数のアンテナユニット５１の地導体１４と、複数のアンテナユニット５１’の地導体１４とは互いに接続されている。同一の誘電体４０に複数のアンテナユニット５１と、複数のアンテナユニット５１’が形成されることによって、複数のアンテナユニット５１’を複数のアンテナユニット５１に対して精度よく所定の方向に配置することが可能である。
　平面アレイアンテナ１０５の誘電体４０内において、複数のアンテナユニット５１の地導体１４と、複数のアンテナユニット５１’の地導体１４とは接続されておらず、分離していてもよい。また、複数のアンテナユニット５１と、複数のアンテナユニット５１’とは、互いに独立した誘電体４０に形成されていてもよい。例えば、誘電体４０に複数のアンテナユニット５１のみが形成された平面アレイアンテナを２つ用意し、一方を他方に対して９０°回転させた方向で配置することによって平面アレイアンテナ１０５を構成してもよい。
　アンテナユニット５１から放射される電磁波は、ｚ軸の正方向に最大強度を有し、ストリップ導体１１の延びる方向に平行なｘｚ面に広がった強度分布を有する。一方、アンテナユニット５１’から放射される電磁波は、ｚ軸の正方向に最大強度を有し、ストリップ導体１１の延びる方向に平行なｙｚ面に広がった強度分布を有する。アンテナユニット５１およびアンテナユニット５１’は同時に使用してもよいし、選択的に使用してもよい。アンテナユニット５１およびアンテナユニット５１’を同時に使用する場合には、アンテナユニット５１に供給する電力と、アンテナユニット５１’に供給する電力とに位相差を与えることが好ましい。これによりアンテナユニット５１から放射される電磁波と、アンテナユニット５１’から放射される電磁波の干渉が抑制され、複数の方向に指向性を有る電磁波を放射することができる。また、アンテナユニット５１およびアンテナユニット５１’を選択的に使用する場合には、放射する電磁波の指向性を切り替えることが可能となる。
　平面アレイアンテナはアンテナユニット間の干渉を抑制する構造を備えていてもよい。図８に示すように、平面アレイアンテナ１０６は、ｘ軸方向およびｙ軸方向の２次元に配置された複数のアンテナユニット５１を備えており、複数のアンテナユニットの地導体１４は互いに接続されておらず、ｘ軸に平行に伸びるギャップ１６ｐおよびｙ軸に平行なギャップ１６ｑによって分離されている。ギャップ１６ｐおよび１６ｑには地導体１４は位置しておらず、誘電体４０が配置されている。つまり、ギャップ１６ｐおよび１６ｑによって、複数のアンテナユニット５１の地導体１４は互いに電気的および空間的に分離されている。よって、複数のアンテナユニット５１間の相互の電磁気的干渉が抑制される。このため、放射導体１２から放射される電波が最適化され、平面アレイアンテナ１０６の放射特性が改善される。
　平面アレイアンテナ１０６では、ｘ軸方向およびｙ軸方向において、複数のアンテナユニット５１の地導体１４が分離されているがいずれか一方であってもよい。図９に示す平面アレイアンテナ１０７では、ｘ軸に平行に伸びるギャップ１６ｐによって複数のアンテナユニット５１がｙ軸方向において分離されている。また、図１０に示す平面アレイアンテナ１０８では、ｙ軸に平行に伸びるギャップ１６ｑによって複数のアンテナユニット５１がｘ軸方向において分離されている。平面アレイアンテナ１０７、１０８においても、ギャップ１６ｐまたはギャップ１６ｑによって、複数のアンテナユニット５１の地導体１４はｘ軸方向またはｙ軸方向に電気的および空間的に分離されているため、複数のアンテナユニット５１間の電磁気的干渉が抑制される。
　図１１に示す平面アレイアンテナ１０９において、複数のアンテナユニット５１のそれぞれの地導体１４は隣接するアンテナユニット５１の地導体１４と接続され、一体的な地導体層を形成している。地導体１４は、平面視つまりｚ軸方向から見て、隣接するアンテナユニット５１の境界に沿って複数の穴１７ｐ、１７ｑを有している。複数の穴１７ｐは、ｘ軸方向に配列されており、複数の穴１７ｑはｙ軸方向に配列されている。穴１７ｐ、１７ｑは貫通穴であり、穴１７ｐ、１７ｑの内部は空洞であってもよいし、誘電体４０が配置されていてもよい。穴１７ｐ、１７ｑは本実施形態では、円形状を有しているが、多角形形状等他の形状を有していてもよい。穴１７ｐ、１７ｑの直径は、例えばλｄ以下である。
　平面アレイアンテナ１０９によれば、地導体１４に設けられた穴１７ｐ、１７ｑによって、アンテナユニット５１間の相互の電磁気的干渉が抑制される。このため、放射導体１２から放射される電波の干渉が最適化され、放射特性の低下も抑制される。
　平面アレイアンテナ１０９では、ｘ軸方向およびｙ軸方向において、複数のアンテナユニット５１間に穴１７ｐ、１７ｑが配置されているがいずれか一方であってもよい。図１２に示す平面アレイアンテナ１１０では、ｙ軸方向に配列された複数の穴１７ｑが地導体１４に設けられている。また、図１３に示す平面アレイアンテナ１１１では、ｘ軸に平行に伸びる複数の穴１７ｐが地導体１４に設けられている。平面アレイアンテナ１１０、１１１においても、穴１７ｐまたは穴１７ｑによって、複数のアンテナユニット５１間の相互の電磁気的干渉が抑制される。このため、放射導体３０から放射される電波が最適化され、平面アレイアンテナ１０９の放射特性が改善される。
　（第２の実施形態）
　本開示の多層セラミック基板の実施形態を説明する。図１４は、本実施形態の多層セラミック基板１１２の模式的断面を示す。多層セラミック基板１１２は、誘電体４０として多層セラミック体で構成された平面アレイアンテナ１０１と、地導体１４よりも下方に複数のセラミック層をさらに備え、受動部品パターン７１および配線パターン７２と、複数のセラミック層に設けられた導電性ビア７３をさらに備えている。受動部品パターン７１は、例えば、導電性層あるいは、所定の抵抗値を有するセラミックであり、インダクタ、コンデンサ、抵抗、結合器、分配器、フィルタ、電源等を構成している。また、導電性ビア７３および配線パターン７２は、受動部品パターン、地導体等と接続され、所定の回路を構成している。
　また、誘電体４０の下面４０ｂには、例えば、外部の基板と接続するための、電極７４、受動部品を接続するための電極７５および集積回路等の能動部品を接続するための電極７６が位置している。ストリップ導体１１は、図示しない位置に配置された導電性ビアによって、電極７４、７５、７６のいずれかと電気的に接続されていてもよい。
　地導体１４よりも下面側に位置する複数のセラミック層間に設けられたこれらの構成要素により、受動部品を含む配線回路が構成される。配線回路の上述した、複数の電極に受動部品および集積回路等が接続されることによって、無線通信回路が構成される。
（第３の実施形態）
　本開示の無線通信モジュールの実施形態を説明する。図１５Ａおよび図１５Ｂは、無線通信モジュール１１３の模式的底面図および模式的断面図である。無線通信モジュール１１３は、第２の実施形態の多層セラミック基板１１２と、半田バンプ８１と、受動部品８２と能動部品８３とを備える。半田バンプ８１は、多層セラミック基板１１２の下面４０ｂに位置する電極７４に設けられている。受動部品８２は、例えば、チップコンデンサ、チップインダクタ、チップ抵抗等であり、電極７５に半田などによって接合されている。能動部品８３は、例えば、無線通信用のチップセットであり、受信回路、送信回路、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、ベースバンドプロセッサ、メディアアクセスコントローラ等であり、電極７６に半田などによって接合されている。
　無線通信モジュール１１３は、例えば、電極９２が設けられた回路基板９１にフリップチップボンディングによって、フェイスダウンで、つまり、受動部品８２および能動部品８３が回路基板９１と対向するように接合される。回路基板９１の電極９２と多層セラミック基板１１２の電極７４とが半田バンプ８１によって電気的に接続されることにより、多層セラミック基板１１２が外部の電源回路や他のモジュールと電気的に接続される。
　回路基板９１に実装された無線通信モジュール１１３において、多層セラミック基板１１２の上面４０ａ側に位置する放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂは、回路基板９１が対向する下面４０ｂと反対側に位置している。このため、受動部品８２および能動部品８３、あるいは、回路基板９１の影響を受けることなく、電波を放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂから放射し、また、外部から到達する電波を放射導体１２および無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂで受信することができる。したがって、広い放射角度でビームフォーミングが可能でゲインが高く小型であり、かつ、表面実装が可能な無線通信モジュールが実現し得る。
　図１６に示す無線通信モジュール１１４において、下面４０ｂに設けられた複数の電極７４の一部は、可撓性配線６８と電気的に接続されている。可撓性配線６８は、例えば配線回路が形成されたフレキシブルプリント基板、同軸ケーブル、液晶ポリマー基板等である。特に液晶ポリマーは高周波特性に優れるため、平面アレイアンテナ１０１への配線回路として好適に用いることができる。
　図１７に示す無線通信モジュール１１５において、下面４０ｂに設けられた複数の電極７４の一部は、可撓性配線６９と電気的に接続されている。可撓性配線６９の表面および／または内部には、平面アレイアンテナ１０１の一部のストリップ導体１１、放射導体１２、無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂ、地導体１４等が設けられている。
　無線通信モジュール１１５によれば、可撓性配線６９に設けられたストリップ導体１１、放射導体１２、無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂ、地導体１４は、可撓性配線６９を折り曲げることによって、誘電体４０に設けられたストリップ導体１１、放射導体１２、無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂ、地導体１４とは異なる方向に配置することができる。このため、より広い方位において電磁波を送受することが可能である。
　（平面アレイアンテナの特性の計算例）
　第２の実施形態の平面アレイアンテナの特性を計算によって求めた結果を説明する。表１に示すパラメータを用いて、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに示す構造を備えた平面アレイアンテナ１０１の放射特性を計算によって求めた。比較のために、表２のパラメータを用いて、無給電放射導体を備えていないパッチアンテナの放射特性も計算によって求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂのｙ軸方向の幅Ｗ１３Ａ、１３Ｂを変化させることによってアンテナユニット５１全体のｙ軸方向の幅Ｗ２を変化させた場合における、平面アレイアンテナ１０１のゲインを計算によって求めた。図１８Ｂに、幅Ｗ２とゲインとの関係を示す。比較のために、無給電放射導体を備えていないパッチアンテナのｙ軸方向の幅Ｗ１２を変化させた場合における、パッチアンテナのゲインを計算によって求めた。図１８Ａに、幅Ｗ１２とゲインとの関係を示す。図１８Ａ、１８Ｂにおいて、θは、図３に示すように、ｚ軸を基準として示す。
　図１８Ａに示すように、従来のパッチアンテナでは、放射導体の幅Ｗ１２が１．８ｍｍおよび３．９ｍｍ付近において、放射強度が低下している。これらの長さは、搬送波の周波数を６０ＧＨｚとし、誘電体の比誘電率が６．１８である場合の実効波長λｄおよび２×λｄに相当する。これに対し、図１８Ｂに示すように、平面アレイアンテナ１０１によれば、全体の幅Ｗ２を変化させてもヌル点を生じていないことが分かる。
　また、平面アレイアンテナ１０１によればθ＝２７０°における放射強度が高められている。具体的には、アンテナユニット５１の幅Ｗ２が約３．５ｍｍ以上であれば、０ｄＢ以上のゲインを達成し得る。これに対して、従来のパッチアンテナでは、θ＝２７０°において、０ｄＢ以上のゲインを得るために、パッチアンテナの幅Ｗ１２は４．２ｍｍ以上必要である。これらの結果から、平面アレイアンテナ１０１によれば、より小さい幅でゲインが高く、かつ、広い角度で電磁波を送受信できることが分かる。
　さらに、図１８Ｂより、放射導体１２と無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂとの間隔Ｄ１、Ｄ２が短いほど、ゲインが大きくなることが分かる。
　図１９Ａおよび図１９Ｂは、θ＝１８０°およびθ＝２７０°における、従来のパッチアンテナおよび平面アレイアンテナ１０１のゲイン特性を一緒に示している。
　図１９Ａおよび図１９Ｂから、Ｗ２が４ｍｍ以下の範囲において、平面アレイアンテナ１０１のゲインが従来のパッチアンテナと同程度以上になっており、約１．５ｍｍ以上４ｍｍ以下の範囲において、従来のパッチアンテナに比べて平面アレイアンテナ１０１のゲインが大きくなっている。６０ＧＨｚの電磁波の比誘電率６．１８の誘電体中の波長λｄは約２ｍｍであるから、これら範囲を波長λｄに換算すると、それぞれ式（１）および式（２）に示される範囲となることが分かる。
　一方、式（４）に示すように、ビームフォーミングを行う場合の放射導体１２と無給電放射導体１３Ａ、１３Ｂとの間隔、Ｄ１、Ｄ２は（７／１０）λ０より小さいことが好ましい。アンテナユニット５１の幅Ｗ２は、無給電放射導体が１つしかないアンテナユニットであって、放射導体および無給電放射導体の幅が最も小さい（Ｗ１２、Ｗ１３ＡまたはＷ１３Ｂがゼロ）場合、Ｗ２＝Ｄ１（またはＤ２）であるから、Ｗ２が最も小さい場合に式（１）の左辺を満たす条件は、
（３／４）λｄ＜（７／１０）λ０
である。λｄ＝λ０／εｒ １/２の関係を用いてこの条件を整理すると、
εｒ＞（３０／２８）２＝１．１５
となる。つまり、誘電体の比誘電率は１．１５より大きいことが必要である。
　同様に式（５）、（６）を満たす場合には、誘電体の比誘電率はそれぞれ、１．５６および２．２５より大きいことが必要である。
　本開示の平面アレイアンテナ、無線通信モジュールは、種々の高周波無線通信用のアンテナおよびアンテナを含む無線通信回路に好適に用いることが可能であり、特に準マイクロ波・センチメートル波・準ミリ波・ミリ波帯の無線通信装置に好適に用いられる。
１１　　ストリップ導体
１２　　放射導体
１３Ａ～１３Ｊ　　無給電放射導体
１４　　地導体
１４ｃ　孔
１５　　導電体
４０　　誘電体
４０ａ　上面
４０ｂ　下面
５１、５１’、５２～５４　　アンテナユニット
７１　　受動部品パターン
７２　　配線パターン
７３　　導電性ビア
７４~７６　　電極
８１　　半田バンプ
８２　　受動部品
８３　　能動部品
９１　　回路基板
９２　　電極
１０１～１０５　平面アレイアンテナ
１０６　多層セラミック基板
１０７　無線通信モジュール

Claims (11)

  1. 　複数のアンテナユニットが１次元または２次元に配列された平面アレイアンテナであって、各アンテナユニットは、
    　第１方向に伸びるストリップ導体と、
    　前記ストリップ導体から接触または非接触で給電される放射導体と、
    　前記第１方向と直交する第２方向における前記放射導体の一対の辺のうち、少なくとも一方に隣接して配置された少なくとも１つの無給電放射導体と、
    　前記第１および第２方向に直交する第３方向において、前記放射導体および前記少なくとも１つの無給電放射導体の下方に配置された地導体と、
    　少なくとも、前記地導体と、前記放射導体および前記少なくとも１つの無給電放射導体との間に位置する誘電体と
    を備え、
    　前記誘電体の比誘電率は、１．１５よりも大きく、
    　搬送波の中心周波数における前記誘電体中での波長をλｄとし、前記第２方向における前記放射導体の一対の辺および前記少なくとも１つの無給電放射導体の一対の辺のうち、前記第２方向において、最も外側に位置する２つの辺の間の距離Ｗ２は、
    Ｗ２＜２λｄ
    を満たしている、平面アレイアンテナ。
  2. 　前記第２方向における前記放射導体の前記一対の辺のそれぞれに隣接して前記少なくとも１つの無給電放射導体が配置されている、請求項１に記載の平面アレイアンテナ。
  3. 　前記無給電放射導体を複数含み、前記複数の無給電放射導体は、前記第２方向に配列されている、請求項１または２に記載の平面アレイアンテナ。
  4. 　前記無給電放射導体を複数含み、前記複数の無給電放射導体は、前記第１方向に配列されている、請求項１または２に記載の平面アレイアンテナ。
  5. 　前記少なくとも１つの無給電放射導体と前記放射導体とは同じ平面上に位置している、請求項１から４のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  6. 　各アンテナユニットは、前記無給電放射導体を２つ含み、
    　前記少なくとも１つの無給電放射導体と前記放射導体とは異なる平面上に位置している、請求項１から４のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  7. 　前記距離Ｗ２は、
    （３／４）λｄ＜Ｗ２＜２λｄ
    を満たしている、請求項１から６のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  8. 　前記誘電体は、前記放射導体および前記少なくとも１つの無給電放射導体を覆っている、請求項１から７のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  9. 　前記誘電体はセラミック多層体である請求項１から８のいずれかに記載の平面アレイアンテナ。
  10. 　１次元または２次元にそれぞれ配列された、複数の第１アンテナユニットおよび複数の第２アンテナユニットを含む平面アレイアンテナであって、
    　前記第１アンテナユニットは、
    　第１方向に伸びる第１ストリップ導体と、
    　前記第１ストリップ導体から接触または非接触で給電される第１放射導体と、
    　前記第１方向と直交する第２方向における前記第１放射導体の一対の辺のうち、少なくとも一方に隣接して配置された少なくとも１つの第１無給電放射導体と
    　前記第１および第２方向に直交する第３方向において、前記第１放射導体および前記少なくとも１つの第１無給電放射導体の下方に配置された第１地導体と、
    　少なくとも、前記第１地導体と、前記第１放射導体および前記少なくとも１つの第１無給電放射導体との間に位置する第１誘電体と
    を備え、
    　前記第２アンテナユニットは、
    　第２方向に伸びる第２ストリップ導体と、
    　前記第２ストリップ導体から接触または非接触で給電される第２放射導体と、
    　前記第２方向と直交する第１方向における前記第２放射導体の一対の辺のうち、少なくとも一方に隣接して配置された少なくとも１つの第２無給電放射導体と
    　前記第１および第２方向に直交する第３方向において、前記第２放射導体および前記少なくとも１つの第２無給電放射導体の下方に配置された第２地導体と、
    　少なくとも、前記第２地導体と、前記第２放射導体および前記少なくとも１つの第２無給電放射導体との間に位置する第２誘電体と
    を備え、
    　前記第１および第２誘電体の比誘電率は、１．１５よりも大きく、
    　搬送波の中心周波数における前記第１および第２誘電体中での波長をλｄとし、
    　前記第２方向における前記第１放射導体の一対の辺および前記少なくとも１つの第１無給電放射導体の一対の辺のうち、前記第２方向において、最も外側に位置する２つの辺の間の距離Ｗ２は、
    Ｗ２＜２λｄ
    を満たし、
    　前記第１方向における前記第２放射導体の一対の辺および前記少なくとも１つの第２無給電放射導体の一対の辺のうち、前記第１方向において、最も外側に位置する２つの辺の間の距離Ｗ１は、
    Ｗ１＜２λｄ
    を満たしている、平面アレイアンテナ。
  11. 　請求項１から１０のいずれかに記載の平面アレイアンテナと、
    　前記平面アレイアンテナと電気的に接続された能動部品と、
    を備えた無線通信モジュール。
     
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110212303A (zh) * 2019-06-26 2019-09-06 青岛海信移动通信技术股份有限公司 阵列天线和终端
CN114270625A (zh) * 2019-08-19 2022-04-01 株式会社村田制作所 天线装置和通信装置
WO2022264415A1 (ja) * 2021-06-18 2022-12-22 Ｆｃｎｔ株式会社 アンテナ装置及び無線通信装置
WO2023070394A1 (zh) * 2021-10-27 2023-05-04 京东方科技集团股份有限公司 阵列天线及其制备方法、电子装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5008681A (en) * 1989-04-03 1991-04-16 Raytheon Company Microstrip antenna with parasitic elements
JPH05504034A (ja) * 1990-02-06 1993-06-24 ブリテイッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー アンテナ
JP2002261540A (ja) * 2001-03-06 2002-09-13 Ntt Docomo Inc パッチ型アンテナ
JP2003142919A (ja) * 2001-08-20 2003-05-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> マルチビームアンテナ
JP2012509034A (ja) * 2008-11-13 2012-04-12 マイクロソフト コーポレーション 円錐状の電磁波を放出するための無線アンテナ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5008681A (en) * 1989-04-03 1991-04-16 Raytheon Company Microstrip antenna with parasitic elements
JPH05504034A (ja) * 1990-02-06 1993-06-24 ブリテイッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー アンテナ
JP2002261540A (ja) * 2001-03-06 2002-09-13 Ntt Docomo Inc パッチ型アンテナ
JP2003142919A (ja) * 2001-08-20 2003-05-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> マルチビームアンテナ
JP2012509034A (ja) * 2008-11-13 2012-04-12 マイクロソフト コーポレーション 円錐状の電磁波を放出するための無線アンテナ

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110212303A (zh) * 2019-06-26 2019-09-06 青岛海信移动通信技术股份有限公司 阵列天线和终端
CN114270625A (zh) * 2019-08-19 2022-04-01 株式会社村田制作所 天线装置和通信装置
WO2022264415A1 (ja) * 2021-06-18 2022-12-22 Ｆｃｎｔ株式会社 アンテナ装置及び無線通信装置
WO2023070394A1 (zh) * 2021-10-27 2023-05-04 京东方科技集团股份有限公司 阵列天线及其制备方法、电子装置

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