(57)【要約】      （修正有）【課題】小型化を促進して感度や指向特性等に対する電気的特性を向上して、しかも高機能化に対処し得る多素子平面アンテナを提供する。【解決手段】ＭＳＬ型のアンテナ素子として機能する２個を一対とした少なくとも二組計４個の回路導体を基板の一主面に有し、前記二組計４個の回路導体に対する給電線は、前記各一対の回路導体を接続した第１と第２のＭＳＬ及びこれらと交差する第１ＳＬからなり、前記二組計４個の回路導体計を１セットとして第１から第４セット計１６個をマトリクス状に並べ、前記第１と第２セットの前記ＳＬを前記基板の一主面に設けた第４のＭＳＬで接続し、前記第３と第４セットの前記ＳＬを前記基板の一主面に設けた第５のＭＳＬで接続し、前記第４と第５のＭＳＬマイクロストリップラインを第２ＳＬで接続し、前記第２ＳＬの中央領域に給電した構成とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロストリップライン型のアンテナ素子として機能する２個を一対とした少なくとも二組計４個の回路導体を基板の一主面に有し、前記回路導体に対する給電線を前記基板に設けてなる多素子平面アンテナにおいて、
前記二組計４個の回路導体に対する給電線は、前記基板の一主面に設けられて前記各一対の回路導体を接続した第１と第２のマイクロストリップラインと、前記基板の他主面に設けられて前記第１と第２のマイクロストリップラインと交差して両端側が突出するとともに前記交差点から見た両端を電気的な開放端とする第１スロットラインとからなり、
前記給電線を含む前記二組計４個の回路導体計を１セットとして第１から第４セット計１６個を基板の一主面にマトリクス状に並べ、前記第１セットと第２セットの前記スロットラインを前記基板の一主面に設けた第４のマイクロストリップラインで接続し、
前記第３セットと第４セットの前記スロットラインを前記基板の一主面に設けた第５のマイクロストリップラインで接続し、前記第４と第５のマイクロストリップラインを前記基板の他主面に設けた第２スロットラインで接続し、前記第２スロットラインの中央領域に給電したことを特徴とする多素子平面アンテナ。
【請求項２】
マイクロストリップライン型のアンテナ素子として機能する２個を一対とした少なくとも二組計４個の回路導体を基板の一主面に有し、前記回路導体に対する給電線を前記基板に設けてなる多素子平面アンテナにおいて、
前記二組計４個の回路導体に対する給電線は、前記基板の一主面に設けられて前記各一対の回路導体を接続した第１と第２のマイクロストリップラインと、前記基板の他主面に設けられて前記第１と第２のマイクロストリップラインと両端側が交差して突出するとともに前記交差点から見た両端を電気的な開放端とする第１スロットラインと、前記スロットラインの中央領域に接続して先端開放としたコプレーナラインとからなり、
前記給電線を含む前記二組計４個の回路導体計を１セットとして第１から第４セット計１６個を基板の一主面にマトリクス状に並べ、前記第１セットと第２セットの前記コプレーナラインの先端開放側に前記基板の一主面に設けた第４のマイクロストリップラインで接続し、
前記第３セットと第４セットの前記コプレーナラインの先端開放側に前記基板の一主面に設けた第５のマイクロストリップラインで接続し、前記第４と第５のマイクロストリップラインを前記基板の他主面に設けた第２スロットラインで接続し、前記第２スロットラインの中央領域に給電したことを特徴とする多素子平面アンテナ。
【請求項３】
マイクロストリップライン型のアンテナ素子として機能する２個を一対として複数対の回路導体を基板の一主面に左右方向に配列し、前記回路導体に対する給電線を前記基板に設けてなる多素子平面アンテナにおいて、前記給電線は、前記基板の一主面に設けられて前記一対の回路導体をそれぞれ接続した各マイクロストリップラインと、前記基板の他主面に設けられて前記各マイクロストリップラインと交差して両端側から突出したスロットラインと、前記基板の一主面に設けられて前記スロットラインの中央で電磁結合したマイクロストリップラインからなることを特徴とする多素子平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアレー型とした高周波用の多素子平面アンテナを産業上の技術分野とし、特に高感度としたマイクロストリップライン（以下、ＭＳＬとする）型の、さらにはそれに能動デバイスやICチップ等を実装してアクティブ化を図る多素子平面アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）平面アンテナは、マイクロ波・ミリ波帯のアンテナとして、無線通信や衛星放送などに広く用いられている。一般に平面アンテナはＭＳＬ型やスロットライン型等があるが、給電系構造の簡便さや放射特性の理由により、ＭＳＬ型が多用されている。しかしながら、ＭＳＬ型は、アンテナ利得が低いので利得向上を目的としてアンテナ素子を複数用いる、所謂、多素子アレー化が行われている。
【０００３】
（従来技術の一例）第９図は一従来例を説明するこの種の多素子平面アンテナの平面図である。
多素子平面アンテナは、誘電体からなる基板１の一主面にそれぞれがアンテナ素子として機能する回路導体（以下では、アンテナ素子とする）２の複数個例えば４個（ａｂｃｄ）をマトリクス状に形成する。但し、他主面には金属導体（未図示）が形成されて接地導体とし、両主面間で生ずる電界及びこれによる磁界によってＭＳＬ共振器を形成する。そして、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に給電線３を接続してアンテナを構成する。なお、送受信のアンテナ周波数は、概ねＭＳＬ共振器の共振周波数になる。
【０００４】
給電線３はＭＳＬにより形成され、各アンテナ素子に並列分岐する接続となる。アンテナ素子としての各アンテナ素子には、所謂並列同相分岐による給電となる。この場合は、アンテナ素子２（ａｂ）と２（ｃｄ）をそれぞれＭＳＬ３（ａｂ）で接続し、さらにＭＳＬ３（ａｂ）をＭＳＬ３ｃで接続して、これにＭＳＬ３ｄを接続して給電端とする。通常では、各ＭＳＬ間のインピーダンス整合を計るため、各分岐点に整合回路４（ａｂｃ）を形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成のようにＭＳＬ型で多素子化する場合には、給電回路が本質的に同相並列分岐であるため、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に対して同一側面側から給電する必要がある。したがって、給電線３「ＭＳＬ３（ａｂｃｄ）」の合計線路が基本的に長くなるとともに、整合回路４（ａｂｃ）を要するのでさらに長くなる。なお、ここでの同一側面は図で示されるように各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）の上辺側としているが、下辺や左右辺のいずれでも、同一側面であればよい。また、各ＭＳＬの分岐点でのインピーダンス整合が不可欠であることにより、整合回路４（ａｂｃ）自体による給電損失が大きくなる。さらには、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）は同一側面からの励振となり、アンテナ素子（アンテナ素子）２の周囲に給電線３を配置せざるを得ないため、両者間での干渉も生じやすい。これらにより、この種の多素子平面アンテナでは、小型化及び感度や指向特性等の電気的特性に対して不十分な問題があった。
【０００６】
また、ＭＳＬは、電気的に対をなす、アンテナ素子２が基板１の一主面に、接地導体が他主面にある不平衡型の伝送路である。したがって、ベアチップを含む集積回路やMMIC等からなる回路素子とアンテナ素子２とを一体的に実装して構成する送受信モジュールの実現にとっては、接地が困難で例えばバンプ技術によるベアチップ実装やパッケージ入りＩＣ等の表面実装を採用できない問題もあった。
【０００７】
（発明の目的）本発明は、小型化を促進して感度や指向特性等に対する電気的特性を向上して、しかも高機能化に対処し得る多素子平面アンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（着目点及び活用）本発明は、基板の両面に形成したＭＳＬとスロットライン（以下、ＳＬとする）あるいはコプレーナライン（同ＣＰＷとする）の伝送特性と線路構造に着目し、これらを最大限に活用した。すなわち、先ず、ＭＳＬやＣＰＷが不平衡型の伝送線路であるのに対してＳＬが平衡伝送線路であることに依拠して、ＳＬ−ＭＳＬ分岐は逆相直列分岐であり、ＭＳＬ−ＳＬ分岐あるいはＣＰＷ−ＳＬ分岐は同相並列分岐である点に着目した。次に、ＳＬやＣＰＷは共平面型の線路構造即ち同一主面に伝送線路を形成できる点に着目し、これらも最大限に活用した。
【０００９】
（解決手段）本発明は、特許請求の範囲の請求項１に示したように（第３実施例の第５図〜第７図に相当）、マイクロストリップライン型のアンテナ素子として機能する２個を一対とした少なくとも二組計４個の回路導体を基板の一主面に有し、前記回路導体に対する給電線を前記基板に設けてなる多素子平面アンテナにおいて、前記二組計４個の回路導体に対する給電線は、前記基板の一主面に設けられて前記各一対の回路導体を接続した第１と第２のマイクロストリップラインと、前記基板の他主面に設けられて前記第１と第２のマイクロストリップラインと両端側が交差して突出するとともに前記交差点から見た両端を電気的な開放端とする第１スロットラインとからなり、前記給電線を含む前記二組計４個の回路導体計を１セットとして第１から第４セット計１６個を基板の一主面にマトリクス状に並べ、前記第１セットと第２セットの前記スロットラインを前記基板の一主面に設けた第４のマイクロストリップラインで接続し、前記第３セットと第４セットの前記スロットラインを前記基板の一主面に設けた第５のマイクロストリップラインで接続し、前記第４と第５のマイクロストリップラインを前記基板の他主面に設けた第２スロットラインで接続し、前記第２スロットラインの中央領域に給電した構成とする。
また、請求項２では（第３実施例の第６図に相当）、マイクロストリップライン型のアンテナ素子として機能する２個を一対とした少なくとも二組計４個の回路導体を基板の一主面に有し、前記回路導体に対する給電線を前記基板に設けてなる多素子平面アンテナにおいて、前記二組計４個の回路導体に対する給電線は、前記基板の一主面に設けられて前記各一対の回路導体を接続した第１と第２のマイクロストリップラインと、前記基板の他主面に設けられて前記第１と第２のマイクロストリップラインと両端側が交差して突出するとともに前記交差点から見た両端を電気的な開放端とする第１スロットラインと、前記スロットラインの中央領域に接続して先端開放としたコプレーナラインとからなり、前記給電線を含む前記二組計４個の回路導体計を１セットとして第１から第４セット計１６個を基板の一主面にマトリクス状に並べ、前記第１セットと第２セットの前記コプレーナラインの先端開放側に前記基板の一主面に設けた第４のマイクロストリップラインで接続し、
前記第３セットと第４セットの前記コプレーナラインの先端開放側に前記基板の一主面に設けた第５のマイクロストリップラインで接続し、前記第４と第５のマイクロストリップラインを前記基板の他主面に設けた第２スロットラインで接続し、前記第２スロットラインの中央領域に給電した構成とする。
また、請求項３では（第３実施例の第８図に相当）、マイクロストリップライン型のアンテナ素子として機能する２個を一対として複数対の回路導体を基板の一主面に左右方向に配列し、前記回路導体に対する給電線を前記基板に設けてなる多素子平面アンテナにおいて、前記給電線は、前記基板の一主面に設けられて前記一対の回路導体をそれぞれ接続した各マイクロストリップラインと、前記基板の他主面に設けられて前記各マイクロストリップラインと交差して両端側から突出したスロットラインと、前記基板の一主面に設けられて前記スロットラインの中央で電磁結合したマイクロストリップラインからなる構成とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の例えば請求項１は、各一対のアンテナ素子が共通接続された第１と第２のＭＳＬにＳＬを接続する。したがって、ＳＬからの第１と第２のＭＳＬへは逆相直列分岐の接続となり、各一対のアンテナ素子はそれぞれ逆相励振となる。これにより、各一対のアンテナ素子に対しては逆側面からの給電となる。したがって、給電線の長さを最短とした接続を可能にする。
【００１１】
また、ＳＬからの第１と第２のＭＳＬへは逆相直列分岐とするので、ＳＬと第１と第２のＭＳＬの特性インピーダンスを設定すれば、整合回路は不要になる。例えばＳＬ６を100Ωとすれば第１と第２のＭＳＬには逆相分岐（分配）なので、第１と第２のＭＳＬをそれぞれ50Ω（計100Ω）にすることによって整合できる。この場合、ＳＬの中央部において第３ＭＳＬ給電線路を接続すれば、この第３ＭＳＬ−ＳＬ分岐は同相分岐（分配）となる。したがって、第３ＭＳＬの特性インピーダンスを50Ω、即ち、ＳＬの１／２とすれば、先のＳＬ−ＭＳＬ直列分岐と組み合わせて、整合回路を全く不要とすることができるとともに、整合回路自体による給電損失がない。
【００１２】
さらには、逆相励振とすることによって、各一対のアンテナ素子に対して逆側面（例えば上下面）からの給電となるので、各アンテナ素子の周囲から給電線を排除できて、給電線と各アンテナ素子との相互干渉を防止する。
【００１３】
そして、第１と第２のＭＳＬへ給電する伝送線路は共平面構造のＳＬなので、ベアチップを含む集積回路やMMIC等からなる回路素子をＳＬ上に表面実装等によって一体的に実装して、アンテナ素子とこれらを一体化した送受信モジュールの構成を可能にする。これらの請求項１での効果は請求項２についても同様に言える。これらのことから、小型化を促進して感度や指向特性等に対する電気的特性を向上して、しかも高機能化に対処し得る多素子平面アンテナを提供できる。以下、本発明の実施例を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１実施例、参考）
第１図は、本発明の一実施例を説明する多素子平面アンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）は同Ｂ−Ｂ断図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
多素子平面アンテナは、前述したように誘電体からなる基板１の一主面に、ＭＳＬ型とした計４個のアンテナ素子２（ａｂｃｄ）をマトリクス状に並べて形成される。但し、他主面には金属導体５が形成される。第１実施例では、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に対する給電線３は、第１と第２のＭＳＬ６（ａｂ）と第１ＳＬ７ａと第３ＭＳＬ６ｃからなる。
【００１５】
第１と第２のＭＳＬ６（ａｂ）は、左右各一対のアンテナ素子２（ａｂ）、２（ｃｄ）をでそれぞれ接続する。第１ＳＬ７ａは基板１の他主面設けられ、第１と第２のＭＳＬ６（ａｂ）と交差して両端が突出する。そして、交差点から見た両端を電気的な開放端とする。ここでは、第１ＳＬ６の交差点からの突出長をそれぞれ概ねλ／４として、電気的な開放端とする。第３ＭＳＬ６ｃは基板１の一面の一端側から設けられ、第１と第２のＭＳＬ６（ａｂ）の間となる第１ＳＬ７ａの中央を横断してなる。
【００１６】
このような構成であれば、ＳＬ７からの第１と第２のＭＳＬ６（ａｂ）へは逆相直列分岐とした給電線になり、各一対のアンテナ素子２（ａｂ）、２（ｃｄ）はそれぞれ逆相励振となる。これにより、各一対のアンテナ素子２（ａｂ）、２（ｃｄ）に対しては逆側面からの給電となる。ここでは、アンテナ素子２（ａｃ）に対しては下辺、２（ｂｄ）に対しては上辺とした逆側面する。そして、ＳＬ７には、基板１の一端からの第３ＭＳＬ６ｃからの逆相直列分岐によって給電される。したがって、基板１の一端を給電端として、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に対して最短の給電線路とする。
【００１７】
また、第３ＭＳＬ６ｃから第１ＳＬ７ａへは同相並列分岐として、ＳＬ７からの第１と第２のＭＳＬ６（ａｂ）へは逆相直列分岐とするので、第１と第２のＭＳＬ６（ａｂ）の特性インピーダンスを第1ＳＬ７ａの特性インピーダンスの１／２と設定すれば、整合回路は不要になる。例えば、第３ＭＳＬ６ｃを50Ωとすれば、第１ＳＬ７ａへは同相並列分岐なので100Ωにすれば整合し、さらに第１と第２のＭＳＬ６（ａｂ）を５０Ωとすれば、整合回路は全く不要となる。したがって、ＭＳＬ−ＳＬ−ＭＳＬの分岐になるので、特性インピーダンスを設定するのみで整合回路を不要にする。したがって、給電線の長をさらに短くできて、整合回路自体による給電損失がない。
【００１８】
さらには、各一対のアンテナ素子２（ａｂ）、２（ｃｄ）を逆相励振とすることによって、逆側面（例えば上下面）からの給電となるので、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）の周囲から給電線を排除できて、給電線と各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）との相互干渉を防止する。これらのことから、小型化を促進して感度や指向特性等に対する電気的特性を向上できる。
【００１９】
なお、第１実施例の上記例においては、第１ＳＬ７ａには第３ＭＳＬ６ｃによって給電したが、例えば第１ＳＬ７ａの中央領域を給電点（対となす両側２箇所）として直接に線路を接続して給電することもできる。また、この給電点に、第２図に示したように、ベアチップを含む集積回路やMMIC等からなる回路素子８を例えばバンプ９を用いて表面実装することよって、アンテナ素子とこれらを一体化した送受信モジュールを構成できる。第２図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。
【００２０】
これらの場合、例えば集積回路内に設けた移相回路等によって送受信波の移相を制御して指向性を持たせたり、あるいは増幅度を可変して送受信利得を制御したりすること等を含めて高機能化できる。
【００２１】
（第２実施例、参考）
第３図は本発明の第２実施例を説明する多素子アンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。なお、第１実施例と同一部分の説明は省略する。
前第１実施例では第１ＳＬ７ａへの給電は第３ＭＳＬ６ｃとしたが、第２実施例ではＣＰＷ１０とする。すなわち、第２実施例では基板１の他主面に設けた第１ＳＬ７ａに、基板１の他主面の一端側からＣＰＷ９を設けて接続する。なお、ＣＰＷ１０は他主面の金属導体５に平行する２本の細溝を設けて、第１ＳＬ７ａの開口部に連通する。そして、細溝間の金属導体を信号線とする。
【００２２】
このような構成であれば、各一対のアンテナ素子２（ａｂ）、２（ｃｄ）に対する給電端からの給電線（ライン）は、ＣＰＷ−ＳＬ−ＭＳＬとなる。したがって、この場合においても、第１ＳＬ７ａへの給電は同相並列分岐であり、第１と第２のＭＳＬ６（ａｂ）への給電は逆相直列分岐となる。したがって、基本的に給電線を最短にして整合回路を不要にするとともに相互干渉を防止する等により、前述同様の効果を奏する。
【００２３】
また、この場合においても、第４図（ａｂ）に示したように、基板１の他主面に設けたＣＰＷ１０にベアチップを含む集積回路やMMIC等からなる回路素子８をバンプ９を用いて表面実装することよって、アンテナ素子とこれらを一体化した送受信モジュールを構成できる。第４図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【００２４】
（第３実施例、請求項１、２、３に相当）
第５図（請求項１に相当）は本発明の第３実施例を説明する多素子平面アンテナの平面図である。
前各実施例では、アンテナ素子２（ａｂ）及び２（ｃｄ）それぞれ一対とした２組の計４個をマトリクス状に配列した例を示したが、第３実施例ではこれらを１セットとして４セット計１６個のアンテナ素子を配列した場合の例である。ここでは、左上下に位置した第１セットと第２セットの各第１ＳＬ７ａを基板１の一主面に設けた第４ＭＳＬ６ｄで接続する。また、同様に、右上下に位置した第３セットと第４セットの第１ＳＬ７ａ基板の一主面に設けた第５ＭＳＬ６ｅで接続する。そして、第４と第５のＭＳＬ６（ｄｅ）を基板１の他主面に設けた第２ＳＬ７ｂで接続し、さらに基板１の主面に設けた第６ＭＳＬ６ｆを接続して給電する。
【００２５】
このような構成にすれば、アンテナ素子数を増やして感度をさらに高めることができる。そして、これらの場合においても、基本的にはＭＳＬ−ＳＬ−ＭＳＬ（−ＳＬ）の給電ライン、換言すると同相並列分岐から逆相直列分岐の接続（給電）となり、給電線を最短にして整合回路を不要にするとともに相互干渉を防止する等により、前述同様の効果を奏する。勿論、回路素子を第２ＳＬ７ｂに表面実装等して送受信モジュールを構成できる。
【００２６】
なお、第３実施例の上記例では、第１と第２セット及び第３と第４セットは第４及び第５ＭＳＬ６（ｄｅ）にて接続したが、例えば第６図（請求項２に相当）に示したように、第１及び第２セットの第１ＳＬ７ａの中央領域に、先端開放としたＣＰＷ１０で接続する。そして、ＣＰＷの先端開放側にＭＳＬ６（ｄｅ）の両端側を接続してもよい。この場合でも、給電ラインは同相並列分岐から逆相直列分岐の接続（給電）となるので、前述同様の効果を生じる。また、何れも１６素子の例を示したが、同様の給電ラインを適用することによって、３２素子、６４素子（第７図参照、但し符号は省略、請求項１に相当）、１２８素子等の多素子平面アンテナを得られる。
【００２７】
また、何れの場合も、４素子を１セットとして並べた例を示したが、例えば第８図（請求項３に相当）に示したように、一次元方向に対をなすアンテナ素子２（ａｂ）、２（ｃｄ）を、ＳＬ７に電磁結合するＭＳＬ６を中心として左右に配列して指向性を持たせてもよく、その配列は必要に応じて任意に設定できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施例を説明する多素子平面アンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図２】本発明の第１実施例の他の例を説明する多素子平面アンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図、同図（ｃ）はＢ−Ｂ断面図である。
【図３】本発明の第２実施例を説明する多素子平面アンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明の第２実施例の他の例を説明する多素子平面アンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
【図５】本発明の第３実施例を説明する多素子平面アンテナの平面図である。
【図６】本発明の第３実施例の他の例説明する多素子平面アンテナの平面図である。
【図７】本発明の第３実施例のさらに他の例を説明する多素子平面アンテナの平面図である。
【図８】本発明の第３実施例のさらにもう一つの他の例を説明する多素子平面アンテの平面図である。
【図９】従来例を説明する多素子平面アンテナの平面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１  基板、２  アンテナ素子、３、６  ＭＳＬ、４  整合回路、５  金属導体、７  ＳＬ、８  回路素子、９  バンプ、１０  ＣＰＷ．
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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