(57)【要約】【課題】アレーアンテナ装置においてグレーティングローブの発生を防止する。【解決手段】上層基板１及び下層基板２上にパターン化されたアンテナ素子２１Ａ，２１Ｂと給電線路１０とを備えたアレーアンテナ装置において、各アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂに対して、２分の１波長未満の位置に位置するように無給電素子３２を備える。【選択図】図１
2009089217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にパターン化された複数のアンテナ素子と給電線路とを備えたアレーアンテナ装置において、
上記複数のアンテナ素子のうちで、最も近接したアンテナ素子との素子間隔が所定距離以上であるアンテナ素子の組の各アンテナ素子に対して、上記距離未満の位置に位置するように第１の無給電素子を備えたことを特徴とするアレーアンテナ装置。
【請求項２】
２つのアンテナ素子を備え、
上記第１の無給電素子は上記２つのアンテナ素子の中間の位置に設けられたことを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
【請求項３】
４つのアンテナ素子を備え、
上記４つのアンテナ素子が四角形の頂点に位置し、上記第１の無給電素子は、上記四角形の対角線の交点に設けられたことを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
【請求項４】
偶数個のアンテナ素子を備え、
上記偶数個のアンテナ素子が、直交する格子の格子点に位置し、
最も近接した４つのアンテナ素子を頂点として含む各四角形の対角線の交点においてそれぞれ上記第１の無給電素子を備えたことを特徴とする請求項１記載のアレーアンテナ装置。
【請求項５】
上記基板は、上記複数のアンテナ素子のそれぞれに対応する複数のスロット開口を有する接地導体を備え、
上記複数のアンテナ素子は上記接地導体の一方の面上に設けられ、上記給電線路は上記接地導体の他方の面上に設けられ、
上記各アンテナ素子は、上記各スロット開口を介して上記給電線路に電磁的に結合されて給電されることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
【請求項６】
上記複数のアンテナ素子の上方にそれぞれ第２の無給電素子をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至５のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
【請求項７】
レドームをさらに備え、
上記第１の無給電素子は上記レドームの内側の面に設けられたことを特徴とする請求項１乃至６のうちのいずれか１つに記載のアレーアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波、準ミリ波帯、ミリ波帯などで使用されるアレーアンテナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波、準ミリ波帯、ミリ波帯などにおける無線通信では、通信の高品質化をはかるために、複数のアンテナ素子と複数の無線通信回路を用いる高利得アンテナ装置が多く用いられている。アンテナ装置を高利得にすると、受信側の受信電力が上がり、相対的に通信距離を大きくとることが可能となる。
【０００３】
高利得な特性を得るためには、アンテナ装置の放射面の表面積を大きくする事が大切であり、アンテナ装置のアレー化により面積を大きくする例が多い。また、このとき、すべてのアンテナ素子を同じ位相で励振させることが重要である。
【０００４】
アレー化する際に、複数のアンテナ素子への分岐給電のための給電線路の損失を少なくする目的で、簡易な線路構成をとることが多い。また、全てのアンテナ素子を同位相で励振させるために、対称構造を用いたり、並列給電を用いることが多い。従来技術として、特許文献１のように、１つの下部アンテナ素子からの電磁結合により２つの上部アンテナ素子へ給電する構造や、特許文献２のように、並列給電構造で簡易な線路構造にすることが挙げられる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２４４７２７号公報。
【特許文献２】特開１９９７−３０７３３８号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、アレーアンテナ装置の給電回路構造には様々な問題が挙げられる。一般的にアンテナ素子間隔は、送受信する電波の自由空間波長に対して２分の１とすることが一番効率がよい。アンテナ素子間隔が２分の１波長より小さいと、十分な面積がとれず、所望の高利得が得られない。少なくとも、給電線路とアンテナ素子が増加した分の導体損、誘電体損を補える分だけはアレー化による高利得を図らなければならない。また、アンテナ素子間隔が２分の１波長より大きいと、放射の同位相面が可視域に複数見られることによるグレーティングローブが生じる。グレーティングローブは、アンテナ素子の指向性では抑えられない。グレーティングローブにより、メインローブの利得劣化だけでなく、実際の伝搬環境下で干渉波を受信する可能性を高くする。
【０００７】
特許文献１のように１つの下部アンテナ素子から２つの上部アンテナ素子への電磁結合を行う形であると、アンテナ素子間隔を小さくしないと、２つの上部アンテナ素子と結合ができない。そのため、２素子設けることによる利得上昇が大きく望めない。
【０００８】
逆に、特許文献２のような並列給電構造の場合は、電界面（給電線路方向の面）に対しては、アンテナ素子上の電流方向が逆位相になるので、励振位相を同じにするためには、電界面方向の２つのアンテナ素子の給電で１８０度反転させなければならない。このとき、給電線路基板の比誘電率が低い場合は逆位相を得るための給電線路差を与えるには、アンテナ素子間隔を２分の１波長より大きくしなければならなくなる。そのため、グレーティングローブが生じる。
【０００９】
本発明の目的は、以上の課題を解決し、グレーティングローブの発生を抑えながら、高利得であるアレーアンテナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るアレーアンテナ装置によれば、
基板上にパターン化された複数のアンテナ素子と給電線路とを備えたアレーアンテナ装置において、
上記複数のアンテナ素子のうちで、最も近接したアンテナ素子との素子間隔が所定距離以上であるアンテナ素子の組の各アンテナ素子に対して、上記距離未満の位置に位置するように第１の無給電素子を備えたことを特徴とする。
【００１１】
上記アレーアンテナ装置は、２つのアンテナ素子を備え、
上記第１の無給電素子は上記２つのアンテナ素子の中間の位置に設けられたことを特徴とする。
【００１２】
また、上記アレーアンテナ装置は、４つのアンテナ素子を備え、
上記４つのアンテナ素子が四角形の頂点に位置し、上記第１の無給電素子は、上記四角形の対角線の交点に設けられたことを特徴とする。
【００１３】
さらに、上記アレーアンテナ装置は、偶数個のアンテナ素子を備え、
上記偶数個のアンテナ素子が、直交する格子の格子点に位置し、
最も近接した４つのアンテナ素子を頂点として含む各四角形の対角線の交点においてそれぞれ上記第１の無給電素子を備えたことを特徴とする。
【００１４】
上記アレーアンテナ装置において、
上記基板は、上記複数のアンテナ素子のそれぞれに対応する複数のスロット開口を有する接地導体を備え、
上記複数のアンテナ素子は上記接地導体の一方の面上に設けられ、上記給電線路は上記接地導体の他方の面上に設けられ、
上記各アンテナ素子は、上記各スロット開口を介して上記給電線路に電磁的に結合されて給電されることを特徴とする。
【００１５】
また、上記アレーアンテナ装置において、上記複数のアンテナ素子の上方にそれぞれ第２の無給電素子をさらに備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記アレーアンテナ装置は、レドームをさらに備え、
上記第１の無給電素子は上記レドームの内側の面に設けられたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、２つのアンテナ素子を備えたアレーアンテナ装置において、見かけ上のアンテナ素子間隔が小さくなり、グレーティングローブの発生を抑えることが可能となる。また、本発明によれば、４つ又はそれより多い偶数個のアンテナ素子を備えたアレーアンテナ装置において、直交する２方向で見かけ上のアンテナ素子間隔が小さくなり、磁界面及び電界面の両方においてグレーティングローブの発生を抑えることが可能となる。
【００１８】
また、本発明によれば、給電線路とアンテナ素子とを接地導体を挟んで分離することにより、第１の無給電素子の設けられる面積が大きくなるため、設計の自由度が大きくなる。また、第１の無給電素子のサイズによる指向性成形も可能となる。さらに、複数のアンテナ素子の上方にそれぞれ第２の無給電素子をさらに備えたことにより、アンテナ素子面を分けることができるだけでなく、アンテナの動作周波数帯域を大きくすることが可能となる。またさらに、第１の無給電素子をレドームの内側の面に設けたことにより、第１の無給電素子の設けられる面積をさらに大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００２０】
第１の実施形態．
図１は、本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る２素子アレーアンテナ装置の上面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線における断面図であり、図３は、図１の２素子アレーアンテナ装置の分解構成を示す斜視図である。
【００２１】
本実施例の２素子アレーアンテナ装置は、誘電体２層及び導体３層を含む多層基板構造を構成するように、２枚の基板（例えば、１枚の両面基板と１枚の片面基板）を、接着剤やプリプレグ、熱圧着等で貼り合わせた構造を有する。以下の説明では、上側の誘電体層を上層基板１と呼び、下側の誘電体層を下層基板２と呼ぶ。下層基板２の下面における最下層の導体層を接地導体３とし、上層基板１及び下層基板２に挟まれた内層の導体層に、給電線路１０のストリップ導体１１，１２，１３，１４Ａ，１４Ｂと、２つのアンテナ素子２１Ａ，２１Ｂとをパターン形成により構成し、上層基板１上の上面の導体層に、無給電素子３１Ａ，３１Ｂ，３２をパターン形成により構成している。本実施形態の構造では、最下層全面を接地導体３としている。アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂは、実質的に正方形形状の輪郭を有するパッチアンテナであり、正方形の各辺が図１乃至図３に示すｘ軸及びｙ軸と平行になるように、ｘ方向に所定間隔を有して（本実施例では、アンテナ素子２１Ａがアンテナ素子２１Ｂに対して−ｘ方向に位置するように）並置される。また、アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂはそれぞれ、正方形の対応する１辺（本実施例では−ｘ側の辺）のほぼ中央に近接した位置に、給電点Ｐ２１Ａ，Ｐ２１Ｂを有する。また、給電線路１０は、ストリップ導体１１，１２，１３，１４Ａ，１４Ｂと接地導体３とから構成されるマイクロストリップ線路である。詳しくは、給電線路１０は、インピーダンス変換器として動作するストリップ導体１２の部分をストリップ導体１１，１３の部分が挟んで延在するようにストリップ導体１１，１２，１３の部分を備え、給電線路１０におけるストリップ導体１１の部分は、無線通信回路（図示せず。）に接続される。ストリップ導体１３は、アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂにそれぞれ接続するように−ｘ方向と＋ｘ方向とに分岐したストリップ導体１４Ａ，１４Ｂに接続されている。ストリップ導体１４Ａ，１４Ｂは、ｘ方向に延在し、中央の部分でストリップ導体１３に接続された１本のストリップ導体である。ストリップ導体１４Ａは、アンテナ素子２１Ａの給電点Ｐ２１Ａに＋ｘ側から接続するように、アンテナ素子２１Ａの正方形領域に貫入して設けられ、ストリップ導体１４Ｂは、アンテナ素子２１Ｂの給電点Ｐ２１Ｂに−ｘ側から接続するように設けられる。
【００２２】
このとき、給電線路１０におけるストリップ導体１４Ａ，１４Ｂの部分の特性インピーダンス及び線路幅は、アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの動作中心周波数での入力インピーダンスに合わせて決定される。アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂのインピーダンスが並列で付加されているので、給電線路１０におけるストリップ導体１１の部分（すなわち、無線通信回路に接続された部分）の特性インピーダンスと整合をとるために、ストリップ導体１２の部分をインピーダンス変換器として用いている。一例としては、ストリップ導体１２の部分を、４分の１波長整合器として構成する。アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂは並列接続されているので、アンテナ部の入力インピーダンス（すなわち、給電線路１０におけるストリップ導体１３の部分への入力インピーダンス）は、各アンテナ素子のインピーダンスの半分となる。無線通信回路に接続された部分の特性インピーダンスと整合をとるためには、アンテナ部の入力インピーダンスと無線通信回路に接続された部分の特性インピーダンスの積の平方根値を、４分の１波長整合器（すなわち、給電線路１０におけるストリップ導体１２の部分）の特性インピーダンスとし、特性インピーダンスに合うようにストリップ導体１２の線路幅を決定している。また、ストリップ導体１２の長さは、線路内波長に対して４分の１となるようにしている。
【００２３】
上層基板１上の上面の導体層において、アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの上方にそれぞれ位置するように、正方形形状の無給電素子３１Ａ，３１Ｂが設けられている。アンテナ素子２１Ａと無給電素子３１Ａは整合のために微小な差で大きさを異ならせており、各々の中心位置が合うように垂直方向である図面内ｚ方向に積み重ねている。アンテナ素子２１Ｂと３１Ｂも同様である。パッチアンテナは狭帯域特性であるが、無給電素子３１Ａ，３１Ｂを付加したことにより広帯域動作をもたらすことができる。
【００２４】
本実施例において、アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂは互いに逆方向から給電されている。そのため、各アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂに同位相で給電すると、基板正面方向（図１乃至図３の＋ｚ方向）では励振が逆位相となり低利得となる。そのため、逆位相となるように、給電線路１０におけるストリップ導体１４Ａ，１４Ｂの部分で、位相差に相当する線路長差を与えなければならない。アンテナ装置には低誘電率基板を用いることが多いが、低誘電率基板を用いると線路内波長が大きくなるので、線路長差を与えた場合にはアンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの素子間隔が大きくなる。素子間隔が大きくなって、所定距離、すなわち自由空間波長の２分の１を越えると、放射指向性にグレーティングローブが生じる。アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂ自体は広いビーム幅の放射指向性を有するので、グレーティングローブをエレメントファクタで抑えるのは困難である。グレーティングローブが生じると所望の通信以外の干渉波の影響が大きくなり、通信品質の劣化を招く。
【００２５】
そこで、上層基板１の上面の導体層において、各アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂに対して２分の１波長未満の位置に位置するように、アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの中間の位置の上方（すなわち、無給電素子３１Ａ，３１Ｂの素子間中心）に、グレーティングローブ抑圧用の無給電素子３２を設ける。無給電素子３２は、アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの上方にある無給電素子３１Ａ，３１Ｂと比べると励振が弱く、見かけ上のアンテナ素子間隔を小さくすることが可能となるので、放射指向性のメインローブへの影響を小さくしながらも、グレーティングローブが抑圧される。
【００２６】
本実施例のアレーアンテナ装置を送信アンテナとして使用する際には、信号処理された信号が無線通信回路から給電線路１０に供給される。この信号が、給電線路１０におけるインピーダンス変換器の部分を通り、次いで並列分岐されて、給電線路１０におけるストリップ導体１４Ａ，１４Ｂの部分へと分配される。そして分配された信号はそれぞれのアンテナ素子２１Ａ，２１Ｂに給電される。そして、信号は、アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂから、アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂにそれぞれ結合された無給電素子３１Ａ，３１Ｂに放射され、無給電素子３１Ａ，３１Ｂから再放射される。本実施例のアレーアンテナ装置を受信アンテナとして用いる場合は、この逆に動作し、受信信号を給電線路１０から無線通信回路へと伝達する。
【００２７】
図４は、本発明の第１の実施形態の第２の実施例に係る４素子アレーアンテナ装置の分解構成を示す斜視図である。本実施例の４素子アレーアンテナ装置は、第１の実施例の２素子アレーアンテナ装置の上層基板１、下層基板２及び接地導体３と同様に、上層基板１０１、下層基板１０２及び接地導体１０３を備えて構成される。上層基板１０１及び下層基板１０２に挟まれた内層の導体層に、給電線路１１０のストリップ導体１１１，１１２，１１３，１１４，１１５Ａ〜１１５Ｄと、４つのアンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄとをパターン形成により構成し、上層基板１０１上の上面の導体層に、無給電素子１３１Ａ〜１３１Ｄ，１３２をパターン形成により構成している。各アンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄは、実質的に正方形形状の輪郭を有するパッチアンテナであり、正方形の各辺が図４に示すｘ軸及びｙ軸と平行になるようにそれぞれ配置される。アンテナ素子１２１Ａ，１２１Ｃは、アンテナ素子１２１Ｂ，１２１Ｄに対して−ｘ方向に位置するようにそれぞれ配置され、アンテナ素子１２１Ａ，１２１Ｂは、アンテナ素子１２１Ｃ，１２１Ｄに対して＋ｙ方向に位置するようにそれぞれ配置される。従って、アンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄは、ｘ軸及びｙ軸と平行な辺を有する四角形（すなわち長方形又は正方形）の頂点に位置するように配置される。また、アンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄはそれぞれ、正方形の対応する１辺（本実施例では−ｙ側の辺）のほぼ中央に近接した位置に、給電点Ｐ１２１Ａ〜Ｐ１２１Ｄを有する。また、給電線路１１０は、第１の実施例の給電線路１０と同様にマイクロストリップ線路である。給電線路１１０は、インピーダンス変換器として動作するストリップ導体１１２の部分をストリップ導体１１１，１１３の部分が挟んで延在するようにストリップ導体１１１，１１２，１１３の部分を備え、ストリップ導体１１３は、ｘ方向に延在するストリップ導体１１４の中央に接続されて＋ｘ方向と−ｘ方向とに分岐し、ストリップ導体１１４の一端は、アンテナ素子１２１Ａ，１２１Ｃにそれぞれ接続するように＋ｙ方向と−ｙ方向とに分岐したストリップ導体１１５Ａ，１１５Ｃに接続され、ストリップ導体１１４の他端は、アンテナ素子１２１Ｂ，１２１Ｄにそれぞれ接続するように＋ｙ方向と−ｙ方向とに分岐したストリップ導体１１５Ｂ，１１５Ｄに接続されている。ストリップ導体１１５Ａ，１１５Ｃは、ｙ方向に延在し、中央の部分でストリップ導体１１４の一端に接続された１本のストリップ導体であり、ストリップ導体１１５Ｂ，１１５Ｄもまた、ｙ方向に延在し、中央の部分でストリップ導体１１４の他端に接続された１本のストリップ導体である。ストリップ導体１１５Ａは、アンテナ素子１２１Ａの給電点Ｐ１２１Ａに−ｙ側から接続するように設けられ、ストリップ導体１１５Ｂは、アンテナ素子１２１Ｂの給電点Ｐ１２１Ｂに−ｙ側から接続するように設けられ、ストリップ導体１１５Ｃは、アンテナ素子１２１Ｃの給電点Ｐ１２１Ｃに＋ｙ側から接続するように、アンテナ素子１２１Ｃの正方形領域に貫入して設けられ、ストリップ導体１１５Ｄは、アンテナ素子１２１Ｄの給電点Ｐ１２１Ｄに＋ｙ側から接続するように、アンテナ素子１２１Ｄの正方形領域に貫入して設けられる。アンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄが以上のように給電されることにより、各アンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄから放射される電波は図４のｚ−ｘ面に沿って磁界面を有し、ｚ−ｙ面に沿って電界面を有する。さらに、広帯域化のために、上層基板１０１上の上面の導体層において、アンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄの上方にそれぞれ位置するように、正方形形状の無給電素子１３１Ａ〜１３１Ｄが設けられている。
【００２８】
このとき、電界面の方向（ｙ方向）に並置された２つのアンテナ素子１２１Ａ，１２１Ｃについては、第１の実施例の２素子アレーアンテナ装置と同様の動作をするので、発生するグレーティングローブを抑圧するという同様の課題が生じる。アンテナ素子１２１Ｂ，１２１Ｄについても同様である。また、磁界面の方向（ｘ方向）においても、アンテナ素子の間隔を広げた場合には電界面の方向と同様にグレーティングローブが生じるので、これを抑圧する課題が生じる。
【００２９】
そこで、２素子アレーアンテナ装置のときと同様に、グレーティングローブ抑圧用の追加の無給電素子１３２を設ける。上層基板１０１の上面の導体層において、各アンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄに対して２分の１波長未満の位置に位置するように、アンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄの中心が形成する四角形の対角線の交点の上方（すなわち、無給電素子１３１Ａ〜１３１Ｄの中心が形成する四角形の頂点を結んだ対角線の交点）に、無給電素子１３２の中心を合わせて配置する。これにより、電界面の方向及び磁界面の方向の両方に対して、見かけ上のアンテナ素子間隔を小さくなるので、全方位においてグレーティングローブの発生を防止することが可能となる。
【００３０】
ここで、本実施例の４素子アレーアンテナ装置によるグレーティングローブの抑圧について説明するために、図５乃至図９を参照して、その解析結果を示す。図５は、図４の下層基板１０２上の回路の寸法を示す平面図である。３次元電磁界解析ソフトを用いて、本実施例の場合と、従来技術の場合とについて、その放射指向性の計算を行った。
【００３１】
図５において、上層基板１０１及び下層基板１０２の誘電率を３．０とし、誘電正接を０．００２とする。上層基板１０１及び下層基板１０２のサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．１２５ｍｍであり、基板上において素子等が形成されている領域のサイズは実質的に４ｍｍ×４ｍｍである。給電線路１１０におけるストリップ導体１１１の部分の幅を０．２３３ｍｍにすると、ほぼ５０オームの特性インピーダンスとなる。ストリップ導体１１２は長さ１．１２３ｍｍ及び幅０．２００ｍｍを有し、給電線路１１０のこの部分は、前述のようにインピーダンス変換器として動作する。また、ストリップ導体１１３は、幅０．４ｍｍ及び長さ０．５４５ｍｍを有し、給電線路１１０のこの部分もまたインピーダンス変換器として動作する。ストリップ導体１１３の部分から−ｘ方向と＋ｘ方向とに分岐したストリップ導体１１４の部分はそれぞれ、幅０．４ｍｍ及び長さ１．２３８ｍｍを有する。ストリップ導体１１４の部分の両端から＋ｙ方向と−ｙ方向とに分岐したストリップ導体１１５Ａ〜１１５Ｄの部分はそれぞれ、幅０．１２５ｍｍを有し、各ストリップ導体１１５Ａ，１１５Ｂにおいて、ストリップ導体１１４に接続された部分からアンテナ素子１２１Ａ，１２１Ｂまでの距離は１．２７５ｍｍであり、各ストリップ導体１１５Ｃ，１１５Ｄにおいて、ストリップ導体１１４に接続された部分からアンテナ素子１２１Ｃ，１２１Ｄまでの距離は０．１２５ｍｍである。アンテナ素子１２１Ａ，１２１Ｂのサイズを１．３０ｍｍ×１．３０ｍｍとし、アンテナ素子１２１Ｃ，１２１Ｄのサイズを１．１５ｍｍ×１．１５ｍｍとしている。各アンテナ素子１２１Ａ，１２１Ｂの給電点Ｐ１２１Ａ，Ｐ１２１Ｂは、−ｙ側の辺のほぼ中央から素子の内側に向かって０．２ｍｍの位置にあり、各アンテナ素子１２１Ｃ，１２１Ｄの給電点Ｐ１２１Ｃ，Ｐ１２１Ｄは、−ｙ側の辺のほぼ中央から素子の内側に向かって０．１０５ｍｍの位置にある。また、アンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄの上には無給電素子１３１Ａ〜１３１Ｄがあり、無給電素子１３１Ａ，１３１Ｂのサイズを１．２５ｍｍ×１．２５ｍｍとし、無給電素子１３１Ｃ，１３１Ｄのサイズを１．２４ｍｍ×１．２４ｍｍとしている。このときのアンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄの中心間隔は、電界面の方向（ｙ方向）において３．０ｍｍであり、磁界面の方向（ｘ方向）において３．０ｍｍである。この素子間隔は、設計周波数を６０ＧＨｚとすると、自由空間波長で０．６波長となり半波長以上に相当する。ストリップ導体１１４からアンテナ素子１２１Ｃ，１２１Ｄまでの距離を考慮すると、これ以上アンテナ素子間隔を縮めることは困難である。前述のように、グレーティングローブの発生を防ぐために、アンテナ素子１２１Ａ〜１２１Ｄの中心を結んだ対角線の交点に中心を合わせて、正方形形状の無給電素子１３２を配置する。無給電素子１３２のサイズを１．２５ｍｍ×１．２５ｍｍとしている。
【００３２】
比較のために、従来技術の一例として、無給電素子１３２を持たない４素子アレーアンテナ装置の解析結果を示す。図８及び図９は、従来技術の４素子アレーアンテナ装置の電界面（ｚ−ｙ面）及び磁界面（ｚ−ｘ面）内の放射指向性の解析結果をそれぞれ示すグラフである。図８及び図９の解析において、アンテナ装置の構成は、無給電素子１３２を持たないことを除いて、図４及び図５の４素子アレーアンテナ装置と同じである。図８及び図９からわかるように、アンテナ素子の中心間隔が３．０ｍｍであることにより、メインローブに対して、約−１０ｄＢの大きなグレーティングローブが発生している。
【００３３】
これに対し、図６及び図７は、図４及び図５の４素子アレーアンテナ装置の電界面（ｚ−ｙ面）及び磁界面（ｚ−ｘ面）内の放射指向性の解析結果をそれぞれ示すグラフである。図６及び図７を参照すると、図８及び図９で生じていたグレーティングローブの発生を防止できていることが確認できる。従って、無給電素子１３２を備えた効果が表れているといえる。
【００３４】
図１０は、本発明の第１の実施形態の第３の実施例に係る多素子アレーアンテナ装置の分解構成を示す斜視図である。アレーアンテナ装置のアンテナ素子の数は、２素子や４素子に限定されるものではなく、６素子以上であってもよい。本実施例では、上層基板２０１と下層基板２０２との間の導体層において、１６個のアンテナ素子２２１Ａ〜２２１Ｐを、図１０のｘ方向に等間隔で４個並び、ｙ方向に等間隔で４個並ぶように、直交する格子の格子点に配置する。また、給電線路２１０を図１０のように配置することにより、ｚ−ｙ面が電界面になり、ｚ−ｘ面が磁界面になる。詳しくは、給電線路２１０は、アンテナ素子２２１Ａ，２２１Ｂ，２２１Ｅ，２２１Ｆを含む第１の素子群と、アンテナ素子２２１Ｃ，２２１Ｄ，２２１Ｇ，２２１Ｈを含む第２の素子群と、アンテナ素子２２１Ｉ，２２１Ｊ，２２１Ｍ，２２１Ｎを含む第３の素子群と、アンテナ素子２２１Ｋ，２２１Ｌ，２２１Ｏ，２２１Ｐを含む第４の素子群とのそれぞれに向かって分岐し、各素子群においても、当該素子群に含まれる各アンテナ素子に向かって、第２の実施例の給電線路１１０と同様に分岐して接続される。給電線路２１０は、第１及び第２の実施例の給電線路１０，１１０と同様に、ストリップ線路と接地導体２０３とから構成されたマイクロストリップ線路であり、給電線路２１０はまた、必要に応じて１つ又は複数のインピーダンス変換器を備えていてもよい。上層基板２０１の上面の導体層において、アンテナ素子２２１Ａ〜２２１Ｐの上方に無給電素子２３１Ａ〜２３１Ｐを配置する。上層基板２０１の上面の導体層において、最も近接した４つのアンテナ素子（例えば、アンテナ素子２２１Ａ，２２１Ｂ，２２１Ｅ，２２１Ｆの組や、アンテナ素子２２１Ｂ，２２１Ｃ，２２１Ｆ，２２１Ｇの組など）の中心を頂点として含む四角形（すなわち長方形又は正方形）の対角線の交点の上方に、グレーティングローブ抑圧用の無給電素子２３２Ａ〜２３２Ｉの素子中心を合わせるように配置する。この構造により、６素子以上のアンテナ素子を備えた多素子アレーアンテナ装置においても、すべてのアンテナ素子間隔を見かけ上小さくすることができ、グレーティングローブの発生を防止することが可能となる。
【００３５】
本実施形態において、アンテナ素子をパッチアンテナとしているが、素子構成は限定されるものではなく、プリント配線基板上に形成される任意のアンテナ装置に適用可能である。また素子形状においても長方形及び正方形に限定するものではなく、円形又は他の多角形などにも適用可能である。また、アンテナ素子数についても以上の実施例の場合に限定せず、偶数個であればよく、無給電素子は、最も近接したアンテナ素子との素子間隔が所定距離以上であるアンテナ素子の組の各アンテナ素子に対して、上記距離未満の位置に位置するように設けられる。また、同様に無給電素子数及び基板の層数も限定しない。
【００３６】
第２の実施形態．
図１１は、本発明の第２の実施形態の第１の実施例に係る２素子アレーアンテナ装置の分解構成を示す斜視図である。本発明の実施形態に係るアレーアンテナ装置は、第１の実施形態に係るアレーアンテナ装置のようにマイクロストリップ線路による共平面型の給電を用いることに限定せず、以下説明するようなスロット開口３２１Ａ，３２１Ｂを介した電磁結合型の給電を用いてもよい。
【００３７】
本実施例の２素子アレーアンテナ装置もまた、誘電体２層及び導体３層を含む多層基板構造を構成し、以下の説明では、上側の誘電体層を上層基板３０１と呼び、下側の誘電体層を下層基板３０２と呼ぶ。上層基板３０１及び下層基板３０２に挟まれた内層の導体層に、スロット開口３２１Ａ，３２１Ｂを備えた接地導体３０３を形成し、下層基板３０２の下面における最下層の導体層に、給電線路３１０のストリップ導体３１１，３１２Ａ，３１２Ｂをパターン形成により構成し、上層基板３０１上の上面の導体層に、アンテナ素子３３１Ａ，３３１Ｂ及び無給電素子３３２をパターン形成により構成している。アンテナ素子３３１Ａ，３３１Ｂは、実質的に正方形形状の輪郭を有するパッチアンテナであり、正方形の各辺が図１１に示すｘ軸及びｙ軸と平行になるように、ｘ方向に所定間隔を有して（本実施例では、アンテナ素子３３１Ａがアンテナ素子３３１Ｂに対して−ｘ方向に位置するように）並置される。また、アンテナ素子３３１Ａ，３３１Ｂの下方にはそれぞれ、接地導体３０３のスロット開口３２１Ａ，３２１Ｂが設けられ、各アンテナ素子３３１Ａ，３３１Ｂは、スロット開口３２１Ａ，３２１Ｂを介して、接地導体３０３を挟んで反対側の給電線路３１０に電磁的に結合されて給電される。給電線路３１０は、ストリップ導体３１１，３１２Ａ，３１２Ｂと接地導体３０３とから構成されるマイクロストリップ線路である。給電線路３１０におけるストリップ導体３１１の部分は、無線通信回路（図示せず。）に接続される一方、ストリップ導体３１２Ａ，３１２Ｂに分岐して接続され、ストリップ導体３１２Ａ，３１２Ｂは、その先端が、スロット開口３２１Ａ，３２１Ｂにそれぞれ近接して交差するように配置されている。給電線路３１０はさらに、インピーダンス変換器として動作する部分を備えていてもよい。本実施例のアレーアンテナ装置を送信アンテナとして使用する際には、無線通信回路から供給された送信信号が、給電線路３１０を介して、給電線路３１０におけるスロット開口３２１Ａ，３２１Ｂに近接した部分（すなわち、各ストリップ導体３１２Ａ，３１２Ｂの先端）まで伝達され、スロット開口３２１Ａ，３２１Ｂを介して電磁結合によりアンテナ素子３３１Ａ，３３１Ｂに給電される。本実施例のアレーアンテナ装置を受信アンテナとして用いる場合は、この逆に動作する。本実施例においても第１の実施形態と同様に、給電線路３１０の分配構造上、アンテナ素子間隔が大きくなることがある。そのため、上層基板３０１の上面の導体層において、アンテナ素子３３１Ａ，３３１Ｂの中間の位置（素子間中心）に、グレーティングローブ抑圧用の無給電素子３３２を設ける。無給電素子３３２は、アンテナ素子３３１Ａ，３３１Ｂに比べると励振が弱く、見かけ上のアンテナ素子間隔を小さくすることが可能となるので、放射指向性のメインローブへの影響を小さくしながらも、グレーティングローブが抑圧される。本実施例のような電磁結合型の給電では、給電線路３１０とアンテナ素子部が別の層に分離されるので、放射指向性のチルト等の乱れが無いという利点がある。
【００３８】
図１２は、本発明の第２の実施形態の第２の実施例に係る４素子アレーアンテナ装置の分解構成を示す斜視図である。本実施例の４素子アレーアンテナ装置は、第１の実施例の２素子アレーアンテナ装置の上層基板３０１、接地導体３０３及び下層基板３０２と同様に、上層基板４０１、接地導体４０３及び下層基板４０２を備えて構成される。上層基板４０１及び下層基板４０２に挟まれた内層の導体層に、スロット開口４２１Ａ〜４２１Ｄを備えた接地導体４０３を形成し、下層基板４０２の下面における最下層の導体層に、給電線路４１０をパターン形成により構成し、上層基板４０１上の上面の導体層に、アンテナ素子４３１Ａ〜４３１Ｄ及び無給電素子４３２をパターン形成により構成している。各アンテナ素子４３１Ａ〜４３１Ｄは、実質的に正方形形状の輪郭を有するパッチアンテナであり、正方形の各辺が図１２に示すｘ軸及びｙ軸と平行になるようにそれぞれ配置される。アンテナ素子４３１Ａ，４３１Ｃは、アンテナ素子４３１Ｂ，４３１Ｄに対して−ｘ方向に位置するようにそれぞれ配置され、アンテナ素子４３１Ａ，４３１Ｂは、アンテナ素子４３１Ｃ，４３１Ｄに対して＋ｙ方向に位置するようにそれぞれ配置される。従って、アンテナ素子４３１Ａ〜４３１Ｄは、ｘ軸及びｙ軸と平行な辺を有する四角形（すなわち長方形又は正方形）の頂点に位置するように配置される。また、アンテナ素子４３１Ａ〜４３１Ｄの下方にはそれぞれ、接地導体４０３のスロット開口４２１Ａ〜４２１Ｄが設けられ、各アンテナ素子４３１Ａ〜４３１Ｄは、スロット開口４２１Ａ〜４２１Ｄを介して、接地導体４０３を挟んで反対側の給電線路４１０に電磁的に結合されて給電される。給電線路４１０は、第１の実施形態の第２の実施例に係る給電線路１１０（図４及び図５を参照）と同様に分岐するように構成されたマイクロストリップ線路であり、給電線路４１０の分岐された先端は、アンテナ素子４３１Ａ〜４３１Ｄに電磁的に結合するように、スロット開口４２１Ａ〜４２１Ｄにそれぞれ近接して交差するように配置されている。さらに、上層基板４０１の上面の導体層において、アンテナ素子４３１Ａ〜４３１Ｄの中心が形成する四角形の対角線の交点に、グレーティングローブ抑圧用の無給電素子４３２の中心を合わせて配置する。本実施例のような電磁結合型の給電では、給電線路４１０とアンテナ素子部が別の層に分離されるので、放射指向性のチルト等の乱れが無いという利点がある。
【００３９】
本実施形態においても、基板の層数に関して限定せず、また、アンテナ素子数についても２個及び４個に限定せず、偶数個であればよい。さらに、スロット開口の形状に関しても限定せず、給電線路とアンテナ素子との間で電磁結合を達成可能な形状であれば任意のスロット開口を利用可能である。
【００４０】
第３の実施形態．
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る２素子アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。第１及び第２の実施形態において説明したように、アンテナ素子の上方に必ずしも無給電素子は必要ではない。無給電素子はアンテナ装置を広帯域化するために必要な素子であって、信号帯域が狭帯域である場合は不要である。
【００４１】
本実施例の２素子アレーアンテナ装置は、アンテナ素子の上方における無給電素子を省いたことにより、上層基板も省略された構成を有する。本実施例のアレーアンテナ装置は、誘電体１層及び導体２層を含む両面基板として構成され、以下、誘電体層を基板５０２と呼ぶ。基板５０２の下面全面の導体層を接地導体５０３とし、基板５０２の上面の導体層に、給電線路５１０のストリップ導体５１１，５１２，５１３，５１４Ａ，５１４Ｂと、２つのアンテナ素子５２１Ａ，５２１Ｂと無給電素子５２２とをパターン形成により構成している。アンテナ素子５２１Ａ，５２１Ｂは、第１の実施形態の第１の実施例に係るアンテナ素子２１Ａ，２１Ｂと同様のパッチアンテナであるが、給電点Ｐ５２１Ａ，Ｐ５２１Ｂを、図１３の−ｙ側の辺のほぼ中央に近接した位置に有するという点で異なる。また、給電線路５１０は、ストリップ導体５１１，５１２，５１３，５１４Ａ，５１４Ｂと接地導体５０３とから構成されるマイクロストリップ線路である。詳しくは、給電線路５１０は、第１の実施形態の第１の実施例に係るストリップ導体１１，１２，１３の部分と同様のストリップ導体５１１，５１２，５１３の部分を備え、ストリップ導体５１３は、アンテナ素子５２１Ａ，５２１Ｂに−ｙ側からそれぞれ接続するように分岐したストリップ導体５１４Ａ，５１４Ｂに接続されている。このとき、給電線路５１０に与えられる面積が小さい場合や、給電線路５１０に整合回路等の付加的な回路が接続された場合、アンテナ素子５２１Ａ，５２１Ｂの間隔は大きくなる。アンテナ素子間隔が所定距離、すなわち２分の１波長を越える場合には、グレーティングローブが生じる。そこで、上層基板１の上面の導体層において、アンテナ素子５２１Ａ，５２１Ｂの中間の位置（素子間中心）に、グレーティングローブ抑圧用の無給電素子５２２の中心を合わせて配置する。無給電素子５２２を配置したことにより、見かけ上のアンテナ素子間隔を小さくすることが可能となるので、グレーティングローブが抑圧される。
【００４２】
本実施形態においては、単純な構成である２素子アレーアンテナ装置について説明しているが、素子数については、偶数個であれば限定しない。本実施形態のようにアンテナ素子５２１Ａ，５２１Ｂの上方に無給電素子を持たない構成は、第１及び第２の実施形態に係る任意の実施例の構成にも適用可能である。
【００４３】
第４の実施形態．
図１４は、本発明の第４の実施形態に係るレドーム付き２素子アレーアンテナ装置の構成を示す断面図である。アンテナ装置、もしくは送受信回路が付属されたフロントエンドモジュールにおいては、カバーであるレドームを配置することが多い。この場合、グレーティングローブ抑圧用の無給電素子は、基板上にではなく、このレドームに設けてもよい。
【００４４】
本実施形態は、第１の実施形態の第１の実施例に係る２素子アレーアンテナ装置にレドーム４１を付加した構成を有する。図１４は、図１のＡ−Ａ’線に相当する位置における断面図を示す。レドーム４１は、アレーアンテナ装置の外部からの保護を目的に被せるものである。レドーム４１には低誘電率材料を用い、その厚みを、誘電率を考慮した実効波長の４分の１とすることで、放射に対する影響を小さくすることが可能となる。このとき、アンテナ素子２１Ａ，２１Ｂの中間の位置（素子間中心）の上方に配置すべきグレーティングローブ抑圧用の無給電素子を、上層基板１の上面にではなく、レドーム４１の内側の面にパターニングされた無給電素子４２として形成する。給電線路１０から供給された高周波信号は、分岐した給電線路１０のストリップ導体１４Ａ，１４Ｂの部分を介してアンテナ素子２１Ａ，２１Ｂを励振し、無給電素子３１Ａ，３１Ｂにより再放射されてレドーム４１上の空間に伝達される。このとき、レドーム４１に配置された無給電素子４２により、見かけ上のアンテナ素子間隔を小さくしてグレーティングローブを抑圧する。ただし、アレーアンテナ装置に平面アンテナを用いる場合、低背なモジュールもしくはアンテナ装置を実現することを目的とするので、レドーム４１のｚ方向の高さも低くする必要があるが、見かけ上のアンテナ素子間隔を小さくするためには、レドーム４１の高さは自由空間波長の２分の１波長以下でなければならない。
【００４５】
本実施形態においても、アンテナ素子数や、基板の層数については図１４の構成に限定しない。また、本実施形態の構成を他の実施形態又は実装例に適用してもよく、例えば、第３の実施形態のアレーアンテナ装置にレドームを付加し、その無給電素子５２２に代えて、レドームの内側の面に無給電素子を形成してもよい。
【００４６】
以上説明したように、本発明の各実施形態に係るアレーアンテナ装置によれば、基板上にパターン化された複数のアンテナ素子と給電線路とを備えたアレーアンテナ装置において、上記複数のアンテナ素子のうちで、最も近接したアンテナ素子との素子間隔が所定距離以上であるアンテナ素子の組の各アンテナ素子に対して、上記距離未満の位置に位置するように第１の無給電素子を備えたことを特徴とする。本発明によれば、２つのアンテナ素子を備えたアレーアンテナ装置において、見かけ上のアンテナ素子間隔が小さくなり、グレーティングローブの発生を抑えることが可能となる。また、本発明によれば、４つ又はそれより多い偶数個のアンテナ素子を備えたアレーアンテナ装置において、直交する２方向で見かけ上のアンテナ素子間隔が小さくなり、磁界面及び電界面の両方においてグレーティングローブの発生を抑えることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の各実施形態に係るアレーアンテナ装置は、高周波通信システム等の分野で有用に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態の第１の実施例に係る２素子アレーアンテナ装置の上面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図３】図１の２素子アレーアンテナ装置の分解構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の第２の実施例に係る４素子アレーアンテナ装置の分解構成を示す斜視図である。
【図５】図４の下層基板１０２上の回路の寸法を示す平面図である。
【図６】図４及び図５の４素子アレーアンテナ装置の電界面（ｚ−ｙ面）内の放射指向性の解析結果を示すグラフである。
【図７】図４及び図５の４素子アレーアンテナ装置の磁界面（ｚ−ｘ面）内の放射指向性の解析結果を示すグラフである。
【図８】従来技術の４素子アレーアンテナ装置の電界面（ｚ−ｙ面）内の放射指向性の解析結果を示すグラフである。
【図９】従来技術の４素子アレーアンテナ装置の磁界面（ｚ−ｘ面）内の放射指向性の解析結果を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１の実施形態の第３の実施例に係る多素子アレーアンテナ装置の分解構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施形態の第１の実施例に係る２素子アレーアンテナ装置の分解構成を示す斜視図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態の第２の実施例に係る４素子アレーアンテナ装置の分解構成を示す斜視図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る２素子アレーアンテナ装置の構成を示す斜視図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係るレドーム付き２素子アレーアンテナ装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１，１０１，２０１，３０１，４０１…上層基板、
２，１０２，２０２，３０２，４０２…下層基板、
３，１０３，２０３，３０３，４０３，５０３…接地導体、
１０，１１０，２１０，３１０，４１０，５１０…給電線路、
１１，１２，１３，１４Ａ，１４Ｂ，１１１，１１２，１１３，１１４，１１５Ａ〜１１５Ｄ，３１１，３１２Ａ，３１２Ｂ，５１１，５１２，１５３，５１４Ａ，５１４Ｂ…ストリップ導体、
２１Ａ，２１Ｂ，１２１Ａ〜１２１Ｄ，２２１Ａ〜２２１Ｐ，３３１Ａ，３３１Ｂ，４３１Ａ〜４３１Ｄ，５２１Ａ，５２１Ｂ…アンテナ素子、
Ｐ２１Ａ，Ｐ２１Ｂ，Ｐ１２１Ａ〜Ｐ１２１Ｄ，Ｐ５２１Ａ，Ｐ５２１Ｂ…給電点、
３１Ａ，３１Ｂ，３２，４２，１３１Ａ〜１３１Ｄ，１３２，２３１Ａ〜２３１Ｐ，２３２Ａ〜２３２Ｉ，３３２，４３２，５２２…無給電素子、
４１…レドーム、
３２１Ａ，３２１Ｂ，４２１Ａ〜４２１Ｄ…スロット開口、
５０２…基板。
【図１】
2009089217.tif 000003
【図２】
2009089217.tif 000004
【図３】
2009089217.tif 000005
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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