JP7449137B2

JP7449137B2 - アンテナ素子及びアレイアンテナ

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Publication number: JP7449137B2
Application number: JP2020053617A
Authority: JP
Inventors: 洸知識
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-03-25
Filing date: 2020-03-25
Publication date: 2024-03-13
Anticipated expiration: 2040-03-25
Also published as: JP2021153278A

Description

本開示は、アンテナ素子及びアレイアンテナに関する。

特許文献１には、誘電体基板に地導体と放射導体と給電導体とを有するマイクロストリップアンテナが記載されている。

特開２００１－２６７８３３号公報

誘電体基板に地導体と放射導体と給電導体とを有するアンテナ素子においては、広帯域化などの周波数特性の要求、電波の偏波特性の要求、素子サイズの要求など、幾つかの要求を満たすために、アンテナ素子のインピーダンス整合が困難になる場合がある。

本開示は、インピーダンスを調整できる設計自由度が高く、インピーダンス整合により特性が向上したアンテナ素子及びアレイアンテナを提供することを目的とする。

（１）
本開示の一つの態様のアンテナ素子は、
第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有する第１誘電体層と、
前記第１面に位置する放射導体と、
前記第２面に位置する地導体と、
前記第２面から前記第１面にかけて位置し前記放射導体に接続された給電導体と、
前記第２面と前記第１面との間で前記第１面に沿った方向に延在しかつ前記給電導体に接続された第１導体と、
を備え、
平面視において、前記第２面から前記第１面にかけて位置する前記給電導体が前記放射導体と重なり、
前記第１導体は、膜状であり、前記第１面に沿った第１方向における最小幅、並びに、前記第１面に沿いかつ前記第１方向に直交する第２方向の最小幅がともに、前記第１面に沿った方向における前記給電導体の最大幅よりも長い領域を有し、
前記第１導体と前記給電導体との接続部を通る、いずれの向きの縦断面においても、前記接続部に連続する前記第１導体の平面方向における長さが、前記第１誘電体層に設けられるランドの最大幅の倍以上になるように、前記第１導体は前記接続部から平面方向に延在しており、
前記第１面に垂直な方向から透視したときに、前記第１導体における前記放射導体と重なる領域は、前記第１導体における前記放射導体と重ならない領域よりも大きい。
（２）
本開示のもう一つの態様のアンテナ素子は、
第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有する第１誘電体層と、
前記第１面に位置する放射導体と、
前記第２面に位置する地導体と、
前記第２面から前記第１面にかけて位置し前記放射導体に接続された給電導体と、
前記第２面と前記第１面との間で前記第１面に沿った方向に延在しかつ前記給電導体に接続された第１導体と、
を備え、
平面視において、前記第２面から前記第１面にかけて位置する前記給電導体が前記放射導体と重なり、
前記第１導体は、膜状であり、前記第１面に沿った第１方向における最小幅、並びに、前記第１面に沿いかつ前記第１方向に直交する第２方向の最小幅がともに、前記第１面に沿った方向における前記給電導体の最大幅よりも長い領域を有し、
前記第１導体の平面形状は、矩形状、又は円形状、又は楕円状であり、
前記第１面に垂直な方向から透視したときに、前記第１導体における前記放射導体と重なる領域は、前記第１導体における前記放射導体と重ならない領域よりも大きい。
（３）
本開示のもう一つの態様のアンテナ素子は、
第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有する第１誘電体層と、
前記第１面に位置する放射導体と、
前記第２面に位置する地導体と、
前記第２面から前記第１面にかけて位置し前記放射導体に接続された給電導体と、
前記第２面と前記第１面との間で前記第１面に沿った方向に延在しかつ前記給電導体に接続された第１導体と、
を備え、
平面視において、前記第２面から前記第１面にかけて位置する前記給電導体が前記放射導体と重なり、
前記第１導体は、膜状であり、前記第１面に沿った第１方向における最小幅、並びに、前記第１面に沿いかつ前記第１方向に直交する第２方向の最小幅がともに、前記第１面に沿った方向における前記給電導体の最大幅よりも長い領域を有し、
前記第１導体は、前記放射導体と相似な平面形状を有する。

本開示のアレイアンテナは、
上記の複数のアンテナ素子を備える。

本開示によれば、インピーダンスを調整できる設計自由度が高く、インピーダンス整合により特性が向上されたアンテナ素子及びアレイアンテナを提供できる。

本開示の実施形態に係るアンテナ素子を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、Ｃ－Ｃ線における断面図（ｃ）である。実施形態のアンテナ素子の特性を示す反射損失グラフ（ａ）とＳパラメータチャート（ｂ）である。第１導体を有さない比較例のアンテナ素子の反射損失グラフ（ａ）とＳパラメータチャート（ｂ）である。第１導体の調整可能な一つの設計パラメータを説明する図（ａ）ともう一つの設計パラメータを説明する図（ｂ）である。地導体と第１導体との距離Ｄに応じたアンテナ特性の変化を示す図であり、Ｄ＝０．１１ｍｍであるときの反射損失グラフ（ａ）とＳパラメータチャート（ｂ）、Ｄ＝０．１４ｍｍであるときの反射損失グラフ（ｃ）とＳパラメータチャート（ｄ）である。地導体と第１導体との距離Ｄに応じたアンテナ特性の変化を示す図であり、Ｄ＝０．１７ｍｍであるときの反射損失グラフ（ａ）とＳパラメータチャート（ｂ）、Ｄ＝０．２ｍｍであるときの反射損失グラフ（ｃ）とＳパラメータチャート（ｄ）である。第１導体の幅Ｗに応じたアンテナ特性の変化を示す図であり、Ｗ＝０．２ｍｍのときの反射損失グラフ（ａ）とＳパラメータチャート（ｂ）、Ｗ＝０．４ｍｍのときの反射損失グラフ（ｃ）とＳパラメータチャート（ｄ）である。第１導体の幅Ｗに応じたアンテナ特性の変化を示す図であり、Ｗ＝０．６ｍｍのときの反射損失グラフ（ａ）とＳパラメータチャート（ｂ）、Ｗ＝０．８ｍｍのときの反射損失グラフ（ｃ）とＳパラメータチャート（ｄ）である。第１導体の平面方向の設計パラメータによるアンテナ特性の変化を示す図であり、第１例の構造図（ａ）とＳパラメータチャート（ｂ）、第２例の構造図（ｃ）とＳパラメータチャート（ｄ）である。第１導体の平面方向の設計パラメータによるアンテナ特性の変化を示す図であり、第３例の構造図（ａ）とＳパラメータチャート（ｂ）である。第１導体を有さない比較例のアンテナ素子の平面図（ａ）及び放射特性図（ｂ）と、放射導体と相似形状の第１導体を有する実施形態のアンテナ素子の平面図（ｃ）及び放射特性図（ｄ）である。第１導体とは異なる導体要素でインピーダンス整合した比較例の構造図（ａ）及び放射特性図（ｂ）と、実施形態のアンテナ素子の放射特性図（ｃ）である。第１導体の先端のパターンを変更した第１比較例の構造図（ａ）及びＳパラメータチャート（ｂ）と、第２比較例の構造図（ｃ）及びＳパラメータチャート（ｄ）である。シングルパッチ型の比較例の構造図（ａ）及び反射損失グラフ（ｂ）とシングルパッチ型の実施形態のアンテナ素子の構造図（ｃ）及び反射損失グラフ（ｄ）である。スタックドパッチ型の比較例の構造図（ａ）及び反射損失グラフ（ｂ）とスタックドパッチ型の実施形態のアンテナ素子の構造図（ｃ）及び反射損失グラフ（ｄ）である。本開示の実施形態に係るアレイアンテナを示す斜視図（ａ）とＢ－Ｂ線における断面図（ｂ）である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本開示の実施形態に係るアンテナ素子を示す斜視図（ａ）、平面図（ｂ）、Ｃ－Ｃ線における断面図（ｃ）である。以下、図１のＺ方向を下方、Ｚ方向と垂直なＸ方向及びＹ方向を平面方向として説明する。Ｚ方向は、第１面１０１に垂直な方向であり、Ｘ方向及びＹ方向は、第１面１０１に沿った互いに直交する２つの方向である。本明細書における上下左右の方向は、アンテナ素子１の使用時における上下左右の方向と異なっていてもよい。

本実施形態のアンテナ素子１は、誘電体基板１０と、エアキャビティ（中空部）１５と、放射導体２１と、無給電放射導体２２と、地導体２３と、給電導体２４と、インピーダンス調整用の第１導体２５と、を備える。

誘電体基板１０は、第１誘電体層１１及び第２誘電体層１２が上下方向に積層されて構成される。誘電体基板１０は、例えば酸化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミック焼結体、ムライト質焼結体又は窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック材料から成る誘電体材料であってもよい。第１誘電体層１１は、第１面１０１と、第１面１０１の反対側の第２面１０２とを有する。第２誘電体層１２は、第３面１０３と、第３面１０３とは反対側の第４面１０４とを有する。第１面１０１と第４面１０４とが対向しかつ結合されている。第２面１０２～第４面１０４は、第１面１０１と平行であってもよい。

エアキャビティ１５は、第２誘電体層１２内において、放射導体２１と無給電放射導体２２との間に位置する空洞であり、アンテナ特性の広帯域化に寄与する。エアキャビティ１５は平面方向に広がる膜状の形態であってもよい。誘電体基板１０が複数のエアキャビティを有し、複数のエアキャビティが放射導体２１と無給電放射導体２２との間で平面方向に並んで配置されていてもよい。エアキャビティ１５の一部が第４面１０４に接し、第２誘電体層１２を単体で見たときに、エアキャビティ１５の一部が第４面１０４に開口していてもよい。

放射導体２１は、第１面１０１に位置する膜状の導体である。無給電放射導体２２は、第３面１０３に位置する膜状の導体である。放射導体２１と無給電放射導体２２とは上下方向に対向するように配置される。放射導体２１及び無給電放射導体２２の平面方向の形状は、正方形又は長方形などの矩形であってもよい。

地導体２３は、第２面１０２に位置する膜状の導体である。地導体２３は、給電導体２４を通す、あるいは、その一端部を露出させる貫通孔２３ｈを有する。地導体２３と放射導体２１とは上下方向に対向する。上下方向に透視したとき、地導体２３は放射導体２１及び無給電放射導体２２を内包する大きさを有していてもよい。

給電導体２４は、第１誘電体層１１内において、地導体２３の貫通孔２３ｈから放射導体２１の高さにかけて位置する。給電導体２４は、上下方向に延在するビア導体であってもよい。給電導体２４は、例えばアンテナ素子１の電波の偏波特性の要求から放射導体２１の中心から－Ｘ方向に離れた位置に接続されている。

第１導体２５は、第１誘電体層１１内に位置し、給電導体２４の上下方向の途中に接続されている。第１導体２５は、平面方向に広がる膜状導体であってもよい。給電導体２４は放射導体２１及び地導体２３から離間され、地導体２３と電気的に接続されていない。また、第１導体２５は、給電導体２４以外の導体を介して放射導体２１と電気的に接続されていない。第１導体２５は、平面形状、大きさ、上下方向の位置、平面方向の位置について設計自由度があり、これらの設計自由度によって、放射導体２１に付加される容量成分及びインダクタンス成分を変化させ、アンテナ素子１のインピーダンスを調整できる。

第１導体２５は、平面方向において第１導体２５の中心から離れた箇所が給電導体２４に接続されてもよいし、第１導体２５の中心が給電導体２４に接続されてもよい。第１導体２５は、平面方向における一端又は平面形状の縁が給電導体２４に接続されてもよい。

上下方向に透視したとき、第１導体２５は、放射導体２１に包含されてもよいし、第１導体２５の一部が放射導体２１に重なり、残りの部分が放射導体２１と重ならなくてもよい。放射導体２１と重なる領域の面積が、放射導体２１と重ならない領域の面積よりも大きくてもよい。

上下方向に透視したとき、第１導体２５は、放射導体２１と無給電放射導体２２とを合わせた領域に包含されてもよいし、第１導体２５の一部が上記合わせた領域に重なり、残りの部分が上記合わせた領域に重ならなくてもよい。上記合わせた領域と重なる領域の面積が、重ならない領域の面積よりも大きくてもよい。

上下方向に透視したとき、第１導体２５は、給電導体２４から放射導体２１の中心に向かって延在する形態であってもよいし、給電導体２４から放射導体２１の中心とは逆方に向かって延在する形態であってもよいし、両方に延在する形態であってもよい。第１導体２５は、第１誘電体層１１又は第２誘電体層１２に形成されるランドと比較して、平面方向の延在量は十分に大きくてもよい。

図２は、実施形態のアンテナ素子の特性を示す反射損失グラフ（ａ）とＳパラメータチャート（ｂ）である。図３は、第１導体を有さない比較例のアンテナ素子の反射損失グラフ（ａ）とＳパラメータチャート（ｂ）である。図２（ｂ）並びに以下の図面に示すＳパラメータチャートは、中心点を目標インピーダンス５０Ωとしたスミスチャート上にプロットされたアンテナ素子のＳパラメータ（Scattering parameter）を示す。ここで紹介する比較例のアンテナ素子及び実施形態のアンテナ素子１は、例えば２６ＧＨｚ～３０ＧＨｚで反射損失を－１０ｄＢ以下とするといった広帯域化の要求、電波の偏波特性の要求、素子サイズの要求など、幾つかの要求を満たすため、各導体要素の形状、サイズ及び相対位置に制約を受ける。そして、このような制約により各導体要素の設計自由度が減少すると、アンテナ素子のインピーダンスを十分に整合できなくなる場合がある。

比較例のアンテナ素子は、上記のような制約から、図３（ｂ）に示すように、インダクタンス成分が大きい方にずれ、図３（ａ）に示すように、使用周波数帯（２６ＧＨｚ～３０ＧＨｚ）の中央で反射損失が－１０ｄＢを超えてしまった例である。

一方、実施形態のアンテナ素子１によれば、上記のような制約があっても、第１導体２５により、アンテナ素子１のインピーダンスを調整できる設計自由度が残される。したがって、例えば第１導体２５の設計パラメータを適宜決定することで、図２（ｂ）に示すように、アンテナ素子１のインピーダンスを整合し、使用周波数帯（２６ＧＨｚ～３０ＧＨｚ）の全域で反射損失が－１０ｄＢ以下となる良好なアンテナ特性を達成できる。

＜第１導体の設計パラメータ＞
続いて、第１導体２５について調整可能な幾つかの設計パラメータと、各設計パラメータの調整によるインピーダンス変化について説明する。

調整可能な第１導体２５の設計パラメータには、先ず、図４（ａ）に示すように、第１導体２５と地導体２３との距離Ｄが含まれる。図５（ａ）及び（ｂ）、図５（ｃ）及び（ｄ）、図６（ａ）及び（ｂ）、図６（ｃ）及び（ｄ）は、距離Ｄを０．１１ｍｍ、０．１４ｍｍ、０．１７ｍｍ、０．２ｍｍとそれぞれ変化させた場合のＳパラメータと反射損失とを示す。距離Ｄを調整することで、第１導体２５の容量成分の大きさが変化し、図５及び図６のＳパラメータチャートに示されるように、容量成分の増減に応じたインピーダンスの調整が可能となる。そして、図５及び図６の反射損失グラフに示すように、インピーダンス整合の度合に応じて反射損失が変化する。なお、図５及び図６の例では、距離Ｄを０．１４ｍｍとしたときに、反射損失が良好となっているが、他の導体の各設計パラメータの値、並びに第１導体２５の他の設計パラメータの値により、アンテナ特性が良好となる距離Ｄの値は変化する。

調整可能な第１導体２５の設計パラメータには、図４（ｂ）に示すように、第１導体２５のＸ方向における幅Ｗが含まれる。図７（ａ）及び（ｂ）、図７（ｃ）及び（ｄ）、図８（ａ）及び（ｂ）、図８（ｃ）及び（ｄ）は、幅Ｗを０．２ｍｍ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍと変化させた場合のＳパラメータと反射損失とを示す。幅Ｗを調整することで、第１導体２５から得られる容量成分とインダクタンス成分との大きさが変化し、図７及び図８のＳパラメータチャートに示されるように、容量成分及びインダクタンス成分の増減に応じたインピーダンスの調整が可能となる。そして、図７及び図８の反射損失グラフに示すように、インピーダンス整合の度合に応じて反射損失が変化する。なお、図７及び図８の例では、幅Ｗを０．６ｍｍとしたときに、反射損失が良好となっているが、他の導体の各設計パラメータの値、並びに第１導体２５の他の設計パラメータの値により、アンテナ特性が良好となる幅Ｗの値は変化する。

図９及び図１０は、第１導体の平面方向の設計パラメータによるアンテナ特性の変化を説明する図である。図９（ａ）と図９（ｃ）に示すように、上下方向に透視したときの第１導体２５の配置によっても、アンテナ素子１のインピーダンスを変化させることができる。第１導体２５が給電導体２４から放射導体２１の中央へ向く方へ延在する配置（図９（ａ））に比べて、逆方へ延在する配置（図９（ｃ））のほうが、図９（ｂ）、図９（ｄ）の比較から示されるように、インダクタンス成分を増加又は容量成分を減らす作用が得られる。

図１０（ａ）は、図９（ａ）の第１導体２５と同一面積で、Ｙ方向の幅を大きく、Ｘ方向の幅を小さくした例である。同一面積とすることで、第１導体２５の容量成分は変わらないが、Ｘ方向の幅が小さくなることで、図９（ｂ）、図１０（ｂ）の比較から示されるように、インダクタンス成分を減らす作用が得られる。

なお、第１導体２５の平面形状は、正方形又は長方形などの矩形に限られず、円形、楕円を含む様々な形状に変更可能であり、このような形状の選択によっても、アンテナ素子１のインピーダンスを調整することができる。

上述した、第１導体２５の複数の設計パラメータを調整することで、容量成分とインダクタンス成分とを適宜に調整して、多くの場合、アンテナ素子１のインピーダンスを整合できる。

＜第１導体の平面形状＞
上述のように、第１導体２５の幾つかの設計パラメータを調整して、インピーダンス整合を達成した場合でも、まだ、第１導体２５の設計パラメータには自由度が残る。この自由度を利用することで、アンテナ素子１のインピーダンス整合を達成しつつ、異なる平面形状の第１導体２５を採用することができる。

第１導体２５の平面形状は、放射導体２１が正方形など矩形状の場合に、放射導体２１の相似形状としてもよい。さらに、第１導体２５のＺ軸を回転軸とする回転方向の向きは、放射導体２１の向きと同一であってもよい。さらに、第１導体２５を放射導体２１の相似形状で同一の向きとすることで、放射導体２１に生じる電界分布と同様に第１導体２５に電界が分布し、アンテナ利得を向上できる。

図１１は、第１導体を有さない比較例のアンテナ素子の平面図（ａ）及び放射特性図（ｂ）と、第１導体を放射導体と相似形状にした実施形態のアンテナ素子の平面図（ｃ）及び放射特性図（ｄ）である。放射特性は、比較例の構造と実施形態の構造とでインピーダンスが同等に整合される条件でシミュレーションを行った結果である。第１導体が無い比較例のアンテナ素子８１では、アンテナ利得の最高値はＺ方向の利得で５．７７ｄＢであったのに対し、放射導体２１と相似形状の第１導体２５を有するアンテナ素子１では、アンテナ利得の最高値はＺ方向の利得で５．９３ｄＢであった。

また、図示は省略するが、放射導体２１が矩形である一方、第１導体２５が円形であるアンテナ素子１では、アンテナ利得の最高値はＺ方向の利得で５．８８ｄＢであった。また、第１導体２５が放射導体２１のＸ方向の幅の半分以上ある長尺な長方形としたアンテナ素子１では、アンテナ利得の最高値は５．８３ｄＢであった。このような結果から、第１導体２５を放射導体２１の相似形状とすることで、アンテナ利得が向上することが示される。

＜第１導体の干渉と放射作用＞
図１２は、第１導体とは異なる導体要素でインピーダンス整合した比較例の構造図（ａ）及び放射特性図（ｂ）と、実施形態のアンテナ素子の放射特性図（ｃ）である。図１２（ａ）の比較例のアンテナ素子８２は、地導体２３より下方に位置する配線層１３に、インピーダンス調整用の導体３１を追加した例である。比較例のアンテナ素子８２に示すように、配線層１３において給電導体２４に導体３１を接続しても、導体３１の設計パラメータによりアンテナ素子８２のインピーダンスを調整できる場合がある。しかし、配線層１３に導体３１を付加すると、配線層１３において導体３１による平面方向への突出量が大きくなる。したがって、複数のアンテナ素子を同一基板内に並列させる場合、導体３１による突出が、隣り合うアンテナ素子と干渉してしまう。そして、干渉を避けるために隣り合うアンテナ素子８２との間隔を大きくすると、複数のアンテナ素子８２の高密度化を妨げてしまう。

一方、本実施形態のアンテナ素子１では、放射導体２１と地導体２３との間に第１導体２５が位置するので、第１導体２５が隣り合うアンテナ素子１と干渉する恐れが低く、複数のアンテナ素子１の高密度化を妨げない。

また、比較例のアンテナ素子８２のように、配線層１３に導体３１を追加した場合、導体３１は地導体２３に遮られて電界を放射しない。一方、本実施形態のアンテナ素子１では、第１導体２５からの電界の放射作用が得られ、当該作用によりアンテナ利得を向上できる。

図１２（ｂ）は、配線層１３にインピーダンス調整可能な導体３１が追加された比較例のアンテナ素子８２の放射特性であり、図１２（ｃ）は、導体３１を追加する代わりに第１導体２５が追加された本実施形態のアンテナ素子１の放射特性であり、共にインピーダンスが同等に整合された構成についてのシミュレーション結果である。実施形態のアンテナ利得の最高値は６．３１ｄＢであるのに対して、比較例のアンテナ利得の最高値は６．１３ｄＢであった。このような結果から、第１導体２５が電界放射作用を有し、当該作用によりアンテナ利得が向上することが示される。

＜第１導体の先端のパターン＞
第１導体２５によりアンテナ素子１のインピーダンスを整合させるには、第１導体２５は、地導体２３と放射導体２１との両方から離間し、第１導体２５は地導体２３と電気的に接続されず、放射導体２１とは給電導体２４を介して電気的に接続された構成としてもよい。

図１３は、第１導体の先端のパターンを変更した第１比較例の構造図（ａ）及びＳパラメータチャート（ｂ）と、第２比較例の構造図（ｃ）及びＳパラメータチャート（ｄ）である。第１比較例のアンテナ素子８３のように、第１導体２５の先端を放射導体２１と接続ビア３５を介して接続すると、様々に第１導体２５の設計パラメータを調整して最適化しても、図１３（ｂ）に示すように、インピーダンスの不整合を修正することはできなかった。

また、第２比較例のアンテナ素子８４ように、第１導体２５の先端を地導体２３と接続ビア３６を介して接続すると、様々に第１導体２５の設計パラメータを調整して最適化しても、図１３（ｄ）に示すように、インピーダンスは不整合となった。これらの結果から、第１導体２５を地導体２３と放射導体２１との両方から離間させることで、アンテナ素子１のインピーダンスが調整容易になることが示される。

＜他形態のアンテナ素子の例＞
上記の例では、放射導体２１と無給電放射導体２２とエアキャビティ１５とを有するアンテナ素子１について説明したが、第１導体２５は、他の形態のアンテナ素子にも適用できる。

図１４は、シングルパッチ型の比較例の構造図（ａ）及び反射損失グラフ（ｂ）とシングルパッチ型の実施形態のアンテナ素子の構造図（ｃ）及び反射損失グラフ（ｄ）である。図１５は、スタックドパッチ型の比較例の構造図（ａ）及び反射損失グラフ（ｂ）とスタックドパッチ型の実施形態のアンテナ素子の構造図（ｃ）及び反射損失グラフ（ｄ）である。

図１４（ｃ）に示す実施形態のアンテナ素子１Ａは、シングルパッチ型のアンテナ素子であり、第２誘電体層１２、無給電放射導体２２及びエアキャビティ１５を有さない他は、図１のアンテナ素子１と同様である。シングルパッチ型では、放射導体２１がアンテナ素子１の上面に露出してもよい。

図１４（ａ）の比較例のアンテナ素子８５は、第１導体２５を有さない他は、図１４（ｃ）のアンテナ素子１Ａと同様に構成される。比較例のアンテナ素子８５には、放射導体２１のサイズと形状、放射導体２１への給電導体２４の接続位置、放射導体２１と地導体２３との距離、誘電体基板１０の誘電率等の設計パラメータがある。図１４（ｂ）の特性は、幾つかの要求によりアンテナ素子８５の設計パラメータに制約が生じたため、アンテナ素子８５を十分にインピーダンス整合されず、共振周波数での反射損失がやや高くなった例である。

実施形態のアンテナ素子１Ａは、比較例と同様に設計パラメータの制約を受けた場合でも、第１導体２５の設計パラメータを適宜調整して、インピーダンスを整合できる。図１４（ｄ）の特性に示すように、比較例と比べて共振周波数でのインピーダンスが十分に整合され、共振周波数での反射損失がより低減されている。

図１５（ｃ）に示す実施形態のアンテナ素子１Ｂは、スタックドパッチ型のアンテナ素子であり、エアキャビティ１５を有さない他は、図１のアンテナ素子１と同様である。図１５（ａ）に示す比較例のアンテナ素子８６は、第１導体２５を有さず、幾つかの要求により設計パラメータに制約を受けた場合に、十分にインピーダンス整合されず、図１５（ｂ）に示すように、反射損失がやや高くなった例である。一方、実施形態のアンテナ素子１Ｂでは、比較例と同様に幾つかの設計パラメータに制約を受けた場合でも、第１導体２５の設計パラメータを適宜調整することで、インピーダンスを十分に整合し、図１５（ｄ）に示すように、比較例と比べて反射損失が低減されたアンテナ特性が得られる。

（アレイアンテナ）
図１６は、本開示の実施形態に係るアレイアンテナを示す斜視図（ａ）とＢ－Ｂ線における断面図（ｂ）である。本実施形態のアレイアンテナ１００は、複数のアンテナ素子１（又は１Ａ、１Ｂ）を備える。複数のアンテナ素子１はアレイ用の大型の誘電体基板１１０にマトリックス状など縦横に配列されてもよいし、どのように配列されていてもよい。アレイアンテナ１００は、送信信号又は受信信号を入出力する集積回路２００が接続される電極１３０と、電極１３０と各アンテナ素子１との間で信号を伝送する伝送路１２０とを有する。伝送路１２０は各アンテナ素子１の給電導体２４でもある。アレイアンテナ１００には、伝送路１２０の信号周波数を抽出するフィルタ回路が搭載されてもよい。なお、図１６のアレイアンテナ１００は、１つの誘電体基板１１０に複数のアンテナ素子１が形成されることで、複数のアンテナ素子１が一体化された例であるが、アンテナアレイは、１つのアレイ基板に複数のアンテナ素子１が搭載されることで、複数のアンテナ素子１が一体化された構成としてもよい。さらに、上述のようなアレイアンテナが１つのアレイ基板に複数搭載されて、より多くのアンテナ素子を有するアレイアンテナが構成されてもよい。集積回路２００が搭載される前の構成をアレイアンテナと呼び、集積回路２００が搭載された構成をアンテナモジュールと呼んでもよい。

以上のように、本実施形態のアンテナ素子１、１Ａ、１Ｂによれば、放射導体２１が位置する第１面１０１と、地導体２３が位置する第２面１０２との間で、第１面に沿った方向に延在しかつ給電導体２４に接続された第１導体２５を備える。第１導体２５は、アンテナ素子１、１Ａ、１Ｂのインピーダンスを調整可能な設計自由度を有する。したがって、幾つかの要求で、他の導体要素の設計パラメータが制約を受け、インピーダンス整合できない場合でも、第１導体２５の設計パラメータを調整して、アンテナ素子１、１Ａ、１Ｂのインピーダンスを整合できる。そして、アンテナ素子１、１Ａ、１Ｂの特性を向上できる。

さらに、本実施形態のアンテナ素子１、１Ａ、１Ｂによれば、第１導体２５は放射導体２１と地導体２３との両方から離間している。したがって、第１導体２５により、容量成分とインダクタンス成分とを給電導体２４に付加でき、アンテナ素子１、１Ａ、１Ｂのインピーダンス調整に利用できる。

さらに、本実施形態のアンテナ素子１、１Ａ、１Ｂによれば、第１面１０１に垂直な方向から透視したときに、第１導体２５の中心と異なる位置に給電導体２４が接続されることで、第１導体２５の設計自由度をより向上できる。

さらに、本実施形態のアンテナ素子１、１Ａ、１Ｂによれば、第１面１０１に垂直な方向から透視したときに、第１導体２５の放射導体２１と重なる領域が、重ならない領域よりも大きい。また、本実施形態のアンテナ素子１、１Ｂによれば、第１面１０１に垂直な方向から透視したときに、第１導体における放射導体２１又は無給電放射導体２２と重なる領域が、重ならない領域よりも大きい。したがって、放射導体２１又は無給電放射導体２２に対して、第１導体２５が平面方向にはみ出す量が少なく、複数のアンテナ素子１、１Ａ、１Ｂを並列した場合に、第１導体２５が隣り合うアンテナ素子１、１Ａ、１Ｂと干渉することを抑制できる。

さらに、本実施形態のアンテナ素子１によれば、放射導体２１と無給電放射導体２２との間にエアキャビティ１５を有し、第１面１０１に垂直な方向から透視したときに、給電導体２４は放射導体２１の中心と異なる位置に接続されている。このような構成により、広い帯域に渡ってアンテナ特性を向上でき、使用周波数帯の広帯域化を図ることができる。

本実施形態のアレイアンテナ１００によれば、各アンテナ素子１、１Ａ、１Ｂによりアンテナ特性を向上できる。さらに、本実施形態のアレイアンテナ１００によれば、高い密度で複数のアンテナ素子１、１Ａ、１Ｂを配列することができる。

以上、本開示の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られるものでない。例えば、上記実施形態では、第１導体が膜状で平面方向に延在する構成と説明したが、第１導体は、線状であったり、ブロック状であってもよい。また、第１導体は、平面方向と上下方向とに斜めに延在する構成としてもよいし、曲線状又は曲面状に曲がって延在してもよい。その他、実施形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１、１Ａ、１Ｂアンテナ素子
１０、１１０誘電体基板
１１第１誘電体層
１２第２誘電体層
１３配線層
１５エアキャビティ
２１放射導体
２２無給電放射導体
２３地導体
２４給電導体
２５第１導体
１０１第１面
１０２第２面

Claims

第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有する第１誘電体層と、
前記第１面に位置する放射導体と、
前記第２面に位置する地導体と、
前記第２面から前記第１面にかけて位置し前記放射導体に接続された給電導体と、
前記第２面と前記第１面との間で前記第１面に沿った方向に延在しかつ前記給電導体に接続された第１導体と、
を備え、
平面視において、前記第２面から前記第１面にかけて位置する前記給電導体が前記放射導体と重なり、
前記第１導体は、膜状であり、前記第１面に沿った第１方向における最小幅、並びに、前記第１面に沿いかつ前記第１方向に直交する第２方向の最小幅がともに、前記第１面に沿った方向における前記給電導体の最大幅よりも長い領域を有し、
前記第１導体と前記給電導体との接続部を通る、いずれの向きの縦断面においても、前記接続部に連続する前記第１導体の平面方向における長さが、前記第１誘電体層に設けられるランドの最大幅の倍以上になるように、前記第１導体は前記接続部から平面方向に延在しており、
前記第１面に垂直な方向から透視したときに、前記第１導体における前記放射導体と重なる領域は、前記第１導体における前記放射導体と重ならない領域よりも大きいアンテナ素子。
第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有する第１誘電体層と、
前記第１面に位置する放射導体と、
前記第２面に位置する地導体と、
前記第２面から前記第１面にかけて位置し前記放射導体に接続された給電導体と、
前記第２面と前記第１面との間で前記第１面に沿った方向に延在しかつ前記給電導体に接続された第１導体と、
を備え、
平面視において、前記第２面から前記第１面にかけて位置する前記給電導体が前記放射導体と重なり、
前記第１導体は、膜状であり、前記第１面に沿った第１方向における最小幅、並びに、前記第１面に沿いかつ前記第１方向に直交する第２方向の最小幅がともに、前記第１面に沿った方向における前記給電導体の最大幅よりも長い領域を有し、
前記第１導体の平面形状は、矩形状、又は円形状、又は楕円状であり、
前記第１面に垂直な方向から透視したときに、前記第１導体における前記放射導体と重なる領域は、前記第１導体における前記放射導体と重ならない領域よりも大きいアンテナ素子。
第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有する第１誘電体層と、
前記第１面に位置する放射導体と、
前記第２面に位置する地導体と、
前記第２面から前記第１面にかけて位置し前記放射導体に接続された給電導体と、
前記第２面と前記第１面との間で前記第１面に沿った方向に延在しかつ前記給電導体に接続された第１導体と、
を備え、
平面視において、前記第２面から前記第１面にかけて位置する前記給電導体が前記放射導体と重なり、
前記第１導体は、膜状であり、前記第１面に沿った第１方向における最小幅、並びに、前記第１面に沿いかつ前記第１方向に直交する第２方向の最小幅がともに、前記第１面に沿った方向における前記給電導体の最大幅よりも長い領域を有し、
前記第１導体は、前記放射導体と相似な平面形状を有するアンテナ素子。
前記第１面に垂直な方向から透視したときに、前記第１導体における前記放射導体と重なる領域は、前記第１導体における前記放射導体と重ならない領域よりも大きい、
請求項３に記載のアンテナ素子。
前記給電導体は前記第２面から前記第１面にかけて直線状に延在する、
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のアンテナ素子。
前記第１導体は前記放射導体及び前記地導体の両方から離間している、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のアンテナ素子。
前記第１面に垂直な方向から透視したときに、前記給電導体は前記第１導体の中心から離れた部位に接続されている、
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のアンテナ素子。
前記第１誘電体層と重なった第２誘電体層と、
前記第２誘電体層を挟んで前記放射導体と対向する無給電放射導体と、
を備え、
前記第１面に垂直な方向から透視したときに、前記第１導体における前記無給電放射導体又は前記放射導体と重なる領域は、前記第１導体における前記無給電放射導体及び前記放射導体の両方と重ならない領域よりも大きい、
請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のアンテナ素子。
前記第１面に垂直な方向から透視したときに、
前記給電導体は、前記放射導体の中心から離れた部位に接続され、
前記第２誘電体層は、前記放射導体と前記無給電放射導体との間に位置する中空部を有する、
請求項８記載のアンテナ素子。
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の複数のアンテナ素子を備えるアレイアンテナ。