JP6888671B2 - アンテナモジュール及び通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナモジュール及び通信装置に関し、特に複数のパッチアンテナを有する構成に関する。

無線通信用の複数のパッチアンテナと高周波回路部品とが一体化されたアンテナモジュールとして、誘電体基板の第１主面側に複数のパッチアンテナが配置され、誘電体基板の第１主面とは反対側の第２主面に高周波素子（すなわち高周波回路部品）が実装された構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この構成において、複数のパッチアンテナは、偏波方向及びこれに垂直な方向に２次元状に並んで配置されている（以降、この配置を「直交配置」と称する）。

国際公開第２０１６／０６３７５９号

上記直交配置された複数のパッチアンテナにおいて、ピッチ（すなわち、隣り合うパッチアンテナの中心間距離）の自由空間波長（＝λ_０）に対する比は、原理上、ビームパターンを考慮してなるべく小さくする必要がある。

特にミリ波帯のようにλ_０が短い（例えば、１０ｍｍ以下）周波数帯においては、隣り合うパッチアンテナ同士が近くなるため、パッチアンテナ間のアイソレーションが確保できないおそれがある。アイソレーションが悪いと、高周波回路部品の入出力ポートに別のポートからの不要な信号が回り込み、通信品質が劣化する等の問題が生じる可能性がある。このような問題は、複数のパッチアンテナの間隔を狭く設計する必要のあるミリ波帯等の周波数帯において、特に顕著である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、複数のパッチアンテナと高周波回路部品とが一体化されたアンテナモジュール及び通信装置について、通信品質の向上を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るアンテナモジュールは、誘電体基板と、前記誘電体基板の第１主面側に設けられた複数のパッチアンテナと、前記誘電体基板の前記第１主面と反対側の第２主面側に実装され、前記複数のパッチアンテナとの間で高周波信号が伝達される高周波回路部品と、を備え、前記高周波回路部品は、前記誘電体基板の平面視において、前記複数のパッチアンテナが配置される領域内に配置され、前記複数のパッチアンテナは、偏波方向及び当該偏波方向に垂直な方向のうち一方である第１方向において第１間隔で周期的に配置された複数のパッチアンテナからなるアンテナ群を複数組備え、前記複数組のアンテナ群は、前記偏波方向及び当該偏波方向に垂直な方向のうち他方である第２方向において第２間隔で周期的に配置され、前記複数組のアンテナ群の各々は、前記第２方向に隣り合う他のアンテナ群に対して、前記第１方向において一定間隔ずれて配置され、前記複数組のアンテナ群の各々について、当該アンテナ群をなす複数のパッチアンテナの各々は、隣り合う他のパッチアンテナに対して、前記第２方向において一定間隔ずれて配置されており、前記複数組のアンテナ群をなす複数のパッチアンテナの配置は、前記第１方向及び前記第２方向に沿って周期的に繰り返されている。

これにより、複数のパッチアンテナが第１方向及び第２方向に直交配置された場合に第２方向に隣り合う２つのパッチアンテナに着目すると、当該２つのパッチアンテナの一方が他方に対して第１方向にずれて配置される。よって、当該２つのパッチアンテナの間隔が広がることにより、当該２つのパッチアンテナ間のアイソレーションが向上する。したがって、高周波回路部品の入出力ポートへの不要な信号の回り込みを抑制することができるので、通信品質の向上が図られる。
また、これにより、複数のパッチアンテナが直交配置された場合に第１方向に隣り合う２つのパッチアンテナに着目すると、当該２つパッチアンテナの一方が他方に対して第２方向にずれて配置される。ここで、当該２つのパッチアンテナの各々は、直交配置された場合に第２方向に隣り合うパッチアンテナに対して、第１方向にずれて配置されている。つまり、一のパッチアンテナに着目すると、直交配置において当該一のパッチアンテナに第１方向に隣り合う他のパッチアンテナ及び第２方向に隣り合う他のパッチアンテナとの間隔が広がることになる。したがって、アンテナモジュールを構成する複数のパッチアンテナの各々について、直交配置において第１方向に隣り合う他のパッチアンテナとのアイソレーション、及び、直交配置において第２方向に隣り合う他のパッチアンテナとのアイソレーションのいずれについても向上させることができるので、通信品質のさらなる向上が図られる。

また、前記複数組のアンテナ群をなす複数のパッチアンテナの配置は、前記第１方向及び前記第２方向に沿って周期的に繰り返されており、当該複数のパッチアンテナについて、配置が周期的に繰り返される最小単位をユニットと定義すると、複数の前記ユニットは、前記第１方向に沿って等間隔かつ前記第２方向に沿って等間隔に配置されていることにしてもよい。

第１方向及び第２方向は、一方が偏波方向であり、他方が当該偏波方向に垂直な方向である。よって、複数のユニットは、第１方向に沿って等間隔かつ第２方向に沿って等間隔に配置されることにより、偏波方向及びこれに垂直な方向に２次元状に等間隔に並んで配置された直交配置となる。したがって、本態様によれば、１つのユニットを１つの波源とみなした場合、通常の複数のパッチアンテナが直交配置された場合と同様に、複数の波源が直交配置されることになるので、サイドローブレベルを抑制することができる。よって、本態様によれば、サイドローブレベルを抑制しつつ、アイソレーションを向上させることができるので、通信品質のさらなる向上が図られる。

また、前記複数組のアンテナ群の各々は、隣り合う他のアンテナ群に対して、前記第１方向において前記第１間隔の略半分ずれて配置されていることにしてもよい。

複数のパッチアンテナが直交配置された場合に第２方向に隣り合う２つのパッチアンテナの一方のパッチアンテナに着目すると、第１方向におけるオフセット距離が大きいほど他方のパッチアンテナとの間隔が広がる。一方で、当該オフセット距離が第１間隔の半分を超えると、他方のパッチアンテナとの間隔よりも間隔が狭くなる他のパッチアンテナが出現する。そこで、複数組のアンテナ群の各々を、隣り合う他のアンテナ群に対して、第１方向において第１間隔の略半分ずれて配置することにより、隣り合うアンテナ群を構成するパッチアンテナ間の距離を最も広げることができる。このため、隣り合うアンテナ群を構成するパッチアンテナ間のアイソレーションを最も向上させることができるので、通信品質のさらなる向上が図られる。

また、前記第１間隔の略半分とは、当該第１間隔の半分に対して当該第１間隔の±２％以内であることにしてもよい。

第１方向においてずらした距離が第１間隔の半分に対して当該第１間隔の±２％以内であれば、当該距離が第１間隔の丁度半分の場合と同等のアイソレーションを確保することができる。

また、前記複数組のアンテナ群の各々は、隣り合う他のアンテナ群に対して、前記第１方向において前記第１間隔の略半分ずれて配置され、前記複数組のアンテナ群の各々について、当該アンテナ群をなす複数のパッチアンテナの各々は、隣り合う他のパッチアンテナに対して、前記第２方向において前記第２間隔の略半分ずれて配置されていることにしてもよい。

これにより、アンテナモジュールを構成する複数のパッチアンテナの各々について、直交配置において第１方向に隣り合う他のパッチアンテナとのアイソレーション、及び、直交配置において第２方向に隣り合う他のパッチアンテナとのアイソレーションのいずれについても最も向上させることができるので、通信品質のさらなる向上が図られる。

また、前記第１間隔の略半分とは、当該第１間隔の半分に対して当該第１間隔の±２％以内であり、前記第２間隔の略半分とは、当該第２間隔の半分に対して当該第２間隔の±２％以内であることにしてもよい。

第１方向においてずらした距離が第１間隔の半分に対して当該第１間隔の±２％以内であり、第２方向においてずらした距離が第２間隔の半分に対して当該第２間隔の±２％以内であれば、これらの距離がそれぞれ第１間隔の丁度半分かつ第２間隔の丁度半分の場合と同等のアイソレーションを確保することができる。

また、前記複数組のアンテナ群の各々をなす複数のパッチアンテナは、前記第１方向に延びる直線上に配置されていることにしてもよい。

これにより、複数組のアンテナ群の各々をなす複数のパッチアンテナが直線上に配置されずにずれて配置される場合に比べて、サイドローブレベルを抑制することができる。

また、前記第１方向は前記偏波方向に垂直な方向であり、前記第２方向は前記偏波方向であることにしてもよい。

直交配置において偏波方向に隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションは、他のパッチアンテナ間のアイソレーションよりも、特に悪い。このため、複数組のアンテナ群の各々が、第２方向である偏波方向に隣り合う他のアンテナ群に対して、偏波方向に垂直な方向において一定間隔ずれて配置されていることにより、直交配置において偏波方向に隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションを向上させることができる。したがって、高周波回路部品の入出力ポートへの不要な信号の回り込みを効果的に抑制することができるので、通信品質のさらなる向上が図られる。

また、前記誘電体基板は、前記複数のパッチアンテナの各々と前記高周波回路部品とを接続する複数の給電線を有し、前記高周波回路部品は、前記高周波信号の位相を変化させる移相器を含み、前記複数の給電線の各々の長さは、前記移相器の位相を変化させる最小単位である１ステップに対応する電気長の任意の整数倍に略等しいことにしてもよい。

これにより、移相器による位相補正を行う場合に、複数のパッチアンテナ全てに対して所望の位相で給電することが可能となる。

また、前記誘電体基板は、前記複数のパッチアンテナの各々と前記高周波回路部品とを接続する複数の給電線を有し、前記複数の給電線の長さは、互いに略等しいことにしてもよい。

これにより、複数の給電線によるロスが同等となるため、当該ロスのばらつきによるアンテナ特性の劣化を抑制することができる。

また、前記複数の給電線について、長さが略等しいとは、前記高周波信号の前記誘電体基板内における波長の３％以内に差分が収まることであることにしてもよい。

例えば、高周波回路部品に３２ステップの移相器（すなわち５ｂｉｔの移相器）が含まれる場合、移相器の１ステップは誘電体基板内における高周波信号の波長（いわゆる基板内波長λ_ｇ）の３．１２５％となる。よって、上記差分を誘電体基板内における高周波信号の波長の３％以内に収めることにより、給電線２２の長さによる特性への影響を大幅に抑制することができる。したがって、通信品質のさらなる向上が図られる。

また、前記高周波回路部品は、前記高周波信号を処理するＲＦＩＣであることにしてもよい。

これにより、複数のパッチアンテナとＲＦＩＣとが一体化されたアンテナモジュールについて、通信品質の向上が図られる。

また、本発明の一態様に係る通信装置は、上記のアンテナモジュールと、ＢＢＩＣと、を備え、前記ＲＦＩＣは、前記ＢＢＩＣから入力された信号をアップコンバートして前記複数のパッチアンテナに出力する送信系の信号処理、及び、前記複数のパッチアンテナから入力された高周波信号をダウンコンバートして前記ＢＢＩＣに出力する受信系の信号処理、の少なくとも一方を行う。

このような通信装置によれば、上記のアンテナモジュールを備えることにより、通信品質の向上が図られる。

本発明によれば、複数のパッチアンテナと高周波回路部品とが一体化されたアンテナモジュール及び通信装置について、通信品質の向上が図られる。

図１は、実施の形態に係るアンテナモジュールの外観斜視図である。 図２は、実施の形態に係るアンテナモジュールの上面図である。 図３は、実施の形態に係るアンテナモジュールの要部の断面図である。 図４は、実施の形態におけるアンテナアレーの配置態様を説明するための模式図である。 図５は、実施の形態の変形例１におけるアンテナアレーの配置態様を説明するための模式図である。 図６は、実施の形態の変形例２におけるアンテナアレーの配置態様を説明するための模式図である。 図７は、第１のシミュレーションモデルにおけるアンテナアレーの配置態様を示す上面図である。 図８は、第２のシミュレーションモデルにおけるアンテナアレーの配置態様を示す上面図である。 図９は、第１のシミュレーションモデルにおけるアイソレーション特性を示すグラフである。 図１０は、Ｄｘ＝１．２５ｍｍ、Ｄｙ＝０．００ｍｍとした場合の、第２のシミュレーションモデルにおけるアイソレーション特性を示すグラフである。 図１１Ａは、Ｄｘ＝１．２５ｍｍ、Ｄｙ＝１．２５ｍｍとした場合の、第２のシミュレーションモデルにおけるアイソレーション特性を示すグラフである。 図１１Ｂは、Ｄｘ＝１．２５ｍｍ、Ｄｙ＝０．７５ｍｍとした場合の、第２のシミュレーションモデルにおけるアイソレーション特性を示すグラフである。 図１２は、実施の形態に係るアンテナモジュールを備える通信装置の構成を示す回路ブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさ、または大きさの比は、必ずしも厳密ではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化する場合がある。

（実施の形態）
［１． アンテナモジュール］
図１〜図３は、実施の形態に係るアンテナモジュール１の構造を示す図である。具体的には、図１は、実施の形態に係るアンテナモジュール１の外観斜視図である。図２は、実施の形態に係るアンテナモジュール１の上面図である。図３は、アンテナモジュール１の要部の断面図である。具体的には、同図は、アンテナモジュール１を構成する複数のパッチアンテナ１０の１つ及びその周囲の断面図である。

なお、図１及び図２では、簡明のため、パッチアンテナ１０を構成するパターン電極にドットのハッチングを施している。このことは、以降の模式図においても同様である。また、図２では、簡明のため、誘電体基板２０を透視して内部に設けられた複数のパッチアンテナ１０を図示している。また、図３では、簡明のため、厳密には別断面にある構成要素を同一図面内に示している場合、あるいは、同一断面にある構成要素の図示を省略している場合がある。

以降、アンテナモジュール１の厚さ方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向に垂直かつ互いに直交する方向をそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向として説明し、Ｚ軸プラス側をアンテナモジュール１の上面（天面）側として説明する。しかし、実際の使用態様においては、アンテナモジュール１の厚さ方向が上下方向とはならない場合もあるため、アンテナモジュール１の上面側は上方向に限らない。

図１に示すように、アンテナモジュール１は、複数のパッチアンテナ１０と、第１主面側（ここでは上面側）に複数のパッチアンテナ１０が設けられた誘電体基板２０と、誘電体基板２０の第２主面側（ここでは下面側）に設けられたＲＦＩＣ３０と、を備える。複数のパッチアンテナ１０は、アンテナアレー１００を構成する。

以下、これらアンテナモジュール１を構成する各部材について、具体的に説明する。

複数のパッチアンテナ１０は、誘電体基板２０の第１主面側である上面側（Ｚ軸プラス側）に設けられ、各々が高周波信号を放射または受信する。本実施の形態では、アンテナモジュール１は、４行４列のアンテナアレー１００を構成する１６個のパッチアンテナ１０を備える。

具体的には、図２に示すように、アンテナアレー１００は、直交配置のアンテナアレーに比べて、１行おきに基準位置からＸ軸プラス側へオフセット距離Ｄｘ分ずれて配置され、かつ、１列おきに基準位置からＹ軸プラス側へオフセット距離Ｄｙ分ずれて配置されている。このため、本実施の形態におけるアンテナアレー１００では、２行２列ごとに同じ配置態様が繰り返される。つまり、複数のパッチアンテナ１０の配置は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って周期的に繰り返されている。

ここで、「直交配置」とは、複数のパッチアンテナ１０が偏波方向及びこれに垂直な方向に２次元状に配置されている配置を言い、本実施の形態では、Ｘ軸方向においてピッチＰｘ（第１間隔）で周期的に配置され、かつ、Ｙ軸方向においてピッチＰｙ（第２間隔）で周期的に配置されている配置を言う。また、「基準位置」とは、複数のパッチアンテナ１０が直交配置された場合の配置位置を言う。つまり、本実施の形態では、直交配置においてＸ軸方向に沿って配置された４個のパッチアンテナからなるアンテナ群により行が構成され、直交配置においてＹ軸方向に沿って配置された４個のパッチアンテナからなるアンテナ群により列が構成されている。

なお、アンテナアレー１００の配置態様の詳細については、後述する。

各パッチアンテナ１０は、誘電体基板２０の主面に略平行に設けられたパターン導体によって構成され、当該パターン導体の下面に給電点１０ｐを有する。このパッチアンテナ１０は、給電された高周波信号を空間中に放射する、または、空間中の高周波信号を受信する。本実施の形態では、パッチアンテナ１０は、ＲＦＩＣ３０から給電点１０ｐに給電された高周波信号を空間中に放射し、空間中の高周波信号を受信して給電点１０ｐからＲＦＩＣ３０に出力する。つまり、本実施の形態におけるパッチアンテナ１０は、ＲＦＩＣ３０との間で伝達される高周波信号に相当する電波（空間伝搬する高周波信号）を放射する放射素子でもあり、当該電波を受信する受信素子でもある。

本実施の形態では、パッチアンテナ１０は、アンテナモジュール１を平面視した場合（Ｚ軸プラス側から見た場合）に、Ｙ軸方向に延びてＸ軸方向に対向する１対の辺とＸ軸方向に延びてＹ軸方向に対向する１対の辺とで囲まれる矩形形状であり、給電点１０ｐが当該矩形形状の中心点からＹ軸マイナス側にずれた位置に設けられている。このため、本実施の形態において、パッチアンテナ１０によって放射または受信される電波の偏波方向はＹ軸方向となる。

当該電波の波長及び比帯域幅等は、パッチアンテナ１０のサイズ（ここでは、Ｙ軸方向の大きさ及びＸ軸方向の大きさ）に依存する。このため、パッチアンテナ１０のサイズは、周波数等の要求仕様に応じて適宜決定され得る。

なお、本実施の形態では、パッチアンテナ１０は、誘電体基板２０に内蔵されているが、誘電体基板２０の上面から露出していてもかまわない。つまり、パッチアンテナ１０は、誘電体基板２０の上面側に設けられていればよく、例えば、誘電体基板２０が多層基板で構成された場合には、多層基板の内層または表層に設けられていればよい。

また、パッチアンテナ１０の形状は、上記に限らず、例えば、アンテナモジュール１を平面視した場合（Ｚ軸プラス側から見た場合）に、矩形形状の対向する一対の角部が切り欠かれた形状であってもかまわないし、円形形状であってもかまわない。

ここで、「上面側」とは、上下方向の中心よりも上側であることを意味する。すなわち、第１主面とこれと反対側の第２主面とを有する誘電体基板２０において、「第１主面側に設けられる」とは、第２主面よりも第１主面の近くに設けられることを意味する。以降、他の部材の同様の表現についても、同様である。

ここまで、簡明のために、パッチアンテナ１０について給電点１０ｐを有する１つのパターン導体のように説明したが、図３に示すように、パッチアンテナ１０は、給電点１０ｐを有するパターン導体である給電素子１１２と、給電点１０ｐを有さず給電素子１１２の上面側に給電素子１１２と離間して配置された無給電素子１１１と、を有する。なお、パッチアンテナ１０の構成はこれに限らず、例えば、無給電素子１１１を有さなくてもかまわない。

誘電体基板２０は、本実施の形態では、図１及び図２に示すように、Ｘ軸方向に対向する一対の側面及びＹ軸方向に対向する一対の側面を有する略矩形平板形状である。また、誘電体基板２０は、図３に示すように、複数の誘電体層が積層されることで構成された多層基板であり、誘電体材料からなる基板素体２１と、上記のパッチアンテナ１０等を構成する各種導体と、で構成されている。なお、誘電体基板２０は、これに限らず、例えば、略円形平板形状であってもかまわないし、あるいは、単層基板であってもかまわない。

誘電体基板２０の各種導体には、パッチアンテナ１０を構成するパターン導体の他に、パッチアンテナ１０及びＲＦＩＣ３０とともにアンテナモジュール１を構成する回路を形成する導体が含まれる。当該導体には、具体的には、ＲＦＩＣ３０の入出力端子１３１とパッチアンテナ１０の給電点１０ｐとの間で高周波信号を伝達する給電線２２を構成するパターン導体１２１及びビア導体１２２と、一対のグランドパターン導体１２３が含まれる。

パターン導体１２１は、誘電体基板２０の主面に沿って誘電体基板２０の内層に設けられ、例えば、パッチアンテナ１０の給電点１０ｐに接続されたビア導体１２２と、ＲＦＩＣ３０の入出力端子１３１に接続されたビア導体１２２とを接続する。

ビア導体１２２は、誘電体基板２０の主面に垂直な厚さ方向に沿って設けられ、例えば、互いに異なる層に設けられたパターン導体同士を接続する層間接続導体である。

一対のグランドパターン導体１２３は、パターン導体１２１の上層及び下層に、パターン導体１２１を挟んで対向して配置され、例えば、誘電体基板２０の略全体にわたって設けられる。なお、当該一対のグランドパターン導体１２３のうち、例えば、パターン導体１２１の上層のグランドパターン導体１２３のみ設けられ、パターン導体１２１の下層のグランドパターン導体１２３は設けられていなくてもかまわない。

このような誘電体基板２０としては、例えば、低温同時焼成セラミックス（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏ−ｆｉｒｅｄ Ｃｅｒａｍｉｃｓ：ＬＴＣＣ）基板、または、プリント基板等が用いられる。

ＲＦＩＣ３０は、誘電体基板２０の下面側に実装され、複数のパッチアンテナ１０との間で高周波信号が伝達される高周波回路部品であり、当該高周波信号を処理するＲＦ信号処理回路を構成する。ＲＦＩＣ３０は、後述するＢＢＩＣから入力された信号をアップコンバートして複数のパッチアンテナ１０に出力する送信系の信号処理、及び、複数のパッチアンテナ１０から入力された高周波信号をダウンコンバートしてＢＢＩＣに出力する受信系の信号処理、の少なくとも一方を行う。

本実施の形態では、ＲＦＩＣ３０は、複数のパッチアンテナ１０に対応する複数の入出力ポートを構成する複数の入出力端子１３１を有する。例えば、ＲＦＩＣ３０は、送信系の信号処理として、入力された信号についてアップコンバート及び分波等を行い、複数の入出力端子１３１から複数のパッチアンテナ１０に給電する。また、例えば、ＲＦＩＣ３０は、受信系の信号処理として、複数のパッチアンテナ１０で受信されて複数の入出力端子１３１に入力された信号について合波及びダウンコンバート等を行い、ＢＢＩＣに出力する。

なお、ＲＦＩＣ３０における信号処理の一例については、アンテナモジュール１を用いた通信装置の構成と合わせて後述する。

このＲＦＩＣ３０は、図１に示すように、複数のパッチアンテナ１０と対向する位置に配置される。つまり、ＲＦＩＣ３０は、誘電体基板２０の上面視において、アンテナアレー１００の領域内に配置されている。つまり、ＲＦＩＣ３０は、当該上面視において、複数のパッチアンテナ１０が配置される領域内に配置されている。これにより、ＲＦＩＣ３０と各パッチアンテナ１０とを接続する給電線を短く設計することができる。

ここで、アンテナアレー１００の領域とは、誘電体基板２０を上面視した場合に、複数のパッチアンテナ１０を包含する最小の領域であり、本実施の形態では略矩形形状の領域である。また、ＲＦＩＣ３０がアンテナアレー１００の領域に位置するとは、ＲＦＩＣ３０の少なくとも一部がアンテナアレー１００の領域内に位置することを意味し、特定的には、ＲＦＩＣ３０全体がアンテナアレー１００の領域内に位置することを意味する。このようにＲＦＩＣ３０を配置することにより、いずれのパッチアンテナ１０についても、給電線２２を短く設計することができる。

これにより、給電線２２によって生じるロスが低減され、高性能なアンテナモジュール１を実現することができる。このようなアンテナモジュール１は、給電線２２の長さによるロスへの影響が大きいミリ波帯のアンテナモジュールとして好適である。

これに関し、本実施の形態では、複数のパッチアンテナ１０の各々とＲＦＩＣ３０とを接続する複数の給電線２２の長さは、互いに略等しい。ここで、複数の給電線２２の長さが略等しいとは、完全に等しいことだけでなく、ほぼ等しければよく、誤差の範囲で異なることも含まれる。具体的には、「長さが略等しい」とは、高周波信号の誘電体基板２０内における波長の３％以内に差分が収まることである。つまり、複数の給電線２２の長さが互いに略等しいとは、複数の給電線２２の長さのばらつきである差分が上記３％以内に収まることである。

なお、アンテナアレー１００の領域の形状は、複数のパッチアンテナ１０の配置態様に対応し、略矩形形状には限らない。

［１−２． アンテナアレーの配置態様］
［１−２−１． 本発明に至った経緯］
次いで、本実施の形態におけるアンテナアレー１００の配置態様について、これに至った経緯も含めて説明する。

本願発明者は、複数のパッチアンテナと高周波回路部品とが一体化されたアンテナモジュールの開発を進めていくうちに、隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションが悪いことにより、通信品質が劣化する場合があることに気付いた。

具体的には、通常、高周波回路部品はアンテナアレーの領域外に配置されることが多い。しかし、このような配置は給電線が長くなりやすいため、給電線の長さによるロスへの影響が大きいミリ波帯等の周波数帯では、アンテナアレーの領域内かつ複数のパッチアンテナが設けられた誘電体基板の裏面側に高周波回路部品を配置する構成が選択され得る。一方で、給電線の長さが短くなると、パッチアンテナ間のアイソレーションが確保されない場合に、高周波回路部品への不要な信号が回り込みやすくなるため、通信品質の劣化が生じやすくなるという別の問題が生じる。このような問題は、原理上、ビームパターンを考慮し、隣り合うパッチアンテナの間隔を狭く設計する必要のあるミリ波帯等の周波数帯において、特に顕著である。

そこで、本願発明者は、複数のパッチアンテナと高周波回路部品とが一体化されたアンテナモジュールにおいて、アンテナアレーの配置態様を直交配置からずらすことにより、隣り合うパッチアンテナの間隔を広げ、これにより、当該パッチアンテナ間のアイソレーションを向上させることで通信品質の向上を図る構成を想到するに至った。

［１−２−２． 実施の形態における設計］
図４は、本実施の形態におけるアンテナアレー１００の配置態様を説明するための模式図である。

まず、同図の（ａ）に示すように、本実施の形態におけるアンテナアレー１００の基準となるアンテナアレー１００Ｔを設計する。アンテナアレー１００Ｔは、直交配置された４行４列のパッチアンテナ１０によって構成される。

つまり、アンテナアレー１００Ｔを構成する４つのアンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４は、それぞれ、Ｘ軸方向においてピッチＰｘで周期的に配置された４個のパッチアンテナ１０からなる。これら４つのアンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４は、Ｙ軸方向においてピッチＰｙで周期的に配置されている。

言い換えると、アンテナアレー１００Ｔを構成する４つのアンテナ群Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ４は、それぞれ、Ｙ軸方向においてピッチＰｙで周期的に配置された４個のパッチアンテナ１０からなる。これら４つのアンテナ群Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ４は、Ｘ軸方向においてピッチＰｘで周期的に配置されている。

このように配置された直交配置のアンテナアレー１００Ｔにおいて、同図の（ｂ）に示すように、奇数行目のアンテナ群Ｒｏｗ１，Ｒｏｗ３のパッチアンテナ１０をＸ軸プラス側にオフセット距離Ｄｘ分ずらし、かつ、奇数列目のアンテナ群Ｃｏｌ１，Ｃｏｌ３のパッチアンテナ１０をＹ軸プラス側にオフセット距離Ｄｙ分ずらす。

これにより、同図の（ｃ）に示すように、直交配置のアンテナアレー１００Ｔに比べて、１行おきに基準位置からＸ軸プラス側へオフセット距離Ｄｘ分ずれ、かつ、１列おきに基準位置からＹ軸プラス側へオフセット距離Ｄｙ分ずれたアンテナアレー１００が構成される。

つまり、本実施の形態におけるアンテナアレー１００は、第１方向の一例であるＸ軸方向においてピッチＰｘで周期的に配置された複数のパッチアンテナ１０（ここでは４個のパッチアンテナ１０）からなるアンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４を複数組（ここでは４組）備える。また、複数組のアンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４は、第２方向の一例であるＹ軸方向においてピッチＰｙで周期的に配置される。ここで、複数組のアンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４の各々は、隣り合う他のアンテナ群に対して、Ｘ軸方向において一定間隔（オフセット距離Ｄｘ）ずれて配置される。具体的には、本実施の形態では、奇数行目のアンテナ群Ｒｏｗ１，Ｒｏｗ３と偶数行目のアンテナ群Ｒｏｗ２，Ｒｏｗ４とが、Ｘ軸方向にずれて配置される。

これにより、アンテナアレー１００の各パッチアンテナ１０に着目すると、アンテナ群Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ４の各々において隣り合う他のパッチアンテナは、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが維持されつつ、Ｘ軸方向においてオフセット距離Ｄｘ分ずれることになる。よって、直交配置に比べて、同一列において隣り合うパッチアンテナ間の距離が広がることになる。

また、アンテナアレー１００は、複数組のアンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４の各々について、当該アンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４をなす複数のパッチアンテナ１０の各々は、隣り合う他のパッチアンテナ１０に対して、Ｙ軸方向においてオフセット距離Ｄｙずれて配置される。具体的には、本実施の形態では、奇数列目のアンテナ群Ｃｏｌ１，Ｃｏｌ３と偶数列目のアンテナ群Ｃｏｌ２，Ｃｏｌ４とが、Ｙ軸方向にずれて配置される。

これにより、アンテナアレー１００の各パッチアンテナ１０に着目すると、アンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４の各々において隣り合う他のパッチアンテナは、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが維持されつつ、Ｙ軸方向においてオフセット距離Ｄｙ分ずれることになる。よって、直交配置に比べて、同一行において隣り合うパッチアンテナ間の距離が広がることになる。

このように、本実施の形態におけるアンテナアレー１００の各パッチアンテナ１０に着目すると、直交配置に比べて、同一行において隣り合う他のパッチアンテナ１０との距離、及び、同一列において隣り合う他のパッチアンテナ１０との距離のいずれについても広がることになる。

なお、本実施の形態におけるアンテナアレー１００では、直交配置に比べて、行及び列のいずれもずれていたが、行及び列の一方のみがずれていてもかまわない。

図５は、実施の形態の変形例１におけるアンテナアレー１００Ａの配置態様を説明するための模式図である。

同図の（ａ）及び（ｂ）に示すように、直交配置のアンテナアレー１００Ｔにおいて、奇数行目のアンテナ群Ｒｏｗ１，Ｒｏｗ３のパッチアンテナ１０をＸ軸プラス側にオフセット距離Ｄｘ分ずらし、かつ、いずれのアンテナ群Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ４のパッチアンテナ１０についてもＹ軸方向にはずらさない。

これにより、同図の（ｃ）に示すように、直交配置のアンテナアレー１００Ｔに比べて、１行おきに基準位置からＸ軸プラス側へオフセット距離Ｄｘ分ずれたアンテナアレー１００Ａが構成される。つまり、アンテナアレー１００Ａでは、複数組のアンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４の各々をなす複数のパッチアンテナ１０は、Ｘ軸方向に延びる直線上に配置され、複数組のアンテナ群Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ４の各々をなす複数のパッチアンテナ１０は隣り合うパッチアンテナ同士がＸ軸方向に互いにずれて配置される。

図６は、実施の形態の変形例２におけるアンテナアレー１００Ｂの配置態様を説明するための模式図である。

同図の（ａ）及び（ｂ）に示すように、直交配置のアンテナアレー１００Ｔにおいて、奇数列目のアンテナ群Ｃｏｌ１，Ｃｏｌ３のパッチアンテナ１０をＹ軸プラス側にオフセット距離Ｄｙ分ずらし、かつ、いずれのアンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４のパッチアンテナ１０についてもＸ軸方向にはずらさない。

これにより同図の（ｃ）に示すように、直交配置のアンテナアレー１００Ｔに比べて、１列おきに基準位置からＹ軸プラス側へオフセット距離Ｄｙ分ずれたアンテナアレー１００Ｂが構成される。つまり、アンテナアレー１００Ｂでは、複数組のアンテナ群Ｃｏｌ１〜Ｃｏｌ４の各々をなす複数のパッチアンテナ１０は、Ｙ軸方向に延びる直線上に配置され、複数組のアンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４の各々をなす複数のパッチアンテナ１０は隣り合うパッチアンテナ同士がＹ軸方向に互いにずれて配置される。

［１−２−３． シミュレーションによる比較］
次いで、本実施の形態及びその変形例１，２におけるアンテナアレーによって奏される効果について、第１のシミュレーションモデル及び第２のシミュレーションモデルを用いて説明する。

図７は、第１のシミュレーションモデルにおけるアンテナアレーの配置態様を示す上面図である。

同図に示すように、第１のシミュレーションモデルは、直交配置されたアンテナアレー１００Ｔの一部に相当する。このため、第１のシミュレーションモデルでは、各々が本実施の形態におけるパッチアンテナ１０に相当する９個のパッチアンテナ１０Ａ〜１０Ｈ，１０Ｘが直交配置されている。ここで、８個のパッチアンテナ１０Ａ〜１０Ｈの各々は、パッチアンテナ１０Ｘに隣り合って配置されており、具体的にはパッチアンテナ１０Ｘに対して次の位置関係を有する。

パッチアンテナ１０Ａ：Ｘ軸マイナス側の列かつＹ軸プラス側の行に位置
パッチアンテナ１０Ｂ：Ｘ軸マイナス側の列かつ同一行に位置
パッチアンテナ１０Ｃ：Ｘ軸マイナス側の列かつＹ軸マイナス側の行に位置
パッチアンテナ１０Ｄ：同一列かつＹ軸マイナス側の行に位置
パッチアンテナ１０Ｅ：Ｘ軸プラス側の列かつＹ軸マイナス側の行に位置
パッチアンテナ１０Ｆ：Ｘ軸プラス側の列かつ同一行に位置
パッチアンテナ１０Ｇ：Ｘ軸プラス側の列かつＹ軸プラス側の行に位置
パッチアンテナ１０Ｈ：同一列かつＹ軸プラス側の行に位置

図８は、第２のシミュレーションモデルにおけるアンテナアレーの配置態様を示す上面図である。

同図に示すように、第２のシミュレーションモデルは、直交配置からずらして配置された本実施の形態及びその変形例１，２におけるアンテナアレーの一部に相当する。このため、第２のシミュレーションモデルでは、第１のシミュレーションモデルに比べて、パッチアンテナ１０Ｘを基準とした場合のパッチアンテナ１０Ａ〜１０Ｈの配置位置が異なる。

図９は、第１のシミュレーションモデルにおけるアイソレーション特性を示すグラフである。つまり、同図には、Ｄｘ＝０．００ｍｍ、Ｄｙ＝０．００ｍｍである直交配置の場合のアイソレーションが示されている。図１０は、Ｄｘ＝１．２５ｍｍ、Ｄｙ＝０．００ｍｍとした場合の、第２のシミュレーションモデルにおけるアイソレーション特性を示すグラフである。図１１Ａは、Ｄｘ＝１．２５ｍｍ、Ｄｙ＝１．２５ｍｍとした場合の、第２のシミュレーションモデルにおけるアイソレーション特性を示すグラフである。図１１Ｂは、Ｄｘ＝１．２５ｍｍ、Ｄｙ＝０．７５ｍｍとした場合の、第２のシミュレーションモデルにおけるアイソレーション特性を示すグラフである。

これらの図については、いずれも、パッチアンテナ１０Ｘとパッチアンテナ１０Ａ〜１０Ｈ各々とのアイソレーションである♯１〜♯８が示されており、より具体的には、パッチアンテナ１０Ｘから放射された高周波信号に対するパッチアンテナ１０Ａ〜１０Ｈ各々に伝搬した当該高周波信号の強度比の絶対値が示されている。

また、第１のシミュレーションモデル及び第２のシミュレーションモデルのいずれについても、基準位置からのオフセット距離Ｄｘ，Ｄｙに関する事項を除いて同一の条件とした。具体的には、偏波方向をＹ軸方向とし、Ｘ軸方向のピッチＰｘ及びＹ軸方向のピッチＰｙを２．５０ｍｍとし、使用帯域を５７ＧＨｚ〜６６ＧＨｚ（６０ＧＨｚ帯）とした。

図９から明らかなように、直交配置では、使用帯域である６０ＧＨｚ帯において、♯２，♯４，♯６及び♯８が悪く、特に♯２及び♯６が悪い。ここで、♯２は、パッチアンテナ１０Ｘとパッチアンテナ１０Ｂとのアイソレーションであり、♯４は、パッチアンテナ１０Ｘとパッチアンテナ１０Ｄとのアイソレーションであり、♯６、パッチアンテナ１０Ｘとパッチアンテナ１０Ｆとのアイソレーションであり、♯８は、パッチアンテナ１０Ｘとパッチアンテナ１０Ｈとのアイソレーションである。つまり、直交配置では、偏波方向または偏波方向に直交する方向において隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションが悪く、特に偏波方向において隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションが悪いことがわかる。

これに関し、オフセット距離ＤｙをＤｙ＝０．００ｍｍに固定し、オフセット距離Ｄｘのみを０．２５ｍｍ間隔で変化させた場合について、偏波方向において隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションである♯４及び♯８を、表１に示す。なお、オフセット距離ＤｘをＸ軸方向のピッチＰｘの半分である１．２５ｍｍよりも大きく変化させた場合には他のアイソレーションが♯４及び♯８よりも悪化するため、以下では、０≦Ｄｘ≦１．２５の範囲における♯４及び♯８について説明する。

表１から明らかなように、偏波方向において隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションである♯４及び♯８については、偏波方向に直交する方向においてずらしたオフセット距離Ｄｘが大きいほど向上し、Ｄｘ＝１．２５ｍｍのときに最も向上する。

また、図９及び図１０を比較して明らかなように、Ｄｘ＝０．００ｍｍ、Ｄｙ＝０．００ｍｍの場合に比べてＤｘ＝１．２５ｍｍ、Ｄｙ＝０．００ｍｍとした場合には、使用帯域内の全体にわたって隣り合うアイソレーションを最も向上することができる。つまり、オフセット距離ＤｘをＸ軸方向のピッチＰｘの半分とした場合に、使用帯域内における♯１〜♯８のワースト値を最も改善することができる。

ここで、使用帯域内におけるアイソレーションの改善効果については、オフセット距離ＤｘをピッチＰｘの略半分とした場合であっても、オフセット距離ＤｘをピッチＰｘの丁度半分とした場合と同等の効果が得られる。

これに関し、オフセット距離ＤｙをＤｙ＝０．００ｍｍに固定し、オフセット距離Ｄｘのみを１．１０≦Ｄｘ≦１．２５の範囲において０．０５ｍｍ間隔で変化させた場合の♯４及び♯８を、表２に示す。

表２から明らかなように、Ｄｘ＝１．２０ｍｍとした場合であっても、Ｄｘ＝１．２５ｍｍとした場合と同等のアイソレーションを確保することができる。すなわち、オフセット距離ＤｘをピッチＰｘの略半分とすることで、使用帯域内におけるアイソレーションを最も向上することができる。ここで、ピッチＰｘの略半分とは、ピッチＰｘの半分に対してピッチＰｘの±２％の範囲内であり、例えば、Ｐｘ＝２．５ｍｍの場合には１．２５±０．０５ｍｍの範囲内である。

次いで、オフセット距離ＤｘをＤｘ＝１．２５ｍｍに固定し、オフセット距離Ｄｙのみを０．２５ｍｍ間隔で変化させた場合について、偏波方向に直交する方向において隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションである♯２及び♯６を、表３に示す。なお、オフセット距離ＤｙをＹ軸方向のピッチＰｙの半分である１．２５ｍｍよりも大きく変化させた場合には他のアイソレーションが♯２及び♯６よりも悪化するため、以下では、０≦Ｄｙ≦１．２５の範囲における♯２及び♯６について説明する。

表３から明らかなように、偏波方向に直交する方向において隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションである♯２及び♯６については、偏波方向においてずらしたオフセット距離Ｄｙが大きいほど向上し、Ｄｙ＝１．２５ｍｍのときに最も向上する。

また、図９及び図１１Ａを比較して明らかなように、直交配置の場合に比べてＤｘ＝１．２５ｍｍ、Ｄｙ＝１．２５ｍｍとした場合には、使用帯域内の全体にわたって隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションを概ね向上することができる。

ただし、この場合、直交配置において偏波方向に対して斜めに隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションである♯１，♯３，♯５，♯７の少なくとも１つが、直交配置におけるアイソレーションのワースト値よりも悪化し得る。図１１Ａに示すように、第２のシミュレーションモデルでは、パッチアンテナ１０Ｘとパッチアンテナ１０Ｅとのアイソレーションである♯５が直交配置におけるアイソレーションのワースト値よりも悪化する。

これに対して、図１１Ｂに示すように、Ｄｘ＝１．２５ｍｍ、Ｄｙ＝０．７５ｍｍとした場合には、直交配置の場合に比べて、使用帯域内の全体にわたって隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションを最も向上することができる。したがって、Ｙ軸方向におけるオフセットのオフセット距離Ｄｙについては、アンテナアレー全体のアイソレーションを勘案して適宜選択されればよい。

ここで、使用帯域内におけるアイソレーションの改善効果については、オフセット距離ＤｙをピッチＰｙの略半分とした場合であっても、オフセット距離ＤｙをピッチＰｙの丁度半分とした場合と同等の効果が得られる。

これに関し、オフセット距離ＤｘをＤｘ＝１．２０，１．２５ｍｍとし、オフセット距離ＤｙをＤｙ＝１．２０，１．２５ｍｍとした場合の♯２及び♯６を、表４に示す。

表４から明らかなように、Ｄｘ＝１．２０ｍｍかつＤｙ＝１．２０ｍｍとした場合、Ｄｘ＝１．２０ｍｍかつＤｙ＝１．２５ｍｍとした場合、または、Ｄｘ＝１．２５ｍｍかつＤｙ＝１．２０ｍｍとした場合であっても、Ｄｘ＝１．２５ｍｍかつＤｙ＝１．２５ｍｍとした場合と同等のアイソレーションを確保することができる。すなわち、オフセット距離ＤｘをピッチＰｘの略半分とし、オフセット距離ＤｙをピッチＰｙの略半分することで、使用帯域内におけるアイソレーションを最も向上することができる。ここで、ピッチＰｘの略半分とは、ピッチＰｘの半分に対してピッチＰｘの±２％の範囲内であり、例えば、Ｐｘ＝２．５ｍｍの場合には、１．２５±０．０５ｍｍの範囲内である。また、ピッチＰｙの略半分とは、ピッチＰｙの半分に対してピッチＰｙの±２％の範囲内であり、例えば、Ｐｙ＝２．５ｍｍの場合には、１．２５±０．０５ｍｍの範囲内である。

ここまで、第１のシミュレーションモデル及び第２のシミュレーションモデルを用いて、アンテナアレーの配置態様による隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションへの影響について説明した。続いて、アンテナアレーの配置態様による放射特性への影響について、説明する。

まず、オフセット距離ＤｙをＤｙ＝０．００ｍｍに固定し、オフセット距離Ｄｘのみを変化させた場合について、ビームパターンにおけるサイドローブレベルを表５に示す。次いで、オフセット距離ＤｘをＤｘ＝１．２０，１．２５ｍｍに固定し、オフセット距離Ｄｙを変化させた場合について、ビームパターンにおけるサイドローブレベルを表６に示す。ここで、これらのいずれの表についても、サイドローブレベルとして、最もピーク強度の高いファーストサイドローブのレベルが示されている。このファーストサイドローブは、通常、メインローブの最も近くに出現する。また、サイドローブのレベルとは、メインローブのピーク強度に対するサイドローブのピーク強度比である。また、表中において、「Ａｚｉｍｕｔｈ」欄にはＸ−Ｚ平面におけるサイドローブレベルが示され、「Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ」欄にはＹ−Ｚ平面におけるサイドローブレベルが示されている。

これらの表から明らかなように、オフセット距離Ｄｘ，ＤｙがＤｘ＞０かつＤｙ＝０の場合、及び、オフセット距離Ｄｘ，ＤｙがＤｘ＞０かつＤｙ＞０の場合のいずれについても、サイドローブレベルが直交配置における原理上のサイドローブレベルである−１３ｄＢ以下に抑制される。特に、表５に示したように、オフセット距離Ｄｘ，ＤｙがＤｘ＞０かつＤｙ＝０の場合には、図４の（ｃ）に示したオフセット距離Ｄｘ，ＤｙがＤｘ＞０かつＤｙ＞０の場合に比べてサイドローブレベルが概ね抑制される。

以上説明したアンテナアレーの配置態様による（i）隣り合うパッチアンテナ間のアイソレーションへの影響及び（ii）放射特性への影響を併せて考慮すると、次のことが言える。すなわち、本実施の形態及び変形例１，２におけるアンテナアレーによれば、サイドローブレベルを抑制しつつ、アイソレーションを向上することができる。特に、オフセット距離ＤｘをピッチＰｘの略半分とし、オフセット距離ＤｙをピッチＰｙの略半分とすることにより、サイドローブレベルを抑制しつつ、アイソレーションを最も向上することができる。

ここで、複数のパッチアンテナ１０が直交配置されていないにも関わらず、直交配置における原理上のサイドローブ以下にサイドローブが抑制されることは、次の理由による。

一般に、アンテナアレーのビームパターンは、「１波源あたりのビームパターン」と「アレーファクタ」の積で与えられる。特に、波源が直交かつ等ピッチで配置されている場合、原理上、アレーファクタのファーストサイドローブレベルは、波源のピッチによらずに一定の−１３ｄＢとなる。

本実施の形態及び変形例１，２におけるアンテナアレーは、２行２列を１つのユニットとして定義した場合に、複数のユニットが直交配置された構成となる。したがって、本実施の形態及び変形例１，２におけるアンテナアレーは、１つのユニットを１つの波源とみなした場合、複数のパッチアンテナ１０が直交配置された場合と同様に、複数の波源が直交配置された構成となる。したがって、「１波源あたりのビームパターン」と「アレーファクタ」の積で与えられるアンテナアレー全体のビームパターンについて、ファーストサイドローブレベルを−１３ｄＢ以下に抑制することができる。

言い換えると、本実施の形態及び変形例１，２におけるアンテナアレーにおいて、複数のパッチアンテナ１０の配置は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って周期的に繰り返されている。これら複数のパッチアンテナ１０について、配置が周期的に繰り返される最小単位をユニットと定義すると、複数のユニットは、Ｘ軸方向に沿って等間隔かつＹ軸方向に沿って等間隔に配置されている。具体的には、本実施の形態及び変形例１，２では、２行２列のパッチアンテナ１０からなるユニットが、Ｐｘの２倍の間隔でＸ軸方向に沿って等間隔かつＰｙの２倍の間隔でＹ軸方向に沿って等間隔に配置されている。

ここで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、一方が偏波方向であり、他方が当該偏波方向に垂直な方向である。よって、複数のユニットは、Ｘ軸方向に沿って等間隔かつＹ軸方向に沿って等間隔に配置されることにより、偏波方向及びこれに垂直な方向に２次元状に等間隔に並んで配置された直交配置となる。したがって、上述したように、１つのユニットを１つの波源とみなした場合、通常の複数のパッチアンテナが直交配置された場合と同様に、複数の波源が直交配置されることになるので、サイドローブレベルを抑制することができる。よって、本実施の形態及び変形例１，２におけるアンテナアレーでは、サイドローブレベルを抑制しつつ、アイソレーションを向上させることができるので、通信品質のさらなる向上が図られる。

なお、変形例１では、２行１列のパッチアンテナ１０からなるユニットが、Ｐｘの間隔でＸ軸方向に沿って等間隔かつＰｙの２倍の間隔でＹ軸方向に沿って等間隔に配置されているとも言える。また、変形例２では、１行２列のパッチアンテナ１０からなるユニットが、Ｐｘの２倍の間隔でＸ軸方向に沿って等間隔かつＰｙの間隔でＹ軸方向に沿って等間隔に配置されているとも言える。

［１−２−４． まとめ］
これら第１のシミュレーションモデル及び第２のシミュレーションモデルの比較結果からも明らかなように、本実施の形態によれば、次のような効果が奏される。

なお、以下では、第１方向として、複数のパッチアンテナ１０の偏波方向に垂直な方向であるＸ軸方向を例に説明し、第２方向として、当該偏波方向であるＹ軸方向を例に説明する。しかし、特に言及しない限り、第１方向及び第２方向とＸ軸方向及びＹ軸方向との対応関係は、入れ替わってもかまわない。したがって、当該対応関係が入れ替わる場合には、以下で説明する事項においても、この対応関係の入れ替えに伴う事項が変わるものの、同様の効果が奏されるため、詳細な説明については省略する。

本実施の形態によれば、複数のパッチアンテナ１０が第１方向（例えばＸ軸方向）及び第２方向（例えばＹ軸方向）に直交配置された場合に比べ、第１方向に配置された複数のパッチアンテナ１０からなるアンテナ群（例えば、アンテナ群Ｒｏｗ１〜Ｒｏｗ４）が、第２方向に隣り合う他のアンテナ群に対して、第１方向において一定間隔（例えばオフセット距離Ｄｘ）ずれて配置される。

これにより、第２方向に隣り合う２つのパッチアンテナ１０に着目すると、当該２つのパッチアンテナ１０の一方が他方に対して第１方向にずれて配置される。よって、当該２つのパッチアンテナ１０の間隔が広がることにより、当該２つのパッチアンテナ１０間のアイソレーションが向上する。したがって、高周波回路部品（例えばＲＦＩＣ３０）の入出力ポートへの不要な信号の回り込みを抑制することができるので、通信品質の向上が図られる。

また、本実施の形態によれば、複数組の上記アンテナ群の各々は、隣り合う他のアンテナ群に対して、第１方向において、同一のアンテナ群をなす複数のパッチアンテナ１０の間隔である第１間隔（例えばピッチＰｘ）の略半分ずれて配置されている。

ここで、複数のパッチアンテナ１０が直交配置された場合に第２方向に隣り合う２つのパッチアンテナ１０の一方のパッチアンテナ１０に着目すると、第１方向におけるオフセット距離が大きいほど他方のパッチアンテナ１０との間隔が広がる。一方で、当該オフセット距離が第１間隔の半分を超えると、他方のパッチアンテナ１０との間隔よりも間隔が狭くなる他のパッチアンテナ１０が出現する。そこで、複数組のアンテナ群の各々を、隣り合う他のアンテナ群に対して、第１方向において第１間隔の略半分ずれて配置することにより、隣り合うアンテナ群を構成するパッチアンテナ１０間の距離を最も広げることができる。このため、隣り合うアンテナ群を構成するパッチアンテナ１０間のアイソレーションを最も向上させることができるので、通信品質のさらなる向上が図られる。

これに関し、本実施の形態によれば、第１間隔の略半分とは、当該第１間隔の半分に対して当該第１間隔の±２％以内である。これにより、複数組のアンテナ群の各々が、隣り合う他のアンテナ群に対して、第１方向において第１間隔の丁度半分ずれて配置されている場合、と同等のアイソレーションを確保することができる。同等のアイソレーションとは、完全にアイソレーションが等しいことだけでなく、ほぼ等しければよく、誤差の範囲（例えば、０．２ｄＢ以下の範囲であり、より限定的には０．１ｄＢ以下の範囲）で異なることも含まれる。

また、本実施の形態によれば、複数組のアンテナ群の各々について、当該アンテナ群をなす複数のパッチアンテナ１０の各々は、隣り合う他のパッチアンテナ１０に対して、第２方向において一定間隔（例えばオフセット距離Ｄｙ）ずれて配置されている。

これにより、複数のパッチアンテナ１０が直交配置された場合に第１方向に隣り合う２つのパッチアンテナ１０に着目すると、当該２つパッチアンテナ１０の一方が他方に対して第２方向にずれて配置される。ここで、当該２つのパッチアンテナ１０の各々は、直交配置された場合に第２方向に隣り合うパッチアンテナ１０に対して、第１方向にずれて配置されている。つまり、一のパッチアンテナ１０に着目すると、直交配置において当該一のパッチアンテナ１０に第１方向に隣り合う他のパッチアンテナ１０及び第２方向に隣り合う他のパッチアンテナ１０との間隔が広がることになる。したがって、アンテナモジュール１を構成する複数のパッチアンテナ１０の各々について、直交配置において第１方向に隣り合う他のパッチアンテナ１０とのアイソレーション、及び、直交配置において第２方向に隣り合う他のパッチアンテナ１０とのアイソレーションのいずれについても向上させることができるので、通信品質のさらなる向上が図られる。

また、本実施の形態によれば、複数組のアンテナ群の各々は、隣り合う他のアンテナ群に対して、第１方向において第１間隔の略半分ずれて配置され、アンテナ群をなす複数のパッチアンテナ１０の各々は、隣り合う他のパッチアンテナ１０に対して、第２方向において第２間隔（例えばピッチＰｙ）の略半分ずれて配置されている。

これにより、アンテナモジュール１を構成する複数のパッチアンテナ１０の各々について、直交配置において第１方向に隣り合う他のパッチアンテナ１０とのアイソレーション、及び、直交配置において第２方向に隣り合う他のパッチアンテナ１０とのアイソレーションのいずれについても最も向上させることができるので、通信品質のさらなる向上が図られる。

これに関し、本実施の形態によれば、第１間隔の略半分とは、当該第１間隔の半分に対して当該第１間隔の±２％以内であり、第２間隔の略半分とは、当該第２間隔の半分に対して当該第２間隔の±２％以内である。これにより、（i）複数組のアンテナ群の各々が、隣り合う他のアンテナ群に対して、第１方向において第１間隔の丁度半分ずれて配置されており、かつ、（ii）複数組のアンテナ群の各々について、当該アンテナ群をなす複数のパッチアンテナの各々が、隣り合う他のパッチアンテナに対して、第２方向において第２間隔の丁度半分ずれて配置されている場合、と同等のアイソレーションを確保することができる。

また、本実施の形態によれば、複数の給電線の長さが互いに等しいことにより、複数の給電線によるロスが同等となるため、当該ロスのばらつきによるアンテナ特性の劣化を抑制することができる。

また、本実施の形態によれば、誘電体基板の第２主面側に実装された高周波回路部品はＲＦＩＣであるため、複数のパッチアンテナ１０とＲＦＩＣとが一体化されたアンテナモジュール１について、通信品質の向上が図られる。

また、変形例１及び変形例２におけるアンテナアレーを備えるアンテナモジュールによれば、複数組のアンテナ群の各々をなす複数のパッチアンテナ１０は、第１方向（変形例１ではＸ軸方向、変形例２ではＹ軸方向）に延びる直線上に配置されている。

これにより、複数組のアンテナ群の各々をなす複数のパッチアンテナ１０が直線上に配置されずにずれて配置される場合に比べて、サイドローブレベルを抑制することができる。

また、変形例１におけるアンテナアレーを備えるアンテナモジュールによれば、上記第１方向は偏波方向に垂直な方向であり、第２方向は偏波方向である。

直交配置において偏波方向に隣り合うパッチアンテナ１０間のアイソレーションは、他のパッチアンテナ１０間のアイソレーションよりも、特に悪い。このため、複数組のアンテナ群の各々が、第２方向である偏波方向に隣り合う他のアンテナ群に対して、偏波方向に垂直な方向において一定間隔ずれて配置されていることにより、直交配置において偏波方向に隣り合うパッチアンテナ１０間のアイソレーションを向上させることができる。したがって、高周波回路部品の入出力ポートへの不要な信号の回り込みを効果的に抑制することができるので、通信品質のさらなる向上が図られる。

［２． 通信装置］
本実施の形態に係るアンテナモジュール１は、後述するＢＢＩＣとともに通信装置を構成することができる。

これに関し、本実施の形態に係るアンテナモジュール１は、各パッチアンテナ１０から放射される高周波信号の位相および信号強度を制御することにより鋭い指向性を実現することができる。このようなアンテナモジュール１は、例えば、５Ｇ（第５世代移動通信システム）で有望な無線伝送技術の１つであるＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｉｎｐｕｔ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ）に対応する通信装置に用いることができる。

そこで、以下では、このような通信装置について、アンテナモジュール１のＲＦＩＣ３０の処理についても述べつつ説明する。

図１２は、実施の形態に係るアンテナモジュール１を備える通信装置５の構成を示す回路ブロック図である。なお、同図では、簡明のため、ＲＦＩＣ３０の回路ブロックとして、アンテナアレー１００が有する複数のパッチアンテナ１０のうち４つのパッチアンテナ１０に対応する回路ブロックついてのみ図示し、他の回路ブロックについては図示を省略する。また、以下では、これら４つのパッチアンテナ１０に対応する回路ブロックについて説明し、他の回路ブロックについては説明を省略する。

同図に示すように、通信装置５は、アンテナモジュール１と、ベースバンド信号処理回路を構成するＢＢＩＣ４０とを備える。

アンテナモジュール１は、上述したように、アンテナアレー１００と、ＲＦＩＣ３０とを備える。

ＲＦＩＣ３０は、スイッチ３１Ａ〜３１Ｄ，３３Ａ〜３３Ｄおよび３７と、パワーアンプ３２ＡＴ〜３２ＤＴと、ローノイズアンプ３２ＡＲ〜３２ＤＲと、減衰器３４Ａ〜３４Ｄと、移相器３５Ａ〜３５Ｄと、信号合成／分波器３６と、ミキサ３８と、増幅回路３９とを備える。

スイッチ３１Ａ〜３１Ｄおよび３３Ａ〜３３Ｄは、各信号経路における送信および受信を切り替えるスイッチ回路である。

ＢＢＩＣ４０からＲＦＩＣ３０に伝達された信号は、増幅回路３９で増幅され、ミキサ３８でアップコンバートされる。アップコンバートされた高周波信号は、信号合成／分波器３６で４分波され、４つの送信経路を通過して、それぞれ異なるパッチアンテナ１０に給電される。このとき、各信号経路に配置された移相器３５Ａ〜３５Ｄの移相度が個別に調整されることにより、アンテナアレー１００の指向性を調整することが可能となる。

また、アンテナアレー１００が有する各パッチアンテナ１０で受信した高周波信号は、それぞれ、異なる４つの受信経路を経由し、信号合成／分波器３６で合波され、ミキサ３８でダウンコンバートされ、増幅回路３９で増幅されてＢＢＩＣ４０へ伝達される。

なお、上述した、スイッチ３１Ａ〜３１Ｄ，３３Ａ〜３３Ｄおよび３７、パワーアンプ３２ＡＴ〜３２ＤＴ、ローノイズアンプ３２ＡＲ〜３２ＤＲ、減衰器３４Ａ〜３４Ｄ、移相器３５Ａ〜３５Ｄ、信号合成／分波器３６、ミキサ３８、ならびに増幅回路３９のいずれかは、ＲＦＩＣ３０が備えていなくてもよい。また、ＲＦＩＣ３０は、送信経路および受信経路のいずれかのみを有していてもよい。また、本実施の形態に係る通信装置５は、単一の周波数帯域（バンド）の高周波信号を送受信するだけでなく、複数の周波数帯域（マルチバンド）の高周波信号を送受信するシステムにも適用可能である。

このように、ＲＦＩＣ３０は、高周波信号を増幅するパワーアンプ３２ＡＴ〜３２ＤＴを含み、複数のパッチアンテナ１０はパワーアンプ３２ＡＴ〜３２ＤＴで増幅された信号を放射する。

このような通信装置５によれば、本実施の形態に係るアンテナモジュール１を備えることにより、パッチアンテナ１０間のアイソレーションが向上する。このため、ＲＦＩＣ３０の入出力ポートに対する不要な信号の回り込みが抑制されるので、通信品質の向上が図られる。

（変形例）
以上、本発明の実施の形態およびその実施例に係るアンテナモジュールおよび通信装置について説明したが、本発明は上記実施の形態およびその実施例に限定されるものではない。上記実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示のアンテナモジュールおよび通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。

例えば、上記説明では、アンテナアレーは、１行おき、または、１列おき、にずらして配置されるとした。つまり、アンテナアレーでは、例えば２行２列ごとに同じ配置態様が繰り返されるとした。しかし、アンテナアレーの配置態様は、これに限らず、ｍ行ｎ列（ｍ及びｎは、少なくとも一方が３以上の整数）ごとに同じ配置態様が繰り返される構成であってもかまわない。言い換えると、アンテナアレーは、ｍ行ｎ列のｍ×ｎ個のパッチアンテナ１０を周期的に平行移動させて広げていくことにより構成されていればよい。

また、Ｘ軸方向のピッチＰｘとＹ軸方向のピッチＰｙとは、等しくても異なっていてもよく、要求されるビームパターン等を勘案して適宜設計されればよい。

また、上記説明では、複数の給電線２２の長さは互いに略等しいとしたが、複数の給電線２２は互いに長さの異なる給電線２２を含んでいてもかまわない。例えば、高周波回路部品が高周波信号の位相を変化させる移相器３５Ａ〜３５Ｄを含む場合には、複数の給電線２２の長さは、互いに異なっていてもかまわないし、少なくとも一部が他と異なっていてもかまわない。具体的には、複数の給電線２２の各々の長さは、移相器３５Ａ〜３５Ｄの位相を変化させる最小単位である１ステップに対応する電気長の任意の整数倍に略等しければよい。これにより、移相器３５Ａ〜３５Ｄによる位相補正を行う場合に、複数のパッチアンテナ１０全てに対して所望の位相で給電することが可能となる。

給電線２２について、「長さが略等しい」とは、上記説明したように、高周波信号の誘電体基板２０内における波長の３％以内に差分が収まることである。つまり、複数の給電線２２の各々の長さが所定の長さに略等しいとは、各給電線２２の長さと所定の長さとの差分が上記３％以内に収まることである。

これに関し、３２ステップ（すなわち５ｂｉｔ）の移相器３５Ａ〜３５Ｄでは、１ステップが誘電体基板２０内における高周波信号の波長の３．１２５％となる。よって、上記差分を誘電体基板２０内における高周波信号の波長の３％以内に収めることにより、給電線２２の長さによる特性への影響を大幅に抑制することができる。したがって、通信品質のさらなる向上が図られる。

また、例えば、上記説明では、ＲＦＩＣ３０は、送信系の信号処理および受信系の信号処理の両方を行う構成を例に説明したが、これに限らず、いずれか一方のみを行ってもかまわない。

また、上記説明では、高周波回路部品としてＲＦＩＣ３０を例に説明したが、高周波回路部品はこれに限らない。例えば、高周波回路部品は、高周波信号を増幅するパワーアンプであり、複数のパッチアンテナ１０は、当該パワーアンプで増幅された信号を放射してもかまわない。あるいは、例えば、高周波回路部品は、複数のパッチアンテナ１０と当該高周波回路部品との間で伝達される高周波信号の位相を調整する位相調整回路であってもかまわない。

本発明は、複数のパッチアンテナと高周波回路部品とが一体化されたアンテナモジュールとして、ミリ波帯移動体通信システムおよびＭａｓｓｉｖｅ ＭＩＭＯシステムなどの通信機器に広く利用できる。

１ アンテナモジュール
５ 通信装置
１０，１０Ａ〜１０Ｈ，１０Ｘ パッチアンテナ
１０ｐ 給電点
２０ 誘電体基板
２１ 基板素体
２２ 給電線
３０ ＲＦＩＣ
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ，３３Ｄ，３７ スイッチ
３２ＡＲ，３２ＢＲ，３２ＣＲ，３２ＤＲ ローノイズアンプ
３２ＡＴ，３２ＢＴ，３２ＣＴ，３２ＤＴ パワーアンプ
３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ 減衰器
３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃ，３５Ｄ 移相器
３６ 信号合成／分波器
３８ ミキサ
３９ 増幅回路
４０ ＢＢＩＣ
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｔ アンテナアレー
１１１ 無給電素子
１１２ 給電素子
１２１ パターン導体
１２２ ビア導体
１２３ グランドパターン導体
１３１ 入出力端子
Ｃｏｌ１，Ｃｏｌ２，Ｃｏｌ３，Ｃｏｌ４，Ｒｏｗ１，Ｒｏｗ２，Ｒｏｗ３，Ｒｏｗ４ アンテナ群

Claims (13)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の第１主面側に設けられた複数のパッチアンテナと、
   前記誘電体基板の前記第１主面と反対側の第２主面側に実装され、前記複数のパッチアンテナとの間で高周波信号が伝達される高周波回路部品と、
   を備え、
   前記高周波回路部品は、前記誘電体基板の平面視において、前記複数のパッチアンテナが配置される領域内に配置され、
   前記複数のパッチアンテナは、偏波方向及び当該偏波方向に垂直な方向のうち一方である第１方向において第１間隔で周期的に配置された複数のパッチアンテナからなるアンテナ群を複数組備え、
   前記複数組のアンテナ群は、前記偏波方向及び当該偏波方向に垂直な方向のうち他方である第２方向において第２間隔で周期的に配置され、
   前記複数組のアンテナ群の各々は、前記第２方向に隣り合う他のアンテナ群に対して、前記第１方向において一定間隔ずれて配置され、
   前記複数組のアンテナ群の各々について、当該アンテナ群をなす複数のパッチアンテナの各々は、隣り合う他のパッチアンテナに対して、前記第２方向において一定間隔ずれて配置されており、
   前記複数組のアンテナ群をなす複数のパッチアンテナの配置は、前記第１方向及び前記第２方向に沿って周期的に繰り返されている、
   アンテナモジュール。
2. 前記複数組のアンテナ群をなす複数のパッチアンテナの配置は、前記第１方向及び前記第２方向に沿って周期的に繰り返されており、
   当該複数のパッチアンテナについて、配置が周期的に繰り返される最小単位をユニットと定義すると、複数の前記ユニットは、前記第１方向に沿って等間隔かつ前記第２方向に沿って等間隔に配置されている、
   請求項１に記載のアンテナモジュール。
3. 前記複数組のアンテナ群の各々は、隣り合う他のアンテナ群に対して、前記第１方向において前記第１間隔の略半分ずれて配置されている、
   請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
4. 前記第１間隔の略半分とは、当該第１間隔の半分に対して当該第１間隔の±２％以内である、
   請求項３に記載のアンテナモジュール。
5. 前記複数組のアンテナ群の各々は、隣り合う他のアンテナ群に対して、前記第１方向において前記第１間隔の略半分ずれて配置され、
   前記複数組のアンテナ群の各々について、当該アンテナ群をなす複数のパッチアンテナの各々は、隣り合う他のパッチアンテナに対して、前記第２方向において前記第２間隔の略半分ずれて配置されている、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
6. 前記第１間隔の略半分とは、当該第１間隔の半分に対して当該第１間隔の±２％以内であり、
   前記第２間隔の略半分とは、当該第２間隔の半分に対して当該第２間隔の±２％以内である、
   請求項５に記載のアンテナモジュール。
7. 前記複数組のアンテナ群の各々をなす複数のパッチアンテナは、前記第１方向に延びる直線上に配置されている、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
8. 前記第１方向は前記偏波方向に垂直な方向であり、前記第２方向は前記偏波方向である、
   請求項７に記載のアンテナモジュール。
9. 前記誘電体基板は、前記複数のパッチアンテナの各々と前記高周波回路部品とを接続する複数の給電線を有し、
   前記高周波回路部品は、前記高周波信号の位相を変化させる移相器を含み、
   前記複数の給電線の各々の長さは、前記移相器の位相を変化させる最小単位である１ステップに対応する電気長の任意の整数倍に略等しい、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
10. 前記誘電体基板は、前記複数のパッチアンテナの各々と前記高周波回路部品とを接続する複数の給電線を有し、
    前記複数の給電線の長さは、互いに略等しい、
    請求項１〜９のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
11. 前記複数の給電線について、長さが略等しいとは、前記高周波信号の前記誘電体基板内における波長の３％以内に差分が収まることである、
    請求項９または１０に記載のアンテナモジュール。
12. 前記高周波回路部品は、前記高周波信号を処理するＲＦＩＣである、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
13. 請求項１２に記載のアンテナモジュールと、
    ＢＢＩＣと、を備え、
    前記ＲＦＩＣは、前記ＢＢＩＣから入力された信号をアップコンバートして前記複数のパッチアンテナに出力する送信系の信号処理、及び、前記複数のパッチアンテナから入力された高周波信号をダウンコンバートして前記ＢＢＩＣに出力する受信系の信号処理、の少なくとも一方を行う、
    通信装置。

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