WO2024248108A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

単体のパッチアンテナを用いて、アレイ化に伴う装置の大型化や構成の複雑化を招くことなく、広角度の放射指向性を実現することが可能なアンテナ装置を提供する。　誘電体基板を用いて構成されたアンテナ装置１は、所定の導体層に形成されるパッチアンテナ２０と、この所定の導体層の上方に配置された誘電体層１１に形成され誘電体基板の厚さ方向であるＺ方向から見た平面視でパッチアンテナ２０を取り囲む形状を有するキャビティ１２と、Ｚ方向に所定の導体層を挟んで誘電体層１１と対向して配置されるグランド導体２１、２２、２３とを備えている。

Description

アンテナ装置

　本発明は、誘電体基板を用いて構成されたアンテナ装置に関するものである。

　５Ｇや６Ｇなどの移動通信においては、建物の内部や屋外などの様々な環境の下で高周波帯域の電波の送受信を行うため、アンテナ装置には、多様な方向の電波を送受信し得る広い角度の放射指向性を有することが要求される。このような要求に対応するために、複数のアンテナ素子をアレイ状に並べたアレイアンテナを構成し、全体的に広角度の放射指向性を実現する手法が知られている。例えば、特許文献１には、複数のアンテナをアレイ状に配列したアレイアンテナにおいて、各アンテナに位相差を与えてビームフォーミングを行い、広角度の放射指向性を得ること可能な技術が開示されている。

特許第６８１８７５７号公報

　近年のアンテナ装置においては、小型軽量化の観点から誘電体基板を用いる構造が広く利用されている。例えば、誘電体基板に１つのパッチアンテナを形成すればアンテナ装置の小型化が容易であるが、広い角度の放射指向性を実現することは困難である。前述したようにアンテナ装置の広角度の放射指向性を実現するには、誘電体基板に複数のパッチアンテナ等のアンテナをアレイ状に並べてアレイアンテナを構成する必要がある。
　しかし、誘電体基板を用いたアレイアンテナは、複数のアンテナを配置するためのスペースが必要であり、サイズが拡大してアンテナ装置の小型化が困難になる。また、複数のアンテナにビームフォーミングのための位相差を与える複雑な電子回路を形成する必要があり、部品コストと実装コストの両方の増加を招くことになるし、誘電体基板の製作時の寸法公差も厳しくなる。
　以上のように、上記従来の手法により誘電体基板を用いたアンテナ装置を構成する場合、小型かつ低コストで広角度の放射指向性を実現することは困難であった。

　本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、誘電体基板を用いてアンテナ装置を構成する場合、１つのパッチアンテナのみを配置して広い角度の放射指向性を保ちつつ、アンテナ装置の小型化と低コスト化が可能なアンテナ装置を実現するものである。

　上記課題を解決するために、本発明のアンテナ装置（１）は、誘電体基板を用いて構成されたアンテナ装置であって、前記誘電体基板の所定の導体層に形成されるパッチアンテナ（２０）と、前記誘電体基板の前記所定の導体層の上方に配置された誘電体層（１１）に形成され、前記誘電体基板の厚さ方向である第１の方向（Ｚ）から見た平面視で前記パッチアンテナを取り囲む形状を有するキャビティ（１２）と、前記第１の方向に前記所定の導体層を挟んで前記誘電体層と対向して配置されるグランド導体（２１、２２、２３）とを備えて構成される。

　本発明のアンテナ装置は、誘電体基板を用いたアンテナ装置には、所定の導体層のパッチアンテナ及び直下のグランド導体が形成されるとともに、パッチアンテナの上方に積層された誘電体層にキャビティが形成され、このキャビティが第１の方向から見た平面視でパッチアンテナを取り囲む形状を有して構成される。このような構造により、給電構造を経てパッチアンテナから放射される電波は、上方のキャビティの側面の誘電体表面の電磁界分布の影響で放射方向が拡がり、放射指向性が広角度化する。従って、複数のアンテナをアレイ状に配置するためのスペース増加やビームフォーミング時の位相制御のための複雑な電子回路が不要となり、アンテナ装置の小型化と低コスト化を容易に達成することができる。

　本発明において、パッチアンテナ及びキャビティは、それぞれ第１の方向から見た平面視で多様な形状とすることができる。例えば、第１の方向から見た平面視で、矩形の形状を有するパッチアンテナ及びキャビティや、円形の形状を有するパッチアンテナ及びキャビティを採用することができる。また、キャビティの第１の方向に沿った高さは、誘電体基板における使用周波数の波長λに対し、０．７λから０．８λの範囲内に設定することが望ましい。また、第１の方向から見た平面視で、キャビティの外縁部は、パッチアンテナの外縁部から、０．０３λから０．０７λの範囲内の距離だけ大きく設定することが望ましい。

　本発明において、第１の方向から見た平面視で、パッチアンテナ及びキャビティは、誘電体基板の中心に対し対称的に配置することができる。これにより、アンテナ装置には、基板平面内の略中央から各方向への対称的な放射指向性を得ることができる。

　本発明において、グランド導体は、第１の方向に延伸する複数のビア導体を介して相互に接続される複数の導体層に形成することができる。これにより、グランド導体の面積を拡大してグランドを強化し、アンテナ特性の向上が可能となる。

　本発明において、パッチアンテナには、水平偏波と垂直偏波の一方又は両方を給電するための給電構造を設けることができる。これにより、１つのパッチアンテナにより少なくとも水平偏波の電波と垂直偏波の電波の両方を送受信可能とし、それぞれを利用状況に応じて適宜に使い分けることができる。

　本発明によれば、誘電体基板に単体のパッチアンテナを配置し、その上方にキャビティを配置したので、アンテナ装置をアレイ化することに伴う大型化や高コスト化を回避しつつ、放射指向性の広角度化により使い勝手に優れたアンテナ装置を実現可能となる。

本実施形態のアンテナ装置１を斜め上方から見た斜視図である。 図１のアンテナ装置１のＡ－Ａ断面における断面構造図である。 本実施形態のアンテナ装置１を上方から見た平面図である。 本実施形態他のアンテナ装置１の下部の導体構造を説明する図である。 本実施形態のアンテナ装置１と比較例のアンテナ装置とに関し、ＸＺ面内の放射指向性を対比して示した図である。 本実施形態のアンテナ装置１と比較例のアンテナ装置とに関し、ＹＺ面内の放射指向性を対比して示した図である。 本実施形態のアンテナ装置１と比較例のアンテナ装置とに関し、反射特性を対比して示した図である。 本発明を適用した一変形例に係るアンテナ装置１を斜め上方から見た斜視図である。 本変形例のアンテナ装置１を上方から見た平面図である。 本変形例のアンテナ装置１と比較例のアンテナ装置とに関し、ＸＺ面内の放射指向性を対比して示した図である。 本変形例のアンテナ装置１と比較例のアンテナ装置とに関し、ＹＺ面内の放射指向性を対比して示した図である。

　以下、本発明の好適な実施形態について、図１～図１１を参照しながら説明する。本実施形態では、本発明を具体化したアンテナ装置について説明を行う。ただし、以下に述べる実施形態は本発明を適用した形態の一例であって、本発明が本実施形態の内容により限定されることはない。

　本実施形態の一実施例であるアンテナ装置１の構造について図１～図４を用いて説明する。図１は、アンテナ装置１を斜め上方から見た斜視図である。図２は、図１のアンテナ装置１のＡ－Ａ断面における断面構造図である。図３は、アンテナ装置１を上方から見た平面図である。図４は、アンテナ装置１の下部の導体構造を説明する図である。なお、図１～図４では、説明の便宜のため、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向（本発明の第１の方向）をそれぞれ矢印にて示している。

　本実施形態のアンテナ装置１は、誘電体材料からなる誘電体基板を用いて構成され、誘電体基板は下部の誘電体層１０と上部の誘電体層１１とを積層した構造を有する。下部の誘電体層１０の表面中央にはパッチアンテナ２０が形成され、上部の誘電体層１１の中央にはキャビティ１２が形成されている。すなわち、誘電体層１１において中央の誘電体材料が矩形状に除去された空洞の部分がキャビティ１２となっている。また、下部の誘電体層１０には、パッチアンテナ２０に対向する下部に３層構造のグランド導体２１、２２、２３が配置されている。

　図２及び図３に示すように、Ｚ方向から見た平面視で、上下の誘電体層１０、１１はいずれも同じサイズの矩形の平面形状を有し、パッチアンテナ２０は誘電体層１１より十分にサイズが小さい矩形の平面形状を有し、キャビティ１２はパッチアンテナ２０より僅かに大きい矩形の平面形状を有する。すなわち、平面視でキャビティ１２がパッチアンテナ２０を取り囲む配置となっているので、パッチアンテナ２０は直上でキャビティ１２の内部の空気に面しており、パッチアンテナ２０が外部に露出した構造になっている。

　図２においては、下部の誘電体層１０のＺ方向の高さＺ１と、上部の誘電体層１１のＺ方向の高さＺ２（キャビティ１２の高さＺ２）を示している。Ｚ１に比べＺ２の方が大きく設定されていることがわかる。また、図３においては、上下の誘電体層１０、１１のＸ方向の長さＸ１及びＹ方向の長さＹ１と、キャビティ１２のＸ方向の長さＸ２及びＹ方向の長さＹ２をそれぞれ示し、既に述べたように、Ｘ２、Ｙ２に比べＸ１、Ｙ１が大きく設定されている。また、パッチアンテナ２０のサイズは、Ｘ２、Ｙ２より若干小さいサイズに設定されている。図１～図４においては、誘電体層１０、１１及びキャビティ１２がいずれも正方形の平面形状であって、Ｘ１＝Ｙ１、Ｘ２＝Ｙ２に設定される場合を例示している。

　本実施形態において、前述のＸ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２、Ｚ１、Ｚ２などの具体的な寸法条件は、使用周波数帯域やアンテナ特性等に応じて適切に決定する必要がある。例えば、２８ＧＨｚの使用周波数を想定すると、寸法条件の一設定例としては、誘電体層１０、１１に関し、Ｘ１＝Ｙ１＝７．６ｍｍ、Ｚ１＝０．６ｍｍ、Ｚ２＝３．３ｍｍで、キャビティ１２に関し、Ｘ２＝Ｙ２＝２．３５ｍｍを挙げることができる。なお、キャビティ１２の高さはＺ２に一致し、パッチアンテナ２０のサイズはＸ２、Ｙ２より若干小さく２ｍｍ程度となる。一般に、使用周波数帯域が低くなるほど寸法パラメータを大きく設定する必要があり、使用周波数帯域が高くなるほど寸法パラメータを小さく設定する必要がある。

　次に、アンテナ装置１の導体構造について図４を用いて説明する。図４においては、上部の誘電体層１１を除去した状態で、下部の誘電体層１０の領域のみを示し、パッチアンテナ２０とグランド導体２１、２２、２３に加えて、誘電体層１０を積層方向に延伸する複数のビア導体３０、３１、３２を示している。まず、３層のグランド導体２１、２２、２３は、下層側からグランド導体２１、グランド導体２２、グランド導体２３の順に配置されている。グランド導体２１、２２、２３の各々は、誘電体層１０の矩形領域のほぼ全体に拡がって形成されている。３層のグランド導体２１、２２、２３は、互いに複数のビア導体３０を介して電気的に接続されている。このように面積の大きいグランド導体２１、２２、２３と上方のパッチアンテナ２０とが対向して配置されるので、アンテナ装置１のグランドが強化されてアンテナ特性の向上に有効である。

　また。図４に示すように、パッチアンテナ２０には、給電線路として機能する２本のビア導体３１、３２が接続されている。一方のビア導体３１には水平偏波の高周波信号が給電され、他方のビア導体３２には垂直偏波の高周波信号が給電される。図３のパッチアンテナ２０には、水平偏波用のビア導体３１の上端部３１ａと垂直偏波用のビア導体３２の上端部３２ａとが示され、パッチアンテナ２０の中央からそれぞれ水平方向と垂直方向に偏移した位置にて接続されている。それぞれのビア導体３１、３２の下端は、誘電体層１０の底面の１対のパッド（不図示）に接続され、１対の給電線路に外部から給電可能な構造となっている。このような構造により、アンテナ装置１は、給電構造を介して水平偏波と垂直偏波のいずれか一方又は両方を放射可能となる。

　本実施形態のアンテナ装置１に外部から高周波信号を給電すると、基本的にはＺ方向の上方に向けて電波が放射される。この場合、従来の一般的な構造によれば、図４に示すような構造の誘電体層１０の表面のパッチアンテナ２０の上方は全て空気であるのに対し、本実施形態では、パッチアンテナ２０の上方にキャビティ１２が存在する点で異なる。本実施形態において、キャビティ１２の役割は、アンテナ装置１の放射指向性を広角にすることにある。従来は１つのパッチアンテナ２０を設けるだけでは広い角度の放射指向性を実現することは困難であった。本実施形態のアンテナ装置１によれば、主にキャビティ１２を設けた効果により、広い角度の放射指向性を得ることが可能となるが、この点の検証結果については後述する。

　以下、図５～図７を用いて、本実施形態のアンテナ装置１に関するアンテナ特性の検証結果について説明する。ここでは、本実施形態のアンテナ装置１との対比のため、上部の誘電体層１０及びキャビティ１２が存在しない構造のアンテナ装置を比較例として、アンテナ特性の比較を行った。この比較例は、図４のような構造を有しており、パッチアンテナ２０が誘電体層１０の最上部に配置されている。なお、比較例の寸法パラメータは本実施形態のアンテナ装置１の該当部分と概ね共通である。

　図５及び図６は、本実施形態のアンテナ装置１と比較例のアンテナ装置とに関し、放射指向性を対比して示した図である。図５はＸＺ面内の指向性を示し、図６がＹＺ面内の指向性を示している。いずれも周波数２８ＧＨｚの信号を入力し、パッチアンテナ２０から放射される電波の指向性をシミュレーションにより検証した結果である。図５及び図６では、本実施形態の放射指向性（実線）と比較例の放射指向性（破線）とを重ねて表している。

　図５及び図６に示すように、放射指向性は放射方向がＺ方向の上方を向くとき利得がピークになり、ＸＺ面内及びＹＺ面内で放射方向がＺ方向から偏移するとともに利得が低下していく。このとき、図５及び図６において、利得がピークから半分の値になる角度の範囲を半値幅として求めると、比較例の場合は半値幅が９０°程度になっているのに対し、本実施形態の場合（実線）は半値幅が１８０°を超えており、比較例の２倍以上となっている。従って、図５及び図６の結果から、本実施形態のアンテナ装置１によれば、広い角度の放射指向性を得られることが検証された。

　また、図７は、本実施形態のアンテナ装置１と比較例のアンテナ装置とに関し、反射特性を対比して示した図である。反射特性は周波数に応じて入力信号と反射信号の関係を表すＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）をシミュレーションにより求めることで得られる。図７では、本実施形態のＶＳＷＲ（実線）と比較例のＶＳＷＲ（破線）とを重ねて表している。

　図７に示すように、反射特性は、周波数２８ＧＨｚの近傍でＶＳＷＲが最小値となり、そこから低域側と高域側になるほどＶＳＷＲが劣化する。そして、本実施形態では、ＶＳＷＲが良好な周波数範囲は比較的広くなるのに対し、比較例の場合はＶＳＷＲが良好な周波数範囲は相対的に狭くなっている。具体的には、本実施形態ではＶＳＷＲが２以下となる周波数範囲が比較例に比べて４倍以上となっている。従って、図７の結果から、本実施形態のアンテナ装置１は、広い周波数範囲で良好な反射特性を得られることが検証された。

　次に、本発明を適用した一変形例に係るアンテナ装置１について、図８及び図９を用いて説明する。上述の実施形態では、パッチアンテナ２０及びキャビティ１２がＺ方向から見た平面視で矩形の平面形状を有するアンテナ装置１を説明したが、本変形例のアンテナ装置１は、パッチアンテナ２０ａ及びキャビティ１２ａの形状を変更したものである。図８は、本変形例のアンテナ装置１を斜め上方から見た斜視図であり、図９は、図８のアンテナ装置１を上方から見た平面図である。ここで、図８及び図９は、図１及び図３に対応している。なお、図２及び図４については、本変形例に関しても概ね共通であるため省略する。

　図８及び図９に示すように、本変形例のアンテナ装置１において、図１及び図３の構造と異なるのは、パッチアンテナ２０ａ及びキャビティ１２ａがいずれもＺ方向から見た平面視で円形の平面形状を有する点である。すなわち、キャビティ１２ａは、上部の誘電体層１１において中央の誘電体材料を円形状に除去することで形成され、パッチアンテナ２０ａは、下部の誘電体層１０の表面中央に円形状に形成されている。なお、図８及び図９において、上下の誘電体層１０、１１は、図１及び図３と同様、いずれも矩形の平面形状を有している。また、図２と同様、下部の誘電体層１０には３層構造のグランド導体２１、２２、２３が配置されている。同様に、図４に示す給電構造と、水平偏波用及び垂直偏波用の各ビア導体３１、３２の上端部３１ａ及び下端部３２ａ（図９）の配置についても上記実施形態と同様である。

　図９に示すように、Ｚ方向から見た平面視で、円形のキャビティ１２ａは直径Ｄに設定されるとともに、円形のパッチアンテナ２０ａは直径Ｄより若干小さい直径に設定されている。すなわち、平面視でキャビティ１２ａがパッチアンテナ２０ａを取り囲む配置であることは図３の場合と同様である。なお、本変形例の寸法条件のうち、誘電体層１０、１１のそれぞれＺ方向の高さＺ１、Ｚ２（図２）と、上下の誘電体層１０、１１のＸ方向の長さＸ１及びＹ方向の長さＹ１は、上記実施形態と共通である。図９の直径Ｄについても、他の寸法条件と同様、使用周波数帯域やアンテナ特性等に応じて適切に決定する必要がある。

　図１０及び図１１は、本変形例のアンテナ装置１に関し、図５及び図６と同様の放射指向性を示す図である。いずれも周波数２８ＧＨｚの信号を入力し、パッチアンテナ２０ａから放射される電波の指向性をシミュレーションにより検証した結果である。図１０及び図１１では、本変形例の放射指向性（実線）に重ねて、図５及び図５と同様の比較例の放射指向性（破線）とを表している。図１０及び図１１の放射指向性は、図５及び図６と概ね共通であり、本変形例の構造を採用した場合であっても、広い角度の放射指向性を得られる効果を有することが検証された。なお、図示は省略するが、本変形例の反射特性についても、概ね図７と共通の結果が得られる。

　以上説明したように、本発明を適用したアンテナ装置１の構造を採用することにより、広角度の放射指向性を含めて良好なアンテナ特性を実現可能である。すなわち、従来のように誘電体層１０の表面にパッチアンテナ２０を配置した構造では比較的狭い角度の放射指向性となるのに対し、上記変形例を含む実施形態（以下、本実施形態という）では誘電体層１０の上部に積層した誘電体層１１にキャビティ１２を設けた効果により放射指向性の広角度化が可能となった。パッチアンテナ２０からＺ方向の上方に向けて放射される電波は、キャビティ１２の４つの側面を構成する誘電体表面に電磁界分布を生じさせ、それがＺ方向に沿ってキャビティ１２の上部の開口部まで伝搬すると多様な方向に拡がって放射指向性が広角度化すると想定される。

　従来の構成によれば広い角度の放射指向性を実現するには、複数のアンテナをアレイ状に配置したアレイアンテナを構成し、ビームフォーミングにより各々のアンテナの位相を制御する手法が必要であった。これに対し、本実施形態のアンテナ装置１の場合、アレイアンテナを構成することなく１つのパッチアンテナ２０のみで広い角度の放射指向性が得られるので、複数のアンテナを配置するためのスペースが不要となり、各々のアンテナに位相差を与える複雑な電子回路も不要となる。従って、本実施形態のアンテナ装置１は前述のアンテナ性能の優位性に加え、従来の構成によりアレイ化する場合に比べて、誘電体基板を縮小してアンテナ装置１の小型化に適しており、それに伴い誘電体基板の製作時の寸法公差も緩和でき、部品コスト及び実装コストを低減して低コスト化が可能である。

　なお、本実施形態においては、広角度の放射指向性を含む良好なアンテナ特性を実現するに際し、前述したように寸法パラメータの適切な設定が重要である。すなわち、アンテナ装置１の寸法パラメータは図１～図４の構造には限られないが、誘電体基板における使用周波数に対応する波長λに適合した設定とすることが望ましい。この波長λは、誘電体基板における波長短縮効果を考慮した波長である。具体的には、キャビティ１２のＺ方向に沿った高さは、誘電体基板における使用周波数の波長λに対し、上部の誘電体層１１の高さ（キャビティ１２の高さ）Ｚ２を、０．７λから０．８λの範囲内に設定することが望ましい。また、キャビティ１２のＸ方向及びＹ方向の長さＸ２、Ｙ２を、パッチアンテナ２０の矩形のＸ方向及びＹ方向の長さから０．０３λから０．０７λの範囲内の距離だけ大きく設定することが望ましい。このような寸法パラメータの条件は、アンテナ装置１における広角度の放射指向性と良好な反射特性などの所望のアンテナ特性を確保するために望ましい設定である。

　また、本実施形態においては、図３に示すように、パッチアンテナ２０及びキャビティ１２はＺ方向から見た平面視で矩形及び円形の平面形状を有する場合を説明したが、矩形や円形に限らず異なる平面形状としてもよい。例えば、パッチアンテナ２０及びキャビティ１２が矩形以外の多角形の平面形状を有していても本発明の適用が可能である。この場合であっても、本発明を適用したアンテナ装置１による作用効果を得ることができる。さらに、本実施形態においては、パッチアンテナ２０及びキャビティ１２が、Ｚ方向から見た平面視で誘電体基板１０、１１の中心に対し対称的な配置である場合を説明したが、中心に対して非対称な配置であったとしても本発明の適用が可能である。

　以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更を施すことができる。すなわち、図１～図４を用いて説明したアンテナ装置１の基本構造は、本発明の作用効果を得られる限り、他の構造や形状を適用した多様なアンテナ装置１に対して広く本発明を適用することができる。例えば、パッチアンテナ２０の形状、給電方法、サイズなどについては、本発明の作用効果を得られる限り、多様な変更を施すことができる。

１…アンテナ装置
１０、１１…誘電体層
１２、１２ａ…キャビティ
２０、２０ａ…パッチアンテナ
２１、２２、２３…グランド導体
３３、３１、３２…ビア導体
 

Claims (8)

1. 　誘電体基板を用いて構成されたアンテナ装置であって、
   　前記誘電体基板の所定の導体層に形成されるパッチアンテナと、
   　前記誘電体基板の前記所定の導体層の上方に配置された誘電体層に形成され、前記誘電体基板の厚さ方向である第１の方向から見た平面視で前記パッチアンテナを取り囲む形状を有するキャビティと、
   　前記第１の方向に前記所定の導体層を挟んで前記誘電体層と対向して配置されるグランド導体と、
   　を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 　前記パッチアンテナ及び前記キャビティは、それぞれ前記第１の方向から見た平面視で矩形の形状を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 　前記パッチアンテナ及び前記キャビティは、それぞれ前記第１の方向から見た平面視で円形の形状を有することを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 　前記キャビティの前記第１の方向に沿った高さは、前記誘電体基板における使用周波数の波長λに対し、０．７λから０．８λの範囲内に設定されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
5. 　前記第１の方向から見た平面視で、前記キャビティの外縁部は、前記パッチアンテナの外縁部から、０．０３λから０．０７λの範囲内の距離だけ大きく設定されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
6. 　前記第１の方向から見た平面視で、前記パッチアンテナ及び前記キャビティは、前記誘電体基板の中心に対し対称的に配置されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
7. 　前記グランド導体は、前記第１の方向に延伸する複数のビア導体を介して相互に接続される複数の導体層に形成されることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
8. 　前記パッチアンテナには、水平偏波と垂直偏波の一方又は両方を給電するための給電構造が設けられることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
    

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