JP2018129623A - モジュール、無線通信装置、および、レーダ装置 - Google Patents

モジュール、無線通信装置、および、レーダ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】複数のアンテナ素子を配置する基板のサイズを小型にすることができるモジュール、無線通信装置、および、レーダ装置を提供することである。【解決手段】モジュールは、誘電体基板と、誘電体基板に含まれる1つ以上の導体層に形成され、放射する電波の電界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の電界型のアンテナ素子と、1つ以上の導体層に形成され、1つ以上の電界型のアンテナ素子によって放射される電波の磁界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の磁界型のアンテナ素子と、を備える。【選択図】図2

Description

本開示は、モジュール、および、モジュールを備えた無線通信装置、レーダ装置に関する。
近年、ミリ波帯を用いたレーダが車載用途として実用化されており、今後、他の産業分野への応用展開も期待されている。特に、車両や機械の自律制御を実現するためには、ビームの放射方向を3次元的に(例えば、水平方向の方位角と垂直方向の仰角の両方)高精度に制御するレーダが重要となる。このようなビームの放射方向を制御するレーダとしては、複数の送信アンテナ及び受信アンテナを有するMIMO(Multiple-Input Multiple Output)レーダ方式が一般に知られている(例えば、特許文献1参照)。
ミリ波帯を用いた無線通信装置やレーダでは、アンテナと高周波回路とを含むモジュールの小型化、低コスト化が重要であり、送受複数系統を有するMIMOアレイアンテナを基板に平面アンテナとして形成し、限られた基板サイズに複数のアンテナ素子を配置する構成が検討されている。
特開2014−85317号公報 米国特許第6262495号明細書
Fan Yang, et al.,"Microstrip Antennas Integrated With Electromagnetic Band-Gap (EBG) Structures : A Low Mutual Coupling Design for Array Applications," IEEE Transaction on Antennas and Propagation, vol. 51, No.10, October 2003, pp.2936-2946
しかしながら、ビームの放射方向を3次元的に(例えば、水平方向の方位角と垂直方向の仰角の両方)制御するために、基板に複数のアンテナ素子を2次元的に(例えば、平面に)配置する構成に対して、基板のサイズが考慮されていない。
本開示の非限定的な実施例は、複数のアンテナ素子を配置する基板のサイズを小型にすることができるモジュール、無線通信装置、および、レーダ装置を提供することである。
本開示の一態様に係るモジュールは、誘電体基板と、前記誘電体基板に含まれる1つ以上の導体層に形成され、放射する電波の電界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の電界型のアンテナ素子と、前記1つ以上の導体層に形成され、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子によって放射される電波の磁界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の磁界型のアンテナ素子と、を備える。
本開示の一態様に係る無線通信装置は、誘電体基板に含まれる1つ以上の導体層に形成され、放射する電波の電界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の電界型のアンテナ素子と、前記1つ以上の導体層に形成され、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子によって放射される電波の磁界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の磁界型のアンテナ素子と、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子とのそれぞれに接続し、高周波信号の処理を行う半導体チップと、を含む。
本開示の一態様に係るレーダ装置は、誘電体基板に含まれる1つ以上の導体層に形成され、放射する電波の電界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の電界型のアンテナ素子と、前記1つ以上の導体層に形成され、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子によって放射される電波の磁界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の磁界型のアンテナ素子と、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子とのそれぞれに接続し、高周波信号の処理を行う半導体チップと、を含む。
なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または、記録媒体で実現されてもよく、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
本開示の一態様によれば、複数のアンテナ素子を配置する基板のサイズを小型にすることができる。
本開示の一態様における更なる利点および効果は、明細書および図面から明らかにされる。かかる利点および/または効果は、いくつかの実施形態並びに明細書および図面に記載された特徴によってそれぞれ提供されるが、1つまたはそれ以上の同一の特徴を得るために必ずしも全てが提供される必要はない。
特許文献1に記載された従来のMIMOレーダのアンテナ配置図 本開示の実施の形態1に係るモジュールの構成を示す図 同一形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板の一例を示す上面図 図3Aにおける線A1−A2の断面図 異なる形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板の一例を示す上面図 図4Aにおける線A1−A2の断面図 2つのアンテナ基板におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性を示す図 同一形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板の一例を示す上面図 本開示の実施の形態1の変形例に係るアンテナ基板の一例を示す上面図 特許文献2に記載された平面アンテナを示す図 図8Aの線E1−E2における断面図 非特許文献1に記載された平面アンテナの構成を示す上面図 図9Aの線A1−A2における断面図 本開示の実施の形態2に係るモジュールの構成を示す図 本開示の実施の形態2に係るモジュールのEBG周辺の拡大図 図11Aにおける線A1−A2の断面図 同一形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板の一例を示す上面図 図12Aにおける線A1−A2の断面図 2つのアンテナ基板におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性を示す図 異なる形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板の一例を示す上面図 図14Aにおける線A1−A2の断面図 2つのアンテナ基板におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性を示す図 同一形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板の一例を示す上面図 本開示の実施の形態2の変形例に係るアンテナ基板の一例を示す上面図
本開示は、MIMOレーダに用いられるモジュールに関し、例えば、ミリ波帯の高周波帯において、高周波回路とアンテナとを一体化した小型モジュールに関する。
図1は、特許文献1に記載された従来のMIMOレーダのアンテナ配置図である。図1には、送信アンテナ51a〜51dと、受信アンテナ61a〜61cが示されている。
受信アンテナ61aは、送信アンテナ51a〜51dによって送信された送信信号が対象物に反射した信号を受信信号として受信する。受信アンテナ61b、61cについても同様である。
一点鎖線601で囲んだ3素子の仮想アンテナ601a〜601cは、送信アンテナ51aから送信された信号を受信する受信アンテナを表しており、一点鎖線602で囲んだ3素子の仮想アンテナ602a〜602cは、送信アンテナ51bから送信された信号を受信する受信アンテナを表しており、一点鎖線603で囲んだ3素子の仮想アンテナ603a〜603cは、送信アンテナ51cから送信された信号を受信する受信アンテナを表しており、一点鎖線604で囲んだ3素子の仮想アンテナ604a〜604cは、送信アンテナ51dから送信された信号を受信する受信アンテナを表している。
つまり、仮想アレイとしては9素子のアンテナが間隔dで等間隔に配置されていることとなる。この構成により、グレーティングローブ(メインビーム方向以外の方向を基準として位相が完全に揃う角度で発生する不要放射成分)の発生を抑圧することができる。
しかしながら、図1に示す特許文献1の構成は、一方向にアンテナを配置したMIMOレーダであり、3次元的にビームを制御するためのアンテナが配置されるモジュールについては言及されていない。
本開示は掛る点を鑑みて為されたものであり、MIMO構成を用いた複数のアンテナ素子を互いに異なる構成とすることに着目し、本開示に至った。
次に、本開示の各実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する各実施の形態は一例であり、本開示はこれらの実施の形態により限定されるものではない。
(実施の形態1)
図2は、本実施の形態1に係るモジュール1の構成を示す図である。モジュール1は、アンテナ基板2と高周波回路3とを備える。以下では、モジュール1が、レーダ装置に用いられる例について説明する。
アンテナ基板2は、誘電体基板上の導体層2bに、複数の送信アンテナ素子4(送信アンテナ素子4a〜送信アンテナ素子4d)と、複数の受信アンテナ素子5(受信アンテナ素子5a〜受信アンテナ素子5d)とを備える。
送信アンテナ素子4は、誘電体基板上の導体層2bに導体パターンにより形成される。送信アンテナ素子4は、放射する電波の電界方向に長尺なアンテナである。例えば、送信アンテナ素子4は、電界型アンテナであるダイポールアンテナである。送信アンテナ素子4の素子間隔は、例えば、予め設計により決められた間隔である。
受信アンテナ素子5は、誘電体基板上の導体層2bに導体パターンにより形成される。受信アンテナ素子5は、放射する電波の磁界方向に長尺なアンテナである。例えば、受信アンテナ素子5は、磁界型アンテナであるスロットアンテナである。受信アンテナ素子5の素子間隔は、例えば、予め設計により決められた間隔である。
受信アンテナ素子5は、送信アンテナ素子4と異なるタイプ、異なる形状の素子である。送信アンテナ素子4および受信アンテナ素子5は、それぞれ、MIMO構成を採る。また、送信アンテナ素子4の長手方向と受信アンテナ素子5の長手方向は直交している。
高周波回路3は、例えば、CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)またはGaA(Gallium Arsenide)の半導体チップ、トランジスタのディスクリート部品を組み合わせた回路である。高周波回路3は導体層2b上に設けられている。
高周波回路3は、例えば、モジュール1の外部から入力される信号の変調処理および所望の周波数帯への変換処理の送信信号処理を行う。信号処理後の信号は、アンテナ基板2の実装部(図示せず)を介して、アンテナ基板2へ伝達される。アンテナ基板2に伝達された信号は、給電線路(図示せず)を介して、送信アンテナ素子4に伝達される。送信アンテナ素子4は、伝達された信号を放射する。受信アンテナ素子5は、送信アンテナ素子4から放射された信号の反射波を受信する。受信した反射波の信号は、給電線路および実装部を介して、高周波回路3に入力される。高周波回路3は、例えば、入力された信号の周波数変換処理および復調処理の受信信号処理を行う。受信信号処理後の信号は、モジュール1の外部へ出力される。
なお、高周波回路3は、ベースバンド(基底帯域)における信号処理を行っても良い。
基板に送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とが配置される一般的なモジュールでは、アンテナ素子の間隔が広がることに応じて、アンテナ基板のサイズが増加する。
一方で、限られた基板サイズに、複数のアンテナ素子を配置した場合、アンテナ素子間の間隔が狭くなることにより、アイソレーション特性が劣化する。例えば、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子とが配置されるアンテナ基板では、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間隔が狭くなることにより、送信アンテナ素子と受信アンテナ素子との間のアイソレーション(送受アンテナ間のアイソレーション)特性が劣化する。
本実施の形態1に係るモジュール1は、送信アンテナ素子4と受信アンテナ素子5とが互いに異なる。具体的には、送信アンテナ素子4は、電界型アンテナであるダイポールアンテナであり、受信アンテナ素子5は、磁界型アンテナであるスロットアンテナである。本実施の形態1に係るモジュール1は、送信アンテナ素子4の長手方向と受信アンテナ素子5の長手方向とが互いに異なることにより、送受アンテナ間のアイソレーション特性を劣化させることを抑制して、複数のアンテナ素子を配置する基板のサイズを小型にすることができる。以下、この点について、説明する。
図3Aは、同一形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板12の一例を示す上面図である。図3Bは、図3Aにおける線A1−A2の断面図である。
図3A、図3Bに示すアンテナ基板12では、誘電体基板12a上の導体層12bに、アンテナ素子14aとアンテナ素子14bとが配置される。アンテナ素子14bは、アンテナ素子14aと同一形状のアンテナ素子である。図3Aでは、アンテナ素子14aとアンテナ素子14bは、電界型アンテナであるダイポールアンテナであり、偏波面が揃うように並べて、つまり、それぞれの長手方向を同一線上に配置する。
このとき、アンテナ素子14aの給電点Paとアンテナ素子14bの給電点Pbとの間隔は、0.34λとした。なお、λは、アンテナ素子14a、アンテナ素子14bが送信または受信する電波の自由空間波長を示す。アンテナ素子14a、アンテナ素子14bの長さは略0.5λg(λgは誘電体基板12aの誘電率を考慮した実効波長)であり、自由空間での波長に換算すると0.5/√Er×λとなる(Erは誘電体基板12aの比誘電率)。Erを略3とした場合、アンテナ素子14a、アンテナ素子14bの長さは0.29λである。さらに、アンテナ素子14aとアンテナ素子14bの周囲を囲む導体層12bのパターン精度が一般には0.1mm程度のため、アンテナ素子とアンテナ素子の周囲を囲む導体層との間隔などを考慮した結果、2つのアンテナ素子の給電点の間隔を0.34λとした。
以下では、2つのアンテナ素子の給電点の間隔を、当該2つのアンテナ素子の素子間隔として説明する。
また、図3Bは、導体パターンによって形成される第1の給電線路16と、第2の給電線路17と、接地導体18とを示す。第1の給電線路16は、誘電体基板12aの内部に配置され、アンテナ素子14aに信号を伝達する。第2の給電線路17は、誘電体基板12aの内部に配置され、アンテナ素子14bに信号を伝達する。接地導体18は、誘電体基板12aのアンテナ素子が配置される面(導体層12bが配置される面)と正対する面に配置される。
なお、図3A、図3Bに示すアンテナ素子14a、アンテナ素子14bは、両方が送信アンテナ素子であっても良いし、両方が受信アンテナ素子であっても良いし、あるいは、一方が送信アンテナ素子で他方が受信アンテナ素子であっても良い。
図4Aは、異なる形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板22の一例を示す上面図である。図4Bは、図4Aにおける線A1−A2の断面図である。
図4Aに示すアンテナ基板22では、誘電体基板22a上の導体層22bに、アンテナ素子24aとアンテナ素子25aとが配置される。アンテナ素子25aは、アンテナ素子24aと異なる形状のアンテナ素子である。図4Aでは、アンテナ素子24aは、電界型アンテナであるダイポールアンテナであり、アンテナ素子25aは、磁界型アンテナであるスロットアンテナである。ここで、電界型アンテナであるダイポールアンテナの偏波面はダイポールアンテナの長手方向であり、磁界型アンテナであるスロットアンテナの偏波面はスロットの短手方向である。このため、アンテナ素子24aとアンテナ素子25aとは、それぞれのアンテナの長手方向を直交して配置することによって、偏波面を揃える。そして、アンテナ素子24aの給電点Pcとアンテナ素子25aの給電点Pdとの間隔(つまり、アンテナ素子の間隔)は、0.22λとした。なお、λは、アンテナ素子24a、アンテナ素子25aが送信または受信する電波の自由空間波長を示す。ここで、図3Aではアンテナ間距離を0.34λとしたが、図4Aでは電界型アンテナと磁界型アンテナを組み合わせることによって図3Aよりも狭くすることが可能となる。
また、図4Bは、導体パターンによって形成される第1の給電線路26と、第2の給電線路27と、接地導体28とを示す。第1の給電線路26は、誘電体基板22aの内部に配置され、アンテナ素子24aに信号を伝達する。第2の給電線路27は、誘電体基板22aの内部に配置され、アンテナ素子25aに信号を伝達する。接地導体28は、誘電体基板22aのアンテナ素子が配置される面(導体層22bが配置される面)と正対する面に配置される。
なお、図4A、図4Bに示すアンテナ素子24a、アンテナ素子25aは、両方が送信アンテナ素子であっても良いし、両方が受信アンテナ素子であっても良いし、あるいは、一方が送信アンテナ素子で他方が受信アンテナ素子であっても良い。
例えば、図4A、図4Bに示すアンテナ素子24aとアンテナ素子25aとは、それぞれ、図2に示した送信アンテナ素子4cと受信アンテナ素子5dに対応する。
図5は、2つのアンテナ基板におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性を示す図である。図5には、図3A、図3Bに示すアンテナ基板12におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性と、図4A、図4Bに示すアンテナ基板22におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性が示される。図5の横軸は、図3A、図4Aに示す波長λの電波の周波数(つまり、c/λ、cは光速を示す)で正規化した正規化周波数である。図5の縦軸は、アイソレーション特性がデシベル[dB]で示される。
図5において、アンテナ基板12におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性と、アンテナ基板22におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性とは、正規化周波数が1において、略同一となる。一方、図4Aにおけるアンテナ基板22のアンテナ素子間隔は、図3Aにおけるアンテナ基板12のアンテナ素子間隔よりも狭くなる。
つまり、アンテナ素子24aとアンテナ素子25aとが互いに異なる図4Aにおけるアンテナ基板22は、アンテナ素子14aとアンテナ素子14bとが互いに同一である図3Aにおけるアンテナ基板12と比較して、アンテナ素子間のアイソレーション特性を劣化させることを抑制して、アンテナ素子間隔を狭めることができる。
上述の通り、図4A、図4Bのアンテナ素子24aとアンテナ素子25aとは、それぞれ、図2の送信アンテナ素子4cと受信アンテナ素子5dに対応する。そのため、図2に示したモジュール1では、送受アンテナ間のアイソレーション特性を劣化させることを抑制して、複数のアンテナ素子を配置する基板のサイズを小型にすることができる。
なお、上述した実施の形態1では、電界型アンテナである送信アンテナ素子4と、磁界型アンテナである受信アンテナ素子5とが配置されるモジュール1の例について説明したが、本開示はこれに限定されない。磁界型アンテナである送信アンテナ素子と、電界型アンテナである受信アンテナ素子が配置されるモジュールであっても良い。あるいは、電界型アンテナと磁界型アンテナの両方を含む複数の送信アンテナ素子が配置されるモジュールであっても良いし、電界型アンテナと磁界型アンテナの両方を含む複数の受信アンテナ素子が配置されるモジュールであっても良い。
以下では、本実施の形態1の変形例として、電界型アンテナと磁界型アンテナの両方を含む複数の送信アンテナ素子が配置されるモジュールの例について説明する。
(実施の形態1の変形例)
図6は、同一形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板32の一例を示す上面図である。図6に示すアンテナ基板32は、誘電体基板と、複数の送信アンテナ素子34(送信アンテナ素子34a〜送信アンテナ素子34d)とを備える。そして、アンテナ基板32と、図示しない高周波回路とが一体となってモジュールが構成される。
送信アンテナ素子34は、誘電体基板上の導体層32bに導体パターンにより形成される。送信アンテナ素子34は、いずれも、電界型アンテナであるダイポールアンテナである。
例えば、図5と同様のアイソレーション特性を得る構成では、図6に示すように、送信アンテナ素子34aと送信アンテナ素子34bとのアンテナ素子間隔、および、送信アンテナ素子34cと送信アンテナ素子34dとのアンテナ素子間隔は、0.34λである。また、送信アンテナ素子34aと送信アンテナ素子34cとのアンテナ素子間隔、および、送信アンテナ素子34bと送信アンテナ素子34dとのアンテナ素子間隔は、0.34λである。なお、送信アンテナ素子34aと送信アンテナ素子34cとのアンテナ素子間隔、および、送信アンテナ素子34bと送信アンテナ素子34dとのアンテナ素子間隔が0.34λである理由は、図3において説明した、アンテナ素子14aの給電点Paとアンテナ素子14bの給電点Pbとの間隔が0.34λである理由と同一であるため、説明を省略する。
図7は、本実施の形態1の変形例に係るアンテナ基板42の一例を示す上面図である。図7のアンテナ基板42は、電界型アンテナと磁界型アンテナの両方を含む複数の送信アンテナ素子が配置されるアンテナ基板である。図7に示すアンテナ基板42は、誘電体基板上に配置した導体層42bを用いて形成した、複数の送信アンテナ素子44(送信アンテナ素子44a〜送信アンテナ素子44d)を備える。そして、アンテナ基板42と、図示しない高周波回路とが一体となってモジュールが構成される。
送信アンテナ素子44は、誘電体基板上の導体層42bに形成した導体パターンである。送信アンテナ素子44aと、送信アンテナ素子44dとは、電界型アンテナとしてのダイポールアンテナである。送信アンテナ素子44bと、送信アンテナ素子44dとは、磁界型アンテナとしてのスロットアンテナである。
例えば、図7では、X軸方向において、送信アンテナ素子44aと送信アンテナ素子44bとのアンテナ素子間隔、および、送信アンテナ素子44cと送信アンテナ素子44dとのアンテナ素子間隔を、0.22λとする。Y軸方向においても同様に、送信アンテナ素子44aと送信アンテナ素子44cとのアンテナ素子間隔、および、送信アンテナ素子44bと送信アンテナ素子44dとのアンテナ素子間隔を0.22λとする。送信アンテナ素子44のアンテナ素子間隔を0.22λとすることにより、図5に示したアンテナ基板22のアイソレーション特性と同様のアイソレーション特性を得ることができる。
図7のアンテナ基板42は、電界型アンテナと磁界型アンテナの両方を含む複数の送信アンテナ素子44の長手方向を直交する位置に配置することにより、図6のアンテナ基板32と比較して、アンテナ素子間隔を狭くすることができる。そのため、アンテナ素子間のアイソレーション特性の劣化を抑制して、複数のアンテナ素子を配置する基板のサイズを小型にすることができる。
なお、図7では、4つのアンテナ素子が送信アンテナ素子である例について説明したが、4つのアンテナ素子が受信アンテナ素子であっても良い。また、図7では、アンテナ素子の2×2の配置を例にとって説明したが、本開示はこれに限定されず、m×n(m、nは、それぞれ、2以上の整数)のアンテナ素子に適用してもよい。
以上説明したように、本実施の形態1に係るモジュールは、誘電体基板上の導体層に、放射する電波の電界方向に長尺な形状を有する電界型のアンテナ素子と、放射する電波の磁界方向に長尺な形状を有する磁界型のアンテナ素子と、を備える。この構成により、電界方向と磁界方向とが直交するため、それぞれのアンテナ素子の長手方向を直交する位置に配置できる。このため、複数のアンテナ素子の間隔を、電界型のアンテナ素子および磁界型のアンテナ素子のいずれかを用いて形成するアンテナ基板よりも、狭く設定することができ、アンテナ基板のサイズを小型にすることができる。
なお、上述した本実施の形態1では、複数のアンテナ素子が誘電体基板上の導体層に導体パターンを用いて形成する例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、誘電体基板が複数の層を有する多層基板である場合、複数のアンテナ素子のうちの一部のアンテナ素子が形成される層と、複数のアンテナ素子のうちの残りのアンテナ素子が形成される層とは、互いに異なる層であっても良い。あるいは、複数のアンテナ素子が、互いに同じ内層に形成されても良い。
例えば、図2に示したモジュール1において、送信アンテナ素子4と受信アンテナ素子5のいずれか一方が誘電体基板の内層に形成され、他方が表層に形成されても良い。また、送信アンテナ素子4と受信アンテナ素子5とは、互いに異なる内層に形成されても良い。このような構成を採ることにより、送信アンテナ素子4から放射された表面波が受信アンテナ素子5と結合しないため、送受アンテナ間のアイソレーション特性を改善することができる。
(実施の形態2)
実施の形態1では、アンテナ素子間のアイソレーション特性の劣化を抑制させ、複数のアンテナ素子を配置する基板のサイズを小型にする例について説明した。本実施の形態2では、アイソレーション特性を向上させる構成として、例えば、電磁バンドギャップ(EBG:Electromagnetic Band Gap)をアンテナ基板に設ける例について説明する。EBGについては、例えば、特許文献2、非特許文献1に記載されている。
図8Aは、特許文献2に記載された平面アンテナを示す図である。図8Bは、図8Aの線E1−E2における断面図である。図8A、図8Bに示す平面アンテナは、パッチアンテナ100と、パッチアンテナ100を囲むように配置されるEBG101と、パッチアンテナ100と接続する同軸ケーブル102とを有する。
パッチアンテナ100は、誘電体基板の表面上に導体パターンにより形成され、裏面から同軸ケーブル102より給電されている。パッチアンテナ100の周囲には、誘電体基板上の表面に多角形(図6では六角形)の金属電極が周期的に配置される。EBG101は、各金属電極と誘電体基板裏面に形成された金属膜である接地導体との間を、例えば、誘電体基板を貫通するスルーホールで電気的に接続することによって構成される。この構成により、インダクタ(L)とキャパシタ(C)が連続的に接続された回路特性となり、特定周波数においてLC共振により誘電体基板表面のインピーダンスを高くすることができる。そのため、パッチアンテナ100から放射された電磁波の内、誘電体基板の表面上を伝搬する表面波を減衰させることができる。その結果、パッチアンテナ100の側方や後方への電磁波の回り込みが抑制され、不要な放射を抑制させることができる。
図9Aは、非特許文献1に記載された平面アンテナ200の構成を示す上面図である。図9Bは、図9Aの線A1−A2における断面図である。
図9A、図9Bに示す平面アンテナ200は、誘電体基板201、第1のアンテナ素子202、第2のアンテナ素子203、EBG204、接地導体205およびスルーホール206を有する。
第1のアンテナ素子202及び第2のアンテナ素子203は、誘電体基板201上に導体パターンによって形成される。接地導体205は、誘電体基板201の裏面に導体パターンにより形成される。EBG204は、第1のアンテナ素子202と第2のアンテナ素子203の間に周期的に配置され、誘電体基板201の表面上に形成された周期的な導体パターンとそれぞれの導体パターンを接地導体に接続するためのスルーホール206で構成されている。ここで、第1のアンテナ素子202と第2のアンテナ素子203は同一形状であり、同じ偏波面を有するように配置されている。
EBG204については、図8A、図8Bに示した例と同様に、誘電体基板201上を伝搬する表面波を抑制する効果を有するため、平面アンテナ200を構成する第1のアンテナ素子202と第2のアンテナ素子203の間のアイソレーション特性を改善することができる。
しかしながら、EBGをアンテナ素子の間に配置するためには、アンテナ素子の間には一定の間隔が必要となる。
例えば、非特許文献1では、5.8GHz帯において、第1のアンテナ素子202と第2のアンテナ素子203の寸法は、それぞれ、6.8mm×5mmであり、アンテナ素子の間隔は38.8mmとした例が説明されている。また、EBG204の一辺の寸法は、3mm、ギャップは0.5mmとして説明されている。ここで、アンテナ素子の間隔38.8mmは、5.8GHz帯における波長に換算すると、約0.75λである。ここで、非特許文献1のアンテナ素子の間隔を0.75λ以下に狭めた場合、アンテナ性能(例えば、アイソレーション特性)が劣化する可能性がある。
このため、本実施の形態2では、EBGを用いてアイソレーション特性を向上させる構成であっても、アンテナ素子の間隔の拡大を抑制することができるモジュールについて説明する。
図10は、本実施の形態2に係るモジュール50の構成を示す図である。図10において、図2に示したモジュール1と同様の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。
図10に示すモジュール50は、アンテナ基板52と高周波回路3とを備える。そして、アンテナ基板52は、図2に示したアンテナ基板2に対して、EBG9a、EBG9bが追加された構成である。
EBG9aは、送信アンテナ素子4dと受信アンテナ素子5aとの間に形成される。EBG9bは、送信アンテナ素子4cと受信アンテナ素子5dとの間に形成される。
具体的なEBGの構成について、EBG9bを例に挙げて説明する。
図11Aは、本実施の形態2に係るモジュール50のEBG9b周辺の拡大図である。図11Bは、図11Aにおける線A1−A2の断面図である。
図11Bには、第1の給電線路56と、第2の給電線路57と、接地導体58と、スルーホール59とが示される。第1の給電線路56は、誘電体基板2aの内部に配置され、アンテナ素子4cに信号を伝達する。第2の給電線路57は、誘電体基板2aの内部に配置され、アンテナ素子5dに信号を伝達する。接地導体58は、誘電体基板2aにおいて、アンテナ素子が配置される面(導体層52bが配置される面)と正対する面に配置される。
EBG9bは、誘電体基板2aのアンテナ素子4、5が配置される面に、周期的に配置される導体パターンと(図11A参照)、導体パターンと接地導体58とを接続するスルーホール59と(図11B参照)を有する。
本実施の形態2に係るモジュール50は、送信アンテナ素子4の長手方向と受信アンテナ素子5の長手方向とが互いに異なる構成のアンテナ素子を用いるため、アイソレーション特性を向上させるためにEBGを配置する構成であっても、アンテナ素子の間隔を狭くすることができる。以下、この点について、説明する。
図12Aは、同一形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板62の一例を示す上面図である。図12Bは、図12Aにおける線A1−A2の断面図である。図12A、図12Bにおいて、図3A、図3Bに示したアンテナ基板12と同様の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。
図12A、図12Bに示すアンテナ基板62は、図3A、図3Bに示したアンテナ基板12に対して、アンテナ素子間隔を拡げ、その間にEBG69をさらに設けている。なお、EBG69をアンテナ間に配置したことによって、アンテナの周囲を囲む導体層62bのパターン精度を考慮してアンテナ14aとアンテナ14bの間隔を0.63λとした。
EBG69は、図11A、図11Bと同様に、誘電体基板12aのアンテナ素子が配置される面に周期的に配置される導体パターンと、導体パターンと接地導体18とを接続するスルーホール70とを有する。
なお、図12A、図12Bに示すアンテナ素子14a、アンテナ素子14bは、両方が送信アンテナ素子であっても良いし、両方が受信アンテナ素子であっても良いし、あるいは、一方が送信アンテナ素子で他方が受信アンテナ素子であっても良い。
図13は、図12A、図12Bに示すアンテナ基板62におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性と、図12A、図12BにおいてEBG69が存在せず、アンテナ素子間に導体層62bが存在する構成(以下、比較構成1と呼ぶ)におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性を示す。比較構成1は、例えば、図3A、図3Bに示したアンテナ基板12において、アンテナ素子間隔をアンテナ基板62と同様に0.63λとした構成に相当する。図13の横軸は、図12Aに示した波長λの電波の周波数(つまり、c/λcは光速を示す)で正規化した正規化周波数である。図13の縦軸は、アイソレーション特性がデシベル[dB]で示される。
図13では、EBG69がアンテナ基板62に設けられることにより、アンテナ基板62におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性は、アンテナ基板12におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性よりも向上する。
図14Aは、異なる形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板72の一例を示す上面図である。図14Bは、図14Aにおける線A1−A2の断面図である。図14A、図14Bにおいて、図4A、図4Bに示したアンテナ基板22と同様の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。
図14A、図14Bに示すアンテナ基板72は、図4A、図4Bに示したアンテナ基板22に対して、アンテナ素子間隔を拡げ、その間にEBG79をさらに設けている。なお、EBG79をアンテナ間に配置したことによって、接地導体のパターン精度を考慮してアンテナ24aとアンテナ25aの間隔を0.54λとした。
EBG79は、誘電体基板22aのアンテナ素子が配置される面に周期的に配置される導体パターンと(図14A参照)、導体パターンと接地導体28とを接続するスルーホール80と(図14B参照)を有する。
なお、図14A、図14Bに示すアンテナ素子24a、アンテナ素子25aは、両方が送信アンテナ素子であっても良いし、両方が受信アンテナ素子であっても良いし、あるいは、一方が送信アンテナ素子で他方が受信アンテナ素子であっても良い。
例えば、図14A、図14Bに示すアンテナ素子24aとアンテナ素子25aとEBG79は、それぞれ、図10に示した送信アンテナ素子4cと受信アンテナ素子5dとEBG9bに対応する。
図15は、図14A、図14Bに示したアンテナ基板72におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性と、図14A、図14BにおいてEBG79が存在せず、アンテナ素子間に導体層72bが存在する構成(以下、比較構成2と呼ぶ)におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性を示す。比較構成2は、例えば、図4A、図4Bに示したアンテナ基板22において、アンテナ素子間隔をアンテナ基板72と同様に0.54λとした構成に相当する。図15の横軸は、図4A、図14Aに示した波長λの電波の周波数(つまり、c/λ、cは光速を示す)で正規化した正規化周波数である。図15の縦軸は、アイソレーション特性がデシベル[dB]で示される。
図15では、EBG79がアンテナ基板72に設けられることにより、アンテナ基板72におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性は、アンテナ基板22におけるアンテナ素子間のアイソレーション特性よりも向上する。
また、図14Aにおけるアンテナ基板72のアンテナ素子間隔は、図12A、におけるアンテナ基板62のアンテナ素子間隔よりも狭くすることができる。
つまり、アイソレーション特性を向上させるためにEBG79をアンテナ基板72に設ける場合、互いに異なる構成のアンテナ素子24aとアンテナ素子25aとを用いたアンテナ基板72は、互いに同一の構成のアンテナ素子14aとアンテナ素子14bとを用いたアンテナ基板62と比較して、アンテナ素子間隔を狭めることができる。
上述の通り、図14A、図14Bに示すアンテナ素子24aとアンテナ素子25aとEBG79は、それぞれ、図10に示した送信アンテナ素子4cと受信アンテナ素子5dとEBG9bに対応する。そのため、図10に示すモジュール50では、EBGを設けることによって、送信アンテナ素子4と受信アンテナ素子5との間のアイソレーション(送受アンテナ間のアイソレーション)特性を向上させ、さらに、基板のサイズを小型にすることができる。
なお、本実施の形態2では、電界型アンテナである送信アンテナ素子4と、磁界型アンテナである受信アンテナ素子5と、送信アンテナ素子4と受信アンテナ素子5とが隣り合う箇所にEBG9が配置されるモジュール50の例について説明したが、本開示はこれに限定されない。磁界型アンテナである送信アンテナ素子と、電界型アンテナである受信アンテナ素子が配置されるモジュールであっても良い。あるいは、電界型アンテナと磁界型アンテナの両方を含む複数の送信アンテナ素子が配置されるモジュールであっても良いし、電界型アンテナと磁界型アンテナの両方を含む複数の受信アンテナ素子が配置されるモジュールであっても良い。また、EBGが配置される位置は、送信アンテナ素子4と受信アンテナ素子5とが隣り合う位置に限定されない。
以下では、本実施の形態2の変形例として、電界型アンテナと磁界型アンテナの両方を含む複数の送信アンテナ素子と、送信アンテナ素子の間にEBGが配置されるモジュールの例について説明する。
(実施の形態2の変形例)
図16は、同一形状のアンテナ素子が配置されるアンテナ基板82の一例を示す上面図である。図16において、図6に示したアンテナ基板32と同様の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。
図16に示すアンテナ基板82は、図6に示したアンテナ基板32に対して、アンテナ素子間隔を拡げ、その間にEBG89a〜EBG89dをさらに設けている。
EBG89aは、送信アンテナ素子34aと送信アンテナ素子34bとの間に形成される。EBG89bは、送信アンテナ素子34aと送信アンテナ素子34cとの間に形成される。EBG89cは、送信アンテナ素子34bと送信アンテナ素子34dとの間に形成される。EBG89dは、送信アンテナ素子34cと送信アンテナ素子34dとの間に形成される。
具体的なEBGの構成については、図11A、図11Bを参照して説明したEBG9bの構成と同様である。
例えば、図13と同様のアイソレーション特性を得る構成では、図16に示すように、各アンテナ素子間隔を0.63λとし、そのアンテナ素子間隔にEBG89(EBG89a〜EBG89d)を形成する。
図17は、本実施の形態2の変形例に係るアンテナ基板92の一例を示す上面図である。図17において、図7に示したアンテナ基板42と同様の構成については、同一の符番を付し、説明を省略する。
図17に示すアンテナ基板92は、図7に示したアンテナ基板42に対して、アンテナ素子間隔を拡げ、その間にEBG99a〜EBG99dが追加された構成を有する。
EBG99aは、送信アンテナ素子44aと送信アンテナ素子44bとの間に形成される。EBG99bは、送信アンテナ素子44aと送信アンテナ素子44cとの間に形成される。EBG99cは、送信アンテナ素子44bと送信アンテナ素子44dとの間に形成される。EBG99dは、送信アンテナ素子44cと送信アンテナ素子44dとの間に形成される。
具体的なEBGの構成については、図11A、図11Bを参照して説明したEBG9bの構成と同様である。
例えば、図15と同様のアイソレーション特性を得る構成では、図17に示すように、各アンテナ素子間隔を0.54λとし、そのアンテナ素子間隔にEBG99(EBG99a〜EBG99d)を形成する。
図17のアンテナ基板92は、電界型アンテナと磁界型アンテナの両方を含む複数の送信アンテナ素子44を用いるため、図16のアンテナ基板82と比較して、EBGを形成する場合でもアンテナ素子間隔を狭くすることができる。そのため、EBGを設けることによって、アンテナ素子間のアイソレーション特性を向上させ、さらに、複数のアンテナ素子を配置する基板のサイズを小型にすることができる。
なお、図17では、4つのアンテナ素子が送信アンテナ素子である例について説明したが、4つのアンテナ素子が受信アンテナ素子であっても良い。また、図17では、アンテナ素子の2×2の配置を例にとって説明したが、本開示はこれに限定されず、m×n(m、nは、それぞれ、2以上の整数)の配置であってもよい。
以上説明したように、本実施の形態2に係るモジュールは、誘電体基板の導体層に導体パターンによって形成される電界型のアンテナ素子と、誘電体基板の導体層に導体パターンによって形成される磁界型のアンテナ素子と、電界型のアンテナ素子と磁界型のアンテナ素子との間に形成されるEBGとを備える。この構成により、アイソレーション特性を向上させ、複数のアンテナ素子を配置する基板のサイズを小型にすることができる。
なお、上述した本実施の形態2では、複数のアンテナ素子が誘電体基板の表層の導体層に導体パターンにより形成される例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、誘電体基板が複数の層を有する多層基板である場合、複数のアンテナ素子のうちの一部のアンテナ素子が形成される層と、複数のアンテナ素子のうちの残りのアンテナ素子が形成される層とは、互いに異なる層であっても良い。あるいは、複数のアンテナ素子が、互いに同じ内層に形成されても良い。
例えば、図10に示したモジュール50において、送信アンテナ素子4と受信アンテナ素子5のいずれか一方が誘電体基板2aの内層に形成され、他方が表層に形成されても良い。また、送信アンテナ素子4と受信アンテナ素子5とは、互いに異なる内層に形成されても良い。このような構成を採ることにより、送信アンテナ素子4から放射された表面波が受信アンテナ素子5と結合することを抑制できるため、送受アンテナ間のアイソレーション特性を改善することができる。
なお、複数のアンテナ素子のうちの一部のアンテナ素子が、複数のアンテナ素子のうちの残りのアンテナ素子と異なる層に形成される場合、EBGは、どの層に形成されても良い。例えば、複数のアンテナ素子のうちの一部のアンテナ素子が表層に形成される場合、EBGは表層に形成され、上面視において、アイソレートする2つのアンテナ素子の間に形成される。
なお、上述した各実施の形態では、ダイポールアンテナを電界型アンテナの一例とし、スロットアンテナを磁界型アンテナの一例として説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、電界型アンテナとしてマイクロストリップアンテナ、磁界型アンテナとしてループアンテナを用いても良い。
また、上述した各実施の形態では、4つの送信アンテナ素子と4つの受信アンテナ素子とが配置されるモジュールの例について説明したが、送信アンテナ素子の数、および、受信アンテナ素子の数は、これに限定されない。
また、上述した各実施の形態において示したアンテナ素子のサイズ、アンテナ素子の間隔などの数値は、あくまで一例であり、本開示はこれに限定されない。
また、上述した各実施の形態では、モジュールがレーダ装置に用いられる例について説明したが、本開示におけるモジュールの用途は、レーダ装置に限定されない。例えば、本開示におけるモジュールは、無線通信装置に用いられても良い。
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、開示の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
<本開示のまとめ>
本開示のモジュールは、誘電体基板と、前記誘電体基板に含まれる1つ以上の導体層に形成され、放射する電波の電界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の電界型のアンテナ素子と、前記1つ以上の導体層に形成され、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子によって放射される電波の磁界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の磁界型のアンテナ素子と、を備える。
また、本開示のモジュールにおいて、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子は、送信アンテナであり、前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子は、受信アンテナである。
また、本開示のモジュールにおいて、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子の長手方向と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子の長手方向とは、直交する。
また、本開示のモジュールにおいて、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子は、ダイポールアンテナであり、前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子は、スロットアンテナである。
また、本開示のモジュールは、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子との少なくとも1つの間に形成される電磁バンドギャップを更に備える。
また、本開示のモジュールにおいて、前記誘電体基板は、少なくとも第1層と第2層とを含む多層基板であり、前記1つ以上の電界型のアンテナは第1層上の導体層に形成され、前記1つ以上の磁界型のアンテナは第2層上の導体層に形成される。
また、本開示のモジュールにおいて、前記第1層と前記第2層のいずれか一方は、表層であり、上面視において、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子との間の前記第1層上の導体層に電磁バンドギャップが形成される。
また、本開示のモジュールは、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子とのそれぞれに接続し、高周波信号の処理を行う半導体チップを更に備える。
また、本開示の無線通信装置は、誘電体基板に含まれる1つ以上の導体層に形成され、放射する電波の電界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の電界型のアンテナ素子と、前記1つ以上の導体層に形成され、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子によって放射される電波の磁界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の磁界型のアンテナ素子と、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子とのそれぞれに接続し、高周波信号の処理を行う半導体チップと、を含む。
また、本開示のレーダ装置は、誘電体基板に含まれる1つ以上の導体層に形成され、放射する電波の電界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の電界型のアンテナ素子と、前記1つ以上の導体層に形成され、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子によって放射される電波の磁界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の磁界型のアンテナ素子と、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子とのそれぞれに接続し、高周波信号の処理を行う半導体チップとを含む。
本開示は、MIMO方式のレーダシステムや通信システムにおける送受信モジュール用途として有用である。
1、50 モジュール
2、12、22、32、42、52、62、72、82、92 アンテナ基板
2a、12a、22a、201 誘電体基板
2b、12b、22b、32b、42b、52b、62b、72b 導体層
3 高周波回路
4a〜4d、34a〜34d、44a〜44d 送信アンテナ素子
5a〜5d 受信アンテナ素子
9a、9b、69、79、89a〜89d、99a〜99d、101、204 EBG
14a、14b、24a、25a アンテナ素子
16、26、56 第1の給電線路
17、27、57 第2の給電線路
18、28、58、205 接地導体
51a〜51d 送信アンテナ
59、70、80、206 スルーホール
61a〜61c 受信アンテナ
100 パッチアンテナ
102 同軸ケーブル
200 平面アンテナ
202 第1のアンテナ素子
203 第2のアンテナ素子
601a〜601c、602a〜602c、603a〜603c、604a〜604c 仮想アンテナ

Claims (10)

  1. 誘電体基板と、
    前記誘電体基板に含まれる1つ以上の導体層に形成され、放射する電波の電界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の電界型のアンテナ素子と、
    前記1つ以上の導体層に形成され、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子によって放射される電波の磁界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の磁界型のアンテナ素子と、
    を備えるモジュール。
  2. 前記1つ以上の電界型のアンテナ素子は、送信アンテナであり、
    前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子は、受信アンテナである、
    請求項1に記載のモジュール。
  3. 前記1つ以上の電界型のアンテナ素子の長手方向と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子の長手方向とは、直交する、
    請求項1に記載のモジュール。
  4. 前記1つ以上の電界型のアンテナ素子は、ダイポールアンテナであり、
    前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子は、スロットアンテナである、
    請求項1に記載のモジュール。
  5. 前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子との少なくとも1つの間に形成される電磁バンドギャップを更に備える、
    請求項1に記載のモジュール。
  6. 前記誘電体基板は、少なくとも第1層と第2層とを含む多層基板であり、
    前記1つ以上の電界型のアンテナは第1層上の導体層に形成され、前記1つ以上の磁界型のアンテナは第2層上の導体層に形成される、
    請求項1に記載のモジュール。
  7. 前記第1層と前記第2層のいずれか一方は、表層であり、
    上面視において、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子との間の前記第1層上の導体層に電磁バンドギャップが形成される、
    請求項6に記載のモジュール。
  8. 前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子とのそれぞれに接続し、高周波信号の処理を行う半導体チップを更に備える、
    請求項1に記載のモジュール。
  9. 誘電体基板に含まれる1つ以上の導体層に形成され、放射する電波の電界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の電界型のアンテナ素子と、
    前記1つ以上の導体層に形成され、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子によって放射される電波の磁界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の磁界型のアンテナ素子と、
    前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子とのそれぞれに接続し、高周波信号の処理を行う半導体チップと、
    を含む無線通信装置。
  10. 誘電体基板に含まれる1つ以上の導体層に形成され、放射する電波の電界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の電界型のアンテナ素子と、
    前記1つ以上の導体層に形成され、前記1つ以上の電界型のアンテナ素子によって放射される電波の磁界方向に対して長尺な形状を有する1つ以上の磁界型のアンテナ素子と、
    前記1つ以上の電界型のアンテナ素子と前記1つ以上の磁界型のアンテナ素子とのそれぞれに接続し、高周波信号の処理を行う半導体チップと、
    を含むレーダ装置。
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