JP3875592B2 - 多素子アレー型の平面アンテナ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナ素子の複数個を二次元上に並べた多素子アレー型の平面アンテナ（以下、多素子平面アレーアンテナとする）を産業上の技術分野とし、特に偏波利用を向上させるとともに半導体デバイスやＩＣ等を実装してアクティブ化等を図る多素子平面アレーアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）平面アンテナは、マイクロ波・ミリ波帯のアンテナとして、無線通信や衛星放送などに広く用いられている。このようなものの中に、マイクロストリップライン（ＭＳＬとする）型やスロットライン（ＳＬとする）型等があるが、一般には給電系構造の簡便さや放射特性の理由によりＭＳＬ型が多用されている。
【０００３】
近年では、ＭＳＬ型の課題であるアンテナ利得の向上を目的としてアンテナ素子を複数用いる、所謂、多素子アレー化が行われている。また、アンテナには水平・垂直の直線偏波や右旋・左旋の円偏波があり、送信・受信のアンテナ共用、周波数の有効利用、送受干渉の抑制等の目的で電磁波放射に偏波特性が活用されている。
【０００４】
（従来技術の一例）第１２図（ａｂｃｄ）は従来例を説明する平面アンテナの平面図で、同図（ａｂｃ）はＭＳＬ型、同図（ｄ）はＳＬ型の例である。なお、これらは、いずれも単一のアンテナ素子１からなる平面アンテナで、直線あるいは円偏波を実現するための構成例を示している。
【０００５】
第１２図（ａ）は、方形状のアンテナ素子（回路導体）１及び給電線２を例えば誘電体からなる基板３の一主面に、接地導体を他主面に設けたＭＳＬ型の直線偏波用とした平面アンテナである。この平面アンテナは、アンテナ素子１の外形形状及び基板３の誘電率等によってアンテナ周波数（共振周波数）が決定される。そして、給電線２の接続方向（給電方向）によって送受信の偏波面（直線偏波）が設定され、矢印を付したように垂直方向（図の上下方向）に給電すれば垂直偏波を、水平方向（図の左右方向）に給電すれば水平偏波を送受信できる。
【０００６】
第１２図（b）は、同様に方形状のアンテナ素子１を有するＭＳＬ型の円偏波用とした２点給電による平面アンテナである。この平面アンテナでは、垂直用と水平用の給電線２の電気長をπ／２分異ならせることによって、位相が互いに９０度ずれた偏波面になり、その合成が円偏波になる。これにより、円偏波を送受信できる。なお、第１２図（ａｂ）はいずれも縮退モードを利用する。
【０００７】
第１２図（ｃ）は、縮退を解いた一点給電の円偏波用としたＭＳＬ型の平面アンテナである。この平面アンテナは、一組の対角方向の一部を切除して縮退を解き、２方向（垂直及び水平）の共振姿態がアンテナの動作周波数において９０度の位相差を持つようにして、円偏波を送受信するものである。
【０００８】
第１２図（ｄ）は、縮退を解いた円偏波用としたＳＬ型の平面アンテナである。この平面アンテナは、基板３の一主面に縮退を解いた方形状のＳＬを設けて共振器を形成し、前述同様に２方向の共振姿態が９０度の位相差を持つようにして円偏波を送受信するものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の各ＭＳＬ型及びＳＬ型の平面アンテナでは、アンテナ素子１が単一の場合には、水平偏波と垂直偏波を共用してのあるいは円偏波の送受信を可能とするが、アンテナ素子１の複数個を二次元上に並べてこれらの機能を有する多素子平面アレーアンテナを構成するには問題があった。
【００１０】
すなわち、いずれの場合でも、各アンテナ素子１への平面上での給電線２の接続（給電回路の構成）を困難とする。このため、例えば多層基板を用いて給電回路を構成することになるが、この場合においても、各アンテナ素子１を同相で励振する必要があることから、例えば給電点からの線路長を同じにしなければならず設計を困難にする。
【００１１】
さらに、円偏波としての第１２図（ｂ）の場合はアンテナ素子１の一素子毎にπ／2の位相差給電回路が必要とし、第１２図（ｃ）の場合は原理的に動作周波数帯域も狭い。また、第１２図（ｄ）の場合では、給電線２にコプレーナラインを接続してリニアアレー化の例はあるが、垂直と水平の両偏波共用や円偏波を含む２次元アレー化は困難である。このように、従来の平面アンテナでは、いずれも偏波共用化や円偏波を含む２次元アレー化に関して、一般に困難性を有する問題があった。
【００１２】
（発明の目的）本発明は、偏波共用化や円偏波を含む２次元アレー化を可能にした特にＳＬ型のアンテナ素子からなる多素子平面アレーアンテナを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（着目点）本発明は上記の状況に鑑みなされたもので、基板の両面に形成したＭＳＬとＳＬの伝送特性と線路構造に着目し、即ち、特にＳＬ・ＭＳＬの逆相直列分岐及びＳＬの交叉回路の特徴に着目し、これらの特徴を最大限に活用して以下の解決手段を見いだした。
【００１４】
（解決手段、請求項１及び２）基板の一主面に互いに交叉して各先端を短絡終端とした一組のＳＬを形成し、前記各ＳＬの両端側において横断する4本のＭＳＬを前記基板の他主面に形成し、前記４本のＭＳＬの両端側での各交点領域にそれぞれ計４つのＳＬ型のアンテナ素子（ＳＬアンテナ素子とする）を設け、前記４つのアンテナ素子をそれぞれ直交方向に励振可能にして互いに同相励振としたことを基本的な解決手段とし（請求項１）、より具体的には前記ＳＬの交差部における４つのコーナーへの給電を選択した点にある（請求項２）。
【００１５】
【作用】
本発明では、交差する一組のＳＬの両端側にこれを横断するＭＳＬを設けるので、ＳＬを伝播する平衡モードの高周波信号を不平衡モードに変換するとともに逆相直列分岐してに伝播させる。そして、一組のＳＬの交差部に高周波信号を給電する。例えば交差部における４つのコーナーのうち、一方のＳＬの両側となる対面方向のコーナーを対として高周波信号を印加（給電）すれば、ＭＳＬに変換されてＳＬアンテナ素子に対して一方のＳＬとは交差する方向に給電する。
【００１６】
また、交差部における４つのコーナーのうち、他方のＳＬの両側となる対面方向のコーナーを対として高周波信号を印加すれば、ＭＳＬに変換されてアンテナ素子に対して他方のＳＬとは交差する方向に給電する。要するに、一組のＳＬのいずれか一方を励振することによって、各ＳＬアンテナ素子に対していずれか一方のＳＬとは交差する方向で給電できる。したがって、給電次第で、交差する方向での直線偏波を共用できる。
【００１７】
さらに、交差部における４つのコーナーのうち、対角方向の一組のコーナーを対として高周波信号を印加すれば、一組のＳＬのいずれもが励振されて、各ＳＬアンテナ素子に対して交差する方向に給電される。したがって、交差する方向の給電がベクトル合成されて、各ＳＬアンテナ素子に対する給電方向を交差する方向の中間方向に制御できて同方向の偏波をも共用できる。
【００１８】
また、交差部における４つのコーナーのうち、対角方向の二組のコーナーを対としてレベルの異なる高周波信号を印加すれば、各組によるＳＬアンテナ素子のベクトル合成がさらにベクトル合成されて、給電方向を任意に制御できていずれの偏波をも共用できる。
【００１９】
またさらに、交差する一組のＳＬの電気長を互いにπ／２分だけ異ならせ、対角方向の一組のコーナーに高周波信号を印加することによって円偏波にできる。例えば、水平方向のＳＬに対して垂直方向のＳＬの電気長をπ／２だけ遅らすことよって円偏波になる。この場合、一方の対角方向に給電すれば、放射電磁波は右旋偏波となる。また、他方の対角に給電すれば、その直交偏波である左旋偏波となる。したがって、円偏波とするとともに右旋／左旋の選択や、右旋／左旋を同時に動作して例えば右旋を送信しながら左旋を受信する共用が可能となり、直交円偏波の選択又は共用のＳＬアンテナ素子からなる多素子平面アレーアンテナ（ＳＬ型平面アレーアンテナとする）を容易に実現できる。以下、本発明の各実施例を作用とともに詳述する。
【００２０】
【第１実施例、請求項３〜６】
第１図は本発明の原理的な構成及び動作を説明する第１実施例としてのＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
【００２１】
ＳＬ型平面アレーアンテナは、中点が交差する水平と垂直方向の一組即ち直交した第１と第２のＳＬ４（ａｂ）を基板３の一主面に形成する。そして、一組のＳＬ４（ａｂ）の交差部（ＳＬ交差部とする）から同一距離となる各ＳＬ４（ａｂ）の左右及び上下両端側で交差する４本、即ち第１〜第４のＭＳＬ５（ａｂｃｄ）を基板３の他主面に設ける。一組のＳＬ４（ａｂ）は、各ＭＳＬ５（ａｂｃｄ）との交点から概ねλ／４突出して短絡終端とし、電気的には交点から見て開放端とする。なお、図中においての黒点（平面図）及び黒色塗（断面図）はＳＬ及びＭＳＬを形成する導体である。
【００２２】
そして、各ＭＳＬ５（ａｂｃｄ）の両端部となる各交点領域には正方形のＳＬアンテナ素子１を配置する。すなわち、ＳＬアンテナ素子１は水平と垂直の直交方向に縮退モードを有し、第１〜第４のＭＳＬ５（ａｂｃｄ）が形成する幾何学的な正方形の角部に配置される。ＳＬ交差部からＳＬ４（ａｂ）及びＭＳＬ５（ａｂｃｄ）を経てのＳＬアンテナ素子１までの電気長は同一とする。そして、ＳＬ交差部の各コーナーに高周波信号を給電する。ここで、便宜的に、ＳＬ交差部の４つの各コーナーを左上から時計回りにａｂｃｄとして、その動作（作用）を説明する。
【００２３】
先ず、例えばＳＬ交差部における４つのコーナーａｂｃｄのうち、水平方向とした第１ＳＬ４ａの両側となる一方の対面方向であるコーナーａｂとｄｃを対として高周波信号を印加（給電）する。この場合は、両側に印加された高周波信号によって第１ＳＬ４ａが励振され、平衡モードの高周波が第１ＳＬ４ａを伝播する。そして、左右両端側で交差する第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）によって不平衡モードに変換されて、各アンテナ素子１まで伝播する。
【００２４】
このとき、ＳＬからＭＳＬの変換は逆相直列分岐なので、第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）へ変換された高周波はそれぞれ逆位相で伝播される。そして、ＳＬ交差部から各アンテナ素子１までの電気長は同一なので、各アンテナ素子１には逆相で高周波信号が給電されるが、アンテナ給電点が鏡面対称であるために各アンテナ素子１では同相励振となる。この場合は、各アンテナ素子１に対して垂直方向の給電となるので、垂直偏波の給電となる。
【００２５】
次に、第２図に示したように、ＳＬ交差部における４つのコーナーａｂｃｄのうち、垂直方向とした第２ＳＬ４ｂの両側となる対面方向のコーナーａｄとｂｃを対として高周波信号を印加する。この場合は、両側に印加された高周波信号によって第２ＳＬ４ｂが励振され、平衡モードの高周波が第２ＳＬ４ｂを伝播する。そして、上下両端側で交差する第３及び第４ＭＳＬ５（ｃｄ）によって不平衡モードに変換されて、各アンテナ素子１まで伝播する。
【００２６】
このとき、前述同様にＳＬからＭＳＬの変換は逆相直列分岐なので、第３及び第４ＭＳＬ５（ｃｄ）で変換された高周波はそれぞれ逆位相で伝播され、各アンテナ素子１には逆相で高周波信号が給電されるが、アンテナ給電点が鏡面対称であるために各アンテナ素子１では同相励振となる。この場合は、各アンテナ素子１に対して水平方向の給電となるので、水平偏波の給電となる。
【００２７】
さらに、第３図に示したように、ＳＬ交差部における４つのコーナーａｂｃｄのうち、一方の対角方向のコーナーｂｄ間に高周波信号を印加すると次になる。すなわち、コーナーbｄ間に印加すると、ｂｄ間は電気的に遮断状態なので、ｂｃ及びｃd間とｂａ及びａｄ間に電界を生じて、第１と第２ＳＬ４ｂにそれぞれ同位相・同振幅の高周波信号が励起される。その結果、第１ＳＬ４ａに励起された高周波信号は第１ＳＬ４ａを伝播して左右両端側で交差する第１と第２のＭＳＬ５（ａｂ）によって逆相直列分岐し、各アンテナ素子１に対して垂直方向の給電とする。
【００２８】
また、第２ＳＬ４ｂに励起された高周波信号は第２ＳＬ４ｂを伝播して上下両端側で交差する第１と第２のＭＳＬ５（ｃｄ）によって逆相直列分岐し、各アンテナ素子１に対して水平方向の給電とする。したがって、各アンテナ素子１には垂直と水平方向の給電がなされて合成されることから、右傾斜45度の直線偏波を形成することになる。なお、コーナーｂｄとは逆となる対角方向のａｃ 間に高周波信号を印加すると、前述同様の動作によって、右傾斜45度の直線偏波とは直交する左傾斜45度の直線偏波が形成される。
【００２９】
さらにまた、ＳＬ交差部における４つのコーナーａｂｃｄのうち、一方の対角方向のコーナーｂｄと他方の対角方向ａｃのいずれにも高周波信号を印加すると次になる。すなわち、一方の対角方向ｂｄに印加すると前述同様にして右斜め４５度の直線偏波を、他方の対角方向ａｃに印加すると左斜め４５度の直線偏波を各アンテナ素子１に形成する。ここで、例えば一方と他方の対角方向の給電レベルと位相が同一であれば、第４図に示したように右斜め４５度と左斜め４５度合成されて、実質的に垂直方向の給電となり、垂直偏波を形成する。しかし、給電レベルを異ならせることによって、直線偏波の偏波方向を任意に制御できる。
【００３０】
なお、以上は送信系での説明としたが、言うまでもなく受信系も同様の動作が可能である。また、アンテナ素子は正方形としたが、長方形や円形等であってもよく、要は直交方向の縮退モードが存在すれば適用できる。
【００３１】
【第２実施例、請求項７、８】
第５図は、本発明の第２実施例を説明する円偏波としたＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。なお、前第１実施例と同一部分の説明は、これ以降の各実施例では省略又は簡略する。
第２実施例において前第１実施例と大きく異なる点は、ＳＬ交差部から第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）との左右両端での交点までの第１ＳＬ４ａの電気長αと、ＳＬ交差部から第３及び第４ＭＳＬ５（ｃｄ）との上下両端での交点までの第２ＳＬ４ｂの電気長とが、π／２だけ異なることである。この例では、アンテナ素子１は幾何学的に正方形の角部に配置して、水平方向の第１ＳＬ４ａを垂直方向の第２ＳＬ４ｂよりも長くする。そして、左右両端側の第１と第２のＭＳＬ５（ａｂ）は外側に向かって、上下両端側の第３と第４のＭＳＬ５（ｃｄ）は内側に向かってコ字状部を設けて、各アンテナ素子１と接続する。
【００３２】
このような構成であれば、水平励振よりも垂直励振の給電系がπ／２だけ遅れることになる。したがって、この場合には、交差部の一方の対角方向となるコーナーｂｄ間に高周波信号の給電を行えば、紙面手前方向への放射電磁波は水平方向と垂直方向の直交偏波である右旋偏波となる。また、他方の対角方向となるコーナーａｃ間に給電を行えば、その直交偏波である左旋偏波となる。そして、両方の対角方向となるコーナーｂｄ及びａｃに給電を行えば、右遷偏波と左旋偏波とを同時に励起する。すなわち、いずれか一方の給電方向によって右旋／左旋の選択が、両方への給電によって右旋／左旋の共用ができ、直交円偏波の選択又は共用のＳＬ型平面アレーアンテナを容易に実現することができる。
【００３３】
この例では、第１と第２のＳＬ４（ａｂ）にπ／２の電気長差を設けたが、言うまでもなく第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）と第３及び第４ＭＳＬ５（ｃｄ）にその差を設けても、あるいは双方の線路長に適当に配分して第１と第２ＳＬ４ｂの交点から各アンテナ素子１までの電気長が全体としてπ／２の差になれば動作は同じである。また、水平方向の第１ＳＬ４ａよりも垂直方向の第２ＳＬ４ｂをπ／２だけ大きくしてもその基本的動作は同じである。
【００３４】
【第３実施例、請求項９】
第６図は本発明の第３実施例を説明する周波数共用としたＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
前各実施例ではアンテナの動作周波数は同一として異なる偏波面を形成したが、第３実施例は異なる動作周波数で共用する例である。すなわち、第３実施例は、４つのＳＬアンテナ素子１を長方形とし、横と縦の寸法に起因した水平偏波及び垂直偏波のアンテナ周波数ｆ1、ｆ2をそれぞれ異ならせる。
【００３５】
このような構成であれば、例えばＳＬ交差部の対面する一方のコーナーａｂ−ｄｃ間に高周波信号を印加すると、水平方向の第１ＳＬ４ａが励振される。そして、各ＳＬアンテナ素子１には、第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）を経て垂直方向に給電される。したがって、垂直偏波としてアンテナ周波数をｆ2とする。同様に、対面する他方のコーナーａｄ−ｂｃ間に高周波信号を印加すると垂直方向の第２ＳＬ４ｂが励振され、各ＳＬアンテナ素子１には、第３及び第４ＭＳＬ５（ａｂ）を経て水平方向に給電される。したがって、水平偏波としてアンテナ周波数をｆ1とする。これらのことから、直交する直線偏波による周波数共用のＳＬ型平面アレーアンテナを得ることができる。
【００３６】
【第４実施例、請求項１０】
第７図は本発明の第４実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、特に具体的な給電方法を示す図である。なお、第７図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は一部拡大Ａ−Ａ断面図である。
すなわち、第４実施例は前述した例えば第１実施例での４つのアンテナ素子１を配置したＳＬ型平面アレーアンテナに給電する方法であり、ここでは基板３の一主面に設けた第１と第２ＳＬ４（ａｂ）のＳＬ交叉部における一方の対角方向のコーナーｂｄ間に給電する例である。この例では、ＳＬ交差部の一方の対角方向に電磁結合する給電用ＭＳＬ６を基板３の他主面に設け、コーナーｂｄに高周波信号を給電する。但し、給電用ＭＳＬ６のＳＬ交叉部から開放端までの長さは、設計中心周波数で４分の１波長程度であり、他端はビアホールで給電コネクタ７に接続している。なお、給電コネクタには例えば図示しない同軸ケーブルが接続する。
【００３７】
このような構成であれば、同軸ケーブルからの高周波信号を給電用ＭＳＬ６によって、ＳＬ交差部における一方の対角方向のコーナーｂｄに給電することにより、前述した右傾斜４５度の直線偏波を間単に送信できる。勿論、他方の対角方向のコーナーａｃあるいは対面するコーナーａｂ−ｄｃ間及びａｄ−ｂｃ間の給電をもできるとともに受信もできる。これらの場合、例えば一方の対角方向（ｂｄ）のみならず、他方の対角方向（ａｃ）にも給電ＭＳＬ６を形成すれば、右傾斜４５度と左傾斜４５度の直線偏波を共用できる。このように給電用ＭＳＬ６を設ける簡易な構成で給電できる。これらは、直線偏波とした第１実施例のみならず、円偏波とした第２実施例にも適用できる。
【００３８】
【第５実施例、請求項１１】
第８図は本発明の第５実施例を説明する４素子ＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。
すなわち、第５実施例は基板３の他主面のスロット交差部に例えば半導体デバイスや集積回路の機能回路１１を表面実装やフリップチップバンプ技術等によって実装し、これを経由してＳＬ交差部のコーナーにａｂｃｄに選択的に給電するものである。符号１２はバンプである。
【００３９】
このような構成であれば、機能回路を制御してコーナーｂｄやａｃあるいはａｂ−ｄｃやａｄ−ｂｃへの給電を容易にして右及び左傾斜４５度や水平及び垂直偏波を送受信できる。これらのことから、直線偏波の選択や共用等を自在に実現できる。なお、ミリ波の通信システムでは一般的に発振素子の出力が小さい上に給電線路の損失が大きくなる問題があるが、増幅や周波数変換素子などの能動デバイスをＳＬ型平面アレーアンテナに組み込むことにより解決できるとともにさらなる機能を付加したアクティブ化やアダプティブアレー化、及び偏波を適宜に制御して選択できることから、主ビーム制御や干渉波を抑圧するスマート化にも適した構造である。
【００４０】
【第６実施例、請求項１２、１４、１５】
第９図は本発明の第６実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
前第４実施例では基板３は単層として給電したが、第５実施例は多層基板としてビアホールを排除した給電回路を構成するものである。すなわち、第５実施例では、前第１実施例の第１と第２の一組のＳＬ４（ａｂ）の形成された基板３（第１基板３とする）の一主面に第２基板８の他主面を対向して積層する。そして、第２基板８の一主面にＳＬ交差部に電磁結合する給電用ＭＳＬ６を形成して、一主面の端部に導出する。この例では、ＳＬ交差部における一方の対角方向に給電用ＭＳＬ６を形成し、交差部のコーナーｂｄに給電する。そして、図示しない同軸ケーブル等を端部に接続する。
【００４１】
このような構成であれば、多層基板（第２基板８）の一主面に設けた給電用ＭＳＬ６によって、ＳＬ交差部における一方の対角方向のコーナーｂｄに給電するので、前述した右傾斜４５度の直線偏波を送信できる。そして、ビアホールを形成する必要がないので、反射損失や回路損失を抑制できる。なお、この実施例においても、給電用ＭＳＬ６の配置によって左傾斜４５度及び水平、垂直の直線偏波を送受信できるとともに、円偏波や偏波共用としたＳＬ型平面アレーアンテナを得ることができる。
【００４２】
なお、この実施例においては、第２基板８の一主面に前述した半導体デバイスやＩＣ等の機能回路を実装することによって、あるいは給電用ＭＳＬ６に電磁結合した伝送線路及び機能回路及びを備えた回路基板を第２基板に装着することによって、そのアクティブ化やスマート化を実現できる。
【００４３】
【第７実施例、請求項１３〜１５】
第１０図は本発明の第７実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
第７実施例では、前第６実施例と同様に一組のＳＬ４（ａｂ）が形成された第１基板３の一主面に第２基板８の他主面を対向して積層する。そして、左右及び上下両側の第１〜第４ＭＳＬ５（ａｂｃｄ）が一組のＳＬ４（ａｂ）が交差する上下左右の交点とＳＬ交差部との間に、第１〜第４の給電用ＭＳＬ１３（ａｂｃｄ）を第２基板８の一主面（表面）に形成する。但し、第１〜第４ＭＳＬ５（ａｂｃｄ）は第１及び第２ＳＬ４（ａｂ）の直上に重畳する。
【００４４】
このような構成であれば、例えば水平方向の第１と第２の給電用ＭＳＬ１３（ａｃ）に高周波信号を印加すると、交差部の他方の対面するコーナーａｄ−ｂｃ間で電界が発生して垂直方向の第２ＳＬ４ｂが励振される。したがって、各アンテナ素子１には第３及び第４ＭＳＬ５（ｂｄ）を経て水平偏波の給電となる。また、垂直方向の第３と第４の給電用ＭＳＬ１３（ｃｄ）に高周波信号を印加すると、同様に水平方向の第１ＳＬ４ａが励振されて、各アンテナ素子１には第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）を経て水平偏波の給電となる。
【００４５】
なお、この実施例においては、アンテナ素子１を長方形としてｆ１とｆ２の２周波の場合を例示したが、アンテナ素子１を正方形とした場合でも同様に適用できる。また、前第６実施例と同様に、第２基板８の一主面に前述した半導体デバイスやＩＣ等の機能回路を実装することによって、あるいは給電用ＭＳＬ１３（ａｂｃｄ）に電磁結合した伝送線路及び機能回路及びを備えた回路基板を第２基板に装着することによって、そのアクティブ化やスマート化を実現できる。
【００４６】
【第８実施例】
第１１図は本発明の第８実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、直線偏波用の16素子平面アレーアンテナの平面図である。
すなわち、第８実施例は前第１実施例で説明した直交する一組の第１と第２のＳＬ４（ａｂ）及び４角部の４つのアンテナ素子１を第１基板３の一主面に形成し、４つのアンテナ素子１と電磁結合する左右及び上下両端側の第１〜第４のＭＳＬ５（ａｂｃｄ）を第１基板３の他主面に形成してなる４素子平面アレーアンテナを１ユニットとする。そして、４素子平面アレーアンテナの４ユニットをマトリクス状として第１基板３に並べ、１６素子平面アレーアンテナを構成する。
【００４７】
ここでの具体的な給電方法は例えば次にする。すなわち、上下に設けた２ユニットずつの４素子平面アレーアンテナの間となる、第１基板３の一主面に給電用ＳＬ９を設けて共通接続する。そして、前述の第６実施例（第９図）で示したように第１基板３の一主面に第２基板８を積層して、第１〜第３の給電用ＭＳＬ１０（ａｂｃ）を表面に形成する。第１給電用ＭＳＬ１０ａは共通接続した給電用ＳＬ９に交差して電磁結合する。第２及び第３給電用ＭＳＬ１０（ｂｃ）は中央部が給電用ＳＬ９の両端側でそれぞれ電磁結合する。そして、両端側は左右に配置された上下の４素子平面アンテナのスロット交差部に電磁結合し、いずれも一方の対角方向のコーナーｂｄ間に給電する。
【００４８】
このような構成であれば、第１給電用ＭＳＬ１０ａから給電された高周波信号は給電用ＳＬ９の中央部にて並列同相分岐して分配される。そして、給電用ＳＬ９の両端側にて第２と第３の給電用ＭＳＬ１０（ｂｃ）にそれぞれ逆相直列分岐して分配される。したがって、４ユニットの各４素子平面アレーアンテナのスロット交差部におけるコーナーｂｃには同相の高周波信号が給電される。これにより、各ユニットのアンテナ素子１計１６素子はすべてが右傾斜４５度の直線偏波を形成し、高感度とした１６素子平面アレーアンテナを得ることができる。
【００４９】
なお、１６素子平面アレーアンテナとして説明したが、上下に設けた２ユニットに給電する第２給電用ＭＳＬ１０ｂの中点に給電用ＳＬの一端を電磁結合して他端を給電端とすれば、８素子平面アレーアンテナとなる。また、１６素子平面アレーアンテナの一対を上下に鏡面対称に配置して第１給電ＭＳＬ１０ａを共通接続して、その中点に給電用ＳＬを設ければ３２素子平面アレーアンテナを得ることができる。
【００５０】
さらに、言うまでもなく、円偏波用とした１６素子平面アレーアンテナは、前第２実施例（第５図）の４素子平面アレーアンテナを１ユニットとすれば、同様にして構成できる。また、各実施例において電磁波は両主面から放射されるので、一主面又は他主面側からのみの放射とする場合には、それぞれ反対面側に電磁遮蔽箱を設ければよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上に各実施例を説明したように、本発明は基板の両面に形成したＳＬとＭＳＬの伝送特性と線路構造を最大限に活用して、即ちＳＬ・ＭＳＬの逆相直列分岐、及びＭＳＬ・ＳＬの同相並列分岐（１６素子化の場合）、そしてＳＬ４の交叉回路の特徴を活用して、ＳＬ型平面アレーアンテナを構成する。この構成によって、概ね以下の効用が得られる。
（１） 水平・垂直等の直線偏波が同一アンテナで共用できる４素子アレーが容易に実現できる。また、右旋・左旋の直交円偏波の共用も簡単に実現できる。
（２） ４素子アレー化だけではなく、８素子、１６素子、６４素子等の多素子化アレーも容易である。
（３） ＳＬ・ＭＳＬ直列分岐の効用によって各アンテナ素子の励振が相補的となり、その結果、直交偏波抑制や円偏波軸比特性が優れている。
（４） 半導体デバイス、集積回路及びＩＣチップ等の機能回路の実装性にも優れており、平面アレーアンテナのアクティブ化、アダプティブアレー化及びスマート化に有効な構造である。
（５） ２周波共用によるマルチバンド化の平面アレーアンテナとして実現することも容易である。
【００５２】
要するに、本発明では、基板の一主面に互いに交叉して各先端を短絡終端とした一組のＳＬを形成し、前記各ＳＬの両端側において横断する4本のＭＳＬを前記基板の他主面に形成し、前記４本のＭＳＬの両端側での各交点領域にＳＬ型の４つのアンテナ素子を設け、前記４つのアンテナ素子をそれぞれ直交方向に励振可能にして互いに同相励振としたので、偏波共用化や円偏波を含む２次元アレー化を可能にしたＳＬ型平面アレーアンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
【図２】本発明の第１実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図３】本発明の第１実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図４】本発明の第１実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図５】本発明の第２実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図６】本発明の第３実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図７】本発明の第４実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
【図８】本発明の第５実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
【図９】本発明の第６実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
【図１０】本発明の第７実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
【図１１】本発明の第８実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図１２】従来例を説明する図で、同図（ａｂｃｄ）ともに平面アレーアンテナの平面図である。
【符号の説明】
１ アンテナ素子、２ 給電線、３、８ 基板、４、９ ＳＬ、５、６、１０、１３ ＭＳＬ、７ 給電コネクタ、１１ 機能回路、１２ バンプ．
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナ素子の複数個を二次元上に並べた多素子アレー型の平面アンテナ（以下、多素子平面アレーアンテナとする）を産業上の技術分野とし、特に偏波利用を向上させるとともに半導体デバイスやＩＣ等を実装してアクティブ化等を図る多素子平面アレーアンテナに関する。
【０００２】
【従来の技術】
（発明の背景）平面アンテナは、マイクロ波・ミリ波帯のアンテナとして、無線通信や衛星放送などに広く用いられている。このようなものの中に、マイクロストリップライン（ＭＳＬとする）型やスロットライン（ＳＬとする）型等があるが、一般には給電系構造の簡便さや放射特性の理由によりＭＳＬ型が多用されている。
【０００３】
近年では、ＭＳＬ型の課題であるアンテナ利得の向上を目的としてアンテナ素子を複数用いる、所謂、多素子アレー化が行われている。また、アンテナには水平・垂直の直線偏波や右旋・左旋の円偏波があり、送信・受信のアンテナ共用、周波数の有効利用、送受干渉の抑制等の目的で電磁波放射に偏波特性が活用されている。
【０００４】
（従来技術の一例）第１２図（ａｂｃｄ）は従来例を説明する平面アンテナの平面図で、同図（ａｂｃ）はＭＳＬ型、同図（ｄ）はＳＬ型の例である。なお、これらは、いずれも単一のアンテナ素子１からなる平面アンテナで、直線あるいは円偏波を実現するための構成例を示している。
【０００５】
第１２図（ａ）は、方形状のアンテナ素子（回路導体）１及び給電線２を例えば誘電体からなる基板３の一主面に、接地導体を他主面に設けたＭＳＬ型の直線偏波用とした平面アンテナである。この平面アンテナは、アンテナ素子１の外形形状及び基板３の誘電率等によってアンテナ周波数（共振周波数）が決定される。そして、給電線２の接続方向（給電方向）によって送受信の偏波面（直線偏波）が設定され、矢印を付したように垂直方向（図の上下方向）に給電すれば垂直偏波を、水平方向（図の左右方向）に給電すれば水平偏波を送受信できる。
【０００６】
第１２図（b）は、同様に方形状のアンテナ素子１を有するＭＳＬ型の円偏波用とした２点給電による平面アンテナである。この平面アンテナでは、垂直用と水平用の給電線２の電気長をπ／２分異ならせることによって、位相が互いに９０度ずれた偏波面になり、その合成が円偏波になる。これにより、円偏波を送受信できる。なお、第１２図（ａｂ）はいずれも縮退モードを利用する。
【０００７】
第１２図（ｃ）は、縮退を解いた一点給電の円偏波用としたＭＳＬ型の平面アンテナである。この平面アンテナは、一組の対角方向の一部を切除して縮退を解き、２方向（垂直及び水平）の共振姿態がアンテナの動作周波数において９０度の位相差を持つようにして、円偏波を送受信するものである。
【０００８】
第１２図（ｄ）は、縮退を解いた円偏波用としたＳＬ型の平面アンテナである。この平面アンテナは、基板３の一主面に縮退を解いた方形状のＳＬを設けて共振器を形成し、前述同様に２方向の共振姿態が９０度の位相差を持つようにして円偏波を送受信するものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成の各ＭＳＬ型及びＳＬ型の平面アンテナでは、アンテナ素子１が単一の場合には、水平偏波と垂直偏波を共用してのあるいは円偏波の送受信を可能とするが、アンテナ素子１の複数個を二次元上に並べてこれらの機能を有する多素子平面アレーアンテナを構成するには問題があった。
【００１０】
すなわち、いずれの場合でも、各アンテナ素子１への平面上での給電線２の接続（給電回路の構成）を困難とする。このため、例えば多層基板を用いて給電回路を構成することになるが、この場合においても、各アンテナ素子１を同相で励振する必要があることから、例えば給電点からの線路長を同じにしなければならず設計を困難にする。
【００１１】
さらに、円偏波としての第１２図（ｂ）の場合はアンテナ素子１の一素子毎にπ／2の位相差給電回路が必要とし、第１２図（ｃ）の場合は原理的に動作周波数帯域も狭い。また、第１２図（ｄ）の場合では、給電線２にコプレーナラインを接続してリニアアレー化の例はあるが、垂直と水平の両偏波共用や円偏波を含む２次元アレー化は困難である。このように、従来の平面アンテナでは、いずれも偏波共用化や円偏波を含む２次元アレー化に関して、一般に困難性を有する問題があった。
【００１２】
（発明の目的）本発明は、偏波共用化や円偏波を含む２次元アレー化を可能にした特にＳＬ型のアンテナ素子からなる多素子平面アレーアンテナを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（着目点）本発明は上記の状況に鑑みなされたもので、基板の両面に形成したＭＳＬとＳＬの伝送特性と線路構造に着目し、即ち、特にＳＬ・ＭＳＬの逆相直列分岐及びＳＬの交叉回路の特徴に着目し、これらの特徴を最大限に活用して以下の解決手段を見いだした。
【００１４】
（解決手段、請求項１及び２）基板の一主面に互いに交叉して各先端を短絡終端とした一組のＳＬを形成し、前記各ＳＬの両端側において横断する4本のＭＳＬを前記基板の他主面に形成し、前記４本のＭＳＬの両端側での各交点領域にそれぞれ計４つのＳＬ型のアンテナ素子（ＳＬアンテナ素子とする）を設け、前記４つのアンテナ素子をそれぞれ直交方向に励振可能にして互いに同相励振としたことを基本的な解決手段とし（請求項１）、より具体的には前記ＳＬの交差部における４つのコーナーへの給電を選択した点にある（請求項２）。
【００１５】
【作用】
本発明では、交差する一組のＳＬの両端側にこれを横断するＭＳＬを設けるので、ＳＬを伝播する平衡モードの高周波信号を不平衡モードに変換するとともに逆相直列分岐してに伝播させる。そして、一組のＳＬの交差部に高周波信号を給電する。例えば交差部における４つのコーナーのうち、一方のＳＬの両側となる対面方向のコーナーを対として高周波信号を印加（給電）すれば、ＭＳＬに変換されてＳＬアンテナ素子に対して一方のＳＬとは交差する方向に給電する。
【００１６】
また、交差部における４つのコーナーのうち、他方のＳＬの両側となる対面方向のコーナーを対として高周波信号を印加すれば、ＭＳＬに変換されてアンテナ素子に対して他方のＳＬとは交差する方向に給電する。要するに、一組のＳＬのいずれか一方を励振することによって、各ＳＬアンテナ素子に対していずれか一方のＳＬとは交差する方向で給電できる。したがって、給電次第で、交差する方向での直線偏波を共用できる。
【００１７】
さらに、交差部における４つのコーナーのうち、対角方向の一組のコーナーを対として高周波信号を印加すれば、一組のＳＬのいずれもが励振されて、各ＳＬアンテナ素子に対して交差する方向に給電される。したがって、交差する方向の給電がベクトル合成されて、各ＳＬアンテナ素子に対する給電方向を交差する方向の中間方向に制御できて同方向の偏波をも共用できる。
【００１８】
また、交差部における４つのコーナーのうち、対角方向の二組のコーナーを対としてレベルの異なる高周波信号を印加すれば、各組によるＳＬアンテナ素子のベクトル合成がさらにベクトル合成されて、給電方向を任意に制御できていずれの偏波をも共用できる。
【００１９】
またさらに、交差する一組のＳＬの電気長を互いにπ／２分だけ異ならせ、対角方向の一組のコーナーに高周波信号を印加することによって円偏波にできる。例えば、水平方向のＳＬに対して垂直方向のＳＬの電気長をπ／２だけ遅らすことよって円偏波になる。この場合、一方の対角方向に給電すれば、放射電磁波は右旋偏波となる。また、他方の対角に給電すれば、その直交偏波である左旋偏波となる。したがって、円偏波とするとともに右旋／左旋の選択や、右旋／左旋を同時に動作して例えば右旋を送信しながら左旋を受信する共用が可能となり、直交円偏波の選択又は共用のＳＬアンテナ素子からなる多素子平面アレーアンテナ（ＳＬ型平面アレーアンテナとする）を容易に実現できる。以下、本発明の各実施例を作用とともに詳述する。
【００２０】
【第１実施例、請求項３〜６】
第１図は本発明の原理的な構成及び動作を説明する第１実施例としてのＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、前従来例と同一部分には同番号を付与してその説明は簡略又は省略する。
【００２１】
ＳＬ型平面アレーアンテナは、中点が交差する水平と垂直方向の一組即ち直交した第１と第２のＳＬ４（ａｂ）を基板３の一主面に形成する。そして、一組のＳＬ４（ａｂ）の交差部（ＳＬ交差部とする）から同一距離となる各ＳＬ４（ａｂ）の左右及び上下両端側で交差する４本、即ち第１〜第４のＭＳＬ５（ａｂｃｄ）を基板３の他主面に設ける。一組のＳＬ４（ａｂ）は、各ＭＳＬ５（ａｂｃｄ）との交点から概ねλ／４突出して短絡終端とし、電気的には交点から見て開放端とする。なお、図中においての黒点（平面図）及び黒色塗（断面図）はＳＬ及びＭＳＬを形成する導体である。
【００２２】
そして、各ＭＳＬ５（ａｂｃｄ）の両端部となる各交点領域には正方形のＳＬアンテナ素子１を配置する。すなわち、ＳＬアンテナ素子１は水平と垂直の直交方向に縮退モードを有し、第１〜第４のＭＳＬ５（ａｂｃｄ）が形成する幾何学的な正方形の角部に配置される。ＳＬ交差部からＳＬ４（ａｂ）及びＭＳＬ５（ａｂｃｄ）を経てのＳＬアンテナ素子１までの電気長は同一とする。そして、ＳＬ交差部の各コーナーに高周波信号を給電する。ここで、便宜的に、ＳＬ交差部の４つの各コーナーを左上から時計回りにａｂｃｄとして、その動作（作用）を説明する。
【００２３】
先ず、例えばＳＬ交差部における４つのコーナーａｂｃｄのうち、水平方向とした第１ＳＬ４ａの両側となる一方の対面方向であるコーナーａｂとｄｃを対として高周波信号を印加（給電）する。この場合は、両側に印加された高周波信号によって第１ＳＬ４ａが励振され、平衡モードの高周波が第１ＳＬ４ａを伝播する。そして、左右両端側で交差する第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）によって不平衡モードに変換されて、各アンテナ素子１まで伝播する。
【００２４】
このとき、ＳＬからＭＳＬの変換は逆相直列分岐なので、第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）へ変換された高周波はそれぞれ逆位相で伝播される。そして、ＳＬ交差部から各アンテナ素子１までの電気長は同一なので、各アンテナ素子１には逆相で高周波信号が給電されるが、アンテナ給電点が鏡面対称であるために各アンテナ素子１では同相励振となる。この場合は、各アンテナ素子１に対して垂直方向の給電となるので、垂直偏波の給電となる。
【００２５】
次に、第２図に示したように、ＳＬ交差部における４つのコーナーａｂｃｄのうち、垂直方向とした第２ＳＬ４ｂの両側となる対面方向のコーナーａｄとｂｃを対として高周波信号を印加する。この場合は、両側に印加された高周波信号によって第２ＳＬ４ｂが励振され、平衡モードの高周波が第２ＳＬ４ｂを伝播する。そして、上下両端側で交差する第３及び第４ＭＳＬ５（ｃｄ）によって不平衡モードに変換されて、各アンテナ素子１まで伝播する。
【００２６】
このとき、前述同様にＳＬからＭＳＬの変換は逆相直列分岐なので、第３及び第４ＭＳＬ５（ｃｄ）で変換された高周波はそれぞれ逆位相で伝播され、各アンテナ素子１には逆相で高周波信号が給電されるが、アンテナ給電点が鏡面対称であるために各アンテナ素子１では同相励振となる。この場合は、各アンテナ素子１に対して水平方向の給電となるので、水平偏波の給電となる。
【００２７】
さらに、第３図に示したように、ＳＬ交差部における４つのコーナーａｂｃｄのうち、一方の対角方向のコーナーｂｄ間に高周波信号を印加すると次になる。すなわち、コーナーbｄ間に印加すると、ｂｄ間は電気的に遮断状態なので、ｂｃ及びｃd間とｂａ及びａｄ間に電界を生じて、第１と第２ＳＬ４ｂにそれぞれ同位相・同振幅の高周波信号が励起される。その結果、第１ＳＬ４ａに励起された高周波信号は第１ＳＬ４ａを伝播して左右両端側で交差する第１と第２のＭＳＬ５（ａｂ）によって逆相直列分岐し、各アンテナ素子１に対して垂直方向の給電とする。
【００２８】
また、第２ＳＬ４ｂに励起された高周波信号は第２ＳＬ４ｂを伝播して上下両端側で交差する第１と第２のＭＳＬ５（ｃｄ）によって逆相直列分岐し、各アンテナ素子１に対して水平方向の給電とする。したがって、各アンテナ素子１には垂直と水平方向の給電がなされて合成されることから、右傾斜45度の直線偏波を形成することになる。なお、コーナーｂｄとは逆となる対角方向のａｃ 間に高周波信号を印加すると、前述同様の動作によって、右傾斜45度の直線偏波とは直交する左傾斜45度の直線偏波が形成される。
【００２９】
さらにまた、ＳＬ交差部における４つのコーナーａｂｃｄのうち、一方の対角方向のコーナーｂｄと他方の対角方向ａｃのいずれにも高周波信号を印加すると次になる。すなわち、一方の対角方向ｂｄに印加すると前述同様にして右斜め４５度の直線偏波を、他方の対角方向ａｃに印加すると左斜め４５度の直線偏波を各アンテナ素子１に形成する。ここで、例えば一方と他方の対角方向の給電レベルと位相が同一であれば、第４図に示したように右斜め４５度と左斜め４５度合成されて、実質的に垂直方向の給電となり、垂直偏波を形成する。しかし、給電レベルを異ならせることによって、直線偏波の偏波方向を任意に制御できる。
【００３０】
なお、以上は送信系での説明としたが、言うまでもなく受信系も同様の動作が可能である。また、アンテナ素子は正方形としたが、長方形や円形等であってもよく、要は直交方向の縮退モードが存在すれば適用できる。
【００３１】
【第２実施例、請求項７、８】
第５図は、本発明の第２実施例を説明する円偏波としたＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。なお、前第１実施例と同一部分の説明は、これ以降の各実施例では省略又は簡略する。
第２実施例において前第１実施例と大きく異なる点は、ＳＬ交差部から第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）との左右両端での交点までの第１ＳＬ４ａの電気長αと、ＳＬ交差部から第３及び第４ＭＳＬ５（ｃｄ）との上下両端での交点までの第２ＳＬ４ｂの電気長とが、π／２だけ異なることである。この例では、アンテナ素子１は幾何学的に正方形の角部に配置して、水平方向の第１ＳＬ４ａを垂直方向の第２ＳＬ４ｂよりも長くする。そして、左右両端側の第１と第２のＭＳＬ５（ａｂ）は外側に向かって、上下両端側の第３と第４のＭＳＬ５（ｃｄ）は内側に向かってコ字状部を設けて、各アンテナ素子１と接続する。
【００３２】
このような構成であれば、水平励振よりも垂直励振の給電系がπ／２だけ遅れることになる。したがって、この場合には、交差部の一方の対角方向となるコーナーｂｄ間に高周波信号の給電を行えば、紙面手前方向への放射電磁波は水平方向と垂直方向の直交偏波である右旋偏波となる。また、他方の対角方向となるコーナーａｃ間に給電を行えば、その直交偏波である左旋偏波となる。そして、両方の対角方向となるコーナーｂｄ及びａｃに給電を行えば、右遷偏波と左旋偏波とを同時に励起する。すなわち、いずれか一方の給電方向によって右旋／左旋の選択が、両方への給電によって右旋／左旋の共用ができ、直交円偏波の選択又は共用のＳＬ型平面アレーアンテナを容易に実現することができる。
【００３３】
この例では、第１と第２のＳＬ４（ａｂ）にπ／２の電気長差を設けたが、言うまでもなく第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）と第３及び第４ＭＳＬ５（ｃｄ）にその差を設けても、あるいは双方の線路長に適当に配分して第１と第２ＳＬ４ｂの交点から各アンテナ素子１までの電気長が全体としてπ／２の差になれば動作は同じである。また、水平方向の第１ＳＬ４ａよりも垂直方向の第２ＳＬ４ｂをπ／２だけ大きくしてもその基本的動作は同じである。
【００３４】
【第３実施例、請求項９】
第６図は本発明の第３実施例を説明する周波数共用としたＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
前各実施例ではアンテナの動作周波数は同一として異なる偏波面を形成したが、第３実施例は異なる動作周波数で共用する例である。すなわち、第３実施例は、４つのＳＬアンテナ素子１を長方形とし、横と縦の寸法に起因した水平偏波及び垂直偏波のアンテナ周波数ｆ1、ｆ2をそれぞれ異ならせる。
【００３５】
このような構成であれば、例えばＳＬ交差部の対面する一方のコーナーａｂ−ｄｃ間に高周波信号を印加すると、水平方向の第１ＳＬ４ａが励振される。そして、各ＳＬアンテナ素子１には、第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）を経て垂直方向に給電される。したがって、垂直偏波としてアンテナ周波数をｆ2とする。同様に、対面する他方のコーナーａｄ−ｂｃ間に高周波信号を印加すると垂直方向の第２ＳＬ４ｂが励振され、各ＳＬアンテナ素子１には、第３及び第４ＭＳＬ５（ａｂ）を経て水平方向に給電される。したがって、水平偏波としてアンテナ周波数をｆ1とする。これらのことから、直交する直線偏波による周波数共用のＳＬ型平面アレーアンテナを得ることができる。
【００３６】
【第４実施例、請求項１０】
第７図は本発明の第４実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、特に具体的な給電方法を示す図である。なお、第７図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は一部拡大Ａ−Ａ断面図である。
すなわち、第４実施例は前述した例えば第１実施例での４つのアンテナ素子１を配置したＳＬ型平面アレーアンテナに給電する方法であり、ここでは基板３の一主面に設けた第１と第２ＳＬ４（ａｂ）のＳＬ交叉部における一方の対角方向のコーナーｂｄ間に給電する例である。この例では、ＳＬ交差部の一方の対角方向に電磁結合する給電用ＭＳＬ６を基板３の他主面に設け、コーナーｂｄに高周波信号を給電する。但し、給電用ＭＳＬ６のＳＬ交叉部から開放端までの長さは、設計中心周波数で４分の１波長程度であり、他端はビアホールで給電コネクタ７に接続している。なお、給電コネクタには例えば図示しない同軸ケーブルが接続する。
【００３７】
このような構成であれば、同軸ケーブルからの高周波信号を給電用ＭＳＬ６によって、ＳＬ交差部における一方の対角方向のコーナーｂｄに給電することにより、前述した右傾斜４５度の直線偏波を間単に送信できる。勿論、他方の対角方向のコーナーａｃあるいは対面するコーナーａｂ−ｄｃ間及びａｄ−ｂｃ間の給電をもできるとともに受信もできる。これらの場合、例えば一方の対角方向（ｂｄ）のみならず、他方の対角方向（ａｃ）にも給電ＭＳＬ６を形成すれば、右傾斜４５度と左傾斜４５度の直線偏波を共用できる。このように給電用ＭＳＬ６を設ける簡易な構成で給電できる。これらは、直線偏波とした第１実施例のみならず、円偏波とした第２実施例にも適用できる。
【００３８】
【第５実施例、請求項１１】
第８図は本発明の第５実施例を説明する４素子ＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。
すなわち、第５実施例は基板３の他主面のスロット交差部に例えば半導体デバイスや集積回路の機能回路１１を表面実装やフリップチップバンプ技術等によって実装し、これを経由してＳＬ交差部のコーナーにａｂｃｄに選択的に給電するものである。符号１２はバンプである。
【００３９】
このような構成であれば、機能回路を制御してコーナーｂｄやａｃあるいはａｂ−ｄｃやａｄ−ｂｃへの給電を容易にして右及び左傾斜４５度や水平及び垂直偏波を送受信できる。これらのことから、直線偏波の選択や共用等を自在に実現できる。なお、ミリ波の通信システムでは一般的に発振素子の出力が小さい上に給電線路の損失が大きくなる問題があるが、増幅や周波数変換素子などの能動デバイスをＳＬ型平面アレーアンテナに組み込むことにより解決できるとともにさらなる機能を付加したアクティブ化やアダプティブアレー化、及び偏波を適宜に制御して選択できることから、主ビーム制御や干渉波を抑圧するスマート化にも適した構造である。
【００４０】
【第６実施例、請求項１２、１４、１５】
第９図は本発明の第６実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
前第４実施例では基板３は単層として給電したが、第５実施例は多層基板としてビアホールを排除した給電回路を構成するものである。すなわち、第５実施例では、前第１実施例の第１と第２の一組のＳＬ４（ａｂ）の形成された基板３（第１基板３とする）の一主面に第２基板８の他主面を対向して積層する。そして、第２基板８の一主面にＳＬ交差部に電磁結合する給電用ＭＳＬ６を形成して、一主面の端部に導出する。この例では、ＳＬ交差部における一方の対角方向に給電用ＭＳＬ６を形成し、交差部のコーナーｂｄに給電する。そして、図示しない同軸ケーブル等を端部に接続する。
【００４１】
このような構成であれば、多層基板（第２基板８）の一主面に設けた給電用ＭＳＬ６によって、ＳＬ交差部における一方の対角方向のコーナーｂｄに給電するので、前述した右傾斜４５度の直線偏波を送信できる。そして、ビアホールを形成する必要がないので、反射損失や回路損失を抑制できる。なお、この実施例においても、給電用ＭＳＬ６の配置によって左傾斜４５度及び水平、垂直の直線偏波を送受信できるとともに、円偏波や偏波共用としたＳＬ型平面アレーアンテナを得ることができる。
【００４２】
なお、この実施例においては、第２基板８の一主面に前述した半導体デバイスやＩＣ等の機能回路を実装することによって、あるいは給電用ＭＳＬ６に電磁結合した伝送線路及び機能回路及びを備えた回路基板を第２基板に装着することによって、そのアクティブ化やスマート化を実現できる。
【００４３】
【第７実施例、請求項１３〜１５】
第１０図は本発明の第７実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。
第７実施例では、前第６実施例と同様に一組のＳＬ４（ａｂ）が形成された第１基板３の一主面に第２基板８の他主面を対向して積層する。そして、左右及び上下両側の第１〜第４ＭＳＬ５（ａｂｃｄ）が一組のＳＬ４（ａｂ）が交差する上下左右の交点とＳＬ交差部との間に、第１〜第４の給電用ＭＳＬ１３（ａｂｃｄ）を第２基板８の一主面（表面）に形成する。但し、第１〜第４ＭＳＬ５（ａｂｃｄ）は第１及び第２ＳＬ４（ａｂ）の直上に重畳する。
【００４４】
このような構成であれば、例えば水平方向の第１と第２の給電用ＭＳＬ１３（ａｃ）に高周波信号を印加すると、交差部の他方の対面するコーナーａｄ−ｂｃ間で電界が発生して垂直方向の第２ＳＬ４ｂが励振される。したがって、各アンテナ素子１には第３及び第４ＭＳＬ５（ｂｄ）を経て水平偏波の給電となる。また、垂直方向の第３と第４の給電用ＭＳＬ１３（ｃｄ）に高周波信号を印加すると、同様に水平方向の第１ＳＬ４ａが励振されて、各アンテナ素子１には第１及び第２ＭＳＬ５（ａｂ）を経て水平偏波の給電となる。
【００４５】
なお、この実施例においては、アンテナ素子１を長方形としてｆ１とｆ２の２周波の場合を例示したが、アンテナ素子１を正方形とした場合でも同様に適用できる。また、前第６実施例と同様に、第２基板８の一主面に前述した半導体デバイスやＩＣ等の機能回路を実装することによって、あるいは給電用ＭＳＬ１３（ａｂｃｄ）に電磁結合した伝送線路及び機能回路及びを備えた回路基板を第２基板に装着することによって、そのアクティブ化やスマート化を実現できる。
【００４６】
【第８実施例】
第１１図は本発明の第８実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、直線偏波用の16素子平面アレーアンテナの平面図である。
すなわち、第８実施例は前第１実施例で説明した直交する一組の第１と第２のＳＬ４（ａｂ）及び４角部の４つのアンテナ素子１を第１基板３の一主面に形成し、４つのアンテナ素子１と電磁結合する左右及び上下両端側の第１〜第４のＭＳＬ５（ａｂｃｄ）を第１基板３の他主面に形成してなる４素子平面アレーアンテナを１ユニットとする。そして、４素子平面アレーアンテナの４ユニットをマトリクス状として第１基板３に並べ、１６素子平面アレーアンテナを構成する。
【００４７】
ここでの具体的な給電方法は例えば次にする。すなわち、上下に設けた２ユニットずつの４素子平面アレーアンテナの間となる、第１基板３の一主面に給電用ＳＬ９を設けて共通接続する。そして、前述の第６実施例（第９図）で示したように第１基板３の一主面に第２基板８を積層して、第１〜第３の給電用ＭＳＬ１０（ａｂｃ）を表面に形成する。第１給電用ＭＳＬ１０ａは共通接続した給電用ＳＬ９に交差して電磁結合する。第２及び第３給電用ＭＳＬ１０（ｂｃ）は中央部が給電用ＳＬ９の両端側でそれぞれ電磁結合する。そして、両端側は左右に配置された上下の４素子平面アンテナのスロット交差部に電磁結合し、いずれも一方の対角方向のコーナーｂｄ間に給電する。
【００４８】
このような構成であれば、第１給電用ＭＳＬ１０ａから給電された高周波信号は給電用ＳＬ９の中央部にて並列同相分岐して分配される。そして、給電用ＳＬ９の両端側にて第２と第３の給電用ＭＳＬ１０（ｂｃ）にそれぞれ逆相直列分岐して分配される。したがって、４ユニットの各４素子平面アレーアンテナのスロット交差部におけるコーナーｂｃには同相の高周波信号が給電される。これにより、各ユニットのアンテナ素子１計１６素子はすべてが右傾斜４５度の直線偏波を形成し、高感度とした１６素子平面アレーアンテナを得ることができる。
【００４９】
なお、１６素子平面アレーアンテナとして説明したが、上下に設けた２ユニットに給電する第２給電用ＭＳＬ１０ｂの中点に給電用ＳＬの一端を電磁結合して他端を給電端とすれば、８素子平面アレーアンテナとなる。また、１６素子平面アレーアンテナの一対を上下に鏡面対称に配置して第１給電ＭＳＬ１０ａを共通接続して、その中点に給電用ＳＬを設ければ３２素子平面アレーアンテナを得ることができる。
【００５０】
さらに、言うまでもなく、円偏波用とした１６素子平面アレーアンテナは、前第２実施例（第５図）の４素子平面アレーアンテナを１ユニットとすれば、同様にして構成できる。また、各実施例において電磁波は両主面から放射されるので、一主面又は他主面側からのみの放射とする場合には、それぞれ反対面側に電磁遮蔽箱を設ければよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上に各実施例を説明したように、本発明は基板の両面に形成したＳＬとＭＳＬの伝送特性と線路構造を最大限に活用して、即ちＳＬ・ＭＳＬの逆相直列分岐、及びＭＳＬ・ＳＬの同相並列分岐（１６素子化の場合）、そしてＳＬ４の交叉回路の特徴を活用して、ＳＬ型平面アレーアンテナを構成する。この構成によって、概ね以下の効用が得られる。
（１） 水平・垂直等の直線偏波が同一アンテナで共用できる４素子アレーが容易に実現できる。また、右旋・左旋の直交円偏波の共用も簡単に実現できる。
（２） ４素子アレー化だけではなく、８素子、１６素子、６４素子等の多素子化アレーも容易である。
（３） ＳＬ・ＭＳＬ直列分岐の効用によって各アンテナ素子の励振が相補的となり、その結果、直交偏波抑制や円偏波軸比特性が優れている。
（４） 半導体デバイス、集積回路及びＩＣチップ等の機能回路の実装性にも優れており、平面アレーアンテナのアクティブ化、アダプティブアレー化及びスマート化に有効な構造である。
（５） ２周波共用によるマルチバンド化の平面アレーアンテナとして実現することも容易である。
【００５２】
要するに、本発明では、基板の一主面に互いに交叉して各先端を短絡終端とした一組のＳＬを形成し、前記各ＳＬの両端側において横断する4本のＭＳＬを前記基板の他主面に形成し、前記４本のＭＳＬの両端側での各交点領域にＳＬ型の４つのアンテナ素子を設け、前記４つのアンテナ素子をそれぞれ直交方向に励振可能にして互いに同相励振としたので、偏波共用化や円偏波を含む２次元アレー化を可能にしたＳＬ型平面アレーアンテナを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
【図２】本発明の第１実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図３】本発明の第１実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図４】本発明の第１実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図５】本発明の第２実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図６】本発明の第３実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図７】本発明の第４実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
【図８】本発明の第５実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
【図９】本発明の第６実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
【図１０】本発明の第７実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの図で、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）はＡ―Ａ断面図である。
【図１１】本発明の第８実施例を説明するＳＬ型平面アレーアンテナの平面図である。
【図１２】従来例を説明する図で、同図（ａｂｃｄ）ともに平面アレーアンテナの平面図である。
【符号の説明】
１ アンテナ素子、２ 給電線、３、８ 基板、４、９ ＳＬ、５、６、１０、１３ ＭＳＬ、７ 給電コネクタ、１１ 機能回路、１２ バンプ．
Claims (16)
- 基板の一主面に互いに交叉して各先端を短絡終端とした一組のスロットラインを形成し、前記各スロットラインの両端側において横断する4本のマイクロストリップラインを前記基板の他主面に形成し、前記４本のマイクロストリップラインの両端側での各交点領域にスロットライン型の４つのアンテナ素子を設け、前記４つのアンテナ素子をそれぞれ直交方向に励振可能にして互いに同相励振としたことを特徴とする多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１において、前記スロットラインの交差部における４つのコーナーへの給電を選択して前記アンテナ素子を励振した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１において、前記スロットラインの交叉部から前記マイクロストリップラインとの横断点を経由した前記アンテナ素子までの電気長が全て等しい多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項３において、前記スロットラインの交差部における４つのコーナーのうち、前記スロットラインのいずれか一方の両側となる対面方向のコーナーに給電した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項３において、前記スロットラインの交差部における４つのコーナーのうち、いずれか一方の対角方向のコーナーに給電した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項３において、前記スロットラインの交差部における４つのコーナーのうち、両方の対角方向のコーナーに給電した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１において、前記スロットラインの交叉部から前記マイクロストリップラインとの横断点を経由した前記アンテナ素子までの電気長の差が、前記一組のスロットライン間でπ／2に等しい多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項７において、前記スロットラインの交差部における４つのコーナーのうち、いずれか一方の対角方向のコーナーに給電した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１において、前記アンテナ素子は長方形とし、前記スロットラインの交差部における４つのコーナーのうち、いずれか一方の対角方向のコーナーに給電した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１において、前記一組のスロットラインの交叉部に交差する給電用マイクロストリップラインを前記基板の他主面に設け、前記給電用マイクロストリップラインから前記交差部の対角方向のコーナーに給電した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１において、前記一組のスロットラインの交差部に機能回路を実装して、前記交差部の４つのコーナーへの給電を制御した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１において、前記基板を第１基板として前記第１基板の一主面に第２基板の他主面を接合し、前記第２基板３の一主面に前記一組のスロットラインの交叉部と交叉する給電用マイクロストリップラインを配置し、前記給電用マイクロストリップラインから前記交差部の対角方向のコーナーに給電した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１において、前記基板を第１基板として前記第１基板の一主面に第２基板の他主面を接合し、前記一組のスロットラインの交差部から延出した４本のスロットラインの直上に給電用マイクロストリップラインを重畳して前記基板の一主面に形成し、前記交差部で対向する一対の給電用マイクロストリップラインによって前記交差部の対面方向のコーナーに給電した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１２又は１３において、前記第２基板の一主面に機能回路を実装した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１２又は１３において、前記第２基板の一主面に、前記給電用マイクロストリップラインと電磁結合した伝送線路及び機能回路を備えた回路基板を装着した多素子アレー型の平面アンテナ。
- 請求項１の多素子アレー型の平面アンテナを１ユニットとして２ユニット以上を第１基板の一主面に配置するとともに前記２ユニットの間に給電用ＳＬを設け、前記第１基板の一主面に第２基板の他主面を接合して、前記第２基板の一主面に設けられて前記給電用スロットラインと電磁結合して両端側が各ユニットの前記スロットラインの交差部と電磁結合したマイクロストリップラインを設けて、少なくとも２ユニットを同位相で励振したことを特徴とする多素子アレー型の平面アンテナ。
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