JP4118835B2

JP4118835B2 - 機能平面アレーアンテナ

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Publication number: JP4118835B2
Application number: JP2004155215A
Authority: JP
Inventors: 正義相川; 英輔西山; 文雄浅村; 武雄追田
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY; Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION SAGA UNIVERSITY; Nihon Dempa Kogyo Co Ltd
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2024-05-25
Also published as: US20050264451A1; US7095373B2; JP2005341063A

Description

本発明はミリ波やマイクロ波帯等の平面共振器を用いたアレーアンテナを技術分野とし、特に直交偏波や円偏波及び複数周波数帯等の送受信を容易にした機能平面アレーアンテナに関する。

（発明の背景）一般に、平面アンテナは簡易な加工性や小型軽量性から、モバイル通信やワイヤレス通信や衛星放送等に広く用いられている。近年では、これら無線通信の発展とその多様化に伴い、アンテナにも高性能化・高機能化が求められている。このようなものの一つに本出願人による機能平面アレーアンテナがある（特許文献１）。

（従来技術の一例）第１０図は一従来例を説明する機能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。

機能平面アレーアンテナは誘電体等の単層基板１に形成された４つのアンテナ素子２（ａｂｃｄ）と、給電系（全体の符号なし）とからなる。各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）はマイクロストリップライン（以下、ＭＳＬとする）型の平面共振器からなる。具体的には、単層基板１の一主面に設けた正方形の共振導体３と他主面の接地導体４からなる。各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）（共振導体３）の中心は幾何学的方形状ここでは正方形の各角部に位置する。

給電系は単層基板１の一主面に設けた上下左右の第１〜第４ＭＳＬ５、６、７、８と、他主面に設けた十字状の第１及び第２スロットライン（以下、第１及び第２ＳＬとする）９、１０とからなる。上下の第１及び第２ＭＳＬ５、６は上側左右及び下側左右のアンテナ素子２（ａｂ）及び２（ｃｄ）を、左右の第３及び第４ＭＳＬ７、８は右側上下及び左側上下のアンテナ素子２（ａｃ）及び２（ｂｄ）を共通接続する。

十字状の第１及び第２ＳＬ９、１０は幾何学的正方形の中央領域に交差点を有する。垂直方向の第１ＳＬ９は両端側で上下の第１及び第２ＭＳＬ５、６と中央部で交差して電磁結合する。水平方向の第２ＳＬ１０は両端側で左右の第３及び第４ＭＳＬ７、８と交差して電磁結合する。

なお、第１ＳＬ９の両端は第１及び第２ＭＳＬ５、６から、第２ＳＬ１０の両端は第３及び第４ＭＳＬ７、８から約λ／４分突出する。これにより、各ＭＳＬとの交点から見て各ＳＬの先端側は開放端になり、伝播効率を高める。

このようなものでは、例えば第１及び第２ＳＬ９、１０の交差点における上側左右と下側左右のコーナー間（図のａｂ−ｃｄ間）に給電すれば、水平方向の第２ＳＬ１０に例えば矢印で示す電界方向での高周波が励起される。そして、左右の第３及び第４ＭＳＬ７、８の各中点で電磁結合し、各中点から見て電界が逆向きとなって即ち逆相分配されて上下方向に高周波が伝播する。これにより、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）には上下方向の同相での高周波が給電されて、例えば垂直偏波として放射される。

また、第１及び第２ＳＬ９、１０の交差点における左側上下と右側上下のコーナー間（ａｄ−ｂｃ間）に給電すれば、垂直方向の第１ＳＬ９に高周波が励起される。そして、上下の第１及び第２ＭＳＬ５、６の各中点で電磁結合し、各中点から見て電界が逆向きとなって左右方向に高周波が逆相分配される。これにより、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）には左右方向の同相での高周波が給電されて、水平偏波として放射される。なお、ここでは、アンテナ素子２を正方形とするので、垂直及び水平偏波は同一周波数となる。

したがって、第１及び第２ＳＬ９、１０の交差点にＩＣ等の機能素子を接続して上下又は左右の各コーナー間（ａｂ−ｃｄ又はａｄ−ｂｃ間）に給電すれば、単一のアンテナで垂直偏波や水平偏波を送信できる。また、コーナーの対角方向ａｃ又はｂｄ間）に給電すれば４５度傾斜偏波を送信でき、さらには遅延回路や各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）の形状を変えれば、円偏波や多周波共用の機能平面アレーアンテナを得ることができる。なお、これらは、逆作用によって受信も可能になることは勿論である。
特開２００３−１９８２４０号公報（0041欄の記載及び図９）

（従来技術の問題点）しかしながら、上記構成の平面アレーアンテナでは、十字状の第１及び第２ＳＬの交差点に給電用の機能素子を接続し、例えば板面に対して垂直方向に給電ケーブルを接続する。したがって、給電ケーブルを含めたアンテナが立体的になって平面化を阻害する問題があった。

このことから、例えば特許文献１の第９図に示されるように、多層基板とした積層面に接地導体として機能する中間層導体４Ａに第１及び第２ＳＬを形成する。そして、多層基板１Ａの他主面にＭＳＬを設けて第１及び第２ＳＬの交差点に給電することが考えられる。例えば同第９図では交差点の対角方向（ｂｄ間）に給電して右傾斜４５度の直線偏波の送信例を示している。また、００４１欄では垂直及び水平偏波の送受信も可能としている。

しかし、垂直及び水平偏波の共用とするためには、多層基板の他主面側からの給電ではＭＳＬが交差する。また、一主面側に一方のＭＳＬを形成する場合には、第１〜第４ＭＳＬ５、６、７、８のいずれかと交差する。このことから、ＭＳＬを給電用として垂直及び水平偏波の共用を実現することは困難であった。

（発明の目的）本発明は給電系の配線を簡素化して平面化を促進する機能平面アレーアンテナを提供することを目的とする。

本発明は、特許請求の範囲（請求項１、第１〜第９図に共通）に示したように、中間層導体を積層面に有する多層基板と、前記多層基板に設けられて幾何学的方形状の４角部に配置された４つの平面アンテナ素子と、前記４つの平面アンテナ素子と電磁気的に接続する上下及び左右の第１、第２及び第３及び第４ＭＳＬと、前記多層基板の積層面に設けられて前記幾何学的方形状の中央領域で交差点を有して各両端側で前記第１、第２ＭＳＬ及び第３、第４ＭＳＬと電磁結合した上下（垂直）及び左右（水平）方向の第１及び第２ＳＬとを備え、前記アンテナ素子に対する給電方向を垂直又は及び水平方向とした機能平面アレーアンテナにおいて、前記第１ＳＬの中央領域にて先端側が交差して電磁結合する左右方向の第５ＭＳＬと、前記第２ＳＬの中央領域にて先端側が交差して電磁結合する上下方向の第６ＭＳＬとを設けた構成とする。

上記構成によれば、多層基板として、上下の第１及び第２ＳＬに、第５及び第６ＭＳＬによって給電するので、伝送線路のみの給電系として従来例のように機能素子を必要としない。これにより、板面に対して垂直方向の給電ケーブルを設けることもないので、アンテナの平面化を促進できる。

本発明の請求項２（第１及び第２図に相当）で示すように、請求項１での前記幾何学的方形状の４角部に配置された４つのアンテナ素子は前記多層基板の一主面に設けられたＭＳＬ型であって、前記４つのアンテナ素子のうちの上側左右及び下側左右は前記多層基板１Ａの一主面に設けた上下の第１及び第２ＭＳＬで電気的に接続し、前記アンテナ素子２のうちの右側上下及び左側上下は前記多層基板の他主面に設けた左右の第３及び第４ＭＳＬ及びビアホールによって電気的に接続し、前記第５ＭＳＬは前記多層基板の一主面に設けられ、前記第６ＭＳＬは前記多層基板の他主面に設けられる。

同請求項３（第３図に相当）では、請求項１での前記幾何学的方形状の４角部に配置された４つのアンテナ素子は前記多層基板の一主面に設けられたＭＳＬ型であって、前記４つのアンテナ素子は前記多層基板の一主面に設けた上下左右の第１、第２、第３及び第４ＭＳＬで電気的に接続し、前記第５及び第６ＭＳＬは前記多層基板の他主面に設けられ、前記第５及び第６ＭＳＬのうちの一方は前記中央領域にて導線を用いたエアーブリッジによって接続される。

同請求項４（第４図に相当）では、請求項１での前記幾何学的方形状の４角部に配置された４つのアンテナ素子は前記多層基板の一主面に設けられたマイクロストリップライン型であって、前記４つのアンテナ素子のうちの上側左右及び下側左右は前記多層基板の一主面に設けた上下の第１及び第２マイクロストリップラインで電気的に接続し、前記アンテナ素子のうちの左側上下及び右側上下は前記多層基板の他主面に設けた左右の第３及び第４マイクロストリップラインと前記中間層導体に設けた開口部を経て電磁結合し、前記第５マイクロストリップラインは前記多層基板の一主面に設けられ、前記第６マイクロストリップラインは前記多層基板の他主面に設けられる。

同請求項５（第５図に相当）では、請求項１での前記幾何学的方形状の４角部に配置された４つのアンテナ素子は前記多層基板の積層面に設けられたＳＬ型であって、前記４つのアンテナ素子のうちの上側左右及び下側左右は前記多層基板の一主面に設けた上下の第１及び第２ＭＳＬで電気的に接続し、前記アンテナ素子のうちの右側上下及び左側上下は前記多層基板の他主面に設けた左右の第３及び第４ＭＳＬと電磁結合し、前記第５ＭＳＬは前記多層基板の一主面に設けられ、前記第６ＭＳＬは前記多層基板の他主面に設けられる。

同請求項２〜５の構成によって、第５及び第６ＭＳＬから各アンテナ素子に対して互いに独立して給電できる。

同請求項６（第１〜第５図に相当）では、請求項１乃至５のいずれかにおける前記アンテナ素子は正方形又は円として同一周波数とした垂直及び水平偏波共用とする。

同請求項７（第６図に相当）では、請求項１乃至５のいずれかにおける前記アンテナ素子は長方形又は楕円として多周波共用とする。

同請求項８（第７及び８図に相当）では、請求項１乃至５のいずれかにおける前記第５と第６ＭＳＬとの間に位相差を９０°とする遅延回路を設けて円偏波用とする。

同請求項９（第８図に相当）では、請求項８の前記遅延回路は２入力及び２出力端として、一方の入力端及び他方の入力端からの高周波は２出力端の間で互いに進み及び遅れとなるπ／２の位相差を持つ電力分配・結合器であって、左旋及び右旋共用とする。

同請求項６〜９の構成によって高機能化とした機能平面アレーアンテナを得ることができる。

同請求項１０（第９図に相当）では、請求項１の機能平面アレーアンテナを１ユニットとして４ユニットをマトリックス状に配置し、前記垂直及び水平方向の第５及び第６ＭＳＬ同士を共通接続して第５及び第６共通ＭＳＬとし、前記第５及び第６共通マイクロストリップラインの包囲する中央領域に交差点を有して前記第５及び第６ＭＳＬと両端側で電磁結合する第３及び第４ＳＬを設け、前記第３及び第４ＳＬに先端側が交差する第７及び第８ＭＳＬを設け、アンテナ素子を１６素子とする。

これにより、４素子のみならず１６素子の機能平面アレーアンテナを得ることができる。勿論、これを繰り返すことによって４^{（ｎ＋１）}（但し、ｎは正の整数）素子とした機能平面アレーアンテナをも得られる。以下、本発明の各実施例によってこれらをさらに詳細する。

第１図は本発明の第１実施例（請求項２に相当）を説明する機能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。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。

機能平面アレーアンテナは、中間層導体４Ａを有する多層基板１Ａを用いて構成される。多層基板１Ａの一主面には前述同様にＭＳＬ型とした４つのアンテナ素子２（ａｂｃｄ）を幾何学的正方形の角部に配置する。これらは、第１及び第２給電系によって図の上下（垂直）及び同左右（水平）方向の直交方向に給電される。

ここでの第１給電系は前述した垂直方向の第１ＳＬ９と、この両端（上下端）側で中央部が直交する上下の第１及び第２ＭＳＬ５、６とを有し、さらに第５ＭＳＬ１１を付加してなる。第２給電系は水平方向の第２ＳＬ１０と、この両端（左右端）側で中央部が直交する左右の第３及び第４ＭＳＬ７、８を有し、さらに第６ＭＳＬ１２を付加してなる。

第１ＳＬと第２ＳＬ９、１０は多層基板１Ａの中間層導体４Ａに設けられ、前述したように各中央部が互いに交差（ここでは直交）して垂直及び水平方向（図の上下及び左右方向）に設けられる。そして、第１と第２ＳＬ９、１０の交差点は各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）が角部に配置される幾何学的正方形の中央領域に位置し、各両端部はアンテナ素子２（ａｂｃｄ）間に延出する。

第１及び第２ＭＳＬ５、６と新たに付加された第５ＭＳＬ１１は多層基板１Ａの一主面に設けられる。第１及び第２ＭＳＬ５、６は、前述同様に上側左右及び下側左右のアンテナ素子２（ａｂ）及び２（ｃｄ）を電気的に直接に接続する。第５ＭＳＬ１１は給電端（多層基板１Ａの左端）から左側上下のアンテナ素子２（ａｃ）間を延出し、垂直方向とした第１ＳＬ９の中央部（中点）で直交する。

第３及び第４ＭＳＬ７、８と新たに付加された第６ＭＳＬ１２は多層基板１Ａの他主面に設けられる。第３及び第４ＭＳＬ７、８は、前述同様に左側上下及び右側上下のアンテナ素子２（ａｄ）及び２（ｂｃ）をビアホール１３を経て電気的に直接に接続する。第６ＭＳＬは給電端（多層基板１Ａの下端）から下側左右のアンテナ素子２（ｃｄ）間を延出し、水平方向とした第２ＳＬ１０の中央部で直交する。

このような構成であれば、第１給電系によって、多層基板１Ａの左端からの高周波は、水平方向とした第５ＭＳＬ１１が垂直方向の第１ＳＬ９に中央部で電磁結合する。そして、第１ＳＬ９の中央部から両端（上下端）側に同相で分岐し、前述のように各両端側で水平方向とした上下の第１及び第２ＭＳＬ５、６の各中央部で電磁結合する。そして、第１及び第２ＭＳＬ５、６の各中央部から逆相分岐して各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に水平方向とした同相で給電される。したがって、高周波を例えば水平偏波として放射（送信）できる。

また、第２給電系によって、多層基板１Ａの下端からの高周波は、垂直方向とした第６ＭＳＬ１２が水平方向の第２ＳＬ１０に中央部で電磁結合する。そして、第２ＳＬ１０の中央部から両端（左右端）側に同相で分岐し、前述のように各両端側で垂直方向とした左右の第３及び第４ＭＳＬ７、８の各中央部で電磁結合する。そして、第３及び第４ＭＳＬ７、８の各中央部から逆相分岐して各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に垂直方向とした同相で給電される。したがって、高周波を垂直偏波として放射（送信）できる。これらは、逆作用によって水平及び垂直偏波の受信をも可能にする。

このようなことから、この例ではアンテナ素子を４素子２（ａｂｃｄ）としてアレー化し、第１及び第２給電系によって水平及び垂直偏波の送受信を共用し得る機能平面アレーアンテナを得ることができる。また、第１及び第２給電系は積層面の互いに直交する第１及び第２ＳＬを基本として、これらの各中央部及び両端側で電磁結合する第５及び第６ＭＳＬと第７及び第８ＭＳＬとから形成するので、各給電系における配線の簡素化を維持する。

また、第１給電系の第１、第２及び第５ＭＳＬ５、６、１１は多層基板１Ａの一主面に形成し、第２給電系の第３、第４ＭＳＬ７、８、１２は同他主面に形成する。そして、他主面に設けた左右の第３及び第４ＭＳＬ７、８は左側上下及び右側上下のアンテナ素子２（ａｄ）及び２（ｂｃ）とビアホール１３によって接続する。したがって、第１と第２給電系は電気的に独立して短絡することなく、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）への給電を確実にする。

さらに、第１及び第２ＳＬ９、１０には多層基板１Ａの左端及び下端からの第５及び第６ＭＳＬによって給電するので、従来のように機能素子を用いて板面に対して垂直方向からの給電を要しない。したがって、第１及び第２給電系の配線を簡素化した上で、平面化をさらに促進できる。

なお、第１実施例では、多層基板１Ａにおける他主面の第３及び第４ＭＳＬ７、８の各両端部と一主面のアンテナ素子２（ａｂｃｄ）とを接続するビアホール１３は例えば第２図に示したようにしてもよい。

すなわち、第３及び第４ＭＳＬ７、８にそれぞれ重畳する突出部１４を各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に設けて、ビアホール１３を形成してもよい。この場合、アンテナ素子２（ａｂｃｄ）内にビアホール１３がないので、共振特性を良好に維持する。アンテナ素子２（ａｂｃｄ）をＭＳＬ型としてビアホール１３を使用する場合は、これ以降の実施例でも同様である。

第３図は本発明の第２実施例（請求項３に相当）を説明する機能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。なお、これ以降の各実施例では前実施例と同一部分の説明は省略又は簡略する。また、図中への電界方向を示す矢印は省略する。

第２実施例は多層基板１Ａとして積層面に互いに直交する垂直及び水平方向の第１及び第２ＳＬ９、１０を使用する基本的構成は前第１実施例と同一とし、ビアホール１３を使用することなく各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に対して直交方向に給電する例である。

すなわち、第２実施例では、多層基板１Ａにおける一主面の４角部に各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）を形成する。そして、いずれも一主面に形成した上下左右の第１、第２、第３及び第４ＭＳＬ５〜８で接続する。上下の第１及び第２ＭＳＬ５、６は垂直方向とした第１ＳＬ９の上下端側で直交して、左右の第３及び第４ＭＳＬ７、８は水平方向とした第２ＳＬ１０の左右端側で直交してそれぞれ電磁結合する。

そして、多層基板１Ａの他主面には左端及び下端から水平方向及び垂直方向に延出した第５及び第６ＭＳＬ１１、１２が設けられる。第５ＭＳＬ１１は左側上下のアンテナ素子２（ａｃ）間を延出し、垂直方向の第１ＳＬ９の中点で導線１５を用いたエアブリッジによって直交する。第６ＭＳＬ１２は下側左右のアンテナ素子２（ｃｄ）間を延出し、第５ＭＳＬ１１のエアブリッジ間を通過して水平方向とした第１ＳＬの中点で直交する。

このような構成であれば、前第１実施例と同様に、第１ＳＬ９と第１及び第２ＭＳＬ５、６と第５ＭＳＬ１１とからなる第１給電系によって、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に高周波を水平方向で給電する。また、第２ＳＬ１０と第３及び第４ＭＳＬ７、８と第６ＭＳＬ１２とからなる第２給電系によって、高周波を垂直方向で給電する。

この場合、導線１５を用いたエアブリッジによって第５ＭＳＬ１１を接続するので、第１と第２給電系とは電気的に独立して両者間の短絡を防止する。したがって、水平及び垂直偏波を送受信できて、配線を簡易にする。そして、積層基板１Ａの左端及び下端からの第５及び第６ＭＳＬ１１、１２による給電になるので、ここでもアンテナの平面化を促進できる。

第４図は本発明の第３実施例（請求項４に相当）を説明する機能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、同図（ｃ）は裏面図である。なお、第４図（ｃ）の裏面図は、同図（ａ）の透視図で裏面側を実線としており、以降の実施例においても同様である。

第３実施例は、積層基板１Ａの積層面に設けた互いに直交する第１及び第２ＳＬ９、１０による給電系の基本的構成は同一とする。そして、前第１及び第２実施例のビアホール１３及び導線１５によるエアーブリッジを使用することなく、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に対して水平及び垂直方向の直交方向に給電する例である。

すなわち、第３実施例では、ここでも前述同様に積層基板１Ａにおける一主面の４角部にＭＳＬ型とした４つのアンテナ素子２（ａｂｃｄ）を設ける。そして、第１及び第２ＳＬ９、１０の設けられる中間層導体４Ａには、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）の中央部下方に位置する開口部１６を４角部に設ける。

上側左右及び下側左右のアンテナ素子２（ａｂ）及び２（ｃｄ）は一主面の上下に設けた第１及び第２ＭＳＬ５、６によって電気的に直接に接続する。また、左側上下及び右側上下のアンテナ素子２（ａｄ）及び２（ｂｃ）は他主面に設けた左右の第３及び第４ＭＳＬ７、８によって、積層面に設けた各開口部１６を経て電磁結合する。

そして、垂直方向の第１ＳＬ９には前述のように一主面に設けた第５ＭＳＬ１１によって、水平方向の第２ＳＬ１０には他主面に設けた第６ＭＳＬによって電磁結合（給電）する。これにより、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に対し、前述同様にして水平及び垂直方向から高周波を印加する第１及び第２給電系を形成する。

このような構成であれば、積層面に設けた開口部１６によって、他主面に設けた左右の第３及び第４ＭＳＬ７、８と左側上下及び右側上下のアンテナ素子２（ａｄ）及び２（ｂｃ）とを電磁結合するので、ビアホール１３やエアブリッジを使用することなく水平及び垂直偏波を送受信できる。そして、前述同様に、アンテナの平面化を促進できる。

第５図は本発明の第４実施例（請求項４に相当）を説明する機能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、同図（ｃ）は裏面図である。

第４実施例は、前第３実施例と同様にビアホール１３及びエアブリッジなしでの給電例で、ここでは前各実施例のアンテナ素子２（ａｂｃｄ）をＭＳＬ型からＳＬ型として構成するものである。

すなわち、第３実施例では、多層基板１Ａの一主面に代えて中間層導体４Ａに環状の開口路１７を設け、ＳＬ型のアンテナ素子２（ａｂｃｄ）を形成する。ここでも、４つの各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）は幾何学的正方形の４角部に配置され、積層面（中間層導体４Ａ）には互いに直交する第１及び第２ＳＬ９、１０が形成（配置）される。

多層基板１Ａの一主面には、水平方向の第１、第２及び第５ＭＳＬ５、６、１１が形成されて、積層面の垂直方向とした第１ＳＬ９ととともに第１給電系を形成する。すなわち、第１及び第２ＭＳＬ５、６は、上側左右及び下側左右のＳＬ型としたアンテナ素子２（ａｂ）及び２（ｃｄ）と電磁結合する。そして、各中点で第１ＳＬ９の上下端で電磁結合する。第５ＭＳＬ１１は左側上下のアンテナ素子２（ａｄ）間を延出し、第１ＳＬ９の中点で電磁結合する。

多層基板１Ａの他主面には、垂直方向の第３、第４及び第６ＭＳＬ７、８、１２が形成されて、積層面の水平方向とした第２ＳＬ１０ととともに第２給電系を形成する。すなわち、第３及び第４ＭＳＬ７、８は、左側上下及び右側上下のＳＬ型としたアンテナ素子２（ａｄ）及び２（ｂｃ）と電磁結合する。そして、各中点で第２ＳＬ１０の左右端で電磁結合する。第６ＭＳＬ１２は下側左右のアンテナ素子２（ｃｄ）間を延出し、第２ＳＬ１０の中点で電磁結合する。

このような構成であれば、多層基板１Ａの積層面に設けた垂直方向の第１ＳＬ９と、一主面に設けた水平方向の第１、第２及び第３ＭＳＬ５、６、１１とによって水平方向（左端）からの高周波を各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に給電できる。また、水平方向の第２ＳＬ１０と、他主面に設けた第４、第５及び第１２ＭＳＬ７、８、１２とによって垂直方向（下端）からの高周波を各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に給電できる。

したがって、この場合でも、水平及び垂直偏波のいずれをも送受信できる。そして、第３実施例と同様にビアホール１３及びエアーブリッジを使用することなく配線を簡素化し、平面化を促進できる。なお、第１乃至第４実施例ではアンテナ素子２（ａｂｃｄ）は正方形としたが、円等であってもよい。

第６図は本発明の第５実施例（請求項５に相当）を説明する機能平面アレーアンテナの平面図である。

前第１乃至第４実施例では互いに直交する水平偏波と垂直偏波のいずれをも送受信できる多素子（４素子）アレーとした例を示したが、第５実施例では周波数の異なる２周波を送受信する２周波共用の４素子とした機能平面アレーアンテナの例である。

すなわち、第５実施例では例えばＭＳＬ型としたアンテナ素子２（ａｂｃｄ）を長方形としての水平方向（左右方向）と垂直方向（上下方向）との長さを異にする。ここでは、水平方向を垂直方向よりも長い長方形とする。これにより、水平方向と垂直方向との共振周波数ｆ1、ｆ2が異なるので（ｆ1＜ｆ2）、２周波共用の４素子アレーとした機能平面アンテナを得られる。

但し、水平方向の共振周波数ｆ1は水平偏波であり、垂直方向のｆ2は垂直偏波の送受信となる。なお、この例ではビアホール１３を用いた第１実施例に対応して例示したが、例えばアンテナ素子２（ａｂｃｄ）をＳＬ型とした場合でも同様であり、前第２〜第４各実施例の場合に適用できる。また、アンテナ素子は長方形としたが、楕円等であってもよい。

第７図は本発明の第６実施例（請求項６に相当）を説明する機能平面アレーアンテナの平面図である。

前各実施例ではいずれも水平偏波及び垂直偏波の直線偏波を対象としたが、第７実施例では円偏波を対象とした機能平面アレーアンテナの例である。すなわち、第７実施例では水平及び垂直偏波の第１及び第２給電系に、両者の位相差をλ／２とする遅延回路１７を経由して給電する。

この例では、前第１実施例での水平偏波用とした第１給電系の第５ＭＳＬ１１と垂直偏波用とした第２給電系の第６ＭＳＬ１２とを共通接続する。例えばビアホール１３によって他主面の第６ＭＳＬを一主面に導出して同主面で共通接続し、給電端を設ける。遅延回路は例えば第６ＭＳＬ１２の線路長を第５ＭＳＬ１１よりもλ／２分長くする。

このようにすれば、垂直偏波の第２給電系が水平偏波の第１給電系よりもπ／２分遅れて各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）に給電されるので、円偏波を送受信できる。この場合は、水平偏波が垂直偏波よりもπ／２進むので、右旋の円偏波となる。この場合でも、前第２〜第４実施例の場合に適用できる。なお、遅延回路は線路長を異ならせて形成したが、例えば弾性表面波素子による遅延素子であってもよい。

第８図は本発明の第７実施例を説明する機能平面アレーアンテナの平面図である。

第７実施例は前第６実施例と同様に円偏波を対象とするもので、ここでは左旋及び右旋共用とする例である。すなわち、第７実施例では水平偏波用（第１給電系）の第５ＭＳＬ１１と垂直偏波用（第２給電系）の第６ＭＳＬ１２の給電端との間に、２入力及び２出力端Ｉ（1、2）、Ｏ（1、2）とした例えばπ／２ハイブリッド回路１９からなる電力分配・結合器を接続する。

このようなものでは、π／２ハイブリッド回路における一方の入力端Ｉ1及び他方の入力端Ｉ2からの高周波は、２出力端Ｏ1、Ｏ2の間で互いに逆となるπ／２の位相差を持つ。したがって、左旋及び右旋としたいずれの円偏波をも同時に送受信できる。なお、電力分配・結合器は、π／２ハイブリッド回路１９としたが、その代表としてλ／４分布結合器やブランチラインがある。

第９図は本発明の第８実施例を説明する１６素子とした機能平面アレーアンテナの平面図である。なお、便宜上、図中の符号は要部のみとする。

第８実施例は各実施例でのアンテナ素子２（ａｂｃｄ）を４素子から１６素子とした機能平面アレーアンテナの例である。すなわち、第８実施例では、前述した第１実施例での４素子とした機能平面アレーアンテナを１ユニットとして、第１〜第４ユニット（計１６素子）２０（ａｂｃｄ）をマトリックス状（上下左右）に配置してアレー化する。ここでは、第１及び第２ユニット（各４素子アレーアンテナ）２０（ａｂ）を多層基板１Ａの上部左右に配置し、第３及び第４ユニット２０（ｃｄ）を下部左右に配置する。

そして、上側左右及び下側左右に配置された第１、第２ユニット２０（ａｂ）及び第３、第４ユニット２０（ｃｄ）の一主面における水平方向の各第５ＭＳＬ１１を共通接続してそれぞれ第５共通ＭＳＬ１１Ａとする。また、左側上下及び右側上下に配置された第１、第４ユニット２０（ａｄ）及び第２、第３ユニット２０（ｂｃ）の一主面における垂直方向の各第６ＭＳＬ１２を共通接続してそれぞれ第６共通ＭＳＬ１２Ａとする。

多層基板１Ａの積層面には、十字状の交差点が中央領域に位置する垂直方向の第３ＳＬ２１と水平方向の第４ＳＬ２２を形成する。垂直方向の第３ＳＬ２１は、上下の第５共通ＭＳＬ１１Ａと両端側で交差する。水平方向の第４ＳＬ２２は左右の第６共通ＭＳＬ１１Ａと両端側で交差して電磁結合する。

そして、多層基板１Ａの一主面には、垂直方向の第３ＳＬ２１と中央部で交差して電磁結合する水平方向の第７ＭＳＬ２３を形成し、左端を給電端とする。また、多層基板１Ａの他主面には、水平方向の第４ＳＬ２２と中央部で交差して電磁結合する垂直方向の第８ＭＳＬ２４を形成し、下端を給電端とする。

このような構成であれば、例えば第７ＭＳＬ２３の給電端（左端）からの高周波は、垂直方向の第３ＳＬ２１と電磁結合して、中点から上下端側に同相分岐する。そして、第３ＳＬの上下端側で上下の第５共通ＭＳＬ１１Ａに電磁結合して逆相分岐し、第１〜第４ユニット２０（ａｂｃｄ）の各第１ＳＬ９に電磁結合する。これにより、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）には同相とした高周波が給電され、水平偏波として送信される。

また、第８ＭＳＬ２４の給電端（下端）からの高周波は、水平方向の第４ＳＬ２２と電磁結合して中点から同相分岐する。そして、第４ＳＬ２２の左右端側で左右の第６共通ＭＳＬ１２Ａに電磁結合して逆相分岐し、第１〜第４ユニット２０（ａｂｃｄ）の第２ＳＬ１０に電磁結合する。そして、各アンテナ素子２（ａｂｃｄ）からは同様にして垂直偏波が送信される。

これらのことから、アンテナ素子２（ａｂｃｄ）の４素子を１ユニットとして４ユニット（計１６素子）とした多素子アレーの場合でも、前述同様に水平偏波と垂直偏波を共用とした機能平面アレーアンテナを得ることができる。

なお、この例では、第１実施例での４素子とした機能平面アレーアンテナを１ユニットとして４ユニット（計１６素子）の場合を説明したが、第２〜第７実施例の場合でも同様に適用できる。また、４ユニットのみならず、この４ユニットを１ユニットとして４ユニットを上下左右に配置して構成すれば、計６４素子の機能平面アンテナを得ることができる。

要するに、４^ｎ（但し、ｎは正の整数）素子を１ユニットとして上下左右に配置して構成すれば、計４^{（ｎ＋１）}素子の機能平面アレーアンテナを得る。さらには、給電系を工夫することによって、１ユニットを上下又は左右に配置して８素子や３２素子等とすることもでき、１ユニットを基本とした多素子アレーアンテナを構成できる。

本発明の第１実施例を説明する機能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。本発明の第１実施例の他の例を説明する機能平面アレーアンテナの一部平面図である。本発明の第２実施例を説明する機能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断面図図である。本発明の第３実施例を説明する機能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、同図（ｃ）は裏面図である。本発明の第４実施例を説明する機能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、同図（ｃ）は裏面図である。本発明の第５実施例を説明する機能平面アレーアンテナの平面図である。本発明の第６実施例を説明する機能平面アレーアンテナの平面図である。本発明の第７実施例を説明する機能平面アレーアンテナの平面図である。本発明の第８実施例を説明する機能平面アレーアンテナの平面図である。従来例を説明する機能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断面図図である。

符号の説明

１単層基板、１Ａ多層基板、２アンテナ素子、３共振導体、４接地導体、４Ａ中間層導体、５第１ＭＳＬ、６第２ＭＳＬ、７第３ＭＳＬ、８第４ＭＳＬ、９第１ＳＬ、１０第２ＳＬ、１１第５ＭＳＬ、１２第６ＭＳＬ、１３ビアホール、１４突出部、１５導線、１６開口部、１７開口路、１８遅延回路、１９ブランチライン電力分配・結合器、２０ユニット、２１第３ＳＬ、２２第４ＳＬ、２３第７ＭＳＬ、２４第８ＭＳＬ。

Claims

中間層導体を積層面に有する多層基板と、前記多層基板に設けられて幾何学的方形状の４角部に配置された４つの平面アンテナ素子と、前記４つの平面アンテナ素子と電気的に直接に接続又は電磁結合する上下及び左右の第１、第２及び第３及び第４マイクロストリップラインと、前記多層基板の積層面に設けられて前記幾何学的方形状の中央領域で交差点を有して各両端側で前記第１、第２マイクロストリップライン及び第３、第４マイクロストリップラインと電磁結合した上下（垂直）方向及び左右（水平）方向の第１及び第２スロットラインとを備え、前記アンテナ素子に対する給電方向を垂直又は水平方向とした機能平面アレーアンテナにおいて、
前記第１スロットラインの中央領域にて先端側が交差して電磁結合する左右方向の第５マイクロストリップラインと、前記第２スロットラインの中央領域にて先端側が交差して電磁結合する上下方向の第６マイクロストリップラインとを設けたことを特徴とする機能平面アレーアンテナ。
請求項１において、前記幾何学的方形状の４角部に配置された４つのアンテナ素子は前記多層基板の一主面に設けられたマイクロストリップライン型であって、前記４つのアンテナ素子のうちの上側左右及び下側左右は前記多層基板の一主面に設けた上下の第１及び第２マイクロストリップラインで電気的に接続し、前記アンテナ素子のうちの右側上下及び左側上下は前記多層基板の他主面に設けた左右の第３及び第４マイクロストリップライン及びビアホールによって電気的に接続し、前記第５マイクロストリップラインは前記多層基板の一主面に設けられ、前記第６マイクロストリップラインは前記多層基板の他主面に設けられた機能平面アレーアンテナ。
請求項１において、前記幾何学的方形状の４角部に配置された４つのアンテナ素子は前記多層基板の一主面に設けられたマイクロストリップライン型であって、前記４つのアンテナ素子は前記多層基板の一主面に設けた上下左右の第１、第２、第３及び第４マイクロストリップラインで電気的に接続し、前記第５及び第６マイクロストリップラインは前記多層基板の他主面に設けられ、前記第５及び第６マイクロストリップラインのうちの一方は前記中央領域にて導線を用いたエアーブリッジによって接続された機能平面アレーアンテナ。
請求項１において、前記幾何学的方形状の４角部に配置された４つのアンテナ素子は前記多層基板の一主面に設けられたマイクロストリップライン型であって、前記４つのアンテナ素子のうちの上側左右及び下側左右は前記多層基板の一主面に設けた上下の第１及び第２マイクロストリップラインで電気的に接続し、前記アンテナ素子のうちの左側上下及び右側上下は前記多層基板の他主面に設けた左右の第３及び第４マイクロストリップラインと前記中間層導体に設けた開口部を経て電磁結合し、前記第５マイクロストリップラインは前記多層基板の一主面に設けられ、前記第６マイクロストリップラインは前記多層基板の他主面に設けられた機能平面アレーアンテナ。
請求項１において、前記幾何学的方形状の４角部に配置された４つのアンテナ素子は前記多層基板の積層面に設けられたスロットライン型であって、前記４つのアンテナ素子のうちの上側左右及び下側左右は前記多層基板の一主面に設けた上下の第１及び第２マイクロストリップラインで電気的に接続し、前記アンテナ素子のうちの右側上下及び左側上下は前記多層基板の他主面に設けた左右の第３及び第４マイクロストリップラインと電磁結合し、前記第５マイクロストリップラインは前記多層基板の一主面に設けられ、前記第６マイクロストリップラインは前記多層基板の他主面に設けられ機能平面アレーアンテナ。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記アンテナ素子は正方形又は円として同一周波数とした水平偏波及び垂直偏波共用とした機能平面アレーアンテナ。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記アンテナ素子は長方形又は楕円として多周波共用とした機能平面アレーアンテナ。
請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記第５と第６マイクロストリップラインとの間に位相差を９０°とする遅延回路を設けて円偏波用とした機能平面アレーアンテナ。
請求項８において、前記遅延回路は２入力及び２出力端として、一方の入力端及び他方の入力端からの高周波は２出力端の間で互いに進み及び遅れとなるπ／２の位相差を持つ電力分配・結合器である左旋及び右旋共用の機能平面アレーアンテナ。
請求項１の機能平面アレーアンテナを１ユニットとして４ユニットをマトリックス状に配置し、前記垂直及び水平方向の第５及び第６マイクロストリップライン同士を共通接続して第５及び第６共通マイクロストリップラインとし、前記第５及び第６共通マイクロストリップラインの包囲する中央領域に交差点を有して前記第５及び第６マイクロストリップラインと両端側で電磁結合する第３及び第４スロットラインを設け、前記第３及び第４スロットラインに先端側が交差する第７及び第８マイクロストリップラインを設けた、アンテナ素子を１６素子とした機能平面アレーアンテナ。