JP5983760B2

JP5983760B2 - アレーアンテナ

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Publication number: JP5983760B2
Application number: JP2014545630A
Authority: JP
Inventors: 薫須藤; 政幸中嶋
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2016-09-06
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: KR20150055042A; EP2919323A4; WO2014073355A1; US20150236425A1; CN104769775A; KR101744605B1; CN104769775B; US9698487B2; JPWO2014073355A1; EP2919323A1

Description

本発明は、複数のアンテナが基板に設けられたアレーアンテナに関する。

特許文献１には、例えば波長に比べて薄い誘電体を挟んで互いに対向する放射素子と接地層を設けると共に、放射素子の放射面側に無給電素子を設けたマイクロストリップアンテナ（パッチアンテナ）が開示されている。また、特許文献２には、複数のアンテナが複数の伝送線路で接続されたアレーアンテナが開示されている。特許文献３には、円板状のアンテナを２個以上並列接続し、それぞれ異なる方向に指向性を持たせた構成が開示されている。特許文献４には、基板の両面にアンテナを配置した構成が開示されている。

特開昭５５−９３３０５号公報特開２００８−５１６４号公報特開昭６０−２３６３０３号公報特開２００１−１１９２３０号公報

ところで、特許文献１，２に記載されたアンテナは、接地層が設けられた裏面への指向性が弱く、通信領域が狭い。一方、特許文献３の構成では、複数のアンテナを異なる方向に向けて配置しているため、通信領域は広がる。しかし、複数のアンテナはそれぞれ別体であるため、大型化し易いのに加え、構造が複雑になる。また、特許文献４のアンテナ装置では、プリント基板の両面にアンテナを配置しているが、プリント基板の両面に接地層を形成した上で、プリント基板の両面に放射素子を設けている。このため、全体の厚さ寸法は、プリント基板の厚さにプリント基板の両面に設けられた２個のアンテナの厚さを加えた値になるため、装置全体が厚くなり、大型化し易いという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、通信領域が広く、小型化が可能なアレーアンテナを提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、放射素子を有するアンテナが基板に複数設けられたアレーアンテナであって、互いに隣合う２つのアンテナのうちの一方のアンテナは、表放射素子が前記基板の表面あるいは前記基板の表面近くに配置されてなる表アンテナ部をなし、前記互いに隣合う２つのアンテナのうちの他方のアンテナは、裏放射素子が前記基板の裏面あるいは前記基板の裏面近くに配置されてなる裏アンテナ部をなし、前記互いに隣合う２つのアンテナのうちの前記表アンテナ部の表放射素子と前記裏アンテナ部の裏放射素子は、前記基板の裏面に垂直投影したときに互いに重なり合わないように配設され、前記基板は多層基板であって、前記表アンテナ部の表放射素子と対向する表接地層は、前記基板の裏面あるいは前記基板の裏面近くに配置され、前記裏アンテナ部の裏放射素子と対向する裏接地層は、前記基板の表面あるいは前記基板の表面近くに配置される構成としている。

本発明によれば、表放射素子が基板の表面あるいは基板の表面近くに配置されてなる表アンテナ部と、裏放射素子が基板の裏面あるいは基板の裏面近くに配置されてなる裏アンテナ部とを備えるから、基板の両面に指向性を持たせることができ、基板の片面にのみ指向性を持つ場合に比べて、通信領域を広げることができる。また、表アンテナ部の表放射素子と裏アンテナ部の裏放射素子とは、基板の裏面に垂直投影したときに互いに重なり合わないように配設されているから、例えば表アンテナ部の表接地層を基板の裏面あるいは基板の裏面近くに配置することができると共に、裏アンテナ部の裏接地層を基板の表面あるいは基板の表面近くに配置することができる。このため、表アンテナ部および裏アンテナ部の広帯域化を図るために接地層と放射素子との間の厚さ寸法を大きくしたときでも、基板の厚さ寸法を抑制しながら接地層と放射素子との間の厚さ寸法を確保することができる。この結果、基板の厚さ寸法が小さい小型のアレーアンテナを形成することができる。

また、請求項１の発明では、前記基板は多層基板であって、前記表アンテナ部の表放射素子と対向する表接地層は、前記基板の裏面あるいは前記基板の裏面近くに配置され、前記裏アンテナ部の裏放射素子と対向する裏接地層は、前記基板の表面あるいは前記基板の表面近くに配置されている。

本発明によれば、表接地層は表放射素子と対向するから、表接地層と表放射素子とによってパッチアンテナを構成することができる。同様に、裏接地層は裏放射素子と対向するから、裏接地層と裏放射素子とによってパッチアンテナを構成することができる。また、表接地層は基板の裏面あるいは基板の裏面近くに配置され、裏接地層は基板の表面あるいは基板の表面近くに配置されるから、基板の厚さ寸法を抑えつつ、接地層と放射素子との間の厚さ寸法を確保することができ、広帯域なパッチアンテナを形成することができる。さらに、アンテナスペースを有効利用することができ、小型のアレーアンテナを形成することができる。

請求項２の発明では、前記多層基板には、前記表放射素子と前記裏放射素子とをそれぞれ取囲んで前記表接地層と前記裏接地層との間を電気的に接続する導体接続部を設けている。

本発明によれば、多層基板には、表放射素子と裏放射素子とをそれぞれ取囲んで導体接続部を設けたから、表アンテナ部と裏アンテナ部との間に導体接続部による壁を設けることができる。このため、表アンテナ部と裏アンテナ部との間で高周波信号が相互干渉するのを抑制することができる。

請求項３の発明では、前記表アンテナ部は、前記表放射素子の表面に絶縁層を介して積層された表無給電素子を備え、前記裏アンテナ部は、前記裏放射素子の裏面に絶縁層を介して積層された裏無給電素子を備えている。

本発明によれば、表アンテナ部は表放射素子の表面に絶縁層を介して積層された表無給電素子を備えるから、例えば表放射素子と表無給電素子が電磁界結合するスタック型パッチアンテナを形成することができる。このため、表アンテナ部には、共振周波数が異なる２つの共振モード（電磁界モード）が発生し、広帯域化を図ることができる。同様に、裏アンテナ部も広帯域化することができる。

請求項４の発明では、前記互いに隣合う２つのアンテナのうちの前記表アンテナ部の表放射素子と前記裏アンテナ部の裏放射素子は、前記基板の裏面に垂直投影したときに、離間間隔が放射される周波数に基づく所定値に設定されている。

本発明によれば、表放射素子と裏放射素子は、基板の裏面に垂直投影したときに、離間間隔が放射される周波数に基づく所定値に設定されている。ここで、表放射素子と裏放射素子との間の離間間隔が過小になると、表放射素子と裏放射素子との相互結合が強くなってアレーアンテナ特性に悪影響を及ぼす。一方、表放射素子と裏放射素子との間の離間間隔が過大になると、サイドローブが大きくなり、正面方向のアンテナ利得が低下する。これらを考慮して、表放射素子と裏放射素子との間の離間間隔を所定値に設定することによって、これらの弊害を抑制することができる。

請求項５の発明では、前記互いに隣合う２つのアンテナのうちの前記表アンテナ部の表放射素子と前記裏アンテナ部の裏放射素子は、前記基板の裏面に垂直投影したときに、千鳥状に配列されている。

本発明によれば、表放射素子および裏放射素子は基板の裏面に垂直投影したときに千鳥状に配列されたから、基板の使用面積効率が高くなり、小型化を図ることができる。

第１の実施の形態によるアレーアンテナを示す分解斜視図である。表アンテナ部の表放射素子と裏アンテナ部の裏放射素子の配置関係を示す平面図である。図１中の表アンテナ部と裏アンテナ部を拡大して示す分解斜視図である。図３中の裏接地層を示す平面図である。表アンテナ部と裏アンテナ部を図４中の矢示Ｖ−Ｖ方向からみた断面図である。第２の実施の形態によるアレーアンテナを示す分解斜視図である。図６中の表アンテナ部と裏アンテナ部を拡大して示す分解斜視図である。図７中の表アンテナ部の表放射素子と裏接地層を示す平面図である。表アンテナ部と裏アンテナ部を図８中の矢示IX−IX方向からみた断面図である。第１の変形例によるアレーアンテナを示す分解斜視図である。第３の実施の形態によるアレーアンテナを示す平面図である。図１１中の表アンテナ部と裏アンテナ部を拡大して示す分解斜視図である。図１２中の表アンテナ部の表放射素子と裏接地層を示す平面図である。表アンテナ部と裏アンテナ部を図１３中の矢示XIV−XIV方向からみた断面図である。第２の変形例によるアレーアンテナを示す図１２と同様な位置の分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態によるアレーアンテナについて、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１ないし図５に、第１の実施の形態によるアレーアンテナ１を示す。アレーアンテナ１は、多層基板２、表アンテナ部８、裏アンテナ部１６から構成される。

多層基板２は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向のうち、ＸＹ平面に平行な平板状をなす。多層基板２は、Ｘ軸方向とＹ軸方向の寸法は数ｍｍ〜数ｃｍ程度に、また、多層基板２の厚さ方向となるＺ軸方向の寸法は数百μｍ程度に形成される。

多層基板２は、表面２Ａ側から裏面２Ｂ側に向け、例えば、絶縁層として薄い絶縁性の樹脂層３〜７を５層積層してなるプリント基板である。なお、多層基板２として樹脂基板を例示するが、これに限られず、絶縁層として絶縁性のセラミックス層を積層したセラミックス多層基板でもよく、低温同時焼成セラミックス多層基板（ＬＴＣＣ多層基板）でもよい。

表アンテナ部８は、表放射素子９、表接地層１０、表給電線路１３等から構成される。

表放射素子９は、多層基板２の表面２Ａ、すなわち、樹脂層３の表面に、例えば８個配置形成される。表放射素子９は、略四角形状の導体パターンに形成され、Ｘ軸方向とＹ軸方向の寸法は、例えば、数百μｍから数ｍｍ程度である。なお、表放射素子９のＸ軸方向の寸法は、電気長が、例えば給電される高周波信号ＲＦの波長の半波長と等しくなるように設定される。図２に示すように、８個の表放射素子９は、Ｘ軸方向に等間隔に配置され、Ｙ軸方向に３列に整列する第１，第２，第３の配列Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3を形成する。

第１と第３の配列Ｒ1，Ｒ3における隣接する表放射素子９同士の各中央間の間隔寸法（離間間隔）は、Ｘ軸方向がＬx、Ｙ軸方向が２×Ｌyとなるように設定される。従って、第１と第３の配列Ｒ1，Ｒ3をなす表放射素子９は、マトリックス配置される。また、第２の配列Ｒ2における表放射素子９は、マトリックス配置された第１と第３の配列Ｒ1，Ｒ3をなす表放射素子９の中央に配置形成される。このため、第２の配列Ｒ2における隣接する表放射素子９同士の各中央間のＸ軸方向の間隔寸法（離間間隔）はＬxとなり、第１と第２の配列Ｒ1，Ｒ2、第２と第３の配列Ｒ2，Ｒ3のＹ軸方向の間隔寸法（離間間隔）はＬyとなる。この結果、８個の表放射素子９は、多層基板２の表面２Ａに、千鳥状に配置される。表放射素子９は、例えば、銅、銀等の導電性薄膜によって形成される。なお、表放射素子９は、電波の放射が妨げられないならば、樹脂層３の表面ではなく、多層基板２の表面２Ａ近くの内部に配置形成してもよい。

図１ないし図５に示すように、表接地層１０は、表放射素子９と対向すると共に、樹脂層６の略全面を覆うように、樹脂層５と樹脂層６の間に形成される。従って、表接地層１０は、多層基板２の厚さ方向（Ｚ軸方向）の中心位置よりも多層基板２の裏面２Ｂ寄りに配置形成される。なお、表接地層１０は、後述する裏放射素子１７を、表接地層１０に垂直投影したときに重なる投影領域よりも大きく開口する、表開口部１１を有する。また、表接地層１０には、後述する表ビア１５を形成するために、表ビア形成部１２となる開口部が設けられる。なお、表ビア形成部１２の開口径は、表ビア１５の内径よりも大きく形成される。このため、表ビア１５と表接地層１０とは、表ビア１５と表ビア形成部１２とのクリアランスによって絶縁される。表接地層１０は、例えば、銅、銀等の導電性薄膜によって形成され、グランドに接続される。

表給電線路１３は、例えばマイクロストリップ線路であり、樹脂層６と樹脂層７の間に設けられた細長い帯状のストリップ線１４と、表接地層１０とから構成される。ストリップ線１４の端部１４Ａは、端部１４Ａを表放射素子９に垂直投影したときに、表放射素子９の領域内に位置するように、また、端部１４Ａを表接地層１０に垂直投影したときに、表ビア形成部１２の略中央部に位置するように配置形成される。端部１４Ａは、樹脂層３〜６を貫通すると共に、表ビア形成部１２と、後述の裏開口部１９を経由して、Ｚ軸方向に伸びる表ビア１５を介して、表放射素子９と電気的に接続される。なお、ストリップ線１４は複数本形成され、各表放射素子９は、異なるストリップ線１４と電気的に接続される。表ビア１５は、内径が数十〜数百μｍ程度の貫通孔に、例えば、銅、銀等の導電性材料を設けた柱状の導体である。表ビア１５は、給電点として表放射素子９の中心を除いてＸ軸方向の途中位置に接続される。

この結果、表放射素子９、表接地層１０、表給電線路１３等により、パッチアンテナである表アンテナ部８が構成される。従って、多層基板２には、８個のパッチアンテナである表アンテナ部８が千鳥状に配置形成される。

裏アンテナ部１６は、裏放射素子１７、裏接地層１８、裏給電線路２１等から構成される。

裏放射素子１７は、多層基板２の裏面２Ｂ、すなわち、樹脂層７の裏面に、例えば８個配置形成される。裏放射素子１７は、略四角形状の導体パターンに形成され、Ｘ軸方向とＹ軸方向の寸法は、例えば、数百μｍから数ｍｍ程度である。裏放射素子１７のＸ軸方向の寸法は、電気長が、例えば給電される高周波信号ＲＦの波長の半波長と等しくなるように設定される。なお、裏放射素子１７は、表放射素子９を樹脂層７の裏面に垂直投影したときに、表放射素子９と裏放射素子１７とが重ならない位置に配置形成される。図２に示すように、８個の裏放射素子１７は、Ｘ軸方向に等間隔に配置され、Ｙ軸方向に３列に整列する第４，第５，第６の配列Ｒ4，Ｒ5，Ｒ6を形成する。

第４と第６の配列Ｒ4，Ｒ6における隣接する裏放射素子１７同士の各中央間の間隔寸法（離間間隔）は、Ｘ軸方向がＬx、Ｙ軸方向が２×Ｌyとなるように設定される。従って、第４と第６の配列Ｒ4，Ｒ6における裏放射素子１７は、マトリックス配置される。また、第５の配列Ｒ5における各裏放射素子１７は、マトリックス配置された第４と第６の配列Ｒ4，Ｒ6における裏放射素子１７の中央に位置するように配置される。このため、第５の配列Ｒ5における隣接する裏放射素子１７同士の各中央間のＸ軸方向の間隔寸法（離間間隔）がＬxとなり、第４と第５の配列Ｒ4，Ｒ5、第５と第６の配列Ｒ5，Ｒ6のＹ軸方向の間隔寸法（離間間隔）はＬyとなる。この結果、８個の裏放射素子１７は、千鳥状に配置される。裏放射素子１７は、例えば、銅、銀等の導電性薄膜によって形成される。

なお、裏放射素子１７は、電波の放射が妨げられないならば、樹脂層７の裏面ではなく、多層基板２の裏面２Ｂ近くの内部に配置形成してもよい。また、表放射素子９による第１，第２，第３の配列Ｒ1，Ｒ2，Ｒ3を、樹脂層７の裏面に垂直投影したときに、第１の配列Ｒ1と第４の配列Ｒ4の伸張方向、第２の配列Ｒ2と第５の配列Ｒ5の伸張方向、第３の配列Ｒ3と第６の配列Ｒ6の伸張方向は、重なっても、重ならなくてもよい。

図１ないし図５に示すように、裏接地層１８は、裏放射素子１７と対向すると共に、樹脂層５の略全面を覆うように、樹脂層４と樹脂層５の間に形成される。従って、裏接地層１８は、多層基板２の厚さ方向（Ｚ軸方向）の中心位置よりも多層基板２の表面２Ａ寄りに配置形成される。なお、裏接地層１８は、表放射素子９を裏接地層１８に垂直投影させたときに重なる投影領域よりも大きく開口する、裏開口部１９を有する。また、裏接地層１８には、後述する裏ビア２３を形成するために、裏ビア形成部２０となる開口部が設けられる。なお、裏ビア形成部２０の開口径は、裏ビア２３の内径よりも大きく形成される。このため、裏ビア２３と裏接地層１８とは、裏ビア２３と裏ビア形成部２０とのクリアランスによって絶縁される。裏接地層１８は、例えば、銅、銀等の導電性薄膜によって形成され、グランドに接続される。

裏給電線路２１は、例えばマイクロストリップ線路であり、樹脂層３と樹脂層４の間に設けられた細長い帯状のストリップ線２２と、裏接地層１８とから構成される。ストリップ線２２の端部２２Ａは、端部２２Ａを裏放射素子１７に垂直投影したときに、裏放射素子１７の領域内に位置するように、また、端部２２Ａを裏接地層１８に垂直投影したときに、裏ビア形成部２０の略中央部に位置するように配置形成される。端部２２Ａは、樹脂層４〜７を貫通すると共に、裏ビア形成部２０と、表開口部１１を経由して、Ｚ軸方向に伸びる裏ビア２３を介して、裏放射素子１７と電気的に接続される。なお、ストリップ線２２は複数本形成され、各裏放射素子１７は、異なるストリップ線２２と電気的に接続される。裏ビア２３は、内径が数十〜数百μｍ程度の貫通孔に、例えば、銅、銀等の導電性材料を設けた柱状の導体である。裏ビア２３は、給電点として裏放射素子１７の中心を除いてＸ軸方向の途中位置に接続される。

この結果、裏放射素子１７、裏接地層１８、裏給電線路２１等により、パッチアンテナである裏アンテナ部１６が構成される。従って、多層基板２には、８個のパッチアンテナである裏アンテナ部１６が千鳥状に配置形成される。

以上の結果、多層基板２には、千鳥状に配置形成された８個の表アンテナ部８と裏アンテナ部１６とによってアレーアンテナ１が形成される。なお、隣接する表放射素子９および裏放射素子１７の間隔寸法Ｌx，Ｌyは、使用される周波数の波長の半波長（λ0／２）以下では、隣接する表放射素子９の間、隣接する裏放射素子１７の間の相互結合が強くなり、アレーアンテナ特性に悪影響を及ぼす。一方、間隔寸法Ｌx，Ｌyが、１波長（λ0）以上ではアンテナ放射パターンにおいてサイドローブが大きくなり、正面方向のアンテナ利得が低下する。従って、この点を考慮して、間隔寸法Ｌx，Ｌyは、自由空間における高周波信号の波長λ0に対して、半波長（λ0／２）〜１波長λ0程度の値が好ましい。具体的には、例えば、６０ＧＨｚ帯のミリ波をアレーアンテナ１に適用する場合は、間隔寸法Ｌx，Ｌyは、２．５ｍｍから５ｍｍ程度になる。

次に、本実施の形態によるアレーアンテナ１の作動について説明する。

表給電線路１３から表放射素子９に向けて給電を行うと、表放射素子９には、Ｘ軸方向に向けて電流が流れる。これにより、表アンテナ部８は、表放射素子９のＸ軸方向の寸法に応じた高周波信号ＲＦを、多層基板２の表面２Ａから上方に向けて放射すると共に、表アンテナ部８は、表放射素子９のＸ軸方向の寸法に応じた高周波信号ＲＦを受信する。

同様に、裏給電線路２１から裏放射素子１７に向けて給電を行うと、裏放射素子１７には、Ｘ軸方向に向けて電流が流れる。これにより、裏アンテナ部１６は、裏放射素子１７のＸ軸方向の寸法に応じた高周波信号ＲＦを放射すると共に、裏アンテナ部１６は、裏放射素子１７のＸ軸方向の寸法に応じた高周波信号ＲＦを受信する。

また、複数個の表放射素子９に供給する高周波信号ＲＦの位相を適宜調整することにより、複数設けたストリップ線１４を介して、各表放射素子９に異なる信号を供給し、表アンテナ部８による放射ビームの方向をＸ軸方向とＹ軸方向に走査することができる。同様に、複数個の裏放射素子１７に供給する高周波信号ＲＦの位相を適宜調整することにより、複数設けたストリップ線２２を介して、各裏放射素子１７に異なる信号を供給し、裏アンテナ部１６による放射ビームの方向をＸ軸方向とＹ軸方向に走査することができる。このように、多層基板２の両面に指向性を持たせることができるから、多層基板２の片面にのみ指向性を持つ場合に比べて、電波の放射角度を広げることができ、通信領域を広げることができる。

また、表放射素子９と裏放射素子１７は、両者を多層基板２の裏面に垂直投影したときに互いに重なり合わないように配置形成した。このため、表接地層１０を多層基板２の中央から裏面２Ｂ寄りに配置することができると共に、裏接地層１８を多層基板２の中央から表面２Ａ寄りに配置することができる。これにより、互いに共通した樹脂層５を用いて、表接地層１０と裏接地層１８との間を離間させることができる。

一般的に、表アンテナ部８および裏アンテナ部１６の広帯域化を図るためには、表放射素子９と表接地層１０との間の厚さ寸法、裏放射素子１７と裏接地層１８との間の厚さ寸法を大きくした方がよい。これを踏まえて、表放射素子９と表接地層１０との間の寸法、裏放射素子１７と裏接地層１８との間の寸法を大きくしたときでも、多層基板２を構成する他の層の厚み寸法を調整しながら放射素子９，１７と接地層１０，１８との間の厚さ寸法を確保することができる。この結果、アンテナスペースを有効利用することができ、多層基板２の厚さ寸法が小さい小型のアレーアンテナ１を形成することができる。また、表アンテナ部８および裏アンテナ部１６を千鳥状に配列したから、多層基板２の使用面積効率が高くなり、アレーアンテナ１の小型化を図ることができる。

これに加えて、マイクロストリップ線路からなる、表給電線路１３を用いて表放射素子９に、また、裏給電線路２１を用いて裏放射素子１７に給電するから、高周波回路で一般的に用いられるマイクロストリップ線路を用いて表放射素子９、裏放射素子１７に給電を行うことができ、高周波回路とアレーアンテナ１との接続が容易になる。

また、樹脂層３，４の間に表給電線路１３のストリップ線１４を設けると共に、樹脂層６，７の間に裏給電線路２１のストリップ線２２を設けた。このため、表放射素子９、裏放射素子１７と表接地層１０、裏接地層１８とを設けた多層基板２にマイクロストリップ線路からなる表給電線路１３、裏給電線路２１を一緒に形成することができ、生産性の向上や特性ばらつきの軽減を図ることができる。

また、表アンテナ部８および裏アンテナ部１６は、複数の樹脂層３〜７が積層された多層基板２に設ける構成とした。このため、樹脂層３の表面と樹脂層６の表面に表アンテナ部８の表放射素子９と表接地層１０を設けることによって、これらを多層基板２の厚さ方向に対して互いに異なる位置に容易に配置することができる。同様に、樹脂層７の裏面と樹脂層５の表面に裏アンテナ部１６の裏放射素子１７と裏接地層１８を設けることによって、これらを多層基板２の厚さ方向に対して互いに異なる位置に容易に配置することができる。

次に、図６ないし図９に、本発明の第２の実施の形態によるアレーアンテナ３１を示す。アレーアンテナ３１の特徴は、アレーアンテナ３１を構成する表アンテナ部および裏アンテナ部を、無給電素子を備えたスタック型パッチアンテナで形成したことにある。なお、アレーアンテナ３１の説明に際し、第１の実施の形態によるアレーアンテナ１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。

アレーアンテナ３１は、多層基板２、表アンテナ部３２、裏アンテナ部３６を備える。

また、表アンテナ部３２は、表放射素子３３、表接地層１０、表給電線路１３、表無給電素子３５等から構成される。

表放射素子３３は、樹脂層４と樹脂層５の間に、第１の実施の形態によるアレーアンテナ１の表放射素子９と、同じ配列状態で、同じ略四角状に形成される。より具体的には、表放射素子３３は、第１の実施の形態によるアレーアンテナ１の裏開口部１９の内部に形成される。なお、表放射素子３３と裏接地層１８は、両者の間に設けられたクリアランスにより絶縁される。従って、表放射素子３３と表放射素子９とは、表放射素子３３と表放射素子９が形成される多層基板２における厚み方向の平面位置が異なるだけである。表放射素子３３は、樹脂層５を挟んで、表接地層１０と対向する。表放射素子３３と、ストリップ線１４の端部１４Ａとは、樹脂層５と樹脂層６を貫通すると共に、表ビア形成部１２を経由して、Ｚ軸方向に伸びる表ビア３４を介して電気的に接続される。

表無給電素子３５は、多層基板２の表面２Ａ、すなわち、樹脂層３の表面に、第１の実施の形態によるアレーアンテナ１の表放射素子９と、同じ配列状態で、同じ略四角状に形成される。樹脂層３と樹脂層４を挟んで対向する表無給電素子３５と表放射素子３３との間には、電磁界結合が生じる。なお、図８には、表無給電素子３５が表放射素子３３よりも小さい場合を例示したが、表無給電素子３５のＸ軸方向とＹ軸方向の寸法は、例えば表放射素子３３のＸ軸方向とＹ軸方向の寸法よりも大きくてもよく、小さくてもよい。表無給電素子３５および表放射素子３３の大小関係やこれらの具体的な形状は、表アンテナ部３２の放射パターンや帯域等を考慮して適宜設定されるものである。

表無給電素子３５と表放射素子３３とは、電磁界結合を生じる。この結果、表アンテナ部３２を構成する、表放射素子３３、表接地層１０、表給電線路１３、表無給電素子３５等はスタック型パッチアンテナを形成する。なお、多層基板２には、８個の表アンテナ部３２が千鳥状に配置形成される。

裏アンテナ部３６は、裏放射素子３７、裏接地層１８、裏給電線路２１、裏無給電素子３９等から構成される。

裏放射素子３７は、樹脂層５と樹脂層６の間に、第１の実施の形態によるアレーアンテナ１の裏放射素子１７と、同じ配列状態で、同じ略四角状に形成される。より具体的には、裏放射素子３７は、第１の実施の形態によるアレーアンテナ１の表開口部１１の内部に形成される。なお、裏放射素子３７と表接地層１０は、両者の間に設けられたクリアランスにより絶縁される。従って、裏放射素子３７と裏放射素子１７とは、裏放射素子３７と裏放射素子１７が形成される多層基板２における厚み方向の平面位置が異なるだけである。裏放射素子３７は、樹脂層５を挟んで、裏接地層１８と対向する。裏放射素子３７と、ストリップ線２２の端部２２Ａとは、樹脂層４と樹脂層５を貫通すると共に、裏ビア形成部２０を経由して、Ｚ軸方向に伸びる裏ビア３８を介して電気的に接続される。

裏無給電素子３９は、多層基板２の裏面２Ｂ、すなわち、樹脂層７の裏面に、第１の実施の形態によるアレーアンテナ１の裏放射素子１７と、同じ配列状態で、同じ略四角状に形成される。樹脂層６と樹脂層７を挟んで対向する裏無給電素子３９と裏放射素子３７との間には、電磁界結合が生じる。なお、図８には、裏無給電素子３９が裏放射素子３７よりも小さい場合を例示したが、裏無給電素子３９のＸ軸方向とＹ軸方向の寸法は、例えば裏放射素子３７のＸ軸方向とＹ軸方向の寸法よりも大きくてもよく、小さくてもよい。

裏無給電素子３９と裏放射素子３７とは、電磁界結合を生じる。この結果、裏アンテナ部３６を構成する、裏放射素子３７、裏接地層１８、裏給電線路２１、裏無給電素子３９等はスタック型パッチアンテナを形成する。すなわち、多層基板２には、８個の裏アンテナ部３６が千鳥状に配置形成され、千鳥状に配置形成された８個の表アンテナ部３２と合わせて、アレーアンテナ３１が形成される。

かくして、アレーアンテナ３１においても、第１の実施の形態によるアレーアンテナ１と同様の作用効果を得ることができる。また、表アンテナ部３２は表放射素子３３の表面に樹脂層３，４を介して積層された表無給電素子３５を備えるから、共振周波数が異なる２つの共振モード（電磁界モード）が発生し、広帯域化を図ることができる。同様な理由により、裏アンテナ部３６も広帯域化することができる。

なお、第２の実施の形態では、表放射素子３３と裏接地層１８を同一層に形成すると共に、裏放射素子３７と表接地層１０を同一層に形成したが、放射素子と接地層は異なる層に形成してもよい。

また、前記各実施の形態では、アレーアンテナ１，３１はストリップ線１４，２２が複数本形成された場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限られず、例えば図１０に示す第１の変形例によるアレーアンテナ４１のように、放射ビームの方向をＸ軸方向とＹ軸方向に走査する必要がないならば、先端部が分岐したストリップ線４２，４３を介して、共通の信号を表放射素子９、裏放射素子１７に供給してもよい。この第１の変形例の構成は、第２の実施の形態にも適用することができる。

次に、図１１ないし図１４に、本発明の第３の実施の形態によるアレーアンテナ５１を示す。アレーアンテナ５１の特徴は、多層基板２には、表放射素子３３と裏放射素子３７とをそれぞれ取囲んで、表接地層１０と裏接地層１８との間を電気的に接続するビア５２を設けたことにある。なお、アレーアンテナ５１の説明に際し、第２の実施の形態によるアレーアンテナ３１と同一の構成については同一の符号を付し、その説明は省略する。

アレーアンテナ５１は、第２の実施の形態によるアレーアンテナ３１とほぼ同様に、多層基板２、表アンテナ部３２、裏アンテナ部３６を備える。

但し、多層基板２には、表放射素子３３と裏放射素子３７とをそれぞれ取囲んで、表接地層１０と裏接地層１８との間を電気的に接続する導体接続部としてのビア５２を設けている。この点で、第３の実施の形態によるアレーアンテナ５１は、第２の実施の形態によるアレーアンテナ３１とは異なる。

ビア５２は、多層基板２の樹脂層５を貫通した内径が数十〜数百μｍ程度の貫通孔に、例えば、銅、銀等の導電性材料を設けた柱状の導体である。ビア５２の両端は、表接地層１０と裏接地層１８とにそれぞれ接続される。また、ビア５２は、表放射素子３３と裏放射素子３７とを樹脂層５に垂直投影したときに、表放射素子３３と裏放射素子３７とをそれぞれ取囲むように、複数個設けられる。このため、複数個のビア５２は、表放射素子３３と裏放射素子３７とを取囲む枠状に配置される。

隣合う２個のビア５２の間隔寸法は、電気長が、例えば給電される高周波信号ＲＦの波長よりも十分に短い値に設定されている。具体的には、隣合う２個のビア５２の間隔寸法は、電気長が、高周波信号ＲＦの半波長未満の値、好ましくは１／４波長よりも小さい値に設定されている。これにより、複数のビア５２は、表アンテナ部３２と裏アンテナ部３６との間に導電性の壁を形成している。

かくして、アレーアンテナ５１においても、第２の実施の形態によるアレーアンテナ３１と同様の作用効果を得ることができる。また、多層基板２には、表放射素子３３と裏放射素子３７とをそれぞれ取囲んでビア５２を設けたから、表アンテナ部３２と裏アンテナ部３６との間にビア５２による壁を設けることができる。このため、表アンテナ部３２と裏アンテナ部３６とを密集して配置したときでも、高周波信号ＲＦの帯域で表アンテナ部３２と裏アンテナ部３６とを分離して、表アンテナ部３２と裏アンテナ部３６との間で高周波信号ＲＦが相互干渉するのを抑制することができる。さらに、ビア５２は表接地層１０と裏接地層１８との間を電気的に接続するから、表接地層１０および裏接地層１８の電位を安定させることができる。

なお、前記第３の実施の形態では、第２の実施の形態による表放射素子３３と裏放射素子３７とをそれぞれ取囲んで、表接地層１０と裏接地層１８との間を電気的に接続するビア５２を設けた。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図１５に示す第２の変形例によるアレーアンテナ６１のように、第１の実施の形態による表放射素子９と裏放射素子１７とをそれぞれ取囲んで、表接地層１０と裏接地層１８との間を電気的に接続する導体接続部としてのビア６２を設けてもよい。

また、前記第３の実施の形態では、導体接続部をビア５２によって形成するものとしたが、例えば導体膜によって導体接続部を形成してもよい。この構成は、第２の変形例にも適用することができる。

また、前記各実施の形態では、アレーアンテナ１，３１，５１は表アンテナ部８，３２と裏アンテナ部１６，３６をそれぞれ８個ずつ備えた場合を例に挙げて説明したが、表アンテナ部と裏アンテナ部をそれぞれ１個ずつ備えてもよく、２個ないし７個や９個以上備えてもよい。また、表アンテナ部と裏アンテナ部は必ずしも同数である必要はなく、互いに異なる個数でもよい。この構成は、第１，第２の変形例にも適用することができる。

また、前記各実施の形態では、表アンテナ部８，３２および裏アンテナ部１６，３６はＸ軸方向とＹ軸方向に広がる平面状に配置したが、１列に並んだ状態で直線状に配置してもよい。この構成は、第１，第２の変形例にも適用することができる。

また、前記各実施の形態では、表アンテナ部８，３２の表放射素子９，３３と裏アンテナ部１６，３６の裏放射素子１７，３７には、いずれもＸ軸方向の電流が流れる構成としたが、互いに異なる方向に電流が流れる構成としてもよい。すなわち、表アンテナ部および裏アンテナ部は、互いに同じ偏波でもよく、異なる偏波でもよい。この構成は、第１，第２の変形例にも適用することができる。

また、前記各実施の形態では、表給電線路１３，裏給電線路２１にマイクロストリップ線路を用いた場合を例に挙げて説明したが、コプレーナ線路やトリプレート線路（ストリップ線路）でもよい。この構成は、第１，第２の変形例にも適用することができる。

また、前記各実施の形態では、５層の絶縁層をなす樹脂層３〜７を積層した多層基板２を用いたが、絶縁層の数は必要に応じて適宜変更することができる。

また、例えば、６０ＧＨｚ帯のミリ波をアレーアンテナ１に適用した場合の間隔寸法Ｌx，Ｌyについて例示したが、当然に、他の周波数帯のミリ波やマイクロ波等に用いてもよく、その場合には、間隔寸法Ｌx，Ｌyは、周波数帯の波長によって異なる。

また、パッチアンテナに限られず、ダイポールアンテナや、モノポールアンテナ等の線状アンテナや、スロットアンテナ等であっても、本発明と同様の配置構成をとることにより、本発明と同様の効果を得ることができる。

１，３１，４１，５１，６１アレーアンテナ
２多層基板（基板）
３〜７樹脂層（絶縁層）
８，３２表アンテナ部
９，３３表放射素子
１０表接地層
１３表給電線路
１４，２２，４２，４３ストリップ線
１６，３６裏アンテナ部
１７，３７裏放射素子
１８裏接地層
２１裏給電線路
３５表無給電素子
３９表無給電素子
５２，６２ビア（導体接続部）

Claims

放射素子を有するアンテナが基板に複数設けられたアレーアンテナであって、
互いに隣合う２つのアンテナのうちの一方のアンテナは、表放射素子が前記基板の表面あるいは前記基板の表面近くに配置されてなる表アンテナ部をなし、
前記互いに隣合う２つのアンテナのうちの他方のアンテナは、裏放射素子が前記基板の裏面あるいは前記基板の裏面近くに配置されてなる裏アンテナ部をなし、
前記互いに隣合う２つのアンテナのうちの前記表アンテナ部の表放射素子と前記裏アンテナ部の裏放射素子は、前記基板の裏面に垂直投影したときに互いに重なり合わないように配設され、
前記基板は多層基板であって、
前記表アンテナ部の表放射素子と対向する表接地層は、前記基板の裏面あるいは前記基板の裏面近くに配置され、
前記裏アンテナ部の裏放射素子と対向する裏接地層は、前記基板の表面あるいは前記基板の表面近くに配置されたアレーアンテナ。
前記多層基板には、前記表放射素子と前記裏放射素子とをそれぞれ取囲んで前記表接地層と前記裏接地層との間を電気的に接続する導体接続部を設けた請求項１に記載のアレーアンテナ。
前記表アンテナ部は、前記表放射素子の表面に絶縁層を介して積層された表無給電素子を備え、
前記裏アンテナ部は、前記裏放射素子の裏面に絶縁層を介して積層された裏無給電素子を備えた請求項１または２に記載のアレーアンテナ。
前記互いに隣合う２つのアンテナのうちの前記表アンテナ部の表放射素子と前記裏アンテナ部の裏放射素子は、前記基板の裏面に垂直投影したときに、離間間隔が放射される周波数に基づく所定値に設定された請求項１ないし３のいずれかに記載のアレーアンテナ。
前記互いに隣合う２つのアンテナのうちの前記表アンテナ部の表放射素子と前記裏アンテナ部の裏放射素子は、前記基板の裏面に垂直投影したときに、千鳥状に配列された請求項１ないし４のいずれかに記載のアレーアンテナ。