JP7107105B2 - アンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、マルチバンドに対応するアンテナに関する。
技術の進歩とともに、通信スピードの高速化に伴う周波数の広帯域化、および規格の異なる複数の帯域を同時に使うマルチバンド化の需要が増えている。特許文献1、および特許文献2には、同一平面内に複数のアンテナ電極を形成することで、マルチバンド化を実現する技術が開示されている。
国際公開第2007/060782号 特開2008-172697号公報
同一平面内に複数のアンテナ電極を形成する構成では、複数の帯域のそれぞれにおける帯域幅を大きくすることが困難である。
複数の帯域のそれぞれにおいて帯域幅が大きな特性を実現することが可能なアンテナを提供することが望ましい。
本発明の一実施の形態に係るアンテナは、第1の平面と、第2の平面と、第1の平面とは異なる第3の平面と、第2の平面とは異なる第4の平面と、第1ないし第4の平面とは異なる第5の平面とを有し、第1ないし第5の平面が互いに平行となるように積層配置された誘電体と、第1の平面内に環状に形成された第1のアンテナ電極と、第2の平面内に環状に形成され、第1のアンテナ電極とは大きさの異なる第2のアンテナ電極と、第3の平面内に環状に形成された第3のアンテナ電極と、第4の平面内に環状に形成され、第3のアンテナ電極とは大きさの異なる第4のアンテナ電極と、第5の平面内に形成され、第1ないし第4のアンテナ電極に給電可能となるように、積層方向からの平面視において、第1および第3のアンテナ電極のうちの少なくとも一方のアンテナ電極と、第2および第4のアンテナ電極のうちの少なくとも一方のアンテナ電極とに対して重なる部分を有する少なくとも1つのプローブ電極とを備え、積層方向からの平面視において、第1ないし第4のアンテナ電極のうちの最も大きなアンテナ電極の外周よりも内側に、最も大きなアンテナ電極以外の他のアンテナ電極が内包され、積層方向からの平面視において、第1および第2のアンテナ電極のうちの大きい方のアンテナ電極と、第3および第4のアンテナ電極のうちの大きい方のアンテナ電極とが互いに重なる部分を有し、積層方向からの平面視において、第1および第2のアンテナ電極のうちの小さい方のアンテナ電極と、第3および第4のアンテナ電極のうちの小さい方のアンテナ電極とが互いに重なる部分を有する
本発明の一実施の形態に係るアンテナによれば、環状の第1ないし第4のアンテナ電極とプローブ電極とを適切な構成で積層配置するようにしたので、複数の帯域のそれぞれにおいて帯域幅が大きな特性を実現することが可能となる。
比較例に係るアンテナの一構成例を示す斜視図である。 比較例に係るアンテナの一構成例を示す断面図である。 比較例に係るアンテナのリターンロス特性を示す特性図である。 第1の実施の形態に係るアンテナの一構成例を示す断面図である。 第1の実施の形態に係るアンテナにおける第2のアンテナ層の一構成例を示す平面図である。 第1の実施の形態に係るアンテナにおける第1のアンテナ層の一構成例を示す平面図である。 第1の実施の形態に係るアンテナの全体の反射特性を示す特性図である。 第1の実施の形態に係るアンテナの1stモードに相当する反射特性の部分を拡大して示す特性図である。 第1の実施の形態に係るアンテナの2ndモードに相当する反射特性の部分を拡大して示す特性図である。 第1の実施の形態の第1の変形例に係るアンテナにおける第2のアンテナ層の一構成例を示す平面図である。 第1の実施の形態の第1の変形例に係るアンテナにおける第1のアンテナ層の一構成例を示す平面図である。 第1の実施の形態の第1の変形例に係るアンテナの第1の断面の構成例を示す断面図である。 第1の実施の形態の第1の変形例に係るアンテナの第2の断面の構成例を示す断面図である。 第1の実施の形態の第2の変形例に係るアンテナの一構成例を示す斜視図である。 第1の実施の形態の第2の変形例に係るアンテナのE面、周波数f=28.0GHzにおける放射パターンを示す特性図である。 第1の実施の形態の第3の変形例に係るアンテナの一構成例を示す斜視図である。 第1の実施の形態の第3の変形例に係るアンテナのE面、周波数f=28.0GHzにおける放射パターンを示す特性図である。 第1の実施の形態の第4の変形例に係るアンテナの一構成例を示す斜視図である。 第1の実施の形態の第4の変形例に係るアンテナのE面、周波数f=28.0GHzにおける放射パターンを示す特性図である。 第1の実施の形態の第5の変形例に係るアンテナの一構成例を示す斜視図である。 第1の実施の形態の第5の変形例に係るアンテナの第1の断面の構成例を示す断面図である。 第1の実施の形態の第5の変形例に係るアンテナの第2の断面の構成例を示す断面図である。 第1の実施の形態の第5の変形例に係るアンテナにおけるプローブ層の一構成例を示す平面図である。 第1の実施の形態の第6の変形例に係るアンテナの一構成例を示す斜視図である。 第2の実施の形態に係るアンテナにおける第2のアンテナ層の一構成例を示す平面図である。 第2の実施の形態に係るアンテナにおける第1のアンテナ層の一構成例を示す平面図である。 第2の実施の形態に係るアンテナの一構成例を示す断面図である。 第3の実施の形態に係るアンテナの一構成例を示す断面図である。 第3の実施の形態に係るアンテナを積層方向から見た一構成例を示す平面図である。 第3の実施の形態に係るアンテナにおける第1ないし第3のアンテナ層の一構成例を示す平面図である。 第3の実施の形態に係るアンテナにおけるプローブ層の一構成例を示す平面図である。 第3の実施の形態に係るアンテナの全体の反射特性を示す特性図である。 第3の実施の形態に係るアンテナの1stモードに相当する反射特性の部分を拡大して示す特性図である。 第3の実施の形態に係るアンテナの2ndモードに相当する反射特性の部分を拡大して示す特性図である。 第3の実施の形態の一変形例に係るアンテナの一構成例を示す断面図である。 第3の実施の形態の一変形例に係るアンテナを積層方向から見た一構成例を示す平面図である。 第3の実施の形態の一変形例に係るアンテナにおける第1ないし第3のアンテナ層の一構成例を示す平面図である。 第3の実施の形態の一変形例に係るアンテナにおけるプローブ層の一構成例を示す平面図である。 第4の実施の形態に係るアンテナの一構成例を示す断面図である。 第4の実施の形態に係るアンテナを積層方向から見た一構成例を示す平面図である。 第4の実施の形態に係るアンテナにおける第1ないし第4のアンテナ層の一構成例を示す平面図である。 第4の実施の形態に係るアンテナにおけるプローブ層の一構成例を示す平面図である。 第4の実施の形態に係るアンテナの全体の反射特性を示す特性図である。 第4の実施の形態に係るアンテナの1stモードに相当する反射特性の部分を拡大して示す特性図である。 第4の実施の形態に係るアンテナの2ndモードに相当する反射特性の部分を拡大して示す特性図である。
以下、本発明の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、説明は以下の順序で行う。
0. 比較例および本発明のアンテナの概要(図1~図3)
1.第1の実施の形態(2層構造のアンテナ電極を有するアンテナの構成例)(図4~図24)
1.1 第1の実施の形態に係るアンテナの構成例(図4~図9)
1.2 第1の実施の形態の変形例(図10~図24)
2.第2の実施の形態(1つの平面内に3つ以上のアンテナ電極を有するアンテナの構成例)(図25~図27)
3.第3の実施の形態(3層構造のアンテナ電極を有するアンテナの構成例)(図28~図38)
3.1 第3の実施の形態に係るアンテナの構成例
3.2 第3の実施の形態の変形例
4.第4の実施の形態(4層構造のアンテナ電極を有するアンテナの構成例)(図39~図45)
4.1 第4の実施の形態に係るアンテナの構成例
4.2 第4の実施の形態の変形例
5.その他の実施の形態
<1.0.比較例および本発明のアンテナの概要>
図1は、比較例に係るアンテナ101の斜視構成例を示している。図2は、比較例に係るアンテナ101の断面構成例を示している。
比較例に係るアンテナ101は、第1の絶縁基板121と、第2の絶縁基板123とを備えている。
第1の絶縁基板121には、同一平面内に形成された複数のアンテナ電極からなるアンテナ素子122が形成されている。アンテナ素子122は、複数のアンテナ電極として、複数の環状のアンテナ電極と、方形状のアンテナ電極とを有している。
第2の絶縁基板123には、プローブ電極124と、グランド層125とが形成されている。また、第2の絶縁基板123には、一部が第2の絶縁基板123を貫通するようにしてプローブ電極124に接続された給電コネクタ126が設けられている。アンテナ素子122には、給電コネクタ126およびプローブ電極124を介して給電が行われる。
図3は、比較例に係るアンテナ101のリターンロス特性を示している。図3において、横軸は周波数、縦軸はリターンロスを示す。図3において、実線は実測値(Exp.)、点線はシミュレーション値(Sim.)を示す。
比較例に係るアンテナ101では、プローブ電極124を介して給電されることによって、同一平面内に形成された複数のアンテナ電極のそれぞれに電流が流れ、それぞれのアンテナ電極において電流経路に基づく固有の共振が生ずる。アンテナ101では、複数のアンテナ電極のうち、最も長い電流経路に基づく共振モードから順に、1stモード、2ndモード、3rdモード、4thモードが現れる。図3において、(a)は1stモードの特性、(b)は2ndモードの特性、(c)は3rdモードの特性、(d)は4thモードの特性に対応する。
比較例に係るアンテナ101では、同一平面内に複数のアンテナ電極を形成することによって、マルチバンドを形成している。しかしながら、1つのアンテナ電極で1つのバンド(帯域)を形成しているため、図3に示したように、各共振モードでの帯域幅が小さい。このため、帯域幅または比帯域幅の大きい特性を実現することが困難である。ここで、比帯域幅とは、中心周波数f0と反射特性が10dB以下の帯域幅BWとの比(BW/f0)である。
これに対して、本発明では、以下の各実施の形態で説明するように、4以上のアンテナ電極を2以上の平面に分けて積層配置し、少なくとも2つのアンテナ電極同士を積層方向に結合させることによって、1つのバンド(帯域)を形成し、全体として2以上のマルチバンドを形成する。本発明では、少なくとも2つのアンテナ電極同士を積層方向に結合させることによって、各共振モードにおける帯域幅を大きくできる。
アンテナ電極はある程度の幅を持っているため、比較例に係るアンテナ101のように、同一平面内に複数のアンテナ電極を形成しただけでは、各アンテナ電極の固有共振周波数同士が離れすぎてしまい、複数のアンテナ電極の結合による広い帯域形成が上手くできない。これに対して、本発明では、異なる平面に分けて複数のアンテナ電極を形成することで、複数のアンテナ電極の結合による広い帯域形成を実現可能である。
<1.第1の実施の形態(2層構造のアンテナ電極を有するアンテナの構成例)>
[1.1 第1の実施の形態に係るアンテナの構成例]
図4は、本発明の第1の実施の形態に係るアンテナ1の断面構成例を示している。図5は、アンテナ1における第2のアンテナ層22の平面構成例を示している。図6は、アンテナ1における第1のアンテナ層21の平面構成例を示している。図4は、図6におけるA-A′線の断面を側面視した状態を示している。
アンテナ1は、平板形状で積層構造の誘電体60を備えている。アンテナ1には、誘電体60の底面61側から順に、グランド層70と、プローブ層51と、第1のアンテナ層21と、第2のアンテナ層22とが積層配置されている。
アンテナ1は、それぞれが環状の導体パターンからなる第1のアンテナ電極11、第2のアンテナ電極12、第3のアンテナ電極13、および第4のアンテナ電極14を備えている。また、アンテナ1は、直線状の導体パターンからなる第1のプローブ電極31と、第1の給電コネクタ41とをさらに備えている。
ここで、図4ないし図6に示したように、誘電体60における積層方向をZ方向とし、Z方向に垂直で、互いに直交する2つの軸をX,Yとする。本発明における第1ないし第4の平面、および第5の平面は、XY平面に平行な面である。以降の変形例および他の実施の形態についても同様である。
アンテナ1において、第2のアンテナ層22は、本発明における第1の平面および第2の平面の一具体例に相当する。すなわち、第2のアンテナ層22は、本発明における第1の平面と第2の平面とが同一とされた場合の第1の面の一具体例に相当する。第1のアンテナ層21は、本発明における第3の平面および第4の平面の一具体例に相当する。すなわち、第1のアンテナ層21は、本発明における第3の平面と第4の平面とが同一とされた場合の第2の面の一具体例に相当する。プローブ層51は、本発明における第5の平面の一具体例に相当する。
第2のアンテナ層22には、互いに大きさの異なる第1のアンテナ電極11および第2のアンテナ電極12が環状に形成されている。第2のアンテナ電極12は、第1のアンテナ電極11よりも大きい形状を有し、第1のアンテナ電極11の外側に形成されている。
第1のアンテナ層21には、互いに大きさの異なる第3のアンテナ電極13および第4のアンテナ電極14が環状に形成されている。第4のアンテナ電極14は、第3のアンテナ電極13よりも大きい形状を有し、第3のアンテナ電極13の外側に形成されている。
第1ないし第4のアンテナ電極11~14は、積層方向からの平面視において、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のうちの最も大きなアンテナ電極の外周よりも内側に、最も大きなアンテナ電極以外の他のアンテナ電極が内包されるように構成されている。
アンテナ1では、第2のアンテナ電極12が最も大きなアンテナ電極となっている。また、第4のアンテナ電極14は第2のアンテナ電極12の次に大きなアンテナ電極となっている。第1のアンテナ電極11は第4のアンテナ電極14の次に大きなアンテナ電極となっている。第3のアンテナ電極13は最も小さいアンテナ電極となっている。
第1ないし第4のアンテナ電極11~14は、XY平面に垂直な第1の対称面に対して鏡面対称となるように形成されている。また、第1ないし第4のアンテナ電極11~14は、XY平面に垂直で第1の対称面とは異なる第2の対称面に対して鏡面対称となるように形成されている。第1の対称面と第2の対称面は、例えば、互いに直交する面である。第1の対称面は、例えば、積層方向からの平面視における第1ないし第4のアンテナ電極11~14の中心位置を通り、XZ平面に平行な面である。第2の対称面は、例えば、積層方向からの平面視における第1ないし第4のアンテナ電極11~14の中心位置を通り、YZ平面に平行な面である。また、第1ないし第4のアンテナ電極11~14は、XY平面に垂直な回転軸に対して180度回転対称となるように形成されている。回転軸は、例えば、積層方向からの平面視における第1ないし第4のアンテナ電極11~14の中心位置を通り、Z軸に平行な軸である。
第1の給電コネクタ41は、第1の貫通導体41Aを有している。第1の貫通導体41Aは、誘電体60において、グランド層70および誘電体60の底面61から第1のプローブ電極31までを貫通するように設けられている。第1ないし第4のアンテナ電極11~14には、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31を介して給電が行われる。
プローブ層51には、第1のプローブ電極31が形成されている。第1のプローブ電極31は、第1ないし第4のアンテナ電極11~14に給電可能となるように、積層方向からの平面視において、第1および第3のアンテナ電極11,13のうちの少なくとも一方のアンテナ電極と、第2および第4のアンテナ電極12,14のうちの少なくとも一方のアンテナ電極とに対して重なる部分を有するように構成されている。図4ないし図6の構成例では、第1のプローブ電極31は、積層方向からの平面視において、第1ないし第4のアンテナ電極11~14の全てに対して重なる部分を有するように構成されている。
なお、プローブ層51を、第1のアンテナ層21と第2のアンテナ層22との間に配置するようにしてもよい。
アンテナ1では、第1のプローブ電極31を介して給電されることによって、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のそれぞれに電流が流れ、それぞれのアンテナ電極において電流経路に基づく固有の共振が生ずる。そして、第2および第4のアンテナ電極12,14の組が結合することによって、第1の周波数faを中心とする帯域でアンテナとして動作する。また、第1および第3のアンテナ電極11,13の組が結合することによって、第2の周波数fbを中心とする帯域でアンテナとして動作する。
アンテナ1では、第1のプローブ電極31は、積層方向において第1のアンテナ層21に直接隣接するように積層配置され、第1のアンテナ層21に形成された第3のアンテナ電極13と第4のアンテナ電極14とに対して、積層方向からの平面視において重なる部分を有するように構成されている。これにより、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31を介して、第1および第3のアンテナ電極11,13の組と、第2および第4のアンテナ電極12,14の組とに給電可能とされている。上記したように、アンテナ1では、第1および第3のアンテナ電極11,13の組同士は結合するので、第1のプローブ電極31と第1のアンテナ電極11とが積層方向に隣接していなくとも、第1のプローブ電極31と第3のアンテナ電極13とが積層方向に隣接していることで、第3のアンテナ電極13を介して第1のアンテナ電極11にも給電される。同様に、第2および第4のアンテナ電極12,14の組同士は結合するので、第1のプローブ電極31と第2のアンテナ電極12とが積層方向に隣接していなくとも、第1のプローブ電極31と第4のアンテナ電極14とが積層方向に隣接していることで、第4のアンテナ電極14を介して第2のアンテナ電極12にも給電される。
アンテナ1では、第1および第3のアンテナ電極11,13のそれぞれのアンテナ電極の周回長は、第2および第4のアンテナ電極12,14のそれぞれのアンテナ電極の周回長よりも小さく、第2の周波数fbは第1の周波数faよりも高い周波数となっている(fb>fa)。以降、相対的に周波数の低い第1の周波数faを中心とする動作モードを1stモード、相対的に周波数の高い第2の周波数fbを中心とする動作モードを2ndモードと称する。
アンテナ1において、第1のアンテナ電極11の固有共振周波数をf1、第2のアンテナ電極12の固有共振周波数をf2、第3のアンテナ電極13の固有共振周波数をf3、第4のアンテナ電極14の固有共振周波数をf4としたとき、固有共振周波数f1~f4に関し、以下の式(1)~(8)を全て満たすことが好ましい。これにより、各動作モードにおける帯域幅を大きくすることができる。
|f3-f1|<|f2-f1| ……(1)
|f3-f1|<|f4-f1| ……(2)
|f3-f1|<|f2-f3| ……(3)
|f3-f1|<|f4-f3| ……(4)
|f4-f2|<|f2-f1| ……(5)
|f4-f2|<|f4-f1| ……(6)
|f4-f2|<|f2-f3| ……(7)
|f4-f2|<|f4-f3| ……(8)
なお、第1および第3のアンテナ電極11,13の組のそれぞれのアンテナ電極の大きさ(周回長)を調整すると、f1=f3とすることもできる。また、第2および第4のアンテナ電極12,14の組の大きさ(周回長)を調整すると、f2=f4とすることができる。このような構成にした場合であっても、それぞれの組の2つのアンテナ電極同士が結合することによって、ピーク周波数がスプリットするので、比較例に係るアンテナ101のように2つのアンテナ電極同士の結合が無い、または結合の度合いが小さく、各動作モードが実質的に単独のアンテナ電極で動作する場合よりも広い帯域を実現できる。
(アンテナ特性)
以下に、第1の実施の形態に係るアンテナ1の各種アンテナ特性をシミュレーションした結果を示す。シミュレーションに際し、図4ないし図6に符号で示した部分の寸法等は、以下の通りである。εr以外は寸法を表し、寸法の単位は[mm](ミリメートル)となっている。εrは誘電体60の比誘電率である。
Wx=8.0,Wy=8.0,a=b=1.84,c=d=1.40,e=f=2.00,g=h=1.60,w1=0.17,w2=0.18,w3=0.15,w4=0.21,s1=0.05,s2=0.05,Pw=0.2,Ps=1.11,Pl=1.59,D=0.1,t1=0.4,t2=0.1,t3=0.2,εr=2.9
また、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のそれぞれの周回長L1~L4および固有共振周波数f1~f4は、以下の通りである。周回長L1~L4は、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のそれぞれの幅方向の中心の周回長である。
L1=5.56mm,f1=33.7GHz
L2=7.40mm,f2=24.80GHz
L3=4.48mm,f3=37.9GHz
L4=6.68mm,f4=27.50GHz
図7は、アンテナ1の全体の反射特性をシミュレーションした結果を示している。図8は、アンテナ1の1stモードに相当する反射特性の部分を拡大して示している。図9は、アンテナ1の2ndモードに相当する反射特性の部分を拡大して示している。
図7ないし図9の結果から分かるように、各動作モードにおいて、広帯域化が実現できている。
[1.2 第1の実施の形態の変形例]
(第1の変形例)
図10は、第1の実施の形態の第1の変形例に係るアンテナ1Aにおける第2のアンテナ層22の平面構成例を示している。図11は、アンテナ1Aにおける第1のアンテナ層21の平面構成例を示している。図12は、アンテナ1Aの第1の断面の構成例を示している。図13は、アンテナ1Aの第2の断面の構成例を示している。図12は、図11におけるA-A′線の断面を側面視した状態を示している。図13は、図11におけるB-B′線の断面を側面視した状態を示している。
第1の変形例に係るアンテナ1Aは、図4ないし図6に示したアンテナ1の構成に対して、第2のプローブ電極32と、第2の給電コネクタ42とをさらに備えている。
第2のプローブ電極32は、第1のプローブ電極31と同様に、直線状の導体パターンからなる。第2のプローブ電極32は、第1のプローブ電極31と同様に、プローブ層51に形成されている。
第2の給電コネクタ42は、第2の貫通導体42Aを有している。第2の貫通導体42Aは、誘電体60において、グランド層70および誘電体60の底面61から第2のプローブ電極32までを貫通するように設けられている。第1ないし第4のアンテナ電極11~14には、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31と、第2の給電コネクタ42および第2のプローブ電極32とを介して給電が行われる。第1のプローブ電極31および第2のプローブ電極32は、互いに差動で励振されてもよい。
第2のプローブ電極32は、第1のプローブ電極31と同様に、第1ないし第4のアンテナ電極11~14に給電可能となるように、積層方向からの平面視において、第1および第3のアンテナ電極11,13のうちの少なくとも一方のアンテナ電極と、第2および第4のアンテナ電極12,14のうちの少なくとも一方のアンテナ電極とに対して重なる部分を有するように構成されている。図10ないし図13の構成例では、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とが、積層方向からの平面視において、第1ないし第4のアンテナ電極11~14の全てに対して重なる部分を有するように構成されている。
アンテナ1Aでは、第2のプローブ電極32は、積層方向からの平面視において、第1のプローブ電極31とは90度異なる位置に配置されている。
アンテナ1Aでは、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とが、積層方向において第1のアンテナ層21に直接隣接するように積層配置され、それぞれ、第1のアンテナ層21に形成された第3のアンテナ電極13と第4のアンテナ電極14とに対して積層方向からの平面視において重なる部分を有するように構成されている。これにより、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31と、第2の給電コネクタ42および第2のプローブ電極32とを介して、第1および第3のアンテナ電極11,13の組と、第2および第4のアンテナ電極12,14の組とに給電可能とされている。アンテナ1Aでは、図4ないし図6に示したアンテナ1と同様に、第1および第3のアンテナ電極11,13の組同士は結合するので、第1および第2のプローブ電極31,32と第1のアンテナ電極11とが積層方向に隣接していなくとも、第1および第2のプローブ電極31,32と第3のアンテナ電極13とが積層方向に隣接していることで、第3のアンテナ電極13を介して第1のアンテナ電極11にも給電される。同様に、第2および第4のアンテナ電極12,14の組同士は結合するので、第1および第2のプローブ電極31,32と第2のアンテナ電極12とが積層方向に隣接していなくとも、第1および第2のプローブ電極31,32と第4のアンテナ電極14とが積層方向に隣接していることで、第4のアンテナ電極14を介して第2のアンテナ電極12にも給電される。
なお、プローブ層51を、第1のアンテナ層21と第2のアンテナ層22との間に配置するようにしてもよい。
アンテナ1Aでは、第1のプローブ電極31および第2のプローブ電極32を介して給電されることによって、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のそれぞれに電流が流れ、それぞれのアンテナ電極において電流経路に基づく固有の共振が生ずる。そして、第2および第4のアンテナ電極12,14の組が結合することによって、第1の周波数faを中心とする帯域でアンテナとして動作する。第1および第3のアンテナ電極11,13の組が結合することによって、第2の周波数fbを中心とする帯域でアンテナとして動作する。
アンテナ1Aでは、第2のプローブ電極32は、積層方向からの平面視において、第1のプローブ電極31とは90度異なる位置に配置されている。このため、アンテナ1Aは、第1の周波数faを中心とする帯域と第2の周波数fbを中心とする帯域とで、直交する2つの偏波を独立に送受信することができる。
アンテナ1Aにおける図10ないし図13に符号で示した部分の寸法等は、例えば、以下の通りである。εr以外は寸法を表し、寸法の単位は[mm](ミリメートル)となっている。εrは誘電体60の比誘電率である。
Wx=8.0,Wy=8.0,a=b=1.84,c=d=1.40,e=f=2.00,g=h=1.60,w1=0.17,w2=0.18,w3=0.15,w4=0.21,s1=0.05,s2=0.05,Pw=0.2,Ps=1.11,Pl=1.59,D=0.1,t1=0.4,t2=0.1,t3=0.2,εr=2.9
その他の構成および動作は、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と略同様である。
(第2の変形例)
図14は、第1の実施の形態の第2の変形例に係るアンテナ1Bの斜視構成例を示している。
第2の変形例に係るアンテナ1Bは、図4ないし図6に示したアンテナ1の構成に対して、第1のプローブ電極31の平面形状が異なっている。アンテナ1Bでは、積層方向からの平面視において、第1のプローブ電極31がL字状であり、非対称な平面形状を有している。図14に示す例では、積層方向からの平面視において、第1のプローブ電極31は第2の対称面に対して非対称な平面形状を有している。
その他の構成および動作は、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と略同様である。
図15は、第2の変形例に係るアンテナ1BのE面、周波数f=28.0GHzにおける放射パターンをシミュレーションした結果を示している。
図15から分かるように、アンテナ1Bでは、放射パターンの対称性が崩れ、バランスが悪くなっている。これは、第1のプローブ電極31が非対称な平面形状を有していることに起因する。
(第3の変形例)
図16は、第1の実施の形態の第3の変形例に係るアンテナ1Cの斜視構成例を示している。
第3の変形例に係るアンテナ1Cは、図10ないし図13に示した第1の変形例に係るアンテナ1Aの構成と同様に、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とを備えている。ただし、アンテナ1Cでは、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32との平面形状が異なっている。アンテナ1Cでは、積層方向からの平面視において、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とのそれぞれがL字状であり、非対称な平面形状を有している。図16に示す例では、積層方向からの平面視において、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とのそれぞれが第2の対称面に対して非対称な平面形状を有している。
また、アンテナ1Cでは、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32は、XY平面に垂直な第1の対称面に対して鏡面対称となるように形成されている。第1の対称面は、積層方向からの平面視における第1ないし第4のアンテナ電極11~14の中心位置を通り、XZ平面に平行な面である。
第1ないし第4のアンテナ電極11~14には、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31と、第2の給電コネクタ42および第2のプローブ電極32とを介して差動で給電が行われる。第1のプローブ電極31および第2のプローブ電極32は、互いに差動で励振される。
その他の構成および動作は、上記第1の実施の形態の第1の変形例に係るアンテナ1Aと略同様である。
図17は、第3の変形例に係るアンテナ1CのE面、周波数f=28.0GHzにおける放射パターンをシミュレーションした結果を示している。
図17から分かるように、アンテナ1Cでは、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とを鏡面対称となるように形成したことによって、第2の変形例に係るアンテナ1B(図14、図15)に比べて、放射パターンが対称的となり、バランスが良くなっている。
(第4の変形例)
図18は、第1の実施の形態の第4の変形例に係るアンテナ1Dの斜視構成例を示している。
第4の変形例に係るアンテナ1Dは、図10ないし図13に示した第1の変形例に係るアンテナ1Aの構成と同様に、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とを備えている。ただし、アンテナ1Dでは、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32との平面形状が異なっている。アンテナ1Cでは、積層方向からの平面視において、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とのそれぞれがL字状であり、非対称な平面形状を有している。図18に示す例では、積層方向からの平面視において、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とのそれぞれが第2の対称面に対して非対称な平面形状を有している。
また、アンテナ1Dでは、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32は、XY平面に垂直な回転軸に対して180度回転対称となるように形成されている。回転軸は、積層方向からの平面視における第1ないし第4のアンテナ電極11~14の中心位置を通り、Z軸に平行な軸である。
その他の構成および動作は、上記第1の実施の形態の第1の変形例に係るアンテナ1Aと略同様である。
図19は、アンテナ1DのE面、周波数f=28.0GHzにおける放射パターンをシミュレーションした結果を示している。
図19から分かるように、アンテナ1Dでは、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とを180度回転対称となるように形成したことによって、第2の変形例に係るアンテナ1B(図14、図15)に比べて、放射パターンが対称的となり、バランスが良くなっている。
(第5の変形例)
図20は、第1の実施の形態の第5の変形例に係るアンテナ1Eの斜視構成例を示している。図21は、アンテナ1Eの第1の断面の構成例を示している。図22は、アンテナ1Eの第2の断面の構成例を示している。図23は、アンテナ1Eにおけるプローブ層51の平面構成例を示している。図21は、図20におけるA-A′線の断面を側面視した状態を示している。図22は、図20におけるB-B′線の断面を側面視した状態を示している。
第5の変形例に係るアンテナ1Eは、図16に示した第3の変形例に係るアンテナ1Cの構成に対して、さらに、第3のプローブ電極33および第3の給電コネクタ43と、第4のプローブ電極34および第4の給電コネクタ44とを備えている。
第3のプローブ電極33および第4のプローブ電極34は、第1のプローブ電極31および第2のプローブ電極32と同様に、プローブ層51に形成されている。
第1ないし第4のアンテナ電極11~14には、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31と、第2の給電コネクタ42および第2のプローブ電極32と、第3のプローブ電極33および第3の給電コネクタ43と、第4のプローブ電極34および第4の給電コネクタ44とを介して差動で給電が行われる。第1のプローブ電極31および第2のプローブ電極32は、互いに差動で励振される。また、第3のプローブ電極33および第4のプローブ電極34は、互いに差動で励振される。
第3のプローブ電極33および第4のプローブ電極34は、第1のプローブ電極31および第2のプローブ電極32と同様に、第1ないし第4のアンテナ電極11~14に給電可能となるように、積層方向からの平面視において、第1および第3のアンテナ電極11,13のうちの少なくとも一方のアンテナ電極と、第2および第4のアンテナ電極12,14のうちの少なくとも一方のアンテナ電極とに対して重なる部分を有するように構成されている。図20ないし図23の構成例では、第1ないし第4のプローブ電極31~34が、積層方向からの平面視において、第1ないし第4のアンテナ電極11~14の全てに対して重なる部分を有するように構成されている。
アンテナ1Eでは、第1ないし第4のプローブ電極31~34が、積層方向において第1のアンテナ層21に直接隣接するように積層配置され、それぞれ、第1のアンテナ層21に形成された第3のアンテナ電極13と第4のアンテナ電極14とに対して、積層方向からの平面視において重なる部分を有するように構成されている。これにより、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31と、第2の給電コネクタ42および第2のプローブ電極32と、第3のプローブ電極33および第3の給電コネクタ43と、第4のプローブ電極34および第4の給電コネクタ44とを介して、第1および第3のアンテナ電極11,13の組と、第2および第4のアンテナ電極12,14の組とに差動で給電可能とされている。アンテナ1Eでは、図4ないし図6に示したアンテナ1と同様に、第1および第3のアンテナ電極11,13の組同士は結合するので、第1ないし第4のプローブ電極31~34と第1のアンテナ電極11とが積層方向に隣接していなくとも、第1ないし第4のプローブ電極31~34と第3のアンテナ電極13とが積層方向に隣接していることで、第3のアンテナ電極13を介して第1のアンテナ電極11にも給電される。同様に、第2および第4のアンテナ電極12,14の組同士は結合するので、第1ないし第4のプローブ電極31~34と第2のアンテナ電極12とが積層方向に隣接していなくとも、第1ないし第4のプローブ電極31~34と第4のアンテナ電極14とが積層方向に隣接していることで、第4のアンテナ電極14を介して第2のアンテナ電極12にも給電される。
なお、プローブ層51を、第1のアンテナ層21と第2のアンテナ層22との間に配置するようにしてもよい。
アンテナ1Eでは、積層方向からの平面視において、第1ないし第4のプローブ電極31~34のそれぞれがL字状であり、非対称な平面形状を有している。図20に示す例では、積層方向からの平面視において、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32とのそれぞれが第2の対称面に対して非対称な平面形状を有しており、第3のプローブ電極33と第4のプローブ電極34とのそれぞれが第1の対称面に対して非対称な平面形状を有している。
また、アンテナ1Eでは、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32は、XY平面に垂直な第1の対称面に対して鏡面対称となるように形成されている。第1の対称面は、積層方向からの平面視における第1ないし第4のアンテナ電極11~14の中心位置を通り、XZ平面に平行な面である。
さらに、アンテナ1Eでは、第3のプローブ電極33と第4のプローブ電極34は、XY平面に垂直な第2の対称面に対して鏡面対称となるように形成されている。第2の対称面は、積層方向からの平面視における第1ないし第4のアンテナ電極11~14の中心位置を通り、YZ平面に平行な面である。
このような構成のアンテナ1Eによれば、第1のプローブ電極31および第2のプローブ電極32と、第3のプローブ電極33および第4のプローブ電極34とをそれぞれ鏡面対称となるように形成したことによって、第2の変形例に係るアンテナ1B(図14、図15)に比べて、放射パターンが対称的となり、バランスの良い特性が得られる。
その他の構成および動作は、上記第1の実施の形態の第3の変形例に係るアンテナ1Cと略同様である。
(第6の変形例)
図24は、第1の実施の形態の第6の変形例に係るアンテナ1Fの斜視構成例を示している。アンテナ1Fにおける第1の断面および第2の断面の構成は、図21、図22と略同様である。
第6の変形例に係るアンテナ1Fは、図20~図22に示した第5の変形例に係るアンテナ1Eの構成と同様に、第1ないし第4のプローブ電極31~34および第1ないし第4の給電コネクタ41~44を備えている。第1のプローブ電極31および第2のプローブ電極32は、互いに差動で励振される。また、第3のプローブ電極33および第4のプローブ電極34は、互いに差動で励振される。
ただし、第6の変形例に係るアンテナ1Fでは、第5の変形例に係るアンテナ1Eに対して、第1ないし第4のプローブ電極31~34の配置構造が異なっている。
アンテナ1Fでは、第4の変形例に係るアンテナ1D(図18)と同様に、第1のプローブ電極31と第2のプローブ電極32は、XY平面に垂直な回転軸に対して180度回転対称となるように形成されている。同様に、第3のプローブ電極33と第4のプローブ電極34は、XY平面に垂直な回転軸に対して180度回転対称となるように形成されている。回転軸は、積層方向からの平面視における第1ないし第4のアンテナ電極11~14の中心位置を通り、Z軸に平行な軸である。
このような構成のアンテナ1Fによれば、第1のプローブ電極31および第2のプローブ電極32と、第3のプローブ電極33および第4のプローブ電極34とをそれぞれ180度回転対称となるように形成したことによって、第2の変形例に係るアンテナ1B(図14、図15)に比べて、放射パターンが対称的となり、バランスの良い特性が得られる。
その他の構成および動作は、上記第1の実施の形態の第4の変形例に係るアンテナ1D、または第5の変形例に係るアンテナ1Eと略同様である。
(第1の実施の形態のその他の変形例)
第1の実施の形態では、第1および第2のアンテナ層21,22のそれぞれに、環状の2つのアンテナ電極を形成することによって、2つのアンテナ電極の組を形成するようにしたが、アンテナ層の数は2つに限らない。第1および第2のアンテナ層21,22の上層または下層にさらに1または複数のアンテナ層を追加して3つ以上のアンテナ層を形成し、各アンテナ層に環状の2つのアンテナ電極を形成するようにしてもよい。そして、積層方向において重なる3つ以上のアンテナ電極を1つの組とし、それぞれが3つ以上のアンテナ電極からなる2つのアンテナ電極の組を形成してもよい。これにより、3つ以上のアンテナ電極を結合させることによって、1つの周波数帯域を形成するようにしてもよい。
<2.第2の実施の形態(1つの平面内に3つ以上のアンテナ電極を有するアンテナの構成例)>
次に、本発明の第2の実施の形態に係るアンテナについて説明する。なお、以下では、上記第1の実施の形態に係るアンテナの構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
図25は、本発明の第2の実施の形態に係るアンテナ2における第2のアンテナ層22の平面構成例を示している。図26は、アンテナ2における第1のアンテナ層21の平面構成例を示している。図27は、アンテナ2の断面構成例を示している。図27は、図26におけるA-A′線の断面を側面視した状態を示している。
第2の実施の形態に係るアンテナ2は、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1(図4~図6)の構成に対して、それぞれが環状の導体パターンからなる第5のアンテナ電極15および第6のアンテナ電極16をさらに備えている。
第5のアンテナ電極15は、第1のアンテナ電極11および第2のアンテナ電極12とは互いに大きさが異なり、第1のアンテナ電極11および第2のアンテナ電極12と共に第2のアンテナ層22に環状に形成されている。第5のアンテナ電極15は、例えば、第1のアンテナ電極11および第2のアンテナ電極12よりも大きい形状を有し、第1のアンテナ電極11および第2のアンテナ電極12の外側に形成されている。
第6のアンテナ電極16は、第3のアンテナ電極13および第4のアンテナ電極14とは互いに大きさが異なり、第3のアンテナ電極13および第4のアンテナ電極14と共に第1のアンテナ層21に環状に形成されている。第6のアンテナ電極16は、例えば、第3のアンテナ電極13および第4のアンテナ電極14よりも大きい形状を有し、第3のアンテナ電極13および第4のアンテナ電極14の外側に形成されている。
アンテナ2では、例えば第5のアンテナ電極15が最も大きなアンテナ電極となっている。第1ないし第4のアンテナ電極11~14、および第6のアンテナ電極16は、積層方向からの平面視において、例えば第5のアンテナ電極15の外周よりも内側に内包されるように構成されている。
第1ないし第6のアンテナ電極11~16には、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31を介して給電が行われる。
アンテナ2では、第1のプローブ電極31は、第1ないし第6のアンテナ電極11~16に給電可能となるように、積層方向からの平面視において、第1および第3のアンテナ電極11,13のうちの少なくとも一方のアンテナ電極と、第2および第4のアンテナ電極12,14のうちの少なくとも一方のアンテナ電極と、第5および第6のアンテナ電極15,16のうちの少なくとも一方のアンテナ電極とに対して重なる部分を有するように構成されている。図25ないし図27の構成例では、第1のプローブ電極31は、積層方向からの平面視において、第1ないし第6のアンテナ電極11~16の全てに対して重なる部分を有するように構成されている。
アンテナ2では、第1のプローブ電極31は、積層方向において第1のアンテナ層21に直接隣接するように積層配置され、第1のアンテナ層21に形成された第3のアンテナ電極13、第4のアンテナ電極14、および第6のアンテナ電極16に対して、積層方向からの平面視において重なる部分を有するように構成されている。これにより、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31を介して、第1および第3のアンテナ電極11,13の組と、第2および第4のアンテナ電極12,14の組と、第5および第6のアンテナ電極15,16の組とに給電可能とされている。アンテナ2では、図4ないし図6に示したアンテナ1と同様に、第1および第3のアンテナ電極11,13の組同士は結合するので、第1のプローブ電極31と第1のアンテナ電極11とが積層方向に隣接していなくとも、第1のプローブ電極31と第3のアンテナ電極13とが積層方向に隣接していることで、第3のアンテナ電極13を介して第1のアンテナ電極11にも給電される。同様に、第2および第4のアンテナ電極12,14の組同士は結合するので、第1のプローブ電極31と第2のアンテナ電極12とが積層方向に隣接していなくとも、第1のプローブ電極31と第4のアンテナ電極14とが積層方向に隣接していることで、第4のアンテナ電極14を介して第2のアンテナ電極12にも給電される。さらに、第5および第6のアンテナ電極15,16の組同士は結合するので、第1のプローブ電極31と第5のアンテナ電極15とが積層方向に隣接していなくとも、第1のプローブ電極31と第6のアンテナ電極16とが積層方向に隣接していることで、第6のアンテナ電極16を介して第5のアンテナ電極15にも給電される。
なお、プローブ層51を、第1のアンテナ層21と第2のアンテナ層22との間に配置するようにしてもよい。
アンテナ2では、第1のプローブ電極31を介して給電されることによって、第1ないし第6のアンテナ電極11~16のそれぞれに電流が流れ、それぞれのアンテナ電極において電流経路に基づく固有の共振が生ずる。そして、第2および第4のアンテナ電極12,14の組が結合することによって、第1の周波数faを中心とする帯域でアンテナとして動作する。第1および第3のアンテナ電極11,13の組が結合することによって、第2の周波数fbを中心とする帯域でアンテナとして動作する。さらに、第5および第6のアンテナ電極15,16の組が結合することによって、第3の周波数fcを中心とする帯域でアンテナとして動作する。
アンテナ2では、第5および第6のアンテナ電極15,16のそれぞれのアンテナ電極の周回長は、第1ないし第4のアンテナ電極11~14の周回長よりも大きく、第3の周波数fcは第1の周波数faおよび第2の周波数fbよりも低い周波数となっている(fb>fa>fc)。これにより、アンテナ2では、帯域の異なる3つのモードでアンテナとして動作する。
アンテナ2における図25ないし図27に符号で示した部分の寸法等は、例えば、以下の通りである。εr以外は寸法を表し、寸法の単位は[mm](ミリメートル)となっている。εrは誘電体60の比誘電率である。
Wx=8.0,Wy=8.0,a=b=1.84,c=d=1.40,i=j=2.3,e=f=2.00,g=h=1.60,m=n=2.40,w1=0.17,w2=0.18,w3=0.15,w4=0.21,w5=0.15,w6=0.13,s1=0.05,s2=0.06,Pw=0.2,Ps=0.92,Pl=1.59,D=0.1,t1=0.4,t2=0.1,t3=0.2,εr=2.9
その他の構成および動作は、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と略同様である。
(第2の実施の形態の変形例)
アンテナ2では、第1および第2のアンテナ層21,22のそれぞれに、環状の3つのアンテナ電極を形成することによって、3組のアンテナ電極の組を形成するようにしたが、1つのアンテナ層に形成するアンテナ電極の数は3つに限らない。すなわち、形成するアンテナ電極の組は3組に限らない。第1および第2のアンテナ層21,22のそれぞれに、環状の4つ以上のアンテナ電極を形成することによって、4組以上のアンテナ電極の組を形成するようにしてもよい。これにより、アンテナの周波数帯域を4つ以上、形成してもよい。
また、アンテナ2の構成に対して、第1の実施の形態の第1の変形例(図10~図13)と同様に、第2のプローブ電極32をさらに備えてもよい。また、第1の実施の形態の第3の変形例(図16)と同様に、第1のプローブ電極31と互いに差動で励振される第2のプローブ電極32をさらに備えてもよい。また、第1の実施の形態の変形例(図20~図23、図24等)と同様に、互いに差動で励振される第3のプローブ電極33および第4のプローブ電極34をさらに備えてもよい。また、積層方向からの平面視において、各プローブ電極の形状をL字状とし、非対称な平面形状にしてもよい。
<3.第3の実施の形態(3層構造のアンテナ電極を有するアンテナの構成例)>
次に、本発明の第3の実施の形態に係るアンテナについて説明する。なお、以下では、上記第1または第2の実施の形態に係るアンテナの構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
[3.1 第3の実施の形態に係るアンテナの構成例]
図28は、第3の実施の形態に係るアンテナ3の断面構成例を示している。図29は、アンテナ3を積層方向から見た平面構成例を示している。図30は、アンテナ3における第1ないし第3のアンテナ層21~23の平面構成例を示している。図31は、アンテナ3におけるプローブ層51の平面構成例を示している。図28は、図29におけるA-A′線の断面を側面視した状態を示している。
第3の実施の形態に係るアンテナ3は、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1(図4~図6)の構成に対して、第3のアンテナ層23をさらに備えている。
アンテナ3には、誘電体60の底面61側から順に、グランド層70と、プローブ層51と、第1のアンテナ層21と、第2のアンテナ層22と、第3のアンテナ層23とが積層配置されている。
アンテナ3において、第2のアンテナ層22は、本発明における第1の平面および第2の平面の一具体例に相当する。すなわち、第2のアンテナ層22は、本発明における第1の平面と第2の平面とが同一とされた場合の第1の面の一具体例に相当する。第1のアンテナ層21は、本発明における第3の平面の一具体例に相当する。第3のアンテナ層23は、本発明における第4の平面の一具体例に相当する。プローブ層51は、本発明における第5の平面の一具体例に相当する。
第2のアンテナ層22には、互いに大きさの異なる第1のアンテナ電極11および第2のアンテナ電極12が環状に形成されている。第2のアンテナ電極12は、第1のアンテナ電極11よりも大きい形状を有し、第1のアンテナ電極11の外側に形成されている。
第1のアンテナ層21には、第3のアンテナ電極13が環状に形成されている。
第3のアンテナ層23には、第4のアンテナ電極14が環状に形成されている。第4のアンテナ電極14は、第3のアンテナ電極13よりも大きい形状を有し、積層方向からの平面視において、第3のアンテナ電極13の外側に形成されている。
第1ないし第4のアンテナ電極11~14は、積層方向からの平面視において、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のうちの最も大きなアンテナ電極の外周よりも内側に、最も大きなアンテナ電極以外の他のアンテナ電極が内包されるように構成されている。
アンテナ3では、例えば、第4のアンテナ電極14が最も大きなアンテナ電極となっている。また、第2のアンテナ電極12は第4のアンテナ電極14の次に大きなアンテナ電極となっている。第1のアンテナ電極11は第2のアンテナ電極12の次に大きなアンテナ電極となっている。第3のアンテナ電極13は最も小さいアンテナ電極となっている。
アンテナ3では、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と同様に、第1のプローブ電極31を介して給電されることによって、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のそれぞれに電流が流れ、それぞれのアンテナ電極において電流経路に基づく固有の共振が生ずる。そして、第2および第4のアンテナ電極12,14の組が結合することによって、第1の周波数faを中心とする帯域でアンテナとして動作する。また、第1および第3のアンテナ電極11,13の組が結合することによって、第2の周波数fbを中心とする帯域でアンテナとして動作する。
アンテナ3では、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と同様に、第1および第3のアンテナ電極11,13のそれぞれのアンテナ電極の周回長は、第2および第4のアンテナ電極12,14のそれぞれのアンテナ電極の周回長よりも小さく、第2の周波数fbは第1の周波数faよりも高い周波数となっている(fb>fa)。
アンテナ3において、第1のアンテナ電極11の固有共振周波数をf1、第2のアンテナ電極12の固有共振周波数をf2、第3のアンテナ電極13の固有共振周波数をf3、第4のアンテナ電極14の固有共振周波数をf4としたとき、固有共振周波数f1~f4に関し、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と同様に、上述の式(1)~(8)を全て満たすことが好ましい。これにより、各動作モードにおける帯域幅を大きくすることができる。
アンテナ3における図28ないし図31に符号で示した部分の寸法等は、例えば、以下の通りである。εr以外は寸法を表し、寸法の単位は[mm](ミリメートル)となっている。εrは誘電体60の比誘電率である。
Wx=8.0,Wy=8.0,a=b=1.30,c=d=1.80,e=f=1.40,g=h=2.00,w1=0.20,w2=0.15,w3=0.15,w4=0.20,s1=0.05,Ph=0.5,Pw=0.40,Ps=0.62,Pl=1.67,D=0.1,t1=0.8,t2=0.1,t3=0.3,t4=0.1,εr=2.9
(アンテナ特性)
以下に、アンテナ3の各種アンテナ特性をシミュレーションした結果を示す。シミュレーションに際し、図28ないし図31に符号で示した部分の寸法等は、上述の通りである。
図32は、アンテナ3の全体の反射特性をシミュレーションした結果を示している。図33は、アンテナ3の1stモードに相当する反射特性の部分を拡大して示している。図34は、アンテナ3の2ndモードに相当する反射特性の部分を拡大して示している。
図32ないし図34の結果から分かるように、各動作モードにおいて、広帯域化が実現できている。
その他の構成および動作は、上記第1の形態に係るアンテナ1と略同様である。
[3.2 第3の実施の形態の変形例]
図35は、第3の実施の形態の一変形例に係るアンテナ3Aの断面構成例を示している。図36は、アンテナ3Aを積層方向から見た平面構成例を示している。図37は、アンテナ3Aにおける第1ないし第3のアンテナ層21~23の平面構成例を示している。図38は、アンテナ3Aにおけるプローブ層51の平面構成例を示している。図35は、図36におけるA-A′線の断面を側面視した状態を示している。
アンテナ3Aは、図28ないし図31に示したアンテナ3の構成に対して、プローブ層51の位置が異なっている。アンテナ3Aでは、誘電体60の底面61側から順に、グランド層70と、第1のアンテナ層21と、プローブ層51と、第2のアンテナ層22と、第3のアンテナ層23とが積層配置されている。
アンテナ3Aにおいて、第1のアンテナ層21は、本発明における第1の平面および第2の平面の一具体例に相当する。すなわち、第1のアンテナ層21は、本発明における第1の平面と第2の平面とが同一とされた場合の第1の面の一具体例に相当する。第2のアンテナ層22は、本発明における第3の平面の一具体例に相当する。第3のアンテナ層23は、本発明における第4の平面の一具体例に相当する。プローブ層51は、本発明における第5の平面の一具体例に相当する。
アンテナ3Aでは、第1のアンテナ層21に、互いに大きさの異なる第1のアンテナ電極11および第2のアンテナ電極12が環状に形成されている。第2のアンテナ電極12は、第1のアンテナ電極11よりも大きい形状を有し、第1のアンテナ電極11の外側に形成されている。
また、アンテナ3Aでは、第2のアンテナ層22に、第3のアンテナ電極13が環状に形成されている。
また、アンテナ3Aでは、第3のアンテナ層23に、第4のアンテナ電極14が環状に形成されている。第4のアンテナ電極14は、第3のアンテナ電極13よりも大きい形状を有し、積層方向からの平面視において、第3のアンテナ電極13の外側に形成されている。
アンテナ3Aでは、第1の給電コネクタ41の第1の貫通導体41Aは、誘電体60において、グランド層70および誘電体60の底面61から第1のプローブ電極31までを貫通するように設けられている。第1ないし第4のアンテナ電極11~14には、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31を介して給電が行われる。
アンテナ3Aでは、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と同様に、第1のプローブ電極31を介して給電されることによって、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のそれぞれに電流が流れ、それぞれのアンテナ電極において電流経路に基づく固有の共振が生ずる。そして、第2および第4のアンテナ電極12,14の組が結合することによって、第1の周波数faを中心とする帯域でアンテナとして動作する。また、第1および第3のアンテナ電極11,13の組が結合することによって、第2の周波数fbを中心とする帯域でアンテナとして動作する。
アンテナ3Aでは、第1のプローブ電極31は、第1および第3のアンテナ電極11,13の少なくとも一方(本実施形態では第1のアンテナ電極11と第3のアンテナ電極13との両方)と、第2および第4のアンテナ電極12,14の少なくとも一方(本実施形態では第2のアンテナ電極12)とに直接隣接するように配置されるのが好ましい。アンテナ3Aでは、第2および第4のアンテナ電極12,14の組同士は結合するので、第1のプローブ電極31と第4のアンテナ電極14とが積層方向に隣接していなくとも、第1のプローブ電極31と第2のアンテナ電極12とが積層方向に隣接していることで、第2のアンテナ電極12を介して第4のアンテナ電極14にも給電される。
アンテナ3Aにおける図35ないし図38に符号で示した部分の寸法等は、例えば、以下の通りである。εr以外は寸法を表し、寸法の単位は[mm](ミリメートル)となっている。εrは誘電体60の比誘電率である。
Wx=8.0,Wy=8.0,a=b=1.84,c=d=1.52,e=f=1.40,g=h=2.00,w1=0.20,w2=0.24,w4=0.32,w5=0.40,s1=0.05,Pw=0.30,Ps=0.20,Pl=0.98,D=0.15,t1=0.3,t2=0.4,t3=0.4,t4=0.2,εr=2.9
その他の構成および動作は、上記第1の形態に係るアンテナ1または上記第3の形態に係るアンテナ3と略同様である。
(第3の実施の形態のその他の変形例)
アンテナ3,3Aでは、2組のアンテナ電極の組を形成するようにしたが、形成するアンテナ電極の組は2組に限らない。第2の実施の形態に係るアンテナ2(図25~図27)のように、第1ないし第3のアンテナ層21~23のうち、いずれか2つのアンテナ層に第5のアンテナ電極15および第6のアンテナ電極16を追加して、3組のアンテナ電極の組を形成し、アンテナの周波数帯域を3つ形成するようにしてもよい。さらに、2以上のアンテナ電極を追加して、4組以上のアンテナ電極の組を形成し、アンテナの周波数帯域を4つ以上、形成してもよい。
また、プローブ層51を、第2のアンテナ層22と第3のアンテナ層23との間に配置するようにしてもよい。
また、アンテナ3,3Aの構成に対して、第1の実施の形態の第1の変形例(図10~図13)と同様に、第2のプローブ電極32をさらに備えてもよい。また、第1の実施の形態の第3の変形例(図16)と同様に、第1のプローブ電極31と互いに差動で励振される第2のプローブ電極32をさらに備えてもよい。また、第1の実施の形態の変形例(図20~図23、図24等)と同様に、互いに差動で励振される第3のプローブ電極33および第4のプローブ電極34をさらに備えてもよい。また、積層方向からの平面視において、各プローブ電極の形状をL字状とし、非対称な平面形状にしてもよい。第2ないし第4のプローブ電極32~34は、第1のプローブ電極31と同様に、第1および第3のアンテナ電極11,13の少なくとも一方と、第2および第4のアンテナ電極12,14の少なくとも一方とに直接隣接するように配置されるのが好ましい。
<4.第4の実施の形態(4層構造のアンテナ電極を有するアンテナの構成例)>
次に、本発明の第4の実施の形態に係るアンテナについて説明する。なお、以下では、上記第1ないし第3のいずれかの実施の形態に係るアンテナの構成要素と略同じ部分については、同一符号を付し、適宜説明を省略する。
[4.1 第4の実施の形態に係るアンテナの構成例]
図39は、第4の実施の形態に係るアンテナ4の断面構成例を示している。図40は、アンテナ4を積層方向から見た平面構成例を示している。図41は、アンテナ4における第1ないし第4のアンテナ層21~24の平面構成例を示している。図42は、アンテナ4におけるプローブ層51の平面構成例を示している。図39は、図40におけるA-A′線の断面を側面視した状態を示している。
第4の実施の形態に係るアンテナ4は、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1(図4~図6)の構成に対して、第3のアンテナ層23と、第4のアンテナ層24とをさらに備えている。
アンテナ4には、誘電体60の底面61側から順に、グランド層70と、第1のアンテナ層21と、プローブ層51と、第2のアンテナ層22と、第3のアンテナ層23と、第4のアンテナ層24とが積層配置されている。
アンテナ4において、第1のアンテナ層21は、本発明における第1の平面の一具体例に相当する。第2のアンテナ層22は、本発明におけるおよび第2の平面の一具体例に相当する。第3のアンテナ層23は、本発明における第3の平面第4の平面の一具体例に相当する。第4のアンテナ層24は、本発明における第4の平面の一具体例に相当する。プローブ層51は、本発明における第5の平面の一具体例に相当する。
アンテナ4では、第1のアンテナ層21に、第1のアンテナ電極11が環状に形成されている。また、第2のアンテナ層22に、第2のアンテナ電極12が環状に形成されている。第2のアンテナ電極12は、第1のアンテナ電極11よりも大きい形状を有し、積層方向からの平面視において、第1のアンテナ電極11の外側に形成されている。
また、アンテナ4では、第3のアンテナ層23に、第3のアンテナ電極13が環状に形成されている。また、第4のアンテナ層24に、第4のアンテナ電極14が環状に形成されている。第4のアンテナ電極14は、第3のアンテナ電極13よりも大きい形状を有し、積層方向からの平面視において、第3のアンテナ電極13の外側に形成されている。
第1ないし第4のアンテナ電極11~14は、積層方向からの平面視において、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のうちの最も大きなアンテナ電極の外周よりも内側に、最も大きなアンテナ電極以外の他のアンテナ電極が内包されるように構成されている。
アンテナ4では、例えば、第4のアンテナ電極14が最も大きなアンテナ電極となっている。また、第2のアンテナ電極12は第4のアンテナ電極14の次に大きなアンテナ電極となっている。第3のアンテナ電極13は第2のアンテナ電極12の次に大きなアンテナ電極となっている。第1のアンテナ電極11は最も小さいアンテナ電極となっている。
アンテナ4では、第1の給電コネクタ41の第1の貫通導体41Aは、誘電体60において、グランド層70および誘電体60の底面61から第1のプローブ電極31までを貫通するように設けられている。第1ないし第4のアンテナ電極11~14には、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31を介して給電が行われる。
アンテナ4では、第1のプローブ電極31が、積層方向において第1のアンテナ層21と第2のアンテナ層22とに直接隣接するように積層配置され、第1のアンテナ層21に形成された第1のアンテナ電極11と第2のアンテナ層22に形成された第2のアンテナ電極12とに対して、積層方向からの平面視において重なる部分を有するように構成されている。これにより、第1の給電コネクタ41および第1のプローブ電極31を介して、第1および第3のアンテナ電極11,13の組と、第2および第4のアンテナ電極12,14の組とに給電可能とされている。
アンテナ4では、第1のプローブ電極31は、第1および第3のアンテナ電極11,13の少なくとも一方(本実施形態では第1のアンテナ電極11)と、第2および第4のアンテナ電極12,14の少なくとも一方(本実施形態では第2のアンテナ電極12)とに直接隣接するように配置されるのが好ましい。アンテナ4では、第1および第3のアンテナ電極11,13の組同士は結合するので、第1のプローブ電極31と第3のアンテナ電極13とが積層方向に隣接していなくとも、第1のプローブ電極31と第1のアンテナ電極11とが積層方向に隣接していることで、第1のアンテナ電極11を介して第3のアンテナ電極13にも給電される。同様に、第2および第4のアンテナ電極12,14の組同士は結合するので、第1のプローブ電極31と第4のアンテナ電極14とが積層方向に隣接していなくとも、第1のプローブ電極31と第2のアンテナ電極12とが積層方向に隣接していることで、第2のアンテナ電極12を介して第4のアンテナ電極14にも給電される。
アンテナ4では、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と同様に、第1のプローブ電極31を介して給電されることによって、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のそれぞれに電流が流れ、それぞれのアンテナ電極において電流経路に基づく固有の共振が生ずる。そして、第2および第4のアンテナ電極12,14の組が結合することによって、第1の周波数faを中心とする帯域でアンテナとして動作する。また、第1および第3のアンテナ電極11,13の組が結合することによって、第2の周波数fbを中心とする帯域でアンテナとして動作する。
アンテナ4では、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と同様に、第1および第3のアンテナ電極11,13のそれぞれのアンテナ電極の周回長は、第2および第4のアンテナ電極12,14のそれぞれのアンテナ電極の周回長よりも小さく、第2の周波数fbは第1の周波数faよりも高い周波数となっている(fb>fa)。
アンテナ4において、第1のアンテナ電極11の固有共振周波数をf1、第2のアンテナ電極12の固有共振周波数をf2、第3のアンテナ電極13の固有共振周波数をf3、第4のアンテナ電極14の固有共振周波数をf4としたとき、固有共振周波数f1~f4に関し、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と同様に、上述の式(1)~(8)を全て満たすことが好ましい。これにより、各動作モードにおける帯域幅を大きくすることができる。
アンテナ4における図39ないし図42に符号で示した部分の寸法等は、例えば、以下の通りである。εr以外は寸法を表し、寸法の単位は[mm](ミリメートル)となっている。εrは誘電体60の比誘電率である。
Wx=8.0,Wy=8.0,a=b=1.42,c=d=1.80,e=f=1.52,g=h=2.00,w1=0.23,w3=0.30,w4=0.32,w5=0.40,Pw=0.30,Ps=0.20,Pl=0.98,D=0.15,t1=0.3,t2=0.4,t3=0.1,t4=0.3,t5=0.2,εr=2.9
また、アンテナ4において、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のそれぞれの周回長L1~L4および固有共振周波数f1~f4は、以下の通りである。周回長L1~L4は、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のそれぞれの幅方向の中心の周回長である。
L1=4.76mm,f1=39.1GHz
L2=6.00mm,f2=31.2GHz
L3=4.80mm,f3=38.6GHz
L4=6.40mm,f4=29.6GHz
その他の構成および動作は、上記第1の実施の形態に係るアンテナ1と略同様である。
(アンテナ特性)
以下に、アンテナ4の各種アンテナ特性をシミュレーションした結果を示す。シミュレーションに際し、図39ないし図42に符号で示した部分の寸法等は、上述の通りである。また、第1ないし第4のアンテナ電極11~14のそれぞれの周回長L1~L4および固有共振周波数f1~f4は、上述の通りである。
図43は、アンテナ4の全体の反射特性をシミュレーションした結果を示している。図44は、アンテナ4の1stモードに相当する反射特性の部分を拡大して示している。図45は、アンテナ4の2ndモードに相当する反射特性の部分を拡大して示している。
図43ないし図45の結果から分かるように、各動作モードにおいて、広帯域化が実現できている。
[4.2 第4の実施の形態の変形例]
アンテナ4では、2組のアンテナ電極の組を形成するようにしたが、形成するアンテナ電極の組は2組に限らない。第2の実施の形態に係るアンテナ2(図25~図27)のように、第1ないし第4のアンテナ層21~24のうち、いずれか2つのアンテナ層に第5のアンテナ電極15および第6のアンテナ電極16を追加して、3組のアンテナ電極の組を形成し、アンテナの周波数帯域を3つ形成するようにしてもよい。さらに、2以上のアンテナ電極を追加して、4組以上のアンテナ電極の組を形成し、アンテナの周波数帯域を4つ以上、形成してもよい。
図39ないし図42に示したアンテナ4の構成に対して、プローブ層51を、第2のアンテナ層22と第3のアンテナ層23との間に配置するようにしてもよい。または、プローブ層51を、第3のアンテナ層23と第4のアンテナ層24との間に配置するようにしてもよい。
また、アンテナ4の構成に対して、第1の実施の形態の第1の変形例(図10~図13)と同様に、第2のプローブ電極32をさらに備えてもよい。また、第1の実施の形態の第3の変形例(図16)と同様に、第1のプローブ電極31と互いに差動で励振される第2のプローブ電極32をさらに備えてもよい。また、第1の実施の形態の変形例(図20~図23、図24等)と同様に、互いに差動で励振される第3のプローブ電極33および第4のプローブ電極34をさらに備えてもよい。また、積層方向からの平面視において、各プローブ電極の形状をL字状とし、非対称な平面形状にしてもよい。第2ないし第4のプローブ電極32~34は、第1のプローブ電極31と同様に、第1および第3のアンテナ電極11,13の少なくとも一方と、第2および第4のアンテナ電極12,14の少なくとも一方とに直接隣接するように配置されるのが好ましい。
<5.その他の実施の形態>
本発明による技術は、上記各実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
例えば、上記各実施の形態に係るアンテナを、他の回路と共に1つの基板に搭載してモジュール化してもよい。
1…アンテナ(第1の実施の形態に係るアンテナ)、1A,1B,1C,1D,1E,1F…アンテナ(第1の実施の形態の変形例に係るアンテナ)、2…アンテナ(第2の実施の形態に係るアンテナ)、3…アンテナ(第3の実施の形態に係るアンテナ)、3A…アンテナ(第3の実施の形態の変形例に係るアンテナ)、4…アンテナ(第4の実施の形態に係るアンテナ)、11…第1のアンテナ電極、12…第2のアンテナ電極、13…第3のアンテナ電極、14…第4のアンテナ電極、15…第5のアンテナ電極、16…第6のアンテナ電極、21…第1のアンテナ層、22…第2のアンテナ層、23…第3のアンテナ層、24…第4のアンテナ層、31…第1のプローブ電極、32…第2のプローブ電極、33…第3のプローブ電極、34…第4のプローブ電極、41…第1の給電コネクタ、41A…第1の貫通導体、42…第2の給電コネクタ、42A…第2の貫通導体、43…第3の給電コネクタ、44…第4の給電コネクタ、51…プローブ層、60…誘電体、61…底面、70…グランド層、101…アンテナ(比較例に係るアンテナ)、121…第1の絶縁基板、122…アンテナ素子、123…第2の絶縁基板、124…プローブ電極、125…グランド層、126…給電コネクタ。

Claims (7)

  1. 第1の平面と、第2の平面と、前記第1の平面とは異なる第3の平面と、前記第2の平面とは異なる第4の平面と、第1ないし第4の平面とは異なる第5の平面とを有し、前記第1ないし第5の平面が互いに平行となるように積層配置された誘電体と、
    前記第1の平面内に環状に形成された第1のアンテナ電極と、
    前記第2の平面内に環状に形成され、前記第1のアンテナ電極とは大きさの異なる第2のアンテナ電極と、
    前記第3の平面内に環状に形成された第3のアンテナ電極と、
    前記第4の平面内に環状に形成され、前記第3のアンテナ電極とは大きさの異なる第4のアンテナ電極と、
    前記第5の平面内に形成され、前記第1ないし第4のアンテナ電極に給電可能となるように、積層方向からの平面視において、前記第1および第3のアンテナ電極のうちの少なくとも一方のアンテナ電極と、前記第2および第4のアンテナ電極のうちの少なくとも一方のアンテナ電極とに対して重なる部分を有する少なくとも1つのプローブ電極と
    を備え、
    積層方向からの平面視において、前記第1ないし第4のアンテナ電極のうちの最も大きなアンテナ電極の外周よりも内側に、前記最も大きなアンテナ電極以外の他のアンテナ電極が内包され
    積層方向からの平面視において、前記第1および第2のアンテナ電極のうちの大きい方のアンテナ電極と、前記第3および第4のアンテナ電極のうちの大きい方のアンテナ電極とが互いに重なる部分を有し、
    積層方向からの平面視において、前記第1および第2のアンテナ電極のうちの小さい方のアンテナ電極と、前記第3および第4のアンテナ電極のうちの小さい方のアンテナ電極とが互いに重なる部分を有する
    アンテナ。
  2. 前記第1の平面と前記第2の平面とが同一の第1の面とされ、
    前記第3の平面と前記第4の平面とが同一の第2の面とされ、
    前記第1の面において、前記第2のアンテナ電極は前記第1のアンテナ電極の外側に形成され、
    前記第2の面において、前記第4のアンテナ電極は前記第3のアンテナ電極の外側に形成されている
    請求項1に記載のアンテナ。
  3. 前記第1の平面と前記第2の平面とが同一の面とされ、
    前記同一の面において、前記第2のアンテナ電極は前記第1のアンテナ電極の外側に形成されている
    請求項1に記載のアンテナ。
  4. 前記第1ないし第4の平面は互いに異なる面である
    請求項1に記載のアンテナ。
  5. 前記少なくとも1つのプローブ電極は、第1のプローブ電極と第2のプローブ電極とを含み、
    前記第1ないし第4のアンテナ電極は、前記第1ないし第4の平面に垂直な第1の対称面に対して鏡面対称となるように形成され、
    前記第1のプローブ電極と前記第2のプローブ電極は、前記第1の対称面に対して鏡面対称となるように形成され、互いに差動で励振される
    請求項1ないし4のいずれか1つに記載のアンテナ。
  6. 前記少なくとも1つのプローブ電極は、第3のプローブ電極と第4のプローブ電極とを含み、
    前記第1ないし第4のアンテナ電極は、前記第1ないし第4の平面に垂直で前記第1の対称面とは異なる第2の対称面に対して鏡面対称となるように形成され、
    前記第3のプローブ電極と前記第4のプローブ電極は、前記第2の対称面に対して鏡面対称となるように形成され、互いに差動で励振される
    請求項5に記載のアンテナ。
  7. 前記少なくとも1つのプローブ電極は、第1のプローブ電極と第2のプローブ電極とを含み、
    前記第1ないし第4のアンテナ電極は、前記第1ないし第4の平面に垂直な回転軸に対して180度回転対称となるように形成され、
    前記第1のプローブ電極と前記第2のプローブ電極は、前記回転軸に対して180度回転対称となるように形成され、互いに差動で励振される
    請求項1ないし4のいずれか1つに記載のアンテナ。
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