JP7122389B2 - アンテナ、アレイアンテナ、無線通信モジュール、および無線通信機器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１８年１１月２日に日本国に特許出願された特願２０１８－２０７４７８の優先権を主張するものであり、この先の出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

本開示は、アンテナ、アレイアンテナ、無線通信モジュール、および無線通信機器に関する。

アンテナにおいて放射パターンを変更する方法では、アンテナの近くに無給電素子などの外部デバイスを置く必要がある（例えば、特許文献１）。外部デバイスを置くことにより、アンテナサイズが大きくなりうる。

特開２０１６－１３９９６５号公報

本開示の複数の実施形態の一例であるアンテナは、放射導体と、グラウンド導体と、第１給電線と、第２給電線と、接続導体と、を含む。第１給電線は、放射導体に電磁気的に接続されるように構成されている。第１給電線は、当該放射導体を第１方向に励振させるように構成されている。第２給電線は、放射導体に電磁気的に接続されるように構成されている。第２給電線は、当該放射導体を第２方向に励振させるように構成されている。接続導体は、放射導体をグラウンド導体に電気的に接続するように構成されている。接続導体は、放射導体の中心から離れて位置する。接続導体は、第１給電線から第１距離で離れている。放射導体は、第２給電線から第２距離で離れている。第１距離は、第２距離と略等しい。

本開示の複数の実施形態の一例であるアレイアンテナは、上述のアンテナであるアンテナ素子を複数含む。複数のアンテナ素子は、第１方向に配列される。

本開示の複数の実施形態の一例である無線通信モジュールは、上述のアンテナ素子と、駆動回路と、を含む。駆動回路は、第１給電回路および第２給電回路の各々に直接的または間接的に接続されるように構成されている。

本開示の複数の実施形態の一例である無線通信モジュールは、上述のアレイアンテナと、駆動回路と、を含む。駆動回路は、第１給電回路および第２給電回路の各々に直接的または間接的に接続されるように構成されている。

本開示の複数の実施形態の一例である無線通信機器は、上述の無線通信モジュールと、電源と、を含む。電源は、駆動回路を駆動するように構成されている。

図１は、アンテナの一実施形態を示す斜視図である。 図２は、アンテナの一実施形態を示す断面図である。 図３は、アンテナの一実施形態を示すブロック図である。 図４は、放射導体の一実施形態を示す平面図である。 図５は、アレイアンテナの一実施形態を示す平面図である。 図６は、無線通信モジュールの一実施形態を示す平面図である。 図７は、無線通信機器の一実施形態を示す平面図である。 図８は、無線通信システムの一実施形態を示す平面図である。

従来の技術では、外部デバイスを置くことにより、アンテナサイズが大きくなりうる。

本開示は、新たなアンテナ、アレイアンテナ、無線通信モジュール、および無線通信機器を提供することに関する。

本開示の複数の実施形態を以下に説明する。

図１に示すように、アンテナ１０は、基体２０と、放射導体３０と、グラウンド導体４０と、給電線５０と、接続導体６０と、回路基板７０と、を含む。基体２０は、放射導体３０、グラウンド導体４０、給電線５０と、接続導体６０と接する。放射導体３０、グラウンド導体４０、給電線５０、および接続導体６０は、アンテナ素子１１として機能するように構成されている。アンテナ１０は、所定の共振周波数で発振し、電磁波を放射するように構成されている。

基体２０は、セラミック材料、および樹脂材料のいずれかを組成として含みうる。セラミック材料は、酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、ガラスセラミック焼結体、ガラス母材中に結晶成分を析出させた結晶化ガラス、および雲母もしくはチタン酸アルミニウム等の微結晶焼結体を含む。樹脂材料は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、および液晶ポリマー等の未硬化物を硬化させたものを含む。

放射導体３０およびグラウンド導体４０は、金属材料、金属材料の合金、金属ペーストの硬化物、および導電性高分子のいずれかを組成として含みうる。放射導体３０およびグラウンド導体４０は、全てが同じ材料であってよい。放射導体３０およびグラウンド導体４０は、全てが異なる材料であってよい。放射導体３０およびグラウンド導体４０は、いずれかの組合せが同じ材料であってよい。金属材料は、銅、銀、パラジウム、金、白金、アルミニウム、クロム、ニッケル、カドミウム鉛、セレン、マンガン、錫、バナジウム、リチウム、コバルト、およびチタン等を含む。合金は、複数の金属材料を含む。金属ペースト剤は、金属材料の粉末を有機溶剤、およびバインダとともに混練したものを含む。バインダは、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂を含む。導電性ポリマーは、ポリチオフェン系ポリマー、ポリアセチレン系ポリマー、ポリアニリン系ポリマー、ポリピロール系ポリマー等を含む。

放射導体３０は、共振器として機能するように構成されている。放射導体３０は、パッチ型の共振器として構成されうる。一例において、放射導体３０は、基体２０の上に位置する。一例において、放射導体３０は、ｚ方向において、基体２０の端に位置する。一例において、放射導体３０は、基体２０の中に位置しうる。放射導体３０は、基体２０の内に一部が位置し、基体２０の外に他の一部が位置しうる。放射導体３０は、一部の面が基体２０の外に面しうる。

複数の実施形態の一例において、放射導体３０は、第１平面に沿って広がる。放射導体３０の端は、第１方向および第２方向に沿っている。第１方向と第２方向は、交わる。第１方向は、第２方向と直交してよい。本開示では、第１方向（first axis）をｘ方向として示す。本開示では、第２方向（third axis）をｙ方向として示す。本開示では、第３方向（second axis）をｚ方向として示す。本開示では、第１平面（first plane）を、ｘｙ面として示す。本開示では、第２平面（second plane）を、ｙｚ面として示す。本開示では、第３平面（third plane）を、ｚｘ面として示す。これら平面は、座標空間(coordinate space)における平面（plane）であって、特定の面（plate）および特定の面（surface）を示すものではない。本開示では、ｘｙ平面における面積（surface integral）を第１面積という場合がある。本開示では、ｙｚ平面における面積を第２面積という場合がある。本開示では、ｚｘ平面における面積を第３面積という場合がある。面積（surface integral）は、平方メートル（square meter）などの単位で数えられる。本開示では、ｘ方向における長さを単に“長さ”という場合がある。本開示では、ｙ方向における長さを単に“幅”という場合がある。本開示では、ｚ方向における長さを単に“高さ"という場合がある。

複数の実施形態の一例において、グラウンド導体４０は、アンテナ素子１１におけるグラウンドとして機能するように構成されうる。複数の実施形態の一例において、グラウンド導体４０は、第１平面に沿って広がる。グラウンド導体４０は、ｚ方向において放射導体３０と対向している。

給電線５０は、外部からの電気信号をアンテナ素子１１に供給するように構成されうる。給電線５０は、アンテナ素子１１からの電気信号を外部に供給するように構成されうる。給電線５０は、第１給電線５１と、第２給電線５２とを含みうる。

第１給電線５１および第２給電線５２の各々は、放射導体３０に電気的に接続されるように構成されている。ただし、第１給電線５１および第２給電線５２の各々は、放射導体３０に電磁気的に接続されるように構成されていればよい。本開示において「電磁気的な接続」は、電気的な接続および磁気的な接続を含む。第１給電線５１および第２給電線５２の各々は、放射導体３０の異なる位置に接する。図２に示すように、グラウンド導体４０は、複数の開口４０ａを有する。第１給電線５１および第２給電線５２の各々は、グラウンド導体４０の開口４０ａを通じている。

第１給電線５１は、放射導体３０がｘ方向に共振した際の電気信号の供給に少なくとも寄与するように構成されている。第２給電線５２は、放射導体３０がｙ方向に共振した際の電気信号の供給に少なくとも寄与するように構成されている。第１給電線５１および第２給電線５２は、放射導体３０を異なる方向に励振するように構成されている。アンテナ１０は、かかる給電線５０を有することで、放射導体３０の一方を励振させる際に、放射導体３０の他方が励振されることを低減できる。

接続導体６０は、放射導体３０とグラウンド導体４０とを電気的に接続するように構成されている。放射導体３０と接続導体６０との接続点は、共振時、放射導体３０の電位基準となる。接続導体６０は、ｚ方向に沿って延びている。

図４に示すように、接続導体６０は、ｘｙ平面において、放射導体３０の中心Ｏから離れて位置する。接続導体６０は、ｘｙ平面の平面視において、放射導体３０の中心Ｏと異なる点に接続される。接続導体６０が放射導体３０の中心Ｏに位置する場合、接続導体６０の接続による電流分布の変化は極めて小さい。一方、放射導体３０の中心Ｏと異なる点に接続導体６０を接続することで、電位基準が変化する。電流分布は、電位基準の変化によって変化する。電流分布が変化すると、放射パターンは変化する。アンテナ１０は、放射導体３０の中心Ｏと異なる点に接続導体６０を接続することで、放射パターンを変化させることができる。

接続導体６０は、第１給電線５１から第１距離ｄ１で離れている。例えば、接続導体６０が放射導体３０に接続される点は、第１給電線５１が放射導体３０に接続される点から、第１距離ｄ１で離れている。接続導体６０は、第２給電線５２から第２距離ｄ２で離れている。例えば、接続導体６０が放射導体３０に接続される点は、第２給電線５２が放射導体３０に接続される点から、第２距離ｄ２で離れている。第１距離ｄ１は、第２距離ｄ２と略等しい。

接続導体６０は、ｘ方向において、実効波長λの４分の１の距離で第１給電線５１から離れうる。接続導体６０は、ｙ方向において、実効波長λの４分の１の距離で第２給電線５２から離れうる。

放射導体３０は、中心Ｏを通る対称軸Ｓを含みうる。対称軸Ｓは、中心Ｏを通り、ｘ方向およびｙ方向に交わる方向に延びている。対称軸Ｓは、放射導体３０がＸＹ平面に略平行な正方形である場合、ｙ軸の正方向からｘ軸の正方向に向けて４５度傾いた方向に沿って延びてよい。第１給電線５１は、対称軸Ｓを挟んで第２給電線５２と対称性を有する。例えば、第１給電線５１が放射導体３０に接続される点と、第２給電線５２が放射導体３０に接続される点とは、対称軸Ｓを軸として線対称であってよい。接続導体６０は、対称軸Ｓの軸上に位置する。接続導体６０が対称軸Ｓの軸上に位置することで、放射導体３０の共振方向の変化を低減することができる。接続導体６０による有効な調整範囲としては、実効波長の２分の１の共振電磁場が保持できる範囲が挙げられる。

第１給電線５１および接続導体６０を結ぶ方向は、ｘ方向に対して傾いている。第１給電線５１および接続導体６０がｘ方向に対して傾いて並ぶことで、第１給電線５１および接続導体６０は、放射導体３０をｙ方向にも励振することができる。第２給電線５２および接続導体６０を結ぶ方向は、ｙ方向に対して傾いている。第２給電線５２および接続導体６０がｙ方向に対して傾いて並ぶことで、第２給電線５２および接続導体６０は、放射導体３０をｘ方向にも励振することができる。２つの励振方向に放射導体３０が励振することで、各方向のインピーダンス成分が給電線に作用する。アンテナ１０は、各方向のインピーダンス成分の相殺によって、入力時のインピーダンスを小さくしうる。入力時のインピーダンスが小さくなることにより、アンテナ１０では、２つの偏波方向のアイソレーションが高められうる。

図３に示すように、回路基板７０は、第１給電回路７１と、第２給電回路７２とを含む。回路基板７０は、第１給電回路７１および第２給電回路７２のいずれか一方を含んでもよい。第１給電回路７１は、第１給電線５１に電気的に接続されるように構成されている。第２給電回路７２は、第２給電線５２に電気的に接続されるように構成されている。

図５に示すように、アレイアンテナ１２は、複数のアンテナ素子１１を含む。アンテナ素子１１は、ｘ方向に沿って並びうる。アンテナ素子１１は、ｘ方向に配列されうる。アンテナ素子１１は、ｙ方向に沿って並びうる。アンテナ素子１１は、ｙ方向に配列されうる。アレイアンテナ１２は、少なくとも１つの回路基板７０を含む。回路基板７０は、少なくとも１つの第１給電回路７１、および少なくとも１つの第２給電回路７２を含む。アレイアンテナ１２は、少なくとも１つの第１給電回路７１、および少なくとも１つの第２給電回路７２を含む。

第１給電回路７１は、１または複数のアンテナ素子１１に接続されうる。第１給電回路７１は、複数のアンテナ素子１１に給電する際に、全てのアンテナ素子１１に同じ信号を供給するように構成されてよい。第１給電回路７１は、複数のアンテナ素子１１に給電する際に、各アンテナ素子１１の第１給電線５１に同じ信号を供給するように構成されてよい。第１給電回路７１は、複数のアンテナ素子１１に給電する際に、各アンテナ素子１１の第１給電線５１に位相の異なる信号を供給するように構成されてよい。

第２給電回路７２は、１または複数のアンテナ素子１１に接続されうる。第２給電回路７２は、複数のアンテナ素子１１に給電する際に、全てのアンテナ素子１１に同じ信号を供給するように構成されてよい。第２給電回路７２は、複数のアンテナ素子１１に給電する際に、各アンテナ素子１１の第２給電線５２に同じ信号を供給するように構成されてよい。第２給電回路７２は、複数のアンテナ素子１１に給電する際に、各アンテナ素子１１の第２給電線５２に位相の異なる信号を供給するように構成されてよい。

図６に示すように、無線通信モジュール８０は、駆動回路８１を含む。駆動回路８１は、アンテナ素子１１を駆動するように構成されている。駆動回路８１は、第１給電回路７１および第２給電回路７２の少なくとも１つに送信信号を給電するように構成されうる。駆動回路８１は、第１給電回路７１および第２給電回路７２の少なくとも１つから受信信号の給電を受けるように構成されうる。駆動回路８１は、第１給電線５１および第２給電線５２の各々に直接的または間接的に接続されるように構成されうる。駆動回路８１は、第１給電線５１および第２給電線５２の少なくとも１つ送信信号を給電するように構成されうる。駆動回路８１は、第１給電線５１および第２給電線５２の少なくとも１つから受信信号の給電を受けるように構成されうる。駆動回路８１は、第１給電線５１に送信信号を給電し、第２給電線５２から受信信号の給電を受けるように構成されてよい。

図７に示すように、無線通信機器９０は、無線通信モジュール８０と、センサ９１と、バッテリ９２とを含みうる。センサ９１は、センシングを行うように構成されている。バッテリ９２は、無線通信機器９０のいずれかに電力を供給するように構成されている。バッテリ９２は、無線通信モジュール８０の駆動回路８１に電力を供給するように構成される場合、駆動回路８１を駆動するように構成されている電源となり得る。

図８に示すように、無線通信システム９５は、無線通信機器９０と、第２無線通信機器９６とを含む。第２無線通信機器９６は、無線通信機器９０と無線通信するように構成されている。

本開示に係る構成は、以上説明してきた実施形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。例えば、各構成部等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

本開示に係る構成を説明する図は、模式的なものである。図面上の寸法比率等は、現実のものと必ずしも一致しない。

上述の実施形態では、アンテナ素子１１として、パッチアンテナを採用した。ただし、アンテナ素子１１として採用されるアンテナは、パッチアンテナに限定されない。アンテナ素子１１には、他のアンテナが採用されてよい。

アレイアンテナ１２は、複数のアンテナ素子１１が同じ向きで並びうる。アレイアンテナ１２は、隣り合う２つのアンテナ素子１１の向きが異なってよい。隣り合う２つのアンテナ素子１１の向きが異なる場合、アンテナ素子１１は、同じ方向に励振される。

本開示において「第１」、「第２」、「第３」等の記載は、当該構成を区別するための識別子の一例である。本開示における「第１」および「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１給電線は、第２給電線と識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。例えば、第１給電線５１は、給電線５１としうる。本開示における「第１」および「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠、および大きい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。本開示には、回路基板７０が第２給電回路７２を含むが、第１給電回路７１を含まない構成が含まれる。

１０ アンテナ
１１ アンテナ素子
１２ アレイアンテナ
２０ 基体
３０ 放射導体
４０ グラウンド導体
４０ａ 開口
５０ 給電線
５１ 第１給電線
５２ 第２給電線
６０ 接続導体
７０ 回路基板
７１ 第１給電回路
７２ 第２給電回路
８０ 無線通信モジュール
８１ 駆動回路
９０ 無線通信機器
９１ センサ
９２ バッテリ
９５ 無線通信システム
９６ 第２無線通信機器

Claims (12)

1. 放射導体と、
   グラウンド導体と、
   前記放射導体に電磁気的に接続され、当該放射導体を第１方向に励振させるように構成されている第１給電線と、
   前記放射導体に電磁気的に接続され、当該放射導体を第２方向に励振させるように構成されている第２給電線と、
   前記放射導体をグラウンド導体に電気的に接続するように構成されている接続導体と、を含み、
   前記接続導体は、
   前記放射導体の中心から離れて位置し、
   前記第１給電線から第１距離で離れており、
   前記第２給電線から第２距離で離れており、
   前記第１距離は、前記第２距離と略等しく、
   前記第１給電線の位置は、前記第１方向において、前記接続導体から実効波長の４分の１の距離で離れている、
   アンテナ。
2. 請求項１に記載のアンテナであって、
   前記第１給電線および第２給電線は、前記放射導体の中心を通る対称軸を挟んで対称性を有する、アンテナ。
3. 請求項２に記載のアンテナであって、
   前記接続導体は、前記対称軸の軸上に位置する、アンテナ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のアンテナであって、
   前記第１方向は、前記第２方向と直交する、
   アンテナ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のアンテナであって、
   前記第２給電線の位置は、前記第２方向において、前記接続導体から実効波長の４分の１の距離で離れている、
   アンテナ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のアンテナであるアンテナ素子を複数含み、
   複数の前記アンテナ素子が前記第１方向に配列される、アレイアンテナ。
7. 請求項６に記載のアレイアンテナであって、
   複数の前記アンテナ素子が前記第１方向および前記第２方向に配列される、アレイアンテナ。
8. 請求項１から５のいずれかに記載のアンテナ素子と、
   前記第１給電線および前記第２給電線の各々に直接的または間接的に接続されるように構成されている駆動回路と、を含む、
   無線通信モジュール。
9. 請求項８に記載の無線通信モジュールであって、
   前記駆動回路は、前記第１給電線に送信信号を給電し、前記第２給電線から受信信号の給電を受けるように構成されている、
   無線通信モジュール。
10. 請求項６または７に記載のアレイアンテナと、
    前記第１給電線および前記第２給電線の各々に直接的または間接的に接続されるように構成されている駆動回路と、を含む、
    無線通信モジュール。
11. 請求項１０に記載の無線通信モジュールであって、
    前記駆動回路は、前記第１給電線および前記第２給電線の少なくとも１つに送信信号を給電し、前記第１給電線および前記第２給電線の少なくとも１つから受信信号の給電を受けるように構成されている、
    無線通信モジュール。
12. 請求項８から１１のいずれかに記載の無線通信モジュールと、
    前記駆動回路を駆動するように構成されている電源と、を含む、
    無線通信機器。

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