WO2020050341A1 - アンテナ素子、アンテナモジュールおよび通信装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an antenna element, an antenna module, and a communication device.
- a wireless device (antenna module) disclosed in Patent Literature 1 includes an array antenna in which a patch antenna having a structure in which a high-frequency substrate is sandwiched between a conductor pattern and a ground conductor is two-dimensionally arranged. Between the plurality of patch antennas constituting the array antenna, a filter for cutting a signal outside a predetermined frequency band is arranged. It is stated that this makes it possible to reduce the size and performance of the wireless device.
- a filter disposed on a wiring that transmits a high-frequency signal to a plurality of patch antennas has a function of cutting a signal outside a predetermined frequency band.
- the passing characteristics such as the steepness of the filter and the insertion loss are required. It is necessary to upgrade to correspond to.
- it is necessary to enhance the function of the filter which results in an increase in size. Along with this, there is a problem that the antenna element becomes large.
- an object of the present invention is to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a small antenna element, an antenna module, and a communication device having high frequency selectivity and high directivity.
- an antenna element is a planar ground conductor set to a ground potential, and a planar conductor arranged to face the ground conductor, When the conductor is viewed in a plan view, a power supply conductor to which a high-frequency signal is supplied to a first power supply point and a second power supply point located on opposite sides with respect to a center point of the conductor, the first power supply point and the first power supply point.
- a first power supply line and a second power supply line connected in parallel between the two power supply points and having different lengths, and disposed on at least one of the first power supply line and the second power supply line
- a frequency selection circuit for passing and attenuating a high-frequency signal according to a frequency band.
- the present invention it is possible to provide a small antenna element, an antenna module, and a communication device having high frequency selectivity and high directivity.
- FIG. 1 is a circuit diagram showing a communication device (antenna module) and peripheral circuits according to the embodiment.
- FIG. 2 is a perspective view of a main part of the patch antenna according to the embodiment.
- FIG. 3 is a plan view and a cross-sectional view of the antenna module according to the embodiment.
- FIG. 4A is a perspective view of a main part of the patch antenna according to the embodiment when the power supply conductor pattern is omitted.
- FIG. 4B is a perspective view of a main part of the patch antenna according to the embodiment in a case where the feed conductor pattern and the second ground conductor pattern are omitted.
- FIG. 5 is a schematic circuit diagram of a power supply configuration in the patch antenna according to the embodiment.
- FIG. 1 is a circuit diagram showing a communication device (antenna module) and peripheral circuits according to the embodiment.
- FIG. 2 is a perspective view of a main part of the patch antenna according to the embodiment.
- FIG. 3 is a plan view and
- FIG. 6 is a plan view and a sectional view of an antenna module according to a modification of the embodiment.
- FIG. 7A is a perspective view of a main part of a patch antenna according to a modification of the embodiment, in which a feed conductor pattern and a second ground conductor pattern are omitted.
- FIG. 7B is a perspective view of a main part showing an example of a power supply configuration in a patch antenna according to a modification of the embodiment.
- FIG. 8A is a diagram illustrating a phase state of a high-frequency signal in three frequency bands of the patch antenna according to the comparative example.
- FIG. 8B is a diagram illustrating a phase state of a high-frequency signal in three frequency bands of the patch antenna according to the embodiment.
- FIG. 9 is a graph comparing the frequency characteristics of the antenna efficiency of the patch antenna according to the embodiment and the patch antenna according to the comparative example.
- FIG. 1 is a circuit diagram of a communication device 5 according to the embodiment.
- the communication device 5 shown in FIG. 1 includes an antenna module 1 and a baseband signal processing circuit (BBIC) 2.
- the antenna module 1 includes an array antenna 4 and an RF signal processing circuit (RFIC) 3.
- the communication device 5 up-converts a signal transmitted from the baseband signal processing circuit (BBIC) 2 to the antenna module 1 to a high-frequency signal and radiates it from the array antenna 4, and down-converts a high-frequency signal received by the array antenna 4. Then, the signal is processed by a baseband signal processing circuit (BBIC) 2.
- BBIC baseband signal processing circuit
- the array antenna 4 has a plurality of patch antennas 10 arranged two-dimensionally.
- the patch antenna 10 is an antenna element that operates as a radiation element that emits a radio wave (high-frequency signal) and a reception element that receives a radio wave (high-frequency signal).
- the array antenna 4 can constitute a phased array antenna.
- the patch antenna 10 has a small structure capable of radiating linearly polarized waves having excellent directivity from a radiation element (feeding conductor) in a predetermined frequency band (for example, a predetermined communication band). More specifically, the patch antenna 10 is a planar ground conductor set to the ground potential, and a planar conductor disposed to face the ground conductor, and when the conductor is viewed in plan, A power supply conductor for supplying a high-frequency signal to a first power supply point and a second power supply point located on opposite sides of the center point of the conductor, and a power supply conductor connected in parallel between the first power supply point and the second power supply point A first power supply wiring and a second power supply wiring having different lengths from each other, and at least one of the first power supply wiring and the second power supply wiring, for passing a high-frequency signal according to a frequency band; And a frequency selection circuit for attenuating.
- a frequency selection circuit for attenuating.
- the patch antenna 10 uses feeder wires having different wire lengths in order to realize high frequency selectivity. For this reason, the pass characteristics required for the high frequency signal required by the frequency selection circuit are alleviated as compared with the pass characteristics required for the filter circuit of the conventional antenna module which improves the frequency selectivity of the radiated radio wave only by the filter circuit. it can. Therefore, since the frequency selection circuit can be downsized, a small antenna element having high frequency selectivity and high directivity can be provided.
- the array antenna 4 includes a plurality of patch antennas 10 arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and the plurality of patch antennas 10 share a dielectric substrate and share a ground conductor pattern. .
- the patch antenna 10 may be formed of a sheet metal without a dielectric substrate. Therefore, each patch antenna 10 constituting the array antenna 4 may be formed not only on the same dielectric substrate but also on the same substrate. Further, part of the patch antenna 10 constituting the array antenna 4 may be formed on a member (for example, a housing or the like) different from the dielectric substrate.
- the array antenna 4 also has excellent directivity and high frequency selectivity. Furthermore, since the patch antenna 10 has a configuration in which two feeding points symmetrically arranged with respect to the center point are fed in opposite phases, high directivity symmetry and high cross polarization discrimination (XPD : Cross ⁇ Polarization ⁇ Discrimination). In addition, by having high directivity, it is possible to realize a phased array antenna with improved gain symmetry when the array antenna 4 is tilted. For example, when the coverage of the phased array antenna is ⁇ 45 °, the problem that the gain is excessively high in the + 45 ° direction and the gain is low in the ⁇ 45 ° direction or the 0 ° direction is solved.
- the RF signal processing circuit (RFIC) 3 includes switches 31A to 31D, 33A to 33D and 37, power amplifiers 32AT to 32DT, low noise amplifiers 32AR to 32DR, attenuators 34A to 34D, and phase shifters 35A to 35D. , A signal synthesizer / demultiplexer 36, a mixer 38, and an amplifier circuit 39.
- the switches 31A to 31D and 33A to 33D are switch circuits for switching between transmission and reception in each signal path.
- Each of the phase shifters 35A to 35D is a phase shift circuit that shifts a phase of a high-frequency signal.
- the signal transmitted from the baseband signal processing circuit (BBIC) 2 is amplified by the amplifier circuit 39 and up-converted by the mixer 38.
- the up-converted high-frequency signal is divided into four signals by the signal combiner / demultiplexer 36, passes through four transmission paths, and is supplied to different patch antennas 10, respectively.
- the directivity of the array antenna 4 can be adjusted by individually adjusting the phase shift degrees of the phase shifters 35A to 35D arranged in each signal path.
- the high-frequency signals received by each patch antenna 10 included in the array antenna 4 pass through four different receiving paths, are combined by the signal combining / demultiplexing unit 36, down-converted by the mixer 38, and down-converted by the amplifier 38.
- the signal is amplified at 39 and transmitted to the baseband signal processing circuit (BBIC) 2.
- BBIC baseband signal processing circuit
- the RF signal processing circuit (RFIC) 3 is formed as, for example, a one-chip integrated circuit component including the above circuit configuration.
- the communication device 5 according to the present embodiment can be applied not only to transmitting and receiving high-frequency signals in a single frequency band (band) but also to a system to transmit and receive high-frequency signals in a plurality of frequency bands (multiband). It is.
- FIG. 2 is a perspective view of a main part of the patch antenna 10 according to the embodiment.
- FIG. 3 is a plan view and a cross-sectional view of the antenna module 1 according to the embodiment.
- FIG. 4A is a perspective view of a main part of the patch antenna 10 according to the embodiment when the feed conductor pattern 11 and the dielectric substrate 20 are omitted.
- FIG. 4B is a perspective view of a main part of the patch antenna 10 according to the embodiment in a case where the feed conductor pattern 11, the ground conductor pattern 12, and the dielectric substrate 20 are omitted.
- FIG. 3B is a cross-sectional view of the antenna module 1 taken along the line III-III in FIG.
- the patch antenna 10 includes a dielectric substrate 20, ground conductor patterns 12 and 13, and a feed conductor pattern 11, as shown in FIG. As shown in FIGS. 3 and 4B, the patch antenna 10 further includes power supply wirings 151 and 152 and frequency selection circuits 161 and 162.
- the antenna module 1 includes a patch antenna 10 and an RFIC 3.
- the RFIC 3 is a power supply circuit that supplies a high-frequency signal to the power supply conductor pattern 11.
- the RFIC 3 is disposed, for example, on the main surface of the dielectric substrate 20 opposite to the main surface on which the power supply conductor pattern 11 is formed.
- the ground conductor pattern 13 is formed on the main surface on the back surface side (negative z-axis direction) of the dielectric substrate 20 so as to be substantially parallel to the main surface of the dielectric substrate 20.
- This is a planar first ground conductor to be set.
- the power supply conductor pattern 11 is a planar power supply conductor that is disposed on the dielectric substrate 20 so as to face (be substantially parallel to) the ground conductor pattern 13 as shown in FIG.
- the power supply conductor pattern 11 has a power supply point 111 (the (The first feeding point) and the feeding point 112 (the second feeding point).
- the feeding point 111 and the feeding point 112 are points on the feeding conductor pattern 11 directly connected to the feeding via conductors 141 and 142, respectively, as shown in FIGS. 4A and 4B.
- the feeding point 111 and the feeding point 112 may be located on the opposite sides of the center point.
- FIG. As shown in (1), it is desirable that they are arranged symmetrically in the Y-axis direction from the center point. Further, the feeding point 111 and the feeding point 112 may be capacitively fed from the feeding via conductors 141 and 142, respectively. In this case, the feeding point 111 and the feeding point 112 are connected to the feeding via conductors 141 and 142, respectively. They may not be directly connected, but may be connected via a capacitive coupling unit.
- the “feed point” is actually defined as a feed area having a certain size.
- the “center point of the power supply conductor (pattern)” is defined as, for example, a point where two diagonal lines of the power supply conductor (pattern) intersect when the power supply conductor (pattern) is rectangular.
- the power supply conductor pattern 11 is rectangular in plan view.
- the feeding points 111 and 112 of the feeding conductor pattern 11 are arranged so as to be shifted from the center point in the Y-axis direction.
- the main polarization direction of the patch antenna 10 is in the Y-axis direction (the main polarization plane is the YZ plane).
- the ground conductor pattern 12 is formed between the ground conductor pattern 13 and the power supply conductor pattern 11 so as to be substantially parallel to the main surface of the dielectric substrate 20, and is set to the ground potential. This is a planar second ground conductor. As shown in FIG. 4A, the ground conductor pattern 12 is provided with openings 121 and 122 through which the power supply via conductors 141 and 142 pass.
- the ground conductor pattern 12 may not be provided. By forming the ground conductor pattern 12, it is possible to suppress interference between the current flowing through the power supply conductor pattern 11 and the current flowing through the power supply wirings 151 and 152 and the power supply via conductors 141 and 142.
- the dielectric substrate 20 has a multilayer structure in which a dielectric material is filled between the ground conductor pattern 13 and the power supply conductor pattern 11.
- the dielectric substrate 20 may be, for example, a low-temperature co-fired ceramic (Low Temperature Co-fired Ceramics: LTCC) substrate or a printed circuit board. Further, the dielectric substrate 20 may be a simple space that is not filled with a dielectric material. In this case, a structure for supporting the power supply conductor pattern 11 is required.
- the power supply wiring 151 is a first power supply wiring disposed between the power supply branch points 150A and 150B.
- the power supply branch points 150A and 150B are each a branch point of one common power supply wiring.
- the power supply line 152 is a second power supply line disposed between the power supply branch points 150A and 150B.
- the power supply wirings 151 and 152 are wirings branched from branch points (power supply branch points 150A and 150B) of one common power supply wiring.
- the common power supply wiring (not shown) is, for example, a wiring connecting the RFIC 3 and the power supply branch point 150B.
- a frequency selection circuit 161 On the power supply wiring 151 (on the first path connecting the power supply branch points 150A and 150B), a frequency selection circuit 161 is arranged as shown in FIG. 4B.
- power supply wiring 151 and frequency selection circuit 161 are connected in series between power supply branch points 150A and 150B.
- the frequency selection circuit 161 (not shown in FIG. 3B, but shown in FIG. 4B) includes, for example, a main surface of the dielectric substrate 20 opposite to the main surface on which the power supply conductor pattern 11 is formed. Are placed on the surface.
- a frequency selection circuit 162 is arranged as shown in FIG. 4B.
- the power supply wiring 152 and the frequency selection circuit 162 are connected in series between the power supply branch points 150A and 150B.
- the frequency selection circuit 162 (illustrated in FIG. 3B and FIG. 4B) is disposed, for example, on the main surface of the dielectric substrate 20 opposite to the main surface on which the power supply conductor pattern 11 is formed. ing.
- the power supply branch point 150A is connected to the power supply point 111 via the power supply via conductor 141, and the power supply branch point 150B is connected to the power supply point 112 via the power supply via conductor 142.
- the frequency selection circuits 161 and 162 are circuits for passing and attenuating high-frequency signals according to frequency bands, respectively.
- FIG. 5 is a schematic circuit diagram of a power supply configuration in the patch antenna 10 according to the embodiment.
- FIG. 5 shows a schematic circuit configuration from the RFIC 3 (RFin in FIG. 5) to the feeding points 111 and 112.
- the lengths of the power supply wiring 151 and the power supply wiring 152 are different.
- the power supply wiring 151 on which the frequency selection circuit 161 is disposed transmits the high-frequency signal of the first frequency band to the power supply points 111 and 112 in substantially opposite phases
- the power supply wiring 152 on which the frequency selection circuit 162 is disposed is The high-frequency signals of the second frequency band different from the first frequency band can be transmitted to the feeding points 111 and 112 with substantially the same phase.
- the electric length L2 of the second path is L2 ⁇ n ⁇ 2g (n is an integer) when the wavelength (at the dielectric substrate 20) at the center frequency of the second frequency band is ⁇ 2g.
- the high-frequency signal in the first frequency band having substantially the opposite phase is fed to the feeding points 111 and 112 located on the opposite sides to the center point of the feeding conductor pattern 11 by the feeding wiring 151.
- the high-frequency currents in the first frequency band are aligned in the direction connecting the power supply points 111 and 112 (Y-axis direction). Is improved. More specifically, the directivity is more easily oriented in the zenith direction (Z-axis positive direction).
- the second frequency of the current flowing from the feeding points 111 and 112 to the feeding conductor pattern 11 is As for the high-frequency current in the band, the current efficiency in the direction connecting the feeding points 111 and 112 (Y-axis direction) cancels each other, so that the antenna efficiency deteriorates. They will cancel each other out. That is, the current flowing through the power supply conductor pattern 11 can be adjusted. Therefore, the directivity and frequency selectivity of the first frequency band radiated from the power supply conductor pattern 11 are improved. Further, the symmetry of the directivity of the radio wave in the first frequency band is improved, and the cross polarization discrimination degree XPD for the radio wave in the first frequency band can be improved.
- the high frequency signal in the first frequency band can be supplied to the power supply points 111 and 112 in substantially opposite phases through the power supply wiring 151 by the frequency selection circuit 161. Further, the frequency selection circuit 162 can supply a high-frequency signal in the second frequency band to the feeding points 111 and 112 through the feeding line 152 in substantially the same phase. This makes it possible to suppress the radiation of the radio waves in the second frequency band while improving the directivity of the radio waves in the first frequency band. That is, high frequency selectivity and high directivity can be realized.
- the patch antenna 10 uses the opposite-phase power supply and the in-phase power supply of the power supply wirings 151 and 152 in order to realize high frequency selectivity.
- the pass characteristic of the high frequency signal required of the frequency selection circuits 161 and 162 is compared with the pass characteristic required of the filter circuit of the conventional antenna module which improves the frequency selectivity of the radiated radio wave only by the filter circuit. Can be relaxed. That is, as compared with the filter circuit of the conventional antenna module, the pass characteristics such as the steepness and the insertion loss of the frequency selection circuits 161 and 162 can be eased. A small patch antenna 10 having high directivity can be provided.
- the power supply conductor pattern 11 is arranged in the formation area.
- the patch antenna 10 and the antenna module 1 can be downsized.
- the power supply wirings 151 and 152 and the power supply branch points 150A and 150B are formed in the same layer as the ground conductor pattern 13. More specifically, the power supply wirings 151 and 152 are formed in an opening 131 (shown in FIG. 3A) provided in the ground conductor pattern 13.
- the frequency selection circuits 161 and 162 are, for example, LC circuits including an inductor and a capacitor, and are configured by chip components. The chip component is mounted on the main surface of the dielectric substrate 20 closest to the ground conductor pattern 13. As a result, it is not necessary to provide an electrode layer for forming the power supply wirings 151 and 152 and the frequency selection circuits 161 and 162 other than the ground conductor pattern 13, so that the manufacturing process of the patch antenna 10 can be simplified.
- the frequency selection circuits 161 and 162 are constituted by the above-described LC circuits, when passing and attenuating high-frequency signals in a predetermined frequency band, a band-pass type, a band elimination type, a low-pass type, In addition, a high-pass filter function can be provided relatively freely.
- the inductors and capacitors constituting the frequency selection circuits 161 and 162 need not be chip components, and may be a part of the power supply wirings 151 and 152.
- a desired inductance component can be set by making the line width of a part of the power supply wiring 151 or 152 smaller than the line width of the other part.
- a desired capacitance component can be set in a part of the power supply wiring 151 or 152 by making the part discontinuous. That is, at least one of the frequency selection circuits 161 and 162 may be a part of the power supply wiring 151 or 152.
- the patch antenna 10 can be further reduced in size.
- the frequency selection circuit 161 is, for example, a band-pass filter circuit that uses the first frequency band as a pass band.
- the frequency selection circuit 162 is, for example, a band elimination filter circuit that uses the first frequency band as an attenuation band.
- the high-frequency signal of the first frequency band that has passed through the power supply wiring 151 and the frequency selection circuit 161 (band-pass filter circuit) is supplied to the power supply points 111 and 112 with substantially opposite phases.
- the high-frequency signal of the second frequency band that has passed through the power supply wiring 152 and the frequency selection circuit 162 (band elimination filter circuit) is supplied to the power supply points 111 and 112 with substantially the same phase.
- the high frequency signal of the first frequency band supplied to the power supply conductor pattern 11 is prevented from flowing to the power supply wiring 152 by the frequency selection circuit 162 as much as possible, and flows through the power supply wiring 151 by the frequency selection circuit 161.
- the high frequency signal of the second frequency band is prevented from flowing to the power supply wiring 151 by the frequency selection circuit 161 as much as possible, and flows through the power supply wiring 152 by the frequency selection circuit 162.
- the high frequency signal of the first frequency band is supplied to the feeding points 111 and 112 in opposite phases, and the high frequency signal of the second frequency band is supplied to the feeding points 111 and 112 in the same phase. Frequency selectivity and directivity can be further improved.
- the frequency selection circuit 162 may be, for example, a band-pass filter circuit that uses the second frequency band as a pass band.
- the high-frequency signal of the first frequency band that has passed through the power supply wiring 151 and the frequency selection circuit 161 (band-pass filter circuit) is supplied to the power supply points 111 and 112 with substantially opposite phases.
- the high-frequency signal in the second frequency band that has passed through the power supply wiring 152 and the frequency selection circuit 162 (bandpass filter circuit) is supplied to the power supply points 111 and 112 with substantially the same phase.
- the opposite phase component of the high frequency signal in the first frequency band supplied to the power supply conductor pattern 11 is fed to the feeding points 111 and 112 by the frequency selection circuit 161, and the in-phase component of the high frequency signal in the second frequency band is Since power is supplied to the feeding points 111 and 112 by the frequency selection circuit 162, the frequency selectivity and directivity of the first frequency band can be further improved.
- the frequency selection circuit 161 may be a low-pass filter circuit that uses the first frequency band as a pass band and the second frequency band as an attenuation band, for example.
- the frequency selection circuit 162 may be a high-pass filter circuit that uses the first frequency band as an attenuation band and the second frequency band as a pass band.
- the high frequency signal of the first frequency band supplied to the power supply conductor pattern 11 is prevented from flowing to the power supply wiring 152 by the frequency selection circuit 162 as much as possible, and flows through the power supply wiring 151 by the frequency selection circuit 161.
- the high frequency signal of the second frequency band is prevented from flowing to the power supply wiring 151 by the frequency selection circuit 161 as much as possible, and flows through the power supply wiring 152 by the frequency selection circuit 162.
- the high frequency signal of the first frequency band is supplied to the feeding points 111 and 112 in opposite phases, and the high frequency signal of the second frequency band is supplied to the feeding points 111 and 112 in the same phase. Frequency selectivity and directivity can be further improved.
- the frequency selection circuit 161 may be a high-pass filter circuit that uses the first frequency band as a pass band and the second frequency band as an attenuation band, for example.
- the frequency selection circuit 162 may be a low-pass filter circuit that uses the first frequency band as an attenuation band and the second frequency band as a pass band.
- the high frequency signal of the first frequency band supplied to the power supply conductor pattern 11 is prevented from flowing to the power supply wiring 152 by the frequency selection circuit 162 as much as possible, and flows through the power supply wiring 151 by the frequency selection circuit 161.
- the high frequency signal of the second frequency band is prevented from flowing to the power supply wiring 151 by the frequency selection circuit 161 as much as possible, and flows through the power supply wiring 152 by the frequency selection circuit 162.
- the high frequency signal of the first frequency band is supplied to the feeding points 111 and 112 in opposite phases, and the high frequency signal of the second frequency band is supplied to the feeding points 111 and 112 in the same phase. Frequency selectivity and directivity can be further improved.
- one of the frequency selection circuits 161 and 162 may not be provided. Thereby, it is possible to feed the high-frequency signal of the first frequency band to the feeding points 111 and 112 in substantially opposite phases, and to feed the high-frequency signal of the second frequency band to the feeding points 111 and 112 in substantially the same phase. Therefore, a small patch antenna having high frequency selectivity and high directivity can be provided.
- FIG. 6 is a plan view and a cross-sectional view of an antenna module 1A according to a modification of the embodiment.
- FIG. 7A is a perspective view of a main part of a patch antenna 10A according to a modification of the embodiment, in which the power supply conductor pattern 11A, the ground conductor pattern 12A, and the dielectric substrate 20 are omitted.
- FIG. 7B is a perspective view of a main part showing an example of a power supply configuration in patch antenna 10A according to a modification of the embodiment.
- FIG. 6B is a cross-sectional view of the antenna module 1A taken along the line VI-VI of FIG. 6A.
- the patch antenna 10A includes the dielectric substrate 20, ground conductor patterns 12A and 13A, and a feed conductor pattern 11A. As shown in FIGS. 6, 7A and 7B, the patch antenna 10A further includes power supply wirings 151A and 152A and frequency selection circuits 161A and 162A.
- the patch antenna 10A according to the present modification is an external perspective view of the patch antenna 10 shown in FIG. 2, in which the power supply conductor pattern 11 is replaced with the power supply conductor pattern 11A, and the ground conductor patterns 12 and 13 are replaced with the ground conductor patterns 12A. 13A and 13A, and are not shown.
- the antenna module 1A includes a patch antenna 10A and an RFIC3.
- the RFIC 3 is a power supply circuit that supplies a high-frequency signal to the power supply conductor pattern 11A.
- the RFIC 3 is arranged, for example, on the main surface of the dielectric substrate 20 opposite to the main surface on which the power supply conductor pattern 11A is formed.
- the ground conductor pattern 13A is formed on the main surface on the back surface side (negative z-axis direction) of the dielectric substrate 20 so as to be substantially parallel to the main surface of the dielectric substrate 20.
- This is a planar first ground conductor set to the ground potential.
- the power supply conductor pattern 11A is a planar power supply conductor disposed on the dielectric substrate 20 so as to be opposed (substantially parallel) to the ground conductor pattern 13A.
- the power supply conductor pattern 11A is provided with a power supply point 111A (first (The first feeding point) and the feeding point 112A (the second feeding point).
- the feed point 111A and the feed point 112A are points on the feed conductor pattern 11A directly connected to the feed via conductors 141A and 142A, respectively, as shown in FIGS. 6 and 7A.
- the feeding point 111A and the feeding point 112A may be located on opposite sides of the center point. However, in order to ensure better directivity of the radiated radio wave, FIG. As shown in (1), it is desirable that they are arranged symmetrically in the Y-axis direction from the center point. Further, the feeding point 111A and the feeding point 112A may be capacitively fed from the feeding via conductors 141A and 142A, respectively. In this case, the feeding point 111A and the feeding point 112A are respectively connected to the feeding via conductors 141A and 142A. They may not be directly connected, but may be connected via a capacitive coupling unit.
- the ground conductor pattern 12A is formed between the ground conductor pattern 13A and the power supply conductor pattern 11A so as to be substantially parallel to the main surface of the dielectric substrate 20, and is set to the ground potential. This is a planar second ground conductor. As shown in FIG. 6A, the ground conductor pattern 12 is provided with openings 121A and 122A through which the feed via conductors 141A and 142A penetrate.
- the ground conductor pattern 12A may not be provided.
- the shielding properties of the power supply wirings 151A and 152A and the power supply via conductors 141A and 142A are enhanced, so that it is possible to emit or receive a high-frequency signal with lower noise.
- the power supply wirings 151A and 152A are formed in a layer sandwiched between the ground conductor pattern 13A and the power supply conductor pattern 11A (and the ground conductor pattern 12A).
- the power supply wiring 151A is a first power supply wiring disposed between the power supply branch points 150A and 150B.
- the power supply line 152A is a second power supply line disposed between the power supply branch points 150A and 150B.
- Each of the power supply lines 151A and 152A is a line branched from a branch point of one common power supply line.
- the common power supply line (not shown) is, for example, a line connecting the RFIC 3 and the power supply branch point 150B.
- a frequency selection circuit 161A is arranged on the power supply wiring 151A, as shown in FIG. 7B.
- the frequency selection circuit 161A is formed using a part of the line of the power supply wiring 151A.
- the power supply wiring 151A and the frequency selection circuit 161A are connected in series between the power supply branch points 150A and 150B as a circuit configuration.
- the frequency selection circuit 161A is, for example, a so-called LC series resonance circuit in which an inductor 151L and a capacitor 151C are connected in series, as shown in FIG. 7B.
- the inductor 151L is set in a portion where the line width of the power supply wiring 151A is reduced.
- Capacitor 151C includes a portion where power supply wiring 151A is discontinuous, and an electrode disposed on a layer facing the layer on which power supply wiring 151A is formed so as to cover the portion.
- the frequency selection circuit 161A forms, for example, a band-pass filter (BPF).
- a frequency selection circuit 162A is arranged on the power supply wiring 152A, as shown in FIG. 7B.
- the frequency selection circuit 162A is formed using a part of the line of the power supply wiring 152A.
- the power supply wiring 152A and the frequency selection circuit 162A are connected in series between the power supply branch points 150A and 150B as a circuit configuration.
- the frequency selection circuit 162A is, for example, a so-called LC parallel resonance circuit in which an inductor 152L and a capacitor 152C are connected in parallel, as shown in FIG. 7B.
- the inductor 152L is set at a portion where the line width of the power supply wiring 152A is reduced.
- Capacitor 152C includes a portion where power supply wiring 152A is discontinuous, and an electrode disposed on a layer facing the layer on which power supply wiring 152A is formed so as to cover the portion.
- the frequency selection circuit 162A forms, for example, a band elimination filter (BEF).
- the power supply branch point 150A is connected to the power supply point 111A via the power supply via conductor 141A, and the power supply branch point 150B is connected to the power supply point 112A via the power supply via conductor 142A.
- the frequency selection circuits 161A and 162A are circuits that pass and attenuate high-frequency signals according to frequency bands, respectively.
- the high frequency signal of the first frequency band can be supplied to the feeding points 111A and 112A in substantially opposite phases by the frequency selection circuit 161A via the feeding wiring 151A.
- the frequency selection circuit 162A can supply a high-frequency signal in the second frequency band to the feeding points 111A and 112A in substantially the same phase via the feeding line 152A.
- This makes it possible to suppress the radiation of the radio waves in the second frequency band while improving the directivity of the radio waves in the first frequency band. That is, high frequency selectivity and high directivity can be realized.
- the patch antenna 10A uses the opposite-phase power supply and the in-phase power supply of the power supply wirings 151A and 152A in order to realize high frequency selectivity.
- the pass characteristics of the high frequency signal required for the frequency selection circuits 161A and 162A are compared with the pass characteristics required for the filter circuit of the conventional antenna module which improves the frequency selectivity of the radiated radio wave only with the filter circuit. Can be relaxed. In other words, as compared with the filter circuit of the conventional antenna module, the pass characteristics such as the steepness and the insertion loss of the frequency selection circuits 161A and 162A can be reduced, so that the frequency selection circuits 161A and 162A can be reduced in size while achieving high frequency selectivity and A small patch antenna 10A having high directivity can be provided.
- the power supply wirings 151A and 152A and the frequency selection circuits 161A and 162A provide power supply when the power supply conductor pattern 11A is viewed in a plan view. It is arranged in the formation region of the conductor pattern 11A.
- the patch antenna 10A and the antenna module 1A can be downsized.
- the power supply wirings 151A and 152A and the frequency selection circuits 161A and 162A can be formed in a region interposed between the ground conductor pattern 13A and the power supply conductor pattern 11A. Since the area of the layer on which the pattern 13A and the feed conductor pattern 11A are formed does not increase, the area of the patch antenna 10A can be reduced.
- FIG. 8A is a diagram illustrating a phase state of a high-frequency signal in three frequency bands of the patch antenna according to the comparative example.
- FIG. 8B is a diagram illustrating a phase state of a high-frequency signal in three frequency bands of patch antenna 10 according to the embodiment.
- FIGS. 8A and 8B integrate the phase distributions of the high-frequency signals flowing through the power supply wirings 151 and 152 and the power supply via conductors 141 and 142 when high-frequency signals having three different frequency bands are applied to the common power supply wiring. The simulation results are shown.
- the patch antenna according to the comparative example is different from the patch antenna 10 according to the embodiment in that the frequency selection circuits 161 and 162 and the power supply wiring 152 that supplies the high-frequency signal in the second frequency band in-phase are not provided. Is different as a configuration.
- a high-frequency signal having a phase difference of 0 ° mainly flows through the connected power supply via conductor 141, and a high-frequency signal having a phase difference of 180 ° mainly flows through the power supply via conductor 142 connected to the power supply point 111.
- the feeding points 111 and 112 are fed with substantially opposite phases.
- a frequency band having a center frequency of 25.0 GHz (second frequency band), and (c) 31.0 GHz.
- a high-frequency signal having a phase difference of 0 ° mainly flows through the power supply via conductor 141, and a high-frequency signal having a phase difference of 0 ° also flows through the power supply via conductor 142. Mainly flowing.
- a high-frequency signal having a phase difference of 0 ° mainly flows through the feed via conductor 141
- a high-frequency signal having a phase difference of 180 ° mainly flows through the feed via conductor 142. That is, in the patch antenna 10 according to the embodiment, the feeding points 111 and 112 are fed substantially in-phase in two frequency bands (center frequency 25.0 GHz, 31.0 GHz) of the three frequency bands, and one In the frequency band (center frequency: 28.0 GHz), feeding points 111 and 112 are supplied with substantially opposite-phase power.
- FIG. 9 is a graph comparing the frequency characteristics of the antenna efficiency of the patch antenna according to the embodiment and the patch antenna according to the comparative example.
- two feeding points 111 and 112 are supplied with substantially opposite-phase power in the three frequency bands (center frequencies 25.0 GHz, 28.0 GHz, and 31.0 GHz). Therefore, radio waves are radiated from the feed conductor pattern with high antenna efficiency in a wide frequency band covering the above three frequency bands.
- the two feeding points 111 and 112 are fed substantially in opposite phases in one frequency band (center frequency 28.0 GHz). Although radio waves are radiated with high antenna efficiency, power is supplied to the two feeding points 111 and 112 in substantially the same phase in two frequency bands (center frequency 25.0 GHz, 31.0 GHz). Radiation is suppressed.
- the patch antenna 10 according to the embodiment has higher frequency selectivity.
- the patch antenna according to the present embodiment is better than the patch antenna according to the comparative example. 10 is more advantageous.
- the patch antenna 10A according to the modification also has higher frequency selectivity than the patch antenna according to the comparative example, similarly to the patch antenna 10 according to the embodiment.
- the antenna element, the antenna module, and the communication device according to the present invention have been described with reference to the embodiment and the modification.
- the antenna element, the antenna module, and the communication device according to the present invention are different from the embodiment and the modification. It is not limited.
- the present invention also includes modifications obtained by performing the above, and various devices incorporating the antenna element, the antenna module, and the communication device according to the present disclosure.
- the “feed point” of the feed conductor pattern in the present embodiment and the modified example refers to the position (point) of the feed conductor pattern at which the feed wiring rises from the ground conductor pattern side to the layer on which the feed conductor pattern is arranged. Point to.
- the power supply conductor pattern may indicate a region closest to the above position.
- the patch antennas according to the embodiment and the modified example can be applied to a Massive MIMO system.
- One of the promising wireless transmission technologies in 5G (5th generation mobile communication system) is a combination of a phantom cell and a Massive MIMO system.
- a phantom cell is a network configuration that separates a control signal for ensuring communication stability between a macro cell in a low frequency band and a small cell in a high frequency band and a data signal to be subjected to high-speed data communication.
- Each phantom cell is provided with a Massive MIMO antenna device.
- the Massive MIMO system is a technique for improving transmission quality in a millimeter wave band or the like, and controls a signal transmitted from each patch antenna to control the directivity of the patch antenna.
- the Massive MIMO system uses a large number of patch antennas, it can generate a beam with sharp directivity. By increasing the directivity of the beam, the radio waves can be transmitted to a certain distance even in a high frequency band, and the interference between cells can be reduced to improve the frequency use efficiency.
- the patch antenna according to the above-described embodiment and its modification has a configuration including a dielectric substrate
- the patch antenna according to the present invention may be formed of a sheet metal instead of the dielectric substrate. Therefore, in the antenna device having a plurality of the patch antennas, the plurality of patch antennas may be formed not only on the same dielectric substrate but also on the same substrate. May be formed on a member (for example, a housing or the like) different from the dielectric substrate.
- the present invention can be widely used as a multi-band antenna element in communication devices such as a millimeter-wave band mobile communication system and a Massive MIMO system.
- BBIC Baseband signal processing circuit
- RFIC RF signal processing circuit
- Reference Signs List 4 Array antenna 5 Communication device 10, 10A Patch antenna 11, 11A Feeding conductor pattern 12, 12A, 13, 13A Ground conductor pattern 20 Dielectric substrate 31A, 31B, 31C, 31D, 33A, 33B, 33C, 33D, 37 Switch 32AR , 32BR, 32CR, 32DR Low-noise amplifier 32AT, 32BT, 32CT, 32DT Power amplifier 34A, 34B, 34C, 34D Attenuator 35A, 35B, 35C, 35D Phase shifter 36 Signal synthesizer / demultiplexer 38 Mixer 39 Amplifier 39, 111A, 112, 112A Feeding points 121, 121A, 122, 122A, 131 Openings 141, 141A, 142, 142A Feeding via conductors 150A, 150B Feeding branch points 151, 151A, 152, 152A Power supply wiring 151C,
Landscapes
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Abstract
パッチアンテナ(10)は、グランド電位に設定される面状のグランド導体パターン(13)と、グランド導体パターン(13)と対向して配置された面状の導体パターンであって当該導体パターンの中心点に対して対称に配置された給電点(111および112)を有する給電導体パターン(11)と、給電点(111)と給電点(112)との間に並列接続され、互いに異なる長さを有する給電配線(151および152)と、給電配線(151および152)のうちの少なくともいずれかの線路上に配置され、周波数帯域に応じて高周波信号を通過および減衰させる周波数選択回路(161および162)と、を備える。
Description
本発明は、アンテナ素子、アンテナモジュールおよび通信装置に関する。
無線通信用のアンテナとして、例えば、特許文献1に開示された無線装置(アンテナモジュール)が挙げられる。特許文献1に開示された無線装置は、導体パターンと接地導体とで高周波基板を挟む構造を有するパッチアンテナが2次元状に配置されたアレイアンテナで構成されている。アレイアンテナを構成する複数のパッチアンテナの間には、所定の周波数帯域以外の信号をカットするフィルタが配置されている。これにより、無線装置を小型化および高性能化できるとしている。
特許文献1に記載されたアレイアンテナ(アンテナ素子)では、複数のパッチアンテナに高周波信号を伝達する配線上に配置されたフィルタが、所定の周波数帯域以外の信号をカットする機能を有している。しかしながら、例えばマルチバンド化などの進展により、アンテナ素子に対して、複数の周波数帯域における高い周波数選択性および高い指向性の要求が厳しくなると、フィルタの急峻度および挿入損失などの通過特性を当該要求に対応させて高度化する必要がある。フィルタの上記通過特性を高度化させるには、当該フィルタを高機能化する必要があり、大型化してしまう。これに伴い、アンテナ素子が大型化するといった問題がある。
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、高い周波数選択性および高い指向性を有する小型のアンテナ素子、アンテナモジュールおよび通信装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係るアンテナ素子は、グランド電位に設定される面状のグランド導体と、前記グランド導体と対向して配置された面状の導体であって、当該導体を平面視した場合、当該導体の中心点に対して互いに反対側に位置する第1給電点および第2給電点に高周波信号が給電される給電導体と、前記第1給電点と前記第2給電点との間に並列接続され、互いに異なる長さを有する第1給電配線および第2給電配線と、前記第1給電配線および前記第2給電配線のうちの少なくともいずれかの線路上に配置され、周波数帯域に応じて高周波信号を通過および減衰させる周波数選択回路と、を備える。
本発明によれば、高い周波数選択性および高い指向性を有する小型のアンテナ素子、アンテナモジュールおよび通信装置を提供することが可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置および接続形態などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。以下の実施の形態における構成要素のうち、独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、図面に示される構成要素の大きさ、または大きさの比は、必ずしも厳密ではない。
(実施の形態)
[1.1 通信装置(アンテナモジュール)の回路構成]
図1は、実施の形態に係る通信装置5の回路図である。同図に示された通信装置5は、アンテナモジュール1と、ベースバンド信号処理回路(BBIC)2とを備える。アンテナモジュール1は、アレイアンテナ4と、RF信号処理回路(RFIC)3とを備える。通信装置5は、ベースバンド信号処理回路(BBIC)2からアンテナモジュール1へ伝達される信号を高周波信号にアップコンバートしてアレイアンテナ4から放射するとともに、アレイアンテナ4で受信した高周波信号をダウンコンバートしてベースバンド信号処理回路(BBIC)2にて信号処理する。
[1.1 通信装置(アンテナモジュール)の回路構成]
図1は、実施の形態に係る通信装置5の回路図である。同図に示された通信装置5は、アンテナモジュール1と、ベースバンド信号処理回路(BBIC)2とを備える。アンテナモジュール1は、アレイアンテナ4と、RF信号処理回路(RFIC)3とを備える。通信装置5は、ベースバンド信号処理回路(BBIC)2からアンテナモジュール1へ伝達される信号を高周波信号にアップコンバートしてアレイアンテナ4から放射するとともに、アレイアンテナ4で受信した高周波信号をダウンコンバートしてベースバンド信号処理回路(BBIC)2にて信号処理する。
アレイアンテナ4は、2次元状に配列された複数のパッチアンテナ10を有する。パッチアンテナ10は、電波(高周波信号)を放射する放射素子、および電波(高周波信号)を受信する受信素子として動作するアンテナ素子である。本実施の形態においては、アレイアンテナ4は、フェーズドアレイアンテナを構成することが可能となる。
パッチアンテナ10は、所定の周波数帯域(例えば、所定の通信バンド)について、優れた指向性を有する直線偏波を放射素子(給電導体)から放射できる小型の構造を有している。より具体的には、パッチアンテナ10は、グランド電位に設定される面状のグランド導体と、当該グランド導体と対向して配置された面状の導体であって、当該導体を平面視した場合、当該導体の中心点に対して互いに反対側に位置する第1給電点および第2給電点に高周波信号が給電される給電導体と、第1給電点と第2給電点との間に並列接続され、互いに異なる長さを有する第1給電配線および第2給電配線と、第1給電配線および第2給電配線のうちの少なくともいずれかの線路上に配置され、周波数帯域に応じて高周波信号を通過および減衰させる周波数選択回路と、を備える。
これによれば、パッチアンテナ10は、高い周波数選択性を実現すべく、異なる配線長を有する給電配線を利用している。このため、周波数選択回路に要求される高周波信号の通過特性を、フィルタ回路のみで放射電波の周波数選択性を向上させている従来のアンテナモジュールのフィルタ回路に要求される通過特性と比較して緩和できる。よって、周波数選択回路を小型化できるので、高い周波数選択性および高い指向性を有する小型のアンテナ素子を提供できる。
また、アレイアンテナ4は、1次元状または2次元状に配列された複数のパッチアンテナ10を備え、複数のパッチアンテナ10は、誘電体基板を共有し、かつ、グランド導体パターンを共有している。
なお、パッチアンテナ10は、誘電体基板がなく、板金で形成されていてもよい。よって、アレイアンテナ4を構成する各パッチアンテナ10は、同一の誘電体基板に形成されるだけでなく、同一の基板に形成されていてもよい。また、アレイアンテナ4を構成するパッチアンテナ10の一部が誘電体基板とは別の部材(例えば、筐体等)に形成されていてもよい。
上述したように、パッチアンテナ10が優れた指向性および高い周波数選択性を有しているので、アレイアンテナ4もまた優れた指向性および高い周波数選択性を有する。さらに、パッチアンテナ10は、中心点に対して対称配置された2つの給電点に逆相給電される構成を有していることで、高い指向性の対称性および高い交差偏波識別度(XPD:Cross Polarization Discrimination)を有する。また、高い指向性を有することで、アレイアンテナ4のチルト時の利得の対称性が向上したフェーズドアレイアンテナを実現できる。例えば、フェーズドアレイアンテナのカバー範囲が±45°の場合、+45°方向には利得が過剰に高く、-45°方向や0°方向には利得が低くなる、ということが解消される。
RF信号処理回路(RFIC)3は、スイッチ31A~31D、33A~33Dおよび37と、パワーアンプ32AT~32DTと、ローノイズアンプ32AR~32DRと、減衰器34A~34Dと、移相器35A~35Dと、信号合成/分波器36と、ミキサ38と、増幅回路39とを備える。
スイッチ31A~31Dおよび33A~33Dは、各信号経路における送信および受信を切り替えるスイッチ回路である。
移相器35A~35Dのそれぞれは、高周波信号を移相する移相回路である。
ベースバンド信号処理回路(BBIC)2から伝達される信号は、増幅回路39で増幅され、ミキサ38でアップコンバートされる。アップコンバートされた高周波信号は、信号合成/分波器36で4分波され、4つの送信経路を通過して、それぞれ異なるパッチアンテナ10に給電される。このとき、各信号経路に配置された移相器35A~35Dの移相度が個別に調整されることにより、アレイアンテナ4の指向性を調整することが可能となる。
また、アレイアンテナ4が有する各パッチアンテナ10で受信した高周波信号は、それぞれ、異なる4つの受信経路を経由し、信号合成/分波器36で合波され、ミキサ38でダウンコンバートされ、増幅回路39で増幅されてベースバンド信号処理回路(BBIC)2へ伝達される。
RF信号処理回路(RFIC)3は、例えば、上記回路構成を含む1チップの集積回路部品として形成される。
なお、上述した、スイッチ31A~31D、33A~33Dおよび37、パワーアンプ32AT~32DT、ローノイズアンプ32AR~32DR、減衰器34A~34D、移相器35A~35D、信号合成/分波器36、ミキサ38、ならびに増幅回路39のいずれかは、RF信号処理回路(RFIC)3が備えていなくてもよい。また、RF信号処理回路(RFIC)3は、送信経路および受信経路のいずれかのみを有していてもよい。また、本実施の形態に係る通信装置5は、単一の周波数帯域(バンド)の高周波信号を送受信するだけでなく、複数の周波数帯域(マルチバンド)の高周波信号を送受信するシステムにも適用可能である。
[1.2 パッチアンテナの構成]
図2は、実施の形態に係るパッチアンテナ10の要部斜視図である。また、図3は、実施の形態に係るアンテナモジュール1の平面図および断面図である。また、図4Aは、実施の形態に係るパッチアンテナ10の給電導体パターン11および誘電体基板20を省略した場合の要部斜視図である。また、図4Bは、実施の形態に係るパッチアンテナ10の給電導体パターン11、グランド導体パターン12および誘電体基板20を省略した場合の要部斜視図である。なお、図3の(b)は、図3の(a)のIII-III線の切断面におけるアンテナモジュール1の断面図である。
図2は、実施の形態に係るパッチアンテナ10の要部斜視図である。また、図3は、実施の形態に係るアンテナモジュール1の平面図および断面図である。また、図4Aは、実施の形態に係るパッチアンテナ10の給電導体パターン11および誘電体基板20を省略した場合の要部斜視図である。また、図4Bは、実施の形態に係るパッチアンテナ10の給電導体パターン11、グランド導体パターン12および誘電体基板20を省略した場合の要部斜視図である。なお、図3の(b)は、図3の(a)のIII-III線の切断面におけるアンテナモジュール1の断面図である。
パッチアンテナ10は、図2に示すように、誘電体基板20と、グランド導体パターン12および13と、給電導体パターン11と、を備える。パッチアンテナ10は、図3および図4Bに示すように、さらに、給電配線151および152と、周波数選択回路161および162と、を備える。
また、図3の(b)に示すように、アンテナモジュール1は、パッチアンテナ10と、RFIC3と、を備える。RFIC3は、給電導体パターン11に高周波信号を給電する給電回路である。RFIC3は、たとえば、誘電体基板20が有する主面のうち給電導体パターン11が形成された主面と反対側の主面に配置されている。
グランド導体パターン13は、図2に示すように、誘電体基板20の主面に略平行となるように誘電体基板20の裏面側(z軸負方向)の主面に形成され、グランド電位に設定される面状の第1グランド導体である。
給電導体パターン11は、図2に示すように、グランド導体パターン13と対向するように(略平行となるように)誘電体基板20に配置された面状の給電導体である。給電導体パターン11は、給電導体パターン11を平面視した場合(Z軸正側から負側を見た場合)、給電導体パターン11の中心点に対して互いに反対側に位置する給電点111(第1給電点)および給電点112(第2給電点)を有している。給電点111および給電点112は、図4Aおよび図4Bに示すように、それぞれ、給電ビア導体141および142に直接接続された給電導体パターン11上の点である。なお、給電点111および給電点112は、上記中心点に対して互いに反対側に位置していればよいが、放射電波のより良好な指向性を確保するためには、図3の(a)に示すように、上記中心点からY軸方向に対称に配置されていることが望ましい。また、給電点111および給電点112は、それぞれ、給電ビア導体141および142から容量給電されてもよく、この場合には、給電点111および給電点112は、それぞれ、給電ビア導体141および142と直接接続されず、容量結合部を介して接続されていてもよい。
なお、「給電点」とは、実際には、ある程度の大きさを有する給電領域と定義される。
なお、「給電導体(パターン)の中心点」とは、例えば、給電導体(パターン)が矩形である場合には、給電導体(パターン)の2つの対角線が交差する点と定義される。
なお、本実施の形態では、給電導体パターン11は、平面視において矩形となっている。また、給電導体パターン11の給電点111および112は、中心点からY軸方向にずれて配置されている。これにより、パッチアンテナ10の主偏波方向は、Y軸方向となる(主偏波面はYZ面となる)。
グランド導体パターン12は、図2に示すように、誘電体基板20の主面に略平行となるように、グランド導体パターン13と給電導体パターン11との間に形成され、グランド電位に設定される面状の第2グランド導体である。グランド導体パターン12には、図4Aに示すように、給電ビア導体141および142を貫通させる開口部121および122が設けられている。
なお、本実施の形態に係るパッチアンテナ10において、グランド導体パターン12は、なくてもよい。グランド導体パターン12が形成されることにより、給電導体パターン11に流れる電流と、給電配線151および152ならびに給電ビア導体141および142に流れる電流との干渉を抑制することが可能となる。
誘電体基板20は、グランド導体パターン13と給電導体パターン11との間に、誘電体材料が充填された多層構造を有している。なお、誘電体基板20は、例えば、低温同時焼成セラミックス(Low Temperature Co-fired Ceramics:LTCC)基板、または、プリント基板などであってもよい。また、誘電体基板20は、誘電体材料が充填されていない単なる空間であってもよい。この場合には、給電導体パターン11を支持する構造が必要となる。
図3および図4Bに示すように、給電配線151は、給電分岐点150Aおよび150Bの間に配置された第1給電配線である。給電分岐点150Aおよび150Bは、それぞれ、1本の共通給電配線の分岐点である。また、給電配線152は、給電分岐点150Aおよび150Bの間に配置された第2給電配線である。給電配線151および152は、それぞれ、1本の共通給電配線の分岐点(給電分岐点150Aおよび150B)から分岐した配線である。なお、共通給電配線(図示せず)は、例えば、RFIC3と給電分岐点150Bとを結ぶ配線である。
給電配線151上(給電分岐点150Aおよび150Bを結ぶ第1経路上)には、図4Bに示すように、周波数選択回路161が配置されている。本実施の形態では、給電配線151と周波数選択回路161とは、給電分岐点150Aおよび150Bの間に直列接続されている。周波数選択回路161(図3の(b)に図示せず、図4Bに図示)は、例えば、誘電体基板20が有する主面のうち給電導体パターン11が形成された主面と反対側の主面に配置されている。
給電配線152上(給電分岐点150Aおよび150Bを結ぶ第2経路上)には、図4Bに示すように、周波数選択回路162が配置されている。本実施の形態では、給電配線152と周波数選択回路162とは、給電分岐点150Aおよび150Bの間に直列接続されている。周波数選択回路162(図3の(b)および図4Bに図示)は、例えば、誘電体基板20が有する主面のうち給電導体パターン11が形成された主面と反対側の主面に配置されている。
給電分岐点150Aは、給電ビア導体141を介して給電点111と接続され、給電分岐点150Bは、給電ビア導体142を介して給電点112と接続されている。
周波数選択回路161および162は、それぞれ、周波数帯域に応じて高周波信号を通過および減衰させる回路である。
図5は、実施の形態に係るパッチアンテナ10における給電構成の概略回路図である。図5には、RFIC3(図5のRFin)から給電点111および112までの概略回路構成が示されている。同図に示すように、給電配線151と給電配線152との長さは異なる。これにより、周波数選択回路161が配置された給電配線151は、給電点111および112に、第1周波数帯域の高周波信号を略逆位相で伝達し、周波数選択回路162が配置された給電配線152は、給電点111および112に、第1周波数帯域と異なる第2周波数帯域の高周波信号を略同位相で伝達することが可能となる。
より具体的には、給電分岐点150A、給電配線151、周波数選択回路161および150Bを結ぶ第1経路の電気長と、給電分岐点150A、給電配線152、周波数選択回路162および150Bを結ぶ第2経路の電気長とは異なっている。具体的には、第1経路の電気長L1は、第1周波数帯域の中心周波数における(誘電体基板20での)波長をλ1gとした場合、L1≒(n+1/2)λ1g(nは整数)となっている。また、第2経路の電気長L2は、第2周波数帯域の中心周波数における(誘電体基板20での)波長をλ2gとした場合、L2≒nλ2g(nは整数)となっている。
これにより、給電配線151により、給電導体パターン11の中心点に対して互いに反対側に位置する給電点111および112に、略逆位相の第1周波数帯域の高周波信号が給電されるので、給電点111および112から給電導体パターン11に流れる電流のうち、第1周波数帯域の高周波電流については、そのベクトルが給電点111および112を結ぶ方向(Y軸方向)に揃うことから、指向性の対称性が向上する。より具体的には、指向性がより天頂方向(Z軸正方向)を向き易い。また、給電配線152により、給電点111および112に、略同位相の第2周波数帯域の高周波信号が給電されるので、給電点111および112から給電導体パターン11に流れる電流のうち、第2周波数帯域の高周波電流については、給電点111および112を結ぶ方向(Y軸方向)の電流成分が打ち消しあうことから、アンテナ効率が劣化する。互いに打ち消し合うこととなる。つまり、給電導体パターン11に流れる電流を整えることができる。よって、給電導体パターン11から放射される第1周波数帯域の指向性および周波数選択性が向上する。さらには、第1周波数帯域の電波の指向性の対称性が向上し、さらに、第1周波数帯域の電波に対する交差偏波識別度XPDを向上できる。
上記構成によれば、周波数選択回路161により、第1周波数帯域の高周波信号を、給電配線151を介して、給電点111および112に略逆位相で給電することが可能となる。また、周波数選択回路162により、第2周波数帯域の高周波信号を、給電配線152を介して、給電点111および112に略同位相で給電することが可能となる。これにより、第1周波数帯域の電波の指向性を向上させつつ、第2周波数帯域の電波の放射を抑制できる。つまり、高い周波数選択性および高い指向性を実現できる。ここで、パッチアンテナ10は、高い周波数選択性を実現すべく、給電配線151および152の逆相給電および同相給電を利用している。このため、周波数選択回路161および162に要求される高周波信号の通過特性は、フィルタ回路のみで放射電波の周波数選択性を向上させる従来のアンテナモジュールのフィルタ回路に要求される通過特性と比較して緩和できる。つまり、従来のアンテナモジュールのフィルタ回路に比べて、周波数選択回路161および162の急峻性および挿入損失などの通過特性を緩和できるので、周波数選択回路161および162を小型化しつつ、高い周波数選択性および高い指向性を有する小型のパッチアンテナ10を提供できる。
なお、本実施の形態に係るパッチアンテナ10では、図3の(a)に示すように、給電配線151および152、ならびに、周波数選択回路161および162は、給電導体パターン11を平面視した場合、給電導体パターン11の形成領域内に配置されている。
これにより、上記平面視において、給電配線151および152、ならびに、周波数選択回路161および162が給電導体パターン11の形成領域外に配置されていないので、パッチアンテナ10およびアンテナモジュール1を小型化できる。
また、図4Bに示すように、本実施の形態では、給電配線151および152、ならびに、給電分岐点150Aおよび150Bは、グランド導体パターン13と同層に形成されている。より具体的には、給電配線151および152は、グランド導体パターン13内に設けられた開口部131(図3の(a)に図示)内に形成されている。また、周波数選択回路161および162は、例えば、インダクタおよびキャパシタからなるLC回路であり、チップ部品で構成されている。当該チップ部品は、誘電体基板20の主面のうちグランド導体パターン13に最も近い主面に実装されている。これにより、給電配線151および152、ならびに、周波数選択回路161および162を形成するための電極層を、グランド導体パターン13以外に設ける必要がないので、パッチアンテナ10の製造工程を簡素化できる。
また、周波数選択回路161および162は、上記LC回路で構成されているので、所定の周波数帯域の高周波信号を通過させ、また、減衰させるにあたり、帯域通過型、帯域除去型、低域通過型、および高域通過型のフィルタ機能を比較的自由に持たせることが可能となる。
なお、周波数選択回路161および162を構成するインダクタおよびキャパシタは、チップ部品でなくてもよく、給電配線151および152の一部であってもよい。例えば、インダクタは、給電配線151または152の一部の線幅を、他部の線幅より小さくすることで、所望のインダクタンス成分を設定することが可能である。また、例えば、キャパシタは、給電配線151または152の一部を不連続とすることで、当該一部に所望のキャパシタンス成分を設定することが可能である。つまり、周波数選択回路161および162の少なくとも一方は、給電配線151または152の一部であってもよい。
これにより、周波数選択回路161および162を配置するにあたり、給電配線151および152以外のスペースを必要としないので、パッチアンテナ10をさらに小型化できる。
周波数選択回路161は、例えば、第1周波数帯域を通過帯域とする帯域通過フィルタ回路である。また、周波数選択回路162は、例えば、第1周波数帯域を減衰帯域とする帯域除去フィルタ回路である。このとき、給電配線151および周波数選択回路161(帯域通過フィルタ回路)を通過した第1周波数帯域の高周波信号は、給電点111および給電点112に略逆位相で給電される。また、給電配線152および周波数選択回路162(帯域除去フィルタ回路)通過した第2周波数帯域の高周波信号は、給電点111および112に略同位相で給電される。
これによれば、給電導体パターン11に供給される第1周波数帯域の高周波信号は、周波数選択回路162により給電配線152に流れるのを極力排除され、周波数選択回路161により給電配線151を流れる。また、第2周波数帯域の高周波信号は、周波数選択回路161により給電配線151に流れるのを極力排除され、周波数選択回路162により給電配線152を流れる。これにより、第1周波数帯域の高周波信号が逆位相で給電点111および112に給電され、第2周波数帯域の高周波信号が同位相で給電点111および112に給電されるので、第1周波数帯域の周波数選択性および指向性をさらに向上できる。
なお、周波数選択回路162は、例えば、第2周波数帯域を通過帯域とする帯域通過フィルタ回路であってもよい。このとき、給電配線151および周波数選択回路161(帯域通過フィルタ回路)を通過した第1周波数帯域の高周波信号は、給電点111および給電点112に略逆位相で給電される。また、給電配線152および周波数選択回路162(帯域通過フィルタ回路)通過した第2周波数帯域の高周波信号は、給電点111および112に略同位相で給電される。
これによれば、給電導体パターン11に供給される第1周波数帯域の高周波信号の逆相成分を周波数選択回路161により給電点111および112に給電し、第2周波数帯域の高周波信号の同相成分を周波数選択回路162により給電点111および112に給電するので、第1周波数帯域の周波数選択性および指向性をさらに向上できる。
また、第1周波数帯域が第2周波数帯域よりも低い場合には、周波数選択回路161は、例えば、第1周波数帯域を通過帯域とし、第2周波数帯域を減衰帯域とする低域通過フィルタ回路であり、周波数選択回路162は、第1周波数帯域を減衰帯域とし、第2周波数帯域を通過帯域とする高域通過フィルタ回路であってもよい。このとき、給電配線151および周波数選択回路161(低域通過フィルタ回路)を通過した第1周波数帯域の高周波信号は、給電点111および112に略逆位相で給電される。また、給電配線152および周波数選択回路162(高域通過フィルタ回路)通過した第2周波数帯域の高周波信号は、給電点111および112に略同位相で給電される。
これによれば、給電導体パターン11に供給される第1周波数帯域の高周波信号は、周波数選択回路162により給電配線152に流れるのを極力排除され、周波数選択回路161により給電配線151を流れる。また、第2周波数帯域の高周波信号は、周波数選択回路161により給電配線151に流れるのを極力排除され、周波数選択回路162により給電配線152を流れる。これにより、第1周波数帯域の高周波信号が逆位相で給電点111および112に給電され、第2周波数帯域の高周波信号が同位相で給電点111および112に給電されるので、第1周波数帯域の周波数選択性および指向性をさらに向上できる。
また、第1周波数帯域が第2周波数帯域よりも高い場合には、周波数選択回路161は、例えば、第1周波数帯域を通過帯域とし、第2周波数帯域を減衰帯域とする高域通過フィルタ回路であり、周波数選択回路162は、第1周波数帯域を減衰帯域とし、第2周波数帯域を通過帯域とする低域通過フィルタ回路であってもよい。このとき、給電配線151および周波数選択回路161(高域通過フィルタ回路)を通過した第1周波数帯域の高周波信号は、給電点111および112に略逆位相で給電される。また、給電配線152および周波数選択回路162(低域通過フィルタ回路)通過した第2周波数帯域の高周波信号は、給電点111および112に略同位相で給電される。
これによれば、給電導体パターン11に供給される第1周波数帯域の高周波信号は、周波数選択回路162により給電配線152に流れるのを極力排除され、周波数選択回路161により給電配線151を流れる。また、第2周波数帯域の高周波信号は、周波数選択回路161により給電配線151に流れるのを極力排除され、周波数選択回路162により給電配線152を流れる。これにより、第1周波数帯域の高周波信号が逆位相で給電点111および112に給電され、第2周波数帯域の高周波信号が同位相で給電点111および112に給電されるので、第1周波数帯域の周波数選択性および指向性をさらに向上できる。
なお、周波数選択回路161および162のうちいずれか一方は、なくてもよい。これにより、第1周波数帯域の高周波信号を給電点111および112に略逆位相で給電すること、および、第2周波数帯域の高周波信号を給電点111および112に略同位相で給電することが可能となるので、高い周波数選択性および高い指向性を有する小型のパッチアンテナを提供できる。
[1.3 変形例に係るパッチアンテナの構成]
図6は、実施の形態の変形例に係るアンテナモジュール1Aの平面図および断面図である。また、図7Aは、実施の形態の変形例に係るパッチアンテナ10Aの給電導体パターン11A、グランド導体パターン12Aおよび誘電体基板20を省略した場合の要部斜視図である。また、図7Bは、実施の形態の変形例に係るパッチアンテナ10Aにおける給電構成の一例を示す要部斜視図である。なお、図6の(b)は、図6の(a)のVI-VI線の切断面におけるアンテナモジュール1Aの断面図である。
図6は、実施の形態の変形例に係るアンテナモジュール1Aの平面図および断面図である。また、図7Aは、実施の形態の変形例に係るパッチアンテナ10Aの給電導体パターン11A、グランド導体パターン12Aおよび誘電体基板20を省略した場合の要部斜視図である。また、図7Bは、実施の形態の変形例に係るパッチアンテナ10Aにおける給電構成の一例を示す要部斜視図である。なお、図6の(b)は、図6の(a)のVI-VI線の切断面におけるアンテナモジュール1Aの断面図である。
パッチアンテナ10Aは、誘電体基板20と、グランド導体パターン12Aおよび13Aと、給電導体パターン11Aと、を備える。パッチアンテナ10Aは、図6、図7Aおよび図7Bに示すように、さらに、給電配線151Aおよび152Aと、周波数選択回路161Aおよび162Aと、を備える。なお、本変形例の係るパッチアンテナ10Aの外観斜視図は、図2に示されたパッチアンテナ10において、給電導体パターン11を給電導体パターン11Aに置き換え、グランド導体パターン12および13をグランド導体パターン12Aおよび13Aに置き換えたものと同様であるため、図示を省略している。
また、図6の(b)に示すように、アンテナモジュール1Aは、パッチアンテナ10Aと、RFIC3と、を備える。RFIC3は、給電導体パターン11Aに高周波信号を給電する給電回路である。RFIC3は、たとえば、誘電体基板20が有する主面のうち給電導体パターン11Aが形成された主面と反対側の主面に配置されている。
図6および図7Aに示すように、グランド導体パターン13Aは、誘電体基板20の主面に略平行となるように誘電体基板20の裏面側(z軸負方向)の主面に形成され、グランド電位に設定される面状の第1グランド導体である。
また、給電導体パターン11Aは、グランド導体パターン13Aと対向するように(略平行となるように)誘電体基板20に配置された面状の給電導体である。給電導体パターン11Aは、給電導体パターン11Aを平面視した場合(Z軸正側から負側を見た場合)、給電導体パターン11Aの中心点に対して互いに反対側に位置する給電点111A(第1給電点)および給電点112A(第2給電点)を有している。給電点111Aおよび給電点112Aは、図6および図7Aに示すように、それぞれ、給電ビア導体141Aおよび142Aに直接接続された給電導体パターン11A上の点である。なお、給電点111Aおよび給電点112Aは、上記中心点に対して互いに反対側に位置していればよいが、放射電波のより良好な指向性を確保するためには、図6の(a)に示すように、上記中心点からY軸方向に対称に配置されていることが望ましい。また、給電点111Aおよび給電点112Aは、それぞれ、給電ビア導体141Aおよび142Aから容量給電されてもよく、この場合には、給電点111Aおよび給電点112Aは、それぞれ、給電ビア導体141Aおよび142Aと直接接続されず、容量結合部を介して接続されていてもよい。
グランド導体パターン12Aは、図6に示すように、誘電体基板20の主面に略平行となるように、グランド導体パターン13Aと給電導体パターン11Aとの間に形成され、グランド電位に設定される面状の第2グランド導体である。グランド導体パターン12には、図6の(a)に示すように、給電ビア導体141Aおよび142Aを貫通させる開口部121Aおよび122Aが設けられている。
なお、本変形例に係るパッチアンテナ10Aにおいて、グランド導体パターン12Aは、なくてもよい。グランド導体パターン12Aが形成されることにより、給電配線151Aおよび152Aならびに給電ビア導体141Aおよび142Aのシールド性が強化されるので、より低雑音の高周波信号を放射または受信することが可能となる。
図6および図7Aに示すように、給電配線151Aおよび152Aは、グランド導体パターン13Aと給電導体パターン11A(およびグランド導体パターン12A)とで挟まれた層に形成されている。給電配線151Aは、給電分岐点150Aおよび150Bの間に配置された第1給電配線である。また、給電配線152Aは、給電分岐点150Aおよび150Bの間に配置された第2給電配線である。給電配線151Aおよび152Aは、それぞれ、1本の共通給電配線の分岐点から分岐した配線である。共通給電配線(図示せず)は、例えば、RFIC3と給電分岐点150Bとを結ぶ配線である。
給電配線151A上には、図7Bに示すように、周波数選択回路161Aが配置されている。本変形例では、周波数選択回路161Aは、給電配線151Aの線路の一部を用いて形成されている。給電配線151Aと周波数選択回路161Aとは、図5に示されたように、回路構成としては給電分岐点150Aおよび150Bの間に直列接続されている。周波数選択回路161Aは、例えば、図7Bに示すように、インダクタ151Lと、キャパシタ151Cとが直列接続された、いわゆるLC直列共振回路となっている。インダクタ151Lは、給電配線151Aの線幅が細くなった部分に設定されている。キャパシタ151Cは、給電配線151Aが不連続となった部分と、当該部分を覆うように給電配線151Aが形成された層と対向する層に配置された電極とを含む。上記回路構成により、周波数選択回路161Aは、例えば、帯域通過フィルタ(BPF)を構成する。
給電配線152A上には、図7Bに示すように、周波数選択回路162Aが配置されている。本変形例では、周波数選択回路162Aは、給電配線152Aの線路の一部を用いて形成されている。給電配線152Aと周波数選択回路162Aとは、図5に示されたように、回路構成としては給電分岐点150Aおよび150Bの間に直列接続されている。周波数選択回路162Aは、例えば、図7Bに示すように、インダクタ152Lと、キャパシタ152Cとが並列接続された、いわゆるLC並列共振回路となっている。インダクタ152Lは、給電配線152Aの線幅が細くなった部分に設定されている。キャパシタ152Cは、給電配線152Aが不連続となった部分と、当該部分を覆うように給電配線152Aが形成された層と対向する層に配置された電極とを含む。上記回路構成により、周波数選択回路162Aは、例えば、帯域除去フィルタ(BEF)を構成する。
給電分岐点150Aは、給電ビア導体141Aを介して給電点111Aと接続され、給電分岐点150Bは、給電ビア導体142Aを介して給電点112Aと接続されている。
周波数選択回路161Aおよび162Aは、それぞれ、周波数帯域に応じて高周波信号を通過および減衰させる回路である。
本変形例の上記構成によれば、周波数選択回路161Aにより、第1周波数帯域の高周波信号を、給電配線151Aを介して、給電点111Aおよび112Aに略逆位相で給電することが可能となる。また、周波数選択回路162Aにより、第2周波数帯域の高周波信号を、給電配線152Aを介して、給電点111Aおよび112Aに略同位相で給電することが可能となる。これにより、第1周波数帯域の電波の指向性を向上させつつ、第2周波数帯域の電波の放射を抑制できる。つまり、高い周波数選択性および高い指向性を実現できる。ここで、パッチアンテナ10Aは、高い周波数選択性を実現すべく、給電配線151Aおよび152Aの逆相給電および同相給電を利用している。このため、周波数選択回路161Aおよび162Aに要求される高周波信号の通過特性は、フィルタ回路のみで放射電波の周波数選択性を向上させる従来のアンテナモジュールのフィルタ回路に要求される通過特性と比較して緩和できる。つまり、従来のアンテナモジュールのフィルタ回路に比べて、周波数選択回路161Aおよび162Aの急峻性および挿入損失などの通過特性を緩和できるので、周波数選択回路161Aおよび162Aを小型化しつつ、高い周波数選択性および高い指向性を有する小型のパッチアンテナ10Aを提供できる。
なお、本変形例に係るパッチアンテナ10Aでは、図6の(a)に示すように、給電配線151Aおよび152A、ならびに、周波数選択回路161Aおよび162Aは、給電導体パターン11Aを平面視した場合、給電導体パターン11Aの形成領域内に配置されている。
これにより、上記平面視において、給電配線151Aおよび152A、ならびに、周波数選択回路161Aおよび162Aが給電導体パターン11Aの形成領域外に配置されていないので、パッチアンテナ10Aおよびアンテナモジュール1Aを小型化できる。
さらに、本変形例に係るパッチアンテナ10Aでは、給電配線151Aおよび152A、ならびに、周波数選択回路161Aおよび162Aを、グランド導体パターン13Aと給電導体パターン11Aとで挟まれた領域に形成できるので、グランド導体パターン13Aおよび給電導体パターン11Aが形成された層の面積を増大させることがないので、パッチアンテナ10Aの省面積化を達成できる。
[1.4 パッチアンテナの特性]
以下、本実施の形態に係るパッチアンテナ10の給電特性および放射特性について示す。
以下、本実施の形態に係るパッチアンテナ10の給電特性および放射特性について示す。
図8Aは、比較例に係るパッチアンテナの3つの周波数帯域における高周波信号の位相状態を表す図である。また、図8Bは、実施の形態に係るパッチアンテナ10の3つの周波数帯域における高周波信号の位相状態を表す図である。図8Aおよび図8Bには、異なる3つの周波数帯域を有する高周波信号を共通給電配線に印加した場合の、給電配線151および152、ならびに、給電ビア導体141および142に流れる高周波信号の位相分布を統合して表したシミュレーション結果が示されている。
なお、比較例に係るパッチアンテナは、実施の形態に係るパッチアンテナ10と比較して、周波数選択回路161、162および第2周波数帯域の高周波信号を同相給電する給電配線152が配置されていない点が構成として異なる。
図8Aに示すように、比較例に係るパッチアンテナでは、(a)25.0GHzを中心周波数とする周波数帯域(第2周波数帯域)、(b)28.0GHzを中心周波数とする周波数帯域(第1周波数帯域:26.5-29.5GHz)、および(c)31.0GHzを中心周波数とする周波数帯域(第2周波数帯域)、の3つの周波数帯域において、いずれの場合も、給電点112に接続された給電ビア導体141には、位相差が0°である高周波信号が主として流れ、給電点111に接続された給電ビア導体142には、位相差が180°である高周波信号が主として流れている。つまり、比較例に係るパッチアンテナでは、上記3つの周波数帯域において、給電点111および112には略逆相給電されている。
これに対して、図8Bに示すように、実施の形態に係るパッチアンテナ10では、(a)25.0GHzを中心周波数とする周波数帯域(第2周波数帯域)、および、(c)31.0GHzを中心周波数とする周波数帯域(第2周波数帯域)では、給電ビア導体141には位相差が0°である高周波信号が主として流れ、給電ビア導体142にも位相差が0°である高周波信号が主として流れている。一方、(b)28.0GHzを中心周波数とする周波数帯域(第1周波数帯域:26.5-29.5GHz)では、給電ビア導体141には位相差が0°である高周波信号が主として流れ、給電ビア導体142には位相差が180°である高周波信号が主として流れている。つまり、実施の形態に係るパッチアンテナ10では、上記3つの周波数帯域のうち2つの周波数帯域(中心周波数25.0GHz、31.0GHz)において、給電点111および112には略同相給電され、1つの周波数帯域(中心周波数28.0GHz)において、給電点111および112には略逆相給電されている。
図9は、実施の形態および比較例に係るパッチアンテナにおけるアンテナ効率の周波数特性を比較したグラフである。
同図に示すように、比較例に係るパッチアンテナでは、上記3つの周波数帯域(中心周波数25.0GHz、28.0GHz、31.0GHz)において、2つの給電点111および112に略逆相給電されているため、上記3つの周波数帯域にわたる広範囲な周波数帯域で、給電導体パターンから高いアンテナ効率で電波が放射されている。
これに対して、実施の形態に係るパッチアンテナ10では、1つの周波数帯域(中心周波数28.0GHz)において、2つの給電点111および112に略逆相給電されているため、給電導体パターン11から高いアンテナ効率で電波が放射されているが、2つの周波数帯域(中心周波数25.0GHz、31.0GHz)において、2つの給電点111および112に略同相給電されているため、給電導体パターン11からの放射が抑制されている。
つまり、実施の形態に係るパッチアンテナ10および比較例に係るパッチアンテナの給電特性および放射特性を比較すると、実施の形態に係るパッチアンテナ10のほうが、高い周波数選択性を有していることが解る。複数の周波数帯域のうちの一の周波数帯域の高周波信号を放射させ、隣接する他の周波数帯域の高周波信号の放射を抑制したい場合、比較例に係るパッチアンテナよりも本実施の形態に係るパッチアンテナ10のほうが有利である。
なお、変形例に係るパッチアンテナ10Aについても、実施の形態に係るパッチアンテナ10と同様に、比較例に係るパッチアンテナよりも高い周波数選択性を有する。
(その他の実施の形態など)
以上、本発明に係るアンテナ素子、アンテナモジュールおよび通信装置について、実施の形態および変形例を挙げて説明したが、本発明のアンテナ素子、アンテナモジュールおよび通信装置は、上記実施の形態および変形例に限定されるものではない。上記実施の形態および変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態および変形例に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示のアンテナ素子、アンテナモジュールおよび通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
以上、本発明に係るアンテナ素子、アンテナモジュールおよび通信装置について、実施の形態および変形例を挙げて説明したが、本発明のアンテナ素子、アンテナモジュールおよび通信装置は、上記実施の形態および変形例に限定されるものではない。上記実施の形態および変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態および変形例に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示のアンテナ素子、アンテナモジュールおよび通信装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
なお、本実施の形態および変形例における給電導体パターンの「給電点」とは、グランド導体パターン側から給電導体パターンが配置された層まで給電配線が立ち上がった、当該給電導体パターンの位置(点)を指す。ただし、給電配線が隙間をあけて貫通する開口部が給電導体パターンに設けられている場合には、当該給電導体パターンのうち上記位置に最近接する領域を指すことがある。
また、例えば、実施の形態および変形例に係るパッチアンテナは、Massive MIMOシステムにも適用できる。5G(第5世代移動通信システム)で有望な無線伝送技術の1つは、ファントムセルとMassive MIMOシステムとの組み合わせである。ファントムセルは、低い周波数帯のマクロセルと高い周波数帯のスモールセルとの間で通信の安定性を確保するための制御信号と、高速データ通信の対象であるデータ信号とを分離するネットワーク構成である。各ファントムセルにMassive MIMOのアンテナ装置が設けられる。Massive MIMOシステムは、ミリ波帯等において伝送品質を向上させるための技術であり、各パッチアンテナから送信される信号を制御することで、パッチアンテナの指向性を制御する。また、Massive MIMOシステムは、多数のパッチアンテナを用いるため、鋭い指向性のビームを生成することができる。ビームの指向性を高めることで高い周波数帯でも電波をある程度遠くまで飛ばすことができるとともに、セル間の干渉を減らして周波数利用効率を高めることができる。
また、上記実施の形態およびその変形例に係るパッチアンテナは、誘電体基板を有する構成としたが、本発明に係るパッチアンテナは、誘電体基板の代わりに、板金で形成されていてもよい。よって、上記パッチアンテナを複数有するアンテナ装置において、当該複数のパッチアンテナは、同一の誘電体基板に形成されるだけでなく、同一の基板に形成されていてもよく、また、上記複数のパッチアンテナの一部が誘電体基板とは別の部材(例えば、筐体等)に形成されていてもよい。
本発明は、マルチバンド対応のアンテナ素子として、ミリ波帯移動体通信システムおよびMassive MIMOシステムなどの通信機器に広く利用できる。
1、1A アンテナモジュール
2 ベースバンド信号処理回路(BBIC)
3 RF信号処理回路(RFIC)
4 アレイアンテナ
5 通信装置
10、10A パッチアンテナ
11、11A 給電導体パターン
12、12A、13、13A グランド導体パターン
20 誘電体基板
31A、31B、31C、31D、33A、33B、33C、33D、37 スイッチ
32AR、32BR、32CR、32DR ローノイズアンプ
32AT、32BT、32CT、32DT パワーアンプ
34A、34B、34C、34D 減衰器
35A、35B、35C、35D 移相器
36 信号合成/分波器
38 ミキサ
39 増幅回路
111、111A、112、112A 給電点
121、121A、122、122A、131 開口部
141、141A、142、142A 給電ビア導体
150A、150B 給電分岐点
151、151A、152、152A 給電配線
151C、152C キャパシタ
151L、152L インダクタ
161、161A、162、162A 周波数選択回路
2 ベースバンド信号処理回路(BBIC)
3 RF信号処理回路(RFIC)
4 アレイアンテナ
5 通信装置
10、10A パッチアンテナ
11、11A 給電導体パターン
12、12A、13、13A グランド導体パターン
20 誘電体基板
31A、31B、31C、31D、33A、33B、33C、33D、37 スイッチ
32AR、32BR、32CR、32DR ローノイズアンプ
32AT、32BT、32CT、32DT パワーアンプ
34A、34B、34C、34D 減衰器
35A、35B、35C、35D 移相器
36 信号合成/分波器
38 ミキサ
39 増幅回路
111、111A、112、112A 給電点
121、121A、122、122A、131 開口部
141、141A、142、142A 給電ビア導体
150A、150B 給電分岐点
151、151A、152、152A 給電配線
151C、152C キャパシタ
151L、152L インダクタ
161、161A、162、162A 周波数選択回路
Claims (13)
- グランド電位に設定される面状のグランド導体と、
前記グランド導体と対向して配置された面状の導体であって、当該導体を平面視した場合、当該導体の中心点に対して互いに反対側に位置する第1給電点および第2給電点に高周波信号が給電される給電導体と、
前記第1給電点と前記第2給電点との間に並列接続され、互いに異なる長さを有する第1給電配線および第2給電配線と、
前記第1給電配線および前記第2給電配線のうちの少なくともいずれかの線路上に配置され、周波数帯域に応じて高周波信号を通過および減衰させる周波数選択回路と、を備える、
アンテナ素子。 - 前記第1給電配線を伝達する第1周波数帯域の高周波信号の波長をλ1gとすると、前記第1給電配線の長さは、略(n+1/2)×λ1g(nは整数)であり、
前記第2給電配線を伝達する第2周波数帯域の高周波信号の波長をλ2gとすると、前記第2給電配線の長さは、略nλ2g(nは整数)である、
請求項1に記載のアンテナ素子。 - 前記第1給電配線および前記第2給電配線は、それぞれ、1本の共通給電配線の分岐点から分岐した配線であり、
前記第1給電配線、前記第2給電配線、および前記周波数選択回路は、前記給電導体を平面視した場合、前記給電導体の形成領域内に配置されている、
請求項1または2に記載のアンテナ素子。 - 前記周波数選択回路は、インダクタおよびキャパシタからなるLC回路である、
請求項1~3のいずれか1項に記載のアンテナ素子。 - 前記インダクタは、前記第1給電配線または前記第2給電配線の一部であり、当該一部の線幅は、他部の線幅より小さく、
前記キャパシタは、前記第1給電配線または前記第2給電配線が不連続となった部分を含む、
請求項4に記載のアンテナ素子。 - 前記第1給電配線および前記第2給電配線は、前記グランド導体と前記給電導体とで挟まれた層に形成され、
前記キャパシタは、前記第1給電配線または前記第2給電配線が不連続となった部分を覆うように、前記層と対向する層に位置された電極を含む、
請求項4または5に記載のアンテナ素子。 - さらに、前記グランド導体および前記給電導体が配置される誘電体基板を備え、
前記第1給電配線および前記第2給電配線は、前記グランド導体と同層に形成され、
前記インダクタおよび前記キャパシタの少なくとも1つは、前記誘電体基板の主面のうち前記グランド導体に最も近い主面に実装されたチップ部品である、
請求項4または5に記載のアンテナ素子。 - 前記周波数選択回路は、
前記第1給電配線上に配置され、第1周波数帯域を通過帯域とする帯域通過フィルタ回路と、
前記第2給電配線上に配置され、前記第1周波数帯域を減衰帯域とする帯域除去フィルタ回路と、を含み、
前記第1給電配線および前記帯域通過フィルタ回路を通過した前記第1周波数帯域の高周波信号は、前記第1給電点および前記第2給電点に略逆位相で給電され、
前記第2給電配線および前記帯域除去フィルタ回路を通過した、前記第1周波数帯域と異なる第2周波数帯域の高周波信号は、前記第1給電点および前記第2給電点に略同位相で給電される、
請求項1~7のいずれか1項に記載のアンテナ素子。 - 第1周波数帯域は、第2周波数帯域よりも低く、
前記周波数選択回路は、
前記第1給電配線上に配置され、前記第1周波数帯域を通過帯域とし、前記第2周波数帯域を減衰帯域とする低域通過フィルタ回路と、
前記第2給電配線上に配置され、前記第1周波数帯域を減衰帯域とし、前記第2周波数帯域を通過帯域とする高域通過フィルタ回路と、を含み、
前記第1給電配線および前記低域通過フィルタ回路を通過した前記第1周波数帯域の高周波信号は、前記第1給電点および前記第2給電点に略逆位相で給電され、
前記第2給電配線および前記高域通過フィルタ回路を通過した前記第2周波数帯域の高周波信号は、前記第1給電点および前記第2給電点に略同位相で給電される、
請求項1~7のいずれか1項に記載のアンテナ素子。 - 第1周波数帯域は、第2周波数帯域よりも高く、
前記周波数選択回路は、
前記第1給電配線上に配置され、前記第1周波数帯域を通過帯域とし、前記第2周波数帯域を減衰帯域とする高域通過フィルタ回路と、
前記第2給電配線上に配置され、前記第1周波数帯域を減衰帯域とし、前記第2周波数帯域を通過帯域とする低域通過フィルタ回路と、を含み、
前記第1給電配線および前記高域通過フィルタ回路を通過した前記第1周波数帯域の高周波信号は、前記第1給電点および前記第2給電点に略逆位相で給電され、
前記第2給電配線および前記低域通過フィルタ回路を通過した前記第2周波数帯域の高周波信号は、前記第1給電点および前記第2給電点に略同位相で給電される、
請求項1~7のいずれか1項に記載のアンテナ素子。 - 1次元状または2次元状に配列された複数の前記アンテナ素子を備え、
前記複数のアンテナ素子は、同一の基板に形成されている、
請求項1~10のいずれか1項に記載のアンテナ素子。 - 請求項1~11のいずれか1項に記載のアンテナ素子と、
前記給電導体に高周波信号を給電する給電回路と、を備え、
前記給電導体は、誘電体基板の第1主面に形成され、
前記グランド導体は、前記第1主面と背向する前記誘電体基板の第2主面に形成され、
前記給電回路は、前記誘電体基板の前記第2主面側に形成されている、
アンテナモジュール。 - 請求項1~11のいずれか1項に記載のアンテナ素子と、
前記給電導体に高周波信号を給電するRF信号処理回路と、を備え、
前記RF信号処理回路は、
高周波信号を移相する移相回路と、
前記高周波信号を増幅する増幅回路と、を備える、
通信装置。
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