WO2020100464A1

WO2020100464A1 - アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置

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Publication number: WO2020100464A1
Application number: PCT/JP2019/039424
Authority: WO
Inventors: 知重古樋
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2018-11-14
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2020-05-22
Also published as: CN113016108B; CN113016108A; US20210265743A1; US11824265B2

Abstract

アンテナモジュール（１００）は、複数のアンテナ素子（１２１）が少なくとも第１方向に配列されたアレイアンテナである。複数のアンテナ素子（１２１）は、第１方向において、中央部に配置された第１アンテナ群（１５１）と、当該中央部よりも端部側に配置された第２アンテナ群（１５２）とを含む。第１アンテナ群（１５１）のアンテナ素子間の間隔は不等間隔であり、第２アンテナ群（１５２）のアンテナ素子間の間隔は、第１アンテナ群（１５１）のアンテナ素子間の最大間隔よりも大きい等間隔である。第２アンテナ群（１５２）に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅は、第１アンテナ群（１５１）に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅よりも小さく、アンテナモジュール全体の第１方向における振幅分布は単峰型である。

Description

アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置

　本開示は、アンテナモジュールおよびそれを搭載した通信装置に関し、より特定的には、アレイアンテナにおけるアンテナ特性を向上させるための技術に関する。

　複数のアンテナ素子がアレイ状に配置されたアレイアンテナにおいて、アレイアンテナを構成するアンテナ素子に不均一な励振振幅分布を与える構成（振幅テーパ型）、あるいは、アンテナ素子の配列に密度分布を与える構成（密度テーパ型）を採用することによって、所望のアンテナ特性を実現する構成が知られている。

　特開平８－２０４４２８号公報（特許文献１）には、振幅テーパ型のアレイアンテナにおいて、一部のアンテナ素子の列間隔を他の列間隔よりも大きくするとともに、素子間隔が広くなった領域のアンテナ素子の励振振幅よりも、素子間隔が広くなった領域に隣接するアンテナ素子の励振振幅を大きくする構成が開示されている。

特開平８－２０４４２８号公報

　特許文献１は、アンテナ特性の劣化を抑制しつつ、アンテナを風雨等から保護するフィドームをアレイアンテナに取り付けるためのスペースを確保することを目的としている。特許文献１においては、上記の構成とすることによって、一部のアンテナ素子の列間隔を他の列間隔よりも大きくしてフィドームの取り付けスペースを確保するとともに、振幅テーパを与えてアレイアンテナ全体の励振振幅の分布をテイラー分布とすることによって、サイドローブを抑制してアンテナ特性の低下を抑制している。

　一般的に、各アンテナ素子に高周波電力を供給するパワーアンプの出力電力には上限があるため、各アンテナ素子から出力される電波のパワーには上限がある。アンテナ素子の出力パワーは、アンテナ素子に供給される励振振幅の二乗に比例する。そのため、特許文献１のように、素子間隔を広げた領域に隣接するアンテナ素子の励振振幅を相対的に大きくすると、当該領域における出力パワーの上限のために、それ以外の領域のアンテナ素子の励振振幅を小さくすることが必要となり得る。そうすると、サイドローブは低減できるものの、アンテナとしてのトータルパワーが低下する可能性がある。

　本開示は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、アレイアンテナにおいて、アンテナのトータル出力パワーの低下を抑制しつつ、サイドローブを低減することである。

　本開示に係るアンテナモジュールは、誘電体基板に複数のアンテナ素子がアレイ状に配列されたアレイアンテナである。複数のアンテナ素子は、誘電体基板の少なくとも第１方向に配列されている。複数のアンテナ素子は、第１方向において、中央部に配置された第１アンテナ群と、当該中央部よりも端部側に配置された第２アンテナ群とを含む。第１アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は不等間隔であり、第２アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は等間隔である。第２アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は、第１アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の最大間隔よりも大きい。第２アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅は、第１アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅よりも小さく、アンテナモジュール全体の第１方向における振幅分布は単峰型である。

　本開示によれば、アレイアンテナにおいて、全体の励振振幅分布が単峰型であり、端部側に配置された第２アンテナ群については、中央部に配置された第１アンテナ群よりも、アンテナ素子間の間隔が大きくなるように配置されるとともに、供給される高周波信号の振幅（励振振幅）が小さく設定される。このように、第１アンテナ群ではアンテナ素子を密度テーパ型に配列するとともに、第２アンテナ群では励振振幅を振幅テーパ型にすることによって、アレイアンテナ全体の励振振幅分布を単峰型とすることで、アンテナから放射される電波のトータル出力パワーの低下を抑制しつつ、サイドローブを低減することができる。

アンテナモジュールが基地局として用いられる通信システムの概要を示す図である。本実施の形態のアンテナモジュールが適用される通信装置のブロック図である。実施の形態１に係る一次元アレイのアンテナ装置の一例を示す図である。図３のアンテナ装置のアンテナ素子間隔と励振振幅を説明するための図である。アンテナ素子間隔と励振振幅の他の例を示す図である。テイラー分布の一例を示す図である。アンテナ素子の配列を説明するための第１の図である。アンテナ素子の配列を説明するための第２の図である。アンテナ素子の割り付け方法の一例を説明するための図である。グレーティングローブの発生原理を説明するための図である。グレーティングローブの発生と素子間隔との関係を説明するための図である。実施の形態１のアンテナモジュールおよび比較例における、アンテナ素子の配置および励振振幅を説明するための図である。 θ_０＝０°の場合のピークゲインの比較を説明するための図である。 θ_０＝４５°の場合のピークゲインの比較を説明するための図である。実施の形態１のアンテナ装置および比較例のアンテナ特性を説明するための図である。実施の形態２に係る二次元アレイのアンテナ装置の第１例を示す図である。実施の形態２に係る二次元アレイのアンテナ装置の第２例を示す図である。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

　（通信システムの概要）
　図１は、本実施の形態のアンテナモジュールを含む通信装置１０が基地局として用いられる通信システム１の概要を示す図である。通信システム１は、通信装置１０を含む基地局と、複数の携帯端末２０（たとえば、２０Ａ～２０Ｄ）とを含む。

　近年、ＬＴＥ（Long　Term　Evolution）およびＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄなどのいわゆる第４世代移動通信システム（４Ｇ）の次世代の通信システムとして、第５世代移動通信システム（５Ｇ）の開発が進められている。５Ｇのシステムにおいては、従来の比較的低い周波数帯域（たとえば、ＭＨｚ帯域以下）に加えて、ミリ波帯の高い周波数帯域（たとえば、数ＧＨｚ～数十ＧＨｚ）の電波を組み合わせて用いることによって、通信の安定性を確保しつつ、高速化および大容量化を実現することを目指している。

　一方で、高い周波数の電波は、波長が短いために遠くまで電波が届きにくいという特徴がある。このような課題を解決するためのアンテナ技術として、Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯ（Multiple　Input　Multiple　Output）が提案されている。Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯは、アレイ状に配置された複数のアンテナ素子を用い、各アンテナ素子から放射される電波が同じ位相で重なり合うように制御することによって、特定の方向に対して鋭い指向性を有するビームを形成し、高い周波数帯の電波でもある程度遠くまで放射できるようにする技術である。

　Ｍａｓｓｉｖｅ　ＭＩＭＯを用いることによって、放射される電波の指向性を、水平方向（アジマス方向：Ｘ軸方向）および垂直方向（エレベーション方向：Ｙ軸方向）に変化させることによって、広範囲へのビームフォーミングが可能となる。これによって、基地局のアンテナから、各携帯端末が存在する位置に向けて個別に電波を放射することができるので、安定した通信品質を実現することが可能となる。

　本実施の形態に用いられる通信装置１０は、アレイ状に配置された複数のアンテナ素子を含むアンテナ装置１２０を備えており、各アンテナ素子から放射される位相を調整することによって、ビームフォーミングが可能とされている。

　一般的に、アンテナから放射される電波には、メインの放射方向に放射されるメインローブと、横方向に放射されるサイドローブとが形成される。通常、サイドローブは意図しない方向に放射されるため、その方向にある通信装置にとっては妨害波となることがある。また、サイドローブにより放射され、壁あるいは建物などに反射してから受信装置に到達する電波は、メインローブにより放射され直接到達する電波との間で干渉を引き起こすことによって、受信強度を弱めたり、不安定にしたりすることがある。さらに、シンボル長よりも長い遅延がある場合には、シンボル間干渉を引き起こしてさらに通信品質を低下させてしまう。そのため、一般的にサイドローブの強度を低くすることが望まれる。

　サイドローブを低減するための手法として、アレイアンテナの各アンテナ素子に供給する高周波信号の励振振幅の分布を不均一とする振幅テーパを与えることにより、アレイアンテナ全体の励振振幅分布をテイラー分布等の単峰型にする手法が知られている。しかしながら、振幅テーパを用いる場合、励振振幅分布によっては、アンテナとして出力可能なトータルパワーが低下するおそれがある。

　そこで、本実施の形態においては、アレイアンテナにおいて、アレイの端部側のアンテナ素子に振幅テーパを与えるとともに、アレイの中央部のアンテナ素子については素子間隔を小さくして密度テーパを設けることによって、アレイアンテナ全体の励振振幅分布を単峰型として、トータルパワーの低下を抑制しつつサイドローブを低減する構成を採用する。

　以下、本実施の形態に係るアンテナモジュールを含む通信装置の詳細な構成について説明する。

　（通信装置の基本構成）
　図２は、本実施の形態に係るアンテナモジュール１００が適用される通信装置１０のブロック図の一例である。通信装置１０は、たとえば、携帯電話、スマートフォンあるいはタブレットなどの携帯端末や、通信機能を備えたパーソナルコンピュータのような端末装置、ならびに、当該端末装置との通信を行なう基地局である。本実施の形態に係るアンテナモジュール１００に用いられる電波の周波数帯域の一例は、たとえば２８ＧＨｚ、３９ＧＨｚおよび６０ＧＨｚを中心周波数とするミリ波帯の電波であるが、上記以外の周波数帯域の電波についても適用可能である。

　図２を参照して、通信装置１０は、アンテナモジュール１００と、ベースバンド信号処理回路を構成するＢＢＩＣ２００とを備える。アンテナモジュール１００は、給電回路の一例であるＲＦＩＣ１１０と、アンテナ装置１２０とを備える。通信装置１０は、ＢＢＩＣ２００からアンテナモジュール１００へ伝達された信号を高周波信号にアップコンバートしてアンテナ装置１２０から放射するとともに、アンテナ装置１２０で受信した高周波信号をダウンコンバートしてＢＢＩＣ２００にて信号を処理する。

　アンテナ装置１２０は、複数のアンテナ素子（放射電極）１２１を含むアレイアンテナである。図２では、説明を容易にするために、アンテナ装置１２０を構成する複数のアンテナ素子１２１のうち、４つのアンテナ素子１２１に対応する構成のみが示され、同様の構成を有する他のアンテナ素子１２１に対応する構成については省略されている。なお、図２においては、複数のアンテナ素子１２１が二次元のアレイ状に配置されたアレイアンテナの例を示しているが、アンテナ素子１２１が一次元に配置された構成であってもよい。本実施の形態においては、アンテナ素子１２１は、略正方形の平板形状を有するパッチアンテナである。

　ＲＦＩＣ１１０は、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｄ，１１３Ａ～１１３Ｄ，１１７と、パワーアンプ１１２ＡＴ～１１２ＤＴと、ローノイズアンプ１１２ＡＲ～１１２ＤＲと、減衰器１１４Ａ～１１４Ｄと、移相器１１５Ａ～１１５Ｄと、信号合成／分波器１１６と、ミキサ１１８と、増幅回路１１９とを備える。

　高周波信号を送信する場合には、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｄ，１１３Ａ～１１３Ｄがパワーアンプ１１２ＡＴ～１１２ＤＴ側へ切換えられるとともに、スイッチ１１７が増幅回路１１９の送信側アンプに接続される。高周波信号を受信する場合には、スイッチ１１１Ａ～１１１Ｄ，１１３Ａ～１１３Ｄがローノイズアンプ１１２ＡＲ～１１２ＤＲ側へ切換えられるとともに、スイッチ１１７が増幅回路１１９の受信側アンプに接続される。

　ＢＢＩＣ２００から伝達された信号は、増幅回路１１９で増幅され、ミキサ１１８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である送信信号は、信号合成／分波器１１６で４分波され、４つの信号経路を通過して、それぞれ異なるアンテナ素子１２１に給電される。このとき、各信号経路に配置された移相器１１５Ａ～１１５Ｄの移相度が個別に調整されることにより、アンテナ装置１２０の指向性を調整することができる。

　各アンテナ素子１２１で受信された高周波信号である受信信号は、それぞれ、異なる４つの信号経路を経由し、信号合成／分波器１１６で合波される。合波された受信信号は、ミキサ１１８でダウンコンバートされ、増幅回路１１９で増幅されてＢＢＩＣ２００へ伝達される。

　ＲＦＩＣ１１０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。あるいは、ＲＦＩＣ１１０における各アンテナ素子１２１に対応する機器（スイッチ、パワーアンプ、ローノイズアンプ、減衰器、移相器）については、対応するアンテナ素子１２１毎に１チップの集積回路部品として形成されてもよい。

　以下の説明において、アンテナ装置が一次元アレイで構成される場合を実施の形態１として説明し、アンテナ装置が二次元アレイで構成される場合を実施の形態２として説明する。

　［実施の形態１］
　（素子配列および振幅）
　図３は、実施の形態１に係るアンテナモジュールに含まれるアンテナ装置１２０の一例を示す図である。図３の例においては、アンテナ装置１２０は、誘電体基板１３０と、１６個のアンテナ素子１２１とを含む。アンテナ装置１２０は、アンテナ素子１２１が１列に配置された、１×１６の一次元のリニアアレイアンテナである。以降の説明において、配列されたアンテナ素子の中央（図３においては、端部から８番目のアンテナ素子と９番目のアンテナ素子との間）を原点として、アンテナ素子１２１の配列方向をＸ軸、誘電体基板１３０に沿ってＸ軸に直交する方向をＹ軸、そしてアンテナ素子１２１の法線方向をＺ軸とする。

　図４は、図３のアンテナ装置１２０のアンテナ素子の素子間隔と励振振幅を説明するための図である。図４の上段には、アンテナ素子１２１の配置概要が示されている。図４の下段のグラフにおいては、横軸には素子位置が示され、縦軸には各アンテナ素子に供給される励振振幅を示す。

　なお、横軸の素子位置は、アンテナ素子１２１に供給される高周波信号の波長をλ_０とし、各アンテナ素子１２１の原点からのＸ軸方向の距離をｘとした場合の、当該距離と波長との比率ｘ／λ_０で表わされる。また、縦軸の励振振幅については、各アンテナ素子１２１に供給可能な励振振幅の最大値に対する比率で表わされる。

　図４のグラフにおいて、実線Ｌ１０は、実施の形態１におけるアンテナ装置１２０の励振振幅が示されており、破線Ｌ１１は、等間隔に配置したアンテナ素子にテイラー分布の励振振幅を与える振幅テーパ型の場合の比較例を示している。

　アンテナ装置１２０におけるアンテナ素子１２１は、中央部付近に配置された第１アンテナ群１５１と、当該第１アンテナ群１５１よりも端部側に配置された第２アンテナ群１５２とに分類される。図３の例においては、アレイアンテナの両端部から５番目のアンテナ素子を境界として、それより内側（中央側）のアンテナ素子を第１アンテナ群１５１とし、それより外側（端部側）のアンテナ素子を第２アンテナ群１５２とする。

　第１アンテナ群１５１に含まれるアンテナ素子の素子間隔は、第２アンテナ群１５２に含まれるアンテナ素子の素子間隔よりも小さくなるように設定される。より具体的には、第１アンテナ群１５１に含まれるアンテナ素子は、中央部（ｘ／λ_０＝０）に近づくほど素子間隔が小さくなり、端部側の第２アンテナ群１５２に近づくほど素子間隔が大きくなるように配置される。すなわち、第１アンテナ群１５１に含まれるアンテナ素子は不等間隔に配置される。一方で、第２アンテナ群１５２に含まれるアンテナ素子は、第１アンテナ群１５１に含まれるアンテナ素子間の最大間隔よりも大きい等間隔に配置される。

　第１アンテナ群１５１においては、いずれのアンテナ素子に対しても、供給可能な最大励振振幅が供給される。一方で、第２アンテナ群１５２には、各アンテナ素子に対して異なる励振振幅が供給されている。すなわち、第１アンテナ群１５１のアンテナ素子には等振幅の高周波信号が供給され、第２アンテナ群１５２のアンテナ素子には不等振幅の高周波信号が供給されている。なお、後述するように、第２アンテナ群１５２に含まれるアンテナ素子に供給される励振振幅は、アレイアンテナ全体で励振振幅分布が単峰型のテイラー分布となるように設定される。

　なお、図４は、第２アンテナ群１５２における素子間隔を０．５２λ_０に設定した場合の励振振幅の例であるが、この場合には、第２アンテナ群１５２における最短部のアンテナ素子に供給される励振振幅は、２番目のアンテナ素子よりも大きくなる。一方で、図５の線Ｌ１５は、第２アンテナ群１５２における素子間隔を０．５２５λ_０に設定した場合の励振振幅の例であり、この場合には、第２アンテナ群１５２のアンテナ素子に供給される励振振幅は、端部に近くなるほど小さくなる。

　次に、図６～図９を用いて、本実施の形態１における素子間隔を設定する手法について説明する。

　まず、テイラー分布について説明する。一般的にテイラー分布は、チェビシェフ（Chebyshev）分布の指向性と一様分布の指向性をｍ番目の零点で接続した指向性を実現する励振分布として定義される。テイラー分布ｐ（ξ）は式（１）によって表わされる。

ここで、Ｒは振幅真値で表わしたサイドローブレベルの逆数である。デシベル表示したサイドローブレベルをＳＬＬ_ｄＢとすると、Ｒは式（５）のように変換される。

　たとえば、メインローブに対するサイドローブレベルの比を－２０ｄＢｃに設定した場合にはＲ＝１０となる。

　図６は、サイドローブレベル－２５ｄＢｃ，ｍ＝３の場合に式（１）で与えられるテイラー分布の一例である。

　次に、アレイアンテナの端部側の素子間隔を指定値に拘束して不等振幅と等振幅とを組み合わせた場合のアンテナ素子の割り付け手法について説明する。

　まず、図７に示すように、Ｎ個のアンテナ素子の各素子の座標を、Ｘ軸の負方向から順に、ｘ_１，ｘ_２，…，ｘ_Ｎとおく。このとき、アンテナのサイズに関わるパラメータとして、両端のアンテナ素子間の距離をＬとすると、Ｌは式（６）のように表わされる。

　　Ｌ＝ｘ_Ｎ－ｘ_１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（６）
　与えられた励振分布ｐ（ξ）（－１≦ξ≦１）についての累積関数をＡ（ξ）を式（７）のように定義する。

また、ｘとξとの比例定数をγとする。
　　ξ_ｉ＝γｘ_ｉ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（８）
　ここで、図７に示される一次元上の配列において、負側の端部（すなわちｘ_１）からｑ個の素子間隔、および正側の端部（すなわちｘ_Ｎ）からｒ個の素子間隔を式（９）のように指定値に拘束する。このようなアンテナ素子の配列を図８に示す。

　次に、図９を用いて、各アンテナ素子に分配される振幅に対する累積関数の区間を考える。図９の上段には図６で示したテイラー分布の励振分布ｐ（ξ）が示されており、図９の下段には累積関数Ａ（ξ）が示されている。拘束を受ける負側のｑ区間および正側のｒ区間の累積関数については、式（１０）のような関係が成立する。

　一方、第（ｑ＋１）区間において累積関数が左端となるＡ_ｑと第（Ｎ－ｒ）区間において累積関数が右端となるＡ_Ｎ－ｒとの間［Ａ_ｑ，Ａ_Ｎ－ｒ］（図９の範囲ＳＣ）では、式（９）による拘束を受けないため、この区間内の振幅は区間幅が（Ｎ－ｑ－ｒ）等分されるようにアンテナ素子の配置を定めることができる。すなわち、第ｉ区間（ｑ＋１≦ｉ≦Ｎ－ｒ）は、式（１１）のように表わすことができる。

そして、その中心値を用いて、アンテナ素子の配置を対応付けると、式（１２）の関係が成立する。

　ここまでの未知数は、ｘ_ｉがＮ個、ξ_ｉがＮ個、Ａ_ｉが（ｑ＋ｒ）個、γが１個の合計（２Ｎ＋ｑ＋ｒ＋１）個である。これに対し、互いに独立な方程式は、式（６）が１個、式（８）がＮ個、式（９）が（ｑ＋ｒ）個、式（１０）が（ｑ＋ｒ）個、式（１２）が（Ｎ－ｑ－ｒ）個の合計（２Ｎ＋ｑ＋ｒ＋１）個で同数となるため、解が一意に決定される。これにより、得られたアンテナ素子の素子間隔に対して、各アンテナ素子の励振振幅ｗ_ｉを式（１３）のように設定することによって、アレイアンテナ全体の励振振幅分布をテイラー分布とすることができる。

　なお、式（９）から以下の式（１４）が成立する。
　　

ここで、以下の式（１５）を満たすような変数Δｘを導入すると、式（６）は自ずと満たされることになる。

　また、式（１０）より、以下の式（１６）および式（１７）が成立する。
　　

そして、式（１２）において、ｉ＝ｑ＋１およびｉ＝Ｎ－ｒとしたときの式に、上記の式（１６）および式（１７）を適用して整理すると、以下の式（１８）および式（１９）のように表わせる。

　この式（１８）および式（１９）におけるξ_ｉを、式（６），式（１４），式（１５）で置き換えると、式（１８）および式（１９）は、結果的にγおよびΔｘを未知数とする陰形式の連立方程式となる。したがって、式（１８），式（１９）の連立方程式は、たとえば２変数のニュートン法を用いることで数値的に数回の繰り返し計算で解くことができる。

　次に、アンテナ素子の素子間隔とグレーティングローブとの関係について図１０および図１１を用いて説明する。グレーティングローブとは、サイドローブの一種であり、素子間隔が半波長以上のアレイアンテナにおいて、特定の方位角θ_０に位相合成を行なってビームを傾斜させた際に、当該方位角θ_０とは異なった方位角θ_ｊに発生するローブを称する。

　図１０は、グレーティングローブの発生原理を説明するための図である。図１０を参照して、図３で示したような、一次元アレイのアンテナ装置１２０において、素子間隔をｄ_ｘとし、Ｚ軸方向からＸ軸の正方向にθ_０の方位角にメインビームのビームフォーミングを行なう場合を考える。

　このとき、図１０中の原点に近いアンテナ素子１２１－１からＸ軸の正方向に向かって、放射される電波の位相を順次遅延することによって、θ_０の方位角にメインビームが放射される。たとえば、アンテナ素子１２１－１から放射された電波のある波面Ｗ１１と同じ位相の波面は、アンテナ素子１２１－２では波面Ｗ１２であり、アンテナ素子１２１－３では波面Ｗ１３である。したがって、これらの同位相の波面に接する等位相面をＳ１０とすると、電波は等位相面Ｓ１０に対して垂直な方向に伝播する。同様に、等位相面Ｓ１０から１波長λ_０進んだ波面については、アンテナ素子１２１－２からの電波の波面Ｗ２２、アンテナ素子１２１－３からの電波の波面Ｗ２３、アンテナ素子１２１－４からの電波の波面Ｗ２４等によって等位相面Ｓ２０が形成される。さらに１波長λ_０進んだ波面については、アンテナ素子１２１－３からの電波の波面Ｗ３３等によって等位相面Ｓ３０が形成される。

　一方で、アンテナ素子１２１－１からの電波の波面Ｗ１１、アンテナ素子１２１－２からの電波の波面Ｗ２２、アンテナ素子１２１－３からの電波の波面Ｗ３３のような、位相が２ｎπずれた波面同士においても同位相となる等位相面ＳＭ１０，ＳＭ２０，ＳＭ３０が形成される。この等位相面ＳＭ１０，ＳＭ２０，ＳＭ３０によってθ_ｊの方位角に伝播する電波がグレーティングローブである。

　ここで、隣接するアンテナ素子間の励振振幅の位相差をΔφとすると、Δφは以下の式（２０）のように表わすことができる。

　これを、θ_ｊについて解くと、式（２１）のように変形することができる。
　　

　ここで、最低次数（ｊ＝１）のグレーティングローブθ_１が発生する条件は式（２２）となり、結果的に式（２３）で表わすことができる。

　図１１は、式（２３）の関係をグラフに表わしたものである。図１１においては、横軸にメインビームの方位角θ_０が示されており、縦軸には素子間隔が示されている。なお、素子間隔については、放射される電波の波長λ_０に対する実際の素子間隔ｄ_ｘの比で表わされている。そして、式（２３）に示されるように、各方位角θ_０について、図１１中の実線Ｌ２０よりも素子間隔が大きくなるとグレーティングローブが発生する。図１１からわかるように、素子間隔が大きいほど、グレーティングローブが発生しやすくなる。

　たとえば、方位角θ_０＝６０°の場合においては、ｄ_ｘ／λ_０＞０．５３６となるとグレーティングローブが発生する。すなわち、方位角θ_０＝６０°の場合にグレーティングローブの発生を抑制するには、素子間隔ｄ_ｘを０．５３６λ_０よりも小さくすることが必要となる。

　（シミュレーション結果）
　上述のような関係を考慮して、アンテナ素子数を１６個（Ｎ＝１６）、両端の素子間隔を７．５λ_０（Ｌ＝７．５λ_０）、励振振幅分布をサイドローブレベル－２０ｄＢｃ，ｍ＝２のテイラー分布とし、端部側の第２アンテナ群１５２の４区間の素子間隔を０．５２λ_０とした場合についてのサイドローブレベルとトータルパワーについてシミュレーションを行なった。

　シミュレーションにおいては、素子間隔を等間隔とし各アンテナ素子の励振振幅を一定（最大）とした場合（比較例１）、素子間隔を等間隔とし励振振幅をテイラー分布（不等振幅）とした振幅テーパ型の場合（比較例２）、および素子間隔を端部から中央部に向けて徐々に短くし励振振幅を一定（最大）とした密度テーパ型の場合（比較例３）との比較を行なった。

　図１２は、実施の形態１および各比較例における、素子位置（ｘ／λ_０）と励振振幅とを示したグラフである。図１２において、線Ｌ４０が実施の形態１を示し、線Ｌ４１～Ｌ４３がそれぞれ比較例１～３を示している。

　図１３および図１４は、メインビームの方位角θ_０＝０°（すなわち、傾斜なし）の場合（図１３）、およびメインビームの方位角をθ_０＝４５°に傾斜させた場合（図１４）の、ピークゲインを示したグラフである。図１３および図１４において、実線Ｌ５０，Ｌ６０が実施の形態１の場合を示し、破線Ｌ５１，Ｌ６１が比較例１の場合を示し、一点鎖線Ｌ５２，Ｌ６２が比較例２の場合を示し、二点鎖線Ｌ５３，Ｌ６３が比較例３の場合を示している。

　また、図１５は、シミュレーションの結果をまとめた図である。なお、図１５において、トータルパワーについては、比較例１のトータルパワーを基準（０ｄＢ）としたときの、他の各ケースのトータルパワーの差として表わしている。また、サイドローブレベルについては、メインローブのゲインに対するサイドローブの最大ゲインの比として表わしている。

　図１２～図１５を参照して、トータルパワーについては、励振振幅に振幅テーパを与えていない比較例３（密度テーパ型）については比較例１のトータルパワーと同じであるが、振幅テーパを与えている比較例２および実施の形態１においては、基準に比べてトータルパワーが低下している。しかしながら、実施の形態１においては、端部側（第２アンテナ群１５２）に対する振幅テーパとともに、密度テーパによってアレイの中央部分（第１アンテナ群１５１）の素子間隔を狭めているため、第２アンテナ群１５２における励振振幅が、比較例２の振幅テーパ型の場合よりも大きく設定される。これによって、実施の形態１のトータルパワー（－１．２ｄＢ）の方が、比較例２のトータルパワー（－２．１ｄＢ）よりも大きくなっている。

　サイドローブレベルに着目すると、メインビームの方位角が傾斜していない場合（θ_０＝０°）は、比較例１以外の場合については、約－２０ｄＢｃとほぼ同じレベルとなっており、比較例１の－１３．１ｄＢｃの場合よりもサイドローブレベルが低減されている。一方で、メインビームの方位角を傾斜させた場合（θ_０＝４５°）は、振幅テーパを与えている比較例２および実施の形態１においては、θ_０＝０°の場合と同様に約－２０ｄＢｃのサイドローブレベルが達成されている。しかしながら、密度テーパ型の比較例３については、θ＜－１５°の範囲でグレーティングローブが発生し、θ＝－７０°付近においてはサイドローブレベルが－８．５ｄＢｃと等間隔・等振幅の比較例１よりも大きくなっている（図１４の線Ｌ６３）。比較例３においては、他の比較例および実施の形態１の場合よりも端部側の素子間隔が大きくなっているため、メインビームを傾斜させた場合にサイドローブレベルが増加する。

　以上をまとめると、比較例１および密度テーパ型の比較例３については、トータルパワーは大きくなるが、ビームフォーミングを考慮するとサイドローブレベルも大きくなってしまう。また、比較例２については、サイドローブレベルは低減できているものの、トータルパワーが不足してしまう。したがって、実施の形態１のように、アレイの端部側（第２アンテナ群１５２）の素子間隔を等間隔とするとともに、中央付近（第１アンテナ群１５１）の素子間隔を不等間隔として端部側よりも小さくし、各アンテナ素子に与える励振振幅を全体としてテイラー分布となるように不等振幅とすることによって、トータルパワーの低下を抑制しつつ、サイドローブレベルを低減することが可能となる。

　［実施の形態２］
　実施の形態２においては、上述のように、アンテナ装置が二次元アレイの場合のアンテナモジュールについて説明する。

　二次元アレイの場合には、アジマス方向（Ｘ軸方向：水平方向）とエレベーション方向（Ｙ軸方向：垂直方向）の双方に傾斜することができる。そのため、エレベーション方向の傾斜も考慮して、トータルパワーおよびサイドローブレベルを評価することが必要となる。

　（第１例）
　図１６は、実施の形態２に係る二次元アレイのアンテナ装置１２０Ａを含むアンテナモジュール１００Ａの第１例を示す図である。なお、実施の形態２においては、後述する第２例も含めて、説明を容易にするために、８×８の二次元アレイの場合を例として説明するが、アレイのアンテナ素子の数はこれに限られず、たとえば１６×１６（２５６素子）のような、さらに多い場合であってもよい。

　第１例のアンテナ装置１２０Ａにおいては、アジマス方向（Ｘ軸方向）に加えて、エレベーション方向（Ｙ軸方向）についても、実施の形態１と同様に素子間隔が不等間隔に設定され、かつ励振振幅に振幅テーパが与えられる。

　より具体的には、Ｘ軸方向においては、中央部（第１アンテナ群１５１）の４個のアンテナ素子については、素子間隔は不等間隔とされ、励振振幅は等振幅に設定される。一方で、端部側（第２アンテナ群１５２）の３個のアンテナ素子については、素子間隔は等間隔とされ、励振振幅には振幅テーパが与えられる。ここで、第２アンテナ群１５２の素子間隔は、第１アンテナ群１５１における素子間隔の最大値よりも大きく設定される。また、第２アンテナ群１５２の励振振幅は、第１アンテナ群１５１における励振振幅よりも小さく、かつ、図９等で説明したようにＸ軸方向について励振振幅分布がテイラー分布となるように設定される。

　Ｙ軸方向においても、中央部（第１アンテナ群１６１）の４個のアンテナ素子については、素子間隔は不等間隔とされ、励振振幅は等振幅に設定される。一方で、端部側（第２アンテナ群１６２）の３個のアンテナ素子については、素子間隔は等間隔とされ、励振振幅には振幅テーパが与えられる。第２アンテナ群１６２の素子間隔は、第１アンテナ群１６１における素子間隔の最大値よりも大きく設定される。また、第２アンテナ群１６２の励振振幅は、第１アンテナ群１６１における励振振幅よりも小さく、かつ、Ｙ軸方向について励振振幅分布がテイラー分布となるように設定される。

　ここで、実施の形態２の第１例のアンテナモジュール１００Ａにおいては、アンテナ装置１２０Ａは、４個のサブモジュール１２０Ａ－１～１２０Ａ－４の組み合わせによって形成される構成となっている。各サブモジュールには、１６個のアンテナ素子１２１が形成されている。図１６の例においては、Ｘ軸方向およびＹ軸方向におけるアンテナ素子が同じ配置であるため、同一構造のアンテナモジュールを９０°ずつ回転させたものを組み合わせることによって、アンテナ装置１２０Ａを形成することができる。ただし、各サブモジュールから放射される偏波方向については一致させることが必要である。

　また、各サブモジュールにおいては、ＲＦＩＣ１１０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向ともに、素子間隔が小さく設定される領域において、電波の放射方向と反対側（背面側）に配置することが好ましい。図１６の例においては、たとえば破線で示した領域である。上述のように、素子間隔が小さく設定される第１アンテナ群１５１，１６１のアンテナ素子については、トータルパワーを確保するために励振振幅（供給電力）ができるだけ大きくなるように設定することが求められる。アンテナ素子１２１に供給される電力の一部は、ＲＦＩＣ１１０からアンテナ素子１２１に至る給電配線の抵抗成分によって消費される。そのため、励振振幅が大きく設定される第１アンテナ群に含まれるアンテナ素子とＲＦＩＣ１１０との間の距離はできるだけ短くすることが好ましい。

　図１６のアンテナ装置１２０Ａでは、励振振幅が大きく設定される領域は、アンテナ装置１２０Ａの中心付近である。そのため、図１６のように、各サブモジュールにおいて、第１アンテナ群１５１，１６１に含まれるアンテナ素子とＲＦＩＣ１１０との距離が、第２アンテナ群１５２，１６２に含まれるアンテナ素子とＲＦＩＣ１１０との距離よりも小さくなるように、ＲＦＩＣ１１０がアンテナ装置１２０Ａの中心付近に配置される。これによって、第１アンテナ群１５１，１６１のアンテナ素子に供給される励振振幅をできるだけ大きく設定することができ、それによって大きなトータルパワーを確保することが可能となる。

　なお、図１６においては、Ｙ軸方向における素子間隔および励振振幅が、Ｘ軸方向における素子間隔および励振振幅と同じように設定される場合を例として説明したが、たとえば、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のビームの傾斜範囲が異なる場合には、当該傾斜範囲に応じて素子間隔および励振振幅を異なる設定としてもよい。

　（第２例）
　実施の形態２の第１例においては、アンテナ装置のアジマス方向およびエレベーション方向の双方について、素子間隔が不等間隔に設定され、かつ励振振幅に振幅テーパが与えられる構成について説明した。

　しかしながら、アンテナ装置におけるビームフォーミングの態様によっては、二次元アレイであっても、アジマス方向およびエレベーション方向のいずれか一方を、等間隔かつ等振幅としてもよい。たとえば、アジマス方向およびエレベーション方向のいずれか一方のみにビームを傾斜させるような場合、あるいは、トータルパワーを大きくしたいような場合である。

　実施の形態２の第２例においては、二次元アレイのアンテナ装置において、アジマス方向およびエレベーション方向のいずれか一方については、素子間隔を不等間隔とし励振振幅に振幅テーパを与え、他方については素子間隔を等間隔とし励振振幅を等振幅とする構成について説明する。

　図１７は、実施の形態２に係る二次元アレイのアンテナ装置１２０Ｂを含むアンテナモジュール１００Ｂの第２例を示す図である。第２例のアンテナ装置１２０Ｂにおいては、アジマス方向（Ｘ軸方向）については、素子間隔が不等間隔に設定され、かつ励振振幅に振幅テーパが与えられている。一方で、エレベーション方向（Ｙ軸方向）については、隣接するアンテナ素子との素子間隔が等間隔となるように、各アンテナ素子が配置されている。

　第２例においても、アンテナ装置１２０Ｂは、４つのサブモジュール１２０Ｂ－１～１２０Ｂ－４の組み合わせによって形成されている。図１７に示されるように、サブモジュール１２０Ｂ－１はサブモジュール１２０Ｂ－２を１８０°回転させた配置となっており、サブモジュール１２０Ｂ－３もサブモジュール１２０Ｂ－４を１８０°回転させた配置となっている。そのため、第２例のアンテナ装置１２０Ｂについても、同一構造のアンテナモジュールの組み合わせによって形成することができる。

　また、第２例のアンテナ装置１２０Ｂについても、ＲＦＩＣ１１０は励振振幅が大きく設定される第１アンテナ群１５１に近い位置に配置される。第２例においては、Ｙ軸方向については素子間隔が等間隔であるので、ＲＦＩＣ１１０は、各サブモジュールにおいて、第１アンテナ群１５１の領域におけるＹ軸方向の中央付近（図１７の破線部）に配置される。このような配置とすることによって、各サブモジュールにおいて、第１アンテナ群１５１に含まれるアンテナ素子とＲＦＩＣ１１０との距離が、第２アンテナ群１５２に含まれるアンテナ素子とＲＦＩＣ１１０との距離よりも小さくなる。したがって、第１アンテナ群１５１のアンテナ素子に供給される励振振幅をできるだけ大きく設定することができ、それによって大きなトータルパワーを確保することが可能となる。

　なお、上記の第２例においては、エレベーション方向（Ｙ軸方向）を等間隔かつ等振幅とする例について説明したが、アレイアンテナが設置される状態によっては、アジマス方向（Ｘ軸方向）を等間隔かつ等振幅とし、エレベーション方向を不等間隔かつ不等振幅とするようにしてもよい。

　上述の実施の形態１および実施の形態２の各アンテナ装置においては、同一形状および同一サイズのアンテナ素子を一次元あるいは二次元に配列した構成について説明した。しかしながら、アンテナ素子の形状およびサイズは必ずしも一律でなくともよく、アンテナ素子間の結合の緩和、および／または、共振周波数の調整のために、少なくとも一部のアンテナ素子の形状およびサイズを異ならせてもよい。

　今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　通信システム、１０　通信装置、２０Ａ～２０Ｄ　携帯端末、１００，１００Ａ，１００Ｂ　アンテナモジュール、１１０　ＲＦＩＣ、１１１Ａ～１１１Ｄ，１１３Ａ～１１３Ｄ，１１７　スイッチ、１１２ＡＲ～１１２ＤＲ　ローノイズアンプ、１１２ＡＴ～１１２ＤＴ　パワーアンプ、１１４Ａ～１１４Ｄ　減衰器、１１５Ａ～１１５Ｄ　移相器、１１６　信号合成／分波器、１１８　ミキサ、１１９　増幅回路、１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ　アンテナ装置、１２０Ａ－１～１２０Ａ－４，１２０Ｂ－１～１２０Ｂ－４　サブモジュール、１２１　アンテナ素子、１３０　誘電体基板、１５１，１６１　第１アンテナ群、１５２，１６２　第２アンテナ群、２００　ＢＢＩＣ。

Claims

　誘電体基板に複数のアンテナ素子がアレイ状に配列されたアンテナモジュールであって、
　前記複数のアンテナ素子は、前記誘電体基板の少なくとも第１方向に配列されており、
　前記複数のアンテナ素子は、前記第１方向において、中央部に配置された第１アンテナ群と、当該中央部よりも端部側に配置された第２アンテナ群とを含み、
　前記第１アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は不等間隔であり、
　前記第２アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は等間隔であり、
　前記第２アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は、前記第１アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の最大間隔よりも大きく、
　前記第２アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅は、前記第１アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅よりも小さく、前記アンテナモジュール全体の前記第１方向における振幅分布は単峰型である、アンテナモジュール。
　前記第１アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は、端部に近くなるほど大きい、請求項１に記載のアンテナモジュール。
　前記複数のアンテナ素子に供給される高周波信号の波長をλとすると、
　前記第２アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は、０．６λ未満である、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。
　前記第２アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅は、端部に近くなるほど小さい、請求項１～３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記複数のアンテナ素子は、前記第１方向において線対称に配置されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記複数のアンテナ素子は、前記第１方向と交差する第２方向にも配列されており、
　前記複数のアンテナ素子は、前記第２方向には等間隔に配置されている、請求項１～５のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記複数のアンテナ素子は、前記第１方向と交差する第２方向にも配列されており、
　前記複数のアンテナ素子は、前記第２方向において、中央部に配置された第３アンテナ群と、当該中央部よりも端部側に配置された第４アンテナ群とを含み、
　前記第３アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は不等間隔であり、
　前記第４アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は等間隔であり、
　前記第４アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の間隔は、前記第３アンテナ群に含まれるアンテナ素子間の最大間隔よりも大きく、
　前記第４アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅は、前記第３アンテナ群に含まれるアンテナ素子に供給される高周波信号の振幅よりも小さく、前記アンテナモジュール全体の前記第２方向における振幅分布は単峰型である、請求項１～５のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記複数のアンテナ素子は、前記第２方向において線対称に配置されている、請求項６または７に記載のアンテナモジュール。
　前記アンテナモジュールは、複数のサブモジュールによって形成されており、
　前記複数のサブモジュールの各々には、同じ数のアンテナ素子が含まれる、請求項６～８のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記複数のサブモジュールは、同一構造に形成される、請求項９に記載のアンテナモジュール。
　前記複数のサブモジュールの各々には、当該サブモジュールに含まれるアンテナ素子に高周波信号を供給するように構成された給電回路が配置される、請求項９または１０に記載のアンテナモジュール。
　前記給電回路は、前記誘電体基板において、アンテナ素子から放射される電波の放射方向とは反対方向の面に配置される、請求項１１に記載のアンテナモジュール。
　前記給電回路は、対応するサブモジュールにおいて、前記第１アンテナ群に含まれるアンテナ素子との距離が、前記第２アンテナ群に含まれるアンテナ素子との距離よりも小さくなる位置に配置される、請求項１１または１２に記載のアンテナモジュール。
　前記給電回路は、対応するサブモジュールにおいて、前記第３アンテナ群に含まれるアンテナ素子との距離が、前記第４アンテナ群に含まれるアンテナ素子との距離よりも小さくなる位置に配置される、請求項１１～１３のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　前記第１方向は水平方向である、請求項１～１４のいずれか１項に記載のアンテナモジュール。
　請求項１～１５のいずれか１項に記載のアンテナモジュールを搭載した通信装置。