特開 2024-21608 アンテナモジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024021608

(43)【公開日】2024-02-16

(54)【発明の名称】アンテナモジュール

(51)【国際特許分類】

   H01Q 19/09 20060101AFI20240208BHJP

   H01Q 15/08 20060101ALI20240208BHJP

   H01Q 3/24 20060101ALI20240208BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20240208BHJP

【ＦＩ】

H01Q19/09

H01Q15/08

H01Q3/24

H01Q21/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022124558

(22)【出願日】2022-08-04

(71)【出願人】

【識別番号】000000044

【氏名又は名称】ＡＧＣ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】陳 強

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 弘康

(72)【発明者】

【氏名】熊谷 翔

(72)【発明者】

【氏名】長江 眞平

(72)【発明者】

【氏名】加賀谷 修

【テーマコード（参考）】

5J020

5J021

【Ｆターム（参考）】

5J020AA02

5J020BB01

5J020BC03

5J021AA05

5J021AA09

5J021AA11

5J021AB07

5J021DB05

5J021GA02

5J021GA08

5J021HA02

5J021HA05

5J021JA08

(57)【要約】

【課題】複数の方向にビームを放射可能なアンテナモジュールの構成を簡素化することである。
【解決手段】本開示の一態様にかかるアンテナモジュール１は、第１誘電体層１１と、第１誘電体層１１の一方の面に配置された第２誘電体層１２と、第１誘電体層１１の他方の面に配置された反射導体層１３と、第１誘電体層１１に所定の波長の電磁波を供給する給電部１４_１～１４_３と、を備える。平面視した際、第１誘電体層１１は、誘電率が互いに異なる複数の領域１１_１～１１_３を備え、給電部１４_１～１４_３は、複数の領域１１_１～１１_３の各々に設けられており、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率に応じたチルト角を有する電磁波１６_１～１６_３が第２誘電体層１２の表面から放射される。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１誘電体層と、
前記第１誘電体層の一方の面に配置された第２誘電体層と、
前記第１誘電体層の他方の面に配置された反射導体層と、
前記第１誘電体層に所定の波長の電磁波を供給する給電部と、を備え、
平面視した際、前記第１誘電体層は、誘電率が互いに異なる複数の領域を備え、
前記給電部は、前記複数の領域の各々に設けられており、
前記第１誘電体層の前記各々の領域の誘電率に応じたチルト角を有する電磁波が前記第２誘電体層の表面から放射される、
アンテナモジュール。

【請求項2】

前記第１誘電体層には複数の孔部が設けられており、
前記各々の領域の誘電率は、前記各々の領域に占める前記複数の孔部の体積の割合を変えることで調整されている、
請求項１に記載のアンテナモジュール。

【請求項3】

前記第１誘電体層は、前記第１誘電体層の前記一方の面から前記他方の面に向かって伸びる複数の孔部を備え、
前記各々の領域の誘電率は、前記各々の領域に占める前記複数の孔部の体積の割合を変えることで調整されている、
請求項１に記載のアンテナモジュール。

【請求項4】

前記孔部は円筒形状であり、
前記第１誘電体層の前記各々の領域の誘電率を考慮した実効波長をλ_ｅとした場合、前記孔部のピッチがλ_ｅ／２よりも小さい、
請求項３に記載のアンテナモジュール。

【請求項5】

前記孔部は円筒形状であり、
前記第１誘電体層の誘電率は前記複数の孔部の半径が大きくなるほど低くなる、
請求項３に記載のアンテナモジュール。

【請求項6】

前記第１誘電体層の前記各々の領域の誘電率が高いほど、前記第２誘電体層の表面から放射される電磁波のチルト角が大きくなる、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。

【請求項7】

前記第１誘電体層の前記各々の領域の誘電率は、前記第２誘電体層の誘電率よりも小さい、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。

【請求項8】

前記第２誘電体層の誘電率が４～１５である、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。

【請求項9】

前記第１誘電体層の前記各々の領域の誘電率が１～３である、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。

【請求項10】

前記電磁波の波長をλとした場合、前記第１誘電体層の前記各々の領域の幅Ｗおよび長さＬの少なくとも一方がλ以上である、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。

【請求項11】

前記第１誘電体層の前記各々の領域において、前記給電部は、前記第２誘電体層の表面から放射される前記電磁波の放射方向と反対側の端部に配置されている、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。

【請求項12】

前記第１誘電体層の前記各々の領域は、前記第１誘電体層の前記一方の面と平行な第１方向に伸びるように、かつ前記第１誘電体層の前記一方の面および前記第１方向と垂直な第２方向に並ぶように設けられている、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。

【請求項13】

前記第１誘電体層の前記各々の領域の厚さが同一である、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。

【請求項14】

前記第１誘電体層は、前記各々の領域の間に仕切り部材を備える、請求項１または２に記載のアンテナモジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、アンテナモジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、高速かつ大容量の通信インフラが拡大しており、これに伴いアンテナモジュールの開発が進められている。特許文献１には、励振素子から放射される電磁波の垂直面内のビーム方向を変更可能なアンテナ装置が開示されている。

【0003】

特許文献１に開示されているアンテナ装置は、複数の導電体パターンがマトリクス状に配置された周期構造体と励振素子とを有する。そして、励振素子の位置を周期構造体の中心位置から垂直方向あるいは水平方向に移動させ、励振素子から放射される電磁波の垂直面内あるいは水平面内のビーム方向を変更することで、複数の方向にビームを放射している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２－１１４５５０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上述のように、特許文献１に開示されている技術では、励振素子の位置を周期構造体の中心位置から移動させ、励振素子から放射される電磁波のビーム方向を変更することで、複数の方向にビームを放射している。

【0006】

しかしながら、励振素子の位置を移動させるためには移動機構が必要となるため、アンテナ装置の構成が複雑になるという問題がある。

【0007】

上記課題に鑑み本開示の目的は、複数の方向にビームを放射可能なアンテナモジュールの構成を簡素化することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一態様にかかるアンテナモジュールは、第１誘電体層と、前記第１誘電体層の一方の面に配置された第２誘電体層と、前記第１誘電体層の他方の面に配置された反射導体層と、前記第１誘電体層に所定の波長の電磁波を供給する給電部と、を備え、平面視した際、前記第１誘電体層は、誘電率が互いに異なる複数の領域を備え、前記給電部は、前記複数の領域の各々に設けられており、前記第１誘電体層の前記各々の領域の誘電率に応じたチルト角を有する電磁波が前記第２誘電体層の表面から放射される。

【0009】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記第１誘電体層には複数の孔部が設けられてもよく、前記各々の領域の誘電率は、前記各々の領域に占める前記複数の孔部の体積の割合を変えることで調整されてもよい。

【0010】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記第１誘電体層は、前記第１誘電体層の前記一方の面から前記他方の面に向かって伸びる複数の孔部を備えてもよく、前記各々の領域の誘電率は、前記各々の領域に占める前記複数の孔部の体積の割合を変えることで調整されてもよい。

【0011】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記孔部は円筒形状でもよく、前記第１誘電体層の前記各々の領域の誘電率を考慮した実効波長をλ_ｅとした場合、前記孔部のピッチがλ_ｅ／２よりも小さくてもよい。

【0012】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記孔部は円筒形状でもよく、前記第１誘電体層の誘電率は前記複数の孔部の半径が大きくなるほど低くなってもよい。

【0013】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記第１誘電体層の前記各々の領域の誘電率が高いほど、前記第２誘電体層の表面から放射される電磁波のチルト角が大きくなってもよい。

【0014】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記第１誘電体層の前記各々の領域の誘電率は、前記第２誘電体層の誘電率よりも小さくてもよい。

【0015】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記第２誘電体層の誘電率が４～１５でもよい。

【0016】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記第１誘電体層の前記各々の領域の誘電率が１～３でもよい。

【0017】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記電磁波の波長をλとした場合、前記第１誘電体層の前記各々の領域の幅Ｗおよび長さＬの少なくとも一方がλ以上でもよい。

【0018】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記第１誘電体層の前記各々の領域において、前記給電部は、前記第２誘電体層の表面から放射される前記電磁波の放射方向と反対側の端部に配置されてもよい。

【0019】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記第１誘電体層の前記各々の領域は、前記第１誘電体層の前記一方の面と平行な第１方向に伸びるように、かつ前記第１誘電体層の前記一方の面および前記第１方向と垂直な第２方向に並ぶように設けられてもよい。

【0020】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記第１誘電体層の前記各々の領域の厚さが同一でもよい。

【0021】

上述のアンテナモジュールにおいて、前記第１誘電体層は、前記各々の領域の間に仕切り部材を備えてもよい。

【発明の効果】

【0022】

本開示により、複数の方向にビームを放射可能なアンテナモジュールの構成を簡素化できる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】実施の形態にかかるアンテナモジュールの構成例を示す断面図である。

【図2】実施の形態にかかるアンテナモジュールの構成例を示す平面図である。

【図3】実施の形態にかかるアンテナモジュールの構成例を示す斜視図である。

【図4】関連技術にかかるアンテナモジュールを示す断面図である。

【図5】実施の形態にかかるアンテナモジュールの構成例を示す斜視図である。

【図6】実施の形態にかかるアンテナモジュールの構成例を示す側面図である。

【図7】実施の形態にかかるアンテナモジュールの構成例を示す底面図である。

【図8】実施の形態にかかるアンテナモジュールが備える第１誘電体層の構成例を示す平面図である。

【図9】ビームのチルト角と第１誘電体層の高さとの関係を示すグラフである。

【図10】実施の形態にかかるアンテナモジュールの他の構成例を示す平面図である。

【図11】実施例にかかるアンテナモジュールの測定結果を示す図である。

【図12】実施例にかかるアンテナモジュールの測定結果を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図面を参照して本開示について説明する。
図１～図３はそれぞれ、実施の形態にかかるアンテナモジュールの構成例を示す断面図、平面図、及び斜視図である。

【0025】

図１に示すように、本実施の形態にかかるアンテナモジュール１は、第１誘電体層１１、第２誘電体層１２、反射導体層１３、及び給電部１４を備える。第２誘電体層１２は、第１誘電体層１１の一方の面（ｚ軸方向プラス側の面）に配置されている。反射導体層１３は、第１誘電体層１１の他方の面（ｚ軸方向マイナス側の面）に配置されている。給電部１４は、第１誘電体層１１に所定の波長の電磁波を供給する。
なお、本実施の形態にかかるアンテナモジュール１が適用される周波数の範囲は、例えば、３ＧＨｚ～３００ＧＨｚである。一例を挙げると、５Ｇミリ波帯（２４ＧＨｚ～３０ＧＨｚ）、今後６Ｇ通信として活用が期待される６ＧＨｚ～２４ＧＨｚといった帯域や９２ＧＨｚ～３００ＧＨｚといった帯域等に適用できる。

【0026】

図２に示すように、第１誘電体層１１は、平面視した際、誘電率が互いに異なる複数の領域１１_１～１１_３を備える。給電部１４_１～１４_３は、複数の領域１１_１～１１_３の各々に設けられている。そして本実施の形態にかかるアンテナモジュール１では、図３に示すように、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率に応じたチルト角θ_ｐ（図１参照）を有する電磁波が第２誘電体層１２の表面から放射される。

【0027】

なお、本明細書では、給電部１４_１～１４_３を総称して給電部１４と記載する場合もある。また、本明細書では第１誘電体層１１が３つの領域１１_１～１１_３を備える場合を例として説明するが、第１誘電体層１１が備える領域の数は３つに限定されることはない。つまり、第１誘電体層１１は２つ以上の領域を備えればよく、領域の数は任意に決定できる。以下、本実施の形態にかかるアンテナモジュール１の詳細について説明する。

【0028】

図２、図３に示すように、第１誘電体層１１は、各々誘電率の異なる複数の領域１１_１～１１_３を備える。具体的には、第１誘電体層１１は、誘電率がε_ｒ１１の領域１１_１、誘電率がε_ｒ１２の領域１１_２、及び誘電率がε_ｒ１３の領域１１_３を備える。第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３は、第１誘電体層１１の主面と平行な第１方向（ｘ軸方向）に伸びるように、かつ第１誘電体層１１の主面および第１方向（ｘ軸方向）と垂直な第２方向（ｙ軸方向）に並ぶように設けられている。

【0029】

図１、図３に示すように、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の厚さはｈ_１であり、同一の厚さを有する。ここで同一の厚さとは、各々の領域１１_１～１１_３の厚さが略同一である場合を含む。すなわち、各々の領域１１_１～１１_３をそれぞれ異なる誘電体材料で構成した場合、各々の領域１１_１～１１_３の厚さは加工精度等に起因する誤差が生じる場合がある。本実施の形態において第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の厚さｈ_１は、このような誤差に起因するばらつきが含まれてもよい。なお、各々の領域１１_１～１１_３の厚さｈ_１のばらつきは、例えば±５％程度でもよく、±１０％程度でもよい。

【0030】

また、本実施の形態では、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の間に仕切り部材を設けてもよい。このように仕切り部材を設けることで、各々の領域１１_１～１１_３間において電磁波が漏れることを抑制できる。例えば、仕切り部材は金属材料等を用いて構成できる。

【0031】

本実施の形態において、第１誘電体層１１を構成する各々の領域１１_１～１１_３の誘電率は、使用する材料自身の誘電率の違いを用いて調整してもよく、また、物理的な形状を用いて誘電率を調整してもよい。物理的な形状を用いて誘電率を調整する場合は、例えば、第１誘電体層１１に複数の孔部を形成し、各々の領域１１_１～１１_３に占める複数の孔部の体積の割合を変えることで、各々の領域１１_１～１１_３の誘電率を調整してもよい。この場合、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３を構成する材料を同一の材料としてもよい。なお、複数の孔部を用いて誘電率を調整する場合については後述する。

【0032】

図１、図３に示すように、第２誘電体層１２は、第１誘電体層１１のｚ軸方向プラス側の面に配置されている。具体的には、第２誘電体層１２は、第１誘電体層１１の複数の領域１１_１～１１_３の上面を覆うように設けられている。第２誘電体層１２の誘電率はε_ｒ２であり、厚さはｈ_２である。

【0033】

本実施の形態において、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率ε_ｒ１１～ε_ｒ１３は、第２誘電体層１２の誘電率ε_ｒ２よりも小さいことが好ましい。一例を挙げると、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率ε_ｒ１１～ε_ｒ１３は１～３である。また、第２誘電体層１２の誘電率は４～１５が好ましく、５～１０がより好ましい。なお、これらの数値は一例であり、本実施の形態において、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率ε_ｒ１１～ε_ｒ１３、および第２誘電体層１２の誘電率ε_ｒ２は、これら以外の誘電率としてもよい。

【0034】

例えば、第１誘電体層１１には、樹脂等の誘電体材料を使用できる。また、第２誘電体層１２には、ガラス、セラミック、樹脂等の誘電体材料を使用できる。

【0035】

反射導体層１３は、第１誘電体層１１のｚ軸方向マイナス側の面に配置されている。反射導体層１３は、給電部１４から第１誘電体層１１に供給された電磁波を第１誘電体層１１のｚ軸方向マイナス側の面で反射させる。これにより、給電部１４から供給された電磁波が第１誘電体層１１内を伝搬する。反射導体層１３は、金属材料等の導電性を有する材料を用いて構成できる。また、例えば、第１誘電体層１１、第２誘電体層１２を透明な誘電体材料で構成し、反射導体層１３を透明な導電性材料で構成した場合は、アンテナモジュール１を透明なモジュールにできる。透明な導電性材料には、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等の導電性酸化物を使用できる。反射導体層１３の厚さは1μｍ以上であることがアンテナ性能の点で好ましい。

【0036】

給電部１４は、第１誘電体層１１に所定の波長の電磁波を供給する。例えば、給電部１４は、第１誘電体層１１の底面（ｚ軸方向マイナス側の面に）にアンテナ用電極を設けて構成してもよい。この場合は、反射導体層１３と給電部１４（アンテナ用電極）とが電気的に接触しないように構成する。例えば、反射導体層１３と給電部１４（アンテナ用電極）との間に絶縁材料（ＰＣＢ（Printed Circuit Board）基板など）を設けてもよい。電磁波の実効波長をλ_ｅとすると、絶縁材料（ＰＣＢ基板）の厚さは、例えばλ_ｅ／４以下、好ましくはλ_ｅ／１０以下としてもよい。また、一例を挙げると、給電部１４（アンテナ用電極）のｘ軸方向の長さおよびｙ軸方向の長さはそれぞれλ_ｅ／２程度である。

【0037】

また、例えば、給電部１４は、第１誘電体層１１の底面に導波管を接続して構成してもよい。この場合は、第１誘電体層１１の底面に設けられる反射導体層１３のうち、導波管が接続される部分に開口部１８を設ける（図７参照）。

【0038】

本実施の形態にかかるアンテナモジュール１は誘電体漏れ波アンテナであり、第２誘電体層１２の表面から電磁波が放射される条件は下記の通りである。

【0039】

【数1】

【0040】

ここで、ｈ_１は第１誘電体層１１の厚さ、ε_ｒ１は第１誘電体層１１の誘電率、ｈ_２は第２誘電体層１２の厚さ、ε_ｒ２は第２誘電体層１２の誘電率、λ_０は給電部１４から第１誘電体層１１に供給される電磁波の波長、ｍ、ｎは正の整数である。なお、上記ε_ｒ１は、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率ε_ｒ１１～ε_ｒ１３に対応している。

【0041】

本実施の形態では、各パラメータが上記条件を満たす場合に、第２誘電体層１２の表面から電磁波が正面方向に高い利得で放射される。

【0042】

また、図１に示すように、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波のチルト角をθ_ｐとした場合、チルト角θ_ｐの電磁波が高い利得で放射される条件は下記の通りである。

【0043】

【数2】

【0044】

本実施の形態にかかるアンテナモジュール１では、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率ε_ｒ１１～ε_ｒ１３を調整することで、各々の領域１１_１～１１_３に対応する位置から放射される電磁波のチルト角θ_ｐを決定できる。

【0045】

また、本実施の形態では、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波がチルトビームとなるように、給電部１４の位置を第１誘電体層１１の端部側（第１誘電体層１１を平面視した際の端部側）としてもよい。すなわち、給電部１４の位置によっては、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波がコニカルビームとなる場合がある。ここでコニカルビームとは、チルトビームを中心軸を中心に一周させた形状のビームである。この点を考慮し本実施の形態では、図２、図３に示すように、給電部１４_１～１４_３の位置を第１誘電体層の各々の領域１１_１～１１_３の端部側としている。このような構成とすることで、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波をチルトビームにできる。

【0046】

例えば、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３において、給電部１４_１～１４_３は、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波１６_１～１６_３（図３参照）の放射方向と反対側の端部に配置してもよい。具体的には、図３に示すように、第１誘電体層１１の領域１１_２において、電磁波１６_２の放射方向はｘ軸方向プラス側なので、給電部１４_２は領域１１_２のｘ軸方向マイナス側に配置する。また、第１誘電体層１１の領域１１_３において、電磁波１６_３の放射方向はｘ軸方向マイナス側なので、給電部１４_３は領域１１_３のｘ軸方向プラス側に配置する。なお、給電部１４のｚ軸方向の位置は特に限定されないが、例えば給電部１４（アンテナ用電極）に給電するための配線をｚ軸方向マイナス側に設ける場合は、反射導体層１３の近傍（例えば、λ_e／１０以下程度）に給電部１４を設けるのが好ましい。

【0047】

図４は、関連技術にかかるアンテナモジュールを示す断面図である。図４に示すアンテナモジュール１０１は、第１誘電体層１１１_１～１１１_３、第２誘電体層１１２、反射導体層１１３_１～１１３_３、及び給電部１１４_１～１１４_３を備える。例えば、第１誘電体層１１１_１～１１１_３を構成する材料を同一の誘電率ε_ｒ１を有する材料で構成した場合、上記式（３）、（４）に示したように、第２誘電体層１１２の表面から放射される電磁波のチルト角θ_ｐは、第１誘電体層１１の厚さｈ_１を用いて調整する。このため、図４に示すアンテナモジュール１０１では、電磁波のチルト角θ_ｐに応じて、第１誘電体層１１１_１～１１１_３の厚さｈ_１１～ｈ_１３を調整する必要がある。しかしながらこの場合は、電磁波のチルト角θ_ｐごとに第１誘電体層１１１_１～１１１_３の厚さｈ_１１～ｈ_１３が変わるので、アンテナモジュールの構造が複雑になる。

【0048】

これに対して本実施の形態にかかるアンテナモジュール１では、図１、図２に示すように第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率ε_ｒ１１～ε_ｒ１３を調整することで、各々の領域１１_１～１１_３に対応する位置から放射される電磁波のチルト角θ_ｐを決定している。このような構成とすることで、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の厚さを同一の厚さｈ_１にできる。したがって、アンテナモジュールの構成を簡素化できる。

【0049】

次に、本実施の形態にかかるアンテナモジュール１が備える第１誘電体層１１の構成例について説明する。図５～図７はそれぞれ、本実施の形態にかかるアンテナモジュールの構成例を示す斜視図、側面図、及び底面図である。

【0050】

図５、図６に示す第１誘電体層１１は、第１誘電体層１１の一方の面から他方の面に向かって伸びる複数の孔部２２を備える。つまり、第１誘電体層１１は母材２１と当該母材２１に設けられた複数の孔部２２を備える。図７に示すように、アンテナモジュールの底面に配置された反射導体層１３には開口部１８が設けられている。開口部１８には導波管（不図示）が接続される。導波管（不図示）を伝搬した電磁波は、開口部１８を介して第１誘電体層１１に供給される。

【0051】

図８は、本実施の形態にかかるアンテナモジュールが備える第１誘電体層の構成例を示す平面図である。図８に示すように、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率は、各々の領域１１_１～１１_３に占める複数の孔部２２_１～２２_３（図５、図６に示した孔部２２に対応）の体積の割合を変えることで調整できる。すなわち、第１誘電体層１１の領域１１_１の誘電率は、領域１１_１の母材２１_１と複数の孔部２２_１との体積の割合を変えることで調整できる。また、第１誘電体層１１の領域１１_２の誘電率は、領域１１_２の母材２１_２と複数の孔部２２_２との体積の割合を変えることで調整できる。また、第１誘電体層１１の領域１１_３の誘電率は、領域１１_３の母材２１_３と複数の孔部２２_３との体積の割合を変えることで調整できる。なお、各々の領域１１_１～１１_３の母材２１_１～２１_３は同一の材料を用いて構成してもよく、異なる材料を用いて構成してもよい。異なる材料を用いて構成した場合は、材料そのものの誘電率と、母材に占める孔部２２の割合の２つを用いて、誘電率を調整できる。

【0052】

例えば、図５に示すように、孔部２２は円筒形状でもよく、この場合は円筒形状の孔部２２の半径ｒを調整することで、第１誘電体層１１の誘電率を調整できる。具体的には、第１誘電体層１１の誘電率は、複数の孔部２２の半径ｒが大きくなるほど低くなり、複数の孔部２２の半径ｒが小さくなるほど高くなる。なお、図５においてｐは孔部２２のピッチを示している。

【0053】

つまり、第１誘電体層１１の誘電率（実効誘電率）ε_ｓは、母材の誘電率をε_ｍ、空気の誘電率を１とした場合、次の式で表される。

【0054】

実効誘電率ε_ｓ＝（ε_ｍ×母材の体積＋１×孔部の体積）／第１誘電体層の領域の体積

【0055】

ここで、母材の誘電率ε_ｍは１よりも大きいので、第１誘電体層１１の各々の領域の誘電率は、孔部２２の半径ｒが大きくなるほど低くなり、孔部２２の半径ｒが小さくなるほど高くなる。

【0056】

本実施の形態にかかるアンテナモジュール１では第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の厚さはｈ_１で均一である。よって、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波のチルト角θ_ｐは、図８に示すように、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の実効誘電率を調整することで、つまり、各々の領域１１_１～１１_３の孔部２２_１～２２_３の半径ｒをそれぞれ調整することで決定できる。このときの実効誘電率ε_ｓとチルト角θ_ｐの関係は次の式で表される。

【0057】

【数3】

【0058】

上記式から、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率（実効誘電率）ε_ｓが高いほど、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波のチルト角θ_ｐが大きくなる。逆に、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率（実効誘電率）ε_ｓが低いほど、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波のチルト角θ_ｐが小さくなる。

【0059】

換言すると、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の孔部２２_１～２２_３の半径ｒが大きいほど誘電率（実効誘電率）ε_ｓが低くなるので、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波のチルト角θ_ｐは小さくなる。逆に、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の孔部２２_１～２２_３の半径ｒが小さいほど誘電率（実効誘電率）ε_ｓが高くなるので、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波のチルト角θ_ｐは大きくなる。図８に示す構成例では、第１誘電体層１１の領域１１_１、領域１１_２、領域１１_３の順に孔部２２_１～２２_３の半径ｒが小さくなるので、領域１１_１、領域１１_２、領域１１_３の順に電磁波のチルト角θ_ｐは大きくなる。

【0060】

また、本実施の形態では、第１誘電体層１１の各々の領域の誘電率を考慮した実効波長をλ_ｅとした場合、孔部２２のピッチｐ（図５参照）がλ_ｅ／２よりも小さいことが好ましい。

【0061】

また、本実施の形態では、電磁波の波長をλとした場合、第１誘電体層１１の各々の領域の幅Ｗ（図５参照）はλ以上が好ましく、３λ／２以上がより好ましく、利得を考慮すると２λ以上が更に好ましい。一方、幅Ｗが大きすぎると開口効率が悪化する（つまり、放射に寄与しない部分が増加する）ため、幅Ｗは８λ以下が好ましい。

【0062】

また、本実施の形態では、電磁波の波長をλとした場合、第１誘電体層１１の各々の領域の長さＬ（図５参照）はλ以上が好ましく、３λ／２以上がより好ましく、利得を考慮すると２λ以上が更に好ましい。一方、長さＬが大きすぎると開口効率が悪化する（つまり、放射に寄与しない部分が増加する）ため、長さＬは８λ以下が好ましい。

【0063】

また、本実施の形態では、図７に示した距離ｌ_ｓ（第２誘電体層１２の端部から開口部１８までの距離）は、電磁波の波長をλとした場合、２λ以下が好ましい。このような範囲とすることで、コニカルビームの発生を抑制でき、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波をペンシルビームにできる。性能面を考慮すると、距離ｌ_ｓの範囲は、λ以下がより好ましい。また、図７に示した開口部１８の寸法ｂは、導波管内の誘電体（誘電率ε_ｒｇ）に対する電気長をλ_gとするとλ_ｇ／２以上λ_ｇ以下としてもよい。ここで、λ_g＝λ／（ε_ｒｇ）^１／２である。また、開口部１８の寸法ａは、λ_ｇ／２よりも小さい値となる。

【0064】

なお、本実施の形態では、第１誘電体層１１および第２誘電体層１２の側面に金属壁を設けてもよく、この場合は距離ｌ_ｓの最小値は０となる。つまり、第１誘電体層１１および第２誘電体層１２の側面に金属壁を設けた場合は、距離ｌ_ｓを０にしても第１誘電体層１１および第２誘電体層１２の側面から電磁波が放射されるのを抑制できる。したがって、この場合は、距離ｌ_ｓの最小値は０となる。また、第１誘電体層１１および第２誘電体層１２の側面に金属壁を設けた場合は、他のビームのアンテナとの干渉を抑制できる。

【0065】

図９は、ビームのチルト角θ_ｐと第１誘電体層の高さｈ_１との関係を示すグラフである。図９は式（５）を用いて作成したグラフであり、第１誘電体層１１の実効誘電率ε_ｓを１、１．３３、２とし、ｍ＝１、２の場合を図示している。

【0066】

図９に示すように、第１誘電体層１１の実効誘電率ε_ｓが１の場合は、第１誘電体層１１の高さｈ_１において、モードｍ＝１のビーム（チルト角θ_ｐ＝６０°）とモードｍ＝２のビーム（チルト角θ_ｐ＝０°）の２つのビームが放射される。つまり、この場合は、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波が２つに割れてしまう。

【0067】

一方、第１誘電体層１１の実効誘電率ε_ｓが１．３３、２の場合は、モードｍ＝１のチルト角θ_ｐ＝０～９０°およびモードｍ＝２のチルト角θ_ｐ＝０～９０°において重なる部分がないので、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波が１つとなる。したがってこの場合は、ビームが２つに割れることを抑制できる。

【0068】

第１誘電体層１１の実効誘電率ε_ｓの範囲について検討すると、上記式（５）において通常はｍ＝１を用いるので、２つのビームができる条件は、最大チルト角θ_ｐのとき、ｍ＝２の条件で別のチルト角θ_ｐのビームがあるか否かで判断できる。この判断は以下の式から行える。

【0069】

【数4】

【0070】

このとき最大となるε_ｓはε_ｒ１なので、第１誘電体層１１の誘電率ε_ｒ１は、ε_ｒ１＞４／３ｓｉｎ^２θ_ｐが好ましい。また、このとき第１誘電体層１１の誘電率ε_ｒ１と第２誘電体層１２の誘電率ε_ｒ２とが、ε_ｒ１＜ε_ｒ２を満たす必要もある。

【0071】

また、第１誘電体層１１の高さｈ_１について検討すると、図５に示したように第１誘電体層１１に孔部２２を設けた場合は、実現できる実効誘電率に下限が存在する。つまり、第１誘電体層１１に孔部２２を設けた際に孔部２２同士が接続されたり、３Ｄプリンタで第１誘電体層１１を作製した場合でも強度の問題が発生する。このため、チルト角θ_ｐ＝０の場合に要求される実効誘電率ε_ｓが、実現可能な最低値よりも大きな値となるように高さを設定する必要がある。このようにすることで、幅広い角度のビームを実現できる。

【0072】

例えば、第１誘電体層１１にドリルを用いて穴を開けて孔部２２を形成する場合、実効誘電率ε_ｓは下記の式で表される。

【0073】

【数5】

【0074】

このとき、孔部２２同士がつながらない条件として、０≦ｒ＜ｐ／２を設定すると、実効誘電率ε_ｓの範囲は下記の式で表される。

【0075】

【数6】

【0076】

このとき、高さｈ_１の範囲は、孔部２２が空いた状態で、チルト角θ_ｐ＝０を達成するために、下記の範囲である必要がある。

【0077】

【数7】

【0078】

なお、上記説明では孔部２２を設けた場合について説明したが、孔部２２を備える構造以外として、より一般的に表現すると以下の通りとなる。

【0079】

【数8】

【0080】

以上で説明した本開示により、複数の方向にビームを放射可能なアンテナモジュールの構成を簡素化できる。

【0081】

図１０は、本実施の形態にかかるアンテナモジュールの他の構成例を示す平面図である。本実施の形態では、図１０に示すように、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３に複数の給電部１４ａ～１４ｈを設けてもよい。

【0082】

具体的には図１０に示すように、領域１１_１に給電部１４ａ、１４ｂ、１４ｃを設け、領域１１_２に給電部１４ｄ、１４ｅを設け、領域１１_３に給電部１４ｆ、１４ｇ、１４ｈを設けてもよい。そして、これらの給電部１４ａ～１４ｈの中から電磁波を供給する給電部を切り替えることで、第２誘電体層１２の表面から放射される電磁波の方向（チルト角）を切り替えられる。換言すると、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３において、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３の誘電率および給電部１４ａ～１４ｈの位置に応じたチルト角θ_ｐを有する電磁波を、第２誘電体層１２の表面から放射できる。

【0083】

また、上記構成例では、第１誘電体層１１の各々の領域１１_１～１１_３に形成された孔部２２の割合を変えることで、各々の領域１１_１～１１_３の誘電率を調整する場合について説明した。しかし本実施の形態では、各々の領域１１_１～１１_３の誘電材料（母材）に混合物を入れ、密度を調整することで誘電率を調整してもよい。また、２種以上の誘電材料を用いて、各々の領域１１_１～１１_３の誘電率を調整してもよい。また上述の孔部２２の形状を円筒形状以外の形状としてもよい。また、上述の孔部２２は第１誘電体層１１を貫通しなくてもよく、孔部２２の深さを調整することで、各々の領域１１_１～１１_３の誘電率を調整してもよい。また、各々の領域１１_１～１１_３の誘電材料（母材）に気泡を混入させることで、各々の領域１１_１～１１_３の誘電率を調整してもよい。なお、これらは一例であり、本実施の形態では、これら以外の手法を用いて各々の領域１１_１～１１_３の誘電率を調整してもよい。

【実施例0084】

次に、実施例について説明する。実施例にかかるアンテナモジュールとして、図５～図７に示した構成を備えるアンテナモジュールを作成した。このとき、第１誘電体層１１（図５参照）の長さＬを２４０ｍｍ、幅Ｗを６０ｍｍ、高さｈ_１を１２．５ｍｍとした。第１誘電体層１１には高密度ポリエチレンを用いた。また、第２誘電体層１２の高さｈ_２（図６参照）を３．３ｍｍとした。なお、第２誘電体層１２の長さＬおよび幅Ｗ（図５参照）は、第１誘電体層１１と同様である（長さＬ＝２４０ｍｍ、幅Ｗ＝６０ｍｍ）。第２誘電体層１２にはガラス板を用いた。第１誘電体層１１のピッチｐは１０ｍｍ、開口部１８の寸法ａは１０．１６ｍｍ、寸法ｂは２２．８６ｍｍ、第２誘電体層１２の端部から開口部１８までの距離ｌ_ｓは、放射される電磁波の設定角度（チルト角）θ_ｐが０°の場合は１０８．５７ｍｍとし、それ以外の設定角度の場合は８．５７ｍｍとした。

【0085】

また、放射される電磁波の設定角度（チルト角）θ_ｐに応じて、第１誘電体層１１の実効誘電率を決定した。実効誘電率は、第１誘電体層１１に形成する孔部２２の半径ｒを変更することで調整した。

【0086】

具体的には、図１２の表に示すように、設定角度θ_ｐが０°の場合は孔部２２の半径ｒを４．６２ｍｍとし、実効誘電率を１．４４とした。設定角度θ_ｐが２０°の場合は孔部２２の半径ｒを４．３１ｍｍとし、実効誘電率を１．５６とした。設定角度θ_ｐが４０°の場合は孔部２２の半径ｒを３．４０ｍｍとし、実効誘電率を１．８５とした。設定角度θ_ｐが６０°の場合は孔部２２の半径ｒを１．８９ｍｍとし、実効誘電率を２．１９とした。

【0087】

そして、給電部１４から第１誘電体層１１に動作周波数１０ＧＨｚの電磁波を供給した際のビームパターン（利得）を測定した。図１１、図１２に測定結果を示す。設定角度θ_ｐが０°のサンプルでは、ピーク角度が１０°、利得が１１．２ｄＢｉとなった。設定角度θ_ｐが２０°のサンプルでは、ピーク角度が１２°、利得が１１．８ｄＢｉとなった。設定角度θ_ｐが４０°のサンプルでは、ピーク角度が４４°、利得が７．２ｄＢｉとなった。設定角度θ_ｐが６０°のサンプルでは、ピーク角度が５９°、利得が１０．５ｄＢｉとなった。このように、第１誘電体層１１の実効誘電率を調整することで、放射される電磁波のチルト角θ_ｐを調整できた。

【0088】

以上、本発明を上記実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態の構成にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得る各種変形、修正、組み合わせを含むことは勿論である。

【符号の説明】

【0089】

１ アンテナモジュール
１１ 第１誘電体層
１１_１、１１_２、１１_３ 領域
１２ 第２誘電体層
１３ 反射導体層
１４、１４_１、１４_２、１４_３ 給電部
１６_１、１６_２、１６_３ 電磁波
２１、２１_１、２１_２、２１_３ 母材
２２、２２_１、２２_２、２２_３ 孔部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】