特開 2024-54432 アレーアンテナ

(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】P2024054432

(43)【公開日】2024-04-17

(54)【発明の名称】アレーアンテナ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 21/08 20060101AFI20240410BHJP

   H01Q 13/10 20060101ALI20240410BHJP

   H01Q 1/24 20060101ALI20240410BHJP

   H01Q 1/38 20060101ALI20240410BHJP

【ＦＩ】

H01Q21/08

H01Q13/10

H01Q1/24 Z

H01Q1/38

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021014348

(22)【出願日】2021-02-01

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100161207

【弁理士】

【氏名又は名称】西澤 和純

(74)【代理人】

【識別番号】100181722

【弁理士】

【氏名又は名称】春田 洋孝

(74)【代理人】

【識別番号】100163496

【弁理士】

【氏名又は名称】荒 則彦

(74)【代理人】

【識別番号】100154852

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 太一

(72)【発明者】

【氏名】岡田 健一

(72)【発明者】

【氏名】白根 篤史

【テーマコード（参考）】

5J021

5J045

5J046

5J047

【Ｆターム（参考）】

5J021AA05

5J021AA07

5J021AB05

5J021DB03

5J021FA06

5J021FA17

5J021FA26

5J021GA02

5J021HA05

5J021HA10

5J021JA02

5J021JA08

5J045AA02

5J045AA05

5J045DA03

5J045EA08

5J045FA02

5J045FA04

5J045GA02

5J045LA01

5J045MA07

5J045NA01

5J046AA03

5J046AA07

5J046AB02

5J046AB03

5J046AB08

5J046PA07

5J046PA09

5J047AA03

5J047AB08

5J047FD01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】隣接するアンテナ素子同士を高密度に配置し１００ＧＨｚ以上の周波数帯の無線通信に対応可能なアレーアンテナを提供する。
【解決手段】アレーアンテナ１は、信号を送受信する送受信部４と、送受信部４に隣接して配置された１つ以上のアンテナ素子５とが形成されたアンテナ層３が２層以上に積層され、アンテナ層３の積層方向Ｙにおいて複数のアンテナ素子５が配列された電波放射面が形成されているアンテナ部2を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

信号を送受信する送受信部と、前記送受信部に隣接して配置された１つ以上のアンテナ素子とが形成されたアンテナ層が２層以上に積層され、前記アンテナ層の積層方向において複数の前記アンテナ素子が配列された電波放射面が形成されているアンテナ部を備える、
アレーアンテナ。

【請求項2】

前記アンテナ素子は、前記アンテナ層の表面上に金属薄膜によりパターン化されて形成されている、
請求項１に記載のアレーアンテナ。

【請求項3】

前記送受信部は、少なくとも前記アンテナ素子において送受信される信号の位相を調整する位相調整部を備える、
請求項１または２に記載のアレーアンテナ。

【請求項4】

前記アンテナ素子は、前記アンテナ層の一面側に形成された第１アンテナ部材と他面側に形成された第２アンテナ部材とを有するビバルディアンテナである、
請求項１から３のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。

【請求項5】

前記アンテナ層は、プリント基板により形成されている、
請求項１から４のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。

【請求項6】

前記アンテナ部は、前記積層方向に隣接する一対の前記アンテナ層の間に設けられた絶縁層を備え、前記絶縁層の厚みにより前記積層方向に隣接する一対の前記アンテナ素子の間隔が調整されている、
請求項１から５のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。

【請求項7】

前記アンテナ部は、２個以上の前記アンテナ素子が形成された前記アンテナ層を有し、
前記積層方向に沿って見て前記アンテナ層において隣接する一対の前記アンテナ素子の間に、隣接する前記アンテナ層に形成された前記アンテナ素子が配置されている、
請求項１から６のうちいずれか１項に記載のアレーアンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、１００Ｇｈｚ以上の無線通信を可能とするアレーアンテナに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、波長が１～１０ｍｍ、周波数が３０～３００ＧＨｚのミリ波帯の電波を利用した第５世代移動通信システム（５Ｇ）の通信サービスが提供されている。５Ｇにおいては、高速且つ大容量の通信を利用した大規模な商用サービスを提供することができる。５Ｇにおけるミリ波帯無線通信に比して更に高速、大容量化した第６世代移動通信システム（６Ｇ）以降の無線通信に関する研究も既に活発に行われている。

【0003】

６Ｇの無線通信においては、５Ｇの無線通信に比して高速、大容量化を実現するために、５Ｇで用いる周波数よりも高い周波数帯の電波の利用が期待されている。しかしながら、ミリ波帯や１００ＧＨｚ以上の周波数帯を用いた通信は、通信距離の確保が困難となる場合がある。これは、単一のアンテナによる通信可能な距離は、通信に用いる周波数に反比例して短くなることに起因し、通信可能な距離の低下は、搬送波周波数が高くなるほどより顕著となるからである。

【0004】

そのため、５Ｇの無線通信においては、数百メートル以上の通信距離を確保するために、アンテナ素子と、アンテナ素子に信号を送受信させる送受信機とをマトリクス状に配列し、アクティブに送受信を制御するアクティブ型のフェーズドアレーアンテナが用いられている。アクティブ型のフェーズドアレーアンテナによれば、アンテナ素子数の増加に伴って通信距離を伸ばすことが可能である。

【0005】

高い周波数帯であるミリ波帯や１００ＧＨｚ以上の周波数帯を用いた通信において、フェーズドアレイアンテナを適用する場合、送受信される電波の周波数の波長に応じて高密度にアンテナ素子と送受信機を配置する必要があり、従来２００ＧＨｚ以上の周波数帯では半波長ピッチでのフェーズドアレイアンテナの実現が困難であった。従来フェーズドアレーアンテナの代替として、高利得な指向性アンテナが用いられる場合もあるが、指向性アンテナは特定方向としか通信ができず、用途が限定されたものであった。従って、ミリ波帯・１００ＧＨｚ以上の周波数帯無線通信の実用化のために、フェーズドアレイアンテナの実現が強く求められていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】国際公開第２０１９／０８２８６６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

フェーズドアレイアンテナは、電波放射面において送受信される電波の半波長間隔でマトリクス状に配置された複数のアンテナ素子を備えている。アクティブ型のフェーズドアレイアンテナは、個々のアンテナ素子にそれぞれ隣接して接続された送受信機を有し、通信距離を伸ばすことができる。５Ｇで用いられる２８ＧＨｚ帯の電波を放射する場合、電波放射面において隣接するアンテナ素子５の間隔は、５．４ｍｍ程度である（図１６参照）。このようなフェーズドアレイアンテナは、プリント基板上に複数のアンテナ素子をマトリクス状に配置し、２×２のマトリクス状に配置された４個のアンテナ素子の中央部に送受信機のＩＣチップを配置することで構成することができる。

【0008】

アクティブ型のフェーズドアレイアンテナを用いて３００ＧＨｚ帯の周波数の電波を放射する場合、電波放射面において隣接するアンテナ素子５の間隔は、０．５ｍｍ程度であり非常に高密度な配置が必要である（図１６参照）。しかしながら、送受信機のＩＣチップは、幅が１ｍｍ程度以上必要であり、２×２のマトリクス状に配置された４個のアンテナ素子の中央部に配置する場合、隣接するアンテナ素子同士の間隔を０．５ｍｍ程度に配置することが困難となる。

【0009】

送受信機用のＩＣチップを小型化する場合、ＣＭＯＳチップにアンテナを内蔵して形成するものが存在している。しかしながら、このような一体型のＣＭＯＳチップにおいては、シリコン基板による損失が大きく、且つ、配線層が薄すぎるため、十分なアンテナ利得を確保できないという課題がある。従って、従来手法のようにプリント基板上に複数のアンテナ素子をマトリクス状に配置し、隣接するアンテナ素子の間隔を狭めて配置する場合に限界があり、１００ＧＨｚ以上の周波数帯でのアクティブ型のフェーズドアレイアンテナの実現が困難であるという課題があった。

【0010】

本発明は、隣接するアンテナ素子同士を高密度に配置し１００ＧＨｚ以上の周波数帯の無線通信に対応可能なアレーアンテナを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一態様は、信号を送受信する送受信部と、前記送受信部に隣接して配置された１つ以上のアンテナ素子とが形成されたアンテナ層が２層以上に積層され、前記アンテナ層の積層方向において複数の前記アンテナ素子が配列された電波放射面が形成されているアンテナ部を備える。

【0012】

本発明によれば、送受信部とアンテナ素子が形成されたアンテナ層を積層することにより、隣接するアンテナ層におけるアンテナ素子同士の間隔を１００ＧＨｚ以上の周波数帯の信号の波長に対応して狭めることができる。

【0013】

また、本発明の一態様は、前記アンテナ素子が前記アンテナ層の表面上に金属薄膜によりパターン化されて形成されていてもよい。

【0014】

本発明によれば、アンテナ素子をアンテナ層の表面上に薄膜状に形成することができ、アンテナ層の積層間隔を１００ＧＨｚ以上の周波数帯の信号の波長に対応して狭めることができる。

【0015】

また、本発明の一態様は、前記送受信部が少なくとも前記アンテナ素子において送受信される信号の位相を調整する位相調整部を備えていてもよい。

【0016】

本発明によれば、アレーアンテナとして機能する送受信部の構成を提供することができる。

【0017】

また、本発明の一態様は、前記アンテナ素子が前記アンテナ層の一面側に形成された第１アンテナ部材と他面側に形成された第２アンテナ部材とを有するビバルディアンテナであってもよい。

【0018】

本発明によれば、アンテナ素子をビバルディ型とすることで、アンテナ層の積層方向におけるアンテナ素子の厚さを薄く形成することができ、隣接するアンテナ層同士の間隔を１００ＧＨｚ以上の周波数帯の信号の波長に対応して狭めることができる。

【0019】

また、本発明の一態様は、前記アンテナ層がプリント基板により形成されていてもよい。

【0020】

本発明によれば、アンテナ層がプリント基板により形成されることにより、既存の製造方法を用いてアレーアンテナを製造することができる。

【0021】

また、本発明の一態様は、前記アンテナ部が前記積層方向に隣接する一対の前記アンテナ層の間に設けられた絶縁層を備え、前記絶縁層の厚みにより前記積層方向に隣接する一対の前記アンテナ素子の間隔が調整されていいてもよい。

【0022】

本発明によれば、隣接するアンテナ層同士の間隔を絶縁層の厚みにより一定に保持することができる。

【0023】

また、本発明の一態様は、前記アンテナ部が２個以上の前記アンテナ素子が形成された前記アンテナ層を有し、前記積層方向に沿って見て前記アンテナ層において隣接する一対の前記アンテナ素子の間に、隣接する前記アンテナ層に形成された前記アンテナ素子が配置されている。

【0024】

本発明によれば、アンテナ層において２個以上のアンテナ素子を配列する場合において、隣接する送受信部の間隔以下の間隔により複数のアンテナ素子を配列することができる。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、隣接するアンテナ素子同士を高密度に配置し１００ＧＨｚ以上の周波数帯の無線通信に対応可能なアレーアンテナを構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の実施形態に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。

【図2】送受信部の構成の一例を示すブロック図である。

【図3】アンテナ層の一面側の構成を示す図である。

【図4】アンテナ層の他面側の構成を示す図である。

【図5】アンテナ層が積層されたアンテナ部の構成を示す断面図である。

【図6】アレーアンテナから放射される電磁波を概念的に示す図である。

【図7】アレーアンテナの送受信特性を示す図である。

【図8】アレーアンテナの変調精度を示す図である。

【図9】変形例に係る複数のアンテナ素子を有するアンテナ層の構成を示す図である。

【図10】変形例に係るアレーアンテナの構成を示す斜視図である。

【図11】変形例に係るアンテナユニットの構成を示す図である。

【図12】変形例に係るアンテナユニットの構成を示す断面図である。

【図13】変形例に係るアンテナユニットの構成を示す断面図である。

【図14】変形例に係るアレーアンテナの構成を概念的に示す図である。

【図15】変形例に係るアレーアンテナの構成を概念的に示す図である。

【図16】アンテナ素子の配列間隔と周波数との関係を概念的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

図１及び図２に示されるように、アレーアンテナ１は、アンテナ層３が２層以上に積層されたアンテナ部２を備える。アンテナ層３は、例えば、プリント基板３Ａ上にパターン化された電子回路により形成されている。プリント基板３Ａは、例えば、絶縁性及び可撓性を有する樹脂製のフィルム状材料により形成されている。プリント基板３Ａは、例えば、フレキシブル液晶ポリマー（Liquid Crystal Polymer：ＬＣＰ）を用いた液晶ポリマー基板により形成されている。液晶ポリマー基板は、フレキシブルプリント基板材料の一種であり、高周波での損失が少なく、５Ｇ向け等の用途に利用されている。プリント基板３Ａは、例えば、５０μｍの厚さに形成され、所定の誘電率（εｒ＝３）を有する。

【0028】

アンテナ層３は、例えば、プリント基板３Ａの一面側に設けられた送受信部４と、送受信部に隣接して配置されたアンテナ素子５とを有する。アンテナ素子５は、例えば、矩形のプリント基板３Ａの４辺のうち、電波放射面となる１辺側に沿って１つ形成されている。

【0029】

送受信部４は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary metal-oxide-semiconductor）を用いたＩＣ（Integrated Circuit）チップにより形成されている。送受信部４は、例えば、プリント基板３Ａの面方向に沿って１．７ｍｍ×２．４５ｍｍ、厚さ方向に５０～３００μｍのサイズに形成されている。送受信部４は、例えば、プリント基板３Ａの一面側において、アンテナ素子５に隣接して設けられている。送受信部４は、例えば、同じ回路において送信と受信とを切り替えて利用可能な双方向回路に形成されている。

【0030】

送受信部４は、例えば、アンテナ素子５において送受信される信号の位相を調整する位相調整部４Ａと、送受信信号を増幅するアンプ４Ｂと、送受信する信号の周波数を変調する周波数変調部４Ｃと、入力された信号の周波数を整数倍（例えば、４倍）して出力する回路を有する逓倍部４Ｄと、異なる周波数の信号を１つの信号に合成して出力する混合部４Ｅと、位相調整部４Ａを制御して放射される電磁波のビームの方向を制御する制御部４Ｆとを備える。

【0031】

送受信部４の各構成要素の詳細な内容は、例えば、特許文献１を参照することができる。送受信部４は、上記の回路構成だけでなく、例えば、ダイレクトコンバージョン方式（Zero-IF）等の他の回路構成が採用されてもよい。アレーアンテナ１におい送受信部４は、少なくとも位相調整部４Ａを備えていればよい。送受信部４は、アンテナ素子５に電気的に接続されている。

【0032】

アンテナ素子５は、送受信部４において生成された信号を電磁波として送信し、到来した電磁波を受信する。アンテナ素子５は、プリント基板３Ａ（アンテナ層３）の表面上にエッチング処理等を用いて銅箔等の金属薄膜によりパターン化されて形成されている。アンテナ素子５は、例えば、プリント基板３Ａの面方向に略平行な平板状のホーンアンテナに形成されている。アンテナ素子５は、対向して形成された一対の第１アンテナ部材５Ａと第２アンテナ部材５Ｂとを有するビバルディアンテナである。

【0033】

図３に示されるように、第１アンテナ部材５Ａは、プリント基板３Ａの一面側に形成されている。第１アンテナ部材５Ａは、プリント基板３Ａの一面側を平面視して、第２アンテナ部材５Ｂに対向する縁側において電波放射方向となる先端方向に向かうほど幅が減少するテーパ形状に形成されている。テーパ形状は、例えば、放物線状に形成されている。第１アンテナ部材５Ａの後端は、配線層を介して一面側に設けられた送受信部４に電気的に接続されている。第１アンテナ部材５Ａに対向して形成された第２アンテナ部材５Ｂは、アンテナ層３の他面側に形成されている。

【0034】

図４に示されるように、第２アンテナ部材５Ｂは、アンテナ層３の他面側を平面視して、第１アンテナ部材５Ａに対向する縁側において電波放射方向となる先端方向に向かうほど幅が減少するテーパ形状に形成されている。テーパ形状は、例えば、放物線状に形成されている。第２アンテナ部材５Ｂの後端は、プリント基板３Ａを貫通した配線層を介して一面側に設けられた送受信部４に電気的に接続されている。

【0035】

アンテナ素子５において、対向して配置された第１アンテナ部材５Ａと第２アンテナ部材５Ｂとの間に形成された空間５Ｓには、第１アンテナ部材５Ａと第２アンテナ部材５Ｂとの間に電位が加えられた際に電界が発生し、発生した電界の直交方向に磁界が発生することで電磁波の放射スロットとして機能する。アンテナ素子５は、ビバルディ型の他、同様に電磁波を送受信することができるのであれば他の形状に形成されていてもよい。アンテナ素子５と送受信部４とは、損失を低減するため、なるべく接近して配置されていることが望ましい。

【0036】

上記構成により、アンテナ層３の面方向に沿って送受信部４とアンテナ素子５とが形成されている。複数のアンテナ層３は、アンテナ素子５の位置が積層方向（ｙ方向）に揃えられて積層される。これにより、複数のアンテナ層３が積層されたアンテナ部２が構成される。アンテナ部２は、アンテナ素子５の電波放射方向（ｘ方向）に沿って見てアンテナ層３の積層方向において複数のアンテナ素子５が配列された電波放射面が形成される。

【0037】

図５に示されるように、アンテナ部２は、例えば、４層に積層されたアンテナ層３により構成されている。上記アンテナ部２の構成は１例であり、アンテナ層３は、送受信する電波強度に応じて４層以上、４層以下に積層されていてもよい。アンテナ部２において、積層方向に隣接する一対のアンテナ層３の間には、絶縁層６が設けられている。アンテナ層３と、隣接するアンテナ層３との間には、離間する距離を調整する絶縁層６が形成されている。

【0038】

絶縁層６は、板状の絶縁体により形成されている中間層である。絶縁層６は、例えば、布状のガラス繊維のシート体を積層し、エポキシ樹脂を含侵させて熱硬化させて形成されるプリント基板である（例えば、ＦＲ４）。絶縁層６には、アンテナ素子５及び送受信部４を収容するための切欠き部６Ａ（図３及び図４参照）が設けられている。切欠き部６Ａが形成されていることにより、絶縁層６の誘電率がアンテナ素子５の電磁波の送受信に影響を与えることが防止される。絶縁層６において切欠き部６Ａは必ずしも形成しなくてもよい。この場合、絶縁層６の誘電率を考慮してアンテナ素子５の配列パターンの設計が調整される。

【0039】

絶縁層６とプリント基板３Ａとの間は、接着層（不図示）により接着されている。接着層は、例えば、融点が低いフィルム状の熱硬化性樹脂により形成されている。接着層は、プリント基板３Ａと絶縁層６とを交互に積層した後、加熱することにより硬化する。接着層は、硬化時に厚みが変化するので、変化後の厚みを考慮して材料が選択される。これにより、プリント基板３Ａと絶縁層６とが積層されたアンテナ部２が形成される。接着層の誘電率は、絶縁層６の誘電率と略同一となるように材料が選択される。

【0040】

アンテナ部２は、絶縁層６及び硬化後の接着層の厚みにより積層方向に隣接する一対のアンテナ素子５の間隔が調整されている。絶縁層６及び硬化後の接着層の厚さは、例えば、積層方向に配列されたアンテナ素子５の設計上の間隔に応じて選択、調整される。

【0041】

アンテナ部２において例えば、２６０ＧＨｚ帯の周波数の電波が放射される場合、複数のアンテナ層３の積層方向において隣接するアンテナ素子５の間隔は、放射する電磁波の１／２波長分の０．７ｍｍ程度に配置される。即ち、この場合アンテナ部２において複数のアンテナ層３は、０．７ｍｍ程度の間隔において積層される。複数のアンテナ層３の積層方向の間隔は、絶縁層６の厚さにより調整される。

【0042】

実装例において、アンテナ部２の積層方向において、プリント基板３Ａの厚さが５０μｍ、送受信部４の厚さが５０～３００μｍ、第１アンテナ部材５Ａ及び第２アンテナ部材５Ｂの厚さが１５μｍに形成されている。

【0043】

図６に示されるように、アレーアンテナ１は、複数のアンテナ素子５から放射される電磁波によりアンテナ部２の電波放射面から指向性を有するビームＢを形成することができる。アレーアンテナ１は、各アンテナ層３に設けられた送受信部４において隣接するアンテナ素子５から放射される電磁波の位相を順次遅延することにより、ビームの方向を２次元平面において任意に調整することができる。アンテナ部２から送受信される信号は、例えば、ＱＰＳＫ（quadraphase-shift keying）、１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）等のデジタル変調波を用いることができる。アンテナ部２から送受信される信号は、他の変調方式が用いられてもよく、ＱＡＭは、１６値以上であってもよい。

【0044】

以下、４個のアンテナ素子が０．７ｍｍ間隔で積層されたアレーアンテナ１の送受信に関する特性の測定結果を示す。

【0045】

図７には、横軸のＩＦ（Intermediate Frequency：中間周波数）周波数に対する送信モードの電力、受信モードの変換ゲインが示されている。図示するように、アレーアンテナ１によれば、所定の特性が得られている。

【0046】

図８には、横軸の送信モードの電力に対する変調精度が送信のエラーベクトル振幅（Error Vector Magnitude：ＥＶＭ）により示されている。エラーベクトルは、理想的な信号のＩＱ平面におけるシンボル位置と、送受信部４において復調された信号のシンボル位置とのずれをベクトルにより示すものである。エラーベクトル振幅は、エラーベクトルの大きさと理想的なシンボル位置のベクトルとの大きさとの比である。図示するように、アレーアンテナ１によれば、送信信号の電力の増加に従って変調精度が向上した。

【0047】

［変形例］
以下、変形例にかかるアレーアンテナについて説明する。以下の説明では、上記の構成要素と同一の構成要素については同一の名称、符号を用い重複する説明については適宜省略する。アンテナ部２は、電波の送受信強度の増加や、更なる高周波化に対応するためにアンテナ素子５を増加して構成されてもよいし、高密度化するように構成されてもよい。

【0048】

図９に示されるように、変形例に係るアンテナ層３Ｈには、プリント基板３Ａ上の配列方向（ｚ方向）においてｎ個（ｎは２以上の整数）の送受信部４と各送受信部４に対応したｎ個のアンテナ素子５が形成されている。本事例では、アンテナ層３Ｈにおいて送受信部４及びアンテナ素子５は、プリント基板３Ａの配列方向にそれぞれ４個形成されている。プリント基板３Ａにおいて複数のアンテナ素子５は、電波放射方向に対して直交する配列方向に列状に配列されている。アンテナ層３Ｈにおいてｎ個の送受信部４は、１個のＣＭＯＳチップにより一体に形成されていてもよい。

【0049】

図１０に示されるように、変形例に係るアンテナ部２Ｈは、ｍ個（ｍは２以上の整数）のアンテナ層３Ｈが積層方向（ｙ方向）に積層されて形成されている。即ち、アンテナ部２Ｈは、信号を送受信する送受信部４と送受信部４に隣接して配置された１つ以上のアンテナ素子５とが形成されたアンテナ層３Ｈを備え、アンテナ層３Ｈは、２層以上に積層されている。る。本事例では、アンテナ部２Ｈにおいてアンテナ層３Ｈは、積層方向に４つ積層されている。

【0050】

アンテナ部２Ｈには、複数のアンテナ素子５の配列方向と複数のアンテナ層３Ｈの積層方向において電波放射面が形成されている。アンテナ部２Ｈの電波放射面には、ｎ×ｍ個の複数のアンテナ素子５がマトリクス状に配置されている。本事例では、４×４個のアンテナ素子５が配置されている。

【0051】

アンテナ部２Ｈによれば、複数のアンテナ素子５から指向性を有するビームが放射される。送受信部４において、複数のアンテナ素子５の配列方向と複数のアンテナ層３Ｈの積層方向において配列されている各アンテナ素子５の位相を個別に調整することにより、２次元方向だけでなく、３次元方向にビームの方向を制御するアレーアンテナを構成することができる。

【0052】

アンテナ部２Ｈを有するアレーアンテナを一つのアンテナユニットとして構成し、アンテナユニットを更に配列方向及び積層方向に任意の個数を配列することで、送受信のアンテナ特性を向上させたアレーアンテナを構成することができる。例えば、基地局においては、所望の電波送信強度に応じて任意の個数のアンテナユニットを配列方向及び積層方向に配置したアレーアンテナを構成することができる。スマートフォン等の移動局においては、本体部の厚み等の設計条件に応じたアンテナユニットを実装することができる。

【0053】

図１１（１）に示されるように、アンテナ層３Ｈは、より高周波の信号の送受信に対応する場合、アンテナ素子５を小型化して形成し、隣接するアンテナ素子同士の間隔を狭めて配置してもよい。しかし、送受信部４は、アンテナ素子５に隣接されているため、送受信部４のＣＭＯＳチップの隣接する方向の幅の大きさに起因し、隣接するアンテナ素子同士の間隔を狭められる限界が存在する場合がある。

【0054】

図１１（２）に示されるように、積層方向に沿って見て、アンテナ層３Ｈにおいて隣接する一対のアンテナ素子５の間には、隣接するアンテナ層に形成されたアンテナ素子５を配置してもよい。即ち、隣接するアンテナ層３Ｈをアンテナ素子５の配列方向にオフセットして配置することで、複数のアンテナ素子５の配列方向において、隣接するアンテナ素子５同士の間隔を狭めてもよい。上記構成により、更なる高周波化に対応したアレーアンテナを構成することができる。

【0055】

図１２に示されるように、アレーアンテナ１Ａにおいては、隣接するアンテナ層３Ｈの対向する面同士にアンテナ素子５を配置してもよい。上記構成のように隣接するアンテナ層３Ｈによりアンテナユニット３Ｕを構成し、平面方向に高密度に複数のアンテナ素子５が配置されたアレーアンテナを形成してもよい。更に、このアンテナユニット３Ｕを積層することで複数のアンテナ素子５が電波放射面において高密度に２次元に配置されたアンテナ部を形成してもよい。上記構成により、送受信部４の配置間隔Ｌに比して半分の間隔においてアンテナ素子５を配置することができ、更なる高周波化に対応したアレーアンテナを構成することができる。

【0056】

図１３に示されるように、上述のアンテナユニット３Ｕの構成だけでなく、１つのプリント基板３Ａにアンテナ素子５を配列し、両面側に送受信部４を設けてアンテナユニット３Ｕを形成してもよい。これにより、アンテナ層３Ｈは、複数のアンテナ素子５の配列方向において、送受信部４の配置間隔Ｌに比して半分の間隔においてアンテナ素子５を配置することができ、隣接するアンテナ素子５同士の間隔を狭めることができる。上記の通り両面に送受信部４が実装されたアンテナ層３Ｈにより、平面方向に高密度に複数のアンテナ素子５が配置されたアンテナユニット３Ｕを構成してもよい。

【0057】

上述したアンテナユニット３Ｕを複数個積層することで、複数のアンテナ素子５が電波放射面において高密度に２次元に配置されたアンテナ部を形成することができる。そして、このアンテナ部を用いて、更なる高周波化に対応したアレーアンテナを構成することができる。

【0058】

アンテナ層３Ｈにおいて隣接する一対のアンテナ素子５の間には、積層方向に沿って見て、隣接するアンテナ層３Ｈに形成されたアンテナ素子５だけでなく、隣接するアンテナ層３Ｈに更に隣接するアンテナ層３Ｈに形成されたアンテナ素子５を配置してもよい。

【0059】

図１４に示されるように、積層方向（ｙ方向）に沿って見て、アンテナ層３Ｈにおいて隣接する一対のアンテナ素子５の間には、積層方向に隣接する２個以上のアンテナ層３Ｈを利用して２個以上のアンテナ素子５を配置するようにしてもよい。上記構成により、更なる高周波化に対応したアレーアンテナを構成することができる。

【0060】

上記のように配置された隣接する２個以上のアンテナ層３Ｈにより１つのアンテナユニット３Ｕを構成し、平面方向に高密度に複数のアンテナ素子５が配置されたアレーアンテナを形成してもよい。更に、このアンテナユニット３Ｕを積層することで複数のアンテナ素子５が電波放射面において高密度に２次元に配置されたアンテナ部２を形成してもよい。上記のように配置されたアンテナユニット３Ｕは、各アンテナ層３Ｈが等間隔に配置されていてもよい。

【0061】

上記の変形例によれば、送受信部４のＣＭＯＳチップの大きさに起因し、隣接するアンテナ素子同士の間隔に限界が存在する場合でも、隣接するアンテナ層３Ｈをオフセットして配置することにより、複数のアンテナ素子５を電波放射面において高密度に配置することができる。上記の変形例に係るアレーアンテナよれば、１００ＧＨｚ以上の周波数帯の無線通信に対応することができる。

【0062】

図１５に示されるように、アレーアンテナのアンテナ部２において複数のアンテナ素子５は、設計上の条件に応じて適宜変更されてもよく、電波放射面において格子状に配置されるだけでなく、菱形等に配置されてもよい。

【0063】

上述した実施形態のアレーアンテナによれば、１つ以上のアンテナ素子５が形成されたアンテナ層を積層することにより、隣接するアンテナ素子同士を高密度に配置し１００ＧＨｚ以上の周波数帯の無線通信に対応可能なアンテナ部を形成することができる。実施形態のアレーアンテナによれば、アンテナ層に１つ以上のアンテナ素子を形成し、アンテナ層を積層する簡便な構成によりアンテナ部を形成することができる。実施形態のアレーアンテナによれば、既存の半導体の製造技術を適用して安価に大量に製造できる。

【0064】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。例えば、上記実施形態においては、アンテナ部２においてアンテナ層３と絶縁層６とを別体に形成するものを例示しているが、アンテナ層３と絶縁層６とを多層基板として一体に形成してもよい。また、アンテナ部２において積層された複数のアンテナ層３は、多層基板として一体に形成してもよい。

【符号の説明】

【0065】

１、１Ａ アレーアンテナ
２、２Ｈ アンテナ部
３、３Ｈ アンテナ層
３Ａ プリント基板
３Ｕ アンテナユニット
４ 送受信部
４Ａ 位相調整部
４Ｂ アンプ
４Ｃ 周波数変調部
４Ｄ 逓倍部
４Ｅ 混合部
４Ｆ 制御部
５ アンテナ素子
５Ａ 第１アンテナ部材
５Ｂ 第２アンテナ部材
５Ｓ 空間
６ 絶縁層
６Ａ 切欠き部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】