特許 7596838 アンテナ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-02

(45)【発行日】2024-12-10

(54)【発明の名称】アンテナ装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 13/08 20060101AFI20241203BHJP

   H01Q 13/22 20060101ALI20241203BHJP

   H01Q 21/08 20060101ALI20241203BHJP

   H01Q 1/50 20060101ALI20241203BHJP

【ＦＩ】

H01Q13/08

H01Q13/22

H01Q21/08

H01Q1/50

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021023685

(22)【出願日】2021-02-17

(65)【公開番号】P2022125863

(43)【公開日】2022-08-29

【審査請求日】2023-10-09

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２８年度、国立研究開発法人情報通信研究機構「高度通信・放送研究開発委託研究／（研究開発課題名）」、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【氏名又は名称】矢作 和行

(74)【代理人】

【識別番号】100121991

【弁理士】

【氏名又は名称】野々部 泰平

(74)【代理人】

【識別番号】100145595

【弁理士】

【氏名又は名称】久保 貴則

(72)【発明者】

【氏名】李 政彦

【審査官】白井 亮

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－３０３６１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－００５６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２６７１５２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０８－１５４００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１９５９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２０４４９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３３４４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１８６４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０４８０２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ １３／０８

Ｈ０１Ｑ １３／２２

Ｈ０１Ｑ ２１／０８

Ｈ０１Ｑ １／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘電体を含む基材（２１）と、前記基材に配置された導体（２２）と、を有する基板（２０）と、
前記導体の一部として前記基材に配置され、上壁部（３１）と、前記基材の板厚方向において前記上壁部と対向する下壁部（３２）と、前記上壁部と前記下壁部とに連なる側壁部（３３）と、を有する導波管（３０）と、
前記導体の一部として前記基材に配置され、前記板厚方向において前記上壁部に対向するように、アレイ状に配置された複数のパッチ部（４１）と、前記パッチ部から前記板厚方向に延設され、前記パッチ部に対して個別に設けられた複数の給電線（４２）と、前記パッチ部に対して個別に設けられ、前記パッチ部と前記上壁部とを電気的に接続する複数の短絡部（４３）と、を有するアンテナ（４０）と、
前記導体の一部として前記基材に配置され、前記導波管のインピーダンスと前記アンテナのインピーダンスとを整合させるために、前記パッチ部に対して個別に設けられた整合部（５０）と、を備え、
前記上壁部は、前記給電線に対して個別に形成された複数の開口部（３４）を有し、
前記給電線のそれぞれは、対応する前記開口部を通じて前記導波管の内部まで延設されており、
前記整合部は、前記下壁部と対向するように、前記パッチ部から離れた位置で前記給電線に接続された内層パターン（５１、５２、５３）を含み、
前記内層パターンは、前記板厚方向において、前記上壁部と前記下壁部との間に配置された第１内層パターン（５１）を含み、
前記整合部は、前記第１内層パターンと、前記導波管内に配置され、前記内層パターンに接続された第２ビア導体（５５）と、を含み、前記下壁部の内面に接続されて前記内面から所定の高さを有している、アンテナ装置。

【請求項2】

誘電体を含む基材（２１）と、前記基材に配置された導体（２２）と、を有する基板（２０）と、
前記導体の一部として前記基材に配置され、上壁部（３１）と、前記基材の板厚方向において前記上壁部と対向する下壁部（３２）と、前記上壁部と前記下壁部とに連なる側壁部（３３）と、を有する導波管（３０）と、
前記導体の一部として前記基材に配置され、前記板厚方向において前記上壁部に対向するように、アレイ状に配置された複数のパッチ部（４１）と、前記パッチ部から前記板厚方向に延設され、前記パッチ部に対して個別に設けられた複数の給電線（４２）と、前記パッチ部に対して個別に設けられ、前記パッチ部と前記上壁部とを電気的に接続する複数の短絡部（４３）と、を有するアンテナ（４０）と、
前記導体の一部として前記基材に配置され、前記導波管のインピーダンスと前記アンテナのインピーダンスとを整合させるために、前記パッチ部に対して個別に設けられた整合部（５０）と、を備え、
前記上壁部は、前記給電線に対して個別に形成された複数の開口部（３４）を有し、
前記給電線のそれぞれは、対応する前記開口部を通じて前記導波管の内部まで延設されており、
前記整合部は、前記下壁部と対向するように、前記パッチ部から離れた位置で前記給電線に接続された内層パターン（５１、５２、５３）を含み、
前記内層パターンは、前記開口部に配置された第２内層パターン（５２）を含む、アンテナ装置。

【請求項3】

前記内層パターンは、前記板厚方向において、前記パッチ部と前記上壁部との間に配置された第３内層パターン（５３）を含む、請求項２に記載のアンテナ装置。

【請求項4】

誘電体を含む基材（２１）と、前記基材に配置された導体（２２）と、を有する基板（２０）と、
前記導体の一部として前記基材に配置され、上壁部（３１）と、前記基材の板厚方向において前記上壁部と対向する下壁部（３２）と、前記上壁部と前記下壁部とに連なる側壁部（３３）と、を有する導波管（３０）と、
前記導体の一部として前記基材に配置され、前記板厚方向において前記上壁部に対向するように、アレイ状に配置された複数のパッチ部（４１）と、前記パッチ部から前記板厚方向に延設され、前記パッチ部に対して個別に設けられた複数の給電線（４２）と、前記パッチ部に対して個別に設けられ、前記パッチ部と前記上壁部とを電気的に接続する複数の短絡部（４３）と、を有するアンテナ（４０）と、
前記導体の一部として前記基材に配置され、前記導波管のインピーダンスと前記アンテナのインピーダンスとを整合させるために、前記パッチ部に対して個別に設けられた整合部（５０）と、を備え、
前記上壁部は、前記給電線に対して個別に形成された複数の開口部（３４）を有し、
前記給電線のそれぞれは、対応する前記開口部を通じて前記導波管の内部まで延設されており、
前記整合部は、前記下壁部と対向するように、前記パッチ部から離れた位置で前記給電線に接続された内層パターン（５１、５２、５３）を含み、
前記内層パターンは、前記板厚方向において、前記パッチ部と前記上壁部との間に配置された第３内層パターン（５３）を含む、アンテナ装置。

【請求項5】

前記内層パターンは、前記板厚方向において、前記上壁部と前記下壁部との間に配置された第１内層パターン（５１）を含む、請求項２～４いずれか１項に記載のアンテナ装置。

【請求項6】

前記整合部は、前記第１内層パターンと、前記導波管内に配置され、前記内層パターンに接続された第２ビア導体（５５）と、を含み、前記下壁部の内面に接続されて前記内面から所定の高さを有している、請求項５に記載のアンテナ装置。

【請求項7】

前記給電線のそれぞれは、第１ビア導体（４２０）を含む、請求項１～６いずれか１項に記載のアンテナ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この明細書における開示は、アンテナ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、アレイアンテナと導波管が、同一の基板に形成されたアンテナ装置を開示している。アレイアンテナへの給電は、ストリップラインを用いている。ライン先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－５１６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ミリ波帯など帯域が高くなると、ストリップラインからの放射量が増えることで放射損が増加する。また、ストリップラインの電波伝搬のために基板の板厚方向に形成される電界の、基板内に広がる量が増えるため、誘電損失が増加する。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、アンテナ装置にはさらなる改良が求められている。

【0005】

開示されるひとつの目的は、利得を向上しつつ、損失を低減できるアンテナ装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

ここに開示されたアンテナ装置は、
誘電体を含む基材（２１）と、基材に配置された導体（２２）と、を有する基板（２０）と、
導体の一部として基材に配置され、上壁部（３１）と、基材の板厚方向において上壁部と対向する下壁部（３２）と、上壁部と下壁部とに連なる側壁部（３３）と、を有する導波管（３０）と、
導体の一部として基材に配置され、板厚方向において上壁部に対向するように、アレイ状に配置された複数のパッチ部（４１）と、パッチ部から板厚方向に延設され、パッチ部に対して個別に設けられた複数の給電線（４２）と、パッチ部に対して個別に設けられ、パッチ部と上壁部とを電気的に接続する複数の短絡部（４３）と、を有するアンテナ（４０）と、
導体の一部として基材に配置され、導波管のインピーダンスとアンテナのインピーダンスとを整合させるために、パッチ部に対して個別に設けられた整合部（５０）と、を備え、
上壁部は、給電線に対して個別に形成された複数の開口部（３４）を有し、
給電線のそれぞれは、対応する開口部を通じて導波管の内部まで延設されており、
整合部は、下壁部と対向するように、パッチ部から離れた位置で給電線に接続された内層パターン（５１、５２、５３）を含む。
開示のひとつにおいて、内層パターンは、板厚方向において、上壁部と下壁部との間に配置された第１内層パターン（５１）を含み、
整合部は、第１内層パターンと、導波管内に配置され、内層パターンに接続された第２ビア導体（５５）と、を含み、下壁部の内面に接続されて内面から所定の高さを有している。
開示の他のひとつにおいて、内層パターンは、開口部に配置された第２内層パターン（５２）を含む。
開示の他のひとつにおいて、内層パターンは、板厚方向において、パッチ部と上壁部との間に配置された第３内層パターン（５３）を含む。

【0007】

開示されたアンテナ装置によれば、基板に、導波管、アンテナ、および整合部が形成されている。アンテナは、アレイ状に配置された複数のパッチ部を有しており、利得を向上することができる。また、給電線は、パッチ部から開口部を通じて導波管の内部まで延設されている。給電線は、ストリップラインのように板厚方向に対して直交する方向に延びるのではなく、パッチ部から板厚方向に延設されている。よって、ミリ波帯などの高周波帯域でも、給電線からの放射を抑制、つまり放射損失を抑制することができる。また、マイクロストリップラインのように電波伝搬のための板厚方向の電界形成による給電ではないので、基板内に広がる電界量が少なく、給電線による誘電損失を抑制することができる。この結果、損失を低減できるアンテナ装置を提供することができる。

【0008】

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係るアンテナ装置の一例を示す斜視図である。

【図2】図１のII-II線に沿う断面図である。

【図3】図１のIII-III線に沿う断面図である。

【図4】図３の領域IVを拡大した図である。

【図5】４素子の例を示す斜視図である。

【図6】図５に示したアンテナ装置の分解斜視図である。

【図7】４素子の放射特性を示す図である。

【図8】２素子の放射特性を示す図である。

【図9】変形例を示す断面図である。

【図10】第２実施形態に係るアンテナ装置を示す断面図である。

【図11】第３実施形態に係るアンテナ装置を示す断面図である。

【図12】第４実施形態に係るアンテナ装置を示す断面図である。

【図13】第５実施形態に係るアンテナ装置を示す斜視図である。

【図14】放射特性を示す図である。

【図15】第６実施形態に係るアンテナ装置を示す斜視図である。

【図16】放射特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面に基づいて複数の実施形態を説明する。なお、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合せることができる。

【0011】

（第１実施形態）
アンテナ装置は、所定の動作周波数の電波を送信および／または受信するように構成されている。アンテナ装置は、たとえば、８０ＧＨｚ帯の高速無線伝送システムに用いられる。

【0012】

＜アンテナ装置＞
先ず、図１～図４に基づき、アンテナ装置について説明する。図１は、アンテナ装置の一例の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１のII-II線に沿う断面図である。図３は、図１のIII-III線に沿う断面図である。図４は、整合部の構成を示すために、図３に一点鎖線で示す領域IVを拡大した図である。つまり、図１～図３では、整合部５０を簡素化して図示している。図１および図２に示す白抜き矢印は、給電方向を示している。なお、他の図においても、給電方向を白抜き矢印で示す。

【0013】

図１～図４に示すように、アンテナ装置１０は、基板２０と、導波管３０と、アンテナ４０と、整合部５０を備えている。以下においては、基板２０の板厚方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する一方向をＸ方向とする。Ｚ方向およびＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。特に断りのない限り、Ｚ方向から平面視した形状、すなわちＸ方向およびＹ方向により規定されるＸＹ平面に沿う形状を、平面形状と示す。Ｚ方向からの平面視を、単に平面視と示すことがある。

【0014】

基板２０は、基材２１と、導体２２を有している。基板２０は、プリント基板、配線基板と称されることがある。基板２０は、一面２０ａと、一面２０ａとはＺ方向において反対の面である裏面２０ｂを有している。基材２１は、樹脂などの誘電体を含む。基材２１により、誘電体による波長短縮効果が期待できる。基材２１としては、たとえば樹脂のみからなるもの、樹脂とガラス布、不織布などとを組み合わせたもの、セラミックを含むものなどを採用することができる。基材２１は、絶縁基材と称されることがある。基材２１は、たとえば、誘電体を含む絶縁層を多層に積層して構成される。

【0015】

導体２２は、基材２１に配置されている。導体２２は、プリント基板において、一般的な配線技術を用いて形成されている。導体２２は、導体パターンと、ビア導体を含む。導体パターンは、導体層と称されることがある。導体パターンは、基材２１に多層に配置されている。つまり、基板２０は、多層基板である。導体パターンは、銅箔などの金属箔をパターニングして形成されている。ビア導体は、基材２１を構成する絶縁層に形成された貫通孔（ビア）に、めっきなどの導体が配置されてなる。

【0016】

アンテナ装置１０において、基板２０以外の要素は、導体２２の一部として基材２１に配置されている。導波管３０、アンテナ４０、および整合部５０は、導体２２を用いて構成されている。つまり、導波管３０、アンテナ４０、および整合部５０は、基板２０に形成されている。基板２０は、導体２２として、導波管３０、アンテナ４０、および整合部５０の構成要素のみを含んでもよいし、上記した構成要素とは別の回路要素を含んでもよい。

【0017】

導波管３０は、アンテナ４０に給電するための伝送経路である。導波管３０内を、電波が伝搬する。導波管３０は、上記したように、導体２２の一部として基材２１に配置されている。導波管３０は、上壁部３１と、下壁部３２と、側壁部３３を有している。上壁部３１、下壁部３２、および側壁部３３は、基材２１に配置された導体２２の一部である。上壁部３１と下壁部３２とは、Ｚ方向に所定の間隔を有して対向配置されている。

【0018】

本実施形態では、下壁部３２が、基板２０の裏面２０ｂ側の表層パターンによって構成されている。表層パターンとは、基材２１の表層（表面）に配置された導体パターンである。一方、後述する内層パターンとは、基材２１の内部に配置された導体パターンである。上壁部３１は、Ｚ方向において、下壁部３２と後述するパッチ部４１との間に位置している。つまり、上壁部３１は、下壁部３２よりもパッチ部４１に近い位置に配置されている。側壁部３３は、上壁部３１と下壁部３２とに連なっている。このように、導波管３０は、周囲を上壁部３１、下壁部３２、および側壁部３３により囲んだトンネル構造の伝送経路である。導波管３０はＸ方向に延びており、Ｘ方向の一端側から導波管３０に給電される。

【0019】

導波管３０は、略矩形の環状をなしている。このような導波管３０は、矩形導波管と称されることがある。導波管３０の内部には、基材２１が配置されている。導波管３０において、Ｙ方向の開口長さである幅は、Ｚ方向の開口長さである高さよりも長い。導波管３０の幅は、動作周波数の電波の波長λεに対して、０．５×λε以上、１×λε以下の範囲内、つまり１／２波長以上、１波長以下の範囲内で設定されている。波長λεは、誘電体（比誘電率）を考慮した波長である。波長λεは、（３００［ｍｍ／ｓ］／動作周波数［ＧＨｚ］）／基材２１の誘電率の平方根、により求まる。導波管３０の高さについては、１／２波長程度、たとえば０．４×λε～０．６×λεの範囲内で設定されている。このような長さの設定により、導波管３０内を電波が伝播する。

【0020】

導波管３０は、開口部３４を有している。開口部３４は、上壁部３１に形成されている。開口部３４は、上壁部３１をＺ方向に貫通している。開口部３４は、後述する給電線４２を導波管３０の内部まで延設可能とすべく、形成されている。開口部３４は、給電線４２に対して個別に形成されている。開口部３４は、平面視において、対応するパッチ部４１の一部と重なるように形成されている。開口部３４は、給電線４２に接触せず、かつ、導波管３０から電波が漏れ出ない大きさで形成されている。

【0021】

開口部３４は、平面略円形状をなしている。開口部３４の直径Ｄは、下記（１）式より算出することができる。ｄは給電線４２の直径、εは基材２１の比誘電率、Ｚｏは整合部５０にて変換されたインピーダンスである。

【数1】

【0022】

アンテナ４０は、パッチ部４１と、給電線４２と、短絡部４３を有している。アンテナ４０は、上壁部３１（導波管３０）を、アンテナ４０の地板として用いる。上壁部３１は、アンテナ４０の地板として機能する。地板は、図示しない給電回路に接続されて、アンテナ装置１０におけるグランド電位（接地電位）を提供する。上壁部３１は、導波管３０の下壁部３２に開口が設けられ、たとえば標準導波管、同軸ケーブルの外部導体などが電気的に接続されることで、グランド電位を提供する。地板の板面に垂直な方向も、Ｚ方向に略平行である。平面視において、地板の面積は、パッチ部４１の面積よりも大きい。地板は、パッチ部４１を内包する大きさを有している。地板は、アンテナ４０を安定して動作させるための必要な大きさを備えていることが好ましい。

【0023】

パッチ部４１は、放射素子として機能するように、導体２２の一部として基材２１に配置されている。パッチ部４１は、上記した導体パターンを含む。パッチ部４１を構成する導体パターンのＺ方向の配置は、特に限定されない。表層パターンでもよいし、内層パターンでもよい。パッチ部４１は、Ｚ方向において地板、つまり上壁部３１との間に所定の間隔を有するように、上壁部３１に対向配置されている。パッチ部４１は、放射素子、アンテナ素子と称されることがある。平面視において、パッチ部４１の全体が上壁部３１と重なっている。すなわち、パッチ部４１の板面（下面）全体が、Ｚ方向において上壁部３１に対向している。パッチ部４１は、上壁部３１に対して略平行に配置されている。略平行とは、完全に平行に限らない。

【0024】

本実施形態のパッチ部４１は、基板２０の一面２０ａに配置されている。パッチ部４１は、基板２０の一面２０ａ側の表層パターンである。パッチ部４１の基本形状は、平面略正方形である。基本形状は、平面視においてパッチ部４１の外形輪郭である。パッチ部４１は、平面視において外形輪郭を規定する４つの辺を有している。パッチ部４１は、４つの辺の少なくともひとつに、スリットを有してもよい。

【0025】

パッチ部４１は、地板である上壁部３１に対向配置されることで、パッチ部４１の面積や地板との間隔に応じたキャパシタを形成する。パッチ部４１は、短絡部４３が備えるインダクタと対象周波数において並列共振するキャパシタを形成する大きさに形成されている。パッチ部４１の面積は、所望のキャパシタを提供するように、ひいては動作周波数で動作するように、適宜設計される。

【0026】

本実施形態では、一例としてパッチ部４１の基本形状（外形輪郭）を正方形状とするが、その他の構成として、パッチ部４１の平面形状は、円形や、正八角形、正六角形などでもよい。パッチ部４１の基本形状は、互いに直交する２つの直線のそれぞれを対称の軸として線対称な形状、すなわち２方向線対称形状であることが好ましい。２方向線対称形状とは、ある直線を対称の軸として線対称であって、かつ、その直線と直交する他の直線についても線対称な図形を指す。２方向線対称形状とは、たとえば楕円形、長方形、円形（真円）、正方形、正六角形、正八角形、ひし形などが該当する。また、パッチ部４１は、円形、正方形、長方形、平行四辺形など、点対称な図形であることがより好ましい。

【0027】

給電線４２は、パッチ部４１に給電するために、導体２２の一部として基材２１に配置されている。給電線４２は、パッチ部４１に電気的に接続されている。給電線４２は、上記したビア導体を含む。給電方式は、直結給電方式に限定されない。給電線４２とパッチ部４１とを電磁結合させる給電方式を採用してもよい。給電線４２の端部のひとつは、パッチ部４１と電気的に接続されている。パッチ部４１と給電線４２との電気的な接続部分が給電点である。給電線４２は、Ｚ方向に延びている。給電線４２の端部の他のひとつは、導波管３０の内部に配置されている。給電線４２は、パッチ部４１（給電点）から、上壁部３１に形成された開口部３４を通じて、導波管３０の内部まで延設されている。導波管３０から給電線４２に入力された電流は、パッチ部４１に伝搬し、パッチ部４１を励振させる。本実施形態の給電線４２は、Ｚ方向に並んで配置された複数のビア導体によって構成されている。

【0028】

短絡部４３は、地板である上壁部３１とパッチ部４１とを電気的に接続、すなわち短絡するために、導体２２の一部として基材２１に配置されている。短絡部４３は、上記したビア導体を含む。短絡部４３の端部のひとつは上壁部３１に接続され、端部の他のひとつはパッチ部４１に接続されている。短絡部４３は、たとえば平面略円形をなしている。短絡部４３の径や長さを調整することによって、短絡部４３が備えるインダクタの値（インダクタンス）を調整することができる。短絡部４３は、平面視においてパッチ部４１の略中心に接続されている。パッチ部４１の中心は、パッチ部４１の重心に相当する。

【0029】

本実施形態のパッチ部４１は平面略正方形をなしているため、中心とは、パッチ部４１の２つの対角線の交点に相当する。短絡部４３を構成するビア導体の数は特に限定されない。本実施形態では、ひとつのビア導体が短絡部４３を構成している。上壁部３１とパッチ部４１との間に並列配置された複数のビア導体により、短絡部４３を構成してもよい。

【0030】

アンテナ４０は、上記した構成のパッチ部４１、給電線４２、および短絡部４３を、それぞれ複数有している。複数のパッチ部４１は、共通（単一）の上壁部３１に対向配置されている。複数のパッチ部４１は、平面視においてアレイ状に配置されている。図１～図４に示す例では、複数のパッチ部４１が、Ｘ方向に沿って配列されている。具体的には、３つのパッチ部４１が一列に並んでいる。一列に配置されたパッチ部４１の中心の間隔は、０．２５×λε以上、１×λε以下の範囲内、つまり１／４波長以上、１波長以下の範囲内で設定されている。

【0031】

以下では、パッチ部４１の数で素子数を示すことがある。図１～図４では、３素子の例を示している。複数の給電線４２は、パッチ部４１に対して個別に設けられている。給電線４２は、複数のパッチ部４１に個別に給電可能に構成されている。複数の短絡部４３も、パッチ部４１に対して個別に設けられている。つまり、パッチ部４１ごとに、給電線４２および短絡部４３が設けられている。

【0032】

整合部５０は、導波管３０のインピーダンスとアンテナ４０のインピーダンスとを整合させる。整合部５０は、導波管３０とアンテナ４０との間でインピーダンスを変換するため、変換部と称されることがある。たとえば、導波管３０のインピーダンスは１００Ω以上、アンテナ４０のインピーダンスは５０～７５Ωである。整合部５０は、たとえば導波管３０とアンテナ４０の中間のインピーダンスに変換する。整合部５０は、導波管３０のインピーダンスをアンテナ４０のインピーダンスとほぼ等しい値まで変換してもよい。

【0033】

整合部５０も、導体２２の一部として基材２１に配置されている。整合部５０は、パッチ部４１、つまり放射素子に対して、個別に設けられている。本実施形態の整合部５０は、導波管３０の内部に配置されている。図４に示すように、整合部５０は、内層パターン５１と、ビア導体５５を含む。内層パターン５１が第１内層パターンに相当し、ビア導体５５が第２ビア導体に相当する。

【0034】

内層パターン５１は、下壁部３２と対向するように、パッチ部４１から離れた位置で、給電線４２に接続されている。内層パターン５１は、導波管３０の内部に配置されている。内層パターン５１は、Ｚ方向において、上壁部３１と下壁部３２との間に位置している。ビア導体５５の端部のひとつは下壁部３２を構成する導体パターンに接続され、端部の他のひとつは内層パターン５１に接続されている。このように、整合部５０は、下壁部３２の内面３２ａに接続され、内面３２ａから所定の高さを有している。内層パターン５１と下壁部３２との間に介在するビア導体５５の個数は特に限定されない。ひとつのみが配置されてもよいし、複数が配置されてもよい。本実施形態では、ひとつの内層パターン５１に対して、３つ以上のビア導体５５が配置されている。

【0035】

整合部５０は、給電線４２の先端に接続されている。整合部５０を構成する導体２２は、給電線４２を構成する導体２２に電気的に接続されている。給電線４２、および／または、整合部５０を含む給電線４２は、導波管３０の高さの中心よりも下方まで延設されている。つまり、導波管３０の内部に配置された給電線４２、および／または、整合部５０を含む給電線４２は、１／４波長以上の長さを有している。

【0036】

図５および図６は、アンテナ装置１０のより具体的な構成例を示している。図５は、アンテナ装置１０の斜視図である。図５では、整合部５０を簡素化して図示している。図６は、分解斜視図である。図５および図６では、４素子の例を示している。４つのパッチ部４１は、Ｘ方向に一列で配置されている。基材２１は、３つの絶縁層２１０、２１１、２１２が積層されてなる。導体パターンは、表層パターンであるパッチ部４１および下壁部３２と、内層パターンである上壁部３１および内層パターン５１を有している。つまり、基材２１に４層の導体パターンが配置されている。

【0037】

導波管３０の側壁部３３は、複数のビア導体３３０により構成されている。複数のビア導体３３０は、電波が漏れ出ない間隔で配置されている。複数のビア導体３３０は、Ｘ方向の一端側が給電可能に開口し、他端側が閉じるように配置されている。複数のビア導体３３０は、平面略コの字状（Ｕ字状）に配置されている。ビア導体３３０は、ポストと称されることがある。複数のビア導体３３０により構成された側壁部３３は、ポスト壁と称されることがある。ビア導体３３０よりなる側壁部３３を備えた導波管３０は、ポスト壁導波管と称されることがある。

【0038】

給電線４２は、ビア導体４２０により構成されている。ビア導体４２０が、第１ビア導体に相当する。複数のビア導体４２０が、開口部３４を通じて相互に接続され、給電線４２をなしている。短絡部４３は、ビア導体４３０により構成されている。ビア導体４３０の端部のひとつはパッチ部４１に接続され、端部の他のひとつは、上壁部３１に接続されている。整合部５０は、上記したように、内層パターン５１およびビア導体５５により構成されている。下壁部３２とひとつの内層パターン５１との間には、４つのビア導体５５が介在している。

【0039】

＜アンテナの動作＞
次に、アンテナ４０の動作について説明する。上記したように、アンテナ４０は、互いに対向する地板（上壁部３１）およびパッチ部４１が、短絡部４３によって接続された構造を有している。この構造は、いわゆるマッシュルーム構造であり、メタマテリアルの基本構造と同じである。アンテナ４０は、メタマテリアル技術を応用したアンテナであるため、メタマテリアルアンテナと称されることがある。

【0040】

本実施形態のアンテナ４０は、所望の動作周波数において、０次の共振モードで動作するように設計されているため、０次共振アンテナと称されることがある。メタマテリアルの分散特性のうち、位相定数βがゼロ（０）となる周波数で共振する現象が０次共振である。位相定数βは、伝送線路を伝搬する波の伝搬係数γの虚部である。アンテナ４０は、０次共振が発生する周波数を含む所定帯域の電波を良好に送信および／または受信することができる。

【0041】

アンテナ４０は、概略的には、地板とパッチ部４１との間に形成されるキャパシタと、短絡部４３が備えるインダクタとの、ＬＣ並列共振によって動作する。パッチ部４１は、その中央領域に設けられた短絡部４３で地板に短絡されている。また、パッチ部４１の面積は、短絡部４３が備えるインダクタと所望の周波数（動作周波数）において並列共振するキャパシタを形成する面積となっている。なお、インダクタの値（インダクタンス）は、短絡部４３の各部寸法、たとえば径およびＺ方向長さに応じて定まる。

【0042】

このため、動作周波数の電力が給電されると、インダクタとキャパシタとの間のエネルギー交換によって並列共振が生じ、地板とパッチ部４１との間には、地板に対して垂直な電界が発生する。すなわち、Ｚ方向の電界が発生する。この垂直電界は、短絡部４３からパッチ部４１の縁部に向かって伝搬していき、パッチ部４１の縁部において垂直偏波となって空間を伝搬していく。なお、ここでの垂直偏波とは、電界の振動方向が地板やパッチ部４１に対して垂直な電波を指す。また、アンテナ装置１０は、ＬＣ並列共振により、アンテナ装置１０の外部から到来する垂直偏波を受信する。

【0043】

なお、０次共振は、共振周波数がアンテナサイズによらない。よって、パッチ部４１の一辺の長さを０次共振周波数の１／２波長よりも短くすることができる。たとえば、一辺を１／４波長相当の長さにしても、０次共振を生じさせることができる。一辺を１／４波長より短くすることも可能であるが、たとえばゲイン（アンテナ利得）が低下する。

【0044】

＜指向性およびアンテナ利得＞
図７および図８は、上記した構成のアンテナ装置１０について、電磁界シミュレーションを行った結果を示している。図７は、２素子の例を示している。図８は、図５および図６同様、４素子の例を示している。なお、素子数が異なる点を除けば、その他の条件は、図７および図８とで同じにした。たとえば、動作周波数を８２．３ＧＨｚ、誘電率を３．６とした。

【0045】

図７に示すように、２素子の場合、最大利得は、５．９ｄＢｉであった。図８に示すように、４素子の場合、最大利得は８．６ｄＢｉであった。このように、素子数を増やすことで、アンテナ４０の最大利得が向上した。また、２素子、４素子いずれについても、素子（パッチ部４１）の並び方向であるＸ方向に、指向性を示した。

【0046】

＜第１実施形態のまとめ＞
メタマテリアルアンテナは、単体の利得が低い。このため、利得を向上するには、アレイ化が必要である。メタマテリアルアンテナは、誘電体を含む基板上において、インダクタを構成する短絡部（ビア導体）と、キャパシタを構成する地板およびパッチ部を有して構成される。このような構造のメタマテリアルアンテナをアレイ化するには、ストリップラインを使うことが一般的である。しかし、ストリップラインは、パッチ部との給電点からパッチ部と同一面で延設されており、基板の板厚方向において地板と対向している。このため、ミリ波帯など周波数帯域が高くなると、ストリップラインからの放射量が増えることで放射損が増加する。また、ストリップラインの電波伝搬のために基板の板厚方向に形成される電界の、基板内に広がる量が増えるため、誘電損失が増加する。このように、損失が大きくなる傾向がある。

【0047】

本実施形態では、基板２０に、導波管３０、アンテナ４０、および整合部５０が形成されている。アンテナ４０は、アレイ状に配置された複数のパッチ部４１を有している。アレイ化により、利得を向上することができる。また、給電線４２は、パッチ部４１から、上壁部３１に形成された開口部３４を通じて導波管３０の内部まで延びている。給電線４２は、ストリップラインのようにＺ方向に対して直交する方向に延びるのではなく、パッチ部４１からＺ方向に延びている。よって、ミリ波帯などの高周波帯域でも、給電線４２からの放射を抑制、つまり放射損失を抑制することができる。また、マイクロストリップラインのように電波伝搬のためのＺ方向の電界形成による給電ではないので、基板２０内に広がる電界量が少なく、給電線４２による誘電損失を抑制することができる。この結果、損失を低減できるアンテナ装置１０を提供することができる。

【0048】

また、本実施形態では、給電線４２のそれぞれが、ビア導体４２０を含む。これにより、基板２０において、Ｚ方向に延びる給電線４２が実現できる。また、給電線４２の構成を、簡素化することができる。

【0049】

また、本実施形態では、整合部５０が、導波管３０の内部に配置された内層パターン５１およびビア導体５５を含む。内層パターン５１は、下壁部３２と対向するように、パッチ部４１から離れた位置で給電線４２に接続されている。ビア導体５５は、内層パターン５１に接続されている。そして、整合部５０は、下壁部３２の内面３２ａに接続されて内面３２ａから所定の高さを有している。

【0050】

このように、下壁部３２の内面３２ａから所定高さを有する整合部５０を設けることで、導波管３０の開口面積は、整合部５０の配置部位において非配置部位よりも狭くなる。したがって、導波管３０のインピーダンスを、アンテナ４０のインピーダンスに近い値、または、アンテナ４０のインピーダンスに等しい値に変換することができる。たとえば、導波管３０のインピーダンスを１００Ω、アンテナ４０のインピーダンスを５０Ωとすると、整合部５０のインピーダンスを、７５Ωや５０Ωとすることができる。整合部５０を、基板２０の導体２２の一部によって構成できるため、構成を簡素化することができる。整合部５０を、給電線４２にそれぞれに設けているため、素子のそれぞれと導波管３０との間でインピーダンスを整合させることができる。

【0051】

整合部５０の構成は、上記した例に限定されない。図９に示す変形例では、整合部５０が、図４同様、導波管３０の内部に配置されている。整合部５０は、多段に配置された内層パターン５１およびビア導体５５によって構成されている。具体的には、図４に示した整合部５０に対して、ビア導体５５および内層パターン５１を１段分追加した、２段構造となっている。これによれば、整合部５０の高さをより高くし、導波管３０の開口面積をより小さくすることができる。

【0052】

図９では、パッチ部４１に近い上段の内層パターン５１の面積が、下段の内層パターン５１の面積よりも小さい。これによれば、帯域を広くすることができる。なお、面積とは、平面視した時の面積、つまり下壁部３２との対向面積である。上段と下段との大きさの関係は、上記例に限定されない。たとえば、上段を下段と同一の構成としてもよい。また、整合部５０の段数は、２段に限定されない。３段以上としてもよい。

【0053】

（第２実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、上壁部と下壁部の間に位置する内層パターンおよびビア導体により、整合部を構成した。これに代えて、開口部に位置する内層パターンにより、整合部を構成してもよい。

【0054】

図１０は、本実施形態に係るアンテナ装置１０を示す断面図である。図１０は、図２に対応している。図１０に示すように、整合部５０は、開口部３４に配置された内層パターン５２を含む。内層パターン５２も、下壁部３２と対向するように、パッチ部４１から離れた位置で給電線４２に接続されている。内層パターン５２は、給電線４２の先端ではなく、途中に接続されている。内層パターン５２は、基板２０において、上壁部３１と同一面に配置されている。内層パターン５２が、第２内層パターンに相当する。その他の構成は、先行実施形態に記載の構成と同様である。

【0055】

＜第２実施形態のまとめ＞
上記したように、本実施形態の整合部５０は、内層パターン５２を含む。内層パターン５２を設けることで、導波管３０のインピーダンスに対して、キャパシタが並列、インダクタが直列に接続される。これにより、整合部５０にてインピーダンスを導波管３０よりも小さくし、導波管３０のインピーダンスとアンテナ４０のインピーダンスを整合させることができる。

【0056】

また、内層パターン５２は、上壁部３１と同一面に配置されているため、上壁部３１と共通の工程で形成することができる。つまり、製造工程を簡素化することができる。

【0057】

（第３実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、導波管内に位置する内層パターンにより、整合部を構成した。これに代えて、導波管外に位置する内層パターンにより、整合部を構成してもよい。

【0058】

図１１は、本実施形態に係るアンテナ装置１０を示す断面図である。図１１は、図２に対応している。図１１に示すように、整合部５０は、Ｚ方向においてパッチ部４１と上壁部３１との間に配置された内層パターン５３を含む。内層パターン５３も、下壁部３２と対向するように、パッチ部４１から離れた位置で給電線４２に接続されている。内層パターン５３は、給電線４２の先端ではなく、途中に接続されている。内層パターン５３は、平面視において、開口部３４よりも小さくてもよいし、開口部３４と一致する大きさを有してもよい。さらには、開口部３４よりも大きくてもよい。内層パターン５３が、第３内層パターンに相当する。その他の構成は、先行実施形態に記載の構成と同様である。

【0059】

＜第３実施形態のまとめ＞
上記したように、本実施形態の整合部５０は、内層パターン５３を含む。下壁部３２から離れた位置に整合部５０を設けることで、第２実施形態の構成同様、導波管３０のインピーダンスに対して、キャパシタが並列、インダクタが直列に接続される。これにより、整合部５０にてインピーダンスを導波管３０よりも小さくし、導波管３０のインピーダンスとアンテナ４０のインピーダンスを整合させることができる。

【0060】

（第４実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。整合部は、先行実施形態に示した種々の組み合わせが可能である。

【0061】

図１２は、本実施形態に係るアンテナ装置１０を示す断面図である。図１２は、図２に対応している。図１２に示すように、整合部５０は、図４に示した構成と図１１に示した構成の組み合わせとなっている。つまり、整合部５０は、導波管３０の内部に配置された内層パターン５１およびビア導体５５と、導波管３０の外に配置された内層パターン５３を含む。その他の構成は、先行実施形態に記載の構成と同様である。

【0062】

＜第４実施形態のまとめ＞
図１２に示す構成によれば、整合部５０のうちの内層パターン５１およびビア導体５５により、導波管３０の開口面積が小さくなる。また、整合部５０のうちの内層パターン５３により、導波管３０のインピーダンスにキャパシタおよびインダクタが接続される。この２つの作用により、整合部５０にてインピーダンスを導波管３０よりも小さくし、導波管３０のインピーダンスとアンテナ４０のインピーダンスを整合させることができる。

【0063】

なお、整合部５０は、図１２に示す例以外にも、種々の組み合わせが可能である。たとえば、整合部５０として、図４に示した構成と図１０示した構成の組み合わせを採用してもよい。図１０や図１１との組み合わせにおいて、図４に示した構成に代えて、図９に示した構成を採用してもよいのは言うまでもない。

【0064】

（第５実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。先行実施形態では、パッチ部を一列に配置していた。これに代えて、パッチ部を複数列に配置してもよい。

【0065】

図１３は、本実施形態に係るアンテナ装置１０を示す斜視図である。図１３は、図５に対応している。図１３に示すように、アンテナ４０は、複数の素子列４４を含む。素子列は、アレイ列と称されることがある。具体的には、４つの素子列４４を含む。素子列４４のそれぞれは、６つのパッチ部４１を有している。ひとつの素子列４４を構成する６つのパッチ部４１は、上記した所定の間隔を有して、Ｘ方向に並んで配置されている。Ｘ方向において隣り合う間隔は、各素子列４４において互いに等しくされている。４つの素子列４４は、Ｙ方向に並んで配置されている。複数のパッチ部４１は、格子状に配置されている。

【0066】

導波管３０は、素子列４４に対応して、基板２０に複数設けられている。具体的には、側壁部３３を構成するビア導体３３０によって、４つの導波管３０が区画形成されている。導波管３０のそれぞれは、Ｘ方向に延設されている。４つの導波管３０は、Ｙ方向に並んで配置されている。４つの導波管３０の直上に、素子列４４がそれぞれ配置されている。その他の構成は、先行実施形態に記載の構成と同様である。

【0067】

＜第５実施形態のまとめ＞
図１４は、図１３に示したアンテナ装置１０について、電磁界シミュレーションを行った結果を示している。シミュレーションの条件は、素子数が異なる点を除けば、図７および図８と同じにした。ここでも、動作周波数を８２．３ＧＨｚ、誘電率を３．６とした。

【0068】

図１４に示すように、最大利得は、１３．３ｄＢｉであった。このように、Ｘ方向だけでなく、Ｙ方向にも素子数を増やすことで、アンテナ４０の最大利得がさらに向上した。また、アンテナ４０は、Ｘ方向に指向性を示した。

【0069】

ひとつの素子列４４を構成するパッチ部４１の数は６つに限定されない。また、素子列４４の数も４に限定されない。

【0070】

（第６実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例であり、先行実施形態の記載を援用できる。

【0071】

図１５は、本実施形態に係るアンテナ装置１０を示す斜視図である。図１５は、図１３に対応している。図１５に示すように、アンテナ装置１０は、位相器６０を備えている。位相器６０は、導波管３０に対して個別に設けられている。位相器６０は、アンテナ４０の素子列４４に流す電流の位相を調整する。位相器６０を備えたアンテナ４０は、フェーズドアレイアンテナと称されることがある。

【0072】

導波管３０は、ビア導体３３０によって、Ｘ方向の両端が閉じた構成となっている。それぞれの導波管３０において、下壁部３２には、開口部３５が形成されている。開口部３５は，Ｘ方向において、導波管３０の一端側に形成されている。開口部３５は、下壁部３２をＺ方向に貫通している。位相器６０は、開口部３５を通じて導波管３０に接続されている。その他の構成は、先行実施形態に記載の構成と同様である。

【0073】

＜第６実施形態のまとめ＞
図１６は、図１５に示したアンテナ装置１０について、電磁界シミュレーションを行った結果を示している。図１６は、ＸＹ面に沿う放射指向性を示している。シミュレーションの条件は、図１３と同じにした。図１６には、４つの素子列４４の位相を同位相とした場合、それぞれの位相を１５度ずつずらした場合、それぞれの位相を－１５度ずつずらした場合の結果を示している。

【0074】

図１６に示すように、同位相の場合、メインビームの放射方向は、Ｘ方向である。位相をずらすと、同位相の放射方向を基準として、メインビームの放射方向を左右にずらすことができる。このように、アンテナ４０の各素子列４４に流す電流の位相を調整することにより、ビームを任意方向に向けることができる。

【0075】

（他の実施形態）
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。

【0076】

明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

【0077】

ある要素または層が「上にある」、「連結されている」、「接続されている」または「結合されている」と言及されている場合、それは、他の要素、または他の層に対して、直接的に上に、連結され、接続され、または結合されていることがあり、さらに、介在要素または介在層が存在していることがある。対照的に、ある要素が別の要素または層に「直接的に上に」、「直接的に連結されている」、「直接的に接続されている」または「直接的に結合されている」と言及されている場合、介在要素または介在層は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の言葉は、同様のやり方で（例えば、「間に」対「直接的に間に」、「隣接する」対「直接的に隣接する」など）解釈されるべきである。この明細書で使用される場合、用語「および／または」は、関連する列挙されたひとつまたは複数の項目に関する任意の組み合わせ、およびすべての組み合わせを含む。

【0078】

空間的に相対的な用語「内」、「外」、「裏」、「下」、「低」、「上」、「高」などは、図示されているような、ひとつの要素または特徴の他の要素または特徴に対する関係を説明する記載を容易にするためにここでは利用されている。空間的に相対的な用語は、図面に描かれている向きに加えて、使用または操作中の装置の異なる向きを包含することを意図することができる。例えば、図中の装置をひっくり返すと、他の要素または特徴の「下」または「真下」として説明されている要素は、他の要素または特徴の「上」に向けられる。したがって、用語「下」は、上と下の両方の向きを包含することができる。この装置は、他の方向に向いていてもよく（９０度または他の向きに回転されてもよい）、この明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。

【0079】

上壁部３１と下壁部３２との間に配置される整合部５０として、内層パターン５１およびビア導体５５を含む例を示したが、これに限定されない。内層パターン５１のみを含む構成としてもよい。つまり、整合部５０が、上壁部３１と下壁部３２との間に配置され、かつ、下壁部３２に接続されない構成としてもよい。

【0080】

整合部５０を含む給電線４２が下壁部３２に接続される例を示したが、これに限定されない。上記したように、給電線４２、および／または、整合部５０を含む給電線４２は、導波管３０からの給電のために、導波管３０の高さの中心よりも下方まで延設されていればよい。たとえば、図１０に示した構成において、給電線４２が下壁部３２に接続されない構成としてもよい。

【符号の説明】

【0081】

１０…アンテナ装置、２０…基板、２０ａ…一面、２０ｂ…裏面、２１…基材、２１０、２１１、２１２…絶縁層、２２…導体、３０…導波管、３１…上壁部、３２…下壁部、３２ａ…内面、３３…側壁部、３３０…ビア導体、３４…開口部、４０…アンテナ、４１…パッチ部、４２…給電線、４２０…ビア導体、４３…短絡部、４３０…ビア導体、４４…素子列、５０…整合部、５１、５２、５３…内層パターン、５５…ビア導体、６０…位相器

【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】