JP2013110650A - アンテナ装置用基板及びアンテナ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 基板本体と、基板本体にそれぞれ金属箔でパターン形成された第1〜第4エレメントEL1〜EL4及びグランド面GNDとを備え、第1エレメントEL1が、基端に給電点FPが設けられていると共にアンテナ素子ATを有して延在し、第2エレメントEL2が、第1エレメントに基端が接続されて延在し、第3エレメントが、基端に給電点が接続されて延在し、第4エレメントが、第3エレメントに基端が接続されて延在し、第1エレメントから第4エレメントまでの各エレメントが、隣接するエレメント同士間の浮遊容量と、グランド面との間の浮遊容量とをそれぞれ発生可能に、隣接するエレメント及びグランド面に対して間隔を空けて延在している。
【選択図】図1
Description
例えば、誘電体ブロックによる従来技術としては、特許文献1では、放射電極を樹脂成型体に形成し、さらに誘電体ブロックを接着剤で一体化することで高効率を得る複合アンテナが提案されている。
すなわち、特許文献1に記載のような誘電体ブロックによる技術では、放射電極を励振する誘電体ブロックを使用しており、機器毎に誘電体ブロック、放射電極パターン等の設計が必要になり、その設計条件によってアンテナ性能が劣化したり、不安定要素が増加する不都合がある。また、放射電極が樹脂成型体の表面に形成されているため、樹脂成型体上に放射電極パターンを設計する必要があり、実装する通信機器やその用途に応じて、アンテナ設計、金型設計が必要になり、大幅なコストの増大を招いてしまう。さらに、誘電体ブロックと樹脂成型体とを接着剤で一体化するので、接着剤のQ値以外にも接着条件(接着剤の厚み、接着面積等)により、アンテナ性能が劣化したり、不安定要素が増加する不都合がある。
また、特許文献2に記載のようなスイッチ,制御電圧源を用いたアンテナ装置の場合、スイッチで共振周波数の切り替えを行うために、制御電圧源の構成やリアクタンス回路等が必要であり、アンテナ構成が機器毎に複雑化し、設計の自由度が無く、容易なアンテナ調整が困難であるという問題があった。
また、基板本体の平面内で設計が可能であり、従来の誘電体ブロックや樹脂成型体等を使用する場合に比べて薄型化が可能であると共に、誘電体アンテナであるアンテナ素子の選択によっても、小型化および高性能化が可能になる。また、金型、設計変更等によるコストが必要なく、低コストを実現することができる。
すなわち、このアンテナ装置用基板では、第5延在部のアンテナ素子に対向する部分よりも基端側が、先端側よりも幅広に形成された幅広部とされているので、アンテナ素子と干渉せずに幅広部を確保しつつ幅広部により第5延在部と第3延在部との間の浮遊容量を効果的に発生させ、広帯域化及び小型化を図ることができる。
すなわち、このアンテナ装置用基板では、第1エレメントが、第3延在部の先端からグランド面に向かって延びる第11延在部と、該第11延在部の先端からグランド面に沿って第1延在部に向かって延びる第12延在部とを有しているので、第12延在部と第3延在部との間の浮遊容量と、第12延在部とグランド面との間の浮遊容量とを発生させることができる。
すなわち、このアンテナ装置用基板では、第10延在部の基端側に、グランド面から離間する方向に延在する第13延在部が接続されているので、第13延在部と第7延在部との間の浮遊容量を発生させることができると共に、第13延在部によりグランド面から離間する方向へも高周波電流を分配することができる。また、第10延在部と第13延在部との間にスペースが空くので、この領域に、基板本体のネジ止め固定用のスペース等を確保することもできる。
すなわち、このアンテナ装置用基板では、第8延在部が、スルーホールを介して表面側と接続され基板本体の裏面にパターン形成された第1裏面パターン部を有し、該第1裏面パターン部が、グランド面に向かって幅広に形成されているので、第6延在部に干渉せずに第6延在部との間の浮遊容量を効果的に発生させることができる。また、第1裏面パターン部がグランド面に向かって幅広とされているので、第6延在部に比べインピーダンスも低くなり、第1延在部及び第8延在部との間の浮遊容量により、干渉の影響も少なくできる。
すなわち、このアンテナ装置用基板では、第13延在部が、スルーホールを介して表面側と接続され基板本体の裏面にパターン形成された第2裏面パターン部を有し、該第2裏面パターン部が、グランド面に向かって幅広に形成されているので、第9延在部との間の浮遊容量や第12延在部とのパターン配置によるグランド面との間の浮遊容量を効果的に発生させることができる。
したがって、上記第1裏面パターン部や第2裏面パターン部の採用により、アンテナ占有面積を広げずに更なるアンテナの高性能化及び小型化の両立を図ることが可能になる。
すなわち、このアンテナ装置用基板では、第1グランド接続部及び第2グランド接続部に、それぞれインピーダンス調整用受動素子が接続されているので、開口パターン部の設定と2つのインピーダンス調整用受動素子の設定とにより、各周波数帯のインピーダンス調整を行うことができる。
すなわち、このアンテナ装置では、第1受動素子、第2受動素子、第3受動素子及び第4受動素子が、それぞれ対応する第1接続部、第2接続部、第3接続部及び第4接続部に接続されているので、第1〜第4受動素子を適宜選択するだけで2〜4共振化でき、用途や機器毎に対応した2つから4つの共振周波数で通信が可能である。
すなわち、このアンテナ装置では、第1受動素子が、第1接続部に接続され、第2受動素子,第3受動素子及び第4受動素子のいずれか一つ又は二つが、それぞれ対応する第2接続部,第3接続部及び第4接続部に接続されているので、第2受動素子,第3受動素子及び第4受動素子とのいずれか一つ又は二つを利用しない状態で、2種類の2共振化又は3種類の3共振化が可能である。
すなわち、本発明のアンテナ装置用基板及びこれを備えたアンテナ装置によれば、第1エレメントから第4エレメントまでの各エレメントが、隣接するエレメント同士間の浮遊容量と、グランド面との間の浮遊容量とをそれぞれ発生可能に、隣接するエレメント及びグランド面に対して間隔を空けて延在しているので、複共振化(2〜4共振)させることができる。また、第1〜第4接続部へ接続する第1〜第4受動素子の選択によって、各共振周波数をフレキシブルに調整可能であり、設計条件に応じた2〜4共振化が可能なアンテナ装置を得ることができると共に、小型化および高性能化が可能になる。
したがって、本発明のアンテナ装置用基板及びこれを備えたアンテナ装置は、多様な用途や機器に対応した複共振化が容易に可能になると共に、省スペース化を図ることができる。
なお、グランド面GNDには、RF回路部品等の実装領域が設けられる。また、グランド面GNDは、基板本体2の表面だけでなく裏面にも、表面に対応した同様のパターンで形成されている。
上記第2エレメントEL2は、基端が第1エレメントEL1の給電点FPと第1接続部C1との間に接続され、途中に第2受動素子P2が接続可能な第2接続部C2を有して延在している。
上記第1受動素子P1、第3受動素子P3及び第4受動素子P4は、それぞれ2つの受動素子を組み合わせて用いているが、同じ特性の受動素子を2つ用いてもよいと共に別の特性の受動素子を2つ用いても構わない。また、2つの受動素子の組み合わせではなく、1つの受動素子又は3つ以上の受動素子の組み合わせとしても構わない。
また、第1エレメントEL1は、第3延在部E3の先端からグランド面GNDに向かって延びる第11延在部E11と、該第11延在部E11の先端からグランド面GNDに沿って第1延在部E1に向かって延びる第12延在部E12とを有している。すなわち、第11延在部E11と第12延在部E12とにより、第1エレメントEL1の先端側は折り返されている。なお、第11延在部E11は、幅広な長方形状とされている。
また、上記第5延在部E5のアンテナ素子ATに対向する部分よりも基端側は、先端側よりも幅広に形成された幅広部E5aとされている。
すなわち、第1エレメントEL1と第3エレメントEL3との基端部分(第1延在部E1及び第6延在部E6)とは、互いに給電点FPから逆方向に分かれて延在している。
また、第10延在部E10の基端側には、グランド面GNDから離間する方向に延在する第13延在部E13が接続されている。
上記第13延在部E13は、スルーホールHを介して表面側と接続され基板本体2の裏面にパターン形成された第2裏面パターン部R2を有し、該第2裏面パターン部R2が、グランド面GNDに向かって幅広に形成されている。なお、第2裏面パターン部R2は、基板本体2の端部側でスルーホールHにより表面側の第13延在部E13と接続されている。
上記給電点FPは、同軸ケーブル等の給電手段を介して高周波回路(図示略)の給電点に接続される。この給電手段としては、同軸ケーブル、レセプタクル等のコネクタ、接点が板バネ形状を有する接続構造、接点がピンプローブ形状またはピン形状を有する接続構造、ハンダ付け用のランドを用いた接続構造等の種々の構造が採用可能である。
例えば、給電手段として同軸ケーブルを採用する場合、グランド面GNDの基端側に同軸ケーブルのグランド線が接続されると共に、同軸ケーブルの芯線が給電点FPに接続される。
上記第1受動素子P1〜第6受動素子P6は、例えばインダクタ、コンデンサまたは抵抗が採用される。
上記第1の共振周波数f1は、4つの共振周波数のうち低い周波数帯(例えば、920MHz帯)のものであり、アンテナ素子ATと、第1エレメントEL1(第1延在部E1、第2延在部E2、第11延在部E11及び第12延在部E12)の長さとで決定される。
また、第1の共振周波数f1におけるインピーダンスは、各浮遊容量Ca〜Cdで決定される。
さらに、第1の共振周波数f1の最終的な調整は、第1受動素子P1を用いてフレキシブルに調整可能である。
このように、第1の共振周波数f1については、第1エレメントEL1の長さ及び幅と、第1受動素子P1と、アンテナ素子ATと、上記各浮遊容量との設定により、共振周波数、帯域幅及びインピーダンスをフレキシブルに調整可能である。
また、第3の共振周波数f3における広帯域化は、第1延在部E1、第2延在部E2、第4延在部E4及び第5延在部の長さ及び幅で決定される。
また、第3の共振周波数f3におけるインピーダンスは、各浮遊容量Cd,Cc,Cf,Cgで決定される。
さらに、第3の共振周波数f3の最終的な調整は、第2受動素子P2を用いてフレキシブルに調整可能である。
このように、第3の共振周波数f3については、第1延在部E1,第2延在部E2,第2エレメントEL2の長さ及び幅と、第2受動素子P2と、上記各浮遊容量との設定により、共振周波数、帯域幅及びインピーダンスをフレキシブルに調整可能である。
また、第4の共振周波数f4における広帯域化は、第8延在部E8及び第7延在部E7の長さ及び幅で決定される。
また、第4の共振周波数f4におけるインピーダンスは、各浮遊容量Cd,Cg,Ch,Ciで決定される。
さらに、第4の共振周波数f4の最終的な調整は、第3受動素子P3を用いてフレキシブルに調整可能である。
このように、第4の共振周波数f4については、第3エレメントEL3(第7延在部E7及び第8延在部)の長さ及び幅と、第3受動素子P3と、上記各浮遊容量との設定により、共振周波数、帯域幅及びインピーダンスをフレキシブルに調整可能である。
また、第2の共振周波数f2における広帯域化は、第7延在部E7、第13延在部E13、第10延在部E10及び第9延在部E9の長さ及び幅で決定される。
また、第2の共振周波数f2におけるインピーダンスは、各浮遊容量Cd,Ci,Cj,Ckで決定される。
さらに、第2の共振周波数f2の最終的な調整は、第4受動素子P4を用いてフレキシブルに調整可能である。
このように、第2の共振周波数f2については、第7延在部E7,第13延在部E13,第10延在部E10及び第9延在部E9の長さ及び幅と、第4受動素子P4と、上記各浮遊容量との設定により、共振周波数、帯域幅及びインピーダンスをフレキシブルに調整可能である。
なお、上記の各共振周波数に対して、インピーダンス調整用受動素子である第5受動素子P5及び第6受動素子P6を用いて、最終的なインピーダンス調整をフレキシブルに行うことができる。
本実施形態では、開口パターン部S1が給電点FPの近傍に設けられているが、この開口パターン部S1により、給電点FPから左右の各エレメントへの高周波電流を効果的に流すことができる。
すなわち、開口パターン部S1が無い場合、図6の(b)に示すように、給電点FPからの高周波電流の流れの中で、図中の右側のアンテナエレメント(第3エレメントEL3及び第4エレメントEL4)への流れはスムーズであるが、左側への流れは給電点FPからのエレメントとの容量成分が発生してしまう。これは、図6の(c)に示す配線の場合も同様に、左側への流れがスムーズであるが、右側への流れは給電点FPからのエレメントとの容量成分が発生してしまう。
また、図6の(d)に示すように、開口パターン部S1が無く、中央から接続されるパターンの場合、同様の容量成分は左右両方へ発生してしまい、性能劣化が著しい。
まず、第1裏面パターン部R1では、表面において第6延在部E6と開口パターン部S1とに対する浮遊容量が発生している。
第1裏面パターン部R1を設計する場合、第6延在部E6に浮遊容量が発生しているため、第6延在部E6の延在方向は基板本体2の厚みによっては、浮遊容量を効果的に利用できなくなると共に、第6延在部E6に干渉してしまう場合が存在する。
上記第13延在部E13は、第10延在部E10と組み合わせて直交したパターン配置となっている。この第13延在部E13が水平方向(第10延在部E10の延在方向)のみにパターン配置された場合、グランド面GNDとの間の浮遊容量を考慮して第8延在部E8との間の浮遊容量を設計する必要があるなど、設計の自由度が低下する。このため、更なる小型化が困難となる。
上記第5延在部E5は、アンテナ素子ATとの間の浮遊容量を利用したパターン配置となっているが、全体の小型化を考えた場合、アンテナ領域を少なくすることが必要となり、第5延在部E5とアンテナ素子ATとの配置が重要となる。
第5延在部E5としては、幅を広く設計することが広帯域化に繋がるため理想的であるが、アンテナ領域により、小型化との両立が困難な場合がある。そこで、第5延在部E5の幅は細く設計すると共に、基板本体2の端部に近い場所に設計することが望ましい。
さらに、給電点FPの近傍に、連結パターンL1と第1エレメントEL1と第3エレメントEL3との間で環状の開口パターン部S1が形成されているので、開口パターン部S1内に生じる容量成分Cdによって周辺部品間に発生する容量成分からの悪影響を低減することができると共に、各エレメントに対する高性能化が実現可能である。
また、第10延在部E10の基端側に、グランド面GNDから離間する方向に延在する第13延在部E13が接続されているので、第13延在部E13と第7延在部E7との間の浮遊容量Ciを発生させることができると共に、第13延在部E13によりグランド面GNDから離間する方向へも高周波電流を分配することができる。また、第10延在部E10と第13延在部E13との間にスペースが空くので、この領域に、基板本体2のネジ止め固定用のスペース等を確保することもできる。
したがって、本実施形態のアンテナ装置10では、第1受動素子P1、第2受動素子P2、第3受動素子P3及び第4受動素子P4が、それぞれ対応する第1接続部C1、第2接続部C2、第3接続部C3及び第4接続部C4に接続されているので、第1〜第4受動素子P1〜P4を適宜選択するだけで2〜4共振化でき、用途や機器毎に対応した2つから4つの共振周波数で通信が可能である。
この結果、本発明の実施例では、第1の共振周波数f1から第4の共振周波数f4までの各共振周波数で、図7に示すように、良好なVSWR特性が得られている。
図8の(b)は、1400MHz帯域の第2の共振周波数f2における放射パターン(ZX面)であり、平均電力利得が−1.9dBiであった。
図8の(c)は、1920MHz帯域の第4の共振周波数f4における放射パターン(ZX面)であり、平均電力利得が−0.8dBiであった。
また、アンテナ素子を利用した一番低い周波数帯以外のアンテナエレメント(第1エレメント以外のエレメント)については、使用する周波数帯をフレキシブルに変更、入れ替え可能である。
すなわち、第2受動素子,第3受動素子及び第4受動素子のいずれか一つ又は二つを、それぞれ対応する第2接続部,第3接続部及び第4接続部に接続することで、任意に2共振化又は3共振化を行うことが可能である。
Claims (11)
- 絶縁性の基板本体と、
該基板本体にそれぞれ金属箔でパターン形成された第1エレメント、第2エレメント、第3エレメント、第4エレメント及びグランド面とを備え、
前記第1エレメントが、前記グランド面近傍の基端に給電点が設けられていると共に第1受動素子が接続可能な第1接続部と誘電体アンテナのアンテナ素子とをこの順で有して延在し、
前記第2エレメントが、基端が前記第1エレメントの前記給電点と前記第1接続部との間に接続され途中に第2受動素子が接続可能な第2接続部を有して延在し、
前記第3エレメントが、基端に前記給電点が接続されていると共に途中に第3受動素子が接続可能な第3接続部を有して延在し、
前記第4エレメントが、基端が前記第3エレメントの前記給電点と前記第3接続部との間に接続され途中に第4受動素子が接続可能な第4接続部を有して延在し、
前記第1エレメントから前記第4エレメントまでの各エレメントが、隣接するエレメント同士間の浮遊容量と、前記グランド面との間の浮遊容量とをそれぞれ発生可能に、隣接する前記エレメント及び前記グランド面に対して間隔を空けて延在していることを特徴とするアンテナ装置用基板。 - 請求項1に記載のアンテナ装置用基板において、
基端が前記グランド面に接続されていると共に先端が前記第1エレメントの前記第2エレメントとの接続部分よりも基端側に接続された第1グランド接続部と、
基端が前記第1グランド接続部が接続された位置から離間して前記グランド面に接続されていると共に先端が前記第3エレメントの前記第4エレメントとの接続部分よりも基端側に接続された第2グランド接続部と、
前記第1エレメントの前記第1グランド接続部の接続部分よりも先端側と前記第3エレメントの前記第2グランド接続部の接続部分よりも先端側とを連結して延在する連結パターンとを備え、
前記給電点の近傍に、前記連結パターンと前記第1エレメントと前記第3エレメントとの間で環状の開口パターン部が形成されていることを特徴とするアンテナ装置用基板。 - 請求項1又は2に記載のアンテナ装置用基板において、
前記第1エレメントが、前記グランド面に沿った方向の一方に前記給電点から延びる第1延在部と、該第1延在部の先端から前記グランド面から離間する方向に延在する第2延在部と、該第2延在部の先端から前記第1接続部を介して前記グランド面に沿った方向へ延びて同方向に延在する前記アンテナ素子が接続された第3延在部とを有し、
前記第2エレメントが、前記第2延在部の先端から前記第2接続部を介して該第2延在部と同方向に延在した第4延在部と、該第4延在部の先端から前記アンテナ素子側へ前記第3延在部に沿った方向に延在する第5延在部とを有し、
前記第3エレメントが、前記グランド面に沿った方向の他方に前記給電点から延びる第6延在部と、該第6延在部の先端から前記グランド面から離間する方向に前記第3接続部を介して延在する第7延在部と、該第7延在部の先端から前記第4延在部に向けて前記グランド面に沿った方向へ延在する第8延在部とを有し、
前記第4エレメントが、前記第7延在部の途中に先端が接続されていると共に前記第7延在部から間隔を空けて同方向に延在した第9延在部と、該第9延在部の先端から前記第7延在部から離間する方向へ延在した第10延在部とを有していることを特徴とするアンテナ装置用基板。 - 請求項3に記載のアンテナ装置用基板において、
前記第5延在部の前記アンテナ素子に対向する部分よりも基端側が、先端側よりも幅広に形成された幅広部とされていることを特徴とするアンテナ装置用基板。 - 請求項3又は4に記載のアンテナ装置用基板において、
前記第1エレメントが、前記第3延在部の先端から前記グランド面に向かって延びる第11延在部と、該第11延在部の先端から前記グランド面に沿って前記第1延在部に向かって延びる第12延在部とを有していることを特徴とするアンテナ装置用基板。 - 請求項3から5のいずれか一項に記載のアンテナ装置用基板において、
前記第10延在部の基端側に、前記グランド面から離間する方向に延在する第13延在部が接続されていることを特徴とするアンテナ装置用基板。 - 請求項3から6のいずれか一項に記載のアンテナ装置用基板において、
前記第8延在部が、スルーホールを介して表面側と接続され前記基板本体の裏面にパターン形成された第1裏面パターン部を有し、
該第1裏面パターン部が、前記グランド面に向かって幅広に形成されていることを特徴とするアンテナ装置用基板。 - 請求項6に記載のアンテナ装置用基板において、
前記第13延在部が、スルーホールを介して表面側と接続され前記基板本体の裏面にパターン形成された第2裏面パターン部を有し、
該第2裏面パターン部が、前記グランド面に向かって幅広に形成されていることを特徴とするアンテナ装置用基板。 - 請求項2に記載のアンテナ装置用基板において、
前記第1グランド接続部及び前記第2グランド接続部に、それぞれインピーダンス調整用受動素子が接続されていることを特徴とするアンテナ装置用基板。 - 請求項1から9のいずれか一項に記載のアンテナ装置用基板を備え、
前記第1受動素子、前記第2受動素子、前記第3受動素子及び前記第4受動素子が、それぞれ対応する前記第1接続部、前記第2接続部、前記第3接続部及び前記第4接続部に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。 - 請求項1から9のいずれか一項に記載のアンテナ装置用基板を備え、
前記第1受動素子が、前記第1接続部に接続され、
前記第2受動素子,前記第3受動素子及び前記第4受動素子のいずれか一つ又は二つが、それぞれ対応する前記第2接続部,前記第3接続部及び前記第4接続部に接続されていることを特徴とするアンテナ装置。
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