JP2017123586A - Antenna device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a patch antenna technique capable of easily performing assembly work and holding down manufacturing costs, and achieving wide directivity at the same time.SOLUTION: An antenna device comprises: an upper dielectric substrate including a first and a second surface; a patch electrode including a third and a fourth surface; an intermediate dielectric substrate including a fifth and a sixth surface; a ground electrode including a seventh and an eighth surface; and a lower dielectric substrate including a ninth and a tenth surface. The upper dielectric substrate and the patch electrode are arranged so that the second surface comes into contact with the third surface. The patch electrode and the intermediate dielectric substrate are arranged so that the fourth surface comes into contact with the fifth surface. The intermediate dielectric substrate and the ground electrode are arranged so that the sixth surface faces the seventh surface via a gap. The ground electrode and the lower dielectric substrate are arranged so that the eight surface faces the ninth surface.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。   The present invention relates to an antenna device.

アンテナ装置(以下「アンテナ」ともいう。)は、無線通信システムの通信性能を決定する重要な構成要素である。アンテナには様々な種類があるが、片面指向性を実現するアンテナにパッチアンテナがある。例えば特許文献1には、パッチアンテナの構造例が開示されている。   An antenna device (hereinafter also referred to as “antenna”) is an important component that determines communication performance of a wireless communication system. There are various types of antennas, but there is a patch antenna as an antenna that realizes one-side directivity. For example, Patent Document 1 discloses a structure example of a patch antenna.

国際公開第2004/095639号International Publication No. 2004/09539

特許文献1には、グランド用導体部とパッチ導体部が対向する構造のパッチアンテナが記載されている。この構造のパッチアンテナは、グランド用導体部やパッチ導体部等の導体部を支持するプリント基板等の誘電体の誘電率および誘電正接(コンデンサ内での電気エネルギー損失の度合い)がパッチアンテナの放射効率を決定する。例えば誘電率が大きいとパッチ導体部に流れる電流の波長が短縮されて電流密度が高まり、導体損失が増大する。また、誘電正接が大きいと誘電体内を透過する電磁波の誘電損失が増大する。   Patent Document 1 describes a patch antenna having a structure in which a ground conductor portion and a patch conductor portion face each other. This type of patch antenna has a dielectric constant and dielectric loss tangent (degree of electrical energy loss in the capacitor) of a dielectric material such as a printed circuit board that supports conductor parts such as a ground conductor part and patch conductor part. Determine efficiency. For example, when the dielectric constant is large, the wavelength of the current flowing through the patch conductor portion is shortened, the current density is increased, and the conductor loss is increased. In addition, when the dielectric loss tangent is large, the dielectric loss of the electromagnetic wave passing through the dielectric increases.

ところが、特許文献1に記載のパッチアンテナは、組み立てコストが大きい問題がある。また、パッチアンテナを無線通信システム(特に移動体通信システム)に使用するには広指向性のパッチアンテナが求められる。   However, the patch antenna described in Patent Document 1 has a problem of high assembly cost. In addition, in order to use a patch antenna for a wireless communication system (particularly a mobile communication system), a patch antenna having a wide directivity is required.

そこで、本発明は、組み立て作業が容易で製造コストを低く抑えることができ、同時に指向性が広いパッチアンテナ技術を提供する。   Therefore, the present invention provides a patch antenna technology that can be easily assembled, can reduce the manufacturing cost, and has a wide directivity.

上記課題を解決するために、本発明は、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本明細書は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、
「第1の面と第2の面を有する上部誘電体基板と、
第3の面と第4の面を有するパッチ電極と、
第5の面と第6の面を有する中間誘電体基板と、
第7の面と第8の面を有するグランド電極と、
第9の面と第10の面を有する下部誘電体基板と
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第2の面と前記第3の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第4の面と前記第5の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第6の面と前記第7の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第8の面と前記第9の面が対向するように配置されている、アンテナ装置。」を特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention employs, for example, the configurations described in the claims. The present specification includes a plurality of means for solving the above problems.
“An upper dielectric substrate having a first surface and a second surface;
A patch electrode having a third surface and a fourth surface;
An intermediate dielectric substrate having a fifth surface and a sixth surface;
A ground electrode having a seventh surface and an eighth surface;
A lower dielectric substrate having a ninth surface and a tenth surface;
The upper dielectric substrate and the patch electrode are disposed such that the second surface and the third surface are in contact with each other,
The patch electrode and the intermediate dielectric substrate are disposed so that the fourth surface and the fifth surface are in contact with each other,
The intermediate dielectric substrate and the ground electrode are arranged so that the sixth surface and the seventh surface face each other with a gap therebetween,
The antenna device, wherein the ground electrode and the lower dielectric substrate are disposed so that the eighth surface and the ninth surface are opposed to each other. ".

本発明によれば、組み立て作業が容易で製造コストを抑えることができ、同時に指向性が広いパッチアンテナが実現される。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。   According to the present invention, it is possible to realize a patch antenna that can be easily assembled and reduced in manufacturing cost, and at the same time has a wide directivity. Problems, configurations, and effects other than those described above will become apparent from the following description of embodiments.

実施例1に係るアンテナ装置の概略構造を示す図。1 is a diagram illustrating a schematic structure of an antenna device according to Embodiment 1. 実施例1に係るアンテナ装置の概略断面構造を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating a schematic cross-sectional structure of the antenna device according to the first embodiment. 実施例1に係るアンテナ装置を構成要素に分解して示す図。The figure which decomposes | disassembles and shows the antenna apparatus which concerns on Example 1 to a component. 実施例1に係るアンテナ装置の構成単位を説明する図。FIG. 3 is a diagram illustrating a structural unit of the antenna device according to the first embodiment. 上部プリント基板の上面パターンの一例を示す図。The figure which shows an example of the upper surface pattern of an upper printed circuit board. 上部プリント基板の下面パターンの一例を示す図。The figure which shows an example of the lower surface pattern of an upper printed circuit board. 中間誘電体基板の上面パターンの一例を示す図。The figure which shows an example of the upper surface pattern of an intermediate | middle dielectric substrate. 中間誘電体基板の下面パターンの一例を示す図。The figure which shows an example of the lower surface pattern of an intermediate dielectric substrate. 下部プリント基板の上面パターンの一例を示す図。The figure which shows an example of the upper surface pattern of a lower printed circuit board. 下部プリント基板の下面パターンの一例を示す図。The figure which shows an example of the lower surface pattern of a lower printed circuit board. 実施例1に係るアンテナ装置の基板支持構造を説明する図。FIG. 3 is a diagram illustrating a substrate support structure of the antenna device according to the first embodiment. 実施例1に係るアンテナ装置の給電部の構造を部分的に拡大して示す図。The figure which expands and shows the structure of the electric power feeding part of the antenna apparatus which concerns on Example 1 partially. 下部プリント基板の下面への電子回路の実装を説明する図。The figure explaining mounting of the electronic circuit on the lower surface of a lower printed circuit board. 電子回路の内部構成の一例を示す図。The figure which shows an example of the internal structure of an electronic circuit. 実施例2に係るアンテナ装置の概略構造を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic structure of an antenna device according to a second embodiment. 実施例2に係るアンテナ装置の給電部の接続構造を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating a connection structure of a power feeding unit of an antenna device according to a second embodiment. 実施例3に係るアンテナ装置の概略構造を示す図。FIG. 6 is a diagram illustrating a schematic structure of an antenna device according to a third embodiment. 実施例4に係るアンテナ装置の概略構造を示す図。FIG. 10 is a diagram illustrating a schematic structure of an antenna device according to a fourth embodiment. 実施例に係るアンテナ装置の設計例を示す図。The figure which shows the example of a design of the antenna apparatus which concerns on an Example. 実施例係るアンテナ装置におけるtu、ti、dgの設計範囲内における3つの設計例(図19)の位置関係を示す図。The figure which shows the positional relationship of three design examples (FIG. 19) within the design range of tu, ti, and dg in the antenna apparatus which concerns on an Example. 設計例Aに対応するアンテナ装置の放射パターンのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the radiation pattern of the antenna apparatus corresponding to the design example A. 設計例Bに対応するアンテナ装置の放射パターンのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the radiation pattern of the antenna apparatus corresponding to the design example B. 設計例Cに対応するアンテナ装置の放射パターンのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of the radiation pattern of the antenna apparatus corresponding to the design example C.

以下の説明では、特に必要なとき以外は、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。また、以下の説明において便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明などの関係にある。   In the following description, the description of the same or similar parts will not be repeated in principle unless particularly necessary. Further, in the following description, when it is necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or examples, but they are not irrelevant to each other unless otherwise specified. Some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like exist.

また、以下の説明において、要素の数など(個数、数値、量、範囲などを含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合などを除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良いものとする。   Also, in the following description, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), unless otherwise specified, or in principle limited to a specific number in principle, It is not limited to the specific number, and may be a specific number or more.

また、以下の説明において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。   In the following description, it is needless to say that the constituent elements (including element steps and the like) are not necessarily indispensable, unless otherwise specified and clearly considered essential in principle. .

また、以下の説明において、構成要素等について、「Aからなる」、「Aよりなる」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでない。同様に、以下の説明において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲等についても同様である。   In addition, in the following explanation, when it is stated that “consisting of A”, “consisting of A”, “having A”, and “including A”, it is specifically stated that only the element is included. Except for the above, it does not exclude other elements. Similarly, in the following description, when referring to the shape and positional relationship of components, etc., the shape or the like of the component is substantially changed unless otherwise specified or otherwise apparent in principle. Approximate or similar. The same applies to the above numerical values and ranges.

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例の説明に使用する全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings used for the description of the embodiments, members having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.

(1)実施例1
図1に、本実施例に係るアンテナ装置1の概略構造を示す。アンテナ装置1は、上部誘電体基板2、パッチ電極3、中間誘電体基板4、空隙5、グランド電極6、下部誘電体基板7を有する。図2に示すように、上部誘電体基板2の下面と中間誘電体基板4の上面は接しており、パッチ電極3は上部誘電体基板2と中間誘電体基板4の間に挟まれている。パッチ電極3の寸法は、通常のパッチアンテナと同様、得たい共振周波数に基づいて設計される。図1及び図2の場合、パッチ電極3は正方形である。ただし、パッチ電極3の形状は、所望の特性が得られるのであれば、長方形、円形、楕円形等でも良い。パッチ電極3は、銅、アルミニウム、金等の板又は薄膜として形成される。グランド電極6は、下部誘電体基板7の上面を覆うように配置されている。グランド電極6は、空隙5を介して中間誘電体基板4の下面と対向する。グランド電極6は、銅、アルミニウム、金等の板又は薄膜として形成される。本実施例では、グランド電極6は、下部誘電体基板7の上面と接しているが対向していればよい。
(1) Example 1
FIG. 1 shows a schematic structure of an antenna device 1 according to this embodiment. The antenna device 1 includes an upper dielectric substrate 2, a patch electrode 3, an intermediate dielectric substrate 4, a gap 5, a ground electrode 6, and a lower dielectric substrate 7. As shown in FIG. 2, the lower surface of the upper dielectric substrate 2 and the upper surface of the intermediate dielectric substrate 4 are in contact with each other, and the patch electrode 3 is sandwiched between the upper dielectric substrate 2 and the intermediate dielectric substrate 4. The dimensions of the patch electrode 3 are designed based on the resonance frequency to be obtained in the same manner as a normal patch antenna. In the case of FIG.1 and FIG.2, the patch electrode 3 is square. However, the shape of the patch electrode 3 may be a rectangle, a circle, an ellipse or the like as long as desired characteristics are obtained. The patch electrode 3 is formed as a plate or thin film made of copper, aluminum, gold or the like. The ground electrode 6 is disposed so as to cover the upper surface of the lower dielectric substrate 7. The ground electrode 6 faces the lower surface of the intermediate dielectric substrate 4 with the gap 5 interposed therebetween. The ground electrode 6 is formed as a plate or thin film made of copper, aluminum, gold or the like. In the present embodiment, the ground electrode 6 is in contact with the upper surface of the lower dielectric substrate 7 as long as it is opposed.

上部誘電体基板2、中間誘電体基板4、下部誘電体基板7の材料は、FR4、アクリル、テフロン(登録商標)等である。各基板の寸法Lは、グランド電極6の寸法と同一であり、アンテナ装置1の使用周波数において十分な大きさを取る必要がある。換言すると、各基板の寸法Lは、パッチ電極3の寸法よりも十分広い。各基板の寸法Lは、例えば使用周波数が1GHz程度の場合、100〜300mm程度が好適である。   The material of the upper dielectric substrate 2, the intermediate dielectric substrate 4, and the lower dielectric substrate 7 is FR4, acrylic, Teflon (registered trademark), or the like. The dimension L of each substrate is the same as the dimension of the ground electrode 6 and needs to be sufficiently large at the operating frequency of the antenna device 1. In other words, the dimension L of each substrate is sufficiently wider than the dimension of the patch electrode 3. The dimension L of each substrate is preferably about 100 to 300 mm when the operating frequency is about 1 GHz, for example.

アンテナ装置1は、上部誘電体基板2の厚さtu、中間誘電体基板4の厚さti、空隙の距離dgを設計パラメータ(図2)として、動作利得や帯域幅を設計することができる。tu、ti、dgは以下の範囲内で設計される。   The antenna device 1 can design an operation gain and a bandwidth by using the thickness tu of the upper dielectric substrate 2, the thickness ti of the intermediate dielectric substrate 4, and the gap distance dg as design parameters (FIG. 2). tu, ti, and dg are designed within the following range.

Figure 2017123586
Figure 2017123586

ここで、λは、アンテナ装置1の使用周波数に対する電磁波の自由空間における波長であり、例えば1GHzでは約300mmである。上段の式は、アンテナ装置1をマイクロアンテナとして動作するための条件であり、下段の式は、設計上の要請を満たすための条件である。例えば適用する無線通信システムに応じた値が用いられる。   Here, λ is the wavelength in the free space of the electromagnetic wave with respect to the use frequency of the antenna device 1, and is about 300 mm at 1 GHz, for example. The upper equation is a condition for operating the antenna device 1 as a micro antenna, and the lower equation is a condition for satisfying a design requirement. For example, a value corresponding to the applied wireless communication system is used.

以下では、図3を使用し、アンテナ装置1の各構成要素について説明する。ここでは、アンテナ装置1がパッチアンテナであるものとして説明する。なお、アンテナ装置1の下部誘電体基板7の下面7bには、アンテナ装置1に接続される信号線に高周波信号を送信する電子部品が実装される。   Below, each component of the antenna apparatus 1 is demonstrated using FIG. Here, description will be made assuming that the antenna device 1 is a patch antenna. An electronic component that transmits a high-frequency signal to a signal line connected to the antenna device 1 is mounted on the lower surface 7 b of the lower dielectric substrate 7 of the antenna device 1.

上部誘電体基板2は、第1の面(上面)2aと第2の面(下面)2bを有する。パッチ電極3は、第3の面(上面)3aと第4の面(下面)3bを有する。中間誘電体基板4は、第5の面(上面)4aと第6の面(下面)4bを有する。グランド電極6は、第7の面(上面)6aと第8の面(下面)6bを有する。下部誘電体基板7は、第9の面(上面)7aと第10の面(下面)7bを有する。   The upper dielectric substrate 2 has a first surface (upper surface) 2a and a second surface (lower surface) 2b. The patch electrode 3 has a third surface (upper surface) 3a and a fourth surface (lower surface) 3b. The intermediate dielectric substrate 4 has a fifth surface (upper surface) 4a and a sixth surface (lower surface) 4b. The ground electrode 6 has a seventh surface (upper surface) 6a and an eighth surface (lower surface) 6b. The lower dielectric substrate 7 has a ninth surface (upper surface) 7a and a tenth surface (lower surface) 7b.

以下、図4〜図10を使用して、アンテナ装置1をより詳細に説明する。図4は、アンテナ装置1を構成単位に分解した図である。図4に示すように、アンテナ装置1は、上部誘電体基板2と、中間誘電体基板4と、下部誘電体基板7の3枚の基板によって構成される。これらの基板は、電子回路基板として一般的に用いられるPCB(Printed Circuit Board)により作製され、より具体的には両面銅張プリント基板(二層基板)で作製される。本実施例では、上部誘電体基板2とパッチ電極3で構成される構造体を上部プリント基板11と呼び、グランド電極6と下部誘電体基板7で構成される構造体を下部プリント基板12と呼ぶ。   Hereinafter, the antenna device 1 will be described in more detail with reference to FIGS. FIG. 4 is an exploded view of the antenna device 1 as structural units. As shown in FIG. 4, the antenna device 1 is composed of three substrates: an upper dielectric substrate 2, an intermediate dielectric substrate 4, and a lower dielectric substrate 7. These substrates are manufactured by a PCB (Printed Circuit Board) generally used as an electronic circuit board, and more specifically, are manufactured by a double-sided copper-clad printed circuit board (double-layer board). In this embodiment, a structure composed of the upper dielectric substrate 2 and the patch electrode 3 is referred to as an upper printed circuit board 11, and a structure composed of the ground electrode 6 and the lower dielectric substrate 7 is referred to as a lower printed circuit board 12. .

図5に示すように、上部プリント基板11の上面2aには、第1のランド部である第1信号用ランド部9が形成される。なお、上部プリント基板11にはスルーホール(導体)11cが形成されている。図6に示すように、上部プリント基板11の下面2bには、第1の導体部であるパッチ電極3が形成されている。   As shown in FIG. 5, a first signal land portion 9 that is a first land portion is formed on the upper surface 2 a of the upper printed circuit board 11. The upper printed board 11 has a through hole (conductor) 11c. As shown in FIG. 6, the patch electrode 3 that is the first conductor portion is formed on the lower surface 2 b of the upper printed board 11.

図7及び図8に示すように、中間誘電体基板4の上面4a及び下面4bから電極(銅箔)は完全に取り除かれ、信号線が貫通するスルーホール4cが開けられている。図9及び図10に示すように、下部プリント基板12の上面6aには、第2の導体部であるグランド電極6が略全面に形成され、下部プリント基板12の下面7bには、第2のランド部であるグランド用ランド部10が形成されている。なお、下部プリント基板12にはスルーホール12cとビアホール配線12dが形成されている。ビアホール配線12dはスルーホール12cを取り囲むように形成される。   As shown in FIGS. 7 and 8, the electrode (copper foil) is completely removed from the upper surface 4a and the lower surface 4b of the intermediate dielectric substrate 4, and a through hole 4c through which the signal line passes is opened. As shown in FIGS. 9 and 10, the ground electrode 6 as the second conductor portion is formed on the substantially entire surface of the upper surface 6 a of the lower printed circuit board 12, and the second electrode is formed on the lower surface 7 b of the lower printed circuit board 12. A land portion 10 for ground which is a land portion is formed. Note that a through hole 12c and a via hole wiring 12d are formed in the lower printed circuit board 12. The via hole wiring 12d is formed so as to surround the through hole 12c.

図4の説明に戻る。図4に示すように、中間誘電体基板4とグランド電極6とが空隙5を介して対向して配置されている。すなわち、中間誘電体基板4と下部プリント基板12の間に空隙5が形成されており、中空構造のアンテナ装置1を実現している。パッチ電極3は上側プリント基板11の下面2bに形成され、グランド電極6は下部プリント基板12の上面6aに形成されている。このため、パッチ電極3とグランド電極6とが中間誘電体基板4と空隙5を介して対向している。また、第1信号用ランド部9とパッチ電極3とがスルーホール11cを通じて電気的に接続され、グランド電極6とグランド用ランド部10とがスルーホール12c及び12dを通じて電気的に接続されている。   Returning to the description of FIG. As shown in FIG. 4, the intermediate dielectric substrate 4 and the ground electrode 6 are arranged to face each other with a gap 5 therebetween. That is, the air gap 5 is formed between the intermediate dielectric substrate 4 and the lower printed circuit board 12, and the antenna device 1 having a hollow structure is realized. The patch electrode 3 is formed on the lower surface 2 b of the upper printed circuit board 11, and the ground electrode 6 is formed on the upper surface 6 a of the lower printed circuit board 12. For this reason, the patch electrode 3 and the ground electrode 6 are opposed to the intermediate dielectric substrate 4 via the gap 5. The first signal land portion 9 and the patch electrode 3 are electrically connected through the through hole 11c, and the ground electrode 6 and the ground land portion 10 are electrically connected through the through holes 12c and 12d.

図9に示すように、下部プリント基板12の上面6aに形成されたグランド電極6は、上面6aの略全面に亘って形成されている。従って、グランド電極6の平面視の大きさは、図6に示す上部プリント基板11の下面2bのパッチ電極3の平面視の大きさに比べて大きい。   As shown in FIG. 9, the ground electrode 6 formed on the upper surface 6a of the lower printed circuit board 12 is formed over substantially the entire upper surface 6a. Accordingly, the size of the ground electrode 6 in plan view is larger than the size of the patch electrode 3 on the lower surface 2b of the upper printed board 11 shown in FIG.

アンテナ装置1では、上部誘電体基板2の上面2aのうちパッチ電極3の上方に当たる位置には給電点8(図1)が設けられており、当該給電点8を通じて高周波信号が入出力される。給電点8は、前述した第1信号用ランド部9の部分に当たる。本実施例の場合、給電点8のインピーダンスは50Ωである。給電点8は、高周波信号が最も効率良く入って来る位置に選定される。本実施例の場合、給電点8は、パッチ電極3の中心から少しずれた位置に選定されている。   In the antenna device 1, a feeding point 8 (FIG. 1) is provided at a position on the upper surface 2 a of the upper dielectric substrate 2 above the patch electrode 3, and a high frequency signal is input / output through the feeding point 8. The feeding point 8 corresponds to the first signal land portion 9 described above. In the case of this embodiment, the impedance of the feeding point 8 is 50Ω. The feeding point 8 is selected at a position where the high-frequency signal enters most efficiently. In this embodiment, the feeding point 8 is selected at a position slightly deviated from the center of the patch electrode 3.

上部プリント基板11、中間誘電体基板4、下部プリント基板12には、好適にはガラスエポキシ樹脂を材料としたプリント基板が用いられるが、アクリル板、ABS(アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンを重合させて形成される樹脂)、ガラス板等の誘電体を用いてもよい。   For the upper printed board 11, the intermediate dielectric board 4, and the lower printed board 12, printed boards made of glass epoxy resin are preferably used, but they are formed by polymerizing acrylic board, ABS (acrylonitrile, butadiene, styrene). Resin) or a dielectric such as a glass plate.

続いて、アンテナ装置1の寸法について説明する。アンテナ装置1におけるパッチ電極3の寸法は、無線システムの搬送波周波数によって決定される。一般に、パッチ電極3の一辺の長さは、搬送波周波数の1/2波長の長さに基づいて設定されることが多い。自由空間での波長に基づけば、パッチ電極3の一辺の長さは、例えば920MHz帯の場合で140mm程度であり、1.6GHz帯の場合で78mm程度である。ただし、アンテナ装置1は、各電極を支持する上部誘電体層2、中間誘電体基板4、下部誘電体基板7の誘電率の影響による波長短縮を受けるため、実際のパッチ電極3の寸法は、上述の自由空間での波長に基づいた寸法よりも数%〜数十%程度小さくなる。   Next, the dimensions of the antenna device 1 will be described. The size of the patch electrode 3 in the antenna device 1 is determined by the carrier frequency of the wireless system. In general, the length of one side of the patch electrode 3 is often set based on the length of ½ wavelength of the carrier frequency. Based on the wavelength in free space, the length of one side of the patch electrode 3 is, for example, about 140 mm in the case of the 920 MHz band and about 78 mm in the case of the 1.6 GHz band. However, since the antenna device 1 is subjected to wavelength shortening due to the dielectric constant of the upper dielectric layer 2, the intermediate dielectric substrate 4, and the lower dielectric substrate 7 that support each electrode, the actual size of the patch electrode 3 is The dimension is smaller by several% to several tens of% than the dimension based on the wavelength in the free space.

アンテナ装置1の基板寸法L(図1)は、図9に示す下部プリント基板12の上面6aのグランド電極6の寸法に対応するため、理想的にはパッチ電極3の寸法の2倍以上の大きさとすることが望ましいが、アンテナ装置1の小型化を重視する場合はさらに小さくしてもよい。   The substrate dimension L (FIG. 1) of the antenna device 1 corresponds to the dimension of the ground electrode 6 on the upper surface 6a of the lower printed circuit board 12 shown in FIG. Although it is desirable to make it small, when importance is attached to miniaturization of the antenna device 1, it may be further reduced.

なお、上部プリント基板11と下部プリント基板12の大きさを異なるような構成にすることも可能である。この場合、グランド電極6を配置する下部プリント基板12の寸法を上記の例に従ってパッチ電極3の寸法の2倍を目安に設定し、上部プリント基板11はパッチ電極3を配置できる寸法であればそれよりも小さくしてもよい。   The upper printed board 11 and the lower printed board 12 may have different sizes. In this case, the size of the lower printed circuit board 12 on which the ground electrode 6 is disposed is set as a guide to the size of the patch electrode 3 according to the above example, and the upper printed circuit board 11 has a dimension that allows the patch electrode 3 to be disposed. It may be smaller.

図11に、各基板の支持構造の一例を示す。図11の場合、上部誘電体基板2と下部誘電体基板7は、4隅に配置したポール(柱部)13とネジ14によって支持され固定されている。なお、ポール13とネジ14は樹脂製であることが望ましいが、強度が必要な場合は金属製であってもよい。もっとも、ポール13とネジ14の配置位置は、パッチ電極3から放射される電磁波に悪影響を及ぼさない位置であれば良く、例えば各基板のエッジ部分の任意の位置に配置しても良い。図11に示すように各基板の4隅にポール13とネジ14を配置することによりパッチ電極3から放射される電磁波に悪影響を及ぼすことを避けることができ、アンテナ特性の低下を抑制して基板を支持することができる。   FIG. 11 shows an example of a support structure for each substrate. In the case of FIG. 11, the upper dielectric substrate 2 and the lower dielectric substrate 7 are supported and fixed by poles (columns) 13 and screws 14 arranged at four corners. The pole 13 and the screw 14 are preferably made of resin, but may be made of metal when strength is required. However, the arrangement positions of the pole 13 and the screw 14 may be any positions as long as they do not adversely affect the electromagnetic waves radiated from the patch electrode 3, and may be disposed at arbitrary positions on the edge portion of each substrate, for example. As shown in FIG. 11, by disposing poles 13 and screws 14 at the four corners of each substrate, it is possible to avoid adverse effects on electromagnetic waves radiated from the patch electrode 3, and to suppress the deterioration of antenna characteristics. Can be supported.

もっとも、ポール13とネジ14は、パッチ電極3と干渉する位置であっても、アンテナ特性に深刻な影響を与えない場所であれば配置することができる。例えば、パッチ電極3の平面方向の中央部は入力インピーダンスが0となり、理論上、導体や誘電体が触れていてもアンテナ特性への影響は小さいと考えられるため、ポールとネジを配置することが可能である。このようにパッチ電極3の中央部にポール(柱部)13を設けることにより、中空構造による基板の撓みを低減することができ、高いアンテナ性能を維持することができる。特に、産業用途など、過酷な使用条件の場合は機械的な衝撃が多く加わることが想定され、このような強度を高める構造が必要となる場合がある。また、図11では、4本のポール13を設けているが、必要となれる強度、コスト等の条件によっては、ポールの数を増やしたり減らしたりしても良い。   However, even if the pole 13 and the screw 14 are positions where they interfere with the patch electrode 3, they can be disposed as long as they do not seriously affect the antenna characteristics. For example, the input impedance is 0 at the center of the patch electrode 3 in the plane direction, and it is theoretically considered that the influence on the antenna characteristics is small even if a conductor or a dielectric is touched. Is possible. Thus, by providing the pole (column part) 13 in the center part of the patch electrode 3, the bending of the board | substrate by a hollow structure can be reduced and high antenna performance can be maintained. In particular, in severe use conditions such as industrial applications, it is assumed that many mechanical impacts are applied, and such a structure that increases the strength may be required. Further, although four poles 13 are provided in FIG. 11, the number of poles may be increased or decreased depending on conditions such as required strength and cost.

引き続き、図3〜図10を使用して、下部プリント基板12と中間誘電体基板4を介し、下部プリント基板12側の信号線と上部プリント基板11とを接続するための導体パターンのレイアウト例を説明する。図10に示すように、下部プリント基板12の下面7bには、後述する図12に示す信号線15を通すためのスルーホール12cと、グランド用ランド部10の領域に配置された複数のビアホール配線(導体)12dとが形成されている。   3 to 10, a layout example of a conductor pattern for connecting the signal line on the lower printed circuit board 12 side and the upper printed circuit board 11 through the lower printed circuit board 12 and the intermediate dielectric substrate 4. explain. As shown in FIG. 10, on the lower surface 7b of the lower printed circuit board 12, through holes 12c for passing a signal line 15 shown in FIG. (Conductor) 12d is formed.

また、図9に示すように、下部プリント基板12の上面6aには、信号線15を通すためのスルーホール12cと、スルーホール12cの周囲に配置された複数のビアホール配線12dとが形成されている。なお、下部プリント基板12の上面6aは、略全面がグランド電極6となっており、この上面6aのグランド電極6と、下面7bのグランド用ランド部10とが複数のビアホール配線12dを介して電気的に接続されている。また、図6に示すように、上部プリント基板11の下面2bには、信号線15を通すためのスルーホール11cが形成されている。スルーホール11cはパッチ電極3も貫通する。   Further, as shown in FIG. 9, on the upper surface 6a of the lower printed circuit board 12, through holes 12c for passing the signal lines 15 and a plurality of via hole wirings 12d arranged around the through holes 12c are formed. Yes. The upper surface 6a of the lower printed circuit board 12 is substantially the ground electrode 6, and the ground electrode 6 on the upper surface 6a and the ground land portion 10 on the lower surface 7b are electrically connected via a plurality of via-hole wirings 12d. Connected. Further, as shown in FIG. 6, a through hole 11 c for passing the signal line 15 is formed in the lower surface 2 b of the upper printed board 11. The through hole 11c also penetrates the patch electrode 3.

また、図5に示すように、上部プリント基板11の上面2aには、第1信号用ランド部9と、信号線15を通すためのスルーホール11cとが形成されており、後述する図12に示すように、スルーホール11cの内壁には、パッチ電極3と第1信号用ランド部9とを電気的に接続するようにスルーホール配線(導体)が形成されている。すなわち、上部プリント基板11では、その上面2aに形成された第1信号用ランド部9と、その下面2bに形成されたパッチ電極3とがスルーホール配線によって電気的に接続されている。   Further, as shown in FIG. 5, the upper surface 2a of the upper printed circuit board 11 is formed with a first signal land portion 9 and a through hole 11c through which the signal line 15 is passed. As shown, a through-hole wiring (conductor) is formed on the inner wall of the through-hole 11 c so as to electrically connect the patch electrode 3 and the first signal land portion 9. That is, in the upper printed circuit board 11, the first signal land portion 9 formed on the upper surface 2a and the patch electrode 3 formed on the lower surface 2b are electrically connected by through-hole wiring.

図12に、組み立てた状態のアンテナ装置1の構造を部分的に拡大して示す。図12に示すように、上部プリント基板11側の給電点8と下部プリント基板12側の導体パターンとは、中間誘電体基板4及び下部プリント基板12を介し、電気的に接続されている。前述したように、上部プリント基板11の上面2aに形成された第1信号用ランド部9と、その下面2bに形成されたパッチ電極3とがスルーホール配線によって電気的に接続されている。   FIG. 12 shows a partially enlarged structure of the antenna device 1 in an assembled state. As shown in FIG. 12, the feeding point 8 on the upper printed circuit board 11 side and the conductor pattern on the lower printed circuit board 12 side are electrically connected through the intermediate dielectric substrate 4 and the lower printed circuit board 12. As described above, the first signal land portion 9 formed on the upper surface 2a of the upper printed circuit board 11 and the patch electrode 3 formed on the lower surface 2b are electrically connected by the through-hole wiring.

一方、下部プリント基板12では、その上面6aに形成されたグランド電極6と、その下面7bに形成されたグランド用ランド部10とが複数のビアホール配線を介して電気的に接続されている。そして、下部プリント基板12の下面7bには、グランド用ランド部10の内側には、隙間部10cを隔てて、第2信号用ランド部16が形成されている。すなわち、グランド用ランド部10と第2信号用ランド部16とは、隙間部10cで隔てられている。このため、グランド用ランド部10と第2信号用ランド部16とは電気的に接続されてはいない。換言すると、グランド用ランド部10と第2信号用ランド部16とは絶縁されている。   On the other hand, in the lower printed circuit board 12, the ground electrode 6 formed on the upper surface 6a and the ground land portion 10 formed on the lower surface 7b are electrically connected through a plurality of via-hole wirings. A second signal land 16 is formed on the lower surface 7b of the lower printed circuit board 12 inside the ground land 10 with a gap 10c therebetween. That is, the ground land portion 10 and the second signal land portion 16 are separated by the gap portion 10c. For this reason, the ground land portion 10 and the second signal land portion 16 are not electrically connected. In other words, the ground land portion 10 and the second signal land portion 16 are insulated.

ここで、信号線15は、3つの貫通孔(すなわち、上部プリント基板11に形成されたスルーホール11c、中間誘電体基板4のスルーホール4c、下部プリント基板12のスルーホール12c)を跨るように配置される。なお、信号線15の一端(上端)と第1信号用ランド部9とは半田17によって電気的に接続され、信号線15の他端(下端)と第2信号用ランド部16とは半田17によってそれぞれ電気的に接続されている。そして、第1信号用ランド部9とパッチ電極3とはスルーホール配線を通じて電気的に接続されている。このため、下部プリント基板12の下面7bの第2信号用ランド部16と、上部プリント基板11の下面2bのパッチ電極3とが信号線15を通じて電気的に接続される。   Here, the signal line 15 extends over three through holes (that is, a through hole 11c formed in the upper printed board 11, a through hole 4c in the intermediate dielectric board 4, and a through hole 12c in the lower printed board 12). Be placed. Note that one end (upper end) of the signal line 15 and the first signal land portion 9 are electrically connected by solder 17, and the other end (lower end) of the signal line 15 and the second signal land portion 16 are soldered 17. Are electrically connected to each other. The first signal land 9 and the patch electrode 3 are electrically connected through a through-hole wiring. For this reason, the second signal land 16 on the lower surface 7 b of the lower printed circuit board 12 and the patch electrode 3 on the lower surface 2 b of the upper printed circuit board 11 are electrically connected through the signal line 15.

本実施例の場合、下部プリント基板12の上面6aには、スルーホール12cを取り囲むように隙間部6cが設けられており、当該隙間部6cの更に外側にグランド用ランド部10が配置される。従って、隙間部6cを設けない場合に比して、信号線15とグランド用ランド部10とを確実に絶縁できる。この結果、信号線15とグランド用ランド部10との電気的ショート(短絡)を防止できる。   In the case of the present embodiment, a clearance 6c is provided on the upper surface 6a of the lower printed circuit board 12 so as to surround the through hole 12c, and the ground land 10 is disposed further outside the clearance 6c. Therefore, the signal line 15 and the ground land portion 10 can be reliably insulated as compared with the case where the gap 6c is not provided. As a result, an electrical short circuit between the signal line 15 and the ground land portion 10 can be prevented.

以上の通り、下部プリント基板12の下面7bに形成された第2信号用ランド部16と、上部プリント基板11の下面2bに形成されたパッチ電極3とが信号線15及び半田17を介して電気的に接続される。また、上部プリント基板11の上面2aの第1信号用ランド部9と下面2bのパッチ電極3とは給電点8で導通しており、グランドとは絶縁されている。一方、下部プリント基板12の下面7bのグランド用ランド部10は、給電点8(信号線15)とは絶縁されており、上面6aのグランド電極6と導通されている(電気的に接続されている)。   As described above, the second signal land portion 16 formed on the lower surface 7 b of the lower printed circuit board 12 and the patch electrode 3 formed on the lower surface 2 b of the upper printed circuit board 11 are electrically connected via the signal line 15 and the solder 17. Connected. The first signal land portion 9 on the upper surface 2a of the upper printed circuit board 11 and the patch electrode 3 on the lower surface 2b are electrically connected at the feeding point 8, and are insulated from the ground. On the other hand, the ground land portion 10 on the lower surface 7b of the lower printed circuit board 12 is insulated from the feeding point 8 (signal line 15), and is electrically connected (electrically connected) to the ground electrode 6 on the upper surface 6a. )

つまり、上部プリント基板11の上面2aで信号線15と第1信号用ランド部9とが半田接合され、下部プリント基板12の下面7bで信号線15と第2信号用ランド部16とがグランド用ランド部10と絶縁された状態で半田接合されている。したがって、アンテナ装置1の組み立て時に、信号線15を、上部プリント基板11の上面2a側(外側)と、下部プリント基板12の下面7b側(外側)とで半田付けすることができ、組み立て作業を容易に行える。図12では、グランド用ランド部10は電子回路(回路素子)18のグラウンド端子18fに接続され、第2信号用ランド部16はマイクロストリップ線路19を介して電子回路(回路素子)18のアンテナ端子(入力端子)18aに接続されている。   That is, the signal line 15 and the first signal land portion 9 are soldered to the upper surface 2a of the upper printed circuit board 11, and the signal line 15 and the second signal land portion 16 are grounded on the lower surface 7b of the lower printed circuit board 12. Soldered in a state of being insulated from the land portion 10. Therefore, when the antenna device 1 is assembled, the signal line 15 can be soldered to the upper surface 2a side (outer side) of the upper printed circuit board 11 and the lower surface 7b side (outer side) of the lower printed circuit board 12. Easy to do. In FIG. 12, the ground land portion 10 is connected to the ground terminal 18 f of the electronic circuit (circuit element) 18, and the second signal land portion 16 is connected to the antenna terminal of the electronic circuit (circuit element) 18 via the microstrip line 19. (Input terminal) 18a is connected.

図13に、下部プリント基板12の下面7bに設けられるマイクロストリップ線路19と電子回路18との接続関係を示す。図12及び図13に示すように、下部プリント基板12の下面7bには、半田17を通じて信号線15に接合される第2信号用ランド部16と、第2信号用ランド部16から延在するマイクロストリップ線路19とが形成されており、マイクロストリップ線路19は電子回路(回路素子)18と電気的に接続されている。電子回路18は、低雑音増幅回路を含んでいる。   FIG. 13 shows a connection relationship between the microstrip line 19 provided on the lower surface 7 b of the lower printed circuit board 12 and the electronic circuit 18. As shown in FIGS. 12 and 13, the lower surface 7 b of the lower printed circuit board 12 extends from the second signal land portion 16 joined to the signal line 15 through the solder 17 and the second signal land portion 16. A microstrip line 19 is formed, and the microstrip line 19 is electrically connected to an electronic circuit (circuit element) 18. The electronic circuit 18 includes a low noise amplifier circuit.

図14に、電子回路18の内部構成を示す。図14は、低雑音増幅器を用いたアクティブアンテナを構成する場合の電子回路18の構成例である。電子回路18は、入力側から順番に、アンテナ20(図12のうち電子回路18を除く部分)と接続されるアンテナ端子18a、低雑音増幅器(LNA)18c、帯域通過フィルタ(BPF)18d、バイアスティー(Bias Tee)18e、出力端子18bを有する。出力端子18bは外部受信回路である復調IC21(復調器)等に接続される。   FIG. 14 shows the internal configuration of the electronic circuit 18. FIG. 14 is a configuration example of the electronic circuit 18 in the case of configuring an active antenna using a low noise amplifier. The electronic circuit 18 includes an antenna terminal 18a, a low noise amplifier (LNA) 18c, a band-pass filter (BPF) 18d, a bias connected to the antenna 20 (a part excluding the electronic circuit 18 in FIG. 12) in order from the input side. It has a tee (Bias Tee) 18e and an output terminal 18b. The output terminal 18b is connected to a demodulation IC 21 (demodulator), which is an external receiving circuit.

前述したように、下部プリント基板12の下面7b側で信号線15は、第2信号用ランド部16を介してマイクロストリップ線路19と接続されている。つまり、第2信号用ランド部16もマイクロストリップ線路19の一部となるため、第2信号用ランド部16とマイクロストリップ線路19は、グランド用ランド部10と所定の距離を介して設けられている。具体的には、第2信号用ランド部16とマイクロストリップ線路19は、グランド用ランド部10と所定の幅の隙間部10cを介して設けられている。これにより、マイクロストリップ線路19は高周波信号を伝送することができる。なお、隙間部10cはマイクロストリップ線路19の特性インピーダンスが所望の値(通常は50Ω)となるように設計される。   As described above, the signal line 15 is connected to the microstrip line 19 via the second signal land 16 on the lower surface 7 b side of the lower printed circuit board 12. That is, since the second signal land portion 16 is also a part of the microstrip line 19, the second signal land portion 16 and the microstrip line 19 are provided with a predetermined distance from the ground land portion 10. Yes. Specifically, the second signal land 16 and the microstrip line 19 are provided via the ground land 10 and a gap 10c having a predetermined width. Thereby, the microstrip line 19 can transmit a high frequency signal. The gap 10c is designed so that the characteristic impedance of the microstrip line 19 becomes a desired value (usually 50Ω).

ここで、下部プリント基板12の上面6aはグランド電極6が形成された面(グランド面)であるため、その下面7bは電磁界的にアンテナ部分と分離される。したがって、下面7bには回路部品等を実装して電子回路18を実装することができる。   Here, since the upper surface 6a of the lower printed circuit board 12 is a surface (ground surface) on which the ground electrode 6 is formed, the lower surface 7b is electromagnetically separated from the antenna portion. Therefore, the electronic circuit 18 can be mounted by mounting circuit components or the like on the lower surface 7b.

前述したように、本実施例のアンテナ装置1は、上部プリント基板11のパッチ電極3と、これに対向して配置される下部プリント基板12のグランド電極6との間に中間誘電体基板4と空隙5を配置することによりパッチアンテナ構造を形成している。これにより、アンテナ装置1は、安価なプリント基板(誘電体基板)を用いてパッチアンテナを実現することができる。   As described above, the antenna device 1 of this embodiment includes the intermediate dielectric substrate 4 between the patch electrode 3 of the upper printed circuit board 11 and the ground electrode 6 of the lower printed circuit board 12 disposed to face the patch electrode 3. The patch antenna structure is formed by disposing the gap 5. Thereby, the antenna device 1 can implement | achieve a patch antenna using an inexpensive printed circuit board (dielectric substrate).

その結果、パッチアンテナを製造するための材料コストを安くすることができる。すなわち、本実施例に係るアンテナ装置1は、3枚のプリント基板(上部プリント基板11、中間誘電体基板4、下部プリント基板12)によって中空構造のパッチアンテナを構成するため、プリント基板の製造工程の量産効果により、パッチアンテナの低コスト化を図ることができる。   As a result, the material cost for manufacturing the patch antenna can be reduced. That is, the antenna device 1 according to the present embodiment forms a hollow patch antenna by three printed boards (upper printed board 11, intermediate dielectric board 4, and lower printed board 12). Due to this mass production effect, the cost of the patch antenna can be reduced.

また、アンテナ装置1の製造工程では、上部プリント基板11の上面2a側(外側)と下部プリント基板12の下面7b側(外側)での半田付けにより、信号線15を上部プリント基板11及び下部プリント基板12に固定することができる。すなわち、2枚のプリント基板の外側の面で半田付け作業を行うことができ、半田付け作業を容易に行うことができる。このことは、アンテナ装置1の組み立て作業を容易化し、製造コストの低減化に寄与する。   In the manufacturing process of the antenna device 1, the signal line 15 is connected to the upper printed circuit board 11 and the lower printed circuit board by soldering on the upper surface 2 a side (outer side) of the upper printed circuit board 11 and the lower surface 7 b side (outer side) of the lower printed circuit board 12. It can be fixed to the substrate 12. That is, the soldering operation can be performed on the outer surfaces of the two printed boards, and the soldering operation can be easily performed. This facilitates the assembly work of the antenna device 1 and contributes to a reduction in manufacturing cost.

また、本実施例に係るアンテナ装置1においては、上部プリント基板11のパッチ電極3の平面視での中央部の位置と、下部プリント基板12のグランド電極6の平面視での中央部の位置とが略対向した関係となる。これにより、パッチ電極3の中央部に電界が集まり易くなり、アンテナ装置1における放射効率の上昇度合いをより高めることができる。   Further, in the antenna device 1 according to the present embodiment, the position of the central portion in plan view of the patch electrode 3 of the upper printed board 11 and the position of the central portion in plan view of the ground electrode 6 of the lower printed board 12 Are substantially opposed to each other. As a result, an electric field is easily collected at the center of the patch electrode 3, and the degree of increase in radiation efficiency in the antenna device 1 can be further increased.

また、本実施例に係るアンテナ装置1においては、中間誘電体基板4をパッチ電極3の下面に配置している。このため、アンテナ装置1は、中間誘電体基板4を有しない構造のアンテナ装置(以下、「比較装置」という。)に比べ、誘電率の影響による波長短縮効果が期待される。波長短縮効果によりパッチ電極3の一辺の寸法を比較装置に比べて小さくでき、その分、同じ電波を扱う比較装置に比してアンテナ装置1を小型化できる。また、パッチ電極3の一辺が小さくなるので、パッチ電極3の面積は比較装置のパッチ電極の面積よりも小さく済む。これは、パッチ電極3に流れる電流が放射する電磁界のビームフォーミング効果を弱める方向に作用し、比較装置に比して指向性を広げることが可能になる。   Further, in the antenna device 1 according to this embodiment, the intermediate dielectric substrate 4 is disposed on the lower surface of the patch electrode 3. For this reason, the antenna device 1 is expected to have a wavelength shortening effect due to the influence of the dielectric constant, compared to an antenna device having a structure without the intermediate dielectric substrate 4 (hereinafter referred to as “comparator”). Due to the wavelength shortening effect, the size of one side of the patch electrode 3 can be made smaller than that of the comparison device, and accordingly, the antenna device 1 can be made smaller than the comparison device that handles the same radio wave. Further, since one side of the patch electrode 3 is reduced, the area of the patch electrode 3 can be smaller than the area of the patch electrode of the comparison device. This acts in the direction of weakening the beam forming effect of the electromagnetic field radiated by the current flowing through the patch electrode 3, and the directivity can be expanded as compared with the comparison device.

指向性が広がることで、アンテナ装置1は例えば無線通信システムでの使用に適している。特に、移動体通信システムでは、送信機と受信機の位置関係(方向)が特定できない場合が多いため、広指向性のアンテナ装置1は、移動体通信システムでの使用に適している。   Due to the spread of directivity, the antenna device 1 is suitable for use in a wireless communication system, for example. In particular, in a mobile communication system, the positional relationship (direction) between a transmitter and a receiver cannot be specified in many cases. Therefore, the wide directivity antenna device 1 is suitable for use in a mobile communication system.

(2)実施例2
図15に、本実施例に係るアンテナ装置1Aの概略構造を示す。図15の場合もポール13とネジ14は省略している。本実施例に係るアンテナ装置1Aでは、図15及び図16に示すように、下部誘電体基板7の下面7bに同軸コネクタ25が実装されている。このアンテナ装置1Aは、例えばパッチアンテナ単体として製品出荷される。
(2) Example 2
FIG. 15 shows a schematic structure of the antenna device 1A according to the present embodiment. Also in the case of FIG. 15, the pole 13 and the screw 14 are omitted. In the antenna device 1A according to the present embodiment, a coaxial connector 25 is mounted on the lower surface 7b of the lower dielectric substrate 7, as shown in FIGS. The antenna device 1A is shipped as a patch antenna alone, for example.

同軸コネクタ25は、信号端子25aとグランド端子25bとを有している。信号線15は、実施例1のアンテナ装置1の場合と同じく、上部プリント基板11に設けられたスルーホール11cと、中間誘電体基板4に設けられたスルーホール4cと、下部プリント基板12に設けられたスルーホール12cを貫通している。信号線15の一端(上端部)は、上部プリント基板11の上面2aに形成された第1信号用ランド部9、スルーホール配線及び半田17によりパッチ電極3と電気的に接続されている。一方、信号線15の他端(下端部)は、下部誘電体基板7の下面7bに実装された同軸コネクタ25の信号端子25aとして露出している。   The coaxial connector 25 has a signal terminal 25a and a ground terminal 25b. The signal line 15 is provided in the through hole 11 c provided in the upper printed board 11, the through hole 4 c provided in the intermediate dielectric board 4, and the lower printed board 12 as in the antenna device 1 of the first embodiment. The through hole 12c formed is penetrated. One end (upper end portion) of the signal line 15 is electrically connected to the patch electrode 3 by a first signal land portion 9 formed on the upper surface 2 a of the upper printed board 11, through-hole wiring, and solder 17. On the other hand, the other end (lower end) of the signal line 15 is exposed as a signal terminal 25 a of the coaxial connector 25 mounted on the lower surface 7 b of the lower dielectric substrate 7.

なお、給電点8は、実施例1と同様、パッチ電極3の中心位置である必要はなく、図15のX方向に対してパッチ電極3の中心から僅かにずれた位置(インピーダンスが50Ωとなる位置)に配置されている。本実施例の場合も、図16に示すように、下部プリント基板12の上面6aにはスルーホール12cを取り囲むように隙間部6cが形成され、隙間部6cにより信号線15とグランド電極6とが絶縁されている。また、下部プリント基板12の下面7bにもスルーホール12cを取り囲むようにグランド用ランド部10との間に隙間部6cを形成してもよい。隙間部6cは、スルーホール12cの開口の縁部から例えば0.2mmの幅で形成する。これにより、信号線15とグランド電極6とグランド用ランド部10との電気的ショート(短絡)を防止することができる。   The feeding point 8 does not need to be at the center position of the patch electrode 3 as in the first embodiment, and is slightly displaced from the center of the patch electrode 3 with respect to the X direction in FIG. 15 (impedance becomes 50Ω). Position). Also in this embodiment, as shown in FIG. 16, a gap 6c is formed on the upper surface 6a of the lower printed circuit board 12 so as to surround the through hole 12c, and the signal line 15 and the ground electrode 6 are connected by the gap 6c. Insulated. Further, a clearance 6c may be formed between the lower printed circuit board 12 and the ground land 10 so as to surround the through hole 12c. The gap 6c is formed with a width of 0.2 mm, for example, from the edge of the opening of the through hole 12c. Thereby, an electrical short circuit (short circuit) among the signal line 15, the ground electrode 6, and the ground land portion 10 can be prevented.

図16の場合、下部プリント基板12の下面7bにおいて、同軸コネクタ25のグランド端子25bは、半田17を介してグランド用ランド部10やビアホール配線(導体)と電気的に接続されている。なお、下部プリント基板12の上面6aのグランド電極6と下面7bのグランド用ランド部10とは、複数のビアホール配線を介して電気的に接続されている。   In the case of FIG. 16, the ground terminal 25 b of the coaxial connector 25 is electrically connected to the ground land portion 10 and the via hole wiring (conductor) via the solder 17 on the lower surface 7 b of the lower printed circuit board 12. The ground electrode 6 on the upper surface 6a of the lower printed board 12 and the ground land portion 10 on the lower surface 7b are electrically connected via a plurality of via-hole wirings.

以上の接続関係により、下部プリント基板12の下面7bに実装された同軸コネクタ25の信号端子25a(すなわち信号線15)は、上部プリント基板11の下面2bに形成されたパッチ電極3と、半田17及びスルーホール配線を介して電気的に接続される。このように、本実施例のアンテナ装置1の場合にも、上部プリント基板11の上面2aでは信号線15と第1信号用ランド部9とが半田17によって接合され、一方、下部プリント基板12の下面7bでは同軸コネクタ25のグランド端子25bと、グランド用ランド部10及びビアホール配線とが半田17によって接合されている。   With the above connection relationship, the signal terminal 25a (that is, the signal line 15) of the coaxial connector 25 mounted on the lower surface 7b of the lower printed circuit board 12 is connected to the patch electrode 3 formed on the lower surface 2b of the upper printed circuit board 11 and the solder 17 And electrically connected through the through-hole wiring. Thus, also in the case of the antenna device 1 of the present embodiment, the signal line 15 and the first signal land portion 9 are joined by the solder 17 on the upper surface 2a of the upper printed circuit board 11, while the lower printed circuit board 12 On the lower surface 7 b, the ground terminal 25 b of the coaxial connector 25, the ground land portion 10, and the via hole wiring are joined by the solder 17.

すなわち、本実施例の場合にも、上部プリント基板11の上面2aの第1信号用ランド部9と下面2bのパッチ電極3とは、給電点8の部分で導通しており、グランドとは絶縁されている。一方、下部プリント基板12の下面7bのグランド用ランド部10は、給電点8(信号端子25a)とは絶縁されており、上面6aのグランド電極6と導通されている(電気的に接続されている)。   That is, also in the case of the present embodiment, the first signal land portion 9 on the upper surface 2a of the upper printed circuit board 11 and the patch electrode 3 on the lower surface 2b are electrically connected at the feeding point 8, and are insulated from the ground. Has been. On the other hand, the ground land portion 10 on the lower surface 7b of the lower printed circuit board 12 is insulated from the feeding point 8 (signal terminal 25a) and is electrically connected (electrically connected) to the ground electrode 6 on the upper surface 6a. )

従って、アンテナ装置1Aの組み立て時に、同軸コネクタ25の信号端子25a(すなわち、信号線15)を、上部プリント基板11の上面2a側(外側)で半田付けすることができ、かつ、同軸コネクタ25のグランド端子25bを、下部プリント基板12の下面7b側(外側)で半田付けすることができる。すなわち、2枚の基板それぞれの外側の面において半田付けの作業を行うことができ、上記作業を容易に行うことができる。特に、同軸コネクタ25をアンテナ装置1Aの縦積み構造の外側から半田付けすることができ、アンテナ装置1Aの組み立てを容易に行うことができる。その結果、実施例1の場合と同様に、アンテナ装置1Aにおいても、その組み立て作業を容易にでき、しかも製造コストを安くすることができる。   Therefore, when the antenna device 1A is assembled, the signal terminal 25a (that is, the signal line 15) of the coaxial connector 25 can be soldered on the upper surface 2a side (outside) of the upper printed board 11, and the coaxial connector 25 The ground terminal 25b can be soldered on the lower surface 7b side (outside) of the lower printed circuit board 12. That is, the soldering operation can be performed on the outer surfaces of the two substrates, and the above operation can be easily performed. In particular, the coaxial connector 25 can be soldered from the outside of the vertically stacked structure of the antenna device 1A, and the antenna device 1A can be easily assembled. As a result, as in the case of the first embodiment, the assembly operation can be facilitated and the manufacturing cost can be reduced in the antenna device 1A.

(3)実施例3
図17に、本実施例に係るアンテナ装置1Bの概略構造を示す。図17に示すアンテナ装置1Bは、上部プリント基板11の上面2aに2つの給電点8a及び8bを持つ。これら2つの給電点8a及び8bは、それぞれ直交する偏波成分を受信できる給電点であり、偏波ダイバーシティー向けアンテナとして利用することが可能である。さらに、給電点8aと給電点8bで受信される信号を、位相を90度異ならせて合成することで、円偏波を受信可能なアンテナを構成することもできる。本実施例では受信アンテナを想定して説明したが、同様の議論は送信アンテナにおいてもそのまま適用可能である。
(3) Example 3
FIG. 17 shows a schematic structure of the antenna device 1B according to the present embodiment. The antenna device 1B shown in FIG. 17 has two feeding points 8a and 8b on the upper surface 2a of the upper printed board 11. These two feed points 8a and 8b are feed points that can receive orthogonal polarization components, respectively, and can be used as antennas for polarization diversity. Furthermore, an antenna capable of receiving circularly polarized waves can be configured by combining signals received at the feeding point 8a and the feeding point 8b with a phase difference of 90 degrees. Although this embodiment has been described assuming a receiving antenna, the same discussion can be applied to a transmitting antenna as it is.

(4)実施例4
図18に、給電点8Aが中間誘電体基板4を貫通するものの、上部誘電体基板2を貫通しない構成のアンテナ装置1Cの構成例を示す。この実施例の場合、給電点8Aは、導電性材料(Conductive material)によってパッチ電極3に直接接続される。ここで、導電性材料は、銀ペーストや導電性接着剤などの材料や、銅テープ、アルミテープ、等の導電性の両面テープ等を使う事ができる。もちろん、ハンダであっても良い。
(4) Example 4
FIG. 18 shows a configuration example of the antenna device 1 </ b> C configured such that the feeding point 8 </ b> A penetrates the intermediate dielectric substrate 4 but does not penetrate the upper dielectric substrate 2. In the case of this embodiment, the feeding point 8A is directly connected to the patch electrode 3 by a conductive material. Here, as the conductive material, a material such as a silver paste or a conductive adhesive, a conductive double-sided tape such as a copper tape, an aluminum tape, or the like can be used. Of course, solder may be used.

(5)設計例
以下では、前述したアンテナ装置1、1A、1B(以下では単に「1」という。)の具体的な設計例について説明する。ここでは、GPS向けアンテナ装置に用いる場合(中心周波数1575.42MHz)について説明する。図19に、設計A(Design A)、設計B(Design B)、設計C(Design C)の3つの設計例を示す。図19には示していないが、設計A、設計B、設計Cのアンテナ装置は、いずれも共振周波数が1575.42MHzとなるように、パッチ電極3の寸法が設計されている。
(5) Design Example Hereinafter, a specific design example of the antenna device 1, 1A, 1B (hereinafter simply referred to as “1”) will be described. Here, the case of using the antenna device for GPS (center frequency 1575.42 MHz) will be described. FIG. 19 shows three design examples, Design A (Design A), Design B (Design B), and Design C (Design C). Although not shown in FIG. 19, the dimensions of the patch electrode 3 are designed so that the antenna devices of Design A, Design B, and Design C all have a resonance frequency of 1575.42 MHz.

図20に、実施例に係るアンテナ装置1の設計範囲内における設計A、設計B、設計Cの位置関係を示す。図21は、設計Aのアンテナ装置で得られる放射パターンのシミュレーション結果である。設計Aのアンテナ装置の動作利得を単位dBiで示した。θ方向の偏波成分、φ方向の偏波成分ともに約5dBiの動作利得を持ち、−3dB半値幅はθ方向の偏波成分が約±40°、φ方向の偏波成分が約±45°である。   FIG. 20 shows the positional relationship between the designs A, B, and C within the design range of the antenna device 1 according to the embodiment. FIG. 21 shows a simulation result of the radiation pattern obtained by the antenna device of design A. The operating gain of the antenna device of design A is shown in unit dBi. Both the polarization component in the θ direction and the polarization component in the φ direction have an operating gain of approximately 5 dBi, and the −3 dB half-value width is approximately ± 40 ° for the polarization component in the θ direction and approximately ± 45 ° for the polarization component in the φ direction. It is.

図22は設計Bのアンテナ装置で得られる放射パターンのシミュレーション結果である。設計Bのアンテナ装置の動作利得を単位dBiで示した。θ方向の偏波成分、φ方向の偏波成分ともに約2dBiの動作利得を持ち、−3dB半値幅はθ方向の偏波成分が約±50°、φ方向の偏波成分が約±40°である。   FIG. 22 shows a simulation result of the radiation pattern obtained by the antenna device of design B. The operating gain of the antenna device of design B is shown in unit dBi. Both the polarization component in the θ direction and the polarization component in the φ direction have an operating gain of approximately 2 dBi, and the −3 dB half-value width is approximately ± 50 ° for the polarization component in the θ direction and approximately ± 40 ° for the polarization component in the φ direction. It is.

図23は設計Cのアンテナ装置で得られる放射パターンのシミュレーション結果である。設計Cのアンテナ装置の動作利得を単位dBiで示した。θ方向の偏波成分、φ方向の偏波成分ともに約3dBiの動作利得を持ち、−3dB半値幅はθ方向の偏波成分が約±55°、φ方向の偏波成分が約±40°である。   FIG. 23 shows a simulation result of the radiation pattern obtained by the antenna device of design C. The operational gain of the antenna device of design C is indicated in dBi. Both the polarization component in the θ direction and the polarization component in the φ direction have an operating gain of about 3 dBi, and the −3 dB half bandwidth is about ± 55 ° for the polarization component in the θ direction and about ± 40 ° for the polarization component in the φ direction. It is.

以上の通り、本発明のアンテナ装置は式1の範囲内で適切にtu、ti、dgを選ぶことで、利得、ビーム幅、等の放射パターン特性、および周波数帯域幅を、無線システムの仕様に合わせて適切に設計することが可能である。   As described above, the antenna apparatus according to the present invention appropriately selects tu, ti, and dg within the range of Equation 1, so that the radiation pattern characteristics such as gain, beam width, etc., and the frequency bandwidth can be set to the specifications of the radio system. It is possible to design appropriately.

(6)他の実施例
本発明は、上述した実施例に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば前述の実施例の説明では、アンテナ装置1の上部プリント基板11及び下部プリント基板12が、それぞれの4つの角部において、ポール13及びネジ14によって支持されている場合について説明した。しかし、剛性の高い導体部材で形成された信号線15が半田17によってそれぞれの基板と高い接合力で接合されていれば、アンテナ装置1は必ずしも4つの角部にポール13及びネジ14を設けなくてよい。
(6) Other Embodiments The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications. For example, in the description of the above-described embodiment, the case where the upper printed circuit board 11 and the lower printed circuit board 12 of the antenna device 1 are supported by the pole 13 and the screw 14 at each of the four corners has been described. However, if the signal line 15 formed of a highly rigid conductor member is bonded to each substrate with a solder 17 with a high bonding force, the antenna device 1 does not necessarily provide the poles 13 and the screws 14 at the four corners. It's okay.

また、前述の実施例では本発明を具体的に説明したが、言うまでもなく、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。   In addition, although the present invention has been specifically described in the above-described embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, Various modifications are included. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described.

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。   Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. . In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment. In addition, each member and relative size which were described in drawing are simplified and idealized in order to demonstrate this invention clearly, and it becomes a more complicated shape on mounting.

1、1A、1B、1C…アンテナ装置
2…上部誘電体基板
3…パッチ電極
4…中間誘電体基板
4c…スルーホール
5…空隙
6…グランド電極
6c…隙間部
7…下部誘電体基板
8、8A…給電点
9、16…信号用ランド部
10…グランド用ランド部
10c…隙間部
11…上部プリント基板
11c、11d…スルーホール
12…下部プリント基板
12c…スルーホール
12d…ビアホール配線
13…ポール
14…ネジ
15…信号線
17…半田
18…電子回路
19…マイクロストリップ線路
25…同軸コネクタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 1A, 1B, 1C ... Antenna apparatus 2 ... Upper dielectric substrate 3 ... Patch electrode 4 ... Intermediate dielectric substrate 4c ... Through-hole 5 ... Air gap 6 ... Ground electrode 6c ... Gap part 7 ... Lower dielectric substrate 8, 8A ... Feeding points 9, 16 ... Signal land 10 ... Ground land 10c ... Gap 11 ... Upper printed circuit board 11c, 11d ... Through hole 12 ... Lower printed circuit board 12c ... Through hole 12d ... Via hole wiring 13 ... Pole 14 ... Screw 15 ... Signal line 17 ... Solder 18 ... Electronic circuit 19 ... Microstrip line 25 ... Coaxial connector

Claims (9)

第1の面と第2の面を有する上部誘電体基板と、
第3の面と第4の面を有するパッチ電極と、
第5の面と第6の面を有する中間誘電体基板と、
第7の面と第8の面を有するグランド電極と、
第9の面と第10の面を有する下部誘電体基板と
を有し、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極は、前記第2の面と前記第3の面が接するように配置され、
前記パッチ電極と前記中間誘電体基板は、前記第4の面と前記第5の面が接するように配置され、
前記中間誘電体基板と前記グランド電極は、空隙を介して前記第6の面と前記第7の面が対向するように配置され、
前記グランド電極と前記下部誘電体基板は、前記第8の面と前記第9の面が対向するように配置されている、
アンテナ装置。
An upper dielectric substrate having a first surface and a second surface;
A patch electrode having a third surface and a fourth surface;
An intermediate dielectric substrate having a fifth surface and a sixth surface;
A ground electrode having a seventh surface and an eighth surface;
A lower dielectric substrate having a ninth surface and a tenth surface;
The upper dielectric substrate and the patch electrode are disposed such that the second surface and the third surface are in contact with each other,
The patch electrode and the intermediate dielectric substrate are disposed so that the fourth surface and the fifth surface are in contact with each other,
The intermediate dielectric substrate and the ground electrode are arranged so that the sixth surface and the seventh surface face each other with a gap therebetween,
The ground electrode and the lower dielectric substrate are disposed such that the eighth surface and the ninth surface are opposed to each other.
Antenna device.
請求項1に記載のアンテナ装置において、
中心周波数での自由空間での波長をλとし、
前記上部誘電体基板の厚みをtuとし、
前記中間誘電体基板の厚みをtiとし、
前記空隙の厚みをdgとするとき、
以下の関係を満たすことを特徴とするアンテナ装置。
Figure 2017123586
The antenna device according to claim 1,
Let λ be the wavelength in free space at the center frequency,
The thickness of the upper dielectric substrate is tu,
The thickness of the intermediate dielectric substrate is ti,
When the thickness of the gap is dg,
An antenna device characterized by satisfying the following relationship:
Figure 2017123586
請求項1に記載のアンテナ装置において、
前記第1の面に形成された第1のランド部と、
前記第10の面に形成された第2のランド部と、
前記第10の面に形成され、前記第2のランド部と電気的に絶縁された第3のランド部と、
前記上部誘電体基板と、前記中間誘電体基板と、前記下部誘電体基板を貫通する導体部材と
を更に有し、
前記第1のランド部と前記パッチ電極とが電気的に接続され、
前記第2のランド部と前記グランド電極とが電気的に接続され、
前記第3のランド部と前記第1のランド部とが、前記導体部材を介して電気的に接続されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
The antenna device according to claim 1,
A first land portion formed on the first surface;
A second land portion formed on the tenth surface;
A third land portion formed on the tenth surface and electrically insulated from the second land portion;
The upper dielectric substrate; the intermediate dielectric substrate; and a conductor member penetrating the lower dielectric substrate.
The first land portion and the patch electrode are electrically connected;
The second land portion and the ground electrode are electrically connected;
The antenna device, wherein the third land portion and the first land portion are electrically connected via the conductor member.
請求項3に記載のアンテナ装置において、
前記導体部材は複数本である
ことを特徴とするアンテナ装置。
The antenna device according to claim 3, wherein
There is a plurality of the conductor members. An antenna device, wherein:
請求項1に記載のアンテナ装置において、
前記第10の面に実装される電子回路を更に有する
ことを特徴とするアンテナ装置。
The antenna device according to claim 1,
The antenna device further comprising an electronic circuit mounted on the tenth surface.
請求項5に記載のアンテナ装置において、
前記電子回路は低雑音増幅回路を含み、前記電子回路の入力端子には信号線が電気的に接続されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
The antenna device according to claim 5, wherein
The electronic circuit includes a low-noise amplifier circuit, and a signal line is electrically connected to an input terminal of the electronic circuit.
請求項1に記載のアンテナ装置において、
前記第1の面に形成された第1のランド部と、
前記第10の面に形成された第2のランド部と、
互いに電気的に絶縁されたグランド端子と信号端子を有し、前記第10の面に装着されるコネクタと、
前記上部誘電体基板と、前記中間誘電体基板と、前記下部誘電体基板を貫通する導体部材と
を更に有し、
前記第1のランド部と前記パッチ電極とが電気的に接続され、
前記第2のランド部と前記グランド電極とが電気的に接続され、
前記第2のランド部と前記グランド端子とが電気的に接続され、
前記第1のランド部は、一端が前記信号端子を形成する前記導体部材の他端と電気的に接続されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
The antenna device according to claim 1,
A first land portion formed on the first surface;
A second land portion formed on the tenth surface;
A connector that has a ground terminal and a signal terminal electrically insulated from each other, and is attached to the tenth surface;
The upper dielectric substrate; the intermediate dielectric substrate; and a conductor member penetrating the lower dielectric substrate.
The first land portion and the patch electrode are electrically connected;
The second land portion and the ground electrode are electrically connected;
The second land portion and the ground terminal are electrically connected;
One end of the first land portion is electrically connected to the other end of the conductor member that forms the signal terminal.
請求項1に記載のアンテナ装置において、
前記第10の面に形成された第1のランド部と、
互いに電気的に絶縁されたグランド端子と信号端子を有し、前記第10の面に装着されるコネクタと、
前記中間誘電体基板と、前記下部誘電体基板を貫通する導体部材と
を更に有し、
前記第1のランド部と前記グランド電極とが電気的に接続され、
前記第1のランド部と前記グランド端子とが電気的に接続され、
前記パッチ電極は、一端が前記信号端子を形成する前記導体部材の他端と電気的に直接接続されている
ことを特徴とするアンテナ装置。
The antenna device according to claim 1,
A first land portion formed on the tenth surface;
A connector that has a ground terminal and a signal terminal electrically insulated from each other, and is attached to the tenth surface;
The intermediate dielectric substrate; and a conductor member penetrating the lower dielectric substrate;
The first land portion and the ground electrode are electrically connected;
The first land portion and the ground terminal are electrically connected;
One end of the patch electrode is directly directly connected to the other end of the conductor member forming the signal terminal.
請求項1に記載のアンテナ装置において、
前記上部誘電体基板と前記パッチ電極と前記中間誘電体基板で構成される基板部材と前記下部誘電体基板とを連結して支持する複数本のポールを更に有する
ことを特徴とするアンテナ装置。
The antenna device according to claim 1,
An antenna apparatus, further comprising: a plurality of poles for connecting and supporting the upper dielectric substrate, the patch electrode, the substrate member composed of the intermediate dielectric substrate, and the lower dielectric substrate.
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