JP2018082224A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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。【解決手段】アンテナ装置１Ｅは、第１〜第ｎ＋２誘電体層Ｓn+2（２≦ｎ）と、第１〜第ｎパッチ電極Ｐ1と、グランド電極Ｐと、を備え、第ｍパッチ電極Ｐm（１≦ｍ≦ｎ−１）は、第ｍ周波数に対応する大きさの二つの面を有し、前記二つの面のうちの一方の面が第ｍ誘電体層Ｓmと接し、前記二つの面のうち他方の面が第ｍ＋１誘電体層Ｓm+1と接し、第ｍ＋１パッチ電極Ｐm+1は、第ｍ＋１周波数に対応する大きさの二つの面を有し、前記二つの面のうちの一方の面が前記第ｍ＋１誘電体層Ｓm+1と接し、前記二つの面のうち他方の面が第ｍ＋２誘電体層Ｓm+2と接し、前記グランド電極Ｐは、第ｎ＋１誘電体層Ｓn+1と接する面と、前記第ｎ＋２誘電体層Ｓn+2と接する面と、を有し、前記第１誘電体層Ｓ1は誘電体基板を含む。【選択図】図１６

Description

本開示は、アンテナ装置に関する。

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。

国際公開第２００４／０９５６３９号

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。

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。

本開示は、上記の点に鑑みてなされたものであり、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。

上記課題を解決するために、代表的な発明の一つとして、第１〜第ｎ＋２誘電体層（２≦ｎ）と、第１〜第ｎパッチ電極と、グランド電極と、を備え、第ｍパッチ電極（１≦ｍ≦ｎ−１）は、第ｍ周波数に対応する大きさの二つの面を有し、前記二つの面のうちの一方の面が第ｍ誘電体層と接し、前記二つの面のうち他方の面が第ｍ＋１誘電体層と接し、第ｍ＋１パッチ電極は、第ｍ＋１周波数に対応する大きさの二つの面を有し、前記二つの面のうちの一方の面が前記第ｍ＋１誘電体層と接し、前記二つの面のうち他方の面が第ｍ＋２誘電体層と接し、前記グランド電極は、第ｎ＋１誘電体層と接する面と、前記第ｎ＋２誘電体層と接する面と、を有し、前記第１誘電体層は誘電体基板を含む、アンテナ装置を提供する。

本開示によれば、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技術を提供することができる。上記以外の課題、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。

実施例１に係るアンテナ装置を概略的に示した図である。 アンテナ装置が含む各構成要素を分解して示した図である。 アンテナ装置のｙｚ平面と平行な面における断面を示した図である。 アンテナ装置の支持構造を説明するための図である。 第１誘電体基板の上面の正面図である。 第４誘電体基板の下面の正面図である。 高周波信号を送信する電子部品が実装されたアンテナ装置の断面を示す図である。 電子回路の内部構成を示す図である。 実施例２に係るアンテナ装置を概略的に示す図である。 実施例３に係るアンテナ装置を概略的に示す図である。 実施例４に係るアンテナ装置を概略的に示す図である。 アンテナ装置の設計例を示す図である。 アンテナ装置が有する構成要素の正面図である。 アンテナ特性のシミュレーション結果を示す図である。 二つの周波数でのアンテナ装置の放射パターンを示した図である。 変形例２のアンテナ装置を示す図である。 先願のアンテナ装置の構成を示す図である。

［概要］
本願の発明者は、先に出願した特願２０１６−００２１７７において、図１７に示す、パッチ電極２０１とグランド電極２０２との間に誘電体基板２０３と空隙Ｇとを設けたアンテナ装置を提案した。図１７に示すように、上記アンテナ装置は二つの誘電体基板２０３及び２０４に挟まれたパッチ電極２０１と誘電体基板２０５上に形成されたグランド電極２０２とを備える。上記構成を有するアンテナ装置は、容易に製造でき高利得かつ広指向性であるが、パッチ電極２０１を一つのみ有するため単一の周波数の電磁波で信号を受信する。

ところで、従来、ＧＰＳ（Global Positioning System）といった全球測位システムにおける測位の安定性を高めるため、二つの周波数の電磁波で信号を受信するアンテナ技術が知られている。

しかしながら、従来の二つの周波数に対応するアンテナ装置では、産業用途などで利用される高精度ＧＮＳＳ（Global Navigation Satellite System）が要求する利得及び指向性を十分に満足することが困難であった。

そこで本願の発明者は、先に提案したアンテナ装置を改良し、高利得かつ広指向性であり、複数の周波数の電磁波で信号を受信するアンテナ技術を提案することにした。

以下、図面に基づいて、本開示の実施例を説明する。なお、本開示の実施例は、後述する実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。また、後述する各実施例の説明に使用する各図の対応部分には同一の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

また、本明細書において、誘電体層という用語は、誘電体基板そのものを指すこともあれば空気層を指すこともある。誘電体層は、誘電体基板と空気層とが積層された層を指すこともある。誘電体層は、誘電体基板及び空気層以外の誘電体を含んでもよい。

＜実施例１＞
図１は、実施例１に係るアンテナ装置１を概略的に示した図である。本実施例に係るアンテナ装置１は、第１誘電体基板１１と第２誘電体基板１２と第３誘電体基板１３と第４誘電体基板１４と第１パッチ電極１５と第２パッチ電極１６とグランド電極１７とを備える。アンテナ装置１が備える各構成要素は、例えば、それぞれ、略平行に配置されている。また、第３誘電体基板１３とグランド電極１７との間には、空気層Ｇが設けられている。以下に、アンテナ装置１が含む各構成要素について図２を参照しながら説明する。

図２は、アンテナ装置１が含む各構成要素を分解して示した図である。第１誘電体基板１１は、厚みがt₁であり、上面１１ａ及び下面１１ｂを有する方形の板状部材である。第２誘電体基板１２は、厚みがt₂であり、上面１２ａ及び下面１２ｂを有する方形の板状部材である。第３誘電体基板１３は、厚みがt₃であり、上面１３ａ及び下面１３ｂを有する方形の板状部材である。第４誘電体基板１４は、上面１４ａ及び下面１４ｂを有する方形の板状部材である。

第１誘電体基板１１、第２誘電体基板１２、第３誘電体基板１３及び第４誘電体基板１４の材料は、FR4、アクリル、テフロン（登録商標）等である。各基板には、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。

各基板の寸法Ｌ_Sは、グランド電極１７の寸法Ｌより若干大きく、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_Sは、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６の寸法よりも十分広い。各基板の寸法Ｌ_Sは、理想的にはパッチ電極の寸法の２倍以上の大きさとすることが望ましい。ただし、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。各基板の寸法Ｌ_S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。

第１誘電体基板１１と第２誘電体基板１２と第３誘電体基板１３と第４誘電体基板１４とのそれぞれは、大きさが異なる構成にすることも可能である。この場合、グランド電極１７を配置する第４誘電体基板１４の寸法を上記の例に従ってパッチ電極の寸法の２倍を目安に設定し、第１誘電体基板１１、第２誘電体基板１２及び第３誘電体基板１３は、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６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。

第１パッチ電極１５は、上面１５ａ及び下面１５ｂを有する円形の薄い板状部材又は薄膜で構成される。第２パッチ電極１６は、上面１６ａ及び下面１６ｂを有する円形の薄い板状部材又は薄膜で構成される。第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６の外径Ｌ₁及びＬ₂は、通常のパッチアンテナと同様、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、各電極を支持する誘電体基板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。

本実施例において、第１パッチ電極１５の外径L₁は第２パッチ電極１６の外径L₂よりも小さい。換言すると、第１パッチ電極１５が受信又は放射する電磁波の波長は、第２パッチ電極１６が受信又は放射する電磁波の波長よりも短い。或いは、第１パッチ電極１５が受信又は放射する電磁波の周波数は、第２パッチ電極１６が受信又は放射する電磁波の周波数よりも高い。

第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６の形状は、所望の特性が得られるのであれば、円形以外の形状でもよい。第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６の形状は、例えば、正ｎ角形（ｎは４以上）でもよい。第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６は、銅、アルミニウム、金等の板状部材又は薄膜として形成される。

グランド電極１７は、上面１７ａ及び下面１７ｂを有する方形の薄い板状部材又は薄膜である。グランド電極１７は、銅、アルミニウム、金等の板状部材又は薄膜として形成される。グランド電極１７は、第４誘電体基板１４の上面１４ａの略全面に形成される。従って、グランド電極１７の平面視の大きさは、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６の平面視の大きさに比べて大きい。空気層Ｇは厚さがd_gであり、例えばアンテナ装置の４隅にポールを設けて第３誘電体基板１３とグランド電極１７を離間することによって設けられる。誘電体層の実効誘電率は、空気層Ｇを設けることによって調節することができる。

図３は、アンテナ装置１のｙｚ平面と平行な面における断面図である。図３に示すように、第１誘電体基板１１の下面１１ｂと第２誘電体基板１２の上面１２ａとは接しており、第１パッチ電極１５は第１誘電体基板１１と第２誘電体基板１２との間に挟まれている。第２誘電体基板１２の下面１２ｂと第３誘電体基板１３の上面１３ａとは接しており、第２パッチ電極１６は第２誘電体基板１２と第３誘電体基板１３との間に挟まれている。

グランド電極１７は、空気層Ｇを介して第３誘電体基板１３の下面１３ｂと対向する。グランド電極１７は、第４誘電体基板の上面１４ａを覆うように配置されている。本実施例では、グランド電極１７は、第４誘電体基板の上面１４ａと接しているが、グランド電極１７は第４誘電体基板の上面１４ａと離間していてもよい。

アンテナ装置１は、第１誘電体基板１１の厚さt₁、第２誘電体基板１２の厚さt₂、第３誘電体基板１３の厚さt₃及び空気層Ｇの厚さd_gを設計パラメータとして、動作利得や帯域幅を設計することができる。t₁、t₂、t₃及びd_gは以下の範囲内で設計される。

ここで、λは、第１パッチ電極１５が放射又は受信する電磁波の自由空間における波長λ₁、第２パッチ電極１６が放射又は受信する電磁波の自由空間における波長λ₂又はλ₁とλ₂との平均値である。上段の式は、アンテナ装置１が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。上記パラメータの値は、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。

図４は、アンテナ装置１の支持構造を説明するための図である。図４の場合、第１誘電体基板１１と第２誘電体基板１２と第３誘電体基板１３とは、４隅に配置したポール（柱部）８とネジ９によって支持され固定されている。図４に示すように各基板の４隅にポール８とネジ９を配置することにより第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６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。なお、ポール８とネジ９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８とネジ９の配置位置は、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６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。例えば、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６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８とネジ９を配置することが可能である。

上記のように第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６の中央部にポール８を設けた場合、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４では、４本のポール８を設けているが、必要とする強度、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。

［アンテナ装置１の詳細］
上記の説明では、アンテナ装置１の各電極に接続されている導線を省略して説明した。実際にアンテナ装置１を稼働させるには、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６とグランド電極１７とを電気的に絶縁し、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６に給電する必要がある。以下に、実際にアンテナ装置１を利用する際に必要な給電用の導線や接地用に必要な導線の接続方法について説明する。

図５は、第１誘電体基板１１の上面１１ａの正面図である。図５に示すように、第１誘電体基板１１の上面１１ａには、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６と電気的に接続するための第１信号用ランド部１１ｄと第１信号用ランド部１１ｄを貫通するスルーホール１１ｃとが設けられている。スルーホール１１ｃは導電性のスルーホール配線で覆われており、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６はスルーホール１１ｃを貫通する信号線２（図７参照）と電気的に接続される。信号線２は、第１信号用ランド部１１ｄにおいて半田づけされることにより固定することができる。なお、スルーホール１１ｃは第１誘電体基板１１の中心部よりずれた位置に設けられる。

図６は、第４誘電体基板１４の下面１４ｂの正面図である。図６に示すように、第４誘電体基板１４の下面１４ｂにはグランド電極１７と電気的に接続するためのグランド用ランド部１４ｄが形成されている。グランド用ランド部１４ｄにはスルーホール１４ｃと複数のビアホール配線１４ｅとが形成されている。ビアホール配線１４ｅはスルーホール１４ｃを取り囲むように形成される。グランド電極１７は、グランド用ランド部１４ｄを介して接地するための導線と電気的に接続される。第１誘電体基板１１に設けられたスルーホール１１ｃと同様に、スルーホール１４ｃは第４誘電体基板１４の中心部よりずれた位置に設けられる。

図６に示していないが、グランド用ランド部１４ｄの内側には、隙間部１４ｆを隔てて、第２信号用ランド部１４ｇが形成されている。すなわち、グランド用ランド部１４ｄと第２信号用ランド部１４ｇとは、隙間部１４ｆで隔てられている。このため、グランド用ランド部１４ｄと第２信号用ランド部１４ｇ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１４ｄと第２信号用ランド部１４ｇとは絶縁されている。スルーホール１４ｃは第２信号用ランド部１４ｇ内に設けられている。

同様に、第２誘電体基板１２、第３誘電体基板１３、第１パッチ電極１５、第２パッチ電極１６及びグランド電極１７にもスルーホール１２ｃ、１３ｃ、１５ｃ、１６ｃ及び１７ｃが設けられる。アンテナ装置１は、各誘電体基板と電極とが対向した際に、それぞれのスルーホールの位置が一致して一つの貫通孔となるように設計されている。上記貫通孔には上述した信号線２が挿入され、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６は信号線２と電気的に接続されて給電される。

なお、グランド電極１７に設けられるスルーホール１７ｃの径は、第４誘電体基板１４に設けられるスルーホール１４ｃの径よりも大きく設計される。こうすることにより、信号線２とグランド電極１７とが接触して短絡するのを防ぐことができる。

図７は、高周波信号を送信する電子部品が実装されたアンテナ装置１の断面を示す図である。上記断面は、図５及び図６に示したＡＢ線に沿って切断された際の切断面である。アンテナ装置１では、第１誘電体基板１１の上面１１ａのうち第１パッチ電極１５の上方に当たる位置には給電点３が設けられており、当該給電点３を通じて高周波信号が入出力される。

給電点３は、例えば、上述した第１信号用ランド部１１ｄにおいて信号線２を固定するために接着した半田４の部分に当たる。本実施例の場合、給電点３のインピーダンスは５０Ωである。給電点３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３は、上で述べたように第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６の中心から少しずれた位置に選定されている。

上述したとおり信号線２は、各誘電体基板に設けられたスルーホールを貫通して第１信号用ランド部１１ｄ及び第２信号用ランド部１４ｇと半田４で固定される。第１誘電体基板１１及び第２誘電体基板１２に設けられたスルーホール１１ｃ及び１２ｃの内側は導体で覆われており、信号線２は第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６と電気的に接続されている。

一方、グランド電極１７に設けられたスルーホール１７ｃの径は、第４誘電体基板１４に設けられたスルーホール１４ｃよりも大き目に設計されており、信号線２はグランド電極１７と接触せずに絶縁されている。つまり、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６は、信号線２を介して第２信号用ランド部１４ｇと電気的に接続され、グランド電極１７とは電気的に絶縁されている。また、グランド電極１７は複数のビアホール配線１４ｅを介してグランド用ランド部１４ｄと電気的に接続され、第２信号用ランド部１４ｇとは電気的に絶縁されている。

アンテナ装置１を上記のような構成にすると、アンテナ装置１の組み立て時に、信号線２を、第１誘電体基板１１の上面１１ａ側（アンテナ装置１の外側）と、第４誘電体基板の下面１４ｂ側（アンテナ装置１の外側）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。

さらに図７を参照しながら、グランド用ランド部１４ｄ及び第２信号用ランド部１４ｇについて説明する。第２信号用ランド部１４ｇには、マイクロストリップ線路１４ｈが形成されており、例えば、低雑音増幅回路を含む電子回路５と接続することができる。

グランド用ランド部１４ｄと第２信号用ランド部１４ｇとは隙間部１４ｆを介して互いに接触しないようになっているため、図７に示すようにグランド用ランド部１４ｄの形状は、第２信号用ランド部１４ｇをとり囲むようにコの字形になっている。グランド用ランド部１４ｄと第２信号用ランド部１４ｇとが上記形状であることにより、マイクロストリップ線路１４ｈは高周波信号を伝送することができる。なお、隙間部１４ｆはマイクロストリップ線路１４ｈ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。

図７に示した例では、グランド用ランド部１４ｄは電子回路５（回路素子）のグラウンド端子５ａ１に接続され、第２信号用ランド部１４ｇはマイクロストリップ線路１４ｈを介して電子回路５（回路素子）の信号端子（入力端子）５ａ２に接続されている。なお、第４誘電体基板１４の上面１４ａにはグランド電極１７が形成されているため、その下面１４ｂに配置された電子回路５は電磁界的にアンテナ部分と分離されている。

図８は、電子回路５の内部構成を示す図である。図８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５の構成例である。電子回路５は、入力側から順番に、電極６（図７のうち電子回路５を除く部分）と接続されるアンテナ端子５ａ、出力端子５ｂ、低雑音増幅器（ＬＮＡ）５ｃ、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）５ｄ、バイアスティー（Ｂｉａｓ Ｔｅｅ）５ｅ、を有する。出力端子５ｂは外部受信回路である復調ＩＣ７（復調器）等に接続される。

［実施例１に係るアンテナ装置１が奏する効果］
上記のとおり、アンテナ装置１は、第１パッチ電極１５と第２パッチ電極１６とを備え、複数の周波数に対応したアンテナ装置である。実施例１に係るアンテナ装置１は、第１パッチ電極１５の上面１５ａが、第１誘電体基板１１と接している構成を有する。このようにすると、アンテナ装置１は、第１パッチ電極１５に流れる電流の波長短縮率を調整して指向性を広げることが可能になる。

また、アンテナ装置１は、上記波長短縮率を調整することによって、第１パッチ電極１５の一辺の寸法を、第１誘電体基板１１を有しないアンテナ装置に比べて小さくでき、その結果、アンテナ装置１を小型化できる。また、アンテナ装置１は第１パッチ電極１５の面積を小さくできるため、第１パッチ電極１５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、指向性を広げることが可能になる。

アンテナ装置１は、広指向性のため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。

また、アンテナ装置１の製造工程では、第１誘電体基板１１の上面１１ａ側（外側）と第４誘電体基板の下面１４ｂ側（外側）での半田付けにより、信号線２を第１誘電体基板１１及び第４誘電体基板１４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。

また、実施例１に係るアンテナ装置１は、第１パッチ電極１５の外径が第２パッチ電極１６の外径よりも小さい。このようにすることによって、アンテナ装置１は高利得なアンテナ性能を得ることができる。

また、実施例１に係るアンテナ装置１は、上述した式１に示すように、放射又は受信する電磁波に対応して各構成要素の厚みが設計される。このようにすると、アンテナ装置１は、動作利得が大きくなる。

＜実施例２＞
図９は、実施例２に係るアンテナ装置１Ａを概略的に示す図である。図９の場合もポール８とネジ９は省略している。実施例２に係るアンテナ装置１Ａは、グランド用ランド部１４ｄ及び第２信号用ランド部１４ｇが電子回路５と接続するための接続端子を有する代わりに、第４誘電体基板１４の下面１４ｂに同軸コネクタ１０が装着されている点が実施例１と異なる。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。

同軸コネクタ１０は、信号端子１０ａとグランド端子１０ｂとを有している。信号線２は、実施例１のアンテナ装置１の場合と同じく、各誘電体基板と各導体とに設けられたスルーホール１１ｃ〜１７ｃを貫通している。実施例１に係るアンテナ装置１とは異なり、実施例２に係るアンテナ装置１Ａが備える信号線２の下端は、第４誘電体基板１４の下面１４ｂに実装された同軸コネクタ１０の信号端子１０ａとして露出している。信号線２は、実施例１の場合と同様にグランド電極１７とは電気的に絶縁されている。

図９に示すように、実施例２に係るアンテナ装置１Ａでは、第４誘電体基板１４の下面１４ｂにおいて、同軸コネクタ１０のグランド端子１０ｂは、半田４を介してグランド用ランド部１４ｄやビアホール配線１４ｅと電気的に接続されている。また、第４誘電体基板１４の上面１４ａに設けられたグランド電極１７と下面１４ｂに設けられたグランド用ランド部１４ｄとは、複数のビアホール配線１４ｅを介して電気的に接続されている。即ち、グランド電極１７と同軸コネクタ１０のグランド端子１０ｂとは電気的に接続されている。

実施例２に係るアンテナ装置１Ａの場合も、アンテナ装置１Ａの組み立て時に、同軸コネクタ１０の信号端子１０ａ（すなわち、信号線２）を、第１誘電体基板１１の上面１１ａ側（外側）で半田付けすることができ、かつ、同軸コネクタ１０のグランド端子１０ｂを、第４誘電体基板１４の下面１４ｂ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１０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。

＜実施例３＞
図１０は、実施例３に係るアンテナ装置１Ｂを概略的に示す図である。実施例３に係るアンテナ装置１Ｂは、信号線２が第２誘電体基板１２、第３誘電体基板１３及び第４誘電体基板１４を貫通するものの、第１誘電体基板１１を貫通しない構成である。実施例３の場合、給電点３は、導電性材料（Conductive Material）によって第１パッチ電極１５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、半田であっても良い。

＜実施例４＞
図１１は、実施例４に係るアンテナ装置１Ｃを概略的に示す図である。図１１に示すアンテナ装置１Ｃは、第１誘電体基板１１の上面１１ａに２つの給電点３Ａ及び給電点３Ｂを持つ。これら２つの給電点３Ａ及び３Ｂ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３Ａと給電点３Ｂ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。

＜アンテナ装置の設計例＞
以下では、アンテナ装置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について説明する。例えば、第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６は、それぞれ、中心周波数が1.59GHz及び1.275GHzであるように寸法が設計されている。

図１２は、アンテナ装置１Ｄの設計例を示す図である。図１２に示すアンテナ装置１Ｄは、実施例１において、第２誘電体基板１２は誘電体基板１２Ａと空気層１２Ｂとが積層された第２誘電体層１２０に置き換えられ、第３誘電体基板１３は二つの誘電体基板１３Ａ及び１３Ｂと空気層１３Ｃとが積層された第３誘電体層１３０に置き換えられた構成となっている。以下に、各構成要素の寸法を示す。

誘電体基板１１：150mm×150mm、厚さ1mm、素材ＦＲ４
誘電体基板１２Ａ：150mm×150mm、厚さ2mm、素材ＦＲ４
誘電体基板１３Ａ：150mm×150mm、厚さ2mm、素材ＦＲ４
誘電体基板１３Ｂ：150mm×150mm、厚さ2mm、素材ＦＲ４
誘電体基板１４：150mm×150mm、厚さ2mm、素材ＦＲ４
空気層１２Ｂ：厚さ2mm
空気層１３Ｃ：厚さ2mm
第１パッチ電極１５：φ90mm、円形状
第２パッチ電極１６：φ105mm、円形状
グランド電極１７：148mm×148mm、方形状

図１３は、アンテナ装置１Ｄが有する構成要素の正面図である。図１３に示すように第１パッチ電極１５及び第２パッチ電極１６は円形状であり、グランド電極１７及び各誘電体基板は方形状である。以上の設計値の場合にアンテナ装置１Ｄが示すアンテナ特性と放射パターンのシミュレーション結果を図１４及び図１５に示す。

図１４は、アンテナ特性のシミュレーション結果を示す図である。図１４に示すように、アンテナ装置１Ｄは、1.28GHz及び1.59GHz付近の周波数において反射損失が小さくなり、二周波アンテナが実現できていることがわかる。

図１５は、二つの周波数でのアンテナ装置１Ｄの放射パターンを示した図である。図１５では、アンテナ装置の動作利得を単位dBで示した。図１５に示すように、アンテナ装置１Ｄは、上記二つの周波数の双方において、高利得かつ広指向性である。

上記のとおり、実施例に係るアンテナ装置１、１Ａ〜１Ｄは高利得かつ広指向性であり複数の周波数に対応し、ＧＮＳＳに最適である。上記アンテナ装置は、特に高精度測位を求められる産業用途への利用が期待でき、農業、土木、鉄道及び防災等の分野で活用できる。具体的には、上記アンテナ装置は、例えば、大規模農地での農機の走行ガイダンス、工事現場での重機の制御、鉄道の運転士支援、地滑りや崖崩れの恐れのある傾斜地の常時監視、等に活用できる。

なお、本開示は上記の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開示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。

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、本開示を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装とは異なる場合がある。

＜変形例１＞
上記の実施例の説明では、アンテナ装置１の第１誘電体基板１１及び第４誘電体基板１４が、それぞれの４つの角部において、ポール８及びネジ９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２が半田４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８及びネジ９を設けなくてよい。

＜変形例２＞
上記の実施例の説明では、アンテナ装置１は異なる周波数に対応する二つのパッチ電極を備えていた。アンテナ装置１は、複数の周波数に対応する三つ以上のパッチ電極を備えていてもよい。

図１６は、変形例２のアンテナ装置１Ｅを示す図である。図１６に示したアンテナ装置１Ｅでは、第１〜第ｎ＋２誘電体層Ｓ_n+2（２≦ｎ）と、第１〜第ｎパッチ電極Ｐ_nと、グランド電極Ｐと、を備え、第ｍパッチ電極（１≦ｍ≦ｎ−１）は、第ｍ周波数に対応する大きさの二つの面を有し、二つの面のうちの一方の面が第ｍ誘電体層と接し、二つの面のうち他方の面が第ｍ＋１誘電体層と接し、第ｍ＋１パッチ電極は、第ｍ＋１周波数に対応する大きさの二つの面を有し、二つの面のうちの一方の面が第ｍ＋１誘電体層と接し、二つの面のうち他方の面が第ｍ＋２誘電体層と接し、グランド電極Ｐは、第ｎ＋１誘電体層Ｓ_n+1と接する面と、第ｎ＋２誘電体層Ｓ_n+2と接する面と、を有し、第１誘電体層Ｓ₁は誘電体基板を含む。

上記構成を有するアンテナ装置１Ｅは、三つ以上の周波数に対応することができる。ここで、上記誘電体層Ｓ_２〜Ｓ_ｎ＋２は、誘電体基板のみを含んでもよいし、誘電体基板と空気層とを含んでもよく、空気層のみを含んでもよい。また、第１誘電体層Ｓ_１は誘電体基板を含むため、アンテナ装置１Ｅは、波長短縮効果により広指向性を有するアンテナ装置となる。

また、アンテナ装置１において、ｎ個のパッチ電極はグランド電極Ｐへ向かうにつれて寸法が大きくなるように配置されている。このようにすると、アンテナ装置１Ｅは高利得かつ広指向性となる。

アンテナ装置１Ｅは、第１誘電体層Ｓ_１〜第ｎ誘電体層Ｓ_ｎのそれぞれが、厚みがt₁〜t_nの誘電体基板であり、第ｎ＋１誘電体層Ｓ_n+1が、厚みがt_nの誘電体基板と厚みがd_gの空気層Ｇとからなる場合、以下の式に示す関係を満たすように設計されてもよい。

ここで、第ｎ＋１誘電体層が含む誘電体基板は第ｎパッチ電極Ｐ_ｎが有する面と接し、空気層Ｇはグランド電極Ｐが有する面と接する。また、λは、第ｍパッチ電極Ｐ_mが放射又は受信する電磁波の自由空間における波長λ_m又はλ₁〜λ_nの平均値である。λはλ₁〜λ_nの中央値でもよい。上段の式は、アンテナ装置１が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。上記パラメータの値は、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。アンテナ装置１Ｅは、上記の式に示す関係を満たすことによって、動作利得が大きくなる。

＜変形例３＞
アンテナ装置の設計例の欄では、アンテナ装置１Ｄは二つの空気層１２Ｂ及び空気層１３Ｃを有するとした。上記空気層１２Ｂ及び空気層１３Ｃは、別の誘電体で形成されてもよい。空気層１２Ｂ及び空気層１３Ｃは、例えば、所望の放射特性を実現するのに適切な誘電率を有するスペーサであってもよい。

１…アンテナ装置、
２…信号線
３…給電点
４…半田
５…電子回路
５ａ…アンテナ端子
５ｂ…出力端子
５ｃ…低雑音増幅器
５ｄ…帯域通過フィルタ
５ｅ…バイアスティー
６…アンテナ
７…復調ＩＣ
８…ポール
９…ネジ
１０…同軸コネクタ
１０ａ…信号端子
１０ｂ…グランド端子
１１…第１誘電体基板
１２…第２誘電体基板
１３…第３誘電体基板
１４…第４誘電体基板
１５…第１パッチ電極
１６…第２パッチ電極
１７…グランド電極
１２Ｂ、１３Ｃ、Ｇ…空気層
１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ…上面
１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ、１４ｂ、１５ｂ、１６ｂ、１７ｂ…下面
１１ｃ、１２ｃ、１３ｃ、１４ｃ、１５ｃ、１６ｃ、１７ｃ…スルーホール
１１ｄ…第１信号用ランド部
１４ｄ…グランド用ランド部
１４ｅ…ビアホール配線
１４ｆ…隙間部
１４ｇ…第２信号用ランド部
１４ｈ…マイクロストリップ線路
１２０…第２誘電体層
１３０…第３誘電体層

Claims (8)

1. 第１〜第ｎ＋２誘電体層と、
   第１〜第ｎパッチ電極と、
   グランド電極と、
   を備え、
   第ｍパッチ電極は、第ｍ周波数に対応する大きさの二つの面を有し、前記二つの面のうちの一方の面が前記第ｍ誘電体層と接し、前記二つの面のうち他方の面が前記第ｍ＋１誘電体層と接し、
   前記第ｍ＋１パッチ電極は、第ｍ＋１周波数に対応する大きさの二つの面を有し、前記二つの面のうちの一方の面が前記第ｍ＋１誘電体層と接し、前記二つの面のうち他方の面が前記第ｍ＋２誘電体層と接し、
   前記グランド電極は、前記ｎ＋１誘電体層と接する面と、前記ｎ＋２誘電体層と接する面と、を有し、
   前記第１誘電体層は誘電体基板を含み、
   ｎは２以上であり、ｍは１以上ｎ以下である、
   アンテナ装置。
2. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第１パッチ電極が有する前記一方の面は、前記第１誘電体層が含む前記誘電体基板と接している、
   アンテナ装置。
3. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第ｍパッチ電極の外径は前記第ｍ＋１パッチ電極の外径よりも小さく、前記第ｍ周波数は前記第ｍ＋１周波数よりも高い、
   アンテナ装置。
4. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第１〜第ｎ誘電体層のそれぞれは、厚さがt₁〜t_nの誘電体基板からなり、前記第ｎ＋１誘電体層は厚さがt_n+1の誘電体基板と厚さがd_gの空気層とからなり、
   前記第ｎ＋１誘電体層が含む前記誘電体基板は前記第ｎパッチ電極が有する前記面と接し、
   前記第ｎ＋１誘電体層が含む前記空気層は前記グランド電極が有する前記面と接し、
   以下の関係を満たす、
   アンテナ装置。
   

   

   ここで、λは、前記第ｍパッチ電極Ｐ_mが放射又は受信する電磁波の自由空間における波長λ_m又はλ₁〜λ_nの平均値である。
5. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第ｎ＋１誘電体層は空気層を含み、前記グランド電極は前記空気層と接している、
   アンテナ装置。
6. 請求項１に記載のアンテナ装置において、
   前記第ｎ＋２誘電体層が含む誘電体基板と、
   前記第１誘電体層が含む前記誘電体基板が有する面に形成された第１のランド部と、
   前記第ｎ＋２誘電体層が含む前記誘電体基板が有する面に形成された第２のランド部及び前記第２のランド部と電気的に絶縁された第３のランド部と、
   前記第１〜第ｎ＋２誘電体層と前記第１〜第ｎパッチ電極と前記グランド電極とを貫通する導体部と、
   をさらに有し、
   前記第１のランド部と前記第３のランド部と前記第１〜第ｎパッチ電極とは、前記導体部を介して電気的に接続され、
   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、
   前記グランド電極と前記導体部とは電気的に絶縁されている、
   アンテナ装置。
7. 請求項６に記載のアンテナ装置において、
   前記グランド電極に設けられた前記導体部が貫通する貫通孔の径は、前記第ｎ＋２誘電体層が含む前記誘電体基板に設けられた前記導体部が貫通する貫通孔の径よりも大きい、
   アンテナ装置。
8. 誘電体基板を含む第１誘電体層と、
   第２誘電体層と、
   第３誘電体層と、
   第４誘電体層と、
   第１周波数に対応する大きさの二つの面を有し、前記二つの面のうちの一方の面が前記誘電体層と接し、前記二つの面のうち他方の面が前記第２誘電体層と接する第１パッチ電極と、
   第２周波数に対応する大きさの二つの面を有し、前記二つの面のうちの一方の面が前記第２誘電体層と接し、前記二つの面のうち他方の面が前記第３誘電体層と接する第２パッチ電極と、
   前記第３誘電体層と接する面と前記第４誘電体層と接する面とを有するグランド電極と、
   を備えるアンテナ装置。

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