JP2022033621A - アンテナ装置 - Google Patents

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健一郎 三治
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Abstract

【課題】0次共振を利用したアンテナ装置であって、ストリップラインを設けずに、ケーブルへの漏洩電流を抑制可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】平板状の導体部材である地板10と、地板10と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、給電線と電気的に接続される対向導体板30と、対向導体板30の中央領域に設けられてあって、対向導体板30と地板10とを電気的に接続する短絡部40とを備え、短絡部40が備えるインダクタンスと、地板10と対向導体板30とが形成する静電容量とが並列共振する周波数を動作周波数とするアンテナ装置1であって、短絡部40は、対向導体板30と短絡している部分が周状であり、対向導体板30において、短絡部40が短絡している部分に囲まれた領域に回路50が配置されている。【選択図】図1

Description

本開示は、0次共振を利用したアンテナ装置に関する。
アンテナ装置は、放射素子とは別に、接地電位を提供する導体板である地板を備えている。地板の面積が送受信の対象とする電波の波長に対して不十分である場合、地板からケーブルに漏洩する電流(以下、漏洩電流)が増大する恐れがある。ケーブルに漏洩電流が流れると、利得が低下したり、指向性が不安定となったりしうる。
そのような課題に関連する技術として、特許文献1には、グランド地板をプリント基板により構成し、グランド地板上に1/4波長のストリップラインを形成する技術が開示されている。
0次共振を利用したアンテナ装置として、グランドとして機能する平板状の地板と、当該地板に対向して配置され、任意の位置に給電点が設けられた平板状の対向導体板と、地板と対向導体板とを電気的に接続する短絡部と、を備えるアンテナ装置が知られている(たとえば特許文献2)。
特許第4992762号公報 特開2016-111655号公報
アンテナ装置は、アンテナ素子から放射される電波を制御する等の目的で回路を備えることがある。回路にはグランドが必要である。0次共振を利用したアンテナ装置においては、回路用に地板を拡大することが考えられる。
しかし、地板が拡大し、地板の長さが、アンテナ装置が放射する電波の周波数(以下、動作周波数)で共振する長さに近くなると、漏洩電流が増大する恐れがある。漏洩電流がケーブルに流れることを抑制するために、特許文献1に開示されているように、漏洩電流抑制用のストリップラインを設けることも考えられる。しかし、漏洩電流抑制用のストリップラインを設けると、ストリップラインを配置する面積が必要になるので、回路素子を配置することができる面積が減少する問題がある。
本開示は、この事情に基づいて成されたものであり、その目的とするところは、0次共振を利用したアンテナ装置であって、ストリップラインを設けずに、ケーブルへの漏洩電流を抑制可能なアンテナ装置を提供することにある。
その目的を達成するためのアンテナ装置は、平板状の導体部材である地板(10、210)と、
地板と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、給電線と電気的に接続される対向導体板(30、230)と、
対向導体板の中央領域に設けられてあって、対向導体板と地板とを電気的に接続する短絡部(40、240)と、を備え、
短絡部が備えるインダクタンスと、地板と対向導体板とが形成する静電容量とが並列共振する周波数を動作周波数とするアンテナ装置であって、
短絡部は、対向導体板と短絡している部分が周状であり、
対向導体板において、短絡部が短絡している部分に囲まれた領域に回路が配置されている。
このアンテナ装置は、対向導体板に、短絡部が短絡している部分に囲まれた領域がある。対向導体板は給電線と電気的に接続されるが、短絡部が短絡している部分に囲まれた領域の内側には電流が流れにくいため、この部分を回路グランドとして利用できる。そこで、このアンテナ装置は、対向導体板において、短絡部が短絡している部分に囲まれた領域に回路を配置している。
対向導体板を回路のグランドとして利用しているので、回路用に地板を拡大して対向導体板と対向しない部分を増やす必要がない。したがって、地板において電流が流れる部分の長さが動作周波数で共振する長さに近くなってしまうことを抑制できる。その結果、地板からの漏洩電流を抑制するためのストリップラインが不要になる。
なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。
アンテナ装置1の外観斜視図。 図1に示すII-II線での断面図。 アンテナ装置1に生じる電界ベクトルの大きさを示す図。 第2実施形態のアンテナ装置201の平面図。 アンテナ装置201の断面図。 隣接する短絡ピン間の長さとインダクタンス変化率の関係を示す図。 第3実施形態のアンテナ装置301の平面図。
<第1実施形態>
以下、本開示の実施形態について図を用いて説明する。なお、以降において同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。また、構成の一部のみに言及している場合、他の部分については先に説明した実施形態の構成を適用することができる。
図1は、第1実施形態に係るアンテナ装置1の概略的な構成を示す外観斜視図である。アンテナ装置1は、例えば、車両などの移動体に搭載されて用いられる。
このアンテナ装置1は、所定の動作周波数の電波を送受信するように構成されている。もちろん、他の態様としてアンテナ装置1は、送信と受信の何れか一方のみに利用されてもよい。電波の送受信には可逆性があるため、或る周波数の電波を送信可能な構成は、当該周波数の電波を受信可能な構成でもある。
動作周波数は、ここでは一例として2.45GHzとする。もちろん、動作周波数は適宜設計されれば良く、他の態様として例えば300MHzや、760MHz、850MHz、900MHz、1.17GHz、1.28GHz、1.55GHz、5.9GHz等としてもよい。アンテナ装置1は、動作周波数だけでなく、動作周波数を基準として定まる所定範囲内の周波数の電波もまた送受信可能である。例えばアンテナ装置1は、2400MHzから2500MHzまでの帯域(以降、2.4GHz帯)に属する周波数を送受信可能に構成されている。
つまり、アンテナ装置1は、Bluetooth Low Energy(Bluetoothは登録商標)や、Wi-Fi(登録商標)、ZigBee(登録商標)等といった、近距離無線通信で使用される周波数帯の電波を送受信可能に構成されている。換言すれば、アンテナ装置1は、国際電気通信連合によって規定されている、産業と科学と医療分野で汎用的に使うために割り当てられた周波数の帯域(いわゆるISMバンド)の電波を送受信可能に構成されている。
アンテナ装置1は、ケーブル2を介して、車両に搭載されている通信用のECU(Electronic Control Unit)と接続されており、アンテナ装置1が受信した信号は通信用ECUに逐次出力される。また、アンテナ装置1は通信用ECUから入力される電気信号を電波に変換して空間に放射する。通信用ECUは、アンテナ装置1が受信した信号を利用するとともに、当該アンテナ装置1に対して送信信号に応じた高周波電力を供給するものである。
図1に示すようにアンテナ装置1は、地板10、支持板20、対向導体板30、および短絡部40を備えている。便宜上以降では、地板10に対して対向導体板30が設けられている側を、アンテナ装置1にとっての上側として各部の説明を行う。つまり、地板10から対向導体板30に向かう方向がアンテナ装置1にとっての上方向に相当する。また、対向導体板30から地板10に向かう方向がアンテナ装置1にとっての下方向に相当する。
地板10は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。地板10は、支持板20の下面に沿って設けられている。ここでの板状には金属箔のような薄膜状も含まれる。つまり、地板10はプリント配線板等の樹脂製の板の表面に電気メッキ等によってパターン形成されたものでもよい。また、地板10は、複数の導体層および絶縁層を含む多層基板の内部に配置された導体層を用いて実現されていてもよい。この地板10は、アンテナ装置1におけるグランド電位(換言すれば接地電位)を提供する。地板10は、たとえば、同軸ケーブルの外部導体と電気的に接続されることで、グランド電位を提供する。なお、以下、特に明記しない場合は、接続は電気的な接続を意味する。
地板10は、長方形状に形成されている。図1等の種々の図に示すX軸は地板10の長手方向を、Y軸は地板10の短手方向を、Z軸は地板10の上下方向をそれぞれ表している。これらX軸、Y軸、およびZ軸を備える3次元座標系は、アンテナ装置1の構成を説明するための概念である。
なお、地板10は、少なくとも対向導体板30よりも大きければよい。地板10の寸法は適宜変更可能である。地板10の1つの辺の長さは、電気的に1波長よりも小さい値(例えば動作波長の1/3)に設定されていてもよい。なお、動作波長は、アンテナ装置1が放射する電波の波長である。
また、地板10を上側から見た形状(以降、平面形状)は適宜変更可能である。ここでは一例として地板10の平面形状を長方形状とするが、他の態様として地板10の平面形状は、正方形状であってもよい。なお、地板10が正方形状である場合には、任意の1辺に沿う方向をX軸とすることができる。また、地板10の形状は、その他の多角形状であってもよい。例えば地板10は、1辺が電気的に1波長に相当する値に設定された正方形状であってもよい。矩形には、長方形と正方形とが含まれる。
支持板20は、地板10と対向導体板30とを、所定の間隔をおいて互いに対向配置する役割を持つ板状部材である。支持板20は矩形平板状であり、支持板20の大きさは平面視において地板10とほぼ同じ大きさである。支持板20は、例えばガラスエポキシ樹脂など、所定の比誘電率を有する誘電体を用いて実現されている。ここでは一例として支持板20は比誘電率4.3のガラスエポキシ樹脂を用いて実現されている。
支持板20の厚さを調整することで、対向導体板30と地板10との間隔を調整することができる。支持板20の厚さの具体的な値はシミュレーションや試験によって適宜決定されればよい。
支持板20の厚さは、後述するように短絡部40の長さを調整するパラメータとしての役割も持つ。換言すれば、支持板20の厚さは、短絡部40が提供するインダクタンスを調整するパラメータとして機能する。加えて支持板20の厚さは、地板10と対向導体板30とが対向することによって形成される静電容量を調整するパラメータとしての役割も持つ。
なお、支持板20は上述の役割を果たせればよく、支持板20の形状は適宜変更可能である。対向導体板30を地板10に対向配置するための構成は、複数の柱であってもよい。また、本実施形態において地板10と対向導体板30の間は、支持板20としての樹脂が充填された構成を採用するが、これに限らない。地板10と対向導体板30の間は、中空や真空となっていてもよい。支持板20としては、ハニカム構造などを採用することもできる。さらに、以上で例示した構造が組み合わさっていてもよい。アンテナ装置1がプリント配線板を用いて実現される場合には、プリント配線板が備える複数の導体層を、地板10および対向導体板30として利用するとともに、導体層を隔てる樹脂層を支持板20として利用してもよい。
対向導体板30は、銅などの導体を素材とする板状の導体部材である。ここでの板状には、前述の通り、銅箔などの薄膜状も含まれる。対向導体板30は、支持板20を介し、地板10と対向するように配置されている。対向導体板30もまた地板10と同様にプリント配線板等の、樹脂製の板の表面にパターン形成されたものでもよい。また、ここでの「平行」とは完全な平行状態に限らない。数度から30度程度傾いていてもよい。つまり概ね平行である状態(いわゆる略平行な状態)を含みうる。本開示における「垂直」という表現についても、完全に垂直な状態に限らず、数度~30度程度傾いている態様も含まれる。
対向導体板30と地板10とは、互いに対向配置されることで、対向導体板30の面積や、対向導体板30と地板10との間隔に応じた静電容量を形成する。対向導体板30は、短絡部40が備えるインダクタンスと動作周波数において並列共振する静電容量を形成する大きさに形成されている。対向導体板30の面積は、所望の静電容量を提供するように適宜設計されればよい。所望の静電容量とは、短絡部40のインダクタンスとの協働により動作周波数で動作する静電容量である。なお、動作周波数をf、短絡部40が備えるインダクタンスをL、対向導体板30が地板10との間に形成する静電容量をCとすると、f=1/{2π√(LC)}の関係が成り立つ。当業者であれば、当該関係式をもとに、適正な対向導体板30の面積を決定することは可能である。
対向導体板30の平面形状は図1では長方形である。つまり、対向導体板30の形状は、地板10の平面形状と相似である。対向導体板30の長辺および短辺は、それぞれ、地板10の長辺および短辺と平行である。ただし、対向導体板30の平面形状は、円形や、正方形、正八角形、正六角形などであってもよい。また、対向導体板30には、スリットが設けられたり、角部を丸められたりしていてもよい。
対向導体板30には給電点31が形成されている。給電点31は、図2に示すように、給電ピン32の対向導体板30側の端である。給電ピン32の反対側の端には同軸ケーブルが接続される。したがって、給電ピン32は、対向導体板30と同軸ケーブルとを電気的に接続する。図1では、給電点31は、対向導体板30の1つの短辺の中点付近にある。ただし、給電点31は、給電線とのインピーダンスの整合が取れる位置であれば任意の位置に配置可能である。
なお、対向導体板30への給電方式としては、直結給電方式や電磁結合方式など多様な方式を採用可能である。直結給電方式は、給電線と対向導体板30とが直接接続される方式を指す。電磁結合方式は、給電用のマイクロストリップ線路等と対向導体板30との電磁結合を利用した給電方式を指す。
また、図2に示すように、ケーブル2の先端は、アンテナ装置1の端部に接続されている。ケーブル2は、アンテナ装置1が備える内部に備えるパターン線などの信号線に接続される。信号線は、たとえば、支持板20を多層構造とすることで、支持板20において、地板10および対向導体板30とは別の厚さ方向位置に形成することができる。
短絡部40は、地板10と対向導体板30とを電気的に接続する。本実施形態の短絡部40は、複数の短絡ピン41を備えた構成である。なお、図1では、図示の便宜上、一部の短絡ピン41にのみ符号を付している。
短絡ピン41は導電性の部材であり、図2に示すように、一端が地板10に接続し、他端が対向導体板30に接続する。複数の短絡ピン41は、互いに同じ形状および大きさである。それぞれの短絡ピン41は、対向導体板30および地板10に垂直である。複数の短絡ピン41の径や長さを調整することによって、短絡部40が備えるインダクタンスを調整することができる。
短絡ピン41は、中空の部材でもよく、アンテナ装置1がプリント配線板を基材として用いて実現される場合には、プリント配線板に設けられたビアを短絡ピン41として利用することができる。
複数の短絡ピン41は、対向導体板30と接続している部分が1つの長方形状の周42の上に位置している。換言すれば、複数の短絡ピン41が対向導体板30と短絡している部分をつなぐと周状になる。
長方形状の周42は、中心が対向導体板30の中心付近になる配置である。周42の大きさは、短絡部40に要求されるインダクタンスから決定することができる。また、周42の大きさは、対向導体板30の周42により囲われた部分に配置する回路50に必要な面積から決定してもよい。
複数の短絡ピン41の互いの間隔は、動作周波数で振幅が変動する電流が短絡ピン41の間をほとんど通過しない間隔となっている。動作周波数で振幅が変動する電流が短絡ピン41の間をほとんど通過しないようにするために、複数の短絡ピン41は、互いの間隔が動作波長に比較して十分狭くなっている。
対向導体板30において、周42に囲まれた領域すなわち短絡ピン41が短絡している部分に囲まれた領域には回路50が配置されている。回路50は、たとえば、送受信回路である。送受信回路は、変調、復調、周波数変換、増幅、デジタルアナログ変換、および検波の少なくとも何れか1つを実施する回路モジュールである。回路50は、対向導体板30を回路グランドとして用いて動作する。回路50は、回路グランドとして機能する対向導体板30に一部が接続されている。また、回路50は、支持板20の内部に設けられるパターン線などを介してケーブル2と接続されている。
〔アンテナ装置1の動作〕
上述した構造を備えるアンテナ装置1の動作を説明する。対向導体板30はその中央領域に設けられた短絡部40で地板10に短絡されており、かつ、対向導体板30の面積は、短絡部40が備えるインダクタンスと動作周波数において並列共振する静電容量を形成する面積となっている。
このため、給電点31から高周波信号が入力されると、インダクタンスと静電容量との間のエネルギー交換によってLC並列共振が生じる。動作周波数でLC並列共振するためには、短絡部40の長さは、一次共振する長さよりも短くてもよい。このLC並列共振が0次共振である。LC並列共振が生じると、地板10と対向導体板30との間には、地板10および対向導体板30に対して垂直な電界が発生する。この垂直電界は、短絡部40から対向導体板30の縁部に向かって伝搬していき、対向導体板30の縁部において、垂直電界は地板10に垂直な偏波面を持つ直線偏波(以降、地板垂直偏波)になって空間を伝搬していく。なお、ここでの地板垂直偏波とは、電界の振動方向が地板10や対向導体板30に対して垂直な電波を指す。
また、アンテナ装置1は動作周波数において、アンテナ水平方向に指向性を有する。故に、地板10が水平となるように配置されている場合、アンテナ装置1は水平方向にメインビームを備えるアンテナとして機能する。ここでのアンテナ水平方向とは、対向導体板30の中心からその縁部に向かう方向を指す。アンテナ水平方向は、別の観点によれば、対向導体板30の中心を通る地板10への垂線に直交する方向を指す。アンテナ水平方向は、アンテナ装置1にとっての横方向(換言すれば側方)に相当する。
なお、アンテナ装置1が電波を送信する際の作動と、電波を受信する際の作動は、互いに可逆性を有する。つまり上記アンテナ装置1によれば、アンテナ水平方向から到来する地板垂直偏波を受信できる。
〔周42により囲まれた領域の電位〕
上述した垂直電界の伝搬方向が、短絡部40から対向導体板30の縁部に向かう方向であることから分かるように、LC並列共振によって対向導体板30から短絡部40を通って地板10に流れ込んだ電流は、短絡部40から地板10の長手方向の両側に流れる。したがって、対向導体板30では、対向導体板30の縁部から短絡部40に向かう方向に電流が流れる。
ただし、短絡部40は、具体的には、複数の短絡ピン41である。互いに隣接する短絡ピン41の間の間隔は、LC並列共振時に対向導体板30に流れる電流が短絡ピン41の間をほとんど通過しない間隔となっている。そのため、対向導体板30において、周42に囲まれた領域の内側は、ほとんど電流が流れない。
図3は、LC並列共振時のアンテナ装置1に生じる電界ベクトルの大きさをシミュレーションした結果を示す図である。図3からも、LC並列共振時に、周42に囲まれた領域の内側は、ほとんど電流が流れないことが分かる。したがって、対向導体板30において、周42に囲まれた領域の内側はグランドとして利用できる。
そこで、本実施形態では、対向導体板30において周42により囲まれた領域に回路50を配置している。対向導体板30を回路50のグランドとして利用しているので、回路50を配置するために、対向導体板30と対向しない方向に地板10を拡大する必要がない。
したがって、地板10において電流が流れる部分の長さが動作周波数で共振する長さに近くなってしまうことを抑制できる。その結果、地板10からの漏洩電流を抑制するためのストリップラインが不要になる。
<第2実施形態>
次に、第2実施形態を説明する。図4に第2実施形態のアンテナ装置201の平面図を示し、図5にアンテナ装置201を、直線Lxを通りXZ平面に平行な面で切断した断面図を示す。なお、アンテナ装置201は、アンテナ装置1と同様、回路50を備えているが、図4、図5では省略している。
直線LxはX軸に平行であって、対向導体板230の中心を通る線である。直線LyはY軸に平行であって対向導体板230の中心を通る線である。したがって、直線Lxと直線Lyの交点が対向導体板230の中心である。
アンテナ装置201が備える支持板220、対向導体板230は平面視で正方形状である。また、短絡部240は、複数の短絡ピン241が、円周242を通る位置に配置された構成である。なお、図1と同様、図示の都合上、一部の短絡ピン241にのみ符号を付している。図5に示すように、支持板220の下側には地板210が形成されている。地板210の平面視形状は支持板220と同じである。
アンテナ装置201では、ケーブル2の先端は、短絡部240、すなわち、複数の短絡ピン241が、対向導体板230および地板210に短絡している部分に囲まれた領域においてアンテナ装置201に接続されている。短絡部240が短絡している部分に囲まれた領域は、電流がほとんど流れない。したがって、短絡部240が短絡している部分に囲まれた領域にケーブル2が接続されることにより、ケーブル2への漏洩電流を特に抑制できる。
短絡ピン241の直径Rは0.4mm、短絡ピン241の高さは1.6mmである。また、図4に示すPの長さ、すなわち、円周242に配置された複数の短絡ピン241に外接する円の直径は4mmである。
図6には、アンテナ装置201において隣接する短絡ピン241間の長さdを変化させたときのインダクタンス変化率を示している。図6において、横軸は、波長比で示した、隣接する短絡ピン241間の長さである。縦軸がインダクタンス変化率である。インダクタンス変化率は、短絡部240が大きな1本の短絡ピンであったときのインダクタンスを基準としたインダクタンスの変化率である。大きな1本の短絡ピンであるとした場合の短絡部240は、直径が4mm、高さが1.6mmの1本のピンである。なお、直径が4mm、高さが1.6mmの1本のピンのインダクタンスは0.42nHである。
図6から分かるように、隣接する短絡ピン241間の長さdが波長比で0.01以下であれば、インダクタンスが、短絡部240を1本の大きなピンとした場合と同等になることが分かる。1本の短絡ピンの場合、表面に電流が流れ、内部にはほとんど電流は流れない。したがって、インダクタンスが、短絡部240を1本の大きなピンとした場合と同等になることは、複数の短絡ピン241により囲まれた領域には、電流がほとんど流れていないことを示している。
図6の結果より、隣接する短絡ピン241間の長さd、すなわち、短絡ピン241とそれに隣接する短絡ピン241との間隔は、0.01波長以下であることが好ましいと言える。
<第3実施形態>
図7に第3実施形態のアンテナ装置301の平面図を示す。なお、アンテナ装置301も回路50を備えているが、図7では省略している。アンテナ装置301は、短絡部として筒形状の1つの短絡ピン340を備える。
筒形状の1つの短絡ピン340は、隣接する短絡ピン間の長さdを0にしたものと考えることもできる。したがって、短絡ピン340により囲まれた領域には、ほとんど電流は流れない。
以上、実施形態を説明したが、開示した技術は上述の実施形態に限定されるものではなく、次の変形例も開示した範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。
<変形例1>
対向導体板30、230において、短絡部40、240が短絡している部分の形状は、実施形態で例示した長方形、円形に限られない。短絡部40、240が短絡している部分の形状は、正方形、楕円形など、種々の形状とすることができる。
1:アンテナ装置 2:ケーブル 10:地板 20:支持板 30:対向導体板 31:給電点 32:給電ピン 40:短絡部 41:短絡ピン 42:周 50:回路 201:アンテナ装置 210:地板 220:支持板 230:対向導体板 240:短絡部 241:短絡ピン 242:円周 301:アンテナ装置 340:短絡ピン

Claims (7)

  1. 平板状の導体部材である地板(10、210)と、
    前記地板と所定の間隔をおいて設置された平板状の導体部材であって、給電線と電気的に接続される対向導体板(30、230)と、
    前記対向導体板の中央領域に設けられてあって、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡部(40、240)と、を備え、
    前記短絡部が備えるインダクタンスと、前記地板と前記対向導体板とが形成する静電容量とが並列共振する周波数を動作周波数とするアンテナ装置であって、
    前記短絡部は、前記対向導体板と短絡している部分が周状であり、
    前記対向導体板において、前記短絡部が短絡している部分に囲まれた領域に回路(50)が配置されている、アンテナ装置。
  2. 請求項1に記載のアンテナ装置であって、
    前記短絡部が短絡している部分に囲まれた領域にケーブル(2)が接続される、アンテナ装置。
  3. 請求項1または2に記載のアンテナ装置であって、
    前記短絡部は、前記対向導体板と前記地板とを電気的に接続する短絡ピン(41、241)を複数本備え、複数本の前記短絡ピンが前記対向導体板と接続している部分が1つの周(42、242)上に位置している、アンテナ装置。
  4. 請求項3に記載のアンテナ装置であって、
    複数本の前記短絡ピンは、隣接する前記短絡ピンとの間隔が、前記動作周波数に対応する波長の0.01倍以下である、アンテナ装置。
  5. 請求項3または4に記載のアンテナ装置であって、
    複数本の前記短絡ピンは、1つの矩形状の周上に配置されている、アンテナ装置。
  6. 請求項3または4に記載のアンテナ装置であって、
    複数本の前記短絡ピンは、1つの円周上に配置されている、アンテナ装置。
  7. 請求項1または2に記載のアンテナ装置であって、
    前記短絡部として、筒形状の1つの短絡ピン(340)を備える、アンテナ装置。
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