JP2023066962A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性材料の使用量を低減するアンテナ装置を提供する。【解決手段】アンテナ装置は、平板状の誘電体基板と、誘電体基板の一面に設けられた放射素子と、誘電体基板の一面と反対側の他面に設けられたグランド３０と、を備える。放射素子は、放射素子の動作周波数に対応した寸法で設けられる。グランド３０は、動作周波数の１／４波長未満のピッチで周期的に設けられた複数の開口３１を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。

電子機器の小型化に伴い、電子機器に搭載される電子部品モジュールの小型化が進んでいる。例えば、下記の特許文献１には、ガラスエポキシ系樹脂からなる絶縁体層と、絶縁体層の各表面に形成された銅箔等の金属薄膜からなる配線とを含み、厚さが１ｍｍ以下である回路基板が記載されている。

このような回路基板に容易に形成可能なアンテナとしてマイクロストリップアンテナが注目されている。マイクロストリップアンテナは、基板の一方の面に形成された放射素子と、基板の他方の面に形成されたグランドとによる平行平板共振器で構成されるアンテナである。

特開２００９－１１１２８７号公報

一方で、近年の資源価格の高騰、及び環境意識の高まりから、回路基板などでも金属などの導電性材料の使用量を低減することが検討されている。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、導電性材料の使用量を低減することが可能な、新規かつ改良されたアンテナ装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、平板状の誘電体基板と、前記誘電体基板の一面に設けられた放射素子と、前記誘電体基板の前記一面と反対側の他面に設けられたグランドと、を備え、前記放射素子は、前記放射素子の動作周波数に対応した寸法で設けられ、前記グランドは、前記動作周波数の１／４波長未満のピッチで周期的に設けられた複数の開口を有する、アンテナ装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、導電性材料の使用量を低減することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す斜視図である。 同実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す縦断面図である。 グランドに設けられた開口の形状及び配置パターンの一例を示す平面図である。 図３の一部領域を拡大した平面図である。 グランドに設けられた開口の形状及び配置パターンの他の例を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す縦断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す縦断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．第１の実施形態＞
（１．１．アンテナ装置）
まず、図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の構成を示す斜視図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置１の構成を示す縦断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置１は、誘電体基板１０と、放射素子２０と、グランド３０と、給電プローブ４０とを備える。本実施形態に係るアンテナ装置１は、誘電体基板１０上に形成された、いわゆるマイクロストリップアンテナである。

誘電体基板１０は、誘電体材料で構成された平板状の基板である。一例として、誘電体基板１０は、紙又はガラス繊維布などに有機樹脂などを含侵させた、紙フェノール基板、紙エポキシ基板、又はガラスエポキシ基板などのプリント基板であってもよい。他の例として、誘電体基板１０は、酸化アルミニウムなどで構成されたセラミック基板であってもよい。

放射素子２０は、誘電体基板１０の第１面Ｓ１に導電性材料にて設けられる。放射素子２０は、円形又は矩形の開放境界を有し、電磁波を放射又は吸収可能なアンテナとして機能する。放射素子２０は、例えば、誘電体基板１０の第１面Ｓ１に貼り付けられた銅箔などの金属箔にて構成されてもよい。また、放射素子２０は、所望の動作周波数の帯域で所望の特性が得られるような寸法で設けられる。具体的には、放射素子２０は、所望の動作周波数に対応する寸法（例えば、１／２波長程度の寸法）の平面形状で設けられてもよい。ただし、放射素子２０は、所望の特性を得られるのであれば、放射素子２０を小型化する公知技術を用いて、所望の動作周波数の１／２波長よりも小さい寸法の平面形状で設けられてもよい。

例えば、放射素子２０は、動作周波数の１／２波長程度の直径を有する円形状、動作周波数の１／２波長程度の長軸径を有する楕円形状、又は動作周波数の１／２波長程度の辺の長さを有する矩形形状で設けられてもよい。また、放射素子２０は、これらの形状にスリット又はノッチが形成された形状で設けられてもよい。

グランド３０は、誘電体基板１０の第１面Ｓ１と反対側の第２面Ｓ２に導電性材料にて設けられる。グランド３０は、放射素子２０との間で平行平板共振器を構成することで、放射素子２０をアンテナとして機能させる。具体的には、グランド３０に接地電位が供給されると共に放射素子２０に高周波帯の電力が供給されることで、放射素子２０及びグランド３０は、放射素子２０の平面形状の寸法をおおよそ１／２波長とする周波数で共振状態となる。このとき、放射素子２０では、放射素子２０の端部において強い電界が生じ、該電界と等価な磁流源から発生した電磁界の一部が電磁波として空間に放射される。したがって、アンテナ装置１は、放射素子２０から放射素子２０の平面形状の寸法をおおよそ１／２波長とする電磁波を放射することができる。

なお、グランド３０は、放射素子２０が設けられた領域と対応する領域に少なくとも設けられる。換言すると、グランド３０は、放射素子２０が設けられた領域を第２面Ｓ２に射影した射影領域に少なくとも設けられる。グランド３０は、例えば、誘電体基板１０の第２面Ｓ２に貼り付けられた銅箔などの金属箔で構成されてもよい。

放射素子２０及びグランド３０は、同一の金属箔を用いて形成されてもよい。このような場合、放射素子２０及びグランド３０は、同一の導電性材料で設けられると共に、同一の厚みで設けられることになる。このような場合、アンテナ装置１は、製造工程をより簡略化することが可能である。

給電プローブ４０は、誘電体基板１０の第２面Ｓ２側から誘電体基板１０の内部に延在して設けられる。具体的には、給電プローブ４０は、放射素子２０が設けられた領域の射影領域の第２面Ｓ２から誘電体基板１０の内部に延在した後、放射素子２０と平行になるように屈曲して設けられる。給電プローブ４０は、放射素子２０と容量結合することで、放射素子２０に高周波帯の電力を供給することができる。給電プローブ４０は、例えば、銅、アルミニウム、チタン、又はタングステンなどの金属を含む導電性材料にて設けられてもよい。

グランド３０は、平行平板共振器を構成するために、放射素子２０が設けられた領域よりも広い領域（例えば、誘電体基板１０の第２面Ｓ２の全面）に設けられる。したがって、誘電体基板１０の第２面Ｓ２には、第１面Ｓ１よりも多量の導電性材料が貼り付けられる。本実施形態に係るアンテナ装置１では、グランド３０は、放射素子２０の動作周波数の１／４波長未満のピッチで周期的に設けられた複数の開口を有する。本実施形態に係るアンテナ装置１は、グランド３０に周期的な開口を設けることで、グランド３０が設けられた領域を縮小することなくグランド３０を構成する導電性材料の使用量を低減することが可能である。

また、本実施形態に係るアンテナ装置１は、グランド３０に周期的な開口を設けることで、放射素子２０を構成する導電性材料の使用量と、グランド３０を構成する導電性材料の使用量との差を縮小することができる。これによれば、本実施形態に係るアンテナ装置１は、温度変化の際に誘電体基板１０に生じる反りを抑制することができる。

具体的には、温度変化の際に、誘電体基板１０を構成する誘電体と、放射素子２０及びグランド３０を構成する導電性材料との熱膨張率の差によって誘電体基板１０に応力が発生する。このとき、放射素子２０を構成する導電性材料の使用量と、グランド３０を構成する導電性材料の使用量との差が大きい場合、第１面Ｓ１に生じる応力と、第２面Ｓ２に生じる応力との差が大きくなるため、誘電体基板１０に反りが生じる可能性がある。本実施形態に係るアンテナ装置１は、第１面Ｓ１及び第２面Ｓ２の導電性材料の使用量の差を縮小することができるため、誘電体基板１０に生じる反りを抑制することができる。

（１．２．グランド）
続いて、図３及び図４を参照して、本実施形態に係るアンテナ装置１のグランド３０に設けられる開口の形状及び配置パターンについて説明する。図３は、グランド３０に設けられた開口３１の形状及び配置パターンの一例を示す平面図である。図４は、図３の一部領域ＰＡを拡大した平面図である。

図３に示すように、グランド３０は、例えば、周期的に設けられた複数の開口３１を有し、誘電体基板１０の第２面Ｓ２の全面に亘って設けられてもよい。開口３１は、例えば、円形の平面形状にて正三角形の各頂点に対応する位置（すなわち、正三角形格子）に周期的に設けられてもよい。

グランド３０は、アンテナ装置１のアンテナ特性をより向上させるためには、誘電体基板１０の第２面Ｓ２の全面に亘って設けられることが望ましい。しかしながら、このような場合、グランド３０を構成する導電性材料の使用量が著しく増加してしまう。本実施形態に係るアンテナ装置１では、グランド３０に周期的な開口３１を設けることで、グランド３０を第２面Ｓ２の全面に広げつつ、導電性材料の使用量を低減することができる。

具体的には、図４の一部領域ＰＡに示すように、開口３１は、円形の平面形状にて、放射素子２０の動作周波数の１／４波長未満のピッチｂで配列される。開口３１のピッチｂは、開口３１の円の中心間の距離であり、開口３１の間のグランド３０の幅ａは、開口３１のピッチｂから開口３１の直径２Ｒを減算した距離である。開口３１は、製造コスト及び強度が許容される限り、開口３１の間のグランド３０の幅ａがなるべく小さくなるように設けられてもよい。このような場合、アンテナ装置１は、開口３１の間の残存するグランド３０の幅ａをより小さくすることで、アンテナ特性への影響を抑制しつつ、導電性材料の使用量をさらに低減することができる。

上記の配列にて開口３１が設けられることで、アンテナ装置１は、残存するグランド３０の幅ａが放射素子２０の動作周波数の１／４波長以上となることを防止することができる。例えば、残存するグランド３０の幅ａが放射素子２０の動作周波数の１／４波長以上となる場合、グランド３０に複数の反射点が形成されることで意図しない共振器が形成され、共振器によって定在波が形成されてしまう。このような場合、意図しない共振器にて形成された定在波は、アンテナ装置１のアンテナ特性を低下させてしまう。本実施形態に係るアンテナ装置１は、意図しない共振器の発生を防止することで、アンテナ特性の低下を防止することができる。

また、上記の配列にて開口３１が設けられることで、アンテナ装置１は、残存するグランド３０が複雑な幾何学パターンとなることを防止することができる。例えば、残存するグランド３０が複雑な幾何学パターン（例えば、メアンダ模様又は櫛型パターンなど）となる場合、グランド３０に意図しないインダクタンス及びキャパシタンスが付加されることで、アンテナ装置１のアンテナ特性が低下する可能性がある。本実施形態に係るアンテナ装置１は、意図しないインダクタンス及びキャパシタンスの発生を防止することで、アンテナ特性の低下を防止することができる。

なお、開口３１の配置は、アンテナ装置１のアンテナ特性を低下させない範囲内で変動されてもよい。例えば、残存するグランド３０の一部の幅ａが放射素子２０の動作周波数の１／４波長以上となる場合、アンテナ装置１のアンテナ特性に影響を与える可能性がある。そのため、開口３１は、残存するグランド３０の一部の幅ａが放射素子２０の動作周波数の１／４波長以上とならない範囲で周期的な配列から位置ずれして設けられてもよい。すなわち、開口３１は、完全に周期的な配列にて設けられずともよく、一部に位置ずれ等が生じた配列にて設けられてもよい。

例えば、給電プローブ４０は、グランド３０と電気的に離隔されて設けられるため、給電プローブ４０を開口３１の内部に設けることも可能である。このような場合、開口３１は、給電プローブ４０の形成位置に対応して、正三角形の各頂点からずれた位置に設けられてもよい。

ここで、図３及び図４では、平面形状が円形状の開口３１が正三角形の各頂点に対応する位置に配列される例を示したが、本実施形態は上記例示に限定されない。例えば、図５に示すように、開口３１Ａは、矩形の平面形状にて正方形の各頂点に対応する位置（すなわち、正方格子）に設けられてもよい。図５は、グランド３０に設けられた開口３１Ａの形状及び配置パターンの他の例を示す平面図である。

具体的には、開口３１Ａは、矩形の平面形状にて、縦方向（Ｙ軸方向）及び横方向（Ｘ軸方向）に放射素子２０の動作周波数の１／４波長未満のピッチｂで配列される。開口３１Ａのピッチｂは、開口３１Ａの矩形の重心間の距離であり、開口３１Ａの間のグランド３０の幅ａは、開口３１Ａのピッチｂから開口３１Ａの一辺の長さを減算した距離である。開口３１Ａは、製造コスト及び強度が許容される限り、開口３１Ａの間のグランド３０の幅ａがなるべく小さくなるように設けられてもよい。このような場合、アンテナ装置１は、開口３１Ａの間の残存するグランド３０の幅ａをより小さくすることで、アンテナ特性への影響を抑制しつつ、導電性材料の使用量を低減することができる。

開口３１の平面形状は、上記の円形又は矩形の他に、楕円形、又は多角形などであってもよい。ただし、グランド３０への開口３１の形成の容易性を考慮すると、開口３１の平面形状は、角のない円形又は楕円形が好ましい。また、開口３１の配列は、グランド３０に設けられる開口３１をより多くし、導電性材料の使用量をより低減するためには、平面充填性がより高い正三角形の各頂点に対応する配列であることが好ましい。

（１．３．実施例）
図３及び図４に示す開口３１の配列を参照して、アンテナ装置１の実施例について説明する。なお、本実施形態に係るアンテナ装置１の開口３１等の寸法は、以下で説明する寸法に限定されない。

例えば、比誘電率が４．８であり、寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍである誘電体基板１０に動作周波数１０ＧＨｚの放射素子２０を構成する場合、放射素子２０の寸法は約７ｍｍとなる。また、給電プローブ４０が接続されるパッドの直径を１ｍｍ、パッドとグランド３０との距離を０．５ｍｍとする。

グランド３０に開口３１が形成されていない場合、放射素子２０の第１面Ｓ１における面積割合は、第１面Ｓ１の全面積に対して２．４１％となる。また、グランド３０の第２面Ｓ２における面積割合は、第２面Ｓ２の全面積に対して９９．８５％となる。

一方、グランド３０に開口３１が形成され、開口３１のピッチｂが３．５ｍｍ、円形の開口３１の直径２Ｒが３．３ｍｍ、残存するグランド３０の幅ａが０．２ｍｍである場合、グランド３０の第２面Ｓ２における面積割合は第２面Ｓ２の全面積に対して１９．３８％となる。

したがって、本実施形態に係るアンテナ装置１は、グランド３０を構成する導電性材料の使用量を９９．８５％から１９．３８％に大きく低減することができる。また、本実施形態に係るアンテナ装置１は、第１面Ｓ１における放射素子２０の面積割合と、第２面Ｓ２におけるグランド３０の面積割合との差を縮小することができる。これによれば、本実施形態に係るアンテナ装置１は、第１面Ｓ１で生じる応力と、第２面Ｓ２で生じる応力との差を縮小することができるため、誘電体基板１０に反りが発生することを抑制することができる。

＜２．第２の実施形態＞
次に、図６を参照して、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置２について説明する。図６は、本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置２の構成を示す縦断面図である。

図６に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置２は、誘電体基板１０と、放射素子２０と、グランド３０と、給電プローブ４０と、配線基板５１と、電子部品５２と、配線５３とを備える。アンテナ装置２は、放射素子２０及びグランド３０が設けられた誘電体基板１０の第２面Ｓ２に、電子部品５２が設けられた配線基板５１が積層される点が第１の実施形態と異なる。誘電体基板１０、放射素子２０、グランド３０、及び給電プローブ４０は、実質的に第１の実施形態で説明したとおりであるため、ここでの説明は省略する。

配線基板５１は、例えば、紙フェノール基板、紙エポキシ基板、又はガラスエポキシ基板などのプリント基板である。電子部品５２は、集積回路、抵抗器、又はキャパシタなどであり、例えば、配線基板５１と誘電体基板１０との積層面と反対側の面に設けられる。電子部品５２は、配線５３によって互いに電気的に接続される。また、誘電体基板１０の内部に設けられた給電プローブ４０は、配線基板５１を貫通して電子部品５２が設けられた面まで延在し、放射素子２０への給電を制御する電子部品５２と配線５３にて電気的に接続される。

本実施形態に係るアンテナ装置２では、放射素子２０の近傍に電子部品５２及び配線５３が設けられるため、放射素子２０から放射される電磁波が電子部品５２及び配線５３に影響を与える可能性がある。このような場合、放射素子２０と電子部品５２及び配線５３との間に設けられるグランド３０に電磁波を遮蔽する効果（いわゆる、電磁波シールド効果）を持たせることで、放射素子２０から放射される電磁波から電子部品５２及び配線５３を保護することが可能である。

具体的には、グランド３０に周期的に形成される開口３１のピッチを放射素子２０の動作周波数の１／１０波長以下とすることで、グランド３０に電磁波シールド効果を持たせることができる。上記のピッチで設けられた開口３１は、放射素子２０から放射される電磁波の波長よりも十分に小さいため、放射素子２０から放射される電磁波は、開口３１を透過せず、グランド３０によって遮蔽される。これによれば、本実施形態に係るアンテナ装置２は、放射素子２０から放射される電磁波をグランド３０にて遮蔽することで、該電磁波による電子部品５２及び配線５３への影響を抑制することが可能である。

＜３．第３の実施形態＞
続いて、図７を参照して、本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置３について説明する。図７は、本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置３の構成を示す縦断面図である。

図７に示すように、本実施形態に係るアンテナ装置３は、誘電体基板１０と、放射素子２０と、グランド３０と、給電プローブ４０と、配線基板５１と、電子部品５２と、配線５３と、基板側グランド５５と、接合部５７とを備える。

アンテナ装置３は、放射素子２０及びグランド３０が設けられた誘電体基板１０の第２面Ｓ２に配線基板５１が積層されると共に、誘電体基板１０のグランド３０と、配線基板５１の基板側グランド５５とが接合部５７にて電気的に接続される点が第１の実施形態と異なる。誘電体基板１０、放射素子２０、グランド３０、及び給電プローブ４０は、実質的に第１の実施形態で説明したとおりであるため、ここでの説明は省略する。また、配線基板５１、電子部品５２、及び配線５３は、実質的に第２の実施形態で説明したとおりであるため、ここでの説明は省略する。

基板側グランド５５は、給電プローブ４０と電気的に接続された接合部５７とは電気的に離隔して、配線基板５１の誘電体基板１０と対向する面の全面に亘って設けられる。例えば、基板側グランド５５は、給電プローブ４０と電気的に接続された接合部５７の周囲を除いた領域に一様に設けられてもよい。基板側グランド５５は、接合部５７によって誘電体基板１０のグランド３０と電気的に接続されており、接地電位が供給されることで、配線基板５１の基準電位供給源として機能する。

接合部５７は、はんだを含む基板間接続構造であり、グランド３０及び基板側グランド５５を電気的及び物理的に接続する。例えば、接合部５７は、グランド３０に設けられたバンプと、基板側グランド５５に設けられたバンプと、両バンプに挟持されたはんだボールとを含む接続構造であってもよい。

本実施形態に係るアンテナ装置３では、接合部５７にてグランド３０及び基板側グランド５５が電気的及び物理的に接続される。したがって、接合部５７が設けられる位置のグランド３０に開口３１が形成されないように、開口３１の配置は、アンテナ装置３のアンテナ特性を低下させない範囲内で変動されてもよい。具体的には、グランド３０に設けられた開口３１は、接合部５７が設けられる位置から外れるように周期的な配列から位置をずらされて設けられてもよい。これによれば、本実施形態に係るアンテナ装置３は、より柔軟な接合部５７の配置にてグランド３０に基板側グランド５５を接続することが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、放射素子２０の平面形状は、特に限定されない。放射素子２０の平面形状は、正方形、長方形、多角形、円、楕円、又は櫛型形状のいずれであってもよい。また、放射素子２０の平面形状は、前述したこれらの形状にスリット又はノッチを形成した形状であってもよい。

例えば、上記実施形態では、放射素子２０は、誘電体基板１０の第１面Ｓ１に１つ設けられるとしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、放射素子２０は、誘電体基板１０の第１面Ｓ１に複数設けられることで、アンテナアレイを構成してもよい。

１，２，３…アンテナ装置、１０…誘電体基板、２０…放射素子、３０…グランド、３１,１Ａ…開口、４０…給電プローブ、５１…配線基板、５２…電子部品、５３…配線、５５…基板側グランド、５７…接合部、Ｓ１…第１面、Ｓ２…第２面

Claims (9)

1. 平板状の誘電体基板と、
   前記誘電体基板の一面に設けられた放射素子と、
   前記誘電体基板の前記一面と反対側の他面に設けられたグランドと、
   を備え、
   前記放射素子は、前記放射素子の動作周波数に対応した寸法で設けられ、
   前記グランドは、前記動作周波数の１／４波長未満のピッチで周期的に設けられた複数の開口を有する、アンテナ装置。
2. 前記開口の形状は、円形又は楕円形である、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記開口は、正三角形の各頂点に対応する位置に設けられる、請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
4. 前記グランドは、前記放射素子が設けられた領域と対応する領域に少なくとも設けられる、請求項１～３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記グランドは、前記他面の全面に亘って設けられる、請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記放射素子の形状は、矩形、円形、楕円形、又はこれらの形状にスリット若しくはノッチを設けた形状である、請求項１～５のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
7. 前記開口は、前記動作周波数の１／１０波長以下のピッチで周期的に設けられる、請求項１～６のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
8. 前記放射素子が設けられた領域の前記他面から前記誘電体基板の内部に延在して設けられ、容量結合によって前記放射素子に給電する給電プローブをさらに備える、請求項１～７のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
9. 前記放射素子及び前記グランドは、同一の導電性材料で、同一厚みで設けられる、請求項１～８のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
   

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