JP2023144881A - アンテナ - Google Patents

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JP2023144881A JP2022052069A JP2022052069A JP2023144881A JP 2023144881 A JP2023144881 A JP 2023144881A JP 2022052069 A JP2022052069 A JP 2022052069A JP 2022052069 A JP2022052069 A JP 2022052069A JP 2023144881 A JP2023144881 A JP 2023144881A
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Hajime Nagata
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Abstract

【課題】製造コストの悪化を抑制しやすくするとともに、電波特性の悪化を抑制しやすいアンテナを提供する。【解決手段】地板組合せ部14が設けられた地板基板10と、地板組合せ部と組み合わされる立上組合せ部24が設けられた立上基板20と、第1地板平面10Aに設けられた地板ストリップライン11と、第1立上平面20Aに設けられた立上ストリップライン21と、第1地板平面10Aと反対側の第2地板平面10Bに設けられ、地板ストリップライン11と対向する対向領域16A、および、地板ストリップライン11が延びる方向に延長された延長領域16Bを少なくとも含んだ範囲に設けられた地板グランド16と、第2立上平面20Bに設けられた立上グランド22と、第1地板平面10Aに設けられ、地板グランド16とスルーホール13を介して導電するように設けられたランド12と、を有する。【選択図】 図1

Description

本発明は、アンテナに関する。
マイクロ波帯で使用するマイクロストリップアンテナ(以下、アンテナとも表記する。)として、種々の構造を有するアンテナが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1に記載のアンテナでは、マイクロストリップラインおよび地導体を有する誘電体基板の一部に切り込みを入れ、円弧を描くように略直角に立ち上げた構造を有している。
上述の構造を有するアンテナは、誘電体基板の一部に切り込みを入れ、切り込みを入れた部分を略直角に立ち上げて形成される構造のため、アンテナの製造にコストがかかりやすいという問題があった。
特許第2590864号公報
上述の問題を解決するために、地板基板、および、地板基板に対して立ち上って配置される立上基板を有するアンテナが考えられる。この立上基板は地板基板を貫通して配置されている。
上述のアンテナは、地板基板に設けられた地板ストリップラインと、立上基板に設けられた立上ストリップラインとがはんだ付けにより接続されている。また、地板基板に設けられた地板グランドと、立上基板に設けられた立上グランドとは、立上基板が地板基板を貫通した部分ではんだ付けにより接続されている。
つまり、上述のアンテナは、地板ストリップラインと立上ストリップラインとのはんだ付けを行う面と、地板グランドと立上グランドとのはんだ付けを行う面が異なる。そのため、アンテナを製造するコストの悪化を抑制しにくいという問題があった。
また、上述のアンテナは、高周波電流の通過特性が悪化するなど、アンテナの電波特性が悪化しやすいという問題があった。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、製造コストの悪化を抑制しやすくするとともに、電波特性の悪化を抑制しやすいアンテナを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明のアンテナは、板状に形成されるとともに、第1地板平面に地板組合せ部が設けられた地板基板と、前記地板基板に対して交差して配置される板状に形成された基板であって、端部の側面に前記地板組合せ部と組み合わされる立上組合せ部が設けられた立上基板と、前記第1地板平面に設けられ、前記立上基板に向かって延びる導電性を有する地板ストリップラインと、前記立上基板における前記地板ストリップラインと対向する第1立上平面に設けられた導電性を有するストリップラインであって、前記地板ストリップラインに導電可能に接続された立上ストリップラインと、前記地板基板における前記第1地板平面と反対側の第2地板平面に設けられ、前記地板ストリップラインと対向する対向領域、および、前記地板ストリップラインが延びる方向に延長された延長領域を少なくとも含んだ範囲に設けられた導電性を有する地板グランドと、前記立上基板における前記第1立上平面と反対側の第2立上平面に設けられ、導電性を有する立上グランドと、前記第1地板平面に設けられ、前記立上グランドと導電可能に接続されると共に、前記地板グランドとスルーホールを介して導電可能に接続されたランドと、を有する。
本発明のアンテナによれば、地板ストリップラインが延びる方向に延長された延長領域を少なくとも含んだ範囲に地板グランドを設けたため、地板ストリップラインおよび立上ストリップラインにおける高周波電流の通過特性の悪化を抑制しやすい。
また、地板基板の第1地板平面に地板ストリップラインおよびランドが設けられている。そのため、地板ストリップラインと立上ストリップラインとを導電可能に接続する作業、地板グランドおよびランドと立上ランドとを導電可能に接続する作業を、同じ第1地板平面側から行うことができる。
本発明のアンテナによれば、延長領域を少なくとも含んだ範囲に地板グランドを設けたため、地板ストリップラインおよび立上ストリップラインにおける高周波電流の通過特性の悪化を抑制しやすいという効果を奏する。また、地板ストリップラインが設けられた第1地板平面に地板グランドと導電するランドを設けたため、製造コストの悪化を抑制しやすくなるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るアンテナの構成を説明する斜視図である。 図1のアンテナの構成を説明する別の斜視図である。 地板基板を第1地板平面側から見た平面視図である。 アンテナの構成を説明するX-X’断面視図である。 ランドの他の実施形態を説明する平面視図である。 ランドの更に他の実施形態を説明する平面視図である。 地板組合せ部および立上組合せ部が1組である別の実施形態を説明するX-X’断面視図である。 立上組合せ部が露出していない別の実施形態を説明するX-X’断面視図である。 立上組合せ部が露出していない更に別の実施形態を説明するX-X’断面視図である。 地板基板を第2地板平面側から見た平面視図である。 地板グランドの他の実施形態を説明する平面視図である。 図12(a)は比較対象のアンテナを立上基板側から見た平面視図であり、図12(b)は立上基板の反対側から見た平面視図である。 図13(a)はアンテナ1におけるSパラメータと周波数の関係を説明するグラフであり、図13(b)はアンテナ1に関するスミスチャートである。 図14(a)は比較対象のアンテナにおけるSパラメータと周波数の関係を説明するグラフであり、図14(b)はアンテナ1に関するスミスチャートである。
この発明の一実施形態に係るアンテナ1について、図1から図14(b)を参照しながら説明する。本実施形態では、アンテナ1がマイクロ波帯で使用するマイクロストリップアンテナである例に適用して説明する。
図1はアンテナ1の構成を説明する斜視図である。図2はアンテナ1の構成を説明する別の斜視図である。アンテナ1には、図1および図2に示すように、地板基板10と、立上基板20と、が設けられている。
地板基板10は、立上基板20とともにアンテナ1を構成する板状に形成された基板であり、立上基板20が配置される基板である。地板基板10は、アンテナ1が使用される電波の波長に対応した材料を用いて形成され、当該波長に対応した厚さを有している。
図3は地板基板10を第1地板平面10A側から見た平面視図である。図4はアンテナ1の構成を説明するX-X’断面視図である。地板基板10の2つの平面の一方である第1地板平面10Aには、図3に示すように、1本の地板ストリップライン11と、2つのランド12と、が設けられている。地板基板10には、図4に示すように、2つの地板組合せ部14が設けられている。
地板ストリップライン11は、アンテナ1における給電回路を構成する部材である。地板ストリップライン11は、図3に示すように、第1地板平面10Aに導電性を有する材料から形成された層状のラインである。地板ストリップライン11を構成する材料としては、アンテナ1に用いられる公知の材料(例えば、銅)を例示することができる。
地板ストリップライン11は、第1地板平面10Aにおける立上基板20の第1立上平面20A側の領域に設けられている。地板ストリップライン11は、立上基板20の配置位置に向かって延びる帯状に形成されたラインである。本実施形態では、地板ストリップライン11が、地板基板10に配置された立上基板20に対して直交する方向に延びる例に適用して説明する。
地板ストリップライン11における層の厚さや、帯形状の幅11Wとしては、アンテナ1が使用される電波の波長に対応した層の厚さ、および、帯形状の幅を用いることができる。
地板ストリップライン11における立上基板20側の端部は、立上基板20まで延びている。具体的には、後述する立上基板20の立上ストリップライン21以上、立上グランド22未満の位置まで延びている。地板ストリップライン11の端部と、立上グランド22との間は、絶縁が確保されていることが好ましい。例えば、地板ストリップライン11の端部と、立上グランド22との間に所望の間隔が設けられていることが好ましい。
ランド12は、後述する地板基板10の地板グランド16と、立上基板20の立上グランド22との導電に用いられる部材である。ランド12は、第1地板平面10Aにおける立上グランド22と導電可能な位置に設けられている。言い換えると、第1地板平面10Aにおける立上基板20の第2立上平面20B側の領域に設けられている。
ランド12と地板グランド16とは、スルーホール13を介して導電可能に接続されている。スルーホール13は、地板基板10に設けられた貫通孔の内面に導電可能な材料(例えば、銅、はんだ)が設けられた部材である。スルーホール13は、ランド12が設けられた領域に設けられている。1つのランド12に1つのスルーホール13が設けられてもよいし、1つのランド12に2つ以上のスルーホール13が設けられてもよい。スルーホール13を形成する材料は、ランド12および地板グランド16を形成する材料と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
ランド12は導電性を有する材料(例えば、銅)から形成され、矩形形状に形成された層状の部材である。ランド12における層の厚さや、矩形形状の寸法は、アンテナ1が使用される電波の波長に対応した層の厚さ、および、矩形形状の寸法を有している。
ランド12は、第1地板平面10Aにおける立上基板20の第2立上平面20B側の領域から、第1立上平面20A側の領域に突出して設けられてもよいし、第2立上平面20B側の領域のみに設けられてもよい。
2つのランド12は、地板ストリップライン11が延びる方向と交差する方向に間隔12Sを開けて配置されている。ランド12と地板ストリップライン11との間には、絶縁を確保することができるように、所望の幅の間隙11Sが設けられている。
図5は、ランド12の他の実施形態を説明する平面視図である。図6は、ランド12の更に他の実施形態を説明する平面視図である。ランド12は、図3に示すように2つであってもよいし、図5および図6に示すように1つであってもよい。
図5に示す1つのランド12は、図3に示す2つのランド12と同じ形状を有している。言い換えると、図3に示す2つのランド12のうち、一方のみを用いている。図6に示すランド12は、図3に示す2つのランド12を一体化した形状を有している。言い換えると、図3に示す2つのランド12を、長辺が立上基板20の幅と同じ長方形状有する1つのランド12に置き換えている。
地板組合せ部14は、図4に示すように、立上組合せ部24とともに地板基板10に対する立上基板20の配置位置および姿勢の決定に用いられる。地板組合せ部14は、地板基板10および地板グランド16を貫通する貫通孔であって、断面が矩形形状を有する貫通孔である。2つの地板組合せ部14は、立上基板20の立上組合せ部24に対応して間隔を開けて設けられている。
図7は、地板組合せ部14および立上組合せ部24が1組である別の実施形態を説明するX-X’断面視図である。図8は、立上組合せ部24が露出していない別の実施形態を説明するX-X’断面視図である。図9は、立上組合せ部24が露出していない更に別の実施形態を説明するX-X’断面視図である。
地板組合せ部14は、図4に示すように2つ設けられてもよいし、図7に示すように1つが設けられてもよい。図7に示す例では、図4に示す2つの地板組合せ部14の一方が設けられ、他方が設けられていない。
地板組合せ部14は、図4に示すように地板グランド16まで貫通する孔であってもよいし、図8に示すように地板基板10のみ貫通し、地板グランド16は貫通しない凹部であってもよい。さらに図9に示すように、地板基板10も貫通しない凹部であってもよい。
図10は地板基板10を第2地板平面10B側から見た平面視図である。地板基板10の2つの平面の他方である第2地板平面10Bには、図10に示すように、地板グランド16が設けられている。第2地板平面10Bは、地板基板10における第1地板平面10Aと反対側の平面である。
地板グランド16は、アンテナ1におけるグランドを構成する部材である。地板グランド16は、第2地板平面10Bを覆う導電性を有する材料から形成された層状の部材である。地板グランド16を構成する材料としては、アンテナ1に用いられる公知の材料(例えば、銅)を例示することができる。
地板グランド16には、第1地板平面10Aの地板ストリップライン11と対向する対向領域16A、および、地板ストリップライン11が延びる方向に延長された延長領域16Bが少なくとも含まれる。また、地板グランド16には、2つの地板組合せ部14の貫通孔が開口している。
対向領域16Aは、第2地板平面10Bを地板ストリップライン11と同様に延びる領域である。対向領域16Aは、地板ストリップライン11の長手方向について同じ長さを有している。地板ストリップライン11の長手方向と交差する方向(好ましくは直交する方向)については、地板ストリップライン11の端11Wよりも交差する方向(好ましくは直交する方向)にそれぞれ長さ16L以上の広がりを有する領域である。
延長領域16Bは、第2地板平面10Bを地板ストリップライン11における長手方向の端よりも延長して延びる領域である。延長領域16Bは、2つの地板組合せ部14の貫通孔の間を延びる形状を有している。
延長領域16Bは2つのスルーホール13が設けられた領域も含んでいる。本実施形態では延長領域16Bが、2つの地板組合せ部14の貫通孔の間を延びるとともに、2つのスルーホール13に向かって延びるT字形状を有している例に適用して説明する。
図11は地板グランド16の他の実施形態を説明する平面視図である。地板グランド16は、図10に示すように第2地板平面10Bの全面に形成されてもよいし、図11に示すように、対向領域16Aおよび延長領域16Bを有する形状に形成されてもよい。
立上基板20は、図1および図2に示すように、地板基板10とともにアンテナ1を構成する矩形板状に形成された基板である。より好ましくは長方形板状に形成された基板である。立上基板20は、地板基板10と同様に、アンテナ1が使用される電波の波長に対応した材料(例えば、ガラスエポキシ)を用いて形成され、当該波長に対応した厚さを有している。
立上基板20は、地板基板10の第1地板平面10Aにおける地板ストリップライン11およびランド12と隣接する位置に配置されている。また、立上基板20は、地板基板10の第1地板平面10Aに交差する方向に延びる姿勢で配置されている。より好ましくは、第1地板平面10Aに直交する姿勢で配置されている。
立上基板20の2つの平面の一方である第1立上平面20Aには、図1に示すように、1本の立上ストリップライン21が設けられている。
立上ストリップライン21は、地板ストリップライン11とともにアンテナ1における給電回路を構成する部材である。立上ストリップライン21は導電性を有する材料から形成された層状のラインである。立上ストリップライン21を構成する材料としては、地板ストリップライン11と同様に、アンテナ1に用いられる公知の材料(例えば、銅)を例示することができる。
立上ストリップライン21は、立上基板20の長手方向に延びる帯状に形成されたラインである。立上ストリップライン21における地板基板10側の端部は、地板ストリップライン11と導電可能に接続されている。例えば、地板ストリップライン11とはんだ付けされている。
立上ストリップライン21における層の厚さや、帯形状の幅21Wとしては、地板ストリップライン11と同様に、アンテナ1が使用される電波の波長に対応した層の厚さ、および、帯形状の幅を用いることができる。
立上基板20の2つの平面の他方である第2立上平面20Bには、図2に示すように、立上グランド22が設けられている。第2立上平面20Bは、立上基板20における第1立上平面20Aと反対側の平面である。
立上グランド22は、地板グランド16と共にアンテナ1におけるグランドを構成する部材である。立上グランド22における地板基板10側の端部は、2つのランド12と導電可能に接続されている。立上グランド22は、例えば、2つのランド12のそれぞれとはんだ付けされ、導電可能に接続されている。
立上グランド22は、第2立上平面20Bを覆う導電性を有する材料から形成された層状の部材である。立上グランド22を構成する材料としては、地板グランド16と同様に、アンテナ1に用いられる公知の材料(例えば、銅)を例示することができる。
立上基板20における地板基板10側の端部側面には、図4に示すように、2つの立上組合せ部24が設けられている。立上組合せ部24は、地板組合せ部14とともに立上基板20の配置位置および姿勢の決定に用いられる。
立上組合せ部24は立上基板20の端部側面から突出して地板組合せ部14の貫通孔に差し込まれる四角柱状に形成された凸部である。2つの立上組合せ部24は、立上基板20の端部側面の両端部のそれぞれに設けられている。
立上組合せ部24における地板基板10側の端部側面から突出する高さの寸法は、地板基板10の厚さの寸法と等しい。言い換えると、立上組合せ部24の先端面は、地板基板10の地板グランド16の面と同一の平面を構成する。
立上組合せ部24における少なくとも地板グランド16と対向する領域には、立上グランド22は設けられていない。なお、立上組合せ部24の全面に立上グランド22が設けられていなくてもよい。
立上組合せ部24は、図4に示すように2つ設けられてもよいし、図7に示すように1つが設けられてもよい。図7に示す例では、図4に示す2つの立上組合せ部24の一方が設けられ、他方が設けられていない。
立上組合せ部24は、図4に示すように地板グランド16まで到達する高さを有する凸部であってもよいし、図8に示すように地板基板10のみ貫通し、地板グランド16は貫通しない高さを有する凸部であってもよい。
さらに図9に示すように、立上組合せ部24は、地板基板10も貫通しない高さを有する凸部であってもよい。言い換えると、立上組合せ部24における地板基板10側の端部側面から突出する高さの寸法が、地板基板10の厚さの寸法よりも小さくてもよい。
次に、上記の構成からなるアンテナ1における電波特性について図12(a)から図図14(b)を参照しながら説明する。図12(a)は比較対象のアンテナ101を立上基板側から見た平面視図であり、図12(b)は立上基板の反対側から見た平面視図である。
まず、比較対象のアンテナ101の構成を図12(a)および図12(b)を参照しながら説明する。なお、本実施形態のアンテナ1と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。アンテナ101は、図12(a)および図12(b)に示すように、地板基板110と、地板基板を貫通して配置される立上基板120と、を有している。
地板基板110には、地板ストリップライン11と、ランド12と、地板グランド116と、貫通孔114と、が設けられている。地板グランド116には、対向領域16Aが含まれ、延長領域16Bは含まれない。地板グランド16とは、延長領域16Bの有無が異なっている。貫通孔114は立上基板120の端部が挿通される大きさの矩形形状を有し、地板ストリップライン11の延長線上を遮る位置に配置されている。
立上基板120には、立上ストリップライン21と、立上グランド22と、が設けられている。立上グランド22は、立上基板120における貫通孔114に差し込まれる端部には設けられていない。
地板ストリップライン11と立上ストリップライン21とは、地板基板110における地板ストリップライン11が設けられた面においてはんだ付けされている。立上グランド22は、地板グランド116とスルーホール13を介して電気的に接続されたランド12にはんだ付けされている。
次に、アンテナ1における電波特性を、Sパラメータに基づいて図13(a)から図14(b)を参照しながら説明する。ここでは、電磁界シミュレータを用いた計算結果に基づく電波特性を説明する。なお、電磁界シミュレータでの計算結果である電波特性は、アンテナ1を用いた実測による電波特性と同様な特性であることが確認できた。
図13(a)はアンテナ1におけるSパラメータと周波数の関係を説明するグラフであり、図13(b)はアンテナ1に関するスミスチャートである。図14(a)は比較対象のアンテナ101におけるSパラメータと周波数の関係を説明するグラフであり、図14(b)はアンテナ101に関するスミスチャートである。
アンテナ1のSパラメータにおける入力反射係数(S11とも表記する。)について図13(a)に示すグラフを参照しながら説明する。図13(a)のグラフにおける縦軸は、反射係数の電圧定在波比(VSWRとも表記する。)であり、横軸は周波数である。
アンテナ1では、図13(a)に示すように、周波数が3.0GHz以上5.5GHzの帯域においてS11のVSWRが1.10未満となっている。比較例のアンテナ101では、図14(a)に示すように、S11のVSWRが1.10を大きく超えている。つまり、アンテナ1は、比較例のアンテナ101よりも入力端における信号の反射が小さく、電波特性が良いことが示されている。
次に、アンテナ1のSパラメータにおける入力反射係数(S11とも表記する。)および出力反射係数(S22とも表記する。)について図13(b)に示すスミスチャートを参照しながら説明する。
周波数が3.0GHz以上5.5GHzの帯域において、アンテナ1のS11およびS22は、図13(b)および図14(b)に示すように、比較例のアンテナ101よりもスミスチャートの中心(本実施形態では50Ω)に近い領域にプロットされている。つまり、アンテナ1は、比較例のアンテナ101よりも接続される同軸ケーブルなどと整合が取りやすく、電波特性が良いことが示されている。
上記の構成のアンテナ1によれば、地板ストリップライン11が延びる方向に延長された延長領域16Bを少なくとも含んだ範囲に地板グランド16を設けたため、地板ストリップライン11および立上ストリップライン21における高周波電流の通過特性の悪化を抑制しやすい。
また、地板基板10の第1地板平面10Aに地板ストリップライン11およびランド12が設けられている。そのため、地板ストリップライン11と立上ストリップライン21とを導電可能に接続する作業、地板グランド16およびランド12と立上グランド22とを導電可能に接続する作業を、同じ第1地板平面10A側から行うことができる。
対向領域16Aおよび延長領域16Bを、地板ストリップライン11よりも交差する方向に広がる領域とすることにより、地板ストリップライン11および立上ストリップライン21における高周波電流の通過特性の悪化を更に抑制しやすい。
ランド12と地板ストリップライン11との間に所定の間隙11Sを設けることにより、ランド12を含む地板グランド16および立上グランド22と、地板ストリップライン11および立上ストリップライン21との絶縁を確保しやすい。
立上組合せ部24が突出する高さを、地板基板10の厚さ以下とすることにより、立上組合せ部24が地板基板10から反対側に突出しない。そのため、アンテナ1が大きくなりにくく、アンテナ1を設置する空間の省スペース化を図りやすい。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本発明を上記の実施形態に適用したものに限られることなく、これらの実施形態を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定するものではない。
1…アンテナ、 10…地板基板、 10A…第1地板平面、 10B…第2地板平面、 11…地板ストリップライン、 12…ランド、 13…スルーホール、 14…地板組合せ部、 16…地板グランド、 16A…対向領域、 16B…延長領域、 20…立上基板、 20A…第1立上平面、 20B…第2立上平面、 21…立上ストリップライン、 22…立上グランド、 24…立上組合せ部

Claims (4)

  1. 板状に形成されるとともに、第1地板平面に地板組合せ部が設けられた地板基板と、
    前記地板基板に対して交差して配置される板状に形成された基板であって、端部の側面に前記地板組合せ部と組み合わされる立上組合せ部が設けられた立上基板と、
    前記第1地板平面に設けられ、前記立上基板に向かって延びる導電性を有する地板ストリップラインと、
    前記立上基板における前記地板ストリップラインと対向する第1立上平面に設けられた導電性を有するストリップラインであって、前記地板ストリップラインに導電可能に接続された立上ストリップラインと、
    前記地板基板における前記第1地板平面と反対側の第2地板平面に設けられ、前記地板ストリップラインと対向する対向領域、および、前記地板ストリップラインが延びる方向に延長された延長領域を少なくとも含んだ範囲に設けられた導電性を有する地板グランドと、
    前記立上基板における前記第1立上平面と反対側の第2立上平面に設けられ、導電性を有する立上グランドと、
    前記第1地板平面に設けられ、前記立上グランドと導電可能に接続されると共に、前記地板グランドとスルーホールを介して導電可能に接続されたランドと、
    を有するアンテナ。
  2. 前記対向領域および前記延長領域は、前記地板ストリップラインにおける前記延びる方向と交差する方向の端よりも、前記交差する方向に広がる領域である請求項1記載のアンテナ。
  3. 前記ランドと前記地板ストリップラインとの間には、前記交差する方向に所定の間隔が設けられている請求項2記載のアンテナ。
  4. 前記地板組合せ部は前記地板基板に形成された貫通孔であり、
    前記立上組合せ部は前記立上基板から突出して前記貫通孔に差し込まれる凸部であり、前記立上組合せ部が突出する高さは、前記地板基板の厚さ以下である請求項1から3のいずれか1項に記載のアンテナ。
JP2022052069A 2022-03-28 2022-03-28 アンテナ Pending JP2023144881A (ja)

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