JP6033106B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、平面アンテナ、特にマイクロストリップアンテナ（以下、ＭＳＡと称す）等のアンテナ装置に関する。

平面アンテナの代表例であるＭＳＡは、素子単体では、一般に非常に狭帯域であり、通常のＭＳＡでは、比帯域幅は数％以下である。
従来の広帯域化の手法としては、基板の誘電体部の厚さを厚くする方法や、給電部に直列共振回路を設ける方法がある。
後者の方法では、オープンスタブおよびショートスタブをＭＳＡに直列に装荷することで、並列共振特性を持つＭＳＡに、オープンスタブとショートスタブにより生成されるキャパシタンスとインダクタンスによる直列共振回路を接続したことと等価になる。
キャパシタンスとインダクタンスは、スタブ導体の幅や長さ等で調整できるため、アンテナ装置の動作周波数帯域を広げる効果が得られる（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００８−６６８３８号公報

従来のアンテナ装置では、２つのスタブをＭＳＡの放射導体の上に積層する必要があるため、その分、アンテナが厚くなるという課題があった。
また、２つのスタブを放射導体と地導体の間に配置することも開示されているが、スタブと地導体との間で形成されるキャパシタンス成分が無視できる程度にスタブと地導体の間隔を選定する必要があり、ＭＳＡの厚さを自由に選択できないという課題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、厚さを変えることなく動作周波数帯域を広げるアンテナ装置を得ることを目的とする。

本発明のアンテナ装置は、一方の面に地導体が配置された第１の誘電体基板と、第１の誘電体基板の他方の面に配置され、一端がスルーホールからなる第１の導体に接続された整合回路と、一方の面に放射導体が配置された第２の誘電体基板と、第２の誘電体基板の他方の面に配置され、スルーホールからなる第２の導体により放射導体に接続された第３の導体と、整合回路の他端と第３の導体とが向かい合うように配置され、整合回路の他端と第３の導体とが電気的に接続されるように、第１の誘電体基板の他方の面と第２の誘電体基板の他方の面との間を接着する異方導電性接着剤とを備えたものである。

本発明によれば、異方導電性接着剤を用いて、整合回路の他端と第３の導体とが電気的に接続されるように、第１の誘電体基板の他方の面と第２の誘電体基板の他方の面との間を接着したので、厚さを変えることなく動作周波数の広帯域化を実現することができる効果がある。

本発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態１によるアンテナ装置の整合回路の詳細を示す構成図である。 異方導電性接着剤の機能を説明する断面図である。 導体の長さとキャパシタンスとの関係、導体の巻き数とインダクタンスとの関係を示す特性図である。 アンテナ装置を示す等価回路図である。 ＭＳＡのインピーダンス特性を示す特性図である。 本発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態４によるアンテナ装置の整合回路の詳細を示す構成図である。 屈曲部間の長さとインダクタンスとの関係、両端部間の長さとキャパシタンスとの関係を示す特性図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるアンテナ装置を示す構成図である。
図１（ａ）はその外観斜視図、図１（ｂ）はその分解図斜視図、図１（ｃ）は図１（ａ）の破線部における断面図である。
図１において、１ａ，１ｂは誘電体基板である。
誘電体基板１ａの背面に地導体１が形成される。
地導体１は、任意形状（例えば、矩形）で有限の大きさを持つ。

誘電体基板１ａの表面に整合回路２が形成される。
ここで、図２（ａ）、図２（ｂ）は、整合回路２の詳細を示す。
図２（ａ）は、対向する平行２線形状の導体２ａからなるキャパシタンス素子を示す。
図２（ｂ）は、スパイラル形状の導体２ｂからなるインダクタンス素子を示す。
導体２ａの点Ａと導体２ｂの点Ｂとが接続され、直列共振回路を構成する。
また、直列共振回路の一端、すなわち、図２（ａ）の導体２ａの点Ｃとスルーホールからなる導体３が電気的に接続される。
導体３は、誘電体基板１ａおよび地導体１を介して後段の給電部に接続される。
給電部は、導体３に高周波電圧を印加あるいは受信する構成であるが、本発明の主要素ではないため省略する。

誘電体基板１ｂの表面に放射導体４が形成される。
放射導体４は、板状の導体からなり、任意形状（例えば、矩形）であり、所定の周波数で共振するように寸法が選定される。
誘電体基板１ｂの背面にストリップ導体パターン５が形成される。
ストリップ導体パターン５は、任意形状（例えば、円形）であり、一部が放射導体４とスルーホールからなる導体６によって電気的に接続される。

７は異方導電性接着剤である。
誘電体基板１ａの整合回路２が形成された表面に異方導電性接着剤７を配置し、誘電体基板１ａの表面と誘電体基板１ｂの裏面を向かい合わせて、整合回路２の他端とストリップ導体パターン５が向かい合うように挟み積層した構造としている。
図３は、図１に示した異方導電性接着剤７の機能を説明する断面図である。
異方導電性接着剤７は、絶縁性の接着剤７ａの中に導電性の粒子７ｂを分散させたタイプの接着剤である。
図３において、２つの誘電体基板１ａ、１ｂの間に異方導電性接着剤７を挟み、加圧させながら硬化させることにより、相対する電極（整合回路２、ストリップ導体パターン５）に対しては、導電性の粒子７ｂを介して導電し、隣接する電極に対しては導電性の粒子７ｂが分散されているため、絶縁される。
なお、直列共振回路の他端、すなわち、図２（ｂ）の導体２ｂの面Ｄとストリップ導体パターン５とが電気的に接続される。
そのため、図１において、整合回路２の他端とストリップ導体パターン５が向かい合っている部分のみ厚さ方向に導通するため、導体３から伝送される高周波信号は、整合回路２を介して放射導体４に伝送される。

次に動作について説明する。
導体２ａに高周波電流が流れると、導体２ａはコンデンサとして動作する。
この等価容量Ｃは、対向する導体の長さｌと比例関係で見積もられる。
図４（ａ）は、対向する導体長さｌとキャパシタンスＣの関係を示したものである。
図４（ａ）において、導体長さｌを伸ばすことで、キャパシタンスＣが線形的に増加していることがわかる。
導体２ｂに高周波電流が流れると、導体２ｂはインダクタとして動作する。
図４（ｂ）は、スパイラルの巻き数とインダクタンスＬの関係を示したものである。
図４（ｂ）において、巻き数を増やすことで、インダクタンスＬが線形的に増加していることがわかる。

すなわち、導体２ａ，２ｂを、放射導体４と給電プローブに相当する導体３の間に直列接続することで、本実施の形態１のアンテナ装置は、図５のような回路と等価であることが導かれる。
図５において、ＺａはＭＳＡのインピーダンスであり、８は導体２ａによるキャパシタンスＣ、導体２ｂによるインダクタンスＬからなる直列共振回路である。

図５の等価回路図を用いて、要求ＶＳＷＲ（＝ρ）に対して広帯域化を実現するための整合回路を考える。
ＭＳＡのインピーダンス特性Ｚａは並列共振特性を示し、図６（ａ）のように表される。
規格化インピーダンスをＺ_０とし、ＭＳＡのインピーダンスの軌跡と定抵抗円Ｒ＝Ｚ_０／ρが交わる周波数をそれぞれω_Ｌ，ω_Ｈとする。
ここで、ω_Ｌ，ω_Ｈにおけるインピーダンスのリアクタンス成分が零となり、かつ直列共振回路８の共振周波数を並列共振回路の共振周波数と等しくなるように、図５の等価回路におけるＬ，Ｃの値を選べば、直列共振回路８を装荷後のインピーダンスＺ_inの軌跡は、図６（ｂ）のようになり、ω_Ｌからω_Ｈの範囲で所望のＶＳＷＲ以下の特性を得ることができる。
ここで、導体２ａと導体２ｂは、独立の構成要素であるから、前記直列共振回路８のインダクタンスＬとキャパシタンスＣは互いに独立に選定できる。
したがって、本実施の形態１における構成により、ＭＳＡの広帯域化が実現できる。

以上のように、本実施の形態１によれば、異方導電性接着剤７を用いて、整合回路２の他端とストリップ導体パターン５とが電気的に接続されるように、誘電体基板１ａ，１ｂ間を接着したので、アンテナ装置の厚さを変えることなく動作周波数の広帯域化を実現することができる。
また、異方導電性接着剤７を用いて、誘電体基板１ａ，１ｂの層間接続を行ったことで、基板間における厚さ方向のみの導通が可能になったことから、半田付けを必要とせず簡易な工程で製造することができる。
さらに、整合回路２を、対向する導体２ａからなるキャパシタンス素子と、スパイラル状の導体２ｂからなるインダクタンス素子と、を含む直列共振回路から構成したので、直列共振回路をストリップ導体パターンにより容易に構成することができる。
なお、前記実施の形態１では、直列共振回路８のインダクタンスＬとキャパシタンスＣを、導体３、図２（ａ）のキャパシタンス素子の導体２ａ、図２（ｂ）のインダクタンス素子の導体２ｂ、異方導電性接着剤７を挟んで、ストリップ導体パターン５の順序で接続した。
しかしながら、直列共振回路８のインダクタンスＬとキャパシタンスＣの接続順序に制限はなく、導体３、図２（ｂ）のインダクタンス素子の導体２ｂ、図２（ａ）のキャパシタンス素子の導体２ａ、異方導電性接着剤７を挟んで、ストリップ導体パターン５の順序で接続してもよい。

実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２によるアンテナ装置を示す構成図である。
図７（ａ）はその外観斜視図、図７（ｂ）はその分解図斜視図、図７（ｃ）は図７（ａ）の破線部における断面図である。
ここでは、図１で示したアンテナ装置を例にして説明する。
図７において、放射導体１０は、図１における放射導体４の長さの半分の長さを有する。
また、誘電体基板１ａの表面にストリップ導体パターン１１が形成される。
ストリップ導体パターン１１は、任意形状（例えば、円形）であり、一部が地導体１とスルーホールからなる導体１２によって電気的に接続される。
さらに、誘電体基板１ｂの背面にストリップ導体パターン１３が形成される。
ストリップ導体パターン１３は、任意形状（例えば、円形）であり、一部が放射導体１０の端部とスルーホールからなる導体１４によって電気的に接続される。
誘電体基板１ａのストリップ導体パターン１１が形成された表面に異方導電性接着剤７を配置し、誘電体基板１ａの表面と誘電体基板１ｂの裏面を向かい合わせて、ストリップ導体パターン１１，１３が向かい合うように挟み積層した構造としている。

図１に示したように、基本形状のＭＳＡの場合、放射導体４の長さが半波長であるので、その中央で電界が零になる。
つまり、その中央部で地導体１と短絡し、放射導体４の長さを半分にしても、ＭＳＡ内部の電界分布に変化はない。
したがって、本実施の形態２のアンテナ装置の動作も、図５に示した等価回路で説明することができ、前記実施の形態１と同様の原理により広帯域化できる。

以上のように、本実施の形態２によれば、異方導電性接着剤７を用いて、ストリップ導体パターン１１，１３が電気的に接続されるように、誘電体基板１ａ，１ｂ間を接着したので、放射導体１０の一辺が地導体１に接続され、放射導体１０の長さを基本形状の長さの半分にし、小型化することができる。
なお、放射導体１０の一辺を地導体１と接続することで、本実施の形態２の効果を得られることから、ストリップ導体パターン１１，１３を介さずに、貫通スルーホール等で放射導体１０の一辺を地導体１とを直接接続してもよい。

実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３によるアンテナ装置を示す構成図である。
図８（ａ）はその外観斜視図、図８（ｂ）はその分解図斜視図、図８（ｃ）は図８（ａ）の破線部における断面図である。
ここでは、図１で示したアンテナ装置を例にして説明する。
図８において、誘電体基板１ｃの表面に無給電素子２１が形成される。
無給電素子２１は、板状の導体からなる任意形状（例えば、矩形）であり、アンテナ装置の動作周波数帯の中心周波数近傍で共振する電気長を有する。
放射導体４と電磁結合して複共振を生じる位置に配置されている。
誘電体基板１ｂの放射導体４が形成された表面に接着剤２２を配置し、誘電体基板１ｂの表面と誘電体基板１ｃの裏面を向かい合うように挟み積層した構造としている。

一般に、無給電素子を設けたＭＳＡでは、放射導体である励振素子と無給電素子との結合によって複共振特性が得られ、無給電素子の形状および励振素子と無給電素子との位置関係を適切に選定することにより、広帯域化できることが知られている。
無給電素子２１を設けたＭＳＡであっても、そのインピーダンス特性は、並列共振特性を示すので、前記実施の形態１と同様の原理により広帯域化できる。

以上のように、本実施の形態３によれば、無給電素子２１を備えたので、さらに、動作周波数の広帯域化を実現することができる。
なお、無給電素子２１を、放射導体４と電磁結合して複共振を生じさせる位置に配置することで、本実施の形態３の効果を得られることから、誘電体基板１ｃの代わりに、スペーサ等で無給電素子２１を支える構造でもよい。

実施の形態４．
図９は本発明の実施の形態４によるアンテナ装置の整合回路の詳細を示す構成図である。
本発明の実施の形態４によるアンテナ装置は、次に説明するような整合回路が形成されたアンテナ装置である。
ここでは、図１で示したアンテナ装置を例にして説明する。
図９（ａ）、図９（ｂ）は、メアンダ形状を基本とした導体２ｃ，２ｄからなる整合回路２の詳細を示す。
本実施の形態４のアンテナ装置は、前記実施の形態１で説明したアンテナ装置の構成における導体２ａ，２ｂからなる整合回路２を、導体２ｃ，２ｄからなる整合回路２に変更した構造としている。

図９（ａ）は、メアンダ形状の導体２ｃからなるインダクタンス素子を示す。
導体２ｃにおいて、屈曲部間の長さを動作周波数の１／４波長に比べて短い長さにした場合、終端短絡平行２線線路と等価なので、インダクタンス素子を装荷した導体として考えることができる。
図１０（ａ）は、屈曲部間の長さとインダクタンスＬの関係を示したものである。
図１０（ａ）において、屈曲部間を１／４波長以下の範囲内で長くすることでインダクタンスＬが、指数関数的に増加していることがわかる。

図９（ｂ）は、両端部が不連続のメアンダ形状の導体２ｄからなるキャパシタンス素子を示す。
導体２ｄにおいて、両端部間の長さを動作周波数の１／４波長に比べて短い長さにした場合、終端開放平行２線線路と等価なので、キャパシタンス素子を装荷した導体として考えることができる。
図１０（ｂ）は、両端部間の長さとキャパシタンスＣの関係を示したものである。
図１０（ｂ）において、両端部間を１／４波長以下の範囲内で長くすることでキャパシタンスＣが、指数関数的に増加していることがわかる。

導体２ｄの点Ｅと導体２ｃの点Ｆとが接続され、直列共振回路を構成する。
また、直列共振回路の一端、すなわち、導体２ｄの点Ｇとスルーホールからなる導体３が電気的に接続される。
導体３は、誘電体基板１ａおよび地導体１を介して後段の給電部に接続される。
さらに、導体２ｃの面Ｈとストリップ導体パターン５とが、異方導電性接着剤７の導電性の粒子７ｂにより電気的に接続される。

以上のように、本実施の形態４によれば、整合回路２を、メアンダ形状の導体２ｃからなり、屈曲部間の長さを動作周波数の１／４波長に比べて短い長さにしたインダクタンス素子と、両端部が不連続のメアンダ形状の導体２ｄからなり、両端部間の長さを動作周波数の１／４波長に比べて短い長さにしたキャパシタンス素子と、を含む直列共振回路から構成したので、インダクタンス素子とキャパシタンス素子を、互いに独立に指数関数的に選定できる。
したがって、インダクタンスとキャパシタンスの要求値がどんなに高い場合であっても、屈曲部間の長さ、あるいは、両端部間の長さを動作周波数の１／４波長以下に収めることができる。
また、直列共振回路をストリップ導体パターンにより容易に構成することができる。
なお、前記実施の形態４では、直列共振回路８のインダクタンスＬとキャパシタンスＣを、導体３、図９（ｂ）のキャパシタンス素子の導体２ｄ、図９（ａ）のインダクタンス素子の導体２ｃ、異方導電性接着剤７を挟んで、ストリップ導体パターン５の順序で接続した。
しかしながら、直列共振回路８のインダクタンスＬとキャパシタンスＣの接続順序に制限はなく、導体３、図９（ａ）のインダクタンス素子の導体２ｃ、図９（ｂ）のキャパシタンス素子の導体２ｄ、異方導電性接着剤７を挟んで、ストリップ導体パターン５の順序で接続してもよい。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５によるアンテナ装置は、次に説明するようなアレーアンテナが構成されたアンテナ装置である。
前記実施の形態１から実施の形態４で説明したアンテナ装置のいずれかの構成をアレーアンテナの素子アンテナの構成とし、その複数個を適宜に配置して給電することによりアレーアンテナを構成する。
なお、それぞれのアレーアンテナについては図示省略する。

以上のように、本実施の形態５によれば、アンテナ装置を複数個配置してアレーアンテナが構成されるので、薄型で広帯域なアレーアンテナを得ることができる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 地導体、１ａ，１ｂ，１ｃ 誘電体基板、２ 整合回路、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ， ３，６，１２，１４ 導体、４，１０ 放射導体、５，１１，１３ ストリップ導体パターン、７ 異方導電性接着剤、７ａ，２２ 接着剤、７ｂ 粒子、８ 直列共振回路、２１ 無給電素子。

Claims (6)

1. 一方の面に地導体が配置された第１の誘電体基板と、
   前記第１の誘電体基板の他方の面に配置され、一端がスルーホールからなる第１の導体に接続された整合回路と、
   一方の面に放射導体が配置された第２の誘電体基板と、
   前記第２の誘電体基板の他方の面に配置され、スルーホールからなる第２の導体により前記放射導体に接続された第３の導体と、
   前記整合回路の他端と前記第３の導体とが向かい合うように配置され、該整合回路の他端と該第３の導体とが電気的に接続されるように、前記第１の誘電体基板の他方の面と前記第２の誘電体基板の他方の面との間を接着する異方導電性接着剤とを備えたアンテナ装置。
2. 第１の誘電体基板の他方の面に配置され、スルーホールからなる第４の導体に接続された第５の導体と、
   第２の誘電体基板の他方の面に配置され、スルーホールからなる第６の導体により放射導体の一辺に接続された第７の導体とを備え、
   異方導電性接着剤は、
   前記第５の導体と前記第７の導体とが向かい合うように配置され、該第５の導体と該第７の導体とが電気的に接続されるように、前記第１の誘電体基板の他方の面と前記第２の誘電体基板の他方の面との間を接着することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 当該アンテナ装置の動作周波数帯の中心周波数近傍で共振する電気長を有し、放射導体と電磁結合して複共振を生じる位置に配置された無給電素子を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載のアンテナ装置。
4. 請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置を複数個配置してアレーアンテナが構成されたことを特徴とするアンテナ装置。
5. 整合回路は、
   対向する導体からなるキャパシタンス素子と、
   スパイラル状の導体からなるインダクタンス素子と、
   を含む直列共振回路であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。
6. 整合回路は、
   メアンダ形状の導体からなり、屈曲部間の長さを動作周波数の１／４波長に比べて短い長さにしたインダクタンス素子と、
   両端部が不連続のメアンダ形状の導体からなり、両端部間の長さを動作周波数の１／４波長に比べて短い長さにしたキャパシタンス素子と、
   を含む直列共振回路であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載のアンテナ装置。

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