JP6418352B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、パッチアンテナを含むアンテナ装置に関する。

下記の特許文献１に、給電素子と、その両側に配置された無給電素子とを含む広角アンテナが開示されている。給電素子と、２つの無給電素子とは、励振方向と直交する方向に並ぶ。給電素子への給電線路の構造については示されていない。

下記の特許文献２に、給電素子と複数の無給電素子とを含むアンテナ装置が開示されている。このアンテナ装置においては、給電素子と、その上の導体層に複数の無給電素子が配置されている。給電素子と無給電素子とは、平面視において部分的に重なっている。複数の無給電素子を取り囲む領域を広くすることにより、アンテナ利得を向上させることができる。

特開２０１３−１６８８７５号公報 特開２００４−２４２１６８号公報

特許文献１に開示された広角アンテナにおいて、給電線路が無給電素子に電磁気的影響を与えないようにするために、給電線路を無給電素子とは異なる導体層に配置するとともに、給電線路と無給電素子との間に接地導体を配置することが好ましい。このため、形成すべき導体層の層数が増加してしまう。

特許文献２に開示されたアンテナ装置においては、複数の無給電素子を配置することにより、アンテナ利得の向上が図られている。無給電素子によって共振点が増加しているわけではないため、広帯域化を図ることはできない。

本発明の目的は、無給電素子と給電線路との電磁的結合を弱め、かつ広帯域化を図ることが可能なアンテナ装置を提供することである。

本発明の第１の観点によるアンテナ装置は、
給電素子と無給電素子とを含むパッチアンテナと、
前記給電素子に給電を行う給電線路と
を有し、
前記給電素子と前記無給電素子とは、前記給電素子の励振方向と平行な方向に並んで配置され、
前記給電線路は、前記給電素子から前記励振方向に平行な方向に向かって伸び、
平面視において、前記無給電素子は前記給電線路の両側に配置された導体パターンを含み、前記導体パターンと前記給電線路とは重なっていない。

給電素子と無給電素子との複共振現象により、広帯域化を図ることができる。給電線路と無給電線路とが重なっていないため、給電線路が無給電線路に与える電磁気的影響が低減される。

本発明の第２の観点によるアンテナ装置においては、第１の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、前記給電線路が、前記無給電素子とは異なる導体層に配置されている。

給電線路と無給電素子とが同一の導体層に配置される場合に比べて、給電線路から無給電素子までの距離を長くすることができる。これにより、給電線路と無給電素子との電磁気的結合をより低減させることができる。

本発明の第３の観点によるアンテナ装置においては、第１または第２の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、前記給電素子と前記無給電素子とが、同一の導体層に配置されている。

給電素子と無給電素子とを同一の導体層に配置することにより、全体の導体層の層数の増加を抑制することができる。

本発明の第４の観点によるアンテナ装置は、第１乃至第３のアンテナ装置の構成に加えて、接地導体を有し、前記給電線路が、厚さ方向に関して、前記パッチアンテナと前記接地導体との間に配置されている。

給電線路と接地導体とによって、マイクロストリップラインが構成される。

本発明の第５の観点によるアンテナ装置においては、第１乃至第４の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、前記無給電素子の、前記励振方向に関する寸法が、前記パッチアンテナの動作周波数における実効波長の１／２である。

給電素子と無給電素子とによる複共振現象が生じやすくなるため、広帯域化を図ることができる。

本発明の第６の観点によるアンテナ装置においては、第４の観点によるアンテナ装置の構成に加えて、前記無給電素子の、前記励振方向に関する寸法が、前記パッチアンテナの動作周波数における実効波長の１／４であり、前記励振方向に関して一方の端部が前記接地導体に接続されている。

給電素子と無給電素子とによる複共振現象が生じやすくなるため、広帯域化を図ることができる。

給電素子と無給電素子との複共振現象により、広帯域化を図ることができる。給電線路と無給電線路とが重なっていないため、給電線路が無給電線路に与える電磁気的影響が低減される。

図１Ａは、実施例１によるアンテナ装置の平面図であり、図１Ｂ及び図１Ｃは、それぞれ図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂ、及び１Ｃ−１Ｃにおける断面図である。 図２Ａは、実施例２によるアンテナ装置の平面図であり、図２Ｂは、図２Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ比較例及び実施例２によるアンテナ装置のリターンロスを示すグラフであり、図３Ｃ及び図３Ｄは、それぞれ比較例及び実施例２によるアンテナ装置のアンテナゲインを示すグラフである。 図４は、比較例によるシミュレーション対象のアンテナ装置の平面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ実施例３及びその変形例によるアンテナ装置の平面図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ実施例４及びその変形例によるアンテナ装置の断面図である。 図７Ａは、実施例５によるアンテナ装置の平面図であり、図７Ｂは、図７Ａの一点鎖線７Ｂ−７Ｂにおける断面図である。 図８Ａは、実施例６によるアンテナ装置の平面図であり、図８Ｂは、図８Ａの一点鎖線８Ｂ−８Ｂにおける断面図である。 図９は、実施例７によるアンテナ装置の平面図である。

［実施例１］
図１Ａから図１Ｃまでの図面を参照して、実施例１によるアンテナ装置について説明する。

図１Ａに、実施例１によるアンテナ装置の平面図を示す。誘電体基板１０に、給電素子１１と無給電素子１２、１３とを含むパッチアンテナ、及び給電線路１４が形成されている。給電素子１１は、ほぼ正方形または長方形の平面形状を有する。正方形または長方形の一対の辺に平行な方向をｘ方向、他の一対の辺に平行な方向をｙ方向と定義する。

給電線路１４が給電点１５において給電素子１１に接続されており、給電素子１１に給電を行う。給電点１５は、給電素子１１の中心からｘ方向にずれた位置に配置されている。給電素子１１の中心から給電点１５までの距離は、給電素子１１のｘ方向の寸法の１／４である。この場合、ｘ方向が給電素子１１の励振方向に相当する。給電線路１４は、給電点１５からｘ方向（励振方向と平行な方向）に伸びる。

一方の無給電素子１２、給電素子１１、及び他方の無給電素子１３が、この順番にｘ方向に並んでいる。一方の無給電素子１２は、給電素子１１に対して、給電線路１４が伸びる方向とは反対側に配置されており、ｘ方向及びｙ方向に平行な辺を持つ正方形または長方形の平面形状を有する。他方の無給電素子１３は、給電素子１１に対して、給電線路１４が伸びる方向と同一の側に配置されている。

無給電素子１３は、無給電素子１２と同一の平面形状を持つ仮想パターンを、給電線路１４に沿う直線によって２つに分割して得られる一対の導体パターンで構成される。すなわち、無給電素子１３は、平面視において給電線路１４の両側に配置された一対の導体パターンで構成される。この一対の導体パターンは、給電線路１４と重ならない。一対の導体パターンの間隔をＧｙで表す。無給電素子１３のｙ方向の寸法をＷｙで表す。

図１Ａでは、給電線路１４は、給電点１５から、無給電素子１３が配置された領域を通過した後、ｙ方向に曲がり、その後、ｘ方向に曲がっている例を示している。無給電素子１３が配置された領域を通過した後の給電線路１４の形状は、図１Ａに示した形状に限定されない。ただし、給電線路１４は、平面視において無給電素子１３を構成する導体パターンと重ならないように配置されている。

給電素子１１の、ｘ方向の寸法は、動作周波数における実効波長の１／２である。実効波長は、誘電体基板１０の誘電率に依存する。給電素子１１の、ｙ方向の寸法も、例えば動作周波数における実効波長の１／２である。例えば、動作周波数は６０ＧＨｚ、誘電体基板１０の比誘電率が約３の場合、給電素子１１のｘ方向の寸法は約１．５ｍｍである。

無給電素子１２、１３のｘ方向の寸法は、パッチアンテナの動作周波数における実効波長の約１／２に設定される。これにより、給電素子１１と無給電素子１２、１３との複共振現象により、広帯域化を図ることが可能になる。無給電素子１２、１３のｙ方向の寸法は、給電素子１１のｙ方向の寸法とほぼ同一である。

図１Ｂに、図１Ａの一点鎖線１Ｂ−１Ｂにおける断面図を示す。誘電体基板１０の内部及び上面に、例えば合計３層の導体層が配置される。導体層の層数は、必要に応じで増やすことが可能である。

給電素子１１、無給電素子１２、１３は、誘電体基板１０の最上の導体層に配置される。図１Ｂには、給電素子１１及び無給電素子１２の断面、及び無給電素子１３の側面が現れている。給電線路１４は、上から２番目の導体層に配置される。給電線路１４は、導電ビア１６を介して給電素子１１に接続される。上から３番目の導体層に接地導体１７が配置される。このように、給電線路１４は無給電素子１３とは異なる導体層に配置される。さらに、給電線路１４は、厚さ方向に関して、給電素子１１、無給電素子１２、１３からなるパッチアンテナと接地導体１７との間に配置される。給電線路１４と接地導体１７とによって、マイクロストリップラインが構成される。

図１Ｃに、図１Ａの一点鎖線１Ｃ−１Ｃにおける断面図を示す。給電線路１４の上面から、無給電素子１３の下面までの厚さ方向の間隔をＴで表す。給電線路１４は、無給電素子１３を構成する一対の導体パターンの間隔Ｇｙの中央に配置することが好ましい。給電線路１４から一方の導体パターンまでのｙ方向の間隔をＭｙで表す。

次に、実施例１の効果について説明する。実施例１では、給電素子１１に無給電素子１２、１３が装荷されているため、複共振効果によって広帯域化を図ることができる。

給電線路１４と無給電素子１３とが重なっていないため、無給電素子１３と給電線路１４との間に接地導体を配置することなく、給電線路１４が無給電素子１３に与える電磁気的影響を低減することができる。さらに、給電素子１１と無給電素子１２とが同一の導体層に配置されている。その結果、両者を異なる導体層に配置する場合に比べて、導体層の層数の増加を抑制することができる。

給電線路１４と無給電素子１３との結合を低減するために、給電線路１４から一方の導体パターンまでのｙ方向の間隔Ｍｙを大きくすることが好ましい。例えば、間隔Ｍｙを０以上とすることが好ましく、給電線路１４の上面から、無給電素子１３の下面までの厚さ方向の間隔Ｔ以上とすることがより好ましい。

ところが、間隔Ｍｙを大きくしすぎると、無給電素子１３を構成する導体パターンの面積が小さくなり、給電素子１１に無給電素子１３を装荷する効果が減殺されてしまう。給電素子１１に無給電素子１３を装荷する十分な効果を得るために、一対の導体パターンの間隔Ｇｙを無給電素子１３のｙ方向の寸法Ｗｙの１／２以下とすることが好ましい。

［実施例２］
次に、図２Ａから図４までの図面を参照して、実施例２によるアンテナ装置について説明する。以下、実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。実施例１と実施例２とでは、無給電素子１２、１３の構成が異なる。

図２Ａに、実施例２によるアンテナ装置の平面図を示す。実施例１では、図１Ａに示したように、無給電素子１２、１３の各々のｘ方向の寸法が、動作周波数における実効波長の約１／２であった。実施例２においては、無給電素子１２、１３の各々のｘ方向の寸法が、動作周波数における実効波長の約１／４である。言い換えると、無給電素子１２、１３の各々のｘ方向の寸法が、給電素子１１のｘ方向の寸法の１／２である。

図２Ｂに、図２Ａの一点鎖線２Ｂ−２Ｂにおける断面図を示す。無給電素子１２の、給電素子１１から遠い方の端部が、導電ビア１８を介して接地導体１７に接続されている。同様に、無給電素子１３の、給電素子１１から遠い方の端部が、導電ビア１９を介して接地導体１７に接続されている。

実施例２においても、給電素子１１と無給電素子１２、１３との複共振現象により、広帯域化を図ることができる。さらに、実施例２においても、実施例１と同様に、給電線路１４が無給電素子１３に与える影響を低減することができ、かつ導体層の層数の増加を抑制することができる。その他に、実施例２においては、実施例１と比べて、無給電素子１２、１３のｘ方向の寸法が小さいため、パッチアンテナの小型化を図ることが可能である。

図３Ａから図３Ｄまでの図面を参照して、実施例２によるアンテナ装置の効果について説明する。実施例２によるアンテナ装置、及び比較例によるアンテナ装置のリターンロス及びアンテナゲインを、シミュレーションにより算出した。

実施例２によるアンテナ装置のシミュレーション条件は下記のとおりである。
・給電素子１１のｘ方向の寸法 １．５ｍｍ、ｙ方向の寸法 １．４ｍｍ
・無給電素子１２のｘ方向の寸法 ０．８ｍｍ、ｙ方向の寸法 １．４ｍｍ
・無給電素子１３のｘ方向の寸法 ０．８ｍｍ
・無給電素子１３のｙ方向の寸法Ｗｙ １．４ｍｍ
・無給電素子１３の一対の導体パターンの間隔Ｇｙ ０．３ｍｍ
・給電線路１４の上面から無給電素子１３の底面までの間隔Ｔ ０．０５ｍｍ
・給電線路１４から無給電素子１３の導体パターンまでのｙ方向の間隔Ｍｙ ０．１ｍｍ
・誘電体基板１０の比誘電率 ３

図４に、比較例によるシミュレーション対象のアンテナ装置の平面図を示す。比較例においては、無給電素子１３が一対の導体パターンに分離されておらず、１つの導体パターンで構成される。このため、給電線路１４が無給電素子１３と重なる。その結果、実施例２によるアンテナ装置と比べて、給電線路１４が無給電素子１３に与える電磁気的影響が大きくなる。比較例によるアンテナ装置のその他の構成は、実施例２によるアンテナ装置の構成と同一である。

図３Ａ及び図３Ｂに、それぞれ比較例及び実施例２によるアンテナ装置のリターンロスを示す。横軸は周波数を単位「ＧＨｚ」で表し、縦軸はリターンロスを単位「ｄＢ」で表す。一例としてリターンロスが−１０ｄＢ以下となる周波数帯域幅を比較すると、比較例によるアンテナ装置の帯域幅が約３ＧＨｚであるのに対し、実施例２によるアンテナ装置の帯域幅が５ＧＨｚ以上であることがわかる。このように、実施例２によるアンテナ装置の動作帯域幅は、比較例によるアンテナ装置の動作帯域幅よりも広い。

図３Ｃ及び図３Ｄに、それぞれ比較例及び実施例２によるアンテナ装置のアンテナゲインを示す。横軸は周波数を単位「ＧＨｚ」で表し、縦軸はアンテナゲインを単位「ｄＢｉ」で表す。比較例によるアンテナ装置では、６１ＧＨｚ近傍においてアンテナゲインに窪みが生じている。これに対し、実施例２によるアンテナ装置においては、この窪みが生じていない。このように、実施例２によるアンテナ装置において、比較例によるアンテナ装置よりも高いアンテナゲインが得られている。

図３Ａから図３Ｄまでのグラフに示したシミュレーションから、比較例に対する実施例２の優れた効果を確認することができる。すなわち、無給電素子１３を一対の導体パターンに分離することによって、給電線路１４が無給電素子１３に与える影響を低減することができる。その結果、アンテナ装置の広帯域化が図られ、かつアンテナゲインが増大する。

［実施例３］
次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、実施例３によるアンテナ装置について説明する。
図５Ａに、実施例３によるアンテナ装置の平面図を示す。実施例３によるアンテナ装置においては、実施例１によるアンテナ装置の一方の無給電素子１２（図１Ａ）が配置されていない。パッチアンテナは、給電素子１１及び分割された無給電素子１３により構成される。その他の構成は、実施例１によるアンテナ装置の構成と同一である。

図５Ｂに、実施例３の変形例によるアンテナ装置の平面図を示す。実施例３の変形例によるアンテナ装置においては、実施例２によるアンテナ装置の一方の無給電素子１２（図２Ａ）が配置されていない。パッチアンテナは、給電素子１１及び分割された無給電素子１３により構成される。その他の構成は、実施例２によるアンテナ装置の構成と同一である。

実施例３及びその変形例によるアンテナ装置においても、実施例１及び実施例２と同様の効果が得られる。

［実施例４］
次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、実施例４によるアンテナ装置について説明する。以下、図１Ａ及び図１Ｂに示した実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図６Ａに、実施例４によるアンテナ装置の断面図を示す。実施例１においては、給電素子１１及び無給電素子１２、１３（図１Ｂ）が、同一の導体層に配置されていた。実施例４では、給電素子１１が最上の導体層に配置されており、無給電素子１２、１３が、上から２番目の導体層に配置されている。給電線路１４及び接地導体１７は、それぞれ上から３番目及び４番目の導体層に配置されている。

図６Ｂに、実施例４の変形例によるアンテナ装置の断面図を示す。この変形例においては、給電素子１１が上から２番目の導体層に配置されており、無給電素子１２、１３が最上の導体層に配置されている。その他の構成は、図６Ａに示した実施例４のアンテナ装置の構成と同一である。

実施例４においても、給電線路１４と無給電素子１３との間に接地導体を配置することなく、両者の結合を低減することができる。

［実施例５］
次に、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、実施例５によるアンテナ装置について説明する。以下、図１Ａ及び図１Ｂに示した実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図７Ａに、実施例５によるアンテナ装置の平面図を示し、図７Ｂに、図７Ａの一点鎖線７Ｂ−７Ｂにおける断面図を示す。実施例５においては、給電素子１１と給電線路１４とが、同一の導体層、例えば最上の導体層に配置されている。上から２番目の導体層に接地導体１７が配置されている。

給電素子１１を構成する導体パターンに、ｘ方向に対して垂直な１つの辺の中央から中心に向かう窪み１１Ａが設けられている。窪み１１Ａの平面形状は正方形または長方形であり、その深さ（ｘ方向の寸法）は、給電素子１１のｘ方向の寸法の１／４である。給電線路１４は、窪み１１Ａの底辺の中央からｘ方向に伸びている。給電線路１４と給電素子１１との接続点が給電点１５に相当する。給電線路１４は、無給電素子１３の一対の導体パターンの間を通過する。

実施例５においても、給電線路１４と無給電素子１３とが重ならないため、実施例１と同様に、給電線路１４が無給電素子１３に与える影響を低減することができる。さらに、実施例５においては、給電素子１１、無給電素子１２、１３、及び給電線路１４が同一の導体層に配置されているため、導体層の層数を低減することができる。

［実施例６］
次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、実施例６によるアンテナ装置について説明する。以下、図７Ａ及び図７Ｂに示した実施例５との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図８Ａに、実施例６によるアンテナ装置の平面図を示し、図８Ｂに、図８Ａの一点鎖線８Ｂ−８Ｂにおける断面図を示す。実施例５では、給電素子１１、無給電素子１２、１３、及び給電線路１４が同一の導体層に配置されていた。実施例６においては、給電素子１１と無給電素子１２、１３とが異なる導体層に配置されている。２つの無給電素子１２、１３は同一の導体層、例えば最上の導体層に配置されている。給電素子１１及び給電線路１４が同一の導体層、例えば上から２番目の導体層に配置されている。

実施例６においても、給電線路１４と無給電素子１３とが重なっていない。このため、実施例７と同様に、給電線路１４が無給電素子１３に与える影響を低減することができる。

［実施例７］
次に、図９を参照して、実施例７によるアンテナ装置について説明する。以下、図１Ａ及び図１Ｂに示した実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図９に、実施例７によるアンテナ装置の平面図を示す。実施例７によるアンテナ装置は、ｙ方向に並ぶ複数のパッチアンテナ２０を含むアレイアンテナ構造を有する。パッチアンテナ２０の各々は、実施例１によるパッチアンテナと同一の構造を有し、ｘ方向に並ぶ給電素子１１、無給電素子１２、１３を含む。複数の給電線路１４が、それぞれ複数の給電素子１１に接続されている。

実施例７におけるアンテナ装置のように、実施例１のアンテナ装置を用いてアレイアンテナを構成することが可能である。同様に、実施例２から実施例６までのいずれかのアンテナ装置を用いてアレイアンテナを構成することも可能である。

実施例７においては、パッチアンテナ２０の各々の給電線路１４が、パッチアンテナ２０の配列方向（ｙ方向）に直交する方向（ｘ方向）に伸びている。このため、給電線路１４が、無給電素子１３に重ならないことに加えて、他のパッチアンテナ２０の給電素子１１、無給電素子１２、１３とも重ならない。この構成により、給電線路１４が、他のパッチアンテナ２０に与える影響を低減することができる。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 誘電体基板
１１ 給電素子
１１Ａ 窪み
１２、１３ 無給電素子
１４ 給電線路
１５ 給電点
１６ 導電ビア
１７ 接地導体
１８、１９ 導電ビア
２０ パッチアンテナ

Claims (6)

1. 給電素子と無給電素子とを含むパッチアンテナと、
   前記給電素子に給電を行う給電線路と
   を有し、
   前記給電素子と前記無給電素子とは、前記給電素子の励振方向と平行な方向に並んで配置され、
   前記給電線路は、前記給電素子から前記励振方向に平行な方向に向かって伸び、
   平面視において、前記無給電素子は前記給電線路の両側に配置された導体パターンを含み、前記導体パターンと前記給電線路とは重なっていないアンテナ装置。
2. 前記給電線路は、前記無給電素子とは異なる導体層に配置されている請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記給電素子と前記無給電素子とは、同一の導体層に配置されている請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. さらに、接地導体を有し、
   前記給電線路は、厚さ方向に関して、前記パッチアンテナと前記接地導体との間に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記無給電素子の、前記励振方向に関する寸法が、前記パッチアンテナの動作周波数における実効波長の１／２である請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
6. 前記無給電素子の、前記励振方向に関する寸法が、前記パッチアンテナの動作周波数における実効波長の１／４であり、前記励振方向に関して一方の端部が前記接地導体に接続されている請求項４に記載のアンテナ装置。

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