WO2017051526A1 - アンテナ装置 - Google Patents

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WO2017051526A1
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antenna device
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太一 濱邉
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • H—ELECTRICITY
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0421—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with a shorting wall or a shorting pin at one end of the element
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/045—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means
    • H01Q9/0457—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna with particular feeding means electromagnetically coupled to the feed line

Definitions

  • the present disclosure relates to a planar antenna device.
  • Patent Document 1 discloses a patch antenna that is an example of a planar antenna device.
  • This disclosure provides an antenna device capable of reducing the size of the entire antenna device while maintaining the performance required for the antenna.
  • An antenna device includes a substrate, an antenna formed on the surface of the substrate, a first ground formed on the back surface of the substrate and having a larger area than the antenna, and an area formed on the surface of the substrate than the first ground. And a second ground having a small size. The second ground is insulated from the antenna and is connected to the first ground at the end of the substrate.
  • the antenna device according to the present disclosure can downsize the entire antenna device while maintaining the performance required for the antenna.
  • FIG. 1 is an external view of an antenna device according to an embodiment.
  • 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 of FIG.
  • FIG. 3 is an external view of a modification of the antenna device of FIG.
  • FIG. 4 is an external view of a modification of the antenna device of FIG.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the peak gain of the XY plane of the antenna device.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the peak gain in the XZ plane of the antenna device.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an antenna device according to another embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of an antenna device according to another embodiment.
  • FIG. 1 is an external view of an antenna device according to an embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 of FIG.
  • the antenna device 1 is a 2.4 GHz band antenna used for, for example, WiFi and Bluetooth (registered trademark), and can be used for various electronic devices mounted on automobiles, airplanes, and the like. Is possible.
  • the antenna device 1 includes a substrate 2, an antenna 3, a first ground 4, and a second ground 5.
  • the substrate 2 is a glass epoxy substrate, for example, and is made of a dielectric.
  • the antenna 3 is provided on the front (front) surface (upper surface) 2 a of the substrate 2.
  • the first ground 4 is provided on the surface 2 a of the substrate 2 in the same manner as the antenna 3. At this time, the antenna 3 and the first ground 4 are arranged side by side along the longitudinal direction of the substrate 2 (x-axis direction).
  • the second ground 5 is provided over the entire back surface (lower surface) 2 b (lower surface different from the antenna 3) of the substrate 2.
  • the antenna device 1 is provided with vias 6, 7, and 8 in a plurality of through holes penetrating from the front surface 2a of the substrate 2 to the back surface 2b.
  • the via 6 connects the antenna 3 and the power supply unit of the electronic device.
  • the via 6 passes through the center point on the short side of the antenna device 1 and is arranged with a slight shift from a straight line that is perpendicular to the short side to achieve impedance matching.
  • the via 7 connects the antenna 3 and the second ground 5, and a plurality of vias 7 are provided.
  • the via 8 connects the first ground 4 and the second ground 5, and a plurality of vias 8 are provided. Although five vias 7 and eight vias 8 are provided in FIG. 1, other numbers may be used.
  • the via 8 is disposed at the end of the substrate 2, and the first ground 4 and the second ground 5 are connected at the end of the substrate 2.
  • the first ground 4 and the second ground 5 function as one ground via the via 8.
  • the via 8 is preferably disposed on the end side of the substrate 2.
  • connection between the first ground 4 and the second ground 5 may not use the via 8.
  • a conductor 10 may be provided on the side surface of the substrate 2, and this may be used instead of the via 8.
  • the first ground 4, the second ground 5, and the conductor 10 may be provided by bending a single plate-like conductor 11.
  • the antenna 3 is formed of a conductor such as copper foil on the surface 2 a of the substrate 2.
  • the antenna 3 is connected to the second ground 5 via the first ground 4.
  • the area of the antenna 3 is about half of the bottom area of the substrate 2.
  • the first ground 4 is formed on the surface 2a of the substrate 2 with a conductor such as copper foil.
  • the first ground 4 and the antenna 3 are insulated even on the same plane by providing a gap therebetween.
  • the area of the first ground 4 is smaller than the area of the antenna 3.
  • the second ground 5 is formed of a conductor such as copper foil on the back surface 2b of the substrate 2, that is, the surface opposite to the surface on which the antenna 3 and the first ground 4 are formed.
  • the second ground 5 is provided on the entire back surface 2 b of the substrate 2.
  • the area of the second ground 5 is larger than the areas of the antenna 3 and the first ground 4, and is larger than the total area of the antenna 3 and the first ground 4.
  • the antenna 3, the first ground 4 and the second ground 5 are plate-shaped.
  • the plate shape is not particularly limited as long as the conductor pattern is formed in a belt shape such as a rectangular shape, a loop shape, or a ring shape, and includes a plate shape as a whole.
  • the antenna portion can be downsized with a short patch antenna or the like.
  • the antenna portion can be downsized with a short patch antenna or the like.
  • it is difficult to downsize the ground it is difficult to downsize the entire antenna device.
  • the antenna device 1 can be provided. As a result, the entire antenna device 1 can be reduced in size.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the peak gain of the XY plane of the antenna device according to the embodiment
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the peak gain of the XY plane of the antenna device according to the comparative example.
  • FIG. 5 shows the antenna performance of the antenna device 1 described in FIG. 1 and FIG. 2, and the size of the antenna device 1 (second ground 5) is about 25 mm ⁇ about 20 mm (of the antenna). The size is about 23 mm ⁇ about 18 mm), and the substrate 2 having a relative dielectric constant of 5.0 is used.
  • FIG. 6 shows the antenna performance of the antenna device as a comparative example, and the size of the antenna device (ground) is about 50 mm ⁇ about 50 mm (the size of the antenna is about 35 mm ⁇ about 35 mm). The substrate 2 having a relative dielectric constant of 11.6 is used.
  • the horizontal axis represents frequency
  • the vertical axis represents gain
  • the solid line represents the peak gain measured in free space
  • the broken line represents the peak gain measured by placing the ground side on a metal plate.
  • the peak gain of free space is about ⁇ 3 dBi to about ⁇ 7 dBi, but the peak gain on the metal plate is about 0 dBi to about 2 dBi, which is higher than that of the self-playing space. It can be seen that the antenna performance improves in the above case.
  • the peak gain of the free space is about ⁇ 1 dBi to ⁇ 5 dBi
  • the peak gain on the metal plate is about ⁇ 2 dBi to ⁇ 0 dBi.
  • the antenna device 1 of the present embodiment when mounted on a metal plate, that is, in an electronic device, the antenna device 1 of the present embodiment has an antenna performance of about 2 dBi at maximum (when the frequency is 2430 MHz) compared to a conventional general patch antenna. It can be seen that the antenna performance is improved at other frequencies.
  • antenna performance is achieved by using a substrate having a relative permittivity of approximately half (the antenna device size increases when the relative permittivity is small) and the antenna device size is approximately halved as in this embodiment. It can be seen that is maintained.
  • the antenna device 1 can be reduced in size by providing the first ground 4, so that the entire antenna device 1 can be reduced in size while maintaining the performance of the antenna. it can.
  • the antenna 3 and the first ground 4 are formed on the same plane, but the antenna 3, the first ground 4, and the second ground 5 are formed on different surfaces using a multilayer substrate. It may be.
  • one or more vias may be provided in the antenna device 1.
  • vias 9 that are not electrically connected are provided at the position of the antenna 3 on the substrate 2, and the vias 9 in the antenna 3 are not connected to the vias 9 in the antenna 3.
  • An air gap 9a made of a hole is provided around the periphery of.
  • the frequency of the antenna device 1 is lower than before the air gap 9a is provided. Then, in order to obtain the original frequency, it is necessary to further reduce the size of the antenna 3. That is, the antenna device 1 can be further downsized by providing the gap 9a.
  • a parasitic antenna 10 can be provided to create an antenna device.
  • the antenna 3 can be made smaller than the case where the parasitic antenna 10 is not provided.
  • the parasitic antenna 10 is provided with a gap 6a and a gap 7a as in FIG. 7 so as not to be connected to the via 6 and the via 7. If the inner surface and via 6 of the gap 6a, the inner surface and via 7 of the gap 7a, and the inner surface and via 9 of the gap 9a do not contact each other, the shape of the gaps 6a, 7a and 9a is circular or triangular. Polygon may be used, and the size is not particularly limited.
  • the gaps 6a, 7a, 9a are not limited to holes, but may be notches or slits, for example.
  • the present disclosure can be applied to various electronic devices such as PCs (Personal Computers), mobile terminals, and mobile objects (cars, buses, airplanes, etc.) as antennas for wireless devices. is there.
  • PCs Personal Computers
  • mobile terminals mobile terminals
  • mobile objects cars, buses, airplanes, etc.

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Abstract

基板（２）と、基板（２）の表面（２ａ）に形成されるアンテナ（３）と、基板（２）の裏面（２ｂ）に形成されアンテナ（３）より面積が大きい第１のグランド（５）と、基板の表面に形成され前記第１のグランド（５）より面積が小さい第２のグランド（４）と、を備える。第２のグランド（４）は、アンテナ（３）とは絶縁され、第１のグランド（５）とは基板（２）の端部で接続されていることにより、アンテナ（３）の性能を維持しつつ、アンテナ装置（１）全体を小型化することができる。

Description

アンテナ装置
　本開示は、平面型のアンテナ装置に関する。
　特許文献１は、平面型のアンテナ装置の一例であるパッチアンテナが開示されている。
特開２０１３－７８０２７号公報
　本開示は、アンテナに求められる性能を維持しつつ、アンテナ装置全体を小型化することができるアンテナ装置を提供する。
　本開示におけるアンテナ装置は、基板と、基板の表面に形成されるアンテナと、基板の裏面に形成されアンテナより面積が大きい第１のグランドと、基板の表面に形成され前記第１のグランドより面積が小さい第２のグランドと、を備える。第２のグランドは、アンテナとは絶縁され、第１のグランドとは基板の端部で接続されている。
　本開示におけるアンテナ装置は、アンテナに求められる性能を維持しつつ、アンテナ装置全体を小型化することができる。
図１は、実施の形態におけるアンテナ装置の外観図である。 図２は、図１の２-２断面図である。 図３は、図１のアンテナ装置の変形例の外観図である。 図４は、図１のアンテナ装置の変形例の外観図である。 図５は、アンテナ装置のＸＹ平面のピークゲインを示した図である。 図６は、アンテナ装置のＸＺ平面のピークゲインを示した図である。 図７は、他の実施の形態におけるアンテナ装置の断面図である。 図８は、他の実施の形態におけるアンテナ装置の断面図である。
　以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
　なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
　（実施の形態）
　以下、図１～図４を用いて、実施の形態を説明する。
　［１－１．構成］
　図１、２を用いて、アンテナ装置の構成を説明する。図１は、実施の形態におけるアンテナ装置の外観図、図２は、図１の２-２断面図である。
　本実施の形態のアンテナ装置１は、例えばＷｉＦｉやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）で利用される２．４ＧＨｚ帯のアンテナであり、例えば、自動車、飛行機等に搭載される様々な電子機器に利用することが可能である。
　図１に示すように、アンテナ装置１は、基板２と、アンテナ３と、第１のグランド４と、第２のグランド５と、を備えている。
　基板２は、例えばガラスエポキシ基板であって誘電体からなる。アンテナ３は、基板２の表（おもて）面（上面）２ａに設けられている。第１のグランド４は、アンテナ３と同じく基板２の表面２ａに設けられている。このとき、アンテナ３と第１のグランド４とは、基板２の長手方向に（ｘ軸方向）沿って並べて配置されている。第２のグランド５は、基板２の裏面（下面）２ｂ（アンテナ３とは異なる下面）の全体にわたって設けられている。
　図２に示すように、アンテナ装置１には、基板２の表面２ａから裏面２ｂにかけて貫通する複数の貫通孔内にビア６、７、８が設けられている。ビア６は、アンテナ３と電子機器の給電部とを接続する。ビア６は、アンテナ装置１の短辺における中心点を通り、短辺と直角となる直線上より少しずらして配置することで、インピーダンス整合を取っている。
　ビア７は、アンテナ３と第２のグランド５とを接続するものであり、複数個設けられている。ビア８は、第１のグランド４と第２のグランド５とを接続するものであり、複数個設けられている。なお、ビア７、ビア８は図１において５個ずつ設けてあるが、他の個数であってもよい。
　次に、ビア８を配置する位置について説明する。ビア８は、基板２の端部に配置されており、第１のグランド４と第２のグランド５は、基板２の端部で接続されている。第１のグランド４と第２のグランド５とは、ビア８を介して１枚のグランドとして機能している。このため、グランドの面積を大きくするためには、ビア８は、基板２のより端部側に配置されるのが好ましい。
　なお、第１のグランド４と第２のグランド５との接続は、ビア８を用いなくてもよい。図３に示すように、例えば、基板２の側面に導体１０を設けて、これをビア８のかわりにしてもよい。また、図４に示すように、例えば、１枚の板状の導体１１を折り曲げることによって、第１のグランド４と第２のグランド５と導体１０を設けてもよい。
　アンテナ３は、基板２の表面２ａに例えば銅箔などの導電体で形成されている。アンテナ３は、第１のグランド４を介して第２のグランド５と接続している。アンテナ３の面積は、基板２の底面積の約半分である。
　第１のグランド４は、アンテナ３と同じく、基板２の表面２ａに例えば銅箔などの導電体で形成されている。第１のグランド４とアンテナ３とは、その間にギャップを設けることによって、同一平面上であっても絶縁されている。なお、第１のグランド４の面積は、アンテナ３の面積より小さい。
　第２のグランド５は、基板２の裏面２ｂ、つまりアンテナ３と第１のグランド４とが形成されている面とは反対側の面に、例えば銅箔などの導電体で形成されている。本実施の形態では、基板２の裏面２ｂの全体に第２のグランド５が設けられている。第２のグランド５の面積は、アンテナ３、および第１のグランド４のそれぞれの面積より大きく、さらにアンテナ３と第１のグランド４の合計の面積よりも大きい。
　アンテナ３と第１のグランド４と第２のグランド５は、板状である。板状とは、導電体のパターンが例えば矩形状、ループ状、環状など帯状に形成されていれば特に限定せず、全体として面状になっているものを含む。
　ここで、本開示の一形態を得るに至った経緯として、以下の点が挙げられる。パッチアンテナを小型化する場合、アンテナ部分はショートパッチアンテナ等で小型化できるが、グランドを小型化することが困難なため、アンテナ装置全体の小型化が困難であった。しかし、以上の構成により、アンテナ３を小型化したときに生まれるスペースに第１のグランド４を設けることによって、基板２に占めるグランド全体の面積を一定以上確保できるので、基板２の底面積を小さくしたアンテナ装置１を提供できる。その結果、アンテナ装置１全体を小型化することができる。
　［１－２．性能］
　以上のように構成されたアンテナ装置の性能に関して、図５、図６を用いて説明する。図５は、実施の形態におけるアンテナ装置のＸＹ平面のピークゲインを示す図、図６は、比較例におけるアンテナ装置のＸＹ平面のピークゲインを示す図である。
　ここで、図５は、上記図１、図２で説明したアンテナ装置１のアンテナ性能を表したものであり、アンテナ装置１（第２のグランド５）のサイズが約２５ｍｍ×約２０ｍｍ（アンテナのサイズは約２３ｍｍ×約１８ｍｍ）のものであり、比誘電率が５．０の基板２を利用している。一方、図６は、比較例としてのアンテナ装置のアンテナ性能を表したものであり、アンテナ装置（グランド）のサイズが約５０ｍｍ×約５０ｍｍのものであり（アンテナのサイズは約３５ｍｍ×約３５ｍｍ）、比誘電率が１１．６の基板２を利用している。
　図５において、横軸は周波数、縦軸は利得を表し、実線は自由空間にて測定したピークゲイン、破線はグランド側を金属板上に配置して測定したピークゲインである。ここで、金属板上に配置した場合とは、周辺に他の金属部品が存在する電子機器を搭載する場合を想定している（図６も同様）。
　図５において、自由空間のピークゲインは、約－３ｄＢｉ～約－７ｄＢｉとなっているが、金属板上のピークゲインは、約０ｄＢｉ～約２ｄＢｉとなっており、自遊空間の場合より金属板上の場合の方がアンテナ性能は向上することが分かる。
　一方、図６においては、自由空間のピークゲインは、約－１ｄＢｉ～－５ｄＢｉ、金属板上のピークゲインは、約－２ｄＢｉ～－０ｄＢｉとなっていることが分かる。
　つまり、金属板上、つまり電子機器に搭載する場合、本実施の形態のアンテナ装置１は、従来の一般的なパッチアンテナより、最大で約２ｄＢｉ（周波数が２４３０ＭＨｚの場合）アンテナ性能が向上していることが分かり、他の周波数においてもアンテナ性能が向上していることが分かる。
　つまり、比誘電率が約半分（比誘電率が小さいとアンテナ装置のサイズは大きくなる）の基板を用いて、かつアンテナ装置のサイズを本実施の形態のように約半分にしてもアンテナの性能が維持されていることが分かる。
　［１－３．効果等］
　以上のように、本実施の形態において、第１のグランド４を設けることでアンテナ装置１を小型化することができるため、アンテナの性能を維持しつつ、アンテナ装置１全体を小型化することができる。
　（他の実施の形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。
　そこで、以下、他の実施の形態を例示する。
　実施の形態では、アンテナ３と第１のグランド４を同一平面上に形成したが、多層基板を用いて、アンテナ３、第１のグランド４、第２のグランド５がそれぞれ別の面に形成されていてもよい。
　また、電子機器に搭載する場合、他の電子機器の配線も考慮する必要があるため、アンテナ装置１に１つまたは複数のビアを設けることがある。このとき、例えば、図７に示すように基板２におけるアンテナ３の位置に電気的に接続されないビア９を設け、アンテナ３には、ビア９と電気的に接続しないように、アンテナ３におけるビア９の周囲に穴からなる空隙９ａを設ける。
　この場合、空隙９ａを設ける前と比べてアンテナ装置１の周波数が低くなる。そうすると、本来の周波数にするため、アンテナ３のサイズをさらに小さくする必要がある。つまり、空隙９ａを設けることで、さらにアンテナ装置１の小型化を図ることができる。
　また、図８に示すように、無給電アンテナ１０を設けてアンテナ装置を作成することもできる。この場合、利用できる帯域が広がるため、アンテナ３を無給電アンテナ１０がない場合と比較して小さくすることができる。このとき、無給電アンテナ１０には、ビア６、ビア７とは接続しないように、図７と同様に空隙６ａ、空隙７ａを設けている。空隙６ａの内面とビア６、空隙７ａの内面とビア７、空隙９ａの内面とビア９、のそれぞれが接触しない形状および大きさであれば、空隙６ａ、７ａ、９ａの形状は、円形、三角形、多角形でもよく、また、大きさも特に限定しない。また、空隙６ａ、７ａ、９ａは穴に限らず、例えば切欠き、スリットでもよい。
　なお、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
　本開示は、アンテナ装置の小型化が可能であるため、無線機器のアンテナとして、ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、携帯端末、移動体（車、バス、飛行機等）などの様々な電子機器に適用可能である。
　１　アンテナ装置
　２　基板
　３　アンテナ
　４　第１のグランド
　５　第２のグランド
　６，７，８，９　ビア
　６ａ，７ａ，９ａ　空隙
　１０　無給電アンテナ

Claims (4)

  1. 　基板と、
    　前記基板の表面に形成されるアンテナと、
    　前記基板の裏面に形成され前記アンテナより面積が大きい第１のグランドと、
    　前記基板の表面に形成され前記第１のグランドより面積が小さい第２のグランドと、を備え、
    　前記第２のグランドは、前記アンテナとは絶縁され、前記第１のグランドとは前記基板の端部で接続されているアンテナ装置。
  2. 前記アンテナに空隙を設けた請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 　前記基板は長尺状であって、前記基板の長手方向に沿って、前記アンテナと前記第２のグランドが配置されている請求項１に記載のアンテナ装置。
  4. 　前記アンテナと前記第２のグランドを覆う位置に無給電のアンテナを設けた請求項１に記載のアンテナ装置。
PCT/JP2016/004234 2015-09-25 2016-09-16 アンテナ装置 WO2017051526A1 (ja)

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