WO2022059445A1 - アンテナ装置 - Google Patents

アンテナ装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2022059445A1
WO2022059445A1 PCT/JP2021/031213 JP2021031213W WO2022059445A1 WO 2022059445 A1 WO2022059445 A1 WO 2022059445A1 JP 2021031213 W JP2021031213 W JP 2021031213W WO 2022059445 A1 WO2022059445 A1 WO 2022059445A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ground plane
radiating element
edge
antenna device
stub
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/031213
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
翼 西田
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Priority to CN202180062616.XA priority Critical patent/CN116114119A/zh
Priority to JP2022550431A priority patent/JP7359314B2/ja
Publication of WO2022059445A1 publication Critical patent/WO2022059445A1/ja
Priority to US18/182,410 priority patent/US20230231309A1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • H01Q9/0414—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna in a stacked or folded configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/52—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure
    • H01Q1/521—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas
    • H01Q1/523—Means for reducing coupling between antennas; Means for reducing coupling between an antenna and another structure reducing the coupling between adjacent antennas between antennas of an array
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/005—Patch antenna using one or more coplanar parasitic elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/08—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a rectilinear path
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q5/00—Arrangements for simultaneous operation of antennas on two or more different wavebands, e.g. dual-band or multi-band arrangements
    • H01Q5/30—Arrangements for providing operation on different wavebands
    • H01Q5/307—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way
    • H01Q5/314—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors
    • H01Q5/335—Individual or coupled radiating elements, each element being fed in an unspecified way using frequency dependent circuits or components, e.g. trap circuits or capacitors at the feed, e.g. for impedance matching
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
    • H01Q9/28—Conical, cylindrical, cage, strip, gauze, or like elements having an extended radiating surface; Elements comprising two conical surfaces having collinear axes and adjacent apices and fed by two-conductor transmission lines
    • H01Q9/285—Planar dipole

Definitions

  • the present invention relates to an antenna device.
  • Patent Document 1 discloses a patch antenna (referred to as a half patch antenna in the present specification) in which one side (rear edge) of the radiating element is short-circuited and the area of the radiating element is reduced to about 1/2.
  • desired radiation characteristics are obtained by shortening the lateral distance between the front edge opposite to the rear edge of the radiation element and the corresponding edge of the ground plane. ing.
  • An object of the present invention is to provide an antenna device capable of suppressing disturbance of a beam pattern even when the radiating element is placed close to the edge of the ground plane.
  • an antenna device in which the distance from the radiating element to the first edge in the second direction orthogonal to the first direction is 1/4 or less of the wavelength corresponding to the resonance frequency of the radiating element in a plan view. Will be done.
  • FIG. 1 is a perspective view of a conductor portion of the antenna device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of the conductor portion of the antenna device according to the first embodiment.
  • 3A and 3B are cross-sectional views of the alternate long and short dash line 3A-3A and the alternate long and short dash line 3B-3B of FIG. 2, respectively.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 4-4 of FIG.
  • 5A and 5B are diagrams showing the current distribution at a certain time point of the high frequency current flowing through the ground plane of the antenna device according to the first embodiment and the comparative example, respectively.
  • 6A and 6B are graphs showing the angle dependence of the directivity gain of the antenna device according to the first embodiment (FIG.
  • FIG. 9 is a perspective view of the conductor portion of the antenna device according to the modified example of the first embodiment.
  • FIG. 10 is a perspective view of a conductor portion of the antenna device according to another modification of the first embodiment.
  • FIG. 11 is a perspective view of a metal portion of the antenna device according to the second embodiment.
  • FIG. 12 is a graph showing the angle dependence of the directivity gain of the antenna device according to the second embodiment by shading.
  • FIG. 13 is a perspective view of a metal portion of the antenna device according to the third embodiment.
  • FIG. 14 is a graph showing the angle dependence of the directivity gain of the antenna device according to the third embodiment by shading.
  • FIG. 15 is a plan view of the antenna device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 16 is a perspective view of a metal portion of the antenna device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 17 is a plan view of the conductor portion of the antenna device according to the sixth embodiment.
  • FIG. 18 is a plan view of the antenna device according to the seventh embodiment.
  • FIG. 19 is a plan view of the antenna device according to the modified example of the seventh embodiment.
  • FIGS. 1 to 8. 1 and 2 are perspective views and plan views of a conductor portion of the antenna device according to the first embodiment, respectively.
  • the antenna device according to the first embodiment includes the ground planes 41, 42, 43 of the first layer, the second layer, and the third layer provided on the dielectric substrate, and the radiating element 20.
  • the direction from the third layer ground plane 43 to the first layer ground plane 41 is defined as an upward direction.
  • Radiating elements 20 are arranged at intervals upward from the ground plane 41 of the first layer.
  • the radiating element 20 is composed of a metal plate arranged in parallel with the ground plane 41, and has a rectangular shape in a plan view.
  • the edge of the radiating element 20 corresponding to one long side of the rectangle is referred to as the front edge 20F.
  • the edge on the opposite side of the front edge 20F is referred to as the rear edge 20R.
  • the ground plane 41 has a linear first edge 41A and a second edge 41B (FIG. 2) on the opposite side of the first edge 41A.
  • the second-layer ground plane 42 and the third-layer ground plane 43 also have first edges 42A and 43A that correspond to the first edge 41A in a plan view, respectively.
  • the radiating element 20 is arranged between the first edge 41A and the second edge 41B of the ground plane 41.
  • the front edge 20F of the radiating element 20 overlaps a part of the first edge 41A of the ground plane 41 in a plan view.
  • An orthogonal coordinate system is defined in which the direction parallel to the first edge 41A is the z direction, the direction parallel to the first edge 41A is the y direction, and the normal direction of the ground plane 41 is the x direction. do.
  • the direction from the first edge 41A to the second edge 41B is defined as the positive direction of the y-axis.
  • the direction from the ground plane 41 toward the radiating element 20 is defined as the positive direction of the x-axis.
  • the direction from the radiating element 20 is represented by a polar angle ⁇ with respect to the positive direction of the z-axis and an azimuth angle ⁇ with respect to the positive direction of the x-axis in the xy plane.
  • the feeder line 30 is connected to the feeder point 21 of the radiation element 20.
  • the feeding point 21 is arranged between the midpoint of the front edge 20F and the geometric center of the radiating element 20.
  • a high frequency signal is supplied to the radiating element 20 through the feeder line 30.
  • the configuration of the feeder line 30 will be described in detail later with reference to FIG. 3A.
  • a plurality of short-circuit vias 24 are arranged along the rear edge 20R of the radiating element 20.
  • the plurality of short-circuit vias 24 short-circuit the rear edge 20R of the radiating element 20 to the ground plane 41.
  • a half patch antenna is configured by the radiating element 20 and the ground plane 41.
  • the stubs 50 connected to the ground plane 41 are arranged at positions sandwiching the radiating element 20 in the z direction.
  • the stub 50 includes a first portion 50A extending upward (positive direction on the x-axis) from the ground plane 41 and a second portion 50B extending positively on the y-axis from the tip of the first portion 50A.
  • the distance in the z direction from the center of the connection point of the stub 50 to the ground plane 41 to the radiating element 20 is referred to as Dz.
  • the distance Dz from one stub 50 to the radiating element 20 is equal to the distance Dz from the other stub 50 to the radiating element 20.
  • the distance from the center of the connection point of the stub 50 to the ground plane 41 to the first edge 41A of the ground plane 41 is expressed as Dy.
  • the second portion 50B of the stub 50 includes a circular pad region sized according to the alignment accuracy in the manufacturing process at the connection point between the first portion 50A and the second portion 50B. This pad region is larger than the first portion 50A in plan view and includes the first portion 50A.
  • the pad region included in the second portion 50B is arranged so as to be in contact with the first edge 41A in a plan view. In this case, the total value of the distance between the outer peripheral line of the pad region of the second portion 50B and the outer peripheral line of the first portion 50A and the radius of the first portion 50A is equal to the distance Dy.
  • 3A and 3B are cross-sectional views of the alternate long and short dash line 3A-3A and the alternate long and short dash line 3B-3B of FIG. 2, respectively.
  • the radiation element 20 and the second portion 50B of the stub 50 are arranged on the upper surface of the dielectric substrate 60, and the third layer ground plane 43 is arranged on the lower surface.
  • the first ground plane 41 is arranged on the inner layer of the dielectric substrate 60.
  • a second-layer ground plane 42 and a feeder line 30 are arranged between the first-layer ground plane 41 and the third-layer ground plane 43.
  • the feeder line 30 is arranged in the same layer as the second layer ground plane 42.
  • the feeder line 30 and the ground planes 41 and 43 above and below the feeder line 30 form a strip line having a triplate structure.
  • the feeder line 30 is connected to the feeder point 21 of the radiating element 20 via a conductor member 31 extending in the thickness direction of the dielectric substrate 60.
  • the conductor member 31 is arranged in the same layer as the ground plane 41 and is separated from the ground plane 41, for example, the inner layer pad 31B, the via 31A connecting the inner layer pad 31B and the feeder line 30, and the inner layer pad 31B and radiation.
  • the via 31C connecting the element 20 is included.
  • the inner layer pad 31B is slightly larger than the vias 31A and 31C. This difference in size is set according to the alignment accuracy in the manufacturing process.
  • the rear edge 20R of the radiating element 20 is short-circuited to the ground plane 41 of the first layer by the short-circuit via 24. A margin depending on the alignment accuracy in the manufacturing process is secured between the connection point of the short-circuit via 24 to the radiating element 20 and the rear edge 20R.
  • the front edge 20F of the radiating element 20 and the first edge 41A of the ground plane 41 are arranged at the same position in the y direction.
  • the first edges 42A and 43A of the second-layer ground plane 42 and the third-layer ground plane 43 are also arranged at the same positions as the front edge 20F in the y direction.
  • the second portion 50B of the stub 50 and the ground plane 41 are connected by the first portion 50A.
  • the first portion 50A is arranged slightly inside the first edge 41A of the ground plane 41.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line 4-4 of FIG.
  • the radiation element 20 is arranged on the upper surface of the dielectric substrate 60, and the ground plane 43 is arranged on the lower surface.
  • the radiating element 20 is short-circuited to the inner layer ground plane 41 by a plurality of short-circuit vias 24.
  • a ground plane 42 and a feeder line 30 are arranged between the ground planes 41 and 43.
  • the distribution of the high frequency current flowing in the ground plane 41 when the radiating element 20 was excited at a frequency corresponding to the resonance frequency of the radiating element 20 was obtained by simulation.
  • the resonance frequency of the radiating element 20 is 60 GHz.
  • the effective wavelength (hereinafter, may be referred to as an effective wavelength) in consideration of the wavelength shortening effect due to the dielectric constant of the dielectric substrate 60 is about 3.40 mm.
  • the "wavelength corresponding to the resonance frequency" means the "effective wavelength corresponding to the resonance frequency”.
  • the resonance frequency of the radiating element 20 is determined by the dimension of the radiating element 20 in the y direction, the positional relationship between the radiating element 20 and the first edge 41A of the ground plane 41, the positional relationship between the radiating element 20 and the stub 50, and the like. Radiation.
  • FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the current distribution at a certain moment of the high frequency current flowing through the ground plane 41 of the antenna device according to the first embodiment and the comparative example, respectively.
  • the antenna device according to the comparative example is the same as the antenna device according to the first embodiment in which the stub 50 is removed.
  • FIGS. 5A and 5B the region where the surface current density is relatively large is shown in a relatively light color.
  • a region having a relatively large surface current density appears periodically in the z direction at the position of the first edge 41A.
  • the region having a relatively large surface current density moves in the direction away from the radiating element 20. That is, it was found that a high frequency current propagating along the first edge 41A was generated.
  • the antenna device (FIG. 5A) according to the first embodiment, it can be seen that the current is concentrated in the vicinity of the mounting location of the stub 50.
  • the high-frequency current generated in the ground plane 41 directly below the radiating element 20 and propagating along the first edge 41A is reflected by the stub 50, so that the propagation of the high-frequency current along the first edge 41A is suppressed.
  • FIG. 6A and 6B are graphs showing the angle dependence of the directivity gain of the antenna device according to the first embodiment (FIG. 5A) and the comparative example (FIG. 5B), respectively.
  • the horizontal axis represents the azimuth angle ⁇ in the unit “°”, and the vertical axis represents the polar angle ⁇ in the unit “°”.
  • the region where the directivity gain is relatively high is shown in a relatively light color.
  • the directivity gain is large in the range of the azimuth angle ⁇ of about 45 ° ⁇ 10 ° and the polar angle ⁇ of about 90 ° ⁇ 10 °. That is, the main beam is formed in the direction in which the azimuth angle ⁇ is about 45 ° and the polar angle ⁇ is about 90 °.
  • the first embodiment it is possible to suppress secondary radiation from a high-frequency current propagating along the first edge 41A of the ground plane 41 as a wave source. As a result, an excellent effect that the disturbance of the beam pattern can be suppressed can be obtained.
  • the distance Dz (FIG. 2) in the z direction from the stub 50 to the radiating element 20 will be described. If the attachment point of the stub 50 to the ground plane 41 is too far from the radiating element 20, the distance that the high frequency current can propagate from the radiating element 20 to the stub 50 becomes long, so that the effect of providing the stub 50 is reduced. .. Further, if the stub 50 is brought too close to the radiating element 20, the ground plane 41 in a region farther than the stub 50 when viewed from the radiating element 20 is coupled to the radiating element 20 to generate a high frequency current. Since the stub 50 is not arranged in the path where the high-frequency current propagates in the direction away from the radiating element 20, the high-frequency current propagates along the first edge 41A. Therefore, it is considered that the distance Dz has a preferable range.
  • the horizontal axis represents the distance Dz in the unit " ⁇ m”
  • the vertical axis represents the directivity gain in the unit "dBi”.
  • the effective wavelength corresponding to the resonance frequency of the radiating element 20 is about 3.40 mm. From the graph shown in FIG. 7, it can be seen that a high directivity gain is obtained by setting the distance Dz to 1/15 or more and 1/4 or less of the effective wavelength.
  • the length of the stub 50 corresponds to the total length of the dimension of the first portion 50A in the x direction and the dimension of the second portion 50B in the y direction.
  • the horizontal axis represents the length of the stub 50 in the unit " ⁇ m”
  • the vertical axis represents the directional gain in the unit "dBi”. It can be seen that a high directivity gain can be obtained by setting the length of the stub 50 in the range of 21% or more and 25% or less of the effective wavelength.
  • the distance Dy from the connection point of the stub 50 to the ground plane 41 to the first edge 41A is 1/4 or less of the effective wavelength corresponding to the resonance frequency of the radiating element 20, a high frequency along the first edge 41A. It is considered that a sufficient effect of blocking the propagation of current can be obtained.
  • FIG. 9 is a perspective view of the conductor portion of the antenna device according to the modified example of the first embodiment.
  • a plurality of short-circuit vias 24 are arranged along the rear edge 20R of the radiating element 20.
  • short-circuit vias 24 are arranged at both ends of the rear edge 20R of the radiating element 20.
  • the short-circuit via 24 is not arranged at a position other than both ends of the rear edge 20R.
  • the radiation element 20 and the ground plane 41 operate as a half patch antenna. In this way, the number and arrangement of the short-circuit vias 24 may be determined under the condition that the radiating element 20 and the ground plane 41 operate as a half patch antenna.
  • FIG. 10 is a perspective view of a conductor portion of the antenna device according to another modification of the first embodiment.
  • the radiating element 20 is included in the ground plane 41 of the first layer in a plan view.
  • the portion of the ground plane 41 (FIG. 1) of the first layer of the antenna device according to the first embodiment that overlaps with the radiating element 20 is removed. Has a shape.
  • the first edge 41A of the ground plane 41 does not overlap the front edge 20F of the radiating element 20 in a plan view.
  • the extension line of the first edge 41A and the front edge 20F overlap each other in a plan view.
  • the feeder line 30 is arranged on the same layer as the second ground plane 42.
  • the feeder line 30 is arranged in the same layer as the ground plane 41 of the first layer, and a gap portion from which the metal film is removed is provided between the feeder line 30 and the ground plane 41. It is secured.
  • the second layer ground plane 42 includes the radiating element 20 in a plan view. A part of the first edge 42A of the ground plane 42 coincides with the front edge 20F of the radiating element 20 in a plan view.
  • the radiating element 20 is short-circuited to the second layer ground plane 42 by short-circuit vias 24 provided at both ends of the rear edge 20R.
  • the second layer ground plane 42 is provided on the lower surface of the dielectric substrate, and the third layer ground plane is not provided.
  • the vicinity of the end of the first edge 41A of the first layer ground plane 41 close to the radiating element 20 is coupled to the radiating element 20, and the high frequency current propagating along the first edge 41A is generated. Occur.
  • the stub 50 suppresses the propagation of high frequency current along the first edge 41A. Further, a high frequency current along the first edge 42A of the second layer ground plane 42 is also generated.
  • the stub 50 is also connected to the second layer ground plane 42 at the same location as the connection point with the first layer ground plane 41. Therefore, the stub 50 also suppresses the propagation of high-frequency current along the first edge 42A of the second layer ground plane 42. This makes it possible to suppress the disturbance of the beam pattern.
  • the ground plane 41 of the first layer may not overlap with the radiating element 25 in a plan view.
  • the radiating element 20 and the ground plane 41 form a half patch antenna, but a normal patch antenna may be formed.
  • a normal patch antenna is configured by removing the short-circuit via 24 from the antenna device according to the first embodiment and expanding the dimension of the radiation element 20 in the y direction to twice the dimension of the radiation element 20 of the half patch antenna.
  • the shape of the radiating element 20 in a plan view is rectangular, but it may be another shape that can operate as a patch antenna or a half patch antenna.
  • the four corners of the rectangle may be cut off into a square shape or a rectangular shape.
  • FIG. 11 is a perspective view of a metal portion of the antenna device according to the second embodiment.
  • the second portion 50B of the stub 50 extends in the positive direction of the y-axis from the tip of the first portion 50A.
  • the second portion 50B of the stub 50 extends from the tip of the first portion 50A in parallel with the first edge 41A and in a direction away from the radiating element 20.
  • FIG. 12 is a graph showing the angle dependence of the directivity gain of the antenna device according to the second embodiment by shading.
  • the horizontal axis represents the azimuth angle ⁇ in the unit “°”, and the vertical axis represents the polar angle ⁇ in the unit “°”.
  • the region where the directivity gain is relatively high is shown in a relatively light color.
  • FIG. 13 is a perspective view of a metal portion of the antenna device according to the third embodiment.
  • the second portion 50B of the stub 50 extends in the positive direction of the y-axis from the tip of the first portion 50A.
  • the second portion 50B of the stub 50 extends from the tip of the first portion 50A in the negative direction of the y-axis.
  • FIG. 14 is a graph showing the angle dependence of the directivity gain of the antenna device according to the third embodiment by shading.
  • the horizontal axis represents the azimuth angle ⁇ in the unit “°”, and the vertical axis represents the polar angle ⁇ in the unit “°”.
  • the region where the directivity gain is relatively high is shown in a relatively light color.
  • the extending direction of the second portion 50B (FIGS. 1, 11, and 13) of the stub 50 is not particularly limited.
  • the polar angle ⁇ is about 10 ° and about 170 °
  • the azimuth angle ⁇ is in the range of ⁇ 70 ° or more and 30 ° or less, which is about the same as the main beam.
  • a region of directional gain is generated.
  • the third embodiment as shown in FIG. 14, four regions having the same directivity gain as the main beam are generated.
  • the input impedance of the antenna device changes.
  • the extending direction of the second portion 50B of the stub 50 it becomes possible to achieve impedance matching of the antenna device.
  • FIG. 15 is a plan view of the antenna device according to the fourth embodiment.
  • the front edge 20F of the radiating element 20 is aligned with a part of the first edge 41A of the ground plane 41 in a plan view.
  • the front edge 20F of the radiating element 20 is arranged at a position retracted from the first edge 41A toward the second edge 41B in a plan view.
  • the distance in the y direction between the first edge 41A and the front edge 20F is referred to as Gy.
  • the distance Gy can also be defined as the distance in the y direction from the first edge 41A to the radiating element 20.
  • the distance in the y direction from the rear edge 20R of the radiating element 20 to the second edge 41B of the ground plane 41 is longer than the distance Gy. That is, in a plan view, the radiating element 20 is arranged at a position biased toward the first edge 41A with respect to the ground plane 41.
  • the ground plane 41 is coupled to the radiating element 20 and along the first edge 41A. A propagating high frequency current is generated.
  • the distance Gy becomes long, the high frequency current propagating along the first edge 41A becomes small, and the beam pattern of the antenna device is hardly disturbed. In this case, it is not necessary to provide the stub 50.
  • the distance Gy is 1/4 or less of the effective wavelength corresponding to the resonance frequency of the radiating element 20
  • the disturbance of the beam pattern due to the high frequency current propagating along the first edge 41A cannot be ignored. Therefore, when the distance Gy is 1/4 or less of the effective wavelength corresponding to the resonance frequency of the radiating element 20, a significant effect of providing the stub 50 can be obtained.
  • FIG. 16 is a perspective view of a metal portion of the antenna device according to the fifth embodiment.
  • the radiating element 20 and the ground plane 41 form a half patch antenna.
  • the radiating element 20 includes two linear conductors 20A and 20B arranged in parallel with the first edge 41A, and operates as a dipole antenna.
  • the other linear conductor 20B is connected to the ground plane 41 via the via 25B, and is further connected to the second layer ground plane 42 via the via 25C arranged directly below the via 25B.
  • the vias 25A and 25B are composed of, for example, a plurality of inner layer pads and a plurality of vias connecting the upper and lower inner layer pads to each other.
  • the stubs 50 are arranged at positions sandwiching the radiating element 20 in the z direction.
  • the configuration of the stub 50 is the same as the configuration of the stub 50 (FIGS. 1 and 3B) of the antenna device according to the first embodiment.
  • the distance in the y direction from each of the two linear conductors 20A and 20B to the first edge 41A of the ground plane 41 is the effective wavelength corresponding to the resonance frequency of the radiating element 20 operating as a dipole antenna. It is 1/4 or less.
  • the ground plane 41 is coupled to the radiating element 20 operating as a dipole antenna, and a high frequency current propagating along the first edge 41A is generated.
  • the stub 50 By suppressing the propagation of the high frequency current along the first edge 41A by the stub 50, the disturbance of the beam pattern can be suppressed.
  • FIG. 17 is a plan view of the conductor portion of the antenna device according to the sixth embodiment.
  • the antenna device according to the first embodiment has one radiating element 20.
  • a plurality of radiating elements 20 having the same structure as the radiating element 20 according to the first embodiment are arranged side by side in the z direction.
  • a feeder line 30 is connected to each of the radiating elements 20.
  • a common ground plane 41 is arranged for the plurality of radiating elements 20.
  • An array antenna is composed of a plurality of radiating elements 20 and a ground plane 41.
  • each of the plurality of radiating elements 20 and the first edge 41A of the ground plane 41 is the same as the positional relationship between the radiating element 20 of the antenna device and the first edge 41A of the ground plane 41 according to the first embodiment. ..
  • Stubs 50 are arranged on both sides of each of the plurality of radiating elements 20 in the z direction.
  • One stub 50 is arranged between two radiating elements 20 adjacent to each other in the z direction, and one stub 50 is shared by the radiating elements 20 on both sides.
  • the positional relationship between each of the plurality of radiating elements 20 and the stubs 50 on both sides thereof is the same as the positional relationship between the radiating elements 20 of the antenna device according to the first embodiment and the stubs 50 on both sides thereof.
  • the positional relationship between each of the stubs 50 and the first edge 41A of the ground plane 41 is the same as the positional relationship between the stub 50 of the antenna device and the first edge 41A of the ground plane 41 according to the first embodiment.
  • the excellent effect of the sixth embodiment will be described.
  • the disturbance of each beam pattern of the radiating element 20 can be suppressed as in the first embodiment. Therefore, even in an array antenna including a plurality of radiating elements 20, disturbance of the beam pattern can be suppressed.
  • the stubs 50 are individually provided to the radiating elements 20.
  • the radiating elements 20 can be arranged closer to each other as compared with the arrangement. Therefore, the degree of freedom in setting the interval of the radiating element 20 is increased.
  • FIG. 18 is a plan view of the antenna device according to the seventh embodiment.
  • the radiating element 20 is rectangular in a plan view.
  • the radiating element 20 is a triangle, for example, an isosceles triangle. The base of the isosceles triangle is parallel to the first edge 41A of the ground plane 41 in a plan view, and corresponds to the rear edge 20R of the radiating element 20.
  • the feeding point 21 is arranged on a vertical line extending from the apex 20C to the rear edge 20R.
  • the vertex 20C shared by the two equal sides is the closest to the feeding point 21.
  • the vertex 20C shared by the two isosceles triangles faces the first edge 41A in a plan view.
  • the distance Gy in the y direction from the radiating element 20 to the first edge 41A is equal to the distance in the y direction from the first edge 41A to the apex 20C.
  • the distance Dz in the z direction from the center of the connection point of the stub 50 to the ground plane 41 to the radiating element 20 is the apex 20D at both ends of the base of the isosceles triangle and the center of the connection point of the stub 50 to the ground plane 41. Defined by the z-direction spacing between.
  • the radiating element 20 operates as a half patch antenna.
  • the resonance frequency of the radiating element 20 is determined by the dimension of the radiating element 20 in the y direction, the positional relationship between the radiating element 20 and the first edge 41A of the ground plane 41, the positional relationship between the radiating element 20 and the stub 50, and the like. Will be done.
  • the excellent effect of the seventh embodiment will be described.
  • the distance Gy is 1/4 or less of the effective wavelength corresponding to the resonance frequency of the radiating element 20
  • a significant effect of providing the stub 50 can be obtained. Be done.
  • FIG. 19 is a plan view of the antenna device according to the modified example of the seventh embodiment.
  • the shape of the radiating element 20 in a plan view is an isosceles triangle, but in this modification, the shape of the radiating element 20 in a plan view is a semicircle.
  • the edge corresponding to the semi-circular diameter corresponds to the rear edge 20R.
  • the distance Gy in the y direction from the radiating element 20 to the first edge 41A is equal to the distance in the y direction from the intersection 20E between the perpendicular bisector of the rear edge 20R and the circumference to the first edge 41A.
  • the feeding point 21 is located on a radius passing through the intersection point 20E.
  • the shape of the radiating element 20 in a plan view may be semicircular.
  • the shape of the radiating element 20 in a plan view may be a shape obtained by dividing an ellipse into halves with a major axis or a minor axis.
  • Radiation element 20A, 20B Linear conductor 20C Apex shared by two equilateral sides of an isosceles triangle Radiation element 20D Apex of both ends of the base of an isosceles triangle radiation element 20E
  • Front edge 20R Rear edge 21 Feeding point 24 Short-circuit via 25A, 25B, 25C Via 30
  • Conductor member 31A Via 31B Inner layer pad 31C Via 41 Ground plane 41A First edge 41B Second edge 42 Ground Plain 42A 1st edge 43 Ground plane 43A 1st edge 50 stub 50A 1st part of stub 50B 2nd part of stub 60 Dielectric substrate

Abstract

グランドプレーンの第１エッジが第１方向に延びる。グランドプレーンから、グランドプレーンの厚さ方向に間隔を隔てて放射素子が配置されている。給電線が、放射素子に高周波信号を供給する。放射素子を第１方向に挟む位置に一対のスタブが配置されている。スタブはグランドプレーンに接続されている。平面視において、放射素子から第１エッジまでの、第１方向と直交する第２方向の距離が、放射素子の共振周波数に対応する波長の１／４以下である。放射素子をグランドプレーンのエッジに近付けた構成としても、ビームパターンの乱れを抑制することができる。

Description

アンテナ装置
　本発明は、アンテナ装置に関する。
　放射素子の片側（リアエッジ）を短絡させ、放射素子の面積を約１／２まで小型化したパッチアンテナ（本明細書において、ハーフパッチアンテナという。）が下記の特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたハーフパッチアンテナにおいては、放射素子のリアエッジとは反対側のフロントエッジと、グランドプレーンの対応するエッジとの横方向の距離を短くすることにより、所望の放射特性を得ている。
米国特許第９８６５９２６号
　本願の発明者の考察によると、放射素子をグランドプレーンのエッジに近付けた場合に、ビームパターンが乱れてしまう場合があることが判明した。本発明の目的は、放射素子をグランドプレーンのエッジに近付けた構成としても、ビームパターンの乱れを抑制することができるアンテナ装置を提供することである。
　本発明の一観点によると、
　第１方向に延びる第１エッジを持つグランドプレーンと、
　前記グランドプレーンから前記グランドプレーンの厚さ方向に間隔を隔てて配置された放射素子と、
　前記放射素子に高周波信号を供給する給電線と、
　前記放射素子を前記第１方向に挟む位置に配置され、前記グランドプレーンに接続された一対のスタブと
　を備え、
　平面視において、前記放射素子から前記第１エッジまでの、前記第１方向と直交する第２方向の距離が、前記放射素子の共振周波数に対応する波長の１／４以下であるアンテナ装置が提供される。
　放射素子から第１エッジまでの距離と近付けると、グランドプレーンに、第１エッジに沿って伝搬する高周波電流が発生し、この高周波電流によってビームパターンが乱れることが判明した。一対のスタブが、この高周波電流の伝搬を抑制する。これにより、ビームパターンの乱れが抑制される。
図１は、第１実施例によるアンテナ装置の導体部分の斜視図である。 図２は、第１実施例によるアンテナ装置の導体部分の平面図である。 図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ図２の一点鎖線３Ａ－３Ａ、及び一点鎖線３Ｂ－３Ｂにおける断面図である。 図４は、図２の一点鎖線４－４における断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ第１実施例及び比較例によるアンテナ装置のグランドプレーンに流れる高周波電流のある時点における電流分布を示す図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ第１実施例（図５Ａ）及び比較例（図５Ｂ）によるアンテナ装置の指向性利得の角度依存性を濃淡で示すグラフである。 図７は、距離Ｄｚと、θ＝９０°、φ＝９０°の方向におけるアンテナ装置の指向性利得との関係を示すグラフである。 図８は、スタブの長さと、θ＝９０°、φ＝９０°の方向におけるアンテナ装置の指向性利得との関係を示すグラフである。 図９は、第１実施例の変形例によるアンテナ装置の導体部分の斜視図である。 図１０は、第１実施例の他の変形例によるアンテナ装置の導体部分の斜視図である。 図１１は、第２実施例によるアンテナ装置の金属部分の斜視図である。 図１２は、第２実施例によるアンテナ装置の指向性利得の角度依存性を濃淡で示すグラフである。 図１３は、第３実施例によるアンテナ装置の金属部分の斜視図である。 図１４は、第３実施例によるアンテナ装置の指向性利得の角度依存性を濃淡で示すグラフである。 図１５は、第４実施例によるアンテナ装置の平面図である。 図１６は、第５実施例によるアンテナ装置の金属部分の斜視図である。 図１７は、第６実施例によるアンテナ装置の導体部分の平面図である。 図１８は、第７実施例によるアンテナ装置の平面図である。 図１９は、第７実施例の変形例によるアンテナ装置の平面図である。
　［第１実施例］
　図１から図８までの図面を参照して、第１実施例によるアンテナ装置について説明する。
　図１及び図２は、それぞれ第１実施例によるアンテナ装置の導体部分の斜視図及び平面図である。第１実施例によるアンテナ装置は、誘電体基板に設けられた１層目、２層目、３層目のグランドプレーン４１、４２、４３、及び放射素子２０を含む。３層目のグランドプレーン４３から１層目のグランドプレーン４１に向かう方向を上方向と定義する。
　１層目のグランドプレーン４１から上方向に間隔を隔てて放射素子２０が配置されている。放射素子２０は、グランドプレーン４１と平行に配置された金属板で構成され、平面視における形状が長方形である。長方形の１つの長辺に対応する放射素子２０のエッジをフロントエッジ２０Ｆということとする。フロントエッジ２０Ｆの反対側のエッジをリアエッジ２０Ｒということとする。
　グランドプレーン４１は、直線状の第１エッジ４１Ａと、第１エッジ４１Ａとは反対側の第２エッジ４１Ｂ（図２）とを有している。２層目のグランドプレーン４２及び３層目のグランドプレーン４３も、それぞれ、平面視において第１エッジ４１Ａに一致する第１エッジ４２Ａ、４３Ａを有している。平面視において放射素子２０は、グランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａと第２エッジ４１Ｂとの間に配置されている。放射素子２０のフロントエッジ２０Ｆは、平面視においてグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａの一部分と重なっている。
　第１エッジ４１Ａに平行な方向をｚ方向とし、第１エッジ４１Ａに直交し、グランドプレーン４１に平行な方向をｙ方向とし、グランドプレーン４１の法線方向をｘ方向とする直交座標系を定義する。第１エッジ４１Ａから第２エッジ４１Ｂに向かう方向をｙ軸の正方向と定義する。グランドプレーン４１から放射素子２０に向かう方向をｘ軸の正方向と定義する。放射素子２０からの方向を、ｚ軸の正方向を基準とした極角θ、ｘｙ面内におけるｘ軸の正方向を基準とした方位角φで表すこととする。
　放射素子２０の給電点２１に給電線３０が接続されている。給電点２１は、フロントエッジ２０Ｆの中点と放射素子２０の幾何中心との間に配置されている。給電線３０を通して放射素子２０に高周波信号が供給される。給電線３０の構成については、後に図３Ａを参照して詳細に説明する。
　放射素子２０のリアエッジ２０Ｒに沿って複数の短絡ビア２４が配置されている。複数の短絡ビア２４は、放射素子２０のリアエッジ２０Ｒをグランドプレーン４１に短絡させる。放射素子２０とグランドプレーン４１とにより、ハーフパッチアンテナが構成される。
　放射素子２０をｚ方向に挟む位置に、それぞれグランドプレーン４１に接続されたスタブ５０が配置されている。スタブ５０は、グランドプレーン４１から上方向（ｘ軸の正方向）に延びる第１部分５０Ａと、第１部分５０Ａの先端からｙ軸の正方向に延びる第２部分５０Ｂとを含む。グランドプレーン４１へのスタブ５０の接続箇所の中心から放射素子２０までのｚ方向の距離をＤｚと表記する。一方のスタブ５０から放射素子２０までの距離Ｄｚと、他方のスタブ５０から放射素子２０までの距離Ｄｚとは等しい。
　グランドプレーン４１へのスタブ５０の接続箇所の中心からグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａまでの距離をＤｙと表記する。スタブ５０の第２部分５０Ｂは、第１部分５０Ａと第２部分５０Ｂとの接続箇所に、製造プロセスにおける位置合わせ精度に応じた大きさの円形のパッド領域を含む。このパッド領域は、平面視において第１部分５０Ａより大きく、第１部分５０Ａを包含している。第２部分５０Ｂに含まれるパッド領域は、平面視において第１エッジ４１Ａに接するように配置される。この場合、第２部分５０Ｂのパッド領域の外周線と第１部分５０Ａの外周線との間隔と、第１部分５０Ａの半径との合計値が、距離Ｄｙに等しい。
　図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ図２の一点鎖線３Ａ－３Ａ、及び一点鎖線３Ｂ－３Ｂにおける断面図である。誘電体基板６０の上面に放射素子２０及びスタブ５０の第２部分５０Ｂが配置されており、下面に３層目のグランドプレーン４３が配置されている。誘電体基板６０の内層に１層目のグランドプレーン４１が配置されている。１層目のグランドプレーン４１と３層目のグランドプレーン４３との間に、２層目のグランドプレーン４２及び給電線３０が配置されている。給電線３０は、２層目のグランドプレーン４２と同一の層内に配置されている。給電線３０、及びその上下のグランドプレーン４１、４３により、トリプレート構造のストリップラインが形成される。
　給電線３０は、誘電体基板６０の厚さ方向に延びる導体部材３１を介して放射素子２０の給電点２１に接続されている。導体部材３１は、例えば、グランドプレーン４１と同一の層内に配置され、グランドプレーン４１から分離された内層パッド３１Ｂ、内層パッド３１Ｂと給電線３０とを接続するビア３１Ａ、及び内層パッド３１Ｂと放射素子２０とを接続するビア３１Ｃを含む。平面視において、内層パッド３１Ｂは、ビア３１Ａ、３１Ｃよりもやや大きい。この大きさの差は、製造プロセスにおける位置合わせ精度に応じて設定される。
　放射素子２０のリアエッジ２０Ｒが、短絡ビア２４により１層目のグランドプレーン４１に短絡されている。なお、放射素子２０への短絡ビア２４の接続箇所と、リアエッジ２０Ｒとの間には、製造プロセスにおける位置合わせ精度に依存するマージンが確保されている。放射素子２０のフロントエッジ２０Ｆと、グランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａとは、ｙ方向に関して同一の位置に配置されている。なお、２層目のグランドプレーン４２及び３層目のグランドプレーン４３の第１エッジ４２Ａ、４３Ａも、ｙ方向に関してフロントエッジ２０Ｆと同じ位置に配置されている。
　スタブ５０の第２部分５０Ｂとグランドプレーン４１とが、第１部分５０Ａにより接続されている。第１部分５０Ａは、グランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａよりやや内側に配置されている。
　図４は、図２の一点鎖線４－４における断面図である。誘電体基板６０の上面に放射素子２０が配置され、下面にグランドプレーン４３が配置されている。放射素子２０が複数の短絡ビア２４により内層のグランドプレーン４１に短絡されている。グランドプレーン４１と４３との間に、グランドプレーン４２及び給電線３０が配置されている。
　次に、図５Ａから図６Ｂまでの図面を参照して、第１実施例の優れた効果について説明する。
　放射素子２０の共振周波数に相当する周波数で放射素子２０を励振したときに、グランドプレーン４１に流れる高周波電流の分布をシミュレーションにより求めた。放射素子２０の共振周波数は６０ＧＨｚである。この時、誘電体基板６０の誘電率による波長短縮効果を考慮した実効的な波長（以下、実効波長という場合がある。）は約３．４０ｍｍである。また、特に断らない限り、「共振周波数に対応する波長」は、「共振周波数に対応する実効波長」を意味する。なお、放射素子２０の共振周波数は、放射素子２０のｙ方向の寸法、放射素子２０とグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａとの位置関係、放射素子２０とスタブ５０との位置関係等によって決定される。
　図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ第１実施例及び比較例によるアンテナ装置のグランドプレーン４１に流れる高周波電流のある瞬間における電流分布を示す図である。比較例によるアンテナ装置は、第１実施例によるアンテナ装置からスタブ５０を取り除いたものと同一である。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、表面電流密度が相対的に大きな領域を相対的に淡い色で示している。
　比較例によるアンテナ装置（図５Ｂ）においては、第１エッジ４１Ａの位置に、表面電流密度が相対的に大きな領域がｚ方向に周期的に現れている。図５Ｂに示した時点から時間を経過させると、表面電流密度が相対的に大きな領域が放射素子２０から遠ざかる方向に移動する。すなわち、第１エッジ４１Ａに沿って伝搬する高周波電流が発生していることがわかった。
　これに対して第１実施例によるアンテナ装置（図５Ａ）においては、スタブ５０の取り付け箇所の近傍に電流が集中していることがわかる。放射素子２０の直下のグランドプレーン４１で発生し、第１エッジ４１Ａに沿って伝搬する高周波電流が、スタブ５０で反射されることにより、第１エッジ４１Ａに沿う高周波電流の伝搬が抑制される。
　次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、第１実施例（図５Ａ）及び比較例（図５Ｂ）によるアンテナ装置のビームパターンについて説明する。
　図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ第１実施例（図５Ａ）及び比較例（図５Ｂ）によるアンテナ装置の指向性利得の角度依存性を濃淡で示すグラフである。横軸は方位角φを単位「°」で表し、縦軸は極角θを単位「°」で表す。指向性利得が相対的に高い領域を相対的に淡い色で示している。
　第１実施例によるアンテナ装置では、図６Ａに示すように、方位角φが約４５°±１０°、極角θが約９０°±１０°の範囲で指向性利得が大きくなっている。すなわち、方位角φが約４５°、極角θが約９０°の方向にメインビームが形成される。
　これに対して比較例では、図６Ｂに示すように、指向性利得が相対的に高い範囲が複数個所に分散して現れている。すなわち、ビームパターンが乱れている。また、極角θを９０°に固定して（すなわちｘｙ面内で）方位角φを変化させた場合、明確なビームが現れていない。このビームパターンの乱れは、グランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａに沿って伝搬する高周波電流が新たな波源となることに起因する。
　第１実施例では、グランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａに沿って伝搬する高周波電流を波源とする副次的な放射を抑制することができる。その結果、ビームパターンの乱れを抑制することができるという優れた効果が得られる。
　次に、図７を参照して、スタブ５０から放射素子２０までのｚ方向の距離Ｄｚ（図２）の好ましい範囲について説明する。グランドプレーン４１へのスタブ５０の取り付け箇所を放射素子２０から遠ざけすぎると、放射素子２０からスタブ５０までの間の高周波電流が伝搬し得る距離が長くなるため、スタブ５０を設ける効果が低減される。また、スタブ５０を放射素子２０に近付けすぎると、放射素子２０から見てスタブ５０より遠い領域のグランドプレーン４１が放射素子２０に結合して高周波電流が発生する。この高周波電流が放射素子２０から遠ざかる方向に伝搬する経路にはスタブ５０が配置されていないため、高周波電流が第１エッジ４１Ａに沿って伝搬してしまう。したがって、距離Ｄｚには、好ましい範囲が存在すると考えられる。
　図７は、距離Ｄｚと、θ＝９０°、φ＝９０°の方向（すなわちｙ軸の正方向）におけるアンテナ装置の指向性利得と距離Ｄｚとの関係を示すグラフである。横軸は距離Ｄｚを単位「μｍ」で表し、縦軸は指向性利得を単位「ｄＢｉ」で表す。放射素子２０の共振周波数に相当する実効波長は約３．４０ｍｍである。図７に示したグラフから、距離Ｄｚを実効波長の１／１５以上１／４以下とすることにより、高い指向性利得が得られていることがわかる。
　次に、図８を参照して、スタブ５０の長さの好ましい範囲について説明する。ここで、スタブ５０の長さは、第１部分５０Ａのｘ方向の寸法と、第２部分５０Ｂのｙ方向の寸法との合計の長さに相当する。
　図８は、スタブ５０の長さと、θ＝９０°、φ＝９０°の方向（すなわちｙ軸の正方向）におけるアンテナ装置の指向性利得とスタブ５０の長さとの関係を示すグラフである。横軸はスタブ５０の長さを単位「μｍ」で表し、縦軸は指向性利得を単位「ｄＢｉ」で表す。スタブ５０の長さを実効波長の２１％以上２５％以下の範囲に設定することにより、高い指向性利得が得られることがわかる。
　次に、グランドプレーン４１へのスタブ５０の接続箇所から第１エッジ４１Ａまでの距離Ｄｙ（図２）の好ましい範囲について説明する。第１エッジ４１Ａに沿う高周波電流の伝搬を阻止するためには、スタブ５０の接続箇所を第１エッジ４１Ａに近付けることが好ましい。図５Ｂを参照すると、第１エッジ４１Ａに沿って放射素子２０から遠ざかった領域において、第１エッジ４１Ａからグランドプレーン４１の内側に向かって、放射素子２０の共振周波数に対応する実効波長の１／４だけ入り込んだ位置においても、十分大きな表面電流が流れていることがわかる。したがって、グランドプレーン４１へのスタブ５０の接続箇所から第１エッジ４１Ａまでの距離Ｄｙが、放射素子２０の共振周波数に対応する実効波長の１／４以下であれば、第１エッジ４１Ａに沿う高周波電流の伝搬を阻止する十分な効果が得られると考えられる。
　次に、図９を参照して第１実施例の変形例について説明する。
　図９は、第１実施例の変形例によるアンテナ装置の導体部分の斜視図である。第１実施例（図１）では、複数の短絡ビア２４が放射素子２０のリアエッジ２０Ｒに沿って配置されている。これに対して本変形例では、放射素子２０のリアエッジ２０Ｒの両端にそれぞれ短絡ビア２４が配置されている。リアエッジ２０Ｒの両端以外の箇所には、短絡ビア２４が配置されていない。本変形例においても、放射素子２０とグランドプレーン４１とがハーフパッチアンテナとして動作する。このように、放射素子２０とグランドプレーン４１とがハーフパッチアンテナとして動作する条件の下で、短絡ビア２４の本数及び配置を決定すればよい。
　次に、図１０を参照して第１実施例の他の変形例について説明する。
　図１０は、第１実施例の他の変形例によるアンテナ装置の導体部分の斜視図である。第１実施例（図１）では、平面視において放射素子２０が１層目のグランドプレーン４１に包含されている。これに対して本変形例によるアンテナ装置の１層目のグランドプレーン４１は、第１実施例によるアンテナ装置の１層目のグランドプレーン４１（図１）のうち放射素子２０と重なる部分が除去された形状を有する。
　このため、平面視においてグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａは放射素子２０のフロントエッジ２０Ｆに重ならない。ただし、第１エッジ４１Ａの延長線とフロントエッジ２０Ｆとが、平面視において重なる。
　また、第１実施例（図４）では、給電線３０が２層目のグランドプレーン４２と同一の層に配置されている。これに対して本変形例では、給電線３０が１層目のグランドプレーン４１と同一の層に配置されており、給電線３０とグランドプレーン４１との間に、金属膜を除去した間隙部が確保されている。
　２層目のグランドプレーン４２が、平面視において放射素子２０を包含している。グランドプレーン４２の第１エッジ４２Ａの一部分が、平面視において放射素子２０のフロントエッジ２０Ｆと一致している。放射素子２０は、リアエッジ２０Ｒの両端に設けられた短絡ビア２４により２層目のグランドプレーン４２に短絡されている。
　本変形例では、２層目のグランドプレーン４２が誘電体基板の下面に設けられており、３層目のグランドプレーンは設けられていない。
　本変形例においては、１層目のグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａの、放射素子２０に近接する端部の近傍が放射素子２０と結合し、第１エッジ４１Ａに沿って伝搬する高周波電流が発生する。スタブ５０が、第１エッジ４１Ａに沿う高周波電流の伝搬を抑制する。また、２層目のグランドプレーン４２の第１エッジ４２Ａに沿う高周波電流も発生する。スタブ５０は、１層目のグランドプレーン４１との接続箇所と同じ箇所で２層目のグランドプレーン４２にも接続されている。このため、スタブ５０は、２層目のグランドプレーン４２の第１エッジ４２Ａに沿う高周波電流の伝搬も抑制する。これにより、ビームパターンの乱れを抑制することができる。
　図１０に示した変形例のように、１層目のグランドプレーン４１が平面視において放射素子２５と重ならない構成としてもよい。
　次に、第１実施例のさらに他の変形例について説明する。
　第１実施例では、放射素子２０とグランドプレーン４１とでハーフパッチアンテナを構成しているが、通常のパッチアンテナを構成してもよい。第１実施例によるアンテナ装置から短絡ビア２４を取り除き、放射素子２０のｙ方向の寸法をハーフパッチアンテナの放射素子２０の寸法の２倍に広げることにより、通常のパッチアンテナが構成される。
　第１実施例では、放射素子２０の平面視における形状が長方形であるが、パッチアンテナまたはハーフパッチアンテナとして動作可能なその他の形状としてもよい。例えば、長方形の四隅を正方形状または長方形状に切り落した形状にしてもよい。
　［第２実施例］
　次に、図１１及び図１２を参照して第２実施例によるアンテナ装置について説明する。以下、第１実施例によるアンテナ装置（図１から図４までの図面）と共通の構成については説明を省略する。
　図１１は、第２実施例によるアンテナ装置の金属部分の斜視図である。第１実施例では、スタブ５０の第２部分５０Ｂが第１部分５０Ａの先端からｙ軸の正方向に延びている。これに対して第２実施例では、スタブ５０の第２部分５０Ｂが第１部分５０Ａの先端から第１エッジ４１Ａに平行に、かつ放射素子２０から遠ざかる向きに延びている。
　図１２は、第２実施例によるアンテナ装置の指向性利得の角度依存性を濃淡で示すグラフである。横軸は方位角φを単位「°」で表し、縦軸は極角θを単位「°」で表す。指向性利得が相対的に高い領域を相対的に淡い色で示している。第２実施例においても第１実施例によるアンテナ装置（図６Ａ）と同様に、極角θ＝９０°、すなわちｘｙ面内において、方位角φが約４５°±１０°の範囲で指向性利得が大きくなっている。また、図６Ｂに示した比較例によるアンテナ装置のビームパターンと比べて、ビームパターンの乱れが低減されていることがわかる。
　［第３実施例］
　次に、図１３及び図１４を参照して第３実施例によるアンテナ装置について説明する。以下、第１実施例によるアンテナ装置（図１から図４までの図面）と共通の構成については説明を省略する。
　図１３は、第３実施例によるアンテナ装置の金属部分の斜視図である。第１実施例では、スタブ５０の第２部分５０Ｂが第１部分５０Ａの先端からｙ軸の正方向に延びている。これに対して第２実施例では、スタブ５０の第２部分５０Ｂが第１部分５０Ａの先端からｙ軸の負方向に延びている。
　図１４は、第３実施例によるアンテナ装置の指向性利得の角度依存性を濃淡で示すグラフである。横軸は方位角φを単位「°」で表し、縦軸は極角θを単位「°」で表す。指向性利得が相対的に高い領域を相対的に淡い色で示している。第２実施例においても第１実施例によるアンテナ装置（図６Ａ）と同様に、極角θ＝９０°、すなわちｘｙ面内において、方位角φが約４５°±１０°の範囲で指向性利得が大きくなっている。また、図６Ｂに示した比較例によるアンテナ装置のビームパターンと比べて、ビームパターンの乱れが低減されていることがわかる。
　上述の第１実施例から第３実施例で説明したように、スタブ５０の第２部分５０Ｂ（図１、図１１、図１３）の延びる方向は特に限定されない。なお、第２実施例では、図１２に示したように、極角θが約１０°及び約１７０°で、方位角φが－７０°以上３０°以下の範囲に、メインビームと同程度の指向性利得の領域が発生している。第３実施例では、図１４に示したように、メインビームと同程度の指向性利得の領域が４箇所発生している。指向性を高めるためには、第１実施例のように、スタブ５０の第２部分５０Ｂを、第１部分５０Ａの先端からｙ軸の正方向に延ばすことが好ましい。
　また、スタブ５０の第２部分５０Ｂの延びる方向を変化させると、アンテナ装置の入力インピーダンスが変化する。第２部分５０Ｂの延びる方向を適切に設計することにより、アンテナ装置のインピーダンス整合を図ることが可能になる。
　［第４実施例］
　次に、図１５を参照して第４実施例によるアンテナ装置について説明する。以下、第１実施例によるアンテナ装置（図１から図４までの図面）と共通の構成については説明を省略する。
　図１５は、第４実施例によるアンテナ装置の平面図である。第１実施例（図２）では、平面視において放射素子２０のフロントエッジ２０Ｆをグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａの一部分に一致させている。これに対して第４実施例では、放射素子２０のフロントエッジ２０Ｆが、平面視において第１エッジ４１Ａから第２エッジ４１Ｂに向かって後退した位置に配置されている。第１エッジ４１Ａとフロントエッジ２０Ｆとの間のｙ方向の距離をＧｙと表記する。距離Ｇｙは、第１エッジ４１Ａから放射素子２０までのｙ方向の距離と定義することもできる。放射素子２０のリアエッジ２０Ｒからグランドプレーン４１の第２エッジ４１Ｂまでのｙ方向の距離は、距離Ｇｙより長い。すなわち、平面視において、放射素子２０はグランドプレーン４１に対して第１エッジ４１Ａ側に偏った位置に配置されている。
　放射素子２０のフロントエッジ２０Ｆが、平面視においてグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａから後退した位置に配置されていても、グランドプレーン４１が放射素子２０に結合して、第１エッジ４１Ａに沿って伝搬する高周波電流が発生する。
　距離Ｇｙが長くなると、第１エッジ４１Ａに沿って伝搬する高周波電流が小さくなり、アンテナ装置のビームパターンの乱れがほとんど生じなくなる。この場合には、スタブ５０を設ける必要はない。距離Ｇｙが、放射素子２０の共振周波数に対応する実効波長の１／４以下である場合に、第１エッジ４１Ａに沿って伝搬する高周波電流によるビームパターンの乱れが無視できなくなる。したがって、距離Ｇｙが、放射素子２０の共振周波数に対応する実効波長の１／４以下である場合に、スタブ５０を設けることの有意な効果が得られる。
　［第５実施例］
　次に、図１６を参照して第５実施例によるアンテナ装置について説明する。以下、第１実施例によるアンテナ装置（図１から図４までの図面）と共通の構成については説明を省略する。
　図１６は、第５実施例によるアンテナ装置の金属部分の斜視図である。第１実施例では、放射素子２０とグランドプレーン４１（図１）とがハーフパッチアンテナを構成している。これに対して第５実施例では、放射素子２０が、第１エッジ４１Ａと平行に配置された２本の直線状導体２０Ａ、２０Ｂを含み、ダイポールアンテナとして動作する。
　一方の直線状導体２０Ａは、ビア２５Ａを介して給電線３０に接続されている。他方の直線状導体２０Ｂは、ビア２５Ｂを介してグランドプレーン４１に接続されるとともに、さらに、ビア２５Ｂの直下に配置されたビア２５Ｃを介して２層目のグランドプレーン４２に接続されている。ビア２５Ａ、２５Ｂは、例えば、複数の内層パッドと、上下の内層パッドを相互に接続する複数のビアとで構成される。
　放射素子２０をｚ方向に挟む位置に、それぞれスタブ５０が配置されている。スタブ５０の構成は、第１実施例によるアンテナ装置のスタブ５０（図１、図３Ｂ）の構成と同一である。平面視において、２本の直線状導体２０Ａ、２０Ｂの各々から、グランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａまでのｙ方向の距離は、ダイポールアンテナとして動作する放射素子２０の共振周波数に対応する実効波長の１／４以下である。
　次に、第５実施例の優れた効果について説明する。
　第５実施例においても、グランドプレーン４１が、ダイポールアンテナとして動作する放射素子２０に結合し、第１エッジ４１Ａに沿って伝搬する高周波電流が発生する。スタブ５０が第１エッジ４１Ａに沿う高周波電流の伝搬を抑制することにより、ビームパターンの乱れを抑制することができる。
　［第６実施例］
　次に、図１７を参照して第６実施例によるアンテナ装置について説明する。以下、図１から図８までの図面を参照して説明した第１実施例によるアンテナ装置と共通の構成については説明を省略する。
　図１７は、第６実施例によるアンテナ装置の導体部分の平面図である。第１実施例によるアンテナ装置は、１個の放射素子２０を有している。これに対して第６実施例によるアンテナ装置は、第１実施例による放射素子２０と同一構造の放射素子２０がｚ方向に複数個並んで配置されている。放射素子２０のそれぞれに給電線３０が接続されている。複数の放射素子２０に対して共通のグランドプレーン４１が配置されている。複数の放射素子２０及びグランドプレーン４１によって、アレイアンテナが構成される。複数の放射素子２０の各々とグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａとの位置関係は、第１実施例によるアンテナ装置の放射素子２０とグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａとの位置関係と同一である。
　複数の放射素子２０の各々のｚ方向の両側に、それぞれスタブ５０が配置されている。なお、ｚ方向に隣り合う２つの放射素子２０の間には、１つのスタブ５０が配置されており、１つのスタブ５０が両側の放射素子２０で共用される。複数の放射素子２０の各々と、その両側のスタブ５０との位置関係は、第１実施例によるアンテナ装置の放射素子２０と、その両側のスタブ５０との位置関係と同一である。また、スタブ５０の各々とグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａとの位置関係は、第１実施例によるアンテナ装置のスタブ５０とグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａとの位置関係と同一である。
　次に、第６実施例の優れた効果について説明する。
　第６実施例においても第１実施例と同様に、放射素子２０の各々のビームパターンの乱れを抑制することができる。このため、複数の放射素子２０を含むアレイアンテナにおいても、ビームパターンの乱れを抑制することができる。
　また、ｚ方向に隣り合う２つの放射素子２０の間に１つのスタブ５０を配置し、２つの放射素子２０で１つのスタブ５０を共用することにより、放射素子２０に対して個別にスタブ５０を配置する構成と比べて、放射素子２０を相互に近付けて配置することができる。このため、放射素子２０の間隔設定の自由度が高まる。
　［第７実施例］
　次に、図１８を参照して第７実施例によるアンテナ装置について説明する。以下、第４実施例によるアンテナ装置（図１５）と共通の構成については説明を省略する。
　図１８は、第７実施例によるアンテナ装置の平面図である。第４実施例（図１５）では、平面視において放射素子２０が長方形である。これに対して第７実施例では、放射素子２０が三角形、例えば二等辺三角形である。二等辺三角形の底辺が、平面視においてグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａと平行であり、放射素子２０のリアエッジ２０Ｒに相当する。
　給電点２１は、頂点２０Ｃからリアエッジ２０Ｒに下した垂線上に配置されている。放射素子２０の３つの頂点のうち、２つの等辺で共有される頂点２０Ｃが、給電点２１に最も近い。二等辺三角形の２つの等辺が共有する頂点２０Ｃが、平面視において第１エッジ４１Ａの方を向く。放射素子２０から第１エッジ４１Ａまでのｙ方向の距離Ｇｙが、第１エッジ４１Ａから頂点２０Ｃまでのｙ方向の距離と等しい。
　グランドプレーン４１へのスタブ５０の接続箇所の中心から放射素子２０までのｚ方向の距離Ｄｚは、二等辺三角形の底辺の両端の頂点２０Ｄと、グランドプレーン４１へのスタブ５０の接続箇所の中心との間のｚ方向の間隔で定義される。
　第７実施例のように、放射素子２０の平面形状を二等辺三角形としても、放射素子２０がハーフパッチアンテナとして動作する。このとき、放射素子２０の共振周波数は、放射素子２０のｙ方向の寸法、放射素子２０とグランドプレーン４１の第１エッジ４１Ａとの位置関係、放射素子２０とスタブ５０との位置関係等によって決定される。
　次に、第７実施例の優れた効果について説明する。
　第７実施例においても第４実施例と同様に、距離Ｇｙが、放射素子２０の共振周波数に対応する実効波長の１／４以下である場合に、スタブ５０を設けることの有意な効果が得られる。
　次に、図１９を参照して、第７実施例の変形例によるアンテナ装置について説明する。
　図１９は、第７実施例の変形例によるアンテナ装置の平面図である。第７実施例では、放射素子２０の平面視における形状が二等辺三角形であるが、本変形例では、放射素子２０の平面視における形状が半円形である。半円形の直径に対応する縁が、リアエッジ２０Ｒに相当する。
　放射素子２０から第１エッジ４１Ａまでのｙ方向の距離Ｇｙが、リアエッジ２０Ｒの垂直二等分線と円周との交点２０Ｅから、第１エッジ４１Ａまでのｙ方向の距離と等しい。給電点２１は、交点２０Ｅを通過する半径上に位置する。
　本変形例のように、放射素子２０の平面視における形状を半円形にしてもよい。その他に、放射素子２０の平面視における形状を、楕円を長径または短径で半分に分割した形状にしてもよい。
　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。
　２０　放射素子
　２０Ａ、２０Ｂ　直線状導体
　２０Ｃ　二等辺三角形の放射素子の２つの等辺が共有する頂点
　２０Ｄ　二等辺三角形の放射素子の底辺の両端の頂点
　２０Ｅ　半円形の放射素子のリアエッジの垂直二等分線と円周との交点
　２０Ｆ　フロントエッジ
　２０Ｒ　リアエッジ
　２１　給電点
　２４　短絡ビア
　２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ　ビア
　３０　給電線
　３１　導体部材
　３１Ａ　ビア
　３１Ｂ　内層パッド
　３１Ｃ　ビア
　４１　グランドプレーン
　４１Ａ　第１エッジ
　４１Ｂ　第２エッジ
　４２　グランドプレーン
　４２Ａ　第１エッジ
　４３　グランドプレーン
　４３Ａ　第１エッジ
　５０　スタブ
　５０Ａ　スタブの第１部分
　５０Ｂ　スタブの第２部分
　６０　誘電体基板
　
 

Claims (8)

  1. 　第１方向に延びる第１エッジを持つグランドプレーンと、
    　前記グランドプレーンから前記グランドプレーンの厚さ方向に間隔を隔てて配置された少なくとも１つの放射素子と、
    　前記放射素子に高周波信号を供給する給電線と、
    　前記放射素子を前記第１方向に挟む位置に配置され、前記グランドプレーンに接続された少なくとも２つのスタブと
    　を備え、
    　平面視において、前記放射素子から前記第１エッジまでの、前記第１方向と直交する第２方向の距離が、前記放射素子の共振周波数に対応する波長の１／４以下であるアンテナ装置。
  2. 　前記スタブが前記グランドプレーンに接続されている箇所から前記第１エッジまでの前記第２方向の距離は、前記放射素子の共振周波数に対応する波長の１／４以下である請求項１に記載のアンテナ装置。
  3. 　前記放射素子は、前記グランドプレーンとともにパッチアンテナを構成する金属板を含み、
    　前記金属板は、平面視において前記第１エッジの側に位置するフロントエッジと、前記フロントエッジの反対側に位置するリアエッジとを有しており、
    　前記リアエッジから前記グランドプレーンの、前記第１エッジとは反対側の第２エッジまでの前記第２方向の距離が、前記フロントエッジから前記グランドプレーンの前記第１エッジまでの前記第２方向の距離より長い請求項１または２に記載のアンテナ装置。
  4. 　前記スタブが前記グランドプレーンに接続されている箇所から前記放射素子までの前記第１方向の距離が、前記放射素子の共振周波数に対応する波長の１／１５以上１／４以下である請求項３に記載のアンテナ装置。
  5. 　前記スタブの各々は、前記グランドプレーンから前記グランドプレーンの厚さ方向に延びる第１部分と、前記第１部分の先端から前記グランドプレーンに対して平行な方向に延びる第２部分とを含む請求項３または４に記載のアンテナ装置。
  6. 　前記スタブの各々の長さが、前記放射素子の共振周波数に対応する波長の２１％以上２５％以下である請求項３乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
  7. 　前記放射素子は、前記第１方向に沿って複数個配置されており、
    　前記スタブは、前記放射素子の各々を前記第１方向に挟む位置に配置されており、前記第１方向に隣り合う２つの前記放射素子の間には１つの前記スタブが配置されており、１つの前記スタブが両側の前記放射素子で共用されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
  8. 　前記放射素子は、ダイポールアンテナを構成する２本の直線状導体を含み、前記２本の直線状導体のうち一方は前記給電線に接続されており、他方は前記グランドプレーンに接続されている請求項１または２に記載のアンテナ装置。
     
PCT/JP2021/031213 2020-09-15 2021-08-25 アンテナ装置 WO2022059445A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202180062616.XA CN116114119A (zh) 2020-09-15 2021-08-25 天线装置
JP2022550431A JP7359314B2 (ja) 2020-09-15 2021-08-25 アンテナ装置
US18/182,410 US20230231309A1 (en) 2020-09-15 2023-03-13 Antenna device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020-155000 2020-09-15
JP2020155000 2020-09-15

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US18/182,410 Continuation US20230231309A1 (en) 2020-09-15 2023-03-13 Antenna device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022059445A1 true WO2022059445A1 (ja) 2022-03-24

Family

ID=80776844

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2021/031213 WO2022059445A1 (ja) 2020-09-15 2021-08-25 アンテナ装置

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230231309A1 (ja)
JP (1) JP7359314B2 (ja)
CN (1) CN116114119A (ja)
WO (1) WO2022059445A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005203971A (ja) * 2004-01-14 2005-07-28 Ntt Docomo Inc アンテナ装置、アンテナシステム
EP2323217A1 (en) * 2009-11-13 2011-05-18 Research In Motion Limited Antenna for multi mode mimo communication in handheld devices
US20140085158A1 (en) * 2012-09-26 2014-03-27 National Sun Yat-Sen University Communication device and antennas with high isolation characteristics
WO2020100412A1 (ja) * 2018-11-15 2020-05-22 株式会社村田製作所 アンテナモジュール、通信モジュールおよび通信装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005203971A (ja) * 2004-01-14 2005-07-28 Ntt Docomo Inc アンテナ装置、アンテナシステム
EP2323217A1 (en) * 2009-11-13 2011-05-18 Research In Motion Limited Antenna for multi mode mimo communication in handheld devices
US20140085158A1 (en) * 2012-09-26 2014-03-27 National Sun Yat-Sen University Communication device and antennas with high isolation characteristics
WO2020100412A1 (ja) * 2018-11-15 2020-05-22 株式会社村田製作所 アンテナモジュール、通信モジュールおよび通信装置

Also Published As

Publication number Publication date
US20230231309A1 (en) 2023-07-20
CN116114119A (zh) 2023-05-12
JPWO2022059445A1 (ja) 2022-03-24
JP7359314B2 (ja) 2023-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6809576B2 (ja) アレーアンテナ
JP6073713B2 (ja) アンテナ装置
EP2919323A1 (en) Array antenna
JPH1075116A (ja) アンテナ、接続装置、カップラ及び基板積層方法
US10886620B2 (en) Antenna
WO2015087840A1 (ja) パッチアンテナを有するアンテナ装置
WO2015133114A1 (ja) アンテナ装置、無線通信装置、及び電子機器
JP6930441B2 (ja) アンテナ装置
WO2022059445A1 (ja) アンテナ装置
US11108166B2 (en) Antenna device
JP7294248B2 (ja) アンテナ装置
JP3764289B2 (ja) マイクロストリップアンテナ
JP2021524710A (ja) 和および差モードアンテナ並びに通信製品
JP6611238B2 (ja) 導波管／伝送線路変換器、アレーアンテナ及び平面アンテナ
US9692138B2 (en) Antenna device
US11223132B2 (en) Antenna device
JP6913868B2 (ja) アンテナ装置
JP6589815B2 (ja) アンテナ装置
WO2019058932A1 (ja) アンテナ装置
JP2005286459A (ja) アレイアンテナ
JP6979599B2 (ja) アンテナ装置
JP7449137B2 (ja) アンテナ素子及びアレイアンテナ
JP2023168774A (ja) ミリ波用の平面アンテナ
TW202230882A (zh) 天線模組
JP2023131594A (ja) アンテナ装置

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21869132

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2022550431

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21869132

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1