WO2024071037A1 - パッチアンテナ - Google Patents

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WO2024071037A1
WO2024071037A1 PCT/JP2023/034718 JP2023034718W WO2024071037A1 WO 2024071037 A1 WO2024071037 A1 WO 2024071037A1 JP 2023034718 W JP2023034718 W JP 2023034718W WO 2024071037 A1 WO2024071037 A1 WO 2024071037A1
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dielectric layer
patch
antenna
dielectric constant
patch antenna
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PCT/JP2023/034718
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French (fr)
Inventor
直樹 永岡
晋平 八鍬
Original Assignee
日東電工株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • 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
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/40—Radiating elements coated with or embedded in protective material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines

Definitions

  • the present invention relates to a patch antenna.
  • 5G mobile communication systems use electromagnetic waves in a higher frequency band (for example, electromagnetic waves in the 28 GHz band, known as millimeter waves) than those used in previous mobile communication systems.
  • millimeter waves have the problem of short propagation distances due to their high degree of directivity and tendency to attenuate during propagation. For this reason, communication antennas using millimeter waves are required to have high antenna gain.
  • phased array antenna which has multiple antenna elements arranged in an array on a dielectric substrate.
  • patch antennas with rectangular, flat patch conductors that are easy to arrange in an array are used in many phased array antennas (see, for example, Patent Document 1 below).
  • the antenna disclosed in Patent Document 1 has an antenna element including a patch conductor, and a lens antenna facing the antenna element. Electromagnetic waves radiated from the antenna element enter the lens antenna and are refracted. This forms a beam-like plane wave with a coherent phase, which can increase the antenna gain.
  • the lens antenna since the lens antenna has a curved surface, the dimensions in the front-to-rear direction are large. Placing the lens antenna in front of the antenna element leads to an increase in the size of the antenna.
  • the present invention aims to provide a small patch antenna with improved antenna gain.
  • a patch antenna according to one embodiment of the present invention has a first dielectric layer, a patch conductor formed on the first dielectric layer, and a second dielectric layer formed on the patch conductor, and the relative dielectric constant of the second dielectric layer is 3.5 or less.
  • the present invention provides a small patch antenna with improved antenna gain.
  • FIG. 1 is a perspective plan view of a patch antenna according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is a vertical cross-sectional view of the patch antenna according to the embodiment.
  • FIG. FIG. 13 is a perspective plan view of a patch antenna according to a modified example of the embodiment.
  • 11 is a vertical cross-sectional view of a patch antenna according to a modified example of the embodiment.
  • FIG. 13 is a graph showing a comparison of antenna gain between Example 6 and Comparative Example 1.
  • 13 is a graph showing antenna gain when the thickness of the second dielectric layer is changed in Example 7, Example 8, and Comparative Example 4.
  • 13 is a graph showing antenna gain when the thickness of the second dielectric layer is changed in Example 9, Example 10, and Comparative Example 5.
  • Figure 1 is a see-through perspective view illustrating the patch antenna 1 according to this embodiment.
  • Figure 2 is a vertical cross-sectional view of the patch antenna 1 cut along line A-A shown in Figure 1.
  • the X direction shown in the figure corresponds to the width direction of the patch antenna 1
  • the Y direction corresponds to the depth direction of the patch antenna 1
  • the Z direction corresponds to the height direction of the patch antenna 1.
  • the X direction, Y direction, and Z direction are mutually orthogonal.
  • any direction within the XY plane may be referred to as an "in-plane direction”.
  • the direction along the Z direction may be referred to as a "perpendicular-to-plane direction”.
  • the patch antenna 1 is an antenna that performs wireless communication by transmitting and receiving electromagnetic waves having a frequency band of 3 GHz to 300 GHz, known as millimeter waves or microwaves. However, the frequency band of electromagnetic waves that can be transmitted and received by the patch antenna 1 may be other than these. As shown in Figures 1 and 2, the patch antenna 1 has a first dielectric layer 10, a patch conductor 20, a second dielectric layer 30, a ground layer 40, and a power supply via 50.
  • the first dielectric layer 10 is, for example, a dielectric layer that functions as a substrate for the patch antenna 1. More specifically, the first dielectric layer 10 has a predetermined thickness and is in the form of a sheet extending in an in-plane direction. The first dielectric layer 10 also has a first surface (front surface) 11 located on the upper side in the perpendicular direction and a second surface (back surface) 12 located on the lower side in the perpendicular direction.
  • the material for the first dielectric layer 10 examples include polymeric materials such as polyethylene resin, polypropylene resin, and polystyrene resin.
  • the material for the first dielectric layer 10 is not limited to these and may be a ceramic material or the like.
  • the material for the first dielectric layer 10 may also be a composite material containing a fluorine-based resin and a filler.
  • fluorine-based resins include polytetrafluoroethylene (PTFE), perfluoroalkoxyalkane (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), polychlorotrifluoroethylene (PCTEF), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer (ECTFE), and polyvinylidene fluoride (PVDF), which can be used alone or in combination of two or more.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PFA perfluoroalkoxyalkane
  • FEP tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer
  • PCTEF polychlorotrifluoroethylene
  • ETFE tetrafluoroethylene-ethylene copolymer
  • ECTFE chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer
  • PVDF polyvinylidene fluoride
  • the fluororesin is preferably "fibrillated (fibrous structured)". It is more preferable that the fibers in the fibrillation are oriented not only in one direction but in multiple directions. It is particularly preferable that the fibrils are linked to inorganic fine particle aggregates, which will be described later, to form a "three-dimensional fine mesh structure".
  • the fibrillation of the fluororesin can be promoted, for example, by applying a shear force, but more specifically, it is preferably performed by multi-stage rolling.
  • the three-dimensional fine mesh structure is preferably formed by multi-stage rolling in opposite directions.
  • Fillers include granular fillers and fibrous fillers.
  • Granular fillers include solid carbon such as carbon black; silicon dioxide (silica) such as porous silica, fused silica, and silica gel; transition metal oxides (including composite oxides) such as titanium oxide (titanium dioxide (titania)), iron oxide, and zirconium oxide (zirconium dioxide (zirconia)); and nitrides of typical elements such as boron nitride and silicon nitride.
  • Fibrous fillers include glass fiber and carbon fiber. These fillers can be used alone or in combination of two or more.
  • the filler preferably contains "porous inorganic microparticle aggregates (hereinafter sometimes abbreviated as "inorganic microparticle aggregates”) formed by agglomeration of inorganic microparticles having an average primary particle size of 5 to 200 nm.
  • inorganic microparticle aggregates By containing inorganic microparticle aggregates as a filler, it is possible to ensure good properties such as a dielectric constant and a thermal expansion coefficient.
  • inorganic microparticle aggregates refer to aggregates formed by the fusion of multiple inorganic microparticles, which are porous with voids between the inorganic microparticles.
  • the materials of the inorganic fine particles in the inorganic fine particle aggregate include oxides of typical elements such as silicon oxide (silicon monoxide, silicon dioxide (silica), etc.) and aluminum oxide (alumina) (including composite oxides); transition metal oxides such as titanium oxide (titanium dioxide (titania)), iron oxide, and zirconium oxide (zirconium dioxide (zirconia)) (including composite oxides); and nitrides of typical elements such as boron nitride and silicon nitride, which can be used alone or in combination of two or more. Among these, oxides of typical elements are preferred, and silicon dioxide (silica) is particularly preferred.
  • the relative dielectric constant of the composite material can be kept extremely low, and the composite material can be manufactured at a lower cost.
  • the crystallinity of the inorganic fine particles is not particularly limited, but silicon dioxide is usually amorphous.
  • the porosity of the first dielectric layer 10 is preferably 30% or more, more preferably 35% or more, even more preferably 40% or more, even more preferably 45% or more, and particularly preferably 50% or more, and is usually 80% or less, preferably 70% or less. If it is within the above range, it is possible to ensure good properties such as the relative dielectric constant and expansion coefficient as a composite material.
  • the porosity is a value calculated by measuring the bulk density of the material that will become the void-containing layer and the true density of the material that will become the void-containing layer, and substituting them into the following formula.
  • Porosity [%] (1-(bulk density [g/cm 3 ] of material containing fluororesin and filler/true density [g/cm 3 ] of material containing fluororesin and filler)) ⁇ 100
  • the relative dielectric constant of the first dielectric layer 10 is not particularly limited, but is preferably, for example, 1.5 to 5.0. By setting the relative dielectric constant of the first dielectric layer 10 within this range, it is possible to reduce dielectric loss and improve antenna gain.
  • the "relative dielectric constant” is the value obtained by dividing the "dielectric constant” by the “dielectric constant of a vacuum", and the “dielectric constant of a vacuum” is 1. Therefore, in this specification, "relative dielectric constant” and "dielectric constant” are treated as synonymous terms.
  • the thickness of the first dielectric layer 10 is not particularly limited, but is preferably 0.1 mm to 1.0 mm. By setting the thickness of the first dielectric layer 10 within this range, it is possible to improve the antenna gain and expand the frequency band.
  • the patch conductor 20 is a conductor layer that functions as an antenna element.
  • the patch conductor 20 is formed on the first surface 11 of the first dielectric layer 10. More specifically, the patch conductor 20 has a rectangular planar shape, and has a first surface (front surface) 21 located on the upper side in the perpendicular direction and a second surface (back surface) 22 located on the lower side in the perpendicular direction.
  • the shape of the patch conductor 20 is not limited to this.
  • the patch conductor 20 for example, radiates electromagnetic waves in a specific frequency band from the patch antenna 1 toward an external communication device. Also, the patch conductor 20, for example, receives electromagnetic waves in a specific frequency band radiated from an external communication device toward the patch antenna 1.
  • patch conductor 20 there is one patch conductor 20 as shown in Figures 1 and 2, but the number of patch conductors 20 is not limited to this.
  • multiple patch conductors 20 may be arranged in an array on the first surface 11 of the first dielectric layer 10.
  • the material of the patch conductor 20 is not particularly limited, but examples include metals such as titanium, silicon, niobium, indium, zinc, tin, gold, silver, copper, aluminum, cobalt, chromium, nickel, lead, iron, palladium, platinum, tungsten, zirconium, tantalum, and hafnium; conductive metal oxides such as ITO (oxide of indium and tin), zinc oxide, and tin oxide.
  • the material may contain two or more of these metals or metal oxides, or may be an alloy containing these metals as the main component.
  • the second dielectric layer 30 is a dielectric layer that covers at least the first surface 21 of the patch conductor 20. More specifically, the second dielectric layer 30 has a predetermined thickness and is in the form of a sheet extending in an in-plane direction.
  • the second dielectric layer 30 has a first surface (front surface) 31 located on the upper side in the perpendicular direction and a second surface (back surface) 32 located on the lower side in the perpendicular direction. As shown in Figs. 1 and 2, the second dielectric layer 30 of this embodiment covers not only the first surface 21 of the patch conductor 20 but also a region on the first surface 11 of the first dielectric layer 10 where the patch conductor 20 is not formed.
  • the second dielectric layer 30 faces the first surface 21 of the patch conductor 20, and the antenna gain is improved, for example, by configuring the second dielectric layer 30 as follows. More specifically, the relative dielectric constant of the second dielectric layer 30 is preferably 3.5 or less, more preferably 2.5 or less, and even more preferably 2.0 or less. In addition, the relative dielectric constant of the second dielectric layer 30 is preferably 1.0 or more.
  • the second dielectric layer 30 having a relative dielectric constant of 3.5 or less is a fluororesin such as polytetrafluoroethylene.
  • the material of the second dielectric layer 30 may also be a composite material containing a fluororesin and filler similar to that of the first dielectric layer 10.
  • the fluororesin and filler contained in the second dielectric layer 30 may be the same as the aforementioned fluororesin and filler usable in the first dielectric layer 10.
  • the material of the second dielectric layer 30 is not limited to this.
  • the second dielectric layer 30 may be formed to have a uniform relative dielectric constant in the thickness direction, or may be formed to have a uniform relative dielectric constant in the in-plane direction.
  • the second dielectric layer 30 may be formed as a sheet having a uniform relative dielectric constant, or may be formed as a plate-like body having a greater thickness and a uniform relative dielectric constant.
  • the patch antenna can be made smaller.
  • manufacturability is excellent.
  • the porosity of the second dielectric layer 30 is preferably 30% or more, more preferably 35% or more, even more preferably 40% or more, even more preferably 45% or more, particularly preferably 50% or more, and usually 80% or less, preferably 70% or less.
  • the porosity is a value calculated by measuring the bulk density of the material to be the void-containing layer and the true density of the material to be the void-containing layer, and substituting them into the following formula, as in the case of the first dielectric layer 10.
  • Porosity [%] (1-(bulk density [g/cm 3 ] of material containing fluororesin and filler/true density [g/cm 3 ] of material containing fluororesin and filler)) ⁇ 100
  • the second dielectric layer 30 By using, for example, a dielectric layer having the above-mentioned fluororesin and filler as the second dielectric layer 30, it is possible to obtain a dielectric layer having a low dielectric constant suitable for improving antenna gain. In addition, the expansion coefficient of the second dielectric layer 30 can be reduced, and it is possible to prevent, for example, breakage, peeling, etc. caused by the difference with the expansion coefficient of the patch conductor 20.
  • the thickness of the second dielectric layer 30 is preferably 1.0 mm or more, more preferably 3.0 mm or more, and even more preferably 5.0 mm or more. In addition, the thickness of the second dielectric layer 30 is preferably 10 mm or less.
  • the mechanism by which the antenna gain is improved by providing a sheet-like second dielectric layer 30 having a uniform relative dielectric constant so as to cover the first surface 21 of the patch conductor 20 is not clear, but it is believed that the electromagnetic waves radiated from the patch conductor 20 interact with the second dielectric layer 30 having a low dielectric constant so as to increase the directivity of the radiated electromagnetic waves, causing the second dielectric layer 30 to behave as if it were a lens, thereby improving the antenna gain.
  • the thin sheet-like second dielectric layer 30 is laminated on the patch conductor 20, the antenna can be made smaller. Furthermore, since there is no need to form a flat plate-like structure such as a Fresnel lens, the manufacturability is excellent. In addition, since there is no need to form a gradient of the relative dielectric constant in the in-plane direction, this also has excellent manufacturability in this respect.
  • the ground layer 40 is a sheet-like conductor layer that is bonded to the second surface 12 of the first dielectric layer 10 and faces the patch conductor 20 with the first dielectric layer 10 sandwiched therebetween.
  • the material of the ground layer 40 is not particularly limited as long as it is conductive, and examples of the material include metals such as titanium, silicon, niobium, indium, zinc, tin, gold, silver, copper, aluminum, cobalt, chromium, nickel, lead, iron, palladium, platinum, tungsten, zirconium, tantalum, and hafnium; conductive metal oxides such as ITO, zinc oxide, and tin oxide; and the like.
  • the ground layer 40 may also be one that contains two or more of these metals or metal oxides, or an alloy that contains these metals as the main component.
  • the power feed via 50 supplies power from, for example, a power feed line to the patch conductor 20.
  • the power feed via 50 penetrates the first dielectric layer 10 and the ground layer 40.
  • One end 51 of the power feed via 50 is electrically connected to the patch conductor 20.
  • the other end 52 of the power feed via 50 is electrically connected to the power feed line.
  • Fig. 3 is a perspective view illustrating the patch antenna 1A according to the modified example of the embodiment.
  • Fig. 4 is a vertical cross-sectional view of the patch antenna 1A taken along line BB shown in Fig. 3.
  • the patch antenna 1A further includes a parasitic element 75 arranged on the first surface 11 of the first dielectric layer 10 so as to surround the patch conductor 20.
  • the parasitic element 75 is arranged at a position separated from the patch conductor 20.
  • the distance between the patch conductor 20 and the parasitic element 75 is not limited.
  • the parasitic element 75 only needs to be conductive, and may be made of the same material as the patch conductor 20 or may be made of a material different from that of the patch conductor 20.
  • the thickness and area of the parasitic element 75 are not limited.
  • a plurality of parasitic elements 75 may be formed on the first surface 11 of the first dielectric layer 10.
  • four parasitic elements 75 are formed on the first surface 11 of the first dielectric layer 10 so as to face the four side surfaces of the patch conductor 20, respectively.
  • Each of the four parasitic elements 75 has a flat plate shape.
  • the parasitic elements 75 may have, for example, a series of frame shapes surrounding the patch conductor 20.
  • the gain of the electromagnetic waves radiated from the patch antenna 1A can be improved.
  • the bandwidth of the electromagnetic waves radiated from the patch antenna 1A can be broadened.
  • Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 were fabricated in which the ground layer 40, the first dielectric layer 10, the patch conductor 20, and the second dielectric layer 30 were laminated in this order.
  • the relative dielectric constants and thicknesses of the second dielectric layer 30 in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 2 to 3 are as shown in Table 1.
  • Comparative Example 1 is a sample that does not have the second dielectric layer 30.
  • the dielectric constant in Comparative Example 1 is set to the dielectric constant of the air, 1, and the thickness is set to 0 mm.
  • the relative dielectric constant of the first dielectric layer 10 in each of the samples of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3 is all 1.88, and the thickness is all 0.75 mm.
  • Table 2 shows the simulation results of the antenna gain for each sample of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3, and the improvement rate of the antenna gain relative to Comparative Example 1.
  • Fig. 5 shows a graph showing a comparison of the antenna gain for Example 6 and Comparative Example 1. Note that the horizontal axis of Fig. 5 represents the azimuth angle of the beam formed by the radiated electromagnetic wave from the patch conductor 20, and the vertical axis represents the antenna gain at each azimuth angle.
  • the maximum gain of Example 6 was improved by about 1 dB compared to the maximum gain of Comparative Example 1. Also, the beam width of Example 6 was narrower than the beam width of Comparative Example 1. Thus, it was suggested that by facing the second dielectric layer 30 having a low dielectric constant of 3.5 or less and a thickness of 1 mm or more to the first surface 21 of the patch conductor 20, a patch antenna with improved directivity and antenna gain can be obtained.
  • FIG. 6 shows the antenna gain when the thickness of the second dielectric layer 30 is changed in Example 7 (relative dielectric constant of the second dielectric layer 30: 1.5, relative dielectric constant of the first dielectric layer 10: 1.88), Example 8 (relative dielectric constant of the second dielectric layer 30: 2.0, relative dielectric constant of the first dielectric layer 10: 1.88), and Comparative Example 4 (relative dielectric constant of the second dielectric layer 30: 3.7, relative dielectric constant of the first dielectric layer 10: 1.88).
  • FIG. 7 shows the antenna gain when the thickness of the second dielectric layer 30 is changed in Example 9 (relative dielectric constant of the second dielectric layer 30: 1.5, relative dielectric constant of the first dielectric layer 10: 3.7), Example 10 (relative dielectric constant of the second dielectric layer 30: 2.0, relative dielectric constant of the first dielectric layer 10: 3.7), and Comparative Example 5 (relative dielectric constant of the second dielectric layer 30: 3.7, relative dielectric constant of the first dielectric layer 10: 3.7).
  • the second dielectric layer has a thickness of 1.0 mm or more.
  • At least one of the first dielectric layer and the second dielectric layer is An inorganic porous aggregate having pores constituted by a plurality of fine particles; Fibrils made of a fluorine-based resin;
  • the patch antenna according to ⁇ 1> or ⁇ 2>, ⁇ 4> The second dielectric layer has a relative dielectric constant of 2.0 or less.

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Abstract

小型でアンテナ利得が向上するパッチアンテナの提供を目的とする。パッチアンテナは、第１誘電体層と、前記第１誘電体層上に形成されるパッチ導体と、前記パッチ導体上に形成される第２誘電体層と、を有し、前記第２誘電体層の比誘電率は、３．５以下である。

Description

パッチアンテナ
　本発明は、パッチアンテナに関する。
　第５世代（５Ｇ）移動体通信システムにおいて、それまでの移動体通信システムで利用される電磁波に比べて高周波数帯の電磁波（例えば、２８ＧＨｚ帯等のいわゆるミリ波と称される電磁波）が利用される。他方、ミリ波は、直進性が高く、伝搬中に減衰しやすい等の理由から、伝搬距離が短いという課題を有する。そのため、ミリ波を用いた通信アンテナには、高いアンテナ利得が求められる。
　アンテナ利得を向上させるアンテナの一種として、誘電体基板上にアレイ状に配列する複数のアンテナ素子を有するフェーズド・アレイアンテナが挙げられる。例えば、アレイ状に配列しやすい矩形の平板形状のパッチ導体を有するパッチアンテナが、フェーズド・アレイアンテナの多くで用いられている（例えば、下記特許文献１参照）。
特開２０１２－２２２５４５号公報
　特許文献１に開示のアンテナは、パッチ導体を含むアンテナ素子と、アンテナ素子に対向するレンズアンテナを有する。アンテナ素子から放射された電磁波は、レンズアンテナに入射し、屈折する。これにより、位相の揃ったビーム状の平面波が形成され、アンテナ利得を高めることができる。しかしながら、レンズアンテナは、湾曲面を有することから、前後方向の寸法が大きくなる。アンテナ素子の前方側にレンズアンテナを配置すると、アンテナの大型化を招く。
　本発明は、小型でアンテナ利得が向上するパッチアンテナの提供を目的とする。
　本発明の一態様に係るパッチアンテナは、第１誘電体層と、前記第１誘電体層上に形成されるパッチ導体と、前記パッチ導体上に形成される第２誘電体層と、を有し、前記第２誘電体層の比誘電率は、３．５以下である。
　本発明によれば、小型でアンテナ利得が向上するパッチアンテナを提供することができる。
本実施形態に係るパッチアンテナの透視平面図である。 本実施形態に係るパッチアンテナの垂直断面図である。 実施形態の変形例に係るパッチアンテナの透視平面図である。 実施形態の変形例に係るパッチアンテナの垂直断面図である。 実施例６と比較例１に関するアンテナ利得の比較を示すグラフである。 実施例７、実施例８、比較例４における、第２誘電体層の厚みを変化させた場合のアンテナ利得を示すグラフである。 実施例９、実施例１０、比較例５における、第２誘電体層の厚みを変化させた場合のアンテナ利得を示すグラフである。
［実施形態］
＜パッチアンテナの全体構成＞
　以下、図面を参照して本開示の実施形態について詳細に説明する。各図面において、同一構成要素には同一符号を付与し、重複した説明を適宜省略する。
　以下に示す実施形態は、本開示の技術思想を具体化するためのパッチアンテナを例示するものであって、本開示を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成要素の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本開示の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す構成要素の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。
　図１及び図２を参照して、本実施形態に係るパッチアンテナ１の構成を説明する。図１は、本実施形態に係るパッチアンテナ１を例示する透視斜視図である。図２は、図１に示されるＡ－Ａ線に沿って切断したパッチアンテナ１の垂直断面図である。なお、図示されるＸ方向は、パッチアンテナ１の幅方向に対応し、Ｙ方向は、パッチアンテナ１の奥行方向に対応し、Ｚ方向は、パッチアンテナ１の高さ方向に対応する。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交する。また、ＸＹ平面内における任意の方向を「面内方向」と言う場合がある。Ｚ方向に沿う方向を「面直方向」と言う場合がある。
　パッチアンテナ１は、例えば、ミリ波やマイクロ波と称される３ＧＨｚ～３００ＧＨｚの周波数帯を有する電磁波を送受信して無線通信を行うアンテナである。ただし、パッチアンテナ１において送受信可能な電磁波の周波数帯は、これ以外であってもよい。図１及び図２に示されるように、パッチアンテナ１は、第１誘電体層１０と、パッチ導体２０と、第２誘電体層３０と、グランド層４０と、給電ビア５０と、を有する。
＜第１誘電体層＞
　第１誘電体層１０は、例えば、パッチアンテナ１の基板として機能する誘電体層である。より詳しくは、第１誘電体層１０は、所定の厚みを有し、面内方向に延びるシート状の形態を呈する。また、第１誘電体層１０は、面直方向上側に位置する第１面（表面）１１と、面直方向下側に位置する第２面（裏面）１２を有する。
　第１誘電体層１０の材料として、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂等の高分子材料が挙げられる。ただし、第１誘電体層１０の材料は、これに限定されず、セラミックス材料等であってもよい。また、第１誘電体層１０の材料として、フッ素系樹脂及び充填剤を含む複合材料であってもよい。
　ここで、フッ素系樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＥＦ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）が挙げられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いることができる。なかでも、ＰＴＦＥが特に好ましい。
　フッ素系樹脂は、「フィブリル化（繊維状構造化）」していることが好ましい。フィブリル化における繊維は、一方向にのみならず、多方向に配向していることがより好ましい。また、フィブリルと後述する無機微粒子凝集体とが連結して「三次元の微細網目構造」を形成していることが特に好ましい。フッ素系樹脂がフィブリル化している、特に三次元の微細網目構造を形成していると、複合材料として優れた機械的強度、寸法安定性を確保することができる。また、フッ素系樹脂のフィブリル化は、例えば剪断力を加えることによって促進され得るが、より具体的には多段階圧延によって行うことが好ましい。また、三次元の微細網目構造は、異方向多段階圧延によって行うことが好ましい。
　充填剤としては粒状の充填剤と繊維状の充填剤が挙げられる。粒状の充填剤としては、カーボンブラック等の固体炭素；多孔質シリカ、溶融シリカ、シリカゲル等の二酸化ケイ素（シリカ）；酸化チタン（二酸化チタン（チタニア）等）、酸化鉄、酸化ジルコニウム（二酸化ジルコニウム（ジルコニア））等の遷移金属酸化物（複合酸化物も含む。）；窒化ホウ素、窒化ケイ素等の典型元素の窒化物等が挙げられる。また、繊維状の充填剤としてはガラスファイバー、炭素繊維等が挙げられる。これら充填剤は単独でもしくは２種以上併せて用いることができる。
　充填剤として、「平均一次粒子径５～２００ｎｍの無機微粒子が凝集して形成された多孔性無機微粒子凝集体（以下、「無機微粒子凝集体」と略す場合がある。）」を含むことが好ましい。無機微粒子凝集体を充填剤として含むことにより、良好な比誘電率、熱膨張係数等の特性を確保することができる。なお、無機微粒子凝集体は、複数の無機微粒子が融着して凝集体を形成し、無機微粒子の間に空隙を有して多孔質となっているものを意味する。
　無機微粒子凝集体における無機微粒子の材質は、酸化ケイ素（一酸化ケイ素、二酸化ケイ素（シリカ）等）、酸化アルミニウム（アルミナ）等の典型元素の酸化物（複合酸化物も含む。）；酸化チタン（二酸化チタン（チタニア）等）、酸化鉄、酸化ジルコニウム（二酸化ジルコニウム（ジルコニア））等の遷移金属酸化物（複合酸化物も含む。）；窒化ホウ素、窒化ケイ素等の典型元素の窒化物等が挙げられ、これらは単独でもしくは２種以上併せて用いることができる。なかでも、典型元素の酸化物が好ましく、二酸化ケイ素（シリカ）が特に好ましい。典型元素の酸化物であると、複合材料の比誘電率を極めて低く抑えることができるとともに、より低コストで複合材料を製造することができる。なお、無機微粒子の結晶性は、特に限定されないが、二酸化ケイ素の場合は通常非晶質である。
　第１誘電体層１０が、例えば、フッ素系樹脂及び充填剤を有する場合、第１誘電体層１０の気孔率は、３０％以上であることが好ましく、より好ましくは３５％以上、さらに好ましくは４０％以上、さらに好ましくは４５％以上、特に好ましくは５０％以上であり、通常は８０％以下、好ましくは７０％以下である。前記範囲内であると、複合材料として良好な比誘電率、膨張率等の特性を確保することができる。なお、気孔率は、空孔内包層となる材料のかさ密度と空孔内包層となる材料の真密度を測定し、下記式に代入することによって算出される数値とする。
　気孔率［％］＝（１－（フッ素系樹脂及び充填剤を含む材料のかさ密度［ｇ／ｃｍ３］／フッ素系樹脂及び充填剤を含む材料の真密度［ｇ／ｃｍ３］））×１００
　第１誘電体層１０の比誘電率は、特に限定されないが、例えば、１．５～５．０であることが好ましい。第１誘電体層１０の比誘電率を前記範囲とすることで、誘電損失を低減し、アンテナ利得を向上させることができる。なお、「比誘電率」は、「誘電率」を「真空の誘電率」で割った値であるところ、「真空の誘電率」は１である。そのため、本明細書において、「比誘電率」と「誘電率」は、同義の用語として扱う。
　第１誘電体層１０の厚みは、特に限定されないが、０．１ｍｍ～１．０ｍｍであることが好ましい。第１誘電体層１０の厚みを前記範囲とすることで、アンテナ利得の向上と、周波数帯域の拡張を図ることができる。
＜パッチ導体＞
　パッチ導体２０は、アンテナ素子として機能する導体層である。また、パッチ導体２０は、第１誘電体層１０の第１面１１上に形成される。より詳しくは、パッチ導体２０は、矩形の平面形状を有すると共に、面直方向上側に位置する第１面（表面）２１と、面直方向下側に位置する第２面（裏面）２２を有する。ただし、パッチ導体２０の形態は、これに限られない。
　パッチ導体２０は、例えば、パッチアンテナ１から外部の通信機器に向けて所定周波数帯の電磁波を放射する。また、パッチ導体２０は、例えば、外部の通信機器からパッチアンテナ１に向けて放射される所定周波数帯の電磁波を受ける。
　本実施形態におけるパッチ導体２０は、図１及び図２に示されるように１つであるが、パッチ導体２０の個数は、これに限定されない。例えば、第１誘電体層１０の第１面１１上に、複数のパッチ導体２０がアレイ状に配列されていてもよい。
　パッチ導体２０の材料は、特に限定されないが、例えば、チタン、ケイ素、ニオブ、インジウム、亜鉛、スズ、金、銀、銅、アルミニウム、コバルト、クロム、ニッケル、鉛、鉄、パラジウム、白金、タングステン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム等の金属；ＩＴＯ（インジウムとスズの酸化物）、酸化亜鉛、酸化スズなどの導電性の金属酸化物等が挙げられる。また、これらの金属や金属酸化物を２種以上含有するものや、これらの金属を主成分とする合金であってもよい。
＜第２誘電体層＞
　第２誘電体層３０は、少なくともパッチ導体２０の第１面２１を覆う誘電体層である。より詳しくは、第２誘電体層３０は、所定の厚みを有し、面内方向に延びるシート状の形態を呈する。また、第２誘電体層３０は、面直方向上側に位置する第１面（表面）３１と、面直方向下側に位置する第２面（裏面）３２を有する。本実施形態の第２誘電体層３０は、図１及び図２に示されるように、パッチ導体２０の第１面２１に加え、第１誘電体層１０の第１面１１におけるパッチ導体２０が形成されていない領域を覆う。
　ここで、本実施形態のように、パッチ導体２０の電磁波放射面（第１面２１）と対向するよう誘電体層を配置する場合、パッチ導体２０から放射される電磁波のエネルギーは、誘電体層内を伝搬する際に損失され得る（例えば、特開２００６－６１０４７号公報の００３９段落参照）。そのため、アンテナ利得の向上を図る観点からは、通常、パッチ導体２０の第１面２１と対向するよう誘電体層を配置する構成は、想起されない。
　これに対して、本実施形態のパッチアンテナ１において、第２誘電体層３０は、パッチ導体２０の第１面２１と対向するが、例えば、第２誘電体層３０の構成を以下とすることで、アンテナ利得を向上させる。より詳しくは、第２誘電体層３０の比誘電率は、３．５以下であることが好ましく、２．５以下であることがより好ましく、２．０以下であることがさらに好ましい。また、第２誘電体層３０の比誘電率は、１．０以上であることが好ましい。
　比誘電率が３．５以下（以下、この範囲内の比誘電率を「低誘電率」と言う場合がある）である第２誘電体層３０の例として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂等が挙げられる。また、第２誘電体層３０の材料として、第１誘電体層１０と同様のフッ素系樹脂及び充填剤を含む複合材料であってもよい。第２誘電体層３０に含まれるフッ素系樹脂及び充填剤は、第１誘電体層１０において利用可能な前述のフッ素系樹脂及び充填剤と同様であってよい。ただし、第２誘電体層３０の材料は、これに限定されない。
　第２誘電体層３０は、厚み方向において一様な比誘電率を有するように形成されていてよく、また面内方向において一様な比誘電率を有するように形成されてよい。換言すれば、本発明において第２誘電体層３０は、一様な比誘電率を有するシート状として形成されてよく、あるいはより厚みの大きな一様な比誘電率を有する板状体として形成されてよい。すなわち、特許文献１に開示のアンテナのような、凸状のレンズ形状を必要としないため、パッチアンテナを小型化できる。また、フレネルレンズのような平板状の構成を形成する必要がないため製造性に優れる。加えて、面内方向において比誘電率の勾配を形成する必要がなく、この点においても優れた製造性を有する。
　第２誘電体層３０が、例えば、フッ素系樹脂及び充填剤を有する場合、第１誘電体層１０の場合と同様、第２誘電体層３０の気孔率は、３０％以上であることが好ましく、より好ましくは３５％以上、さらに好ましくは４０％以上、さらに好ましくは４５％以上、特に好ましくは５０％以上であり、通常は８０％以下、好ましくは７０％以下である。前記範囲内であると、複合材料として良好な比誘電率、膨張率等の特性を確保することができる。なお、気孔率は、第１誘電体層１０の場合と同様、空孔内包層となる材料のかさ密度と空孔内包層となる材料の真密度を測定し、下記式に代入することによって算出される数値とする。

　気孔率［％］＝（１－（フッ素系樹脂及び充填剤を含む材料のかさ密度［ｇ／ｃｍ３］／フッ素系樹脂及び充填剤を含む材料の真密度［ｇ／ｃｍ３］））×１００
　第２誘電体層３０として、例えば、前記構成のフッ素系樹脂及び充填剤を有する誘電体層を用いることで、アンテナ利得を向上させるために好適な低誘電率を有する誘電体層を得ることができる。また、第２誘電体層３０の膨張率を低下させ、例えば、パッチ導体２０の膨張率との差に起因する破損や剥離等を防止することができる。
　また、アンテナ利得を向上させるため、第２誘電体層３０の厚みは、１．０ｍｍ以上であることが好ましく、３．０ｍｍ以上であることがより好ましく、５．０ｍｍ以上であることがさらに好ましい。また、第２誘電体層３０の厚みは、１０ｍｍ以下であることが好ましい。
　パッチ導体２０の第１面２１を覆うよう、シート状の一様な比誘電率を有する第２誘電体層３０を設けることで、アンテナ利得の向上が図られる機構は、明らかではないが、パッチ導体２０からの放射電磁波が、放射電磁波の指向性が高まるよう低誘電率の第２誘電体層３０と相互作用する結果、第２誘電体層３０があたかもレンズのような振る舞いをし、アンテナ利得が向上すると考えられる。また、本実施形態によれば、薄いシート状の第２誘電体層３０をパッチ導体２０に積層する構造であるため、アンテナの小型化を図ることができる。さらに、フレネルレンズのような平板状の構成を形成する必要がないため、製造性に優れる。加えて、面内方向において比誘電率の勾配を形成する必要がないため、この点においても優れた製造性を有する。
＜グランド層＞
　グランド層４０は、第１誘電体層１０の第２面１２と接合し、第１誘電体層１０を挟んで、パッチ導体２０と対向するシート状の導体層である。グランド層４０の材料は、導電性を有するものであれば特に限定されないが、チタン、ケイ素、ニオブ、インジウム、亜鉛、スズ、金、銀、銅、アルミニウム、コバルト、クロム、ニッケル、鉛、鉄、パラジウム、白金、タングステン、ジルコニウム、タンタル、ハフニウム等の金属；ＩＴＯ、酸化亜鉛、酸化スズなどの導電性の金属酸化物、等が挙げられる。また、これらの金属や金属酸化物を２種以上含有するものや、これらの金属を主成分とする合金であってもよい。
　＜給電ビア＞
　給電ビア５０は、例えば、給電線からの電力をパッチ導体２０に供給する。給電ビア５０は、第１誘電体層１０及びグランド層４０を貫通する。また、給電ビア５０の一端５１は、パッチ導体２０と電気的に接続する。給電ビア５０の他端５２は、給電線と電気的に接続する。
［実施形態の変形例］
　次に、図３及び図４を参照して、実施形態の変形例に係るパッチアンテナ１Ａを説明する。図３は、実施形態の変形例に係るパッチアンテナ１Ａを例示する斜視図である。図４は、図３に示されるＢ－Ｂ線に沿って切断したパッチアンテナ１Ａの垂直断面図である。
＜寄生素子＞
　図３及び図４に示されるように、パッチアンテナ１Ａは、第１誘電体層１０の第１面１１上であって、パッチ導体２０の周囲を取り囲むように配置される寄生素子７５を更に有する。また、寄生素子７５は、パッチ導体２０とは離隔した位置に配置される。ただし、パッチ導体２０と寄生素子７５の間の距離は、限定されない。寄生素子７５は、導電性を有すればよく、パッチ導体２０と同一の材料で構成されてもよいし、パッチ導体２０とは異なる材料で構成されてもよい。寄生素子７５の厚みや面積は、限定されない。
　第１誘電体層１０の第１面１１上に、複数の寄生素子７５が形成されていてもよい。図示される例では、４つの寄生素子７５のそれぞれが、パッチ導体２０の４つの側面にそれぞれ対向するように、第１誘電体層１０の第１面１１上に形成されている。４つの寄生素子７５のそれぞれは、平板状の形状を有する。ただし、寄生素子７５の数や形状は、限定されない。寄生素子７５は、例えば、パッチ導体２０の周囲を取り囲む一連の枠状の形状を有していてもよい。
　パッチ導体２０に加えて、寄生素子７５を設けることで、パッチアンテナ１Ａから放射される電磁波の利得を向上させることができる。また、パッチアンテナ１Ａから放射される電磁波の広帯域化を図ることができる。
　以下、実施例に基づいて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
　＜試料＞
　前記実施形態に係るパッチアンテナ１，１Ａと同様、グランド層４０、第１誘電体層１０、パッチ導体２０、第２誘電体層３０が、この順に積層される実施例１～実施例６及び比較例１～比較例３を作製した。実施例１～実施例６及び比較例２～比較例３における第２誘電体層３０の比誘電率と厚みは、表１の通りである。なお、比較例１は、第２誘電体層３０を有さない試料である。表１において、比較例１における誘電率を大気の誘電率１とし、厚みを０ｍｍとしている。また、実施例１～実施例６及び比較例１～比較例３の各試料における第１誘電体層１０の比誘電率は、いずれも１．８８であり、厚みは、いずれも０．７５ｍｍである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　＜アンテナ利得に関する評価＞
　実施例１～実施例６及び比較例１～比較例３の各試料におけるアンテナ利得のシミュレーション結果、及び比較例１に対するアンテナ利得の改善率を表２に示す。また、図５に、実施例６と比較例１に関するアンテナ利得の比較を示すグラフを示す。なお、図５の横軸は、パッチ導体２０からの放射電磁波により形成されるビームの方位角であり、縦軸は、各方位角におけるアンテナ利得である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示されるように、３．５以下、好ましくは２．０以下の低誘電率、且つ１ｍｍ以上の厚みを有する第２誘電体層３０を有する実施例１～６におけるアンテナ利得は、比較例１のアンテナ利得に対していずれも向上した。
　また、図５に示されるように、実施例６の最大利得は、比較例１の最大利得に比べて１ｄＢ程度向上した。また、実施例６のビーム幅は、比較例１のビーム幅より狭くなった。このように、３．５以下の低誘電率、且つ１ｍｍ以上の厚みを有する第２誘電体層３０をパッチ導体２０の第１面２１に対向させることで、指向性及びアンテナ利得が向上するパッチアンテナが得られることが示唆された。
　＜第２誘電体層３０の厚みを変化させた場合のアンテナ利得の評価＞
　図６に、実施例７（第２誘電体層３０の比誘電率：１．５、第１誘電体層１０の比誘電率：１．８８）、実施例８（第２誘電体層３０の比誘電率２．０、第１誘電体層１０の比誘電率：１．８８）と、比較例４（第２誘電体層３０の比誘電率３．７、第１誘電体層１０の比誘電率：１．８８）において、第２誘電体層３０の厚みを変化させた場合のアンテナ利得を示す。
　図６に示されるように、実施例７及び実施例８において、第２誘電体層３０の厚みが増えるに従い、アンテナ利得が向上した。これに対して、比較例４において、第２誘電体層３０の厚みが増えるに従い、アンテナ利得が減少した。
　また、図７に、実施例９（第２誘電体層３０の比誘電率：１．５、第１誘電体層１０の比誘電率：３．７）、実施例１０（第２誘電体層３０の比誘電率２．０、第１誘電体層１０の比誘電率：３．７）と、比較例５（第２誘電体層３０の比誘電率３．７、第１誘電体層１０の比誘電率：３．７）において、第２誘電体層３０の厚みを変化させた場合のアンテナ利得を示す。
　図７に示されるように、実施例９及び実施例１０において、第２誘電体層３０の厚みが増えるに従い、アンテナ利得が向上した。これに対して、比較例５において、第２誘電体層３０の厚みが増えるに従い、アンテナ利得が減少した。すなわち、第１誘電体層１０の比誘電率が変わっても、同様の傾向が確認された。
　本開示の態様は、例えば以下の通りである。
＜１＞　第１誘電体層と、
　前記第１誘電体層上に形成されるパッチ導体と、
　前記パッチ導体上に形成される第２誘電体層と、
　を有し、
　前記第２誘電体層の比誘電率は、３．５以下である、
　パッチアンテナ。
＜２＞　前記第２誘電体層の厚みは、１．０ｍｍ以上である、
　前記＜１＞に記載のパッチアンテナ。
＜３＞　前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層の少なくとも一方は、
　複数の微粒子で構成された空孔を有する無機多孔性凝集体と、
　フッ素系樹脂からなるフィブリルと、
　を有する、前記＜１＞又は前記＜２＞に記載のパッチアンテナ。
＜４＞　前記第２誘電体層の比誘電率は、２．０以下である、
　前記＜１＞から前記＜３＞のいずれか１つに記載のパッチアンテナ。
　本出願は、２０２２年９月２９日に日本国特許庁に出願した特願２０２２－１５７０１４号に基づく優先権を主張し、前記出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
１　パッチアンテナ
１０　第１誘電体層
２０　パッチ導体
３０　第２誘電体層
４０　グランド層
５０　給電ビア
７５　寄生素子

Claims (4)

  1. 　第１誘電体層と、
    　前記第１誘電体層上に形成されるパッチ導体と、
    　前記パッチ導体上に形成される第２誘電体層と、
    　を有し、
    　前記第２誘電体層の比誘電率は、３．５以下である、
    　パッチアンテナ。
  2. 　前記第２誘電体層の厚みは、１．０ｍｍ以上である、
    　請求項１に記載のパッチアンテナ。
  3. 　前記第１誘電体層及び前記第２誘電体層の少なくとも一方は、
    　複数の微粒子で構成された空孔を有する無機多孔性凝集体と、
    　フッ素系樹脂からなるフィブリルと、
    　を有する、請求項１又は２に記載のパッチアンテナ。
  4. 　前記第２誘電体層の比誘電率は、２．０以下である、
    　請求項１又は２に記載のパッチアンテナ。
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