JP2018046440A - アンテナ基板 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波を特定方向に送受信することが可能なアンテナ基板を提供すること。【解決手段】第１の誘電体層１ａ上に延伸し、終端部３ａを有するストリップ導体３と、第１の誘電体層１ａ上に積層された第２の誘電体層１ｂと、第２の誘電体層１ｂ上に配置された第１のパッチ導体４ａと、第２の誘電体層１ｂ上に積層された第３の誘電体層１ｃと、第３の誘電体層１ｃ上に配置された第２のパッチ導体４ｂとを備えるアンテナ基板において、第１および第２のパッチ導体４ａ、４ｂよりもストリップ導体３の延伸方向側の領域に、上面側および下面側接地導体９ａ、２ならびに両者を接続するように配列された複数の接地貫通導体１０を含む導波管６が形成されており、上面側および下面側接地導体９ａ、２ならびに接地貫通導体１０の配列に挟まれた領域に、第１〜第３の誘電体層１ａ〜１ｃの比誘電率よりも小さな比誘電率を有する第４の誘電体層１１が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、誘電体層と導体層とを多層に積層することにより形成したアンテナ基板に関するものである。

従来のアンテナ基板を図５に示す。図５（ａ）はアンテナ基板の上面図であり、図５（ｂ）はＺ−Ｚ間におけるアンテナ基板の断面図である。
従来のアンテナ基板は、誘電体基板２１と、接地導体層２２と、ストリップ導体２３と、パッチ導体２４と、補助パッチ導体２５とを備えている。

誘電体基板２１は、５層の誘電体層２１ａ〜２１ｅが積層されて構成されている。

接地導体層２２は、最下層の誘電体層２１ａの下面の全面に被着されている。

ストリップ導体２３は、誘電体層２１ａを挟んで接地導体層２２と対向しており、誘電体層２１ａと２１ｂとの間に配設されている。ストリップ導体２３は、誘電体基板２１の内部を外周縁から中央部にかけて一方向に延びる細い帯状の導体であり、誘電体基板２１の中央部に終端部２３ａを有している。

パッチ導体２４は、第１のパッチ導体２４ａと第２のパッチ導体２４ｂと第３のパッチ導体２４ｃとから構成されている。

第１のパッチ導体２４ａは、ストリップ導体２３の終端部２３ａの位置にかぶさるようにして誘電体層２１ｃと２１ｄとの間に配設されている。第１のパッチ導体２４ａは、誘電体層２１ｃを貫通する貫通導体２６および誘電体層２１ｂを貫通する貫通導体２７を介してストリップ導体２３の終端部２３ａに接続されている。

第２のパッチ導体２４ｂは、少なくとも一部が第１のパッチ導体２４ａの位置にかぶさるようにして誘電体層２１ｄと２１ｅとの間に配置されている。

第３のパッチ導体２４ｃは、少なくとも一部が第２のパッチ導体２４ｂの位置にかぶさるようにして誘電体層２１ｅの上面に配置されている。

補助パッチ導体２５は、誘電体層２１ｅの上面に、第３のパッチ導体２４ｃにおけるストリップ導体２３の延伸方向と直交する方向の両側に形成されている。

ところで近年、例えば車載用の検知器のように、特定方向における電磁波を集中的に送受信することで人や物を検知する電子機器がある。このような電子機器に搭載されるアンテナ基板においては、特定方向において集中的に電磁波を送受信できることが要求される。
ところが、従来のアンテナ基板では、パッチ導体上方の広範囲において分散的に電磁波が送受信され、特定方向に集中的に送受信することができないという問題がある。

特開平５−１４５３２７号公報

本発明の課題は、高周波信号に対応する電磁波を特定方向に集中的に送受信することが可能なアンテナ基板を提供することにある。

本発明のアンテナ基板は、第１の誘電体層と、第１の誘電体層の上面に配置されており、第１の誘電体層の外周部から中央部にかけて一方向に延び、中央部において終端部を有するストリップ導体と、第１の誘電体層の下面側に配置されたシールド用の接地導体層と、第１の誘電体層およびストリップ導体の上面側に積層された第２の誘電体層と、第２の誘電体層の上面に、終端部の位置にかぶさるように配置された第１のパッチ導体と、第２の誘電体層および第１のパッチ導体上に積層された第３の誘電体層と、第３の誘電体層の上面に、第１のパッチ導体が形成された位置に少なくとも一部がかぶさり、その中心が第１のパッチ導体の中心に対してストリップ導体の延伸方向にずれて配置されており、かつ電気的に独立した第２のパッチ導体と、第２の誘電体層を貫通して終端部と第１のパッチ導体とを接続する貫通導体と、を備えるアンテナ基板において、第１および第２のパッチ導体よりもストリップ導体の延伸方向側の領域に、互いに対向する上面側接地導体および下面側接地導体、ならびに延伸方向と直交する方向の両側に上面側接地導体と下面側接地導体とを接続するように配列された複数の接地貫通導体を含む導波管が形成されているとともに、少なくとも上面側および下面側接地導体および接地貫通導体の配列に挟まれた領域に、第１〜第３の誘電体層の比誘電率よりも小さな比誘電率を有する第４の誘電体層が形成されていることを特徴とするものである。

本発明のアンテナ基板によれば、第１および第２のパッチ導体よりもストリップ導体の延伸方向側の領域に、互いに対向する上面側接地導体および下面側接地導体、ならびに両者を接続するように配列された複数の接地貫通導体を含む導波管が形成されている。
さらに、少なくとも上面側および下面側接地導体、ならびに接地貫通導体の配列に挟まれた領域に、第１〜第３の誘電体層の比誘電率よりも小さな比誘電率を有する第４の誘電体層が形成されている。
このため、電磁波は、伝播し易い導波管内の第４の誘電体層を介して集中的に放射あるいは入射される。
これにより、高周波信号に対応する電磁波を特定方向に集中的に送受信することが可能なアンテナ基板を提供することができる。

図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るアンテナ基板の第１の実施形態を示す上面図および断面図である。 図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るアンテナ基板の第２の実施形態を示す上面図および断面図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係るアンテナ基板の第３の実施形態を示す上面図および断面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、本発明に係るアンテナ基板の第４の実施形態を示す上面図および断面図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、従来のアンテナ基板を示す上面図および断面図である。

次に、本発明に係るアンテナ基板の実施形態の一例を添付の図面を基に説明する。なお、図１（ａ）は、アンテナ基板の上面図であり、図１（ｂ）および（ｃ）は、図１（ａ）におけるＸ−Ｘ間およびＹ−Ｙ間を通る断面図である。
本例のアンテナ基板は、誘電体基板１と、接地導体層２と、ストリップ導体３と、パッチ導体４と、補助パッチ導体５と、導波管６とを備えている。

誘電体基板１は、誘電体層１ａ〜１ｅが積層されて形成されている。誘電体層１ａ〜１ｅは、例えばエポキシ樹脂やビスマレイミドトリアジン樹脂、アクリル変性ポリフェニレンエーテル樹脂等の誘電体材料から成る。誘電体基板１に剛性を付与したい場合は、例えばガラスクロスに上記の誘電体材料を含浸させた誘電体層を設ければよい。誘電体層１ａ〜１ｅの厚みは、それぞれ３０〜１００μｍ程度である。誘電体層１ａ〜１ｅの比誘電率は、３〜５程度である。

接地導体２は、最下層の誘電体層１ａの下面の全面に被着されている。接地導体２は、シールドとして機能する。接地導体２の厚みは、５〜２０μｍ程度である。接地導体２は、例えば周知のめっき法により銅等の良導電性金属から成る。

ストリップ導体３は、誘電体層１ａを挟んで接地導体２と対向した状態で誘電体層１ａと１ｂとの間に配設されている。ストリップ導体３は、誘電体基板１の中央部に終端部３ａを有する細い帯状の導体であり、誘電体基板１の内部を終端部３ａに向けて一方向に延びている。ストリップ導体３は、本例のアンテナ基板において、高周波信号を入出力するための伝送路として機能し、このストリップ導体３に高周波信号が伝送される。ストリップ導体３の幅は、５０〜３５０μｍ程度である。ストリップ導体３の厚みは、５〜２０μｍ程度である。ストリップ導体３は、例えば周知のめっき法により銅等の良導電性金属から成る。

パッチ導体４は、第１のパッチ導体４ａと第２のパッチ導体４ｂと第３のパッチ導体４ｃとから構成されている。これらのパッチ導体４ａ〜４ｃは、電気的に互いに独立している。パッチ導体４ａ〜４ｃは、ストリップ導体３が延びる延伸方向に平行な辺と、延伸方向に対して直角な方向に平行な辺とを有する四角形をしている。パッチ導体４ａ〜４ｃの各辺の長さは、０．５〜５ｍｍ程度である。パッチ導体４ａ〜４ｃの厚みは、それぞれ５〜２０μｍ程度である。パッチ導体４ａ〜４ｃは、例えば周知のめっき法により銅等の良導電性金属から成る。

第１のパッチ導体４ａは、ストリップ導体３の終端部３ａの位置にかぶさるようにして誘電体層１ｃと１ｄとの間に配設されている。そのため、第１のパッチ導体４ａとストリップ導体３との間には、２層の誘電体層１ｂ，１ｃが介在している。第１のパッチ導体４ａは、誘電体層１ｃを貫通する貫通導体７および誘電体層１ｂを貫通する貫通導体８を介してストリップ導体３の終端部３ａに接続されている。なお、貫通導体７は、直径が５０〜２００μｍ程度で、厚みが５〜２０μｍ程度の円筒状である。貫通導体８は、直径が３０〜１００μｍ程度の円柱状または円錐台状である。そして、第１のパッチ導体４ａは、ストリップ導体３からの高周波信号の供給を受けて電磁波を外部に放射する。あるいは、外部からの電磁波を受けてストリップ導体３に高周波信号を発生させる。貫通導体７、８は、誘電体層１ｂ、１ｃにそれぞれ形成された貫通孔内に、例えば周知のめっき法により銅等の良導電性金属を析出させて形成される。

第２のパッチ導体４ｂは、少なくとも一部が第１のパッチ導体４ａに対応する位置にかぶさるようにして誘電体層１ｄと１ｅとの間に配置されている。これにより第２のパッチ導体４ｂは、誘電体層１ｄを挟んで第１のパッチ導体４ａと静電容量結合している。
さらに、第２のパッチ導体４ｂは、第１のパッチ導体４ａに対して延伸方向に偏心して配置されている。第２のパッチ導体４ｂの偏心は、第１のパッチ導体４ａに対応する位置の８０％以上の面積にかぶさる程度とする。
そして、第２のパッチ導体４ｂは、第１のパッチ導体４ａからの電磁波を受けて、それに対応する電磁波を外部に放射する。あるいは外部からの電磁波を受けて、それに対応する電磁波を第１のパッチ導体４ａに供給する。なお、第２のパッチ導体４ｂは、その各辺が第１のパッチ導体４ａの各辺よりも０．０５〜０．５ｍｍ程度ずつ大きいことが好ましい。

第３のパッチ導体４ｃは、少なくとも一部が第２のパッチ導体４ｂに対応する位置にかぶさるようにして最上層の誘電体層１ｅの上面に配設されている。これにより第３のパッチ導体４ｃは、誘電体層１ｅを挟んで第２のパッチ導体４ｂと静電容量結合している。
さらに、第３のパッチ導体４ｃは、第２のパッチ導体４ｂに対して延伸方向に偏心して配置されている。第３のパッチ導体４ｃの偏心は、第２のパッチ導体４ｂに対応する位置の８０％以上の面積にかぶさる程度とする。
そして、第３のパッチ導体４ｃは、第２のパッチ導体４ｂからの電磁波を受けて、それに対応する電磁波を外部に放射する。あるいは外部からの電磁波を受けて、それに対応する電磁波を第２のパッチ導体４ｂに供給する。なお、第３のパッチ導体４ｃは、その各辺が第２のパッチ導体４ｂの各辺よりも０．０５〜０．５ｍｍ程度ずつ大きいことが好ましい。

なお、第２のパッチ導体４ｂが、第１のパッチ導体４ａに対応する位置の８０％未満の面積にかぶさるように偏心している場合や、第３のパッチ導体４ｃが、第２のパッチ導体４ｂに対応する位置の８０％未満の面積にかぶさるように偏心している場合には、アンテナ基板が対応できる周波数帯域が狭いものとなってしまう。したがって、第２のパッチ導体４ｂは、第１のパッチ導体４ａに対応する位置の８０％以上の面積にかぶさるように偏心していることが好ましく、第３のパッチ導体４ｃは、第２のパッチ導体４ｂに対応する位置の８０％以上の面積にかぶさるように偏心していることが好ましい。

補助パッチ導体５は、誘電体層１ｅの上面に、第３のパッチ導体４ｃにおける延伸方向と直交する方向の両側に第１のパッチ導体４ａおよび第２のパッチ導体４ｂに対応する位置にかぶさらないように形成されている。
補助パッチ導体５は、電気的に互いに独立している。補助パッチ導体５は、ストリップ導体３が延在する延伸方向に平行な辺と、延伸方向に対して直角な方向に平行な辺とを有する四角形をしている。補助パッチ導体５の各辺の長さは、０．５〜５ｍｍ程度である。補助パッチ導体５の厚みは、それぞれ５〜２０μｍ程度である。補助パッチ導体５は、第３のパッチ導体４ｃからそれぞれ０．１〜１ｍｍ程度離間した位置に配置される。補助パッチ導体５は、例えば周知のめっき法により銅等の良導電性金属から形成される。

このように、第２のパッチ導体４ｂは、第１のパッチ導体４ａに対して延伸方向に偏心して配置されているとともに、第３のパッチ導体４ｃは、第２のパッチ導体４ｂに対して延伸方向に偏心して配置されていることから、例えばパッチ導体４ａ〜４ｃを介して高周波信号に対応する電磁波を放射する場合に、下側のパッチ導体４ａから上側のパッチ導体４ｂ，４ｃの外周縁に沿って順次拡がるように電磁波が放射されるとともに、偏心により複合的な共振が起こり放射される。
さらに、第３のパッチ導体４ｃと補助パッチ導体５との間において更に複合的な共振が起こり放射される。
これにより、第１〜第３のパッチ導体４ａ〜４ｃおよび補助パッチ導体５を介して放射される高周波信号の周波数帯域を広いものとすることができる。

導波管６は、パッチ導体４よりも延伸方向側の領域に形成された上下接地導体層９と接地貫通導体１０とから構成されている。

上下接地導体層９は、例えば最下層の誘電体層１ａの下面に形成された下面側接地導体２と、誘電体層１ｄ上面に形成された上面側接地導体９ａとから成る。上下接地導体層９の厚みは、それぞれ５〜２０μｍ程度である。上下接地導体層９は、例えば周知のめっき法により銅等の良導電性金属から形成される。

接地貫通導体１０は、上下接地導体層９の間に介在する各誘電体層１ａ〜１ｄをそれぞれ同軸で貫通する複数の貫通導体１０ａ〜１０ｄから成る。貫通導体１０ａは接地導体２に接続されており、貫通導体１０ｄは上面側接地導体９ａに接続されている。
接地貫通導体１０は、誘電体層１ａ〜１ｄを延伸方向に沿って左右から挟むように２つの列をなして配置されている。
貫通導体１０ａ、１０ｂ、１０ｄは、直径が３０〜１００μｍ程度の円柱状または円錐台状である。貫通導体１０ｃは、直径が５０〜２００μｍ程度の円柱状である。接地貫通導体１０は、例えば周知のめっき法によって、誘電体層１０ａ〜１０ｄに設けられた貫通孔内を充填するようにして銅等の良導電性金属から形成される。
なお、接地貫通導体１０の２つの列は、少なくともパッチ導体４側においては、左右の補助パッチ導体５よりもそれぞれ外周側に形成されていることが好ましい。接地貫通導体１０の２つの列を、パッチ導体４側において、それぞれ左右の補助パッチ導体５よりも内側に形成すると、パッチ導体４および補助パッチ導体５から導波管６に伝播される電磁波が弱くなってしまう。

なお、パッチ導体４よりもストリップ導体３の延伸方向側の領域において、上下接地導体層９および接地貫通導体１０の配列に挟まれた領域には、誘電体層１ａ〜１ｅの比誘電率よりも小さな比誘電率を有する低誘電体層１１が形成されている。
これにより、第１〜第３のパッチ導体４ａ〜４ｃおよび補助パッチ導体５を介して放射、あるいは入射される高周波信号に対応する電磁波は、導波管６内の伝播しやすい低誘電体層１１を介して集中的に放射され、外部からの電磁波を受けるときにも低誘電体層１１を介して集中的に入射される。
低誘電体層１１の比誘電率は、誘電体層１ａ〜１ｅの比誘電率よりも２以上小さいことが好ましい。比誘電率の違いが２未満であると、低誘電体層１１と誘電体層１ａ〜１ｅとの間で電磁波の伝播性の差が小さくなり、特定方向における電磁波の送受信機能が損なわれる。
このような低誘電体層１１は、例えば次のように形成される。
まず、第１のパッチ導体４ａおよび貫通導体７、１０ｃが形成された誘電体層１ｃの上下面に誘電体層１ｂ、１ｄがそれぞれ積層された状態の製造途中の基板を用意する。次に、貫通導体１０ｃの配列に挟まれた領域の誘電体層１ｂ〜１ｄを切断して除去する。次に、切断により空所となった領域に低誘電体層１１用のペースト状、あるいはシート状の絶縁樹脂を充填、あるいは嵌装して硬化させることで低誘電体層１１が形成される。

上述のように、本発明のアンテナ基板によれば、パッチ導体４よりもストリップ導体３の延伸方向側の領域に、互いに対向する上面側接地導体９ａおよび下面側接地導体２、ならびに両者を接続するように配列された複数の接地貫通導体１０を含む導波管６が形成されている。このため、第３のパッチ導体４ｃおよび補助パッチ導体５を介して放射あるいは入射される高周波信号に対応する電磁波の一部が、導波管６を介して優先的に放射あるいは入射される。
さらに、少なくとも上面側接地導体９ａおよび下面側接地導体２、ならびに接地貫通導体１０の配列に挟まれた領域に、誘電体層１ａ〜１ｅの比誘電率よりも小さな比誘電率を有する低誘電体層１１が形成されている。
このため、電磁波は、導波管内６の伝播し易い低誘電体層１１を介してより集中的に放射あるいは入射される。
これにより、高周波信号に対応する電磁波を特定方向に集中的に送受信することが可能なアンテナ基板を提供することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変更は可能である。
例えば上述の実施の形態の一例では、接地貫通導体１０の２つの列を、パッチ導体４側から外周側にかけて、それぞれ延伸方向に沿って直列的に配置したが、例えば、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、外周側の列同士の間隔をパッチ導体４側の列同士の間隔よりも小さくしても構わない。
また、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、外周側の列同士の間隔をパッチ導体４側の列同士の間隔よりも大きくしても構わない。
このように、上下接地導体層９および接地貫通導体１０を配置することで、高周波信号の周波数に応じて効率的に信号の送受信が可能なアンテナ基板を提供できる。

また、例えば上述の実施の形態の一例では、第１のパッチ導体４ａおよびストリップ導体３の終端部３ａは、一組の貫通導体７および８により接続されているが、図４に示すように、延伸方向に沿って互いに隣接して配設された二組の貫通導体７、８および１７、１８によって接続されても構わない。このように二組の貫通導体７、８および１７、１８を隣接するように配設して両者の間に容量をもたせることで、複合的な共振を生じさせることができる。これによりさらに高周波信号の周波数帯域を広げることが可能になる。
なお、隣接間隔は、ストリップ導体３に伝送される高周波信号の波長の１／２以下であることが好ましい。隣接間隔が１／２を超える場合は、十分な容量を持たせることができなくなるため、複合的な共振を生じさせることができず高周波信号の周波数帯域を広げる効果が小さくなってしまう。

１ａ〜１ｅ 誘電体層
２ 接地導体層（下面側接地導体）
３ ストリップ導体
３ａ ストリップ導体の終端部
４ パッチ導体
４ａ 第１のパッチ導体
４ｂ 第２のパッチ導体
４ｃ 第３のパッチ導体
６ 導波管
７ 貫通導体
９ａ 上面側接地導体
１０ 接地貫通導体
１１ 低誘電体層

Claims (7)

1. 第１の誘電体層と、
   該第１の誘電体層の上面に配置されており、前記第１の誘電体層の外周部から中央部にかけて一方向に延び、該中央部において終端部を有するストリップ導体と、
   前記第１の誘電体層の下面側に配置されたシールド用の接地導体層と、
   前記第１の誘電体層および前記ストリップ導体の上面側に積層された第２の誘電体層と、
   該第２の誘電体層の上面に、前記終端部の位置にかぶさるように配置された第１のパッチ導体と、
   前記第２の誘電体層および第１のパッチ導体上に積層された第３の誘電体層と、
   該第３の誘電体層の上面に、前記第１のパッチ導体が形成された位置に少なくとも一部がかぶさり、その中心が前記第１のパッチ導体の中心に対して前記ストリップ導体の延伸方向にずれて配置されており、かつ電気的に独立した第２のパッチ導体と、
   前記第２の誘電体層を貫通して前記終端部と前記第１のパッチ導体とを接続する貫通導体と、を備えるアンテナ基板において、
   前記第１および第２のパッチ導体よりも前記ストリップ導体の延伸方向側の領域に、互いに対向する上面側接地導体および下面側接地導体、ならびに前記延伸方向と直交する方向の両側に前記上面側接地導体と下面側接地導体とを接続するように配列された複数の接地貫通導体を含む導波管が形成されているとともに、少なくとも前記上面側および下面側接地導体および接地貫通導体の配列に挟まれた領域に、前記第１〜第３の誘電体層の比誘電率よりも小さな比誘電率を有する第４の誘電体層が形成されていることを特徴とするアンテナ基板。
2. 前記接地貫通導体の配列が、前記ストリップ導体の延伸方向に沿って直列的に設けられている請求項１に記載のアンテナ基板。
3. 前記接地貫通導体が、前記延伸方向に沿って直列的な並びに設けられたものと、該直列的な並びから外れた位置に設けられたものと、を含む請求項１に記載のアンテナ基板。
4. 前記第２のパッチ導体は、前記第１のパッチ導体が形成された位置の８０％以上の面積にかぶさるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のアンテナ基板。
5. 前記第３の誘電体層の上面に、前記第２のパッチ導体における前記延伸方向と直交する方向の両側に、前記第１および第２のパッチ導体が形成された位置にかぶさらないように補助パッチ導体が更に配置されており、該補助パッチ導体は前記第１および第２のパッチ導体から電気的に独立している請求項１乃至４のいずれかに記載のアンテナ基板。
6. 前記終端部および第１のパッチ導体が、前記延伸方向に沿って互いに隣接して配設された複数の前記貫通導体によって接続されている請求項１乃至５のいずれかに記載のアンテナ基板。
7. 前記貫通導体同士の間隔が、前記ストリップ導体に伝送される高周波信号波長の１／２以下である請求項６に記載のアンテナ基板。

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