JP2019186741A - アンテナ及びアンテナモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型で取り扱いやすい指向性を有するアンテナを提供する。【解決手段】誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面に形成されたアンテナエレメントと、前記誘電体基板の他方の面に形成されたグランドエレメントと、前記誘電体基板の一方の面の側に設けられ、前記グランドエレメントよりも大きい金属導体板と、を有することを特徴とするアンテナを提供することにより上記課題を解決する。【選択図】図４

Description

本発明は、アンテナ及びアンテナモジュールに関する。

無線通信には、電波を送受信するアンテナが用いられ、できるだけ遠くまで電波を飛ばすことができるアンテナや、弱い電波を受信可能なアンテナが求められている。

特開２００４−２６６６１８号公報 特開平７−５０５０５号公報

できるだけ遠くまで電波を飛ばし、また、弱い電波を受信可能にするために、アンテナは利得を増やすのみならず、指向性を高めることが求められる。しかしながら、アンテナが複雑な形状となったり、大きくなってしまうと扱いにくく、特に携帯性を有する装置に搭載するには不便である。

また、アンテナより放射される電波を発生させる電子回路や、アンテナが受信した電波の信号処理を行う信号処理回路をアンテナに接続したアンテナモジュールがある。このようなアンテナモジュールにおいても小型なものが求められている。

本実施の形態の一観点によれば、誘電体基板と、前記誘電体基板の一方の面に形成されたアンテナエレメントと、前記誘電体基板の他方の面に形成されたグランドエレメントと、前記誘電体基板の一方の面の側に設けられ、前記グランドエレメントよりも大きい金属導体板と、を有することを特徴とする。

開示のアンテナによれば、小型で取り扱いやすい形状の指向性を有するアンテナを提供することができる。

パッチアンテナの構造図 パッチアンテナの斜視図 パッチアンテナの特性図 本実施の形態のアンテナの構造図 本実施の形態のアンテナの斜視図 本実施の形態のアンテナの特性図 本実施の形態のアンテナのシミュレーションモデルの説明図 アンテナのシミュレーションにより得られた特性図（１） アンテナのシミュレーションにより得られた特性図（２） 本実施の形態のアンテナモジュールの構造図（１） 本実施の形態のアンテナモジュールの構造図（２）

本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

（アンテナの構造）
パッチアンテナ１０について説明する。図１（ａ）はパッチアンテナ１０の上面図であり、図１（ｂ）は断面図であり、図２は斜視図である。

パッチアンテナ１０は、絶縁性を有する誘電体基板１１と、誘電体基板１１の面１１ａに形成されたアンテナエレメント１２と、面１１ｂに形成されたグランドエレメント１３を有している。アンテナエレメント１２及びグランドエレメント１３は、導電性を有する金属膜により形成されている。グランドエレメント１３は接地電位に接続されている。アンテナエレメント１２には給電されており、電波が放射される放射面となっている。

誘電体基板１１は、比誘電率が約４．７のガラスエポキシ樹脂等により、厚さが０．５ｍｍ、一辺が１５ｍｍの正方形の板状に形成されている。アンテナエレメント１２は、面１１ａの中央部分に一辺が３ｍｍの正方形に形成されている。グランドエレメント１３は面１１ｂの全面に形成されており、一辺が１５ｍｍの正方形である。アンテナエレメント１２、及びグランドエレメント１３は、例えば厚さが４０μｍの銅箔により形成されている。

パッチアンテナ１０は、周波数が２４ＧＨｚに対応したアンテナである。２４ＧＨｚの電波の波長をλとした場合、アンテナエレメント１２の一辺の長さはλ／２となるように形成されるが、誘電体基板１１の比誘電率の影響による波長短縮の影響を考慮し、３ｍｍとなるように形成されている。パッチアンテナ１０においてシミュレーションを行ったところ、図３に示すようにアンテナエレメント１２が設けられている＋Ｚ方向に電波が強くなる指向性を示し、＋Ｚ方向の電波の利得は約＋５ｄＢｉとなる。

（アンテナ）
次に、図４及び図５に基づき、本実施の形態によるアンテナ１００を説明する。図４はアンテナ１００の断面図であり、図５は斜視図である。アンテナ１００は、パッチアンテナ１０の＋Ｚ側に金属導体板２０を設けたものである。金属導体板２０は、導電性を有する銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、ステンレス等の金属材料により平板状に形成されている。アンテナ１００を用いてシミュレーションを行ったところ、図６に示すように、アンテナエレメント１２が設けられている方向とは反対の−Ｚ方向において電波が強くなる指向性を示し、−Ｚ方向の電波の利得は約＋１０ｄＢｉとなる。

即ち、アンテナ１００では、アンテナエレメント１２が設けられている側とは反対側に指向性をもたせることができ、利得も高くできる。尚、金属導体板２０は、アンテナエレメント１２の直上となる領域を除き、穴やスリットが設けられているものであってもよい。

（シミュレーション）
図７に示すアンテナ１００のモデルにおいて、金属導体板２０の大きさを変えた場合と、アンテナ１００と金属導体板２０との距離を変えた場合についてシミュレーションを行った。

最初に、金属導体板２０の大きさを変えた場合のシミュレーションについて説明する。ここでは、正方形の金属導体板２０の一辺の長さＬを１５ｍｍ、２０ｍｍ、２５ｍｍと変えてシミュレーションを行った。尚、パッチアンテナ１０と金属導体板２０とのＺ方向の距離Ｄは、０．５ｍｍである。

図８にシミュレーションの結果を示す。金属導体板２０の一辺の長さＬが１５ｍｍの場合、＋Ｚ方向の利得は約＋５ｄＢｉであり、金属導体板２０が設けられていない場合と略同じである。また、−Ｚ方向の利得も約＋５ｄＢｉとなっている。

しかしながら、金属導体板２０を大きくすることにより、＋Ｚ方向の利得が減少し、−Ｚ方向の利得が増加する。金属導体板２０の一辺の長さＬが２５ｍｍの場合では、＋Ｚ方向における利得は約＋１０ｄＢｉであり、−Ｚ方向における利得は約＋１０ｄＢｉとなる。

金属導体板２０の一辺の長さＬが１５ｍｍの場合、パッチアンテナ１０の誘電体基板１１やグランドエレメント１３と同じ大きさになるが、この場合の＋Ｚ方向の利得は金属導体板２０が設けられていない場合と略同じであり、＋Ｚ方向の利得と−Ｚ方向の利得も略同じである。

本実施の形態では、金属導体板２０を誘電体基板１１やグランドエレメント１３よりも大きくすることにより、−Ｚ方向の指向性を高めることができる。上記においては金属導体板２０が正方形の場合について説明したが、長方形の場合でも同様であり、金属導体板２０が１５ｍｍ×２０ｍｍの場合でも同様に、−Ｚ方向の指向性を高めることができる効果が得られるものと推察される。

次に、アンテナ１００と金属導体板２０との距離Ｄを変えた場合のシミュレーションについて説明する。金属導体板２０を一辺の長さＬが２５ｍｍの正方形とし、パッチアンテナ１０と金属導体板２０とのＺ方向の距離Ｄを０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、０．７ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍ、３．０ｍｍ、４．０ｍｍ、５．０ｍｍと変化させてシミュレーションを行った。図９に、このシミュレーションの結果を示す。

図９に示すように、パッチアンテナ１０と金属導体板２０との距離Ｄが０．３ｍｍに満たない場合、あるいは３．０ｍｍを越える場合には−Ｚ方向の利得は低くなる。従って、パッチアンテナ１０と金属導体板２０との距離Ｄは０．３ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下が好ましい。周波数が２４ＧＨｚのときの波長λは１２ｍｍであることから、パッチアンテナ１０と金属導体板２０との距離Ｄは、λ／４０以上、λ／４以下が好ましい。

本実施の形態によるアンテナ１００はパッチアンテナ１０と金属導体板２０とを有し、金属導体板２０は平板状である。このため、アンテナ１００を設置しやすく、アンテナ１００を搭載する装置も大きくなることはない。アンテナの指向性を高めるために、例えば金属導体板を曲面状に形成する構造も考えられるが、この場合には曲面状のアンテナが大きくなってしまう。また、金属導体板を曲面に加工する必要があるため、工程数が増えアンテナのコストアップにつながる。本実施の形態では金属導体板２０は平らであるため、曲面状の金属導体板と比べて装置の小型化が可能であり、また工程数も増えることはないため、低コストで製造することができる。

（アンテナモジュール１）
次に、本実施の形態によるアンテナモジュール２０１について、図１０に基づき説明する。アンテナモジュール２０１は、多層の配線を有する回路基板にアンテナが形成されている。回路基板２１０の内部にはグランドエレメント１３となる導体層が形成され、グランドエレメント１３の両面に誘電体層２１０ａ、２１０ｂが形成されている。

誘電体層２１０ａの面にはアンテナエレメント１２が形成されており、誘電体層２１０ｂの面には電子部品２１１、２１２、２１３が搭載されている。アンテナエレメント１２とアンテナエレメント１２に高周波信号を供給する電子部品２１２とは貫通電極２１４により接続されており、貫通電極２１４を介して電子部品２１２よりアンテナエレメント１２に給電される。また、誘電体層２１０ａのアンテナエレメント１２が形成されている側の上には平らな金属導体板２０が配置されている。

アンテナモジュール２０１では、アンテナエレメント１２と電子部品２１１、２１２、２１３との間に設けられたグランドエレメント１３は接地電位に接続されており、電子部品２１１、２１２、２１３で発生した電磁波等のノイズは、グランドエレメント１３により遮断されるため、アンテナエレメント１２に影響を与えることはない。

図１０に示すアンテナモジュール２０１では、誘電体層２１０ａ、２１０ｂ、アンテナエレメント１２、グランドエレメント１３、金属導体板２０によりアンテナが形成される。アンテナモジュール２０１では、本実施の形態によるアンテナの一部と電子部品２１１とを１枚の回路基板２１０に集積化できるため、アンテナモジュール２０１を小型にすることができる。よって、指向性の高いアンテナモジュール２０１を小型にすることができる。

（アンテナモジュール２）
次に、本実施の形態によるアンテナモジュール２０２について、図１１に基づき説明する。アンテナモジュール２０２はパッチアンテナ１０と回路基板２２０とを有する。回路基板２２０の面２２１ａには電子部品２１１、２１２、２１３が搭載されており、面２２１ｂの全面にはグランドパターン２２２が形成されている。グランドパターン２２２はＣｕ等の金属材料により形成されている。アンテナモジュール２０２では、グランドパターン２２２がアンテナの金属導体板に相当する。

面２２１ａに搭載されているアンテナエレメント１２に信号を供給する電子部品２１２は、アンテナエレメント１２と不図示の配線により接続されている。また、誘電体基板１１の面１１ｂに形成されたグランドエレメント１３とグランドパターン２２２とは不図示の配線により接続されている。

アンテナモジュール２０２では、誘電体基板１１の面１１ａと回路基板２２０の面２２１ｂとが対向し、誘電体基板１１と回路基板２２０との間にスペーサ２３２が入れられた状態で、スペーサ２３２の内部の接続ピン２３１により接続されている。従って、スペーサ２３２により誘電体基板１１と回路基板２２０とが一定の間隔に保たれている。

アンテナモジュール２０２では、グランドパターン２２２とアンテナエレメント１２とが対向し、電子部品２１１、２１２、２１３とアンテナエレメント１２との間には、接地電位に接続されたグランドパターン２２２が位置する。従って、電子部品２１１、２１２、２１３で発生した電磁波等のノイズはグランドパターン２２２で遮断されるため、アンテナエレメント１２に影響を与えることはない。

以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。

１０ パッチアンテナ
１１ 誘電体基板
１２ アンテナエレメント
１３ グランドエレメント
２０ 金属導体板
１００ アンテナ
２０１ アンテナモジュール
２１０ 回路基板
２１１、２１２、２１３ 電子部品
２１４ 貫通電極

Claims (4)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の一方の面に形成されたアンテナエレメントと、
   前記誘電体基板の他方の面に形成されたグランドエレメントと、
   前記誘電体基板の一方の面の側に設けられ、前記グランドエレメントよりも大きい金属導体板と、
   を有することを特徴とするアンテナ。
2. 前記金属導体板は接地電位に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 内部にグランドエレメントとなる導体層を有する誘電体基板と、
   前記誘電体基板の一方の面に形成されたアンテナエレメントと、
   前記誘電体基板の他方の面に搭載された電子部品と、
   前記誘電体基板の一方の面の側に設けられ、前記グランドエレメントよりも大きい金属導体板と、
   を有することを特徴とするアンテナモジュール。
4. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板の一方の面に形成されたアンテナエレメントと、
   前記誘電体基板の他方の面に形成されたグランドエレメントと、
   一方の面に電子部品が搭載された回路基板と、
   前記回路基板の他方の面に形成され、前記グランドエレメントよりも大きいグランドパターンと、
   を有し、
   前記誘電体基板の一方の面と、前記回路基板の他方の面とは対向していることを特徴とするアンテナモジュール。

Images